WO2023274503A1 - Locating an arc - Google Patents

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WO2023274503A1
WO2023274503A1 PCT/EP2021/067783 EP2021067783W WO2023274503A1 WO 2023274503 A1 WO2023274503 A1 WO 2023274503A1 EP 2021067783 W EP2021067783 W EP 2021067783W WO 2023274503 A1 WO2023274503 A1 WO 2023274503A1
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WO
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arc
low
locating
sound
sensors
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/067783
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German (de)
French (fr)
Inventor
Ricardo Herrmann
Peter Schegner
Karsten Wenzlaff
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Technische Universität Dresden
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft, Technische Universität Dresden filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Priority to PCT/EP2021/067783 priority Critical patent/WO2023274503A1/en
Publication of WO2023274503A1 publication Critical patent/WO2023274503A1/en

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/08Locating faults in cables, transmission lines, or networks
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/12Testing 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
    • G01R31/1209Testing 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 using acoustic measurements

Definitions

  • the present invention relates to a method for locating an arc in a low-voltage switchgear, a device for carrying out the method, and the use of a sound-based hyperbolic locating method.
  • Explicit arc fault detection systems are used to detect arc faults.
  • the conventional arc fault detection systems available on the market consist of several components (multi-component systems) that have to be installed individually at the installation site.
  • fiber optic cables are installed in the areas of the system that are to be protected.
  • the optical fibers capture the light emission generated by an arc and forward the optical signal to a centrally installed detection unit.
  • a trip signal for a short-circuiter be ready, which is usually used to extinguish the arc.
  • the short circuiters can generate a short circuit when activated, e.g. B. by detonating an internally installed explosive charge. This means that arc voltage can no longer build up at the arc and the arc is extinguished.
  • Arc fault detection system is z. B. in WO 2017/050764 A1 (Siemens AG) 30.03.2017 described.
  • the object of the present invention is therefore to provide improved arc location.
  • this object is achieved by a method according to claim 1, a device according to claim 7 and a use according to claim 9.
  • the inventive method for locating an arc in a low-voltage switchgear has the following steps: arrival times are recorded at which a sound signal generated by the arc arrives at at least two spatially spaced sound sensors. At least one transit time difference of the sound signal is determined by forming pairs of differences between two of the recorded arrival times. The position of the arc is determined on the basis of the at least one transit time difference determined using the hyperbolic locating method.
  • the device according to the invention for locating an arc in a low-voltage switchgear has at least two sound sensors that are spatially spaced apart from one another and are designed to detect the arrival times of a sound signal generated by the arc.
  • the device also has a computing unit connected to the sound sensors.
  • the computing unit is for determining at least one transit time difference of the sound signal by forming designed by pairwise differences of two of the recorded arrival times.
  • the arithmetic unit is also designed to determine the position of the arc on the basis of the at least one determined travel time difference according to the hyperbolic locating method.
  • the use according to the invention of a sound-based hyperbolic locating method is for locating an arc in a low-voltage switchgear.
  • the locating method according to the invention requires at least two sensors that are synchronized in time in order to determine a transit time difference of a sound signal between two different sensor locations.
  • the measured values of the two or more sensors must be transmitted to a computing unit, which can calculate a position of the arc on the basis of the difference in transit time measured.
  • the locating method according to the invention can be referred to as a networked locating system.
  • Low voltage means voltages up to 1000 volts AC or 1500 volts DC. Low voltage means more specifically voltages that are greater than extra-low voltage with values of 50 volts AC or 120 volts DC.
  • the potential transmitter location is a hyper perbelast on this plane, which is characterized by a hyperbolic Position function (hyberbolal baseline) is defined with a pair of receivers at the foci of the hyperbola.
  • All positions on this function have the same measured runtime difference to the transmitter.
  • the position can then be calculated from the intersections of several of these functions for different pairs of receivers. For example, with three receivers, the 2D location where the signal was sent out is at the intersection of two hyperbolas.
  • a description of the hyperbolic localization method can be found, for example, on pages 5 to 6 of the book Nixdorff, Kurt: Mathematical Methods of Sound Localization in the Atmosphere. - 1st edition - Braunschweig: Friedrich Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, 1977, ISBN-13 978-3-528-03067-4, https://doi.org/10.1007/97 8-3-322-85933-4_2 .
  • the time measurement signals at the receiving stations can be generated, for example, via a timer that is synchronized with one another via a synchronization signal that is received periodically. It is not necessary for the individual timers to display the same time at all times, but the time offset between the individual timers must be known.
  • the invention is based on the finding that the distinctive sound emission of the arc can be used to locate it in a low-voltage switchgear. Sound is better suited for this than the electromagnetic radiation emission of the arc, since sound has a relatively low propagation speed, i. H. significant transit time differences between the sensors arise, and sound propagates better in a switchgear than light, e.g. B. is less absorbed or shielded by installations and partitions of the low-voltage switchgear.
  • the invention it is possible to locate an arc in a switchgear with an accuracy of a few centimeters, and thus more precisely than with conventional optical detection systems.
  • parallel, high-current accidental arcing conditions in low-voltage switchgear and distribution systems can be located by a locating system that does not have to meet any time-related requirements for an accidental arcing protection system.
  • the locating system consists of several sensors that evaluate non-electrical signals that are typical for an arc and determine the position of the arc by evaluating transit times.
  • an arc can be located in a switchgear with an accuracy of a few centimetres.
  • the locating system leads to lower installation costs: A complex installation of fiber optic cables in the systems under protection requirements, which is necessary for a conventional locating system, is not necessary.
  • a central arc fault detection based on current and voltage measurement forms the protective function in the switchgear.
  • the locating system locates an arc autonomously, i. H. independent of the detection system. The results of the arc location are only evaluated if the detection system has detected an arc. Since the detection of the arcs is not based on the locating system, the locating system cannot trigger an arc detection erroneously.
  • the sound signal is an ultrasonic signal. This has the particular advantage that the signal emitted by the arc in the ultrasonic range is less affected by other noises, e.g. B.von egg nem circuit breaker, superimposed than in another acoustic range, z. B. in the listening area.
  • the method has the following steps: At least one partial area of the low-voltage switchgear is formed. And at least two spatially spaced sound sensors are assigned to each sub-area.
  • the sound sensors are arranged at the edge of the partial area. This has the particular advantage that the partial area delimited by the sensors can be monitored for the existence of an arc. The accuracy of the location depends on the area covered by the sensors. It is advantageous to place the sensors in the corners.
  • At least two sensors are preferably used to determine the position of an arc on a one-dimensional curve and at least one additional sensor spaced apart from the other sensors for each additional dimension. For example, if the position of an arc is only to be determined on a curve (1D measurement, one-dimensional measurement), it is sufficient to use two sensors and derive the position of the arc from the two arrival times of the signal at the two sensors. For each additional dimension of An additional sensor is required to determine the position.
  • the position of the arc on a general spatial area can be determined by at least three sensors (2D measurement, two-dimensional measurement), while at least four sensors are required to determine the position in space, which must not lie in one plane.
  • three sound sensors are used for locating. Only two coordinates of the arc in the low-voltage switchgear are determined using the hyperbolic locating method as the intersection curve of two hyperboloids, but the third coordinate is based on additional information about the low-voltage switchgear. Additional information can be the physical dimensions (height, width, depth) of the low-voltage switchgear and the routing of cables in the low-voltage switchgear. This has the particular advantage that the required number of sensors can be reduced.
  • two sound sensors are used for locating.
  • only one coordinate of the arc in the low-voltage switchgear is determined by the hyperbolic locating method, but the second and third coordinates are determined on the basis of further information about the low-voltage switchgear. Additional information can be the physical dimensions (height, width, depth) of the low-voltage switchgear, the position and dimensions of parts of the low-voltage switchgear and the routing of lines in the low-voltage switchgear.
  • two sensors can be arranged in each of the partial areas, e.g. B. each only above and below. This has the special advantage that the required number of sensors can be reduced.
  • the low-voltage switchgear has at least one sub-area to which at least two spatially spaced sound sensors are assigned, with the sound sensors being arranged at the edge of the sub-area.
  • two spatially spaced acoustic sensors are assigned to a partial area, the acoustic sensors being arranged at the edge of the partial area.
  • a method for locating an arc in a low-voltage switchgear according to one of claims 1 to 6 is combined with a method for detecting the arc on the basis of voltage values and current values in the low-voltage switchgear.
  • a device for locating an arc in a low-voltage switchgear is combined with a device for detecting the arc in the low-voltage switchgear on the basis of voltage values and current values.
  • the locating system is both a good supplement for rapid, central arc fault detection and can also be used as an alternative to classic arc fault detection systems that have not previously had explicit locating.
  • the location system can be evaluated centrally in combination with an arc detection system or work as an independent system.
  • a connection of the locating system to an arc detection system can be done wirelessly or via a bus system. With regard to the transmission times, there are no special time requirements, since the signal is not required for detection and is therefore required as part of the protective function for arc fault protection.
  • such a combination has a protective and a location function for low-voltage switchgear, because part of the low-voltage switchgear can be monitored by an arc detection system and an arc location system, e.g. B. in each sub-area a photodiode and an additional positioning system.
  • the advantage of this is that the protection system can be made very compact, e.g. B. by measuring current and / or voltage, and the locating system is not part of the protection system.
  • an existing arc detection system in a low-voltage switchgear can be supplemented with an arc detection system.
  • a computer program product is also proposed which can be loaded directly into the internal memory of a digital computing device and comprises software code sections which are used to carry out the steps of the method described herein when the product is run on the computing device.
  • the computer program product can be stored on a data carrier such as a USB memory stick, a DVD or a CD-ROM, a flash memory, EEPROM or an SD card.
  • the computer program product may also be in the form of a signal loadable over a wired or wireless network.
  • the method is preferably implemented in the form of a computer program for automatic execution.
  • the invention is thus on the one hand also a computer program with program code instructions that can be executed by a computer and on the other hand a storage medium with such a computer program, i.e. a computer program product with program code stuffs, and finally also a low-voltage switchgear, in whose memory such a computer program is loaded or loadable as a means for carrying out the procedural procedure and its refinements.
  • FIG. 2 shows a first switchgear in an oblique view
  • 3 shows the first switchgear of FIG. 2 in a front view
  • 4 shows a second switchgear in an oblique view
  • FIG. 5 shows the second switchgear of FIG. 4 in a front view
  • 6 shows a hyperbola locating method with three sensors in a switchgear
  • FIG. 7 shows a switch cabinet; 8 shows a method for locating hyperbola with two sensors in a switchgear;
  • FIG. 9 shows a lateration method
  • FIG. 10 shows the time profile of ultrasonic and UV measured variables that are recorded during the ignition of an arc
  • FIG. 11 shows a lateration method with two detector units in a switchgear
  • FIG. 13 shows a cross correlation
  • 14 shows an envelope curve enveloping a sound signal
  • FIG. 15 shows a threshold method.
  • An arc quickly reaches temperatures in the range of a few 10,000 K.
  • An arc therefore has intensive electromagnetic radiation.
  • the air surrounding the arc expands quickly, which can be perceived as noise emitted by the arc.
  • Graphic a shows the voltage U LB across an arc and the current i LB through the arc.
  • Graph b shows relative voltage values of a sound sensor S s and an ultrasonic sensor Sus / detecting sound generated by the arc; the measured voltage Voltage values u s of the sensors normalized to the amount of the maximum voltage value
  • Graph c shows relative voltage values of an IR sensor SIR, a VIS sensor S ViS and a UV sensor Suv detecting radiation generated by the arc; the measured voltage values u s of the sensors are normalized to the magnitude of the maximum voltage value
  • This property of an arc the emission of electromagnetic radiation and sound waves that begins after it is ignited, can be used to locate the arc.
  • the switchgear 20 has a floor 24, two side walls 21, 22, a ceiling and a rear wall 26.
  • the front wall 25 has been temporarily removed to allow access to the interior.
  • the bottom 24 and the top 23 are parallel to the x-z plane, the two side walls 21, 22 are parallel to the y-z plane and the rear wall 26 and the front wall 25 are parallel to the x-y plane.
  • a sound sensor 1 to 4 was positioned, which is designed to ultrasonic signals, which are generated by an arc gene in the interior of the switchgear 20, to recieve.
  • the sound sensors 1 to 4 have mutually synchronized clocks.
  • the sound sensors 1 to 4 are each connected to a computing unit 35 via signal lines 34; thus, the sound sensors 1 to 4 can transmit the arrival times t1 to t4 of an ultrasonic signal, which was generated by an arc in the interior of the switchgear 20, to the computing unit 35.
  • the arithmetic unit can calculate three independent runtime differences based on the four arrival times tl to t4 and from this according to the Hyperbolic location method, the 3D coordinates P A (x A , y A , z A ) of the arc in the interior of the switchgear 20 determine.
  • FIG. 3 shows the first switching system 20 shown in FIG. 2 in a front view.
  • the z-coordinate z A of the position P A of the arc is not essential for locating the arc, because the dimension of the switchgear 20 along the z-axis is relatively small and the possible positions of an arc in z Direction be limited, z. B. because there is only one current-carrying conductor in the z-dimension. It is therefore sufficient for locating the arc to merely determine the 2D coordinates P A (x A , y A ) of the arc in the interior of the switchgear 20 .
  • a sound sensor 1 to 3 was positioned, which is designed to ultrasonic signals, which are generated by an arc gene in the interior of the switchgear 20, to recieve.
  • the sound sensors 1 to 3 have mutually synchronized clocks.
  • the sound sensors 1 to 3 are each connected to a computing unit 35 via signal lines 34; thus, the sound sensors 1 to 3 can transmit the arrival times t1 to t3 of an ultrasonic signal, which was generated by an arc in the interior of the switchgear 20, to the computing unit 35.
  • the computing unit can calculate two independent transit time differences and use this to determine the 2D coordinates P A (x A , y A ) of the arc in the interior of the switchgear 20 using the hyperbola locating method.
