Verfahren zum Störlichtbogenschutz

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

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 Störlichtbogenschutzsystem übersteuert . Die Selektivität in der Schaltanlage , nämlich das selektive Abschalten des Ab- zweigs , im Folgenden auch als Abgang 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 hohen Lichtbogenenergien in einem übergeordneten Bereich einer Schaltanlage , beispielsweise nahe an einem Einspeisepunkt elektrischer Energie in die Schaltanlage , konzipiert ist , ist aber auch aus einem anderen Grund nicht immer die beste Lösung . Bei vielen Störlichtbogenereignissen erlischt der Lichtbogen nach einer sehr kurzen Zeit wieder von selbst , da die freigesetzte Energie zu gering ist , um den Lichtbogen dauerhaft aufrecht erhalten zu können . Der durch den Störlichtbogen hervorgerufene Schaden kann in diesen Fällen relativ gering sein, z . B . auf ein Schadensbild mit Lichtbogenfußpunkten, relativ kleine abgeschmol zene Stellen und geringe Schmauchspuren begrenzt , während der eigentliche , weitaus kostenintensivere Schaden erst durch das Abschalten der gesamten Schaltanlage entsteht , welches vom Störlichtbogenschutzsystem veranlasst wurde .

Es besteht somit Bedarf nach einem verbesserten Störlichtbogenschutzsystem .

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 . Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Störlichtbogenschutzeinheit nach Anspruch 11 .

Das erfindungsgemäße Verfahren dient dem Störlichtbogenschutz in einer elektrischen Energieverteilungsanlage . Die Energieverteilungsanlage weist dabei einen elektrischen Einspeisepunkt auf , an dem elektrische Energie , die von einer elektrischen Energiequelle , z . B . einer mehrphasigen Stromversorgung, bereitgestellt wird, in die Energieverteilungsanlage eingespeist wird . An dem Einspeisepunkt kann ein Trans formator vorgesehen sein, der eine Spannungsumwandlung vornimmt , in der Regel von einer höheren Spannung der elektrischen Energiequelle zu einer niedrigeren Spannung in der Energie- Verteilungsanlage . Die Energieverteilungsanlage weist darüber hinaus eine übergeordnete gemeinsame Hauptverteilungsleitung und mehrere untergeordnete Abgangsleitungen auf . In der Energieverteilungsanlage wird elektrische Energie von dem elektrischen Einspeisepunkt über die Hauptverteilungsleitung und von der Hauptverteilungsleitung über die Abgangsleitungen zu elektrischen Verbrauchern verteilt . Die elektrische Energieverteilungsanlage wird im Folgenden auch als Verteilungsnetz bezeichnet . Die elektrische Energieverteilungsanlage kann z . B . eine Schaltanlage oder ein anderer Stromkreis zur Verteilung elektrischer Energie von einem Einspeisepunkt an elektrische Verbraucher sein . Dabei kann die Hauptverteilungsleitung durch einen Hauptschalter unterbrochen werden und die Abgangsleitungen können j eweils durch einen zugeordneten Abgangsschalter unterbrochen werden . Der Hauptschalter kann als ein Schutzschaltgerät , z . B . ein Leistungsschalter, oder ein Kurzschließer ausgebildet sein . Der Hauptschalter kann auch als eine Reihenschaltung eines Schutzschaltgeräts , z . B . eines Leistungsschalters , und eines Kurzschließers ausgebildet sein . Die Abgangsschalter können dabei als Schutzschaltgeräte wie ACB, MCB, MCCB oder eine Sicherung ausgebildet sein (ACB = Air Circuit Breaker ; MCB = Miniature Circuit Breaker ; MCCB = Moulded Case Circuit Breaker ) . So wird ein erster Schutzbereich der Energieverteilungsanlage definiert , der zwischen dem Hauptschalter und den Abgangsschaltern liegt , sowie ein zweiter Schutzbereich der Energieverteilungsanlage , der in Richtung des Energietransports hinter den Abgangsschaltern liegt . Ein Störlichtbogenstromschwellwert , dessen Überschreitung durch einen Störlichtbogenstrom eines Störlichtbogens Voraussetzung ist für eine Auslösung des Hauptschalters , um den Störlichtbogen zu löschen, ist so auf den maximalen Durchlassstrom der Abgangsschalter und/oder die Abgangs-Auslösedauer der Abgangsschalter abgestimmt , dass ein Störlichtbogen entweder selektiv durch einen der Abgangsschalter oder durch den Hauptschalter gelöscht wird, bevor die vom Störlichtbogen freigesetzte Energie einen vorgegebenen Energieschwellwert überschreitet . Eine selektive Fehlerklärung bedeutet in Bezug auf die oben beschriebene Energieverteilungsanlage , a) dass im Falle eines Störlichtbogens im zweiten Schutzbereich zunächst den Abgangsschaltern Gelegenheit gegeben wird, diesen Störlichtbogen durch eine Auslösung eines dem Störlichtbogen vorgelagerten Abgangsschalters zu löschen, bevor der Hauptschalter ausgelöst wird, b) dass im Falle eines Störlichtbogens im ersten Schutzbereich der Hauptschalter ausgelöst wird, und c) dass sichergestellt ist , dass eine Löschung eines Störlichtbogens erfolgt , bevor die vom Störlichtbogen in der Energieverteilungsanlage freigesetzte Energie den definierten Energieschwellwert überschreitet .

Das Auftreten eines Störlichtbogens in der Energieverteilungsanlage wird im Folgenden, analog zu der Bezeichnung eines Störlichtbogens als Fehlerlichtbogen, auch einfach als Fehlerereignis oder kurz als : Fehler bezeichnet .

Eine der Erfindung zugrunde liegende Idee ist , einen von einem Störlichtbogenschutzsystem verwendeten Schutzalgorithmus so zu ergänzen, dass der Schutzalgorithmus einen nicht zu überschreitenden Energieschwellwert für die freigesetzte Störlichtbogenenergie berücksichtigt . Der Energieschwellwert entspricht der maximal tolerierbaren Schadenshöhe in der Energieverteilungsanlage . Beim Auftreten eines Störlichtbogens soll zunächst versucht werden, den Störlichtbogen selektiv zu löschen, d . h . durch einen der Abgangsschalter, bevor der übergeordnete Hauptschalter ausgelöst wird . Das Verzögern der Auslösung des Hauptschalters ist insofern von Vorteil , als in vielen Fällen, wie in der Beschreibungseinleitung bereits erwähnt , der eigentliche Schaden nicht durch den Störlichtbogen selbst , sondern erst durch das Abschalten der gesamten Schaltanlage entsteht . Um den Energieschwellwert einzuhalten, wird aber nicht fortwährend die durch den Störlichtbogen in die Anlage freigesetzte Energie mit dem Energieschwellwert verglichen, sondern gemäß der hier vorliegenden Erfindung während der Planung bzw . Auslegung der Energie- Verteilungsanlage eine Festlegung des Störlichtbogenstromschwellwerts in dem Hauptschalter auf Basis des Energieschwellwerts vorgenommen, derart , dass der Störlichtbogenstromschwellwert überschritten wird, bevor der Energieschwellwert überschritten wird . Im Hauptschalter selbst bzw . einer den Hauptschalter auslösenden Steuereinheit ist dieser Energieschwellwert also nur in Gestalt dieses Störlichtbogenstromschwellwerts hinterlegt .

