DE102022201960A1

DE102022201960A1 - Verfahren und Schutzschalter zur Bestimmung von sich auf eine Last beziehenden Informationen

Info

Publication number: DE102022201960A1
Application number: DE102022201960.1A
Authority: DE
Inventors: Fabian Döbler; Christopher Fromme; Dominic Malane; Marvin Tannhäuser
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2022-02-25
Filing date: 2022-02-25
Publication date: 2023-08-31

Abstract

Es werden ein Verfahren und ein Schutzschalter zur Bestimmung von sich auf eine Last beziehenden Informationen vorgeschlagen. Erfindungsgemäß wird eine Frequenz für die Erfassung von Daten vorgegeben und es erfolgt ein regelmäßiges Erfassen von einem Strom- und einem Spannungswert nach Maßgabe der vorgegebenen Frequenz. Schließlich werden auf dieser Basis sich auf eine an dem Schutzschalter anliegende Last beziehenden Impedanzinformationen berechnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von sich auf eine Last beziehenden Informationen durch ein Schutzschaltgerät (insb. Niederspannungsschutzschaltgerät) und einen Schutzschalter, der zur Durchführung eines entsprechenden Verfahrens ausgestaltet ist.
Mit Niederspannung sind Spannungen von bis zu 1000 Volt Wechselspannung oder bis zu 1500 Volt Gleichspannung gemeint. Mit Niederspannung sind insbesondere Spannungen gemeint, die größer als die Kleinspannung, mit Werten von 50 Volt Wechselspannung bzw. 120 Volt Gleichspannung, sind.
Mit Niederspannungsstromkreis bzw. -netz oder -anlage sind Stromkreise mit Nennströmen bzw. Bemessungsströmen von bis zu 125 Ampere, spezifischer bis zu 63 Ampere gemeint. Mit Niederspannungsstromkreis sind insbesondere Stromkreise mit Nennströmen bzw. Bemessungsströmen von bis zu 40 Ampere, 32 Ampere, 25 Ampere, 16 Ampere oder 10 Ampere gemeint. Mit den genannten Stromwerten sind insbesondere Nenn-, Bemessungs- oder/und Abschaltströme gemeint, d.h. der Strom, der im Normalfall maximal über den Stromkreis geführt wird bzw. bei denen der elektrische Stromkreis üblicherweise unterbrochen wird, beispielsweise durch eine Schutzeinrichtung, wie ein Schutzschaltgerät, Leitungsschutzschalter oder Leistungsschalter.
Leitungsschutzschalter sind seit langem bekannte Überstromschutzeinrichtungen, die in der Elektroinstallationstechnik in Niederspannungsstromkreisen eingesetzt werden. Diese schützen Leitungen vor Beschädigung durch Erwärmung infolge zu hohen Stromes und/oder Kurzschluss. Ein Leitungsschutzschalter kann den Stromkreis bei Überlast und/oder Kurzschluss selbsttätig abschalten. Ein Leitungsschutzschalter ist ein nicht selbsttätig zurückstellendes Sicherungselement.
Leistungsschalter sind, im Gegensatz zu Leitungsschutzschaltern, für Ströme größer als 125 A vorgesehen, teilweise auch schon ab 63 Ampere. Leitungsschutzschalter sind deshalb einfacher und filigraner aufgebaut. Leitungsschutzschalter weisen üblicherweise eine Befestigungsmöglichkeit zur Befestigung auf einer so genannten Hutschiene (Tragschiene, DIN-Schiene, TH35) auf.
Leitungsschutzschalter sind elektromechanisch aufgebaut. In einem Gehäuse weisen sie einen mechanischen Schaltkontakt bzw. Arbeitsstromauslöser zur Unterbrechung (Auslösung) des elektrischen Stromes auf. Üblicherweise wird ein Bimetall-Schutzelement bzw. Bimetall-Element zur Auslösung (Unterbrechung) bei länger anhaltenden Überstrom (Überstromschutz) respektive bei thermischer Überlast (Überlastschutz) eingesetzt. Ein elektromagnetischer Auslöser mit einer Spule wird zur kurzzeitigen Auslösung bei Überschreiten eines Überstromgrenzwerts bzw. im Falle eines Kurzschlusses (Kurzschlussschutz) verwendet. Eine oder mehrere Lichtbogenlöschkammer(n) bzw. Einrichtungen zur Lichtbogenlöschung sind vorgesehen, ferner Anschlusselemente für Leiter des zu schützenden elektrischen Stromkreises.
Leitungsschutzschalter mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit sind eine relativ neuartige Entwicklung. Diese weisen eine halbleiterbasierte elektronische Unterbrechungseinheit auf. D.h., der elektrische Stromfluss des Niederspannungsstromkreises wird über Halbleiterbauelemente respektive Halbleiterschalter geführt, die den elektrischen Stromfluss unterbrechen bzw. leitfähig geschaltet werden können.
Im Folgenden bezeichnet der Begriff „Schutzschalter“ insb. nicht nur Leitungsschutzschalter, sondern auch z.B. Leistungsschutzschalter. Ebenso sollen unter dem Begriff nicht nur Niederspannungsschalter verstanden werden. Beispielsweise kann die Erfindung auch bei Mittelspannungsleistungsschaltern zum Einsatz kommen.
