DE102020201887A1

DE102020201887A1 - Anordnung und Verfahren zur Erkennung von Lichtbögen

Info

Publication number: DE102020201887A1
Application number: DE102020201887.1A
Authority: DE
Inventors: Karsten WENZLAFF; Jörg Meyer; Peter Schegner
Original assignee: Technische Universitaet Dresden; Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2020-02-14
Filing date: 2020-02-14
Publication date: 2021-09-23
Also published as: US20230213572A1; WO2021160372A1; EP4078753A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erkennung von Lichtbögen in einem Niederspannungsstromkreis, aufweisend:- mindestens einen Spannungssensor, zur periodischen Ermittlung von Spannungswerten des Niederspannungsstromkreises,- mindestens einen Stromsensor, zur periodischen Ermittlung von Stromwerten des Niederspannungsstromkreises,- eine mit dem Spannungs- und dem Stromsensor verbundene erste Steuereinheit, die einen Prozessor aufweist, und die derart ausgestaltet sind, dass aus den ermittelten Spannungs- und Stromwerten das Vorliegen eines Schaltlichtbogens ermittelt wird und bei positiver Schaltlichtbogenermittlung ein Schaltlichtbogenerkennungssignal abgegeben wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erkennung von Lichtbögen in einem Niederspannungsstromkreis, einen Niederspannungsleistungsschalter für einen Niederspannungsstromkreis mit einer Anordnung zur Erkennung von Lichtbögen und ein Verfahren zur Lichtbogenerkennung für einen Niederspannungsstromkreis.
Mit Niederspannung sind Spannungen bis 1000 Volt Wechselspannung oder 1500 Volt Gleichspannung gemeint. Mit Niederspannung sind spezieller insbesondere Spannungen gemeint, die größer als die Kleinspannung mit Werten von 50 Volt Wechselspannung oder 120 Volt Gleichspannung sind.
Leistungsschalter sind Schutzgeräte, die ähnlich wie eine Sicherung funktionieren. Leistungsschalter überwachen den durch sie mittels eines Leiters hindurchfließenden Strom und unterbrechen den elektrischen Strom bzw. Energiefluss zu einer Energiesenke bzw. einem Verbraucher, was als Auslösung bezeichnet wird, wenn Schutzparameter, wie Stromgrenzwerte oder Strom-Zeitspannengrenzwerte, d.h. wenn ein Stromwert für eine gewisse Zeitspanne vorliegt, überschritten werden. Die eingestellten Stromgrenzwerte oder Strom-Zeitspannengrenzwerte sind entsprechende Auslösegründe. Die Unterbrechung erfolgt beispielsweise durch eine leistungsschalterseitige Unterbrechungseinheit, beispielsweise mit Kontakten, die geöffnet werden.
Insbesondere für Niederspannungsstromkreise, -anlagen bzw. - netze gibt es abhängig von der Höhe des vorgesehenen elektrischen Stromes im elektrischen Stromkreis verschiedene Typen von Leistungsschaltern. Mit Leistungsschalter im Sinne der Erfindung sind insbesondere Schalter gemeint, wie sie in Niederspannungsanlagen für Ströme, insbesondere Nennströme bzw. maximal Ströme, von 63 bis 6300 Ampere eingesetzt werden. Spezieller werden geschlossene Leistungsschalter für Ströme von 63 bis 1600 Ampere, insbesondere von 125 bis 630 oder 1200 Ampere eingesetzt. Offene Leistungsschalter werden insbesondere für Ströme von 630 bis 6300 Ampere, spezieller von 1200 bis 6300 Ampere verwendet.
Offene Leistungsschalter werden auch als Air Circuit Breaker, kurz ACB, und geschlossene Leistungsschalter als Moulded Case Circuit Breaker oder Kompaktleistungsschalter, kurz MCCB, bezeichnet.
Mit Leistungsschalter im Sinne der Erfindung sind insbesondere Leistungsschalter mit einer als Steuerungseinheit dienenden elektronischen Auslöseeinheit, auch als Electronic Trip Unit, kurz ETU, bezeichnet, gemeint.
In Niederspannungsstromkreisen bzw. Niederspannungsanlagen respektive Niederspannungsnetzen sind Kurzschlüsse meist mit auftretenden Lichtbögen, in diesem Fall Störlichtbögen, wie parallele oder serielle Störlichtbögen, verbunden. Mit Störlichtbögen sind Lichtbögen gemeint, wie sie bei elektrischen Fehlern im Stromkreis bzw. in der Anlage auftreten. Beispielsweise können diese durch Kurzschlüsse bzw. schlechte Verbindungen hervorgerufen werden. Besonders in leistungsstarken Verteil- und Schaltanlagen können diese Störlichtbögen bei einer nicht ausreichend schnellen Abschaltung zu verheerenden Zerstörungen von Betriebsmitteln, Anlagenteilen oder kompletten Schaltanlagen führen. Um einen länger andauernden und großflächigen Ausfall der Energieversorgung zu vermeiden und Personen- sowie generell Schäden zu reduzieren, ist es erforderlich derartige Störlichtbögen, insbesondere stromstarke bzw. parallele Störlichtbögen, in wenigen Millisekunden zu erkennen und zu löschen. Konventionelle Schutzsysteme von Energieversorgungsanlagen können unter den geforderten zeitlichen Anforderungen keinen zuverlässigen Schutz bieten.
Fließt ein Strom in einem fehlerbehafteten Phasenleiter, beispielsweise mit reduziertem Querschnitt, z.B. durch Quetschung, so führt dies bedingt durch die verminderte Stromtragfähigkeit zu einer unzulässigen Erwärmung und in Folge dessen ggf. zum Aufschmelzen des Leiters und einem seriellen Störlichtbogen.
Wenn ein (Fast-)Kurzschluss mit einem anderen Phasenleiter auftritt, wird von einem parallelen Störlichtbogen gesprochen. Generell stellen parallele Störlichtbögen eine leitende, fehlerhafte Verbindung zwischen Leitern bzw. Anlageteilen her.
Parallele Störlichtbögen können z.B. durch Alterung des Isolationsmaterials oder Präsenz von leitender Verschmutzung zwischen Phasenleitern verursacht werden. Sie können zwischen zwei verschiedenen Phasenleitern, zwischen Phasenleiter (L) und Erdungsleiter (PE), oder zwischen Phasenleiter und Neutralleiter (N) auftreten. In vielen Fällen entsteht der parallele Lichtbogen auch infolge eines seriellen Lichtbogens, z.B. durch unsachgemäße Arbeiten oder falsch dimensionierte Berührungsmittel.
In Niederspannungsstromkreisen bzw. Niederspannungsanlagen treten Lichtbögen ferner beim elektrischen Schalten auf, insbesondere zwischen Kontakten eines Schalters, wie eines Leistungsschalters. Diese Lichtbögen werden als Schaltlichtbögen bezeichnet (in Abgrenzung zu den Störlichtbögen). Diese Schaltlichtbögen treten regulär auf und bedeuten keine Störung im Niederspannungsstromkreis.
Mittlerweile gibt es erste Möglichkeiten Lichtbögen in Niederspannungsstromkreisen zu erkennen. Damit kann eine Unterbrechung im Fehlerfall erfolgen. Ein Problem dabei ist, einen Störlichtbogen von einem Schaltlichtbogen zu unterscheiden, da beide auf einen Lichtbogen basieren und somit ähnliche elektrische Eigenschaften aufweisen.
Bei einem Störlichtbogen sollte umgehend eine Unterbrechung des elektrischen Stromkreises erfolgen, um Anlagenzerstörungen zu vermeiden.
Bei einem Schaltlichtbogen sollte eine Unterbrechung des elektrischen Stromkreises unterbleiben, um kostenintensive A-nalagenausfälle zu vermeiden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Erkennung von Schaltlichtbögen zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, einen Niederspannungsleistungsschalter gemäß Patentanspruch 11 oder ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst.
Erfindungsgemäß wird eine Anordnung vorgeschlagen, mit:

- mindestens einen Spannungssensor, zur periodischen Ermittlung von Spannungswerten des Niederspannungsstromkreises,
- mindestens einen Stromsensor, zur periodischen Ermittlung von Stromwerten des Niederspannungsstromkreises,
- eine mit dem Spannungs- und dem Stromsensor verbundene erste Steuereinheit, die einen Prozessor aufweist, und die derart ausgestaltet sind, dass aus den ermittelten Spannungs- und Stromwerten das Vorliegen eines Schaltlichtbogens ermittelt wird und bei positiver Schaltlichtbogenermittlung ein Schaltlichtbogenerkennungssignal abgegeben wird.

