AT414321B - Fehlerstromschutzschalter - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Fehlerstromschutzschalter mit einer Einheit zur Detektion eines Fehlerstromes innerhalb eines elektrischen Energieversorgungsnetzes und einer Netztrenn-Einheit, wobei die Einheit zur Detektion eines Fehlerstromes eine Vorrichtung zur signalgetreuen Aufnahme des Fehlerstromes, welche mit dem Energieversorgungsnetz koppelbar ist, umfasst, die Einheit zur Detektion eines Fehlerstromes eine Fehlerstromanalyse-Einheit zur spektralen Charakterisierung des Fehlerstromes umfasst, die mit der Netztrenn-Einheit verbunden ist.

Durch die zunehmende Verwendung von Umrichtern, Schaltnetzteilen, Leistungselektronik-Einheiten od. dgl. in Energieversorgungsnetzen ist im verstärkten Ausmaß mit nicht sinusförmigen Ableitströmen zu rechnen. Während reine Sinussignale bei herkömmlichen Fehlerstromde-tektions-Systemen, wie z.B. Fl-Schaltern, keine Fehlauslösungen verursachen, führen die mit Oberwellen behafteten Signale und nicht-harmonische Überlagerungen von Signalen bei der derzeit zur Fehlerstromdetektion verwendeten Analogelektronik zu ungewollten Effekten, wie Gleichrichtung, Demodulation, Resonanz- und Filterverhalten usw., die ab einer bestimmten Komplexität der für die Fehlerdetektion vorgesehenen elektronischen Schaltungsanordnung das Abschaltverhalten negativ beeinflussen und daher zur Beeinträchtigung der Sicherheit führen können. Demodulationseffekte, Koppelkapazitäten und Resonanzeffekte od. dgl. sind somit die Ursache für ein nicht vorhersagbares Abschaltverhalten konventioneller Fehlerstromschutzschalter.

Die WO 01 95451 A behandelt eine Software- unterstützte Fehlerstromermittlung für Si-cherheits- und Überwachungssysteme. Der Fehlerstrom wird dabei signalgetreu angebildet und die Frequenz eines auftretenden Fehlerstroms wird mittels einer Softwareroutine ermittelt und der Fehlerstrom klassifiziert und bewertet. Der Fehlerstrom wird in eine von drei Frequenzklassen eingeteilt und gegebenenfalls hinsichtlich der Art des Fehlerstroms weiter unterteilt, d.h. Wechselfehlerstrom, pulsierender Fehlerstrom, Gleichstrom. Je nach Einteilung des Fehlerstroms kommen andere, gespeicherte Auslösegrenzwerte für die Höhe des Fehlerstroms zum Einsatz. Nachteilig an einer Ausführung gemäß der WO 01 95451 A ist, dass diese lediglich für einen einzigen Fehlerstrom mit einer bestimmten Frequenz beschrieben. Mit einem Verfahren gemäß der WO 01 95451 A kann kein komplexes Fehlerstromsignal, welches sich aus verschiedenen Komponenten mit unterschiedlichen Frequenzen zusammensetzt signalgetreu bewertet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Fehlerstrom-Schutzschalter anzugeben, der auch bei nicht rein sinusförmigen Fehlerströmen ein vorhersagbares Auslöseverhalten zeigt.

Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Detektion von Fehlerströmen über einen weiten Frequenzbereich zu ermöglichen.

Aufgabe der Erfindung ist es weiters, eine laufende Beurteilung der in einem Netz auftretenden Fehlerströme abrufen zu können.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Fehlerstromanalyse-Einheit zumindest eine Filter-Einheit, mit, vorzugsweise tieffrequenter, Bandpasscharakteristik zur Filterung des Fehlerstromsignals, und eine Transformations-Einheit, zum Transformieren des in der Vorrichtung zur signalgetreuen Aufnahme des Fehlerstromes gebildete Fehlerstromsignal aus dem Zeitbereich in einen Bildbereich, vorzugsweise in den Frequenzbereich, umfasst.

Auf diese Weise wird der Fehlerstrom nicht nur mehr nach seinem Effektivwert beurteilt, sondern als Signal betrachtet, dessen Frequenzanteile mit Hilfe von mathematischen Methoden einer Signalanalyse zugeführt werden. Aufgrund der dadurch erzielten Ergebnisse kann eine präzise Überwachung des zulässigen Maximalwerts durchgeführt und damit eine vorhersagbare Auslösung des Fehlerstrom-Schutzschalters bewirkt werden. Durch die Filter-Einheit können vor allem der Anteil der niederfrequenten Schwingungen am Fehlerstrom bei der Messwertberechnung berücksichtigt werden. 3

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Mit sinnvollem Aufwand wird diese Betrachtungsweise des Fehlerstromes durch digitale Signalverarbeitung ermöglicht. In weiterer Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Einheit zur Detektion eines Fehlerstromes weiters eine Einheit zur Abtastung und Quantisierung des Fehlerstromes, vorzugsweise einen Analog-Digital-Wandler umfaßt. An welcher Stelle des 5 Signalverarbeitungspfades eine Umwandlung von Analogsignal in Digitalsignal erfolgt, kann je nach Gestaltung der Signalverarbeitung unterschiedlich sein, für die Realisierung sind insbesondere digitale Signalprozessoren geeignet.

Um eine Verfälschung des im Analog-Digitalwandler abgetasteten Signals zu vermeiden, kann io gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die Einheit zur Detektion eines Fehlerstromes weiters ein Anti-Aliasing-Filter umfassen.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, daß die Vorrichtung zur signalgetreuen Aufnahme des Fehlerstromes durch eine Förster-Sonde gebildet ist, deren 15 Ausgang mit einer Regler-Einheit verbunden ist, welche das am Ausgang der Förster-Sonde anliegende Ausgangssignal auf Null kompensiert.