Schutzschaltgeräte mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit weisen häufig ein mechanisches Trennkontaktsystem auf, insbesondere mit Trennereigenschaften gemäß einschlägigem Normen für Niederspannungsstromkreise, wobei die Kontakte des mechanischen Trennkontaktsystems in Serie zur elektronischen Unterbrechungseinheit geschaltet sind, d.h. der Strom des zu schützenden Niederspannungsstromkreises wird sowohl über das mechanische Trennkontaktsystem und die elektronische Unterbrechungseinheit geführt.
Bei halbleiterbasierten Schutzschaltgeräte bzw. Schutzgeräten, neudeutsch Solid State Circuit Breaker, kurz SSCB, muss die Schaltenergie nicht wie bei einem mechanischen Schaltgerät in einen Lichtbogen, sondern mittels eines zusätzlichen Schaltkreises, dem Energy Absorber, in Wärme umgesetzt werden. Die Abschaltenergie umfasst dabei die im Stromkreis, d.h. in den Netz-, Leitungs- bzw. -Lastimpedanzen (Verbraucherimpedanzen), gespeicherte Energie. Um den Energy Absorber zu entlasten, muss der Strom, der im Moment des Abschaltens fließt, möglichst gering sein. Dies gilt auch im Falle eines Kurzschlusses. Hier steigt der Strom sehr schnell an. Durch schnelle Kurzschlusserkennung kann ein Kurzschluss frühzeitig erkannt und ein zu hoher Kurzschlussstrom vermieden werden. Das halbleiterbasierte Schutzschaltgerät unterbricht, im Sinne eines Abschaltvorganges, nahezu unverzögert, innerhalb von ps, den Stromkreis. Es treten keine hohen Ströme auf und die Belastung des Energy Absorbers eines halbleiterbasierten Schutzschaltgerätes wird reduziert. Bekannte Kurschlusserkennungen bzw. Abschaltkriterien basieren üblicherweise auf der Ermittlung und Auswertung des Strom-Istwertes.
Die Erfindung hat zur Aufgabe, den Einsatz eines Schutzschaltgeräts zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und ein Schutzschaltgerät nach Anspruch 14 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß werden sich auf eine Last beziehende Informationen durch ein Schutzschaltgerät (vorzugsweise Niederspannungsschutzschaltgerät) bestimmt. Bei diesem Schutzschaltgerät handelt es sich vorzugsweise um einen SSCB. Dabei wird eine Frequenz für die Erfassung von Daten (z.B. mit Hilfe eines Zeitgebers des Schutzschalters) vorgegeben und es erfolgt ein regelmäßiges Erfassen von einem Strom- und einem Spannungswert nach Maßgabe der vorgegebenen (Abtast-)Frequenz (vorzugsweise durch in dem Schutzschalter angeordnete Sensoren). Es werden dann sich auf eine an dem Schutzschalter anliegende Last beziehende Impedanzinformationen auf Basis von erfassten Strom- und Spannungswerten berechnet. Diese Berechnung kann für aufeinanderfolgende Zeitpunkte erfolgen (z.B. gem. der für die Erfassung vorgegebenen Frequenz oder gem. einem Bruchteil dieser Frequenz). Die Impedanzinformationen können z.B. den ohmschen, den induktiven und den kapazitiven Anteil einer sich auf die Last beziehenden Impedanz betreffen. Auf diese Weise lässt sich z.B. ein Lastprofil erstellen, das evtl. eine Identifikation der Last ermöglicht. Andererseits können in der Vergangenheit erstellte Lastprofile zur Identifikation von Fehlern (den Schutzschalter selbst oder die Lastseite betreffende Fehler) herangezogen werden. Es können mit dem Verfahren auch nichtlinearen Lasten (z.B. Gleichrichter) identifiziert werden.
Gemäß einer Ausgestaltung des Erfindungsgegenstands wird die Bestimmung der sich auf eine Last beziehenden Informationen durch ein Ereignis (z.B. ein Überstromereignis oder ein Nulldurchgang von Strom oder Spannung) oder ein (z.B. durch die Software des Schutzschalters ausgegebenes) Steuersignal gestartet bzw. ausgelöst. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die Berechnung sowohl durch ein Ereignis als auch durch ein Steuersignal gestartet bzw. getriggert werden kann.
Die Bestimmung der sich auf eine Last beziehenden Informationen kann gem. einer Ausgestaltung für eine vorgegebene bzw. vorgebbare Dauer (die z.B. einer Startphase entspricht) vorgenommen werden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Bestimmung der sich auf eine Last beziehenden Informationen durch ein Steuersignal beendet wird und evtl. auch dadurch eine Beendigung vor Ablauf einer vorgegebenen Dauer der wiederholten bzw. regelmäßigen Bestimmung von den genannten Impedanzinformationen erzwungen wird.
