NIEDERSPANNUNGSLEISTUNGSSCHALTER UND STÖRLICHTBOGENERKENNUNGSEINHEIT MIT KOMPENSIERUNG WEGEN

PHASENVERSCHIEBUNG

Die Erfindung betrifft einen Niederspannungsleistungsschalter für einen Niederspannungswechselstromkreis nach dem Oberbe griff von Patentanspruch 1, eine Störlichtbogenerkennungsein heit für einen Niederspannungswechselstromkreis nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 3 und ein Verfahren zur Stör lichtbogenerkennung für einen Niederspannungswechselstrom kreis nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 9.

Leistungsschalter sind Schutzgeräte, die ähnlich wie eine Si cherung funktionieren. Leistungsschalter überwachen den durch sie mittels eines Leiters hindurchfließenden Strom und unter brechen den elektrischen Strom bzw. Energiefluss zu einer Energiesenke bzw. einem Verbraucher, was als Auslösung be zeichnet wird, wenn Schutzparameter, wie Stromgrenzwerte oder Strom-Zeitspannengrenzwerte, d.h. wenn ein Stromwert für eine gewisse Zeitspanne vorliegt, überschritten werden. Die einge stellten Stromgrenzwerte oder Strom-Zeitspannengrenzwerte sind entsprechende Auslösegründe . Die Unterbrechung erfolgt beispielsweise durch Kontakte des Leistungsschalters, die ge öffnet werden.

Insbesondere für Niederspannungsstromkreise, -anlagen bzw. - netze gibt es abhängig von der Höhe des vorgesehenen elektri schen Stromes im elektrischen Stromkreis verschiedene Typen von Leistungsschaltern. Mit Leistungsschalter im Sinne der Erfindung sind insbesondere Schalter gemeint, wie sie in Nie derspannungsanlagen für Ströme, insbesondere Nennströme bzw. maximal Ströme, von 63 bis 6300 Ampere eingesetzt werden. Spezieller werden geschlossene Leistungsschalter für Ströme von 63 bis 1600 Ampere, insbesondere von 125 bis 630 oder 1200 Ampere eingesetzt. Offene Leistungsschalter werden ins besondere für Ströme von 630 bis 6300 Ampere, spezieller von 1200 bis 6300 Ampere verwendet. Offene Leistungsschalter werden auch als Air Circuit Breaker, kurz ACB, und geschlossene Leistungsschalter als Moulded Case Circuit Breaker oder Kompaktleistungsschalter, kurz MCCB, be zeichnet .

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.

Mit Leistungsschalter im Sinne der Erfindung sind insbesonde re Leistungsschalter mit einer als Steuerungseinheit dienen den elektronischen Auslöseeinheit , auch als Electronic Trip Unit, kurz ETU, bezeichnet, gemeint.

In Niederspannungswechselstromkreisen bzw. Niederspannungsan lagen respektive Niederspannungsnetzen sind Kurzschlüsse meist mit auftretenden Störlichtbögen, wie parallele oder se rielle Störlichtbögen, verbunden. Besonders in leistungsstar ken Verteil- und Schaltanlagen können diese Störlichtbögen bei einer nicht ausreichend schnellen Abschaltung zu verhee renden Zerstörungen von Betriebsmitteln, Anlagenteilen oder kompletten Schaltanlagen führen. Um einen länger andauernden und großflächigen Ausfall der Energieversorgung zu vermeiden und Personen- sowie generell Schäden zu reduzieren, ist es erforderlich derartige Störlichtbögen, insbesondere strom starke bzw. parallele Störlichtbögen, in wenigen Millisekun den zu erkennen und zu löschen. Konventionelle Schutzsysteme von Energieversorgungsanlagen können unter den geforderten zeitlichen Anforderungen keinen zuverlässigen Schutz bieten.

Schaltlichtbögen, wie sie beim elektrischen Schalten, insbe sondere an den Kontakten, auftreten, sind hiermit nicht ge meint.

Mit Störlichtbögen sind Lichtbögen gemeint, wie sie bei elektrischen Fehlern im Stromkreis bzw. in der Anlage auftre- ten. Beispielsweise können diese durch Kurzschlüsse bzw.

schlechte Verbindungen hervorgerufen werden.

Fließt ein Strom in einem fehlerbehafteten Phasenleiter, bei spielsweise mit reduziertem Querschnitt, z.B. durch Quet schung, so führt dies bedingt durch die verminderte Strom tragfähigkeit zu einer unzulässigen Erwärmung und in Folge dessen ggf. zum Aufschmelzen des Leiters und einem seriellen Störlichtbogen .

