DE1092545B

DE1092545B - Safety device for electrical systems, especially for underground use

Info

Publication number: DE1092545B
Application number: DEE6556A
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Engelbach; Walter Raetz
Original assignee: KARLHEINZ ENGELBACH
Current assignee: KARLHEINZ ENGELBACH
Priority date: 1953-01-02
Filing date: 1953-01-02
Publication date: 1960-11-10

Description

DEUTSCHESGERMAN

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sicherheitseinrichtung für elektrische Anlagen, insbesondere für Untertagebetrieb, mit einer an die Netzleitung angeschlossenen Wheatstoneschen Brücke, deren eine Hälfte über einen den Steg einer zweiten Brücke bildenden Schutzleiter mit dem aus einem zweiteiligen Widerstand bestehenden Endglied der Anlage verbunden ist. Bei den bekannten Sicherheitseinrichtungen dieser Art enthält der Schutzleiterkreis ein Differentialrelais, das bei Leitungsstörungen durch Kabelbruch, Erdschluß od. dgl. anspricht, ein Warnsignal betätigt und/oder die gestörte Leitung selbsttätig dem Stromnetz abschaltet. Da die Netzleitung eine von der Kabellänge abhängige Kapazität besitzt, müssen für jede Kabellänge besondere Kompensationsglieder vorgesehen sein, um ein einwandfreies Arbeiten der Sicherheitseinrichtung zu gewährleisten. Da die Länge der im Untertagebetrieb verlegten Leitungen ständig wechselt, macht sich die Kabelkapazität sehr störend bemerkbar, und es kann durchaus vorkommen, daß das Relais anspricht, ohne daß eine die Abschaltung erfordernde Gefahr vorliegt. Im Stromkreis des Relais liegende Gleichrichter oder ähnlich empfindliche und kostspielige Geräte können bei ungenauem Ansprechen des Relais leicht größere Schäden durch auftretende Stromstöße erleiden. Schon das An- und Abschalten der Belastung kann zu Stromstößen Anlaß geben. Bei den bekannten Sicherheitseinrichtungen lassen sich außerdem die ungleichen Blindströme, die sich bei über 50 Hz liegenden Frequenzen einstellen, nach beendigter Installation nur für eine bestimmte Kabellänge kompensieren.The invention relates to a safety device for electrical systems, in particular for Underground operation, with a Wheatstone bridge connected to the power line, one of which Half over a protective conductor that forms the web of a second bridge with that of a two-part Resistance existing end link of the plant is connected. With the known safety devices of this type, the protective conductor circuit contains a differential relay, which occurs in the event of line faults Cable break, earth fault or the like responds, a warning signal is actuated and / or the disturbed line automatically disconnects from the power grid. Since the power line has a capacity that depends on the length of the cable, Special compensation elements must be provided for each cable length in order to work properly the safety device. Because the length of the pipes laid underground constantly changes, the cable capacitance is very annoying, and it can happen that the relay responds without there being any danger that would require disconnection. In the circuit of the Relay rectifiers or similar sensitive and expensive devices can respond inaccurately of the relay can easily suffer major damage from current surges. Just switching it on and off the load can give rise to current surges. With the known safety devices In addition, the unequal reactive currents, which are set at frequencies above 50 Hz, can be After the installation is complete, only compensate for a certain cable length.