Gem. einer Weiterbildung wird durch ein Schließen und Öffnen des Schutzschalters mit dem erfindungsgemäßen Vorgehen der Schalter erst einmal darauf überprüft, dass kein Kurzschluss vorliegt, bevor der Schutzschalter dauerhaft geschlossen wird. (Ein Schließen kann dabei für einen SSCB bedeuten, dass Halbleiterschalter den niederohmigen Zustand annehmen und ein mechanisches Schließen von Kontakten erfolgt.) Mit dem Schließen wird dann das regelmäßige Erfassen von einem Strom- und einem Spannungswert nach Maßgabe der vorgegebenen Frequenz gestartet. Nach einer vorgegebenen Zeit wird der Schutzschalter wieder geöffnet, wobei diese vorgegebene Zeit z.B. so kurz gewählt ist, dass bei einem Kurzschluss der Schutzschalter keinen Schaden erleiden kann. Das Berechnen von sich auf eine an dem Schutzschalter anliegende Last beziehenden Impedanzinformationen wird durchgeführt (evtl. schon während der Schutzschalter geöffnet ist oder anschließend) und auf Basis der berechneten Impedanzinformationen beurteilt, ob ein Fehler (z.B. Kurzschluss oder Überlastfall) vorliegt. Der Schutzschalter wird dann (und in der Regel nur dann) erneut geschlossen, wenn die Beurteilung bzgl. des Vorliegen eines Kurzschlusses negativ ausfällt.
Gem. einer Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes sind ein erster und ein zweiter Modus für die Durchführung des Verfahrens festgelegt, wobei im ersten Modus ein Berechnen der von sich auf eine an dem Schutzschalter anliegende Last beziehenden Impedanzinformationen mit einer höheren Frequenz als im zweiten Modus erfolgt. Im Schutzschalter wird dann nach Maßgabe eines Ereignisses oder eines Steuersignal der Modus der Berechnung festgelegt. Diese Weiterbildung basiert auf der Überlegung, dass die Berechnung von Impedanzinformationen insbesondere in der Startphase mit einer hohen Frequenz bzw. Häufigkeit sinnvoll ist, wohingegen im laufenden bzw. eingeschwungenen Betrieb eine Berechnung mit einer geringeren Frequenz zur Überwachung, zur Verbrauchsberechnung, zur Bestimmung von zukünftigen Wartungszeitpunkten etc. ausreichend sein kann. Auf diese Weise kann Rechenleistung eingespart werden. Im zweiten Modus ist evtl. auch eine Bestimmung von Mittelwerten (z.B. RMS-Werten bzw. quadratisches Mittel) der Impedanzinformationen über ein Zeitintervall ausreichend. Z.B. wird hierbei bei der Erhebung von Lastprofilen zwischen Einschaltprofilen (mit höherfrequenter Berechnung) und Betriebsprofilen (Berechnung mit geringerer Häufigkeit) unterschieden. Dabei kann der Schutzschalter nach Maßgabe eines Ereignisses (z.B. dem Ablauf einer Zeitdauer, welche für die Startphase charakteristisch ist, z.B. bestimmt durch den n-ten Nulldurchgang von Strom bzw. Spannung nach dem Einschalten, welches z.B. auch in der Nähe eines Nulldurchgangs erfolgt) oder eines Steuersignals vom ersten auf den zweiten Modus wechseln. Es kann zusätzlich ein Wechsel von dem zweiten Modus (zurück) auf den ersten Modus vorgesehen sein, der z.B. durch das Auftreten eines Fehlers getriggert wird.
Gemäß einer Weiterbildung wird eine Berechnung von sich auf eine an dem Schutzschalter anliegende Last beziehenden Impedanzinformationen nach Einschalten des Schutzschaltzers vorgenommen und mit Hilfe der berechneten Impedanzinformationen überprüft, ob überhaupt eine Last anliegt. Es kann dann vorgesehen sein, dass der Schutzschalter sich automatisch wieder abschaltet, wenn keine Last anliegt. Wenn gem. Überprüfung keine Last anliegt, ist entweder eine Stromversorgung überflüssig und evtl. auch sicherheitstechnisch bedenklich oder es liegt eine Störung bzw. ein Defekt vor. Somit ist es sinnvoll, wenn sich der Schutzschalter automatisch wieder ausschaltet. Dieses Ausschalten kann bei einem SSCB mit mechanischem Trennkontaktsystem und elektronischer Unterbrechungseinheit nur in einer Unterbrechung durch die elektronische Unterbrechungseinheit oder in einer Unterbrechung durch beides, die elektronische Unterbrechungseinheit und das mechanische Trennkontaktsystem, bestehen.
Gegenstand der Anmeldung ist auch ein z.B. als SCCB ausgestalteter Schutzschalter, der zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltet ist.
Im Folgenden wird die Erfindung im Rahmen eines Ausführungsbeispiels anhand von Figuren näher beschrieben. Es zeigen

1: einen zwischen einem Versorgungsnetz und einem Verbraucher verschalteten SSCB,
2: eine Architektur eines SSCBs,
3: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
4: Strom- und Spannungsverlauf bei einem Einsatzbeispiel für das erfindungsgemäße Vorgehen,
5: Spannungs- und Stromwerte im Zeitintervall 0 - 500ps nach Einschalten für eine ohmsche Last, und
6: Strom- und Spannungsverlauf in einem zweiten Szenario zur Lastidentifikation.

