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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines Kurzschlussanzeigers für die Erkennung eines Kurzschlusses und/oder eines Erdschlusses in einem angeschlossenen Spannungsnetz mittels einer Auswerteeinheit.
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Der Begriff Kurzschlussanzeiger umfasst im Sinne der Erfindung auch Erdschlussanzeiger sowie verwandte Geräte- und Gerätefunktionen die insbesondere in elektrischen Mittelspannungsnetzen Kurzschlüsse, Erdschlüsse und besondere Betriebszustände erfassen, um diese für eine Anzeige, Meldung, Handlung oder weitere Verarbeitung bereitzustellen.
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Derartige Kurzschlussanzeiger werden verwendet, um einen Kurzschluss im Spannungsnetz zu erkennen und die Richtung des Kurzschlusses im Spannungsnetz ausgehend von der Position des Kurzschlussanzeigers im Spannungsnetz zu bestimmen, so dass die Ursache des Kurzschlusses schneller gefunden werden kann. Dies ist insbesondere dann besonders vorteilhaft, wenn in das Spannungsnetz dezentrale Einspeisungen, zum Beispiel durch Photovoltaik- oder Windparkanlagen erfolgen, da in diesem Fall aus zwei Richtungen auf den Fehler gespeist wird, so dass der Fehlerort durch einfache Kurzschlussanzeiger ohne Richtungsinformationen nicht einfach aufgefunden werden kann.
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Derartige Kurzschlussanzeiger benötigen für die Richtungsbestimmung des Kurzschlusses genaue Information über die Normalwerte der Betriebsstromstärke und der Betriebsspannung der einzelnen Phasen des angeschlossenen Spannungsnetzes. Diese Werte werden mittels Sensoren der Auswerteeinheit während des Normalbetriebs des Spannungsnetzes gemessen, so dass die Auswerteeinheit für das angeschlossene Spannungsnetz jeweils kalibriert werden kann. Bei bekannten Kurzschlussanzeigern erfolgt dies manuell, indem der Nutzer das Spannungsnetz beobachtet und anhand von mehreren Messgrößen bestimmt, ob ein Normalbetrieb vorliegt. Wenn der Nutzer zu dem Schluss kommt, dass ein Normalbetrieb vorliegt, initiiert er einen Kalibriermodus, wodurch der Kurzschlussanzeiger auf die aktuellen Normalwerte des Spannungsnetzes kalibriert wird.
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Ein derartiges Verfahren ist aufwändig, da es ein Fachwissen des Nutzers voraussetzt und eine manuelle Interaktion des Nutzers erfordert.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kalibrierung eines Kurzschlussanzeigers und einen Kurzschlussanzeiger mit Richtungsbestimmung zur Verfügung zu stellen, bei denen die Kalibrierung für das angeschlossene Spannungsnetz möglichst einfach, zuverlässig und schnell durchgeführt werden kann.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Kalibrierung eines Kurzschlussanzeigers für die Erkennung eines Kurzschlusses und/oder eines Erdschlusses in einem angeschlossenen Spannungsnetz mittels einer Auswerteeinheit gelöst, wobei eine Kalibriereinheit selbsttätig mindestens einen für den Normalbetrieb des Spannungsnetzes charakteristischen Wert der Ströme und/oder der Spannungen der Phasen des Spannungsnetzes misst und überprüft, ob der gemessene charakteristische Wert innerhalb eines den Normalbetrieb kennzeichnenden Gültigkeitsbereiches liegt, wobei die Kalibriereinheit bei einer erfolgreichen Überprüfung die Normalwerte der Spannungen und/oder der Ströme aller Phasen des Spannungsnetzes misst und der Auswerteeinheit für die Erkennung des Kurzschlusses und/oder des Erdschlusses und der Richtung des Fehlerortes in dem Spannungsnetz zur Verfügung stellt.
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Zudem wird die Aufgabe durch einen Kurzschlussanzeiger gelöst, der eine Auswerteeinheit umfasst, die mittels Normalwerten der Ströme und/oder Spannungen der Phasen eines angeschlossenen Spannungsnetzes für das Spannungsnetz kalibrierbar ist, mittels Strom- und/oder Spannungssensoren ein Auftreten und eine Positionsrichtung eines Kurzschlusses und/oder eines Erdschlusses in dem Spannungsnetz erkennt und eine Kalibriereinheit zur Durchführung des obigen Verfahrens aufweist
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Durch die selbsttätige Überprüfung eines charakteristischen Wertes für den Normalbetrieb des Spannungsnetzes kann sich der Kurzschlussanzeiger selbsttätig und automatisch kalibrieren, so dass keine Interaktion eines Nutzers für die Inbetriebnahme des Kurzschlussanzeigers nötig ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wiederholt die Kalibriereinheit über einen bestimmten Zeitraum mehrere Mess- und Prüfzyklen, bestimmt statistische Mittelwerte der Normalwerte für den Zeitraum und stellt diese Mittelwerte der Auswerteeinheit für die Erkennung des Kurzschlusses und/oder des Erdschlusses und der Richtung des Fehlerortes in dem Spannungsnetz zur Verfügung. Dies ermöglicht eine genauere Bestimmung der Normalwerte unabhängig von zeitpunktspezifischen Abweichungen durch außergewöhnliche Lasten.
