WO2009056432A1 - Verfahren zur kurzschlusserkennung in einem elektrischen stromnetz - Google Patents

Verfahren zur kurzschlusserkennung in einem elektrischen stromnetz Download PDF

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WO2009056432A1
WO2009056432A1 PCT/EP2008/063577 EP2008063577W WO2009056432A1 WO 2009056432 A1 WO2009056432 A1 WO 2009056432A1 EP 2008063577 W EP2008063577 W EP 2008063577W WO 2009056432 A1 WO2009056432 A1 WO 2009056432A1
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PCT/EP2008/063577
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Inventor
Frank Berger
Timo Mützel
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/44—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
    • 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
    • H02H3/08—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 excess current

Definitions

  • the invention relates to a method for short circuit detection, in particular for early detection of short circuits, in electrical power grids.
  • such protective devices initially limit the flowing current in order to protect both the electrical systems (cables, busbars, etc.) and the connected loads (machines, etc.).
  • the current limit causes a reduction of the dynamic (given by the square of the current) and thermal loads (given by the integral across the square of the current) of an electrical system in the event of a short circuit.
  • the load depends on the response time of the switch, which should be less than 0.5 ms.
  • the response time depends, in particular, on the time (proper time) which the electronic evaluation unit requires to detect a short circuit.
  • the instantaneous value of the flowing current is compared with a threshold value in many electronic releases, which can take a relatively long time, depending on the type of short circuit.
  • DE 36 42 136 C2 The combination of both criteria, instantaneous value of the current and current gradient, is proposed in DE 36 42 136 C2.
  • a sensor eg Rogowski converter
  • the servers- the same is preferably carried out via a locus criterion.
  • the disadvantage of the algorithm described in DE 36 42 136 C2 is that it allows an evaluation of switching operations only without bias current. As a result, changes in the power factor, eg by switching on or off large machines or other changes in the current, can already lead to tripping, although these are still within the permissible range.
  • DE 015 88 096 A the sum of the first and second derivative of the current is used as a criterion for short-circuit detection.
  • the second derivative is generated by an LC circuit from the first derivative of the current, which is why the signal is associated with a balancing member.
  • the signal due to the LC circuit is relatively poor performance, which makes its evaluation difficult.
  • no details are given in DE 015 88 096 A.
  • the object of the invention is to provide a method for improving the switching time of protective devices.
  • the solution provides that the current as well as its first and second time derivatives are determined consecutively successively at the same time and at the same interval and further processed in each case as a digital sequence of numbers, that each number sequence is assigned a predetermined limit that the numbers of the three number sequences are compared with the respectively assigned limit value, that a number is assigned to each number which exceeds the assigned limit value, that the weighting numbers, which belong at the same time, are each added up to a first weighting sum, that for a given number of immediately successive time points, the first weighting sums are added up to a second weighting sum, that the second weighted weighting is compared with another predetermined threshold value, and that a short circuit is considered to be recognized if the second weighting exceeds the predetermined limit.
  • the method according to the invention enables short-circuit detection times of less than 100 ⁇ s and thus significantly improves the current-limiting properties of a corresponding electrical network.
  • first time derivative is determined consecutively in succession at the same time and at the same interval, and if the current from integration is calculated from the first time derivative and its second time derivative is calculated by differentiation.
  • Fig. 1 shows the time course of a short-circuit current and its first and second derivative
  • Fig. 2 shows the equivalent circuit of an electrical power system in the form of a resistive-inductive circuit
  • FIG. 3 shows a standardized representation of the second derivative of the current at the switch-on instant for the power supply system according to FIG. 2, FIG. 4, 4 loci of switching-on operations of ohmic-inductive circuits at different switch-on phase angles of the voltage
  • FIG. 6 shows a three-dimensional boundary cuboid
  • Fig. 7 shows an arrangement for carrying out the method for
  • FIG. 8 is a flowchart for the arrangement according to FIG. 7.
