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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft generell die Erkennung von Störlichtbögen und insbesondere die Erkennung von Störlichtbögen mithilfe mehrerer Parameter eines Störlichtbogens.
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Elektrische Stromkreise und Schaltanlagen sind mit durch Isolierung getrennten Leitern ausgestattet. In manchen Bereichen erfüllt ein Luftraum ganz oder teilweise die Funktion dieser Isolierung. Liegen die Leiter zu dicht beieinander oder ist die Spannung zu hoch für die Isolierung, kann ein Lichtbogen zwischen den Leitern auftreten. Luft oder eine beliebige andere Isolierung (Gas, Feststoff oder Flüssigkeit) zwischen den Leitern kann ionisiert werden, wodurch die Isolierung leitend und ein Lichtbogenereignis möglich wird. Lichtbogenereignisse lösen Temperaturen von bis zu 20.000°C aus, verdampfen Leiter und angrenzende Materialien und setzen eine explosive Energie frei, die umgebende Schaltkreise zerstört.
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Ein Störlichtbogen ist das Ergebnis einer schnellen Energiefreisetzung aufgrund eines Lichtbogenfehlers zwischen Phase-Phase, Phase-Neutralleiter oder Phase-Erde. Ein Störlichtbogen kann starke Hitze, sehr helles Licht, Druckwellen und Schall-/Stoßwellen erzeugen, ähnlich wie eine Explosion. Der Lichtbogenfehler-Strom ist allerdings von der Größenordnung her im Vergleich mit Kurzschlussstrom wesentlich geringer, und aus diesem Grund ist nur ein verzögertes oder gar kein Auslösen von Schutzschaltern zu erwarten, außer wenn die Schutzschalter für einen Lichtbogenfehlerzustand ausgelegt sind. Typischerweise werden für Verfahren zur Abschwächung von Störlichtbögen Standardsicherungen und -schutzschalter verwendet. Die Reaktionszeiten solcher Verfahren sind jedoch lang und nicht kurz genug, um einen Störlichtbogen abzuschwächen.
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Ein anderes Verfahren zum Abschwächen von Störlichtbögen ist das Erkennen von spezifischen Merkmalen des Störlichtbogens, beispielsweise von Licht. Optische Sensoren erkennen Licht in einem Gehäuse und stellen das Auftreten eines Störlichtbogenereignisses fest. Allerdings können derartige Verfahren zur Lichterkennung zum fälschlichen Erkennen von Störlichtbögen führen, wenn Streulicht oder Licht von anderen Lichtquellen erkannt wird. Außerdem liefern solche Verfahren nicht die Position des Störlichtbogenereignisses. Weitere Verfahren umfassen die Anwendung von Drucksensoren in dem Gehäuse, um eine durch einen Störlichtbogen ausgelöste Druckänderung zu erkennen. Derartige Verfahren führen jedoch zu einer verzögerten Erkennung, denn der Druckaufbau nimmt nach dem Auftreten des tatsächlichen Störlichtbogens beträchtliche Zeit in Anspruch. Ein frühzeitiges Erkennen des Störlichtbogens kann außerdem durch Bandbreite und Empfindlichkeit des Drucksensors eingeschränkt werden, so dass Störlichtbogenereignisse außerhalb des Reaktionsbereichs des Drucksensors nicht erfasst werden.
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Es existiert daher ein Bedarf an Verfahren zur verbesserten Unterbindung von Störlichtbögen, die eine kürzere Reaktionszeit aufweisen und keine Fehlalarme auslösen.
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KURZE BESCHREIBUNG
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Es wird eine Vorrichtung zum Erkennen von Störlichtbögen offenbart. Die Vorrichtung umfasst einen faseroptischen Sensor zum Erkennen von Merkmalen eines Störlichtbogens und einen Prozessor zum Verarbeiten von zumindest zwei Merkmalen des Störlichtbogens. Der Prozessor ist weiter dafür eingerichtet, ein Störlichtbogenfehlersignal zu erzeugen. Eine Schutzvorrichtung ist dafür eingerichtet, den Störlichtbogen auf der Basis des Störlichtbogenfehlersignals abzuschwächen.
