DE2510998C3 - Vorrichtung zur Überwachung von Stromversorgungskabeln in explosionsgefährdeter Umgebung - Google Patents

Description

Gegenstand der Anmeldung ist eine Vorrichtung zur Überwachung von Stromversorgungskabeln mit Versorgungsleitern und eigensicherem Überwachungsleiter in explosionsgefährdeter Umgebung für Verbraucher, die kurzzeitige Unterbrechungen der Stromversorgung zulassen, bei der ein steuerbarer Schalter bei Kabelstörung bzw. Kurzschluß oder Unterbrechung des Überwachungsleiters den Verbraucherstromkreis zwischen Kabel und Stromversorgungsgerät auftrennt.

Aus der DT-OS 2043 317 ist eine Kabelhandleuchte bekannt, die zwischen Speisekabel und Spannungsquelle mit einer Abschaltvorrichtung versehen ist Die stromführenden Adern des Speisekabels sind von konzentrischen Überwachungsleitern umgeben, die an einen eigensicheren Überwachungskreis angeschlossen sind. Der Abstand zwischen den Überwachungsleitern ist wesentlich geringer als der Abstand zwischen den stromführenden Leitern. Auf diese Weise soll bei einer mechanischen Verletzung des Kabels die Abschaltvorrichtung ansprechen, bevor der Eindringling die stromführenden Leiter erreicht hat. Besonders geeignet ist ein sogenanntes Dreileiterkabel. Bei diesem ist der stromführende Leiter von zwei konzentrischen Leitern umgeben, die an einem eigensicheren Überwachungskreis angeschlossen sind. Der Innenleiter bildet zusammen mit dem inneren konzentrischen Leiter den Verbraucherstromkreis.

Aus der DT-AS 1018136 ist eine Schutz- und Überwachungseinrichtung für elektrische Speiseleitungen in Untertagebetrieben bekannt, die neben den Energieadern Schutz- und Überwachungsleiter enthalten. Bei Auftreten von Fehlern ist über die Schutz- und Überwachungsvorrichtung mit Hilfe eines Hauptschützes die Speiseleitung von der Spannungsquelle zu trennen. Zur Überwachung gegen äußern Einwirkungen dient eine Meßbrücke, deren Brückenzeiger an eine Verstärkerröhre angeschlossen sind. Als Schaltelement sind elektromechanische Relais vorgesehen.

Die in dieser Auslegeschrift beschriebenen elektromechanischen Bauteile, wie Schaltschütze und Relais, benötigen für ihre Umschaltungen bestimmte Funktionszeiten. Bei Beschädigung des Speisekabels durch Zerreißen, Zerdrücken oder Durchtrennen in explosionsgefährdeter Umgebung besteht die große Wahrscheinlichkeit, daß im Stromkreis der Lampe ein zündfähiger Funke entsteht oder eine zündfähige Spannung gegen Masse vorliegt. Um die vom Kabel ausgehende Zündgefahr zu beseitigen, muß im Fall einer Beschädigung der Lampenstromkreis praktisch verzugslos unterbrochen werden. Dies ist jedoch mit elektromechanischen Bauteilen nicht möglich. Außerdem unterliegen diese, ebenso wie die Verstärkerröhre, einem ständigen Verschleiß. Treten infolge von Störungen an den Überwachungsleitern erhöhte Potentiale auf, so geht deren Eigensicherheit verloren. Die b'berwächuilgsieiier küinieii sumii Selbst ZU einer

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Gefahrenquelle werden.

In der DT-OS 2043 317 ist eine elektronische Abschaltvorrichtung beschrieben, die narh einer Beschädigung der Überwachungsleiter innerhalb einer Zeit von 1 —10 μβ die stromführenden Adern des Kabels von der Spannungsquelle trennen solL Als elektronische Abschaltvorrichtung ist ein Schalttransistor einsetzbar.

