NO334166B1 - Fremgangsmåte og innretning for feilstrømovervåking i et elektrisk vekselstrømsnett - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en feilstrømovervåking i et elektrisk vekselstrømnett, og særlig den spektrale og faseriktige registrering av absolutt- og relativstrømmer for vurdering av feilstrømmer og for bedømmelse av farepotensialet av feilstrømmer for menneske og material.

I elektroinstallasjonsteknikken blir vurderingen av farepotensialet på grunn av et elektrisk anlegg, så som et elektrisk vekselstrømnett, på menneskene utført på grunnlag av momentan verdier av strømmene i vekselstrømnettet som skal overvåkes. Dette gjelder så vel for absoluttverdier som for relativ- og/eller differanseverdier av strømmene som skal overvåkes, hvorved disse strømmer også betegnes som feilstrøm. Denne type faregjenkjennelse benyttes i form av feilstrømbeskyttelsesbrytere som også betegnes som FI-brytere, og som måler differansestrømmen mellom en fremleder og en tilbakeleder.

Et vesentlig trekk ved hver feilstrømbeskyttelsesbryter er her den såkalte sum-strømomformer. Alle strømførende ledere i et elektrisk anlegg, innbefattet nullederen, føres på samme måte og sammen med hverandre gjennom denne omformer. Normale driftsstrømmer har ingen virkning på denne omformer, da disses sum alltid gir en verdi på "null", dvs. det foreligger ingen differansestrøm.

Dersom imidlertid en feilstrøm, som eksempelvis forårsakes av en legemskontakt, flyter fra den lukkede strømkrets til jord, forstyrres omformerens magnetiske likevekt med beløpet av den til jord flytende feilstrøm. I dette tilfelle magnetiseres omformeren og forårsaker øyeblikkelig den allpolede utløsning av feil-strømbeskyttelsesbryteren via en høyfølsom utløser.

Feilstrømbeskyttelsesbrytere måler altså vekselstrømsandelen av feilstrøm-men, hvorved feilstrømmen i overensstemmelse med sitt beløp klassifiseres som mer eller mindre farlig. Ved denne meget vidt utbredte type av person- og/eller materialbeskyttelse registreres imidlertid ikke likestrømsandelen av feilstrømmen, og kan derfor heller ikke vurderes på riktig måte.

I den internasjonale patentsøknad WO 98/58432 beskrives eksempelvis en faregjenkjennelse for bedømmelse av farepotensialet på grunn av feilstrømmer for menneske og material, idet man der med en analog fremgangsmåte skjelner mellom kapasitive blindfeilstrømmer, som tilordnes et lavt farepotensial for mennesker, og virkefeilstrømmer, som tilordnes et høyt farepotensial for mennesker. Ved den der beskrevne fremgangsmåte skjelnes det dessuten mellom en vekselstrøms- og en like-strømsandel. Vekselstrømsandelen nedbrytes via den tilhørende fase i en virkestrøm og en blindstrøm. Dette øker toleransen overfor kapasitive blindstrømmer som klassifiseres som potensielt mindre farlige da de ikke kan skrive seg fra en legemsstrøm. Dermed er det mulig å oppnå en utløsning ved meget lave virkefeilstrømmer, hvorved det samtidig består en forholdsvis høy toleranse overfor kapasitive feilstrømmer.

I den nevnte internasjonale patentsøknad beskrives det videre en mulig metode for også å kunne registrere og vurdere likestrømmer. Likestrømmer forandrer ikke lenger oppførselen for vekselstrømmer, slik at vekselstrømmer kan bedømmes på faseriktig måte. Da imidlertid en faseforbindelse i den strenge betydning bare er definert ved monofrekvente signaler, blir mer høyfrekvente strømmer med den til nettfrekvensen (f.eks. 50 Hz) relaterte fase uriktig vurdert. Særlig pulsformede strømmer med signalandeler på høyere frekvenser, slik de forårsakes av moderne koplingsnettdeler for datamaskiner, fjernsynsapparater osv. og av fasesnittstyringer for boremaskiner, elektriske komfyrer, dimmere osv., fører til problemer ved denne vurdering, da de ikke kan registreres separat.

Det er riktignok mulig å foreta en frekvensavhengig vektlegging av feilstrøm-men, men denne vektlegging må imidlertid realiseres analogt ved hjelp av kostbare filtre. Dessuten blir det vektede totalsignal for vekselstrømsandelen deretter uten hensyn til den spektrale sammensetning oppdelt i en virkeandel og en blindstrømandel. Dette skjer f.eks. også i de tilfeller hvor overhodet ingen andel med nettfrekvensen er inneholdt i den målte feilstrøm, og fører følgelig til graverende feilvurderinger av feilstrømmen, noe som igjen i sterk grad skader en korrekt og pålitelig bedømmelse av farepotensialet for menneske og material.

Den internasjonale patentsøknad WO 01/95451 A2 fremlegger et feilstrøm-deteksjonssystem som kan registrere feilstrømmer, skjelne de detekterte feilstrømmer fra én av flere typer av feilstrømmer, bestemme alvorlighetsgraden av de detekterte feilstrømmer, og bestemme frekvensene av de ulike feilstrømmer. Feil-strømsdeteksjonssystemet kan skjelne mellom uskadelige transiente lekkasjestrømmer som har korte varigheter og ødeleggende feilstrømmer som har lengre varigheter. Feil-strømsdeteksjonssystemet kan implementeres som feilstrømsdeteksjonsprogramvare.

