WO2004017483A1 - Verfahren und vorrichtung zur fehlerstromüberwachung in einem elektrischen wechselstromnetz - Google Patents

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WO2004017483A1
WO2004017483A1 PCT/EP2003/009037 EP0309037W WO2004017483A1 WO 2004017483 A1 WO2004017483 A1 WO 2004017483A1 EP 0309037 W EP0309037 W EP 0309037W WO 2004017483 A1 WO2004017483 A1 WO 2004017483A1
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Hans-Peter Hohe
Josef Sauerer
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/26—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to difference between voltages or between currents; responsive to phase angle between voltages or between currents
    • H02H3/32—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to difference between voltages or between currents; responsive to phase angle between voltages or between currents involving comparison of the voltage or current values at corresponding points in different conductors of a single system, e.g. of currents in go and return conductors

Definitions

  • the present invention relates to residual current monitoring in an electrical AC network, and in particular to the spectral and in-phase detection of absolute and relative currents for the hazard assessment of residual currents and for the assessment of the hazard potential of residual currents for people and material.
  • an electrical system such as. B. an electrical AC network
  • This type of hazard detection is used in the form of residual current circuit breakers, which are also referred to as FL switches and which measure the differential current between a forward and a return conductor.
  • Every fault current circuit breaker is the so-called summation current transformer. All current-carrying conductor of an electrical system, including the neutral conductor, are in the same direction and guided together by the sen ⁇ converter. Normal operating currents have no effect on this converter, since their sum always gives a value of "zero", ie there is no residual current. However, if a fault current, which is caused, for example, by a body connection, flows out of the closed circuit to ground, the magnetic balance of the transducer is disturbed by the amount of the fault current flowing to ground (earth). In this case, the converter is magnetized and instantly causes the all-pole switch-off of the residual current circuit breaker via a highly sensitive release.
  • Residual current circuit breakers therefore measure the AC component of the residual current, the residual current being classified as more or less dangerous according to its amount. With this very widespread type of personal and / or material protection, however, the direct current component of the fault current is not recorded and therefore cannot be evaluated correctly.
  • the weighted total signal for the AC component is subsequently separated into an active and a reactive current component without taking into account the spectral composition. This is done e.g. B. also in cases in which there is no portion at all with the mains frequency in the measured fault current, and consequently leads to serious erroneous evaluations of the fault current, which in turn severely impairs a correct and reliable assessment of the hazard potential for people and material.
  • So-called pulse current sensitive circuit breakers represent a possible approach to reducing this problem. These circuit breakers can detect pulsating direct currents. Pure direct currents cannot be measured by these pulse current sensitive circuit breakers either.
  • the object of the present invention is to provide an improved concept for residual current monitoring in an electrical AC network in order to ensure a safer and more reliable assessment of the hazard potential for people and material by means of residual current monitoring.
  • the device according to the invention for residual current monitoring in an electrical AC network with a predetermined A network frequency comprises a device for detecting current values of electrical currents to be monitored, a device for converting the detected current values into digitized current values, a device for calculating total current values from the digitized current values, and a device for forming blocks from the total current values in Dependence on the phase position of a mains voltage signal , a device for spectrally breaking up the blocks into spectral components, and a device for monitoring the spectral components of the blocks with regard to exceeding spectral limit values for evaluating the dangerousness of the fault current.
  • the present invention is based on the knowledge that a method for the spectral decomposition and splitting of signals into its individual spectral components by means of a Fourier transformation can be used as part of the risk assessment of a fault current in fault current monitoring in an electrical AC network, it being advantageous if one or more suitable weighting functions can be found and used for the hazard assessment of the fault current.
  • the signals ie the electrical currents to be monitored in an electrical AC network, which are to be used for the actual risk assessment, are first detected with appropriate sensors, then amplified (if necessary) and finally converted into a discrete digital value.
  • a total current is now calculated from the digital values of the individual currents.
  • the total current values are then divided into blocks with a preferably fixed length in synchronism with the frequency of the mains voltage signal. This can overlap or simply done sequentially.
  • a block always contains all current values during a period of the mains voltage signal, for example between two similar zero crossings of the mains voltage. These blocks of the total current values are then broken down into their spectral components by means of a discrete Fourier transformation.
  • limit value monitoring of the spectral components of the blocks is then carried out with regard to exceeding spectral limit values in order to assess the dangerousness of the fault current.
  • the discrete Fourier transformation is used to determine exactly the correct value of the spectral line in question.
  • the switch-off threshold of the residual current monitoring method is raised significantly at this frequency (75 Hz) due to the lower sensitivity of the 50 Hz line (and the neighboring 100 Hz line).
  • the switch-off threshold between the spectral lines thus clearly depends on the signal frequency of the total current, which leads to a correction of the detection sensitivity for the fault currents with frequencies in a further aspect of the method for fault current monitoring in an electrical AC network after the blocks have been broken down into spectral components is carried out between successive multiples of the network frequency by combining spectral amplitude values which are assigned to the neighboring spectral lines.
  • imaging Such a spectral combination is generally referred to below as "imaging”.
  • mapping With this so-called “mapping", the stringing together of several spectral lines leads to an essentially constant switch-off value.
  • One possible realization for such a mapping now consists in the two amounts or squares of amounts of respectively adjacent spectral lines, which have an integral multiple of the network frequency, to add after the discrete Fourier transform.
  • the resulting value is then a good measure with an error of at most about + 5% for the existing signal amplitude between the two adjacent discrete frequencies, i. H. neighboring integer multiples of the network frequency.
  • switch-off thresholds for different frequency ranges. This means that high-frequency fault currents, which originate, for example, from switched elements, can be weighted less in order to reduce the frequency of false tripping without reducing safety for people.
  • the inventive concept for residual current monitoring in an electrical AC network provides a number of advantages over previously known methods for residual current monitoring.
  • the main advantage over the prior art is therefore that with the inventive concept for residual current monitoring now a targeted and so that the hazard potential of all spectral components of fault currents can be correctly assessed in accordance with the physiological findings. This means that the greatest possible safety for the user can be reconciled with the smallest possible number of false triggers for residual current monitoring.
  • Fig. 1 is a flowchart of the method for residual current monitoring in an AC network according to a preferred embodiment of the present
  • Fig. 4 is a schematic diagram of the entire spectral combination (overlap) in the range from direct current (DC) to 750 Hz according to an embodiment of the present invention.
  • the method according to the invention for residual current monitoring in an electrical AC network begins with the four currents to be monitored, for example the currents of three network conductors and, using current sensors the current of a neutral conductor, with the correct sign.
  • the detected current values (instantaneous values) of the currents to be monitored are then converted into discrete, digitized current values, as shown in box 14 of FIG. 1.
  • blocks are now formed from the total current values as a function of the phase position of the line frequency of a line voltage signal, the length of the blocks depending on the phase position of the line voltage signal and preferably a period (or an integral multiple of a period) Mains frequency.
  • the block formation can be overlapping or sequential.
  • a synchronization signal is provided, as shown in box 20, the synchronization signal being obtained from a detection of the line frequency of the line voltage signal, as in box 22 is shown.
  • the synchronizing signal preferably indicates a period of the mains voltage in order to form the block from the calculated, digital total current values, the synchronizing signal preferably being obtained by detecting two identical zero crossings of the mains voltage signal, so that one block always contains all calculated, digital total current values during a period of mains voltage. It should be obvious that the period of the line voltage can also be determined in any other suitable way from the course of the line voltage signal.
  • DFT discrete Fourier transform
  • FFT fast Fourier transform
  • a different weighting of the active and reactive current components of the spectrally sum current values are carried out, for example, by multiplying the real or imaginary part of the respective spectral line of a sum current value by a specific weighting factor, as is optionally provided in box 26 of FIG. 1.