  • FIG 4 shows a second cuboid switchgear 20 in an oblique view, which is designed similarly to the switchgear 20 shown in FIG the Subdivide switchgear 20 into three switch cabinets 28.1, 28.2 and 28.3.
  • a sound sensor 1 to 4 was positioned at each of the two ends of the front edge of the floor 24.1 of the left control cabinet 28.1 and at the two ends of the left side edge of the ceiling 23 of the left control cabinet 28.1 gene generated in the interior of the switchgear 20 to receive.
  • the sound sensors 1 to 4 have mutually synchronized clocks.
  • the sound sensors 1 to 4 are each connected via signal lines to a computing unit (not shown); thus the sound sensors 1 to 4 can transmit the arrival times t1 to t4 of an ultrasonic signal, which was generated by an arc in the interior of the left switch cabinet 28.1 of the switchgear 20, to the computing unit 35.
  • the computing unit can calculate three independent transit time differences and, based on the hyperbolic location method, the 3D coordinates P A (x A , y A , z A ) of the arc in the interior of the left control cabinet 28.1 of the switchgear 20.
  • FIG. 5 shows the second switching system 20 shown in FIG. 3 in a front view.
  • this switchgear 20 for the same reasons as in the switchgear shown in FIG .
  • FIG. 6 illustrates a 2D hyperbola location method in a switchgear 20 based on three sound sensors 1, 2 and 3, which are positioned on the components of the switchgear 20 delimiting the interior.
  • a Cartesian coordinate system (x, y) is introduced to determine the location, the position of which can be defined arbitrarily.
  • the lengths li can be replaced with the arc coordinates (x A , y A ) and the known sensor positions (xi, yi) using the Pythagoras theorem.
  • the resulting equation (2), from the sensor combination i and j, corresponds to a hyperbolic equation.
  • two independent hyperbola equations can have the following form: be set up.
  • Equation (2) For a three-dimensional localization of an arc A, Equation (2) must be extended by a z-coordinate.
  • three independent hyperbolic equations can have the following form: set up and the required arc coordinates (x A , y A , z A ) are calculated. In geometric terms, this corresponds to the determination of the 3D position P A ( x A , y A , z A ) of arc A as the intersection of three hyperboloids, which are described by three hyperbolic equations according to equation (3).
  • d denotes the number of dimensions of the space in which the location is located, e.g.
  • m the number of sound sensors
  • FIG. 7 shows a switch cabinet 28.1, which, as outlined in FIGS. 4 and 5, can be part of a larger switchgear 20.
  • FIG. Fastening elements 32, 33 are arranged in the interior of the control cabinet 28.1, which divide the interior into smaller sub-spaces: horizontally running fastening elements 32 separate inserts 29 arranged one above the other in the right part of the interior, while a vertical fastening element 33 one in the left Part of the interior of the vertical channel 31 power distribution channel from the racks 29 arranged to the right of it separates.
  • the current distribution channel 31 can have any width; he can e.g. B. have a width of 60 to 80 mm.
  • a busbar 36 runs in the vertical direction in the power distribution channel 31 , via which electrical energy is brought to different electrical equipment 30 which are arranged in the racks 29 .
  • "Operating resources” is a collective term for all devices that can be installed in the switch cabinet.
  • FIG 8 illustrates an ID hyperbolic localization method in a control cabinet 28.1, which is constructed similarly to the control cabinet shown in FIG Height H of the cabinet extending power rail 36 are not shown equipment electrically powered, which are arranged in six horizontally one above the other on parent racks 29.1 to 29.6. Here are each at the lower and the upper end of the left outer wall 21, each at a horizontal distance B from the to the middle of the cabinet arranged busbar 36, sound sensors 2, 3 arranged, which can measure the arrival times of a burning arc at the position P A emitted sound signal.
  • the position P A( 1) of the arc is therefore defined as the intersection of the first hyperload h 23 ( 1) with the busbar 36; the arc may have caused damage, especially in the second slot 29.2, which covers an area of the busbar 36 in which the arc is located at position P A .
  • a position P A ( 2) of a second arc can be determined.
  • FIG. 9 visualizes the property of an arc A positioned at a position P A in a 2D representation (xy coordinate system), both electromagnetic radiation and electromagnetic waves UV, e.g. B. ultraviolet light, as well as sound waves US, z. B. ultrasound send the.
  • an arcing event e.g. B. an ignition of the arc
  • the arc signal 10 generated is noticeable to an observer both in the form of a sound signal 10S and in the form of an electromagnetic radiation signal 10EM, with the two different types of signals 10S, 10EM being assigned to the same arc signal 10 and therefore being emitted at the same time tO but arrive at an observer or a sensor S at significantly different arrival times ti or t EM,i .
  • UV light has.
  • a microphone or an ultrasonic sensor can be used as the sound sensor Sus.
  • a UV, light or IR sensor can also be used to detect the radiation.
  • the detector unit 38 has a computing unit 35, for example a microcontroller, for the electronic processing of the sensor signals received from the two sensors Sus and Suv.
  • FIG. 10 shows an example of an evaluation of the transit time difference between a UV signal UV and an ultrasonic signal US by a detector unit, as shown in FIG. After the arc is ignited, a strong UV signal UV reaches the UV sensor after approx. 0.2 ms, whereas the sound signal at the US sensor only takes approx.
  • FIG. 11 illustrates a 2D latation method in a switchgear 20 based on two detector units 38, 39, each comprising a sound sensor and an electromagnetic radiation sensor, which are attached to the interior space delimiting Components of the switchgear 20 are positioned.
  • the distinctive progression of sound and radiation is used to determine the distance to the arc; this uses the fact that the radiation propagates around six powers of ten faster than the sound.
  • Exceeding a limit value on the radiation sensor is defined as the point in time tO at which the arc ignites.
  • the transit time Ati of the sound signal is determined from the time ti at which a limit value on the sound sensor is exceeded and the time tO.
  • the propagation time Ati to a distance lium can be calculated according to equation (1).
  • the distance li determined with a sensor i can already severely restrict the location where the arc burned. If the position of the arc is to be determined even more precisely, the distances of several sensors can be combined. For this purpose, a Cartesian coordinate system (x, y) is introduced, the position of which can be freely defined.
  • the length li between a sensor i and the arc can be replaced with the arc coordinates (x A , y A ) and the known sensor positions (xi, yi) using the Pythagorean theorem.
  • Ati corresponds to a circle equation. With the two sensors 1 and 2, two such independent circuit equations can be set up. Since Ati j , v s and the sensor coordinates are known, the desired arc coordinates (x A , y A ) can be calculated from them; there are generally two equivalent solutions, since the arc position can be symmetrical to the line connecting the sensors. In FIG.
  • Equation (4) For a three-dimensional localization of an arc A, Equation (4) must be extended by a z-coordinate. Based on three sound propagation times Ati of a sound signal at three sensors, three independent spherical equations of the following form can be calculated: are set up and the arc coordinates sought (x A , y A , z A ) are calculated therefrom; here, too, there are several mathematically equivalent solutions. Geometrically this corresponds to the determination of the 3D position P A ( x A , y A , z A ) of the arc A as the intersection of three spheres, which are described by three sphere equations according to Equation (5).
  • FIG. 12 illustrates an ID latation method in a switch cabinet 28.1, which is constructed similarly to the switch cabinet shown in FIG Switch cabinet extending busbar 36 are not shown resources electrically ver provides that are arranged in six horizontally stacked A drawers 29.1 to 29.6 are arranged.
  • a detector unit 38 with a sound and an electromagnetic radiation sensor is arranged at the lower end of the left-hand outer wall 21, at a horizontal distance B from the current rail 36 arranged towards the middle of the cabinet Can measure position P A burning arc emitted sound signal and an electromagnetic radiation signal. Since an arc in the current distribution channel 31 must lie on the conductor rail 36, a detector unit 38 is sufficient for precise localization of the arc.
  • the position P A of the arc is therefore defined as the intersection of the circle k with the busbar 36; the arc has therefore eventual damage especially in the fifth drawer 29.5 caused, which covers an area of the busbar 36, in which the position P A of the arc is gens.
  • FIGS. 13 to 15 relate to the determination of transit time differences in the hyperbola location method.
  • the transit time differences between two or more sensors must be determined; a cross-correlation, in particular a cross-correlation of an envelope curve of signal values or a threshold value method can be used for this purpose. Thresholding is less computationally intensive than cross-correlation and will thus often be preferred.
  • the difference in transit time between two or more sensors can be analyzed more precisely by means of cross-correlation of the envelope curve than with a threshold value method. This means that high-current arcing faults can be evaluated using the simpler threshold value method, while low-current or heavily shadowed arcing faults can be located more precisely using the cross-correlation of the envelope curve.
  • FIG. 13 illustrates a cross correlation.
  • Graphic a shows the original measurement curves ui and U2 of a sound signal recorded by two sensors 1, 2.
  • the measurement curves ui and U2 are first smoothed by forming their magnitude and including a median filter with a window width of z. B. 1000 values is applied.
  • FIG. 14 illustrates an envelope curve HK (dashed line) for a sound signal 10S (solid line).
  • An envelope curve of a signal follows the progression of the amplitude of the sound signal 10S which changes over time (t-axis) and is plotted along the y-axis. So the envelope is like a filter that filters out changes in the sound signal on small time scales and only keeps changes in the sound signal on larger time scales.
  • the envelope curve as the envelope of the fine structure of a sound signal, essentially reflects the course of the sound level.
  • FIG. 15 illustrates a threshold method.
  • Graphic a shows the measurement curves ui and U2 of a sound signal recorded by two sensors 1, 2.
  • a threshold value comparison is applied to the measurement curves ui and U2 of both sensors 1 and 2.
  • the point in time at which the absolute value of the measurement signal u s( t) exceeds a fixed threshold value +u* or -u* for the first time is used as At, see graphic a: or exceeds a percentage threshold value p* of the maximum modulation Iu s I max for the first time:
  • Graphic b shows the function F(u s ,t) for the two measurement curves Ui and U2.
  • the time difference between the two jump points at which the functions F(ui,t) and F(u2,t) jump from 0 to 1 corresponds to the transit time difference At.

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Abstract

The invention relates to a method for locating an arc (A) in low-voltage switchgear (20), comprising the following steps: - capturing arrival times (t1, t2, t3) at which an acoustic signal (10S) generated by the arc (A) arrives at each of at least two acoustic sensors (1, 2, 3) spatially spaced apart from one another; - determining at least one propagation time difference (Δt12, Δt13) of the acoustic signal (10S) by forming pairs of differences between two of the captured arrival times (t1, t2, t3) in each case; - determining the position (P_A) of the arc (A) on the basis of the at least one determined propagation time difference (Δt12, Δt13) according to the hyperbolic locating method.

Description

Beschreibung description
Ortung eines Lichtbogens Locating an arc
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ortung eines Lichtbogens in einer Niederspannungsschaltanlage, eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens, sowie eine Verwen dung eines schallbasierten Hyperbel-Ortungsverfahrens. The present invention relates to a method for locating an arc in a low-voltage switchgear, a device for carrying out the method, and the use of a sound-based hyperbolic locating method.
In Niederspannungsnetzen sind Kurzschlüsse meist mit auftre tenden parallelen Störlichtbögen verbunden. Besonders in leistungsstarken Verteil- und Schaltanlagen können diese bei einer nicht ausreichend schnellen Abschaltung zu verheerenden Zerstörungen von Betriebsmitteln, Anlagenteilen oder komplet ten Schaltanlagen führen. Um einen länger andauernden und großflächigen Ausfall der Energieversorgung zu vermeiden und Personenschäden zu reduzieren, ist es erforderlich, derartige stromstarke, parallele Störlichtbögen in wenigen Millisekun den zu erkennen und zu löschen. In low-voltage networks, short circuits are usually associated with parallel arcing faults. Particularly in high-performance distribution and switchgear systems, if they are not switched off quickly enough, they can lead to devastating damage to equipment, system components or entire switchgear systems. In order to avoid a long-lasting and large-scale failure of the power supply and to reduce personal injury, it is necessary to detect and extinguish such high-current, parallel accidental arcs in a few milliseconds.
Für die Erfassung von Störlichtbögen kommen explizite Stör lichtbogendetektionssysteme 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 Lichtwellen leiter installiert. Die Lichtwellenleiter erfassen die von einem Lichtbogen erzeugte Lichtemission und leiten das opti sche Signal an eine zentral installierte Detektionseinheit weiter. Diese stellt auf Grundlage der Auswertung des opti schen Signals und eventuell weiteren Freigabebedingungen wie z. B. Überstrom ein Auslösesignal für einen Kurzschließer be reit, der meist für die Löschung des Lichtbogens eingesetzt wird. Die Kurzschließer können bei Ansteuerung einen Kurz schluss erzeugen, z. B. durch Zünden einer intern installier ten Sprengladung. Somit kann sich am Lichtbogen keine Licht bogenspannung mehr aufbauen und der Lichtbogen erlischt. Ein Störlichtbogendetektionssystem ist z. B. in WO 2017/050764 Al (Siemens AG) 30.03.2017 beschrieben. Explicit arc fault detection systems are used to detect arc faults. The conventional arc fault detection systems available on the market consist of several components (multi-component systems) that have to be installed individually at the installation site. For example, fiber optic cables are installed in the areas of the system that are to be protected. The optical fibers capture the light emission generated by an arc and forward the optical signal to a centrally installed detection unit. Based on the evaluation of the optical signal and any other release conditions such as e.g. B. overcurrent, a trip signal for a short-circuiter be ready, which is usually used to extinguish the arc. The short circuiters can generate a short circuit when activated, e.g. B. by detonating an internally installed explosive charge. This means that arc voltage can no longer build up at the arc and the arc is extinguished. On Arc fault detection system is z. B. in WO 2017/050764 A1 (Siemens AG) 30.03.2017 described.