Das Ausgangssignal der Förstersonde wird dabei als Regelgröße für die Regler-Einheit verwendet, dessen Aufgabe es ist, das Ausgangssignal auf Null zu kompensieren. Auf diese Weise 20 entsteht ein signalgetreues Abbild des Fehlerstromes.

Um den Magnetwerkstoff der Förster-Sonde wechselseitig in Sättigung zu bringen, kann in weiterer Ausbildung der Erfindung ein Modulator zur Vormagnetisierung der Förster-Sonde vorgesehen sein. Ein Fehlerstromsignal kann nun daran erkannt werden, daß es zu einer ab-25 weichenden Aussteuerung des Magnetwerkstoffes führt, als es durch die Vormagnetisierung vorgegeben ist.

Als Sonde können auch andere Sondentypen verwendet werden, die in der Lage sind, einen Fehlerstrom signalgetreu darzustellen. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit kann daher in 30 Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, daß die Vorrichtung zur signalgetreuen Aufnahme des Fehlerstromes durch Shunts, Hall-Bauelemente oder aus Kombinationen aus Magnet-und Hallbauelementen gebildet ist.

Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die zumindest eine 35 Filter-Einheit durch eine Filter-Einheit mit Tiefpaßcharakteristik gebildet ist, deren Ausgang mit einer Signalbewertungs-Einheit, vorzugsweise einer Einheit zur Berechnung des Effektivwertes des gefilterten Fehlerstromsignals, verbunden ist, daß die Transformations-Einheit mit einer Spektralbewertungs-Einheit, vorzugsweise einer Einheit zur Berechnung des Effektivwertes des Frequenzspektrums verbunden ist, und daß der Ausgang der Signalbewertungs-Einheit und der 40 Ausgang der Spektralbewertungs-Einheit mit Eingängen einer Summier-Einheit verbunden sind und der Ausgang der Summier-Einheit mit einer Maximalwertüberwachungs-Vorrichtung verbunden ist, die an die Netztrenn-Einheit angeschlossen ist, welche Maximalwertüberwachungsvorrichtung bei Überschreitung eines vorbestimmbaren Grenzwertes die Netztrenn-Einheit betätigt. 45

Eine vielfach bereits mit Unterstützung integrierter Schaltkreise anwendbare Transformationsmethode stellt die Fourier-Transformation, insbesondere in Form von Fast-Fourier-Transformation dar. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung kann daher darin bestehen, daß die Transformations-Einheit durch eine Fourier-Transformations-Einheit, insbesondere eine so diskrete Fourier-Transformations-Einheit gebildet ist.

Es können aber auch andere mathematische Transformationsmethoden im Rahmen der Erfindung sinnvoll angewendet werden. Eine bevorzugte Variante der Erfindung kann darin bestehen, daß die Transformations-Einheit durch eine Gabor-Transformations-Einheit oder eine 55 Wavelet-Transformations-Einheit gebildet ist, die Aussagen über das Zeitverhalten des 4

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Frequenzspektrums des Fehlerstromsignals ermöglichen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung kann darin bestehen, daß zwischen den Ausgang der Transformations-Einheit und den Eingang der Spektralbewertungs-Einheit eine Korrelations-5 Einheit geschaltet ist, welche mit einer Einheit zur Speicherung zumindest eines Vergleichsspektrums verbunden ist.

Durch den Vergleich mit einem den Normalzustand charakterisierenden Vergleichsspektrum kann die Schwelle für eine Maximalwert-Überschreitung auf einen bestimmten Frequenzbereich io bezogen werden.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, daß der Ausgang der Transformations-Einheit an den Eingang einer Signalkonfigurations-Einheit schaltbar ist, die mit einem Speicher-Eingang der Einheit zur Speicherung zumindest eines Vergleichsspektrums 15 sowie mit einem Eingang der zumindest einen Filter-Einheit zur Einstellung von Filterkoeffizienten verbunden ist.

In der Signalkonfigurations-Einheit wird das für den Vergleich in der Korrelations-Einheit erforderliche Signal bearbeitet und analysiert. Weiters ermöglicht sie die Beeinflussung der Filterko-20 effizienten der Filter-Einheit.

Eine andere Variante der Erfindung kann darin bestehen, daß die zumindest eine Filter-Einheit durch zwei oder mehrere parallelgeschaltete Filter-Einheiten mit Bandpaßcharakteristik gebildet ist, die Eingänge zur Einstellung von Filterkoeffizienten aufweisen und deren Ausgänge jeweils 25 über eine Signalbewertungs-Einheit mit Eingängen einer Summier-Einheit verbunden sind und der Ausgang der Summier-Einheit mit einer Maximalwertüberwachungs-Vorrichtung verbunden ist, die an die Netztrenn-Einheit angeschlossen ist, welche Maximalwertüberwachungs-Vorrichtung bei Überschreitung eines vorbestimmbaren Grenzwertes die Netztrenn-Einheit betätigt, und daß die Transformations-Einheit mit einer Signal-Konfigurations-Einheit verbunden 30 ist, deren Ausgänge mit den Eingängen zur Einstellung von Filterkoeffizienten verbindbar sind.

Mit Hilfe der zwei oder mehreren Filter-Einheiten mit Bandpaß-Charakteristik wird der gesamte interessierende Frequenzbereich für die Fehlerstromsignal abgedeckt. Die Filter-Koeffizienten werden mit Hilfe der Transformations-Einheit bestimmt. Nach Einstellung der Koeffizienten 35 geschieht die Fehlerstrom-Überwachung mit Hilfe der Filter-Einheiten im Zeitbereich.

Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Fehlerstrom-Überwachung eines Energieversorgungsnetzes, bei dem eine Netztrenn-Einheit betätigt wird, sobald eine Maximalwertüberschreitung eines aus einer Fehlerstrommessung abgeleiteten Fehlerstrom-Meßwertes festgestellt 40 wird.

