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Die Erfindung betrifft eine Schaltkammer zum Führen und Trennen von elektrischen Strömen mittels beweglicher Schaltkontakte, eine Schutzvorrichtung für ein Schaltgerät mit einer derartigen Schaltkammer und ein Schaltgerät mit einer derartigen Schutzvorrichtung.
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Das gängige Schaltprinzip zum Schalten und Löschen höherer Ströme in Schaltgeräten besteht meist aus einer doppelt-unterbrechenden Kontaktanordnung, welche die dort entstehenden Schaltlichtbögen über Lichtbogenlaufschienen in einer Stapelanordnung aus Löschblechen in Form sog. Deion-Kammern führen. In diesen Kammern werden die Lichtbögen gekühlt und in mehrere Teillichtbögen aufgeteilt, was mit einer entsprechenden Vervielfachung der Lichtbogenspannung verbunden ist. Beim Erreichen der treibenden Spannung erlischt der Lichtbogen und der Stromkreis wird dadurch unterbrochen. Beim Schalten hoher Wechselströme wird die Lichtbogenlöschung meist durch dynamische magnetische Blasfelder unterstützt, welche durch geeignete Formgebung der Stromleiter innerhalb des Schaltgeräts gebildet werden. Zum Löschen von Gleichströmen werden dagegen meist magnetische Blasfelder eingesetzt, die in der Regel von einer Anordnung von Permanentmagneten erzeugt werden.
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Der Bau kompakter Gleichstrom-Schaltgeräte – in Analogie zu den seit Langem im Markt befindlichen Wechselstrom-Schaltgeräten – wird durch den fehlenden periodischen Strom-Nulldurchgang erschwert. Die bei Gleichstrom-Schaltgeräten auftretende längere Lichtbogenbrenndauer auf relativ gleichbleibendem Strom- und Spannungsniveau sorgt für einen im Vergleich zu Wechselstrom-Schaltgeräten höheren Energiegehalt der Gleichstrom-Schaltlichtbögen. Dies führt zu einer entsprechend hohen thermischen Belastung innerhalb der Schaltkammer. Eine solche thermische Belastung kann das Isolationsvermögen innerhalb einer Schaltkammer reduzieren. Zudem kann die lange Lichtbogenbrenndauer zu elektrisch stark erodierten Löschkammern oder Lichtbogenlaufschienenanordnungen führen, wodurch beispielsweise die Lichtbogenlöschfähigkeit des Schaltgeräts stark beeinträchtigt oder gar zerstört werden kann. In Einzelfällen können diese Beanspruchungen auch zum Versagen eines Schaltgeräts führen, beispielsweise bei einem besonders stark reduzierten Isolationsvermögen innerhalb einer Schaltkammer oder bei elektrisch sehr stark erodierten Löschkammern oder Lichtbogenlaufschienenanordnungen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Technologie vorzuschlagen, die es ermöglicht, während des regulären Gebrauchs eines Schaltgeräts einen Verschleiß innerhalb einer Schaltkammer des Schaltgeräts zu erkennen und bedarfsweise weitere Schaltvorgänge zu verhindern.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein der vorliegenden Erfindung zugrunde liegender Gedanke besteht darin, Verschleiß und Beeinträchtigungen, insbesondere Durchschläge der Isolation einer Schaltkammer eines Schaltgeräts auf optischem Wege zu detektieren. Hierzu wird zumindest eine Eigenschaft eines Schaltlichtbogens, d.h. eines bei einem Schaltvorgang in der Schaltkammer auftretenden Lichtbogens, gemessen und zum Ermitteln von Verschleiß oder Beeinträchtigungen ausgewertet. Als eine Lichtbogeneigenschaft kann beispielsweise die Lichtbogenbrenndauer oder die Lichtbogenenergie gemessen bzw. ermittelt werden. Die gemessene Lichtbogeneigenschaft dient als Maß für den Verschleiß oder von Beeinträchtigungen der Funktion einer Schaltkammer eines Schaltgeräts, und kann dazu verwendet werden, den elektronisch gesteuerten Magnetantrieb des Schaltantriebs eines Schaltgeräts in der Weise anzusteuern, dass danach keine weiteren Einschaltvorgänge mehr möglich sind. Die Erfindung eignet sich vor allem für den Einsatz in Gleichstromschaltgeräten, insbesondere um einen hohem Verschleiß einer Schaltkammer aufgrund der eingangs erwähnten hohen thermischen Belastungen durch Lichtbögen zu erkennen, oder eine Schaltkammer vor einem zu hohen Verschleiß zu schützen und ggf. einen Ausfall eines Schaltgeräts zu verhindern.
