DE112019006585T5

DE112019006585T5 - Lichtbogen-erdungsfehler-detektionseinrichtung

Info

Publication number: DE112019006585T5
Application number: DE112019006585.8T
Authority: DE
Inventors: Toshihiko Miyauchi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-01-08
Filing date: 2019-01-08
Publication date: 2021-12-23
Also published as: CN113228443A; CN113228443B; JP6567230B1; WO2020144734A1; JPWO2020144734A1; KR102688840B1; KR20210096241A

Abstract

Eine Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektionseinrichtung (100) weist auf: eine A/D-Wandlereinheit (20), die einen Strom in ein digitales Signal wandelt, der durch einen Stromtransformator (3) gemessen ist, der einen Strom an einer Leistungszufuhrleitung (2) misst, die ein DC-Netz (1) und eine Last (4) verbindet; und eine Berechnungsverarbeitungseinheit, die eine Berechnungsverarbeitung an dem digitalen Signal durchführt, das durch die Wandlung erlangt ist. Die Berechnungsverarbeitungseinheit (30) führt eine FFT-Signalverarbeitung an einem Stromsignal von der Leistungszufuhrleitung durch, das sich durch einen spezifischen Bereich von Frequenzen nicht geringer als 0,1 kHz erstreckt und das erlangt ist durch Wandlung durch die A/D-Wandlereinheit (20), führt einen Vergleich mit einem initialen Stromsignal durch, bei jeder Frequenz in dem spezifischen Bereich von Frequenzen, das erlangt ist im Voraus durch Wandlung durch die A/D-Wandlereinheit (20) und FFT-Signalverarbeitung, detektiert einen Lichtbogen-Erdungsfehlerstrom und bestimmt, ob oder nicht ein Lichtbogen-Erdungsfehler aufgetreten ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektionseinrichtung.
HINTERGRUNDTECHNIK
Als ein Verfahren zum Detektieren eines Erdungsfehlers, der einer von Verteilungsleitungsfehlern ist, und der Position, bei der der Erdungsfehler aufgetreten ist, sind ein Verfahren zum Detektieren der Größen des Null-Phasen-Stroms und der Null-Phasen-Spannung und Ähnliches bekannt (z.B. Patentdokument 1). Ein Erdungsfehler-Detektionssystem, das in Patentdokument 1 beschrieben ist, weist, um die Position eines Erdungsfehlers zu identifizieren, der auf einer Sekundärseite eines Leistungsverteilungsspannungstransformators aufgetreten ist, einen Null-Phasen-Spannungsdetektor und einen Null-Phasen-Stromdetektor auf, die auf der Sekundärseite des Leistungsverteilungsspannungstransformators bereitgestellt sind, und Instrumentenstromtransformatoren, die an den jeweiligen Phasen der Leistungskabel auf den Sekundärleiter des Leistungsverteilungsspannungstransformators bereitgestellt sind. Das Erdungsfehlerdetektionssystem identifiziert die Position eines Erdungsfehlers, aus einer Null-Phasen-Spannung und Stromwerten. Zu diesem Zeitpunkt wird nur eine spezifische AC-Komponente (z.B. kommerzielle Frequenz von 60 Hz) von der Null-Phasen-Spannung und den Stromwerten durch ein Bandpassfilter extrahiert und in einem Detektionsvorgang genutzt.
Zusätzlich wurde auch ein Verfahren zum Detektieren eines Erdungsfehlers in einer Leistungswandlereinrichtung offenbart, die mit einem photovoltaischen Leistungserzeugungssystem verbunden ist, das Sonnenlicht nutzt, was eine Form von erneuerbarer Energie ist (zum Beispiel Patentdokument 2). Patentdokument 2 schlägt ein genaues Detektieren eines Erdungsfehlers für das photovoltaische Leistungssteuerungssystem vor, das einer Variation in der erzeugten Spannung ausgesetzt ist, durch ein Verfahren zum Detektieren eines Erdungsfehlers von: einem Spannungssensor zum Detektieren einer von dem photovoltaischen Leistungserzeugungssystem zugeführten Spannung, welches eine DC-Leistungszufuhr ist; und einen Leckstrom von AC-Strom, der von der DC-Leistungszuführung über die Leistungswandlereinrichtung zu einem kommerziellen Netz ausgegeben wird.
ZITIERUNGSLISTE
PATENTDOKUMENT

Patentdokument 1: Japanische offengelegte Patentveröffentlichungsschrift Nr. 2012-141232 (siehe 1, Absätze [0014] bis [0020] usw.)
Patentdokument 2: Japanische offengelegte Patentveröffentlichungsschrift Nr. 2017-153272

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
In dem Erdungsfehler-Detektionssystem in Patentdokument 1 werden spezifische und niederfrequente Strom und Spannung durch den Bandpassfilter erlangt und daher kann eine Detektion eines Lichtbogen-Erdungsfehlers an einem DC-Netz nicht durchgeführt werden.
Des Weiteren ist das Erdungsfehler-Detektionsverfahren in Patentdokument 2 auch nicht zum Detektieren eines Lichtbogen-Erdungsfehlers vorgesehen, sondern ist zum Detektieren eines Erdungsfehlers unter Berücksichtigung der Variation der erzeugten Spannung durch Nutzen: einer Variation in der Spannung, die von dem photovoltaischen Leistungserzeugungssystem zugeführt ist; und einer Variation in dem Leckstrom des AC-Stroms, der durch Wandeln durch die Leistungswandlereinheit erlangt wird.