Die eingangs genannten Aufgaben der Erfindung werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das signalgetreue Fehlerstromsignal aus dem Zeitbereich in den Bildbereich, vorzugsweise in den Frequenzbereich, transformiert und aus dem sich ergebenden Spektrum ein Teilbe-45 trag des Fehlerstrom-Messwerts berechnet und/oder die Einstellung der Filterkoeffizienten zumindest eines Filters mit Bandpasscharakteristik zur, vorzugsweise tieffrequenten, Filterung des signalgetreuen Fehlerstromsignals bestimmt wird, wobei aus dem Ausgangssignal des zumindest einen Filters mit Bandpasscharakteristik der Fehlerstrom-Messwert oder ein Teilbetrag desselben berechnet wird. 50

In Weiterführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Spektrum des Fehlerstromsignals mit wenigstens einem gespeicherten Frequenzspektrum verglichen wird. Dadurch kann das Fehlerstromsignal mit den typischerweise in der zu schützenden Anlage auftretenden spektralen Fehlerstromkomponenten verglichen werden und neu hinzukom-55 mende spektrale Fehlerstromkomponenten erkennen. 5

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In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass aus dem aus dem Spektrum berechneten Teilbetrag des Fehlerstrom-Messwerts und dem aus dem wenigstens einen Filter mit Bandpasscharakteristik berechneten Teilbetrag des Fehlerstrom-Messwerts der Fehlerstrom-Messwert gebildet wird. Dadurch werden alle ermittelten Teilbeträge bewertet.

Durch die Bewertung des Fehlerstromes als Signal mit einem Frequenzspektrum wird eine Fehlauslösung des Fehlerstromschutzschalters vermieden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen eingehend erläutert. Es zeigt dabei

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzschalters;

Fig. 2 ein vereinfachtes Blockschaltbild des Fehlerstromschutzschalters gemäß Fig. 1;

Fig. 3 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer weiteren Variante der Erfindung;

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Konfigurations-Betriebs des Fehlerstromschutzschalters nach Fig. 1;

Fig. 5 eine schematische Darstellung des Normal-Betriebs des Fehlerstromschutzschalters nach Fig. 1 und

Fig. 6 ein Teil eines Blockschaltbildes einerweiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzschalters.

In Fig. 1 ist ein allgemeines elektrisches Energieversorgungsnetz 40 schematisch gezeigt, dessen Zugang für einen nicht dargestellten Verbraucher durch eine Netztrenn-Einheit 20 unterbrochen werden kann. Sobald im Energieversorgungsnetz 40 ein Fehlerstrom zu fließen beginnt, der einen vorbestimmbaren Fehlerstrom-Meßwert übersteigt, wird die Netztrenn-Einheit 20 betätigt und dadurch eine Gefährdung von Personen verhindert. Das Auftreten eines solchen Fehlerstromes wird durch eine Einheit zur Detektion eines Fehlerstromes 42 überwacht.

Erfindungsgemäß umfaßt die Einheit zur Detektion eines Fehlerstromes 42 eine Vorrichtung zur signalgetreuen Aufnahme des Fehlerstromes 1,41, welche mit dem Energieversorgungsnetz 40 koppelbar ist und die im Rahmen der Erfindung in unterschiedlicher Weise ausgebildet sein kann.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist die Vorrichtung zur signalgetreuen Aufnahme des Fehlerstromes durch eine Förster-Sonde 41 gebildet ist, deren Ausgang mit einer Regler-Einheit 1 verbunden ist, welche das am Ausgang der Förster-Sonde 41 anliegende Ausgangssignal auf Null kompensiert. Die Regler-Einheit 1 umfaßt einen PID-Regler 43, dessen Regelgröße durch das Ausgangssignal der Förstersonde 41 gebildet ist. Durch das Kompensieren des Ausgangssignals der Förster-Sonde 41 wird am Ausgang des PID-Reglers 43 ein signalgetreues Abbild des Fehlerstromes generiert, welches als Fehlerstromsignal weiterverarbeitet wird.

Als Vorrichtung zur signalgetreuen Aufnahme des Fehlerstromes können aber auch andere Vorrichtungen Verwendung finden, so z.B. Shunts, Hallbauelemente oder Kombinationen aus Magnet- und Hallbauelementen. Die dabei verwendeten Regler-Typen unterliegen wie im vorgenannten Anwendungsfall für die Förstersonde 41 ebenfalls keinerlei Einschränkungen.

Die auf diese Weise realisierte signalgetreue Abbildung des Fehlerstromes erlaubt die Detektion von Fehlerströmen innerhalb eines sehr weiten Frequenzbereiches, z.B. von 0 Hz, also Gleichstrom, bis ungefähr 20 kHz.

Zur Vormagnetisierung der Förstersonde 41 ist ein Modulator 44 vorgesehen, dessen Aufgabe darin besteht, den Magnetstoff der Förstersonde 41 wechselseitig in Sättigung zu bringen. Dies kann durch einen geeigneten Signalgenerator geschehen, der mit einer Spule der Förstersonde 41 verbunden ist. Es entsteht ein Spektrum, welches, da es z.B. von einem Rechtecksignal 6

AT 414 321 B abgeleitet ist, nur ungeradzahlige Oberwellen enthält. Ein Fehlerstromsignal führt nun zu einer anderen Aussteuerung des Magnetwerkstoffes, was dann zum Auftreten von geradzahligen . Oberwellen führt. Bei der Förstersonde 41 wird z.B. die zweite Harmonische (geradzahlige Oberwelle) zur Beurteilung des Fehlersignals herangezogen. Hier wird dann die zweite Ober-5 welle mit Hilfe des PID-Reglers 43 auf Null kompensiert, um so ein signalgetreues Abbild des Fehlerstromsignals zu erhalten.

