电气设备中的串联电弧的探测的制作方法
电气设备中的串联电弧的探测的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于探测电气设备中的串联电弧的装置，该电气设备包括直流电 压源以及连接到该直流电压源上的逆变器，其中该装置具有监控单元以及分析单元，该监 控单元被设置用于在电气设备中关于电压变化监控电压以及关于电流变化监控电流，该分 析单元被设置用于分析所确定的电压变化和电流变化以探测串联的电弧，并根据分析结果 产生信号。此外本发明涉及一种用于探测包括直流电压源以及连接到该直流电压源上的逆 变器的电气设备中的串联电弧的方法，为此在该电气设备中关于电压变化监控电压，并关 于电流变化监控电流，分析所探测的电压变化和电流变化以探测串联的电弧，并根据分析 结果产生信号。
【背景技术】
[0002] 电弧在电气设备中是以下事件，该事件通常应被视为电气设备的干扰运行状态。 电弧可以导致危险的状态，因此通常普遍在电气设备中设置相应的装置来探测这样的电 弧。尤其是在直流电加载的电气设备中，电弧证实是危险的，因为电弧由于占优势的直流电 压而通常不自己消失。如果电弧本身还没有造成电气设备的失效，那么电弧可能至少导致 危险的后果、如引起火灾、特别是电气设备的部分的火灾或诸如此类的。不同于在交流电加 载的电气设备中，在直流电加载的电气设备中通常不能识别到电弧的自消失。电弧的确定 因此一直在直流电加载的电气设备中是尤其有意义的。
[0003] 可再生能源的尤其是在光伏领域但是也在电能存储领域中的增加的使用，导致增 加地使用直流电加载的电气设备，尤其是也具有遭受天气变化的设备部分的电气设备。所 述情况促使电气设备发生变化，所述变化可能导致电弧。
[0004] 因此应区分两种不同类型的电弧，也即一方面是并联电弧，所述并联电弧在处于 不同电位的两个电导体之间出现，以及另一方面是串联电弧，其在关于参考电位进行的电 流传导中出现。并联电弧通常能够容易识别，因为并联电弧对电气设备的影响通常是大的， 使得非常显然地不能保持当前的运行状态，或者触发安全装置。
[0005] 但证实有问题的是对串联电弧的识别，利用并联电弧的探测工具通常不能可靠地 识别所述串联电弧。这由以下得出，即串联电弧可能继续允许常规的运行，但同时其损害效 应在时间进程中才蔓延。比如串联电弧可以在两个相互连接的电导体的接触位置上出现， 其中该连接的接触受到损坏，并且经过电弧的通过电流被提供。
[0006] 比如W0 2013/004 295 A1公开了一种用于在光伏设备中探测电弧的方法。在此 为了识别串联电弧而规定，在固定的预先给定的电压的情况下改变工作点的功率。虽然W0 2013/004 295 A1的方法在实际运行中经受了考验，尽管如此仍出现问题。
[0007] 如果出现非期望的变化，并且该变化不能可靠地与所连接的逆变器的变化相关 联，那么就探测到电弧。所述技术需要在逆变器与电弧探测单元之间进行通信。出于该原因 必须把电弧探测器集成到逆变器中。但在实现尤其是应该识别串联电弧的电弧探测器时， 这是一个重大的缺点。此外，这还不利于电气设备的尽可能灵活的建造和构型。
[0008] 串联电弧在连接故障或连接中断的情况下以高的概率出现。如果这样的串联电弧 开始了，那么所述串联电弧可以持续非常长的时间，因为电的能量源的电压/电流特性提 高电弧的稳定性。随串联电弧而产生的能量在出现串联电弧的损坏位置上可以导致可燃材 料的点火并引发火灾。
[0009] 此外已知的是，在频率范围内对直流电流值进行分析。这利用以下效果，即电弧示 出其阻抗中的波动，其快速的变化可以在频率范围的不同区域中被探测到。该频率范围可 以从几千赫兹至几兆赫兹。但该方法对于干扰以及由逆变器所造成的干扰是非常敏感的。
【发明内容】
[0010] 因此本发明的任务是，如下改进这种类型的方法以及装置，即能够可靠地识别串 联电弧。
[0011] 作为解决方案，本发明提出根据独立权利要求1所述的装置。在方法方面，提出根 据并列独立权利要求2所述的方法。其他的优点由从属权利要求的特征得出。
[0012] 在这种类型的装置方面，利用本发明提出，该装置具有：确定单元，其用于确定是 否存在当前的常规运行状态的自发变化，在该自发变化中不仅电压、而且电流都下降；比较 单元，其用于把电压变化的数值和与电压变化在时间上相对应的电流变化的数值与相应的 比较值进行比较，并基于电压变化和电流变化在相应的数值超过比较值的至少一个时来确 定电弧指示值；检查单元，其用于检查电弧指示值的周期性；以及输出单元，其用于在检查 结果为否定时输出信号。
[0013] 在方法方面，利用本发明尤其是提出，这种类型的方法至少包括以下的步骤： -确定是否存在当前的常规运行状态（Mpp)的自发变化，在该自发变化中不仅电压、而 且电流都下降， -把电压变化的数值和与电压变化在时间上相对应的电流变化的数值与相应的比较值 进行比较，以及基于电压变化和电流变化在相应的数值超过比较值的至少一个时来确定电 弧指示值， -检查电弧指示值的周期性，以及 -在检查结果为否定时输出该信号。
[0014] 利用本发明能够明显改进串联电弧探测的可靠性。根据本发明的方法因此使用三 个标准，其必须全部满足，因此才能够识别到存在串联电弧。由此大大降低了每种类型的干 扰的影响，使得相应提高了探测的可靠性。利用本发明尤其能够识别由电气设备自身产生 的影响或干扰，并在探测串联电弧时对其忽略。本发明因此改进对串联电弧所产生的影响 与设备特有的影响之间进行区分的可能性。这尤其是适用由逆变器所产生的干扰或影响。
[0015] 直流电压源比如可以通过相互连接的一个或多个光伏模块来构成。该直流电压源 当然也可以是相应地相互连接的比如一个或多个蓄电池形式的电能存储器。另外，该直流 电压源还可以是一个或多个燃料电池、一个或多个借助内燃机驱动的发电机、一个或多个 风力发电机、或诸如此类的。直流电压源的前述可能性当然也可以相互组合。但本发明在 使用光伏模块的情况下证实为是尤其有利的。
[0016] 逆变器是一种电气装置，其允许把直流电压源所提供的电能转换为交流电压，优 选地，该交流电压能够被馈入到公共的能量供应网络中。为了该目的，该逆变器可以单相或 也可以多相、尤其是三相地来构造，以便能够实现到已有的电网、尤其是交流电压设备上的 能量技术的耦合。
[0017] 目前，使用所谓的静态能量变换器形式的逆变器，即与动态能量变换器不同，静态 能量变换器不具有机械可运动的、尤其是可旋转的部分。作为静态能量变换器的这种类型 的逆变器通常作为脉冲电子能量变换器来构造，并为了该目的具有至少一个半桥模块，该 半桥模块具有两个串联的半导体开关，借助该半桥模块可以把直流电压源的借助中间回路 所提供的直流电压变换为交流电压。
