Unter Störlichtbogen wird hierbei insbesondere das sogenannte Arc Tracking verstan- den.

Das Problem des sogenannten"Cable Arc Tracking"ist insbesondere bei Bordnetzen in Luft-und/oder Raumfahrzeugen bekannt. Bei diesem Arc Tracking entsteht in einem Kabelbündel zwischen zwei nebeneinander verlaufenden Kabeln aufgrund beispiels- weise von Vorschädigungen und/oder Verschmutzungen oder durch Scheuern an einer metallischen Kante eine leitende Verbindung. Diese Verbindung kann zunächst hochohmig (Wet Arc Tracking) oder auch direkt niederohmig (Dry Arc Tracking) sein.

Als Wet Arc Tracking wird dabei die durch einen Elektrolyt, z. B. eine Reinigungsflüssig- keit, hergestellte und die Kabelisolation angreifende leitfähige Verbindung zwischen zwei Isolationsfehlern bezeichnet. Die Folge bei Lichtbogenbildung ist häufig eine ther- mische Zerstörung des gesamten Kabelbündels auf einer bestimmten Länge. Demge- genüber wird beim Dry Arc Tracking die leitende Verbindung durch einen metallischen Leiter relativ niederohmig hergestellt und der Lichtbogen entsteht praktisch sofort. Auch dies kann zur thermischen Zerstörung des Kabelbündels führen.

Problematisch ist dabei nicht nur die Zerstörung des Kabelbündels selbst. Kritisch sind vielmehr daraus resultierende Folgeschäden, die durch in Brand setzen von umgeben- den Material entstehen. Die aus derartigen Kabelbränden resultierenden auch explosi- onsähnlichen Folgefehler können wiederum Ursache von Luft-oder Raumfahrzeug- schäden sein.

Bei der Installation von'Schutzmaßnahmen kommt erschwerend hinzu, dass die Am- plitude des Stromes, der während des Arc Tracking-Vorgangs fließt, insbesondere beim Wet Arc Tracking deutlich unterhalb des Nennstroms üblicherweise installierter Über- strom-Schutzorgane liegen kann mit der Folge, dass diese nicht auslösen. Demgegen-

über sind die Amplitudenwerte beim Dry Arc Tracking erkanntermaßen höher. Diese treten jedoch typischerweise intervallartig auf, so dass die umgesetzte Energie häufig nicht ausreicht, um die installierten Schutzorgane auszulösen. Zur Beherrschung des beschriebenen Problems ist es daher wünschenswert, zu dem bereits vorhandenen konventionellen Überstromschutz im Bordnetz eines derartigen Luftfahrzeugs einen zusätzlichen Schutz vor Störlichtbögen vorzusehen, um die vorhandenen Bordinstalla- tionen möglichst zuverlässig zu schützen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zur Er- kennung von Störlichtbögen an einem Kabel, insbesondere an einem Bordnetzkabel, z.

B. eines Luft-oder Raumfahrzeugs, anzugeben. Des Weiteren soll eine zur Durchfüh- rung des Verfahrens geeignete Vorrichtung angegeben werden. In Verbindung mit in einem Flugzeug üblicherweise vorhandenen Schutzschaltern, die zum Schutz gegen Überströme oder Überlast im Bordnetz dienen, sollen dabei einerseits Störlichtbögen oder Arcs mit möglichst hoher Zuverlässigkeit erkennbar sein. Andererseits sollen Fehlauslösungen, insbesondere infolge von vermeintlich delektierten Störlichtbögen, minimiert oder vorzugsweise praktisch ausgeschlossen werden.

Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merk- male des Anspruchs 1. Dazu wird ein erfasstes Stromsignal mittels einer Anzahl von, insbesondere mindestens zwei bestimmten Algorithmen, vorzugsweise in einem diese in Gruppen verknüpfenden Koppelnetzwerk, ausgewertet. Dabei werden die zweckmä- ßigerweise unterschiedlich gewichteten Algorithmen einer Entscheidungsmatrix zuge- führt, die anhand der gewichteten Algorithmen ein Steuersignal zur Ansteuerung eines den erfassten Strom führenden Schutzschalters erzeugt. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 8.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich bei Auftreten eines Lichtbogens oder Arc Tracking ein entsprechendes Störsignal dem vorhandenen Nutzsignal überla- gert. Durch das fortwährende Löschen und Wiederzünden des Lichtbogens entstehen Frequenzanteile oberhalb der Nennfrequenz, mit der das Bordnetz betrieben wird. Das Arc-Tracking-Signal ist im erfassten Meßsignal in Form von Lücken vor oder nach einer Halbwelle und in Form von dem Signal überlagerten Spitzen (Peak's) enthalten. Da

diese Überlagerungen im wesentlichen im Stromsignal und weniger im Spannungs- signal erkennbar sind, wird zweckmäßigerweise das Stromsignal erfasst.

