DE102015108538B4

DE102015108538B4 - Detektionsverfahren und Detektionseinrichtung für Fehlerlichtbögen

Info

Publication number: DE102015108538B4
Application number: DE102015108538.0A
Authority: DE
Inventors: Wei Gang Chen; Feng Du; Sebastian Haas; Yue Zhuo
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-05-30
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2024-03-07
Anticipated expiration: 2035-05-30
Also published as: US20150346261A1; US9897640B2; DE102015108538A1; CN105445611A; CN105445611B

Abstract

Detektionsverfahren für Fehlerlichtbögen, umfassend:(a) Abtastung eines Augenblicksstromwertes einer Schaltung;(b) Verwendung des besagten Augenblicksstromwertes zur Vorhersage des Stromscheitelwertes, wenn der vorhergesagte Stromscheitelwert größer als der voreingestellte Schwellenwert ist, Feststellung, dass ein Auftreten eines ersten Energiefehlerlichtbogens bevorsteht; und(c) Durchführung eines Vergleichs der Zeitbereichsmerkmale oder Frequenzbereichsmerkmale des besagten Augenblicksstromwertes mit den referentiellen Zeitbereichsmerkmalen oder Frequenzbereichsmerkmalen des Stroms des Fehlerlichtbogens dieser Schaltung, wenn die Ähnlichkeit der Zeitbereichsmerkmale oder Frequenzbereichsmerkmale des besagten Augenblicksstroms mit den referentiellen Zeitbereichsmerkmalen oder Frequenzbereichsmerkmalen des Stroms des Fehlerlichtbogens dieser Schaltung einen voreingestellten Bereich erreicht, Feststellung, dass ein zweiter Energiefehlerlichtbogen auftritt.

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft das technische Gebiet von Schaltungen, betrifft konkret ein Detektionsverfahren und eine Detektionseinrichtung für Fehlerschaltungen.
Stand der Technik
Durch die Verwendung von Elektrizität hervorgerufene elektrische Brände haben im Laufe der Jahre zugenommen und bilden bereits den Hauptgrund für das Auslösen von Bränden. Jetzige elektrische Geräte mit Überstromschutz und mit Fehlerstromschutz können nicht die Gefahr von Bränden verringern, die durch Lichtbogenfehler hervorgerufen werden, Unfälle mit solchen elektrischen Bränden betragen etwa 30% aller elektrischen Brände. Detektionseinrichtungen für Lichtbogenfehler sind neuartige elektrische Geräte für den Lichtbogenfehlerschutz, sie können Lichtbogenfehler in den elektrischen Leitungen ermitteln, vor dem Auslösen eines elektrischen Brandes die Schaltung unterbrechen und durch Lichtbogenfehler der Terminalschaltung hervorgerufene elektrische Brände effektiv verhindern. Lichtbogenfehler-Leistungsschalter kompensieren die Unzulänglichkeiten anderer Schutzeinrichtungen und erhöhen das Niveau des Schutzes vor elektrischen Bränden enorm.
Einige jetzige Detektionseinrichtungen und -verfahren für Lichtbogenfehler verwenden physikalische Merkmale wie die Stärke des Lichtbogenlichts und zusätzlich in Echtzeit ermittelte Überstromamplituden und Überstrom-Änderungsraten als Erkennungsmerkmal für Fehlerlichtbögen. Dieses Verfahren weist nachfolgende Mängel auf.
Als erstes führt die Ermittlung der Überstromamplitude oder der Überstrom-Änderungsrate dazu, dass die Erkennung des Lichtbogens zeitlich relativ spät erfolgt. Gleichzeitig ist die Lichtbogenlichtstärke einiger Lichtbögen mit geringer Energie aufgrund der zu geringen Stärke nicht erkennbar. Deshalb ist es unmöglich, diese Fehlerlichtbögen mit geringer Energie in einer frühzeitigen Stufe zu erkennen. Diese Fehlerlichtbögen mit geringer Energie können sich zu Fehlerlichtbögen mit hoher Energie entwickeln, wodurch relativ große Schäden herbeigeführt werden. Deshalb wird stets gehofft, dass das Auftreten von Fehlerlichtbögen frühzeitig ermittelt wird, damit, wenn der Fehlerlichtbogen noch nicht für eine Beschädigung der Leistungsschalteranlage ausreicht, rechtzeitig eine Auslösung und Lichtbogenlöschung erfolgen, wodurch die Mitarbeiter, die elektrischen Anlagen und die elektrischen Systeme geschützt werden und die Lebensdauer der elektrischen Anlagen und elektrischen Systeme verlängert wird. Gleichzeitig wird das Niveau des Schutzes vor elektrischen Bränden erhöht.
Zum Zweiten können in regulären elektrischen Leitungen eine große Anzahl von regulären Lichtbögen existieren, zum Beispiel bei der Betätigung von Schaltgeräten erzeugte Lichtbögen, von Elektromotorbürsten erzeugte Lichtbögen, von Lichtbogenschweißgeräten erzeugte Lichtbögen, beim Einstecken und Herausziehen eines Steckers erzeugte Lichtbögen usw. Außerdem können viele elektronische Anlagen ebenfalls den Fehlerlichtbögen ähnliche Stromwellenformen und Spannungswellenformen erzeugen. Deshalb müssen Lichtbogenfehler-Leistungsschalter korrekt zwischen regulären Lichtbögen und Fehlerlichtbögen unterscheiden können, auf diese Weise ist es erst möglich, schnell und effektiv einen Schutz bereitzustellen und gleichzeitig das Auftreten von fehlerhaften Aktionen zu verhindern, das ist der technische Kern von Lichtbogenfehler-Leistungsschaltern.
