DE102009040224A1

DE102009040224A1 - Device for determining resistance distribution of arc within circuit breaker as safety device in electrical network, has sensors determining resistance distribution by measuring electric field of arc, and chamber arranged between electrodes

Info

Publication number: DE102009040224A1
Application number: DE200910040224
Authority: DE
Inventors: Matthias Dipl.-Ing. Hoffacker; Armin Prof. Dr. Schnettler; Ming Chark Dipl.-Ing. Tang; Jan Christoph Dipl.-Ing. Kahlen; Andreas Dipl.-Ing. Kurz
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2009-09-07
Filing date: 2009-09-07
Publication date: 2011-04-21

Abstract

The device has sensors (1) determining resistance distribution by measuring electric field of an arc (4). An axial arcing chamber (3) is arranged between two electrodes (2) for firing the arc, and the sensors are vertically or ring shapely arranged at a periphery of the arcing chamber and attached between the electrodes in a radial direction and in an axial direction of the arcing chamber. Plastic i.e. PTFE, and metallic hollow cylinders (5, 6) are arranged around the arcing chamber. A field lens is arranged in front of the sensors. An independent claim is also included for a method for determining resistance distribution of an arc within a circuit breaker.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung einer Widerstandsverteilung eines Lichtbogens, insbesondere innerhalb eines Leistungsschalters.The invention relates to a device and a method for determining a resistance distribution of an arc, in particular within a circuit breaker.

Leistungsschalter der elektrischen Energietechnik werden in der Regel als Sicherheitsvorrichtungen in elektrischen Netzen verwendet, um hohe elektrische Ströme, beispielsweise Kurzschlussströme auszuschalten. Bedingt durch die dabei auftretenden hohen Stromdichten entsteht in der Regel zwischen den sich öffnenden Kontakten ein sich in axialer Richtung erstreckender Lichtbogen. Erst wenn der Lichtbogen zum Verlöschen gebracht wird, ist der Stromfluss unterbrochen. Bei typischen Leistungsschaltern in Wechselspannungsnetzen brennt der Lichtbogen für eine Dauer von zehn bis fünfzig Millisekunden, wobei er eine radiale Ausdehnung (Durchmesser) im Bereich von wenigen Millimetern oder Zentimetern aufweist. In seinem Kern können Temperaturen von bis zu 25.000 Grad Celsius erreicht werden.Circuit-breakers of electrical power engineering are usually used as safety devices in electrical networks to turn off high electrical currents, such as short-circuit currents. Due to the high current densities occurring in the process, an arc extending in the axial direction generally arises between the opening contacts. Only when the arc is extinguished, the current flow is interrupted. In typical circuit breakers in AC networks, the arc burns for a period of ten to fifty milliseconds, with a radial extent (diameter) in the range of a few millimeters or centimeters. At its core, temperatures of up to 25,000 degrees Celsius can be reached.

Bei sogenannten Selbstblasschaltern erfolgt eine Beblasung des Lichtbogens mit Gas, wodurch dieser gekühlt und gelöscht wird. Zur Erzeugung des zur Beblasung notwendigen Gasdrucks wird der Lichtbogen innerhalb eines Kunststoffzylinders geführt, wobei durch das verdampfende Kunststoffmaterial ein Druckaufbau erzeugt werden kann. Bei bestimmten Schaltertypen kann auch der magnetische Eigendruck des Lichtbogens zum Druckaufbau genutzt werden. Ein Selbstblasschalter wird beispielsweise in der WO 2007/016790 A1 offenbart.In so-called Selbstblasschaltern a blowing of the arc takes place with gas, causing it to be cooled and extinguished. To generate the gas pressure necessary for blowing the arc, the arc is guided within a plastic cylinder, wherein a pressure build-up can be generated by the evaporating plastic material. For certain types of switches, the internal magnetic pressure of the arc can also be used to build up pressure. A self-blowing switch is used for example in the WO 2007/016790 A1 disclosed.

Es existieren weitere Schaltertypen, wie beispielsweise der Pufferschalter, bei dem der Gasdruck durch mechanische Energie eines Antriebs über ein Kolbensystem erzeugt wird, oder der Zweidruckschalter, bei dem ein unter Druck stehendes Gas aus einem Vorratsbehälter frei gegeben wird.There are other types of switches, such as the buffer switch, in which the gas pressure is generated by mechanical energy of a drive via a piston system, or the two-pressure switch, in which a pressurized gas is released from a reservoir.

Aufgrund der komplexen physikalischen Eigenschaften eines Lichtbogens werden Simulationsmodelle verwendet, mittels derer Schalthandlungen zur Ermittlung des Ausschaltvermögens eines Leistungsschalters simuliert werden. Je größer das physikalische Verständnis eines Lichtbogens ist, desto genauere Ergebnisse liefert die Simulation und umso besser lassen sich Leistungsschalter dimensionieren.Due to the complex physical properties of an arc, simulation models are used to simulate switching operations to determine the breaking capacity of a circuit breaker. The greater the physical understanding of an arc, the more accurate the simulation will be and the better the circuit-breakers can be dimensioned.

Ein Lichtbogen bewirkt einen Spannungsabfall, so dass bei einem definierten Stromfluss ein Lichtbogen einem elektrischen Widerstand entspricht. Der Gesamtwiderstand des Lichtbogens kann durch Messung von Strom und Spannung an den Elektroden gemessen werden.An arc causes a voltage drop, so that at a defined current flow, an arc corresponds to an electrical resistance. The total resistance of the arc can be measured by measuring current and voltage at the electrodes.

