CH676174A5 - Detection and quenching relay for switchgear arcs - Google Patents

Description

  
 



  Die Erfindung betrifft eine Lichtbogendetektoreinrichtung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. 



  Um Verletzungen von Personen und Materialschäden durch Lichtbögen zu reduzieren, ist es bekannt, in der Verteilung von Elektrizität verwendete Leistungsschalter mit einer Lichbogendetektoreinrichtung auszustatten, welche den entstandenen Lichtbogen detektiert und ihn durch Veranlassen der \ffnung von einem oder mehreren Leistungsschaltern, über welche Strom in die Schaltanlage fliesst, löscht. Die Dauer des Lichtbogens ist auf diese Weise um bis zu einem Zehntel reduziert, so dass grosse Schäden vermieden und das Ausmass der Nutzung der Schaltanlage erhöht werden können. Der Lichtbogen erzeugt einen Licht-, Druck-, Hitze- und Geräusch-Effekt; jeder dieser Effekte kann zur Detektion des Lichtbogens verwendet werden.

  Eine Überwachung auf der Basis des Licht-Effektes ist jedoch vorzuziehen, weil bei dieser optische Fasern verwendet werden können, welche unempfindlich sind gegegnüber in ihrer Umgebung auftretenden elektrischen Störungen und welche selbst nicht als Strompfad dienen können. Bekannte  Lichtbogendetektoreinrichtungen in welchen Licht entlang einer optischen Faser zu einem Photosensor übertragen wird verwenden eine am Ende der optischen Faser angeordnete Sammellinse als Licht-Sammel-Sensor. Wenn mehrere separate Stellen in einer elektrischen Schaltanlage gleichzeitig überwacht werden müssen, ist es erforderlich, jeweils eine separate Faser zu jeder der Stellen zu ziehen, welche zu überwachen sind und hinter jede separate Faser einen separaten Photosensor zu schalten. Wenn die Anzahl der zu überwachenden Stellen erhöht wird, wird die Vorrichtung sehr kompliziert und teuer.

  Darüberhinaus ist es auch schwierig, mit solchen Lichtbogendetektoreinrichtungen stichprobenartig zu messen um ein automatisches Testteil zu realisieren, welches dessen Funktionstüchtigkeit von Zeit zu Zeit überprüft. 



  Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben genannten Nachteile zu vermeiden und einen neuen Typ einer Lichtbogendetektoreinrichtung anzugeben, welche bedingt durch eine im Vergleich mit bekannten Vorrichtungen einfachere Struktur preislich günstiger ist. Diese Aufgabe wird durch eine Lichtbogendetektoreinrichtung gelöst, wie sie im Patentanspruch 1 gekennzeichnet ist. 



  Die Lichtbogendetektoreinrichtung nach der Erfindung benötigt lediglich eine optische Faser und nur einen Photosensor zur Überwachung von verschiedenen Stellen von Schaltanlagen, weshalb der Preis der Vorrichtung vorteilhaft ist. Mehrere  Schaltanlagen können mittels einer Faser überwacht werden, wenn die Faser durch alle zu überwachenden Schaltanlagen sich erstreckend montiert ist. Da nur eine optische Faser benötigt wird, ist eine kontinuierliche Selbst-Diagnose leicht auszuführen. 



  Die Lichtbogendetektoreinrichtung nach der Erfindung und einige bevorzugte Ausgestaltungen davon werden im folgenden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben, wobei 
 
   Fig. 1 schematisch das Prinzip der Licht-Messung bei einer verschiedene Stellen einer Schaltanlage überwachenden Einrichtung nach der Erfindung illustriert, 
   Fig. 2 schematisch eine als Sammel-Sensor wirkende optische Faser und eine daran angeschlossene elektronische Einheit veranschaulicht, 
   Fig. 3 die Lichtbogendetektoreinrichtung nach Fig. 2 zeigt, wobei diese jedoch zusätzlich mit einem Testteil versehen ist, welches von Zeit zu Zeit den Zustand der Einrichtung prüft, und 
   Fig. 4 ein Beispiel eines am Ende einer Faser angeordneten Sammel-Sensors illustriert. 
 



  Fig. 1 zeigt eine elektrische Schaltanlage 1, deren aufeinanderfolgende Stellen mit den Referenzen A bis E bezeichnet sind. Eine vereinfacht dargestellte Lichtbogendetektoreinrichtung 2 weist eine sich durch die Stellen erstreckende  optische Faser 3 und eine dieser nachgeschaltete elektronische Einheit 4 auf. Das Licht von einem sich in einer der Stellen ausbildenden Lichtbogen wird in der Faser 3 durch seitlichen Einfall durch ihre Ummantelung gesammelt. Der Begriff Ummantelung, wie er hier gebraucht wird, bezieht sich auf ein den Kern umgebendes Teil, welches den Durchtritt von Licht in den Kern gestattet, in dem es sich weiter ausbreitet. Die Struktur der Faser wird weiter unten noch näher beschrieben. In Fig. 1 ist das Licht eines in den Stellen B und D entstandenen Lichtbogens mit den Pfeilen V bezeichnet.

