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Dokumentenidentifikation DE19727825A1 21.01.1999
Titel Überwachungsverfahren für einen Stromkreis
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Gunselmann, Walter, Dipl.-Ing., 91074 Herzogenaurach, DE;
Link, Dietmar, Dipl.-Ing., 91325 Adelsdorf, DE;
Maier, Reinhard, Dr.-Ing., 91074 Herzogenaurach, DE;
Griepentrog, Gerd, Dr.-Ing., 08066 Zwickau, DE
DE-Anmeldedatum 30.06.1997
DE-Aktenzeichen 19727825
Offenlegungstag 21.01.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.01.1999
IPC-Hauptklasse H02H 3/50
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Überwachungsverfahren für einen Stromkreis (3), in den von einem Stromnetz (1) ein zeitlich veränderlicher Strom (I) eingespeist wird. Um Lichtbögen im überwachten Stromkreis (3) sicher erkennen und den Stromkreis (3) in diesem Fall vom Stromnetz (1) trennen zu können,
- wird der zeitliche Verlauf des Stromes (I) erfaßt und einer Frequenzfilterung unterzogen;
- wird der frequenzgefilterte Strom während eines vorbestimmten Zeitintervalls integriert und
- wird der überwachte Stromkreis (3) vom Stromnetz (1) getrennt, wenn der integrierte frequenzgefilterte Strom einen vorbestimmten Integrationsschwellwert übersteigt.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Überwachungsverfahren für einen Stromkreis, in den von einem Stromnetz ein zeitlich veränderlicher Strom eingespeist wird.

In Stromkreisen, die äußeren Umwelteinflüssen ausgesetzt sind, insbesondere bei Bahnstromversorgungen, können Lichtbögen auftreten, welche Schäden verursachen können. Im Stand der Technik werden daher derartige Stromkreise mit Schutzgeräten überwacht, welche den zeitlichen Verlauf des Stromes erfassen und den überwachten Stromkreis vom Stromnetz trennen, wenn der eingespeiste Strom einen maximalen Wert übersteigt oder die zeitliche Änderung des Stromes einen Grenzwert übersteigt, die Stromänderung in Verbindung mit bestimmten, charakteristischen Zeiten einen bestimmten Wert überschreitet oder eine durch Modellbildung errechnete Temperatur innerhalb des Stromkreises überschritten wird. Die Auslöseschwellen müssen daher niedrig genug angesetzt sein, um Schäden in dem überwachten Stromkreis zu verhindern.

Je nach den Verbrauchern, die an den überwachten Stromkreis angeschlossen sind, kann aber auch das (normale) Zuschalten eines neuen Verbrauchers aufgrund des von dem neuen Verbraucher kurzfristig benötigten Stromes zu einer Auslösung führen, obwohl eigentlich kein Auslösegrund vorliegt. Insbesondere kann bei Bahnstromversorgungen die Aufladung von Saugkreisen moderner Triebfahrzeuge bei der Verbindung des Stromabnehmers des Triebfahrzeugs mit dem Fahrdraht hohe transiente Ströme verursachen, welche kurzfristig die Auslöseschwelle überschreiten können. Die Auslöseschwelle muß daher gleichzeitig hoch genug sein, um Fehlauslösungen zu vermeiden. Dieser Konflikt ist im Stand der Technik nicht immer oder nur unter Schwierigkeiten lösbar. Besonders kritisch ist hierbei, daß hochohmige Lichtbögen unterhalb der Auslöseschwellen bleiben und so unbemerkt weitgehende Zerstörungen hervorrufen können, wenn die Auslöseschwellen zu hoch angesetzt werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Überwachungsverfahren zur Verfügung zu stellen, bei dem einerseits Fehlauslösungen vermieden werden, andererseits bei Auftreten von Lichtbögen im überwachten Stromkreis diese sicher erkannt werden und der Stromkreis in diesem Fall vom Stromnetz getrennt wird.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit folgenden Verfahrensschritten gelöst:

  • - der zeitliche Verlauf des Stromes wird erfaßt und einer Frequenzfilterung unterzogen;
  • - der frequenzgefilterte Strom wird während eines vorbestimmten Zeitintervalls integriert und
  • - der überwachte Stromkreis wird vom Stromnetz getrennt, wenn der integrierte frequenzgefilterte Strom einen vorbestimmten Integrationsschwellwert übersteigt.

Vorzugsweise wird das beanspruchte Überwachungsverfahren nicht alternativ, sondern zusätzlich zum Überwachungsverfahren des Standes der Technik ausgeübt. Es wird also auch der nicht frequenzgefilterte Strom, im folgenden als Originalstrom bezeichnet, überwacht und der überwachte Stromkreis vom Stromnetz getrennt, wenn der überwachte Originalstrom mindestens einen vorbestimmten Trennschwellwert übersteigt. Der Trennschwellwert ist dabei derart gewählt, daß ein Überschreiten des Trennschwellwertes stets einen kritischen Zustand des überwachten Stromkreises bedeutet, so daß in diesem Fall der Stromkreis stets und bedingungslos vom Stromnetz getrennt wird.

