DE2840790C2

DE2840790C2 - Anordnung zur Überwachung von elektrischen Einrichtungen auf die Ausbildung eines oder mehrerer Lichtbögen

Info

Publication number: DE2840790C2
Application number: DE19782840790
Authority: DE
Inventors: Harald Ing.(grad.) 6453 Seligenstadt Stahl
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1978-09-20
Filing date: 1978-09-20
Publication date: 1983-08-04
Also published as: DE2840790A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Überwachung von elektrischen Einrichtungen auf die Ausbildung eines oder mehrerer Lichtbogen mit mindestens einem photoelektrischen Empfänger für den Empfang der Lichtbogenstrahlung, einem Verstärker und einer Ausgangsstufe.

Lichtbogen 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 verursachen durch eine starke Erhitzung der mit Lichtbogen in Berührung kommenden Teile deren Zerstörung durch Verdampfung und Materialwanderung. Um solche Zerstörungen zu vermeiden, ist es erforderlich, die Energieeinspeisung in den bzw. die Lichtbogen abzuschalten.

Das Auftreten von Lichtbogen wird durch die Messung der auf den Leitungen fließenden 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 fließenden Ströme ist Liegen diese Voraussetzungen nicht vor, dann läßt sich ein Lichtbogen nicht feststellen.

Es ist bekannt, Lichtbögen ohne Strom- und Spannungsmessung mit einem photoelektrischen Empfänger zu überwachen, der von der Lichtbogenstrahlung beaufschlagt wird. Dieser Empfänger speist einen Verstärker, an den über einen Impulstransformator eine Zweirichtungs-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 Einstelfi mg 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).

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.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen dem Empfänger und dem Verstärker eine Differenzier- und Integrierschaltung eingefügt ist. Anstelle von absoluten Helligkeitswerten wird bei dieser Anordnung die Änderung der Helligkeit überwacht Diese Änderungen müssen für eine gewisse Zeit vorhanden sein, bevor eine Meldung ausgelöst wird. Es hat sich gezeigt, daß durch die Überwachung der Helligkeitsänderung 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.

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. 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 eme Störung vorhanden war. Der Speicher, dem ein Analogsignal zugeführt wird, hat eine Ansprechschwelle. Signaländerungen, die kleiner als diese Schwelle sind, werden nicht gespeichert.

Eine bevorzugte Ausführungsform besteht darin, daß die Differenzier- und Integrierschaltung ein Differenzier- und ein Integrierglied enthält, wobei das Differenzierglied aus Widerständen und einem Kondensator und das Integrierglied aus einem Widerstand und einem Kondensator besteht. Diese Anordnung zeichnet sich durch ihren einfachen Aufbau aus.

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. Der photoelektrische Empfänger kann deshalb auch entfernt von einer die Differenzier- und die Integrierschaltung und den Verstärker enthaltenden

Auswerteinrichtung angeordnet sein. 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.

Bei einer günstigen Ausführungsform ist vorgesehen, daß dem Speicher ein Relais und/oder eine Leuchtanzeige nachgeschaltet sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Überwachung von elektrischen Einrichtungen auf die Ausbildung von Lichtbögen,

F i g. 2 die in F i g. 1 dargestellte Anordnung im einzelnen.

Ein photoelektrischer Empfänger 1 bildet einen Detektor für Lichtbogen. Der Empfänger 1 wird an der zu überwachenden elektrischen Einrichtung angebracht Bei einer gekapselten Innenraum-Schaltanlage befindet Anordnung zur Überwachung elektrischer Einrichtungen auf Lichtbogenstörungen ist in F i g. 2 im einzelnen dargestellt Als photoelektrischer Empfänger dient der Phototransistor 8, der beispielsweise in einem Plastikgehäuse angeordnet ist Der Phototransistor 8 ist an eine mit einem Schirm 10 versehene Zweidrahtleitung 11 angeschlossen. Wegen der geringen Abmessungen von Phototransistor 8 und Gehäuse läßt sich diese Anordnung leicht an den zu überwachenden Stellen anbringen. Beispielsweise kann der Phototransistor 8 in einer gekoppelten Innenraum-Schaltanlage an oder nahe an der Gehäusewand befestigt werden. Zur Überwachung von Stromschienen läßt sich der Phototransistor auch mit der optischen Achse in Längsrich-

^!"' tung der Schienen montieren.