Schließlich ist es für elektrische Systeme, die über eine ZSI-Funktion (Zone-Selective Interlocking) verfügen, umso wichtiger, das Auftreten von Fehlerlichtbögen frühzeitig zu ermitteln. In der Verwendung von elektrischen Systemen mit ZSI-Funktion entsprechen die Leistungsschalter Schaltungen unterschiedlicher Stufen, wenn in einer nachgeordneten Schaltung ein Fehler auftritt, löst der Leistungsschalter, der dieser nachgeordneten Schaltung entspricht, schnell aus, gleichzeitig wird die vorgeordnete Schaltung gesperrt, um die zonenselektive Abstimmung zu realisieren. Falls es jedoch nicht möglich ist, das Auftreten von Fehlerlichtbögen frühzeitig zu ermitteln und somit eine vorzeitige Strombegrenzung unmöglich ist, treten sehr wahrscheinlich Fälle ein, dass Schaltungen zweier unterschiedlicher Stufen gleichzeitig geschützt werden, was die Realisierung der ZSI-Funktion beeinträchtigt.
Gegenstand der Erfindung
Die Ausführungsbeispiele dieser Erfindung stellen ein Detektionsverfahren und eine Detektionseinrichtung für Fehlerschaltungen bereit, die vor dem Auftreten von Fehlerlichtbögen das Auftreten von Fehlerlichtbögen rechtzeitig vorhersagen können.
Ein Ausführungsbeispiel dieser Erfindung stellt ein Detektionsverfahren für Fehlerlichtbögen bereit, wobei dieses Verfahren umfasst: (a) Abtastung eines Augenblicksstromwertes einer Schaltung; (b) Verwendung des besagten Augenblicksstromwertes zur Vorhersage des Stromscheitelwertes, wenn der vorhergesagte Stromscheitelwert größer als der voreingestellte Schwellenwert ist, Feststellung, dass ein Auftreten eines ersten Energiefehlerlichtbogens bevorsteht; und (c) Durchführung eines Vergleichs der Zeitbereichsmerkmale oder Frequenzbereichsmerkmale des besagten Augenblicksstromwertes mit den referentiellen Zeitbereichsmerkmalen oder Frequenzbereichsmerkmalen des Stroms des Fehlerlichtbogens dieser Schaltung, wenn die Ähnlichkeit der Zeitbereichsmerkmale oder Frequenzbereichsmerkmale des besagten Augenblicksstroms mit den referentiellen Zeitbereichsmerkmalen oder Frequenzbereichsmerkmalen des Stroms des Fehlerlichtbogens dieser Schaltung einen voreingestellten Bereich erreicht, Feststellung, dass ein zweiter Energiefehlerlichtbogen auftritt.
Das genannte Detektionsverfahren für Fehlerlichtbögen kann, bevor der Strom den Scheitelwert erreicht, rechtzeitig das Auftreten von Fehlerlichtbögen vorhersagen und kann verschiedene Typen von Fehlerlichtbögen unterscheiden. Die Methode, die in Schritt (b) für die Vorhersage des Stromscheitelwertes verwendet wird, muss kürzer sein als die Zeit, die in Schritt (c) für die Methode des Merkmalsvergleichs erforderlich ist, deshalb kann der genannte Algorithmus relativ frühzeitig durch die Vorhersagemethode einen Kurzschluss-Fehlerlichtbogen ermitteln. Im Vergleich mit jetzigen Methoden der Echtzeit-Ermittlung von Überstromamplituden und Überstrom-Änderungsraten erfolgt die Ermittlung von Fehlerlichtbögen mit dem genannten Verfahren der Ausführungsbeispiele dieser Erfindung zeitlich früher. Weil es möglich ist, Fehlerlichtbögen relativ frühzeitig vorherzusagen, kann diese Erfindung die Schäden verringern, die von Starkstrom-Fehlerlichtbögen hervorgerufen werden. Gleichzeitig kann diese Erfindung außerdem Niederstrom-Fehlerlichtbögen erkennen und deshalb vermeiden, dass sich Niederstrom-Fehlerlichtbögen zu Starkstrom-Fehlerlichtbögen entwickeln. Des Weiteren wird durch die Unterscheidung von Kurzschluss-Fehlerlichtbögen und Schwachstrom-Fehlerlichtbögen erreicht, dass beim Auftreten von Schwachstrom-Fehlerlichtbögen die Durchführung von Aktionen zur Lichtbogenlöschung vermieden werden kann.
Bevorzugt umfasst das besagte Verfahren außerdem: Abtastung der physikalischen Merkmale des besagten Schaltungslichtbogens, Durchführung eines Vergleichs der abgetasteten physikalischen Merkmale des Schaltungslichtbogens mit der Bibliothek für physikalische Referenzmerkmale des Fehlerlichtbogens dieser Schaltung, wenn die Ähnlichkeit der abgetasteten physikalischen Merkmale mit den physikalischen Referenzmerkmalen des Fehlerlichtbogens dieser Schaltung einen voreingestellten Bereich erreicht und im besagten Schritt (b) das bevorstehende Auftreten eines ersten Energiefehlerlichtbogens festgestellt wird, werden der Leistungsschalter und der Lichtbogenlöscher an der besagten Schaltung zur Aktion veranlasst. Kurzschlussstrom wird nicht unbedingt einen hochenergetischen Fehlerlichtbogen erzeugen, das genannte Ausführungsbeispiel kann durch die Verknüpfung des Scheitelwertstroms und der physikalischen Merkmale des Lichtbogens genauer feststellen, ob ein hochenergetischer Fehlerlichtbogen auftreten kann.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel dieser Erfindung stellt eine Detektionseinrichtung für Fehlerschaltungen bereit, wobei diese Einrichtung umfasst: ein Stromabtastmodul für die Abtastung eines Augenblicksstromwertes einer Schaltung; ein Feststellungsmodul für erste Energiefehlerlichtbögen für die Verwendung des besagten Augenblicksstromwertes zur Vorhersage des Stromscheitelwertes, wenn der vorhergesagte Stromscheitelwert größer als der voreingestellte Schwellenwert ist, Feststellung, dass ein Auftreten eines ersten Energiefehlerlichtbogens bevorsteht; ein Feststellungsmodul für zweite Energiefehlerlichtbögen für die Durchführung eines Vergleichs der Zeitbereichsmerkmale oder Frequenzbereichsmerkmale des besagten Augenblicksstromwertes mit den referentiellen Zeitbereichsmerkmalen oder Frequenzbereichsmerkmalen des Stroms des Fehlerlichtbogens dieser Schaltung, wenn die Ähnlichkeit der Zeitbereichsmerkmale oder Frequenzbereichsmerkmale des besagten Augenblicksstroms mit den referentiellen Zeitbereichsmerkmalen oder Frequenzbereichsmerkmalen des Stroms des Fehlerlichtbogens dieser Schaltung einen voreingestellten Bereich erreicht, Feststellung, dass ein zweiter Energiefehlerlichtbogen auftritt.
