DE102005031811A1 - Method and device for monitoring and safeguarding electrical circuits - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Sicherheit von elektrischen Leitungen und Stromkreisen bzw. elektrischen Energieleitungen. Es ermöglicht die technische Ausführung einer neuen, intelligenten Sicherung, die den Stromkreis nicht nur bezüglich maximal zulässiger Ströme absichert, sondern auch gegen Störungen, die durch Alterung oder sonstige Fehlfunktionen von Klemmstellen oder Isolationen zwischen den Leitern verursacht werden, und die solche Störungen bis in die angeschlossenen elektrischen Verbraucher hinein erkennen kann. DOLLAR A Dazu wird erfindungsgemäß der zeitlich und größenmäßig veränderliche Übergangswiderstand im Stromkreis als Maß für die Störung herangezogen, wobei dazu Veränderungen und Verzerrungen des Spannungs- bzw. Stromverlaufes im Zeit- oder Frequenzraum registriert werden.The invention relates to a method for increasing the safety of electrical lines and circuits or electrical power lines. It enables the technical implementation of a new, intelligent fuse that protects the circuit not only with regard to the maximum permissible currents, but also against disturbances that are caused by aging or other malfunctions of terminal points or insulation between the conductors, and that such disturbances up to the can recognize connected electrical loads. DOLLAR A For this purpose, according to the invention, the transition resistance in the circuit, which changes over time and size, is used as a measure of the disturbance, with changes and distortions in the voltage or current curve being recorded in the time or frequency space.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Betriebssicherheit von elektrischen Leitungen und Stromkreisen bzw. elektrischen Energieleitungen. Es ermöglicht die technische Ausführung einer neuen, intelligenten Sicherung, die den Stromkreis nicht nur bezüglich maximal zulässiger Ströme absichert, sondern auch gegen Störungen, die durch Alterung, Materialfehler oder Anschlussfehler von Klemmstellen oder Isolationen zwischen den Leitern verursacht werden. Es ermöglicht solche Störungen bis in die angeschlossen elektrischen Verbraucher hinein zu erkennen.The The invention relates to a method for increasing the reliability of electrical lines and circuits or electrical power lines. Allows the technical design a new, smart fuse that not only makes the circuit in terms of maximum permissible Protects currents, but also against disturbances, due to aging, material defects or connection errors of terminal points or isolations between the conductors are caused. It allows such Disturbances up to recognize in the connected electrical consumers inside.

Es ist bekannt, dass mit Hilfe von Stromsicherungen elektrische Energieleitungen bzw. elektrischer Netze gegen unzulässige Ströme abgesichert werden. Dabei gibt es verschiedene Varianten, die zum Beispiel nur bestimmte Strom oder Spannungsbereiche zulassen, wie zum Beispiel minimaler Strom, maximaler Strom, minimale Spannung oder maximale Spannung bzw. Kombinationen davon. Für den allgemeinen Gebrauch sind diese einfachen Sicherungen, die zum Beispiel Kurzschlüsse oder Überspannungen detektieren, sehr gut wirksam und erfüllen damit ihren Zweck.It is known that with the help of current fuses electrical power lines or electrical networks against impermissible currents are hedged. there There are different variants, for example, only certain electricity or allow voltage ranges, such as minimum current, maximum current, minimum voltage or maximum voltage or combinations from that. For the Common uses are these simple fuses, for example shorts or overvoltages Detect, very effective and thus fulfill their purpose.

Es ist auch bekannt, dass bei diesen Sicherungen sowohl thermoelektrische als auch elektronische Verfahren eingesetzt werden, um die Sicherung auszulösen. Die elektronischen Verfahren beruhen meist auf dem Ohmschen Gesetz und lösen mit Hilfe eines Komparators die Sicherung aus.It It is also known that in these fuses both thermoelectric as well as electronic methods are used to trigger the backup. The Electronic methods are mostly based on Ohm's law and solve with Help a comparator from the fuse.

