DE4440281C2 - Einrichtung zur optischen Erfassung von Störlichtbogenentladungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur optischen Erfassung von Störlichtbogenentladungen in gekapselten Schaltanlagen mit mindestens einem optischen Sensor, der einen photoelektrischen Empfänger aufweist, dem eine Lichtbogen-Auswerteinheit nachgeschaltet ist, und mit einer Lichtquelle zur Erzeugung von Prüflichtsignalen, die dem optischen Sensor zugeführt werden.

Eine Einrichtung der vorstehend beschriebenen Art ist bekannt (DE 28 56 188 A1). Bei dieser Einrichtung ist ein Lichtwellenleiter gasdicht in einer Wand der Schaltanlage angeordnet, der mit einer außerhalb der Schaltanlage angeordneten Auswerteeinheit verbunden ist. Ein zweiter, mit einer externen Lichtquelle zur Erzeugung von Prüflichtimpulsen verbundener Lichtleiter ist gasdicht in das Innere der Schaltanlage geführt und erzeugt Prüflichtimpulse, die durch einen Teil des zu überwachenden Raums geleitet werden, bevor sie in den an die Auswerteeinheit angeschlossenen Lichtleiter eintreten. Mit dieser Einrichtung läßt sich die Funktionsfähigkeit der Lichtbogenerfassung kontrollieren.

Bekannt ist auch ein optischer Detektor für die von Lichtbögen ausgehende Strahlung, der mit einer Anordnung verbunden ist, die zwischen schädlichen Störlichtbögen und betriebsbedingten Lichtbögen unterscheidet. Betriebsbedingte Lichtbögen sind beispielsweise Schaltlichtbögen, die bei der Betätigung von Schaltelementen in elektrischen Einrichtungen auftreten und eine von der Dauer des Schaltvorgangs abhängige Dauer haben. Diese Dauer kann zur Unterscheidung der Schaltlichtbögen von Störlichtbögen von der Anordnung ausgenutzt werden (DE 31 41 374 C2).

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Einrichtung zur optischen Erfassung von Störlichtbogenentladungen in gekapselten Schaltanlagen zu entwickeln, deren Funktionsfähigkeit umfassender überprüft werden kann, wobei bei einer Störung oder einem Defekt in der Einrichtung eine Meldung erzeugt wird.

Das Problem wird bei einer Einrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß von einem Prüfgenerator erzeugte Prüflichtsignale mit geringerer Intensität als das Störlicht moduliert zum photoelektrischen Empfänger übertragen werden, dem ein auf die Prüflichtsignale abgestimmter Prüfempfänger nachgeschaltet ist, der parallel zu der Lichtbogen-Auswerteinheit angeordnet ist, daß eine Lichtbogensimulierschaltung mit dem Eingang der Lichtbogen- Auswerteinheit verbunden ist, daß der Prüfgenerator die Lichtbogen- Auswerteinheit und die Lichtbogensimulierschaltung mit einer Steuereinrichtung verbunden sind, die die Ausgangssignale des Prüfempfängers auf eine Störung hin und die Ausgangssignale der Lichtbogen-Auswerteinheit auf eine Anregung von der Lichtbogensimulierschaltung oder vom photoelektrischen Sensor aus überwacht und daß in lichtbogenlosen Zeiträumen bei nicht auf die Prüflichtimpulse ansprechendem Prüfempfänger und bei nicht auf Lichtbogensimuliersignale ansprechender Lichtbogen-Auswerteinheit eine Störmeldung erzeugt wird.

Mit der vorstehend beschriebenen Einrichtung ist eine umfassendere fortlaufende Überwachung des photoelektrischen Empfänger und der diesem vorgeschalteten optischen Bauelemente, z. B. einen Lichtleiter, möglich. Fällt eines der Bauelemente in der aus dem Prüfgenerator, der Lichtquelle, dem Sensorelement und dem Prüfempfänger bestehenden Kette aus, dann gibt die Steuereinrichtung eine Fehlermeldung aus. Die Störung kann daher behoben werden. Ein Defekt in der Lichtbogen- Auswerteinheit oder im Lichtbogensimulator wird ebenfalls von der Steuereinrichtung erkannt, worauf eine Fehlermeldung erzeugt wird. Durch die Überwachung der Störlichtbogen-Erfassungseinrichtung wird sichergestellt, daß Störlichtbögen nicht durch eine defekte Störlichtbögen-Erfassungseinrichtung unerkannt bleiben und Schäden in der Schaltanlage verursachen.