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Bei einer anderen Ausführungsform wird ein Störlichtbogenerkennungssystem offenbart. Das Störlichtbogenerkennungssystem umfasst mehrere faseroptische Sensormodule zum Erkennen von einem oder mehreren Merkmalen eines Störlichtbogens. Das Störlichtbogenerkennungssystem umfasst weiter einen mit den faseroptischen Sensormodulen gekoppelten optischen Teller sowie mehrere mit dem optischen Teiler gekoppelte Filter. Ein Prozessor ist mit den Filtern gekoppelt und dafür eingerichtet, auf der Basis des Erkennens von einem oder mehreren Störlichtbogenmerkmalen ein Störlichtbogenfehlersignal zu erzeugen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform wird ein Störlichtbogenerkennungssystem mit mehreren faseroptischen Sensormodulen vorgeschlagen, die an mehreren Stellen einer elektrischen Verteilungsanlage angeordnet sind. Die faseroptischen Sensormodule sind dafür eingerichtet, ein oder mehrere Merkmale eines Störlichtbogens zu erkennen. Das Störlichtbogenerkennungssystem umfasst weiter mehrere optische Teiler zum Separieren der Störlichtbogenmerkmale und einen Prozessor zum Berechnen der Position des Störlichtbogens und zum Erzeugen eines Störlichtbogenfehlersignals. Eine Schutzvorrichtung ist dafür eingerichtet, die Stromversorgung der elektrischen Verteilungsanlage auf der Basis des Störlichtbogenfehlersignals zu unterbrechen.
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Bei einer anderen Ausführungsform wird ein intelligentes Stromnetz vorgeschlagen. Das intelligente Stromnetz umfasst eine mit dem Stromnetz gekoppelte elektrische Verteilungsanlage, die mehrere Vorrichtungen umfasst, die elektrisch gekoppelt sind, um eine vorgegebene Funktion auszuführen. Ein Ferndiagnosesystem ist mit dem Stromnetz gekoppelt, um ein oder mehrere Merkmale des Stromnetzes zu überwachen.
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Das intelligente Stromnetz umfasst weiter ein Störlichtbogenerkennungssystem mit mehreren faseroptischen Sensormodulen, die an mehreren Stellen in der elektrischen Verteilungsanlage angeordnet sind, wobei die faseroptischen Sensormodule ein oder mehrere Merkmale eines Störlichtbogens erkennen. Ein Prozessor ist mit den faseroptischen Sensoren gekoppelt, um ein Störlichtbogenfehlersignal zu erzeugen und den Störlichtbogen abzuschwächen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform wird ein Störlichtbogenerkennungssystem offenbart. Das System umfasst faseroptische Sensoren zum Erkennen von zumindest einem der folgenden Merkmale eines Störlichtbogens: einem Licht-, einem akustischen und einem Temperaturmerkmal. Ein Prozessor ist mit den faseroptischen Sensoren gekoppelt und dient dazu, zwei oder mehr Störlichtbogenmerkmale zu analysieren und auf der Basis von zwei oder mehr Störlichtbogenmerkmalen ein Störlichtbogenfehlersignal zu erzeugen. Der Störlichtbogen wird auf der Basis des Störlichtbogenfehlersignals abgeschwächt.
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ZEICHNUNGEN
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Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind besser verständlich, wenn die folgende detaillierte Beschreibung mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen durchweg gleiche Teile bezeichnen.
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1 ist ein Schemadiagramm einer beispielhaften elektrischen Verteilungsanlage.
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2 zeigt eine Ausführungsform eines faseroptischen Sensormoduls, das in der elektrischen Verteilungsanlage aus 1 implementiert ist.
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3 zeigt ein beispielhaftes Störlichtbogenerkennungssystem, das in der elektrischen Verteilungsanlage aus 1 implementiert ist.
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4 zeigt einen in 2 implementierten Temperatursensor.
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5 ist eine detaillierte Ansicht des in 2 implementierten faseroptischen Akustiksensors.
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6 ist eine detaillierte Ansicht des in 2 implementierten faseroptischen Lichtsensors.
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7 zeigt eine elektrische Verteilungsanlage mit mehreren Gehäusen, bei der ein Störlichtbogenerkennungssystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung implementiert ist.
