DE112019007730T5

DE112019007730T5 - Lichtbogendetektionsvorrichtung, lichtbogenfehlerschutzeinrichtung und verfahren zum herstellen einer lichtbogendetektionsvorrichtung

Info

Publication number: DE112019007730T5
Application number: DE112019007730.9T
Authority: DE
Inventors: Xing Yi; Feng Du; Weigang Chen; Ling Fu
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2019-09-20
Filing date: 2019-09-20
Publication date: 2022-06-09
Also published as: WO2021051401A1; CN114127567A

Abstract

Es werden eine Lichtbogendetektionsvorrichtung, eine Lichtbogenfehlerschutzeinrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Lichtbogendetektionsvorrichtung bereitgestellt. Die Lichtbogendetektionsvorrichtung umfasst Folgendes: eine Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung (132), ausgelegt zum Empfangen mindestens eines Signals eines Spannungssignals oder eines Stromsignals eines elektrischen Leistungssystems und zum Erzeugen mehrerer Signale mehrerer Frequenzbänder auf der Grundlage des mindestens einen Signals; und ein Lichtbogenbestimmungsmittel (140), gekoppelt mit der Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung zum Empfangen der mehreren Signale der mehreren Frequenzbänder und Bestimmen einer Erzeugung eines Lichtbogens auf der Grundlage des mindestens einen Signals der mehreren Signale. Signale mehrerer Frequenzbänder werden mittels Frequenz-Sweep-Filterung erhalten, sodass eine durch Rauschsignale verursachte Fehlerdetektion vermieden oder reduziert werden kann und die Störunterdrückungsfähigkeit verbessert wird.

Description

Technisches Gebiet
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung betreffen das Gebiet der Elektrik und insbesondere eine Lichtbogendetektionsvorrichtung, eine Lichtbogenfehlerschutzeinrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Lichtbogendetektionsvorrichtung.
Stand der Technik
Herkömmliche Überstromschutzeinrichtungen wie Niederspannungsschutzschalter, Sicherungen und Fehlerstromschutzeinrichtungen können elektrische Geräte und Leitungen vor Überlast und Kurzschlüssen schützen, Elektrobrände verhindern, die durch Überlast und Kurzschlussströme in Zweigleitungen verursacht werden, oder können Schutz gegen einen durch fehlerhafte Isolation elektrischer Geräte verursachten Massefehlerstrom bieten, wodurch Elektrobrandunfälle aufgrund eines anhaltenden Massefehlerstroms oder einer Lichtbogenbildung zu Masse verhindert werden. Durch derartige Schutzeinrichtungen wird das Auftreten von Elektrobränden stark reduziert, wodurch die Sicherheit der Verwendung elektrischer Leistung verbessert wird. Jedoch kann weder eine bestehende Überstromschutzvorrichtung noch eine bestehende Fehlerstromschutzvorrichtung Risiken eines durch einen Lichtbogenfehler zwischen stromführenden Leitern verursachten Elektrobrands reduzieren.
Derzeit werden einige Lichtbogenfehlerschutzeinrichtungen verwendet, um die Erzeugung eines Lichtbogens zu detektieren. Beispielsweise kann eine herkömmliche Lichtbogenfehlerschutzeinrichtung durch Analysieren eines Stroms und/oder einer Spannung in einem elektrischen System bestimmen, ob ein Lichtbogen erzeugt wurde. Eine herkömmliche Lichtbogenfehlerschutzeinrichtung kann jedoch Fehlerdetektionsprobleme aufweisen, die durch Rauschsignale oder inkorrektes Detektieren der Erzeugung eines Lichtbogens verursacht werden.
Kurzdarstellung der Erfindung
Obgleich herkömmliche Lichtbogenfehlerschutzeinrichtungen einen Lichtbogenfehlerschutz für elektrische Geräte und Systeme bereitstellen, kommt es vor, dass sie die Erzeugung eines Lichtbogens im Fall eines herkömmlichen Lichtbogenfehlers nicht korrekt identifizieren. Beispielsweise können, da in einem elektrischen Leistungssystem verschiedene Lasten vorhanden sind, verschiedene Rauschsignale in verschiedenen Frequenzbändern in dem elektrischen Leistungssystem erzeugt werden. Die Komponenten dieser Rauchsignale in gewissen Frequenzbändern sind möglicherweise mit den Komponenten des Frequenzspektrums in dem Frequenzband bei Erzeugung eines Lichtbogens vergleichbar. Befindet sich das durch die herkömmliche Lichtbogendetektionsvorrichtung detektierte Frequenzband zufällig in diesem Frequenzband, so kann die Vorrichtung die Rauschsignale fälschlicherweise als die Erzeugung eines Lichtbogens erkennen, was wiederum zu einer unnötigen Schutzmaßnahme führt.
Um eines oder mehrere der oben genannten Probleme und andere mögliche Probleme zumindest teilweise zu beheben, stellt eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung eine Lichtbogendetektionsvorrichtung, eine Lichtbogenfehlerschutzeinrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Lichtbogendetektionsvorrichtung bereit. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung können, durch Detektieren mehrerer Hochfrequenzkomponenten in einem Strom- und/oder Spannungssignal, Signalcharakteristiken verschiedener Frequenzbänder in dem Strom- und/oder Spannungssignal erhalten werden, und es wird auf der Grundlage der Signale der mehreren Frequenzbänder bestimmt, ob ein Lichtbogen erzeugt wurde. Somit ist es durch Detektieren von Signalen in mehreren Frequenzbändern möglich, korrekt zu bestimmen, ob ein Lichtbogen erzeugt wurde oder nicht, und eine Störunterdrückungsfähigkeit bereitzustellen.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Lichtbogendetektionsvorrichtung bereitgestellt, die Folgendes umfasst: eine Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung, ausgelegt zum Empfangen mindestens eines Signals eines Spannungssignals oder eines Stromsignals eines elektrischen Leistungssystems und Erzeugen mehrerer Signale mehrerer Frequenzbänder auf der Grundlage des mindestens einen Signals; und ein Lichtbogenbestimmungsmittel, gekoppelt mit der Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung zum Empfangen der mehreren Signale der mehreren Frequenzbänder und Bestimmen einer Erzeugung eines Lichtbogens auf der Grundlage des mindestens einen Signals der mehreren Signale.
Somit ist es möglich, Komponenten eines Spannungssignals und/oder eines Stromsignals in mehreren Frequenzbändern zu detektieren und auf der Grundlage der Komponenten der mehreren Frequenzbänder umfassend auszuwerten, ob ein Lichtbogen erzeugt wurde. Beispielsweise können, obgleich Komponenten in mehreren anderen Frequenzbändern unter mehreren Frequenzbändern angeben, dass kein Lichtbogen erzeugt wurde, Komponenten in einem bestimmten Frequenzband die Erzeugung eines Lichtbogens angeben. Daher ist es möglich, auf der Grundlage der Komponenten des Frequenzbands zu bestimmen, dass ein Lichtbogen erzeugt wurde. Somit lässt sich eine Situation vermeiden, in der eine herkömmliche Einzelhochfrequenz-Lichtbogendetektionsvorrichtung einen Lichtbogen mit einer spezifischen hohen Frequenz nicht korrekt detektiert (zum Beispiel beträgt das Detektionsband der einzelnen hohen Frequenz 1,7 MHz - 2,3 MHz, während die Hochfrequenzkomponenten einer gewissen Art von Lichtbogen hauptsächlich bei 5 MHz - 15 MHz liegen), wodurch es zu einer korrekten Detektion der Erzeugung eines Lichtbogens kommt.
In einigen Ausführungsformen werden mehrere Frequenzbänder aus mindestens drei Frequenzbändern von über 100 kHz ausgewählt.
In einigen Ausführungsformen umfassen die mehreren Frequenzbänder Folgendes: ein erstes Frequenzband von 1,75 MHz bis 2,25 MHz, ein zweites Frequenzband von 5,65 MHz bis 6,35 MHz, ein drittes Frequenzband von 9,5 MHz bis 10,5 MHz, ein viertes Frequenzband von 13,35 MHz bis 14,65 MHz und ein fünftes Frequenzband von 17 MHz bis 19 MHz.
