DE4232208C2 - Spannungsspitzenzähler - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zähler für Spannungsspitzen bzw. Störspannungen zur Verwendung in verschiedenen Versorgungsleitun­ gen (JP 59-211984), wie z. B. Stromversorgungsleitungen und Kommunikationsleitungen. Insbesondere beschäftigt sich die Erfindung mit einem Spannungsspitzen­ zähler zum Zählen der Häufigkeit, mit der induzierte Spannungsspitzen erscheinen und in diesen Leitungen auftreten.

Wenn Spannungsspitzen bzw. Stromstöße auftreten oder induziert werden in Leitungen für Kommunikationseinrichtungen, wie z. B. Telefonapparaten, Fax-Geräten, Telefonvermittlungen, Modems und dergl., werden elek­ tronische Schaltkreise, die Teile der Kommunikationsausrüstung bilden, durch Feuer beschädigt. Deshalb werden üblicherweise Spannungsspitzen­ absorber vorgesehen zwischen Eingangsleitungen von Stromversorgungs­ leitungen, Kommunikationsleitungen und dergl. für Kommunikationsaus­ rüstung, welche in einer Gegend installiert sind, wo Spannungsspitzen aufzutreten pflegen.

Um die Kommunikationseinrichtungen sicher durch Spannungsspitzen­ absorbereinrichtungen zu schützen, müssen die Eigenschaften der Span­ nungsspitzenabsorber bestimmt werden basierend auf den Ergebnissen von statistischen Untersuchungen der Häufigkeit des Auftretens und der Größe der Stromstöße im Umkreis des Gebietes, wo die Kommunika­ tionseinrichtungen installiert werden sollen.

Zum Beispiel wurde als ein üblicher Spannungsspitzenzähler zum Auf­ zeichnen der Häufigkeit von auftretenden Spannungsspitzen der folgende Spannungsspitzenzähler in der ungeprüften, veröffentlichten japanischen Patentanmeldung Nr. 59-211984 offenbart. Dieser Spannungsspitzenzähler umfaßt: Einen Spannungsspitzenabsorber; der mit der Leitung, in die Spannungsspitzen eindringen können, verbunden ist, und welcher dadurch gebildet wird, daß eine glasgedichtete Entladungsröhre vom Spalttyp und ein nichtlinearer Widerstand in Serie geschaltet sind; einen Lichtempfän­ ger zur Detektion einer Lichtemission der Entladungsröhre; und eine Zählschaltung zum Zählen der detektierten Signale des Lichtempfängers.

Spannungsspitzenzähler zum Aufzeichnen sowohl der Häufigkeit, mit der induzierte Spannungsspitzen auftreten, als auch der Höhe der Stromstöße sind z. B. in der ungeprüften, veröffentlichten japanischen Patentanmeldung Nr. 60-9081, der ungeprüften, veröffentlichten japanischen Gebrauchs­ musteranmeldung Nr. 61-117484 und der ungeprüften, veröffentlichten japanischen Patentanmeldung Nr. 62-193075 beschrieben.

Der Spannungsspitzenzähler der japanischen Patentanmeldung Nr. 60-9081 umfaßt einen Vollweggleichrichterkreis für einen Entladungsstrom für einen Überspannungsableiter; welcher den Erdanschluß des Überspan­ nungsableiters und die Erde überbrückt, und eine Mehrzahl von Zähl­ schaltkreisen zur Messung des Entladungsstromes, welche parallel zuein­ ander geschaltet und mit dem Vollweggleichrichter verbunden sind, gegebenenfalls über spannungsteilende Widerstandselemente. In diesem Zähler wird der Entladungsstrom des Überspannungsableiters durch eine Mehrzahl von Spannungsteilungs-Widerstandselementen in jeden vorgege­ benen Strombereich unterteilt.

Der Spannungsspitzenzähler der japanischen Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 61-117484 umfaßt einen nichtlinearen Widerstand zur Weiterleitung eines Entladungsstromes, der in den Überspannungsableiter fließt, einen oder mehrere parallel zu dem nichtlinearen Widerstand angeschlossene Kondensatoren, eine Mehrzahl von Sätzen von linearen Widerständen und eine Zählerantriebsspule, welche mit den Kondensatoren verbunden sind, so daß sie die Ladungsenergie der Kondensatoren verteilen.