Die weiteren Teile 9, 4, 6 sowie mit diesen verbundene Elemente, die nachfolgend noch erläutert werden, sind zweckmäßigerweise in einem Gehäuse oder einem Einschub 12 vereinigt, der an einer leicht zugänglichen Stelle angeordnet sein kann. Die Abschirmung 10 der Zweidrahtleitung 11 vhützt diese vor

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schranks. Der Empfänge r l kann als Phototransistor 8 ausgebildet sein, der in einer Kunststoffhalterung eingebettet ist Zweckfnäßigerweise sind vor dem Phototransistor 8 eine Optik, z. B. eine Linse, oder ein Tubus angeordnet Diese nicht dargestellten Bauteile bestimmen das Gesichtsfeld des Phototransistors 8. Ein öffnungswinkel von 80° des Gesichtsfelds reicht zumeist aus.

Dem photoelektrischen Empfänger 1 ist in einer Differenzier- und Integrierschaltung 9 ein Differenzierglied 2 nachgeschaltet an das ein Integrierglied 3 angeschlossen ist Das Integrierglied 3 speist einen Eingang eines Verstärkers 4, dessen zweiter Eingang an eine Potentialquelle 7 gelegt ist. Mit dem Verstärker 4 ist ein Speicher 6 verbunden, der an einen Tastschalter 5 angeschlossen ist. Der Tastschalter 5 dient zum Zurücksetzen des Speichers 6. Die Potentialquelle legt den Arbeitspunkt des Verstärkers 4 fest. Der Speicher 6, dessen Eingang von einem Analogsignal beaufschlagt ist, hat eine Ansprechschwelle. Der photoelektrische Empfänger 1 wird durch auftreffendes Licht in den leitenden Zustand versetzt. Das Differenziergüed 2 gibt ein der Änderung der Lichtintensität proportionales Signal an das Integrierglied 3 weiter, in dem das Ausgangssignal des Differenzierglieds 2 aufsummiert wird. Das Ausgangssigni-I des Integrierglieds 3 wird über den Verstärker 4, dessen Verstärkung durch ein Potentiometer 25 einstellbar ist, verstärkt. Ist der erzeugte negative Impuls «im Verstärkerausgang größer als die Schwelle des Speichers 6, so wird das Signal gespeichert, wobei am Speicherausgang eine entsprechende Meldung zu Verfügung steht.

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 Änderungssignals 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 immer, durch den einstellbaren Verstärker 4 verstärkt, die vorgegebene Schwelle des Speichers 6 übersteigen.

Der in Fig. I gezeigte prinzipielle Aufbau der

kann also in großer Entfernung vom Einschub 12 abgeordnet sein, ohne daß Störspannungen am Einschub 12 einen Lichtbogen vortäuschen. Die Zweidrahtleitung 11 ist an die Klemmen 13, 14 des Einschubs 12 angeschlossen. Im Einschub 12 steht mit der Klemme 13 eine Leitung 15 in Verbindung, der eine Betriebsgleichspannung, z. B. 24 Volt, von außen über eine weitere Klemme 16 zugeführt wird.

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 Q hat, und ein Widerstand 19 mit dem Widerstandswert A₂ nachgeschaltet. Der Kondensator 18 und der Widerstand 19 sind in Reihe gelegt

Mit dem Widerstand 19 ist ein Anschluß eines Kondensators 20 verbunden, dessen zweiter An'=chlu3 an Masse liegt Der Kondensator 20 hat die Kapazität C₂. Weiterhin steht mit dem Widerstand 19 ein Widt: ."stand 21 in Verbindung, der an den invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers 22 angeschlossen ist. Der zweite nichtinvertierende Eingang des Differenzverstärkers 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.

