DE102022202653A1

DE102022202653A1 - Verfahren zum Backup-Schutz

Info

Publication number: DE102022202653A1
Application number: DE102022202653.5A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Erven; Karsten WENZLAFF; Yi Zhu
Original assignee: Technische Universitaet Dresden; Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2022-03-17
Filing date: 2022-03-17
Publication date: 2023-09-21
Also published as: WO2023174707A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Backup-Schutz in einer elektrischen Schaltanlage (100), wobei auf Basis von elektrischen Spannungs- und/oder Stromwerten der Schaltanlage (100) geprüft wird, ob in einem ersten Schutzschaltgerät (61, 62, 71, 72, 73) der Schaltanlage ein Schaltlichtbogen länger als eine vorgegebene Zeitspanne brennt, und in diesem Fall eine Auslösung eines zweiten Schutzschaltgerät (51) veranlasst wird, welches dem ersten Schutzschaltgerät (61, 62, 71, 72, 73) vorgeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Backup-Schutz und eine Störlichtbogenschutzeinheit.
In Schaltanlagen werden Schutzschaltgeräte in Kaskaden über Verteilebenen aufgebaut, um elektrische Energie zu verteilen und einen Schutz der Schaltanlage (Leitungen, Schalter, etc.) vor Schäden zu gewährleisten. Diese Schutzschaltgeräte können auch als Schutzschalteinrichtungen, Schutzgeräte oder einfach als Schutzschalter bezeichnet werden. Es wird davon ausgegangen, dass ein Schutzschaltgerät, z. B. ein Leistungsschalter oder eine Sicherung, ordnungsgemäß funktioniert und einen Fehler wie Überstrom oder insbesondere einen Kurzschluss sicher beherrscht und abschaltet. Im Falle des Versagens eines Schutzschaltgeräts wird in der Regel der Backup-Schutz genutzt, d. h., ein übergeordneter Schutzschaltgerät übernimmt bei längerer Dauer eines Kurzschlusses die Klärung des Fehlers für den versagenden Schutzschaltgerät. Oftmals wird der Backup-Schutz genutzt in der Form, dass ein unterdimensionierter Schutzschaltgerät (d. h. die Höhe des Kurzschlussstromes übersteigt das Schaltvermögen des Schutzschaltgeräts) in einer unteren Verteilebene von einem in der Hierarchie der Verteilebenen höher platziertem und ausreichend dimensioniertem Schutzschaltgerät mit geschützt wird: Für eine sichere Abschaltung des Kurzschlusses übernimmt in diesem Fall der vorgeordnete Schutzschaltgerät den Kurzschlussschutz durch Auslösen.
Ein Problem liegt oftmals darin, dass die Abschaltzeiträume für den Backup-Schutz, d. h. bei einem Versagen eines Schutzschaltgeräts in einer unteren Verteilebene und einem dadurch erforderlichen Backup-Auslösen eines Schutzschaltgeräts in einer höheren Verteilebene, in Bereichen von > 30 - 50 ms liegen. In einem derart langen Zeitraum können aber Schäden in der Schaltanlage entstehen, die den Schadensbildern von kleinen Störlichtbogenereignissen ähneln und nicht mehr auf den Bereich des nicht funktionierenden Schutzgeräts beschränkt sind. Das kann zu größeren Ausfällen und somit erforderlich werdenden Reparaturen an Schaltanlagen führen.
Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Backup-Schutz bereit zu stellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß außerdem durch eine Störlichtbogenschutzeinheit mit den in Anspruch 4 angegebenen Merkmalen gelöst. Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Computerprogramm mit den in Anspruch 9 angegebenen Merkmalen sowie ein Computerprogrammprodukt mit den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen
Das Verfahren dient dem Backup-Schutz in einer elektrischen Schaltanlage. Die Schaltanlage kann eine elektrische Energieverteilungsanlage sein, in der elektrische Energie von einer elektrischen Energiequelle über eine übergeordnete gemeinsame Hauptleitung und von der gemeinsamen Hauptleitung über mehrere untergeordnete Abgangsleitungen und Nebenleitungen verteilt wird. Dabei kann die Hauptleitung durch einen Hauptschalter unterbrochen werden und die Abgangs- bzw. Nebenleitungen jeweils durch einen zugeordneten Leistungs- bzw. Leitungsschalter. Auf Basis von elektrischen Spannungs- und/oder Stromwerten der Schaltanlage wird geprüft, ob in einem ersten Schutzschaltgerät der Schaltanlage ein Schaltlichtbogen länger als eine vorgegebene Zeitspanne brennt. Ein zu langes Brennen eines Schaltlichtbogens kann z. B. durch einen Defekt in einer Schaltmechanik eines Schutzschaltgeräts verursacht sein. Beispielsweise kann ein Defekt der Art vorliegen, dass die Kontakte, anstatt durch ein Erreichen eines ausreichenden Abstands voneinander ein endgültiges Abreißen und Erlöschen des Schaltlichtbogen hervorzurufen, sich nach einem Erreichen eines zu geringen Abstands voneinander wieder aufeinander zu bewegen, und diesen Bewegungsablauf öfter wiederholen; in diesem Fall erlischt der Schaltlichtbogen nicht, sondern brennt immer weiter.