Dies hat den besonderen Vorteil, dass bei Erkennung eines Schaltlichtbogens eine Unterbrechung des elektrischen Stromkreises verhindert werden kann, so dass kostenintensive Anlageausfälle vermieden werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die ermittelten Spannungs- und Stromwerte zur Ermittlung einer, insbesondere angenäherten, e-Funktion verwendet. Das Schaltlichtbogenerkennungssignal wird nur dann abgegeben, wenn der ermittelte Exponent der e-Funktion innerhalb eines ersten Bereichs liegt.
Mit e-Funktion ist allgemein eine exponentielle Funktion gemeint und speziell die natürliche Exponentialfunktion mit der eulerschen Zahl e als Basis.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass das Vorliegen eines Schaltlichtbogens durch Ermittlung einer e-Funktion im Spannungsverlaufs ermittelt wird, d.h. wenn die Spannung einen exponentiellen Verlauf aufweist und der Exponent der e-Funktion innerhalb des ersten Bereichs liegt, wird ein Schaltlichtbogenerkennungssignal abgeben. So liegt ein einfaches Kriterium zur Erkennung von Schaltlichtbögen vor.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Schaltlichtbogenerkennungssignal nur dann abgegeben, wenn die Änderung der Spannung nach der Zeit einen ersten Sprunggrenzwert überschreitet.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein weiteres einfaches Kriterium zur Ermittlung eines Schaltlichtbogens vorliegt. Insbesondere die Kombination von Ermittlung einer e-Funktion und Überschreitung des ersten Sprunggrenzwertes der Änderung der Spannung nach der Zeit erlaubt eine zuverlässige und sicherer Schaltlichtbogenerkennung.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Ermittlung der e-Funktion mit der Überschreitung des ersten Sprunggrenzwertes begonnen.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine weitere einfache und sichere Ermittlung von Schaltlichtbögen vorliegt, wobei (Rechen-)Aufwand gespart werden kann, da die Ermittlung der Berechnung des Vorliegens einer e-Funktion im Spannungsverlauf erst mit Überschreitung des Sprunggrenzwertes begonnen werden braucht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden innerhalb eines ersten Zeitfensters, insbesondere gleichzeitig, ein Spannungs- und ein Stromwert als Wertepaar ermittelt. Aus mindestens vier nacheinander ermittelten Wertepaaren wird eine Lichtbogenspannung und der Exponent der e-Funktion ermittelt. Ein Schaltlichtbogenerkennungssignal wird abgegeben, wenn die Lichtbogenspannung einen Lichtbogenspannungsgrenzwert überschreitet und der Exponent der e-Funktion innerhalb des ersten Bereichs liegt.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass neben der Ermittlung der e-Funktion, wobei der Exponent in dem ersten Bereich liegt, auch die Lichtbogenspannung einen Grenzwert überschreiten muss, um eine sicherere und klare Schaltlichtbogenerkennung zu ermöglichen.
In einer vorteilhaften alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird aus den ermittelten Stromwerten die Änderung des Stromes nach der Zeit als Änderungswert ermittelt. Der Spannungs-, der Strom- und der Änderungswert eines ersten Zeitfensters bilden einen Wertesatz. Aus mindestens vier nacheinander ermittelten Wertesätzen wird eine Lichtbogenspannung und der Exponent ermittelt. Ein Schaltlichtbogenerkennungssignal wird abgegeben, wenn die Lichtbogenspannung einen Lichtbogenspannungsgrenzwert überschreitet und der Exponent innerhalb des ersten Bereichs liegt.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass ebenfalls neben der Ermittlung der e-Funktion, wobei der Exponent in dem ersten Bereich liegt, auch die Lichtbogenspannung einen Grenzwert überschreiten muss, um eine sicherere und klare Schaltlichtbogenerkennung zu ermöglichen. Die Berechnung kann hierbei alternativ genauer durch einen erweiterten Wertesatz erfolgen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine zweite Steuereinheit vorgesehen, die derart ausgestaltet ist, oder die erste Steuereinheit ferner derart ausgestaltet ist, dass aus den Spannungs- und Stromwerten das Vorliegen eines Störlichtbogens ermittelt wird und bei positiver Störlichtbogenermittlung ein Störlichtbogenerkennungssignal abgegeben wird.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass neben der Ermittlung eines Schaltlichtbogens auch die Ermittlung eines Störlichtbogens durchgeführt wird. So liegt ein Schaltlichtbogen- und ein Störlichtbogenerkennungssignal vor, die weiterverarbeitet werden können.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Unterbrechungseinheit zur Unterbrechung des Niederspannungsstromkreises vorgesehen, die mit der ersten und gegebenenfalls zweiten Steuereinheit verbunden ist,
dass bei positiver Ermittlung eines Störlichtbogens und negativer Ermittlung eines Schaltlichtbogens eine Unterbrechung des Niederspannungsstromkreises erfolgt.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Sicherheit von Anlagen erhöht und Fehlabschaltungen vermieden werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine Unterbrechung nur dann, wenn eine erste Anzahl Stromwerte einen ersten Stromgrenzwert überschreiten. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine Überstromfreigabe erfolgt, d.h. dass eine Unterbrechung nur dann erfolgt, wenn wirklich große Ströme mit einem entsprechenden Energievolumen und einer entsprechenden Zerstörungskraft vorliegen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Niederspannungsstromkreis ein Niederspannungswechselstromkreis.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass insbesondere in Wechselstromkreisen eine sichere Unterscheidung von Stör- und Schaltlichtbögen erfolgen kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die vorstehende Anordnung in einem Niederspannungsleistungsschalter vorgesehen.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein Schutzgerät für Über- und Kurzschlussströme um eine Störlichtbogenerkennung und Abschaltung erweitert wird, wobei Schaltlichtbögen erfindungsgemäß nicht zu einer Unterbrechung des Stromkreises führen.
Erfindungsgemäß wird ferner in analoger Weise ein Verfahren beansprucht, bei dem:

- periodisch Spannungswerte und Stromwerte des Niederspannungsstromkreises ermittelt werden,
- die ermittelten Spannungs- und Stromwerte zur Ermittlung des Exponenten einer e-Funktion verwendet werden,
- ein Schaltlichtbogenerkennungssignal dann abgegeben wird, wenn der Exponent innerhalb eines ersten Bereichs liegt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Schaltlichtbogenerkennungssignal nur dann abgegeben, wenn (zudem) die Änderung der Spannung nach der Zeit einen ersten Sprunggrenzwert überschreitet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Ermittlung des Exponenten der e-Funktion mit der Überschreitung des ersten Sprunggrenzwertes begonnen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden innerhalb eines ersten Zeitfensters, insbesondere gleichzeitig, ein Spannungs- und ein Stromwert als Wertepaar ermittelt. Aus mindestens vier nacheinander ermittelten Wertepaaren wird der Exponent der e-Funktion ermittelt.
Für die verfahrensseitigen Ausgestaltungen gelten die anordnungsseitigen Vorteile in analoger Weise.
Alle Ausgestaltungen, sowohl in abhängiger Form rückbezogen auf den Patentanspruch 1, 11 oder 12, als auch rückbezogen lediglich auf einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen von Patentansprüchen, bewirken eine Erkennung bzw. Verbesserung der Erkennung von Schaltlichtbögen bzw. dessen Einsatz zum effektiven Schutz eines Niederspannungsstromkreises.
Die beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden.
In der zugehörigen Zeichnung zeigt:

1 ein Ersatzschaltbild eines elektrischen Stromkreises,
2 ein erstes Diagramm des zeitlichen Spannungs- und Stromverlaufes bei einer Störlichtbogenzündung,
3 ein erstes Diagramm des zeitlichen Spannungs- und Stromverlaufes bei einer Schaltlichtbogenzündung,
4 ein halblogarithmisches Diagramm des zeitlichen Spannungsverlaufes bei einer Störlichtbogenzündung,
5 ein halblogarithmisches Diagramm des zeitlichen Spannungsverlaufes bei einer Schaltlichtbogenzündung,
6 ein zweites Diagramm des zeitlichen Spannungs- und Stromverlaufes bei einer Schaltlichtbogenzündung,
7 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs von Größen zur Schaltlichtbogenerkennung,
8 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Lichtbogenerkennungseinheit,
9 einen Ablaufplan zur Schaltlichtbogenerkennung,
10 ein Diagramm zeitlicher Detektionskriterien.

