WO2013014250A1 - Verfahren zum erkennen lichtbogenverursachter elektrischer wirkungen in einer elektrischen installationsanlage - Google Patents

Verfahren zum erkennen lichtbogenverursachter elektrischer wirkungen in einer elektrischen installationsanlage Download PDF

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WO2013014250A1
WO2013014250A1 PCT/EP2012/064734 EP2012064734W WO2013014250A1 WO 2013014250 A1 WO2013014250 A1 WO 2013014250A1 EP 2012064734 W EP2012064734 W EP 2012064734W WO 2013014250 A1 WO2013014250 A1 WO 2013014250A1
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arc
electrical
transformation
current
electrical installation
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PCT/EP2012/064734
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Inventor
Michael Koch
Original Assignee
Eaton Industries (Austria) Gmbh
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/12—Testing dielectric strength or breakdown voltage ; Testing or monitoring effectiveness or level of insulation, e.g. of a cable or of an apparatus, for example using partial discharge measurements; Electrostatic testing
    • G01R31/1227—Testing dielectric strength or breakdown voltage ; Testing or monitoring effectiveness or level of insulation, e.g. of a cable or of an apparatus, for example using partial discharge measurements; Electrostatic testing of components, parts or materials
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method for detecting arc-induced electrical effects in an electrical installation according to the preamble of claim 1.
  • Methods are known to search for electrical arcs occurring in electrical installation installations in order to shut off at least parts of the relevant installation installation in the event of an arc.
  • a current and / or voltage curve is usually recorded within the electrical installation system, subsequently certain unchangeable preselected portions of the current and / or voltage curve are compared with stored patterns.
  • the sole FIGURE shows a block diagram of a particularly preferred embodiment of an implementation of a method for protecting an electrical installation from arc-induced electrical effects, wherein at least one current and / or voltage characteristic is recorded in the electrical installation by and in a measured value acquisition unit (1) a method for detecting arc-induced electrical effects in an electrical installation installation is processed, wherein the measured value detection unit (1) outputs the recorded current and / or voltage waveform as a time-dependent signal to a transformation unit (3), wherein the current and / or voltage curve in the transformation unit (3) by means of a transformation method with variable window of the time domain in an image area, coefficients in the image area being determined as a result of the transformation process, wherein subsequently the coefficients in a rating unit (7) are evaluated at least indirectly to fulfillment of at least one predeterminable criterion, wherein, when the at least one criterion is met, the current and current / or voltage curve is shown as arc-induced, and where - if the current and / or voltage curve is identified as arc-ca
  • An electrical installation system is preferably any type of electrical circuit arrangement which is provided and / or designed for the provision and supply of electrical energy.
  • the term covers installation systems in the field of building services.
  • the invention relates to a method for detecting arc-induced electrical Effects in an electrical installation.
  • arc-induced electrical effects electrical processes are considered, which are directly or indirectly due to the occurrence of an arc, or caused by an arc. Therefore, an event or the measurable effects of an event within an electrical circuit arrangement or installation system causally attributable to one, in particular so-called. Dangerous, electric arc.
  • an arc is sometimes called “dangerous" if its power is sufficient to cause a fire in the vicinity of the arc in question
  • the cause of the fire may be a power loss of 60W at a point of failure, preferably taking into account the actual environment of the electrical installation and, for example in fire-sensitive environments, low-power arcing classified as dangerous arcs.
  • Arc-induced electrical effects within electrical installation systems manifest themselves, for example, as current and / or voltage profiles with broad frequency responses, which in addition to the line frequency have distinct high-frequency signal components.
  • broadband current and / or voltage curves occur at fault locations at which the alternating current signal falls aperiodically to zero.
  • At least one current and / or voltage waveform is recorded in the electrical installation system.
  • a current and / or voltage curve while the temporal course of the current and / or voltage is considered in at least one electrical line of the electrical installation system.
  • the current and / or voltage waveform is recorded broadband.
  • the upper limit frequency is preferably about 20 MHz. Whereby larger bandwidths and higher upper limit frequencies can be provided.
  • at least one current sensor and / or a voltage sensor are arranged, which are designed to a temporal course of the current in the electrical lines and / or the voltage between the lines as a time-dependent signal and output, the output can be done both analog, and in value and / or time-discrete, in particular digital, form.
  • the current and / or voltage profile is converted by means of a transformation method from the time domain into an image area.
  • the current and / or voltage curve is recorded as a function of time, and is therefore present in the time domain.
  • it is provided to transform the at least one recorded current and / or voltage profile from just this time domain into an image area.
  • the image area or its properties are determined by the nature of the chosen transformation process.
  • the image area may be, for example, a complex number plane or a multidimensional vector space.
  • a transformation method with a variable window is used.
  • a window function is particularly referred to as a window, which in a simple case specifies approximately an integration interval.
  • the term "variable” preferably refers to different or variable window functions and / or window sizes, in the sense of a temporal length.
  • variable window transformation method a wavelet transformation or a Gabor transformation or a Wigner transformation is used as the variable window transformation method. This achieves both good time resolution and good frequency resolution.
  • transformation methods are already easy to implement today, and allow particularly advantageous evaluations or analyzes with regard to the detection of arc-induced effects.
  • coefficients in the image area are determined from the current and / or voltage profile occurring in the time domain. In particular, a coefficient set is determined.
