本发明涉及一种用于进行干扰电弧保护的方法、一种干扰电弧保护单元以及一种电能分配设备。
背景技术：
1、按照运行可能出现(例如在电弧焊接中、在电弧炉中或者在电弧灯中作为点火辅助的)有用电弧或工作电弧形式或者开关电弧形式的电弧，开关电弧在开关操作期间出现在机械开关的触点之间。如果电弧未按照运行出现，而是由于干扰而无意地或者不期望地出现，则将其称为干扰电弧或者故障电弧。特别是在功率强大的分配和开关设备中，干扰电弧可能导致运行装置、设备部分或者整个开关设备毁灭性地损坏。为了减少损害并且避免能量供应的长时间中断，需要借助干扰电弧保护系统在几毫秒(≤5ms)内识别出并且使干扰电弧熄灭、特别是强电流的或者并联的故障电弧。
2、干扰电弧保护系统可能在开关设备中在保护机制的优先级方面导致决策冲突。干扰电弧保护系统由于其快速识别干扰电弧并且通过中断开关设备的上级区域中的电流立即使干扰电弧熄灭的任务而优先于开关设备的所有其它保护机制。因此，干扰电弧保护系统过度控制功率开关的短路算法，该短路算法将与其相关联的开关设备的次级区域(输出端或者支路)中的干扰电弧检测为短路。因此使开关设备中的选择性、即在不介入相邻的没有故障的支路的情况下短路所在的支路(下面也将其称为输出)的选择性的切断失效。
3、然而，主要针对开关设备的上级区域中(例如进入开关设备的电能的馈电点附近)的高电弧能量设计的干扰电弧保护系统的绝对优先也由于不同的原因而不始终是最佳解决方案。在许多干扰电弧事件中，电弧在非常短的时间之后又自行熄灭，因为释放的能量太低，而无法持久地维持电弧。在这些情况下，由干扰电弧造成的损坏可能相对小，例如局限于弧根(lichtbogenfuβpunkten)、相对小的熔融位置以及轻微的烟雾痕迹的损坏模式，而实际的、更高成本的损坏由于由干扰电弧保护系统促使的整个开关设备的切断才产生。
技术实现思路
1、因此，存在对改进的干扰电弧保护系统的需要。
2、上述技术问题通过根据权利要求1的方法来解决。此外，上述技术问题通过根据权利要求11的干扰电弧保护单元来解决。
3、根据本发明的方法用于在电能分配设备中进行干扰电弧保护。在此，该电能分配设备具有馈电点，在该馈电点处，由电能源、例如多相电源提供的电能被馈入到电能分配设备中。在馈电点处可以设置变压器，变压器进行通常从电能源的较高的电压转换为电能分配设备中的较低的电压的电压转换。此外，该电能分配设备具有上级的共同的主分配线路和多个次级的输出线路。在该电能分配设备中，从馈电点通过主分配线路并且从主分配线路通过输出线路向用电设备分配电能。下面也将电能分配设备称为配电网。电能分配设备例如可以是开关设备或者用于将电能从馈电点分配给用电设备的其它电路。在此，主分配线路能够通过主开关来中断，并且输出线路能够分别通过相关联的输出开关来中断。主开关可以被构造为保护开关设备(例如断路器)或者短路联接器。主开关也可以被构造为保护开关设备(例如断路器)和短路联接器的串联电路。在此，输出开关可以被构造为诸如acb、mcb、mccb或者保险装置的保护开关设备(acb＝air circuit breaker(空气断路器)；mcb＝miniature circuit breaker(微型断路器)；mccb＝moulded case circuit breaker(塑壳断路器))。因此，定义位于主开关和输出开关之间的电能分配设备的第一保护区域以及在能量输送方向上位于输出开关后面的电能分配设备的第二保护区域。干扰电弧电流阈值与输出开关的最大通过电流和/或输出开关的输出触发持续时间调谐，使得在由干扰电弧释放的能量超过预先给定的能量阈值之前，选择性地通过输出开关中的一个或者通过主开关来使干扰电弧熄灭，干扰电弧的干扰电弧电流超过该干扰电弧电流阈值是触发主开关以使干扰电弧熄灭的前提条件。
4、关于上面描述的电能分配设备，选择性的故障清除意味着：
5、a)在第二保护区域中发生干扰电弧的情况下，首先使输出开关有机会在触发主开关之前通过触发干扰电弧上游的输出开关来使该干扰电弧熄灭；
