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Anordnung zur Überwachung von elektrischen Einrichtungen
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aut die Ausbildung eines oder mehrerer Lichtböen Die Erfindung bezieht
sich auf eine Anordnung zur Überfachung von elektrischen Einrichtungen auf die Ausbildung
eines oder mehrerer Lichtbögen mit mindestens einem photoelektrischen Empfänger
für den Empfang der Lichtbogenstrahlung.
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Lichtbögen werden in vielfältiger Weise zum Schmelzen oder Schweißen
von Metallen eingesetzt. Sie treten jedoch auch häufig als Kurzschlüsse oder Erdschlüsse
in elektrischen Einrichtungen, beispielsweise der Energieverteilung,
auf
und ve,ursachen durch eine starke Erhitzung der mit Lichtbögen in Berührung kommenden
Teile deren Zerstörung durch Verdampfung und Materialwanderung. Um solche Zerstörungen
zu vermeiden, ist es erforderlich, die Energieeinspeisung in den bzw. die Lichtbögen
abzuschalten.
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Das Auftreten von Lichtbögen wird durch die Messung der auf den Leitungen
fliegenden Ströme und den anstehenden Spannungen festgestellt. Voraussetzung ist
hierbei, daß die Lichtbogenstromkomponente infolge eines niedrigen Widerstands des
Lichtbogens sehr viel größer als die übrigen auf den Leitungen flieRendea Ströme
ist. Liegen diese Voraussetzungen nicht vor, dann läßt sich ein Lichtbogen nicht
feststellen.
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Es ist bekannt, Lichtbögen ohne Strom- und Spannungsmessung nit einem
photoelektrischen Empfänger zu überwachen, der von der Lichtbogenstrahlung beaufschlagt
wird. Dieser Empfänger speist einen Verstärker, an den über einen Impulstransformator
eine Zwei:-ichturgs- Thyristortriode angeschlossen ist. Bei Zündung der Thyristortriode
wird ein Relais betätigt, über das eine Abschaltung ausgelöst werden kann. Die bekannte
Anordnung wird zur Überwachung von Innenraum-Schaltanlagen eingesetzt. Durch die
Einstellung einer Ansprechempfindlichkeit und durch eine geeignete räumliche Anordnung
im Innern der Schaltanlage soll ein sicheres Ansprechen bei Störlichtbögen erreicht
und ein unbeabsichtigtes Ansprechen bei Tageslicht oder künstlicher Beleuchtung
vermieden werden (ASEA-Zeitschrift
1977, Jahrgang 22 Heft 1, Seite
9 bis 12).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Anordnung der eingangs
erwähnten Gattung derart weiterzuentwickeln, daß die Ansprechempfindlichkeit für
Lichtbogenstrahlung verbessert und die Beeinflussbarkeit durch Störlicht vermindert
wird.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an den Empfänger
eine Differenzier- und Integrierschaltung angeschlossen ist, mit der ein Verstärker
verbunden ist. An Stelle von absojuten Helligkeitswerten wird bei dieser Anordnung
die Änderung der Helligkeit überwacht. Diese Änderungen müssen für eine gewisse
Zeit vorhanden sein, bevor eine Meldung ausgelöst wird.
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Es hat sich gezeigt, dEß durch die Überwachung der Helligkeits änderung
und der Aufsummierung der Änderungen eine sichere Erfassung von Lichtbögen mit einfachen
Mitteln möglich ist. Vorteilhaft ist besonders, daß mehrere Photoempfänger parallel
angeschlossen werden können, ohne daß durch ggf. vorhandenes Grundlicht die Verstärkung
angepaßt werden muß.
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Vorzugsweise ist dem Verstärker ein über einen Tastschalter zurücksetzbarer
Speicher nachgeschaltet. Bei dieser Anordnung bleibt eine durch einen Lichtbogen
ausgelöste Meldung bis zur Quittierung durch die Betätigung des Tastschalters erhalten.
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Selbst wenn ein Lichtbogen nur kurzzeitig ansteht, weil er z.B. durch
das Ansprechen eines Schalters unterbrochen wird, ermöglicht diese Anordnung nachträglich
die Feststellung, ob eine Störung vorhanden war. Der Speicher, dem ein Analogsignal
zugeführt wird, hat eine Ansprechschwelle. Signal-
ånderllngen,
die kleiner als diese Schwelle sind, werden nicht gespeichert.