  • the respective coefficients are subsequently at least indirectly related to the fulfillment rated at least one predetermined criterion.
  • at least one qualitative assignment of the examined electrical effect with respect to "arc-induced” or “non-arc-induced” occurs. If the effect is designated as “arc-induced”, it is further preferred that a further quantitative assignment be made as to whether the effect caused is a "dangerous” effect or a “non-hazardous” effect a criterion will be discussed later.
  • the coefficients are weighted with the weighting function.
  • the weighting function in particular their choice or specification, the further signal analysis and / or evaluation can be favorably influenced.
  • areas or parts of the coefficients in the image area can be taken into account more than other areas or parts of the coefficients.
  • an adaptation of the objective method to properties or peculiarities of the electrical installation installation to be monitored can take place via the specification of the weighting function.
  • certain critical consumers such as an electric motor with collector brushes, can be taken into account by attenuating their characteristic interference components by the weighting function, and are only slightly or not evaluated in the further analysis.
  • a weighting function is specified.
  • provision may be made, for example, for selecting a weighting function from a weighting function library, for example due to specific, known characteristics of the electrical installation installation to be monitored, such as the number of electrical branches, the length of the electrical conductors, the type of consumers connected, etc. may be provided to provide a preselected selection of weighting functions for certain frequent and / or similar use environments, such as residential weighting functions, each with different weighting functions for particular types of businesses, such as offices, carpenters, bakers, locksmiths.
  • the selection can be about by a person skilled in the installation of a suitably designed arc sensor.
  • a weighting function provided for a specific electrical installation directly by tests in the relevant electrical installation.
  • Such a weighting function is particularly well adapted to the properties or characteristics of the relevant electrical installation.
  • it is preferably provided to evaluate the determined and weighted coefficients in a vector space.
  • a vector space is selected from a predeterminable number of vector spaces. It is preferably provided that the vector space is selected as a function of the intended transformation method. For example, a specific vector space is selected for a given transformation process.
  • the vector space is selected as the Hilbert space.
  • the Hilbert space is a complete, linear, normalized vector space with a scalar product.
  • the use of the Hilbert space has proven to be advantageous, since this allows a particularly simple and meaningful evaluation of the coefficients.
  • a wavelet transformation is provided as the transformation method, and that a Hilbert space is provided as the vector space.
  • a standard is selected from a predefinable number of standards. It is a norm in the mathematical sense.
  • the application of a standard allows a quantitative assignment of the coefficients determined.
  • a certain standard for a particular Formation of the subject method is selected, and then remains unchanged in the further implementation of the process in question, however, an adjustment or modification of the relevant standard, such as in the course of an upgrade may be provided.
  • At least one value is determined from the coefficients according to the standard.
  • the thus determined at least one value in particular a pair of values, now has the advantage of being able to be compared in the relevant selected vector space with a criterion, for example in the form of a different criterion value pairing, since the determined value has a comparable significance.
  • the determined value can also be represented by a set of values, with a predeterminable number of elements.
  • the value in the vector space is compared with a predeterminable limit value, whereby an assignment of the originally recorded current and / or voltage profile to at least one cause class is made possible.
  • the predefinable limit thereby forms the criterion.
  • the predefinable limit value may be a few values, but it is preferably provided that the at least one is a limit value pairing. It can be provided that the at least one limit value is determined empirically. It can also be provided that the limit value is formed as an interface of a "region" or an "environment" in the vector space, and it is checked whether the normalized and weighted coefficients lie inside or outside the relevant "region” or the " Environment "are located.
  • arc-induced When the limit value is exceeded by the value which was determined from the current and / or voltage curve, it is provided that this is designated as arc-induced, whereby a clear distinction is made, which can optionally serve as a basis for protective measures.
  • the above-described method for detecting arc-induced electrical effects in an electrical installation system has the particular advantage that it dispenses with a preselection of certain frequency ranges to be analyzed, and instead evaluates the entire current and / or voltage profile. As a result, arc-induced electrical effects can be detected with high reliability, and false triggering can be reduced.
  • the present method for detecting arc-induced electrical effects in an electrical installation installation in an arc sensor to implement.
  • the arc sensor prefferably has at least one measured value detection unit 1 comprising at least one current sensor and / or at least one voltage sensor, and furthermore a microprocessor, microcontroller, digital signal processor, FPGA and / or other ASIC on which the present method is implemented is.
  • the arc sensor preferably has input and / or output means, for example in the form of electrical interfaces, and in particular at least one display means.
  • the corresponding arc protection switch 10 has an arc sensor according to the preceding preferred embodiment, as well as switching contacts 12, to enable a shutdown of at least a portion of the electrical installation system.
  • the respective switch contacts 12 are preferably at least indirectly operatively connected to the arc sensor.
  • the single FIGURE shows a preferred embodiment of an arc protection switch 10, on which a preferred variant of the subject method is implemented, and which will be described below.
  • the arc protection switch 10 is arranged in terms of circuitry in the electrical installation system to be monitored, and preferably has connection terminals. The entirety of the electrical lines is shown in the figure by a single line 11.
  • the arc protection switch 10 has a Meßwerter conductedsemheit 1, which has a current sensor which is approximately comprising a shunt resistor or a magnetic circuit is formed, and which receives a temporal current profile.
  • Downstream of the measured value detection unit 1 is an A / D converter 2, which converts a current waveform recorded in analogy into the value- and time-discrete form.