Die vorgenannten Verfahren berücksichtigen jedoch keine Störungen auf den Energieleitungen, die innerhalb des zulässigen, überwachten Strom bzw. Spannungsbereiches liegen. Solche Störungen können durch gealterte oder fehlerhafte Isolation, durch Korrosion oder gelockerte Klemmstellen oder auch durch Montage- oder Materialfehler erzeugt werden. Die Störungen sind jedoch nicht so groß, dass eine normale Sicherung ausgelöst wird. Es ist jedoch leicht einzusehen, dass an einer Störstelle, an der nur einige 10 Watt in Wärme umgesetzt werden durch Aufheizung ein Brand entstehen kann, wenn sich die Störstelle in einem Stromkreis befindet, in dem eine Last von ca. 1000 W mittels einer konventionellen Sicherung von 16 A abgesichert wird. In diesem Fall würde die konventionelle Sicherung nicht auslösen.The However, the above methods take into account no disturbances on the power lines within the allowable monitored current or voltage range lie. Such disorders can be caused by aged or faulty insulation, by corrosion or loosened Terminal points or by assembly or material defects are generated. The errors but are not that big that triggered a normal backup becomes. However, it is easy to see that at an impurity, at the only some 10 watts in heat can be implemented by heating a fire can occur when the defect is located in a circuit in which a load of about 1000 W by means of a conventional fuse of 16 A is protected. In this Case would do not trigger the conventional fuse.

Die Störungen äußern sich in einem nach Zeit und Wert veränderbaren Übergangswiderstand in der Störstelle selbst.The Disturbances are expressed in a change in contact resistance which can be varied according to time and value the defect even.

Es war also Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, welche sicherstellen, dass auch Störungen in elektrischen Stromkreisen erkannt werden und zur Abschaltung des Stromkreises führen, die in ihrer Absolutgröße unterhalb der Toleranzgrenze der üblichen Sicherungen liegen.It Thus, the object of the invention was a method and a device specify which ones ensure that also disturbances in electrical circuits be detected and lead to the shutdown of the circuit, the in their absolute size below the tolerance limit of the usual Fuses are lying.

Auf der Grundlage der sich ändernden Strom- beziehungsweise Spannungsverhältnisse bei einer Störung nach der Absicherung, wird hier ein sicheres Verfahren offenbart, das Störungen auf Leitungen bzw. Energieleitungen erkennt. Dabei müssen gewollte Änderungen im erlaubten Strom bzw. Spannungsbereich (Ein- und Ausschalten von Verbrauchern) berücksichtigt werden.On the basis of the changing electricity or tension conditions in case of a fault after the hedge, a secure procedure is revealed here the disturbances recognizes on lines or power lines. It must have wanted changes in the permitted current or voltage range (switching on and off of Consumers) become.

Überraschenderweise zeigte sich, dass sich derartige Störungen in einem nach Zeit und Wert veränderbaren Übergangswiderstand r = R(t) der Störstelle selbst dokumentieren.Surprisingly It turned out that such disturbances in one after time and Value changeable contact resistance r = R (t) of the impurity document yourself.

Sowohl im Funktionenraum der Zeit (Strom und Spannung sind Funktionen der Zeit: u = f(t), i = f(t)) als auch im Frequenzraum (Strom und Spannung sind Funktionen der Frequenz: u = f(f), i = f(f)) sind die Störungen zu sehen.Either in the function space of the time (current and voltage are functions of the Time: u = f (t), i = f (t)) as well as in frequency space (current and voltage are Functions of frequency: u = f (f), i = f (f)) are the interferences too see.

1 zeigt den Strom eines Verbrauchers in einem ungestörten Stromkreis im Zeitraum (Strom über Zeit, i = f(t)) 1 shows the current of a consumer in an undisturbed circuit in the period (current over time, i = f (t))

3 stellt den gleichen Sachverhalt im Frequenzraum dar (Strom über Frequenz durch Fourier-Transformation i = f(f)). Es ist nur eine Linie bei 50 Hz sichtbar. 3 represents the same situation in frequency space (current over frequency by Fourier transformation i = f (f)). Only one line is visible at 50 Hz.

