WO2023088673A1

WO2023088673A1 - Ortung eines lichtbogens

Info

Publication number: WO2023088673A1
Application number: PCT/EP2022/080361
Authority: WO
Inventors: Ricardo Herrmann; Peter Schegner; Karsten Wenzlaff
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2021-11-22
Filing date: 2022-10-31
Publication date: 2023-05-25
Also published as: EP4388628A1; DE102021213109A1; CN118285032A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ortung eines Lichtbogens (LB) in einer Schaltanlage (10), wobei - die Schaltanlage (10) in zwei oder mehr Detektionszonen (Z1, Z2, Z3, Z4) unterteilt wird, - jeder Detektionszone (Z1, Z2, Z3, Z4) mindestens ein Strahlungssensor (S1, S2, S3, S4) zugeordnet wird, dessen Detektionswinkelbereich (D1, D2, D3, D4) die zugeordnete Detektions- zone (Z1, Z2, Z3, Z4) abdeckt, - die Strahlungssensoren (S1, S2, S3, S4) während des Brennens des Lichtbogens (LB) die Intensität (I1, I2, I3, I4) der aus dem jeweiligen Detektionswinkelbereich (D1, D2, D3, D4) eintreffenden Strahlung erfassen; - auf Basis der erfassten Strahlungsintensitäten (I1, I2, I3, I4) und der Zuordnung zwischen den Strahlungssensoren (S1, S2, S3, S4) und den Detektionszonen (Z1, Z2, Z3, Z4) die De- tektionszone (Z1, Z2, Z3, Z4) bestimmt wird, in der sich der Lichtbogen (LB) befindet.

Description

Beschreibung

Ortung eines Lichtbogens

Die vorliegende Erfindung betri f ft ein Verfahren zur Ortung eines Lichtbogens in einer Schaltanlage sowie eine Vorrichtung zur Aus führung des Verfahrens .

In Niederspannungsnetzen sind Kurzschlüsse meist mit auftretenden parallelen Störlichtbögen verbunden . Besonders in leistungsstarken Verteil- und Schaltanlagen können diese bei einer nicht ausreichend schnellen Abschaltung zu verheerenden Zerstörungen von Betriebsmitteln, Anlagenteilen oder kompletten Schaltanlagen führen . Um einen länger andauernden und groß flächigen Aus fall der Energieversorgung zu vermeiden und Personenschäden zu reduzieren, ist es erforderlich, derartige stromstarke , parallele Störlichtbögen in wenigen Millisekunden zu erkennen und zu löschen .

Für die Erfassung von Störlichtbögen kommen expli zite Störlichtbogendetektionssysteme zum Einsatz . Die konventionellen, am Markt verfügbaren Störlichtbogendetektionssysteme bestehen aus mehreren Komponenten (Mehrkomponentensysteme ) , die am Einbauort einzeln installiert werden müssen . So werden in den zu schützenden Bereichen der Anlage zum Beispiel Lichtwellenleiter installiert . Die Lichtwellenleiter erfassen die von einem Lichtbogen erzeugte Lichtemission und leiten das optische Signal an eine zentral installierte Detektionseinheit weiter . Diese stellt auf Grundlage der Auswertung des optischen Signals und eventuell weiteren Freigabebedingungen wie z . B . Überström ein Auslösesignal für einen Kurzschließer bereit , der meist für die Löschung des Lichtbogens eingesetzt wird . Die Kurzschließer können bei Ansteuerung einen Kurzschluss erzeugen, z . B . durch Zünden einer intern installierten Sprengladung . Somit kann sich am Lichtbogen keine Lichtbogenspannung mehr aufbauen und der Lichtbogen erlischt . Ein Störlichtbogendetektionssystem ist z . B . in WO 2017 / 050764 Al ( Siemens AG) 30 . 03 . 2017 beschrieben . Diese Systeme kombinieren indirekt die Störlichtbogenortung und die Störlichtbogenerfassung, wenn eine Auswertung des angesprochenen Sensors durchgeführt wird . Jedoch begrenzt sich die Genauigkeit der Ortung lediglich auf den Erfassungsbereich des Sensors . Eine genaue Position der Lichtbogenbrennstelle kann mit den bestehenden Systemen nicht ermittelt werden .

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Lichtbogenortung bereitzustellen .

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 7 erfüllt .