  • an anti-aliasing filter, as well as optionally an amplifier unit are provided in the area of the A / D converter 2.
  • further modules can be provided for signal processing.
  • a microcontroller 9 Downstream of the A / D converter 2, according to the illustrated preferred embodiment, a microcontroller 9 is provided, in which further assemblies are shown or implemented as functional units. It should be noted that an independent and hardware separate training of the individual units or components may be provided.
  • the storage and / or input unit 4 has a memory or an input device for a weighting function.
  • the transformation unit 3 and the weighting unit 4 are functionally connected to the weighting unit 5, in which the weighting of the coefficients determined in the transformation unit 3 takes place with the weighting function in accordance with the memory and / or input unit 4:
  • weighted coefficients are subsequently transmitted to the normalization unit 6, in which the normalization of the weighted coefficients takes place: a, b), X (a, b, t)) where ke R, ⁇ e Q
  • evaluation unit 7 initiates an opening of switching contacts 12 and consequently a disconnection from the supply network. If, therefore, u (x) assumes the value one, a switch-off occurs; if the value is zero, the switch contacts 12 remain closed.
  • the evaluation unit 7 is electrically and / or mechanically operatively connected to the trigger 8, which is capable of acting on the at least one switching contact 12. If the evaluation unit 7 causes the opening of the switching contact 12, this sends a corresponding trigger signal to the trigger, which then acts on switch contacts 12 to cause an opening thereof.
  • 12 conventional components such as a switch lock are preferably provided between the trigger 8 and the switch contacts.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Erkennen lichtbogenverursachter elektrischer Wirkungen in einer elektrischen Installationsanlage ist vorgesehen, dass durch eine Messwerterfassungseinheit (1) wenigstens einen Strom-und/oder Spannungsverlauf in der elektrischen Installationsanlage aufgenommen wird und als zeitabhängiges Signal an eine Transformationseinheit (3) ausgegeben wird, dass der Strom-und/oder Spannungsverlauf in der Transformationseinheit (3) mittels eines Transformationsverfahrens mit variablem Fenster vom Zeitbereich in einen Bildbereich überführt wird, wobei als Ergebnis des Transformationsverfahrens Koeffizienten im Bildbereich ermittelt werden, dass nachfolgend die Koeffizienten in einer Bewertungseinheit (7) wenigstens mittelbar auf das Erfüllen wenigstens eines vorgebbaren Kriteriums bewertet werden, und dass bei Erfüllen des wenigstens einen Kriteriums der Strom-und/oder Spannungsverlauf als lichtbogenverursacht ausgewiesen wird.

Description

VERFAHREN ZUM ERKENNEN LICHTBOGENVERURSACHTER
ELEKTRISCHER WIRKUNGEN IN EINER ELEKTRISCHEN INSTALLATIONSANLAGE
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen lichtbogenverursachter elektrischer Wirkungen in einer elektrischen Installationsanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Es sind Verfahren bekannt, um in elektrischen Installationsanlagen nach auftretenden Lichtbögen zu suchen, um im Falle eines Lichtbogens wenigstens Teile der betreffenden Installationsanlage abzuschalten. Dabei wird in der Regel ein Strom- und/oder Spannungsverlauf innerhalb der elektrischen Installationsanlage aufgenommen, nachfolgend werden bestimmte unveränderbar vorausgewählte Teilbereiche des Strom- und/oder Spannungsverlaufs mit gespeicherten Mustern verglichen. Es wird bei derartigen Verfahren davon ausgegangen, dass die durch einen Lichtbogen verursachten Wirkungen in bestimmten engen Frequenzbändern„Ähnlichkeiten" zueinander aufweisen, und es wird versucht einen Lichtbogen durch Vergleich der aufgenommenen Strom- und/oder Spannungsverläufe mit einer oder zwei Mustersequenzen in diesen vorausgewählten Frequenzbändern zu erkennen. Diese bekannten Verfahren weisen allerdings den Nachteil auf, dass damit kaum lichtbogenverursachte Ereignisse richtig zugeordnet werden können, da es sich gezeigt hat, dass die Unterschiede zwischen verschiedenen auftretenden Lichtbögen deutlich größer sind, als bislang angenommen. Dadurch neigen derartige bekannte Verfahren zu Fehlzuordnungen, und verursachen Fehlauslösungen. Dadurch wird die Sicherheit in elektrischen Anlagen durch derartige bekannte Verfahren nicht erhöht. Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem die genannten Nachteile vermieden werden können, und mit welchem sowohl eine hohe Netzverfügbarkeit als auch eine hohe Sicherheit gegen die Wirkungen auftretender Lichtbögen gegeben ist. Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des Patentanspruches 1 erreicht.
Dadurch kann eine hohe Netzverfügbarkeit und eine hohe Sicherheit gegen die Wirkungen auftretender Lichtbögen erreicht werden. Dadurch können in der elektrischen Installationsanordnung auftretende Lichtbögen sicher erkannt werden, und von anderen elektrischen Ereignissen unterschieden werden. Dabei kann insbesondere sowohl eine hohe Zeit- als auch Frequenzauflösung bei der Analyse der Strom- und/oder Spannungsverläufen erzielt werden. Dadurch können die messbaren Wirkungen auftretender elektrischer Ereignisse besonders gut hinsichtlich deren Ursache als Lichtbogenereignis bewertet bzw. erkannt werden. Es hat sich gezeigt, dass die Unterschiede der Wirkungen unterschiedlicher Lichtbögen erheblicher sind, als bislang vermutet, und es nur bedingt möglich ist, ein bestimmtes Frequenzband bzw. einen bestimmten Frequenzgang zu ermitteln, welche besonders signifikant sind, für das ursächliche Zuordnen einer elektrischen Wirkung zu einem Lichtbogen. Durch die nicht ausschließliche Beschränkung auf lediglich einen geringen Teil der Strom- und/oder Spannungsverläufe, werden Wirkungen in mehreren unterschiedlichen Bereichen des Strom- und/oder Spannungsverlaufs für die Bewertung herangezogen.
