| JP2009225643 | LEAKAGE DETECTOR EQUIPPED WITH TEST DEVICE |
| JP3258258 | OVER-CURRENT PROTECTION DEVICE |
| WO/2009/073059 | DEVICES, SYSTEMS, AND METHODS FOR MANAGING A CIRCUIT BREAKER |
Martel, Jean-marie (Beethovenstrasse 16, Regensburg, 93053, DE)
| 1. | Fehlerstromanalysator zur Erfassung eines Fehlerstroms in einem elektrischen Netz mit mehreren elektrischen Leitern (Ll, L2, L3, N) umfassend a) einen Summenstromwandler (5), dessen Primärwicklungen durch die elektrischen Leiter (Ll, L2, L3, N) gebildet sind, und der sekundärseitig ein Ausgangssignal (UA) lie¬ fert, und b) an den Summenstromwandler (5) angeschlossene Auswertemit¬ tel (10, 11, 12) zur Auswertung des Ausgangssignals (UA), wobei c) die Auswertemittel (10, 11, 12) eine Filtereinheit (11) zur Selektion mindestens eines niederfrequenten Teilsig¬ nals (ST) des Ausgangssignals (UA) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass d) die Auswertemittel (10, 11, 12) ausgelegt sind zur Überwa¬ chung des niederfrequenten Teilsignals (ST) auf Über¬ schreiten eines Niederfrequenzgrenzwerts (Gl) und bejahen¬ denfalls dl) zur Ermittlung einer ersten kurzen Signalprobe des niederfrequenten Teilsignals (ST), d2) zur Ermittlung eines Effektivwerts der ersten kurzen Signalprobe sowie d3) zum Vergleich des Effektivwerts mit einem unteren und einem oberen Effektivgrenzwert und zu einer daraus ab¬ geleiteten Entscheidung über das Vorliegen eines Feh¬ lerstroms . |
| 2. | Fehlerstromanalysator nach Anspruch 1, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass insbesondere zur Ermittlung des Ef¬ fektivwerts ein Integrator oder eine FourierTransformations einheit vorgesehen ist. |
| 3. | Fehlerstromanalysator nach Anspruch 1, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Auswertemittel (10, 11, 12) aus¬ gelegt sind zur Ermittlung und Auswertung einer zweiten Sig¬ nalprobe des niederfrequenten Teilsignals (ST), wobei die zweite Signalprobe länger ist als die erste Signalprobe und insbesondere die erste Signalprobe mit umfasst. |
| 4. | Fehlerstromanalysator nach Anspruch 1, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Filtereinheit (11) auch zur Se¬ lektion eines hochfrequenten Teilsignals (SH) des Ausgangs¬ signals (UA) ausgelegt ist. |
| 5. | Fehlerstromanalysator nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet , dass die Auswertemittel (10, 11, 12) zur Ableitung einer Entscheidung über das Vorliegen eines Fehlerstroms anhand der zweiten Signalprobe und des hochfre¬ quenten Teilsignals (SH) ausgelegt sind. |
| 6. | Fehlerstromanalysator nach Anspruch 1, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Auswertemittel (10, 11, 12) zur Ermittlung eines FehlerstromTyps ausgelegt sind. |
| 7. | Fehlerstromanalysator nach Anspruch 6, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass eine Anzeigeeinheit (16) zur Anzeige des ermittelten FehlerstromTyps vorgesehen ist. |
| 8. | Fehlerstromanalysator nach Anspruch 1, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass ein Temperatursensor (19) vorgesehen ist und die Auswertemittel (10, 11, 12) ausgelegt sind zur Kompensation von Temperatureinflüssen ausgelegt. |
| 9. | Fehlerstromanalysator nach Anspruch 1, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass Mittel zur Selbstkalibrierung, ins¬ besondere ein Stromgenerator (20) zur Beaufschlagung des Sum menstromwandlers (5) mit einem simulierten Fehlerstrom, vor¬ gesehen sind. |
| 10. | Einrichtung mit Fehlerstromerfassungsfunktion umfassend den Fehlerstromanalysator (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und eine weitere Einheit (2) zur Veranlassung einer Folgemaßnahme bei einem vom Fehlerstromanalysator (3) detek tierten Fehlerstrom. |
| 11. | Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die weitere Einheit als Typ AFehlerstrom Schutzschalter (2), als Typ BFehlerstrom Schutzschalter, als Überspannungsschutzgerät, als Überstromschutzgerät , als Ab leitStrommessgerät , als Stromzähler, als Multimeter oder als Frequenzumrichter ausgestaltet ist. |
Fehlerstromanalysator zur Erfassung eines Fehlerstroms und Einrichtung mit Fehlerstromerfassungsfunktion
Die Erfindung betrifft einen Fehlerstromanalysator zur Erfassung eines Fehlerstroms in einem elektrischen Netz mit mehreren elektrischen Leitern umfassend einen Summenstromwandler, dessen Primärwicklungen durch die elektrischen Leiter gebildet sind, und der sekundärseitig ein Ausgangssignal liefert, und an den Summenstromwandler angeschlossene Auswertemittel zur Auswertung des Ausgangssignals, wobei die Auswertemittel eine Filtereinheit zur Selektion mindestens eines niederfre ¬ quenten Teilsignals des Ausgangssignals umfassen. Außerdem betrifft die Erfindung eine Einrichtung mit Fehlerstromerfas ¬ sungsfunktion .
