DE4331992A1 - Gegen Störlichtbögen gesicherte zellenartige Schaltanlage zur Verteilung elektrischer Energie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine gegen Störlichtbögen gesicherte zellenartige Schaltanlage nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Störlichtbögen entstehen in Niederspannungs-Schaltanlagen, wenn eine direkte elektrische Verbindung zwischen den Leitern oder zwischen Leiter und Erde hergestellt wird, ohne daß ein metallischer Kurzschluß vorliegt, z. B. wenn die Isolation durchbrochen wird oder durch Fehlbedienungen. Dabei werden die spannungsführenden Teile unterschiedlichen Potentials durch eine Plasmasäule überbrückt.

Durch die sehr hohe Plasmatemperatur erwärmt sich die Umgebung des Lichtbogens derart schnell und stark, daß es in der Schaltanlage zum Druckaufbau kommt, der schon nach 15 bis 20 ms sein Maximum erreicht. Häufig ist die Druckbeanspruchung größer als die mechanische Festigkeit der Türen und Trennwände der Schaltschränke. Diese Teile werden dann abgesprengt und mit hoher Geschwindigkeit bewegt.

Bei Anwesenheit von Personen kann es durch die heißen Gase und durch glühende Teilchen zu erheblichen Verbrennungen kommen. Außerdem kann die von der Plasmasäule ausgehende Strahlung zur Verblitzung der führen.

Aus der CH 676 174 ist eine Lichtbogendetektoreinrichtung bekannt geworden, die unter Verwendung eines Lichtwellenleiter- Sensors einen Lichtbogen in einer Schaltanlage detektiert. Der Lichtbogendetektor erstreckt sich hierbei durch mehrere Schaltzellen. Bei dieser Einrichtung wird unabhängig vom Entstehungsort des Störlichtbogens eine Fehlermeldung weitergegeben.

Nachteilig bei dieser Anordnung ist, daß bei einem Störlichtbogenfehler keine selektive Abschaltung erfolgen kann, um beispielsweise durch Reserveeinspeisungen eine Versorgung von Verbrauchern zu sichern.

Hieraus geht auch nicht hervor, wie Störlichtbögen unterhalb einer bestimmten Zeit, beispielsweise 5 ms, derart gelöscht werden, daß ein selektiver Kurzschlußschutz nicht beeinträchtigt wird.

Aus der Zeitschrift Elektrotechnik 1982, Heft 6, 523-27, insbesondere Bild 5 und der Patentanmeldung HU 169 992 ist ein Schnellkurzschließer bekannt, der in weniger als 5 ms einen Störlichtbogen löschen soll. In Bild 6 der o.g. Zeitschrift ist ein Netz mit einer Reserveeinspeisung dargestellt, in der die Verwendung des Kurzschließers beschrieben ist.

Bei einem Störlichtbogen, beispielsweise in der ersten Einspeisung, wird in jedem Fall der Kurzschließer betätigt. Zwar werden Personen zuverlässig geschützt, es ist jedoch in Bereichen, in denen es auf eine sehr hohe Versorgungssicherheit ankommt, nicht hinnehmbar, daß aufgrund beispielsweise von Fehlauslösungen, wie durch Fremdlichteinkopplung oder Störlichtbögen vor dem Einspeiseschalter, ganze Versorgungsbereiche länger ohne Energieversorgung auskommen müssen.

Es sind zahlreiche Richtlinien, Patentliteratur, Fachberichte, sonstige Publikationen und Stand der Technik zum Thema "Störlichtbogenschutz" bekannt.

Trotz zahlreicher Lösungsvorschläge, hat sich die Unfallentwicklung seit den sechziger Jahren spürbar negativ entwickelt.

Daher ist es Aufgabe der Erfindung eine wirtschaftlich akzeptable Lösung zu finden, um die Sicherheit einer Schaltanlage derart zu erhöhen, daß Störlichtbögen, ohne Gefahr von Fehlauslösungen und Gefährdung von Personen oder Anlagenteilen, sicher und schnell erkannt und die Wirkungen von Störlichtbögen auf wirtschaftlich vertretbare Weise verhindert werden, insbesondere soll hierbei die Selektivität bei Kurzschlüssen und Überströmen erhalten bleiben und die Versorgungssicherheit hoch sein.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst, weiterhin wird die Aufgabe durch die Merkmale des Nebenanspruches 10 gelöst, während in den Unteransprüchen besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gekennzeichnet sind.

Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, sollen die Erfindung, weitere Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung und weitere Vorteile näher beschrieben und erläutert werden.

Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Ausschnittes einer Niederspannungs-Schaltanlage,

Fig. 2 den einpoligen Stromlaufplan von der in Fig. 1 dargestellten Schaltanlage,

Fig. 3 eine des Innenraumes der einzelnen Felder von der Seite,

Fig. 4 eine Prinzipdarstellung der Sammelschienen- und Geräteanordnung von vorne,

Fig. 5 eine Darstellung der Leiterplatte, an der die Sensoren angeschlossen sind,

Fig. 6 eine Darstellung der Verknüpfung der Sensoren,

Fig. 7 eine weitere Darstellung der Verknüpfung,

Fig. 8 eine Darstellung einer zentralen Verarbeitung,

Fig. 9 eine Darstellung einer dezentralen Verarbeitung,

Fig. 10 eine Prinzipdarstellung des Kurzschließers,

Fig. 11 eine Prinzipdarstellung der Einrichtung an einer Sammelschienenanordnung in einer Niederspannungs­ schaltanlage,

Fig. 12 eine perspektivische Darstellung der Einrichtung an einer Sammelschienenanordnung in einer Niederspannungs-Schaltanlage,

Fig. 13 eine Darstellung einer Sammelschienenanordnung mit Abgangsschienen und Hallsensoren von vorne,

Fig. 14 eine Darstellung der in Fig. 3 gezeigten Sammelschienenanordnung von der Seite,

Fig. 15 eine Einzelteildarstellung Z der in Fig. 4 gezeigten Sammelschienenanordnung,