Diese Systeme kombinieren indirekt die Störlichtbogenortung und die Störlichtbogenerfassung, wenn eine Auswertung des an gesprochenen Sensors durchgeführt wird. Jedoch begrenzt sich die Genauigkeit der Ortung lediglich auf den Erfassungsbe reich des Sensors. Eine genaue Position der Lichtbogenbrenn stelle kann mit den bestehenden Systemen nicht ermittelt wer den. These systems indirectly combine arc fault location and arc fault detection when an evaluation of the sensor addressed is carried out. However, the accuracy of the location is only limited to the detection range of the sensor. An exact position of the arcing point cannot be determined with the existing systems.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbes serte Lichtbogenortung bereitzustellen. The object of the present invention is therefore to provide improved arc location.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, eine Vorrichtung gemäß Anspruch 7 sowie eine Ver wendung gemäß Anspruch 9 erfüllt. According to the invention, this object is achieved by a method according to claim 1, a device according to claim 7 and a use according to claim 9.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ortung eines Lichtbogens in einer Niederspannungsschaltanlage weist folgende Schritte auf: Es erfolgt ein Erfassen von Ankunftszeiten, zu denen ein durch den Lichtbogen erzeugtes Schallsignal an mindestens zwei räumlich voneinander beabstandeten Schallsensoren je weils ankommt. Es erfolgt ein Ermitteln von mindestens einer Laufzeitdifferenz des Schallsignals durch Bilden von paarwei sen Differenzen von jeweils zwei der erfassten Ankunftszei ten. Es erfolgt ein Bestimmen der Position des Lichtbogens auf Basis der mindestens einen ermittelten Laufzeitdifferenz gemäß dem Hyperbel-Ortungsverfahren. The inventive method for locating an arc in a low-voltage switchgear has the following steps: arrival times are recorded at which a sound signal generated by the arc arrives at at least two spatially spaced sound sensors. At least one transit time difference of the sound signal is determined by forming pairs of differences between two of the recorded arrival times. The position of the arc is determined on the basis of the at least one transit time difference determined using the hyperbolic locating method.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ortung eines Lichtbogens in einer Niederspannungsschaltanlage weist mindestens zwei räumlich voneinander beabstandete Schallsensoren auf, welche zum Erfassen von Ankunftszeiten eines durch den Lichtbogen erzeugten Schallsignals ausgestaltet sind. Die Vorrichtung weist außerdem eine mit den Schallsensoren verbundene Rechen einheit auf. Die Recheneinheit ist zum Ermitteln von mindes tens einer Laufzeitdifferenz des Schallsignals durch Bilden von paarweisen Differenzen von jeweils zwei der erfassten An kunftszeiten ausgestaltet. Die Recheneinheit ist außerdem zum Bestimmen der Position des Lichtbogens auf Basis der mindes tens einen ermittelten Laufzeitdifferenz gemäß dem Hyperbel- Ortungsverfahren ausgestaltet. The device according to the invention for locating an arc in a low-voltage switchgear has at least two sound sensors that are spatially spaced apart from one another and are designed to detect the arrival times of a sound signal generated by the arc. The device also has a computing unit connected to the sound sensors. The computing unit is for determining at least one transit time difference of the sound signal by forming designed by pairwise differences of two of the recorded arrival times. The arithmetic unit is also designed to determine the position of the arc on the basis of the at least one determined travel time difference according to the hyperbolic locating method.
Die erfindungsgemäße Verwendung eines schallbasierten Hyper bel-Ortungsverfahrens ist zur Ortung eines Lichtbogens in ei ner Niederspannungsschaltanlage. The use according to the invention of a sound-based hyperbolic locating method is for locating an arc in a low-voltage switchgear.
Das erfindungsgemäße Ortungsverfahren benötigt mindestens zwei zeitlich synchronisierte Sensoren, um eine Laufzeitdif ferenz eines Schallsignals zwischen zwei unterschiedlichen Sensorstandorten zu bestimmen. Außerdem müssen die Messwerte der zwei oder mehr Sensoren zu einer Recheneinheit übermit telt werden, welche auf Basis der gemessenen Laufzeitdiffe renz eine Position des Lichtbogens berechnen kann. Aus diesen Gründen kann das erfindungsgemäße Ortungsverfahren als ein vernetztes Ortungssystem bezeichnet werden. The locating method according to the invention requires at least two sensors that are synchronized in time in order to determine a transit time difference of a sound signal between two different sensor locations. In addition, the measured values of the two or more sensors must be transmitted to a computing unit, which can calculate a position of the arc on the basis of the difference in transit time measured. For these reasons, the locating method according to the invention can be referred to as a networked locating system.
Mit Niederspannung sind Spannungen bis 1000 Volt Wechselspan nung oder 1500 Volt Gleichspannung gemeint. Mit Niederspan nung sind spezieller insbesondere Spannungen gemeint, die größer als die Kleinspannung mit Werten von 50 Volt Wechsel spannung oder 120 Volt Gleichspannung sind. Low voltage means voltages up to 1000 volts AC or 1500 volts DC. Low voltage means more specifically voltages that are greater than extra-low voltage with values of 50 volts AC or 120 volts DC.
Das Hyperbel-Ortungsverfahren, auch bekannt unter dem engli schen Begriff TDOA surveillance, ist eine bekannte Methode zur Positionsbestimmung (TDOA = Time Difference of Arrival). Dabei wird ausgenutzt, dass die Laufzeit eines Signals pro portional zu der Entfernung zwischen dem Sender und dem Emp fänger ist. Durch die Laufzeitdifferenz zwischen zwei unter schiedlichen Empfängern wird ein Hyperboloid festgelegt, das den potenziellen Ort, an dem das Signal ausgesendet wurde, angibt. Liegen die Empfänger des Signals, z. B. Sensoren, und der Sender des Signals in einer gemeinsamen Ebene, z. B. auf der Erdoberfläche, so ist der potenzielle Senderort ein Hy perbelast auf dieser Ebene, welcher durch eine hyperbolische Positionsfunktion (Hyberbelstandlinie) mit einem Empfänger paar in den Brennpunkten der Hyperbel definiert ist. Dabei haben alle Positionen auf dieser Funktion denselben gemesse nen Laufzeitunterschied zu dem Sender. Aus den Schnittpunkten mehrerer dieser Funktionen zu verschiedenen Empfängerpaaren lässt sich dann die Position errechnen. Zum Beispiel befindet sich bei drei Empfängern der 2D-Ort, an dem das Signal ausge sendet wurde, im Schnittpunkt von zwei Hyperbelästen. Eine Beschreibung des Hyperbel-Ortungsverfahren findet man bei spielsweise auf den Seiten 5 bis 6 des Buchs Nixdorff, Kurt: Mathematische Methoden der Schallortung in der Atmosphäre. - 1. Auflage - Braunschweig: Friedrich Vieweg & Sohn Verlagsge sellschaft mbH, 1977, ISBN-13 978-3-528-03067-4, https://doi.org/10.1007/97 8-3-322-85933-4_2. The hyperbolic locating method, also known by the English term TDOA surveillance, is a well-known method for determining position (TDOA=Time Difference of Arrival). This exploits the fact that the propagation time of a signal is proportional to the distance between the transmitter and the receiver. The time difference between two different receivers defines a hyperboloid that indicates the potential location where the signal was sent. Are the recipients of the signal, e.g. B. sensors, and the transmitter of the signal in a common plane, z. B. on the earth's surface, the potential transmitter location is a hyper perbelast on this plane, which is characterized by a hyperbolic Position function (hyberbolal baseline) is defined with a pair of receivers at the foci of the hyperbola. All positions on this function have the same measured runtime difference to the transmitter. The position can then be calculated from the intersections of several of these functions for different pairs of receivers. For example, with three receivers, the 2D location where the signal was sent out is at the intersection of two hyperbolas. A description of the hyperbolic localization method can be found, for example, on pages 5 to 6 of the book Nixdorff, Kurt: Mathematical Methods of Sound Localization in the Atmosphere. - 1st edition - Braunschweig: Friedrich Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, 1977, ISBN-13 978-3-528-03067-4, https://doi.org/10.1007/97 8-3-322-85933-4_2 .
Die Zeitmesssignale bei den Empfangsstationen können bei spielsweise über einen Zeitgeber erzeugt werden, die unterei nander über ein periodisch empfangenes Synchronisationssignal synchronisiert werden. Dabei ist nicht erforderlich, dass die einzelnen Zeitgeber zu jedem Zeitpunkt die gleiche Zeit an- zeigen, es muss jedoch der Zeitversatz zwischen den einzelnen Zeitgebern bekannt sein. The time measurement signals at the receiving stations can be generated, for example, via a timer that is synchronized with one another via a synchronization signal that is received periodically. It is not necessary for the individual timers to display the same time at all times, but the time offset between the individual timers must be known.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die markan te Schallemission des Lichtbogens zu seiner Ortung in einer Niederspannungsschaltanlage genutzt werden kann. Schall ist dazu besser als die elektromagnetische Strahlungsemission des Lichtbogens geeignet, da Schall eine relativ kleine Ausbrei tungsgeschwindigkeit hat, d. h. signifikante Laufzeitunter schiede zwischen den Sensoren entstehen, und sich Schall in einer Schaltanlage besser ausbreitet als Licht, z. B. durch Einbauten und Trennwände der Niederspannungsschaltanlage we niger absorbiert bzw. abgeschirmt wird. The invention is based on the finding that the distinctive sound emission of the arc can be used to locate it in a low-voltage switchgear. Sound is better suited for this than the electromagnetic radiation emission of the arc, since sound has a relatively low propagation speed, i. H. significant transit time differences between the sensors arise, and sound propagates better in a switchgear than light, e.g. B. is less absorbed or shielded by installations and partitions of the low-voltage switchgear.
Mit der Erfindung ist es möglich, einen Lichtbogen auf wenige Zentimeter genau in einer Schaltanlage zu orten, und somit genauer als mit den herkömmlichen optischen Detektionssyste- men. Mit der Erfindung können parallele, stromstarke Störlichtbö gen in Niederspannungs-Schalt- und Verteilungs-Anlagen durch ein Ortungssystem, das keine zeitlichen Anforderungen hin sichtlich eines Störlichtbogenschutzsystems erfüllen muss, geortet werden. Das Ortungssystem besteht aus mehreren Senso ren, die für einen Lichtbogen typische, nicht elektrische Signale auswerten und durch die Auswertung von Laufzeiten die Position des Lichtbogens bestimmen. With the invention, it is possible to locate an arc in a switchgear with an accuracy of a few centimeters, and thus more precisely than with conventional optical detection systems. With the invention, parallel, high-current accidental arcing conditions in low-voltage switchgear and distribution systems can be located by a locating system that does not have to meet any time-related requirements for an accidental arcing protection system. The locating system consists of several sensors that evaluate non-electrical signals that are typical for an arc and determine the position of the arc by evaluating transit times.
Durch den Einsatz eines Ortungssystems ergeben sich folgende Vorteile: The use of a positioning system results in the following advantages:
- Mit dem Ortungssystem kann eine hohe Genauigkeit der Loka lisierung erzielt werden: Ein Lichtbogen lässt sich mit einer Genauigkeit von wenigen Zentimeter in einer Schaltanlage or ten. - With the locating system, a high degree of localization accuracy can be achieved: an arc can be located in a switchgear with an accuracy of a few centimetres.
- Das Ortungssystem führt zu geringeren Installationskosten: Eine aufwändige Installation von Lichtwellenleitern in den Anlagen unter schutztechnischen Anforderungen, die für ein herkömmliches Ortungssystem notwendig ist, ist nicht erfor derlich. - The locating system leads to lower installation costs: A complex installation of fiber optic cables in the systems under protection requirements, which is necessary for a conventional locating system, is not necessary.
- Eine zentrale Störlichtbogendetektion auf Basis von Strom- und Spannungsmessung bildet die Schutzfunktion in der Schalt anlage. Das Ortungssystem ortet einen Lichtbogen autark, d. h. unabhängig vom Detektionssystem. Eine Auswertung der Ergebnisse der Lichtbogenortung erfolgt nur, falls vom Detek tionssystem ein Lichtbogen erkannt wurde. Da die Erkennung der Lichtbögen also nicht auf dem Ortungssystem basiert, kann das Ortungssystem keine Fehlauslösung einer Lichtbogenerken nung hervorrufen. - A central arc fault detection based on current and voltage measurement forms the protective function in the switchgear. The locating system locates an arc autonomously, i. H. independent of the detection system. The results of the arc location are only evaluated if the detection system has detected an arc. Since the detection of the arcs is not based on the locating system, the locating system cannot trigger an arc detection erroneously.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin dung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Dabei kann das erfindungsgemäße Verfahren auch entsprechend den abhängi gen Vorrichtungsansprüchen weitergebildet sein, und umge kehrt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schallsignal ein Ultraschallsignal. Dies hat den besonderen Vorteil, dass das vom Lichtbogen ausgesendete Signal im Ult raschallbereich weniger durch andere Geräusche, z. B.von ei nem Leistungsschalter, überlagert wird als in einem anderen akustischen Bereich, z. B. im Hörbereich. Advantageous refinements and developments of the inventions are specified in the dependent claims. The method according to the invention can also be developed in accordance with the dependent device claims, and vice versa. In an advantageous embodiment of the invention, the sound signal is an ultrasonic signal. This has the particular advantage that the signal emitted by the arc in the ultrasonic range is less affected by other noises, e.g. B.von egg nem circuit breaker, superimposed than in another acoustic range, z. B. in the listening area.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Verfahren folgende Schritte auf: Es erfolgt ein Bilden min destens eines Teilbereichs der Niederspannungsschaltanlage. Und es erfolgt ein Zuordnen von mindestens zwei räumlich von einander beabstandeten Schallsensoren zu jedem Teilbereich. Der Begriff Teilbereich umfasst dabei sowohl einen 2D- als auch einen 3D-Teilbereich (= Teil-Volumen). Es ist also mög lich, verschiedene Einheiten der Niederspannungsschaltanlage (Schaltfeld, Schaltschrank, Schaltanlage, Einschub) mit Sen soren zu überwachen. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Ortung eines Lichtbogens jeweils in kleineren Bereichen erfolgt, so dass eine einfachere und genauere Ortung ermög lich wird. In an advantageous embodiment of the invention, the method has the following steps: At least one partial area of the low-voltage switchgear is formed. And at least two spatially spaced sound sensors are assigned to each sub-area. The term sub-area includes both a 2D and a 3D sub-area (=partial volume). It is therefore possible, please include various units of the low-voltage switchgear (panel, control cabinet, switchgear, withdrawable unit) to monitor with sensors. This has the particular advantage that an arc can be located in smaller areas, so that it can be located more easily and precisely.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Schallsensoren am Rand des Teilbereichs angeordnet. Dies hat den besonderen Vorteil, dass der von den Sensoren begrenzte Teilbereich auf eine Existenz eines Lichtbogens überwacht werden kann. Die Genauigkeit der Ortung ist dabei abhängig von der Fläche, die von den Sensoren aufgespannt wird. Es ist dabei von Vorteil, die Sensoren in den Ecken zu platzieren. In an advantageous embodiment of the invention, the sound sensors are arranged at the edge of the partial area. This has the particular advantage that the partial area delimited by the sensors can be monitored for the existence of an arc. The accuracy of the location depends on the area covered by the sensors. It is advantageous to place the sensors in the corners.
