DE102005063583B3

DE102005063583B3 - Einpoliger Spannungsdetektor, insbesondere für eine oberirdische elektrische Leitung

Info

Publication number: DE102005063583B3
Application number: DE102005063583.0A
Authority: DE
Inventors: Stéphane Roussillo; Bernard Bouchez
Original assignee: Catu SAS
Current assignee: Catu SAS
Priority date: 2004-01-12
Filing date: 2005-01-10
Publication date: 2017-09-14
Anticipated expiration: 2025-01-11
Also published as: FR2865036A1; DE102005001179A1; FR2865036B1; DE102005001179B4

Abstract

Einpoliger Spannungsdetektor, umfassend eine Kontaktelektrode (31), einen Faraday'schen Käfig (33), eine Detektionsschaltung (35) und ein Gegengewicht (37), wobei der Faraday'sche Käfig (33) wenigstens die Detektionsschaltung (35) aufnimmt bzw. schützt, wobei die Detektionsschaltung (35) einen ersten Stromanschluß (350), der mit dem Faraday'schen Käfig (33) verbunden ist, und einen zweiten Stromanschluß (351) aufweist, der mit dem Gegengewicht (37) verbunden ist, und wobei der Farraday'sche Käfig allgemein die Form einer Glocke mit einem nach unten offenen Bereich (332) aufweist, wobei das Gegengewicht (37) im wesentlichen auf dem Niveau des offenen Bereichs (332) angeordnet ist und eine im wesentlichen ebene Oberfläche in bezug auf den offenen Bereich (332) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft in einer allgemeinen Weise die Kontrolle der Anwesenheit oder Abwesenheit einer Spannung auf einer beliebigen elektrischen Leitung.
Genauer, jedoch nicht ausschließlich betrifft die Erfindung die Kontrolle der Anwesenheit oder Abwesenheit einer Spannung auf oberirdischen elektrischen Leitungen bzw. Freileitungen hoher Spannung, wie es sich bei Stromverteilungsleitungen oder Energietransportleitungen handelt.
Vor einer Ausführung von Arbeiten auf bzw. an einer elektrischen Leitung wird ein derartiger einpoliger Spannungsdetektor durch einen Betätiger verwendet, um sich zu vergewissern, daß die Leitung spannungsfrei ist.
Es ist im Stand der Technik ein einpoliger Spannungsdetektor der üblichen Art bekannt, beinhaltend bzw. umfassend eine Kontaktelektrode, eine metallische Masse, welche Gegengewicht genannt wird, einen Last- bzw. Ladewiderstand, eine Detektionsschaltung, ein Signal- bzw. Signalisierelement und einen Faraday'schen Käfig, in welchem der Ladewiderstand und die Detektionsschaltung aufgenommen bzw. geschützt sind. Die Kontaktelektrode ist direkt mit einer ersten Klemme des Ladewiderstands verbunden, wobei eine zweite Klemme mit dem Gegengewicht verbunden ist. Die Detektionsschaltung ist mit Klemmen bzw. Kontakten des Ladewiderstands verbunden und steuert das Anzeige- bzw. Signalisierelement. Die Kontaktelektrode und das Gegengewicht sind außerhalb des Faraday'schen Käfigs. Das Gegengewicht ist aus einer Platte mit nicht vernachlässigbarer Oberfläche gebildet, welche sich quer in bezug auf die Achse des Faraday'schen Käfigs erstreckt.
Um die Kontrolle der elektrischen Leitung auszuführen, ist der Detektor am Ende einer Stange montiert. Der Betätiger, der die Stange am Ende mit der Hand hält, kommt in Kontakt mit der elektrischen, zu kontrollierenden Leitung über die Kontaktelektrode, die auf der Spitze des Detektors angeordnet ist.
Es bildet sich daher zwischen dem Gegengewicht und der Erde eine parasitäre Kapazität, welche einen Stromfluß über den Ladewiderstand des Detektors erlaubt.
Die Detektionsschaltung vergleicht die an den Klemmen des Ladewiderstands gebildete Spannung mit einer Referenz- bzw. Bezugsspannung und die Detektionsschaltung steuert das Signalisierelement als Funktion bzw. in Abhängigkeit des Ergebnisses des Vergleichs.
Beispielsweise beinhaltet das Signalisierelement zwei Anzeigeleuchten, eine rote, welche in dem Fall der Anwesenheit bzw. des Vorhandenseins einer Spannung erleuchtet wird, und die andere grün, welche nach einer Testtätigkeit erleuchtet wird und in Abwesenheit einer Spannung erleuchtet bleibt.
Eine Schwierigkeit in der Konzeption eines einpoligen Spannungsdetektors liegt in der Tatsache, daß er die gegebenenfalls vorhandene Anwesenheit einer induzierten Spannung auf der kontrollierten elektrischen Leitung verschleiern bzw. verbergen muß.
Diese induzierte bzw. Sekundärspannung kann aufgrund der Anwesenheit von umgebenden elektrischen Leitungen in der Praxis 10 bis 15% der Induktions- bzw. Feldspannung erreichen. Die Empfindlichkeit des Detektors erfordert daher, daß sie eingestellt wird, und es resultiert daraus korrelierend eine Begrenzung des Spannungsbereichs, in welchem eine zuverlässige Detektion möglich ist.
Denn es ist wünschenswert, insbesondere um die Anzahl von notwendigen Spannungsdetektoren mit unterschiedlichen Charakteristika zu begrenzen, daß dieser Spannungsbereich der größtmögliche ist, daß der Detektor selbstverständlich fähig bleibt, bestehende normative bzw. gesetzliche Anforderungen zu erfüllen.
