DE3515773A1

DE3515773A1 - Elektronische sicherungsueberwachung

Info

Publication number: DE3515773A1
Application number: DE19853515773
Authority: DE
Inventors: Erfinder Wird Nachtraeglich Benannt Der
Original assignee: GRUNDMANN ERNST H
Current assignee: GRUNDMANN ERNST H
Priority date: 1985-05-02
Filing date: 1985-05-02
Publication date: 1985-09-19

Description

Elektronische Sicherungsüberwachung.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung, welche den Betriebszustand von einem oder mehreren Sicherungseinsätzen, vorzugsweise 5 NH-Sicherungseinsätzen, Überwacht, und sowohl für den Normalbetrieb, das heißt NH-Sicherungseinsatz intakt, als auch für die Störung, das heißt Sicherungseinsatz durchgebrannt, jeweils einen Stromdauerimpuls nach außen abgibt. Die Einrichtung besteht erfindungsgemäß aus einer Parallelstrecke zum Sicherungseinsatz, die im Störungsfall

10 unabhängig von der an dem Sicherungseinsatz anstehenden Spannung einen konstanten Strom auf die Leuchtdiode eines Optokopplers gibt, sodaß der Schalttransistor des Optokopplers auf einen Transistorschaltteil durchschaltet, der von einer Hilfsstromquelle gespeist wird. Im Normalbetrieb ist die am Sicherungseinsatz anstehende Span-

15 nung so gering, daß der Optokoppler nicht durchschaltet. Der Transistorteil schaltet je nach Zustand des Optokopplers einen Dauerimpuls entweder für Normalbetrieb oder Störung nach außen durch, wobei der andere Dauer impuls abgeschaltet wird. Dabei werden wahlweise 2 Leuchtdioden zur Direktanzeige am Sicherungsüberwachungsgerät ge-

20 schaltet.

-§ Die Probleme liegen dabei in den unterschiedlichen Netzverhältnissen

^J und dem Abschaltverhalten eines Sicherungseinsatzes. Das Netz kann

^ 25 Wechselspannung oder Gleichspannung aufweisen, bei Wechselspannung £ (Drehstrom) bis 660V, bei Gleichspannung bis 440V. Bei Durchbrennen

eines Sicherungseinsatzes, z.B. bei Drehstrom, kann infolge der Gegen-EMK ζ eines großen Motors, aber bei abgesicherten Parallelkabeln, die Resten spannung am Sicherungseinsätz sehr klein gegen die Netzspannung sein.

Λ 30 Bei dem Sicherungseinsatz muß eine Verfälschung der Sicherungskennlink' ^ω vermieden werden, außerdem kann beim Abschalten des Sicherungseinsatzes J=J eine kurzzeitige Schaltüberspannung, die um ein Mehrfaches höher liegt ·§ als die Netzspannung, auftreten.

P Bis heute sind zur Lösung dieser Aufgabe folgende Ausführungen bekannt: ο

κ 35 1.) Dem Sicherungseinsatz ist eine Phase eines Motorschutzschalters μ parallelgeschaltet, wobei die überstromauslösevorrichtung (meist w Thermobimetall) einen höheren Widerstand besitzt, sodaß der Motor-

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schutzschalter dadurch kurzschlußfest wird und die Sicherungskennlinie relativ wenig beeinflußt. Zur Meldung oder Betätigung von Schaltgliedern ist meist ein öffner und ein Schließer im Motorschutzschalter vorhanden. Der Motorschutzschalter ist entweder für Wechselstrom oder für Gleichstrom ausgelegt. Die zur Betätigung des Motorschutzschalters erforderliche Spannung an dem durchgebrannten Sicherungseinsatz ist zwar relativ niedrig, liegt aber z.B. zu hoch, um einen Einsatz bei abgesicherten Parallelkabeln zu erlauben." Je nach der am Sicherungseinsatz bei Störung anliegenden Spannung kann es einige Sekunden bis Minuten dauern, bis der Motorschutzschalter schaltet. Nach Beseitigung der Störung muß der Motorschutzschalter wieder eingeschaltet werden.