In dem DC-Netz treten feine Lichtbögen konstant auf und ein Lichtbogenstrom tritt in einem Frequenzbereich höher als ein normaler Erdungsfehler auf. Jedoch tritt ein Problem darin auf, dass Hintergrundrauschen größer ist in einem hohen Frequenzbereich als in einem niedrigen Frequenzbereich und Überlagerungen mit dem Lärm machten es schwierig, einen Lichtbogenstrom zu detektieren und einen Lichtbogen-Erdungsfehler zu detektieren.
Die vorliegende Offenbarung wurde gemacht, um die voranstehend beschriebenen Probleme zu lösen und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektionseinrichtung zum Detektieren eines Lichtbogen-Erdungsfehlers bereitzustellen, der an einer Leistungszufuhrleitung auftritt, die mit einem DC-Netz verbunden ist.
LÖSUNG DER PROBLEME
Eine Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektionseinrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung weist auf: einen Stromtransformator, der einen Strom an einer Leistungszufuhrleitung misst, die ein DC-Netz und eine Last miteinander verbindet; eine A/D-Wandlereinheit, die den gemessenen Strom in ein digitales Signal wandelt; eine Berechnungsverarbeitungseinheit, die eine Berechnungsverarbeitung an dem digitalen Signal durchführt, das durch die Wandlung erlangt ist. Die Berechnungsverarbeitungseinheit vergleicht ein Stromsignal, von der Leistungszufuhrleitung, das sich über einen vorbestimmten spezifischen Bereich von Frequenzen nicht geringer als 0,1 kHz erstreckt und das durch Wandlung durch die A/D-Wandlereinheit erlangt ist, mit einem initialen Stromsignal, bei jeder Frequenz in dem spezifischen Bereich von Frequenzen, das im Voraus erlangt ist durch Wandlung durch die A/D-Wandlereinheit, zum Detektieren eines Lichtbogen-Erdungsfehlers.
EFFEKT DER ERFINDUNG
In der Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektionseinrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung wird ein hochgenauer Lichtbogen-Erdungsfehlerstrom, aus dem Hintergrundrauschen eliminiert worden ist, berechnet, so dass eine Detektion gemacht wird, ob oder nicht ein Lichtbogen-Erdungsfehler aufgetreten ist.
Figurenliste

[1] 1 stellt die Konfiguration einer Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektionseinrichtung gemäß Ausführungsform 1 dar.
[2] 2 stellt eine Hardwarekonfiguration der Lichtbogen-Fehlerdetektionseinrichtung gemäß Ausführungsform 1 dar.
[3] 3 zeigt ein Flussdiagramm des Ablaufs des Detektierens eines Lichtbogen-Erdungsfehlers durch Nutzen der Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektionseinrichtung gemäß Ausführungsform 1.
[4] 4 zeigt ein Spektrumdiagramm, das das Verhältnis zwischen einem Lichtbogen-Erdungsfehlerstrom und Hintergrundrauschen zeigt.
[5] 5 zeigt ein Flussdiagramm der Prozedur des Detektierens eines Lichtbogen-Erdungsfehlers durch Nutzen einer Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektionseinrichtung gemäß Ausführungsform 2.
[6] 6 stellt die Konfiguration einer Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektionseinrichtung gemäß Ausführungsform 3 dar.
[7] 7 zeigt ein Flussdiagramm der Prozedur des Detektierens eines Lichtbogen-Erdungsfehlers durch Nutzen der Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektionseinrichtung gemäß Ausführungsform 3.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Hiernach werden Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben. In den Zeichnungen sind dieselben oder entsprechende Teile durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet.
Ausführungsform 1
Hiernach wird eine Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektionseinrichtung gemäß Ausführungsform 1 mit Bezug auf 1 beschrieben.
In der Zeichnung ist ein DC-Netz 1 in einem Zustand des Nichtgeerdetseins oder Geerdetseins mit einem hohen Widerstand oder in einem isolierten Zustand. Eine Last 4 ist mit jeder der Leistungszufuhrleitungen (Zuführern) 2 verbunden, die von dem DC-Netz 1 gezeigt sind, und eine Detektion eines Lichtbogen-Erdungsfehlers 6, der an der Leistungszufuhrleitung 2 zu einer Erde 5 aufgetreten ist, wird in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Ein Null-Phasen-Stromtransformator (ZCT) 3 ist ein Erdungsfehlerstrom, der durch die Leistungszufuhrleitung 2 fließt und gibt den Erdungsfehlerstrom an eine Erdungsfehlerstrommesseinheit 10 einer Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektionseinrichtung 100 aus. Die Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektionseinrichtung 100 weist auf: die Erdungsfehlerstrommesseinheit 10, die mit dem Null-Phasen-Stromtransformator (ZCT) 3 verbunden ist; eine A/D-Wandlereinheit 20; eine Berechnungsverarbeitungseinheit 30, eine Speichereinheit 40, eine Ausgabeeinheit 50; und eine Kommunikationsschaltung 60.
Der Erdungsfehlerstrom, der in die Erdungsfehlerstrommesseinheit 10 eingegeben ist, wird gewandelt (verstärkt), um ein Signalniveau aufzuweisen, das notwendig für die nachfolgende Verarbeitung durch die A/D-Wandlereinheit 20 ist, und in ein diskretisiertes digitales Signal durch die A/D-Wandlereinheit 20 gewandelt. Die Berechnungsverarbeitungseinheit 30 führt eine Berechnungsverarbeitung an Daten aus, die durch die Wandlung in das digitale Signal erlangt ist und macht eine Bestimmung über Abnormalität (Bestimmung in Bezug auf einen Lichtbogen-Erdungsfehler).