Nachdem auf Basis von elektrischen Spannungs- und/oder Stromwerten detektiert wurde, dass die Brenndauer eines Schaltlichtbogens in der Schaltanlage einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, wird eine Auslösung eines zweiten Schutzschaltgerät veranlasst, welches dem ersten Schutzschaltgerät vorgeordnet ist. Ein zweites Schutzschaltgerät einer Schaltanlage ist einem ersten Schutzschaltgerät der Schaltanlage vorgeordnet, wenn der Strompfad, der von der Einspeisestelle elektrischer Energie in die Schaltanlage zu einem Verbraucher der elektrischen Energie verläuft, zuerst durch das zweite Schutzschaltgerät und dann durch das erste Schutzschaltgerät verläuft.
Mit Schutzschaltgeräte sind beispielsweise folgende Geräte gemeint:

-Leistungsschalter, wie Kompaktleistungsschalter / Moulded Case Circuit Breaker (= MCCB), Offene Leistungsschalter / Air Circuit Breaker (= ACB) oder Lasttrennschalter / Load Break Switch (= LBS);
-Fehlerstrom-Schutzschaltgerät, insbesondere netzspannungsabhängige Fehlerstrom-Schutzschaltgerät;
-Brand-Schutzschaltgerät / Fehlerlichtbogen-Schutzschaltgerät / Arc Fault Detection Devices;
-Leitungs-Schutzschaltgerät, insbesondere elektronische Leitungs-Schutzschaltgerät;
-kombinierte Schutzschaltgeräte, wie z. B. ein Leistungsschalter mit Fehlerstromschutzfunktionalität, ein Fehlerstrom-Schutzschaltgerät mit Brand-Schutzschaltgerät-Funktionalität, ein kombiniertes Leitungs-, Fehlerstrom- und Brand-Schutzschaltgerät, etc.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung werden Spannungs- und/oder Stromwerte in einer Schaltanlage überwacht und, falls auf Basis dieser Überwachung ein Schaltlichtbogen erkannt wird, die Brenndauer des Schaltlichtbogens gemessen.
Falls die Brenndauer des Schaltlichtbogens länger ist als eine vorgegebene Zeitspanne („übliche Brenndauer eines Schaltlichtbogens“), wird dies als ein versagendes erstes Schutzschaltgerätes gewertet, d. h. als ein Schutzschaltgerät, welches nicht in der Lage ist, einen Schaltlichtbogen ordnungsgemäß zu löschen. In diesem Fall wird ein Backup-Schutz aktiviert, indem ein dem versagenden ersten Schutzschaltgerät vorgeordnetes zweites Schutzschaltgerät veranlasst wird, den Strompfad zum versagenden ersten Schutzschaltgerät zu unterbrechen, um auf diese Weise den Schaltlichtbogen zu löschen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Störlichtbogenschutzeinrichtung, welche konfiguriert ist, einen Störlichtbogen in einer Schaltanlage auf Basis von Spannungs- und/oder Stromwerten in der Schaltanlage zu erkennen, genutzt, um einen Backup-Schutz für versagende Schutzschaltgeräte in der Schaltanlage zu übernehmen. Hierzu kann insbesondere ein Bestandteil eines Lichtbogenerkennungs-Algorithmus der Störlichtbogenschutzeinrichtung genutzt werden, der eine Schaltlichtbogenerkennung beinhaltet. Bisher wird dieser Algorithmus-Bestandteil aktiv, um bei einem auftretenden Schaltlichtbogen eine Auslösung eines Störlichtbogen-Schutzschaltgerätes zu verhindern. Dieser Algorithmus-Bestandteil wird erfindungsgemäß so eingesetzt, dass, falls ein Schaltlichtbogen länger als üblich brennt, z. B. bei einem Versagen eines Schutzschaltgerätes, dieses als Anlagenfehler interpretiert und eine Auslösung eines dem versagenden Schutzschaltgerät vorgeordneten Schutzschaltgerät veranlasst wird.
Die mit dem erfindungsgemäßen Backup-Schutz erreichbaren Abschaltzeiträume sind signifikant kürzer als die mit einem herkömmlichen Backup-Schutz erreichbaren Abschaltzeiträume, wodurch die Wahrscheinlichkeit verringert wird, dass ein versagendes Schutzschaltgerät einen größeren Schaden in der Schaltanlage verursacht. Der Auslösebefehl der Störlichtbogenschutzeinrichtung bei einem solchen Versagen eines Schutzschaltgeräts wird nach dem Ablauf einer typischen Auslösezeit für untergeordnete Schutzschaltgeräte gesetzt: brennt ein Schaltlichtbogen über eine „übliche“ Abschaltzeit hinaus weiter, wird dies von der Störlichtbogenschutzeinrichtung als ein Fehler des zuständigen Schutzschaltgeräts gewertet, und ein Störlichtbogen-Schutzschaltgerät löst aus und klärt den Fehler.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Dabei kann das erfindungsgemäße Verfahren auch entsprechend den abhängigen Vorrichtungsansprüchen weitergebildet sein, und umgekehrt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Schaltanlage mehrere hierarchisch strukturierte Verteilebenen auf, wobei das zweite Schutzschaltgerät in der hierarchisch obersten Verteilebene und das erste Schutzschaltgerät in einer hierarchisch unterhalb der obersten Verteilebene angeordneten Verteilebene angeordnet ist. Vorzugsweise ist diese Schaltlichtbogenerkennung für die erste Verteilebene in einer Schaltanlage attraktiv, denn dort sind entweder noch nicht strombegrenzende ACBs oder wenig strombegrenzende MCCBs verbaut, die lange Verzugszeiten der Auslösung aus Selektivitätsgründen haben.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das zweite Schutzschaltgerät dem ersten Schutzschaltgerät unmittelbar vorgeordnet. Von Vorteil dabei ist, dass nur die für die Löschung des Schaltlichtbogens unbedingt erforderlichen Teile der Schaltanlage abgeschaltet werden, während die restlichen Teile der Schaltanlage ohne Beeinträchtigung weiterbetrieben werden können.