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Ortung eines Lichtbogens in einer Schaltanlage . Ortung bedeutet die Feststellung eines Ortes bzw . eines Bereiches oder einer Zone , an dem ein Lichtbogen in der Schaltanlage brennt . Eine Schaltanlage ist eine Anlage zum Schalten und Verteilen elektrischer Energie . Das Schalten und Verteilen erfolgt durch Verbinden und Unterbrechen einer oder mehrerer Ubertragungsleitungen von elektrischer Energie ; dazu kann die Schaltanlage durch eine ein- oder mehrphasige elektrische Eingangsleitung mit einer elektrischen Energiequelle , z . B . einem elektrischen Netz , und durch eine oder mehrere ein- oder mehrphasige elektrische Ausgangsleitungen mit einer oder mehreren elektrischen Verbrauchern, z . B . einem elektrischen Motor oder einer elektrischen Lichtquelle , verbunden sein . Die Schaltanlage weist mindestens eine ein- oder mehrphasige Verbindungsleitung auf , welche die elektrische Eingangsleitung und die eine oder mehreren elektrischen Ausgangsleitungen elektrisch leitend miteinander verbindet . Die Schaltanlage weist außerdem mindestens ein Schaltgerät , z . B . ein Relais oder ein Schütz , zum Unterbrechen der mindestens einen Verbindungsleitung auf . Das Schaltgerät kann dazu einen mittels eines mechanisch arbeitenden Schalters eine galvanische Trennung und/oder mittels eines elektronisch arbeitenden Halbleiterschalters eine hochohmige Trennung der Verbindungsleitung erzeugen . Die Schaltanlage, genauer: ein auf einen Lichtbogen zu überwachendes Raumvolumen einer Schaltanlage, in dem elektrische Leitungen verlaufen und die Gefahr einer Lichtbogenentstehung existiert, z. B. ein Innenraum der Schaltanlage, wird in zwei oder mehr Detektionszonen unterteilt, indem gedanklich das zu überwachende Raumvolumen in zwei oder mehr Raumbereiche aufgeteilt wird. Ziel des Verfahrens ist es, den Ort eines Lichtbogens in einer dieser Detektionszonen zu lokalisieren. Somit kann die Ortung eines Lichtbogens umso genauer erfolgen, je mehr Detektionszonen definiert werden. Um eine eindeutige Ortung des Lichtbogens zu gewährleisten, ist es von Vorteil, wenn sich die Detektionszonen nicht überlappen.

Jeder Detektionszone wird mindestens ein Strahlungssensor zugeordnet, dessen Detektionswinkelbereich die zugeordnete Detektionszone abdeckt. Ein Strahlungssensor ist durch einen Detektionswinkelbereich, d.h. einen Raumwinkel, charakterisiert, wobei der Strahlungssensor ausschließlich solche Strahlung, welche über einer vorgegebenen energetischen Detektionsschwelle liegt, detektieren kann, welche aus diesem Detektionswinkelbereich in den Sensor gelangt. Ein Strahlungssensor weist also eine gerichtete Strahlungserfassung auf, wobei der Strahlungssensor in der Lage ist, die aus der zugeordneten Detektionszone eintreffende Strahlung zu erfassen .

Während des Brennens eines Lichtbogens in der Schaltanlage erfassen die Strahlungssensoren die aus ihrem jeweiligen Detektionswinkelbereich eintreffende Strahlungsintensität. Die Strahlungssensoren bieten also die Möglichkeit, die Intensität der eintreffenden Strahlung zu messen, so dass zumindest ein Vergleich zwischen den Strahlungssensoren erfolgen kann, an welchem Strahlungssensor die höchste Intensität vorlag.

Auf Basis der erfassten Strahlungsintensitäten und der Zuordnung zwischen den Strahlungssensoren und den Detektionszonen wird die Detektionszone bestimmt, in der sich der Lichtbogen befindet. Die erfassten Strahlungsintensitäten sind den je- welligen Detektionswinkelbereichen zugeordnet ; die Detektionswinkelbereiche sind den j eweiligen Strahlungssensoren zugeordnet ; und die Strahlungssensoren sind den j eweiligen Detektions zonen zugeordnet ; Somit kann also eine Zuordnung zwischen den Strahlungsintensitäten und den Detektions zonen erfolgen und ermittelt werden, in welcher Detektions zone der Lichtbogen brennt .

Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Ortung eines Lichtbogens in einer Schaltanlage . Die Vorrichtung weist zwei oder mehr Strahlungssensoren auf , deren Detektionswinkelbereich j eweils eine zugeordnete Detektions zone , in die die Schaltanlage unterteilt ist , abdeckt . Dabei sind die Strahlungssensoren dazu ausgestaltet , während des Brennens des Lichtbogens die aus dem j eweiligen Detektionswinkelbereich eintref fende Strahlungsintensität zu erfassen . Die Vorrichtung weist außerdem eine mit den Strahlungssensoren verbundene Recheneinheit auf . Die Recheneinheit kann eine zusammen mit den Strahlungssensoren in ein Gehäuse integrierte Recheneinheit sein . Die Recheneinheit kann ein Controller oder ein Prozessor sein, z . B . ein auf einer Leiterplatte angeordneter Mikrokontroller . Die Recheneinheit kann allerdings auch eine extern von den Strahlungssensoren angeordnete Recheneinheit sein, welche über extern verlaufende Datenverbindungen ( kabelgebunden oder kabellos ) mit den Strahlungssensoren verbunden ist . Die Recheneinheit ist dazu ausgestaltet , auf Basis der erfassten Strahlungsintensitäten und der Zuordnung zwischen den Strahlungssensoren bzw . den entsprechenden Detektionswinkelbereichen und den Detektions zonen die Detektions zone zu bestimmen, in der sich der Lichtbogen befindet . Dazu kann die Recheneinheit ein entsprechend konfiguriertes Computerprogramm abarbeiten .