Die Unteransprüche betreffen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. Ausdrücklich wird hiermit auf den Wortlaut der Ansprüche Bezug genommen, wodurch die Ansprüche an dieser Stelle durch Bezugnahme in die Beschreibung eingefügt sind und als wörtlich wiedergegeben gelten.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigeschlossene Zeichnung, in welcher lediglich eine bevorzugte Ausführungsform beispielhaft dargestellt ist, näher beschrieben. Dabei zeigt die einzige Figur ein Blockschaltbild einer besonders bevorzugten Ausführungsform einer bevorzugten Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild einer besonders bevorzugten Ausführungsform einer Implementierung eines Verfahrens zum Schutz einer elektrischen Installationsanlage vor lichtbogenverursachten elektrischen Wirkungen, wobei durch eine bzw. in einer Messwerterfassungseinheit (1) wenigstens ein Strom- und/oder Spannungsverlauf in der elektrischen Installationsanlage aufgenommen und gemäß einem Verfahren zum Erkennen lichtbogenverursachter elektrischer Wirkungen in einer elektrischen Installationsanlage bearbeitet wird, wobei die Messwerterfassungseinheit (1) den aufgenommenen Strom- und/oder Spannungsverlauf als zeitabhängiges Signal an eine Transformationseinheit (3) ausgibt, wobei der Strom- und/oder Spannungsverlauf in der Transformationseinheit (3) mittels eines Transformationsverfahrens mit variablem Fenster vom Zeitbereich in einen Bildbereich überführt wird, wobei als Ergebnis des Transformationsverfahrens Koeffizienten im Bildbereich ermittelt werden, wobei nachfolgend die Koeffizienten in einer Bewertungseinheit (7) wenigstens mittelbar auf das Erfüllen wenigstens eines vorgebbaren Kriteriums bewertet werden, wobei bei Erfüllen des wenigstens einen Kriteriums der Strom- und/oder Spannungsverlauf als lichtbogenverursacht ausgewiesen wird, und wobei - sofern der Strom- und/oder Spannungsverlauf als lichtbogenverursacht ausgewiesen wird - wenigstens ein Teil der elektrischen Installationsanlage von einem Energieversorgungsnetz getrennt wird.
Dadurch kann eine hohe Netzverfügbarkeit und eine hohe Sicherheit gegen die Wirkungen auftretender Lichtbögen erreicht werden. Dadurch können in der elektrischen Installationsanordnung auftretende Lichtbögen sicher erkannt werden, und von anderen elektrischen Ereignissen unterschieden werden. Dabei kann insbesondere sowohl eine hohe Zeit- als auch Frequenzauflösung bei der Analyse der Strom- und/oder Spannungsverläufen erzielt werden. Dadurch können die messbaren Wirkungen auftretender elektrischer Ereignisse besonders gut hinsichtlich deren Ursache als Lichtbogenereignis bewertet bzw. erkannt werden. Es hat sich gezeigt, dass die Unterschiede der Wirkungen unterschiedlicher Lichtbögen erheblicher sind, als bislang vermutet, und es nur bedingt möglich ist, ein bestimmtes Frequenzband bzw. einen bestimmten Frequenzgang zu ermitteln, welche besonders signifikant sind, für das ursächliche Zuordnen einer elektrischen Wirkung zu einem Lichtbogen. Durch die nicht ausschließliche Beschränkung auf lediglich einen geringen Teil der Strom- und/oder Spannungsverläufe, werden Wirkungen in mehreren unterschiedlichen Bereichen des Strom- und/oder Spannungsverlaufs für die Bewertung herangezogen.
Bei einer elektrischen Installationsanlage handelt es sich bevorzugt um jede Art einer elektrischen Schaltungsanordnung, welche zur Bereitstellung und Versorgung mit elektrischer Energie vorgesehen und/oder ausgebildet ist. Insbesondere umfasst der Begriff Installationsanlagen im Bereich der Haustechnik.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen lichtbogenverursachter elektrischer Wirkungen in einer elektrischen Installationsanlage. Als lichtbogenverursachte elektrische Wirkungen werden elektrische Vorgänge angesehen, welche unmittelbar oder mittelbar auf das Auftreten eines Lichtbogens zurückzuführen sind, bzw. durch einen Lichtbogen verursacht wurden. Daher ein Ereignis bzw. die messbaren Wirkungen eines Ereignisses innerhalb einer elektrischen Schaltungsanordnung bzw. Installationsanlage ursächlich einem, insbesondere sog. gefährlichen, Lichtbogen zuzuordnen. Als„gefährlich" wird ein Lichtbogen etwa bezeichnet, wenn dessen Leistung ausreichend ist in der Umgebung des betreffenden Lichtbogens einen Brand zu verursachen. Die Einteilung in gefährliche und ungefährliche Lichtbögen ist daher möglicherweise neben der Leistung des Lichtbogens, auch von der jeweiligen Umgebung, und der Brennbarkeit bzw. Entzündbarkeit der Gegenstände in der jeweiligen Umgebung abhängig. Als brandverursachend wird etwa eine Verlustleistung von 60W an einer Fehlerstelle angegeben. Bevorzugt ist dabei vorgesehen, die jeweilige tatsächliche Umgebung der elektrischen Installationsanlage zu berücksichtigen, und etwa in feuerempfindlichen Umgebungen bereits Lichtbögen mit geringeren Leistungen als gefährliche Lichtbögen einzustufen.