Eine weitere erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe wird durch eine Störlichtbogenschutzeinheit bereitgestellt, welche einen Datenspeicher, ein Kommunikationsinterface und einen Prozessor aufweist. Dabei ist der Prozessor konfiguriert, die Schritte des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 auszuführen. Dabei kann die Störlichtbogenschutzeinheit als eine separate Einheit ausgebildet oder in ein Schaltgerät integriert sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist ein Schutzschaltgerät eine Störlichtbogenschutzeinheit, wie oben beschrieben, auf. Dabei sind der Datenspeicher, das Kommunikationsinterface und der Prozessor der Störlichtbogenschutzeinheit in das das Schutzschaltgerät integriert. Das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren ist in diesem Fall auch ohne ein separates Störlichtbogenschutzsystem nutzbar und als Schaltlichtbogenerkennungsalgorithmus in ein Schaltgerät integrierbar. Der Vorteil dabei ist, dass ein kompakterer Aufbau einer Schaltanlage möglich ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Schutzschaltgerät, welches eine Störlichtbogenschutzeinheit aufweist, das erste oder das zweite Schutzschaltgerät. Somit kann das Schutzschaltgerät selbst das versagende Schutzschaltgerät sein oder einen Backup-Schutz für ein versagendes Schutzschaltgerät bereitstellen.
Eine weitere erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe wird durch eine Störlichtbogenschutzeinrichtung bereitgestellt. Die Störlichtbogenschutzeinrichtung weist ein Störlichtbogen-Schutzschaltgerät auf. Die Störlichtbogenschutzeinrichtung weist außerdem eine Störlichtbogenschutzeinheit, wie oben beschrieben, auf. Darüber hinaus weist die Störlichtbogenschutzeinrichtung einen Sensor zum Messen von Spannungs- und/oder Stromwerten in einer elektrischen Leitung, eine den Sensor mit der Störlichtbogenschutzeinheit verbindende Sensorleitung zur Übermittlung von Messwerten des Sensors an die Störlichtbogenschutzeinheit sowie eine die Störlichtbogenschutzeinheit mit dem Störlichtbogen-Schutzschaltgerät verbindende Steuerleitung zur Übermittlung mindestens eines Steuersignals von der Störlichtbogenschutzeinheit an das Störlichtbogen-Schutzschaltgerät auf. Dabei ist das Störlichtbogen-Schutzschaltgerät dasjenige Schutzschaltgerät, welches einen Backup-Schutz für ein versagendes Schutzschaltgerät bereitstellt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das mindestens eine Steuersignal ein Auslösesignal oder ein Blockadesignal. Falls auf Basis von Spannungs- und/oder Stromwerten in der Schaltanlage erkannt wird, dass ein auftretender Schaltlichtbogen ordnungsgemäß gelöscht wird, kann durch ein Blockadesignal eine Auslösung eines vorgeordneten Störlichtbogen-Schutzschaltgerätes verhindert werden. Falls auf Basis von Spannungs- und/oder Stromwerten in der Schaltanlage erkannt wird, dass ein auftretender Schaltlichtbogen nicht ordnungsgemäß gelöscht wird, kann durch ein Auslösesignal eine Auslösung eines vorgeordneten Störlichtbogen-Schutzschaltgerätes veranlasst werden. Von Vorteil ist dabei, dass ein Störlichtbogenschutzsystem auf zweifache Weise genutzt werden kann.
Das vorgeschlagene Verfahren ist auch mit einer Lichtbogenenergieschwelle kombinierbar, welche in der folgenden Weise genutzt wird: Nach einer Erkennung eines Störlichtbogens in einer Schaltanlage, wobei diese Erkennung auf Basis einer Auswertung von elektrischen Spannungs- und/oder Stromwerten der Schaltanlage erfolgt, wird eine Unterbrechung der Schaltanlage zur Löschung des Störlichtbogens so lange verzögert, bis die vom Störlichtbogen freigesetzte Energie einen vorgegebenen Schwellwert erreicht. Somit kann je nachdem, welche vom Störlichtbogen in der Schaltanlage freigesetzte Energie in den unterschiedlichen Verteilebenen der Schaltanlage tolerierbar ist, das Auslösesignal der Störlichtbogenschutzeinheit an einen Störlichtbogen-Schutzschalter in einer übergeordneten Ebene der Schaltanlage verzögert und währenddessen einem Schutzschaltgerät in einer untergeordneten Ebene der Schaltanlage Zeit gegeben werden, den Fehler, d. h. den Störlichtbogen, zu klären, bevor das Auslösesignal der Störlichtbogenschutzeinheit an den Störlichtbogen-Schutzschalter eine Abschaltung der gesamten Schaltanlage verursacht. Die Selektivität in der Schaltanlage kann damit bis zu einer definierten Schadenshöhe, entsprechend der geduldeten Energiefreisetzung des Störlichtbogens, gewährleistet werden.