In der Praxis sind drei Laboratoriumstests durch die internationale Norm CEI-1243-1 definiert und sind für unterschiedliche kritische Fälle als repräsentativ angenommen, auf welche ein einpoliger Spannungsdetektor antworten bzw. ansprechen muß. Kurz sind diese Tests die folgenden:

1) das Anzeige- bzw. Signalisierelement muß erregt werden und eine Anwesenheit einer Spannung anzeigen, wenn die zu detektierende Spannung über einem unter der Hälfte liegenden Anteil bzw. Bruchteil der nominalen Betriebsspannung liegt;
2) das Signalisierelement darf nicht erregt werden, wenn die zu detektierende Spannung gleich einem reduzierten Anteil ist, der zwischen einem Zehntel und zwei Zehntel der nominalen Betriebsspannung liegt; und
3) das Signalisierelement darf nicht für ein inverses bzw. umgekehrtes Funktionieren des Spannungsdetektors erregt bzw. angeregt werden, d. h. für ein gegenphasiges Störfeld, wenn die zu kontrollierende Spannung gleich einem gegebenen Anteil ist, der über der Hälfte der nominalen Betriebsspannung liegt.

In ihrem französischen Patent FR-2723486 hat die Anmelderin einen perfektionierten einpoligen Spannungsdetektor vorgeschlagen, welcher erlaubt, Konzeptionszwänge und normative Anordnungen zu erfüllen, die weiter oben angegeben sind.
Der Detektor gemäß FR-2723486 , der durch das Bezugszeichen 11 unten bezeichnet ist, ist in Form eines vereinfachten Schemas in 1 gezeigt.
Der Spannungsdetektor gemäß dem Stand der Technik 11 ist dazu bestimmt, in Kontakt mit einer elektrischen Leitung 10 durch eine Kontaktelektrode 12 zu gelangen, indem er am Ende einer nicht dargestellten Stange gehandhabt wird. Die Zirkulation eines Stroms, welche die Detektion erlaubt, erfolgt über eine Kapazität 26 zwischen einem Gegengewicht 15 des Detektors 11 und der Erde 13.
Der Detektor 11 beinhaltet bzw. umfaßt allgemein im Schutz eines Faraday'schen Käfigs 14 zwischen der Kontaktelektrode 12, welche außerhalb dieses Faraday'schen Käfigs 14 ist, wobei sie jedoch in galvanischem Kontakt mit demselben ist, und einem Gegengewicht 15, welches ebenfalls außerhalb dieses Faraday'schen Käfigs 14, jedoch ohne elektrische Verbindung mit diesem ist bzw. liegt, einen Last- bzw. Ladewiderstand 16, an dessen Klemmen eine Detektionsschaltung 17 eingerichtet bzw. aufgebaut ist, welche ein Anzeige- bzw. Signalisierelement 18 steuert.
In diesem Detektor 11 genügen ein Abstand L, welcher das Gegengewicht 15 von der Kontaktelektrode 12 trennt, einerseits und eine benutzbare Oberfläche S des Gegengewichts 15, d. h. die an der Luft freiliegende Oberfläche, andererseits gemeinsam den zwei folgenden Ungleichungen: L > 200 mm 50 mm² < S < 500 mm²
Der Faraday'sche Käfig 14 weist die Form einer zylindrischen Schachtel auf, die durch eine Querwand an dem einen oder anderen seiner Enden verschlossen ist.
Die Kontaktelektrode 12 ist im Zentrum ihrer am Scheitel verlaufenden Querwand 19 eingesetzt und ist in direkter galvanischer Verbindung mit einer ersten Klemme des Ladewiderstands 16.
Das Gegengewicht 15 erstreckt sich von der entgegengesetzten Seite weiter von der entsprechenden querverlaufenden Basiswand 20.
Beispielsweise ist das Gegengewicht mittels eines Leiterdrahts ausgebildet, welcher zu einem ummantelten Kabel 22 gehört, dessen Ummantelung bzw. Umhüllung zu dem Faraday'schen Käfig 14 gehört, indem sie eine rohrförmige Fortsetzung desselben ausbildet. Wie dies in 1 gezeigt ist, ist diese Ummantelung jedoch verkürzt und das offensichtliche bzw. freiliegende Teil des Leiterdrahts bildet das Gegengewicht 15.
Das Gegengewicht 15 hat typischerweise eine Länge l, welche etwa 30 mm beträgt.
Unter Berücksichtigung der Dimensionen bzw. Abmessungen L = 200 mm und l = 30 mm ermöglicht der Detektor 11 Ausführungsformen, deren Länge über 230 mm liegt. In der Praxis haben die kommerziellen bzw. im Handel erhältlichen Detektoren in dem Spannungsbereich von 10 kV bis 30 kV eine Gesamtlänge in der Größenordnung von 390 mm und eine Masse von etwa 0,800 kg.
Obwohl der oben kurz beschriebene Detektor der Anmelderin eine zufriedenstellende technische Lösung für die weiter oben ausgeführten Schwierigkeiten bietet, ist es immer noch wünschenswert, Verbesserungen vorzuschlagen, um noch besser auf die normativen bzw. gesetzlichen Anforderungen und auf die Erwartungen der Benutzer antworten bzw. reagieren zu können.
DE 695 25 493 T2 offenbart einen einpoligen Spannungsprüfer, insbesondere für eine elektrische Freileitung, mit einem Lastwiderstand, an dessen Anschlussklemmen eine Detektionsschaltung angeordnet ist.
DE 43 02 533 A1 beschreibt einen Spannungsdetektor mit einer Kontaktelektrode und einem von dieser gesteuerten Betriebskreislauf, der Anzeigeorgane steuert.
Eine wünschenswerte Verbesserung des Stands der Technik betrifft die Robustheit der Detektion in bezug auf die Umgebungs- bzw. Terrainbedingungen.
