DE2630597C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzanordnung für eine in entflammbarer oder explosiver Atmosphäre sich befindende elekrische Leitung, die von den Abgabeklemmen einer Gleichstromquelle gespeist wird, mit einem Kurzschließ­ transistor, der normalerweise nicht leitend ist und so an­ geordnet ist, daß er durch Kurzschließen auf Ansteuerung in sehr kurzer Zeit die Abgabespannung der Klemmen der Quelle zusammenbrechen läßt, mit einer Detektoreinrichtung, welche unter der Wirkung von Spannungsänderungen ein Ansteuersignal für den Kurzschließtransistor liefert.

Eine solche ist durch die DE-OS 22 63 541 bekanntgeworden. Die DE-OS 22 63 541 beschreibt eine Schaltungsanordnung zur Spannungsbegrenzung in einem eigensicheren Stromkreis. Eine Strombegrenzung, beispielsweise auf 150 mA, wird vor­ genommen, und zwar als Folge der Ableitung jeder Erhöhung der Spannung, die sich an einem Punkt A einstellt. In den Stromkreisen sind Zenerdioden verwendet, in dem einen beschriebenen Stromkreis parallel zu einem Transistor, was bedeutet, daß dann, wenn eine Zenerdiode aktiv wird, der Transistor leitend wird und den größten Stromanteil führt. Dies bedeutet andererseits, daß die Zenerdioden einer Erwärmung weniger ausgesetzt sind. Dies bedeutet, daß die Stromkreise auf das Prinzip zurückzuführen sind, den Strom nur dann abzuleiten, wenn die Spannungen an einem Punkt A einen durch eine Zenerdiode bestimmten Wert über­ schreiten.

Diese Schaltungsanordnungen werden nur gegenüber einer Speisespannung vor der Schaltungsanordnung und auch nur im Falle einer Erhöhung dieser Spannung wirksam.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schutzanordnung für eine elektrische Leitung anzugeben, die auf jede Veränderung der Spannung reagiert und zwar sowohl auf einen Spannungsabfall wie auf eine Spannungserhöhung. Erreicht wird dies bei einer Schutzanordnung der eingangs genannten Art überraschend dadurch, daß die Detektorein­ richtung aus zwei Hochpaß-Detektoreinheiten besteht, die parallel angeordnet sind und von denen die eine nur auf steile Spannungserhöhungen und die andere nur auf steile Spannungsabsenkungen anspricht.

Das heißt also, die Schutzanordnung schützt die hinter der Quelle angeordneten Leitungen gegen schnelle Erhöhungen und gegen schnelle Absenkungen der Spannung, die insbesondere auf das Zünden eines Bogens zurückzuführen sind, beispiels­ weise eines Unterbrecherbogens an einer einzigen Leitung oder eines Kurzschlußbogens zwischen zwei Leitungen. Der Schutzschalter schützt also die Leitung gegenüber Lichtbögen, die an der Leitung selbst entstehen. Die Maß­ nahmen nach der DE-OS 22 63 541 sind demgegenüber nicht geeignet, ein solches Ergebnis zu gewährleisten.

Die Aufgabe ließ sich auch nicht durch die Maßnahme nach der weiterhin bekanntgewordenen US-PS 36 79 567 lösen, die nur allein bei einer negativen Veränderung anspricht, wobei der Schaltkreis vermittels eines Relais reagiert. Die dortige Lösung bezog sich nur auf die Ermittlung einer negativen Spannungsveränderung aufgrund eines Funkens zwischen einem Werkzeug und einem verarbeiteten Werkstück.

Die Ausbildung der Maßnahme nach der Erfindung ist insofern überraschend, als eine nachgeschaltete Leitung geschützt wird und Werte des Stroms, die wesentlich höher liegen, zu­ gelassen werden, und zwar Werte, die höher als die maximal betrachtete Stromstärke sind, die nach den Sicherheitsregeln noch zugelassen wird.

Die Hochpaßfilter können aus irgendeinem Bauteil bestehen, das in der Lage ist, eine schnelle Veränderung von Spannung oder Strom aus der nachgeschalteten Leitung zu übertragen, beispielsweise kann es sich um Induktanzen oder RC -Glieder handeln. Der Einbau von zwei Filtern, und zwar parallel, in Reihe mit einer Kippschaltung, einem Adaptor und zwei Transistoren, und zwar ohne Zenerdiode, ist eine besonders vorteilhafte Fortbildung der Maßnahme nach der Erfindung.

Zweckmäßig ist der Kurzschließtransistor in den nicht lei­ tenden Zustand mittels einer Schaltung zurückführbar, deren Zeitkonstante oberhalb der Relaxationszeit der Flip-Flop- Schaltung liegt.