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8 zeigt eine alternative Topologie eines Störlichtbogenerkennungssystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und
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9 zeigt ein intelligentes Stromnetz, bei dem ein Störlichtbogenerkennungssystem gemäß einem Aspekt der Erfindung implementiert ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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1 ist ein Schemadiagramm einer beispielhaften elektrischen Verteilungsanlage. Die elektrische Verteilungsanlage 10 umfasst eine elektrische Energiequelle 12, eine Schutzvorrichtung 14, Sammelschienen 16 und eine Last 18. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist ein Störlichtbogenerkennungssystem 20 in der elektrischen Verteilungsanlage 10 implementiert. Die faseroptischen Sensoren 22 und 24 sind mit dem Störlichtbogenerkennungssystem 20 gekoppelt und dafür eingerichtet, ein Störlichtbogenereignis 26 zu erkennen. Ein Beispiel für eine elektrische Energiequelle 12 ist ein Generator, der dafür eingerichtet ist, den Sammelschienen 16 durch eine Schutzvorrichtung 14 elektrische Energie zuzuführen. Ein Beispiel für eine Schutzvorrichtung 14 ist ein Schutzschalter, der mithilfe elektrischer Befehlssignale bedient werden kann. Eine Last 18 erhält über die Sammelschienen 16 elektrische Energie von der Energiequelle 12.
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Ein Störlichtbogen kann an jeder Stelle der Anlage 10 zwischen zumindest zwei stromführenden Sammelschienen/Leitern auftreten. Das Störlichtbogenereignis kann weiter zwischen stromführenden Sammelschienen/Leitern und Erde oder einem Neutralleiter auftreten. Die Stelle, an der ein Störlichtbogen auftritt, kann allgemein als geschlossener oder offener Ort kategorisiert werden. Geschlossene Orte können unter anderem Schalttafeln, Schaltschränke oder die elektrische Verteilungsanlage sein. Offene Orte sind Bereiche, die der Umgebung außerhalb des Gehäuses bzw. der Einfriedung ausgesetzt sind, zum Beispiel die Sammelschienen oder die elektrischen Leitungen, die die Schaltanlagen oder Schalttafeln mit der elektrischen Energiequelle und der Last verbinden. Störbogenfehler treten hauptsächlich aufgrund fehlenden Abstands zwischen Außenleitern oder zwischen Außen- und Erdungsleitern auf. Der Abstand kann durch verschiedene Faktoren beeinträchtigt werden, beispielsweise durch Umweltbedingungen (z. B. Feuchtigkeit oder leitende Partikel in einer verunreinigten Umgebung), Isolierungsfehler, einen Fremdkörper zwischen Leitern (z. B. ein heruntergefallenes Werkzeug).
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Ein Beispiel für einen solchen Störlichtbogen, der Licht und andere Komponenten (z. B. verdampftes Material) abgeben kann, ist unter dem Bezugszeichen 26 dargestellt. Die faseroptischen Sensoren 22 und 24 sind dafür eingerichtet, ein oder mehrere Merkmale des Störlichtbogens zu erkennen, zum Beispiel 28 und 30. Das Störlichtbogenerkennungssystem 20 ist dafür eingerichtet, Signale 28, 30 von den faseroptischen Sensoren zu empfangen und diese Signale zu verarbeiten, um ein Störlichtbogenereignis zu verifizieren. Das System 20 kann dafür eingerichtet sein, ein Störlichtbogenfehlersignal 32 zu erzeugen, das auf einen Störlichtbogen hinweist. Das Signal 32 kann mit der Schutzvorrichtung 14 gekoppelt sein, die in der Lage ist, die Stromzufuhr zu unterbrechen, um den Störlichtbogen abzuschwächen.
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Bei herkömmlichen Systemen werden typischerweise Schutzvorrichtungen aus zwei Kategorien zum Abschwächen von Störlichtbögen verwendet: In Reihe geschaltete Geräte wie Schutzschalter oder Sicherungen und parallel geschaltete Geräte wie Überspannungsschutzvorrichtungen, die wirkungsvoll das öffnen eines Schaltkreises auslösen. Die in Reihe geschalteten Vorrichtungen sind herkömmliche Vorrichtungen und aufgrund ihrer langen Reaktions- und Betätigungszeit nicht zufriedenstellend. Die Crowbar-Vorrichtungen weisen ähnliche Nachteile auf und können sogar gefährliche Fehler verursachen. Darüber hinaus erkennen solche herkömmlichen Systeme ein beliebiges Merkmal eines Lichtbogens und lösen daraufhin einen Alarm aus. Wenn man sich jedoch auf ein beliebiges Merkmal verlässt, kann dies zum fälschlichen Erkennen von Lichtbögen führen und Fehlalarme und fälschliche Notabschaltungen bewirken. Die in diesem Dokument offenbarten Ausführungsformen verarbeiten verschiedene Parameter eines Störlichtbogens, um ein Ereignis als tatsächlichen Störlichtbogen einstufen zu können.
