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Die Erfindung betrifft einen Brandschutzschalter zur Erkennung von Störlichtbögen in einem elektrischen Stromkreis nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Brandschutzschalter sind relativ neuartige Schutzeinrichtungen für Stromkreise bzw. Spannungsnetze, insbesondere für Niederspannungsstromkreise bzw. Niederspannungsnetze, d.h. für Spannungen bis zu 1000 Volt Wechselspannung oder 1500 Volt Gleichspannung. Brandschutzschalter dienen zum Erkennen von Störlichtbögen, wie parallele oder serielle Lichtbögen, in einem Stromkreis bzw. elektrischem Netz. Störlichtbögen sind insbesondere Lichtbögen, die durch Fehler in elektrischen Stromkreisen erzeugt werden. Solche Störlichtbögen können durch schlecht geklemmte elektrische Verbindungen in Verteilerdosen oder Steckdosen entstehen. Brandschutzschalter können insbesondere in Hausinstallationseinrichtungen, wie Sicherungskästen, eingesetzt werden, um derartige Fehler zu erkennen und bei vorliegen eines Fehlers den elektrischen Stromkreis zu unterbrechen.
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Brandschutzschalter verwenden verschiedene Prinzipien zur Ermittlung von Störlichtbögen. Ein Prinzip ist die Messung des Frequenzspektrums in einem elektrischen Stromkreis, d.h. auf der elektrischen Leitung. Hierbei werden die hochfrequenten Signale bzw. Signalanteile im Stromkreis respektive auf der elektrischen Leitung ermittelt. Mit hochfrequenten Signalen bzw. Signalanteilen sind Signale mit einer Frequenz ab 30 KHz gemeint. Es können aber auch Signale ab einer höheren Frequenz ermittelt werden, wie z.B. ab 50 KHz, 100 KHz, 300KHz, 500 KHz, 800 KHz, 1 MHz, 1,5 MHZ, 2 MHz, usw. Jede Frequenzgrenze ist hier möglich. Mit Hilfe der ermittelten hochfrequenten Signale können Störlichtbögen im elektrischen Stromkreis ermittelt werden.
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Dazu weisen Brandschutzschalter einen Sensor zur Ermittlung der hochfrequenten Signale im elektrischen Stromkreis auf; einen Mischer, der aus den ermittelten hochfrequenten Signalen und einer von einem Oszillator erzeugten, festen Oszillatorfrequenz, durch Mischung, d.h. Multiplikation, ein Zwischenfrequenzsignal erzeugt; einen Analog-Digital-Umsetzer, der das Zwischenfrequenzsignal in ein Digitalsignal umsetzt; einen Prozessor, der das Digitalsignal hinsichtlich Störlichtbögen auswertet und ein Signal zur Unterbrechung des elektrischen Stromkreises im Falle der Ermittlung von Störlichtbögen ausgibt.
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Die Störlichtbogenerkennung im hochfrequenten Bereich ist gegenüber Störungen in diesem Bereich empfindlich. Insbesondere hochfrequente Störungen, wie hochfrequentes Rauschen, können eine Erkennung von Störlichtbögen erschweren. Hochfrequente Störungen können dabei von angeschlossenen Verbrauchern bzw. Geräten kommen, wie beispielsweise technisch einfach aufgebaute (häufig kostengünstige) Schaltnetzteile, Power-Line-Communications-Module, usw. Dadurch können die hochfrequenten Störungen an jedem Einsatzort des Brandschutzschalters unterschiedlich sein. Erzeugt ein angeschlossenes Gerät hochfrequente Störungen im Bereich, in dem Störlichtbögen ermittelt werden sollen, wird die Erkennung von Störlichtbögen erschwert bzw. im Extremfall unmöglich.