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde , dass Strahlungssensoren mit einer gerichteten Erfassung die Ortung eines Lichtbogenereignisses , z . B . eine Zündung des Lichtbogens , ermöglichen . Mit Hil fe von gerichteten Strahlungssensoren kann die Position einer Strahlungsquelle eingegrenzt werden . Dabei wird vorausgesetzt , dass die Strahlung auf direktem Weg zum Sensor gelangt und keine Reflexion die Richtung verfälschen kann . Der Richtungsentscheid wird über den Vergleich der Strahlungsintensitäten, die von verschieden ausgerichteten Strahlungssensoren erfasst wurde , vorgenommen . Vereinfacht gesagt gibt der Strahlungssensor mit der höchsten Intensität die Richtung zur Strahlungsquelle und damit zum Lichtbogen an; mit anderen Worten : der Lichtbogen liegt in dem Bereich einer Schaltanlage , aus dem die höchste Strahlungsintensität eintri f ft . Dabei wird das Merkmal eines Lichtbogens , die nach seiner Zündung einsetzende intensive Aussendung von elektromagnetischer Strahlung, zur Ortung des Lichtbogens genutzt .

Mit der Erfindung können parallele , stromstarke Störlichtbögen in Schalt- und Verteilungs-Anlagen durch ein Ortungssystem, das keine zeitlichen Anforderungen hinsichtlich eines Störlichtbogenschutzsystems erfüllen muss , geortet werden . Das Ortungssystem besteht aus mehreren gerichteten Strahlungssensoren, die für einen Lichtbogen typische , nichtelektrische Signale auswerten und durch die Auswertung von Intensitäten die Position des Lichtbogens bestimmen .

Mit dem Ortungsverfahren für Lichtbögen ist es möglich, ein Ortungssystem anzubieten, das im Vergleich zu den konventionell verfügbaren optischen Detektionssystemen einen Lichtbogen auf wenige Zentimeter genau in einer Schaltanlage orten kann . Da dieses Ortungsverfahren nicht expli zit zu dem Schutzsystem zählt , müssten hierbei keine besonderen schutzrelevanten Anforderungen beachtet werden, was eine kostensparende Aus führung erlaubt .

Durch den Einsatz eines Ortungssystems in einer Schaltanlage ergeben sich folgende Vorteile :

- Mit dem Ortungssystem kann eine hohe Genauigkeit der Lokalisierung eines Lichtbogens erzielt werden : Ein Lichtbogen lässt sich mit einer Genauigkeit von wenigen Zentimeter in einer Schaltanlage orten . - Das Ortungssystem führt zu geringeren Installationskosten : Eine aufwändige Installation von Lichtwellenleitern in der Schaltanlage unter schut ztechnischen Anforderungen, die für ein herkömmliches Ortungssystem notwendig ist , ist nicht erforderlich .

- Die Erfindung unterscheidet zwischen Detektion und Ortung . Ein Detektionssystem, d . h . eine zentrale Störlichtbogendetektion auf Basis von Strom- und Spannungsmessung, bildet die Schutz funktion in der Schaltanlage . Das erfindungsgemäße Ortungssystem ortet einen Lichtbogen autark, d . h . unabhängig vom Detektionssystem . Es ist möglich, eine Auswertung der Ergebnisse der Lichtbogenortung nur dann vorzunehmen, falls vom Detektionssystem ein Lichtbogen erkannt wurde . Da die Erkennung der Lichtbögen also nicht auf dem Ortungssystem basiert , kann das Ortungssystem keine Fehlauslösung einer Lichtbogenerkennung hervorrufen .

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben . Dabei kann das erfindungsgemäße Verfahren auch entsprechend den abhängigen Vorrichtungsansprüchen weitergebildet sein, und umgekehrt .

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Strahlungsintensität im UV- , VIS- oder IR-Bereich gemessen . Damit sind die Spektralbereiche abgedeckt , in denen die spektrale Energiedichte der Lichtbogenemission am höchsten ist .

