WO2004102760A1 - Verfahren und vorrichtung zur erkennung von störlichtbögen - Google Patents

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WO2004102760A1
WO2004102760A1 PCT/EP2004/005367 EP2004005367W WO2004102760A1 WO 2004102760 A1 WO2004102760 A1 WO 2004102760A1 EP 2004005367 W EP2004005367 W EP 2004005367W WO 2004102760 A1 WO2004102760 A1 WO 2004102760A1
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signal
current
criterion
cable
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PCT/EP2004/005367
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Peter Meckler
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Ellenberger & Poensgen Gmbh
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    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H1/00—Details of emergency protective circuit arrangements
    • H02H1/0007—Details of emergency protective circuit arrangements concerning the detecting means
    • H02H1/0015—Using arc detectors
    • H—ELECTRICITY
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    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
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    • 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
    • H02H3/44—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 the rate of change of electrical quantities

Definitions

  • the invention relates to a method for detecting arcing faults on a cable, in particular on an on-board power cable, eg. B. an aircraft or spacecraft. It further relates to an apparatus for performing the method.
  • an arcing fault is understood to be what are known as are tracking.
  • wet connection is the conductive connection between two insulation faults that is produced by an electrolyte, eg a cleaning liquid, and attacks the cable insulation
  • electrolyte eg a cleaning liquid
  • the result of arcing is often thermal destruction of the entire cable bundle over a certain length, whereas dry are tracking means that the conductive connection is made with a relatively low impedance using a metallic conductor and the arc arises practically immediately. This can also lead to thermal destruction of the cable bundle.
  • the invention is based on the object of a particularly suitable method for detecting arcing faults on a cable, in particular on an on-board power cable, eg. B. an aircraft or spacecraft. Furthermore, a device suitable for carrying out the method is to be specified.
  • arcing faults or ares should be recognizable with the greatest possible reliability.
  • false trips in particular as a result of supposedly detected arcing faults, should be minimized or preferably practically excluded.
  • a detected current signal is evaluated by means of a number of, in particular at least two, specific algorithms, preferably in a coupling network linking them in groups.
  • the expediently differently weighted algorithms are fed to a decision matrix, which uses the weighted algorithms to generate a control signal for actuating a circuit breaker carrying the detected current.
  • the invention is based on the knowledge that, when an arc or are tracking occurs, a corresponding interference signal is superimposed on the existing useful signal.
  • the continuous extinguishing and reignition of the arc creates frequency components above the nominal frequency with which the vehicle electrical system is operated.
  • the arc tracking signal is contained in the measured signal in the form of gaps before or after a half-wave and in the form of peaks superimposed on the signal. There If these overlaps are essentially recognizable in the current signal and less in the voltage signal, the current signal is expediently recorded.
  • a first algorithm evaluates the measurement signal with regard to arc-typical gaps contained in its signal profile.
  • a second algorithm evaluates the measurement signal with regard to steeply rising peaks.
  • An evaluation electronics then signals an arc if at least one of the algorithms responds.
  • a control module preferably in the form of an ASIC, in which the different algorithms at the same time, ie. H. processed at the same time.
  • the algorithms supply so-called flags on the output side, i. H. over time or time-dependent high and low states, which are linked in a subsequent weighting module with different weighting factors.
  • These weighted output signals in the form of the weighted flags are combined in a decision matrix.
  • the decision matrix delivers a control signal on the output side, which is used as a triggering criterion for a switching mechanism of a circuit breaker in the respective current or electrical system path.
  • Appropriate configurations are the subject of claims 10 to 12.
  • the switching mechanism of the circuit breaker is used for the differentiated display of an overcurrent on the one hand or a detected arcing fault or arc.
  • a haptic (tactile) display is provided, in particular in the case of the detection of an arcing fault.
  • the current is time-dependent in a current-carrying path or cable of an on-board electrical system by means of a current transformer, and thus the current curve is recorded analogously over time.
  • the current transformer serves as a sensor for detecting the current signal.
  • Another sensor that is useful for the first sensor. is subordinated in some cases, on the other hand, records a radio frequency (HF) spectrum.
  • the second sensor is expediently a Rogowski coil, which detects the time derivative of the current (dl / dt).
  • the analog current signal is sampled and evaluated in a time-discrete manner in the range less than 100 kHz - and accordingly with less than 100 ks (kilosamples) - with a resolution greater than or equal to 12 bits.
  • the RF spectrum is scanned and evaluated in the range of preferably greater than 5 MHz (greater than 5 ms) with a resolution of appropriately 2 bits.
  • the frequency range of the first detected range is therefore expediently between 0 kHz and 100 kHz, while the second range is expediently above 100 kHz and below 100 MHz.
  • These two signals i.e. the 12-bit signal and the 2-bit signal are fed to the control module on the input side.
  • the two signals are fed to different groups of algorithms in parallel and evaluated by means of these.
  • the flags supplied by the algorithms and then weighted are used in the decision matrix to generate the control signal for the circuit breaker.
  • FIG. 1 schematically, in a block diagram, a device for detecting arcing faults (arc's) with two sensors and a control module (electronics),
  • FIG. 2 schematically, function blocks of the control module according to FIG.
  • FIG. 3 shows the course over time of an anaigen current signal detected by a first sensor and an RF spectrum recorded by a second sensor
  • FIG. 4 shows the frequency range of the current signal or RF spectrum scanned discretely
  • 5 shows the course of a typical signal shape of the current signal
  • 6 shows the course of a typical curve shape as a result of an arcing fault
  • FIGS. 9 and 10 representations of a sinusoidal profile of the current signal
  • FIG. 11 shows a three-dimensional spectrum representation for the analysis of a power density spectrum.
  • the device or circuit shown in FIG. 1 for carrying out the method for detecting arcing faults comprises a circuit breaker 1 with an overcurrent sensor 2, for example a circuit breaker.
  • an overcurrent sensor 2 for example a circuit breaker.
  • the overcurrent sensor 2 is a first sensor 4 in the form of a current transformer for detecting a current signal S 1 carried via the supply line or the cable 3 and a second sensor 5 for detecting the current signal S
  • These two sensors 4, 5 are connected to electronics, hereinafter referred to as control module 6, which is connected on the output side to an actuator 7 for electrical isolation from a mechanical or electromechanical switch lock 8.
  • the actuator 7 is controlled by the electronic control module 6 and, in the event of an arcing fault or arc being detected, triggers the circuit breaker 1 via the switch lock 8 by opening a switch contact 9 located in the supply line 3 and thus in the cable of the respective current or electrical system path.
  • the time constants used here refer to a sampling frequency of 100 kHz. If, for example, sampling is carried out with a sampling frequency of 50 kHz, all time-related constants must be halved. The period of a 400 Hz signal is therefore represented with 250 measured values.
  • the HF signal SHF detected by means of the sensor 5 is sampled analogously in a time-discrete manner with preferably greater than 5 MHz and with a 2-bit accuracy (FIGS. 3 and 4).
  • the control module 6 comprises a number n of algorithms A ⁇ ... n , which, together with a weighting element W and a decision matrix M, are preferably implemented in a so-called ASIC.
  • the algorithms A ⁇ ... n which are expediently combined in two groups, are the signals S
  • n 7 algorithms A ⁇ ... n can be provided, three algorithms A n being contained in the first group and four algorithms A n being contained in the second group.
  • the algorithms A n of the respective group are supplied with a 12-bit signal S 1 from the first sensor 4 and a 2-bit signal SHF from the second sensor 5 in parallel and thus simultaneously.
  • the algorithms A ⁇ ... n each deliver a 1-bit signal Si to S n on the output side.
  • These output signals S ⁇ ... ⁇ include thus-set or not set flag's received from the respective Algorithm A indicate the presence or absence of n represented criterion for an arcing fault.