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Weitere Ausführungsformen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der Figurenbeschreibung und den Unteransprüchen beschrieben.
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Es zeigen:
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1 ein Anschlussdiagramm eines erfindungsgemäßen Kurzschlussanzeigers,
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2 ein Ablaufdiagramm der Kalibrierung eines erfindungsgemäßen Kurzschlussanzeigers.
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In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Zu der anschließenden Beschreibung wird beansprucht, dass die Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele und dabei nicht auf alle oder mehrere Merkmale von beschriebenen Merkmalskombinationen beschränkt ist, vielmehr ist jedes einzelne Teilmerkmal des/jedes Ausführungsbeispiels auch losgelöst von allen anderen im Zusammenhang damit beschriebenen Teilmerkmalen für sich und auch in Kombination mit beliebigen Merkmalen eines anderen Ausführungsbeispiels von Bedeutung für den Gegenstand der Erfindung.
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In 1 ist ein Anschlussdiagramm eines erfindungsgemäßen Kurzschlussanzeigers 1 dargestellt. Der Kurzschlussanzeiger 1 umfasst eine Auswerteeinheit 3, die über mit dem Kurzschlussanzeiger verbundene Strom- und Spannungssensoren einen Kurzschluss oder einen Erdschluss in einem Spannungsnetz 5, insbesondere einem dreiphasigen Mittelspannungsnetz, erkennt und die Richtung des Fehlerortes ausgehend von dem Standort des Kurzschlussanzeigers 1 bestimmt. Dazu sind im Betrieb des Kurzschlussanzeigers 1 Spannungsschnittstellen U1, U2, U3 des Kurzschlussanzeigers 1 über einen kapazitiven Spannungsteiler 7 mittels Spannungssensoren mit den Phasen 1A, 1B, 1C des Spannungsnetzes 5 verbunden. Außerdem sind im Betrieb Stromschnittstellen I1, I2, I3 des Kurzschlussanzeigers über induktive Messwertgeber 9 mit den Phasen 1A, 1B, 1C des Spannungsnetzes 5 verbunden.
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Alternativ oder zusätzlich kann eine Stromschnittstelle IE über einen induktiven Summenstrom-Messwertgeber 11 mit dem Spannungsnetz 5 verbunden sein.
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Der Kurzschlussanzeiger 1 umfasst als Teil der Auswerteeinheit 3 zudem einen Mikrocontroller 13 mit einem Speicher und mit A/D-Wandlern, die die gemessenen Ströme und Spannungen in digitale Werte umwandeln, mittels derer die gemessenen Werte an den Stromschnittstellen I1, I2, I3, IE und/oder den Spannungsschnittstellen U1, U2, U3 ausgewertet werden können und der Kurzschluss und/oder der Erdschluss und dessen Richtung bestimmt werden können. Dazu misst und überprüft der Kurzschlussanzeiger 1 kontinuierlich die aktuellen Ströme und/oder Spannungen der Phasen 1A, 1B, 1C des Spannungsnetzes 5 und erkennt bei einem Eintreten von bestimmten Veränderungen der Ströme und/oder Spannungen den Kurzschluss und/oder den Erdschluss. Damit eine zuverlässige Fehlererkennung und Richtungsbestimmung möglich ist, vergleicht die Auswerteeinheit 3 die aktuellen Ströme und/oder Spannungen der Phasen 1A, 1B, 1C mit in dem Speicher des Mikrocontrollers 13 abgespeicherten Normalwerten des Normalbetriebs des Spannungsnetzes 5. Die Normalwerte sind dabei genau an das angeschlossene Spannungsnetz 5 und dessen Normalbetrieb angepasst, so dass der Kurzschlussanzeiger 1 für das angeschlossene Spannungsnetz 5 kalibriert ist.
