EP4162283A1 - Ortung eines lichtbogens - Google Patents

Ortung eines lichtbogens

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Publication number
EP4162283A1
EP4162283A1 EP21739601.9A EP21739601A EP4162283A1 EP 4162283 A1 EP4162283 A1 EP 4162283A1 EP 21739601 A EP21739601 A EP 21739601A EP 4162283 A1 EP4162283 A1 EP 4162283A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
arc
sound
sensor
signal
time
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP21739601.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ricardo Herrmann
Peter Schegner
Karsten Wenzlaff
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Technische Universitaet Dresden
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Dresden, Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Technische Universitaet Dresden
Publication of EP4162283A1 publication Critical patent/EP4162283A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/08—Locating faults in cables, transmission lines, or networks
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/12—Testing dielectric strength or breakdown voltage ; Testing or monitoring effectiveness or level of insulation, e.g. of a cable or of an apparatus, for example using partial discharge measurements; Electrostatic testing
    • G01R31/1209—Testing dielectric strength or breakdown voltage ; Testing or monitoring effectiveness or level of insulation, e.g. of a cable or of an apparatus, for example using partial discharge measurements; Electrostatic testing using acoustic measurements

Definitions

  • the present invention relates to a method for locating an arc in a low-voltage switchgear, a device for carrying out the method, and the use of a sound-based lateration locating method.
  • Explicit arc fault detection systems are used to detect arc faults.
  • the conventional arc fault detection systems available on the market consist of several components (multi-component systems) that have to be installed individually at the installation site.
  • fiber optic cables are installed in the areas of the system to be protected.
  • the fiber optics capture the light emission generated by an arc and forward the optical signal to a centrally installed detection unit.
  • overcurrent provides a trigger signal for a short-circuiter, which is usually used to extinguish the arc.
  • the short circuiters can produce a short circuit when activated, e.g. B. by detonating an internally installed explosive charge. This means that arc voltage can no longer build up at the arc and the arc is extinguished.
  • Arc fault detection system is z. B. in WO 2017/050764 A1 (Siemens AG) 30.03.2017 described.
  • the object of the present invention is therefore to provide improved arc location.
  • this object is achieved by a method according to claim 1, a device according to claim 6 and a use according to claim 7.
  • the method according to the invention for locating an arc in a low-voltage switchgear has the following steps: An arrival time at which an electromagnetic radiation signal generated by the arc arrives at at least one radiation sensor is recorded. An arrival time is detected at which a sound signal generated by the arc and corresponding to the electromagnetic radiation signal arrives at at least one sound sensor. For the sensor position of the at least one sound sensor, a sound propagation time is determined, which the sound signal requires from the position of the arc to the sensor position, with the arrival time of the radiation signal being assumed to be the time at which the sound signal was generated. And the position of the arc is determined on the basis of the at least one determined time of flight according to the lateration locating method.
  • a single radiation sensor is used for detection arrival time of the electromagnetic radiation signal generated by the arc is sufficient: Due to the propagation of the electromagnetic signal at the speed of light, it is justified to place the radiation sensor at any position in the low-voltage switchgear, or even in the vicinity of the low-voltage switchgear. With typical dimensions of a low-voltage switchgear in the range of 1 to 10 m, the sound propagation time from the arc to the sound sensor is in the range of 3 to 30 ms, while the corresponding propagation time of the electromagnetic radiation signal from the arc to the radiation sensor is a millionth of this Values. Therefore, the exact position of the radiation signal is not important and can be neglected.
  • the device according to the invention for locating an arc in a low-voltage switchgear has at least one radiation sensor for detecting an arrival time of an electromagnetic radiation signal generated by the arc.
  • the device according to the invention has at least one sound sensor for detecting an arrival time of a sound signal generated by the arc, which corresponds to the electromagnetic radiation signal.
  • the device also has a computing unit connected to the radiation sensor and the sound sensor.
  • the computing unit is designed to determine, for the sensor position of the at least one sound sensor, a sound propagation time which the sound signal requires from the position of the arc to the sensor position, the arrival time of the radiation signal being the time at which the sound signal was generated. than is assumed.
  • the arithmetic unit is also designed to determine the position of the arc on the basis of the at least one determined sound propagation time according to the lateration locating method.
  • the inventive use of a sound-based hyperbolic locating method is for locating an arc in a low-voltage switchgear.
  • Low voltage means voltages up to 1000 volts AC or 1500 volts DC. Low voltage means more specifically voltages that are greater than extra-low voltage with values of 50 volts AC or 120 volts DC.
  • the lateration locating method also known as trilateration, is a well-known method for determining position; this exploits the fact that the propagation time of a signal is proportional to the distance between the transmitter and the receiver. This principle is used to estimate how far away a thunderstorm is by counting the seconds between the lightning and the thunder. If the propagation speed of the signal is known, the distance between the transmitter and the receiver can be calculated from the propagation time of a signal. Once the distance between the sender and a single receiver has been determined in this way, the desired position of the sender (when viewed flat) lies on a circle, in 3D space on a spherical shell around the position of the receiver.
  • the desired position of the transmitter is on the intersections of the circles around the positions of the two receivers, in 3D space on the intersection of the two spherical shells around the positions of the receivers, i.e. on a circular line.
  • the invention is based on the finding that an arcing event, e.g. B. an ignition of the arc, the arc signal generated is noticeable to an observer both in the form of a sound signal and in the form of an electromagnetic radiation signal, whereby the two different types of signals are assigned to the same arc signal and are therefore emitted at the same time, but arrive at an observer or a sensor at significantly different arrival times.
  • the reason for these different arrival times is the well-known fact that sound waves in air and electromagnetic waves have a propagation speed that differs by a factor of about 10 6 : the speed of sound v s is approx. 343 m/s, the speed of light is c at about 3 x 10 8 m/s. Due to the propagation of the electromagnetic signal at the speed of light, it is justified to equate the arrival time of the electromagnetic signal with the ignition time of the arc, ie the time at which the arc emits both the electromagnetic signal and the acoustic signal.
  • the invention is also based on the finding that the distinctive sound emission of the arc can be used to locate it in a low-voltage switchgear. Sound is better suited for this than the electromagnetic radiation emission of the arc, since sound has a relatively low propagation speed, i. H. significant transit time differences between the sensors arise, and sound propagates better in a switchgear than light, e.g. B. is less absorbed or shielded by installations and partition walls of the low-voltage switchgear.
  • the invention it is possible to locate an arc in a switchgear with an accuracy of a few centimeters, and thus more precisely than with conventional optical detection systems.
  • parallel, high-current accidental arcs in low-voltage switchgear and distribution systems can be located by a locating system that does not have to meet any time requirements with regard to an accidental arc protection system.
  • the locating system consists of several sensors that evaluate non-electrical signals that are typical for an arc and determine the position of the arc by evaluating transit times.
  • An arc can be located in a switchgear with an accuracy of a few centimetres.
  • the locating system leads to lower installation costs: A complex installation of fiber optic cables in the switchgear under protection requirements, which is necessary for a conventional locating system, is not necessary.
  • a central arc fault detection based on current and voltage measurement forms the protective function in the switchgear.
  • the locating system locates an arc autonomously, i. H. independent of the detection system. The results of the arc location are only evaluated if an arc was detected by the detection system. Since the detection of the arcs is not based on the locating system, the locating system cannot cause an arc detection to be triggered incorrectly.
  • the sound signal is an ultrasonic signal.
  • This has the special The advantage is that the signal emitted by the arc in the ultrasonic range is less influenced by other noises, e.g. e.g. from a circuit breaker, than in another acoustic area, e.g. B. in the listening area.
  • the electromagnetic radiation signal is a UV light signal.
  • the radiation signal emitted by the arc in the UV wavelength range is less affected by other types of radiation, e.g. B.the IR heat radiation from all surrounding bodies and the visible light, which z. B. through ventilation slots in the interior of the low-voltage switchgear (ambient light), is superimposed than in another spectral range.
  • the UV light arriving at the at least one radiation sensor usually originates for the most part from the arc, since an arc is a strong UV emitter due to its high temperature.
  • the method has the following steps: At least one partial area of the low-voltage switchgear is formed. And at least one, preferably at least two, spatially spaced apart sound sensors are assigned to each partial area.
  • the sound sensor or the sound sensors are arranged at the edge of the partial area. This has the particular advantage that the partial area delimited by the sound sensors can be monitored for the existence of an arc. The accuracy of the localization depends on the area is stretched over the sound sensors. It is advantageous to place the sound sensor(s) in the corners.
  • At least one sound sensor is preferably used to determine the position of an arc on a spherical surface or circle centered around the sensor position of a sound sensor and at least one further sound sensor spaced apart from the other sound sensors for each additional dimension. If, for example, the position of an arc is only to be determined on a spherical surface (in 3D space) or a circle (in 2D space) centered around the sensor position of the sound sensor, it is sufficient to use a sound sensor and the position of the arc derived from the propagation time of the signal to the sound sensor. An additional sound sensor is required for each additional dimension of position determination.
  • the position of the arc on a general room surface can be determined by at least two sound sensors, while at least three sound sensors are required to determine the position in the room, which must not lie in one plane.
  • sound propagation times to the sensor positions of two spatially spaced sound sensors are determined and the position of the arc is determined on the basis of the two sound propagation times determined as an intersection line or intersection curve of two spherical surfaces each centered around a sensor position (3D view) or as Intersections of two circles each centered around a sensor position (2D view) determined.
  • two spatially spaced sound sensors are used for locating.
  • only two coordinates of the arc in the low-voltage switchgear are determined using the la- tation location method as the intersection curve of two spherical surfaces, but the third coordinate is based on additional information about the low-voltage switchgear. More information can see the physical dimensions (height, width, depth) of the low-voltage switchgear and the routing of lines in the low-voltage switchgear. This has the particular advantage that the required number of sensors can be reduced.
  • a single sound sensor is used for locating. Only one coordinate of the arc in the low-voltage switchgear is determined using the lateration locating method, but the second and third coordinates are determined on the basis of additional information about the low-voltage switchgear. Additional information can be the physical dimensions (height, width, depth) of the low-voltage switchgear, the position and dimensions of parts of the low-voltage switchgear and the routing of lines in the low-voltage switchgear. If a low-voltage switchgear has sections that are sealed off from one another, a sensor can be arranged in each section, e.g. B. each above or below in the sub-area.
  • a sound signal of an arc is detected by two sound sensors in the manner described above by way of a lateration method
  • two possible locations as intersections of two circles around the positions are used as first location information in a plane defined by the component of the two sound sensors with radii equal to the product of the respective transit time and the speed of sound.
  • an unambiguous solution for the position of the arc can be determined, if necessary, by a plausibility check taking into account the geometry of the low-voltage switchgear, e.g. B. when one of the two possible locations is outside the low-voltage switchgear.
  • an unambiguous solution for the arc position can be obtained by additionally determining at least one third Term to a third sound sensor can be obtained, which is arranged at a third sensor position, wherein the third sensor position is different from the first sensor position of the first sound sensor and from the second sensor position of the second sound sensor.
  • the low-voltage switchgear has at least one sub-area to which a sound sensor is assigned, the sound sensor being arranged at the edge of the sub-area.
  • an arrival time of an electromagnetic radiation signal of an arc signal serves as the point in time at which a sound signal of the arc signal, which corresponds to the electromagnetic radiation signal, is emitted.
  • a method for locating an arc in a low-voltage switchgear according to one of claims 1 to 5 is combined with a method for detecting the arc on the basis of voltage values and current values in the low-voltage switchgear.