1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines elektrischen Stromkreises, wie beispielsweise eines Niederspannungswechselstromkreises, wobei ein Dreiphasenwechselstromnetz in analoger Weise realisiert wäre, aufweisend eine elektrische Energiequelle 100, die eine elektrische Netz-Spannung u_N(t) zur Verfügung stellt, ein daran angeschlossenes Einspeise-Kabel 200, dargestellt durch elektrische Ersatzschaltelemente, wie einen Einspeise-Kabel-Widerstand R_EK und eine Einspeise-Kabel-Induktivität bzw. Spule L_EK, dem ein elektrischer Verbraucher, Betriebsmittel bzw. Energiesenke 300 folgt, wiederum dargestellt durch elektrische Ersatzschaltelemente, wie einen Verbraucher-Widerstand R_BM und eine Verbraucher-Induktivität bzw. Spule L_BM. Zwischen Einspeise-Kabel 200 und Verbraucher 300 kann eine elektrische Spannung u_m (t) und eine elektrische Stromgröße, wie der elektrische Stromwert im (t) oder/und die Änderung des Stromes nach der Zeit i'_m (t), respektive die erste Ableitung des Stromes nach der Zeit, gemessen werden.
Diese Größen, insbesondere die elektrische Spannung bzw. elektrischen Spannungswerte, werden an den Meßpunkten 600 erfasst, um in einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Lichtbogenerkennung weiter verarbeitet zu werden.
Der hinsichtlich Lichtbögen überwachte Bereich ist durch eine gestrichelte Linie 500 dargestellt.
Im elektrischen Stromkreis kann ein Lichtbogen auftreten, der durch einen Lichtbogen 400 mit einer Lichtbogenspannung U_LB(t) symbolisch dargestellt ist.
Für diesen Stromkreis kann eine Ansatzgleichung aufgestellt werden, die die elektrischen Verhältnisse im Stromkreis beschreibt: $u_{m} (t) = R_{BM} \cdot i_{m} (t) + L_{BM} \frac{{di}_{m} (t)}{dt}$
Unter der Annahme, dass im Niederspannungsnetz ein Lichtbogen vorhanden ist, so wäre das elektrische Verhalten vergleichbar mit dem einer Gegenspannungsquelle im Netz. Daraus ergibt sich die folgende, erweiterte Ansatzdifferenzialgleichung: $u_{m} (t) = R_{BM} \cdot i_{m} (t) + L_{BM} \frac{{di}_{m} (t)}{dt} + u_{LB} (t)$
Ein Störlichtbogen wird vereinfacht als rein ohmscher Verbraucher nachgebildet. Somit wird angenommen, dass die Lichtbogenspannung phasengleich zum Lichtbogenstrom ist. Die Lichtbogenspannung kann somit mit folgender Gleichung beschrieben werden (A - Ampere, sign - Vorzeichenfunktion): $u_{LB} (t) = U_{L B} \cdot sign (i_{LB} (t) / A)$
Wird davon ausgegangen, dass der Messstrom i_m(t) dem Störlichtbogenstrom i_LB(t) entspricht, also keine Stromverzweigung zwischen Messort und Störlichtbogenbrennstelle vorhanden ist, kann geschrieben werden: $u_{m} (t) = R_{BM} \cdot i_{m} (t) + L_{BM} \frac{{di}_{m} (t)}{dt} + sign (i_{m} (t) / A) \cdot U_{LB}$
Zum Lösen dieser erweiterten Ansatzdifferenzialgleichung können verschiedene Verfahren eingesetzt werden. In diesem Zusammenhang wird Bezug genommen auf die Patentanmeldungen:

PCT/EP2016/062274
PCT/EP2016/062273
PCT/EP2016/062272
PCT/EP2016/062271
PCT/EP2017/062980

102016209444.0
102016209443.2
102016209445.9
(deutsches Patentamt)