Tatsächlich werden einpolige Spannungsdetektoren häufig unter Umgebungsbedingungen verwendet, welche rauh bzw. unwirtlich sein können, und in den Detektoren gemäß dem Stand der Technik tendieren zwischen den Faraday'schen Käfig und das Gegengewicht eingedrungener Staub und Feuchtigkeit dazu, die Detektion aufgrund der Tatsache zu verfälschen, daß diese zwei Elemente mit den Klemmen des Ladewiderstands verbunden sind, zwischen welchen die zu messende bzw. Meßspannung abgenommen wird.
Eine größere Insensibilität bzw. Unempfindlichkeit gegenüber Verunreinigungen, wie Staub, Feuchtigkeit und Wassertröpfchen würde eine größere Garantie betreffend die Zuverlässigkeit und die Stabilität der Detektion, ebenso wie ausgedehntere bzw. seltenere Wartungsarbeiten und Eicharbeiten ermöglichen.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, einen verbesserten einpoligen Spannungsdetektor, insbesondere in der hier oben erwähnten Richtung bereitzustellen.
Der einpolige Spannungsdetektor gemäß der Erfindung, insbesondere für eine oberirdische elektrische Leitung bzw. Freileitung, beinhaltend bzw. umfassend eine Kontaktelektrode, einen Faraday'schen Käfig, eine Detektionsschaltung und ein Gegengewicht, wobei der Faraday'sche Käfig wenigstens die Detektionsschaltung aufnimmt bzw. schützt, wobei die Detektionsschaltung eine erste Stromklemme, die mit dem Faraday'schen Käfig verbunden ist, und eine zweite Stromklemme aufweist, die mit dem Gegengewicht verbunden ist, und wobei der Farraday'sche Käfig allgemein die Form einer Glocke mit einem nach unten offenen Bereich aufweist, wobei das Gegengewicht im wesentlichen auf dem Niveau des offenen Bereichs angeordnet ist und eine im wesentlichen ebene Oberfläche in bezug auf den offenen Bereich aufweist.
Es ist somit möglich, den Last- bzw. Ladewiderstand zu unterdrücken, welcher allgemein in den einpoligen Spannungsdetektoren gemäß dem Stand der Technik vorgesehen ist, indem der Faraday'sche Käfig und das Gegengewicht auf einem gleichen elektrischen Potential angeordnet werden.
Diese Charakteristik macht den einpoligen Spannungsdetektor gemäß der Erfindung, wie er kurz oben beschrieben ist, gegen den oben erwähnten Nachteil von Verunreinigungen immun bzw. unempfindlich, welche zwischen den Faraday'schen Käfig und das Gegengewicht eindringen.
Gemäß einem anderen Charakteristikum bzw. Merkmale beinhaltet die Detektionsschaltung des einpoligen Spannungsdetektors gemäß der Erfindung auch Filter- und Kompensationsmittel in Kombination mit dem Strom/Spannungs-Wandler, wobei die Filter- und Kompensationsmittel berechnet sind, um die Frequenzantwort der Detektionsschaltung in einer derartigen Weise zu filtern und zu kompensieren, um einen nicht variablen Detektionsschwellwert in einem vorbestimmten nominalen Frequenzbereich der zu detektierenden Spannung aufrechtzuerhalten bzw. zu konservieren und ein Funktionieren des Detektors in dem vorbestimmten nominalen Frequenzbereich zu erlauben. Vorzugsweise umfassen diese Filter- und Kompensationsmittel wenigstens eine kapazitive Impedanz und wenigstens einen Operations- bzw. Betriebsverstärker.
Die oben erwähnten Filter- und Kompensationsmittel erlauben die Realisierung eines einpoligen Spannungsdetektors, welcher ohne jede Modifikation oder Regelung in elektrischen Netzen verwendbar ist, die unterschiedliche Frequenzen, beispielsweise 50 Hz und 60 Hz aufweisen.
Gemäß einem anderen Merkmal umfaßt der einpolige Spannungsdetektor gemäß der Erfindung auch eine Komponente hoher Impedanz, die zwischen der Kontaktelektrode und dem Faraday'schen Käfig angeordnet ist und elektrisch die Kontaktelektrode mit dem Faraday'schen Käfig verbindet.
Es ist in der vorliegenden Erfindung gedacht, daß eine Komponente hoher Impedanz eine Komponente ist, die eine Impedanz von wenigstens 80 MΩ bei der Frequenz von 50 Hz aufweist.
Der einpolige Spannungsdetektor gemäß der Erfindung, der mit einer derartigen Komponente hoher Frequenz ausgestattet ist, erlaubt ein Verhältnis in der Größenordnung von 3,6 zwischen der minimalen Spannung und der maximalen Spannung des Funktionsspannungsbereichs. Es ist somit beispielsweise möglich, einen Detektor zu realisieren, der einen Funktionsspannungsbereich von 10 bis 36 kV aufweist.
Die Komponente hoher Impedanz begrenzt den Effekt eines gegenphasigen Störfelds und erlaubt es dem Detektor, Test 3 der Normanordnungen zu genügen. Tatsächlich ist der Strom, der zwischen dem Gegengewicht und der Kontaktelektrode aufgrund von Störfeldern zirkulieren kann, stark durch die Komponente hoher Impedanz begrenzt.
Vorzugsweise ist die Komponente hoher Impedanz ein Kondensator, dessen Kapazität beispielsweise zwischen 4 pF und 40 pF liegt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des einpoligen Spannungsdetektors gemäß der Erfindung nimmt der Faraday'sche Käfig das Gegengewicht auf bzw. schützt dieses und umfaßt einen offenen Bereich, welcher den Durchgang bzw. -tritt eines Detektionsstroms zwischen dem Gegengewicht und der Erde und dies in ein direktionaler Weise in dem Raum ermöglicht bzw. erlaubt.
Diese Ausführungsform erlaubt eine wesentliche Verringerung des Platzbedarfs bzw. Volumens und des Gewichts des Detektors.