Bei Zerstörung des Schalttransistors geht die Überwachungsfunktion verloren. Tritt ein Kurzschluß zwischen Kollektor und Emitter auf, ist ein Abschalten des Verbrauchers nicht mehr möglich. Da der Verlust der Sperrfunktion des Schalttransistors nicht erkennbar ist, darf eine derartige Vorrichtung in ständig explosionsgefährdeter Umgebung (Zone 0) nicht eingesetzt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, Stromversorgungskabel in explosionsgefährdeter Umgebung zu überwachen und bei Beschädigung oder Störung den Versorgungsstromkreis mit Hilfe eines steuerbaren Schalters aufzutrennen, so daß keine Gefahr der Zündung explosibler Gemische entsteht, wozu die Kabelüberwachungsschaltung mit dem steuerbaren Schalter dabei so eingerichtet sein soll, daß bei Ausfall eines ihrer für die Funktion wesentlichen Bauteile eine Abschaltung der Stromversorgung erfolgt, so daß die Anordnung auch in Bereichen, in denen ständig mit explosiblen Gemischen gerechnet werden muß (Zone 0), eingesetzt werden kann.

Die Aufgabe wird bei der eingangs genannten Vorrichtung dadurch gelöst, daß der steuerbare Scha'ier mittels eines Pulsgenerators während des Versorgungsbetriebes in periodischen Zeitabständen kurzzeitig gesperrt wird und daß bei Ausfall der Sperrfunktion des Schalters mittels einer Sperrimpulsmeßschaltung der Versorgungsstromkreis durch ein weiteres Element unterbrochen wird.

In einer bevorzugten Ausführung der Vorrichtung ruft der steuerbare Schalter bei Verlust seiner Sperrfunktion einen elektrischen Kurzschluß zwischen den stromführenden Leitern aus, wodurch eine zwischen Stromversorgungsgerät und Schalttransistor angeordnete Sicherung betätigt wird.

In der Überwachungsvorrichtung ist im Verbraucherstromkreis der steuerbare Schalter mit einer Sicherung in Reihe geschaltet, wobei der Steuereingang des Schalters mit einem Pulsgeber und über eine Kabelüberwachungsvorrichtung mit dem Kabel verbunden ist. Der Ausgang des steuerbaren Schalters ist über eine Sperrimpulseinrichtung mit einem steuerbaren Kurzschlußschalter verbunden, der über die Sicherung an die Polklemmen der Stromversorgung angeschlossen ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Sperrimpulsmeßschaltung aus einer Differenzierstufe und einer Impulsintegrationsstufe aufgebaut. In einer weiteren Ausführungsform ist die Überwachungsvorrichtung vom eigensicheren Überwachungskreis durch eine mehrstufige Zenerbarriere getrennt.

Das Kabel zwischen Stromverbraucher und Versorgungsgerät ist als Dreileiterkabel ausgeführt, so daß Verbraucherstromkreis und Überwachungsstromkreis einen Leiter gemeinsam haben. Zur Überwachung werden zwei konzentrisch um den Innenleiter angeordnete Leiter benutzt, deren Abstand zueinander wesentlich kleiner ist als ihr Abstand zum Innenleiter. Als gemeinsamer Leiter beider Stromkreise dient der innere konzentrisch angeordnete Leiter. Auf diese Weise ist eine Trennung vom Versorgungsgerät zu erzielen, bevor ein eindringender leitender Gegenstand den Innenleiter erreicht und einen Kurzschluß im Verbraucherstromkreis auslösen kann.