Die Überwachung des Stromkreises ist noch effektiver, wenn die Verfahrensschritte des Anspruchs 1 nur dann ausgeführt werden, wenn der überwachte Originalstrom einen vorbestimmten Vorwarnwert unterhalb des Trennschwellwerts übersteigt. Der Vorwarnwert ist dabei derart gewählt, daß ein Nichtüberschreiten des Vorwarnwertes in bezug auf die konventionelle Auswertung stets einen unkritischen Zustand des überwachten Stromkreises bedeutet.

Wenn der Stromkreis mindestens eine typische Verbraucherstromfrequenz aufweist, ist ein Lichtbogen besonders sicher dadurch erkennbar, daß bei der Frequenzfilterung Stromkomponenten mit einer Frequenz in der Nähe der typischen Verbraucherstromfrequenz ausgefiltert werden. Die typische Verbraucherstromfrequenz kann dabei systembedingt vorbekannt sein oder zuvor experimentell ermittelt worden sein.

Wenn das Stromnetz in den Stromkreis einen Wechselstrom mit einer Grundfrequenz einspeist und der Stromkreis den Wechselstrom gleichrichtet, ist ein Lichtbogen, insbesondere ein niederohmiger Lichtbogen, besonders sicher dadurch erkennbar, daß bei der Frequenzfilterung Stromkomponenten mit einer Frequenz in der Nähe mindestens eines ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz ausgefiltert werden.

Die Erfindung macht sich also die Erkenntnis zunutze, daß Lichtbogenerscheinungen im wesentlichen ein undeterminiertes und breitbandiges Spektrum (Rauschen) des eingespeisten Stromes verursachen, während die systembedingten Stromkomponenten sich auf die ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz und/oder die typische Verbraucherstromfrequenz konzentrieren. Das Ausblenden der obengenannten Frequenzen reduziert daher das gemessene Signal um einen Großteil des systembedingten frequenzbezogenen Stromanteils, aber nur um einen geringen Teil des Stromanteils eines eventuell vorhandenen Lichtbogens. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann daher ein Lichtbogen dadurch erkannt werden, daß der Stromanteil außerhalb der typischen Verbraucherstromfrequenz und der ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz vergleichsweise groß ist, während eine konventionelle Überwachung noch nicht ansprechen könnte.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Stromnetz und einen Stromkreis und

Fig. 2 ein Überwachungsgerät zur Durchführung des Verfahrens.

Gemäß Fig. 1 wird ein Wechselstrom von einem Dreiphasen-Wechselstromnetz 1 über einen Schalter 2 in einen Stromkreis 3 eingespeist. Innerhalb des Stromkreises 3 wird der Strom vorzugsweise mittels eines sechspulsigen Gleichrichters 4 gleichgerichtet, der dann einen oberwellenbehafteten Gleichstrom I in die Leitungen 5 einspeist. An die Leitungen 5 sind Verbraucher 6 angeschlossen, von denen der Übersichtlichkeit halber nur einer dargestellt ist.

Das Dreiphasen-Wechselstromnetz 1 kann das normale Wechselstromnetz sein, welches z. B. mit einer Grundfrequenz fG von 50 bzw. 60 Hz arbeitet. Die Leitungen 5 sind beispielsweise eine Gleichspannungs-Bahnstromversorgung für ein Straßenbahnnetz, die Verbraucher 6 sind Straßenbahn-Triebwagen. Aufgrund der Tatsache, daß nicht alle Verbraucher 6 zu jedem Zeitpunkt denselben Strom benötigen, ist der eingespeiste Gleichstrom I selbstverständlich zeitabhängig bzw. zeitlich veränderlich.

Der zeitlich veränderliche Gleichstrom I wird mittels des Strommessers 7 erfaßt und der gemessene Wert an das Überwachungsgerät 8 weitergeleitet. Dort erfolgt eine Auswertung des Gleichstromes I und seines zeitlichen Verlaufs. Wenn der Gleichstrom I und/oder sein zeitlicher Verlauf gewisse Auslösegrenzwerte überschreiten, auf die nachstehend in Verbindung mit Fig. 2 noch eingegangen werden wird, wird der Schalter 2 geöffnet und der Stromkreis 3 vom Stromnetz 1 getrennt.

