DE69308925T2 - Lichtbogendetektionseinrichtung - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Bereich von Lichtbogendetektionseinrichtungen. Genauer sieht die Erfindung in einer Ausführung ein Nittel zur Detektion eines Lichtbogens in einem elektrischen System vor sowie zum Abklemmen der Stromquelle, welche den Strom für die Aufrechterhaltung des Lichtbogens liefert, wenn der Lichtbogen erfaßt wird.
• Ein übliches Problem bei elektrischen Systemen, insbesondere bei solchen, die mit Hochspannungen betrieben werden, ist die Unterbrechung eines elektrischen Leitungspfades und die nachfolgende Bildung von Lichtbägen. Dies geschieht, wenn sich ein Draht abnutzt oder ein Schaltelement oder -strang bricht. Da ein üblicher Bruch nur eine kleine Lücke bewirkt, kann der Strom auf dem Pfad weiterhin durch den Pfad fließen, indem er einen Lichtbogen über die Lücke bildet. Die Temperatur des Lichtbogens ist sehr hoch, und demzufolge kann die Bildung von Lichtbögen in elektrischen Systemen zum Brand führen, insbesondere wenn der Lichtbogen in elektronischen Geräten auftritt, bei denen Bauteile und Stromkreise oft dicht nebeneinanderliegen. Eine andere Stelle, an der elektrische Brände ein Problem sind, ist eine elektrische Verdrahtung in Haushalten und Büros, da die Verdrahtung oft mit brennbaren Materialien, z.B. Isolierungen, Teppichen oder Holz, Kontakt hat.
• Wenn ein Bruch in einem Leitungspfad auftritt, fließt kein Strom. Sobald sich ein Lichtbogen gebildet hat, fließt der Strom gleichmäßig. Aber während sich der Lichtbogen aufbaut, pulsiert der Strom als eine Serie schneller Lichtbögen, die über die Lücke springen und die Luft über der Lücke ionisieren. Daher kann die Bildung von Lichtbögen erfaßt werden, indem der Stromfluß für die Serie von Impulsen überwacht wird. Während Lichtbogendetektoren nach dem bisherigen Stand der Technik bekannt sind, haben solche Lichtbogendetektoren begrenzte Anwendungsmöglichkeiten und können nicht leicht an die Anforderungen für einen allgemein einsetzbaren Lichtbogendetektor angepaßt werden.
• Ein Beispiel für einen Lichtbogendetektor nach dem bisherigen Stand der Technik wird im U.S.-Patent 4,376,243 von Renn et al. beschrieben und beansprucht. Bei dem von Renn dargestellten Lichtbogendetektor, der zur Benutzung in einem elektrischen Gestängeofen vorgesehen ist, wird ein Parallelwiderstand im Strompfad angeordnet, und die Spannung durch den Parallelwiderstand wird an einen Opto-Isolator angelegt. Der Ausgang des Opto- Isolators wird dann als Eingang für einen Lichtbogendetektions kreis benutzt. Der Lichtbogendetektionskreis umfaßt einen Stromänderungsdetektor und einen voreingestellten Zähler, um die Anzahl von Fällen zu zählen, in denen die Stromänderung über einem Schwellenwert liegt. Aufgrund seiner Anwendung braucht der Lichtbogendetektor von Renn jedoch Stromverbrauch, Störungen oder Kostenfragen nicht anzusprechen.
• Mit einem Parallelwiderstand geht aufgrund des Spannungsabfalls durch den Parallelweg ständig Strom im elektrischen System verloren. Der in Renn beschriebene Parallelweg verbraucht bis zu 500 Watt, eine Menge, die im Vergleich zu den vom Ofen verbrauchten 650 Kilowatt unbedeutend ist. Bei den normalen, täglichen Anwendungen ist jedoch der Stromverlust entscheidender und ein Parallelweg unzweckmäßig. Ein anderes Problem beim Paralleiwiderstand ist, daß er nicht vom elektrischen System isoliert ist, das wahrscheinlich ein Hochspannungssystem ist. Folglich ist die Isolierung auf die vom Opto-Isolator vorgesehene Isolierung beschränkt. Opto-Isolatoren haben üblicherweise eine geringe Linearität, obwohl dieses Problem geringer ist, wenn es sich nur um die Gleichströme von Renn handelt. Außerdem muß bei Gleichströmen die Filterung von Wechselströmen nicht angesprochen werden, da alle Wechselströme wahrscheinlich Lichtbogenimpulse sind.
• Störungen und die Kosten des Lichtbogendetektors sind beim Lichtbogendetektor von Renn ebenfalls kein Problem. Angesichts der Kosten und der Größe des üblichen elektrischen Gestängeofens werden sie wahrscheinlich dauerhaft in eine kontrollierte Umgebung, z.B. eine Fabrik oder eine Gießerei, eingebaut. In dieser kontrollierten Umgebung ist es ein geringes Problem, elektrische Störungsquellen auszuschalten, da der Großteil des Personals in der Nähe des elektrischen Gestängeofens wahrscheinlich am elektrischen Gestängeofen ar beitet und keine Wechselstromgeräte in der Nähe des Lichtbogendetektors betreibt. Der Lichtbogendetektor von Renn nimmt einen Gleichstrom an, und übliche Wechselstromquellen würden einen solchen Lichtbogendetektor ständig auslösen. Dadurch ist die einzige Störung, die wahrscheinlich mit dem Lichtbogendetektor interferiert, das erfaßte Lichtbogenstörsignal. Wenn jedoch der Lichtbogendetektor von Renn in einem Haushalt verwendet würde, in dem ein Handbohrer, ein Staubsauger oder ein Waschmaschinenmotor eine einem Lichtbogensignal sehr ähnliche elektrische Störung erzeugen würden, muß ein an einen Leitungspfad gekoppelter Lichtbogendetektor gegen solche Störungsquellen immun, gleichzeitig jedoch zu geringen Kosten realisierbar sein.
• Die Kosten und daher die Komplexität des Stromkreises sind ebenfalls beim Detektor von Renn kein Problem, da sogar der komplexeste Lichtbogendetektionskreis nicht so komplex ist wie die Stromkreise, die den Ofen selbst steuern, und die Kosten für Lichtbogendetektorschaltungen angesichts der Kosten für den Ofen unbedeutend sind.