6、b)在第一保护区域中发生干扰电弧的情况下，触发主开关；以及
7、c)确保在由干扰电弧在电能分配设备中释放的能量超过定义的能量阈值之前使干扰电弧熄灭。
8、与将干扰电弧称为故障电弧类似，下面也将干扰电弧在电能分配设备中的出现简称为故障事件或者简称为：故障。
9、本发明基于如下的想法：对干扰电弧保护系统使用的保护算法进行补充，使得保护算法考虑所释放的干扰电弧能量应当不超过的能量阈值。该能量阈值对应于电能分配设备中能够容忍的最大损坏程度。在出现干扰电弧时，首先应当尝试选择性地使干扰电弧熄灭，即，在触发上级的主开关之前，通过输出开关中的一个来使干扰电弧熄灭。就此而言，主开关的触发的延迟是有利的，因为在许多情况下，如在说明书引言中已经提到的，实际损坏不是由于干扰电弧本身产生的，而是由于整个开关设备的切断才产生的。但是为了遵守能量阈值，不持续地将干扰电弧释放到设备中的能量与能量阈值进行比较，而是根据这里的本发明，在电能分配设备的规划或者设计期间，以如下方式基于能量阈值确定主开关中的干扰电弧电流阈值，即，使得在超过能量阈值之前，超过该干扰电弧电流阈值。也就是说，该能量阈值仅以该干扰电弧电流阈值的形式存储在主开关本身或者触发主开关的控制单元中。
10、也就是说，根据本发明，在由干扰电弧释放的能量超过预先给定的能量阈值之前，使干扰电弧熄灭。干扰电弧保护算法识别故障事件，但是在损坏能够忍受之前可以一直等待主开关的触发(高的干扰电弧电流阈值等同于主开关的触发的长的时间上的延迟)。因此，算法首先给予次级的输出开关清除定位在那里的故障的机会，而不像迄今为止那样标准化地切断整个电能分配设备。为用于进行干扰电弧保护的算法扩展了等待时间、即主开关的延迟，以保证选择性。也就是说，可以区分两种不同的事件：a)“选择性地触发输出开关中的一个，以使电能分配设备的次级层级中的干扰电弧熄灭”，以及b)“触发主开关，以使电能分配设备的上级层级中的干扰电弧熄灭，或者作为后备解决方案，以便防止由干扰电弧释放的能量超过预先给定的能量阈值”。为传统的选择性方法扩展了在干扰电弧事件的情况下最大能够容忍的损坏的能量标准。
11、术语电能分配设备的“层级”不应当被解释为局限于电能分配设备的结构；其应当被简单地视为电能分配设备的区域、特别是保护区域。术语“层级”以分层的观点来看待电能分配设备，而术语“区域”则关于电能分配设备突出了其网络状的结构。至关重要的是，要从馈电点到达电能分配设备的次级层级或者次级区域中的电能必须通过上级层级或者上级区域。因此，上级层级中或者上级区域中的主线路中的电流的中断导致在电能分配设备的次级层级中或者次级区域中同样不再有电流流动。
12、在检测基于电流和电压的干扰电弧保护系统中，迄今为止仅能够保证直到干扰电弧电流阈值的高度的选择性。该干扰电弧电流阈值与馈电点附近的测量位置有关，并且通常根据主母线系统、即电能分配设备的上级层级的主线路的保护的需求来确定。现在，如果根据本发明，将已知的干扰电弧保护算法，即电压识别方法与干扰电弧电流阈值的结合，与能量考虑结合，那么能够以明显更有区别的方式来控制次级分配层级的触发或者不触发，并且因此保证选择性。
13、在传统的保护设备中，由保护设备的制造商来确定保护设备中的触发特征曲线和电流阈值；此外，保护设备通常不能被配置为用于不同的应用。现在，本发明使得能够根据要使用保护设备的应用来调整保护设备的电流-时间特征曲线和能量阈值。
14、根据本发明的干扰电弧保护单元被调整为用于在电能分配设备中使用。其具有接口，该接口用于接收在电能分配设备中测量的电压和/或电流值，并且向主开关发送信号。此外，其具有数据存储器，该数据存储器用于存储预先给定的干扰电弧电流阈值，在高于该干扰电弧电流阈值时触发主开关。并且其具有处理器，该处理器被配置为用于，基于电能分配设备的电压和/或电流值来识别在电能分配设备中燃烧的干扰电弧，并且如果在主开关处测量的干扰电弧的干扰电弧电流超过干扰电弧电流阈值，或者在由干扰电弧释放的能量超过预先给定的能量阈值之前，触发主开关。
