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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion eines Störlichtbogens. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine elektrische Energieversorgung mit einer Vorrichtung zur Detektion eines Störlichtbogens.
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Stand der Technik
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Bei elektrischen Anwendungen mit höheren Spannungen stellen sogenannte Fehler- oder Störlichtbögen ein nicht zu vernachlässigendes Gefahrenpotential dar. Ein Störlichtbogen kann beispielsweise an einer defekten Stelle einer elektrischen Leitung, wie zum Beispiel einer lockeren Kabelklemme oder aufgrund eines Kabelbruchs auftreten. Daher müssen elektrische Systeme mit einer Spannung oberhalb eines kritischen Werts überwacht werden. In Fahrzeugen, insbesondere in Elektro- oder Hybridfahrzeugen muss aufgrund der großen mechanischen und thermischen Belastung mit möglichen Fehlern gerechnet werden, welche zu einem Störlichtbogen führen können. Aufgrund des Gefahrenpotentials, welches von einem solchen Störlichtbogen ausgeht, muss der Störlichtbogen zuverlässig detektiert werden, und anschließend muss eine zuverlässige Abschaltung des betroffenen Energienetzes erfolgen.
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Die Druckschrift 10 2013 001 612 A1 offenbart eine Anordnung zum Anlagen- und Personenschutz. Die Anordnung umfasst ein Schaltelement, welches von einer Störlichtbogenerkennung auslösbar ist. Hierbei resultiert die elektrische Energie zum Auslösen des Schaltelements ausschließlich aus der Energie des auftretenden Störlichtbogens.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung offenbart eine Vorrichtung zur Detektion eines Störlichtbogens gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren zur Detektion eines Störlichtbogens gemäß Patentanspruch 7. Ferner offenbart die vorliegende Erfindung eine elektrische Energieversorgung gemäß Patentanspruch 6.
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Demgemäß ist vorgesehen:
Eine Vorrichtung zur Detektion eines Störlichtbogens zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position in einer elektrischen Energieversorgung. Die Vorrichtung umfasst einen ersten Spannungsdetektor, einen zweiten Spannungsdetektor und einen Lichtbogendetektor. Der erste Spannungsdetektor ist dazu ausgelegt, eine erste elektrische Spannung an der ersten Position der elektrischen Energieversorgung zu erfassen. Der zweite Spannungsdetektor ist dazu ausgelegt, eine zweite elektrische Spannung an der zweiten Position der elektrischen Energieversorgung zu erfassen. Der Lichtbogendetektor ist dazu ausgelegt, die erfasste erste elektrische Spannung mit der erfassten zweiten elektrischen Spannung zu vergleichen. Weiterhin ist der Lichtbogendetektor dazu ausgelegt, eine Signalisierung für einen detektierten Störlichtbogen auszugeben, wenn eine Differenz zwischen der ersten elektrischen Spannung und der zweiten elektrischen Spannung größer ist als ein vorgegebener Schwellwert.
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Ferner ist vorgesehen:
Eine elektrische Energieversorgung mit einer elektrischen Leitung und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion eines Störlichtbogens. Die elektrische Leitung ist an einer ersten Position mit einer elektrischen Energiequelle verbindbar. Weiterhin ist die elektrische Leitung an einer zweiten Position mit einem elektrischen Verbraucher verbindbar.
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Weiterhin ist vorgesehen:
Ein Verfahren zur Detektion eines Störlichtbogens in einer elektrischen Energieversorgung. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Erfassen einer ersten elektrischen Spannung an einer ersten Position der elektrischen Energieversorgung und einen Schritt zum Erfassen einer zweiten elektrischen Spannung an einer zweiten Position der elektrischen Energieversorgung. Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt zum Detektieren eines Störlichtbogens in der elektrischen Energieversorgung, wenn eine Differenz zwischen der ersten elektrischen Spannung und der zweiten elektrischen Spannung einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt.
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Vorteile der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass über einem aktiven Störlichtbogen eine nicht zu vernachlässigende elektrische Spannung abfällt. Tritt daher an einer Fehlerstelle einer elektrischen Energieversorgung ein Störlichtbogen auf, so wird an dieser Fehlerstelle mit dem Störlichtbogen ein Spannungsabfall zu verzeichnen sein. Dieser Spannungsabfall ist in der Regel größer als ein Spannungsabfall entlang einer fehlerfreien Leitung der elektrischen Energieversorgung ohne Störlichtbogen.