Beschreibung der Zeichnungen

Zeichnung 1 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus eines elektrischen Systems, welches das Detektionsverfahren für Fehlerlichtbögen dieser Erfindung anwendet.
Zeichnung 2 zeigt ein Flussdiagramm eines Detektionsverfahrens für Fehlerlichtbögen in den Ausführungsbeispielen dieser Erfindung.
Zeichnungen 3A und 3B stellen ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel dieser Erfindung dar.
Zeichnung 4 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus eines weiteren elektrischen Systems, welches das Detektionsverfahren für Fehlerlichtbögen dieser Erfindung anwendet.
Zeichnung 5 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus der Detektionseinrichtung für Fehlerschaltungen in den Ausführungsbeispielen dieser Erfindung.

Konkrete Ausführungsformen
Um die Ziele, das technische Konzept und die Vorteile dieser Erfindung stärker zu verdeutlichen, werden nachfolgend beispielhaft die Ausführungsbeispiele dieser Erfindung weitergehend detailliert beschrieben.
Zeichnung 1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Systems, welches das Detektionsverfahren für Fehlerlichtbögen dieser Erfindung anwendet. Der Strom fließt von oben in dieses elektrische System und verlässt dieses elektrische System von unten. Zwecks Vereinfachung der nachfolgenden Darstellung werden hier die vorgelagerte Zweigschaltung dieses elektrischen Systems als Schaltung 1 und die zwei nachgelagerten Zweigschaltungen als Schaltung 2 und Schaltung 3 bezeichnet. Was hier als „vorgelagert“ und „nachgelagert“ bezeichnet wird, ist relativ zur Richtung des Stromflusses. An Schaltung 1, Schaltung 2 und Schaltung 3 sind die Leistungsschalter 1 für das Öffnen oder Schließen dieser Schaltungen und die Stromsensoren 2 für die Ermittlung des Augenblicksstroms dieser Schaltungen angeordnet. Bei den Leistungsschaltern 1 kann es sich um Niederspannungsleistungsschalter (MCCB), wie Offene Leistungsschalter (ACB) und Kompaktleistungsschalter usw., und um Miniaturleistungsschalter (MCB) usw. handeln. Bei den Stromsensoren 2 kann es sich um Luftkern-Stromtransformatoren, Eisenkern-Stromtransformatoren oder Hall-Stromsensoren handeln, die an jedem Leistungsschalter 1 montiert werden können. Dieses elektrische System ist außerdem mit einer Lichtbogenlöscheinrichtung 3 versehen, bei der es sich um eine beliebige Einrichtung handelt, die in der Lage ist, beim Auftreten eines Fehlerlichtbogens den Lichtbogen schnell zu löschen, zum Beispiel kann es sich um eine Lichtbogenlöscheinrichtung handeln, die einen metallischen Kurzschluss erzeugen kann. Wenn die Lichtbogenlöscheinrichtung 3 einen Lichtbogenlöschbefehl empfängt, der von einer Schaltung ausgesendet wurde, kann sie in Aktion treten.
Zeichnung 2 zeigt ein Flussdiagramm eines Detektionsverfahrens für Fehlerlichtbögen in den Ausführungsbeispielen dieser Erfindung. Dieses Detektionsverfahren für Fehlerlichtbögen umfasst folgende Schritte: Schritt (a), Abtastung eines Augenblicksstromwertes einer Schaltung; Schritt (b), Verwendung des besagten Augenblicksstromwertes zur Vorhersage des Stromscheitelwertes, wenn der vorhergesagte Stromscheitelwert größer als der voreingestellte Schwellenwert ist, Feststellung, dass ein Auftreten eines ersten Energiefehlerlichtbogens bevorsteht, hier handelt es sich bei einem ersten Energiefehlerlichtbogen um einen hochenergetischen Fehlerlichtbogen, der von einem Kurzschlussfehler bewirkt wurde; und Schritt (c), Durchführung eines Vergleichs der Zeitbereichsmerkmale oder Frequenzbereichsmerkmale des besagten Augenblicksstromwertes mit den referentiellen Zeitbereichsmerkmalen oder Frequenzbereichsmerkmalen des Stroms des Fehlerlichtbogens dieser Schaltung, wenn die Ähnlichkeit der Zeitbereichsmerkmale oder Frequenzbereichsmerkmale des besagten Augenblicksstroms mit den referentiellen Zeitbereichsmerkmalen oder Frequenzbereichsmerkmalen des Stroms des Fehlerlichtbogens dieser Schaltung einen voreingestellten Bereich erreicht, Feststellung, dass ein zweiter Energiefehlerlichtbogen auftritt.
Hier muss erklärt werden, dass in dieser Erfindung die Reihenfolge der Ausführung der Schritte (b) und (c) vertauscht werden kann, das heißt, es kann zuerst Schritt (b) ausgeführt und dann Schritt (c) ausgeführt werden, andersherum ist es ebenfalls möglich. Außerdem kann in Schritt (c) auch ein Vergleich der Zeitbereichsmerkmale und Frequenzbereichsmerkmale des Augenblicksstromwertes mit den referentiellen Zeitbereichsmerkmalen und Frequenzbereichsmerkmalen des Stroms des Fehlerlichtbogens dieser Schaltung durchgeführt werden, wobei das Wort „oder“ in den Ansprüchen auch die Methode des Vergleichs der beiden Arten von Merkmalen umfasst.