Eine mit dem PID-Regler 43 verbundene Korrektur-Einheit 45 ist mit einer im Bereich der Förstersonde 41 angeordneten Temperaturmeßsonde 46 verbunden und mißt deren Temperatur, io Auf diese Weise kann eine Kompensation des Temperaturganges der Förstersonde 41 vorgenommen werden.

Zur Beurteilung des Fehlerstromsignals umfaßt die Einheit zur Detektion eines Fehlerstromes 42 erfindungsgemäß weiters eine Fehlerstromanalyse-Einheit 100 zur spektralen Charakterisie-15 rung des Fehlerstromes, die mit der Netztrenn-Einheit 20 verbunden ist.

Um die Schwierigkeiten, die bei den bisher bekannten Fehlerstromschutzschaltern auftreten, zu vermeiden, wird der Fehlerstrom nicht allein aus einer einfachen Schwellwertüberschreitung bestimmt, sondern als ein von der Zeit abhängiges Signal unter Berücksichtigung der verschie-20 denen Frequenzanteile behandelt, aus dem sich dieses Signal zusammensetzt. Nach durchgeführter mathematischer Analyse des Fehlerstromsignals kann eine geeignete Reaktion als Ergebnis der Auswertung erfolgen.

Grundsätzlich kann das aus der Einheit zur Detektion eines Fehlerstromes 42 abgeleitete Feh-25 lerstromsignal entweder analog oder digital weiterverarbeitet werden. In der Praxis wird bevorzugt die Umwandlung des zunächst analogen Fehlerstromsignals in ein digitales Fehlerstromsignal durchgeführt, um den Aufwand für die Bewertung des Fehlerstromsignals möglichst gering zu halten, wodurch eine Miniaturisierung des erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzschalters möglich ist. 30

Das aus dem PID-Regler 43 gewonnene, signalgetreue Fehlerstromsignal wird in Fig. 1 einem mit dem Ausgang des PID-Reglers 43 verbundenen Verstärker 2 mit einem variablen Verstärkungsfaktor zugeführt, der beispielsweise über die Korrektur-Einheit 45 beeinflußt werden kann, um eine Temperaturkompensation der Förster-Sonde 41 über den Verstärkungsfaktor zu er-35 möglichen.

Am Ausgang des Verstärkers 2 ist eine Einheit zur Abtastung und Quantisierung des Fehlerstromes in Form eines Analog-Digital-Wandlers 3 angeschlossen, der das analoge Fehlerstromsignal in digitale Information umwandelt. Diese Umwandlung kann je nach Aufbau des 40 erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzschalters auch an einer anderen Stelle des Signalpfades geschehen.

Zur Vermeidung von Abtastfehlern ist im Analog-Digital-Wandler 3 weiters ein aus dem Stand der Technik bekannter Anti-Aliasing-Filter vorgesehen. 45

Der Verstärker 2 kann wahlweise als analoge Signalverstärkungseinheit an der in Fig. 1 gezeigten Stelle vorgesehen sein, er kann aber auch softwaremäßig durch Multiplikation des im Analog-Digital-Wandler 3 digitalisierten Fehlerstromsignals mit Koeffizienten realisiert sein, in welchen Koeffizienten z.B. der Temperaturgang der Förstersonde 41 berücksichtigt ist. 50

Nach dem Analog-Digital-Wandler 3 wird das digitalisierte Fehlerstromsignal einerseits einem Filterpfad 50 und andererseits einem Transformationspfad 51 zugeführt, wobei grob gesprochen im Filterpfad 50 der niederfrequente Anteil des Fehlerstromsignals, z.B. im Bereich kleiner als 400 Hz, und im Transformationspfad 51 der hochfrequente Anteil des Fehlerstromsignals, 55 z.B. im Bereich größer als 400 Hz, verarbeitet werden. Zu diesem Zweck umfaßt die Fehler- 7

AT 414 321 B stromanalyse-Einheit zumindest eine Filter-Einheit 15 und eine Transformations-Einheit 5, in welcher das in der Vorrichtung zur signalgetreuen Aufnahme des Fehlerstromes gebildete Fehlerstromsignal aus dem Zeitbereich in einen Bildbereich, vorzugsweise in den Frequenzbereich, transformierbar ist.

Fig. 2 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild des in Fig. 1 gezeigten Fehlerstromschutzschalters. Das oder die im Filterpfad 50 verwendeten Filter kann bzw. können durch Ermittlung in einem nachfolgend noch beschriebenen Konfigurations-Betrieb an die Gegebenheiten des gemessenen Fehlerstromsignals angepaßt werden. Im Transformationspfad 51 werden die höheren Signalfrequenzen des gemessenen Fehlerstromsignals durch mathematische Transformation verarbeitet.

Alternativ können auch mehrere parallele Filterpfade 151, 152.....15n zum Einsatz kommen, wie in Fig. 3 dargestellt, welche zusammen einen bestimmten Frequenzbereich überdecken.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist die Filter-Einheit durch eine Filter-Einheit mit Tiefpaßcharakteristik 15 gebildet ist, deren Ausgang mit einer Signalbewertungs-Einheit, die in Fig. 1 als Einheit zur Berechnung des Effektivwertes 16 des gefilterten Fehlerstromsignals realisiert ist, verbunden ist. Als Durchlaßbereich kann z.B. 0 Hz bis 400 Hz ausgeführt sein, wobei der Eingang der Filter-Einheit mit Tiefpaßcharakteristik 15 mit dem Ausgang des Analog-Wandlers 3 verbunden ist. Bevorzugt ist die Filter-Einheit 15 als digitaler Filter implementiert, es kann in diesem wahlweise auch das Abtasten und Quantisieren des Fehlerstromsignals vorgenommen und dafür auf den Analog-Wandler 3 verzichtet werden. Eine analoge Auslegung der Filter-Einheit 15 ist auch möglich, eine automatische Abstimmung desselben, wie sie nachfolgend beschrieben ist, ist aber dann mit Schwierigkeiten verbunden. In Fig. 1 erfolgt diese automatische Abstimmung der Filter-Einheit 15 über einen Abstimmungs-Eingang, welcher mit einer Signalkonfigurations-Einheit 7 verbunden ist.