Lichtbogenverursachte elektrische Wirkungen innerhalb elektrischer Installationsanlagen äußern sich etwa als Strom- und/oder Spannungsverläufe mit breiten Frequenzgängen, welche neben der Netzfrequenz deutliche hochfrequente Signalanteile aufweisen. Insbesondere entstehen derartige breitbandige Strom- und/oder Spannungsverläufe an Fehlerstellen, an welchen das Wechselstromsignal aperiodisch auf Null fällt.
Beim gegenständlichen Verfahren ist vorgesehen, dass wenigstens ein Strom- und/oder Spannungsverlauf in der elektrischen Installationsanlage aufgenommen wird. Als Strom- und/oder Spannungsverlauf wird dabei der zeitliche Verlauf des Stroms und/oder der Spannung in wenigstens einer elektrischen Leitung der elektrischen Installationsanlage betrachtet.
Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass der Strom- und/oder Spannungsverlauf breitbandig aufgenommen wird. Die obere Grenzfrequenz beträgt dabei bevorzugt etwa 20 MHz. Wobei auch größere Bandbreiten und höhere obere Grenzfrequenzen vorgesehen sein können. Bevorzugt ist vorgesehen, dass in einer Messwerterfassungseinheit 1 wenigstens ein Stromsensor und/oder ein Spannungssensor angeordnet sind, welche dazu ausgebildet sind, einen zeitlichen Verlauf des Stromes in den elektrischen Leitungen und/oder die Spannung zwischen den Leitungen als zeitabhängiges Signal aufzunehmen und auszugeben, wobei die Ausgabe sowohl analog, als auch in wert- und/oder zeitdiskreter, insbesondere digitaler, Form erfolgen kann. Gemäß dem Verfahren zum Erkennen lichtbogenverursachter elektrischer Wirkungen in einer elektrischen Installationsanlage ist vorgesehen, dass der Strom- und/oder Spannungsverlauf mittels einem Transformationsverfahren vom Zeitbereich in einen Bildbereich überführt wird. Der Strom- und/oder Spannungsverlauf wird als Funktion der Zeit aufgenommen, und liegt folglich im Zeitbereich vor. Für weitere Möglichkeiten der Signalanalyse ist vorgesehen den wenigstens einen aufgenommenen Strom- und/oder Spannungsverlauf von eben diesem Zeitbereich in einen Bildbereich zu transformieren. Der Bildbereich bzw. dessen Eigenschaften werden dabei durch die Art des gewählten Transformationsverfahrens bestimmt. Beim Bildbereich kann es sich etwa um eine komplexe Zahlenebene oder einen mehrdimensionalen Vektorraum handeln.
Beim gegenständlichen Verfahren ist vorgesehen, dass ein Transformationsverfahren mit variablem Fenster Verwendung findet. Als Fenster wird dabei insbesondere eine Fensterfunktion bezeichnet, welche in einem einfachen Fall etwa ein Integrationsintervall vorgibt. Die Bezeichnung„variabel" bezieht sich dabei bevorzugt auf unterschiedliche bzw. variable Fensterfunktionen und/oder Fenstergrößen, im Sinn einer zeitlichen Länge.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des gegenständlichen Verfahrens ist vorgesehen, dass als Transformationsverfahren mit variablem Fenster eine Wavelet-Transformation oder eine Gabor-Transformation oder eine Wigner-Transformation angewendet wird. Dadurch wird sowohl eine gute Zeitauflösung als auch eine gute Frequenzauflösung erzielt. Zudem sind derartige Transformationsverfahren heute bereits gut implementierbar, und erlauben besonders vorteilhafte Bewertungen bzw. Analysen im Hinblick auf das Erkennen lichtbogenverursachter Wirkungen. Bei Durchführung besagter Transformation mit variablem Fenster werden aus dem - im Zeitbereich auftretenden - Strom- und/oder Spannungsverlauf Koeffizienten im Bildbereich ermittelt. Insbesondere wird eine Koeffizientenmenge ermittelt.