Fig. 2 zeigt nun den Aufbau des Überwachungsgeräts 8. Der gemessene Gleichstrom I wird im Überwachungsgerät 8 zunächst durch einen Analog/Digital-Wandler 9 digitalisiert und dann einer Auswerteeinheit 10 zugeführt. Die Auswerteeinheit 10 ist eine konventionelle Auswerteeinheit wie sie auch im Stand der Technik verwendet wird. Sie ermittelt

  • - den momentanen Strom I,
  • - die momentane Stromänderung dI/dt,
  • - den Stromsprung ΔI in Verbindung mit vorbekannten charakteristischen Zeiten und
  • - eine durch Modellbildung errechnete Temperatur T der Leitungen 5 (d. h. bei Bahnstromversorgungen der Fahrleitung).

Sowie eine dieser Größen einen vorbestimmten Trennschwellwert übersteigt, übermittelt die Auswerteschaltung 10 über eine erste Ausgabeleitung 11 ein logisches 1-Signal an ein Oder-Gatter 12. Dessen Ausgangssignal wird somit ebenfalls logisch 1. Das Ausgangssignal des Oder-Gatters 12 bewirkt dann das Öffnen des Schalters 2 (siehe Fig. 1). Die Trennschwellwerte sind dabei derart gewählt, daß ein Überschreiten eines der Trennschwellwerte stets einen kritischen Zustand des Stromkreises 3 bedeutet, so daß in diesem Fall der Stromkreis 3 stets und bedingungslos vom Stromnetz 1 getrennt wird.

Wenn die obenstehend genannten Werte zwar die Trennschwellwerte nicht übersteigen, einer oder mehrere der ermittelten Größen aber einen vorbestimmten Vorwarnwert unterhalb der Grenzschwellwerte, so gibt die Auswerteschaltung 10 ein 1-Signal auf eine zweite Ausgabeleitung 13. Dadurch wird dann ein Und-Gatter 14 aktiviert. Die Vorwarnwerte sind dabei derart gewählt, daß ein Nichtüberschreiten der Vorwarnwerte in bezug auf die konventionelle Auswertung stets einen unkritischen Zustand des Stromkreises 3 bedeutet. Das Überschreiten eines der Vorwarnwerte bei gleichzeitigem Nichtüberschreiten des hiermit korrespondierenden Trennschwellwertes bedeutet daher, daß in bezug auf die konventionelle Auswertung zwar ein kritischer Zustand des überwachten Stromkreises 3 vorliegen könnte, dies aber nicht sicher ist.

Wie ferner aus Fig. 2 ersichtlich ist, wird der digitalisierte Gleichstrom I auch einem Transformationsglied 15 zugeführt. Das Transformationsglied 15 führt eine Fouriertransformation des Gleichstromes I nach der Frequenz f durch. Vorzugsweise ist das Transformationsglied 15 derart ausgebildet, daß es eine schnelle Fouriertransformation (fast fourier transformation = FFT) vornimmt. Das fouriertransformierte Signal wird Multiplizierern 16, 17 zugeführt, denen als zweites Eingangssignal Ausgangssignale von Frequenzmasken 18, 19 zugeführt werden.

Das Ausgangssignal der Frequenzmaske 18 ist derart, daß durch den Multiplizierer 16 Stromkomponenten mit einer Frequenz f in der Nähe mindestens einer typischen Verbraucherstromfrequenz ft ausgefiltert werden. Das Ausgangssignal der Frequenzmaske 19 ist derart, daß zusätzlich zu den Stromkomponenten mit einer Frequenz f in der Nähe der typischen Verbraucherstromfrequenz ft auch Stromkomponenten mit einer Frequenz f in der Nähe des Sechsfachen, des Zwölffachen, des Achtzehnfachen usw. der Grundfrequenz fG ausgefiltert werden.

Das Transformationsglied 15 sowie der Multiplizierer 16 bzw. 17 und die Frequenzmaske 18 bzw. 19 bilden im gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils einen Frequenzfilter.

Die mindestens eine typische Verbraucherstromfrequenz ft kann aufgrund der Systemgegebenheiten des Stromkreises 3 von vorneherein bekannt sein. Alternativ ist es aber auch möglich - unter Umständen sogar nötig -, den Stromkreis 3 experimentell auszumessen und so die typische Verbraucherstromfrequenz ft zu ermitteln.

Die Oberschwingungen der Grundfrequenz fG sind durch die Grundfrequenz fG des Stromnetzes l bekannt. Sie betragen bei einer Grundfrequenz fG = 50 Hz 300/600/900/. . . Hz und betragen bei einer Grundfrequenz fG = 60 Hz 360/720/1080/. . . Hz. Im Regelfall wird eine Ausfilterung des Sechs-, Zwölf- und Achtzehnfachen der Grundfrequenz fG genügen, da die Intensität der höheren Oberschwingungen rasch abnimmt. Bei Bedarf können aber auch weitere Oberschwingungen ausgefiltert werden.

