DE3890265C2 - Lichtbogenrelais - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Lichtbogenrelais gemäß dem Ober­ begriff des Anspruches 1. Ein solches Lichtbogenrelais ist bekannt aus der DE 35 34 176 A1.

Ein solches Lichtbogenrelais dient zur Erkennung des Auftre­ tens eines Lichtbogens an einer oder mehreren Stellen einer Schaltanlage und zur Löschung des Lichtbogens durch Öffnen eines Leistungsschalters, über welchen Strom in die Schalt­ anlage fließt. Das Lichtbogenrelais enthält als Sensor einen Lichtleiter zum Sammeln von Licht, einen mit dem Sensor ver­ bundenen Lichtleiter zum Transport des gesammelten Lichtes, einen mit dem Ende des Lichtleiters verbundenen Fotosensor und eine mit dem Fotosensor verbundene elektronische Einheit zur Steuerung des Leistungsschalters in Abhängigkeit des de­ tektierten Lichtbogens.

Um Personen- und Sachschäden durch Lichtbögen zu reduzieren, ist es bekannt, die bei der Verteilung elektrischer Energie verwendeten Leistungsschalter mit einem Lichtbogenrelais auszustatten, welches einen auftretenden Lichtbogen detek­ tiert und ihn durch Veranlassung der Auslösung eines oder mehrerer Leistungsschalter, über welche Strom in die Schalt­ anlage fließt, zu löschen. Die Brenndauer des Lichtbogens wird auf diese Weise um bis zu 1/10 reduziert, so daß große Schäden vermieden und das Ausmaß der Nutzung der Schaltan­ lage erhöht werden können. Der Lichtbogen erzeugt einen Licht-, Druck-, Hitze- und Geräusch-Effekt; jeder dieser Ef­ fekte kann zur Detektion des Lichtbogens verwendet werden. Eine Überwachung auf der Basis des Licht-Effektes ist jedoch vorzuziehen, weil bei dieser Lichtleiter verwendet werden können, welche unempfindlich sind gegenüber in ihrer Umge­ bung auftretenden elektrischen Störungen und welche selbst nicht als Strompfad dienen können. Bekannte Lichtbogenre­ lais, in welchen Licht über einen Lichtleiter zu einem Foto­ sensor geleitet wird, verwenden eine am Ende des Lichtlei­ ters angeordnete Sammellinse als Licht-Sammel-Sensor. Wenn mehrere separate Stellen in einer elektrischen Schaltanlage gleichzeitig überwacht werden müssen, ist es erforderlich, jeweils einen separaten Lichtleiter zu jeder der zu überwa­ chenden Stellen zu ziehen, und hinter jedem separaten Licht­ leiter einen separaten Fotosensor anzuordnen. Wenn die An­ zahl der zu überwachenden Stellen groß ist, wird die Vor­ richtung sehr kompliziert und teuer. Darüber hinaus ist es auch schwierig, mit solchen Lichtbogenrelais stichprobenar­ tig zu messen, um ein automatisches Testteil zu realisieren, welches dessen Funktionstüchtigkeit von Zeit zu Zeit über­ prüft.

Die DE 35 34 176 A1 beschreibt ein Lichtbogenrelais für eine gekapselte Hochspannungsanlage, bei der im Inneren der Kap­ selung ein ummantelter Lichtleiter entlanggeführt wird. Die Ummantelung ist lichtundurchlässig und ist an jeder auf die Entstehung eines Lichtbogens zu überwachenden Stelle mit ei­ nem kleinen seitlichen Fenster in der nicht transparenten Ummantelung versehen. Durch dieses Fenster kann Licht von einem eventuellen Lichtbogen in die optische Faser eintre­ ten. Andererseits kann das dann im Lichtleiter zu einem Pho­ tosensor wandernde Licht durch die Fenster in dem noch zu durchlaufenden Teil der optischen Faser wieder zum Teil ent­ weichen. Aus diesem Grunde muß die Größe und die Anzahl der Fenster klein gehalten werden. Dies hat zur Folge, daß bei vielen zu überwachenden Lichtbogenentstehungsorten das an einem vom Photosensor weit entfernten Lichtbogenentstehungs­ ort eingefangene Licht nicht mehr in ausreichender Stärke am Photosensor eintrifft.

