(57)【要約】電気的なエネルギ供給網（４０）における障害電流検出ユニットと電源網分離ユニット（２０）とを有する障害電流遮断器が提案される。この障害電流遮断器においては、前述の障害電流検出ユニットが、エネルギ供給網（４０）と接続可能な障害電流を信号通りに取り出す装置と、前述の電源網分離ユニット（２０）と接続されている障害電流をスペクトル的に特徴付ける障害電流分析ユニット（１００）とを包含する。
2005536008.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的なエネルギ供給網における障害電流検出ユニットと電源網分離ユニットとを備えた障害電流遮断器において、
前記障害電流検出ユニットは、前記エネルギ供給網（４０）と接続可能であり、前記障害電流を信号通りに取り出す装置（１，４１）と、前記電源網分離ユニット（２０）と接続されており、前記障害電流をスペクトル的に特徴付ける障害電流分析ユニット（１００）とを包含することを特徴とする、障害電流遮断器。
【請求項２】
前記障害電流検出ユニットはさらに、前記障害電流をサンプリングおよび量子化するユニット、有利にはアナログ・ディジタル変換器（３）を包含する、請求項１記載の障害電流遮断器。
【請求項３】
前記障害電流検出ユニットはさらにアンチエーリアシングフィルタを包含する、請求項２記載の障害電流遮断器。
【請求項４】
前記障害電流を信号通りに取り出す装置はフォルスタセンサ（４１）によって構成されており、該フォルスタセンサ（４１）の出力側は調整ユニット（４３）と接続されており、該調整ユニット（４３）は前記フォルスタセンサ（４１）に生じる出力信号を０に補償する、請求項１、２または３記載の障害電流遮断器。
【請求項５】
変調器（４４）が前記フォルスタセンサ（４１）のバイアス磁化のために設けられている、請求項４記載の障害電流遮断器。
【請求項６】
前記障害電流を信号通りに取り出す装置はシャント、ホール素子または磁気素子とホール素子との組み合わせにより構成されている、請求項１、２または３項記載の障害電流遮断器。
【請求項７】
前記障害電流分析ユニット（１００）は少なくとも１つのフィルタユニット（１５，１０１，１０２，．．．，１０ｎ；１５１，１５２，．．．，１５ｎ）と変換ユニット（５）を包含し、該変換ユニット（５）において前記障害電流を信号通りに取り出す装置（１，４１）において形成される障害電流信号が時間領域から画像領域、有利には周波数領域に変換される、請求項１から６までのいずれか１項記載の障害電流遮断器。
【請求項８】
少なくとも１つの前記フィルタユニットがローパス特性を有するフィルタユニット（１５）によって構成されており、該フィルタユニット（１５）の出力側は信号評価ユニット（１６）、有利にはフィルタリングされた障害電流信号の実効値計算ユニットと接続されており、前記変換ユニット（５）はスペクトル評価ユニット（１１）、有利には周波数スペクトルの実効値計算ユニットと接続されており、前記信号評価ユニット（１６）の出力側および前記スペクトル評価ユニット（１１）の出力側は加算器ユニット（１４）の入力側と接続されており、該加算器ユニット（１４）の出力側は最大値監視装置（１７）と接続されており、該最大値監視装置（１７）は前記電源網分離ユニット（２０）に接続されており、前記最大値監視装置（１７）は所定の限界値超過時に前記電源網分離ユニット（２０）を作動させる、請求項７記載の障害電流遮断器。
【請求項９】
前記変換ユニットはフーリエ変換ユニット（５）、例えば離散フーリエ変換ユニットによって構成されている、請求項８記載の障害電流遮断器。
【請求項１０】
前記変換ユニットはラプラス変換ユニット、例えば離散ラプラス変換ユニットによって構成されている、請求項８記載の障害電流遮断器。
【請求項１１】
前記変換ユニットはガボール変換ユニットまたはウェーブレット変換ユニットによって構成されており、該変換ユニットの出力は前記障害電流信号の周波数スペクトルの時間特性に関する出力を行う、請求項８記載の障害電流遮断器。
【請求項１２】
前記変換ユニット（５）の出力側と前記スペクトル評価ユニット（１１）との間には相関ユニット（８）が接続されており、該相関ユニット（８）は少なくとも１つの比較スペクトルの記憶ユニット（１２）と接続されている、請求項８から１１までのいずれか１項記載の障害電流遮断器。
【請求項１３】
前記変換ユニット（５）の出力側は信号コンフィギュレーションユニット（７）の入力側に接続可能であり、該信号コンフィギュレーションユニット（７）は少なくとも１つの比較スペクトルの記憶ユニット（１２）ならびにフィルタ係数を調節するための少なくとも１つのフィルタユニット（１５）の入力側と接続されている、請求項２記載の障害電流遮断器。
【請求項１４】
前記少なくとも１つのフィルタユニットはバンドパス特性を有する２つまたは複数の並列接続されているフィルタユニット（１０１，１０２，．．．，１０ｎ）によって構成されており、フィルタ係数を調節するための入力側を有し、該フィルタユニットの出力側はそれぞれ信号評価ユニット（１１６）を介して加算器ユニット（１１４）の入力側と接続されており、該加算器ユニット（１１４）の出力側は最大値監視装置（１７）と接続されており、該最大値監視装置（１７）は前記電源網分離ユニット（２０）に接続されており、前記最大値監視装置は所定の限界値の超過時に前記電源網分離ユニット（２０）を作動させ、前記変換ユニット（５）は信号コンフィギュレーションユニット（７）と接続されており、該信号コンフィギュレーションユニット（７）の出力側はフィルタ係数を調節するための入力側と接続可能である、請求項１から６までのいずれか１項記載の障害電流遮断器。
【請求項１５】
障害電流測定から導出される障害電流測定値の最大値超過が確認されると即座に電源網分離ユニットを作動させる、エネルギ供給網の障害電流を監視する方法において、