Zur Erkennung von Störlichtbögen oder arc's werden im wesentlichen getrennte Algo- rithmen benutzt, die insbesondere auf einer graphischen Betrachtung des Messsignals basieren. Dabei wird eine Fehlauslösungen, wie diese durch normale Verbraucher vor- kommen können, vermieden. So wertet ein erster Algorithmus das Messsignal hinsicht- lich in dessen Signalverlauf enthaltenen arc-typischen Lücken aus. Ein zweiter Algo- rithmus wertet das Messsignal hinsichtlich steil ansteigenden Spitzen (Peak's) aus. Ei- ne Auswerteelektronik signalisiert dann einen Störlichtbogen (arc), wenn zumindest einer der Algorithmen anspricht.

Hinsichtlich der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird die genannte Aufga- be gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 9. Dazu ist ein Steuerbaustein, vorzugs- weise in Form eines ASIC's, vorgesehen, in dem die verschiedenen Algorithmen zu gleicher Zeit, d. h. zeitgleich verarbeitet werden. Dabei liefern die Algorithmen aus- gangsseitig sogenannte Flags, d. h. über die Zeit oder zeitabhängig high-und low- Zustände, die in einem nachfolgenden Wichtungsbaustein mit unterschiedlichen Wich- tungsfaktoren verknüpft werden. Diese gewichteten Ausgangssignale in Form der ge- wichteten Flags werden in einer Entscheidungsmatrix kombiniert. Die Entscheidungs- matrix liefert ausgangsseitig ein Steuersignal, das als Auslösekriterium für eine Schalt- mechanik eines Schutzschalters in dem jeweiligen Strom-oder Bordnetzpfad herange- zogen wird. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 10 bis 12.

Die Schaltmechanik des Schutzschalters dient zur differenzierten Anzeige eines Über- stroms einerseits bzw. eines detektierten Störlichtbogens oder Arc's. Dabei ist vor- zugsweise nicht nur eine optische, sondern auch eine haptische (erfühlbare) Anzeige, insbesondere im Falle der Detektions eines Störlichtbogens, vorgesehen.

Zur Erfassung von Störlichtbögen wird in einen stromführende Pfad oder Kabel eines Bordnetzes einerseits mittels eines Stromwandlers der Strom zeitabhängig und damit der Stromverlauf über die Zeit analog erfasst. Der Stromwandler dient als Sensor zur Erfassung des Stromsignals. Ein weiterer Sensor, der dem ersten Sensor zweckmäßi-

gerweise nachgeordnet ist, erfasst andererseits ein Hochfrequenz (Hf) -Spektrum. Der zweite Sensor ist zweckmäßigerweise eine Rogowski-Spule, die die zeitliche Ableitung des Stroms (dl/dt) erfasst.

Das analoge Stromsignal wird zeitdiskret im Bereich kleiner 100kHz-und demnach mit kleiner 100ks (kilosamples)-bei einer Auflösung größer oder gleich 12bit Genauigkeit abgetastet und ausgewertet. Das HF-Spektrum wird im Bereich von vorzugsweise grö- ßer 5MHz (größer 5Ms) bei einer Auflösung von zweckmäßigerweise 2bit abgetastet und ausgewertet. Der Frequenzbereich des ersten erfassten Bereichs liegt somit zweckmäßigerweise zwischen OkHz und 100kHz, während der zweite Bereich zweck- mäßigerweise oberhalb von 100kHz und unterhalb von 1 OOMHz liegt.

Diese beiden Signale, d. h. das 12bit-Signal sowie das 2bit-Signal werden dem Steuer- baustein eingangsseitig zugeführt. Die beiden Signale werden unterschiedlichen Grup- pen von Algorithmen parallel zugeführt und mittels diesen ausgewertet. Die von den Algorithmen gelieferten und anschließend gewichteten Flags werden in der Entschei- dungsmatrix zur Generierung des Steuersignals für den Schutzschalter herangezogen.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung nä- her erläutert. Darin zeigen : Fig. 1 schematisch in einem Blockschaltbild eine Vorrichtung zur Erfas- sung von Störlichtbögen (arc's) mit zwei Sensoren und einem.

Steuerbaustein (Elektronikl), Fig. 2 schematisch Funktionsbausteine des Steuerbausteins gemäß Fig.

1, Fig. 3 den zeitlichen Verlauf eines von einem ersten Sensor erfassten analgen Stromsignals und eines von einem zweiten Sensor er- fassten HF-Spektrums, Fig. 4 den Frequenzbereich des zeitdiskret abgetasteten Stromsignals bzw. HF-Spektrums, Fig. 5 den Verlauf einer typische Signalform des Stromsignals,

Fig. 6 den Verlauf einer typischen Kurvenform infolge eines Störlichtbo- gens (arc), Fig. 7 den Verlauf eines unipolaren Signals, Fig. 8 den zeitabhängigen Energieverlauf des Stromsignals, Fig. 9 und 10 Darstellungen eines Sinusförmigen Verlauf des Stromsignals zur Dreipunkt-Auswertung, und Fig. 11 eine dreidimensionale Spektrum-Darstellung zur Analyse eines Lei- stungsdichte-Spektrums.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung oder Schaltung zur Durchführung des Verfahrens zur Erkennung von nachfolgend auch als Arc bezeichneten Störlichtbögen umfasst ei- nen Schutzschalter 1 mit einem Überstrom-Sensor 2, z. B. einem Bimetall, in einer Ver- sorgungsleitung als vorrichtungsinterner Teil eines Kabels 3 eines Strom-oder Bord- netzpfades zwischen einem Eingang LI (line in) und einem Ausgang LO (line out). Über diesen hinaus erstreckt sich das Kabel 3 in Verlängerung der innerhalb der nachfolgend auch als Schaltgerät bezeichneten Vorrichtung liegenden Versorgungsleitung.

