DE10109952A1

DE10109952A1 - Stray light spark sensor, especially for switching systems, has optical element(s) with absorbable radiation fluorescence centers that amplifies stray light yield associated with base body

Info

Publication number: DE10109952A1
Application number: DE10109952A
Authority: DE
Inventors: Dirk Ehlen
Original assignee: Moeller GmbH
Current assignee: Eaton Industries GmbH
Priority date: 2001-03-01
Filing date: 2001-03-01
Publication date: 2002-09-05
Also published as: ATE393462T1; DK1271591T3; DE50212132D1; EP1271591A3; EP1271591B1; EP1271591A2

Abstract

The sensor has at least one light waveguide with multiple windings in the detection region. Stray light is coupled into the waveguide through the sleeving and passed to a sensor. The waveguide is held or fixed in a base body. At least one optical element (42',52) associated with the base body amplifies the stray light yield. The optical element is a transparent body (42') with fluorescence centers (52) for absorbable radiation.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Störlichtbogensensor.The invention relates to an optical arcing sensor.

Es sind verschiedene Störlichtbogensensoren, insbesondere zum Einsatz in Schaltanlagen bekannt. Ein Beispiel ist in der CH 676 174 A5 dargestellt. Im Erfassungsbereich ist ein Lichtwellenleiter mehrfach gewickelt; die Strahlungs einkopplung erfolgt radial durch die Ummantelung des Lichtwellenleiters. Der Lichtwellenleiter ist in einem Plastikarm gehalten. Die Anordnung kann mit ei ner transparenten Schutzhülle abgedeckt sein. Dieser Störlichtbogensensor hat einen im wesentlichen punktförmigen Erfassungsbereich.There are various arc sensors, particularly for use in Switchgear known. An example is shown in CH 676 174 A5. in the Detection area is an optical fiber wound several times; the radiation coupling takes place radially through the cladding of the optical waveguide. The Optical fiber is held in a plastic arm. The arrangement can be done with egg ner transparent protective cover. This arc fault sensor has an essentially punctiform detection area.

Solche Sensoren werden vorzugsweise in elektrischen Schaltanlagen, insbe sondere in Niederspannungsschaltanlagen, aber ebenso in Mittelspannungs- und Hochspannungsschaltanlagen verwendet, um dort als Sensor bei Auftre ten eines Störlichtbogens ein Abschaltsignal zu liefern.Such sensors are preferably used in electrical switchgear, in particular especially in low-voltage switchgear, but also in medium-voltage and high-voltage switchgear used to act as a sensor when it occurs to provide a shutdown signal in the event of an arcing fault.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Empfindlichkeit des Sensors bei unverän dertem räumlichen Erfassungsbereich zu erhöhen, ohne die Aufnahmefläche oder Aufnahmelänge des Lichtwellenleiters zu vergrößern.It is an object of the invention to keep the sensitivity of the sensor unchanged to increase the spatial detection area without the recording area or to increase the recording length of the optical waveguide.

Der Kern der Erfindung besteht darin, daß dem Grundkörper ein optisches Element zugeordnet ist. Damit wird die Strahlungsausbeute oder die Empfind lichkeit in einem bestimmten Wellenlängenbereich erhöht. Das optische Ele ment kann strahlenverstärkend wirken, es kann ein Strahlenreflektor, ein strahlenbündelndes Element (im einfachsten Fall eine Linse, auch Fresnel- Linse) oder ein Körper sein, in dem Fluoreszenzzentren für absorbierbare Strahlung eingebracht sind. Diese Alternativen können auch beliebig kombi niert sein. The essence of the invention is that the base body has an optical Element is assigned. This is the radiation yield or the sensitivity increased in a certain wavelength range. The optical ele ment can have a radiation-enhancing effect, it can be a radiation reflector radiation-concentrating element (in the simplest case a lens, also Fresnel Lens) or a body in which fluorescent centers for absorbable Radiation are introduced. These alternatives can be combined as desired be kidneyed.