Ulempene ved for tiden benyttede feilstrømbeskyttelsesbrytere (FI-brytere) ifølge den kjente teknikk beror altså på at ofte bare vekselstrømsandelen av feilstrøm-men måles og denne også bare med hensyn til sitt beløp. Da det ikke tas hensyn til fasen av den målte vekselstrømsandel av feilstrømmen, kan det altså i det vesentlige ikke skje noen inndeling i en virkeandel og en blindandel av feilstrømmen. Ved en utkoplingsterskel av feilstrømbeskyttelsesbryteren som er dimensjonert meget lavt for den menneskelige beskyttelse, fører dette derfor til forholdsvis hyppige feilutløsninger av beskyttelsesanordningen. En hevning av utløsningsterskelen reduserer riktignok hyppigheten av feilutløsning, men også samtidig beskyttelsesvirkningen for mennesker.

Ved den foreskrevne type av feilstrømbeskyttelsesbrytere innen hus-installasjonsteknikken, for eksempel for baderom, blir videre likestrømmer overhodet ikke eller bare ytterst utilstrekkelig oppdaget. En beskyttelse av delaktige mennesker mot likestrømmer kan altså prinsipielt ikke oppnås på tilstrekkelig måte, selv om hyppigheten av slike overlagrede likestrømmer for tiden igjen er stigende. Av enda større betydning for et gjenværende farepotensial er det faktum at den i beskyttelses-bryterne benyttede ringkjerne i sumstrømomformeren ved en utenfra ikke merkbar likestrømsbelastning kan gå i metning, og beskyttelsesvirkningen dermed også ved vekselstrømmer kan bli redusert eller til og med eliminert. Tradisjonelle feilstrøm-beskyttelesesbrytere representerer derfor i dette tilfelle snarere en stor fare enn en beskyttelse for mennesker, da den formodede beskyttelse (ikke merkbar utenfra) ikke lenger er til stede.

En mulig metode for reduksjon av dette problem utgjør såkalte pulsstrømfølsomme beskyttelsesbrytere. Disse beskyttelsesbrytere kan oppdage eller gjenkjenne pulserende likestrømmer. Rene likestrømmer kan imidlertid heller ikke måles av disse pulsstrømfølsomme beskyttelsesbrytere.

Med utgangspunkt i denne kjente teknikk er formålet med oppfinnelsen å tilveiebringe et forbedret konsept for feilstrømovervåking i et elektrisk vekselstrøm-nett, for ved hjelp av feilstrømovervåkingen å garantere en sikrere og mer pålitelig bedømmelse av farepotensialet for mennesker og material.

Dette formål oppnås ved hjelp av en fremgangsmåte for feilstrømovervåking ifølge krav 1 og ved hjelp av en innretning for feilstrømovervåking ifølge krav 11.

Ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen for feilstrømsovervåking i et elektrisk vekselstrømnett med en forutbestemt nettfrekvens registreres først strømverdier av elektriske strømmer som skal overvåkes. De registrerte strømverdier omformes deretter til diskrete, digitaliserte strømverdier, hvorved sumstrømverdier beregnes ut fra de digitaliserte strømverdier. Ut fra sumstrømverdiene dannes blokker i avhengighet av fasestillingen av et nettspenningssignal, hvoretter disse blokker ut fra sumstrømverdiene nedbrytes i sine spektrale andeler. Endelig blir de spektrale andeler av blokkene overvåket med hensyn til en overskridelse av spektrale grenseverdier, for å vurdere farligheten av feilstrømmen.

Innretningen ifølge oppfinnelsen for feilstrømovervåking i et elektrisk veksel-strømnett med en forutbestemt nettfrekvens omfatter en anordning for registrering av strømverdier av elektriske strømmer som skal overvåkes, en anordning for omforming av de registrete strømverdier til digitaliserte strømverdier, en anordning for beregning av sumstrømverdier ut fra de digitale strømverdier, en anordning for dannelse av blokker ut fra sumstrømverdiene i avhengighet av fasestillingen av et nettspenningssignal, en anordning for spektral nedbrytning av blokkene i spektrale andeler, og en anordning for overvåkning av de spektrale andeler av blokkene med hensyn til en overskridelse av spektrale grenseverdier for vurdering av farligheten av feilstrømmen.

Til grunn for oppfinnelsen ligger den erkjennelse at en fremgangsmåte for spektral nedbrytning og oppspalting av signaler i sine enkelte spektralandeler ved hjelp av en Fourier-transformasjon, kan anvendes innenfor rammen av farevurderingen av en feilstrøm ved en feilstrømovervåking i et elektrisk vekselstrømnett, hvorved det er fordelaktig om det kan finnes og anvendes en eller flere passende vektleggingsfunksjoner for farevurderingen av feilstrømmen.

De signaler, dvs. de elektriske strømmer som skal overvåkes i et elektrisk vekselstrømnett, og som skal tilføres til den egentlige farevurdering, registreres først med tilsvarende følere, og blir deretter (om nødvendig) forsterket og til slutt omformet til en diskret digitalverdi. For feilstrømovervåkingen beregnes nå en sumstrøm ut fra digitalverdiene av de enkelte strømmer. Sumstrømverdiene oppdeles deretter synkront med nettspenningssignalets frekvens i blokker med fortrinnsvis fast lengde. Dette kan skje overlappende eller ganske enkelt sekvensielt. En blokk inneholder derved alltid alle sumstrømverdier i løpet av en periode av nettspenningssignalet, eksempelvis mellom to likeartede nullgjennomganger av nettspenningen. Disse blokker av sum-strømverdiene nedbrytes deretter i sine spektrale andeler ved hjelp av en diskret Fourier-transformasj on.