• Im U.S.-Patent US-A-4,466,071 sind ein Fehlererkennungsapparat und ein Verfahren dargestellt, in dem ein Mikroprozessor, ein Analog-Digital-Umwandler sowie andere Schaltungen verwendet werden, um Berechnungen über die Abweichungen von Energieniveaus durchzuführen, mit denen bestimmt wird, ob ein Lichtbogenfehler in einer Hochspannungsleitung aufgetreten ist.
• Aus dem obigen ist ersichtlich, daß eine verbesserte Lichtbogendetektionseinrichtung erforderlich ist. Eine verbesserte Lichtbogendetektionseinrichtung muß preiswert sein und darf daher nur wenige Bestandteile aufweisen, muß in störungsreichen Umgebungen betrieben werden können und darf nicht viel Strom von dem überwachten Stromkreis abziehen.
• Das Dokument EP-A-0 504 125 stellt unter Art. 54(3) EPC den bisherigen Stand der Technik dar. Es beschreibt einen Trennschalter, der fehlerverdächtige Frequenzen erfaßt, welche mittels digitaler Techniken, die präzisen, quartzgesteuerten Zeitbasen zugeordnet sind, Funken anzeigen. Der Trennschalter erfaßt Signale in einer Leitung induktiv und zählt die Anzahl von Hochfrequenzimpulsen in einem ausgewählten Zeitraum zwischen wiederkehrenden Rückstellungssignalen. Der Trennschalter wird betätigt, wenn diese Anzahl einen kritischen Wert übersteigt.
• Erfindungsgemäß wird ein Lichtbogendetektor nach Anspruch 1 vorgesehen.
• Ein verbesserter Lichtbogendetektor kann in einer Ausführung der vorliegenden Erfindung vorgesehen werden. Der Detektor umfaßt einen Stromsensor, vorzugsweise einen Stromtransformator, der den Strom in einer Leitung des elektrischen Systems mit sehr geringem Einführungsverlust mißt, einen Filterverstärker, um das Stromsignal innerhalb des Frequenzbereichs von Lichtbogenimpulsen zu verstärken und das verstärkte Signal abzukappen, so daß von den Lichtbogenimpulsen eine Rechteckwelle gebildet wird, sowie einen Zähler oder einen anderen Akkumulator, um die abgekappten Impulse zu zählen. Der Zähler weist ein Verriegelungsmittel auf, um den Ausgang des Zählers anzuhalten, sobald eine vorbestimmte Anzahl von Impulsen gezählt wurde, sowie ein Rückstellungsmittel, um den Zähler manuell oder bei Initialisierung zu löschen.
• Als Reaktion auf die Erfassung einer Reihe von Lichtbogenimpulsen ist ein Absperrmittel für die Unterbrechung des Stroms im elektrischen System vorgesehen, wenn der Zähler ausgelöst wird. In anderen Ausführungen wird der Strom durch Blockieren des Stromflusses in der gemessenen Leitung abgeschnitten, oder ein Lichtbogendetektionssignal wird an weitere Stromkreise ausgegeben, welche den Strom durch andere Mittel aus dem elektrischen System abziehen, z.B. indem sie einer Stromquelle signalisieren, den abgegebenen Strom oder die abgegebene Spannung auf Null zu reduzieren. Das Rückstellungsmittel umfaßt einen manuellen Schalter, um den Lichtbogendetektor zurückzustellen, eine Rückstellung beim Einschalten, um den Lichtbogendetektor zu initialisieren, sowie eine oszillierende Zeitgeberrückstellung, die den Zähler periodisch zurückstellt, um die langfristige Akkumulation von Streuimpulsen zu verhindern.
• In einer Ausführung eines erfindungsgemäßen Lichtbogendetektors ist der Lichtbogendetektor in einem Stück mit einer Stromquelle ausgebildet, und wenn ein Lichtbogenzustand erfaßt wird, wird der Ausgang der Stromquelle blockiert. In einer anderen Ausführung überwacht der Lichtbogendetektor eine Stromleitung zwischen einem Stromeingang und einem Verbraucher und unterbricht die Verbindung zwischen dem Stromeingang und dem Verbraucher, wenn ein Lichtbogenzustand erfaßt wird. Diese Ausführung kann verwendet werden, wenn die Stromquelle weit vom Punkt der wahrscheinlichen Lichtbogenbildung entfernt ist.
• In einer dritten Ausführung ist der Lichtbogendetektor eine selbständige Vorrichtung, die an einen Wechselstromeingang in eine Stromquelle und magnetisch an einen Gleichstromausgang der Stromquelle gekoppelt ist. Der Lichtbogendetektor überwacht den Gleichstromausgang der Stromquelle und unterbricht den Wechselstromfluß in die Stromquelle, wenn ein Lichtbogen erfaßt wird.
• Ein besseres Verständnis der Art und der Vorteile der Erfindung kann hierin durch Bezugnahme auf den Rest der Beschreibung und die beigefügten Abbildungen erreicht werden, in denen spezielle Ausführungen folgendermaßen beschrieben sind:
• Fig. 1 ist ein partieller Aufbauplan eines Lichtbogendetektors in einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 2A ist ein Blockschaltbild, das den Lichtbogendetektor bei der Überwachung einer Stromleitung darstellt;
• Fig. 2B ist ein Blockschaltbild, das den Lichtbogendetektor bei der Überwachung des Ausgangs einer Stromquelle darstellt;
• Fig. 2C ist ein Blockschaltbild, das den Lichtbogendetektor bei der Überwachung einer Stromleitung in Verbindung mit einem Erdschlußunterbrechungsdetektor darstellt;
• Fig. 2D ist ein Blockschaltbild, das den Lichtbogendetektor als selbständige Einrichtung darstellt, die an den Stromein- und -ausgang einer Hochspannungsgleichstromquelle gekoppelt ist; und
• Fig. 3A und 3B sind Aufbaupläne einer Ausführung eines erfindungsgemäßen Lichtbogendetektors.