Es wird angemerkt, dass die Anzahl von Lasten 4 eine sein kann oder zwei oder mehr. Zusätzlich kann AC-Leistung, die durch Wandlung durch einen Leistungswandler erlangt wird (nicht dargestellt), der mit der Leistungszufuhrleitung 2 verbunden ist, zu der Last zugeführt sein.
Die Speichereinheit 40 ist mit der Berechnungsverarbeitungseinheit 30 verbunden, und Daten werden empfangen und zwischen der Speichereinheit und der Berechnungsverarbeitungseinheit 30 übertragen.
Die Ausgabeeinheit 50 gibt extern ein Signal aus, das von der Berechnungsverarbeitungseinheit 30 erlangt ist und gibt einen Abnormalitätszustand (Auftreten des Lichtbogen-Erdungsfehlers), eine Warnung und Ähnliches aus.
Die Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektionseinrichtung 100 ist in ein anderes Instrument wie etwa ein Schutzrelais in vielen Fällen eingefügt. In diesen Fällen wird das Signal von der Ausgabeeinheit 50 zu dem Hauptkörperschutzrelais übertragen.
Eine externe Überwachungseinrichtung 200 ist implementiert durch einen Personalcomputer (PC) oder Ähnliches, ist mit mindestens einer Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektionseinrichtung 100 verbunden, empfängt wie geeignet Informationen von der Berechnungsverarbeitungseinheit 30 über die Kommunikationsschaltung 60 und überwacht die Betriebssituation der Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektionseinrichtung 100. Eine Verbindung zwischen der externen Überwachungseinrichtung 200 und der Kommunikationsschaltung 60 der Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektionseinrichtung 100 kann bereitgestellt sein durch Nutzen eines Kabels oder kann drahtlos hergestellt sein. Die Verbindung kann über das Internet durch Erzeugen von Netzwerken zwischen der externen Überwachungseinrichtung 200 und einer Mehrzahl von Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektionseinrichtungen 100 hergestellt sein.
Es wird angemerkt, dass in dem Fall, wo die Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektionseinrichtung 100 in ein anderes Instrument wie etwa ein Schutzrelais wie voranstehend beschrieben eingefügt ist, die Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektionseinrichtung 100 selbst die Kommunikationsschaltung 60 nicht aufweisen muss oder nicht mit der Überwachungseinrichtung 200 verbunden sein muss.
2 zeigt ein Diagramm, das ein Beispiel der Konfiguration von Hardware der Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektionseinrichtung 100 zeigt. Die Hardware ist aus einem Verarbeiter 110 und einer Speichereinrichtung 120 zusammengesetzt. Obwohl nicht gezeigt, weist die Speichereinrichtung 120 eine flüchtige Speichereinrichtung wie etwa ein Zufallszugangsspeicher (RAM) und eine nicht flüchtige Hilfsspeichereinrichtung wie etwa einen Flash-Speicher auf. Alternativ kann die Speichereinrichtung 120 aufweisen, als die Hilfsspeichereinrichtung, eine Festplatte anstatt eines Flash-Speichers. Der Verarbeiter 110 führt ein Programm aus, das von der Speichereinrichtung 120 eingegeben ist. In diesem Fall ist das Programm von der Speichereinrichtung über die flüchtige Speichereinrichtung (elektrisch löschbar programmierbarer Nur-Lese-Speicher (EEPROM) zu den Verarbeitern 110 eingegeben. Zusätzlich kann der Verarbeiter 110 Daten wie etwa ein Berechnungsergebnis an die flüchtige Speichereinrichtung der Speichereinrichtung 120 ausgeben oder kann die Daten über die flüchtige Speichereinrichtung in die Hilfsspeichereinrichtung speichern.
Der Verarbeiter 110 kann, als Berechnungsverarbeitungseinrichtung, verschiedene Arten von logischen Schaltungen und verschiedene Arten von Signalverarbeitungsschaltungen aufweisen wie etwa eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine integrierte Schaltung (IC) und einen digitalen Signalprozessor (DSP) und Ähnliches.
Als Nächstes wird ein Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektionsverfahren unter Nutzung der Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektionseinrichtung 100 gemäß dem Flussdiagramm in 3 beschrieben.
Für eine Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektion in der vorliegenden Ausführungsform ist es notwendig, Hintergrundrauschen der Leistungszufuhrleitung 2 zu erlangen und das Hintergrundrauschen von einem Erdungsfehlerstrom zu eliminieren, der gemessen wird. Zu diesem Zweck wird zuerst ein Erdungsfehlerstrom in einem initialen Zustand der Leistungszufuhrleitung 2 gemessen.
Falls kein initialer Erdungsfehlerstrom, in einem initialen Zustand, der Leistungszufuhrleitung 2 in der Speichereinheit 40 gespeichert ist (NEIN in Schritt Sl) misst der Null-Phasen-Stromtransformator (ZCT) 3 den Erdungsfehlerstrom und gibt den gemessenen Erdungsfehlerstrom an die Erdungsfehlerstrommesseinheit 10 ein. Nach Wandlung in ein Signal, das ein vorbestimmtes Niveau aufweist, durch die Erdungsfehlerstrommesseinheit 10, tastet die A/D-Wandlereinheit 20 das Signal ab, um das Signal in ein diskretisiertes digitales Signal (Schritt S2) zu wandeln. Das zu diesem Zeitpunkt erlangte digitale Signal erstreckt sich über einen spezifischen Bereich von Frequenzen nicht geringer als 0,1 kHz. Der Bereich von Frequenzen ist vorbestimmt.