På dette punkt kan det nå meget enkelt utføres en forskjellig vektlegging av virke/aktiv- og blindstrømandelen av sumstrømmen, dvs. feilstrømmen, idet real- eller imaginærdelen av den respektive spektrallinje av feilstrømmen multipliseres med en passende vektleggings- eller vektfaktor. For eksempelvis å fordoble utløsnings-terskelen for kapasitive (eller induktive) blindstrømmer, må man multiplisere imaginærdelen av nettfrekvenskomponentene (dvs. 50 Hz-komponentene ved en 50 Hz nettfrekvens) med 0,5.

Til vektleggingen som valgfritt skal gjennomføres, gjennomføres det nå deretter en grenseverdiovervåking av de spektrale andeler av blokkene med hensyn til en overskridelse av spektrale grenseverdier, for å bedømme farligheten av feilstrøm-men.

Når nå det signal som skal måles, dvs. feilstrømmen, inneholder en frekvens på 50 Hz (nettfrekvens), bestemmes deretter den riktige verdi av vedkommende spektrallinje nøyaktig ved hjelp av den diskrete Fourier-transformasjon.

Dersom imidlertid sumstrømmens signalfrekvens eksempelvis ligger ved en frekvens på 75 Hz (under antakelsen av en nettfrekvens på 50 Hz), dvs. dersom feil-strømmens signalfrekvens ikke er et heltallig multiplum av nettfrekvensen, blir feil-strømovervåkingsmetodens frakoplingsterskel på grunn av den lavere følsomhet av 50 Hz-linjen (og den tilgrensende 100 Hz-linje) tydelig hevet på denne frekvens (75 Hz). Dermed avhenger frakoplingsterskelen mellom spektrallinjene tydelig av sumstrøm-mens signalfrekvens, hvilket fører til at det ved et ytterligere aspekt ifølge oppfinnelsen av fremgangsmåten for feilstrømovervåking i et elektrisk vekselstrøm-nett etter nedbrytningen av blokkene i spektralandeler, foretas en korreksjon av registreringsfølsomheten for feilstrømmene med frekvenser mellom på hverandre følgende multipla av nettfrekvensen, idet spektralamplitudeverdier som er tilordnet til de tilgrensende spektrallinjer, kombineres med hverandre. En slik spektral kombinasjon betegnes i det følgende generelt som "avbildning".

Med denne såkalte "avbildning" fører sideordningen av flere spektrallinjer til en i hovedsaken konstant frakoplingsverdi. En mulig realisering for en slik avbildning består i å addere de to beløp hhv. beløpskvadrater av innbyrdes tilgrensende spektrallinjer som oppviser et heltallig multiplum av nettfrekvensen, etter den diskrete Fourier-transformasj on.

Den resulterende verdi er da et godt mål med en feil på maksimalt ca. ± 5 % for den foreliggende signalamplitude mellom de to tilgrensende, diskrete frekvenser, dvs. tilgrensende heltallige multipla av nettfrekvensen.

Man har dermed et utsagn om summen av de forhåndenværende signalamplituder i intervallet mellom de to tilgrensende frekvenser. Denne sumverdi kan da eksempelvis ved hjelp av en komparator overvåkes med hensyn til overskridelsen av en bestemt, forutbestemt grenseverdi.

Det er videre mulig å realisere forskjellige frakoplingsterskler for forskjellige frekvensområder. Dermed kan høyfrekvente feilstrømmer, som eksempelvis skriver seg fra koplede elementer, vektes svakere for å redusere hyppigheten av feilutløsninger uten at sikkerheten for mennesker reduseres.

Med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er det videre også mulig på tilsiktet måte å registrere og å vurdere likestrømmer, da det ved signalregistreringen ved hjelp av enkeltstående følere nå også kan anvendes likestrømsegnede følere.

Med muligheten til å kunne realisere vilkårlige spektrale vektleggingsfunksjoner, er det også mulig å etterlikne karakteristikken til den fysiologiske fare for mennesker på grunn av feilstrømmer i avhengighet av frekvensen. Dersom dette gjen-nomføres, kombinerer man på den ene side en høy sikkerhet for mennesker med en optimal, lav hyppighet for feilutløsninger, og således en høy akseptans av beskyttelsessystemet.

Det blir åpenbart at konseptet ifølge oppfinnelsen for feilstrømovervåking i et elektrisk vekselstrømnett tilveiebringer en rekke fordeler i forhold til hittil kjente metoder for feilstrømovervåking ifølge den kjente teknikk. Hovedfordelen i forhold til den kjente teknikk består altså i at det med konseptet for feilstrømovervåking ifølge oppfinnelsen nå er mulig med en tilsiktet og dermed også tilsvarende til de fysiologiske erkjennelser riktig vurdering av farepotensialet for alle spektralandeler av feilstrømmer. Dermed er den størst mulige sikkerhet for brukeren forenlig med et minst mulig antall av feilutløsninger av feilstrømovervåkingen.