Ein derartiger Fehlerstromanalysator ist beispielsweise aus der US 6,097,580 bekannt. Er ist für einen sehr speziellen Anwendungsfall ausgelegt, nämlich zur Überwachung von Gerä ¬ ten, wie Waschmaschinen oder Kühlschränken, bei denen auch im fehlerfreien Normalbetrieb Erdströme auftreten können. Diese sind von den im Fehlerfall auftretenden Fehlerströmen zu unterscheiden. Dieser spezielle Fehlerstromanalysator kann nicht ohne weiteres zur Fehlerstrom-Überwachung eines anderen elektrischen Versorgungsnetzes verwendet werden.
Ein anderer Fehlerstromanalysator mit einer Fourier-Trans- formationseinheit und einer frequenzselektiven Auswertung ist in der DE 102 37 342 Al beschrieben.
Zur Fehlerstrom-Überwachung eines elektrischen Versorgungsnetzes kommt üblicherweise ein netzspannungsunabhängiger Fehlerstrom-Schutzschalter (= FI-Schutzschalter; Typ A) oder ein netzspannungsabhängiger Differenzstrom-Schutzschalter (= DI- Schutzschalter; Typ B) zum Einsatz. Ersterer ist zur Erfassung von Wechselfehlerstrom und pulsierendem Gleichfehlerstrom, letzterer zusätzlich auch zur Erfassung von glattem
Gleichfehlerstrom ausgelegt. Aufgrund dieser erweiterten Stromerfassungseigenschaften wird der zweite Schutzschaltertyp auch allstromsensitiv bezeichnet. Er ist allerdings auf ¬ wändiger in der Realisierung und deshalb relativ teuer.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, einen Feh- lerstromanalysator der eingangs bezeichneten Art anzugeben, der sich flexibel einsetzen und mit einem vergleichsweise ge ¬ ringen Aufwand realisieren lässt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1. Der erfindungsgemäße Fehlerstromanalysator ist dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertemittel ausgelegt sind zur Überwachung des niederfrequenten Teilsignals auf Überschreiten eines Niederfrequenzgrenzwerts und bejahenden ¬ falls zur Ermittlung einer ersten kurzen Signalprobe des niederfrequenten Teilsignals, zur Ermittlung eines Effektivwerts der ersten kurzen Signalprobe sowie zum Vergleich des Effektivwerts mit einem unteren und einem oberen Effektivgrenzwert und zu einer daraus abgeleiteten Entscheidung über das Vorliegen eines Fehlerstroms.
Bei dem erfindungsgemäßen Fehlerstromanalysator sind die Auswertemittel also für eine mehrstufige, insbesondere zunächst zweistufige Überwachung ausgelegt. In der ersten kontinuierlich durchgeführten Überwachungsstufe wird der Zeitverlauf des niederfrequenten Teilsignals ständig auf ein Überschrei ¬ ten eines vorab bestimmbaren Niederfrequenzgrenzwerts über ¬ prüft. Solange das niederfrequente Teilsignal unterhalb die ¬ ses Niederfrequenzgrenzwerts bleibt, wird diese Überwachung fortgesetzt. Alternativ oder ergänzend zur Momentanwertüberwachung kann auch eine sehr kurze Signalprobe, die insbesondere kürzer als die erste kurze Signalprobe ist und die bei ¬ spielsweise eine Zeitdauer von etwa 1 ms aufweist, ausgewer ¬ tet und überwacht werden. Hierzu wird ein Mittelwert dieser sehr kurzen Signalprobe errechnet. Insgesamt fallen im Rahmen der ersten kontinuierlich durchgeführten Überwachungsstufe keine (rechen-) zeitintensiven Schritte an, zu deren Realisie-
rung anderenfalls Hardware- und/oder Software-Ressourcen zur Verfügung gestellt werden müssten.
Erst wenn das niederfrequente Teilsignal den Niederfrequenz ¬ grenzwert überschreitet, sehen die Auswertemittel eine genau ¬ ere Analyse-Prozedur vor, indem eine Signalprobe des nie ¬ derfrequenten Teilsignals ermittelt und näher untersucht wird. Diese Signalprobe erstreckt sich über eine vergleichs ¬ weise kurze Zeitspanne, insbesondere über eine Periodendauer der Netzfrequenz (= 50 Hz oder 60 Hz) des zu überwachenden elektrischen Netzes. Überschreitet ein für diese Signalprobe ermittelter Effektivwert einen oberen Effektivgrenzwert, wird in den Auswertemitteln auf das Vorliegen eines Fehlerstroms entschieden und am Ausgang des Fehlerstromanalysators ein entsprechendes Signal zur Verfügung gestellt. Dies erfolgt sehr schnell, insbesondere innerhalb einer Zeitspanne ent ¬ sprechend dem Zweifachen der Netzperiodendauer. Bevorzugt ist eine Zeitspanne von höchstens 30 ms.
Damit entspricht der Fehlerstromanalysator den Anforderungen, die bei einer Netzüberwachung an eine Fehlerstrom-Erkennung und eine Abschaltung des Fehlerstroms gestellt werden. Er kann flexibel eingesetzt werden. Insbesondere ist er nicht wie der bekannte Fehlerstromanalysator auf einen speziellen Anwendungsfall beschränkt.