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die elektromagnetische Strahlung im UV-Bereich gemessen . Dies hat den besonderen Vorteil , dass das vom Lichtbogen ausgesendete Strahlungssignal im UV-Wellenlängenbereich weniger durch andere Strahlungsarten, z . B. die IR-Wärmestrahlung von allen umgebenden Körpern und das sichtbare Licht , welches z . B . durch Lüftungsschlitze in das Innere der Schaltanlage gelangt (Umgebungslicht ) , überlagert wird als in einem anderen Spektralbereich . Das bei dem mindestens einen Strahlungssensor an- kommende UV-Licht stammt in der Regel zum größten Teil vom Lichtbogen, da ein Lichtbogen aufgrund seiner hohen Temperatur ein starker UV-Strahler ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird jeder Detektionszone eineindeutig genau ein Strahlungssensor zugeordnet, dessen Detektionswinkelbereich der zugeordneten Detektionszone entspricht. Eineindeutig bedeutet, dass jeder Detektionszone genau ein Strahlungssensor und jedem Strahlungssensor genau eine Detektionszone zugeordnet ist. Der Lichtbogen wird dann in derjenigen Detektionszone lokalisiert, deren zugeordneter Strahlungssensor die höchste Strahlungsintensität erfasst hat.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die höchste Strahlungsintensität als die absolut maximale Strahlungsintensität im gesamten Zeitverlauf aller Strahlungssensoren definiert. Hierbei wird also das absolute Strahlungsmaximum ermittelt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die höchste Strahlungsintensität als die höchste über den gesamten Zeitverlauf gemittelte Strahlungsintensität aller Strahlungssensoren definiert. Die folgende Gleichung ist eine Möglichkeit, wie die gemittelte (engl. : mean) Strahlungsintensität Ti, mean eines S t r ahlungs s ens o r s i berechnet werden kann:

Dabei wird die von dem Strahlungssensor i empfangene, zeitlich variable Strahlungsintensität Ii(t) über den Zeitraum von dem Referenzzeitpunkt t_rz bis t_LB,end (dem Ende der Emission des Lichtbogens LB) integriert und durch den Zeitraum tLB,end^_t_rz geteilt. Dabei kann der Referenzzeitpunkt t_rz derjenige Zeitpunkt sein, zu dem die Emission des Lichtbogens LB einsetzt, insbesondere der Zeitpunkt, zu dem die Emission des Lichtbogens LB zum ersten Mal einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet .

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Schaltanlage entlang von zwei oder mehr linear unabhängigen Achsen j eweils in zwei oder mehr Detektions zonen unterteilt . Auf diese Weise wird eine geometrisch übersichtliche Unterteilung erzielt , die eine unkompli zierte Zuordnung der Detektions zonen zu unterschiedlichen Strahlungssensoren und eine einfache Abdeckung durch die Detektionswinkelbereiche der Strahlungssensoren ermöglicht .

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Schaltanlage eine Niederspannungsschaltanlage . Mit Niederspannung sind Spannungen bis 1000 Volt Wechselspannung oder 1500 Volt Gleichspannung gemeint . Mit Niederspannung sind spezieller insbesondere Spannungen gemeint , die größer als die Kleinspannung mit Werten von 50 Volt Wechselspannung oder 120 Volt Gleichspannung sind .

Es wird außerdem ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, das direkt in den internen Speicher einer digitalen Recheneinheit , insbesondere einen Prozessor der Sensoranordnung, geladen werden kann und Softwarecodeabschnitte umfasst , mit denen der Schritt „Bestimmung, auf Basis der erfassten Strahlungsintensitäten und der Zuordnung zwischen den Strahlungssensoren und den Detektions zonen, der Detektions zone , in der sich der Lichtbogen befindet" des hierin beschriebenen Verfahrens ausgeführt werden, wenn das Produkt auf der Recheneinheit läuft . Das Computerprogrammprodukt kann auf einem Datenträger gespeichert sein, wie z . B . einem USB-Speicher- stick, einer DVD oder einer CD-ROM, einem Flash-Speicher, EEPROM oder einer SD-Karte . Das Computerprogrammprodukt kann auch in der Form eines über ein drahtgebundenes oder drahtloses Netzwerk ladbares Signal vorliegen .

Das Verfahren ist zur automatischen Aus führung bevorzugt in Form eines Computerprogramms realisiert . Die Erfindung ist damit einerseits auch ein Computerprogramm mit durch einen Computer aus führbaren Programmcodeanweisungen und andererseits ein Speichermedium mit einem derartigen Computerprogramm, also ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, sowie schließlich auch eine Schaltanlage , in deren Speicher als Mittel zur Durchführung des Verfahrens und seiner Ausgestaltungen ein solches Computerprogramm geladen oder ladbar ist .

Wenn im Folgenden Verfahrensschritte oder Verfahrensschrittfolgen beschrieben werden, bezieht sich dies auf Aktionen, die aufgrund des Computerprogramms oder unter Kontrolle des Computerprogramms erfolgen, sofern nicht ausdrücklich darauf hingewiesen ist , dass einzelne Aktionen durch einen Benutzer des Computerprogramms veranlasst werden . Zumindest bedeutet j ede Verwendung des Begri f fs „automatisch" , dass die betreffende Aktion aufgrund des Computerprogramms oder unter Kontrolle des Computerprogramms erfolgt .