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Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft nun eine Schaltkammer zum Führen und Trennen von elektrischen Strömen mittels beweglicher Schaltkontakte, mit einer Messvorrichtung zum Messen von mindestens einer Eigenschaft von beim Auftreten eines Lichtbogens in der Schaltkammer emittiertem Licht und einem Schaltkammergehäuse, das zumindest teilweise ausgebildet ist, beim Auftreten eines Lichtbogens in der Schaltkammer emittiertes Licht zu erfassen und zu der Messvorrichtung zu leiten.
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Die Messvorrichtung kann ausgebildet sein, die Intensität von beim Auftreten eines Lichtbogens in der Schaltkammer emittiertem Licht und/oder die Zeitdauer der Emission von beim Auftreten eines Lichtbogens in der Schaltkammer emittiertem Licht zu messen.
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Weiterhin kann die Messvorrichtung ausgebildet sein, einen ausgewählten Spektralanteil von beim Auftreten eines Lichtbogens in der Schaltkammer emittiertem Licht zu messen.
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Insbesondere kann die Messvorrichtung einen Fotodetektor und eine dem Fotodetektor vorgeschaltete optische Filteranordnung aufweisen, die ausgebildet ist, nur kurzwellige Anteile insbesondere im UV-Bereich von beim Auftreten eines Lichtbogens in der Schaltkammer emittiertem Licht passieren zu lassen.
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Dem Fotodetektor kann ferner ein breitbandiges Absorptionsfilter vorgeschaltet sein, der ausgebildet ist, von außerhalb der Schaltkammer in diese einfallendes Licht zu unterdrücken.
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Das Schaltkammergehäuse kann zumindest in einem Bereich, der einer Lichtbogeneinwirkung unterliegt, aus einem optisch transparenten Material, insbesondere einem optisch transparenten Kunststoffteil, insbesondere aus Polymethylpenten, bestehen.
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Insbesondere kann der Bereich durch ein sattelförmig geformtes, optisch transparentes Kunststoffteil gebildet sein, das die Innenflächen magnetischer Polplatten des Schaltkammergehäuses ganzflächig gegenüber einer Lichtbogeneinwirkung abschirmt und an der Oberseite der Schaltkammer eine butzenförmige Verlängerung zum Ankoppeln der Messvorrichtung aufweist.
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Weiterhin kann das Schaltkammergehäuse zumindest teilweise in Bereichen, in denen beim Auftreten eines Lichtbogens in der Schaltkammer emittiertes und erfasstes Licht geführt wird, mit einem reflektierenden Material zum Erhöhen des geführten Lichtanteils versehen sein und/oder mit einem griesförmigen Material mit stark reflektierender Oberfläche dotiert sein.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung für ein Schaltgerät mit einer Schaltkammer nach der Erfindung und wie hierin beschrieben, und einer Signalverarbeitung zum Erzeugen eines Schutzsignals abhängig von einer Auswertung der von der Messvorrichtung der Schaltkammer gemessenen Eigenschaft von beim Auftreten eines Lichtbogens in der Schaltkammer emittiertem Licht. Diese Schutzvorrichtung kann beispielsweise in die Elektronik eines Schaltgeräts integriert werden und beispielsweise dazu eingesetzt werden, bei einem fortgeschrittenen Verschleiß der Schaltkammer weitere Schaltvorgänge zu verhindern, beispielsweise indem das Schutzsignal ein Sperren der Steuerung des Schaltantriebs der Schaltkontakte des Schaltgeräts bewirkt.
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Die Schutzvorrichtung kann ferner einen oder mehrere Hallsensoren aufweisen, die in der Nähe eines Strompfades durch die Schaltkammer zum Erfassen des Eigenmagnetfeldes von einem Lichtbogenstrom angeordnet sind, wobei die Signalverarbeitung ferner derart ausgebildet ist, dass das Schutzsignal abhängig von einem Messsignal oder Messsignalen des Hallsensors bzw. der Hallsensoren erzeugt wird.