Darüber hinaus umfasst der Fehlerstromanalysator im Wesentlichen gängige Komponenten, weshalb er mit geringem Aufwand hergestellt werden kann. So reicht es aus, dass der Summen- stromwandler zur Erfassung von Wechselfehlerstrom und pulsierendem Gleichfehlerstrom entsprechend den Typ A-Anforderungen ausgelegt ist. Die Auswertemittel ermöglichen dennoch eine Erfassung von Fehlerströmen, die ansonsten in einem Typ A- Fehlerstrom-Schutzschalter nicht detektiert werden können. Auch die Auswertemittel enthalten nur eine gängige program ¬ mierbare Logik-Baugruppe oder eine ebenso gängige Mikropro ¬ zessor- oder Mikrocontroller-Baugruppe . Der Aufwand zur Rea-
lisierung des Fehlerstromanalysators hält sich also in über ¬ schaubaren Grenzen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Fehlerstromanalysators ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.
Günstig ist eine Variante, bei der insbesondere zur Ermitt ¬ lung des Effektivwerts ein Integrator oder eine Fourier- Transformationseinheit vorgesehen ist. Beide können als fest ¬ verdrahtete Elektronikschaltung oder auch als Software-Modul, das auf einer programmierbaren Hardware-Baugruppe abläuft, realisiert sein. Der Effektivwert lässt sich mittels einer Integration sehr einfach bestimmen. Gleiches gilt für eine Fourier-Transformation, die insbesondere als eine DFT (Dis- crete Fourier Transformation) oder FFT (Fast Fourier Transformation) ausgebildet sein kann. Der Effektivwert kann dann - abgesehen von einem ggf. erforderlichen multiplikativen Faktor - einfach als Amplitude des relevanten Frequenzwerts abgelesen werden. Eine Integration und eine Fourier-Transformation sind gängige Verfahren der Signalverarbeitung.
Weiterhin können die Auswertemittel zur Ermittlung und Auswertung einer zweiten Signalprobe des niederfrequenten Teilsignals ausgelegt sein, wobei die zweite Signalprobe länger ist als die erste Signalprobe und insbesondere auch die erste Signalprobe mit umfasst. Mittels der zweiten längeren Signal ¬ probe kann eine genauere Auswertung erfolgen. Insbesondere ergibt sich bei der Durchführung einer FFT eine höhere Frequenzauflösung, so dass sich ein höherer Informationsgehalt entnehmen lässt. Die Auswertung der zweiten Signalprobe kann neben einer Fourier-Transformation wiederum eine Effektivwertbindung umfassen. Wenn die zweite längere Signalprobe die erste Signalprobe als Teilabschnitt enthält, ist sicherge ¬ stellt, dass beide Signalproben einen im Wesentlichen gleichen Zustand des zu überwachenden Netzes betreffen. Eine plötzliche Änderung der Verhältnisse im zu überwachenden elektrischen Netz kann dann zu keiner Verfälschung der Aus-
Werteergebnisse führen. Vorzugsweise enthalten die Auswerte ¬ mittel einen Speicher, in dem stets ein gewisser Zeitabschnitt des zu analysierenden niederfrequenten Teilsignals hinterlegt ist. Dieser Speicher ist insbesondere nach Art ei ¬ nes Schieberegisters ausgebildet, bei dem eingangsseitig der aktuelle Wert eingeschrieben und ausgangsseitig der älteste noch hinterlegte Wert überschrieben wird.
Gemäß einer anderen bevorzugten Variante ist die Filtereinheit auch zur Selektion eines hochfrequenten Teilsignals des Ausgangssignals ausgelegt. Insbesondere umfasst die Filter ¬ einheit also auch einen Hochpass, genau wie für die Erfassung des niederfrequenten Teilsignals ein Tiefpass vorgesehen sein kann. Verglichen mit dem niederfrequenten Teilsignal enthält das hochfrequente Teilsignal andere, ebenfalls auswertbare Informationen über das Vorliegen eines Fehlerstroms. Es lässt sich deshalb ebenfalls zur Detektion eines Fehlerstroms ein ¬ setzen. Die Ermittlung und Auswertung des hochfrequenten Teilsignals kann bedarfsgesteuert, also wenn es die Analyse des niederfrequenten Teilsignals erforderlich erscheinen lässt, oder kontinuierlich erfolgen.
Bei einer weiteren günstigen Variante sind die Auswertemittel so ausgelegt, dass sie eine Entscheidung über das Vorliegen eines Fehlerstroms anhand der zweiten Signalprobe und des hochfrequenten Teilsignals ableiten. Zusammen mit den aus der ersten Signalprobe bereits gewonnenen Informationen ergibt sich dann ein immer genaueres Bild über den Fehlerstrom.
Vorteilhaft ist es außerdem auch, wenn die Auswertemittel zur Ermittlung eines Fehlerstrom-Typs ausgelegt sind. Dies er ¬ folgt insbesondere wiederum anhand der beiden Signalproben und des hochfrequenten Teilsignals. Der Fehlerstromanalysator erkennt dann nicht nur, dass ein Fehlerstrom vorliegt, sondern auch, um welchen Typ es sich handelt. Dies erleichtert die Suche nach dem Fehlerort im überwachten, elektrischen Netz .