1

Entsprechend dem vereinfachten Ersatzschaltbild gemäß 1 ergibt sich in Abhängigkeit der Lichtbogenart - Stör- oder Schaltlichtbogen - ein, im Besonderen zum Zeitpunkt der Zündung, abweichender, signifikanter Spannungsverlauf.
Im Stromkreis bzw. Netz, in dem ein Lichtbogen brennt, kann ein Strom- und Spannungsverlauf gemessen werden, der einen signifikanten Verlauf aufweist. Ein typischer zeitlicher Spannungsverlauf u_m(t) und zeitlicher Stromverlauf im (t) für einen Störlichtbogen ist in 2 dargestellt. Diese zeigt eine Darstellung eines Diagramms, in dem der zeitliche Verlauf der elektrischen Spannung U und des elektrischen Stromes I nach Zündung eines Lichtbogens bzw. Störlichtbogens, insbesondere parallelen Störlichtbogen, in einem elektrischen Stromkreis, insbesondere Niederspannungsstromkreis, dargestellt ist.
Auf der horizontalen X-Achse ist die Zeit t in Millisekunden (ms) [t in ms] dargestellt. Auf der vertikalen Y-Achse ist auf der linken Skalierung die Größe der elektrischen Spannung u_m in Volt (V) [u_m in V] abgebildet. Auf der rechten Skalierung ist die Größe des elektrischen Stromes im in Kiloampere (kA) [im in kA] abgebildet.
Nach Lichtbogenzündung verläuft der Strom I annähernd sinusförmig weiter. Die Spannung U verläuft stark verzerrt, etwa „zackenförmig“, mit schnellen Spannungsänderungen. Grob interpretiert ist der Spannungsverlauf in erster Näherung rechteckförmig, an Stelle eines üblicherweise sinusförmigen Verlaufs. Abstrahiert betrachtet, lässt sich im Spannungsverlauf eine Rechteckform erkennen, die auf dem Plateau einen hoch stochastischen Anteil aufzeigt. Die Rechteckform ist dadurch gekennzeichnet, dass es bei der Lichtbogenzündung und in den nachfolgenden Spannungsnulldurchgängen der Wechselspannung zu signifikant erhöhten Spannungsänderungen kommt, die folgend als Spannungssprung bezeichnet werden, da der Anstieg der Spannungsänderung im Vergleich zu einem sinusförmigen Spannungsverlauf wesentlich größer ist.
3 zeigt ein Diagramm des zeitlichen Spannungs- und Stromverlaufes gemäß 2, mit dem Unterschied einer Schaltlichtbogenzündung.
Werden die Verläufe gemäß 2 und 3 halblogarithmisch dargestellt, so zeigt sich entsprechend 4 und 5 das für einen Schaltlichtbogen typische und vom Störlichtbogen abweichende Verhalten im Spannungsverlauf.
4 zeigt eine Darstellung des zeitlichen Spannungsverlaufes u_m(t), u_m(t) log bei einer Störlichtbogenzündung gemäß 2 einerseits in linearer u_m(t) und andererseits in halblogarithmischer u_m(t) log Abbildung. Auf der horizontalen X-Achse ist die Zeit t in Millisekunden (ms) [t in ms] dargestellt. Auf der vertikalen Y-Achse ist auf der linken Skalierung die Größe der elektrischen Spannung u_m in Volt (V) [um in V] in linearer Darstellung abgebildet. Auf der rechten Skalierung ist die Größe der elektrischen Spannung u_m in Volt (V) [u_m in V] in logarithmischer Darstellung abgebildet.
5 zeigt ein Diagramm gemäß 4, mit dem Unterschied einer Schaltlichtbogenzündung.
Erfindungsgemäß wurde herausgefunden, dass bei einem Schaltlichtbogen im Spannungsverlauf zum Zeitpunkt der Zündung eine angenäherte e-Funktion vorliegt, die erfindungsgemäß für den Nachweis eines Schaltlichtbogens verwendet werden soll. 5 zeigt den angenäherten Verlauf im Bereich von etwa 1,2 ms, d.h. zwischen den beiden vertikalen Linien im Diagramm.
Erfindungsgemäß wird dieser signifikante Spannungsverlauf eines Schaltlichtbogens für diesen Bereich der Zündung wie folgt beschrieben (U_AK - Anoden-Katoden-Spannung zwischen den geöffneten Kontakten, bei Einfachunterbrechern 20...30V, bei Doppelunterbrechern 40...60V; A - Ampere) : $u_{LB} (t) = U_{AK} s g n (\frac{i_{m} (t)}{A}) e^{(t - t o) / τ}$
Eingesetzt in die Ansatzgleichung (Gleichung 2) lässt sich für den Bereich der Lichtbogenzündung im Gegensatz zu einem Störlichtbogen (Gleichung 4) für einen Schaltlichtbogen nachfolgendes beschreiben: $u_{m} (t) = R_{BM} \cdot i_{m} (t) + L_{BM} \frac{{di}_{m} (t)}{dt} + U_{AK} s g n (\frac{i_{m} (t)}{A}) e^{(t - t o) / τ}$
Der Ausdruck (t-to)/τ ist der Exponent der e-Funktion. Der Spannungsverlauf eines Schaltlichtbogens wird erfindungsgemäß durch eine abstrahierte e-Funktion beschrieben, wie in 5 dargestellt.
D.h. wenn der Exponent (t-to)/τ der e-Funktion innerhalb eines ersten Bereichs liegt, liegt ein Schaltlichtbogen vor. D.h. ein Schaltlichtbogenerkennungssignal kann in diesem Fall von einer Anordnung abgegeben werden. Die Anordnung ermittelt fortlaufend aus (fortlaufend/periodisch) ermittelten Spannungs- und Stromwerten Exponenten der e-Funktion.
Als weiteres bzw. zusätzliches, signifikantes Kriterium lässt sich im Spannungsverlauf eines Schaltlichtbogens ein Spannungssprung zum Zeitpunkt der Kontaktöffnung erkennen. 6 zeigt diesen Spannungssprung SS.
6 zeigt ein Diagramm gemäß 3, mit dem Unterschied, dass der Spannungssprung SS und der exponentielle Anstieg EA gekennzeichnet sind.
Entsprechend der eingesetzten Schaltertypologie unterscheidet sich dieser Spannungssprung in Abhängigkeit der Anzahl der in Reihe geschalteten Kontakte. Der Verlauf in 6 zeigt einen Spannungssprung eines Einfach-Unterbrecher-Kontaktes. Bei einem Zweifach-Unterbrecher-Kontakt ist von zwei Spannungssprüngen auszugehen.
Der Spannungssprung tritt zum direkten Zeitpunkt der Kontaktöffnung auf und beschreibt das Zünden des Lichtbogens und resultiert - physikalischen hergeleitet - aus dem Anoden-Kathoden-Spannungsfall UAK des Lichtbogens. Entsprechend der angenäherten e-Funktion lässt sich der Spannungssprung durch den Skalierungsfaktor der e-Funktion beschreiben.
Der Skalierungsfaktor und somit auch der Spannungssprung können durch unterschiedliche Algorithmen bestimmt werden. Beispielsweise durch eine Berechnung mit dem so genannten W-RU-Algorithmus oder dem W-RUs-Algorithmus, die auf der Basis einer Wavelet-Transformation entwickelt wurden, um einen äquivalenten Spannungssprung im Signalverlauf zu ermitteln.
Eine Ermittlung mit dem W-RU-Algorithmus ist beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung mit dem Anmeldeaktenzeichen 10 2016 209 445.9 beschrieben. Eine Ermittlung mit dem W-RUs-Algorithmus ist beispielsweise in der europäischen Patentanmeldung mit dem Anmeldeaktenzeichen PCT/EP2016/062271 (EP) beschrieben (beide vorher erwähnt und durch Bezugnahme aufgenommen) .
Eine Alternative zur Ermittlung des Spannungssprungs wäre die (fortlaufende bzw. periodische) Ermittlung der Änderung der Spannung nach der Zeit. Wenn die Änderung der Spannung nach der Zeit bzw. erste Ableitung der Spannung nach der Zeit einen ersten Sprunggrenzwert überschreitet, dessen Wert zwischen 10 und 30 Volt, insbesondere von 12 bis 25 Volt, liegen kann (als typischer Anoden-Katoden-Spannungsabfall), liegt ein Spannungssprung eines Schaltlichtbogens vor, insbesondere dann, wenn er von einer e-Funktion gefolgt wird.
Ein Verfahren zur Ermittlung einer e-Funktion und ob der ermittelte Exponent der e-Funktion innerhalb eines ersten Bereichs liegt, ist durch eine numerische Berechnung auf Basis eines erweiterten, modifizierten Distanzschutzalgorithmus möglich. Hierzu eignen sich entsprechend der gewünschten Genauigkeit und des vorhandenen Modellnetzes nachfolgende differenzierende bzw. integrierende Algorithmen:
Die Erkenntnisse aus der Entwicklung numerischer Detektionsalgorithmen zur Erkennung von Störlichtbögen, siehe referenzierte Patentanmeldungen, zeigen, dass gute Ergebnisse bei der Berechnung der unbekannten Parameter der Ansatzgleichung bei einem vollständigen integrierenden Lösungsansatz zu erzielen sind.
Das neue erfindungsgemäße Verfahren bzw. der neue erfindungsgemäße Algorithmus wurde für die Abgrenzung zwischen Schalt- und Störlichtbögen entwickelt. Hierzu eignet sich besonders gut der (integrierende) I-RLse-Algorithmus. Dieser basiert auf den für die Störlichtbogen entwickelten I-RLs-Algorithmus und stellt einen erfindungsgemäß modifizierten Ansatz dar. Zukünftig ist es mit dem I-RLse-Algorithmus möglich, sowohl einen Störlichtbogen als auch einen Schaltlichtbogen zu erkennen.
Neben den Parametern R_BM, L_BM, U_AK und τ ist es zusätzlich hilfreich, den Zeitpunkt t0 zu bestimmen. Der Zeitpunkt t0 definiert den Zeitpunkt, zu dem der Spannungssprung in Form Form z.B. eines Signalverlaufsalgorithmus oder wenn die Änderung der Spannung nach der Zeit den ersten Sprunggrenzwert überschreitet - detektiert werden kann, lässt sich beispielsweise hierüber der Zeitpunkt t0 bestimmen.
Durch Auflösen der Gleichung 6 können die für die Schaltlichtbogenerkennung auszuwertenden Parameter Spannungssprung SS bzw. U_AK oder/und der Exponent der e-Funktion bzw. τ bestimmt werden. Liegen beide berechneten Parameter zeitgleich innerhalb definierter Grenzbereiche, gilt ein Schaltlichtbogen als detektiert.
Dies ist beispielhaft in 7 dargestellt. 7 zeigt ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs von Größen zur Schaltlichtbogenerkennung. Im oberen Diagramm von 7 ist der zeitliche Spannungsverlauf um (t) der Schaltlichtbogenzündung gemäß 3 bzw. 6 dargestellt.
