DE102022202654A1

DE102022202654A1 - Verfahren zum Störlichtbogenschutz

Info

Publication number: DE102022202654A1
Application number: DE102022202654.3A
Authority: DE
Inventors: Michael Anheuser; 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: WO2023174705A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Störlichtbogenschutz in einer elektrischen Energieverteilungsanlage (100), in der elektrische Energie von einer elektrischen Energiequelle (4) über eine übergeordnete gemeinsame Hauptverteilungsleitung (1) und von der gemeinsamen Hauptverteilungsleitung (1) über mehrere untergeordnete Abgangsleitungen (31, 32, 33) verteilt wird, wobei die Hauptverteilungsleitung (1) durch einen Hauptschalter (6) unterbrochen werden kann und die Abgangsleitungen (31, 32, 33) jeweils durch einen zugeordneten Abgangsschalter (81, 82, 83) unterbrochen werden können. Nach einer Detektion eines Störlichtbogens (2) in der Energieverteilungsanlage (100) auf Basis von elektrischen Spannungs- und/oder Stromwerten (M1) in der Hauptverteilungsleitung (1) wird die Entscheidung, ob zum Löschen des Störlichtbogens der Hauptschalter (6) oder einer der Abgangsschalter (81, 82, 83) ausgelöst wird, auf Basis von Spannungs- und/oder Stromwerten (M31, M32, M33) in den Abgangsleitungen (31, 32, 33) getroffen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Störlichtbogenschutz und eine elektrische Energieverteilungsanlage.
Lichtbögen können betriebsmäßig auftreten, sei es in Form eines Nutz- oder Arbeitslichtbogens (z. B. als Anzündhilfe, beim Lichtbogenschweißen, in einem Lichtbogenofen oder in einer Bogenlampe) oder in Form eines Schaltlichtbogens, welcher während einer Schalthandlung zwischen den Kontakten eines mechanischen Schalters auftritt. Tritt ein Lichtbogen nicht betriebsmäßig, sondern unerwünscht bzw. unerwartet durch eine Störung auf, spricht man von einem Stör- oder Fehlerlichtbogen. Besonders in leistungsstarken Verteil- und Schaltanlagen können Störlichtbögen zu verheerenden Zerstörungen von Betriebsmitteln, Anlagenteilen oder kompletten Schaltanlagen führen. Um Schäden zu reduzieren und einen längeren Ausfall der Energieversorgung zu vermeiden, ist es erforderlich, Störlichtbögen, insbesondere stromstarke bzw. parallele Störlichtbögen, mithilfe eines Störlichtbogenschutzsystems in wenigen Millisekunden (≤ 5 ms) zu erkennen und zu löschen.
Ein Störlichtbogenschutzsystem kann zu einem Entscheidungskonflikt hinsichtlich des Vorranges der Schutzmechanismen in einer Schaltanlage führen. Ein Störlichtbogenschutzsystem hat, bedingt durch seine Aufgabe einer schnellen Erkennung eines Störlichtbogens und dessen unverzüglicher Löschung durch eine Abschaltung der Schaltanlage, Vorrang vor allen anderen Schutzmechanismen der Schaltanlage. Ein Kurzschlussalgorithmus eines Leistungsschalters, der den Störlichtbogen in dem ihm zugeordneten Anlagenbereich (Abgang oder Abzweig) als einen Kurzschluss erfasst, wird daher vom Störlichtbogenschutzsystem übersteuert. Die Selektivität in der Schaltanlage, nämlich das selektive Abschalten des Abzweigs, in dem sich ein Kurzschluss befindet, ohne einen Eingriff in fehlerfreie benachbarte Abzweige, wird damit außer Kraft gesetzt.
Gängige Störlichtbogenschutzsysteme auf dem Markt arbeiten mit einer Erfassung der Störlichtbögen mittels Lichts über Punkt- oder Liniensensoren. Soll nun Selektivität in der Schaltanlage gewährleistet werden, so werden nur diejenigen Bereiche der Schaltanlage, welche vor Störlichtbogen geschützt werden sollen, mit Lichtsensoren ausgerüstet. Somit beeinflusst die Wahl der zu schützenden Bereiche auch maßgeblich die Auslegung hinsichtlich der Selektivität. Es kann nur entschieden werden, Störlichtbogenschutz oder Selektivität, eine Verknüpfung beider Forderungen ist nicht möglich. Zudem muss eine effiziente lichtdichte Abschottung (Separierung) der beiden unterschiedlich zu schützenden Bereichen gewährleistet sein, was in der Regel in Schaltanlagen nicht wirklich umgesetzt werden kann.
Für Störlichtbogenschutzsysteme, in denen eine Erfassung der Störlichtbögen mittels Strom- und Spannungsmessungen erfolgt, sind keine Lösungen bekannt, die eine Selektivität erlauben. Hier wiegt das beschriebene Problem schwerer, da nicht wie bei den lichtbasierten Systemen der Detektionsbereich von Störlichtbögen örtlich eingegrenzt werden kann.
Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Störlichtbogenschutzsystem 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 Elektrische Energieverteilungsanlage mit den in Anspruch 5 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 Störlichtbogenschutz in einer elektrischen Energieverteilungsanlage, in der elektrische Energie von einer elektrischen Energiequelle über eine übergeordnete gemeinsame Hauptverteilungsleitung und von der gemeinsamen Hauptverteilungsleitung über mehrere untergeordnete Abgangsleitungen verteilt wird. Dabei kann die Hauptverteilungsleitung durch einen Hauptschalter unterbrochen werden und die Abgangsleitungen jeweils durch einen zugeordneten Abgangsschalter. Nachdem auf Basis von elektrischen Spannungs- und/oder Stromwerten in der Hauptverteilungsleitung ein Störlichtbogen in der nachgeordneten Energieverteilungsanlage detektiert wurde, wird die Entscheidung getroffen, ob zum Löschen des Störlichtbogens der Hauptschalter oder einer der Abgangsschalter ausgelöst wird. Dabei wird diese Entscheidung auf Basis von Spannungs- und/oder Stromwerten in den Abgangsleitungen getroffen.
Unter Störlichtbogen wird bevorzugt ein stromstarker paralleler Störlichtbogen verstanden. Der Strom eines solchen stromstarken parallelen Störlichtbogens ist ein Überstrom, d. h. ein Strom, welcher höher als der in der Energieverteilungsanlage betriebsmäßig maximal zulässige Strom ist. Bei einem stromstarken parallelen Störlichtbögen ist der Strom durch keinen oder ggf. durch einen relativ geringen Widerstand begrenzt. Dadurch unterscheidet sich ein stromstarker paralleler Störlichtbogen sowohl von einem seriellen Störlichtbogen, dessen Strom durch eine Last begrenzt ist, als auch von einem stromschwachen parallelen Störlichtbogen, dessen Strom ebenfalls durch einen Widerstand begrenzt ist, z. B. durch in die Energieverteilungsanlage eingedrungene Nagetiere oder aus Versehen in der Energieverteilungsanlage liegengebliebene leitende Gegenstände wie Werkzeuge oder Metallteile, welche eine elektrische Verbindung zwischen zwei Phasenleitern herstellen.
Es wird vorgeschlagen, in einer elektrischen Energieverteilungsanlage, z. B. einer Schaltanlage, eine zentrale Störlichtbogendetektion auf Basis von elektrischen Spannungs- und/oder Stromwerten in einer übergeordneten Ebene der Energieverteilungsanlage und eine Fehlerstromerkennung in einer untergeordneten Ebene der Energieverteilungsanlage mithilfe von Abgangsschaltern, z. B. abgangsseitigen Leistungsschaltern, zu kombinieren. Eine Fehlerstromerkennung kann eine Erkennung von Überströmen wie Kurzschlussströmen ermöglichen. Die Störlichtbogenschutzeinheit detektiert über seine Algorithmen einen Störlichtbogen in der elektrischen Energieverteilungsanlage, kann aber aufgrund des Funktionsprinzips, der Messung von elektrischen Spannungs- und/oder Stromwerten, diesen in der Energieverteilungsanlage nicht lokalisieren. Diese Lokalisierung übernehmen die Abgangsschalter mit ihrer Strommessung. Liegt ein Störlichtbogen vor, entsprechen die Charakteristiken in Strom und Spannung jenen eines Kurzschlusses; somit wird sich ein Spannungseinbruch und damit ein Überstrom einstellen. Dieser Überstrom wird über das Mess- und Auswertesystem der Abgangsschalter erfasst. Da der Störlichtbogenalgorithmus sehr schnell reagiert (0,5 ms - maximal 2 ms) und eine Überstromdetektion durch die Abgangsschalter im gleichen Zeitbereich erfolgt, kann über eine Kommunikation zwischen Abgangsschalter und Störlichtbogenschutzeinheit erkannt werden, wo der Störlichtbogen in der Energieverteilungsanlage vorliegt. Da eine Energieverteilungsanlage projektiert wird und somit genau bekannt ist, kann im Rahmen der Dimensionierung und Auslegung der Betriebsmittel und Komponenten der Verteilanlage entschieden werden, in welcher Verteilebene der Energieverteilungsanlage ein Störlichtbogen aufgrund seiner Schadenswirkung toleriert werden kann und wo nicht. Tritt ein Störlichtbogen in einer untergeordneten Ebene der Energieverteilungsanlage auf, misst ein zugeordneter Abgangsschalter dieser untergeordneten Verteilebene einen Überstrom und gibt ein Blockadesignal an die Störlichtbogenschutzeinheit. Die Störlichtbogenschutzeinheit wird nicht aktiv, d. h. die Energieverteilungsanlage wird nicht komplett stromlos geschaltet. Stattdessen löst der Abgangsschalter aus und die Energieverteilungsanlage wird selektiv, d.h. lediglich in der vom Störlichtbogen betroffenen Abgangsleitung, abgeschaltet. Tritt aber der Störlichtbogen in der übergeordneten Verteilebene der Energieverteilungsanlage zwischen Einspeisung und Abgangsschaltern auf, so reagiert die Störlichtbogenschutzeinheit unverzögert, da kein Überstromsignal aus den untergeordneten Verteilebenen vorliegt.