  • a device for locating an arc in a low-voltage switchgear is combined with a device for detecting the arc in the low-voltage switchgear on the basis of voltage values and current values.
  • the tracking system is both a good addition It can be used for fast, central arcing fault detection and alternatively as a replacement for classic arcing fault detection systems that have not previously been able to locate them explicitly.
  • the location system can be evaluated centrally in combination with an arc detection system or work as a stand-alone system.
  • the locating system can be connected to an arc detection system by radio or via a bus system. With regard to the transmission times, there are no special time requirements, as the signal is not required for detection and is therefore not required for the protection function for arc fault protection.
  • such a combination has a protection and a location function for a low-voltage switchgear, because a part of the low-voltage switchgear can be monitored by an arc detection system and an arc location system, e.g. B. in each sub-area a photodiode and an additional positioning system.
  • the advantage of this is that the protection system can be made very compact, e.g. by measuring current and/or voltage, and the locating system is not part of the protection system.
  • an existing arc detection system of a low-voltage switchgear can be supplemented with an arc location system.
  • a computer program product is also proposed which can be loaded directly into the internal memory of a digital computing device and comprises software code sections which are used to carry out the steps of the method described herein when the product is run on the computing device.
  • the computer program product can be stored on a data carrier, such as a USB memory stick, a DVD or a CD-ROM, a flash memory, EEPROM or an SD card.
  • the computer program product may also be in the form of a signal loadable over a wired or wireless network.
  • the method is preferably implemented in the form of a computer program for automatic execution.
  • the invention is therefore on the one hand also a computer program with program code instructions that can be executed by a computer and on the other hand a storage medium with such a computer program, i.e. a computer program product with program code means, and finally also a low-voltage switchgear in its memory as a means of implementation of the method and its configurations such a computer program is loaded or can be loaded.
  • firmware in firmware or in firmware and software or in firmware and hardware can also be implemented in the form of firmware in firmware or in firmware and software or in firmware and hardware. It should therefore apply to the description presented here that the term software or the term computer program also includes other implementation options, namely in particular an implementation in firmware or in firmware and software or in firmware and hardware are.
  • FIG. 2 shows a first switchgear in an oblique view
  • 3 shows the first switchgear of FIG. 2 in a front view
  • 4 shows a second switchgear in an oblique view
  • FIG. 5 shows the second switchgear of FIG. 4 in a front view
  • 6 shows a hyperbola locating method with three sensors in a switchgear
  • 7 shows a switch cabinet; 8 shows a hyperbolic locating method with two sensors in a switchgear;
  • FIG. 9 shows a lateration method
  • FIG. 10 shows the time profile of ultrasonic and UV measured variables that are recorded during the ignition of an arc
  • FIG. 11 shows a lateration method with two detector units in a switchgear
  • FIG. 13 shows a cross correlation
  • 14 shows an envelope curve enveloping a sound signal
  • FIG. 15 shows a threshold method.
  • An arc quickly reaches temperatures in the range of a few 10,000 K.
  • An arc therefore exhibits intensive electromagnetic radiation with a radiation maximum in the UV spectral range.
  • the air surrounding the arc expands due to the high temperature quickly, which can be perceived as a sound emission from the arc.
  • Graphic a shows the voltage U LB across and the current i LB through the arc.
  • Graphic b shows relative voltage values of a sound sensor S s receiving in the human hearing range and an ultrasonic sensor S us that detect sound generated by the arc; the measured voltage values u s of the sensors are normalized to the magnitude of the maximum voltage value
  • Graph c shows relative voltage values of an IR sensor SIR, a VIS sensor S VIS and a UV sensor Suv detecting electromagnetic radiation generated by the arc; the measured voltage values u s of the sensors are normalized to the magnitude of the maximum voltage value Iu s
  • This characteristic of an arc the emission of electromagnetic radiation and sound waves that begins after it is ignited, can be used to locate the arc.
  • the switchgear 20 has a floor 24, two side walls 21, 22, a ceiling and a rear wall 26.
  • the bottom 24 and the top 23 are parallel to the x-z plane, the two side walls 21, 22 are parallel to the y-z plane and the rear wall 26 and the front wall 25 are parallel to the x-y plane.
  • a sound sensor 1 to 4 was positioned at each of the two ends of the front edge of the floor 24 and at the two ends of the left side edge of the ceiling 23, which is designed to receive ultrasonic signals, which are generated by a light beam. gene generated in the interior of the switchgear 20 to receive.
  • the sound sensors 1 to 4 have mutually synchronized clocks.
  • the sound sensors 1 to 4 are each connected to a computing unit 35 via signal lines 34; the sound sensors 1 to 4 can thus transmit the arrival times t1 to t4 of an ultrasonic signal, which was generated by an arc in the interior of the switchgear 20, to the arithmetic unit 35.
  • the arithmetic unit can calculate three independent transit time differences and use this to determine the 3D coordinates P A (x A , y A , z A ) of the position P A of the arc in the interior of the switchgear 20 in accordance with the hyperbola locating method .
  • FIG. 3 shows the first switching system 20 shown in FIG. 2 in a front view.
  • the z-coordinate z A of the position P A of the arc is not essential for locating the arc, because the dimension of the switchgear 20 along the z-axis is relatively small and the possible positions of an arc in z -direction are limited, e.g. B. because there is only one current-carrying conductor in the z dimension. It is therefore sufficient for locating the arc to merely determine the 2D coordinates P A (x A , y A ) of the arc in the interior of the switchgear 20 .
  • a sound sensor 1 to 3 was positioned at each of the two ends of the front edge of the floor 24 and at the front end of the left-hand side edge of the ceiling 23, which is designed to generate ultrasonic signals generated by an arc in the interior of the switchgear 20 become to receive.
  • the sound sensors 1 to 3 have mutually synchronized clocks.
  • the sound sensors 1 to 3 are each connected to a computing unit 35 via signal lines 34; thus, the sound sensors 1 to 3 can transmit the arrival times t1 to t3 of an ultrasonic signal, which was generated by an arc in the interior of the switchgear 20, to the computing unit 35.
  • the unit of account can calculate two independent transit time differences on the basis of the three arrival times t1 to t3 and use this to determine the 2D coordinates P A (x A , y A ) of the arc in the interior of the switchgear 20 in accordance with the hyperbolic localization method.
  • FIG. 4 shows a second cuboid switchgear 20 in an oblique view, which is designed similarly to the switchgear 20 shown in FIG. 2, but with the difference that the switchgear 20 now has two partitions 27 running parallel to the y-z plane which divide the switchgear 20 into three switch cabinets 28.1, 28.2 and 28.3.
  • a sound sensor 1 to 4 was positioned, which is designed to ultrasonic signals, which from an arc generated in the interior of the switchgear 20 to receive.
  • the sound sensors 1 to 4 have mutually synchronized clocks.
  • the sound sensors 1 to 4 are each connected to a computing unit (not shown) via signal lines; thus the sound sensors 1 to 4 can transmit the arrival times t1 to t4 of an ultrasonic signal, which was generated by an arc in the interior of the left switch cabinet 28.1 of the switchgear 20, to the computing unit 35.
  • the arithmetic unit can calculate three independent transit time differences and from this, according to the hyperbolic localization method, the 3D coordinates P A (x A , y A , z A ) of the position P A of the arc inside the left one Control cabinet 28.1 of the switchgear 20.
  • FIG. 5 shows the second switching system 20 shown in FIG. 3 in a front view.
  • this switchgear 20 for the same reasons as in the switchgear shown in FIG. 3, it is sufficient to locate the arc determine the 2D coordinates P A (x A , y A ) of the arc in the interior of the switchgear 20 .
  • FIG. 6 illustrates a 2D hyperbolic location method in a switchgear 20 based on three sound sensors 1, 2 and 3, which are positioned on the components of the switchgear 20 delimiting the interior.
  • a Cartesian coordinate system (x, y) is introduced to determine the location, the position of which can be defined arbitrarily.
  • the term “length” is used to designate a distance between two points; the term “difference in length” designates the difference between two lengths.
  • the time difference ⁇ ti j between a pair of sensors is measured.
  • the lengths li can be replaced with the arc coordinates (x A , y A ) and the known sensor positions (x i , y i ) using the Pythagorean theorem.
  • the resulting equation (2), from the sensor combination i and j, corresponds to a hyperbolic equation.
  • two independent hyperbolic equations can have the following form: be set up.
  • Equation (2) For a three-dimensional localization of an arc A, Equation (2) must be extended by a z-coordinate. Based on four arrival times t1 to t4 of a sound signal at four sensors, three independent hyperbolic equations of the following form can be formulated: set up and the required arc coordinates (x A , y A , z A ) are calculated. Geometrically, this corresponds to the determination of the 3D position P A (x A , y A , z A ) of the arc A as the intersection of three hyperboloids, which are described by three hyperbolic equations according to Equation (3).
  • Table 1 below gives an overview of the boundary conditions of the hyperbola localization method: Table 1
  • At least d+1 sensors In order to determine d coordinates of the position P A of the arc, at least d+1 sensors must each measure the arrival time of a sound signal from the arc.
  • FIG. 7 shows a switch cabinet 28.1, which, as outlined in FIGS. 4 and 5, can be part of a larger switchgear 20.
  • FIG. Fastening elements 32, 33 are arranged in the interior of the switch cabinet 28.1, which divide the interior into smaller partial spaces: horizontally running fastening elements 32 separate inserts 29 arranged one above the other in the right-hand part of the interior, while a vertically running fastening element 33 separates a power distribution channel 31 running vertically in the left part of the interior from the plug-in units 29 arranged to the right of it.
  • the current distribution channel 31 can have any width; he can e.g. B. a width of 60 to 80 mm exhibit.
  • a busbar 36 runs in the vertical direction in the power distribution channel 31 , via which electrical energy is brought to different electrical operating means 30 which are arranged in the racks 29 .
  • Equipment is a collective term for all devices that can be installed in the switch cabinet.
  • Three sound sensors 1, 2, 3 are arranged on the floor and on the ceiling of the current distribution channel 31 to detect arcing on the busbar 36.
  • FIG 8 illustrates an ID hyperbolic localization method in a switch cabinet 28.1, which is constructed similarly to the switch cabinet shown in FIG Power rails 36, which extend over the entire height H of the switch cabinet 28.1, are electrically supplied with equipment (not shown), which is arranged in six horizontally stacked plug-in units 29.1 to 29.6.
  • Sound sensors 2, 3 are arranged at the lower and upper end of the left-hand outer wall 21, each at a horizontal distance B from the conductor rail 36 arranged towards the center of the cabinet Arc emitted sound signal can measure.
  • FIG. 9 visualizes the property of an arc A positioned at a position P A , both electromagnetic radiation and electromagnetic waves EM, e.g. B.
  • UV ultraviolet light
  • SW sound waves
  • z. B. ultrasound US
  • An arcing event e.g. B. an ignition of the arc
  • the arc signal 10 generated is noticeable to an observer both in the form of a sound signal 10S and in the form of an electromagnetic radiation signal 10EM, with the two different types of signals 10S, 10EM being assigned to the same arc signal 10 and consequently to the are sent out at the same point in time t0, but arrive at an observer or a sensor at significantly different arrival times ti or t EM,i .
  • UV light has.
  • a microphone or an ultrasonic sensor can be used as the sound sensor S s .
  • the detector unit 38 has a microcontroller 39 for electronic processing of the sensor signals received from the two sensors S s and S EM .
  • the above-mentioned fact can be used that the electromagnetic waves 10EM and sound waves 10S emitted by an arc A propagate at very different speeds.
  • a dynamic threshold value can be used for the evaluation, which results as a percentage of the maximum modulation during the event.