前記障害電流を信号通りに再現し、信号通りの障害電流信号を時間領域から周波数領域に変換し、生じるスペクトルから前記障害電流測定値の部分値を計算し、および／または、信号通りの前記障害電流信号をフィルタリングするために少なくとも１つのローパスフィルタ（１５，１０１，．．．，１０ｎ；１５１，１５２，．．．，１５ｎ）のフィルタ係数の調節を決定し、少なくとも１つのローパスフィルタ（１５，１０１，．．．，１０ｎ；１５１，１５２，．．．，１５ｎ）の出力信号から障害電流測定値または該障害電流測定値の部分値を計算することを特徴とする、エネルギ供給網の障害電流を監視する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気的なエネルギ供給網における障害電流検出ユニットと電源網分離ユニットとを備えた障害電流遮断器に関する。
【０００２】
エネルギ供給網においてコンバータ、スイッチング電源部、電力電子装置などがますます使用されることにより、非正弦波状のリーク電流を広範に考慮する必要がある。例えばＦＩスイッチのような従来の障害電流検出システムにおける純粋な正弦波信号は誤作動を引き起こすことはないが、高調波の信号および信号の非調和的な重畳によって、目下のところ障害電流の検出に使用されているアナログ電子装置においては整流、復調、共振特性およびフィルタ特性のような不所望な作用が生じ、これらの不所望な作用はエラー検出のために設けられている電子回路装置がある程度複雑になると遮断特性に悪影響を及ぼし、したがって安全性を損ねる可能性がある。したがって復調作用、結合容量および共振作用などは慣例の障害電流遮断器の予測不可能な遮断特性の原因である。
【０００３】
したがって本発明の課題は、純粋な正弦波状の障害電流でなくても所定の予測可能なトリガ特性を示す障害電流遮断器を提供することである。
【０００４】
本発明の別の課題は、広範な周波数領域にわたる障害電流の検出を実現することである。
【０００５】
さらに本発明の課題は、電源網に生じる障害電流の継続的な判定を呼び出せるようにすることである。
【０００６】
本発明によればこれらの課題は、障害電流を検出ユニットが、エネルギ供給網と接続可能な障害電流を信号通りに取り出す装置と、電源網分離ユニットと接続されている障害電流をスペクトル的に特徴付ける障害電流分析ユニットとを包含することによって解決される。
【０００７】
このようにして障害電流は実効値に応じて判定されるだけでなく、信号分析の数学的な方法を用いることにより周波数成分を供給する信号としても考察される。これにより得られる結果に基づき、許容最大値の正確な監視を実施することができ、したがって障害電流遮断器の予測可能なトリガが行われる。
【０００８】
合理的な負担による障害電流のこのような判定はディジタル信号処理によって実現される。本発明の別の実施形態においては、障害電流検出ユニットはさらに障害電流をサンプリングおよび量子化するユニット、有利にはアナログ・ディジタル変換器を包含することができる。信号処理経路のどの箇所においてアナログ信号からディジタル信号への変換を行うかは信号処理部の構成に応じて異なって良く、実現するためには殊に信号プロセッサが適している。
【０００９】
アナログ・ディジタル変換器においてサンプリングされる信号の劣化を回避するために、本発明の別の実施形態によれば障害電流検出ユニットはさらにアンチエイリアシングフィルタを包含することができる。
【００１０】
本発明の別の実施形態は、障害電流を信号通りに取り出す装置をフォルスタ（Foerster）センサによって構成することができ、このフォルスタセンサの出力側は調整ユニットと接続されており、この調整ユニットがフォルスタセンサの出力側に生じる出力信号を０に補償する。
【００１１】
フォルスタセンサの出力信号は調整ユニットに対する調整量として使用され、この調整ユニットのタスクは出力信号を０に補償することである。このようにして障害電流が信号通りに再現される。
【００１２】
フォルスタセンサの磁気材料を交互に飽和させるために、本発明の別の実施形態においてはフォルスタセンサをバイアス磁化するために変調器を設けることができる。障害電流信号によって、この障害電流がバイアス磁化によって設定されているものとは異なる磁気材料の変化を生じさせることを識別できる。
【００１３】
センサとして、障害電流を信号通りに表すことができる他のタイプのセンサも使用することができる。したがって一般性を制限することなく、本発明の実施形態においては障害電流を信号通りに取り出す装置をシャント、ホール素子または磁気素子とホール素子との組み合わせによって形成することができる。
【００１４】
障害電流の周波数成分を分析するために時間領域から画像領域への変換が必要である。したがって本発明の別の実施例では、障害電流分析ユニットが少なくとも１つのフィルタユニットと変換ユニッとを包含することができ、この変換ユニットにおいては障害電流を信号通りに取り出す装置において形成される障害電流信号を時間領域から画像領域、有利には周波数領域に変換することができる。
【００１５】
フィルタユニットによって例えば障害電流における低周波振動成分を測定値計算の際に考慮することができる。
【００１６】
本発明の別の実施形態によれば、少なくとも１つのフィルタユニットがローパス特性を有するフィルタユニットによって構成されており、このフィルタユニットの出力側は信号評価ユニット、有利にはフィルタリングされた障害電流信号の実効値計算ユニットと接続されており、変換ユニットはスペクトル評価ユニット、有利には周波数スペクトルの実効値計算ユニットと接続されており、信号評価ユニットの出力側およびスペクトル評価ユニットの出力側は加算器ユニットの入力側と接続されており、加算器ユニットの出力側は最大値監視装置と接続されており、この最大値監視装置は電源網分離ユニットに接続されており、最大値監視装置は所定の限界値の超過時には電源網分離ユニットを作動させる。
【００１７】
集積回路の支援により多方面で既に適用可能な変換方法はフーリエ変換、例えば高速フーリエ変換である。したがって本発明の別の実施形態では、変換ユニットをフーリエ変換ユニット、例えば離散フーリエ変換ユニットによって構成することができる。
【００１８】
