Verfahren zum Störlichtbogenschutz

Die vorliegende Erfindung betri f ft ein Verfahren zum Störlichtbogenschutz sowie eine Störlichtbogenschutzeinheit .

Lichtbögen können betriebsmäßig auftreten, sei es in Form eines Nutz- oder Arbeitslichtbogens ( z . B . als Anzündhil fe , beim Lichtbogenschweißen, in einem Lichtbogenofen oder in einer Bogenlampe ) oder in Form eines Schaltlichtbogens , welcher während einer Schalthandlung zwischen den Kontakten eines mechanischen Schalters auf tritt . Tritt ein Lichtbogen nicht betriebsmäßig, sondern unerwünscht bzw . unerwartet durch eine Störung auf , spricht man von einem Stör- oder Fehlerlichtbogen . Besonders in leistungsstarken Verteil- und Schaltanlagen können Störlichtbögen zu verheerenden Zerstörungen von Betriebsmitteln, Anlagenteilen oder kompletten Schaltanlagen führen . Um Schäden zu reduzieren und einen längeren Aus fall der Energieversorgung zu vermeiden, ist es erforderlich, Störlichtbögen, insbesondere stromstarke bzw . parallele Störlichtbögen, mithil fe eines Störlichtbogenschutzsystems in wenigen Millisekunden ( < 5 ms ) zu erkennen und zu löschen .

Ein Störlichtbogenschutzsystem kann zu einem Entscheidungskonflikt hinsichtlich des Vorranges der Schutzmechanismen in einer Schaltanlage führen . Ein Störlichtbogenschutzsystem hat , bedingt durch seine Aufgabe einer schnellen Erkennung eines Störlichtbogens und dessen unverzüglicher Löschung durch eine Unterbrechung des Stroms in einem übergeordneten Bereich der Schaltanlage , Vorrang vor allen anderen Schutzmechanismen der Schaltanlage . Ein Kurzschlussalgorithmus eines Leistungsschalters , der einen Störlichtbogen in einem ihm zugeordneten untergeordneten Bereich der Schaltanlage (Abgang oder Abzweig) als einen Kurzschluss erfasst , wird daher vom hierarchisch übergeordneten Störlichtbogenschutzsystem übersteuert . Die Selektivität in der Schaltanlage , nämlich das selektive Abschalten des Abzweigs ( in Folgenden auch als Ab- gang bezeichnet ) , in dem sich ein Kurzschluss befindet , ohne einen Eingri f f in fehlerfreie benachbarte Abzweige , wird damit außer Kraft gesetzt .

Der unbedingte Vorrang des Störlichtbogenschutzsystems , das in erster Linie auf die hohen Lichtbogenenergien in einem übergeordneten Bereich einer Schaltanlage , beispielsweise nahe einem Einspeisungspunkt der elektrischen Energie in die Schaltanlage , konzipiert ist , ist aber auch aus einem anderen Grund nicht immer die beste Lösung . Bei vielen Störlichtbogenereignissen entsteht nur ein sehr kurz fristiger Lichtbogen, der nach einer sehr kurzen Zeit wieder von selbst erlischt , da die freigesetzte Energie sehr gering ist und die Existenzbedingung für den Lichtbogen nicht dauerhaft besteht . Der durch den Störlichtbogen hervorgerufene Schaden kann in diesen Fällen relativ gering sein, z . B . auf ein Schadensbild mit Lichtbogenfußpunkten, kleinere abgeschmol zene Stellen und geringe Schmauchspuren begrenzt , während der eigentliche , weitaus kostenintensivere Schaden erst durch das Abschalten der gesamten Schaltanlage entsteht .

Es besteht somit Bedarf nach einem verbesserten Störlichtbogenschutzsystem .

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 . Diese Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Störlichtbogenschutzeinheit nach Anspruch 7 .

Das erfindungsgemäße Verfahren dient dem Störlichtbogenschutz in einem hierarchisch strukturierten elektrischen Verteilungsnetz , in dem elektrische Energie von einem Einspeisepunkt über eine übergeordnete gemeinsame Hauptverteilungsleitung und von der gemeinsamen Hauptverteilungsleitung über mehrere untergeordnete Abgangsleitungen verteilt wird . Das elektrische Verteilungsnetz kann z . B . eine Schaltanlage oder ein anderer Stromkreis zur Verteilung elektrischer Energie sein . Dabei kann die Hauptverteilungsleitung durch eine Auslösung eines übergeordneten Schalters , im Folgenden auch als : Hauptschalter bezeichnet , unterbrochen werden . Der übergeordnete Schalter (= Hauptschalter ) kann als ein Einspeisungsschalter oder als ein Kurzschließer oder als eine Kombination eines Einspeisungsschalters und eines Kurzschließers ausgebildet sein . Es können Störlichtbögen auftreten, die mit einem Einspeisungsschalter, d . h . einem Schalter (Mechanischer Schalter oder Halbleiter-Schalter ) , nicht zu löschen sind; in diesem Fall kann zum Löschen des Störlichtbogens ein Kurzschließer notwendig sein, der den Störlichtbogenstrom von der Hauptverteilungsleitung wegzieht . Außerdem können die Abgangsleitungen j eweils durch eine Auslösung eines der Abgangsleitung zugeordneten untergeordneten Schalters , im Folgenden auch als : Abgangsschalter bezeichnet , unterbrochen werden . Nach einer Erkennung eines Störlichtbogens in dem Verteilungsnetz , wobei diese Erkennung auf Basis einer Auswertung von elektrischen Spannungs- und/oder Stromwerten in der Hauptverteilungsleitung des Verteilungsnetzes erfolgt , wird die vom Störlichtbogen freigesetzte Energie ermittelt . Eine Auslösung des Hauptschalters zur Löschung des Störlichtbogens wird so lange blockiert , bis die ermittelte Energie einen vorgegebenen Energieschwellwert erreicht hat . Im Folgenden wird der Störlichtbogen auch einfach als „Fehler" bezeichnet .