Im mittleren Diagramm ist der ermittelte Exponent der e-Funktion, im Beispiel repräsentiert durch den Wert 1/τ in s^-1 dargestellt. Auf der vertikalen y-Achse ist der Wertebereich von 1/τ in s^-1 aufgetragen, im Beispiel 0...3000...6000 s^-1. Parallel zur horizontalen X-Achse sind zwei horizontale Linien für die Grenzwerte 800 s^-1 und 2700 s^-1 eingetragen. Der erste Bereich wäre in diesem Beispiel von 800 s^-1 bis 2700 s^-1.
Im unteren Diagramm ist der Spannungssprung UAK (= UAK) über der Zeit eingetragen. Auf der vertikalen Achse ist die Größe der elektrischen Spannung U_AK in Volt (V) [U_AK in V] abgebildet. Parallel zur horizontalen Achse ist eine horizontale Linie für den Grenzwert UAK von 9,5 V eingezeichnet. D.h. liegt eine Spannungssprung von größer als 9,5 V vor (bzw. ein äquivalenter Sprunggrenzwert der Änderung der Spannung nach der Zeit), liegt zumindest ein Kriterium für einen Schaltlichtbogen vor. Auf der horizontalen X-Achse ist für alle drei Diagramme die Zeit t in Millisekunden (ms) [t in ms] dargestellt.
Zum Zeitpunkt kurz vor 16 ms ist eine vertikal gestrichelte Linie eingezeichnet. Zu diesem Zeitpunkt liegen zwei positive Kriterien der Schaltlichtbogenerkennung vor. Zum ersten liegt der Exponent der e-Funktion innerhalb des ersten Bereichs. Zum zweiten liegt ein Spannungssprung von größer als 9,5V vor. Somit wird zu diesem Zeitpunkt ein Schaltlichtbogen erkannt und ein Schaltlichtbogenerkennungssignal kann abgegeben werden. Die Erkennung des Spannungssprunges kann nach oben begrenzt sein, wie in 7 im unteren Diagramm durch eine weitere horizontale Linie bei 70 Volt (obere Begrenzung) eingezeichnet ist. D.h. ein Spannungssprung größer als 70 Volt würde in diesem Fall nicht berücksichtigt werden.
Erfindungsgemäß kann die Schaltlichtbogenerkennung mit einer prädiktiven Überstromfreigabe kombiniert werden. D.h. eine Schaltlichtbogenerkennungssignal wird nur dann abgegeben, wenn der Strom, d.h. z.B. eine erste Anzahl Stromwerte, einen ersten Stromgrenzwert überschreitet.
8 zeigt eine mögliche Kombination der erfindungsgemäßen Schaltlichtbogenerkennung mit einer Störlichtbogenerkennung in einer Anordnung PADD. Die Anordnung PADD weist einen ersten Eingang E1 für die elektrische Spannung um (t) und einen zweiten Eingang E2 für eine elektrische Stromgröße, wie der elektrische Stromwert im (t) oder/und die Änderung des Stromes nach der Zeit i'_m (t) auf, im Beispiel im (t). Die elektrische Spannung um (t) und die elektrische Stromgröße werden einer ersten Steuereinheit ST1 zugeführt, die das Vorliegen eines Schaltlichtbogens ermittelt. Bei positiver Schaltlichtbogenermittlung wird ein Schaltlichtbogenerkennungssignal LSA abgeben. Die erste Steuereinheit ST1 kann die Schaltlichtbogenermittlung beispielsweise mittels eines erweiterten Distanzschutzalgorithmus, z.B. I-RLse-Algorithmus, durchführen. Die erste Steuereinheit ST1 kann ferner derart ausgestaltet sein, dass diese eine Störlichtbogenermittlung durchführt. Beispielsweise mit dem gleichen oder einem anderen Algorithmus (siehe in Bezug genommenen Patentanmeldungen). Alternativ bzw. zusätzlich kann die Störlichtbogenermittlung auch mittels einer zweiten Steuereinheit ST2 durchgeführt werden. Hierzu werden der zweiten Steuereinheit ST2 die elektrische Spannung u_m (t) und die elektrische Stromgröße zugeführt. Die zweite Steuereinheit ST2 gibt bei Erkennung eines Störlichtbogens ein erstes Störlichtbogenerkennungssignal LST1 ab.
Im Beispiel gemäß 8 weist die Anordnung PADD eine erste und eine zweite Steuereinheit ST1, ST2 auf, wobei die erste Steuereinheit ST1 sowohl eine Schaltlichtbogenermittlung als auch eine Störlichtbogenermittlung durchführt. Sie gibt dazu das Schaltlichtbogenerkennungssignal LSA bzw. ein zweites Störlichtbogenerkennungssignal LST2 ab.
Die Anordnung gemäß 8 kann, wie dargestellt, eine dritte Steuereinheit ST3 aufweisen, beispielsweise mit einer prädiktiven Überstromfreigabe. D.h. der dritten Steuereinheit ST3 wird die elektrische Stromgröße, wie der elektrische Stromwert im (t) oder/und die Änderung des Stromes nach der Zeit i'_m (t) zugeführt. Bei Überschreitung des ersten Stromgrenzwertes wird ein Stromfreigabesignal SI abgegeben. Die Abgabe des Stromfreigabesignal SI kann erst dann erfolgen, wenn eine erste Anzahl Stromwerte überschritten sind, d.h. der Strom für eine erste Zeitspanne vorliegt.
Die Steuereinheiten gemäß 8 können derart verknüpft sein, dass das oder die Störlichtbogenerkennungssignale, im Beispiel LST1 und LST2, miteinander Oder-verknüpft sind, beispielsweise durch eine Oder-Einheit OR.
Das bzw. die Oder verknüpften Störlichtbogenerkennungssignale können mit dem Schaltlichtbogenerkennungssignal Und-verknüpft sein, beispielsweise durch eine Und-Einheit UND, wobei die Und-Einheit für das Schaltlichtbogenerkennungssignal LSA einen invertierten Eingang aufweist. So dass bei Vorliegen eines Schaltlichtbogenerkennungssignal LSA die Und-Einheit kein positives Signal abgibt. Die Und-Einheit UND kann ein Unterbrechungssignal US abgegeben, beispielsweise für eine Unterbrechung des elektrischen Stromkreises, beispielsweise durch einen Niederspannungsleistungsschalter. Ein Unterbrechungssignal US wird nur dann abgegeben, wenn ein Störlichtbogen erkannt, d.h. ein erstes oder/und zweites Störlichtbogenerkennungssignal LST1, LST2 vorliegen, sowie kein Schaltlichtbogen erkannt wurde, d.h. kein (positives) Schaltlichtbogenerkennungssignal LSA vorliegt.
Ferner kann das Stromfreigabesignal SI der dritten Steuereinheit ST3 ebenfalls der Und-Einheit UND zugeführt werden, wie in 8 dargestellt, so dass ein Unterbrechungssignal US nur dann abgegeben wird, wenn ein Stromfreigabesignal SI vorliegt.
Die zweite Steuereinheit ST2 kann ferner derart ausgestaltet sein, dass eine Ermittlung des Zeitpunktes to durchgeführt wird, d.h. wenn z.B. der erste Sprunggrenzwert überschritten wird bzw. ein Spannungssprung, der eine Spannungssprunghöhe überschreitet, vorliegt. Die Ermittlung des Zeitpunktes to kann an die erste Steuereinheit ST1 gemeldet werden, was durch einen Pfeil zwischen zweiter und erster Steuereinheit angedeutet ist. Damit kann die erste Steuereinheit das Vorliegen des Schaltlichtbogenkriteriums anwenden oder/und eine Ermittlung der e-Funktion bzw. dessen Exponenten starten.
Die zweite Steuereinheit ST2 kann z.B. eine Signalverlaufsanalyse durchführen (siehe in Bezug genommene Patentanmeldungen) .
9 zeigt einen möglichen Verfahrensablauf, der z.B. in Form eines weiteren Algorithmus realisiert sein kann. In einem Schritt 10 erfolgt die fortlaufende Berechnung des Exponenten der e-Funktion, beispielsweise von τ^-1, sowie eine fortlaufende Detektion eines Spannungssprunges bzw. der Überschreitung des ersten Sprunggrenzwertes.
In einem Schritt 20 erfolgt bei Detektion eines Sprunges eine Prüfung, ob der Zeitpunkt to bereits gesetzt ist, Schritt 30. Wenn nein, Schritt 50, wird der Zeitpunkt to auf den aktuellen Zeitpunkt gesetzt. Wenn ja, Schritt 40, wird der gesetzte Zeitpunkt to verwendet. Im Schritt 60 wird die Prüfung durchgeführt, ob der Exponent der e-Funktion innerhalb des ersten Bereiches liegt. Wenn nein, wird zu Schritt 200 gesprungen, dass kein Schaltlichtbogen vorliegt, und der Verfahrensablauf beginnt von vorn. Wenn ja, wird zu Schritt 70 gesprungen und z.B. die Höhe des Spannungssprunges UAK ermittelt. Ist UAK größer als ein Schwellwert bzw. innerhalb eines weiteren Bereichs, wird ein Schaltlichtbogen im Schritt 100 erkannt, andernfalls liegt mit Schritt 200 kein Schaltlichtbogen vor.
In beiden Fällen kann der Algorithmus von vorn starten.
Wird im Schritt 20 kein Sprung detektiert, liegt mit Schritt 200 kein Schaltlichtbogen vor.
In 10 ist das Zusammenwirken zeitlicher Detektionskriterien in zwei Diagrammen dargestellt. Das obere Diagramm zeigt den Spannungsverlauf eines Schaltlichtbogen gemäß 3 bzw. 6. Das untere Diagramm zeigt das Detektionsverhalten zweier Algorithmen, zu einem des W-RU Algorithmus (großes Fenster mit Haltezeit HZ), zum anderen des I-RLse Algorithmus (schmales Fenster), der unmittelbar in Zusammenwirken mit dem W-RU Algorithmus zur Abgabe eines Schaltlichtbogenerkennungssignals LSA führt.
Der Signalverlaufsalgorithmus (W-RU) detektiert den Spannungssprung und gibt somit bereits eine Fuß-Punkt-Freigabe für den I-RLse-Algorithmus entsprechend 10.
Die Lösung der Ansatzgleichung für den Stromkreis über ein integrierendes Verfahren, das aufgrund von vier Unbekannten ebenfalls vier unterschiedliche Integrationsgrenzen benötigt, stellt lediglich ein Beispiel der Lösungsmöglichkeiten dar. Eine weitere Möglichkeit wäre beispielweise die Lösung mit MKQ-Algorithmen, die auf der Methode der kleinsten Fehlerquadrate beruhen.