Dem Überstrom-Sensor 2 sind ein erster Sensor 4 in Form eines Stromwandlers zur Erfassung eines über die Versorgungsleitung bzw. das Kabel 3 geführten Stromsignals S, sowie ein zweiter Sensor 5 zur Erfassung des im Stromsignals S, enthaltenen HF- Spektrums (dl/dt) SHF nachgeordnet. Diese beiden Sensoren 4,5 sind mit einer nach- folgend als Steuerbaustein 6 bezeichneten Elektronik verbunden, die ausgangsseitig mit einem Aktor 7 zur galvanischen Trennung von einem mechanischen oder elektro- mechanischen Schaltschloss 8 verbunden ist. Der Aktor 7 wird von dem elektronischen Steuerbaustein 6 angesteuert und löst im Falle der Detektion eines Störlichtbogens oder Arc's über das Schaltschloss 8 den Schutzschalter 1 durch Öffnen eines in der Versorgungsleitung 3 und damit im Kabel des jeweiligen Strom-bzw. Bordnetzpfad lie- genden Schaltkontaktes 9 aus.

Die Figuren 3 und 4 zeigen das mittels des Sensors 4 erfasste Wechselstromsignal Si (Fig. 3), das zeitdiskret mit 50kHz bis 100kHz und mit mindestens 12Bit Genauigkeit (= 2047) abgetastet wird (Fig. 4). Bei einem Maximalstrom von 100A wird eine Messge- nauigkeit von maximal 50mA erreicht. Die hier verwendeten Zeitkonstanten beziehen sich auf eine Abtastfrequenz mit 100kHz. Wird beispielsweise mit einer Abtastfrequenz von 50kHz abgetastet, so sind alle zeitbezogenen Konstanten zu halbieren. Die Periode eines 400Hz-Signals wird also mit 250 Meßwerten dargestellt. Das mittels des Sensors 5 erfasste HF-Signal SHF wird analog zeitdiskret mit vorzugsweise größer 5MHz und mit 2Bit Genauigkeit abgetastet (Fig. 3 und 4).

Der Steuerbaustein 6 umfasst gemäß Fig. 2 eine Anzahl n von Algorithmen A... n, die zusammen mit einem Wichtungsglied W und einer Entscheidungsmatrix M vorzugswei- se in ein sogenanntes ASIC implementiert sind. Den zweckmäßigerweise in zwei Grup- pen zusammengefassten Algorithmen A1. n werden die von den beiden Sensoren 4,5 gelieferten Signale S, und SHF zugeführt. Dabei können beispielsweise n = 7 Algorith- men Ai... n vorgesehen sein, wobei beispielsweise in der ersten Gruppen drei Algorith- men An und in der zweiten Gruppe vier Algorithmen An enthalten sind.

Den Algorithmen An der jeweiligen Gruppe werden ein 12bit-Signal S, des ersten Sen- sors 4 und ein 2bit-Signal SHF des zweiten Sensors 5 parallel und somit gleichzeitig zu- geführt. Die Algorithmen A1 n liefern ausgangsseitig jeweils ein 1 bit-Signal S1 bis Sn Diese Ausgangssignale Si... n enthalten somit gesetzte oder nicht gesetzte Flag's, die das Vorhandensein bzw. Nicht-Vorhandensein des von dem jeweiligen Algorithmus An repräsentierten Kriteriums für einen Störlichtbogen anzeigen.

In dem Wichtungsbaustein W sind für jeden Algorithmus An charakteristische Wich- tungsfaktoren wn hinterlegt, mit denen die jeweiligen Flags der Algorithmen verknüpft werden. Die von dem Wichtungsbaustein W gelieferten gewichteten Flags S'i... n werden in der Entscheidungsmatrix M kombiniert oder verknüpft. Dabei gibt diese im Ergebnis ein Steuersignal SA an den Aktor 7 zur Auslösung des Schutzschalters 1 ab, wenn sich aus der Kombination der gewichteten Flags Si... n eine über einem vorgebbaren Schwellwert liegende Wahrscheinlichkeit für das Vorhandensein eines Arcs ergibt. Da- bei hängt die Wahrscheinlichkeit für Fehlauslösungen des Schutzschalters 1 vom vor-

gegebenen Schwellwert ab. Je näher also der Wahrscheinlichkeitsschwellwert inner- halb der Entscheidungsmatrix M an 100% liegt, desto geringer ist die Wahrscheinlich- keit für eine Fehlauslösung.

Ein nachfolgend anhand der Fig. 5 erläuterter erster Algorithmus Ai (Grundfunktion) dient zur Erkennung von Lückungen im sinusförmigen Signalverlauf des Stromsignals Sl. Grundsätzlich hat das Stromsignal Si eine typische Signalform, wie Fig. 5 zeigt. Die Sinuskurven treffen nicht aufeinander, sondern sind durch Lücken getrennt. Das Span- nungssignal ist häufig-abhängig von der Generatorgröße-dennoch sinusförmig. Wäh- rend die Sinuskurve noch relativ stetig erscheint, ist in den Lücken ein Rauschen zu erkennen.