Aus der DE 31 29 041 C2 ist ein Lichtbogenrelais bekannt, bei welchem ein Lichtleiter ohne Ummantelung verwendet wird. Um das seitliche Eindringen von Licht am Lichtbo­ genentstehungsort zu ermöglichen, ist der Lichtleiter mit stark gekrümmten Stellen, die durch Knicke, Knotenbildung oder enge Wendelung gebildet werden, versehen. An diesen stark gekrümmten Stellen vermag Licht von außen in den Lichtleiter einzudringen. Zugleich tritt jedoch in dem Lichtleiter bereits vorhandenes Licht an diesen stark ge­ krümmten Stellen zu einem großen Teil aus dem Lichtleiter wieder aus. Aus diesem Grunde ist auch dieses Lichtbogenre­ lais nicht zur Überwachung vieler Lichtbogenentstehungsorten geeignet, da hier, ähnlich wie zuvor beschrieben, bei einem Lichtbogen in einem vom Photosensor weit entfernten Lichtbo­ genentstehungsort das in den Lichtleiter eingedrungene Licht an den zwischen diesem Ort und dem Photosensor liegenden Stellen starker Krümmung wieder aus dem Lichtleiter entwei­ chen würde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lichtleiter der eingangs genannten Art zu entwickeln, der unter Verwen­ dung nur eines Lichtleiters eine Vielzahl von Lichtbogenent­ stehungsorten sicher und kostengünstig zu überwachen vermag.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Lichtbogenrelais gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welches er­ findungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen genannt.

Das Lichtbogenrelais gemäß der Erfindung benötigt lediglich einen Lichtleiter (optische Faser) und nur einen Fotosensor zur Überwachung mehrerer Lichtbogenentstehungsorten und ist trotzdem in der Lage, in einer Kette von Lichtbogenentste­ hungsorten auch weit entfernt liegende Lichtbogenentstehungs­ orte sicher zu überwachen. Das Lichtbogenrelais zeichnet sich durch große Einfachheit und geringe Kosten aus. Es kön­ nen mehrere Schaltanlagen mit nur einem Lichtleiter über­ wacht werden, wenn der Lichtleiter durch alle zu überwachen­ den Schaltanlagen geführt wird. Da nur ein Lichtleiter er­ forderlich ist, ist eine kontinuierliche Selbstdiagnose leicht durchführbar.

Das Lichtbogenrelais gemäß der Erfindung und einige bevor­ zugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher be­ schrieben, wobei

Fig. 1 schematisch das Prinzip der Lichtmessung bei einem verschiedene Stellen (Lichtbogenentstehungsorte) ei­ ner Schaltanlage überwachenden Lichtbogenrelais nach der Erfindung illustriert,

Fig. 2 schematisch einen als Sammel-Sensor wirkenden Lichtleiter und eine daran angeschlossene elektronische Einheit veranschaulicht,

Fig. 3 das Lichtbogenrelais nach Fig. 2 zeigt, wobei dieses jedoch zusätzlich mit einem Testteil versehen ist, welches von Zeit zu Zeit den Zustand des Relais prüft, und

Fig. 4 ein Beispiel eines am Ende eines Lichtleiters angeordneten Sammel-Sensors illustriert.

Fig. 1 zeigt eine elektrische Schaltanlage 1, deren aufeinan­ derfolgende Stellen (Lichtbogenentstehungsorten) mit den Referenzen A bis E bezeichnet sind. Ein vereinfacht dargestelltes Lichtbogenrelais 2 weist einen sich durch die Stellen erstreckenden Lichtleiter 3 und eine diesem nachgeschaltete elektronische Einheit 4 auf. Das Licht von einem sich in einer der Stellen ausbildenden Licht­ bogen wird in den Lichtleiter 3 durch seitlichen Einfall durch seine Ummantelung gesammelt. Der Begriff Ummantelung, wie er hier gebraucht wird, bezieht sich auf ein den Kern umgebendes Teil, welches den Durchtritt von Licht in den Kern gestattet, in dem es sich weiter ausbreitet. Die Struktur des Lichtleiters wird weiter unten noch näher beschrieben. In Fig. 1 ist das Licht eines an den Stellen B und D entstandenen Lichtbogens mit den Pfeilen V bezeichnet. Selbstverständlich kann der Rest des Lichtleiters derart beschichtet sein, daß er undurchsichtig ist, wohingegen die Ummantelung des als Sammel-Sensor wirkenden Teils durchsichtig sein muß. Dies ist an der Stelle E darge­ stellt, in welcher der Rest der Faser 3 mit einer undurch­ sichtigen Beschichtung 5 versehen ist. Nach der Erfindung wurde weiter gefunden, daß durch Wendelung des als Sammel-Sensor wirkenden Lichtleiterabschnitts die Licht-Sammel-Ka­ pazität verbessert und die Richtungsempfindlichkeit reduziert werden kann. Dies ist dargestellt an den Stellen B, C und D, in denen als Sammel-Sensoren wirkende Lichtleiterabschnitte 3b, 3c und 3d durch aufeinanderfolgende Schleifen gebildet werden. Der Sammel-Sensor kann jedoch auch durch einen geraden Lichtleiter­ abschnitt an der Stelle gebildet sein, wie dies anhand des Sensor-Abschnitts 3a in Stelle A dargestellt ist. Wie sich aus Fig. 1 ergibt, ermöglicht das Lichtbogenrelais nach der Erfindung die Erkennung eines Lichtbogens an jeder der Stellen mittels eines einzigen Lichtleiters 3 und einem dieser nachgeschalteten und weiter mit der elektronischen Einheit 4 verbundenen Photosensor (nicht dargestellt). Mit dem Lichtbogendetektor ist es nicht möglich festzustellen, in welcher Stelle der Lichtbogen lokalisiert ist; andererseits ist eine Ortsbestimmung gewöhnlich auch nicht erforderlich. Die von dem Photosensor erhaltene Information wird in der elektronischen Einheit verarbeitet, welche über ihren Relais-Ausgang 6 einen Leistungsschalter steuert.

