Beschreibung Verfahren zur Verhinderung des Draufschaltens auf in Ab- zweigen bestehende elektrische Kurzschlüsse und zugehörige Anordnung Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verhinderung des Draufschaltens auf bestehende Kurzschlüsse in Abzweigen, indem in einem Prüfkreis zu einem definierten Zeitpunkt der Netzspannung eine kurzzeitige Netzzuschaltung erfolgt und zu- mindest der Strom in einem Prüfzeitraum erfaßt und als Krite- rium für einen Kurzschluß ausgewertet wird. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf die zugehörige Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, mit einer Diagnose-und Schutz- schaltung für den Netzabzweig, bei der wenigstens ein Halb- leiterschalter vorhanden ist, dessen Strom über einen Prüf- zeitraum integrierbar und dessen zeitliches Integral als Entscheidungskriterium für einen Kurzschluß auswertbar ist.

Durch das Einschalten eines kurzschlußbehafteten Abzweiges werden insbesondere Leistungsschalter und auch die restlichen Betriebsmittel sehr stark beansprucht. Grund dafür ist, daß durch den noch zu beendenden Einschaltvorgang und den nach- folgenden Ausschaltvorgang die Beanspruchungsdauer und damit das Stromwärmeintegral und der Durchlaßstrom sehr hoch sind.

Aufgrund letzterer Tatsachen ist es wünschenswert, bei einem einzuschaltenden Abzweig diesen vorab automatisch auf einen etwaigen Kurzschluß zu prüfen und bei Vorliegen einer fehler- haften Anlage die Zuschaltung zu verriegeln. Die Prüfdauer soll hierbei so kurz sein, daß keine merkliche Verzögerung der Schalthandlung auftritt und die Belastung der Anlage gering bleibt. Um Isolationsschäden, bei denen der Durch- schlag bei höheren Spannungen auftritt, erfassen zu können, soll die Prüfspannung etwa dem Scheitelwert der Netzspannung entsprechen, jedoch nicht wesentlich höher als diese sein, um zusätzliche Isolationsschäden zu verhindern.

Aus der EP 0 563 695 A2 ist bereits ein Verfahren vorbekannt, bei dem im Scheitelwert der Netzspannung eine kurzzeitige Netzzuschaltung erfolgt, wofür insbesondere ein GTO (Gate Turn Off-Thyristor) verwendet wird. Als Entscheidungskrite- rium für das Vorliegen eines Kurzschlusses dient dabei das zeitliche Integral des Stromes im Prüfzeitraum, so daß bei Uberschreitung eines Schwellwertes ein Kurzschluß erkannt wird. Bei diesem Verfahren wird der Strom nur durch den Innenwiderstand des Netzes und durch den Durchlaßwiderstand des GTO begrenzt. In Netzen mit hohem prospektiven Kurz- schlußstrom fließen also im Fehlerfall Ströme, die durch einen GTO nach dem Stand der Technik nicht mehr schaltbar sind.

Weiterhin ist aus der DE 196 01 878 Al eine Verbindungsanord- nung für Verbrauchernetze bekannt, die eine Verbindung in kurzschlußfreiem Zustand innerhalb zulässiger Betriebsgrößen mittels zumindest einer Schaltstrecke bewirkt. Dabei dient ein Zuschaltzweig parallel zur Last und ein Brückenzweig im Sinne eines Spannungsteilers zusätzlich der Sicherheit gegen Draufschalten im Kurzschlußfall.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben und eine zugehörige Schaltungsanordnung zu schaffen, mit denen das Vorliegen von Kurzschlüssen erkannt wird und auch bei Netzen mit sehr hohem prospektiven Kurz- schlußstrom das Draufschalten auf im Abzweigen bestehende Kurzschlüsse verhindert werden kann.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Verfahren und einer Vorrichtung der eingangs genannten Art durch die Vorgehens- weise gemäß Patentanspruch 1 bzw. die Merkmale gemäß Patent- anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.

