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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Erkennen eines Kurzschlusses in einer Schaltanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Kurzschlüsse mit Lichtbögen zwischen stromführenden Teilen und einem auf Erdpotential geschalteten Gehäuse in metallgekapselten Schaltanlagen müssen schnell erkannt werden, um Gegenmaßnahmen ergreifen zu können und Schäden zu minimieren. Es ist beispielsweise aus der Broschüre „Vakuum-Leistungsschalter SION“, Siemens AG 2017, Artikel-Nr. EMLP-T10085-00-7400, eine Schaltanlage der Mittelspannungsebene für Nennspannungen von 7,2 kV bis 24 kV bekannt.
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Wird ein Erdschluss innerhalb weniger Millisekunden abgeschaltet, so ist ein resultierender Schaden an der Schaltanlage meist so gering, dass die Anlage nach einer kurzen Inspektion und Reinigung durch einen Techniker weiterbetrieben werden kann.
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Wirkt der Kurschlussstrom länger als einige Millisekunden, so ist der Schaden typischerweise so groß, dass Teile der Schaltanlage oder sogar die gesamte Schaltanlage ersetzt werden müssen.
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Bisher werden Lichtsensoren innerhalb der Schaltanlage eingesetzt, um einen Kurzschluss mit Lichtbogenbildung zwischen den stromführenden Teilen untereinander und gegen das Gehäuse auf Erdpotential zu erkennen. Beispielsweise ist aus der Broschüre „Lichtbogenschutz - Optische Lichtbogenerkennung für SIPROTEC 5“ der Siemens AG ein Einsteckmodul für ein multifunktionales Schutzgerät bekannt, dass mit mehreren Eingängen für Lichtwellenleiter ausgestattet ist.
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Bekannt ist aus der Broschüre „SIQuench® Störlichtbogen-Löschsystem für Mittelspannungsschaltanlagen“, Siemens AG 2019, Artikel-Nr. EMMS-B10128-00, ferner ein System, das Störlichtbogen-Schutzrelais einsetzt, um innerhalt von 5 ms eine Zündung eines Störlichtbogens zu erkennen. Dies erfolgt mittels kontinuierlicher Überwachung von Licht und Überstrom innerhalb der Anlage.
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Ferner werden Strommessungen in den Zuleitungen genutzt, um einen Kurzschluss zwischen den stromführenden Teilen untereinander und gegen das Gehäuse auf Erdpotential zu erkennen.
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Eine Schaltanlage weist typischerweise mehrere Schaltzellen auf, die gegeneinander z.B. mit Schottwänden gekapselt sind und daher nicht ohne Weiteres eine Überwachung mit nur einem Lichtsensor gestatten. Üblicherweise werden daher die erforderlichen Daten für jede Schaltzelle separat erfasst, um selektiv den Fehlerort zu erfassen. Die erfassten Daten über Lichtintensität und Strom werden üblicherweise in elektronischen Geräten analysiert und bei Überschreiten von vordefinierten Grenzwerten werden Schaltbefehle an Schalter gesendet. Diese Schalter trennen dann die Energiezufuhr ab bzw. schalten einen metallischen Kurzschluss ein, um den Lichtbogen zu löschen.
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Für eine sichere Erkennung eines Lichtbogens innerhalb einer Schaltzelle sind mehrere Lichtsensoren notwendig, da es innerhalb der Schaltzelle Abschottungen gibt, welche die Ausbreitung des Lichts eines Störlichtbogens behindern. Die oben genannte Strommessung erfolgt über kostenintensive Stromwandler. Die Genauigkeit der Strommessung muss dabei sehr hoch sein, um einen Unterschied zwischen einer kurzzeitig zulässigen Überlastung der Schaltanlage und einem Erdschluss bzw. Kurzschluss erkennen zu können.
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Ausgehend von bekannten Systemen zum Erkennen eines Kurzschlusses in einer Schaltanlage stellt sich an die Erfindung die Aufgabe, eine Anordnung zum Erkennen eines Kurzschlusses in einer Schaltanlage anzugeben, mit der einfach und kostengünstig Kurzschlüsse erkennbar sind.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Anordnung gemäß Anspruch 1.
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Eine Messeinrichtung im Sinne der Erfindung ist z.B. eine Spannungsmesseinrichtung oder eine Strommesseinrichtung. Als elektrische Messgröße kann eine Spannung oder ein Strom gemessen werden. Eine Datenkommunikationsverbindung ist z.B. kabelgestützt per Kupferkabel wie z.B. für Ethernetverbindungen oder per Lichtwellenleiter oder per Funkübertragung (GSM,3G,4G (LTE), 5G) ausgebildet. Auch eine Verbindung mittels eines Poweline-Communication Modems über eine Stromleitung kann eingesetzt werden. Als Kommunikationsprotokolle können beispielsweise die Standards IEC 61850 oder TCP/IP eingesetzt werden.