Durch die Wahl des Energieschwellwerts wird eine Länge des Zeitraums definiert , in dem durch eine stromwertabhängige Auslösung eines Abgangsschalters ein in einer der untergeordneten Abgangsleitungen brennender Störlichtbogen gelöscht werden kann, bevor der Hauptschalter ausgelöst wird .

Ein Aspekt der Erfindung besteht also darin, zusätzlich zu einem i-/u-Algorithmus Energiewerte zu berechnen und mit einem vordefinierten Energieschwellwert zu vergleichen . Als ein i- / u-Algorithmus wird ein Algorithmus zur Detektion eines Störlichtbogens bezeichnet , der gemessene Strom- und/oder Spannungswerte als Input verwendet ; er wird auch als i-/u- Detektionsalgorithmus bezeichnet . Bei einer gleichzeitigen Erfüllung a ) des Kriteriums „Energieschwellwert überschrit- ten" und b ) von definierten i-/u-Kriterien wird eine Entscheidung zur Aktivierung eines Hauptschalters , der vorzugsweise einen Kurzschließer und/oder einen Einspeisungsschalter aufweist , getrof fen, um einen detektierten Störlichtbogenfehler zu klären, d . h . einen detektierten Störlichtbogen zu löschen . Der Energieschwellwert wird j e nach Anlagenkonfiguration und Schutzanforderungen festgelegt . Die Energieberechnung kann dabei über I *U* t oder ein Integral über i*u*dt erfolgen .

Die Erfindung liegt also nicht nur darin, mit der Auslösung des Hauptschalters zu warten, bis die vom Störlichtbogen freigesetzte Energie den vorgegebenen Energieschwellwert erreicht hat . Sondern das Störlichtbogenschutzsystem gibt zunächst den Abgangsschaltern die Möglichkeit , den Störlichtbogen zu löschen, falls der Störlichtbogen hinter den Abgangsschaltern liegt . Erst wenn bis zum Erreichen des Energieschwellwerts keine Reaktion eines der Abgangsschalter erfolgt , wird die Auslöseblockade des Hauptschalters aufgehoben, damit der Hauptschalter bei Vorliegen seiner Auslösebedingungen auslösen kann . Somit ist es mit der Erfindung möglich zu unterscheiden, ob der Fehler in einer der Abgangsleitungen oder in der Hauptverteilungsleitung liegt . Falls der Fehler in einer der Abgangsleitungen liegt , wird er vom Abgangsschalter geklärt . Somit wird der Fehlerstrom begrenzt und der Energieschwellwert wird nicht erreicht , demzufolge erfolgt auch keine Auslösung des Hauptschalters . Wenn in dem Verteilungsnetz nach Erreichung des vordefinierten Energieschwellwerts immer noch ein Fehlerstrom oberhalb der ersten Auslöseschwelle des Hauptschalters besteht , bedeutet das , dass der Störlichtbogenfehler in der Hauptverteilungsleitung liegt ; folglich reagiert das Störlichtbogenschutzsystem sofort durch ein Auslösen des Hauptschalters .

Die erfindungsgemäße Störlichtbogenschutzeinheit ist für ein hierarchisch strukturiertes elektrisches Verteilungsnetz konzipiert , das mindestens einen übergeordneten Schalter und untergeordnete Schalter aufweist . Die Störlichtbogenschut zein- heit weist ein Interface zum Empfangen von elektrischen Spannungs- und/oder Stromwerten des Verteilungsnetzes und zum Senden von Signalen an den übergeordneten Schalter auf . Die Störlichtbogenschutzeinheit weist einen Datenspeicher zum Speichern eines vorgegebenen Energieschwellwerts auf . Die Störlichtbogenschutzeinheit weist einen Prozessor auf , der konfiguriert ist , einen Störlichtbogen in dem Verteilungsnetz auf Basis von elektrischen Spannungs- und/oder Stromwerten des Verteilungsnetzes zu erkennen, auf Basis von in dem Verteilungsnetz gemessenen Stromwerten und Spannungswerten die vom Störlichtbogen freigesetzte Energie zu ermitteln und mit dem Energieschwellwert zu vergleichen, und eine Auslösung des übergeordneten Schalters zur Löschung des Störlichtbogens so lange zu blockieren, bis die ermittelte Energie den Energieschwellwert überschritten hat .

Dabei bilden die Störlichtbogenschutzeinheit , eine Erfassungsvorrichtung, z . B . ein Strom- und/oder Spannungssensor, die konfiguriert ist , elektrische Spannungs- und/oder Stromwerte des Verteilungsnetzes zu erfassen und an die Störlichtbogenschutzeinheit zu senden, sowie ein Störlichtbogen- Schutzschalter, der konfiguriert ist , entweder nach Erhalt eines Auslösesignals von der Störlichtbogenschutzeinheit zur Löschung des Störlichtbogens oder, falls ein Stromwert in dem Verteilungsnetz einen Schwellwert überschreitet und kein Blockadebefehl in Bezug auf den Energieschwellwert von Seiten der Störlichtbogenschutzeinheit vorliegt , seinen Strom in dem Verteilungsnetz zu unterbrechen, ein Störlichtbogenschutzsystem .