Wenn ein (Fast-) Kurzschluss mit einem anderen Phasenleiter auftritt, wird von einem parallelen Störlichtbogen gespro chen .

Parallele Störlichtbögen können z.B. durch Alterung des Iso lationsmaterials oder Präsenz von leitender Verschmutzung zwischen Phasenleitern verursacht werden. Sie können zwischen zwei verschiedenen Phasenleitern, zwischen Phasenleiter (L) und Erdungsleiter (PE) , oder zwischen Phasenleiter und

Neutralleiter (N) auftreten. In vielen Fällen entsteht der parallele Lichtbogen auch infolge eines seriellen Lichtbo gens, z.B. durch unsachgemäße Arbeiten oder falsch dimensio nierte Berührungsmittel.

Falls ein Lichtbogen die Eigenschaften eines parallelen und eines seriellen Störlichtbogens aufweist, bezeichnet man dies als kombinierten Störlichtbogen.

Generell stellen Störlichtbögen eine leitende, fehlerhafte Verbindung zwischen Leitern bzw. Anlageteilen her.

Mittlerweile gibt es verschiedene Möglichkeiten Störlichtbö gen zu erkennen. Eine Möglichkeit besteht darin, aus gemesse nen Spannungs- und Stromwerten durch Auswertung charakteris tischer Eigenschaften einen Störlichtbogen zu erkennen. Dies erfolgt häufig dadurch, dass mittels eines Mikroprozessors die Spannungs- und Stromwerte ausgewertet bzw. entsprechende Berechnungen durchgeführt werden. Für viele Algorithmen müs sen phasengenaue Spannungs- und Stromwerte vorliegen, um ei nen Störlichtbogen sicher zu erkennen bzw. Fehler bei der Er kennung zu vermeiden, damit es im Weiteren nicht zu Unterbre- chungen des Niederspannungsstromkreises kommt, obwohl kein Störlichtbogen vorlag.

Die Spannungen werden üblicherweise mit Spannungssensoren er mittelt, diese arbeiten üblicherweise phasengenau.

Für die Ermittlung der Ströme wurden bisher Messwiderstände, so genannte Shunts, eingesetzt. Dabei wird die Spannung über einen bekannten Widerstand gemessen und daraus der Strom er mittelt. Damit ist eine phasengenaue Ermittlung der Höhe des Stromes gegeben. Messwiderstände weisen allerdings den Nach teil auf, dass über diese proportional zur Höhe des Stromes erhebliche Verlustleistungen auftreten. Insbesondere in stromstarken Niederspannungswechselstromnetzen sind diese nicht zu vernachlässigen.

Andererseits gibt es Rogowskispulen zur Ermittlung der Höhe des Stromes. Diese liefern eine zum differenzierten Strom proportionale Spannung. Durch Integration dieser Spannung kann die Höhe des Stromes ermittelt werden. Rogowskispulen weisen den Nachteil auf, dass die ermittelte Höhe des Stromes nicht phasengenau ist. Dies wird durch die Streufeldindukti vität der Spule der Rogowskispule erzeugt. Allerdings weisen Rogowskispulen den Vorteil auf, dass sie eine Potentialtren nung, hohe Stromfestigkeit und geringe Baugrößen aufweisen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Verwendung von Rogowskispulen zur Ermittlung phasengenauer Stromwerte, ins besondere zur Störlichtbogenerkennung, speziell für einen Niederspannungsleistungsschalter und eine Störlichtbogener kennungseinheit, zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch einen Niederspannungsleistungsschal ter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine Störlicht bogenerkennungseinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 3 oder ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst . Erfindungsgemäß wird eine Anordnung für einen Niederspan nungswechselstromkreis, insbesondere ein Niederspannungsleis tungsschalter oder eine Störlichtbogenerkennungseinheit, vor geschlagen, aufweisend:

- mindestens eine Rogowskispule zur Ermittlung der Höhe des elektrischen Stromes eines Leiters, insbesondere Rogowskispu len für alle Leiter, des Niederspannungswechselstromkreises, die eine analoge Spannung (PI) abgibt, die ein Äquivalent der Höhe des elektrischen Stromes des Leiters ist.