[0018] 另外，设置有监控单元，借助该监控单元可以对电气设备的电压以及电气设备中 的电流优选地在逆变器的端子上关于变化来监控。该监控单元为了该目的可以具有电压和 /或电流传感器，借助所 述电压和/或电流传感器可以确定电压以及电流。该监控单元探测 电压和/或电流的变化，并把所确定的值提供给分析单元，该分析单元可以基于所提供的 值来探测串联电弧。如果探测到相应的电弧，那么该分析单元产生相应的信号，该信号被输 出。比如可以利用该信号来控制电气设备的报警装置也或者保护装置。比如该保护装置可 以具有机电接触，借助所述机电接触可以断开能量流，使得该串联电弧不能造成进一步的 损坏。该保护装置可以通过一个或多个保险丝、接触器、其组合或诸如此类的来构成。
[0019] 为了该目的，本发明设置确定单元，该确定单元被设置用于，确定是否存在当前的 常规运行状态的自发变化，在该自发变化中不仅电压、而且电流都下降。所述当前的常规运 行状态是无干扰运行中的一种运行状态，并能够优选地通过直流电压源的工作点来构成。 在光伏模块中，这优选地是以下运行状态，在该运行状态中提供最大功率。
[0020] 第二标准规定，设置比较单元，用于把电压变化的数值和与电压变化在时间上相 对应的电流变化的数值与相应的比较值进行比较，即与用于电压变化的比较值和用于电流 变化的比较值进行比较。由此该比较单元另外确定电弧指示值，所述电弧指示值根据电压 变化和电流变化在相应的数值超过比较值的至少一个时而被确定。当然也可以替代地规 定，必须超过两个比较值、即用于电压变化的比较值和用于电流变化的比较值，并基于此确 定电弧指示值。
[0021] 最后，为了实施第三标准而设置检查单元，该检查单元被设置用于检查电弧指示 值的周期性。因此当电气设备在常规运行中运行时，能够忽略由该电气设备自身所产生的 影响。这比如可以是由逆变器所造成的反作用，该反作用比如基于逆变器的半导体开关的 时钟或诸如此类的。检查结果被传输到输出单元，该输出单元被设置用于在检查结果为否 定时来输出该信号。否定的检查结果在此对应于如下的事实，即不能确定周期性。由此得 到串联电弧的肯定的探测。
[0022] 对周期性的检查比如可以由以下来实现，即检查电弧指示值是否以基本上固定的 时间间隔来出现。此外，自然存在以下可能性，例如通过到频率范围中的变换而执行频谱分 析，比如借助傅立叶变换或诸如此类的，其中在频率范围中有明显信号偏差的情况下，可以 推断是周期信号。在这种情况下就没有探测到串联电弧。而如果在频谱图中是基本上随机 分布的信号，那么就推断存在串联电弧。在这种情况下，关于周期性的检查结果是否定的， 并被相应地传输到输出单元。该输出单元然后就提供用于指示串联电弧的该信号。
[0023] 利用本发明另外提出，通过把相应的电压变化与在时间上与之对应的电流变化相 乘来确定电弧指示值。因此能够明显降低由于电流的运行所决定的波动而可能出现的干 扰，使得所述干扰能够良好地被识别为不是对应的串联电弧。
[0024] 根据本发明的另一方面提出，当前的常规运行状态的自发变化导致在时间上至少 暂时的运行状态，该暂时的运行状态被分配给电弧报警区域。该电弧报警区域是被分配给 第一标准的区域。如果该自发变化导致位于该电弧报警区域之外的暂时的运行状态，那么 就推断不存在串联电弧，而是在该电气设备中进行了另外的常规变化。
[0025] 仅当满足全部三个标准时，才探测到串联电弧。
[0026] 另外提出，该电弧报警区域包括电压上限，该电压上限相对于当前的常规运行状 态的电压降低了可预先给定的残余电压。该可预先给定的残余电压在光伏模块作为直流电 压源的电气设备中比如为2V。该电压自然可以与该电气设备和被该电气设备所包括的其他 构件相关，并相应被匹配。
[0027] 另外提出，该电弧报警区域包括电流下限，该电流下限相对于当前的常规运行状 态的电流按照一个因数下降，该因数由当前的常规运行状态的降低电弧电压之后的电压与 当前的常规运行状态的电压之比来构成。该电弧因此影响定义该电流上限的因数。如果探 测到电流高于该电流界限，那么就推断不是导致运行状态变化的串联电弧。相应地在这种 情况下则不满足该第一标准。
[0028] 最后提出，该电弧报警区域包括电流下限和电压下限，其通过当前的常规运行状 态的阻抗来构成。在光伏模块中，这比如可以是最大功率的运行状态。结合前述的用于电 弧报警区域的两个标准，因此确定闭合的区域，该闭合的区域指示满足该第一标准。如果当 前的运行状态的自发变化落进该电弧报警区域中，那么就检查其他的标准。否则已经可以 在该位置处结束检查。如果变化在几微秒至几秒内出现，那么该变化就是自发的。
[0029] 根据本发明的另一方面提出，所监控的电压和/或电流的测量值被滤波。在此应 采用的滤波器可以与串联电弧的特征的特性相匹配地来选择。比如可以规定，设置低通滤 波器TP用于滤除噪声。此外也可以设置高通滤波器HP，利用该高通滤波器可以过滤尤其是 缓慢的周期性的设备特有的信号影响。由此可以改进检查三个标准的单元的功能。
[0030] 最后，根据本发明的一个方面提出，仅当比较值的超过长于可预先给定的时间段 时，所述比较值的超过才被检测到。由此能够减少不可能与串联电弧相关的随机事件。比 如为了该目的可以规定，阈值超出比如必须存在至少0. 3秒。较短的阈值超出被分配给与 串联电弧不同的事件。由此可以进一步改进该第二标准的执行。
【附图说明】
[0031] 其他优点和特征可以从实施例的随后的描述得出。在附图中相同的附图标记表示 相同的功能和部件。
[0032]其中： 图1以示意性的框图示出具有根据本发明的装置的电气设备， 图2以示意图示出用于表示运行状态的电流-电压图示， 图3以示意图示出电流-时间图示，该电流-时间图示利用图形来表示电流变化， 图4以示意图示出电压-时间图示，该电压-时间图示与图3时间同步地利用图形来 表示电压曲线， 图5以示意图示出如图4的电压-时间图示，但对利用图4的图形来表示的电压滤波 之后的电压-时间图示， 图6以示意图示出电流变化-时间图示，该电流变化-时间图示与图3时间同步地利 用图形来表示瞬时电流变化， 图7以示意图示出电压变化-时间图示，该电压变化-时间图示利用图形来表示在图 4中示出的电压的电压变化，以及 图8以示意图示出时间图示，该时间图示与前述的图3至7的图示时间相同步地利用 如借助本发明的比较单元所确定的第一图形来表示电弧指示值，以及利用第二图形来表示 电弧指示值的信号处理的结果。
【具体实施方式】
[0033] 图1以示意性的框图示出电气设备10,该电气设备包括作为直流电压源的光伏模 块12的装置以及通过继电器开关16所连接的逆变器14。该电气设备10另外具有用于探 测电气设备10中的串联电弧的装置36。
[0034] 装置36包括监控单元32,该监控单元被设置用于在电气设备10中借助电压传感 器20关于电压变化来监控电压，并借助电流传感器18关于电流变化来监控电流。另外，该 装置36包括分析单元30,该分析单元被设置用于分析所探测的电压和电流变化以探测串 联电弧，并借助输出单元22根据分析结果产生信号。该装置36另外具有确定单元26,该确 定单元被 设置用于确定当前的常规的运行状态在此关于光伏模块12是否存在自发变化， 在该自发变化中不仅电压、而且电流都下降。