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Hinzu kommt, dass die hochfrequenten Signale der Störlichtbögen vom Entstehungsort zum Detektionsort, d.h. dort wo sich der Brandschutzschalter befindet, durch die dazwischenliegenden Leitungen, parallele Abzweigungen und angeschlossene Verbraucher gedämpft werden. Diese Dämpfung hängt von der Leitungslänge, der Frequenz, der Abzweiglänge und der angeschlossenen Last des Verbrauchers ab. Die Dämpfung von Störlichtbögen ist folglich an jedem Einsatzort des Brandschutzschalters unterschiedlich.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Brandschutzschalter der eingangs genannten Art zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch einen Brandschutzschalter mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, 2 oder 3 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 19 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Frequenz des Oszillatorsignals veränderbar ausgestaltet ist. D.h. der Oszillator als frequenzveränderlicher Oszillator ausgestaltet ist, mit einem Steuereingang zur Frequenzänderung, der mit dem Prozessor verbunden ist, und der Prozessor derart ausgestaltet ist, dass bei Überschreitung eines ersten Grenzwertes des Digitalsignales die Oszillatorfrequenz geändert wird. Dadurch kann beim Vorliegen von hochfrequenten Störungen im elektrischen Stromkreis, d.h. eine Störung erzeugt ein Signal, das im Brandschutzschalter nach der internen Verarbeitung als Digitalsignal vorliegt, das einen vorher festgelegten Grenzwert überschreitet, eine Änderung der verwendeten Frequenz zur Ermittlung von Störlichtbögen durchgeführt werden. Dadurch wird die Ermittlung von Störlichtbögen verbessert. Ferner können Frequenzen zur Störlichtbogenermittlung verwendet werden, bei denen die Dämpfung für Störlichtbögen im Leitungsnetz gering ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Grenzwert des Digitalsignals ein Amplitudengrenzwert. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine besonders einfache Auswertung des Digitalsignals lediglich hinsichtlich der Überschreitung von Amplitudengrenzwerten erfolgt. Dadurch kann die Frequenz zur Ermittlung von Störlichtbögen gewählt werden, wo hochfrequente Störungen gering sind.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Prozessor ein digitaler Signalprozessor. Dadurch ist eine besonders effektive Realisierung möglich, da der digitale Signalprozessor in Echtzeit Aufgaben der Signalverarbeitung und Auswertung vornehmen kann.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Sensor durch mindestens einen Kondensator gebildet ist, der einerseits mit dem elektrischen Stromkreis und andererseits mit dem bzw. in Richtung Mischer verbunden ist. Dies hat den besonderen Vorteil, dass gleichzeitig eine galvanische Trennung vom elektrischen Stromkreis ermöglicht wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Oszillator ein spannungsgesteuerter Oszillator oder ein Phasenregelkreis. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine einfache Realisierung mit Standardkomponenten ermöglicht wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen Sensor und Mischer ein erster Verstärker zur Verstärkung des ermittelten hochfrequenten Signals geschaltet. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Selektivität des ermittelten hochfrequenten Signals verbessert wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen Mischer und Analog-Digital-Umsetzer ein zweiter Verstärker zur Verstärkung des Zwischenfrequenzsignals geschaltet. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine bessere Selektivität zur Ermittlung von Störlichtbögen erzielt wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der zweite Verstärker ein Verstärker mit logarithmischer Kennlinie. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Auswertung des Digitalsignals erleichtert wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der frequenzveränderliche Oszillator durch eine Zusammenschaltung eines Festfrequenzoszillators mit einem Frequenzteiler und/oder einem Frequenzvervielfacher realisiert ist, wobei der Frequenzteiler und/oder Frequenzvervielfacher zwischen den Ausgang des Festfrequenzoszillators und dem Eingang des Mischers zwischenschaltbar ausgeführt sind, so dass mittels eines Steuersignals verschiedene Oszillatorfrequenzen erzeug- und schaltbar sind. Dies hat den besonderen Vorteil, dass mit einfachen Komponenten verschiedene Frequenzen erzeugbar sind.