DE69931347T2 - Zonenweise lichtbogenfehlerdetektion - Google Patents

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Description

  • SACHGEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Schutz von elektrischen Schaltungen, und insbesondere auf die Erfassung von elektrischen Fehlern in einer elektrischen Schaltung, und insbesondere auf die Erfassung von Lichtbogenfehlern in einzelnen Zonen elektrischer Schaltungen.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die elektrischen Systeme im häuslichen, kommerziellen und industriellen Geräten umfassen gewöhnlich eine Anschlussplatte zum Aufnehmen elektrischer Energie von einer Versorgungsquelle. Der Strom wird dann über Schutzvorrichtungen zu bestimmten Verzweigungsschaltungen zugeführt, die eine oder mehrere Last(en) versorgen. Diese Schutzvorrichtungen sind typischerweise Schaltungsunterbrecher, beispielsweise Trennschalter und Schmelzsicherungen, die so ausgelegt sind, um den elektrischen Strom zu unterbrechen, wenn vorbestimmte Grenzen der Leiter überschritten werden oder wenn andere, vorgegebene Fehlerzustände an einer der geschützten Leitungen oder Verzweigungen erfasst werden. Eine Unterbrechung der Schaltung verringert das Risiko einer Verletzung oder des Potentials einer Beschädigung von Sachen aufgrund eines sich ergebenden Feuers.
  • Schaltungstrennschalter sind ein bevorzugter Typ von Schaltungstrennschalter, da ein Rückstellmechanismus deren Wiederverwendung ermöglicht. Typischerweise unterbrechen Schaltungstrennschalter eine elektrische Schaltung aufgrund eines Unterbrechnungs- oder Auslösezustands, wie beispielsweise eine Stromüberbelastung oder ein Erdungsfehler. Der Zustand einer Stromüberbelastung ergibt sich dann, wenn ein Strom die kontinuierliche Bemessung des Trennschalters für ein Zeitintervall, bestimmt durch den Auslösestrom, übersteigt. Der Erdungsfehler-Auslösezustand wird durch eine Unausgeglichenheit von Strömen, die zwischen einem Leitungsleiter und einem neutralen Leiter, wie beispielsweise einem geerdeten Leiter, fließen, erzeugt, was manchmal durch einen Strompfad zu Erde hin oder einen Lichtbogenfehler zu Erde hin verursacht wird.
  • Lichtbogenfehler sind üblicherweise als Strom durch ein ionisiertes Gas zwischen zwei Enden eines gebrochenen Leiters oder einem fehlerhaften Kontakt oder einem Verbinder, zwischen zwei Leitern, die eine Last versorgen, oder zwischen einem Leiter und Erde definiert. Allerdings können Lichtbogenfehler nicht bewirken, dass herkömmliche Schaltungstrennschalter auslösen. Lichtbogenfehler-Strompegel können durch eine Verzweigung oder eine Lastimpedanz auf ein Niveau unterhalb der Auslösekurve-Einstellungen der Schaltungstrennschalter verringert werden. Zusätzlich wird ein Lichtbogenfehler, der keinen geerdeten Leiter oder eine Person kontaktiert, keine Erdungsfehler-Schutzeinrichtung auslösen.
  • Dabei sind viele Zustände vorhanden, die einen Lichtbogenfehler verursachen könnten; zum Beispiel korrodierte, abgenutzte oder gealterte Drähte, Kontakte, Verbinder oder eine Isolation, lose Verbindungen, Verdrahtung, beschädigt durch Nägel oder Heftklammern durch die Isolation hindurch, und elektrische Spannung, verursacht durch wiederholte Überbelastung, Blitzschläge usw.. Diese Fehler können die Isolation des Leiters beschädigen und eine nicht akzeptierbare Temperatur erreichen. Lichtbogenfehler können Feuer verursachen, wenn brennbare Materialien in enger Nähe dazu vorhanden sind.
  • Es existieren auch viele Zustände, die einen „falschen" Lichtbogenfehler verursachen können. Zum Beispiel kann das Auftreten eines Lichtbogenfehlers in einer verzweigten Schaltung eines elektrischen Verteilungssystems ein falsches Lichtbogenfehlersignal in einer anderen Verzweigungsschaltung als ein Reihenpfad verursachen, erzeugt zwischen den Verzweigungsschaltungen durch eine Lastmitte. Als eine Folge werden Schaltungsunterbrecher in mehr als nur einer Verzweigungsschaltung ausgelöst. Ein anderes Beispiel ist eine mit Rauschen behaftete Last, wie beispielsweise eine Lichtbogenschweißeinrichtung, ein elektrischer Bohrer usw., die eine Hochfrequenzstörung in der elektrischen Schaltung erzeugen, die als Lichtbogenfehler erscheint.
  • Allgemein bezieht sich eine „Zone" auf irgendeine Länge einer Stromleitung, die durch ein bestimmtes, definierbares Ende einer Zonenvorrichtung, wie beispielsweise eines Stromsensors, eines Leitungs-Erdungs-Spannungssensors, oder einer Lasche, zwischen Leitern derselben Phase, verbunden ist. Allgemein gesagt, sind Lichtbogenfehler von zwei Typen, Serienlichtbogen und parallele Lichtbogen. Serienlichtbogen sind nicht beabsichtigte Unterbrechungen in dem normalen Strompfad, wie beispielsweise gebrochene Drähte, lose Anschlüsse oder Kontakte mit einer niedrigen Kontaktkraft. Parallele Lichtbogen umfassen allgemein eine Leitung durch einen Isolationspfad zwischen Leitern unterschiedlicher Spannungen. Diese parallelen Lichtbogen können Leitungs-Erdungslichtbogen (Erdungsfehler) oder Leitungs-Leitungs-Lichtbogen (Phasenfehler) sein. Allgemein ist der Strom durch einen Serienlichtbogen gewöhnlich durch die Lastimpedanz begrenzt, während der Strom durch einen parallelen Lichtbogen durch die Leitungsimpedanz und die Lichtbogenspannung gesteuert wird.
  • Lichtbogenerfassungssysteme nach dem Stand der Technik belassen Platz für Verbesserungen in einer Anzahl von Bereichen. Einige Serienlichtbogen-Erfassungsvorrichtungen haben auf einer Rauscherfassung in dem Laststrom beruht, um einen Lichtbogen zu erfassen. Allgemein gesagt, sind Rauschsignaturen von Lichtbogen Breitbandstromfluktuationen, die in dem Amplituden- und Frequenzinhalt in Abhängigkeit von dem Last-Typ variieren. Viele Lasten sind elektrisches Senderauschen aufgrund von elektronischen Leistungsumschaltkomponenten, Motoren vom Bürsten-Typ und andere, allgemein „mit Rauschen behaftete" Lasten. Einige Vorrichtungen nach dem Stand der Technik sind schwierig in Bezug auf ein Unterscheiden eines Last-Rauschens von einem Lichtbogen-Rauschen.
  • Als zweites beginnen viele Lichtbogen als ein Serienlichtbogen in einer fehlerhaften Verbindung, werden allerdings nicht durch einige Detektoren nach dem Stand der Technik erfasst, bis ernsthaftere Leitungs-Erdungs- und Leitungs-Leitungs-Lichtbogen aufgetreten sind. Das bedeutet, dass einige Erfassungsverfahren und Vorrichtungen nach dem Stand der Technik keinen Serienlichtbogen im Wesentlichen unmittelbar dann, wenn er gebildet ist, erfassen.
  • Als drittes ist in Leitungs-Leitungs-Lichtbogenfehlern der Strom manchmal durch die Lichtbogenspannung oder die Leitungsimpedanz so, wie dies vorstehend angeführt ist, begrenzt. Demzufolge können Leitungs-Leitungs-Lichtbogenfehler nicht typisch durch die momentane Stromeinstellung (magnetisches Auslösen) eines Schaltungs-Trennschalters oder der I2t-Zeitcharakteristik einer Schmelzsicherung erfasst werden. Weiterhin sind einige Lichtbogen Sputterlichtbogen mit einem verringerten I2t, was auch eine Stromerfassung durch Trennschalter und Schmelzsicherungen verlangsamt. Demzufolge ist es schwierig mit Verfahren und Vorrichtungen nach dem Stand der Technik, unmittelbar Fehler dieses Typs zu erfassen.