[0035] 另外，该装置36包括比较单元28,该比较单元被设置用于将电压变化的数值和在 时间上与电压变化相对应的电流变化的数值与相应的比较值进行比较，以及基于电压变化 和电流变化在相应的数值超过比较值之一的情况下来确定基于电压变化和电流变化的电 弧指示值。
[0036] 另外，该装置36包括检查单元34,该检查单元被设置用于关于周期性检查所确定 的电弧指示值。
[0037] 这三个单元26、28、36检查三个不同的标准，其中如果满足头两个标准并且不满 足最后的标准，那么就认为识别出串联电弧。
[0038] 如果满足两个前述的标准，在检查结果为否定的情况下，借助装置36的输出单元 22就可以输出相应的信号，该信号指示被探测的串联电弧。该信号用于控制继电器开关 16。如果所探测的串联电弧存在，那么就利用该信号控制继电器开关16,使得在光伏模块 12与逆变器14之间的电连接被断开。
[0039]图2以示意图示出光伏模块12的电压/电流特性曲线。关于用附图标记Mpp来表 示的当前的常规的运行状态，因此可以定义为四个运行区域。在此用图形40来表示光伏模 块12的特性曲线。
[0040] 可以看出，在第一区域中，电流上升，并且电压下降。这是光伏模块12的电压/电 流特性曲线的区域。在该区域中，运行可以变化，更确切地说根据相应的负载而变化。该负 载由逆变器14来形成，该逆变器根据所需的电能来实施其逆变功能。
[0041] 在位于当前的运行状态MPP右上方的第二区域中，电流和电压一同上升。该区域应 对应于到光伏模块12上的增大的太阳辐射。运行状态仅仅能够缓慢地移动到该区域中。
[0042] 在根据图2的图示中被布置在当前的运行状态MPP右侧的第三区域描述在电流降 低的情况下的电压上升，其中当电流消耗为0时，电压上升直至空转电压v_ n。
[0043] 第四区域涉及电流和电压同时下降。如果太阳辐射下降或者正好也存在串联电弧 时，那么运行状态就偏移到该区域中。
[0044] 一旦电流和电压同时下降，那么现在就必须考虑到，在电气设备10中存在串联电 弧。在可能的电弧出现之前，已知的负载阻抗z(0)如下来得出：
因为假定的串联电弧串联地布置在光伏模块12与逆变器14之间，所以可以假定，在串 联电弧点火之后立即在逆变器14的输入端上所测量的电流Iinv(t)和电压Uinv(t)如下来得 出：
这三个公式描述限定的区域，该区域在本申请的范围内也被称作电弧报警区域。该电 弧报警区域包括电压上限，该电压上限相对于当前的常规运行状态MPP的电压降低了可预 先给定的残余电压，在此为2V。另外，该电弧报警区域包括电流下限，该电流下限相对于当 前的常规运行状态的电流按照以下因数降低，该因数由当前的常规运行状态M PP的减少电 弧电压后的电压与当前的常规运行状态MPP的电压之比来构成。最后，该电弧报警区域包括 电流上限和电压下限，其通过当前的常规运行状态M PP的阻抗Z(0)来构成。
[0045] 该电弧报警区域在图2中用附图标记42来表示。
[0046] 电弧电压UaTC和AUmin的值是变量，其通过试验来确定。U inv是逆变器14上的电压， Iinv是经过逆变器14的电流。
[0047] 在串联电弧点火的时间点，假定在铜导体中电弧电压大于13V。20V的电弧电压 U aM的值的设定在该情况下被测量。如果逆变器14是电阻性负载，那么在逆变器14上的电 压变化AU将在电弧电压U aTC的区域中移动。但真实值基本上总是更小的，因为逆变器14 是具有能量存储器的有源负载。能量存储器的电压阻止逆变器14的输入电压的剧烈波动。 因此采用较小的比较值来用于探测，该比较值为A Umin=2V。
[0048] 当电弧点火时，当前运行状态MPP到规定的电弧报警区域42中的变化非常快速地 出现，在此在几毫秒内。由此关于数值而得到大的变化dl/dt和dU/dt。电压和电流到前述 区域中的快速变化构成第一标准，以便探测串联电弧。
[0049] 当前运行状态MPP在出现串联电弧时到电弧报警区域42中的快速变化用附图标记 44来表示。
[0050] 如果串联电弧较长地保持，那么当前运行状态就首先或者转移到区域46中，或者 转移到区域48中，并从那里出发在这两种情况下最后转移到区域50中。
[0051]图3以电流-时间图示示出在串联电弧点火期间电流的值。电流的快速下降可以 在图3的图示中通过图形来看出。相应的微分图由根据图6的图示得出，从中可以看出，在 根据图3的电流下降区域中出现强烈的偏差。
[0052] 关于电压，这相应地借助图4、5和7来示出。图4示出相应的电压曲线，该电压曲 线经过滤波，并形成在图5中所示的信号曲线。相应的微分图在图7中得出，其中在此也可 以看出，所出现的电压变化导致在根据图7的微分图中的相应的偏差。
[0053] 比如由于飞行物体、风车的旋转叶片、云或诸如此类的对光伏模块12的快速遮 挡，同样可以导致前述的变化。因此需要补充的标准，以便将真正的串联电弧与这样的干扰 事件相区分。
[0054] 假定逆变器14平均地调节负载，以便根据逆变器14是否是电压调节的或电流调 节的，而在该事件开始之前调节前述的电压U inv(0)或调节前述的电流Iinv(0)。在长远的角 度上，逆变器14尝试找到新的运行状态，以便能够优化功率等级。所述期待的变化总是与 光伏模块12的电压/电流特性曲线相一致。即，到一个方向上的电流变化导致到相反方向 上的电压变化。
[0055] 在串联电弧的情况下，阻抗发生变化，并且功率变化由于串联电弧而不遵循光伏 模块12的电压/电流特性曲线并明显与相应所期待的变化相偏离。关于此，补充地参考图 1的上述实施方案。
[0056]关于遮挡，可能出现几个事件，或者事件以低的频率重复。而在串联电弧的情况 下，这些变化非常快速、连续和不规则。由此得到第二探测标准，如果应该肯定地探测到串 联电弧，那么该第二标准同样必须被满足。为此可以考虑如下的公式：
如由公式可以看出，电弧指示值被确定，该电弧指示值由以下乘积来得到，该乘积由电 压变化的数值的微分与电流变化的数值的微分相乘。由此得到的电弧指示值在图8中 用附图标记52来表示。所述电弧指示值代表不能与光伏模块12的电压/电流特性曲线相 关联的电气变化的功率。数学积分以及进一步的信号处理被应用于所述电弧指示值，其作 为输出信号而得到信号曲线，如该信号曲线在图8中借助具有附图标记54的图形来示出。 该信号然后与比较值相比较。比如dl/dt的比较值选择为100A/s，dU/dt的比较值选择为 lOOOV/s。所述值可以按照电气设备10的实际设计方案来匹配。
[0057] 在图8中用图形54来表示的信号可以用作电弧探测的第二标准，为了肯定地探测 串联电弧必须满足该 标准。
[0058]如果电弧指示值位于预先给定的比如为250000VAJT2的比较值之上，那么故 障比较值就快速地上升，并且如果电弧指示值位于该预先给定的比较值之下，那么故障比 较值就非常缓慢地下降。如果故障参照高于比如为400000VAJT2的另一比较值持续比如 0. 3s的最短时间，那么就认为满足该第二标准。
