DE69610420T2

DE69610420T2 - Verfahren und vorrichtung zur lichtbogendetektion in wechselstromsystemen mittels hochfrequenz-rauschüberwachung

Info

Publication number: DE69610420T2
Application number: DE69610420T
Authority: DE
Inventors: K. Blades
Original assignee: Siemens Energy and Automation Inc
Current assignee: Siemens Industry Inc
Priority date: 1995-05-02
Filing date: 1996-04-18
Publication date: 2001-03-01
Anticipated expiration: 2016-04-19
Also published as: KR100378629B1; KR19990008260A; CA2220053A1; AU5556196A; US5729145A; ES2151162T3; EP0824776B1; CA2220053C; DE69610420D1; WO1996035250A1; EP0824776A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen kostengünstigen Detektor für elektrische Bogenentladungen in Spannungsversorgungen, um eine Vorabwarnung vor möglicherweise gefährlichen Betriebszuständen bereitzustellen.

2. Diskussion des Standes der Technik

Elektrische Bogenentladungen können Temperaturen entwickeln, die stark über dem Zündniveau der meisten üblichen brennbaren Materialien sind, und stellen deshalb eine große Brandgefahr dar. Beispielsweise können abgenutzte Stromkabel im Hausbereich durch Bogenentladung ein Feuer verursachen. Glücklicherweise ist Niederspannungsbogenentladung prinzipbedingt eine unstabile Erscheinung und tritt normalerweise nicht lange genug auf, um ein Feuer zu entzünden. Unter bestimmten Bedingungen, die insbesondere von den Umständen der erzeugten elektrischen Störung abhängen, ist die Wahrscheinlichkeit, daß ein Bogen länger anhält und ein Feuer verursacht, sehr viel größer. Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren oder eine Vorrichtung bereitzustellen, um solche, möglicherweise gefährliche Bogenentladungen durch Überwachung der elektrischen Störungen an den Versorgungsleitungen zu detektieren.
Die zwei Arten von gefährlichen Bogenentladungen, die im Hausbereich auftreten können, sind kurzzeitige hochenergetische Bogen, die bei Hochstromfehlern auftreten, und anhaltende Schwachstrom-"Kontakt"- Bogenentladungen. Ein Hochstromfehler, der von einem unabsichtlichen Direktschluß zwischen Leitung und Erde oder Leitung und Rückleiter verursacht ist, wird im allgemeinen: 1) einen Strom bis oder über der zugelassenen Last der Schaltung ziehen; 2) explosionsartige Bögen bilden, wenn der Kontakt physikalisch hergestellt und durchbrochen wird; 3) Beleuchtung und andere Lasten verringern, was anzeigt, daß eine übergroße Last gezogen wird, und 4) bei korrekter Absicherung der Schaltung mit einer Sicherung diese ansprechen lassen, wodurch der Strom für den Bogen unterbrochen wird. Da solche "Leitungsfehler" kurzlebig sind, ist der Temperaturanstieg in den Zuführungsleitern begrenzt, und die Brandgefahr ergibt sich hauptsächlich vom explosivartigen Austrag kleiner glühender Kupferteilchen aus dem Kontaktbereich, die nahegelegene entzündliche Materialien entflammen können. Aber auch wenn ein Feuer beginnt, begrenzt die gute Einsehbarkeit des Fehlers und die Wahrscheinlichkeit, daß sich jemand in der Nähe befindet (der den physikalischen Aufwand erbringt, die Leiter zusammenzubringen), die Möglichkeit für ein unkontrolliertes Feuer.
Eine Kontaktbogenentladung ist dagegen eine Bogenentladung, die in Reihenschaltung mit einer Last auftritt. Dadurch ist der Maximalstrom im Bogen durch den Laststrom begrenzt und kann deshalb merklich unterhalb des Ansprechstroms einer zugeordneten Sicherung liegen. Kontaktbogenbildung ist ein komplexes physikalisches Phänomen, das durch lose Verbindungen, oxidierte Kontakte, nichtleitendes Fremdmaterial, das den Strompfad stört, unterschiedliche Kontaktmaterialien oder Kontaktprofile oder andere Faktoren verursacht werden kann. Unter gewissen Bedingungen kann eine solche Bogenentladung dauerhaft sein und stellt eine beträchtliche Brandgefahr dar.
Ein Beispiel für einen Umstand, der eine Kontaktbogenentladung verursachen kann, ist die weitverbreitete Steckdose, bei der der von den Kontakten erzeugte Federdruck alters- und gebrauchsbedingt gemindert ist, so daß auf einen eingesteckten Steckerkontakt ein Druck ausgeübt wird, der unzureichen ist, um eine Verbindung mit geringem Widerstand sicherzustellen.
Kontaktbogenentladung wird häufig auch durch Verlängerungskabel mit unzureichender Stromführungskapazität verursacht. Beispielsweise kann der Stecker durch Widerstandsheizung aufgeheizt werden, wodurch das elastomere Isoliermaterial um die Kontakte langsam zersetzt wird, bis es teilweise in den Kontaktbereich fließt, wodurch die Herstellung eines korrekten Kontaktes verhindert ist. Dieser Prozeß schaukelt sich auf, da der Anfangsbogen mehr Wärme erzeugt, wodurch die Isolierung karbonisiert wird, und eine dünne Isolierschicht an der Kontaktfläche erzeugt wird.
Ein dritter Grund für Kontaktbogenladung tritt oft auf, wenn bei Aluminiumverdrahtung eine Kontaktoxidation auftritt. In diesem Fall erzeugt ein chemischer Ablauf (grundsätzlich eine Oxidation) eine Halbleiter- oder Nichtleiterschicht auf der Kontaktfläche. Ist das Kontaktmaterial oxidierbar, deshalb wird die Verbindung vorzugsweise gasdicht abgedichtet, um den Eintritt von Sauerstoff, der die Oxidation fördert, zu verhindern. Wird jedoch die Verbindung mit der Zeit locker, beginnt die Oxidation, was zu Bogenentladung führen kann.
Kontaktbogenentladung ist auch dann möglich, wenn die Federn, die einen Schalter in die Aus- oder Einschaltstellung schnappen, ausgeleiert sind, wodurch die Zeit zum Schließen anwächst und die Kraft, die die Kontakte aufeinanderhält, abnimmt.
Ein fünftes Beispiel für Kontaktbogenentladung findet sich oft bei Rückständen am Mittelkontakt herkömmlicher Glühbirnen. Aufgrund des einfachen Aufbaues und der Temperaturbelastung sowie des wiederholten Einsatzes wird der Mittelkontakt oft locker und oxidiert, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Bogenentladung wächst. Tritt eine Bogenentladung auf, schmilzt der üblicherweise aus einem niedrig schmelzenden Lot hergestellte Lampenkontakt und erstarrt, was entweder zu einer Unterbrechung des Kontaktes oder zum Entstehen eines neuen führt. Bei sehr alten Lampensockeln hat man deshalb oft eine Bogenentladung am Mittelkontakt oder um das Aluminiumgewinde herum, wodurch die Lampe in die assung eingelötet wird und deshalb sehr schwer zu entfernen ist.
Schließlich werden Fehler mit hohem Widerstand in einer Versorgungsleitung in diesem Zusammenhang auch als Kontaktbogenentladung angesehen. Versehentliche "Kurzschlüsse", die genug Widerstand aufweisen, so daß ein Ansprechen der Sicherung verhindert ist, können dennoch eine Bogenentladung an den Kontaktpunkten erzeugen, und werden auch als Kontaktbogenentladungen angesehen. Durchgescheuerte Leiter, die in leichten oder vorübergehenden Kontakt geraten, oder Klammern, die versehentlich eine Drahtisolierung durchstoßen, können durch Verunreinigung und Oxidschichten Widerstandskurzschlüsse verursachen, insbesondere im Falle von Feuchtigkeit.
Die meisten Fälle der Kontaktbogenentladung rühren von der langsamen Abnutzung der lastführenden Kontakte her. Gefährliche Bogenentladungen können als kleine und gelegentliche Bögen beginnen, die über die Zeit langsam anwachsen, bis die Bogenentladung groß genug wird, um einen Brand zu verursachen. Anders als bei sichtbarer Bogenentladung, die von Fehlern in der Versorgungsleitung verursacht wird, wie "harten" oder "verursachten" Kurzschlüssen, ist allmähliche Kontaktbogenbildung oft nicht sichtbar, wodurch sich nur geringe oder gar keine Warnung vor der drohenden Gefahr ergibt. Aus diesem Grund wäre es sehr vorteilhaft, wenn Kontaktbogenzustände früh detektiert werden könnten und wenn eine Warnung gegeben würde, bevor die Gefahr durch den Fehler ein gefährdendes Maß annimmt.
Es ist deshalb von Bedeutung, daß es grundsätzliche Unterschiede zwischen "Kontaktkurzschlüssen" und "Kontaktbogenentladung" gibt. Erstere bringen generell starke Ströme (< 50 A) mit sich und führen zu einer Explosion an der Fehlerkontaktstelle, so daß die Fehlerstelle entweder selbst durchbrennt oder eine Sicherung zum Ansprechen bringt. Normale Schaltungsschutzvorrichtungen sind üblicherweise ausreichend, um gegen Versorgungsleitungsfehler-Bogenentladungen zu schützen. Im Vergleich dazu ist der mittlere Strom, der bei Kontaktbogenentladung fließt, nicht größer als der Strom, der von der Last selbst gezogen wird. Trotzdem kann eine Kontaktbogenentladung mit niedrigem Strom beispielsweise bei einer 60 Watt Glühbirne am Ende einer fehlerhaften Verlängerungsleitung oder bei einer Weihnachtslichterkette mit fehlerhaften Kontakten ausreichend Wärme erzeugen, so daß ein Brand entsteht. Deshalb sind übliche Sicherungen nicht ausreichend, um gefährliche Zustände aufgrund von Kontaktbogenentladung zu verhindern.
Es besteht deshalb ein Bedürfnis für eine kostengünstige Überwachungsvorrichtung, die in der Lage ist, eine Bogenentladung zu detektieren, die zu einem Brand führen und einen Alarm erzeugen kann, der die Bewohner vor der Gefahr warnt. Eine nützliche Vorrichtung für den Hauseinsatz wäre eine Überwachungsanlage für das gesamte Haus, die in der Lage ist, ein gesamtes Haus zu überwachen und eine Warnung zu erzeugen, wenn eine möglicherweise gefährliche Bogenentla dung auftritt. Um eine nachträgliche Installation zu erleichtern, wird eine solche Vorrichtung nur die Spannung überwachen, die Überwachung des Stroms würde einen Stromsensor um einen Leiter herum angeordnet erfordern, weshalb es nötig wäre, die Vorrichtung vor Ort zu verdrahten. Idealierweise wäre ein solcher Bogenentladungsdetektor für eine elektrische Bogenentladung das Gegenstück zu dem heutzutage weit verbreiteten Rauchdetektor, wobei weitere Vorteile durch Warnung vor einem möglichen Feuer bereits Tage, Wochen oder Monate vor dessen Ausbrechen bestehen.
Da kurze Bogenentladung jedesmal vorkommen, wenn ein Schalter ein- oder ausgeschaltet wird und da die Zeitdauer einer solchen Bogenentladung anwächst, wenn Schalter und Kontakte altern und abnützen, wäre es vorteilhaft, für eine solche Überwachungsanlage für ein gesamtes Haus, all solche Bogenentladung zu überwachen und die relative "Gesundheit" des gesamten elektrischen Systems auf einer Skala, beispielsweise durch eine grüne, eine gelbe und eine rote "Ampel"-Anzeige anzuzeigen. Das grüne Licht würde dafür stehen, daß die Zeitdauer der detektierten Bogenentladungen innerhalb vorbestimmter Sicherheitsgrenzen ist. Die gelbe Lampe würde anzeigen, daß die Bogenentladung eine Sicherheitsgrenze überschreitet, aber noch in einem Zwischenstadium ist, so daß keine unmittelbare Gefahr besteht. Die rote Lampe würde möglicherweise zusammen mit einem Akustikalarm als Anzeige dafür dienen, daß eine dauerhafte Bogenentladung auftritt, und eine unmittelbare Brandgefahr besteht. In diesem Fall würde der Hausbesitzer alarmiert, so daß ein Elektriker die Verkabelung überprüfen könnte, um die Ursache der Bogenentladung zu bestimmen.
Weiter gibt es Bedarf für eine Sicherung, die zusätzlich zur Detektion der Bogenentladung, die zu einem Feuer führen kann, Leistung von der Last nimmt, wenn eine gefährliche Bogenentladung vorliegt. Eine solche Vorrichtung könnte bequemerweise auf ähnliche Art in einem Gehäuse versehen werden, wie eine bekannte Sicherung, oder könnte in einem ähnlichen Anschluß installiert werden wie die gegenwärtig erhältlichen Fehlerstromschutzschalter. Da der Laststrom durch die Sicherung strömt, ist es in dieser Anwendung sinnvoll, den Laststrom zu überwachen.
Der Bogenentladungsdetektor muß in jeder Ausführungsform unempfindlich gegenüber Rauschen sein, das üblicherweise bei Haushaltsversorgungsleitungen vorliegt, z. B. durch Lampendimmer, Bürsten von Motoren, strommodulierte Kommunikationssysteme, Schalttransienten, Radiosendersignale o. ä..
Obwohl mehrere Vorrichtungen zur Detektion von Bogenentladung vorgeschlagen wurden, widmen sich diese meistens Bogenentladungen, die durch Fehler in der Versorgungsleitung verursacht werden. U. S. Patent Nr. 5 121 282 (White) beschreibt beispielsweise ein System, das sowohl die Versorgungsspannung als auch den Strom auf Merkmale überwacht, die typisch für Bogenentladung sind, und schaltet eine Sicherung, wenn genügend Merkmale vorliegen. Bei der Vorrichtung von White wird jedoch davon ausgegangen, daß die Ursache ein Versorgungsleitungsfehlers ist. Ein Merkmal eines Versorgungsleitungsfehlers ist, daß der Fehlerstrom der Spannung um 70 bis 90º nachläuft. Dies liegt daran, daß bei einem Leitungsfehler der Stromfluß fast vollständig von der Versorgungsverkabelung abhängt, die im allgemeinen gut leitend ist. Ein Stecker in der Versorgung eines Heizers, bei dem Bogenentladung in der Steckdose vorliegt, d. h. der einen Kontaktfehler darstellt, zeigt dieses Merkmal nicht, weshalb ein solcher Fehler von der Vorrichtung nach White nicht detektiert wird.
U. S. Patent Nr. 4 639 817 (Cooper et al.) zeigt einen Bogenentladungsdetektor für Versorgungsnetze vom "Gitter"- oder "Punkt"-Typ, wie sie in großen gewerblichen oder industriellen Netzen verwendet werden. Die Schaltung nach Cooper unterbricht die Energiezufuhr, wenn hochfrequentes Rauschen (10 kHz- 100 kHz) über einer Schwellamplitude mehr als 0,7 sec lang detektiert wird. Bei einer Anpassung für den Hauseinsatz würde dieser Detektor durch dauerndes Hochfrequenzrauschen, z. B. von einer Elektrobohrmaschine o. ä. ausgelöst.
U. S. Patent Nr. 4 858 054 (Franklin) erkennt, daß Bogenentladungskurzschlüsse von Kontaktkurzschlüssen sich wie oben beschrieben unterscheiden und legt nahe, daß unterschiedliche Detektionstechniken verwendet werden sollten. Die Vorrichtung nach Franklin überwacht jedoch immer noch den Strom und spricht nur an, wenn ein Strom über einem vorbestimmten Pegel detektiert wird. Dieser Strompegel muß höher sein als der Sollstrom der Schaltung, um ein Ansprechen bei Motoreinschaltströmen o. ä. zu vermeiden. Deshalb kann die Vorrichtung nach Franklin nur Bogenentladungen wie bei Kurzschlüssen detektieren und nicht Kontaktbogenentladung in Reihe mit einer strombegrenzenden Last.
U. S. Patent Nr. S 206 596 (Beihoff et al.) stellt fest, daß Bogenentladung statistisches Rauschen im Bereich zwischen 100 kHz und 1 MHz erzeugt und offenbart einen speziellen Übertrager zur gleichzeitigen Messung von elektrischen und magnetischen Feldern, die von der Versorgungsleitung abgestrahlt werden. Beihoff et al. offenbart weiter ein Verfahren, um festzustellen, ob das Rauschen statistisch ist, indem die zweite Ableitung integriert und mit einem Schwellwert verglichen wird. Beihoff stellt weiter fest, daß bogenverursachtes Rauschen in der Energieversorgung breitbandig ist und lehrt die Verwendung eines Comb-Filters, um festzustellen, ob das Hochfrequenzrauschen in der Energieversorgung breitbandig ist. Obwohl die Vorrichtung nach Beihoff Bogenentladungsrauschen detektiert, kann sie nicht zwischen bogenentladungsverursachtem Rauschen und der Auswirkung statistischer Modulation, z. B. durch Radiosendersignale (wie noch erläutert werden wird) oder Rauschen von nicht gefährlicher Bogenentladung (z. B. Bürstenkontakte bei elektrischen Motoren) unterscheiden, und ist deshalb nicht als Bogenentladungsdetektor für den Einsatz im Haushaltsbereich geeignet.
U. S. Patent 5 047 724 (Boksiner et al.) betrifft einen Bogenentladungsdetektor für Telefonanlagen. Boksiner stellt fest, daß die Amplitude von bogenentladungsverursachtem hochfrequentem Rauschen invers proportional zur Frequenz ist, und setzt die Bogenentladungsdetektion auf diese Tatsache auf. Boksiner benötigt dazu eine Fourier-Analyse, um Bogenentladung zu detektieren; dies kann nicht ausreichend kostengünstig verwirklicht werden, um einen Bogenentladungsdetektor für den Hausgebrauch zu schaffen. Darüber hinaus widmet sich Boksiner nur der Bogenentladung in einer Gleichspannungsenergieversorgung wie sie in Telefonanlagen verwendet wird. Boksiner berücksichtigt deshalb nicht die Schwierigkeit, bogenent ladungsverursachtes Rauschen von anderen Rauschquellen in Wechselspannungsenergieversorgungen zu unterscheiden, wie es die vorliegende Erfindung tut. Da Boksiner's Offenbarung nur Gleichspannungssysteme betrifft, stellt er im einzelnen nicht fest, daß bogenentladungsverursachtes Rauschen in einem Wechselspannungssystem Variationsmuster der Amplitude synchron zum Leistungswellenzug zeigt, oder daß diese Muster zu Unterscheidungszwecken detektiert werden können.
U. S. Patent Nr. 5 307 230 (MacKenzie) offenbart eine Sicherung, die vor "Sputter-Bogenentladungsfehlern" schützen soll. Wie in dort in Sp. 1, Z. 29 bis 32 beschrieben, treten solche Fehler zwischen verbindenden Leitern auf. Das heißt, der Detektor nach MacKenzie detektiert "weiche" Kurzschlüsse, die durch vorübergehende Bogenentladung entstehen, und kann keine Bogenentladung detektieren, die in Reihe mit einer Last auftreten. Die Merkmale solcher "Sputter-Bogenentladungsfehler", die von MacKenzie aufgeführt werden, sind unter anderem, daß "der Widerstand der Schaltung groß genug sein kann, um den Spitzenstrom zu begrenzen und daß der Wechselstrom zyklisch einen Nulldurchgang hat, um die Bogenentladung zu löschen, so daß der mittlere Strom klein ist" (Sp. 1, Z. 35 bis 38). Deshalb ist der Detektor nach MacKenzie zur Reaktion auf "niedrige Überlastströme mit dauerhaften Fehlern, wie sputternde oder vorübergehende Bogenentladungsfehler" · (Sp. 5. Z. 8 bis 9, oder Sp. 5, Z. 67 bis Sp. 6, Z. 3) gedacht.
Beim gegenwärtigen Verständnis vergleicht der Detektor nach MacKenzie di/dt, d. h. die Änderungsrate des Stroms, mit einem Schwellwert, um plötzliche Stromänderungen zu detektieren. Plötzliche Änderungen durch Bogenentladung werden von plötzlichen Änderungen durch Umschaltungen o. ä. unterschieden, indem die Anforderung gestellt wird, daß die plötzlichen Änderungen wiederholt auftreten. Ein solcher Detektor würde bei plötzlichen Stromänderungen fehlerhaft ansprechen, wie sie beispielsweise bei Lampendimmern vorliegen. MacKenzie überwacht deshalb den Strom selbst, anstatt des der Energieversorgung aufgeprägten Rauschens, wie es der Bogenentladungsdetektor dieser Anmeldung macht. Im einzelnen legt die Feststellung von MacKenzie, daß "der Wechselstrom zyklisch einen Nulldurchgang hat, um die Bogenentladung zu löschen", nicht nahe, daß die Über wachung des Rauschens auf der Versorgungsleitung hinsichtlich des Vorhandenseins vorbestimmter Variationsmuster der Amplitude zur Detektion von Bogenentladung sinnvoll sei.
Von allgemeinem Interesse sind weiter U. S. Patent Nr. 5 038 246 (Durivage), 4 951 170 (Fromm) und Nr. 4 402 030 (Moser et al.).
Eine gegenwärtig verfügbare Vorrichtung ist ein Fehlerstromschutzschalter oder GFI. Typische GFI-Geräte sind in der Lage, Leckströme zur Erde bis hinunter zu wenigen Milliampere zu detektieren und zugeordnete Sicherungen auszulösen. Ein GFI reduziert wirksam nicht nur die Brandgefahr durch Kurzschlüsse zur Erde, sondern schützt auch Menschen, die sich im elektrischen Stromflußpfad befinden können. Ein GFI-Gerät ist jedoch nicht in der Lage, die hier diskutierte Kontaktbogenentladung zu überwachen.
U. S. Patent Nr. 5 223 795 (Blades) beschreibt ein Verfahren zum Feststellen des Vorhandenseins einer elektrischen Bogenentladung in einer Wechselspannungsversorgungsleitung durch Überwachen des hochfrequenten Rauschens in der Versorgungsleitung, das ein Merkmal für Bogenentladung ist. Das Vorhandenseins hochfrequenten Rauschens auf der Versorgungsleitung durch Bogenentladung wird festgestellt, indem der Versorgungsstromwellenzug überwacht wird, der Stromwellenzug gefiltert und das gefilterte Signal als Funktion der Zeit untersucht wird, um wiederholte Merkmale zu detektieren, die eine Bogenentladung anzeigen. Ist hochfrequentes Rauschen vorhanden und tritt eine Lücke im Rauschen zu jeder Halbperiode des Stromwellenzuges auf, wird entschieden, daß eine Bogenentladung vorhanden ist und ein Alarm ausgelöst.