15、根据本发明，确定干扰电弧电流阈值，使得其小于主分配线路中的最大干扰电弧电流。以这种方式确保在任意情况下都达到干扰电弧电流阈值，因此如果干扰电弧在第一保护区域中燃烧或者达到了能量阈值，则不禁止主开关的触发。
16、在从属权利要求中给出了本发明的有利的设计方案和扩展方案。在此，根据本发明的方法也可以与装置从属权利要求对应地进行扩展，反之亦然。
17、根据一个优选的设计方案，如果输出开关是限流的，则将干扰电弧电流阈值选择为大于输出开关的最大通过电流。
18、根据一个优选的设计方案，确定干扰电弧电流阈值，使得直到达到该干扰电弧电流阈值的时间区间小于直到达到能量阈值的时间区间。以这种方式确保在由干扰电弧在电能分配设备中释放的能量超过能量阈值之前，使干扰电弧熄灭。在此，如果输出开关无法使干扰电弧熄灭，则主开关用作使干扰电弧熄灭的后备解决方案。
19、根据一个优选的设计方案，在收到切断命令之后在切断持续时间之后通过主开关来中断主分配线路，并且输出开关被配置为与输出开关的相应的时间-电流特征曲线对应地来触发，输出开关的时间-电流特征曲线定义了输出开关的最大通过电流和输出开关的输出触发持续时间之间的关系。在此，在第一种情况下相应的输出开关的输出触发持续时间和主开关的切断持续时间的总和小于直到达到能量阈值的时间区间，在该第一种情况下，确定等待时间，在该等待时间期间阻止主开关的触发。该等待时间用于使电能分配设备的次级的输出开关有机会选择性地使干扰电弧熄灭。在此，将该等待时间确定为至少与输出触发持续时间一样大，并且还将该等待时间确定为，使得由干扰电弧释放的能量不超过预先给定的能量阈值。
20、主开关的切断持续时间是主开关在触发命令到达之后中断主分配线路中的电流所需要的时间间隔，可以说是其反应时间。
21、可以调整干扰电弧保护算法，使得根据电能分配设备的不同的分配层级中的电弧能量水平，将到主开关的触发信号延迟，并且首先最晚直到达到能量阈值的时间点，使次分配层级的输出开关有时间清除故障。因此，直到定义的损坏程度，都可以保证电能分配设备中的选择性。
22、在主开关的预先给定的等待时间期间，使输出开关有机会选择性地使干扰电弧熄灭。在此，将主开关的等待时间确定为，使得由干扰电弧释放的能量不超过预先给定的能量阈值，而不管干扰电弧最终是要通过触发输出开关中的一个、还是主开关来熄灭。
23、因此，可以根据在电能分配设备中能够容忍的由干扰电弧在电能分配设备中释放的能量，将从干扰电弧保护单元到电能分配设备的上级层级(也称为保护区域i)中的主开关的触发信号延迟，并且同时使电能分配设备的次级层级(也称为保护区域ii)中的输出开关有时间在从干扰电弧保护单元到主开关的触发信号造成整个电能分配设备切断之前清除故障、即干扰电弧。因此，与所承受的干扰电弧的能量释放对应地，直到定义的损坏程度，都可以保证电能分配设备中的选择性。
24、依据开关设备的尺寸、例如馈电功率和配电设计以及保护设备的切断特性、例如电流限制、触发和切断时间，来协调电能分配设备中的保护开关设备的选择性特性。将能够容忍的能量阈值转换为干扰电弧保护系统(＝干扰电弧保护单元和主开关)的时间延迟、即等待时间(在对应的干扰电弧电流阈值的情况下)，并且将其与输出开关的触发特性进行比较。现在，如果干扰电弧保护系统的可能的等待时间大于输出开关的触发持续时间，并且电流限制关于干扰电弧电流阈值是足够的，则给出选择性。这种选择性是有计划的并且被设计到了设备中。也存在如下可能性，即，借助信号选择性或者通知选择性作为触发信号或者阻止信号向相应的保护设备发送参数。为用于干扰电弧保护的检测算法扩展了等待时间，以保证选择性。
25、根据第一种情况的一个优选的设计方案，根据输出开关的时间-电流特征曲线，并且根据时间区间-电流功率特征曲线，来确定干扰电弧电流阈值和等待时间，时间区间-电流功率特征曲线定义了直到达到能量阈值的时间区间和馈电点处的馈电功率之间的关系。馈电功率越大，则越快地达到能够容忍的干扰电弧能量。在相应的输出开关的输出触发持续时间和主开关的切断持续时间的总和不小于直到达到能量阈值的时间区间的情况下，允许不设置主开关的等待时间。替代地，必须根据主开关的干扰电弧电流阈值或者通过通知可能性，来决定开关的触发，以使干扰电弧熄灭。