Ferner umfaßt der Spannungsspitzenzähler der japanischen Patentanmel­ dung Nr. 62-193075 einen Entladungsspalt mit Überbrückungswiderstand, welcher auf der Erdungsseite eines Überspannungsableiters vorgesehen ist, einen Photosensor zum Umwandeln eines Entladungslichtes von dem Entladungsspalt in einen Strom, der der Menge des Lichtes entspricht, und einen Zähler zum Zählen der Vorgänge, der auf den gemessenen Stromwert des Photosensors anspricht. Dieser Spannungsspitzenzähler kann die Arbeitsfrequenz mit der Intensität der Ströme eines Überspannungs­ ableiters genau prüfen, ohne komplizierte elektrische Schaltkreise zu benutzen.

Allerdings hat der Spannungsspitzenzähler der japanischen Patentanmel­ dung Nr. 59-211984 einen Nachteil, nämlich, daß er nur die Häufigkeit oder das Erscheinen des Auftretens von Spannungsspitzen aufzeichnet, aber nicht den Wert des entstehenden Stromstoßes.

Der Spannungsspitzenzähler der japanischen Patentanmeldung Nr. 60-9081 und der japanischen Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 61-117484 haben einen Betriebssicherheitsnachteil, selbst wenn sie die Werte der Strom­ stöße aufzeichnen können. Da der Eingangskreis der Spannungsspitzen und der Schaltkreis zum Detektieren der Spannungsspitzen elektrisch miteinander verbunden sind, gibt es immer noch die Möglichkeit, daß eine Spannungsspitze den Detektionsschaltkreis beeinflußt.

Der Spannungsspitzenzähler der japanischen Patentanmeldung Nr. 62- 193075 hat, obwohl er das vorgenannte Problem zu lösen scheint, sein eigenes Problem, nämlich daß das von einem einzelnen Entladungsspalt emittierte Licht von einem einzelnen Photosensor detektiert wird und die Stromstoßwerte jeweils nach der Größe der detektierten Ströme sortiert werden. Dementsprechend ist ein Nachteil, daß ein hochempfindlicher Photosensor und eine komplizierte Detektionsschaltung benötigt werden, um die Stromstoßwerte genau zu sortieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Spannungsspitzenzähler zu schaffen, welcher in der Lage ist, die Werte der entstehenden Stromstöße genau zu sortieren, mit einer vereinfachten Schaltkreiskonstruktion ohne Benut­ zung eines hochempfindlichen Photosensors, der in der Lage ist, die Häufigkeit bzw. die Anzahl des Erscheinens von induzierten bzw. ein­ dringenden Spannungsstößen zu zählen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale in Anspruch 1 gelöst.

Die Erfindung ist mit dem Vorteil verbunden, daß ein sehr betriebssicherer Spannungsspitzenzähler geschaffen wird, der in der Lage ist, die Übertragung von Spannungsspitzen auf den Spannungsspitzen-Detektionsschaltkreis zu vermeiden.

Bin erfindungsgemäßer Spannungsspitzenzähler, wie in der einzigen Figur dargestellt, ist so konstruiert, daß eine Mehrzahl von Spannungsspitzen­ absorbern, welche jeweils unterschiedliche Ansprechspannungen für Entla­ dungsimpulse aufweisen, und alle untereinander parallel geschaltet mit Leitungen verbunden sind, in denen Spannungsspitzen auftreten können Dabei sind Spannungsspitzenabsorber vorgesehen, welche jeweils mit Entladungsröhren vom Spalttyp und jeweils in Serie dazu geschaltete nichtlineare Widerstände aufweisen. Lichtempfangselemente zur Detektion von Entladungslichtern sind vorgesehen, welche den Entladungsröhren gegenüber oder auf diese gerichtet angeordnet sind, um von dort ausge­ sandtes Licht zu detektieren, und Zählschaltkreise sind mit den Licht­ empfängern verbunden, um die von den Lichtempfängern detektierten Signale zu zählen.