Die Störlichtbogenschutzeinheit und die einzelnen Abgangsschalter kommunizieren miteinander. Im Fall eines Störlichtbogens fragt die Störlichtbogeneinheit die Abgangsschalter ab und die Abgangsschalter melden ihren Zustand (Fehler oder kein Fehler). Die Koordination hat spätestens zum Zeitpunkt einer Auslöseentscheidung durch die Störlichtbogenschutzeinheit vorzuliegen. Danach erfolgt der Auslösebefehl der Störlichtbogenschutzeinheit an einen Hauptschalter, z. B. einen Kurzschließer, wenn kein Fehler von den Abgangsschaltern gemeldet wird. Im Fall jedoch, dass an einem der Abgangsschalter ein Kurzschluss gemessen wird, wird der Auslösebefehl der Störlichtbogenschutzeinheit an einen Hauptschalter blockiert oder unterdrückt bzw. erfolgt nicht.
Die elektrische Energieverteilungsanlage ist hierarchisch strukturiert, d.h. sie weist eine übergeordnete Verteilebene und eine oder mehrere untergeordnete Verteilebenen auf. Die Energieverteilungsanlage umfasst eine übergeordnete gemeinsame Hauptverteilungsleitung, die mit einer elektrischen Energiequelle verbunden ist. Die Energieverteilungsanlage umfasst außerdem mehrere untergeordnete Abgangsleitungen, die von der gemeinsamen Hauptverteilungsleitung abgehen. Die Energieverteilungsanlage weist außerdem einen Hauptschalter zum Unterbrechen der Hauptverteilungsleitung sowie mehrere Abgangsschalter zum Unterbrechen jeweils einer der Abgangsleitungen auf. Die Energieverteilungsanlage weist ferner Sensoren zum Ermitteln von Spannungs- und/oder Stromwerten in der Hauptverteilungsleitung und den Abgangsleitungen auf. Die Energieverteilungsanlage weist außerdem eine Störlichtbogenschutzeinheit zur Detektion eines Störlichtbogens in der Energieverteilungsanlage auf Basis von elektrischen Spannungs- und/oder Stromwerten, die in der Hauptverteilungsleitung gemessen wurden, auf. Die Energieverteilungsanlage weist ferner einen Prozessor auf, der konfiguriert ist, die Entscheidung, ob zum Löschen des Störlichtbogens der Hauptschalter oder einer der Abgangsschalter ausgelöst wird, auf Basis der ermittelten Spannungs- und/oder Stromwerte in den Abgangsleitungen zu treffen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Störlichtbogenschutzsysteme, in denen eine Erfassung von Störlichtbögen in einer elektrischen Energieverteilungsanlage mittels Strom- und Spannungsmessungen in einer übergeordneten Ebene der Energieverteilungsanlage, bevorzugt an einer Hauptverteilungsleitung bzw. Einspeiseleitung, erfolgt, ein gewisser Grad an Selektivität realisiert werden kann, indem eine Stromerfassung in den untergeordneten Ebenen der Energieverteilungsanlage durch einen zugeordneten Schutzschalter, bevorzugt durch entsprechende Leistungsschalter bzw. Abgangsschalter, genutzt wird. Ein Anwender definiert nach Schadenshöhe diejenigen Bereiche, die durch das Störlichtbogenschutzsystem unmittelbar geschützt werden sollen. Alle anderen Verteilebenen, in denen die Schäden bei dem Auftreten des Störlichtbogens ein tolerables Maß haben, werden weiterhin durch den zugeordneten Schutzschalter geschützt. Die Erfindung bietet den Vorteil, das Störlichtbogenschutzsystem auf den Bereich des Hauptverteilers einer Schaltanlage zu beschränken bzw. auf diejenigen Bereiche, in denen ein Störlichtbogen katastrophale Schäden erzeugen würde. Ein weiterer Vorteil ist, dass mit der Erfindung auch eine gewisse Lokalisierung und Ortung des Fehlerortes, d.h. des Ortes, an dem ein Störlichtbogen brennt, möglich ist.