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Weiterhin kann die Schutzvorrichtung eine oder mehrere Lichtquellen aufweisen, die derart am Schaltkammergehäuse angeordnet sind, dass von den Lichtquellen erzeugtes Licht erfasst und zur Messvorrichtung geleitet wird, wobei die Signalverarbeitung ferner ausgebildet ist, die Lichtquellen anzusteuern und die von der Messvorrichtung gemessene Eigenschaft des von den Lichtquellen erzeugten und zur Messvorrichtung geleiteten Lichts zu messen und davon abhängig das Schutzsignal zu erzeugen.
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Schließlich betrifft eine Ausführungsform der Erfindung ein Schaltgerät mit mindestens einer Schaltkammer, die Schaltkontakte enthält, einem Schaltantrieb zum Bewegen der Schaltkontakte, einer Schutzvorrichtung nach der Erfindung und wie hierin beschrieben, und einer Ansteuerelektronik zum Steuern des Schaltantriebs abhängig von einem von der Schutzvorrichtung erzeugten Schutzsignal. Wie bereits oben erwähnt kann die Ansteuerelektronik derart implementiert sein, dass sie den Schaltantrieb für weitere Schaltvorgänge sperrt, wenn sie ein Schutzsignal von der Schutzvorrichtung empfängt.
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Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
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In der Beschreibung, in den Ansprüchen, in der Zusammenfassung und in den Zeichnungen werden die in der hinten angeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet.
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Die Zeichnungen zeigen in
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1 ein Ausführungsbeispiel eines Gleichstrom-Schaltgeräts mit zwei Schaltkammern;
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2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Teils einer Schaltkammer gemäß der Erfindung;
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3 eine Schnittansicht des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels eines Teils einer Schaltkammer gemäß der Erfindung mit den Polplatten von Permanentmagneten zum Erzeugen eines Blasfeldes und einer ersten Messvorrichtung für in der Schaltkammer auftretende Lichtbögen;
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4 eine weitere Schnittansicht des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels eines Teils einer Schaltkammer gemäß der Erfindung mit den Polplatten von Permanentmagneten zum Erzeugen eines Blasfeldes und einer zweiten Messvorrichtung für in der Schaltkammer auftretende Lichtbögen;
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5 eine Schnittansicht des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels eines Teils einer Schaltkammer gemäß der Erfindung mit den Polplatten von Permanentmagneten zum Erzeugen eines Blasfeldes und einer ersten Messvorrichtung für in der Schaltkammer auftretende Lichtbögen mit Monitor-LEDs; und
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6 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Schutzvorrichtung für ein Schaltgerät gemäß der Erfindung.
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In der folgenden Beschreibung können gleiche, funktional gleiche und funktional zusammenhängende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Absolute Werte sind im Folgenden nur beispielhaft angegeben und sind nicht als die Erfindung einschränkend zu verstehen.
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1 zeigt die Schaltkammer 10 eines Gleichstrom-/DC-Schaltgeräts mit doppelt unterbrechendem Kontaktapparat aus feststehenden Schaltkontakten 11 und beweglichen Schaltkontakten 12. Die beweglichen Schaltkontakte 12 werden von einem (nicht gezeigten) magnetischen Schaltantrieb bewegt, der wiederum von einer (ebenfalls nicht dargestellten) Ansteuerelektronik gesteuert wird. Die Schaltkammer 10 ist in eine linke und eine rechte Teilschaltkammer 10a bzw. 10b unterteilt, in denen sich jeweils ein Kontaktpaar mit feststehendem und beweglichem Kontakt befindet.
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Weiterhin sind zwei (nicht dargestellte) Deion-Löschkammern vorgesehen, von denen jeweils eine einer der beiden Teilschaltkammern zugeordnet ist. Die linke und rechte Teilschaltkammer 10a bzw. 10b ist jeweils durch eine äußere Polplatte 32 bzw. 36 und eine innere Polplatte 33 bzw. 37 begrenzt. Die Polplattenpaare 32, 33 und 36, 37 sind an der Teilschaltkammer-Innenseite jeweils mit einer Isolierschicht 34 bzw. 38 versehen, durch die eine geeignete elektrische Isolation der Polplatten-Anordnung gegen das Innere der jeweiligen Teilschaltkammer gebildet wird, um die Bildung von Lichtbogenfußpunkten auf den Polplatten zu verhindern, welche zu einem Spannungsabfall der doppelunterbrechenden Lichtbogenstrecke führen und damit das Erreichen einer ausreichend hohen Lichtbogenspannung behindern kann, die zum Erlöschen der Lichtbögen führt.
