WO2008049779A1 - Leistungsschalter und verfahren zum auslösen eines leistungsschalters, insbesondere eines niederspannungsleistungsschalters - Google Patents

Leistungsschalter und verfahren zum auslösen eines leistungsschalters, insbesondere eines niederspannungsleistungsschalters Download PDF

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Cornelia Prechtl
Josef Götz
Frank Jucht
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H71/00—Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
    • H01H71/10—Operating or release mechanisms
    • H01H71/12—Automatic release mechanisms with or without manual release
    • H01H71/123—Automatic release mechanisms with or without manual release using a solid-state trip unit

Definitions

  • the invention relates to a circuit breaker and a method for triggering a circuit breaker, in particular a low-voltage circuit breaker, according to the Oberbegriffen of claims 1 and 6.
  • circuit-breakers or short-circuit breakers are known and serve for power distribution up to 6300 amps in low-voltage switchgear as a feeder and branch switch.
  • the term circuit breaker characterizes a mechanical switching device that can switch on, conduct and switch off currents with the aid of an electronic overload release under operating conditions in the circuit. However, they are also used as switching and protective devices for motors, capacitors, generators and transformers, but can also be used as emergency stop switches.
  • the current is in each case compared with a limiting current and the circuit breaker is triggered when the limiting current is exceeded by a predetermined value, wherein the exceeding of the limiting current serves as an indication of the presence of a short circuit.
  • the exceeding of the limiting current can also be triggered otherwise, for example by switching operations, which are analogous to a short circuit connected to an overcurrent.
  • frequency converters can cause overcurrents which, interpreted as a short circuit, would lead to tripping of the circuit breaker.
  • the object of the invention is to reliably detect short circuits in order to avoid false tripping of the circuit breaker.
  • the solution provides that the current is sampled and digitized at a fixed sampling frequency such that the wavelet coefficients for at least two decomposition levels are determined by means of a wavelet transformation for a fixed number of immediately successive digital current values - be calculated that at least two wavelet coefficients, ie a wavelet coefficient per decomposition level, are compared in magnitude when the last of the immediately consecutive current values is greater than the threshold current value, and that the power switch is triggered when the wavelet coefficient of a higher decomposition level is greater than the wavelet coefficient of a lower decomposition level.
  • the effective determination of a short circuit provides that current value determination and the calculation of the wavelet coefficients are carried out cyclically, wherein the immediately consecutive current values used for the calculation are changed in such a way that the most recent current value after a new current value is determined before the wavelet coefficients are again calculated no longer and instead the newly determined current value is taken into account.
  • the wavelet coefficients are calculated for only two decomposition levels and the amounts of the wavelet coefficients are compared with one another.
  • FIG. 1 shows a low-voltage circuit breaker with an electronic overload trigger for a phase conductor
  • FIG. 2 the formula for the wavelet coefficients
  • FIG. 3 the definition of the wavelet transformation
  • FIG. 4 the definition of the Haar wavelet.
  • Figure 1 shows a low-voltage circuit breaker hereinafter referred to briefly as the circuit breaker having two terminals 1, 2, via which a load (terminal 2) to a power supply network (terminal 1) can be connected.
  • the two connection terminals 1, 2 are connected to one another via a detachable contact 3, which has a fixed contact element 4 and a movable contact element 5.
  • the fixed contact element 4 is connected to the circuit-breaker in Figure 1 with the network-side terminal 1 and the movable contact element 5 with the load-side terminal 2.
  • the moving Liehe contact element 5 is arranged at one end of a pivotable contact arm 6, which in the direction of arrow (arrow 7) is pivotable.
  • the pivoting of the contact arm 6 takes place in each case after triggering by a triggering unit 8 which is indicated only schematically, which triggers a separation of the two contact elements 4, 5 by swiveling the contact arm 6 in the event of a short circuit.
  • a triggering unit 8 which is indicated only schematically, which triggers a separation of the two contact elements 4, 5 by swiveling the contact arm 6 in the event of a short circuit.
  • the case between the contact elements 4, 5 regularly occurring arc is erased by means of quenching plates 9 a quenching chamber 10.
  • the circuit breaker can be triggered by hand if necessary or bring it back into standby position.
  • wavelet coefficients dj, k (see FIG 2) calculated and compared in terms of amount.