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Eine bevorzugte Ausführungsform besteht darin, daß die Differenzier-
und Integrierschaltung ein Differenzier- und ein Integrierglied enthält, die je
aus einem Widerstand und einem Kondensator zusammengesetzt sind. Diese Anordnung
zeichnet sich durch ihren einfachen Aufbau aus.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist der photoelektrische Empfänger
über eine geschirmte Leitung an die Differenzier-und Integrierschaltung angeschlossen.
Durch diese Anordnung lassen sich Störungen von Überspannungen oder Kurzschlußströmen
in benachbarten Energieversorgungsleitungen vermeiden.
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Der photoelektrische Empfänger kann deshalb auch entfernt von einer
die Differenzier- und die Integrierschaltung und den Verstärker enthaltenden Auswerteinrichtung
angeordnet sein.
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Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn am Aufstellungsort des
photoelektrischen Empfängers nur wenig Raum verfügbar ist. Die Auswerteinrichtung
kann an einem leicht zugänglichen Ort installiert werden, wodurch die Wartung erleichtert
wird.
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Bei einer günstigen Ausführungsform ist vorgesehen, daß dem Speicher
ein Relais und/oder eine Leuchtanzeige nachgeschaltet sind.
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Die Erfindung wird im folgenden an <Iand von in einer Zeichnung
dargestellten
Ausführungsformen näher erläutert, aus denen sich weitere Merkmale sowie Vorteile
ergeben.
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Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Überwachung
von elektrischen Einrichtungen auf die Ausbildung von Lichtbögen, Fig. 2 die in
Fig. 1 dargestellte Anordnung im einzelnen.
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Ein photoelektrischer Empfänger 1 bildet einen Detektor für Lichtbögen.
Der Empfänger 1 wird an der zu überwachenden elektrischen Einrichtung angebracht.
Bei einer gekapselten innenraum-Schaltanlage befindet sich der Empfänger 1 im Inneren
eines Schaltanlagenschranks. Der Empfänger 1 kann als Phototransistor 8 ausgebildet
sein, der in einer Sunststoffhalterung eingebettet ist. Zweckmäßigerweise sind vor
;'em Phototransistor 8 eine Optik, z.B. eine Linse, oder ein Tubus angeordnet. Diese
nicht dargestellten Bauteile best@@mmen das Gesichtsfeld des Phototransistors 8.
Ein Öffnungswinkel von 800 des Gesichtsfelds reicht zumeist aus.
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Den photoelektrischen Empfänger 1 ist in einer Differenzier-und Inzerierschaltung
9 ein Differenzierglied 2 nachgeschaltet, an das ein Integrierglied 3 angeschlossen
ist. Das Integrierglied 3 speist einen Eingang eines Verstärkers 4, dessen ze«ter
Eingang an eine Potentialquelie 7 gelegt ist. Mit dem Verstärker 4 ist ein Speicher
6 verbunden, der an einen Tastschalter 5 angeschlossen~ist. Der Tastschalter 5 dient
9 Zurücksetzen des Speichers 6. Die
Potentialquelle legt den Arbeitspunkt
des Verstärkers 4 fest.
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Der Speicher 6, dessen Eingang von einem Analogsignal beaufschlagt
ist, hat eine Ansprechschwelle. Der photoelektrische Empfänger t wird durch auftreffendes
Licht in den leitenden Zustand versetzt. Das Differenzierglied 2 gibt ein der Anderung
des Lichtintensität proportionales Signal an das Integrierglied 3 weiter, in dem
das Ausgangssignal des Differenzierglieds 2 aufsummiert wird. Das Ausgangssignal
des Integrierglieds 3 wird über den Verstärker 4, dessen Verstärkung durch ein Potentiometer
25 einstellbar ist, verstärkt. Ist der erzeugte negative Impuls am Verstärkerausgang
grösser als die Schwelle des Speichers 6, so wird das Signal gespeichert, wobei
am Speicherausgang eine entsprechende Meldung zu Verfügung steht.
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Mit der in Fig. 1 dargestellten Anordnung wird die Änderung der Bestrahlungsstärke
am Empfänger 1 ausgewertet, um die von einem Lichtbogen erzeugte Strahlung von Strahlen
anderer Lichtquellen zu unterscheiden. Als weiteres Unterscheidungskriterium kommt
die Integration des Ånderungssignals hinzu. Der Verstärker 4 erzeugt also nur dann
ein speicherbares Signal, wenn eine starke Änderung der Bestrahlungsstärke mindestens
innerhalb kürzerer Zeit oder geringere Änderungen innerhalb einer etwas längeren
Zeit erfolgen. Das Zeitintegral der änderung muß lm«er, durch den einstellbaren
Verstärker 4 verstärkt, die vorgegebene Schwelle des Speichers 6 übersteigen.