しかしながら他の数学的な変換方法も本発明の枠内で十分に適用することができる。本発明の有利な変形形態では、変化ユニットをガボール変換ユニットまたはウェーブレット変換ユニットによって構成することができ、これらの変換ユニットは障害電流信号の周波数スペクトルの時間特性に関する出力を可能にする。
【００１９】
本発明の別の実施形態においては、変換ユニットの出力側とスペクトル評価ユニットの入力側との間に相関ユニットを接続することができ、この相関ユニットは少なくとも１つの比較スペクトルの記憶ユニットと接続されている。
【００２０】
通常状態を表す比較スペクトルとの比較によって、最大値超過に関する閾値を所定の周波数領域に関連づけることができる。
【００２１】
本発明の別の実施形態では、変換ユニットの出力側を信号コンフィギュレーションユニットの入力側に接続することができ、この信号コンフィギュレーションユニットは少なくとも１つの比較スペクトルの記憶ユニットのメモリ入力側と、フィルタ係数を調節するための少なくとも１つのフィルタユニットの入力側とに接続されている。
【００２２】
信号コンフィギュレーションユニットにおいては相関ユニットでの比較に必要とされる信号が処理および分析される。さらにはこの信号コンフィギュレーションユニットはフィルタユニットのフィルタ係数の制御も実現する。
【００２３】
本発明の別の変形形態では、少なくとも１つのフィルタユニットをバンドパス特性を有する並列接続された２つまたは複数のフィルタユニットによって構成することができ、このフィルタユニットはフィルタ係数を調節するための入力側を有し、出力側はそれぞれ信号評価ユニットを介して加算器ユニットの入力側と接続されており、加算器ユニットの出力側は最大値監視装置と接続されており、この最大値監視装置は電源網分離ユニットに接続されており、最大値監視装置は所定の限界値を超過した際に電源分離ユニットを作動させ、また変換ユニットが信号コンフィギュレーションユニットと接続されており、この信号コンフィギュレーションユニットの出力側はフィルタ係数を調節するための入力側と接続されている。
【００２４】
バンドパス特性を有する２つまたは複数のフィルタユニットを用いることにより、障害電流信号に関係のある全ての周波数領域がカバーされる。フィルタ係数は変換ユニットを用いて決定される。係数の調節後はフィルタユニットを用いる障害電流の監視が時間領域で行われる。
【００２５】
さらに本発明はエネルギ供給網の障害電流を監視する方法に関し、この方法では障害電流測定から導出される障害電流測定値の最大値超過が確認されると即座に電源網分離ユニットが作動される。
【００２６】
冒頭で述べた本発明の課題は本発明によれば以下のことにより解決される。すなわち、障害電流が信号通りに再現され、信号通りの障害電流信号が時間領域から周波数領域に変換され、生じたスペクトルから障害電流測定値の部分値が計算される、および／または、信号通りの障害電流信号をフィルタリングする少なくとも１つのローパスフィルタのフィルタ係数の調節が決定され、少なくとも１つのローパスフィルタの出力信号から障害電流測定値またはこの障害電流測定値の部分値が計算される。
【００２７】
周波数スペクトルを有する信号として障害電流を評価することより障害電流遮断器の誤動作が回避される。
【００２８】
以下では本発明を図面に示した実施例に基づき説明する。ここで
図１は本発明による障害電流遮断器の実施形態のブロック回路図を示し、
図２は図１による障害電流遮断器の簡略化されたブロック回路図を示し、
図３は本発明の別の変形形態の簡略化されたブロック回路図を示し
図４は図１による障害電流遮断器のコンフィギュレーション動作の簡略図を示し、
図５は図１による障害電流遮断器の通常動作の簡略図を示し、
図６は本発明による障害電流遮断器の別の実施形態のブロック回路図の一部を示す。
【００２９】
図１には一般的な電気エネルギ供給網４０が概略的に示されており、図示していない負荷へのこのエネルギ供給網４０のアクセスは電源網分離ユニット２０によって遮断することができる。エネルギ供給網４０において所定の障害電流測定値を上回る障害電流が流れ始めると、即座に電源網分離ユニット２０が作動され、これによって人体に危険がおよぶことは回避される。そのような障害電流の発生は障害電流検出ユニット４２によって監視される。
【００３０】
本発明によれば、障害電流検出ユニット４２は障害電流を信号通りに取り出す装置１，４１を包含し、この装置はエネルギ供給網４０に接続することができ、また本発明の枠内では種々の様式で構成することができる。
【００３１】
図１による実施例においては、障害電流を信号通りに取り出す装置はフォルスタセンサ４１によって構成されており、このフォルスタセンサ４１の出力側は調整ユニット１と接続されており、この調整ユニット１はフォレストセンサ４１の出力側に生じる出力信号を０に補償する。調整ユニット１はＰＩＤ調整器４３を包含し、このＰＩＤ調整器４３の調整量はフォレストセンサ４１の出力信号によって形成されている。フォレストセンサ４１の出力信号を補償することによって、ＰＩＤ調整器４３の出力側においては障害電流が信号通りに再現され、障害電流信号としてさらに処理される。
【００３２】
しかしながら障害電流を信号通りに取り出す装置として他の装置も使用することができ、つまり例えばシャント、ホール素子または磁気素子とホール素子との組み合わせも使用することができる。この際使用される調整器のタイプは前述のフォレストセンサ４１に関する適用事例のように同じくいかなる制限も受けるものではない。
【００３３】
このようにして実現される障害電流の信号通りの再現でもって例えば０Ｈｚ、すなわち直流電流からおよそ２０ｋＨｚまでの非常に広範な周波数領域における障害電流を検出することができる。
【００３４】