  • Als viertes verwenden einige Verfahren und Vorrichtungen nach dem Stand der Technik Algorithmen, die eine bestimmte Zeit erfordern, um eine Signalverarbeitung durchzuführen, wie beispielsweise Erfassen der Differenz zwischen der vorhandenen Wellenform und einer Referenz oder einem zeitverzögerten Bild der Wellenform. Die US 5602709 (AI-Dabbagh) offenbart einen Fehlerdetektor dieses Typs, der einen Null-Sequenz-Strom und eine -Spannung, und andere Variablen, berücksichtigt. Solche Verfahren können ein Berechnen durchschnittlicher Lastimpedanzen bei unterschiedlichen Frequenzen zur Verwendung in einem Algorithmus umfassen. Der Algorithmus muss dann bestimmen, ob irgendwelche beobachteten Änderungen aufgrund von Lichtbogen oder aufgrund von fluktuierenden Lastzuständen vorhanden sind. Da sich Lasten ein- und ausschalten lassen und unvorhersagbare Charakteristika haben, benötigt eine Lichtbogenerfassung mit diesen Verfahren typischerweise eine bestimmte Zeitdauer und findet nicht im Wesentlichen augenblicklich oder unmittelbar unter dem Auftreten eines Lichtbogenfehlers statt. Dieser Typ einer Erfassung kann deshalb zu einem störenden Auslösen führen, d.h. ein Auslösen eines Trennschalters aufgrund eines fluktierenden Lastzustands, der nicht richtig als ein Lichtbogenfehler identifiziert ist, während auch potentiell einige Lichtbogenfehler nicht erfasst werden.
  • AUFGABEN UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zum Erfassen von Lichtbogenfehlern zu schaffen, das zuverlässig Lichtbogenfehler erfasst.
  • Eine entsprechende Aufgabe ist diejenige, ein System zum Erfassen von Lichtbogenfehlern zu schaffen, das sowohl Serien- als auch parallele Lichtbogen in jeder Schutzzone eines Verdrahtungssystems, ungeachtet der Art der Lichtbogenwellenform oder Richtung des Laststroms in der Schaltung, erfasst.
  • Eine noch andere Aufgabe ist es, ein System zum Erfassen eines Lichtbogenfehlers zu schaffen, das nicht durch den Rauschgehalt in den Lasten oder von Außenquellen beeinflusst ist.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein System und ein Verfahren zum Erfassen eines Lichtbogenfehlers zu schaffen, die im Wesentlichen augenblicklich einen Serienlichtbogen erfassen.
  • Eine noch andere Aufgabe der Erfindung ist es, ein System und ein Verfahren zum Erfassen eines Lichtbogenfehlers zu schaffen, die Leitungs-Leitungs-Fehler im Wesentli chen zu dem Augenblick erfassen, zu dem ein Fehlerstrom beginnt, ungeachtet der Fehlerspannungssignatur.
  • Eine noch weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein System und ein Verfahren zum Erfassen einen Lichtbogenfehlers zu schaffen, die keine historischen Informationen über die Lasten oder Wellenformen erfordern und die für Änderungen in Lastzuständen und Laststromwellenformen unempfindlich sind.
  • Eine entsprechende Aufgabe der Erfindung ist es, ein System zum Erfassen eines Lichtbogenfehlers zu schaffen, das im Wesentlichen die vorstehend angeführten Probleme in den Verfahren und Vorrichtungen nach dem Stand der Technik beseitigt.
  • Gemäß Anspruch 1 der Erfindung wird ein Detektor für einen Zonen-Lichtbogenfehler geschaffen, der eine Spannungs-Summiereinrichtung, die die Spannungen aller Phasen der Schaltung sowohl an Quellen- als auch an Last-Enden der Zone summiert; und eine Vergleicheinrichtung, die die Summe der Spannungen an dem Last- oder dem Quellen-Ende jeder Phase und die Summe der Spannung an dem anderen, d.h. dem Last- oder dem Quellenende, jeder Phase vergleicht und ein Differenzsignal erzeugt, das einer Differenz dazwischen entspricht, umfasst.
  • Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • In der Zeichnung:
  • 1 zeigt eine vereinfachte Schaltungs-Schematik, die einen Erdungsfehlerdetektor darstellt, der zum Erfassen von Lichtbogen zu Erde bzw. zu Masse hin, gemäß einem Aspekt der Erfindung, verwendet werden kann;
  • 2 zeigt eine Schaltungs-Schematik eines Lichtbogenerfassungssystems für einen differenziellen Strom-Shunt;
  • 3 zeigt eine Schaltungs-Schematik eines differenziellen Lichtbogenerfassungssystems einer Null-Sequenz-Spannung;
  • 4 zeigt eine vereinfachte Schaltungs-Schematik, die eine Lichtbogenerfassung eines differenziellen Phasenstroms darstellt;
  • 5 stellt eine alternative Form einer Differenzialphasenstromerfassung, funktional äquivalent zu 4, dar;
  • 6 und 7 stellen eine noch andere Form einer Differenzialphasenstromerfassung, funktional äquivalent zu 4 und 5, dar;
  • 8, 9 und 10 stellen noch weitere Variationen der Vorrichtung für eine differenzielle Phasenstromerfassung dar, die funktional äquivalent zu solchen sind, die in den früheren 47 dargestellt sind;
  • 11 und 12 stellen eine Vorrichtung zum Aufnehmen von Abgriffen in einer Vorrichtung für eine Differenzialphasenstromerfassung gemäß irgendeiner der 410 dar;
  • 13 zeigt eine Schaltungs-Schematik einer vereinfachten Vorrichtung für eine Spannungsabfallserienlichtbogenerfassung;
  • 14 zeigt eine vereinfachte Schaltungs-Schematik eines Erfassungssystems für einen Leitungsenergieverlust;
  • 15 zeigt eine vereinfachte Schaltungs-Schematik eines di/dt-Serienlichtbogenerfassungssystems;
  • 16 zeigt ein vereinfachtes Diagramm eines Busverbindungsmonitors, der einen toroidalen Sensor verwendet; und
  • 17 zeigt ein vereinfachtes Diagramm eines Busverbindungsmonitors, der einen optischen Sensor verwendet.
  • BESCHREIBUNG VON ERLÄUTERNDEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Während die Erfindung für verschiedene Modifikationen und alternative Formen zugänglich sein kann, sind spezifische Ausführungsformen davon anhand eines Beispiels in den Zeichnungen dargestellt worden und werden hier im Detail beschrieben. Es sollte allerdings verständlich werden, dass nicht beabsichtigt ist, die Erfindung auf die bestimmten Formen, die offenbart sind, zu beschränken, sondern, im Gegensatz dazu, ist die Absicht diejenige, alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen, die innerhalb des Schutzumfang der Erfindung fallen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, abzudecken. Mehrere, unterschiedliche Aspekte der Erfindung, von denen jeder seine eigenen, eindeutigen Merkmale und alternativen Ausführungsformen besitzt, werden beschrieben. Permuttationen und Kombinationen dieser Merkmale können noch zu weiteren Ausführungsformen führen.
  • In den Zeichnungen nun, und zunächst unter Bezugnahme auf 1, ist eine Erdungsfehler- oder Null-Sequenz-Differenzialstromerfassungsanordnung in einer elektrischen AC-Schaltung dargestellt. Zur Vereinfachung ist eine Einzelphasenschaltung, umfassend einen Leitungsleiter 20 und einen neutralen Leiter 22, in 1 dargestellt. Ein Stromtransformator-Typ einer Erfassungsspule 24 weist allgemein eine toroidale Spule auf, durch die sowohl der Leitungs- als auch der neutrale Leiter hindurchführen wird. Die toroidale Spule 24 kann spiralförmig auf einem Kern, hergestellt aus einem magnetischen Material, gewickelt sein, wie beispielsweise Erdungsfehlersensoren oder -transformatoren, die allgemein im Stand der Technik bekannt sind. Da der Stromfluss oder die -richtung in dem Leitungs- und dem neutralen Leiter entgegengesetzt und gleich beim nicht Vorhandensein irgendwelcher Erdungsfehler in der Schaltung sein sollten, sollte eine Ausgangsspule 26, gewickelt um die toroidale Spule 24 herum, im Wesentlichen einen Null-Strom erzeugen, ohne dass ein Erdungsfehler auftritt. Die Impedanz von den Leitern zur Erde ist gewöhnlich relativ hoch und eine gewisse Streukapazität in den Leitern oder in der Last (nicht dargestellt) kann einen gewissen kleinen Fehlerstrom nachweisen. Während der Erdungsfehlersensor einen erfassbaren Stromausgang an seiner Ausgangsspule 26 auf einen Leitungs-Erdungsfehler hin erzeugen wird, wird er nicht einen nutzbaren Strom auf Leitungs-Leitungs-Fehler hin erzeugen, zum Beispiel zwischen den Leitungen einer Mehrfachphasenschaltung. Auch erfasst die Anordnung des Erdungsfehlersensors der 1 keine Serienlichtbogenbildung.