Es wird im Folgenden ein Beispiel beschrieben, wie sich auf eine an dem Schutzschalter anliegende Last beziehende Impedanzinformationen auf Basis von regelmäßig erfassten Strom- und Spannungswerten berechnen lassen.
In 1 ist eine prinzipielle Darstellung eines Niederspannungsschalters gezeigt, der mit Halbleiterschaltungselementen gebildet ist. In der Fachsprache ist für derartige Schalter auch die Abkürzung SSCB (Solid State Circuit Breaker) üblich. Dabei muss der Neutralleiter nicht durch den SSCB geführt sein und kann auch evtl. nicht getrennt werden. Eine derartige Ausführung eines SSCBs als 2-poliger Trenner ist in 2 dargestellt. Die Beschreibung dieses SSCBs beschränkt sich auf für die in dieser Anmeldung dargestellte Erfindung wesentliche Elemente. Weitere Details zum Schalter gem. 2 sind in der deutschen Anmeldung mit dem Anmeldeaktenzeichen DE 10 2021 210 820.2 zu finden.
2 zeigt eine Darstellung eines SSCBs zum Schutz eines elektrischen Niederspannungsstromkreises. In einem Gehäuse GEH sind ein netzseitiger Neutralleiteranschluss NG, ein netzseitiger Phasenleiteranschluss LG, ein lastseitiger Neutralleiteranschluss NL und ein lastseitigen Phasenleiteranschluss LL angeordnet. An der Netzseite GRID ist eine Energiequelle und an der Lastseite LOAD ein Verbraucher angeschlossen.
Die Hauptkomponenten des Schalters sind ein Netzteil NT, eine Steuerungseinheit SE, eine elektronische Unterbrechungseinheit EU und eine mechanische Trennkontakteinheit MK. Die Steuerungseinheit SE schaltet die elektronische Unterbrechungseinheit EU, die z.B. mit einem Paar Mosfets zum Schalten des Phasenleiters gebildet ist, ein und sendet eine Freigabe (Enable) an die mechanische Trennkontakteinheit. Die mechanische Trennkontakteinheit MK umfasst Kontakte KKN, KKL zum Öffnen/Schließen von Phasen- und Neutralleiter.
Für die Erfassung von Strom- bzw. Spannungswerten sind eine Stromsensoreinheit SI im Pfad des Phasenleiters, eine erste Spannungssensoreinheit SU1 zur Ermittlung der Höhe der Spannung zwischen einem netzseitigen Verbindungspunkt EUG und einem lastseitigen Verbindungspunkt EUL der elektronischen Unterbrechungseinheit EU und eine zweite Spannungssensoreinheit SU2 zur Ermittlung der Höhe der Spannung zwischen dem netzseitigen Neutralleiteranschluss NG und dem netzseitigen Phasenleiteranschluss LG vorgesehen.
Im leitenden Zustand, d.h. bei eingeschaltetem Schalter, werden Strom- und Spannungswerte erfasst. Relevante Messgrößen sind in 1 gezeigt. Der Schutzschalter SSCB weist versorgungsseitig einen Phasenleitereingang L_in und einen Neutralleitereingang N_in auf. Lastseitig ist ein Phasenleiterausgang L_out und ein Neutralleiterausgang N_out (2poliger Trenner) vorgesehen. Erfasst werden können die versorgungsseitig zwischen dem Phasenleiter L und dem Neutralleiter N anliegende Spannung v_grid und der vom Phasenleiter transportierte Strom i_grid. Lastseitig sind Phasenleiter und Neutralleiter mit einer Last oder mehreren Lasten verbunden, was durch die Bezugszeichen L_load und N_load verdeutlicht ist. Die für die Last bzw. Lasten bereitgestellte Spannung v_out und der gelieferte Strom i_load können durch den Schalter SSCB gemonitort werden. Der Wert von v_grid wird benötigt, um den Schalter bei einem vorgegebenen Phasenwinkel der Spannung einzuschalten. Für die unten dargestellte Impedanzberechnung wird zumindest einer der Stromwerte i_grid oder i_load (im leitenden Zustand gilt: i_grid = i_ load) benötigt. Im Folgenden bezeichnet v[k] die Spannung v_out zum Zeitpunkt k und i[k] den Strom i_load zum Zeitpunkt k.