Die Erfindung bezweckt, diese Übelstände in einfacher und betriebssicherer Weise zu beseitigen. Sie besteht im wesentlichen darin, daß die beiden mit dem Schutzleiter verbundenen, den beiden Wheatstoneschen Brücken gemeinsamen Widerstände zu den das Endglied bildenden Widerständen bezüglich des Schutzleiters im umgekehrten Größenverhältnis stehen, während die beiden anderen Widerstände der ersten Wheatstoneschen Brücke so dimensioniert sind, daß der ein Anzeigegerät, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung von Gleichrichtern, enthaltende Brückensteg im Regelfalle stromlos ist. Die Größe des durch den Schutzleiter fließenden Ausgleichsstromes hängt von dem Verhältnis der an je einem der Leiterenden angeschlossenen Widerstände der zweiten das Endglied einbegreifenden Brücke ab. Damit ist zugleich das Verhältnis der beiden Widerstände der zur ersten, den Leitungswächter enthaltenden Brücke gehörenden Hälfte bestimmt. Das Verhältnis der beiden zur anderen Hälfte dieser Brücke gehörenden Widerstände muß dann so gewählt werden, daß der durch den angeschlossenen Schutzleiter fließende Strom innerhalb SicherheitseinrichtungThe invention aims to eliminate these deficiencies in a simple and reliable manner. she consists essentially in the fact that the two connected to the protective conductor, the two Wheatstone Bridges common resistances to the resistors forming the end member with respect to the protective conductor are in the inverse proportion, while the other two resistances of the first Wheatstone bridges are dimensioned so that the one display device, if necessary with the interposition of rectifiers, containing bridge web is normally de-energized. The size of the The equalizing current flowing through the protective conductor depends on the ratio of the connected to one of the conductor ends Resistances of the second bridge encompassing the end link. So that is at the same time Ratio of the two resistances of the bridge belonging to the first bridge containing the line monitor Half determined. The ratio of the two resistances belonging to the other half of this bridge must then be selected so that the current flowing through the connected protective conductor is within Security device

für elektrische Anlagen,for electrical systems,

insbesondere für Untertagebetriebespecially for underground operation

Anmelder:Applicant:

Karlheinz Engelbach,
Gelsenkirchen, Ruhrstr. 46,Karlheinz Engelbach,
Gelsenkirchen, Ruhrstr. 46,

und Walter Ratz,
Gelsenkirchen, Chaudronstr. 5and Walter Ratz,
Gelsenkirchen, Chaudronstr. 5

Karlheinz Engelbach und Walter Räte, Gelsenkirchen, sind als Erfinder genannt wordenKarlheinz Engelbach and Walter Räte, Gelsenkirchen, have been named as inventors

dieser ersten Brücke ausgeglichen wird, ihr Steg im Regelbetrieb also stromlos bleibt. Ändert sich nun die Größe des durch den Schutzleiter fließenden Stroms aus irgendeinem Grunde, so ist der Ausgleich innerhalb der ersten Brücke nicht mehr gegeben. Ihr Steg erhält dann einen durch diese Änderung hervorgerufenen Strom, der das Relais und/oder die Warnsignalvorrichtung zum Ansprechen bringt.this first bridge is compensated, so its bridge remains de-energized during normal operation. If the Amount of current flowing through the protective conductor for any reason, the balance is within the first bridge no longer given. Your bridge will then receive one caused by this change Current that causes the relay and / or the warning signal device to respond.

Es bedarf keiner weiteren Begründung, daß das Sicherheitsgerät nach der Erfindung von der Kapazität der Netzleitung unabhängig ist und daher in Leitungen beliebiger Länge eingebaut werden kann, vorausgesetzt, daß deren Ohmscher Widerstand innerhalb gewisser Grenzen bleibt. Ferner gewährt die Erfindung den Vorteil, daß der Leitungswächter und das Endglied nur aus einigen wenigen unbeweglichen und wenig Platz beanspruchenden Teilen bestehen und jederzeit mit ihren Äußenklemmen an eine Netzleitung anzuschließen sind. Sämtliche elektrisch wirksamen Teile des Gerätes können in der üblichen Weise staub- und beschädigungssicher in einem stabilen Gehäuse untergebracht werden. Den durch den Schutzleiter fließenden Ausgleichstrom kann man in an sich wünschenswerter Weise sehr gering halten. Seine erforderliche Größe hängt allein von der Empfindlichkeit des an den Steg der ersten Brücke angeschlossenen Relais und/oder der Warnsignalvorrichtung ab. Da in diesem Steg unabhängig von der Art der Leitungsstörung nur ein Strom von verhältnismäßig geringer StärkeNo further justification is required that the security device according to the invention depends on the capacity is independent of the power line and can therefore be installed in lines of any length, provided that their ohmic resistance remains within certain limits. The invention also provides the advantage that the line monitor and the end link are immovable and only from a few There are parts that take up little space and at any time with their external terminals on a power line are to be connected. All electrically active parts of the device can be dust-free in the usual way. and can be housed in a sturdy housing so that they cannot be damaged. The one flowing through the protective conductor Compensating current can be kept very low in a manner that is desirable in itself. Its required The size depends solely on the sensitivity of the relay connected to the web of the first bridge and / or the warning signal device. As in this web regardless of the type of line disturbance only a stream of comparatively small strength