  • In 2 ist eine vereinfachte Vorrichtung für eine Lichtbogenerfassung eines differenziellen Strom-Shunts dargestellt. Ein Shunt-Lichtbogenfehlerstrom ist schematisch bei 34 angegeben. Diese Vorrichtung und das Verfahren, durch das sie arbeitet, beruhen auf dem Prinzip, dass Strom, der in die vorgesehenen Verbindungspunkte eines Drahtes eintritt und diese verlässt, sich zu Null aufsummieren wird, mit Ausnahme während eines Leitungs-Leitungs- oder Leitungs-Erdungsfehlers. Eine Quelle 23, eine Leitungsimpedanz 25, eine Quellenimpendanz 27 und eine Lastimpedanz 29 sind schematisch angegeben. In der dargestellten Ausführungsform führt der Leitungsleiter 20 durch Stromtransformator(CT)-Sensoren 30 und 32 an den Quellen-Lastenenden oder Grenzen einer gegebenen Zone hindurch. Vorzugsweise weist jeder der CT's 30, 32 eine toroidale Spule auf, durch die der Leitungsleiter hindurchfährt. Verbindungsdrähte oder „Pilotdrähte" 35, 37 von den Stromstransformatorsensoren 30 und 32 sind so gerichtet, dass deren Stromfluss zu irgendeinem Ende eines Stromaufsummierungs-Lichtbogendetekors 36 fließt, der diese Ströme aufsummieren wird (die in entgegengesetzten Richtungen fließen, so dass an ein „Stromdifferenzial" erfasst wird). Ohne einen Shunt-Lichtbogen, wie beispielsweise den Lichtbogen 34, sollten die Ströme gleich so sein, dass der Nettoausgang des Stromdiffe renzialsensors 36 Null sein wird. Der Lichtbogendetektor 36 kann Mittel zum Vermeiden eines Ansprechens auf „Rausch" Signale umfassen, wie beispielsweise fordern, dass die Größe des Stromdifferenzials, d.h. die aufsummierten Ströme, einen vorab ausgewählten Schwellwert übersteigen, bevor ein Ausgangs- oder „Auslöse" Signal erzeugt wird. Ein solches Ausgangs- oder Auslöse-Signal kann dazu verwendet werden, einen Schaltungstrennschalter (nicht dargestellt) oder eine andere Schaltungsunterbrechnungsvorrichtung auszulösen und/oder eine durch eine Person wahrnehmbare Anzeige über das Vorhandensein eines Lichtbogenfehlers zu erzeugen.
  • Es sollte angemerkt werden, dass, wenn der Leitungsleiter abgegriffen wird, jeder Abgriff in dem Leitungsleiter 20 mit einem zusätzlichen Stromtransformatorsensor, wie beispielsweise den Sensoren 30 und 32, versehen wird. Demzufolge würde in 2, zum Beispiel, wenn dort eine andere Last an dem Ende eines ersten Abgriffs 40 in dem Leitungsleiter 20 vorhanden ist, dann ein weiterer, ähnlicher Stromtransformator 38 an dem Abgriff 40 vorgesehen werden, um den Stromdifferenzialsensor 36, zusammen mit den Stromtransformatoren 30 und 32, zu versorgen. Die Vorrichtung und zugeordnete Verfahren, die unter Bezugnahme auf 2 beschrieben sind, erfassen keinen Serienlichtbogen innerhalb der Zone. Auch stellt 2 eine einfache Einzelphasenleitung dar, wie beispielsweise eine solche in einer Dreiphasen-Schaltung mit einem neutralen Leiter, wobei die Zone insgesamt acht Stromtransformatoren, vier an jedem Quellenende und dem Lastende der Zone, einsetzen würde.
  • In 3 nun ist eine Schaltung für ein Null-Sequenz-Spannungsdifferenzialverfahren für eine Serienlichtbogenerfassung dargestellt. Dieses Verfahren einer Serienlichtbogenerfassung erkennt drei Prinzipien: 1) Die Leitungs-Erdungs-Spannung an jedem Punkt eines Drahts in einer Zone zwischen einer Quelle und einer Last ist dieselbe mit Ausnahme irgendeines Spannungsabfalls aufgrund des Laststroms durch die Serienleitungsimpedanz und irgendeiner induzierten Spannung aufgrund einer induktiven Kopplung zwischen individuellen Leitern der Schaltung; 2) Die Ströme in den Phasenleitern werden sich auf Null irgendwo in der Zone aufsummieren. Es kann gezeigt werden, dass sich die Spannungsabfälle und die gegenseitig induzierten Spannungen auch auf Null für Verdrahtungssysteme mit ähnlich geformten Phasenleitern aufsummieren; 3) Die den Strom führenden Leiter haben ähnliche, elektrische Eigenschaften und eine ähnliche, gegenseitige Kopplung zwischen allen Phasenleitern.
  • In der Schaltung 50 der 3 werden die Spannungen an allen den Phasen der Schaltung an sowohl den Quellen- als auch Lastenden aufsummiert. Ein Mittel zum Aufsummieren dieser Spannungen in der erläuternden Ausführungsform nimmt die Form einer Vielzahl von angepassten Widerständen 52 an, die miteinander an einem Ende mit einer gemeinsamen Leitung oder einem Pilotrdraht 64 verbunden sind und die deren entgegengesetzte Enden mit jeweiligen Quellen-Enden der jeweiligen Phasenleitungen 54, 56, 58 und der neutralen Leitung 60 gekoppelt haben. Ein ähnlicher Satz von angepassten Widerständen 62 besitzt erste Enden, verbunden zusammen über eine gemeinsame Leitung oder einen Pilotdraht 66, und zweite Enden, verbunden jeweils mit den Lastenden der Phasenleitungen 54, 56, 58 und der neutralen Leitung 60. Die jeweiligen aufsummierten Spannungen, die an den gemeinsamen Enden der zwei Gruppen von angepassten Widerstände 52 und 62 erhalten werden, können als eine Null-Folge-Spannung bezeichnet werden. Vorzugsweise werden angepasste Widerstände mit relativ hohem Wert, wie beispielsweise 200 kOhm, verwendet. Allerdings können angepasste Kapazitäten auch verwendet werden, um die Null-Folge-Spannung der Phasenleiter zu erhalten. Diese Anordnung ist so, dass die Spannung an den jeweiligen Pilotdrähten 64, 66 einen Durchschnitt der Phasenleiterspannung an diesem Punkt darstellen, auch bekannt als die Null-Folge-Spannung. Um gegenseitig gekoppelte Rauschquellen zu vermeiden, ist es bevorzugt, die jeweiligen Leitungen oder Pilotdrähte 64, 66 zu einem gemeinsamen Pfad mit den Phasenleitern zurück zu einem Lichtbogendetektor 70 zu richten. Dies beseitigt eine Schleife mit einer Windung zwischen dem Pilotdraht und den Phasenleitern, die Fluktuationen des magnetischen Felds und Niederfrequenzfunkwellen aufnehmen können.
  • Der Lichtbogendetektor 70 weist eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen der zwei Null-Sequenz-Spannungen auf, das bedeutet die jeweiligen Summen der Spannungen an den Piltotdrähten von dem Lastende und dem Quellenende der Leitung aus. Unter normalen Bedingungen wird dieser Null-Sequenz-Spannungs-Lichtbogendetektor oder die Vergleichsschaltung 70 ein Differenzsignal entsprechend zu irgendeiner Differenz zwischen den zwei Null-Sequenz-Spannungen an Pilotdrähten 64 und 66 erzeugen. Falls dort keine Serienlichtbogenbildungsfehler in den überwachten Phasenleitungen vorhanden sind, sollte die Differenz idealerweise Null sein. Eine Differenz von ein paar Volt führt zu einer Lichtbogenspannung oder einem Fehler aufgrund von nicht ausbalancierten Drahtimpendanzen. Das sich ergebende Detektorsignal ist als eine Differenz zwischen der Summe der Spannungen an dem Quellenende der Zone und der Summe der Spannungen an dem Lastende der Zone definiert.