Die betreffenden Koeffizienten werden nachfolgend wenigstens mittelbar auf das Erfüllen wenigstens eines vorgebbaren Kriteriums bewertet. Durch das Erfüllen des wenigstens einen Kriteriums erfolgt wenigstens eine qualitative Zuordnung der untersuchten elektrischen Wirkung im Hinblick auf„lichtbogenverursacht" oder„nicht-lichtbogenverursacht". Sofern die Wirkung als„lichtbogenverursacht" ausgewiesen wird, ist bevorzugt weiters vorgesehen, dass eine weitere quantitative Zuordnung dahin gehend erfolgt, ob es sich bei der verursachten Wirkung um eine„gefährliche" Wirkung oder eine„ungefährliche" Wirkung handelt. Auf bevorzugte Ausbildungen des wenigstens einen Kriteriums wird an späterer Stelle eingegangen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des gegenständlichen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Koeffizienten mit der Gewichtungsfunktion gewichtet werden. Durch die Gewichtungsfunktion, insbesondere deren Wahl bzw. Vorgabe, kann die weitere Signalanalyse und/oder -bewertung vorteilhaft beeinflusst werden. Dadurch können etwa Bereiche bzw. Teile der Koeffizienten im Bildbereich mehr berücksichtigt werden, als andere Bereiche bzw. Teile der Koeffizienten. Dadurch kann über die Vorgabe der Gewichtungsfunktion eine Anpassung des gegenständlichen Verfahrens an Eigenschaften bzw. Eigenarten der zu überwachenden elektrischen Installationsanlage erfolgen. Dadurch können etwa bestimmte kritische Verbraucher, wie etwa ein Elektromotor mit Kollektorbürsten, berücksichtigt werden, indem deren charakteristische Störkomponenten durch die Gewichtungsfunktion gedämpft werden, und in der weiteren Analyse nur gering bzw. nicht bewertet werden.
Es ist daher in diesem Zusammenhang bevorzugt vorgesehen, dass eine Gewichtungsfunktion vorgegeben wird. Dabei kann etwa vorgesehen sein, eine Gewichtungsfunktion aus einer Gewichtungsfunktion-Bibliothek auszuwählen, etwa aufgrund bestimmter, bekannter Eigenschaften der zu überwachenden elektrischen Installationsanlage, wie etwa der Anzahl elektrischer Abzweigungen, der Länge der elektrischen Leiter, der Art der angeschlossenen Verbraucher usw.. Weiters kann etwa vorgesehen sein, eine vorgebbare Auswahl an Gewichtungsfunktionen für bestimmte häufige und/oder ähnliche Einsatzumgebungen vorzusehen, etwa Gewichtungsfunktionen für Wohnungen bzw. Wohnhäuser, jeweils unterschiedliche Gewichtungsfunktionen für bestimmte Arten von Gewerbebetrieben, wie etwa für Büros, Tischler, Bäcker, Schlosser. Durch die Vorgabe der Einsatzumgebung kann bereits auf die zu erwartenden Verbraucher geschlossen werden, und es wird eine schnelle Konfiguration des gegenständlichen Verfahrens unterstützt. Die Auswahl kann dabei etwa durch einen Fachmann bei der Installation eines entsprechend ausgebildeten Lichtbogensensors erfolgen.
Weiters ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, eine für eine bestimmte elektrischen Installationsanlage vorgesehene Gewichtungsfunktion unmittelbar durch Tests in der betreffenden elektrischen Installationsanlage zu ermitteln. Eine derartige Gewichtungsfunktion ist besonders gut an die Eigenschaften bzw. Eigenarten der betreffenden elektrischen Installationsanlage angepasst. In weiterer Folge ist bevorzugt vorgesehen, die ermittelten und gewichteten Koeffizienten in einem Vektorraum zu bewerten.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des gegenständlichen Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Vektorraum aus einer vorgebbaren Anzahl an Vektorräumen ausgewählt wird. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Vektorraum in Abhängigkeit des vorgesehenen Transformationsverfahrens gewählt wird. Etwa, dass zu einem bestimmten Transformationsverfahren ein bestimmter Vektorraum ausgewählt wird.
Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, dass der Vektorraum als Hilbertraum ausgewählt wird. Der Hilbertraum ist ein vollständiger, linearer, normierter Vektorraum mit einem Skalarprodukt. Die Verwendung des Hilbertraums hat sich als vorteilhaft gezeigt, da dieser eine besonders einfache und aussagekräftige Bewertung der Koeffizienten ermöglicht.
Gemäß einer besonders bevorzugten und weiters noch im Detail besprochenen Ausführungsform des gegenständlichen Verfahrens ist vorgesehen, dass als Transformationsverfahren eine Wavelet-Transformation vorgesehen ist, und dass als Vektorraum ein Hilbertraum vorgesehen ist.
Für die Bewertung der gewichteten Koeffizienten in dem ausgewählten Vektorraum hat sich die Anwendung einer Norm als zweckmäßig gezeigt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist daher vorgesehen, dass eine Norm aus einer vorgebbaren Anzahl an Normen ausgewählt wird. Dabei handelt es sich um eine Norm im mathematischen Sinn. Die Anwendung einer Norm ermöglicht eine quantitative Zuordnung der ermittelten Koeffizienten. Insbesondere ist vorgesehen, dass eine bestimmte Norm für eine bestimmte Ausbildung des gegenständlichen Verfahrens ausgewählt wird, und anschließend bei der weiteren Durchführung des betreffenden Verfahrens unverändert bleibt, wobei jedoch eine Anpassung bzw. Veränderung der betreffenden Norm, etwa im Zuge eines Upgrades, vorgesehen sein kann.
In Weiterbildung des gegenständlichen Verfahrens ist bevorzugt vorgesehen, dass aus den Koeffizienten gemäß der Norm wenigstens ein Wert ermittelt wird. Der derart ermittelte wenigstens eine Wert, insbesondere eine Wertpaarung, weist nunmehr den Vorteil auf, in dem betreffenden gewählten Vektorraum mit einem Kriterium, etwa in Form einer anderen Kriteriumwertepaarung, verglichen werden zu können, da der betreffende ermittelte Wert eine vergleichbare Aussagekraft aufweist. Der betreffende ermittelte Wert kann insbesondere auch eine Wertemenge, mit einer vorgebbaren Anzahl an Elementen, dargestellt werden.