Gemäß der Erfindung wird der Störlichtbogen also gelöscht , bevor die vom Störlichtbogen freigesetzte Energie einen vorgegebenen Energieschwellwert überschreitet . Ein Störlichtbogenschutz-Algorithmus erkennt ein Fehlerereignis und kann aber mit der Auslösung des Hauptschalters so lange warten, wie der Schaden toleriert werden kann ( ein hoher Störlichtbogenstromschwellwert ist äquivalent zu einer langen zeitlichen Verzögerung der Auslösung des Hauptschalters ) . Damit gibt der Algorithmus zunächst den untergeordneten Abgangsschaltern Gelegenheit , den dort lokalisierten Fehler zu klären, ohne dass die gesamte Energieverteilungsanlage wie bisher standardmäßig abgeschaltet wird . Der Algorithmus für den Störlichtbogenschutz wird um eine Wartezeit , d . h . eine Verzögerung des Hauptschalters , erweitert , um die Selektivität zu gewährleisten . Es können also zwei verschiedene Ereignisse unterschieden werden : a ) „selektives Auslösen eines der Abgangsschalter, um einen Störlichtbogen in einer untergeordneten Ebene der Energieverteilungsanlage zu löschen" und b ) „Auslösen des Hauptschalters , um einen Störlichtbogen in einer übergeordneten Ebene der Energieverteilungsanlage zu löschen oder als Fallback-Lösung, um zu verhindern, dass die vom Störlichtbogen freigesetzte Energie einen vorgegebenen Energieschwellwert überschreitet" . Die herkömmlichen Methoden der Selektivität werden um das Energiekriterium eines maximal zu tolerierenden Schadens im Falle eines Störlichtbogenereignisses erweitert .

Der Begri f f „Ebene" der Energieverteilungsanlage ist nicht einschränkend auf die Struktur der Energieverteilungsanlage aus zulegen; er ist einfach als ein Bereich, insbesondere ein Schutzbereich, der Energieverteilungsanlage anzusehen . Der Begri f f „Ebene" betrachtet die Energieverteilungsanlage in einer eher hierarchischen Sichtweise , während der Begri f f „Bereich" eher die netzartige Struktur der Energieverteilungsanlage hervorhebt . Von wesentlicher Bedeutung ist , dass elektrische Energie , welche von dem Einspeisepunkt zu einer untergeordneten Ebene bzw . in einen untergeordneten Bereich der Energieverteilungsanlage 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 der Energieverteilungsanlage ebenfalls kein Strom mehr fließt .

Bei Störlichtbogenschutzsystemen, deren Detektion auf Strom und Spannung basieren, konnte bisher nur die Selektivität bis zu der Höhe des Störlichtbogenstromschwellwerts gewährleistet werden . Dieser Störlichtbogenstromschwellwert ist auf die Messstelle in der Nähe des Einspeisepunkts bezogen und wird üblicherweise nach den Erfordernissen des Schutzes des Hauptsammelschienensystems , d . h . der Hauptleitung in der übergeordneten Ebene der Energieverteilungsanlage , festgelegt . Werden bekannte Störlichtbogenschutz-Algorithmen, nämlich die Verknüpfung von Spannungserkennungsmethoden und eines Störlichtbogenstromschwellwerts , nun gemäß der Erfindung mit der einer Energiebetrachtung verknüpft , so kann deutlich di f ferenzierter eine Auslösung bzw . Nichtauslösung unterer Verteilebenen gesteuert und damit Selektivität gewährleistet werden .

Bei herkömmlichen Schutzgeräten werden die Auslösekennlinien und die Stromschwellwerte in den Schutzgeräten durch den Hersteller der Schutzgeräte festgelegt ; die Schutzgeräte sind außerdem in der Regel nicht für unterschiedliche Applikationen konfigurierbar . Die Erfindung erlaubt es nun, die Strom- Zeit-Kennlinie der Schutzgeräte und den Energieschwellwert j e nach der Applikation, in der die Schutzgeräte eingesetzt werden sollen, anzupassen .

Die erfindungsgemäße Störlichtbogenschutzeinheit ist für einen Einsatz in einer elektrischen Energieverteilungsanlage angepasst . Sie weist ein Interface zum Empfangen von elektrischen Spannungs- und/oder Stromwerten, die in der Energieverteilungsanlage gemessen wurden, und zum Senden von Signalen an einen Hauptschalter auf . Sie weist außerdem einen Datenspeicher zum Speichern eines vorgegebenen Störlichtbogenstromschwellwerts auf , oberhalb dessen der Hauptschalter ausgelöst wird . Und sie weist einen Prozessor auf , der konfiguriert ist , einen in der Energieverteilungsanlage brennenden Störlichtbogen auf Basis von elektrischen Spannungs- und/oder Stromwerten der Energieverteilungsanlage zu erkennen und den Hauptschalter aus zulösen, falls der am Hauptschalter gemessene Störlichtbogenstrom des Störlichtbogens den Störlichtbogenstromschwellwert überschreitet oder bevor die vom Störlichtbogen freigesetzte Energie einen vorgegebenen Energieschwellwert überschreitet .

Gemäß der Erfindung wird der Störlichtbogenstromschwellwert so festgelegt , dass er kleiner als ein maximaler Störlichtbogenstrom in der Hauptverteilungsleitung ist . Auf diese Weise wird sichergestellt , dass der Störlichtbogenstromschwellwert in j edem Fall erreicht wird und somit die Auslösung des Hauptschalters nicht unterbleibt , falls der Störlichtbogen im ersten Schutzbereich brennt bzw . der Energieschwellwert erreicht wird .

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 wird der Störlichtbogenstromschwellwert größer als der maximale Durchlassstrom der Abgangsschalter gewählt , falls die Abgangsschalter strombegrenzend sind .

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Störlichtbogenstromschwellwert so festgelegt , dass das Zeitintervall bis zum Erreichen des Störlichtbogenstromschwellwerts kleiner ist als das Zeitintervall bis zum Erreichen des Energieschwellwerts . Auf diese Weise wird sichergestellt , dass der Störlichtbogen gelöscht ist , bevor die von ihm in der Energieverteilungsanlage freigesetzte Energie den Energieschwellwert überschreitet . Der Hauptschalter dient hierbei als eine Fallback-Lösung für die Löschung des Störlichtbogens , falls die Abgangsschalter den Störlichtbogen nicht löschen konnten .