  • Wenn ein Serienlichtbogenfehler in einer der Phasenleiter auftritt, wird eine Serienspannung in diesem Phasenleiter erscheinen, die nicht in anderen Phasenleitern angepasst ist. Demzufolge wird der entsprechende Pilotdraht 64 oder 66 eine Spannung aufnehmen, die dahingehend in Bezug auf die gezeigt werden kann, dass sie gleich zu der Lichtbogenspannung, geteilt durch die Anzahl von Zonenimpedanzen, sind, d.h. die Widerstände 52 oder 62. Das bedeutet, dass, an der dargestellten Schaltung mit drei Leitern plus einem neutralen Leiter, eine Lichtbogenspannung, die als eine 15 bis 20 Volt Rechteckwelle mit zufälligen Zeitlängen erscheinen wird, eine Null-Sequenz-Spannung verursachen wird, die ausgangsseitig von dem Fehlerpunkt erfasst wird, was zum Beispiel, eine 20/4 oder 5 Volt Rechteckwelle an dem entsprechenden Pilotdraht 64 oder 66 (oder in einem Phasensystem mit einem Spannungsaufnehmer an dem neutralen Leiter 15/3 gleich 5 Volt) induziert. Der Lichtbogendetektor 70 wird dann diese Rechteckwellenpotentialdifferenz von 5 Volt zwischen den Quellenpunkt-Null-Sequenz-Sensoren 52 und der Ende von Zonensensoren 62 an den jeweiligen Pilotdrähten 64 und 66 erfassen. Dies wird ein Nicht-Null-Differenz-Signal erzeugen, das einen Lichtbogenfehler anzeigt. Allgemein gesagt wird eine Lichtbogenbildung nicht unterhalb einer minimalen Spannung von ungefähr 12 Volt auftreten und als ein grundsätzlicher Punkt wird sie gewöhnlich nicht unterhalb von 15 bis 20 Volt auftreten.
  • Ein kleines Rauschsignal kann aufgrund von Differenzen in der Impedanz zwischen den Laststromdrähten und/oder aufgrund einer gegenseitigen Induktanz und Kapazität eines nicht ausbalancierten Pilotdrahts zu den Phasenleitern auftreten. Demzufolge kann ein Lichtbogenfehlerdetektor 70 auch Mittel zum Vermeiden eines Ansprechens auf solche Rauschsignale umfassen, wie dies beispielsweise erforderlich ist, so dass die Größe eines Differenzsignals oder einer Differenz zwischen den Null-Summen-Spannungen an den Drähten 64 und 66 oberhalb eines vorbestimmten Minimums oder Schwellwerts vor Erzeugen eines Ausgangs- oder eines Auslösesignals liegt. Dieses Ausgangs- oder Auslösesignal kann dazu verwendet werden, einen Schaltungstrennschalter (nicht dargestellt) oder eine andere Schaltungsunterbrechungsvorrichtung auszulösen und/oder eine durch eine Person wahrnehmbare Anzeige über das Vorhandensein eines Lichtbogenfehlers in der Zone, die überwacht wird, zu erzeugen. Es wird festgestellt werden, dass, in dem Fall eines Dreiphasensystems, die angepassten Impedanzen oder Widerstände 52 und 62 im Stern verbundene, angepasste Widerstände aufweisen.
  • In einer grundsätzlichen Anwendung könnte eine Auslösekurve für die Schaltung der 3 einen Schwellwertpegel von ungefähr 5 Volt und eine inverse Zeitauslösecharakteristik haben. Wenn sich allerdings Umschaltvorrichtungen in der geschützten Zone befinden, würden zusätzliche Auslösesteuereinrichtungen in dem Lichtbogendetektor 70, auf die Öffnung irgendeiner Umschaltvorrichtung der Zone zum Sperren des Auslösesignals ansprechend, vorgesehen werden. Ansonsten würde die Auslösesteuereinrichtung des Lichtbogendetektors 70 normalerweise das Auslösesignal freigeben. Während die Schaltung der 3 primär Serienlichtbogen erfasst, wird das Vorhandensein eines Erdungsfehlers in der Zone auch ein bestimmtes Null-Sequenz-Differenzialsignal erzeugen, da der erhöhte Strom im dem Erdungsfehler in einem Phasenleiter einen größeren Spannungsabfall an diesem Phasenleiter verursachen wird, der nicht in den anderen Phasenleitern angepasst ist. Gerade wenn alle Phasenleiter Erdungsfehler hatten, ist es unwahrscheinlich, dass sie alle zu gleichen Spannungsabfällen führen würden. Allerdings werden Phasen-Phasen- oder Shunt-Lichtbogen kein Null-Sequenz-Differenzial-Signal erzeugen. Dementsprechend könnte die Schaltung der 3 für eine Serienlichtbogenerfassung in Kombination mit der Schaltung der 2 für eine Shunt-Lichtbogenerfassung verwendet werden, um ein Lichtbogenerfassungssystem zu schaffen, das dazu geeignet ist, beide Typen von Lichtbogen zu erfassen.
  • Weiterhin kann der Lichtbogendetektor 70 Einrichtungen zum Kompensieren von Systemen umfassen, bei denen der neutrale Leiter eine viel höhere Impedanz besitzt und große Ströme gemeinsam mit anderen Verzweigungen teilt. Falls die jeweiligen Phasenleiter innerhalb der Zone durch Verzweigungsschaltungen abgegriffen werden, können die zusätzlichen Null-Sequenz-Sensoren (d.h. zusätzliche Impedanzen, wie beispielsweise die angepassten Widerstände 52 oder 62, die zurück zu den gemeinsamen Leitungen oder Pilotdrähten laufen) an allen erwünschten Grenzpunkten oder irgendeinem Zwischenverbindungspunkt für eine zusätzliche Genauigkeit in der Stiftanordnung der Positionierung des Lichtbogenfehlers angeordnet werden. Allerdings sind zusätzliche Sensoren nicht für Lasten erforderlich, die Strom innerhalb der Zone abgreifen, wie dies der Fall bei Differenzialstromverfahren ist, wie dies vorstehend beschrieben ist.
  • Der Erdungsfehlerdetektor der 1 kann auch mit irgendeiner, oder beiden, der Shunt- und Serienlichtbogenerfassungsschaltungen der 2 und 3 für einen kombinierten Lichtbogenbildungs- und Erdungsfehlerschutz in einem Verdrahtungssystem, oder in spezifischen Zonen eines Verdrahtungssystems, kombiniert werden. In einem solchen kombinierten Schutzsystem würde der Erdungsfehlersensor allgemein für Erdungsfehler innerhalb eines Verdrahtungssystems ungeachtet von Zonen verantwortlich sein, während die jeweiligen Zonen Lichtbogenfehlererfassungsschaltungen der 2 und 3 in solchen Zonen eingesetzt werden würden, wo ein solcher Schutz erwünscht ist.
  • In 4 nun ist eine Schaltung für eine Lichtbogenerfassung eines differentiellen Phasenstroms dargestellt, und allgemein mit dem Bezugszeichen 80 bezeichnet. Dieses Verfahren erfordert, dass jeder Phasenleiter, in der Zone davon, die geschützt werden soll, aus einem Paar von identischen, parallelen, isolierten Leitern, zum Beispiel Leitern 82, 84, wie dies in 4 dargestellt ist, besteht. Allerdings sind keine Pilotdrähte für dieses Verfahren erforderlich. Demzufolge ist die geschützte Zone als die Erstreckung oder die Länge der Leiter 82 und 84 zwischen jeweiligen Punkten definiert, wo sie erneut mit einem einzelnen Leiter, zum Beispiel jeweiligen Eingangs- und Ausgangspunkten 86, 88, in dem Beispiel, das in 4 dargestellt ist, verbunden werden.
  • Die zwei Leiter 82 und 84 sind so angeordnet, um durch einen magnetischen Kern 90 in einer solchen Art und Weise hindurchzuführen, dass der Strom an den zwei Leitern 82 und 84 in entgegengesetzten Richtungen durch den Kern 90 fließt. Der Kern 90 ist mit einer Spule 92 versehen, an der ein Ausgangssignal entwickeln wird, das irgendeiner Differenz in dem Strom zwischen den zwei Leitern 82 und 84 entspricht. Da identische, parallele, isolierte Leiter verwendet werden, sollte der Ausgang der Spule 92 im Wesentlichen Null ohne ein Vorhandensein irgendwelcher Lichtbogenbildungsfehler in der Zone sein. Allerdings wird irgendein Serienlichtbogen in den Verbindungen von einem der Leiter der Zone einen zirkulierenden Strom hervorrufen oder erzeugen, der durch den Quellenverbindungspunkt hindurchführen wird; das bedeutet, der Punkt, an dem die Drähte 82, 84 mit dem Quellenende oder dem Eingangsdraht 86 verbunden sind, und auch durch den Lichtbogenerfassungskern 90 hindurchführen. Dieser zirkulierende Strom wird erfasst werden und ein Fehler wird als eine Folge eines Ausgangsstroms an der Ausgangsspule 92 erfasst werden. Leitungs-Leitungs- oder Leitungs-Erdungs-Fehler werden relativ große Fehlerströme erzeugen, die direkt durch den magnetischen Lichtbogenerfassungskern 90 erfasst werden. Ein Lichtbogendetekor 95 kann, wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen, mit der Ausgangsspule 92 verbunden sein, und dieser Lichtbogendetektor 95 kann auf irgendeinen Strom in der Ausgangsspule 92 zum Erzeugen eines Auslösesignals in dem Fall ansprechen, dass dieser Strom einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt.