In einigen Ausführungsformen umfasst eine Sweep-Filterungsschaltung Folgendes: einen ersten Mehrkanalschalter, ausgelegt zum Empfangen mindestens eines Signals und, als Reaktion auf das Einschalten eines Kanals der mehreren Kanäle, Übertragen des mindestens einen Signals über den Kanal; mehrere Bandpassfilter, die jeweils unterschiedliche Filterungsfrequenzbänder aufweisen und jeweils mit einem Kanal in dem ersten Multikanalschalter gekoppelt sind, um eine Bandpassfilterung an dem mindestens einen Signal durchzuführen; und einen zweiten Multikanalschalter, wobei jeder Kanal in dem zweiten Multikanalschalter jeweils mit einem der mehreren Bandpassfilter gekoppelt ist, um mehrere Paare von Kanälen mit dem entsprechenden Kanal in dem ersten Multikanalschalter zu bilden, und der zweite Multikanalschalter dazu ausgelegt ist, eines der mehreren Paare von Kanälen gleichzeitig mit dem ersten Multikanalschalter einzuschalten, wodurch ein gefiltertes Signal übertragen wird.
In einigen Ausführungsformen sind der erste Mehrkanalschalter und der zweite Mehrkanalschalter dazu ausgelegt, mehrere Paare von Kanälen abwechselnd einzuschalten.
In einigen Ausführungsformen sind der erste Mehrkanalschalter und der zweite Mehrkanalschalter dazu ausgelegt, mehrere Paare von Kanälen zufällig einzuschalten.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung ein variables Bandpassfilter, ausgelegt zum Anpassen eines Filterungsfrequenzbands zum Filtern verschiedener Frequenzbänder in dem mindestens einen Signal, wodurch gefilterte Signale in unterschiedlichen Frequenzbändern ausgegeben werden.
In einigen Ausführungsformen ist das variable Bandpassfilter dazu ausgelegt, aus einem vorbestimmten Satz von Filterungsfrequenzbändern abwechselnd verschiedene Filterungsfrequenzbänder zum Filtern auszuwählen.
In einigen Ausführungsformen ist das variable Bandpassfilter dazu ausgelegt, aus einem vorbestimmten Satz von Filterungsfrequenzbändern zufällig verschiedene Filterungsfrequenzbänder zum Filtern auszuwählen.
In einigen Ausführungsformen umfasst das variable Bandpassfilter einen variablen Kondensator und/oder einen variablen Widerstand und ist dazu ausgelegt, den Wert des mindestens einen Elements zu ändern, um ein Filterungsfrequenzband anzupassen.
In einigen Ausführungsformen umfasst eine Lichtbogendetektionsvorrichtung ferner Folgendes: einen logarithmischen Detektorverstärker und/oder einen Operationsverstärker, gekoppelt zwischen der Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung und dem Lichtbogenbestimmungsmittel und ausgelegt zum Verstärken der mehreren Signale.
In einigen Ausführungsformen umfasst ein Lichtbogenbestimmungsmittel Folgendes: einen Analog-Digital-Umsetzer, ausgelegt zum Umsetzen von mehreren Signalen von analogen Signalen in digitale Signale; und einen Mikrocontroller, gekoppelt mit dem Analog-Digital-Umsetzer und ausgelegt zum Bestimmen der Erzeugung des Lichtbogens auf der Grundlage des digitalen Signals.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Bestimmen der Erzeugung eines Lichtbogens Folgendes: Vergleichen eines digitalen Signals mit einer vorbestimmten Amplitudenschwelle, um die Erzeugung eines Lichtbogens zu bestimmen; Vergleichen des statistischen Werts des digitalen Signals mit einer vorbestimmten statistischen Schwelle, um die Erzeugung eines Lichtbogens zu bestimmen; oder Extrahieren von Merkmalen aus dem digitalen Signal unter Verwendung eines neuronalen Netzes oder von Deep Learning, Durchführen einer Klassifikation auf der Grundlage der extrahierten Merkmale und Bestimmen der Erzeugung des Lichtbogens auf der Grundlage eines Klassifikationsergebnisses.
In einem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Lichtbogenfehlerschutzeinrichtung bereitgestellt, die Folgendes umfasst: eine Lichtbogendetektionsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt; und einen Aktor, gekoppelt mit der Lichtbogendetektionsvorrichtung und ausgelegt zum Öffnen der geschützten Schaltung als Reaktion darauf, dass bestimmt wird, dass ein Lichtbogen erzeugt wurde.
In einem dritten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Lichtbogendetektionsvorrichtung bereitgestellt, das Folgendes umfasst: Bereitstellen einer Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung, ausgelegt zum Empfangen mindestens eines Signals eines Spannungssignals oder eines Stromsignals und Erzeugen mehrerer Signale mehrerer Frequenzbänder auf der Grundlage des mindestens einen Signals; und Bereitstellen eines Lichtbogenbestimmungsmittels, gekoppelt mit der Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung zum Empfangen der mehreren Signale der mehreren Frequenzbänder und Bestimmen einer Erzeugung eines Lichtbogens auf der Grundlage des mindestens einen Signals der mehreren Signale.
In einem vierten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein elektrisches Leistungssystem bereitgestellt. Das elektrische Leistungssystem umfasst eine Lichtbogenfehlerschutzeinrichtung gemäß dem zweiten Aspekt; und eine Last, gekoppelt mit einem Aktor in der Lichtbogenfehlerschutzeinrichtung und ausgelegt zum Empfangen von elektrischer Leistung über den Aktor.
Diese Kurzdarstellung der Erfindung wird bereitgestellt, um die Auswahl der Konzepte auf vereinfachte Weise zu erläutern, und sie werden nachstehend in der spezifischen Beschreibung näher beschrieben. Diese Kurzdarstellung der Erfindung soll weder Hauptmerkmale oder wesentliche Merkmalen der Offenbarung identifizieren, noch soll sie den Schutzumfang der Offenbarung einschränken.
Figurenliste
Die oben beschriebenen Eigenschaften, technischen Merkmale, Vorteile und Implementierungsweise der vorliegenden Offenbarung werden nachstehend deutlich und leicht verständlich basierend auf einer Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, in denen Folgendes gilt:

1 ist ein schematisches Blockdiagramm einer herkömmlichen Lichtbogenfehlerschutzeinrichtung;
2 ist ein schematisches Diagramm der Frequenzspektren eines idealen Signals, eines Rauschsignals und eines Lichtbogensignals;
3 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Lichtbogenfehlerschutzeinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
4 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Beispiels der in 3 gezeigten Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung;
5 ist ein schematisches Schaltbild eines Beispiels eines in 4 gezeigten Bandpassfilters;
6 ist ein schematisches Schaltbild eines Beispiels eines variablen Bandpassfilters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
7 ist ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Lichtbogendetektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und
8 ist ein schematisches Diagramm einer Systemumgebung, die eine Lichtbogendetektionsvorrichtung umfasst, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.