ZIELE DER ERFINDUNG

Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, sehr zuverlässige Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Überwachung der Versorgungsspannung, des Laststroms oder der von einer Wechselspannungsversorgungsleitung abgestrahlten Energie bereitzustellen, so daß eine Bogenentladung, die möglicherweise einen Brand verursachen könnte, detektiert werden kann, wogegen Rauschen auf der Ver sorgungsleitung von anderen Quellen wie von Elektromotoren, Schalterbetätigungen, Lampendimmern, Radiosignalen oder Kommunikationssysteme unterdrückt wird.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine kostengünstige Überwachungsvorrichtung bereitzustellen, die den Energiewellenzug überwacht, um Muster zu entdecken, die charakteristisch für Bogenentladungen sind, um gefährliche Bogenentladungen verläßlich detektieren zu können und den Benutzer sowohl mit einer optischen als auch mit einer hörbaren Alarmgebung zu warnen.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, sehr zuverlässige, kostengünstig herstellbare Vorrichtungen bereitzustellen, die anpaßbar sind, so daß sie in der Lage sind, möglicherweise gefährliche Bogenentladungen in einem besonderen Schaltkreis zu detektieren und eine Sicherung nach einer solchen Detektion anzusteuern, um den Strom zu der Schaltung zu unterbrechen, oder um ein gesamtes Energieverteilungssystem, z. B. einen gesamten Haushalt, hinsichtlich des Vorliegens gefährlicher Bogenentladung zu überwachen.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, einen Bogenentladungsdetektor zu schaffen, der den Energiewellenzug im Frequenzbetrieb und in der Zeitdarstellung untersucht, um in beiden Darstellungen Merkmale zu detektieren, die eindeutig eine Bogenentladung anzeigen, um so einen verläßlichen Bogenentladungsdetektor zu schaffen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Der Bogenentladungsdetektor der vorliegenden Erfindung überwacht entweder die Versorgungsspannung, den Versorgungsstrom oder die von der Versorgungsleitung abgestrahlte Energie auf das Vorhandenseins hochfrequenten Rauschens, das bestimmte unterscheidungskräftige Merkmale sowohl in der Zeit- als auch in der Frequenzdarstellung zeigt, von denen die Erfinder erkannten, daß sie charakteristisch für eine Bogenentladung sind, und somit beim Vorhandensein einer Bogenentladung eine entsprechende Ausgabe zu erzeugen. Diese Ausgabe kann dazu verwendet werden, um einen Alarm anzuzeigen oder den Strom zur Bogenentladung zu unterbrechen.
Eine elektrische Bogenentladung, die von einer Wechselspannung erzeugt wird, erlöscht jedesmal, wenn die Spannung an der Bogenentladung unter einen Wert fällt, der ausreichend zum Beibehalten der Bogenentladung wäre, und zündet jedesmal wieder, wenn die Spannung an der Bogenentladung die Zündspannung der Bogenentladung überschreitet. Deshalb werden von einer Wechselspannungsquelle gespeiste Bogenentladungen in jedem gesamten Zyklus der Energiequellenfrequenz mindestens zweimal erlöschen. Die Zeitdauer, in der der Bogen nicht leitend ist, wird im folgenden als "Lücke" bezeichnet. Die Erfinder beobachteten, daß bei sehr großen Lücken, (z. B., die sich über 20º bis 90º erstrecken und zweimal in einem 360º Zyklus auftreten) die Bogenentladung nur vorübergehend und sehr unstabil, oftmals sogar selbstlöschend nach einer kurzen Zeitdauer ist. Weiter wurde beobachtet, daß mit abnehmender Lücke (1º bis 20º) die Bogenentladung dauerhafter wird und unter gewissen Umständen selbsterhaltend werden kann. Wurde die Bogenentladung selbsterhaltend, kann sie Minuten oder länger bestehen und beträchtliche Wärme erzeugen.
Während der Zeit, während der die Bogenentladung einen Strom führt, erzeugt sie breitbandiges, hochfrequentes Rauschen in einem Bereich zwischen 10 kHz bis 1 GHz. Während der Zeit, in der die Bogenentladung keinen Strom führt, d. h. während der Lücken, erzeugt sie kein Rauschen. Der Erfinder erkannte, daß das darauf folgende charakteristische Muster des hochfrequenten Rauschens mit synchronen Lücken eindeutig für Bogenentladungen ist und daß deshalb ein Algorithmus zur Analyse des wiederholten Musters der Rauschamplitude zur Detektion der Bogenentladung verwendet werden kann.
Wie erwähnt, ist das von der Bogenentladung erzeugte Rauschen sehr breitbandig und erstreckt sich bis in Frequenzen von 1 GHz. Obwohl die Detektion einer Bogenentladung erfolgreich in im wesentlichen jedem Frequenzband durchgeführt werden kann, gibt es zwei merkbare Vorteile der Überwachung im 1-50 MHz-Bereich.
Zum einen ist synchrones Versorgungsspannungsrauschen aus externen Quellen über 1 MHz minimal; Rauschen in diesem Frequenzbereich würde Radioübertragungen stören, weshalb Hauselektrik und andere Geräte bewußt so konstruiert sind, daß sie solches Rauschen nur minimal erzeugen. Beispielsweise verwenden Geräte, die zur Fernsteuerung von anderen Geräten o. ä. dienen, strommodulierte Signale im Bereich von 100 bis 300 kHz und sind so abgestimmt, daß sie so gut wie kein Rauschen in dem oberen Frequenzbereich der bevorzugten Ausführungsform der hier offenbarten Erfindung erzeugen. Tatsächlich sind vorherrschenden externen Rauschquellen im 1-10 Mhz-Band amplitudenmodulierte und Übertragungsband- Funksignale. Solche Signale werden erfindungsgemäß zuverlässig unterdrückt.
Zum zweiten minimiert die Überwachung eines oberen Frequenzbereiches die belastenden Wirkungen für andere Geräte, die in die Leitung geschaltet sein können und ansonsten das Bogenentladungsrauschsignal abschwächen würden. Die Energieverteilungsleitungen verhalten sich tatsächlich als Übertragungsleitungen für hohe Frequenzen und dienen insoweit als Leitung für Rauschsignale. Andere von der Verteilungsschaltung versorgte Lasten sind induktiv von der Übertragungsleitung über ihre Versorgungsleitungen und interne Versorgungsverdrahtung isoliert, was den Grad der Abschwächung, den sie erzeugen können, begrenzt.
Von Bogenentladung herrührendes Rauschen, das extrahiert wird, zeigt gewisse Merkmale. Zum einen ist hochfrequentes Rauschen sowohl in der Versorgungsspannung als auch im Laststrom vorhanden, wenn die Bogenentladung Strom führt. Zum anderen ist die Amplitude des hochfrequenten Rauschens im wesentlichen Null, wenn die Bogenentladung verlöscht und wiederzündet. Dies tritt jedesmal auf, wenn die Spannung der Bogenentladung einen Nulldurchgang hat, d. h. in jedem Halbzyklus der Versorgungsspannungsfrequenz, wodurch synchrone Lücken im hochfrequenten Rauschen erzeugt werden. Handelt es sich um eine Wirklast, ist die Spannung über der Bogenentladung in Phase mit der Versorgungsspannung, wodurch diese Lücken mit den Nulldurchgängen der Versorgungsspannung zusammenfallen. Handelt es sich um eine Scheinlast, ist die Spannung über dem Bogen (und damit die Lücke) in Phase gegenüber der Versorgungsspannung bis zu + oder - 90º verschoben. Die Lücken können deshalb zu den Nulldurchgängen der Versorgungsspannung erzeugen, müssen dies aber nicht, je nach Reaktanz in Reihe mit dem Bogen geschalteten Last. Wenn die Bogenentladung leitet, wird jedoch in allen Fällen die Lücke im Rauschen in gleichen Zeitintervallen mit der Länge der halben Versorgungsleitungsfrequenzperiode auftreten.
Eine Kontaktbogenentladung wird nur dann gefährlich, wenn sie lang genug besteht, um merkliche Wärme an brennbaren Materialien in unmittelbarer Umgebung der Bogenentladung abzugeben und dadurch einen Brand zu entzünden. Die Zeitdauer, die notwendig ist, damit dies auftritt, ist eine Funktion der im Bogen abgegebenen Energie und des thermischen Widerstandes, der Wärmekapazität und der Nähe des umgebenden brennbaren Materials. Um eine Kontaktbogenentladung, die gefährlich sein könnte, zu detektieren, möchte man deshalb das Erfordernis prüfen, daß die Bogenentladung für eine gewisse Zeitdauer wesentlich vorhanden war, üblicherweise mehrere Millisekunden oder mehr, bevor man schließt, daß eine gefährliche Bogenentladung vorliegt.
Ein weiterer Gesichtspunkt ist es, daß bei einer Last, die halbwellengleichgerichtet ist, der Laststrom nur in einer Polarität der Halbperiode der Versorgungsspannung fließt, und deshalb der Bogen nur in dieser Halbperiode leitend ist. In diesem Fall zeigt sich das charakteristische Muster des hochfrequenten Rauschens mit der folgenden Lücke nur bei jeder zweiten Halbperiode der Versorgungsspannung, d. h. die Lücke umfaßt auch eine gesamte Halbperiode des Energiewellenzuges.
Somit kann eine brauchbare Bogenentladungsdetektionsvorrichtung die Versorgungsspannung, den Versorgungsstrom oder die von einer Versorgungsleitung abgestrahlte Energie überwachen, um zu überprüfen, ob ein breitbandiges, hochfrequentes Rauschen mit synchronen Lücken vorhanden ist. Der Begriff "synchrone Lücken" bedeutet in diesem Zusammenhang, daß die Zeit zwischen den Lücken ein ganzzahliges Vielfaches von T/2 ist, wobei T die Periode der Versorgungsspannung ist. Zeigt eine kontinuierliche Überwachung, daß das Rauschen breitbandig ist und daß die Lücken so erscheinen, daß dies auf das Vorhandensein einer Bogenentladung hinweist, z. B. wenn synchrone Lücken in einem gegebenen Bruchteil der Halbperiode der Energiefrequenz über ein Zeitintervall vorbestimmter Länge detektiert werden, das feststellt, daß eine möglicherweise gefährliche Bogenentladung vorliegt, dann kann eine geeignete Steuerreaktion eingeleitet werden.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet rein analoge Schaltungen (d. h. es ist kein Mikroprozessor erforderlich), um eine Bogenentladung in einer einzigen Schaltung zu detektieren. Eine zweite Ausführungsform verwendet ein Echtzeitprogramm und einen kostengünstigen Mikroprozessor, um eine Bogenentladung irgendwo in einem Haus zu detektieren. In dieser Ausführungsform kann eine zusätzliche Signalverarbeitung verwendet werden, um eine bessere Unterscheidung zwischen hochpegeligem Hintergrundrauschen zu ermöglichen, das bei der Überwachung eines gesamten Hauses normal ist. Andere Verwirklichungen, die die analytischen Techniken der Erfindung ausführen, können beispielsweise verwendet werden, um die Kosten der Einheit zu senken, und liegen im Schutzbereich der Erfindung. Andere rein analoge Schaltungen könnten verwendet werden, um niedrigste Gerätekosten zu erreichen. Alternativ kann eine integrierte Schaltung mit digitaler Signalverarbeitung (DSP) mittels bekannter Kreuzkorrelations- oder Autokorrelationsanalyse verwendet werden, um bei höheren Gerätekosten Bogenentladung in höherwertigen Anforderungen zu detektieren.
Unabhängig von der gewählten Art der Signalverarbeitung sind die Grundverfahrensschritte des erfindungsgemäßen Bogendetektionsverfahrens, zuerst zu bestimmen, ob ein breitbandiges Rauschsignal auf der Energieversorgungsleitung vorhanden ist und dann als zweites zu ermitteln, ob vorbestimmte Variationsmuster in der Amplitude das Rauschen als Charakteristikum für Bogenentladung synchron zum Energiewellenzug auftreten. Das heißt, der Energiewellenzug wird sowohl in der Frequenz- als auch in der Zeitdarstellung auf Merkmale hin untersucht, die eine Bogenentladung anzeigen. Zusätzlich kann ein Detektor überprüfen, ob diese Muster lang genug andauern, um eine gefährliche Bogenentladung anzuzeigen.
Die vorliegende Erfindung ist die dritte Continuation-in-part des "Stammpatentes" Nr. 5 223 095 und offenbart sowie beansprucht weitere Verfahren und Vorrichtungen zur Detektion elektrischer Bogenentladungen durch Überwachen des hochfrequenten Rauschens auf der Versorgungsleitung, das von Bogenentladungen erzeugt wird. Das Stammpatent liefert das grundlegende Verständnis, das dauerhafte Bogenentladungen breitbandiges Rauschen auf der Versorgungsleitung mit Lücken synchron zur angelegten Wechselversorgungsspannung erzeugt, und das durch Überwachung dieser Merkmale Bogenentladung detektiert und von anderen Rauschquellen unterschieden werden kann.
Die erste Continuation-in-part Anmeldung mit der Anmelde-Nr. 08/035 231 (fallengelassen zugunsten der Continuation-in-part Anmeldung Nr. 08/316 080) ist das Ergebnis andauernder Forschungsarbeiten des Erfinders, und diskutiert mehrere Verbesserungen sowohl hinsichtlich der Detektionsgeräte als auch des Musterdetektionsalgorithmus'.
Die zweite Continuation-in-part Anmeldung mit der Anmelde-Nr. 08/100 632 (fallengelassen zugunsten der Continuation-in-part Anmeldung Nr. 08/316 169) widmet sich den Umständen, unter denen man auch stark unterbrechende Bogenentladungen oder einzelne Erscheinungen von Bogenentladungen detektieren möchte, wie beispielsweise in explosionsgeschützten Umgebungen, für die man einen Detektor haben möchte, der die Energieversorgung des Bogens in der kürzestmöglichen Zeit unterbricht. Deshalb offenbart die Anmeldung Nr. 08/100 632 Verbesserungen des Bogenentladungsdetektionsverfahrens und Mittel, die eine Detektion nur teilweise oder fragmentierter Bogenentladungsmuster ermöglicht.
Auf diese vorangehenden Anmeldungen sowie auf das Stammpatent wird hier zitierend Bezug genommen.
Weitere Untersuchungen und Felderprobungen führten zu einem wesentlich besseren Verständnis der Merkmale des Rauschens, das von einer elektrischen Bogenentladung verursacht wird. Die vorliegende Erfindung offenbart deshalb verläßlichere Mittel und Verfahren zur Detektion von Bogenentladung sowie gewisse besonders brauchbare Ausführungsformen des entsprechenden Gerätes.