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 wird der Hauptschalter ausgelöst, falls kein Überstrom in den Abgangsleitungen detektiert wurde, und andernfalls ausschließlich der Abgangsschalter in der Abgangsleitung ausgelöst, in welcher Überstrom detektiert wurde.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird, falls Überstrom in einer der Abgangsleitungen detektiert wurde, ausschließlich der Abgangsschalter in der Abgangsleitung, in welcher Überstrom detektiert wurde, ausgelöst und der Hauptschalter blockiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird, falls Überstrom in einer der Abgangsleitungen detektiert wurde, der Abgangsschalter in der Abgangsleitung, in welcher Überstrom detektiert wurde, durch ein Auslösesignal ausgelöst.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird für eine untergeordnete Ebene der Energieverteilungsanlage eine eigene Auswerteeinheit über den Zustand der Abgangsschalter installiert. Diese Auswerteeinheit wertet die Signale von den Abgangsschaltern aus und kommuniziert mit der Störlichtbogenschutzeinheit. Der Vorteil dabei ist, dass die Auswerteeinheit eine Vorverarbeitung vornehmen kann, was die an die Störlichtbogenschutzeinheit zu übertragende Datenmenge reduziert.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Abgangsschalter als Sicherungen ausgebildet. Eine Sicherung kann ja per Technologie nur auslösen, aber nicht messen und/oder auswerten. Damit der Störlichtbogenschutzeinheit signalisiert werden kann, dass eine Sicherung in der Lage ist, einen Kurzschluss zu löschen, benötigen die Abgangsleitungen eine Vorrichtung zur Strommessung. Dazu sind in den Abgangsleitungen zusätzliche Strommessvorrichtungen vorgesehen, welche eine Strommessung vornehmen und die Messwerte an die Störlichtbogenschutzeinheit senden, wo die Messwerte zentral ausgewertet werden. Optional findet eine Auswertung der Messwerte in Auswertungsvorrichtungen statt, die zusätzlich in den Abgangsleitungen vorgesehen sind. Es ist auch möglich, dass eine Sicherung als eine Smart Fuse ausgebildet ist, welche selbst eine Strommessung vornehmen kann. Es ist dabei möglich, dass die Vorrichtung zur Strommessung mit einer zentralen Auswerteeinheit verbunden ist. Es ist möglich, dass die Vorrichtung zur Strommessung ab einem gewissen Stromschwellwert in der Abgangsleitung ein Blockadesignal an die zentrale Auswerteeinheit sendet. Es ist nur möglich, dass von der Sicherung ein Blockadesignal gesendet wird; der umgekehrte Weg, nämlich das durch einen Empfang eines Auslösesignals durch die Sicherung getriggertes Unterbrechen der Abgangsleitung durch die Sicherung ist ja aufgrund der Funktion der Sicherung nicht möglich.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sendet die zentrale Störlichtbogenschutzeinheit im Falle des Vorliegens eines Störlichtbogenfehlers in einer Abgangsleitung - ein Abgangsschalter hat einen Fehlerstrom erkannt - ein Auslösesignal an den untergeordneten Abgangsschalter. Somit wird der Abgangsschalter auf den Störlichtbogenfehler aufmerksam gemacht und damit eine unverzögerte Auslösung des Abgangsschalters ermöglicht. Dabei ist diese Ausgestaltung besonders vorteilhaft, wenn der Abgangsschalter eine Zeitverzögerung hat; in diesem Fall würde der Abgangsschalter nämlich, falls ihn kein Auslösesignal erreichte, im genannten Fehlerfall zu spät auslösen und damit den Schaden unnötig vergrößern.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Störlichtbogenschutzeinheit durch einen Algorithmus zur Kurzschluss-Früherkennung ergänzt. Damit besteht die Möglichkeit, in Abhängigkeit von der Impedanzbelegung der Energieverteilungsanlage zu entscheiden, ob der Störlichtbogen auf der Hauptebene, also vor den nachgeordneten Abgangsschaltern, oder auf den untergeordneten Abgangsebenen, also nach den Abgangsschaltern, vorliegt. Es sind verschiedene Verfahren zur Kurzschluss-Früherkennung bekannt, siehe z. B. Stege, Manfred: Kurzschluss-Erkennungsalgorithmen zum strombegrenzenden Schalten, Technische Universität Braunschweig, Dissertation, 1992 und WO 2009/056432A1 (Anmelder: Siemens AG; Erfinder: Berger, Frank; Mützel, Timo) 07.05.2009. Basis sind in der Regel die Ableitungen von Strom und/oder Spannung. Beispielweise kann aus der Höhe des Kurzschlussstroms auf die Leitungsimpedanz zwischen dem Messort und der Fehlerstelle rückgeschlossen werden und auf Basis bekannter Leitungsbeläge eine Zuordnung erfolgen, ob der Störlichtbogen in einer untergeordneten Verteilebene der Energieverteilungsanlage oder im direkten Schutzbereich, d. h. in einer übergeordneten Verteilebene der Energieverteilungsanlage, brennt. Dieses Entscheidungskriterium ermöglicht eine schnellere Abschaltung eines Fehlers auf der Hauptebene, da nicht eine Rückantwort eines nachgeordneten Abgangsschalter abgewartet werden muss.