Die mit dem Ausgang der Filter-Einheit 15 verbundene Einheit zur Berechnung des Effektivwertes 16 berechnet den Effektivwert des digitalisierten und gefilterten Fehlerstromsignals und gibt diesen an ihrem Ausgang aus, der mit einem Eingang einer Summier-Einheit 14 verbunden ist. An dieser Stelle endet der Filterpfad und mündet in die Summier-Einheit 14, deren Ausgang mit einer Maximalwertüberwachungs-Vorrichtung 17 verbunden ist, die über ein logisches ODER-Glied 18 an die Netztrenn-Einheit 20 angeschlossen ist, welche Maximalwertüberwa-chungs-Vorrichtung 17 bei Überschreitung eines vorbestimmbaren Grenzwertes die Netztrenn-Einheit 20 betätigt. Dadurch wird der Verbraucher vom Energieversorgungsnetz 40 getrennt.

Die Signalbewertungs-Einheit 16 kann in anderen erfindungsgemäßen Varianten als Einheit zur Berechnung des Spitzenwertes oder als Einheit zur Berechnung des Mittelwertes od. dgl. ausgebildet sein. Da es aber derzeit üblich ist, Fehlerstromgrenzwerte als Effektivwerte festzulegen, ist im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 die Signalbewertungs-Einheit als Einheit zur Berechnung des Effektivwertes verwirklicht.

Im Transformationspfad 51 ist zunächst ein Verstärker 4 angeordnet, dessen Eingang mit dem Ausgang des Analog-Digital-Wandlers 3 und dessen Ausgang mit dem Eingang der Transformations-Einheit 5 verbunden ist, die das Fehlerstromsignal aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich transformiert.

Der Verstärker 4 verfügt in Fig. 1 über einen Steuereingang, über den sein Verstärkungsfaktor - sowie bei Verstärker 2 - durch die Korrektur-Einheit 45 angepaßt werden kann. Diese Beeinflussungsmöglichkeit kann weggelassen oder an einer anderen Stelle vorgesehen sein.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist die Transformations-Einheit durch eine Fourier-Transformations-Einheit 5, insbesondere eine diskrete Fourier-Transformations-Einheit gebildet, welche vorzugsweise mit Hilfe der Fast Fourier-Transformation (FFT) verwirklicht werden kann. 8

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Das Zeitsignal wird dabei in ein Frequenzspektrum transformiert.

Es können aber auch andere Transformationsmethoden angewandt werden, sodaß die Transformations-Einheit ebenso gut durch eine Laplace-Transformations-Einheit, insbesondere eine 5 diskrete Laplace-Transformations-Einheit gebildet sein könnte. Die Laplace-Transformation stellt ja eine Verallgemeinerung der Fourier-Transformation dar, deren diskrete Version die z-Transformation darstellt. Weiterführende Möglichkeiten bieten die Gabortransformation, sowie die Wavelet-Transformation, die es ermöglichen, Aussagen über das Zeitverhalten des Frequenzspektrums des Fehlerstromsignals zu machen. Bei der Fourier-Transformation kann ja io keine Aussage über das zeitliche Verhalten eines Signalspektrums getroffen werden.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist ein Umschalter 60 am Ausgang der Fourier-Transformations-Einheit 5 vorgesehen, der in seiner Normalstellung eingezeichnet ist, die dem Normalbetrieb des erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzschalters entspricht. Zwischen den 15 Ausgang der Transformations-Einheit 5 und den Eingang einer Spektralbewertungs-Einheit 11 ist eine Korrelations-Einheit 8 geschaltet, welche mit einer Einheit zur Speicherung zumindest eines Vergleichsspektrums 12 verbunden ist.

Das in der Fourier-Transformations-Einheit 5 gebildete Signal wird der mit dieser verbundenen 20 Korrelations-Einheit 8 zugeführt, in welcher ein Vergleich des Frequenzspektrums des aktuellen Fehlerstromsignals mit einem oder mehreren gespeicherten Frequenzspektren durchgeführt wird. Über die Korrelations-Einheit 8 ist die Transformations-Einheit 5 mit der Spektralbewertungs-25 Einheit, die in Fig. 1 als Einheit zur Berechnung des Effektivwertes des Frequenzspektrums 11 ausgebildet ist, verbunden, deren Ausgang mit einem weiteren Eingang der Summier-Einheit 14 verbunden ist.

Der zweiten Stellung des Umschalters 60 entspricht der Konfigurations-Betrieb des erfindungs-30 gemäßen Fehlerstromschutzschalters. Während des Konfigurations-Betriebs ist der Ausgang der Transformations-Einheit 5 an den Eingang einer Signalkonfigurations-Einheit 7 geschaltet, der mit einem Speicher-Eingang der Einheit zur Speicherung zumindest eines Vergleichsspektrums 12 verbunden ist. 35 Konfigurations-Betriebsstellung (nicht in Fig. 1 gezeigt) des Umschalters 60:

Der Konfigurations-Betrieb (Fig. 4) dient der Kalibrierung des erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzschalters und der Erfassung der betriebsmäßig möglichen Signalspektren. Dazu werden im Energieversorgungsnetz 40 Lastschwankungen vorgenommen, indem beispielsweise ver-40 schiedene an dem Energieversorgungsnetz angeschlossene Verbraucher aktiviert und deaktiviert werden. Während des Konfigurations-Betriebs wird das Spektrum des während des Normalbetriebs auftretenden Fehlerstroms gemessen und unter Berücksichtigung der geltenden Normen in einem Ist-Signalspeicher 9 gespeichert, der zwischen die Signal-Konfigurations-Einheit 7 und der Einheit zur Speicherung des Vergleichsspektrums 12 geschaltet ist. 45