Daher ist in bevorzugter Weiterbildung des gegenständlichen Verfahrens weiters vorgesehen, dass der Wert im Vektorraum mit einem vorgebbaren Grenzwert verglichen wird, wodurch eine Zuordnung des ursprünglich aufgenommenen Strom- und/oder Spannungsverlaufs zu wenigstens einer Ursachenklasse ermöglicht wird. Der vorgebbare Grenzwert bildet dabei das Kriterium. Bei dem vorgebbaren Grenzwert kann es sich um einen einigen Wert handeln, bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass es sich bei dem wenigstens einen um eine Grenzwertepaarung handelt. Dabei kann vorgesehen sein, dass der wenigstens eine Grenzwert empirisch ermittelt wird. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Grenzwert als Grenzfläche einer„Bereichs" bzw. einer„Umgebung" in dem Vektorraum ausgebildet ist, und geprüft wird, ob sich die normierten und gewichteten Koeffizienten innerhalb oder außerhalb des betreffenden„Bereichs" bzw. der„Umgebung" befinden.
Es hat sich insbesondere die Wahl des Vektorraums als Hilbertraum als vorteilhaft erwiesen, da in diesem eine Winkelmessung zwischen unterschiedlichen Funktionen möglich ist. Dadurch steht ein aussagekräftiger Vergleichswert für die scheinbare Übereinstimmung bzw. Ähnlichkeit zweier Funktionen zur Verfügung.
Bei Überschreiten des Grenzwertes durch den Wert, welcher aus dem Strom- und/oder Spannungsverlauf ermittelt wurde, ist vorgesehen, dass dieser als lichtbogenverursacht ausgewiesen wird, wodurch eine klare Unterscheidung getroffen wird, welche gegebenenfalls als Basis für Schutzmaßnahmen dienen kann. Das vorstehend beschriebene Verfahren zum Erkennen lichtbogenverursachter elektrischer Wirkungen in einer elektrischen Installationsanlage weist insbesondere den Vorteil auf, dass dabei auf eine Vorauswahl bestimmter zu analysierender Frequenzbereiche verzichtet wird, und stattdessen eine Bewertung des gesamten Strom- und/oder Spannungsverlaufs erfolgt. Dadurch können lichtbogenverursachte elektrische Wirkungen mit hoher Sicherheit erkannt werden, und Fehlauslösungen vermindert werden.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass gegenständliche Verfahren zum Erkennen lichtbogenverursachter elektrischer Wirkungen in einer elektrischen Installationsanlage in einem Lichtbogensensor zu implementieren. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass der Lichtbogensensor wenigstens eine Messwerterfassungsemheit 1 , umfassend wenigstens einen Stromsensor und/oder wenigstens einen Spannungssensor, aufweist, sowie weiters einen Mikroprozessor, Mikrokontroller, digitalen Signalprozessor, FPGA und/oder anderen ASIC aufweist, auf welchem das gegenständliche Verfahren implementiert ist. Weiters weist der Lichtbogensensor bevorzugt Ein- und/oder Ausgabemittel,etwa in Form elektrischer Schnittstellen, sowie insbesondere wenigstens ein Anzeigemittel auf.
Weiters ist bevorzugt vorgesehen, dass gegenständliche Verfahren zum Schutz einer elektrischen Installationsanlage vor lichtbogenverursachten elektrischen Wirkungen in einem Lichtbogenschutzschalter 10 zu implementieren. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass der entsprechende Lichtbogenschutzschalter 10 einen Lichtbogensensor gemäß der vorstehenden bevorzugten Ausführung aufweist, sowie weiters Schaltkontakte 12, um ein Abschalten wenigstens eines Teiles der elektrischen Installationsanlage zu ermöglichen. Die betreffenden Schaltkontakte 12 sind bevorzugt wenigstens mittelbar mit dem Lichtbogensensor wirkverbunden.
Die einzige Figur zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Lichtbogenschutzschalters 10, auf welchem eine bevorzugte Variante des gegenständlichen Verfahrens implementiert ist, und welcher nachfolgend beschrieben wird.
Der Lichtbogenschutzschalter 10 ist schaltungstechnisch in der zu überwachenden elektrischen Installationsanlage angeordnet, und weist bevorzugt Anschlussklemmen auf. Die Gesamtheit der elektrischen Leitungen ist in der Figur durch eine einzige Linie 11 dargestellt. Der Lichtbogenschutzschalter 10 weist eine Messwerterfassungsemheit 1 auf, welche einen Stromsensor aufweist, welcher etwa umfassend einen Shuntwiderstand oder einen magnetischen Kreis ausgebildet ist, und welcher einen zeitlichen Stromverlauf aufnimmt. Der Messwerterfassungsemheit 1 nachgeschaltet ist ein A/D-Wandler 2, welcher einen analog aufgenommenen Stromverlauf in die wert- und zeitdiskrete Form überführt. Im Bereich des A/D-Wandlers 2 sind weiters ein Anti-Aliasing-Filter, sowie gegebenenfalls eine Verstärkereinheit vorgesehen. Dabei können weitere Baugruppen zur Signalaufbereitung vorgesehen sein.