• Fig. 1 ist ein Aufbauplan eines Lichtbogendetektors in einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. Ein Lichtbogendetektor 10 erfaßt Lichtbögen in einem elektrischen System (nicht abgebildet) durch Überwachung des Stroms im elektrischen System, der z.B. in einer Leitung 12 fließt. Die Leitung 12 gibt Strom an das elektrische System ab, während die Leitung 13 Strom aus einer Stromquelle (ebenfalls nicht abgebildet) zieht. Aufgrund der Anzahl unterschiedlicher Ausführungen der vorliegenden Erfindung sind die Stronkreiselemente zwischen den Leitungen 12 und 13 in Fig. 1 weggelassen, verschiedene Schaltbilder, die Ausführungen der vorliegenden Erfindung darstellen, sind jedoch in Fig. 2 abgebildet. In einer Ausführung sind die Leitungen 12 und 13 direkt miteinander verbunden, wie in Fig. 2A und 2C. In anderen Ausführungen enthält jedoch die Leitung 12 Strom in einer von der in Leitung 13 unterschiedlichen Form, wie in Fig. 2D dargestellt. Dadurch ist die Verwendung des Lichtbogendetektors 10 nicht auf eine bestimmte Anwendung beschränkt, bis auf die Tatsache, daß der in Leitung 12 fließende Strom für den im überwachten Verbraucher oder elektrischen System repräsentativ sein muß, und der Strom in Leitung 13 den Strom, der den Stromfluß in Leitung 12 bewirkt, direkt oder indirekt liefert.
• Üblicherweise ist die Leitung 12 ein Gleichstromausgang einer Stromquelle, die einen Verbraucher antreibt. In anderen Ausführungen ist die Leitung 12 jedoch eine Stromleitung, die das elektrische System mit Strom versorgt. Der elektrische Strom kann eine Stromquelle umfassen, und in einem solchen System wird ein Lichtbogendetektor 10 verwendet, um ein Blockiersignal an die Stromquelle zu senden. In anderen elektrischen Systemen wird der Strom zum elektrischen System unterbrochen, indem eine Stromleitung zum elektrischen System unterbrochen wird, ohne die Stromquelle zu blockieren, und in diesen Systemen kann die Stromblockierungsleitung Leitung 12 sein.
• Ein Stromtransformator 14 wird an die Leitung 12 gekoppelt, und der Stromtransformator 14 bildet den Eingang zum Lichtbogendetektor 10. Der Lichtbogendetektionskreis selbst umfaßt einen Filterverstärker 15 und einen Akkumulator 19. Der Filterverstärker 15 umfaßt einen Hochpaßfilter 16, einen Tiefpaßfilter 17 sowie einen Verstärker 18. Der Akkumulator 19 umfaßt einen Zähler 20, eine Diode D5 sowie einen Rückstellungskreis 21. Der Rückstellungskreis 21 umfaßt einen Oszillator 30, einen Wechselrichter 32, einen Schalter 36, Widerstände R13 und R12, einen Kondensator C8 sowie ein NAND-Gatter 38. In anderen Ausführungen ist der Akkumulator 19 ein Integrator oder eine Ladungspumpe und ein Kondensator, und der Rückstellungskreis stellt den Integrator zurück oder entlädt den Kondensator.
• Der Akkumulator 19 gibt ein Ausgangssignal an einem Knoten 24 ab. Andere Einrichtungen in verschiedenen Ausführungen sind durch geeignete Treiber an den Knoten 24 gekoppelt, der ein Ausgang des Zählers 20 sowie der Ausgang des Lichtbogendetektionskreises 10 ist. Ein vom Stromtransforrnator 14 erzeugtes Stromsignal wird nacheinander durch den Hochpaßfilter 16, den Tiefpaßfilter 17 und den Verstärker 18 an einen Takteingang des Zählers 20 gegeben. Da der Ausgang des Lichtbogendetektors am Knoten 24 ein elektrisches Signal ist, das die Erfassung eines Lichtbogens anzeigt, sind beliebig viele Verwendungen des Signals möglich, obwohl nur zwei, Aktivierung einer lichtemittierenden Diode (LED) D1 sowie Abschalten eines elektronischen Relais 22, in Fig. 1 dargestellt sind. In der in Fig. 1 dargestellten Ausführung ist das Detektionssignal am Knoten 24 eine logische EINS, wenn ein Lichtbogen erfaßt wird, und ansonsten eine logische NULL.
• Der Betrieb des Rückstellungskreises 21 wird nun beschrieben. Wenn V+ und V- zum ersten Mal an den Lichtbogendetektionskreis angelegt werden, wird C8 entladen und hält einen Knoten 23 geerdet (logische NULL), bis C8 durch R12 nach einem Zeitraum geladen wird, der durch die Zeitkonstante von R12 und C8 bestimmt wird. Wenn der Knoten 23 geerdet ist, ist der Ausgang des NAND-Gatters 38 eine logische EINS, wodurch der Zähler in einem Rückstellungszustand gehalten wird. Sobald C8 geladen ist, bleibt der Knoten 23 auf der logischen EINS, und der Ausgang des NAND-Gatters 38 wird nur durch die Eingaben vom Oszillator 30 bestimmt. Wenn der Schalter 36, ein manueller Rückstellungsschalter, gedrückt wird, wird der Knoten 23 geerdet und der Ausgang des NAND-Gatters 38 geht hoch, wobei der Zähler 20 zurückgestellt wird.
• Der Oszillator 30 gibt eine oszillierende Folge logischer EINSEN und NULLEN mit einer periodischen Oszillationsgeschwindigkeit aus. Wenn das Detektionssignal am Knoten 24 eine logische EINS ist, ist der Ausgang des Wechselrichters 32 eine logische NULL, und der Wechselrichter 32 blockiert den Oszillator 30, wodurch er bewirkt, daß der Ausgang des Oszillators 30 zu einer konstanten logischen EINS wird. Im Normalbetrieb stellt der Oszillator 30 den Zähler 20 periodisch zurück, um die Akkumulation von Streuimpulsen zu verhindern. Sobald jedoch ein Lichtbogenzustand erfaßt wurde, wird verhindert, daß der Oszillator 30 den Zähler 20 durch den Wechselrichter 32 zurückstellt, ansonsten würde der Lichtbogenzustand nicht erfaßt.
• Das Detektionssignal am Knoten 24 wird als Eingang an einen LED-Treiber 26 zum Antrieb von D1 und einen Relaistreiber 28 abgegeben. Der Ausgang des Relaistreibers 28 wird als Steuereingang an das elektronische Relais 22 verwendet. Das elektronische Relais 22 ist mit der Leitung 13 in Reihe geschaltet, so daß das elektronische Relais 22 als offener Stromkreis wirkt, wenn das elektronische Relais 22 durch ein Signal vom Relaistreiber 28 abgeschaltet wird, wobei Stromfluß in der Leitung 13 verhindert wird, und das elektronische Relais 22 als geschlossener Stromkreis wirkt, wenn das elektronische Relais 22 mangels eines Signals vom Relaistreiber 28 eingeschaltet ist, wobei Strom in der Leitung 13 fließen kann. In einer Ausführung ist Leitung 13 auch Leitung 12, und daher führt die Stromunterbrechung in Leitung 13 auch zur Unterbrechung des Stromflusses durch