Es hat sich bei Untersuchungen zum Lichtbogenwiderstand gezeigt, dass in einem Lichtbogen über seine Länge gesehen kein konstanter Spannungsabfall vorliegt, so dass eine Widerstandsverteilung des Lichtbogens angenommen werden kann. Ein Lichtbogen kann demnach ersatzweise als eine Reihenschaltung von unterschiedlichen Widerständen verstanden werden. Der Lichtbogenwiderstand ist unter anderem abhängig von der Temperatur und Länge des Lichtbogens, dem fließenden Strom und ggf. der Beblasung. Durch eine Ermittlung der Widerstandsverteilung anstelle des Gesamtwiderstandes können die physikalischen Modelle verbessert werden.It has been shown in investigations of the arc resistance that seen in an arc over its length no constant voltage drop, so that a resistance distribution of the arc can be assumed. An arc can therefore be understood as a substitute as a series circuit of different resistors. The arc resistance depends, among other things, on the temperature and length of the arc, the flowing current and possibly the blowing. By determining the resistance distribution instead of the total resistance, the physical models can be improved.

Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mittels der die Widerstandsverteilung eines Lichtbogens ermittelt werden kann.It is the object of the invention to provide a method and a device by means of which the resistance distribution of an electric arc can be determined.

Die Erfindung löst die Aufgabe vorrichtungsmäßig mit den Merkmalen aus dem Patentanspruch 1 und verfahrensmäßig mit den Merkmalen aus dem Patentanspruch 21.The invention solves the task device with the features of claim 1 and procedurally with the features of claim 21st

Ein Grundgedanke der Erfindung liegt darin, das elektrische Feld des Lichtbogens mittels mindestens eines Sensors zu messen, um hieraus die Widerstandsverteilung zu ermitteln. Es hat sich gezeigt, dass der Verlauf des elektrischen Feldes in der Umgebung des Lichtbogens direkt von der Widerstandsverteilung abhängig ist. Durch die Ermittlung des elektrischen Feldes kann, insbesondere über numerische Berechnungen, auf die Widerstandsverteilung geschlossen werden. Ein Vorteil dieser Methode liegt darin, dass die Messung auch abseits des Lichtbogens durchgeführt werden kann, so dass die Sensorik den Lichtbogen und die Gasströmungen nur in geringer Weise beeinflusst.A basic idea of the invention is to measure the electric field of the arc by means of at least one sensor in order to determine the resistance distribution therefrom. It has been shown that the course of the electric field in the vicinity of the arc is directly dependent on the resistance distribution. By determining the electric field can be concluded, in particular by numerical calculations, on the resistance distribution. An advantage of this method is that the measurement can also be carried out away from the arc, so that the sensors affect the arc and the gas flows only slightly.

Bevorzugt wird das elektrische Feld eines Lichtbogens zwischen zwei Elektroden gemessen, wobei zwischen den Elektroden ein insbesondere gasgefüllter Lichtbogenraum zum Brennen des Lichtbogens angeordnet ist, und wobei vorteilhafter Weise der Sensor außerhalb des Lichtbogenraumes angeordnet ist. Ferner kann zwischen zwei gegenüberliegenden Elektroden, zwischen denen ein axialer Lichtbogenraum zum Brennen des Lichtbogens angeordnet ist, der Sensor zwischen den Elektroden in radialer Richtung versetzt zu diesen angeordnet sein. Hierdurch kann unterstützend erreicht werden, dass die Sensoren den Lichtbogen und die Gasströmung nicht beeinflussen. Mindestens eine Elektrode kann als Stiftelektrode ausgebildet sein, die sich entlang einer Achse erstreckt. Der Lichtbogenraum kann in der Grundform zylinderförmig ausgestaltet sein.Preferably, the electric field of an arc between two electrodes is measured, wherein a particular gas-filled arc space for burning the arc is arranged between the electrodes, and wherein advantageously the sensor is arranged outside of the arc chamber. Furthermore, between two opposing electrodes, between which an axial arcing space for burning the arc is arranged, the sensor between the electrodes in the radial direction offset from this can be arranged. As a result, it can be supported that the sensors do not influence the arc and the gas flow. At least one electrode may be formed as a pin electrode extending along an axis. The arc space can be designed cylindrical in the basic form.

Je mehr Sensoren verwendet werden, desto genauer kann das elektrische Feld und somit die Widerstandsverteilung ermittelt werden, da eine Erhöhung der Anzahl an Messpunkten für eine höhere Auflösung der Widerstandsverteilung sorgt. Bevorzugt sind somit mehrere Sensoren in axialer Richtung des Lichtbogenraumes zwischen den Elektroden, radial versetzt zu diesen, angeordnet. Ferner können auch mehrere Sensoren über den Umfang des Lichtbogenraumes verteilt angeordnet sein, so dass sich besonders bevorzugt eine gitternetzförmige Anordnung der Sensoren um den Lichtbogenraum herum ergibt. Die Sensoren können hierbei auch ringförmig um den Lichtbogenraum herum angeordnet sein, wobei die Sensoren dann vorzugsweise im gleichen radialen Abstand zum Lichtbogenraum angeordnet sind.The more sensors are used, the more accurate the electric field and thus the Resistance distribution can be determined, since an increase in the number of measuring points for a higher resolution of the resistance distribution. Thus, a plurality of sensors in the axial direction of the arc space between the electrodes, radially offset to these, are preferably arranged. Furthermore, a plurality of sensors can be distributed over the circumference of the arc space, so that particularly preferably results in a grid-like arrangement of the sensors around the arc space around. The sensors may in this case also be arranged annularly around the arc chamber, wherein the sensors are then preferably arranged at the same radial distance from the arc chamber.