Aus den Spannungs- und Stromwerten v[k] und i[k] werden Impedanzwerte berechnet. Daraus lässt sich auf die Last schlie-ßen. Mit den erfassten Spannungs- und Stromwerten lässt sich zudem bestimmen, ob ein Kurzschluss vorliegt. Das Vorgehen ist schematisch in 3 dargestellt. Zunächst werden Spannungs- und Stromwerte v[k] und i[k] mit einer vorgegebenen Frequenz bzw. zu vorgegebenen Zeitpunkten (repräsentiert durch den Index k) erfasst (Bezugszeichen 1 in 3) und gespeichert. Mit Hilfe dieser Werte lassen sich mittels eines Algorithmus (Bezugszeichen 2) - für Zeitpunkte k Instantanwerte für die lastseitig Impedanzwerte R[n- 3], L[n - 3] und C[n -3] berechnen. Dabei bezeichnet n einen Wert von k nach mindestens drei Samplezeitpunkten. Aus den Instantanwerten R[n - 3], L[n - 3] und C[n - 3] der Impedanzen können Mittelwerte R, L und C für die Impedanzen berechnet werden (Erfassung der Instantanwerte z.B. für n = 4,...,nmax und Mittelung über die nmax-3 Werte). Dies erfolgt im Zuge einer Bearbeitung bzw. Analyse der erfassten Werte (Bezugszeichen 3), in deren Folge z.B. auch auf den Lasttyp oder das Vorliegen eines Kurzschlusses geschlossen werden kann.
Im Folgenden wird die prinzipielle Funktionsweise eines Algorithmus zur Berechnung von Instantanwerten für die Induktivität vorgestellt, zunächst für den einfachen Fall einer reinen ohmschen oder induktiven Impedanz. Im Falle der ohmschen Impedanz gilt: $R [k] = \frac{v [k]}{i [k]}$
wobei [k] den Index des Zeitpunkts darstellt, an dem der Strom i und die Spannung v gemessen und die Impedanz R berechnet werden.
Im Fall einer rein induktiven Last L gilt: $L = \frac{v (t)}{(\frac{d i (t)}{d t})}$
$L [k] = \frac{v_{m e a n} [k]}{(\frac{Δ i [k]}{Δ T})}$
Wobei $v_{m e a n} [k] = \frac{v [k] + v [k - 1]}{2}$
$\frac{Δ i [k]}{Δ T} = \frac{i [k] - i [k - 1]}{Δ T}$
und ΔT der Zeitabstand zwischen zwei Messungen ist.
In der Realität kommen reine ohmsche oder induktive Lasten kaum vor. Daher sind gemischte Lasten (Kombination von R, L und C) von erheblichem Interesse. Unten wird ein Algorithmus zur Identifikation der Impedanzwerte R, L und C von gemischten Lasten vorgestellt. Dieser Algorithmus funktioniert für alle Kombinationen von R, L und C, d.h. auch für die Grenzfälle einer beispielsweise rein ohmschen oder induktiven Last. Aus den Impedanzwerten R, L und C kann die komplexe Impedanz der Last berechnet werden, was Vorteile für die Weiterverarbeitung der Daten bringen kann. Die Messwerte von Strom und Spannung werden wieder benötigt, um die Werte von R, L und C berechnen zu können. Die Grundgleichungen sind $v (t) = R \cdot i (t) + L \frac{d i (t)}{d t} + v_{c} (t)$
$\frac{v_{c} (t)}{d t} = \frac{1}{C} \cdot i (t)$
wobei v_c die der Kapazität C zugeordnete Spannung darstellt. Durch Integration erhält man $v_{c} (t) = v_{c 0} + \frac{1}{C} \int_{0}^{t} i (τ) d τ$
Mit einer Diskretisierung lässt sich der Ausdruck umschreiben zu $v_{c} [k] = v_{c 0} + \frac{1}{C} Δ T \sum_{n = 1}^{k} i [n]$
$v [k] = R i [k] + L \frac{i [k] - i [k - 1]}{Δ T} + v_{c 0} + \frac{1}{C} Δ T \sum_{n = 1}^{k} i [n]$
Dabei ist v_c0 die Spannung der Kapazitäten zum Zeitpunkt des Startes des Algorithmus. Genauer handelt es sich um die Spannung der Lastseite (v_out) unmittelbar vor Einschalten des Schalters und Starten der Erfassung von Spannungs- und Stromwerten für die Impedanzberechnungen durch den Algorithmus. Index k = 1 steht für die erste Erfassung von Messwerten nach dem Einschalten. Da es drei Unbekannte gibt, werden drei Gleichungen benötigt. Indem auf drei verschiedene Messzeitpunkte und die entsprechenden Messwerte zurückgegriffen wird, können drei Gleichungen aufgestellt werden, z.B. $v_{c} [a] = v_{c 0} + \frac{1}{C} Δ T \sum_{n = 1}^{a} i [n]$
$v [a] = R i [a] + L \frac{i [a] - i [a - 1]}{Δ T} + v_{c 0} + \frac{1}{C} Δ T \sum_{n = 1}^{a} i [n]$
$v_{c} [b] = v_{c 0} + \frac{1}{C} Δ T \sum_{n = 1}^{b} i [n]$
$v [b] = R i [b] + L \frac{i [b] - i [b - 1]}{Δ T} + v_{c 0} + \frac{1}{C} Δ T \sum_{n = 1}^{b} i [n]$
$v_{c} [c] = v_{c 0} + \frac{1}{C} Δ T \sum_{n = 1}^{c} i [n]$
$v [c] = R i [c] + L \frac{i [c] - i [c - 1]}{Δ T} + v_{c 0} + \frac{1}{C} Δ T \sum_{n = 1}^{c} i [n]$
wobei a, b, c E N, {a, b, c} ≥ 1 und a ≠ b ≠ c.