  • FIG. 10 shows an example of an evaluation of the transit time difference between a UV signal UV and an ultrasonic signal US by a detector unit, as shown in FIG. After the arc is ignited, a strong UV signal UV reaches the UV sensor after approx. 0.2 ms, whereas the acoustic signal at the US sensor takes approx.
  • FIG. 11 illustrates a 2D latation method in a switchgear 20 based on two detector units 38, 39, each comprising a sound sensor 1 or 2 and an electromagnetic radiation sensor, which are positioned on the components of the switchgear 20 delimiting the interior.
  • the distinctive progression of sound and radiation is used to determine the distance to the arc; for this purpose, the fact that the radiation propagates about six powers of ten faster than the sound is used is used.
  • Exceeding a limit value on the radiation sensor is defined as the point in time t0 at which the arc ignites.
  • the transit time ⁇ ti of the sound signal is determined from the time ti, at which a limit value on the sound sensor is exceeded, and the time t0.
  • the propagation time ⁇ ti can be converted into a distance l i according to equation (1).
  • Distance li determined by a sensor i can already severely restrict the location where the arc burned. If the position of the arc is to be determined even more precisely, the distances of several sensors can be combined. For this purpose, a Cartesian coordinate system (x, y) is introduced, the position of which can be defined arbitrarily.
  • the switching system 10 can have a computing unit which can calculate sound propagation times from the arrival times obtained from the sound sensors 1, 2 and the at least one electromagnetic radiation sensor.
  • the length li between a sound sensor i and the arc can be replaced with the arc coordinates (x A , y A ) and the known sensor positions (x i , y i ) using the Pythagorean theorem.
  • the resulting equation (4) corresponds to a circle equation. With the two sound sensors 1 and 2, two such independent circuit equations can be set up. Since the sound propagation times ⁇ ti, the sound velocity v s and the sensor coordinates (x i , y i ) are known, the arc coordinates (x A , y A ) sought can be calculated from them; there are generally two equivalent solutions, since the arc position can be symmetrical to the line connecting the sensors.
  • Equation (4) For a three-dimensional localization of an arc A, Equation (4) must be extended by a z-coordinate.
  • three independent sphere equations can have the following form: are set up and the required arc coordinates (x A , y A , z A ) are calculated therefrom; here, too, there are several mathematically equivalent solutions. Geometrically this corresponds to the determination of the 3D position P A (x A , y A , z A ) of the arc A as the intersection of three spheres, which are described by three sphere equations according to Equation (5).
  • Table 2 provides an overview of the boundary conditions of the lateration method: Table 2
  • FIG. 12 illustrates an ID latation method in a switch cabinet 28.1, which is constructed similarly to the switch cabinet shown in FIG Busbar 36 extending in the switch cabinet is electrically supplied to equipment (not shown) which is arranged in six horizontally stacked plug-in units 29.1 to 29.6.
  • equipment not shown
  • an arc in the current distribution channel 31 must lie along a current-carrying conductor, i.e. on the busbar 36, one detector unit 38 is sufficient for precise localization of the arc about the position of sound sensor 1, which corresponds to the position of the detector unit 38; the position P A of the arc is therefore defined as the intersection of the circle k with the busbar 36; the arc may therefore have caused damage primarily in the fifth slot 29.5, which covers an area of the busbar 36 in which the position P A of the arc lies.
  • the radiation sensor in a detector unit 38 together with a sound sensor, an arrangement is also possible in which, justified by the fact that the light signal propagates faster than the sound signal of the arc by a factor of 10 6 , the radiation sensor is separated from the sound sensor placed at any position in the low-voltage switchgear or even in the vicinity of the low-voltage switchgear; the sound sensor can also be arranged separately from a computing unit for processing the arrival times recorded by the two sensors.
  • FIGS. 13 to 15 relate to the determination of transit time differences in the hyperbola locating method.
  • the transit time differences between two or more sensors must be determined for the hyperbolic localization process; a cross-correlation, in particular a cross-correlation of an envelope curve of signal values or a threshold value method can be used for this purpose.
  • a threshold method is less computationally intensive than cross-correlation and is therefore often preferred.
  • the difference in transit time between two or more sensors can be analyzed more precisely by means of cross-correlation of the envelope curve than with a threshold value method. This means that high-current arcing faults can be evaluated using the simpler threshold method, while low-current or heavily shadowed arcing faults can be evaluated can be located more precisely with the cross-correlation of the envelope.
  • FIG. 13 illustrates a cross correlation.
  • Graphic a shows the original measurement curves u 1 and u 2 of a sound signal recorded by two sensors 1, 2.
  • the measurement curves u 1 and u 2 are first smoothed by forming their magnitude and including a median filter with a window width of z. B. 1000 values is applied.
  • FIG. 14 illustrates an envelope curve HK (dashed line) for a sound signal 10S (solid line).
  • An envelope curve of a signal follows the progression of the amplitude of the sound signal 10S, which changes over time (t-axis), plotted along the y-axis. So the envelope is like a filter that filters out changes in the sound signal on small time scales and only keeps changes in the sound signal on larger time scales.
  • the envelope curve as the envelope of the fine structure of a sound signal, essentially reflects the course of the sound level.
  • FIG. 15 illustrates a threshold method.
  • Graphic a shows the measurement curves u 1 and u 2 recorded by two sensors 1, 2 a sound signal.
  • a threshold value comparison is applied to the measurement curves u 1 and u 2 of both sensors 1 and 2 to determine the transit time difference ⁇ t.
  • the point in time at which the absolute value of the measurement signal u s (t) exceeds a fixed threshold value +u ⁇ or -u ⁇ for the first time is used as ⁇ t, see graphic a: or a percentage threshold value p ⁇ of the maximum modulation
  • Graphic b shows the function F(u s ,t) for the two measurement curves u 1 and u 2
  • the time difference between the two jump points at which the functions F(u 1 ,t) and F(u 2 ,t) change from 0 jump to 1 corresponds to the transit time difference ⁇ t.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ortung eines Lichtbogens (A) in einer Niederspannungsschaltanlage (20), mit folgenden Schritten: - Erfassen einer Ankunftszeit (tEM,i), zu der ein durch den Lichtbogen (A) erzeugtes elektromagnetisches Strahlungssignal (10EM) an mindestens einem Strahlungssensor (S_UV) ankommt und einer Ankunftszeit (ti), zu der ein durch den Lichtbogen (A) erzeugtes Schallsignal (10S), welches zu dem elektromagnetischen Strahlungssignal (10EM) korrespondiert, an mindestens einem Schallsensor (S_US) ankommt; - Ermitteln, für die Sensorposition (1, 2, 3) des mindestens einen Schallsensors (S_US), einer Schalllaufzeit (Δt), welche das Schallsignal (10S) von einer Position (P_A) des Lichtbogens (A) zu der Sensorposition (1, 2, 3) benötigte, wobei die Ankunftszeit (tEM,i) des Strahlungssignals (10EM) als der Zeitpunkt (t0) der Erzeugung des SchallSignals (10S) angenommen wird; - Bestimmen der Position (P_A) des Lichtbogens (A) auf Basis der mindestens einen ermittelten Schalllaufzeit (Δt) gemäß dem LateratIons-Ortungsverfahren.

Description

Beschreibung
Ortung eines Lichtbogens
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ortung eines Lichtbogens in einer Niederspannungsschaltanlage, eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens, sowie eine Verwen- dung eines schallbasierten Laterations-Ortungsverfahrens.
In Niederspannungsnetzen sind Kurzschlüsse meist mit auftre- tenden parallelen Störlichtbögen verbunden. Besonders in leistungsstarken Verteil- und Schaltanlagen können diese bei einer nicht ausreichend schnellen Abschaltung zu verheerenden Zerstörungen von Betriebsmitteln, Anlagenteilen oder komplet- ten Schaltanlagen führen. Um einen länger andauernden und großflächigen Ausfall der Energieversorgung zu vermeiden und Personenschäden zu reduzieren, ist es erforderlich, derartige stromstarke, parallele Störlichtbögen in wenigen Millisekun- den zu erkennen und zu löschen.
Für die Erfassung von Störlichtbögen kommen explizite Stör- lichtbogendetektionssysteme zum Einsatz. Die konventionellen, am Markt verfügbaren Störlichtbogendetektionssysteme bestehen aus mehreren Komponenten (Mehrkomponentensysteme), die am Einbauort einzeln installiert werden müssen. So werden in den zu schützenden Bereichen der Anlage zum Beispiel Lichtwellen- leiter installiert. Die Lichtwellenleiter erfassen die von einem Lichtbogen erzeugte Lichtemission und leiten das opti- sche Signal an eine zentral installierte Detektionseinheit weiter. Diese stellt auf Grundlage der Auswertung des opti- schen Signals und eventuell weiteren Freigabebedingungen wie z. B. Überstrom ein Auslösesignal für einen Kurzschließer be- reit, der meist für die Löschung des Lichtbogens eingesetzt wird. Die Kurzschließer können bei Ansteuerung einen Kurz- schluss erzeugen, z. B. durch Zünden einer intern installier- ten Sprengladung. Somit kann sich am Lichtbogen keine Licht- bogenspannung mehr aufbauen und der Lichtbogen erlischt. Ein Störlichtbogendetektionssystem ist z. B. in WO 2017/050764 A1 (Siemens AG) 30.03.2017 beschrieben.
Diese Systeme kombinieren indirekt die Störlichtbogenortung und die Störlichtbogenerfassung, wenn eine Auswertung des an- gesprochenen Sensors durchgeführt wird. Jedoch begrenzt sich die Genauigkeit der Ortung lediglich auf den Erfassungsbe- reich des Sensors. Eine genaue Position der Lichtbogenbrenn- stelle kann mit den bestehenden Systemen nicht ermittelt wer- den.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbes- serte Lichtbogenortung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, eine Vorrichtung gemäß Anspruch 6 sowie eine Ver- wendung gemäß Anspruch 7 erfüllt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ortung eines Lichtbogens in einer Niederspannungsschaltanlage weist folgende Schritte auf: Es erfolgt ein Erfassen einer Ankunftszeit, zu der ein durch den Lichtbogen erzeugtes elektromagnetisches Strah- lungssignal an mindestens einem Strahlungssensor ankommt. Es erfolgt ein Erfassen einer Ankunftszeit, zu der ein durch den Lichtbogen erzeugtes Schallsignal, welches zu dem elektromag- netischen Strahlungssignal korrespondiert, an mindestens ei- nem Schallsensor ankommt. Es erfolgt ein Ermitteln, für die Sensorposition des mindestens einen Schallsensors, einer Schalllaufzeit, welche das Schallsignal von der Position des Lichtbogens zu der Sensorposition benötigte, wobei die An- kunftszeit des Strahlungssignals als der Zeitpunkt der Erzeu- gung des Schallsignals angenommen wird. Und es erfolgt ein Bestimmen der Position des Lichtbogens auf Basis der mindes- tens einen ermittelten Schalllaufzeit gemäß dem Laterations- Ortungsverfahren .