Anstelle eines Computerprogramms mit einzelnen Programmcodeanweisungen kann die Implementierung des hier und im Folgenden beschriebenen Verfahrens auch in Form von Firmware erfolgen . Dem Fachmann ist klar, dass anstelle einer Implementation eines Verfahrens in Software stets auch eine Implementation in Firmware oder in Firm- und Software oder in Firm- und Hardware möglich ist . Daher soll für die hier vorgelegte Beschreibung gelten, dass von dem Begri f f Software oder dem Begri f f Computerprogramm auch andere Implementationsmöglichkeiten, nämlich insbesondere eine Implementation in Firmware oder in Firm- und Software oder in Firm- und Hardware , umfasst sind .

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise , wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich durch die folgende Beschreibung der Aus führungsbeispiele , welche anhand der Zeichnungen näher erläutert werden . Es zeigt j eweils schematisch und nicht maßstabsgetreu FIG 1 die Spannungs- und Stromwerte sowie die Schall- und Strahlungs-Emission eines Lichtbogens ;

FIG 2 eine Schaltanlage in Vorderansicht ;

FIG 3 einen Detektionswinkelbereich eines Strahlungssensors ;

FIG 4 einen Schnitt der Schaltanlage von Fig . 2 ;

FIG 5 eine Ansicht einer Sensoranordnung;

FIG 6 einen Aufbau der Sensoranordnung;

FIG 7 Strahlungsintensitäten die beim Brennen eines Lichtbogens von verschiedenen Strahlungssensoren der Sensoranordnung gemessen werden;

FIG 8 den zeitlichen Verlauf von Ultraschall- und UV-Mess- größen, die während der Zündung eines Lichtbogens erfasst werden;

FIG 9 eine erste Zuordnung zwischen Detektions zonen und Detektionswinkelbereichen; und

FIG 10 eine andere Zuordnung zwischen Detektions zonen und Detektionswinkelbereichen .

Fig . 1 zeigt den zeitlichen Verlauf verschiedener Messgrößen, die während der Zündung eines Lichtbogens zum Zeitpunkt t=0 ms und bis ca . 29 ms nach der Zündung des Lichtbogens erfasst wurden . Ein Lichtbogen erreicht in kurzer Zeit Temperaturen im Bereich von einigen 10000 K . Deshalb weist ein Lichtbogen eine intensive elektromagnetische Abstrahlung mit einem Strahlungsmaximum im UV-Spektralbereich auf . Zudem dehnt sich durch die hohe Temperatur im Lichtbogen die den Lichtbogen umgebende Luft schnell aus , was als eine Schallemission des Lichtbogens wahrnehmbar ist .

Grafik a zeigt die Spannung U_LB über den und den Strom i_LB durch den Lichtbogen .

Grafik b zeigt die Aussteuerung eines im menschlichen Hörbereich empfangenden Schallsensors S_s und eines Ultraschallsensors Sus , die von dem Lichtbogen generierten Schall erfassen; dabei wird die Aussteuerung berechnet als Quotient der gemes- senen Spannungswerte u_s der Schallsensoren S_s, Sus und des Betrags des maximalen Spannungswerts | u_s | _max .

Grafik c zeigt die die Aussteuerung eines IR-Sensors SIR, eines VIS-Sensors S_Vis und eines UV-Sensors Suv, die von dem Lichtbogen generierte elektromagnetische Strahlung erfassen; dabei wird die Aussteuerung berechnet als Quotient der gemessenen Spannungswerte u_s der Strahlungssensoren SIR, S_VIS, SUV und des Betrags des maximalen Spannungswerts | u_s | _max .

Dieses Merkmal eines Lichtbogens, die nach seiner Zündung einsetzende intensive Aussendung von elektromagnetischer Strahlung und von Schallwellen, kann zur Ortung des Lichtbogens genutzt werden.

Fig. 2 zeigt eine Schaltanlage 10 in Vorderansicht. Die Schaltanlage 10 weist ein kastenförmiges Gehäuse 20 mit einer Rückwand 20r in der x-y-Ebene und vier an den Kanten der Rückwand 20r angesetzten Seitenwänden 20a, 20b, 20c, 20d auf. Die Schaltanlage 20 weist außerdem eine Tür mit zwei Türflügeln 22 auf, mit der das Gehäuse 20 im Betrieb verschlossen werden kann. Im Gehäuse 20 ist eine dreiphasige elektrische Verbindungsleitung installiert, welche als drei elektrisch leitfähige Sammelschienen 12 ausgestaltet ist, die jeweils mithilfe von Tragelementen 16 an der Rückwand 20r des Gehäuse 20 fixiert sind. Die Sammelschienen 12 liegen während des Betriebs der Schaltanlage 10 auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen; daher kann im Fehlerfall ein Lichtbogen LB zwischen zwei Sammelschienen 12 entstehen.