Für einen Niederspannungsleistungsschalter ist vorgesehen:

- eine Unterbrechungseinheit mit Kontakten, zur Unterbrechung des Niederspannungswechselstromkreises ,

- eine mit der mindestens einen Rogowskispule und der Unter brechungseinheit verbundene elektronischen Auslöseeinheit mit einem Mikroprozessor, die derart ausgestaltet sind, dass bei Überschreitung von Strom- oder/und Strom-Zeitspannen- Grenzwerten des Phasenleiters eine Unterbrechung des Nieder spannungswechselstromkreises veranlasst wird.

Für eine Störlichtbogenerkennungseinheit ist vorgesehen:

- mindestens ein Spannungssensor () zur Ermittlung der Höhe der Spannung des Leiters (11), insbesondere Spannungssensoren für jeden Leiter, des Niederspannungswechselstromkreises,

- mit einem Mikroprozessor, der mit der ermittelten Höhe des Stromes und der Spannung des Niederspannungswechselstromkrei ses eine Störlichtbogenerkennung durchführt und bei Über schreitung mindestens eines Grenzwertes ein Störlichtbogener kennungssignal abgibt.

Die Anordnung ist erfindungsgemäß dadurch ausgestaltet, dass die Rogowskispule (bzw. jede Rogowskispule) mit (je) ei nem analogen Integrator verbunden ist, dem (je) ein Analog- Digital-Umsetzer folgt, der (jeweils) die integrierte analoge Spannung in (je) ein digitales Signal umsetzt, das (die) durch den Mikroprozessor derart weiterverarbeitet wird (wer den) , dass die durch die Rogowskispule und von der Ro

gowskispule nachgeschalteten Komponenten, insbesondere des analogen Integrators, erzeugte Phasenverschiebung kompensiert wird, so dass phasenrichtige Stromwerte ermittelt werden, die für die Erkennung von Fehlersituationen zum Schutz des Nie derspannungswechselstromkreises verwendet werden, insbesonde re für die Störlichtbogenerkennung.

Dies hat den besonderen Vorteil, dass Rogowskispulen mit den genannten Vorteilen insbesondere für die Erkennung von Stör lichtbögen eingesetzt werden können, wobei durch die Kompen sation der Phasenverschiebung auch einfache Algorithmen zur Störlichtbogenerkennung verwendet werden können bzw. die Al gorithmen hierbei zuverlässige Ergebnisse liefern und fehler hafte Unterbrechungen des zu schützenden Niederspannungs stromkreises vermieden werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen angegeben.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwi schen Rogowskispule und Analog-Digital-Umsetzer ein Verstär ker vorgesehen. Speziell kann hier ein Differenzverstärker vorgesehen sein, um eine Anhebung der Amplitude durchzufüh ren .

Dies hat den besonderen Vorteil, dass neben der phasengenauen Ermittlung von Stromwerten auch eine amplitudenmäßige bzw. - genaue Anpassung erfolgen kann.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Rogowskispule oder dem Integrator ein Filter nachgeschaltet oder dem Analog-Digital-Umsetzer ein Filter vorgeschaltet. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine Filterung des ana logen Signals erfolgen kann, um Störkomponenten auszublenden oder eine bessere Frequenzbegrenzung des analog zu digital umzusetzenden Signals zu erreichen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Rogowskispule durch eine Gegeninduktivität, eine Streufeldin duktivität und einen Wicklungswiderstand gekennzeichnet; der analoge Integrator weist mindestens eine Widerstands- Kondensator Anordnung auf, mit einer resultierenden Kapazität und einem resultierenden Widerstand.

Dies hat den besonderen Vorteil, dass neben der Auswahl der wesentlichen Größen der Rogowskispule eine besonders einfache Realisierung eines analogen Integrators zur Verfügung steht.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden aus dem digitalen Signal mittels der Gegeninduktivität, der

Streufeldinduktivität, der resultierenden Kapazität und der Summe aus Wicklungswiderstand und resultierenden Widerstand phasenrichtige Stromwerte errechnet.

Dies hat den besonderen Vorteil, dass mit wenigen signifikan ten Werten, beispielsweise mindestens 2 Werten, eine Ermitt lung phasengenauer Stromwerte ermöglicht wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die phasenrichtigen digitalen Stromwerte der Höhe des Stromes des Leiters durch folgende Formel errechnet:

Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine spezifische Be rechnungsmöglichkeit für die phasengenauen bzw. phasenrichti gen Stromwerte gegeben ist.