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Der in Fig. i gezeigte prinzipielle Aufbau der Anordnung zur Überwachung
eLektrischer Einrichtungen auf Lichtbogenstörungen ist in Fig. 2 im einzelnen dargestellt.
Als photoelektriscner Ernpfär.ger dient der Phototransistor 8, der beispielsweise
in einem Plastikgehäuse angeordnet ist. Der Phototransistor 8 ist an eine mit einem
Schirm 10 versehene Leitung 11 angeschlossen. Wegen der geringen Abmessungen von
Phototransistor 8 und Gehäuse läßt sich diese Anordnung leicht an den zu überwachen&an
Stellen anbringen. Beispielsweise kann der Phototransistor 8 in einer gekoppelten
nnenraum-Schaltanlage an oder nahe an der Gehäusewand befestigt werden. Zur Überwachung
von Stromschienen läßt ich der Phctotransistor auch mit der optischen Achse in Längsrichtung
der Schienen montieren.
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Die weiteren Teile 9,4,6 sowie mit diesen verbundene Elemente, die
nachfolgend noch erläutert werten, sind zweckmäßigerweise in einem Gehäuse oder
einem Einschub 12 vereinigt, der an einer leicht zugänglichen Stelle angeordnet
sein kann. Die Abschirmung 10 der Leitung 11 schützt diese vor induzierten Störspannsngen.
Der Phototransistor 8 kann also in großer Entfernung vom Einschub 12 angeordnet
sein, ohne daß Störspannungen am Einschub 12 einen Lichtbogen vortäuschen. Die Leitung
10 ist an die Klemmen 13,i4 des Einschubs 12 angeschlossen. Im Einschub 12 steht
mit der Klemme 13 eine Leitung 5 in Verbindung, der eine Betriebsgleichspannung,
z.B.
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24 Volt, von außen über eine weitere Klemme 16 zugeführt wird.
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Zwischen der Klemme 14 und Massepotential ist ein Widerstand 17 angeordnet,
der den Arbeitswiderstand für den Phototransistor 8 bildet. Weiterhin ist der Klemme
14 ein Kondensator 18, der die Kapazität C1 hat1 und ein Widerstand 19 mit dem Widerstandswert
R2 nach geschaltet. Der Kondensator 18 und der Widerstand 19 sind in Reihe gelegt.
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Mit dem Widerstand 19 ist ein Anschluß eines Kondensators 20 verbunden,
dessen zweiter Anschluß an Masse liegt. Der Kondensator 20 hat die Kapazität C2.
Weiterhin steht mit dem Widerstand 19 ein Widerstand 21 in Verbindung, der an den
invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers 22 angeschlossen ist. Der zweite
nichtinvertierende Eingang des Differenzverstärkeres 22 ist an den Abgriff eines
aus den Widerständen 23, 24 bestehenden Spannungsteilers gelegt, der zwischen die
Leitung 15 und Masse geschaltet ist. Der Ausgang des Differenzverstärkers 22 ist
über einen Widerstand 25, der vorzugsweise als Potentiometer ausgebildet ist, auf
den invertierenden Eingang zurückgekoppelt.
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Der Ausgang des Differenzverstärkers 22 speist über einen Widerstand
38 den nichtinvertierenden Eingang eines zweiten Differenzverstärkers 27, dessen
invertierender Eingang an den Abgriff eines aus den Widerständen 39 und 40 bestehenden
Sangsteilers angeschlossen ist, der über die Leitung 15 Ult 5nal:nunng versorgt
wird. Dem Ausgang des Differenzverstärkers 27 ist die Spule eines Relais 28 nachgeschaltet,
das einen
an Klemmen 29,30 des Einschubs 12 gelegten Arbeitskontakt
31 aufweist. Parallel zur Relaisspule liegt eine nicht näher bezeichnete Diode.