Også ved kritiske anvendelser, som for eksempel systembetingede, høye feil-strømmer på bestemte frekvenser, som f.eks. PWM-frekvensen ved trefasedrivanordninger (PWM = pulsbreddemodulasjon), hvor en beskyttelsesfunksjon hittil ikke lenger kunne sikres tilstrekkelig med tradisjonelle feilstrømsbeskyttelsesanordninger, kan det med konseptet for feilstrømovervåking ifølge oppfinnelsen for bedømmelse av farligheten av feilstrømmen fremdeles oppnås en tilstrekkelig god beskyttelse, idet vedkommende frekvens hhv. vedkommende frekvenser (og utelukkende disse) kan utblendes fullstendig eller vektlegges mindre. Så lenge de problematiske effektive strømandeler ikke befinner seg på nettfrekvenslinjen, dvs. eksempelvis 50 Hz-linjen, kan det tross alt oppnås en virksom beskyttelse for mennesker.

Foretrukne utførelseseksempler på oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende under henvisning til de ledsagende tegninger, der

fig. 1 viser et flytskjema av fremgangsmåten for feilstrømovervåking i et vekselstrømnett ifølge et foretrukket utførelseseksempel på oppfinnelsen,

fig. 2 viser beløpet av en spektrallinje for signaler med forskjellige frekvenser, men konstant amplitude,

fig. 3 viser beløpet av den spektrale vektlegging mellom to tilgrensende spektrallinjer (50 Hz - og 100 Hz-spektrallinjen) etter en diskret Fourier-transformasjon ifølge et utførelseseksempel på oppfinnelsen, og

fig. 4 viser en prinsippfremstilling av den totale spektrale kombinasjon (overlapping) i området fra likestrøm (DC) opp til 750 Hz ifølge et utførelseseksempel på oppfinnelsen.

I det følgende skal et foretrukket utførelseseksempel på fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen for feilstrømovervåking i et elektrisk vekselstrømnett med en forutbestemt nettfrekvens nå beskrives på grunnlag av fig. 1.

Den prinsipielle fremgangsmåte for en flerkanals feilstrømovervåking, dvs. differansestrømovervåking, i et jordet, enfaset eller flerfaset elektrisk vekselstrømnett med en forutbestemt nettfrekvens skal beskrives på grunnlag av flytskjemaet på fig. 1, idet det i det viste utførelseseksempel utføres eksempelvis en 4-kanals differanse-strømovervåking. Det må da tas hensyn til at den foreliggende oppfinnelse er anvendelig på differansestrømovervåking med et vilkårlig antall kanaler. I den følgende beskrivelse antas videre en nettfrekvens på 50 Hz, idet det skal bemerkes at oppfinnelsen er anvendelig på vilkårlige nettfrekvenser.

Slik det er vist i boksene 12a-d i flytskjemaet på fig. 1, begynner fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen for feilstrømovervåking i et elektrisk vekselstrømnett ifølge det foretrukne utførelseseksempel med at de fire strømmer som skal overvåkes, eksempelvis strømmene i tre nettledere og strømmen i en nulleder, registreres eller detekteres fortegnsriktig ved hjelp av strømsensorer/strømfølere. De registrerte strøm-verdier (momentanverdier) av strømmene som skal overvåkes, omformes deretter til diskrete, digitaliserte strømverdier, slik det er vist i boksen 14 på fig. 1.

Ut fra de digitaliserte, diskrete strømverdier av de elektriske strømmer som skal overvåkes, beregnes nå sumstrømverdiene eksempelvis ved hjelp av addisjon, slik det er vist i boksen 16 på fig. 1. Slik det er vist i boksen 18 i blokkdiagrammet, dannes nå blokker ut fra sumstrømverdiene i avhengighet av fasestillingen av nettfrekvensen til et nettspenningssignal, idet lengden av blokkene avhenger av nettspenningssignalets fasestilling og fortrinnsvis beløper seg til en periode (eller et heltallig multiplum av en periode) av nettfrekvensen. Blokkdannelsen kan derved skje overlappende eller også sekvensielt. For å danne blokkene ut fra de beregnede, digitale sumstrømverdier synkront med nettspenningens nettfrekvens, tilveiebringes et synkronsignal, slik det er vist i boksen 20, idet synkronsignalet oppnås ut fra en registrering av nettspenningssignalets nettfrekvens, slik det er vist i boksen 22.

Synkronsignalet angir fortrinnsvis en periode av nettspenningen, for å danne blokken ut fra de beregnede, digitale sumstrømverdier, hvorved synkronsignalet fortrinnsvis oppnås ved å registrere to likeartede nullgjennomganger av nettspenningssignalet, slik at en blokk alltid oppviser alle beregnede, digitale sumstrømverdier under en periode av nettspenningen. Det vil være åpenbart at nettspenningens periode også kan bestemmes på en vilkårlig annen passende måte ut fra forløpet av nettspenningssignalet.

Videre skal det bemerkes at det i overensstemmelse med den foreliggende oppfinnelse også er mulig å foreta blokkdannelsen ifølge boksen 18 i flytskjemaet på fig. 1 også over flere perioder av nettspenningssignalet, hvorved nøyaktigheten av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen for feilstrømovervåking i et elektrisk veksel-strømnett riktignok på den ene side økes, men på den annen side på grunn av viderebearbeidelsen av blokkene ut fra de beregnede, digitale sumstrømverdier imidlertid blir betraktelig mer kostnadskrevende.

Slik det er vist i boksen 24, nedbrytes eller oppløses nå de beregnede, digitaliserte sumstrømverdier ved hjelp av en passende transformasjon, f.eks. en Fourier-transformasjon eller (DFT = diskret Fourier-transformasjon eller FFT = rask Fourier-transformasjon) i sine spektrale andeler.