Die Schaltanlage 10 ist in vier Detektionszonen ZI, Z2, Z3, Z4 unterteilt, die in Fig. 2 durch gestrichelte Linien, welche die Grenzen der Detektionszonen ZI, Z2, Z3, Z4 angeben, angezeigt werden. An der unteren Seitenwand 20a des Gehäuses 20 ist eine Sensoranordnung 14 befestigt, welche vier im Quadrat angeordnete Strahlungssensoren SI, S2, S3, S3 aufweist. Jede Detektionszone ZI, Z2, Z3, Z4 ist eineindeutig genau einem der Strahlungssensoren SI, S2, S3, S4 zugeordnet, und umgekehrt. Dabei deckt der Detektionswinkelbereich Dl, D2, D3, D4 jedes Strahlungssensors SI, S2, S3, S4 die ihm zugeordnete Detektionszone ZI, Z2, Z3, Z4 ab: eine in einer Detektionszone ZI, Z2, Z3, Z4 auftretende Strahlungsemission wird durch den der Detektionszone ZI, Z2, Z3, Z4 zugeordneten Strahlungssensor SI, S2, S3, S4 erfasst.

Fig. 3 zeigt als Beispiel, dass der Detektionswinkelbereich D2 des zweiten Strahlungssensors S2 die zweite Detektionszone Z2, die dem zweiten Strahlungssensor S2 zugeordnet ist, abdeckt: damit ist sichergestellt, dass eine in der zweiten Detektionszone Z2 auftretende Strahlungsemission durch den zweiten Strahlungssensor S2 erfasst werden kann.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt der Schaltanlage 10 entlang der in Fig. 2 eingezeichneten Schnittebene IV-IV. Die an der unteren Seitenwand 20a befestigte Sensoranordnung 14 weist zwei Strahlungssensoren SI, S2 auf, welche die weiter von der Sensoranordnung 14 entfernten Detektionszonen ZI, Z2 abdecken und zwei Strahlungssensoren S3, S4 auf, welche die näher an der Sensoranordnung 14 liegenden Detektionszonen Z3, Z4 abdecken. Im Schnitt der Fig. 4 sind nur die beiden Strahlungssensoren S1 und S3 sichtbar, welche die beiden anderen Strahlungssensoren S2 und S4 verdecken.

Fig. 5 zeigt eine Ansicht der Sensoranordnung 14 in der in Fig. 4 eingezeichneten Blickrichtung 30. Die vier Strahlungssensoren SI, S2, S3, S4 sind im Quadrat angeordnet. Jeder der Strahlungssensoren SI, S2, S3, S4 erfasst die Strahlungsemission in einer der vier Detektionszonen ZI, Z2, Z3, Z4. Dabei sind die zwei bei höherer z-Koordinate angeordneten Strahlungssensoren SI, S2 den weiter von der Sensoranordnung 14 entfernten Detektionszonen ZI, Z2 zugeordnet und die zwei bei niedrigerer z-Koordinate angeordneten Strahlungssensoren S3, S4 den näher an der Sensoranordnung 14 liegenden Detektionszonen Z3, Z4 zugeordnet. Für die Sensoranordnung 14 werden bevorzugt Strahlungssensoren SI, S2, S3, S4 verwendet, die einen einstellbaren Detektionswinkelbereich Dl, D2, D3, D4 aufweisen; auf diese Weise kann der Detektionswinkelbereich Dl, D2, D3, D4 eines Strahlungssensors SI, S2, S3, S4 an den Raumwinkel angepasst werden, unter dem der Strahlungssensor die ihm zugeordnete Detektionszone „sieht".

Fig. 6 illustriert den Aufbau einer Sensoranordnung 14. Außer einem Gehäuse 14.4 und den an der Vorderseite des Gehäuses 14.4 angeordneten Strahlungssensors SI, S2, S3, S4 weist die Sensoranordnung 14 einen Prozessor 14.1, einen Datenspeicher 14.2 und eine Schnittstelle 14.3 auf. Die Strahlungssensoren SI, S2, S3, S4 sind über Datenverbindungen mit dem Prozessor

14.1 verbunden; Messwerte der Strahlungssensors SI, S2, S3, S4 können über die Datenleitungen von den Strahlungssensoren SI, S2, S3, S4 zu dem Prozessor 14.1 übertragen werden. Der Prozessor 14.1 ist dazu ausgestaltet, die empfangenen Messwerte der Strahlungssensors SI, S2, S3, S4 weiterzuverarbeiten. Dabei kann der Prozessor 14.1 über eine Datenverbindung auf einen Datenspeicher 14.2 zugreifen. In dem Datenspeicher