Bevorzugt werden für die Bestimmung der Position eines Licht bogens auf einer eindimensionalen Kurve wenigstens zwei Sen soren verwendet und für jede weitere Dimension wenigstens ein weiterer von den anderen Sensoren beabstandeter Sensor. Soll die Position eines Lichtbogens beispielsweise nur auf einer Kurve (1D-Messung, eindimensionale Messung) bestimmt werden, so genügt es, zwei Sensoren zu verwenden und die Position des Lichtbogens aus den beiden Ankunftszeiten des Signals bei den beiden Sensoren abzuleiten. Für jede weitere Dimension der Positionsbestimmung ist ein weiterer Sensor erforderlich. Die Position des Lichtbogens auf einer allgemeinen Raumfläche kann durch mindestens drei Sensoren bestimmt werden (2D- Messung, zweidimensionale Messung), während für die Positi onsbestimmung im Raum mindestens vier Sensoren benötigt wer den, die nicht in einer Ebene liegen dürfen. At least two sensors are preferably used to determine the position of an arc on a one-dimensional curve and at least one additional sensor spaced apart from the other sensors for each additional dimension. For example, if the position of an arc is only to be determined on a curve (1D measurement, one-dimensional measurement), it is sufficient to use two sensors and derive the position of the arc from the two arrival times of the signal at the two sensors. For each additional dimension of An additional sensor is required to determine the position. The position of the arc on a general spatial area can be determined by at least three sensors (2D measurement, two-dimensional measurement), while at least four sensors are required to determine the position in space, which must not lie in one plane.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden drei Schallsensoren zur Ortung verwendet. Dabei werden ledig lich zwei Koordinaten des Lichtbogens in der Niederspannungs schaltanlage durch das Hyperbel-Ortungsverfahren als Schnitt kurve von zwei Hyperboloiden ermittelt, aber die dritte Koor dinate auf Basis weiterer Informationen über die Niederspan nungsschaltanlage. Weitere Informationen können die physika lischen Abmessungen (Höhe, Breite, Tiefe) der Niederspan nungsschaltanlage und der Verlauf von Leitungen in der Nie derspannungsschaltanlage sein. Dies hat den besonderen Vor teil, dass die notwendige Zahl an Sensoren verringert werden kann. In an advantageous embodiment of the invention, three sound sensors are used for locating. Only two coordinates of the arc in the low-voltage switchgear are determined using the hyperbolic locating method as the intersection curve of two hyperboloids, but the third coordinate is based on additional information about the low-voltage switchgear. Additional information can be the physical dimensions (height, width, depth) of the low-voltage switchgear and the routing of cables in the low-voltage switchgear. This has the particular advantage that the required number of sensors can be reduced.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden zwei Schallsensoren zur Ortung verwendet. Dabei wird ledig lich eine Koordinate des Lichtbogens in der Niederspannungs schaltanlage durch das Hyperbel-Ortungsverfahren ermittelt, aber die zweite und die dritte Koordinate auf Basis weiterer Informationen über die Niederspannungsschaltanlage ermittelt. Weitere Informationen können die physikalischen Abmessungen (Höhe, Breite, Tiefe) der Niederspannungsschaltanlage, die Lage und die Abmessungen von Teilbereichen der Niederspan nungsschaltanlage und der Verlauf von Leitungen in der Nie derspannungsschaltanlage sein. Falls eine Niederspannungs schaltanlage voneinander abgeschottete Teilbereiche aufweist, können in den Teilbereichen jeweils zwei Sensoren angeordnet werden, z. B. jeweils nur oben und unten. Dies hat den beson deren Vorteil, dass die notwendige Zahl an Sensoren verrin gert werden kann. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Niederspannungsschaltanlage mindestens einen Teilbereich auf, dem mindestens zwei räumlich voneinander beabstandete Schall sensoren zugeordnet sind, wobei die Schallsensoren am Rand des Teilbereichs angeordnet sind. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Ortung eines Lichtbogens jeweils in kleine ren Bereichen erfolgt, so dass eine einfachere und genauere Ortung ermöglich wird. In an advantageous embodiment of the invention, two sound sensors are used for locating. In this case, only one coordinate of the arc in the low-voltage switchgear is determined by the hyperbolic locating method, but the second and third coordinates are determined on the basis of further information about the low-voltage switchgear. Additional information can be the physical dimensions (height, width, depth) of the low-voltage switchgear, the position and dimensions of parts of the low-voltage switchgear and the routing of lines in the low-voltage switchgear. If a low-voltage switchgear has partial areas that are sealed off from one another, two sensors can be arranged in each of the partial areas, e.g. B. each only above and below. This has the special advantage that the required number of sensors can be reduced. In an advantageous embodiment of the invention, the low-voltage switchgear has at least one sub-area to which at least two spatially spaced sound sensors are assigned, with the sound sensors being arranged at the edge of the sub-area. This has the particular advantage that an arc is located in smaller areas, so that it can be located more easily and more precisely.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind einem Teilbereich zwei räumlich voneinander beabstandete Schallsen soren zugeordnet, wobei die Schallsensoren am Rand des Teil bereichs angeordnet sind. Dies hat den besonderen Vorteil, dass der von den Sensoren begrenzte Teilbereich auf eine Existenz eines Lichtbogens überwacht werden kann. In an advantageous embodiment of the invention, two spatially spaced acoustic sensors are assigned to a partial area, the acoustic sensors being arranged at the edge of the partial area. This has the particular advantage that the partial area delimited by the sensors can be monitored for the existence of an arc.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren zur Ortung eines Lichtbogens in einer Niederspan nungsschaltanlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einem Verfahren zur Erkennung des Lichtbogens auf Basis von Span nungswerten und Stromwerten in der Niederspannungsschaltanla ge kombiniert. Analog dazu wird in einer vorteilhaften Ausge staltung der Erfindung eine Vorrichtung zur Ortung eines Lichtbogens in einer Niederspannungsschaltanlage gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9 mit einer Vorrichtung zur Erkennung des Lichtbogens in der Niederspannungsschaltanlage auf Basis von Spannungswerten und Stromwerten kombiniert. Diese Kombinatio nen haben den besonderen Vorteil, dass für das Ortungssystem keine besonderen schutzrelevanten Anforderungen beachtet wer den müssen, weil das Ortungssystem nicht zu dem Lichtbogen schutzsystem zählt. Das Ortungssystem ist sowohl eine gute Ergänzung für die schnelle, zentrale Störlichtbogenerkennung als auch alternativ als Ersatz für klassische Störlichtbogen detektionssysteme verwendbar, die bisher nicht über eine ex plizite Ortung verfügen. Das Ortungssystem kann in Kombinati on mit einem Lichtbogenerkennungssystem zentral ausgewertet werden oder als ein eigenständiges System arbeiten. Eine An bindung des Ortungssystems an ein Lichtbogenerkennungssystem kann funktechnisch oder über ein Bussystem erfolgen. Hin sichtlich der Übertragungszeiten bestehen keine besonderen zeitlichen Anforderungen, da das Signal nicht für die Detek tion und daher im Rahmen der Schutzfunktion für den Stör lichtbogenschutz notwendig ist. In an advantageous embodiment of the invention, a method for locating an arc in a low-voltage switchgear according to one of claims 1 to 6 is combined with a method for detecting the arc on the basis of voltage values and current values in the low-voltage switchgear. Similarly, in an advantageous embodiment of the invention, a device for locating an arc in a low-voltage switchgear is combined with a device for detecting the arc in the low-voltage switchgear on the basis of voltage values and current values. These combinations have the special advantage that no special protection-relevant requirements have to be observed for the locating system because the locating system is not part of the arc protection system. The locating system is both a good supplement for rapid, central arc fault detection and can also be used as an alternative to classic arc fault detection systems that have not previously had explicit locating. The location system can be evaluated centrally in combination with an arc detection system or work as an independent system. A connection of the locating system to an arc detection system can be done wirelessly or via a bus system. With regard to the transmission times, there are no special time requirements, since the signal is not required for detection and is therefore required as part of the protective function for arc fault protection.
Die oben genannten Kombinationen haben also zwei Aspekte: Zum einen hat eine solche Kombination eine Schutz- und eine Or tungsfunktion für eine Niederspannungsschaltanlage, weil ein Teilbereich der Niederspannungsschaltanlage durch ein Licht bogenerkennungssystem und ein Lichtbogenortungssystem über wacht werden kann, z. B. in jedem Teilbereich eine Fotodiode und zusätzlich ein Ortungssystem. Der Vorteil dabei ist, dass das Schutzsystem sehr kompakt ausgebildet sein kann, z. B. durch Messung von Strom und/oder Spannung, und das Ortungs system nicht Bestandteil des Schutzsystems ist. Zum anderen kann ein bestehendes Lichtbogenerkennungssystem einer Nieder spannungsschaltanlage um ein Lichtbogenortungssystem ergänzt werden. The combinations mentioned above therefore have two aspects: On the one hand, such a combination has a protective and a location function for low-voltage switchgear, because part of the low-voltage switchgear can be monitored by an arc detection system and an arc location system, e.g. B. in each sub-area a photodiode and an additional positioning system. The advantage of this is that the protection system can be made very compact, e.g. B. by measuring current and / or voltage, and the locating system is not part of the protection system. On the other hand, an existing arc detection system in a low-voltage switchgear can be supplemented with an arc detection system.
Es wird außerdem ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, das direkt in den internen Speicher einer digitalen Rechen einheit geladen werden kann und Softwarecodeabschnitte um fasst, mit denen die Schritte des hierin beschriebenen Ver fahrens ausgeführt werden, wenn das Produkt auf der Rechen einheit läuft. Das Computerprogrammprodukt kann auf einem Da tenträger gespeichert sein, wie z.B. einem USB-Speicherstick, 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 Netz werk ladbares Signal vorliegen. A computer program product is also proposed which can be loaded directly into the internal memory of a digital computing device and comprises software code sections which are used to carry out the steps of the method described herein when the product is run on the computing device. The computer program product can be stored on a data carrier such as a USB memory stick, a DVD or a CD-ROM, a flash memory, EEPROM or an SD card. The computer program product may also be in the form of a signal loadable over a wired or wireless network.
Das Verfahren ist zur automatischen Ausführung bevorzugt in Form eines Computerprogramms realisiert. Die Erfindung ist damit einerseits auch ein Computerprogramm mit durch einen Computer ausführbaren Programmcodeanweisungen und anderer seits ein Speichermedium mit einem derartigen Computerpro gramm, also ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemit- teln, sowie schließlich auch eine Niederspannungsschaltanla ge, in deren Speicher als Mittel zur Durchführung des Verfah rens und seiner Ausgestaltungen ein solches Computerprogramm geladen oder ladbar ist. The method is preferably implemented in the form of a computer program for automatic execution. The invention is thus on the one hand also a computer program with program code instructions that can be executed by a computer and on the other hand a storage medium with such a computer program, i.e. a computer program product with program code stuffs, and finally also a low-voltage switchgear, in whose memory such a computer program is loaded or loadable as a means for carrying out the procedural procedure and its refinements.
Wenn im Folgenden Verfahrensschritte oder Verfahrensschritt folgen 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 jede Verwendung des Begriffs „automatisch", dass die betref fende Aktion aufgrund des Computerprogramms oder unter Kon trolle des Computerprogramms erfolgt. If method steps or method steps are described below, this refers to actions that take place due to the computer program or under the control of the computer program, unless it is expressly stated that individual actions are initiated by a user of the computer program. At a minimum, any use of the term "automatic" means that the action in question is due to or under the control of the computer program.
Anstelle eines Computerprogramms mit einzelnen Programmcode anweisungen kann die Implementierung des hier und im Folgen den beschriebenen Verfahrens auch in Form von Firmware erfol gen. Dem Fachmann ist klar, dass anstelle einer Implementati on eines Verfahrens in Software stets auch eine Implementati on in Firmware oder in Firm- und Software oder in Firm- und Hardware möglich ist. Daher soll für die hier vorgelegte Be schreibung gelten, dass von dem Begriff Software oder dem Be griff Computerprogramm auch andere Implementationsmöglichkei ten, nämlich insbesondere eine Implementation in Firmware oder in Firm- und Software oder in Firm- und Hardware, um fasst sind. Instead of a computer program with individual program code instructions, the method described here and below can also be implemented in the form of firmware. It is clear to the person skilled in the art that instead of an implementation of a method in software, an implementation in firmware or in Firm - and software or in firmware and hardware is possible. It should therefore apply to the description presented here that the term software or the term computer program also includes other implementation options, namely in particular an implementation in firmware or in firmware and software or in firmware and hardware.