  • a weighting specification it can be provided, for example, to double the tripping threshold for capacitive (or inductive) reactive currents, so that, for example, the imaginary part of the component at the mains frequency, e.g. B. at 50 Hz, multiplied by 0.5.
  • the optional weighting (box 26) of the respective spectral components of the total current values if this is carried out, or otherwise the Fourier transformation is now generally followed by limit value monitoring of the spectral components of the blocks with regard to exceeding spectral limit values, as shown in box 32 is to evaluate the dangerousness of the fault current from the spectrally decomposed total current values.
  • a limit being exceeded, a predetermined action is then carried out, an optical or acoustic warning message being able to be generated as the action, a message being transmitted via a corresponding network, or a protective function, e.g. B. an all-pole shutdown can be triggered.
  • Fig. 1 further shows that before the limit monitoring the spectral proportions of the blocks with respect to an exceeding of spectral limit values (box 32) optionally also a so-called Abbil ⁇ -making function can be performed, as indicated by box 30 of the flowchart of Fig. 1 is shown.
  • box 30 of the flowchart of Fig. 1 is shown.
  • the following explains in detail which of them Prerequisites for this step of performing an imaging function (box 30) is necessary and is carried out according to the invention.
  • the amount of the spectral weighting of the individual spectral lines shown in FIG. 2 is obtained after the discrete Fourier transformation. If one now assumes that the signal to be measured, i. H. If the calculated total current or the calculated total current values (see box 16), exactly the network frequency of 50 Hz or an integral multiple thereof, then the correct value of the relevant spectral line is determined using the discrete Fourier transformation. In this case, it is not necessary to perform the mapping function (box 30 of Fig. 1).
  • the switch-off threshold is raised significantly at this frequency due to the lower sensitivity of the spectral lines, which correspond to an integral multiple of the basic network frequency.
  • a relatively coarse threshold value is realized in the time domain in the version of an FI circuit breaker to be implemented here.
  • the other two provided threshold values relate to spectral representations of the fault current. Represent these spectral lines calculated by means of a Fourier transformation (FFT) a spectral value (consisting of real and imaginary part) a certain frequency range. In the specific case, this range extends over 50 Hz.
  • FFT Fourier transformation
  • the amount of the 50 Hz spectral line is exactly 1. Towards the edges, the amount drops to approx. 63% (0.63). This means that a fault current with a frequency of 75 Hz would have a switch-off threshold that is 37% higher than at the nominal frequency of 50 Hz, since, as shown in FIG. 2, a 75 Hz signal, for example, is uniformly with a value of approximately Divides 0.63 on the neighboring 50Hz and 100Hz spectral line.
  • the Ab ⁇ depends switching threshold between the spectral significantly on the signal frequency.
  • a correction of the detection sensitivity for fault currents with frequencies between successive multiples of the mains frequency is carried out by spectral values that correspond to the neighboring beard spectral lines are assigned, combined. This combination is commonly referred to as “mapping” hereinafter (box 30).
  • the combined spectral amplitude values are then monitored in the present invention in order to assess or assess the dangerousness of the fault current, as has already been discussed in detail using box 32 above.
  • two directly adjacent spectral lines have to be offset or combined with one another in such a way that a 50 Hz wide range with essentially 'constant' Amplitude arises.
  • This area with an essentially constant amplitude can then be used for the actual threshold value comparison. Outside the constant range, however, the amplitude should drop as quickly as possible to a value of 0 (zero) so that a targeted spectral evaluation remains possible.
  • the result of the calculation must not depend on the phase position of the individual signals. Therefore, the real and imaginary part of the spectral lines under consideration cannot be used in the calculation without exact examination of the result.
  • a preferred implementation according to the present invention of a calculation or combination of spectral amplitudes which are assigned to adjacent spectral lines now consists in the two amounts (amount squares) of to combine and preferably add adjacent spectral lines in each case (box 30 of the flow chart of FIG. 1).
  • the ideal would be an absolute value function that has a value of 1 in the range between 50 and 100 Hz and a value of 0 outside.
  • the magnitude function (gradient III) is obtained from the two spectral lines (curve I, II).
  • the remaining ripple in the amount in this case is approximately a maximum of ⁇ 5%.
  • the resulting value of the detection sensitivity for fault currents is therefore a good measure of the existing signal amplitude between the two adjacent discrete frequencies when added.
  • the maximum uncertainty of approximately ⁇ 5% is practically imperceptible in the synchronous operating mode, but leads to additional uncertainty when evaluating the switch-off threshold in asynchronous operation.
  • the magnitude function (curve III) provides information about the sum of the signal amplitudes present in the interval between the adjacent frequencies, i. H. between adjacent spectral lines with an integer multiple of the basic network frequency, which is, for example, 50 Hz.
  • the 50 Hz threshold lower than the threshold value between 50 Hz and 100 Hz.
  • the 50 Hz line you are within a range of the thermal noise limit given by the bandwidth of 50 Hz. All others (higher frequency lines) have an effective noise bandwidth of 100 Hz and are therefore worse by a factor of ⁇ 2 than the 50 Hz line.
  • the sum value obtained of the signal amplitudes present in the interval between the two adjacent frequencies is then monitored, for example by a comparator, for exceeding a certain limit (see box 32). According to the present invention, it is possible to implement different switch-off thresholds for different frequency ranges.
  • fault currents resulting from switched elements can be weighted less, in order to reduce the frequency of false tripping without reducing the safety for people.
  • fault currents whose frequency does not match an integral multiple of the mains frequency can thus also be safely and reliably evaluated.
  • the Fourier transformation provides the corresponding DC component, which can either be overlapped with the 50 Hz line or simply subjected to a limit value analysis directly as a DC component. This is done analogously to all other spectral lines. There is of course no active / reactive current subdivision when considering the limit value of a direct current component (DC).
  • two weighting factors one each for active and reactive components
  • a switch-off limit value for the amount can be specified for each of the calculated spectral lines.
  • the possibility of being able to adjust the limit values during operation based on the measured spectral lines can achieve an optimal protective effect with a low number of false triggers.
  • a predetermined action is carried out in the event of a limit being exceeded, an optical or acoustic warning message being able to be generated as an action, a message being transmitted via a corresponding network or a protective function, e.g. B. an all-pole shutdown can be triggered.
  • a main advantage of the present invention over the prior art is that the method according to the invention for residual current monitoring in an electrical AC network with a predetermined network frequency now makes it possible to assess the hazard potential of all spectral components of currents to be monitored in accordance with the physiological findings. The greatest possible safety for the user can be reconciled with the lowest possible number of false triggers.
  • the method according to the invention can still achieve sufficiently good protection by the relevant frequency (s), ie. H. only these, completely hidden and less weighted.
  • the problematic active current components are not on the line frequency line of 50 Hz, for example, effective protection for people can still be obtained as far as possible.

Landscapes

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  • Remote Monitoring And Control Of Power-Distribution Networks (AREA)
  • Locating Faults (AREA)
  • Testing Of Short-Circuits, Discontinuities, Leakage, Or Incorrect Line Connections (AREA)
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Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Fehlerstromüberwachung in einem elektrischen WechselstromnetzZusammenfassungBei dem Verfahren zur Fehlerstromüberwachung in einem elektrischen Wechselstromnetz mit einer vorgegebenen Netzfrequenz werden Stromwerte von zu überwachenden elektrischen Strömen erfasst (12a - 12d), woraufhin die erfaßten Stromwerte in die digitalisierten Stromwerte umgewandelt werden (14). Aus den digitalisierten Stromwerten werden anschließend Summenstromwerte berechnet (16), aus denen Blöcke aus den Summenstromwerten in Abhängigkeit von der Phasenlage eines Netzspannungssignals gebildet werden (18). Die Blöcke werden dann in spektrale Anteile zerlegt (24). Die spektralen Anteile der Blöcke werden dann hinsichtlich eines Überschreitens spektraler Grenzwerte zur Bewertung der Gefährlichkeit des Fehlerstroms überwacht (36).