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen jeweils zwei der vorgenannten Einheiten jeweils ein Filter und/oder weitere(r) Verstärker geschaltet sind. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Frequenzselektivität und/oder Empfindlichkeit verbessert wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Prozessor derart ausgestaltet, dass ein Programm abläuft, dass bei Überschreiten des ersten Grenzwertes des Digitalsignals die Oszillatorfrequenz so lange geändert wird, bis der erste Grenzwert unterschritten wird, wobei die Frequenzen schrittweise geändert werden. Dies hat den besonderen Vorteil, dass schnell eine neue Frequenz zur Ermittlung von Störlichtbögen gefunden werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Prozessor derart ausgestaltet ist, dass ein Programm abläuft, dass bei Überschreiten des ersten Grenzwertes des Digitalsignals die Oszillatorfrequenz so lange geändert wird, bis der erste Grenzwert unterschritten wird, wobei die Frequenzen kontinuierlich geändert werden. Dies hat den besonderen Vorteil, dass kontinuierlich nach störungsfreien Frequenzen zur Ermittlung von Störlichtbögen gesucht werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Prozessor derart ausgestaltet, dass ein Programm abläuft, dass der Prozessor den Oszillator von seiner tiefsten bis zu seiner höchsten Oszillatorfrequenz steuert und dazu gemessene Amplitudenwerte des Digitalsignals aufzeichnet, aus den aufgezeichneten frequenzabhängigen Amplitudenwerten wird der mit der kleinsten Amplitude ermittelt und der Oszillator auf der zugehörigen Oszillatorfrequenz einstellt, um mit dieser Oszillatorfrequenz Störlichtbögen zu ermitteln. Dies hat den besonderen Vorteil, dass das gesamte Frequenzspektrums durchfahren wird und Frequenzen bzw. mindestens eine Frequenz, die besonders frei von hochfrequenten Störungen ist, für die Ermittlung von Störlichtbögen verwendet werden kann.
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Alle Ausgestaltungen der Erfindung verbessern die Erkennung von Störlichtbögen durch die Ermittlung von störungsfreien Frequenzen zur Störlichtbogenerkennung, insbesondere in einem elektrischen Niederspannungs-Netz.
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Werden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mehrere störungsfreie Frequenzen zur Ermittlung von Störlichtbögen verwendet, kann auch die Wahrscheinlichkeit verringert werden, dass Störlichtbögen im Netz auf der gerade verwendeten Frequenz zu stark gedämpft werden, da auf den anderen verwendeten Frequenzen die Dämpfung geringer ist. D.h. die Erkennung von Störlichtbögen wird verbessert.
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Das Problem der Dämpfung tritt weniger bei niedrigen Frequenzen auf, allerdings sind hier Störungen stärker vorherrschend. Hohe Frequenzen haben weniger Störungen, allerdings ist hier die Dämpfung im Stromkreis bzw. Netz größer.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Brandschutzschalters
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2 ein Blockschaltbild eines weiteren erfindungsgemäßen Brandschutzschalters
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3 eine Darstellung von Signalen im Frequenzbereich in einem elektrischen Stromkreis
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1 zeigt einen Brandschutzschalter AFDD der mit mindestens einen Leiter L eines elektrischen Stromkreises in Verbindung steht. Am Leiter L ist ein Sensor S, der beispielsweise als elektrischer Kondensator ausgeführt ist, angeschlossen. Der Sensor S ist mit einem, wahlweise einzusetzenden, ersten Verstärker V1 verbunden, der wiederum mit einem Mischer MI verbunden ist. Der Ausgang des Mischers MI ist mit einem, wahlweise einzusetzenden, zweiten Verstärker V2 verbunden, der wiederum mit einem Analog-Digital-Umsetzer ADU verbunden ist. Der Analog-Digital-Umsetzer ADU ist mit einem Prozessor MP verbunden, an dessen Ausgang eine Schalteinheit SCH zur Unterbrechung des elektrischen Stromkreises angeschaltet ist. Die Schalteinheit SCH kann sich beispielsweise außerhalb des Brandschutzschalters AFDD befinden. Ebenso ist eine interne Schalteinheit möglich. Der Sensor S kann sich ebenfalls außerhalb des Brandschutzschalters AFDD befinden.