2.) DE-OS 1933942. Diese Schaltungsanordnung zur elektronischen Sicheningsüberwachung ist speziell auf Schaltungen zur Speisung mehrerer parallelgeschalteter, einzeln abgesicherter Verbraucher oder auf Stromrichter mit parallelgeschalteten Ventilen ausgerichtet, ,-π Dabei liegt eine mit einer RC-Beschaltung versehene Diode in ■o Reihe zu jedem Sicherungseinsatz. Die während der Sperrichtungs-I^ 20 beanspruchung der Diode bei durchgebranntem Sicherungseinsatz an ^ der Sicherungsstrecke auftretende Sperrspannung wird zum Durch- £ schalten eines in der Einrichtung befindlichen Transistors benutzt, dessen Durchschalten zum Durchschalten eines Thyristors

führt, der eine optische Anzeige mit einer gesonderten Hilfs-

ω 25 spannung verbindet.

ό 3.) DE-OS 2533182. Bei dieser Schaltungsanordnung zur elektronischen Sicherungsüberwachung liegen die Sicherungseinsätze in paralleler

S Diodenzweigen, über die ein gemeinsamer Verbraucher gespeist wird

·§ Löst eine der Sicherungseinsätze aus, so lösen wegen des erhöhte

30 Stromes die anderen Sicherungseinsätze nacheinander aus, wobei be·

χ reits das Auslösen des ersten Sicherungseinsatzes registriert wii. ,

w da jeder Diode ein RC-Glied parallelgeschaltet ist, wodurch die

w Meldeeinrichtung während der Sperrichtungsbeanspruchung der Diode

bei ctarchgebranntem Sicherungseinsatz Strom erhält. Eine gesonderte Steuerspannungsquelle ist nicht erforderlich, da die notwendige Energie aus dem Kondensator des RC-Gliedes entnommen wird. Da die Dioden mit ihrem RC-Glied an den Netzzweigen liegen, ist eine Anwendung bei der Stromversorgung beliebiger Verbraucher oder direkt an ein Wechsel- oder Drehstromnetz angeschlossener Verbraucher nicht möglich.

4.) DE-OS 2831139. Diese Anordnung zur Sicherungsüberwachung besitzt eine Leuchtdiode,.die in Reihe geschaltet mit einem Kaltleiter und einem zum Kaltleiter parallelgeschalteten Widerstand parallel zum Sicherungseinsatz liegt. In die Reihenschaltung kann noch ein Brückengleichrichter aufgenommen werden, sodaß dann die Leuchtdiode an dem Gleichstromausgang des Brückengleichrichters liegt. Mit dieser Anordnung ist das Herausführen von Dauer impulsen für eine Fernmeldung oder Fernsteuerung nicht möglich. Eine Anzeige für den Normalbetrieb entfällt. Da der Kaltleiter mit Parallelwiderstand bei maximaler Netzspannung in kaltem Zustand an die Leuchtdiode angepaßt sein muß, deren maximal zulässige Spannung unter 5V liegt, und seinen Widerstand bei Überschreiten des Kippstroms ■-¹ 20 wesentlich erhöht, ist trotz des Parallelwiderstandes ein Einsatz ,tj der Anordnung nur in einem begrenzten Netzspannungsbereich möglich,

^j Auch wird die Leuchtdiode durch Schaltüberspannungen gefährdet.

^ 5.) DE-OS 2851956. Diese Anordnung zur elektronischen Sicherungsüber-•j waehung besitzt eine Parallelstrecke zum Sicherungseinsatz, be-

j^- 25 stehend aus einer Gleichrichterdiode, einer Glimmlampe, einem Be- § grenzungswiderstand und der Leuchtdiode eines Optokopplers, die in

£j Reihe geschaltet sind. Bei durchgebranntem Sicherungseinsatz wird

P die positive Halbwelle der am Sicherungseinsatz anliegenden Wech-

selspannung durch die Gleichrichterdiode und nach Ansprechen der § 30 Glimmlampe über die Leuchtdiode des Optokopplers durchgelassen, Ί sodaß dieser durchschaltet und ein Relais mit Hilfe einer Hilfs-

t§ spannung betätigt. Dabei kann eine Glättung der Halbwellen durch

t£ einen Kondensator erfolgen.

w ' Eine Leuchtanzeige bei Störung erfolgt durch die Glimmlampe.