  • characteristic weighting factors w n are stored for each algorithm A ⁇ , with which the respective flags of the algorithms are linked.
  • the weighted flags S' ⁇ ... ⁇ supplied by the weighting module W are combined or linked in the decision matrix M.
  • this outputs a control signal S A to the actuator 7 for triggering the circuit breaker 1 if the combination of the weighted flags S ⁇ ... n results in a probability for the presence of an ares which is above a predeterminable threshold value.
  • the probability of incorrect triggering of the circuit breaker 1 depends on the given threshold value.
  • a first algorithm Ai (basic function) explained below with reference to FIG. 5 serves for the detection of gaps in the sinusoidal signal curve of the current signal S
  • a typical waveform as shown in FIG. 5.
  • the sine curves do not meet, but are separated by gaps.
  • the voltage signal is often - depending on the generator size - sinusoidal. While the sine curve still appears relatively steady, noise can be seen in the gaps.
  • the amplitude size of the current measured value may only be a certain percentage of the last amplitude. 0 4.
  • the fourth criterion must occur three times.
  • the first criterion ie a change of sign in the first derivative and thus a 5 correct change in the measurement signal
  • Each measured signal Si basically contains a certain amount of noise, which in this application is caused, for example, in a manner not shown in more detail by a preamplifier and an AD converter for recording the measured values of the sensor 4.
  • This system-related noise is typically of the order of magnitude of 1-2 bits. So that this does not lead to the recognition of the first criterion, a hysteresis of 2-3 bits is used.
  • the first derivative be the previous measured value is saved and the current measured value is subtracted from it. If the first derivative falls below the value "-2", a flag is set to negative. If the first derivative exceeds the value "+2", the flag is set to positive. When the system is started, the flag is at "0". If the value falls below "-2" while the flag is at positive, or if the value "+2" is exceeded while the flag is at negative, the first criterion is met.
  • This second criterion is implemented by a counter. The counter is incremented with each measurement. If the first criterion is met, it is checked whether the counter reading is already greater than ten (“10”) in order to meet the second criterion. If necessary, the counter is reset to “0”. To prevent the counter from overflowing, it is limited to a number greater than ten ("10").
  • the current measured value may only be a certain percentage of the last amplitude. Theoretically, an amplitude peak can be excluded simply by ignoring all signals that are not close to the zero line. No absolute threshold can be given for this in a simple manner.
  • this third criterion depends on the last peak value of the signal S
  • the current measured value is smaller, a constant is subtracted.
  • the counter is limited upwards and downwards so that the counter reading cannot assume implausible values. Even if this does not correspond to the original "envelope curve", the simplifications are permissible because with this filter only a riable measurement threshold should be generated.
  • the third criterion is met if the current measured value (multiplied by a constant) is less than the current counter reading.
  • the fourth criterion combines the first three criteria so that a single arc curve shape can be definitely recognized.
  • the first three criteria for a measured value must first be met.
  • the signal S however only changed direction once. To rule out overshoot and assume noise, the signal must change direction again at the next measurement. This is recognized by the fact that the next measured value fulfills the first and third criteria simultaneously.
  • this fourth criterion definitely shows a typical arc curve shape.
  • the simulation of different curves showed that a recognized curve shape is not meaningful enough.
  • the circuit breaker 1 could trip undesirably frequently, since the same curve shape can also occur accidentally or can occasionally occur during the starting process of certain protective switching devices. Therefore the fifth criterion is used.
  • the fourth criterion must occur three times, whereby the individual arc's may only be a maximum of five periods apart. This condition prevents false tripping of the circuit breaker 1, so that not a single arc-like curve shape can cause the device or the switching device 1 to respond.
  • a counter begins to run (from "1"), which is increased by "1" with every further measured value.
  • another counter counts the number of recognized Arc's. If the number of five periods is exceeded, both counters are reset to "0" and stopped. However, if three Arc's have been recognized within the time period, the circuit breaker 1 trips.
  • a second algorithm A 2 (basic function) is intended to produce peaks or steep edges in the signal curve of the current or measurement signal S
  • 6 shows an example of a typical serial arc.
  • Several fluorescent tubes were connected as consumers, from which the deviation from the sinusoidal profile of the current signal S
  • / dt) and the measured value are at least approximately the same amount.
  • the current measured value has a minimum size.
  • the first algorithm Ai can be used.
  • the second derivative compares the first derivative (dS
  • the current measured value - depending on the last amplitudes - must have a certain size.
  • the first criterion responds equally to peaks or peaks as well as to small signal noise.
  • a threshold is also introduced here.
  • the specification of an absolute threshold is at least extremely difficult, especially since this criterion depends on the last peak value of the signal Si.
  • a minimum as well as a maximum value could also be determined.
  • an integrator or filter can be used, which is limited to certain values. This function is implemented by a counter.
  • the counter is set to its maximum value. With each new measured value, the counter is also decreased by one ("1") as long as the minimum value is not undershot. This results in a filter that rises quickly but only drops slowly when no more current flows.
  • the current criterion is used Measured value Si - multiplied by a constant - compared with the current meter reading; see the fourth criterion.
  • the fourth criterion combines the first three criteria in such a way that a single rapid signal rise - caused by an arc - can be recognized.
  • a positive edge is recognized when the first criterion is met, when the second criterion is met, when the sign is positive and the first derivative (dS
  • a negative edge is recognized when the first criterion is met, when the second criterion is met, when the sign is negative and the first derivative is less than 92% of the measured value, and / or when the third criterion is met and the sign is negative if the measured value - multiplied by the constant - is smaller than the negative counter reading.
  • a peak in the signal Si alone is not sufficient to detect an arc, since such peaks also arise individually in the normal current curve. In addition, in the case of an arc, several such peaks often occur in quick succession. This problem is countered by defining a minimum and a maximum distance between two events.
  • An Are counter and a measured value counter are provided for implementation. The Are counter is set to "0" each time the device is started. The measured value counter is set to "0" if the fourth criterion is met and then an increase of "1" occurs with each measured value. There must be at least approximately one period between two peaks This corresponds to approximately 200 measured values at a sampling frequency of 100 kHz, and if another peak is detected beforehand, this is ignored.
  • a filter - implemented with an additional counter - can be used. The filter should follow the peak values of the current amplitude and rise and fall relatively slowly. Since no high accuracy is required here, a 9-bit counter is sufficient, which is limited to "0" and "511", the counter initially being set to "0" The absolute value of each measured value (divided by 16) is added to the counter reading and subtracted by two. If the count at the time of a peak (after. Fifth criterion) is greater than "100", so tripping occurs the circuit breaker 1. Otherwise, the appearance of a third peak is consulted.
  • the seventh criterion takes into account an exemption for phase gates.
  • the circuit breaker 1 trips incorrectly or undesirably in the case of certain types of phase-cut signals.
  • a unipolar signal illustrated in FIG. 7 meets the six criteria described, although this is definitely not an arc.
  • a negative signal of the same type is also recognized as an arc.
  • bipolar phase-cut signals are ignored.
  • the filter from the third criterion must be set to minimum and the absolute value of the current measured value must be less than three, with a low residual noise being permissible. If the signal is detected as zero in this way, a counter is incremented by "1". If the signal is only one time larger, the counter is reset to "0". If the counter reading is greater than "100", which corresponds approximately to a half-wave at a sampling frequency of 100 kHz, the fourth criterion is artificially kept at "0" and an Are detection is suppressed.
  • a third algorithm A 3 is used to detect arcing faults in alternating current networks in order to avoid cable fires and their consequences Water inlet and outlet in or out of a container - the energy flow in the supply line or in the cable 3 considered.
  • a third algorithm A 3 is used to detect arcing faults in alternating current networks in order to avoid cable fires and their consequences Water inlet and outlet in or out of a container - the energy flow in the supply line or in the cable 3 considered.