Bezugszeichenliste

1: Elektrisches Leistungssystem;
10: Herkömmliche Lichtbogendetektionsvorrichtung;
12: Last;
14: Last;
16: Last;
20: Niederfrequenzkomponenten-Detektionsvorrichtung;
21: Niederfrequenzstrom-Detektionsvorrichtung;
22: Niederfrequenzspannung-Detektionsvorrichtung;
23: Tiefpassfilter;
24: Tiefpassfilter;
25: Operationsverstärker;
26: Operationsverstärker;
30: Hochfrequenzkomponenten-Detektionsvorrichtung;
31: Hochfrequenzspannung/-strom-Detektionsvorrichtung;
32: Bandpassfilter;
33: Logarithmischer Detektorverstärker;
40: Lichtbogenbestimmungsmittel;
41: Analog-Digital-Umsetzer;
42: Mikrocontroller;
50: Aktor;
61: Idealsignalspektrum;
62: Rauschsignalspektrum;
63: Lichtbogensignalspektrum;
100: Lichtbogendetektionsvorrichtung;
120: Niederfrequenzkomponenten-Detektionsvorrichtung;
121: Niederfrequenzstrom-Detektionsvorrichtung;
122: Niederfrequenzspannung-Detektionsvorrichtung;
123: Tiefpassfilter;
124: Tiefpassfilter;
125: Operationsverstärker;
126: Operationsverstärker;
130: Hochfrequenzkomponenten-Detektionsvorrichtung;
131: Hochfrequenzspannung/-strom-Detektionsvorrichtung;
132: Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung;
133: Logarithmischer Detektorverstärker;
135: Erster Multikanalschalter;
136: Variable Bandpassfilterungsvorrichtung;
136A: Bandpassfilter 1;
136B: Bandpassfilter 2;
136C: Bandpassfilter 3;
136D: Bandpassfilter 4;
136E: Bandpassfilter 5;
137: Zweiter Mehrkanalschalter;
140: Lichtbogenbestimmungsmittel;
141: Analog-Digital-Umsetzer;
142: Mikrocontroller;
150: Aktor
IN: Eingangsanschluss;
OUT: Ausgangsanschluss;
R1: Widerstand;
R2: Widerstand;
R11: Widerstand;
R12: Widerstand;
C1: Kondensator;
C2: Kondensator;
C3: Kondensator;
C4: Kondensator;
C5: Kondensator;
C6: Kondensator;
C7: Kondensator;
C11: Variabler Kondensator;
C12: Variabler Kondensator;
C13: Variabler Kondensator;
C14: Variabler Kondensator;
C15: Variabler Kondensator;
C16: Variabler Kondensator;
C17: Variabler Kondensator;
L1: Induktivität;
L2: Induktivität;
L3: Induktivität;
L4: Induktivität;
L11: Induktivität;
L12: Induktivität;
L13: Induktivität;
L14: Induktivität;

Spezifische Ausführungsformen
Im Folgenden werden die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf einige in den Zeichnungen gezeigte beispielhafte Ausführungsformen beschrieben. Obgleich bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung in den Zeichnungen gezeigt sind, versteht es sich, dass diese Ausführungsformen lediglich Fachleuten ein besseres Verständnis und eine bessere Implementierung der vorliegenden Offenbarung ermöglichen sollen und auf keine Weise den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung einschränken sollen.
Der Begriff „umfassend“, wie hier verwendet, und Varianten davon sind von offener einschließender Bedeutung, also „aufweisend aber nicht beschränkt auf“. Der Begriff „oder“ bedeutet „und/oder“, sofern nicht speziell etwas anderes angegeben ist. Der Ausdruck „auf der Grundlage von“ bedeutet „zumindest teilweise basierend auf“. Die Ausdrücke „eine beispielhafte Ausführungsform“ und „eine Ausführungsform“ bedeuten „mindestens eine beispielhafte Ausführungsform“. Der Ausdruck „eine andere Ausführungsform“ bedeutet „mindestens eine zusätzliche Ausführungsform“. Die Begriffe „erstes/erster/erste“, „zweites/zweiter/zweite“ usw. können sich auf unterschiedliche oder dieselben Objekte beziehen. Andere explizite oder implizite Definitionen können ebenfalls im Folgenden enthalten sein.
Wie oben erwähnt, reduzieren bestehende Überstromschutzeinrichtungen und Fehlerstromschutzeinrichtungen Risiken von durch Lichtbogenfehler zwischen stromführenden Leitern verursachten Elektrobränden nicht. Derzeit sind einige Lichtbogenfehlerschutzeinrichtung zum Detektieren der Erzeugung von Lichtbögen verfügbar. Beispielsweise kann eine herkömmliche Lichtbogenfehlerschutzeinrichtung durch Analysieren eines Stroms und/oder einer Spannung in einem elektrischen System bestimmen, ob ein Lichtbogen erzeugt wurde. Eine bestehende Lichtbogenfehlerschutzeinrichtung kann jedoch fälschlicherweise bestimmen, dass ein Lichtbogen erzeugt wurde, oder die Erzeugung eines Lichtbogens nicht korrekt detektieren. Beispielsweise umfasst eine bestehende bekannte Lichtbogenschutzschaltung in der Regel nur eine Schutzvorrichtung für ein einziges Frequenzband, die keine Komponenten außerhalb des Frequenzbands detektieren kann.
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben erkannt, dass, obgleich sich die Spektralverteilung von Lichtbogensignalen in der Regel in Hochfrequenzbereichen befindet und die Erzeugung eines Lichtbogens in der Regel durch die Detektion in einem einzigen Hochfrequenzband bestimmt werden kann, in einigen Fällen die Komponenten eines Rauschsignals in einem gewissen Frequenzband mit den Komponenten eines Lichtbogensignals in diesem Frequenzband vergleichbar sein können. Daher kann dann, wenn sich das Hochfrequenzdetektionsband der Lichtbogendetektionsvorrichtung in diesem Frequenzband befindet und die Komponenten eines Zufallsrauschens in diesem Frequenzband eine Bedingung zum Bestimmen der Erzeugung eines Lichtbogens erfüllen, eine Fehlerdetektion aufgrund des Vorliegens eines Rauschsignals erfolgen. Wenn beispielsweise kein Lichtbogen erzeugt wurde, bestimmt die Lichtbogendetektionsvorrichtung aufgrund des Vorliegens des Rauschsignals fehlerhafterweise, dass ein Lichtbogen erzeugt wurde, und implementiert dementsprechend eine Schutzmaßnahme. Dies wirkt sich auf die normale Verwendung elektrischer Leistung aus und kann zu ernsthaften Konsequenzen wie Datenverlust, Produktionsunterbrechung usw. aufgrund eines Stromausfalls führen.
Darüber hinaus erfüllen, aufgrund der Zufälligkeit der Spektralverteilung von Lichtbogensignalen, in einigen Fällen, obgleich ein Lichtbogen erzeugt wurde, die Komponenten des durch eine herkömmliche Lichtbogendetektionsvorrichtung detektieren Lichtbogens in dem Frequenzband eine Bedingung zum Bestimmen der Erzeugung des Lichtbogens nicht (liegen beispielsweise leicht unterhalb einer Schwelle), wobei die Komponenten des Lichtbogens in einem anderen Frequenzband jedoch hoch sind. Als Ergebnis wird die Erzeugung eines Lichtbogens nicht korrekt detektiert, und somit kann das elektrische Leistungssystem nicht effektiv geschützt werden. Obgleich Auslassungen durch Erweitern des durch eine herkömmliche Lichtbogendetektionsvorrichtung detektierten einzigen Frequenzbands vermieden werden können, ist ein erweitertes Frequenzband äußerst komplex und stellt eine Herausforderung für eine Filterungsschaltung und eine anschließende Verstärkungsschaltung dar und führt dementsprechend zu einem starken Anstieg der Kosten.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird eine Lösung zum Detektieren eines Lichtbogens bereitgestellt. In dieser Lösung wird mindestens ein Signal eines Strom- und/oder Spannungssignals einer Frequenz-Sweep-Filterung durch eine Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung unterzogen, sodass Komponenten des mindestens einen Signals in unterschiedlichen Frequenzbändern erhalten werden können und auf der Grundlage mindestens eines Komponentensignals der Komponenten in den unterschiedlichen Frequenzbändern bestimmt werden kann, ob ein Lichtbogen erzeugt wurde. Somit kann eine Störung durch Rauschsignale vermieden werden und die Erzeugung eines Lichtbogens genauer bestimmt werden, wodurch eine fehlerhafte Detektion eines Lichtbogens und eine Fehlfunktion verhindert werden. Darüber hinaus kann die Beschränkung einer herkömmlichen Lichtbogendetektionsvorrichtung, dass sie eine Detektion in einem einzigen Frequenzband durchführt, überwunden werden, wodurch Auslassungen bei der Beurteilung von Lichtbögen verhindert werden.
Im Folgenden werden einige beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist ein schematisches Blockdiagramm einer herkömmlichen Lichtbogendetektionsvorrichtung. Die herkömmliche Lichtbogenfehlerschutzvorrichtung 10 umfasst eine Niederfrequenzkomponenten-Detektionsvorrichtung 20, eine Hochfrequenzkomponenten-Detektionsvorrichtung 30, ein Lichtbogenbestimmungsmittel 40 und einen Aktor 50, wobei die Niederfrequenzkomponenten-Detektionsvorrichtung 20, die Hochfrequenzkomponenten-Detektionsvorrichtung 30 und das Lichtbogenbestimmungsmittel 40 eine Lichtbogendetektionsvorrichtung bilden.