Der erfindungsgemäße Detektionsalgorithmus zur Erkennung von Schaltlichtbögen kann zum einen für die Abgrenzung von Schalt- und Störlichtbögen bei der Störlichtbogenerkennung mit numerischen Detektionsalgorithmen eingesetzt werden. Zum anderen kann der Algorithmus auch bei bestehenden Störlichtbogenschutzsystemen, die z.B. auf Basis einer optischen Erkennung arbeiten, als zusätzliche Funktion zum Einsatz kommen, da derartige Systeme häufig Probleme aufweisen, wenn es in dem zu schützenden und überwachenden Bereich zu einem stromstarken Schaltlichtbogen kommt. Im Weiteren kann der Algorithmus in Kombination mit numerischen Verfahren der Störlichtbogenerkennung eingesetzt werden, um beispielweise schnell ein Schalterversagen eines nachgelagerten Leistungsschalters zu erkennen und den Fehler entsprechend schnell zu klären, ohne entsprechend eingestellte Staffelzeiten zu verzögern.
Im Folgenden wird die Herleitung der erweiterten Distanzschutzverfahren bzw. -algorithmen zur Erkennung von Schaltlichtbögen und somit zur Abgrenzung von Störlichtbögen beschrieben. Das Verfahren bzw. der Algorithmus basiert auf der folgenden Ansatzgleichung: $u_{mess} = R_{BM} i_{mess} + L_{BM} i'_{mess} + U_{LB} e^{τ (t)} sign (\frac{i_{mess}}{A})$
I-RLse-Berechnung / Algorithmus (mit neu beginnender Nummerierung): $u_{1} = R_{BM} i_{1} + L_{BM} i'_{1} + U_{LB} e^{τ (t)} s_{1}$
$u_{2} = R_{BM} i_{2} + L_{BM} i'_{2} + U_{LB} e^{τ (t + 1 Δ T)} s_{2}$
$u_{3} = R_{BM} i_{3} + L_{BM} i'_{3} + U_{LB} e^{τ (t + 2 Δ T)} s_{3}$
$u_{4} = R_{BM} i_{4} + L_{BM} i'_{4} + U_{LB} e^{τ (t + 3 Δ T)} s_{4}$
Umstellen nach R $\frac{u_{1} - L_{BM} i'_{1} - U_{LB} e^{τ (t)} s_{1}}{i_{1}} = R_{BM}$
$\frac{u_{2} - L_{BM} i'_{2} - U_{LB} e^{τ (t + 1 Δ T)} s_{2}}{i_{2}} = R_{BM}$
$\frac{u_{3} - L_{BM} i'_{3} - U_{LB} e^{τ (t + 2 Δ T)} s_{3}}{i_{3}} = R_{BM}$
$\frac{u_{4} - L_{BM} i'_{4} - U_{LB} e^{τ (t + 3 Δ T)} s_{4}}{i_{4}} = R_{BM}$
Gleichsetzen der 1. und 2. und 3. und 4. Formel und nach L auflösen
$\frac{u_{1} - L_{BM} i'_{1} - U_{LB} e^{τ (t)} s_{1}}{i_{1}} = \frac{u_{2} - L_{BM} i'_{2} - U_{LB} e^{τ (t + 1 Δ T)} s_{2}}{i_{2}}$
$\frac{u_{3} - L_{BM} i'_{3} - U_{LB} e^{τ (t + 2 Δ T)} s_{3}}{i_{3}} = \frac{u_{4} - L_{BM} i'_{4} - U_{LB} e^{τ (t + 3 Δ T)} s_{4}}{i_{4}}$
Umstellen $u_{1} i_{2} - L_{BM} i'_{1} i_{2} - U_{LB} e^{τ (t)} s_{1} i_{2} = u_{2} i_{1} - L_{BM} i'_{2} i_{1} - U_{LB} e^{τ (t + 1 Δ T)} s_{2} i_{1}$
$u_{3} i_{4} - L_{BM} i'_{3} i_{4} - U_{LB} e^{τ (t + 2 Δ T)} s_{3} i_{4} = u_{4} i_{3} - L_{BM} i'_{4} i_{3} - U_{LB} e^{τ (t + 3 Δ T)} s_{4} i_{3}$
Vereinfachen $L_{BM} = \frac{u_{2} i_{1} - U_{LB} e^{τ (t + 1 Δ T)} s_{2} i_{1} + U_{LB} e^{τ (t)} s_{1} i_{2} - u_{1} i_{2}}{i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2}}$
$L_{BM} = \frac{u_{4} i_{3} - U_{LB} e^{τ (t + 3 Δ T)} s_{4} i_{3} + U_{LB} e^{τ (t + 2 Δ T)} s_{3} i_{4} - u_{3} i_{4}}{i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4}}$
Gleichsetzen $\begin{array}{l} \frac{u_{2} i_{1} - U_{LB} e^{τ (t + 1 Δ T)} s_{2} i_{1} + U_{LB} e^{τ (t)} s_{1} i_{2} - u_{1} i_{2}}{i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2}} \\ = \frac{u_{4} i_{3} - U_{LB} e^{τ (t + 3 Δ T)} s_{4} i_{3} + U_{LB} e^{τ (t + 2 Δ T)} s_{3} i_{4} - u_{3} i_{4}}{i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4}} \end{array}$
Nach U-LB umstellen $\frac{u_{2} i_{1} - u_{1} i_{2}}{i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2}} + \frac{U_{LB} e^{τ (t)} s_{1} i_{2} - U_{LB} e^{τ (t + 1 Δ T)} s_{2} i_{1}}{i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2}} = \frac{u_{4} i_{3} - u_{3} i_{4}}{i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4}} + \frac{U_{LB} e^{τ (t + 2 Δ T)} s_{3} i_{4} - U_{LB} e^{τ (t + 3 Δ T)} s_{4} i_{3}}{i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4}}$
Vereinfachen $U_{LB} = \frac{\frac{u_{4} i_{3} - u_{3} i_{4}}{i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4}} - \frac{u_{2} i_{1} - u_{1} i_{2}}{i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2}}}{\frac{e^{τ (t)} s_{1} i_{2} - e^{τ (t + 1 Δ T)} s_{2} i_{1}}{i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2}} - \frac{e^{τ (t + 2 Δ T)} s_{3} i_{4} - e^{τ (t + 3 Δ T)} s_{4} i_{3}}{i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4}}}$
$U_{LB} = \frac{\frac{(i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2}) (u_{4} i_{3} - u_{3} i_{4}) - (i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4}) (u_{2} i_{1} - u_{1} i_{2})}{(i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4}) * (i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2})}}{\frac{(e^{τ (t)} s_{1} i_{2} - e^{τ (t + 1 Δ T)} s_{2} i_{1}) (i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4}) - (i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2}) (e^{τ (t + 2 Δ T)} s_{3} i_{4} - e^{τ (t + 3 Δ T)} s_{4} i_{3})}{(i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4}) * (i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2})}}$
$U_{LB} = \frac{(i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2}) (u_{4} i_{3} - u_{3} i_{4}) - (i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4}) (u_{2} i_{1} - u_{1} i_{2})}{(i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4}) (e^{τ (t)} s_{1} i_{2} - e^{τ (t + 1 Δ T)} s_{2} i_{1}) - (i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2}) (e^{τ (t + 2 Δ T)} s_{3} i_{4} - e^{τ (t + 3 Δ T)} s_{4} i_{3})}$
$U_{LB} = \frac{a}{b} = \frac{(i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2}) (u_{4} i_{3} - u_{3} i_{4}) - (i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4}) (u_{2} i_{1} - u_{1} i_{2})}{(i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4}) (e^{τ (t)} s_{1} i_{2} - e^{τ (t + 1 Δ T)} s_{2} i_{1}) - (i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2}) (e^{τ (t + 2 Δ T)} s_{3} i_{4} - e^{τ (t + 3 Δ T)} s_{4} i_{3})}$
b berechnen $\begin{array}{l} b = (i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4}) (e^{τ (t)} s_{1} i_{2} - e^{τ (t + 1 Δ T)} s_{2} i_{1}) - (i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2}) (e^{τ (t + 2 Δ T)} s_{3} i_{4} - \\ e^{τ (t + 3 Δ T)} s_{4} i_{3}) \end{array}$
$\begin{array}{l} b = e^{τ (t)} (s_{1} i_{2} i'_{4} i_{3} - s_{1} i_{2} i'_{3} i_{4}) - e^{τ (t + 1 Δ T)} (s_{2} i_{1} i'_{4} i_{3} - \\ s_{2} i_{1} i'_{3} i_{4}) - e^{τ (t + 2 Δ T)} (s_{3} i_{4} i'_{2} i_{1} - s_{3} i_{4} i'_{1} i_{2}) + e^{τ (t + 3 Δ T)} (s_{4} i_{3} i'_{2} i_{1} - s_{4} i_{3} i'_{1} i_{2}) \end{array}$
Substitution für e^τΔT=x $b = e^{τ (t)} (s_{4} i_{3} (i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2}) x^{3} - s_{3} i_{4} (i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2}) x^{2} - s_{2} i_{1} (i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4}) x - s_{1} i_{2} (i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4}))$
Gleichsetzen der 1. und 3. und 2. und 4. Formel und nach U-LB auflösen
$\frac{u_{1} - L_{BM} i'_{1} - U_{LB} e^{τ (t)} s_{1}}{i_{1}} = \frac{u_{3} - L_{BM} i'_{3} - U_{LB} e^{τ (t + 2 Δ T)} s_{3}}{i_{3}}$
$\frac{u_{2} - L_{B M} i'_{2} - U_{L B} e^{τ (t + 1 Δ T)} s_{2}}{i_{1}} = \frac{u_{4} - L_{B M} i'_{4} - U_{L B} e^{τ (t + 3 Δ T)} s_{4}}{i_{4}}$
Nach L-BM umstellen $u_{1} i_{3} - L_{B M} i'_{1} i_{3} - U_{L B} e^{τ (t)} s_{1} i_{3} = u_{3} i_{1} - L_{B M} i'_{3} i_{1} - U_{L B} e^{τ (t + 2 Δ T)} s_{3} i_{1}$
$u_{2} i_{4} - L_{B M} i'_{2} i_{4} - U_{L B} e^{τ (t)} s_{2} i_{4} = u_{4} i_{2} - L_{B M} i'_{3} i_{1} - U_{L B} e^{τ (t + 3 Δ T)} s_{4} i_{2}$
$L_{B M} i'_{3} i_{1} - L_{B M} i'_{1} i_{3} = u_{3} i_{1} - U_{L B} e^{τ (t + 2 Δ T)} s_{3} i_{1} - u_{1} i_{3} + U_{L B} e^{τ (t)} s_{1} i_{3}$
$L_{B M} i'_{4} i_{2} - L_{B M} i'_{2} i_{4} = u_{4} i_{2} - U_{L B} e^{τ (t + 3 Δ T)} s_{4} i_{2} - u_{2} i_{4} + U_{L B} e^{τ (t + 1 Δ T)} s_{2} i_{4}$
$L_{B M} = \frac{u_{3} i_{1} - U_{L B} e^{τ (t + 1 Δ T)} s_{3} i_{1} - u_{1} i_{3} + U_{L B} e^{τ (t)} s_{1} i_{3}}{i'_{3} i_{1} - i'_{1} i_{3}}$
$L_{B M} = \frac{u_{4} i_{2} - U_{L B} e^{τ (t + 3 Δ T)} s_{4} i_{2} - u_{2} i_{4} + U_{L B} e^{τ (t + 1 Δ T)} s_{2} i_{4}}{i'_{4} i_{2} - i'_{2} i_{4}}$
Gleichsetzen nach L-BM $\begin{array}{l} \frac{U_{L B} e^{τ (t)} s_{1} i_{3} - U_{L B} e^{τ (t + 2 Δ T)} s_{3} i_{1}}{i'_{3} i_{1} - i'_{1} i_{3}} + \frac{u_{3} i_{1} - u_{1} i_{3}}{i'_{3} i_{1} - i'_{1} i_{3}} \\ = \frac{U_{L B} e^{τ (t)} s_{2} i_{4} - U_{L B} e^{τ (t + 3 Δ T)} s_{4} i_{2}}{i'_{4} i_{2} - i'_{2} i_{4}} + \frac{u_{4} i_{2} - u_{2} i_{4}}{i'_{4} i_{2} - i'_{2} i_{4}} \end{array}$
$U_{L B} = \frac{c}{d} = \frac{(u_{4} i_{2} - u_{2} i_{4}) (i'_{3} i_{1} - i'_{1} i_{3}) (i'_{4} i_{2} - i'_{2} i_{4})}{(e^{τ (t)} s_{1} i_{3} - e^{τ (t + 2 Δ T)} s_{3} i_{1}) (i'_{4} i_{2} - i'_{2} i_{4}) - (e^{τ (t + 1 Δ T)} s_{2} i_{4} - e^{τ (t + 3 Δ T)} s_{4} i_{2}) (i'_{3} i_{1} - i'_{1} i_{3})}$
$d = (e^{τ (t)} s_{1} i_{3} - e^{τ (t + 2 Δ T)} s_{3} i_{1}) (i'_{4} i_{2} - i'_{2} i_{4}) - (e^{τ (t + 1 Δ T)} s_{2} i_{4} - e^{τ (t + 3 Δ T)} s_{4} i_{2}) (i'_{3} i_{1} - i'_{1} i_{3})$
$d = (e^{τ (t)} s_{1} i_{3} - e^{τ (t + 2 Δ T)} s_{3} i_{1}) (i'_{4} i_{2} - i'_{2} i_{4}) - (e^{τ (t + 1 Δ T)} s_{2} i_{4} - e^{τ (t + 3 Δ T)} s_{4} i_{2}) (i'_{3} i_{1} - i'_{1} i_{3})$