  • current flows through the circuit breaker 1 and the line 3 or the cable to the consumer and heats the line 3 or the cable due to the electrical resistance.
  • the heat of the line and / or the cable 3 is radiated to the environment via the insulation.
  • the amount of energy rises sharply at this point and ignites - as soon as the corresponding ignition energy is exceeded - the cable insulation and other substances in the area with undesirable consequences.
  • the “AFD energy pool algorithm A 3 ” recognizes from the sampled current signal Si how much energy is supplied over an adjustable number of periods, and triggers the circuit breaker 1, which interrupts the circuit or path, when an admissible threshold A is exceeded.
  • the quantity of energy supplied is multiplied by the flowing integral of the current value S
  • the use of the high-pass filtered current value causes low-frequency components, such as switch-on and switch-off processes, are excluded from consideration and do not cause false tripping.
  • the outflowing energy is represented by continuous, adjustable degradation of the integrated value.
  • An algorithm A 4 which is explained with reference to FIGS. 9 and 10 and is also referred to below as “AFD Integrity Algorithm”, likewise serves to detect arcing faults in AC networks in order to avoid cable fires and their consequences.
  • WO 01/90767 A1 also refers to this referred to, the entire disclosure of which is expressly incorporated by reference.
  • the sinusoidal current signals usually contain many interferences from crosstalk of switching operations, noise or other interferers.
  • the sine half-waves are idealized by a three-point approximation on the basis of the arccos for cleaning up the current signal Si for simplified further processing.
  • the peak value y (k ma ⁇ ) of the sine (maximum) and the two intersection points y (k ⁇ ), y (k r ) with an adjustable threshold B serve as intersection points.
  • the "AFD Integrity Algorithm A 4" evaluates the deviations of the frequency .DELTA.f and the amplitude .DELTA.As of the current signal when an arc occurs over several half-waves interrupts.
  • arcing-related current peaks are also considered, which leave an error band around the idealized current curve.
  • the circuit is also interrupted if this error band is exceeded several times.
  • An algorithm A 5 which serves to detect arcing faults in AC networks in order to avoid cable fires and their consequences.
  • the time is on the x-axis t in samples (from left to right), the frequency f (in individual frequency bands) on the y-axis and the (standardized) power density spectrum P on the z-axis.
  • the "AFD Spectrum Algorithm A 5” transforms the sampled current values into the frequency range (short-term FFT) and recognizes this broadband, rapid change in the power density spectrum when an arc occurs.
  • the circuit breaker 1 then triggers, which interrupts the circuit.
  • the 2-bit signal S H F is evaluated on the basis of the characteristic pattern shown, by first searching for pulse packets. Then the distances between the pulse packets are evaluated by evaluating the chronological sequence of the successive pulse packets. The pulse spectrum or the pulse configuration is searched for gaps. It has been found that the time gaps between the successive pulse packets of the 2-bit signal SHF with the values +1, 0 and -1 correspond to a half-sine wave. The evaluation of the RF spectrum by means of the 2-bit signal SHF is therefore not carried out by a foyer analysis, since this would be associated with a considerably greater effort due to its complexity.

Abstract

Bei einem Verfahren zur Erkennung von Störlichtbögen (arc's) an einem Kabel (3), insbesondere an einem Bordnetzkabel, wird ein erfasstes Stromsignal (SI) und/oder ein erfasstes HF-Signal (SHF) mittels einer Anzahl von Algorithmen (An) ausgewertet. Ein Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst einen Steuerbaustein (6), in dem verschiedene Algorithmen (An) hinterlegt sind, und eine Entscheidungsmatrix (E), die anhand einer Verknüpfung oder Kombination der Algorithmen (An) die ausgangsseitig ein Steuersignal (SA) liefert.

Description

Beschreibung Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung von Störlichtbögen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erkennung von Störlichtbögen an ei- nem Kabel, insbesondere an einem Bordnetzkabel, z. B. eines Luft- oder Raumfahrzeugs. Sie bezieht sich weiter auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Unter Störlichtbogen wird hierbei insbesondere das sogenannte Are Tracking verstanden.
Das Problem des sogenannten „Cable Are Tracking" ist insbesondere bei Bordnetzen in Luft- und/oder Raumfahrzeugen bekannt. Bei diesem Are Tracking entsteht in einem Kabelbündel zwischen zwei nebeneinander verlaufenden Kabeln aufgrund beispielsweise von Vorschädigungen und/oder Verschmutzungen oder durch Scheuern an einer metallischen Kante eine leitende Verbindung. Diese Verbindung kann zunächst hochohmig (Wet Are Tracking) oder auch direkt niederohmig (Dry Are Tracking) sein. Als Wet Are Tracking wird dabei die durch einen Elektrolyt, z.B. eine Reinigungsflüssigkeit, hergestellte und die Kabelisolation angreifende leitfähige Verbindung zwischen zwei Isolationsfehlern bezeichnet. Die Folge bei Lichtbogenbildung ist häufig eine thermische Zerstörung des gesamten Kabelbündels auf einer bestimmten Länge. Demge- genüber wird beim Dry Are Tracking die leitende Verbindung durch einen metallischen Leiter relativ niederohmig hergestellt und der Lichtbogen entsteht praktisch sofort. Auch dies kann zur thermischen Zerstörung des Kabelbündels führen.
Problematisch ist dabei nicht nur die Zerstörung des Kabelbündels selbst. Kritisch sind vielmehr daraus resultierende Folgeschäden, die durch in Brand setzen von umgebenden Material entstehen. Die aus derartigen Kabelbränden resultierenden auch explosionsähnlichen Folgefehler können wiederum Ursache von Luft- oder Raumfahrzeugschäden sein.
Bei der Installation von Schutzmaßnahmen kommt erschwerend hinzu, dass die Amplitude des Stromes, der während des Are Tracking-Vorgangs fließt, insbesondere beim Wet Are Tracking deutlich unterhalb des Nennstroms üblicherweise installierter Überstrom-Schutzorgane liegen kann mit der Folge, dass diese nicht auslösen. Demgegen- über sind die Amplitudenwerte beim Dry Are Tracking erkanntermaßen höher. Diese treten jedoch typischerweise intervallartig auf, so dass die umgesetzte Energie häufig nicht ausreicht, um die installierten Schutzorgane auszulösen. Zur Beherrschung des beschriebenen Problems ist es daher wünschenswert, zu dem bereits vorhandenen konventionellen Überstromschutz im Bordnetz eines derartigen Luftfahrzeugs einen zusätzlichen Schutz vor Störlichtbögen vorzusehen, um die vorhandenen Bordinstallationen möglichst zuverlässig zu schützen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zur Er- kennung von Störlichtbögen an einem Kabel, insbesondere an einem Bordnetzkabel, z. B. eines Luft- oder Raumfahrzeugs, anzugeben. Des Weiteren soll eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung angegeben werden. In Verbindung mit in einem Flugzeug üblicherweise vorhandenen Schutzschaltem, die zum Schutz gegen Überströme oder Überlast im Bord netz dienen, sollen dabei einerseits Störlichtbögen oder Ares mit möglichst hoher Zuverlässigkeit erkennbar sein. Andererseits sollen Fehlauslösungen, insbesondere infolge von vermeintlich delektierten Störlichtbögen, minimiert oder vorzugsweise praktisch ausgeschlossen werden.