Leitung 12 zum Verbraucher. In anderen Ausführungen unterbricht die Stromunterbrechung in Leitung 13 nur indirekt den Stromfluß in Leitung 12 zum Verbraucher, wie es der Fall ist, wenn Leitung 13 der Wechseistromeingang zu einer Stromquelle ist, die Hochspannungs-Gleichstrom durch Leitung 12 zuführt. Wenn sich der Stromsensor in einer Leitung, Leitung 12, und das elektronische Relais in einer anderen Leitung, Leitung 13, befindet, ist kein mit Leitung 12 in Reihe geschaltetes Hochspannungsrelais mehr erforderlich. Ein Hochspannungsrelais für eine übliche 1000 V-Gleichstromspannung in Leitung 12 wäre bedeutend teurer und gefährlicher im Umgang als ein elektronisches Relais mit niedrigerer Spannung in Leitung 13, üblicherweise 110 V oder 220 V Wechselstrom. Vorteilhaft kann der Lichtbogendetektor verwendet werden, um den Hochspannungsausgang einer Stromquelle abzutasten, während nur die Niederspannung in die Stromquelle gesteuert werden
• Diode D1 wird verwendet, um den Zustand des Lichtbogendetektors 10 anzuzeigen. D1 ist erleuchtet, wenn das Detektionssignal am Knoten 24 abgegeben wird, wodurch angezeigt wird, daß ein Lichtbogen erfaßt wurde. D2 ist erleuchtet, wenn Strom (V-) an den Lichtbogendetektor abgegeben wird. Wenn D2 erleuchtet ist, zeigt dies an, daß Strom an den Lichtbogendetektor abgegeben wird, und wenn D1 erleuchtet ist, zeigt dies an, daß ein Lichtbogenzustand erfaßt wurde. Wenn also D2 erleuchtet ist, D1 jedoch nicht, zeigt dies an, daß Leitung 12 überwacht wird, in dieser Leitung jedoch kein Lichtbogenzustand erfaßt wird, und wenn D2 nicht erleuchtet ist, zeigt dies an, daß Leitung 12 nicht überwacht wird.
• Eine Diode D5 ist vom Knoten 24 zurück zum Takteingang des Zählers 20 gekoppelt, um den Ausgang durch Verhinderung weiterer Taktimpulse am Knoten 24 zu verriegeln.
• Der Betrieb des Lichtbogendetektors 10 wird nun beschrieben. Der Strom, der in Leitung 12 fließt, stellt den Strom dar, der durch einen Lichtbogen im elektrischen System fließen würde. Daher mißt der Stromtransformator 14 den Strom durch den Lichtbogenstrang. Wenn der Strom in Leitung 12 ein 60 Hz-Wechselstrom ist, nimmt der Stromtransformator 14 ein Signal von im wesentlichen 60 Hz auf. Da ein Stromtransformator eine lineare Einrichtung ist und keine elektrische Verbindung zu Leitung 12 hat, gibt der Transformator 14 ein relativ unverzerrtes Signal mit hoher Isolierung gegenüber Leitung 12 ab. Die Isolierung der Leitung 12 kann beliebig hoch gemacht werden, indem die Dicke jeder Isolierungsschicht zwischen Leitung 12 und Stromtransformator 14 variiert wird und die Spulen des Transformators 14 so weit wie nötig gemacht werden. Der Abfall an magnetischer Kopplung bei weiteren Spulen kann durch Hinzufügen zusätzlicher Spulen kompensiert werden.
• Das Transformatorsignal wird dann vom Hochpaßfilter 16 gefiltert, um das Stromsignal über 10 kHz zu dämpfen, und vom Tiefpaßfilter 17, um das Signal unter 1 kHz und insbesondere unter 60 Hz zu dämpfen. Während sich ein elektrischer Lichtbogen aufbaut, pulsiert der Strom in Leitung 12 mit einer Frequenz zwischen 1 und 10 kHz; daher sind Frequenzen über 10 kHz für die Erfassung von Lichtbögen nicht von Interesse.
• Der Verstärker 18 verstärkt und kappt das Stromsignal. Die Verstärkung des Verstärkers 18 ist so ausgelegt, daß die Lichtbogenimpulse im Durchlässigkeitsbereich von 1-10 kHz in Rechteckimpulse umgewandelt werden. Diese Rechteckimpulse werden dann an den Takteingang des Zählers 20 angelegt.
• Der Zähler 20 zählt die Anzahl von Rechteckimpulsen vom Verstärker 18. Zur Vereinfachung ist der Zähler 20 ein binärer Zähler, und die erforderliche Anzahl von Impulsen, um den Lichtbogendetektor auszulösen, ist 128, daher wird nur der Ausgang Q&sub7; des Zählers 20 verwendet. Der Ausgang Q&sub7; ist an den Knoten 24 gekoppelt, so daß der Knoten 24 von einer logischen NULL auf eine logische EINS umsohaltet, wenn 128 Impulse ohne dazwischenliegenden Rückstellungsimpuls empfangen werden. Um den Stromkreis weiter zu vereinfachen, wird eine logische EINS einer höheren Spannung als eine logische NULL zugeordnet, wie beispielsweise in TLL-Kreisen. Da eine logische EINS einer höheren Spannung entspricht als eine logische NULL, verhindert die Diode D5, daß die Spannung am Takteingang des Zählers 20 auf eine logische NULL fällt, wenn der Knoten 24 hochgeht, wodurch der Eingang des Zählers 20 mit nur einer Diode blokkiert wird.
• Ein Rückstellungsimpuls vom Oszillator 30 ist kurz, ca. 1 Millisekunde oder weniger, so daß eine Zählerrückstellung nicht dazu führt, daß der Lichtbogendetektor eine Lichtbogenbildung verpaßt. Da Lichtbogenimpulse im Bereich von 1-10 kHz auftreten, erfaßt der Lichtbogen detektor wahrscheinlich die für die Auslösung erforderlichen 128 Impulse in 100 Millisekunden oder weniger. Die Rückstellungsimpulse vom Oszillator 30 sind mit einer Periode von 30-80 Sekunden periodisch, so daß der Zähler 20 genügend Zeit hat, um Impulse von einer Lichtbogenbildung zu zählen.
• Fig. 2A zeigt eine Anwendung des Lichtbogendetektors 10 in einem Anlagenstromnetz. Eine Anlage ist üblicherweise ein Haushalt oder Büro, wo der Strom über eine gemeinsame Verbindungsleitung 48 zugeführt wird, durch einen elektronischen Schalter 50, an dem der Strom durch Anlagenverteilungsmittel 52 an verschiedene Verbraucher 54 verteilt wird. Selbst wenn bei einem Verbraucher ein Bruch 56 auftritt, ist der Strom in der Leitung 12 möglicherweise nicht Null, wie im zuvor besprochenen Fall. Dies ist so, weil die Leitung 12 den Strom für alle Verbraucher führt, von denen einige stromführend sein können und bei anderen Brüche in ihren stromführenden Leitungen aufgetreten sind. Um zu verhindern, daß Gleichstrom oder 60 Hz-Wechselstrom in ununterbrochenen Leitungen zu Verbrauchern 54 den Verstärker 18 sättigt oder den Zähler 20 auslöst, läßt der Hochpaßfilter 16 die Impulse vor dem Lichtbogen durch, dämpft jedoch Gleichstrom und 60 Hz-Wechselstrom größtenteils.