フォレストセンサ４１のバイアス磁化のために変調器４４が設けられており、この変調器４４のタスクはフォレストセンサ４１の磁気材料を交互に飽和させることである。これはフォレストセンサ４１のコイルと接続されている適切な信号発生器によって行うことができる。例えば、矩形波信号から導出されているので奇数の高調波しか有さないスペクトルが生じる。ここで障害電流信号によって磁気材料の別の変化が生じ、この場合偶数の高調波が生じる。フォレストセンサ４１においては例えば第２高調波（偶数の高調波）が障害電流信号を判定するために使用される。この場合障害電流信号を信号通りに再現するために第２高調波がＰＩＤ調整器４３を用いることにより０に補償される。
【００３５】
ＰＩＤ調整器４３と接続されている補正ユニット４５はフォレストセンサ４１の領域に配置されている温度測定センサ４６と接続されており、温度測定センサ４６の温度を測定する。このようにしてフォレストセンサ４１の温度経過を補償することができる。
【００３６】
障害電流信号を判定するために障害電流検出ユニット４２は本発明によれば障害電流をスペクトル的に特徴付ける障害電流分析ユニット１００をさらに包含し、この電流分析ユニット１００は電源網分離ユニット２０と接続されている。
【００３７】
従来公知の障害電流遮断器において生じる問題を回避するために、障害電流は単に閾値超過のみから検出されるのではなく、時間に依存する信号もこの信号を構成する種々の周波数成分の考慮下で処理される。障害電流信号の数学的な分析後には評価結果として適切に応答することができる。
【００３８】
基本的に、障害電流検出ユニット４２から導出される障害電流信号をアナログまたはディジタルでさらに処理することができる。実際には、障害電流信号の評価に関する手間を可能な限り僅かに保つために、有利には最初にアナログの障害電流信号からディジタルの障害電流信号への変換が行われる。これによって本発明による障害電流遮断器の小型化が可能である。
【００３９】
ＰＩＤ調整器４３から取得される信号通りの障害電流信号は図１において、ＰＩＤ調整器４３の出力側と接続されており、可変の増幅係数を有する増幅器２に供給され、この増幅器２はフォレストセンサ４１の温度補償を増幅係数によって可能にするために例えば補正ユニット４５を介して制御することができる。
【００４０】
増幅器２の出力側においては、障害電流のサンプリング及び量子化を行うためにアナログ・ディジタル変換器３であるユニットが接続されており、このアナログ・ディジタル変換器３はアナログの障害電流信号をディジタル情報に変換する。この変換は本発明による障害電流遮断器の構造に応じて信号経路の別の箇所においても行うことができる。
【００４１】
サンプリングエラーを回避するためにアナログ・ディジタル変換器３においてはさらに従来技術から公知のアンチエイリアシングフィルタが設けられている。
【００４２】
増幅器２は選択的にアナログ信号増幅器ユニットとして図１に示した箇所に設けることができるが、しかしながらこの増幅器２をソフトウェア的にアナログ・ディジタル変換器３においてディジタル化された障害電流信号と係数との乗算によって実現することもでき、このアナログ・ディジタル変換器３において係数例えばフォレストセンサ４１の温度経過が考慮されている。
【００４３】
アナログ・ディジタル変換器３の他に、ディジタル障害電流信号は一方ではフィルタ経路５０、他方では変換経路５１に供給され、この際簡単に説明すれば、フィルタ経路５０において例えば４００Ｈｚよりも低い領域にある障害電流信号の低周波成分が処理され、変換経路５１において例えば４００Ｈｚよりも高い領域にある障害電流信号の高周波成分が処理される。このために障害電流分析ユニットは少なくとも１つのフィルタユニット１５と変換ユニット５とを有し、この変換ユニット５においては障害電流を信号通りに取り出す装置において形成された障害電流信号を時間領域から画像領域、有利には周波数領域に変換することができる。
【００４４】
図２は図１に示した障害電流遮断器の簡略化されたブロック図を示す。フィルタ経路５０において使用される１つまたは複数のフィルタを、以下においてさらに説明するコンフィギュレーション動作時の算出によって、測定された障害電流信号の状態に適合させることができる。変換経路５１においては測定された障害電流信号の比較的高い信号周波数が数学的な変換によって処理される。
【００４５】
択一的に図３に示されているように、並列の複数のフィルタ経路１５１，１５２，．．．１５ｎを使用することができ、これらのフィルタ経路は共同して所定の周波数領域をカバーする。
【００４６】
図１の実施例においては、フィルタユニットはローパス特性を有するフィルタユニット１５によって構成されており、このフィルタユニット１５の出力側は信号評価ユニットと接続されており、この信号評価ユニットは図１においてはフィルタリングされた障害電流信号の実効値計算ユニット１６として実現されている。通過領域として例えば０Ｈｚから４００Ｈｚまでの領域を実施することができ、ローパス特性を有するフィルタユニット１５の入力側はアナログ・ディジタル変換器３の出力側と接続されている。有利にはフィルタユニット１５はディジタルフィルタとして実施されており、このフィルタユニット１５においては選択的に障害電流信号のサンプリング及び量子化を行うことができ、またこれによりアナログ・ディジタル変換器３を省略することができる。フィルタユニット１５をアナログ的に設計することも可能であるが、しかしながらこの場合以下説明するように、フィルタユニットの自動的な同調は困難になっている。図１においてはフィルタユニット１５のこの自動的な同調は信号コンフィギュレーションユニット７と接続されている同調入力側を介して行われる。
【００４７】
フィルタユニット１５の出力側と接続されている実効値計算ユニット１６は、フィルタリングされたディジタル障害電流信号の実効値を計算し、この実効値を加算器ユニット１４の入力側と接続されている出力側において出力する。この箇所においてフィルタ経路は終端して加算器ユニット１４に到達し、この加算器ユニット１４の出力側は最大値監視装置１７と接続されており、最大値監視装置１７は論理ＯＲ素子１８を介して電源網分離ユニット２０に接続されている。この最大値監視装置１７は所定の限界値の超過時に電源網分離ユニット２０を作動させる。これによって負荷がエネルギ供給網４０から分離される。
【００４８】