Erfindungsgemäß wird ferner ein analoges Verfahren bean sprucht ,

- bei dem Spanungswerte mindestens eines Leiter des Nieder spannungswechselstromkreis ermittelt werden,

- bei dem mit einer Rogowskispule Stromwerte des mindestens einem Leiters des Niederspannungswechselstromkreis ermittelt werden, wobei die Rogowskispule eine analoge Spannung abgibt, die ein Äquivalent der Höhe des elektrischen Stromes des Lei ters ist,

- die Spannungswerte und Stromwerte einem Mikroprozessor zu geführt werden, der derart ausgestaltet ist, das eine Stör- lichtbogenerkennung durchgeführt wird und bei Überschreitung mindestens eines Grenzwertes ein Störlichtbogenerkennungssig nal abgegeben wird.

Erfindungsgemäß wird die analoge Spannung integriert und der art weiterverarbeitet, dass die durch die Rogowskispule und den Integrator, und gegebenenfalls weitere Komponenten, er zeugte Phasenverschiebung kompensiert wird, derart dass pha senrichtige Stromwerte für die Störlichtbogenerkennung ermit telt und verwendet werden.

Alle Ausgestaltungen, sowohl in abhängiger Form rückbezogen auf den Patentanspruch 1, 3 oder 9, als auch rückbezogen le diglich auf einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen von Patentansprüchen, bewirken eine Verbesserung des Einsatzes einer Rogowskispule, insbesondere für die Ermittlung von Störlichtbögen .

Die beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden.

In der zugehörigen Zeichnung zeigt:

Figur 1 ein Blockschaltbild eines Niederspannungsleistungs schalters ;

Figur 2 ein Blockschaltbild einer Störlichtbogenerkennungs einheit ;

Figur 3 eine erfindungsgemäße Anordnung;

Figur 4 ein Ersatzschaltbild einer Rogowskispule;

Figur 5 ein erstes Diagramm mit einem Spannungs- und Strom verlauf; Figur 6 ein Ersatzschaltbild einer Rogowskispule und eines Integrators ;

Figur 7 ein zweites Diagramm mit einem Spannungs- und Strom verlauf;

Figur 8 ein Ersatzschaltbild mit zusammengefassten Komponen ten;

Figur 9 ein drittes Diagramm mit einem ersten und einem zwei ten Stromverlauf.

Figur 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Nieder spannungs-Leistungsschalters LS. Figur 1 zeigt elektrische Leiter LI, L2, L3, N eines Niederspannungsstromkreises, bei spielsweise eines Dreiphasen-Wechselstromkreises , wobei der erste Leiter LI die erste Phase mit dem ersten Phasenstrom ip(t) , der zweite Leiter L2 die zweite Phase mit dem zweiten Phasenstrom, der dritte Leiter L3 die dritte Phase mit dem dritten Phasenstrom und der vierte Leiter den Nullleiter N mit dem Nulleiterstrom des Dreiphasen-Wechselstromkreises bildet .

Im Beispiel gemäß Figur 1 ist der erste Leiter LI mit einem Energiewandler EW verbunden (beispielsweise als Teil eines Wandlersatzes) , derart, dass mindestens ein Teil des Stromes, d.h. ein Leiterteilstrom, bzw. der gesamte Strom des ersten Leiters LI durch die Primärseite des Energiewandlers EW fließt. Üblicherweise bildet ein Leiter, im Beispiel der ers te Leiter LI, die Primärseite des Energiewandlers EW. Der Energiewandler EW ist üblicherweise ein Transformator mit Kern, z.B. ein Eisenwandler. In einer Ausgestaltung kann in jeder Phase bzw. in jedem Leiter des elektrischen Stromkrei ses ein Energiewandler EW vorgesehen sein. Die Sekundärseite des Energiewandlers EW bzw. jedes vorgesehenen Energiewandler ist mit einem Netzteil NT (oder mehreren Netzteilen) verbun den, das eine Energieversorgung, z.B. eine Eigenversorgung, beispielsweise in Form einer Versorgungsspannung, für die Einheiten des Niederspannungsleistungsschalters, insbesondere einer elektronischen Auslöseeinheit ETU, zur Verfügung stellt, dargestellt durch eine gestrichelt gezeichnete Ver bindung von Betriebsspannungsleitern BS . Das Netzteil NT kann zudem noch mit mindestens einem oder allen Stromeinheiten SEI, SE2, SE3, SEN verbunden sein, zur Energieversorgung der Stromeinheiten - falls erforderlich.

