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Die Erfindung betrifft eine Schaltanlage, welche eine Auswerte- und Auslöseelektronik zum Erkennen und Begrenzen der Energie eines Störlichtbogens in einem Einschub eines Schaltschranks der Schaltanlage aufweist gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Schaltanlagen, die an elektrische Energieversorgungen angeschlossen werden, sind bekannt. Weiter ist es bekannt, die Energieverteilung in einem Schaltschrank vorzunehmen, der einen Einschub oder mehrere Einschübe aufweist.
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In den Einschüben der Schaltanlagen können Störlichtbögen auftreten, unter anderem durch Isolationsfehler, Gerätedefekte oder Fehlbedienungen, über die elektrische Energie parasitär abfließt. Als Folge kann es zu erheblichen Anlagen- und Personenschäden kommen.
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Meist befindet sich in jedem Einschub ein Schutzorgan, über das zumindest ein Anlagenzweig mit der Energieversorgung verbunden ist. Über die Schutzorgane erfolgt die Aufteilung der elektrischen Energie auf einzelne Anlagenzweige; sie unterbrechen die Energieversorgung insbesondere beim Auftreten eines Kurzschlusses. Bei den Schutzorganen kann es sich beispielsweise um Sicherungen oder Schutzschalter handeln.
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Handelt es sich bei dem Schutzorgan um einen Schutzschalter, so weist dieser mechanische Kontakte auf, die bei geschlossenem Schalter aneinander anliegen und die beim Öffnen zum Unterbrechen der Energieversorgung voneinander getrennt werden, wobei sich zwischen den Kontakten ein Schaltlichtbogen ausbildet.
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Das Erkennen eines Störlichtbogens ist insbesondere im Einschub ein Problem, da man sowohl Schaltlichtbögen als auch Störlichtbögen allein anhand ihrer Lichtabstrahlung nicht sicher voneinander unterscheiden kann.
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Weiter ist es aufgrund der Topologie schwierig, Messsignale, zu denen auch im Einschub erfasste Stromsignale gehören, einer zentralen Auswertung außerhalb des Einschubs störungs- und fehlerfrei zuzuführen. Die durch den Einschub bedingten Schwierigkeiten hängen mit der Einschiebbarkeit des Einschubs und dem dadurch erforderlichen Trennkontaktsystem zusammen, dessen Aufgabe es ist, eine Trennung der Kontakte des Haupt- und Steuerstromkreises im laufenden Betrieb zum schnellen Austausch des Einschubs (seiner Komponenten) zu realisieren.
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Aus der
US 2014 /0 054 270 A1 ist eine Schaltanlage bekannt, die an eine elektrische Energieversorgung angeschlossen ist und einen Schaltschrank mit mehreren separaten Feldern aufweist, darunter zum einen ein Feld mit einem in Energieflussrichtung gesehen vorgeordneten Schutzschalter in Form eines Kurzschließers und zum anderen mehrere Felder mit jeweils einem nachgeordneten Schutzschalter. Im Bereich jeden Feldes mit einem nachgeordneten Schutzschalter sind jeweils Messpunkte mit zugeordneten Messwert-Sensoriken vorhanden, die Messwerte ermitteln und jeweils eine Auswerte- und Auslöse-Elektronik aufweisen, welche die Messwerte zum Erkennen eines Störlichtbogens im betreffenden Feld verarbeitet. Jede Auswerte- und Auslöse-Elektronik sendet bei erkanntem Störlichtbogen ein Signal zur Auslösung an die Schalteinrichtung, um den Energiefluss zu begrenzen.
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Weiter ist aus der
DE 42 35 329 A1 eine Schaltanlage mit festen Verdrahtungen und Einschüben bekannt.