  Selbstverständlich kann der Rest der Faser derart beschichtet sein, dass er undurchsichtig ist, wohingegen die Ummantelung des als Sammel-Sensor wirkenden Teils durchsichtig sein muss. Dies ist in Stelle E dargestellt, in welcher der Rest der Faser 3 mit einer undurchsichtigen Beschichtung 5 versehen ist. Durch Wendelung des als Sammel-Sensor wirkenden Faserabschnitts kann die Licht-Sammel-Kapazität verbessert und die Richtungsempfindlichkeit reduziert werden. Dies ist dargestellt in den Stellen B, C und D, in denen als Sammel-Sensoren wirkende Faserabschnitte 3b, 3c und 3d durch aufeinanderfolgende Schleifen gebildet werden. Der Sammel-Sensor kann jedoch auch durch einen geraden Faserabschnitt in der Stelle gebildet sein, wie dies anhand des Sensor-Abschnitts 3a in Stelle A dargestellt ist.

  Wie sich aus Fig. 1 ergibt, ermöglicht die Lichtbogendetektoreinrichtung nach der Erfindung die Erkennung eines Lichtbogens in jeder der Stellen mittels einer einzigen optischen Faser 3 und einem  dieser nachgeschalteten und weiter mit der elektronischen Einheit 4 verbundenen Photosensor (nicht dargestellt). Mit dem Lichtbogendetektor ist es nicht möglich festzustellen, in welcher Stelle der Lichtbogen lokalisiert ist; andererseits ist eine Ortsbestimmung gewöhnlich auch nicht erforderlich. Die von dem Photosensor erhaltene Information wird in der elektronischen Einheit verarbeitet, welche über ihren Relais-Ausgang 6 einen Leistungsschalter steuert. 



  Fig. 2 zeigt schematisch die als Sammel-Sensor wirkende optische Faser 3 und die elektronische Einheit 4. In den Fig. 1 und 2 sind einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Der als Sammel-Sensor wirkende Faser-Abschnitt 3f ist an der zu überwachenden Stelle angeordnet, wohingegen sich der mit der Beschichtung 5 bedeckte Teil der Faser zu dem Photosensor 7 und der elektronischen Einheit 4 erstreckt, welche in einem Gehäuse 8 angeordnet ist. Der Sensor-Teil 3f kann mittels eines Verbindungsgliedes 3g an eine weitere Faser angeschlossen sein, wodurch sich der Vorteil ergibt, dass nur der Sensor-Abschnitt ersetzt werden muss wenn ein Lichtbogen die Faser beschädigen sollte.

   Der Photo-Sensor 7, z.B. eine PIN-Diode oder ein Phototransistor, wandelt einen über die Faser ankommenden Lichtimpuls in einen Stromimpuls um, welcher in einem Vorverstärker 9 mit einer einstellbaren Verstärkung verstärkt wird. Nach dem Vorverstärker 9 ist ein Band-Pass-Filter 10 vorgesehen, welcher lediglich die Passage von für das Licht des Lichtbogens  typischen Signalen erlaubt. Dem Band-Pass-Filter 10 ist ein einstellbarer Komparator 11 nachgeschaltet, welcher das Relais 12 ansteuert, sofern das Signal, mit dem er beaufschlagt ist, eine voreingestellte Schwelle überschreitet. Der Auslöse-Kreis des Leitungsschalters enthält die Kontakte 6 des Relais 12. Ein Wellenlängen-Filter 13 kann ebenfalls fest am Photosensor 7 integriert sein. Das Relais 12 könnte auch mittels Halbleitern ausgeführt sein. 



  Fig. 3 zeigt eine entsprechende, jedoch mit einem Testteil zur intermittierenden Überprüfung des Zustandes der Vorrichtung ausgestattete Struktur. Der Testteil weist eine Lichtquelle 14 und eine diese überwachende Kontrolleinheit 15 auf. Hier hat die Faser 3 kein freies Ende wie im vorherigen Beispiel; stattdessen ist eines ihrer Enden mit der durch die Kontrolleinheit überprüften Lichtquelle 14 verbunden, die in Intervallen von 5 Sekunden einen kurzen Test-Puls in die Faser einspeist und so den Zustand der Vorrichtung überprüft. Die Kontrolleinheit 15 und das Band-Pass-Filter 10 sind über die Komparatoren 11 mit einer logischen Einheit 17 verbunden, welche ihre Ausgangssignale F und G in Abhängigkeit von ihren Eingangssignalen K und L generiert.

  Das Ausgangssignal F erzeugt einen Fehleralarm durch einen Summer 18 sofern das Eingangssignal K logisch "1" und das Eingangssignal L logisch "0" ist. Das Ausgangssignal G steuert den Leistungsschalter über die Kontakte 6 des Relais 12 wenn der Wert des Eingangssignals L allein logisch "1" ist. Die Verbindung der Lichtbogendetektoreinrichtung zum Leistungsschalter ist in den  Figuren nicht näher dargestellt, weil sie in an sich bekannter Weise ausgeführt ist und nicht zur der der Erfindung zugrunde liegenden Idee gehört. 