Aus dieser Betrachtung sind die folgenden Kriterien für einen Arc abgeleitet : 1. Ein Vorzeichenwechsel in der erster Ableitung (dl/dt) des Stromsignals Si.

2. Zeitlich vor dem 1. Kriterium darf zehn Messwerte lang kein Vorzeichenwechsel auftreten.

3. Die Amplitudengröße des aktuellen Messwertes darf nur einen gewissen Pro- zentsatz der letzten Amplitude betragen.

4. Eine Kombination des 1. Kriteriums, des 2. Kriteriums und des 3. Kriteriums, so dass eine einzelne Arc-Kurvenform definitiv erkennbar ist.

5. Das 4. Kriterium muss dreimal auftreten.

Das erste Kriterium, d. h. ein Vorzeichenwechsel in erster Ableitung und damit ein Richtigswechsel im Messsignal kann grundsätzlich hervorgerufen werden durch nor- males Rauschen auf der Versorgungsleitung bzw. dem Kabel 3, z. B. auf einem Bord- netz-Kabel, durch die Spitze der Sinuskurve oder durch einen Lichtbogen (arc). Jedes gemessene Signal S, enthält grundsätzlich ein gewisses Rauschen, wobei dieses in dieser Anwendung in nicht näher dargestellter Art und Weise beispielsweise hervorge- rufen wird durch einen Vorverstärker und einen AD-Wandler zur Messwertaufnahme des Sensors 4. Dieses systembedingte Rauschen liegt typischerweise in der Größen- ordnung von 1-2 Bit. Damit dies nicht zum Erkennen des ersten Kriteriums führt, wird mit einer Hysterese von 2-3 Bit gearbeitet. Um die erste Ableitung zu erhalten, werden

der vorangegangene Messwert gespeichert und davon der aktuelle Messwert subtra- hiert. Unterschreitet die erste Ableitung den Wert"-2", so wird ein Merker auf negativ gesetzt. Überschreitet die erste Ableitung den Wert"+2", so wird der Merker auf positiv gesetzt. Beim Systemstart steht der Merker auf"0". Wird der Wert"-2"unterschritten, während der Merker auf positiv steht, oder wird der Wert"+2"überschritten, während der Merker auf negativ steht, so ist das erste Kriterium erfüllt.

Vor einem Ansprechen des ersten Kriteriums darf zehn Messwerte lang-bezogen auf eine Abtastrate mit 100kHz-kein Vorzeichenwechsel erfolgen. Bei Auftreten von Rau- schen im Messsignal S, würde der gemessene Wert nicht über eine entsprechende Zeitdauer stetig sein. Dieses zweite Kriterium wird durch einen Zähler realisiert. Der Zähler wird mit jedem Messwert erhöht. Ist das erste Kriterium erfüllt, so wird überprüft, ob der Zählerstand bereits größer als zehn ("10") ist, um das zweite Kriterium zu erfül- len. Ggf. wird der Zähler wieder auf"0"zurückgesetzt. Um ein Überlaufen des Zählers zu vermeiden, wird dieser auf eine Zahl größer zehn ("10") begrenzt. Bei Kombination des ersten und des zweiten Kriteriums kann eine positive Erkennung nur noch durch einen tatsächlichen Arc oder durch die Spitze der Sinuskurve ausgelöst werden.

Gemäß dem dritten Kriterium darf der aktuelle Messwert nur einen gewissen Prozent- satz der letzten Amplitude groß sein. Eine Amplitudenspitze kann theoretisch einfach dadurch ausgeschlossen werden, indem alle Signale ignoriert werden, die nicht in der Nähe der Nulllinie liegen. Dazu lässt sich zwar in einfacher Weise keine absolute Schwelle angeben. Allerdings hängt dieses dritte Kriterium vom letzten Spitzenwert des Signals S, ab. Um die Vergangenheit des Signals S, direkt, oder indirekt dessen letzte Spitze zu kennen, wird ein Integrator oder Filter herangezogen, der eine der Hüllkurve des Signale ähnlich Kurve abbildet. Dies ist wieder mit einem Zähler realisiert. Ist der aktuelle Messwert-multipliziert mit einer Konstanten-größer als der aktuelle Zähler- stand, so wird der Messwert zum Zähler addiert. Der Zählerstand erhöht sich also pro- portional mit dem Messwert. Ist der aktuelle Messwert kleiner, wird eine Konstante ab- gezogen. Damit der Zählerstand keine unplausiblen Werte annehmen kann, wird der Zähler nach oben und nach unten begrenzt. Auch wenn dies nicht der originalen"Hüll- kurve"entspricht, sind die Vereinfachungen zulässig, da mit diesem Filter nur eine va-

riable Messschwelle erzeugt werden soll,. Das dritte Kriterium ist erfüllt, wenn der aktu- elle Messwert (multipliziert mit einer Konstanten) kleiner als der aktuelle Zählerstand ist.