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Durch einen der linken und einen der rechten Teilschaltkammer 10a bzw. 10b zugeordneten Permanentmagneten 31 bzw. 35 wird über die Polplattenpaare 32, 33 und 36, 37 in jeder Teilschaltkammer ein permanentmagnetisches Blasfeld erzeugt, das die beim Kontaktöffnen entstehenden Lichtbögen in die jeweilige Löschkammer treibt.
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Für einen kompakten Aufbau des Gleichstrom-/DC-Schaltgeräts kann die elektrische Isolation der Polplattenpaare 32, 33 und 36, 37 dadurch erreicht werden, dass die gesamte permanentmagnetische Anordnung zum einen in ein köcherförmiges Kunststoffteil eingelassen ist und zum anderen einen Luftspalt aufweist, der Permanentmagnet 31 bzw. 35 und Polplattenpaare 32, 33 bzw. 36, 37 in zwei elektrisch getrennte spiegelsymmetrische Teilanordnungen separiert.
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Die Grundidee der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, Verschleiß und mögliche Defekte in den Teilschaltkammern 10a und 10b des Gleichstrom/DC-Schaltgeräts, das entweder elektrisch überbeansprucht wird oder sich am Ende seiner elektrischen Lebensdauer befindet, durch direkte Messung der entsprechend verlängerten Lichtbogenbrenndauer während eines Schaltvorgangs auf opto-elektronischem Weg zu detektieren und einer elektronischen Signalverarbeitung zuzuführen, welche dann den elektronisch gesteuerten Magnetantrieb des Schaltantriebs in der Weise ansteuert, dass danach keine weiteren Einschaltvorgänge mehr möglich sind. Hierzu ist neben einer entsprechenden und nachfolgend erläuterten Ausgestaltung des Schaltkammergehäuses für jede Teilschaltkammer 10a und 10b jeweils eine Licht-Messvorrichtung (Opto-Sensorik) 40 zum Messen mindestens einer Eigenschaft von beim Auftreten eines Lichtbogens in der jeweiligen Teilschaltkammer 10a bzw. 10b emittiertem Licht vorgesehen.
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Bei der optischen Detektierung eines Schaltlichtbogens kann nach der Erfindung der Umstand genutzt werden, dass insbesondere energiereiche Lichtbögen Licht mit einem hohen kurzwelligen Anteil (z.B. im nahen UV-Bereich von 200–400 nm) emittieren. Die Detektierung energiereicher Lichtbögen auf optischem Weg durch Erfassung ihres kurzwelligen Lichtanteils im von solchen Lichtbögen emittierten Lichts ist beispielsweise in der Patentschrift
US005940547 beschrieben, bei welcher selektiv kurzwelliges Licht eines brennenden Störlichtbogens in einer Schaltanlage zur Verteilung elektrischer Energie radial von außen in einen optischen Lichtleiter eingekoppelt und einer opto-elektronischen Detektionsvorrichtung zugeführt wird.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird nun das Schaltkammergehäuse als solches dazu verwendet, die von Schaltlichtbögen ausgehende Lichtemission zu erfassen und einer opto-elektronischen Detektionsvorrichtung zuzuführen. Hierzu kann das jeweilige Schaltkammergehäuse der Teilschaltkammern 10a und 10b der Schaltkammer von 1, in welches die Polplatten der permanentmagnetischen Blasfeldanordnung zum Schutz vor der unmittelbaren Einwirkung durch die Schaltlichtbögen eingelassen sind, zumindest in diesem Bereich durch ein geeignetes optisch transparentes Material ersetzt werden.