  • FIG. 1 shows a typical time profile of the current 100 (i plotted against the time t: i (t)) and its first and second time derivatives 102, 104 in the event of a short circuit in an electrical power network 4 (see FIG. , In FIG. 1 it can be seen that the second time derivative 104 leads the two other curves 100, 102 in time.
  • FIG. 2 shows the equivalent circuit diagram 2 of the electrical power system 4, which is approximated as an ohmic-inductive circuit, with an ohmic resistor R, a reactance X and a compact power circuit breaker, which is provided with an electronic trip unit, not shown.
  • the resistor R and the reactance X in this case represents the electrical system to be protected.
  • ⁇ rIW -4 ⁇ - sin ( ⁇ t + ⁇ - ⁇ ) H - sin ( ⁇ - ⁇ ) e dt tan ⁇
  • Fig. 3 shows a normalized to O) 2 I N representation of the second
  • loci 24 and 26 of switch-on operations in ohmic-inductive circuits with different switch-on phase angle ⁇ of the voltage u are shown in FIG. 4 and FIG. 5 (Ir is the current setting value of the current-dependent delayed electronic trip unit).
  • the limit values (here of the locus triggering criterion) are subsequently approximated by an enveloping cuboid 120, 122; In the following, this simplified triggering criterion is therefore referred to as a cuboid criterion.
  • this simplified triggering criterion is therefore referred to as a cuboid criterion.
  • Fig. 6 shows only the amounts of the current i and the amounts of the first and second derivative and thus only one eighth of the cuboid 124 in the three-dimensional (positive and negative) space.
  • Fig. 7 shows schematically an apparatus for performing the method for fast (early) detection of a short circuit in an electrical power network 4.
  • a sensor is preferably a Rogowski coil 46.
  • a downstream input filter 56 prevents false triggering, caused by harmonics in the current signal, which Use especially in industrial networks with loads supplied by inverters / inverters.
  • the thus filtered first derivative of the current i is digitized for further processing by an A / D converter 44, then normalized (normalizer x / y) and differentiated via backward differentiation by a differentiator 50 Si (z) Si (z-1)
  • the integration here supplies the current i.
  • the evaluation takes place in the evaluation unit 60 belonging to the triggering unit.
  • FIG. 8 shows a flowchart of the evaluation on the basis of the current i and its first and second derivative with respect to time, which are determined immediately after each other at the same time t and at the same interval ⁇ t, and behind the A / D conversion as digital numerical sequences available.
  • the A / D conversion and thus the digitization can also take place before the input filter 56 or after normalization (normalizer x / y).
  • the second derivative is formed by numerical differentiation and the current i by numerical integration, once by post-filtering (low-pass filter 52) and once by prefiltering (high-pass filter 54).
  • the low-pass filter 52 attenuates by the differentiation amplified high frequency frequency components.
  • the high-pass filter 54 compensates for the errors due to numerical integration by means of common elements.
  • the three digital number sequences processed in this way are applied to the inputs of the evaluation unit 60, which compares their numbers with the limit value (trigger limit or trigger threshold) 16, 18, 20 assigned to the numerical sequence. Each sequence of numbers is assigned its own limit 16, 18, 20 (16 for the current i, 18 for the first derivative and 20 for the second derivative).
  • the limit values 16, 18, 20 are those of the cuboid criterion of the enveloping cuboid 120, 122 described above and are calculated accordingly (as described above for the ohmic-inductive circuit).
  • a threshold value 28 (after the current setting value Ir of the current-dependent delayed tripping unit and, if applicable, the current setting value Ii of the instantaneous tripping unit ) (for adaptation, in particular, to switch-on operations of machines, transformers (inrush currents) and lines as well as capacitive loads, eg compensation systems).
  • this response value 28 corresponds to the numerical value 2.
  • the response value should be selected accordingly. In this way, the method is therefore adaptable to other networks in addition to the entire spectrum of resistive-inductive networks and thus allows an extended range of applications.
  • each of these numbers which exceeds the associated limit 16 or Ii or 20, is assigned a weighting number 30, 32, 34: the weighting number 1, if the number of the sequence of the current i exceeds the limit value 16, the
  • the current i undergoes the strongest weighting because its value is a comparatively safe criterion for a present short circuit.