Fig. 16 eine Darstellung einer Sammelschienenanordnung mit Abgangsschienen und weiteren Hallsensoren,

Fig. 17 eine Darstellung der in Fig. 6 gezeigten Sammelschienenanordnung von der Seite und

Fig. 18 ein erstes Anordnungsbeispiel des Lichtwellenleiters an drei Stromsammelschienen,

Fig. 19 ein zweites Anordnungsbeispiel des Lichtwellenleiters an drei Stromsammelschienen,

Fig. 20 ein drittes Anordnungsbeispiel des Lichtwellenleiters an drei Stromsammelschienen,

Fig. 21 ein Anordnungsbeispiel des Lichtwellenleiters an drei Stromsammelschienen und daran vertikal angeschlossenen Stromschienen und

Fig. 22 ein anderes Anordnungsbeispiel des Lichtwellenleiters an drei Stromsammelschienen und daran vertikal angeschlossenen Stromschienen.

Die Schaltanlage 1 besteht aus einer ersten Einspeisung A, einer zweiten Einspeisung B und einer Reserveeinspeisung R, wie der zugehörige Stromlaufplan zeigt.

Hinter der Reserveeinspeisung ist ein Reservetransformator angeordnet, der bei Ausfall einer der beiden Einspeisungen A oder B, durch Zuschalten eines Kuppelschalters, die Versorgung übernimmt.

Weiterhin besteht die Schaltanlage 1 aus drei stromsammelschienen-Abschnitte SSA, SSR und SSB, die jeweils von einem Einspeiseschalter EA, ER und EB gespeist werden können. Die Stromsammelschienen-Abschnitte SSA und SSR sowie SSR und SSB sind durch Kuppelschalter KA und KB miteinander verbunden. Mit dem Stromsammelschienen-Abschnitt SSA ist ein erster Abgangsschalter AA verbunden, wobei natürlich auch mehrere Abgänge bzw. Abgangsschalter vorhanden sein können, z. B. zur Einspeisung von mehreren Heizungen.

Ein zweiter Abgangsschalter AB ist an dem zweiten Stromsammelschienen-Abschnitt SSB angeschlossen, z. B. zur Einspeisung eines Unterverteilers.

In der Fig. 2 ist ein Ausschnitt von vier Schränken 11 bis 14 der Schaltanlage 1 gezeigt, wobei die Fig. 3 und 4 weitere Darstellungen dieser vier Schränken 11 bis 14 zeigen.

Der erste Schrank 11 weist den ersten Abgangsschalter AA aus. In dem zweiten Schrank 12 sind der erste Einspeiseschalter EA und ein später näher erläuterter Kurzschließer angeordnet. Der dritte Schrank 13 beinhaltet den Kuppelschalter KA und der vierte Schrank den Einspeiseschalter ER der Reserveeinspeisung R.

Wie in der Fig. 4 gezeigt ist, erstrecken sich die Stromsammelschienen der Einspeisung A in dem oberen Bereich mindestens über die ersten drei Schränke 11 bis 13. Weitere Abgangsschalter können links davon angeordnet werden, wenn diese Stromsammelschienen nach links hin verlängert werden, wie durch die gestrichelten Linien angedeutet ist.

Die Stromsammelschienen der Reserveeinspeisung R sind dagegen in dem mittleren Bereich und in dem dritten und vierten Schrank 13, 14 sowie rechts von diesen Schränken angeordnet.

Die Schaltanlage ist mit Hallsensoren und Lichtwellenleiter- Sensoren zur Erkennung eines Störlichtbogens bestückt. Die nähere Wirkungsweise der Sensoren wird später erläutert.

Die Lichtwellenleiter-Sensoren dienen zur globalen (zumindest in gleichen Funktionsräumen ortsunabhängigen) Störlichtbogenerkennung, d. h. zeigen an, daß ein Störlichtbogen eingetreten ist, während die Hallsensoren den genauen Entstehungsort des Störlichtbogens erkennen.

Die Störlichtbogenerfassung kann jeweils für ein Schaltfeld erfolgen.

Insgesamt werden in diesen Fall bis zu acht Hallsensoren durch abgeschirmte Signalleitungen einer Erfassungselektronik zugeführt. Der Anschluß erfolgt über eine 25polige D-Sub- Buchse bzw. Stecker 16, der direkt auf einer Leiterplatte 17 aufgebracht ist, wobei die Leiterplatte 17 in einem geerdeten Stahlblechgehäuse unterhalb des Schrankdeckels oder der Verteilerschienen angeordnet ist.

Bis zu drei Lichtwellenleiter (LWL) 17, 18, 19 werden direkt auf der Leiterplatte steckbar oder fest angeordnet, wie in Fig. 5 gezeigt ist.

In einem Schaltfeld werden zusätzlich zu den Hallsensoren ein oder mehrere LWL-Schleifen im Schaltfeld angeordnet und miteinander logisch "ODER" verknüpft.

Die Hallsensoren werden für jeden Anordnungsort jeweils in Gruppen von zwei bis drei Hallsensoren parallel "ODER" verknüpft, was in der Erfassungselektronik erfolgt, wobei die Hallsensoren beispielsweise in den Zwischenraum zweiter Leiter oder Stromschienen sowie zwischen Stromschienen und geerdeten Anlagenteilen angeordnet sein können.

In unterschiedlichen Funktionsräumen eines Schaltfeldes, wie Verteilerschienenraum, Geräteraum oder Anschlußraum, ergeben sich dann bis zu acht Anordnungsorte. Es können beispielsweise ein oder zwei Gruppen von Hallsensoren in bis zu 3 Verteilerschienenräumen angeordnet sein. Eine oder zwei Gruppen von Hallsensoren können dann in bis zu zwei Geräteräumen angeordnet sein. Eine Gruppe von Hallsensoren kann in einem Anschlußraum vorhanden sein.

In der Erfassungselektronik oder einer andere Signalverarbeitung wird das LWL-Summensignal mit den Signalen der Hallsensoren jeweils einzeln logisch "UND" verknüpft, derart daß unterschiedliche Schalt- und Schutzgeräte, wie Kurzschließer, Leistungsschalter, Einspeiseschalter und Kuppelschalter, angesprochen werden können.