In Reihe mit der Spule des Relais 28 ist eine Leuchtdiode 32 geschaltet. Zwischen
dem invertierenden - ang des Differenzverstärkers 27 und Masse ist ein Kondensator
33 angeordnet, zu dessen Anschlüssen der Tastschalter 5 parallel liegt. Der Ausgang
des Differenzverstärkers 27 ist ber eine Uiode 34 und eine Zenerdiode 35 auf den
nichtinvertierenden Eingang zurückgekoppelt. Die Anoden der Dioden 34 und 35 sind
miteinander verbunden. Zwischen der Leitung 15 und Masse ist ein Kondensator 36
angeordnet. Der Widerstand 25 ist einstellbar ausgebildet. Die Widerstände 19,21
und 25 haben zusammen den Widerstandswert R1, der zur Anpassung der Verstärkung
an die Speicherschwelle verändert werden kann.
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Der Konèensator 18 und die Widerstände 21,19 bilden das D>fferenzierglied
2. Das Integrierglied 3 setzt sich aus dem TiWiderstand 19 und dem Kondensator 20
zusammen. Der Verstärker 4 besteht aus dem Differenzverstärker 22 und den Widerständen
23,24,25 Der Speicher Ó wird vom Differenzverstärker 27, dem zugenörigen Spannungsteiler,
bestehend aus den Widerständen 39 und 40, dem Widerstand 38, den Dioden 34,35 und
dem fondensator 33 gebildet.
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We der Phototransistor 8 nicht von einem sich ändernden Licht eines
Lichtbogens bestrahlt wird, ist der durch den Kondensator 18 fliessende Strom null.
Die am invertierten Eingang des Differenzverstärkers 22 auftretende integrierte
Spannung
ist daher ebenfalls null. Am Ausgang des Verstärkers 22 steht deshalb eine durch
den Spannungsteiler (Widerstände 23,24) bedingte Spannung zur Verfügung, die auch
am nichtinvrtierenden Eingang des Differenzverstärkers 27 ansteht und höher ist
als die am invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 27 anliegend (durch Spannungsteiler
39,40). Daderch führt der Ausgang des Differenzverstärkers 27 e.e hohe Spnnung.
Das Relais 28 ist deshalb abgefallen.Bei Änderungen der Beleuchtungsstärke (Zunahme)
am Phototransistor 8 durch einen Lichtbogen fließt durch den Kondensator 18 ein
Strom der nach Integration durch den Kondensator 20 eine Spannung am invertierenden
Eingang erzeugt. Dia Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 22 fällt deshalb
ab. Diese Spannung unterschreitet die am invertierenden Eingang es Differenzverstärkers
27 herrschende Spannung, so daß am Ausgang eine nicdrige Spannung auftritt. Dadurch
zieht das Relais 28 an und schließt den Kontakt 31. Es steht daher eine Meldung
über das Auftreten eines Lichtbogens zur Verfügung. Dies wird auch optisch durch
die Leuchtdiode 32 angezeigt.
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huber den die Dioden 35,34 enthaltenden Rückkopplungszweig wir die
Spannung am nichtinvertierenden Eingang niedrig gehalten, so daß unabhängig von
Schwankungen der Ausgangsspannung Le Di£2erenzverstärkers 22 die Meldung erhalten
bleibt. Die Meldung steht somit auch dann noch an, wenn der Lichtbogen gelöscht
ist.
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Wenn die Meldung nach dem Verschwinden des Lichtbogens zurückgenommen
werden
sol, wird der Tastschalter 5 betätigt.
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Durch den Kurzschluß des Kondensators 33 wird die Spannung am invertierenden
Eingang des Differenzverstärkers 27 so stark erniedrigt, daß am Ausgang wiederum
ein hoher Spannungspegel auftritt, durch den das Relais 28 abfällt und die Diode
32 kein Licht mehr aussendet.
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Vorzugsweise beträgt die Zeitkonstante R1 x C1 etwa eine Millisekunde.
Die Zeitkonstante R2 x C2 liegt zweckmäßigerweise in der gleichen Grössenordnung.
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An die Klemmen 13,14 können auch mehrere Phototransistoren 8 parallel
angeschlossen werden. Um ein schnelles Anziehen des Relais sicherzustellen, wird
im Einschaltaugenblick des Relais ber den Kondensator 26 übererregt. Nach der Anzugsphase
wird der Haltestrom über den Widerstand 41 begrenzt. Um bei Versorgungsspannungseinbrüchen
die Funktion des Gerätes sicherzustellen, weist der Kondensator 36 eine hohe Kapazität
auf.
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Die Diode 37 dient als Verpolungsschutz und der Vergrösserung der
Entladezeitkonstanten des Kondensators 36.