Mit einem strahlungsdurchlässigen vorzugsweise als Schale ausgebildeten Abdeckelement wird ein großer Erfassungswinkel bei einfacher Montage er möglicht, wobei bewährte Lichtwellenleiter verwendet werden können. Dies ermöglicht eine universelle Verwendung des Störlichtbogensensors. In dem als Trägerelement für den Lichtwellenleiter in unterschiedlichen Geometrien aus geführten Grundkörper hat der Lichtwellenleiter eine definierte Einbaulage. Ein oder auch mehrere Störlichtbogensensoren können an einem geeigneten Punkt zur Erfassung von Störlichtbögen in der Schaltanlage angeordnet wer den.With a radiation-transmissive preferably designed as a shell Covering element becomes a large detection angle with simple assembly possible, whereby proven optical fibers can be used. This enables universal use of the arc sensor. In the as Carrier element for the optical waveguide in different geometries guided basic body, the fiber optic cable has a defined installation position. On or several arc sensors can be connected to a suitable one Point for the detection of arcing faults in the switchgear the.

In einer ersten Ausführungsform soll das optische Element ein transparenter Körper sein, in dem Strahlung absorbierende, fluoreszierende Farbstoff- Moleküle vorhanden sind. Solche Materialien sind seit einiger Zeit auf dem Markt. Das von den Fluoreszenzzentren emittierte hat eine größere Wellenlän ge als die absorbierte Strahlung. Wenn der transparente Körper sehr dünn gewählt wird (als Folie), bleibt die Strahlung durch Totalreflexion in der Folie "gefangen". An den Rändern - oder an auf der Oberfläche eingebrachte Auf rauhungen (Einritzungen oder Eingravierungen) tritt die Strahlung aus und wird dort in den Grundkörper und in den Lichtwellenleiter gelenkt.In a first embodiment, the optical element should be a transparent one Be a body in which radiation absorbing, fluorescent dye Molecules are present. Such materials have been on the market for some time Market. The one emitted by the fluorescent centers has a larger wavelength ge than the absorbed radiation. If the transparent body is very thin is selected (as a film), the radiation remains in the film due to total reflection "captured". On the edges - or on the surface roughening (incisions or engravings) the radiation emerges and becomes directed there into the base body and into the optical waveguide.

Der Fluoreszenzwellenlängenbereich der Fluoreszenzzentren ist vorzugsweise auf die Empfindlichkeit der Störlichtauswerteschaltung (bzw. der zugehörigen Empfangsdiode) abgestimmt. Ein solcher Bereich kann etwa zwischen 400 und 600 nm liegen. Durch die Abstimmung für einen bestimmten Wellenlän genbereich können Lichteinflüsse ausgeschlossen werden, die sonst auch auf den Störlichtbogensensor fallen. Solche störenden Einflüssen können von In dustriebeleuchtungen oder auch von in der Nähe vorhandenen Schweiß aggregaten stammen.The fluorescence wavelength range of the fluorescence centers is preferred on the sensitivity of the stray light evaluation circuit (or the associated Receiving diode) matched. Such a range can be between about 400 and 600 nm. By voting for a specific wavelength light can be excluded, which otherwise also on the arcing fault sensor. Such disruptive influences can be caused by In industrial lighting or sweat from nearby aggregates come from.

Ein als optisches Element eingesetzter Strahlenreflektor (Planspiegel, Retrore flektor, Katzenauge) sollte vorzugsweise am Grundkörper dem Erfassungsbe reich gegenüber angeordnet sein. Die Oberfläche des Störlichtbogensensors (oder einer auf ihm angeordneten transparenten Abdeckung) sollte im Erfas sungsbereich mit einer reflexionsmindernden Oberfläche versehen sein. Hier zu kommen übliche optische Mittel infrage; wie lambda-Viertel Anti-Reflexions beschichtung oder mikrostrukturierte Oberfläche (Motten- oder Fliegenaugen struktur).A radiation reflector used as an optical element (plane mirror, retrore flector, cat's eye) should preferably be on the body of the registration be arranged richly opposite. The surface of the arc sensor (or a transparent cover placed on it) should be in the capture be provided with a reflection-reducing surface. here usual optical means to be considered; like lambda quarter anti-reflection coating or microstructured surface (moth or fly eyes structure).