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Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Detektion für einen Störlichtbogen vorzusehen, welche den signifikanten Spannungsabfall über einem Störlichtbogen identifiziert. Hierzu ist es insbesondere vorgesehen, in einer elektrischen Energieversorgung eine eingangsseitige Spannung mit einer ausgangsseitigen Spannung zu vergleichen. Bei einem signifikanten Unterschied zwischen der eingangsseitigen und der ausgangsseitigen Spannung liegt zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Energieversorgung ein Spannungsabfall vor. Dieser Spannungsabfall kann als Hinweis auf einen möglichen Störlichtbogen in der elektrischen Energieversorgung zwischen dem Eingang und dem Ausgang gedeutet werden.
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Durch die Erfassung der eingangsseitigen und des ausgangsseitigen Spannung kann auf diese Weise eine besonders einfache und gleichzeitig zuverlässige Detektion auch von ansonsten schwer erkennbaren sogenannten seriellen Störlichtbogen entlang den Leitungswegen der elektrischen Energieversorgung realisiert werden. Spannungsdetektoren zur Erfassung der relevanten elektrischen Spannungen in der elektrischen Energieversorgung können dabei einfach, kostengünstig und mit einem relativ geringen Bauraum realisiert werden. Daher kann der Aufwand für eine Störlichtbogendetektion gering gehalten werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die erste Position in der elektrischen Energieversorgung, an der der erste Spannungsdetektor eine elektrische Spannung erfasst, mit einer elektrischen Energiequelle koppelbar. Bei dieser elektrischen Energiequelle kann es sich beispielsweise um eine Gleichspannungsquelle, insbesondere eine Hochvolt-Batterie, wie zum Beispiel eine Traktionsbatterie eines Elektro-oder Hybridfahrzeugs handeln. Darüber hinaus kann es sich bei der elektrischen Energiequelle auch eine Wechselspannungsquelle handeln, beispielsweise um ein Energieversorgungsnetz, an das zum Beispiel eine Hausinstallation angeschlossen ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die zweite Position der elektrischen Energieversorgung, an der der zweite Spannungsdetektor die zweite elektrische Spannung erfasst, mit einem elektrischen Verbraucher koppelbar. Auf diese Weise kann die elektrische Energieversorgung bis zu diesem elektrischen Verbraucher auf einen Störlichtbogen hin überprüft werden. Insbesondere können zum Beispiel auch die Leitungswege in einem elektrischen Gerät, insbesondere einem Gerät der Consumerelektronik, zwischen einem Anschlusspunkt, an dem das elektrisch Gerät mit einer Energieversorgung gekoppelt wird und dem elektrischen Verbraucher innerhalb des Gerätes überwacht werden, um einen Störlichtbogen zu detektieren.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Lichtbogendetektor dazu ausgelegt, den vorgegebenen Schwellwert in Abhängigkeit von einem elektrischen Strom durch die elektrische Energieversorgung anzupassen. Zusätzlich oder alternativ kann der Lichtbogendetektor auch den vorgegebenen Schwellwert in Abhängigkeit einer elektrischen Leistung eines angeschlossenen elektrischen Verbrauchers anpassen. Auf diese Weise können auftretende Spannungsabfälle in der elektrischen Energieversorgung aufgrund von Ohmschen Widerständen oder Impedanzen berücksichtigt und gegebenenfalls eliminiert werden. Hierdurch kann die Zuverlässigkeit der Störlichtbogendetektion erhöht werden.
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Gemäß einer Ausführungsform beträgt der vorgegebene Schwellwert mindestens 15 Volt. Insbesondere kann der vorgegebene Schwellwert 30 Volt oder mehr betragen. Da für das Zünden eines Störlichtbogens zwischen zwei Kupferkontakten eine elektrische Spannung von mindestens ca. 12 Volt erforderlich ist, kann bei einem geringeren Spannungsabfall kein Störlichtbogen gezündet werden. Ferner ist für das Aufrechterhalten eines Störlichtbogens in der Regel eine elektrische Spannung von 20 Volt oder mehr erforderlich.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann dabei auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:
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1: eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Detektion eines Störlichtbogens gemäß einer Ausführungsform; und
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2: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 10 zur Detektion eines Störlichtbogens in einer elektrischen Energieversorgung 20 gemäß einer Ausführungsform. Die elektrische Energieversorgung 20 umfasst beispielsweise eine erste Versorgungsleitung 21 und eine zweite Versorgungsleitung 22. Die elektrische Energieversorgung 20 kann beispielsweise eingangsseitig mit einer Energiequelle 30 gekoppelt werden. Bei dieser elektrischen Energiequelle 30 kann es sich zum Beispiel um eine Gleichspannungsquelle, wie beispielsweise eine Hochvoltbatterie, insbesondere eine Traktionsbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs handeln. Ferner kann sich bei der elektrischen Energiequelle 30 um eine beliebige weitere elektrische Energiequelle, insbesondere auch um eine ein- oder mehrphasige Wechselspannungsquelle handeln. Beispielsweise kann es sich bei der elektrischen Energiequelle 30 um ein Energieversorgungsnetz handeln, welches zum Beispiel an eine Hausinstallation oder ähnliches anschließbar ist. Ferner kann auch eine ein- oder mehrphasigen Steckdose innerhalb einer Hausinstallation als elektrischen Energiequelle 30 angesehen werden, die eine elektrische Energieversorgung eines Elektrogerätes, insbesondere eines Gerätes der Consumerelektronik speist.
