DE4006259C2 - Schaltungsanordnung zum Detektieren von Lichtbogenüberschlägen in elektrischen Kabeln - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Detektieren von Lichtbogenüberschlägen in elektrischen Ka­ beln.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf das Detektieren von Lichtbogenüberschlägen in der elektrischen Verkabelung von Flugzeugen, in denen die Verkabelung normalerweise unzu­ gänglich in Kabelkanälen oder hinter Trennwänden unterge­ bracht ist, so daß die Lichtbogenüberschläge bis zum Auftre­ ten eines völligen Kabelausfalls und/oder dem Ausbruch eines Feuers nicht entdeckt werden können.

Eine der Schwierigkeiten beim Detektieren solcher Lichtbo­ genüberschläge in elektrischen Kabeln, die eine Folge von Stromstößen mit variabler Amplitude im Kabelstrom erzeugen, besteht darin, daß der während des Lichtbogenüberschlages im Kabel fließende Spitzenstrom unterhalb des Pegels bleiben kann, der zum Auflösen eines üblichen Stromkreisunter­ brechers notwendig ist, der der Verkabelung zugeordnet ist. Außerdem müssen gewisse Stromstöße in der Verkabelung wäh­ rend des Anlassens elektrischer Anlagen, beispielsweise Elektromotoren, zugelassen werden, ohne daß die Schaltung durch Ansprechen des Ausschalters ausgelöst wird.

Aus der DE 32 37 648 A1 ist eine Hochspannungsschaltanlage be­ kannt, in der Störlichtbogenentladungen erkannt werden kön­ nen. Die Hochspannungsanlage ist dabei metallgekapselt und mit einem Isoliermittel gefüllt. Die Erfassung der Stör­ lichtbogenentladung auf optischem Wege unter Verwendung eines Lichtleiters.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsan­ ordnung der eingangs angegebenen Art derart auszugestalten, daß sie mit einfachen elektrischen Mitteln Lichtbogenüber­ schläge in elektrischen Kabeln zuverlässig erkennen kann und dabei Stromstöße, die auf normale Betriebszustände zurückzu­ führen sind, ohne Ansprechen zuläßt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Dis­ kriminator zum Unterscheiden zwischen normalen, zulässigen, relativ kurzen Stromstößen in der Verkabelung und relativ langen oder kontinuierlichen Stromstößen aufgrund von Licht­ bogenüberschlägen in dem Kabel, und Schaltmitteln, die ab­ hängig von einem Ausgangssignal des Diskriminators, wenn dieser Lichtbogenüberschläge im Kabel feststellt, das Ab­ trennen der Energieversorgung vom Kabel bewirkt und auch abhängig von Kurzschlußzuständen oder langen hohen Über­ strombedingungen in der Verkabelung die Energieversorgung vom Kabel abtrennt, wobei der Diskriminator eine Differen­ zierschaltung enthält, auf die eine Integrationsschaltung folgt, wodurch Stromstöße im Kabelstromkreis identifiziert und resultierende Ausgangsimpulse aus der Differenzierschal­ tung von der Integrationsschaltung integriert oder addiert werden, damit ein Ausgangssignal in Form einer Strungfunk­ tion erzeugt wird, das die festgestellten Stromstöße im Ka­ bel repräsentiert.

In der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung führen normale Stromstöße mit Übergröße, die während sehr kurzer Zeitperio­ den aufgrund des Anlassens elektrischer Anlagen auftreten, nicht dazu, daß die Integrationsschaltung des Diskriminators ein ausreichend hohes Ausgangssignal erzeugt, das den Auslö­ sevorgang der Schaltmittel hervorruft.