Bei der Erfindung wird eine zusätzliche Prüfimpedanz ver- wendet, wobei zur Erkennung der Kurzschlüsse allein der Prüf- strom und die Spannung ausgewertet werden. Vorteilhafterweise kann mit einer solchen Prüfimpedanz der durch den vorzugs- weise verwendeten Halbleiterschalter abzuschaltende maximale Prüfstrom auf einen vorgegebenen Wert begrenzt werden. Der Wert RB einer solchen Prüfimpedanz muß dabei deutlich größer als die Netzimpedanz sein.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist bei einer einphasigen Prüfung eine unmittelbare Auswertung von Prüfstrom und Prüf- spannung zur Erkennung von Kurzschlüssen zwischen Leiter und Masse in den einzelnen Abzweigen des Leitungsnetzes möglich.

Das Verfahren kann aber auch auf dreiphasige Netze ausgewei- tet werden, wobei die Erkennung von Erd-bzw. Neutralleiter- schlüssen sowie auch Außenleiter-Schlüssen untereinander mög- lich ist und die einzelnen Kurzschlüsse diskriminierbar sind.

Bei der Anordnung gemäß der Erfindung ist im Prüfkreis in Reihe zum im Prüfkreis verwendeten Halbleiterschalter ein Prüfwiderstand angeordnet, der einen definierten Widerstands- wert RB hat und dessen Widerstandswert RB deutlich größer als die Netzimpedanz ZNetzist. Vorzugsweise ist bei Anwendung fur die dreiphasige Prüfung jedem Halbleiterschalter ein eigener Prüfwiderstand zugeordnet. Da die Prüfung der einzelnen Zweige nacheinander erfolgt, können gemeinsame Einheiten zur Ansteuerung alternativ eines der Halbleiterschalter bzw. eine gemeinsame übergeordnete Steuereinheit vorhanden sein.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungs- beispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit weiteren Patentansprüchen.

Es zeigen Figur 1 eine Schaltungsanordnung eines Halbleiterschalters und nachgeschaltetem Widerstand bei einphasiger Prüfung, die Figur 2 den Verlauf von Prüfstrom und Prüfspannung bei unterschiedlichen Fallgestaltungen, Figur 3 eine Schaltungsanordnung entsprechend Figur 1 bei dreiphasiger Prüfung und Figur 4 ein Flußdiagramm zur Verdeutlichung des Algorithmus zwecks Erkennung von Kurzschlüssen bei der drei- phasigen Prüfung gemäß Figur 3.

In den Figuren haben gleiche bzw. gleichwirkende Teile gleiche bzw. sich entsprechend Bezugszeichen. Die Figuren werden teilweise gemeinsam beschrieben.

Vor der Anschaltung einzelner Abzweige eines einphasigen Netzes bzw. der einzelnen Phasen eines Mehrphasennetzes soll bereits geprüft werden, ob ein Kurzschluß vorliegt, damit in einem solchen Fall einer fehlerhaften Anlagen die Zuschaltung verriegelt wird und auf bestehende Kurzschlüsse in Abzweigen kein Draufschalten mehr erfolgen kann. Dazu ist in Figur 1 gezeigt, daß ein elektrisches Netz 1 mit darin schematisch verdeutlichter Netzimpedanz 2, die zumindest einen Ohm'schen und einen induktiven Anteil hat, durch einen Halbleiterschal- ter 3 auf einen Prüfwiderstand 5 mit definiertem Widerstand RB geschaltet wird.

Als Halbleiterschalter 3 wird beispielsweise ein aus anti- seriell geschalteten Leistungshalbleitern gebildeter Schalter verwendet. Die Leistungshalbleiter können auf der Basis von Siliciumcarbid (SiC) aufgebaut sein. Der Halbleiterschalter 3 ist einer Ansteuereinheit 4 zugeordnet, wobei eine übergeord- nete Steuereinheit 6 vorhanden ist.

