DE2630597A1

DE2630597A1 - Schutzschalter fuer eine elektrische leitung

Info

Publication number: DE2630597A1
Application number: DE19762630597
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Charbonnages de France CDF
Current assignee: Charbonnages de France CDF
Priority date: 1975-07-08
Filing date: 1976-07-07
Publication date: 1977-01-20
Also published as: FR2317792A1; DE2630597C2; BE843767A; GB1546676A; ES449692A1; FR2317792B1; IT1066910B

Description

C 2963/Hl

CHARBONNAGES DE FRANCE P ari s, Frank re i ch

DR. WOLFGANG MÜLLER-BORE (PATENTANWALTVON 1927-1975) HANS W. GROENING, D1PL.-ING. DR. PAUL DEUFEL, DIPL.-CH EM. DR. ALFRED SCHÖN. DIPL.-CHEM. WERNER HERTEL, DIPL.-PHYS.

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Schutzschalter für eine elektrische Leitung

Die Erfindung betrifft einen Schutzschalter für eine elektrische Leitung bzw. für ein elektrisches Netz, die bzw. das von den Abgabeklemmen einer Gleichstromquelle gespeist wird. Der Schutzschalter hat einen Kurzschließtransistor, der normalerweise nicht leitend und so angeordnet ist, daß er durch Kurzschließen bei Ansteuerung und bei einer Verzögerung, die kleiner als die Mikrosekunde ist, die Ausgangsspannung der Klemmen der Stromquelle zusammenbrechen läßt, eine Detektoreinrichtung, die unter dem Einfluß von bestimmten plötzlichen Spannungsänderungen ein Signal erzeugt, und eine Steuereinrichtung für den Kurzschließtransistor, die auf das Signal der Detektoreinrichtung anspricht.

Derartige Vorrichtungen sind bereits aus der FR-PS 1 564 178 und aus der US-PS 3 679 567 bekannt. Bei diesen Vorrichtungen wird jede Geschwindigkeit der negativen Änderung der Spannung festgestellt, um Funken zu vermeiden, welche Korrosionsschäden an einem Werkstück

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hervorbringen, das durch Elektroerosion oder mittels einer elektrochemischen Behandlung hergestellt ist.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen Schutzschalter für eine elektrische Leitung zu schaffen, um die Gefahren einer Entzündung einer entflammbaren oder explosiven Atmosphäre durch einen Abreißfunken oder durch einen Überschlagsfunken bei Kontakt oder Kurzschluß zu vermeiden. Dabei wird zur Lösung dieser Aufgabe überraschenderweise von der vorstehend genannten Vorrichtung ausgegangen, obwohl diese Vorrichtung nicht besonders sicher ist. Eine derartige Vorrichtung, von der bekannt ist, daß sie die abrupten negativen Änderungen der Spannung feststellt, ist an sich ungeeignet, um eine Leitung gegenüber .Abreißfunken zu schützen.

Es sind weder Vorrichtungen noch die Verwendung von bekannten Vorrichtungen bekannt, mit denen ein wirksamer Schutz von elektrischen Schaltungen in explosiven Atmosphären gewährleistet werden kann. Aus diesem Grund begrenzen die einschlägigen Vorschriften die verwendeten Leistungen in den genannten Schaltungen für besondere Sicherheit auf sehr geringe Werte.

Erfindungsgemäß soll nun weiterhin die Leistung der Schaltungen, die den gesetzlichen Reglementierungen für besondere Sicherheit unterliegen, durch Verwendung eines elektronischen Schalters erhöht werden, ohne daß die Sicherheit der Leitung gegenüber der Gefahr einer Entzündung von entflammbaren oder explosiven Atmosphären beeinträchtigt wird.

Ein derartiger Schalter hätte den Vorteil, daß er gegenüber Stromänderungen und Spannungsänderungen unempfindlich gemacht werden könnte, die durch normale Laständerungen an der Leitung hervorgerufen werden.