Substitution für

e^{τ Δ T} = x

d = e^{τ (t)} (s_{4} i_{2} (i'_{3} i_{1} - i'_{1} i_{3}) x^{3} - s_{3} i_{1} (i'_{4} i_{2} - i'_{2} i_{4}) x^{2} - s_{2} i_{4} (i'_{3} i_{1} - i'_{1} i_{3}) x^{1} + s_{1} i_{3} (i'_{4} i_{2} - i'_{2} i_{4}))

U_{L B} = \frac{e}{d} = \frac{(u_{4} i_{2} - u_{2} i_{4}) (i'_{3} i_{1} - i'_{1} i_{3}) (i'_{4} i_{2} - i'_{2} i_{4})}{e^{τ (t)} (s_{4} i_{2} (i'_{3} i_{1} - i'_{1} i_{3}) x^{3} - s_{3} i_{1} (i'_{4} i_{2} - i'_{2} i_{4}) x^{2} - s_{2} i_{4} (i'_{3} i_{1} - i'_{1} i_{3}) x^{1} + s_{1} i_{3} (i'_{4} i_{2} - i'_{2} i_{4}))}

(42)

b = e^{τ (t)} (s_{4} i_{2} (i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2}) x^{3} - s_{3} i_{4} (i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2}) x^{2} - s_{2} i_{1} (i'_{4} i_{3} - i'_{1} i_{3}) x + s_{1} i_{2} (i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4}))

U_{L B} = \frac{f}{b} = \frac{(i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2}) (u_{4} i_{2} - u_{3} i_{4}) - (i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4}) (u_{2} i_{1} - u_{3} i_{4})}{e^{τ (t)} (s_{4} i_{3} (i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2}) x^{3} - s_{3} i_{4} (i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2}) x^{2} - s_{2} i_{1} (i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4}) x + s_{1} i_{2} (i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4}))}

Gleichsetzen von U-LB $\begin{array}{l} \frac{(i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2}) (u_{4} i_{3} - u_{3} i_{4}) - (i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4}) (u_{2} i_{1} - u_{1} i_{2})}{e^{τ (t)} {(s_{4} i_{3} (i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{3}) x}^{3} - s_{3} i_{4} (i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2}) x^{2} - s_{2} i_{1} (i'_{4} i_{2} - i'_{3} i_{4}) x + s_{1} i_{2} (i'_{4} i_{3} -} \\ = \frac{(u_{4} i_{2} - u_{2} i_{4}) (i'_{3} i_{1} - i'_{1} i_{3}) - (u_{3} i_{1} - u_{1} i_{3}) (i'_{4} i_{2} - i'_{2} i_{4})}{e^{τ (t)} (s_{4} i_{2} (i'_{3} i_{1} - i'_{1} i_{3}) x^{3} - s_{3} i_{1} (i'_{4} i_{2} - i'_{2} i_{4}) x^{2} - s_{2} i_{4} (i'_{3} i_{1} - i'_{1} i_{3}) x^{1} + s_{1} i_{3} (i'_{4}} \end{array}$
$\begin{array}{l} \frac{e^{τ (t)} (s_{4} i_{2} (i'_{3} i_{1} - i'_{1} i_{3}) x^{3} - s_{3} i_{1} (i'_{4} i_{2} - i'_{2} i_{4}) x^{2} - s_{2} i_{4} (i'_{3} i_{1} - i'_{1} i_{3}) x^{1} + s_{1} i_{3} (i'_{4} i_{2} - i'_{2} i_{4}))}{e^{τ (t)} (s_{4} i_{3} (i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2}) x^{3} - s_{3} i_{4} (i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2}) x^{2} - s_{2} i_{1} (i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4}) x^{1} + s_{1} i_{2} (i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4}))} \\ = \frac{(u_{4} i_{2} - u_{2} i_{4}) (i'_{3} i_{1} - i'_{1} i_{3}) - (u_{3} i_{1} - u_{1} i_{3}) (i'_{4} i_{2} - i'_{2} i_{4})}{(i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2}) (u_{4} i_{3} - u_{3} i_{4}) - (i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4}) (u_{2} i_{1} - u_{1} i_{2})} \end{array}$
$\begin{array}{l} \frac{(s_{4} i_{2} (i'_{3} i_{1} - i'_{1} i_{3}) x^{3} - s_{3} i_{1} (i'_{4} i_{2} - i'_{2} i_{4}) x^{2} - s_{2} i_{4} (i'_{3} i_{1} - i'_{1} i_{3}) x + s_{1} i_{3} (i'_{4} i_{2} - i'_{2} i_{4}))}{(s_{4} i_{3} (i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2}) x^{3} - s_{3} i_{4} (i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2}) x^{2} - s_{2} i_{1} (i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4}) x + s_{1} i_{2} (i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4}))} \\ = \frac{(u_{4} i_{2} - u_{2} i_{4}) (i'_{3} i_{1} - i'_{1} i_{3}) - (u_{3} i_{1} - u_{1} i_{3}) (i'_{4} i_{2} - i'_{2} i_{4})}{(i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2}) (u_{4} i_{3} - u_{3} i_{4}) - (i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4}) (u_{2} i_{1} - u_{1} i_{2})} \end{array}$
$\begin{matrix} e = (u_{4} i_{2} - u_{2} i_{4}) (i'_{3} i_{1} - i'_{1} i_{3}) - (u_{3} i_{1} - u_{1} i_{3}) (i'_{4} i_{2} - i'_{2} i_{4}) \\ f = (i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2}) (u_{4} i_{3} - u_{3} i_{4}) - (i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4}) (u_{2} i_{1} - u_{1} i_{2}) \end{matrix}$
$\begin{array}{l} f s_{4} i_{2} (i'_{3} i_{1} - i'_{1} i_{3}) x^{3} - f s_{3} i_{1} (i'_{4} i_{2} - i'_{2} i_{4}) x^{2} - f s_{2} i_{4} (i'_{3} i_{1} - i'_{1} i_{3}) x + f s_{1} i_{3} (i'_{4} i_{2} - i'_{2} i_{4}) \\ = e s_{4} i_{3} (i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2}) x^{3} - e s_{3} i_{4} (i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2}) x^{2} - e s_{2} i_{1} (i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4}) x + e s_{1} i_{2} (i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4}) \end{array}$
$\begin{array}{l} f s_{4} i_{2} (i'_{3} i_{1} - i'_{1} i_{3}) x^{3} - f s_{3} i_{1} (i'_{4} i_{2} - i'_{2} i_{4}) x^{2} - f s_{2} i_{4} (i'_{3} i_{1} - i'_{1} i_{3}) x + f s_{1} i_{3} (i'_{4} i_{2} - i'_{2} i_{4}) \\ = e s_{4} i_{3} (i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2}) x^{3} - e s_{3} i_{4} (i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2}) x^{2} - e s_{2} i_{1} (i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4}) x + e s_{1} i_{2} (i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4}) \end{array}$
$\begin{array}{l} (f s_{4} i_{2} (i'_{3} i_{1} - i'_{1} i_{3}) - e s_{4} i_{3} (i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2})) x^{3} + (e s_{3} i_{4} (i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2}) - f s_{3} i_{1} (i'_{4} i_{2} - i'_{2} i_{4})) x^{2} + \\ (e s_{2} i_{1} (i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4}) - f s_{2} i_{4} (i'_{3} i_{1} - i'_{1} i_{3})) x + (f s_{1} i_{3} (i'_{1} i_{3} - i'_{4} i_{2}) - e s_{1} i_{2} (i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4})) = 0 \end{array}$
$\begin{matrix} i_{31} = i'_{3} i_{1} - i'_{1} i_{3} \\ i_{42} = i'_{4} i_{2} - i'_{2} i_{4} \\ i_{21} = i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2} \\ i_{43} = i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4} \end{matrix}$
$s_{4} (f i_{2} i_{31} - e i_{3} i_{21}) x^{3} + s_{3} (e i_{4} i_{21} - f i_{1} i_{42}) x^{2} + s_{2} (e i_{1} i_{43} - f i_{4} i_{31}) x + s_{1} (f i_{3} i_{42} - e i_{2} i_{43}) = 0$
$\begin{array}{l} x 3 = s_{4} (f i_{2} i_{31} - e i_{3} i_{21}) \\ x 2 = s_{3} (f i_{4} i_{21} - f i_{1} i_{41}) \end{array}$
$\begin{array}{l} x 1 = s_{2} (e i_{1} i_{43} - f i_{4} i_{31}) \\ x 0 = s_{1} (f i_{3} i_{42} - e i_{2} i_{43}) \\ x 3 x^{3} + x 2 x^{2} + x 1 x^{1} + x 0 = 0 \end{array}$