Die Niederfrequenzkomponenten-Detektionsvorrichtung 20 umfasst zwei Detektionspfade. Einer der zwei Detektionspfade umfasst eine Niederfrequenzstrom-Detektionsvorrichtung 21, ein Tiefpassfilter 23 und einen Operationsverstärker 25. Die Niederfrequenzstrom-Detektionsvorrichtung 21 kann ein Niederfrequenzstromsensor sein und ist zum Detektieren von Niederfrequenzkomponenten in einem Strom in einem elektrischen Leistungssystem ausgelegt. Das Tiefpassfilter 23 kann ein Stromsignal von der Niederfrequenzstrom-Detektionsvorrichtung 21 filtern, um ein gewünschtes Niederfrequenzkomponentensignal zu erhalten. Da ein gefiltertes Signal im Allgemeinen eine geringe Amplitude aufweist und verstärkt werden muss, kann in einem Beispiel ein Operationsverstärker 25 bereitgestellt sein, um ein gefiltertes Signal zu verstärken.
Der andere der zwei Detektionspfade umfasst eine Niederfrequenzspannung-Detektionsvorrichtung 22, ein Tiefpassfilter 24 und einen Operationsverstärker 26. Die Niederfrequenzspannung-Detektionsvorrichtung 22 kann ein Niederfrequenzspannungssensor sein und ist zum Detektieren von Niederfrequenzkomponenten einer Spannung in einem elektrischen Leistungssystem ausgelegt. Das Tiefpassfilter 24 kann ein Spannungssignal von der Niederfrequenzspannung-Detektionsvorrichtung 22 filtern, um ein gewünschtes Niederfrequenzkomponentensignal zu erhalten. Da ein gefiltertes Signal im Allgemeinen eine geringe Amplitude aufweist und verstärkt werden muss, kann in einem Beispiel ein Operationsverstärker 26 bereitgestellt sein, um ein gefiltertes Signal zu verstärken.
Die Hochfrequenzkomponenten-Detektionsvorrichtung 30 umfasst eine Hochfrequenzspannung/-strom-Detektionsvorrichtung 31, ein Bandpassfilter 32 und einen logarithmischen Detektorverstärker 33. Es versteht sich, dass in der vorliegenden Offenbarung niedrige Frequenzen im Allgemeinen auf relativ niedrige Frequenzen verweisen, beispielsweise Frequenzen von nicht mehr als 100 kHz, und hohe Frequenzen im Allgemeinen auf relativ hohe Frequenzen verweisen, beispielsweise Frequenzen von mehr als 100 kHz. Ähnlich wie die Niederfrequenzstrom-Detektionsvorrichtung 21 und die Niederfrequenzspannung-Detektionsvorrichtung 22 kann die Hochfrequenzspannung/-strom-Detektionsvorrichtung 31 ein Hochfrequenzspannung/-stromsensor sein und ist sie zum Detektieren von Hochfrequenzkomponenten in einer Spannung und/oder einem Strom in einem elektrischen Leistungssystem ausgelegt. Ein Bandpassfilter kann ein Spannungssignal und/oder ein Stromsignal von der Hochfrequenzspannung/-strom-Detektionsvorrichtung 31 filtern, um ein gewünschtes Hochfrequenzkomponentensignal zu erhalten. Da ein gefiltertes Signal im Allgemeinen eine geringe Amplitude aufweist und verstärkt werden muss, kann in einem Beispiel ein logarithmischer Detektorverstärker 33 bereitgestellt sein, um ein gefiltertes Signal zu verstärken.
Das Lichtbogenbestimmungsmittel 40 umfasst einen Analog-Digital-Umsetzer 41 und einen Mikrocontroller 42. Der Analog-Digital-Umsetzer 41 ist ausgelegt zum Umsetzen von empfangenen gefilterten Niederfrequenzspannungs- und Niederfrequenzstromsignalen sowie gefilterten Hochfrequenzspannungssignalen und/oder -stromsignalen von analogen Signalen in digitale Signale. Der Mikrocontroller 42 kann dann Berechnungen, Vergleiche und/oder Beurteilungen auf der Grundlage der empfangenen Signale in digitaler Form durchführen, um zu bestimmen, ob ein Lichtbogen erzeugt wurde. Wenn bestimmt wird, dass ein Lichtbogen erzeugt wurde, steuert der Mikrocontroller 42 den Aktor 50 zum Durchführen einer entsprechenden Schutzoperation, beispielsweise Öffnen einer Schaltung in dem elektrischen Leistungssystem.
2 ist ein schematisches Diagramm der Frequenzspektren eines idealen Signals, eines Rauschsignals und eines Lichtbogensignals, wobei die horizontale Achse die Frequenz (MHz) darstellt, die vertikale Achse die Hochfrequenzleistung (dBm/300 kHz BB) darstellt, die Kurve 61 die Signalspektralverteilung unter idealen Bedingungen darstellt, die Kurve 62 die Spektralverteilung eines Zufallsrauschsignals darstellt und die Kurve 63 die Spektralverteilung eines Lichtbogens darstellt. Wie in 2 gezeigt, sind in diesem Beispiel die Signalkomponenten des Zufallsrauschsignals 62 bei 15 MHz vergleichbar mit den Signalkomponenten des Lichtbogensignals 63 bei 15 MHz. In diesem Fall kann dann, wenn das Detektionsband der herkömmlichen Lichtbogenfehlerschutzvorrichtung 10 nahe bei 15 MHz liegt, die herkömmliche Lichtbogenfehlerschutzvorrichtung 10 fälschlicherweise das Zufallsrauschsignal als ein Lichtbogensignal bestimmen und eine entsprechende fehlerhafte Operation durchführen.
Es versteht sich, dass aufgrund der Zufälligkeit und Diversität von in einem elektrischen Leistungssystem erzeugten Zufallsrauschsignalen, insbesondere der Komplexität und Diversität von Lasten, die Spektralverteilung von Zufallsrauschsignalen verschiedene Spektralverteilungsmuster aufweisen kann. Darüber hinaus versteht es sich, dass die Verteilung von Lichtbogensignalen im gesamten Spektralbereich nicht gleichmäßig ist und sich möglicherweise mit der Frequenz ändert. Daher weisen Komponenten eines Lichtbogens in einigen Frequenzbändern geringe Amplituden und in einigen anderen Frequenzbändern hohe Komponentenamplituden auf. Bei Verwendung einer herkömmlichen Lichtbogendetektionsvorrichtung, die eine Detektion in einem einzigen festgelegten Hochfrequenzband durchführt, ist die Lichtbogendetektionsvorrichtung möglicherweise nicht in der Lage, die Erzeugung eines Lichtbogens korrekt zu detektieren.
3 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Lichtbogenfehlerschutzeinrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die Lichtbogenfehlerschutzeinrichtung 100 umfasst eine Niederfrequenzkomponenten-Detektionsvorrichtung 120, eine Hochfrequenzkomponenten-Detektionsvorrichtung 130, ein Lichtbogenbestimmungsmittel 140 und einen Aktor 150, wobei die Niederfrequenzkomponenten-Detektionsvorrichtung 120, die Hochfrequenzkomponenten-Detektionsvorrichtung 130 und das Lichtbogenbestimmungsmittel 140 eine Lichtbogendetektionsvorrichtung bilden.
Die Niederfrequenzkomponenten-Detektionsvorrichtung 120 umfasst zwei Detektionspfade. Einer der zwei Detektionspfade umfasst eine Niederfrequenzstrom-Detektionsvorrichtung 121, ein Tiefpassfilter 123 und einen Operationsverstärker 125. Die Niederfrequenzstrom-Detektionsvorrichtung 121 kann ein Niederfrequenzstromsensor sein und ist zum Detektieren von Niederfrequenzkomponenten in einem Strom in einem elektrischen Leistungssystem ausgelegt. Das Tiefpassfilter 123 kann eine Tiefpassfilterung an einem Stromsignal von der Niederfrequenzstrom-Detektionsvorrichtung 121 durchführen, um ein gewünschtes Niederfrequenzkomponentensignal zu erhalten. Da ein gefiltertes Signal im Allgemeinen eine geringe Amplitude aufweist und verstärkt werden muss, kann in einem Beispiel ein Operationsverstärker 125 bereitgestellt sein, um ein gefiltertes Signal zu verstärken.