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Hauptverteilungsleitung durch den Hauptschalter nach einer Abschaltdauer nach Erhalt eines Abschaltbefehls unterbrochen, und die Abgangsschalter sind konfiguriert , entsprechend einer j eweiligen Zeit-Strom-Kennlinie der Abgangsschalter aus zulösen, die eine Relation zwischen einem maximalen Durchlassstrom des Abgangsschalters und einer Abgangs-Auslösedauer des Abgangsschalters definiert . Dabei wird in einem ersten Fall , in dem die Summe aus j eweils einer Abgangs-Auslösedauer der Abgangsschalter und der Abschaltdauer des Hauptschalters kleiner ist als das Zeitintervall bis zum Erreichen des Energieschwellwerts , eine Wartezeit festgelegt , während der eine Auslösung des Hauptschalters blockiert wird . Diese Wartezeit dient dazu, den untergeordneten Abgangsschaltern der Energieverteilungsanlage Gelegenheit zu geben, den Störlichtbogen selektiv zu löschen . Dabei wird diese Wartezeit mindestens so groß wie die Abgangs-Auslösedauer festgelegt und außerdem so , dass die vom Störlichtbogen freigesetzte Energie den vorgegebenen Energieschwellwert nicht überschreitet .

Die Abschaltdauer des Hauptschalters ist die Zeitspanne , die der Hauptschalter nach Eintref fen eines Auslösebefehls benötigt , den Strom in der Hauptverteilungsleitung zu unterbrechen, sozusagen seine Reaktions zeit . Der Störlichtbogenschutz-Algorithmus kann so angepasst werden, dass j e nach Lichtbogenenergielevel in den unterschiedlichen Verteilebenen der Energieverteilungsanlage das Auslösesignal an den Hauptschalter verzögert wird und zunächst , spätestens bis zu dem Zeitpunkt , an dem der Energieschwellwert erreicht wird, einem Abgangsschalter einer unteren Verteilebene Zeit gegeben wird, um den Fehler zu klären . Die Selektivität in der Energieverteilungsanlage kann damit bis zu einer definierten Schadenshöhe gewährleistet werden .

Während der vorgegebenen Wartezeit des Hauptschalters wird den Abgangsschaltern Gelegenheit gegeben, den Störlichtbogen selektiv zu löschen . Dabei wird die Wartezeit des Hauptschalters so festgelegt , dass die vom Störlichtbogen freigesetzte Energie einen vorgegebenen Energieschwellwert nicht überschreitet , gleich, ob der Störlichtbogen letzten Endes durch eine Auslösung eines der Abgangsschalter oder des Hauptschalters gelöscht werden soll .

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

Abhängig von den Größen der Schaltanlage , z . B . Einspeiseleistung und Design der Verteilung, und dem Abschaltverhalten der Schutzgeräte , z . B . Strombegrenzung, Auslöse- und Ab- schalt zelten, wird das Selektivitätsverhalten der Schutzschaltgeräte in dem Energieverteilungsanlage abgestimmt . Der tolerable Energieschwellwert wird in eine Zeitverzögerung, d . h . eine Wartezeit des Störlichtbogenschutzsystems (= Störlichtbogenschutzeinheit und Hauptschalter ) , umgewandelt (bei einem entsprechenden Störlichtbogenstromschwellwert ) und mit dem Auslöseverhalten eines Abgangsschalters verglichen . I st nun die mögliche Wartezeit des Störlichtbogenschutzsystems größer als die Auslösedauer des Abgangsschalters und ist die Strombegrenzung ausreichend in Bezug auf den Störlichtbogenstromschwellwert , so ist Selektivität gegeben . Diese Selektivität ist geplant und in die Anlage designt . Es besteht auch die Möglichkeit , die Parameter mittels einer Signal- oder Meldeselektivität dem j eweiligen Schutzgerät als Auslöseoder Blockier-Signal zusenden . Der Detektionsalgorithmus für den Störlichtbogenschutz wird um eine Wartezeit erweitert , um die Selektivität zu gewährleisten .

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des ersten Falls werden der Störlichtbogenstromschwellwert und die Wartezeit gemäß der Zeit-Strom-Kennlinie der Abgangsschalter und gemäß der Zeitintervall-Stromleistungs-Kennlinie , die eine Relation zwischen dem Zeitintervall bis zum Erreichen des Energieschwellwerts und der Einspeiseleistung am Einspeisepunkt definiert , festgelegt . Je größer die Einspeiseleistung, desto schneller wird die tolerierbare Störlichtbogenenergie erreicht . In dem Fall , dass Summe aus j eweils einer Abgangs- Auslösedauer der Abgangsschalter und der Abschaltdauer des Hauptschalters nicht kleiner ist als das Zeitintervall bis zum Erreichen des Energieschwellwerts , darf keine Wartezeit des Hauptschalters vorgesehen werden . Stattdessen ist die Entscheidung über die Auslösung eines Schalters zur Löschung des Störlichtbogens anhand des Störlichtbogenstromschwellwerts des Hauptschalters oder über Meldeselektivität zu treffen .

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des ersten Falls wird, falls nach dem Verstreichen der Wartezeit der am Hauptschal- ter gemessene Strom größer als der Störlichtbogenstromschwellwert des Hauptschalters ist , der Hauptschalter ausgelöst . Ein nach der Wartezeit verbleibender Fehlerstrom deutet auf ein Vorliegen einer der zwei folgenden Situationen a ) und b) hin : a ) Der Fehler liegt im Schutzbereich I vor => der Hauptschalter muss ausgelöscht werden , b ) der Fehler liegt im Schutzbereich I I vor, ist aber nicht von dem Abgangsschalter erfolgreich gelöscht worden => der Hauptschalter muss als Backup ausgelöscht werden .

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Hauptverteilungsleitung durch den Hauptschalter nach einer Abschaltdauer nach Erhalt eines Abschaltbefehls unterbrochen, und die Abgangsschalter sind konfiguriert , entsprechend einer j eweiligen Zeit-Strom-Kennlinie der Abgangsschalter aus zulösen, die eine Relation zwischen einem maximalen Durchlassstrom des Abgangsschalters und einer Abgangs-Auslösedauer des Abgangsschalters definiert , wobei in einem zweiten Fall , in dem die Summe aus j eweils einer Abgangs-Auslösedauer der Abgangsschalter und der Abschaltdauer des Hauptschalters größer oder gleich dem Zeitintervall bis zum Erreichen des Energieschwellwerts ist , der Störlichtbogenstromschwellwert so festgelegt wird, dass der Störlichtbogenstromschwellwert größer ist als der maximale Durchlassstrom der Abgangsschalter, und das Zeitintervall bis zum Erreichen des Störlichtbogenstromschwellwerts kleiner ist als das Zeitintervall bis zum Erreichen des Energieschwellwerts .

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des zweiten Falls wird unter der Voraussetzung, dass alle Abgangsschalter eine Strombegrenzung aufweisen, der Hauptschalter ausgelöst , falls der am Hauptschalter gemessene Strom größer als der Störlichtbogenstromschwellwert des Hauptschalters ist .