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Prozessor in die Störlichtbogenschutzeinheit integriert. Somit ist ein Aspekt der Erfindung eine Störlichtbogenschutzeinheit mit einem Prozessor, die geeignet ist, die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Alternativ kann der Prozessor auch separat von der Störlichtbogenschutzeinheit ausgebildet sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Prozessor konfiguriert, ein Auslösesignal an einen ersten Schalter und/oder ein Blockadesignal an einen zweiten Schalter zu senden. Der erste Schalter ist vorzugsweise ein in einer untergeordneten Verteilebene angeordneter Abgangsschalter und der zweite Schalter ist vorzugsweise ein in einer übergeordneten Verteilebene angeordneter Hauptschalter.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die elektrische Energieverteilungsanlage eine Auswerteeinheit auf, die konfiguriert ist, die in den Abgangsleitungen ermittelten Spannungs- und/oder Stromwerte zu sammeln, an den Prozessor zu übermitteln und, nach Empfang eines von dem Prozessor gesendeten Befehls zur Auslösung eines Abgangsschalters, ein Auslösesignal an den entsprechenden Abgangsschalter zu senden.
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, sowie schließlich auch eine Energiequelle oder eine Tertiärregelungseinheit, in deren Speicher als Mittel zur Durchführung des Verfahrens und seiner Ausgestaltungen ein solches Computerprogramm geladen oder ladbar ist.
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 elektrische Energieverteilungsanlage gemäß einer ersten Ausführung;
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 elektrische Energieverteilungsanlage gemäß einer alternativen Ausführung;
7 eine elektrische Energieverteilungsanlage gemäß einer weiteren Ausführung;
8 ein Ablaufdiagramm eines Algorithmus zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
9 eine Störlichtbogenschutzeinheit.

1 zeigt eine elektrische Energieverteilungsanlage 100, in der elektrische Energie von einer elektrischen Energiequelle 4 über eine übergeordnete gemeinsame Hauptverteilungsleitung 1 geleitet wird. Die gemeinsame Hauptverteilungsleitung 1 verzweigt sich in drei untergeordnete Abgangsleitungen 31, 32, 33, welche die von der elektrischen Energiequelle 4 bereitgestellte elektrische Energie jeweils zu einer elektrischen Last L1, L2, L3 leiten. Dabei bildet die Hauptverteilungsleitung 1 eine übergeordnete Ebene E1 der elektrischen Energieverteilungsanlage 100, die sog. Hauptebene, und die Abgangsleitungen 31, 32, 33 bilden eine untergeordnete Ebene E2 der elektrischen Energieverteilungsanlage 100, die sog. Unterebene oder Abgangsebene.
Die gemeinsame Hauptverteilungsleitung 1 und die separaten Abgangsleitungen 31, 32, 33 können für eine einphasige oder eine mehrphasige Stromleitung von der elektrischen Energiequelle 4 zu den elektrischen Lasten L1, L2, L3 ausgestaltet sein. Für eine einphasige Stromleitung ist es ausreichend, wenn die gemeinsame Hauptverteilungsleitung 1 und die separaten Abgangsleitungen 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 gemeinsame Hauptverteilungsleitung 1 und die separaten Abgangsleitungen 31, 32, 33 jeweils drei getrennte Stromleiter - je ein Leiter für eine der drei Stromphasen - aufweisen; zusätzlich kann ein Neutralleiter vorhanden sein.
Die Hauptverteilungsleitung 1 kann durch einen Hauptschalter 6, der als ein Leistungsschalter ausgebildet ist, und die Abgangsleitungen 31, 32, 33 jeweils durch einen zugeordneten Abgangsschalter 81, 82, 83, die als Leistungsschalter ausgebildet sind, unterbrochen werden. In einer alternativen Ausführung kann der Hauptschalter 6 als ein Kurzschließer oder als eine Kombination von Leitungsschalter und Kurzschließer, die in Reihe in die Hauptverteilungsleitung 1 geschaltet sind, ausgebildet sein. In der Hauptverteilungsleitung 1 ist ein Sensor S1 zum Ermitteln von Spannungs- und/oder Stromwerten in der Hauptverteilungsleitung 1 angeordnet. In entsprechender Weise ist auch in den Abgangsleitungen 31, 32, 33 jeweils ein Sensor S31, S32, S33 zum Ermitteln von Spannungs- und/oder Stromwerten in der Abgangsleitungen 31, 32, 33 angeordnet. Die Sensoren S1, S31, S32, S33 sind jeweils an eine Sensorleitung 13, 51, 52, 53 angeschlossen, zur Übermittlung der von den Sensoren erfassten Messwerte an eine Störlichtbogenschutzeinheit 16. Von der Störlichtbogenschutzeinheit 16 verlaufen Steuerleitungen 10, 20, 21, 22, 23 jeweils zu den Schaltern, d. h. dem Hauptschalter 6 und den Abgangsschaltern 81, 82, 83, zur Übermittlung von Steuersignalen, z.B. einem Auslösesignal oder einem Blockadesignal, von der Störlichtbogenschutzeinheit 16 an die Schalter.