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Die vorstehende Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Schalter dadurch gelöst, daß die Detektoreinrichtung sowohl positive plötzliche Änderungen als auch negative plötzliche Spannungsänderungen feststellt. Aus diesem Grund und aufgrund des im nachstehenden erläuterten erhält man einen Schutz der Leitung gegenüber den Gefahren einer Entzündung einer entflammbaren oder explosiven Atmosphäre in allen Fällen, in denen ein Abreißfunken oder ein überschlagfunken infolge Kontakt oder Kurzschluß auftritt.

Vorzugsweise besteht die Detektoreihrichtung aus zwei Hochpaß-Detektoreinheiten, die parallel angeordnet sind und jeweils für einen Geschwindigkeitsschwellenwert in der einen der beiden Richtungen der Spannungsänderung eingestellt sind.

Erfindungsgemäß wird der Kurzschließtransistor über eine monostabile Kippschaltung bzw. eine Flip-Flop-Schaltung gesteuert, deren in der Größenordnung der Millisekunde liegende Relaxationszeit beträchtlich über der Verzögerung für das Zusammenbrechen der Spannung an den Speiseklemmen liegt.

Wahlweise kann der Kurzschließtransistor in den nicht leitenden Zustand mittels einer Schaltung für eine Zeitkonstante gebracht werden, die oberhalb der Relaxationszeit der Flip-Flop-Schaltung liegt.

In diesem Fall ist es vorteilhaft, daß die Rückkehr des 'Kurzschließtransistors in den nicht leitenden Zustand progressiv ist.

Anhand der beiliegenden Zeichnung, die schematisch eine Ausführungsform eines Schalters zeigt, wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.

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Der in der Zeichnung gezeigte Schalter ist in Form eines Schutzschalters für eine nicht gezeigte elektrische Leitung dargestellt, die von der positiven Klemme A und der negativen Klemme B einer Gleichstromquelle 2 gespeist wird, welche durch eine Begrenzungseinrichtung 3 reguliert wird. Den gewünschten Eigenschaften entsprechend ist die Begrenzungseinrichtung 3 in an sich bekannter Weise entweder ein Regler für lineare Spannung, der von einem Reihenwiderstand gebildet wird, oder ein Regler für eine konstante einstellbare Spannung oder Intensität. An die Klemmen A undB wird eine Spannung Us angelegt. Der Schalter umfaßt zwei Einheiten 4, 5 zum Feststellen schneller Spannungsänderungen, von denen jede von einem Hochpaßfilter gebildet wird und mit einem Koppelungskondensator verbunden ist, der zwischen die positive Klemme A und den Eingang der Hochpaßfilter angeschlossen ist, eine Flip-Flop- Schaltung 6 mit einer Relaxationszeit in der Größenordnung von der Millisekunde und eine Einrichtung 7 zum Anpassen der Auslösung eines Steuertransistors 9 für einen Kurzschließtransistor 8 der Klemmen A und B.

Eine Handsteuerung der Anpaßeinrichtung 7 ermöglicht es, den Kurzschließtransistor 8 in den nicht leitenden Zustand zu bringen bzw. wieder zu bringen.

Gemäß einer Wahlvariante hat die Anpaßeinrichtung 7 außerdem eine Schaltung für eine Zeitkonstante, die oberhalb der Relaxationszeit der Flip-Flop-Schaltung liegt und den Kurzschließtransistor 8 wieder in den nicht leitenden Zustand bringt. In diesem Fall ist es vorteilhaft, an sich bekannte Einrichtungen zu verwenden, um den Transistor 8 in den nicht leitenden Zustand auf progressive Weise zurückzuführen. Diese Variante wird verwendet, um die Leitung nur gegen Übergangsstörungen zu schützen.