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des zweiten Falls wird unter der Voraussetzung, dass einer oder mehrere Abgangsschalter keine Strombegrenzung aufweist bzw . aufweisen, der Hauptschalter ausgelöst , falls der am Hauptschalter gemessene Strom größer als der Störlichtbogenstromschwellwert des Hauptschalters ist und der an den Abgangsschaltern gemessene Strom nicht größer als die Kurzschlussauslöseschwelle der Abgangsschalter ist . Dabei ist es vorteilhaft , wenn das Kriterium, ob der an den Abgangsschaltern gemessene Strom nicht größer als die Kurzschlussauslöseschwelle der Abgangsschalter ist , an den Abgangsschaltern geprüft wird; dazu können die Abgangsschalter eine Strommessvorrichtung zum Messen des Stroms an den Abgangsschaltern aufweisen, sowie einen Prozessor, der einen von der Strommessvorrichtung am Abgangsschalter gemessenen Stromwert mit einer Kurzschlussauslöseschwelle der Abgangsschalter vergleicht . Dabei kann ein Abgangsschalter, falls der am Abgangsschalter gemessene Strom größer als die Kurzschlussauslöseschwelle des Abgangsschalters ist , ein Blockadesignal an den Hauptschalter oder eine eine Auslösung des Hauptschalters steuernde Störlichtbogenschutzeinheit senden . Zum Unterscheiden zwischen Fl und F2 werden also die Strombegrenzung und die Reaktions zeit der Abgangsschalter als zusätzliche Kriterien zur Auswahl des Störlichtbogenstromschwellwerts und der Verzögerungs zeit des Hauptschalters benutzt .

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Erkennung des Störlichtbogens auf Basis von elektrischen Spannungs- und/oder Stromwerten der Energieverteilungsanlage . Die Erkennung des Störlichtbogens kann durch einen Algorithmus für Störlichtbogen-Erkennung erfolgen, welcher die Spannungs- und Stromwerte des Verteilungsnetzes auswertet .

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 in dieser Beschreibung als Hauptschalter bezeichneter Störlichtbogen-Schutzschalter, der konfiguriert ist , nach Erhalt eines Auslösesignals von der Störlichtbogenschutzeinheit zur Löschung des Störlichtbogens einen Strom in dem Verteilungsnetz zu unterbrechen, ein Störlichtbogenschutzsystem .

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 ) .

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung bezieht sich die besagte Wartezeit auf eine Auslösung eines als Hauptschalter bezeichneten Störlichtbogen-Schutzschalters in einer übergeordneten Ebene des Verteilungsnetzes , wohingegen Schutzschaltgeräten in untergeordneten Ebenen des Verteilungsnetzes eine unverzögerte Auslösung als Reaktion auf Überstrom und Kurzschlussstrom ermöglicht wird .

Durch die Ergänzung des Auslöse-Algorithmus 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 Störlichtbogenstromschwellwertes , der auf die 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 übersteuert werden und es zu keiner Abschaltung des gesamten Verteilungsnetzes kommt . Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine elektrische Energieverteilungsanlage , in der elektrische Energie von einem elektrischen Einspeisepunkt über eine übergeordnete gemeinsame Hauptverteilungsleitung und von der gemeinsamen Hauptverteilungsleitung über mehrere untergeordnete Abgangsleitungen verteilt wird, wobei die Hauptverteilungsleitung durch einen Hauptschalter unterbrochen werden kann und die Abgangsleitungen j eweils durch einen zugeordneten Abgangsschalter unterbrochen werden können . Dabei weist die Energieverteilungsanlage mindestens einen Sensor zum Ermitteln von Spannungs- und/oder Stromwerten in der Hauptverteilungsleitung und eine Störlichtbogenschutzeinheit , wie oben beschrieben, auf .

Bei herkömmlichen Störlichtbogenschutzsystemen, deren Detektion auf Strom und Spannung basieren, konnte die Selektivität nur bis zu der Höhe des Grenzwertes für die Stromschwelle gewährleistet werden . Dieser Schwellwert ist auf die Messstelle in der Nähe des Einspeisungspunkts bezogen und wird nach den Erfordernissen des Schutzes des Hauptsammelschienensystems festgelegt . Wird der bekannte Algorithmus , nämlich die Verknüpfung von Spannungserkennungsmethoden und dem Grenzwert einer Stromschwelle , gemäß der Erfindung mit der einer Energiebetrachtung verknüpft , so kann deutlich di f ferenzierter eine Auslösung bzw . Nichtauslösung unterer Verteilebenen gesteuert und damit Selektivität gewährleistet werden . Der Ablauf kann dabei wie folgt sein :

Abhängig von der Schadenshöhe , die in der Energieverteilungsanlage tolerierbar ist , wird der entsprechende Energieschwellwert bestimmt , z . B . bis zu 100 kJ . Nun wird abhängig von den Größen der Schaltanlage , z . B . Einspeiseleistung und Design der Verteilung, und abhängig von dem Abschaltverhalten der Abgangsschalter, z . B . Strombegrenzung und Auslöse- und Abschaltzeiten, das erforderliche Selektivitätsverhalten abgestimmt . Der tolerable Energieschwellwert wird, abhängig von dem gewählten Störlichtbogenstromschwellwert , in eine Zeitverzögerung, d . h . eine Wartezeit bzw . Verzögerung der den Hauptschalter auslösenden Störlichtbogenschutzeinheit , umge- wandelt und mit dem Auslöseverhalten eines Schutzschaltgeräts in einer untergeordneten Ebene des elektrischen Verteilungsnetzes verglichen . Der Störlichtbogenstromschwellwert liegt aus Selektivitätsgründen vorzugsweise oberhalb der Auslöseschwellen der Abgangsschalter . Erfolgt aufgrund der gewollten Verzögerung der mögliche Auslösebefehl der Störlichtbogenschutzeinheit später als die Auslösung eines Schutzschaltgeräts in einer untergeordneten Ebene und ist die Strombegrenzung ausreichend in Bezug auf die genannte Stromschwelle des Schutzschaltgeräts , so ist Selektivität gegeben . Diese Selektivität ist geplant und die Energieverteilungsanlage entsprechend ausgebildet .

In der Auslegungs- bzw . Planungsphase der elektrischen Energieverteilungsanlage ist j eweils für den ersten Fall und den zweiten Fall eine Entscheidung zu tref fen, ob der Hauptschalter oder einer der Abgangsschalter ausgelöst werden soll ; es werden zwei unterschiedliche Vorgehen in Abhängigkeit der Kurzschlussleistung vorgeschlagen, da es unterschiedliche Zeitanforderungen für unterschiedliche Kurzschlussleistungsbereiche gibt . Diese zeitlichen Anforderungen werden aus einer Energiebetrachtung des maximal tolerierbaren Schadens , z . B . 100 kJ, hergeleitet :

- In einem ersten, unteren Kurzschlussleistungsbereich ( relativ kleine bis moderate Einspeiseleistung, d . h . kleiner bis moderater Kurzschlussstrom) wird dem Abgangsschalter die Zeit gegeben, F2 zu klären,

- In einem zweiten, oberen Kurzschlussleistungsbereich ( relativ große Einspeiseleistung, d . h . großer Kurzschlussstrom) wird der Fehlerort anhand des maximal auftretenden Fehlerstroms entschieden .