• Fig. 2B zeigt eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Lichtbogendetektors, worin der Lichtbogendetektor 10 in einer Stromquelle 60 enthalten ist. Während der Ausgang der Stromquelle 60 als Hochspannung dargestellt ist, funktioniert die vorliegende Erfindung genausogut mit Niederspannungen. Der Bedarf an Lichtbogendetektoren bei Niederspannungen ist jedoch geringer, da Niederspannungen allgemein nicht in der Lage sind, einen Lichtbogen zu speisen.
• Der Lichtbogendetektor 10 überwacht den Stromfluß in einer Ausgangsleitung 62 und ist daher in der Lage, die Bildung eines Lichtbogens an einer beliebigen Stelle im Verbraucher 64 zu erfassen. Natürlich kann die Ausgangsleitung 62 so verallgemeinert werden, daß sie zwei oder mehr Drähte umfaßt, wie im Fall, bei dem mehr als eine Spannung an den Verbraucher 64 abgegeben wird, und eine Rückkehrleitung 66 kann bei Bedarf ebenfalls überwacht werden. Dadurch kann durch Überwachung von genügend Drähten der gesamte Stromfluß in den Verbraucher 64 abgetastet werden, und Impulse vor einem Lichtbogen im Stromfluß können erfaßt werden.
• Der Ausgang des Lichtbogendetektors 10 am Knoten 24 kann auf verschiedene Arten von der Stromquelle 60 genutzt werden. Beispielsweise könnte der Knoten 24 an ein Relais gekoppelt werden, das mit der Leitung 62 und der Rückführungsleitung 66 in Reihe geschaltet ist, um den Verbraucher 64 abzukoppeln, wenn die Bildung eines Lichtbogens erfaßt wird. Das Relais würde verwendet, wenn die Stromquelle 60 benötigt wird, um mehr als einen Verbraucher mit Strom zu versorgen. Wenn die Stromquelle 60 nur einen Verbraucher 64 mit Strom versorgen würde, könnte der Knoten 24 an einen Blockierkreis innerhalb der Stromquelle 60 gekoppelt werden, der die Stromquelle 60 abschalten würde, wenn eine logische EINS am Knoten 24 abgegeben wird, wobei die logische EINS vom Zähler 20 innerhalb des Lichtbogendetektors 10 abgegeben wird, wenn die Bildung eines Lichtbogens im Verbraucher 64 erfaßt wird. Üblicherweise wird die Leitung 24 jedoch genutzt, um die Steuerschaltungen der Stromquelle 60 zu blockieren, wodurch ihr Ausgang auf Nullspannung fällt.
• Fig. 2C stellt eine andere Anwendung des Lichtbogende tektors 10 dar. Der Lichtbogendetektor 10 und ein Erdschlußunterbrechungssystem (GFI) 70 sind an ein elektronisches Relais 72 gekoppelt. Zusammen mit dem elektronischen Relais 72 sind sie im Gehäuse 74 untergebracht. Eine solche Ausführung wie in Fig. 2C abgebildet hat besondere Preisvorteile, da ein Lichtbogendetektor einem bestehenden GFI-geschützten Ausgang zugefügt werden kann und das bestehende Gehäuse und elektronische Relais des GFI-Systems genutzt werden können, wodurch die zusätzlichen Kosten für zwei der teuersten Bestandteile eines Lichtbogendetektors eingespart werden. In einer üblichen Anwendung eines Lichtbogendetektor-/GFI-Ausgangs bildet das Gehäuse 74 einen elektrischen Wandausgang in einem Haushalt oder Büro, und der Verbraucher ist ein an den Ausgang angeschlossenes Gerät.
• Fig. 2D ist ein Blockschaltbild, das eine Ausführung der vorliegenden Erfindung darstellt, worin der Lichtbogendetektor eine Hochspannungsleitung überwacht und eine Niederspannungsleitung blockiert. Ein Lichtbogendetektor 10' wird mit Standard-Wechselstrom gespeist und gibt den Wechselstrom an eine Steckdose 80 ab. Dieser Wechselstrom wird von einer Stromquelle 82 genutzt, um Hochspannungs-Gleichstrom für einen Verbraucher 84 zu erzeugen. Der Wechselstrom wird der Stromquelle 82 durch den Stecker 86 zugeführt.
• Bei Normalbetrieb läßt der Lichtbogendetektor 10' den Wechselstrom zur Steckdose 80 durch, und die Stromquelle 82 erzeugt an ihrem Ausgang Hochspannungsstrom. Wenn sich im Verbraucher 84 ein Lichtbogen bildet, erscheint die typische Frequenzkennung des Lichtbogenzustands in der Leitung 12' und wird dem Lichtbogendetektor 10W über den Stromsensor 14 mitgeteilt, der an einen Eingang des Lichtbogendetektors 10' gekoppelt ist. Die internen Schaltungen des Lichtbogendetektors 10' sind denen des in Fig. 1 abgebildeten Lichtbogendetektors 10 ähnlich, der Lichtbogendetektor 10' umfaßt jedoch ein mit den Wechselstromleitungen in Reihe geschaltetes elektronisches Relais. Ein Vorteil des in Fig. 2D dargestellten Systems ist jedoch, daß keine elektrische Kopplung an die Hochspannungsleitungen erforderlich ist, da der Sensor 14 durch magnetische Kopplung betrieben wird und der Lichtbogendetektor 10' nur mit dem Niederspannungs-Eingangsstrom in Reihe geschaltet ist. Ein weiterer Vorteil ist, daß die in Fig. 2D dargestellte Ausführung mit bestehenden Stromquellen verwendbar ist, ohne eine Abänderung der Stromquelle zu erfordern.
• Fig. 3A und 3B sind Aufbaupläne, die einen detaillierten Stromkreis darstellen, der in einer Ausführung eines erfindungsgemäßen Lichtbogendetektors verwendet wird.
• Die obige Beschreibung ist darstellend und nicht be schränkend. Viele Variationen der Erfindung werden für Fachleute bei Durchsicht dieser Beschreibung offensichtlich. Das Ziel der Erfindung sollte daher nicht nur unter Bezugnahme auf die obige Beschreibung bestimmt werden, sondern auch unter Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche.