Im einfachsten Fall kann ein Summensignal aus einer "ODER" Verknüpfung der LWL-Sensoren mit einem Summensignal aus einer "ODER" Verknüpfung der Hallsensoren.

In der Erfassungselektronik sind die optischen Sender, Empfänger und Verstärker für die Lichtwellenleiter integriert.

Die Logikfunktion für die Verknüpfung der Sensoren und der Ausgangssignale für die Schutz- und Schaltgeräte sind beispielsweise mit GALs, PALs oder EPROMS realisiert und durch Neuprogrammierung veränderbar.

Die Ausgangssignale für die Schutz- und Schaltgeräte werden von galvanisch getrennten Halbleiterrelais zur Verfügung gestellt und an einer 9poligen SUB-D-Buchse 20 angelegt.

Die Erfassungselektronik in der auch die logische Verknüpfung der Sensorsignale integriert ist, steuert die entsprechenden Schnittstellen der Schalt- und Schutzgeräte, also durch den 9- poligen D-Sub-Stecker 20.

Näheres über eine zentrale oder dezentrale Auslösung wird später anhand verschiedener Lösungen erläutert.

Wie die Fig. 3 und 4 zeigen, sind in den ersten beiden Schränken 11 und 12 insgesamt 8 Gruppen von Hallsensoren H1 bis H8 in den unterschiedlichsten Funktionsräumen angeordnet, wobei eine Gruppe von zwei Hallsensoren gebildet wird.

Die einzelnen Funktionsräume sind in bekannter Weise durch Schottwände und dergleichen voneinander getrennt.

In den Verteilerschienenraum der Schränke 11 und 12 sind zwei Gruppen von Hallsensoren H1 und H2 zwischen den horizontalen Stromsammelschienen nur zur Erfassung eines Störlichtbogens in diesem Bereich angeordnet.

In den Geräteraum des ersten Schranks 11 ist im Bereich der vertikalen Anschlußschienen eine dritte und eine vierte Gruppe von Hallsensoren H3 und H4 angeordnet, wobei die dritte Gruppe von Hallsensoren H3 im Bereich der vertikalen Anschlußschienen und die vierte Gruppe H4 im Bereich der vertikalen Abgangsschienen angeordnet ist, also vor und hinter dem Abgangsschalter AA.

Der Anschlußraum der ersten Schranks 11 ist im Bereich der vertikalen Abgangsschienen oder im Bereich der horizontalen Abgangsschienen mit einer fünften Gruppe von Hallsensoren H5 bestückt.

In dem Geräteraum des zweiten Schranks 12 sind weiterhin eine sechste und eine siebte Gruppe von Hallsensoren H6 und H7 angeordnet, wobei diese vor und hinter dem Einspeiseschalter EA angeordnet sind.

Eine achte Gruppe von Hallsensoren H8 ist in dem Anschlußraum, der zur Einspeisung dient, vorhanden.

Diese Gruppen von Hallsensoren H1 bis H8 sind, wie schon vorher erläutert, mit einer gemeinsamen Erfassungselektronik verbunden, die in einem der beiden Schränke 11 oder 12 angeordnet sein kann.

Zusätzlich sind drei Schleifen von LWL-Sensoren L1, L2 und L3 angebracht, die sich jeweils über mehrere Schränke erstrecken, wie aus der Fig. 4 zu erkennen ist.

Der erste LWL-Sensor L1 ist im Bereich des Verteilerschienenraumes der Schränke 11 und 12 parallel zu den Stromsammelschienen angeordnet. Der zweite LWL-Sensor L2 erstreckt sich über beide Geräteräume der Schränke 11 und 12 quer zu den Abgangs- Einspeise- und Anschlußschienen. Der dritte LWL-Sensor L3 verläuft über die Anschlußräume der Schränke 11 und 12.

Natürlich können weitere Schränke mit Sensoren bestückt werden, die einer weiteren Erfassungselektronik zugeordnet sind.

In der Schaltanlage ist der in der Fig. 3 gezeigte Abgangsschalter AA ein Leistungsschalter in bekannter Weise, der beispielsweise eine Abschaltzeit von 15 ms aufweist. Der dort gezeigte Einspeiseschalter EA ist ebenfalls ein Leistungsschalter mit einer Abschaltzeit jedoch von 30 ms. Der Kurzschließer KS bewirkt in mindestens weniger als 5 ms einen metallischen Kurzschluß.

Die Zeiten für die Erfassung und Verarbeitung einer Störlichtbogens sind gegenüber den Abschaltzeiten der Schaltgeräte gering, zumindest kleiner als 5 ms.

Die Schaltanlage ist an einem Netz angeschlossen. Das Netz soll eine derart hohe Kurzschlußleistung aufweisen, daß ein Störlichtbogen in höchstens 20 ms abgeschaltet sein muß, damit weder Anlagenteile beschädigt werden können noch in der Nähe befindlichen Personen verletzt werden können.

Die Sensoren sind, wie in den Fig. 6 und 7 gezeigt ist, derart verknüpft, daß in Abhängigkeit vom Entstehungsort des Störlichtbogens, also Schrank, Funktionsraum und stromführende Teile, wie netzseitige Anschlußschienen und Abgangsschienen, unterschiedliche Geräte ausgelöst werden.

Aus den Ausgangssignalen der einzelnen LWL-Sensoren L1, L2, L3 wird durch eine ODER-Verknüpfung ein Summensignal gebildet, wie die Fig. 6 zeigt.

Dieses Summensignal wird einzeln mit den Ausgangssignalen der Hallsensorgruppen H1 bis H8 logisch "UND" verknüpft, wobei die paarweise angeordneten Hallsensoren H1a, H1b, die eine Gruppe bilden, logisch "ODER" verknüpft werden.