14.2 können Messwerte oder daraus gewonnene Analyseergebnisse gespeichert werden. In dem Datenspeicher 14.2 kann ein Computerprogramm, z. B. ein Analyseprogramm zur Auswertung und Analyse von Sensormesswerten, gespeichert sein, welches der Prozessor 14.1 in seinen Arbeitsspeicher laden und ausführen kann. Das Analyseprogramm ist dazu ausgebildet, auf Basis der erfassten Strahlungsintensitäten und der Zuordnung zwischen den Strahlungssensoren bzw. den entsprechenden Detektionswinkelbereichen und den Detektionszonen die Detektionszone zu bestimmen, in der sich der Lichtbogen befindet. Über die Schnittstelle 14.3, mit der der Prozessor 14.1 über eine Datenverbindung verbunden ist, kann der Prozessor 14.1 Daten an eine externe Datenverarbeitungsanlage, z.B. einen Laptop eines Technikers, oder an ein externes Ausgabegerät, z.B. ein Smartphone eines Bedieners, übertragen oder Daten empfangen, z. B. Befehle, Computerprogramme oder Updates von Computerprogrammen. Dabei kann die Schnittstelle 14.3 als ein Endpunkt einer Funkverbindung oder einer kabelgebundenen Übertragungsverbindung ausgebildet sein. Fig. 7 zeigt als Balkendiagramm die Strahlungsintensitäten

II, 12, 13, 13, die beim Brennen des in den Fig. 2 und 4 eingezeichneten Lichtbogen LB von den Strahlungssensoren SI, S2, S3, S4 gemessen werden. Der zweite Strahlungssensor S2 misst die höchste Strahlungsintensität 12. Der vierte Strahlungssensor S4 misst die zweithöchste Strahlungsintensität 14. Der erste Strahlungssensor S1 misst die dritthöchste Strahlungsintensität II. Der dritte Strahlungssensor S3 erfasst die niedrigste Strahlungsintensität 13. Aus diesem Diagramm kann also abgelesen werden, dass der Lichtbogen LB in der dem zweiten Strahlungssensor S2 zugeordneten Detektionszone Z2 brennt. Die Verteilung der Strahlungsintensitäten auf die Strahlungssensoren SI, S2, S3, S4 erlaubt also eine Lokalisierung der Lichtbogens LB in einer der Detektionszonen ZI, Z2, Z3, Z4 der Schaltanlage 10.

Fig. 8 zeigt beispielhaft eine Auswertung der Zeitsignale zum Richtungsentscheid, d.h. zur Entscheidung, ob ein Lichtbogen in einer ersten Detektionszone ZI, der ein erster Strahlungssensor S1 zugeordnet ist, oder in einer zweiten Detektionszone Z2, der ein zweiter Strahlungssensor S2 zugeordnet ist, brennt. Nach der Zündung des Lichtbogens erreichen UV-Signale die beiden Strahlungssensoren S1 und S2 sowie, wegen der unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten von UV-Strah- lung und Ultraschall, um ca. 2 ms verzögert ein Ultraschallsignal einen unmittelbar neben den Strahlungssensoren angeordneten Ultraschallsensor.

Das obere Diagramm der Fig. 8 zeigt die Aussteuerung der Sensoren als relative Intensitätssignale Ii, I2 der Strahlungssensoren SI bzw. S2 und als relatives Intensitätssignal lus des Ultraschallsensors, jeweils in Prozent, berechnet als Quotient der gemessenen Intensität über der maximalen Intensität .

Die Strahlungssensoren S1 und S2 werden durch ein empfangenes UV-Signal angeregt, sobald die Intensität des UV-Signals über dem UV-Auslöseschwellwert 80 der Strahlungssensoren S1 und S2 liegt. Analoges gilt für die Ultraschalldetektion. Das untere Diagramm der Fig. 8 zeigt die Zeiträume der Anregung der Sensoren als Balken. Der zweite Strahlungssensor S2 empfängt über den gesamten Zeitraum der Strahlungsemission von t=0 ms bis t=30 ms ein stärkeres UV-Signal als der erste Strahlungssensor Sl. Außerdem überschreitet das am zweite Strahlungssensor S2 empfangene UV-Signal den UV-Auslöseschwellwert 80 eher als der erste Strahlungssensor Sl. Daraus kann gefolgert werden, dass der Lichtbogen in der zweiten Detektionszone Z2 brennt, der der zweite Strahlungssensor S2 zugeordnet ist.

Fig. 9 zeigt eine erste Zuordnung zwischen Detektionszonen und Detektionswinkelbereichen. Dabei ist der auf einen Lichtbogen zu überwachende Innenraum der Schaltanlage in vier quadratisch angeordnete, gleichgroße Detektionszonen ZI, Z2, Z3, Z4 unterteilt, wobei jede der Detektionszonen ZI, Z2, Z3, Z4 von einem Detektionswinkelbereich Dl, D2, D3, D4 abgedeckt wird, der ausschließlich und genau die jeweilige Detektionszone ZI, Z2, Z3, Z4 erfasst, wie die folgende Tabelle 1 zeigt :

Tabelle 1 :

Durch diese eineindeutige Zuordnung kann der Lichtbogen in derjenigen Detektionszone lokalisiert werden, in deren zugeordnetem Detektionswinkelbereich der jeweilige Strahlungssensor die höchste Strahlungsintensität erfasst hat.