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 Ausführungsbeispiele, welche anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt jeweils schematisch und nicht maßstabsgetreu The properties, features and advantages of this invention described above, and the manner in which they are achieved, will become clearer and more clearly understood from the following description of the exemplary embodiments, which are illustrated in more detail with reference to the drawings. It shows in each case schematically and not true to scale
FIG 1 den zeitlichen Verlauf von Messgrößen, die während der Zündung eines Lichtbogens erfasst werden; 1 shows the time profile of measured variables that are recorded during the ignition of an arc;
FIG 2 eine erste Schaltanlage in Schrägansicht; FIG 3 die erste Schaltanlage von FIG 2 in Vorderansicht; FIG 4 eine zweite Schaltanlage in Schrägansicht; FIG 5 die zweite Schaltanlage von FIG 4 in Vorderansicht; FIG 6 ein Hyperbelortungsverfahren mit drei Sensoren in einer Schaltanlage; 2 shows a first switchgear in an oblique view; 3 shows the first switchgear of FIG. 2 in a front view; 4 shows a second switchgear in an oblique view; FIG. 5 shows the second switchgear of FIG. 4 in a front view; 6 shows a hyperbola locating method with three sensors in a switchgear;
FIG 7 einen Schaltschrank; FIG 8 ein Hyperbelortungsverfahren mit zwei Sensoren in einer Schaltanlage; 7 shows a switch cabinet; 8 shows a method for locating hyperbola with two sensors in a switchgear;
FIG 9 ein Laterationsverfahren; FIG 10 den zeitlichen Verlauf von Ultraschall- und UV- Messgrößen, die während der Zündung eines Lichtbo gens erfasst werden; 9 shows a lateration method; FIG. 10 shows the time profile of ultrasonic and UV measured variables that are recorded during the ignition of an arc;
FIG 11 ein Laterationsverfahren mit zwei Detektoreinheiten in einer Schaltanlage; 11 shows a lateration method with two detector units in a switchgear;
FIG 12 ein Laterationsverfahren mit einer Detektoreinheit in einer Schaltanlage; 12 shows a lateration method with a detector unit in a switchgear;
FIG 13 eine Kreuzkorrelation; FIG 14 eine ein Schallsignal einhüllende Hüllkurve; und FIG 15 ein Schwellwertverfahren. 13 shows a cross correlation; 14 shows an envelope curve enveloping a sound signal; and FIG. 15 shows a threshold method.
Ein Lichtbogen erreicht in kurzer Zeit Temperaturen im Be reich von einigen 10000 K. Deshalb weist ein Lichtbogen eine intensive elektromagnetische Abstrahlung auf. Zudem dehnt sich durch die hohe Temperatur die den Lichtbogen umgebende Luft schnell aus, was als eine Schallemission des Lichtbogens wahrnehmbar ist. An arc quickly reaches temperatures in the range of a few 10,000 K. An arc therefore has intensive electromagnetic radiation. In addition, due to the high temperature, the air surrounding the arc expands quickly, which can be perceived as noise emitted by the arc.
FIG 1 zeigt den zeitlichen Verlauf verschiedener Messgrößen, die während und bis ca. 29 ms nach der Zündung eines Lichtbo gens erfasst wurden; dabei zündet der Lichtbogen zum Zeit punkt t=0. FIG. 1 shows the time profile of various measured variables that were recorded during and up to approximately 29 ms after the ignition of an arc; the arc ignites at time t=0.
Grafik a zeigt die Spannung ULB über einem und den Strom iLB durch den Lichtbogen. Graphic a shows the voltage U LB across an arc and the current i LB through the arc.
Grafik b zeigt relative Spannungswerte eines Schallsensors Ss und eines Ultraschallsensors Sus/ die von dem Lichtbogen ge nerierten Schall erfassen; dabei sind die gemessenen Span- nungswerte us der Sensoren normiert auf den Betrag des maxi malen Spannungswerts |us | max. Graph b shows relative voltage values of a sound sensor S s and an ultrasonic sensor Sus / detecting sound generated by the arc; the measured voltage Voltage values u s of the sensors normalized to the amount of the maximum voltage value |u s | max .
Grafik c zeigt relative Spannungswerte eines IR-Sensors SIR, eines VIS-Sensors SViS und eines UV-Sensors Suv, die von dem Lichtbogen generierte Strahlung erfassen; dabei sind die ge messenen Spannungswerte us der Sensoren normiert auf den Be trag des maximalen Spannungswerts |us | max. Graph c shows relative voltage values of an IR sensor SIR, a VIS sensor S ViS and a UV sensor Suv detecting radiation generated by the arc; the measured voltage values u s of the sensors are normalized to the magnitude of the maximum voltage value |us | max .
Diese Eigenschaft eines Lichtbogens, die nach seiner Zündung einsetzende Aussendung von elektromagnetischer Strahlung und von Schallwellen, kann zur Ortung des Lichtbogens genutzt werden. This property of an arc, the emission of electromagnetic radiation and sound waves that begins after it is ignited, can be used to locate the arc.
FIG 2 zeigt eine erste quaderförmige Schaltanlage 20 in Schrägansicht. Die Schaltanlage 20 weist einen Boden 24, zwei Seitenwände 21, 22, eine Decke sowie eine Rückwand 26 auf.2 shows a first cuboid switchgear 20 in an oblique view. The switchgear 20 has a floor 24, two side walls 21, 22, a ceiling and a rear wall 26.
Die Vorderwand 25 wurde vorübergehend entfernt, um einen Zu griff auf den Innenraum zu erlauben. Dabei liegen der Boden 24 und die Decke 23 parallel zur x-z-Ebene, die beiden Sei tenwände 21, 22 parallel zur y-z-Ebene und die Rückwand 26 und die Vorderwand 25 parallel zur x-y-Ebene. The front wall 25 has been temporarily removed to allow access to the interior. The bottom 24 and the top 23 are parallel to the x-z plane, the two side walls 21, 22 are parallel to the y-z plane and the rear wall 26 and the front wall 25 are parallel to the x-y plane.
An den beiden Enden der Vorderkante des Bodens 24 sowie an den beiden Enden der linken Seitenkante der Decke 23 wurde jeweils ein Schallsensor 1 bis 4 positioniert, der dazu aus gestaltet ist, Ultraschallsignale, welche von einem Lichtbo gen im Innenraum der Schaltanlage 20 generiert werden, zu empfangen. Die Schallsensoren 1 bis 4 weisen untereinander synchronisierte Uhren auf. Die Schallsensoren 1 bis 4 sind jeweils über Signalleitungen 34 mit einer Recheneinheit 35 verbunden; somit können die Schallsensoren 1 bis 4 die An kunftszeiten tl bis t4 eines Ultraschallsignals, welches von einem Lichtbogen im Innenraum der Schaltanlage 20 generiert wurde, zu der Recheneinheit 35 übertragen. Die Recheneinheit kann auf Basis der vier Ankunftszeiten tl bis t4 drei unab hängige Laufzeitdifferenzen berechnen und daraus gemäß dem Hyperbelortungsverfahren die 3D-Koordinaten PA(xA, yA, zA) des Lichtbogens im Innenraum der Schaltanlage 20 ermitteln. At the two ends of the front edge of the floor 24 and at the two ends of the left side edge of the ceiling 23, a sound sensor 1 to 4 was positioned, which is designed to ultrasonic signals, which are generated by an arc gene in the interior of the switchgear 20, to recieve. The sound sensors 1 to 4 have mutually synchronized clocks. The sound sensors 1 to 4 are each connected to a computing unit 35 via signal lines 34; thus, the sound sensors 1 to 4 can transmit the arrival times t1 to t4 of an ultrasonic signal, which was generated by an arc in the interior of the switchgear 20, to the computing unit 35. The arithmetic unit can calculate three independent runtime differences based on the four arrival times tl to t4 and from this according to the Hyperbolic location method, the 3D coordinates P A (x A , y A , z A ) of the arc in the interior of the switchgear 20 determine.
FIG 3 zeigt die in FIG 2 dargestellte erste Schaltanlage 20 in Vorderansicht. Bei dieser Schaltanlage 20 ist die z- Koordinate zA der Position PA des Lichtbogens nicht wesent lich für die Ortung des Lichtbogens, weil die Dimension der Schaltanlage 20 entlang der z-Achse relativ gering ist bzw. die möglichen Positionen eines Lichtbogens in z-Richtung be grenzt sind, z. B. weil es in der z-Dimension nur einen ein zigen stromführenden Leiter gibt. Daher ist es für die Ortung des Lichtbogens ausreichend, lediglich die 2D-Koordinaten PA(xA, yA) des Lichtbogens im Innenraum der Schaltanlage 20 ermitteln. FIG. 3 shows the first switching system 20 shown in FIG. 2 in a front view. In this switchgear 20, the z-coordinate z A of the position P A of the arc is not essential for locating the arc, because the dimension of the switchgear 20 along the z-axis is relatively small and the possible positions of an arc in z Direction be limited, z. B. because there is only one current-carrying conductor in the z-dimension. It is therefore sufficient for locating the arc to merely determine the 2D coordinates P A (x A , y A ) of the arc in the interior of the switchgear 20 .
An den beiden Enden der Vorderkante des Bodens 24 sowie an dem vorderen Ende der linken Seitenkante der Decke 23 wurde jeweils ein Schallsensor 1 bis 3 positioniert, der dazu aus gestaltet ist, Ultraschallsignale, welche von einem Lichtbo gen im Innenraum der Schaltanlage 20 generiert werden, zu empfangen. Die Schallsensoren 1 bis 3 weisen untereinander synchronisierte Uhren auf. Die Schallsensoren 1 bis 3 sind jeweils über Signalleitungen 34 mit einer Recheneinheit 35 verbunden; somit können die Schallsensoren 1 bis 3 die An kunftszeiten tl bis t3 eines Ultraschallsignals, welches von einem Lichtbogen im Innenraum der Schaltanlage 20 generiert wurde, zu der Recheneinheit 35 übertragen. Die Recheneinheit kann auf Basis der drei Ankunftszeiten tl bis t3 zwei unab hängige Laufzeitdifferenzen berechnen und daraus gemäß dem Hyperbelortungsverfahren die 2D-Koordinaten PA(xA, yA) des Lichtbogens im Innenraum der Schaltanlage 20 ermitteln. At the two ends of the front edge of the floor 24 and at the front end of the left side edge of the ceiling 23, a sound sensor 1 to 3 was positioned, which is designed to ultrasonic signals, which are generated by an arc gene in the interior of the switchgear 20, to recieve. The sound sensors 1 to 3 have mutually synchronized clocks. The sound sensors 1 to 3 are each connected to a computing unit 35 via signal lines 34; thus, the sound sensors 1 to 3 can transmit the arrival times t1 to t3 of an ultrasonic signal, which was generated by an arc in the interior of the switchgear 20, to the computing unit 35. Based on the three arrival times t1 to t3, the computing unit can calculate two independent transit time differences and use this to determine the 2D coordinates P A (x A , y A ) of the arc in the interior of the switchgear 20 using the hyperbola locating method.
FIG 4 zeigt eine zweite quaderförmige Schaltanlage 20 in Schrägansicht, die ähnlich wie die in FIG 2 dargestellte Schaltanlage 20 ausgestaltet ist, allerdings mit dem Unter schied, dass die Schaltanlage 20 nun zwei parallel zu der y- z-Ebene verlaufende Trennwände 27 aufweist, welche die Schaltanlage 20 in drei Schaltschränke 28.1, 28.2 und 28.3 unterteilen . 4 shows a second cuboid switchgear 20 in an oblique view, which is designed similarly to the switchgear 20 shown in FIG the Subdivide switchgear 20 into three switch cabinets 28.1, 28.2 and 28.3.
An den beiden Enden der Vorderkante des Bodens 24.1 des lin ken Schaltschranks 28.1 sowie an den beiden Enden der linken Seitenkante der Decke 23 des linken Schaltschranks 28.1 wurde jeweils ein Schallsensor 1 bis 4 positioniert, der dazu aus gestaltet ist, Ultraschallsignale, welche von einem Lichtbo gen im Innenraum der Schaltanlage 20 generiert werden, zu empfangen. Die Schallsensoren 1 bis 4 weisen untereinander synchronisierte Uhren auf. Die Schallsensoren 1 bis 4 sind jeweils über Signalleitungen mit einer Recheneinheit verbun den (nicht dargestellt); somit können die Schallsensoren 1 bis 4 die Ankunftszeiten tl bis t4 eines Ultraschallsignals, welches von einem Lichtbogen im Innenraum des linken Schalt schranks 28.1 der Schaltanlage 20 generiert wurde, zu der Re cheneinheit 35 übertragen. Die Recheneinheit kann auf Basis der vier Ankunftszeiten tl bis t4 drei unabhängige Laufzeit differenzen berechnen und daraus gemäß dem Hyperbelortungs verfahren die 3D-Koordinaten PA(xA, yA, zA) des Lichtbogens im Innenraum des linken Schaltschranks 28.1 der Schaltanlage 20. A sound sensor 1 to 4 was positioned at each of the two ends of the front edge of the floor 24.1 of the left control cabinet 28.1 and at the two ends of the left side edge of the ceiling 23 of the left control cabinet 28.1 gene generated in the interior of the switchgear 20 to receive. The sound sensors 1 to 4 have mutually synchronized clocks. The sound sensors 1 to 4 are each connected via signal lines to a computing unit (not shown); thus the sound sensors 1 to 4 can transmit the arrival times t1 to t4 of an ultrasonic signal, which was generated by an arc in the interior of the left switch cabinet 28.1 of the switchgear 20, to the computing unit 35. Based on the four arrival times tl to t4, the computing unit can calculate three independent transit time differences and, based on the hyperbolic location method, the 3D coordinates P A (x A , y A , z A ) of the arc in the interior of the left control cabinet 28.1 of the switchgear 20.
FIG 5 zeigt die in FIG 3 dargestellte zweite Schaltanlage 20 in Vorderansicht. Bei dieser Schaltanlage 20 ist es, aus den gleichen Gründen wie bei der in FIG 3 dargestellten Schaltan lage, für die Ortung des Lichtbogens ausreichend, lediglich die 2D-Koordinaten PA(xA, yA) des Lichtbogens im Innenraum der Schaltanlage 20 ermitteln. FIG. 5 shows the second switching system 20 shown in FIG. 3 in a front view. In this switchgear 20, for the same reasons as in the switchgear shown in FIG .