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Faseroptische Sensoren wie 22 und 24 können an mehreren Stellen der elektrischen Verteilungsanlage 10 angeordnet sein. Obwohl in der vorliegenden Beschreibung zwei derartige Sensoren oder Sensormodule erörtert werden, können auch mehr oder weniger Sensoren/Module eingesetzt werden. Der Begriff „elektrische Verteilungsanlage” wird hier in einem Sinn verwendet, der mehrere Vorrichtungen einschließt, die elektrisch oder optisch gekoppelt sind, um eine vorgegebene Funktion auszuführen, beispielsweise AC/DC-Antriebe und Frequenzumrichterantriebe, um nur einige zu nennen. Der Begriff „elektrische Verteilungsanlage” kann weiter elektrische Untersysteme mit elektrischen Vorrichtungen zur Steuerung oder Stromzufuhr einschließen.
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2 zeigt eine Ausführungsform eines faseroptischen Sensors, die in der elektrischen Verteilungsanlage aus 1 implementiert ist. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform enthält der faseroptische Sensor 22 einen Faserkern 35 und einen äußeren Mantel 34. Der Faserkern 35 ist dafür eingerichtet, Eingangslicht 36 aufzunehmen. In den Faserkern 35 sind ein oder mehrere Faser-Bragg-Gitter eingeschrieben. Derartige Faser-Bragg-Gitter können einzeln gestaltet sein, zum Beispiel als faseroptischer Temperatursensor 38, faseroptischer Akustiksensor 40 und als faseroptischer Lichtsensor 42. Bei einer Ausführungsform ist das Faser-Bragg-Gitter dafür eingerichtet, eine bestimmte Wellenlänge des Lichts zu reflektieren und den Rest als übertragenes Licht 49 zu übertragen. Bei der gezeigten Ausführungsform ist jedes Gitter dafür eingerichtet, eine bestimmte Wellenlänge des Lichts zu reflektieren. Zum Beispiel ist der faseroptische Lichtsensor 42 dafür eingerichtet, eine charakteristische Wellenlänge λ3 des Eingangslichts 36 zu reflektieren und den Rest zu übertragen. In ähnlicher Weise sind der faseroptische Temperatursensor 38 und ein faseroptischer Akustiksensor 40 dafür eingerichtet, jeweils die charakteristischen Wellenlänge λ1, λ2 zu reflektieren. Bei einer Ausführungsform ist der äußere Mantel 34 um den faseroptischen Lichtsensor 42 mit einem Polymer 44 beschichtet, das empfindlich gegenüber ultraviolettem Licht ist. Bei einer anderen Ausführungsform enthält der äußere Mantel 34 um den faseroptischen Akustiksensor 40 eine Differenzdruck-Messanordnung 46, die im Folgenden ausführlicher erläutert wird.
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Bei einer Ausführungsform kann jeder faseroptische Sensor (38, 40 oder 42) dafür eingerichtet sein, Störlichtbögen zu erkennen. Eine Kombination aus zwei oder drei derartigen faseroptischen Sensoren (38, 40, 42) kann als faseroptisches Sensormodul eingerichtet sein. Ein solches Sensormodul misst gleichzeitig durch das Störbogenereignis hervorgerufene transiente Änderungen von Temperatur, Schall und Licht und kann dadurch Störlichtbögen erfassen. Außerdem werden so Fehlerkennungen von Störlichtbögen reduziert, da zum Zwecke der Abschwächung von Störlichtbögen mehr als ein Parameter erfasst wird. Bei einer weiteren Ausführungsform ist das faseroptische Sensormodul redundant gestaltet und bietet daher Verlässlichkeit im Fall des Versagens eines faseroptischen Sensors.