På dette punkt av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen for feilstrømover-våking i et elektrisk vekselstrømnett kan det nå eksempelvis meget enkelt utføres en forskjellig vektlegging av effektivandel og blindstrømandel av de spektralt oppløste sumstrømverdier, idet man eksempelvis multipliserer real- eller imaginærdelen av den respektive spektrallinje av en sumstrømverdi med en bestemt vektfaktor, slik dette er valgfritt vist i boksen 26 på fig. 1. Som vektleggingsforutsetning (boksen 28) kan det eksempelvis være sørget for å fordoble utløsningsterskelen for kapasitive (eller induktive) blindstrømmer, slik at eksempelvis imaginærdelen av komponentene ved nettfrekvensen, f.eks. ved 50 Hz, multipliseres med 0,5.

Til den valgfrie vektlegging (boksen 26) av de respektive spektralandeler av sumstrømverdiene, dersom denne gjennomføres, eller for øvrig til Fourier-transformasjonen slutter det seg nå generelt en grenseverdiovervåking av de spektrale andeler av blokkene med hensyn til en overskridelse av spektrale grenseverdier, slik det er vist i boksen 32, for å vurdere farligheten av feilstrømmen ut fra de spektralopp-løste sumstrømverdier. I tilfelle av en grenseverdioverskridelse utføres da en forutbestemt handling, hvorved det som handling kan genereres en optisk eller akustisk varslingsmelding, en melding kan overføres over det tilsvarende nett, eller en beskyttelsesfunksjon, f.eks. en allpolig fråkopling, kan utløses direkte.

Flytskjemaet på fig. 1 viser videre at det før grenseverdiovervåkingen av de spektrale andeler av blokkene med hensyn til en overskridelse av spektrale grenseverdier (boks 32), valgfritt også kan utføres en såkalt avbildningsfunksjon, slik dette vises i boks 30 i flytskjemaet på fig. 1. I det følgende skal det nå utførlig forklares under hvilke forutsetninger dette trinn med gjennomføring av en avbildningsfunksjon (boks 30) er nødvendig og foretas i overensstemmelse med oppfinnelsen.

Under den antakelse at grunnbølgen av de spektraloppløste sumstrømverdier svarer til nettfrekvensen på eksempelvis 50 Hz, oppnår man det på fig. 2 viste beløp av den spektrale vektlegging av de enkelte spektrallinjer etter den diskrete Fourier-transformasjon. Når man nå går ut fra at signalet som skal måles, dvs. den beregnede, sumstrøm hhv. de beregnede sumstrømverdier (kfr. boksen 16), inneholder nøyaktig nettfrekvensen på 50 Hz hhv. et heltallig multiplum av denne, bestemmes nøyaktig den riktige verdi av vedkommende spektrallinje ved hjelp av den diskrete Fourier-transformasjon. I dette tilfelle er det ikke nødvendig å utføre avbildningsfunksjonen (boks 30 på fig. 1).

Dersom imidlertid signalfrekvensen av sumstrømmen, dvs. sum-strømverdiene, eksempelvis ligger ved en frekvens som ikke svarer til noe heltallig multiplum av nettgrunnfrekvensen, blir - slik det fremgår av fig. 2 - frakoplingsterskelen på grunn av den lavere følsomhet av spektrallinjene, som svarer til et heltallig multiplum av nettgrunnfrekvensen, tydelige hevet på denne frekvens.

Ved den versjon av en FI-beskyttelsesbryter som skal realiseres her, realiseres i dette tilfelle bare en forholdsvis grov terskelverdi i tidsområdet. De to andre tilveiebrakte terskelverdier angår spektrale fremstillinger av feilstrømmen. Ved disse ved hjelp av en Fourier-transformasjon (FFT) beregnede spektrallinjer representerer en spektralverdi (bestående av real- og imaginærdel) et bestemt frekvensområde. Dette området strekker seg i det konkrete tilfelle over 50 Hz.

Det ville være ideelt dersom en monofrekvent feilstrøm med amplituden 1, uavhengig av den nøyaktige frekvens, også ville tilveiebringe en verdi på 1 som spektralverdi i området for en spektrallinje. Dette er imidlertid ikke tilfelle. De virkelige amplitudeforhold kan utleses av fig. 2.

På midten av de 50 Hz-omfattende område er beløpet av 50 Hz-spektrallinjen nøyaktig lik 1.1 retning mot kantene faller beløpet til ca. 63 % (0,63). Dette betyr at en feilstrøm med en frekvens på 75 Hz ville ha en 37 % høyere frakoplingsterskel enn på den nominelle frekvens på 50 Hz, da eksempelvis et 75 Hz-signal, slik det er vist på fig. 2, oppdeler seg likeartet med en verdi på ca. 0,63 på den tilgrensende 50 Hz-og 100 Hz-spektrallinje.

Dersom eksempelvis sumstrømmens signalfrekvens ligger ved en frekvens på 75 Hz (kfr. den med en sirkel kjennetegnede posisjon på fig. 2), og dersom man utgår fra en nettfrekvens på 50 Hz, avhenger frakoplingsterskelen mellom spektrallinjene tydelig av signalfrekvensen.

Etter oppløsningen av blokkene i spektralandeler utføres det derfor ved den foreliggende oppfinnelse valgfritt en korreksjon av registreringsfølsomheten for feil-strømmer med frekvenser mellom på hverandre følgende multipla av nettfrekvensen, idet spektralverdiamplituder som er tilordnet til de tilgrensende spektrallinjer, kombineres med hverandre. Denne kombinasjon blir i det følgende generelt betegnet som "avbildning" (boksen 30).