Die beiden zur Überwachung des Kabels benutzten Leiter liegen im Zweig einer Wiaerstandsbrücke. Der Überwachungskreis ist eigensicher. Die Brückenhälfte, in der dieser Zweig liegt, ist als mindestens zwei-, bevorzugt dreistufige Zenerbarriere ausgebildet Die Zenerbarriere besteht aus Zenerdioden verschiedener Zenerspannung, die mit ihren Kaihoden an einem gemeinsamen Punkt der Überwachungsleiter angeschlossen sind, während die Anoden jeweils über einen Widerstand mit der Anode der benachbarten Zenerdiode verbunden sind. Ein wesentlicher Vorteil der Zenerdiodenbarriere ist, daß auch im Fehlerfall der Überwachungskreis eigensicher bleibt Gleichzeitig ist eine Kontrolle ihrer Funktion durch einfache Spannungsmessingen möglich. An die Brückendiagonale sind zwei Schwellwertschalter mit Hysterese angeschlossen. Wenigstens einer der beiden Schwellwertschalter ändert jeweils seinen Schaltzustand, sobald Störungen im Überwacbungsstromkreis auftreten. Die Ausgänge der beiden Schwellwertschalter sind über eine logische Schaltung an eine Verstärkerstufe angeschlossen, die den als Schaltelement verwendeten Schalttransistor ansteuert Die logische Verknüpfungsschaltung enthält eine Wiedereinschaltsperre. Auf diese Weise kann nach Wegfall der Ansprechursache der Verbraucher nicht wieder automatisch eingeschaltet werden. Nur nach manueller Betätigung eines Tasters wird der Verbraucher wieder eingeschaltet

Über einen Pulsgenerator wird die logische Schaltung periodisch so angesteuert daß der Schalttransistor im Verbraucherkreis mit fester Taktfrequenz für kurze Zeit gesperrt wird. Über ein Differenzierglied werden die Schaltimpulse an die Impulsintegrationsstufe geleitet die ihrerseits die Zündschaltung eines Tyhristors, der die positive und negative Versorgungsleitung verbindet, blockiert, solange die Schaltimpulse auftreten Bei Ausbleiben der Schaltimpulse zündet der Thyristor, schließt die Versorgungsleitung kurz und eine in der Versorgungsleitung liegende Sicherung wird zum Abschmelzen gebracht Der Thyristor wird nur im Fehlerfall elektrisch beansprucht, so daß er eine nahezu beliebig hohe Lebensdauer besitzt. Als Sicherung ist jedoch auch ein Überstromschalter zu verwenden.

Der Gegenstand der Erfindung ist im folgenden anhand der F i g. 1 und 2 näher erläutert.

In F i g. 1 ist das prinzipielle Zusammenwirken der zur Kabelüberwachungsvorrichtung gehörenden Bauelemente dargestellt.

In F i g. 2 ist der Schaltplan der Überwachungsvorrichtung für eine Kabelhandleuchte dargestellt

Nach Fig. 1 ist zwischen dem Kabel /00 und der Stromversorgungseinheit 600 die Reihenschaltung eines Schalttransistors 335 und einer Sicherung 450 vorgesehen. Vom Pulsgeber 410 werden der logischen Einheit 103 periodische Sperrimpulse von kurzer Dauer zugeführt so daß der an sich geöffnete Schalttransistor 335 ständig kurzzeitig gesperrt wird. Tritt im Schalttransistor ein Kurzschluß auf, so wird über die Differenzierstufe 401 und die Impulsintegrationsstufe 402 die Sicherung 450 zum Ansprechen gebracht und die Leuchte 800 zusammen mit dem Kabel 700 von der Versorgungseinheit 600 getrennt.

Wird das Kabel 700 beschädigt, so ändern sich die elektrischen Potentiale, und die Meßvorrichtung 102 sperrt über die logische Einheit 103 den Schaittransistor

sches Wiedereinschalten des Schalttransistors 335 bei Wegfall der Fehlerursache. Das Wiedereinschalten ist nur manuell mit dem Taster 125 möglich. Über die logische Einheit 103 wird bei gesperrtem Schalttransistor 335 über die Impulsintegrationsstufe 402 der Kurzschlußschalter 440 blockiert, so daß es nicht zu unerwünschtem Abschmelzen der Sicherung 450 kommt.