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Bei einem beispielhaften Vorgang fällt das Eingangslicht 36, das durch eine breite Wellenlänge gekennzeichnet ist, auf den Faserkern 35. Die Sensoren 38, 40, 42 reflektieren Merkmale des Eingangslichts wie unter anderem Wellenlänge und Intensität. Solche reflektierten Parameter werden an der Einfallsstelle 48 durch Analysieren des reflektierten Lichts 52 gemessen. Alternativ kann auch das übertragene Licht 49 analysiert werden, um Störlichtbögen zu erkennen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird die zentrale Wellenlänge jedes faseroptischen Sensors (38, 40, 42) mithilfe der Gleichung λ = 2·n·Λ ermittelt, wobei n der effektive refraktive Index des Faserkerns 35 und A die Periodizität einer Gittermodulation ist. Jedes Gitter (38, 40, 42) ist für eine spezielle Periodizität eingerichtet, die eine zentrale Wellenlänge (zum Beispiel λ1, λ2, λ3) im Reflektionsspektrum definiert.
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3 zeigt ein beispielhaftes Störlichtbogenerkennungssystem, das in der elektrischen Verteilungsanlage aus 1 implementiert ist. Das Störlichtbogenerkennungssystem 20 umfasst einen optischen Teiler 53, der dafür eingerichtet ist, reflektiertes Licht 52 zu empfangen. Bei einer Ausführungsform wird das reflektierte Licht 52 auf der Basis der Intensität gleichmäßig in zumindest drei Signale 54, 56 und 58 geteilt. Jedes Signal 54, 56 und 58 enthält alle charakteristischen Wellenlängen λ1, λ2 und λ3. Filter, beispielsweise die Bandpassfilter 60, 62 und 64, sind dafür eingerichtet, die einzelnen Wellenlängen λ1, λ2 und λ3 zu erkennen. Die mit den Filtern gekoppelten Fotodetektoren 66, 68 und 70 sind dafür eingerichtet, die optische Intensität der Signale von jedem der Filter 60, 62 und 64 zu messen. Ein mit den Fotodetektoren 66, 68, 70 gekoppelter Prozessor 50 ist dafür eingerichtet, die charakteristische Wellenlänge zu analysieren und Temperatur-, akustische und Lichtmerkmale eines Störlichtbogens zu erkennen. Der Prozessor 50 erzeugt auf der Basis von zumindest zwei der oben genannten Parameter ein Störlichtbogenfehlersignal 32. Es ist nachvollziehbar, dass durch die Verwendung von zumindest zwei Parametern Fehlerkennungen reduziert werden. Beispielsweise könnte der faseroptische Sensor Streulicht (von einer Taschenlampe) erkennen. Bei einem solchen Ereignis sind aber keine Druck- oder Temperaturänderungen zu erwarten. Durch die Verwendung von zumindest zwei Parametern lassen sich also Fehlerkennungen von Störlichtbögen reduzieren.
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Ein Störlichtbogen emittiert typischerweise Licht, Schall und eine erhöhte Temperatur. Das Erkennen dieser Parameter mithilfe faseroptischer Sensoren ist in den 4–6 dargestellt. 4 zeigt den in 2 implementierten faseroptischen Temperatursensor. Der faseroptische Temperatursensor 38 (als Temperaturmonitor eingerichtet) enthält ein Faser-Bragg-Gitter 76, das dafür eingerichtet ist, eine charakteristische Wellenlänge λ1 des Eingangslichts 36 zu reflektieren und die restlichen Wellenlängen als Ausgangslicht 78 zu übertragen. Ein in der Nähe des Gitters 76 auftretender Störlichtbogen 77 verursacht zum Beispiel eine Temperaturänderung. Die zentrale Wellenlänge λ1 des faseroptischen Temperatursensors 38 wird um Δλ = k·ΔT nach oben verschoben, wobei die Temperaturempfindlichkeit k circa 12 pm/°C beträgt und ΔT die Temperaturänderung ist. Der faseroptische Temperatursensor 38 ist dafür eingerichtet, eine zentrale Wellenlänge λ1 zu haben, die nahe bei der Wellenlänge des in 3 gezeigten Filters 60 liegt, so dass eine durch einen Störlichtbogen 77 ausgelöste Temperaturänderung die Stärke des Signals des Temperatursensors 38 erhöht.
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Eine derartige Temperaturänderung hat ein charakteristisches reflektiertes Licht 80 zur Folge. Das reflektierte Licht 80 wird mithilfe eines Schmalbandpassfilters (zum Beispiel mithilfe des in 3 gezeigten Filters 60) gefiltert, dessen Bandbreite 82 größer als die des reflektierten Lichts 80 ist. Um die Analyse zu vereinfachen, wird das gefilterte reflektierte Licht in eine entsprechende elektrische Spannung 84 umgewandelt. Diese elektrische Spannung wird mit einer Schwellenspannung 86 verglichen, um eine Temperaturänderung festzustellen. Wenn zum Beispiel die Amplitude der Spannung 84 größer als die Amplitude der Schwellenspannung 86 ist, wird eine positive Temperaturänderung festgestellt.