Das vierte Kriterium kombiniert die ersten drei Kriterien, so dass eine einzelne Arc- Kurvenform definitiv erkannt werden kann. Damit auf eine Lücke aufgrund eines Arc's geschlossen werden kann, müssen zunächst die ersten drei Kriterien für einen Mess- wert erfüllt sein. Dabei hat das Signal Sl jedoch nur einmal die Richtung gewechselt.

Um ein Überschwingen auszuschließen und von einem Rauschen auszugehen, muss das Signal beim nächsten Messwert erneut die Richtung wechseln. Dies wird daran erkannt, dass der nächste Messwert das erste und dritte Kriterium gleichzeitig erfüllt.

Wie in Fig. 6 veranschaulicht, ist mit diesem vierten Kriterium definitiv eine typische Arc-Kurvenform erkennbar. Die Simulation verschiedener Kurven zeigte jedoch, dass eine erkannte Kurvenform nicht aussagekräftig genug ist. Der Schutzschalter 1 könnte jedoch unerwünscht häufig auslösen, da dieselbe Kurvenform auch zufällig entstehen oder vereinzelt beim Startvorgang bestimmter Schutzschaltgeräte vorkommen kann.

Deshalb wird das fünfte Kriterium herangezogen.

Gemäß dem fünften Kriterium muss das vierte Kriterium dreimal auftreten, wobei die einzelnen Arc's jeweils nur maximal fünf Perioden auseinander liegen dürfen. Durch diese Bedingung werden Fehlauslösungen des Schutzschalters 1 vermieden, damit nicht eine einzige arc-ähnliche Kurvenform die Vorrichtung oder das Schaltgerät 1 zum ansprechen bringen kann. Nach jedem erkannten Arc beginnt ein Zähler (von"1"ab) zu laufen, der mit jedem weiteren Messwert um 1"erhöht wird. Gleichzeitig zählt ein wei- terer Zähler die Anzahl der erkannten Arc's. Wird die Anzahl von fünf Perioden über- schritten, werden beide Zähler auf"0"zurückgesetzt und gestoppt. Sind jedoch drei Arc's innerhalb der Zeitspanne erkannt worden, so löst der Schutzschalter 1 aus.

Ein zweiter Algorithmus A2 (Grundfunktion) soll Spitzen oder steile Flanken im Signal- verlauf des Strom-oder Messsignals S, erkennen, wie diese beispielsweise bei seriellen Arc's auftreten.

Fig. 6 zeigt beispielhaft einen typischen seriellen Arc. Als Verbraucher waren mehrere Leuchtstoffröhren angeschlossen, woraus die Abweichung vom sinusförmigen Verlauf des Stromsignals S, folgt. Die Spitzen kennzeichnen die seriellen Lichtbögen (arc's), die vor einer Zerstörung der Versorgungsleitung bzw. des Stromkabels 3 auftreten. Ist die Leitung bzw. das Kabel 3 derart beschädigt oder zerstört, dass ein Kurzschluss mit an- deren Metallteilen und/oder Leitungen auftritt, oder ist ein derart große Leitungs-bzw.

Kabellücke entstanden, dass der Lichtbogen nicht mehr entstehen kann, so endet der Stromfluss vollständig. Dies ist im Signalverlauf in Fig. 6 rechts außen erkennbar. Ziel ist es, den Strom vor dem Ausfall abzuschalten, also bereits auf die in der linken Figu- renhälfte der Fig. 6 erkennbaren Spitzen zu reagieren.

Aus dieser Betrachtung sind folgende Kriterien für einen Arc abgeleitet : 1. Ein Vorzeichenwechsel in der erster Ableitung (dSI/dt) des Stromsignals Si.

2. Die erste Ableitung (dS,/dt) und der Messwert sind betragsmäßig zumindest an- näherd gleich groß.

3. Der aktuelle Messwert hat eine Mindestgröße.

4. Eine Kombination des 1. Kriteriums, des 2. Kriteriums und des 3. Kriteriums, so dass eine einzelne Spitze definitiv detektieren werden kann.

5. Ein Zeitfenster für zwei aufeinanderfolgende Spitzen.

6. Abhängig von der Amplitude des Stroms bzw. Stromsignals Si sind zwei oder drei Spitzen erkannt.

7. Eine Ausnahmeregelung für Phasenanschnitte.

Hinsichtlich des ersten Kriteriums kann der erste Algorithmus Ai herangezogen werden.

Um einen schnellen Signalanstieg zu erkennen, wird mit dem zweiten Kriterium die er- ste Ableitung (dS,/dt) mit dem aktuellen Messwert verglichen. Ist die Ableitung (dSI/dt) nahezu, z. B. zu 92% so groß wie das Messsignal, so erfolgte der Anstieg innerhalb der letzten Messung, was einem schnellen Anstieg entspricht. Weisen beide Zahlenwerte zusätzlich das gleiche Vorzeichen auf, so ist dieses zweite Kriterium erfüllt.

Gemäß dem dritten Kriterium muss der aktuelle Messwert-abhängig von den letzten Amplituden-eine gewisse Größe aufweisen. Die Praxis zeigt, dass das erste Kriterium

gleichermaßen auf Spitzen oder Peak's wie auch auf Kleinsignalrauschen anspricht.

Um dies zu verhindern, wird auch hier eine Schwelle eingeführt. Hierzu ist die Angabe einer absoluten Schwelle zumindest äußerst schwierig, zumal dieses Kriterium vom letzten Spitzenwert des Signals S, abhängt.