Die Summensignale X1 bis X8 der Verknüpfung aus LWL- und Hallsensoren werden, wie die Fig. 7 zeigt, wie folgt mit den unterschiedlichen Schalt- und Schutzgeräte verknüpft.

Das Steuersignal des in der Niederspannungs-Schaltanlage angeordneten Kurzschließers KS wird durch eine ODER-Verknüpfung der Signale X1 bis X3 und X6 gebildet.

Das Steuersignal des in der Niederspannungs-Schaltanlage angeordneten Einspeiseschalters EA wird ebenso durch eine ODER- Verknüpfung der Signale X1 bis X3 und X6 gebildet.

Das Steuersignal des in der Niederspannungs-Schaltanlage angeordneten Abgangsschalters EA wird durch eine ODER- Verknüpfung der Signale X4 und X5 gebildet.

Das Steuersignal des in der Niederspannungs-Schaltanlage angeordneten Kuppelschalters KS wird durch eine ODER-Verknüpfung der Signale X7 und X8 gebildet.

Das Steuersignal des außerhalb der Niederspannungs-Schaltanlage angeordneten Mittelspannungs-Schalters MS-LS wird ebenfalls durch eine ODER-Verknüpfung der Signale X7 und X8 gebildet.

Das Steuersignal des außerhalb der Niederspannungs-Schaltanlage angeordneten Mittelspannungs-Kurzschließers MS-KS wird auch durch eine ODER-Verknüpfung der Signale X7 und X8 gebildet.

Im folgenden sollen anhand von drei Fehlerfällen die Arbeitsweise näher erläutert werden.

Der erste Fall stellt einen Störlichtbogen LBS im Sammelschienenbereich dar, wie in der Fig. 1 angedeutet ist, z. B. in dem Sammelschienenraum zwischen zwei Stromsammelschienen in einem der beiden Schränke 11 oder 12 (Ansprechen der Hallsensoren H1 oder H2 und LWL-Sensors L1), im Geräteraum zwischen den netzseitigen Anschlußschienen des Abgangsschalters AA (Ansprechen der Hallsensoren H3 und LWL-Sensor L2) oder im Geräteraum zwischen den mit den Stromsammelschienen verbundenen Anschlußschienen des Einspeiseschalters EA (Ansprechen der Hallsensoren H6 und des LWL-Sensors L2).

In diesem Fall wird ein Summensignal durch einen der LWL- Sensoren L1 oder L2 erzeugt, das mit einem Hallsensorsignal eines der Hallsensoren H1, H2, H3, H6 UND-verknüpft wird, wobei der Kurzschließer KS dann betätigt wird und der Einspeiseschalter EA abgeschaltet wird. Der Störlichtbogen wird in weniger als 5 ms gelöscht, wobei durch den Einspeiseschalter EA der Kurzschlußstrom in 30 ms unterbrochen wird.

Im zweiten Fall entsteht ein Störlichtbogen LBA im Abgangsbereich des Abgangsschalters AA, wobei der Störlichtbogen entweder im Geräteraum des Abgangsschalters AA (Ansprechen des Hallsensors H4 und des LWL-Sensors L2) oder in dem Anschlußraum des ersten Schranks 11 (Ansprechen des Hallsensors H5 und des LWL-Sensors L3). In diesem Fall wird ein Ausschaltimpuls an den Abgangsschalter AA weitergegeben, der in 15 ms den Störlichtbogen löscht, also unterhalb der zulässigen 20 ms.

Im nächsten Fallbeispiel entsteht ein Störlichtbogen LBE im netzseitigen Bereich des Einspeiseschalters, z. B. im Anschlußraum des zweiten Schranks 12 (Ansprechen des Hallsensors H8 und des LWL-Sensors L3) oder im Geräteraum des Einspeiseschalters EA (Ansprechen des Hallsensors H7 und des LWL-Sensors L2).

Hierbei wird ein vorgeordnetes Schaltgerät und ein weiterer Kurzschließer betätigt, beispielweise ein Mittelspannungs- Schalter MS-LS und ein nachgeschalteter Kurzschließer MS-KS auf der Mittelspannungsseite, die in der Fig. 4 dargestellt sind. Der Kurzschließer MS-LS löscht den Störlichtbogen bereits nach 5 ms. Der von diesem Kurzschließer erzeugte metallische Kurzschluß wird dann von dem Mittelspannungs-Schalter MS-LS abgeschaltet.

Weiterhin wird dann der Kuppelschalter KA von der Erfassungselektronik zugeschaltet, so daß die an die Stromsammelschienen-Abschnitte SSA angeschlossenen Verbraucher weiterhin durch die Reserveeinspeisung R versorgt werden können, also ohne daß beispielsweise Herstellungsprozesse in der chemischen Industrie unterbrochen werden.

Im ersten Fall (LBS) kann alternativ nur ein Steuersignal an dem Kurzschließer KS erfolgen. Die jeweils einspeisenden Zweige werden durch den standardmäßig eingebauten Kurzschlußschutz selektiv abgeschaltet.

Im zweiten Fall (LBA) kann alternativ ein Steuersignal an den Kurzschließer KS und den Einspeiseschalter EAf eventuell auch des Abgangsschalters AA, weitergegeben werden.

Im dritten Fall (LBE) kann alternativ nur ein Steuersignal an den Mittelspannungs-Schalter MS-LS weitergegeben werden oder auch zusätzlich oder ausschließlich an den Kurzschließer KS.

In komplexen Niederspannungs-Schaltanlagen können eine Vielzahl von Sensoren und daher mehrere Erfassungseinheiten erforderlich sein. Die Informationsübertragung zur Auslösung der Schaltvorgänge kann zentral oder dezentral erfolgen, wie anhand der Fig. 8 und 9 erläutert werden soll.

Die Fig. 8 zeigt einen Ausschnitt einer Niederspannungs- Schaltanlage, die aus Schaltzellen, in den Zellen angeordneten Microcontrollern C, mit den Microcontrollern verbundenen LWL- und Hallsensoren, Schalt- oder Schutzgeräte, wie Leistungsschalter LS und Kurzschließer KS, die direkt mit den Microcontrollern oder mit einer Zentraleinheit durch Steuerleitungen verbunden sind, wobei die einzelnen Microcontroller und die Zentraleinheit durch eine optische Datenleitung, die als gestrichelte Linie dargestellt ist, verbunden sind.

