DE4316239A1 - Method for arc identification - Google Patents

Method for arc identification

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DE4316239A1
DE4316239A1 DE19934316239 DE4316239A DE4316239A1 DE 4316239 A1 DE4316239 A1 DE 4316239A1 DE 19934316239 DE19934316239 DE 19934316239 DE 4316239 A DE4316239 A DE 4316239A DE 4316239 A1 DE4316239 A1 DE 4316239A1
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Harald Boemig
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Abstract

The information on the occurrence of an electrical arc is obtained from the broadband frequency spectrum of electrical/electromagnetic signals of an electrical arc discharge, by evaluation of one or more frequency bands, in order to trigger (initiate) switching processes.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lichtbogener­ kennung, welches zur Warnung, Anzeige und zur Auslösung von Schaltvorgängen Anwendung findet.The invention relates to a method for arcing identifier, which is used for warning, display and triggering of switching operations applies.

Bisher sind Verfahren bekannt mit denen es möglich ist, elektrische Lichtbogenbildungen zu erkennen. Allen diesen Verfahren haftet jedoch der Nachteil an, daß sie nur örtlich eng begrenzt wirksam und anwendbar sind.So far, methods are known with which it is possible detect electric arcing. All of these However, the process has the disadvantage that it is only local are narrowly effective and applicable.

In der Natur und Technik sind unbeabsichtigte bzw. unkontrollier­ te elektrische Lichtbogenentladungen oft Ursache eines Brandes und stellen allein dadurch eine Gefahrenquelle dar. Zur Aus­ schließung dieser Gefahrenquellen bedient man sich folgender allgemein bekannter Maßnahmen und Vorrichtungen:In nature and technology are unintentional or uncontrolled Electrical arc discharges often cause a fire and therefore represent a source of danger To close these sources of danger, use the following generally known measures and devices:

Als prophylaktische Maßnahme das Abbauen des Spannungspotentials bzw. das Entladen desselben durch spezielle Lichtbogenstrecken, wie beispielsweise Blitzableiter, Spitzenionisatoren und Funken­ strecken an Hochspannungsanlagen.As a prophylactic measure, reducing the potential for tension or the unloading of the same through special arcing paths, such as lightning rods, tip ionizers and sparks stretch on high voltage systems.

Allgemein sind bekannt als Verfahren bzw. Vorrichtungen zur Er­ kennung einer elektrischen Lichtbogenentladung:Generally known as methods and devices for Er detection of an electric arc discharge:

Der Buchholzschutz; sein Einsatz ist nur in Behältern, welche mit Flüssigkeiten gefüllt sind, möglich. Seine Wirkungsweise beruht darauf, daß bei einer elektrischen Lichtbogenentladung die Flüssigkeit verdampft. Die in der Flüssigkeit aufsteigenden Gasblasen lösen einen Mechanismus aus, der wiederum zu einer Warnung bzw. Abschaltung der zu schützenden Anlage führt. Sein spezielles Einsatzgebiet sind ölgekühlte Transformatoren. - Der Fehlerstrom-Schutzschalter (FI-Schutzschalter); seine Wir­ kungsweise beruht darauf, daß in einem Stromkreis die Summe der zufließenden Ströme mit der Summe der abfließenden Ströme aller betriebsmäßig stromführenden Leiter miteinander verglichen wer­ den. Bei Ungleichheit der Summen fließt ein sogenannter Fehler­ strom gegen einen betriebsmäßig nicht stromführenden Leiter. In diesem Falle schaltet seine elektromagnetische Schaltvorrich­ tung allpolig den Betriebsstromkreis ab. Eine elektrische Licht­ bogenentladung innerhalb betriebsmäßig stromführender Leiter kann nicht erkannt werden, da die Summen der Ströme - zufließende und abfließende Ströme - gleich bleiben. Buchholz protection; its use is only in containers which are filled with liquids. How it works relies on the fact that with an electric arc discharge the liquid evaporates. The rising in the liquid Gas bubbles trigger a mechanism, which in turn becomes one Warning or shutdown of the system to be protected leads. Be special fields of application are oil-cooled transformers. - The residual current circuit breaker (RCCB); its us It is based on the fact that in a circuit the sum of the inflows with the sum of the outflows of all operationally conducting conductors compared to each other the. If the sums are not equal, a so-called error flows current against a conductor that is not live during operation. In this case, its electromagnetic switching device switches tion all poles from the operating circuit. An electric light arc discharge within operational conductors not be recognized because the sums of currents - inflowing and flowing currents - remain the same.  