009 6+7/339009 6 + 7/339

entsteht, sind die an den Steg- angeschlossenen Geräte vor Überbeanspruchungen geschützt. Auch dadurch unterscheidet sich die Erfindung vorteilhaft von bisher bekannten Sicherheitsgeräten der in Frage stehenden Art, für die zudem in der Regel umfangreiche und kostspielige Sondergeräte benötigt werden.arises, the devices connected to the bridge are protected from overstressing. Also because of that The invention differs advantageously from previously known security devices of the one in question Art, for which extensive and expensive special devices are also usually required.

In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung das Schaltschema einer Beleuchtungs- und Signalanlage mit eingebautem Sicherheitsgerät veranschaulicht. In the drawing, as an embodiment of the invention, the circuit diagram of a lighting and Signal system with built-in safety device illustrated.

Mit den Klemmen eines an das Stromnetz angeschlossenen Schalters A stehen die Außenleiter U und V in Verbindung, zwischen denen Beleuchtungskörper B liegen. Im Teil Ul des Außenleiters U befinden sich Schalter C. Durch Betätigung eines dieser als Zug-, Druckknopfschalter od. dgl. ausgebildeten Schalter kann die Beleuchtungsanlage kurzzeitig ein oder mehrmals ausgeschaltet und dadurch von jedem Schalter aus ein vereinbartes Signal gegeben werden. Innerhalb des Gehäuses eines Leitungswächters P befindet sich eine Wheatstonesche Brücke mit den Widerständen Rl bis R4, deren äußere Enden an die Außenleiter oder Kabel U und V angeschlossen sind. Der die inneren Enden der Widerstände Rl bis i?4 verbindende Steg .ST enthält einen Gleichrichter Gl, an dem ein geschlossener Stromkreis D anliegt. In diesem befinden sich ein Relai Ry und gegebenenfalls eine (nicht gezeichnete) optische oder akustische Warnsignalvorrichtung. Das Relais Ry steht mit dem Schalter A in derartiger Verbindung, daß es beim Ansprechen den Schalter öffnet und dadurch die Kabel U, V vom Netz abschaltet.The external conductors U and V are connected to the terminals of a switch A connected to the mains, between which lighting fixtures B are located. In part Ul of the outer conductor U there are switches C. By operating one of these switches, which are designed as pull, push-button switches or the like, the lighting system can be switched off briefly on or several times and an agreed signal can thus be given from each switch. Within the housing of a cable guard P is a Wheatstone bridge with the resistors Rl to R4, whose outer ends are connected to the outer conductor or cable U and V. The web .ST connecting the inner ends of the resistors R1 to i4 contains a rectifier Gl to which a closed circuit D is applied. In this there is a relay Ry and possibly an optical or acoustic warning signal device (not shown). The relay Ry is connected to the switch A in such a way that it opens the switch when responding and thereby disconnects the cables U, V from the mains.

Die aus den Widerständen R3 und R4 bestehende Hälfte der Wheatstoneschen Brücke bildet gleichzeitig die Hälfte einer zweiten Wheatstoneschen Brücke, deren andere Hälfte aus dem zweiteiligen Widerstand 7?5, R6 eines Endgliedes E besteht. Der Steg dieser zweiten Brücke, der ebenso wie der Steg der ersten parallel zur Netzleitung U, V geschaltet ist, wird durch einen den Leitungswächter F und das Endglied E verbindenden Schutzleiter Sl gebildet, der an den inneren Enden der Widerstände RS und R6 anliegt.The half of the Wheatstone bridge consisting of the resistors R 3 and R4 simultaneously forms half of a second Wheatstone bridge, the other half of which consists of the two-part resistor 7-5, R6 of an end link E. The web of this second bridge, which, like the web of the first, is connected in parallel to the power line U, V , is formed by a protective conductor S1 connecting the line monitor F and the end member E , which is applied to the inner ends of the resistors RS and R6 .