Fig. 2 zeigt schematisch den als Sammel-Sensor wirkenden Lichtleiter 3 und die elektronische Einheit 4. In den Fig. 1 und 2 sind einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Der als Sammel-Sensor wirkende Lichtleiter-Abschnitt 3f ist an der zu überwachenden Stelle ange­ ordnet, wohingegen sich der mit der Beschichtung 5 bedeckte Teil des Lichtleiters zu dem Photosensor 7 und der elektronischen Einheit 4 erstreckt, welche in einem Gehäuse 8 angeordnet ist. Der Sensor-Teil 3f kann mittels eines Verbindungsgliedes 3g an einen weiteren Lichtleiter angeschlossen sein, wodurch sich der Vorteil ergibt, daß nur der Sensor-Abschnitt ersetzt werden muß, wenn ein Lichtbogen den Lichtleiter beschädigen sollte. Der Photo-Sensor 7, z. B. eine PIN-Diode oder ein Phototransistor, wandelt einen über den Lichtleiter ankommenden Lichtimpuls in einen Stromimpuls um, welcher in einem Vorverstärker 9 mit einer einstellbaren Verstärkung verstärkt wird. Nach dem Vorver­ stärker 9 ist ein Band-Paß-Filter 10 vorgesehen, welcher lediglich die Passage von für das Licht des Lichtbogens typischen Signalen erlaubt. Dem Band-Paß-Filter 10 ist ein einstellbarer Komparator 11 nachgeschaltet, welcher das Relais 12 ansteuert, sofern das Signal, mit dem er beauf­ schlagt ist, eine voreingestellte Schwelle überschreitet. Der Auslöse-Kreis des Leitungsschalters enthält die Kontakte 6 des Relais 12. Ein Wellenlängen-Filter 13 kann ebenfalls fest am Photosensor 7 integriert sein. Das Relais 12 könnte auch mittels Halbleitern ausgeführt sein.

Fig. 3 zeigt eine entsprechende, jedoch mit einem Testteil zur intermittierenden Überprüfung des Zustandes der Vorrich­ tung ausgestattete Struktur. Der Testteil weist eine Licht­ quelle 14 und eine diese überwachende Kontrolleinheit 15 auf.

Hier hat der Lichtleiter 3 kein freies Ende wie im vorherigen Beispiel; statt dessen ist eines seiner Enden mit der durch die Kontrolleinheit überprüften Lichtquelle 14 verbunden, die in Intervallen von 5 Sekunden einen kurzen Test-Puls in den Lichtleiter einspeist und so den Zustand der Vorrichtung überprüft. Die Kontrolleinheit 15 und das Band-Paß-Filter 10 sind über die Komparatoren 11 mit einer logischen Einheit 17 verbunden, welche ihre Ausgangssignale F und G in Abhängigkeit von ihren Eingangssignalen K und L generiert. Das Ausgangssignal F erzeugt einen Fehleralarm durch einen Summer 18 sofern das Eingangssignal K logisch "1" und das Eingangssignal L logisch "0" ist. Das Ausgangssignal G steuert den Leistungsschalter über die Kontakte 6 des Relais 12 wenn der Wert des Eingangs­ signals L allein logisch "1" ist. Die Verbindung des Licht­ bogenrelais zum Leistungsschalter ist in den Figuren nicht näher dargestellt, weil sie in an sich bekannter Weise aus­ geführt ist und nicht zu der der Erfindung zugrunde liegen­ den Idee gehört.

Der zur Sammlung von Licht benötigte Lichtleiter 3 wird wie üblich gebildet durch einen Kern und eine diesen umgeben­ de Ummantelung sowie eine primäre Beschichtung. Der Kern und seine Ummantelung können aus Glas oder Plastik bestehen. Wegen der starken Lichtabschwächung können Lichtleiter mit einem Plastikkern allerdings nur eine Länge unterhalb von 10 m haben. Die Lichtabschwächung von Lichtleitern mit Glaskern bedingt im Bereich des sichtbaren Lichts praktisch keine Begrenzung der Lichtleiterlänge. Im Ultraviolettbereich ist die Abschwächung größer als im Bereich des sichtbaren Lichts. Der Lichtleiter weist damit immer den Kern, die Ummantelung und die primäre Beschichtung auf, wohingegen die zweite sowie Puffer-Be­ schichtungen um diese herum nicht notwendig sind, weil diese lediglich das in den Kern eintretende Licht abschwächen.