Die Berechnungsverarbeitungseinheit 30 führt, mit einer Fast-Fourier-Transformation (hiernach bezeichnet als FFT), mit einer Berechnungsverarbeitung auf die diskretisierten digitalen Signale durch das sich über den spezifischen Bereich von Frequenzen erstreckt, um eine Leistungsspektrumskomponente (initialer Wert) SECin bei jeder Frequenz zu berechnen (Schritt S3). Die berechnete Leistungsspektrumskomponente ist als initialer Wert-Daten in der Speichereinheit 40 gespeichert (Schritt S4).
Als Nächstes werden Vorgänge zu dem Zeitpunkt des Betriebs der Last 4 beschrieben.
Der Null-Phasen-Stromtransformator (ZCT) 3 ist ein Erdungsfehlerstrom und gibt den gemessenen Erdungsfehlerstrom an die Erdungsfehlerstrommesseinheit 10 ein. Nach einer Wandlung in ein Signal, das das vorbestimmte Niveau aufweist, durch die Erdungsfehlerstrommesseinheit 10, tastet die A/D-Wandlereinheit 20 das Signal ab, um das Signal in ein diskretisiertes digitales Signal zu wandeln (Schritt S5). Das digitale Signal, das zu diesem Zeitpunkt erlangt ist, erstreckt sich über den spezifischen Bereich von Frequenzen nicht geringer als 0,1 kHz, auf dieselbe Weise wie zu dem Zeitpunkt der Erlangung des initialen Werts.
Die Berechnungsverarbeitungseinheit 30 führt, mit der FFT, eine Berechnungsverarbeitung an dem diskretisierten digitalen Signal durch, das sich über den spezifischen Bereich von Frequenzen erstreckt, um eine Leistungsspektrumskomponente (zu dem Zeitpunkt des Betriebs) SECop bei jeder Frequenz zu berechnen (Schritt S6).
Für jede Frequenz wird die Leistungsspektrumskomponente (initialer Wert) SECin von der Leistungsspektrumskomponente (zu der Zeit des Betriebs) SECop subtrahiert, wodurch eine Leistungsspektrumskomponente (wahrer Wert) SECtr bei der Frequenz berechnet wird (Schritt S7).
FFT-Invers-Transformation wird auf die Leistungsspektrumskomponenten (wahre Werte) SECtr durchgeführt, die sich über den spezifischen Bereich von Frequenzen erstrecken, wodurch ein Lichtbogenfehlerstrom, von dem Hintergrundrauschen eliminiert worden ist, berechnet wird (Schritt S8).
Falls der berechnete Lichtbogen-Erdungsfehlerstrom höher als ein voreingestellter Schwellwert ist, wird eine Bestimmung gemacht, dass ein Lichtbogen-Erdungsfehler aufgetreten ist (JA in Schritt S9), und die Ausgabeeinheit 50 gibt eine Abnormalitätssignal oder Ähnliches aus, um eine Warnung auszugeben (Schritt S10).
Falls der Lichtbogen-Fehlerstrom, der in Schritt S8 berechnet ist, nicht höher als der voreingestellte Schwellwert ist (NEIN in Schritt S9), kehrt der Prozess zur Änderungsfehlerstrommessung durch den Null-Phasen-Stromtransformator (ZCT) 3 zurück.
Verglichen mit dem Fall des Machens einer Bestimmung über das Auftreten eines Lichtbogen-Erdungsfehlers durch Berechnen eines Lichtbogen-Erdungsfehlerstroms unter Nutzung der Differenz zwischen einem Erdungsfehlerstrom und einem initialen Erdungsfehlerstrom, der durch den Null-Phasen-Stromtransformator (ZCT) 3 gemessen ist, wird eine Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektionseinrichtung mit hoher Genauigkeit vereinfacht, weil nur eine Frequenzkomponente eines Lichtbogen-Erdungsfehlerstroms detektiert wird, die zu dem Zeitpunkt eines Lichtbogen-Erdungsfehlers auftritt, durch: Nutzen der Spektra, die erlangt werden nach der Signalverarbeitung mit der FFT; und Analysieren der Differenz von jedem initialen Wert durch die Spektrumskomponente.
Wie voranstehend beschrieben, in Ausführungsform 1, ist der Null-Phasen-Stromtransformator (ZCT) 3 bereitgestellt an der Leistungszufuhrleitung 2, die mit dem DC-Netz verbunden ist, und misst einen Erdungsfehlerstrom, und die Differenz zwischen jeder Spektrumskomponente gelangt durch Verarbeiten, mit der FFT, des Signals über den vorbestimmten spezifischen Bereich von Frequenzen nicht geringer als 0,1 kHz, und einem entsprechenden initialen Signalspektrumskomponente, die erlangt ist durch Verarbeiten mit der FFT, wird genutzt zum Berechnen eines hochgenauen Lichtbogen-Erdungsfehlerstroms, aus dem Hintergrundrauschen eliminiert worden ist, so dass es möglich ist, eine Detektion durchzuführen, ob oder nicht ein Lichtbogen-Erdungsfehler aufgetreten ist.