Somit kann j e nachdem, welche vom Störlichtbogen im Verteilungsnetz freigesetzte Energie in den unterschiedlichen Verteilebenen des Verteilungsnetzes tolerierbar ist , das Auslösesignal der Störlichtbogenschutzeinheit an einen Störlichtbogen-Schutzschalter in einer übergeordneten Ebene des Verteilungsnetzes ( auch als Schutzbereich I bezeichnet ) verzögert und währenddessen einem Schutzschaltgerät in einer untergeordneten Ebene des Verteilungsnetzes ( auch als Schutzbe- reich I I bezeichnet ) Zeit gegeben werden, den Fehler, d . h . den Störlichtbogen, zu klären, bevor das Auslösesignal der Störlichtbogenschutzeinheit an den Störlichtbogen-Schutzschalter eine Abschaltung des gesamten Verteilungsnetzes verursacht . Die Selektivität in dem Verteilungsnetz kann damit bis zu einer definierten Schadenshöhe , entsprechend der geduldeten Energiefreisetzung des Störlichtbogens , gewährleistet werden .

Der Begri f f „Ebene" des Verteilungsnetzes ist nicht einschränkend auf die Struktur des Verteilungsnetzes aus zulegen; er ist einfach als ein Bereich, insbesondere ein Schutzbereich, des Verteilungsnetzes anzusehen . Der Begri f f „Ebene" betrachtet das Verteilungsnetz in einer eher hierarchischen Sichtweise , während der Begri f f „Bereich" das Verteilungsnetz eher seine netzartige Struktur hervorhebt . Von wesentlicher Bedeutung ist , dass elektrische Energie , welche von dem Einspeisepunkt zu einer untergeordneten Ebene bzw . in einen untergeordneten Bereich des Verteilungsnetzes gelangen soll , die übergeordnete Ebene bzw . den übergeordneten Bereich durchlaufen muss . Somit führt eine Unterbrechung des Stroms in der Hauptleitung in der übergeordneten Ebene bzw . in dem übergeordneten Bereich dazu, dass in den untergeordneten Ebenen bzw . in den untergeordneten Bereichen des Verteilungsnetzes ebenfalls kein Strom mehr fließt .

In dem Störlichtbogenschutzsystem wird j e nach erwarteter Schadenshöhe eine der Lichtbogenenergie entsprechende Wartezeit abgeleitet . Damit erfolgt die tatsächliche Auslösung und Klärung des Fehlers in einer übergeordneten Ebene des Verteilungsnetzes nicht mehr unverzögert , sondern in Abhängigkeit von der Lichtbogenenergie (= Schadensenergie ) .

Es können insbesondere vier unterschiedliche S zenarien a bis d eines Störlichtbogens betrachtet werden : a) Bei einem Störlichtbogen mit relativ geringer Energiefreisetzung, die nicht für eine Aufrechterhaltung des Störlichtbogens ausreicht , da nicht genügend leitfähiges Plasma ent- steht , löscht sich der Störlichtbogen von selbst , ohne einen signi fikanten Schaden in dem Verteilungsnetz zu verursachen . Das Störlichtbogenschutzsystem wird in diesem Fall nicht aktiviert . b) Bei einem Störlichtbogen im Schutzbereich I wird der Fehlerstrom meistens im Kurzschlussbereich liegen . Je höher der Störlichtbogenstrom ist , desto kürzer ist die Zeitspanne bis zum Überschreiten des Energieschwellwerts . Beim Überschreiten des Energieschwellwerts im Zusammenhang mit dem i-/u-Detek- tionsalgorithmus löscht das Störlichtbogenschutzsystem den Störlichtbogen aktiv . c) Bei einem Störlichtbogen im Schutzbereich I I wird der Störlichtbogen von dem zuständigen Abgangsschalter gelöscht , der in vielen Fällen sehr schnell ist . In diesem Fall wird der Energieschwellwert nicht überschritten . d) Bei einem Störlichtbogen im Schutzbereich I I , vor dem ein so großer Abgangsschalter installiert ist , dass er selbst zu träge ist , um den Störlichtbogen abzuschalten, wird das Störlichtbogenschutzsystem aktiviert , nachdem der Energieschwellwert erreicht ist . In diesem Fall dient das Störlichtbogenschutzsystem als Backup-Schutz für die Abgangsschalter .

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben . Dabei kann das erfindungsgemäße Verfahren auch entsprechend den abhängigen Vorrichtungsansprüchen weitergebildet sein, und umgekehrt .

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Berechnung der Energie des Störlichtbogens durch das Produkt U - I - At oder das zeitliche Integral E _LB = f U ( t ) - I ( t ) dt , wobei U = elektrische Spannung über den Störlichtbogen, I = elektrischer Strom durch den Störlichtbogen, At = Brenndauer des Störlichtbogens . Hier wird darauf hingewiesen, dass die Großbuchstaben U, I und die Kleinbuchstaben u, i keine unterschiedliche Bedeutung haben sollen : beide können sowohl Gleichstrom als auch Wechselstrom kennzeichnen . Die Berechnung der Lichtbogenenergie E _LB erfolgt über E _LB = U - I - At, mit U = Spannung über den Lichtbogen, I = Strom durch den Lichtbogen, At = Brenndauer des Lichtbogens . Da die Spannungs- und Stromwerte eines Störlichtbogens in der Regel zeitlich veränderlich sind, ist die oben angegebene Formel nur ein Schätzwert ; ein genauer Wert der freigesetzten Lichtbogenenergie ergibt sich durch das zeitliche Integral E _LB = f U ( t ) - I ( t ) dt , wobei über die Brenndauer des Störlichtbogens integriert wird . Der Energieschwellwert und damit die daraus abgeleitete Wartezeit des Hauptschalters ist nach der tolerierbaren Schadenshöhe zu wählen .