26、根据第一种情况的一个优选的设计方案，如果在经过等待时间之后，在主开关处测量的电流大于主开关的干扰电弧电流阈值，则触发主开关。在等待时间之后剩余的故障电流表明存在以下的a)和b)两种情况之一：a)故障存在于保护区域i中＝>必须触发主开关，b)故障存在于保护区域ii中，但是未被输出开关成功熄灭＝>作为后备措施必须触发主开关。
27、根据一个优选的设计方案，在收到切断命令之后在切断持续时间之后通过主开关来中断主分配线路，并且输出开关被配置为与输出开关的相应的时间-电流特征曲线对应地来触发，输出开关的时间-电流特征曲线定义了输出开关的最大通过电流和输出开关的输出触发持续时间之间的关系，其中，在第二种情况下，确定干扰电弧电流阈值，使得干扰电弧电流阈值大于输出开关的最大通过电流，并且直到达到干扰电弧电流阈值的时间区间小于直到达到能量阈值的时间区间，其中，在第二种情况下，相应的输出开关的输出触发持续时间和主开关的切断持续时间的总和大于或等于直到达到能量阈值的时间区间。
28、根据第二种情况的一个优选的设计方案，在所有输出开关都具有电流限制的前提条件下，如果在主开关处测量的电流大于主开关的干扰电弧电流阈值，则触发主开关。
29、根据第二种情况的一个优选的设计方案，在一个或多个输出开关没有电流限制的前提条件下，如果在主开关处测量的电流大于主开关的干扰电弧电流阈值，并且在输出开关处测量的电流不大于输出开关的短路触发阈值，则触发主开关。在此，有利的是，在输出开关处检查在输出开关处测量的电流是否不大于输出开关的短路触发阈值的标准；为此，输出开关可以具有电流测量装置以及处理器，该电流测量装置用于测量输出开关处的电流，该处理器将由电流测量装置在输出开关处测量的电流值与输出开关的短路触发阈值进行比较。在此，如果在输出开关处测量的电流大于输出开关的短路触发阈值，则输出开关可以向主开关或者控制主开关的触发的干扰电弧保护单元发送阻止信号。也就是说，为了在f1和f2之间进行区分，将输出开关的电流限制和反应时间用作选择主开关的干扰电弧电流阈值和延迟时间的附加的标准。
30、根据一个优选的设计方案，基于电能分配设备的电压和/或电流值来识别干扰电弧。可以通过用于进行干扰电弧识别的算法来进行干扰电弧的识别，该算法对配电网的电压和电流值进行评估。
31、在此，干扰电弧保护系统由干扰电弧保护单元、检测装置(例如电流和/或电压传感器)以及在本说明书中也称为主开关的干扰电弧保护开关形成，该检测装置被配置为用于检测配电网的电压和/或电流值并且发送到干扰电弧保护单元，该干扰电弧保护开关被配置为用于，在从干扰电弧保护单元接收到使干扰电弧熄灭的触发信号之后，中断配电网中的电流。
32、在干扰电弧保护系统中，根据预期的损坏程度得出与电弧能量对应的等待时间。因此，配电网的上级层级中的实际触发和故障的清除不再没有延迟地、而是依据电弧能量(＝损伤能量)来进行。
33、根据一个优选的设计方案，所述等待时间涉及配电网的上级层级中的称为主开关的干扰电弧保护开关的触发，而使得配电网的次级层级中的保护开关设备能够作为对过电流和短路电流响应而没有延迟地触发。
34、通过为触发算法补充与能量相关的阈值或者与其相关的等待时间，可以避免配电网的意外的自发切断，其将导致无法容忍的损坏。配电网可以继续运行，并且可以避免意外的设备停机。可以在稍后的规划的时间点搜索故障。另一个优点在于干扰电弧电流阈值的可伸缩性，阈值可以匹配于配电网的相应的条件和设计参量、例如馈电功率，以及拓扑结构、例如输出的大小、母线的冷却效果。
35、另一个优点是，下级的分配层级中的电弧故障、例如短路不会被干扰电弧保护开关过度控制，并且不会出现整个配电网的切断，该下级的分配层级通过在输出中为此设置的保护开关设备来保护。