  Die zur Sammlung von Licht benötigte optische Faser 3 wird wie üblich gebildet durch einen Kern und eine diesen umgebende Ummantelung sowie eine primäre Beschichtung. Der Kern und seine Ummantelung können aus Glas oder Plastik bestehen. Wegen der starken Lichtabschwächung können Fasern mit einem Plastikkern allerdings nur eine Länge unterhalb von 10 m haben. Die Lichtabschwächung von Fasern mit Glaskern bedingt im Bereich des sichtbaren Lichts praktisch keine Begrenzung der Faserlänge. Im Ultraviolettbereich ist die Abschwächung grösser als im Bereich des sichtbaren Lichts. Die Faser weist damit immer den Kern, die Ummantelung und die primäre Beschichtung auf, wohingegen die zweite sowie Puffer-Beschichtungen um diese herum nicht notwendig sind, weil diese lediglich das in den Kern eintretende Licht abschwächen. 



  Fig. 4 zeigt noch ein weiteres Beispiel eines am Ende einer Faser angeordneten Sammel-Sensors mit einem Arm 19 aus Plastik, z.B. Acetal-Nylon. Eine dünne, die Empfindlichkeit des Sensors in Seitwärtsrichtung erhöhende Teflon-Hülle 20 ist um den als Sammel-Sensor wirkenden Teil der gewendelten optischen Faser herum vorgesehen. Die Teflon-Hülle 20 kann jedoch auch weggelassen werden. Das Faserende muss auch nicht unbedingt gewendelt sein; es kann auch gerade sein. In beiden  Fällen tritt das Licht seitwärts durch die Ummantelung ein. Der Eintritt von Licht in die Faser von deren Ende her ist durch eine Lichtblende verhindert. Eine die Faserwendel umgebende Schutzhülle 21 aus klarem Plastik ist am äusseren Ende des Armes befestigt. Die Schutzhülle 21 ist zusätzlich mit einem die Wendel umgebenden transparenten Harz-Füllstoff ausgefüllt.

  Grundsätzlich lässt sich sagen, dass der Sammel-Sensor mit jeder transparenten Beschichtung versehen sein könnte, welche eine ausreichende Empfindlichkeit garantiert; der Rest der Faser kann mit jeder beliebigen undurchsichtigen Beschichtung versehen sein, wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 erwähnt wurde. 



   Obwohl die Erfindung vorstehend mit Bezug auf die in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Beispiele erläutert wurde, ist diese auf diese Beispiele nicht beschränkt, sondern kann im Rahmen der in den beigefügten Ansprüchen definierten erfinderischen Idee in verschiedenster Weise variiert werden. So kann die elektronische Einheit 4 z.B. auch mittels Schalttransistoren aufgebaut werden. Weiter kann die Selektivität der Lichtbogendetektoreinrichtung nicht nur durch die Wellenlängenlängen-Filtration sondern auch durch Verknüpfung der Licht-Detektion mit einem anderen, mit dem Lichtbogen zusammenhängenden Phänomen, wie einer Stromänderung, verbessert werden, wobei anzunehmen ist, dass ein Lichtbogen nur dann vorliegt, wenn eine, eine bestimmte Grenze überschreitende Änderung beider Grössen auftritt. 

Claims (4)

1. Lichtbogendetektoreinrichtung zur Erkennung der Zündung eines Lichtbogens an einer Mehrzahl von potentiellen Durchbruchsstellen (A bis E) in einer Schaltanlage (1) und zu dessen Löschung durch Veranlassen des \ffnens eines Leistungsschalters, über welchen Strom in die Schaltanlage fliesst, mit:

: - einer optischen Faser (3) zum Sammeln von Licht mit einem Sammel-Sensor und zur Weiterleitung des gesammelten Lichtes, wobei der genannte Sammel-Sensor durch eine transparente, den Kern der Faser (3) umgebende Ummantelung gebildet wird, - einem an ein Ende der Faser (3) angeschlossenen Photosensor (7), und - einer mit dem Photosensor (7) verbundenen elektronischen Einheit (4) zur Steuerung des Leistungsschalters in Abhängigkeit des detektierten Lichtbogens, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faser (3) sich derart durch alle Stellen (A bis E) der Schaltanlage erstreckend angeordnet ist, dass jede der Stellen einen als Sammel-Sensor wirkenden Faser-Abschnitt (3a bis 3e) enthält.

2. Lichtbogendetektoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein als Sammel-Sensor wirkender Faser-Abschnitt (3b, 3c, 3d; 3f) ein oder mehrere Male gewendelt ist.

3.

Lichtbogendetektoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der als Sammel-Sensor wirkende Faser-Abschnitt (3f) ersetzbar ist.

4. Lichtbogendetektoreinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die als Sammel-Sensor wirkenden Abschnitte (3f) zwischen den Enden der Faser angeordnet sind, und dass das dem Photosensor (7) entgegengesetzte Ende der Faser (3) mit einer Test-Pulse aussendenden Lichtquelle (14) versehen ist.