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung werden im Rahmen einer Signal- oder Meldeselektivität zwischen dem Hauptschalter und/oder den Abgangsschaltern Auslöse- oder Blockier-Signale ausgetauscht . Diese Auslöse- oder Blockier-Signale können auf Parametern wie Zeiten, Strom und/oder Spannung und integrale Größen basieren . Meldeselektivität oder Signalselektivität beruht darauf , dass mindestens zwei Schalter ihren künftigen Schalt zustand austauschen und so sich gegenseitig blockieren oder auslösen können . Das heißt , dass ein Schalter auf das Signal des anderen wartet , bevor dieser eine Handlung durchführt . Herkömmlich wird über eine Meldeselektivität das Öf f- nungsverhalten von Schalterkaskaden gesteuert . Die ZS I- Funktionalität bei trägeren MCCB und ACB ist eine solche Meldeselektivität ( ZS I = Zone Selectivity Interlocking) .

Die erfindungsgemäße Art von Selektivität ist besonders geeignet für das Schutzsystem auf einer der untergeordneten Verteilebenen, da hier bereits ein stark reduzierter Kurzschlussstrom und eine schnelle Öf fnung der Schutzschaltgeräte mit einer starken Strombegrenzung zusammenfallen . Dabei werden geringe Lichtbogenenergien freigesetzt , die zu tolerierbaren Schadensbildern führen .

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 ;

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 ein Ablauf diagramm eines Algorithmus zur

Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und

Fig. 7 ein I-t-Diagramm von unterschiedlichen Zeitspannen über dem maximalen Kurzschlussstrom;

Fig. 8 ein I-I-Diagramm von unterschiedlichen Stromwerten über dem maximalen Kurzschlussstrom;

Fig. 9 ein P-t-Diagramm der Zeitspanne bis zum Erreichen des Energieschwellwerts über Trafoleistung; und

Fig. 10 einen Zeitstrahl, an dem verschiedene Zeitpunkte und Zeitspannen angegeben sind.

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.

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 die Hauptverteilungsleitung 1 ist ein Hauptschalter HS geschaltet, welcher einen Leistungsschalter 6, HS und einen Kurzschließer 7, HS aufweist, die in Reihe geschaltet sind. Die Hauptverteilungsleitung 1 kann durch den Leistungsschalter 6, der z. B. als ein ACB (= Air Circuit Breaker) ausgebildet ist, unterbrochen und durch den Kurzschließer 7 kurzgeschlossen werden; in beiden Fällen wird ein Lichtbogen, der in der Energieverteilungsanlage 100 brennt, gelöscht. In alternativen Ausführungen ist ausschließlich ein Leistungsschalter 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 AS bezeichnet - unterbrochen werden. Die Schutzschaltgeräte 81, 82, 83 können als ein Leistungsschalter, z. B. ein ACB, ein MCCB, ein MCB oder eine Sicherung ausgebildet sein.

Dabei bildet das Verteilungsnetz zwischen dem Hauptschalter HS und den Abgangsschaltern AS eine übergeordnete Ebene Bl der elektrischen Energieverteilungsanlage 100, die sog. Hauptebene, welche auch als erster Schutzbereich bezeichnet wird. Das Verteilungsnetz in Energietransportrichtung nach den Abgangsschaltern bildet eine untergeordnete Ebene B2 der elektrischen Energieverteilungsanlage 100, die sog. untere Verteilebene oder Abgangsebene, welche auch als zweiter Schutzbereich bezeichnet wird.

In der Hauptverteilungsleitung 1 ist ein Sensor S1 zum Ermitteln von Messwerten von Strom I und Spannung U in der Hauptverteilungsleitung 1 angeordnet. Der Sensor S1 ist an eine Sensorleitung 13 angeschlossen, zur Übermittlung der von dem Sensor S 1 erfassten Messwerte I , U 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 . Jeder der Abgangsschalter AS kann über eine Signalleitung 14 der Energieverteilungsanlage 100 Signale an die Störlichtbogenschutzeinheit 16 senden .

Die Störlichtbogenschutzeinheit 16 ist dazu konfiguriert , auf Basis von elektrischen Spannungs- und Stromwerten, die von dem Sensor S 1 in der Hauptverteilungsleitung 1 gemessen wurden, das Brennen eines Störlichtbogens Fl , F2 , welcher an beliebigen Stellen in der Energieverteilungsanlage 100 brennen kann, zu detektieren .

In einem Stromkreis bzw . einem Netz , in dem ein Lichtbogen brennt , kann ein Strom- und Spannungsverlauf gemessen werden, der einen signi fikanten 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 ein Diagramm, 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 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] 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 Spannungswerte zu erkennen . Ein solches Verfahren ist z . B . beschrieben in DE 10 2016 209 445 Al ( Siemens AG; TU Dresden) 2017 . 11 . 30 .

In Figur 1 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 . 1 dargestellten S zenario brennt ein Störlichtbogen F2 in der untergeordneten Ebene B2 der Energieverteilungsanlage 100 , nämlich in der linken Abgangsleitung 31 zwischen der Verzweigungsstelle , an der sich die Hauptverteilungsleitung 1 in die Abgangsleitungen 31 , 32 , 33 verzweigt und der von der linken Abgangsleitung 31 mit elektrischer Energie versorgten ersten Last LI . In beiden S zenarios 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 .

Figur 6 zeigt ein Ablauf diagramm, das z . B . in Form eines Algorithmus realisiert sein kann . Das Ablauf diagramm wird durch eine Trennlinie 330 untergliedert in eine Planungs- und Auslegungsphase 350 und eine Arbeitsphase 360 .

Nach dem Ingangsetzen 300 der Planungs- und Auslegungsphase 350 wird in einem ersten Schritt 301 geprüft , ob die Summe von Auslösedauer At _Ä s der Abgangsschalter AS und Abschaltdauer At _H s des Hauptschalters HS kleiner als der Zeitraum At _ES bis zum Erreichen eines vorgegebenen Energieschwellwerts E _s ist . Dabei ist der Energieschwellwert E _s diej enige von einem Störlichtbogen freigesetzte Schadensenergie , die maximal to- leriert werden kann . Ein Betreiber der Energieverteilungsanlage muss diesen Energieschwellwerts E _s festlegen .

