EP2084726B1 - Leistungsschalter und verfahren zum auslösen eines leistungsschalters, insbesondere eines niederspannungsleistungsschalters - Google Patents

Leistungsschalter und verfahren zum auslösen eines leistungsschalters, insbesondere eines niederspannungsleistungsschalters Download PDF

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EP2084726B1
EP2084726B1 EP07821502A EP07821502A EP2084726B1 EP 2084726 B1 EP2084726 B1 EP 2084726B1 EP 07821502 A EP07821502 A EP 07821502A EP 07821502 A EP07821502 A EP 07821502A EP 2084726 B1 EP2084726 B1 EP 2084726B1
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wavelet
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H71/00—Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
    • H01H71/10—Operating or release mechanisms
    • H01H71/12—Automatic release mechanisms with or without manual release
    • H01H71/123—Automatic release mechanisms with or without manual release using a solid-state trip unit

Definitions

  • the invention relates to a circuit breaker and a method for triggering a circuit breaker, in particular a low-voltage circuit breaker, according to the preambles of claims 1 and 6.
  • circuit-breakers or short-circuit breakers are known and serve for power distribution up to 6300 amps in low-voltage switchgear as a feeder and branch switch.
  • the term circuit breaker characterizes a mechanical switching device that can switch on, conduct and switch off currents with the aid of an electronic overload release under operating conditions in the circuit. But they are also used as switching and protection devices for motors, capacitors, generators and transformers, but can also be used as an emergency stop switch.
  • the current is in each case compared with a limiting current and the circuit breaker is triggered when the limiting current is exceeded by a predetermined value, wherein the exceeding of the limiting current serves as an indication of the presence of a short circuit.
  • the exceeding of the limiting current can also be triggered otherwise, for example by switching operations, which are analogous to a short circuit connected to an overcurrent.
  • frequency converters can cause overcurrents which, interpreted as a short circuit, would lead to tripping of the circuit breaker.
  • the object of the invention is to reliably detect short circuits in order to avoid false tripping of the circuit breaker.
  • the solution provides that the current is sampled and digitized at a fixed sampling frequency such that the wavelet coefficients for at least two decomposition levels are calculated for a predefined number of immediately consecutive digital current values by means of a wavelet transformation. that at least two wavelet coefficients, ie a wavelet coefficient per decomposition level, are compared in magnitude when the last of the immediately consecutive current values is greater than the threshold current value, and that the power switch is triggered when the wavelet coefficient of a higher decomposition level is greater than the wavelet coefficient of a lower decomposition level.
  • the effective determination of a short circuit provides that current value determination and the calculation of the wavelet coefficients are carried out cyclically, wherein the immediately consecutive current values used for the calculation are changed in such a way that the most recent current value after a new current value is determined before the wavelet coefficients are again calculated no longer and instead the newly determined current value is taken into account.
  • FIG. 1 shows a low-voltage circuit breaker hereinafter referred to as a circuit breaker having two terminals 1, 2, via which a load (terminal 2) to a power supply network (terminal 1) can be connected.
  • the two terminals 1, 2 are connected to each other via a detachable contact 3 having a fixed contact element 4 and a movable contact element 5.
  • the fixed contact element 4 is in the circuit breaker in FIG. 1 connected to the network-side terminal 1 and the movable contact element 5 with the load-side terminal 2.
  • the mobile one Contact element 5 is arranged at one end of a pivotable contact arm 6, which is pivotable in the arrow direction (arrow 7).
  • the pivoting of the contact arm 6 takes place in each case after triggering by a triggering unit 8, which is indicated only schematically, which triggers a separation of the two contact elements 4, 5 by swiveling the contact arm 6 in the event of a short circuit.
  • a triggering unit 8 which is indicated only schematically, which triggers a separation of the two contact elements 4, 5 by swiveling the contact arm 6 in the event of a short circuit.