Bei einer auftretenden Störung, ergibt sich ein verzerrtes Bild im Zeitraum (2) und aus einer Linie im Frequenzbereich (3) wird ein Frequenzspektrum (4).In case of an occurring disturbance, a distorted picture results in the period ( 2 ) and from a line in the frequency domain ( 3 ) a frequency spectrum ( 4 ).

Je größer die Störung ist, desto größer wird die Leistung im Störspektrum (5 und 6).The greater the disturbance, the greater the power in the interference spectrum ( 5 and 6 ).

Zur Auslösung der Sicherung wird folgender Sachverhalt herangezogen: Ist die Störung gering (Übergangswiderstand gering oder hoher Widerstand bei Isolationsproblemen) ist auch die Verzerrung im Zeitbereich bzw. die Leistung im Störspektrum gering. Ist die Störung groß (hoher Übergangswiderstand, relativ niedriger Isolationswiderstand) ist die Verzerrung im Zeitbereich bzw. die Leistung im Störspektrum groß.to release The following facts are used for the fuse: Is the fault low (contact resistance low or high resistance to insulation problems) is also the Distortion in the time domain or the power in the interference spectrum low. Is the fault large (high contact resistance, relatively low insulation resistance) is the distortion in the time domain or the power in the interference spectrum large.

Es wird nun eine analoge oder digitale Auswertung der Störung im Zeit- oder Frequenzraum durchgeführt; daraus kann eine Sicherungsfunktion s = f(t) oder s = f(f) abgeleitet werden.It will now be an analog or digital off Evaluation of the disturbance in the time or frequency space carried out; From this a safety function s = f (t) or s = f (f) can be derived.

Dabei ist zu berücksichtigen, dass Lastwechsel ebenfalls solche Verzerrungen und Störspektren erzeugen können Deshalb kann die Auswertung über ein Zeitfenster verzögert nach ihrem Auftreten vorgenommen werden. Eine Sicherungsfunktion kann im Zeitbereich durch eine Verzerrungsanalyse und im Frequenzbereich durch eine Leistungsanalyse des Störspektrums mit einem vorgegebenen Vergleichswert ausgelöst werden.there is taken into account, that load changes also produce such distortions and interference spectra can Therefore the evaluation over a Time window delayed be made after their appearance. A backup function can in the time domain through a distortion analysis and in the frequency domain by a power analysis of the interference spectrum with a predetermined Comparison value triggered become.

Eine weitere Möglichkeit eine Sicherheitsfunktion auszulösen, ist die Überwachung des Klirrfaktors. Dabei wird die Energie des Störspektrums ins Verhältnis zur Energie der Grundschwingung gesetzt.A another possibility to trigger a security function, is the surveillance the distortion factor. The energy of the interference spectrum is in relation to Energy of the fundamental vibration set.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Ein einfaches Ausführungsbeispiel ist in 7 gezeigt:
Um eine Energieleitung L', N', E' abzusichern, müssen Störungen, die über die Hauptenergieleitung L, N, E eingestreut werden können, durch ein Netzfilter (1) ausgefiltert werden. Da die Sicherung elektronische Bauelemente beinhaltet, die bei niedrigeren Spannungen (+Ub. –Üb) arbeiten, ist ein kleines Netzteil (2) in der Sicherung vorhanden. Der Strom zu den angeschlossenen Verbrauchern wird über einen Messwiderstand (3) gemessen. Die am Messwiderstand (3) abfallende Spannung ist proportional zu dem Strom der ihn durchfließt und wird über die Kondensatoren (4) entkoppelt und einem Differenzverstärker (5) zugeführt.The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. A simple embodiment is in 7 shown:
In order to protect a power line L ', N', E ', disturbances which can be interspersed via the main power line L, N, E, must be through a line filter ( 1 ) are filtered out. Since the fuse includes electronic components that operate at lower voltages (+ Ub. -AB), a small power supply ( 2 ) in the fuse. The current to the connected consumers is via a measuring resistor ( 3 ). The measuring resistor ( 3 ) falling voltage is proportional to the current flowing through it and is passed through the capacitors ( 4 ) and a differential amplifier ( 5 ).