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Aus der
DE 10 2007 035129 A1 ist ein System mit einer Elektronik zur vorausschauenden Überwachung und zum Schutz elektrischer Einrichtungen einer Schaltanlage für Niederspannungen bekannt, insbesondere von deren Einbauten in Form von Einschüben. Um vorausschauend einen potentiellen Stör- beziehungsweise Fehlerfall, insbesondere sich anbahnende Störlichtbögen und/oder Brände, frühzeitig zu erkennen, entsprechende Warnmeldungen zu generieren und Schutzmaßnahmen einzuleiten, verfügt das System über zumindest ein Messmodul mit einem Gassensor, dessen Sensordaten einer Auswerteeinheit einer übergeordneten Datenverarbeitungseinrichtung zur Verfügung gestellt werden. Als Gassensor kommen Sensoren zum Einsatz, die basierend auf der Infrarot-Absorption die Konzentration von Gasen bestimmen. Insbesondere Metalloxid-Sensoren sind geeignet, um typische Zersetzungsprodukte, die bei einer Überhitzung von Kunststoffen, aber auch von öl- oder staubbedeckten, überhitzten Metallteilen freigesetzt werden, zu detektieren. Im Falle von Kunststoffen, wie sie als Strukturmaterial von elektrotechnischen Komponenten eingesetzt werden, findet in Abhängigkeit der Temperatur ein Zersetzungsprozess statt, bei dem bereits bei Temperaturen unterhalb 300°C Zusatzstoffe, wie beispielsweise Weichmacher freigesetzt werden. Steigt die Temperatur weiter an, findet eine weitergehende Zersetzung des Kunststoffs statt, durch welche Zersetzungsprodukte, wie beispielsweise CO, CO
2, detektierbar sind. Auf diese Weise ist es bereits vor Erreichen der Flammtemperatur möglich, einen entstehenden Fehler oder eine sich anbahnende Störung zu erkennen. Zusätzlich zum Gassensor können weitere Sensoren vorgesehen sein, wie beispielsweise Temperaturfühler.
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Die
DE 295 03 914 U1 beschreibt ein Verfahren für eine Schutzschaltung, die zum Erkennen und Unterbrechen eines Störlichtbogens dient und bei dem Lichtmesswerte am Eingang einer Verarbeitungseinheit und Energieflusswerte in Form von Hallsensor-Messwerten zum Erkennen eines Störlichtbogens ermittelt werden. Diese Messwerte werden erfasst und mittels einer Auswerte- und Auslöseelektronik verarbeitet. Bei Vorliegen eines Störlichtbogens wird ein Signal sowohl an einen Leistungsschalter als auch an einen Kurzschließer gesendet und dadurch die Energie des Störlichtbogens begrenzt und unterbrochen.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Schaltanlage mit einem Schaltschrank, in dem ein Einschub mit einer Schalteinrichtung angeordnet ist, einen Störlichtbogen im Bereich des Einschubs zu erkennen und zu löschen bzw. dessen Energie zumindest zu begrenzen, insbesondere wenn im Einschub ein Schutzschalter als Schalteinrichtung platziert ist.
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Die Aufgabe wird bezogen durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst; die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen dar.
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Die Lösung sieht bezogen auf die Schaltanlage vor, dass die Auswerte- und Auslöse-Elektronik anhand von im Bereich des Einschubs als erste Messwerte erfassten Temperaturwerten und/oder Lichtwerten und als zweite Messwerte erfassten Energieflusswerten ermittelt, ob im Bereich des Einschubs ein Störlichtbogen vorliegt.
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Zweckmäßigerweise sendet die Auswerte- und Auslöse-Elektronik bei Auftreten eines Störlichtbogens zur Begrenzung des Energieflusses über den Störlichtbogen ein Signal zur Auslösung an den Auslöser einer in Energieflussrichtung gesehen vorgeordneten und außerhalb des Einschubs befindlichen Schalteinrichtung.
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Technisch einfach ist es, wenn sich die Auswerte- und Auslöse-Elektronik im Einschub befindet und das Signal über einen Trennkontakt ASH an die vorgeordnete und außerhalb des Einschubs befindliche Schalteinrichtung sendet.
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Bei einer einfachen Ausführung ist das Signal eine Gleichspannung.
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Um den Störlichtbogen sehr schnell zu löschen, wird vorgeschlagen, dass die vorgeordnete Schalteinrichtung ein Kurzschließer ist, der den Energiefluss durch den Störlichtbogen durch Kurzschließen unterbricht.
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Um weitere Schäden gering zu halten, wird vorgeschlagen, dass dem Kurzschließer ein Schutzschalter vorgeordnet ist, der die Energieversorgung unterbricht.
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Zweckmäßigerweise sind die Temperaturwerte Temperaturen oder Temperaturgradienten.