[0059] 附加地，根据本发明设置第三标准的检查，即检查如下，电弧指示值是否具有 周期性。在比如超过500000VAJT2的比较值的每个明显的尖峰之间的时间间隔可以被测量， 并且该方差不应小于另一比较值。替代地或补充地，也可以频率范围在频率范围中、尤其在 直至几kHz的频率范围中进行分析。对于串联电弧的肯定的探测，应该在频谱中不能找到 明显的尖峰。电弧指示值的非周期性构成该第三标准，因为假定，基于串联电弧的阻抗变化 在长时间上随机地进行。
[0060] 如果全部三个标准都满足，那么就可靠地识别到串联电弧，并借助输出单元22来 输出以下信号，该信号控制继电器开关16以便断开其接触。
[0061] 比较值或者最小的持续时间以及对此的比较值可以是电压变化或电流变化的函 数。在大的电压变化和/或电流变化的情况下，可以以大的电弧功率为出发点，并且电弧探 测器的反应时间应该快速地进行。
[0062]根据本发明，串联电弧的探测基于对电压变化和电流变化的分析，其根据直流电 压源12的电压/电流特性曲线而被分类为"符合"或"不符合"。不符合的事件可以通过直 流电压源12、在此为光伏模块的比如由于光伏模块12被遮挡而带来的功率波动来产生，或 者正是通过由于电弧而导致的损失来产生。在遮挡或外部干扰之间的区分借助对快速变化 的分析来实现。由此本发明允许，能够相对于干扰实现串联电弧以及其强度的可靠的探测。 [0063] 前述的实施例仅仅用于解释本发明，且并不局限于此。当然也可以以所需的方式 来匹配比较值以及时间间隔，以便尤其在考虑到电气设备的设备专有特征的情况下能够实 现所期望的电弧探测。
[0064] 最后，权利要求以及说明书的特征当然也可以以近似任意的方式来相互组合，以 便获得本发明意义上的其他的设计方案。尤其是，装置特征也可以通过相应的方法步骤来 实现，反之亦然。
[0065] 附图标记列表 10 电气设备 12 直流电压源 14 逆变器 16 继电器开关 18 电流传感器 20 电压传感器 22 输出单元 26 探测单元 28 比较单元 30 分析单元 32 监控单元 34 检查单元 36 装置 40 图形 42 电弧报警区域 44 图形 46, 48, 50 区域 52,54 图形
【主权项】
1. 用于探测电气设备（10)中的串联电弧的装置（36)，所述电气设备包括直流电压源 (12)以及连接到所述直流电压源（12)上的逆变器（14)，其中所述装置（36)具有监控单元 (32)以及分析单元（30)，所述监控单元被设置用于在所述电气设备（10)中关于电压变化 来监控电压，和/或关于电流变化来监控电流，所述分析单元被设置用于分析所确定的电 压变化和电流变化以探测串联电弧，并根据分析结果来产生信号， 其特征在于， 确定单元（26)，其用于确定是否存在当前的常规运行状态（Mpp)的自发变化，在所述自 发变化中不仅所述电压、而且所述电流都下降；比较单元（28)，其用于将电压变化的数值 和与所述电压变化在时间上相对应的电流变化的数值与相应的比较值进行比较，以及基于 所述电压变化和电流变化在相应的数值超过所述比较值的至少一个时来确定电弧指示值； 检查单元（34)，其用于检查所述电弧指示值的周期性；以及输出单元（22)，其用于在检查 结果为否定时输出所述信号。2. 用于探测包括直流电压源（12)以及连接到所述直流电压源（12)上的逆变器（14) 的电气设备（10)中的串联电弧的方法，为此在所述电气设备（10)中关于电压变化监控电 压，并关于电流变化监控电流，分析所确定的电压变化和电流变化以探测串联电弧，并根据 分析结果来产生信号， 其特征在于， 所述分析至少包括以下的步骤： _确定是否存在当前的常规运行状态（Mpp)的自发变化，在所述自发变化中不仅所述电 压、而且所述电流都下降， -将电压变化的数值和与所述电压变化在时间上相对应的电流变化的数值与相应的比 较值进行比较，以及基于所述电压变化和电流变化在相应的数值超过所述比较值的至少一 个时来确定电弧指示值， -检查所述电弧指示值的周期性，以及在检查结果为否定时输出所述信号。3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电弧指示值通过相应的电压变化与 在时间上相对应的电流变化的乘积来确定。4. 根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述当前的常规运行状态（Mpp)的自 发变化导致在时间上至少暂时的运行状态，所述运行状态被分配给电弧报警区域（42)。5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述电弧报警区域（42)包括电压上限， 所述电压上限相对于当前的常规运行状态（Mpp)的电压降低可预先给定的残余电压。6. 根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述电弧报警区域（42)包括电流下 限，所述电流下限相对于当前的常规运行状态（Mpp)的电流按照以下因数降低，所述因数由 当前的常规运行状态（Mpp)的降低电弧电压后的电压与当前的常规运行状态（Mpp)的电压之 比来构成。7. 根据权利要求4至6之一所述的方法，其特征在于，所述电弧报警区域（42)包括电 流下限和电压下限，所述电流下限和电压下限由当前的常规运行状态（Mpp)的阻抗来形成。8. 根据权利要求2至7之一所述的方法，其特征在于，所监控的电压和/或电流的测 量值被滤波。9. 根据权利要求2至8之一所述的方法，其特征在于，仅当所述比较值的超过长于预 先给定的时间段时，所述比较值的超过才被检测到。
【专利摘要】本发明涉及用于探测电气设备中的串联电弧的装置，其中该装置具有监控单元以及分析单元，该监控单元用于监控电压变化和/或电流变化，该分析单元用于分析所确定的电压变化和电流变化以探测串联电弧，并根据分析结果来产生信号。根据本发明，该装置包括：确定单元，其用于确定是否存在当前的常规运行状态的自发变化，在所述自发变化中不仅电压、而且电流都下降；比较单元，其用于将电压变化的数值和与电压变化在时间上相对应的电流变化的数值与相应的比较值相比较，以及基于电压变化和电流变化在相应的数值超过比较值的至少一个时来确定电弧指示值；检查单元，其用于检查电弧指示值的周期性；和输出单元，其用于在检查结果为否定时输出该信号。
【IPC分类】G01R31/02, H02S50/10
【公开号】CN104898008
【申请号】CN201510099334
【发明人】F.埃哈德, F.费斯特尔, J-M.马特尔
【申请人】西门子公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年3月6日
【公告号】DE102014204253A1, EP2916455A1