FIG 6 veranschaulicht ein 2D-Hyperbelortungsverfahren in ei ner Schaltanlage 20 auf Basis von drei Schallsensoren 1, 2 und 3, welche an den den Innenraum begrenzenden Bauteilen der Schaltanlage 20 positioniert sind. Zur Ortsbestimmung wird ein kartesisches Koordinatensystem (x, y) eingeführt, dessen Lage beliebig definiert werden kann. Die Länge li zwischen einem Sensor i und der Lichtbogenposition PA ergibt sich mit Gleichung (1) aus der Laufzeit Ati des mit der Schallge schwindigkeit vs propagierenden Schalls, d. h. der Differenz zwischen dem Zeitpunkt tO, an dem der Lichtbogen zündet, und der Ankunftszeit ti, an dem der vom Lichtbogen an der Licht bogenposition PA ausgesandte Schall am Sensor i ankommt (i =FIG. 6 illustrates a 2D hyperbola location method in a switchgear 20 based on three sound sensors 1, 2 and 3, which are positioned on the components of the switchgear 20 delimiting the interior. A Cartesian coordinate system (x, y) is introduced to determine the location, the position of which can be defined arbitrarily. The length li between a sensor i and the arc position P A results from equation (1) from the transit time Ati of the sound propagating with the sound speed v s , ie the difference between the time tO at which the arc ignites and the arrival time ti at which the sound emitted by the arc at the arc position P A arrives at the sensor i (i =
1 , 2, 3). li = Ati · vs = (ti - tO) · vs (1) 1, 2, 3). li = Ati vs = (ti - tO ) vs (1)
Da der Zeitpunkt tO nicht bekannt ist, wird er durch das Be¬ trachten der Längendifferenzen zwischen den Sensoren elimi niert: Since the time tO is not known, it is eliminated by considering the length differences between the sensors:
Alij = li - lj = [(ti - tO) · vs] - [(tj - tO) · vs] = Ali j = li - l j = [(ti - tO) v s ] - [(tj - tO) v s ] =
= (ti - tj) · vs = Atij · vs = (ti - tj) v s = Ati j v s
Die Zeitdifferenz Atij zwischen einem Sensorpaar, im Engli schen als TDOA (= Time Difference of Arrival) bezeichnet, wird gemessen. Die Längen li können mit dem Satz des Pythago ras durch die gesuchten Lichtbogenkoordinaten (xA, yA) und die bekannten Sensorpositionen (xi, yi) ersetzt werden. Die daraus resultierende Gleichung (2), aus der Sensorkombination i und j, entspricht einer Hyperbelgleichung. Mit den drei Sensoren 1, 2 und 3 können zwei unabhängige Hyperbelgleichun gen folgender Form:
Figure imgf000017_0001
aufgestellt werden. Da Atij, vs und die Sensorkoordinaten (xi, yi) und (Xj, yj ) bekannt sind, können daraus die gesuchten Lichtbogenkoordinaten (xA, yA) berechnet werden. In FIG 5 entspricht das geometrisch anschaulich der Bestimmung der 2D- Position PA(xA, yA) des Lichtbogens A als den Schnittpunkt der zwei Hyperbeläste h 2 und hi3, welche mathematisch durch Hy¬ perbelgleichungen wie in Gleichung (2) beschrieben werden.
The time difference Ati j between a pair of sensors, known in English as TDOA (= Time Difference of Arrival), is measured. The lengths li can be replaced with the arc coordinates (x A , y A ) and the known sensor positions (xi, yi) using the Pythagoras theorem. The resulting equation (2), from the sensor combination i and j, corresponds to a hyperbolic equation. With the three sensors 1, 2 and 3, two independent hyperbola equations can have the following form:
Figure imgf000017_0001
be set up. Since Ati j , v s and the sensor coordinates (xi, yi) and (X j , y j ) are known, the desired arc coordinates (x A , y A ) can be calculated from them. In FIG. 5, this corresponds geometrically to the determination of the 2D position P A (x A , y A ) of the arc A as the intersection of the two hyperbolic branches h 2 and hi3 , which are described mathematically by hyperbolic equations as in equation (2). .
Für eine dreidimensionale Ortung eines Lichtbogens A muss Gleichung (2) noch um eine z-Koordinate erweitert werden. Auf Basis von vier Ankunftszeiten tl bis t4 eines Schallsignals an vier Sensoren können drei unabhängige Hyperbelgleichungen folgender Form:
Figure imgf000018_0001
aufgestellt und daraus die gesuchten Lichtbogenkoordinaten (xA, yA, zA) berechnet werden. Geometrisch anschaulich ent spricht das der Bestimmung der 3D-Position PA(xA, yA, zA) des Lichtbogens A als den Schnittpunkt von drei Hyperboloiden, welche durch drei Hyperbelgleichungen gemäß Gleichung (3) be schrieben werden.
For a three-dimensional localization of an arc A, Equation (2) must be extended by a z-coordinate. Based on four arrival times tl to t4 of a sound signal on four sensors, three independent hyperbolic equations can have the following form:
Figure imgf000018_0001
set up and the required arc coordinates (x A , y A , z A ) are calculated. In geometric terms, this corresponds to the determination of the 3D position P A ( x A , y A , z A ) of arc A as the intersection of three hyperboloids, which are described by three hyperbolic equations according to equation (3).
Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Randbedin- gungen des Hyperbelortungsverfahrens:
Figure imgf000018_0002
The following table provides an overview of the boundary conditions of the hyperbola localization method:
Figure imgf000018_0002
Bezeichnet d die Anzahl der Dimensionen des Raums, in dem die Ortung erfolgt, z. B. d = 2 für einen 2D-Raum (= Ebene) und d = 3 für einen 3D-Raum, und m die Anzahl der Schallsensoren, so muss erfüllt sein: m > d + 1 Anders ausgedrückt: Um d Koordinaten des Position PA des Lichtbogens zu ermitteln, müssen mindestens d + 1 Sensoren jeweils die Ankunftszeit eines Schallsignals des Lichtbogens messen. Where d denotes the number of dimensions of the space in which the location is located, e.g. For example, if d = 2 for a 2D room (= plane) and d = 3 for a 3D room, and m the number of sound sensors, the following must be true: m > d + 1 In other words: In order to determine d coordinates of the position P A of the arc, at least d+1 sensors must each measure the arrival time of a sound signal from the arc.
FIG 7 stellt einen Schaltschrank 28.1 dar, der, wie in FIG 4 und 5 skizziert, Teil einer größeren Schaltanlage 20 sein kann. Dabei sind im Innenraum des Schaltschranks 28.1 Befes tigungselemente 32, 33 angeordnet, die den Innenraum in klei nere Teilräume unterteilen: waagrecht verlaufende Befesti gungselemente 32 trennen im rechten Teil des Innenraums über einander angeordnete Einschübe 29 voneinander, während ein senkrecht verlaufendes Befestigungselement 33 einen im linken Teil des Innenraums vertikal verlaufenden Stromverteilungska nal 31 von den rechts davon angeordneten Einschüben 29 trennt. Der Stromverteilungskanal 31 kann eine beliebige Breite aufweisen; er kann z. B. eine Breite von 60 bis 80 mm aufweisen. Im Stromverteilungskanal 31 verläuft in vertikaler Richtung eine Stromschiene 36, worüber elektrische Energie zu unterschiedlichen elektrischen Betriebsmitteln 30 gebracht wird, die in den Einschüben 29 angeordnet sind. „Betriebsmit tel" ist dabei ein Sammelbegriff für alle Vorrichtungen, die im Schaltschrank eingebaut sein können. Zur Detektion von Lichtbögen an der Stromschiene 36 sind am Boden und an der Decke des Stromverteilungskanals 31 drei Schallsensoren 1, 2, 3 angeordnet. FIG. 7 shows a switch cabinet 28.1, which, as outlined in FIGS. 4 and 5, can be part of a larger switchgear 20. FIG. Fastening elements 32, 33 are arranged in the interior of the control cabinet 28.1, which divide the interior into smaller sub-spaces: horizontally running fastening elements 32 separate inserts 29 arranged one above the other in the right part of the interior, while a vertical fastening element 33 one in the left Part of the interior of the vertical channel 31 power distribution channel from the racks 29 arranged to the right of it separates. The current distribution channel 31 can have any width; he can e.g. B. have a width of 60 to 80 mm. A busbar 36 runs in the vertical direction in the power distribution channel 31 , via which electrical energy is brought to different electrical equipment 30 which are arranged in the racks 29 . "Operating resources" is a collective term for all devices that can be installed in the switch cabinet. To detect arcs on the busbar 36, three sound sensors 1, 2, 3 are arranged on the floor and on the ceiling of the power distribution channel 31.
FIG 8 veranschaulicht ein lD-Hyperbelortungsverfahren in ei nem Schaltschrank 28.1, der ähnlich wie der in FIG 7 darge stellte Schaltschrank aufgebaut ist: über eine in einem sich vertikal über die gesamte Höhe H des Schaltschranks erstre ckenden Stromverteilungskanal 31 eingebaute, sich ebenfalls über die gesamte Höhe H des Schaltschranks erstreckende Stromschiene 36 werden nicht dargestellte Betriebsmittel elektrisch versorgt, die in sechs waagrecht übereinander an geordneten Einschüben 29.1 bis 29.6 angeordnet sind. Dabei sind jeweils an dem unteren und dem oberen Ende der linken Außenwand 21, jeweils in einem waagrechten Abstand B von der zur Schrankmitte hin angeordneten Stromschiene 36, Schall sensoren 2, 3 angeordnet, die die Ankunftszeiten eines von einem an der Position PA brennenden Lichtbogen ausgesendeten Schallsignals messen können. Da ein Lichtbogen in dem Strom verteilungskanal 31 auf der Stromschiene 36 liegen muss, rei chen für eine genaue Ortung des Lichtbogens zwei Schallsenso ren 2, 3. Ein erster Lichtbogen muss gemäß der von den Senso ren 2 und 3 gemessenen Laufzeitdifferenz auf einem ersten Hy perbelast h23(l) liegen; die Position PA(1) des Lichtbogens ist daher definiert als der Schnittpunkt des ersten Hyperbe- lasts h23 (1) mit der Stromschiene 36; der Lichtbogen hat da her eventuell Schäden vor allem in dem zweiten Einschub 29.2 hervorgerufen, der einen Bereich der Stromschiene 36 abdeckt, in dem die Position PA des Lichtbogens liegt. Analog kann ei ne Position PA (2) eines zweiten Lichtbogens ermittelt werden. 8 illustrates an ID hyperbolic localization method in a control cabinet 28.1, which is constructed similarly to the control cabinet shown in FIG Height H of the cabinet extending power rail 36 are not shown equipment electrically powered, which are arranged in six horizontally one above the other on parent racks 29.1 to 29.6. Here are each at the lower and the upper end of the left outer wall 21, each at a horizontal distance B from the to the middle of the cabinet arranged busbar 36, sound sensors 2, 3 arranged, which can measure the arrival times of a burning arc at the position P A emitted sound signal. Since an arc in the current distribution duct 31 must lie on the busbar 36, two sound sensors 2, 3 are sufficient for precise location of the arc h 2 3(l); the position P A( 1) of the arc is therefore defined as the intersection of the first hyperload h 23 ( 1) with the busbar 36; the arc may have caused damage, especially in the second slot 29.2, which covers an area of the busbar 36 in which the arc is located at position P A . Similarly, a position P A ( 2) of a second arc can be determined.
FIG 9 visualisiert in einer 2D-Darstellung (x-y-Koordinaten- system) die Eigenschaft eines an einer Position PA positio nierten Lichtbogens A, sowohl elektromagnetische Strahlung bzw. elektromagnetische Wellen UV, z. B. ultraviolettes Licht, als auch Schallwellen US, z. B. Ultraschall, auszusen den. Dabei macht sich ein durch ein Lichtbogenereignis, z. B. eine Zündung des Lichtbogens, erzeugtes Lichtbogensignal 10 für einen Beobachter sowohl in Form eines Schallsignals 10S als auch in Form eines elektromagnetischen Strahlungssignals 10EM bemerkbar, wobei die beiden verschiedenartigen Signale 10S, 10EM zwar demselben Lichtbogensignal 10 zugeordnet sind und demzufolge zum gleichen Zeitpunkt tO ausgesendet werden, aber zu wesentlich unterschiedlichen Ankunftszeiten ti bzw. tEM,i bei einem Beobachter bzw. einem Sensor S ankommen. Die Ursache dieser unterschiedlichen Ankunftszeiten ist die be kannte Tatsache, dass Schallwellen in Luft und elektromagne tischen Wellen eine circa um den Faktor 106 unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit aufweisen: die Schallgeschwindig keit vs beträgt ca. 343 m/s, die Lichtgeschwindigkeit c liegt bei ca. 3 x 108 m/s. Diese unterschiedliche Ausbreitungsge schwindigkeit ist in FIG 9 durch die unterschiedlich langen Pfeile bei der elektromagnetische Welle UV und der Schallwel- le US angedeutet. Beide Wellenarten 10EM und 10S gelangen zu einer Detektoreinheit 38, welche sowohl einen Schallsensor Sus/ geeignet zur Detektion des Schallsignals 10S, z. B. Ult raschall, als auch einen Lichtsensor Suv, geeignet zur Detek tion des elektromagnetischen Strahlungssignals 10EM, z. B. UV-Licht, aufweist. Als Schallsensor Sus kann ein Mikrofon oder ein Ultraschallsensor verwendet werden. Zur Detektion der Strahlung kann auch ein UV-, Licht- oder IR-Sensor zum Einsatz kommen. Außerdem weist die Detektoreinheit 38 eine Recheneinheit 35, z.B. einen Mikrocontroller, zur elektroni schen Verarbeitung der von den beiden Sensoren Sus und Suv er haltenen Sensorsignale auf. FIG. 9 visualizes the property of an arc A positioned at a position P A in a 2D representation (xy coordinate system), both electromagnetic radiation and electromagnetic waves UV, e.g. B. ultraviolet light, as well as sound waves US, z. B. ultrasound send the. In this case, an arcing event, e.g. B. an ignition of the arc, the arc signal 10 generated is noticeable to an observer both in the form of a sound signal 10S and in the form of an electromagnetic radiation signal 10EM, with the two different types of signals 10S, 10EM being assigned to the same arc signal 10 and therefore being emitted at the same time tO but arrive at an observer or a sensor S at significantly different arrival times ti or t EM,i . The cause of these different arrival times is the well-known fact that sound waves in air and electromagnetic waves have a propagation speed that differs by a factor of about 10 6 : the speed of sound v s is approx. 343 m/s, the speed of light c is approx. 3 x 10 8 m/s. This different propagation speed is shown in FIG. 9 by the arrows of different lengths for the electromagnetic wave UV and the sound wave. le US indicated. Both types of waves 10EM and 10S reach a detector unit 38, which has both a sound sensor Su s/ suitable for detecting the sound signal 10S, e.g. B. Ult Schnellall, as well as a light sensor Suv, suitable for Detek tion of the electromagnetic radiation signal 10EM, z. B. UV light has. A microphone or an ultrasonic sensor can be used as the sound sensor Sus. A UV, light or IR sensor can also be used to detect the radiation. In addition, the detector unit 38 has a computing unit 35, for example a microcontroller, for the electronic processing of the sensor signals received from the two sensors Sus and Suv.