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Eine mögliche Ausführungsform eines Teils 46 eines solchen Schaltkammergehäuses ist in 2 dargestellt. Der der unmittelbaren Lichtbogeneinwirkung ausgesetzte Teil der Schaltkammer besteht in diesem Fall aus einem sattelförmig geformten, optisch transparenten Kunststoffteil 46, welches die Innenflächen der magnetischen Polplatten ganzflächig umgibt. Insbesondere kann dieser Schaltkammergehäuseteil 46 aus einem Material wie z.B. Polymethylpenten (PMP) bestehen, welches neben einer hohen Formfestigkeit und Temperaturbeständigkeit durch eine sehr gute optische Transparenz v.a. im nahen UV-Bereich gekennzeichnet ist. Das von einem im Innern der sattelförmigen Schaltkammer entstehenden und zur Löschkammer bewegten Lichtbogen emittierte UV-Licht wird dabei unmittelbar in das Wandmaterial 46 eingekoppelt und in diesem geführt. Ein Teil des eingekoppelten Lichts gelangt dabei in eine butzenförmige Verlängerung 48 an der Oberseite der Kammer, wo es von einem Fotodetektor (z.B. in Form einer Fotodiode) erfasst wird. Zur Maximierung des dort detektierten Lichtanteils können die Kammerwände an ihren Außenseiten z.B. von einem reflektierenden Material umgeben sein. Vorteilhaft kann hierfür auch die Erhöhung der optischen inneren Streuwirkung im Schaltkammermaterial durch eine Dotierung des optisch transparenten Kunststoffs mit einem griesförmigen Material mit stark reflektierender Oberfläche sein.
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3 zeigt eine Schnittansicht einer Schaltkammer mit dem in 2 gezeigten Schaltkammergehäuseteil 46 und einer Licht-Messvorrichtung 40, die eine Fotodiode 41 und einen der Fotodiode 41 vorgeschalteten UV-Bandpassfilter 42 aufweist. Das Schaltkammergehäuseteil 46 bildet eine elektrische Isolierung für die Polplatten 37 und 38, so dass ein Überschlag eines im Innern des Schaltkammergehäuseteils 46 entstehenden Lichtbogens auf eine der Polplatten 37 oder 38 verhindert wird. Wie oben bereits erläutert, wird das von einem im Innern des Schaltkammergehäuses auftretenden Schaltlichtbogen emittierte Licht vom optisch transparenten Schaltkammergehäuseteil 46 erfasst und über den Butzen 48 für die Lichtauskopplung zur Licht-Messvorrichtung 40 geleitet. Das an der oberen Stirnseite aus dem Butzen 48 austretende Licht passiert sodann den UV-Bandpassfilter 42, so dass auf die Fotodiode 41 im Wesentlichen der kurzwellige Anteil des vom Schaltlichtbogen emittierten Lichts insbesondere im nahen UV-Bereich von 200–400 nm auftrifft.
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Die von der Fotodiode 41 erfasste Lichtleistung wird dort in ein elektrisches Signal umgewandelt, welches anschließend digitalisiert und elektronisch in der Weise von einer Signalverarbeitung weiterverarbeitet werden kann, dass nach Initiierung eines Ausschaltvorgangs für jeden Strompol des Schaltgeräts die sich dort ausbildenden Lichtbögen über ihre gesamte Brenndauer zeitlich erfasst werden. Bei Schaltgeräten mit doppelunterbrechenden Kontaktanordnungen – wie bei dem in 1 gezeigten Typ – ist für jeden Strompol die gesamte Lichtbogenzeit beider Kontaktpaare maßgebend, d.h. die Zeitspanne von der Ausbildung des ersten Teillichtbogens bis zum Erlöschen des letzten Teillichtbogens. Wird dabei die für das Schaltgerät spezifizierte – beispielsweise in der Geräteelektronik hinterlegte – typische Lichtbogenzeit deutlich überschritten, kann in der Signalverarbeitung ein elektrisches Schutzsignal generiert werden, welches dann die Antriebselektronik des Magnetantriebs in der Weise ansteuert, dass ab sofort kein weiteres Einschalten des Schaltgeräts mehr möglich ist. Da die bei einem intakten Schaltgerät real auftretenden Lichtbogenzeiten sich zum einen mit zunehmender Schaltzahl allmählich verändern können, zum anderen aufgrund der Natur des Lichtbogens zusätzlich auch stochastischen Schwankungen unterliegen, kann es zweckmäßig sein, ein Schaltgerät erst dann auf die beschriebene Weise zu deaktivieren, wenn die typische Lichtbogenzeit für dieses Gerät mehrfach in Folge deutlich überschritten wird.