Vorzugsweise ist eine Anzeigeeinheit zur Anzeige des ermit ¬ telten Fehlerstrom-Typs vorgesehen. Dadurch ist der Fehler- stromanalysator besonders bedienerfreundlich. Alternativ oder optional können die Informationen über den Fehlerstrom-Typ auch als Datensignal an einem Ausgang des Fehlerstromanalysa- tors zur Verfügung gestellt werden.
Bei einer anderen Variante beinhaltet der Fehlerstromanalysa- tor einen Temperatursensor und die Auswertemittel sind zur Kompensation von Temperatureinflüssen ausgelegt. Die verschiedenen Komponenten des Fehlerstromanalysators können ei ¬ nen Temperaturgang aufweisen, der sich nachteilig auf die Erfassungsgenauigkeit auswirken kann. Die jeweiligen Tempera ¬ turgänge lassen sich vorab ermitteln und bei Kenntnis der ak ¬ tuellen Temperatur während des Betriebes kompensieren. Dadurch erhöht sich die Erfassungsgenauigkeit.
Vorzugsweise umfasst der Fehlerstromanalysator außerdem Mittel zur Selbstkalibrierung. Insbesondere enthält er einen Stromgenerator, mittels dessen der Summenstromwandler mit einem simulierten, also gezielt einstellbaren und deshalb bekannten, Fehlerstrom beaufschlagt werden kann. Das dann er- fasste Ausgangssignal kann in Verbindung mit den bekannten Informationen über den simulierten Fehlerstrom zur Kalibrierung des Fehlerstromanalysators verwendet werden. Dadurch lässt sich der Fehlerstromanalysator insbesondere an die aktuellen magnetischen Eigenschaften des verwendeten Summen- stromwandlers anpassen. Vor allem Abweichungen im magnetischen Verhalten des Bandkerns sind so zu kompensieren. Die Kalibrierung kann auch automatisiert ablaufen (= Selbstkalibrierung) . Mittels eines insbesondere elektronisch steuerbaren Stromgenerators können die verschiedenen Fehlerstrom-Typen ebenso eingestellt werden wie unterschiedliche Fehlerstrom- Amplituden. Dadurch steigt die Qualität der Kalibrierung und die Erfassungsgenauigkeit des Fehlerstromanalysators verbes ¬ sert sich weiter.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Ein ¬ richtung mit Fehlerstromerfassungsfunktion anzugeben, bei der sich die Fehlerstromerfassung mit einem vergleichsweise geringen Aufwand realisieren lässt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentan ¬ spruchs 10. Die erfindungsgemäße Einrichtung umfasst den er ¬ findungsgemäßen Fehlerstromanalysator sowie eine weitere Einheit zur Veranlassung einer Folgemaßnahme bei einem vom Fehlerstromanalysator detektierten Fehlerstrom. Dabei ist der Fehlerstromanalysator insbesondere als integraler Bestandteil dieser ansonsten weitestgehend beliebig ausgestalten Einrichtung ausgebildet. Aufgrund der bereits beschriebenen einfa ¬ chen Realisierbarkeit des Fehlerstromanalysators lässt sich auch die Einrichtung insgesamt mit vergleichsweise niedrigem Aufwand herstellen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung ergibt sich aus den Merkmalen des von Anspruch 10 abhängigen Anspruchs. Dementsprechend ist die weitere Einheit als Typ A-Fehlerstrom-Schutzschalter, als Typ B-Fehlerstrom- Schutzschalter, als Überspannungsschutzgerät, als Überstrom- schutzgerät, als Ableitstrommessgerät , als Stromzähler, als Multimeter oder als Frequenzumrichter ausgestaltet. Die aufgezählten Einheiten werden in ihrer Funktionalität um die günstigen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Fehlerstromanalysator erweitert. Die Vielfalt der möglichen Anwendungsfälle dokumentiert auch die hohe Flexibilität des erfindungsgemäßen Fehlerstromanalysators .
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung er ¬ geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
FIG 1 ein Ausführungsbeispiel einer Fehlerstrom- Schutzeinrichtung mit einem integrierten netzspannungsabhängigen Fehlerstromanalysator,
FIG 2 ein Ablaufdiagramm einer im Fehlerstromanalysa- tor gemäß FIG 1 vorgenommenen Fehlerstrom- Überwachung und -Analyse und
FIG 3 eine Tabelle mit verschiedenen Fehlerstrom- Typen .
In FIG 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Fehlerstrom- Schutzeinrichtung 1 mit einer netzspannungsunabhängigen Erfassungseinheit 2 und einem netzspannungsabhängigen Fehler- stromanalysator 3, die parallel an eine Sekundärwicklung 4 eines Summenstromwandlers 5 angeschlossen sind. Der Fehler- stromanalysator 3 ist integraler Bestandteil der Fehlerstrom- Schutzeinrichtung 1. Die Fehlerstrom-Schutzeinrichtung 1 dient zur Fehlerstrom-Überwachung eines elektrischen Netzes, das im Ausführungsbeispiel vier elektrische Leiter, nämlich drei Phasenleiter Ll, L2 und L3 sowie einen Neutralleiter N, umfasst. Die vier Leiter bilden die Primärwicklungen des Summenstromwandlers 5.