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Fehlerstromüberwachung in einem elektrischen Wechselstromnetz
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Fehlerstromüberwachung in einem elektrischen Wechselstromnetz, und insbesondere auf die spektrale und phasenrichtige Erfassung von Absolut- und Relativströmen zur Gefahrenein- Schätzung von Fehlerströmen und für die Beurteilung des Gefährdungspotentials von Fehlerströmen für Mensch und Material.
In der Elektroinstallationstechnik wird die Einschätzung des Gefährdungspotentials durch eine elektrische Anlage, wie z. B. ein elektrisches Wechselstromnetz, auf den Menschen auf der Basis von Momentanwerten der zu überwachenden Ströme in dem Wechselstromnetz durchgeführt. Dies gilt sowohl für Absolutwerte als auch für Relativ- und/oder Diffe- renzwerte der zu überwachenden Ströme, wobei diese Stromwerte auch als Fehlerstrom bezeichnet werden. Diese Art der Gefahrenerkennung wird in Form von Fehlerstromschutzschaltern, die auch als Fl-Schalter bezeichnet werden und die den Differenzstrom zwischen einem Hin- und einem Rückleiter messen, eingesetzt.
Ein wesentliches Merkmal jedes Fehlerst-ξomschutzschalters ist dabei der sogenannte Summenstromwandler. Alle stromführenden Leiter einer elektrischen Anlage, einschließlich des Nulleiters, werden gleichsinnig und miteinander durch die¬ sen Wandler geführt. Normale Betriebsströme haben auf diesen Wandler keine Wirkung, da ihre Summe immer einen Wert von „Null" ergibt, d. h. es liegt kein Differenzstrom vor. Fließt jedoch ein Fehlerstrom, der beispielsweise durch einen Körperschluß verursacht wird, aus dem geschlossenen Stromkreis nach Masse ab, so wird das magnetische Gleichgewicht des Wandlers um den Betrag des nach Masse (Erde) fließenden Fehlerstroms gestört. In diesem Fall wird der Wandler magnetisiert und veranlaßt augenblicklich über einen hochempfindlichen Auslöser die allpolige Ausschaltung des Fehlerstromschutzschalters.
Fehlerstromschutzschalter messen also den Wechselstromanteil des Fehlerstroms, wobei der Fehlerstrom entsprechend seines Betrags als mehr oder weniger gefährlich eingestuft wird. Bei dieser sehr weit verbreiteten Art des Personen- und/oder Materialschutzes wird jedoch der Gleichstromanteil des Fehlerstroms nicht erfaßt und kann deshalb auch nicht richtig bewertet werden.
In der internationalen Patentanmeldung W098/58432 wird beispielsweise eine Gefahrenerkennung zur Beurteilung des Ge- fährdungspotentials durch Fehlerströme für Mensch und Material beschrieben, wobei man dort mit einem analogen Verfahren zwischen kapazitiven Blindfehlerströmen, denen ein niedriges Gefährdungspotential für den Menschen zugeordnet wird, und Wirkfehlerströmen, denen ein hohes Gefährdungspo- tential für den Menschen zugeordnet wird, unterscheidet. Zusätzlich wird bei dem dort beschriebenen Verfahren zwischen einem Wechselstrom- und einem Gleichstromanteil unterschieden. Der Wechselstromanteil wird über die zugehörige Phase in einen Wirk- und einen Blindstrom zerlegt. Dies erhöht die Toleranz gegenüber kapazitiven Blindströmen, die als potentiell weniger gefährlich eingestuft werden, da sie nicht von einem Körperstrom herrühren können. Damit ist es möglich, eine Auslösung bei sehr niedrigen Wirkfehlerströ- men zu erreichen, wobei gleichzeitig eine relativ hohe Toleranz gegenüber kapazitiven Fehlerströmen besteht.
In der genannten internationalen Patentanmeldung wird fer- ner ein möglicher Ansatz dargestellt, um auch Gleichströme erfassen und bewerten zu können. Gleichströme verändern nicht mehr das Verhalten für Wechselströme, wobei Wechselströme phasenrichtig bewertet werden können. Da aber eine Phasenbeziehung im strengen Sinne nur bei onofrequenten Signalen definiert ist, werden höher frequente Ströme mit der auf die Netzfrequenz (z. B. 50 Hz) bezogenen Phase falsch bewertet. Insbesondere pulsförmige Ströme mit Signalanteilen auf höheren Frequenzen, wie sie von modernen Schaltnetzteilen für Computer, Fernsehgeräte, usw. und von Phasenanschnittsteuerungen für Bohrmaschinen, Elektroherde, Dimmer, usw. hervorgerufen werden, führen bei dieser Auswertung zu Problemen, da sie nicht getrennt erfaßt werden.
Es ist zwar möglich, eine frequenzabhängige Gewichtung des Fehlerstroms vorzunehmen, diese Gewichtung muß jedoch durch aufwendige Filter analog realisiert werden. Zusätzlich wird das gewichtete Gesamtsignal für den Wechselstromanteil an¬ schließend ohne Beachtung der spektralen Zusammensetzung in einen Wirk- und einen Blindstromanteil aufgetrennt. Dies erfolgt z. B. auch in den Fällen, in denen überhaupt kein Anteil mit der Netzfrequenz in dem gemessenen Fehlerstrom enthalten ist, und führt demzufolge zu gravierenden Fehlbewertungen des Fehlerstroms, was wiederum eine korrekte und zuverlässige Beurteilung des Gefährdungspotentials für Mensch und Material stark beeinträchtigt.
Die Nachteile von gegenwärtig eingesetzten Fehlerstromschutzschaltern (Fl-Schaltern) gemäß dem Stand der Technik beruhen also darauf, daß häufig nur der Wechselstromanteil des Fehlerstroms und dieser auch nur seinem Betrag nach gemessen wird. Da die Phase des gemessenen Wechselstromanteils des Fehlerstroms nicht berücksichtigt wird, kann also im wesentlichen keine Einteilung in einen Wirk- und Blindanteil des Fehlerstroms erfolgen. Dies führt daher bei einer für den menschlichen Schutz ausgelegten, sehr niedrigen Abschaltschwelle des Fehlerstromschutzschalters zu relativ häufigen Fehlauslösungen der Schutzeinrichtung. Ein Anheben der Auslöseschwelle verringert zwar die Häufigkeit der
Fehlauslösung, aber auch gleichzeitig die Schutzwirkung für den Menschen.
Ferner werden Gleichströme bei der in der Hausinstallati- onstechnik, z. B. für Badezimmer, vorgeschriebenen Art von Fehlerstromschutzschaltern entweder überhaupt nicht oder nur äußerst unzureichend erkannt. Ein Schutz beteiligter Menschen vor Gleichströmen kann also grundsätzlich nicht ausreichend erreicht werden, obwohl die Häufigkeit solcher überlagerter Gleichströme derzeit wieder ansteigt. Von noch größerer Bedeutung für ein verbleibendes Gefährdungspotential ist die Tatsache, daß der in den Schutzschaltern verwendete Ringkern des Summenstromwandlers bei einer von außen nicht wahrnehmbaren Gleichstrombelastung in Sättigung gehen kann und damit die Schutzwirkung auch bei Wechselströmen vermindert oder sogar beseitigt werden kann. Herkömmliche Fehlerstromschutzschalter stellen daher in diesem Fall eher eine große Gefährdung als einen Schutz für Men¬ schen dar, weil der vermeintliche Schutz (von außen nicht wahrnehmbar) nicht mehr vorhanden ist.
