WO2007006248A1 - Verfahren und vorrichtung zur überwachung und absicherung von elektrischen stromkreisen - Google Patents

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    • 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
    • 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
    • H02H3/50—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 appearance of abnormal wave forms, e.g. ac in dc installations

Definitions

  • the invention relates to a method for increasing the reliability of electrical lines and circuits or electrical power lines. It allows the technical implementation of a new, intelligent fuse that protects the circuit not only with respect to maximum permissible currents, but also against interference caused by aging, material defects or connection errors of terminal points or insulation between the conductors. It makes it possible to detect such disturbances into the connected electrical consumers.
  • thermoelectric and electronic methods are used to trigger the fuse.
  • the electronic methods are mostly based on Ohm's law and trigger the backup with the help of a comparator.
  • the aforementioned methods do not take into account any disturbances on the power lines that are within the permissible, monitored current or voltage range. Such faults can be caused by aged or faulty insulation, by corrosion or loosened clamping points or by assembly or material defects. However, the disturbances are not so great that a normal fuse is triggered. However, it is easy to see that at a point where only a few 10 watts are converted into heat, heating can cause a fire when the fault is in a circuit where a load of about 1000 watts is provided by a conventional fuse is hedged by 16 A. In this case, the conventional fuse would not trigger.
  • the disturbances are manifested in a contact resistance which can be changed according to time and value in the defect itself.
  • a safe method is disclosed here which detects faults on lines or power lines. In doing so, deliberate changes in the permitted current or voltage range (switching consumers on and off) must be taken into account.
  • Fig. 3 illustrates the same fact in frequency space (current over frequency
  • FIG. 7 A simple embodiment is shown in FIG. 7:
  • a line filter (1) In order to protect a power line L ', N', E 1 , disturbances that can be interspersed via the main power line L, N, E, must be filtered out by a line filter (1). Since the fuse contains electronic components that operate at lower voltages (+ Ub-Ub), there is a small power supply (2) in the fuse. The current to the connected consumers is measured via a measuring resistor (3). The voltage drop across the measuring resistor (3) is proportional to the current flowing through it and is decoupled via the capacitors (4) and fed to a differential amplifier (5). A power relay (12) can break the circuit to the loads under two conditions.
  • the first condition is when the allowable current to be protected is exceeded by 10 or 16 A respectively.
  • Differential amplifier (5) amplified. It is fed to a rectifier and a comparator (10). Depending on the setting (10 A or 16 A), the comparator switches via the
  • Relay control (11) the relay (12) off. It can be both effective and
  • the second condition is the new additional protection of line faults in the permitted current range (0 ⁇ i ⁇ 10 A, or 0 ⁇ i ⁇ 16 A). It is triggered when certain powers occur in the interference spectrum or at a certain degree of distortion of the sinusoidal alternating current (or AC voltage).
  • the voltage supplied by the differential amplifier (5) is fed via an AC blocking filter (6) (i.a. 50 Hz) to an evaluation circuit (7).
  • the evaluation circuit is a parallel connection of band filters.
  • More complex embodiments include a microcontroller that performs an FFT (Fast Fourier Transform). Microcontrollers have great advantages in consumers with phase control, since they can be used for pattern recognition and can reliably detect these consumers against line faults.
  • the voltage supplied by the evaluation circuit (7) corresponds to the power level of the interference spectrum.
  • a comparator (8), the time-delayed over the circuit (9) hides normal load changes, can also turn off the relay (12) via the relay control (11).