Um die Parameter der Last zu erhalten, wird das Gleichungssystem wie folgt gelöst: $\begin{matrix} R = \frac{1}{Q_{R}} \cdot {v_{c 0} ((i [b] - i [b - 1] - i [c] + i [c - 1]) Δ T \sum_{n = 1}^{a} i [n] \\ + (i [c] - i [c - 1] - i [a] + i [a - 1]) Δ T \sum_{n = 1}^{b} i [n] \\ + i [a] - i [a - 1] - i [b] + i [b - 1] Δ T \sum_{n = 1}^{c} i [n]) \\ + (v [b] (i [c] - i [c - 1]) - v [c] (i [b] - i [b - 1])) Δ T \sum_{n = 1}^{a} i [n] \\ + (v [c] (i [a] - i [a - 1]) - v [a] (i [c] - i [c - 1])) Δ T \sum_{n = 1}^{b} i [n] \\ - (v [b] (i [a] - i [a - 1]) - v [a] (i [b] - i [b - 1])) Δ T \sum_{n = 1}^{c} i [n]} \end{matrix}$
Mit dem Quotienten Q_R $\begin{matrix} Q_{R} = (i [c] i [b - 1] - i [b] i [c - 1]) Δ T \sum_{n = 1}^{a} i [n] \\ + (i [a] i [c - 1] - i [c] i [a - 1] Δ T \sum_{n = 1}^{b} i [n]) \\ - (i [a] i [b - 1] - i [b] i [a - 1]) Δ T \sum_{n = 1}^{c} i [n]) \end{matrix}$
$\begin{matrix} L = \frac{Δ T}{Q_{L}} \cdot (((i [b] - i [c]) v_{c 0} - i [b] v [c] + i [c] v [b]) Δ T \sum_{n = 1}^{a} i [n] \\ + ((i [c] - i [a]) v_{c 0} + i [a] v [c] - i [c] v [a]) Δ T \sum_{n = 1}^{b} i [n] \\ + ((i [a] - i [b]) v_{c 0} - i [a] v [b] + i [b] v [a]) Δ T \sum_{n = 1}^{c} i [n]) \end{matrix}$
Mit dem Quotienten Q_L $\begin{matrix} Q_{L} = (i [b] i [c - 1] - i [c] i [b - 1]) Δ T \sum_{n = 1}^{a} i [n] \\ + (i [c] i [a - 1] - i [a] i [c - 1]) Δ T \sum_{n = 1}^{b} i [n] \\ + (i [a] i [b - 1] - i [b] i [a - 1]) Δ T \sum_{n = 1}^{c} i [n] \end{matrix}$
$\begin{matrix} C = (i [b] Δ T \sum_{n = 1}^{c} i [n] - i [c] Δ T \sum_{n = 1}^{b} i [n]) \cdot \frac{i [a - 1]}{Q_{c}} \\ + (i [c] Δ T \sum_{n = 1}^{a} i [n] - i [a] Δ T \sum_{n = 1}^{c} i [n]) \cdot \frac{i [b - 1]}{Q_{c}} \\ + (i [a] Δ T \sum_{n = 1}^{b} i [n] - i [b] Δ T \sum_{n = 1}^{a} i [n]) \cdot \frac{i [c - 1]}{Q_{c}} \end{matrix}$
mit dem Quotionenten Q $\begin{matrix} Q_{C} = ((i [c] - i [b]) i [a - 1] + (i [a] - i [c]) i [b - 1] + (i [b] - i [a]) i [c - 1]) v_{c 0} \\ + (i [b] v [c] - i [c] v [b]) i [a - 1] \\ + (i [c] v [a] - i [a] v [c]) i [b - 1] \\ + (i [a] v [b] - i [b] v [a]) i [c - 1] \end{matrix}$
Wenn die Zeitpunkte zur Erfassung der Messdaten z.B. zu a = b - 1 = c -2 gewählt werden, vereinfachen sich die Gleichungen.
Die Impedanzerfassung mittels des Algorithmus erfolgt vorzugsweise in zwei verschiedenen Modi.
a) Kontinuierliche Erfassung der Impedanz
Dieser Modus wird im regulären Betrieb mit eingeschaltetem Schalter angenommen. Lastseitig werden Strom und Spannung kontinuierlich erfasst. Eine Anzahl von Werten, z.B. 100 Werte, werden für die Berechnung der Lastimpedanz verwendet. Dabei kann z.B. auch eine Mittelung über eine Vielzahl von Strom- bzw. Spannungswerten für die Berechnung der Impedanz durchgeführt werden. Diese kontinuierliche Berechnung ist mit einem Monitoring der Last gleichbedeutend. Laständerungen und evtl. lastseitige Störungen lassen sich identifizieren. Dieser Modus ist für Zustandsüberwachung (condition monitoring), zukunftsorientierte Wartung (predictive maintenance), Energieverbrauchsmessung (energy metering), insbesondere eine bzgl. der Lasten differenzierte Verbrauchsmessung (welche Last hat welchen Verbrauch), und der Identifikation einer Änderung einer Last geeignet.