Einen möglichen Ansatz zur Verringerung dieses Problems stellen sogenannte pulsstromsensitive Schutzschalter dar. Diese Schutzschalter können pulsierende Gleichströme erkennen. Reine Gleichströme können aber auch von diesen puls- stromsensitiven Schutzschaltern nicht gemessen werden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein verbessertes Konzept zur Fehlerstromüberwachung in einem elektrischen Wechselstromnetz zu schaffen, um mittels der Fehlerstromüberwachung eine sicherere und zuverlässigere Beurteilung des Ge- fährdungspotentials für Menschen und Material zu gewährleisten.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Fehlerstromüberwachung gemäß Anspruch 1 und durch eine Vorrichtung zur Fehlerstromüberwachung gemäß Anspruch 11 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Fehlerstromüberwachung in einem elektrischen Wechselstromnetz mit einer vorgegebenen Netzfrequenz werden zunächst Stromwerte von zu überwachenden elektrischen Strömen erfaßt. Die erfaßten Stromwerte werden daraufhin in diskrete, digitalisierte Stromwerte umgewandelt, wobei aus den digitalisierten Stromwerten Summenstrorrtwerte berechnet werden. Aus den Sum- menstromwerten werden in Abhängigkeit von der Phasenlage eines Netzspannungssignals Blöcke gebildet, woraufhin diese Blöcke aus den Summenstromwerten in deren spektrale Anteile zerlegt werden. Schließlich werden die spektralen Anteile der Blöcke hinsichtlich eines Überschreitens von spektralen Grenzwerten überwacht, um die Gefährlichkeit des Fehler- stroms zu bewerten.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Fehlerstromüberwachung in einem elektrischen Wechselstromnetz mit einer vorgegebe- nen Netzfrequenz umfaßt eine Einrichtung zum Erfassen von Stromwerten von zu überwachenden, elektrischen Strömen, eine Einrichtung zum Umwandeln der erfaßten Stromwerte in digitalisierte Stromwerte, eine Einrichtung zum Berechnen von Summenstromwerten aus den digitalisierten Stromwerten, eine Einrichtung zum Bilden von Blöcken aus den Summenstromwer- ten in Abhängigkeit von der Phasenlage eines Netzspannungs¬ signals, eine Einrichtung zum spektralen Zerlegen der Blöcke in spektrale Anteile, und eine Einrichtung zum Überwa- chen der spektralen Anteile der Blöcke hinsichtlich eines Überschreitens spektraler Grenzwerte zur Bewertung der Gefährlichkeit des Fehlerstroms.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein Verfahren zur spektralen Zerlegung und Aufspaltung von Signalen in seine einzelnen Spektralanteile mittels einer Fourier-Transfor ation im Rahmen der Gefahrenbewertung eines Fehlerstroms bei einer Fehlerstromüberwachung in einem elektrischen Wechselstromnetz angewendet werden kann, wobei es vorteilhaft ist, wenn eine oder mehrere geeignete Gewichtungsfunktionen für die Gefahrenbewertung des Fehlerstroms gefunden und angewendet werden können.
Die Signale, d. h. die zu überwachenden elektrischen Ströme in einem elektrischen Wechselstromnetz, welche der eigentlichen Gefahrenbewertung zugeführt werden sollen, werden zunächst mit entsprechenden Sensoren erfaßt, danach (wenn erforderlich) verstärkt und schließlich in einen diskreten Digitalwert umgesetzt. Für die Fehlerstromüberwachung wird nun aus den Digitalwerten der einzelnen Ströme ein Summenstrom berechnet. Die Summenstromwerte werden daraufhin synchron zur Frequenz des Netzspannungssignals in Blöcke mit vorzugsweise fester Länge aufgeteilt. Dies kann überlappend oder einfach sequentiell erfolgen. Ein Block enthält dabei immer alle Suinmenstromwerte während einer Periode des Netzspannungssignals, beispielsweise zwischen zwei gleichartigen Nulldurchgängen der Netzspannung. Diese Blöcke der Sum- menstromwerte werden dann mittels einer diskreten Fourier- Transformation in deren spektrale Anteile zerlegt.
An dieser Stelle kann nun sehr einfach eine unterschiedli¬ che Gewichtung des Wirk- und Blindstromanteils des Su men- Stroms, d. h. des Fehlerstroms, durchgeführt werden, indem dazu der Real- oder Imaginärteil der jeweiligen Spektrallinie des Fehlerstroms mit einem geeigneten Gewichtungsfaktor multipliziert wird. Um beispielsweise die Auslöseschwelle für kapazitive (oder induktive) Blindströme zu verdoppeln, muß man den Imaginärteil der Netzfrequenzkomponente (d. h. der 50Hz-Komponente bei einer 50Hz-Netzfrequenz) mit 0,5 multiplizieren.
An die optional durchzuführende Gewichtung wird nun an- schließend eine Grenzwertüberwachung der spektralen Anteile der Blöcke hinsichtlich eines Überschreitens von spektralen Grenzwerten durchgeführt, um die Gefährlichkeit des Fehlerstroms zu beurteilen.
Wenn nun das zu messende Signal, d. h. der Fehlerstrom, eine Frequenz von 50 Hz (Netzfrequenz) enthält, dann wird mittels der diskreten Fourier-Transformation exakt der richtige Wert der betreffenden Spektrallinie ermittelt.
Liegt die Signalfrequenz des Summenstroms allerdings beispielsweise bei einer Frequenz von 75 Hz (unter der Annahme einer Netzfrequenz von 50 Hz), d. h. ist die Signalf equenz des Fehlerstroms kein ganzzahliges Vielfaches der Netzfre- quenz, dann wird die Absch ltschwelle des Fehlerstromüber- wachungsverfahrens aufgrund der niedrigeren Empfindlichkeit der 50Hz-Linie (und der benachbarten lOOHz-Linie) auf dieser Frequenz (75 Hz) deutlich angehoben. Damit hängt die Abschaltschwelle zwischen den Spektrallinien deutlich von der Signalfrequenz des Summenstroms ab, was dazu führt, daß bei einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt des Verfahrens zur Fehlerstromüberwachung in einem elektrischen Wechselstromnetz nach dem Zerlegen der Blöcke in spektrale Anteile eine Korrektur der Erfassungsempfindlichkeit für die Fehlerströme mit Frequenzen zwischen aufeinanderfolgenden Vielfachen der Netzfrequenz vorgenommen wird, indem Spekt- ralamplitudenwerte, die den benachbarten Spektrallinien zugeordnet sind, miteinander kombiniert werden. Eine solche spektrale Kombination wird im folgenden allgemein als „Abbildung" bezeichnet.
Mit dieser sogenannten „Abbildung" führt die Aneinanderreihung mehrerer Spektrallinien zu einem im wesentlichen kon- stanten Abschaltwert. Eine mögliche Realisierung für eine solche Abbildung besteht nun darin, die beiden Beträge bzw. Betragsquadrate von jeweils benachbarten Spektrallinien, die ein ganzzahliges Vielfaches der Netzfrequenz aufweisen, nach der diskreten Fourier-Transformation zu addieren.
Der resultierende Wert ist dann ein gutes Maß mit einem Fehler von maximal etwa +5% für die vorhandene Signalamplitude zwischen den beiden benachbarten diskreten Frequenzen, d. h. benachbarten ganzzahligen Vielfachen der Netzfre- quenz.
Man besitzt damit eine Aussage über die Summe der vorhandenen Signalamplituden im Intervall zwischen den beiden be- nachbarten Frequenzen. Dieser Summenwert kann dann beispielsweise durch einen Komparator auf das Überschreiten eines bestimmten, vorgegebenen Grenzwerts hin überwacht werden.