Wenn sich beispielsweise die Größen der Widerstände R3 und R4 wie 1:3 verhalten, müssen die Widerstände R5 und R6 im umgekehrten Verhältnis zueinander stehen, um eine Symmetrie des Schutzleiters Sl zur Netzleitung U, V zu erhalten. Je nach AVahl dieses Verhältnisses, das stets größer oder kleiner als 1 :1 sein muß, läßt sich die Höhe des durch den Schutzleiter fließenden Ausgleichstromes innerhalb weiter Grenzen bestimmen. Das Verhältnis der Widerstände Rl und R2 der ersten Brücke ist durch das Verhältnis der zur anderen Hälfte gehörenden Widerstände R3 und i?4 festgelegt. Es muß so bestimmt werden, daß der durch den Schutzleiter Sl fließende Ausgleichstrom im Steg .SV' kompensiert wird, dieser Steg im Regelbetrieb also stromlos bleibt. Macht man z.B. die Widerstände R 3 und R6 sowie die Widerständei?4 und R5 der zweiten Brücke gleich groß, so ergibt sich für das Verhältnis der Widerstände Rl und R2 zueinander zwangläufig ein solches von 1 :1.If, for example, the sizes of the resistors R 3 and R4 are 1: 3, the resistors R5 and R6 must have an inverse relationship to one another in order to obtain a symmetry of the protective conductor Sl to the power line U, V. Depending on the number of this ratio, which must always be greater or less than 1: 1, the level of the equalizing current flowing through the protective conductor can be determined within wide limits. The ratio of the resistors R1 and R2 of the first bridge is determined by the ratio of the resistors R3 and i? 4 belonging to the other half. It must be determined so that the current flowing through the earth conductor Sl compensating current in the web .SV 'is compensated, this web in normal operation is therefore de-energized. If, for example, the resistances R 3 and R6 and the resistances 4 and R5 of the second bridge are made the same size, the ratio of the resistances Rl and R2 to one another inevitably results in a ratio of 1: 1.

Wie schon das Schaltschema zeigt, enthalten der Leitungswächter F und das Endglied £ nur verhältnismäßig wenig elektrisch wirksame Teile üblicher und einfacher Bauart mit geringem Platzbedarf, die sich leicht in entsprechenden überall anzubringenden Gehäusen einkapseln lassen. Die Außenklemmen des Leitungswächters und des Endgliedes lassen sich jederzeit an geeigneter Stelle an die Netzleitung U, V und den Schutzleiter 57 anschließen, auch wenn diese Leitungen bereits fest verlegt und die an die Netzleitung angeschlossenen Beleuchtungskörper oder sonstigen Elektrogeräte installiert sind.As the circuit diagram shows, the line monitor F and the end member £ only contain relatively little electrically effective parts of conventional and simple design with little space requirement, which can easily be encapsulated in corresponding housings that can be attached anywhere. The external terminals of the line monitor and the end link can be connected at any time at a suitable point to the power line U, V and the protective conductor 57, even if these lines are already permanently laid and the lighting fixtures or other electrical devices connected to the power line are installed.

Nach Einlegen des Schalters A erhalten die Kabel U, V Netzspannung, und sämtliche zwischen ihnen liegenden BeleuchtungskörperB brennen. Die im praktischen Betriebe vorkommenden Störungen können darin bestehen, daß entweder eines der Kabel U After switching on the switch A , the cables U, V receive mains voltage and all lighting fixtures B between them are on. The disturbances occurring in practical operation can consist in the fact that either one of the cables U

ίο oder V oder der Schutzleiter Sl zu Bruch geht bzw. sein Widerstand sich ändert oder daß es zu einem Kurzschluß zwischen einem der Außenleiter und dem Schutzleiter kommt.ίο or V or the protective conductor Sl breaks or its resistance changes or that there is a short circuit between one of the outer conductors and the protective conductor.