  • the weighting basically takes place as a function of the network configuration or the consumers and equipment to be protected.
  • the weighting numbers 30, 32, 34 which belong at the same time, are respectively summed to a first weighting sum and given for buffering in a queue 38, which is formed as a FIFO memory, which can receive ten first weightings each.
  • Weighted sums are pushed through one digit after every time interval ⁇ t, ie at each sampling time interval of the A / D converter, so that the oldest of these first weighting sums respectively falls out. If no number exceeds the associated limit value 16 or 18 or 20 at a time t, the FIFO memory remains empty at this point. This is the case in normal operation, where all numbers of the three sequences of numbers lie within the enveloping cuboid 120, 122.
  • the ten first weightings in the FIFO memory which belong to immediately successive time points, are respectively summed up to form a second weighting sum 40 and assigned a further predetermined limit value 42 (triggering threshold value). value) for which the numerical value 3 is specified here. If the evaluation unit 60 detects that the second weighting sum, that is to say the sum of the cues 38, exceeds the defined limit value 42, then it triggers a triggering 22 of the molded case circuit breaker by the electronic trip unit.
  • the first weighting numbers are selected in such a way that tripping is not possible merely by exceeding the limit value 20 of the second derivative.

Landscapes

  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Kurzschlusses, insbesondere zur Kurzschlussfrüherkennung, in einem elektrischen Stromnetz (4). Zur Verbesserung der Schaltzeit von Schutzgeräten wird vorgeschlagen, dass der Strom (i) sowie dessen erste und zweite zeitliche Ableitung jeweils zum gleichen Zeitpunkt (t) und zeitlich im gleichen Abstand (Δt) fortlaufend aufeinanderfolgend ermittelt und jeweils als digitale Zahlenfolge weiterverarbeitet werden, dass jeder Zahlenfolge ein vorgegebener Grenzwert (16, 18, 20) zugeordnet ist, dass die Zahlen der drei Zahlenfolgen mit dem jeweils zugeordneten Grenzwert (16, 18, 20) verglichen werden, dass jeder Zahl, die den zugeordneten Grenzwert (16, 18, 20) überschreitet, eine Wichtungszahl (30, 32, 34) zugeordnet wird, dass die Wichtungszahlen (30, 32, 34), die zum gleichen Zeitpunkt (t) gehören, jeweils zu einer ersten Wichtungssumme aufsummiert werden, dass jeweils für eine vorgegebene Anzahl von unmittelbar aufeinanderfolgenden Zeitpunkten (t) die ersten Wichtungssummen zu einer zweiten Wichtungssumme (40) aufsummiert werden, dass die zweite Wichtungssumme (40) mit einem weiteren vorgegebenen Grenzwert (42) verglichen wird und dass ein Kurzschluss als erkannt gilt, wenn die zweite Wichtungssumme (40) den vorgegebenen Grenzwert (42) überschreitet.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Kurzschlusserkennung in einem elektrischen Stromnetz
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kurzschlusserkennung, insbesondere zur Kurzschlussfrüherkennung, in elektrischen Stromnetzen.
Jedes elektrische Netz ist generell gegen Kurzschlüsse im Netz abzusichern. Im Bereich der privaten Hausinstallation sind hierzu Sicherungsautomaten vorgesehen. In der Industrie, insbesondere bei elektrischen Anlagen oder Maschinen, wird dies durch Schutzgeräte in Form von Leistungsschaltern er- reicht, welche über entsprechende Auslöseeinheiten im Kurzschlussfall geöffnet werden.
Derartige Schutzgeräte begrenzen im Kurzschlussfall zunächst den fließenden Strom, um sowohl die elektrischen Anlagen (Ka- bei, Stromschienen etc.) als auch die angeschlossenen Lasten (Maschinen etc.) zu schützen. Die Strombegrenzung bewirkt eine Herabsetzung der dynamischen (gegeben durch das Stromquadrat) und thermischen Belastungen (gegeben durch das Integral über das Stromquadrat) einer elektrischen Anlage im Kurzschlussfall. Die Belastung hängt von der Ansprechzeit des Schalters ab, die möglichst unter 0,5 ms liegen sollte. Die Ansprechzeit hängt insbesondere von der Zeit (Eigenzeit) ab, welche die elektronische Auswerteeinheit zum Erkennen eines Kurzschlusses benötigt.