  • Dieses Verfahren kann auch für eine aktive Impedanzerfassung der Verdrahtungsintegrität, mit der Verdrahtung entweder unter Strom gesetzt oder nicht unter Strom gesetzt, verwendet werden. Ein AC-Signal, angelegt an die Spule 92 des magnetischen Kerns 90, kann dazu verwendet werden, die gesamte zirkulierende Impedanz der Phasenleiter abzufragen. Ein offener Leiter oder eine ungewöhnliche Erhöhung in dem Widerstand wird als eine entsprechende Änderung in dem AC-Signal an der Spule 92 erfasst werden.
  • Wie auch die 510 zeigen, kann eine Anzahl von unterschiedlichen, äquivalenten Versionen der Schaltung für eine Differenzialphasenstromerfassung, dargestellt in 4, ausgeführt werden. Es wird erkannt werden, dass andere Ausführungen möglich sein können, unter Verwendung der Prinzipien, die hier vorstehend diskutiert und in 4 dargestellt sind, wobei die dargestellten, spezifischen Ausführungsformen nur als Beispiel dienen.
  • Zum Beispiel führen in 5 die zwei Leiter 82 und 84 des Phasendurchgangs durch die jeweiligen Schleifen durch einen Kern 100 in Form einer Figur „8" hindurch, der mit einer ähnlichen Erfassungsspule 92 versehen ist. Es sollte angemerkt werden, dass sich an dem Punkt, an dem die Kernsegmente in der Figur „8" kreuzen, diese nicht in dieser Ausführungsform berühren.
  • In 6 kreuzen zwei Leiter 82 und 84, wenn sie durch jeweilige obere und untere Segmente eines Kerns 110, dessen Form auch in 7 dargestellt ist, hindurchgeführt werden. Eine ähnliche Ausgangs- oder Erfassungsspule 92 ist an einem geeigneten Punkt an dem Kern 110 vorgesehen. Zusätzliche Schemata zum Kreuzen von Leitern verschiedener Typen, wenn sie durch einen im Wesentlichen rechtwinkligen Kern 120 hindurchführen, sind in den 810 dargestellt.
  • In dem Differenzialphasenerfassungschema, das vorstehend beschrieben ist, sind irgendwelche Leistungs- oder Lastabgriffe innerhalb der Zone auch so erforderlich, dass sie eine zusätzliche Vorrichtung für das Ende der Zone haben, das bedeutet einen zusätz lichen Transformatorkern. Zwei Schemata zum Vorsehen solcher Kerne an Leistungs- oder Lastabgriffen sind jeweils in den 11 und 12 dargestellt. In 11 wird ein Kern 122 in Form einer Figur „8", ähnlich zu dem, der in 5 dargestellt ist, verwendet, während in 12 ein allgemein rechtwinkliger Kern 124, ähnlich zu dem Kern 120 der 8 bis 10, verwendet wird. Jeweilige Paare von Leitern 82, 84 treten in den Abgriff über die jeweiligen Kerne 122, 124 ein und treten von dem Abgriff als Leiter 82A und 84A aus. Diese letzteren Transformatorkerne 122 und 124 stellen eine wesentliche Impedanz in Bezug auf zirkulierende Ströme dar, die zwischen den Leitern des Paars hindurchführen, sind allerdings nicht mit Spulen, wie beispielsweise Spulen 92, dargestellt und beschrieben vorstehend unter Bezugnahme auf die 4 bis 10, versehen. Im Gegensatz dazu ist der Zweck der Kerne 122 und 124 derjenige, irgendeinen differenziellen, zirkulierenden Strom aufgrund eines Lichtbogenfehlers beizubehalten, wenn die zwei Leiter an einem Abgriffspunkt verbunden sind.
  • Anhand der 13 wird eine Schaltung 125 für eine Spannungsabfall-Serienlichtbogenerfassung angegeben. Diese Schaltung erfasst die Lichtbogenspannung selbst, symbolisiert schematisch in der Schaltung der 13 als VARC. Es ist anzumerken, dass diese Schaltung Serienlichtbogen, im Gegensatz zu Shunt- oder parallelen Lichtbogen, erfasst. Diese Lichtbogen erzeugen Frequenzkomponenten von einem DC bis zu dem Megahertz-Bereich und darüberhinaus. Die Lichtbogenspannung ist immer entgegengesetzt zu dem Strom in der Leitung. Die Serienlichtbogenspannung addiert sich deshalb immer zu dem Leitungsspannungsabfall so, dass eine ungewöhnliche Erhöhung in dem Spannungsabfall einen Lichtbogen in dem leitenden Pfad anzeigen wird. In der Schaltung der 13 führt nun ein Pilotdraht 126, gekoppelt nahe dem Lastende der Zone, einen Eingang eines Lichtbogendetektors 128, der ein Spannungsdetektor, zum Erfassen oder Vergleichen der Spannung an dem Pilotdraht 126 mit der Spannung an oder nahe dem Quellenende der Schaltung, die zu dem Detektor 128 an einer Leitung 130 geführt ist, ist. Der gesamte Spannungsabfall, der durch den Detektor 128 gesehen wird, würde dann der Leitungsspannungsabfall aufgrund der nominalen Leitungsimpedanz plus der Lichtbogenspannung sein. Der Impedanzspannungsabfall in der Leitung muss von dem Gesamtspannungsabfall an dem Detektor 128 subtrahiert werden, um die Lichtbogenspannung zu extrahieren. Verfahren zum Kompensieren der Impedanz könnten einen Satz von Induktoren und Widerständen in Serie mit dem Detektor 128, die die Leitungsim pedanz spiegeln, einen äquivalenten Software-Kompensationsalgorithmus, umfassen. Ein Überwachen der Null-Sequenz-Spannung so, wie es vorstehend unter Bezugnahme auf 3 beschrieben ist, vermeidet das Erfodernis nach einer Leitungsimpedanzkompensation.
  • In 14 nun ist eine Schaltung 135 zur Verwendung in einem Leitungs-Leistungsverlust-(Lichtbogenleistung)-Verfahren einer Lichtbogenerfassung dargestellt. Dieses Verfahren überwacht den Leistungsverlust über einen Leiter und subtrahiert die Energie aufgrund eines Widerstands. Die Lichtbogenleistung bezieht sich direkt auf das Potential einer Beschädigung der Gerätschaft und auf andere Probleme, als dies andere Messungen tun, wie beispielsweise Lichtbogenspannung und Lichtbogenstrom alleine. Dieselben Pilotdrähte und Verbindungen 126 und 130, wie in der Schaltung der 13, führen die Leitungsabfallspannung zu einem Typ eines Lichtbogenleistungssensors einer Lichtbogendetektorschaltung 132 zu. Ein Stromtransformatorsensor 134 führt den Strom in der Leitung von dem Quellenende der Leitung zu dem Lichtbogenleistungssensor 132 zu. Demzufolge kann der Strom mal dem gesamten Spannungsabfall durch den Lichtbogenleistungssensor 132 berechnet werden, um die Lichtbogenleistung beim Vorhandensein einer Lichtbogenspannung VARC zu bestimmen, wie dies in 14 angezeigt ist, in einer ähnlichen Art und Weise zu der Lichtbogenspannungsanzeige, wie sie vorstehend in 13 diskutiert ist. Mit dieser Schaltung 135 und der entsprechenden Maßnahme könnte eine Invers-Zeit-Auslösekurve verwendet werden, was Komponenten, wie beispielsweise Trennschalter und Schmelzsicherungen, ermöglicht, die eine große Betriebslichtbogenleistung für ein paar Millisekunden haben, während Leiter und Verbindungen nur eine geringe oder keine Lichtbogenleistung zufassen würden.
  • Wie bei den Schaltungen der 2 und 3 könnten die Lichtbogendetektoren, die in den Schaltungen der 13 und 14 verwendet sind, mit Schwellwertbegrenzungen versehen werden, so dass der Spannungsabfall oder der Leistungsverlust, gelesen an dem Detektor, einen bestimmten Schwellwert übersteigen muss, bevor ein Auslösesignal erzeugt wird.
  • In 15 nun ist eine Schaltung 139 für eine di/dt-Erfassung für Serienlichtbogen dargestellt. Diese Schaltung verwendet einen Stromtransformatorsensor 140, der primär in Reihe mit der Leitung liegt und der sekundär über einen Spannungserfassungslichtbogendetektor 142 gekoppelt ist. Der Stromsensor 140 kann ein gemeinsamer Induktor- (Luftkern)-Stromsensor zum Erzeugen einer Ausgangsspannung sein, die proportional zu dem Rauschen, erzeugt durch irgendeine Lichtbogenspannung, ist. Die Ausgangsspannung des Sensors 140 ist dann ungefähr proportional zu der Lichtbogenspannung, geteilt durch die Induktanz in Serie mit dem Lichtbogen.