Der Lichtbogensimulator wird vorzugsweise von der Steuereinrichtung periodisch zur Ausgabe von Lichtbogensimuliersignalen angeregt, deren vorgegebene Dauern geringer als die Zeiten der Störlichtbögen ist, wobei die Lichtbogen-Auswerteinheit die Dauern der für Lichtbögen typischen Eingangssignale zur Unterscheidung zwischen Lichtbogensimulationssignalen und Störlichtbögensignalen auswerten kann. Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß auch dann Störlichtbögen erkannt werden, wenn sie während eines Lichtbogensimulationssignals entstehen, da hierdurch die vorgegebene Dauer der Lichtbogensimuliersignale überschritten wird.

Insbesondere werden die Prüflichtsignale mit einem hochfrequenten Trägersignale ausgesendet und die Ausgangssignale des photoelektrischen Empfängers im Prüfempfänger demoduliert. Es wird dadurch verhindert, daß Tageslicht oder Licht einer künstlichen Beleuchtungsquelle den Prüfvorgang der Lichtbogen- Erfassungseinrichtung beeinträchtigt. Die Prüflichtsignale können z. B. pulscodemoduliert ausgesendet und ausgewertet werden. Als Lichtquelle wird eine für die Aussendung von hochfrequenten Lichtsignalen geeignete Leuchtdiode verwendet.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinrichtung ein Mikroprozessor oder Mikrocomputer, der von einer Watchdog-Schaltung überwacht wird. Die Zuverlässigkeit der Störlichtbogen- Erfassungseinrichtung wird dadurch noch weiter verbessert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Einrichtung zur optischen Erfassung von Störlichtbogenentladungen und

Fig. 2 ein Sensorelement im Schema.

Eine Einrichtung zur optischen Erfassung von Störlichtbogenentladungen enthält ein photoelektrisches Sensorelement 1 zur Erfassung des von einem Lichtbogen ausgesandten Lichts.

Dieses Sensorelement befindet sich z. B. im Inneren einer gekapselten Schaltanlage 2. Es ist aber auch möglich, daß das bei einer Lichtbogenentladung auftretende Licht mit einem Ende eines Lichtwellenleiters erfaßt wird, dessen anderes Ende außerhalb der Schaltanlage auf den photoelektrischen Sensor 1 gerichtet ist. An das Sensorelement 1, z. B. eine Photodiode, ein Phototransistor oder eine Photozelle, ist eine Lichtbogen-Auswerteinheit 3 angeschlossen. Die Lichtbogen-Auswerteinheit 3 enthält Bauelemente, mit denen das vom Sensorelement 1 ausgegebene Signal bewertet wird. Die Bewertung geschieht nach Intensität, Anstiegszeit und Dauer und ist an sich bekannt. Wenn vorgegebene Grenzwerte der Intensität, der Anstiegszeit und der Dauer überschritten werden, erzeugt die Lichtbogen- Auswerteinheit 3 ein Signal, das einer Steuereinheit 4 zugeführt wird. Die Steuereinheit 4 ist vorzugsweise als Mikrocontroller oder Mikrocomputer ausgebildet, der z. B. gemeinsam mit der Lichtbogen- Auswerteinheit 3 an einen Bus 5 angeschlossen ist.

In der Nähe des Sensorelements 1 ist eine Lichtquelle 6 angeordnet. Die Lichtquelle 6 ist so auf das photoelektrische Sensorelement 1 ausgerichtet, daß ein Teil des von der Lichtquelle 6 ausgesandten Lichts auf das Sensorelement 1 auftrifft. Die Lichtquelle 6 kann vor dem einen Ende des Lichtleiters angeordnet sein, dessen anderes Ende auf das Sensorelement 1 ausgerichtet ist. Die Lichtquelle 6 wird von einem Prüfgenerator 7 z. B. über Leitungen 13 mit elektrischen Signalen versorgt. Der Prüfgenerator 7 ist ebenfalls, z. B. über den Bus 5, mit der Steuereinrichtung 4 verbunden. Bei der Lichtquelle 6 handelt es sich vorzugsweise um einen lichtemittierenden Halbleiter wie lichtemittierende Diode.

Der Prüfgenerator 7 erzeugt elektrische Impulse mit Hochfrequenz, die von der Lichtquelle 6 in hochfrequente Lichtsignale umgewandelt werden. Es können auch pulscodemodulierte Signale erzeugt werden. Die von der Lichtquelle 6 ausgesandten Lichtimpulse werden vom photoelektrischen Sensor 1 empfangen und in elektrische Signale umgewandelt. Die Intensität der von der Lichtquelle 6 ausgesandten Lichtsignale ist geringer als die bei Lichtbogenentladung am photoelektrischen Sensor 1 auftretende Intensität und liegt unterhalb der Ansprechschwelle der Auswerteinheit 3.