Nach der Erfindung ist die Schaltungsanordnung zum Detektie­ ren von Lichtbogenüberschlägen in elektrischen Kabeln ge­ kennzeichnet durch Diskriminatormittel zum Unterscheiden zwischen normalen, zulässigen, relativ kurzen Stromstößen in der Verkabelung und relativ langen oder kontinuierlichen Stromstößen aufgrund von Lichtbogenüberschlägen in dem Ka­ bel, und Schaltmitteln, die abhängig von einem Ausgangssig­ nal der Unterscheidungsmittel, wenn diese Lichtbogenüber­ schläge im Kabel feststellen, das Abtrennen der Energiever­ sorgung vom Kabel bewirken und auch abhängig von Kurzschluß­ zuständen oder langen hohen Überstrombedingungen in der Ver­ kabelung die Energieversorgung vom Kabel abtrennen.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Un­ terscheidungsmittel eine Differenzierschaltung enthalten, auf die eine Integrationsschaltung folgt, wodurch Stromstöße im Kabelstromkreis identifiziert und resultierende Ausgangs­ impulse aus der Differenzierschaltung von der Integrations­ schaltung integriert oder addiert werden, damit ein Aus­ gangssignal in Form einer Sprungfunktion erzeugt wird, das die festgestellten Stromstöße im Kabel repräsentiert. Auf diese Weise führen normale Stromstöße mit Übergröße, die während sehr kurzer Zeitperioden aufgrund des Anlassens elektrischer Anlagen auftreten, nicht dazu, daß die Integra­ tionsschaltung der Diskriminatormittel ein ausreichend hohes Ausgangssignal erzeugt, das den Auslösevorgang der Schalt­ mittel hervorruft.

Zur Erleichterung des Auslösevorgangs der Schaltmittel bei einem Kurzschluß des elektrischen Kabels oder beim Vorliegen längerer Überstrombedingungen wird der Diskriminator durch einen Kurzschlußdetektor und eine alternative Schaltmittel- Auslöseanordnung umgangen. Gemäß einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, daß die Schaltmittel zum Abtrennen des Ka­ bels von der Energieversorgung eine aktive, sicherungsartige Schaltvorrichtung enthalten, die den Kabelversorgungskreis automatisch wiederherstellt, wenn die Fehlerbedingungen, die den Lichtbogenüberschlag im Kabel verursacht haben, besei­ tigt sind, wobei diese Vorrichtung allein oder zusammen mit einem herkömmlichen Ausschalter verwendet werden kann.

Als Alternative kann vorgesehen sein, daß die Schaltmittel zum Abtrennen des Kabels von der Energieversorgung einen Festkörperschalter enthalten, der allein oder zusammen mit einem herkömmlichen Ausschalter verwendet werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Bezug­ nahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Erfassen von Lichtbogenüberschlägen in elektrischen Kabeln,

Fig. 2 Diagramme von Diskriminatorausgangssignalen für ver­ schiedene Kabelbetriebszustände,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung mit Verwendung eines vorhandenen Stromkreisun­ terbrechers,

Fig. 4 ein Schaltbild einer Gleichstromausführung der Er­ findung unter Verwendung einer kostengünstigen digitalen Logik und MOSFET-Festkörper-Schaltelementen.

Fig. 1 der Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung zum Erfassen von Lichtbogenüberschlägen in elektrischen Kabeln und zum Abtrennen der Kabelstromver­ sorgung beim Auftreten von Lichtbogenüberschlägen, während gleichzeitig gewisse Stromstoßbedingungen (beispielsweise Anlaßstromstoßbedingungen) zugelassen werden, ohne daß ein Abtrennen der Kabelstromversorgung erfolgt. Im Kurzschluß­ fall oder bei kontinuierlichen Hochstrombedingungen wird die Kabelstromversorgung ebenfalls abgetrennt.