Mittels einer Anordnung, bei dem die Sensoren über den Umfang des Lichtbogenraumes verteilt angeordnet sind, ergibt sich der Vorteil, dass eine Exzentrizität des Lichtbogens ermittelt und bei der Berechnung der Widerstandsverteilung berücksichtigt werden kann. Eine Exzentrizität kann beispielsweise dadurch festgestellt werden, dass insbesondere bei einem zylindersymmetrischen Aufbau zwei gegenüberliegende Sensoren eine unterschiedliche elektrische Feldstärke messen, woraus auf eine Exzentrizität des Lichtbogens geschlossen werden kann. Mittels drei oder mehr an einer Stelle des Lichtbogens über dessen Umfang verteilten Sensoren kann über ein Triangulationsverfahren die Lage des Lichtbogens ermittelt werden.By means of an arrangement in which the sensors are distributed over the circumference of the arc space, there is the advantage that an eccentricity of the arc can be determined and taken into account in the calculation of the resistance distribution. An eccentricity can be determined, for example, in that, in particular in the case of a cylindrically symmetrical structure, two opposing sensors measure a different electric field strength, from which an eccentricity of the arc can be deduced. By means of three or more sensors distributed at one point of the arc over its circumference, the position of the arc can be determined by means of a triangulation method.

Falls zudem an einer Stelle des Lichtbogens zwei Sensoren mit unterschiedlichem radialem Abstand zum Lichtbogen angeordnet werden, kann hierüber der Radius des Lichtbogens ermittelt werden, wodurch wiederum die Berechnung der Widerstandsverteilung verbessert werden kann.If, in addition, two sensors with different radial distances from the arc are arranged at one point of the arc, the radius of the arc can be determined hereby, whereby in turn the calculation of the resistance distribution can be improved.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung, beispielsweise bei einem Leistungsschalter nach dem Selbstblasschalterprinzip, kann um den Lichtbogenraum ein Isolier-Körper, insbesondere ein konzentrischer Isolier-Zylinder, aus einem elektrisch nicht-leitenden Isoliermaterial, insbesondere Kunststoff, angeordnet sein. Der Isolier-Körper ist vorzugsweise aus einem Abbrandmaterial wie PTFE hergestellt. Der oder die Sensoren können nunmehr innerhalb des Isolier-Körpers angeordnet werden, so dass unter Berücksichtigung der Dielektrizitätskonstante des Isoliermaterials das elektrische Feld in einem Bereich gemessen werden kann, der vor dem Lichtbogen und den entsprechend hohen Temperaturen geschützt ist.In an advantageous embodiment, for example in a circuit breaker according to the Selbstblasschalterprinzip, may be arranged around the arc space an insulating body, in particular a concentric insulating cylinder, made of an electrically non-conductive insulating material, in particular plastic. The insulating body is preferably made of a consumable material such as PTFE. The sensor or sensors can now be arranged inside the insulating body, so that, taking into account the dielectric constant of the insulating material, the electric field can be measured in a region which is protected from the arc and the correspondingly high temperatures.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vor einem oder mehreren Sensoren ein als Feldlinse bezeichnetes Element zur Erhöhung der Feldstärke im Bereich des Sensors angeordnet. Die Feldlinse kann aus einem Isoliermaterial bestehen, deren Dielektrizitätskonstante höher als die Dielektrizitätskonstante des Isoliermaterials des Isolier-Körpers ist. Durch die Feldlinse steigt die Amplitude des gemessenen Signals an den Sensoren an, als ob sich der Sensor näher am Lichtbogen befinden würde. Hierdurch kann die örtliche Auflösung der Sensoren gesteigert werden. Das eingebrachte Material „bündelt” den Fokus der Sensoren, so dass ein Sensor auf einem kleineren Lichtbogenabschnitt fokussiert ist. Durch unterschiedliche Ausdehnungen der eingebrachten Feldlinsen kann zudem die Wirkung eines radialen Versatzes der Sensoren erzielt werden, ohne dass die Sensoren radial versetzen sind. In einer einfachen Weise kann die Feldlinse derart hergestellt werden, dass eine Sackloch- oder Durchgangs-Bohrung innerhalb des Isolier-Körpers eingebracht wird, die mit einem Isoliermaterial einer hohen Dielektrizitätskonstante gefüllt wird.In an advantageous embodiment, an element designated as a field lens for increasing the field strength in the region of the sensor is arranged in front of one or more sensors. The field lens may be made of an insulating material whose dielectric constant is higher than the dielectric constant of the insulating material of the insulating body. The field lens increases the amplitude of the measured signal at the sensors as if the sensor were closer to the arc. This can increase the spatial resolution of the sensors. The introduced material "bundles" the focus of the sensors, so that a sensor is focused on a smaller arc section. By different expansions of the introduced field lenses also the effect of a radial offset of the sensors can be achieved without the sensors are radially offset. In a simple manner, the field lens may be fabricated such that a blind or through-bore is introduced within the insulating body which is filled with a high dielectric constant insulating material.