Die Sensoren S1, S31, S32, S33 messen bevorzugt Stromwerte in den Abgangsleitungen 31, 32, 33, da bei einem parallelen Störlichtbogen Stromwerte mehr Aussagekraft über die Verteilung und Flüsse von elektrischer Energie in der Energieverteilungsanlage 100 haben als Spannungswerte: bei einem parallelen Störlichtbogen - egal, auf welcher von den beiden Ebenen, Hauptebene E1 oder Abgangsebene E2 - bricht die Spannung stark ein und die Spannungsunterschiede an der Messstellen der Sensoren S31, S32, S33 sind relativ gering; die Stromwerte an den Messstellen der Sensoren S31, S32, S33 sind aussagekräftiger und werden daher bevorzugt verwendet.
Die Störlichtbogenschutzeinheit 16 ist dazu konfiguriert, auf Basis von elektrischen Spannungs- und/oder Stromwerten, die von dem Sensor S1 in der Hauptverteilungsleitung 1 gemessen wurden, das Brennen eines Störlichtbogens 2 in der Energieverteilungsanlage 100 zu detektieren.
Im Stromkreis bzw. Netz, in dem ein Lichtbogen brennt, kann ein Strom- und Spannungsverlauf gemessen werden, der einen signifikanten Verlauf aufweist. Ein möglicher 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 Lichtbogenspannungs- und stromverläufen 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 DE 10 2016 209 445 A1 (Anmelder: Siemens AG; TU Dresden; Erfinder: Wenzlaff et al.) 2017.11.30.
In einem ersten, in 1 dargestellten Szenario brennt ein Störlichtbogen F1 in der übergeordneten Ebene E1 der Energieverteilungsanlage 100, nämlich in der Hauptverteilungsleitung 1 zwischen dem Hauptschalter 1 und der Verzweigungsstelle, wo sich die Hauptverteilungsleitung 1 in die Abgangsleitungen 31, 32, 33 verzweigt. Der Sensor S1 der Hauptverteilungsleitung 1 misst die für einen Störlichtbogen charakteristischen Messwerte, die über die Sensorleitung 13 zu der Störlichtbogenschutzeinheit 16 übertragen werden. Andererseits messen die Sensoren S31, S32, S33 der Abgangsleitungen 31, 32, 33 keinen Fehlerstrom. Die Störlichtbogenschutzeinheit 16 erreicht von den Sensoren S31, S32, S33 der Abgangsleitungen 31, 32, 33 also keine Meldung. Aus dieser Kombination, a) für einen Störlichtbogen charakteristische Strom- und/oder Spannungswerte in der Hauptverteilungsleitung 1 und b) kein Fehlerstrom in den Abgangsleitungen 31, 32, 33, ermittelt die Störlichtbogenschutzeinheit 16, dass sich der Störlichtbogen F1 in der Hauptverteilungsleitung 1, d. h. der übergeordneten Ebene E1 der Energieverteilungsanlage 100, befindet. Dazu weist die Störlichtbogenschutzeinheit 16 einen Prozessor 26 auf, der konfiguriert ist, die Entscheidung, ob zum Löschen des Störlichtbogens der Hauptschalter oder einer der Abgangsschalter ausgelöst wird, auf Basis der ermittelten Spannungs- und/oder Stromwerte in den Abgangsleitungen zu treffen. Folglich sendet die Störlichtbogenschutzeinheit 16 ein Auslösesignal an den Hauptschalter 6, der z. B. in Form eines Einspeiseschalters und eines dem Einspeiseschalter nachgeschalteten Kurzschließers ausgebildet sein kann, um den Störlichtbogen F1 zu löschen.