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird die freigesetzte Energie des Störlichtbogens erst ab einem Zeitpunkt ermittelt , an dem die Stromstärke in der Hauptverteilungsleitung eine vorgegebene erste Auslöseschwelle des übergeordneten Schalters überschritten hat , deren Überschreitung ein Kriterium für eine Erkennung eines Störlichtbogens in dem Verteilungsnetz ist . Bei einer Berechnung der Lichtbogenenergie über E _LB = U - I - At beginnt die Brenndauer des Lichtbogens also erst , wenn die Stromstärke in der Hauptverteilungsleitung eine vorgegebene erste Auslöseschwelle des übergeordneten Schalters überschritten hat . Bei einer Berechnung der Lichtbogenenergie über E _LB = f U ( t ) - I ( t ) dt ist die untere zeitliche Integrationsgrenze der Zeitpunkt , an dem die Stromstärke in der Hauptverteilungsleitung eine vorgegebene erste Auslöseschwelle des übergeordneten Schalters überschritten hat .

Die Erkennung eines Störlichtbogens in dem Verteilungsnetz erfolgt anhand von i-/u-Kriterien . Eines der i-/u-Kriterien ist , ob die Stromstärke in der Hauptverteilungsleitung eine vorgegebene erste Auslöseschwelle überschritten hat . Sobald alle i-/u-Kriterien erfüllt sind, geht das Störlichtbogenschutzsystem davon aus , dass ein Störlichtbogen in dem Verteilungsnetz brennt . Erst dann wird anhand eines Energieschwellwerts eine Unterscheidung getrof fen, ob der Fehler in einer von dem Hauptschalter abschaltbaren übergeordneten Ebene des Verteilungsnetzes ( auch als Schutzbereich I bezeichnet ) oder in einer von den Abgangsschaltern abschaltbaren un- tergeordneten Ebene des Verteilungsnetzes ( auch als Schutzbereich I I bezeichnet ) liegt . Die Energieberechnung soll erst gestartet werden, wenn eine Stromschwelle des Hauptschalters überschritten wird . Der Grund dafür ist : bei einem Störlichtbogen im Schutzbereich I I , hinter einem Abgangsschalter, wird der Störlichtbogen von einem Abgangsschalter geklärt . Somit erreicht die vom Störlichtbogen freigesetzte Energie nicht den Energieschwellwert . Hingegen wird bei einem Störlichtbogen im Schutzbereich I der Störlichtbogen so lange brennen, bis der Energieschwellwert erreicht wird und anschließend der Hauptschalter, vorzugsweise umfassend einen Kurzschließer und einen Einspeisungsschalter, aktiviert wird . Somit wird erfindungsgemäß eine Verzögerung erreicht , bevor der Hauptschalter aktiviert wird .

Da die Energie durch U - I - At berechnet wird, wird die Energie auch erst bei einem Strom über der vorgegebenen ersten Auslöseschwelle berechnet . Deswegen ist bei Erreichen des Energieschwellwerts das i-Kriterium immer erfüllt . Falls der Energieschwellwert erreicht wird, aber das u-Kriterium nicht erfüllt ist , z . B . keine Störlichtbögen, sondern andere Arten von Lichtbogen im Schutzbereich I I brennen, weist das meistens darauf hin, dass der Abgangsschalter nicht mehr in der Lage ist , den Fehler abzuschalten; in diesem Fall muss der Hauptschalter als Backup-Schutz aktiviert werden .

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Auslösung des übergeordneten Schalters erst dann, wenn die ermittelte Energie einen vorgegebenen Energieschwellwert überschritten hat und ein Stromwert in dem Verteilungsnetz über einem vorgegebenen ersten Stromschwellwert , vorzugsweise der Stromwert in der Hauptverteilungsleitung über einer vorgegebenen ersten Auslöseschwelle des übergeordneten Schalters , liegt .

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Erkennung des Störlichtbogens auf Basis von elektrischen Spannungs- und/oder Stromwerten des Verteilungsnetzes . Vorzugsweise erfolgt die Erkennung durch einen Algorithmus für Störlichtbo- gen-Erkennung, der die Spannungs- und Stromwerte des Verteilungsnetzes auswertet .

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt eine Auslösung eines untergeordneten Schalters , sobald der Stromwert in der zugeordneten Abgangsleitung über einer vorgegebenen zweiten Auslöseschwelle des untergeordneten Schalters liegt . Die Abgangsleitungen können j eweils durch einen zugeordneten Abgangsschalter unterbrochen werden, wobei ein Abgangsschalter im Falle eines definierten Überstroms oder Kurzschlussstroms die ihm zugeordnete Abgangsleitung unterbricht .

Erfindungsgemäß erfolgt eine Unterbrechung des Verteilungsnetzes durch einen übergeordneten Störlichtbogen-Schutzschalter zur Löschung des Störlichtbogens nicht bevor die Energie des Störlichtbogens einen vorgegebenen Energieschwellwert überschreitet . Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird dazu die in einem Prozessor der Störlichtbogenschutzeinheit ausgeführte Auslöse-Algorithmik mit mindestens einem Energieschwellwert für die umgesetzte Lichtbogenenergie ergänzt . Durch die Ergänzung der Auslöse-Algorithmik um einen energieabhängigen Schwellwert bzw . eine davon abhängige Wartezeit kann eine ungeplante spontane Abschaltung des Verteilungsnetzes , welche einen intolerablen Schaden hinterlassen würde , vermieden werden . Das Verteilungsnetz kann weiterbetrieben und ein ungeplanter Anlagenstillstand vermieden werden . Eine Suche nach dem Fehler kann zu einem späteren geplanten Zeitpunkt erfolgen . Ein weiterer Vorteil liegt in der Skalierbarkeit des Schwellwertes , der auf j eweiligen Bedingungen und Auslegungsgrößen des Verteilungsnetzes , z . B . Einspeiseleistung, und Topologien, z . B . Größe der Abgänge , Kühlwirkung von Stromschienen, angepasst werden kann .