Die Ermüdung des Betätigers während den Kontrolltätigkeiten wird somit ebenfalls reduziert, insbesondere wenn die Stange eine große Länge aufweist.
Andere Charakteristika bzw. Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich in der Folge beim Lesen der folgenden Beschreibung, welche in erläuternder und nicht einschränkender Weise gegeben ist, von einer bevorzugten Ausführungsform in Kombination mit den beiliegenden Zeichnungen, in welchen:
1 ein Prinzipschema, welches bereits oben beschrieben ist, eines einpoligen Spannungsdetektors gemäß dem Stand der Technik ist;
2 ein Prinzipschema einer bevorzugten Ausführungsform eines einpoligen Spannungsdetektors gemäß der Erfindung ist;
3 eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, einer praktischen Ausführung eines einpoligen Spannungsdetektors gemäß der Erfindung ist;
4 ein Schema eines Bereichs der Detektionsschaltung und der Signalisierung bzw. Anzeige mit einem in dem einpoligen Spannungsdetektor gemäß der Erfindung aufgenommenen Strom/Spannungs-Wandler ist; und
5 eine Verstärkungskurve einer Übertragungsfunktion des einpoligen Spannungsdetektors gemäß der Erfindung zeigt.
Unter Bezugnahme auf das vereinfachte Schema von 2 wird jetzt die allgemeine Struktur und die Funktionsweise einer bevorzugten Ausführungsform eines einpoligen Spannungsdetektors 30 gemäß der Erfindung beschrieben.
Wie dies in 2 gezeigt ist, beinhaltet bzw. umfaßt der Detektor 30 im wesentlichen eine Kontaktelektrode 31, eine Komponente hoher Impedanz 32, einen Faraday'schen Käfig 33, eine autonome Gleichspannungsquelle 34, eine Signalisier- bzw. Anzeige- und Detektionsschaltung 35 und ein Gegengewicht 37. Die Kontaktelektrode 31 ist dazu bestimmt, in Kontakt mit der elektrischen Leitung 10 zu gelangen, und ist elektrisch mit einer ersten Klemme 321 der Komponente hoher Impedanz 32 verbunden.
In dieser bevorzugten Ausführungsform ist die Komponente hoher Impedanz 32 ein Kondensator. In anderen Ausführungsformen könnte die Komponente hoher Impedanz 32 die Form eines Ohm'schen Widerstands, einer induktiven Spule oder einer Kombination von kapazitiven, induktiven und/oder Widerstandselementen annehmen.
Eine zweite Klemme 322 der Komponente hoher Impedanz 32 ist elektrisch mit dem Faraday'schen Käfig 33 und mit einer ersten Meßklemme 350 der Detektions- und Anzeige- bzw. Signalisierschaltung 35 verbunden.
Eine zweite Meßklemme 351 ist elektrisch mit dem Gegengewicht 37 verbunden.
Der Faraday'sche Käfig 33 nimmt insbesondere die Detektions- und Signalisierschaltung 35 und das Gegengewicht 37 auf bzw. umschließt bzw. schützt diese. Die Kontaktelektrode 31 und die Komponente hoher Impedanz 32 sind außerhalb des Faraday'schen Käfigs 33 angeordnet.
Der Faraday'sche Käfig 33 hat allgemein die Form einer Glocke und beinhaltet eine Wand, die eine seitlich geschlossene Schürze bzw. Verkleidung 330 ausbildet, eine querverlaufende Scheitelwand 331 und einen unteren offenen Bereich 332. Die Wände 330 und 331 sind selbstverständlich elektrisch leitend bzw. leitfähig.
Die querverlaufende Scheitelwand 331 ist elektrisch mit der Komponente hoher Impedanz 32 verbunden.
Die autonome Gleichspannungsquelle 34 ist beispielsweise eine ein elektrisches Element bzw. eine Zelle mit 9 Volt.
In dieser Ausführungsform ist die Klemme mit negativer Polarität der Gleichspannungsquelle 34 elektrisch mit dem Faraday'schen Käfig 33 und einer negativen Speiseklemme mit der Masse der Detektions- und Signalisierschaltung 35 verbunden. Die Klemme bzw. der Anschluß bzw. Kontakt mit positiver Polarität der Gleichspannungsquelle 34 ist elektrisch mit einer positiven Speiseklemme der Detektions- und Signalisierschaltung 35 verbunden.
Grüne 36V und rote 36R Anzeige- bzw. Signalisiervorrichtungen, ebenso wie ein Tonanzeiger 36B, sind in bekannter Weise durch die Detektions- und Signalisierschaltung 35 gesteuert bzw. geregelt.
Die Anzeigevorrichtungen 36V und 36R erlauben dem Betätiger ein Ablesen der Test- und der Steuer- bzw. Regelergebnisse. Ein Testunterbrecher 36 wird durch den Betätiger verwendet, um vor einer Kontrolle der Spannung das gute Funktionieren des Detektors 30, insbesondere abhängig vom Zustand der Gleichspannungsquelle 34 zu verifizieren.
In dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Meßklemmen 350 und 351 der Detektions- und Signalisierschaltung 35 entsprechend bzw. jeweils mit Spannungsklemmen eines Strom-Spannungs-Wandlers verbunden, welcher in der Folge unter Bezugnahme auf 4 beschrieben ist bzw. wird.
Wie dies in 2 gezeigt ist, hat das Gegengewicht 37 allgemein eine ebene Form querverlaufend zur Längsachse des Detektors 30 und umfaßt eine Oberfläche, die im wesentlichen eben in bezug auf die untere offene Oberfläche 332 ist.
Gemäß einer Ausführungsvariante ist die Oberfläche des Gegengewichts 37 in bezug auf den offenen unteren Bereich 332 im wesentlichen konkav ausgebildet.