Der Ausgang des Differenzverstärkers 22 speist über einen Widerstand 38 den. nichtinvertierenden Eingang eines r-veiten Differenzverstärkers 27, dessen invertierender Eingang an den Abgriff eines aus den Widerständen 39 unri 40 bestehenden Spannungsteilers angeschlossen ist, der über die Leitung 15 mit Spannung 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 Eingang des Differenzverstärkers 27 und Masse ist ein Kondensator 33 angeordnet, zu deswn Anschlüssen der Tastschaltsr 5 parallel liegt. Der Ausgang des Differenzverstärkers 27 ist über eine Diode 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 R\, der zur Anpassung der Verstärkung an die Speicherschwelle verändert werden kann.

Der Kondensator 18 und die Widerstände 21, 19 bilden das Differenzierglied 2. Das Integrierglied 3 setzt sich aus dem Widerstand 19 und dem Kondensator 20 zusammen. Der Verstärker 4 besteht aus dem Differenzverstärker 22 und den Widerständen 23,24,25. Der Speicher 6 wird vom Differenzverstärker 27, dem zugehörigen Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen 39 und 40, dem Widerstand 38, den Dioden 34, 35 und dem Kondensator gebildet.

Wenn 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 nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers

27 ansteht und höher ist als die am invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 27 anliegende (durch Spannungsteiler 39,40). Dadurch führt der Ausgang des Differenzverstärkers 27 eine hohe Spannung. 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. Die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 22 fällt deshalb ab. Diese Spannung

unterschreitet die am invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 27 herrschende Spannung, so daß am Ausgang eine niedrige 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.

Über den die Dioden 35, 34 enthaltenden Rückkopplungszweig wird die Spannung am nichtinvertierenden Eingang niedrig gehalten, so daß unabhängig von Schwankungen der Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 22 die Meldung erhalten bleibt. Die Meldung steht somit auch dann noch an, wenn der Lichtbogen gelöscht ist.

Wenn die Meldung nach dem Verschwinden des Lichtbogens zurückgenommen werden soll, wird der Tastschalter 5 betätigt. 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.

Vorzugsweise beträgt die Zeitkonstante R\ ■ Q etwa eine Millisekunde. Die Zeitkonstante /?2 · Ci liegt zweckmäßigerweise in der gleichen Größenordnung.

An die Klemmen 13, 14 können auch mehrere Phototransistoren 8 parallel angeschlossen werden. Um ein schnei'es Anziehen des Relais sicherzustellen, wird im Einschaltaugenblick des Relais über 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. Die Diode 37 dient als Verpolungsschutz und der Vergrößerung der Entladezeitkonstanten des Kondensators 36.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Überwachung von elektrischen Einrichtungen auf die Ausbildung eines oder mehrerer Lichtbögen mit mindestens einem photoelektrischen Empfänger für den Empfang der Lichtbogenstrahlung, einem Verstärker und einer Ausgangsstufe, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Empfänger (1; 8) und dem Verstärker (4; 22, 23,24, 25) eine Differenzier- und Integrierschaltung (9; 18,19,20,21) eingefügt ist

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verstärker (4; 22, 23, 24, 25) ein über einen Tastschalter (5) zurücksetzbarer Speicher (6; 27,34,35,33,38,39,40) nachgeschaltet ist ,

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzier- und Integrierschaltung (9) ein Differenzier- und ein Integrierglied (2, 3) enthält, wobei das Differenzierglied aus Widerständen (19, 21) und einem Kondensator (18) und das Inissrierglied aus einem Widerstand (19) und einem Kondensator (20) besteht

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante des Differenzierglieds (2) etwa eine Millisekunde beträgt und die Zeitkonstante des Integrierglieds in der gleichen Größenordnung liegt.

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet daß der photoelektrische Empfänger (1; 8) über eine geschirmte _J0 Leitung (10, Jl) an die Differenzier- und Integrierschaltung (9) angeschlossen ist.

6. Anordnung nach Anspruch 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet daß dem Speicher (6; 27, 34, 35, 33, 38, 39, .'O) ein Relais (28) und/oder eine Leuchtanzeige (32) nachgeschaltet ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Relais an einen Energiespeicher (26) angeschlossen ist.

8. Anordnung nach Ansprach 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (6) aus einem rückgekoppelten Differenzverstärker (27) besteht, dessen einer Eingang mit einem Spannungsteiler (39,40) verbunden ist.

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