Konkret gesagt, werden in Schritt (a) unter Verwendung der in Zeichnung 1 dargestellten Stromsensoren 2 jeweils die Augenblicksströme an Schaltung 1, Schaltung 2 und Schaltung 3 ermittelt. Das heißt, der Strom in den Schaltungen wird n-mal kontinuierlich abgetastet, es werden n Augenblicksstromwerte erfasst, das heißt, es werden die Werte von i(t) festgestellt. Dabei handelt es sich bei n um eine ganze Zahl größer oder gleich 3. In Schritt (b) werden auf der Grundlage des jetzigen Vorhersagealgorithmus für Augenblicksstromwerte unter Verwendung der abgetasteten n Augenblicksstromwerte die Stromscheitelwerte vorhergesagt. Es gibt gegenwärtig eine Vielzahl von Vorhersagealgorithmen für die Vorhersage von Stromscheitelwerten. Zum Beispiel kann der von diesem Anmelder in dem zuerst angemeldeten chinesischen Patent CN 102798753A (Offenlegungsdatum: 28. November 2012) offenbarte Algorithmus für die Feststellung des Stromscheitelwertes I_peak verwendet werden. Die hier im gesamten Text angeführte Methode enthält den gesamten Inhalt in der Beschreibung der genannten Patentanmeldung. Zusammenfassend gesagt, verwendet dieser Algorithmus den Augenblicksstromwert, um basierend auf den auf die besagte Schaltung bezogenen Gleichungen des Ohmschen Gesetzes den Stromscheitelwert I_peak der Schaltung vorherzusagen, durch Ableitung kann folgende Formel hergeleitet werden: $I_{p e a k} = \sqrt{\frac{P^{2} + Q^{2}}{1 + γ^{2}}}$
In der Formel (1) ist eine Kombination der drei unbekannten Größen P, Q und y enthalten, unter Verwendung des an mindestens drei Zeitabtastpunkten gewonnenen Augenblicksstroms i(t) und des entsprechenden Integralwertes von i(t), I(f) =∫i(t)dt , können die Werte von P, Q und y berechnet werden. Im Weiteren können die den genannten Zeitabtastpunkten entsprechenden Stromscheitelwerte I_peak berechnet werden. Außerdem können noch dynamische Modelle, welche das nichtlineare Differenzieren nutzen, der Verhulst-Algorithmus in grauen Vorhersagemodellen usw. verwendet werden, wozu hier keine weiteren Beispiele angeführt werden.
Nach der Berechnung des vorhergesagten Stromscheitelwertes werden der vorhergesagte Stromscheitelwert und der voreingestellte Schwellenwert verglichen. Wenn der vorhergesagte Stromscheitelwert größer als der voreingestellte Schwellenwert ist, wird festgestellt, dass ein Auftreten eines ersten Energiefehlerlichtbogens bevorsteht. Der voreingestellte Schwellenwert kann gemäß früher vom elektrischen System erzeugten Stromscheitelwerten von Fehlerlichtbögen vorgegeben werden und kann auch durch empirische Forschungen gewonnen werden. Hier handelt es sich bei ersten Energiefehlerlichtbögen um hochenergetische Fehlerlichtbögen, die von Kurzschlussfehlern bewirkt werden. Falls festgestellt wird, dass an einer Schaltung (zum Beispiel Schaltung 1) das Auftreten eines ersten Energiefehlerlichtbogens bevorsteht, kann der Leistungsschalter 1 an dieser Schaltung zum Auslösen veranlasst werden. Außerdem kann noch an den Lichtbogenlöscher 3 dieser Schaltung ein Signal gesendet werden, dass sie veranlasst, mit der Lichtbogenlöschung zu beginnen.
Der Algorithmus im genannten Schritt (b) kann in den Auslöser ETU (Electronic Trip Unit) des Leistungsschalters 1 eingebettet sein und den Prozessor des Auslösers zur Ausführung dieses Algorithmus nutzen. Das heißt, der Leistungsschalter 1 kann die vom Stromsensor 2 gesammelten Augenblicksstromwerte empfangen, einen ersten Energiefehlerlichtbogen und einen zweiten Energiefehlerlichtbogen feststellen und an die Lichtbogenlöscheinrichtung 3 und den Auslöser des Leistungsschalters 1 ein Betätigungssignal senden. Natürlich kann auch ein unabhängiger Prozessor zur Ausführung dieses Algorithmus angeordnet werden.
Wenn die Ähnlichkeit der Zeitbereichsmerkmale oder Frequenzbereichsmerkmale des besagten Augenblicksstroms mit den referentiellen Zeitbereichsmerkmalen oder Frequenzbereichsmerkmalen des Stroms des Fehlerlichtbogens dieser Schaltung einen voreingestellten Bereich erreicht, wird festgestellt, dass ein zweiter Energiefehlerlichtbogen auftritt.
In Schritt (c) wird ein Vergleich der Zeitbereichsmerkmale oder Frequenzbereichsmerkmale des besagten Augenblicksstromwertes mit den referentiellen Zeitbereichsmerkmalen oder Frequenzbereichsmerkmalen des Stroms des Fehlerlichtbogens dieser Schaltung durchgeführt. Die Stromwellenform des Fehlerlichtbogens weist im Zeitbereich und im Frequenzbereich vom regulären Strom unterschiedliche Merkmale auf. Zum Beispiel existieren im Zeitbereich Merkmale der Wellenform des Fehlerlichtbogens wie Asymmetrie der positiven und negativen Halbperioden, flache Schulter und steile Wellenform. Im Frequenzbereich weisen die Stromwellenform von Fehlerlichtbögen und die spektrale Zusammensetzung von regulärem Strom sichtbare Unterschiede auf. Es können zuerst typische Merkmale der Stromwellenform von Fehlerlichtbögen einer Schaltung im Zeitbereich und Frequenzbereich extrahiert werden, wie Spektrum und Amplitude, die als Referenzmerkmalsbibliothek gespeichert werden. Bei der Ausführung des Detektionsverfahrens für Fehlerlichtbögen dieser Erfindung werden die Merkmale der abgetasteten Augenblicksstromwerte im Zeitbereich oder Frequenzbereich mit den Referenzmerkmalen des Stroms der Fehlerlichtbögen dieser Schaltung im Zeitbereich oder Frequenzbereich in der Referenzmerkmalsbibliothek verglichen. Falls der Übereinstimmungsgrad der Beiden den voreingestellten Bereich erreicht, wird festgestellt, dass ein zweiter Energiefehlerlichtbogen auftritt. Bei der Feststellung, dass an einer Schaltung ein zweiter Energiefehlerlichtbogen auftritt, kann der Leistungsschalter 1 an dieser Schaltung zum Auslösen veranlasst werden.