Um den Lichtbogenraum herum kann ein Leiter-Körper, insbesondere ein konzentrischer Leiter-Zylinder, aus einem elektrisch leitenden Material angeordnet sein, wobei in vorteilhafter Weiser der Sensor in dessen Oberfläche eingesetzt ist. Vorzugsweise ist der Leiter-Körper ein Metallkörper. Besonders bevorzugt ist der Leiter-Körper zusätzlich zum Kunststoffkörper vorgesehen, wobei er diesen umschließt. Durch den Leiter-Körper, der beispielsweise geerdet sein kann, lässt sich ein definiertes und von äußeren Feldeinflüssen weitestgehend freies E-Feld erreichen, so dass die Ermittlung der Widerstandsverteilung aus der Feldmessung verbessert werden kann. Durch die vorzugsweise plane Versenkung der Sensoren in der metallenen Oberfläche wird eine Feldverzerrung weiterhin reduziert.Around the arc space, a conductor body, in particular a concentric conductor cylinder, can be arranged from an electrically conductive material, wherein the sensor is advantageously inserted in its surface. Preferably, the conductor body is a metal body. Particularly preferably, the conductor body is provided in addition to the plastic body, wherein it encloses this. By the conductor body, which may be grounded, for example, can achieve a defined and external field influences largely free E-field, so that the determination of the resistance distribution can be improved from the field measurement. Due to the preferably planar sinking of the sensors in the metal surface, a field distortion is further reduced.

Besonders bevorzugt weist der Leiter-Körper zur Ermittlung des Lichtbogenradius eine Einbuchtung bzw. Ausbuchtung auf, die derart ausgestaltet ist, dass sie dem radialen Versatz des Sensors, der radial versetzt zu den anderen Sensoren angeordnet ist, entspricht. Hierdurch kann die Feldverzerrung durch den Sensor mit geändertem radialen Abstand verringert werden.To determine the arc radius, the conductor body particularly preferably has an indentation or bulge, which is designed such that it corresponds to the radial offset of the sensor, which is arranged radially offset from the other sensors. As a result, the field distortion can be reduced by the sensor with a changed radial distance.

Bevorzugt sind die Sensoren fest um den Lichtbogenraum herum angeordnet, so dass die Berechnung der Widerstandsverteilung aus dem gemessenen elektrischen Feld aufgrund der vorgegebenen bekannten Randbedingungen verbessert werden kann.Preferably, the sensors are fixedly arranged around the arc space, so that the calculation of the resistance distribution from the measured electric field can be improved on the basis of the given known boundary conditions.

Als Sensoren können kapazitive Feldelektroden verwendet werden, die beispielsweise nach dem Prinzip eines kapazitiven Spannungsteilers arbeiten können. Für eine potential- und rückwirkungsfreie Messung können auch elektrooptische Feldsensoren verwendet werden, die auf dem Effekt basieren, dass elektrische Felder die optischen Eigenschaften verschiedener Stoffe beeinflussen können, so dass sich der Polarisationszustand von Licht modulieren lässt.As sensors capacitive field electrodes can be used, which can operate, for example, on the principle of a capacitive voltage divider. Electro-optical field sensors based on the effect that electric fields have the optical properties can also be used for a potential-free and non-reactive measurement different substances, so that the polarization state of light can be modulated.

Da keine optischen Sichtfenster zur Beobachtung und Messung der Lichtbogeneigenschaften benötigt werden und entsprechend kleine Sensoren zur E-Feldmessung zur Verfügung stehen, kann eine Messanordnung verwendet werden, deren Geometrie einem realen Leistungsschalter nahezu oder vollständig entspricht.Since no optical viewing windows are required for the observation and measurement of the arc characteristics and accordingly small sensors are available for E-field measurement, a measuring arrangement can be used whose geometry corresponds to a real power switch almost or completely.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung der Widerstandsverteilung eines Lichtbogens wird mittels mindestens eines Sensors das elektrische Feld des Lichtbogens gemessen und aus der Messung des elektrischen Feldes die Widerstandsverteilung ermittelt. Bevorzugt werden hierbei mehrere Sensoren zur Messung des elektrischen Feldes verwendet, wobei die Messungen zeitgleich durchgeführt werden. Somit kann auch der zeitliche Verlauf der Widerstandsverteilung ermittelt werden. Zudem kann der durch den Lichtbogen fließende Strom gemessen und bei der Ermittlung der Widerstandsverteilung berücksichtigt werden.In a method according to the invention for determining the resistance distribution of an arc, the electric field of the arc is measured by means of at least one sensor, and the resistance distribution is determined from the measurement of the electric field. In this case, a plurality of sensors are preferably used for measuring the electric field, the measurements being carried out simultaneously. Thus, the time profile of the resistance distribution can be determined. In addition, the current flowing through the arc current can be measured and taken into account in the determination of the resistance distribution.

Die Ermittlung der Widerstandsverteilung aus den Messwerten des elektrischen Feldes kann in vorteilhafter Weise mittels numerischer Berechnungen, beispielsweise durch einen Rechner, durchgeführt werden.The determination of the resistance distribution from the measured values of the electric field can be carried out in an advantageous manner by means of numerical calculations, for example by a computer.

Ansonsten können auch sämtliche bereits beschriebene Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens verwendet werden.Otherwise, all embodiments of the device according to the invention already described for carrying out the method can also be used.