  • j, k are each positive integers, where k starts at 0 and j starts at 1 and j is called the decomposition level.
  • the integer k in FIG. 2 indicates how often a wavelet W selected for the wavelet transformation is shifted stepwise in the calculation according to the definition of the wavelet transformation in FIG.
  • the choice of k for a wavelet W is in each case such that the current signal I (t) in the associated time segment tab, via which the integration is to be integrated, is once completely covered by the displacement.
  • the current signal I (t) is formed here from the 16 current values In (t) in the memory; the period tab is therefore equal to the l ⁇ fachen time difference between two sampling times, that is equal to the l ⁇ fachen sampling time tf.
  • wavelet W The simplest example of a wavelet W is the so-called Haar wavelet Wh, whose definition is shown in FIG.
  • This wavelet Wh was used here to calculate the wavelet coefficients dj, k by means of the fast wavelet transformation.
  • it is usually sufficient to use only the last two wavelet coefficients d1, k for the comparison, ie the wavelet coefficients d1, 6 and d1, 7 for which k 6 and 7.
  • k runs from 0 to 7 and the wavelet coefficients are used dl, 6 and dl, 7 with the two largest k values.

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  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
  • Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)
  • Keying Circuit Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Leistungsschalter und ein Verfahren zum Auslösen eines Leistungsschalters, insbesondere eines Niederspannungsleistungsschalters, mit einem elektronischen Überlastauslöser (8), insbesondere zum Schutz gegen einen Kurzschluss, wobei der Strom im Vergleich mit einem vorgegebenen Grenzstrom (Ith) bewertet und der Leistungsschalter vom Überlastauslöser (8) ausgelöst wird, wenn anhand der Bewertung ein Kurzschluss vorliegt. Zum sicheren Erkennen von Kurzschlüssen wird vorgeschlagen, dass der Strom (I(t)) mit einer fest vorgegebenen Abtastfrequenz abgetastet und digitalisiert wird, dass für eine fest vorgegebene Anzahl unmittelbar aufeinander folgender digitaler Stromwerte (In(t)) mittels einer Wavelet-Transformation die Waveletkoeffizienten (dj,k) mindestens zweier Zerlegungslevel (j=1, j=4) berechnet werden, dass mindestens zwei Waveletkoeffizienten (d1,k und d4), d.h. ein Waveletkoeffizient (dj,k) pro Zerlegungslevel (j), betragsmäßig miteinander verglichen werden, wenn der letzte der unmittelbar aufeinander folgenden Stromwerte (In(t) mit n=15) größer als der Grenzstromwert (Ith) ist, und dass der Leistungsschalter ausgelöst wird, wenn der Waveletkoeffizient (d4) eines höheren Zerlegungslevels (j=4) größer als der Waveletkoeffizient (d1,k) eines niedrigeren Zerlegungslevels (j=1) ist.

Description

Beschreibung
Leistungsschalter und Verfahren zum Auslösen eines Leistungsschalters, insbesondere eines Niederspannungsleistungsschal- ters
Die Erfindung betrifft einen Leistungsschalter und ein Verfahren zum Auslösen eines Leistungsschalters, insbesondere eines Niederspannungsleistungsschalters, gemäß den Oberbeg- riffen der Ansprüche 1 und 6.
Niederspannungsleistungsschalter oder kurz Leistungsschalter sind bekannt und dienen zur Energieverteilung bis 6300 Ampere in Niederspannungsschaltanlagen als Einspeise- und Abzweig- Schalter. Der Begriff Leistungsschalter charakterisiert ein mechanisches Schaltgerät, das Ströme mit Hilfe eines elektronischen Überlastauslösers unter Betriebsbedingungen im Stromkreis einschalten, führen und ausschalten kann. Sie werden aber auch als Schalt- und Schutzgeräte für Motoren, Kondensa- toren, Generatoren und Transformatoren verwendet, können aber auch als Not-Ausschalter eingesetzt werden.