Auch konnten ein Minimal-als auch Maximalwert ermittelt werden. Um die Vergangen- heit des Signals-oder indirekt dessen letzte Spitze-zu kennen, kann ein Integrator oder Filter herangezogen werden, der auf bestimmte Werte begrenzt wird. Diese Funk- tion wird durch einen Zähler realisiert.

Wenn der Absolutwert des Stromes z. B. 1,9A übersteigt, so wird der Zähler auf seinen Maximalwert gesetzt. Bei jedem neuen Messwert wird der Zähler außerdem um eins ("1") erniedrigt, solange der Minimalwert nicht unterschritten wird. Dadurch wird ein Fil- ter erreicht, der schnell ansteigt aber nur langsam wieder abfällt, wenn kein Strom mehr fließt. Als Kriterium wird der aktuelle Messwert Si-multipliziert mit einer Konstanten- mit dem aktuellen Zählerstand verglichen ; vgl. das vierte Kriterium.

Das vierte Kriterium kombiniert die ersten drei Kriterien derart, dass ein einzelner schneller Signalanstieg-verursacht durch einen Lichtbogen-erkannt werden kann.

Dabei ist zwischen positiven und negativen Flanken zu unterscheiden. Eine positive Flanke wird erkannt, wenn das erst Kriterium erfüllt ist, wenn das zweite Kriterium erfüllt ist, wenn das Vorzeichen positiv ist und die erste Ableitung (dS,/dt) größer 92% des Messwertes ist, und/oder wenn das dritte Kriterium erfüllt sowie das Vorzeichen positiv und der Messwert-multipliziert mit der Konstanten-größer als der Zählerstand ist.

Eine negative Flanke wird erkannt, wenn das erste Kriterium erfüllt ist, wenn das zweite Kriterium erfüllt ist, wenn das Vorzeichen negativ ist und die erste Ableitung kleiner als 92% des Messwertes ist, und/oder wenn das dritte Kriterium erfüllt und das Vorzeichen negativ ist soweit der Messwert-multipliziert mit der Konstanten-kleiner als der nega- tive Zählerstand ist.

Wird eine positive oder eine negative Flanke erkannt, so ist dieses Kriterium erfüllt. Mit diesem vierten Kriterium ist eine typische Arc-Kurvenform erkennbar. Die Simulation

verschiedener Kurven zeigte jedoch, dass eine erkannte Spitze nicht zwingend aussa- gekräftig ist mit der Folge, dass der Schutzschalter 1 unerwünscht auslösen kann. Des- halb wurden weitere Kriterien entwickelt, wobei zunächst das fünfte Kriterium zu prüfen ist.

Eine Spitze im Signal S, allein ist nicht ausreichend, um einen Arc zu erkennen, da sol- che Spitzen auch einzeln im normalen Stromverlauf entstehen. Zudem entstehen bei einem Arc oft mehrere solcher Spitzen kurzzeitig hintereinander. Diesem Probleme wird begegnet, indem ein minimaler und ein maximaler Abstand zwischen zwei Ereignissen definiert wird. Zur Realisierung sind ein Arc-Zähler und ein Messwertzähler vorgesehen.

Der Arc-Zähler wird bei jedem Gerätestart auf"0"gesetzt. Der Messwertzähler wird auf "0"gesetzt, wenn das vierte Kriterium erfüllt ist und dann mit jedem Messwert ein Erhö- hung um"1"erfolgt. Zwischen zwei Spitzen muss mindestens annähernd eine Periode vergangen sein. Dies entspricht ca. 200 Messwerten bei einer Abtastfrequenz von 100kHz. Sollte vorher schon eine weitere Spitze erkannt werden, so wird diese igno- riert.

Sind seit der ersten Spitze mehr als 30 Perioden (7500 Messwerte bei 100kHz Ab- tastfrequenz) vergangen, so kann von einer zufälligen Spitze ausgegangen werden und die erste Spitze wird ignoriert. In der Folge werden beide Zähler auf"0"gesetzt. Tritt wiederholt eine Spitze auf und liegen diese Spitzen innerhalb des erlaubten Zeitinter- valls, so ist das fünfte Kriterium erfüllt und der Arc-Zähler wird erhöht, während der Messwertzähler wieder auf"0"gesetzt wird.

Gemäß dem sechsten Kriterium werden mehrere erkannte Spitzen benötigt, um den Schutzschalter 1 auszulösen. Eine Simulation zeigte, dass zwei Spitzen (nach dem fünften Kriterium) bei relativ großen Strömen ausreichen. Bei kleinen Stromverläufen müssen mindestens drei Spitzen auftreten, um Fehlauslösungen des Schutzschalters 1 zu verhindern. Um zwischen großen und kleinen Strömen unterscheiden zu können, kann ein Filter-realisiert mit einem weiteren Zähler-eingesetzt werden. Der Filter soll den Spitzenwerten der Stromamplitude folgen sowie relativ langsam ansteigen und abfallen. Da hierbei keine hohe Genauigkeit erforderlich ist, ist ein 9-Bit-Zähler ausrei- chend, der auf"0"und"511"begrenzt ist, wobei anfangs der Zähler auf"0"steht. Der

Absolutwert jedes Messwertes (geteilt durch 16) wird zum Zählerstand hinzu addiert und es erfolgt eine Subtraktion um zwei. Ist der Zählerstand zum Zeitpunkt einer Spitze (nach dem fünften Kriterium) größer als"100", so erfolgt eine Auslösung des Schutz- schalters 1. Andernfalls wird das Auftreten einer dritten Spitze hinzugezogen.