In diesem Zusammenhang soll als Definition eine "Ansprechspannung für Entladungsimpulse" eine Spannung bedeuten, bei welcher ein Spannungs­ spitzenabsorber eine Entladung beginnt, wenn der Spannungsspitzenabsor­ ber als Einzeltestobjekt mit einer Schein- oder Testspannungsspitze beaufschlagt wird.

Mit der vereinfachten Schaltkreiskonstruktion werden Stromstoßwerte genau sortiert und die Anzahl der auftretenden Spannungsspitzen gezählt.

Es besteht kein Risiko, daß auftretende Spannungsspitzen als Spannungs­ spitzen in den Spannungsspitzendetektionskreis eindringen, und die Be­ triebssicherheit ist hoch.

Die Vorteile dieser Erfindung werden noch deutlicher durch die Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung beschrieben.

Die einzige Figur ist ein Blockschaltbild eines Spannungsspitzenzählers entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Eine Entladungsröhre vom Spalttyp besteht in dem bevorzugten Aus­ führungsbeispiel aus einer Entladungsröhre vom Luftspalttyp, einer gasge­ füllten Entladungsröhre, einer glasgedichteten Entladungsröhre vom Mikrospalttyp oder dergleichen. Ein nichtlinearer Widerstand für die Entladungsröhre vom Spalttyp benutzt einen Zinkoxid-Varistor, einen Siliziumcarbid-Varistor oder dergl. Insbesondere ist ein Zinkoxid-Varistor geeignet, welcher sowohl einen großen Nichtlinearitätsfaktor als auch einen großen Varistor-Effekt hat. Für den Lichtempfänger wird eine Photozelle, bzw. ein unter Lichteinfluß leitfähiges Element, verwendet, welches ein Polykristall als Hauptkomponente enthält, z. B. CdS, CdSe, PbS etc.

In der Zeichnung sind, zur Vereinfachung der Erklärung, nur drei Sätze von Spannungsspitzenabsorbern, drei Sätze von Lichtempfängern und drei Zählschaltungen dargestellt. Die Anzahl der Sätze, die im Hinblick auf die technische Lehre der Erfindung benutzt werden, ist nicht auf drei Sätze begrenzt, sondern es kann jede gewünschte Anzahl von Sätzen in Abhängigkeit von der speziellen Situation benutzt werden.

Spannungsspitzenabsorber c₁, c₂, c₃ sind untereinander parallel geschaltet und mit Leitungen A und A′ verbunden, in welche Spannungsstöße durch Induktion oder auf andere Weise eindringen können, zur Vereinfachung im folgenden mit Leitungen, in denen Spannungsspitzen auftreten, be­ zeichnet. Jeder der Spannungsspitzenabsorber c₁, c₂, c₃ besteht jeweils aus einer glasgedichteten Entladungsröhre vom Spalttyp a₁, a₂, a₃, und jeweils einem nichtlinearen Widerstand b₁, b₂, b₃ in Serie dazu. Obwohl nicht dargestellt, würde im Falle der Benutzung eines vierten Spannungs­ spitzenabsorbers c₄ dieser in derselben Weise aus einer Entladungsröhre a₄ und einem nichtlinearen Widerstand b₄ in Serie dazu bestehen, und der Spannungsspitzenabsorber c_n würde aus einer Entladungsröhre a_n und einem nichtlinearen Widerstand b_n in Serienschaltung bestehen, und so weiter. Die nichtlinearen Widerstände b₁-b₃ sind vorgesehen, um die Entstehung eines Folgestromes in den Entladungsröhren a₁-a₃ zu verhindern, da die Leitungen A und A′ immer mit einer Spannungsver­ sorgung verbunden sind. Der Begriff "Folgestrom" bedeutet den Strom bei der Versorgungsfrequenz, welcher durch einen Entladungsweg hindurch­ geht, nachdem eine Hochspannungsspitze die Entladung ausgelöst hat.