Bei der netzspannungsunabhängigen Erfassungseinheit 2 handelt es sich um einen Typ A-FI-Schutzschalter, der zur Detektion von Wechselfehlerstrom und pulsierendem Gleichfehlerstrom bestimmt ist. Auch der Summenstromwandler 5 ist dementsprechend ausgelegt .
Der Eingang der Erfassungseinheit 2 ist durch eine passive Auswerteschaltung 6 gebildet. Ein Ausgang der Auswerteschaltung 6 ist elektrisch an ein Relais 7 mit einem Haltemagnet angeschlossen. Der Haltemagnet des Relais 7 steht in mechanischer Wirkverbindung mit einem als Energiespeicher wirkenden Schaltschloss 8, das seinerseits eine mechanische Verbindung zu einem Schaltwerk 9 aufweist. Letzteres umfasst im Ausfüh ¬ rungsbeispiel vier schaltbare Unterbrechungskontakte, von de ¬ nen jeweils einer in einem der elektrischen Leiter des Netzes angeordnet ist.
Der Fehlerstromanalysator 3 umfasst eingangsseitig einen Verstärker 10, der elektrisch mittels einer Filtereinheit 11 an eine elektronische Auswerteeinheit 12 angeschlossen ist. Die Filtereinheit 11 ist als Filter-Bank ausgeführt. Sie umfasst einen nicht näher gezeigten Tiefpass und einen ebenfalls nicht näher gezeigten Hochpass. Außerdem kann optional auch mindestens ein Bandpass vorgesehen sein. Alternativ kann auch ein gesteuertes, in seiner Durchlasscharakteristik variabel einstellbares Analogfilter vorgesehen sein. Außerdem kann die Filtereinheit 11 bei einem nicht gezeigten Ausführungsbei ¬ spiel als numerisches Filter in die elektronische Auswerte ¬ einheit 12 integriert sein.
Die Auswerteeinheit 12 umfasst verschiedene Komponenten, von denen lediglich eine programmierbare Logik-Baugruppe 13 und ein Speicher 14 schematisiert angedeutet sind. Eingangsseitig ist ein Analog-Digitalwandler (A/D-Wandler) vorgesehen. Anstelle der Logik-Baugruppe 13 kann in einem anderen Ausführungsbeispiel auch eine Mikroprozessor-Baugruppe zum Einsatz kommen .
Zur elektrischen Energieversorgung ist die Auswerteeinheit 12 mit einem Netzteil 15 verbunden, das an die vier elektrischen Leiter des Netzes angeschlossen ist und einen AC/DC-Wandler enthält .
Die Auswerteeinheit 12 ist zur Darstellung von Informationen über den erkannten Fehlerstrom an eine Anzeigeeinheit 16 angeschlossen. Außerdem ist eine elektrische Signalverbindung zwischen der Auswerteeinheit 12 und der Auswerteschaltung 6 zur Übermittlung eines Auslösesignals AS vorgesehen.
Die Fehlerstrom-Schutzeinrichtung 1 enthält weiterhin eine Prüfeinheit 17, mit einem nicht näher bezeichneten Handtaster und einer im Summenstromwandler 5 angeordneten Prüfwicklung 18. Grundsätzlich ist die im Ausführungsbeispiel manuell zu betätigende Prüfeinheit 17 auch in einer nicht gezeigten elektronisch gesteuerten Ausführungsform zu realisieren.
Als optionale Komponenten umfasst der Fehlerstromanalysator 3 einen Temperatursensor 19 sowie einen Kalibrierstrom-Genera ¬ tor 20. Beide sind an die Auswerteeinheit 12 angeschlossen. Der Kalibrierstrom-Generator 20 hat außerdem auch eine elektrische Verbindung zu der Prüfwicklung 18.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf das in FIG 2 gezeigte Ablaufdiagramm die Funktionsweise des Fehlerstromanalysators 3 näher beschrieben.
Die Filtereinheit 11 zerlegt ein am Verstärker 10 anstehendes Ausgangssignal UA der Sekundärwicklung 4 in mehrere spektrale Bestandteile. Der Tiefpass extrahiert ein niederfrequentes Teilsignal ST und der Hochpass ein hochfrequentes Teilsignal SH. Das niederfrequente Teilsignal ST umfasst Frequenzen bis zu einer Tiefpassgrenzfrequenz von 1 kHz. Das hochfrequente Teilsignal SH umfasst Frequenzen ab einer Hochpassgrenzfre ¬ quenz von 1 kHz. Grundsätzlich können bei anderen Ausführungsbeispielen auch andere Grenzfrequenzen vorgesehen sein. Gleichfalls ist es möglich, dass diese Werte während des Be ¬ triebs verändert werden. Dadurch lässt sich eine Frequenzgangsempfindlichkeit gezielt einstellen.
Die Auswerteeinheit 12 erfüllt die wesentlichen Hauptfunktio ¬ nen des Fehlerstromanalysators 3. In ihr werden die Eingangs ¬ signale, also mindestens das niederfrequente Teilsignal ST und das hochfrequente Teilsignal SH analysiert, ein Vorliegen eines Fehlerstroms erkannt, die Art des Fehlerstroms bestimmt und die Entscheidung, einen Auslösebefehl abzusetzen, getroffen .