In jeder Schaltzelle wird der aufgetretene Fehler detektiert und ohne Entscheidung über die auszuführenden Schalthandlungen an die zentrale Verarbeitungseinheit übertragen. In der Zentraleinheit wird in Abhängigkeit vom aktuellen Schaltzustand der Anlage, eine Entscheidung über die auszuführenden Schalthandlungen getroffen.

Lediglich das Abschalten der Leistungsschalter in den Abgangszellen kann autonom in jeder Zelle erfolgen, da diese Entscheidung ausschließlich aus zelleninternen Kriterien abgeleitet werden kann.

Die Signalübertragung wird mit Rücksicht auf die EMV über eine optische Datenleitung erfolgen.

In der Fig. 9 ist ein Ausschnitt einer Niederspannungs- Schaltanlage mit dezentraler Auslösung der Schaltgeräte gezeigt.

Die einzelnen Schaltzellen weisen jeweils eine Logik-Einheit mit Halbleiterrelais und an dieser Logik-Einheit angeschlossenen Sensoren. Die einzelnen Logik-Einheiten und die Schaltgeräte sind durch eine Steuerleitung SL verbunden.

In jeder Schaltzelle wird aus dem erkannten Fehler in Abhängigkeit von der Fehlerstelle direkt ein Auslösesignal für das entsprechende Schaltgerät erzeugt. Dieses Signal wird von einem Halbleiterelais HR auf die Steuerleitung gegeben und kann somit einen entsprechenden Auslöser im anzusprechenden Schaltgerät betätigen.

Die Fig. 10 zeigt den Kurzschließer KS, der in bekannter Weise ausgeführt werden kann.

Bei einem Störlichtbogen wird kurzzeitig ein hoher Strom Ic aus einem Energiespeicher einer Spule N zugeschaltet. Infolge der Kräfte, die durch den Induktionsstrom in den becherartigen Metallteilen K1 und K2 entstehen, wird ein metallischer Kurzschluß zwischen den kurzzuschließenden Teilen XR und YR erzeugt.

Im folgenden soll die Hallsensoren H1 bis H8 näher erläutert werden, wobei hierzu bezogenen Figuren und Bezugszeichen mit einem hochgestellten Beistrich versehen sind.

Die Anordnung und Wirkungsweise wird anhand von einfachen nachstehenden Beispielen ohne direkten Bezug auf die vorhergehenden komplexen Beispiele erläutert.

Wie in der Fig. 11 angedeutet ist, sind zwei Hallsensoren 1′ in dem Sammelschienenraum 2′ einer Niederspannungs-Schaltanlage zwischen den Stromsammelschienen 3′ angeordnet.

Das von den Hallsensoren 1′ erzeugte Signal wird einer hier nicht näher erläuterten Auswerteschaltung 4′ zugeführt, die das Signal verarbeitet und bei einem Störlichtbogen oder einem anderen Querfehler senkrecht zu den Stromsammelschienen 3′ ein selektiv arbeitendes Schalt- oder Schutzgerät 5′ ansteuert, welches durch schnelle Kontaktöffnung die Wirkdauer des Störlichtbogens verringert.

Ebenso möglich ist anstelle eines Schaltgerätes, eine einen definierten, für die Anlage unschädlichen Kurzschluß erzeugende Vorrichtung zu verwenden.

Die Hallsensoren 1′ sind omnipolare, digitale Hallsensoren 1′, die ihren Schaltzustand ändern, wenn ein Magnetfeld parallel zur Sensoroberfläche in den Wirkungsbereich der Sensoren gelangt. Dabei ändern die Hallsensoren 1′ ihren Schaltzustand unabhängig von der Richtung des auf sie wirkenden Magnetfeldes (Nord-Süd oder Süd-Nord-Richtung). Schalten die Hallsensoren beispielweise bei einem Magnetfeld der Nord-Süd-Richtung ein, werden bei Unterschreiten der magnetischen Einschaltflußdichte, z. B. mit Hilfe eines Magnetfeldes der Süd-Nord-Richtung, die Hallsensoren 1′ wieder in ihren Ausgangszustand zurück versetzt. Es entsteht ein Rechteckverlauf des Hallsignals.

Die Hallsensoren 1′ sind wie in der Fig. 12 zu erkennen ist, mit ihrer Oberfläche parallel und im Abstand d von einigen Zentimetern, vorzugsweise drei Zentimetern, zu den Stromsammelschienen 3′ angeordnet.

Hierbei sind die Hallsensoren 1′ derart angeordnet, daß sie ihren Schaltzustand nur ändern, wenn ein Magnetfeld parallel zu der Y-Z-Ebene des in der Fig. 12 dargestellten Koordinatensystems verläuft.

Zwischen den beiden oberen Stromsammelschienen 3′ ist ein Störlichtbogen dargestellt. Das durch den Fehlerstrom verursachte Magnetfeld B verläuft im wesentlichen parallel zur X-Z-Ebene, wodurch der Hallsensor 1′ ein Ausgangssignal erzeugt.

Kurzschlußströme in den Stromsammelschienen, infolge satter Kurschlüsse, sollen dagegen durch die den Lichtbogendetektor nicht erfaßt werden. Der mit Ik bezeichnete Kurzschlußstrom in der obersten Stromsammelschiene 3′ erzeugt ein in dem Wirkungsbereich des Hallsensors und in Y- und X-Richtung verlaufendes Magnetfeld, das jedoch kein Ausgangssignal verursacht.

Die Fig. 13 zeigt die Anordnung der Hallsensoren S1, S2 zur Erfassung eines Störlichtbogens an den horizontal angeordneten Hauptsammelschienen 6′, ohne daß der Betriebsstrom der vertikal angeordneten Abgangsschienen 7′ ein Hallsignal generiert, wobei die Hallsensoren nur angedeutet sind.