b) Anlaufüberwachung
Eine besonders sensitive Phase im Betrieb eines SSCBs ist die Startphase. Es ist sinnvoll, das Verhalten des Schalters in dieser Phase zu kennen. Beispielsweise treten bei bestimmten Einsatzszenarien (z.B. Motorschutz) nach dem Einschalten relative hohe Ströme (sog. Inrush-Ströme) auf. Diese sind beispielsweise von Kurzschlussströmen zu unterscheiden (Kurzschlüsse haben typischerweise einen sehr niedrigen ohmschen Widerstand und evtl. eine sehr geringe Induktivität, aber praktisch keinen kapazitiven Widerstand, wodurch eine Identifikation möglich ist). Schließlich kann beim Einschalten auch ein Problem im Schalter selbst vorliegen. Aus diesen Gründen ist es sinnvoll, das Einschaltverhalten zu überwachen. Z.B. durch den Vergleich von einem aktuellen Einschaltvorgang mit Daten von früheren Einschaltvorgängen lassen sich Schlüsse über den Zustand der Last und ggf. des Schalters selbst ableiten.
Gemäß einer Weiterbildung der Anlaufüberwachung wird überprüft, ob überhaupt eine Last verbunden ist. Falls das nicht der Fall ist, kann vorgesehen sein, dass der Schalter sich selbst automatisch wieder abschaltet. Dieses Vorgehen wird dann wiederholt, bis entweder eine Last erkannt wird oder ein Kriterium für eine Störung bzw. eine Störungsmeldung vorliegt (z.B. bestimmte Anzahl vergeblicher Versuche einer Lastidentifikation) .
Ein entscheidender Unterschied zwischen den beiden Modi ist die Auflösung, mit der die Überwachung bzw. das Monitoring stattfinden sollte. Während der Startphase (Anlaufüberwachung) sollte die Überwachung mit einer hohen Frequenz erfolgen (z.B. 100 kHz) und es sollten möglichst zeitaktuelle Impedanzwerte ermittelt werden. Dagegen genügt es bei der kontinuierlichen Erfassung der Impedanz dies mit geringerer Häufigkeit zu tun (z.B. 10 kHz) und es kann ausreichend sein, einen Mittelwert der Impedanz über ein Zeitintervall zu bestimmen.
Erfindungsgemäß startet der SSCB im Modus der Anlaufüberwachung und schaltet nach einer vorgegebenen Zeit in den Modus der kontinuierlichen Erfassung der Impedanz. Dies kann z.B. nach einer oder mehreren Perioden einer 50 Hz Netzspeisung vorgenommen werden, d.h. nach 20 ms oder einem Vielfachen davon.
In 4 zeigt das hochfrequente Abtasten. Die Kurve U_grid stellt die Netzspannung dar. U_load ist die Spannung über dem Mostfetpaar, mit dem die elektronische Unterbrechungseinheit EU aus 2 gebildet ist. Der Stromverlauf ist mit I_load und das eingestellte Stromlimit mit I_llmit (Überstromauslösung) gekennzeichnet. Strom und Spannung werden mit Sensoren (vgl. 2) erfasst und mittels DSP bearbeitet.
Zusätzlich sind in 4 noch folgende digitale Signale dargestellt:

- Gate Signal: Ansteuersignal für die Mosfets
- Komparator Ausgang: Komparator (im DSP integriert) für die Überstromerkennung. Dieser vergleicht den analogen Schwellwert I_limit mit dem Messwert I_load.
- ADC Injection trigger: zeigt die Events bzw. Zeitpunkte, bei denen der Analog-Digital-Wandler Spannung und Strom praktisch gleichzeitig (wenige Nanosekunden Unterschied) sampelt bzw. erfasst. (Schematische Darstellung der hochfrequenten Abtastung der Messsignale)

Für die Impedanzmessung wird eine Funktion bereitgestellt, die Frequenz und Anzahl der Samplepunkte dynamisch ändern kann. Die Funktion kann entweder durch interne Events bzw. Ereignisse (z.B. durch den Komparator erfasste Ereignisse) oder durch Software zu einem beliebigen Zeitpunkt angestoßen werden. Spannung und Stromwerte werden während der Impedanzbestimmung parallel gesampelt. Unten in 4 dargestellt sind verschiedene Zeitpunkte, zu diesen die Funktion der Impedanzberechnung getriggert werden kann. Dabei kann es sich je nach Trigger um eine Impedanzberechnung im Modus der Anlaufüberwachung oder im Modus der kontinuierlichen Erfassung der Impedanz handeln. Ein mögliches Ereignis bzw. ein möglicher Trigger wäre der Zeitpunkt um den Spannungsnulldurchgang. In der Figur sind unten („ADC Injection trigger“) noch zwei weitere Zeitpunkte gezeigt, wo ein Triggern der Impedanzberechnung sinnvoll sein könnte, nämlich nach einer Fehlerabschaltung aufgrund eines Überstromes („Auswertung di/dt nach abschalten“) oder einer Überlast sowie nach frei programmierbaren Zeitintervallen.
Als exemplarische Beispiele werden im Folgenden die Identifikation einer ohmschen Last im Modus der Anlaufüberwachung und die Identifikation eines Gleichrichters im Modus der kontinuierlichen Erfassung der Impedanz skizziert.