Die Zenerbarriere 101 zwischen Kabel 70Cl und Meßvorrichtung 102 verhindert die Aufhebung der Eigensicherheit des Überwachungskreises, sofern in der Meßvorrichtung 102 ein Fehler auftritt.

In F i g. 2 ist ein Schaltbild der Überwachungseinrichtung für eine Kabelhandleuchte dargestellt. Der Überwachungsleiter 703 und der dem Verbrauchstromkreis und dem Überwachungsstromkreis gemeinsame Leiter 702 sind an einen Zweig einer aus den Widerständen 804, 129, 110 und Ul gebildeten Widerstands-Brücke angeschlossen. Die Widerstände 129 und 110 sowie die Sicherung 114 bilden zusammen mit den drei Zenerdioden 115, 116 und 117 die Dreifach-Zenerbarriere 101 des Überwachungskreises. Die beschriebenen Bauelemente bilden zusammen mit den Überwachungsleitern 703 und 702 einen Meßbrükkenzweig, dessen zwischen Widerstand 111 und Sicherung 114 auf Punkt 144 liegendes Brücken-Potential mit den Brückenpotentialen zweier weiterer Brückenzweige aus den Widerständen 112,113 und 119, 120 verglichen wird. Die an den Punkten 146 und 145 liegenden Potentiale stellen einen durch einen oberen und unteren Schwellwert begrenzten Schaltbereich dar, bei dessen Überschreiten durch das auf Punkt 114 liegende Potential der Schwellwertschalter 121 anspricht, bei dessen Unterschreiten der Schwellwertschalter 118 anspricht. Die Ausgangssignale der beiden Schwellwertschalter 118 und 121 werden über die Oderverknüpfung der Dioden 122 und 123 an den Eingang 148 der logischen Einheit 103 geführt Der Eingang 147 der logischen Einheit 103 ist über den Taster 125 mit Eingang 148 in Verbindung und gleichzeitig über den Widerstand 124 mit dem Minusleiter und über den Kondensator 126 mir dem Plusleiter verbunden. Eingang 149 der logischen Einheit 103 wird von einem Pulsgenerator 410 angesteuert Der Ausgang 150 der logischen Einheit 103 ist über den Widerstand 330 mit der Basis des Transistors 332, dessen Kollektor über Widerstand 333 mit der Basis des Schalttransistors 335 verbunden. Der Ausgang 151 steuert über die Diode 424 in Oderverknüpfung mit der Diode 423, die ihrerseits über das Differenzierglied 401 aus Kondensator 421 und Widerstand 422 mit dem Kollektor des Schalttransistors 335 in Verbindung steht, die über die Impulsintegrationsstufe 402, aus den Widerständen 425 und 426 und dem Transistor 427 sowie dem Kondensator 428 die Zündschaltung 441 des SS Thyristors 442 an.

Die Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen Überwachungseinrichtung ist folgende:

Nachdem die Versorgungsspannung an die Überwachungseinrichtung angelegt wurde, kann die Lampe 805 durch Betätigen des Tasters 125 eingeschaltet werden, wenn keine Störung im Überwachungskreis vorliegt Bei ungestörtem Überwachungskreis sind die Potentiale an den Brückendiagonalen der Widerstandsbrücke aus den Widerständen 804,129,110,111,112 und 113 bzw. «5 der Widerstände 119 und 120 so bemessen, daß am Ausgang der beiden Schwellwertschalter der logische Pegel L vorliegt Ober die Oderverknüpfung der Dioden 122 und 123 liegt somit an 148 ebenfalls der Pegel L Durch den Kondensator 126 liegt beim Einschalten der Eingang 147 zunächst auf H. Bei Betätigen des Tasters 125 wird 147 ebenfalls auf L gesetzt und über 150 die Transistoren 332 und 335 durchgeschaltet, so daß der Kollektor des Transistors 335 den Verbraucherstrom für die Lampe 805 führt. Dieser Verbraucherstrom wird über die Versorgungsleitung 701 geführt