本発明による他の変形形態においては信号評価ユニット１６をピーク値を計算するユニットまたは平均値を計算するユニットなどとして構成することができる。しかしながら現在のところ障害電流限界値が実効値として設定されることが通常であるので、図１による実施例では信号評価ユニットは実効値計算ユニットとして実現されている。
【００４９】
変換経路５１には先ず増幅器４が配置されており、この増幅器４の入力側はアナログ・ディジタル変換器３の出力側と接続されており、またその出力側は変換ユニット５の入力側と接続されており、この変換ユニット５が障害電流信号を時間領域から周波数領域に変換する。
【００５０】
増幅器４は図１においては制御入力側を有し、この制御入力側を介して（増幅器２の場合と同様に）増幅係数を補正ユニット４５によって適合することができる。この制御可能性は省略することができる、もしくは他の箇所において行うことができる。図１の実施例においては変換ユニットはフーリエ変換ユニット５、例えば離散フーリエ変換ユニットによって構成されており、このフーリエ変換ユニット５は有利には高速フーリエ変換（ＦＦＴ）でもって実現することができる。時間信号は周波数スペクトルに変換される。
【００５１】
しかしながら他の変換方法も適用することができるので、変換ユニットは同様にラプラス変換ユニット、例えば離散ラプラス変換ユニットによっても良好に形成することが可能である。ラプラス変換は確かにフーリエ変換を一般化したものであり、その離散的な形式はｚ変換である。さらなる可能性はガボール変換ならびにウェーブレット変換であり、これらの変換は障害電流信号の周波数スペクトルの時間特性に関する出力を行うことができる。フーリエ変換では確かに信号スペクトルの時間的な特性に関する出力は行われない。
【００５２】
図１の実施例においては、切替スイッチ６０がフーリエ変換ユニット５の出力側に設けられており、この切替スイッチ６０は本発明による障害電流遮断器の通常動作に相当する通常位置で示されている。変換ユニット５の出力側とスペクトル評価ユニット１１の入力側との間には相関ユニット８が接続されており、この相関ユニット８は少なくとも１つの比較スペクトルの記憶ユニット１２と接続されている。
【００５３】
フーリエ変換ユニット５において形成される信号はこのフーリエ変換ユニット５と接続されている相関ユニット８に供給され、この相関ユニット８において目下の障害電流信号と、記憶されている１つまたは複数の周波数スペクトルとの比較が実施される。
【００５４】
相関ユニット８を介して、変換ユニット５は図１において周波数スペクトルの実効値計算ユニット１１として構成されているスペクトル評価ユニットと接続されており、このスペクトル評価ユニットの出力側は加算器ユニット１４の別の入力側と接続されている。
【００５５】
切替スイッチ６０の第２の位置は本発明による障害電流遮断器のコンフィギュレーション動作に相当する。コンフィギュレーション動作中は変換ユニット５の出力側が信号コンフィギュレーションユニット７の入力側に接続されており、この信号コンフィギュレーションユニット７は少なくとも１つの比較スペクトルの記憶ユニット１２のメモリ入力側と接続されている。
【００５６】
切替スイッチ６０の（図１には示されていない）コンフィギュレーション動作位置：
コンフィギュレーション動作（図４）は本発明による障害電流遮断器の較正ならびに動作に応じて考えられる信号スペクトルの検出に使用される。このためにエネルギ供給網４０においては、例えばエネルギ供給網に接続されている種々の負荷が起動および停止されることによって負荷変動が生じる。コンフィギュレーション動作中に通常動作中に生じた障害電流のスペクトルが測定され、このスペクトルは有効な基準を考慮して実際値信号メモリ９に記憶され、この実際値信号メモリ９は信号コンフィギュレーションユニット７と比較スペクトルの記憶ユニット１２との間に接続されている。
【００５７】
比較スペクトルの測定時にエラーが生じる可能性があり、このエラーの発生により例えば基準内で設定することができる許容最大値を超過するおそれのあるエラーが生じる可能性があるので、最大値テーブル１０には最大限に許容可能な基準値が記憶されており、この基準値は実際の比較値を求めるために使用され、この実際の比較値が比較メモリユニット１２において比較の基礎として使用される。実際値信号メモリ９および最大値テーブル１０を比較メモリユニット１２内に包含させてもよい。
【００５８】
比較メモリユニット１２にはいかなる場合でも比較に使用される有効な比較値が記憶されている。この比較値は実際値信号メモリ９に記憶されているスペクトルを基準に依存する値による制限によって最大値テーブル１０から形成される。
【００５９】
比較メモリユニット１２に格納されている値は通常動作時に変換経路５１からの算出スペクトルとの比較に使用され、さらにフィルタ経路５０におけるローパス特性を有するディジタルフィルタ１５の調節に使用され、このフィルタ経路５０は一般的にバンドパス特性を有する並列に接続された複数のフィルタから構成することもできる（図３）。調節は信号コンフィギュレーションユニット７を介して行われ、この信号コンフィギュレーションユニット７ではフーリエ変換ユニット５において変換された信号が処理および分析され、ローパス特性を有するディジタルフィルタ１５のフィルタ係数を修正するためのパラメータが設定される。
【００６０】
コンフィギュレーション動作時に信号スペクトルが最大許容値を超過すると、比較メモリユニット１２は電源網分離ユニット２０の非常トリガを実施する。このために比較メモリユニット１２の非常トリガ出力側が論理ＯＲ素子１８と接続されている。したがって一方では基準に反する値が比較に使用されることが回避され、他方では欠陥のある装置がさらに動作することが回避される。通知が制御ユニット１９に伝送され、この制御ユニット１９はコンフィギュレーション動作を中止する。
【００６１】