Im Stammpatent wurde erkannt, daß das von einer Bogenentladung erzeugte Rauschen breitbandig ist, und daß dieses Merkmal verwendet werden kann, um Bogenentladungen von externen Signalen zu unterscheiden, bevor Mustererkennungs techniken verwendet werden, um das Vorhandensein von Lücken synchron mit der Versorgungsfrequenz zu detektieren. Beispielsweise wird darin ein Verfahren beschrieben, bei dem zuerst das Rauschsignal mit einem Schwellwert verglichen wird, so daß ein Binärsignal abhängig von Variationen in der Amplitude hochfrequenten Rauschens um diese Schwelle herum erzeugt wird. Ist die erzeugte Pulsbreite zufallsverteilt, so ist dies auch das Signal, weshalb es breitbandig ist. Im Stammpatent ist weiter der Einsatz mehrerer, nicht überlappender Bandfilter beschrieben sowie die Erkenntnis, daß das Rauschsignal breitbandig ist, wenn die Ausgangsamplitude jedes Bandfilters im wesentlichen gleich ist. Nach einem Aspekt der in der vorliegenden Anmeldung offenbarten Erfindung sind weiter verbesserte Verfahren und Vorrichtungen zum Prüfen der Bandbreite des Rauschsignals durch kontinuierliches Verschieben eines schmalbandigen Detektors über die gesamte Detektionsbandbreite angegeben. Dadurch können externe (nicht von Bogenentladung herrührende) Signale mit schmaler Bandbreite oder Signale mit kurzer Zeitdauer, aber großer Bandbreite (aufgrund der Vielfalt an nachfolgend diskutierten nicht gefährlichen Signalquellen) abgeschwächt werden, wogegen die breitbandigen Signale, die von Bogenentladung herrühren, im wesentlichen unberührt bleiben.
In der einfachsten Form wird ein relativ schmalbandiges, abstimmbares Filter kontinuierlich über die gesamte Detektionsbandbreite verstellt. Dieses Filter kann man erhalten, indem ein abgestimmter Übertrager mit variabler Frequenz über die Detektionsbandbreite verstellt wird, indem einer Abstimmdiode mit spannungsabhängiger Kapazität eine variierende Spannung zugeführt wird, welche Diode einen abstimmbaren Schwingkreis zusammen mit einer Übertragerspule bildet. In einer anderen Ausführungsform ist ein selektiverer Detektor für den Einsatz bei starken Hintergrundsignalen vorgesehen, bei dem bekannte Radioheterodyntechniken zusammen mit einem frequenzverstellbaren lokalen Schwingkreis verwendet werden, um eine wesentlich schmalere Banddetektion zu erreichen.
Der Ausgang einer dieser frequenzdurchlaufenden Detektoren kann einfach integriert werden und mit dem niedrigsten Hintergrundpegel verglichen werden, um festzustellen, ob eine Bogenentladung vorliegt. Ein solches Gerät ist jedoch nicht in der Lage, um verläßlich zwischen Bogenentladung und anderen breitbandigen Rauschquellen, z. B. frequenzverteilten Kommunikationssignalen, zu unterscheiden oder eine Bogenentladung zu detektieren, die keine Brandgefahr darstellt, z. B. die Bogenentladung, die an den Bürsten bei Motorläufern entstehen. Wie in den drei vorherigen Anmeldungen ausführlich offenbart, ist das zweite charakteristische Merkmale der Bogenentladung, d. h. das Vorhandensein von Lücken (oder anderer regelmäßiger Muster von Amplitudenvariationen) synchron zur Versorgungsfrequenz, welches zusätzlich verwendet werden kann, um gefährliche Bogenentladungen von anderen breitbandigen Signalen zu unterscheiden. Deshalb ist die Analyse des Energiewellenzuges sowohl in der Zeit- als auch in der Frequenzdarstellung vorzuziehen, um verläßlich bogenentladungverursachtes Rauschen von Rauschen aus anderen Quellen unterscheiden zu können.
Wie in den vorherigen Anmeldungen beschrieben, kann die Amplitude des detektierten Hochfrequenzsignals mit einem Schwellwert verglichen werden und das erhaltene Binärausgangssignal hinsichtlich des Vorhandenseins von Mustern untersucht werden, die synchrone Lücken zeigen. Dieselben Verfahren können für das frequenzdurchlaufende detektierte Signal verwendet werden, das oben stehend beschrieben wurde, um eine verläßlichere Bogenentladungsdetektion zu erhalten. Während der Entwicklung und der Testungen solcher Systeme erkannten die Erfinder jedoch einige wesentliche Verbesserungen, die in der vorliegenden Anmeldung offenbart sind.
Eine Verbesserung liegt darin, daß das mittlere Hintergrundsrauschen gering ist gegenüber dem Bogenentladungsrauschen, wodurch eine verbesserte Detektionsleistung erreicht werden kann, indem eine nicht lineare, im wesentlichen logarithmische Verstärkerübertragungsantwort verwendet wird. Um diese Antwort zu erreichen, ist eine Schaltung offenbart, bei der eine schnelle automatische Verstärkungssteuerschaltung (AGC) in einem Radiofrequenzverstärker im Signalpfad verwendet wird, und das AGC-Signal als Ausgangssignal dient.
Eine weitere Verbesserung beschreibt ein Verfahren der Zeitdarstellungsanalyse, das sogenannte "Peakintegralverfahren", bei dem eine einfache analoge Schaltung aufgebaut werden, um verläßlich auf das Vorhandensein synchroner Lücken im detektierten Radiofrequenzsignal zu reagieren. Obwohl weniger gut unterscheidend als andere noch zu beschreibende Verfahren ermöglicht dieser Ansatz einen einfachen analogen Bogenentladungsdetektor, der sehr gut zur Überwachung einer einzelnen Versorgungsleitung geeignet ist.
Eine dritte Verbesserung widmet sich Anwendungen, bei denen hochpegelige Hintergrundsignale, z. B. Radiosignale vorhanden sein können. Um die Wirkung schmalbandiger Hintergrundsignale weiter zu mindern, wird zusätzlich ein "Frequenzlöschungs"-Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein frequenzdurchlaufender Detektor so ausgelegt wird, daß er Frequenzen ausläßt, bei denen sich zeigte, daß starke Hintergrundsignale vorliegen, wodurch der Hintergrundpegel gemindert und die Empfindlichkeit des Detektors gesteigert wird.
Eine vierte Ausführungsform wird als "synchrone Mittelung" bezeichnet.
Wie in den vorherigen Anmeldungen genauer erörtert, ist Bogenentladung ein statistischer physikalischer Prozeß, der ein breites Spektrum elektrischen Rauschens erzeugt. Von hochfrequenten statistischen Driftmustern der Ladungen, die durch die Gasatmosphäre zwischen beabstandeten Kontakten driften, bis zu niederfrequenten Perioden beabstandeten Abweichungen, die in der Amplitude des Rauschens beobachtbar sind, und der Breite der Lücken durch kleine physikalische Änderungen der Kontaktflächen zeigt Bogenentladung ein extrem stochastisches Verhalten mit sehr vielen kurzzeitigen Diskontinuitäten und Variationen. Da jedoch immer eine deterministische Treiberfunktion, d. h. der sinusförmige Energiewellenzug vorhanden ist, sind gut beschreibbare zeitliche Modulationsmuster, üblicherweise Lücken, im Rauschen vorhanden, wenn man es über mehrere Versorgungsspannungsperioden betrachtet. Durch die hier beschriebene synchrone Mittelungstechnik wird die Versorgungsspannungsperiode in einer große Zahl gleicher Zeitfenster unterteilt und der Rauschpegel wird in jedem entsprechenden Zeitfenster gemittelt. Statistische Variationen, die der Bogenentladung innewohnen, werden reduziert, wogegen Variationen der Rauschamplitude, die synchron zur Versorgungsperiode sind, beispielsweise Lücken in bogenentladungsverursachtem Rauschen, die synchron zu Nulldurchgängen des Leistungswellenzuges sind, werden verstärkt. Durch geeignete ausgewählte Mittelungskonstanten erhält man einen "sauberen" Wellenzug, der über mehrere Perioden schrittweise zu einem Profil anwächst, das ein eindeutiges Merkmal für Bogenentladung ist. Kurzzeitige Variationen des Rauschmusters aufgrund des unvermeidlich statistischen Charakters der Bogenentladung sind minimiert, wogegen Merkmale, die synchron zum Leistungswellenzug sind, üblicherweise die Lücken, leicht erkennbar werden. Diese letzte Verbesserung, die vom Erfinder als "synchrone Mittelung" bezeichnet wird, kann zusammen mit der Zeit- und Frequenzdarstellungsanalyse, wie sie in den vorherigen Anmeldungen offenbart wurde, kombiniert werden, wodurch ein Detektionssystem erhalten wird, das nur auf Bogenentladung reagiert.
Schließlich wird eine Schaltung sowie ein Verfahren zur Realisierung einer Selbsttestfähigkeiten der verschiedenen Bogenentladungsdetektoren beschrieben.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Erfindung ist bei Betrachtung der beiliegenden Zeichnung besser verständlich, in der zeigen:
Fig. 1 ein Ersatzschaltbild einer Kontaktbogenentladung,
Fig. 2(a) bis 2(e) zeigen charakteristische Wellenzüge für eine resistive Last, bei der an einem Kontakt eine Bogenentladung als Funktion der Zeit auftritt,
Fig. 3(a) bis 3(e) zeigen charakteristische Wellenzüge für eine induktive Last, bei der an einem Kontakt eine Bogenentladung als Funktion der Zeit auftritt,
Fig. 4 zeigt Hintergrundsignale, die üblicherweise in Haushaltsversorgungsleitungen vorliegen,
Fig. 5(a) und 5(b) zeigen subideale Bogenentladungsrauschmuster bzw. ein binäres Signal als Ergebnis dieses Musters, beide Signale als Zeitreihen,
Fig. 6 zeigt eine dreidimensionale spektrale Darstellung von typischen bogenentladungverursachtem Rauschen mit überlagerten Spitzen und amplitudenmoduliertem Radiohintergrundrauschen,
Fig. 7(a) bis 7(f) zeigen die von einem Durchlauffrequenzdetektor erzeugten Signale als Funktion eines spekulären, pulsförmigen bzw. Bogenentladungsrauschens, alle als Zeitreihen zusammen mit Beispielen für diese drei Rauscharten,
Fig. 8 zeigt eine spektrale Darstellung eines typischen, detektierten Bogenentladungsrauschmusters,
Fig. 9 zeigt ein Blockschaltbild eines "heterodynen" Frontends,
Fig. 10 zeigt ein Blockschaltbild eines "Durchlauffilter"-Frontends,
Fig. 11 (a) bis 11 (h) zeigen verschiedene Übertragerausführungen, die zur Verwirklichung der Erfindung nützlich sind,
Fig. 12(a) bis 12(c) zeigen Wellenzüge, die von verschiedenen Ausführungsformen erfindungsgemäßer Bogenentladungsdetektoren erzeugt werden,
Fig. 13 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bogenentladungsdetektors, der das "Schwellwertverfahren" der Bogenentladung verwendet,
Fig. 14 zeigt ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bogenentladungsdetektors, der das "Spitzenintegral"-Verfahren zur Bogenentladung verwendet,
Fig. 15(a) bis 15(c) zeigen Wellenzüge für das "Spitzenintegral" der Bogenentladungsdetektion,
Fig. 16 zeigt ein Blockdiagramm einer Schaltung zur Ausführung der vorliegenden Erfindung in einer besonders bevorzugten Ausführungsform,
Fig. 17(a) und 17(b) sind Seiten- und Vorderansichten einer physikalischen Verwirklichung einer Bogenentladungsüberwachungseinheit, die in Verbindung mit Fig. 16 beschrieben wird,
Fig. 18 zeigt ein Blockdiagramm einer Schaltung, die die vorliegende Erfindung in einer weiter bevorzugten Ausführungsform verwirklicht,
Fig. 19(a) und 19(b) sind Seiten- und Vorderansichten einer physikalischen Verwirklichung einer Bogenentladungsüberwachungseinheit, die in Verbindung mit Fig. 18 beschrieben wird, und
Fig. 20 zeigt ein Blockschaltbild eines Bogenentladungsrauschsimulators zur Verwirklichung einer Selbsttestfunktion.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 zeigt eine vereinfachte Ersatzschaltung für eine Kontaktbogenentladung. Die mit 1 bezeichnete Versorgungsspannung ist an einen "hochspannungs"- seitigen Leiter 2 und einen Neutralleiter 3 angeschlossen. Alle Versorgungs- und Bogenspannungen, die im folgenden erwähnt werden, sind üblicherweise bezogen auf diesen Neutralleiter 3 gemessen. Eine übliche Hausverkabelung, d. h. ein flaches Dreileiterkabel mit dem Mittelleiter als Erde fungiert als Übertragungsleitung mit einer charakteristischen Impedanz von ungefähr 100 Ω. Eine Induktanz 4, die als Lline bezeichnet ist, und ein Kondensator 5, der als Cline bezeichnet ist, sind die zusammengenommene Induktivität und Kapazität der Versorgungsleitungen. Die Last 6 liegt in Reihe mit einer Bogenentladungslücke 7, über die der Laststrom fließt, wenn der Bogen gezündet ist. Leitet der Bogen einen Strom, wirkt die Bogenentladungslücke 7 als Widerstand, der mit Rarc in Fig. 1 bezeichnet ist. Die Impedanz der Last 6, die als Xload bezeichnet ist, kann resistiv, kapazitiv oder induktiv sein, je nach Art der Last. Glühlampen und Heizelemente sind üblicherweise resisitiv. Synchronmotoren und Entladungslampen sind üblicherweise induktiv. Einige kapazitive Startmotoren sind kapazitiv, bevor sie die volle Drehzahl erreicht haben.
Fig. 2(a) bis 2(e) zeigen Wellenzüge ("Spuren"), die an einer Versorgungsleitung auftreten, die eine resistive Last durch einen dauerhaften Kontaktentladungsbogen als Funktion der Zeit versorgen. Die Spur 8 (Fig. 2(a)) zeigt die Versorgungsspannung, die das Vorhandensein hochfrequenten Rauschens 9 im gesamten Zyklus zeigt, außer während der "Lücken" 10 und 11, d. h., wenn der Bogen nicht leitet. Lücken 10 und 11 sind üblicherweise von ähnlicher Zeitdauer während beider Halbperioden des Wellenzuges, wie es auch dargestellt ist. Die Amplitude des Rauschens ist zum Zwecke der Darstellung vergrößert. Die Lückendauer ist als tb bezeichnet.
Die Spur 12 (Fig. 2(b)) zeigt den Strom durch die Last. Das vom leitenden Bogen erzeugte hochfrequente Rauschen ist auch im Stromwellenzug vorhanden, ebenfalls aus Gründen der Klarheit vergrößert. Da die Last resistiv ist, ist der Strom 12 in Phase mit der Spannung 8 (Fig. 2(a)) und geht auf Null während des Intervalls tb zurück, wenn der Bogen nicht leitet. Das hochfrequente Rauschen ist dagegen in der gesamten Periode vorhanden, außer während der Lücken 12 und 13.
Die Spur 15 (Fig. 2(c)) zeigt den Spannungsabfall am Bogen. Die Spur 16 zeigt die Versorgungsspannung, d. h. die Spannung, die am Bogen anläge, wenn dieser nicht gezündet wäre, und ist zur Veranschaulichung des Zeitablaufes des Zündens und des Löschens des Bogens mit Bezug auf die Versorgungsspannung eingezeichnet. Beginnend am Punkt 17 ist die Spannung 16 am Bogen Null, so daß dieser nicht leitet und deshalb kein Rauschen erzeugt. Wächst die Spannung 16 an, erreicht sie einen Punkt 17, an der der Bogen zündet und beginnt, einen Strom zu führen. Die Spannung über dem Bogen 15 geht nicht auf Null zurück, wenn dieser leitet, da der nun leitende Bogen eine Impedanz, üblicherweise in der Größenordnung mehrerer oder einiger zehn Ohm aufweist, weshalb eine Spannung am Bogen abfällt.
Darüber hinaus hält der Bogen üblicherweise eine relativ konstante Spannung aufrecht, unabhängig vom durch ihn fließenden Strom. Dies ist bei 19 während der gesamten positiven Halbperiode und bei 21 während der gesamten negativen Halbperiode gezeigt. Der Bogen erzeugt während der Zeit, während der er leitet, dauerhaft ein hochfrequentes Rauschen. Am Punkt 20 sinkt die Spannung am Bogen unter den Erlöschungspegel des Bogens und der Bogen erlöscht. Dieser Vorgang wiederholt sich in der negativen Halbperiode 21 und danach immer wieder, solange wie der Bogen vorhanden ist.