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Entsprechend kann als elektrische Energieversorgung 20 die elektrische Verbindung zwischen einem Anschlusspunkt der Energiequelle 30 und einem elektrischen Verbraucher 40 innerhalb eines Elektrogerätes verstanden werden. Insbesondere können zum Beispiel in einem Elektrogerät, wie zum Beispiel einem elektrischen Haushaltsgerät, beispielsweise einer Waschmaschine, einem Wäschetrockner, einem elektrischen Heizgerät, einem Fernseher, etc., die elektrische Leitungswegen zwischen einem Anschluss an eine Steckdose des Hausnetzes und der elektrischen Verbraucher innerhalb des Gerätes, wie zum Beispiel einem Elektromotor und/oder einer Heizung einer Waschmaschine, überwacht werden. Darüber hinaus können auch beispielsweise die Leitungswege in einem Elektro- oder Hybridfahrzeugs zwischen einer Hochvolt-Batterie (Traktionsbatterie) und dem elektrischen Antriebssystem oder weiteren Verbrauchern des Fahrzeugs überwacht werden.
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Die elektrische Energiequelle 30 kann zum Beispiel mittels eines Trennschalters 23 oder ähnlichem mit der elektrischen Energieversorgung 20 verbunden werden oder von der elektrischen Energieversorgung 20 getrennt werden.
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Ausgangsseitig kann die elektrische Energieversorgung 20 beispielsweise mit einem oder mehreren Verbrauchern 40 verbunden werden. Beispielsweise kann es sich bei diesen Verbrauchern um ein elektrisches Antriebssystem eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs handeln. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch beliebige weitere elektrische Verbraucher möglich. Beispielsweise kann es sich bei den Verbrauchern 40 auch um elektrische Verbraucher innerhalb eines Elektrogerätes handeln. Insbesondere können als elektrische Verbraucher 40 zum Beispiel ein elektrischer Antrieb oder eine Heizung einer Waschmaschine in Frage kommen. Auch können an die elektrische Energieversorgung 20 mehrere elektrische Verbraucher 40 parallel oder an unterschiedlichen Stellen der elektrischen Energieversorgung 20 angeschlossen sein.
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Zum Schutz der elektrischen Energieversorgung 20, insbesondere zur Detektion eines Störlichtbogens 24, kann in der elektrischen Energieversorgung 20 eine Vorrichtung 10 zur Detektion eines Störlichtbogens 24 vorgesehen sein. Hierzu kann zum Beispiel an einer ersten Position der elektrischen Energieversorgung 20 ein erster Spannungsdetektor 11 vorgesehen sein. Diese erste Position in der elektrischen Energieversorgung 20 kann zum Beispiel an einem Anschluss der elektrischen Energieversorgung 20 sein, an der die elektrische Energiequelle 30 elektrische Energie in die elektrische Energieversorgung 20 einspeist. Dabei kann der erste Spannungsdetektor 11 zum Beispiel direkt an der Stelle vorgesehen sein, an der die elektrische Energiequelle 30 mit der elektrischen Energieversorgung 20 gekoppelt ist. Ferner kann der erste Spannungsdetektor 11 auch an einer anderen Stelle der elektrischen Energieversorgung 20, insbesondere an einer Stelle in der Nähe des Anschlusses der elektrischen Energiequelle 30 vorgesehen sein.
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Weiterhin ist ein zweiter Spannungsdetektor 12 vorgesehen. Dieser zweite Spannungsdetektor 12 ist an einer zweiten Position vorgesehen, die sich vorzugsweise an einer Stelle der elektrischen Energieversorgung 20 befindet, an der der elektrische Verbraucher 40 angeschlossen ist. Es ist jedoch auch möglich, den zweiten Spannungsdetektor 12 an einer anderen Stelle, insbesondere einer Stelle in der Nähe des Anschlusses des elektrischen Verbrauchers 40 vorzusehen.