Falls die Antwort j a (Y) ist ( Summe von Auslösedauer At _Ä s der Abgangsschalter AS und Abschaltdauer At _H s des Hauptschalters HS < Zeitraum At _E s bis zum Erreichen eines vorgegebenen Energieschwellwerts E _S ) , kann dies ein Anzeichen dafür sein, dass eine Einspeisung mit einer relativ kleinen Kurzschlussleistung vorliegt . In diesem Fall erfolgt in Schritt 302 ein Festlegen des Störlichtbogenstromschwellwerts I _s des Hauptschalters HS und der Wartezeit At _w des Hauptschalters HS gemäß der Zeit-Strom-Kennlinie 40 der Abgangsschalter, siehe Fig . 7 , und gemäß dem Zeitraum At _ES bis zum Erreichen des Energieschwellwerts E _s , welcher der Zeitintervall-Stromleis- tungs-Kennlinie 42 , siehe Fig . 9 , entnommen werden kann, die eine Relation zwischen dem Zeitintervall At _ES bis zum Erreichen des Energieschwellwerts E _s und der Einspeiseleistung P4 am Einspeisepunkt 4 definiert . Beide Größen, Störlichtbogenstromschwellwerts I _s und Wartezeit At _w des Hauptschalters HS , sind abhängig von der Einspeiseleistung am Einspeisungspunkt . Dabei wird die Wartezeit At _w des Hauptschalters HS größer oder gleich der Auslösedauer At _Ä s der Abgangsschalter AS festgelegt . An dieser Stelle endet die Planungs- und Auslegungsphase 350 in diesem Zweig; in der Arbeitsphase 360 wird nachfolgend eine erste Überstromdetektionslogik Logl in der Störlichtbogenschutzeinheit 16 verwendet .

Falls die Antwort nein (N) ist ( Summe von Auslösedauer At _Ä s der Abgangsschalter AS und Abschaltdauer At _H s des Hauptschalters HS >= Zeitraum At _ES bis zum Erreichen eines vorgegebenen Energieschwellwerts E _S ) , kann dies ein Anzeichen dafür sein, dass eine Einspeisung mit einer relativ großen Kurzschlussleistung vorliegt . In diesem Fall erfolgt in Schritt 308 ein Festlegen des Störlichtbogenstromschwellwerts I _s des Hauptschalters HS so , dass der Störlichtbogenstromschwellwert I _s größer ist als der maximale Durchlassstrom I _A S, D der strombegrenzenden Abgangsschalter AS , 81 , 82 , 83 und das Zeitintervall At _s bis zum Erreichen des Störlichtbogenstromschwell- werts Is kleiner ist als das Zeitintervall At _E s bis zum Erreichen des Energieschwellwerts E _s . Es folgt in dem nächsten Schritt 309 eine Unterscheidung, ob alle Abgangsschalter AS , 81 , 82 , 83 eine Strombegrenzung haben . ACB haben keine Strombegrenzung . MCCB haben bei kleinen Baugrößen eine deutliche Strombegrenzung j e nach Kurzschlussleistung : j e größer die Kurzschluss-Leistung, desto ausgeprägter wird die Strombegrenzung . Zudem gilt bei MCCB, dass die Strombegrenzung umso geringer ist , j e größer die Baugröße ist . MCB haben allgemein eine sehr starke Strombegrenzung . Eine Sicherung deckt MCB und MCCB ab .

- Falls alle Abgangsschalter AS , 81 , 82 , 83 eine Strombegrenzung aufweisen, wird der Störlichtbogenstromschwellwert knapp über die maximale Strombegrenzung der Abgangsschalter ausgelegt . An dieser Stelle endet die Planungs- und Auslegungsphase 350 in diesem Zweig; in der Arbeitsphase 360 wird nachfolgend eine zweite Uberstromdetektionslogik Log2 in der Störlichtbogenschutzeinheit 16 verwendet .

- Falls einer oder mehrere der Abgangsschalter AS , 81 , 82 , 83 keine Strombegrenzung aufweist bzw . aufweisen, wird in der der Planungs- und Auslegungsphase 350 folgenden Arbeitsphase 360 j eweils ein Blockadesignal von diesen Abgangsschaltern an die Störlichtbogenschutzeinheit 16 benötigt . Der Störlichtbogenstromschwellwert wird knapp über die maximale Strombegrenzung der strombegrenzenden Abgangsschalter ausgelegt . An dieser Stelle endet die Planungs- und Auslegungsphase 350 in diesem Zweig; in der Arbeitsphase 360 wird nachfolgend eine dritte Uberstromdetektionslogik Log3 in der Störlichtbogenschutzeinheit 16 verwendet .

Nachfolgend wird die Arbeitsphase 360 beschrieben .

Die Arbeitsphase 360 beginnt , sobald auf Basis von Strom- und/oder Spannungswerten der Hauptverteilungsleitung 1 detek- tiert wird, dass ein Störlichtbogen in der Energieverteilungsanlage 100 brennt . Die erste Überstromdetektionslogik Logl in der Störlichtbogenschutzeinheit 16 fragt in einem ersten Schritt 303 ab, ob der am Hauptschalter HS gemessene Strom I _H s größer als der Störlichtbogenstromschwellwert I _s des Hauptschalters HS ist . Diese Abfrage 303 wird so lange durchlaufen (Abfrageschlei fe N) , bis der am Hauptschalter HS gemessene Strom I _H s größer als der Störlichtbogenstromschwellwert I _s des Hauptschalters HS ist (Y) . In einem nachfolgenden Schritt 304 wird abgefragt , ob die Wartezeit At _w des Hauptschalters HS abgelaufen ist . Diese Abfrage 304 wird so lange durchlaufen (Abfrageschlei fe N) , bis die Wartezeit At _w des Hauptschalters HS abgelaufen ist . In einem nachfolgenden Schritt 305 wird abgefragt , ob der Sensor S 1 noch Überstrom in der Hauptverteilungsleitung 1 misst . Falls j a (Y) , liegt ein Störlichtbogen Fl in dem ersten Schutzbereich vor ( 306 ) . Falls nein (N) , liegt ein Störlichtbogen F2 in dem zweiten Schutzbereich vor ( 307 ) .

Die zweite Überstromdetektionslogik Log2 (Abgangsschalter AS , 81 , 82 , 83 mit Strombegrenzung) in der Störlichtbogenschutzeinheit 16 fragt in einem ersten Schritt 310 ab, ob der am Hauptschalter HS gemessene Strom I _H s größer als der Störlichtbogenstromschwellwert I _s des Hauptschalters HS ist . Falls j a (Y) , liegt ein Störlichtbogen Fl in dem ersten Schutzbereich vor ( 311 ) . Falls nein (N) , liegt ein Störlichtbogen F2 in dem zweiten Schutzbereich vor ( 312 ) .