In der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung liefert ein elektrisches Kabel 1, das eines von mehreren Kabeln in einer Verkabelung sein kann, Gleichstrom oder Wechselstrom aus einer Gleichstrom- oder Wechselstromquelle 2 zu einer Last 3 (beispielsweise einem Elektromotor). Die Lastschal­ tung enthält einen Festkörperschalter 5 zum Anschließen oder Abtrennen der Last 3 an die bzw. von der Quelle 2. Die Span­ nung an einem Widerstand 6 in der Lastversorgungsschaltung ergibt eine Anzeige des in dem elektrischen Kabel 1 fließen­ den Stroms. Diese Spannung wird an einen Diskriminator 7 angelegt, der zwischen Kabelstromstoßbedingungen, die ein Abtrennen der Last von der Stromversorgung erfordern, und solchen Bedingungen ermöglicht, in deren Verlauf die Last an die Stromversorgung angeschlossen bleiben kann. Der Diskri­ minator Y wird insbesondere dazu verwendet, zwischen norma­ len vorübergehenden Zuständen und jenen Zuständen zu unter­ scheiden, die während Lichtbogenüberschlägen des Kabels auf­ grund von Lichtbogenrückschlägen oder mechanischen Beschädi­ gungen des Kabels auftreten. Die Spannung am Widerstand 6 wird nach Verstärkung durch einen Verstärker in einer Ein­ gangsschaltung 9 des Diskriminators an einen Kurzschlußdetek­ tor 8 angelegt, der die verstärkte Spannung am Widerstand 6 mit einer Bezugsspannung vergleicht, damit Kurzschlüsse oder längere, übermäßig hohe Laststromzustände festgestellt wer­ den; falls notwendig, liefert ein Komparator in dem Detektor ein Ausgangssignal zum Betätigen des Festkörperschalters 5, damit der Laststrom abgeschaltet wird.

Der Lichtbogendetektor des Diskriminators 7 enthält eine RC- Differenzierschaltung 10 mit einem Abklingwiderstand sowie eine RC-Integrationsschaltung 11, die impulsförmige Ausgangs­ signale aus der Differenzierschaltung 10 integriert, damit ein Ausgangssignal in Form einer Sprungfunktion erzeugt wird. Das Ausgangssignal der Integrationsschaltung 11 wird an einen Komparator 12 angelegt, der einen geeignet eingestellten Re­ ferenzeingang aufweist, der einen Auslösepegel für den Be­ trieb des Festkörperschalters 5 festlegt.

Aus Fig. 2 der Zeichnung ist zu erkennen, daß die elektri­ schen Ausgangssignale an den Punkten A, B, C, D und E in der Schaltung von Fig. 1 für verschiedene Kabelzustände darge­ stellt sind, nämlich für die Zustände Normalstrom, zulässi­ ger Überstrom, Kurzschluß und Lichtbogenüberschlag. Das Aus­ gangssignal am Punkt C der Schaltung hat einen Verlauf, der eine Anstiegskennlinie aufgrund der Integrationswirkung er­ gibt, die aufgrund der Wirkung des Abklingwiderstandes ab­ klingt. Aus Fig. 2 ist zu erkennen, daß nur Lichtbogenüber­ schlagzustände ein Ausgangssignal des auf die Integrations­ schaltung 11 folgenden Komparators erzeugen, das das Auslösen des Festkörperschalters 5 bewirkt. Diese Schaltung spricht nicht notwendigerweise auf Kurzschlüsse an, da das Auslöse­ signal anfänglich durch Differenzieren des Stromanstiegs er­ zeugt wird; es kann sein, daß es nach der Integration den Auslösepegel nicht erreicht. Bei einem Kurzschluß oder bei Überlastungszuständen mit unzulässig hohem Strom liefert der Kurzschlußdetektor 8 jedoch ein Ausgangssignal, das die Dif­ ferenzierschaltung, den Integrator und den Komparator umgeht, damit der Festkörperschalter 5 betätigt wird und das Abtren­ nen der Last 3 von der Versorgungsquelle 2 herbeigeführt wird.

Die Anordnung zum Detektieren von Kabellichtbogendurchschlä­ gen, die hier beschrieben wird, kann sowohl in Wechselstrom­ schaltungen als auch in Gleichstromschaltungen angewendet werden, und sie kann mit relativ einfachen Schaltungsmitteln verwirklicht werden.