Es versteht sich, dass, obgleich in 3 ein Operationsverstärker 125 gezeigt ist, dies lediglich Veranschaulichungszwecken dient und den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränkt. In einer Ausführungsform ist der Operationsverstärker 125 möglicherweise nicht bereitgestellt, und ein gefiltertes Signal kann durch das Tiefpassfilter 123 direkt an das Lichtbogenbestimmungsmittel 140 ausgegeben werden. Obgleich die Niederfrequenzstrom-Detektionsvorrichtung 121, das Tiefpassfilter 123 und der Operationsverstärker 125 in 3 als separate Vorrichtungen gezeigt sind, dient dies lediglich Veranschaulichungszwecken und schränkt den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht ein. In einer Ausführungsform können mindestens zwei der Niederfrequenzstrom-Detektionsvorrichtung 121, des Tiefpassfilters 123 und des Operationsverstärkers 125 in einer einzigen Vorrichtung integriert sein. In einem anderen Beispiel kann der Operationsverstärker 125 in dem Lichtbogenbestimmungsmittel 140 integriert sein.
Der andere der zwei Detektionspfade umfasst eine Niederfrequenzspannung-Detektionsvorrichtung 122, ein Tiefpassfilter 124 und einen Operationsverstärker 126. Die Niederfrequenzspannung-Detektionsvorrichtung 122 kann ein Niederfrequenzspannungssensor sein und ist zum Detektieren von Niederfrequenzkomponenten einer Spannung in einem elektrischen Leistungssystem ausgelegt. Das Tiefpassfilter 124 kann eine Tiefpassfilterung an einem Spannungssignal von der Niederfrequenzspannung-Detektionsvorrichtung 122 durchführen, um ein gewünschtes Niederfrequenzkomponentensignal zu erhalten. Da ein gefiltertes Signal im Allgemeinen eine geringe Amplitude aufweist und verstärkt werden muss, kann in einem Beispiel ein Operationsverstärker 126 bereitgestellt sein, um ein gefiltertes Signal zu verstärken.
Es versteht sich, dass, obgleich in 3 ein Operationsverstärker 126 gezeigt ist, dies lediglich Veranschaulichungszwecken dient und den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränkt. In einer Ausführungsform ist der Operationsverstärker 126 möglicherweise nicht bereitgestellt, und ein gefiltertes Signal kann durch das Tiefpassfilter 124 direkt an das Lichtbogenbestimmungsmittel 140 ausgegeben werden. Obgleich die Niederfrequenzstrom-Detektionsvorrichtung 122, das Tiefpassfilter 124 und der Operationsverstärker 126 in 3 als separate Vorrichtungen gezeigt sind, dient dies lediglich Veranschaulichungszwecken und schränkt den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht ein. In einer Ausführungsform können mindestens zwei der Niederfrequenzstrom-Detektionsvorrichtung 122, des Tiefpassfilters 124 und des Operationsverstärkers 126 in einer einzigen Vorrichtung integriert sein. In einem anderen Beispiel kann der Operationsverstärker 126 in dem Lichtbogenbestimmungsmittel 140 integriert sein.
Die Hochfrequenzkomponenten-Detektionsvorrichtung 130 umfasst eine Hochfrequenzspannung/-strom-Detektionsvorrichtung 131, eine Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung 132 und einen logarithmischen Detektorverstärker 133. Es versteht sich, dass in der vorliegenden Offenbarung niedrige Frequenzen im Allgemeinen auf relativ niedrige Frequenzen verweisen, beispielsweise Frequenzen von nicht mehr als 100 kHz, und hohe Frequenzen im Allgemeinen auf relativ hohe Frequenzen verweisen, beispielsweise Frequenzen von mehr als 100 kHz. Ähnlich wie die Niederfrequenzstrom-Detektionsvorrichtung 121 und die Niederfrequenzspannung-Detektionsvorrichtung 122 kann die Hochfrequenzspannung/-strom-Detektionsvorrichtung 131 ein Hochfrequenzspannung/-stromsensor sein und ist sie zum Detektieren von Hochfrequenzkomponenten in einer Spannung und/oder einem Strom in einem elektrischen Leistungssystem ausgelegt.
Die Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung 132 kann eine Frequenz-Sweep-Filterung an einem Spannungssignal und/oder einem Stromsignal von der Hochfrequenzspannung/-strom-Detektionsvorrichtung 131 durchführen, um gewünschte Hochfrequenzkomponentensignale in verschiedenen Frequenzbändern zu erhalten. In einem Beispiel kann die Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung 132 eine Frequenz-Sweep-Filterung an Komponenten eines Spannungssignals und/oder eines Stromsignals von der Hochfrequenzspannung/-strom-Detektionsvorrichtung 131 in sequenziell verschiedenen Frequenzbändern durchführen. Beispielsweise kann die Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung 132 eine Frequenz-Sweep-Filterung sequenziell auf einem ersten Frequenzband von 1,75 MHz bis 2,25 MHz, einem zweiten Frequenzband von 5,65 MHz bis 6,35 MHz, einem dritten Frequenzband von 9,5 MHz bis 10,5 MHz, einem vierten Frequenzband von 13,35 MHz bis 14,65 MHz und einem fünften Frequenzband von 17 MHz bis 19 MHz durchführen. Anschließend kann die Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung 132 von dem fünften Frequenzband zu dem ersten Frequenzband zurückkehren und die Frequenz-Sweep-Filterung fortsetzen.
Obgleich die Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung 132 eine Frequenz-Sweep-Filterung sequenziell von dem ersten Frequenzband bis zu dem fünften Frequenzband durchführt, dann zu dem ersten Frequenzband zurückkehrt und die Frequenz-Sweep-Filterung fortsetzt, dient dies lediglich Veranschaulichungszwecken und schränkt den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht ein. Beispielsweise kann die Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung 132 eine Frequenz-Sweep-Filterung auch sequenziell von dem fünften Frequenzband bis zu dem ersten Frequenzband durchführen, dann zu dem fünften Frequenzband zurückkehren und die Frequenz-Sweep-Filterung fortsetzen.
In einem anderen Beispiel kann die Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung 132 eine Frequenz-Sweep-Filterung an Komponenten eines Spannungssignals und/oder eines Stromsignals von der Hochfrequenzspannung/-strom-Detektionsvorrichtung 131 zufällig in mehreren Frequenzbändern durchführen. Die mehreren Frequenzbänder können beispielsweise aus mindestens drei Frequenzbändern von mehr als 100 kHz ausgewählt werden.
In einem Beispiel kann die Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung 132 durch Zufallsentscheidung eine Frequenz-Sweep-Filterung an einem ersten Frequenzband von 1,75 MHz bis 2,25 MHz, einem zweiten Frequenzband von 5,65 MHz bis 6,35 MHz, einem dritten Frequenzband von 9,5 MHz bis 10,5 MHz, einem vierten Frequenzband von 13,35 MHz bis 14,65 MHz und einem fünften Frequenzband von 17 MHz bis 19 MHz durchführen. Beispielsweise kann die Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung 132 durch Zufallsentscheidung eine Frequenz-Sweep-Filterung sequenziell an dem dritten Frequenzband, dem zweiten Frequenzband, dem fünften Frequenzband, dem fünften Frequenzband, dem ersten Frequenzband... usw. durchführen.
Obgleich in dem oben beschriebenen Beispiel gezeigt ist, dass die Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung 132 aus fünf Frequenzbändern wählt, dient dies lediglich Veranschaulichungszwecken und schränkt den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht ein. Beispielsweise kann die Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung 132 eine Frequenz-Sweep-Filterung abwechselnd durchführen oder eine Frequenz-Sweep-Filterung durch Zufallsauswahl an einem ersten Frequenzband von 1,75 MHz bis 2,25 MHz, einem dritten Frequenzband von 9,5 MHz bis 10,5 MHz, einem fünften Frequenzband von 17 MHz bis 19 MHz durchführen. Beispielsweise kann die Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung 132 eine Frequenz-Sweep-Filterung durch Zufallsauswahl an einem ersten Frequenzband von 1,75 MHz bis 2,25 MHz, einem dritten Frequenzband von 9,5 MHz bis 10,5 MHz, einem vierten Frequenzband von 13,35 MHz bis 14,65 MHz und einem fünften Frequenzband von 17 MHz bis 19 MHz durchführen.
Obgleich das erste bis fünfte Frequenzband in dem oben beschriebenen Beispiel als von 1,75 MHz bis 2,25 MHz, von 5,65 MHz bis 6,35 MHz, von 9,5 MHz bis 10,5 MHz, von 13,35 MHz bis 14,65 MHz bzw. von 17 MHz bis 19 MHz gezeigt sind, dient dies lediglich Veranschaulichungszwecken und schränkt den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht ein. Beispielsweise können das erste bis fünfte Frequenzband von 1,8 MHz bis 2,2 MHz, von 5,6 MHz bis 6,4 MHz, von 9,3 MHz bis 10,7 MHz, von 13,3 MHz bis 14,7 MHz bzw. von 16 MHz bis 20 MHz liegen.