Es ist ferner möglich, unterschiedliche Abschaltschwellen für unterschiedliche Frequenzbereiche zu realisieren. Damit können hochfrequente Fehlerströme, die beispielsweise von geschalteten Elementen herrühren, schwächer gewichtet wer- den, um die Häufigkeit von Fehlauslösungen zu reduzieren, ohne die Sicherheit für den Menschen zu verringern.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es ferner auch möglich, Gleichströme gezielt zu erfassen und zu bewerten, da bei der Signalerfassung durch einzelne Sensoren nun auch gleichstromfähige Sensoren eingesetzt werden können.
Mit der Möglichkeit beliebige spektrale Gewichtungsfunktionen realisieren zu können, ist es auch möglich, die Kennli- nie der physiologischen Gefährdung des Menschen durch Fehlerströme in Abhängigkeit von der Frequenz nachzubilden. Wenn dies durchgeführt wird, so kombiniert man einerseits eine hohe Sicherheit für den Menschen mit einer optimal niedrigen Häufigkeit für Fehlauslösungen und damit mit ei- ner hohen Akzeptanz des Schutzsystems.
Es wird ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Konzept zur Fehlerstromüberwachung in einem elektrischen Wechselstromnetz eine Reihe von Vorteilen gegenüber bisher im Stand der Technik bekannten Vorgehensweisen zur Fehlerstromüberwachung liefert. Der Hauptvorteil gegenüber dem Stand der Technik liegt also darin, daß mit dem erfindungsgemäßen Konzept zur Fehlerstromüberwachung nun eine gezielte und damit auch entsprechend den physiologischen Erkenntnissen richtige Bewertung des Gefährdungspotentials aller Spektralanteile von Fehlerströmen möglich ist. Damit ist die größtmögliche Sicherheit für den Anwender mit einer ge- ringst möglichen Anzahl von Fehlauslösungen der Fehlerstromüberwachung vereinbar.
Selbst bei kritischen Anwendungen, wie z. B. systembedingten hohen Fehlerströmen auf bestimmten Frequenzen, wie z. B. der PWM-Frequenz bei Drehstromantrieben (PWM = Pulsweitenmodulation) , bei denen bislang mit herkömmlichen Fehlerstromschutzanordnungen eine Schutzfunktion nicht mehr ausreichend gewährleistet werden konnte, kann mit dem erfindungsgemäßen Konzept zur Fehlerstromüberwachung zur Beur- teilung der Gefährlichkeit des Fehlerstroms noch ein ausreichend guter Schutz erreicht werden, indem die betreffende Frequenz bzw. die betreffenden Frequenzen (und ausschließlich diese) komplett ausgeblendet oder geringer ge- wichtet werden. Solange sich die problematischen Wirkstro - anfeile nicht auf der Netzfrequenzlinie, d. h. beispielsweise der 50-Hz-Linie, befinden, kann trotzdem ein wirksamer Schutz für Menschen erhalten werden.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Flußdiagramm des Verfahrens zur Fehlerstromüberwachung in einem Wechselstromnetz gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung; Fig. 2 den Betrag einer Spektrallinie für Signale mit unterschiedlichen Frequenzen aber konstanter Amplitude;
Fig. 3 den Betrag der spektralen Gewichtung zwischen zwei benachbarten Spektrallinien (50Hz- und lOOHz-Spektrallinie) nach einer diskreten Fou- rier-Transformation gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 4 eine Prinzipdarstellung der gesamten spektralen Kombination (Überlappung) im Bereich von Gleichstrom (DC) bis 750 Hz gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Im folgenden wird nun anhand von Fig. 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Fehlerstromüberwachung in einem elektrischen Wechselstromnetz mit einer vorgegebenen Netzfrequenz gemäß der vorliegenden Erfindung be- schrieben.
Anhand des Flußdiagramms von Fig. 1 wird die prinzipielle Vorgehensweise für eine mehrkanalige Fehlerstromüberwachung, d. h. Differenzstromüberwachung, in einem geerdeten, ein- oder mehrphasigen elektrischen Wechselstromnetz mit einer vorgegebenen Netzfrequenz beschrieben, wobei bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel von Fig. 1 beispielsweise eine 4-kanalige Differenzstromüberwachung durchgeführt wird. Es sollte beachtet werden, daß die vorliegende Erfin- düng auf Differenzstromüberwachung mit einer beliebigen Anzahl von Kanälen anwendbar ist. Ferner wird in der folgenden Beschreibung von einer Netzfrequenz von 50 Hz ausgegan- gen, wobei beachtet werden sollte, daß die vorliegende Erfindung auf beliebige Netzfrequenzen anwendbar ist.
Wie in den Kästchen 12a-d des Flußdiagramms von Fig. 1 ge- zeigt ist, beginnt das erfindungsgemäße Verfahren zur Fehlerstromüberwachung in einem elektrischen Wechselstromnetz gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel damit, daß mittels Stromsensoren die vier zu überwachenden Ströme, beispielsweise die Ströme von drei Netzleitern und der Strom eines Neutralleiters, vorzeichenrichtig erfaßt werden. Die erfaßten Stromwerte (Momentanwerte) der zu überwachenden Ströme werden daraufhin in diskrete, digitalisierte Stromwerte umgewandelt, wie dies in Kästchen 14 von Fig. 1 dargestellt ist.
Aus den digitalisierten, diskreten Stromwerten der zu überwachenden, elektrischen Ströme werden nun beispielsweise durch Addition die Summenst omwerte berechnet, wie dies in Kästchen 16 von Fig. 1 dargestellt ist. Wie in Kästchen 18 des Blockdiagramms dargestellt ist, werden nun Blöcke aus den Summenstromwerten in Abhängigkeit von der Phasenlage der Netzfrequenz eines Netzspannungssignals gebildet, wobei die Länge der Blöcke von der Phasenlage des Netzspannungssignals abhängt und vorzugsweise eine Periode (oder ein ganzzahliges Vielfaches einer Periode) der Netzfrequenz beträgt. Die Blockbildung kann dabei überlappend oder auch sequentiell erfolgen. Um die Blöcke aus., den berechneten digitalen Summenstromwerten synchron zur Netzfrequenz der Netzspannung zu bilden, wird ein Synchronsignal bereitge- stellt, wie dies in Kästchen 20 dargestellt ist, wobei das Synchronsignal aus einer Erfassung der Netzfrequenz des Netzspannungssignals erhalten wird, wie dies in Kästchen 22 dargestellt ist. Das Synchronsignal gibt vorzugsweise eine Periode der Netzspannung an, um den Block aus den berechneten, digitalen Summenstromwerten zu bilden, wobei das Synchronsignal vor- zugsweise erhalten wird, indem zwei gleichartige Nulldurchgänge des Netzspannungssignals erfaßt werden, so daß ein Block immer alle berechneten, digitalen Summenstromwerte während einer Periode der Netzspannung aufweist. Es sollte offensichtlich sein, daß die Periode der Netzspannung auch auf eine beliebige andere geeignete Weise aus dem Verlauf des Netzspannungssignals ermittelt werden kann.
Ferner sollte beachtet werden, daß es entsprechend der vorliegenden Erfindung auch möglich ist, die Blockbildung ent- sprechend Kästchen 18 des Flußdiagramms von Fig. 1 auch ü- ber mehrere Perioden des Netzspannungssignals vorzunehmen, wodurch zwar einerseits die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Fehlerstromüberwachung in einem elektrischen Wechselstromnetz erhöht wird, jedoch andererseits die Weiterverarbeitung der Blöcke aus den berechneten, digitalen Summenstromwerten erheblich aufwendiger gestaltet wird.
Wie in Kästchen 24 dargestellt ist, werden nun die berechneten, digitalisierten Summenstromwerte mittels einer ge- eigneten Transformation, z. B. einer Fourier-Transformation (DFT = diskrete Fourier-Transformation oder FFT = schnelle Fourier-Transformation) , in deren spektr-ale Anteile zerlegt .