Wie oben erwähnt wurde, soll mit Hilfe der Erfindung ein Schutz gegen Fehler geschaffen werden, die auf Lichtbogen­ überschläge zurückzuführen sind. Es ist möglich, eine Licht­ bogenerkennungsschaltung zu schaffen, die vorhandene Strom­ kreisunterbrecher einbezieht, so daß mit der beschriebenen Schaltung die Fähigkeit zum Unterbrechen beim Auftreten von Lichtbogenüberschlägen zum vorhandenen Schutz hinzugefügt wird, der durch einen herkömmlichen Stromkreisunterbrecher bewirkt wird. Eine solche Anordnung mit einem Stromkreisun­ terbrecher 13 ist in Fig. 3 dargestellt. In diesem Fall kann es von Vorteil sein, dafür zu sorgen, in die Anordnung das Merkmal des automatischen Wiederschließens einzubeziehen, so daß im Falle der Fehlerbeseitigung die Schaltung wieder zu­ rückgestellt werden kann. Dies kann insbesondere in einem Flugzeug von Vorteil sein, in dem Kabelbeschädigungen aufge­ treten sind.

In der in Fig. 4 der Zeichnung dargestellten kostengünstigen Gleichstromausführung der beschriebenen Schaltungsanordnung, die keine Verstärkung erfordert, wird zum Bestimmen des Mo­ mentanwerts des in der Lastschaltung fließenden Stroms der Spannungsabfall an einem MOSFET-Schaltelement PSD in dessen leitendem Zustand ausgenutzt. Das Ausgangssignal eines NOR- Glieds GA1 steuert die Steuerelektrode des Leistungsschalt­ elements PSD. Gemäß der Wahrheitstabelle des NOR-Glieds GA1 müssen beide Eingänge a und b an einer den Signalwert 0 re­ präsentierenden Spannung liegen, damit am Ausgang c eine dem Signalwert 1 entsprechende Spannung erzeugt wird, die die Steuerelektrode des Leistungsschaltelements PSD schaltet. Die Eingänge des NOR-Glieds GA1 sind über RC-Glieder R2, R3 und R2, R6 mit dem Punkt d verbunden und an ein weiteres NOR-Glied GA2 angeschlossen, das seinerseits von einem ma­ nuell zu betätigenden Schalter s oder von einer Systemquelle gesteuert werden kann.

Der Betrieb der Schaltung wird bei Betrachtung des Schließens des Schalters s bis zum normalen Vollastzustand beschrieben.

An den Punkt d wird von der niederohmigen Quelle aus dem vorangehenden NOR-Glied GA2 eine den Signalwert 1 repräsen­ tierende Spannung angelegt. Zum Schließen des Energieversor­ gungsstromkreises wird am Punkt d eine den Signalwert 0 re­ präsentierende Spannung erzeugt; aufgrund der Wirkung der Kondensatoren C3 und C6 wird der Wert dieser Spannung an­ fänglich an den Punkten a und b aufrechterhalten. Das Anle­ gen der zwei den Signalwert 0 repräsentierenden Spannungen an die Punkte a und b bewirkt das Auftreten einer den Si­ gnalwert 1 repräsentierenden positiven Spannung am Ausgang c und an der Steuerelektrode des Leistungsschaltelements PSD, das daher in den Schließzustand übergeht.

Falls im System ein Kurzschluß auftritt, steigt die Spannung am Punkt g steil an, und der Kondensator C3 lädt sich schnell auf, während der Punkt b auf den den Signalwert 1 repräsen­ tierenden Spannungswert ansteigt, was ihrerseits das Erzeu­ gen einer den Signalwert 0 repräsentierenden Spannung am Punkt c zur Folge hat, der das Leistungsschaltelement PSD öffnet. Zum erneuten Schließen muß der Eingang des NOR- Glieds GA1 wieder auf einen positiven Wert gelegt werden. Wenn das Schließen im Anschluß an einen Kurzschluß versucht wird, wird die Spannung am Punkt g ausreichend lange auf­ rechterhalten, damit der Kondensator C3 auf den Pegel des Signalwerts 1 aufgeladen wird und das Leistungsschaltelement PSD auslöst oder dessen Schließen verhindert. Wenn (bei ge­ schlossenem Leistungsschaltelement PSD) auf Lichtbogenüber­ schläge zurückzuführende Stromstöße im Kabel vorhanden sind, werden die Stromänderungen am Punkt h festgestellt, wobei die Spule L vorzugsweise deshalb eingefügt ist, damit die Spannung aufgrund der Gegen-EMK vergrößert wird. Die auf die Lichtbogenüberschläge zurückzuführenden Spannungen werden vom Kondensator C10 differenziert und vom Gleichrichter RC gleichgerichtet. Die resultierenden unidirektionalen Impulse werden zum Aufladen des Kondensators C8 benutzt, der als Integrator wirkt und eine Spannung V1 erzeugt. Wenn diese Spannung auf einen Wert ansteigt, der den den Signalwert 1 repräsentierenden Wert überschreitet, dann wird der Punkt a auf die den Signalwert 1 repräsentierende Spannung aufgela­ den, und das Leistungsschaltelement PSD wird geöffnet.