Ausführungsform 2
In der voranstehend beschriebenen Ausführungsform 1 wurde das Verfahren, in dem Signale über den spezifischen Bereich von Frequenzen nicht geringer als 0,1 kHz verarbeitet wurden, mit der FFT beschrieben. Dabei, weil das Frequenzband zum Zeitpunkt des Auftretens eines Lichtbogen-Erdungsfehlers hauptsächlich, 0,1 bis 100 kHz ist, weil eine Berechnungsverarbeitung, falls eine Berechnungsverarbeitung ausgeführt wird, wird durch eine Verkürzung bzw. Verschmälerung auf ein digitales Signal, das sich über einen spezifischen Bereich von Frequenzen nicht geringer als 0,1 kHz erstreckt, vorzugsweise einen spezifischen Bereich von Frequenzen von 0,1 bis 100 kHz, eine Berechnungslast abgemildert, und das Durchführen einer Detektion mit einem Fokus auf einem Lichtbogen-Erdungsfehler macht es möglich, die Genauigkeit der Detektion zu verbessern. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Verarbeitungsverfahren für eine Lichtbogen-Erdungsfehlerstromdetektion beschrieben, in der der Bereich von Frequenzen in der Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektionseinrichtung 100 in 1 die Ausführungsform 1 beschrieben ist, verengt bzw. verkürzt ist.
4 zeigt ein Spektrumdiagramm, das das Verhältnis zwischen Lichtbogen-Erdungsfehlerstrom und Hintergrundrauschen zeigt. Die horizontale Achse gibt eine Frequenz an und die vertikale Achse gibt einen Stromwert an. Ein Stromwert zum Zeitpunkt des Auftretens eines Lichtbogens ist durch die durchgezogene Linie angegeben und der Wert eines Hintergrunds, in dem kein Lichtbogen aufgetreten ist, ist durch die unterbrochene Linie angegeben. In einem Bereich von 0 bis 200 kHz, der in der Zeichnung gezeigt ist, scheint es, dass das Rauschen, das der Hintergrund ist, Spitzen auf eine diskrete Weise aufweist und der Lichtbogen-Erdungsfehlerstrom wird graduell bei höheren Frequenzen gedämpft. Die Zeichnung führt zu der folgenden Feststellung. Obwohl der Lichtbogen-Erdungsfehlerstrom und das Rauschen einander überlagert sind, ist im Bereich, in dem der Lichtbogen-Erdungsfehlerstrom detektiert werden soll, ungefähr ein Bereich größer als 0 und nicht größer als 150 kHz, vorzugsweise ein Bereich von 0,1 bis 150 kHz und weiter vorzugsweise ein Bereich von 0,1 bis 100 kHz und, falls eine Lichtbogen-Erdungsfehler-Stromdetektion durchgeführt wird, durch Verkürzen bzw. Beschränken dieses Bereichs von Frequenzen, über die Berechnungslast abgeschwächt, und das Durchführen einer Detektion mit einem Fokus auf einen Lichtbogen-Erdungsfehler macht es möglich, die Genauigkeit der Detektion zu verbessern.
Ein Verfahren zum Durchführen einer Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektion durch Beschränken bzw. Verkürzen des Bereichs von Frequenzen wird gemäß dem Flussdiagramm in 5 beschrieben.
Es wird festgestellt, dass in dem Flussdiagramm in 5 die Detektion und Speicherung eines Erdungsfehlerstroms im Initialzustand von Schritt S1 bis S4 derselbe ist wie in 3 und eine Beschreibung davon wird daher ausgelassen.
Vorgänge zum Zeitpunkt des Betriebs der Last 4 werden beschrieben.
Der Null-Phasen-Stromtransformator (ZCT) 3 misst einen Erdungsfehlerstrom und gibt den gemessenen Erdungsfehlerstrom an die Erdungsfehlerstrommesseinheit 10 aus. Nach dem Wandeln in ein Signal, das das vorbestimmte Niveau aufweist, durch die Erdungsfehlerstrommesseinheit 10, tastet die A/D-Wandlereinheit 20 das Signal ab, um das Signal in ein diskretisiertes digitales Signal zu wandeln (Schritt S5). Das digitale Signal, das zu dieser Zeit erlangt ist, erstreckt sich über den vorbestimmten spezifischen Bereich von Frequenzen nicht geringer als 0,1 kHz, auf dieselbe Weise wie zum Zeitpunkt der Erlangung des initialen Werts.
Die Berechnungsverarbeitungseinheit 30 führt, mit der FFT, eine Berechnungsverarbeitung an dem diskretisierten digitalen Signal aus, die sich über den spezifischen Bereich von Frequenzen erstreckt, um eine Leistungsspektrumskomponente (zu dem Zeitpunkt des Betriebs) SECop bei jeder Frequenz zu berechnen (Schritt S6).
Für jede Frequenz wird die Leistungsspektrumskomponente (initialer Wert) SECin von der Leistungsspektrumskomponente (zu dem Zeitpunkt des Betriebs) SECop subtrahiert, wodurch eine Leistungsspektrumskomponente (wahrer Wert) SECtr bei der bestimmten Frequenz berechnet wird (Schritt S7a).
Die Leistungsspektrumskomponenten (wahre Werte) SECtr bei den jeweiligen Frequenzen werden beschränkt bzw. zusammengekürzt zu Leistungsspektrumskomponenten (wahren Werten) SECtr-a in einem Bereich von Frequenzen von 0,1 bis 150 kHz oder von 0,1 bis 100 kHz (Schritt S7b).
FFT-Invers-Transformation wird auf den Leistungsspektrumskomponenten (wahre Werte) SECtr-a durchgeführt, die sich über einen Bereich von Frequenzen von 0,1 bis 150 kHz oder von 0,1 bis 100 kHz erstrecken, wodurch ein Lichtbogen-Erdungsfehlerstrom, von dem Hintergrundrauschen eliminiert worden ist, berechnet wird (Schritt S8).