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于探测电气设备中的串联电弧的装置，该电气设备包括直流电 压源以及连接到该直流电压源上的逆变器，其中该装置具有监控单元以及分析单元，该监 控单元被设置用于在电气设备中关于电压变化监控电压以及关于电流变化监控电流，该分 析单元被设置用于分析所确定的电压变化和电流变化以探测串联的电弧，并根据分析结果 产生信号。此外本发明涉及一种用于探测包括直流电压源以及连接到该直流电压源上的逆 变器的电气设备中的串联电弧的方法，为此在该电气设备中关于电压变化监控电压，并关 于电流变化监控电流，分析所探测的电压变化和电流变化以探测串联的电弧，并根据分析 结果产生信号。
【背景技术】
[0002] 电弧在电气设备中是以下事件，该事件通常应被视为电气设备的干扰运行状态。 电弧可以导致危险的状态，因此通常普遍在电气设备中设置相应的装置来探测这样的电 弧。尤其是在直流电加载的电气设备中，电弧证实是危险的，因为电弧由于占优势的直流电 压而通常不自己消失。如果电弧本身还没有造成电气设备的失效，那么电弧可能至少导致 危险的后果、如引起火灾、特别是电气设备的部分的火灾或诸如此类的。不同于在交流电加 载的电气设备中，在直流电加载的电气设备中通常不能识别到电弧的自消失。电弧的确定 因此一直在直流电加载的电气设备中是尤其有意义的。
[0003] 可再生能源的尤其是在光伏领域但是也在电能存储领域中的增加的使用，导致增 加地使用直流电加载的电气设备，尤其是也具有遭受天气变化的设备部分的电气设备。所 述情况促使电气设备发生变化，所述变化可能导致电弧。
[0004] 因此应区分两种不同类型的电弧，也即一方面是并联电弧，所述并联电弧在处于 不同电位的两个电导体之间出现，以及另一方面是串联电弧，其在关于参考电位进行的电 流传导中出现。并联电弧通常能够容易识别，因为并联电弧对电气设备的影响通常是大的， 使得非常显然地不能保持当前的运行状态，或者触发安全装置。
[0005] 但证实有问题的是对串联电弧的识别，利用并联电弧的探测工具通常不能可靠地 识别所述串联电弧。这由以下得出，即串联电弧可能继续允许常规的运行，但同时其损害效 应在时间进程中才蔓延。比如串联电弧可以在两个相互连接的电导体的接触位置上出现， 其中该连接的接触受到损坏，并且经过电弧的通过电流被提供。
[0006] 比如W0 2013/004 295 A1公开了一种用于在光伏设备中探测电弧的方法。在此 为了识别串联电弧而规定，在固定的预先给定的电压的情况下改变工作点的功率。虽然W0 2013/004 295 A1的方法在实际运行中经受了考验，尽管如此仍出现问题。
[0007] 如果出现非期望的变化，并且该变化不能可靠地与所连接的逆变器的变化相关 联，那么就探测到电弧。所述技术需要在逆变器与电弧探测单元之间进行通信。出于该原因 必须把电弧探测器集成到逆变器中。但在实现尤其是应该识别串联电弧的电弧探测器时， 这是一个重大的缺点。此外，这还不利于电气设备的尽可能灵活的建造和构型。
[0008] 串联电弧在连接故障或连接中断的情况下以高的概率出现。如果这样的串联电弧 开始了，那么所述串联电弧可以持续非常长的时间，因为电的能量源的电压/电流特性提 高电弧的稳定性。随串联电弧而产生的能量在出现串联电弧的损坏位置上可以导致可燃材 料的点火并引发火灾。
[0009] 此外已知的是，在频率范围内对直流电流值进行分析。这利用以下效果，即电弧示 出其阻抗中的波动，其快速的变化可以在频率范围的不同区域中被探测到。该频率范围可 以从几千赫兹至几兆赫兹。但该方法对于干扰以及由逆变器所造成的干扰是非常敏感的。
【发明内容】
[0010] 因此本发明的任务是，如下改进这种类型的方法以及装置，即能够可靠地识别串 联电弧。
[0011] 作为解决方案，本发明提出根据独立权利要求1所述的装置。在方法方面，提出根 据并列独立权利要求2所述的方法。其他的优点由从属权利要求的特征得出。
[0012] 在这种类型的装置方面，利用本发明提出，该装置具有：确定单元，其用于确定是 否存在当前的常规运行状态的自发变化，在该自发变化中不仅电压、而且电流都下降；比较 单元，其用于把电压变化的数值和与电压变化在时间上相对应的电流变化的数值与相应的 比较值进行比较，并基于电压变化和电流变化在相应的数值超过比较值的至少一个时来确 定电弧指示值；检查单元，其用于检查电弧指示值的周期性；以及输出单元，其用于在检查 结果为否定时输出信号。
[0013] 在方法方面，利用本发明尤其是提出，这种类型的方法至少包括以下的步骤： -确定是否存在当前的常规运行状态（Mpp)的自发变化，在该自发变化中不仅电压、而 且电流都下降， -把电压变化的数值和与电压变化在时间上相对应的电流变化的数值与相应的比较值 进行比较，以及基于电压变化和电流变化在相应的数值超过比较值的至少一个时来确定电 弧指示值， -检查电弧指示值的周期性，以及 -在检查结果为否定时输出该信号。
[0014] 利用本发明能够明显改进串联电弧探测的可靠性。根据本发明的方法因此使用三 个标准，其必须全部满足，因此才能够识别到存在串联电弧。由此大大降低了每种类型的干 扰的影响，使得相应提高了探测的可靠性。利用本发明尤其能够识别由电气设备自身产生 的影响或干扰，并在探测串联电弧时对其忽略。本发明因此改进对串联电弧所产生的影响 与设备特有的影响之间进行区分的可能性。这尤其是适用由逆变器所产生的干扰或影响。
[0015] 直流电压源比如可以通过相互连接的一个或多个光伏模块来构成。该直流电压源 当然也可以是相应地相互连接的比如一个或多个蓄电池形式的电能存储器。另外，该直流 电压源还可以是一个或多个燃料电池、一个或多个借助内燃机驱动的发电机、一个或多个 风力发电机、或诸如此类的。直流电压源的前述可能性当然也可以相互组合。但本发明在 使用光伏模块的情况下证实为是尤其有利的。
[0016] 逆变器是一种电气装置，其允许把直流电压源所提供的电能转换为交流电压，优 选地，该交流电压能够被馈入到公共的能量供应网络中。为了该目的，该逆变器可以单相或 也可以多相、尤其是三相地来构造，以便能够实现到已有的电网、尤其是交流电压设备上的 能量技术的耦合。
[0017] 目前，使用所谓的静态能量变换器形式的逆变器，即与动态能量变换器不同，静态 能量变换器不具有机械可运动的、尤其是可旋转的部分。作为静态能量变换器的这种类型 的逆变器通常作为脉冲电子能量变换器来构造，并为了该目的具有至少一个半桥模块，该 半桥模块具有两个串联的半导体开关，借助该半桥模块可以把直流电压源的借助中间回路 所提供的直流电压变换为交流电压。