In einem zweiten, in 6 dargestellten Szenario brennt ein Störlichtbogen F2 in der untergeordneten Ebene E2 der Energieverteilungsanlage 100, nämlich in der mittleren Abgangsleitung 32 zwischen der Verzweigungsstelle, wo sich die Hauptverteilungsleitung 1 in die Abgangsleitungen 31, 32, 33 verzweigt und der von der mittleren Abgangsleitung 32 mit elektrischer Energie versorgten zweiten Last L2. Der Sensor S1 der Hauptverteilungsleitung 1 misst die für einen Störlichtbogen charakteristischen Messwerte, die über die Sensorleitung 13 zu der Störlichtbogenschutzeinheit 16 übertragen werden. Die Sensoren S31 und S33 der linken und der rechten Abgangsleitung 31 und 33 messen keinen Fehlerstrom, während der Sensor S32 der mittleren Abgangsleitung 32 einen Fehlerstrom misst. Die Störlichtbogenschutzeinheit 16 erreicht von den Sensoren S31 und S33 der linken und rechten Abgangsleitung 31 und 33 also keine Meldung. Aber der Störlichtbogenschutzeinheit 16 werden von dem Sensor S32 der mittleren Abgangsleitung 32 Messwerte übermittelt, die einen Überstrom in der mittleren Abgangsleitung 32 anzeigen. Aus dieser Kombination, a) für einen Störlichtbogen charakteristische Strom- und/oder Spannungswerte in der Hauptverteilungsleitung 1, b) kein Fehlerstrom in den Abgangsleitungen 31 und 33 und b) Fehlerstrom in der mittleren Abgangsleitung 32, ermittelt die Störlichtbogenschutzeinheit 16, dass sich der Störlichtbogen F2 in der mittleren Abgangsleitung 32, d. h. der untergeordneten Ebene E2 der Energieverteilungsanlage 100, befindet. Folgerichtig sendet die Störlichtbogenschutzeinheit 16 ein Blockadesignal an den Hauptschalter 6, welches den Hauptschalter 6 daran hindert, auszulösen. Dadurch wird es dem der mittleren Abgangsleitung 32 zugeordneten Abgangsschalter 82 erlaubt, auszulösen, um den Störlichtbogen F2 zu löschen.
7 zeigt eine Ausgestaltung der Energieverteilungsanlage 100, bei der im Unterschied zu den in den 1 und 6 gezeigten Ausführungsformen die Abgangsebene E2 eine eigene Auswerteeinheit 18 aufweist, die über eine bidirektionale Signalleitung 60 mit der Störlichtbogenschutzeinheit 16 kommunizieren kann. Die Auswerteeinheit 18 sammelt die von den Sensoren S31, S32, S33 ermittelten und über die Sensorleitungen 51, 52, 53 übermittelten Strom- und/oder Spannungswerte, wertet diese Strom- und/oder Spannungswerte aus, kommuniziert die Auswerteergebnisse über die Signalleitung 60 an die Störlichtbogenschutzeinheit 16 und empfängt von der Störlichtbogenschutzeinheit 16 über die Signalleitung 60 erhaltene Steuersignale, die sie über die Steuerleitungen 20, 21, 22, 23 jeweils zu den Abgangsschaltern 81, 82, 83 übermittelt.
8 zeigt einen möglichen Verfahrensablauf, der z. B. in Form eines Algorithmus realisiert sein kann. In einem ersten Schritt 200 erfolgt ein Einlesen von Strom- und/oder Spannungswerten M1 der Hauptverteilungsleitung 1 in den Prozessor 26. In einem nachfolgenden Schritt 210 erfolgt eine Prüfung, ob auf Basis der eingelesenen Strom- und/oder Spannungswerte der Hauptverteilungsleitung 1 ein Störlichtbogen in der Energieverteilungsanlage 100 erkannt wird. Falls nicht (N), wird zu Schritt 200 zurückgesprungen und der Verfahrensablauf beginnt von vorn. Falls ja (Y), erfolgt in Schritt 220 ein Einlesen von Strom- und/oder Spannungswerten M31, M32, M33 der Abgangsleitungen 31, 32, 33 in den Prozessor 26. In einem nachfolgenden Schritt 230 erfolgt eine Prüfung, ob auf Basis der eingelesenen Strom- und/oder Spannungswerte der Abgangsleitungen 31, 32, 33 ein Fehlerstrom, z. B. ein Überstrom, in einer der Abgangsleitungen 31, 32, 33 erkannt wird. Falls ja (Y), erfolgt in Schritt 240 ein Senden eines Blockadesignals an den Hauptschalter 6 und in Schritt 250 ein Senden eines Auslösesignals an einen Abgangsschalter in derjenigen Abgangsleitung 31, 32, 33, in der ein Fehlerstrom festgestellt wurde. Falls nicht (N), erfolgt in Schritt 260 ein Senden eines Auslösesignals an den Hauptschalter 6.