Das Gegengewicht 37 ist im wesentlichen auf dem Niveau bzw. der Höhe der Öffnung des Faraday'schen Käfigs 33 angeordnet, d. h. auf dem Niveau des unteren offenen Bereichs 332.
Das Gegengewicht 37 ist geringfügig in das Innere in dem Faraday'schen Käfig 33 zurückgezogen montiert. Die seitliche Wand 330 weist so eine Überschreitung D der Länge nach unten in bezug auf die querverlaufende Ebene des Gegengewichts 37 auf.
Die Überschreitung D hat als wesentliche Funktion, auf dem Gegengewicht 37 unerwünschte elektrische Störungen zu vermeiden. Diese Störungen sind insbesondere jene, die durch elektrische Felder von elektrischen Leitungen unter Spannung nahe der elektrischen Leitung 10 induziert sind.
Es wird somit eine bestimmte Richtungsabhängigkeit des Gegengewichts 37 erhalten, welches eines der Elemente bzw. Bauteile des parasitären Kondensators 26 darstellt, wobei das andere Element des parasitären Kondensators 26 durch die Erde 13 gebildet ist.
Der untere offene Abschnitt 332 erlaubt den Durchgang eines Detektionsstroms zwischen dem Gegengewicht 37 und der Erde 13 und dies in einer unidirektionalen Weise in dem Raum.
Vorzugsweise liegt die Überschreitung D in nicht einschränkender Weise in einem Intervall von 10 bis 20 mm. Typischerweise ist die Überschreitung bzw. die Vergrößerung D gleich 15 mm.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Gegengewicht 37 aus einem leitfähigen Teil bzw. Abschnitt in einer gedruckten Schaltung in ähnlicher Weise zu einer Masseebene gebildet.
Indem auch auf 3 Bezug genommen wird, wird jetzt eine bevorzugte Ausführungsform der Komponente hoher Impedanz 32 beschrieben.
Mit Ausnahme der Kontaktelektrode 31 sind die anderen funktionellen Elemente 32 bis 37 des Detektors 30, die oben unter Bezugnahme auf 2 beschrieben wurden, im Inneren einer äußeren Einhüllenden bzw. Ummantelung 38 enthalten.
Die äußere Einhüllende 38 hat die Form einer länglichen bzw. verlängerten Glocke, welche an ihrer Basis durch einen Verschlußdeckel bzw. -stopfen 39 verschlossen ist.
In bekannter Weise trägt der Verschlußdeckel 39 einen Adaptionsansatz 40 für eine Stange (nicht dargestellt), Signalisier- bzw. Anzeige-Elemente 36V und 36R, ebenso wie einen Tonindikator 36B und den Testunterbrecher 36, welche in 3 nicht sichtbar sind.
Selbstverständlich bestehen die äußere Einhüllende 38 und der Verschlußdeckel 40 aus einem elektrisch isolierenden Material. Vorzugsweise bestehen die äußere Einhüllende 38 und der Verschlußdeckel 40 aus synthetischem Material.
Die Komponente hoher Impedanz 32 ist in der 3 auf dem Niveau eines teilweisen Schnitts der Ansicht gezeigt.
Wie dies oben gesehen wurde, ist die Komponente hoher Impedanz 32 aus einem Kondensator mit zwei parallelen Elektroden 321 und 322 gebildet, welche hier durch ein dielektrisches Material 323 getrennt sind. Die Elektroden 321 und 322 haben ebene kreisförmige Formen. Das dielektrische Material 323 ist aus einem zylindrischen kreisförmigen Block gebildet.
Durch die erfindungsgemäße Gesamtheit realisierte Versuche haben gezeigt, daß es interessant ist, die Kapazität des Kondensators 32 in einem Intervall von 4 bis 40 pF auszuwählen.
Die Elektrode 321 umfaßt einen unteren ebenen Bereich 321E, der die Elektrode des Kondensators, einfach gesagt, ausbildet und ist in Anschlag bzw. Anlage gegen das dielektrische Material 323. Die Elektrode 321 umfaßt auch einen oberen, mit einem Gewinde bzw. Innengewinde versehenen Bereich 321C, in welchem die Kontaktelektrode 31 eingeschraubt ist.
Die Elektrode 322 umfaßt einen oberen ebenen Bereich 322E, der, einfach bzw. genau gesagt, die Elektrode des Kondensators ausbildet und in Anlage gegen das dielektrische Material 323 ist. Die Elektrode 322 umfaßt auch einen unteren Bereich 322C, der eine Kontaktsteckstelle ausbildet und dazu bestimmt ist, einen elektrischen Kontakt mit der querverlaufenden oberen bzw. Scheitelwand 331 des Faraday'schen Käfigs 33 sicherzustellen.
Wie dies in 3 ersichtlich ist, ist der Durchmesser des dielektrischen Materials 323 geringfügig größer als jener der Bereiche der Elektrode 321E und 322E.
Der obere Durchmesser des dielektrischen Materials 323 erlaubt die Ausbildung von zwei Aufnahmen in demselben auf der oberen und unteren Seite bzw. Fläche, in welche entsprechend die Bereiche der Elektroden 321E und 322E eingesetzt bzw. eingefügt sind. Kreisförmige entsprechende Kanten der Bereiche der Elektroden 321E und 322E sind so durch das dielektrische Material 323 abgedeckt.
In dieser bevorzugten Ausführungsform sind das dielektrische Material 323 und das isolierende Material der äußeren Ummantelung 38 beide gewählt, daß sie aus Polycarbonaten bestehen, und die zwei Materialien sind durch Osmose auf dem Niveau der benachbarten Bereiche 328 verschweißt oder verbunden. Diese benachbarten Bereiche 328 umfassen alle Oberflächen des dielektrischen Materials 323, die nicht durch die Bereiche der Elektrode 321E und 322E abgedeckt sind.