Das siebente Kriterium berücksichtigt eine Ausnahmeregelung für Phasenanschnitte.

Bei einer Simulation konnte festgestellt werden, dass der Schutzschalter 1 bei be- stimmten Arten von phasenangeschnittenen Signalen fehlerhaft oder unerwünscht auslöst. So erfüllt ein in Fig. 7 veranschaulichtes unipolares Signal die beschriebenen sechs Kriterien, obwohl dies definitiv kein Arc ist. Auch ein gleichartiges negatives Si- gnal wird als Arc erkannt. Bipolare phasenangeschnittene Signale werden jedoch igno- riert.

Obwohl einzelne dieser Signale während eines sinusförmigen Stromes durchaus auf einen Lichtbogen hindeuten, soll das Signal trotzdem ignoriert werden, um bei einem normalen Phasenanschnitt keine Fehlauslösungen zu erhalten. Die Besonderheit an diesem Signal ist das lange verweilen auf der Nullinie, was zur Herausfilterung der Kurvenform herangezogen werden kann.

Es werden zwei Kriterien zur Nulidetektierung verwendet : Der Filter aus dem dritten Kriterium muss auf Minimal stehen und der Absolutwert des aktuellen Messwertes muss kleiner als drei sein, wobei ein geringes Restrauschen zulässig ist. Wenn das Si- gnal derart als Null detektiert ist, wird ein Zähler jeweils um 1"erhöht, ist das Signal auch nur ein einziges mal größer, wird der Zähler auf"0"zurückgesetzt. Ist der Zähler- stand größer als"100", was etwa einer Halbwelle bei einer Abtastfrequenz von 100kHz entspricht, so werden das vierte Kriterium künstlich auf"0"gehalten und eine Arc- Erkennung unterdrückt.

Ein anhand der Fig. 8 erläuterter, nachfolgend auch als"AFD (arc fault detectin) Ener- gie Pool"bezeichneter dritter Algorithmus A3 dient zur Erkennung von Störlichtbögen in Wechselstromnetzen, um Kabelbrände und deren Folgen zu vermeiden. Hierbei wird- ähnlich wie beim Wasserzu-und Ablauf in ein bzw. aus einem Behältnis-der Ener- giefluss in der Versorgungsleitung bzw. im Kabel 3 betrachtet. Im normalen Betrieb

fließt Strom über den Schutzschalter 1 und die Leitung 3 bzw. das Kabel zum Verbrau- cher und erwärmt aufgrund des elektrischen Widerstandes die Leitung 3 bzw. das Ka- bel. Ebenso wird die Wärme der Leitung und/oder des Kabels 3 über die Isolierung an die Umgebung abgestrahlt. Im Falle eines Lichtbogens durch Isolationsfehler unter- schiedlichster Art steigt die Energiemenge an dieser Stelle stark an und entzündet- sobald die entsprechende Entzündungsenergie überschritten wird-die Kabelisolation und andere Stoffe in der Umgebung mit unerwünschten Folgen.

Der"AFD Energie Pool-Algorithmus A3"erkennt aus dem abgetasteten Stromsignal SI, wieviel Energie über eine einstellbare Anzahl von Perioden zugeführt wird, und löst bei überschreiten einer ebenso einstellbaren zulässigen Schwelle A den Schutzschalter 1 aus, der den Stromkreis oder-pfad unterbricht. Dabei wird über mehrere Perioden die zugeführte Energiemenge durch das fließende Integral des Stromwerts Si (t) multipliziert sowie mit einem hochpassgefilterten Stromwert S'l (t) ermittelt und korreliert. Die Ver- wendung des Hochpass gefilterten Stromwerts bewirkt, dass niederfrequente Anteile, wie Ein-und Ausschaltvorgänge, von der Betrachtung ausgeschlossen werden und keine Fehlauslösungen verursachen. Die abfließende Energie wird durch kontinuierli- che, einstellbare Degradation des integrierten Wertes repräsentiert.

Zusammen mit den anderen Algorithmen An lassen sich somit Lichtbögen mit hoher Wahrscheinlichkeit erkennen ohne dass reguläre Verbraucher Fehlauslösungen verur- sachen.

Ein anhand der Figuren 9 und 10 erläuterter, nachfolgend auch als"AFD Integrity Algo- rithmus"bezeichneter Algorithmus A4 dient ebenfalls der Erkennung von Störlichtbögen in Wechselstromnetzen, um Kabelbrände und deren Folgen zu vermeiden. Hierzu wird auch auf die WO 01/90767 A1 verwiesen, auf deren gesamte Offenbarung ausdrücklich Bezug genommen wird.

In Wechselstromnetzen enthalten die sinusförmigen Stromsignale üblicherweise viele Störungen durch Übersprechen von Schaltvorgängen, Rauschen oder andere Störer.