  • the fuse can be activated again via the button (13).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Sicherheit von elektrischen Leitungen und Stromkreisen bzw. elektrischen Energieleitungen. Es ermöglicht die technische Ausführung einer neuen, intelligenten Sicherung, die den Stromkreis nicht nur bezüglich maximal zulässiger Ströme absichert, sondern auch gegen Störungen, die durch Alterung oder sonstige Fehlfunktionen von Klemmstellen oder Isolationen zwischen den Leitern verursacht werden, und die solche Störungen bis in die angeschlossen elektrischen Verbraucher hinein erkennen kann. Dazu wird erfindungsgemäss der zeitlich und grössenmässig veränderliche Übergangswiderstand im Stromkreis als Mass für die Störung herangezogen, wobei dazu Veränderungen und Verzerrungen des Spannungs- bzw. Stromverlaufes im Zeit- oder Frequenzraum registriert werden.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung und Absicherung von elektrischen Stromkreisen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Betriebssicherheit von elektrischen Leitungen und Stromkreisen bzw. elektrischen Energieleitungen. Es ermöglicht die technische Ausführung einer neuen, intelligenten Sicherung, die den Stromkreis nicht nur bezüglich maximal zulässiger Ströme absichert, sondern auch gegen Störungen, die durch Alterung, Materialfehler oder Anschlussfehler von Klemmstellen oder Isolationen zwischen den Leitern verursacht werden. Es ermöglicht solche Störungen bis in die angeschlossen elektrischen Verbraucher hinein zu erkennen.
Es ist bekannt, dass mit Hilfe von Stromsicherungen elektrische Energieleitungen bzw. elektrischer Netze gegen unzulässige Ströme abgesichert werden. Dabei gibt es verschiedene Varianten, die zum Beispiel nur bestimmte Strom- oder Spannungsbereiche zulassen, wie zum Beispiel minimaler Strom, maximaler Strom, minimale Spannung oder maximale Spannung bzw. Kombinationen davon. Für den allgemeinen Gebrauch sind diese einfachen Sicherungen, die zum Beispiel Kurzschlüsse oder Überspannungen detektieren, sehr gut wirksam und erfüllen damit ihren Zweck.
Es ist auch bekannt, dass bei diesen Sicherungen sowohl thermoelektrische als auch elektronische Verfahren eingesetzt werden, um die Sicherung auszulösen. Die elektronischen Verfahren beruhen meist auf dem Ohmschen Gesetz und lösen mit Hilfe eines Komparators die Sicherung aus.
Die vorgenannten Verfahren berücksichtigen jedoch keine Störungen auf den Energieleitungen, die innerhalb des zulässigen, überwachten Strom- bzw. Spannungsbereiches liegen. Solche Störungen können durch gealterte oder fehlerhafte Isolation, durch Korrosion oder gelockerte Klemmstellen oder auch durch Montage- oder Materialfehler erzeugt werden. Die Störungen sind jedoch nicht so groß, dass eine normale Sicherung ausgelöst wird. Es ist jedoch leicht einzusehen, dass an einer Störstelle, an der nur einige 10 Watt in Wärme umgesetzt werden durch Aufheizung ein Brand entstehen kann, wenn sich die Störstelle in einem Stromkreis befindet, in dem eine Last von ca. 1000 W mittels einer konventionellen Sicherung von 16 A abgesichert wird. Li diesem Fall würde die konventionelle Sicherung nicht auslösen.
Die Störungen äußern sich in einem nach Zeit und Wert veränderbaren Übergangswiderstand in der Störstelle selbst.
Es war also Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, welche sicherstellen, dass auch Störungen in elektrischen Stromkreisen erkannt werden und zur Abschaltung des Stromkreises führen, die in ihrer Absolutgröße unterhalb der Toleranzgrenze der üblichen Sicherungen liegen. Auf der Grundlage der sich ändernden Strom- beziehungsweise Spannungsverhältnisse bei einer Störung nach der Absicherung, wird hier ein sicheres Verfahren offenbart, das Störungen auf Leitungen bzw. Energieleitungen erkennt. Dabei müssen gewollte Änderungen im erlaubten Strom- bzw. Spannungsbereich (Ein- und Ausschalten von Verbrauchern) berücksichtigt werden.
Überraschenderweise zeigte sich, dass sich derartige Störungen in einem nach Zeit und Wert veränderbaren Übergangswiderstand r = R(t) der Störstelle selbst dokumentieren.