De kombinerte spektralamplitudeverdier overvåkes da ved den foreliggende oppfinnelse for bedømmelse eller vurdering av farligheten av feilstrømmen, slik dette allerede ble utførlig beskrevet med henvisning til boksen 32.

For å kunne eliminere det ovenfor omtalte problem med hensyn til feil-strømmer med frekvenser mellom på hverandre følgende multipla av nettfrekvensen ved hjelp av en "avbildning", må to direkte tilgrensende spektrallinjer beregnes eller kombineres med hverandre på en slik måte at det oppstår et 50 Hz bredt område med i hovedsaken "konstant" amplitude. Dette område med i hovedsaken konstant amplitude kan da benyttes for den egentlige terskelverdisammenlikning. Utenfor det konstante område skal amplituden derimot falle så raskt som mulig til en verdi på 0 (null), slik at en tilsiktet spektral vurdering skal forbli mulig.

Resultatet av beregningen far imidlertid ikke avhenge av fasestillingen av de enkelte signaler. Real- og imaginærdelene av de betraktede spektrallinjer kan derfor ikke anvendes ved beregningen uten nøyaktig prøving av resultatet.

En ifølge oppfinnelsen foretrukket realisering av en beregning eller kombinasjon av spektralamplituder som er tilordnet til de tilgrensende spektrallinjer, består nå i å kombinere og fortrinnsvis å addere de to beløp (beløpskvadrater) av respektive tilgrensende spektrallinjer (boksen 30 i flytdiagrammet på fig. 1). Man oppnår dermed spektrale områder mellom respektive tilgrensende spektrallinjer, dvs. mellom tilgrensende spektrallinjer med et heltallig multiplum av nettgrunnfrekvensen, med en tilnærmet konstant følsomhet for frekvensuavhengige frakoplingsgrenser innenfor disse spektralområder.

En metode som er forholdsvis enkel å realisere, for å oppnå dette område med mest mulig konstant amplitude, er mulig via følgende relasjon for addisjonen av beløpskvadratene:

Denne forholdsvis enkle løsningsmåte sammenknytter beløpskvadratene for to tilgrensende spektrallinjer (k; k+1) som oppviser et heltallig multiplum av nettfrekvensen. Det skal bemerkes at ovennevnte sammenknytting bare er valgt som et eksempel på oppfinnelsen, og at prinsipielt enhver annen passende sammenknytting ved hvilken det kan oppnås et område med mest mulig konstant amplitude, kan anvendes. Herved skal det imidlertid bemerkes at kravene f.eks. til regneytelsen osv. til de respektive elektronikkkomponenter som benyttes for utførelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, stiger betydelig når det velges en matematisk mer kostbar sammenknytting.

Den spektrale vektlegging mellom to tilgrensende spektrallinjer er på fig. 3 prinsipielt fremstilt på grunnlag av forløpene I, II og III, hvorved forløp I fremstiller beløpet av 50 Hz-spektrallinjen, forløp II fremstiller beløpet av 100 Hz-spektrallinjen, og forløp III fremstiller sammenknyttingen av beløpskvadratene av begge spektrallinjer.

En beløpsfunksjon som i området mellom 50 og 100 Hz oppviser nøyaktig en verdi på 1 og utenfor en verdi på 0, ville være ideell. Med sammenknyttingen av beløpskvadratene oppnår man beløpsfunksjonen (forløp III) ut fra de to spektrallinjer (forløp I, II). Den gjenværende restpulsasjon i beløpet ligger i dette tilfelle på ca. maksimalt ± 5 %.

Den resulterende verdi av deteksjons- eller registreringsfølsomheten for feil-strømmer er ved en addisjon også et godt mål for den foreliggende signalamplitude mellom de to tilgrensende, diskrete frekvenser. Usikkerheten på maksimalt ca. ± 5 % gjør seg praktisk talt ikke merkbar i den synkrone driftstype, men fører imidlertid ved en asynkron drift til en ytterligere usikkerhet ved vurderingen av frakoplingsterskelen.

Ifølge den foreliggende oppfinnelse oppnår man med beløpsfunksjonen (forløp III) et utsagn om summen av de forhåndenværende signalamplituder i intervallet mellom de tilgrensende frekvenser, dvs. mellom tilgrensende spektrallinjer med et heltallig multiplum av nettgrunnfrekvensen, som eksempelvis beløper seg til 50 Hz.

Undertrykkelsen av frekvensandeler utenfor det betraktede 50Hz-vindu blir bare ubetydelig dårligere ved den valgte sammenknytting. Dersom en ytterligere feil-strømlinje ligger i den mest ugunstige del av den direkte tilgrensende spektrallinje, undertrykkes den fremdeles med en faktor på minst 3.

Denne form for overlapping kan i prinsipp utføres ved alle veksel-strømsandeler med begynnelse ved 50 Hz opp til og innbefattet 750 Hz-linjen. På grunn av addisjonen av to spektrallinjer blir imidlertid signal-til-støy-avstanden tydelig forringet. Støyen tillater med faktoren V2, mens signalet (bestående av en linje) forblir uforandret.