制御ユニット１９はＰＩＤ調整器４３、信号コンフィギュレーションユニット７、外部操作素子２６およびグラフィックユーザインタフェース（ＧＵＩ）を介してシステムにアクセスする外部ＰＣ２５からの値からなる別の補正係数及び制御命令を出力する。またユーザは相応の基準およびローパスフィルタ１５のフィルタパラメータからなる許容限界値の枠内で比較値を手動で修正することができる。
【００６２】
制御ユニット１９の別の機能は、コンフィギュレーション動作と通常動作を切り替えることができる切替スイッチ６０の制御である。周波数解像度および達成可能な帯域幅に基づき、種々の動作様式のサンプリング率および測定時間が切替スイッチ６０の切替でもって同様に適合される。
【００６３】
切替スイッチ６０の（図１に示した）通常動作位置：
通常動作（図５）においては障害電流信号が継続的に測定され、フィルタ経路５０および変換経路５１に供給される。低周波の信号成分はフィルタ１５を通過する、ないし調節されたフィルタ係数に応じて減衰される。高周波の信号成分は変換経路５１においてフーリエ変換ユニット５を介して周波数スペクトルに変換され、この周波数スペクトルは相関ユニット８においてコンフィギュレーション動作時に測定され比較メモリユニット１２に記憶されている値と比較される。測定された目下の障害電流信号の周波数スペクトルと比較スペクトルとの間の差が相関ユニット８の出力側において出力され、この出力信号の実効値がスペクトル評価ユニット１１において計算され、加算器ユニット１４において実効値計算ユニット１６によって評価されたローパス信号に加算される。加算器ユニット１４の出力側に接続されている最大値監視装置１７はトリガに関する判定を行い、必要に応じて電源網分離ユニット２０を作動させる。
【００６４】
例えば機能ブロック１００において実現されているような（アンチエイリアシングフィルタ機能を除く）全てのフィルタタスク、実効値の計算（ＲＭＳ）、数学的な変換、スペクトル比較および最大値監視は集積されたディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、ＡＳＩＣまたはマイクロコントローラ（μＣ）において行うことができる。
【００６５】
最大値監視装置１７と接続されている通信ユニット１３は、コンフィギュレーション動作および通常動作ならびに通常動作時に求められる値および一般的なシステムパラメータを例えばモデムおよび別のインタフェース例えばイーサネット端子、無線モジュールなどを介して監視することができる。
【００６６】
例えば最大値超過が生じると、負荷はエネルギ供給網４０からスイッチ２０の作動により分離され、最も簡単な場合にはＬＥＤまたは加算器である通信ユニット１３に相応の通知が転送される。
【００６７】
さらには最大値超過を生じさせる値は常に通信ユニット１３に出力することができ、外部からの装置の継続的な監視を実施することができる。
【００６８】
図１においてフーリエ変換ユニット５の出力側と相関ユニット８の入力側との間には、選択的な補正機能ユニット６が配置されており、この補正機能ユニット６はシステム関数ｈ（ｘ）に関する演算、例えば絶対値の形成またはスペクトルの二乗、虚数部の分離を行う。
【００６９】
相関ユニット８においては測定された目下のスペクトルがコンフィギュレーション動作時に測定されて比較メモリユニット１２に記憶されている値と比較される。比較は図１に示した実施例では簡単な減算からなるが、他の相関関数によっても行うことができる。相関ユニットにおいて比較される２つの信号の差の尺度が求められる。
【００７０】
図６に示されている本発明の別の変形形態においては、全体の周波数領域が帯域通過特性を有する並列に接続されたフィルタユニット１０１，１０２，．．．，１０ｎによってカバーされているので、障害電流情報はフィルタユニット１０１，１０２，．．．，１０ｎの出力の和から取得することができる。
【００７１】
変換部はフィルタ係数の算出にのみ使用される。フィルタユニット１０１，１０２，．．．，１０ｎのこのフィルタ係数を調節するための入力側は信号コンフィギュレーションユニット７の相応の出力側と接続されており、信号コンフィギュレーションユニット７は変換ユニット５と接続されている。フィルタユニット１０１，１０２，．．．，１０ｎの出力側はそれぞれ信号評価ユニット１１６を介して加算器ユニット１１４の入力側と接続されており、加算器ユニット１１４の出力側は最大値監視装置１７と接続されており、この最大値監視装置１７は電源網分離ユニット２０に接続されている。最大値監視装置は所定の限界値の超過の際に電源網分離ユニット２０を作動させる。したがって通常動作時には図６に示した実施例は時間領域においてのみ動作する。
【００７２】
本発明は、障害電流測定から導出される障害電流測定値の最大値超過が確認されると即座に電源網分離ユニット２０が作動される、エネルギ供給網４０の障害電流を監視する方法も対象とする。
【００７３】
先ず障害電流が信号通りに再現され、この信号通りの障害電流信号が時間領域から周波数領域に変換され、生じたスペクトルから障害電流測定の部分値が計算されるか、および／または、信号通りの障害電流信号フィルタリングする少なくとも１つのローパスフィルタのフィルタ係数の調節が決定され、少なくとも１つのローパスフィルタの出力信号から障害電流測定値またはこの障害電流測定の部分値が計算される。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明による障害電流遮断器の実施形態のブロック回路図である。
【図２】図１による障害電流遮断器の簡略化されたブロック回路図である。
【図３】本発明の別の変形形態の簡略化されたブロック回路図である。
【図４】図１による障害電流遮断器のコンフィギュレーション動作の簡略図である。
【図５】図１による障害電流遮断器の通常動作の簡略図である。
【図６】本発明による障害電流遮断器の別の実施形態のブロック回路図の一部である。
【図１】
2005536008.tif 000003
【図２】
2005536008.tif 000004
【図３】
2005536008.tif 000005
【図４】
2005536008.tif 000006
【図５】
2005536008.tif 000007
【図６】