Die dritte Überstromdetektionslogik Log3 (Abgangsschalter AS , 81 , 82 , 83 ohne Strombegrenzung) unterscheidet zwischen einer Folge 313 von Arbeitsschritten, die sich auf die Störlichtbogenschutzeinheit 16 bzw . den Hauptschalter HS beziehen, und einer Folge 317 von Arbeitsschritten, die sich auf die Abgangsschalter AS , 81 , 82 , 83 beziehen . Die dritte Überstromdetektionslogik Log3 fragt in einem ersten Schritt 314 ab, ob der am Hauptschalter HS gemessene Strom I _H s größer als der Störlichtbogenstromschwellwert I _s des Hauptschalters HS ist . Diese Abfrage 314 wird so lange durchlaufen (Abfrageschlei fe N) , bis der am Hauptschalter HS gemessene Strom I _H s größer als der Störlichtbogenstromschwellwert I _s des Hauptschalters HS ist (Y) . In einem parallelen Schritt 318 wird abgefragt, ob ein an einem Abgangsschalter AS, 81, 82, 83 gemessener Strom I _AS größer als die Kurzschlussauslöseschwelle I _AS ,sc des jeweiligen Abgangsschalters AS, 81, 82, 83 ist. Diese Abfrage 318 wird so lange durchlaufen (Abfrageschleife N) , bis der am Abgangsschalter AS, 81, 82, 83 gemessene Strom I _AS größer als die Kurzschlussauslöseschwelle I _A s,sc des Abgangsschalters AS, 81, 82, 83 ist (Y) . In diesem Fall wird im Schritt 319 ein Blockadesignal vom Abgangsschalter AS, 81, 82, 83 an den Hauptschalter HS bzw. die Störlichtbogenschutzeinheit 16 gesendet, da ein Störlichtbogen F2 in dem zweiten Schutzbereich vorliegt (320) .

In einem dem Schritt 314 nachfolgenden Schritt 315 wird abgefragt, ob die Störlichtbogenschutzeinheit 16 bzw. der Hauptschalter HS ein Blockadesignal von einem der Abgangsschalter AS, 81, 82, 83 erhalten hat. Falls die Störlichtbogenschutzeinheit 16 bzw. der Hauptschalter HS ein Blockadesignal von einem der Abgangsschalter AS, 81, 82, 83 erhalten hat (Y) , liegt ein Störlichtbogen F2 in dem zweiten Schutzbereich vor (320) . Falls die Störlichtbogenschutzeinheit 16 bzw. der Hauptschalter HS kein Blockadesignal von einem der Abgangsschalter AS, 81, 82, 83 erhalten hat (N) und der am Hauptschalter HS gemessene Strom I _H s größer als der Störlichtbogenstromschwellwert I _s des Hauptschalters HS ist (I _H s > Is) liegt ein Störlichtbogen Fl in dem ersten Schutzbereich vor (316) .

Fig. 7 zeigt ein I-t-Diagramm von unterschiedlichen Zeitspannen als Funktion des maximalen Kurzschlussstroms I _PS cc- At _ES gibt den Zeitraum vom Zünden eines Störlichtbogens bis zum Erreichen des Energieschwellwerts ES an. At _AS gibt entsprechend der Auslösecharakteristik gemäß der Zeit-Strom- Kennlinie eines Abgangsschalters AS die Auslösedauer des Abgangsschalter AS an, nachdem der durch den Abgangsschalter fließende Strom eine bestimmte Stromstärke erreicht hat. At _s gibt den Zeitraum bis zum Erreichen des Störlichtbogenstromschwellwert I _s an .

Fig . 8 zeigt ein I- I-Diagramm von unterschiedlichen Stromwerten als Funktion des maximalen Kurzschlussstroms I pscc - l LB , max ist der maximale Störlichtbogenstrom; er ist gegenüber dem maximalen Kurzschlussstroms I _PS cc ( Prospektivstrom) in der Regel um 30-50% reduziert . I _s ist der Störlichtbogenstromschwellwert des Hauptschalters HS . IAS , D ist der maximale Durchlassstrom des Abgangsschalters : der höchste Stromspitzenwert , den ein strombegrenzender Abgangsschalter (= Leistungsschalter ) zulässt .

In den beiden Diagrammen in Fig . 7 und Fig . 8 werden ein erste Leistungsbereich Al und ein zweiter Leistungsbereich A2 unterschieden . Die obere Grenze des ersten Leistungsbereichs Al auf der Ipscc ^_ Achse in Fig . 8 liegt bei dem zweiten Schwellwert I2 ; hierbei entsprechen sich die Leistungsbereiche in den Fig . 7 und 8 . Der erste Schwellwert I p auf der Ipscc ^_ Achse in Fig . 8 ist zwar derj enige Punkt , an dem der Störlichtbogenstromschwellwert I _s des Hauptschalters HS den maximalen Durchlassstrom I _A S , D des Abgangsschalters AS überschreitet und somit die mathematisch korrekte Grenzlinie bildet , aber aus Gründen der Toleranz wird die obere Grenze des ersten Leistungsbereichs Al auf den zweiten Schwellwert I2 auf der Ipscc ^_ Achse in Fig . 8 gesetzt .

Im Leistungsbereich Al , in dem eine relativ kleine bis moderate Einspeisungsleistung vorliegt , d . h . bei einem relativ kleinen bis zu moderaten maximalen Kurzschlussstrom, ist die Zeitdi f ferenz zwischen der Zeitdauer At _ES bis zum Erreichen des Energieschwellenwerts und der Ausschaltdauer At _Ä s des Abgangsschalters so groß , dass man das Auslösen des Hauptschalters mit mindestens der Ausschaltdauer At _Ä s des Abgangsschalters verzögern kann . So gibt das Störlichtbogenschutzsystem dem Abgangsschalter die Zeit At _w , den Fehler zu löschen, falls F2 (= Brennen eines Störlichtbogens in dem zweiten Schutzbereich B2 ) . Im Fall von Fl (= Brennen eines Störlicht- bogens in dem ersten Schutzbereich Bl ) ist der Störlichtbogenstrom nach dieser Wartezeit At _w immer noch da . Dann wird das Störlichtbogenschutzsystem den Kurzschließer aktivieren, um den Störlichtbogen Fl zu löschen . Somit kann das Störlichtbogenschutzsystem zwischen Fl und F2 unterscheiden und ein selektives Abschalten garantieren . Dabei muss man beachtet werden, dass die Störlichtbogenenergie bis zum Ende der Wartezeit At _w plus die Ausschaltdauer At _H s des Hauptschalters den Energieschwellwert E _s nicht überstreiten darf , um einen zu hohen Schaden in der Anlage aus zuschließen .