Die Spur 22 (Fig. 2(d)) zeigt das hochfrequente Rauschen, das entweder aus der Versorgungsspannung 8 (Fig. 2(a)) oder dem Laststrom 12 (Fig. 2(b)) extrahiert wurde. In diesem Fall ist das Rauschen allgemein im höherfrequenten Anteil des emittierten Spektrums, z. B. zwischen 1 und 10 MHz dargestellt. Ein einfaches Hochpaßfilter dient dazu, um die Versorgungsspannungsfrequenzkomponenten auszufiltern. Wie zu sehen ist, ist hochfrequentes Rauschen während der gesamten Pe riode vorhanden, außer während der Intervalle 23 und 24, in denen der Bogen nicht leitet. Während dieser Intervalle bzw. Lücken ist das hochfequente Rauschen im wesentlichen abgeschwächt, d. h. auf den Pegel eines etwaigen Hintergrundrauschens reduziert, welches normalerweise eine sehr viel geringere Amplitude hat als das bogenentladungsverursachte Rauschen, wie in den Figuren zu sehen ist.
Natürlich ist die Amplitude des hochfrequenten Rauschens um einiges größer direkt vor und nach den Lücken, d. h. an den Punkten 25 bzw. 26, so daß die Einhüllung des Rauschens im allgemeinen ein konkaves Profil zeigt. Dies beruht wahrscheinlich auf der Modulation der Lückenimpedanz durch die sinusförmige Versorgungsspannung. Zusätzlich kann bei einem induktiven Verteilungssystem der starke Wechsel im Laststrom bei Zünden und Erlöschen des Bogens ein zusätzlich hochfrequentes Übersprechen erzeugen, das die Amplitude des Bogenentladungsrauschens in der Mitte der Periode überschreitet.
Die Spur 27 (Fig. 2(e)) zeigt ein positives Logiksignal 27, abhängig vom Vorhandensein hochfrequenten Rauschens, d. h. das Signal 27 ist auf einem hohen Pegel, wenn hochfrequentes Rauschen vorhanden ist, und auf einem niedrigen Pegel, wenn es nicht vorhanden ist, wie an den Punkten 28 und 29 zu sehen.
Die Fig. 3(a) bis 3(e) zeigen die gleichen Messungen wie die Fig. 2(a) bis 2(e) für eine rein induktive Last, die durch einen dauerhaften Kontaktbogen versorgt wird. Fig. 3(a) zeigt die Versorgungsspannung 30, Fig. 3(b) den Laststrom 33, Fig. 3(c) die Bogenspannung 34, Fig. 3(d) das hochfrequente Rauschen 36 und Fig. 3(e) das Logiksignal 39 aus der Detektion des hochfrequenten Rauschens. Wie zu sehen ist, sind die Unterschiede zwischen diesen Spuren für eine induktive Last und den Spuren, die in den Fig. 2(a) und 2(e) für eine resistive Last gezeigt wurden, darin, daß die Lücken des hochfrequenten Rauschens 31 und 32 um ungefähr 90º nach dem Spannungswellenzug auftreten. Dies liegt daran, daß die Spannung am Bogen 34 (Fig. 3(c)) durch die Induktivität der Last verzögert ist. Wie zu sehen ist, erhöht die Induktivität der Last das Rauschen, das dann erzeugt wird, wenn der Bogen am Punkt 34 erlöscht und am Punkt 38 wieder gezündet wird. Die Position der Lücken bei einem Kontaktbogen in Reihe mit einer reaktiven Last ist somit gegenüber den Nulldurchgängen der Versorgungsspannung verschoben, aber ansonsten im wesentlichen gleich dem bogenentladungsverursachten Rauschen bei einer Schaltung mit einer resistiven Last. Wäre die Last rein kapazitiv, würden ähnliche charakteristische Spuren erhalten, bei denen die Lücken den Nulldurchgängen um 90º voreilten. In der Realität wird die Last sich irgendwo zwischen diesen Extramata bewegen, wodurch Lücken im Bereich zwischen ±90º gegenüber dem Nulldurchgang erzeugt werden.
Sowohl bei Fig. 2 wie auch bei Fig. 3 hängt die Spannung, bei der der Bogen zündet, von der Größe der Lücke, dem physikalischen Zustand der Elektrodenoberfläche, der Temperatur und den Umgebungsbedingungen der Lücke ab. Nimmt man an, daß der sinusförmige Wellenzug alle 360º eine volle Periode abschließt, kann die Spannung V zu jedem Zeitpunkt in Grad ausgedrückt werden, z. B. V = Vpeak Sin θ, wobei Vpeak die Spitzenspannung ist und θ der Phasenwinkel, bezogen auf den Nulldurchgang. Bogen, die bei einem Winkel zwischen 60º und 90º zünden (bei 145 bis 167 V tatsächlicher Spannung an einer 118 V (RMS) Leitung) sind im allgemeinen stark intermittierend und instabil, da die Lücke groß ist. Bogen, die zwischen 20º und 60º (57 bis 145 V) zünden, sind immer noch intermittierend und treten im allgemeinen in kurzen Lawinen auf und erlöschen schnell wieder. Bogen im Bereich von 1º bis 20º (3 bis 57 V) können unter gewissen Umständen dauerhaft bleiben und selbsterhaltend werden. Bogen in diesem Bereich emittieren ein hörbares Zischen und können sehr hohe Temperaturen im umgebenden Material verursachen. Deshalb sind Bogen im 1º bis 20º Bereich besonders gefährlich.
Die hochfrequenten Rauschmuster der Fig. 2 und 3 sind fast vollständig "ideal", da sie ein sehr niedriges Hintergrundrauschen und keine Ausfälle zeigen. Ein solches ideales Muster ist nicht unmöglich, jedoch untypisch. Im einzelnen gibt es in normalen Haushalten üblicherweise einen gewissen Hintergrundrauschpegel, der hauptsächlich aus Impulsrauschen, z. B. von Lampendimmern und Netzschaltteilen sowie von der Hausverkabelung aufgenommenen Radiosignalen besteht. Fig. 4 zeigt ein typisches Hintergrundsignal, das in einem üblichen Haus bei Überwachung im Bereich zwischen 1 MHz bis 30 MHz zu finden ist. Das modulierte Radiofre quenzsignal 40 rührt von der Aufnahme einer oder mehrerer örtlicher Rundfunkstationen oder nahegelegener Kommunikationseinrichtungen her. Es kann sich dabei um die Summe mehrerer Signale aus eigenständigen Quellen handeln, die jeweils diskrete schmalbandige Kommunikationskanäle sind, die asynchron zur Versorgungsfrequenz sind. Die zweite dargestellte Art an Hintergrund sind synchrone Impulse (41, 42, 43) von Lampendimmern oder anderen Impulsquellen in der Verkabelung. Die Hochfrequenzkomponenten dieses Signals sind sehr kurzlebig mit einer Zeitdauer von nur wenigen Mikrosekunden und treten üblicherweise jede Halbperiode auf.
Eine dritte (nicht dargestellte) Rauschart sind Kommunikationssignale von strommodulierten Sendeeinrichtungen. Es sind verschiedene Geräte erhältlich, die eine Fernsteuerung für Einrichtung mittels stromgetragenen Übertragungstechniken, um Information über die Energieversorgungsleitungen zu übertragen, vornehmen. Diese sind üblicherweise in Übertragungslawinen im 100 bis 300 kHz Bereich abgestimmt. Die Signalamplitude aus diesen Quellen im 1 bis 30 MHz Frequenzbereich ist sehr gering, da ein Rauschen in diesem Band den Empfang von amplitudenmodulierten Radiosignalen stören würde und deshalb absichtlich von den Herstellern solcher Geräte minimiert wurde.
Die Amplitude des Hintergrundrauschens, das vom Radioempfang herrührt, hängt stark sowohl von der Länge der Verkabelung und etwas weniger von der vorhandenen Last ab. Üblicherweise ist auch die Amplitude eines stärksten Radiosenders in der Verkabelung in der Größenordnung von 1/10 der Amplitude des Bogenentladungsrauschens, das von einem in Reihe mit einer 150 W Glühbirne geschalteten Bogens erzeugt wird.
In Fig. 5(a)) ist ein typischeres, nicht ideales Muster mit Bogenentladungsrauschen und Hintergrundrauschen gezeigt, das über etwas mehr als eine volle Versorgungsspannungsperiode verläuft. Wie bei 44 und 46 gezeigt und bereits zuvor erörtert, hat das Rauschen kurz bevor und nach den Lücken 47 eine höhere Amplitude als zwischen den Lücken bei 45 und 50. Ein hoher Hintergrundpegel erscheint in den Lücken 47, wenn der Bogen nicht leitet. In der zweiten Lücke tritt zufällig eine einzelne Impulsspitze 48 auf. Die zweite Halbperiode zeigt Ausfälle (50, 51, 52), die durch Zufallsvariationen in der physikalischen Lücke verursacht sind, wogegen die erste Halbperiode gleichförmig und ununterbrochen ist. Die Zeitlage und Breite dieser Ausfälle sind zufällig und resultieren wahrscheinlich von mikroskopischen "Ausbrüchen". Je nach Intensität der Bogenentladung können in einem beliebigen Zyklus eine beliebige Anzahl von Ausfällen vorliegen, zusätzlich zu den synchronen Lücken 47, die notwendigerweise vorhanden sind.
Ein mit 49 bezeichneter Schwellwert kann auf einen geeigneten Pegel, bezogen auf die Amplitude des Wellenzuges, eingestellt werden. Durch Vergleich des detektierten Hochfrequenzrauschens mit dieser Schwelle wird ein Binärsignal erzeugt (Fig. 5(b)), das das Vorhandensein des hochfrequenten Rauschens oder im anderen Fall das Vorhandensein einer Lücke anzeigt. Die synchronen Lücken, die den Nulldurchgängen der Bogenentladungsspannung entsprechen, sind bei 43 zusammen mit den Impuls- und Ausfallsübergängen 54 und 55 gezeigt, die den in Fig. 5(a) gezeigten Ereignissen entsprechen. Im oben erwähnten Stammpatent und den erwähnten vorherigen Anmeldungen sind verschiedene einzelne Verfahren zur Analyse dieses logischen Signals offenbart, um zu bestimmen, ob Synchronlücken vorliegen. Im allgemeinen wird festgestellt, daß eine Bogenentladung vorliegt und eine geeignete Reaktion ergriffen, wenn das Signal hoch ist, was das Vorhandensein hochfrequenten Rauschens anzeigt, und wenn synchrone Lücken über eine vorbestimmte Anzahl von Versorgungsspannungsperioden vorliegen.
Um die in dieser Anmeldung offenbarten verbesserten Verfahren besser zu verstehen, ist ein Blick auf die charakteristischen Muster des Bogenentladungs- und Hintergrundrauschens in drei Dimensionen vorteilhaft, die eine Darstellung der Amplitude typischer Signale auf der Versorgungsleitung gleichzeitig in Frequenz- und Zeitdarstellung zeigt. Fig. 6 zeigt idealisiertes Bogenentladungsrauschen wieder über etwas mehr als eine Versorgungsspannungsperiode zusammen mit Spektren typischen Funkrauschens und Impulsrauschens.
Das Bogenentladungsrauschen stellt sich als zwei "Sprungschanzen"-Flächen 56 und 57 dar, die von oben rechts nach unten links abfallen. Ausführliche Felder probungen des Erfinders ergaben, daß das von kontaktbogenentladungserzeugte Rauschen nicht "weiß" ist, sondern eher "rosa", d. h. daß die spektrale Leistungsdichte des Rauschens sich invers zur Frequenz verhält anstelle im ganzen Spektrum gleich zu bleiben, was die mit steigender Frequenz abnehmende Amplitude zeigt. Synchrone Lücken im Rauschen sind bei 58, 59 und 60 dargestellt und entsprechend den drei Nulldurchgängen der Bogenentladungsspannung auf der Zeitachse. Zum Vergleich zeigt dauerhaftes Breitbandrauschen von Bohrmaschinenmotoren o. ä. (in Fig. 6 ist davon kein Beispiel dargestellt) keine Lücken.
Schmalbandige Hintergrundstörungen, wie sie durch die Aufnahme von amplitudenmodulierten oder Kommunikationsbandradiosendern in der Hausverkabelung erzeugt werden, sind bei verschiedenen Frequenzen dargestellt, beispielsweise bei 61. Wie zu sehen ist, belegt eine solche besondere Interferenz ein schmales Band auf der Frequenzachse, ist jedoch im wesentlichen kontinuierlich auf der Zeitachse und bildet eine Ebene parallel zur Zeitachse. Die Amplitudenvariation auf der Zeitachse entspricht der Audiofrequenzmodulation auf dem Radiofrequenzträger. Ein einfacher Detektor für breitbandiges Rauschen würde Rauschen im gesamten Frequenzspektrum detektieren (das Ergebnis würde durch Kompression der Frequenzachse für eine zweidimensionale Darstellung oder durch Betrachtung aus der linken unteren Ecke der Fig. 6 erhalten), so daß auch ein einmaliges Auftreten eines besonderen Hintergrundrauschens die Lücken 58, 59 und 60 füllen und deren Detektion stören würde. Die Betrachtung dieser besonderen Signale in der Frequenzdarstellung (dies entspricht einer Blickweise aus der unteren rechten Ecke der Fig. 6) zeigt jedoch klar, daß diese besonderen Signale nur einen sehr kleinen Teil der gesamten Frequenzspanne belegen.
Ein Beispiel eines Impulsrauschens, beispielsweise von einem Lampendimmer, ist bei 62 gezeigt. Ein solches Impulsrauschen ist durch kurze Zeitdauer und Breitenfrequenzgehalt charakterisiert und bildet eine Ebene parallel zur Frequenzachse. Wären die Impulse wirklich unendlich kurz, ergäbe sich ein flaches Frequenzspektrum, wie es in Fig. 6 dargestellt ist. Realiter ist das von Lampendimmern erzeugte Impulsrauschen jedoch etwas "verbreitert", um die Erzeugung von Radio frequenzrauschen zu vermeiden und nimmt deshalb fast vollständig innerhalb weniger MHz ab.
Wie Fig. 6 deutlich zeigt, ist die Eigenschaft des Bogenentladungsrauschens 56, 57 erkennbar verschieden von der Eigenschaft der normalerweise zu findenden Hintergrundsignale. Die vorliegende Erfindung nutzt zur Erkenntnis, daß das Bogenentladungsrauschen kontinuierlich in der Freqeunzdarstellung und kontinuierlich in der Zeitdarstellung bis auf Amplitudenvariationsmuster ist, die synchron zum Leistungswellenzug sind, d. h. bis auf die Lücken. Auf diese Erkenntnis wird erfindungsgemäß zurückgegriffen, ob bogenentladungsverursachtes Rauschen von den beiden erwähnten besonderen Signalen zu unterscheiden, die schmal in der Frequenzdarstellung und kontinuierlich in der Zeitdarstellung sind, und um es von Impulssignalen zu unterscheiden, die schmal in der Zeitdarstellung, aber breit in der Frequenzdarstellung sind. Dadurch kann man Bogenentladungsrauschen auch beim Vorliegen sogar relativ hoher Hintergrundsrauschpegel detektieren. Schließlich kann, wie erwähnt, bogenentladungsverursachtes breitbandiges Rauschen vom Rauschen von Motorbürsten und von kontinuierlichen breitbandigen Rauschen von ähnlichen Quellen durch Untersuchung der Amplitude des Rauschens hinsichtlich Variationsmuster, die synchron zum Leistungswellenzug liegen, unterschieden werden, d. h. durch Analyse in der Zeitdarstellung, um synchrone Lücken zu detektieren.
Nach einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein schmalbandiger Detektor kontinuierlich über ein breites Detektionsband, beispielsweise 5 bis 30 MHz verstellt, um breitbandiges von schmalbandiges Rauschen zu trennen. Die Antwort eines solchen Detektors auf verschiedene Rauschklassen, die üblicherweise auf Haushaltversorgungsleitungen zu finden und in den Fig. 7(a), (c) und (e) dargestellt sind, ist in den Fig. 7(a), 7(d) bzw. 7(f) dargestellt. Einzelne Interferenzen, die in den Fig. 7(a) dargestellt sind, beispielsweise durch Hintergrundradiosignale, erzeugen eine Spitze im Ausgang des frequenzdurchlaufenden Detektors nur dann, wenn die Frequenzen zusammenfallen. Fig. 7(b) zeigt die Antwort eines solchen durchlaufenden schmalbandigen Detektors auf einzelne Interferenzen als Zeitreihe. Das kontinuierliche schmalbandige Signal 63 der Fig. 7(a) wird in einen schmalen Puls 64 umgewandelt, wobei die Pulsbreite proportional zur Bandbreite des Detektors ist. Dadurch wird die einzelne Interferenz, die kontinuierlich in der Zeitdarstellung (Fig. 7(a)) ist, zu einem Impuls gefiltert, der einfach von breitbandigem Bogenentladungsrauschen getrennt werden kann.