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Da an Luft betriebene Schaltkammern vor allem im Hinblick auf das Entweichen der von den Schaltlichtbögen erhitzten Luft im Allgemeinen nicht hermetisch dicht verschlossen sind, sind diese nach außen hin meist auch optisch nicht vollständig geschottet, so dass ein gängiger Fotodetektor in Form einer breitbandigen Fotodiode neben dem für Schaltlichtbögen typischen kurzwelligen Lichtanteil im nahen UV-Bereich auch aus der äußeren Umgebung des Schaltgeräts eine bestimmte Lichtmenge im sichtbaren Spektralbereichs sowie auch Infrarotanteile erfasst. Dieses lässt sich wirkungsvoll durch eine dem Fotodetektor vorgeschaltete optische Filteranordnung verhindern. Diese kann durch einen Interferenzfilter in Form des für den nahen UV-Bereich gewählten wellenlängenselektiven Bandpassfilters
42 erfolgen, welcher nur kurzwelliges Licht in diesem Wellenlängenbereich passieren lässt. Zur Unterdrückung von intensivem Licht aus Quellen außerhalb des Schaltgeräts kann dem Fotodetektor zur Sicherheit zusätzlich noch ein breitbandiger Absorptionsfilter vorgeschaltet sein, wie es bei dem Ausführungsbeispiel in
4 gezeigt ist, bei dem die Licht-Messvorrichtung
40 zusätzlich einen breitbandigen Absorptionsfilter
44 aufweist, der dem UV-Bandpassfilter
42 vorgeschaltet ist. Eine solche selektive Detektionsanordnung ist beispielsweise in der
DE 19708424 beschrieben. Eine für das beschriebene DC-Schaltgerät geeignet gewählte Detektionsanordnung für jeweils ein Kontaktpaar ist in den
und
dargestellt.
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Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, dass intensives kurzwelliges Licht einer externen Lichtquelle, beispielsweise von einem in unmittelbarer Nähe des Schaltgeräts betriebenen Elektroschweißgerät, in die Schaltkammerwand eindringt und im Schaltgerät über die signalverarbeitende Opto-Elektronik fälschlicherweise als Nichtlöschen eines Schaltlichtbogens registriert wird. Zur Vermeidung einer fehlerhaften Deaktivierung des Schaltgeräts kann eine Stromsensorik – in Ergänzung zur optischen Erfassung des von den Schaltlichtbögen emittierten UV-Lichts – zur Messung des beim Abschaltvorgang fließenden Lichtbogenstroms implementiert werden. Für ein kompaktes Schaltgeräts kann eine solche Stromsensorik in Form ein oder mehrerer unmittelbar in der Nähe des entsprechenden Hauptstrompfades platzierten Hall-Sensoren bestehen, welche das Eigenmagnetfeld des Lichtbogenstroms erfassen. Ein Schutz- oder Deaktivierungssignal wird bei einer solchen Sensoranordnung nur dann generiert, wenn zum einen die Licht-Messvorrichtung eine deutlich überhöhte Gesamtbogenbrenndauer meldet und zum anderen innerhalb dieses Zeitintervalls von der Hall-Sensorik ein entsprechender Lichtbogenstrom registriert wird. Beide Signale sind somit immer einem Schaltvorgang zugeordnet, so dass die Wahrscheinlichkeit einer fehlerhaften Deaktivierung durch eine externe UV-Quelle reduziert werden kann.
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Bei lichtbogenbehaftetem Schalten besteht insbesondere im Fall fortgeschrittener Gerätelebensdauer die Möglichkeit, dass durch fortgesetzte thermische Beanspruchung die optische Transparenz der Schaltkammerwände allmählich abnimmt oder auch die Detektionssensorik Schaden nimmt. Diese Fälle lassen sich z.B. auf optischem Wege erfassen, indem man an geeigneter Stelle auf der Schaltkammerwand eine LED anbringt, welche Licht in dem für die Fotosensorik empfindlichen Wellenlängenbereich emittiert und in die Schaltkammerwand einkoppelt, so dass dieses auf gleiche Weise zur Optosensorik gelangt wie das von Schaltlichtbögen emittierte Licht. Wenn eine solche Monitor-LED in der Weise angesteuert wird, dass sie in periodischen Abständen einen kurzen Lichtimpuls emittiert, dann müssen im gleichen Rhythmus entsprechende Signale von der Optosensorik des Schaltgeräts registriert werden; wenn dieses nicht mehr der Fall ist, wird die Ansteuerelektronik des Schaltgeräts in der Weise angesprochen, dass kein weiterer Einschaltvorgang mehr möglich ist. In 5 sind zwei mögliche Positionen für die Anbringung solcher Monitor-LEDs 50 und 52 dargestellt. Zur Überwachung speziell der Optosensorik ist es vorteilhaft, eine Monitor-LED 52 in deren Nähe an der Schaltkammerwand anzubringen. Bei Anbringung einer weiteren Monitor-LED 50 an einer von der Optosensorik entfernteren Position lässt sich zusätzlich überprüfen, ob die optische Transparenz der Schaltkammerwände nach wie vor gegeben ist. Mit einer solchen Monitor-LED-Anordnung kann dies in der Praxis z.B. in der Weise erfolgen, daß eine lokale thermische Überbeanspruchung des optisch transparenten Schaltkammermaterials zu einer Veränderung des detektierten Lichtintensitätspegels des von den beiden Monitor-LEDs ausgehenden Lichts führt.