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merk- male des Anspruchs 1. Dazu wird ein erfasstes Stromsignal mittels einer Anzahl von, insbesondere mindestens zwei bestimmten Algorithmen, vorzugsweise in einem diese in Gruppen verknüpfenden Koppelnetzwerk, ausgewertet. Dabei werden die zweckmäßigerweise unterschiedlich gewichteten Algorithmen einer Entscheidungsmatrix zugeführt, die anhand der gewichteten Algorithmen ein Steuersignal zur Ansteuerung eines den erfassten Strom führenden Schutzschalters erzeugt. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 8.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich bei Auftreten eines Lichtbogens oder Are Tracking ein entsprechendes Störsignal dem vorhandenen Nutzsignal überla- gert. Durch das fortwährende Löschen und Wiederzünden des Lichtbogens entstehen Frequenzanteile oberhalb der Nennfrequenz, mit der das Bordnetz betrieben wird. Das Arc-Tracking-Signal ist im erfassten Meßsignal in Form von Lücken vor oder nach einer Halbwelle und in Form von dem Signal überlagerten Spitzen (Peak's) enthalten. Da diese Überlagerungen im wesentlichen im Stromsignal und weniger im Spannungssignal erkennbar sind, wird zweckmäßigerweise das Stromsignal erfasst.
Zur Erkennung von Störlichtbögen oder arc's werden im wesentlichen getrennte Algo- rithmen benutzt, die insbesondere auf einer graphischen Betrachtung des Messsignals basieren. Dabei wird eine Fehlauslösungen, wie diese durch normale Verbraucher vorkommen können, vermieden. So wertet ein erster Algorithmus das Messsignal hinsichtlich in dessen Signalverlauf enthaltenen arc-typischen Lücken aus. Ein zweiter Algorithmus wertet das Messsignal hinsichtlich steil ansteigenden Spitzen (Peak's) aus. Ei- ne Auswerteelektronik signalisiert dann einen Störlichtbogen (arc), wenn zumindest einer der Algorithmen anspricht.
Hinsichtlich der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird die genannte Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 9. Dazu ist ein Steuerbaustein, vorzugs- weise in Form eines ASIC's, vorgesehen, in dem die verschiedenen Algorithmen zu gleicher Zeit, d. h. zeitgleich verarbeitet werden. Dabei liefern die Algorithmen aus- gangsseitig sogenannte Flags, d. h. über die Zeit oder zeitabhängig high- und low- Zustände, die in einem nachfolgenden Wichtungsbaustein mit unterschiedlichen Wichtungsfaktoren verknüpft werden. Diese gewichteten Ausgangssignale in Form der ge- wichteten Flags werden in einer Entscheid ungsmatrix kombiniert. Die Entscheidungsmatrix liefert ausgangsseitig ein Steuersignal, das als Auslösekriterium für eine Schaltmechanik eines Schutzschalters in dem jeweiligen Strom- oder Bordnetzpfad herangezogen wird. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 10 bis 12.
Die Schaltmechanik des Schutzschalters dient zur differenzierten Anzeige eines Überstroms einerseits bzw. eines detektierten Störlichtbogens oder Arc's. Dabei ist vorzugsweise nicht nur eine optische, sondern auch eine haptische (erfühlbare) Anzeige, insbesondere im Falle der Detektions eines Störlichtbogens, vorgesehen.
Zur Erfassung von Störlichtbögen wird in einen stromführende Pfad oder Kabel eines Bordnetzes einerseits mittels eines Stromwandlers der Strom zeitabhängig und damit der Stromverlauf über die Zeit analog erfasst. Der Stromwandler dient als Sensor zur Erfassung des Stromsignals. Ein weiterer Sensor, der dem ersten Sensor zweckmäßi- gerweise nachgeordnet ist, erfasst andererseits ein Hochfrequenz (Hf)-Spektrum. Der zweite Sensor ist zweckmäßigerweise eine Rogowski-Spule, die die zeitliche Ableitung des Stroms (dl/dt) erfasst.
Das analoge Stromsignal wird zeitdiskret im Bereich kleiner 100kHz - und demnach mit kleiner 100ks (kilosamples) - bei einer Auflösung größer oder gleich 12bit Genauigkeit abgetastet und ausgewertet. Das HF-Spektrum wird im Bereich von vorzugsweise größer 5MHz (größer 5Ms) bei einer Auflösung von zweckmäßigerweise 2bit abgetastet und ausgewertet. Der Frequenzbereich des ersten erfassten Bereichs liegt somit zweckmäßigerweise zwischen 0kHz und 100kHz, während der zweite Bereich zweckmäßigerweise oberhalb von 100kHz und unterhalb von 100MHz liegt.
Diese beiden Signale, d.h. das 12bit-SignaI sowie das 2bit-Signal werden dem Steuerbaustein eingangsseitig zugeführt. Die beiden Signale werden unterschiedlichen Grup- pen von Algorithmen parallel zugeführt und mittels diesen ausgewertet. Die von den Algorithmen gelieferten und anschließend gewichteten Flags werden in der Entscheidungsmatrix zur Generierung des Steuersignals für den Schutzschalter herangezogen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung nä- her erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 schematisch in einem Blockschaltbild eine Vorrichtung zur Erfassung von Störlichtbögen (arc's) mit zwei Sensoren und einem • Steuerbaustein (ElektronikI), Fig. 2 schematisch Funktionsbausteine des Steuerbausteins gemäß Fig.
1 ,
Fig. 3 den zeitlichen Verlauf eines von einem ersten Sensor erfassten anaigen Stromsignals und eines von einem zweiten Sensor erfassten HF-Spektrums, Fig. 4 den Frequenzbereich des zeitdiskret abgetasteten Stromsignals bzw. HF-Spektrums,
Fig. 5 den Verlauf einer typische Signalform des Stromsignals, Fig. 6 den Verlauf einer typischen Kurvenform infolge eines Störlichtbogens (arc),
Fig. 7 den Verlauf eines unipolaren Signals,
Fig. 8 den zeitabhängigen Energieverlauf des Stromsignals, Fig. 9 und 10 Darstellungen eines Sinusförmigen Verlauf des Stromsignals zur
Dreipunkt-Auswertung, und
Fig. 11 eine dreidimensionale Spektrum-Darstellung zur Analyse eines Leistungsdichte-Spektrums.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung oder Schaltung zur Durchführung des Verfahrens zur Erkennung von nachfolgend auch als Arc bezeichneten Störlichtbögen umfasst ei- nen Schutzschalter 1 mit einem Überstrom-Sensor 2, z. B. einem Bimetall, in einer Versorgungsleitung als vorrichtungsinterner Teil eines Kabels 3 eines Strom- oder Bordnetzpfades zwischen einem Eingang LI (line in) und einem Ausgang LO (line out). Über diesen hinaus erstreckt sich das Kabel 3 in Verlängerung der innerhalb der nachfolgend auch als Schaltgerät bezeichneten Vorrichtung liegenden Versorgungsleitung.
Dem Überstrom-Sensor 2 sind ein erster Sensor 4 in Form eines Stromwandlers zur Erfassung eines über die Versorgungsleitung bzw. das Kabel 3 geführten Stromsignals Sι sowie ein zweiter Sensor 5 zur Erfassung des im Stromsignals S| enthaltenen HF- Spektrums (dl/dt) SHF nachgeordnet. Diese beiden Sensoren 4, 5 sind mit einer nach- folgend als Steuerbaustein 6 bezeichneten Elektronik verbunden, die ausgangsseitig mit einem Aktor 7 zur galvanischen Trennung von einem mechanischen oder elektro- mechanischen Schaltschloss 8 verbunden ist. Der Aktor 7 wird von dem elektronischen Steuerbaustein 6 angesteuert und löst im Falle der Detektion eines Störlichtbogens oder Arc's über das Schaltschloss 8 den Schutzschalter 1 durch Öffnen eines in der Versorgungsleitung 3 und damit im Kabel des jeweiligen Strom- bzw. Bordnetzpfad liegenden Schaltkontaktes 9 aus. Die Figuren 3 und 4 zeigen das mittels des Sensors 4 erfasste Wechselstromsignal Si (Fig. 3), das zeitdiskret mit 50kHz bis 100kHz und mit mindestens 12Bit Genauigkeit (= ± 2047) abgetastet wird (Fig. 4). Bei einem Maximalstrom von 100A wird eine Messgenauigkeit von maximal 50mA erreicht. Die hier verwendeten Zeitkonstanten beziehen sich auf eine Abtastfrequenz mit 100kHz. Wird beispielsweise mit einer Abtastfrequenz von 50kHz abgetastet, so sind alle zeitbezogenen Konstanten zu halbieren. Die Periode eines 400Hz-Signals wird also mit 250 Meßwerten dargestellt. Das mittels des Sensors 5 erfasste HF-Signal SHF wird analog zeitdiskret mit vorzugsweise größer 5MHz und mit 2Bit Genauigkeit abgetastet (Fig. 3 und 4).