Weitere Möglichkeiten zur Erkennung von auf kleinem Raum begrenzten elektrischen Lichtbogenbildungen stellen folgen­ de Patente dar:Other ways to detect in a small space limited electrical arcing will follow de patents are:

Patent DE 41 36 231 mit einer Schutzvorrichtung für elektrische Maschinen durch Lichtbogenerkennung. Bei dieser Erfindung han­ delt es sich um eine Vorrichtung, welche durch fotoelektrische Sensoren eine elektrische Lichtbogenbildung in einem kleinen, speziell gefährdetetn Bereich erkennt und zur Auswertung bringt. Ferner ist das Patent JP P 53-75441 bekannt. Bei dieser Erfin­ dung handelt es sich um die Realisierung des Verfahrens durch eine Vorrichtung, die mittels speziell angeordneter Elektroden die eventuell auftretende Funkenbildung innerhalb eines elektri­ schen Schalters zur Auswertung bringt.Patent DE 41 36 231 with a protective device for electrical Machines through arc detection. In this invention han it is a device, which by photoelectric Sensors an electrical arcing in a small, recognizes especially vulnerable areas and evaluates them. Furthermore, the patent JP P 53-75441 is known. With this inventor is the implementation of the process a device using specially arranged electrodes the sparking that may occur within an electri switch for evaluation.

Ein mit einem beweglichen Kontaktelement sowie stationären Kontaktelementen versehener Schalter enthält eine Leckstrom- Anzeigelampe mit einem in der Nähe der stationären Kontaktele­ mente führenden Leckstromdetektor um anzuzeigen, wenn sich durch Ablagerung von Kohlenstoffpartikeln auf und in der Umge­ bung von den Kontaktelementen zwischen mindestens zwei der Kon­ taktelemente leitfähige Pfade gebildet haben.One with a movable contact element as well as stationary Contact elements provided switch contains a leakage current Indicator lamp with a near the stationary contact ment leading leakage current detector to indicate when by depositing carbon particles on and in the reverse Exercise of the contact elements between at least two of the con clock elements have formed conductive paths.

Alle bislang bekannten Verfahren und Vorrichtungen sind nicht in der Lage, innerhalb eines betriebsmäßig stromführenden elek­ trischen Leitungssystems elektrische Lichtbogenbildungen und Lichtbogenentladungen nachzuweisen oder zu erkennen.All previously known methods and devices are not able to operate within a live electrical tric line system electrical arcing and Detect or detect arc discharges.

Das Wesen dieser Erfindung ist die Erkennung von elektrischen Lichtbögen und Entladungen durch elektronische Auswertung eines Teiles oder mehrerer Teile ihres breitbandigen elektrischen und/ oder elektromagnetischen Frequenzspektrums, welches, physikalisch bedingt, bei elektrischen Lichtbogenbildungen und Entladungen entsteht.The essence of this invention is the detection of electrical Arcs and discharges through electronic evaluation of a Part or more parts of their broadband electrical and / or electromagnetic frequency spectrum, which, physically conditionally, in the event of electrical arcing and discharges arises.

Die Erfindung soll nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. The invention is based on two exemplary embodiments are explained in more detail.  

In den zugehörigen Zeichnungen zeigt dabeiThe accompanying drawings show

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur Realisierung des Verfahrens Fig. 1 shows a circuit arrangement for realizing the method

Fig. 2 Schaltungsanordnung einer Lichtbogen-Schutzvor­ richtung für einen Schaltschrank. Fig. 2 circuit arrangement of an arc protection device for a control cabinet.