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5 ist eine detaillierte Ansicht des in 2 gezeigten faseroptischen Akustiksensors. Der faseroptische Akustiksensor 40 (als Drucksensor eingerichtet) umfasst ein Faser-Bragg-Gitter 90, das dafür eingerichtet ist, eine charakteristische Wellenlänge Λ2 des einfallenden Lichts 78 zu reflektieren und die restlichen Wellenlängen als Ausgangslicht 92 zu übertragen. Es sollte beachtet werden, dass die um das Gitter 90 herum angeordnete Differenzdruck-Messanordnung 46 dafür eingerichtet ist, Druckänderungen in der Nähe der Anordnung 46 zu erkennen. Zum Beispiel: Eine Akustikwelle 94, die von einem Störlichtbogen herrührt und eine Druckänderung hervorruft, trifft auf die Anordnung 46. Eine solche dynamische Druckänderung P(t), die eine charakteristische Reflexlichterscheinung 98 zur Folge hat, wird mit einem Basisdruck 96 (im Innern des Gehäuses 46, P0) verglichen. Das reflektierte Licht 98 wird mithilfe eines Schmalbandpassfilters (zum Beispiel mithilfe des in 3 gezeigten Filters 62) gefiltert, dessen Bandbreite 100 größer als die des reflektierten Lichts 98 ist. Die ausgelösten Druckänderungen führen zu einer Druckdifferenz ΔP zwischen dem Inneren und Äußeren der Anordnung 46. Durch derartige Druckänderungen wird die zentrale Wellenlänge Λ2 des faseroptischen Akustiksensors 40 verändert. Um die Analyse zu vereinfachen, wird das gefilterte reflektierte Licht in eine entsprechende elektrische Spannung 102 umgewandelt. Da die zentrale Wellenlänge des Filters eine feste Wellenlänge ist, wird die Spannung 102 in ein Frequenzdomänensignal 104 umgewandelt, das Aufschluss über die Signaturfrequenz des Störlichtbogens gibt. Das Frequenzdomänensignal 104 weist auf die Frequenz der Akustikwelle von dem Störlichtbogen – beispielsweise 94 – hin, die auf den faseroptischen Akustiksensor 40 auftrifft.
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6 ist eine detaillierte Ansicht des in 2 gezeigten faseroptischen Lichtsensors. Der faseroptische Lichtsensor 42 (als Lichtdetektor eingerichtet) enthält ein Faser-Bragg-Gitter 108, das dafür eingerichtet ist, eine charakteristische Wellenlänge λ3 des einfallenden Lichts 92 zu reflektieren und die restlichen Wellenlängen als übertragenes Licht 49 zu übertragen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist ein Polymer 44, das ultraviolettem Licht gegenüber empfindlich ist, um das Gitter 108 herum angeordnet. Der refraktive Index des fotosensitiven Polymers 44 ist dafür eingerichtet, sich anzupassen und von circa 10–6 auf circa 10–3 zu wechseln, wenn das Polymer UV-Licht ausgesetzt wird.