Der Grundkörper sollte zur optimalen Erfassung eines Störlichtbogens eine optisch günstige Geometrie aufweisen, die sich im wesentlichen nach der An ordnung, Form oder Größe der für Lichtbögen kritischen Kontakte richtet. Vor gestellt werden als Ausführungsformen: Kugel, Zylinder, oder Prisma. Der Lichtwellenleiter liegt in Nuten auf der Oberfläche des Grundkörpers spiral- oder wendelförmig. Der Lichtwellenleiter kann auch im aus Kunststoff herge stellten Grundkörper eingebettet sein. Vorgesehen kann sein, daß in einem aus Gießharz hergestellten Grundkörper der Lichtwellenleiter fest eingegossen ist, wo er zusammen mit dem Kunststoff bei der Fabrikation aushärtet. Der Lichtwellenleiters kann räumlich in einer Ebene, oder räumlich in mehreren Ebenen als Spirale oder Mäander angeordnet sein.The base body should have a for optimal detection of an arcing fault have optically favorable geometry, which essentially after the An Order, shape or size of the contacts critical for arcing. before are presented as embodiments: ball, cylinder, or prism. The Optical waveguide lies in grooves on the surface of the base body in a spiral or helical. The optical fiber can also be made of plastic posed basic body to be embedded. It can be provided that in one The optical fiber base body made of cast resin is firmly cast in is where it hardens together with the plastic during manufacturing. The Optical fiber can be spatially in one plane, or spatially in several Layers can be arranged as a spiral or meander.

Der Störlichtbogensensor kann vorzugsweise einen Erfassungsbereich bis zu einem Raumwinkel von 180 Grad aufweisen.The arcing fault sensor can preferably have a detection range of up to have a solid angle of 180 degrees.

Anhand der Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele dargestellt sind, sollen die Erfindung, Ausgestaltungen und Verbesserungen und weitere Vorteile näher be schrieben und erläutert werden.Based on the drawing, in which exemplary embodiments are shown, the Invention, refinements and improvements and other advantages be closer are written and explained.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform des Störlichtbogensensors, Fig. 1 shows a first embodiment of the Störlichtbogensensors,

Fig. 2A, 2B, 2C drei Ansichten des Störlichtbogensensors aus Fig. 1, Fig. 2A, 2B, 2C, three views of the Störlichtbogensensors from Fig. 1,

Fig. 3 eine zweite (prismatische) Ausführungsform, Fig. 3 shows a second (prismatic) embodiment,

Fig. 4 eine Ausführungsform in Halbkugel-Form, Fig. 4 shows an embodiment in hemispherical shape,

Fig. 5 eine zylindrische Ausführungsform, Fig. 5 shows a cylindrical embodiment,

Fig. 6 die Ausführungsform nach Fig. 5 mit Anti-Reflexbeschichtung und Fig. 6 shows the embodiment of FIG. 5 with anti-reflective coating and

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung nach Fig. 5. Fig. 7 is a perspective view according to Fig. 5.

Ein Störlichtbogensensor mit zylindrischer Geometrie (46) des Grundkörpers 5 mit einigen cm Durchmesser ist in Fig. 1 dargestellt. Ein Lichtwellenleiter 2 liegt gewendelt im Innern des Grundkörpers 5. Der Lichtwellenleiter 2 führt das Licht über LWL-Stecker 3 zu einer nicht dargestellten Störlichterfassungs schaltung. Der Grundkörper ist ein transparenter Kunststoff, in dem fluoreszie rende Moleküle 52 eingebracht sein können.An arc sensor with a cylindrical geometry ( 46 ) of the base body 5 with a few cm diameter is shown in FIG. 1. An optical waveguide 2 is coiled in the interior of the base body 5 . The optical fiber 2 leads the light via fiber optic connector 3 to a stray light detection circuit, not shown. The base body is a transparent plastic in which fluorescent molecules 52 can be introduced.

Bei Durchstrahlung des Grundkörpers absorbieren die Moleküle die Strahlung und geben in einem spezifischen Wellenlängenbereich Strahlung ab, so daß der eingebettete Lichtwellenleiter die Strahlung zweifach aufnimmt, einmal als direkte Strahlung aus dem Erfassungsbereich, der vorzugsweise eine Kopfflä che des Zylinders sein kann und zum anderen durch die von den Molekülen abgegebene Strahlung.When the base body is irradiated, the molecules absorb the radiation and emit radiation in a specific wavelength range, so that the embedded optical fiber receives the radiation twice, once as direct radiation from the detection area, which is preferably a head area surface of the cylinder and on the other hand by the molecules emitted radiation.