Fig. 7(d) zeigt die Antwort des durchlaufenden schmalbandigen Detektors auf eine Impulsinterferenz 65 (vgl. Fig. 7(c)) mit einem breiten Spektrum in der Frequenzdarstellung, wie bei 62 in Fig. 6 zu sehen ist. Eine solche Impulsinterferenz (durch Schalter, Umschaltungen, Lampendimmer oder ähnliche Quellen) ist in der Zeitdauer begrenzt und bleibt deshalb im wesentlichen als Impuls 66 in der Frequenzdarstellung.
Bogenentladungsrauschen 67 (Fig. 7(e)) ist jedoch in beiden Darstellungen kontinuierlich und bleibt im wesentlichen vom frequenzdurchlaufenden Filter unbeeinflußt, wie bei 68 in Fig. 7(f) dargestellt ist.
Natürlich erzeugt die Technik des frequenzdurchlaufenden Filters im wesentlichen das gleiche Ergebnis wie andere Verfahren, die in früheren Anwendungen vorgeschlagen wurden, um die Weißheit des Rauschens zu prüfen. Die Amplitude breitbandigen Rauschens bleibt im wesentlichen unbeeinflußt, wogegen die Amplitude einzelner Signale abgeschwächt wird.
Darüber hinaus drückt das Integral des Ausgangs den Weißheitsgrad des Signals aus und variiert von nahe Null, wenn wenige oder keine Einzelsignale vorliegend sind, bis zum Vollausschlag bei weißem Rauschen.
Deshalb besteht ein einfaches Verfahren zur Bogenentladungsdetektion mittels der frequenzdurchlaufenden Techniken nach der vorliegenden Erfindung aus der Überwachung der mittleren Amplitude des Ausgangs eines schmalbandigen Detektors als Funktion der Frequenz, der durch ein breites Frequenzband verstellt wird. Ist der Signalausgang des Detektors relativ gleichbleibend in der Amplitude, ist das Rauschen breitbandig.
Zeigt sich, daß die Amplitude des Rauschens höher ist als das Hintergrundrauschen, kann man entscheiden, daß Bogenentladung vorliegt.
Obwohl der frequenzdurchlaufende Detektor somit auf Bogenentladungsrauschen reagiert, kann er Nichtrauschen von Bogenentladung von anderen breitbandigen Signalen, die vorhanden sein können, unterscheiden, beispielsweise von spektrumverteilten Kommunikationssignalen oder den Bogenentladungen, die von Motorbürsten erzeugt werden. Da viele Anwendungen der Bogenentladungstechnologie einen sehr niedrigen Pegel von Fehlauslösungen erfordern, z. B. bevor ein Bogenentladungsdetektor für den Hausgebrauch gewerblich nutzbar ist, ist ein selektiverer Detektor vorzuziehen.
Ein selektiveres Bogenentladungsverfahren besteht aus der Anwendung der zuvor offenbarten Lückendetektion auf den Ausgang des frequenzdurchlaufenden Detektors. Da das Bogenentladungssignal den frequenzdurchlaufenden Detektor im wesentlichen unbeeinflußt passiert, können die gleichen Zeitdarstellungstechniken direkt angewandt werden, die im Stammpatent und den vorherigen Anmeldungen offenbart wurden, d. h. das den frequenzdurchlaufenden Detektor passierende Signal, das breitbandiges Rauschen anzeigt, kann hinsichtlich Variationsmuster der Amplitude untersucht werden, die synchron zum Leistungswellenzug liegen. Deshalb liegt eine bedeutende Verwirklichung der Erfindung darin, frequenzdurchlaufende Rauschunterscheidung zum Abtrennen von Impulsrauschen und schmalbandigen Interferenzen mit einer Lückendetektion zu kombinieren (oder allgemeiner Amplitudenmuster im Rauschsignal synchron zum Leistungswellenzug zu identifizieren), um beispielsweise die Identifikation einer Bürstenmotorbogenentladung als gefährliche Bogenentladung zu vermeiden.
Einige der Lückendetektionstechniken, die in den vorherigen Anwendungen und im Stammpatent beschrieben wurden, kann man als "temporäre" oder als Analysen in der Zeitdarstellung auffassen, da der Zeitablauf der Lücken das wesentliche Merkmal ist, das sie als von Bogenentladung herrührend kennzeichnet. Eine Schwierigkeit, die unvermeidlich bei der Anwendung einer temporären Lückendetektionstechnik auf überwachte Bogenentladungsmuster herrührt, stammt von den statistischen Variationen des Bogenentladungsmusters von Periode zu Periode. Diese rühren - wie bereits erwähnt - von kleinen physikalischen Störungen am Kontaktübergang her und können eine merkliche Anzahl von Ausfällen im erzeugten Hochfrequenzrauschen verursachen. Diese sporadischen Ausfälle erscheinen als zusätzliche Lücken im Muster und machen die Detektion der synchronen Lücken, die die Bogenentladung kennzeichnen, schwierig. Ausführliche Untersuchungen des Erfinders zeigten, daß die zeitliche Lage, bei der Ausfälle auftreten, wirklich statistisch ist, auch wenn viele Ausfälle dauerhaft bei Bogenentladung auftreten können, insbesondere zwischen Weichmetallkontakten, wogegen bogenentladungsverursachtes Rauschen vom gesamten sinusförmigen Wellenzug getrieben wird und synchrone Muster der Amplitudenvariation zeigt.
Dieses Verständnis führte zu einer weiteren Verbesserung, die im folgenden als "synchrone Mittelung" bezeichnet wird, welche die Wirkungen der Ausfälle wesentlich reduziert und einen sehr verläßlichen Einsatz der temporären Lückendetektionstechniken ermöglicht, die in den vorherigen Anmeldungen und dem erteilten Patent beschrieben sind. Dabei wird das Rauschsignal, nachdem es gemäß der synchronen Mittelungstechnik bearbeitet wurde und eventuell nachdem es durch ein frequenzdurchlaufendes Filter trat, hinsichtlich des Vorhandenseins von Lücken untersucht, die synchron zum Leistungswellenzug liegen. Ihr Vorhandensein ist ein sehr verläßlicher Hinweis auf Bogenentladung.
Synchrone Mittelung besteht in diesem Zusammenhang aus der Unterteilung der Versorgungsspannungsperiode in eine Vielzahl kurzer Probenintervalle ("Zeitfenster") und anschließender Mittelung der Rauschamplitude, die in jedem entsprechenden Zeitfenster von einer Periode zur nächsten gemessen wurde. Die Probenintervalle müssen, bezogen auf die Lückengröße, kurz sein, um diese genau wiedergeben zu können. In einem Prototyp wurde die Versorgungsspannungsperiode in 512 Zeitfenster unterteilt, wodurch jedes Probenintervall 32,5 us lang ist. Um Speicher zu sparen, wurde ein gewichteter laufender Mittelwert verwendet, bei dem jeder neue Mittelwert als gewichtete Summe der aktuell gemessenen Amplitude und dem vorherigen Mittelwert dieses Zeitfensters berechnet wurde. Die verwendete Wichtungskonstante legt die effektive Zeitkonstante fest, d. h. bestimmt die Zahl an Perioden, über die die Mittelung im Endeffekt berechnet wurde. Für dieses Verfahren muß nur ein Mittelwert für jedes Zeitfenster gespeichert werden.
Die Wirkung der synchronen Mittelung auf das Bogenentladungsmuster ist, daß etwaige Abweichungen geglättet werden, die nicht synchron mit der Versorgungsspannungsperiode liegen. Die synchrone Mittelung verbessert wirksam das Signal/Rauschverhältnis des bogenentladungsverursachten Rauschwellenzuges, indem die Auswirkungen statistischer Variationen ausgeschaltet und die Wirkung systematischer Variationen, d. h. der synchronen Lücken, verstärkt wird. Mit anderen Worten, die mittlere Rauschamplitude wird bezüglich jedes Probenintervalls bestimmt, wobei nachfolgende Messungen exakt eine Versorgungsspannungsperiode von der entsprechenden vorherigen Messung beabstandet sind, wodurch entsprechend der Mittelungszeitkonstante ein allmähliches Anwachsen zum Mittelwert für dieses Zeitintervall erreicht wird. Dadurch werden alle zufällig verteilten sporadischen Lücken, z. B. durch Ausfälle, ausgefiltert und glattes, rauschfreies Lückenmuster entsteht. Fig. 12(b) und 12(c) (die später noch erläutert werden) zeigen den Vergleich für Beispiele eines typischen Rauschsignals bzw. eines synchron gemittelten Signals. Die Spuren 134 bis 136 der Fig. 12(c) zeigen die verbesserte Unterscheidung der Lücken 137 vom Rauschsignal, wenn die Zeitkonstante allmählich erhöht wird.
Dabei bildet die synchrone Mittelung mit nachfolgender temporärer Lückendetektion ein Filtersystem, das optimal angepaßt für die spektralen Komponenten des Bogenentladungsrauschmusters ist, und das deshalb für solche Muster sehr selektiv ist. Um diesen Sachverhalt besser zu verstehen, ist es hilfreich, das Frequenzspektrum des bogenentladungsverursachten Lückenmusters im Rauschen zu betrachten. Wie in Fig. 8 zu sehen ist, kann ein solches Lückenmuster als Produkt einer binären Torfunktion (d. h. eine Funktion, die den Wert 1 hat, wenn der Bogen eingeschaltet ist, und den Wert 0, wenn der Bogen aus ist) und eines statistischen Signals ausgedrückt werden, das die Amplitudenvariationen des Rauschens wiedergibt. Da der Bogen durch die Versorgungsspannung moduliert ist, da also die Lücken synchron zur Versorgungsspannungsfrequenz sind, ist das Spektrum 69 der binären Torfunktion ein Linienspektrum mit Linien bei ganzzahligen Vielfachen der doppelten Versorgungsspannungsfrequenz und einer amplitudeneinhüllenden, die gleich dem absoluten Wert von (sin(ωt)/ωt) ist, wobei ω gleich 2(2π60) ist. Diese Funktion zeigt Amplitudenminima 71, 72 bei den Frequenzen, bei denen ωt gleich n/G ist, wobei G gleich der Breite der Lücken und n eine beliebige positive ganze Zahl ist. Deshalb tritt bei einer typischen Lückenbreite von 630 Mikrosekunden das erste Minimum 71 bei 1/630 us = 1,59 kHz auf. Das zweite Minimum tritt bei 21630 us = 3,2 kHz auf und so fort. Werden die Lücken schmaler, erscheinen die Minima bei höheren Frequenzen, wobei die Grenze eine flache Antwort bei einer unendlich schmalen Lückenbreite ist. Deshalb mit breiterer Lückenbreite (bis zu 50% Tastverhältnis) die Frequenz der ersten und aller weiteren Minima umso niedriger. Bei 50% Tastverhältnis fallen die geraden Harmonischen auf Null und die spektralen Linienamplituden werden 1/n; man erhält das charakteristische Spektrum einer Rechteckwelle.
Das beschriebene Linienspektrum ist das Spektrum der Torfunktion, das das vom Bogen selbst verursachte Rauschen moduliert. Das Spektrum des Bogenentladungsrauschens selbst, also das bei der Torfunktion gleich Eins ist ein kontinuierliches Spektrum mit der "Sprungschanzen" 1/f-Amplitudenantwort, die 56 und 57 in Fig. 6 und bei 70 in Figur. 8 gezeigt ist. Das (nicht dargestellte) zusammengesetzte Spektrum, das vom modulierten Bogenentladungsrauschen erzeugt wird, ist die Konvolution der zwei Funktionen 69 und 70.
Setzt man die spektrale Zusammensetzung des modulierten Bogenentladungsrauschens der Fig. 8 voraus, kann man die Wirkung der synchronen Mittelung betrachten. Zuerst bildet die synchrone Mittelung in der beschriebenen Verwirklichung ein kommutierendes Filter, das nur die Fundamentalfrequenz - in diesem Fall 120 Hz - und dessen harmonische durchläßt. Mit anderen Worten, Rauschkomponenten, die auf die Spektrallinien der Fig. 8 fallen, laufen ungeschwächt durch, wogegen Rauschkomponenten, die zwischen diese Linien fallen, geschwächt werden. Oder in anderer Betrachtungsweise, die synchrone Mittelung läßt wahlweise nur die Komponenten des Musters durch, die synchron zur Versorgungsspannungsfrequenz sind, d. h. die ganzzahlige Vielfache von 120 Hz sind. Dies stellt sich für sich allein eine Verbesserung der Detektorselektivität dar und kann insoweit bei einem Bogenentladungsdetektor verwirklicht werden. Ein solcher Detektor würde nur feststellen, daß Bogenentladungen vorliegen, wenn die mittlere Amplitude des synchron gemittelten Rauschens einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
Der Einsatz der synchronen Mittelung für sich alleine bei einer Bogenentladungsdetektionsanalysetechnik wendet jedoch keine Einschränkungen auf die relativen Amplituden der verschiedenen Spektrallinienbestandteile an. Das heißt, ein beliebiges Rauschsignal, das wesentliche Komponenten an den angegebenen Spektrallinien enthielte, würde den Detektor auslösen. Um deshalb besser Bogenentladungsrauschen zu unterscheiden, muß man die Amplituden dieser Spektralkomponenten ebenfalls untersuchen. Wie erwähnt, zeigt die Amplitudeneinhüllende der Spektrallinien, die von Bogenentladung herrühren, wie in Fig. 8 zu sehen ist, Minima, die von dem Vorhandensein der Lücken im Rauschen herrühren, und die Lage dieser Minima ist eine Funktion der Lückenbreite. Ein letzter Schritt zur Analyse des Rauschens auf das Vorhandensein von Lücken einer Breite in einem vorbestimmten Bereich wäre noch besser auf Bogenentladungsmuster angepaßt und würde damit die Selektivität steigern.
Natürlich könnte man eine Fourier-Analyse durchführen und die Amplituden der Spektrallinien mit vorbestimmten Anforderungen vergleichen, von denen man weiß, daß sie charakteristische Bogenentladungen sind. Dieser Ansatz ist aufwendig und, wie sich zeigt, unnötig. Durch einfache Anwendung der temporären Lückentestverfahren, die im Stammpatent und den vorherigen Anmeldungen beschrieben sind, auf den Ausgang des kommutierenden Filters wird das gleiche Ergebnis erhalten. In anderen Worten, die temporäre Analyse des Ausgangs, der nur einen vorbestimmten Lückenbreitenbereich durchläßt, erzeugt die gleiche Wirkung wie die Qualifikation der Spektrallinienamplituden, da ein kommutierendes Filter, verwirklicht durch synchrone Mittelung, nur Spektrallinien durchläßt. Beispielsweise läßt eine Stufe nach dem kommutierenden Filter nur Muster mit einer Lückenbreite von 630 us durch, würden diese Stufen einen Ausgang nur dann erzeugen, wenn die ex akte spektrale Zusammensetzung der Fig. 8 vorliegt. Dadurch wird die Gesamtsystemantwort auf die spektrale Zusammensetzung der Bogenentladungsmuster angepaßt, wodurch man maximale Selektivität erhält.
In der nachfolgenden Erörterung wird der Bogenentladungsdetektor der vorliegenden Erfindung bequemerweise in zwei Schaltungsteilsysteme eingeteilt, ein "Frontend", das die charakteristischen Breitbandrauschsignale abfühlt, verstärkt und detektiert, die durch Bogenentladung erzeugt werden, wobei variable Frequenzdetektionsverfahren verwendet werden, und einen "Bogenentladungsprozessor", der die detektierten Signale hinsichtlich des Vorhandenseins von Mustern überwacht, die eine Bogenentladung anzeigen, und verschiedene Ausgänge betätigt, wenn das Vorhandensein einer Bogenentladung detektiert wurde.