2005536008.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成16年9月21日(2004.9.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的なエネルギ供給網における障害電流検出ユニットと電源網分離ユニットとを備えた障害電流遮断器であって、
前記障害電流検出ユニットは、前記エネルギ供給網（４０）に接続可能である障害電流を信号通りに取り出す装置（１，４１）を包含し、前記障害電流検出ユニットは前記電源網分離ユニット（２０）と接続されている障害電流をスペクトル的に特徴付ける障害電流分析ユニット（１００）を包含する、障害電流遮断器において、
前記障害電流分析ユニット（１００）は、障害電流信号をフィルタリングするためにバンドパス特性、有利には低周波のバンドパス特性を有する少なくとも１つのフィルタユニット（１５，１０１，１０２，．．．，１０ｎ；１５１，１５２，．．．，１５ｎ）と、前記障害電流を信号通りに取り出す装置（１，４１）において形成される障害電流信号を時間領域から画像領域、有利には周波数領域に変換する変換ユニット（５）とを包含することを特徴とする、障害電流遮断器。
【請求項２】
前記障害電流検出ユニットはさらに、前記障害電流をサンプリングおよび量子化するユニット、有利にはアナログ・ディジタル変換器（３）を包含する、請求項１記載の障害電流遮断器。
【請求項３】
前記障害電流検出ユニットはさらにアンチエーリアシングフィルタを包含する、請求項２記載の障害電流遮断器。
【請求項４】
前記障害電流を信号通りに取り出す装置はフォルスタセンサ（４１）によって構成されており、該フォルスタセンサ（４１）の出力側は調整ユニット（４３）と接続されており、該調整ユニット（４３）は前記フォルスタセンサ（４１）に生じる出力信号を０に補償する、請求項１から３までのいずれか１項記載の障害電流遮断器。
【請求項５】
変調器（４４）が前記フォルスタセンサ（４１）のバイアス磁化のために設けられている、請求項４記載の障害電流遮断器。
【請求項６】
前記障害電流を信号通りに取り出す装置はシャント、ホール素子または磁気素子とホール素子との組み合わせにより構成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の障害電流遮断器。
【請求項７】
少なくとも１つの前記フィルタユニットがローパス特性を有するフィルタユニット（１５）によって構成されており、該フィルタユニット（１５）の出力側は信号評価ユニット（１６）、有利にはフィルタリングされた障害電流信号の実効値計算ユニットと接続されており、前記変換ユニット（５）はスペクトル評価ユニット（１１）、有利には周波数スペクトルの実効値計算ユニットと接続されており、前記信号評価ユニット（１６）の出力側および前記スペクトル評価ユニット（１１）の出力側は加算器ユニット（１４）の入力側と接続されており、該加算器ユニット（１４）の出力側は最大値監視装置（１７）と接続されており、該最大値監視装置（１７）は前記電源網分離ユニット（２０）に接続されており、前記最大値監視装置（１７）は所定の限界値超過時に前記電源網分離ユニット（２０）を作動させる、請求項１から６までのいずれか１項記載の障害電流遮断器。
【請求項８】
前記変換ユニットはフーリエ変換ユニット（５）、例えば離散フーリエ変換ユニットによって構成されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の障害電流遮断器。
【請求項９】
前記変換ユニットはラプラス変換ユニット、例えば離散ラプラス変換ユニットによって構成されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の障害電流遮断器。
【請求項１０】
前記変換ユニットはガボール変換ユニットまたはウェーブレット変換ユニットによって構成されており、該変換ユニットの出力は前記障害電流信号の周波数スペクトルの時間特性に関する出力を行う、請求項１から７までのいずれか１項記載の障害電流遮断器。
【請求項１１】
前記変換ユニット（５）の出力側と前記スペクトル評価ユニット（１１）との間には相関ユニット（８）が接続されており、該相関ユニット（８）は少なくとも１つの比較スペクトルの記憶ユニット（１２）と接続されている、請求項７から１０までのいずれか１項記載の障害電流遮断器。
【請求項１２】
前記変換ユニット（５）の出力側は信号コンフィギュレーションユニット（７）の入力側に接続可能であり、該信号コンフィギュレーションユニット（７）は少なくとも１つの比較スペクトルの記憶ユニット（１２）ならびにフィルタ係数を調節するための少なくとも１つのフィルタユニット（１５）の入力側と接続されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の障害電流遮断器。
【請求項１３】
前記少なくとも１つのフィルタユニットはバンドパス特性を有する２つまたは複数の並列接続されているフィルタユニット（１０１，１０２，．．．，１０ｎ）によって構成されており、フィルタ係数を調節するための入力側を有し、該フィルタユニットの出力側はそれぞれ信号評価ユニット（１１６）を介して加算器ユニット（１１４）の入力側と接続されており、該加算器ユニット（１１４）の出力側は最大値監視装置（１７）と接続されており、該最大値監視装置（１７）は前記電源網分離ユニット（２０）に接続されており、前記最大値監視装置は所定の限界値の超過時に前記電源網分離ユニット（２０）を作動させ、前記変換ユニット（５）は信号コンフィギュレーションユニット（７）と接続されており、該信号コンフィギュレーションユニット（７）の出力側はフィルタ係数を調節するための入力側と接続可能である、請求項１から１２までのいずれか１項記載の障害電流遮断器。
【請求項１４】
障害電流を信号通りに再現し、障害電流測定から導出される障害電流測定値の最大値超過が確認されると即座に電源網分離ユニットを作動させる、エネルギ供給網の障害電流を監視する方法において、