Vorzugsweise ist die Rückführung des Kurzschließtransistors in den nicht leitenden Zustand progressiv.

Eine Erläuterung des Begriffs progressiv findet sich weiter unten in der Beschreibung.

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

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 ent­ weder 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 und B wird eine Spannung Us angelegt. Der Schal­ ter umfaßt zwei Einheiten 4, 5 zum Feststellen schneller Spannungsänderungen, von denen jede von einem Hochpaß­ filter gebildet wird und mit einem Koppelungskondensator verbunden ist, der zwischen die positive Klemme A und den Eingang de4r Hochpaßfilter angeschlossen ist, eine Flip- Flop-Schaltung 6 mit einer Relaxationszeit in der Größen­ ordnung 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 außer­ dem 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 zu­ rückzuführen. Diese Variante wird verwendet, um die Leitung nur gegen Übergangsstörungen zu schützen.

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

Eine Untersuchung mit einem Oszillographen für eine Speicherung der Spannungen und der Stärken in der Funken­ meßstrecke 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 60 V erhält man beispielsweise Lichtbogen von 2 Mikrosekun­ den bis 14 Millisekunden, wobei eine Energie von einigen µJ bis zum Mehrfachen von 10 mJ freigesetzt wird. So zünden wenigstens die Abreißlichtbogen bei der endgültigen Trennung der Elektroden irgendein entflammbares Gasge­ misch, wobei 0,28 mJ genügen, um ein stöchiometrisches Luft-Methan-Gemisch zu zünden, und etwa 0,02 mJ bei einem Luft-Wasserstoff-Gemisch.

Deshalb ist der minimale Strom für ein Zünden eines Wasserstoff-Luft-Gemisches in einer Widerstandsschaltung 40 mA für eine lineare Spannungsquelle von 60 V und 23 mA für eine Quelle von 60 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 60 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.

Der Abreißlichtbogen entsteht auf zwei Arten, entweder beim Bruch eines Leiters oder beim Abreißen eines zu­ fälligen 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-Eingangs­ filter besitzen, das den Eingängen der Zeitverzögerungs­ einrichtung schnelle Spannungsänderungen mit einem Wert Us0,8 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 · Is0,4 V/µs und
Δ Us = +Rc · Is0,3 V/µs.

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 0,4 µs kurz.

Unter diesen Bedingungen war es möglich, bei 60 V bis zu 80 A maximale Stromstärke fließen zu lassen, ohne daß die Gefahr der Entzündung eines Luft-Methan-Gemisches be­ standen hätte, wobei so die minimale Entzündungsintensi­ tät, die als maximale in einer Schaltung zulässige Inten­ sität genommen wurde, um wenigstens das 40fache ge­ steigert werden konnte.

Die tatsächliche Dauer für das Unterbrechen eines Licht­ bogens 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 er­ findungsgemäß 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 zu­ friedenstellend arbeitet, wobei ein Lichtbogen am Ende von 8 µs am Ende eines koaxialen Kabels von 200 m unter­ brochen wird, ohne daß ein Luft-Wasserstoff-Gemisch ent­ zündet wird. Bei 12 µs wird die gleiche Mischung dann ent­ zündet, wenn eine nicht lineare Quelle, d. h. eine von der Spannung oder der Stromstärke regulierte Quelle ver­ wendet 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 explosiven Atmo­ sphären 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.

Claims (5)

1. Schutzanordnung für eine in entflammbarer oder explosiver Atmosphäre sich befindende 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 Kurz­ schließen auf Ansteuerung in sehr kurzer Zeit die Abgabe­ spannung der Klemmen der Quelle zusammenbrechen läßt, mit einer Detektoreinrichtung, welche unter der Wirkung von Spannungsänderungen ein Ansteuersignal für den Kurz­ schließtransistor liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung aus zwei Hochpaß-Detektoreinheiten (4, 5) besteht, die parallel angeordnet sind und von denen die eine nur auf steile Spannungserhöhungen und die andere nur auf steile Spannungsabsenkungen anspricht.

2. Schutzanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschließtransistor (8) über eine Flip-Flop- Schaltung (6) gesteuert ist, deren Relaxationszeit beträchtlich länger als der Zeitraum des Zusammenbrechens der Spannung an den Speiseklemmen ist.

3. Schutzanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschließtransistor (8) in den nicht leitenden Zustand mittels einer Schaltung (7) zurückführbar ist, deren Zeitkonstante oberhalb der Relaxationszeit der Flip-Flop-Schaltung liegt.

4. Schutzanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführung des Kurzschließtransistors (8) in den nicht leitenden Zustand progressiv ist.

5. Schutzanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Verwendung der Schutzanordnung zur Umformung einer elektrischen Stromquelle in eine elektrische, in explosiven Atmosphären einsetzbaren Sicherheitsstromquelle.