36、本发明的另一个方面是一种电能分配设备，在电能分配设备中，从馈电点通过上级的共同的主分配线路并且从共同的主分配线路通过多个次级的输出线路分配电能，其中，主分配线路能够通过主开关来中断，并且输出线路能够分别通过相关联的输出开关来中断。在此，该电能分配设备具有至少一个传感器以及如上面所描述的干扰电弧保护单元，该传感器用于确定主分配线路中的电压和/或电流值。
37、在基于电流和电压进行检测的传统的干扰电弧保护系统中，仅能够保证直到电流阈值的极限值的高度的选择性。该阈值与馈电点附近的测量位置有关，并且根据主母线系统的保护的需求来确定。现在，如果根据本发明，将已知算法，即电压识别方法与电流阈值的极限值的结合，与能量考虑结合，那么能够以明显更有区别的方式来控制次级分配层级的触发或者不触发，并且因此保证选择性。在此，该流程可以如下：
38、依据在电能分配设备中能够容忍的损坏程度来确定对应的能量阈值、例如直到100kj。现在，依据开关设备的尺寸、例如馈电功率和配电设计，并且依据输出开关的切断特性、例如电流限制以及触发和切断时间，来协调所需要的选择性特性。依据所选择的干扰电弧电流阈值，将能够容忍的能量阈值转换为时间延迟、即触发主开关的干扰电弧保护单元的等待时间或者延迟，并且将其与配电网的次级层级中的保护开关设备的触发特性进行比较。干扰电弧电流阈值由于选择性的原因而优选高于输出开关的触发阈值。如果由于所希望的延迟，干扰电弧保护单元的可能的触发命令比次级层级中的保护开关设备的触发晚地发出，并且电流限制关于所提到的保护开关设备的电流阈值是足够的，那么给出选择性。这种选择性是有计划的，并且对应地构造电能分配设备。
39、在电能分配设备的设计和规划阶段中，分别针对第一种情况和第二种情况决定应当触发主开关、还是输出开关中的一个；依据短路功率提出了两种不同的方法，因为不同的短路功率范围存在不同的时间要求。这些时间上的要求源于对能够容忍的最大损坏的能量考虑，例如100kj：
40、-在较低的第一短路功率范围内(相对小到中等的馈电功率，即小到中等的短路电流)，使输出开关有时间清除f2，
41、-在较高的第二短路功率范围内(相对大的馈电功率，即大的短路电流)，根据出现的最大故障电流来判断故障位置。
42、根据一个优选的设计方案，在信号选择性或者通知选择性的范围内，在主开关和/或输出开关之间交换触发信号或者阻止信号。这些触发信号或者阻止信号可以基于诸如时间、电流和/或电压以及积分参量的参数。通知选择性或者信号选择性基于至少两个开关交换其未来的开关状态，并且可以相互阻止或者相互触发。也就是说，在一个开关执行操作之前，该开关等待另一个开关的信号。传统上，通过通知选择性来控制开关级联的断开特性。迟滞式mccb和acb中的zsi功能就是这种通知选择性(zsi＝zone selectivityinterlocking，区域选择性联锁)。
43、根据本发明的类型的选择性特别适合用于针对次级分配层级中的一个的保护系统，因为这里大大减小的短路电流和保护开关设备的快速断开与强大的电流限制已经同时发生。在此，释放小的电弧能量，其导致能够容忍的损坏模式。
1.一种用于在电能分配设备(100)中进行干扰电弧保护的方法，在所述电能分配设备中，从馈电点(4)通过上级的共同的主分配线路(1)并且从所述共同的主分配线路(1)通过多个次级的输出线路(31、32、33)分配电能，
2.根据权利要求1所述的方法，
3.根据权利要求1或2所述的方法，
4.根据权利要求3所述的方法，
5.根据权利要求3或4所述的方法，
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，
7.根据权利要求6所述的方法，
8.根据权利要求6或7所述的方法，
9.根据权利要求8所述的方法，
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
11.一种用于电能分配设备(100)的干扰电弧保护单元(16)，其具有：
12.一种电能分配设备(100)，在所述电能分配设备中，从馈电点(4)通过上级的共同的主分配线路(1)并且从所述共同的主分配线路(1)通过多个次级的输出线路(31、32、33)分配电能，