Ausführungsbeispiel 1: wird in Fig. 1 dargestellt. In einer bereits vorhandenen, den Sicherheitsbestiinmuflgen entsprechend mit Fehlerstrom-Schutzscha lter ausgestatteten Elektroinstallation wird die technische Umsetzung der Erfin­ dung als Abscnaltauslösevorrichtung bei dem Auftreten elek­ trischer Lichtbogenbildungen, eingefügt.Embodiment 1 : is shown in Fig. 1. In an existing electrical installation, which is equipped with a residual-current circuit breaker in accordance with the safety requirements, the technical implementation of the invention is inserted as an abscal release device when electrical arcing occurs.

Als eigentliche Schaltvorrichtung für die betriebsmäßig strom­ führenden elektrischen Leiter, wird der bereits vorhandene Fehlerstrom-Schutzschalter 1 verwendet. Tritt im Bereich der betriebsmäßig stromführenden elektrischen Leiter 2 nach dem Tiefpaßfilter, bestehend aus den Induktivitäten 3, 4, 5, 6 und der Kapazität 7 eine elektrische Lichtbogenbildung auf, so verbreiten sich auf den betriebsmäßig stromführenden elektri­ schen Leitern 2, hochfreguente elektromagnetische Signale. Durch den Tiefpaß, bestehend aus den Induktivitäten 3, 4, 5 und 6, sowie der Kapazität 7, wird das Abfließen des hochfre­ guenten Signalgemisches in Richtung des Fehlerstrom-Schutz­ schalters 1 und ein netzseitiges Eindringen von hochfrequen­ ten Signalen verhindert. Die Kapazität 8 bewirkt eine hoch­ requente Kopplung der betriebsmäßig stromführenden elektri­ schen Leiter 2.The existing residual current circuit breaker 1 is used as the actual switching device for the operationally current-carrying electrical conductors. If in the area of the operationally live electrical conductors 2 after the low-pass filter, consisting of the inductors 3 , 4 , 5 , 6 and the capacitance 7, electrical arcing occurs, then the operationally live electrical conductors 2 spread high-frequency electromagnetic signals. Through the low-pass filter, consisting of the inductors 3 , 4 , 5 and 6 , as well as the capacitance 7 , the outflow of the high-frequency signal mixture in the direction of the residual current protection switch 1 and a network-side intrusion of high-frequency signals is prevented. The capacitance 8 causes a highly necessary coupling of the operationally conducting electrical conductor 2 .

Das über der Induktivität 6 stehende HF-Signalgemisch wird von den Aktivfiltern 9 und 10 auf unterschiedlichen Frequenzberei­ chen selektiv verstärkt, beispielsweise 5,5 MHz und 10,7 MHz. Die Ausgangssignale der Aktivfilter 9 und 10 werden durch die Dioden 11 und 12 bzw. 13 und 14, sowie die zugeordneten Spei­ cherkapazitäten 15 und 16 gleichgerichtet bzw. demoduliert. Das an den Speicherkapazitäten 15 und 16 auftretende Gleich­ spannungssignal wird durch die RC Kombinationen 17 und 18 bzw. 19 und 20 um vorzugsweise 100 ms verzögert, damit technisch hedingte Lichtbogenbildungen, wie beispielsweise Funken bei Schaltvorgängen 1 zu schützenden elektrischen Leitungssystein, nicht zum Auslösen der Schutzschaltung führen können. Diese verzögerten Gleichspannungssignale werden den Steuereingängen der in Reihe geschalteten Triacstufen 21 und 22 zugeführt. im Falle einer elektrischen Lichtbogenbildung innerhalb des zu schützenden elektrischen Leitungssysteins liegen an den Steuereingangen der in Reihe mit dem Strombegrenzungswider­ stand 23 geschalteten Triacstufen 21 und 22 zeitgleiche Steuer­ siqnale an, welche die Triacstufen in leitenden Zustand ver­ setzen und über den Strombegrenzungswiderstand 23 einen Fehler­ strom fließen lassen, der somit den Fehlerstrom-Schutzschal­ ter 1 auslöst. Die Auslösung des Fehlerstrom-Schutzschalters 1 hat zur Folge, daß das zu schützende elektrische Leitungssys­ tem 2, mit dem aufgetretenen Lichtbogen allpolig vom Netz ge­ trennt wird. Das Netzteil 24 dient zur Atromversorgung der Aktivfilter 9 und 10.The RF signal mixture standing above the inductor 6 is selectively amplified by the active filters 9 and 10 at different frequency ranges, for example 5.5 MHz and 10.7 MHz. The output signals of the active filters 9 and 10 are rectified or demodulated by the diodes 11 and 12 or 13 and 14 , and the associated memory capacitors 15 and 16 . The DC voltage signal occurring at the storage capacitors 15 and 16 is delayed by the RC combinations 17 and 18 or 19 and 20 by preferably 100 ms, so that arcing caused by technology, such as sparks during switching operations 1 , electrical line system to be protected, does not trigger the protective circuit being able to lead. These delayed DC voltage signals are fed to the control inputs of the triac stages 21 and 22 connected in series. in the event of an electrical arcing within the electrical line system to be protected, there are simultaneous control signals at the control inputs of the triac stages 21 and 22 connected in series with the current limiting resistor 23 , which set the triac stages in a conductive state and a fault current flows through the current limiting resistor 23 leave, which triggers the residual current circuit breaker ter 1 . The triggering of the residual current circuit breaker 1 has the result that the electrical system to be protected system 2 , with the arc that occurs, is all-pole disconnected from the network. The power supply unit 24 serves to supply the active filters 9 and 10 with a current.