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Zunächst wurden Messungen der Dauer der Bogen mittels einer Abreißfunkenstrecke gemäß der Literaturstelle 79-3 (1972) der Commission Electrotechnique Internationale, in Genf durch geführt.

Eine Untersuchung mit einem Oszillographen für eine Speicherung der Spannungen und der Stärken in der Funkenmeßstrecke bzw. dem Induktor zeigt, daß die erzeugten Lichtbogen absolut beliebig sind und daß ihre Dauer von zwei Mikrosekunden für Kontaktüberschlagsbogen bis einige Millisekunden für die Abreißlichtbogen variiert. Bei 6o V erhält man beispielsweise Lichtbogen von 2 Mikrosekunden bis 14 Millisekunden, wobei eine Energie von einigen uJ bis zum Mehrfachen von 1o mJ freigesetzt wird. So zünden wenigstens die Abreißlichtbogen bei der endgültigen Trennung der Elektroden irgendein entflammbares Gasgemisch, wobei o,28 mJ genügen, um ein stöchiometrisches Luft-Methan-Gemisch zu zünden, und etwa o,o2 mJ bei einem Luft-Wasserstoff-Gemisch.

Deshalb ist der minimale Strom für ein Zünden eines Wasserstoff-Luft-Gemisches in einer Widerstandsschaltung 4o mA für eine lineare Spannungsquelle von 6o V und 23 mA für eine Quelle von 6o V mit regulierter Spannung.

Weitere Versuche haben gezeigt, daß die Lichtbogen mit einer erhöhten Stärke, jedoch mit einer Dauer, die auf einige Mikrosekunden begrenzt ist, ein Luft-Methan-Gemisch nicht mehr entzünden. Bei Spannungswerten zwischen 15 und 6o V erhöht eine solche Begrenzung der Dauer des Lichtbogens die minimale Entzündungsintensität in einer Widerstandsschaltung um das Zehn- bis Fünfzigfache, vorbehaltlich des Detektors für die Zeit des Lichtbogens und dessen Unterbrechung in dem durch die vorstehenden Untersuchungen vorgeschriebenen Zeitraum.

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Der Abreißlichtbogen entsteht auf zwei Arten, entweder beim Bruch eines Leiters oder beim Abreißen eines zufälligen Kurzschlusses zwischen zwei Leitern. Darüber hinaus ergibt sich der Überschlagslichtbogen vor dem Kurzschluß zwischen zwei Leitern oder vor der Herstellung eines Kontaktes. In jedem Fall erhält man eine plötzliche Spannungsänderung an den Abgabeklemmen der Speisequelle. Diese Änderung Us ist für Abreißlichtbogen positiv und für Überschlaglichtbogen negativ. Diese beiden schnellen Änderungen der Spannung Us werden durch die Eingänge des Schalters festgestellt, die ein Hochfrequenz-Eingangsfilter besitzen, das den Eingängen der Zeitverzögerungseinrichtung schnelle Spannungsänderungen mit einem Wert Us ^. o,8 V übermittelt. Diese beiden Eingangsfilter sind gegenüber langsamen Spannungsänderungen an der Abgabe unempfindlich, die von der Änderung Rc an den Klemmen A und B hervorgerufen werden. Diese langsamen Änderungen werden durch folgende Ungleichungen definiert: Δ Us = - Rc . Is <■ ο,4 V/ps und
Λ Us = + Rc · Is £ ο,3 V/us.

In diesen Ungleichungen sind Us die Spannung an den Klemmen A und B, Is die Stärke an den gleichen Klemmen A und B und Rc die Last an den Klemmen A und B.

Der Transistor 8 ist normalerweise gesperrt. Wenn ein Abreiß- oder Überschlaglichtbogen auftritt, schließt der Transistor 8 die Klemmen A und B in einer Zeit von o,4 us kurz.