Die elektrische Schaltanlage ist hierarchisch strukturiert, d. h. sie weist eine übergeordnete Verteilebene und eine oder mehrere untergeordnete Verteilebenen auf. Die Schaltanlage umfasst eine übergeordnete gemeinsame Hauptleitung, die mit einer elektrischen Energiequelle verbunden ist. Die Schaltanlage umfasst außerdem mehrere untergeordnete Abgangsleitungen, die von der gemeinsamen Hauptleitung abgehen. Die Schaltanlage weist außerdem einen Hauptschalter zum Unterbrechen der Hauptleitung sowie mehrere Abgangsschalter zum Unterbrechen jeweils einer der Abgangsleitungen auf. Die Schaltanlage weist ferner mindestens einen Sensor zum Ermitteln von Spannungs- und/oder Stromwerten in der Schaltanlage, z. B. der Hauptleitung oder den Abgangsleitungen, auf. Die Schaltanlage weist außerdem eine Störlichtbogenschutzeinheit zur Detektion eines Schaltlichtbogens in der Schaltanlage auf Basis von elektrischen Spannungs- und/oder Stromwerten auf. Die Schaltanlage weist ferner einen Prozessor auf, der konfiguriert ist, die Entscheidung, ob zum Löschen des Schaltlichtbogens ein Schutzschaltgerät ausgelöst wird, auf Basis der ermittelten Spannungs- und/oder Stromwerte zu treffen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein Schutzschaltgerät als eine Sicherung ausgebildet.
Die vorgeschlagene Störlichtbogenschutzeinheit kann auch für einen weiteren typischen Fall von Versagen eines Schutzschaltgeräts eingesetzt werden. Oftmals ist ein Versagen eines Schutzschaltgerätes nicht durch ein Löschversagen eines Schutzschaltgeräts hervorgerufen, sondern durch einen Kurzschluss im Schutzschaltgerät oder im Klemmenbereich des Schutzschaltgerätes, z. B. aufgrund einer defekten Isolationsstrecke: in diesen Fällen kann das betroffene Schutzschaltgerät den Kurzschluss nicht selbst löschen. Der kombinierte Schaltlichtbogen-Störlichtbogen Algorithmus kann auch hier frühzeitig reagieren, da der aus dem Schaltlichtbogen entstehende Quer- oder Klemmenkurzschluss der Charakteristik eines Störlichtbogens entspricht und somit sicher erkannt wird.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bewirken, dass die Störlichtbogenschutzeinheit die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte ausführt.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist ein Computerprogrammprodukt, das direkt in den internen Speicher einer digitalen Recheneinheit geladen werden kann und Softwarecodeabschnitte umfasst, mit denen das Verfahren, wie es oben beschrieben ist, ausgeführt wird.
Das Computerprogrammprodukt ist in einem Prozessor ausführbar ausgebildet. Das Computerprogrammprodukt kann als Software oder Firmware in einem Speicher speicherbar und durch ein Rechenwerk ausführbar ausgebildet sein. Alternativ oder ergänzend kann das Computerprogrammprodukt auch zumindest teilweise als festverdrahtete Schaltung ausgebildet sein, beispielsweise als ASIC. Das Computerprogrammprodukt ist dazu ausgebildet, von Sensoren erfasste Messwerte zu empfangen, auszuwerten und Steuerbefehle an Schalter bzw. Schutzgeräte der Energieverteilungsanlage zu erzeugen. Erfindungsgemäß ist das Computerprogrammprodukt dazu ausgebildet, mindestens eine Ausführungsform des skizzierten Verfahrens zum Löschen eines Störlichtbogens umzusetzen und durchzuführen. Dabei kann das Computerprogrammprodukt sämtliche Teilfunktionen des Verfahrens in sich vereinigen, also monolithisch ausgebildet sein. Alternativ kann das Computerprogrammprodukt auch segmentiert ausgebildet sein und jeweils Teilfunktionen auf Segmente verteilen, die auf separater Hardware ausgeführt werden. Beispielsweise kann ein Teil des Verfahrens in einer Steuereinheit durchgeführt werden und ein anderer Teil des Verfahrens in einer übergeordneten Steuereinheit, wie beispielsweise einer SPS oder einer Computer-Cloud.
Es wird weiter ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, das direkt in den internen Speicher einer digitalen Recheneinheit geladen werden kann und Softwarecodeabschnitte umfasst, mit denen die Schritte des hierin beschriebenen Verfahrens ausgeführt werden, wenn das Produkt auf der Recheneinheit läuft. Das Computerprogrammprodukt kann auf einem Datenträger gespeichert sein, wie z.B. einem USB-Speicherstick, einer DVD oder einer CD-ROM, einem Flash-Speicher, EEPROM oder einer SD-Karte. Das Computerprogrammprodukt kann auch in der Form eines über ein drahtgebundenes oder drahtloses Netzwerk ladbares Signal vorliegen.