In dem oben beschriebenen Beispiel ist die Sweep-Frequenz für das erste bis fünfte Frequenzband auf mindestens das Fünffache des der Netzfrequenz (50 Hz/60 Hz) entsprechenden Zyklus eingestellt sein, um sicherzustellen, dass die fünf Frequenzbänder in einem einzigen Zyklus gescannt werden. Anders ausgedrückt kann der Frequenz-Sweep-Zyklus für jedes Frequenzband so eingestellt sein, dass er mindestens der der Netzfrequenz (50 Hz/60 Hz) entsprechende Zyklus ist, beispielsweise 0,02 Sekunden. Es versteht sich, dass auch andere Einstellungen des Frequenz-Sweep-Zyklus verwendet werden können.
Da ein gefiltertes Signal im Allgemeinen eine geringe Amplitude aufweist und verstärkt werden muss, kann in einem Beispiel ein logarithmischer Detektorverstärker 133 bereitgestellt sein, um ein gefiltertes Signal zu verstärken, um ein RSSI-Signal (RSSI: Received Signal Strength Indicator - Empfangssignalstärkeindikator) zu erzeugen. Es versteht sich, dass, obgleich in 3 der logarithmische Detektorverstärker 133 gezeigt ist, dies lediglich Veranschaulichungszwecken dient und den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränkt.
In einer Ausführungsform ist der Operationsverstärker 126 möglicherweise nicht bereitgestellt, und stattdessen wird ein gefiltertes Signal unter Verwendung eines Operationsverstärkers verstärkt, oder ein gefiltertes Signal wird durch die Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung 132 direkt an das Lichtbogenbestimmungsmittel 140 ausgegeben. Obgleich die Hochfrequenzspannung/-strom-Detektionsvorrichtung 131, die Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung 132 und der logarithmische Detektorverstärker 133 in 3 als separate Vorrichtungen gezeigt sind, dient dies lediglich Veranschaulichungszwecken und schränkt den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht ein. In einer Ausführungsform können mindestens zwei der Hochfrequenzspannung/-strom-Detektionsvorrichtung 131, der Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung 132 und des logarithmischen Detektorverstärkers 133 in einer einzigen Vorrichtung integriert sein. In einem anderen Beispiel kann der logarithmische Detektorverstärker 133 in dem Lichtbogenbestimmungsmittel 140 integriert sein.
Das Lichtbogenbestimmungsmittel 140 umfasst einen Analog-Digital-Umsetzer 141 und einen Mikrocontroller 142. Der Analog-Digital-Umsetzer 141 ist ausgelegt zum Umsetzen von empfangenen gefilterten Niederfrequenzspannungs- und Niederfrequenzstromsignalen sowie gefilterten Hochfrequenzspannungssignalen und/oder -stromsignalen von analogen Signalen in digitale Signale. Der Mikrocontroller 142 kann dann Berechnungen, Vergleiche und/oder Beurteilungen auf der Grundlage der empfangenen Signale in digitaler Form durchführen, um zu bestimmen, ob ein Lichtbogen erzeugt wurde.
Wenn bestimmt wird, dass ein Lichtbogen erzeugt wurde, steuert der Mikrocontroller 142 den Aktor 150 zum Durchführen einer entsprechenden Schutzoperation, beispielsweise Öffnen einer Schaltung in dem elektrischen Leistungssystem.
Obgleich in diesem Beispiel gezeigt ist, dass das Lichtbogenbestimmungsmittel 140 einen Analog-Digital-Umsetzer 141 und einen Mikrocontroller 142 umfasst, dient dies lediglich Veranschaulichungszwecken und schränkt den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht ein. Das Lichtbogenbestimmungsmittel 140 kann einen Komparator, einen Integrator, einen digitalen Signalprozessor (DSP), ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA) und eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) zum Durchführen von Funktionen zum Bestimmen der Erzeugung eines Lichtbogens umfassen.
In einem Beispiel vergleicht das Lichtbogenbestimmungsmittel 140 das digitale Signal mit einer vorbestimmten Amplitudenschwelle, um die Erzeugung des Lichtbogens zu bestimmen. In einem anderen Beispiel vergleicht das Lichtbogenbestimmungsmittel 140 einen statistischen Wert des digitalen Signals mit einer vorbestimmten statistischen Schwelle, um die Erzeugung des Lichtbogens zu bestimmen. In noch einem anderen Beispiel extrahiert das Lichtbogenbestimmungsmittel 140 Merkmale aus dem digitalen Signal unter Verwendung eines neuronalen Netzes oder von Deep Learning, führt eine Klassifikation auf der Grundlage der extrahierten Merkmale durch und bestimmt die Erzeugung des Lichtbogens auf der Grundlage eines Klassifikationsergebnisses.
Obgleich die oben beschriebenen drei Verfahren zum Bestimmen der Erzeugung eines Lichtbogens in Beispielen der vorliegenden Offenbarung gezeigt sind, sind diese lediglich beispielhaft und schränken die vorliegende Offenbarung nicht ein. Beispielsweise versteht es sich, dass, obgleich die oben beschriebenen drei Bestimmungsverfahren einzeln verwendet werden können, um zu bestimmen, ob ein Lichtbogen erzeugt wurde, diese drei Verfahren auch kombiniert werden können, um die Genauigkeit der Lichtbogenbeurteilung zu verbessern. In anderen Beispielen können auch andere Verfahren verwendet werden, um auf der Grundlage empfangener Daten zu bestimmen, ob ein Lichtbogen erzeugt wurde.
4 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Beispiels der in 3 gezeigten Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung 132. In dem in 4 gezeigten Beispiel umfasst die Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung 132 einen ersten Mehrkanalschalter 135, mehrere Bandpassfilter 136 und einen zweiten Mehrkanalschalter 137. Der erste Mehrkanalschalter 135 kann durch einen Hochfrequenzschalter implementiert sein und weist einen einzigen Eingangsanschluss und mehrere Ausgangsanschlüsse zur Bildung mehrerer auswählbarer Übertragungskanäle auf. Der erste Mehrkanalschalter 135 ist ausgelegt zum Empfangen einer Eingabe von der Hochfrequenzspannung/-strom-Detektionsvorrichtung 131 und zum selektiven Einschalten eines Übertragungskanals der mehreren Kanäle, um die Eingabe zu übertragen.
Beispielsweise kann der erste Mehrkanalschalter 135 gemäß der oben genannten abwechselnden Frequenz-Sweep-Filterung oder zufälligen Frequenz-Sweep-Filterung mehrere Kanäle nacheinander oder zufällig einschalten. Es versteht sich, dass die Anzahl auswählbarer Kanäle in dem ersten Mehrkanalschalter 135 der Anzahl an Bandpassfiltern in den mehreren Bandpassfiltern 136 entspricht.
In dem in 4 gezeigten Beispiel beinhalten die mehreren Bandpassfilter 136 fünf Bandpassfilter 136A, 136B, 136C, 136D und 136E, die einem ersten Frequenzband von 1,75 MHz bis 2,25 MHz, einem zweiten Frequenzband von 5,65 MHz bis 6,35 MHz, einem dritten Frequenzband von 9,5 MHz bis 10,5 MHz, einem vierten Frequenzband von 13,35 MHz bis 14,65 MHz bzw. einem fünften Frequenzband von 17 MHz bis 19 MHz entsprechen. Es versteht sich, dass eine größere oder kleinere Anzahl an Bandpassfiltern verwendet werden kann und das Filterungsfrequenzband nach Bedarf angepasst oder geändert werden kann.
Der zweite Mehrkanalschalter 137 kann durch einen Hochfrequenzschalter implementiert sein und weist mehrere Eingangsanschlüsse und einen einzigen Ausgangsanschluss zur Bildung mehrerer auswählbarer Übertragungskanäle auf. Der zweite Mehrkanalschalter 137 ist ausgelegt zum Empfangen einer Eingabe von mehreren Bandpassfiltern 136 und zum selektiven Einschalten eines Übertragungskanals von mehreren Kanälen, um die Eingabe zu übertragen.