Es wird deutlich, dass das von den Ausführungsbeispielen dieser Erfindung bereitgestellte Detektionsverfahren für Fehlerlichtbögen vor dem Erreichen des Scheitelwertes durch den Augenblicksstrom den Fehlerstrom-Scheitelwert vorhersagen kann und im Weiteren in der Lage ist, Fehlerlichtbögen vorherzusagen, so dass das Eintreten von Stromscheitelwerten und hochenergetischen Fehlerlichtbögen in Schaltungen vermieden wird, wodurch die Schäden an elektrischen Anlagen und Systemen durch Fehlerlichtbögen verringert werden.
Für den Leistungsschalter 1, der über eine bereichsselektive Verriegelungsfunktion (ZSI) verfügt, kann die in den Zeichnungen 3A und 3B dargestellte Steuerlogik verwendet werden. Wenn festgestellt wird, dass an einer Schaltung (nachfolgend am Beispiel von Schaltung 1) ein zweiter Energiefehlerlichtbogen auftritt, wird, falls die Schaltung 1 kein bereichsselektives Verriegelungssignal der nachgeordneten Schaltung (Schaltung 2 und Schaltung 3) erhalten hat, der Leistungsschalter 1 der Schaltung 1 zur Aktion veranlasst, und an die vorgeordnete Schaltung (in der Zeichnung nicht dargestellt) wird ein bereichsselektives Verriegelungssignal gesendet; falls die Schaltung 1 ein bereichsselektives Verriegelungssignal der Schaltung 2 oder Schaltung 3 erhält, sendet die Schaltung 1 an die vorgeordnete Schaltung ein bereichsselektives Verriegelungssignal. Es zeigt sich, dass bei der Realisierung des ZSI-Schutzes diese Erfindung das Eintreten von Kurzschluss-Fehlerlichtbögen rechtzeitig ermitteln kann, die entsprechenden Schaltungen eher schützen kann und in der Lage ist, unnötige Unterbrechungen regulärer Schaltungen zu vermeiden.
Zeichnung 4 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus eines weiteren elektrischen Systems, welches das Detektionsverfahren für Fehlerlichtbögen dieser Erfindung anwendet. Auf der Grundlage des in Zeichnung 2 dieses Ausführungsbeispiels dargestellten elektrischen Systems wird außerdem für jede Schaltung ein Lichtsensor 4 angeordnet. Der Lichtsensor 4 dient der Ermittlung der Lichtbogenlichtstärke des Fehlerlichtbogens. Es können zuerst typische Merkmale der Lichtstärke von Fehlerlichtbögen einer Schaltung extrahiert werden, die als Referenzmerkmalsbibliothek gespeichert werden. Bei der Ausführung des Detektionsverfahrens für Fehlerlichtbögen dieser Erfindung werden die vom Lichtsensor 4 abgetasteten Lichtstärkemerkmale des Lichtbogenlichts mit den Referenzmerkmalen in der genannten Referenzmerkmalsbibliothek verglichen. Wenn die Ähnlichkeit der Beiden den voreingestellten Wertebereich erreicht und in Schritt (b) festgestellt wird, dass das Auftreten eines ersten Energiefehlerlichtbogens bevorsteht, wird der Leistungsschalter 1 an der entsprechenden Schaltung zur Aktion veranlasst und wird der Lichtbogenlöscher 3 der besagten Schaltung zur Aktion veranlasst. Dieses Ausführungsbeispiel nutzt die zwei Bedingungen des Merkmals der Lichtbogenlichtstärke von Lichtbögen und des vorhergesagten Stromscheitelwertes von Fehlerschaltungen um festzustellen, ob es erforderlich ist, den Leistungsschalter 1 und den Lichtbogenlöscher 3 zur Aktion zu veranlassen, und verringert weiter fehlerhafte Aktionen des Leistungsschalters 1 und des Lichtbogenlöschers 3.
In die ETU des Leistungsschalters 1 kann der Algorithmus im obigen Schritt (b) eingebettet werden, die ETU kann zur Ausführung dieses Algorithmus verwendet werden. Natürlich kann auch ein unabhängiger Prozessor zur Ausführung dieses Algorithmus angeordnet werden. In Zeichnung 4 werden mit dem Prozessor 5 eine ETU mit diesem eingebetteten Algorithmus oder ein unabhängiger Prozessor angezeigt. Der Prozessor 5 empfängt außerdem die vom Stromsensor 1 gesammelten Augenblicksstromwerte und die vom Lichtsensor 4 gesammelten Lichtstärkesignale und sendet gleichzeitig auch Aktionssignale an den Leistungsschalter 1 und den Lichtbogenlöscher 3.
In dem vorstehenden Ausführungsbeispiel können, außer der Verwendung eines Lichtsensors, außerdem Geräuschsensoren, Radiofrequenz-Temperatursensoren usw. zur Sammlung der typischen physikalischen Merkmale von Lichtbögen verwendet werden, so dass durch einen Vergleich der gesammelten typischen physikalischen Merkmale von Lichtbögen und der Merkmale in der Referenzmerkmalsbibliothek der Schaltung festgestellt wird, ob der Leistungsschalter 1 und der Lichtbogenlöscher 3 zur Aktion veranlasst werden.