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Der erfindungsgemäße Kurzschlussanzeiger 1 umfasst eine Kalibriereinheit 2, die insbesondere mit der Auswerteeinheit 3 in dem Mikrocontroller 13 integriert sein kann. Die Kalibriereinheit 2 ist mit den Stromschnittstellen I1, I2, I3 und/oder den Spannungsschnittstellen U1, U2, U3 verbunden. Dazu sind insbesondere zwischen den Stromschnittstellen I1, I2, I3, IE und den Spannungsschnittstellen U1, U2, U3 Eingangsstufen 4a, 4b zwischengeschaltet, die die Phasenströme und/oder Phasenspannungen des Spannungsnetzes 5 entsprechend skalieren, so dass sie von der Kalibriereinheit 2 und der Auswerteeinheit 3 und insbesondere von den A/D Wandlern und dem Mikroprozessor 13 verarbeitet werden können. Die Kalibriereinheit 2 bestimmt während des Normalbetriebs des Spannungsnetzes 5 die Normalwerte der Phasenströme und/oder der Phasenspannungen selbsttätig, d. h. ohne eine Aktion eines Nutzers. Nach einer erfolgreichen Kalibrierung verwendet die Auswerteeinheit 3 die von der Kalibriereinheit 2 bestimmten Normalwerte bei der Erkennung des Kurzschlusses und/oder des Erdschlusses und der Richtung des Fehlers in dem Spannungsnetz 5.
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Nach dem Start der Kalibrierung durch Einschalten einer Spannungsversorgung 15, 16, 17 des Kurzschlussanzeigers 1 oder durch Anschließen des Spannungsnetzes 5 an den Kurzschlussanzeiger 1 misst die Kalibriereinheit 2 an den Spannungsschnittstellen U1, U2, U3 und/oder den Stromschnittstellen I1, I2, I3, IE mindestens einen für den Normalbetrieb des Spannungsnetzes charakteristischen Wert der Spannungen und/oder der Ströme in den Phasen 1A, 1B, 1C. Der gemessene charakteristische Wert wird mit in dem Speicher abgespeicherten Gültigkeitsbereichen für den Normalbetrieb bestimmter Spannungsnetze 5 verglichen, so dass die Kalibriereinheit 2 zunächst feststellt, ob sich das angeschlossene Spannungsnetz 5 im Normalbetrieb befindet. Sind alle gemessenen charakteristischen Werte in den Gültigkeitsbereichen für den Normalbetrieb, so werden die für die Kalibrierung erforderlichen Normalwerte, insbesondere die Phasenspannungen und die Phasenwinkel der Ströme und/oder der Spannungen der einzelnen Phasen 1A, 1B, 1C, gemessen und in dem Speicher für eine nachfolgende Verwendung durch die Auswerteeinheit 3 abgespeichert. Falls einer der gemessenen charakteristischen Werte nicht in seinem Gültigkeitsbereich liegt, so wird die Kalibrierung abgebrochen. Vorteilhafterweise wird in diesem Fall eine Fehlermeldung, dass eine Kalibrierung nicht möglich ist, für den Nutzer durch den Kurzschlussanzeiger 1 ausgegeben.
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In einer Ausführungsform des Kurzschlussanzeigers 1 umfasst der Kurzschlussanzeiger 1 einen Spannungswandler 14a, 14b, der einen Gleichrichter umfasst und die Energieversorgung des Kurzschlussanzeigers 1 aus dem über die Stromschnittstellen I1, L2, L3, IE oder die Spannungsschnittstellen U1, U2 U3 angeschlossenen Spannungsnetz 5 zur Verfügung stellt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Kurzschlussanzeigers 1 weist der Kurzschlussanzeiger 1 einen Energiespeicher 16, insbesondere eine Batterie oder eine wiederaufladbare Batterie auf, der insbesondere durch die Energieversorgung des Kurzschlussanzeigers 1 aufladbar ist, und insbesondere bei einer Trennung der Energieversorgung die nötige Energie für den Kurzschlussanzeiger 1 zur Verfügung stellt.
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In einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kurzschlussanzeigers 1 umfasst der Kurzschlussanzeiger 1 eine Kommunikationsschnittstelle, insbesondere einen USB Port 15, über den die Energieversorgung für den Kurzschlussanzeiger 1 durch eine externe Spannungsquelle zur Verfügung gestellt werden kann.
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Vorteilhafterweise umfasst der Kurzschlussanzeiger 1 einen Spannungswandler 17 für den Anschluss einer externen Energiequelle.