Der Steuerbaustein 6 umfasst gemäß Fig. 2 eine Anzahl n von Algorithmen Aι...n, die zusammen mit einem Wichtungsglied W und einer Entscheidungsmatrix M vorzugsweise in ein sogenanntes ASIC implementiert sind. Den zweckmäßigerweise in zwei Gruppen zusammengefassten Algorithmen Aι...n werden die von den beiden Sensoren 4, 5 gelieferten Signale S| und SHF zugeführt. Dabei können beispielsweise n = 7 Algorithmen Aι...n vorgesehen sein, wobei beispielsweise in der ersten Gruppen drei Algorithmen An und in der zweiten Gruppe vier Algorithmen An enthalten sind.
Den Algorithmen An der jeweiligen Gruppe werden ein 12bit-Signal Sι des ersten Sen- sors 4 und ein 2bit-Signal SHF des zweiten Sensors 5 parallel und somit gleichzeitig zugeführt. Die Algorithmen Aι...n liefern ausgangsseitig jeweils ein 1 bit-Signal Si bis Sn . Diese Ausgangssignale Sι...π enthalten somit gesetzte oder nicht gesetzte Flag's, die das Vorhandensein bzw. Nicht-Vorhandensein des von dem jeweiligen Algorithmus- An repräsentierten Kriteriums für einen Störlichtbogen anzeigen.
In dem Wichtungsbaustein W sind für jeden Algorithmus Aπ charakteristische Wichtungsfaktoren wn hinterlegt, mit denen die jeweiligen Flags der Algorithmen verknüpft werden. Die von dem Wichtungsbaustein W gelieferten gewichteten Flags S'ι...π werden in der Entscheidungsmatrix M kombiniert oder verknüpft. Dabei gibt diese im Ergebnis ein Steuersignal SA an den Aktor 7 zur Auslösung des Schutzschalters 1 ab, wenn sich aus der Kombination der gewichteten Flags Sι...n eine über einem vorgebbaren Schwellwert liegende Wahrscheinlichkeit für das Vorhandensein eines Ares ergibt. Dabei hängt die Wahrscheinlichkeit für Fehlauslösungen des Schutzschalters 1 vom vor- gegebenen Schwellwert ab. Je näher also der Wahrscheinlichkeitsschwellwert innerhalb der Entscheidungsmatrix M an 100% liegt, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit für eine Fehlauslösung.
s Ein nachfolgend anhand der Fig. 5 erläuterter erster Algorithmus Ai (Grundfunktion) dient zur Erkennung von Lückungen im sinusförmigen Signalverlauf des Stromsignals S|. Grundsätzlich hat das Stromsignal S| eine typische Signalform, wie Fig. 5 zeigt. Die Sinuskurven treffen nicht aufeinander, sondern sind durch Lücken getrennt. Das Spannungssignal ist häufig - abhängig von der Generatorgröße - dennoch sinusförmig. Wäh- 0 rend die Sinuskurve noch relativ stetig erscheint, ist in den Lücken ein Rauschen zu erkennen.
Aus dieser Betrachtung sind die folgenden Kriterien für einen Arc abgeleitet:
5 1. Ein Vorzeichenwechsel in der erster Ableitung (dl/dt) des Stromsignals S|.
2. Zeitlich vor dem 1. Kriterium darf zehn Messwerte lang kein Vorzeichenwechsel auftreten.
3. Die Amplitudengröße des aktuellen Messwertes darf nur einen gewissen Prozentsatz der letzten Amplitude betragen. 0 4. Eine Kombination des 1. Kriteriums, des 2. Kriteriums und des 3. Kriteriums, so dass eine einzelne Arc-Kurvenform definitiv erkennbar ist. 5. Das 4. Kriterium muss dreimal auftreten.
Das erste Kriterium, d. h. ein Vorzeichenwechsel in erster Ableitung und damit ein 5 Richtigswechsel im Messsignal kann grundsätzlich hervorgerufen werden durch normales Rauschen auf der Versorgungsleitung bzw. dem Kabel 3, z. B. auf einem Bordnetz-Kabel, durch die Spitze der Sinuskurve oder durch einen Lichtbogen (arc). Jedes gemessene Signal Si enthält grundsätzlich ein gewisses Rauschen, wobei dieses in dieser Anwendung in nicht näher dargestellter Art und Weise beispielsweise hervorge- 0 rufen wird durch einen Vorverstärker und einen AD-Wandier zur Messwertaufnahme des Sensors 4. Dieses systembedingte Rauschen liegt typischerweise in der Größenordnung von 1-2 Bit. Damit dies nicht zum Erkennen des ersten Kriteriums führt, wird mit einer Hysterese von 2-3 Bit gearbeitet. Um die erste Ableitung zu erhalten, werden der vorangegangene Messwert gespeichert und davon der aktuelle Messwert subtrahiert. Unterschreitet die erste Ableitung den Wert „-2", so wird ein Merker auf negativ gesetzt. Überschreitet die erste Ableitung den Wert „+2", so wird der Merker auf positiv gesetzt. Beim Systemstart steht der Merker auf „0". Wird der Wert „-2" unterschritten, während der Merker auf positiv steht, oder wird der Wert „+2" überschritten, während der Merker auf negativ steht, so ist das erste Kriterium erfüllt.
Vor einem Ansprechen des ersten Kriteriums darf zehn Messwerte lang - bezogen auf eine Abtastrate mit 100kHz - kein Vorzeichenwechsel erfolgen. Bei Auftreten von Rau- sehen im Messsignal Si würde der gemessene Wert nicht über eine entsprechende Zeitdauer stetig sein. Dieses zweite Kriterium wird durch einen Zähler realisiert. Der Zähler wird mit jedem Messwert erhöht. Ist das erste Kriterium erfüllt, so wird überprüft, ob der Zählerstand bereits größer als zehn („10") ist, um das zweite Kriterium zu erfüllen. Ggf. wird der Zähler wieder auf „0" zurückgesetzt. Um ein Überlaufen des Zählers zu vermeiden, wird dieser auf eine Zahl größer zehn („10") begrenzt. Bei Kombination des ersten und des zweiten Kriteriums kann eine positive Erkennung nur noch durch einen tatsächlichen Arc oder durch die Spitze der Sinuskurve ausgelöst werden.
Gemäß dem dritten Kriterium darf der aktuelle Messwert nur einen gewissen Prozent- satz der letzten Amplitude groß sein. Eine Amplitudenspitze kann theoretisch einfach dadurch ausgeschlossen werden, indem alle Signale ignoriert werden, die nicht in der Nähe der Nulllinie liegen. Dazu lässt sich zwar in einfacher Weise keine absolute Schwelle angeben. Allerdings hängt dieses dritte Kriterium vom letzten Spitzenwert des Signals S| ab. Um die Vergangenheit des Signals Si direkt, oder indirekt dessen letzte Spitze zu kennen, wird ein Integrator oder Filter herangezogen, der eine der Hüllkurve des Signale ähnlich Kurve abbildet. Dies ist wieder mit einem Zähler realisiert. Ist der aktuelle Messwert - multipliziert mit einer Konstanten - größer als der aktuelle Zählerstand, so wird der Messwert zum Zähler addiert. Der Zählerstand erhöht sich also proportional mit dem Messwert. Ist der aktuelle Messwert kleiner, wird eine Konstante ab- gezogen. Damit der Zählerstand keine unplausiblen Werte annehmen kann, wird der Zähler nach oben und nach unten begrenzt. Auch wenn dies nicht der originalen „Hüllkurve" entspricht, sind die Vereinfachungen zulässig, da mit diesem Filter nur eine va- riable Messschwelle erzeugt werden soll,. Das dritte Kriterium ist erfüllt, wenn der aktuelle Messwert (multipliziert mit einer Konstanten) kleiner als der aktuelle Zählerstand ist.