  • Lasten oder eine Shunt-Kapazität mit einer relativ niedrigen Impedanz werden relativ große di/dt-Lichtbogensignale zulassen. Eine Shunt-Kapazität besitzt den Effekt, sich mit der Lastinduktanz bei bestimmten Frequenzen zu verringern oder in Resonanz zu treten. Hochinduktive Lasten, wie beispielsweise Motoren, werden nur ein relativ schwaches Lichtbogensignal erzeugen, wogegen Motorantriebe mit variabler Geschwindigkeit, die primär kapazitive Lasten sind, relativ starke Lichtbogensignale ermöglichen werden. Typischerweise ist allerdings das Rauschen, erzeugt durch einen Motorantrieb mit variabler Geschwindigkeit, noch lauter als das Lichtbogensignal. Die Lichtbogenspannung enthält typischerweise viele Hochfrequenzrauschkomponenten, so dass schnelle Fluktuationen in der Lichtbogenspannung zu Stromfluktuationen führen. Die Größe dieser Stromfluktuationen hängt von dem Frequenz-Ansprechverhalten der Leitung und der verbundenen Lasten zu irgendeinem Zeitpunkt ab. Der di/dt-Sensor 140 greift alle diese Fluktuationen auf und kann nicht ein aufgrund einer Last erzeugtes di/dt von einem aufgrund eines Lichtbogen erzeugten di/dt unterscheiden. Demzufolge können relativ stark mit Rauschen behaftete Lasten ein Auslösesignal induzieren, unter Verwendung des di/dt-Sensors 140, wie dies in 15 dargestellt ist. Weiterhin dämpfen Lasten mit hoher Induktanz das di/dt, und Lichtbogen, die in den Schaltungen mit hohen induktiven Lasten auftreten, sind deshalb schwierig mit einem di/dt-Sensor zu erfassen.
  • Um den di/dt-Pegel während Serienlichtbogenfehlern mit induktiven Lasten zu verbessern, werden Leitungsimpedanz-Stabilisierungs-Netzwerke (LISN) 150 und 152 zu der Schaltung hinzugefügt, wie dies in 15 dargestellt ist. Diese RC-Netzwerke sind sowohl an der Leitung als auch an dem Lastende der Verdrahtung angeordnet, um ein Abstimmen der Schaltung und eine Last-Kombination in Bezug auf ein erwünschtes Frequenzansprechverhalten zu ermöglichen. Eine Verbindung eines Shunt-Filters dieses Typs mit ungefähr einem Mikrofarad und ein Serienwiderstand von 10 bis 30 Ohm an jeder Verzweigungsschaltung an dem Lastenende tendieren dazu, die Effekte in Bezug auf di/dt aufgrund von differenziellen Lastleistungsfaktoren zu maskieren, so dass sowohl widerstandsmäßige als auch induktive Lasten dazu tendieren, ähnliche di/dt-Ansprechverhalten auf einen Lichtbogenbildungsfehler zu erzeugen. Das verbesserte Hochfrequenzansprechverhalten, erreicht durch dieses Verfahren, ermöglicht, dass di/dt Signale mit relativ hohem Pegel erfolgreich während eines Serienlichtbogenfehlers mit entweder einer induktiven oder Widerstandslast überwacht werden können.
  • Zonen in verschiedenen Typen von elektrischen Systemen können auf verschiedene Art und Weisen identifiziert und definiert werden, um einen Lichtbogenschutz zu erreichen, unter Verwendung von einem oder mehreren der vorstehenden Verfahren oder Schaltungen für einen Lichtbogenschutz. Zusätzlich zu den vorstehenden Verfahren können kritische Punkte (z. B. Verbindungen zwischen Drähten, Anschlüssen, Verbindern, Kontakten usw.) in einem elektrischen System getrennt überwacht werden, wie dies in 16 und 17 angezeigt ist, durch einen Sensor, der betriebsmäßig zum Überwachen jeder Verbindung verbunden ist, und wobei die mehreren Sensoren in einem solchen System mit Twisted-Pair-Leitern verbunden werden. Eine Verbindung, die eine Lichtbogenspannung besitzt, wie beispielsweise die Verbindung 160 in den 16 und 17, würde typischerweise einen erfassbaren Spannungsabfall während eines Lichtbogenbildungs-Ereignisses entwickeln. Der Sensor würde dann auf diesen Spannungsabfall über die Verbindung durch Erzeugen eines entsprechenden Signals ansprechen, das über den Twisted-Pair-Leiter zu einer geeigneten Detektorschaltung (nicht dargestellt) geschickt werden würde.
  • In dem Erfassungsschema, das in 16 dargestellt ist, besitzt der Toroid 164 mit zwei Wicklungen eine seiner Wicklungen 166 betriebsmäßig über die Verbindung 160, oder parallel dazu, verbunden, und besitzt eine zweite Wicklung 168 in Reihe mit dem Twisted-Pair 170 verbunden. Diese Schaltung ermöglicht auch ein bidirektionales Testen der Verbindung dahingehend, dass ein AC-Strom, angelegt an das Twisted-Pair 170, zu einem Strom führen wird, der in der Verbindung 160 induziert wird. Demzufolge wird irgendeine Verbindung, die offen ist, zu einer messbaren Impedanzerhöhung in dem Twisted-Pair-Netzwerk führen. Eine vollständig offene Schaltung in der Verbindung wird einen großen Strom in der primären Wicklung 166 erzeugen, so dass eine Strombegrenzungsimpedanz, wie beispielsweise ein Kondensator 172, bevorzugt in Reihe mit der primären Wicklung 166, hinzugefügt wird. Alternativ könnte ein Überstromschutz, wie beispielsweise eine Schmelzsicherung (nicht dargestellt), verwendet werden.
  • In 17 verwendet eine ähnliche Schaltung ein optisches Erfassungsschema, um ein Signal in ein Twisted-Pair-Netzwerk auf eine Lichtbogenbildungsspannung über eine Verbindung 160 hin zu entwickeln. Zum Beispiel erfordert eine LED 174 nur ein paar Volt und Ströme von einem Milliamper-Niveau, um zu arbeiten. Das Licht von der LED könnte direkt durch eine Faseroptik (nicht dargestellt) über kurze Wege abgegriffen werden oder einen Opto-Koppler-Schalter 176 betätigen. Die LED 174 und der Opto-Koppler-Schalter 176 können als ein Opto-Isolator 178 zusammengefügt sein. Die LED kann gegen Überströme von einer vollständigen offenen Verbindung 160 mit einem Strombegrenzungskondensator 172 in einer ähnlichen Weise zu der Schaltung der 16, die vorstehend beschrieben ist, geschützt werden. Ein Multiplexieren könnte in Bezug auf die Opto-Isolatoren, verbunden parallel entlang des Twisted-Pair-Netzwerks 170, verwendet werden, um so in der Lage zu sein, individuell eine problematische Verbindung zu identifizieren, wo eine Lichtbogenbildung auftritt. Die charakteristische Schwellwertspannung der LED 174 könnte auch für eine Spannungsdifferenzialüberwachung von mehreren Fuß eines Busses oder eines Drahtes in Bezug auf übermäßige Spannungsabfälle aufgrund von Lichtbogenbildungsfehlern verwendet werden.
  • Es wird ersichtlich werden, dass die vorstehend beschriebenen Verfahren zum Erfassen einer Lichtbogenbildung in einer Verbindung über Anschlüsse, Kontakte oder an irgendeinem Punkt in einer Schaltung, angewandt werden können, wo ein Serienlichtbogen in einer relativ kurzen Länge einer Schaltung auftreten kann. Demzufolge ist dem Ausdruck „Verbindung", wie er hier verwendet wird, eine breite Bedeutung, übereinstimmend mit den letzteren Beobachtungen gegeben.
  • Eine Anzahl von anderen, elektrischen Systemkomponenten und Elementen kann selbst zu einer Lichtbogenfehlererfassung unter Verwendung von einem oder mehreren der Schemata vorstehend eingesetzt werden.
  • Eine Leiterplatte kann als ein kurzer Busabschnitt mit vielen Abgriffen angesehen werden. Ein Lichtbogen in einer Leiterplatte kann als ein Isolationsüberschlag oder eine Bus-Bar-Verbindung-Verschlechterung beginnen. Der Überschlag-Typ wird hohe Phasen-Fehlerströme verursachen und wird die Überstromschutzvorrichtung dann auslösen, wenn sich der Fehler innerhalb der momentanen Überstromschutzzone befindet. Für einen Schutz vor mehreren Abgriffen kann ein di/dt-Sensor für Serienlichtbogen mit ruhigen Lasten verwendet werden. Die Verbindung in einem Busweg hat eine hohe Zuverlässigkeit, allerdings kann sich einer gelegentlich verschlechtern und einen Lichtbogen bilden. Eine Serien-Lichtbogenbildung wird wahrscheinlich mit hohen Lasten übereinstimmen, die starten, und mit hohen Einschaltströmen, die Peak-Vibrationen und heiße Kontakt-Spots erzeugen. Für Busabschnitte mit ein paar wenigen T-Verzweigungen mit hohem Strom könnte ein Null-Sequenz-Spannungs-Lichtbogenerfassungsschema (z. B. 3) mit einer Null-Sequenz-Spannungserfassung an jedem T-Abschnitt verwendet werden.