Eine Datenkommunikationsverbindung im Sinne der Erfindung kann auch eine einfache analoge Steuerleitung sein, die einen Schaltbefehl durch Anlegen einer Spannung überträgt.
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Eine Auswertungseinrichtung ist z.B. mit Prozessor- und Datenspeichermitteln wie Festplatten oder Solid-State-Disks ausgerüstet. Prozessormittel können auch einfache Bausteine wie FPGAs umfassen. Auch eine Ausbildung der Auswertungseinrichtung als Software-Anwendung in einer zentralen Cloud kann mit Vorteil eingesetzt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist als elektrische Größe eine Spannung erfassbar. Dies ist ein Vorteil, weil Spannungsmessungen typischerweise schneller als Strommessungen durchführbar sind. Dies ermöglicht es, einen Kurzschluss bzw. Erdschluss besonders schnell zu erfassen und Schäden zu verhindern.
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Ein Erdschluss im Sinne der Erfindung ist ein Kurzschluss zwischen einem Spannungspotential einer elektrischen Leitung oder einer Schaltanlage im Betrieb und dem Erdpotential.
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Ferner weisen üblicherweise in einer Schaltanlage vorhandene Schutzgeräte bereits Messeingänge für Spannungen auf, so dass direkt der Spannungsfall ohne vorgeschaltete Messwandler erfasst und ausgewertet werden kann.
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Tritt ein Lichtbogen oder ein sonstiger Kurzschluss zwischen den stromführenden Teilen einer Schaltzelle der Schaltanlage und dem geerdeten Gehäuse auf, so fließt ein Strom zum Erdungspunkt der Schaltanlage. Dieser Stromfluss verursacht einen Spannungsfall auf dem Weg zum Erdungspunkt, der am Gehäuse der Schaltzelle messbar ist. Dieser Spannungsfall ist ein eindeutiger Indikator, dass ein Erdschluss innerhalb der Anlage erfolgt ist. Der Spannungsfall ist am gesamten Gehäuse der Schaltzelle messbar. Der Spannungsfall ergibt sich aus der Impedanz der Erdanbindung zum Erdungspunkt und der Impedanz des Stromweges innerhalb der Gehäusewand der Schaltzelle.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Auswertungseinrichtung ausgebildet, eine Abweichung zwischen gemessener Spannung und einem Referenzwert zu bestimmen und, wenn die Abweichung einen vorher festgelegten Grenzwert überschreitet, einen Erdschluss zu erkennen. Dies ist ein Vorteil, weil auf einfache Art und Weise schnell ein Fehler erkannt werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Anordnung für das Erkennen eines Kurzschlusses in einer Schaltanlage für Mittelspannung zwischen 1 kV und 52 kV ausgebildet, und es betragen der Referenzwert null Volt und der Grenzwert 10 Volt. Dies ist ein Vorteil, weil die Messeinrichtung keine hohe Genauigkeit benötigt, da im Normalbetrieb die gemessene Spannung 0 ist und nur im Fehlerfall die Spannung sprunghaft schnell ansteigt.
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In einschlägigen elektrischen Normen und Standards wird Mittelspannung häufig nicht definiert, vielmehr wird nur die Niederspannungsebene mit einer Nennspannung unter 1 kV und die Hochspannungsebene mit einer Nennspannung über 1 kV festgelegt. Die erfindungsgemäße Anordnung kann, dieser Definition folgend, auch für Hochspannung über 1 kV ausgelegt sein.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Auswertungseinrichtung ausgebildet, bei Erkennung eines Kurzschlusses über eine Datenkommunikationsverbindung einen Schaltbefehl an einen Schalter zu senden, um die Schaltanlage spannungsfrei zu schalten.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist die erste Messleitung an einem möglichst weit vom Erdungspunkt entfernten Teil der Schaltanlage angebracht. Dieser Messpunkt könnte am Dach einer Schaltzelle z.B. mittig auf der Oberfläche liegen, um die gesamte Schaltzelle zu überwachen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Schaltanlage in mehrere Schaltzellen gegliedert, wobei für jede Schaltzelle eine eigene zweite Messleitung für die elektrische Messgröße zur Messeinrichtung vorgesehen ist. Ein Kurzschluss bzw. Erdschluss zwischen den stromführenden Teilen einer Schaltanlage und dem Gehäuse kann folglich erfindungsgemäß durch eine Spannungsmessung zwischen einem zentralen Erdungspunkt der Schaltanlage und einem möglichst weit vom Erdungspunkt entfernten Anlagenteil der zu überwachenden Schaltzelle erfasst werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Anordnung für das Erkennen eines Kurzschlusses in einer Schaltanlage für Hochspannung über 52 kV ausgebildet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung sind die Messeinrichtung und die Auswertungseinrichtung direkt verbunden. Dies ist ein Vorteil, denn es wird zwischengeschalteter Messwandler benötigt, was Kosten einspart.