An dieser Stelle des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Fehlerstromüberwachung in einem elektrischen Wechselstromnetz kann nun beispielsweise sehr einfach eine unterschiedliche Gewichtung von Wirk- und Blindstromanteil der spektral zer- legten Summenstromwerte durchgeführt werden, indem man beispielsweise den Real- oder Imaginärteil der jeweiligen Spektrallinie eines Summenstromwerts mit einem bestimmten Gewichtungsfaktor multipliziert, wie dies in Kästchen 26 von Fig. 1 optional vorgesehen ist. Als eine Gewichtungs- vorgabe (Kästchen 28) kann beispielsweise vorgesehen sein, die Auslöseschwelle für kapazitive (oder induktive) Blindströme zu verdoppeln, so daß beispielsweise der Imaginärteil der Komponente bei der Netzfrequenz, z. B. bei 50 Hz, mit 0,5 multipliziert wird.
An die optionale Gewichtung (Kästchen 26) der jeweiligen Spektralanteile der Summenstromwerte, falls diese durchgeführt wird, oder ansonsten an die Fourier-Transformation schließt nun im allgemeinen eine Grenzwertüberwachung der spektralen Anteile der Blöcke hinsichtlich eines Überschreitens spektraler Grenzwerte an, wie dies in Kästchen 32 dargestellt ist, um die Gefährlichkeit des Fehlerstroms aus den spektralzerlegten Summenstromwerten zu bewerten. Im Fall einer Grenzwertüberschreitung wird dann eine vorgegebene Aktion ausgeführt, wobei als Aktion eine optische oder akustische Warnmeldung generiert werden kann, eine Meldung über ein entsprechendes Netzwerk übermittelt werden kann oder direkt eine Schutzfunktion, z. B. ein allpoliges Ab- schalten, ausgelöst werden kann.
In dem Flussdiagramm von Fig. 1 ist ferner dargestellt, daß vor der Grenzwertüberwachung der spektralen Anteile der Blöcke hinsichtlich eines Überschreitens spektraler Grenz- werte (Kästchen 32) optional noch eine sogenannte Abbil¬ dungsfunktion durchgeführt werden kann, wie dies durch Kästchen 30 des Flussdiagramms von Fig. 1 dargestellt ist. Im folgenden wird nun ausführlich erläutert, unter welchen Vorraussetzungen dieser Schritt des Durchführens einer Ab- bildungsfunktion (Kästchen 30) erforderlich ist und erfindungsgemäß vorgenommen wird.
Unter der Annahme, daß die Grundwelle der spektralzerlegten Summenstromwerte der Netzfrequenz von beispielsweise 50 Hz entspricht, erhält man den in Fig. 2 dargestellten Betrag der spektralen Gewichtung der einzelnen Spektrallinien nach der diskreten Fourier-Transformation. Wenn man nun davon ausgeht, daß das zu messende Signal, d. h. der berechnete Summenstrom bzw. die berechneten Summenstromwerte (vgl. Kästchen 16) , genau die Netzfrequenz von 50 Hz bzw. ein ganzzahliges Vielfaches davon enthält, dann wird mittels der diskreten Fourier-Transformation exakt der richtige Wert der betreffenden Spektrallinie ermittelt. In diesem Fall ist es nicht erforderlich, die Abbildungsfunktion (Kästchen 30 von Fig. 1) durchzuführen.
Liegt allerdings die Signalf equenz des Summenstroms, d. h. der Summenstromwerte, beispielsweise bei einer Frequenz, die keinem ganzzahligen Vielfachen der Netzgrundfreqenz entspricht, wird, wie es aus Fig. 2 ersichtlich ist, die Abschaltschwelle aufgrund der niedrigeren Empfindlichkeit der Spektrallinien, die einem ganzzahligen Vielfachen der Netzgrundfrequenz entsprechen, auf dieser Frequenz deutlich angehoben.
In diesem Fall wird bei der hier zu realisierenden Version eines Fl-Schutzschalters nur ein relativ grober Schwellwert im Zeitbereich realisiert. Die beiden anderen vorgesehenen Schwellwerte beziehen sich auf spektrale Darstellungen des Fehlerstromes. Bei diesen mittels einer Fourier- Transformation (FFT) berechneten Spektrallinien repräsen- tiert ein Spektralwert (bestehend aus Real- and Imaginärteil) einen bestimmten Frequenzbereich. Dieser Bereich erstreckt sich im konkreten Fall über 50 Hz.
Ideal wäre es, wenn ein monofrequenter Fehlerstrom mit der Amplitude 1, unabhängig von der genauen Frequenz, im Bereich zu einer Spektrallinie auch als Spektralwert einen Wert von 1 liefern wurde. Dies ist jedoch nicht der Fall. Die tatsächlichen Amplitudenverhältnisse können Fig. 2 ent- nommen werden.
In der Mitte des 50 Hz umfassenden Bereiches ist der Betrag der 50Hz-Spektrallinie genau 1. Hin zu den Rändern fällt der Betrag auf ca. 63% (0,63) ab. Dies bedeutet, daß ein Fehlerstrom mit einer Frequenz von 75 Hz eine um 37% höhere Abschaltschwelle besitzen würde als auf der Nennfrequenz von 50 Hz, da sich, wie in Fig. 2 dargestellt ist, beispielsweise ein 75Hz-Signal gleichmäßig mit einem Wert von etwa 0,63 auf die benachbarte 50Hz- und lOOHz-Spektrallinie aufteilt.
Liegt also beispielsweise die Signalfrequenz des Summenstroms bei einer Frequenz von 75 Hz (vgl. die mit einem Kreis gekennzeichnete Position in Fig. 2) , und wird von ei- ner Netzfrequenz von 50 Hz ausgegangen, so hängt die Ab¬ schaltschwelle zwischen den Spektrallinien deutlich von der Signalfrequenz ab.
Daher wird bei der vorliegenden Erfindung optional nach dem Zerlegen der Blöcke in spektrale Anteile eine Korrektur der Erfassungsempfindlichkeit für Fehlerströme mit Frequenzen zwischen aufeinanderfolgenden Vielfachen der Netzfrequenz vorgenommen, indem Spektrala plitudenwerte, die den benach- barten Spektrallinien zugeordnet sind, miteinander kombiniert werden. Diese Kombination wird im folgenden allgemein als „Abbildung" bezeichnet (Kästchen 30) .
Die kombinierten Spektralamplitudenwerte werden dann bei der vorliegenden Erfindung zur Beurteilung bzw. Bewertung der Gefährlichkeit des Fehlerstroms überwacht, wie dies bereits anhand von Kästchen 32 im vorhergehenden ausführlich erörtert wurde.
Um das oben genannte Problem bezüglich Fehlerströmen mit Frequenzen zwischen aufeinanderfolgenden Vielfachen der Netzfrequenz mittels einer "Abbildung" beheben zu können, müssen zwei direkt benachbarte Spektrallinien so miteinan- der verrechnet bzw. kombiniert werden, daß ein 50 Hz breiter Bereich mit im wesentlichen 'konstanter' Amplitude entsteht. Dieser Bereich mit im wesentlichen konstanter Amplitude kann dann für den eigentlichen Schwellwertvergleich genutzt werden. Außerhalb des konstanten Bereiches soll die Amplitude dagegen möglichst schnell auf einen Wert von 0 (Null) abfallen, damit eine gezielte spektrale Bewertung möglich bleibt.
Das Ergebnis der Verrechnung darf aber nicht von der Pha- senlage der einzelnen Signale abhängen. Es können deshalb Real- and Imaginärteil der betrachteten Spektrallinien nicht ohne genaue Prüfung des Resultates - bei der Verrechnung verwendet werden.