Zeichnung 5 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus der Detektionseinrichtung für Fehlerschaltungen in den Ausführungsbeispielen dieser Erfindung. Wie Zeichnung 5 zeigt, umfasst diese Detektionseinrichtung: ein Stromabtastmodul 11 für die Abtastung eines Augenblicksstromwertes einer Schaltung, ein Feststellungsmodul für erste Energiefehlerlichtbögen 12 für die Verwendung des besagten Augenblicksstromwertes zur Vorhersage der Stromscheitelwerte, wenn der vorhergesagte Stromscheitelwert größer als der voreingestellte Schwellenwert ist, Feststellung, dass ein Auftreten eines ersten Energiefehlerlichtbogens bevorsteht; ein Feststellungsmodul für zweite Energiefehlerlichtbögen 13 für die Durchführung eines Vergleichs der Merkmale des abgetasteten besagten Augenblicksstromwertes im Zeitbereich und Frequenzbereich mit den Referenzmerkmalen des Stroms des Fehlerlichtbogens dieser Schaltung im Zeitbereich und Frequenzbereich in der Referenzmerkmalsbibliothek, wenn die Ähnlichkeit der Merkmale des abgetasteten Augenblicksstroms im Zeitbereich und Frequenzbereich mit den Referenzmerkmalen des Stroms des Fehlerlichtbogens dieser Schaltung im Zeitbereich und Frequenzbereich einen voreingestellten Bereich erreicht, Feststellung, dass ein zweiter Energiefehlerlichtbogen auftritt.
Das Feststellungsmodul für erste Energiefehlerlichtbögen 12 kann weitergehend umfassen: ein Stromintegralwert-Erfassungsmodul (121) für die Erfassung des Stromintegralwertes, der dem Abtastmoment des besagten Augenblicksstromwertes entspricht, ein Vorhersagemodul für Stromscheitelwerte I_peak (122) für die Verwendung des besagten Augenblicksstromwertes und des besagten Stromintegralwertes, um basierend auf den auf die besagte Schaltung bezogenen Gleichungen des Ohmschen Gesetzes den Stromscheitelwert I_peak der besagten Schaltung vorherzusagen, und wenn der vorhergesagte Stromscheitelwert I_peak der Schaltung größer als der voreingestellte Schwellenwert ist, festzustellen, dass ein Auftreten eines ersten Energiefehlerlichtbogens bevorsteht.
Die Detektionseinrichtung umfasst außerdem ein logisches Steuermodul 14 und ein bereichsselektives Verriegelungsmodul 15. Das logische Steuermodul 14 und das bereichsselektive Verriegelungsmodul 15 können durch die ETU des Leistungsschalters 1 realisiert werden, können auch durch einen unabhängigen Prozessor realisiert werden. Wenn das Feststellungsmodul für zweite Energiefehlerlichtbögen 13 feststellt, dass ein zweiter Energiefehlerlichtbogen auftritt, und die Schaltung kein bereichsselektives Verriegelungssignal der nachgeordneten Schaltung erhalten hat, veranlasst das logische Operationsmodul 14 den Leistungsschalter dieser Schaltung zur Aktion, und an die vorgeordnete Schaltung wird ein bereichsselektives Verriegelungssignal gesendet; falls diese Schaltung ein bereichsselektives Verriegelungssignal der nachgeordneten Schaltung erhält, sendet das besagte logische Steuermodul 14 an die vorgeordnete Schaltung ein bereichsselektives Verriegelungssignal.
Die Detektionseinrichtung umfasst außerdem ein Abtastmodul für physikalische Lichtbogenmerkmale 16 und Vergleichsmodul für physikalische Lichtbogenmerkmale 17. Das Abtastmodul für physikalische Lichtbogenmerkmale 16 dient der Abtastung von physikalischen Merkmalen, die von dem besagten Schaltungslichtbogen erzeugt werden. Das Vergleichsmodul für physikalische Lichtbogenmerkmale 17 dient der Durchführung eines Vergleichs der abgetasteten physikalischen Merkmale des Schaltungslichtbogens mit den Referenzmerkmalen in der Referenzmerkmalsbibliothek für Fehlerlichtbögen dieser Schaltung. Wenn die Ähnlichkeit der abgetasteten physikalischen Merkmale mit den Referenzmerkmalen des Fehlerlichtbogens dieser Schaltung einen voreingestellten Bereich erreicht und das besagte Feststellungsmodul für erste Energiefehlerlichtbögen 12 das bevorstehende Auftreten eines ersten Energiefehlerlichtbogens feststellt, veranlasst das logische Operationsmodul 14 den Leistungsschalter und den Lichtbogenlöscher an der Schaltung zur Aktion.
Fachleute auf diesem Gebiet wissen, dass die einzelnen Module der genannten Detektionseinrichtung nicht nur mit Software realisiert werden können, sondern außerdem mit Hardware-Schaltungen wie einem Field Programmable Gate Array (FPGA), einem ASIC-Chip, einem komplexen programmierbaren Logikchip CPLD (Complex Programmable Logic Device)) usw. realisiert werden können.