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Zur besseren Erläuterung der Erfindung zeigt die Figur in schematischer Ausführung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Eine Schaltanlage für Mittelspannung 1 ist mit einem metallischen Gehäuse 2 gekapselt. Die Schaltanlage ist an einer Mittelspannungsleitung 19, 20 angeordnet. Im Inneren der Schaltanlage 1 bzw. des Gehäuses 2 sind stromführende Komponenten 3, 4 ausgebildet. Die Komponente 3 weist einen Schalter 13 auf, der z.B. als dreiphasiger Vakuumschalter ausgebildet sein kann. Am Erdungspunkt der Schaltanlage 5 ist eine erste Messleitung für die elektrische Messgröße Spannung mit einer Messeinrichtung für Spannung 8 verbunden. Eine zweite Messleitung 6 für Spannung verbindet einen weit vom Erdungspunkt 5 entfernten Gehäuseteil mit der Spannungsmesseinrichtung 8. Die Spannungsmesseinrichtung 8 ist über eine Datenkommunikationsverbindung 9 mit einer Auswertungseinrichtung 10 verbunden. Die Auswertungseinrichtung 10 weist einen Mikroprozessor 11 und einen Datenspeicher 12 auf. Die Spannungsmesseinrichtung 8 und die Auswertungseinrichtung 10 sind Teil eines elektrischen Schutzgerätes 18, so dass die Messeingänge des Schutzgerätes 18 direkt zum Anschließen der Messleitungen 6, 7 ohne Zwischenschaltung eines Messwandlers verwendet werden können. Dies stellt eine besonders einfache und kostengünstige Lösung dar. Die Auswertungseinrichtung 10 ist über Datenkommunikationseinrichtungen 14, 16 bzw. Steuerleitungen mit der Komponente 3, d.h. z.B. der Vakuumschalttechnik innerhalb des Gehäuses 2, und mit einem weiteren Schalter 15 und dessen Schaltmechanik 16 verbunden.
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Im Folgenden soll nun die Funktionsweise der Anordnung zum Erkennen eines Kurzschlusses in der Schaltanlage erläutert werden. Kommt es zu einem Überschlag bzw. einer Lichtbogenbildung innerhalb des Gehäuses 2, so tritt typischerweise zwischen dem Erdungspunkt 5 und dem Gehäuse 2 ein Spannungsabfall auf. Dieser liegt bei Mittelspannung typischerweise bei höchstens 42V, wie Beispielmessungen gezeigt haben. Damit kann die Spannungsdifferenz direkt an analoge Messeingänge eines Schutzgerätes 18 angelegt und ohne Zwischenschaltung eines Messwandlers auf die Messeinrichtung 8 gelegt werden. Im Normalbetrieb sollte die Spannungsdifferenz bei OV als Referenzwert liegen. Wird eine Abweichung von diesem Referenzwert von mehr als 10V bzw. größer als 10V oder kleiner als - 10V festgestellt werden, so kann die Auswerteeinrichtung 10 innerhalb von einigen Mikrosekunden bis Millisekunden Steuerbefehle über die Steuerleitung 14, 17 an die Schalter 15, 3 senden. Im gezeigten Beispiel ist dabei der Schalter 15 besonders schnell schaltbar und kann daher durch Öffnen der elektrischen Verbindung 16 die Schaltanlage 1 spannungsfrei schalten. Ist die Schaltanlage 1 bauartbedingt in der Lage, ebenfalls innerhalb einiger Mikrosekunden bis Millisekunden zu schalten, so kann - im Falle eines Erdschlusses in Stromflussrichtung „hinter“ der Schaltanlage - auch direkt der Schalter 3 innerhalb der Schaltanlage 1 geöffnet werden, um Schäden zu verhindern. In diesem Fall müsste der Fehlerort jedoch bestimmt werden, so dass die Abschaltung in der Schaltanlage 1 selbst i.d.R. eher als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme zu betrachten ist.
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Durch die Messung des Potentials des Gehäuses gegen den zentralen Erdungspunkt kann mit nur einer Messstelle die gesamte Schaltzelle bzw. Schaltanlage auf einen Erdschluss überwacht werden. Dadurch ergibt sich weiterhin der Vorteil, dass die Messstellananzahl je Schaltzelle verringert werden kann, was einfacher zu montieren und kostengünstiger ist als bisherige Ansätze. Außerdem kann eine einfache und preiswerte Messung der Spannung durchgeführt werden, da im Fehlerfall die auftretenden Spannungen im Bereich bis max. 42 Volt liegen, weil dies durch normative Vorgaben im Hinblick auf einen Erdungswiderstand einer Schaltanlage zum Personenschutz so vorgesehen ist. Nur bei Einhaltung der Vorgaben für den Berührungsschutz ist eine Zulassung einer Schaltanlage im Typenprüfverfahren möglich.