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Der zweite Ausgang des Prozessors MP ist mit dem Eingang des Oszillators LO verbunden, dessen Ausgang mit dem zweiten Eingang des Mischers MI verbunden ist.
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Zwischen den einzelnen Einheiten S, V1, MI, V2, ADU, MP und LO können noch weitere Filter FI oder/und Verstärker VX geschaltet sein.
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Der Sensor S ermittelt hochfrequente Signale im elektrischen Stromkreis, im Beispiel auf der elektrischen Leitung L. Alternativ auch zwischen zwei oder mehreren Leitungen des elektrischen Stromkreises, beispielsweise in einem Einphasen, Zweiphasen, oder Dreiphasen-Stromkreis bzw. -Netz. Die hochfrequenten Signale des Sensors S können gefiltert oder/und verstärkt werden, beispielsweise durch einen ersten Verstärker V1. Die hochfrequenten Signale gelangen weiter zum Mischer MI, der sie mit einem Oszillatorsignal des Oszillators LO mischt, d.h. multipliziert, so dass ein Zwischenfrequenzsignal entsteht. Das Oszillatorsignal kann beispielsweise ein sinusförmiges Signal sein. Alternativ kann es auch ein rechteckförmiges Signal sein. Der Oszillator kann auch im Prozessor MP enthalten sein. Alternativ kann auch der Prozessor MP ein Oszillatorsignal abgeben, beispielsweise ein rechteckförmiges Oszillatorsignal, dass dem Mischer MI zugeführt wird. Das Zwischenfrequenzsignal kann wiederum gefiltert oder/und verstärkt werden, beispielsweise mit einem zweiten Verstärker V2. Dieser kann beispielsweise als Verstärker mit einer logarithmischen Kennlinie ausgeführt sein. Das Zwischenfrequenzsignal wird mittels des Analog-Digital-Umsetzers ADU vom analogen in den digitalen Bereich umgesetzt, so dass ein Digitalsignal erzeugt wird. Dieses wird dem Prozessor MP zugeführt und hier hinsichtlich des Vorliegens von Störlichtbögen durch bekannte Verfahren ausgewertet.
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Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass bei Überschreiten gewisser Grenzwerte, beispielsweise Amplitudengrenzwerte, bevorzugt im Falle des Nichtvorliegens von Störlichtbögen, durch den Prozessor MP mit Hilfe des frequenzveränderlichen Oszillator LO dessen Oszillatorsignal so lange verändert wird, bis der Grenzwert unterschritten wird. Mit dieser Frequenz wird nun die Analyse hinsichtlich Störlichtbögen durchgeführt. Alternativ kann auch der Prozessor selbst das Oszillatorsignal ändern und abgeben, beispielweise ein Rechtecksignal mit geänderter Pulsfrequenz.
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Erfindungsgemäß können auch parallel mehrere derartiger Anordnungen verwendet werden, beispielsweise mehrere Mischer MI mit jeweils zugeordneten Oszillatoren LO und mehreren Analog-Digital-Umsetzern ADU und gegebenenfalls Filtern FI und Verstärkern VX, wobei beispielsweise mehrerer solcher Digitalsignale durch einen Prozessor MP hinsichtlich Störlichtbögen ausgewertet werden. Der Prozessor MP kann jeweils die Oszillatorfrequenzen der parallelen Anordnungen einzeln steuern.