Die Problematik langer Kurzschlusserkennungszeiten (viel größer als 100 μs) elektronischer Auslöseeinheiten ist insbesondere auch aus den Kennlinienfeldern der Leistungsschalter ersichtlich. Stellt man die Ausschaltkennlinien zweier Leis- tungsschalter mit identischem mechanischen Aufbau und unterschiedlichen Auslöseeinheiten (elektronisch und thermomagne- tisch) gegenüber, so ist insbesondere bei hohen Kurzschlussströmen eine deutlich höhere Ausschaltzeit des Leistungs- Schalters mit elektronischer Auslöseeinheit zu verzeichnen. Dies bringt aufgrund der längeren Einwirkdauer eine hohe Belastung der zu schützenden Anlage mit sich und wirkt sich durch die hohe im Schalter umgesetzte Energie auch negativ auf das Schaltvermögen der Leistungsschalter selbst aus.
Zum Erkennen eines Kurzschlusses wird bei vielen elektronischen Auslösern der Momentanwert des fließenden Stromes mit einem Schwellwert verglichen, was je nach Art des Kurzschlusses relativ lange dauern kann.
Zur Verringerung der Zeit bis zum Erkennen eines Kurzschlusses wurde bereits vorgeschlagen, als alternatives Kriterium die Steilheit der Stromkurve (erste zeitliche Ableitung des Stroms) zu berücksichtigen. Diese Art der Auslösung spricht nur auf die Steilheit der Stromkurve aber nicht auf die erreichte Stromstärke an. Dieses Kriterium wurde zunächst nur bei Gleichstromschnellschaltern zur Verkürzung der Ausschaltzeiten verwandt, da in Wechsel- bzw. Drehstromsystemen die Beziehung zwischen Stromanstiegsgeschwindigkeit, Kurzschluss- ström und Spannung abhängig vom Kurzschlusszeitpunkt und vom Leistungsfaktor des Netzes ist.
Die Kombination beider Kriterien, Momentanwert des Stromes und Stromsteilheit, wird in DE 36 42 136 C2 vorgeschlagen. In jeder Hauptstrombahn wird hierzu ein Sensor, z.B. Rogowski- Wandler, zur Bestimmung der Stromsteilheiten eingesetzt. Daran schließt sich eine Bildung von digitalen Wertepaaren aus Stromsteilheit und Momentanwert des Stromes an, welche mit vorgegebenen Schwellwerten verglichen werden. Dieser Ver- gleich wird vorzugsweise über ein Ortskurvenkriterium durchgeführt. Der Nachteil des in der DE 36 42 136 C2 beschriebenen Algorithmus ist, dass er eine Bewertung von Schaltvorgängen nur ohne Vorstrom ermöglicht. Dadurch können Veränderun- gen des Leistungsfaktors, z.B. durch Zu- bzw. Abschalten großer Maschinen oder sonstige Änderungen des Stromes, bereits zur Auslösung führen, obwohl diese noch im zulässigen Bereich liegen.
In der DE 015 88 096 A wird als Kriterium zur Kurzschlusserkennung die Summe aus erster und zweiter Ableitung des Stromes verwendet. Die zweite Ableitung wird dabei durch eine LC- Schaltung aus der ersten Ableitung des Stromes erzeugt, weshalb das Signal mit einem Ausgleichsglied behaftet ist. Zudem ist das Signal aufgrund der LC-Schaltung relativ leistungsschwach, was seine Auswertung erschwert. Zur Ermittlung des Ansprechwertes g und zur Bestimmung der Faktoren x und y werden in der DE 015 88 096 A keine Angaben gemacht.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verbesserung der Schaltzeit von Schutzgeräten anzugeben.