Ein Lichtempfänger d₁ ist in einer für den Empfang von Licht geeigne­ ten Beziehung für die Entladungsröhre a₁ vorgesehen, um damit von der Entladungsröhre a₁ ausgesandtes Licht zu empfangen. Wenn ein gemesse­ nes Ausgangssignal des Lichtempfängers d₁ auftritt, ist der Lichtempfän­ ger d₁ mit einer Zählschaltung e₁ verbunden. In gleicher Weise sind Lichtempfänger d₂ und d₃ vorgesehen, welche jeweils mit Zählschaltungen e₂ und e₃ verbunden sind, wenn die Lichtempfänger d₂ und d₃ eine Lichtentladung von den Entladungsröhren a₂ und a₃ jeweils detektieren. Die Entladungsröhre a₁ und der Lichtempfänger d₁ sind in einem dunk­ len Gehäuse f₁ angeordnet, um Interferenzen, bzw. Störungen durch externes äußeres Licht zu verhindern. In gleicher Weise sind dunkle Gehäuse f₂ und f₃ vorgesehen.

Wenn V₁, V₂ bzw. V₃ die Ansprechspannungen für Entladungsimpulse der Spannungsspitzenabsorber c₁, c₂ bzw. c₃ jeweils sind, werden die An­ sprechspannungen der Entladungsröhren a₁ bis a₃ und die Varistorspan­ nungen der Varistoren b₁ bis b₃ so gewählt, daß sie der Beziehung V₁ < V₂ < V₃ genügen.

Obwohl nicht dargestellt, würden bei vorgesehenen Ansprechspannungen V₁, V₂, V₃ . . . V_n für Entladungsimpulse für Spannungsspitzenabsorber c₁, c₂, c₃ . . . bzw. c_n die Spannungen der Entladungsröhren a₁, a₂, a₃ bzw. a_n und der Varistoren b₁, b₂, b₃ . . . b_n so gewählt, daß sie der Bedingung V₁ < V₂ < V₃ < . . . V_n genügen.

Die Differenz zwischen V₂ und V₁ und die Differenz zwischen V₃ und V₂ werden auf folgende Weise festgelegt: Wenn I₁, I₂ bzw. I₃ jeweils die gewählten Stromwerte der Spannungsspitzenabsorber c₁, c₂ bzw. c₃ sind, und i₁, i₂ bzw. i₃ die tatsächlich in den Spannungsspitzenabsorbern c₁, c₂ bzw. c₃ jeweils fließenden Ströme sind, dann ist die Spannung V₂ so gewählt, daß der Spannungsspitzenabsorber c₂ durch eine anliegende Spannung zwischen den Punkten B₁ und B₁′ anspricht, wie in der Figur gezeigt, wenn der Stromwert i₁ größer als der gewählte Strom I₁ ist. Mit anderen Worten: Unter der Annahme, daß "i" einen zwischen den Lei­ tungen A und A′ auftretenden Stromstoß darstellt, und V₂ so eingestellt ist, daß der Spannungsspitzenabsorber c₂ nicht anspricht, wenn i < I₁, dann spricht der Spannungsspitzenabsorber c₂ dann an, wenn i I₁ wird.

Wenn der Stromstoß "i" größer als I₁ (i < I₁) ist, dann wird der Strom­ stoß "i" auf die Spannungsspitzenabsorber c₁ und c₂ mit den Stromwerten i₁ und i₂ entsprechend verteilt. In dem vorliegenden Fall ist V₃ so festgelegt, daß, wenn i < I₂ ist, der Spannungsspitzenabsorber c₃ nicht anspricht, aber daß der Spannungsspitzenabsorber c₃ anspricht, wenn i I₂ ist. Falls zusätzliche Einheiten benutzt werden und i I_n-1 ist, dann spricht der Spannungsspitzenabsorber c_n an. Falls c_n gerade c₄ ist, dann ist I_n-1 entsprechend I₃. Das Prinzip, daß der Spannungsspitzenabsorber c₃ in dem vorgenannten Prozeß anspricht, wird durch die Tatsache ver­ ursacht, daß Spannung zwischen den Punkten B₃ und B₃′ durch die Stromstöße i₁ und i₂ aufgebaut wird, wie im Falle des Elementes c₂.