Bei den Leistungsschaltern wird der Strom jeweils mit einem Grenzstrom verglichen und der Leistungsschalter ausgelöst, wenn der Grenzstrom um einen vorgegebenen Wert überschritten wird, wobei das Überschreiten des Grenzstroms als Indiz für das Vorliegen eines Kurzschlusses dient. Das Überschreiten des Grenzstroms kann aber auch anderweitig ausgelöst sein, z.B. durch Schaltvorgänge, die analog zu einem Kurzschluss mit einem Überstrom verbunden sind. Auch können Frequenzumrichter Überströme verursachen, die als Kurzschluss interpretiert zum Auslösen des Leistungsschalters führen würden. Die Aufgabe der Erfindung ist es, Kurzschlüsse sicher zu erkennen, um Fehlauslösungen des Leistungsschalters zu vermeiden .
Die Lösung der Erfindung ist bezogen auf den Leistungsschalter und das Verfahren durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 6 gegeben .
Die Lösung sieht bezogen auf das Verfahren und den Leistungs- Schalter vor, dass der Strom mit einer fest vorgegebenen Abtastfrequenz abgetastet und digitalisiert wird, dass für eine fest vorgegebene Anzahl unmittelbar aufeinander folgender digitaler Stromwerte mittels einer Wavelet-Transformation die Waveletkoeffizienten für mindestens zwei Zerlegungslevel be- rechnet werden, dass mindestens zwei Waveletkoeffizienten, d.h. ein Waveletkoeffizient pro Zerlegungslevel, betragsmäßig miteinander verglichen werden, wenn der letzte der unmittelbar aufeinander folgenden Stromwerte größer als der Grenzstromwert ist, und dass der Leistungsschalter ausgelöst wird, wenn der Waveletkoeffizient eines höheren Zerlegungslevels größer als der Waveletkoeffizient eines niedrigeren Zerlegungslevels ist.
Das effektive Feststellen eines Kurzschlusses sieht vor, dass Stromwertermittlung und die Berechnung der Waveletkoeffizienten zyklisch erfolgen, wobei die jeweils für die Berechnung herangezogenen unmittelbar aufeinander folgenden Stromwerte nach Ermittlung eines neuen Stromwerts vor erneuter Berechnung der Waveletkoeffizienten derart geändert werden, dass der zeitlich am weitesten zurückliegende Stromwert nicht mehr und stattdessen der neu ermittelte Stromwert berücksichtigt wird . Praktisch reicht es, wenn die Waveletkoeffizienten nur für zwei Zerlegungslevel berechnet und die Beträge der Waveletkoeffizienten miteinander verglichen werden.
Im einfachsten Fall werden die Waveletkoeffizienten des ersten und vierten Zerlegungslevels berechnet und der Betrag des einzigen Waveletkoeffizienten des vierten Zerlegungslevels wird zumindest mit den Beträgen der beiden Waveletkoeffizienten mit k=6 und 7 des ersten Zerlegungslevels verglichen und der Leistungsschalter wird ausgelöst, wenn der Waveletkoeffi- zient größer als diese beiden Waveletkoeffizienten ist.
Für 50 Hz und 60 Hz wird ein Abtastzyklus nach jeweils 606,4 μs neu gestartet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 einen Niederspannungsleistungsschalter mit einem elektronischen Überlastauslöser für einen Phasenleiter, Figur 2 die Formel für die Wavelet-Koeffizienten, Figur 3 die Definition der Wavelet-Transformation und Figur 4 die Definition des Haar-Wavelets .
Figur 1 zeigt einen Niederspannungsleistungsschalter im folgenden kurz Leistungsschalter genannt, der zwei Klemmen 1, 2 aufweist, über die eine Last (Klemme 2) an ein Stromversorgungsnetz (Anschlussklemme 1) anschließbar ist. Die beiden Anschlussklemmen 1, 2 sind über einen lösbaren Kontakt 3 mit- einander verbunden, der ein feststehendes Kontaktelement 4 und ein bewegliches Kontaktelement 5 aufweist. Das feststehende Kontaktelement 4 ist bei dem Leistungsschalter in Figur 1 mit der netzseitigen Klemme 1 und das bewegliche Kontaktelement 5 mit der lastseitigen Klemme 2 verbunden. Das beweg- liehe Kontaktelement 5 ist an einem Ende eines verschwenkbaren Kontaktarms 6 angeordnet, der in Pfeilrichtung (Pfeil 7) verschwenkbar ist. Das Verschwenken des Kontaktarms 6 erfolgt jeweils nach Auslösung durch eine nur schematisch angedeutete Auslöseeinheit 8, die im Kurschlussfall eine Trennung der beiden Kontaktelemente 4, 5 durch Verschwenken des Kontaktarms 6 auslöst. Der dabei zwischen den Kontaktelementen 4, 5 regelmäßig auftretende Lichtbogen wird mit Hilfe von Löschblechen 9 einer Löschkammer 10 gelöscht. Mittels eines hand- betätigbaren Schalthebels 11 lässt sich der Leistungsschalter bei Bedarf von Hand auslösen bzw. wieder in Bereitschaftsstellung bringen.
