Beschreibung

Leistungsschalter und Verfahren zum Auslösen eines Leistungsschalters, insbesondere eines Niederspannungsleistungsschal- ters

Die Erfindung betrifft einen Leistungsschalter und ein Verfahren zum Auslösen eines Leistungsschalters, insbesondere eines Niederspannungsleistungsschalters, gemäß den Oberbeg- riffen der Ansprüche 1 und 6.

Niederspannungsleistungsschalter oder kurz Leistungsschalter sind bekannt und dienen zur Energieverteilung bis 6300 Ampere in Niederspannungsschaltanlagen als Einspeise- und Abzweig- Schalter. Der Begriff Leistungsschalter charakterisiert ein mechanisches Schaltgerät, das Ströme mit Hilfe eines elektronischen überlastauslösers unter Betriebsbedingungen im Stromkreis einschalten, führen und ausschalten kann. Sie werden aber auch als Schalt- und Schutzgeräte für Motoren, Kondensa- toren, Generatoren und Transformatoren verwendet, können aber auch als Not-Ausschalter eingesetzt werden.

Bei den Leistungsschaltern wird der Strom jeweils mit einem Grenzstrom verglichen und der Leistungsschalter ausgelöst, wenn der Grenzstrom um einen vorgegebenen Wert überschritten wird, wobei das überschreiten des Grenzstroms als Indiz für das Vorliegen eines Kurzschlusses dient. Das überschreiten des Grenzstroms kann aber auch anderweitig ausgelöst sein, z.B. durch Schaltvorgänge, die analog zu einem Kurzschluss mit einem überstrom verbunden sind. Auch können Frequenzumrichter überströme verursachen, die als Kurzschluss interpretiert zum Auslösen des Leistungsschalters führen würden.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, Kurzschlüsse sicher zu erkennen, um Fehlauslösungen des Leistungsschalters zu vermeiden .

Die Lösung der Erfindung ist bezogen auf den Leistungsschalter und das Verfahren durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 6 gegeben .

Die Lösung sieht bezogen auf das Verfahren und den Leistungs- Schalter vor, dass der Strom mit einer fest vorgegebenen Abtastfrequenz abgetastet und digitalisiert wird, dass für eine fest vorgegebene Anzahl unmittelbar aufeinander folgender digitaler Stromwerte mittels einer Wavelet-Transformation die Waveletkoeffizienten für mindestens zwei Zerlegungslevel be- rechnet werden, dass mindestens zwei Waveletkoeffizienten, d.h. ein Waveletkoeffizient pro Zerlegungslevel, betragsmäßig miteinander verglichen werden, wenn der letzte der unmittelbar aufeinander folgenden Stromwerte größer als der Grenzstromwert ist, und dass der Leistungsschalter ausgelöst wird, wenn der Waveletkoeffizient eines höheren Zerlegungslevels größer als der Waveletkoeffizient eines niedrigeren Zerlegungslevels ist.

Das effektive Feststellen eines Kurzschlusses sieht vor, dass Stromwertermittlung und die Berechnung der Waveletkoeffizienten zyklisch erfolgen, wobei die jeweils für die Berechnung herangezogenen unmittelbar aufeinander folgenden Stromwerte nach Ermittlung eines neuen Stromwerts vor erneuter Berechnung der Waveletkoeffizienten derart geändert werden, dass der zeitlich am weitesten zurückliegende Stromwert nicht mehr und stattdessen der neu ermittelte Stromwert berücksichtigt wird .

Praktisch reicht es, wenn die Waveletkoeffizienten nur für zwei Zerlegungslevel berechnet und die Beträge der Waveletkoeffizienten miteinander verglichen werden.

Im einfachsten Fall werden die Waveletkoeffizienten des ersten und vierten Zerlegungslevels berechnet und der Betrag des einzigen Waveletkoeffizienten des vierten Zerlegungslevels wird zumindest mit den Beträgen der beiden Waveletkoeffizienten mit k=6 und 7 des ersten Zerlegungslevels verglichen und der Leistungsschalter wird ausgelöst, wenn der Waveletkoeffi- zient größer als diese beiden Waveletkoeffizienten ist.

Für 50 Hz und 60 Hz wird ein Abtastzyklus nach jeweils 606,4 μs neu gestartet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 einen Niederspannungsleistungsschalter mit einem elektronischen überlastauslöser für einen Phasenleiter, Figur 2 die Formel für die Wavelet-Koeffizienten, Figur 3 die Definition der Wavelet-Transformation und Figur 4 die Definition des Haar-Wavelets .