Grundsätzlich ist, unabhängig von der Zahl der verwendeten Schallsensoren, ein einziger Strahlungssensor zum Erfassen einer Ankunftszeit des durch den Lichtbogen erzeugten elekt- romagnetisches Strahlungssignals ausreichend: Aufgrund der Ausbreitung des elektromagnetischen Signals mit Lichtge- schwindigkeit ist es gerechtfertigt, den Strahlungssensor an eine beliebige Position in der Niederspannungsschaltanlage, oder sogar in der Umgebung der Niederspannungsschaltanlage, zu setzen. Bei typischen Abmessungen einer Niederspannungs- schaltanlage im Bereich von 1 bis 10 m liegt nämlich die Schalllaufzeit vom Lichtbogen bis zum Schallsensor im Bereich von 3 bis 30 ms, die korrespondierende Laufzeit des elektro- magnetischen Strahlungssignals vom Lichtbogen zum Strahlungs- sensor dagegen bei einem Millionstel dieser Werte. Daher fällt die genaue Position des Strahlungssignals nicht ins Ge- wicht und ist vernachlässigbar.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ortung eines Lichtbogens in einer Niederspannungsschaltanlage weist mindestens einen Strahlungssensor zum Erfassen einer Ankunftszeit eines durch den Lichtbogen erzeugten elektromagnetischen Strahlungssig- nals auf. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist mindestens einen Schallsensor zum Erfassen einer Ankunftszeit eines durch den Lichtbogen erzeugten Schallsignals, welches zu dem elektromagnetischen Strahlungssignal korrespondiert, auf. Die Vorrichtung weist außerdem eine mit dem Strahlungssensor und dem Schallsensor verbundene Recheneinheit auf. Die Rechenein- heit ist zum Ermitteln, für die Sensorposition des mindestens einen Schallsensors, einer Schalllaufzeit ausgestaltet, wel- che das Schallsignal von der Position des Lichtbogens zu der Sensorposition benötigte, wobei die Ankunftszeit des Strah- lungssignals als der Zeitpunkt der Erzeugung des Schallsig- nals angenommen wird. Die Recheneinheit ist außerdem zum Be- stimmen der Position des Lichtbogens auf der Basis der min- destens einen ermittelten Schalllaufzeit gemäß dem Laterati- ons-Ortungsverfahren ausgestaltet.
Die erfindungsgemäße Verwendung eines schallbasierten Hyper- bel-Ortungsverfahrens ist zur Ortung eines Lichtbogens in ei- ner Niederspannungsschaltanlage. Das erfindungsgemäße Ortungsverfahren benötigt mindestens ei- nen Sensor für elektromagnetische Strahlung („EM-Sensor"; EM = elektromagnetisch/er) und mindestens einen Sensor für Schallwellen („Schallsensor"); dabei können sich ein EM- Sensor und ein Schallsensor an derselben Position befinden und zusammen mit einer Recheneinheit als eine Detektoreinheit ausgebildet sein. Eine Vernetzung mit weiteren Schallsensoren ist für eine höhere Genauigkeit der Lichtbogenortung vorteil- haft, aber nicht unbedingt erforderlich. Aus diesem Grund kann das erfindungsgemäße Ortungsverfahren als ein autarkes Ortungssystem bezeichnet werden.
Mit Niederspannung sind Spannungen bis 1000 Volt Wechselspan- nung oder 1500 Volt Gleichspannung gemeint. Mit Niederspan- nung sind spezieller insbesondere Spannungen gemeint, die größer als die Kleinspannung mit Werten von 50 Volt Wechsel- spannung oder 120 Volt Gleichspannung sind.
Das Laterations-Ortungsverfahren, auch bezeichnet mit dem Na- men Trilateration, ist eine bekannte Methode zur Positionsbe- stimmung; dabei wird ausgenutzt, dass die Laufzeit eines Sig- nals proportional zu der Entfernung zwischen dem Sender und dem Empfänger ist. Anwendung findet dieses Prinzip bei der Abschätzung, wie weit ein Gewitter entfernt ist, indem man die Sekunden zwischen dem Blitz und dem Donner zählt. Bei be- kannter Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals kann aus der Laufzeit eines Signals die Entfernung zwischen dem Sender und dem Empfänger berechnet werden. Hat man auf diese Weise die Entfernung zwischen dem Sender und einem einzigen Empfänger ermittelt, so liegt die gesuchte Position des Senders (bei ebener Betrachtung) auf einem Kreis, im 3D-Raum auf einer Ku- gelschale um die Position des Empfängers. Bei zwei Empfängern an unterschiedlichen Positionen ist die gesuchte Position des Senders bei ebener Betrachtung auf den Schnittpunkten der Kreise um die Positionen der beiden Empfänger, im 3D-Raum auf der Schnittlinie der beiden Kugelschalen um die Positionen der Empfänger, also auf einer Kreislinie. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein durch ein Lichtbogenereignis, z. B. eine Zündung des Lichtbogens, erzeugtes Lichtbogensignal für einen Beobachter sowohl in Form eines Schallsignals als auch in Form eines elektromagne- tischen Strahlungssignals bemerkbar ist, wobei die beiden verschiedenartigen Signale zwar demselben Lichtbogensignal zugeordnet sind und demzufolge zum gleichen Zeitpunkt ausge- sendet werden, aber zu wesentlich unterschiedlichen Ankunfts- zeiten bei einem Beobachter bzw. einem Sensor ankommen. Die Ursache dieser unterschiedlichen Ankunftszeiten ist die be- kannte Tatsache, dass Schallwellen in Luft und elektromagne- tischen Wellen eine circa um den Faktor 106 unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit aufweisen: die Schallgeschwindig- keit vs beträgt ca. 343 m/s, die Lichtgeschwindigkeit c liegt bei ca. 3 x 108 m/s. Aufgrund der Ausbreitung des elektromag- netischen Signals mit Lichtgeschwindigkeit ist es gerechtfer- tigt, die Ankunftszeit des elektromagnetischen Signals gleichzusetzen mit dem Zündzeitpunkt des Lichtbogens, d. h. dem Zeitpunkt, an dem der Lichtbogen sowohl das elektromagne- tische Signal als auch das akustische Signal aussendet.
Der Erfindung liegt außerdem die Erkenntnis zugrunde, dass die markante Schallemission des Lichtbogens zu seiner Ortung in einer Niederspannungsschaltanlage genutzt werden kann. Schall ist dazu besser als die elektromagnetische Strahlungs- emission des Lichtbogens geeignet, da Schall eine relativ kleine Ausbreitungsgeschwindigkeit hat, d. h. signifikante Laufzeitunterschiede zwischen den Sensoren entstehen, und sich Schall in einer Schaltanlage besser ausbreitet als Licht, z. B. durch Einbauten und Trennwände der Niederspan- nungsschaltanlage weniger absorbiert bzw. abgeschirmt wird.
Mit der Erfindung ist es möglich, einen Lichtbogen auf wenige Zentimeter genau in einer Schaltanlage zu orten, und somit genauer als mit den herkömmlichen optischen Detektionssyste- men. Mit der Erfindung können parallele, stromstarke Störlichtbö- gen in Niederspannungs-Schalt- und Verteilungs-Anlagen durch ein Ortungssystem, das keine zeitlichen Anforderungen hin- sichtlich eines Störlichtbogenschutzsystems erfüllen muss, geortet werden. Das Ortungssystem besteht aus mehreren Senso- ren, die für einen Lichtbogen typische, nicht-elektrische Signale auswerten und durch die Auswertung von Laufzeiten die Position des Lichtbogens bestimmen.
Durch den Einsatz eines Ortungssystems in einer Niederspan- nungsschaltanlage ergeben sich folgende Vorteile:
- Mit dem Ortungssystem kann eine hohe Genauigkeit der Loka- lisierung eines Lichtbogens erzielt werden: Ein Lichtbogen lässt sich mit einer Genauigkeit von wenigen Zentimeter in einer Schaltanlage orten.
- Das Ortungssystem führt zu geringeren Installationskosten: Eine aufwändige Installation von Lichtwellenleitern in der Schaltanlage unter schutztechnischen Anforderungen, die für ein herkömmliches Ortungssystem notwendig ist, ist nicht erforderlich .
- Eine zentrale Störlichtbogendetektion auf Basis von Strom- und Spannungsmessung bildet die Schutzfunktion in der Schaltanlage. Das Ortungssystem ortet einen Lichtbogen au- tark, d. h. unabhängig vom Detektionssystem. Eine Auswer- tung der Ergebnisse der Lichtbogenortung erfolgt nur, falls vom Detektionssystem ein Lichtbogen erkannt wurde. Da die Erkennung der Lichtbögen also nicht auf dem Ortungssystem basiert, kann das Ortungssystem keine Fehlauslösung einer Lichtbogenerkennung hervorrufen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin- dung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Dabei kann das erfindungsgemäße Verfahren auch entsprechend den abhängi- gen Vorrichtungsansprüchen weitergebildet sein, und umge- kehrt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schallsignal ein Ultraschallsignal. Dies hat den besonderen Vorteil, dass das vom Lichtbogen ausgesendete Signal im Ult- raschallbereich weniger durch andere Geräusche, z. B.von ei- nem Leistungsschalter, überlagert wird als in einem anderen akustischen Bereich, z. B. im Hörbereich.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das elektromagnetische Strahlungssignal ein UV-Lichtsignal. Dies hat den besonderen Vorteil, dass das vom Lichtbogen ausgesen- dete Strahlungssignal im UV-Wellenlängenbereich weniger durch andere Strahlungsarten, z. B.die IR-Wärmestrahlung von allen umgebenden Körpern und das sichtbare Licht, welches z. B. durch Lüftungsschlitze in das Innere der Niederspannungs- schaltanlage gelangt (Umgebungslicht), überlagert wird als in einem anderen Spektralbereich. Das bei dem mindestens einen Strahlungssensor ankommende UV-Licht stammt in der Regel zum größten Teil vom Lichtbogen, da ein Lichtbogen aufgrund sei- ner hohen Temperatur ein starker UV-Strahler ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Verfahren folgende Schritte auf: Es erfolgt ein Bilden min- destens eines Teilbereichs der Niederspannungsschaltanlage. Und es erfolgt ein Zuordnen von mindestens einem, bevorzugt von mindestens zwei räumlich voneinander beabstandeten Schallsensoren zu jedem Teilbereich. Der Begriff Teilbereich umfasst dabei sowohl einen 2D- als auch einen 3D-Teilbereich (= Teil-Volumen). Es ist also möglich, verschiedene Einheiten der Niederspannungsschaltanlage (Schaltfeld, Schaltschrank, Schaltanlage, Einschub) mit Schallsensoren zu überwachen.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Ortung eines Licht- bogens jeweils in kleineren Bereichen erfolgt, so dass eine einfachere und genauere Ortung ermöglich wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Schallsensor bzw. werden die Schallsensoren am Rand des Teil- bereichs angeordnet. Dies hat den besonderen Vorteil, dass der von den Schallsensoren begrenzte Teilbereich auf eine Existenz eines Lichtbogens überwacht werden kann. Die Genau- igkeit der Ortung ist dabei abhängig von der Fläche, die von den Schallsensoren aufgespannt wird. Es ist dabei von Vor- teil, den oder die Schallsensoren in den Ecken zu platzieren.