[0018] 另外，设置有监控单元，借助该监控单元可以对电气设备的电压以及电气设备中 的电流优选地在逆变器的端子上关于变化来监控。该监控单元为了该目的可以具有电压和 /或电流传感器，借助所 述电压和/或电流传感器可以确定电压以及电流。该监控单元探测 电压和/或电流的变化，并把所确定的值提供给分析单元，该分析单元可以基于所提供的 值来探测串联电弧。如果探测到相应的电弧，那么该分析单元产生相应的信号，该信号被输 出。比如可以利用该信号来控制电气设备的报警装置也或者保护装置。比如该保护装置可 以具有机电接触，借助所述机电接触可以断开能量流，使得该串联电弧不能造成进一步的 损坏。该保护装置可以通过一个或多个保险丝、接触器、其组合或诸如此类的来构成。
[0019] 为了该目的，本发明设置确定单元，该确定单元被设置用于，确定是否存在当前的 常规运行状态的自发变化，在该自发变化中不仅电压、而且电流都下降。所述当前的常规运 行状态是无干扰运行中的一种运行状态，并能够优选地通过直流电压源的工作点来构成。 在光伏模块中，这优选地是以下运行状态，在该运行状态中提供最大功率。
[0020] 第二标准规定，设置比较单元，用于把电压变化的数值和与电压变化在时间上相 对应的电流变化的数值与相应的比较值进行比较，即与用于电压变化的比较值和用于电流 变化的比较值进行比较。由此该比较单元另外确定电弧指示值，所述电弧指示值根据电压 变化和电流变化在相应的数值超过比较值的至少一个时而被确定。当然也可以替代地规 定，必须超过两个比较值、即用于电压变化的比较值和用于电流变化的比较值，并基于此确 定电弧指示值。
[0021] 最后，为了实施第三标准而设置检查单元，该检查单元被设置用于检查电弧指示 值的周期性。因此当电气设备在常规运行中运行时，能够忽略由该电气设备自身所产生的 影响。这比如可以是由逆变器所造成的反作用，该反作用比如基于逆变器的半导体开关的 时钟或诸如此类的。检查结果被传输到输出单元，该输出单元被设置用于在检查结果为否 定时来输出该信号。否定的检查结果在此对应于如下的事实，即不能确定周期性。由此得 到串联电弧的肯定的探测。
[0022] 对周期性的检查比如可以由以下来实现，即检查电弧指示值是否以基本上固定的 时间间隔来出现。此外，自然存在以下可能性，例如通过到频率范围中的变换而执行频谱分 析，比如借助傅立叶变换或诸如此类的，其中在频率范围中有明显信号偏差的情况下，可以 推断是周期信号。在这种情况下就没有探测到串联电弧。而如果在频谱图中是基本上随机 分布的信号，那么就推断存在串联电弧。在这种情况下，关于周期性的检查结果是否定的， 并被相应地传输到输出单元。该输出单元然后就提供用于指示串联电弧的该信号。
[0023] 利用本发明另外提出，通过把相应的电压变化与在时间上与之对应的电流变化相 乘来确定电弧指示值。因此能够明显降低由于电流的运行所决定的波动而可能出现的干 扰，使得所述干扰能够良好地被识别为不是对应的串联电弧。
[0024] 根据本发明的另一方面提出，当前的常规运行状态的自发变化导致在时间上至少 暂时的运行状态，该暂时的运行状态被分配给电弧报警区域。该电弧报警区域是被分配给 第一标准的区域。如果该自发变化导致位于该电弧报警区域之外的暂时的运行状态，那么 就推断不存在串联电弧，而是在该电气设备中进行了另外的常规变化。
[0025] 仅当满足全部三个标准时，才探测到串联电弧。
[0026] 另外提出，该电弧报警区域包括电压上限，该电压上限相对于当前的常规运行状 态的电压降低了可预先给定的残余电压。该可预先给定的残余电压在光伏模块作为直流电 压源的电气设备中比如为2V。该电压自然可以与该电气设备和被该电气设备所包括的其他 构件相关，并相应被匹配。
[0027] 另外提出，该电弧报警区域包括电流下限，该电流下限相对于当前的常规运行状 态的电流按照一个因数下降，该因数由当前的常规运行状态的降低电弧电压之后的电压与 当前的常规运行状态的电压之比来构成。该电弧因此影响定义该电流上限的因数。如果探 测到电流高于该电流界限，那么就推断不是导致运行状态变化的串联电弧。相应地在这种 情况下则不满足该第一标准。
[0028] 最后提出，该电弧报警区域包括电流下限和电压下限，其通过当前的常规运行状 态的阻抗来构成。在光伏模块中，这比如可以是最大功率的运行状态。结合前述的用于电 弧报警区域的两个标准，因此确定闭合的区域，该闭合的区域指示满足该第一标准。如果当 前的运行状态的自发变化落进该电弧报警区域中，那么就检查其他的标准。否则已经可以 在该位置处结束检查。如果变化在几微秒至几秒内出现，那么该变化就是自发的。
[0029] 根据本发明的另一方面提出，所监控的电压和/或电流的测量值被滤波。在此应 采用的滤波器可以与串联电弧的特征的特性相匹配地来选择。比如可以规定，设置低通滤 波器TP用于滤除噪声。此外也可以设置高通滤波器HP，利用该高通滤波器可以过滤尤其是 缓慢的周期性的设备特有的信号影响。由此可以改进检查三个标准的单元的功能。
[0030] 最后，根据本发明的一个方面提出，仅当比较值的超过长于可预先给定的时间段 时，所述比较值的超过才被检测到。由此能够减少不可能与串联电弧相关的随机事件。比 如为了该目的可以规定，阈值超出比如必须存在至少0. 3秒。较短的阈值超出被分配给与 串联电弧不同的事件。由此可以进一步改进该第二标准的执行。
【附图说明】
[0031] 其他优点和特征可以从实施例的随后的描述得出。在附图中相同的附图标记表示 相同的功能和部件。
[0032]其中： 图1以示意性的框图示出具有根据本发明的装置的电气设备， 图2以示意图示出用于表示运行状态的电流-电压图示， 图3以示意图示出电流-时间图示，该电流-时间图示利用图形来表示电流变化， 图4以示意图示出电压-时间图示，该电压-时间图示与图3时间同步地利用图形来 表示电压曲线， 图5以示意图示出如图4的电压-时间图示，但对利用图4的图形来表示的电压滤波 之后的电压-时间图示， 图6以示意图示出电流变化-时间图示，该电流变化-时间图示与图3时间同步地利 用图形来表示瞬时电流变化， 图7以示意图示出电压变化-时间图示，该电压变化-时间图示利用图形来表示在图 4中示出的电压的电压变化，以及 图8以示意图示出时间图示，该时间图示与前述的图3至7的图示时间相同步地利用 如借助本发明的比较单元所确定的第一图形来表示电弧指示值，以及利用第二图形来表示 电弧指示值的信号处理的结果。
【具体实施方式】
[0033] 图1以示意性的框图示出电气设备10,该电气设备包括作为直流电压源的光伏模 块12的装置以及通过继电器开关16所连接的逆变器14。该电气设备10另外具有用于探 测电气设备10中的串联电弧的装置36。
[0034] 装置36包括监控单元32,该监控单元被设置用于在电气设备10中借助电压传感 器20关于电压变化来监控电压，并借助电流传感器18关于电流变化来监控电流。另外，该 装置36包括分析单元30,该分析单元被设置用于分析所探测的电压和电流变化以探测串 联电弧，并借助输出单元22根据分析结果产生信号。该装置36另外具有确定单元26,该确 定单元被 设置用于确定当前的常规的运行状态在此关于光伏模块12是否存在自发变化， 在该自发变化中不仅电压、而且电流都下降。