Gemäß dem in FIG 2 wiedergegebenen Ablaufdiagramm erfolgt in der Auswerteeinheit 12 zunächst ein A/D-Wandlungsschritt 21, in dem das niederfrequente Teilsignal ST und das hochfrequen ¬ te Teilsignal SH digitalisiert werden. Danach wird in einem in einem Überwachungsschritt 22 zunächst ausschließlich das digitalisierte niederfrequente Teilsignal ST betrachtet. Der
zeitliche Verlauf des niederfrequenten Teilsignals ST wird erfasst und überwacht. In einem folgenden Vergleichsschritt 23 wird überprüft, ob der jeweilige Momentanwert des nie ¬ derfrequenten Teilsignals ST über einem Niederfrequenzgrenzwert Gl liegt. Wenn nicht, führt die Auswerteeinheit 12 für den nächsten Momentanwert des niederfrequenten Teilsignals ST erneut einen Überwachungsschritt 22 aus. Der Niederfrequenz ¬ grenzwert Gl hat im Ausführungsbeispiel einen Wert von 20% des Scheitelwerts des Nennfehlerstroms, für den die Fehler ¬ strom-Schutzeinrichtung 1 ausgelegt ist.
Falls der Niederfrequenzgrenzwert Gl dagegen überschritten ist, wird in einem Analyseschritt 24 eine kurze Signalprobe des niederfrequenten Teilsignals ST ermittelt und näher un ¬ tersucht. Bei der kurzen Signalprobe handelt es sich um einen Abschnitt des Signalverlaufs, der sich über eine bestimmte Zeitspanne erstreckt, im Ausführungsbeispiel über eine Zeit ¬ spanne von 20 ms entsprechend einer Periodendauer bei einer Netzfrequenz von 50 Hz. Im Analyseschritt 24 wird außerdem ein Effektivwert der kurzen Signalprobe ermittelt. Dies er ¬ folgt entweder mittels einer Integration über die Zeitspanne der kurzen Signalprobe oder mittels einer FFT-Operation, aus deren Ergebnis der Effektivwert als Amplitude beim Frequenz ¬ anteil der Netzfrequenz abgelesen werden kann.
Der so ermittelte Effektivwert der kurzen Signalprobe wird in einem folgenden Vergleichsschritt 25 darauf hin überprüft, ob er einen unteren Effektivgrenzwert G2 unterschreitet. Ist dies der Fall, kehrt die Auswerteeinheit 12 zur Standardüber ¬ wachung gemäß Überwachungsschritt 22 zurück. Wenn nicht, wird in einem weiteren Vergleichsschritt 26 überprüft, ob der Ef ¬ fektivwert über einem oberen Effektivgrenzwert G3 liegt. Trifft dies zu, wird in einem Auslöseschritt 27 ein Auslöse ¬ signal AS abgesetzt. Der untere und obere Effektivgrenzwert G2 bzw. G3 hat im Ausführungsbeispiel einen Wert von 20% bzw. 200% des Effektivwerts des Nennfehlerstroms.
Liegt der Effektivwert der kurzen Signalprobe in einem Unde ¬ finierten Zwischenbereich zwischen dem unteren Effektivgrenzwert G2 und dem oberen Effektivgrenzwert G3, ist eine detail ¬ liertere Untersuchung mit zunächst zwei weiteren Analyse ¬ schritten 28 und 29 vorgesehen.
Im Analyseschritt 28 wird eine längere Signalprobe des nie ¬ derfrequenten Teilsignals ST ermittelt. Diese umfasst die kurze Signalprobe aus dem Analyseschritt 24 als Teilab ¬ schnitt. Die längere Signalprobe hat im Ausführungsbeispiel eine Dauer von 100 ms. Die die kurze Signalprobe umfassende längere Signalprobe wird dem Speicher 14 entnommen. Sie hat einen höheren Informationsgehalt als die kurze Signalprobe. Dies zeigt sich auch bei der Durchführung einer FFT, deren resultierendes Frequenzsignal eine Frequenzauflösung von 10 Hz hat. Im Vergleich dazu ist mit der kurzen Signalprobe ge ¬ mäß Analyseschritt 24 nur eine Frequenzauflösung von 50 Hz zu erzielen. Neben einer FFT-Berechnung kann im Analyseschritt 28 auch für die lange Signalprobe eine Effektivwertbestimmung mittels Integration erfolgen.
In dem parallel zum Analyseschritt 28 durchgeführten Analyse ¬ schritt 29 wird auf das digitalisierte hochfrequente Teilsig ¬ nal SH zurückgegriffen. Dessen Analyse erfolgt vorzugsweise mittels Integration einer sehr kurzen, beispielsweise 1 ms oder 2 ms langen, Signalprobe oder mittels Effektivwertbe ¬ stimmung anhand eines Gleichrichters mit einem RC-Glied. Al ¬ ternativ oder ergänzend kann auch eine FFT errechnet werden.