Falls der berechnete Lichtbogen-Erdungsfehlerstrom größer als der voreingestellte Schwellwert ist, wird eine Bestimmung gemacht, dass ein Lichtbogen-Erdungsfehler aufgetreten ist (JA in Schritt S9), und die Ausgabeeinheit 50 gibt ein Abnormalitätssignal oder Ähnliches aus, um eine Warnung zu geben (Schritt S10).
Wie voranstehend beschrieben, in Ausführungsform 2, ist der Null-Phasen-Stromtransformator (ZCT) 3 an der Leistungszufuhrleitung 2 bereitgestellt, die mit dem DC-Netz verbunden ist, und misst einen Erdungsfehlerstrom, und die Differenz zwischen jeder Spektrumskomponente, die durch Verarbeiten mit der FFT erlangt ist und einer entsprechenden initialen Signalspektrumskomponente, die durch Verarbeiten mit der FFT erlangt wird, wird genutzt zum Berechnen eines hochgenauen Lichtbogen-Erdungsfehlerstroms, von dem Hintergrundrauschen eliminiert worden ist, so dass es möglich ist, eine Detektion durchzuführen, ob oder nicht ein Lichtbogen-Erdungsfehler aufgetreten ist. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Signalverarbeitung durchgeführt an den Stromsignalen über dem Bereich von Frequenzen von 0,1 bis 150 kHz oder von 0,1 bis 100 kHz. Daher wird die Verarbeitungslast abgeschwächt und die Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektion kann durchgeführt werden bei hoher Geschwindigkeit. Zusätzlich ist es möglich, die Genauigkeit der Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektion zu verbessern.
Ausführungsform 3
Hiernach wird eine Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektionseinheit gemäß Ausführungsform 2 beschrieben mit Bezug auf 6.
In Ausführungsform 1 ist das DC-Netz nicht geerdet oder mit einem hohen Widerstand geerdet. Dabei wird in der vorliegenden Ausführungsform ein Beispiel, in dem eine Seite geerdet ist, wie einem DC-Netz von, zum Beispiel, einer Schieneneinrichtung, beschrieben.
In 6 ist das DC-Netz 1 an einem einzigen Schienenstrang geerdet. Die Last 4 ist mit der Leistungszufuhrleitung (Zuführern) 2 verbunden, die von dem DC-Netz 1 abgezweigt sind, und eine Detektion eines Lichtbogen-Erdungsfehlers 6, der an der Leistungszufuhrleitung 2 zu der Erde bzw. Erdung 5 aufgetreten ist, wird auch in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Ein Stromtransformator (CT) 3a misst Ströme, die in jeweiligen Phasen der Leistungszufuhrleitung 2 fließen und gibt die Ströme an eine Strommesseinheit 10a der Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektionseinrichtung 100 ein. Die Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektionseinrichtung 100 weist auf: die Strommesseinheit 10a, die mit dem Stromtransformator (CT) 3a verbunden ist; die A/D-Wandlereinheit 20; die Berechnungsverarbeitungseinheit 30; die Speichereinheit 40; die Ausgabeeinheit 50; und die Kommunikationsschaltung 60.
Die Strommesseinheit 10a berechnet den Unterschied zwischen den eingegebenen Strömen für die jeweiligen Phasen und wandeln (verstärken) den Differenzstrom auf das Signalniveau, das für die nachfolgende Verarbeitung durch die A/D-Wandlereinheit 20 notwendig ist. Die A/D-Wandlereinheit 20 führt eine Wandlung in ein diskretisiertes digitales Signal durch. Die Berechnungsverarbeitungseinheit 30 führt eine Berechnungsverarbeitung an Daten durch, die durch die Wandlung in das digitale Signal erlangt sind, und machen eine Bestimmung über eine Abnormalität (Bestimmung in Bezug auf einen Lichtbogen-Erdungsfehler).
Es wird angemerkt, dass die Anzahl von Lasten 4 eine einzige sein kann oder zwei oder mehr sein kann. Zusätzlich kann eine AC-Leistung, die durch einen Leistungswandler (nicht dargestellt) erlangt wird, der mit jeder Leistungszufuhrleitung 2 verbunden ist, erlangt ist und zu der Last zugeführt werden.
Die Konfigurationen der Berechnungsverarbeitungseinheit 30, der Speichereinheit 40, der Ausgabeeinheit 50 und der Kommunikationsschaltung 60 sind dieselben wie diejenigen in Ausführungsform 1, und daher wird eine Beschreibung davon ausgelassen. Das Verfahren der Übertragung von Information über die Kommunikationsschaltung 60 zu der externen Überwachungseinrichtung 200, und das Verfahren der Kommunikation zu der Kommunikationsschaltung 60 und der Überwachungseinrichtung 200 sind auch dieselben wie diejenigen in Ausführungsform 1. Die Konfiguration der Hardware der Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektionseinrichtung 100 ist auch dieselbe wie die in Ausführungsform 1.
In der vorliegenden Ausführungsform 1 wird ein Erdungsfehlerstrom direkt durch den Null-Phasen-Stromtransformator (ZCT) gemessen. Dabei ist die vorliegende Ausführungsform 3 verschieden davon darin, dass, wie voran beschrieben, ein Erdungsfehlerstrom berechnet wird durch Nutzen der Ströme, die durch den Stromtransformator (CT) gemessen sind, der zu jeder Phase bereitgestellt ist, genauer gesagt von der Differenz zwischen den Strömen für die jeweiligen Phasen.
