Erkennung von Lichtbögen in Gleichstrom-Systemen

Abstract

Parallel zur Dezentralisierung der elektrischen Energieversorgung und der Notwendigkeit temporärer Speicherung von elektrischer Energie, gewinnen auch Gleichstromnetze an Bedeutung. Durch hohe Spannungen und Induktivitäten steigt allerdings die Gefahr, dass im Fehlerfall ein Lichtbogen entsteht und Brände verursacht werden. In dieser Arbeit wurde deshalb untersucht, wie Lichtbögen kostengünstig und effizient erkannt werden können und welche Auswirkungen das Gleichstromnetz selbst auf den Lichtbogen hat. Zusätzlich wurden verschiedene Zündmethoden getestet und untersucht, welche Auswirkungen diese auf die Lichtbogenentstehung haben. Besonders das Ergebnis, dass gezogene Lichtbögen deutlich schneller stabil brennen, als Lichtbögen die mit der Stahlwolle-Methode gezündet wurden hat Auswirkungen auf mögliche Detektionsmethoden. Die sicherste Erkennung ist über die Beobachtung des Stromspektrums möglich. Durch den Lichtbogen wird dieses in einem breiten Frequenzbereich angehoben. Eine einfachere Lösung, mit der ebenfalls das Spektrum überwacht werden kann, kann durch Verwendung von Hüllkurvendemodulatoren erreicht werden. Der Vorteil liegt darin, dass durch Verwendung dieses Konzepts ein Großteil der Signalverarbeitung in den analogen Teil des Detektors verschoben wird und die digitale Signalverarbeitung dadurch einfach wird. Durch Messung von künstlich erzeugten Lichtbögen in verschiedenen Anlagen konnte festgestellt werden, dass die spektralen Komponenten, welche dem Strom durch den Lichtbogen hinzugefügt werden, im hohen Maße von der Netzkonfiguration und dem Zündort des Lichtbogens im System abhängen. Das Spektrum des Lichtbogenstromes hat in Frequenzbereichen Maxima in denen die Impedanz des Systems gering ist. Um für die Sensorik eine kostengünstige Lösung zu erreichen, wurde darüber hinaus ein neuartiger Magnetfeldsensor untersucht und in mehreren Konzepten eingesetzt.

Parallel to the decentralization of electrical energy generation and distribution and the necessity of temporal energy storing the utilization of DC-current grids increases. Due to high DC-voltages and parasitic inductances the danger of stable arcs in the case of insulation failure becomes likely. In this work therefore the reliable detection of arcs is examined where the focus was on an efficient and economic solution. Furthermore, different arc ignition methods and their implications on arc behavior were evaluated. Opposite to arcs that are ignited with the steel wool method, drawn arcs stabilize after much shorter time. That means that for reliable detection, the ignition method has to be considered. The most reliable detection can be achieved by observing a wide frequency band of the current spectrum. In case of an arc the spectrum is raised significantly in a wide frequency range. A more economic solution can be achieved by observing the spectrum with multiple envelope demodulators. The advantage of this method lies in the simplification of digital signal processing, whereas most of the processing is done in the analog part of the detector. By measurements of self-generated arcs in different DC-systems, it was observed that the current spectrum of arcs is strongly influenced by the grid configuration and the location of the ignition within the grid. The arc current spectrum has maxima in frequency ranges where the impedance of the system is low. Improved cost efficiency for the detection unit has been achieved by the usage of a new innovative magnetic field sensor which was used in several detection concepts analyzed in this work.