Fig. 10 zeigt eine alternative Zuordnung zwischen Detektionszonen zu Detektionswinkelbereichen. Dabei ist der auf einen Lichtbogen zu überwachende Innenraum der Schaltanlage in vier quadratisch angeordnete, gleichgroße Detektionszonen ZI, Z2, Z3, Z4 unterteilt. Jede der Detektionszonen ZI, Z2, Z3, Z4 ist jeweils von zwei der Detektionswinkelbereiche Dl, D2, D3, D4 abgedeckt. Andererseits deckt jeder der Detektionswinkelbereiche Dl, D2, D3, D4 zwei der Detektionszonen ZI, Z2, Z3, Z4 ab, wie die folgende Tabelle 2 zeigt:

Tabelle 2 :

Es brenne beispielweise der Lichtbogen in der Detektionszone ZI. Wird folglich wird in den Detektionswinkelbereichen Dl und D3 die höchste Strahlungsintensität gemessen, so kommt gemäß der Tabelle 2 also nur die Detektionszone ZI als Ort des Lichtbogens in Frage. Durch diese Zuordnung kann der Lichtbogen in derjenigen Detektionszone lokalisiert werden, in deren zugeordneten Detektionswinkelbereichspaar die jeweiligen Strahlungssensoren die höchsten Strahlungsintensitäten erfasst haben.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Ortung eines Lichtbogens (LB) in einer Schaltanlage (10) , wobei

- die Schaltanlage (10) in zwei oder mehr Detektionszonen (ZI, Z2, Z3, Z4) unterteilt wird,

- jeder Detektionszone (ZI, Z2, Z3, Z4) mindestens ein Strahlungssensor (SI, S2, S3, S4) zugeordnet wird, dessen Detektionswinkelbereich (Dl, D2, D3, D4) die zugeordnete Detektionszone (ZI, Z2, Z3, Z4) abdeckt,

- die Strahlungssensoren (SI, S2, S3, S4) während des Brennens des Lichtbogens (LB) die Intensität (II, 12, 13, 14) der aus dem jeweiligen Detektionswinkelbereich (Dl, D2, D3, D4) eintreffenden Strahlung erfassen;

- auf Basis der erfassten Strahlungsintensitäten (II, 12, 13, 14) und der Zuordnung zwischen den Strahlungssensoren (Sl, S2, S3, S4) und den Detektionszonen (ZI, Z2, Z3, Z4) die Detektionszone (ZI, Z2, Z3, Z4) bestimmt wird, in der sich der Lichtbogen (LB) befindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Strahlungsintensität (II, 12, 13, 14) im UV-, VIS- oder IR-Bereich gemessen wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei

- jeder Detektionszone (ZI, Z2, Z3, Z4) eineindeutig genau ein Strahlungssensor (SI, S2, S3, S4) zugeordnet wird, dessen Detektionswinkelbereich (Dl, D2, D3, D4) der zugeordneten Detektionszone (ZI, Z2, Z3, Z4) entspricht,

- der Lichtbogen (A) in derjenigen Detektionszone (ZI, Z2, Z3, Z4) lokalisiert wird, deren zugeordneter Strahlungssensor (SI, S2, S3, S4) die höchste Strahlungsintensität (II, 12, 13, 14) erfasst hat.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die höchste Strahlungsintensität (II, 12, 13, 14) als die absolut maximale Strahlungsintensität im gesamten Zeitverlauf aller Strahlungssensoren (SI, S2, S3, S4) definiert ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die höchste Strahlungsintensität (II, 12, 13, 14) als die höchste über den gesamten Zeitverlauf gemittelte Strahlungsintensität aller Strahlungssensoren (SI, S2, S3, S4) definiert ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltanlage (20) entlang von zwei oder mehr linear unabhängigen Achsen (x, y) jeweils in zwei oder mehr Detektionszonen (ZI, Z2, Z3, Z4) unterteilt wird.

7. Vorrichtung zur Ortung eines Lichtbogens (A) in einer Schaltanlage (10) , aufweisend:

- zwei oder mehr Strahlungssensoren (SI, S2, S3, S4) , deren Detektionswinkelbereich (Dl, D2, D3, D4) jeweils eine zugeordnete Detektionszone (ZI, Z2, Z3, Z4) , in die die Schaltanlage (20) unterteilt ist, abdeckt und die dazu ausgestaltet sind, während des Brennens des Lichtbogens (LB) die aus dem jeweiligen Detektionswinkelbereich (Dl, D2, D3, D4) eintreffende Strahlungsintensität (II, 12, 13, 14) zu erfassen, und

- eine mit den Strahlungssensoren (SI, S2, S3, S4) verbundene Recheneinheit (35) , die ausgestaltet ist, auf Basis der erfassten Strahlungsintensitäten (II, 12, 13, 14) und der Zuordnung zwischen den Strahlungssensoren (SI, S2, S3, S4) und den Detektionszonen (ZI, Z2, Z3, Z4) die Detektionszone (ZI, Z2, Z3, Z4) zu bestimmen, in der sich der Lichtbogen (LB) befindet .