Sowohl im Funktionsraum der Zeit (Strom und Spannung sind Funktionen der Zeit: u = f(t), i = f(t) ) als auch im Frequenzraum (Strom und Spannung sind Funktionen der Frequenz: u = f(f), i = f(f) ) sind die Störungen zu sehen.
Fig. 1 zeigt den Strom eines Verbrauchers in einem ungestörten Stromkreis im Zeitraum. (Strom über Zeit, i = f(t) )
Fig. 3 stellt den gleichen Sachverhalt im Frequenzraum dar (Strom über Frequenz durch
Fourier-Transformation i = f(f) ). Es ist nur eine Linie bei 50 Hz sichtbar.
Bei einer auftretenden Störung, ergibt sich ein verzerrtes Bild im Zeitraum (Fig. 2) und aus einer Linie im Frequenzbereich (Fig. 3) wird ein Frequenzspektrum (Fig. 4).
Je größer die Störung ist, desto größer wird die Leistung im Störspektrum (Fig. 5 und Fig. 6).
Zur Auslösung der Sicherung wird folgender Sachverhalt herangezogen: Ist die Störung gering (Übergangswiderstand gering oder hoher Widerstand bei Isolationsproblemen) ist auch die Verzerrung im Zeitbereich bzw. die Leistung im Störspektrum gering. Ist die Störung groß (hoher Übergangswiderstand, relativ niedriger Isolationswiderstand) ist die Verzerrung im Zeitbereich bzw. die Leistung im Störspektrum groß.
Es wird nun eine analoge oder digitale Auswertung der Störung im Zeit- oder Frequenzraum durchgeführt; daraus kann eine Sicherungsfunktion s = f(t) oder s = f(f) abgeleitet werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass Lastwechsel ebenfalls solche Verzerrungen und Störspektren erzeugen können. Deshalb kann die Auswertung über ein Zeitfenster verzögert nach ihrem Auftreten vorgenommen werden. Eine Sicherungsfunktion kann im Zeitbereich durch eine Verzerrungsanalyse und im Frequenzbereich durch eine Leistungsanalyse des Störspektrams mit einem vorgegebenen Vergleichswert ausgelöst werden. Eine weitere Möglichkeit eine Sicherheitsfunktion auszulösen, ist die Überwachung des Klirrfaktors. Dabei wird die Energie des Störspektrums ins Verhältnis zur Energie der Grundschwingung gesetzt.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Ein einfaches Ausführungsbeispiel ist in Figur 7 gezeigt:
Um eine Energieleitung L', N', E1 abzusichern, müssen Störungen, die über die Hauptenergieleitung L, N, E eingestreut werden können, durch ein Netzfilter (1) ausgefiltert werden. Da die Sicherung elektronische Bauelemente beinhaltet, die bei niedrigeren Spannungen (+Ub. -Üb) arbeiten, ist ein kleines Netzteil (2) in der Sicherung vorhanden. Der Strom zu den angeschlossenen Verbrauchern wird über einen Messwiderstand (3) gemessen. Die am Messwiderstand (3) abfallende Spannung ist proportional zu dem Strom der ihn durchfließt und wird über die Kondensatoren (4) entkoppelt und einem Differenzverstärker (5) zugeführt. Ein Leistungsrelais (12) kann den Stromkreis zu den Verbrauchern unter zwei Bedingungen unterbrechen.
Die erste Bedingung ist, wenn der zulässige abzusichernde Strom von 10 bzw. 16 A überschritten wird. Dazu wird die am Messwiderstand gewonnene Spannung im
Differenzverstärker (5) verstärkt. Sie wird einem Gleichrichter und einem Komparator zugeführt (10). Je nach Einstellung (10 A oder 16 A) schaltet der Komparator, über die
Relaissteuerung (11) das Relais (12) aus. Es können sowohl Effektiv- als auch
Spitzenwertsicherungen realisiert werden (Isp = Ieff * v 2 ).