Ved den fineste terskel (50 Hz) kan dette representere et problem i retning av at støyavstanden da ikke lenger er tilstrekkelig stor til å kunne realisere en frakoplingsterskel for feilstrømmen på eksempelvis 10 mA. Derfor må 50 Hz-beslutningsenheten med den fineste terskel benytte direkte den ikke overlappede verdi fra Fourier-transformasjonen (FFT). For at området mellom 50 Hz og 100 Hz ikke skal vurderes på uriktig måte, må imidlertid overlappingsverdien tross alt beregnes. Denne overlappingsverdi lagres ikke i den tidligere 50 Hz-linje, men i 100 Hz-linjen.

Den totale avbildning, som foretas ved en overlapping, er vist som eksempel på fig. 4.

Ved hjelp av denne foranstaltning er det nå mulig å innstille 50 Hz-terskelen lavere enn terskelverdien mellom 50 Hz og 100 Hz. Ved 50 Hz-linjen ligger man dermed i et område for den termiske støygrense som er forutbestemt av båndbredden på 50 Hz. Alle andre (mer høyfrekvente linjer) har en effektiv støybåndbredde på 100 Hz og er derfor dårligere enn 50 Hz-linjen med faktoren V2.

Ved den foreliggende oppfinnelse overvåkes da altså den oppnådde sumverdi av de signalamplituder som er til stede i intervallet mellom de to tilgrensende frekvenser, eksempelvis ved hjelp av en komparator med hensyn til overskridelse av en bestemt grense (kfr. boks 32). Ifølge oppfinnelsen er det derved mulig å realisere forskjellige frakoplingsterskler for forskjellige frekvensområder. Dermed kan høyfrekvente feilstrømmer, som skriver seg fra koplede elementer, vektlegges svakere for å redusere hyppigheten av feilutløsninger, uten å redusere sikkerheten for mennesker. Med feilstrømovervåkingen ifølge oppfinnelsen kan således også feil-strømmer hvis frekvens ikke stemmer overens med et heltallig multiplum av nettfrekvensen, vurderes på sikker og pålitelig måte.

Med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, som er beskrevet med henvisning fig. 1, er det nå også mulig på tilsiktet måte å registrere og vurdere feilstrømmer, da det ved signalregistreringen ved hjelp av individuelle følere nå ifølge oppfinnelsen kan benyttes likestrømsegnede følere.

Fourier-transformasjonen (FFT) tilveiebringer en tilsvarende likestrømsandel som man enten kan overlappe med 50 Hz-linjen eller ganske enkelt kan utsettes for en grenseverdibetraktning direkte og separat som likestrømskomponent (DC). Dette skjer analogt slik som ved alle andre spektrallinjer. En effektivstrøm/blindstrøm-oppdeling forekommer selvsagt ikke ved grenseverdibetraktningen av en likestrømskomponent

(DC).

Med muligheten til å kunne realisere vilkårlige spektrale vektsfunksjoner, er det nå også mulig å etterlikne karakteristikken til den fysiologiske fare for mennesker i avhengighet av frekvensen. Når dette gjennomføres, kombinerer man en høy sikkerhet for mennesker med en optimal, lav hyppighet for feilutløsninger, og dermed en høy akseptans av beskyttelsessystemet.

Ifølge oppfinnelsen kan det eksempelvis for hver av de beregnede spektrallinjer forutbestemmes to vektfaktorer (en for hver av effektiv- og blind-andelene) og en frakoplingsgrenseverdi for beløpet. Ved hjelp av muligheten til å kunne avpasse grenseverdien på grunnlag av de målte, forhåndenværende spektrallinjer som fremdeles er i drift, kan det oppnås en optimal beskyttelsesvirkning ved samtidig lavere antall av feilutløsninger.

Slik det er vist i boksen 32 på fig. 1, blir det i tilfelle av en grenseverdioverskridelse utført en forutbestemt handling, hvorved det som handling kan genereres en optisk eller akustisk varslingsmelding, en melding kan overføres via et tilsvarende nett, eller en beskyttelsesfunksjon, f.eks. en allpolig fråkopling, kan utløses direkte.

I praksis er det fordelaktig at den strømspektrallinje som ligger direkte på nettfrekvensen, f.eks. på 50 Hz, i tillegg settes direkte (uten noen avbildning) på en separat grenseverdiovervåking, for å kunne overvåke denne hovedlinje særlig godt og uforstyrret av nabolinjene. Dette er særlig fornuftig når nettfrekvensen ligger i et fysiologisk meget ugunstig frekvensområde.

En hovedfordel ved den foreliggende oppfinnelse i forhold til den kjente teknikk består også i at det med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen for feil-strømovervåking i et elektrisk vekselstrømnett med en forutbestemt nettfrekvens, nå er mulig å foreta en i overensstemmelse med de fysiologiske erkjennelser tilsiktet vurdering av farepotensialet for alle spektralandeler av strømmer som skal overvåkes. Dermed er en størst mulig sikkerhet for brukeren forenlig med et minst mulig antall av feilutløsninger.

Selv ved kritiske anvendelser, f.eks. når systembetinget høye feilstrømmer opptrer på bestemte frekvenser, så som f.eks. ved en PWM-frekvens ved trefasedrivanordninger, ved hvilke en beskyttelsesfunksjon hittil ikke lenger kunne garanteres i tilstrekkelig grad, kan det med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen likevel oppnås en tilstrekkelig god beskyttelse, idet vedkommende frekvens eller frekvenser, dvs. utelukkende disse, utblendes fullstendig og vektlegges mindre. Så lenge de problematiske effektiv-strømandeler ikke befinner seg på nettfrekvenslinjen på eksempelvis 50 Hz, kan det likevel i størst mulig grad oppnås en virksom beskyttelse for mennesker.