Unter diesen Bedingungen war es möglich, bei 6o V bis zu 8o A maximale Stromstärke fließen zu lassen, ohne daß die Gefahr der Entzündung eines Luft-Methan-Gemisches bestanden hätte, wobei so die minimale Entzündungsintensität, die als maximale in einer Schaltung zulässige Intensität genommen wurde, um wenigstens das 4o-fache gesteigert werden konnte.

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Die tatsächliche Dauer für das Unterbrechen eines Lichtbogens hängt von den Eigenschaften der Leitung bzw. des Netzes ab. Deshalb begrenzt man, was an sich bekannt ist, die Länge der zu schützenden Leitung. Somit können erfindungsgemäß Leitungskapazitäten zugelassen werden, die sehr viel größer sind als die bisher zugelassenen, die aus einem Material für besondere Sicherheit bestehen. Der Grund dafür besteht darin, daß die Vorrichtung zufriedenstellend arbeitet, wobei ein Lichtbogen am Ende von 8 us am Ende eines koaxialen Kabels von 2oo m unterbrochen wird, ohne daß ein Luft-Wasserstoff-Gemisch entzündet wird. Bei 12 us wird die gleiche Mischung dann entzündet, wenn eine nicht lineare Quelle, d. h. eine von der Spannung oder der Stromstärke regulierte Quelle verwendet wird.

Erfindungsgemäß wird ein äußerst überraschender Effekt erzielt, der darin besteht, daß der erfindungsgemäße Schalter mit hoher Zuverlässigkeit die Sicherheit von Leitungen gegenüber entzündbaren oder exploxiven Atmosphären gewährleistet, obwohl der Schalter nicht nach den Vorschriften für besondere Sicherheit gebaut ist. Man kann somit ohne Gefahr die maximal zulässige Stromstärke einer nach den besonderen Sicherheitsvorschriften zu schützende Leitung um ein Mehrfaches des Faktors zehn überziehen.

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Claims

ANSPRÜCHE

( 1. !schutzschalter für eine elektrische Leitung, die ^— von den Abgabeklemmen einer Gleichstromquelle
gespeist wird, mit einem Kurzschließtransistor,
der normalerweise nicht leitend ist und so angeordnet ist, daß er durch Kurzschließen auf Ansteuerung und bei einem Zeitraum unter einer Mikrosekunde die Abgabespannung der Klemmen der Quelle zusammenbrechen läßt, mit einer Detektoreinrichtung, welche unter der Wirkung bestimmter plötzlicher Spannungsänderungen ein Signal liefert, und mit einer Steuereinrichtung für den Kurzschließtransistor, die auf ein Signal der Detektoreinrichtung anspricht, dadurch gekennzeichnet , daß die Detektoreinrichtung aus zwei Hochpaß-Detektoreinheiten (4, 5) besteht, die parallel angeordnet sind und von denen jede für einen Geschwindigkeitsschwellenwert in einer der beiden
Richtungen der Spannungsänderung geregelt ist, die sowohl plötzliche positive Änderungen als auch
plötzliche negative Spannungsänderungen feststellen, so daß der Schalter die Leitung gegenüber den
Gefahren einer Entzündung der entflammbaren oder explosiven Atmosphäre schützt.
2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Kurzschließtransistor
(8) über eine Flip-Flop-Schaltung gesteuert ist, deren Relaxationszeit beträchtlich oberhalb, in
der Größenordnung der Millisekunde, von dem Zeitraum des Zusammenbrechens der Spannung an den Speiseklemmen liegt.

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— Q _
3. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Kurzschließtransistor (8) in den nicht leitenden Zustand mittels einer Schaltung für eine Zeitkonstante zurückführbar ist, die oberhalb der Relaxationszeit der Flip-Flop-Schaltung liegt.
4. Schalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Rückführung des Kurzschließtransistors (8) in den nicht leitenden Zustand progressiv ist.
5. Verwendung eines Schalters nach einem der Ansprüche 1 bis 4 bei einer elektrischen Sicherheitsstromquelle.

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