Bei Bruch oder Widerstandsänderung des Schutzleiters Sl wird dieser entweder ganz stromlos, oder aber die Größe des durch ihn fließenden Ausgleichstromes ändert sich. In jedem Fall wird dadurch der Ausgleich innerhalb der ersten Wheatstoneschen Brücke Rl bis i?4 gestört und deren Steg SV von einem Strom durchflossen. Nunmehr erhält der Stromkreis D und das in ihm liegende Relais Ry Strom, wodurch das Relais anspricht, den Schalter A öffnet und dadurch die Außenleiter U, V vom Netz abschaltet.
Bei Bruch eines der Außenleiter U oder V fallen die an den beschädigten Leiter angeschlossenen Widerstände R 5 und R 6 aus, wodurch sich das Brückenverhältnis ändert. Infolgedessen erhält der Steg Sl' Strom. Der weitere Vorgang ist der gleiche wie im ersten Fall.In the event of a break or change in resistance of the protective conductor S1 , it either becomes completely currentless, or the magnitude of the equalizing current flowing through it changes. In any case, the equalization within the first Wheatstone bridge Rl to i? 4 is thereby disturbed and a current flows through its web SV. Now the circuit D and the relay Ry located in it receive current, whereby the relay responds, opens the switch A and thereby disconnects the outer conductors U, V from the mains.
If one of the outer conductors U or V breaks, the resistors R 5 and R 6 connected to the damaged conductor fail, which changes the bridge ratio. As a result, the web Sl ' receives power. The rest of the process is the same as in the first case.

Endlich kann auch ein Kurzschluß zwischen dem Schutzleiter Sl und einem der Leiter U oder V eintreten, was in der Auswirkung einem Erdschluß gleichkommt. Auch bei einem solchen mehr oder minder starken Kurzschluß ändert sich die Größe des durch den Schutzleiter fließenden Ausgleichstroms, wodurch wiederum der Steg der ersten Brücke Strom erhält.Finally, a short circuit between the protective conductor S1 and one of the conductors U or V can occur, which has the same effect as a ground fault. Even with such a more or less strong short circuit, the magnitude of the equalizing current flowing through the protective conductor changes, whereby the web of the first bridge in turn receives current.

Die erfindungsgemäße Sicherheitseinrichtung macht eine Leitungsstörung sofort durch Betätigung des Relais und/oder eines Warnsignals kenntlich, so daß man die Störung ohne Zeitverlust beheben kann, ohne daß es vor allem zu den gefürchteten schleichenden Kurzschlüssen kommen kann. Es empfiehlt sich, den Leitungswächter in unmittelbarer Nähe der Netzklemmen bzw. des Netzschalters^4 anzubringen, während das Endglied E entsprechend seinem Namen die vom Netz entfernt liegenden Enden der Leitung U, V verbindet. Selbstverständlich ist die Erfindung auf Netzleitungen aller Art, wie Gleich- oder Wechselstromnetze mit zwei oder mehr Außenleitern, anwendbar. The safety device according to the invention makes a line fault immediately recognizable by actuating the relay and / or a warning signal, so that the fault can be remedied without loss of time, without the dreaded creeping short circuits in particular. It is advisable to install the line monitor in the immediate vicinity of the mains terminals or the mains switch ^ 4, while the end link E, according to its name, connects the ends of the line U, V that are remote from the mains. Of course, the invention is applicable to all types of power lines, such as direct or alternating current networks with two or more external conductors.

Bei größeren Längen der Leiter U und V, wie sie beispielsweise für die Beleuchtungsanlagen von Stollen oder Streben unter Tage von Tunneln und ähnlichen langgestreckten Bauwerken benötigt werden, erfordert die Lokalisierung eines kenntlich gemachten Leitungsfehlers recht lange Zeit. Im allgemeinen sind längere Kabel in einzelne hintereinandergeschaltete Stränge unterteilt. Bei Vorhandensein eines Endsteckers, mit dem die bisher bekannten Sicherheitsgeräte ausschließ-Hch arbeiten, muß man den Endstecker herausnehmen und nacheinander in die Anschlüsse zwischen den einzelnen Kabelsträngen einsetzen. Zumal bei beschränkten Raumverhältnissen unter Tage ist das eine schwierige und langwierige Arbeit.In the case of longer lengths of the U and V conductors, such as those required for lighting systems in tunnels or underground struts in tunnels and similar elongated structures, the location of a line fault that has been identified takes a long time. In general, longer cables are divided into individual strings connected in series. If there is an end plug with which the previously known safety devices work exclusively, the end plug must be removed and inserted one after the other into the connections between the individual cable strands. This is difficult and tedious work, especially when there is limited space underground.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann diese Fehlersuche auf einen Bruchteil der bisher erforderlichen Zeit und Arbeit beschränkt werden. Zu diesem Zweck ist bei Unterteilung der Außenleiter U, V in mehrere hintereinandergeschalteteSträngejederStranganschluß als Endglied E ausgebildet, wobei im Regel-According to a further development of the invention, this troubleshooting can be limited to a fraction of the previously required time and work. For this purpose, when the outer conductors U, V are subdivided into several strings connected in series, each strand connection is designed as an end link E , whereby as a rule