Die Aufgabe der Erfindung wird hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Lösung sieht vor, dass der Strom sowie dessen erste und zweite zeitliche Ableitung jeweils zum gleichen Zeitpunkt und zeitlich im gleichen Abstand fortlaufend aufeinanderfolgend ermittelt und jeweils als digitale Zahlenfolge weiterverar- beitet werden, dass jeder Zahlenfolge ein vorgegebener Grenzwert zugeordnet ist, dass die Zahlen der drei Zahlenfolgen mit dem jeweils zugeordneten Grenzwert verglichen werden, dass jeder Zahl, die den zugeordneten Grenzwert überschreitet, eine Wichtungszahl zugeordnet wird, dass die Wichtungs- zahlen, die zum gleichen Zeitpunkt gehören, jeweils zu einer ersten Wichtungssumme aufsummiert werden, dass jeweils für eine vorgegebene Anzahl von unmittelbar aufeinanderfolgenden Zeitpunkten die ersten Wichtungssummen zu einer zweiten Wich- tungssumme aufsummiert werden, dass die zweite Wichtungssumme mit einem weiteren vorgegebenen Grenzwert verglichen wird und dass ein Kurzschluss als erkannt gilt, wenn die zweite Wichtungssumme den vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht Kurzschlusserkennungszei- ten von kleiner 100 μs und verbessert so die strombegrenzenden Eigenschaften eines entsprechenden elektrischen Netzes deutlich.
Technisch einfach ist es, wenn die erste zeitliche Ableitung jeweils zum gleichen Zeitpunkt und zeitlich im gleichen Abstand fortlaufend aufeinanderfolgend ermittelt wird und wenn aus der ersten zeitlichen Ableitung der Strom durch Integration sowie dessen zweite zeitliche Ableitung durch Differentiation berechnet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 den zeitlichen Verlauf eines Kurzschlussstromes und dessen erster und zweiter Ableitung, Fig. 2 das Ersatzschaltbild eines elektrischen Stromnetzes in Form eines ohmsch-induktiven Kreises,
Fig. 3 eine normierte Darstellung der zweiten Ableitung des Stromes zum Einschaltzeitpunkt für das Stromnetz gemäß Fig. 2, Fig. 4,5 Ortskurven von Einschaltvorgängen von ohmsch-induktiven Kreisen bei unterschiedlichen Einschaltphasenwinkeln der Spannung, Fig. 6 einen dreidimensionalen Grenzquader, Fig. 7 eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur
Kurzschlusserkennung und
Fig. 8 ein AblaufSchema für die Anordnung gemäß Fig. 7.
Fig. 1 zeigt einen typischen zeitlichen Verlauf des Stromes 100 (i aufgetragen über der Zeit t: i (t) ) und dessen erster und zweiter zeitlicher Ableitung 102, 104 im Falle eines Kurzschlusses in einem elektrischen Stromnetz 4 (s. Fig. 7) . In Fig. 1 ist zu erkennen, dass die zweite zeitliche Ablei- tung 104 den beiden anderen Kurven 100, 102 zeitlich vorauseilt.
Fig. 2 zeigt das Ersatzschaltbild 2 des elektrischen Stromnetzes 4, das als ohmsch-induktiver Kreis angenähert ist, mit einem ohmschen Widerstand R, einer Reaktanz X und einem Kom- paktleistungsschalter, der mit einer nicht gezeigten elektronischen Auslöseeinheit versehen ist. Der Widerstand R und die Reaktanz X repräsentiert hierbei die zu schützende elektrische Anlage .