Jede Stromeinheit SEI, SE2, SE3, SEN ist mit einer Ro gowskispule RS1, RS2, RS3, RSN, zur Ermittlung der Höhe des elektrischen Stromes des ihm zugeordneten Leiters des elektrischen Stromkreises verbunden. Im Beispiel ist die ers te Stromeinheit SEI dem ersten Leiter LI, d.h. der ersten Phase; die zweite Stromeinheit SE2 dem zweiten Leiter L2, d.h. der zweiten Phase; die dritte Stromeinheit SE3 dem drit ten Leiter L3, d.h. der dritten Phase; die vierte Stromein heit SEN dem (vierten Leiter) Nullleiter N zugeordnet.

Die Rogowskispulen RS1, RS2, RS3, RSN liefern an ihrem Aus gang eine der Höhe des Leiterstromes proportionale analoge Spannung Al, A2, A3, AN. Diese wird den ersten bis vierten Stromeinheiten SEI, SE2, SE3, SEN zugeführt. Im Beispiel sind die ersten bis vierten Stromeinheiten SEI, SE2, SE3, SEN ein Teil der elektronischen Auslöseeinheit ETU. Sie können aber auch als separate Einheit (en) vorgesehen sein.

Die Stromeinheiten SEI, SE2, SE3, SEN dienen der Aufbereitung der Spannung der jeweiligen Rogowskispulen. Die Stromeinhei ten SEI, SE2, SE3, SEN liefern beispielsweise ein digitales Signal PI, P2, P3, NS an einen Mikroprozessor MP, der z.B. in der elektronischen Auslöseeinheit ETU vorgesehen ist.

Die übermittelten digitale Signale PI, P2, P3, NS werden in der elektronischen Auslöseeinheit ETU mit Stromgrenzwerten oder/und Strom-Zeitspannen-Grenzwerten, die Auslösegründe bilden, verglichen. Bei Überschreitung dieser, wird eine Un terbrechung des elektrischen Stromkreises veranlasst. Hiermit wird ein Überstrom- oder/und Kurzschlussschutz realisiert. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine Unter brechungseinheit UE vorgesehen ist, die einerseits mit der elektronischen Auslöseeinheit ETU verbunden ist und anderer seits Kontakte K zur Unterbrechung der Leiter LI, L2, L3, N bzw. weiterer Leiter aufweist. Die Unterbrechungseinheit UE erhält in diesem Fall ein Unterbrechungssignal zur Öffnung der Kontakte K.

Figur 2 zeigt eine Anordnung zur Störlichtbogenerkennung mit einer Störlichtbogenerkennungseinheit SLE, wobei gleiche Ein heiten gemäß Figur 1 vorgesehen sind. Diese weist mindestens eine Rogowskispule RS1 zur Ermittlung der Höhe des elektri schen Stromes eines Leiters LI des Niederspannungswechsel stromkreises auf, die eine analoge Spannung Al abgibt, die ein Äquivalent der Höhe des elektrischen Stromes des Leiters LI ist. Die Rogowskispule RS1 ist mit einer Stromeinheit SEI verbunden .

Weiterhin weist sie mindestens einen Spannungssensor SS zur Ermittlung der Höhe der Spannung des Leiters LI bzw. der Lei ter des Niederspannungswechselstromkreises auf.

Ferner weist sie einen Mikroprozessor MP auf, die mit der Stromeinheit SEI und dem Spannungssensor SS verbunden ist, wobei die ermittelte Höhe des Stromes und der Spannung des Niederspannungswechselstromkreises für eine Störlichtbogener kennung durch den Mikroprozessor verwendet werden. Bei Über schreitung mindestens eines oder mehrerer Grenzwerte / Stör lichtbogengrenzwerten wird ein Störlichtbogenerkennungssignal SLES abgegeben. Die Störlichtbogenerkennung kann nach bekann ten Verfahren erfolgen, beispielsweise eine Signalverlaufsa nalyse der Spannung oder/und des Stromes, eine differenzie rende oder integrierende Lösung, etc.

Im Beispiel gemäß Figur 2 ist nur ein Stromkreis mit zwei Leitern gezeigt. In analoger Weise kann ein Dreiphasenwech selstromkreis, mit oder ohne Nullleiter, vorgesehen sein.

Figur 3 zeigt eine Ausgestaltung einer Stromeinheit SEI gemäß Figur 2 oder Figur 1. Diese weist einen analogen Integrator INT auf, der mit der Rogowskispule RS1 verbunden ist. Diesem wird die analoge Spannung Al der Rogowskispule zugeführt. Mit analogen Integrator ist ein Integrator gemeint, der mit dis- kreten Bauelementen, wie Kondensatoren, Induktivitäten, Wi derständen, etc. eine Integration durchführt, gemäß der ana logen Schaltungstechnik. D.h. ein analoges Signal wird inte griert .