Der fließende Strom I (t) als Funktion der Zeit t wird mit ei- ner fest vorgegebenen Abtastfrequenz f im zeitlichen Abstand tf abgetastet und in digitaler Form in einem nicht gezeigten Speicher abgespeichert, wobei die Abspeicherung so erfolgt, das sich im Speicher jeweils die letzten 16 unmittelbar aufeinander folgenden Stromwerte In (t) mit n=0 bis n=15 befin- den, d.h. es wird vor dem Speichern eines neuen Stromwerts In(t) der jeweils älteste im Speicher befindliche Stromwert In(t) mit n=0 gelöscht.
Ist der zuletzt abgetastete Stromwert In(t) mit n=15 größer als ein vorgegebener Grenzstrom Ith, so werden für eine fest vorgegebene Anzahl, hier für die 16 Stromwerte In(t) im Speicher, Wavelet-Koeffizienten dj , k (s. Figur 2) berechnet und betragsmäßig miteinander verglichen.
Allgemein sind j, k jeweils positive ganze Zahlen, wobei k bei 0 und j bei 1 beginnt und j als Zerlegungslevel bezeichnet wird. Die Zerlegungslevel j beginnen mit j=l: j=l ist der erste Zerlegungslevel, j=2 der zweiten Zerlegungslevel usw. Die ganze Zahl k in Figur 2 sagt aus, wie oft ein für die Wa- velet-Transformation ausgewähltes Wavelet W bei der Berechnung gemäß der Definition der Wavelet-Transformation in Figur 3 schrittweise verschoben wird. Die Wahl von k für ein Wave- let W erfolgt jeweils so, dass das Stromsignal I (t) in dem zugehörigen Zeitabschnitt tab, über den zu integrieren ist, durch die Verschiebung einmal vollständig überdeckt wird. Das Stromsignal I (t) wird hier aus den 16 im Speicher befindlichen Stromwerten In(t) gebildet; der Zeitabschnitt tab ist hier also gleich der lβfachen Zeitdifferenz zwischen zwei Abtastzeitpunkten, also gleich der lβfachen Abtastzeit tf.
Das einfachste Beispiel für ein Wavelet W ist das so genannte Haar-Wavelet Wh, dessen Definition Figur 4 zeigt.
Dieses Wavelet Wh wurde hier zur Berechnung der Wavelet- Koeffizienten dj , k mittels der schnellen Wavelet- Transformation verwendet.
Das Ergebnis der Berechnung sind die in Figur 2 gezeigten Formeln für die Wavelet-Koeffizienten dj , k für die beiden Zerlegungslevel j=l und j=4, also die Wavelet-Koeffizienten dl,k für k= 0 bis 7 und d4,k für k=0. Letzterer wird kurz als Wavelet-Koeffizient d4 bezeichnet.