Da es bei der Messung des Vergleichsspektrums zu Fehlern kommen kann, durch deren Auftreten es zu einer Überschreitung der zulässigen Maximalwerte, die z.B. in einer Norm festgelegt sein können, kommen kann, sind in der Maximalwert-Tabelle 10 die maximal tolerierbaren Normenwerte abgespeichert, welche zur Ermittlung der tatsächlichen Vergleichswerte herange-50 zogen werden, die in der Vergleichsspeicher-Einheit 12 als Grundlage für den Vergleich dienen. Der Ist-Signalspeicher 9 und die Maximalwert-Tabelle 10 können in der Vergleichsspeicher-Einheit 12 beinhaltet sein.

In der Vergleichsspeicher-Einheit 12 sind jedenfalls die gültigen Vergleichswerte gespeichert, 55 die für den Vergleich herangezogen werden. Diese werden durch Begrenzung des im Ist- 9

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Signalspeicher 9 gespeicherten Spektrums durch die normenabhängigen Werte aus der Maximalwert-Tabelle 10 gebildet.

Die in der Vergleichsspeicher-Einheit 12 abgelegten Werte dienen im Normal-Betrieb dem 5 Vergleich mit dem aus dem Transformationspfad 51 ermittelten Spektrum und zudem der Einstellung des digitalen Filters 15 mit Tiefpaßcharakteristik im Filterpfad 50, der allgemein auch aus mehreren parallel geschalteten Filtern mit Bandpaßverhalten zusammengesetzt sein kann (Fig. 3). Die Einstellung erfolgt über die Signalkonfigurations-Einheit 7, in der das in der Fourier-Transformations-Einheit 5 transformierte Signal bearbeitet und analysiert wird sowie die Para-io meter für die Modifikation der Filterkoeffizienten des digitalen Filters 15 mit der Tiefpaßcharakteristik festgelegt werden.

Kommt es im Konfigurations-Betrieb zu einer Überschreitung der maximal zulässigen Werte des Signalspektrums, so führt die Vergleichsspeicher-Einheit 12 eine Notauslösung der Netztrenn-15 Einheit 20 durch. Zu diesem Zweck ist ein Notauslöse-Ausgang der Vergleichsspeicher-Einheit 12 mit dem logischen ODER-Glied 18 verbunden. Damit wird verhindert, daß einerseits normenwidrige Werte zum Vergleich herangezogen werden, andererseits, daß eine defekte Anlage weiter in Betrieb ist. Es wird eine Meldung an eine Steuereinheit 19 abgegeben, die dann den Konfigurations-Betrieb abbricht. 20

Die Steuereinheit 19 gibt weiters Korrekturfaktoren und Steuerbefehle aus den Werten des PID-Reglers 43, der Signalkonfigurations-Einheit 7, externen Bedienelementen 26 und eines externen PC 25, welcher über eine graphische Bedieneroberfläche (GUI) auf das System zugreift, aus. Es besteht auch für den Benutzer die Möglichkeit einer manuellen Modifikation der Ver-25 gleichswerte im Rahmen der zulässigen Grenzwerte aus den entsprechenden Normen und der Filterparameter des Tiefpaß-Filters 15.

Eine weitere Funktion der Steuereinheit 19 besteht in der Ansteuerung des Umschalters 60, über den zwischen Konfigurations-Betrieb und Normal-Betrieb umgeschaltet werden kann. 30 Wegen der Frequenzauflösung und der erreichbaren Bandbreite werden die Samplerraten und Meßdauer der verschiedenen Betriebsarten mit dem Umschalten des Umschalters 60 ebenfalls angepaßt.

Normal-Betriebsstellung (in Fig. 1 gezeigt) des Umschalters 60: 35

Im Normal-Betrieb (Fig. 5) wird das Fehlerstromsignal laufend gemessen und dem Filterpfad 50 und dem Transformationspfad 51 zugeführt. Signalanteile mit niedrigen Frequenzen werden vom Filter 15 durchgelassen bzw. entsprechend den eingestellten Filterkoeffizienten gedämpft. Signalanteile mit hohen Frequenzen werden im Transformationspfad 51 über die Fourier-40 Transformations-Einheit 5 in ein Frequenzspektrum umgesetzt, welches in der Korrelations-Einheit 8 mit den im Konfigurations-Betrieb gemessenen und in der Vergleichsspeicher-Einheit 12 gespeicherten Werten verglichen wird. Der Unterschied zwischen dem Frequenzspektrum des aktuell gemessenen Fehlerstromsignals und dem Vergleichsspektrum wird am Ausgang der Korrelations-Einheit 8 ausgegeben, der Effektivwert dieses Ausgangssignals in der Spektralbe-45 wertungs-Einheit 11 berechnet und in der Summations-Einheit 14 zu dem durch die Einheit zur Berechnung des Effektivwertes 16 bewerteten Tiefpaß-Signals addiert. Die am Ausgang der Summier-Einheit 14 angeschlossene Maximalwertüberwachungs-Vorrichtung 17 entscheidet über eine Auslösung und betätigt gegebenenfalls die Netztrenn-Einheit 20. so Alle Filteraufgaben - außer die Anti-Aliasing-Filterfunktion-, Berechnungen des Effektivwertes (RMS), mathematische Transformationen, Spektrenvergleich und Maximalwertüberwachung, wie sie im Funktionsblock 100 verwirklicht sind, können in einem integrierten digitalen Signalprozessor (DSP), ASIC oder Mikro-Controller (pC) vorgenommen werden. 55 Eine mit der Maximalwertüberwachungs-Vorrichtung 17 verbundene Kommunikations-Einheit 1 0

AT 414 321 B 13 ermöglicht eine Überwachung des Konfigurations- und Normal-Betriebs sowie der im Normal-Betrieb ermittelten Werte und allgemeiner Systemparameter z.B. über ein Modem und weitere Schnittstellen, z.B. Ethernet-Anschluß, Funkmodul od. dgl..