Das vierte Kriterium kombiniert die ersten drei Kriterien, so dass eine einzelne Arc- Kurvenform definitiv erkannt werden kann. Damit auf eine Lücke aufgrund eines Arc's geschlossen werden kann, müssen zunächst die ersten drei Kriterien für einen Messwert erfüllt sein. Dabei hat das Signal S| jedoch nur einmal die Richtung gewechselt. Um ein Überschwingen auszuschließen und von einem Rauschen auszugehen, muss das Signal beim nächsten Messwert erneut die Richtung wechseln. Dies wird daran erkannt, dass der nächste Messwert das erste und dritte Kriterium gleichzeitig erfüllt.
Wie in Fig. 6 veranschaulicht, ist mit diesem vierten Kriterium definitiv eine typische Arc-Kurvenform erkennbar. Die Simulation verschiedener Kurven zeigte jedoch, dass eine erkannte Kurvenform nicht aussagekräftig genug ist. Der Schutzschalter 1 könnte jedoch unerwünscht häufig auslösen, da dieselbe Kurvenform auch zufällig entstehen oder vereinzelt beim Startvorgang bestimmter Schutzschaltgeräte vorkommen kann. Deshalb wird das fünfte Kriterium herangezogen.
Gemäß dem fünften Kriterium muss das vierte Kriterium dreimal auftreten, wobei die einzelnen Arc's jeweils nur maximal fünf Perioden auseinander liegen dürfen. Durch diese Bedingung werden Fehlauslösungen des Schutzschalters 1 vermieden, damit nicht eine einzige arc-ähnliche Kurvenform die Vorrichtung oder das Schaltgerät 1 zum ansprechen bringen kann. Nach jedem erkannten Arc beginnt ein Zähler (von „1" ab) zu laufen, der mit jedem weiteren Messwert um „1" erhöht wird. Gleichzeitig zählt ein wei- terer Zähler die Anzahl der erkannten Arc's. Wird die Anzahl von fünf Perioden überschritten, werden beide Zähler auf „0" zurückgesetzt und gestoppt. Sind jedoch drei Arc's innerhalb der Zeitspanne erkannt worden, so löst der Schutzschalter 1 aus.
Ein zweiter Algorithmus A2 (Grundfunktion) soll Spitzen oder steile Flanken im Signal- verlauf des Strom- oder Messsignals S| erkennen, wie diese beispielsweise bei seriellen Arc's auftreten. Fig. 6 zeigt beispielhaft einen typischen seriellen Arc. Als Verbraucher waren mehrere Leuchtstoffröhren angeschlossen, woraus die Abweichung vom sinusförmigen Verlauf des Stromsignals S| folgt. Die Spitzen kennzeichnen die seriellen Lichtbögen (arc's), die vor einer Zerstörung der Versorgungsleitung bzw. des Stromkabels 3 auftreten. Ist die Leitung bzw. das Kabel 3 derart beschädigt oder zerstört, dass ein Kurzschluss mit anderen Metallteilen und/oder Leitungen auftritt, oder ist ein derart große Leitungs- bzw. Kabellücke entstanden, dass der Lichtbogen nicht mehr entstehen kann, so endet der Stromfluss vollständig. Dies ist im Signalverlauf in Fig. 6 rechts außen erkennbar. Ziel ist es, den Strom vor dem Ausfall abzuschalten, also bereits auf die in der linken Figu- renhälfte der Fig. 6 erkennbaren Spitzen zu reagieren.
Aus dieser Betrachtung sind folgende Kriterien für einen Arc abgeleitet:
1. Ein Vorzeichenwechsel in der erster Ableitung (dS|/dt) des Stromsignals S|. 2. Die erste Ableitung (dS|/dt) und der Messwert sind betragsmäßig zumindest an- näherd gleich groß.
3. Der aktuelle Messwert hat eine Mindestgröße.
4. Eine Kombination des 1. Kriteriums, des 2. Kriteriums und des 3. Kriteriums, so dass eine einzelne Spitze definitiv detektieren werden kann. 5. Ein Zeitfenster für zwei aufeinanderfolgende Spitzen.
6. Abhängig von der Amplitude des Stroms bzw. Stromsignals S| sind zwei oder drei Spitzen erkannt.
7. Eine Ausnahmeregelung für Phasenanschnitte.
Hinsichtlich des ersten Kriteriums kann der erste Algorithmus Ai herangezogen werden. Um einen schnellen Signalanstieg zu erkennen, wird mit dem zweiten Kriterium die erste Ableitung (dS|/dt) mit dem aktuellen Messwert verglichen. Ist die Ableitung (dS dt) nahezu, z. B. zu 92% so groß wie das Messsignal, so erfolgte der Anstieg innerhalb der letzten Messung, was einem schnellen Anstieg entspricht. Weisen beide Zahlenwerte zusätzlich das gleiche Vorzeichen auf, so ist dieses zweite Kriterium erfüllt.
Gemäß dem dritten Kriterium muss der aktuelle Messwert - abhängig von den letzten Amplituden - eine gewisse Größe aufweisen. Die Praxis zeigt, dass das erste Kriterium gleichermaßen auf Spitzen oder Peak's wie auch auf Kleinsignalrauschen anspricht. Um dies zu verhindern, wird auch hier eine Schwelle eingeführt. Hierzu ist die Angabe einer absoluten Schwelle zumindest äußerst schwierig, zumal dieses Kriterium vom letzten Spitzenwert des Signals Si abhängt.
Auch konnten ein Minimal- als auch Maximalwert ermittelt werden. Um die Vergangenheit des Signals - oder indirekt dessen letzte Spitze - zu kennen, kann ein Integrator oder Filter herangezogen werden, der auf bestimmte Werte begrenzt wird. Diese Funktion wird durch einen Zähler realisiert.
Wenn der Absolutwert des Stromes z. B. 1 ,9A übersteigt, so wird der Zähler auf seinen Maximalwert gesetzt. Bei jedem neuen Messwert wird der Zähler außerdem um eins („1") erniedrigt, solange der Minimalwert nicht unterschritten wird. Dadurch wird ein Filter erreicht, der schnell ansteigt aber nur langsam wieder abfällt, wenn kein Strom mehr fließt. Als Kriterium wird der aktuelle Messwert Si - multipliziert mit einer Konstanten - mit dem aktuellen Zählerstand verglichen; vgl. das vierte Kriterium.
Das vierte Kriterium kombiniert die ersten drei Kriterien derart, dass ein einzelner schneller Signalanstieg - verursacht durch einen Lichtbogen - erkannt werden kann. Dabei ist zwischen positiven und negativen Flanken zu unterscheiden. Eine positive Flanke wird erkannt, wenn das erst Kriterium erfüllt ist, wenn das zweite Kriterium erfüllt ist, wenn das Vorzeichen positiv ist und die erste Ableitung (dS|/dt) größer 92% des Messwertes ist, und/oder wenn das dritte Kriterium erfüllt sowie das Vorzeichen positiv und der Messwert - multipliziert mit der Konstanten - größer als der Zählerstand ist.