Bevorzugt werden die Vorrichtung und das Verfahren innerhalb eines Leistungsschalters, insbesondere innerhalb eines Selbstblasschalters, angewendet.Preferably, the device and the method are used within a circuit breaker, in particular within a Selbstblasschalters.

Neben der Anwendung bei Leistungsschaltern kann die Erfindung überall dort eingesetzt werden, wo die Eigenschaften von Lichtbögen ermittelt werden sollen. Hierzu zählt beispielsweise die Oberflächentechnik, bei der mittels eines Plasmas spezielle Oberflächeneigenschaften erzeugt werden, wie beispielsweise Härten, Aufrauen, Verspiegeln, Anti-Haft-Beschichten und/oder Ätzen. Darüber hinaus werden auch bei Gasentladungslampen, beispielsweise in Leuchtstoffröhren und Energiesparlampen Lichtbögen verwendet. Auch bei der Kernfusion befindet sich Materie im Plasmazustand, wobei die Plasma-Eigenschaften mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt werden können.In addition to the use of circuit breakers, the invention can be used anywhere where the properties of arcs to be determined. These include, for example, the surface technology, in which by means of a plasma special surface properties are generated, such as curing, roughening, mirroring, anti-stick coating and / or etching. In addition, arcs are also used in gas discharge lamps, for example in fluorescent tubes and energy-saving lamps. Also in nuclear fusion matter is in the plasma state, wherein the plasma properties can be determined by the method according to the invention.

Mögliche Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand der 1 bis 7 beschrieben. Es zeigen:Possible embodiments of the invention will be described with reference to FIG 1 to 7 described. Show it:

1 und 2 eine schematische Lichtbogenanordnung im Längsschnitt; 1 and 2 a schematic arc arrangement in longitudinal section;

3 und 4 schematische Lichtbogenanordnungen im Querschnitt; 3 and 4 schematic arcing arrangements in cross section;

5 einen Ausschnitt einer schematischen Lichtbogenanordnung; 5 a section of a schematic arc arrangement;

6 einen Leistungsschalter im Längsschnitt; und 6 a circuit breaker in longitudinal section; and

7 eine schamtische Lichtbogenanordnungen im Querschnitt. 7 a Schamtische arcing arrangements in cross section.

Die 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Leistungsschalter mit zwei Elektroden 2, welche im geschlossenen Zustand des Leistungsschalters in Kontakt sind und welche zum Öffnen des Leistungsschalters voneinander weg bewegt werden, wie dies in 1 dargestellt ist. Zwischen den Elektroden 2 brennt ein Lichtbogen 4 innerhalb eines gasgefüllten Lichtbogenraumes 3. Die Anordnung ist zylindersymmetrisch um die gemeinsame Mittel-Achse 7.The 1 shows a schematic representation of a circuit breaker with two electrodes 2 which are in the closed state of the circuit breaker in contact and which are moved away from each other for opening the circuit breaker, as in 1 is shown. Between the electrodes 2 burns an arc 4 within a gas-filled arc chamber 3 , The arrangement is cylindrically symmetric about the common center axis 7 ,

Die Elektroden 2 und der Lichtbogenraum 3 sind von einem Kunststoffhohlzylinder 5 als Isolier-Körper umgeben, der wiederum von einem konzentrischen Metallhohlzylinder 6 als Leiter-Körper umgeben ist. Aufgrund der hohen Temperaturen des Lichtbogens 4 verdampft lokal Material des Kunststoffkörpers 5 (beispielsweise PTFE), wodurch ein Druckaufbau erreicht wird. Die ansonsten bei einem Selbstblasschalter üblichen Strömungskanäle und Druck- oder Heizkammern sind aus Gründen der Vereinfachung nicht dargestellt.The electrodes 2 and the arc room 3 are from a plastic hollow cylinder 5 surrounded as an insulating body, in turn, of a concentric hollow metal cylinder 6 surrounded as ladder-body. Due to the high temperatures of the arc 4 locally evaporated material of the plastic body 5 (For example, PTFE), whereby a pressure build-up is achieved. The otherwise usual in a self-blower flow channels and pressure or heating chambers are not shown for reasons of simplicity.

Innerhalb des Kunststoffkörpers 5 ist ein Sensor 1 fest angeordnet, welcher lokal das elektrische Feld des Lichtbogens 4 misst, woraus der Widerstand des Lichtbogens 4 an dieser Stelle ermittelbar ist. Ferner kann in nicht dargestellter Weise auch der durch den Lichtbogen fließende Strom beispielsweise an den Elektroden gemessen und bei der Ermittlung der Widerstandverteilung berücksichtigt werden. Zusätzlich kann in nicht dargestellter Weise über eine Strom-/Spannungsmessung an den Elektroden 2 der Gesamtwiderstand des Lichtbogens 4 ermittelt werden und mit dem durch den Sensor 1 ermittelten Widerstand zur Ermittlung einer Widerstandsverteilung in Relation gebracht werden.Inside the plastic body 5 is a sensor 1 fixed, which locally the electric field of the arc 4 measures, from which the resistance of the arc 4 can be determined at this point. Further, in a manner not shown, the current flowing through the arc, for example, measured at the electrodes and taken into account in the determination of the resistance distribution. In addition, in a manner not shown via a current / voltage measurement at the electrodes 2 the total resistance of the arc 4 be determined and with the through the sensor 1 determined resistance to determine a resistance distribution in relation.