Findet z.B. eine Maximalwert-Überschreitung statt, wird der Verbraucher vom Energieversorgungsnetz 40 durch Betätigung des Schalters 20 getrennt und es wird eine entsprechende Meldung an die Kommunikations-Einheit 13 weitergegeben, die im einfachsten Fall eine LED oder ein Summer sein kann.

Weiters kann ständig der Wert, welcher zur Maximalwertüberschreitung geführt hat, an die Kommunikations-Einheit 13 ausgegeben werden, um ein laufendes Überwachen der Anlage von außen durchführen zu können.

Zwischen dem Ausgang der Fourier-Transformations-Einheit 5 und dem Eingang der Korrelations-Einheit 8 ist in Fig. 1 eine optionale Korrekturfunktions-Einheit 6 angeordnet, die Operationen über eine Systemfunktion h(x) ausführen kann, wie z.B. das Bilden eines Absolutbetrages, das Quadrieren eines Spektrums oder das Abspalten des Imaginärteils.

In der Korrelations-Einheit 8 wird das aktuell gemessene Spektrum mit dem in Konfigurations-Betrieb gemessenen und in der Vergleichsspeicher-Einheit 12 gespeicherten Werten verglichen. Der Vergleich besteht im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 aus einer einfachen Subtraktion, könnte aber auch durch eine andere Korrelationsfunktion geschehen. Es wird ein Maß der Verschiedenheit der beiden in der Korrelations-Einheit verglichenen Signale ermittelt.

In einer weiteren Variante der Erfindung, die in Fig. 6 gezeigt ist, wird der gesamte Frequenzbereich durch parallel geschaltete Filter-Einheiten 101,102 .... 10n mit Bandpaßcharakteristik abgedeckt, sodaß die Fehlerstrom-Information aus der Summe der Ausgänge der Filter-Einheiten 101,102.....10n gewonnen werden kann.

Der Transformationsteil dient nur mehr der Ermittlung von Filterkoeffizienten. Die Eingänge zur Einstellung dieser Filterkoeffizienten der Filter-Einheiten 101, 102..... 10n sind mit entspre chenden Ausgängen der Signal-Konfigurations-Einheit 7 verbunden, welche mit der Transformations-Einheit 5 in Verbindung steht. Die Ausgänge der Filter-Einheiten 101, 102.....10n sind jeweils über eine Signalbewertungs-Einheit 116 mit Eingängen einer Summier-Einheit 114 verbunden und der Ausgang der Summier-Einheit 114 ist mit der Maximalwertüberwachungsvorrichtung 17 verbunden, die an die Netztrenn-Einheit 20 angeschlossen ist. Die Maximalwert-überwachungs-Vorrichtung betätigt bei Überschreitung eines vorbestimmbaren Grenzwertes die Netztrenn-Einheit 20. Im Normalbetrieb arbeitet die in Fig. 6 gezeigte Ausführungsform somit nur im Zeitbereich.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Fehlerstrom-Überwachung eines Energieversorgungsnetzes 40, bei dem eine Netztrenn-Einheit 20 betätigt wird, sobald eine Maximalwertüberschreitung eines aus einer Fehlerstrommessung abgeleiteten Fehlerstrom-Meßwertes festgestellt wird.

Zunächst wird der Fehlerstrom signalgetreu abgebildet, das signalgetreue Fehlerstromsignal aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich transformiert und aus dem sich ergebenden Spektrum entweder ein Teilbetrag des Fehlerstrom-Meßwerts berechnet und/oder die Einstellung der Filterkoeffizienten zumindest eines Tiefpaß-Filters zur Filterung des signalgetreuen Fehlerstromsignals bestimmt, wobei aus dem Ausgangssignal des zumindest einen Tiefpaß-Filters der Fehlerstrom-Meßwert oder ein Teilbetrag desselben berechnet wird.

Claims (16)

1 1 AT 414 321 B Patentansprüche: 1. Fehlerstromschutzschalter mit einer Einheit zur Detektion eines Fehlerstromes innerhalb eines elektrischen Energieversorgungsnetzes und einer Netztrenn-Einheit, wobei die Einheit zur Detektion eines Fehlerstromes eine Vorrichtung zur signalgetreuen Aufnahme des Fehlerstromes (1, 41), welche mit dem Energieversorgungsnetz (40) koppelbar ist umfasst, die Einheit zur Detektion eines Fehlerstromes eine Fehlerstromanalyse-Einheit (100) zur spektralen Charakterisierung des Fehlerstromes umfasst, die mit der Netztrenn-Einheit (20) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlerstromanalyse-Einheit (100) zumindest eine Filter-Einheit (15, 101, 102,..., 10n; 151, 152,...15n), mit, vorzugsweise tieffrequenter, Bandpasscharakteristik zur Filterung des Fehlerstromsignals, und eine Transformations-Einheit (5) zum Transformieren des in der Vorrichtung (1, 41) signalgetreuen Aufnahme des Fehlerstromes gebildeten Fehlerstromsignals aus dem Zeitbereich in einen Bildbereich, vorzugsweise in den Frequenzbereich, umfasst.

2. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (100) zur Detektion eines Fehlerstromes weiters eine Einheit zur Abtastung und Quantisierung des Fehlerstromes, vorzugsweise einen Analog-Digital-Wandler (3) umfasst.

3. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (100) zur Detektion eines Fehlerstromes weiters ein Anti-Aliasing-Filter umfasst.

4. Fehlerstromschutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur signalgetreuen Aufnahme des Fehlerstromes durch eine Förster-Sonde (41) gebildet ist, deren Ausgang mit einer Regler-Einheit (43) verbunden ist, welche das am Ausgang der Förster-Sonde (41) anliegende Ausgangssignal auf Null kompensiert.

5. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Modulator (44) zur Vormagnetisierung der Förster-Sonde (41) vorgesehen ist.

6. Fehlerstromschutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur signalgetreuen Aufnahme des Fehlerstromes durch Shunts, Hall-Bauelemente oder aus Kombinationen aus Magnet- und Hallbauelementen gebildet ist.

7. Fehlerstromschutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Filter-Einheit durch eine Filter-Einheit (15) mit Tiefpasscharakteristik gebildet ist, deren Ausgang mit einer Signalbewertungs-Einheit (16), vorzugsweise einer Einheit zur Berechnung des Effektivwertes des gefilterten Fehlerstromsignals, verbunden ist, dass die Transformations-Einheit (5) mit einer Spektralbewertungs-Einheit (11), vorzugsweise einer Einheit zur Berechnung des Effektivwertes des Frequenzspektrums verbunden ist, und dass der Ausgang der Signalbewertungs-Einheit (16) und der Ausgang der Spektralbewertungs-Einheit (11) mit Eingängen einer Summier-Einheit (14) verbunden sind und der Ausgang der Summier-Einheit (14) mit einer Maximalwertüberwachungsvorrichtung (17) verbunden ist, die an die Netztrenn-Einheit (20) angeschlossen ist, welche Maximalwertüberwachungs-Vorrichtung (17) bei Überschreitung eines vorbestimmbaren Grenzwertes die Netztrenn-Einheit (20) betätigt.

8. Fehlerstromschutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformations-Einheit durch eine Fourier-Transformations-Einheit (5), insbesondere eine diskrete Fourier-Transformations-Einheit gebildet ist.

9. Fehlerstromschutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformations-Einheit durch eine Laplace-Transformations-Einheit, insbesondere eine diskrete Laplace-Transformations-Einheit gebildet ist. 12 AT 414 321 B

10. Fehlerstromschutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformations-Einheit durch eine Gabor-Transformations-Einheit oder eine Wa-velet-Transformations-Einheit gebildet ist, die Aussagen über das Zeitverhalten des Frequenzspektrums des Fehlerstromsignals ermöglichen. 5

11. Fehlerstromschutzschalter nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Ausgang der Transformations-Einheit (5) und den Eingang der Spektralbewertungs-Einheit (11) eine Korrelations-Einheit (8) geschaltet ist, welche mit einer Einheit zur Speicherung zumindest eines Vergleichsspektrums (12) verbunden ist. 10

12. Fehlerstromschutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang der Transformations-Einheit (5) an den Eingang einer Signalkonfigurati-ons-Einheit (7) schaltbar ist, die mit einem Speicher-Eingang der Einheit zur Speicherung zumindest eines Vergleichsspektrums (12) sowie mit einem Eingang der zumindest einen 15 Filter-Einheit (15) zur Einstellung von Filterkoeffizienten verbunden ist.

13. Fehlerstromschutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Filter-Einheit durch zwei oder mehrere parallelgeschaltete Filter-Einheiten (101, 102......10n) mit Bandpasscharakteristik gebildet ist, die Eingänge zur Ein- 20 Stellung von Filterkoeffizienten aufweisen und deren Ausgänge jeweils über eine Signalbe-wertungs-Einheit (116) mit Eingängen einer Summier-Einheit (114) verbunden sind und der Ausgang der Summier-Einheit (114) mit einer Maximalwertüberwachungs-Vorrichtung (17) verbunden ist, die an die Netztrenn-Einheit (20) angeschlossen ist, welche Maximalwertü-berwachungs-Vorrichtung bei Überschreitung eines vorbestimmbaren Grenzwertes die 25 Netztrenn-Einheit (20) betätigt, und dass die Transformations-Einheit (5) mit einer Signal- Konfigurations-Einheit (7) verbunden ist, deren Ausgänge mit den Eingängen zur Einstellung von Filterkoeffizienten verbindbar sind.

14. Verfahren zur Fehlerstrom-Überwachung eines Energieversorgungsnetzes, bei dem eine 30 Netztrenn-Einheit betätigt wird, sobald eine Maximalwertüberschreitung eines aus einer Fehlerstrommessung abgeleiteten Fehlerstrom-Messwertes festgestellt wird, wobei der Fehlerstrom signalgetreu abgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das signalgetreue Fehlerstromsignal aus dem Zeitbereich in den Bildbereich, vorzugsweise in den Frequenzbereich, transformiert und aus dem sich ergebenden Spektrum ein Teilbetrag des Fehler-35 strom-Messwerts berechnet und/oder die Einstellung der Filterkoeffizienten zumindest eines Filters (15, 101, 102..... 10n; 151, 152,...15n) mit Bandpasscharakteristik zur, vor zugsweise tieffrequenten, Filterung des signalgetreuen Fehlerstromsignals bestimmt wird, wobei aus dem Ausgangssignal des zumindest einen Filters (15, 101, 102..... 10n; 151, 152,...15n) mit Bandpasscharakteristik der Fehlerstrom-Messwert oder ein Teilbetrag des-40 selben berechnet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrum des Fehlerstromsignals mit wenigstens einem gespeicherten Vergleichsspektrum verglichen wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem aus dem Spektrum berechneten Teilbetrag des Fehlerstrom-Messwerts und dem aus dem wenigstens einen Filter (15, 101, 102,..., 10n; 151, 152,...15n) mit Bandpasscharakteristik berechneten Teilbetrag des Fehlerstrom-Messwerts der Fehlerstrom-Messwert gebildet wird. 50 Hiezu 4 Blatt Zeichnungen 55