Eine gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugte Realisierung einer Verrechnung bzw. Kombination von Spektralamplituden, die benachbarten Spektrallinien zugeordnet sind, besteht nun darin, die beiden Beträge (Betragsquadrate) von jeweils benachbarten Spektrallinien zu kombinieren und vorzugsweise zu addieren (Kästchen 30 des Flußdiagramms von Fig. 1). Man erhält damit spektrale Bereiche zwischen jeweils benachbarten Spektrallinien, d. h. zwischen benach- barten Spektrallinien mit einem ganzzahligen Vielfachen der Netzgrundfrequenz, mit einer näherungsweise konstanten Empfindlichkeit für frequenzunabhängige Abschaltgrenzen innerhalb dieser spektralen Bereiche.
Ein relativ einfach zu realisierender Ansatz, um diesen Bereich mit möglichst konstanter Amplitude zu erreichen, ist über die folgende Beziehung der Addition der Betragsquadraten möglich:
B(kf =Jfc, • (RE(kf + IM(kf )+ k2 ■ [üE(k +1)2 + Iλf(k + lf )
Dieser relativ einfache Ansatz verknüpft die Betragsquadrate von zwei benachbarten Spektrallinien (k; k+1) , die ein ganzzahliges Vielfaches der Netzfrequenz aufweisen. Es sollte beachtet werden, daß die oben genannte Verknüpfung nur beispielhaft für die vorliegende Erfindung gewählt ist und prinzipiell jede andere geeignete Verknüpfung, mit der ein Bereich mit möglichst konstanter Amplitude erreicht werden kann, eingesetzt werden kann. Dabei ist jedoch zu beachten, daß die Anforderungen z. B. an die Rechenleistung usw. der jeweiligen Elektronikkomponenten, die zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden, erheblich ansteigen, wenn eine mathematisch aufwendigere Verknüpfung gewählt wird.
Die spektrale Gewichtung zwischen zwei benachbarten Spekt¬ rallinien ist in Fig. 3 anhand der Verläufe I, II und III prinzipiell dargestellt, wobei der Verlauf I den Betrag der 50Hz-Spektrallinie, der Verlauf II den Betrag der 100Hz- Spektrallinie und der Verlauf III die Verknüpfung der Betragsquadrate der beiden Spektrallinien darstellt.
Ideal wäre eine Betragsfunktion, die im Bereich zwischen 50 and 100 Hz genau einen Wert von 1 and außerhalb eine Wert von 0 aufweist. Mit der Verknüpfung der Betragsquadrate erhalt man aus den beiden Spektrallinien (Verlauf I, II) die Betragsfunktion (Verlauf III) . Die verbleibende Restwellig- keit im Betrag liegt in diesem Fall bei etwa maximal ±5% .
Der resultierende Wert der Erfassungsempfindlichkeit für Fehlerströme ist bei einer Addition also ein gutes Maß für die vorhandene Signalamplitude zwischen den beiden benach- barten diskreten Frequenzen. Die Unsicherheit von maximal etwa ±5% macht sich in der synchronen Betriebsart praktisch nicht bemerkbar, führt aber bei einem asynchronen Betrieb zu einer zusätzlichen Unsicherheit bei der Auswertung der Abschaltschwelle .
Gemäß der vorliegenden Erfindung erhält man mit der Betragsfunktion (Verlauf III) eine Aussage über die Summe der vorhandenen Signalamplituden in dem Intervall zwischen den benachbarten Frequenzen, d. h. zwischen benachbarten Spekt- rallinien mit einem ganzzahligen Vielfachen der Netzgrundfrequenz, die beispielsweise 50 Hz beträgt.
Die Unterdrückung von Frequenzanteilen außerhalb des betrachteten 50Hz-Fensters wird durch die gewählte Verknüp- fung nur unwesentlich schlechter. Wenn eine weitere Fehlerstromlinie im ungünstigsten Teil der direkt benachbarten Spektrallinie liegt, wird sie immer noch mit einem Faktor von zumindest 3 unterdrückt. Diese Form der Überlappung kann im Prinzip bei allen Wechselstromanteilen beginnend bei 50 Hz bis einschließlich der 750Hz-Linie durchgeführt werden. Durch das Addieren von zwei Spektrallinien wird aber der Signal zu Rauschabstand deutlich verschlechtert. Das Rauschen nimmt um den Faktor \2 ZU, während das Signal (bestehend aus einer Linie) unverändert bleibt.
Bei der feinsten Schwelle (50 Hz) kann dies dahingehend ein Problem darstellen, daß der Rauschabstand dann nicht mehr genügend groß ist, um eine Abschaltschwelle für den Fehlerstrom von beispielsweise 10 mA realisieren zu können. Deshalb muß der 50Hz-Entscheider mit der feinsten Schwelle di- rekt den nicht überlappten Wert aus der Fourier- Transformation (FFT) verwenden. Damit aber der Bereich zwischen 50 Hz and 100 Hz nicht falsch bewertet wird, muß der Überlappungswert trotzdem berechnet werden. Dieser Überlappungswert wird nicht in der vormals 50Hz-Linie abgespei- chert, sondern in der lOOHz-Linie.
Die gesamte Abbildung, die durch eine Überlappung vorgenommen wird, ist beispielhaft in Fig. 4 dargestellt.
Durch diese Maßnahme ist es nun möglich die 50Hz-Schwelle niedriger zu setzten als den Schwellwert zwischen 50 Hz und 100 Hz. Bei der 50Hz-Linie liegt man damit in einem Bereich der durch die Bandbreite von 50 Hz vorgegebenen thermischen Rauschgrenze. Alle anderen (höherfrequenten Linien) besit- zen eine effektive Rauschbandbreite von 100 Hz and sind demnach um den Faktor ^2 schlechter als die 50Hz-Linie. Bei der vorliegenden Erfindung wird dann also der erhaltene Summenwert der in dem Intervall zwischen den beiden benachbarten Frequenzen vorhandenen Signalamplituden beispielsweise durch einen Komparator auf das Überschreiten einer bestimmten Grenze hin überwacht (vgl. Kästchen 32). Es ist dabei gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, unterschiedliche Abschaltschwellen für unterschiedliche Frequenzbereiche zu realisieren. Damit können hochfrequente Fehlerströme, die von geschalteten Elementen herrühren, schwächer gewichtet werden, um die Häufigkeit von Fehlauslösungen zu reduzieren, ohne die Sicherheit für den Menschen zu verringern. Mit der erfindungsgemäßen Fehlerstromüberwachung können somit auch Fehlerströme sicher und zuverlässig bewertet werden, deren Frequenz nicht mit einem ganzzahligen Vielfachen der Netzfrequenz übereinstimmt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, das anhand Fig. 1 beschrieben wurde, ist es nun auch möglich, gezielt Gleichströme zu erfassen und zu bewerten, da bei der Signalerfas- sung durch einzelne Sensoren nun gemäß der vorliegenden Erfindung gleichstromfähige Sensoren verwendet werden können.
Die Fourier-Transformation (FFT) liefert den entsprechenden Gleichanteil, den man entweder mit der 50Hz-Linie überlap- pen kann oder einfach direkt separat als Gleichstromkomponente (DC) einer Grenzwertbetrachtung unterziehen kann. Dies erfolgt analog wie bei allen anderen Spektrallinien. Eine Wirk-/Blindstrom-Unterteilung gibt es bei der Grenzwertbetrachtung einer Gleichstromkomponente (DC) natürlich nicht.
Mit der Möglichkeit, beliebige spektrale Gewichtungsfunktionen realisieren zu können, ist es auch möglich, die Kenn- linie der physiologischen Gefährdung des Menschen in Abhängigkeit von der Frequenz nachzubilden. Wenn dies durchgeführt wird, so kombiniert man eine hohe Sicherheit für den Menschen mit einer optimal niedrigen Häufigkeit für Fehl- auslösungen und damit einer hohen Akzeptanz des Schutzsystems .