Ein anderer Vorteil ist , dass Lichtbogenfehler, z . B . Kurzschlüsse , in nachrangigen Verteilerebenen, die durch die in den Abgängen dafür vorgesehenen Schutzschaltgeräte geschützt werden, nicht von dem Störlichtbogen-Schutzschalter übersteu- ert werden und es zu keiner Abschaltung des gesamten Verteilungsnetzes kommt .

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Störlichtbogenschutzeinheit ist der eine Prozessor konfiguriert , in dem Verteilungsnetz gemessene Stromwerte mit einem vorgegebenen Stromschwellwert , der in dem Datenspeicher gespeichert ist , zu vergleichen, und ein Auslöse-Signal an den übergeordneten Schalter zu senden, wenn die ermittelte Energie einen vorgegebenen Energieschwellwert überschritten hat und ein gemessener Stromwert in dem Verteilungsnetz über einer vorgegebenen ersten Auslöseschwelle des übergeordneten Schalters liegt .

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Elektrisches Verteilungsnetz , welches einen Sensor aufweist , der konfiguriert ist , elektrische Spannungs- und/oder Stromwerte des Verteilungsnetzes zu erfassen, und welches eine Störlichtbogenschutzeinheit gemäß einer der obigen Beschreibungen aufweist .

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Computerprogrammprodukt , umfassend Befehle , die bewirken, dass die Störlichtbogenschutzeinheit gemäß einer der obigen Beschreibungen die Verfahrensschritte des Verfahrens gemäß einer der obigen Beschreibungen aus führt .

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist ein Computerprogrammprodukt , das direkt in den internen Speicher einer digitalen Recheneinheit geladen werden kann und Softwarecodeabschnitte umfasst , mit denen das Verfahren, wie es oben beschrieben ist , ausgeführt wird .

Das Computerprogrammprodukt ist in einem Prozessor aus führbar ausgebildet . Das Computerprogrammprodukt kann als Software oder Firmware in einem Speicher speicherbar und durch ein Rechenwerk aus führbar ausgebildet sein . Alternativ oder ergänzend kann das Computerprogrammprodukt auch zumindest teilweise als festverdrahtete Schaltung ausgebildet sein, beispielsweise als AS IC . Das Computerprogrammprodukt ist dazu ausge- bildet , von Sensoren erfasste Messwerte zu empfangen, aus zuwerten und Steuerbefehle an Schalter bzw . Schutzschaltgeräte der Energieverteilungsanlage zu erzeugen . Erfindungsgemäß ist das Computerprogrammprodukt dazu ausgebildet , mindestens eine Aus führungs form des ski z zierten Verfahrens zum Löschen eines Störlichtbogens umzusetzen und durchzuführen . Dabei kann das Computerprogrammprodukt sämtliche Teil funktionen des Verfahrens in sich vereinigen, also monolithisch ausgebildet sein . Alternativ kann das Computerprogrammprodukt auch segmentiert ausgebildet sein und j eweils Teil funktionen auf Segmente verteilen, die auf separater Hardware ausgeführt werden . Beispielsweise kann ein Teil des Verfahrens in einer Steuereinheit durchgeführt werden und ein anderer Teil des Verfahrens in einer übergeordneten Steuereinheit , wie beispielsweise einer SPS oder einer Computer-Cloud .

Es wird weiter ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, das direkt in den internen Speicher einer digitalen Recheneinheit geladen werden kann und Softwarecodeabschnitte umfasst , mit denen die Schritte des hierin beschriebenen Verfahrens ausgeführt werden, wenn das Produkt auf der Recheneinheit läuft . Das Computerprogrammprodukt kann auf einem Datenträger gespeichert sein, wie z . B . einem USB-Speicherstick, einer DVD oder einer CD-ROM, einem Flash-Speicher, EEPROM oder einer SD-Karte . Das Computerprogrammprodukt kann auch in der Form eines über ein drahtgebundenes oder drahtloses Netzwerk ladbares Signal vorliegen .

Das Verfahren ist zur automatischen Aus führung bevorzugt in Form eines Computerprogramms realisiert . Die Erfindung ist damit einerseits auch ein Computerprogramm mit durch einen Computer aus führbaren Programmcodeanweisungen und andererseits ein Speichermedium mit einem derartigen Computerprogramm, also ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, sowie schließlich auch eine Energiequelle oder eine Tertiärregelungseinheit , in deren Speicher als Mittel zur Durchführung des Verfahrens und seiner Ausgestaltungen ein solches Computerprogramm geladen oder ladbar ist . Anstelle eines Computerprogramms mit einzelnen Programmcodeanweisungen kann die Implementierung des hier und im Folgenden beschriebenen Verfahrens auch in Form von Firmware erfolgen . Dem Fachmann ist klar, dass anstelle einer Implementation eines Verfahrens in Software stets auch eine Implementation in Firmware oder in Firm- und Software oder in Firm- und Hardware möglich ist . Daher soll für die hier vorgelegte Beschreibung gelten, dass von dem Begri f f Software oder dem Begri f f Computerprogramm auch andere Implementationsmöglichkeiten, nämlich insbesondere eine Implementation in Firmware oder in Firm- und Software oder in Firm- und Hardware , umfasst sind .