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Um einen Störlichtbogen in einem Einschub eines Schaltschranks sicherer zu erkennen, wird vorgeschlagen, dass die Auswerte- und Auslöse-Elektronik a) die ersten Messwerte jeweils mit einer zugeordneten ersten Messwert-Schwelle vergleicht und einen ersten Zeitpunkt bei Überschreitung der zugeordneten Messwert-Schwelle erfasst, dass die Auswerte- und Auslöse-Elektronik b) die zweiten Messwerte jeweils mit einer zugeordneten zweiten Messwert-Schwelle vergleicht und einen zweiten Zeitpunkt bei Überschreitung der zugeordneten zweiten Messwert-Schwelle erfasst, dass die Auswerte- und Auslöse-Elektronik c) aus der Differenz der beiden Zeitpunkte jeweils einen zeitlichen Abstand ermittelt, wobei jeweils ein Störlichtbogen erkannt ist, wenn der Betrag des zeitlichen Abstands unterhalb eines vorgegebenen Zeitwerts liegt, und dass dann eine Auslösung zur Begrenzung der Energie des Störlichtbogens erfolgt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine Schaltanlage mit einem Einschub in einem Schaltschrank,
- 2 eine Darstellung der Temperaturwerte und erste Energieflusswerte über der Zeit im Einschub gemäß 1 mit den zugehörigen Schwellen und
- 3 eine Darstellung der Lichtwerte und Energieflusswerte über der Zeit im Einschub gemäß 1 mit den zugehörigen Schwellen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltanlage SA, über die ein Verbraucher RL mit einer elektrischen Energieversorgung EV verbunden ist. Die Schaltanlage SA dient zur Aufteilung der elektrischen Energie auf einzelne Anlagenzweige; in 1 ist nur ein Anlagenzweig schematisch durch den Verbraucher RL dargestellt. Die Energieflussrichtung FR ist in 1 die Richtung, in die der Pfeil am Energiefluss I zeigt.
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Die Schaltanlage SA besteht hier aus einem (einzigen) Schaltschrank SS; der Anschluss der Energieversorgung EV erfolgt über entsprechende Sammelstromschienen, die sich in den Schaltschrank SS erstrecken.
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In ein Einschubfach EF des Schaltschranks SS ist ein Einschub ES eingeschoben, der im eingeschobenen Zustand (also während des Betriebs oder bei der Inbetriebnahme) über Trennkontakte ASZ, ASA zur Energiezuführung (Trennkontakt ASZ) und Energieabführung (Trennkontakt ASA) mit im Schaltschrank SS angeordneten Sammelschienen kontaktiert (Trennkontaktsystem des Hauptstromkreises). Die Trennkontakte ASZ, ASA sind über Kabel K1, K2 (allgemein elektrische Leiter) und einen im Einschub ES angeordneten Schutzschalter CBN verbunden.
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Grundsätzlich muss im Einschub ES kein Schutzschalter CBN vorhanden sein; sehr häufig sind die Einschübe ES allerdings mit Schutzschaltern ausgestattet, weshalb hier beispielhaft eine spezielle Ausführung mit einem Schutzschalter CBN als Schutzorgan beschrieben wird. Bei dem Schutzorgan kann es sich auch um eine Sicherung und dergleichen handeln.
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Weiter verfügt der Einschub ES über Trennkontakte ASH (Trennkontaktsystem des Steuerstromkreises), welche im eingeschobenen Zustand für den funktionsgemäßen Betrieb erforderliche Steuersignale zwischen dem Einschub ES und dem Schaltschrank SS übertragen.
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Der Schutzschalter CBN weist zwei mechanisch trennbare Schaltkontakte auf, die bei geschlossenem Schutzschalter CBN aneinander anliegen. Zum Öffnen des Schutzschalters CBN werden dessen Schaltkontakte voneinander getrennt, wobei sie jeweils einen Schaltlichtbogen ziehen.
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Der Schutzschalter CBN bildet hier speziell zusammen mit einem in Energieflussrichtung FR gesehen vorgeordneten Schutzschalter CBV eine Schutzkette zum Schutz der jeweils nachgeordneten Anlagenzweige bei Kurzschlüssen. Der Schutzschalter CBN ist dem Schutzschalter CBV in der Schutzkette entsprechend nachgeordnet; durch den Schutzschalter CBN wird der direkt mit dem Schutzschalter CBN verbundene Verbraucher RL (als zugehöriger Anlagenzweig) geschützt.
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Die beiden in Reihe geschalteten Schutzschalter CBV, CBN der Schutzkette öffnen im Falle eines Kurzschlusses selektiv, d. h. es öffnet in Energieflussrichtung FR gesehen immer der Schutzschalter CBN, CBV, der dem Kurzschluss am nächsten liegt. Bei einem durch den Verbraucher RL verursachten Kurzschluss öffnet also nur der nachgeordnete Schutzschalter CBN.