Figur 1 zeigt einen Niederspannungsleistungsschalter im folgenden kurz Leistungsschalter genannt, der zwei Klemmen 1, 2 aufweist, über die eine Last (Klemme 2) an ein Stromversorgungsnetz (Anschlussklemme 1) anschließbar ist. Die beiden Anschlussklemmen 1, 2 sind über einen lösbaren Kontakt 3 mit- einander verbunden, der ein feststehendes Kontaktelement 4 und ein bewegliches Kontaktelement 5 aufweist. Das feststehende Kontaktelement 4 ist bei dem Leistungsschalter in Figur 1 mit der netzseitigen Klemme 1 und das bewegliche Kontaktelement 5 mit der lastseitigen Klemme 2 verbunden. Das beweg-

liehe Kontaktelement 5 ist an einem Ende eines verschwenkbaren Kontaktarms 6 angeordnet, der in Pfeilrichtung (Pfeil 7) verschwenkbar ist. Das Verschwenken des Kontaktarms 6 erfolgt jeweils nach Auslösung durch eine nur schematisch angedeutete Auslöseeinheit 8, die im Kurschlussfall eine Trennung der beiden Kontaktelemente 4, 5 durch Verschwenken des Kontaktarms 6 auslöst. Der dabei zwischen den Kontaktelementen 4, 5 regelmäßig auftretende Lichtbogen wird mit Hilfe von Löschblechen 9 einer Löschkammer 10 gelöscht. Mittels eines hand- betätigbaren Schalthebels 11 lässt sich der Leistungsschalter bei Bedarf von Hand auslösen bzw. wieder in Bereitschaftsstellung bringen.

Der fließende Strom I (t) als Funktion der Zeit t wird mit ei- ner fest vorgegebenen Abtastfrequenz f im zeitlichen Abstand tf abgetastet und in digitaler Form in einem nicht gezeigten Speicher abgespeichert, wobei die Abspeicherung so erfolgt, das sich im Speicher jeweils die letzten 16 unmittelbar aufeinander folgenden Stromwerte In (t) mit n=0 bis n=15 befin- den, d.h. es wird vor dem Speichern eines neuen Stromwerts In(t) der jeweils älteste im Speicher befindliche Stromwert In(t) mit n=0 gelöscht.

Ist der zuletzt abgetastete Stromwert In(t) mit n=15 größer als ein vorgegebener Grenzstrom Ith, so werden für eine fest vorgegebene Anzahl, hier für die 16 Stromwerte In(t) im Speicher, Wavelet-Koeffizienten dj , k (s. Figur 2) berechnet und betragsmäßig miteinander verglichen.

Allgemein sind j, k jeweils positive ganze Zahlen, wobei k bei 0 und j bei 1 beginnt und j als Zerlegungslevel bezeichnet wird. Die Zerlegungslevel j beginnen mit j=l: j=l ist der erste Zerlegungslevel, j=2 der zweiten Zerlegungslevel usw.

Die ganze Zahl k in Figur 2 sagt aus, wie oft ein für die Wa- velet-Transformation ausgewähltes Wavelet W bei der Berechnung gemäß der Definition der Wavelet-Transformation in Figur 3 schrittweise verschoben wird. Die Wahl von k für ein Wave- let W erfolgt jeweils so, dass das Stromsignal I (t) in dem zugehörigen Zeitabschnitt tab, über den zu integrieren ist, durch die Verschiebung einmal vollständig überdeckt wird. Das Stromsignal I (t) wird hier aus den 16 im Speicher befindlichen Stromwerten In(t) gebildet; der Zeitabschnitt tab ist hier also gleich der lβfachen Zeitdifferenz zwischen zwei Abtastzeitpunkten, also gleich der lβfachen Abtastzeit tf.

Das einfachste Beispiel für ein Wavelet W ist das so genannte Haar-Wavelet Wh, dessen Definition Figur 4 zeigt.

Dieses Wavelet Wh wurde hier zur Berechnung der Wavelet- Koeffizienten dj , k mittels der schnellen Wavelet- Transformation verwendet.

Das Ergebnis der Berechnung sind die in Figur 2 gezeigten Formeln für die Wavelet-Koeffizienten dj , k für die beiden Zerlegungslevel j=l und j=4, also die Wavelet-Koeffizienten dl,k für k= 0 bis 7 und d4,k für k=0. Letzterer wird kurz als Wavelet-Koeffizient d4 bezeichnet.

Der Leistungsschalter wird von der Auslöseeinheit 8 ausgelöst, wenn der Waveletkoeffizient d4 des höheren Zerlegungs- levels j=4 größer als jeder der Waveletkoeffizienten dl,k mit k= 0 bis 7 des niedrigeren Zerlegungslevels 1 ist. Dabei reicht es praktisch meist schon aus, nur die letzten zwei Waveletkoeffizienten dl,k zum Vergleich heranzuziehen, also die Waveletkoeffizienten dl, 6 und dl, 7 bei denen k=6 und 7. k läuft hier von 0 bis 7 und herangezogen werden die Waveletkoeffizienten dl, 6 und dl, 7 mit den beiden größten k-Werten.