In der nachfolgenden Tabelle 1 werden die Ergebnisse der Überprüfung aufgeführt. In der Tabelle 1 werden 11 Prüfmuster dargestellt, diese Prüfmuster wurden gemäß der Internationalen Norm IEC/TR 61641 Geschlossene Niederspannungs-Schaltanlagen und Steueranlagen - Richtlinie für Prüfungen unter Bedingungen von Lichtbogenüberschlägen durch interne Fehler gewonnen. In der Tabelle in der ersten Spalte stehen die Dokumentbezeichnungen der Prüfmuster, in der zweiten Spalte die Phasenbezeichnung des Dreiphasenstromnetzes, in der dritten Spalte die Zeit für die Ermittlung des Fehlerlichtbogens gemäß dem Detektionsverfahren und der Detektionseinrichtung für Fehlerlichtbögen dieser Erfindung, in der vierten Spalte die Zeit gemäß der jetzigen Ermittlung des Fehlerlichtbogens von Strom in Echtzeit, in der fünften Spalte die Differenz zwischen der erforderlichen Zeit für die Ermittlung des Fehlerlichtbogens mit dieser Erfindung und der erforderlichen Zeit gemäß der Ermittlung des Fehlerlichtbogens von Strom in Echtzeit. Diese Prüfmuster bestätigen, dass diese Erfindung die Zeit für die Ermittlung von Fehlerlichtbögen in großem Umfang verringern kann. Tabelle 1

Dokumentbezeichnung	Phasenbezeichnung	Ermittlungszeit gemäß dieser Erfindung	Ermittlungszeit gemäß Echtzeitstromfluss	Zeitdifferenz
1081196	A	1,2	3,44	2,24
1081196	B	1,2	1,48	0,28
1081196	C	1,2	1, 64	0,44
1081199	A	2,36	3, 02	0, 66
1081199	B	1,18	1,36	0, 18
1081199	C	1,18	1,42	0,24
1081200	A	2, 62	2, 96	0,34
1081200	B	1,18	1,36	0,18
1081200	C	1,18	1,4	0,22
1081201	A	3, 84	4,22	0,38
1081201	B	1,18	1,36	0, 18
1081201	C	1,18	1,42	0,24
1081202	A	2, 8	3, 8	1
1081202	B	1,18	1,38	0,2
1081202	C	1,18	1,44	0,26
1081203	A	2,16	2,74	0,58
1081203	B	1,18	1,38	0,2
1081203	C	1,18	1,44	0,26
1081204	A	2,32	5, 62	3,3
1081204	B	1,18	1,4	0,22
1081204	C	1,18	1,36	0, 18
1081213	A	3, 14	4, 8	1, 66
1081213	B	1, 18	1, 62	0,44
1081213	C	1,18	1,48	0,3
1081214	A	2,82	4,74	1,92
1081214	B	1,18	1,58	0,4
1081214	C	1,18	1,46	0,28
1081215	A	4, 9	5,36	0,46
1081215	B	1, 18	1, 64	0,46
1081215	C	1,18	1,48	0,3
1081216	A	3,32	5,24	1,92
1081216	B	1, 18	1, 64	0,46
1081216	C	1,18	1,48	0,3

Bei der vorstehenden Beschreibung handelt es sich lediglich um bevorzugte Ausführungsbeispiele dieser Erfindung, die nicht der Beschränkung des Schutzumfangs dieser Erfindung dienen. Im konkreten Prozess der Ausführung können die bevorzugten Ausführungsbeispiele dieser Erfindung angemessen weiterentwickelt werden, um sie den konkreten Erfordernissen der konkreten Bedingungen anzupassen. Deshalb ist es nachvollziehbar, dass die in diesem Text genannten konkreten Ausführungsformen dieser Erfindung lediglich eine exemplarische Rolle spielen und nicht dazu dienen, den Schutzumfang dieser Erfindung einzuschränken.

Claims

Detektionsverfahren für Fehlerlichtbögen, umfassend: (a) Abtastung eines Augenblicksstromwertes einer Schaltung; (b) Verwendung des besagten Augenblicksstromwertes zur Vorhersage des Stromscheitelwertes, wenn der vorhergesagte Stromscheitelwert größer als der voreingestellte Schwellenwert ist, Feststellung, dass ein Auftreten eines ersten Energiefehlerlichtbogens bevorsteht; und (c) Durchführung eines Vergleichs der Zeitbereichsmerkmale oder Frequenzbereichsmerkmale des besagten Augenblicksstromwertes mit den referentiellen Zeitbereichsmerkmalen oder Frequenzbereichsmerkmalen des Stroms des Fehlerlichtbogens dieser Schaltung, wenn die Ähnlichkeit der Zeitbereichsmerkmale oder Frequenzbereichsmerkmale des besagten Augenblicksstroms mit den referentiellen Zeitbereichsmerkmalen oder Frequenzbereichsmerkmalen des Stroms des Fehlerlichtbogens dieser Schaltung einen voreingestellten Bereich erreicht, Feststellung, dass ein zweiter Energiefehlerlichtbogen auftritt.
Detektionsverfahren gemäß Anspruch 1, wobei der besagte Schritt (b) weitergehend umfasst: (b1) Erfassung des Stromintegralwertes, der dem Abtastmoment des besagten Augenblicksstromwertes entspricht, (b2) Verwendung des besagten Augenblicksstromwertes und des besagten Stromintegralwertes, um basierend auf den auf die besagte Schaltung bezogenen Gleichungen des Ohmschen Gesetzes den Stromscheitelwert I_peak der besagten Schaltung vorherzusagen, und wenn der Stromscheitelwert I_peak der besagten Schaltung größer als der voreingestellte Schwellenwert ist, festzustellen, dass ein Auftreten eines ersten Energiefehlerlichtbogens bevorsteht.
Detektionsverfahren gemäß Anspruch 1, wobei bei der Feststellung, dass das Auftreten eines ersten Energiefehlerlichtbogens bevorsteht, ein Leistungsschalter an der besagten Schaltung zur Aktion veranlasst wird.
Detektionsverfahren gemäß Anspruch 3, wobei bei der Feststellung, dass das Auftreten eines ersten Energiefehlerlichtbogens bevorsteht, ein Lichtbogenlöscher der besagten Schaltung zur Aktion veranlasst wird.
Detektionsverfahren gemäß Anspruch 1, wobei bei der Feststellung, dass das Auftreten eines zweiten Energiefehlerlichtbogens bevorsteht, ein Leistungsschalter an der besagten Schaltung zur Aktion veranlasst wird.