1. Front-end-Schaltungen zur variablen Frequenzdetektion

Zwei grundlegende variable Frequenzdetektionsverfähren, die als "heterodyn" und "Durchlauffilter"-Verfahren bezeichnet werden, werden nun beschrieben. Die Erfindung ist jedoch darauf nicht beschränkt. Eine Ausführungsform eines Front-end, das das Heterodynprinzip verwendet, ist als Blockschaltbild in Fig. 9 dargestellt, die Ausführungsform, die das Durchlauffilterverfahren einsetzt, ist ähnlich in Fig. 10 dargestellt. Beide Schaltungen verstellen einen schmalbandigen Detektor über einen breiten Frequenzbereich, um spektrale Interferenzen (z. B. Radiosignale) und Impulsrauschen zu entfernen. Synchrone Variationen der Rauschamplitude können durch synchrone Mittelung herausgeschält werden. Nachfolgende Verarbeitungsschritte prüfen dann auf Lückenmuster, Zeitdauer dieser Muster o. ä., die eine möglicherweise gefährliche Bogenentladung anzeigen.

A. Heterodynschaltung

Fig. 9 zeigt einen Übertrager 74, der zur Abfühlung des Rauschens auf einer Versorgungsleitung vorgesehen ist. Dieser Übertrager 74 ist im wesentlichen eine Spule, die über einen gewählten Frequenzbereich das von Bogenentladungen verursachte hochfrequente Rauschen abfühlt. Einzelheiten der einzelnen Ausführungs formen für geeignete Übertrager und Abfühlschaltungen werden anhand der Fig. 11 erörtert. Der Übertrager 74 kann hochfrequente Rauschströme, die der Versorgungsleitung überlagert sind, direkt abfühlen, wenn er als Spule ausgebildet ist, die um ein geeignetes Toroid angeordnet ist, wobei die Hochspannungsseite der Versorgungsleitung durch das Zentrum des Toroids geführt ist, oder kann die Rauschspannung auf der Leitung indirekt abfühlen, indem eine Primärwicklung 74 über die Leitungen L1 und L2 durch einen Entkopplungskondensator 74 zusätzlich - wie dargestellt - vorgesehen wird. Alternativ kann die Rauschspannung ohne Isolation durch direkte Kopplung durch einen kleinen Kondensator auf den Eingang 77 oder durch Kopplung einer Antenne zur Aufnahme der Radiofrequenzemissionen aus Bogenentladungen überwacht werden. Auf jeden Fall sollte der Übertrager dieser Ausführungsform eine in etwa flache Frequenzantwort im gewählten Frequenzbereich haben. Dies kann man verbessern, indem ein Lastwiderstand 78 über die Spule zusätzlich vorgesehen wird.
Wie erwähnt und in Fig. 6 dargestellt, erzeugen Bogenentladungen "rosa Rauschen" in einem Frequenzbereich zwischen 10 kHz bis hinauf zu 1 GHz. Der bevorzugte Anteil des zu überwachenden Spektrums hängt von mehreren Betrachtungen ab. Erstens sollte der gesamte Frequenzbereich groß gegenüber etwaigen vorhandenen Einzelhintergründen sein. Zweitens wird mit steigender Frequenz eine größere Verstärkung erforderlich sein, da Bogenentladungsrauschen ein 1/f Spektrum zeigt. Drittens sollte das Frequenzband so gewählt werden, daß etwaige starke Hintergrundsignale ausgeschlossen sind. Bei Haushaltsanwendungen ist es, da die stärksten Hintergrundsignale amplitudenmodulierte Radiosignale sind, vorteilhaft, oberhalb dieses Bandes zu überwachen. Viertens werden aufgrund der Induktivität der Versorgungskabel bei steigenden Frequenzen andere Lasten immer weniger die Bogenentladungssignale abschwächen. Fünftens gibt es mit steigender Frequenz immer mehr Gegenbeeinflussungen zwischen benachbarten Leitern, wodurch es immer schwieriger wird, irgendeine Schaltung zu isolieren. Demzufolge ist der Frequenzbereich, der zur Detektion bogenentladungsverursachten Rauschens überwacht wird, ein Kompromiß zwischen den verschiedenen Gesichtspunkten und sollte deshalb für jede Anwendung optimal gewählt werden. Bei einem Haushaltbogenentladungsüberwachungsgerät ist der Frequenzbereich zwischen 5 und 30 MHz ausreichend oberhalb des amplitudenmodulierten Radiobandes und breit gegenüber anderen Radiosendungen, die vorliegen können und ist deshalb eine geeignete Wahl.
Wie in Fig. 9 zu sehen ist, wird das Eingangssignal bei 79 verstärkt und dann mit einem frequenzdurchlaufenden Signal aus einem örtlichen Schwingkreis in einen bekannten Radiofrequenzmischer 81 gemischt, um Summen- und Differenzsignale zu erzeugen. Normalerweise wird das Differenzsignal als Zwischenfrequenzsignal (IF-Signal) am Punkt 82 zur weiteren Verarbeitung ausgewählt.
Berücksichtigt man die Verfügbarkeit und geringen Kosten von IF-Stufen abgestimmten Schaltungen für amplitudenmodulierte und frequenzmodulierte Radien, ist es vernünftig, entweder 455 kHz oder 10,7 MHz als IF-Frequenzen zu wählen. Welche davon optimal für eine gegebene Anwendung sind, wird von Bandbreitenüberlegungen festgelegt.
Im allgemeinen verursachen die Lücken im hochfrequenten Rauschen, das von Bogenentladung verursacht wird, eine im wesentlichen rechteckige Amplitudenmodulation des Rauschens. Deshalb legt die überwachte Bandbreite die Auflösung fest, mit der Lücken detektiert werden können. Amplitudenmodulierte IF- Schaltungen haben üblicherweise eine Bandbreite von 5 bis 10 KHz, was für eine optimale Auflösung kurzer Lücken zu schmal ist, aber für Anwendungen ausreichen kann, die lediglich Änderungen im Pegel des breitbandigen Rauschens detektieren. Deshalb können amplitudenmodulierte IF-Schaltungsbausteine für gewisse Ausführungsformen der Erfindung tauglich sein. Frequenzmodulierte IF-Schaltungen haben Bandbreite im Bereich zwischen 100 kHz bis 300 kHz und ermöglichen so eine sehr viel bessere Auflösung der Lücken. Bei einem amplitudenmodulierten IF-Filter und einem Detektionsfrequenzbereich von 2 bis 7 MHz wird die vom örtlichen Schwingkreis 80 gelieferte Frequenz zwischen 2,455 bis 7,455 MHz durchgestellt, um das erwünschte 455 KHz IF-Signal zu erzeugen. Einen frequenzmodulierten IF- Filter und einen Detektionsfrequenzbereich von 5 bis 30 MHz muß die vom örtli chen Schwingkreis 80 gelieferte Frequenz im Bereich zwischen 15,7 und 40,7 MHz abdecken, um das gewünschte 10,7 MHz IF-Signal zu erzeugen.
Der örtliche Schwingkreis 80 ist ein bekannter spannungs- oder stromgesteuerter Schwingkreis, der als Ausgang eine Sinuswelle erzeugt, deren Frequenz von der Spannung oder dem Stromsignal abhängt, das von einem Frequenzsteuersignalgenerator 83 bereitgestellt wird, welcher wiederum von einem Steuersignal auf einer Steuerleitung 84 angesteuert wird. Im einfachsten Fall kann der Frequenzsteuersignalgenerator 83 ein asynchron lineares oder exponentiales Rampensteuersignal erzeugen. Alternativ kann der Frequenzsteuersignalgenerator 83 ein Signalsteuersignal einer beliebigen gewünschten Wellenform, insbesondere niederfrequentes Rauschen erzeugen. Möchte man den Frequenzdurchlauf zur Versorgungsspannungsfrequenz synchronisieren, wie es beispielsweise von gewissen Analysealgorithmen gefordert ist, kann ein Steuersignal an der Leitung 84 vorgesehen werden, um die Rampe zurückzusetzen. Eine optimale Durchstellrate ist die Rate, die die Asynchronität zwischen dem durchstellenden Wellenzug und dem Lückenmuster maximiert. Eine einfache, nicht synchronisierte Sägezahnfunktion mit einer Periode von 10 ms funktioniert für 60 Hz Anwendungen gut.
Für anspruchsvollere Anwendungen, bei denen ein wesentliches, spektrumartiges Hintergrundrauschen vorliegen kann, kann der Frequenzsteuersignalgenerator 83 einen Digital/Analogwandler (D/A-Wandler) aufweisen, der über die Leitung 84 von einem Mikroprozessor gesteuert wird. In dieser Ausbildung kann der Mikroprozessor direkt die dem örtlichen Schwingkreis 80 zugeführte Frequenz steuern, was ausgefeiltere Frequenzdurchstellalgorithmen ermöglicht. Beispielsweise ist ein Ansatz, den Mikroprozessor während Perioden-Kalibrierungsphasen durch den gesamten Frequenzbereich stufenartig in einer Abfolge von Stufen, die den Frequenzteilbändern entsprechen, durchzustellen, und diejenigen Frequenzen aufzuzeichnen, bei denen merkliches Hintergrundrauschen detektiert wird.
Üblicherweise werden mehrere Durchläufe vorgenommen. Wird Rauschen in der gleichen Gruppe von Teilbändern während jedes Durchlaufs detektiert, stellt man deutlich spektrenartiges Rauschen dar, z. B. Signale von Radiosendern. In nach folgenden Frequenzdurchläufen werden diese Frequenzteilbändern ausgelassen, wodurch der Hintergrundpegel reduziert und das Signal/Rauschverhältnis der Detektion gesteigert wird.
Der Mischerausgang 82 wird dann einer konventionellen IF-Stufe 85 eingespeist, die aus einem oder mehreren IF-Verstärkern und Frequenztrennfiltern, z. B. LC-Filtern und/oder keramischen Resonatoren besteht, um die IF-Stufenfrequenzen zu trennen und zu verstärken. Der IF-Ausgang wird dann mittels eines bekannten, amplitudenmodulierten Detektors 86 detektiert, um ein Signal zu erzeugen, das proportional zur Radiofrequenzsignalamplitudeneinhüllenden bei 87 ist. Weiter wird die Amplitude an diesem Punkt abgetastet und in eine automatische Verstärkersteuerschaltung (AGC) 88 eingegeben, die die Verstärkung der IF-Stufe 85 steuert, um die mittlere Amplitude am Detektorausgang 87 konstant zu halten. Das AGC-Ausgangssignal 89 kann entweder dazu verwendet werden, um den AGC-Steuerpegel zu überwachen, wenn man Standard-AGC verwendet, oder als logarithmisch komprimierte detektierte Version des Eingangssignals, wenn man die logarithmische Betriebsweise einsetzt (vgl. die nachfolgende Erörterung in Abschnitt 2A).

B. Filterdurchlaufschaltung

Eine zweite Ausführungsform eines Front-end für einen erfindungsgemäßen Bogendetektor verwendet wiederum die variable Frequenzdetektion mittels der Filterdurchlaufmethode und ist in Fig. 10 dargestellt. In dieser Ausbildung wird die frequenzvariable Detektion mittels eines resonanten Übertragers erreicht, der durch die Abfühlspule 90 (ausgebildet zum Abfühlen der Versorgungsspannung, wie es anhand von Fig. 9 bereits allgemein erläutert wurde) und eine Diode 91 mit spannungsvariabler Kapazität (Varactor) besteht. Die Spule 90 und die Diode 91 bieten einen parallelen Resonanzschwingkreis, dessen Resonanzfrequenz von der Steuerspannung festgelegt wird, die vom Frequenzsteuersignalgenerator 91 geliefert wird, welcher optional von einem Steuersignal angesteuert wird, das auf Leitung 101 zugeführt wird. Ein Kopplungskondensator 91 entkoppelt die Gleichspannung von der Spule 90, und der Isolationswiderstand 94 isoliert den Spannungsgenerator 92 vom Schwingkreis. Um die vom Radiofrequenzverstärker 97 bewirkte Last auf dem Schwingkreis zu minimieren und dadurch ein hohes Q zu erreichen, wird der Verstärkereingang mit einem Abgriff der Übertragerspule 90 verbunden, anstelle ihn direkt an den Schwingkreis anzuschließen. Kopplungskondensatoren 95 und 96 blocken interne DC Bias-Spannungen am Eingang des Verstärkers 97.
Der Radiofrequenzausgang des Verstärkers 97 speist einen bekannten amplitudenmodulierten Detektor 98, um die Radiofrequenzsignalamplitudeneinhüllende am Punkt 99 bereitzustellen. Eine automatische Verstärkersteuerschaltung (AGC) 100 hält an diesem Punkt die mittlere Amplitude konstant, indem die Verstärkung des Verstärkers 97 kontinuierlich justiert wird. Wie bereits für Fig. 9 erläutert, kann der Ausgang 102 entweder zur Überwachung des AGC-Steuerpegels verwendet werden, wenn man Standard-AGC verwendet, oder als logarithmisch komprimierte Version des detektierten Rauschsignals, was für die logarithmische Betriebsweise sinnvoll ist (auch hier wird wieder auf die nachfolgende Diskussion im Abschnitt 2.A verwiesen).
Der Verstärker 97 kann ein beliebiger Verstärker mit variabler Verstärkung und passender Verstärkungs- und Frequenzeigenschaft sein. Motorola's MC1350, der als kostengünstiger Fernseh-IF-Verstärker gedacht ist, zeigt einen 60 dB AGC- Bereich und eine Leistungsverstärkung von ungefähr 50 dB bei 45 MHz und ist für das vorliegende Design gut geeignet.
Da man einen großen Frequenzdurchlauf kostengünstig erreichen möchte, sollte man den Varactor 91 aus verschiedenen Hyper-abrupt-Varactordioden auswählen, die für digitale AM Radios konstruiert sind. Ein Beispiel dafür ist der MVAM108 von Motorola, ein kostengünstiger Varactor, der nach der Spezifikation ein lineares Kapazitätsverhältnis von > 15 über eine Umkehrspannung von 1/8 V hat. Da die Abstimmlinearität im vorliegenden Entwurf nicht so bedeutend ist, kann man diese Dioden überlasten, um dieses Verhältnis auf 25 oder mehr auszudehnen. Der Frequenzdurchlaufbereich ist in etwa proportional zur Quadratwurzel dieses Kapazitätsverhältnisses.
Nach Auswahl des Varactors kann die erforderliche Induktivität der Abfühlspule 90 aus Standardparallelschwingkreisgleichungen berechnet werden. Ein Frequenzbereich von 7 bis 30 MHz, wenn die Induktivität der Spule 90 1,4 uH ist, man den MVAM108 Varactor 91 und eine Umkehrspannungsrampe von 0,5 bis 10,5 V verwendet.
Bei der breitbandigen Übertragerschaltung der Fig. 9 war ein Resistor 78 vorgesehen, um den Übertrager zu belasten und dadurch - wie erwähnt - die Frequenzantwort abzuflachen. Beim resonanten Übertrager der Fig. 10 benötigt man genau das Gegenteil, d. h. einen effektiven parallelen Widerstand, der so groß wie möglich gemacht werden sollte, um ein hohes Q zu erreichen, in der Größenordnung zwischen 50 und 100 für Haushaltbogenentladungsdetektoren. Um das Q 30 MHz über 50 zu halten, muß der wirksame Parallelwiderstand über 13 KΩ gehalten werden. Da der Realteil des Eingangswiderstandes des Verstärkers 97 etwa 3 KΩ beträgt, wird der Verstärker von einem Abgriff der Spule gespeist, um eine Belastung des Schwingkreises zu vermeiden. Verwendet man den MC1350 Baustein als Verstärker 97 und liegt der Abgriff bei ungefähr ein Viertel der Spule, gesehen vom benutzten Abgriff aus, liegt Q bei ungefähr 50 und ist im wesentlichen im gesamten interessierenden Frequenzband konstant.
Die Frequenzdurchlaufschaltung mit dem resonanten Übertrager der Fig. 10 bietet besondere Vorteile gegenüber dem Heterodyn-Design der Fig. 9. Wie bereits erwähnt wurde, zeigte sich, daß Bogenentladungsrauschen näherungsweise ein 1/f Frequenzspektrum zeigt, d. h. daß die Spektralleistung des Bogenentladungsrauschens invers proportional zur Frequenz ist. Verwendet man einen Detektor mit konstanter Bandbreite wie bei der Heterodynschaltung der Fig. 9, fällt die Rauschamplitude mit wachsender Frequenz. Mit dem Detektor mit konstantem Q der Fig. 10 wächst jedoch mit wachsender Bandbreite die Frequenz, um die Abnahme der Rauschamplitude auszugleichen, wodurch ein flacher Verlauf, bezogen auf den charakteristischen Bogenentladungsrauschamplitudenverlauf erhalten wird.