Ausführungsbeispiel 2: wird in der Fig. 2 näher dargestellt. Diese zeigt die Schaltungsanordnung einer Lichtbogen-Schutzvor­ richtung für einen Schaltschrank, welcher vor den Auswirkungen einer elektrischen Lichtbogenbildung geschützt wird. Dazu ist die nachstehend beschriebene Vorrichtung zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens, in den zu schützenden Schalt­ schrank, montiert.Embodiment 2 : is shown in more detail in FIG. 2. This shows the circuit arrangement of an arc protection device for a control cabinet, which is protected from the effects of electrical arcing. For this purpose, the device described below for implementing the method according to the invention is mounted in the switch cabinet to be protected.

Durch eine Induktivität 24′ werden die elektromagnetischen Sig­ nale die ein elektrischer Lichtbogen abstrahlt, in elektrische Signale in Form von Wechselspannung, umgesetzt. Eine Kapazität 25 dient der galvanischen Trennung und der Wechselspannungsmä­ ßigen Kopplung der als Gleichrichter und Spannungsverdoppler geschalteten Dioden 26 und 27, mit ihrer zugeordneten Kapazi­ tät 28 als Ladekondensator. Das erhaltene Gleichspannungssignal wird durch den Operationsverstärker 29 verstärkt. Die Widerstän­ de 30 und 31 bestimmen die Verstärkung des Operationsverstär­ kers 29. Durch die Ruhekontakte 34 des Relais 33, welches dem Operationsverstärker 29 nachgeschaltet ist, wird ein gal­ vanisch getrennter Schaltausgang 35 realisiert.Through an inductance 24 ', the electromagnetic signals emitted by an electric arc are converted into electrical signals in the form of AC voltage. A capacitance 25 is used for the electrical isolation and the alternating voltage coupling of the diodes 26 and 27 connected as rectifiers and voltage doublers, with their associated capacitance 28 as a charging capacitor. The DC voltage signal obtained is amplified by the operational amplifier 29 . The resistors 30 and 31 determine the amplification of the operational amplifier 29 . Through the normally closed contacts 34 of the relay 33 , which is connected downstream of the operational amplifier 29 , a galvanically separated switching output 35 is realized.

Die Kapazität 32 verzögert das Ausgangssignal des Operations­ versärkers 29 derart, daß kurzzeitig technisch bedingte Lichtbögen wie Schaltvorgänge im zu schützenden Schaltschrank nicht wirksam werden.The capacitance 32 delays the output signal of the operational amplifier 29 in such a way that briefly technical arcs such as switching operations in the control cabinet to be protected do not take effect.

Der galvanisch getrennte Schaltausgang 35 wird im Ausführungs­ beispiel zur Auslösung des im vorhandenen Schaltschrank befind­ lichen Hauptschalters genutzt.The galvanically isolated switching output 35 is used in the embodiment for triggering the main switch located in the existing control cabinet.