Bevorzugt wird für die Bestimmung der Position eines Lichtbo- gens auf einer um die Sensorposition eines Schallsensors zentrierten Kugelfläche oder Kreis wenigstens ein Schallsensor verwendet und für jede weitere Dimension wenigs- tens ein weiterer von den anderen Schallsensoren beabstande- ter Schallsensor. Soll die Position eines Lichtbogens bei- spielsweise nur auf einer um die Sensorposition des Schall- sensors zentrierten Kugelfläche (im 3D-Raum) oder Kreis (im 2D-Raum) bestimmt werden, so genügt es, einen Schallsensor zu verwenden und die Position des Lichtbogens aus der Laufzeit des Signals zu dem Schallsensor abzuleiten. Für jede weitere Dimension der Positionsbestimmung ist ein weiterer Schallsen- sor erforderlich. Die Position des Lichtbogens auf einer all- gemeinen Raumfläche kann durch mindestens zwei Schallsensoren bestimmt werden, während für die Positionsbestimmung im Raum mindestens drei Schallsensoren benötigt werden, die nicht in einer Ebene liegen dürfen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden Schalllaufzeiten zu den Sensorpositionen von zwei räumlich voneinander beabstandeten Schallsensoren ermittelt und die Position des Lichtbogens auf Basis der zwei ermittelten Schalllaufzeiten als eine Schnittlinie bzw. Schnittkurve von zwei um je eine Sensorposition zentrierten Kugelflächen (3D- Betrachtung) oder als Schnittpunkte von zwei um je eine Sen- sorposition zentrierten Kreisen (2D-Betrachtung) ermittelt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden zwei räumlich voneinander beabstandete Schallsensoren zur Or- tung verwendet. Dabei werden lediglich zwei Koordinaten des Lichtbogens in der Niederspannungsschaltanlage durch das La- terations-Ortungsverfahren als Schnittkurve von zwei Kugel- flächen ermittelt, aber die dritte Koordinate auf Basis wei- terer Informationen über die Niederspannungsschaltanlage. Weitere Informationen können die physikalischen Abmessungen (Höhe, Breite, Tiefe) der Niederspannungsschaltanlage und der Verlauf von Leitungen in der Niederspannungsschaltanlage sein. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die notwendige Zahl an Sensoren verringert werden kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein einziger Schallsensor zur Ortung verwendet. Dabei wird ledig- lich eine Koordinate des Lichtbogens in der Niederspannungs- schaltanlage durch das Laterations-Ortungsverfahren ermit- telt, aber die zweite und die dritte Koordinate auf Basis weiterer Informationen über die Niederspannungsschaltanlage ermittelt. Weitere Informationen können die physikalischen Abmessungen (Höhe, Breite, Tiefe) der Niederspannungsschalt- anlage, die Lage und die Abmessungen von Teilbereichen der Niederspannungsschaltanlage und der Verlauf von Leitungen in der Niederspannungsschaltanlage sein. Falls eine Niederspan- nungsschaltanlage voneinander abgeschottete Teilbereiche auf- weist, kann in den Teilbereichen jeweils ein Sensor angeord- net werden, z. B. jeweils oben oder unten im Teilbereich.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass die notwendige Zahl an Sensoren verringert werden kann.
Bei Ausführungsformen, bei denen ein Schallsignal eines Lichtbogens von zwei Schallsensoren auf die vorstehend bei- spielhaft beschriebene Weise nach Art eines Laterationsver- fahrens erfasst wird, werden als erste Ortsinformationen in einer durch das Bauteil definierten Ebene zwei mögliche Orte als Schnittpunkte zweier Kreise um die Positionen der beiden Schallsensoren mit Radien gleich dem Produkt von jeweiliger Laufzeit und Schallgeschwindigkeit erhalten. Bei weiteren be- vorzugten Ausführungsformen kann eine eindeutige Lösung für die Position des Lichtbogens ggf. durch eine Plausibilisie- rung unter Berücksichtigung der Geometrie der Niederspan- nungsschaltanlage ermittelt werden, z. B. dann, wenn einer der beiden möglichen Orte außerhalb der Niederspannungs- schaltanlage liegt. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsfor- men kann eine eindeutige Lösung für die Lichtbogenposition durch die ergänzende Ermittlung wenigstens einer dritten Laufzeit zu einem dritten Schallsensor erhalten werden, der an einer dritten Sensorposition angeordnet ist, wobei die dritte Sensorposition von der ersten Sensorposition des ers- ten Schallsensors und von der zweiten Sensorposition des zweiten Schallsensors verschieden ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Niederspannungsschaltanlage mindestens einen Teilbereich auf, dem ein Schallsensor zugeordnet sind, wobei der Schallsensor am Rand des Teilbereichs angeordnet ist. Dies hat den beson- deren Vorteil, dass die Ortung eines Lichtbogens jeweils in kleineren Bereichen erfolgt, so dass eine einfachere und ge- nauere Ortung ermöglich wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Verwendung dient ei- ne Ankunftszeit eines elektromagnetischen Strahlungssignals eines Lichtbogensignals als der Zeitpunkt der Aussendung ei- nes zu dem elektromagnetischen Strahlungssignal korrespondie- renden Schallsignals des Lichtbogensignals. Dies hat den be- sonderen Vorteil, dass unabhängig von der Anzahl der verwen- deten Schallsensoren lediglich ein einziger Strahlungssensor zur Bestimmung des Sendezeitpunkts notwendig ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren zur Ortung eines Lichtbogens in einer Niederspan- nungsschaltanlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem Verfahren zur Erkennung des Lichtbogens auf Basis von Span- nungswerten und Stromwerten in der Niederspannungsschaltanla- ge kombiniert. Analog dazu wird in einer vorteilhaften Ausge- staltung der Erfindung eine Vorrichtung zur Ortung eines Lichtbogens in einer Niederspannungsschaltanlage gemäß An- spruch 6 mit einer Vorrichtung zur Erkennung des Lichtbogens in der Niederspannungsschaltanlage auf Basis von Spannungs- werten und Stromwerten kombiniert. Diese Kombinationen haben den besonderen Vorteil, dass für das Ortungssystem keine be- sonderen schutzrelevanten Anforderungen beachtet werden müs- sen, weil das Ortungssystem nicht zu dem Lichtbogenschutzsys- tem zählt. Das Ortungssystem ist sowohl eine gute Ergänzung für die schnelle, zentrale Störlichtbogenerkennung als auch alternativ als Ersatz für klassische Störlichtbogendetekti- onssysteme verwendbar, die bisher nicht über eine explizite Ortung verfügen. Das Ortungssystem kann in Kombination mit einem Lichtbogenerkennungssystem zentral ausgewertet werden oder als ein eigenständiges System arbeiten. Eine Anbindung des Ortungssystems an ein Lichtbogenerkennungssystem kann funktechnisch oder über ein Bussystem erfolgen. Hinsichtlich der Übertragungszeiten bestehen keine besonderen zeitlichen Anforderungen, da das Signal nicht für die Detektion und da- her im Rahmen der Schutzfunktion für den Störlichtbogenschutz notwendig ist.
Die oben genannten Kombinationen haben also zwei Aspekte: Zum einen hat eine solche Kombination eine Schutz- und eine Or- tungsfunktion für eine Niederspannungsschaltanlage, weil ein Teilbereich der Niederspannungsschaltanlage durch ein Licht- bogenerkennungssystem und ein Lichtbogenortungssystem über- wacht werden kann, z. B. in jedem Teilbereich eine Fotodiode und zusätzlich ein Ortungssystem. Der Vorteil dabei ist, dass das Schutzsystem sehr kompakt ausgebildet sein kann, z. B. durch Messung von Strom und/oder Spannung, und das Ortungs- system nicht Bestandteil des Schutzsystems ist. Zum anderen kann ein bestehendes Lichtbogenerkennungssystem einer Nieder- spannungsschaltanlage um ein Lichtbogenortungssystem ergänzt werden.
Es wird außerdem ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, das direkt in den internen Speicher einer digitalen Rechen- einheit geladen werden kann und Softwarecodeabschnitte um- fasst, mit denen die Schritte des hierin beschriebenen Ver- fahrens ausgeführt werden, wenn das Produkt auf der Rechen- einheit läuft. Das Computerprogrammprodukt kann auf einem Da- tenträger gespeichert sein, wie z.B. einem USB-Speicherstick, einer DVD oder einer CD-ROM, einem Flash-Speicher, EEPROM oder einer SD-Karte. Das Computerprogrammprodukt kann auch in der Form eines über ein drahtgebundenes oder drahtloses Netz- werk ladbares Signal vorliegen. Das Verfahren ist zur automatischen Ausführung bevorzugt in Form eines Computerprogramms realisiert. Die Erfindung ist damit einerseits auch ein Computerprogramm mit durch einen Computer ausführbaren Programmcodeanweisungen und anderer- seits ein Speichermedium mit einem derartigen Computerpro- gramm, also ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemit- teln, sowie schließlich auch eine Niederspannungsschaltanla- ge, in deren Speicher als Mittel zur Durchführung des Verfah- rens und seiner Ausgestaltungen ein solches Computerprogramm geladen oder ladbar ist.
Wenn im Folgenden Verfahrensschritte oder Verfahrensschritt- folgen beschrieben werden, bezieht sich dies auf Aktionen, die aufgrund des Computerprogramms oder unter Kontrolle des Computerprogramms erfolgen, sofern nicht ausdrücklich darauf hingewiesen ist, dass einzelne Aktionen durch einen Benutzer des Computerprogramms veranlasst werden. Zumindest bedeutet jede Verwendung des Begriffs „automatisch", dass die betref- fende Aktion aufgrund des Computerprogramms oder unter Kon- trolle des Computerprogramms erfolgt.
Anstelle eines Computerprogramms mit einzelnen Programmcode- anweisungen kann die Implementierung des hier und im Folgen- den beschriebenen Verfahrens auch in Form von Firmware erfol- gen. Dem Fachmann ist klar, dass anstelle einer Implementati- on eines Verfahrens in Software stets auch eine Implementati- on in Firmware oder in Firm- und Software oder in Firm- und Hardware möglich ist. Daher soll für die hier vorgelegte Be- schreibung gelten, dass von dem Begriff Software oder dem Be- griff Computerprogramm auch andere Implementationsmöglichkei- ten, nämlich insbesondere eine Implementation in Firmware oder in Firm- und Software oder in Firm- und Hardware, um- fasst sind.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich durch die folgende Beschreibung der Ausführungsbeispiele, welche anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt jeweils schematisch und nicht maßstabsgetreu
FIG 1 den zeitlichen Verlauf von Messgrößen, die während der Zündung eines Lichtbogens erfasst werden;
FIG 2 eine erste Schaltanlage in Schrägansicht; FIG 3 die erste Schaltanlage von FIG 2 in Vorderansicht; FIG 4 eine zweite Schaltanlage in Schrägansicht; FIG 5 die zweite Schaltanlage von FIG 4 in Vorderansicht; FIG 6 ein Hyperbelortungsverfahren mit drei Sensoren in einer Schaltanlage;
FIG 7 einen Schaltschrank; FIG 8 ein Hyperbelortungsverfahren mit zwei Sensoren in ei- ner Schaltanlage;
FIG 9 ein Laterationsverfahren; FIG 10 den zeitlichen Verlauf von Ultraschall- und UV-Mess- größen, die während der Zündung eines Lichtbogens er- fasst werden;
FIG 11 ein Laterationsverfahren mit zwei Detektoreinheiten in einer Schaltanlage;
FIG 12 ein Laterationsverfahren mit einer Detektoreinheit in einer Schaltanlage;
FIG 13 eine Kreuzkorrelation; FIG 14 eine ein Schallsignal einhüllende Hüllkurve; und FIG 15 ein Schwellwertverfahren.
FIG 1 zeigt den zeitlichen Verlauf verschiedener Messgrößen, die während und bis ca. 29 ms nach der Zündung eines Lichtbo- gens erfasst wurden; dabei zündet der Lichtbogen zum Zeit- punkt t=0.
Ein Lichtbogen erreicht in kurzer Zeit Temperaturen im Be- reich von einigen 10000 K. Deshalb weist ein Lichtbogen eine intensive elektromagnetische Abstrahlung mit einem Strah- lungsmaximum im UV-Spektralbereich auf. Zudem dehnt sich durch die hohe Temperatur die den Lichtbogen umgebende Luft schnell aus, was als eine Schallemission des Lichtbogens wahrnehmbar ist.