In der Anordnung gemäß Figur 1 werden der Prüfstrom iprüf und die Prüfspannung uprüf gemessen. Angedeutet sind verschiedene Lastfälle, d. h. eine Ohm'sche Last, eine kapazitive Last und eine induktive Last des Abzweiges, sowie ein Kurzschluß als massiver Kurzschluß und als Lichtbogenkurzschluß. Letzteres ist durch das Ableitersymbol gekennzeichnet.

Unter der Voraussetzung, daß der Prüfwiderstand 5 einen genau definierten Widerstandswert RB hat, der deutlich größer als die Netzimpedanz ist, kann der durch den Halbleiterschalter 3 abzuschaltende maximale Prüfstrom auf den Wert f 2 x UN/RB begrenzt werden. Damit wird eine Zerstörung von Bauelementen vermieden.

Der Halbleiterschalter 3 wird für einen bestimmten Zeitraum, beispielsweise eine Millisekunde (ms), eingeschaltet. Zur Erkennung von Kurzschlüssen werden der Prüfstrom iprüf und die Spannung uprüf am Abzweig gemessen und ausgewertet.

Eine Betrachtung von Verbrauchern mit unterschiedlichen Arten von Widerständen ohne Kurzschluß und mit Kurzschluß zeigt auf, welche typischen Verläufe Prüfspannung uprüf und Prüf- strom iprüf in den einzelnen Fällen haben. Die unterschied- lichen Fallgestaltungen sind anhand Figur 2 verdeutlicht.

In den ersten drei Zeilen der Figur 2 werden unterschiedliche Verbraucher ohne Kurzschluß betrachtet : Sofern ein rein Ohm'scher Widerstand auftritt, ergibt sich gemäß der ersten Zeile ein rechteckförmiger Spannungsverlauf, dem in gleicher zeitlicher Folge ein rechteckförmiger Stromverlauf folgt. Ist dagegen der Verbraucher eine Induktivität, was beispielsweise bei einem Motor gegeben ist, wird entsprechend der zweiten Zeile die Prüfspannung uprüf ansteigen, rasch abfallen und nach einem Umschlagen in den entgegengesetzten Wert wieder rasch abfallen. Liegt ein kapazitiver Widerstand vor, was bei einer Kompensationsanlage, bei Leuchtstofflampen, bei Vorschaltgeräten oder Netzteilen von elektronischen Geräten,

wie beispielsweise eines PC, gegeben ist, wird entsprechend der dritten Zeile die Prüfspannung uprüf entsprechend einer asymptotischen Kurve zu einem Maximum ansteigen. Entsprechend vermindert sich der Stromverlauf von einem Maximalwert nach einer Exponentialfunktion zu einem Minimalwert.

Die beiden letzten Zeilen der Figur 2 geben Kurzschlußfälle wieder : Ein Kurzschluß ist durch eine niederohmige Verbindung definiert, bei dem entsprechend der vierten Zeile bei einem Nullwert der Prüfspannung ein steiles Ansteigen des Prüf- stromes mit rechteckförmigem Stromverlauf verläuft. Speziell bei einem Lichtbogenkurzschluß verläuft die Spannung entspre- chend der fünften Zeile von einem Maximum steil abfallend und ungleichmäßig zu Null, während sich der Stromverlauf un- gleichmäßig auf hohem Niveau bewegt.

Sofern nun bei den vorgegebenen Anordnungen Kurzschlüsse vorliegen, gilt bei Verwendung des strombegrenzenden Wider- standes für die Prüfspannung iprof : -Pru-f"V/ß(l), wobei UN die Nennspannung und RB den Widerstandswert des Prüfwiderstandes 5 bedeuten. Wenn man in vorbeschriebenen Konstellationen ohne Kurzschluß und mit Kurzschluß die Prüf- spannung uprüf und den Prüfstrom iprüf an zwei unterschied- lichen Zeitpunkten t, und t2 vergleicht, vorzugsweise in etwa am Beginn und Ende des PrüEintervalles, mit entsprechenden Schwellwerten UT und IT, so ergibt sich folgende Vorschrift zur Erkennung von Kurzschlüssen KurzschluS = (ut2 < UT2) A(>/y,)A(/>7)(2), wobei UT2 : Schwellwert der Prúfspannung uprDf zum Zeitpunkt t2 IT1 : Schwellwert des Prüfstromes iprDf zum ZeitpunOt t1 IT2 : Schwellwert des Prüfstromes ip, flf zum Zeitpunkt t2