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Der faseroptische Lichtsensor 42 ist dafür eingerichtet, auf eine Änderung des refraktiven Index des fotosensitiven Polymers 44 zu reagieren. Das Eingangslicht 92 propagiert in einer geführten Mode entlang dem Faserkern. Bei einer Ausführungsform ist das Fasergitter 108 so apodisiert und schräg gestellt, dass die Energie des abklingenden Feldes zu einem benachbarten Mantelbereich übertragen wird, um eine Übertragung in der Mantelmode zu erreichen. Das fotosensitive Polymer 44 ist für einen höheren refraktiven Index eingerichtet als der Fasermantel, so dass die Energie des abklingenden Feldes der geführten Mode als Übertragung der Strahlungsmode in die fotosensitive Schicht 44 abgegeben werden kann. Die durch ein Störlichtbogenereignis ausgelöste Änderung des refraktiven Index kann die Kopplungsstärke zwischen geführter und Mantelmode beeinträchtigen. Jede Änderung der Kopplungsstärke kann die Wellenlänge der geführten Mode ändern und einen Übertragungsverlust bedeuten. Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird, um die Kopplungsstärke zu erhöhen, eine schräg gestellte Gitterstruktur mit apodisiertem Profil implementiert, die dazu beiträgt, die Lichtenergie durch den Mantelbereich zu leiten. Durch eine solche Kombination von schräg gestellter Gitterstruktur und apodisertem Profil wird das abklingende Feld wirkungsvoll vom Faserkern auf die Faserhülle ausgedehnt. Durch die durch das ultraviolette Licht ausgelöste Änderung des refraktiven Index wird die Kopplung zwischen der sich vorwärts und der sich rückwärts ausbreitenden geführten Mode moduliert, so dass die Resonanzwellenlänge des faseroptischen Sensors wirkungsvoll verschoben wird. Das Auftreffen von Licht 110, das von einem Störlichtbogenereignis herrührt, auf der Beschichtung 44 verändert zum Beispiel den refraktiven Index des Polymer-Beschichtungsmaterials 44. Eine solche Veränderung kann in dem reflektierten Licht 112 erkannt werden, das die zentrale Wellenlänge λ3 beeinflusst. Das reflektierte Licht 112 wird mithilfe eines Schmalbandpassfilters (zum Beispiel mithilfe des in 3 gezeigten Filters 64) gefiltert, dessen Bandbreite 114 größer als die des reflektierten Lichts 112 ist. Um die Analyse zu vereinfachen, wird das gefilterte reflektierte Licht in eine entsprechende elektrische Spannung 118 umgewandelt. Diese elektrische Spannung wird mit einer Schwellenspannung 120 verglichen, um ultraviolettes Licht festzustellen. Wenn zum Beispiel die Amplitude der elektrischen Spannung 118 größer als die Amplitude der Schwellenspannung 120 ist, wird das Vorhandensein von ultraviolettem Licht festgestellt.
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7 zeigt eine elektrische Verteilungsanlage mit mehreren Gehäusen, bei der ein Störlichtbogenerkennungssystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung implementiert ist. Die elektrische Verteilungsanlage 124 umfasst mehrere faseroptische Sensoren 22, 24, 126–138, die an mehreren Stellen in mehreren Gehäusen angeordnet sind. Es können verschiedene Erkennungskonfigurationen wie beispielsweise Übertragung und Reflexion implementiert werden. Bei den gezeigten Ausführungsformen ist eine solche Übertragungs-basierte Erkennungskonfiguration implementiert. Eine Lichtquelle 140 ist dafür eingerichtet, Licht einer charakteristischen Wellenlänge durch den Faserkern 142 zu übertragen. Mehrere faseroptische Sensormodule 22, 24, 126–138 mit faseroptischen Sensoren – in 2 gezeigt – mit unterschiedlichen Gittern sind dafür eingerichtet, mehrere Merkmale des Störlichtbogens wie Temperatur, Schall und ultraviolettes Licht zu erkennen. Ein optischer Teiler 144 teilt das übertragene Licht 143 den Gehäusen entsprechend auf. Jeder Teil des aufgeteilten Lichts wird zwecks weiterer Analyse (beispielsweise Filterung und Merkmalerkennung) mit dem Prozessor 50, 146–152 gekoppelt. Im Fall eines Störlichtbogenereignisses wird eine Schutzvorrichtung, zum Beispiel ein Schutzschalter, mithilfe des Störlichtbogenfehlersignals 32 aktiviert. Durch Auffinden des Prozessors, der das Störlichtbogenfehlersignal erzeugt hat, kann die Position des Störlichtbogens ermittelt werden.