Jeder der beiden Hallsensoren S1, S2 wird so innerhalb der Distanz h1, also zwischen den Stromsammelschienen, angebracht, daß sie gleichzeitig mit ihrer Längsseite innerhalb der Distanz bzw. Breite b1 der Abgangsschienen 7′ positioniert sind, wobei die Distanz b1 der Stromschienendicke der Abgangsschienen 7′ entspricht, wie aus der Einzelheitdarstellung Z in der Fig. 14 dargestellt ist und wobei ferner die Längsseite der Hallsensoren S1, S2 der Arbeitsrichtung entspricht.

Die Entfernung 1 zwischen der Abgangsschiene und dem Hallsensor S1 oder S2 sollte so gering wie möglich sein. Mit dieser Positionierung wird gewährleistet, daß das vom Betriebsstrom in vertikalen Stromschienensystem aufgebaute Magnetfeld in jedem Fall senkrecht den Hallsensor S1 bzw. S2 durchsetzt und damit nicht zur Generierung eines Hallsignals führt. Gleichzeitig durchdringt das Magnetfeld, welches vom Betriebsstrom durch das horizontale Stromschienensystem aufgebaut wird, ebenfalls die Sensoroberfläche im wesentlichen senkrecht.

Die tangentiale Magnetfeldkomponente, die parallel zur Sensoroberfläche wirkt, verläuft senkrecht zur Arbeitsrichtung des Sensors und kann aus diesem Grund auch keine Hallsignalgenerierung initiieren.

Bei Positionierung der Sensoren gemäß Fig. 13 und Fig. 15 wird durch einen Betriebsstromfluß im horizontalen und vertikalen Stromschienensystem kein Hallsignal von den Sensoren generiert. Nur bei einem Störlichtbogen wird ein Hallsignal erzeugt. Die Tangentialkomponente des durch den Störlichtbogen im horizontalen Sammelschienensystem aufgebauten Magnetfeldes verläuft in diesem Fall parallel zur Arbeitsrichtung des Sensors und überschreitet dessen Einschaltflußdichte.

Durch die Anordnung in der Fig. 13 kann nur ein Störlichtbogen im horizontalen Schienensystem detektiert werden. Deshalb ist es vorteilhaft, ebenfalls im vertikalen Bereich Sensorik einzusetzen. Hierbei werden Hallsensoren S3 und S4 analog zu den Hallsensoren S1, S2 zwischen den Abgangsschienen 7′ angeordnet, wie in der Fig. 17 dargestellt ist.

Im folgenden soll die LWL-Sensoren L1 bis L8 näher erläutert werden, wobei hierzu bezogenen Figuren und Bezugszeichen mit einem doppelten hochgestellten Beistrich versehen sind.

Die Anordnung und Wirkungsweise wird anhand von einfachen nachstehenden Beispielen ohne direkten Bezug auf die vorhergehenden komplexen Beispiele erläutert.

Die in den Fig. 18 bis 22 gezeigte Einrichtung ist jeweils zur Überwachung eines Störlichtbogens in dem störlichtbogengefährdeten Sammelschienenraum einer Niederspannungs-Schaltanlage angeordnet.

Die Einrichtung 1′′ besteht aus einem Lichtwellenleiter 2′′, einer elektronischen Schaltung 3′′ mit einer Leuchtdiode mit konstanten Lichtstrahl bestimmter Wellenlänge am Anfang des Lichtwellenleiters 1′′ und einem Empfänger am Ende des Lichtwellenleiters 1′′. Dieser Lichtstrahl wird zur Überwachung der Schutzeinrichtung genutzt. Hierdurch vermeidbare Störungen sind die Drift von Bauelementen und das mechanische Beschädigen des Lichtwellenleiters. Entwickelt sich in dem Sammelschienenraum ein Störlichtbogen, wird dessen Licht in den Lichtwellenleiter durch seine Ummantellung eingekoppelt. Dieses zusätzlich eingekoppelte Licht führt zu einer Anhebung des von einer Auswerteschaltung empfangenen Lichtpegels. Die elektronische Schaltung 3′′ erzeugt eine dem Lichtpegel proportionale Spannung.

Nach Überschreiten eines an der Auswerteschaltung einstellbaren Schaltpegels wird ein Signal erzeugt, welches von einem selektiv arbeitenden Schutzgerät 4′′ zum Abschalten des störlichtbogenhavarierten Schaltanlagenteiles oder einer anderen geeigneten Vorrichtung genutzt werden kann. Die Auswerteschaltung befindet sich in einem nicht störlichtbogen­ gefährdetem Ort.

Der Lichtwellenleiter 2′′ besteht aus einer Gradientenfaser mit einem Kern von etwa 0,06 mm, einem Mantel von etwa 0,12 min und einem zweiten Mantel oder Primärschutz bestehend aus einem eingefärbten Acrylat mit einem Durchmesser von etwa 0,25 mm mit einer grünen oder blauen Färbung. Hierdurch weist der Lichtwellenleiter 2′′ sowohl aus der Sicht der Lichteinkopplung durch Störlichtbögen als auch im Hinblick auf die Unempfindlichkeit gegenüber Fremdlicht günstige Eigenschaften auf. Die mechanische Festigkeit und erforderlichen Biegeradien werden ebenfalls erreicht. Die optische Dämpfung des Lichtwellenleiters beträgt 3 bis 4 Db/km bei 850 nm bzw. 0,5 bis 1,5 Db/km bei 1300 nm.

Lichtwellenleiter mit einer blauen Ummantelung weisen bei größeren Strömen ein sicheres Erfassungsverhalten auf bei geringer Wahrscheinlichkeit einer Fehlauslösung, während Lichtwellenleiter mit grüner Ummantelung auch noch bei kleineren Strömen, beispielsweise Ik= 4 Ka, die Anforderungen an ein schnelles und sicheres Erfassen erfüllen. Die Lichtwellenleiter mit grüner Ummantelung ist also vorzugsweise im Bereich kleiner Ströme einzusetzen, während die Lichtwellenleiter mit einer blauen Ummantellung bei größeren Strömen sinnvoll ist.