Im Falle, daß "n" Sätze von Spannungsspitzenabsorbern, Lichtempfängern und Zählschaltungen vorgesehen sind, wird die Ansprechspannung für Entladungsimpulse V_n in gleicher Weise relativ zu dem festgelegten Stromwert I_n-1 festgelegt.

Im Betrieb, wenn eine Spannungsspitze zwischen den Leitungen A und A′ eingespeist wird, wird zuerst ein Ansprechen des Spannungsspitzen­ absorbers c₁ mit der Ansprechspannung für Entladungsimpulse V₁, welche den Minimalwert unter den Spannungen V₁, V₂ und V₃ hat, verursacht, und der Stromstoß i₁ fließt dann in den Spannungsspitzenabsorber c₁, so daß eine dem Produkt aus dem Widerstand des Elementes c₁ und dem Stromwert i₁ entsprechende Spannung zwischen den Punkten B₁ und B₁′ erzeugt wird. Zu diesem Zeitpunkt trifft ein von der Entladungsröhre a₁ ausgehender Lichtimpuls beim Lichtempfänger d₁ ein und steuert die Zählschaltung e₁ durch ein von dem Lichtempfänger d₁ detektiertes Signal an.

Wenn der Wert des Stromstoßes "i", der zwischen den Leitungen A und A′ auftritt, kleiner ist als der vorgewählte Stromwert I₁ (i < I₁), dann spricht nur der Spannungsspitzenabsorber c₁ an und die Elemente c₂ und c₃ reagieren nicht, und entsprechend arbeitet nur die Zählschaltung e₁. Wenn I₁ i < I₂ ist, arbeiten die Spannungsspitzenabsorber c₁ und c₂, und das Element c₃ arbeitet nicht. Dementsprechend reagieren die Zählschaltungen e₁ und e₂, aber e₃ arbeitet nicht. Wenn weiterhin I₂ i ist, sprechen alle Spannungsspitzenabsorber c₁, c₂ und c₃ an, so daß die Zählschaltungen e₁, e₂ und e₃ alle arbeiten.

Tabelle 1 illustriert die Vorgänge sowohl des Stromstoßes "i", welcher zwischen den Leitungen A und A′ auftritt, als auch den Arbeitszustand der Zählschaltungen e₁, e₂ und e₃. Sowohl die Anzahl auftretender Spannungsspitzen als auch deren Stromwerte können mittels der Zählzah­ len dieser Zählschaltungen e₁, e₂ und e₃ aufgezeichnet werden.

Tabelle 1

Der erfindungsgemäße Spannungsspitzenzähler ist in der Lage, sowohl die Werte von Spannungsstößen aufzuzeichnen als auch die Anzahl der auftretenden Spannungsspitzen zu zählen. Insbesondere wenn die An­ sprechspannungen für Entladungsimpulse der Spannungsspitzenabsorber in verschiedener Weise festgelegt sind, können Stromstöße im Bereich von sehr kleinen Strömen bis zu extrem hohen Strömen aufgezeichnet wer­ den. Weiter kann durch Anordnung einer Mehrzahl von Spannungsspit­ zenabsorbern ein Spannungsstoß auf diese Mehrzahl von Spannungsspit­ zenabsorbern verteilt werden, wodurch eine hohe Haltbarkeit gegen Spannungsspitzen verglichen zu einzelnen Spannungsspitzenabsorbern erreicht werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden beschrieben, jedoch ist die nachfolgende Ausführungsform nur ein Beispiel und die Erfindung nicht auf diese Form beschränkt.