  • the case between the contact elements 4, 5 regularly occurring arc is erased by means of quenching plates 9 a quenching chamber 10.
  • the circuit breaker can be triggered by hand if necessary or bring back into standby position.
  • j, k are each positive integers, where k starts at 0 and j starts at 1 and j is called the decomposition level.
  • the integer k in FIG. 2 indicates how many times a wavelet W selected for the wavelet transformation is computed according to the definition of the wavelet transformation in FIG. 3 is moved gradually.
  • the choice of k for a wavelet W is in each case such that the current signal I (t) is completely covered by the shift in the associated time interval tab over which the shift is to be integrated.
  • the current signal I (t) is formed here from the 16 current values In (t) in the memory; the period tab is thus equal to the 16 times the time difference between two sampling times, ie equal to 16 times the sampling time tf.
  • wavelet W The simplest example of a wavelet W is the so-called Haar wavelet Wh, whose definition FIG. 4 shows.
  • This wavelet Wh was used here to calculate the wavelet coefficients dj, k by means of the fast wavelet transformation.
  • it is usually sufficient to use only the last two wavelet coefficients d1, k, ie the wavelet coefficients d1, 6 and d1, 7 for which k 6 and 7.
  • k runs from 0 to 7 and the wavelet coefficients are used d1.6 and d1.7 with the two largest k values.

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  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
  • Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)
  • Keying Circuit Devices (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Leistungsschalter und ein Verfahren zum Auslösen eines Leistungsschalters, insbesondere eines Niederspannungsleistungsschalters, gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 6.
  • Niederspannungsleistungsschalter oder kurz Leistungsschalter sind bekannt und dienen zur Energieverteilung bis 6300 Ampere in Niederspannungsschaltanlagen als Einspeise- und Abzweigschalter. Der Begriff Leistungsschalter charakterisiert ein mechanisches Schaltgerät, das Ströme mit Hilfe eines elektronischen Überlastauslösers unter Betriebsbedingungen im Stromkreis einschalten, führen und ausschalten kann. Sie werden aber auch als Schalt- und Schutzgeräte für Motoren, Kondensatoren, Generatoren und Transformatoren verwendet, können aber auch als Not-Ausschalter eingesetzt werden.
  • Bei den Leistungsschaltern wird der Strom jeweils mit einem Grenzstrom verglichen und der Leistungsschalter ausgelöst, wenn der Grenzstrom um einen vorgegebenen Wert überschritten wird, wobei das Überschreiten des Grenzstroms als Indiz für das Vorliegen eines Kurzschlusses dient. Das Überschreiten des Grenzstroms kann aber auch anderweitig ausgelöst sein, z.B. durch Schaltvorgänge, die analog zu einem Kurzschluss mit einem Überstrom verbunden sind. Auch können Frequenzumrichter Überströme verursachen, die als Kurzschluss interpretiert zum Auslösen des Leistungsschalters führen würden.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, Kurzschlüsse sicher zu erkennen, um Fehlauslösungen des Leistungsschalters zu vermeiden.
  • Die Lösung der Erfindung ist bezogen auf den Leistungsschalter und das Verfahren durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 6 gegeben.
  • Die Lösung sieht bezogen auf das Verfahren und den Leistungsschalter vor, dass der Strom mit einer fest vorgegebenen Abtastfrequenz abgetastet und digitalisiert wird, dass für eine fest vorgegebene Anzahl unmittelbar aufeinander folgender digitaler Stromwerte mittels einer Wavelet-Transformation die Waveletkoeffizienten für mindestens zwei Zerlegungslevel berechnet werden, dass mindestens zwei Waveletkoeffizienten, d.h. ein Waveletkoeffizient pro Zerlegungslevel, betragsmäßig miteinander verglichen werden, wenn der letzte der unmittelbar aufeinander folgenden Stromwerte größer als der Grenzstromwert ist, und dass der Leistungsschalter ausgelöst wird, wenn der Waveletkoeffizient eines höheren Zerlegungslevels größer als der Waveletkoeffizient eines niedrigeren Zerlegungslevels ist.