Grafik a zeigt die Spannung ULB über einen und den Strom iLB durch den Lichtbogen.
Grafik b zeigt relative Spannungswerte eines im menschlichen Hörbereich empfangenden Schallsensors Ss und eines Ultra- schallsensors Sus, die von dem Lichtbogen generierten Schall erfassen; dabei sind die gemessenen Spannungswerte us der Sensoren normiert auf den Betrag des maximalen Spannungswerts
Ius Imax ·
Grafik c zeigt relative Spannungswerte eines IR-Sensors SIR, eines VIS-Sensors SVIS und eines UV-Sensors Suv, die von dem Lichtbogen generierte elektromagnetische Strahlung erfassen; dabei sind die gemessenen Spannungswerte us der Sensoren nor- miert auf den Betrag des maximalen Spannungswerts Ius | max.
Dieses Merkmal eines Lichtbogens, die nach seiner Zündung einsetzende Aussendung von elektromagnetischer Strahlung und von Schallwellen, kann zur Ortung des Lichtbogens genutzt werden.
FIG 2 zeigt eine erste quaderförmige Schaltanlage 20 in Schrägansicht. Die Schaltanlage 20 weist einen Boden 24, zwei Seitenwände 21, 22, eine Decke sowie eine Rückwand 26 auf.
Die Vorderwand 25, durch die die Schaltanlage 20 im Betrieb verschlossen wird, wurde entfernt, um einen Zugriff auf den Innenraum zu erlauben. Dabei liegen der Boden 24 und die De- cke 23 parallel zur x-z-Ebene, die beiden Seitenwände 21, 22 parallel zur y-z-Ebene und die Rückwand 26 und die Vorderwand 25 parallel zur x-y-Ebene.
An den beiden Enden der Vorderkante des Bodens 24 sowie an den beiden Enden der linken Seitenkante der Decke 23 wurde jeweils ein Schallsensor 1 bis 4 positioniert, der dazu aus- gestaltet ist, Ultraschallsignale, welche von einem Lichtbo- gen im Innenraum der Schaltanlage 20 generiert werden, zu empfangen. Die Schallsensoren 1 bis 4 weisen untereinander synchronisierte Uhren auf. Die Schallsensoren 1 bis 4 sind jeweils über Signalleitungen 34 mit einer Recheneinheit 35 verbunden; somit können die Schallsensoren 1 bis 4 die An- kunftszeiten t1 bis t4 eines Ultraschallsignals, welches von einem Lichtbogen im Innenraum der Schaltanlage 20 generiert wurde, zu der Recheneinheit 35 übertragen. Die Recheneinheit kann auf Basis der vier Ankunftszeiten t1 bis t4 drei unab- hängige Laufzeitdifferenzen berechnen und daraus gemäß dem Hyperbelortungsverfahren die 3D-Koordinaten PA(xA, yA, zA) der Position PA des Lichtbogens im Innenraum der Schaltanlage 20 ermitteln.
FIG 3 zeigt die in FIG 2 dargestellte erste Schaltanlage 20 in Vorderansicht. Bei dieser Schaltanlage 20 ist die z- Koordinate zA der Position PA des Lichtbogens nicht wesent- lich für die Ortung des Lichtbogens, weil die Dimension der Schaltanlage 20 entlang der z-Achse relativ gering ist bzw. die möglichen Positionen eines Lichtbogens in z-Richtung be- grenzt sind, z. B. weil es in der z-Dimension nur einen ein- zigen stromführenden Leiter gibt. Daher ist es für die Ortung des Lichtbogens ausreichend, lediglich die 2D-Koordinaten PA(xA, yA) des Lichtbogens im Innenraum der Schaltanlage 20 ermitteln.
An den beiden Enden der Vorderkante des Bodens 24 sowie an dem vorderen Ende der linken Seitenkante der Decke 23 wurde jeweils ein Schallsensor 1 bis 3 positioniert, der dazu aus- gestaltet ist, Ultraschallsignale, welche von einem Lichtbo- gen im Innenraum der Schaltanlage 20 generiert werden, zu empfangen. Die Schallsensoren 1 bis 3 weisen untereinander synchronisierte Uhren auf. Die Schallsensoren 1 bis 3 sind jeweils über Signalleitungen 34 mit einer Recheneinheit 35 verbunden; somit können die Schallsensoren 1 bis 3 die An- kunftszeiten t1 bis t3 eines Ultraschallsignals, welches von einem Lichtbogen im Innenraum der Schaltanlage 20 generiert wurde, zu der Recheneinheit 35 übertragen. Die Recheneinheit kann auf Basis der drei Ankunftszeiten t1 bis t3 zwei unab- hängige Laufzeitdifferenzen berechnen und daraus gemäß dem Hyperbelortungsverfahren die 2D-Koordinaten PA(xA, yA) des Lichtbogens im Innenraum der Schaltanlage 20 ermitteln.
FIG 4 zeigt eine zweite quaderförmige Schaltanlage 20 in Schrägansicht, die ähnlich wie die in FIG 2 dargestellte Schaltanlage 20 ausgestaltet ist, allerdings mit dem Unter- schied, dass die Schaltanlage 20 nun zwei parallel zu der y- z-Ebene verlaufende Trennwände 27 aufweist, welche die Schaltanlage 20 in drei Schaltschränke 28.1, 28.2 und 28.3 unterteilen .
An den beiden Enden der Vorderkante des Bodens 24.1 des lin- ken Schaltschranks 28.1 sowie an den beiden Enden der linken Seitenkante der Decke 23 des linken Schaltschranks 28.1 wurde jeweils ein Schallsensor 1 bis 4 positioniert, der dazu aus- gestaltet ist, Ultraschallsignale, welche von einem Lichtbo- gen im Innenraum der Schaltanlage 20 generiert werden, zu empfangen. Die Schallsensoren 1 bis 4 weisen untereinander synchronisierte Uhren auf. Die Schallsensoren 1 bis 4 sind jeweils über Signalleitungen mit einer Recheneinheit verbun- den (nicht dargestellt); somit können die Schallsensoren 1 bis 4 die Ankunftszeiten t1 bis t4 eines Ultraschallsignals, welches von einem Lichtbogen im Innenraum des linken Schalt- schranks 28.1 der Schaltanlage 20 generiert wurde, zu der Re- cheneinheit 35 übertragen. Die Recheneinheit kann auf Basis der vier Ankunftszeiten t1 bis t4 drei unabhängige Laufzeit- differenzen berechnen und daraus gemäß dem Hyperbelortungs- verfahren die 3D-Koordinaten PA(xA, yA, zA) der Position PA des Lichtbogens im Innenraum des linken Schaltschranks 28.1 der Schaltanlage 20.
FIG 5 zeigt die in FIG 3 dargestellte zweite Schaltanlage 20 in Vorderansicht. Bei dieser Schaltanlage 20 ist es, aus den gleichen Gründen wie bei der in FIG 3 dargestellten Schaltan- lage, für die Ortung des Lichtbogens ausreichend, lediglich die 2D-Koordinaten PA(xA, yA) des Lichtbogens im Innenraum der Schaltanlage 20 ermitteln.
FIG 6 veranschaulicht ein 2D-Hyperbelortungsverfahren in ei- ner Schaltanlage 20 auf Basis von drei Schallsensoren 1, 2 und 3, welche an den den Innenraum begrenzenden Bauteilen der Schaltanlage 20 positioniert sind. Zur Ortsbestimmung wird ein kartesisches Koordinatensystem (x, y) eingeführt, dessen Lage beliebig definiert werden kann. Im Folgenden wird der Begriff „Länge" verwendet, um einen Abstand zwischen zwei Punkten zu bezeichnen; der Begriff „Längendifferenz" bezeich- net die Differenz zweier Längen. Die Länge li zwischen der Position eines Sensors i und der Lichtbogenposition PA ergibt sich mit Gleichung (1) aus der Laufzeit Δti des mit der Schallgeschwindigkeit vs propagierenden Schalls, d. h. der Differenz zwischen dem Zeitpunkt t0, an dem der Lichtbogen zündet, und der Ankunftszeit ti, an dem der vom Lichtbogen, der an der Lichtbogenposition PA brennt, ausgesandte Schall am Sensor i ankommt (i = 1, 2, 3): li = Δti · vs = (ti - t0) · vs (1)
Da der Zeitpunkt tO nicht bekannt ist, wird er durch das Be- trachten der Längendifferenzen zwischen den Sensoren elimi- niert:
Δlij = li - lj = [(ti - t0) · vs] - [(tj - t0) · vs] =
= (ti - tj) · vs = Δtij · vs
Die Zeitdifferenz Δtij zwischen einem Sensorpaar, im Engli- schen als TDOA (= Time Difference of Arrival) bezeichnet, wird gemessen. Die Längen li können mit dem Satz des Pythago- ras durch die gesuchten Lichtbogenkoordinaten (xA, yA) und die bekannten Sensorpositionen (xi, yi) ersetzt werden. Die daraus resultierende Gleichung (2), aus der Sensorkombination i und j, entspricht einer Hyperbelgleichung. Mit den drei Sensoren 1, 2 und 3 können zwei unabhängige Hyperbelgleichun- gen folgender Form: aufgestellt werden. Da Δtij, vs und die Sensorkoordinaten (xi, yi) und (xj, yj ) bekannt sind, können daraus die gesuchten Lichtbogenkoordinaten (xA, yA) berechnet werden. In FIG 5 entspricht das geometrisch anschaulich der Bestimmung der 2D- Position PA(xA, yA) des Lichtbogens A als den Schnittpunkt der zwei Hyperbeläste h12 und h13, welche mathematisch durch Hy- perbelgleichungen wie in Gleichung (2) beschrieben werden.
Für eine dreidimensionale Ortung eines Lichtbogens A muss Gleichung (2) noch um eine z-Koordinate erweitert werden. Auf Basis von vier Ankunftszeiten t1 bis t4 eines Schallsignals an vier Sensoren können drei unabhängige Hyperbelgleichungen folgender Form: aufgestellt und daraus die gesuchten Lichtbogenkoordinaten (xA, yA, zA) berechnet werden. Geometrisch anschaulich ent- spricht das der Bestimmung der 3D-Position PA(xA, yA, zA) des Lichtbogens A als den Schnittpunkt von drei Hyperboloiden, welche durch drei Hyperbelgleichungen gemäß Gleichung (3) be- schrieben werden.
Die folgende Tabelle 1 gibt einen Überblick über die Randbe- dingungen des Hyperbelortungsverfahrens: Tabelle 1
Bezeichnet d die Anzahl der Dimensionen des Raums, in dem die Ortung erfolgt, z. B. d = 2 für einen 2D-Raum (= Ebene) und d = 3 für einen 3D-Raum, und m die Anzahl der Schallsensoren, so muss erfüllt sein: m ≥ d + 1
Anders ausgedrückt: Um d Koordinaten des Position PA des Lichtbogens zu ermitteln, müssen mindestens d + 1 Sensoren jeweils die Ankunftszeit eines Schallsignals des Lichtbogens messen.