Claims (14)

1. Ein Lichtbogendetektor zur Erfassung elektrischer Lichtbögen über einen Bruch in einer stromführenden Leitung (12) in einem elektrischen System, wobei die Leitung (12) Strom führt, wenn ein Pfad für Stromfluß vorgesehen ist, wobei der Pfad entweder von der ununterbrochenen Leitung (12) oder von einem Lichtbogen über den Bruch in der Leitung (12) gebildet wird, wobei kein Strompfad vorgesehen wird, wenn der Bruch, aber kein Lichtbogen vorhanden ist, wobei der Lichtbogendetektor (10) folgendes aufweist:

einen Stromsensor (14), der an die stromführende Leitung (12) gekoppelt ist, zur Messung einer Stromamplitude und zur Abgabe eines zur Stromamplitude proportionalen Stromsignals; sowie

einen Filterverstärker (15) zur Verstärkung nur erwünschter Frequenzkomponenten des Stromsignals in ein verstärktes Signal und zur Unterdrückung unerwünschter Niederfrequenzkomponenten;

dadurch gekennzeicnnet, daß der Filterverstärker so angeordnet ist, daß er die erwünschten Frequenzkomponenten so verstärkt, daß Lichtbogenimpulse steile Taktimpulsflanken im verstärkten Signal bilden; und weiterhin gekennzeichnet durch