Eine negative Flanke wird erkannt, wenn das erste Kriterium erfüllt ist, wenn das zweite Kriterium erfüllt ist, wenn das Vorzeichen negativ ist und die erste Ableitung kleiner als 92% des Messwertes ist, und/oder wenn das dritte Kriterium erfüllt und das Vorzeichen negativ ist soweit der Messwert - multipliziert mit der Konstanten - kleiner als der negative Zählerstand ist.
Wird eine positive oder eine negative Flanke erkannt, so ist dieses Kriterium erfüllt. Mit diesem vierten Kriterium ist eine typische Arc-Kurvenform erkennbar. Die Simulation verschiedener Kurven zeigte jedoch, dass eine erkannte Spitze nicht zwingend aussagekräftig ist mit der Folge, dass der Schutzschalter 1 unerwünscht auslösen kann. Deshalb wurden weitere Kriterien entwickelt, wobei zunächst das fünfte Kriterium zu prüfen ist.
Eine Spitze im Signal Si allein ist nicht ausreichend, um einen Arc zu erkennen, da solche Spitzen auch einzeln im normalen Stromverlauf entstehen. Zudem entstehen bei einem Arc oft mehrere solcher Spitzen kurzzeitig hintereinander. Diesem Probleme wird begegnet, indem ein minimaler und ein maximaler Abstand zwischen zwei Ereignissen definiert wird. Zur Realisierung sind ein Are-Zähler und ein Messwertzähler vorgesehen. Der Are-Zähler wird bei jedem Gerätestart auf „0" gesetzt. Der Messwertzähler wird auf „0" gesetzt, wenn das vierte Kriterium erfüllt ist und dann mit jedem Messwert ein Erhöhung um „1" erfolgt. Zwischen zwei Spitzen muss mindestens annähernd eine Periode vergangen sein. Dies entspricht ca. 200 Messwerten bei einer Abtastfrequenz von 100kHz. Sollte vorher schon eine weitere Spitze erkannt werden, so wird diese ignoriert.
Sind seit der ersten Spitze mehr als 30 Perioden (7500 Messwerte bei 100kHz Abtastfrequenz) vergangen, so kann von einer zufälligen Spitze ausgegangen werden und die erste Spitze wird ignoriert. In der Folge werden beide Zähler auf „0" gesetzt. Tritt wiederholt eine Spitze auf und liegen diese Spitzen innerhalb des erlaubten Zeitintervalls, so ist das fünfte Kriterium erfüllt und der Are-Zähler wird erhöht, während der Messwertzähler wieder auf „0" gesetzt wird.
Gemäß dem sechsten Kriterium werden mehrere erkannte Spitzen benötigt, um den Schutzschalter 1 auszulösen. Eine Simulation zeigte, dass zwei Spitzen (nach dem fünften Kriterium) bei relativ großen Strömen ausreichen. Bei kleinen Stromverläufen müssen mindestens drei Spitzen auftreten, um Fehlauslösungen des Schutzschalters 1 zu verhindern. Um zwischen großen und kleinen Strömen unterscheiden zu können, kann ein Filter - realisiert mit einem weiteren Zähler - eingesetzt werden. Der Filter soll den Spitzenwerten der Stromamplitude folgen sowie relativ langsam ansteigen und abfallen. Da hierbei keine hohe Genauigkeit erforderlich ist, ist ein 9-Bit-Zähler ausreichend, der auf „0" und „511" begrenzt ist, wobei anfangs der Zähler auf „0" steht. Der Absolutwert jedes Messwertes (geteilt durch 16) wird zum Zählerstand hinzu addiert und es erfolgt eine Subtraktion um zwei. Ist der Zählerstand zum Zeitpunkt einer Spitze (nach dem. fünften Kriterium) größer als „100", so erfolgt eine Auslösung des Schutzschalters 1. Andernfalls wird das Auftreten einer dritten Spitze hinzugezogen.
Das siebente Kriterium berücksichtigt eine Ausnahmeregelung für Phasenanschnitte. Bei einer Simulation konnte festgestellt werden, dass der Schutzschalter 1 bei bestimmten Arten von phasenangeschnittenen Signalen fehlerhaft oder unerwünscht auslöst. So erfüllt ein in Fig. 7 veranschaulichtes unipolares Signal die beschriebenen sechs Kriterien, obwohl dies definitiv kein Arc ist. Auch ein gleichartiges negatives Signal wird als Arc erkannt. Bipolare phasenangeschnittene Signale werden jedoch ignoriert.
Obwohl einzelne dieser Signale während eines sinusförmigen Stromes durchaus auf einen Lichtbogen hindeuten, soll das Signal trotzdem ignoriert werden, um bei einem normalen Phasenanschnitt keine Fehlauslösungen zu erhalten. Die Besonderheit an diesem Signal ist das lange verweilen auf der Nulllinie, was zur Herausfilterung der Kurvenform herangezogen werden kann.
Es werden zwei Kriterien zur Nulldetektierung verwendet: Der Filter aus dem dritten Kriterium muss auf Minimal stehen und der Absolutwert des aktuellen Messwertes muss kleiner als drei sein, wobei ein geringes Restrauschen zulässig ist. Wenn das Signal derart als Null detektiert ist, wird ein Zähler jeweils um „1" erhöht. Ist das Signal auch nur ein einziges mal größer, wird der Zähler auf „0" zurückgesetzt. Ist der Zähler- stand größer als „100", was etwa einer Halbwelle bei einer Abtastfrequenz von 100kHz entspricht, so werden das vierte Kriterium künstlich auf „0" gehalten und eine Are- Erkennung unterdrückt.
Ein anhand der Fig. 8 erläuterter, nachfolgend auch als „AFD (arc fault detectin) Ener- gie Pool" bezeichneter dritter Algorithmus A3 dient zur Erkennung von Störlichtbögen in Wechseistromnetzen, um Kabelbrände und deren Folgen zu vermeiden. Hierbei wird - ähnlich wie beim Wasserzu- und Ablauf in ein bzw. aus einem Behältnis - der Ener- giefluss in der Versorgungsleitung bzw. im Kabel 3 betrachtet. Im normalen Betrieb fließt Strom über den Schutzschalter 1 und die Leitung 3 bzw. das Kabel zum Verbraucher und erwärmt aufgrund des elektrischen Widerstandes die Leitung 3 bzw. das Kabel. Ebenso wird die Wärme der Leitung und/oder des Kabels 3 über die Isolierung an die Umgebung abgestrahlt. Im Falle eines Lichtbogens durch Isolationsfehler unter- schiedlichster Art steigt die Energiemenge an dieser Stelle stark an und entzündet - sobald die entsprechende Entzündungsenergie überschritten wird - die Kabelisolation und andere Stoffe in der Umgebung mit unerwünschten Folgen.
Der „AFD Energie Pool-Algorithmus A3" erkennt aus dem abgetasteten Stromsignal Si, wieviel Energie über eine einstellbare Anzahl von Perioden zugeführt wird, und löst bei überschreiten einer ebenso einstellbaren zulässigen Schwelle A den Schutzschalter 1 aus, der den Stromkreis oder -pfad unterbricht. Dabei wird über mehrere Perioden die zugeführte Energiemenge durch das fließende Integral des Stromwerts S|(t) multipliziert sowie mit einem hochpassgefilterten Stromwert S'ι(t) ermittelt und korreliert. Die Ver- wendung des Hochpass gefilterten Stromwerts bewirkt, dass niederfrequente Anteile, wie Ein- und Ausschaltvorgänge, von der Betrachtung ausgeschlossen werden und keine Fehlauslösungen verursachen. Die abfließende Energie wird durch kontinuierliche, einstellbare Degradation des integrierten Wertes repräsentiert.
Zusammen mit den anderen Algorithmen An lassen sich somit Lichtbögen mit hoher Wahrscheinlichkeit erkennen ohne dass reguläre Verbraucher Fehlauslösungen verursachen.