  • Das effektive Feststellen eines Kurzschlusses sieht vor, dass Stromwertermittlung und die Berechnung der Waveletkoeffizienten zyklisch erfolgen, wobei die jeweils für die Berechnung herangezogenen unmittelbar aufeinander folgenden Stromwerte nach Ermittlung eines neuen Stromwerts vor erneuter Berechnung der Waveletkoeffizienten derart geändert werden, dass der zeitlich am weitesten zurückliegende Stromwert nicht mehr und stattdessen der neu ermittelte Stromwert berücksichtigt wird.
  • Praktisch reicht es, wenn die Waveletkoeffizienten nur für zwei Zerlegungslevel berechnet und die Beträge der Waveletkoeffizienten miteinander verglichen werden.
  • Im einfachsten Fall werden die Waveletkoeffizienten des ersten und vierten Zerlegungslevels berechnet und der Betrag des einzigen Waveletkoeffizienten des vierten Zerlegungslevels wird zumindest mit den Beträgen der beiden Waveletkoeffizienten mit k=6 und 7 des ersten Zerlegungslevels verglichen und der Leistungsschalter wird ausgelöst, wenn der Waveletkoeffizient größer als diese beiden Waveletkoeffizienten ist.
  • Für 50 Hz und 60 Hz wird ein Abtastzyklus nach jeweils 606,4 µs neu gestartet.
  • Das Dokument WO 2006/007608 offenbart ein Verfahren nach dem oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
    • Figur 1 einen Niederspannungsleistungsschalter mit einem elektronischen Überlastauslöser für einen Phasenleiter,
    • Figur 2 die Formel für die Wavelet-Koeffizienten,
    • Figur 3 die Definition der Wavelet-Transformation und
    • Figur 4 die Definition des Haar-Wavelets.
  • Figur 1 zeigt einen Niederspannungsleistungsschalter im folgenden kurz Leistungsschalter genannt, der zwei Klemmen 1, 2 aufweist, über die eine Last (Klemme 2) an ein Stromversorgungsnetz (Anschlussklemme 1) anschließbar ist. Die beiden Anschlussklemmen 1, 2 sind über einen lösbaren Kontakt 3 miteinander verbunden, der ein feststehendes Kontaktelement 4 und ein bewegliches Kontaktelement 5 aufweist. Das feststehende Kontaktelement 4 ist bei dem Leistungsschalter in Figur 1 mit der netzseitigen Klemme 1 und das bewegliche Kontaktelement 5 mit der lastseitigen Klemme 2 verbunden. Das bewegliche Kontaktelement 5 ist an einem Ende eines verschwenkbaren Kontaktarms 6 angeordnet, der in Pfeilrichtung (Pfeil 7) verschwenkbar ist. Das Verschwenken des Kontaktarms 6 erfolgt jeweils nach Auslösung durch eine nur schematisch angedeutete Auslöseeinheit 8, die im Kurschlussfall eine Trennung der beiden Kontaktelemente 4, 5 durch Verschwenken des Kontaktarms 6 auslöst. Der dabei zwischen den Kontaktelementen 4, 5 regelmäßig auftretende Lichtbogen wird mit Hilfe von Löschblechen 9 einer Löschkammer 10 gelöscht. Mittels eines handbetätigbaren Schalthebels 11 lässt sich der Leistungsschalter bei Bedarf von Hand auslösen bzw. wieder in Bereitschaftsstellung bringen.
  • Der fließende Strom I(t) als Funktion der Zeit t wird mit einer fest vorgegebenen Abtastfrequenz f im zeitlichen Abstand tf abgetastet und in digitaler Form in einem nicht gezeigten Speicher abgespeichert, wobei die Abspeicherung so erfolgt, das sich im Speicher jeweils die letzten 16 unmittelbar aufeinander folgenden Stromwerte In(t) mit n=0 bis n=15 befinden, d.h. es wird vor dem Speichern eines neuen Stromwerts In(t) der jeweils älteste im Speicher befindliche Stromwert In(t) mit n=0 gelöscht.