FIG 7 stellt einen Schaltschrank 28.1 dar, der, wie in FIG 4 und 5 skizziert, Teil einer größeren Schaltanlage 20 sein kann. Dabei sind im Innenraum des Schaltschranks 28.1 Befes- tigungselemente 32, 33 angeordnet, die den Innenraum in klei- nere Teilräume unterteilen: waagrecht verlaufende Befesti- gungselemente 32 trennen im rechten Teil des Innenraums über- einander angeordnete Einschübe 29 voneinander, während ein senkrecht verlaufendes Befestigungselement 33 einen im linken Teil des Innenraums vertikal verlaufenden Stromverteilungska- nal 31 von den rechts davon angeordneten Einschüben 29 trennt. Der Stromverteilungskanal 31 kann eine beliebige Breite aufweisen; er kann z. B. eine Breite von 60 bis 80 mm aufweisen. Im Stromverteilungskanal 31 verläuft in vertikaler Richtung eine Stromschiene 36, worüber elektrische Energie zu unterschiedlichen elektrischen Betriebsmitteln 30 gebracht wird, die in den Einschüben 29 angeordnet sind. „Betriebsmit- tel" ist dabei ein Sammelbegriff für alle Vorrichtungen, die im Schaltschrank eingebaut sein können. Zur Detektion von Lichtbögen an der Stromschiene 36 sind am Boden und an der Decke des Stromverteilungskanals 31 drei Schallsensoren 1, 2, 3 angeordnet.
FIG 8 veranschaulicht ein lD-Hyperbelortungsverfahren in ei- nem Schaltschrank 28.1, der ähnlich wie der in FIG 7 darge- stellte Schaltschrank aufgebaut ist: über eine in einem sich vertikal über die gesamte Höhe H des Schaltschranks erstre- ckenden Stromverteilungskanal 31 eingebaute, sich ebenfalls über die gesamte Höhe H des Schaltschranks 28.1 erstreckende Stromschiene 36 werden nicht dargestellte Betriebsmittel elektrisch versorgt, die in sechs waagrecht übereinander an- geordneten Einschüben 29.1 bis 29.6 angeordnet sind. Dabei sind jeweils an dem unteren und dem oberen Ende der linken Außenwand 21, jeweils in einem waagrechten Abstand B von der zur Schrankmitte hin angeordneten Stromschiene 36, Schall- sensoren 2, 3 angeordnet, die die Ankunftszeiten eines von einem an der Position PA brennenden Lichtbogen ausgesendeten Schallsignals messen können. Da ein Lichtbogen in dem Strom- verteilungskanal 31 auf der Stromschiene 36 liegen muss, rei- chen für eine genaue Ortung des Lichtbogens zwei Schallsenso- ren 2, 3. Ein erster Lichtbogen muss gemäß der von den Senso- ren 2 und 3 gemessenen Laufzeitdifferenz auf einem ersten Hy- perbelast h23(1) liegen; die Position PA(1) des Lichtbogens ist daher definiert als der Schnittpunkt des ersten Hyperbe- lasts h23 (1) mit der Stromschiene 36; der Lichtbogen hat da- her eventuell Schäden vor allem in dem zweiten Einschub 29.2 hervorgerufen, der einen Bereich der Stromschiene 36 abdeckt, in dem die Position PA des Lichtbogens liegt. Analog kann ei- ne Position PA(2) eines zweiten Lichtbogens ermittelt werden. FIG 9 visualisiert in einer 2D-Darstellung (x-y-Koordinaten- system) die Eigenschaft eines an einer Position PA positio- nierten Lichtbogens A, sowohl elektromagnetische Strahlung bzw. elektromagnetische Wellen EM, z. B. ultraviolettes Licht (= UV), als auch Schallwellen SW, z. B. Ultraschall (= US), auszusenden. Dabei macht sich ein durch ein Lichtbogenereig- nis, z. B. eine Zündung des Lichtbogens, erzeugtes Lichtbo- gensignal 10 für einen Beobachter sowohl in Form eines Schallsignals 10S als auch in Form eines elektromagnetischen Strahlungssignals 10EM bemerkbar, wobei die beiden verschie- denartigen Signale 10S, 10EM zwar demselben Lichtbogensignal 10 zugeordnet sind und demzufolge zum gleichen Zeitpunkt t0 ausgesendet werden, aber zu wesentlich unterschiedlichen An- kunftszeiten ti bzw. tEM,i bei einem Beobachter bzw. einem Sensor ankommen. Die Ursache dieser unterschiedlichen An- kunftszeiten ist die bekannte Tatsache, dass Schallwellen in Luft und elektromagnetischen Wellen eine circa um den Faktor 106 unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit aufweisen: die Schallgeschwindigkeit vs beträgt ca. 343 m/s, die Licht- geschwindigkeit c liegt bei ca. 3 x 108 m/s. Diese unter- schiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit ist in FIG 9 durch die unterschiedlich langen Pfeile bei der elektromagnetische Welle EM und der Schallwelle SW angedeutet. Beide Wellenarten 10EM und 10S gelangen zu einer an einer Sensorposition 1 po- sitionierten Detektoreinheit 38, welche sowohl einen Schall- sensor Ss, geeignet zur Detektion des Schallsignals 10S, z. B. Ultraschall, als auch einen Sensor SEM für elektromag- netische Strahlung, geeignet zur Detektion des elektromagne- tischen Strahlungssignals 10EM, z. B. UV-Licht, aufweist. Als Schallsensor Ss kann ein Mikrofon oder ein Ultraschallsensor verwendet werden. Zur Detektion der elektromagnetischen Strahlung kann ein UV-, VIS- oder IR-Sensor zum Einsatz kom- men (VIS = sichtbares Licht). Außerdem weist die Detektorein- heit 38 einen Mikrocontroller 39 zur elektronischen Verarbei- tung der von den beiden Sensoren Ss und SEM erhaltenen Sensor- signale auf. Zur Ortung eines Lichtbogens A kann die oben erwähnte Tatsa- che ausgenutzt werden, dass sich die von einem Lichtbogen A ausgesendeten elektromagnetischen Wellen 10EM und Schallwel- len 10S mit sehr unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbrei- ten. Zur Auswertung kann ein dynamischer Schwellwert verwen- det werden, der sich prozentual aus der maximalen Aussteue- rung während des Ereignisses ergibt. FIG 10 zeigt beispiel- haft eine Auswertung der Laufzeitdifferenz eines UV-Signals UV und eines Ultraschallsignals US durch eine Detektorein- heit, wie in FIG 9 dargestellt. Nach der Zündung des Lichtbo- gens erreicht ein starkes UV-Signal UV den UV-Sensor nach ca. 0,2 ms, wohingegen das Schallsignal am US-Sensor erst ca.
3 ms verzögert gegenüber dem UV-Signal eintrifft. Im oberen Fenster ist dabei auf der y-Achse die Aussteuerung in Prozent (%) aufgetragen. Aufgrund der hohen Ausbreitungsgeschwindig- keit des elektromagnetischen Signals UV ist es gerechtfer- tigt, die Ankunftszeit des elektromagnetischen Signals UV gleichzusetzen mit dem Zündzeitpunkt t0 des Lichtbogens, d. h. dem Zeitpunkt, an dem der Lichtbogen sowohl das elekt- romagnetische Signal als auch das akustische Signal US aus- sendet.
FIG 11 veranschaulicht ein 2D-Laterationsverfahren in einer Schaltanlage 20 auf Basis von zwei Detektoreinheiten 38, 39, jeweils umfassend einen Schallsensor 1 bzw. 2 und einen elektromagnetischen Strahlungssensor, welche an den den In- nenraum begrenzenden Bauteilen der Schaltanlage 20 positio- niert sind. Dabei wird der markante Verlauf von Schall und Strahlung für eine Bestimmung der Entfernung zum Lichtbogen herangezogen; dafür wird ausgenutzt, dass sich die Strahlung um ca. sechs Zehnerpotenzen schneller ausbreitet als der Schall. Das Überschreiten eines Grenzwertes am Strahlungs- sensor, wird als Zeitpunkt t0 definiert, an dem der Lichtbo- gen zündet. Die Laufzeit Δti des Schallsignals wird aus dem Zeitpunkt ti, an dem ein Grenzwert am Schallsensor über- schritten wird, und dem Zeitpunkt t0 bestimmt. Mit der be- kannten Schallgeschwindigkeit vs kann gemäß Gleichung (1) die Laufzeit Δti in eine Entfernung li umgerechnet werden. Die mit einem Sensor i ermittelte Entfernung li kann bereits den Ort, an dem der Lichtbogen brannte, stark einschränken. Soll die Position des Lichtbogens noch genauer bestimmt werden, können die Entfernungen mehrerer Sensoren kombiniert werden. Dazu wird ein kartesisches Koordinatensystem (x, y) eingeführt, dessen Lage beliebig definiert werden kann.
Alternativ ist es ausreichend, wenn nur eine der beiden De- tektoreinheiten 38, 39 einen elektromagnetischen Strahlungs- sensor aufweist. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung können an der Position der Detektoreinheiten 38, 39 anstatt der Detektoreinheiten 38, 39 nur Schallsensoren 1, 2 positio- niert sein, sowie ein elektromagnetischer Strahlungssensor an einer beliebigen Position innerhalb der Schaltanlage - oder auch außerhalb der Schaltanlage, an der der EM-Sensor ein Lichtsignal von dem Lichtbogen erfassen kann. Zusätzlich kann die Schaltanlage 10 eine Recheneinheit aufweisen, welche aus den von den Schallsensoren 1, 2 und dem mindestens einen elektromagnetischen Strahlungssensor erhaltenen Ankunftszei- ten Schalllaufzeiten berechnen kann.
Die Länge li zwischen einem Schallsensor i und dem Lichtbogen kann mit dem Satz des Pythagoras durch die gesuchten Lichtbo- genkoordinaten (xA, yA) und die bekannten Sensorpositionen ( xi, yi) ersetzt werden. Die daraus resultierende Gleichung (4): entspricht einer Kreisgleichung. Mit den zwei Schallsensoren 1 und 2 können zwei derartige unabhängige Kreisgleichungen aufgestellt werden. Da die Schalllaufzeiten Δti, die Schall- geschwindigkeit vs und die Sensorkoordinatenen (xi, yi) be- kannt sind, können daraus die gesuchten Lichtbogenkoordinaten (xA, yA) berechnet werden; dabei gibt es im Allgemeinen zwei gleichwertige Lösungen, da die Lichtbogenposition symmetrisch zur Verbindungslinie der Sensoren liegen kann. In FIG 11 ent- spricht das geometrisch anschaulich der Bestimmung der 2D- Positionen PA(xA, yA) und P'A(x'A, y'A) des Lichtbogens A als die Schnittpunkte der beiden Kreise ki und k2, welche mathe- matisch durch Kreisgleichungen wie in Gleichung (4) beschrie- ben werden. Zur Festlegung, an welcher der beiden mathema- tisch gleichwertigen 2D-Positionen, Schnittpunkt PA(xA, yA) und Schnittpunkt P'A(x'A, y'A), der Lichtbogen A brennt, müs- sen entweder weitere Informationen über die Schaltanlage 20, wie z. B. die Leitungsführung, herangezogen werden oder es muss eine Laufzeitmessung zu einem dritten Schallsensor durchgeführt werden. Falls die Schallsensoren am Rand des Überwachungsbereiches platziert wurden, liegt einer der bei- den Schnittpunkte außerhalb des Überwachungsbereiches.
Für eine dreidimensionale Ortung eines Lichtbogens A muss Gleichung (4) noch um eine z-Koordinate erweitert werden. Auf Basis von drei Schalllaufzeiten Δti eines Schallsignals an drei Schallsensoren können drei unabhängige Kugelgleichungen folgender Form: aufgestellt und daraus die gesuchten Lichtbogenkoordinaten (xA, yA, zA) berechnet werden; auch hier gibt es mehrere ma- thematisch gleichwertige Lösungen. Geometrisch anschaulich entspricht das der Bestimmung der 3D-Position PA(xA, yA, zA) des Lichtbogens A als den Schnittpunkt von drei Kugeln, wel- che durch drei Kugelgleichungen gemäß Gleichung (5) beschrie- ben werden.