Das Verfahren ist zur automatischen Ausführung bevorzugt in Form eines Computerprogramms realisiert. Die Erfindung ist damit einerseits auch ein Computerprogramm mit durch einen Computer ausführbaren Programmcodeanweisungen und andererseits ein Speichermedium mit einem derartigen Computerprogramm, also ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln.
Anstelle eines Computerprogramms mit einzelnen Programmcodeanweisungen kann die Implementierung des hier und im Folgenden beschriebenen Verfahrens auch in Form von Firmware erfolgen. Dem Fachmann ist klar, dass anstelle einer Implementation eines Verfahrens in Software stets auch eine Implementation in Firmware oder in Firm- und Software oder in Firm- und Hardware möglich ist. Daher soll für die hier vorgelegte Beschreibung gelten, dass von dem Begriff Software oder dem Begriff Computerprogramm auch andere Implementationsmöglichkeiten, nämlich insbesondere eine Implementation in Firmware oder in Firm- und Software oder in Firm- und Hardware, umfasst sind.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich durch die folgende Beschreibung, welche anhand der Zeichnung näher erläutert wird. Es zeigen jeweils schematisch und nicht maßstabsgetreu

1 eine herkömmliche elektrische Schaltanlage;
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 eine erfindungsgemäße elektrische Schaltanlage;
7 eine Störlichtbogenschutzeinheit;
8 eine elektrische Energieverteilungsanlage gemäß einer alternativen Ausführung;
9 eine elektrische Energieverteilungsanlage gemäß einer weiteren alternativen Ausführung; und
10 ein Ablaufdiagramm eines Algorithmus zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

In 1 ist eine herkömmliche Schaltanlage 100 mit einer Schalterkaskade über drei Verteilebenen E1, E2, E3 dargestellt. Die Schaltanlage 100 ist eine elektrische Energieverteilungsanlage, in der elektrische Energie von einer elektrischen Energiequelle über ein Leitungsnetz mit über- und untergeordneten Leitungen an elektrische Verbraucher verteilt wird. Die Schaltanlage 100 weist eine stromleitende elektrische Hauptleitung 11 (auch bezeichnet als: Hauptverteilungsleitung) mit einem Einspeisepunkt 1 auf, an dem die Schaltanlage 100 mit einem übergeordneten Verteilnetz, z. B. einem Mittel- oder Hochspannungsnetz, verbunden werden kann. Nach dem Einspeisepunkt 1 ist ein Transformator 4 zur Spannungswandlung, z. B. von einer Mittel- oder Hochspannung (Wechselspannungen größer 1000 Volt und Gleichspannungen größer 1500 Volt) eines übergeordneten Verteilnetzes in eine Niederspannung (Wechselspannungen bis 1000 Volt und Gleichspannungen bis 1500 Volt) der elektrischen Schaltanlage 100, und ein Schutzschaltgerät der ersten, höchsten Verteilebene E1, der sog. Hauptebene, in Form eines Hauptschalters 51, der als ein Leistungsschalter ausgebildet ist, in der Hauptleitung 11 angeordnet. In einer alternativen Ausführung kann der Hauptschalter 51 als ein Kurzschließer oder als eine Kombination von Leitungsschalter und Kurzschließer, die in Reihe in die Hauptleitung 1 geschaltet sind, ausgebildet sein. Hinter dem Hauptschalter 51 weist die Hauptleitung 11 einen ersten Verzweigungsknoten 2 auf, der eine Verbindung zwischen der Hauptleitung 11 und zwei Abgangsleitungen 21, 22 bildet. In jeder der Abgangsleitungen 21, 22 befindet sich ein Schutzschaltgerät der zweiten, mittleren Verteilebene E2 in Form von Leistungsschaltern 61, 62, welche die jeweilige Abgangsleitung 21, 22 vor Beschädigung durch zu starke Erwärmung in Folge von Überstrom schützen und die Leitung bei einem Kurzschluss selbsttätig unterbrechen.
Hinter dem ersten Leistungsschalter 61 weist die erste Abgangsleitung 21 einen zweiten Verzweigungsknoten 3 auf, der eine Verbindung zwischen der ersten Abgangsleitung 21 und zwei Nebenleitungen 31, 32, nämlich einer ersten Nebenleitung 31 und einer zweiten Nebenleitung 32, bildet. In jeder der beiden Nebenleitungen 31, 32 befindet sich ein Schutzschaltgerät der dritten, niedrigsten Verteilebene E3 in Form von Leitungs-Schutzschaltgeräten 71, 72, kurz: LS-Schalter, welche die jeweilige Nebenleitung 31, 32 vor Beschädigung durch zu starke Erwärmung in Folge von Überstrom schützen und die Leitung bei einem Kurzschluss selbsttätig unterbrechen.
Hinter dem zweiten Leistungsschalter 62 ist die zweite Abgangsleitung 22 mit einer dritten Nebenleitung 33 verbunden. In der dritten Nebenleitung 33 befindet sich ein dritter LS-Schalter 73, welcher die dritte Nebenleitung 33 vor Beschädigung durch zu starke Erwärmung in Folge von Überstrom schützt und die Leitung bei einem Kurzschluss selbsttätig unterbricht.