einen Akkumulator (19), der an einen Ausgang des Filterverstärkers (15) gekoppelt ist und einen Rückstellungseingang (RÜCK) hat, um die steilen Taktimpulsflanken im verstärkten Signal zu zählen, wobei der Akkumulator (19) ein Detektionssignal an einem Ausgangsknoten (24) abgibt, wenn der Akkumulator (19) einen vorbestimmten Schwellenwert von Taktimpulsflanken akkumuliert, wobei der Akkumulator (19) eine Akkumulation von Taktimpulsflanken beginnt, nachdem ein Rückstellungssignal am Rückstellungseingang (RÜCK) zum Akkumulator (19) abgegeben wurde.

2. Ein Lichtbogendetektor nach Anspruch 1, worin der Stromsensor (14) ein Stromtransformator ist.

3. Ein Lichtbogendetektor nach Anspruch 2, worin der Stromtransforrnator (14) um die stromführende Leitung (12) gewickelt ist.

4. Ein Lichtbogendetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend ein Blockiermittel (22), das an den Ausgangsknoten (24) gekoppelt ist, um einen Stromfluß durch die stromführende Leitung (12) im elektrischen System als Reaktion auf die Abgabe des Detektionssignals am Ausgangsknoten (24) durch den Akkumulator (19) zu blockieren.

5. Ein Lichtbogendetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin der Filterverstärker (15) folgendes aufweist:

einen Filter (16, 17) zum Herausfiltern unerwünschter Frequenzkomponenten aus dem Stromsignal; sowie

einen Verstärker (18) zur Verstärkung des Stromsignals in das verstärkte Signal um einen Faktor, der hoch genug ist, daß die erwünschten Frequenzkomponenten, die nicht vom Filter (16, 17) aus dem Stromsignal herausgefiltert wurden, steile Taktimpulsflanken im verstärkten Signal bilden.