Der Leistungsschalter wird von der Auslöseeinheit 8 ausgelöst, wenn der Waveletkoeffizient d4 des höheren Zerlegungs- levels j=4 größer als jeder der Waveletkoeffizienten dl,k mit k= 0 bis 7 des niedrigeren Zerlegungslevels 1 ist. Dabei reicht es praktisch meist schon aus, nur die letzten zwei Waveletkoeffizienten dl,k zum Vergleich heranzuziehen, also die Waveletkoeffizienten dl, 6 und dl, 7 bei denen k=6 und 7. k läuft hier von 0 bis 7 und herangezogen werden die Waveletkoeffizienten dl, 6 und dl, 7 mit den beiden größten k-Werten.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Auslösen eines Leistungsschalters, insbesondere eines Niederspannungsleistungsschalters, im Falle eines Kurzschlusses, bei dem der in einem Phasenleiter fließende Strom im Vergleich mit einem Grenzstrom (Ith) bewertet und der Leistungsschalter ausgelöst wird, wenn anhand der Bewertung ein Kurz- schluss vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom (I (t) ) mit einer fest vorgegebenen Abtastfrequenz abgetastet und digitalisiert wird, dass für eine fest vorgegebene Anzahl unmittelbar aufeinander folgender digitaler Stromwerte (In(t)) mittels einer Wavelet- Transformation die Waveletkoeffizienten (dj,k) für mindestens zwei Zerlegungslevel (j=l, j=4) berechnet werden, dass mindestens zwei Waveletkoeffizienten (dl,k und d4), d.h. ein Waveletkoeffizient (dj,k) pro Zerlegungslevel (j), betragsmäßig miteinander verglichen werden, wenn der letzte der unmittelbar aufeinander folgenden Stromwerte (In(t) mit n=15) größer als der Grenzstrom (Ith) ist, und dass der Leistungsschalter ausgelöst wird, wenn der Wavelet- koeffizient (d4) eines höheren Zerlegungslevels (j=4) größer als der Waveletkoeffizient (dl,k mit k=0,l,...,7) eines niedri- geren Zerlegungslevels (j=l) ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Stromwerte (In(t)) und die Berechnung der Waveletkoeffizienten (dj , k) zyklisch erfolgen, wobei die jeweils für die Berechnung herangezogenen unmittelbar aufeinander folgenden Stromwerte (In(t)) nach Ermittlung eines neuen Stromwerts vor erneuter Berechnung der Waveletkoeffizienten (dj,k) derart geändert werden, dass der zeitlich am wei- testen zurückliegende Stromwert (In(t) mit n=0) nicht mehr und stattdessen der neu ermittelte Stromwert (In(t)) berücksichtigt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Waveletkoeffizienten (dj,k) nur für zwei Zerlegungslevel (j=l und j=4) berechnet und die Beträge dieser Waveletkoeffizienten (dl,k und d4) miteinander verglichen werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Waveletkoeffizienten (dj,k) des ersten und vierten Zerlegungslevels (j=l und j=4) berechnet und der Betrag des einzigen Waveletkoeffizienten (d4) des vierten Zerlegungslevels (j=4) zumindest mit den Beträgen der beiden Waveletkoef- fizienten (dl,k mit k=6 und 7) des ersten Zerlegungslevels (j=l) verglichen wird und dass der Leistungsschalter ausgelöst wird, wenn der Waveletkoeffizient (d4) größer als diese beiden Waveletkoeffizienten (dl,k mit k=6 und 7) ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass alle 606,4 μs ein neuer Abtastzyklus gestartet wird.
6. Leistungsschalter, insbesondere Niederspannungs- leistungsschalter, für einen stromdurchflossenen Phasenleiter, mit einem elektronischen Überlastauslöser (8), insbesondere zum Schutz gegen einen Kurzschluss, wobei der Strom im Vergleich mit einem vorgegebenen Grenzstrom (Ith) bewertet und der Leistungsschalter vom Überlastauslöser (8) ausgelöst wird, wenn anhand der Bewertung ein Kurzschluss vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom (I (t) ) mit einer fest vorgegebenen Abtastfre- quenz abgetastet und digitalisiert wird, dass für eine fest vorgegebene Anzahl unmittelbar aufeinander folgender digitaler Stromwerte (In(t)) mittels einer Wavelet- Transformation die Waveletkoeffizienten (dj,k) mindestens zweier Zerlegungslevel (j=l, j=4) berechnet werden, dass mindestens zwei Waveletkoeffizienten (dl,k und d4), d.h. ein Waveletkoeffizient (dj,k) pro Zerlegungslevel (j), betragsmäßig miteinander verglichen werden, wenn der letzte der unmittelbar aufeinander folgenden Stromwerte (In(t) mit n=15) größer als der Grenzstromwert (Ith) ist, und dass der Leistungsschalter ausgelöst wird, wenn der Wavelet- koeffizient (d4) eines höheren Zerlegungslevels (j=4) größer als der Waveletkoeffizient (dl,k mit k=0, 1, 2, 3, 4 , 5, 6 oder 7) eines niedrigeren Zerlegungslevels (j=l) ist.
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