Die in den beiden Analyseschritten 28 und 29 gewonnenen zusätzlichen Informationen werden in einem folgenden Typerkennungsschritt 30 zur Erkennung des aktuell vorliegenden Fehlerstrom-Typs verwendet. Im Ausführungsbeispiel werden sieben Fehlerstrom-Typen unterschieden, die insbesondere bei einem mittels eines Frequenzumrichters angesteuerten Elektromotors auftreten können und die tabellarisch in FIG 3 wiedergegeben sind. Die Detektion erfolgt anhand der in der folgenden Tabelle aufgelisteten Kriterien:
Hierbei bezeichnet f N eine Netzfrequenz (z.B. 50 oder 60 Hz), fu eine Umrichterfrequenz, f H eine Hochfrequenz (z.B. Taktfrequenz), I JN einen Wert des FFT-Impulses bei der Netzfre- quenz f N , I χfN einen Wert des FFT-Impulses bei der x-fachen Netzfrequenz xf N mit xe[2, 3, 6j, und I ffl einen Wert des FFT- Impulses bei der Hochfrequenz f H .
Die Prüfung der in der vorstehenden Tabelle genannten Erkennungskriterien erfolgt von oben nach unten und dann von links nach rechts. Begonnen wird also mit einer Prüfung im FFT- Spektrum vorhandenen Frequenzanteile bei f N , 2f N , 3f N , 6f N , fu und f H entsprechend dem ersten Erkennungskriterium. Danach folgt eine detailliertere Auswertung der vorhandenen Fre ¬ quenzanteile gemäß dem zweiten und dann dem dritten Erkennungskriterium, so dass letztendlich eine Aussage über den aktuell vorliegenden Fehlerstrom-Typ getroffen werden kann.
Die so gewonnene Information über den aktuellen Fehlerstrom- Typ wird in einem folgenden Korrekturschritt 31 zur Bestimmung eines korrigierten Fehlerstrom-Effektivwerts I RMS auf Ba ¬ sis der Resultate der Analyseschritte 28 und 29 herangezogen.
Je nach erkanntem Fehlerstrom-Typ 1 bis 7 wird der korrigierte Fehlerstrom-Effektivwert I RMS anhand der in der folgenden Tabelle genannten Korrekturfaktoren (für die Fehlerstrom-Typ 1 bis 6) oder Berechnungsvorschrift (für den Fehlerstrom-Typ 7) ermittelt:
Hierbei bezeichnet I 1 einen Wert des in Frequenzrichtung ers ¬ ten FFT-Impulses (also beispielsweise bei der einfachen oder dreifachen Netzfrequenz f N bzw. 3f N ) , I f0 einen Wert des FFT- Impulses bei der Umrichterfrequenz f D , G Max einen Gewichtungsfaktor des FFT-Impulses mit dem höchsten Amplitudenwert und Gu einen Gewichtungsfaktor des FFT-Impulses bei der Umrichterfrequenz f D . Die Gewichtungsfaktoren G Max und G 11 geben eine in der IEC-Norm 479-2 definierte Gefährdung des Menschen durch einen Fehlerstrom in Abhängigkeit von der Frequenz an.
Am Ende des Korrekturschritts 31 liegt ein korrigierter Feh ¬ lerstrom-Effektivwert I RMS vor, anhand dessen in einem an ¬ schließenden Vergleichsschritt 32 entschieden wird, ob ein Korrektureffektivgrenzwert G4 überschritten ist oder nicht. Trifft dies zu, wird der Auslöseschritt 27 durchgeführt und ein Auslösesignal AS erzeugt. Falls nicht, kehrt die Auswer ¬ teeinheit 12 zur Standard-Überwachung gemäß Überwachungs ¬ schritt 22 zurück. Der Korrektureffektivgrenzwert G4 hat im Ausführungsbeispiel einen Wert von 75% des Effektivwerts des Nennfehlerstroms .
Nach Durchlaufen des Typerkennungsschritts 30 sind innerhalb der Auswerteeinheit 12 Informationen über den erkannten Fehlerstrom-Typ vorhanden, die auch anderweitig von Interesse sein können. So lassen sie sich auch zur Lokalisierung des Fehlerorts verwenden. Deshalb wird im Typerkennungsschritt 30 auch ein Fehlerstromsignal FS erzeugt, das diese Informatio ¬ nen über den erkannten Fehlerstrom-Typ enthält. Es wird der Anzeigeeinheit 16 zur Visualisierung zugeführt.
Parallel zu der vorstehend beschriebenen Analyse und Bewer ¬ tung, die im Wesentlichen auf dem niederfrequenten Teilsignal ST beruht, erfolgt optional auch eine von der Niederfrequenz- Auswertung unabhängige kontinuierliche Überwachung des hochfrequenten Teilsignals SH. Es können nämlich auch Fehlerströme auftreten, die sich nur aus hochfrequenten Anteilen zusammensetzen und die mittels des optionalen Hochfrequenz- Parallelzweigs erkannt werden. Diese Überwachungsfunktion verhindert eine unzulässige Erhitzung der überwachten Geräte oder Einrichtungen. Sie dient folglich in erster Linie dem Brandschutz .
Das hochfrequente Teilsignal ST wird also insbesondere auch in einem Analyseschritt 33, der im Wesentlichen analog zu dem Analyseschritt 29 abläuft, erfasst und aufbereitet. Die Er ¬ gebnisse dienen in einem nachfolgenden Vergleichsschritt 34 als Basis für eine Entscheidung, ob ein Hochfrequenzgrenzwert G5 überschritten ist oder nicht. Falls ja, folgt der Auslöse ¬ schritt 27, falls nein, wird ein erneuter Analyseschritt 33 durchgeführt. Der Hochfrequenzgrenzwert G5 hat im Ausfüh ¬ rungsbeispiel einen Wert von 1000% des Effektivwerts des Nennfehlerstroms, wobei mit 300 mA eine absolute Obergrenze für den Hochfrequenzgrenzwert G5 vorgesehen ist.