Zur Ortung eines Lichtbogens A kann die oben erwähnte Tatsa che ausgenutzt werden, dass sich die von einem Lichtbogen A ausgesendeten elektromagnetischen Wellen 10EM und Schallwel len 10S mit sehr unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbrei ten. Zur Auswertung kann ein dynamischer Schwellwert verwen det werden, der sich prozentual aus der maximalen Aussteue rung während des Ereignisses ergibt. FIG 10 zeigt beispiel haft eine Auswertung der Laufzeitdifferenz eines UV-Signals UV und eines Ultraschallsignals US durch eine Detektorein heit, wie in FIG 9 dargestellt. Nach der Zündung des Lichtbo gens erreicht ein starkes UV-Signal UV den UV-Sensor nach ca. 0,2 ms, wohingegen das Schallsignal am US-Sensor erst ca.To locate an arc A, use can be made of the above-mentioned fact that the electromagnetic waves 10EM and sound waves 10S emitted by an arc A propagate at very different speeds. A dynamic threshold value can be used for the evaluation the maximum modulation during the event. FIG. 10 shows an example of an evaluation of the transit time difference between a UV signal UV and an ultrasonic signal US by a detector unit, as shown in FIG. After the arc is ignited, a strong UV signal UV reaches the UV sensor after approx. 0.2 ms, whereas the sound signal at the US sensor only takes approx.
3 ms verzögert gegenüber dem UV-Signal eintrifft. Im oberen Fenster ist dabei auf der y-Achse die Aussteuerung in % auf getragen. Aufgrund der hohen Ausbreitungsgeschwindigkeit des elektromagnetischen Signals UV ist es gerechtfertigt, die An kunftszeit des elektromagnetischen Signals UV gleichzusetzen mit dem Zündzeitpunkt tO des Lichtbogens, d. h. dem Zeit punkt, an dem der Lichtbogen sowohl das elektromagnetische Signal als auch das akustische Signal US aussendet. 3 ms delayed compared to the UV signal. The modulation in % is shown on the y-axis in the upper window. Due to the high propagation speed of the electromagnetic signal UV, it is justified to equate the arrival time of the electromagnetic signal UV with the ignition time tO of the arc, i. H. the point in time at which the arc emits both the electromagnetic signal and the acoustic signal US.
FIG 11 veranschaulicht ein 2D-Laterationsverfahren in einer Schaltanlage 20 auf Basis von zwei Detektoreinheiten 38, 39, jeweils umfassend einen Schall- und einen elektromagnetischen Strahlungssensor, welche an den den Innenraum begrenzenden Bauteilen der Schaltanlage 20 positioniert sind. Dabei wird der markante Verlauf von Schall und Strahlung für eine Be stimmung der Entfernung zum Lichtbogen herangezogen; dafür wird ausgenutzt, dass sich die Strahlung um ca. sechs Zehner potenzen schneller ausbreitet als der Schall. Das Überschrei ten eines Grenzwertes am Strahlungssensor, wird als Zeitpunkt tO definiert, an dem der Lichtbogen zündet. Die Laufzeit Ati des Schallsignals wird aus dem Zeitpunkt ti, an dem ein Grenzwert am Schallsensor überschritten wird, und dem Zeit punkt tO bestimmt. Mit der bekannten Schallgeschwindigkeit vs kann gemäß Gleichung (1) die Laufzeit Ati in eine Entfernung liumgerechnet werden. Die mit einem Sensor i ermittelte Ent fernung li kann bereits den Ort, an dem der Lichtbogen brann te, stark einschränken. Soll die Position des Lichtbogens noch genauer bestimmt werden, können die Entfernungen mehre rer Sensoren kombiniert werden. Dazu wird ein kartesisches Koordinatensystem (x, y) eingeführt, dessen Lage beliebig de finiert werden kann. FIG. 11 illustrates a 2D latation method in a switchgear 20 based on two detector units 38, 39, each comprising a sound sensor and an electromagnetic radiation sensor, which are attached to the interior space delimiting Components of the switchgear 20 are positioned. The distinctive progression of sound and radiation is used to determine the distance to the arc; this uses the fact that the radiation propagates around six powers of ten faster than the sound. Exceeding a limit value on the radiation sensor is defined as the point in time tO at which the arc ignites. The transit time Ati of the sound signal is determined from the time ti at which a limit value on the sound sensor is exceeded and the time tO. With the known speed of sound v s , the propagation time Ati to a distance lium can be calculated according to equation (1). The distance li determined with a sensor i can already severely restrict the location where the arc burned. If the position of the arc is to be determined even more precisely, the distances of several sensors can be combined. For this purpose, a Cartesian coordinate system (x, y) is introduced, the position of which can be freely defined.
Die Länge li zwischen einem Sensor i und dem Lichtbogen kann mit dem Satz des Pythagoras durch die gesuchten Lichtbogenko ordinaten (xA, yA) und die bekannten Sensorpositionen (xi, yi) ersetzt werden. Die daraus resultierende Gleichung (4): The length li between a sensor i and the arc can be replaced with the arc coordinates (x A , y A ) and the known sensor positions (xi, yi) using the Pythagorean theorem. The resulting equation (4):
(ti - to)(ti - to)
Ati
Figure imgf000022_0001
entspricht einer Kreisgleichung. Mit den zwei Sensoren 1 und 2 können zwei derartige unabhängige Kreisgleichungen aufge stellt werden. Da Atij, vs und die Sensorkoordinaten bekannt sind, können daraus die gesuchten Lichtbogenkoordinaten (xA, yA) berechnet werden; dabei gibt es im Allgemeinen zwei gleichwertige Lösungen, da die Lichtbogenposition symmetrisch zur Verbindungslinie der Sensoren liegen kann. In FIG 11 ent spricht das geometrisch anschaulich der Bestimmung der 2D- Positionen PA(xA, yA) und P'A(X'A, y'A) des Lichtbogens A als die Schnittpunkte der beiden Kreise ki und k2, welche mathe matisch durch Kreisgleichungen wie in Gleichung (4) beschrie- ben werden. Zur Festlegung, an welcher der beiden mathema tisch gleichwertigen 2D-Positionen, Schnittpunkt PA(xA, yA) und Schnittpunkt P'A(X'A/ y'A) , der Lichtbogen A brennt, müs sen entweder weitere Informationen über die Schaltanlage 20, wie z. B. die Leitungsführung, herangezogen werden oder es muss eine Laufzeitmessung zu einem dritten Sensor durchge führt werden. Falls die Sensoren am Rand des Überwachungsbe reiches platziert wurden, liegt einer der beiden Schnittpunk te außerhalb des Überwachungsbereiches.
Ati
Figure imgf000022_0001
corresponds to a circle equation. With the two sensors 1 and 2, two such independent circuit equations can be set up. Since Ati j , v s and the sensor coordinates are known, the desired arc coordinates (x A , y A ) can be calculated from them; there are generally two equivalent solutions, since the arc position can be symmetrical to the line connecting the sensors. In FIG. 11, this corresponds geometrically to the determination of the 2D positions P A (x A , y A ) and P' A (X' A , y' A ) of the arc A as the intersection points of the two circles ki and k2, which mathematically described by circle equations as in equation (4) be practiced To determine at which of the two mathematically equivalent 2D positions, intersection P A ( x A , y A) and intersection P ' A (X' A / y' A) , the arc A burns, must sen either more information about the switchgear 20 such. B. the wiring, or a runtime measurement must be carried out to a third sensor. If the sensors were placed at the edge of the surveillance area, one of the two intersection points is outside the surveillance area.
Für eine dreidimensionale Ortung eines Lichtbogens A muss Gleichung (4) noch um eine z-Koordinate erweitert werden. Auf Basis von drei Schalllaufzeiten Ati eines Schallsignals an drei Sensoren können drei unabhängige Kugelgleichungen fol- gender Form:
Figure imgf000023_0001
aufgestellt und daraus die gesuchten Lichtbogenkoordinaten (xA, yA, zA) berechnet werden; auch hier gibt es mehrere ma thematisch gleichwertige Lösungen. Geometrisch anschaulich entspricht das der Bestimmung der 3D-Position PA(xA, yA, zA) des Lichtbogens A als den Schnittpunkt von drei Kugeln, wel che durch drei Kugelgleichungen gemäß Gleichung (5) beschrie- ben werden.
For a three-dimensional localization of an arc A, Equation (4) must be extended by a z-coordinate. Based on three sound propagation times Ati of a sound signal at three sensors, three independent spherical equations of the following form can be calculated:
Figure imgf000023_0001
are set up and the arc coordinates sought (x A , y A , z A ) are calculated therefrom; here, too, there are several mathematically equivalent solutions. Geometrically this corresponds to the determination of the 3D position P A ( x A , y A , z A ) of the arc A as the intersection of three spheres, which are described by three sphere equations according to Equation (5).
Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Randbedin gungen des Laterationsverfahrens:
Figure imgf000024_0001
The following table provides an overview of the boundary conditions of the lateration method:
Figure imgf000024_0001
FIG 12 veranschaulicht ein lD-Laterationsverfahren in einem Schaltschrank 28.1, der ähnlich wie der in FIG 7 dargestellte Schaltschrank aufgebaut ist: über eine in einem sich vertikal über die gesamte Höhe H des Schaltschranks erstreckenden Stromverteilungskanal 31 eingebaute, sich ebenfalls über die gesamte Höhe H des Schaltschranks erstreckende Stromschiene 36 werden nicht dargestellte Betriebsmittel elektrisch ver sorgt, die in sechs waagrecht übereinander angeordneten Ein schüben 29.1 bis 29.6 angeordnet sind. Dabei ist an dem unte ren Ende der linken Außenwand 21, in einem waagrechten Ab stand B von der zur Schrankmitte hin angeordneten Stromschie ne 36, eine Detektoreinheit 38 mit einem Schall- und einem elektromagnetischen Strahlungssensor angeordnet, die die An kunftszeiten eines von einem an der Position PA brennenden Lichtbogen ausgesendeten Schallsignals und eines elektromag netischen Strahlungssignals messen können. Da ein Lichtbogen in dem Stromverteilungskanal 31 auf der Stromschiene 36 lie gen muss, reicht für eine genaue Ortung des Lichtbogens eine Detektoreinheit 38. Der Lichtbogen muss gemäß der von der De tektoreinheit 38 gemessenen Schalllaufzeit auf einem Kreis k liegen; die Position PA des Lichtbogens ist daher definiert als der Schnittpunkt des Kreises k mit der Stromschiene 36; der Lichtbogen hat daher eventuell Schäden vor allem in dem fünften Einschub 29.5 hervorgerufen, der einen Bereich der Stromschiene 36 abdeckt, in dem die Position PA des Lichtbo gens liegt. 12 illustrates an ID latation method in a switch cabinet 28.1, which is constructed similarly to the switch cabinet shown in FIG Switch cabinet extending busbar 36 are not shown resources electrically ver provides that are arranged in six horizontally stacked A drawers 29.1 to 29.6 are arranged. A detector unit 38 with a sound and an electromagnetic radiation sensor is arranged at the lower end of the left-hand outer wall 21, at a horizontal distance B from the current rail 36 arranged towards the middle of the cabinet Can measure position P A burning arc emitted sound signal and an electromagnetic radiation signal. Since an arc in the current distribution channel 31 must lie on the conductor rail 36, a detector unit 38 is sufficient for precise localization of the arc. the position P A of the arc is therefore defined as the intersection of the circle k with the busbar 36; the arc has therefore eventual damage especially in the fifth drawer 29.5 caused, which covers an area of the busbar 36, in which the position P A of the arc is gens.
FIG 13 bis 15 beziehen sich auf die Ermittlung von Laufzeit differenzen beim Hyperbelortungsverfahren. Für das Hyperbe lortungsverfahren müssen die Laufzeitdifferenzen zwischen zwei oder mehr Sensoren ermittelt werden; dazu kann eine Kreuzkorrelation, insbesondere eine Kreuzkorrelation einer Hüllkurve von Signalwerten oder ein Schwellwertverfahren an gewendet werden. Ein Schwellwertverfahren ist weniger rechen intensiv als eine Kreuzkorrelation und wird somit oftmals be vorzugt werden. Bei stromschwachen Lichtbögen, z. B. Längs lichtbögen, tritt kein markanter Schallanstieg auf; stattdes- sen entsteht ein für das Ereignis spezifischer Schallstärke verlauf, dessen Laufzeitdifferenz zwischen zwei oder mehr Sensoren mittels Kreuzkorrelation der Hüllkurve präziser ana lysiert werden kann als mit einem Schwellwertverfahren. Dar aus ergibt sich, dass stromstarke Störlichtbögen mit dem ein facheren Schwellwertverfahren ausgewertet werden können, wäh rend stromschwache oder stark abgeschattete Störlichtbögen mit der Kreuzkorrelation der Hüllkurve präziser geortet wer den können. FIGS. 13 to 15 relate to the determination of transit time differences in the hyperbola location method. For the hyperbe location method, the transit time differences between two or more sensors must be determined; a cross-correlation, in particular a cross-correlation of an envelope curve of signal values or a threshold value method can be used for this purpose. Thresholding is less computationally intensive than cross-correlation and will thus often be preferred. In the case of low-current arcs, e.g. B. Longitudinal arcs, there is no significant increase in noise; Instead, a sound intensity profile specific to the event is created, the difference in transit time between two or more sensors can be analyzed more precisely by means of cross-correlation of the envelope curve than with a threshold value method. This means that high-current arcing faults can be evaluated using the simpler threshold value method, while low-current or heavily shadowed arcing faults can be located more precisely using the cross-correlation of the envelope curve.