Aus dem Ersatzschaltbild 2 lässt sich bei einer Nennspannung (Effektivwert) UN und einem Phasenwinkel ψ der Spannung u als Funktion der Zeit t folgende Differentialgleichung für den Einschaltvorgang des einphasigen ohmsch-induktiven Kreises mit einer Frequenz ω ableiten:
u(t) = -J2 • UN • sin (ωt + ψ) = R • i + L — dt
Mit einer Phasenverschiebung φ = arctan— und einem Nennstrom
R (Effektivwert) IN wird der Einschaltstrom im Zeitbereich durch folgende Gleichung beschrieben: i(ψ, φ, t)/lN = Λ/2 • sin (ωt + ψ - φ) - sin (ψ - φ) • e
Nach zweimaligem Differenzieren ergibt sich für die zweite Ableitung des Stromes i:
d-
^rIW = -4Ϊ- sin (ωt + ψ - φ) H — • sin (ψ - φ)e dt tan φ
Fig. 3 zeigt eine auf O)2IN normierte Darstellung der zweiten
Ableitung 106 des Stromes zum Einschaltzeitpunkt des ohmsch- induktiven Kreises t = 0 mit jeweils einem unteren Leistungsfaktor cosφu = 0,1 und einem oberen Leistungsfaktor cosφo = 0,9 über verschiedene Phasenwinkel ψ.
Beispiele für Ortskurven 24 und 26 von Einschaltvorgängen in ohmsch-induktiven Kreisen mit unterschiedlichem Einschaltphasenwinkel ψ der Spannung u sind in Fig. 4 und Fig. 5 dargestellt (Ir ist dabei der Stromeinstellwert der stromabhängig verzögerten elektronischen Auslöseeinheit) .
Über theoretische Betrachtungen und einfache Simulationen lässt sich durch Überlagerung der Ortskurven innerhalb eines festgelegten Leistungsfaktor- und Schaltwinkelbereichs deren Einhüllende bestimmen. Anhand der Einhüllenden sind - wie nachfolgend gezeigt - Grenzwerte insbesondere für ohmsch- induktive Kreise ableitbar.
Zur Vereinfachung werden die Grenzwerte (hier des Ortskurven- Auslösekriteriums) nachfolgend durch einen einhüllenden Quader 120, 122 angenähert; im Folgenden wird dieses verein- fachte Auslösekriterium daher als Quader-Kriterium bezeichnet . Bei einem Einschaltphasenwinkel ψmax der Spannung u
Figure imgf000009_0001
beträgt der Maximalwert der zweiten Ableitung für cosφo = 0,9 zum Einschaltzeitpunkt t = 0
Figure imgf000009_0002
Mit diesem Maximalwert der zweiten Ableitung als Grenzwert (Auslösegrenzwert oder Auslöseschwellwert) werden die beiden anderen in Fig. 6 dargestellten Grenzwerte für das Quader- Kriterium festgelegt. Fig. 6 zeigt dabei lediglich die Beträge des Stroms i sowie die Beträge von dessen erster und zweiter Ableitung und somit auch nur ein achtel des Quaders 124 im dreidimensionalen (positiven und negativen) Raum.
Fig. 7 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum schnellen (frühzeitigen) Erkennen eines Kurzschlusses in einem elektrischen Stromnetz 4. Als Sensor dient vorzugsweise eine Rogowski-Spule 46. Ein nachgeschaltetes Eingangsfilter 56 verhindert Fehlauslösungen, hervorgerufen durch Harmonische im Stromsignal, was einen Einsatz insbesondere in industriellen Netzen mit von Um-/Wechsel- richtern gespeisten Lasten ermöglicht. Die so gefilterte erste Ableitung des Stroms i wird zur weiteren Verarbeitung von einem A/D-Wandler 44 digitalisiert, anschließend normiert (Normierer x/y) und über Rückwärtsdifferenzenbildung durch einen Differenzierer 50 differenziert Si(z) Si(z - 1)
S2Kt) St St
St' Δt
sowie durch einen Integrator 48 über eine Anwendung der Trapezregel integriert
3(f) = (b _ a)mf(a)±+ f*(BbL) « J f(x)dx
wobei die Integration hier den Strom i liefert.
Anschließend erfolgt die Auswertung in der zur Auslöseeinheit gehörenden Auswerteeinheit 60.
