EP2222137B1 - System und Verfahren zur automatischen und sicheren Detektion von Erdschlüssen und Zwischenkabel-Kurzschlüssen für Gleichstromlampenschaltungen - Google Patents

System und Verfahren zur automatischen und sicheren Detektion von Erdschlüssen und Zwischenkabel-Kurzschlüssen für Gleichstromlampenschaltungen Download PDF

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EP2222137B1
EP2222137B1 EP09002228A EP09002228A EP2222137B1 EP 2222137 B1 EP2222137 B1 EP 2222137B1 EP 09002228 A EP09002228 A EP 09002228A EP 09002228 A EP09002228 A EP 09002228A EP 2222137 B1 EP2222137 B1 EP 2222137B1
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driving circuit
signal lamp
driving
power supply
voltage
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Robert Altermann
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Thales Security Solutions and Services GmbH
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Thales Security Solutions and Services GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B47/00—Circuit arrangements for operating light sources in general, i.e. where the type of light source is not relevant
    • H05B47/20—Responsive to malfunctions or to light source life; for protection
    • H05B47/21—Responsive to malfunctions or to light source life; for protection of two or more light sources connected in parallel
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B47/00—Circuit arrangements for operating light sources in general, i.e. where the type of light source is not relevant
    • H05B47/20—Responsive to malfunctions or to light source life; for protection
    • H05B47/26—Circuit arrangements for protecting against earth faults

Definitions

  • the invention relates to a driving circuit system for driving at least two DC signal lamps according to the preamble of claim 1.
  • Such a driving circuit system is known e.g. by US 2008/238344 A1 .
  • signal lamps are normally controlled via a two-wire circuit. For safety reasons these wires have to be supervised whether there is a short circuit to earth or between two wires to avoid the unintended lightening of a signal lamp. Within conventional AC based lamp circuits, supervision of interwire short circuits has to be done periodically by supervision staff. Checking by staff is very expensive.
  • US 2008/238344 A1 discloses a driving circuit system for driving LEDs of a light source block connected in series to each other.
  • a resistor is connected in parallel with one or more of the LEDs and is connected to two detecting target portions in portions linked to respective electrodes of the LEDs.
  • a ground fault detecting circuit is connected to one of the two detecting target portions disposed on a ground potential side.
  • the light source block has one of its terminals connected to a power supply and its other terminal grounded. By detecting a change in the voltage through the ground fault detecting circuit, a ground fault can be detected.
  • a driving circuit system for driving at least two DC signal lamps comprising:
  • the above object is achieved, in accordance with the invention, by a method for detecting earth faults and interwire short circuits in the driving circuit system described above, wherein in a normal operation mode of the driving circuits, in which a signal lamp is turned on by connecting it to the positive and negative poles of the first power supply via the switches, an earth fault of a driving circuit is detected due to a leckage current measured by the central amperemeter, an interwire short circuit between wires of two driving circuits is detected due to a difference of the currents measured by the locals amperemeters of one of the two driving circuits, and an interwire short circuit between wires of one driving circuit is detected due to a comparison between the measured current and the expected current computed by both the measured voltage and the resistance of the wires and of the signal lamp.
  • a driving circuit system which supports automatic supervision and detection of earth faults and interwire short circuits within safety-critical systems using DC current for switching electrical devices.
  • the driving circuit system 1 for driving two DC signal lamps 2a, 2b comprises:
  • First power supply 3 is powerful enough to supply all signal lamps 2a, 2b simultaneously.
  • Second power supply 4 may to be less powerful because it has to supply one signal lamp only.
  • Power supply U E resulting from the different potentials can be very weak because it is used for earth fault detection only.
  • the central amperemeter 6 is placed between the two power supplies 3,4 to check earth faults. Periodical testing of the central amperemeter 6 is done by closing the switch S E .
  • the driving circuit system 1 specifies three voltages: U 1 and U 2 for signal lamp supply and U E for earth fault detection.
  • Each driving circuit 10a, 10b comprises:
  • Each signal lamp 2a, 2b is connected with the switches S 3 , S 4 by a two- wire cable, wherein the resistance of the signal lamp 2a, 2b is represented by R v and the resistance of one wire 11 is represented by R L .
  • the switches S 1 -S 4 can be implemented by relays or any semiconductor switch. The correct working of the switches S 1 -S 4 is checked by measuring the voltage V 1 -V 4 between the connections of the switches S 1 -S 4 and the occurrence of the expected current and is done by the control unit 17. All local amperemeters 13 and voltmeters 15 1 -15 4 are provided with low-pass filters (not shown). In addition to the diodes 16, further protective components (not shown) can be provided to avoid distortion caused by inductive load switching.
  • Each control unit 17 of the driving circuit 10a, 10b is controlled by the master control 7 and can be realized for example by a microcontroller.
  • Each control unit 17 supervises the voltages U A ,V 1 -V 4 and currents I E , I H , I R , actuates the switches S 1 -S 4 and defines the output voltage of the DC-DC converter 12.
  • the master control 7 commands a control unit 17 to switch on or off the signal lamp 2a, 2b, determines an operation mode of a control unit 17 and organizes the process of measurement of earth faults EF and interwire short circuits ISC. Errors which have been detected by control units 17 are reported to the master control 7 immediately.
  • the driving circuits 10a, 10b can be operated in a "normal operation mode" and a "test operation mode".
  • a signal lamp 2a, 2b is turned on by connecting it to the positive and negative poles of the first power supply 3 via the switches S 1 -S 4 . If a signal lamp 2a, 2b has to be turned on switches S 1 and S 2 are in position 1, SH is in position 1 and S R in position 2. If a signal lamp has to be turned off switches S EH and S ER are in position 1, switches S H and SR in position 2.
  • Interwire short circuits ISC between the two wires 11 of one driving circuits 10a, 10b can be deduced by measurement of U A and knowledge of I H and Rv and R L .
  • the expected value of I H can be calculated.
  • I H U A / (R v + 2 R L ).
  • a deviation is an evidence for the occurrence of a short circuit or a wire breaking.
  • R L of wire 11 may however alter depending on temperature influences R L can be measured in the test operation mode which is explained hereinafter.
  • RL has to be known for the detection.
  • the master control 7 regulates the permission of a driving circuit 10a, 10b to switch into the test operation mode. If a driving circuit 10a, 10b has finished the test master control 7 is informed accordingly.
  • driving circuit 10a If, for example, driving circuit 10a is in the test operation mode the switches S 1 , S 2 move into position 2 and the driving circuit 10a is connected to second power supply 4. If its signal lamp 2a was turned on it still remains turned on except for the short moment of alternating the power supply.
  • the electrical potential of the driving circuit 10a is below that of driving circuit 10b, i.e. of all other driving circuits. Any possible interwire short circuits ISC between this unit 10a and the others will lead to a leckage current I E .
  • the potential difference at least amounts to voltage U E .
  • the leakage current I E can be detected by calculating the difference of I H and I R if its signal lamp 2a is turned on. If signal lamp 2a is turned off, leakage current I E leads to values of I H and I R unequal to zero.
  • Switch S E is closed and I E must arise, otherwise a fault of switch SE, of amperemeter IE or ground connection must be supposed.