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Eine solche Variante ist in 2 dargestellt. 2 zeigt eine Darstellung gemäß 1, mit dem Unterschied, dass das hochfrequente Signal des Sensors S, vorzugsweise durch den ersten Verstärker V1 verstärkt, einem ersten Mischer MI1 und einem zweiten Mischer MI2 zugeführt wird. Das durch den ersten Mischer MI1 erzeugte erste Zwischenfrequenzsignal kann gefiltert und/oder verstärkt werden und wird durch einen ersten Analog-Digital-Umsetzer ADU1 dem Mikroprozessor MP zugeführt. In analoger Weise wird das durch den zweiten Mischer MI2 erzeugte zweite Zwischenfrequenzsignal, dass ebenfalls gefiltert und/oder verstärkt werden kann, durch einen zweiten Analog-Digital-Umsetzer ADU2 dem Mikroprozessor MP zugeführt. Der Mikroprozessor MP weist Ausgänge für einen ersten Oszillator LO1 und einen zweiten Oszillator LO2 auf, wobei das Ausgangssignal des ersten Oszillator LO1 dem ersten Mischer MI1 und das Ausgangssignal des zweiten Oszillators LO2 dem zweiten Mischer MI2 zugeführt wird.
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Damit können parallel zwei Frequenzen bzw. Frequenzbereiche hinsichtlich Störlichtbögen überwacht werden. In analoger Weise können durch analoge Erweiterung der Anordnung drei oder mehr Frequenzen bzw. Frequenzbereiche parallel überwacht werden. Die Frequenzeinstellung kann dabei unabhängig voneinander durch den Mikroprozessor mittels der Oszillatoren erfolgen.
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Der Mischer kann als Mischer, dem ein Rechtecksignal als Oszillatorfrequenz zugeführt wird, ausgestaltet sein. Das Rechtecksignal könnte beispielsweise an Stelle des Oszillators LO direkt vom Prozessor MP erzeugt werden. Das Rechtecksignal kann beispielsweise ein durch den Mikroprozessor erzeugtes Pulsweitensignal sein.
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Der frequenzveränderliche Oszillator LO, LO1, LO2 kann auch im Mikroprozessor enthalten sein bzw. durch den Mikroprozessor realisiert sein, in dem dieser direkt ein Oszillatorsignal für den Mischer, beispielsweise ein Rechtecksignal, abgibt.
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Der Prozessor MP kann derart ausgestaltet sein, dass ein Programm abläuft, dass bei Überschreiten des ersten Grenzwertes des Digitalsignals die Frequenz des Oszillatorsignals so lange geändert wird, bis der erste Grenzwert unterschritten wird, wobei die Frequenzen schrittweise geändert werden.
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Alternativ können die Frequenzen auch kontinuierlich geändert werden.
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Des Weiteren kann der Prozessor MP derart ausgestaltet sein, dass ein Programm abläuft, dass der Prozessor den Oszillator (LO) von seiner tiefsten bis zu seiner höchsten Frequenz steuert und dazu gemessene Amplitudenwerte des Digitalsignals aufzeichnet. Aus den aufgezeichneten frequenzabhängigen Amplitudenwerten den mit der kleinsten Amplitude ermittelt und den Oszillator (LO) auf der zugehörigen Frequenz des Oszillators einstellt, um mit dieser Frequenz des Oszillatorsignals Störlichtbögen zu ermitteln.
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Alternativ kann der Prozessor den Oszillator (LO) auch von seiner höchsten bis zu seiner tiefsten Frequenz steuern.
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Ferner kann ein Frequenzbereich auch mehrfach durchfahren werden. Alternativ auch immer wieder zyklisch, um Frequenzen mit den geringsten Störungen bzw. Rauschen zu finden.
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Im Folgenden soll die Erfindung noch mal erläutert werden. Die erfindungsgemäße Einrichtung kann die Frequenz bzw. den Frequenzbereich zur Erkennung von Störlichtbögen während des Betriebes verändern, indem eine andere Detektionsfrequenz gewählt wird, wenn große Rausch- oder Störpegel im zu überwachenden bzw. schützenden elektrischen Stromkreis auftreten. Wenn zum Beispiel Powerline Kommunikation erkannt wird, kann durch die Erfindung eine Frequenz verwenden bzw. darauf umschalten, die von PLC nicht verwendet wird.