ώ 35 Die Anordnung ergibt eine hohe Ansprechspannung beim Durchbrennen

BAD

eines Sicherungseinsatzes wegen der Verwendung einer Glimmlampe. In unteren Spannungsbereichen oder bei abgesicherten Parallellkabeln ist sie nicht einsetzbar. Allerdings ist sie neben dem Motorschutzschalter bisher die einzige Anordnung, 5 " die für eine Fernmeldung oder Fernsteuerung geeignet ist. Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Sicherungsüberwachung auf elektronischer Basis zu schaffen, die im gesamten Niederspannungsnetzbereich, sowohl bei Wechsel Spannungen bis zu 66QV Drehstrom, als auch bei Gleich-10 spannungen bis zu 440V eine einwandfreie Überwachung von Sicherungseinsätzen ermöglicht, wobei neben der Direktanzeige am Gerät der Sicherungsüberwachung auch eine Fernmeldung oder Fernsteuerung für den Normalbetrieb und für eine Störung gesichert ist. Zu berücksichtigen ist dabei das Auftreten von Kurzschlußströmen, eine 15 kurzzeitige Schaltüberspannung beim Durchbrennen eines Sicherungseinsatzes und eine Einhaltung der Sicherungskennlinie. Dies wird bei der vorliegenden Erfindung auf einfache Weise dadurch erreicht, daß an den Sicherungseinsatz oder die Sicherungseinsätze eine oder mehrere Parallel strecken angeschlossen werden, die aus 20 einer Reihenschaltung einer Zenerdiode mit Schutzgleichrichterdiode, ^ einem Kaltleiter mit Parallelwiderstand und einem Gleichrichtersatz

^ bestehen, wobei der Strecke Zenerdiode mit Schutzgleichrichter die

^ Leuchtdiode eines Optokopplers eventuell mit einem Vorwiderstand

^ parallel geschaltet wird.

g 25 ßei Normalbetrieb liegt an der Parallelstrecke nur der Spannungsab-

£] fall des intakten Sicherungse.insatzes. Dieser reicht nicht aus, um

g eine Spannung an der Zenerdiode zu erzeugen. Damit erhält der Eingang

des Optokopplers keine Spannung, sein Ausgang bleibt gesperrt. Beim

^ Durchbrennen des Sicherungseinsatzes kann kurzzeitig, einige ms lang,

"P 30 eine Schaltüberspannung entstehen, von welcher der größte Teil am KaIt-

t§ leiter liegt, so daß die Gleichrichter für eine kleinere Sperrspannung

J₃: ausgelegt werden können. Sie müssen allerdings für das entsprechende J dt ausgelegt sein. Danach ist je nach Netzverhältnissen eine

tB kleinere oder größere Spannung am durchgebrannten Sicherungseinsatz

ORIGINAL !N3PZCTED

und der Parallelstrecke vorhanden, wobei die Zenerdiode ihre feste Zenerspannung an den Eingang des Optokopplers gibt, dessen Ausgang dabei durchschaltet. Infolge dieser Zenerspannung ist es auch möglich, parallel zum Eingang des Optokopplers eine Leuchtdiode zu schalten, die die Stoning anzeigt.

Da der Kaltleiter je nach anstehender Spannung bei überschrittenen Kippstrom erst nach Sekunden bis Minuten seinen Widerstand erhöht, muß der Kaltwiderstand des Kaltleiters so hoch sein, daß der zulässige Dauerstrom des Gleichrichtersatzes und der Zenerstrecke nicht überschritten wird. Der Optokoppler erhält einen konstanten Eingangsstrom infolge der Zenerspannung, ebenso eine .. eventuelle parallele Leuchtdiode. Bei längerem Anstehen der Störung fließt infolge der Widerstandserhöhung des Kaltleiters ein geringer Strom, maximal der · Kippstrom. Dieser Strom reicht aber zum Aufrechterhalten der Zenerspannung infolge des Parallel-Widerstandes.

Eine Ausgangsseite des Optokopplers liegt über einen weiteren Kaltleiter mit geringem Widerstand, aber einem höheren Kippstrom als der Nennstrom für Fernmeldung und Fernsteuerung, direkt an einem Pol einer Hilfsgleichspannungsquelle. Der andere Pol der ^1-1 Hilfsspannung liegt an den Kollektoren zweier Transistoren, die .η die ünschaltung der beiden Schalttransistoren für Normalbetrieb und Störung bewirken. Bei mehreren Sicherungseinsätzen werden vo die Ausgänge der Optokoppler parallel geschaltet. Durch die hohe in

^ 25 Spannungsfestigkeit infolge der galvanischen Trennung zwischen

& Eingang und Ausgang der Optokoppler ist der Transistorteil gegen

ψ, Netzspannungseiribrüche geschützt.

P Bei Verwendung von NPN-Tr ans is toren und Optokopplern liegt der

S negative Pol der Hilfsspannung über den Kaltleiter direkt an den

Emittern vom Optokoppler und den Schalttransistoren für Normal-

ro betrieb und Störung sowie über Widerstände an der Basis dieser

S Schalttransistoren. Von den Kollektoren der Schalttransistoren

ο gehen die Ausgänge für Fernmeldung und Fernsteuerung heraus.