Eine Integration mit digitalisierten Signalen und digitaler Schaltungstechnik, beispielsweise mit einem Mikroprozessor, ist nicht gemeint.

Der analoge Integrator INT liefert eine integrierte analoger Spannung uc (t) . Diese wird in einer Variante direkte analog digital umgesetzt, z.B. durch einen Analog-Digital-Umsetzer ADU, der ein digitales Signal PI an den Mikroprozessor MP ab gibt .

In verschiedenen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen kann zwi schen analogem Integrator INT und Analog-Digital-Umsetzer ADU ein Filter FI oder/und Verstärker V in beliebiger Reihenfolge vorgesehen sein, beispielsweise gemäß Figur 3. Alternativ kann auch vor dem Integrator INT ein Filter vorgesehen sein.

Der Mikroprozessor MP ist derart ausgestaltet, dass die durch die Rogowskispule RS1 und von der Rogowskispule nachgeschal teten Komponenten, insbesondere dem Integrator INT, gegebe nenfalls dem Filter FI oder/und Verstärker V, erzeugte Pha senverschiebung kompensiert wird, so dass phasenrichtige Stromwerte ip(t) für die Störlichtbogenerkennung ermittelt und verwendet werden.

Die Stromeinheit SEI bzw. die Anordnung/Ausgestaltung gemäß Figur 3 kann Teil des Niederspannungsleistungsschalters gemäß Figur 1 sein.

Figur 4 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Rogowskispule RS1. Hierbei bewirkt ein Strom ip(t) des zugeordneten Leiters eine analoge Spannung ur (t) der Rogowskispule, diese entsprich der analogen Spannung Al. Zwischen den beiden Anschlüssen der Ro gowskispule ist ersatzschaltbildseitig eine Gegeninduktivität M eingetragen, diese entspricht der magnetischen Kopplung.

Auf Basis dieser Gegeninduktivität M wird eine zur Stromände- rung im Leiter proportionale Spannung am Ausgang der Rogow- ksispule ur (t) bzw. Al abgegeben.

Im Ersatzschaltbild gemäß Figur 4 führt die in Reihe liegende Streufeldinduktivität L zu einer Phasenverschiebung der Aus gangsspannung. Der in Reihe liegende Wicklungswiderstand RR führt zu einer Änderung der Amplitude. Ferner liegt eine Wicklungskapazität CR vor, die für eine praktische Betrach tung aufgrund der geringen Größe vernachlässigt werden kann.

Bedingt durch die in Reihe liegende Reaktanz und Resistanz entsprechend dem vereinfachten Ersatzschaltbild der Ro gowskispule ergibt sich eine Phasenabweichung zwischen dem Primärstrom im Leiter und der Ausgangsspannung ur (t) bzw. Al an der Rogowskispule.

Figur 5 zeigt dazu exemplarisch einen Verlauf. Figur 5 zeigt ein erstes Diagramm mit einem Spannungsverlauf ur bzw. ur (t) in mV der Ausgangsspannung der Rogowskispule und einen Strom verlauf ip bzw. ip(t) in A des Stromes des Leiters über der Zeit t in ms, die auf der horizontalen Achse angegeben ist. Deutlich zu erkennen ist die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung.

Figur 6 zeigt eine Anordnung gemäß Figur 4, mit dem Unter schied, dass am Ausgang der Rogowskispule RS1 ein Integrator INT angeschlossen ist, im Beispiel bestehend aus einen RC- Glied, wobei zwischen den beiden Leitern eine resultierende Kapazität C, z.B. in Form einer oder mehrerer Kondensatoren, und in Serie mindestens eines Leiters oder beider Leiter ein Integrator-Widerstand (Rinte) geschaltet ist.

Am Integrator INT wird hierbei die integrierte analoge Aus gangsspannung uc (t) abgegeben.

Figur 7 zeigt ein zweites Diagramm mit einem Spannungs- und Stromverlauf gemäß Figur 5, mit dem Unterschied, dass an Stelle der Spannung ur (t) bzw. Al der Rogowskispule RS1 die integrierte analoge Spannung uc bzw. uc(t) in mV über der Zeit t in ms aufgetragen ist.