5 zeigt Spannungs- und Stromwerte im Zeitintervall 0 - 500ps nach Einschalten des SSCBs für eine ohmsche Last. Spannung U_load und Strom I_load weisen in dem betrachteten Zeitintervall eine lineare Zunahme auf, auf Basis derer auf das Anliegen einer im Wesentlichen rein ohmschen Last geschlossen wird.
Beim Beispiel für die Identifikation einer Last im Modus der kontinuierlichen Erfassung der Impedanz sei angenommen, dass lastseitig ein Gleichrichter verbunden ist. Dabei ist in diesem Modus zu beachten, dass Gleichrichter nicht-lineare Lasten darstellen. Falls die Netzspannung geringer als die des Gleichspannungs-Abzweigs ist, fließt kein Strom wegen im Wandler angeordneten Dioden. Falls dagegen die Netzspannung diejenige des Gleichspannungs-Abzweigs übersteigt, fließt Strom in Durchlassrichtung der Dioden und die Kapazität des Gleichstrom-Abzweigs ist mit dem Netz verbunden. Der Gleichrichter erscheint dann als kapazitive Last. Typische Verläufe relevanter Größen sind in 6 gezeigt. Der Stromverlauf i_grid wird zur Identifikation der angeschlossenen Last herangezogen:

- kein Strom i_grid fließt bis die Netzspannung v_grid die Spannung v_DCLink des Gleichstrom-Abzweigs überschreitet
- wenn die Netzspannung v_grid höher als die Spannung v_DCLink des Gleichstrom-Abzweigs ist, fließt Strom in eine kapazitive Last
- wenn die Netzspannung v_grid wieder unter die Spannung v_DCLink des Gleichstrom-Abzweigs abgesunken ist, endet der Stromfluß

Dieses und das erste Beispiel sind nur exemplarisch. Dem Fachmann werden viele weitere Konstellationen unmittelbar einsichtig sein, bei denen eine erfindungsgemäße Lastidentifikation möglich ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102021210820 [0023]

Claims

Verfahren zur Bestimmung von sich auf eine Last beziehenden Informationen durch ein Schutzschaltgerät, umfassend - Vorgeben einer Frequenz für die Erfassung von Daten, - regelmäßiges Erfassen von einem Strom- und einem Spannungswert nach Maßgabe der vorgegebenen Frequenz, und - Berechnen von sich auf eine an dem Schutzschalter anliegende Last beziehenden Impedanzinformationen auf Basis von erfassten Strom- und Spannungswerten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzinformationen den ohmschen, den induktiven und den kapazitiven Anteil einer sich auf die Last beziehenden Impedanz betreffen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren für die Identifikation einer nichtlinearen Last verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der sich auf eine Last beziehenden Informationen durch ein Ereignis oder ein Steuersignal gestartet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der sich auf eine Last beziehenden Informationen durch ein Überstromereignis oder einen Nulldurchgang von Strom oder Spannung gestartet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der sich auf eine Last beziehenden Informationen für eine vorgebbare Dauer vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der sich auf eine Last beziehenden Informationen durch ein Steuersignal beendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Schutzschalter geschlossen wird, - mit dem Schließen das regelmäßige Erfassen von einem Strom- und einem Spannungswert nach Maßgabe der vorgegebenen Frequenz gestartet wird, - der Schutzschalter nach einer vorgegebenen Zeit wieder geöffnet wird, - das Berechnen von sich auf eine an dem Schutzschalter anliegende Last beziehenden Impedanzinformationen durchgeführt wird, - auf Basis der berechneten Impedanzinformationen beurteilt wird, ob ein Kurzschluss vorliegt, und - der Schutzschalter dann erneut geschlossen wird, wenn die Beurteilung bzgl. des Vorliegen eines Kurzschlusses negativ ausfällt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - ein erster und ein zweiter Modus für die Durchführung des Verfahrens festgelegt sind, - im ersten Modus ein Berechnen der von sich auf eine an dem Schutzschalter anliegende Last beziehenden Impedanzinformationen mit einer höheren Frequenz als im zweiten Modus erfolgt, und - im Schutzschalter nach Maßgabe eines Ereignisses oder eines Steuersignal der Modus der Berechnung festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzschalter nach Maßgabe eines Ereignisses oder eines Steuersignal vom ersten auf den zweiten Modus oder vom zweiten auf den ersten Modus wechselt.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Modus ein Mittelwert der Impedanzinformationen über ein Zeitintervall berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - eine Berechnung von sich auf eine an dem Schutzschalter anliegende Last beziehenden Impedanzinformationen nach Einschalten des Schutzschaltzers vorgenommen wird, und - mit Hilfe der berechneten Impedanzinformationen überprüft wird, ob überhaupt eine Last anliegt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzschalter sich automatisch wieder abschaltet, wenn keine Last anliegt.
Schutzschalter, der zur Durchführung eines Verfahrens einem der Ansprüche 1 bis 13 ausgestaltet ist.
Schutzschalter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzschalter als SSCB ausgeführt ist.