6. Ein Lichtbogendetektor nach Anspruch 5, worin der Akkumulator (19) folgendes aufweist:

einen Zähler (20), der an einem Takteingang (TAKT) an den Verstärker (18) gekoppelt ist und den Rückstellungseingang (RÜCK) aufweist, um die steilen Taktimpulsflanken im verstärkten Signal zu zählen, wobei der Zähler (20) ein Detektionssignal am Ausgangsknoten (24) abgibt, wenn der Zähler (20) bis zu einem vorbestimmten Schwellenwert hochzählt, wobei der Zähler (20) eine Zählung zum vorbestimmten Schwellenwert beginnt, nachdem am Rückstellungseingang (RÜCK) ein Rückstellungssignal abgegeben wurde;

einen Rückstellungskreis (21), der an den Rückstellungseingang (RÜCK) gekoppelt ist, um den Zähler (20) als Reaktion auf jeden aus einem Satz vorbestimmter Rückstellungszustände zurückzustellen; sowie

einen Verriegelungskreis (D5), der an den Ausgangsknoten (24) und den Zähler (20) gekoppelt ist, um den Takteingang (TAKT) zu blockieren, wenn das Detektionssignal abgegeben wird.

7. Ein Lichtbogendetektor nach Anspruch 6, worin der Satz vorbestimmter Rückstellungszustände einen manuellen Rückstellungszustand aufweist, der besteht, wenn ein Rückstellungsschalter (36) gedrückt wird, einen eingeschalteten Zustand, der für einen vorbestimmten Rückstellungszeitraum besteht, nachdem dem Lichtbogendetektor (10) Strom zugeführt wird, sowie einen abgeschalteten Zustand, der besteht, wenn ein vorbestimmter Zählzeitraum verstreicht, ohne daß der Zähler (20) bis zum vorbestimmten Schwellenwert hochzählt

8. Ein Lichtbogendetektor nach Anspruch 7, weiterhin aufweisend einen zweiten Verriegelungskreis (32), um ein Abschaltungssignal zu blockieren, worin das Abschaltungssignal abgegeben wird, wenn der Abschaltungszustand besteht, wobei der zweite Verriegelungskreis (32) das Abschaltungssignal als Reak tion auf die Abgabe des Detektionssignals blokkiert.

9. Ein Lichtbogendetektor nach Anspruch 7 oder 8, worin der Rückstellungszustand beim Einschalten durch eine Reihenschaltung aus einem Kondensator (C8) und einem Widerstand (R12) bestimmt wird, wobei der Kondensator (C8) und der Widerstand (C12) zusammen durch eine Zeitkonstante gekennzeichnet sind und worin der vorbestimmte Rückstellungszeitraum durch die Zeitkonstante bestimmt ist.

10. Ein Lichtbogendetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin die erwünschten Frequenzkomponenten in einem Bereich von ca. 1 kHz bis ca. 10 kHz liegen.

11. Ein Lichtbogendetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend ein elektronisches Relais (22; 72), das mit der stromführenden Leitung (12) im elektrischen System in Reihe geschaltet ist, wobei das elektronische Relais (22; 72) auch an den Ausgangsknoten (24) gekoppelt ist, worin das elektronische Relais (22; 72) einen offenen Kreis in der stromführenden Leitung (12) bewirkt, wenn das Detektionssignal abgegeben wird, und worin das elektronische Relais (22; 72) einen geschlossenen Kreis in der stromführenden Leitung (12) bewirkt, wenn das Detektionssignal nicht abgegeben wird.

12. Ein Lichtbogendetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin der Lichtbogendetektor (10) in einer Stromquelle (60) eingesetzt wird, worin die Stromquelle (60) so angeordnet ist, daß sie einen Stromfluß zum elektrischen System (64) vorsieht und worin eine Abgabe des Detektionssignals bewirkt, daß die Stromquelle (60) den Stromfluß zum elektrischen System (64) unterbricht.

13. Ein Lichtbogendetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, worin der Lichtbogendetektor an eine Stromleitung (12) gekoppelt ist, worin die Stromleitung (12) einen Stromfluß zum elektrischen System (52, 54) vorsieht und worin eine Abgabe des Detektionssignals die Anwesenheit von Lichtbögen im elektrischen System (52, 54) anzeigt und die Abgabe des Detektionssignals bewirkt, daß der Stromfluß zum elektrischen System (52, 54) unterbrochen wird.

14. Ein Lichtbogendetektor nach Anspruch 11, worin der Lichtbogendetektor (10) an eine Stromleitungsdose gekoppelt ist, worin die Stromleitungsdose einen Stromfluß durch die Stromleitungsdose vorsieht und worin eine Abgabe des Detektionssignal Lichtbögen in einem elektrischen System (76) erfaßt, das an die Stronleitungsdose angeschlossen ist und die Abgabe des Detektionssignals das Relais (72) zu einem offenen Kreis macht, wodurch der Stromfluß zur Stromleitungsdose unterbrochen wird, wobei das Relais (72) auch einen Teil eines Detektionskreises für Erdschlußunterbrechungen (70, 72) bildet.