Durch die analoge Integration wird die Phasenverschiebung teilweise kompensiert, wie in Figur 7 zu erkennen ist, aber nicht vollständig.

Für die Erkennung von Störlichtbögen häufig nicht vollständig genug .

Figur 8 zeigt ein Ersatzschaltbild gemäß Figur 6 mit zusam mengefassten Komponenten. Hierbei sind der Wicklungswider stand RR der Rogowskispule und der Integrator-Widerstand Rin- te zu einem resultierenden Widerstand R zusammengefasst, wo bei der resultierende Widerstand R die Summe aus Wicklungswi derstand Rinte ist, R = RR + Rinte.

Figur 9 zeigt ein drittes Diagramm mit einem ersten und einem zweiten Stromverlauf gemäß Figur 5, mit dem Unterschied, dass an Stelle der integrierten analogen Spannung uc bzw. uc(t) der berechnete Strom ip bzw. ip(t) - B im Vergleich zum ge messenen Strom ip bzw. ip(t) - G über der Zeit t in ms aufge tragen ist.

Wie man sieht, wird durch die erfindungsgemäße Berechnung un ter Verwendung eines Analog-Digital-Umsetzers ADU und eines Mikroprozessors MP, gegebenenfalls unter Verwendung und rech nerischer Einbeziehung eines Filters FI oder/und Verstärkers V, die Phasenverschiebung zwischen gemessenem und berechnetem Strom quasi vollständig kompensiert. Somit liegen phasenrich tige Stromwerte vor, die insbesondere für die Störlichtbogen erkennung als auch für die Erkennung von anderen Fehlersitua tionen zum Schutz des Niederspannungswechselstromkreises ver wendet werden können.

In Bezug auf eine parallele Spannungsmessung, die keine Pha senverzögerung aufweist, liegen somit phasengenaue bzw. pha senrichtige Stromwerte vor, wobei diese phasenrichtigen Span- nungs- und Stromwerte vorteilhaft für die Störlichtbogener kennung oder die Erkennung von anderen Fehlersituationen zum Schutz des Niederspannungswechselstromkreises verwendet wer den können.

Insbesondere für den Schutz von stromstarken Schalt- und Ver- teil-Anlagen können damit zukünftig auch in der Niederspan nung numerische Algorithmen zum Einsatz kommen. Der Einsatz von z.B. Distanzschutzalgorithmen macht es dabei erforder lich, dass keine Phasenverschiebung zwischen den abgetasteten Strom- und Spannungsmesswerten vorliegt. Somit eignet sich für die Strommessung die Anwendung von Messwiderständen

(Shunts) . Diese bilden nach dem ohmschen Gesetz an den Aus gängen eine stromproportionale Spannung, die mit einem Span nungsmessgerät erfasst wird. Durch eine Rückrechnung lässt sich der Strom bestimmen. Die Verwendung magnetischer Wand ler, z.B. von Rogowskispulen, für die Strommessung führt zu einer Phasenverschiebung des gemessenen Stroms, zeigt jedoch wesentliche Vorteile hinsichtlich der Potentialtrennung sowie der geringen Baugröße gegenüber Shunts.

Für die Berechnung des Stroms ist es notwendig das Ausgangs signal zu integrieren, da die gemessene Spannung lediglich zu der Stromänderung proportional ist. Hierzu können zwei Ver fahren zum Einsatz kommen, zum einen eine numerische Integra tion, zum anderen eine analoge Integration. Numerische Integ rationen zeigen Probleme bei großen Stromänderungen: die Auf lösung eines nachgeschalteten Analog-Digital-Umsetzer bzw. A/D-Wandlers ist begrenzt. Eine große Stromänderung (z.B. bei einem Kurzschlusseintritt) führt zu sehr großen Spannungswer ten, die ein Analog-Digital-Umsetzer eventuell nicht auflösen kann. Dieser Effekt wird als Clipping bezeichnet und führt zu fehlerhaften Ergebnissen.

Erfindungsgemäß wird daher eine analoge Integrator-Schaltung eingesetzt, die beispielweise aus einem R-C Glied bestehen kann. In Verbindung mit der Rogowskispule ergibt sich ein Er satzschaltbild entsprechend Figur 6, wobei die Wicklungskapa zität der Rogowskispule vernachlässigt wurde. Die Phasenverschiebung wird durch den Integrator nur teilwei se kompensiert. Die Phasendifferenz ist in Figur 7 darge

stellt. Aufgrund der Phasendifferenz kommt es bei der Anwen dung von Distanzschutzalgorithmen zu einem Fehler im Berech nungsergebnis. Somit wurde von einem bisherigen Einsatz von Rogowskispulen abgesehen.