Gemäß Fig. 9 werden zur Bereinigung des Stromsignals S, für eine vereinfachte Wei- terverarbeitung die Sinushalbwellen durch eine Dreipunkt-Approximation auf der Basis des arccos idealisiert. Als Schnittpunkte dienen der Scheitelwert y (kmax) des Sinus (Ma- ximum) und die beiden Schnittpunkte y (ki), y (kr) mit einer einstellbaren Schwelle B.

Durch Abzählen der Abtastwerte zwischen den beiden Schnittpunkten (y (ki), kl) und (y (kmax), kr) lässt sich die aktuelle Frequenz des Stromsignals S, bestimmen.

Gemäß Fig. 10 wertet der"AFD Integrity Algorithmus A4"über mehrere Halbwellen die Abweichungen der Frequenz Af und der Amplitude AAs des Stromsignals bei Auftreten eines Lichtbogens aus. Bei Überschreiten der Grenzwerte für die maximale Abwei- chung wird der Schutzschalter 1 ausgelöst, der den Stromkreis unterbricht.

Im Weiteren werden auch Lichtbogen bedingte Stromspitzen betrachtet, die ein Fehler- band um die idealisierte Stromkurve verlassen. Bei mehrfachem Überschreiten dieses Fehlerbandes wird ebenso der Stromkreis unterbrochen.

Ein anhand der Fig. 11 erläuterter, nachfolgend auch ats AFD Spektrum Algorithmus" bezeichneter Algorithmus A5 dient ebenfalls zur Erkennung von Störlichtbögen in Wechselstromnetzen, um Kabelbrände und deren Folgen zu vermeiden. In Fig. 11 sind dabei auf der x-Achse die Zeit t in Abtastwerten (von links nach rechts), auf der y-Achse die Frequenz f (in einzelnen Frequenzbändern) und auf der z-Achse das (normierte) Leistungsdichtespektrum P aufgetragen.

Untersuchungen haben gezeigt, dass Lichtbögen im Spektrum oberhalb der ersten harmonischen Grundwellen bei deren Auftreten breitbandig eine schnelle Veränderung des Leistungsdichtespektrum aufweisen. Der"AFD Spektrum Algorithmus A5"transfor- miert die abgetasteten Stromwerte in den Frequenzbereich (Kurzzeit FFT) und erkennt diese breitbandige, schnelle Veränderung des Leistungsdichtespektrums bei Auftreten eines Lichtbogens. Daraufhin löst der Schutzschalter 1 aus, der den Stromkreis unter- bricht.

Die Auswertung des 2bit-Signals SHF erfolgt anhand dessen dargestellten charakteristi- schen Musters, indem zunächst nach Impulspaketen gesucht wird. Anschließend wer-

den die Abstände zwischen den Impulspaketen durch Bewertung der zeitlichen Abfolge der aufeinander folgenden Impulspakete ausgewertet. Das Impulsspektrum bzw. die Impulskonfiguration wird nach Lücken abgesucht. Dabei hat sich erkanntermaßen her- ausgestellt, dass die zeitlichen Lücken zwischen den zeitlich aufeinander folgenden Impulspaketen des 2bit-Signals SHF mit den Werten +1,0 und-1 einer Sinus-Halbwelle entsprechen. Die Auswertung des HF-Spektrums mittels des 2bit-Signals SHF erfolgt somit gerade nicht durch eine Foyeranalyse, da diese aufgrund dessen Komplexität mit einem erheblich größeren Aufwand verbunden wäre.

Anhand der übereinander dargestellten, mittels des ersten Sensors 4 und des zweiten Sensors 5 erfassten sowie anschließend mittels der Algorithmen An ausgewerteten Si- gnale S, bzw. SHF ist erkennbar, dass bei Auftreten von Stufen im Verlauf des mittels des ersten Sensors 4 mit hoher Abtastrate abgetasteten Stromsignals S, entsprechend hohe Frequenzen im mittels des zweiten Sensors 5 erfassten zweiten Signals oder HF- Signals SHF mit vergleichsweise kleiner Auflösung stets über den zeitlichen Verlauf am Beginn und am Ende einer derartigen Stufe sowie eines derartigen Plateaus auftreten.

Ein derartiges Charakteristikum im Stromsignalverlauf wird mittels des entsprechenden Algorithmus A5 ausgewertet sowie als eines der Kriterien für das Auftreten eines Stör- lichtbogens herangezogen und somit mit einem entsprechenden Wichtungsfaktor wn gewichtet.

Das Heranziehen mehrere Algorithmen An, die unterschiedliche Charakteristika im Si- gnalverlauf des erfassten Stromsignals Si auswerten, wird einerseits erreicht, dass- Störlichtbögen sicher erkannt werden. Andererseits werden durch die unterschiedlichen Algorithmen An und deren unterschiedlicher Wichtung andersartige Störeinflüsse, die nicht auf Störlichtbögen oder Arcs zurückzuführen sind, identifiziert und bei der Aus- wertung innerhalb der Entscheidungsmatrix M berücksichtigt. Auf diese Weise können Fehlauslösungen des Schutzschalters 1 vermieden und Störlichtbögen zuverlässig identifiziert werden.