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Der erste Spannungsdetektor 11 und der zweite Spannungsdetektor 12 erfassen jeweils eine elektrische Spannung an der entsprechenden Stelle der elektrischen Energieversorgung 20. Beispielsweise kann der erste Spannungsdetektor 11 eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten Position in der elektrischen Energieversorgung 20 und einem Bezugspotential erfassen. Analog kann der zweite Spannungsdetektor 12 eine Spannungsdifferenz zwischen der zweiten Position in der elektrischen Energieversorgung 20 und dem Bezugspotential erfassen. Dabei kann es sich bei dem Bezugspotential um ein beliebiges Potential handeln, insbesondere um das durch eine Versorgungsleitung 21 oder 22 gebildete Potential. In diesem Fall erfasst der erste Spannungsdetektor 11 eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten Versorgungsleitung 21 und der zweiten Versorgungsleitung 22 an der ersten Position. Analog erfasst der zweite Spannungsdetektor 12 eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten Versorgungsleitung 21 und der zweiten Versorgungsleitung 22 an der zweiten Position. Somit wird durch den ersten Spannungsdetektor 11 beispielsweise die eingangsseitige Spannung erfasst, die durch die elektrische Energiequelle 30 in die elektrische Energieversorgung 20 eingespeist wird. Durch den zweiten Spannungsdetektor 12 kann beispielsweise die ausgangsseitige Spannung erfasst werden, welche an dem elektrischen Verbraucher 40 bereitgestellt wird.
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Bei einer fehlerfreien elektrischen Energieversorgung 20 wird sich während des Betriebs ein relativ geringer Spannungsabfall zwischen der eingangsseitig bereitgestellten Spannung und der ausgangsseitig am Verbraucher 40 anliegenden elektrischen Spannung einstellen. Dieser geringe Spannungsabfall ist unter anderem durch die elektrischen Verluste in den Versorgungsleitungen 21, 22 begründet.
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Bei einer Störung in der elektrischen Energieversorgung 20, beispielsweise einer Unterbrechung in der ersten oder zweiten Versorgungsleitung 21, 22, kann sich bei einer ausreichend hohen elektrischen Spannung an dieser Fehlerstelle ein Störlichtbogen 24 einstellen. Dabei wird sich ein solcher Störlichtbogen 24 insbesondere dann einstellen, wenn an der Fehlerstelle zwischen zwei Punkten eine elektrische Spannung anliegt, die zum Zünden eines Störlichtbogens 24 ausreicht. Beispielsweise ist zwischen zwei Punkten einer Kupferleitung eine elektrische Spannung von mindestens 12 Volt erforderlich, um einen Störlichtbogen zu initiieren. Daraufhin muss an der Fehlerstelle mit dem Störlichtbogen auch für das weitere Aufrechterhalten des Störlichtbogens eine ausreichend hohe elektrische Spannung vorliegen, welche in der Regel mehrere 10 Volt beträgt. Somit wird sich an der Fehlerstelle mit dem Störlichtbogen 24 ein entsprechend hoher Spannungsabfall einstellen.
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Aufgrund des Spannungsabfalls an dem Störlichtbogen 24 wird die elektrische Spannung an der zweiten Position, welches durch den zweiten Spannungssensor 12 erfasst wird, kleiner sein, als die elektrische Spannung an der ersten Position, welches durch den ersten Spannungsdetektor 11 erfasst wird. Für eine Detektion eines Störlichtbogens 24 in der elektrischen Energieversorgung 20 kann daher von dem ersten Spannungsdetektor 11 und dem zweiten Spannungsdetektor 12 jeweils ein Ausgangssignal an einem Lichtbogendetektor 13 bereitgestellt werden. Die Ausgangssignale von dem ersten Spannungsdetektor 11 und dem zweiten Spannungsdetektor 12 korrespondieren zu den erfassten elektrischen Spannungen. Der Lichtbogendetektor 13 kann daraufhin basierend auf den von dem ersten Spannungsdetektor 11 und dem zweiten Spannungsdetektor 12 bereitgestellten Ausgangssignalen eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten Position und der zweiten Position ermitteln. Liegt diese Spannungsdifferenz oberhalb eines vorgegebenen Schwellwerts, so ist dies ein Hinweis darauf, dass sich zwischen dem ersten Spannungsdetektor 11 und dem zweiten Spannungsdetektor 12 ein Störlichtbogen 24 eingestellt hat, welcher eine Spannungsdifferenz verursacht. In der Folge kann der Lichtbogendetektor 13 eine Signalisierung für einen Störlichtbogen ausgeben, wenn eine ausreichend große Spannungsdifferenz detektiert worden ist.