Fig. 8 zeigt ein AblaufSchema der Auswertung anhand des Stroms i sowie dessen erster und zweiter Ableitung nach der Zeit, die jeweils zum gleichen Zeitpunkt t und zeitlich im gleichen Abstand Δt unmittelbar aufeinanderfolgend ermittelt werden und hinter der A/D-Wandlung jeweils als digitale Zahlenfolgen vorliegen. Selbstverständlich kann die A/D- Wandlung und damit die Digitalisierung auch vor dem Ein- gangsfilter 56 oder nach der Normierung (Normierer x/y) erfolgen .
Da die Rogowski-Spule 46 bereits die erste Ableitung liefert, werden daraus - wie oben beschrieben - die zweite Ableitung durch numerische Differentiation und der Strom i durch numerische Integration gebildet, einmal mittels Nachfilterung (Tiefpassfilter 52) und einmal mittels Vorfilterung (Hochpassfilter 54) . Das Tiefpassfilter 52 bedämpft durch die Differentiation verstärkte hochfrequente Frequenzanteile. Das Hochpassfilter 54 kompensiert die bei numerischer Integration auftretenden Fehler durch Gleichglieder. Anschließend liegen die drei so bearbeiteten digitalen Zahlenfolgen an den Eingängen der Auswerteeinheit 60 an, welche deren Zahlen mit dem der Zahlenfolge zugeordneten Grenzwert (Auslösegrenzwert oder Auslöseschwellwert) 16, 18, 20 vergleicht. Jeder Zahlenfolge ist ein eigener Grenzwert 16, 18, 20 zugeordnet (16 für den Strom i, 18 für die erste Ableitung und 20 für die zweite Ableitung) .
Die Grenzwerte 16, 18, 20 sind die des oben beschriebenen Quader-Kriteriums des einhüllenden Quaders 120, 122 und werden (wie oben für den ohmsch-induktiver Kreis beschrieben) entsprechend berechnet.
Da elektrische Netze 4, insbesondere in der Niederspannungstechnik, sich nicht vollständig durch ein rein ohmsch- induktives Netz abbilden lassen, wird eine Anpassung über einen Ansprechwert 28 (nach Eingabe des Stromeinstellwerts Ir der stromabhängig verzögerten Auslöseeinheit und gegebenen- falls des Stromeinstellwerts Ii der unverzögerten Auslöseeinheit) vorgenommen (zur Anpassung insbesondere an Einschaltvorgänge von Maschinen, Transformatoren (Inrush-Ströme) und Leitungen sowie kapazitive Lasten, z.B. Kompensationsanlagen) . Für ohmsch-induktive Kreise entspricht dieser Ansprechwert 28 dem Zahlenwert 2. Für andere Verbraucher z. B. Maschinen mit hohen Einschaltströmen ist der Ansprechwert entsprechend zu wählen. Auf diese Weise ist das Verfahren daher neben dem gesamten Spektrum ohmsch-induktiver Netze auch an andere Netze anpassbar und ermöglicht somit einen erweiterten Einsatzbereich.
Überschreitet eine der Zahlen den zu dieser Zahlenfolge gehörenden Grenzwert 16 bzw. 18 oder 20, so bedeutet das, dass diese Zahl außerhalb des Quaders liegt und damit, dass ein Fehler in Form eines Kurzschlusses vorliegen könnte. Jeder dieser Zahlen, die den zugehörigen Grenzwert 16 bzw. Ii oder 20 überschreitet, wird eine Wichtungszahl 30, 32, 34 zugeordnet: die Wichtungszahl 1, wenn die Zahl der Zahlen- folge des Stroms i den Grenzwert 16 überschreitet, die
Wichtungszahl 0,5, wenn die Zahl der Zahlenfolge der ersten Ableitung den Grenzwert 18 überschreitet, und die Wichtungszahl 0,25, wenn die Zahl der Zahlenfolge der zweiten Ableitung den Grenzwert 20 überschreitet. Der Strom i erfährt die stärkste Wichtung, da dessen Wert ein vergleichsweise sicheres Kriterium für einen vorliegenden Kurzschluss ist. Die Wichtung erfolgt grundsätzlich als Funktion der Netzkonfiguration bzw. der zu schützenden Verbraucher und Betriebsmittel .