信号通りの前記障害電流信号を時間領域から画像領域、有利には周波数領域に変換し、生じるスペクトルから前記障害電流測定値の部分値を計算し、および／または、信号通りの前記障害電流信号をフィルタリングするために、バンドパス特性、有利には低周波のバンドパス特性を有する少なくとも１つのローパスフィルタ（１５，１０１，．．．，１０ｎ；１５１，１５２，．．．，１５ｎ）のフィルタ係数の調節を決定し、バンドパス特性を有する少なくとも１つのローパスフィルタ（１５，１０１，．．．，１０ｎ；１５１，１５２，．．．，１５ｎ）の出力信号から障害電流測定値または該障害電流測定値の部分値を計算することを特徴とする、エネルギ供給網の障害電流を監視する方法。
【請求項１５】
前記障害電流信号のスペクトルを、記憶されている少なくとも１つの比較スペクトルと比較する、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記スペクトルから計算される障害電流測定値の部分値およびバンドパス特性を有する少なくとも１つのフィルタ（１５，１０１，．．．，１０ｎ；１５１，１５２，．．．，１５ｎ）から計算される障害電流測定値の部分値から障害電流測定値を形成する、請求項１４または１５記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、電気的なエネルギ供給網における障害電流検出ユニットと電源網分離ユニットとを備えた障害電流遮断器に関し、ここで障害電流検出ユニットは、エネルギ供給網と接続可能である障害電流を信号通りに取り出す装置を包含し、障害電流検出ユニットは電源網分離ユニットと接続されている障害電流をスペクトル的に特徴付ける障害電流分析ユニットを包含する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
エネルギ供給網においてコンバータ、スイッチング電源部、電力電子装置などがますます使用されることにより、非正弦波状のリーク電流を広範に考慮する必要がある。例えばＦＩスイッチのような従来の障害電流検出システムにおける純粋な正弦波信号は誤作動を引き起こすことはないが、高調波の信号および信号の非調和的な重畳によって、目下のところ障害電流の検出に使用されているアナログ電子装置においては整流、復調、共振特性およびフィルタ特性のような不所望な作用が生じ、これらの不所望な作用はエラー検出のために設けられている電子回路装置がある程度複雑になると遮断特性に悪影響を及ぼし、したがって安全性を損ねる可能性がある。したがって復調作用、結合容量および共振作用などは慣例の障害電流遮断器の予測不可能な遮断特性の原因である。
ＷＯ  ０１  ９５４５１  Ａは安全性および監視システムに関するソフトウェアにより支援される障害電流算出を取り上げている。ここでは障害電流が信号通りに再現され、発生した障害電流の周波数はソフトウェアのルーチンによって求められ、障害電流がクラス分けおよび評価される。障害電流は３つの周波数クラスのうちの１つに区分され、必要に応じて障害電流の種類、すなわち交流の障害電流、パルス状の障害電流、直流に関してさらに判定される。障害電流の区分に応じて、障害電流の高さに関して記憶されている別のトリガ限界値が使用される。このＷＯ  ０１  ９５４５１  Ａにおいては所定の周波数を有するただ１つの障害電流についてしか記載していないことが、この刊行物における実施形態の欠点である。ＷＯ  ０１  ９５４５１  Ａによる方法を用いても、異なる周波数を有する種々の要素からなる複雑な障害電流を信号通りに評価することができない。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
このことは本発明によれば、障害電流分析ユニットが、障害電流信号をフィルタリングするためにバンドパス特性、有利には低周波のバンドパス特性を有する少なくとも１つのフィルタユニットと、障害電流を信号通りに取り出す装置において形成される障害電流信号を時間領域から画像領域、有利には周波数領域に変換する変換ユニットとを包含することによって解決される。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
このようにして障害電流は実効値に応じて判定されるだけでなく、信号分析の数学的な方法を用いることにより周波数成分を供給する信号としても考察される。これにより得られる結果に基づき、許容最大値の正確な監視を実施することができ、したがって障害電流遮断器の予測可能なトリガが行われる。フィルタユニットによって例えば障害電流における低周波振動成分を測定値計算の際に考慮することができる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
冒頭で述べた本発明の課題は本発明によれば、信号通りの障害電流信号を時間領域から画像領域、有利には周波数領域に変換し、生じたスペクトルから障害電流測定の部分値を計算し、および／または、バンドパス特性、有利には低周波のバンドパス特性を有する少なくとも１つのフィルタのフィルタ係数の調節が決定され、バンドパス特性を有する少なくとも１つのフィルタの出力信号から障害電流測定値またはこの障害電流測定値の部分値が計算される。
本発明による方法の別の実施形態においては、障害電流信号は記憶されている少なくとも１つの周波数スペクトルと比較される。これによって障害電流信号を、典型的に保護すべき装置において発生したスペクトル的な障害電流成分と比較することができ、新たに付加された障害電流成分を識別することができる。
この関係において、スペクトルから計算される障害電流測定値の部分値およびバンドパス特性を有する少なくとも１つのフィルタから計算される障害電流測定値の部分値から障害電流測定値が形成される。これによって算出された全ての部分値が評価される。


【国際調査報告】
2005536008.tif 000009
2005536008.tif 000010
2005536008.tif 000011
2005536008.tif 000012