Durch die Verwendung eines Leiter-Zylinders 6 um den Lichtbogen 4 herum ergibt sich eine Zylinderkondensatoranordnung, welcher der Berechnung der Widerstandsverteilung aus den Messwerten des elektrischen Feldes zugrunde gelegt werden kann.By using a ladder cylinder 6 around the arc 4 The result is a cylindrical capacitor arrangement, which can be used to calculate the resistance distribution from the measured values of the electric field.

Gemäß der 2 ist dargestellt, dass der Lichtbogen 4 als Reihenschaltung von mehreren unterschiedlichen Widerständen R₁, R₂ und R₃ betrachtet werden kann. Durch die Anordnung von mehreren, beispielsweise vier, Sensoren 1, die in axialer Richtung AX zwischen den Stiftelektroden 2, in radialer Richtung RA versetzt zu diesen angeordnet sind kann das elektrische Feld an mehreren Stellen des Lichtbogens 4 gemessen werden, so dass die Ermittlung der Widerstandsverteilung des Lichtbogens 4 verbessert wird. According to the 2 is shown that the arc 4 can be considered as a series circuit of several different resistors R ₁ , R ₂ and R ₃ . By the arrangement of several, for example four, sensors 1 in the axial direction AX between the pin electrodes 2 , in the radial direction RA offset to these can be the electric field at several points of the arc 4 be measured, so that the determination of the resistance distribution of the arc 4 is improved.

Die Sensoren 1 befinden sich außerhalb des Lichtbogenraumes 3, wobei sie durch den Isolier-Körper 5 vor den hohen Temperaturen des Lichtbogens 4 geschützt werden.The sensors 1 are outside the arc chamber 3 passing through the insulating body 5 before the high temperatures of the arc 4 to be protected.

Gemäß der 3 können mehrere Sensoren ringförmig um den Lichtbogen 4 angeordnet werden. Hierdurch kann das elektrische Feld E an verschiedenen Positionen an einer Stelle des Lichtbogens 4 gemessen werden. Die Sensoren 1 sind im gleichen radialen Abstand zum Lichtbogen 4 angeordnet. Falls ein Sensor 1 ein höheres Feld E misst, so kann hieraus auf eine Exzentrizität des Lichtbogens 4 geschlossen werden.According to the 3 Several sensors can ring around the arc 4 to be ordered. As a result, the electric field E at different positions at a position of the arc 4 be measured. The sensors 1 are at the same radial distance to the arc 4 arranged. If a sensor 1 measuring a higher field E, this may indicate an eccentricity of the arc 4 getting closed.

Die 4 zeigt eine Anordnung, mittels derer auch der Radius r_L des Lichtbogens 4 ermittelt werden kann. Hierzu ist der Sensor 1' in einem geringeren radialen Abstand zum Lichtbogen 4 angeordnet, als die übrigen Sensoren 1.The 4 shows an arrangement by means of which also the radius r _{L of} the arc 4 can be determined. This is the sensor 1' at a smaller radial distance to the arc 4 arranged as the remaining sensors 1 ,

Die Sensoren 1 und 1' sind in einem Metallzylinder 6 integriert, der an der Stelle des Sensors 1' eine Einbuchtung 8 aufweist. Die Einbuchtung 8 entspricht somit dem radialen Versatz (= r_S – r_S') des Sensors 1' zu den anderen Sensoren 1.The sensors 1 and 1' are in a metal cylinder 6 integrated, in place of the sensor 1' a dent 8th having. The indentation 8th thus corresponds to the radial offset (= r _S - r _{S '} ) of the sensor 1' to the other sensors 1 ,

Die 5 zeigt schematisch eine mögliche Sensoranordnung eines Sensors 1, der in die Oberfläche des Metallkörpers 6 plan eingesetzt ist. Der Sensor 1 umfasst hierbei eine Feldelektrode 9, die über die Kapazität C₁ kapazitiv an den Lichtbogen 4 und über die Kapazität C₂ an den Metallkörper 6 gekoppelt ist. Die Feldelektrode 9 ist über ein Isolierelement 10 und ein Metallelement 11 mit dem Metallkörper 6 verbunden. Über eine Koax-Buchse 12 erfolgt der Anschluss zu einem nicht dargestellten Messinstrument.The 5 schematically shows a possible sensor arrangement of a sensor 1 which is in the surface of the metal body 6 plan is used. The sensor 1 in this case comprises a field electrode 9 , which have capacitance C ₁ capacitive to the arc 4 and on the capacity C ₂ to the metal body 6 is coupled. The field electrode 9 is over an insulating element 10 and a metal element 11 with the metal body 6 connected. About a coax socket 12 the connection is made to a measuring instrument, not shown.