Die in den Lichtwellenleiter eingekoppelte Strahlung tritt in eine Empfangs diode und wird in einer Störlichterfassungsschaltung ausgewertet. Die Emp fangsdiode ist vorzugsweise für einen schmalbandigen Wellenlängenbereich ausgelegt. Mit einer schmalbandigen Empfangsdiode kann man Störlicht in anderen Wellenlängenbereichen ausschalten und damit die Erkennung eines Störlichtbogens sicherer machen. Störlichtbögen brennen in der Regel auf Kupfer-Kontakten, so daß hierbei angeregte grüne Spektrallinien - also im Be reich 400 bis 600 nm - besonders für das Erkennen eines Störlichtbogens ge eignet sind.The radiation coupled into the optical waveguide enters into a reception diode and is evaluated in a stray light detection circuit. The emp The capture diode is preferably for a narrow-band wavelength range designed. With a narrow-band receiver diode you can get interference light in switch off other wavelength ranges and thus the detection of a Make arc faults safer. Arcing usually burns up Copper contacts, so that here excited green spectral lines - in other words range 400 to 600 nm - especially for the detection of an arcing fault are suitable.

Die drei Fig. 2A, 2B und 2C (Schnitt A-A aus Fig. 2A) geben eine mögliche Lage des Lichtwellenleiters 2 im Grundkörper wieder. Hiernach liegt der Licht wellenleiter eng in einer Spirale gewickelt im wesentlichen in einer Ebene E des Grundkörpers 5. Eine weitere Ausführungsform mit Mäander-Anordnung des Lichtwellenleiters ebenfalls in einer Ebene zeigt die Fig. 3 in einem pris matischen Grundkörper 42. Nicht dargestellt sind mögliche Lagen im Grund körper, bei denen der Lichtwellenleiter in mehr als einer Ebene angeordnet ist. Wesentlich ist, dass der Lichtwellenleiter im Grundkörper eine gute Raumfül lung einnimmt. Wie die Fig. 2B, 2C und 3 ausweisen, liegen die Eintritts strecken 3' des Lichtwellenleiters von den LWL-Steckern 3 kommend nicht in der zuvor angesprochenen Haupt-Lageebene E des Lichtwellenleiters 2. Die Eintrittsstrecken 3' können jedoch auch in derselben Ebene wie eine der Haupt-Lageebenen E liegen.The three FIGS. 2A, 2B and 2C (section AA from FIG. 2A) show a possible position of the optical waveguide 2 in the base body. According to this, the light waveguide is tightly wound in a spiral essentially in a plane E of the base body 5 . Another embodiment with a meander arrangement of the optical waveguide, also in one plane, is shown in FIG. 3 in a prismatic base body 42 . Possible positions in the basic body, in which the optical waveguide is arranged in more than one plane, are not shown. It is essential that the optical waveguide occupies a good space in the main body. As shown in FIGS. 2B, 2C and 3, the entry distances 3 'of the optical waveguide coming from the fiber optic connectors 3 are not in the above-mentioned main position plane E of the optical waveguide 2 . However, the entry sections 3 'can also lie in the same plane as one of the main position planes E.

Die Fig. 4 zeigt einen Grundkörper 44, bei dem ein Lichtwellenleiter 2 spiral förmig in einer rinnenförmigen Nut 8 eingelegt ist. In den Fig. 2 und 4 ist ein Lichtwellenleiter 2 gezeigt, der um den Grundkörper ebenfalls in Nuten 8 mehrfach herumgelegt ist. Hierdurch ist der Lichtwellenleiter genau positio niert. Die Strahlungseinkopplung erfolgt radial durch die Ummantelung des Lichtwellenleiters. Der Erfassungsbereich des Lichtwellenleiters ist die obere Fläche des Grundkörpers. Der Erfassungsbereich ist relativ punktförmig, im Vergleich zu stab- oder linienförmigen Sensoren, die entlang von Stromschie ne in einem Schaltfeld angeordnet werden. FIG. 4 shows a base body 44 in which an optical waveguide 2 is spirally inserted into a channel-shaped groove 8. In FIGS. 2 and 4, an optical fiber 2 is shown which is placed around the body several times also in grooves 8. As a result, the optical fiber is positioned precisely. The radiation is radially coupled through the cladding of the optical waveguide. The detection area of the optical waveguide is the upper surface of the base body. The detection area is relatively punctiform, in comparison to rod-shaped or line-shaped sensors, which are arranged along busbars in a switch panel.