Aufgrund der beschriebenen Analyse und Bewertung ist der Feh- lerstromanalysator 3 in der Lage, einen hohen Fehlerstrom sehr rasch, das heißt in weniger als 30 ms zu erkennen. Das Auslösesignal AS wird dann unmittelbar nach einer positiven
Entscheidung im Vergleichsschritt 26 an die passive Auswerte ¬ schaltung 6 der Erfassungseinheit 2 zur Veranlassung einer entsprechenden Schalthandlung weitergeleitet.
Darüber hinaus kann der Fehlerstromanalysator 3 auch Fehlerstrom-Typen erkennen, bei denen die Typ A-Erfassungseinheit 2 ansonsten keine die elektrischen Leiter unterbrechenden Schalthandlung vorgenommen hätte. Die Erfassungseinheit 2 al ¬ leine ist nämlich nicht in der Lage, einen Fehlerstrom mit einem nicht vernachlässigbaren Gleichanteil oder einen Fehlerstrom, der sich aus einer Vielzahl verschiedener Frequenzanteile, insbesondere auch hoher Frequenzanteile, zusammen ¬ setzt, zu erfassen. Obwohl auch die Fehlerstrom-Schutzeinrichtung 1 im Wesentlichen nur Komponenten eines Typ A-Feh- lerstrom-Schutzschalters beinhaltet, können dennoch auch die vorstehend genannten schwierig zu erfassenden Fehlerstrom- Typen erkannt werden. Dies war bislang nur mittels der erheblich aufwändigeren und teureren Typ B-Fehlerstrom-Schutzschalter möglich.
Das verbesserte Detektionsvermögen des erfindungsgemäßen Feh- lerstromanalysators 3 und der ihn umfassenden erfindungsgemä ¬ ßen Fehlerstrom-Schutzeinrichtung 1 geht aus dem in FIG 3 gezeigten tabellarischen Vergleich der Auslösefunktionen verschiedener Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen hervor. Es wird nach mit den Nummern 1 bis 7 bezeichneten Fehlerstrom-Typen unterschieden. Diese können bei Frequenzumrichtern auftreten, welche beispielsweise zum Anschluss von Elektromotoren einge ¬ setzt werden.
Die Fehlerstrom-Typen mit den Nummern 5 und 6 weisen einen hohen Gleichanteil auf und können deshalb von einem Typ A- Fehlerstrom-Schutzschalter nicht erkannt werden. Gleiches gilt für den mit Nummer 7 bezeichneten Fehlerstrom-Typ, der einen sehr hochfrequenten Anteil aufweist und somit außerhalb des Erfassungsbereichs eines Typ A-Fehlerstrom-Schutzschal- ters liegt. Dagegen sind sowohl ein - teuerer - Typ B-Schutzschalter als auch die - preiswertere - Fehlerstrom-Schutzein-
richtung 1 in der Lage, die drei genannten Fehlerstrom-Typen sicher zu erkennen.
Der vorstehend beschriebene Aufbau und die beschriebene Wir ¬ kungsweise der Fehlerstrom-Schutzeinrichtung 1 und des Feh- lerstromanalysators 3 sind beispielhaft zu verstehen. Alter ¬ native Ausführungsformen sind möglich.
So kann zwischen der Filtereinheit 11 und der Auswerteeinheit 12 mindestens ein Effektivwertgleichrichter vorgesehen sein. Die im Rahmen der Auswerteeinheit 12 ausgewerteten Effektivwerte werden dann bereits vor der Analog/Digital-Wandlung erzeugt. Weiterhin können die Erfassungseinheit 2 und der Feh- lerstromanalysator 3 an jeweils eine eigene Sekundärwicklung des Summenstromwandlers 5 angeschlossen sein oder auch eine eigene passive Auswerteschaltung und ein eigenes Relais mit Haltemagnet umfassen. Ebenso ist es möglich, dass der Fehler- stromanalysator 3 mehrere programmierbare Logik-Baugruppen enthält, die jeweils verschiedene Mess- und Analysefunktionen wahrnehmen. Mögliche weitere Funktionen sind beispielsweise ein Überspannungsschutz, ein Überstromschutz, eine Netzfrequenzmessung, eine Selbstüberwachung oder eine Hinterlegung und Verwaltung der Historie.
Grundsätzlich kann der Fehlerstromanalysator 3 anstelle in der Fehlerstrom-Schutzreinrichtung 1 auch in einer anderen Einrichtung oder in einem anderen Gerät eingesetzt werden. Er weist diesbezüglich eine hohe Flexibilität auf. Beispiele sind ein Typ B-Fehlerstrom-Schutzschalter, ein Frequenzumrichter, ein Multimeter, ein Stromzähler oder ein Ableit- strommessgerät .
Next Patent: SUPPORT AND HANDLING DEVICE, PARTICULARLY FOR GLASS PANES OR PANELS