In Niederspannungs-Schaltanlagen als Hauptverteilungen ist aufgrund der größeren zur Verfügung stehenden Kurzschlußleistung und der damit verbundenen großen Fehlerströme vorzugsweise der Lichtwellenleiter mit der blauen Ummantellung einzusetzen. Ein weiterer Aspekt ist, daß in Hauptverteilungen die Schutztechnik sehr zuverlässig arbeiten muß, weil eine Fehlauslösung schwerwiegende Folgen für angeschlossene Geräte haben kann. Deswegen ist die weniger störanfällige blaue Ummantellung hier zu bevorzugen, weil eine geringere Wahrscheinlichkeit einer Fehlauslösung besteht und bei Lichtbogenfehlern in jedem Fall eine ausreichende Strahlungsleistung zur Verfügung steht.

Durch die Verwendung von handelsüblichen Lichtwellenleitern mit einer gefärbten Ummantellung, die bisher lediglich zur Unterscheidung von anderen Lichtwellenleitern in der Signalübertragung vorgesehen war sind zusätzliche Filter nicht erforderlich.

Um eine hohe Anlagensicherheit zu gewährleisten, ist eine zuverlässige Funktion der Erfassungsschaltung erforderlich. Es muß gewährleistet sein, daß bei kleinsten Lichtbogenleistungen die Erfassungseinrichtung sicher anspricht und trotzdem ein ausreichender Störpegel-Nutzpegel eingehalten wird. Eine Fehlauslösung bei zu kleinem Abstand Störpegel-Nutzpegel kann zur Abschaltung wichtiger Verbraucher und ein Nichtansprechen bei zu großem Abstand Störpegel-Nutzpegel zur Zerstörung der Anlage führen.

Damit eine ausreichende Sicherheit vor Störlicht gegeben ist, beträgt der maximale Störpegel in diesem Ausführungsbeispiel mindestens 30 Prozent jedoch höchstens 50 Prozent des Nutzpegels. Eine weitere Vergrößerung des Störanstandes erhöht zwar die Sicherheit vor Störlicht, jedoch wird gleichzeitig die Erfassung von Störlichtbögen erschwert, weil die Schaltschwelle eventuell nicht mehr erreicht wird. Außerdem werden die Erfassungszeiten größer, so daß eine Erfassung im Bereich weniger Millisekunden nicht mehr erreicht ist.

Der Lichtwellenleiter ist in einem Abstand von etwa 50 mm von den Sammelschienen entfernt angeordnet. Sowohl oberhalb als auch unterhalb des Sammelschienensystems weist dieser in etwa den gleichen Abstand auf. Der Abstand kann verringert werden. Der Lichtwellenleiter sollte jedoch nicht direkt auf die Sammelschienen angeordnet werden, weil dort die abschattende Wirkung der Sammelschienen am größten ist.

Günstig ist es auch, den Lichtwellenleiter in einem Abstand anzuordnen, der den Sammelschienenabstand entspricht.

Die Fig. 18 zeigt eine Anordnung mit drei Stromsammelschienen 5′′, 6′′ und 7′′ und einem Lichtwellenleiter 2′′, der senkrecht zu diesen angeordnet ist und um alle drei Stromsammelschienen 5′′, 6′′ und 7′′ gewickelt ist, ohne diese zu berühren. Entsteht ein Störlichtbogen zwischen zwei Stromsammelschienen, kann dieser als linienförmige Strahlungsquelle angesehen werden. Der Lichtwellenleiter 2′′ liegt dann parallel zu dem Störlichtbogen. Die Strahlung wird radialsymmetrisch abgegeben und trifft den Lichtwellenleiter an geraden oder schwach gekrümmten Stellen. Das hierbei auftreffende Licht wird infolge von mikroskopischen Krümmungen der Lichtwellenleiterachse eingekoppelt. Die auf die Manteloberfläche des Lichtwellenleiters auftreffende Strahlung im Strahlungsmaximum ist durch diese Anordnung hoch im Vergleich zu dem Fremdlicht, so daß bereits in der Entstehungsphase des Störlichtbogens, also im Bereich kleiner 5 ms, eine Erkennung erfolgt. Durch die Filterwirkung der Ummantelung wird dieses Verhalten noch günstiger.

Die Radien der Biegungen des Lichtwellenleiters sind hier und in den nächsten Beispielen im Bereich der Lichteinkopplung relativ groß, beispielsweise größer 40 mm, so daß das Fremdlicht erschwert eingekoppelt wird.

Der Lichtwellenleiter 2′′ kann auch, wie in der Fig. 19 gezeigt ist, mehrfach um jede Stromsammelschiene 5 gewickelt werden und zwar auch über die volle Länge oder über wesentliche Teile davon angeordnet werden. Ein Störlichtbogen ist dann immer sehr nah an dem Lichtwellenleiter, so daß genügend Licht in der frühen Entstehungsphase eingekoppelt wird und eine besonders schnelle Erkennung möglich ist. Zwar besteht hier die erhöhte Gefahr, daß der Lichtwellenleiter bei einem Störlichtbogen zerstört wird, dies erfolgt aber nach der Detektion.

Eine andere Anordnung des Lichtwellenleiter zeigt die Fig. 20. Dort ist der Lichtwellenleiter vor den Stromsammelschienen mäanderförmig angeordnet. Auch eine Anordnung hinter den Stromsammelschienen ist möglich. Der Lichtwellenleiter 2′′ verläuft über weite Bereiche parallel zu den Stromsammelschienen etwa in gleichen Abstand, so daß mit einer relativ geringen Lichtwellenleiterlänge ein großes Erfassungsgebiet sicher erfaßt wird.

Sind Anschlußschienen vorhanden, wie in der Fig. 21 abgebildet ist oder auch Feldsammelschienen, dann kann der gleiche Lichtwellenleiter auch um diese senkrechten Schienen gewickelt sein.