Ein Leistungsrelais (12) kann den Stromkreis zu den Verbrauchern unter zwei Bedingungen unterbrechen.A power relay ( 12 ) can interrupt the circuit to consumers under two conditions.

Die erste Bedingung ist, wenn der zulässige abzusichernde Strom von 10 bzw. 16 A überschritten wird. Dazu wird die am Messwiderstand gewonnene Spannung im Differenzverstärker (5) verstärkt. Sie wird einem Gleichrichter und einem Komparator zugeführt (10). Je nach Einstellung (10 A oder 16 A) schaltet der Komparator, über die Relaissteuerung (11) das Relais (12) aus. Es können sowohl Effektiv- als auch Spitzenwertsicherungen realisiert werden (Isp = Ieff·√2).The first condition is when the allowable current to be protected is exceeded by 10 or 16 A respectively. For this purpose, the voltage obtained at the measuring resistor in the differential amplifier ( 5 ) strengthened. It is fed to a rectifier and a comparator ( 10 ). Depending on the setting (10 A or 16 A), the comparator switches via the relay control ( 11 ) the relay ( 12 ) out. Both effective and peak-value fuses can be realized (I sp = I eff · √2).

Die zweite Bedingung ist die neue, zusätzliche Absicherung von Leitungsstörungen im erlaubten Strombereich (0 < i < 10 A, bzw. 0 < i < 16 A). Sie wird ausgelöst bei Auftreten von bestimmten Leistungen im Störspektrum oder bei einem bestimmten Grad der Verzerrung des sinusförmige Wechselstroms (oder der Wechselspannung). Die vom Differenzverstärker (5) gelieferte Spannung wird über ein Netzfrequenzsperrfilter (6) (i.A. 50 Hz) auf eine Auswerteschaltung (7) geführt. Im einfachsten Fall ist die Auswerteschaltung eine Parallelschaltung von Bandfiltern. Komplexere Ausführungen beinhalten einen Mikrocontroller der eine FFT (Fast-Fourier-Transformation) ausführt. Mikrocontroller haben bei Verbrauchern mit Phasenanschnittsteuerung große Vorteile, da sie zur Mustererkennung eingesetzt werden können und diese Verbraucher sicher gegenüber den Leitungsstörungen erkennen können.The second condition is the new additional protection of line faults in the permitted current range (0 <i <10 A, or 0 <i <16 A). It is triggered when certain powers occur in the interference spectrum or at a certain degree of distortion of the sinusoidal alternating current (or AC voltage). The difference amplifier ( 5 ) supplied voltage via a mains frequency blocking filter ( 6 ) (generally 50 Hz) to an evaluation circuit ( 7 ) guided. In the simplest case, the evaluation circuit is a parallel connection of band filters. More complex embodiments include a microcontroller that performs an FFT (Fast Fourier Transform). Microcontrollers have great advantages in consumers with phase control, since they can be used for pattern recognition and can reliably detect these consumers against line faults.

Die von der Auswerteschaltung (7) gelieferte Spannung entspricht dem Leistungspegel des Störspektrums. Ein Komparator (8), der zeitverzögert über der Schaltung (9) normale Lastwechsel ausblendet, kann ebenfalls das Relais (12) über die Relaissteuerung (11) ausschalten. Die Sicherung kann wieder über den Taster (13) aktiviert werden.The of the evaluation circuit ( 7 ) supplied voltage corresponds to the power level of the interference spectrum. A comparator ( 8th ) delayed over the circuit ( 9 ) fades out normal load changes, the relay ( 12 ) via the relay control ( 11 ) turn off. The fuse can be reset via the button ( 13 ) to be activated.