bedeuten. Die Wahl der Zeitpunkte tl und t2 und die Bemessung der Schwellwerte UT und IT ist von den Netzbedingungen, der Impedanz des zu prüfenden Abzweiges und dem gewählten Prüf- widerstand abhängig.

Eine andere Vorschrift kann dadurch abgeleitet werden, daß nach Ablauf einer Mindestprüfdauer (tp) ausschließlich die Prüfspannung uprüf erfaßt wird. Bei Uberschreiten einer Schwellspannung Ut kann dann die Prüfung mit dem Ergebnis "kein Kurzschluß"abgebrochen werden und es gilt : Kein Kurzschlufl = (u, > UT) A (t > tg,) (3), wobei UT : Schwellwert der PrüfspaDDungr upruf für das Püfergebnis"kein Kurzschluß" tp : MindestprüEdauer bedeuten. Zusätzlich kann zur Erhöhung der Aussagesicherheit gefordert werden, daß die Zeitdauer, in welcher die Prüf- spannung uprüf größer als die Schwellspannung UT ist, einen bestimmten Mindestwert überschreitet.

Das Kriterium gemma3 Gleichung (3) besitzt gegenüber dem Kriterium gemäß Gleichung (2) den Vorteil einer geringeren Prüfdauer, die abhängig von der Impedanz des zu prüfenden Abzweiges ist, so daß insbesondere bei induktiven Abzweigen keine größeren Ströme durch den Halbleiterschalter 3 ab- zuschalten sind. Mindestprüfdauer tp und Schwellspannung UT sind vorzugsweise so zu bemessen, daß im Abzweig latent vor- handene Lichtbogen-Kurzschlüsse nach Ablauf von tp gezündet sind und deren Brennspannung unter der Schwellspannung UT liegt.

Sofern durch die Verfahren entsprechend den Gleichungen (2) und/oder (3) kein Kurzschluß erkannt wird, kann der jeweilige Abzweig dem Netz komplett zugeschaltet werden, wobei dann der Halbleiterschalter 3 und der Prüfwiderstand 5 überbrückt werden.

In Figur 3 ist eine Schaltungsanordnung für einen dreiphasige Prüfung nach dem vorbeschriebenen Verfahren verdeutlicht.

Eine solche Schaltung ist für dreiphasige Abzweige sinnvoll, da sowohl Erd-bzw. Neutralleiterschlüsse als auch Kurz- schlüsse zwischen zwei oder drei Außenleitern auftreten können.

In Analogie zur Schaltung gemäß Figur 1 sind in Figur 3 Halbleiterschalter 31,32 und 33 in jeder Phase und Prüf- widerstände 51,52 und 53 in den einzelnen Außenleitern vorgesehen. Die Ansteuerung der einzelnen Halbleiterschalter 31,32 und 33 erfolgt durch die gemeinsame Einheit 4, der entsprechend Figur 1 eine übergeordnete Steuerung 5 zugeord- net ist. Daneben ist nunmehr eine zentrale Einheit 6 zur Auswertung vorhanden. Steuereinheit 5 und Auswerteeinheit 6 sind jeweils mit den Phasen einzeln und untereinander unter Einbindung von Widerständen R mit einem künstlichen Sternpunkt 8 verbunden. Der Neutral-bzw. Erdleiter PEN ist ebenfalls über drei definierte Widerstände R2 mit einem ge- meinsamen Sternpunkt 9 an die Außenleiter mit Widerstnden RB angeschlossen.