An den Sensor 1, z. B. über Leitungen 12, ist neben der Lichtbogen- Auswerteinheit 3 noch ein Prüfempfänger 8 angeschlossen. Der Prüfempfänger 8, der eingangsseitig eine Begrenzerschaltung hat, die zu hohe, von den Lichtbogenentladungen verursachte Ausgangsspannungen des Sensors 1 begrenzt, ist auf die Ausgangssignale des Prüfgenerators 7 abgestimmt, d. h. es werden nur die vom Prüfgenerator 7 abgegebenen Signale detektiert. Wenn der Prüfempfänger 8 die vom Prüfgenerator ausgesandten Signale erkennt, gibt er eine entsprechende Meldung an die Steuereinheit 4 ab. Der Ausgang des Prüfempfängers 8 ist ebenfalls mit dem Bus 5 verbunden, über den die vom Prüfgenerator 8 erzeugten Meldungen zur Steuereinheit 4 gelangen.

An den Bus 5 ist weiterhin ein Lichtbogensimulator 9 angeschlossen, der einen mit dem Eingang der Lichtbogen-Auswerteinheit 3 verbundenen Ausgang hat. Der Lichtbogensimulator erzeugt auf eine Anregung hin ein Signal, das eine Lichtbogenentladung vortäuscht, d. h. das vom Lichtbogensimulator 9 erzeugte Signal ist im Verlauf an den Verlauf typischer, von Lichtbogenentladungen am Sensorausgang hervorgeru­ fenen Signalen ausgeglichen. Die Dauer des simulierten Lichtbogensignals kann allerdings etwas geringer als die Dauer des kürzesten Lichtbogens sein. Die Vergleichswerte sind in der Lichtbogen-Auswerteinheit 3 so eingestellt, daß das simulierte Lichtbogensignal noch erfaßt wird.

An die Steuereinrichtung 4 sind eine Ausgabeeinheit 10 für ein Alarmsignal, das einen Fehler in der Lichtbogen-Erfassungseinrichtung anzeigt, und eine Ausgabeeinheit 11 angeschlossen, die ein Signal ausgibt, das bei einem Störlichtbogen auftritt und weiterverarbeitet wird, um z. B. einen Leistungsschalter zu steuern, der das vom Störlichtbogen betroffene Anlagenteil spannungslos schaltet.

Entsteht ein Lichtbogen in einer Schaltanlage, so wird das ausgesendete Licht vom optischen Sensorelement 1 aufgenommen und in ein elektrisches Signal umgesetzt. Die nachgeschaltete Lichtbogen- Auswerteeinheit 3 bewertet das Signal nach Intensität, Anstieg und Dauer und gibt, wenn die Auslösekriterien erfüllt sind, d. h. ein Störlichtbogen detektiert wird, ein Alarmsignal an die Steuereinrichtung 4 weiter. Die Steuereinrichtung 4 aktiviert die Alarm-Ausgabeeinheit 11.

In das Sensorelement 1 ist die Lichtquelle 6 integriert. Diese Lichtquelle 6 erhält ständig oder in Intervallen Impulse vom Prüfgenerator 7 und sendet Lichtsignale in das Sensorelement 1. Die Intensität der Lichtsignale ist so bemessen, daß sie unterhalb der Auslöseschwelle der Lichtbogen-Auswerteinheit 3 liegt. Parallel zur Lichtbogen-Auswerteinheit 3 ist der Prüfempfänger 8 angeordnet, der die von der Lichtquelle 6 erzeugten Signale erkennt und auswertet. Das Ergebnis der Auswertung wird an die Steuereinrichtung 4 weitergemeldet. Im Falle einer Störung aktiviert die Steuereinrichtung 4 die Ausgabeeinheit für Störsignale 10. Die Überwachung des Sensorelements 1 kann ständig durchgeführt werden, ohne den Betrieb des Lichtbogenwächtersystems zu stören. Es ist also eine fortlaufende Überwachung des Sensorelements 1 und des Signalübertragungswegs bis zur Lichtbogen-Auswerteinheit 3 gewährleistet.