Die folgende Tabelle 2gibt einen Überblick über die Randbe- dingungen des Laterationsverfahrens: Tabelle 2
FIG 12 veranschaulicht ein lD-Laterationsverfahren in einem Schaltschrank 28.1, der ähnlich wie der in FIG 7 dargestellte Schaltschrank aufgebaut ist: über eine in einem sich vertikal über die gesamte Höhe H des Schaltschranks erstreckenden Stromverteilungskanal 31 eingebaute, sich ebenfalls über die gesamte Höhe H des Schaltschranks erstreckende Stromschiene 36 werden nicht dargestellte Betriebsmittel elektrisch ver- sorgt, die in sechs waagrecht übereinander angeordneten Ein- schüben 29.1 bis 29.6 angeordnet sind. Dabei ist an dem unte- ren Ende der linken Außenwand 21, in einem waagrechten Ab- stand B von der zur Schrankmitte hin angeordneten Stromschie- ne 36, eine Detektoreinheit 38 mit einem Schallsensor 1 und einem elektromagnetischen Strahlungssensor, die die Ankunfts- zeiten eines von einem an der Position PA brennenden Lichtbo- gen ausgesendeten Schallsignals und eines elektromagnetischen Strahlungssignals messen können, sowie einer Recheneinheit zur Verarbeitung der von den beiden Sensoren erfassten An- kunftszeiten angeordnet. Da ein Lichtbogen in dem Stromver- teilungskanal 31 entlang eines stromführenden Leiters, also auf der Stromschiene 36 liegen muss, reicht für eine genaue Ortung des Lichtbogens eine Detektoreinheit 38. Der Lichtbo- gen muss gemäß der von der Detektoreinheit 38 gemessenen Schalllaufzeit auf einem Kreis k um die Position des Schallsensors 1, die der Position der Detektoreinheit 38 ent- spricht, liegen; die Position PA des Lichtbogens ist daher definiert als der Schnittpunkt des Kreises k mit der Strom- schiene 36; der Lichtbogen hat daher eventuell Schäden vor allem in dem fünften Einschub 29.5 hervorgerufen, der einen Bereich der Stromschiene 36 abdeckt, in dem die Position PA des Lichtbogens liegt.
Alternativ zu der Anordnung des Strahlungssensors in einer Detektoreinheit 38 zusammen mit einem Schallsensor ist auch eine Anordnung möglich, in der, gerechtfertigt durch die um einen Faktor 106 schnellere Ausbreitung des Lichtsignals im Vergleich zu dem Schallsignal des Lichtbogens, der Strah- lungssensor getrennt vom Schallsensor an einer beliebigen Po- sition in der Niederspannungsschaltanlage oder sogar in der Umgebung der Niederspannungsschaltanlage angeordnet ist; da- bei kann der Schallsensor auch getrennt von einer Rechenein- heit zur Verarbeitung der von den beiden Sensoren erfassten Ankunftszeiten angeordnet sein.
FIG 13 bis 15 beziehen sich auf die Ermittlung von Laufzeit- differenzen beim Hyperbelortungsverfahren. Für das Hyperbe- lortungsverfahren müssen die Laufzeitdifferenzen zwischen zwei oder mehr Sensoren ermittelt werden; dazu kann eine Kreuzkorrelation, insbesondere eine Kreuzkorrelation einer Hüllkurve von Signalwerten oder ein Schwellwertverfahren an- gewendet werden. Ein Schwellwertverfahren ist weniger rechen- intensiv als eine Kreuzkorrelation und wird somit oftmals be- vorzugt werden. Bei stromschwachen Lichtbögen, z. B. Längs- lichtbögen, tritt kein markanter Schallanstieg auf; stattdes- sen entsteht ein für das Ereignis spezifischer Schallstärke- verlauf, dessen Laufzeitdifferenz zwischen zwei oder mehr Sensoren mittels Kreuzkorrelation der Hüllkurve präziser ana- lysiert werden kann als mit einem Schwellwertverfahren. Dar- aus ergibt sich, dass stromstarke Störlichtbögen mit dem ein- facheren Schwellwertverfahren ausgewertet werden können, wäh- rend stromschwache oder stark abgeschattete Störlichtbögen mit der Kreuzkorrelation der Hüllkurve präziser geortet wer- den können.
FIG 13 illustriert eine Kreuzkorrelation. Grafik a zeigt die von zwei Sensoren 1, 2 erfassten originalen Messkurven u1 und u2 eines Schallsignals. Für eine Kreuzkorrelation werden zu- nächst die Messkurven u1 und u2 geglättet, indem ihr Betrag gebildet und einschließend ein Medianfilter mit einer Fens- terbreite von z. B. 1000 Werten angewendet wird. Die mit der Gleichung ermittelte Kreuzkorrelation R12 weist, wie in Grafik c zu er- kennen ist, ein eindeutiges Maximum bei tdiff = -3,165 ms auf, welches der Laufzeitdifferenz zwischen den zwei Sensoren 1 und 2 entspricht. Grafik b zeigt die in Grafik a dargestell- ten Messkurven u1 und u2 der Sensoren 1 und 2, wobei die von dem Sensor 2 erfasste Messkurve u2 um Δt = -3,165 ms gegen die von dem Sensor 1 erfasste Messkurve u1 verschoben wurde. Es ist zu erkennen, dass die Verläufe der beiden Messkurven u1 und u2, wenn sie um die Laufzeitdifferenz Δt = -3,165 ms gegeneinander verschoben werden, die ähnlich sind, d. h. die Positionen der jeweiligen Peaks übereinstimmen.
FIG 14 veranschaulicht eine Hüllkurve HK (gestrichelte Linie) zu einem Schallsignal 10S (durchgezogene Linie). Eine Hüll- kurve eines Signals folgt dem Verlauf der entlang der y-Achse aufgetragenen Amplitude des sich über die Zeit (t-Achse) ver- ändernden Schallsignals 10S. Die Hüllkurve ist also wie ein Filter, der Änderungen des Schallsignals auf kleinen Zeitska- len ausfiltert und nur Änderungen des Schallsignals auf grö- ßeren Zeitskalen behält. Die Hüllkurve, als eine Einhüllende der Feinstruktur eines Schallsignals, gibt im Wesentlichen den Schallpegelverlauf wieder.
FIG 15 illustriert ein Schwellwertverfahren. Grafik a zeigt die von zwei Sensoren 1, 2 erfassten Messkurven u1 und u2 ei- nes Schallsignals. Zur Ermittlung der Laufzeitdifferenz Δt wird ein Schwellwertvergleich auf die Messkurven u1 und u2 beider Sensoren 1 und 2 angewendet. Als Δt wird der Zeitpunkt verwendet, an dem der Betrag des Messsignals us(t) einen fes- ten Schwellwert +uϑ bzw. -uϑ erstmals überschreitet, siehe Grafik a: oder einen prozentualen Schwellwert pϑ der maximalen Aussteu- erung |us |max erstmalig überschreitet:
Grafik b zeigt die Funktion F(us,t) für die beiden Messkurven u1 und u2 · Die zeitliche Differenz der beiden Sprungpunkte, an denen die Funktionen F(u1,t) und F(u2,t) von 0 auf 1 um- springen, entspricht der Laufzeitdifferenz Δt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Ortung eines Lichtbogens (A) in einer Nie- derspannungsschaltanlage (20), mit folgenden Schritten:
- Erfassen einer Ankunftszeit (tEM,i), zu der ein durch den Lichtbogen (A) erzeugtes elektromagnetisches Strahlungssig- nal (10EM) an mindestens einem Strahlungssensor (SEM) an- kommt und einer Ankunftszeit (ti), zu der ein durch den Lichtbogen (A) erzeugtes Schallsignal (10S), welches zu dem elektromagnetischen Strahlungssignal (10EM) korrespondiert, an mindestens einem Schallsensor (Ss) ankommt;
- Ermitteln, für die Sensorposition (1, 2, 3) des mindestens einen Schallsensors (Ss), einer Schalllaufzeit (Δt), welche das Schallsignal (10S) von der Position (PA) des Lichtbo- gens (A) zu der Sensorposition (1, 2, 3) benötigte, wobei die Ankunftszeit (tEM,i) des Strahlungssignals (10EM) als der Zeitpunkt (t0) der Erzeugung des Schallsignals (10S) angenommen wird;
- Bestimmen der Position (PA) des Lichtbogens (A) auf Basis der mindestens einen ermittelten Schalllaufzeit (Δt) gemäß dem Laterations-Ortungsverfahren.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schallsignal (10S) ein Ultraschallsignal (US) ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das elektromagnetische Strahlungssignal (10EM) ein UV-Licht- Signal (UV) ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Position (PA) des Lichtbogens (A) auf Basis einer ermit- telten Schalllaufzeit (Δt) als eine um die Sensorposition (1, 2, 3) zentrierte Kugelfläche oder Kreis (k) ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Schalllaufzeiten (Δt1, Δt2) für die Sensorpositionen (1, 2) von zwei räumlich voneinander beabstandeten Schallsensoren (S_US) ermittelt werden und die Position (P_A) des Lichtbo- gens (A) auf Basis der zwei ermittelten Schalllaufzeiten (Δt1, Δt2) als eine Schnittlinie von zwei um je eine Sensor- position (1, 2) zentrierten Kugelflächen oder als Schnitt- punkte von zwei um je eine Sensorposition (1, 2) zentrierten Kreisen (k1; k2) ermittelt wird.
6. Vorrichtung zur Ortung eines Lichtbogens (A) in einer Niederspannungsschaltanlage (20), aufweisend:
- mindestens einen Strahlungssensor (S_UV) zum Erfassen einer Ankunftszeit (tEM,i) eines durch den Lichtbogen (A) erzeugten elektromagnetischen Strahlungssignals (10EM);
- mindestens einen Schallsensor (1, 2, 3) zum Erfassen einer Ankunftszeit (t1, t2, t3) eines durch den Lichtbogen (A) er- zeugten Schallsignals (10S), welches zu dem elektromagneti- schen Strahlungssignal (10EM) korrespondiert;
- eine mit dem Strahlungssensor (S_UV) und dem Schallsensor (1, 2, 3) verbundene Recheneinheit (35), die ausgestaltet ist zum Ermitteln, für die Sensorposition (1, 2, 3) des mindes- tens einen Schallsensors (S_US), einer Schalllaufzeit (Δt), welche das Schallsignal (10S) von der Position (P_A) des Lichtbogens (A) zu der Sensorposition (1, 2, 3) benötigte, wobei die Ankunftszeit (tEM,i) des Strahlungssignals (10EM) als der Zeitpunkt (t0) der Erzeugung des Schallsignals (10S) angenommen wird und zum Bestimmen der Position (P_A) des Lichtbogens (A) auf Basis der mindestens einen ermittelten Schalllaufzeit (Δt) gemäß dem Laterations-Ortungsverfahren.
7. Verwendung eines schallbasierten Lateration-Ortungsver- fahrens zur Ortung eines Lichtbogens (A) in einer Niederspan- nungsschaltanlage (20).
8. Verwendung nach Anspruch 7, wobei eine Ankunftszeit ei- nes elektromagnetischen Strahlungssignals (10EM) eines Licht- bogensignals (10) als Zeitpunkt (t0) der Aussendung eines zu dem elektromagnetischen Strahlungssignal (10EM) korrespondie- renden Schallsignals (10S) des Lichtbogensignals (10) dient.
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