Wie in der einzigen Figur dargestellt, wurde eine glasgedichtete Entla­ dungsröhre vom Mikrospalttyp als Gasentladungsröhre vom Spalttyp a₁ bis a₃ benutzt; Zinkoxid-Varistoren wurden benutzt für die nichtlinearen Widerstände b₁ bis b₃, und CdS wurde für die Lichtempfänger d₁ bis d₃ benutzt. Die Lichtempfänger d₁ bis d₃ stehen den Entladungsröhren a₁ bis a₃ jeweils gegenüber bzw. sind auf diese gerichtet.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Gleichstromansprechspannungen für Entladungen der Entladungsröhren mit 300 V für a₁, ebenso 500 V für a₂ und 700 V für a₃ spezifiziert. Die Varistorspannungen der Varisto­ ren waren als 220 V für b₁ und ebenso 270 V sowohl für b₂ wie für b₃ spezifiziert. Wenn die Ansprechspannungen für Entladungsimpulse der Spannungsspitzenabsorber c₁, c₂ und c₃ gemessen werden, sind entspre­ chend die mittleren Werte V₁ = 700 V, V₂ = 900 V und V₃ = 1100 V.

Wenn ein Spannungsstoß von 700 V oder mehr zwischen den Leitungen A und A′ auftrat, sprach deshalb der Spannungsspitzenabsorber c₁ an, und durch das Entladungslicht von der Entladungsröhre a₁ wurde ein detektiertes Signal aus dem Lichtempfänger d₁ ausgegeben, und die Zählschaltung e₁ arbeitete. Wenn ein zwischen den Leitungen A und A′ fließender Strom 1000 A erreichte, überschritt die Eingangsspannung des Elementes c₁ 900 V. Dementsprechend sprachen die Elemente c₁ und c₂ an, und in gleicher Weise arbeiteten die Zählschaltungen e₁ und e₂. Wenn der Strom sich weiter vergrößerte und einen Wert von 2500 A erreichte, überschritt die Eingangsspannung des Elementes c₂ 1100 V, die Elemente c₁, c₂ und c₃ sprachen an, und die Zählschaltungen e₁, e₂ und e₃ arbeiteten ebenso.

Bei einer Prüfung der Zählschaltungen mittels Variation der Stromstöße wurden die in Tabelle 2 gezeigten Ergebnisse erhalten.

Aus dem Stand der arbeitenden Zählschaltungen in Tabelle 2 konnte nur die Anzahl des Auftretens von Spannungsspitzen, sondern auch die Häufigkeitsverteilung der Stromstöße aufgezeichnet werden.

Tabelle 2

Claims (5)

1. Spannungsspitzenzähler, umfassend:

• - eine Mehrzahl von Spannungsspitzenabsorbern (c₁, c₂, c₃), wel­ che jede jeweils unterschiedliche Ansprechspannungen (V₁, V₂, V₃) für Entladungsimpulse aufweisen und welche alle unterein­ ander parallelgeschaltet mit Leitungen (A, A′) verbunden sind, in denen Spannungsspitzen auftreten können, wobei jeder der Spannungsspitzenabsorber (c₁, c₂, c₃) eine Entladungsröhre (a₁, a₃) vom Spalttyp und einen nichtlinearen Widerstand (b₁, b₂ b₃) in Serie dazu umfaßt;
• - eine gleiche Mehrzahl von Lichtempfängern (d₁, d₂, d₃), nämlich eine für jede der Entladungsröhren (a₁, a₂, a₃), die in einer Beziehung zu diesen angeordnet sind, daß sie von diesen ausge­ sandtes Licht detektieren können; und
• - eine Mehrzahl von Zählschaltungen (e₁, e₂, e₃), nämlich eine für jeden Lichtempfänger zum Zählen von Signalen, welche von den Lichtempfängern (d₁, d₂, d₃) detektiert werden.

2. Spannungsspitzenzähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungsröhre eine Entladungsröhre vom Luftspalttyp, eine gasgefüllte Entladungsröhre oder eine glasgedichtete Entladungsröhre vom Mikrospalttyp ist.

3. Spannungsspitzenzähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlinearen Widerstände Zinkoxid-Varistoren sind.

4. Spannungsspitzenzähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlinearen Widerstände Siliziumcarbid-Varistoren sind.

5. Spannungsspitzenzähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtempfänger eine Photozelle ist, die ein Polykristall als Hauptkomponente enthält, wobei das Polykristall CdS, CdSe oder PbS ist.