  • Ist der zuletzt abgetastete Stromwert In(t) mit n=15 größer als ein vorgegebener Grenzstrom Ith, so werden für eine fest vorgegebene Anzahl, hier für die 16 Stromwerte In(t) im Speicher, Wavelet-Koeffizienten dj,k (s. Figur 2) berechnet und betragsmäßig miteinander verglichen.
  • Allgemein sind j, k jeweils positive ganze Zahlen, wobei k bei 0 und j bei 1 beginnt und j als Zerlegungslevel bezeichnet wird. Die Zerlegungslevel j beginnen mit j=1: j=1 ist der erste Zerlegungslevel, j=2 der zweiten Zerlegungslevel usw.
  • Die ganze Zahl k in Figur 2 sagt aus, wie oft ein für die Wavelet-Transformation ausgewähltes Wavelet W bei der Berechnung gemäß der Definition der Wavelet-Transformation in Figur 3 schrittweise verschoben wird. Die Wahl von k für ein Wavelet W erfolgt jeweils so, dass das Stromsignal I(t) in dem zugehörigen Zeitabschnitt tab, über den zu integrieren ist, durch die Verschiebung einmal vollständig überdeckt wird. Das Stromsignal I(t) wird hier aus den 16 im Speicher befindlichen Stromwerten In(t) gebildet; der Zeitabschnitt tab ist hier also gleich der 16fachen Zeitdifferenz zwischen zwei Abtastzeitpunkten, also gleich der 16fachen Abtastzeit tf.
  • Das einfachste Beispiel für ein Wavelet W ist das so genannte Haar-Wavelet Wh, dessen Definition Figur 4 zeigt.
  • Dieses Wavelet Wh wurde hier zur Berechnung der Wavelet-Koeffizienten dj,k mittels der schnellen Wavelet-Transformation verwendet.
  • Das Ergebnis der Berechnung sind die in Figur 2 gezeigten Formeln für die Wavelet-Koeffizienten dj,k für die beiden Zerlegungslevel j=1 und j=4, also die Wavelet-Koeffizienten d1,k für k= 0 bis 7 und d4,k für k=0. Letzterer wird kurz als Wavelet-Koeffizient d4 bezeichnet.
  • Der Leistungsschalter wird von der Auslöseeinheit 8 ausgelöst, wenn der Waveletkoeffizient d4 des höheren Zerlegungslevels j=4 größer als jeder der Waveletkoeffizienten d1,k mit k= 0 bis 7 des niedrigeren Zerlegungslevels 1 ist. Dabei reicht es praktisch meist schon aus, nur die letzten zwei Waveletkoeffizienten d1,k zum Vergleich heranzuziehen, also die Waveletkoeffizienten d1,6 und d1,7 bei denen k=6 und 7. k läuft hier von 0 bis 7 und herangezogen werden die Waveletkoeffizienten d1,6 und d1,7 mit den beiden größten k-Werten.