Zur Erzielung eines optimalen Betriebs der Schaltung kann es vorteilhaft sein, das Potential am Punkt i zu ändern und nicht eine direkte Verbindung zur negativen Klemme herzu­ stellen. Ferner kann es günstig sein, einen Widerstand R12 einzufügen, der zu Kompensationszwecken nichtlinear sein kann.

Die beschriebene Schaltung kann an den Betrieb bei höheren Spannungen, und zwar sowohl Gleichspannungen als auch Wech­ selspannungen, angepaßt werden. Dies kann die Hinzufügung zusätzlicher Bauelemente hintereinander im Blockschaltbild von Fig. 1 erfordern.

Die Schaltungsanordnung von Fig. 4 kann für die Anwendung in Schaltungen ausgenutzt werden, die bereits Stromkreisunter­ brecher enthalten, damit eine Lichtbogenerkennung und ein schnellerer Kurzschlußschutz erzielt werden. In solchen An­ wendungsfällen kann ein automatisches Wiederschließen vorge­ sehen werden, damit sich das Energieschaltelement nach einer definierten Zeitperiode und bei einer vorbestimmten Anzahl von Versuchen wieder schließt, damit eine automatisch er­ neuerbare Sicherung simuliert wird.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zum Detektieren von Lichtbogenüber­ schlägen in elektrischen Kabeln, gekennzeichnet durch einen Diskriminator (7) zum Unterscheiden zwischen normalen, zu­ lässigen, relativ kurzen Stromstößen in der Verkabelung und relativ langen oder kontinuierlichen Stromstößen aufgrund von Lichtbogenüberschlägen in dem Kabel (1), und Schaltmit­ teln (5), die abhängig von einem Ausgangssignal den Diskri­ minator (7), wenn dieser Lichtbogenüberschläge im Kabel (1) feststellt, das Abtrennen der Energieversorgung (2) vom Kabel (1) bewirkt und auch abhängig von Kurzschlußzuständen oder langen hohen Überstrombedingungen in der Verkabelung die Energieversorgung (2) vom Kabel (1) abtrennt, wobei der Diskriminator (7) eine Differenzierschaltung (10) enthält, auf die eine Integrationsschaltung (11) folgt, wodurch Stromstöße im Kabelstromkreis identifiziert und resultieren­ de Ausgangsimpulse aus der Differenzierschaltung (10) von der Integrationsschaltung (11) integriert oder addiert wer­ den, damit ein Ausgangssignal in Form einer Sprungfunktion erzeugt wird, das die festgestellten Stromstöße im Kabel (1) repräsentiert.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Diskriminator (7) durch einen Kurzschlußdetek­ tor (8) und eine Auslöseanordnung (12) für die Schaltmittel (5) umgangen wird.

3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel (5) zum Abtrennen des Kabels (1) von der Energieversorgung (2) eine aktive, sicherungsartige Schaltvorrichtung enthalten, die den Kabelversorgungskreis automatisch wiederherstellt, wenn die Fehlerbedingungen, die den Lichtbogenüberschlag im Kabel (1) verursacht haben, beseitigt sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die aktive, sicherungsartige Schaltvorrichtung zu­ sammen mit einem herkömmlichen Ausschalter (13) verwendet wird.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schaltmittel (5) einen Festkörper­ schalter enthalten.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der Festkörperschalter im Zusammenhang mit einem herkömmlichen Ausschalter (13) verwendet wird.