Ein anhand der Figuren 9 und 10 erläuterter, nachfolgend auch als „AFD Integrity Algo- rithmus" bezeichneter Algorithmus A4 dient ebenfalls der Erkennung von Störlichtbögen in Wechselstromnetzen, um Kabelbrände und deren Folgen zu vermeiden. Hierzu wird auch auf die WO 01/90767 A1 verwiesen, auf deren gesamte Offenbarung ausdrücklich Bezug genommen wird.
In Wechselstromnetzen enthalten die sinusförmigen Stromsignale üblicherweise viele Störungen durch Übersprechen von Schaltvorgängen, Rauschen oder andere Störer. Gemäß Fig. 9 werden zur Bereinigung des Stromsignals Si für eine vereinfachte Weiterverarbeitung die Sinushalbwellen durch eine Dreipunkt-Approximation auf der Basis des arccos idealisiert. Als Schnittpunkte dienen der Scheitelwert y(kmaχ) des Sinus (Maximum) und die beiden Schnittpunkte y(kι), y(kr) mit einer einstellbaren Schwelle B. Durch Abzählen der Abtastwerte zwischen den beiden Schnittpunkten (y(kι), k|) und (y(kmax), kr) lässt sich die aktuelle Frequenz des Stromsignals S| bestimmen.
Gemäß Fig. 10 wertet der „AFD Integrity Algorithmus A4" über mehrere Halbwellen die Abweichungen der Frequenz Δf und der Amplitude ΔAs des Stromsignals bei Auftreten eines Lichtbogens aus. Bei Überschreiten der Grenzwerte für die maximale Abweichung wird der Schutzschalter 1 ausgelöst, der den Stromkreis unterbricht.
Im Weiteren werden auch Lichtbogen bedingte Stromspitzen betrachtet, die ein Fehlerband um die idealisierte Stromkurve verlassen. Bei mehrfachem Überschreiten dieses Fehlerbandes wird ebenso der Stromkreis unterbrochen.
Ein anhand der Fig. 11 erläuterter, nachfolgend auch als „AFD Spektrum Algorithmus" bezeichneter Algorithmus A5 dient ebenfalls zur Erkennung von Störlichtbögen in Wechselstromnetzen, um Kabelbrände und deren Folgen zu vermeiden. In Fig. 11 sind dabei auf der x-Achse die Zeit t in Abtastwerten (von links nach rechts), auf der y-Achse die Frequenz f (in einzelnen Frequenzbändern) und auf der z-Achse das (normierte) Leistungsdichtespektrum P aufgetragen.
Untersuchungen haben gezeigt, dass Lichtbögen im Spektrum oberhalb der ersten harmonischen Grundwellen bei deren Auftreten breitbandig eine schnelle Veränderung des Leistungsdichtespektrum aufweisen. Der „AFD Spektrum Algorithmus A5" transformiert die abgetasteten Stromwerte in den Frequenzbereich (Kurzzeit FFT) und erkennt diese breitbandige, schnelle Veränderung des Leistungsdichtespektrums bei Auftreten eines Lichtbogens. Daraufhin löst der Schutzschalter 1 aus, der den Stromkreis unter- bricht.
Die Auswertung des 2bit-Signals SHF erfolgt anhand dessen dargestellten charakteristischen Musters, indem zunächst nach Impulspaketen gesucht wird. Anschließend wer- den die Abstände zwischen den Impulspaketen durch Bewertung der zeitlichen Abfolge der aufeinander folgenden Impulspakete ausgewertet. Das Impulsspektrum bzw. die Impulskonfiguration wird nach Lücken abgesucht. Dabei hat sich erkanntermaßen herausgestellt, dass die zeitlichen Lücken zwischen den zeitlich aufeinander folgenden Impulspaketen des 2bit-Signals SHF mit den Werten +1 , 0 und -1 einer Sinus-Halbwelle entsprechen. Die Auswertung des HF-Spektrums mittels des 2bit-Signals SHF erfolgt somit gerade nicht durch eine Foyeranalyse, da diese aufgrund dessen Komplexität mit einem erheblich größeren Aufwand verbunden wäre.
Anhand der übereinander dargestellten, mittels des ersten Sensors 4 und des zweiten Sensors 5 erfassten sowie anschließend mittels der Algorithmen An ausgewerteten Signale S| bzw. SHF ist erkennbar, dass bei Auftreten von Stufen im Verlauf des mittels des ersten Sensors 4 mit hoher Abtastrate abgetasteten Stromsignals Si entsprechend hohe Frequenzen im mittels des zweiten Sensors 5 erfassten zweiten Signals oder HF- Signals SHF mit vergleichsweise kleiner Auflösung stets über den zeitlichen Verlauf am Beginn und am Ende einer derartigen Stufe sowie eines derartigen Plateaus auftreten. Ein derartiges Charakteristikum im Stromsignalverlauf wird mittels des entsprechenden Algorithmus A5 ausgewertet sowie als eines der Kriterien für das Auftreten eines Störlichtbogens herangezogen und somit mit einem entsprechenden Wichtungsfaktor wn gewichtet.
Das Heranziehen mehrere Algorithmen An, die unterschiedliche Charakteristika im Signalverlauf des erfassten Stromsignals Si auswerten, wird einerseits erreicht, dass • Störlichtbögen sicher erkannt werden. Andererseits werden durch die unterschiedlichen Algorithmen An und deren unterschiedlicher Wichtung andersartige Störeinflüsse, die nicht auf Störlichtbögen oder Ares zurückzuführen sind, identifiziert und bei der Auswertung innerhalb der Entscheidungsmatrix M berücksichtigt. Auf diese Weise können Fehlauslösungen des Schutzschalters 1 vermieden und Störlichtbögen zuverlässig identifiziert werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Erkennung von Störlichtbögen an einem Kabel (3), insbesondere an einem Bordnetzkabel, bei dem ein erfasstes Stromsignal (Si) und/oder ein erfasstes s HF-Signal (SHF) mittels einer Anzahl von Algorithmen (An) ausgewertet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Algorithmen (An) in einem Koppel netzwerk (W, M) ausgewertet werden.
0 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Algorithmen (An) in Gruppen verknüpft werden.
4. Verfahren nach einem der Anspruch 1 bis 3, bei dem als Ergebnis der Auswertung der Algorithmen (An) eine der Anzahl der Algorithmen (An) entsprechende Anzahl von 5 1 bit-Signalen (Sn) erzeugt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Algorithmen (An) unterschiedlich gewichtet werden.
0 6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem anhand der gewichteten Algorithmen (An) 1bit- Signale (S'n) erzeugt und diese miteinander kombiniert werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das erfasste Stromsignal (Si) zeitdiskret, vorzugsweise im Bereich kleiner oder gleich 100kHz, abgetastet wird. 5
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem ein Hochfrequenz (HF)- Spektrum als HF-Signal (SHF) erfasst und zeitdiskret, vorzugsweise im Bereich größer 5MHZ, abgetastet wird.
0 9. Vorrichtung zur Erkennung von Störlichtbögen an einem Kabel (3), insbesondere an einem Bordnetzkabel, mit einem Steuerbaustein (6), in dem verschiedene Algorithmen (An) hinterlegt sind, und mit einer Entscheidungsmatrix (E), die anhand einer Kombination der Algorithmen (An) ausgangsseitig ein Steuersignal (SA) liefert.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der das Steuersignal (SA) einen in den jeweiligen Bordnetzpfad geschalteten Schutzschalter (1 ) auslöst.
11. Vorrichtung nach 9 oder 10, mit einem Wichtungsbaustein (W) zur Verknüpfung der Algorithmen (An) oder deren Ausgangssignale (Sn) mit unterschiedlichen Wichtungsfaktoren (wn).
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 110, mit einem zur Stromerfassung (S|) dienenden ersten Sensor (4) und mit einem zur Erfassung eines Hochfrequenz- Spektrums (SHF) dienenden zweiten Sensor (5).
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