Fig. 4 zeigt noch ein weiteres Beispiel eines am Ende eines Lichtleiters angeordneten Sammel-Sensors mit einem Arm 19 aus Plas­ tik, z. B. Acetal-Nylon. Eine dünne, die Empfindlichkeit des Sensors in Seitwärtsrichtung erhöhende Teflon-Hülle 20 ist um den als Sammel-Sensor wirkenden Teil des gewendelten Lichtleiters herum vorgesehen. Die Teflon-Hülle 20 kann jedoch auch weggelassen werden. Das Lichtleiterende muß auch nicht un­ bedingt gewendelt sein; es kann auch gerade sein. In beiden Fällen tritt das Licht seitwärts durch die Ummantelung ein. Der Eintritt von Licht in den Lichtleiter von dessen Ende her ist durch eine Lichtblende verhindert. Eine die Lichtleiterwendel um­ gebende Schutzhülle 21 aus klarem Plastik ist am äußeren Ende des Armes befestigt. Die Schutzhülle 21 ist zusätzlich mit einem die Wendel umgebenden transparenten Harz-Füllstoff ausgefüllt. Grundsätzlich läßt sich sagen, daß der Sammel-Sensor mit jeder transparenten Beschichtung versehen sein könnte, welche eine ausreichende Empfindlichkeit garan­ tiert; der Rest des Lichtleiters kann mit jeder beliebigen undurch­ sichtigen Beschichtung versehen sein, wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 erwähnt wurde.

Obwohl die Erfindung vorstehend mit Bezug auf die in den bei­ gefügten Zeichnungen dargestellten Beispiele erläutert wurde, ist diese auf diese Beispiele nicht beschränkt, sondern kann im Rahmen der in den beigefügten Ansprüchen definierten erfinderischen Idee in verschiedenster Weise variiert werden. So kann die elektronische Einheit 4 z. B. auch mittels Schalt­ transistoren aufgebaut werden. Weiter kann die Selektivität des Lichtbogenrelais nicht nur durch die Wellenlängenlängen- Filtration sondern auch durch Verknüpfung der Licht-Detektion mit einem anderen, mit dem Lichtbogen zusammenhängenden Phänomen, wie einer Stromänderung, verbessert werden, wobei anzunehmen ist, daß ein Lichtbogen nur dann vorliegt, wenn eine, eine bestimmte Grenze überschreitende Änderung beider Größen auftritt.

Claims (5)

1. Lichtbogenrelais zur Erkennung des Auftretens eines Lichtbogens an einem oder an mehreren möglichen Lichtbo­ genentstehungsorten (A bis E) in einer Schaltanlage (1) und zur Abschaltung des Lichtbogens durch Auslösung eines Lei­ stungsschalters, über welchen Strom in die Schaltanlage fließt, mit

• - einem Lichtleiter (3) zum Sammeln von Licht und zur Wei­ terleitung des gesammelten Lichtes, wobei sich der Licht­ leiter (3) durch alle der genannten möglichen Lichtbo­ genentstehungsorte (A bis E) erstreckt und dort der von einem möglichen Lichtbogen ausgehenden Strahlung ausge­ setzt ist,
• - einem an das Ende des Lichtleiters (3) angeschlossenen Photosensor (7), und
• - einer mit dem Photosensor (7) verbundenen elektronischen Einheit (4) zur Steuerung des Leistungsschalters in Ab­ hängigkeit eines detektierten Lichtbogens,

dadurch gekennzeichnet, daß zur Licht­ sammlung an jedem der genannten möglichen Lichtbogenentste­ hungsorte (A bis E) der Lichtleiter (3) einen Längenab­ schnitt aufweist, der über seinen gesamten Umfang nur aus dem Kern des Lichtleiters (3) und einer diesen umgebenden transparenten Ummantelung besteht.

2. Lichtbogenrelais nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein zur Lichtsammlung dienender Lichtleiterabschnitt (3b, 3c, 3d, 3f) ein oder mehrere Male gewendelt ist.

3. Lichtbogenrelais nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Lichtsammlung die­ nende Lichtleiterabschnitt (3f) austauschbar ist.

4. Lichtbogenrelais nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Lichtsammlung dienenden Lichtleiterabschnitte (3f) zwischen den Lichtleiterenden angeordnet sind und daß das dem Photo­ sensor (7) abgewandte Ende des Lichtleiters (3) mit einer Test-Impulse aussehenden Lichtquelle (14) versehen ist.