Im Leistungsbereich A2 , in dem eine relativ großen Einspeisungsleistung vorliegt , wird die Zeitdi f ferenz zwischen der Zeitdauer At _ES bis zum Erreichen des Energieschwellenwerts und der Ausschaltdauer At _AS des Abgangsschalters so gering, dass keine Zeit für eine Entscheidung zwischen dem Haupt- und einem Abgangsschalter bleibt . In diesem Fall wird die Stromdi f ferenz zwischen dem maximalen Störlichtbogenstrom lLB,max in die Hauptverteilung und dem maximalen Durchlassstrom I _A S, D des Abgangsschalters als Kriterium zur Auswahl des Störlichtbogenstromschwellwert I _s benutzt . Das heißt , der Störlichtbogenstromschwellwert I _s wird zwischen der zwischen dem maximalen Störlichtbogenstrom lLB,max in die Hauptverteilung und dem maximalen Durchlassstrom I _A S, D des Abgangsschalters gewählt . In dem Fall von F2 im zweiten Schutzbereich B2 wird der Fehlerstrom durch den dem Störlichtbogen vorgelagerten Abgangsschalter begrenzt , so dass der maximale Durchlassstrom I _AS , D des Abgangsschalters deutlich kleiner ist als ein Störlichtbogenstrom von Fl im ersten Schutzbereich Bl . Somit kann das Störlichtbogenschutzsystem zwischen Fl und F2 unterscheiden . Dabei muss der Störlichtbogenstromschwellwert I _s so ausgelegt werden, dass der At _s Zeitraum bis zum Erreichen des Störlichtbogenstromschwellwerts I _s kleiner als der Zeitraum At _ES bis zum Erreichen des Energieschwellwerts E _s plus die Ausschaltdauer At _H s des Hauptschalters ist .

Die folgenden Größen bzw . Informationen sind bei Auslegung des Störlichtbogenstromschwellwert I _s mit zu berücksichtigen : - Der maximal mögliche Störlichtbogenstrom lLB,max in der Hauptverteilungsleitung in Abhängigkeit von Einspeisungsleistung und Netzimpedanz werden in der Planungsphase abgeschätzt , siehe I _L B,max in Fig 8 .

- Der Zeitraum At _ES bis zum Erreichen der maximal ertragbaren Störlichtbogenenergie E _s in Abhängigkeit von Schutzklasse , Einspeisungsleistung und Netzimpedanz wird in der Planungsphase abgeschätzt , siehe At _ES in Fig . 7 .

- Maximaler Durchlassstrom I _A S , D und Auslösedauer At _Ä s des Abgangsschalters AS , siehe IAS , D in Fig . 8 und At _Ä s in Fig . 7 .

- Der Störlichtbogenstromschwellwert I _s ist abhängig von der Einspeisungs lei stung .

- Der Störlichtbogenstromschwellwert I _s muss kleiner als der maximaler Störlichtbogenstrom lLB,max in der Hauptverteilungsleitung sein, siehe Fig . 8 .

- Die Zeitdauer At _s bis zum Erreichen des Störlichtbogenstromschwellwert I _s muss kleiner sein als die Zeitdauer At _ES bis zum Erreichen des Energieschwellwerts E _s , siehe Fig . 7 .

Fig . 9 zeigt ein P-t-Diagramm der Zeitspanne At _ES bis zum Erreichen des Energieschwellwerts E _s als eine Funktion der Einspeiseleistung P4 am Einspeisepunkt 4 . Das Diagramm veranschaulicht , dass die zeitliche Anforderung an die Schnelligkeit , mit der die Löschung des Störlichtbogens erfolgt , mit zunehmender Einspeiseleistung P4 steigt .

Fig . 10 zeigt einen Zeitstrahl , an dem verschiedene Zeitpunkte und Zeitintervalle in Bezug auf die Auslösung von Abgangsund Hauptschalter aufgetragen sind . Dies dient der Veranschaulichung der verschiedenen Zeitpunkte und Zeitintervalle , die bei der Festlegung des Störlichtbogenstromschwellwerts I _s eine Rolle spielen . Dabei ist

- tO der Zeitpunkt , an dem der Störlichtbogen zündet . Das Auftreten eines Störlichtbogen in der Energieverteilungsanlage wird auf Basis von Strom- und/oder Spannungswerten in der Hauptverteilungsleitung 1 detektiert . Dieser Zeitpunkt tO der Detektion wird als der Zündzeitpunkt des Störlichtbogen angenommen; - tl der Zeitpunkt , an dem der Störlichtbogen eine bestimmte Stromstärke I erreicht ;

- t2 der Zeitpunkt , an dem der Abgangsschalter AS auslösen würde , falls durch ihn seit dem Zeitpunkt tl ein Strom der Stromstärke I geflossen ist ;

- t3 der Zeitpunkt , an dem die zum Zeitpunkt tl gestartete Wartezeit At _w des Hauptschalters HS endet ;

- t4 der Zeitpunkt , an dem der Hauptschalter HS auslöst und den Stromfluss zum Störlichtbogen unterbricht , falls er zu dem Zeitpunkt t2 einen entsprechenden Auslösebefehl erhalten hat ;

- t5 der Zeitpunkt , an dem der Hauptschalter HS auslöst und den Stromfluss zum Störlichtbogen unterbricht , falls er nach dem Verstreichen der Wartezeit At _w einen entsprechenden Auslösebefehl erhalten hat ;

- t 6 der Zeitpunkt , an dem die vom Störlichtbogen freigesetzte Energie E _LB einen vorgegebenen Energieschwellwert E _s erreicht ;

- AtO das Zeitintervall zwischen dem Zündzeitpunkt tO des Störlichtbogens tO und dem Zeitpunkt tl , an dem der Störlichtbogen eine bestimmte Stromstärke I erreicht . Aufgrund des schnellen Stromanstiegs im Störlichtbogen ist AtO vernachlässigbar kurz ;

- At _Ä s die Abgangs-Auslösedauer des Abgangsschalters AS = Zeitintervall zwischen tl und t2 ;

- At _H s die Abschaltdauer des Hauptschalters = Zeitintervall zwischen t4 und t2 = Reaktions zeit des Hauptschalters = Zeitintervall zwischen dem Empfang eines Auslösesignals und dem Erreichen eines Zustands , an dem der Stromfluss unterbrochen ist ;

- At _w die Wartezeit , um die Auslösung des Hauptschalters verzögert wird, um den Abgangsschaltern Gelegenheit zum Löschen des Störlichtbogens zu geben;

- At _ES das Zeitintervall bis zum Erreichen des Energieschwellwerts E _s = Zeitintervall zwischen tl und t 6 ;

- At _M , o die Toleranz , um die die Abgangs-Auslösedauer At _Ä s verlängert werden kann, um die Wartezeit At _w des Hauptschalters HS zu erhalten = Zeitintervall zwischen t5 und t 6 ; - At _M , i die Toleranz , die bei einer gewählten Wartezeit At _w des Hauptschalters HS noch zur Verfügung steht , bevor das Zeitintervall At _E s bis zum Erreichen des Energieschwellwerts E _s endet ; und - At _O ff,Hs das Zeitintervall , in dem nach dem Zünden des Störlichtbogens der Hauptschalter HS den Strom zu dem Störlichtbogen unterbrochen hat = Zeitintervall zwischen tl und t5 .