betrieb nur das Endglied des letzten Stranges als solches wirkt, während jeder andere Stranganschluß durch einen Handschalter od. dgl. willkürlich als Endglied zu schalten ist. Der Fehlersucher hat nunmehr lediglich vom ersten Kabelanschluß angefangen die einzelnen Handschalter einzulegen, wodurch die unbeschädigten Stränge wieder volle Netzspannung erhalten. Brennen beispielsweise trotz Einlegen des Handschalters zwischen dem dritten und vierten Kabelstrang die zu dem dritten und den folgenden Strängen gehörenden Beleuchtungskörper nicht, so weiß der Fehlersuchende sofort, daß die Störung im dritten Strang liegen muß. Das bisher notwendige Umsetzen des hinter dem letzten Strang befindlichen Endsteckers erübrigt sich somit vollkommen. Die durch die Ausbildung der einzelnen Stranganschlüsse als Endglied bedingten Mehrkosten werden durch die ersparte Zeit bei der Fehlersuche und die dadurch erzielte Verkürzung der Betriebsunterbrechung mehr als aufgehoben.operated only the end link of the last strand acts as such, while every other strand connection is to be switched arbitrarily as an end link by a hand switch or the like. The troubleshooter has now only started from the first cable connection to insert the individual hand switches, whereby the undamaged Strings receive full line voltage again. Burning despite inserting the Manual switch between the third and fourth cable loom to the third and the following If the lighting fixtures do not belong to strands, the troubleshooting person knows immediately that the fault is in the third strand must lie. The previously necessary relocation of the end connector located behind the last strand is therefore completely unnecessary. The formation of the individual string connections as The additional costs caused by the end link are achieved through the time saved in troubleshooting and the resulting time Shortening of the business interruption more than canceled.

Claims

Patent claims:

1. Safety device for electrical systems, especially for underground operations, with a Wheatstone bridge connected to the power line, one half of which is connected to the end member of the system consisting of a two-part resistor via a protective conductor forming the web of a second bridge, characterized in that the Both resistors (RS, i? 4) connected to the protective conductor (Sl) and common to the two Wheatstone bridges to the resistors (R5, R6) forming the end element are in the opposite size ratio with respect to the protective conductor, while the other two resistors (Rl, R2 ) of the first Wheatstone bridge are dimensioned in such a way that a display device, possibly with the interposition of rectifiers (Gl), is

holding bridge web (Sl ') is normally de-energized.

2. Device according to claim 1, characterized in that a closed circuit (D) is applied to the rectifier (Gl) provided in the web (Sl ') of the first bridge (Rl to i? 4), which is a known manner for automatic shutdown the outer conductor (U, V) contains the relay (Ry) serving from the mains and / or a warning signal.

3. Device according to claim 2, characterized in that the closed circuit (D) is applied to the electrical midpoints of two pairs of rectifiers (Gl) connected in parallel, the individual rectifiers within each pair being connected to one another.

4. Device according to claims 1 to 3, characterized in that when the outer conductors (U, V) are subdivided into several one behind the other

'switched strands each strand connection is designed as an end link (E) , whereby in normal operation only the end link of the last strand acts as such, while every other strand connection can only be arbitrarily switched as an end link by a manual switch or the like.

5. Lighting system with a safety device according to claims 1 to 4, characterized in that each of the lighting fixtures (B) connected to the power line (U, V ) by a manual switch or the like. Is arbitrarily disconnected from the mains, so that from each switch from the signaling device of the safety device can be actuated by the thereby occurring interruption of the mains circuit by agreement.

Considered publications:
German Patent Nos. 767 665, 836 379;
French Patent No. 846,219;
Dipl.-Ing. Peintinger: Elektro Meßkunde, Vienna 1948, p. 116ff.

1 sheet of drawings