Über diese Anordnung kann bei Kenntnis des Lichtbogenradius r_L und des Abstandes r_S des Sensors 1 von der Achse 7, der dem Innenradius des Metallzylinders 6 entspricht, das elektrische Feld E₀ an der Stelle der Feldelektrode 1 ermittelt werden. Hierbei gilt bei der Annahme eines Zylinderkondensators folgender Zusammenhang, über den dann das Potential φ an einer Stelle des Lichtbogens 4 ermittelt werden kann:

With this arrangement, with knowledge of the arc radius r _L and the distance r _{S of} the sensor 1 from the axis 7 , which is the inner radius of the metal cylinder 6 corresponds to the electric field E ₀ at the location of the field electrode 1 be determined. In this case, when assuming a cylindrical capacitor, the following relationship applies, via which then the potential φ at a point of the arc 4 can be determined:

Der Lichtbogenradius r_L kann beispielsweise empirisch ermittelt oder geschätzt werden. Es kann auch die Anordnung nach 4 mit dem Sensor 1' verwendet werden, der in einem Abstand r_S' ≠ r_S zur Achse 7 angeordnet ist:

The arc radius r _L can be determined or estimated empirically, for example. It can also be the arrangement after 4 with the sensor 1' be used at a distance r _{S '} ≠ r _S to the axis 7 is arranged:

Aus diesen beiden Gleichungen lassen sich die Unbekannten φ und r_L ermitteln.From these two equations, the unknowns φ and r _L can be determined.

Durch Kenntnis des (diskreten) Verlaufs des Potentials φ über die Länge des Lichtbogens 4 kann bei Kenntnis der an den Elektroden 2 messbaren Stromstärke die Widerstandsverteilung des Lichtbogens 4 über dessen Länge ermittelt werden. Die Anzahl der Sensoren 1 über der Länge des Lichtbogens gibt hierbei das Maß der diskreten Auflösung der Widerstandsverteilung vor.By knowing the (discrete) course of the potential φ over the length of the arc 4 can with knowledge of the electrodes 2 measurable amperage the resistance distribution of the arc 4 be determined over its length. The number of sensors 1 The measure of the discrete resolution of the resistance distribution is given over the length of the arc.

Bei komplexeren Geometrien kann mittels eines Rechners über numerische Feldberechnungen aus den gemessenen elektrischen Feldstärken der Potentialverlauf und die Widerstandsverteilung berechnet werden.With more complex geometries, the potential curve and the resistance distribution can be calculated by numerical field calculations from the measured electric field strengths by means of a computer.

Um eine höhere Auflösung bei der Ermittlung der Lichtbogenwiderstandsverteilung zu erreichen, sollten möglichst viele Sensoren über die Länge des Lichtbogens angeordnet werden. Bei Leistungsschaltern sollte der typischerweise 50–100 mm lange Lichtbogen 4 in zehn Teilstücke unterteilt werden, so dass ein Teilstück Δx = 5 mm bis 10 mm lang ist. Ferner hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dass über den Umfang gesehen vier Sensoren 1 an einer Stelle des Lichtbogens 4 angeordnet werden, so dass insgesamt durch Verwendung von 40 Sensoren eine sehr hohe Genauigkeit bei der Ermittlung der Widerstandsverteilung des Lichtbogens 4 innerhalb eines Leistungsschalters möglich ist.In order to achieve a higher resolution in the determination of the arc resistance distribution, as many sensors as possible should be arranged over the length of the arc. For circuit breakers, the arc should typically be 50-100 mm long 4 are divided into ten sections, so that a section .DELTA.x = 5 mm to 10 mm long. Furthermore, it has been found to be advantageous that seen over the circumference four sensors 1 at a point of the arc 4 be arranged so that a total of 40 sensors using a very high accuracy in determining the resistance distribution of the arc 4 within a circuit breaker is possible.

Die 6 zeigt eine mögliche Integration der Sensoren 1 in einen Selbstblasschalter, der zwei Kontakte 2 aufweist, von denen der eine als feststehender Tulpenkontakt und der andere als in Öffnungsrichtung B bewegbarer Stiftkontakt ausgestaltet ist und zwischen denen der Lichtbogen 4 brennt. Der Lichtbogenraum 3 ist mit einem Strömungskanal 14 verbunden, der zu einem Heizvolumen 15 führt. Die Sensoren 1 können in den möglichen Räumen 16 innerhalb des Isoliermaterials 5, beispielsweise innerhalb der Isolierstoffdüse 13, angeordnet werden.The 6 shows a possible integration of the sensors 1 in a self-blowing switch, the two contacts 2 of which one is configured as a fixed tulip contact and the other as in the opening direction B movable pin contact and between which the arc 4 burning. The arc room 3 is with a flow channel 14 connected to a heating volume 15 leads. The sensors 1 can in the possible rooms 16 inside the insulating material 5 , For example, within the insulating material 13 , to be ordered.