  • Serien-Lichtbogen irgendwo in dem System werden bestimmte di/dt Rauschpegel erzeugen, insbesondere dann, wenn eine widerstandsmäßige oder kapazitive Last verbunden ist. Kleine Änderungen in einer Last-Kapazität und einem Widerstand können große Schwingungen in der di/dt Signalgröße verursachen. Dieser Effekt kann als eine Änderung in der Impedanz des Netzwerkes, gesehen von dem Betrachtungspunkt des Lichtbogens aus, visualisiert werden. Die Schleifenimpedanz steuert den Hochfrequenzstromfluss. Änderungen in der Kapazität oder dem Widerstand an der Seite entweder der Leitung oder der Last des Lichtbogenbildungspunkts ändert die Schleifenimpedanz und wird die Größe des übertragenen di/dt Signals ändern.
  • Verzweigungs- und Kabelzuführungen umfassen isolierte Drähte in Dosen, Drahtwegen und Kanälen. Eine enge Nähe zwischen unterschiedlichen Verzweigungen und Phasen koppelt Hochfrequenzsignale. Lichtbogenbildungsfehler treten nur unwahrscheinlich auf, mit der Ausnahme dort, wo Vibrationen die Isolation zerreiben oder die Verbindungen lösen. Abrasionen sind die wahrscheinlichsten Orte, wo Leitungs-Erdungs-Fehler beginnen, die sich zu Leitungs-Leitungs-Fehlern entwickeln. Lichtbogenbildungsfehler in dem neutralen Leiter sind am schwierigsten aufgrund des niedrigen, neutralen Erdungspotenzials zu finden. Erdungsfehler-CTs würden gegen die Mehrheit von Kabelfehlern schützen, wo sich eine geerdete Oberfläche nahe zu dem Lichtbogen befindet. Differenzialstromüberwachungsschemata (z.B. 2) liefern ein Verfahren für Erdungs- und Phasen-Phasen-Lichtbogenbildungsfehler, unter Verwendung eines Pilotdrahts, der so lange wie die Phasenleiter läuft.
  • Ein Null-Sequenz-Spannungsdifferenzialschema (z.B. 3) kann dazu verwendet werden, eine Serienlichtbogenfehlererfassungszone zu bilden. Die Erfassungszone ist der Serienleitungspfad zwischen Spannungssensoren an dem Beginn und an dem Ende des Drahts. Das überwachte Lichtbogenbildungssignal ist von den Lasten an den Verzweigungsschaltungen abhängig. Serienlichtbogen in Schaltungen, abgegriffen von der Zone, können nicht mit diesem Verfahren erfasst werden. Einige Erdungsfehler können erfasst werden. Phase-Phase-Fehler werden nicht als Null-Sequenz-Spannungsdifferenzen erscheinen und erfordern einen Schutz durch Überstromvorrichtungen oder ein differenzielles Stromüberwachen (z.B. 2).
  • Ein Erfassen von di/dt kann ein Lichtbogenfehlererfassungsschema für Kabelsysteme oder Zonen eines speziellen Falls bieten, wo ein Lastrauschen niedrig und vorhersagbar ist. Ein Verhindern falscher Auslösevorgänge aufgrund von normalen Umschaltvorgängen, die als Serienlichtbogen erscheinen, können schwierig sein, so dass diese Zonen Umschaltvorgänge umfassen sollten.
  • Ein Fehler einer inneren Isolation einer Transformatorwicklung kann eine Lichtbo genbildung erzeugen. Große Transformatoren haben oftmals Überdruckrelais, die auf interne Wicklungsfehler ansprechen. Fehler zu Erde hin (der Kern oder der Behälter) können als Standard-Erdungsfehlerströme, unter Verwendung eines differenziellen Relaying, erfasst werden.
  • Motoren besitzen Lichtbogenerfassungs-Lösungen ähnlich zu Transformatoren. Ein Unterschied zwischen Motoren und Transformatoren ist derjenige, dass die Wahrscheinlichkeit höher für Phasen-Phasen-Lichtbogen in den Schlitzen und Endwicklungen der Motoren ist. Ein anderer ist derjenige, dass virtuell alle Dreiphasenmotoren nicht geerdete, neutrale Punkte haben, um dritte, harmonische Ströme zu vermeiden. Erdungsfehler werden einfach erfasst, da Null-Sequenz-Ströme nur während eines Fehlers vorhanden sind. Motoren haben die Charakteristik, dass Rotorströme induziert werden, die sich entgegengesetzt zu dem Statormagnetfluss aufgrund von Windungs-Windungs-Kurzschlüssen ändern. Eine Vibration ist höher und ein Isolationsbruch ist um ein Vielfaches wahrscheinlicher. Über einen Lichtbogen erzeugte di/dt Signale werden verglichen mit Umgebungsrauschpegeln gedämpft.
  • Eine Technik, um Phase-Phase-Spulenfehler zu erfassen, setzt eine differentielle Stromüberwachung (z.B. 2) an jeder Phasenwicklung ein. Alle Motorwicklungsleitungen werden aus dem Motor so herausgeführt, dass drei CTs die Differenz zwischen einem Strom, der eintritt und jede Phasenwicklung verlässt, überwachen. Irgendein Leckagestrom wird als ein Fehler erfasst.
  • Motor-Control-Center können ähnlich zu Leiterplatten und Busabschnitten behandelt werden. Eine Erdungsfehlererfassung würde Shunt-Lichtbogen zu Erde bzw. Masse hin, allerdings nicht Serien-Lichtbogen, erfassen. Der kurze Abstand der Motorsteuerkettenschaltung macht eine „Pilotdraht" Serienlichtbogenerfassung (z.B. 3) attraktiv. In den Motorsteuerkettenschaltungen werden die Leiter und die Schalter Lichtbogen zu jedem Zeitpunkt erzeugen, zu dem die Vorrichtungen arbeiten. Serienlichtbogen mit einer Dauer von ein paar Zyklen sind Teil eines normalen Betriebs einer Kontaktierungseinrichtung und müssen vorhergesagt werden. Die Lichtbogenerfassung sollte von einem Betrieb während normaler Umschaltvorgänge in der Zone abgegrenzt werden. Diese Abgrenzung kann durch Hilfskontakte erreicht werden, die vor dem Vorgang einer Hauptkontakt-Umschaltung arbeiten. Alternativ können separate Zonen für jede Komponente in dem Strompfad definiert werden. Charakteristika einer inversen Zeit zu einem Auslösen bei einem Lichtbogenspannungssignal kann eingesetzt werden, um eine Normallichtbogenbildungszeit während eines Betriebs jeder Komponenten zuzulassen. Das Null-Sequenz-Spannungsdifferenzialverfahren der 3 bietet die Vorteile einer Erfassung von Serienlichtbogen durch Kompensieren ähnlicher Kontaktierungslichtbogenspannungen in den drei Phasen und Erweitern der Schutzzone über die Verbindungen zu dem Busversorgungsabschnitt.
  • Motorantriebe tendieren dazu, ein stärkeres di/dt Rauschen als typische Lichtbogen zu erzeugen. Eine Erfassung von Lichtbogen in Serie mit ungefilterten Antrieben unter Verwendung von di/dt ist deshalb schwierig. Der Ansteuerstrom kann durch Hinzufügen einer Induktanz zu den Seiten der Leitung und der Last des Antriebs gefiltert werden, um eine Lichtbogenerfassung vom di/dt Typ zu verbessern. Das Null-Sequenz-Spannungsverfahren (z.B. 3) wurde dahingehend befunden, dass es eine Lichtbogenspannung ohne das Erfordernis einer induktiven Filterung unterscheidet. Serien-Lichtbogen erschienen in dem Null-Sequenz-Spannungssignal ohne das Hochfrequenzrauschen, was in dem di/dt Signal ersichtlich ist. Ein ähnliches Lichtbogenerfassungsschema ist zwischen einem Antrieb und einem Motor möglich, allerdings wird ein stärker induziertes Rauschen an dem Pilotdraht vorgefunden werden.