Den einzelnen Nebenleitungen 31, 32, 33 ist jeweils ein elektrischer Verbraucher L1, L2, L3 nachgeschaltet, die jeweils durch einen Schalter 81, 82, 83, z. B. ein Relais oder ein Schütz, mit den Nebenleitungen 31, 32, 33 elektrisch verbunden werden können bzw. von den Nebenleitungen 31, 32, 33 elektrisch getrennt werden können. Bei diesen Verbrauchern L1, L2, L3 kann es sich um Elektromotoren, Leuchtmittel, elektrische Heizungen oder andere elektrische Lasten handeln.
Die gemeinsame Hauptverteilungsleitung 11 und die separaten Abgangsleitungen 21, 22 und Nebenleitungen 31, 32, 33 können für eine einphasige oder eine mehrphasige Stromleitung von dem Einspeisepunkt 1 zu den elektrischen Lasten L1, L2, L3 ausgestaltet sein. Für eine einphasige Stromleitung ist es ausreichend, wenn die Leitungen 11, 21, 22, 31, 32, 33 jeweils einen einzigen Stromleiter, und optional einen Stromrückleiter bzw. einen Neutralleiter, aufweisen. Für eine dreiphasige Stromleitung, d. h. in einem Drehstromnetz für Dreiphasenwechselstrom, ist es ausreichend, wenn die Leitungen 11, 21, 22, 31, 32, 33 jeweils drei getrennte Stromleiter - je ein Leiter für eine der drei Stromphasen - aufweisen; zusätzlich kann ein Neutralleiter vorhanden sein.
Diese Schutzschaltgeräte 51, 61, 62, 71, 72, 73 können auch als Schutzschalteinrichtungen, Schutzgeräte oder einfach als Schutzschalter bezeichnet werden; dabei können die Schutzschaltgeräte als Leistungsschalter, LS-Schalter oder andere Schutzschaltgeräte ausgebildet sein, die dazu ausgebildet sind, im Fall eines Überstroms in einer Stromleitung den Strom in der Stromleitung zu unterbrechen, sei es als galvanisch trennender Schalter (mechanischer Schalter) oder als elektronisch trennender Schalter (Halbleiter-Schalter). Sie können auch als Sicherungen, z. B. NH-Sicherungen, ausgebildet sein (NH = Niederspannungs-Hochleistung). Die Schutzschaltgerät 51, 61, 62, 71, 72, 73 des elektrischen Leitungsnetzes 100 sind kaskadiert angeordnet und schützen das Netz 100 und/oder die daran angeschlossenen elektrischen Verbraucher L1, L2, L3 selektiv, d. h., dass bei einem Fehler, z. B. einem Überstrom, nur dasjenige Schutzschaltgerät der Schutzschaltgeräte 51, 61, 62, 71, 72, 73 abschaltet, das dem Fehlerort (= Ort des Fehlers) auf dessen Einspeiseseite am nächsten liegt (= Überstromselektivität). Ein Fehlerort in einer elektrischen Leitung hat eine Einspeiseseite, d.h. der Strompfad in Richtung Einspeisung, und eine Lastseite, d.h. der Strompfad in Richtung Last; ein Schutzschaltgerät ist dem Fehler, genauer: dem Fehlerort, vorgeordnet, wenn es auf der Einspeiseseite des Fehlers liegt. Erst wenn der Strom von einem dem Fehlerort unmittelbar vorgeordneten Schutzschaltgerät aufgrund eines Versagens dieses Schutzschaltgeräts nicht sofort abgeschaltet wird, wird der Strom durch einen dem versagenden Schutzschaltgerät vorgeordneten Schutzschaltgerät - zeitlich verzögert - abgeschaltet (= Backup-Schutz). Auf diese Weise wird die Selektivität in der elektrischen Schaltanlage 100 gewährleistet und erreicht, dass nur der fehlerhafte Teil der Schaltanlage 100 ausfällt; der Rest der Schaltanlage 100 bleibt betriebsbereit.
6 zeigt eine erfindungsgemäße elektrische Schaltanlage 100, welches alle Merkmale der in 1 dargestellten Schaltanlage 100 aufweist (insoweit wird auf die entsprechende Figurenbeschreibung verwiesen) und zusätzlich eine Störlichtbogenschutzeinheit 16, einen an der ersten Abgangsleitung 21 angeordneten Sensor S zum Ermitteln von Spannungs- und/oder Stromwerten in der ersten Abgangsleitung 21, eine den Sensor S mit der Störlichtbogenschutzeinheit 16 verbindende Sensorleitung 13 zur Übermittlung der von dem Sensor S erfassten Messwerte an die Störlichtbogenschutzeinheit 16 sowie eine die Störlichtbogenschutzeinheit 16 mit dem ersten Leistungsschalter 61 verbindende Steuerleitung 10 zur Übermittlung von Steuersignalen, z. B. einem Auslösesignal oder einem Blockadesignal, von der Störlichtbogenschutzeinheit 16 an den in der ersten Abgangsleitung 21 angeordneten Schutzschaltgerät 61 aufweist.