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise , wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich durch die folgende Beschreibung, welche anhand der Zeichnung näher erläutert wird . Es zeigen j eweils schematisch und nicht maßstabsgetreu

Fig . 1 eine elektrische Energieverteilungsanlage mit einem Störlichtbogen in einer übergeordneten Ebene ;

Fig . 2 ein erstes Diagramm des zeitlichen Spannungsund Stromverlaufes bei einer Störlichtbogenzündung,

Fig . 3 ein erstes Diagramm des zeitlichen Spannungsund Stromverlaufes bei einer Schaltlichtbogenzündung,

Fig . 4 ein halblogarithmisches Diagramm des zeitlichen Spannungsverlaufes bei einer Störlichtbogenzündung, Fig. 5 ein halblogarithmisches Diagramm des zeitlichen Spannungsverlaufes bei einer Schaltlichtbogenzündung,

Fig. 6 die in Fig. 1 dargestellt elektrische Energieverteilungsanlage mit einem Störlichtbogen in einer untergeordneten Ebene;

Fig. 7 ein Ablauf diagramm eines Algorithmus zur

Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ;

Fig. 8 eine Störlichtbogenschutzeinheit; und

Fig. 9 ein I-t- bzw. P-t-Diagramm in Bezug auf den

Energieschwellwert .

Fig. 1 zeigt ein elektrisches Verteilungsnetz in Gestalt einer elektrischen Energieverteilungsanlage 100, in der elektrische Energie von einem Einspeisepunkt 4 über eine übergeordnete gemeinsame Hauptverteilungsleitung 1 geleitet wird. Die gemeinsame Hauptverteilungsleitung 1 verzweigt sich an einem Verzweigungspunkt 2 in drei untergeordnete Abgangsleitungen 31, 32, 33, welche die an dem Einspeisepunkt 4 bereitgestellte elektrische Energie jeweils zu einer elektrischen Last LI, L2, L3, z. B. Elektromotoren, leiten. Dabei bildet die Hauptverteilungsleitung 1 eine übergeordnete Ebene Bl der elektrischen Energieverteilungsanlage 100, die sog. Hauptebene, und die Abgangsleitungen 31, 32, 33 bilden eine untergeordnete Ebene B2 der elektrischen Energieverteilungsanlage 100, die sog. untere Verteilebene oder Abgangsebene. Nimmt man beispielsweise an, dass jede der elektrischen Lasten LI, L2, L3 die gleiche Leistung hat, so teilt sich gemäß dem Ersten Kirchhof f sehen Gesetz (Knotenregel) der durch die Hauptverteilungsleitung 1 fließende Strom am Verzweigungspunkt 2 in drei etwa gleichstarke Ströme in den Abgangsleitungen 31, 32, 33 auf, d. h. die Stromstärke eines Stroms in einer der Abgangsleitungen 31, 32, 33 beträgt etwa ein Drittel der Stromstärke des durch die Hauptverteilungsleitung 1 fließenden Stroms.

Die gemeinsame Hauptverteilungsleitung 1 und die Abgangsleitungen 31, 32, 33 können für eine einphasige oder eine mehrphasige Stromleitung von dem Einspeisepunkt 4 zu den elektrischen Lasten LI, L2, L3 ausgestaltet sein. Für eine einphasige Stromleitung ist es ausreichend, wenn die Leitungen 1, 31, 32, 33 jeweils einen einzigen Stromleiter, und optional einen Stromrückleiter bzw. einen Neutralleiter, aufweisen. Für eine dreiphasige Stromleitung, d. h. in einem Drehstromnetz für Dreiphasenwechselstrom, ist es ausreichend, wenn die Leitungen 1, 31, 32, 33 jeweils drei getrennte Stromleiter - je ein Leiter für eine der drei Stromphasen - aufweisen; zusätzlich kann ein Neutralleiter vorhanden sein.

In der Hauptverteilungsleitung 1 sind ein Hauptschalter 6 und ein Kurzschließer 7 in Reihe geschaltet. Die Hauptverteilungsleitung 1 kann durch den Hauptschalter 6, der als ein Leistungsschalter, z. B. ein ACB (= Air Circuit Breaker) , ausgebildet ist, unterbrochen und durch den Kurzschließer 7 kurzgeschlossen werden; in beiden Fällen wird ein Lichtbogen, der in der übergeordneten Ebene Bl oder in der untergeordneten Ebene B2 brennt, gelöscht. In alternativen Ausführungen ist ausschließlich ein Hauptschalter 6 oder ausschließlich ein Kurzschließer 7 in die Hauptverteilungsleitung 1 geschaltet .

Die Abgangsleitungen 31, 32, 33 können jeweils durch ein zugeordnetes Schutzschaltgerät 81, 82, 83 - im Folgenden auch als Abgangsschalter bezeichnet - unterbrochen werden. Die Schutzschaltgeräte 81, 82, 83 können als ein Leistungsschalter, z. B. ein ACB, ein MCCB (= Moulded Case Circuit Breaker) , ein MCB (= Miniature Circuit Breaker) oder eine Sicherung ausgebildet sein.

In der Hauptverteilungsleitung 1 ist ein Sensor S1 zum Ermitteln von Messwerten von Spannung U und Strom I in der Haupt- Verteilungsleitung 1 angeordnet. Der Sensor S1 ist an eine Sensorleitung 13 angeschlossen, zur Übermittlung der von dem Sensor S1 erfassten Messwerte an eine Störlichtbogenschutzeinheit 16, die auch als PADD (= Parallel Arc Detection Device) bezeichnet wird. Von der Störlichtbogenschutzeinheit 16 verlaufen Steuerleitungen 10 zu dem Hauptschalter 6 und dem Kurzschließer 7, zur Übermittlung von Steuersignalen, z. B. einem Auslösesignal oder einem Blockadesignal, von der Störlichtbogenschutzeinheit 16 an den Hauptschalter 6 und den Kurzschließer 7.

Die Störlichtbogenschutzeinheit 16 ist dazu konfiguriert, auf Basis von elektrischen Spannungs- und Stromwerten, die von dem Sensor S1 in der Hauptverteilungsleitung 1 gemessen wurden, das Brennen eines Störlichtbogens Fl in der Energieverteilungsanlage 100 zu detektieren.