Als Nächstes wird ein Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektionsverfahren unter Nutzung der Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektionseinrichtung 100 gemäß dem Flussdiagramm in 7 beschrieben.
Falls kein initialer Erdungsfehlerstrom, in einem initialen Zustand, der Leistungszufuhrleitung 2 in der Speichereinheit 40 gespeichert ist (NEIN in Schritt S101), misst der Stromtransformator (CT) 3a Ströme für die jeweiligen Phasen und gibt die gemessenen Ströme in die Strommesseinheit 10a ein. Die Strommesseinheit 10a berechnet einen Erdungsfehlerstrom von der Differenz zwischen den Strömen für die jeweiligen Phasen und wandelt den Erdungsfehlerstrom in ein Signal, das das vorbestimmte Niveau aufweist. Die A/D-Wandlereinheit 20 tastet das Signal ab, das durch die Wandlung erlangt wird, um das vorbestimmte Niveau aufzuweisen, zum Wandeln des Signals in ein diskretisiertes digitales Signal (Schritt S102). Das digitale Signal, das zu diesem Zeitpunkt erlangt wird, erstreckt sich über den spezifischen Bereich von Frequenzen nicht geringer als 0,1 kHz.
Die Berechnungsverarbeitungseinheit 30 führt, mit der FFT, Berechnungsverarbeitung an dem diskretisierten digitalen Signal durch, das sich über den spezifischen Bereich von Frequenzen erstreckt, um eine Leistungsspektrumskomponente (initialer Wert) SECin bei jeder Frequenz zu berechnen (Schritt S103). Die berechnete Leistungsspektrumskomponente wird als initiale Wertdaten in der Speichereinheit 40 gespeichert (Schritt S104).
Als Nächstes werden Vorgänge zum Zeitpunkt des Betriebs der Last 4 beschrieben.
Der Stromtransformator (CT) 3a misst Ströme für die jeweiligen Phasen und gibt die gemessenen Ströme an die Strommesseinheit 10a ein. Die Strommesseinheit 10a berechnet einen Erdungsfehlerstrom von der Differenz zwischen den Strömen von jeweiligen Phasen und wandelt den Erdungsfehlerstrom in ein Signal, das das vorbestimmte Niveau aufweist. Die A/D-Wandlereinheit 20 tastet das Signal ab, das durch die Wandlung erlangt ist, um das vorbestimmte Niveau aufzuweisen, um das Signal in ein diskretisiertes digitales Signal zu wandeln (Schritt S105). Das digitale Signal, das zu diesem Zeitpunkt erlangt ist, erstreckt sich über den Zwischenbereich von Frequenzen nicht geringer als 0,1 kHz, auf dieselbe Weise wie zu dem Zeitpunkt der Erlangung des initialen Werts.
Die Berechnungsverarbeitungseinheit 30 führt, mit der FFT, Berechnungsverarbeitung an den diskretisierten digitalen Signalen durch, das sich über den spezifischen Bereich von Frequenzen erstreckt, um eine Leistungsspektrumskomponente (zum Zeitpunkt des Betriebs) SECop bei jeder Frequenz zu berechnen (Schritt S106).
Für jede Frequenz wird die Leistungsspektrumskomponente (initialer Wert) SECin von der Leistungsspektrumskomponente (zum Zeitpunkt des Betriebs) SECop subtrahiert, wodurch eine Leistungsspektrumskomponente (wahrer Wert) SECtr bei der Frequenz berechnet wird (Schritt S107).
FFT-Invers-Transformation wird an den Leistungsspektrumskomponenten (wahre Werte) SECtr durchgeführt, die sich über den spezifischen Bereich von Frequenzen erstrecken, wodurch ein Lichtbogen-Erdungsfehlerstrom berechnet wird, von dem Hintergrundrauschen eliminiert worden ist (Schritt S108).
Falls der berechnete Lichtbogen-Erdungsfehlerstrom höher als der voreingestellte Schwellwert ist, wird eine Bestimmung, dass ein Lichtbogen-Erdungsfehler aufgetreten ist, gemacht (JA in Schritt S109), und die Ausgabeeinheit 50 gibt ein Abnormalitätssignal oder Ähnliches aus, um eine Warnung auszugeben (Schritt S110).
Falls der Lichtbogen-Erdungsfehlerstrom, der in Schritt S108 berechnet ist, nicht höher als der voreingestellte Schwellwert ist (NEIN in Schritt S109), kehrt der Prozess zur Strommessung durch den Stromtransformator (CT) 3a zurück.
Wie voranstehend beschrieben, ermöglicht die Ausführungsform 3 eine Detektion eines Lichtbogen-Erdungsfehlers mit hoher Genauigkeit auf dieselbe Weise wie Ausführungsform 1 und zeigt dieselben vorteilhaften Effekte wie diejenigen in der Ausführungsform 1, auch in Bezug auf die Leistungszufuhrleitung, die mit dem DC-Netz verbunden ist, in dem einer einziger Schienenstrang geerdet ist.
Auch in Ausführungsform 3, falls eine Lichtbogen-Erdungsfehler-Stromdetektion durchgeführt wird durch Zusammenkürzen bzw. Beschränken eines Bereichs der Frequenzen vorzugsweise von 0,1 bis 150 kHz und weiter bevorzugt von 0,1 bis 100 kHz auf dieselbe Weise wie in Ausführungsform 2, wird die Berechnungslast abgeschwächt und das Durchführen einer Detektion mit einem Fokus auf einem Lichtbogen-Erdungsfehler macht es möglich, die Genauigkeit der Detektion zu verbessern.