Beispielsweise kann der zweite Mehrkanalschalter 137 gemäß der oben genannten abwechselnden Frequenz-Sweep-Filterung oder zufälligen Frequenz-Sweep-Filterung mehrere Kanäle nacheinander oder zufällig einschalten. Es versteht sich, dass die Anzahl auswählbarer Kanäle in dem zweiten Mehrkanalschalter 137 der Anzahl an Bandpassfiltern in den mehreren Bandpassfiltern 136 entspricht, wodurch eine eineindeutige Entsprechung mit dem ersten Mehrkanalschalter 135 entsteht, sodass mehrere Paare von Kanälen gebildet werden. Somit ist der zweite Mehrkanalschalter 137 dazu ausgelegt, eines der Paare von Kanälen gleichzeitig mit dem ersten Mehrkanalschalter 135 einzuschalten, um ein gefiltertes Signal zu übertragen.
Beispielsweise sind der erste Mehrkanalschalter 135 und der zweite Mehrkanalschalter 137 dazu ausgelegt, mehrere Paare von Kanälen nacheinander einzuschalten. In einem anderen Beispiel sind der erste Mehrkanalschalter 135 und der zweite Mehrkanalschalter 137 dazu ausgelegt, mehrere Paare von Kanälen zufällig einzuschalten.
Obgleich in 4 ein schematisches Blockdiagramm eines Beispiels der Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung 132 gezeigt ist, ist dies lediglich beispielhaft und schränkt den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht ein. Beispielsweise kann die Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung 132 ein einziges variables Bandpassfilter aufweisen, und das Frequenz-Sweep-Frequenzband des variablen Bandpassfilters kann nach Bedarf zum Durchführen einer Bandpassfilterung auf anderen Frequenzbändern konfiguriert werden. Beispielsweise kann ein variables Bandpassfilter einen variablen Kondensator und/oder einen variablen Widerstand umfassen. Der Kapazitätswert und/oder der Widerstandswert des variablen Kondensators und/oder des variablen Widerstands ist veränderbar, um das Filterungsfrequenzband des variablen Bandpassfilters anzupassen. In diesem Fall wird weder der erste Mehrkanalschalter 135 noch der zweite Mehrkanalschalter 137 benötigt.
5 ist ein schematisches Schaltbild eines Beispiels eines in 4 gezeigten Bandpassfilters 136A. Das Bandpassfilter 136A empfängt ein Eingangssignal an einem Eingangsanschluss IN und gibt ein gefiltertes Signal an einem Ausgangsanschluss OUT aus. Das Bandpassfilter 136A kann einen Widerstand R1, einen Widerstand R2, einen Kondensator C1, einen Kondensator C2, einen Kondensator C3, einen Kondensator C4, einen Kondensator C5, einen Kondensator C6, einen Kondensator C7, eine Induktivität L1, eine Induktivität L2, eine Induktivität L3 und eine Induktivität L4 umfassen. Obgleich in 5 eine spezifische Komponentenkonfiguration und Komponentenverbindungsbeziehung des Bandpassfilters 136A gezeigt ist, versteht es sich, dass ein Bandpassfilter mit einer anderen Komponentenkonfiguration und Verbindungsbeziehung verwendet werden kann.
Die in 4 gezeigten fünf Bandpassfilter 136A, 136B, 136C, 136D und 136E können die gleiche Komponentenkonfiguration und die gleiche Verbindungsbeziehung aufweisen und sich nur hinsichtlich der Komponentenwerte (wie etwa Widerstandswert, Kapazitätswert und/oder Induktivitätswert) unterscheiden, um eine Filterung in unterschiedlichen Frequenzbändern zu erreichen.
6 ist ein schematisches Schaltbild eines Beispiels eines variablen Bandpassfilters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Das in 6 gezeigte variable Bandpassfilter weist eine ähnliche Komponententopologie wie das in 5 auf und empfängt ein Eingangssignal an dem Eingangsanschluss IN und gibt ein gefiltertes Signal an dem Ausgangsanschluss OUT aus. Das in 6 gezeigte variable Bandpassfilter kann einen Widerstand R11, einen Widerstand R12, einen variablen Kondensator C11, einen variablen Kondensator C12, einen variablen Kondensator C13, einen variablen Kondensator C14, einen variablen Kondensator C15, einen variablen Kondensator C16, einen variablen Kondensator C17, eine Induktivität L1, eine Induktivität L2, eine Induktivität L3 und eine Induktivität L4 umfassen.
Unterschiedliche Konfigurationsspannungen können an den variablen Kondensator C11, den variablen Kondensator C12, den variablen Kondensator C13, den variablen Kondensator C14, den variablen Kondensator C15, den variablen Kondensator C16 und den variablen Kondensator C17 angelegt werden, sodass sie unterschiedliche Kapazitätswerte aufweisen, wodurch ermöglicht wird, dass das variable Bandpassfilter unterschiedliche Frequenz-Sweep-Filterungsbänder aufweist.
Obgleich ein variables Bandpassfilter in dem in 6 gezeigten Beispiel durch Anpassen der Kapazitätswerte variabler Kondensatoren implementiert wird, ist dies lediglich beispielhaft und schränkt den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht ein. In einem anderen Beispiel kann ein variables Bandpassfilter durch Anpassen von Widerstandswerten variabler Widerstände und/oder Induktivitätswerten variabler Induktivitäten implementiert werden. In noch einem anderen Beispiel sind die in 6 gezeigten Kondensatoren, Induktivitäten und Widerstände alle variable Komponenten, sodass sie unterschiedliche Kapazitätswerte, Induktivitätswerte und Widerstandswerte aufweisen, wodurch unterschiedliche Frequenz-Sweep-Filterungsbänder erreicht werden.
In einer anderen Ausführungsform kann eine Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung unter Verwendung einer Kombination eines variablen Bandpassfilters und eines Filters mit einem festgelegten Filterungsfrequenzband implementiert werden. Beispielsweise kann mindestens ein Bandpassfilter in dem Satz von Bandpassfiltern 136A - 136E in 4 durch ein variables Bandpassfilter ersetzt werden, um eine Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung zu implementieren.
7 ist ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens 200 zum Herstellen einer Lichtbogendetektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Bei 202 wird eine Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung bereitgestellt, wobei die Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung ausgelegt ist zum Empfangen mindestens eines Signals eines Spannungssignals oder eines Stromsignals und zum Erzeugen mehrerer Signale mehrerer Frequenzbänder auf der Grundlage des mindestens einen Signals. Bei 204 wird ein Lichtbogenbestimmungsmittel bereitgestellt. Das Lichtbogenbestimmungsmittel ist mit der Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung gekoppelt, um die mehreren Signale der mehreren Frequenzbänder zu empfangen und auf der Grundlage mindestens eines Signals von mehreren Signalen eine Erzeugung eines Lichtbogens zu bestimmen.
Es versteht sich, dass die vorstehend unter Bezugnahme auf 3 - 6 beschriebenen Merkmale auf das Verfahren 200 von 7 angewendet werden können.
8 ist ein schematisches Diagramm einer Systemumgebung, die eine Lichtbogendetektionsvorrichtung 10 umfasst, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Das elektrische Leistungssystem 1 ist beispielsweise ein kommerzielles elektrisches Leistungssystem, beispielsweise ein elektrisches Leistungssystem eines Haushalts oder ein elektrisches Leistungssystem eines Museums. Das elektrische Leistungssystem 1 kann mit dem Versorgungsanschluss eines Stromnetzes verbunden sein, um einen Wechselstrom V_AC zu empfangen. Das elektrische Leistungssystem 1 umfasst beispielsweise eine Lichtbogendetektionsvorrichtung 100 und einen Aktor 150, wie in 3 gezeigt, und mindestens eine Last.
Die mindestens eine Last empfängt einen Wechselstrom V_AC über den Aktor 150. Die mindestens eine Last kann beispielsweise ein in Privathäusern oder Museen verwendetes elektrisches Gerät sein, beispielsweise eine Anzeige, eine Klimaanlage oder eine Leuchte. In dem in 8 gezeigten Beispiel umfasst die mindestens eine Last eine erste Last 12, eine zweite Last 14 und eine dritte Last 16. Es versteht sich, dass, obgleich in 8 drei Lasten gezeigt sind, das elektrische Leistungssystem 1 weniger oder mehr Lasten umfassen kann und die Lasten vom gleichen Typ oder von unterschiedlichen Typen sein können.