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Wesentlich ist, dass zumindest ein frequenzveränderliches Oszillatorsignal vorliegt und ein Mischer, um ein Zwischenfrequenzsignal, dass zur Auswertung von Störlichtbögen verwendet wird, zu ändern. Das frequenzveränderliche Oszillatorsignal kann beispielsweise durch einen spannungsgesteuerten Oszillator, eine Phase-Locked-Loop-Schaltung oder einen Synthesizer erzeugt werden. Im Falle eines rechteckförmigen Oszillatorsignals kann auch ein Pulsweitensignal Verwendung finden, dass direkt vom Prozessor MP erzeigt wird. Ferner können auch Frequenzteiler oder Frequenzverdoppler zwischen einem Oszillator und dem Mischer MI geschaltet sein, um Oszillatorsignale mit unterschiedlichen Frequenzen zu erzeugen. Hierzu können Flip-Flops verwendet werden.
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Wird ein System mit zwei oder mehreren Mischern, Oszillatoren und Analog-Digital-Umsetzern eingesetzt, können zwei oder mehr Frequenzen bzw. Frequenzbereiche überwacht werden. Dabei können die verwendeten Frequenzen unabhängig voneinander geändert werden. Dadurch kann die Chance erhöht werden, Störlichtbögen zu erkennen.
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Alternativ kann auch mit dem ersten Oszillatorsignal auf einer Frequenz eine Störlichtbogenerkennung erfolgen, während die Frequenz des zweiten Oszillatorsignals geändert wird, beispielsweise kontinuierlich geändert wird, um geeignete Frequenzen für eine Störlichtbogenerkennung zu finden.
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3 zeigt eine Darstellung von Signalen im Frequenzbereich in einem elektrischen Stromkreis. Die Darstellung zeigt einen Ausschnitt aus einem Koordinatensystem, wobei auf der horizontalen Achse die Frequenz f (in Hertz) aufgetragen ist und auf der vertikalen Achse ein frequenzabhängige Amplitudenwert, beispielsweise ein elektrischer Spannungswert abgebildet ist. Ein erster Signalverlauf Arc, der durch eine durchgezogene Linie dargestellt ist, zeigt den frequenzabhängigen Amplitudenwert eines Störlichtbogens, beispielsweise am Entstehungsort des Störlichtbogens. Ein zweiter Signalverlauf Att, der durch eine punktierte Linie dargestellt ist, zeigt den gedämpften frequenzabhängigen Amplitudenwert des ersten Signalverlaufs Arc, der beispielsweise durch Leitungen, Abzweige etc. frequenzabhängig abgeschwächt bzw. gedämpft ist. Ein dritter Signalverlauf Noise, der durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist, zeigt den frequenzabhängigen Amplitudenwert des auf der elektrischen Leitung vorhandenen Rauschens, das viele Ursachen haben kann, wie thermisches Rauschen, so genanntes man-made Rauschen, atmosphärisches Rauschen usw. Ferner dargestellt sind Bereiche bzw. Frequenzen F1, F2, F3, F4. In der Bereichen F1 und F3 ist das Rauschen gering, wodurch gedämpfte Störlichtbogen gut detektiert werden können. In den Bereichen F2 und F4 ist das Rauschen auf der Leitung hoch, wodurch gedämpfte Störlichtbögen im elektrischen Stromkreis nur schlecht detektiert werden können. Unterschreitet das auf der elektrischen Leitung vorhandene Rauschen bestimmte Grenzwerte, beispielsweise frequenzabhängige Grenzwerte, wird bevorzugt hier eine Detektion von Störlichtbögen durchgeführt. Frequenzbereiche, bei denen das Rauschen bestimmte Grenzwerte überschreitet, werden erfindungsgemäß nicht verwendet.