Die zweite Bedingung ist die neue, zusätzliche Absicherung von Leitungsstörungen im erlaubten Strombereich (0< i < 10 A, bzw. 0 < i < 16 A). Sie wird ausgelöst bei Auftreten von bestimmten Leistungen im Störspektrum oder bei einem bestimmten Grad der Verzerrung des sinusförmige Wechselstroms (oder der Wechselspannung). Die vom Differenzverstärker (5) gelieferte Spannung wird über ein Netzfrequenzsperrfilter (6) (i.A. 50 Hz) auf eine Auswerteschaltung (7) geführt. Im einfachsten Fall ist die Auswerteschaltung eine Parallelschaltung von Bandfiltern. Komplexere Ausführungen beinhalten einen Mikrocontroller der eine FFT (Fast-Fourier-Transformation) ausführt. Mikrocontroller haben bei Verbrauchern mit Phasenanschnittsteuerung große Vorteile, da sie zur Mustererkennung eingesetzt werden können und diese Verbraucher sicher gegenüber den Leitungsstörungen erkennen können.
Die von der Auswerteschaltung (7) gelieferte Spannung entspricht dem Leistungspegel des Störspektrums. Ein Komparator (8), der zeitverzögert über der Schaltung (9) normale Lastwechsel ausblendet, kann ebenfalls das Relais (12) über die Relaissteuerung (11) ausschalten. Die Sicherung kann wieder über den Taster (13) aktiviert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Überwachung und Absicherung von elektrischen Stromkreisen, dadurch gekennzeichnet, dass der sich zeitlich und örtlich ändernde Übergangswiderstand in einem zu überwachenden Stromkreis detektiert wird und als Maß für die registrierte Störung herangezogen wird, welches die Auslösegröße für die Sicherungsfunktion darstellt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung von sich ändernden Übergangswiderständen, Auswertungen im Zeitraum bezüglich der Verzerrungen und Störungen des Stromverlaufes als Maß für die Störung herangezogen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung von sich ändernden Übergangswiderständen, Auswertungen im Frequenzraum bezüglich der Verteilung des Frequenzspektrums als Maß für die Störung herangezogen werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung von sich ändernden Übergangswiderständen der Klirrfaktor im Stromfluss überwacht wird und das Verhältnis der Energie des Störspektrums zur Energie der Grundschwingung als Maß für die Störung herangezogen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertegrößen mit einstellbaren Sollgrößen verglichen werden, bei deren Überschreitung die Sicherungsfunktion ausgelöst wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterdrückung von Fehlauslösungen die Sicherungsfunktion zeitverzögert ausgelöst wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungsfunktion in der Auftrennung des zu überwachenden Stromkreises besteht.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungsfunktion in der Auslösung einer Signalvorrichtung besteht.
9. Vorrichtung zur Überwachung und Absicherung von elektrischen Stromkreisen, dadurch gekennzeichnet, dass im zu überwachenden Stromkreis ein Fühler zur Messwertaufhahme des zeitlichen Spannungs- oder Stromverlaufes angeordnet ist, der mit einer nachgeordneten Auswerteeinheit zur Registrierung der Störungen verbunden ist, die mit einem Komparator zum Vergleich des Störungssignals mit einem vorgegebenen Sollsignal verbunden ist, und an den zur Auslösung der Sicherungsfunktion eine Trenneinheit für den zu überwachenden Stromkreis bei Überschreiten des Sollwertes angeschlossen ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9 zur Überwachung und Absicherung von elektrischen Stromkreisen, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteeinheit ein Mikrocontroller zur Fourier-Transformation des zeitlichen Stromverlaufes in den Frequenzraum angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 zur Überwachung und Absicherung von elektrischen Stromkreisen, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteeinheit analoge aktive Filter das Leistungsspektrum außerhalb der Netzgrundschwingung ermitteln.
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