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An verschiedenen Orten (Stellen) im Einschub sind Messpunkte MP1, MP2, MPT, MPL vorhanden an denen mittels zugehörigen Messwert-Sensoriken MS1, MS2, MST, MSL jeweils Messwerte ermittelt werden. Insbesondere sind der Messpunkt MP1 unmittelbar hinter dem nachgeordneten Schutzschalter CBN und der Messpunkt MP2 unmittelbar hinter dem Anschluss ASZ angeordnet. Alle Messwert-Sensoriken MS1, MS2, MST, MSL sind hier beispielhaft innerhalb des Einschubs ES angeordnet; es ist aber auch möglich, dass für einen Messpunkt MP1, MP2, MPT, MPL im Einschub die zugehörige Messwert-Sensorik MS1, MS2, MST, MSL außerhalb des Einschubs ES (aber zumindest im Bereich des Einschubs ES) angeordnet ist. Zum Bereich des Einschubs gehören sowohl der Einschub ES selbst einschließlich Einschubrahmen als auch alle für dessen Verbindung mit dem Schaltschrank SS erforderlichen Komponenten.
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Weiter kann es sich bei einem Messpunkt, insbesondere den Messpunkten MPT, MPL, auch um einen räumlichen Bereich innerhalb des Einschubs handeln.
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An den Messpunkten MP1 und MP2 werden Energieflusswerte EW1, EW2 (Stromwerte), am Messpunkt MPT Temperaturwerte TW und am Messpunkt MPL Lichtwerte LW ermittelt. Bei den Temperaturwerten TW kann es sich um Werte für die Temperatur am Messpunkt MPT als auch um Werte für den Temperaturgradienten (Temperaturänderungen) am Messpunkt MPT handeln.
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Die Messwert-Sensoriken MS1, MS2, MST, MSL sind zur Auswertung der Messwerte (Energieflusswerte EW1 und EW2, Temperaturwerte TW, Lichtwerte LW) mit einer im Einschub ES (also dezentral) angeordneten Auswerte- und Auslöse-Elektronik AAE verbunden; die Verbindungen sind in 1 durch die gestrichelten Linien dargestellt.
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Durch die Auswerte- und Auslöse-Elektronik AAE ist eine Schalteinrichtung SE hier in Form eines Kurzschließers KS auslösbar, der in Energieflussrichtung FR gesehen unmittelbar hinter dem vorgeordneten Schutzschalter CBV geschaltet und (dessen Auslöser) über die Leitungen VL1, VL2 und die Trennkontakte ASH mit der Auswerte- und Auslöse-Elektronik AAE elektrisch verbunden ist.
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Der Kurzschließer KS wird hier eingesetzt, um den Energiefluss I durch den Einschub ES sehr schnell (innerhalb weniger Millisekunden) zu unterbrechen. Grundsätzlich könnten hier auch andere Schalteinrichtungen SE eingesetzt werden, wenn sie schnell genug sind.
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Um einen Störlichtbogen zu erkennen, wird grundsätzlich folgendes Verfahren durchgeführt, das zunächst beispielhaft für erste Messwerte in Form von Temperaturwerten TW beschrieben wird: Am Messpunkt MPT werden von der Auswerte- und Auslöse-Elektronik AAE fortlaufend als erste Messwerte Temperaturwerte TW und am Messpunkt MP1 als zweite Messwerte fortlaufend Energieflusswerte (Stromwerte) IW1 ermittelt. Die Temperaturwerte TW werden von der Auswerte- und Auslöse-Elektronik AAE jeweils mit einer Temperatur-Schwelle TS und die Energieflusswerte IW1 jeweils mit einer Energiefluss-Schwelle IS1 verglichen. Wird die Temperatur-Schwelle TS überschritten, wird ein erster Zeitpunkt t1 erfasst und wird die Energiefluss-Schwelle IS1 überschritten, wird ein zweiter Zeitpunkt t2 erfasst. Bei Überschreitung der Temperatur-Schwelle TS prüft die Auswerte- und Auslöse-Elektronik AAE jeweils, ob auch die Energiefluss-Schwelle IS1 überschritten ist, und wenn ja, wird die Differenz der beiden Zeitpunkte t1, t2 gebildet und so jeweils der zeitliche Abstand t1t2 der Überschreitung der Messwert-Schwellen TS, IS1 ermittelt. Anschließend wird dessen Betrag Bt1t2 gebildet. Ist dieser Betrag Bt1t2 kleiner als ein vorgegebener Zeitwert ZW, liegt ein Störlichtbogen vor, d.h. ein Störlichtbogen ist erkannt.