C. Übertragerkonfiguration

Stromabfühlende Übertrager, die bei der Schaltung der Fig. 9 verwendet wurden, haben wünschenswerterweise einen flachen Frequenzverlauf im Durchstellbereich, wogegen solche, die bei der Schaltung der Fig. 10 verwendet wurden, resonante Übertrager sein sollten, die mit einem variablen Resonanzelement abgestimmt sind. In jedem Fall kann man den Übertrager, der zum Abfühlen des hochfrequenten Bogenentladungsrauschens durch Überwachen des Stroms (wie es im Fall des erfindungsgemäß ausgebildeten Bogenentladungsdetektors, der als Sicherung konfiguriert ist, sinnvoll ist) in verschiedenen Konfiguration ausgebildet werden, je nach den jeweiligen Anwendungsanforderungen.
Die Fig. 11(a, c, d, e und g) zeigen Übertragerschaltungen, wobei jeweils die Leistungsquelle links und die Last rechts liegt. In Fig. 11(a) ist das einfachste Verfahren die Hochspannungsseite der Leitung L1 durch einen toroidförmigen Stromübertrager 105 der Last zuzuführen. Um den Bogenentladungsrauschstrom Iarc zu maximieren und hochfrequente Signale, die von der Leistungsquelle kommen, abzuschwächen, kann ein Vorschaltkondensator 106 vor den Sensor geschaltet werden. Wie dargestellt, sollte der Kondensator 106 eine Vieranschlußeinrichtung sein, die eng mit den Leistungskontakten verbunden ist, um induktive Effekte in den Zuleitungen zu minimieren. Da die toroidförmige Spule 105 den gesamten 60 Hz Laststrom abfühlt, sollte sie auf ein Pulvereisen- oder einen Luftkern gewickelt werden, um Sättigung zu vermeiden.
Obwohl Pulvereisenkerne nicht bei Leitungsströmen bis zu 60 Ampere oder mehr nicht merklich in die Sättigung gelangen, ist das beste Kernmaterial Luft oder ein anderes nichtmagnetisches Material, das auch unter beliebigen Lastströmen nicht in die Sättigung gerät. Luftkernspulen müssen jedoch beträchtlich größer sein als Spulen mit ferromagnetischen Kernen, um die gleiche Induktivität zu erreichen. Ausgehend von der Erkenntnis, daß die Induktivität proportional zur Wicklungsfläche und invers proportional zum mittleren Wicklungsdurchmesser ist, konstruierte der Erfinder eine neue Spulenausbildung, die für Bogenentladungsabfühlanwendungen optimiert ist. Wie in Fig. 11(b) zu sehen ist, ist die Spule 108 um eine nichtma gnetische, zylindrische Form 107 gewickelt, wobei die Hochspannungsseite der Leitung durch die Form 107 geführt ist. Diese Bauweise maximiert gleichzeitig die Wicklungsfläche und minimiert den mittleren Spulendurchmesser, wodurch die Induktivität sehr stark gesteigert wird. Auf diese Weise wurden bei Außendurchmessern von nur 3/8 Inch und Längen von nur 1/8 Inch Übertrager mit mehreren 1,4 Microhenry aufgebaut und erfolgreich getestet. Die Induktivitätsauslegungsgleichungen ergeben sich leicht für den Fachmann.
Da die zwei Leiter in Zweileiterkabeln im wesentlichen den gleichen physikalischen Raum, bezogen auf die verbundenen Wellenlängen, belegen, erzeugen Radiosignale und andere extern induzierte Interferenzen einen common-mode- Stromfluß in einem Zweileiterkabel. Bogenentladungsrauschen erzeugt dagegen einen differentiellen Stromfluß. Deshalb kann man mittels differentieller Stromabfühlung common mode-Signale reduzieren und Signale im Differentialmodus verstärken. Die Fig. 11(c, d, e und g) zeigen vier Schaltungen, die eine Differentialstromabfühlung verwirklichen, Fig. 11(f) zeigt die Lage der Abfühlspule in der Schaltung 11(e) und Fig. 11(h) zeigt eine neuartige Übertrageranordnung, die in der Schaltung der Fig. 11(g) zum Einsatz kommt.
Bei einem Verfahren werden die stromführenden Leiter der Versorgungsleitung einfach durch den Übertragerdifferential geführt, d. h. die Leitungen kreuzen einen torusförmigen oder zylindrischen Stromübertrager 109, wie es in Fig. 11(c) dargestellt ist. Ein Vorschaltkondensator 110 kann wiederum aus den oben erwähnten Gründen vorgeschaltet werden. Wenn es nicht praktisch ist, die Leitungen durch die Abfühlspule zu führen, wie es bei Hochleistungsanwendungen der Fall sein kann, werden im folgenden zwei alternative Verfahren offenbart. Das erste, welches in Fig. 11(d) dargestellt ist, verwendet den Stromübertrager 111, um den Hochfrequenzstrom zu messen, der durch den Vorschaltkondensator 112 fließt. Da der Vorschaltkondensator einen virtuellen Kurzschluß für hochfrequente Ströme darstellt, mißt der Übertrager 111 wirksam den Bogenentladungsrauschstrom Iarc. Dieses Verfahren ist jedoch gleichermaßen empfindlich auf Hochfrequenzströme, die von der Leistungsquelle und der Last herstammen.
Ein zweiter Ansatz für Hochleistungsanwendungen ist in Fig. 11(e) gezeigt.
In diesem Fall weist ein Übertrager 113 eine einfache Elektromagnetenwicklung auf, die zwischen den zwei Leitern 115 und 116 angeordnet ist und senkrecht zu der von ihm gebildeten Ebene liegt, zusammen mit einem vorgeschalteten Vorschaltkondensator 114. Fig. 11(f), die eine Schnittdarstellung der Fig. 11(e) ist, zeigt den Verlauf der magnetischen Felder von den Leitern 115 und 116 zum Übertrager 113. Wie zu sehen ist, fließt ein Differentialstrom in den Leiter 116 und zurück durch den Leiter 115. Die davon verursachten magnetischen Felder 117 addieren sich am Überrager 113. Common mode-Ströme erzeugen entgegengesetzte magnetische Felder an der Spule und löschen sich somit aus. Da die magnetische Feldstärke proportional zum Abstand ist, sollte der Übertrager 113 direkt zwischen den beiden Leitern 115 und 116 liegen, um eine möglichst vollständige Auslöschung von common mode-Rauschen zu erreichen. Ein Vorteil dieses Ansatzes liegt darin, daß einfachere RF-Joche beim Übertrager 113 verwendet werden können. Da jedoch die magnetische Flußstrecke nicht geschlossen ist, wird der Übertrager auch auf magnetische Streufelder in seiner Umgebung reagieren.
Eine weitere Übertragerausbildung enthält die magnetischen Felder, die bei 118 in den Fig. 11(g und h) dargestellt sind. Ein Doppelösenkern 118 aus Pulvereisen ist um die beiden Leiter 120 und 121 angeordnet mit einem vorgeschalteten Vorschaltkondensator 119. Wie in Fig. 11(h) zu sehen ist, werden die Versorgungsleiter 120 und 121 durch die Öffnungen des Formkerns 118 geführt, so daß die fließenden Ströme entgegengesetzt gerichtet sind, und die Abfühlspule 122 wird um den Mittelsteg gewickelt. Da die Wicklungsform 118 rechteckig ist und ein ferromagnetisches Material verwendet, können so relativ kleine Differentialübertrager hergestellt werden.

2. Bogenentladungsprozessorschaltungen

Wie bereits erwähnt, umfassen erfindungsgemäße Bogenentladungsdetektoren einen "Bogenentladungsprozessor", der das Signal aus einem der Frontendschaltungen, die obenstehend diskutiert wurden, hinsichtlich des Vorhandenseins von Mustern untersucht, die eine Bogenentladung anzeigen, und verschiedene Ausgänge beim Vorhandensein von Bogenentladungen betätigt. Im einfachsten Fall kann der Ausgang des variablen Frequenzdetektors integriert werden, um festzustellen, ob Bogenentladung vorliegt, wenn der Signalpegel in einem breiten Frequenzband merklich höher ist als Hintergrundsignalpegel. Dieser Ansatz kann jedoch nicht zwischen Bogenentladungen und anderen Breitbandsignalen unterscheiden, die vorliegen können, beispielsweise in Form von spektrumverteilten Kommunikationssignalen. Man muß deshalb weiter das Vorliegen von synchronen Lücken oder anderer synchroner Muster der Amplitudenvariationen im Bogenentladungsrauschen fordern, bevor man entscheiden kann, daß Bogenentladung vorliegt.

A. Schwellwertverfahren

Das "Schwellwertverfahren" der Synchronlückendetektion basiert auf dem Vergleich des detektierten Signals mit einem Schwellwert, um ein Binärsignal zu erzeugen, das die Lücken im Hochfrequenzrauschen wiedergibt. Dieses Binärsignal wird dann mittels eines von mehreren vorbestimmten temporären Algorithmen analysiert, die insbesondere die im Stammpatent und in den Voranmeldungen erwähnten umfassen, um zu entscheiden, ob Bogenentladung vorliegt. Wird die Schwellwertdetektion verwendet, ist die wirksame Empfindlichkeit des Mikroprozessors auf die des diskreten Schwellwertdetektors eingeschränkt. Es ist deshalb vorteilhaft, den Schwellwertdetektor so zu optimieren, daß er die Lücken genau detektiert. Um dies zu erreichen, wurden verschiedene Verfahren entwickelt.
Ein erstes Verfahren geht von der Erkenntnis aus, daß, wenn das mittlere Hintergrundrauschen gegenüber dem Bogenentladungsrauschen gering ist, die Lücken eine sehr viel niedrigere Amplitude haben als die Variationen im Rauschen während der Bogenentladung. Auf einer linearen Skala können jedoch die Amplituden minimal während der Bogenentladung nur wenige Prozent der Spitzenamplitude betragen. Mit einem einfachen Schwellwertdetektor wäre der optimale Schwellwertpegel in der Größenordnung eines Bruchteils eines Prozents der Spitzenrauschamplitude. Deshalb besteht eine Verbesserung darin, einen Schwellwertdetek tor mit einer nichtlinearen, in etwa logarithmischen Übertragungsfunktion zu verwenden, um die Amplitudenvariationen, die während Bogenentladung auftreten, zu komprimieren und das Lückensignal wirksam zu verstärken.
Fig. 12(a) zeigt ein typisches Bogenentladungsrauschsignal 124 auf einer linearen Skala 125 dargestellt, mit einem einfachen Schwellwertdetektionspegel 126, der genau über dem Hintergrundsrauschpegel in den Lücken, aber unter dem Minima des Bogenentladungsrauschens eingestellt ist. Wie man zwischen den Lücken 123 sehen kann, nähert sich das Bogenentladungsrauschsignal nahe an den Schwellwertpegel 126. Fallen diese zusammen, wird fehlerhafterweise eine Lücke detektiert. Fig. 12(b) zeigt das gleiche Bogenentladungssignal 127 auf einer logarithmischen Skala 128. Wie zu sehen ist, komprimiert die nichtlineare Übertragungscharakteristik die Bogenentladungsrauschvariationen und verlängert die relative Höhe der Lücken, wodurch ein höherer Schwellwert 129 eingestellt werden und ein sauberer, verläßlicherer Schaltübergang erreicht werden kann.
Eine solche nichtlineare Übertragungsfunktion kann direkt durch Verwendung eines logarithmischen Hochfrequenzverstärkers verwirklicht werden. Da die Verstärkungssteuerung bei Verstärkern mit variabler Verstärkung üblicherweise logarithmisch (oder quasi-logarithmisch) ist, ist es jedoch vorteilhaft, diesen Verlauf zu nutzen, um das gleiche Ergebnis zu erhalten. Bei bekannten AGC-Schaltung ist die Zeitkonstante des AGC groß gegen Variationen des Signals, so daß das Signal unverzerrt bleibt, wenn die Verstärkung variiert wird. Reduziert man jedoch die Zeitkonstante des AGC auf die Größenordnung der Signalvariationen selbst, kann das AGC-Ausgangssignal 98 vom AGC-Verstärker 88 (Fig. 9) oder das AGC-Signal 102 vom AGC-Verstärker 100 (Fig. 10) selbst als Eingangssignal für den Schwellwertdetektor verwendet werden. Das AGC-Signal entspricht einem logarithmisch komprimierten Rauschsignal 127, wie es in Fig. 12(b) dargestellt ist. Dies bietet den weiteren Vorteil, daß der gesamte Frequenzgang bequem durch Veränderung der AGC-Zeitkonstante eingestellt werden kann.
In Fig. 12(b) ist ein Komparator für den Schwellwertdetektor (dessen Schaltung noch nachfolgend erläutert werden wird) vorgesehen, um das Bogenentla dungssignal 127 mit einem Schwellwert 129 zu vergleichen und so ein die Lücken 123 wiedergebendes Binärsignal zu erzeugen. Der tatsächliche Signalpegel in diesen Lücken ist jedoch das Hintergrundrauschen, das sich beträchtlich vom dargestellten Pegel unterscheiden kann. Deshalb verwendet eine zweite Verbesserung gegenüber der einfachen statischen Schwellwertdetektion einen dynamischen Schwellwert, der von dem Signal selbst abgeleitet wird. Der optimale Schwellwertpegel liegt genau über dem Hintergrundsignalpegel in den Lücken, und da dieser sich ändern kann, sollte der Schwellwertpegel dementsprechend nachgeführt werden. Dies kann einfach dadurch erreicht werden, indem das Eingangssignal 127 einem konventionellen negativen Spitzenwertdetektor mit schneller Ansprech- und langsamer Abfallzeit eingegeben wird, und indem dessen Ausgang zusammen mit einem festen Offset 131 als dynamischer Schwellwert 130 verwendet wird. Wie bei 132 zu sehen ist, sollte die Ansprechzeit des Spitzenwertdetektors schnell gegenüber der typischen Länge der Lücken 123 sein, wogegen die Abklingzeit 133 sehr viel länger gewählt wird, in der Größenordnung zwischen 1 bis 10 Versorgungsspannungsperioden. Natürlich können auch andere Schaltungen einen dynamischen Schwellwert genau unter den negativen Spitzen (d. h. dem Minima) des Bogenentladungssignals erzeugen und ebenso nutzbringend eingesetzt werden.
In Fig. 13 ist ein allgemeines Blockschaltbild eines Bogenentladungsprozessors dargestellt, der die Schwellwertdetektionsverfahren verwendet. Ein Logikmodul 139 analysiert das Eingangssignal 140 eines Front-end mit variabler Frequenz (wie beispielsweise in den Fig. 9 oder 10), um unter Einsatz eines von mehreren vorbestimmten Algorithmen, insbesondere diejenigen, die im Stammpatent oder in vorherigen Anmeldungen diskutiert werden, zu entscheiden, ob synchrone Lücken vorhanden sind, und um einen oder mehrere Steuerausgänge zu betätigen, wenn sich herausstellt, daß Bogenentladung vorliegt. Beispielsweise kann ein Relais oder ein elektromagnetischer Schaltmechanismus 141 vorgesehen sein, um den Strom zur Last zu unterbrechen und somit den Bogen zu löschen. Eine LED oder eine andere optische Anzeige 142 kann ins Blinken versetzt werden, wenn eine andere Bogenentladung vorhanden ist, diese jedoch nicht dauerhaft genug ist, um den Detek tor anzusprechen, oder um anzuzeigen, daß eine Bogenentladung innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer auftrat, z. B. innerhalb der letzten 24 Stunden und/oder um anzuzeigen, daß die Sicherung wegen einer Bogenentladung ausgelöst wurde. Schließlich kann ein akustischer Melder 143 zusätzlich vorgesehen sein, um einen weiteren Alarm zu erzeugen, wenn eine Bogenentladung detektiert wurde. Ist das Gerät als Sicherung ausgebildet, d. h. bewirkt sie eine Unterbrechung des Stromflusses, kann ein Schalter 144 verwendet werden, um ein brauchbares Mittel für den Benutzer zu bieten, um das Gerät zurückzustellen und/oder die optischen oder akustischen Anzeigen zurückzusetzen.
Das Logikmodul 139 kann bequemerweise ein kostengünstiger Mikroprozessor entweder mit oder ohne on-board-Digitalwandlerfähigkeit sein. Alternativ kann das Logikmodul 139 aus verschiedenen Kombinationen von diskreten Logik- und/oder Analogschaltungen aufgebaut werden. Um die Kosten so gering wie möglich zu halten, vergleicht ein Komparator 145 des Eingangssignal 140 mit einem dynamischen Schwellwert 146, der von einem negativen Spitzenwertdetektor 147 - wie bereits erwähnt - gebildet wird. In diesem Fall wird das Eingangssignal 140 in ein Binärsignal 148 umgewandelt, das das Vorhandensein von Lücken anzeigt. Das Logikmodul 139 untersucht den Zeitablauf und die temporäre Lage der Lücken, um zu entscheiden, ob Muster vorhanden sind, die charakteristisch für Bogenentladung sind, und um zu entscheiden, ob diese Muster lang genug andauern, so daß daraus auf eine möglicherweise gefährliche Bogenentladung geschlossen werden kann. Diese Verwirklichung hat den Vorteil, daß das Logikmodul 139 keine A/D-Wandlungsfähigkeit haben muß und deshalb billiger sein kann. Das Eingangssignal 140 wird vorzugsweise vom Log Signalausgang des Front-end abgegriffen, um die Zahl an falschen Lücken, wie bereits erwähnt, zu minimieren.
Für anspruchsvollere Anwendungen kann man einen Mikroprozessor mit integraler Hochgeschwindigkeits A/D-Wandlungsfähigkeit als Logikmodul 139 einsetzen. In diesem Fall kann das Eingangssignal 140 direkt in eine Analogschaltung 151 am Mikroprozessor 139 eingegeben werden und die Wandlung erfolgt im wesentlichen kontinuierlich. Die Änderung des dynamischen Schwellwertes, die Lüc kenbreite und die Positionsmessungen, die Musterintegration und die Entscheidung, ob eine Bogenentladung vorliegt, werden alle numerisch ausgehend von dem Breitstrom durchgeführt, der das Eingabesignal darstellt. Zusätzlich kann eine synchrone Mittelung, wie sie in Abschnitt 2C nachfolgend diskutiert wird, direkt als Programm verwirklicht werden.
Der Eingang 140 kann linear sein, wie es der Fall ist, wenn ein konventioneller AGC im Front-end verwendet wird, oder logarithmisch, wie nachfolgend in Abschnitt 2B beschrieben werden wird. Wird die lineare Betriebsweise eingesetzt, kann der AGC-Pegel ein zusätzlicher Eingang für einen zweiten A/D-Kanal 152 sein und verwendet werden, um den tatsächlichen Signalpegel mit zuvor aufgezeichneten Hintergrundpegeln zu verknüpfen. Um diesen Vergleich zu bekannten Rauschfrequenzen zu synchronisieren, kann eine "Frequenzsteuer"-Leitung 150 vorgesehen werden, um den Rampensignalgenerator (z. B. 92 der Fig. 10) zurückzusetzen und dadurch den Frequenzdurchlauf mit dem Prozessoralgorithmus zu synchronisieren. Dadurch können Signale mit Frequenzen, von denen man weiß, daß sie mit Radiosendern und ähnlichen frequenzdiskreten Quellen korrespondieren, vom bei der Bogenentladungsprüfung betrachteten Signal ausgeschlossen werden.
Ein Nulldurchgangsdetektor 149 ist ebenfalls optional vorgesehen und kann realisiert werden, wenn der ausgewählte Algorithmus die Synchronisation mit der Versorgungsspannungsfrequenz benötigt, oder wenn man die Überprüfung der Versorgungsspannungsfrequenz möchte. Bei Haushaltsanwendungen in den U. S. A. ist die Versorgungsspannungsfrequenz im allgemeinen stabil genug, so daß eine eigene Zeitbasis, z. B. ein Quarzschwingkreis, verwendet werden kann, um die Synchronizität zu überprüfen. Ist Synchronisation jedoch unnötig, kann es sinnvoll sein, die Versorgungsspannungsfrequenz zu überwachen, um die gleiche Vorrichtung auf für Länder mit variierenden oder unterschiedlichen Versorgungsspannungsfrequenzen einsetzbar zu machen.
Wird ein Mikroprozessor verwendet, um das Logikmodul 139 zu realisieren, kann es sich dabei um einen beliebigen, von vielen allgemein erhältlichen Einchip- Mikroprozessoren mit der üblichen Funktionalität handeln. Für Entwürfe mit exter nen Komparatoren ist das Modell PIC 16C54 von MicroChip Technology gut geeignet. Eine erweiterte Version dieses Bausteins mit vier integrierten Hochgeschwindigkeits-A/D-Kanälen kann in Form des Modells PIC 16C71 zur Verwirklichung der Direktwandelungsentwürfe verwendet werden. Alternativ bietet die 68HC05-Serie von Motorola einen breiten Einsatzbereich, mit oder ohne A/D-Kanäle.