Die Ausgangssignale der Multiplizierer 16, 17 werden jeweils einem Integrator 20 bzw. 21 zugeführt, welche diese Ausgangssignale jeweils über ein vorbestimmtes Zeitintervall integrieren. Das vorbestimmte Zeitintervall ist dabei größer als die mit der Grundfrequenz fG korrespondierende Periode. Es ist also größer als 20 bzw. 16,6 ms. Vorzugsweise beträgt das vorbestimmte Zeitintervall zwischen 70 und 150 ms. Es beträgt beispielsweise 100 ms und entspricht somit 5 bzw. 6 Perioden der Grundfrequenz fG.

Der Begriff ,,in der Nähe einer Frequenz" ist dabei durch das vorbestimmte Zeitintervall festgelegt, da dieses Zeitintervall die maximale Frequenzauflösung bestimmt. Bei einem Zeitintervall von 100 ms beträgt die Frequenzauflösung z. B. 20 Hz. Jede Frequenz f ist also nur auf ±10 Hz genau bestimmt.

Die Ausgangssignale der Integratoren 20, 21 werden Auswerteeinheiten 22, 23 zugeführt, welche ihre Ausgabeleitungen 24, 25 auf logisch 1 setzen, wenn die integrierten frequenzgefilterten Ströme, die ihnen von den Integratoren 20, 21 zugeführt werden, vorbestimmte Integrationsschwellwerte übersteigen. Der Integrationsschwellwert der Auswerteeinheit 22 ist dabei ungleich dem Integrationsschwellwert der Auswerteeinheit 23. Dies ist auch selbstverständlich, da im unteren Zweig von Fig. 2 eine andere Frequenzfilterung vorgenommen wurde als im oberen Zweig.

Wie ferner ersichtlich ist, hat das Und-Gatter 14 die Wirkung, daß bezüglich des oberen Zweigs eine Frequenzfilterung und Überwachung des frequenzgefilterten, integrierten Stromes nur dann wirksam vorgenommen wird, wenn der überwachte Originalstrom I einen der Vorwarnwerte übersteigt.


Anspruch[de]
  1. 1. Überwachungsverfahren für einen Stromkreis (3), in den von einem Stromnetz (1) ein zeitlich veränderlicher Strom (I) eingespeist wird, mit folgenden Verfahrensschritten:
    1. - der zeitliche Verlauf des Stromes (I) wird erfaßt und einer Frequenzfilterung unterzogen;
    2. - der frequenzgefilterte Strom wird während eines vorbestimmten Zeitintervalls integriert und
    3. - der überwachte Stromkreis (3) wird vom Stromnetz (1) getrennt, wenn der integrierte frequenzgefilterte Strom einen vorbestimmten Integrationsschwellwert übersteigt.
  2. 2. Überwachungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    1. - daß auch der nicht frequenzgefilterte Strom (I) überwacht wird und
    2. - daß der überwachte Stromkreis (3) vom Stromnetz (1) getrennt wird, wenn der überwachte, nicht frequenzgefilterte Strom (I) mindestens einen vorbestimmten Trennschwellwert übersteigt.
  3. 3. Überwachungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensschritte des Anspruchs 1 nur dann wirksam ausgeführt werden, wenn der überwachte, nicht frequenzgefilterte Strom (I) mindestens einen vorbestimmten Vorwarnwert unterhalb des Trennschwellwerts übersteigt.
  4. 4. Überwachungsverfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
    1. - daß der Stromkreis (3) mindestens eine typische Verbraucherstromfrequenz (ft) aufweist und
    2. - daß bei der Frequenzfilterung Stromkomponenten mit einer Frequenz (f) in der Nähe der typischen Verbraucherstromfrequenz (ft) ausgefiltert werden.
  5. 5. Überwachungsverfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    1. - daß das Stromnetz (1) in den Stromkreis (3) einen Wechselstrom mit einer Grundfrequenz (fG) einspeist,
    2. - daß der Stromkreis (3) den Wechselstrom gleichrichtet und - daß bei der Frequenzfilterung Stromkomponenten mit einer Frequenz (f) in der Nähe mindestens eines ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz (fG) ausgefiltert werden.
  6. 6. Überwachungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
    1. - daß der Wechselstrom ein Dreiphasen-Wechselstrom ist,
    2. - daß der Stromkreis (3) den Dreiphasen-Wechselstrom sechspulsig gleichrichtet und
    3. - daß bei der Frequenzfilterung Stromkomponenten mit einer Frequenz (f) in der Nähe mindestens eines ganzzahligen Vielfachen des Sechsfachen der Grundfrequenz (fG) ausgefiltert werden.
  7. 7. Überwachungsverfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das vorbestimmte Zeitintervall größer als 20 ms ist.
  8. 8. Überwachungsverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das vorbestimmte Zeitintervall zwischen 70 und 150 ms liegt.






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