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8 zeigt eine alternative Topologie eines Störlichtbogenerkennungssystems auf der Basis einer Reflexionskonfiguration. Die elektrische Verteilungsanlage 160 umfasst mehrere faseroptische Sensoren 22, 24, 126–138, die an mehreren Stellen in mehreren Gehäusen angeordnet sind. Die Lichtquelle 140 ist dafür eingerichtet, Licht einer charakteristischen Wellenlänge durch den Faserkern 142 zu übertragen. Mehrere faseroptische Sensoren 22, 24, 126–138 mit Gittern – wie in 2 gezeigt – sind dafür eingerichtet, mehrere Merkmale des Störlichtbogens wie Temperatur, Schall und ultraviolettes Licht zu erkennen. Ein optischer Koppler 162 dient dazu, alle reflektierten Lichtsignale der Sensoren 22, 224, 126–138 zusammenzufassen. Außerdem teilt ein optischer Teiler 144 das reflektierte Licht 164 den Gehäusen entsprechend auf. Jeder Teil des aufgeteilten Lichts wird zwecks weiterer Analyse (beispielsweise Filterung und Merkmalerkennung) mit dem Prozessor 50, 146–152 gekoppelt. Im Fall eines Störlichtbogenereignisses wird eine Schutzvorrichtung, zum Beispiel ein Schutzschalter, mithilfe des Störlichtbogenfehlersignals 32 aktiviert. Durch Auffinden des Prozessors, der das Störlichtbogenfehlersignal erzeugt hat, kann die Position des Störlichtbogens ermittelt werden.
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9 zeigt ein intelligentes Stromnetz, bei dem ein Störlichtbogenerkennungssystem gemäß einem Aspekt der Erfindung verwendet wird. Das intelligente Stromnetz 170 umfasst eine oder mehrere elektrische Verteilungsanlagen 10, 172, 174, die mithilfe von Überlandleitungen 178 mit dem Umspannwerk 176 verbunden sind. Darüber hinaus umfasst das intelligente Stromnetz ein Kommunikationsnetz (dargestellt durch die gestrichelten Linien), das das Stromnetz mit einem Ferndiagnosesystem 180 und einem regionalen Übertragungsnetzbetreiber verbindet. Bei einem Beispiel umfasst die vorgegebene Funktion der elektrischen Verteilungsanlage 10 das Empfangen von Strom aus dem Umspannwerk (das Strom von dem Kraftwerk 184 erhält) und das Verteilen des Stroms an verschiedene Lasten/Verbraucher aus den Bereichen Industrie, Gewerbe und Wohnen. Bei einer Ausführungsform ist das Ferndiagnosesystem dafür eingerichtet, eine oder mehrere Eigenschaften des Stromnetzes zu überwachen. Das Störlichtbogenerkennungssystem 20 kann an mehreren Stellen mit dem Stromnetz gekoppelt sein. Wie bereits erörtert, werden bei derartigen Störlichtbogenerkennungssystemen mehrere faseroptische Sensoren verwendet, die an mehreren Stellen der elektrischen Verteilungsanlage angeordnet sind, wobei die faseroptischen Sensoren ein oder mehrere Merkmale eines Störlichtbogens erkennen. Wenn ein Störlichtbogen erkannt wird, erzeugt ein Prozessor, der mit den faseroptischen Sensoren gekoppelt ist, ein Störlichtbogenfehlersignal. Das Ferndiagnosesystem überwacht mehrere mit dem Stromnetz gekoppelte Störlichtbogenerkennungssysteme auf Störlichtbogenfehlersignale. Ein regionaler Übertragungsnetzbetreiber 182 kann mithilfe des Ferndiagnosesystems in der Lage sein, die genaue Position der Störung im Stromnetz festzustellen.
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Vorteilhafterweise verfügen die hier offenbarten Ausführungsformen, beispielsweise das Störlichtbogenerkennungssystem, über kurze Reaktionszeiten und sind kosteneffizient. Durch das Erkennen von ultraviolettem Licht wird die Störlichtbogenerkennungszeit verkürzt, denn ultraviolettes Licht ist einer der ersten Teile des Lichtspektrums, die emittiert werden. Störlichtbogenerkennungssysteme mit akustischer Erkennung tragen zur Ermittlung der genauen Position des Störlichtbogens bei. Das Verwenden von zumindest zwei oder mehr Merkmalen von Störlichtbögen zur Erkennung trägt dazu bei, dass die Anzahl der Fehlalarme reduziert werden kann. Faseroptische Erkennungssysteme verfügen über EMI-Immunität, wodurch externe Interferenzen reduziert werden. Durch Verknüpfen des faseroptischen Erkennungssystems mit Stromnetz-basierten Überwachungssystemen, ist die Zustandsüberwachung des Stromnetzes möglich.
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Während hier nur bestimmte Merkmale der Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, werden Fachleuten viele Abwandlungen und Änderungen einfallen. Es versteht sich von daher, dass die angefügten Ansprüche alle derartigen Abwandlungen und Änderungen abdecken sollen, die dem wahren Sinn der Erfindung entsprechen.