Gegenüber dem Erfassungsbereich - also unterhalb des Grundkörpers - ist ein Strahlenreflektor (20) angeordnet. Der in Fig. 7 dargestellte Strahlenre flektor 22 ist ein aus einer Vielzahl von Winkelspiegeln (Katzenauge) gebilde ter Reflektor. In den Fig. 5 und 7 ist ebenfalls dieser Typ eines Strahlenre flektors gezeichnet.A radiation reflector ( 20 ) is arranged opposite the detection area - that is, below the base body. The ray reflector 22 shown in FIG. 7 is a reflector formed from a plurality of angle mirrors (cat's eye). In FIGS. 5 and 7 also this type is shown a Strahlenre reflector pre- vents.

Der Störlichtbogensensor kann mit einem strahlungsdurchlässigen Element (Haube oder Schale) abgedeckt sein, das dem Grundkörper 5 auf- oder an liegt. Das abdeckende Element ist nicht dargestellt. Die Strahlung des Stör lichtbogens, z. B. im Spektralbereich der UV-Strahlung, tritt durch das Abdeck element in den Grundkörper ein.The arcing fault sensor can be covered with a radiation-permeable element (hood or shell) which lies on or against the base body 5 . The covering element is not shown. The radiation of the sturgeon arc, e.g. B. in the spectral range of UV radiation occurs through the cover element in the body.

Zur Befestigung an einer Schaltschrankwand oder einer anderen Befesti gungsstelle kann das Abdeckelement mit einem radial nach außen gerichteten Befestigungskragen versehen sein. Das strahlungsdurchlässige Abdeckele ment kann mit einem bodenseitig angeordneten Abdeckteil verschraubt oder anderweitig befestigt sein. An dem Abdeckteil können Befestigungsbohrungen in einem Befestigungskragen vorhanden sein. For attachment to a control cabinet wall or another attachment supply point can the cover element with a radially outward Attachment collar should be provided. The radiation-permeable cover ment can be screwed to a bottom cover or otherwise attached. Fastening holes can be made on the cover part be present in a fastening collar.

Der Grundkörper 44 in Fig. 4 ist halbkugelförmig und der Grundkörper 46 in Fig. 5, 6 und 7 ist zylindrisch als Scheibe gestaltet.The base body 44 in FIG. 4 is hemispherical and the base body 46 in FIGS. 5, 6 and 7 is cylindrical in the form of a disk.

Die Form des Grundkörpers ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Geo metrien beschränkt, sondern kann auch andere Formen, wie Kegel oder Kup peln haben.The shape of the body is not based on the geo described above metrics, but can also have other shapes, such as cones or cups have problems.

Claims

1. Optical arc sensor for use in switchgear, which comprises at least one optical waveguide ( 2 ) and the optical waveguide ( 2 ) is arranged several times in the detection area and radially coupled incident light through the jacket of the optical waveguide and forwarded to a sensor, the optical waveguide ( 2 ) is held or fastened in a base body ( 5 ), characterized in that the base body ( 5 ) is assigned at least one optical element ( 20 , 30 , 52 ) with which the stray light yield is increased.

2. Arc sensor according to claim 1, characterized in that the optical element ( 20 , 30 , 52 ) is a transparent body ( 42 ) in which fluorescence centers ( 52 ) are present for absorbable radiation.

3. Arc sensor according to claim 2, characterized in that the transparent body ( 42 ) is a film.

4. Arc sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the fluorescence wavelength range of the fluorescence centers ( 52 ) is tuned to the sensitivity of an interference light evaluation circuit.

5. Arc sensor according to one of claims 2 to 4, characterized in that the transparent body ( 42 ) has roughening for the radiation coupling into the base body ( 46 ).

6. Arc sensor according to claim 1, characterized in that the optical element ( 20 ) is a radiation reflector ( 22 ).

7. Arc sensor according to claim 6, characterized in that the radiation reflector ( 20 ) on the base body ( 5 ) is arranged opposite the detection area.

8. Arc sensor according to claim 6 or 7, characterized in that the radiation reflector ( 20 ) is an angle mirror ( 22 ) or a retroreflector.

9. Arc sensor according to claim 1, characterized in that the optical element ( 20 ) is designed as a radiation-focusing device ( 30 ).

10. Arc sensor according to one of the preceding claims, since characterized in that the surface of the optical element with a reflection-reducing surface is provided.

11. Arc sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the base body ( 5 ) is shaped with optically favorable geometry and the optical waveguide ( 2 ) is arranged in grooves ( 8 ) on the surface of the base body ( 5 ) spirally or helically.