Versuche, welche durch die erfinderische Gesamtheit ausgeführt wurden, zeigen, daß die Verschweißung oder Osmose der Polycarbonate in den benachbarten Bereichen 328 eine wesentliche Steigerung der Durchschlagsspannung des Kondensators 32 autorisiert bzw. ermöglicht.
In einer nicht dargestellten Ausführungsvariante ist der Kondensator 32 durch eine Komponente hoher Impedanz anderer Art, beispielsweise die Kombination eines Kondensators und eines Widerstands ersetzt.
Unter Bezugnahme auf 4 wird jetzt die Detektions- und Signalisierschaltung 35 beschrieben, die in dem Detektor 30 gemäß der Erfindung enthalten ist.
Wie dies in der 4 gezeigt ist, umfaßt die Detektions- und Signalisierschaltung 35 einen Strom-Spannungs-Wandler 352, eine Verstärkungs- und Filterschaltung 353 und einen Komparator 354.
Die Detektions- und Signalisierschaltung 35 umfaßt auch unterschiedliche elektronische Test- und Signalisierschaltungen, welche dem Fachmann bekannt sind und welche in der 4 nicht dargestellt sind.
Die Detektions- und Signalisierschaltung 35 wird durch eine Gleichspannung +V gespeist, die durch die autonome Gleichspannungsquelle 34 bereitgestellt ist.
Wie dies in 4 gezeigt ist, ist die erste Meßklemme 350 der Schaltung 35 mit der Masse der Schaltung 35 verbunden. Die Klemme mit negativer Polarität der autonomen Gleichspannungsquelle 34 und die Abschirmung des Faraday'schen Käfigs 33 sind ebenfalls mit der Masse der Schaltung 35 verbunden.
Die zweite Meßklemme 351 ist mit einer Stromklemme des Strom-Spannungs-Wandlers 352 verbunden.
Der Strom-Spannungs-Wandler 352 ist um einen Operationsverstärker A352 konstruiert.
Eine Gegenreaktionsimpedanz umfaßt einen Widerstand R₃₅₂ und ein Kondensator C₃₅₂, welcher parallel montiert ist, ist zwischen einem Ausgang des Operationsverstärkers A352 und einem negativen Eingang desselben angeschlossen.
Zwei Schutzdioden D1 und D2 sind Kopf-zu-Ende bzw. entgegengesetzt zwischen dem negativen Eingang und einem positiven Eingang des Operationsverstärkers A352 montiert. Die Dioden D1 und D2 schützen den Operationsverstärker A352 gegen eine Zerstörung aufgrund einer gegebenenfalls vorhandenen Überspannung.
Der negative Eingang des Operationsverstärkers A352 ist mit der zweiten Meßklemme 351 des Detektions- und Signalisierschaltkreises 35 verbunden, welcher mit dem Gegengewicht 37 verbunden ist.
Speiseklemmen des Operationsverstärkers A352 sind entsprechend mit der Spannung +V und der Masse verbunden.
Die Spannung +V wird ebenfalls einem Spannungsteiler zugeführt, umfassend einen Widerstand R₃₅₀, der mit +V verbunden ist, und einen Widerstand R₃₅₁, der mit der Masse verbunden ist. Ein Kondensator C₃₅₁ ist parallel auf dem Widerstand R₃₅₁ vorgesehen, um von der Masse unerwünschte Signale hoher Frequenz zu entkoppeln.
Der Verbindungspunkt der Widerstände R₃₅₀ und R₃₅₁ liefert eine mittlere Spannung in der Größenordnung von +V/2. Die mittlere Spannung +V/2 wird an den positiven Eingang des Operationsverstärkers A352 angelegt, um diesen an einem Mittelpunkt eines Funktionierens anzuordnen. Diese Polarisation von +V/2 des positiven Eingangs des Operationsverstärkers A352 ist aus dem Grund der asymmetrischen Speisung (+V, Masse) desselben erforderlich.
Unter Berücksichtigung seiner ”unendlichen” Impedanz zwischen dem positiven und negativen Eingang liefert der Operationsverstärker A352 am Ausgang eine Spannung, die durch die Gleichung e = –Z·i gegeben ist, wobei Z die Impedanz ist, die durch den Widerstand R₃₅₂ und den parallelen Kondensator C₃₅₂ gebildet ist, und i der Strom ist, der durch das Gegengewicht 37 eingefangen ist.
Der Strom-Spannungs-Wandler 352 liefert somit bei einem Gleichstrom eine Spannung e = –R₃₅₂·i mit einer hohen Grenzfrequenz f_ch1 = 1/(2πR₃₅₂·C₃₅₂), die durch die Zeitkonstante τ1 = R₃₅₂·C₃₅₂ eingeführt ist.
Die Verstärkungs- und Filterschaltung 353 beinhaltet bzw. umfaßt im wesentlichen einen Umkehrverstärker und eine passive Filterschaltung der Art RC.
Der Umkehrverstärker ist um einen Operationsverstärker A353 konstruiert.
Der Operationsverstärker A353 ist in einer Weise analog zu dem Verstärker A352 gespeist und erhält auch die mittlere Spannung +V/2, die an seinen positiven Eingang angelegt ist.
Eine Eingangsimpedanz, welche einen Widerstand R₃₅₃ und einen Kondensator C₃₅₃ umfaßt, die in Serie montiert sind, ist zwischen dem negativen Eingang des Operationsverstärkers A353 und dem Ausgang des Strom-Spannungs-Wandlers 352 angeschlossen.
Eine Gegenreaktions-Impedanz, umfassend einen Widerstand R₃₅₄, und ein Kondensator C₃₅₄, die parallel montiert sind, ist zwischen dem negativen Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers A353 angeschlossen.
In für den Fachmann bekannter Weise ist die Verstärkung G eines derartigen Umkehrverstärkers durch die Gleichung G = –Z1/Z2 gegeben, wobei Z1 und Z2 entsprechend die Impedanz der Gegenreaktion und die Eintrittsimpedanz des Umkehrverstärkers sind.