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Diese Signalisierung für einen Störlichtbogen 24 kann beispielsweise dazu verwendet werden, um die elektrische Energieversorgung 20 von der elektrischen Energiequelle 30 zu trennen. Auf diese Weise wird keine weitere elektrische Energie in den Störlichtbogen 24 eingespeist und der Störlichtbogen 24 wird erlöschen. Beispielsweise kann durch das Ausgangssignal des Lichtbogendetektors 13 der Trennschalter 23 ausgelöst werden, um die elektrische Energiequelle 30 von der elektrischen Energieversorgung 20 zu trennen.
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Der Lichtbogendetektor 13 kann darüber hinaus gegebenenfalls auch einen elektrischen Strom in der elektrischen Energieversorgung 20 erfassen und auswerten. Beispielsweise kann hierzu ein Stromsensor (nicht dargestellt) in der elektrischen Energieversorgung 20, insbesondere zwischen der ersten Position und der zweiten Position vorgesehen sein. Basierend auf diesem erfassten elektrischen Strom kann der Lichtbogendetektor 13 bei der Auswertung des Spannungsabfalls zwischen dem ersten Spannungsdetektor 11 und dem zweiten Spannungsdetektor 12 mögliche Spannungsabfälle aufgrund der elektrischen Verluste in der elektrischen Energieversorgung 20 zu berücksichtigen. Da sich mit einem steigenden elektrischen Strom in der elektrischen Energieversorgung 20 zwischen dem Eingang und dem Ausgang der elektrischen Energieversorgung 20 auch dann ein steigender Spannungsabfall einstellen wird wenn kein Störlichtbogen 24 vorliegt, kann der vorgegebene Schwellwert für die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Spannungsdetektor 11 und dem zweiten Spannungsdetektor 12 in Abhängigkeit von einem elektrischen Strom durch die elektrische Energieversorgung 20 angepasst werden.
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Darüber hinaus ist es auch möglich, dass der Lichtbogendetektor 13 bei einer bekannten Leistungsaufnahme der angeschlossenen Verbraucher 40 einen möglichen Spannungsabfall innerhalb der elektrischen Energieversorgung 20 abschätzt und in Abhängigkeit der bekannten Leistung, insbesondere einer bekannten maximalen Leistungsaufnahme der angeschlossenen Verbraucher 40, eine Abschätzung für einen Schwellwert für den Spannungsabfall zur Detektion des Störlichtbogens 24 vornimmt. Beispielsweise kann hierzu eine entsprechende Signalisierung über die aktuelle Leistung des elektrischen Verbrauchers 40 an dem Lichtbogendetektor 13 bereitgestellt werden.
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Darüber hinaus sind selbstverständlich auch beliebige weitere Möglichkeiten zur Anpassung des Schwellwerts für den Spannungsabfall zwischen dem ersten Spannungsdetektor 11 und dem zweiten Spannungsdetektor 12 zur Detektion eines Störlichtbogens 24 in der elektrischen Energieversorgung 20 möglich.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zur Detektion eines Störlichtbogens 24 in einer elektrischen Energieversorgung 20 gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. In Schritt S1 wird eine erste elektrische Spannung an einer ersten Position der elektrischen Energieversorgung 20 erfasst. In Schritt S2 wird eine zweite elektrische Spannung an einer zweiten Position der elektrischen Energieversorgung 20 erfasst. Daraufhin wird in Schritt S3 ein Störlichtbogen 24 in dem Gleichspannungsnetz 20 detektiert, wenn eine Differenz zwischen der ersten elektrischen Spannung und der zweiten elektrischen Spannung einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt.
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Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung die Detektion eines Störlichtbogens in einer elektrischen Energieversorgung. Hierzu wird eine eingangsseitig eingespeiste Spannung mit einer ausgangsseitig bereitgestellten Spannung in der elektrischen Energieversorgung verglichen. Überschreitet diese Spannungsdifferenz zwischen dem Eingang und dem Ausgang der elektrischen Energieversorgung einen vorgegebenen Schwellwert, so ist dies ein Indiz auf einen möglichen Störlichtbogen.