FIG 13 illustriert eine Kreuzkorrelation. Grafik a zeigt die von zwei Sensoren 1, 2 erfassten originalen Messkurven ui und U2 eines Schallsignals. Für eine Kreuzkorrelation werden zu nächst die Messkurven ui und U2 geglättet, indem ihr Betrag gebildet und einschließend ein Medianfilter mit einer Fens terbreite von z. B. 1000 Werten angewendet wird. Die mit der Gleichung
Figure imgf000025_0001
ermittelte Kreuzkorrelation R12 weist, wie in Grafik c zu er kennen ist, ein eindeutiges Maximum bei tdiff = -3,165 ms auf, welches der Laufzeitdifferenz zwischen den zwei Sensoren 1 und 2 entspricht. Grafik b zeigt die in Grafik a dargestell- ten Messkurven ui und U2 der Sensoren 1 und 2, wobei die von dem Sensor 2 erfasste Messkurve U2 um At = -3,165 ms gegen die von dem Sensor 1 erfasste Messkurve ui verschoben wurde. Es ist zu erkennen, dass die Verläufe der beiden Messkurven Ui und U2, wenn sie um die Laufzeitdifferenz At = -3,165 ms gegeneinander verschoben werden, sehr ähnlich sind.
FIG. 13 illustrates a cross correlation. Graphic a shows the original measurement curves ui and U2 of a sound signal recorded by two sensors 1, 2. For a cross-correlation, the measurement curves ui and U2 are first smoothed by forming their magnitude and including a median filter with a window width of z. B. 1000 values is applied. The one with the equation
Figure imgf000025_0001
As can be seen in graphic c, the cross-correlation R12 determined has a clear maximum at t diff = -3.165 ms, which corresponds to the runtime difference between the two sensors 1 and 2. Graph b shows the th measurement curves ui and U2 of sensors 1 and 2, measurement curve U2 recorded by sensor 2 being shifted by Δt=−3.165 ms in relation to measurement curve ui recorded by sensor 1. It can be seen that the courses of the two measurement curves Ui and U2 are very similar when they are shifted relative to one another by the transit time difference Δt = -3.165 ms.
FIG 14 veranschaulicht eine Hüllkurve HK (gestrichelte Linie) zu einem Schallsignal 10S (durchgezogene Linie). Eine Hüll kurve eines Signals folgt dem Verlauf der entlang der y-Achse aufgetragenen Amplitude des sich über die Zeit (t-Achse) ver ändernden Schallsignals 10S. Die Hüllkurve ist also wie ein Filter, der Änderungen des Schallsignals auf kleinen Zeitska len ausfiltert und nur Änderungen des Schallsignals auf grö ßeren Zeitskalen behält. Die Hüllkurve, als eine Einhüllende der Feinstruktur eines Schallsignals, gibt im Wesentlichen den Schallpegelverlauf wieder. FIG. 14 illustrates an envelope curve HK (dashed line) for a sound signal 10S (solid line). An envelope curve of a signal follows the progression of the amplitude of the sound signal 10S which changes over time (t-axis) and is plotted along the y-axis. So the envelope is like a filter that filters out changes in the sound signal on small time scales and only keeps changes in the sound signal on larger time scales. The envelope curve, as the envelope of the fine structure of a sound signal, essentially reflects the course of the sound level.
FIG 15 illustriert ein Schwellwertverfahren. Grafik a zeigt die von zwei Sensoren 1, 2 erfassten Messkurven ui und U2 ei nes Schallsignals. Zur Ermittlung der Laufzeitdifferenz At wird ein Schwellwertvergleich auf die Messkurven ui und U2 beider Sensoren 1 und 2 angewendet. Als At wird der Zeitpunkt verwendet, an dem der Betrag des Messsignals us(t) einen fes ten Schwellwert +u* bzw. -u* erstmals überschreitet, siehe Grafik a:
Figure imgf000026_0001
oder einen prozentualen Schwellwert p* der maximalen Aussteu erung Ius Imax erstmalig überschreitet:
Figure imgf000026_0002
FIG. 15 illustrates a threshold method. Graphic a shows the measurement curves ui and U2 of a sound signal recorded by two sensors 1, 2. To determine the transit time difference Δt, a threshold value comparison is applied to the measurement curves ui and U2 of both sensors 1 and 2. The point in time at which the absolute value of the measurement signal u s( t) exceeds a fixed threshold value +u* or -u* for the first time is used as At, see graphic a:
Figure imgf000026_0001
or exceeds a percentage threshold value p* of the maximum modulation Iu s I max for the first time:
Figure imgf000026_0002
Grafik b zeigt die Funktion F(us,t) für die beiden Messkurven Ui und U2· Die zeitliche Differenz der beiden Sprungpunkte, an denen die Funktionen F(ui,t) und F(u2,t) von 0 auf 1 um springen, entspricht der Laufzeitdifferenz At. Graphic b shows the function F(u s ,t) for the two measurement curves Ui and U2. The time difference between the two jump points at which the functions F(ui,t) and F(u2,t) jump from 0 to 1 , corresponds to the transit time difference At.

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Verfahren zur Ortung eines Lichtbogens (A) in einer Nie derspannungsschaltanlage (20), mit folgenden Schritten: 1. A method for locating an arc (A) in low voltage switchgear (20), comprising the following steps:
- Erfassen von Ankunftszeiten (tl, t2, t3), zu denen ein durch den Lichtbogen (A) erzeugtes Schallsignal (10S) an mindestens zwei räumlich voneinander beabstandeten Schallsensoren (1, 2, 3) jeweils ankommt; - detecting arrival times (t1, t2, t3) at which a sound signal (10S) generated by the arc (A) arrives at at least two spatially spaced sound sensors (1, 2, 3);
- Ermitteln von mindestens einer Laufzeitdifferenz (Atl2, Atl3) des Schallsignals (10S) durch Bilden von paarweisen Differenzen von jeweils zwei der erfassten Ankunftszeiten (tl, t2, t3); - Determining at least one transit time difference (Atl2, Atl3) of the sound signal (10S) by forming pairs of differences of two of the detected arrival times (tl, t2, t3);
- Bestimmen der Position (P_A) des Lichtbogens (A) auf Basis der mindestens einen ermittelten Laufzeitdifferenz (Atl2, Atl3) gemäß dem Hyperbel-Ortungsverfahren. - Determining the position (P_A) of the arc (A) on the basis of the at least one determined transit time difference (Atl2, Atl3) according to the hyperbolic locating method.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schallsignal (10S) ein Ultraschallsignal ist. 2. The method according to claim 1, wherein the acoustic signal (10S) is an ultrasonic signal.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, mit folgen den Schritten: 3. The method according to any one of claims 1 and 2, with the following steps:
Bilden mindestens eines Teilbereichs (28.1, 28.2, 28.3) der Niederspannungsschaltanlage (20); forming at least one sub-area (28.1, 28.2, 28.3) of the low-voltage switchgear (20);
Zuordnen von mindestens zwei räumlich voneinander beabstande ten Schallsensoren (1, 2, 3) zu jedem Teilbereich (28.1,Assigning at least two spatially spaced sound sensors (1, 2, 3) to each sub-area (28.1,
28.2, 28.3). 28.2, 28.3).
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Schallsensoren (1, 2, 3) am Rand des Teilbereichs (28.1, 28.2, 28.3) angeordnet werden. 4. The method according to claim 3, wherein the sound sensors (1, 2, 3) are arranged at the edge of the partial area (28.1, 28.2, 28.3).
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei drei Schallsensoren (1, 2, 3) zur Ortung verwendet werden, wobei lediglich zwei Koordinaten (xA, yA) des Lichtbogens (A) in der Niederspannungsschaltanlage (20) durch das Hyperbel- Ortungsverfahren als Schnittkurve von zwei Hyperboloiden er mittelt werden, aber die dritte Koordinate (zA) auf Basis weiterer Informationen über die Niederspannungsschaltanlage (20) ermittelt wird. 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein three sound sensors (1, 2, 3) are used for locating, with only two coordinates (xA, yA) of the arc (A) in the low-voltage switchgear (20) by the hyperbolic locating method as Intersection curve of two hyperboloids can be determined, but the third coordinate (zA) on basis further information about the low-voltage switchgear (20) is determined.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zwei Schallsensoren (1, 2, 3) zur Ortung verwendet werden, wobei lediglich eine Koordinate (xA) des Lichtbogens (A) in der Niederspannungsschaltanlage (20) durch das Hyperbel- Ortungsverfahren ermittelt wird, aber die zweite und die dritte Koordinate (yA, zA) auf Basis weiterer Informationen über die Niederspannungsschaltanlage (20) ermittelt werden. 6. The method according to any one of claims 1 to 4, wherein two sound sensors (1, 2, 3) are used for locating, only one coordinate (xA) of the arc (A) in the low-voltage switchgear (20) being determined by the hyperbolic locating method is, but the second and the third coordinate (yA, zA) are determined on the basis of further information about the low-voltage switchgear (20).
7. Vorrichtung zur Ortung eines Lichtbogens (A) in einer Niederspannungsschaltanlage (20), aufweisend: 7. Device for locating an arc (A) in a low-voltage switchgear (20), having:
- mindestens zwei räumlich voneinander beabstandete Schallsensoren (1, 2, 3) zum Erfassen von Ankunftszeiten (tl, t2, t3) eines durch den Lichtbogen (A) erzeugten Schallsignals (10S); - At least two spatially spaced sound sensors (1, 2, 3) for detecting arrival times (t1, t2, t3) of a sound signal (10S) generated by the arc (A);
- eine mit den Schallsensoren (1, 2, 3) verbundene Rechenein heit (35), die ausgestaltet ist zum Ermitteln von mindes tens einer Laufzeitdifferenz (Atl2, Atl3) des Schallsignals (10S) durch Bilden von paarweisen Differenzen von jeweils zwei der erfassten Ankunftszeiten (tl, t2, t3) und zum Be stimmen der Position (P_A) des Lichtbogens (A) auf Basis der mindestens einen ermittelten Laufzeitdifferenz (Atl2, Atl3) gemäß dem Hyperbel-Ortungsverfahren. - A computing unit (35) connected to the sound sensors (1, 2, 3), which is designed to determine at least one transit time difference (Atl2, Atl3) of the sound signal (10S) by forming pairs of differences between two of the recorded arrival times (Tl, t2, t3) and for determining the position (P_A) of the arc (A) on the basis of the at least one determined travel time difference (Atl2, Atl3) according to the hyperbolic locating method.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Niederspannungs schaltanlage (20) mindestens einen Teilbereich (28.1, 28.2, 28.3) aufweist, dem mindestens zwei räumlich voneinander be abstandete Schallsensoren (1, 2, 3) zugeordnet sind, wobei die Schallsensoren (1, 2, 3) am Rand des Teilbereichs (28.1, 28.2, 28.3) angeordnet sind. 8. The device according to claim 7, wherein the low-voltage switchgear (20) has at least one partial area (28.1, 28.2, 28.3) to which at least two spatially spaced sound sensors (1, 2, 3) are assigned, the sound sensors (1, 2, 3) are arranged at the edge of the partial area (28.1, 28.2, 28.3).
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei einem Teilbereich (28.1, 28.2, 28.3) zwei räumlich voneinander beabstandete Schallsensoren (1, 2, 3) zugeordnet sind, wobei die Schall sensoren (1, 2, 3) am Rand des Teilbereichs (28.1, 28.2,9. The device according to claim 8, wherein two spatially spaced sound sensors (1, 2, 3) are assigned to a partial area (28.1, 28.2, 28.3), the sound sensors (1, 2, 3) being located at the edge of the partial area (28.1, 28.2,
28.3) angeordnet sind. 10. Verwendung eines schallbasierten Hyperbel-Ortungsver fahrens zur Ortung eines Lichtbogens (A) in einer Niederspan nungsschaltanlage (20). 28.3) are arranged. 10. Using a sound-based hyperbolic locating method to locate an arc (A) in a low-voltage switchgear (20).
11. Kombination eines Verfahrens zur Ortung eines Lichtbo gens (A) in einer Niederspannungsschaltanlage (20) gemäß ei nem der Ansprüche 1 bis 6 mit einem Verfahren zur Erkennung des Lichtbogens (A) auf Basis von Spannungswerten und Strom- werten in der Niederspannungsschaltanlage (20). 11. Combination of a method for locating an arc (A) in a low-voltage switchgear (20) according to one of Claims 1 to 6 with a method for detecting the arc (A) on the basis of voltage values and current values in the low-voltage switchgear (20 ).
12. Kombination einer Vorrichtung zur Ortung eines Lichtbo gens (A) in einer Niederspannungsschaltanlage (20) gemäß ei nem der Ansprüche 7 bis 9 mit einer Vorrichtung zur Erkennung des Lichtbogens (A) in der Niederspannungsschaltanlage (20) auf Basis von Spannungswerten und Stromwerten. 12. Combination of a device for locating an arc (A) in a low-voltage switchgear (20) according to one of claims 7 to 9 with a device for detecting the arc (A) in the low-voltage switchgear (20) on the basis of voltage values and current values.
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