Tritt eine Beschädigung des Kabels ein, so wird entweder der Überwachungsstromkreis kurzgeschlossen oder unterbrochen. Im ersten Fall verschieben sich die Potentiale in der Widerstandsbrücke so, daß Schwellwertschalter 121 umschaltet und an seinem Ausgang der iogische Pegel H entsteht im zweiten Fall verschieben sich die Potentiale in der Widerstandsbrükke so, daß Schwellwertschalter 118 umschaltet und an seinem Ausgang der Iogische Pegel //entsteht Über die Diode 122 (bzw. die Diode 123) liegt somit an 148 der Iogische Pegel H. Der Schalttransistor 135 wird gesperrt und damit der Verbraucherkreis unterbrochen. Durch die Verknüpfung innerhalb der logischen Einheit 103 wird ein selbsttätiges Wiedereinschalten beim Wegfall des Fehlers verhindert. Erst wenn nach Beseitigung der Fehlerursache der Taster 125 betätigt wird, wird die Leuchte wieder eingeschaltet.

Von der Vielzahl der möglichen Fehlerfälle, die in der Überwachungseinrichtung eintreten können, ist lediglich ein Kollektor-Emitter-Durchbruch der Transistoren 332 und 335 ein kritischer Fall, bei dem die Überwachungsvorrichtung wirkungslos ist, ohne daß dies beim Betrieb der Leuchte bemerkt wird. Deshalb wird die Sperrfunktion von 332 und 335 ständig überwacht. Der Pulsgenerator 410 gibt periodisch kurze Taktimpulse an den Eingang 149 der logischen Einheit 103, so daß die Transistoren 332 und 335 im vorgegebenen Takt (z. B. 50 Hz) für eine kurze Zeit (einige μβ) gesperrt werden. Für den Betrieb des Verbrauchers ist dies ohne Belang, da die Trägheit der Glühlampe so groß ist, daß das menschliche Auge diese Einbrüche nicht erkennt Über das Differenzierglied aus Kondensator 241 und Widerstand 422 und über die Diode 423 werden die Abschaltimpulse des Schalttransistors 335 an die Basis des Transistors 427 geleitet Die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 427 ist parallel zum Kondensator 428 geschaltet, der über den Widerstand 426 aufgeladen wird. Überschreitet die Spannung am Kondensator 428 einen vorgegebenen Wert steuert die Zündschaltung 441 den Thyristor 422 an. Solange der Kollektor von 335 Abschaltimpulse liefert, verhindert der im gleichen Takt leitende Transistor 427 die Aufladung des Kondensators 428 und die Zündschaltung 441 ist blockiert Beim KurzschluG des Schalttransistors 335 wird jedoch Thyristor 442 durchgesteuert, der mit seinem Einschaltstromstoß da: praktisch verlustlose Abschmelzen der Sicherung 45( bewirkt Es ist jedoch auch möglich, eine elektronische Sicherung oder einen Oberstromschalter vorzusehen.

Ober die Diode 424, die mit dem Ausgang 151 dei logischen Einheit 103 verbunden ist, wird den Transistor 427 ein Basisstrom zugeführt und so die Zündschaltung 441 des Thyristors 442 blockiert, wem Ober die Iogische Einheit 103 der Schalttransistor 33! gesperrt ist und diese keine Taktimpulse liefert.