Eine niedrige Grenzfrequenz f_cbt = 1/(2πR₃₅₃·C₃₅₃) wird durch die Zeitkonstante τ2 = R₃₅₃·C₃₅₃ der Eingangsimpedanz eingeführt. Eine hohe Grenzfrequenz f_ch2 = 1/(2πR₃₅₄·C₃₅₄) wird durch die Zeitkonstante τ3 = R₃₅₄·C₃₅₄ der Gegenreaktions-Impedanz eingeführt.
Die passive Filterschaltung umfaßt erste und zweite Schaltungen RC, die in Kaskaden montiert bzw. angeordnet sind. Eine erste Schaltung RC ist eine Art Differenzierschaltung und umfaßt einen Kondensator C₃₅₅ und einen Widerstand R₃₅₅. Eine zweite Schaltung RC ist eine Art Integrationsschaltung und umfaßt einen Widerstand R₃₅₆ und einen Kondensator C₃₅₆.
Der passive Eingang der Filterschaltung ist aus einer Kondensatorklemme C₃₅₅ gebildet, welche mit dem Ausgang des Operationsverstärkers A353 verbunden ist. Der passive Ausgang der Filterschaltung besteht aus dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R₃₅₆ und dem Kondensator C₃₅₆.
Der passive Ausgang der Filterschaltung bildet den Ausgang der Verstärkungs- und Filterschaltung 353 und liefert eine Meßspannung VM, die für die Spannung repräsentativ ist, die an der Kontaktelektrode 31 vorhanden ist.
Die passive Filterschaltung liefert zwei zusätzliche, jeweils niedrige und hohe Grenzfrequenzen f_cb2 und f_ch3, die mit den durch die Komponenten A₃₅₅, C₃₅₅ und R₃₅₆, C₃₅₆ eingeführten Zeitkonstanten verbunden bzw. gekoppelt sind.
Der Komparator 354 erlaubt es, eine Entscheidung über das Liefern eines Hinweises betreffend die Anwesenheit oder eines Hinweises betreffend die Abwesenheit einer zu detektierenden Spannung auf der Kontaktelektrode 31 an den Betätiger zu liefern. Zu diesem Zweck vergleicht der Komparator 354 die Meßspannung VM mit einer Auslöseschwellwertspannung VS, die auch Detektionsschwelle genannt wird.
Die Auslöseschwellwertspannung VS ist mittels eines Potentiometers P354 geeicht. Vorzugsweise wird das Potentiometer durch eine stabilisierte Bezugsspannung VZ gespeist, die ausgehend von der Spannung +V erhalten wird.
Wie dies in 4 gezeigt ist, wird die Spannung VS an einem positiven Eingang des Komparators 354 angelegt und die Spannung VM wird an einem negativen Eingang des Komparators 354 angelegt. Ein Detektionssignal SD in einem aktiven Zustand wird durch den Komparator 354 geliefert, wenn die Meßspannung VM über der Auslöseschwellwertspannung VS liegt.
Der aktive Zustand des Detektionssignals SD zeigt die Anwesenheit einer zu detektierenden Spannung auf der Kontaktelektrode 31 an. Das Detektionssignal SD wird einer Logikschaltung (nicht dargestellt) zugeführt, welche das visuelle Anzeigen und die Tonausgabe, die für den Betätiger bestimmt sind, mittels der Komponenten 36V, 36R und 36B steuert bzw. regelt.
In Übereinstimmung mit der Erfindung sind der Strom-Spannungs-Wandler 352 und die Verstärkungs- und Filterschaltung 353 für einen nominalen Frequenzbereich berechnet, der für den Detektor 30 gewünscht ist. Die unterschiedlichen Impedanzen, die hier oben für den Wandler 352 und die Schaltung 353 angezeigt bzw. angedeutet sind, sind derart bestimmt, um unter anderem die Frequenzvariation der Komponente hoher Impedanz 32 zu kompensieren und um eine Bandbreite zu erhalten, welche den gewünschten nominalen bzw. Nenn-Frequenzbereich des Detektors 30 abdeckt.
5 zeigt Verstärkungskurve der Übertragungsfunktion zwischen einem Eingang, der durch die zu detektierende Spannung an der Kontaktelektrode 31 konstituiert bzw. gebildet ist, und einem Ausgang, der durch die Meßspannung VM konstituiert ist.
Die Verstärkungskurve der 5 zeigt einen Durchgangsbereich bzw. eine Bandbreite bei –3 dB, umfassend einen Abschnitt, der eine im wesentlichen konstante Verstärkung G_bp aufweist. Der nominale Frequenzbereich des Detektors 30 ist vorzugsweise in diesem Bereich der Verstärkung G_bp definiert, der im wesentlichen konstant ist. Untere f_CB bzw. obere f_CH Grenzfrequenzen der Bandbreite sind in einer derartigen Weise bestimmt, um unerwünschte Frequenzanteile zu filtern, wie beispielsweise harmonische Komponenten, die in der zu detektierenden Spannung vorhanden sind.
In Übereinstimmung mit der Erfindung bilden die Zeitkonstante τ1 = R₃₅₂·C₃₅₂ des Wandlers 352 und die Verstärkungs- und Filtrierschaltung 353 Filter- und Kompensationsmittel in Kombination mit dem Strom-Spannungs-Wandler 352, um die Frequenzantwort der Detektions- und Signalisierschaltung 35 in einer derartigen Weise zu filtern und zu kompensieren, um den nicht variablen Detektionsschwellwert VS in einem nominalen vorbestimmten Frequenzbereich der zu detektierenden Spannung aufrechtzuerhalten und ein Funktionieren des Detektors 30 in diesem nominalen vorbestimmten Frequenzbereich zu erlauben. Man wird insbesondere feststellen, daß der Kondensator C₃₅₂ eine entscheidende Rolle bei der Kompensation der Variation der Frequenz der Komponente 32 hoher Frequenz besitzt.