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6 zeigt ein Blockschaltbild der gesamten opto-elektronischen Signalführung und -verarbeitung für die in 1 gezeigte doppelt-unterbrechende Schaltkammer eines Gleichstrompols. Die von den Fotodioden 41 aus den empfangenen Lichtsignalen erzeugten entsprechenden elektrischen Signale werden wie das vom Hall-Sensor 54 erzeugte Signal durch Verstärker um den Faktor k verstärkt und einer Signalverarbeitung 56 zugeführt, die beispielsweise aus der Zeitdauer, während der die von den Fotodioden 41 erzeugten elektrischen Signale einen vorgegebenen Schwellwert überschreiten, und/oder der Signalstärke der die von den Fotodioden 41 erzeugten elektrischen Signale die Eigenschaften eines beim Schalten entstehenden Lichtbogens wie die Lichtbogenbrenndauer und/oder die Lichtintensität ermitteln. Abhängig von den ermittelten Eigenschaften erzeugt die Signalverarbeitung 56 ein Schutzsignal 57, das an eine Ansteuerelektronik 58 des Schaltantriebs ausgegeben wird, beispielsweise wenn die Zeitdauer des Lichtbogens eine vorgegebenen Zeitdauerspanne überschreitet oder die Lichtintensität größer als ein vorgegebener Wert ist. In solchen Fällen kann davon ausgegangen werden, dass die Schaltkammer verschlissen oder die Isolation der Schaltkammer defekt ist. Die Ansteuerelektronik 58 sperrt bei einem empfangenen Schutzsignal den Schaltantrieb, beispielsweise durch Abschalten des Energiespeichers 60 für den Antrieb.
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Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere zum Schutz von Gleichstrom-Schaltgeräten vor Zerstörungen durch beim Schalten auftretende Lichtbögen. Vor allem ermöglicht die Erfindung die Detektion von Verschleiß innerhalb einer Schaltkammer eines Schaltgeräts. Weiterhin ermöglicht sie es, detektierten Verschleiß auszuwerten und davon abhängig weitere Schaltvorgänge zu verhindern, um das Schaltgerät vor Zerstörungen zu bewahren.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schaltkammer eines Schaltgeräts
- 10a
- linke Teilschaltkammer
- 10b
- rechte Teilschaltkammer
- 11
- feststehende Schaltkontakte
- 12
- bewegliche Schaltkontakte
- 13
- Schaltkontaktanordnung (1-polig)
- 31
- Permanentmagnet der linken Teilschaltkammer
- 32
- äußere Polplatte der linken Teilschaltkammer
- 33
- innere Polplatte der linken Teilschaltkammer
- 34
- Isolierschicht der linken Teilschaltkammer
- 35
- Permanentmagnet der rechten Teilschaltkammer
- 36
- äußere Polplatte der rechten Teilschaltkammer
- 37
- innere Polplatte der rechten Teilschaltkammer
- 38
- Isolierschicht der rechten Teilschaltkammer
- 40
- Licht-Messvorrichtung
- 41
- Fotodiode
- 42
- UV-Bandpassfilter
- 44
- breitbandiger Absorptionsfilter
- 46
- sattelförmig geformtes, UV transparentes Kunststoff-Schaltkammergehäuseteil mit Streudotierung
- 48
- Butzen für Lichtauskopplung
- 50
- Monitor-LED (Position 1)
- 52
- Monitor-LED (Position 2)
- 54
- Hall-Sensor
- 56
- Signalverarbeitung
- 57
- Schutzsignal
- 58
- Ansteuerelektronik für Schaltgeräteantrieb
- 60
- Energiespeicher
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 005940547 [0034]
- DE 19708424 [0039]