Die Dioden 115, 116 und 117, die der Widerstands brücke 804, 129 und 110 parallelgeschaltet sind verhindern gemeinsam mit der Sicherung 114, daß be einem Fehlerfall in der Abschaltvorrichtung dii Eigensicherheit des Oberwachungskreises aufgehobei

Durch den Gegenstand der Erfindung werden die Vorteile der Kabelhandleuchte wie Handlichkeit, großer Lichtstrom, unbegrenzte Brenndauer, auch den Beleuchtungsaufgaben in stark explosionsgefährdeten Bereichen (Zone 0) nutzbar gemacht. Es ist jedoch auch möglich, andere elektrische Verbraucher, die kurzzeitige Unterbrechungen der Stromversorgung zulassen, anzuschließen. Durch Anwendung elektronischer Bau-

elemente ist die Abschaltzeit geringer als die Eindringzeit eines das Kabel beschädigenden Körpers. Auf diese Weise wird mit Sicherheit die Entstehung einer zündfähigen Spannung gegen Masse verhindert. Durch Anwendung von Zener-Diodenbarriere und Schalterfunktionskontrolleinrichtung ist eine hohe Sicherheit gegen interne Störungen der Überwachungsvorrichtung zu erzielen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Überwachung von Stromversorgungskabeln mit Versorgungsleitern und eigensicherem Überwachungsleiter in explosionsgefährdeter Umgebung für Verbraucher, die kurzzeitige Unterbrechungen der Stromversorgung zulassen, bei der ein steuerbarer Schalter bei Kabelstörung bzw. Kurzschluß oder Unterbrechung des Überwachungsleiters den Verbraucherstromkreis zwischen to Kabel und Stromversorgungsgerät auftrennt, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Schalter (335) mittels eines Pulsgenerators (410) während des Versorgungsbetriebes in periodischen Zeitabständen kurzzeitig gesperrt wird und daß bei Ausfall der Sperrfunktion des Schalters (335) mittels einer Sperrimpulsmeßschaltung (401, 402) der Versorgungsstromkreis durch ein weiteres Element (450) unterbrochen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Schalter (335) mittels der Störimpulsmeßschaltung (401, 402) bei Verlust seiner Sperrfunktion einen elektrischen Kurzschluß zwischen den stromführenden Leitern auslöst, wodurch eine zwischen Stromversorgungsgerät (600) und Schalter (335) angeordnete Sicherung (450) betätigt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Sperrung des steuerbaren Schalters (335) die Kurzschlußauslösung blockiert wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die am steuerbaren Schalter bei Versorgungsbetrieb auftretenden Sperrimpulse mittels einer Differenzierstufe (401) und einer Impulsintegrationsstufe (402) in ein Spannungssignal umgewandelt werden.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Eingang der Versorgungsleiter ein steuerbarer Schaber (335) in Reihe mit einer Sicherung (450) liegt, daß der Schalter (335) über eine logische Einheit (103) sperrbar ist, die einerseits über einen Pulsgeber (410) und andererseits über eine Meßvorrichtung (102), die mit dem Versorgungskabel (700) in Verbindung steht, ansteuerbar ist und daß an den Schalter (335) eine Differenzierstufe (401) und eine Impulsintegrationsstufe (402) angeschlossen sind, über welche ein in Reihe mit Stromversorgungsgerät (600) und Sicherung (450) liegender Kurzschlußschalter (442) ansteuerbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die logische Einheit (103) über eine Einschaltsperre (135) mit einem Taster (125) verbunden ist.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Schalter (335) ein Transistor ist.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschlußschalter (442) ein Thyristor ist.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung (102) aus zwei Schwellwertschaltern (118, 121) besteht, deren Eingänge mit einer Widerstandsmeßbrücke, die in einem Brückenzweig den Überwachungsleiter (703), die Versorgungsleitung (702) und einen Abschlußwiderstand (804) enthält, verbunden sind.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsmeßbrücke eine Zenerdiodenbarriere (101) mit mindestens zwei Zenerdioden enthält, daß die Zenerdioden mit ihren Kathoden gemeinsam an die Überwachungsleitung (703) angeschlossen sind und daß die Anoden der Zenerdioden über jeweils einen Widerstand miteinander verbunden sind.