Typischerweise liegt für eine Verwendung in elektrischen Netzen mit 50 bis 60 Hz die Bandbreite bei –3 dB vorzugsweise zwischen einer unteren Grenzfrequenz f_CB in der Größenordnung von 25 bis 30 Hz und einer oberen Grenzfrequenz f_CH in der Größenordnung von 70 bis 100 Hz.
Gemäß einer anderen speziellen Ausführungsform funktioniert der einpolige Spannungsdetektor gemäß der Erfindung in einem nominalen Frequenzbereich von 16 2/3 Hz bis 400 Hz.
In Übereinstimmung mit der Erfindung erlaubt in dem nominalen Frequenzbereich des Detektors 30 die Berechnung von Impedanzen des Strom-Spannungs-Wandlers 352 und der Verstärkungs- und Filterschaltung 353 eine Meßspannung VM zu erhalten, deren Amplitude von der Frequenz unabhängig ist. Es ist somit möglich, einen konstanten Wert für die Auslöseschwellwertspannung VS für den gesamten nominalen Frequenzbereich festzulegen.
Zahlreiche andere Varianten sind je nach Umständen möglich und es wird in diesem Zusammenhang daran erinnert, daß die Erfindung nicht auf die beschriebenen und dargestellten Beispiele beschränkt ist.

Claims

Einpoliger Spannungsdetektor, umfassend eine Kontaktelektrode (31), einen Faraday'schen Käfig (33), eine Detektionsschaltung (35) und ein Gegengewicht (37), wobei der Faraday'sche Käfig (33) wenigstens die Detektionsschaltung (35) aufnimmt bzw. schützt, wobei die Detektionsschaltung (35) einen ersten Stromanschluß (350), der mit dem Faraday'schen Käfig (33) verbunden ist, und einen zweiten Stromanschluß (351) aufweist, der mit dem Gegengewicht (37) verbunden ist, und wobei der Farraday'sche Käfig allgemein die Form einer Glocke mit einem nach unten offenen Bereich (332) aufweist, wobei das Gegengewicht (37) im wesentlichen auf dem Niveau des offenen Bereichs (332) angeordnet ist und eine im wesentlichen ebene Oberfläche in bezug auf den offenen Bereich (332) aufweist.
Detektor nach Anspruch 1, wobei die Detektionsschaltung (35) auch Filter- und Kompensationsmittel (R₃₅₂, C₃₅₂; 353) in Kombination mit einem Strom/Spannungs-Wandler (352) beinhaltet, wobei die Filter- und Kompensationsmittel (R₃₅₂, C₃₅₂; 353) berechnet sind, um die Frequenzantwort der Detektionsschaltung (35) in einer derartigen Weise zu filtern und zu kompensieren, um einen nicht variablen Detektionsschwellwert (VS) in einem vorbestimmten nominalen Frequenzbereich der zu detektierenden Spannung aufrechtzuerhalten bzw. zu konservieren und ein Funktionieren des Detektors in dem vorbestimmten nominalen Frequenzbereich zu erlauben.
Detektor nach Anspruch 2, wobei der vorbestimmte nominale Frequenzbereich in einer Bandbreite der Detektionsschaltung (35) beinhaltet ist, wobei die Bandbreite eine untere Grenzfrequenz (f_CB) zwischen 25 und 30 Hz und eine obere Grenzfrequenz (f_CH) zwischen 70 und 100 Hz aufweist.
Detektor nach nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei er auch eine Komponente hoher Impedanz (32) umfaßt, die zwischen der Kontaktelektrode (31) und dem Faraday'schen Käfig (33) angeordnet ist und elektrisch die Kontaktelektrode (31) mit dem Faraday'schen Käfig (33) verbindet, wobei die Komponente hoher Impedanz (32) vorzugsweise ein Kondensator ist.
Detektor nach Anspruch 4, wobei der Kondensator (32) ein dielektrisches Material (323) umfaßt, von welchem bestimmte Teile (328) durch Osmose mit einer äußeren Umhüllenden (38), die elektrisch isolierend ist, des Detektors (30) verschweißt bzw. verlötet und/oder verbunden sind.
Detektor nach einem der Ansprüche 4 bis 5, wobei der Kondensator (32) eine erste und zweite ebene Elektrode (321E, 322E) und einen allgemein zylindrischen Block aus dielektrischem Material (323) umfaßt, der zwischen der ersten und zweiten Elektrode (321E, 322E) zwischengelagert ist, wobei die seitlichen Kanten der ersten und zweiten Elektrode (321E, 322E) durch Teile des Blocks aus dielektrischem Material (323) abgedeckt bzw. bedeckt sind.
Detektor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der Kondensator (32) eine Kapazität zwischen 4 pF und 40 pF aufweist.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Faraday'sche Käfig (33) das Gegengewicht schützt und der offene Bereich (332) den Durchgang eines Detektionsstroms zwischen dem Gegengewicht (37) und der Erde (13) und dies in einer eindirektionalen Weise im Raum erlaubt.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Gegengewicht (37) eine ebene Oberfläche querlaufend zur Längsachse des Detektors (30) aufweist und in dem Farraday'schen Käfig (33) in Bezug auf den offenen Bereich (332) zurückgezogen montiert ist und/oder der Detektor für eine oberirdische elektrische Leitung geeignet ist.
Detektor nach Anspruch 9, wobei eine Überschreitung (D) der Länge der seitlichen Wand (330) des Farraday'schen Käfigs (33) in Bezug auf die querverlaufende Ebene des Gegengewichts (37) zwischen etwa 10 mm und etwa 20 mm liegt.