Im Stromkreis bzw. Netz, in dem ein Lichtbogen brennt, kann ein Strom- und Spannungsverlauf gemessen werden, der einen signifikanten Verlauf aufweist. Ein typischer zeitlicher Spannungsverlauf u _m (t) und zeitlicher Stromverlauf i _m (t) für einen Störlichtbogen ist in Figur 2 dargestellt. Diese zeigt eine Darstellung eines Diagramms, in dem der zeitliche Verlauf der elektrischen Spannung U und des elektrischen Stromes I nach Zündung eines Lichtbogens bzw. Störlichtbogens, insbesondere parallelen Störlichtbogen, in einem elektrischen Stromkreis, insbesondere Niederspannungsstromkreis, dargestellt ist.

Auf der horizontalen X-Achse ist die Zeit t in Millisekunden (ms) [t in ms] dargestellt. Auf der vertikalen Y-Achse ist auf der linken Skalierung die Größe der elektrischen Spannung u _m in Volt (V) [u _m in V] abgebildet. Auf der rechten Skalierung ist die Größe des elektrischen Stromes i _m in Kiloampere (kA) [i _m in kA] abgebildet.

Nach Lichtbogenzündung verläuft der Strom I annähernd sinusförmig weiter. Die Spannung U verläuft stark verzerrt, etwa „zackenförmig" , mit schnellen Spannungsänderungen . Grob interpretiert ist der Spannungsverlauf in erster Näherung rechteckförmig, an Stelle eines üblicherweise sinus förmigen Verlaufs . Abstrahiert betrachtet lässt sich im Spannungsverlauf eine Rechteckform erkennen, die auf dem Plateau einen hoch stochastischen Anteil auf zeigt . Die Rechteckform ist dadurch gekennzeichnet , dass es bei der Lichtbogenzündung und in den nachfolgenden Spannungsnulldurchgängen der Wechselspannung zu signi fikant erhöhten Spannungsänderungen kommt , die folgend als Spannungssprung bezeichnet werden, da der Anstieg der Spannungsänderung im Vergleich zu einem sinus förmigen Spannungsverlauf wesentlich größer ist .

Figur 3 zeigt ein Diagramm des zeitlichen Spannungs- und Stromverlaufes gemäß Figur 2 , mit dem Unterschied einer Schaltlichtbogenzündung .

Werden die Verläufe gemäß Figur 2 und 3 halblogarithmisch dargestellt , so zeigt sich entsprechend Figur 4 und 5 das für einen Schaltlichtbogen typische und vom Störlichtbogen abweichende Verhalten im Spannungsverlauf .

Figur 4 zeigt eine Darstellung des zeitlichen Spannungsverlaufes u _m ( t ) , u _m ( t ) log bei einer Störlichtbogenzündung gemäß Figur 2 einerseits in linearer u _m ( t ) und andererseits in halblogarithmischer u _m ( t ) log Abbildung . Auf der hori zontalen X-Achse ist die Zeit t in Millisekunden (ms ) [ t in ms ] dargestellt . Auf der vertikalen Y-Achse ist auf der linken Skalierung die Größe der elektrischen Spannung u _m in Volt (V) [u _m in V] in linearer Darstellung abgebildet . Auf der rechten Skalierung ist die Größe der elektrischen Spannung u _m in Volt (V) [u _m in V] in logarithmischer Darstellung abgebildet .

Figur 5 zeigt ein Diagramm gemäß Figur 4 , mit dem Unterschied einer Schaltlichtbogenzündung .

In einem Stromkreis bzw . einem Netz ist es also möglich, das Brennen eines Störlichtbogens anhand der Strom- und Span- nungswerte zu erkennen . Ein solches Verfahren ist z . B . beschrieben in DE102016209445A1 ( Siemens AG; TU Dresden) 30 . November 2017 .

Die in Fig . 1 dargestellte Störlichtbogenschutzeinheit 16 ist außerdem dazu konfiguriert , auf Basis von elektrischen Span- nungs- und Stromwerten, die von dem Sensor S 1 in der Hauptverteilungsleitung 1 gemessen wurden, die Energie eines Störlichtbogens in der Energieverteilungsanlage 100 zu berechnen . Dabei erfolgt die Berechnung der Lichtbogenenergie E _LB durch die Formel E _LB = U - I - At, wobei U = Spannung über den Lichtbogen = Spannung zwischen den beiden Leitern, zwischen denen der Lichtbogen brennt ; I = Strom durch den Lichtbogen = Strom durch die beiden Leiter, zwischen denen der Lichtbogen brennt ; At = Brenndauer des Lichtbogens .

Die Störlichtbogenschutzeinheit 16 vergleicht die mit der Brenndauer fortlaufend zunehmende Lichtbogenenergie E _LB mit einem vorgegebenen Schwellwert . Falls die Lichtbogenenergie E _LB kleiner als der Schwellwert ist , ist der mögliche Schaden, der durch den Störlichtbogen in der Energieverteilungsanlage 100 hervorgerufen wird, noch tolerierbar ; in diesem Fall wartet die Störlichtbogenschutzeinheit 16 noch ab, dass ein Abgangsschalter 81 , 82 , 83 den Störlichtbogen zum Erlöschen bringt . Falls die Lichtbogenenergie E _LB j edoch den Schwellwert erreicht , ist der mögliche Schaden, der durch den Störlichtbogen in der Energieverteilungsanlage 100 hervorgerufen wird, nicht mehr tolerierbar ; in diesem Fall sendet die Störlichtbogenschutzeinheit 16 ein Auslösesignal an den Hauptschalter 6 , um den Störlichtbogen zum Erlöschen zu bringen .