Wenn die Lichtbogendetektionsvorrichtung 100 detektiert, dass ein Lichtbogen erzeugt wurde, kann die Lichtbogendetektionsvorrichtung 100 den Aktor 150 zum Öffnen der Leistungsversorgungsschaltung steuern, wodurch jede Last geschützt wird und die Sicherheit der Verwendung elektrischer Leistung sichergestellt wird.
Es versteht sich, dass, obgleich in der obigen ausführlichen Beschreibung verschiedene Vorrichtungen oder Teilvorrichtungen der Ausrüstung erwähnt werden, diese Unterteilung lediglich beispielhaft und nicht verbindlich ist. Tatsächlich können gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung Merkmale und Funktionen von zwei oder mehr vorstehend beschriebenen Vorrichtungen in einer Vorrichtung umgesetzt werden. Umgekehrt können Merkmale und Funktionen einer vorstehend beschriebenen Vorrichtung für Ausführungsformen weiter in mehrere Vorrichtungen unterteilt werden.
Bei dem vorstehend beschriebenen handelt es sich lediglich um optionale Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, die den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken sollen, und für Fachleute kann die vorliegende Offenbarung verschiedene Modifikationen und Änderungen aufweisen. Jegliche ohne Abweichung von der Idee oder dem Prinzip der vorliegenden Offenbarung vorgenommenen Modifikationen, äquivalenten Ersetzungen, Verbesserungen usw. sollen im Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung liegen.

Claims

Lichtbogendetektionsvorrichtung (100), die Folgendes umfasst: eine Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung (132), ausgelegt zum Empfangen mindestens eines Signals eines Spannungssignals oder eines Stromsignals und zum Erzeugen mehrerer Signale mehrerer Frequenzbänder auf der Grundlage des mindestens einen Signals; und ein Lichtbogenbestimmungsmittel (140), gekoppelt mit der Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung zum Empfangen der mehreren Signale der mehreren Frequenzbänder und Bestimmen einer Erzeugung eines Lichtbogens auf der Grundlage des mindestens einen Signals der mehreren Signale.
Lichtbogendetektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die mehreren Frequenzbänder aus mindestens drei Frequenzbändern von mehr als 100 kHz ausgewählt sind.
Lichtbogendetektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 2, wobei die mehreren Frequenzbänder Folgendes umfassen: ein erstes Frequenzband von 1,75 MHz bis 2,25 MHz, ein zweites Frequenzband von 5,65 MHz bis 6,35 MHz, ein drittes Frequenzband von 9,5 MHz bis 10,5 MHz, ein viertes Frequenzband von 13,35 MHz bis 14,65 MHz und ein fünftes Frequenzband von 17 MHz bis 19 MHz.
Lichtbogendetektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung Folgendes umfasst: einen ersten Mehrkanalschalter, ausgelegt zum Empfangen des mindestens einen Signals und, als Reaktion auf das Einschalten eines Kanals der ersten mehreren Kanäle, Übertragen des mindestens einen Signals über den Kanal; mehrere Bandpassfilter, die jeweils unterschiedliche Filterungsfrequenzbänder aufweisen und jeweils mit einem Kanal in dem ersten Mehrkanalschalter gekoppelt sind, um eine Bandpassfilterung an dem mindestens einen Signal durchzuführen; und einen zweiten Mehrkanalschalter, wobei jeder Kanal in dem zweiten Mehrkanalschalter jeweils mit einem der mehreren Bandpassfilter gekoppelt ist, um mehrere Paare von Kanälen mit dem entsprechenden Kanal in dem ersten Mehrkanalschalter zu bilden, und der zweite Mehrkanalschalter dazu ausgelegt ist, eines der mehreren Paare von Kanälen gleichzeitig mit dem ersten Mehrkanalschalter einzuschalten, wodurch ein gefiltertes Signal übertragen wird.
Lichtbogendetektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 4, wobei der erste Mehrkanalschalter und der zweite Mehrkanalschalter dazu ausgelegt sind, die mehreren Paare von Kanälen abwechselnd einzuschalten.
Lichtbogendetektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 4, wobei der erste Mehrkanalschalter und der zweite Mehrkanalschalter dazu ausgelegt sind, die mehreren Paare von Kanälen zufällig einzuschalten.
Lichtbogendetektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung ein variables Bandpassfilter umfasst, ausgelegt zum Anpassen eines Filterungsfrequenzbands zum Filtern unterschiedlicher Frequenzbänder in dem mindestens einen Signal, wodurch gefilterte Signale in unterschiedlichen Frequenzbändern ausgegeben werden.
Lichtbogendetektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 7, wobei das variable Bandpassfilter dazu ausgelegt ist, aus einem vorbestimmten Satz von Filterungsfrequenzbändern abwechselnd verschiedene Filterungsfrequenzbänder zum Filtern auszuwählen.
Lichtbogendetektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 7, wobei das variable Bandpassfilter dazu ausgelegt ist, aus einem vorbestimmten Satz von Filterungsfrequenzbändern zufällig verschiedene Filterungsfrequenzbänder zum Filtern auszuwählen.
Lichtbogendetektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 7, wobei das variable Bandpassfilter einen variablen Kondensator und/oder einen variablen Widerstand umfasst und zum Ändern des Werts des mindestens einen Elements ausgelegt ist, um das Filterungsfrequenzband anzupassen.
Lichtbogendetektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 1, die ferner Folgendes umfasst: einen logarithmischen Detektorverstärker und/oder einen Operationsverstärker, gekoppelt zwischen der Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung und dem Lichtbogenbestimmungsmittel und ausgelegt zum Verstärken der mehreren Signale.
Lichtbogendetektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei das Lichtbogenbestimmungsmittel Folgendes umfasst: einen Analog-Digital-Umsetzer, ausgelegt zum Umsetzen der mehreren Signale von analogen Signalen in digitale Signale; und einen Mikrocontroller, gekoppelt mit dem Analog-Digital-Umsetzer und ausgelegt zum Bestimmen der Erzeugung des Lichtbogens auf der Grundlage des digitalen Signals.
Lichtbogendetektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 12, wobei das Bestimmen der Erzeugung des Lichtbogens Folgendes umfasst: Vergleichen des digitalen Signals mit einer vorbestimmten Amplitudenschwelle, um die Erzeugung des Lichtbogens zu bestimmen; Vergleichen des statistischen Werts des digitalen Signals mit einer vorbestimmten statistischen Schwelle, um die Erzeugung des Lichtbogens zu bestimmen; oder Extrahieren von Merkmalen aus dem digitalen Signal unter Verwendung eines neuronalen Netzes oder von Deep Learning, Durchführen einer Klassifikation auf der Grundlage der extrahierten Merkmale und Bestimmen der Erzeugung des Lichtbogens auf der Grundlage eines Klassifikationsergebnisses.
Lichtbogenfehlerschutzeinrichtung, die Folgendes umfasst: die Lichtbogendetektionsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1-13; und einen Aktor (150), gekoppelt mit der Lichtbogendetektionsvorrichtung und ausgelegt zum Öffnen der geschützten Schaltung als Reaktion darauf, dass bestimmt wird, dass ein Lichtbogen erzeugt wurde.
Verfahren (200) zum Herstellen einer Lichtbogendetektionsvorrichtung, das Folgendes umfasst: Bereitstellen einer Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung (202), ausgelegt zum Empfangen mindestens eines Signals eines Spannungssignals oder eines Stromsignals und zum Erzeugen mehrerer Signale mehrerer Frequenzbänder auf der Grundlage des mindestens einen Signals; und Bereitstellen eines Lichtbogenbestimmungsmittels (204), gekoppelt mit der Frequenz-Sweep-Filterungsschaltung zum Empfangen der mehreren Signale der mehreren Frequenzbänder und Bestimmen einer Erzeugung eines Lichtbogens auf der Grundlage des mindestens einen Signals der mehreren Signale.
Elektrisches Leistungssystem, das Folgendes umfasst: die Lichtbogenfehlerschutzeinrichtung nach Anspruch 14; und eine Last, gekoppelt mit einem Aktor in der Lichtbogenfehlerschutzeinrichtung und ausgelegt zum Empfangen von elektrischer Leistung über den Aktor.