Claims (6)

  1. Verfahren zum Auslösen eines Leistungsschalters, insbesondere eines Niederspannungsleistungsschalters,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass im Falle eines Kurzschlusses,
    bei dem der in einem Phasenleiter fließende Strom im Vergleich mit einem Grenzstrom (Ith) bewertet und der Leistungsschalter ausgelöst wird, wenn anhand der Bewertung ein Kurzschluss vorliegt,
    wobei der Strom (I(t)) mit einer fest vorgegebenen Abtastfrequenz abgetastet und digitalisiert wird,
    wobei für eine fest vorgegebene Anzahl unmittelbar aufeinander folgender digitaler Stromwerte (In(t)) mittels einer Wavelet-Transformation die Waveletkoeffizienten (dj,k) für mindestens zwei Zerlegungslevel (j=1, j=4) berechnet werden, wobei mindestens zwei Waveletkoeffizienten (d1,k und d4), d.h. ein Waveletkoeffizient (dj,k) pro Zerlegungslevel (j), betragsmäßig miteinander verglichen werden, wenn der letzte der unmittelbar aufeinander folgenden Stromwerte (In(t) mit n=15) größer als der Grenzstrom (Ith) ist, und
    wobei der Leistungsschalter ausgelöst wird, wenn der Waveletkoeffizient (d4) eines höheren Zerlegungslevels (j=4) größer als der Waveletkoeffizient (d1,k mit k=0,1,...,7) eines niedrigeren Zerlegungslevels (j=1) ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Ermittlung der Stromwerte (In(t)) und die Berechnung der Waveletkoeffizienten (dj,k) zyklisch erfolgen, wobei die jeweils für die Berechnung herangezogenen unmittelbar aufeinander folgenden Stromwerte (In(t)) nach Ermittlung eines neuen Stromwerts vor erneuter Berechnung der Waveletkoeffizienten (dj,k) derart geändert werden, dass der zeitlich am weitesten zurückliegende Stromwert (In(t) mit n=0) nicht mehr und stattdessen der neu ermittelte Stromwert (In(t)) berücksichtigt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Waveletkoeffizienten (dj,k) nur für zwei Zerlegungslevel (j=1 und j=4) berechnet und die Beträge dieser Waveletkoeffizienten (d1,k und d4) miteinander verglichen werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Waveletkoeffizienten (dj,k) des ersten und vierten Zerlegungslevels (j=1 und j=4) berechnet und der Betrag des einzigen Waveletkoeffizienten (d4) des vierten Zerlegungslevels (j=4) zumindest mit den Beträgen der beiden Waveletkoeffizienten (d1,k mit k=6 und 7) des ersten Zerlegungslevels (j=1) verglichen wird und dass der Leistungsschalter ausgelöst wird, wenn der Waveletkoeffizient (d4) größer als diese beiden Waveletkoeffizienten (d1,k mit k=6 und 7) ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass alle 606,4 µs ein neuer Abtastzyklus gestartet wird.
  6. Leistungsschalter, insbesondere Niederspannungsleistungsschalter, für einen stromdurchflossenen Phasenleiter, mit einem elektronischen Überlastauslöser (8), insbesondere zum Schutz gegen einen Kurzschluss, wobei der Strom im Vergleich mit einem vorgegebenen Grenzstrom (Ith) bewertet und der Leistungsschalter vom Überlastauslöser (8) ausgelöst wird, wenn anhand der Bewertung ein Kurzschluss vorliegt, wobei der Strom (I(t)) mit einer fest vorgegebenen Abtastfrequenz abgetastet und digitalisiert wird, wobei für eine fest vorgegebene Anzahl unmittelbar aufeinander folgender digitaler Stromwerte (In(t)) mittels einer Wavelet-Transformation die Waveletkoeffizienten (dj,k) mindestens zweier Zerlegungslevel (j=1, j=4) berechnet werden, wobei mindestens zwei Waveletkoeffizienten (d1,k und d4), d.h. ein Waveletkoeffizient (dj,k) pro Zerlegungslevel (j), betragsmäßig miteinander verglichen werden, wenn der letzte der unmittelbar aufeinander folgenden Stromwerte (In(t) mit n=15) größer als der Grenzstromwert (Ith) ist, und wobei der Leistungsschalter ausgelöst wird, wenn der Waveletkoeffizient (d4) eines höheren Zerlegungslevels (j=4) größer als der Waveletkoeffizient (d1,k mit k=0,1,2,3,4,5,6 oder 7) eines niedrigeren Zerlegungslevels (j=1) ist.
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