In den voranstehend beschriebenen Ausführungsformen 1 bis 3 wurde angenommen, dass die Berechnungsverarbeitung mit FFT ausgeführt wird durch Software. Jedoch kann ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA) genutzt werden für die Berechnungsverarbeitungseinheit 30 und die Berechnungsverarbeitung kann mit dem FPGA durchgeführt werden. Der FPGA ist eine Berechnungsverarbeitungseinrichtung, die frei programmierbar ist und die ein Programm von der Speichereinheit 40 lesen kann und das Programm ändern und aktualisieren kann. Daher, falls das digitale Signal, das durch Abtasten und Diskretisieren durch die A/D-Wandlereinheit 20 erlangt ist, in das FPGA eingegeben wird oder das FPGA einen initialen Wert von der Speichereinheit 40 ausliest, ist es möglich, nicht nur Berechnungsverarbeitungen mit dem FFT einzufügen, sondern auch die Verarbeitung bis zu der Bestimmung, ob ein Lichtbogen-Erdungsfehler auftritt.
Wie voranstehend beschrieben ermöglicht die vorliegende Offenbarung die Detektion eines Lichtbogen-Erdungsfehlers an der Leistungszufuhrleitung, die mit dem DC-Netz verbunden ist. Daher, falls die Technologie der vorliegenden Offenbarung auf ein erneuerbares Energiesystem angewendet wird, wie etwa das voranstehend beschriebene photovoltaische Leistungserzeugungssystem und eine Schienen- bzw. Zugeinrichtung, die als ein DC-Netz dienen, kann ein hoch verlässliches Verteilungsnetz erzeugt werden sowohl in dem erneuerbaren Energiesystem als auch der Schienen- bzw. Zugeinrichtung.
Obwohl die Offenbarung voranstehend in Bezug auf verschiedene beispielhafte Ausführungsformen und Implementierungen beschrieben ist, wird verstanden werden, dass die verschiedenen Merkmale, Aspekte und Funktionalitäten, die in einer oder mehrerer der individuellen Ausführungsformen beschrieben sind, nicht nur auf ihre Anwendbarkeit auf die spezielle Ausführungsform beschränkt sind, in der sie beschrieben worden sind, sondern stattdessen angewendet werden kann, allein oder in verschiedenen Kombinationen, in einer oder mehrerer der Ausführungsformen der Offenbarung.
Es wird daher verstanden, dass verschiedene Modifikationen, die nicht dargelegt worden sind, abgeleitet werden können, ohne sich von dem Geltungsbereich der Angaben der vorliegenden Offenbarung zu entfernen. Zum Beispiel kann mindestens einer der ausbildenden Teile modifiziert, hinzugefügt oder eliminiert werden. Mindestens einer der ausbildenden Teile, der in mindestens einer der bevorzugten Ausführungsformen genannt wurde, kann ausgewählt und kombiniert werden mit ausbildenden Teilen, die in einer anderen bevorzugten Ausführungsform erwähnt sind.
Bezugszeichenliste

1: DC-Netz
2: Leistungszufuhrleitung (Zuführer)
3: Null-Phasen-Stromtransformator (ZCT)
3a: Stromtransformator (CT)
4: Last
5: Erde
6: Lichtbogen-Erdungsfehler
10: Erdungsfehler-Strommesseinheit
10a: Strommesseinheit
20: A/D-Wandlereinheit
30: Berechnungsverarbeitungseinheit
40: Speichereinheit
50: Ausgabeeinheit
60: Kommunikationsschaltung
100: Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektionseinrichtung
110: Verarbeiter
120: Speichereinrichtung
200: Überwachungseinrichtung

Claims

Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektionseinrichtung, mit: einem Stromtransformator, der einen Strom an einer Leistungszufuhrleitung misst, die ein DC-Netz und eine Last miteinander verbindet; einer A/D-Wandlereinheit, die den gemessenen Strom in ein digitales Signal wandelt; und einer Berechnungsverarbeitungseinheit, die eine Berechnungsverarbeitung an dem digitalen Signal durchführt, das durch die Wandlung erlangt ist, wobei die Berechnungsverarbeitungseinheit ein Stromsignal, von der Leistungszufuhrleitung, das sich über einen vorbestimmten spezifischen Bereich von Frequenzen nicht geringer als 0,1 kHz erstreckt und das durch Wandlung durch die A/D-Wandlereinheit erlangt wird, mit einem initialen Stromsignal vergleicht, bei jeder Frequenz in dem spezifischen Bereich von Frequenzen, das im Voraus erlangt ist durch Wandlung durch die A/D-Wandlereinheit, um einen Lichtbogen-Erdungsfehler zu detektieren.
Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektionseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Berechnungsverarbeitungseinheit Fourier-Transformation an dem digitalen Signal durchführt, das durch die Wandlung durch die A/D-Wandlereinheit erlangt ist.
Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektionseinrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der spezifische Bereich von Frequenzen ein Bereich von 0,1 kHz bis 150 kHz ist.
Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei, falls das DC-Netz unisoliert ist oder mit einem hohen Widerstand geerdet ist, ein Erdungsfehlerstrom an der Leistungszufuhrleitung detektiert wird durch Nutzen eines Null-Phasen-Stromtransformators als den Stromtransformator.
Lichtbogen-Erdungsfehler-Detektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei, falls ein einziger Schienenstrang des DC-Netzes geerdet ist, ein Strom für jede Phase an der Leistungszufuhrleitung durch den Stromtransformator detektiert ist.