[0035] 另外，该装置36包括比较单元28,该比较单元被设置用于将电压变化的数值和在 时间上与电压变化相对应的电流变化的数值与相应的比较值进行比较，以及基于电压变化 和电流变化在相应的数值超过比较值之一的情况下来确定基于电压变化和电流变化的电 弧指示值。
[0036] 另外，该装置36包括检查单元34,该检查单元被设置用于关于周期性检查所确定 的电弧指示值。
[0037] 这三个单元26、28、36检查三个不同的标准，其中如果满足头两个标准并且不满 足最后的标准，那么就认为识别出串联电弧。
[0038] 如果满足两个前述的标准，在检查结果为否定的情况下，借助装置36的输出单元 22就可以输出相应的信号，该信号指示被探测的串联电弧。该信号用于控制继电器开关 16。如果所探测的串联电弧存在，那么就利用该信号控制继电器开关16,使得在光伏模块 12与逆变器14之间的电连接被断开。
[0039]图2以示意图示出光伏模块12的电压/电流特性曲线。关于用附图标记Mpp来表 示的当前的常规的运行状态，因此可以定义为四个运行区域。在此用图形40来表示光伏模 块12的特性曲线。
[0040] 可以看出，在第一区域中，电流上升，并且电压下降。这是光伏模块12的电压/电 流特性曲线的区域。在该区域中，运行可以变化，更确切地说根据相应的负载而变化。该负 载由逆变器14来形成，该逆变器根据所需的电能来实施其逆变功能。
[0041] 在位于当前的运行状态MPP右上方的第二区域中，电流和电压一同上升。该区域应 对应于到光伏模块12上的增大的太阳辐射。运行状态仅仅能够缓慢地移动到该区域中。
[0042] 在根据图2的图示中被布置在当前的运行状态MPP右侧的第三区域描述在电流降 低的情况下的电压上升，其中当电流消耗为0时，电压上升直至空转电压v_ n。
[0043] 第四区域涉及电流和电压同时下降。如果太阳辐射下降或者正好也存在串联电弧 时，那么运行状态就偏移到该区域中。
[0044] 一旦电流和电压同时下降，那么现在就必须考虑到，在电气设备10中存在串联电 弧。在可能的电弧出现之前，已知的负载阻抗z(0)如下来得出：
因为假定的串联电弧串联地布置在光伏模块12与逆变器14之间，所以可以假定，在串 联电弧点火之后立即在逆变器14的输入端上所测量的电流Iinv(t)和电压Uinv(t)如下来得 出：
这三个公式描述限定的区域，该区域在本申请的范围内也被称作电弧报警区域。该电 弧报警区域包括电压上限，该电压上限相对于当前的常规运行状态MPP的电压降低了可预 先给定的残余电压，在此为2V。另外，该电弧报警区域包括电流下限，该电流下限相对于当 前的常规运行状态的电流按照以下因数降低，该因数由当前的常规运行状态M PP的减少电 弧电压后的电压与当前的常规运行状态MPP的电压之比来构成。最后，该电弧报警区域包括 电流上限和电压下限，其通过当前的常规运行状态M PP的阻抗Z(0)来构成。
[0045] 该电弧报警区域在图2中用附图标记42来表示。
[0046] 电弧电压UaTC和AUmin的值是变量，其通过试验来确定。U inv是逆变器14上的电压， Iinv是经过逆变器14的电流。
[0047] 在串联电弧点火的时间点，假定在铜导体中电弧电压大于13V。20V的电弧电压 U aM的值的设定在该情况下被测量。如果逆变器14是电阻性负载，那么在逆变器14上的电 压变化AU将在电弧电压U aTC的区域中移动。但真实值基本上总是更小的，因为逆变器14 是具有能量存储器的有源负载。能量存储器的电压阻止逆变器14的输入电压的剧烈波动。 因此采用较小的比较值来用于探测，该比较值为A Umin=2V。
[0048] 当电弧点火时，当前运行状态MPP到规定的电弧报警区域42中的变化非常快速地 出现，在此在几毫秒内。由此关于数值而得到大的变化dl/dt和dU/dt。电压和电流到前述 区域中的快速变化构成第一标准，以便探测串联电弧。
[0049] 当前运行状态MPP在出现串联电弧时到电弧报警区域42中的快速变化用附图标记 44来表示。
[0050] 如果串联电弧较长地保持，那么当前运行状态就首先或者转移到区域46中，或者 转移到区域48中，并从那里出发在这两种情况下最后转移到区域50中。
[0051]图3以电流-时间图示示出在串联电弧点火期间电流的值。电流的快速下降可以 在图3的图示中通过图形来看出。相应的微分图由根据图6的图示得出，从中可以看出，在 根据图3的电流下降区域中出现强烈的偏差。
[0052] 关于电压，这相应地借助图4、5和7来示出。图4示出相应的电压曲线，该电压曲 线经过滤波，并形成在图5中所示的信号曲线。相应的微分图在图7中得出，其中在此也可 以看出，所出现的电压变化导致在根据图7的微分图中的相应的偏差。
[0053] 比如由于飞行物体、风车的旋转叶片、云或诸如此类的对光伏模块12的快速遮 挡，同样可以导致前述的变化。因此需要补充的标准，以便将真正的串联电弧与这样的干扰 事件相区分。
[0054] 假定逆变器14平均地调节负载，以便根据逆变器14是否是电压调节的或电流调 节的，而在该事件开始之前调节前述的电压U inv(0)或调节前述的电流Iinv(0)。在长远的角 度上，逆变器14尝试找到新的运行状态，以便能够优化功率等级。所述期待的变化总是与 光伏模块12的电压/电流特性曲线相一致。即，到一个方向上的电流变化导致到相反方向 上的电压变化。
[0055] 在串联电弧的情况下，阻抗发生变化，并且功率变化由于串联电弧而不遵循光伏 模块12的电压/电流特性曲线并明显与相应所期待的变化相偏离。关于此，补充地参考图 1的上述实施方案。
[0056]关于遮挡，可能出现几个事件，或者事件以低的频率重复。而在串联电弧的情况 下，这些变化非常快速、连续和不规则。由此得到第二探测标准，如果应该肯定地探测到串 联电弧，那么该第二标准同样必须被满足。为此可以考虑如下的公式：
如由公式可以看出，电弧指示值被确定，该电弧指示值由以下乘积来得到，该乘积由电 压变化的数值的微分与电流变化的数值的微分相乘。由此得到的电弧指示值在图8中 用附图标记52来表示。所述电弧指示值代表不能与光伏模块12的电压/电流特性曲线相 关联的电气变化的功率。数学积分以及进一步的信号处理被应用于所述电弧指示值，其作 为输出信号而得到信号曲线，如该信号曲线在图8中借助具有附图标记54的图形来示出。 该信号然后与比较值相比较。比如dl/dt的比较值选择为100A/s，dU/dt的比较值选择为 lOOOV/s。所述值可以按照电气设备10的实际设计方案来匹配。
[0057] 在图8中用图形54来表示的信号可以用作电弧探测的第二标准，为了肯定地探测 串联电弧必须满足该 标准。
[0058]如果电弧指示值位于预先给定的比如为250000VAJT2的比较值之上，那么故 障比较值就快速地上升，并且如果电弧指示值位于该预先给定的比较值之下，那么故障比 较值就非常缓慢地下降。如果故障参照高于比如为400000VAJT2的另一比较值持续比如 0. 3s的最短时间，那么就认为满足该第二标准。