  • Dasjenige, was hier dargestellt und beschrieben worden ist, ist eine Anzahl von Verfahren zum Erfassen von Lichtbogenbildungsfehlern in verschiedenen Anwendungen. Wie vorstehend beschrieben ist, kann eine Shunt-Lichtbogenfehlererfassung ein differentielles Stromüberwachen jedes Phasenleiters in einer Zone verwenden, wobei CTs an dem Anfang und dem Ende einer Zone aufsummiert werden, um ein Fehlerstromsignal zu er zeugen. Eine Erdungsfehlererfassung durch eine einzelne Null-Sequenz-CT erfasst Lichtbogenbildungsfehler zu Masse hin, allerdings keine Leitung-Leitung- oder Serien-Lichtbogen. Serien-Lichtbogen können durch Überwachen der Differenz zwischen der Null-Sequenz-Spannung der Quelle mit der Null-Sequenz-Spanntang des Lastendes der Zone erfasst werden. Dieses Verfahren ist von Last- und Quellenimpedanzen unabhängig. Eine Invers-Zeit-Auslösekurve, basierend auf der Null-Sequenz-Spannungsdifferenz, ist ein annehmbares Serien-Lichtbogen-Zonen-Schutzschema. Dieses Verfahren erfordert eine definierte Zone, die beginnt und endet und sich nicht indefinit zu allen verbundenen Lasten erstrecken kann. Serien-Lichtbogen, die in Lasten auftreten, die von der Zone abgegriffen sind, werden nicht durch dieses Verfahren erfasst. Allerdings kann eine Differenzialphasenstromerfassung auch verwendet werden, um Serien-Lichtbogen zu erfassen, wie das Spannungsabfall- und Leistungsverlustverfahren, die vorstehend beschrieben sind. Anordnungen wie solche, die in den 16 und 17 dargestellt sind, können dazu verwendet werden, Serien-Lichtbogen in Verbindungen oder über ähnliche Verbinder oder Kontakte zu erfassen. Das di/dt Verfahren für eine Lichtbogenerfassung ist einfach auszuführen; allerdings besitzt das Lichtbogensignal ein hohes Signal Rausch-Verhältnis nur für ruhige, widerstandsmäßige oder kapazitive Lasten. Eine bestimmte Kreuzkopplung von dt/dt Signalen zwischen Verzweigungen ist beobachtet worden. Umschaltvorgänge und Festkörper-Komponenten erzeugen auch Hochfrequenz-di/dt-Signale, die fehlerhaft für Fehler herangezogen werden könnten.

Claims (13)

  1. System zum zonenweisen Erfassen von Lichtbogenfehlern, mit dem Lichtbogenfehler in einer festgelegten Zone einer elektrischen Schaltung erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass: es einen Null-Differenzspannungs-Lichtbogendetektor (70) umfasst, der Reihen-Lichtbogenfehler erfasst und enthält: eine Spannungs-Summiereinrichtung, die die Spannungen aller Phasen der Schaltung sowohl an Quellen- als auch Last-Enden der Zone summiert; und eine Vergleichseinrichtung, die die Summe der Spannungen an dem Last- oder dem Quellen-Ende jeder Phase und die Summe der Spannung an dem anderen, d.h. dem Last- oder dem Quellen-Ende, jeder Phase vergleicht und ein Differenzsignal erzeugt, das möglicher Differenz zwischen ihnen entspricht.
  2. System nach Anspruch 1, und ein Null-Differenzspannungs-Lichtbogendetektor (70), der des Weiteren eine Lichtbogenfehler-Detektoreinrichtung enthält, die darauf anspricht, dass die Stärke des Differenzsignals über einem vorgegebenen Schwellenwert liegt, indem sie ein Auslösesignal erzeugt.
  3. System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Spannungs-Summiereinrichtung eine Vielzahl angepasster Widerstände (52, 62) umfasst, und ein erstes Ende jedes Widerstands mit dem Last- oder dem Quellen-Ende in der Zone jeder Phase der Schaltung gekoppelt ist, und wobei die Vergleichseinrichtung einen Eingang, der mit einem Ende gegenüber dem ersten Ende jedes der angepassten Widerstände (52) gekoppelt ist, das mit Quellen-Enden jeder Phase gekoppelt ist, sowie einen zweiten Eingang hat, der mit einem Ende gegenüber dem ersten Ende jedes der angepassten Widerstände (62) gekoppelt ist, das mit dem Last-Ende jeder Phase gekoppelt ist.
  4. System nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die elektrische Schaltung eine Dreiphasenleitung (54, 56, 58) ist und die angepassten Widerstände, die mit den Quellen- und den Last-Enden gekoppelt sind, in Sternschaltung verbunden sind.
  5. System nach einem der Ansprüche 1–4, das des Weiteren eine Auslöse-Steuereinrichtung enthält, die auf vorgegebene Bedingungen in der Zone anspricht und das Auslösesignal abwechselnd aktiviert und deaktiviert.
  6. System nach Anspruch 5, wobei die Auslöse-Steuereinrichtung auf das Öffnen jeglicher Schaltvorrichtung in der Zone anspricht, indem sie das Auslösesignal deaktiviert.
  7. System nach einem der Ansprüche 1–6, das des Weiteren eine Kompensiereinrichtung enthält, die Kompensation für eine Schaltung bewirkt, in der ein neutraler Leiter (60) eine weitaus höhere Impedanz hat als die Phasenleiter (54, 56, 58) oder in der der neutrale Leiter (60) an starken Strömen von anderen Zweigen partizipiert.
  8. System nach einem der Ansprüche 1–7, das des Weiteren einen Differenzstrom-Lichtbogendetektor (20, 22, 24, 26) enthält, wobei der Differenzstrom-Lichtbogendetektor einen Stromdetektor umfasst, der ein Stromsignal erzeugt, das dem Strom an jedem der Last- und der Quellen-Enden jeder Phase in der Zone entspricht; und eine Strom-Summiereinrichtung, die mit den Stromsensoren gekoppelt ist, um die Stromsignale zu empfangen und die Stromsignale von jedem der Quellen-Enden mit Stromsignalen entgegengesetzter Richtungen von einem entsprechenden der Last-Enden zu summieren.
  9. System nach Anspruch 8, das des Weiteren eine zweite Lichtbogenfehler-Detektoreinrichtung enthält, die darauf anspricht, dass die Stärke jedes der summierten Stromsignale von der Strom-Summiereinrichtung über einem vorgegebenen Schwellenwert liegt, indem sie ein Auslösesignal erzeugt.
  10. System nach einem der Ansprüche 8–9, das des Weiteren einen zusätzlichen Stromsensor an jeder Anzapfposition innerhalb der Zone enthält und die Stromsummiereinrichtung des Weiteren die Stromsignale von den zusätzlichen Stromsensoren zu den Stromsignalen von den Stromsensoren an dem Last-Ende bzw. dem Quellen-Ende der Zone summiert.
  11. System nach einem der Ansprüche 1–10, das des Weiteren einen Differenzphasenstrom-Lichtbogendetektor (80) enthält, wobei der Differenzphasenstrom-Lichtbogendetektor ein Paar im Wesentlichen identischer paralleler isolierter Leiter (82, 84) für jede Zone jedes durch den Differenzphasenstrom-Detektor zu schützenden Leiters umfasst, um so eine geschützte Zone zu bestimmen, die den Abschnitt der parallelen Leiter (82, 84) zwischen zwei Punkten umfasst, an denen die zwei Leiter miteinander gekoppelt sind; und einen Transformatorstrom-Sensor (30, 32), der induktiv mit jedem Paar paralleler Leiter (82, 84) gekoppelt ist, wobei der Transformatorstrom-Sensor und die Leiter jeweils so konfiguriert und angeordnet sind, dass der in dem Stromtransformator-Sensor (30, 32) induzierte Strom von einem der Leiter (82) von dem Strom subtrahiert wird, der von dem anderen der Leiter (84) in dem Transformatorstrom-Sensor induziert wird, um einen Differenzstrom-Ausgang zu erzeugen.
  12. System nach einem der Ansprüche 8–11, das des Weiterer eine Lichtbogenfehler-Detektoreinrichtung enthält, die darauf anspricht, dass die Stärke jedes der Differenzstrom-Ausgänge einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt, indem sie ein Auslösesignal erzeugt.
  13. System nach einem der Ansprüche 1–12, das des Weiteren einen Erdungsfehler-Detektor umfasst, der einen Erdungsfehler an jeder beliebigen Stelle der elektrischen Schaltung erfasst.
DE69931347T 1998-02-19 1999-01-27 Zonenweise lichtbogenfehlerdetektion Expired - Lifetime DE69931347T2 (de)

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US26203 1998-02-19
US09/026,203 US5986860A (en) 1998-02-19 1998-02-19 Zone arc fault detection
PCT/US1999/001881 WO1999043066A1 (en) 1998-02-19 1999-01-27 Zone arc fault detection

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