Gemäß der vorliegenden Erfindung können beispielsweise für jede der berechneten Spektrallinien zwei Gewichtungsfakto- ren (je einer für Wirk- und Blindanteil) und ein Abschaltgrenzwert für den Betrag vorgegeben werden. Durch die Möglichkeit, die Grenzwerte aufgrund der gemessenen vorhandenen Spektrallinien noch im Betrieb anpassen zu können, kann eine optimale Schutzwirkung bei gleichzeitig niedriger An- zahl an Fehlauslösungen erreicht werden.
Wie in dem Kästchen 32 von Fig. 1 dargestellt ist, wird im Fall einer Grenzwertüberschreitung eine vorgegebene Aktion ausgeführt, wobei als Aktion eine optische oder akustische Warnmeldung generiert werden kann, eine Meldung über ein entsprechendes Netzwerk übermittelt werden kann oder direkt eine Schutzfunktion, z. B. ein allpoliges Abschalten, ausgelöst werden kann.
In der Praxis ist es von Vorteil, die Stromspektrallinie, die direkt auf der Netzfrequenz, z. B. bei 50 Hz, liegen, zusätzlich direkt (ohne eine Abbildung) .auf eine separate Grenzwertüberwachung zu geben, um diese Hauptlinie besonders gut und ungestört von den Nachbarlinien überwachen zu können. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Netzfrequenz in einem physiologisch sehr ungünstigen Frequenzbereich liegt. Ein Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung gegenüber dem bisherigen Stand der Technik liegt also darin, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Fehlerstromüberwachung in einem elektrischen Wechselstromnetz mit einer vorgegebenen Netzfrequenz jetzt eine entsprechend den physiologischen Erkenntnissen gezielte Bewertung des Gefährdungspotentials aller Spektralanteile von zu überwachenden Strömen möglich ist. Damit ist eine größtmögliche Sicherheit für den Anwender mit einer geringst möglichen Anzahl an Fehlauslösungen vereinbar.
Selbst bei kritischen Anwendungen, z. B. wenn systembedingt hohe Fehlerströme auf bestimmten Frequenzen auftreten, wie z. B. bei einer PWM-Frequenz bei Drehstromantrieben, bei denen eine Schutzfunktion bislang nicht mehr ausreichend gewährleistet werden konnte, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren noch ein ausreichend guter Schutz erreicht werden, indem die betreffende (n) Frequenz (en) , d. h. ausschließlich diese, komplett ausgeblendet und geringer ge- wichtet werden. Solange sich die problematischen Wirkstromanteile nicht auf der Netzfrequenzlinie von beispielsweise 50 Hz befinden, kann trotzdem weitestgehend ein wirksamer Schutz für Menschen erhalten werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Fehlerstromüberwachung in einem elektrischen Wechselstromnetz mit einer vorgegebenen Netzfre- quenz, mit folgenden Schritten:
Erfassen (12a-d) von Stromwerten von zu überwachenden elektrischen Strömen,
Umwandeln (14) der erfaßten Stromwerte in digitalisierte Stromwerte,
Berechnen (16) von Summenstromwerten aus den digitalisierten Stromwerten,
Bilden (18) von Blöcken aus den Summenstromwerten in Abhängigkeit von der Phasenlage eines Netzspannungssignals,
Spektrales Zerlegen (24) der Blocke in spektrale Anteile, und
Überwachen (32) der spektralen Anteile der Blocke hinsichtlich eines Überschreitens spektraler Grenzwerte zur Bewertung der Gefährlichkeit des Fehlerstroms.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem nach dem Zerlegen (24) der Blocke in spektrale Anteile eine Korrektur (30) der Erfassungsempfmdlichkeit für Fehlerströme mit Frequenzen zwischen aufeinanderfolgenden Vielfachen der Netzfrequenz vorgenommen wird, indem Spekt- ralamplitudenwerte, die den benachbarten Spektrallinien zugeordnet sind, miteinander kombiniert werden.
. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die kombinierten Spektralamplitudenwerte zur Bewertung der Gefährlichkeit eines Fehlerstroms verwendet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Betragsquadrate von Spektralamplitudenwerten, die den benachbarten Spektrallinien zugeordnet sind, addiert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die addierten Spektralamplitudenwerte zur Bewertung der Gefährlichkeit des Fehlerstroms verwendet werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das spektrale Zerlegen (24) der Blöcke mittels einer diskreten Fourier-Transformation vorgenommen wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die spektralen Anteile mittels frequenzabhängiger Gewichtungsvorgaben gewichtet werden (26) .
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem eine unterschiedliche Gewichtung (26) von Realteil und Imaginärteil der spektralen Anteile vorgenommen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem eine unterschiedliche Gewichtung von Realteil und Imaginärteil der spektralen Anteile vorgenommen wird, um eine Bewertung des Gefahrenpotentials des Fehlerstroms hinsichtlich physiologischer Vorgaben und/oder Materialschutzvorgaben in Abhängigkeit der Frequenz vorzunehmen.
0. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Blöcke aus den Summenstromwerten in Abhängigkeit von der Phasenlage eines Netzspannungssignals gebildet werden, wobei die Phasenlage aus zwei gleichar- tigen Nulldurchgängen des Netzspannungssignals erhalten wird.
11. Vorrichtung zur Fehlerstromüberwachung in einem elektrischen Wechselstromnetz mit einer vorgegebenen Netzfrequenz, mit folgenden Merkmalen:
einer Einrichtung zum Erfassen von Stromwerten von zu überwachenden, elektrischen Strömen,
einer Einrichtung zum Umwandeln der erfaßten Stromwerte in digitalisierte Stromwerte,
einer Einrichtung zum Berechnen von Summenstromwerten aus den digitalisierten Stromwerten,
einer Einrichtung zum Bilden von Blöcken aus den Summenstromwerten in Abhängigkeit von der Phasenlage eines Netzspannungssignals,
einer Einrichtung zum spektralen Zerlegen der Blöcke in spektrale Anteile, und
einer Einrichtung zum Überwachen der spektralen Anteile der Blöcke hinsichtlich eines Überschreitens spekt- raler Grenzwerte zur Bewertung der Gefährlichkeit des Fehlerstroms.
2. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der nach dem Zerlegen (24) der Blöcke in spektrale Anteile eine Korrektur (30) der Erfassungsempfindlichkeit für Fehlerströme mit Frequenzen zwischen aufeinanderfolgenden Viel- fachen der Netzfrequenz vorgenommen wird, indem Spektralamplitudenwerte, die den benachbarten Spektrallinien zugeordnet sind, miteinander kombiniert werden.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die kombinierten Spektralamplitudenwerte zur Bewertung der Gefährlichkeit eines Fehlerstroms verwendet werden.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, bei der die Betragsquadrate von Spektralamplitudenwerten, die den' benachbarten Spektrallinien zugeordnet sind, addiert werden.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die addierten Spektralamplitudenwerte zur Bewertung der Gefährlich- keit des Fehlerstroms verwendet werden.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 - 15, bei der das spektrale Zerlegen (24) der Blöcke mittels einer diskreten Fourier-Transformation erfolgt.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 - 16, bei der die spektralen Anteile mittels frequenzabhängigen Gewichtungsvorgaben gewichtet werden (26) .
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der eine unter¬ schiedliche Gewichtung (26) von Realteil und Imaginärteil der spektralen Anteile vorgenommenen wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 18, bei der eine unterschiedliche Gewichtung von Realteil und Imaginärteil der spektralen Anteile vorgenommen wird, um eine Bewertung des Gefahrenpotentials des Fehlerstroms hin- sichtlich physiologischer Vorgaben und/oder Materialschutzvorgaben in Abhängigkeit der Frequenz vorzunehmen.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 - 19, bei der die Blöcke aus den Summenstromwerten in Abhängigkeit von der Phasenlage eines Netzspannungssignals gebildet werden, wobei die Phasenlage aus zwei gleichartigen Nulldurchgängen des Netzspannungssignals erhalten wird.
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