Zur Überwachung der Lichtbogen-Auswerteinheit 3 wird von der Steuereinheit 4 die Ausgabeeinheit für das Alarmsignal 10 abgekoppelt und der Lichtbogensimulator 9 an den Eingang der Lichtbogen- Auswerteinheit 3 geschaltet. Der Lichtbogensimulator 9 erzeugt ein Signal, das den Auslösekriterien entspricht. Ist die Lichtbogen- Auswerteinheit 3 in Ordnung, löst sie ein Alarmsignal aus und leitet es an die Steuereinheit 4. Diese setzt die Lichtbogen-Auswerteinheit 3 zurück und gibt die Ausgabeeinheit für das Alarmsignal wieder frei. Im Falle einer Störung aktiviert die Steuereinrichtung 4 die Ausgabeeinheit für Störsignale 10. Für die Dauer dieser Prüfung ist das Lichtbogenwächtersystem inaktiv. Die Überwachung wird jedoch so kurz gehalten werden, daß das Lichtbogenwächtersystem einen Lichtbogen, der zufällig während der Prüfung auftritt, noch erkennen kann.

Wenn mehrere Stellen in einer Schaltanlage auf evtl. auftretende Lichtbögen überwacht werden müssen, wird ein mehrkanaliges Lichtbogenwächtersystem ausgeführt. Jeder Kanal weist einen Sensor der in Fig. 2 dargestellten Art auf, bei dem ein Sensorelement 1, eine integrierte Lichtquelle 6 und eine Anschlußleitung vorgesehen ist. Pro Kanal ist auch ein Prüfempfänger erforderlich. Der Prüfgenerator, der Prüfempfänger, die Steuereinrichtung und die Ausgabeeinheiten müssen nur einfach vorhanden sein. Die Steuereinrichtung wird vorzugsweise durch einen Mikrocontroller realisiert.

Die Meldung, welcher Sensorkanal einen Lichtbogen erkannt hat, kann entweder durch Ansteuern von Meldeleuchten am Gerät angezeigt werden oder durch eine Meldeleitung fernübertragen werden.

Durch die Überwachung der oben beschriebenen Vorrichtung können Fehler bzw. Störungen erkannt und beseitigt werden. Damit ist gewährleistet, daß Störlichtbogenentladungen zuverlässig festgestellt und die zur Schadensvermeidung oder Schadensbegrenzung notwendigen Schaltmaßnahmen ausgelöst werden.

Claims (6)

1. Einrichtung zur optischen Erfassung von Störlichtbogenentladungen in gekapselten Schaltanlagen mit wenigstens einem optischen Sensor, der einen photoelektrischen Empfänger aufweist, dem eine Lichtbogen-Auswerteinheit nachgeschaltet ist, und mit einer Lichtquelle zur Erzeugung von Prüflichtsignalen, die dem optischen Sensor zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß von einem Prüfgenerator (7) erzeugte Prüflichtsignale mit geringerer Intensität als das Störlichtbogenlicht moduliert zum photoelektrischen Empfänger übertragen werden, dem ein auf die Prüflichtsignale abgestimmter Prüfempfänger (8) nachgeschaltet ist, der parallel zu der Lichtbogen-Auswerteinheit (3) geschaltet ist, daß eine Lichtbogensimulierschaltung (9) mit dem Eingang der Lichtbogen-Auswerteinheit (3) verbunden ist, daß der Prüfgenerator (7), die Lichtbogen-Auswerteinheit (3), und die Lichtbogensimulierschaltung (9) mit einer Steuereinrichtung (4) verbunden sind, die die Ausgangssignale des Prüfempfängers (7) auf eine Störung hin und die Ausgangssignale der Lichtbogen- Auswerteinheit (3) auf eine Anregung von der Lichtbogensimulierschaltung (9) oder vom photoelektrischen Empfänger aus überwacht und daß in lichtbogenlosen Zeiträumen bei nicht auf die Prüflichtsignale ansprechendem Prüfempfänger und bei nicht auf die Lichtbogensimuliersignale ansprechender Lichtbogen-Auswerteinheit (3) eine Störmeldung erzeugt wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogensimulator (9) von der Steuereinheit (4) periodisch zur Ausgabe von Lichtbogensimuliersignalen angeregt wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüflichtsignale mit einem hochfrequenten Trägersignal ausgesendet werden und daß die Ausgangssignale des photoelektrischen Empfängers im Prüfempfänger (7) demoduliert werden.

4. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Prüflichtimpulsen erzeugten Ausgangssignale des photoelektrischen Empfängers kleiner als die Ansprechschwelle der Lichtbogen-Auswerteinheit (3) sind.

5. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sensoren mit Lichtquellen und einer entsprechenden Zahl von Lichtbogen-Auswerteinheiten an einen Lichtbogensimulator, einen Prüfgenerator und eine Steuereinrichtung angeschlossen sind.

6. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die Steuereinrichtung (4) eine Ausgabeeinheit (10) für ein Signal bei einer Lichtbogenentladung und eine Ausgabeeinheit (11) für ein Signal bei einer Störung oder einem Defekt in der Einrichtung angeschlossen sind.