Detektionsverfahren gemäß Anspruch 1, wobei in dem Fall, dass die besagte Schaltung einen Leistungsschalter mit einer bereichsselektiven Verriegelungsfunktion aufweist, wenn festgestellt wird, dass ein zweiter Energiefehlerlichtbogen auftritt, und falls die besagte Schaltung kein bereichsselektives Verriegelungssignal der nachgeordneten Schaltung erhalten hat, der Leistungsschalter der besagten Schaltung zur Aktion veranlasst wird und an die vorgeordnete Schaltung ein bereichsselektives Verriegelungssignal gesendet wird; falls die besagte Schaltung ein bereichsselektives Verriegelungssignal der nachgeordneten Schaltung erhält, sendet die besagte Schaltung an die vorgeordnete Schaltung ein bereichsselektives Verriegelungssignal.
Detektionsverfahren gemäß Anspruch 1, das besagte Verfahren umfasst außerdem: Abtastung der physikalischen Merkmale eines Schaltungslichtbogens, Durchführung eines Vergleichs der abgetasteten physikalischen Merkmale des Schaltungslichtbogens mit der Bibliothek für physikalische Referenzmerkmale des Fehlerlichtbogens dieser Schaltung, wenn die Ähnlichkeit der abgetasteten physikalischen Merkmale mit den physikalischen Referenzmerkmalen des Fehlerlichtbogens dieser Schaltung einen voreingestellten Bereich erreicht und im besagten Schritt (b) das bevorstehende Auftreten eines ersten Energiefehlerlichtbogens festgestellt wird, werden der Leistungsschalter und ein Lichtbogenlöscher an der besagten Schaltung zur Aktion veranlasst.
Detektionseinrichtung für Fehlerlichtbögen, umfassend: ein Stromabtastmodul (11) für die Abtastung der Augenblicksstromwerte einer Schaltung, ein Feststellungsmodul für erste Energiefehlerlichtbögen (12) für die Verwendung des besagten Augenblicksstromwertes zur Vorhersage des Stromscheitelwertes, wenn der vorhergesagte Stromscheitelwert größer als der voreingestellte Schwellenwert ist, Feststellung, dass ein Auftreten eines ersten Energiefehlerlichtbogens bevorsteht; ein Feststellungsmodul für zweite Energiefehlerlichtbögen (13) für die Durchführung eines Vergleichs der Zeitbereichsmerkmale oder Frequenzbereichsmerkmale des besagten Augenblicksstromwertes mit den referentiellen Zeitbereichsmerkmalen oder Frequenzbereichsmerkmalen des Stroms des Fehlerlichtbogens dieser Schaltung, wenn die Ähnlichkeit der Zeitbereichsmerkmale oder Frequenzbereichsmerkmale des besagten Augenblicksstroms mit den referentiellen Zeitbereichsmerkmalen oder Frequenzbereichsmerkmalen des Stroms des Fehlerlichtbogens dieser Schaltung einen voreingestellten Bereich erreicht, Feststellung, dass ein zweiter Energiefehlerlichtbogen auftritt.
Detektionseinrichtung gemäß Anspruch 8, wobei das besagte Feststellungsmodul für erste Energiefehlerlichtbögen (12) weitergehend umfasst: ein Stromintegralwert-Erfassungsmodul (121) für die Erfassung des Stromintegralwerts, der dem Abtastmoment des besagten Augenblicksstromwertes entspricht, ein Vorhersagemodul für Stromscheitelwert I_peak (122) für die Verwendung des besagten Augenblicksstromwertes und des besagten Stromintegralwertes, um basierend auf den auf die besagte Schaltung bezogenen Gleichungen des Ohmschen Gesetzes den Stromscheitelwert I_peak der besagten Schaltung vorherzusagen, und wenn der besagte vorhergesagte Stromscheitelwert I_peak der Schaltung größer als der voreingestellte Schwellenwert ist, festzustellen, dass ein Auftreten eines ersten Energiefehlerlichtbogens bevorsteht.
Detektionseinrichtung für Fehlerlichtbögen gemäß Anspruch 8, wobei die besagte Detektionseinrichtung außerdem ein logisches Steuermodul (14) und ein bereichsselektives Verriegelungsmodul (15) umfasst, wenn das Feststellungsmodul für zweite Energiefehlerlichtbögen (13) feststellt, dass ein zweiter Energiefehlerlichtbogen auftritt, und die besagte Schaltung kein bereichsselektives Verriegelungssignal der nachgeordneten Schaltung erhalten hat, veranlasst das besagte logische Operationsmodul (14) einen Leistungsschalter der besagten Schaltung zur Aktion, und an die vorgeordnete Schaltung wird ein bereichsselektives Verriegelungssignal gesendet; falls die besagte Schaltung ein bereichsselektives Verriegelungssignal der nachgeordneten Schaltung erhält, sendet das besagte logische Steuermodul (14) an die vorgeordnete Schaltung ein bereichsselektives Verriegelungssignal.
Detektionseinrichtung für Fehlerlichtbögen gemäß Anspruch 10, wobei die besagte Detektionseinrichtung außerdem umfasst: ein Abtastmodul für physikalische Lichtbogenmerkmale (16) für die Abtastung von physikalischen Merkmalen, die von dem besagten Schaltungslichtbogen erzeugt werden, und ein Vergleichsmodul für physikalische Lichtbogenmerkmale (17) für die Durchführung eines Vergleichs der abgetasteten physikalischen Merkmale des Schaltungslichtbogens mit den Referenzmerkmalen des Fehlerlichtbogens dieser Schaltung, wenn die Ähnlichkeit der abgetasteten physikalischen Merkmale mit den Referenzmerkmalen des Fehlerlichtbogens dieser Schaltung einen voreingestellten Bereich erreicht und das besagte Feststellungsmodul für erste Energiefehlerlichtbögen (12) das bevorstehende Auftreten eines ersten Energiefehlerlichtbogens feststellt, veranlasst das besagte logische Operationsmodul (14) den Leistungsschalter und einen Lichtbogenlöscher an der besagten Schaltung zur Aktion.
Maschinell lesbares Speichermedium, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherung dafür verwendet wird, eine Maschine zu veranlassen, Befehle eines Verfahrens gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn das besagte Computerprogramm in einer Maschine in Betrieb ist, die besagte eine Maschine veranlasst wird, das Verfahren gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.