κ Zwischen dem positiven Pol der Hilfsspannung und diesen beiden

Ausgängen liegt je eine Leuchtdiode mit Vorwiderstand zur Direktanzeige des Betriebszustandes.

Bei Normalbetrieb erhält ein Transistor für die Umschaltung vom Pluspol Über einen Widerstand eine positive Spannung auf· die Basis, er schaltet durch und gibt über eine Schaltstrecke und über einen Widerstand eine positive Spannung auf die Basis des Schalttransistors für den Normalbetrieb. Diese positive Spannung ist höher als die feste über einen weiteren Widerstand anstehende negative Spannung vom Minus-Pol. Damit schaltet der Schalttransistor für Normalbetrieb durch, sein Kollektorausgang wird negativ. Gleichzeitig gibt er über einen Widerstand negative Spannung auf die Basis des zweiten Umschalttransistors. Dieser wird gesperrt, sodaß am Schalttransistor für die Störung eine negative Spannung über einen Widerstand vom Minus-Pol die Basis beeinflußt, sodaß dieser Schalttransistor gesperrt wird.
Beim Durchschalten des Optokopplers erhält der erstgenannte Umschalttransistor vom Ausgang des Optokopplers eine negative Spannung, er wird gesperrt und damit folgt die umgekehrte Umschaltung. Bei überlastung oder Kurzschluß auf der Hilfsspannungsseite wird — der Kippstrom des in die Hilfsspannungszuleitung geschalteten KaIt- -H . leiters überschritten, sodaß sich der Widerstand des Kaltleiters ο 20 erhöht und die Überlastung beseitigt.

£j Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung darge-

stellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben. η Die Zeichnung zeigt drei zu dem Verbraucher führende Netzleitungen 1,2 und 3. In diesen Netzleitungen liegen Sicherungseinsätze 4,

S 25 und 6. Als Parallelstrecken zu den Sicherungseinsätzen sind in Reihe

w geschaltet: Kaltleiter 10, 11 und 12 mit Parallelwiderstand 7, 8 und 9,

g Gleichrichtersatz 13, 14 und 15, Zenerdiode 16, 17 und 18, Schutzgleichrichterdiode 19, 20 und 21.

Parallel zu der Strecke Zenerdiode-Schutzgleichrichterdiode liegen in

■g 30 Reihe die Widerstände 22, 23 und 24 mit den Optokopplereingängen 28,

E 29 und 30. Leuchtdioden 25, 26 und 27 können den Optokopplereingängen

^ parallelgeschaltet werden.

{^ Die Optokopplerausgänge 31,32 und 33 sind parallelgeschaltet. Die

jij Emitterseite wird von· Minuspol 50 einer Hilfsgleichspannungsquelle über

ORJGfrML iN3Pc

einen niederohmigen Kaltleiter 44 eingespeist und führt direkt zum Emitter des Schalttransistors für den Normalbetrieb 42 und über dessen Schaltstrecke zum Ausgang für den Normalbetrieb 51, sowie direkt zum Emitter des Schalttransistors für die Störung 40 und über

... 5 dessen Schaltstrecke zum Ausgang für die Störung 52, außerdem über Widerstände 34 und 35'zur Basis der Schalttransistoren 40 und 42, sodaß sich dort eine negative Vorspannung ergibt. Die Kollektorseite der Optokopplerausgänge 31, 32 und 33 führt direkt zur Basis des Transistors 43, sodaß sich hier beim Durchschalten eines Optokopplers

.10 eine negative Vorspannung ergibt, mit welcher der Transistor 43 gesperrt wird. Da die Basis des Transistors 43 vom Pluspol 49 der Hilfsgleiehspannungsquelle bei gesperrten Optokopplern eine positive Vorspannung über den Widerstand 39 erhält, ist er durchgeschaltet und gibt über seine Schaltstrecke eine positive Vorspannung über den

. L5 Widerstand 38 auf die Basis des Schalttransistors 42, welche größer ist als die negative Vorspannung über den Widerstand 35, sodaß der Transistor 42 durchschaltet und von seinem Kollektor eine negative Vorspannung über den Widerstand 37 auf die Basis des Transistors 41 ^fH gibt, der dadurch gesperrt wird, sodaß am Schalttransistor für die .^ 20 Störung 40 eine negative Basisvorspannung über den Widerstand 34