BezugszeichenlisteReference list

1 - FI-Schutzschalter
2 - betriebsmäßig stromführender Leiter
3 - Induktivität
4 - Induktivität
5 - Induktivität
6 - Induktivität
7 - Kapazität
8 - Kapazität
9 - Aktivfilter
10 - Aktivfilter
11 - Diode
12 - Diode
13 - Diode
14 - Diode
15 - Kapazität
16 - Kapazität
17 - Widerstand
18 - Kapazität
19 - Widerstand
20 - Kapazität
21 - Triacstufe
22 - Triacstufe
23 - Widerstand
24′ - Induktivität
24 - Netzteil
25 - Kapazität
26 - Diode
27 - Diode
28 - Kapazität
29 - Operationsverstärker
30 - Widerstand
31 - Widerstand
32 - Kapazität
33 - Relais
34 - Ruhekontakte
35 - galvanisch getrennter 5chaltausgang
36 - Netzteil. 1 - RCCB
2 - operationally live conductor
3 - inductance
4 - inductance
5 - inductance
6 - inductance
7 - capacity
8 - capacity
9 - active filter
10 - active filter
11 - diode
12 - diode
13 - diode
14 - diode
15 - capacity
16 - capacity
17 - resistance
18 - capacity
19 - resistance
20 - capacity
21 - triac level
22 - triac level
23 - resistance
24 ′ - inductance
24 - power supply
25 - capacity
26 - diode
27 - diode
28 - capacity
29 - operational amplifier
30 - resistance
31 - Resistance
32 - capacity
33 - relay
34 - break contacts
35 - galvanically isolated 5-switch output
36 - power supply.

Claims (3)

1. Verfahren zur Lichtbogenerkennung dadurch gekennzeichnet, daß aus dem breitbandigen Frequenzspektrum von elektrischen und/oder elektromagnetischen Signalen einer elektrischen Lichtbogenbildung mittels elektronischer Auswertung mehrerer, durch Selektion erhaltener Frequenzbereiche mittels Aktiv­ filtern (9; 10), deren Modulationsinhalte auf Idendität durch gleichzeitiges Anliegen der Gleichspannungssignale an den Triacs (20; 21) verglichen werden und bei Vorliegen dieser, Schaltvorgänge ausgelöst werden.1. A method for arc detection, characterized in that from the broadband frequency spectrum of electrical and / or electromagnetic signals of an electric arcing by means of electronic evaluation of several frequency ranges obtained by selection by means of active filters ( 9 ; 10 ), the modulation contents of which are identical due to the simultaneous application of the DC signals on the triacs ( 20 ; 21 ) are compared and, if these are present, switching operations are triggered. 2. Verfahren zur Lichtbogenerkennung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein einer entsprechend hohen hochfrequenten Feldstärke, durch induktive und/oder kapazitive Auskopplung des Signals mit nachfolgender Verstär­ kung, ein Schaltvorgang ausgelöst wird.2. A method for arc detection according to claim 1 thereby characterized in that in the presence of a corresponding high high-frequency field strength, by inductive and / or capacitive decoupling of the signal with subsequent amplifier kung, a switching process is triggered. 3. Verfahren zur Lichtbogenerkennung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß in einem, von elektrisch/elektromecha­ nischen Signalen abgeschirmten Raum, ein breitbandiges elek­ trisch/elektromagnetisches Signal durch Induktivität (24′) empfangen wird, nachfolgend vorzugsweise zuerst gleichgerich­ tet mittels Gleichrichter (26; 27) und nachfolgend verstärkt wird, vorzugsweise mit Operationsverstärker (29) und mittels des erhaltenen Gleichspannungssignales ein Schaltvorgang, vorzugsweise mittels Relais (33) ausgelöst wird.3. A method for arc detection according to claim 1, characterized in that in a, from electrical / electromechanical signals shielded room, a broadband elec trical / electromagnetic signal is received by inductance ( 24 '), subsequently preferably first rectified by means of rectifier ( 26 ; 27 ) and subsequently amplified, preferably with an operational amplifier ( 29 ) and by means of the DC voltage signal obtained a switching process, preferably by means of a relay ( 33 ).
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