Erfindungsgemäß wird nun der Strom im Leiter bzw. Primärstrom durch die Rückrechnung des Übertragungsverhaltens der Ro

gowskispule sowie des Integrators phasen- (und falls erfor derlich amplitudenrichtig) bestimmt. Bei vorliegen weiterer phasenbeeinflussender (oder/und amplitudenbeinflussender)

Komponenten werden diese bzw. können diese erfindungsgemäß ebenfalls rückgerechnet werden. Dazu wird entsprechend dem

Ersatzschaltbild nach Figur 6 oder 8 eine Maschengleichung aufgestellt und gelöst. Auf dieser Basis lässt sich aus der Spannung der Rogowskispule bzw. der Spannung des Integrators der phasen- und amplitudenrichtige Primärstrom der Ro

gowskispule bestimmen.

Durch die phasen- und amplitudenrichtige Bestimmung des Pri märstroms ist es mit der Erfindung möglich, dass Übertra

gungsverhalten von Rogowskispulen numerisch zu kompensieren.

Somit können Rogowskispulen zukünftig in Schutzgeräten, wie Niederspannungsleistungsschaltern oder Störlichtbogenerken nungseinheiten, für die Erkennung anspruchsvoller Fehlersitu ationen Anwendung finden.

Entsprechend dem vereinfachten Ersatzschaltbild der Ro

gowskispule mit Integrator gemäß Figur 6 lassen sich die

elektrischen Elemente zusammenfassen. Somit ergibt sich ein Ersatzschaltbild gemäß Figur 8.

Durch Lösen der Maschengleichung u _M (t) = u _L (t) + u _R (t) + u _c (t) (1) lässt sich die Spannung um(t) über der Gegeninduktivität M bestimmen und somit nach einer numerischen Integration, bei spielsweise im Mikroprozessor MP, der Primärstrom iP berech nen. Die Spannung u _c (t) ist der Messwert über der Kapazität C des Integrators INT. Für die Berechnung der einzelnen Span nungen wird im ersten Schritt der sekundärseitige Strom

iLRC(t) berechnet:

Damit lässt sich die Spannung über der zusammengefassten Re sistanz von der Rogowskispule und Integrator entsprechend der folgenden Formel berechnen: du _c (t)

u _R (t) = RC (3) dt

Die Spannung über einer Induktivität berechnet sich allgemein nach di(t)

u(t) = L (4) dt

Entsprechend dem Ersatzschaltbild gemäß Figur 8 wird für die Berechnung der Spannung u _L über der Induktivität der Strom

ILRC verwendet . d ^l LRC(t)

u _L (t) = L

dt (5)

Durch Einsetzen der Gleichung 2 in Gleichung 5 lässt sich u _L direkt aus der gemessenen Spannung u _c berechnen: d ² u _c (t)

u _L (t) = LC

d ² t (6) Mit Einsetzen der Gleichung 3 und 5 in die Gleichung 1, wird die Spannung u _M (t) über der Gegeninduktivität der Rogowskispu le berechnet : d ² u _c (t) du _c (t)

u _M (t) = LC + RC + u _c (t) (7) d ² t dt

Unter Berücksichtigung der Gegeninduktivität M und des Kno tenpunktsatzes ermittelt sich durch die Integration der Stro mänderung der Primärstrom wie folgt:

Wird eine dementsprechende Berechnung angewandt, zeigt sich ein (quasi) übereinstimmender berechneter phasenrichtiger

Stromwert ip(t) -B im Vergleich zu einem gemessenen Stromwert ip(t) - G, gemäß Figur 9.

Für eine hinreichend genaue Berechnung kann in der Praxis auf die Berücksichtigung des sekundärseitigen Stroms der Ro

gowskispule verzichtet werden.

Wird der Integrator INT an der Rogowskispule um eine bzw.

mehrere Filter bzw. Filterschaltungen FI erweitertet, so sind diese Elemente vorteilhaft entsprechend einem Ersatzschalt bild im Übertragungsverhalten zu berücksichtigen. In Anleh nung an den dargestellten Lösungsweg, mit einer aufgestellten Maschengleichung, kann das Übertragungsverhalten bestimmt und somit der Primärstrom berechnet werden.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass die klassischen Strom

wandler (große Bauform) durch kompakte, leichte Rogowskispu len ersetzt werden können.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und ande re Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.