[0059] 附加地，根据本发明设置第三标准的检查，即检查如下，电弧指示值是否具有 周期性。在比如超过500000VAJT2的比较值的每个明显的尖峰之间的时间间隔可以被测量， 并且该方差不应小于另一比较值。替代地或补充地，也可以频率范围在频率范围中、尤其在 直至几kHz的频率范围中进行分析。对于串联电弧的肯定的探测，应该在频谱中不能找到 明显的尖峰。电弧指示值的非周期性构成该第三标准，因为假定，基于串联电弧的阻抗变化 在长时间上随机地进行。
[0060] 如果全部三个标准都满足，那么就可靠地识别到串联电弧，并借助输出单元22来 输出以下信号，该信号控制继电器开关16以便断开其接触。
[0061] 比较值或者最小的持续时间以及对此的比较值可以是电压变化或电流变化的函 数。在大的电压变化和/或电流变化的情况下，可以以大的电弧功率为出发点，并且电弧探 测器的反应时间应该快速地进行。
[0062]根据本发明，串联电弧的探测基于对电压变化和电流变化的分析，其根据直流电 压源12的电压/电流特性曲线而被分类为"符合"或"不符合"。不符合的事件可以通过直 流电压源12、在此为光伏模块的比如由于光伏模块12被遮挡而带来的功率波动来产生，或 者正是通过由于电弧而导致的损失来产生。在遮挡或外部干扰之间的区分借助对快速变化 的分析来实现。由此本发明允许，能够相对于干扰实现串联电弧以及其强度的可靠的探测。 [0063] 前述的实施例仅仅用于解释本发明，且并不局限于此。当然也可以以所需的方式 来匹配比较值以及时间间隔，以便尤其在考虑到电气设备的设备专有特征的情况下能够实 现所期望的电弧探测。
[0064] 最后，权利要求以及说明书的特征当然也可以以近似任意的方式来相互组合，以 便获得本发明意义上的其他的设计方案。尤其是，装置特征也可以通过相应的方法步骤来 实现，反之亦然。
[0065] 附图标记列表 10 电气设备 12 直流电压源 14 逆变器 16 继电器开关 18 电流传感器 20 电压传感器 22 输出单元 26 探测单元 28 比较单元 30 分析单元 32 监控单元 34 检查单元 36 装置 40 图形 42 电弧报警区域 44 图形 46, 48, 50 区域 52,54 图形
【主权项】
1. 用于探测电气设备（10)中的串联电弧的装置（36)，所述电气设备包括直流电压源 (12)以及连接到所述直流电压源（12)上的逆变器（14)，其中所述装置（36)具有监控单元 (32)以及分析单元（30)，所述监控单元被设置用于在所述电气设备（10)中关于电压变化 来监控电压，和/或关于电流变化来监控电流，所述分析单元被设置用于分析所确定的电 压变化和电流变化以探测串联电弧，并根据分析结果来产生信号， 其特征在于， 确定单元（26)，其用于确定是否存在当前的常规运行状态（Mpp)的自发变化，在所述自 发变化中不仅所述电压、而且所述电流都下降；比较单元（28)，其用于将电压变化的数值 和与所述电压变化在时间上相对应的电流变化的数值与相应的比较值进行比较，以及基于 所述电压变化和电流变化在相应的数值超过所述比较值的至少一个时来确定电弧指示值； 检查单元（34)，其用于检查所述电弧指示值的周期性；以及输出单元（22)，其用于在检查 结果为否定时输出所述信号。2. 用于探测包括直流电压源（12)以及连接到所述直流电压源（12)上的逆变器（14) 的电气设备（10)中的串联电弧的方法，为此在所述电气设备（10)中关于电压变化监控电 压，并关于电流变化监控电流，分析所确定的电压变化和电流变化以探测串联电弧，并根据 分析结果来产生信号， 其特征在于， 所述分析至少包括以下的步骤： _确定是否存在当前的常规运行状态（Mpp)的自发变化，在所述自发变化中不仅所述电 压、而且所述电流都下降， -将电压变化的数值和与所述电压变化在时间上相对应的电流变化的数值与相应的比 较值进行比较，以及基于所述电压变化和电流变化在相应的数值超过所述比较值的至少一 个时来确定电弧指示值， -检查所述电弧指示值的周期性，以及在检查结果为否定时输出所述信号。3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电弧指示值通过相应的电压变化与 在时间上相对应的电流变化的乘积来确定。4. 根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述当前的常规运行状态（Mpp)的自 发变化导致在时间上至少暂时的运行状态，所述运行状态被分配给电弧报警区域（42)。5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述电弧报警区域（42)包括电压上限， 所述电压上限相对于当前的常规运行状态（Mpp)的电压降低可预先给定的残余电压。6. 根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述电弧报警区域（42)包括电流下 限，所述电流下限相对于当前的常规运行状态（Mpp)的电流按照以下因数降低，所述因数由 当前的常规运行状态（Mpp)的降低电弧电压后的电压与当前的常规运行状态（Mpp)的电压之 比来构成。7. 根据权利要求4至6之一所述的方法，其特征在于，所述电弧报警区域（42)包括电 流下限和电压下限，所述电流下限和电压下限由当前的常规运行状态（Mpp)的阻抗来形成。8. 根据权利要求2至7之一所述的方法，其特征在于，所监控的电压和/或电流的测 量值被滤波。9. 根据权利要求2至8之一所述的方法，其特征在于，仅当所述比较值的超过长于预 先给定的时间段时，所述比较值的超过才被检测到。
【专利摘要】本发明涉及用于探测电气设备中的串联电弧的装置，其中该装置具有监控单元以及分析单元，该监控单元用于监控电压变化和/或电流变化，该分析单元用于分析所确定的电压变化和电流变化以探测串联电弧，并根据分析结果来产生信号。根据本发明，该装置包括：确定单元，其用于确定是否存在当前的常规运行状态的自发变化，在所述自发变化中不仅电压、而且电流都下降；比较单元，其用于将电压变化的数值和与电压变化在时间上相对应的电流变化的数值与相应的比较值相比较，以及基于电压变化和电流变化在相应的数值超过比较值的至少一个时来确定电弧指示值；检查单元，其用于检查电弧指示值的周期性；和输出单元，其用于在检查结果为否定时输出该信号。
【IPC分类】G01R31/02, H02S50/10
【公开号】CN104898008
【申请号】CN201510099334
【发明人】F.埃哈德, F.费斯特尔, J-M.马特尔
【申请人】西门子公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年3月6日
【公告号】DE102014204253A1, EP2916455A1
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