Claims (20)

1 Fremgangsmåte for feilstrømovervåking i et elektrisk vekselstrømsnett med en forutbestemt nettfrekvens, omfattende følgende trinn: registrering (12a-d) av strømverdier av elektriske strømmer som skal overvåkes, omforming (14) av de registrerte strømverdier til digitaliserte strømverdier, beregning (16) av sumstrømverdier ut fra de digitaliserte strømverdier, dannelse (18) av blokker ut fra sumstrømverdiene i avhengighet av fasestillingen av et nettspenningssignal, spektral oppløsning (24) av blokkene i spektrale andeler, og overvåking (32) av de spektrale andeler av blokkene med hensyn til en overskridelse av spektrale grenseverdier for vurdering av farligheten av feilstrømmen.

2 Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert ved at det etter oppløsningen (24) av blokkene i spektrale andeler foretas en korreksjon (30) av registreringsfølsomheten for feilstrømmer med frekvenser mellom på hverandre følgende multipla av nettfrekvensen, idet spektralamplitudeverdier som er tilordnet til de tilgrensende spektrallinjer, kombineres med hverandre.

3 Fremgangsmåte ifølge krav 2,karakterisert ved at de kombinerte spektralamplitudeverdier benyttes for vurdering av farligheten av en feilstrøm.

4 Fremgangsmåte ifølge krav 2 eller 3,karakterisert ved at beløpskvadratene av spektralamplitudeverdier som er tilordnet til de tilgrensende spektrallinjer, adderes.

5 Fremgangsmåte ifølge krav 4,karakterisert ved at de adderte spektralamplitudeverdier benyttes for vurdering av farligheten av feil-strømmen.

6 Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav,karakterisert vedat den spektrale oppløsning (24) av blokkene foretas ved hjelp av en diskret Fourier-transformasjon.

7 Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav,karakterisert vedat spektralandelene vektlegges (26) ved hjelp av frekvensavhengige vektleggingsforut-setninger.

8 Fremgangsmåte ifølge krav 7,karakterisert ved at det foretas en forskjellig vektlegging (26) av realdel og imaginærdel av spektralandelene.

9 Fremgangsmåte ifølge krav 8,karakterisert ved at det foretas en forskjellig vektlegging av realdel og imaginærdel av spektralandelene, for å foreta en vurdering av feilstrømmens farepotensial med hensyn til fysiologiske forhåndsbetingelser og/eller materialbeskyttelses-forhåndsbetingelser i avhengighet av frekvensen.

10 Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav,karakterisert vedat blokkene av sumstrømverdiene dannes i avhengighet av fasestillingen av et nettspenningssignal, idet fasestillingen oppnås ut fra to likeartede nullgjennomganger av nettspenningssignalet.

11 Innretning for feilstrømovervåking i et elektrisk vekselstrømsnett med en forutbestemt nettfrekvens,karakterisert ved at den omfatter: en anordning for registrering av strømverdier av elektriske strømmer som skal overvåkes, en anordning for omforming av de registrerte strømverdier til digitaliserte strømverdier, en anordning for beregning av sumstrømverdier ut fra de digitaliserte strømverdier, en anordning for dannelse av blokker av sumstrømverdiene i avhengighet av fasestillingen av et nettspenningssignal, en anordning for spektral oppløsning av blokkene i spektralandeler, og en anordning for overvåking av blokkenes spektralandeler med hensyn til en overskridelse av spektrale grenseverdier for vurdering av farligheten av feilstrømmen.

12 Innretning ifølge krav 11,karakterisert ved at det etter oppløsningen (24) av blokkene i spektralandeler foretas en korreksjon (30) av registreringsfølsomheten for feilstrømmer med frekvenser mellom på hverandre følgende multipla av nettfrekvensen, idet spektralamplitudeverdier som er tilordnet til de tilgrensende spektrallinjer, kombineres med hverandre.

13 Innretning ifølge krav 12,karakterisert ved at de kombinerte spektralamplitudeverdier anvendes for vurdering av farligheten av en feilstrøm.

14 Innretning ifølge krav 12 eller 13,karakterisert ved at beløpskvadratene av spektralamplitudeverdier som er tilordnet til de tilgrensende spektrallinjer, adderes.

15 Innretning ifølge krav 14,karakterisert ved at de adderte spektralamplitudeverdier anvendes for vurdering av farligheten av feil-strømmen.

16 Innretning ifølge ett av kravene 11-15,karakterisert vedat den spektrale oppløsning (24) av blokkene skjer ved hjelp av en diskret Fourier-transformasjon.

17 Innretning ifølge ett av kravene 11-16,karakterisert vedat spektralandelene vektlegges (26) ved hjelp av frekvensavhengige vektleggings-forutsetninger.

18 Innretning ifølge krav 17,karakterisert ved at det foretas en forskjellig vektlegging (26) av realdel og imaginærdel av spektralandelene.

19 Innretning ifølge krav 18,karakterisert ved at det foretas en forskjellig vektlegging av realdel og imaginærdel av spektralandelene, for å foreta en vurdering av feilstrømmens farepotensial med hensyn til fysiologiske forhåndsbetingelser og/eller materialbeskyttelses-forhåndsbetingelser i avhengighet av frekvensen.

20 Innretning ifølge ett av kravene 11-19,karakterisert vedat blokkene av sumstrømverdier dannes i avhengighet av fasestillingen av et nettspenningssignal, idet fasestillingen oppnås ut fra to likeartede nullgjennomganger av nettspenningssignalet.