Berechnung der Lichtbogenspannung

U_{L B} = \frac{f}{b} = \frac{f}{e^{τ (t)} (s_{4} i_{3} (i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2}) x^{3} - s_{3} i_{4} (i'_{2} i_{1} - i'_{1} i_{2}) x^{2} - s_{2} i_{1} (i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4}) x + s_{1} i_{2} (i'_{4} i_{3} - i'_{3} i_{4}))}

(56)

Obwohl die Erfindung im Detail durch das Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2016/062274 PCT [0041]
EP 2016/062273 PCT [0041]
EP 2016/062272 PCT [0041]
EP 2016/062271 PCT [0041, 0058]
EP 2017/062980 PCT [0041]
EP 102016209444 [0041]
EP 102016209443 [0041]
EP 102016209445 [0041]
DE 102016209445 [0058]

Claims

Anordnung zur Erkennung von Lichtbögen in einem Niederspannungsstromkreis, aufweisend: - mindestens einen Spannungssensor, zur periodischen Ermittlung von Spannungswerten (u_m(t)) des Niederspannungsstromkreises, - mindestens einen Stromsensor, zur periodischen Ermittlung von Stromwerten (im(t)) des Niederspannungsstromkreises, - eine mit dem Spannungs- und dem Stromsensor verbundene erste Steuereinheit (ST1), die einen Prozessor aufweist, und die derart ausgestaltet sind, dass aus den ermittelten Spannungs- (u_m(t)) und Stromwerten (im(t)) das Vorliegen eines Schaltlichtbogens ermittelt wird und bei positiver Schaltlichtbogenermittlung ein Schaltlichtbogenerkennungssignal (LSA) abgegeben wird.
Anordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Spannungs- (u_m(t)) und Stromwerte (im(t)) zur Ermittlung einer e-Funktion verwendet werden, dass das Schaltlichtbogenerkennungssignal (LSA) nur dann abgegeben wird, wenn der ermittelte Exponent der e-Funktion innerhalb eines ersten Bereichs liegt.
Anordnung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltlichtbogenerkennungssignal (LSA) nur dann abgegeben wird, wenn die Änderung der Spannung nach der Zeit einen ersten Sprunggrenzwert überschreitet oder ein Spannungssprung (SS) ermittelt wird.
Anordnung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der e-Funktion mit der Überschreitung des ersten Sprunggrenzwertes bzw. Spannungssprungs (SS) begonnen wird.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines ersten Zeitfensters, insbesondere gleichzeitig, ein Spannungs- und ein Stromwert als Wertepaar ermittelt werden, dass aus mindestens vier nacheinander ermittelten Wertepaaren eine Lichtbogenspannung und der Exponent ermittelt wird, dass ein Schaltlichtbogenerkennungssignal abgegeben wird, wenn die Lichtbogenspannung einen Lichtbogenspannungsgrenzwert überschreitet und der Exponent innerhalb des ersten Bereichs liegt.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus den ermittelten Stromwerten die Änderung des Stromes nach der Zeit als Änderungswert ermittelt wird, dass der Spannungs-, der Strom- und der Änderungswert eines Zeitfensters einen Wertesatz bilden, dass aus mindestens vier nacheinander ermittelten Wertesätzen eine Lichtbogenspannung und der Exponent ermittelt wird, dass ein Schaltlichtbogenerkennungssignal (LSA) abgegeben wird, wenn die Lichtbogenspannung einen Lichtbogenspannungsgrenzwert überschreitet und der Exponent innerhalb des ersten Bereichs liegt.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Steuereinheit (ST2) vorgesehen ist, die derart ausgestaltet ist, oder die erste Steuereinheit (ST1) ferner derart ausgestaltet ist, dass aus den Spannungs- (u_m(t)) und Stromwerten (im(t)) das Vorliegen eines Störlichtbogens ermittelt wird und bei positiver Störlichtbogenermittlung ein Störlichtbogenerkennungssignal (LST1, LST2) abgegeben wird.
Anordnung nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Unterbrechungseinheit zur Unterbrechung des Niederspannungsstromkreises vorgesehen ist, die mit der ersten und gegebenenfalls zweiten Steuereinheit (ST1, ST2) verbunden ist, dass bei positiver Ermittlung eines Störlichtbogens und negativer Ermittlung eines Schaltlichtbogens eine Unterbrechung des Niederspannungsstromkreises erfolgt.
Anordnung nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Unterbrechung nur dann erfolgt, wenn eine erste Anzahl Stromwerte einen ersten Stromgrenzwert überschreiten.
Anordnung nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederspannungsstromkreis ein Niederspannungswechselstromkreis ist.
Niederspannungsleistungsschalter mit einer Anordnung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 1 bis 10.
Verfahren zur Ermittlung eines Lichtbogens in einem Niederspannungsstromkreis, bei dem: - periodisch Spannungswerte (u_m(t)) und Stromwerte (im(t)) des Niederspannungsstromkreises ermittelt werden, - die ermittelten Spannungs- (u_m(t)) und Stromwerte (im(t)) zur Ermittlung des Exponenten einer e-Funktion verwendet werden, - dass ein Schaltlichtbogenerkennungssignal (LSA) nur dann abgegeben wird, wenn der Exponent innerhalb eines ersten Bereichs liegt.
Verfahren nach Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltlichtbogenerkennungssignal (LSA) nur dann abgegeben wird, wenn die Änderung der Spannung nach der Zeit einen ersten Sprunggrenzwert überschreitet oder ein Spannungssprung (SS), insbesondere innerhalb einer unteren und oberen Beschränkung, ermittelt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Exponenten der e-Funktion mit der Überschreitung des ersten Sprunggrenzwertes oder der Ermittlung des Spannungssprungs (SS) begonnen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines ersten Zeitfensters, insbesondere gleichzeitig, ein Spannungs- und ein Stromwert als Wertepaar ermittelt werden, dass aus mindestens vier nacheinander ermittelten Wertepaaren der Exponent ermittelt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass aus den ermittelten Stromwerten die Änderung des Stromes nach der Zeit als Änderungswert ermittelt wird, dass der Spannungs-, der Strom- und der Änderungswert eines Zeitfensters einen Wertesatz bilden, dass aus mindestens vier nacheinander ermittelten Wertesätzen der Exponent ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Spannungs- (u_m(t)) und Stromwerten (im(t)) das Vorliegen eines Störlichtbogens ermittelt wird und bei positiver Störlichtbogenermittlung ein Störlichtbogenerkennungssignal (LST1, LST2) abgegeben wird.
Verfahren nach Patentanspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass bei positiver Ermittlung eines Störlichtbogens und negativer Ermittlung eines Schaltlichtbogens eine Unterbrechung des Niederspannungsstromkreises durchgeführt wird.
Verfahren nach Patentansprüche 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Unterbrechung nur dann erfolgt, wenn eine erste Anzahl Stromwerte einen ersten Stromgrenzwert überschreiten.