Die Prüfung erfolgt bei einer dreiphasigen Prüfung entspre- chend einem vorgegebenen Algorithmus, der als Flußdiagramm in Figur 4 wiedergegeben ist. Die wesentlichen Schritte sind dabei anhand der einzelnen Positionen 101 bis 120 verdeut- licht, wobei jeweils Entscheidungskriterien für den Kurz- schluß abgefragt werden, Im einzelnen wird folgendermaßen vorgegangen : Nach dem Start erfolgt die Einschaltung des Halbleiterschal- ters im Außenleiter L1 im Scheitelwert der Spannung PULL-N und die Auswertung des Prüfstroms I1 und der Prüfspannung zwi- schen dem Abzweig L1 und dem Neutralleiter. Dabei wird gemäß Position 102 abgewartet, bis UL1-pEN maximal ist und dann gemäß Position 102 die Prüfung abgeschlossen. Sofern ein

Kurzschluß nach einem der oben angegebenen Kriterien vor- liegt, erfolgt an Position 104 die Entscheidung Ja und der Kurzschluß wird angezeigt. Liegt kein Kurzschluß vor, wird in der Prüfung fortgefahren. Es erfolgt in diesem Fall gemäß den Positionen 105 und 106 die Prüfung des Zweiges L3 mit der Entscheidung, ob im Zweig L3 ein Kurzschluß vorliegt und anschließend die entsprechende Prüfung in dem Leiterzweig L2 entsprechend den Positionen 108 bis 110. Im einzelnen werden im Abstand von jeweils 1/6 der Netzperiode, das heißt 60°, die Außenleiter L3 und L2 auf Erdschluß gepruft, indem die entsprechenden Halbleiterschalter 33 und 32 kurzzeitig ein- geschaltet werden.

Nach der Prüfung des Erdschlusses im Außenleiter L2 gemäß Position 110 werden um 1/12 Netzperiode, das heißt 30°, ver- setzt beide Halbleiterschalter 31 und 32 in den Außenleitern L1 und L2 gemeinsam eingeschaltet. Entsprechend den Positio- nen 111 bis 112 wird der Außenleiterschluß zwischen L1 und L2 geprüft, wobei bei Feststellung eines Schlusses wiederum eine entsprechende Anzeige an der Position 120 erfolgt.

Sofern letzteres nicht der Fall ist, erfolgt um jeweils 1/6 Netzperiode, das heißt 60°, versetzt die Prüfung der Außen- leiterschlüsse L3-L1 und L2-L3. Ersteres erfolgt anhand der Positionen 114 bis 116, letzteres anhand der Positionen 117 bis 118, wobei wiederum bei Erkennen eines Kurzschlusses der Prüfalgorithmus abgebrochen, die Anzeige an der Position 120 erfolgt und die Zuschaltung des Abzweiges verriegelt wird.

Wenn der Prüfalgorithmus bis zum Abschluß durchgeführt ist, kann gemäß Position 121 die Zuschaltung der Abzweige erfol- gen.

Für den Fall, daß kein Anschluß des Neutralleiters an der Prüfeinheit vorgesehen ist, wird an der Einspeiseseite durch drei Ohm'sche Widerstände R1 ein künstlicher Sternpunkt 8 geschaffen, welcher bei symmetrischen Spannungsverhältnissen Erdpotential aufweist.

Wesentlich ist also bei dem beschriebenen Verfahren und den beispielhaften Anordnungen, daß durch die Anordnung eines geeigneten Prüfwiderstandes im Prüfstromkreis der Prüfstrom begrenzt wird und gleichermaßen Prüfstrom und Prüfspannung zur Erkennung von Kurzschlüssen in den Abzweigen verwendet werden. Dabei können durch geeignete Anpassung der Parameter die unterschiedlichsten Kurzschlüsse selektiert werden. Durch die Anwendung des Verfahrens auf dreiphasige Netze können auch Erd-bzw. Neutralleiterschlüsse sowie Außenleiter- schlüsse gegeneinander separat erkannt werden. Dies kann bei Vorgabe eines geeigneten Algorithmus softwaremäßig gesteuert für alle Leiter nacheinander in einer Netzperiode erfolgen.