9 zeigt eine Störlichtbogenschutzeinheit 16, welche einen Prozessor 26, einen Datenspeicher 25 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 versenden, z. B. Steuersignale an Schalter. In dem Datenspeicher 25 können Daten gespeichert werden, z. B. Strom- und Spannungsmesswerte von Sensoren oder 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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2009/056432 A1 [0021]
DE 102016209445 A1 [0044]

Claims

Verfahren zum Störlichtbogenschutz in einer elektrischen Energieverteilungsanlage (100), in der elektrische Energie von einer elektrischen Energiequelle (4) über eine übergeordnete gemeinsame Hauptverteilungsleitung (1) und von der gemeinsamen Hauptverteilungsleitung (1) über mehrere untergeordnete Abgangsleitungen (31, 32, 33) verteilt wird, wobei die Hauptverteilungsleitung (1) durch einen Hauptschalter (6) unterbrochen werden kann und die Abgangsleitungen (31, 32, 33) jeweils durch einen zugeordneten Abgangsschalter (81, 82, 83) unterbrochen werden können, gekennzeichnet dadurch, dass nach einer Detektion eines Störlichtbogens (2) in der Energieverteilungsanlage (100) auf Basis von elektrischen Spannungs- und/oder Stromwerten (M1) in der Hauptverteilungsleitung (1) die Entscheidung, ob zum Löschen des Störlichtbogens der Hauptschalter (6) oder einer der Abgangsschalter (81, 82, 83) ausgelöst wird, auf Basis von Spannungs- und/oder Stromwerten (M31, M32, M33) in den Abgangsleitungen (31, 32, 33) getroffen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Hauptschalter (6) ausgelöst wird, falls kein Überstrom in den Abgangsleitungen (31, 32, 33) detektiert wurde, und andernfalls ausschließlich der Abgangsschalter (81, 82, 83) in der Abgangsleitung (31, 32, 33) ausgelöst wird, in welcher Überstrom detektiert wurde.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei, falls Überstrom in einer der Abgangsleitungen (31, 32, 33) detektiert wurde, ausschließlich der Abgangsschalter (81, 82, 83) in der Abgangsleitung (31, 32, 33), in welcher Überstrom detektiert wurde, ausgelöst und der Hauptschalter (6) blockiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei, falls Überstrom in einer der Abgangsleitungen (31, 32, 33) detektiert wurde, der Abgangsschalter (81, 82, 83) in der Abgangsleitung (31, 32, 33), in welcher Überstrom detektiert wurde, durch ein Auslösesignal ausgelöst wird.
Elektrische Energieverteilungsanlage (100), umfassend - eine übergeordnete gemeinsame Hauptverteilungsleitung (1), die mit einer elektrischen Energiequelle (4) verbunden ist, - mehrere untergeordnete Abgangsleitungen (31, 32, 33), die von der gemeinsamen Hauptverteilungsleitung (1) abgehen, - einen Hauptschalter (6) zum Unterbrechen der Hauptverteilungsleitung (1), - Abgangsschalter (81, 82, 83) zum Unterbrechen jeweils einer Abgangsleitungen (31, 32, 33), - Sensoren (S1, S31, S32, S33) zum Ermitteln von Spannungs- und/oder Stromwerten in der Hauptverteilungsleitung (1) und den Abgangsleitungen (31, 32, 33), - eine Störlichtbogenschutzeinheit (16) zur Detektion eines Störlichtbogens (F1) in der Energieverteilungsanlage (100) auf Basis von elektrischen Spannungs- und/oder Stromwerten, die in der Hauptverteilungsleitung (1) gemessen wurden, gekennzeichnet durch einen Prozessor (26), der konfiguriert ist, die Entscheidung, ob zum Löschen des Störlichtbogens (F1) der Hauptschalter (6) oder einer der Abgangsschalter (81, 82, 83) ausgelöst wird, auf Basis der ermittelten Spannungs- und/oder Stromwerte in den Abgangsleitungen (31, 32, 33) zu treffen.
Elektrische Energieverteilungsanlage (100) nach Anspruch 5, wobei der Prozessor (26) in die Störlichtbogenschutzeinheit (16) integriert ist.
Elektrische Energieverteilungsanlage (100) nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Prozessor (26) konfiguriert ist, ein Auslösesignal an einen ersten Schalter (6, 81, 82, 83) und/oder ein Blockadesignal an einen zweiten Schalter (6, 81, 82, 83) zu senden.
Elektrische Energieverteilungsanlage (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, umfassend eine Auswerteeinheit (18), die konfiguriert ist, die in den Abgangsleitungen (31, 32, 33) ermittelten Spannungs- und/oder Stromwerte auszuwerten, an den Prozessor (26) zu übermitteln und, nach Empfang eines von dem Prozessor (26) gesendeten Befehls zur Auslösung eines Abgangsschalters (81, 82, 83), ein Auslösesignal an den entsprechenden Abgangsschalter (81, 82, 83) zu senden.
Störlichtbogenschutzeinheit (16) mit einem Prozessor (26), die geeignet ist, die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 auszuführen.
Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bewirken, dass die Störlichtbogenschutzeinheit (16) des Anspruchs 9 die Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausführt.
Computerlesbares Medium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 10 gespeichert ist.