Die 7 zeigt schematisch eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Feldlinsen 17. Diese sind als Sackloch-Bohrungen innerhalb des Isolier-Körpers 5 ausgestaltet, der die Lichtbogenzone 3 und den Lichtbogen 4 umgibt. Die von außen nach innen radial durchgeführten Bohrungen wurden mit einem Isoliermaterial gefüllt, deren Dielektrizitätskonstante höher als die Dielektrizitätskonstante des Isoliermaterials des Isolier-Körpers 5 ist, wodurch sich eine Felderhöhung im Bereich vor den Sensoren 1 ergibt. Die Sensoren 1, die jeweils hinter den Feldlinsen 17 angeordnet sind, sind wiederum bündig in einen metallenen Leiter-Körper 6 eingesetzt. Obwohl die Sensoren 1 nicht radial versetzt angeordnet sind, wird durch die unterschiedliche radiale Ausdehnung der Feldlinsen 17, die der Tiefe der Bohrungen entsprechen, eine Wirkung erzielt, die einem radialen Versatz der Sensoren 1 entspricht. The 7 schematically shows an embodiment of a device according to the invention with two field lenses 17 , These are as blind holes within the insulating body 5 designed, which is the arc zone 3 and the arc 4 surrounds. The bores made radially from outside to inside were filled with an insulating material whose dielectric constant was higher than the dielectric constant of the insulating material of the insulating body 5 which causes a field increase in the area in front of the sensors 1 results. The sensors 1 , each behind the field lenses 17 are arranged, in turn, flush in a metal conductor body 6 used. Although the sensors 1 are not radially offset, is due to the different radial extent of the field lenses 17 , which correspond to the depth of the holes, produces an effect equivalent to a radial offset of the sensors 1 equivalent.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Sensorsensor
22: Elektrodeelectrode
33: LichtbogenraumArcing area
44: LichtbogenElectric arc
55: KunststoffkörperPlastic body
66: Leiter-Körper aus MetallLadder body made of metal
77: Mittelachsecentral axis
88th: Einbuchtungindentation
99: Feldelektrodefield electrode
1010: Isolierelementinsulating
1111: Metallelementmetal element
1212: Koax-BuchseCoaxial socket
1313: Isolierstoffdüseinsulating
1414: Kanal zum HeizvolumenChannel to the heating volume
1515: Heizvolumenheating volume
1616: Raum der SensorenSpace of the sensors
1717: Feldlinsefield lens
φφ: Potentialpotential
Ee: Elektrisches FeldElectric field
CC: Kapazitätcapacity
R_1,2,3 R _1,2,3: Teilwiderständepart resistors
AXAX: axiale Richtungaxial direction
RARA: radiale Richtungradial direction
BB: Bewegungsrichtungmovement direction
r_L r _L: LichtbogenradiusArc radius
r_S r _s: Abstand des Sensors von der MittelachseDistance of the sensor from the central axis

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2007/016790 A1 [0003]

Claims

Device for determining a resistance distribution of an arc ( 4 ), in particular within a circuit breaker, characterized by at least one sensor ( 1 ) for determining the resistance distribution by measuring the electric field of the arc ( 4 ).

Device according to claim 1, characterized by two electrodes ( 2 ), between which an arcing space ( 3 ) for burning the arc ( 4 ) is arranged, wherein the sensor ( 1 ) outside the arc chamber ( 3 ) is arranged.

Device according to one of the preceding claims, characterized by two opposing electrodes ( 2 ), between which an axial arcing space ( 3 ) for burning the arc ( 4 ) is arranged, wherein the sensor ( 1 ) between the electrodes ( 2 ) is arranged offset in the radial direction (RA) to this.

Device according to one of claims 2 to 3, characterized in that a plurality of sensors in the axial direction (AX) of the arc chamber ( 3 ) between the electrodes ( 2 ) are arranged.

Device according to one of claims 2 to 4, characterized in that a plurality of sensors ( 1 ) over the circumference of the arc space ( 3 ) are arranged distributed.

Device according to one of claims 2 to 5, characterized in that a plurality of sensors ( 1 ) annularly around the arc space ( 3 ) are arranged.

Device according to claim 6, characterized in that the sensors ( 1 ) at the same radial distance to the arc space ( 3 ) are arranged.

Apparatus according to claim 7, characterized in that a sensor ( 1' ) in the radial direction (RA) offset to the other sensors ( 1 ) is arranged.

Device according to one of claims 2 to 8, characterized in that around the arc space ( 3 ) an insulating body ( 5 ), in particular a concentric insulating cylinder, of an electrically non-conductive material, in particular plastic, is arranged.

Device according to claim 9, characterized in that the sensor ( 1 ) within the insulating body ( 5 ) is arranged.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that in front of a sensor ( 1 ) a field lens ( 17 ) is arranged to increase the field strength.

Device according to claim 9 and 11, characterized in that the field lens ( 17 ) consists of an insulating material whose dielectric constant is higher than the dielectric constant of the insulating material of the insulating body ( 5 ).

Apparatus according to claim 12, characterized in that the field lens ( 17 ) as in particular radial blind hole or through hole within the insulating body ( 5 ) is formed, which is filled with an insulating material.

Device according to one of claims 2 to 13, characterized in that around the arc space ( 3 ) a conductor body ( 6 ), in particular a concentric conductor cylinder, made of an electrically conductive material, in particular metal, is arranged,

Apparatus according to claim 14, characterized in that the sensor ( 1 ) in the surface of the conductor body ( 6 ) is used.

Device according to claim 15, characterized in that the conductor body ( 6 ) in the area of the sensor ( 1' ), which is arranged offset radially to the other, according to the radial offset a recess ( 8th ) or bulge.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor ( 1 ) is spatially fixed.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor ( 1 ) comprises an electro-optical field sensor.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor ( 1 ) comprises a capacitive field electrode.

Circuit breaker with a device according to one of the preceding claims.

Method for determining the resistance distribution of an arc ( 4 ), in particular within a circuit breaker, characterized in that by means of at least one sensor ( 1 ) the electric field of the arc ( 4 ) and the resistance distribution is determined from the measurement of the electric field.

A method according to claim 21, characterized in that a plurality of sensors ( 1 ) are used to measure the electric field, the measurements being carried out simultaneously.

A method according to claim 21 or 22, characterized in that the determination of the resistance distribution from the measured values of the electric field is carried out by means of numerical calculations.

Method according to one of claims 21 to 23, characterized in that a device according to one of claims 1 to 19 is used.