Dem A/D-Wandler 2 nachgeschaltet ist gemäß der dargestellten bevorzugten Ausführungsform ein Mikrokontroller 9 vorgesehen, in welchem weitere Baugruppen als funktionale Einheiten dargestellt bzw. implementiert sind. Dabei sein darauf hingewiesen, dass eine unabhängige und hardwaremäßig getrennte Ausbildung der einzelnen Einheiten bzw. Komponenten vorgesehen sein kann.
In der Transformationseinheit 3 wird eine Wavelet-Transformation
Figure imgf000012_0001
durchgeführt. Die Speicher- und/oder Eingabeeinheit 4 weist einen Speicher bzw. eine Eingabevorrichtung für eine Gewichtungsfunktion auf. Die Transformationseinheit 3 und die Gewichtungseinheit 4 sind funktional mit der Gewichtungseinheit 5 verbunden, in welcher die Gewichtung der in der Transformationseinheit 3 ermittelten Koeffizienten mit der Gewichtungsfunktion gemäß der Speicher- und/oder Eingabeeinheit 4 erfolgt:
V(Wyx(t, a, b) , \(a, b, t) )
Die gewichteten Koeffizienten werden nachfolgend an die Normierungseinheit 6 übermittelt, in welcher die Normierung der gewichteten Koeffizienten erfolgt:
Figure imgf000012_0002
a, b) , X(a, b, t)) wobei k e R, Λ e Q
In der nachgeschalteten Bewertungseinheit 7 erfolgt die Bewertung der normierten Koeffizienten im Hilbertraum anhand eines Vergleichs mit dem Kriterium:
> Λ
Figure imgf000013_0001
< Λ
Überschreitet nun der Wert der Norm das Kriterium in Form eines vorgegebenen Grenzwerts, so wird von der Bewertungseinheit 7 ein Öffnen der Schaltkontakte 12 und folglich eine Trennung vom Versorgungsnetz veranlasst. Nimmt u(x) daher den Wert Eins an, kommt es zu einer Abschaltung, beim Wert Null bleiben die Schaltkontakte 12 geschlossen.
Die Bewertungseinheit 7 ist mit dem Auslöser 8 elektrisch und/oder mechanisch wirkverbunden, welcher auf den wenigstens einen Schaltkontakt 12 einzuwirken in der Lage ist. Sofern die Bewertungseinheit 7 das Öffnen der Schaltkontakt 12 veranlasst, sendet diese ein entsprechendes Auslösesignal an den Auslöser, welcher darauf hin auf Schaltkontakte 12 einwirkt, um ein Öffnen derselben zu veranlassen. Dabei sind bevorzugt zwischen dem Auslöser 8 und den Schaltkontakten 12 übliche Komponenten wie etwa ein Schaltschloss vorgesehen.
Weitere Ausführungsformen weisen lediglich einen Teil der beschriebenen Merkmale auf, wobei jede Merkmalskombination, insbesondere auch von verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen, vorgesehen sein kann.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zum Erkennen lichtbogenverursachter elektrischer Wirkungen in einer elektrischen Installationsanlage, wobei durch eine Messwerterfassungseinheit (1) wenigstens ein Strom- und/oder Spannungsverlauf in der elektrischen Installationsanlage aufgenommen wird und als zeitabhängiges Signal an eine Transformationseinheit (3) ausgegeben wird, dass der Strom- und/oder Spannungsverlauf in der Transformationseinheit (3) mittels eines Transformationsverfahrens mit variablem Fenster vom Zeitbereich in einen Bildbereich überführt wird, wobei als Ergebnis des Transformationsverfahrens Koeffizienten im Bildbereich ermittelt werden, dass nachfolgend die Koeffizienten in einer Bewertungseinheit (7) wenigstens mittelbar auf das Erfüllen wenigstens eines vorgebbaren Kriteriums bewertet werden, und dass bei Erfüllen des wenigstens einen Kriteriums der Strom- und/oder Spannungsverlauf als lichtbogenverursacht ausgewiesen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Transformationsverfahren mit variablem Fenster eine Wavelet-Transformation oder eine Gabor-Transformation oder eine Wigner-Transformation angewendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gewichtungsfunktion vorgegeben wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Koeffizienten mit der Gewichtungsfunktion gewichtet werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vektorraum aus einer vorgebbaren Anzahl an Vektorräumen ausgewählt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Vektorraum als Hilbertraum ausgewählt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Norm aus einer vorgebbaren Anzahl an Normen ausgewählt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Koeffizienten gemäß der Norm wenigstens ein Wert ermittelt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert im Vektorraum mit einem vorgebbaren Grenzwert verglichen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten des Grenzwertes durch den Wert der Strom- und/oder Spannungsverlauf als lichtbogenverursacht ausgewiesen wird.
11. Verfahren zum Schutz einer elektrischen Installationsanlage vor lichtbogenverursachten elektrischen Wirkungen, wobei wenigstens ein Strom- und/oder Spannungsverlauf in der elektrischen Installationsanlage aufgenommen und gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 bearbeitet wird, wobei - sofern der Strom- und/oder Spannungsverlauf als lichtbogenverursacht ausgewiesen wird - wenigstens ein Teil der elektrischen Installationsanlage von einem Energieversorgungsnetz getrennt wird.
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