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In 2 ist ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kalibrierung eines erfindungsgemäßen Kurzschlussanzeigers 1 gezeigt. Das hier dargestellte Verfahren umfasst Prüfungen mehrerer charakteristischen Werte mit einem für den jeweiligen charakteristischen Wert passenden Gültigkeitsbereich für den Normalbetrieb des Spannungsnetzes. Erfindungsgemäß muss mindestens einer dieser Werte geprüft werden, so dass die Kalibriereinheit 2 einen Normalbetrieb erkennen kann. Je mehr Prüfungen von unterschiedlichen charakteristischen Werten durchgeführt werden, umso zuverlässiger kann der Normalbetrieb erkannt werden. Demnach ist erfindungsgemäß eine beliebige Kombination der Prüfungen verschiedener charakteristischer Werte möglich.
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Die Kalibrierung startet selbsttätig, d. h. ohne eine Aktion eines Nutzers, nach dem Anschließen des Kurzschlussanzeigers 1 an das Spannungsnetz 5 beziehungsweise nach dem Einschalten einer Spannungsversorgung 14a, 14b, 15, 16, 17 des Kurzschlussanzeigers 1.
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In einer ersten erfindungsgemäßen Prüfung P1 der Kalibriereinheit 2 wird der Betrag der Spannung und/oder des Stroms der einzelnen Phasen 1A, 1B, 1C gemessen und mit einem Gültigkeitsbereich für den Betrag im Normalbetrieb verglichen.
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In einer zweiten erfindungsgemäßen Prüfung P2 der Kalibriereinheit 2 werden die Spannungsdifferenz und/oder die Stromdifferenz zweier Phasen 1A, 1B, 1C gemessen und mit einem Gültigkeitsbereich für die Differenz im Normalbetrieb verglichen.
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In einer dritten erfindungsgemäßen Prüfung P3 der Kalibriereinheit 2 wird die Phasenfolge der gemessenen Spannungen und/oder Ströme in den einzelnen Phasen 1A, 1B, 1C bestimmt und mit einer gültigen gespeicherten Phasenfolge im Normalbetrieb, insbesondere der Phasenfolge 0°–120°–240°, verglichen.
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In einer vierten erfindungsgemäßen Prüfung P4 der Kalibriereinheit 2 wird die Phasenlage der gemessenen Spannungen und/oder Ströme der einzelnen Phasen 1A, 1B, 1C bestimmt und mit einem gespeicherten Gültigkeitsbereich der Phasenlage im Normalbetrieb verglichen.
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In einer fünften erfindungsgemäßen Prüfung P5 der Kalibriereinheit 2 wird die Verlagerungsspannung UNE der Phasen 1A, 1B, 1C bestimmt und mit einem Gültigkeitsbereich für die Verlagerungsspannung im Normalbetrieb verglichen.
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In einer sechsten erfindungsgemäßen Prüfung P6 der Kalibriereinheit 2 wird der Erdstrom der Phasen 1A, 1B, 1C bestimmt und mit einem Gültigkeitsbereich für den Erdstrom im Normalbetrieb verglichen.
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Erfindungsgemäß reicht nach der Bestimmung des Normalbetriebs durch die Kalibriereinheit 2 eine einzelne Messung der Normalwerte, insbesondere der Phasenspannungen und der Phasenwinkel der Ströme und/oder der Spannungen der einzelnen Phasen aus, um gültige Normalwerte des Spannungsnetzes 5 für die Auswerteeinheit zur Verfügung zu stellen.
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Die Normalwerte können jedoch über eine bestimmte Zeit während des Normalbetriebs schwanken, da die Last des Spannungsnetzes 5 zum Beispiel je nach Tageszeit stark unterschiedlich sein kann. Durch eine mehrfache Wiederholung der Messung und eine statistische Mittelwertbildung der gültigen Normalwerte können die Abweichungen der gültigen Normalwerte statistisch ausgeglichen werden, so dass die Genauigkeit der Normalwerte verbessert werden kann. Insbesondere erfolgt die Kalibrierung durch die Kalibriereinheit 2 über einen Zeitraum von 24 Stunden. Nach der Messung des letzten gültigen Normalwertes und der endgültigen Bestimmung der statistischen Normalwerte, zum Beispiel als Mittelwerte aller gemessenen gültigen Normalwerte, wird der statistische Normalwert am Ende des Zeitraums im Speicher für die Verwendung durch die Auswerteeinheit 3 abspeichert.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungen. Es wird ausdrücklich betont, dass die Ausführungsbeispiele nicht auf alle Merkmale in Kombination beschränkt sind, vielmehr kann jedes einzelne Teilmerkmal auch losgelöst von allen anderen Teilmerkmalen für sich eine erfinderische Bedeutung haben. Ferner ist die Erfindung bislang auch noch nicht auf die im Anspruch 1 definierte Merkmalskombination beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sind. Dies bedeutet, dass grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal des Anspruchs 1 weggelassen bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007007167 A1 [0003]