Dabei weist die Störlichtbogenschutzeinheit 16, wie in 7 dargestellt, einen Prozessor 26, einen Speicher 25 und ein Interface 27 auf. Die Störlichtbogenschutzeinheit 16 ist dazu konfiguriert, auf Basis von elektrischen Spannungs- und/oder Stromwerten, die von dem Sensor S in der Hauptleitung 51 gemessen wurden, das Brennen eines Störlichtbogens in der Energieverteilungsanlage 100 zu detektieren. In einem Stromkreis bzw. Leitungsnetz, 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 i_m (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 i_m in Kiloampere (kA) [i_m 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) [u_m 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.
Die 2 bis 5, welche willkürlich gewählte Beispiele von möglichen, unter Umständen idealisierten Lichtbogenspannungsverläufen und Lichtbogenstromverläufen zeigen, dienen lediglich der Veranschaulichung, dass es in einem Stromkreis bzw. einem elektrischen Netz also möglich ist, das Brennen eines Störlichtbogens anhand von Strom- und/oder Spannungswerten zu erkennen. Ein solches Verfahren zur Störlichtbogenerkennung ist z. B. beschrieben in DE102016209445A1 (Anmelder: Siemens AG; TU Dresden; Erfinder: Wenzlaff et al.) 2017.11.30.
7 zeigt eine Störlichtbogenschutzeinheit 16, welche einen Datenspeicher 25, einen Prozessor 26 und ein Kommunikationsinterface 27 aufweist. Über das Kommunikationsinterface 27 kann die Störlichtbogenschutzeinheit 16 Daten empfangen, z. B. Strom- und Spannungsmesswerte von Sensoren oder Computerprogramme von übergeordneten Instanzen wie einer Leitwarte oder einem Steuergerät, und Daten versenden, z. B. Steuersignale an Schalter. In dem Datenspeicher 25 können Daten gespeichert werden, z. B. von Sensoren erfasste Strom- und Spannungsmesswerte, vorzugsweise von einem Nutzer der Störlichtbogenschutzeinheit vorgegebene maximal tolerierbare Brenndauern von Schaltlichtbögen in Schutzschaltgeräten der Schaltanlage, oder ein oder mehrere Computerprogramme. Der Prozessor 26 kann Rechenschritte ausführen, z. B. ein in dem Datenspeicher 25 abgelegtes Computerprogramm in einen Arbeitsspeicher des Prozessors 26 laden und als einen Rechenalgorithmus abarbeiten. Der Prozessor 26 kann auch eine gemessene Brenndauer eines Schaltlichtbogens mit einem in dem Datenspeicher 25 gespeicherten Schwellwert vergleichen. Das Kommunikationsinterface 27 dient als Schnittstelle der Störlichtbogenschutzeinheit 16 zur Kommunikation mit Kommunikationspartnern, z. B. zum Empfangen von Strom- und Spannungsmesswerten von einem Sensor, der zum Erfassen Strom- und Spannungsmesswerten der Schaltanlage konfiguriert ist.
8 zeigt eine erfindungsgemäße elektrische Schaltanlage 100, welches alle Merkmale der in 6 dargestellten Schaltanlage 100 aufweist (insoweit wird auf die entsprechende Figurenbeschreibung verwiesen), mit dem Unterschied, dass die Störlichtbogenschutzeinheit 16 in der hierarchisch obersten Verteilebene E1 angeordnet ist.
9 zeigt eine erfindungsgemäße elektrische Schaltanlage 100, welches alle Merkmale der in 8 dargestellten Schaltanlage 100 aufweist (insoweit wird auf die entsprechende Figurenbeschreibung verwiesen), mit dem Unterschied, dass die Funktionen der Störlichtbogenschutzeinheit, die in dem Ausführungsbeispiel gemäß 8 als eine separate Einheit ausgebildet ist, in das Schutzschaltgerät 51 der hierarchisch obersten Verteilebene E1 integriert sind. Somit weist das Schutzschaltgerät 51 einen Datenspeicher 25, einen Prozessor 26 und ein Kommunikationsinterface 27 auf. Dabei empfängt das Schutzschaltgerät 51 über sein Kommunikationsinterface 27 Spannungs- und/oder Stromwerte von einem Strom- und/oder Spannungssensor S, der diese Messwerte an der Stromleitung 11 erfasst, welche durch das Schutzschaltgerät 51 geschaltet werden kann. Diese Messwerte werden in dem Prozessor 26 des Schutzschaltgeräts 51 ausgewertet.
Falls das Prüfungsverfahren des Prozessors 26 ergibt, dass in einem ersten fehlerhaften Schutzschaltgerät 61, 62, 71, 72, 73 der Schaltanlage 100 ein Schaltlichtbogen länger als einen vorgegebenen Zeitraum brennt, so veranlasst der Prozessor 26 eine Unterbrechung der Stromleitung 11 durch das Schutzschaltgerät 51, z.B. durch eine Öffnung von galvanischen Kontakten oder durch ein Sperren eines Halbleiterschalters des Schutzschaltgerätes 51. Da sich das Schutzschaltgerät 51 in der obersten Verteilebene befindet, ist das Schutzschaltgerät 51 in jedem Fall ein Schutzschaltgerät, welches dem fehlerhaften Schutzschaltgerät vorgeordnet ist.