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Die Auswerte- und Auslöse-Elektronik AAE löst dann bei erkanntem Störlichtbogen zur Unterbrechung des Stromflusses I den in Energieflussrichtung EF gesehen vorgeordneten und außerhalb des Einschubs ES befindlichen Kurzschließer KS unmittelbar aus, indem ein Signal zur Auslösung an den Auslöser des Kurzschließers KS gesendet wird. Dazu wird hier von der Auswerte- und Auslöse-Elektronik AAE beispielhaft eine vorgegebene Gleichspannung auf die Leitung VL1 (und VL2) gegeben. Zweckmäßigerweise wird der vorgeordnete Schutzschalter CBV zusammen mit dem Kurzschließer KS ausgelöst, wobei er entsprechend zeitverzögert nach dem Kurzschließer KS öffnet. Ansonsten würde der vorgeordnete Schutzschalter CBV jeweils aufgrund des Kurzschlusses durch den Kurzschließer KS auslösen, allerdings deutlich später.
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Als Schalteinrichtung SE könnte auch der Schutzschalter CBV selbst dienen, was aufgrund der dann doch relativ großen Zeitverzögerung bis zur Unterbrechung des Energieflusses I mit erheblichen Nachteilen verbunden wäre und deshalb eigentlich nur als absolute Notlösung in Frage kommt.
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2 zeigt eine schematische Darstellung der Temperaturwerte TW und der Energieflusswerte IW1 mit den zugehörigen Schwellen TS, IS1 über der Zeit, in welche auch die beiden Zeitpunkte t1, t2 und deren zeitlicher Abstand t1t2 eingetragen sind. Der Einfachheit halber sind die Temperaturwerte TW und die Energieflusswerte IW1 normiert aufgetragen.
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Das Verfahren wurde zum besseren Verständnis beispielhaft für erste Messwerte in Form von Temperaturwerten TW beschrieben. Alternativ können anstelle der Temperaturwerte TW auch die am Messpunkt MPL erfassten Lichtwerte LW verwendet werden. Die Lichtwerte LW werden entsprechend mit einer Lichtwert-Schwelle LS verglichen, bei deren Überschreitung der erste Zeitpunkt t1 erfasst wird. Wieder wird der zeitliche Abstand t1t2 der Überschreitung der Messwert-Schwellen LS, IS1 (IS2) ermittelt, und daraus dessen Betrag Bt1t2 gebildet. Ist der Betrag Bt1t2 kleiner als ein vorgegebener Zeitwert ZW, liegt ein Störlichtbogen vor. Die Angaben in den Klammern beziehen sich jeweils auf die Energieflusswerte IW2.
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3 zeigt eine Darstellung der Lichtwerte LW und der Energieflusswerte IW1 mit den zugehörigen Schwellen LS, IS1 über der Zeit, in welche auch die beiden Zeitpunkte t1, t2 und deren zeitlicher Abstand t1t2 eingetragen sind.
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Als weitere Alternative ist es auch möglich, sowohl die Temperaturwerte TW am Messpunkt MPT als auch die Lichtwerte LW am Messpunkt MPL als erste Messwerte zu erfassen und entsprechend die Temperaturwerte TW mit der Temperatur-Schwelle TS und die Lichtwerte LW mit der Lichtwert-Schwelle LS zu vergleichen. Bei Überschreitung von einer der beiden Schwellen TS, LS wird dann der erste Zeitpunkt t1 erfasst. Sind beide Schwellen TS, LS überschritten, ist der erste Zeitpunkt t1 der Zeitpunkt, zu dem eine der beiden Schwellen TS, LS zuerst überschritten ist. Wieder wird der zeitliche Abstand t1t2 der Überschreitung der Messwert-Schwellen TS oder LS und IS1 (IS2) ermittelt, und daraus dessen Betrag Bt1t2 gebildet. Ist der Betrag Bt1t2 kleiner als der vorgegebene Zeitwert ZW, liegt ein Störlichtbogen vor. Die Angaben in den Klammern beziehen sich auch hier jeweils auf die Energieflusswerte IW2.
