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SACHGEBIET
DER ERFINDUNG
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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.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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AUFGABEN UND ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System
zum Erfassen von Lichtbogenfehlern zu schaffen, das zuverlässig Lichtbogenfehler
erfasst.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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In
der Zeichnung:
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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;
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2 zeigt
eine Schaltungs-Schematik eines Lichtbogenerfassungssystems für einen
differenziellen Strom-Shunt;
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3 zeigt
eine Schaltungs-Schematik eines differenziellen Lichtbogenerfassungssystems
einer Null-Sequenz-Spannung;
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4 zeigt
eine vereinfachte Schaltungs-Schematik, die eine Lichtbogenerfassung
eines differenziellen Phasenstroms darstellt;
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5 stellt
eine alternative Form einer Differenzialphasenstromerfassung, funktional äquivalent zu 4,
dar;
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6 und 7 stellen
eine noch andere Form einer Differenzialphasenstromerfassung, funktional äquivalent
zu 4 und 5, dar;
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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 4–7 dargestellt
sind;
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11 und 12 stellen
eine Vorrichtung zum Aufnehmen von Abgriffen in einer Vorrichtung für eine Differenzialphasenstromerfassung
gemäß irgendeiner
der 4–10 dar;
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13 zeigt
eine Schaltungs-Schematik einer vereinfachten Vorrichtung für eine Spannungsabfallserienlichtbogenerfassung;
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14 zeigt
eine vereinfachte Schaltungs-Schematik eines Erfassungssystems für einen Leitungsenergieverlust;
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15 zeigt
eine vereinfachte Schaltungs-Schematik eines di/dt-Serienlichtbogenerfassungssystems;
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16 zeigt
ein vereinfachtes Diagramm eines Busverbindungsmonitors, der einen
toroidalen Sensor verwendet; und
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17 zeigt
ein vereinfachtes Diagramm eines Busverbindungsmonitors, der einen
optischen Sensor verwendet.
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BESCHREIBUNG VON ERLÄUTERNDEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Wie
auch die 5–10 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.
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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.
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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 8–10 dargestellt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Eine
Anzahl von anderen, elektrischen Systemkomponenten und Elementen
kann selbst zu einer Lichtbogenfehlererfassung unter Verwendung von
einem oder mehreren der Schemata vorstehend eingesetzt werden.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.