10 zeigt einen möglichen Verfahrensablauf, der z. B. in Form eines Algorithmus realisiert sein kann. In einem ersten Schritt 200 werden durch einen Sensor an einer stromführenden Leitung der Schaltanlage, vorzugsweise an der Hauptleitung, Strom- und/oder Spannungswerte erfasst. In einem nachfolgenden Schritt 210 wird auf Basis der erfassten Strom- und/oder Spannungswerte geprüft, ob ein Schaltlichtbogen in einem ersten Schutzschaltgerät der Schutzschaltgeräte der Schaltanlage 100 brennt. Falls nein (N), wird wieder zu Schritt 200 gesprungen. Falls ja (Y), wird dieser Zeitpunkt t0 der Detektion als der Zündzeitpunkt des Schaltlichtbogens gespeichert. In einem nachfolgenden Schritt 220 wird zu einem nachfolgenden Zeitpunkt t1 = t0 + Δt geprüft, ob der Schaltlichtbogen in dem ersten Schutzschaltgerät noch brennt. Dabei ist die Zeitspanne Δt ein vorgegebener Wert, z. B. 6 -7 ms, der einer nicht mehr tolerierbaren Brenndauer eines Schaltlichtbogens entspricht, da ein Schaltlichtbogen nach einer Brenndauer von z. B. 5 ms üblicherweise erloschen ist.
Falls der Schaltlichtbogen nicht mehr brennt (N), wird wieder zu Schritt 200 gesprungen. Falls der Schaltlichtbogen in dem ersten Schutzschaltgerät immer noch brennt (Y), erfolgt in Schritt 230 ein Aussenden eines Auslösebefehls an ein zweites Schutzschaltgerät, welches dem ersten Schutzschaltgerät vorgeordnet ist. Als Folge der Auslösung des zweiten Schutzschaltgeräts wird ein dem zweiten Schutzschaltgerät nachgeordneter Bereich der Schaltanlage 100 stromlos geschaltet und der Schaltlichtbogen, der in diesem Bereich der Schaltanlage brennt, wird in Schritt 240 gelöscht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016209445 A1 [0046]

Claims

Verfahren zum Backup-Schutz in einer elektrischen Schaltanlage (100), wobei auf Basis von elektrischen Spannungs- und/oder Stromwerten der Schaltanlage (100) geprüft wird, ob in einem ersten Schutzschaltgerät (61, 62, 71, 72, 73) der Schaltanlage ein Schaltlichtbogen länger als eine vorgegebene Zeitspanne brennt, und in diesem Fall eine Auslösung eines zweiten Schutzschaltgerät (51) veranlasst wird, welches dem ersten Schutzschaltgerät (61, 62, 71, 72, 73) vorgeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schaltanlage mehrere hierarchisch strukturierte Verteilebenen (E1, E2, E3) aufweist, wobei das zweite Schutzschaltgerät (51) in der hierarchisch obersten Verteilebene (E1) und das erste Schutzschaltgerät (61, 62, 71, 72, 73) in einer hierarchisch unterhalb der obersten Verteilebene angeordneten Verteilebene (E2, E3) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Schutzschaltgerät (51) dem ersten Schutzschaltgerät (61, 62, 71, 72, 73) unmittelbar vorgeordnet ist.
Störlichtbogenschutzeinheit (16) mit einem Datenspeicher (25), einem Kommunikationsinterface (27), und einem Prozessor (26), der konfiguriert ist, die Schritte des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 auszuführen.
Schutzschaltgerät (51, 61, 62, 71, 72, 73), aufweisend eine Störlichtbogenschutzeinheit (16) gemäß Anspruch 4.
Schutzschaltgerät (51, 61, 62, 71, 72, 73) nach Anspruch 5, wobei das Schutzschaltgerät das erste oder das zweite Schutzschaltgerät ist.
Störlichtbogenschutzeinrichtung, aufweisend - ein Störlichtbogen-Schutzschaltgerät (61), - eine Störlichtbogenschutzeinheit (16) nach Anspruch 4, - einen Sensor (S) zum Messen von Spannungs- und/oder Stromwerten in einer elektrischen Leitung (21), - eine Sensorleitung (13), welche den Sensor (S) mit der Störlichtbogenschutzeinheit (16) verbindet, zur Übermittlung von Messwerten des Sensors (S) an die Störlichtbogenschutzeinheit (16), sowie - eine Steuerleitung (10), welche die Störlichtbogenschutzeinheit (16) mit dem Störlichtbogen-Schutzschaltgerät (61) verbindet, zur Übermittlung mindestens eines Steuersignals von der Störlichtbogenschutzeinheit 16 an das Störlichtbogen-Schutzschaltgerät (61), wobei das Störlichtbogen-Schutzschaltgerät (61) das zweite Schutzschaltgerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 ist.
Störlichtbogenschutzeinrichtung nach Anspruch 7, wobei das mindestens eine Steuersignal ein Auslösesignal oder ein Blockadesignal ist.
Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bewirken, dass die Störlichtbogenschutzeinheit (16) nach Anspruch 4 die Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ausführt.
Computerlesbares Medium, auf dem ein Computerprogrammprodukt nach Anspruch 8 gespeichert ist.