In den Figuren 1 und 6 sind zwei unterschiedliche Situationen dargestellt . In einem ersten, in Fig . 1 dargestellten S zenario brennt ein Störlichtbogen Fl in der übergeordneten Ebene Bl der Energieverteilungsanlage 100 , nämlich in der Hauptverteilungsleitung 1 zwischen dem Hauptschalter 1 und der Verzweigungsstelle , an der sich die Hauptverteilungsleitung 1 in die Abgangsleitungen 31 , 32 , 33 verzweigt . In einem zweiten, in Fig . 6 dargestellten S zenario brennt ein Störlichtbogen F2 in der untergeordneten Ebene B2 der Energieverteilungsanlage 100 , nämlich in der mittleren Abgangsleitung 32 zwischen der Verzweigungsstelle , an der sich die Hauptverteilungsleitung 1 in die Abgangsleitungen 31 , 32 , 33 verzweigt und der von der mittleren Abgangsleitung 32 mit elektrischer Energie versorgten zweiten Last L2 .

In beiden Situationen misst der Sensor S 1 der Hauptverteilungsleitung 1 die für einen Störlichtbogen charakteristischen Messwerte von Strom I und Spannung U, die über die Sensorleitung 13 zu der Störlichtbogenschutzeinheit 16 übertragen werden . Die Störlichtbogenschutzeinheit 16 berechnet daraus die Lichtbogenenergie E _LB und vergleicht sie mit einem vorgegebenen Energieschwellwert E _s , der in der Störlichtbogenschutzeinheit 16 gespeichert ist . Sobald die Lichtbogenenergie E _LB den Energieschwellwert E _s erreicht , sendet die Störlichtbogenschutzeinheit 16 ein Auslösesignal über die Steuerleitung 10 zu dem Hauptschalter 6 .

Figur 7 zeigt einen möglichen Verfahrensablauf , der z . B . in Form eines Algorithmus realisiert sein kann . In einem ersten Schritt 200 wird auf Basis von Strom- und/oder Spannungswerten der Hauptverteilungsleitung 1 detektiert , dass ein Störlichtbogen in der Energieverteilungsanlage 100 brennt . Dieser Zeitpunkt tO der Detektion wird als der Zündzeitpunkt des Störlichtbogen gespeichert . In einem nachfolgenden Schritt 210 erfolgt zu einem Zeitpunkt t > tO eine Prüfung auf Basis der eingelesenen Strom- und Spannungswerte der Hauptverteilungsleitung 1 , ob die seit dem Zündzeitpunkt freigesetzte Energie E _LB des Störlichtbogens , berechnet mit der Formel E _LB = U - I - At mit At = t - tO , den vorgegebenen Energieschwellwert E _s erreicht hat .

Falls j a (Y) , wird der Hauptschalter in Schritt 220 durch ein Auslösesignal der Störlichtbogenschutzeinheit 16 veranlasst , den Strom in der Hauptverteilungsleitung 1 zu unterbrechen . Als Folge der Unterbrechung der als Einspeiseleitung der Energieverteilungsanlage 100 fungierenden Hauptverteilungsleitung 1 ist die Energieverteilungsanlage 100 stromlos geschaltet und der Störlichtbogen, wo auch immer er sich in der Energieverteilungsanlage 100 befindet , wird in Schritt 230 gelöscht .

Falls nein (N) , erfolgt in Schritt 240 eine Prüfung in den Abgangsschaltern, ob der Strom in der j eweils zugeordneten Abgangsleitung die j eweilige Auslöseschwelle des Abgangsschalters überschreitet , z . B . aufgrund von Überström oder Kurzschlussstrom . Falls j a (Y) , unterbricht derj enige Abgangsschalter, dessen Auslöseschwelle überschritten wurde , in Schritt 250 den Strom in der zugeordneten Abgangsleitung . Als Folge der Unterbrechung der als Abzweig der Energieverteilungsanlage 100 fungierenden Abgangsleitung ist ein Abzweig der Energieverteilungsanlage 100 stromlos geschaltet und der Störlichtbogen, der in diesem Abzweig der Energieverteilungsanlage 100 brennt , wird in Schritt 260 gelöscht . Falls nein (N) , wird wieder zu Schritt 210 gesprungen .

Fig . 8 zeigt eine Störlichtbogenschutzeinheit 16 , welche einen Prozessor 26 , einen Datenspeicher 25 und ein Kommunikationsinterface 27 aufweist . Uber das Kommunikationsinterface 27 kann die Störlichtbogenschutzeinheit 16 Daten empfangen, z . B . Strom- und Spannungsmesswerte von Sensoren wie z . B . dem an der Hauptverteilungsleitung 1 angeordneten Sensor S 1 oder Computerprogrammdaten von übergeordneten Instanzen wie einer Leitwarte oder einem Steuergerät , und versenden, z . B . Steuersignale an Schalter wie z . B . dem an der Hauptverteilungsleitung 1 angeordneten Hauptschalter 6 . In dem Datenspeicher 25 können Daten gespeichert werden, z . B . Strom- und Spannungsmesswerte von Sensoren oder Computerprogramme . Der Prozessor 26 kann Rechenschritte aus führen, z . B . ein in dem Datenspeicher 25 abgelegtes Computerprogramm in einen Arbeitsspeicher des Prozessors 26 laden und als einen Rechenalgorithmus abarbeiten . Fig . 9 zeigt ein I-t- bzw . P-t-Diagramm in Bezug auf den Energieschwellwert . Dabei ist die Länge At _s des Zeitraums bis zum Erreichen des Energieschwellwerts E _s über dem Störlichtbogenstrom I _LB und der Einspeiseleistung P am Einspeisepunkt des Verteilnetzes aufgetragen . Je höher der Störlichtbogenstrom bzw . die Einspeiseleistung ist , desto kürzer ist die Zeitspanne At _s bis zum Überschreiten des Energieschwellwerts . Mit der Einspeiseleistung steigen also die zeitlichen Anforderungen an das Störlichtbogensystem .