Landscapes

  • Testing Of Short-Circuits, Discontinuities, Leakage, Or Incorrect Line Connections (AREA)
  • Circuit Arrangement For Electric Light Sources In General (AREA)

Claims (12)

  1. Steuerschaltungssystem (1) zum Ansteuern von mindestens zwei Gleichstrom-Signallampen (2a, 2b), umfassend:
    eine erste Gleichstromversorgung (3) mit einer ersten Spannung (U1) zum Ansteuern der Signallampen (2a, 2b),
    gekennzeichnet durch:
    - eine zweite Gleichstromversorgung (4) mit einer zweiten Spannung (U2) zum Ansteuern von nur einer der Signallampen (2a, 2b), wobei die Minuspole der ersten und zweiten Stromversorgung (3, 4) auf unterschiedlichen Potentialen liegen,
    - ein zentrales Amperemeter (6), das zwischen den zwei Stromversorgungen (3, 4) vorgesehen ist, und Steuerschaltungen (10a, 10b) für jede Signallampe (2a, 2b), wobei jede Steuerschaltung (10a, 10b) umfasst:
    - einen ersten Zwei-Wege-Umschalter (S1), der mit dem Pluspol entweder der ersten oder zweiten Stromversorgung (3, 4) verbunden ist,
    - einen zweiten Zwei-Wege-Umschalter (S2), der mit dem Minuspol entweder der ersten oder zweiten Stromversorgung (3, 4) verbunden ist,
    - einen dritten Zwei-Wege-Umschalter (S3), der einen Draht (11) der Signallampe (2a, 2b) entweder mit dem ersten oder zweiten Schalter (S1, S2) verbindet,
    - einen vierten Zwei-Wege-Umschalter (S4), der den anderen Draht (11) der Signallampe (2a, 2b) entweder mit dem ersten oder zweiten Schalter (S1, S2) verbindet,
    - zwei lokale Amperemeter (13) zum Messen des Stroms (IH, IR) in beiden Drähten (11) der Signallampe (2a, 2b),
    - ein lokales Voltmeter (14) zum Messen der Spannung (UA), die an die Signallampe (2a, 2b) angelegt wird, und
    - eine Steuereinheit (17) zum Steuern der vier Schalter (S1-S4) und zum Detektieren sowohl von Erdschlüssen (EF) innerhalb einer Steuerschaltung (10a, 10b) als auch von Zwischendraht-Kurzschlüssen (ISC) zwischen zwei Steuerschaltungen (10a, 10b) auf der Basis der gemessenen Ströme und Spannungen.
  2. Steuerschaltungssystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (12), der den ersten und dritten Schalter (S1, S3) verbindet, um eine variable Ausgangsspannung für die Signallampe (2a, 2b) zu erzeugen.
  3. Steuerschaltungssystem nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch weitere lokale Voltmeter (151-154) zum Messen der Spannungen (V1-V4) zwischen den Verbindungen jedes der vier Schalter (S1-S4).
  4. Steuerschaltungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Steuerschaltung (10a, 10b) mindestens eine Diode (16) aufweist, die mit der Signallampe (2a, 2b) parallel geschaltet ist.
  5. Steuerschaltungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Minuspol der zweiten Stromversorgung (4) mit der Erde (5) verbunden ist.
  6. Steuerschaltungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spannung (U2) kleiner als die erste Spannung (U1) ist.
  7. Steuerschaltungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Hauptsteuerung (7), die die Steuereinheiten (17) aller Steuerschaltungen (10a, 10b) steuert.
  8. Steuerschaltungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schalter (SE) vorgesehen ist, um den Minuspol der ersten Stromversorgung (3) mit dem Minuspol der zweiten Stromversorgung (4) zu verbinden.
  9. Verfahren zum Detektieren von Erdschlüssen (EF) und Zwischendraht-Kurzschlüssen (ISC) in einem Steuerschaltungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem normalen Betriebsmodus der Steuerschaltungen (10a, 10b), in welchem eine Signallampe (2a, 2b) angeschaltet wird, indem sie mit dem Plus- und Minuspol der ersten Stromversorgung (3) über die Schalter (S1-S4) verbunden ist, ein Erdschluss (EF) einer Steuerschaltung (10a, 10b) aufgrund eines von dem zentralen Amperemeter (6) gemessenen Leckstroms (IE) detektiert wird, ein Zwischendraht-Kurzschluss (ISC) zwischen Drähten (11) zweier Steuerschaltungen (10a, 10b) aufgrund einer von den lokalen Amperemetern (13) einer der zwei Steuerschaltungen (10a, 10b) gemessenen Differenz der Ströme (IH, IR) detektiert wird und ein Zwischendraht-Kurzschluss (ISC) zwischen Drähten (11) einer Steuerschaltung (10a, 10b) aufgrund eines Vergleichs zwischen dem gemessenen Strom (IH, IR) und dem erwarteten Strom, berechnet sowohl durch die gemessene Spannung (UA) als auch den Widerstand (RL, RV) der Drähte (11) und der Signallampe (2a, 2b), detektiert wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Testbetriebsmodus einer Steuerschaltung (10a, 10b), in welchem nur eine Signallampe (2a, 2b) mit der zweiten Stromversorgung (4) über die Schalter (S1-S4) verbunden ist, ein Zwischendraht-Kurzschluss (ISC) zwischen der Steuerschaltung (10a) und einer anderen Steuerschaltung (10b) detektiert wird aufgrund eines von dem zentralen Amperemeter (6) gemessenen Leckstroms (IE) und, wenn die Signallampe (2a, 2b) angeschaltet ist, aufgrund einer von den lokalen Amperemetern (13) der Steuerschaltung (10a, 10b) gemessenen Differenz der Ströme (IH, IR) und, wenn die Signallampe (2a, 2b) ausgeschaltet ist, aufgrund der von den lokalen Amperemetern (13) gemessenen Ströme (IH, IR), die ungleich Null sind.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Testbetriebsmodus einer Steuerschaltung (10a, 10b) eine reduzierte Inversionsspannung an die Signallampe (2a, 2b) im ausgeschalteten Zustand angelegt wird, der Widerstand (RL) der Drähte (11) der Signallampe (2a, 2b) berechnet wird durch Messen von UA und IH und Berücksichtigen des Spannungsabfalls an einer Diode (16), die mit der Signallampe (2a, 2b) in Reihe geschaltet ist.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere am Ende des Testbetriebsmodus einer Steuerschaltung (10a, 10b), der Minuspol der ersten Stromversorgung (3) und der Minuspol der zweiten Stromversorgung (4) verbunden werden, wodurch der von dem zentralen Amperemeter (6) gemessene Leckstrom (IE) ansteigt.
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