Die Wichtungszahlen 30, 32, 34, die zum gleichen Zeitpunkt gehören, werden jeweils zu einer ersten Wichtungssumme aufsummiert und zur Zwischenspeicherung in eine Queue 38 gegeben, die als FIFO-Speicher ausgebildet ist, der jeweils zehn erste Wichtungssummen aufnehmen kann. Diese ersten
Wichtungssummen werden nach jedem Zeitintervall Δt, also bei jedem Abtastzeitintervall des A/D-Wandlers um eine Stelle weiter durchgeschoben, so dass die älteste dieser ersten Wichtungssummen jeweils herausfällt. Überschreitet zu einem Zeitpunkt t keine Zahl den zugehörigen Grenzwert 16 bzw. 18 oder 20, so bleibt der FIFO-Speicher an dieser Stelle leer. Dies ist im Normalbetrieb der Fall, wo alle Zahlen der drei Zahlenfolgen innerhalb des einhüllenden Quaders 120, 122 liegen .
Die zehn ersten Wichtungssummen im FIFO-Speicher, die zu unmittelbar aufeinanderfolgenden Zeitpunkten gehören, werden jeweils zu einer zweiten Wichtungssumme 40 aufsummiert und mit einem weiteren vorgegebenen Grenzwert 42 (Auslöseschwel- wert) verglichen, für den hier der Zahlenwert 3 vorgegeben ist. Erkennt die Auswerteeinheit 60, dass die zweite Wichtungssumme, also die Summe der Queues 38, den festgelegten Grenzwert 42 überschreitet, dann veranlasst sie eine Auslösung 22 des Kompaktleistungsschalters durch die elektronische Auslöseeinheit.
Die ersten Wichtungszahlen sind derart gewählt, dass eine Auslösung allein durch eine Überschreitung des Grenzwertes 20 der zweiten Ableitung nicht möglich ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erkennen eines Kurzschlusses in einem elektrischen Stromnetz (4), bei dem der Strom (i) sowie dessen erste und zweite zeitliche Ableitung jeweils zum gleichen Zeitpunkt (t) und zeitlich im gleichen Abstand (Δt) fortlaufend aufeinanderfolgend ermittelt und jeweils als digitale Zahlenfolge weiterverarbeitet werden, bei dem jeder Zahlenfolge ein vorgegebener Grenzwert (16, 18, 20) zugeordnet ist, bei dem die Zahlen der drei Zahlenfolgen mit dem jeweils zugeordneten Grenzwert (16, 18, 20) verglichen werden, bei dem jeder Zahl, die den zugeordneten Grenzwert (16, 18, 20) überschreitet, eine Wichtungszahl (30, 32, 34) zugeordnet wird, bei dem die Wichtungszahlen (30, 32, 34), die zum gleichen Zeitpunkt (t) gehören, jeweils zu einer ersten Wichtungssumme aufsummiert werden, bei dem jeweils für eine vorgegebene Anzahl von unmittelbar aufeinanderfolgenden Zeitpunkten (t) die ersten Wichtungssummen zu einer zweiten Wichtungssumme (40) aufsummiert werden, bei dem die zweite Wichtungssumme (40) mit einem weiteren vorgegebenen Grenzwert (42) verglichen wird und bei dem ein Kurzschluss als erkannt gilt, wenn die zweite Wichtungssumme (40) den vorgegebenen Grenzwert (42) überschreitet .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste zeitliche Ableitung jeweils zum gleichen Zeitpunkt (t) und zeitlich im gleichen Abstand (Δt) fortlaufend aufeinanderfolgend ermittelt wird und dass aus der ersten zeitlichen Ableitung der Strom (i) durch Integration sowie dessen zweite zeitliche Ableitung durch Differentiation berechnet werden.
PCT/EP2008/063577 2007-10-30 2008-10-10 Verfahren zur kurzschlusserkennung in einem elektrischen stromnetz WO2009056432A1 (de)

Priority Applications (2)

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