In der Fig. 22 ist eine Anordnung gezeigt, bei der der Lichtwellenleiter 2′′ auch zwischen Stromabgriffen gewickelt werden kann. In diesem Bereich ist die Entstehung eines Störlichtbogens am wahrscheinlichsten.

Zur Verhinderung von Fehlauslösung können in bekannter Weise weiter Kriterien, wie Stromanstieg oder Spannungseinbruch, herangezogen werden.

In einer Schaltanlage, insbesondere in einer Niederspannungs- Schaltanlage, kann jeder Funktionsraum, wie Schienenraum, Geräteraum und Anschlußraum, mit einem separaten Lichtwellenleiter versehen sein.

Die Anordnung des Lichtwellenleiters kann auf Schottplatten und anderen, in Stromschienennähe vorhandene, ebene Anlagenteile erfolgen, wobei die Befestigung des Lichtwellenleiters durch Aufkleben oder durch Aufkleben oder durch Befestigungselemente, wie Befestigungsösen oder Abstandshalter, erfolgen kann. In Hauptverteiler-Schienensystemen können für die Befestigung Stromschienenhalterungen genutzt werden, beispielsweise an Halterungen wie sie in der DE-PS 40 13 312 gezeigt und beschrieben sind. Der Lichtwellenleiter kann dann durch dafür vorgesehenen Bohrungen geführt werden.

In Hauptverteiler-Schienensystemen ist es besonders vorteilhaft, wenn der Lichtwellenleiter längs zu den Stromsammelschienen zentrisch im Schienenzwischenraum angeordnet ist.

Dagegen ist es in Geräteanschlußräumen besonders günstig, wenn der Lichtwellenleiter quer zu den Stromschienen, als schleife oder wendelförmig, z. B. auf einer Schottplatte, angeordnet ist. Bei Angangsschienen, die länger als 300 mm sind, ist eine Längsverlegung günstig.

Der Lichtwellenleiter ist vorteilhafterweise in unmittelbarer Nähe oder um spannungsführende Teile angeordnet, wobei eine direkte Berührung der spannungsführenden Teile, bzw. eine anliegende Anordnung, nicht ausgeschlossen ist, also auch unter dem Begriff "in unmittelbarer Nähe" zu verstehen ist.

Die Hallsensoren in diesen Beispielen sind auf magnetische Felder reargierende Sensoren und sind im Gegensatz zu magnetempfindliche Sensoren, wie Strom- und Spannungswandler­ strom und spannungsunabhängig.

Die Schaltschrankgehäuse aus Blech oder Metall stellen eine Barriere für externe Magnetfelder, die sonst in die Hallsensoren eingekoppelt werden könnten.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Hallsensor mit Epoxidharz geschützt ist.

Claims (12)

1. Gegen Störlichtbögen gesicherte zellenartige Schaltanlage zur Verteilung elektrischer Energie, insbesondere Niederspannungs-Schaltanlage dadurch gekennzeichnet, daß lokal einen Störlichtbogen erfassende Sensoren (H1 bis H8) in den einzelnen Schaltzellen (11 bis 13), Funktionsräumen, wie Verteilerschienenraum, Geräteraum oder Anschlußraum und Funktionsraum-Abschnitten, wie Zuführungs- oder Abgangsschienen von Geräten, angeordnet sind, daß diese Sensoren (H1 bis H8) mit einer zugeordneten für mindesten eine Gruppe von Sensoren gemeinsamen Auswerte- und Steuerungseinheit verbunden sind und dort logisch verknüpft werden und daß die Auswerte- und Steuerungseinheit Schalthandlungen von den in den Geräteräumen befindlichen Schalt- und Schutzgeräten (EA, AA, KS, KA) steuert.

2. Schaltanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine globale, ortsunabhängige Detektierung des Störlichtbogens mittels zusätzlicher Sensoren (L1 bis L3) erfolgt und daß die Sensoren (H1 bis H8) mit den zusätzlichen Sensoren logisch UND verknüpft werden.

3. Schaltanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich außerhalb der Schaltzellen angeordnete Schalt- und Schutzgeräte (MS-KS, MS-LS) von der Auswerte- und Steuerungseinheit gesteuert werden.

4. Schaltanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (H1 bis H8) Hallsensoren sind.

5. Schaltanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Sensoren (L1 bis L3) Lichtwellenleiter-Sensoren sind.

6. Schaltanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Sensoren (L1 bis L3) sich durch gemeinsame Funktionsräume erstrecken.

7. Schaltanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kurzschließer (KS) betätigt wird, bei dem, wenn ein Störlichbogen entsteht, kurzzeitig ein hoher Strom (Ic) von einem Energiespeicher in eine Spule (N) zugeschaltet wird, der weiterhin infolge der Kräfte, die durch den Induktionsstrom in unter einem Vakuum stehenden becherartigen Metallteilen (KI und K2) entstehen, einen metallischen Kurzschluß zwischen den kurzzuschließenden Teilen (XR und YR) erzeugt.

8. Schaltanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kurzschließer (KS) betätigt wird, wenn der von dem Entstehungsort des Lichtbogens vorgeordnete Leistungsschalter eine größere Ausschaltzeit aufweist als die zulässige Lichtbogenexistenzzeit.

9. Schaltanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus einer ODER-Verknüpfung der zusätzlichen Sensoren (L1 bis L3) ein Summensignal gebildet wird, das einzeln mit dem Ausgangssignal der Sensoren (H1 bis H8) UND verknüpft wird.

10. Schaltanlage, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein lichtempfindliches Sensorelement vorhanden ist, daß mindestens ein lichtunempfindliches Sensorelement vorhanden ist, daß ein Schalt- oder Schutzgerät von einem Signal aus einer UND-Verknüpfung mindestens eines lichtempfindlichen Sensorelementes und mindestens eines lichtunempfindlichen Sensorelement betätigt wird.

11. Schaltanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtunempfindlichen Sensoren strom- und spannungsunabhängig sind.

12. Schaltanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtunempfindlichen Sensoren auf magnetische Felder reargierende Sensoren sind.