^J ansteht. Der Ausgang für die Störung 52 ist damit spannungslos. Beim ^ Durchschalten eines Optokopplers wird der Transistor 43 gesperrt,

5! damit entfällt die positive Vorspannung der Basis des SchalttrankJ¹ sistors 42 über den Widerstand 38, der Schalttransistor für den Nor-

§3 25 malbetrieb 42 wird gesperrt, der Ausgang 51 wird spannungslos. Gleich- £3 zeitig entfällt die negative Vorspannung der Basis des Transistors g über den Widerstand 37, der Transistor 41 schaltet durch und gibt

über seine Schaltstrecke auf die Basis des Schalttransistors für die i Störung 40 eine positive Vorspannung über den Widerstand 36, die grö-

"1 3.0 ßer ist als die negative Vorspannung über den Widerstand 34. Damit ü schaltet der Schalttransistor 40 durch und der Ausgang 52 wird negativ, td Zur sichtbaren Anzeige der beiden Schaltzustände sind zwischen dem cd Pluspol 49 und den beiden Ausgängen 51 und 52 Leuchtdioden 45 und ω mit Vorwiderständen 47 und 48 geschaltet.

Bei überlastung eines der Schalttransistoren 40 und 42 wird der Kipp- ? strom des Kaltleiters 44 überschritten, und der Kaltleiter 44 erhöht seinen Widerstand, sodaß die überlastung beseitigt wird. Die zeichnungsmäßige Darstellung der Schaltanordnung ist aufgeteilt g_ in den Schalter mit Sicherungen 53, die Parallelstrecke zu den Sicherungseinsätzen 54 und den Transistorteil 55.

^₁ ORIGINAL INSPECTED

Claims

Patentansprüche

1. Anordnung zur elektronischen überwachung des Betriebszustandes von Sicherungseinsätzen in einer Verbraucher anlage, bei der über Sicherungen geschützte Verbraucher oder Parallelkabel aus einem Wechsel- oder Gleichspannungsnetz gespeist werden, wobei jedem Sicherungseinsatz eine hochohmige Parallelstrecke zugeordnet ist, die unabhängig von der Höhe der Netzspannung beim Durchbrennen des Sicherungseinsatzes eine konstante Gleichspannung an einen Optokoppler liefert, der datiei durchschaltet und mit Hilfe einer zusätzlichen Gleichspannungsquelle eine an ihn angeschlossene Melde- und Steuerelektronik betätigt, dadurch gekennzeichnet, daß die hochohmige Parallelstrecke zum Sicherungseinsatz eine Zenerdiode mit Schutzgleichrichterdiode enthält, die über einen Brückengleichrichter und einen Kaltleiter mit Parallelwiderstand eingespeist wird, wobei die -Zenerdiode im Störungsfall eine konstante

15' Gleichspannung an einen parallel dazu geschalteten Optokoppler abgibt, der eine Melde- und Steuerelektronik betätigt.

2. Anordnung noch Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Melde- und Steuerelektronik an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, welche bei gesperrtem Optokoppler einen Transistor oder Thyristor durchschaltet, welcher an einen Ausgang einen Dauerimpuls abgibt, während bei durchgeschaltetem Optokoppler ein weiterer Transistor oder Thyristor durchgeschaltet wird, welcher an einen zweiten Ausgang einen Dauerimpuls liefert, wobei beim Ansprechen eines der beiden Transistoren oder Thyristoren der zweite gesperrt wird.

3. Anordnung nach Anpruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Ausgängen der Melde- und Steuerelektronik und dem entgegengesetzten Pol der Gleichspannungsquelle je eine Leuchtdiode mit Vorwiderstand zur Anzeige der beiden Schaltzustände geschaltet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Strecke, bestehend aus Zenerdiode und Schutzgleichrichterdiode, eine Leuchtdiode parallelgeschaltet ist, welche das Durchbrennen des zugehörigen Sicherungseinsatzes anzeigt.

5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die Einspeisung zur Melde- und Steuerelektronik ein Kaltleiter geschaltet ist, der bei Überlastung der Elektronik seinen Widerstand erhöht und damit die Überlastung beseitigt.

6. Anordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um eine mehrpolige, vorzugsweise dreipolige Sicherungsüberwachung handelt, deren einzelne, hochohmige Parallelstrecken zu den Sicherungseinsätzen-auf der Ausgangsseite der Optokoppler parallelgeschaltet sind.

7. Anordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherungsüberwachung direkt auf einem Sicherungstrennschalter angeordnet ist.