Claims (11)

Verfahren zur Überwachung und Absicherung von elektrischen Stromkreisen, dadurch gekennzeichnet, dass der sich zeitlich und örtlich ändernde Übergangswiderstand in einem zu überwachenden Stromkreis detektiert wird und als Maß für die registrierte Störung herangezogen wird, welches die Auslösegröße für die Sicherungsfunktion darstellt.Method for monitoring and protection of electrical circuits, characterized in that the temporally and locally changing contact resistance is detected in a circuit to be monitored and is used as a measure of the registered fault, which represents the trigger size for the backup function. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung von sich ändernden Übergangswiderständen, Auswertungen im Zeitraum bezüglich der Verzerrungen und Störungen des Stromverlaufes als Maß für die Störung herangezogen werden.Method according to claim 1, characterized in that that for the detection of changing contact resistance, evaluations in the period regarding the distortions and disturbances of the current curve used as a measure of the fault become. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung von sich ändernden Übergangswiderständen, Auswertungen im Frequenzraum bezüglich der Verteilung des Frequenzspektrums als Maß für die Störung herangezogen werden.Method according to claim 1, characterized in that that for the detection of changing contact resistance, evaluations in frequency space the distribution of the frequency spectrum can be used as a measure of the disturbance. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung von sich ändernden Übergangswiderständen der Klirrfaktor im Stromfluss überwacht wird und das Verhältnis der Energie des Störspektrums zur Energie der Grundschwingung als Maß für die Störung herangezogen wird.Method according to claim 1, characterized in that that for detecting changing contact resistance of the Distortion factor in the current flow monitored will and the relationship the energy of the interference spectrum to the energy of the fundamental is used as a measure of the disturbance. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertegrößen mit einstellbaren Sollgrößen verglichen werden, bei deren Überschreitung die Sicherungsfunktion ausgelöst wird.Method according to Claims 1 to 4, characterized that the evaluation variables with adjustable setpoints compared when they are exceeded triggered the backup function becomes. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterdrückung von Fehlauslösungen die Sicherungsfunktion zeitverzögert ausgelöst wird.Method according to Claims 1 to 5, characterized that to oppression from false triggering the backup function time-delayed triggered becomes. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungsfunktion in der Auftrennung des zu Überwachenden Stromkreises besteht.Method according to Claims 1 to 6, characterized that the backup function in the separation of the monitored Circuit exists. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungsfunktion in der Auslösung einer Signalvorrichtung besteht.Method according to Claims 1 to 6, characterized that the fuse function in the triggering of a signaling device consists. Vorrichtung zur Überwachung und Absicherung von elektrischen Stromkreisen, dadurch gekennzeichnet, dass im zu überwachenden Stromkreis ein Fühler zur Messwertaufnahme des zeitlichen Spannungs- oder Stromverlaufes angeordnet ist, der mit einer nachgeordneten Auswerteeinheit zur Registrierung der Störungen verbunden ist, die mit einem Komparator zum Vergleich des Störungssignals mit einem vorgegebenen Sollsignal verbunden ist, und an den zur Auslösung der Sicherungsfunktion eine Trenneinheit für den zu überwachenden Stromkreis bei Überschreiten des Sollwertes angeschlossen ist.Device for monitoring and protection of electrical circuits, characterized that in the to be monitored Circuit a sensor for measuring value of the temporal voltage or current profile is arranged with a downstream evaluation of the Registration of the disturbances connected to a comparator for comparing the fault signal is connected to a predetermined reference signal, and to the release the fuse function a separation unit for the monitored circuit when exceeded of the setpoint is connected. Vorrichtung nach Anspruch 9 zur Überwachung und Absicherung von elektrischen Stromkreisen, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteeinheit ein Mikrocontroller zur Fourier-Transformation des zeitlichen Stromverlaufes in den Frequenzraum angeordnet ist.Apparatus according to claim 9 for monitoring and protection of electrical circuits, characterized in that in the Evaluation unit a microcontroller for Fourier transformation of temporal current profile is arranged in the frequency space. Vorrichtung nach Anspruch 9 zur Überwachung und Absicherung von elektrischen Stromkreisen, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteeinheit analoge aktive Filter das Leistungsspektrum außerhalb der Netzgrundschwingung ermitteln.Apparatus according to claim 9 for monitoring and protection of electrical circuits, characterized in that in the Evaluation unit analog active filters the power spectrum outside determine the mains fundamental.
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