B. Spitzenintegralverfahren

Verwendet man eines der oben erwähnten Schwellwertdetektionsverfahren, prüft der im Mikroprozessor verwirklichte Programmalgorithmus allgemein, ob charakteristische Lücken in jeder Halbperiode der Versorgungsspannungsfrequenz vorliegen, und ob das Bogenentladungsrauschen im wesentlichen immer außerhalb dieser Lücken vorhanden ist. Die Lückenbreite während dauerhafter, gefährlicher Bogenentladungen liegt in der Größe von ¹/&sub4; der Periode oder weniger, oftmals nur wenige Prozent einer Halbperiode. Dabei deuten kurze Lücken auf dauerhafte Bogenentladung hin, da bei schmalen Lücken die Elektronen und Elektroden sich nicht abkühlen können, bevor der Bogen wieder gezündet wird, und deshalb die Wiederzündungsspannung niedrig bleibt. Wird die Lücke breiter, steigt die Wiederzündungsspannung, wodurch der Bogen stärker unterbrochen wird.
Deshalb geht ein zweites Verfahren der nach dieser Erfindung vorgesehenen synchronen Lückendetektion von der Erkenntnis aus, daß das Tastverhältnis des frequenzdurchlaufend detektierten Signals (d. h. der Prozentanteil des Tastzyklus, während dem das Rauschen einen Schwellwert überschreitet) hoch bei gefährlicher Bogenentladung ist, wogegen der Tastzyklus in Perioden mit auch merklichem Hintergrundrauschen niedrig ist. Dieses Merkmal wird für die Unterscheidung ausgewertet, ob Bogenentladung vorliegt. Darüber hinaus geht dieses Verfahren von der Erkenntnis aus, daß mit schmaleren Lücken gefährlichere und dauerhaftere Bogenentladung vorliegt und deshalb die Entscheidung schneller getroffen werden sollte, ob Bogenentladung vorliegt. Das "Spitzenintegral"-Verfahren zur Bogenentladungsdetektion, das hier beschrieben wird, benötigt keinen Mikroprozessor zur Verwirklichung und ist deshalb für einen kostengünstigen, erfindungsgemäßen Detektor sehr geeignet.
Im einzelnen kann man eine Bogenentladung verläßlich dadurch detektieren, indem geprüft wird, ob die Amplitude des Rauschsignals einen Schwellwert während eines Anteils der Versorgungsspannungsperiode überschreitet, der sich hundertprozent nähert, aber diesen nicht erreicht. Anders ausgedrückt, liegt hochfrequentes, breitbandiges Rauschen in der gesamten Versorgungsspannungsperiode vor (d. h. beträgt das Tastverhältnis 100%), rührt dies nicht von Bogenentladung her, da - wie erwähnt - Rauschen aufgrund von Bogenentladungen Lücken aufweist. Deshalb kann die Überwachung des Tastverhältnisses zusammen mit der Anforderung, daß die Amplitude des Rauschens simultan in wesentlicher Synchronität mit dem Leistungswellenzug fällt, einen weiteren Weg darstellen, um Variationen der Rauschamplitude zu detektieren, die auf eine Bogenentladung hinweisen.
In Fig. 15(a) ist der logarithmisch detektierte Ausgang 167 des frequenzdurchlaufenden Detektors unter Bedingungen gezeigt, bei denen keine Bogenentladung vorliegt, bei denen jedoch wesentliches Hintergrundrauschen vorliegt. Die dargestellten Spitzen entsprechen den Zeitpunkten, bei denen das Durchlaßband des frequenzdurchlaufenden Detektors kurzzeitig mit einzelfrequenten Hintergrundsignalen übereinstimmt. Wie man sieht, ist das Tastverhältnis gering, wodurch auch der mittlere Signalpegel 168 niedrig ist.
Fig. 15(b) zeigt den gleichen Ausgang, wenn Bogenentladung vorliegt. Da das detektierte Signal 169 in der gesamten Periode hoch ist, sind sowohl das Tastverhältnis als auch der mittlere Pegel 170 hoch. Im allgemeinen gilt, daß je näher der Mittelwert der positiven Spitze liegt, und je höher das Tastverhältnis ist, - d. h. je mehr hochfrequentes Rauschen auf der Leitung vorhanden ist - desto wahrscheinlicher ist es, daß eine Bogenentladung vorliegt. Deshalb ist es wahrscheinlicher, daß das Rauschen von Hintergrundstörungen herrührt, je dichter der Mittelwert der negativen Spitze liegt.
Ein Blockschaltbild einer Schaltung, die ein "Spitzenintegral"-Verfahren zur Bogenentladungsdetektion verwendet, unterscheidet wirksam zwischen den Mustern der Fig. 15(a) und 15(b); es ist in Fig. 14 dargestellt. Der Logarithmus des detektierten Signals 153, das durch Frequenzdurchlauf erhalten wurde (z. B. der Ausgang der AGC-Schaltung 88 der Fig. 9 oder der Ausgang 102 des AGC-Bauteils der Fig. 10) wird zuerst durch einen Kondensator 154 AC gekoppelt und dann über einen Widerstand 156 zur Gleichspannungserde 155 bezogen. Bekannte Detektoren 157 bzw. 158 zur positiven bzw. negativen Spitzendetektion überwachen die Spitzensignale, die bezogen auf die Bezugserde 155 auftreten. Die Ausgänge der Spitzenwertdetektoren werden zusammen mit einer kleinen positiven Offsetspannung V&sub0; im Addierer 159 addiert und dann einem konventional invertierenden Integrator 160 eingegeben. Dadurch mißt der Integrator 160 den Tastzyklus des Rauschsignals, und im Endeffekt die gesamte Hochfrequenzenergie auf der Leitung. Steigt der Integratorausgang 161 auf eine vorbestimmte Schwelle, spricht der Schwellwertdetektor 163, was das Vorhandensein einer Bogenentladung anzeigt.
Die Funktionsweise der Schaltung ist am besten anhand der Fig. 15(c und d) verständlich. Fig. 15(c) zeigt Signale 172 und 173, die den Ausgängen der Spitzenwertdetektoren 157, 158 als Reaktion auf das in Fig. 15(a) dargestellte Hintergrundrauschen liefern. Die Fig. 15(d) zeigt die Signale, die von den Spitzenwertdetektoren als Reaktion auf bogenentladungsverursachtes Rauschen, wie es in Fig. 15(b) dargestellt ist, liefern.
Die wesentlichen Merkmale der Betriebsweise der Schaltung der Fig. 14 sind folgende. Zuerst wird das detektierte Signal wechselspannungsgekoppelt, um seinen Mittelwert auf eine feste Gleichspannungsreferenz, in diesem Fall Erde, zu beziehen. Dies ist in den Fig. 15(c und d) ersichtlich, bei denen der Mittelwert 171 des detektierten Signals 167 und 169 nun auf Erde ist.
Als zweites werden die Signalabweichung, d. h. die positiven und negativen Spitzen gegenüber Erde mittels bekannter Spitzenwertdetektoren 157 und 158 gemessen, die schnelles Ansprech- und langsames Abklingverhalten haben. Deshalb führt in Fig. 15(c) der Ausgang 172 des positiven Spitzenwertdetektors 157 das Signal 167 schnell nach oben nach (vgl. Fig. 15(a)) und fällt dann langsam ab, bis der nächste Spitzenwert auftritt. Der Ausgang 173 des negativen Spitzenwertdetektors 158 folgt ebenso den negativen Spitzen. Die Abklingzeitkonstanten dieser Spitzenwertdetektoren sollten in der Größenordnung einer oder mehrerer Versorgungsspannungsperioden liegen.
Als drittes werden die Ausgänge der beiden Spitzenwertdetektoren bei 159 addiert und dann einem invertierenden Integrator 160 eingegeben, so daß dessen Ausgang 161 vom Unterschied zwischen dem positiven und negativen Anteilen des gesamten Signals, bezogen auf Erde, abhängt. Das heißt, der Ausgang 161 des invertierenden Integrators 160 verläuft rampenartig nach oben oder nach unten, mit einer Rate, die proportional zur positiven Spitzenfläche ist, d. h. der Fläche zwischen der positiven Spitze und Erde minus der negativen Spitzenfläche, welches die Fläche zwischen der negativen Spitze und Erde ist. Dadurch föllt, wie durch das Signal 172 in Fig. 15(c) dargestellt, der Ausgang des Integrators 160 bei typischen Hintergrundsignalen schnell nach unten. Im Gegensatz dazu geht der Ausgang des Integrators 160 bei Bogenentladungen rampenartig mit einer Rate nach oben, die proportional zur negativen Spitzenfläche minus der positiven Spitzenfläche ist, und die - wie sich aus Signal 175 der Fig. 15(d) ergibt, schnell bei einer Bogenentladung ansteigt.
Liegt kein Eingangssignal vor, ist die Summe unbestimmt, wodurch kleine positive Bias-Spannungen V&sub0;, die bei 162 vorliegen, und mit dem Eingang des Addierers 159 verbunden sind, ein langsames Abfallen des Integratorausgangs 169 auf den maximal negativen Wert bewirken. V&sub0; sollte in der Größenordnung von 1/10 der maximalen positiven Spitzendetektorspannung liegen.
Diese einfache, kontinuierliche, analoge Schaltung hat die folgenden vorteilhaften Bogenentladungsdetektionsmerkmale. Erstens müssen negative Peaks, also Lücken im Rauschen, regelmäßig auftreten, damit der Ausgang des Integrators 160 steigt. Treten negative Peaks nicht oft genug auf (erreicht das Tastverhältnis also 100%), fällt der Ausgang des negativen Spitzendetektors 158 auf Erde ab, wodurch die negative Spitzenfläche und damit die Ansteigrate des Integrators fällt. Treten negative Spitzen zu oft auf (z. B. durch Ausfälle o. ä., die sich von Lücken unterscheiden), wird der Mittelwert abgesenkt, was die positive Peakfläche erhöht, wo durch die negative Peakfläche und damit die Anstiegsrate reduziert oder umgekehrt wird. Eine gefährliche Bogenentladung erzeugt dauerhafte Spitzen und die Spitzenintegralschaltung der Fig. 14 wird eine Bogenentladung verläßlich detektieren. Zweitens wird der Integratorausgang am schnellsten bei schmalen Lücken ansteigen. Da schmale Lücken am verläßlichsten auf dauerhafte Bogenentladung hinweisen, ist diese Reaktion sinnvoll. Wächst die Lückenbreite, steigt der Integratorausgang 161 weiter an, jedoch mit einer abnehmend langsameren Rate, bis das Lückentastverhältnis 50% (1/4 der Versorgungsspannungsperiode) wird, von wo er wieder nach unten anfängt. Da größere Lücken auf eine sporadischere Bogenentladung hinweisen, ist dies mit den Anforderungen einer verläßlichen Bogenentladungsdetektion in Übereinstimmung. Drittens ist mit höheren Amplituden der positiven Spitzen ein deutlicherer Hinweis gegeben, daß das Signal Hintergrundrauschen ist, und der Integratorausgang fällt demzufolge schneller ab. Viertens und letztens steigt oder fällt der Integrator mit einer Rate, die proportional zur Amplitude des Eingangssignals ist. Deshalb ist die Reaktion umso schneller, je deutlicher das Bogenentlastungsmuster ist.
In Fig. 14 dient das Logikmodul 165 dazu, einen oder mehrere Ausgänge 141 bis 144 zu betätigen, wenn festgestellt wurde, daß eine Bogenentladung vorliegt. In der einfachsten Verwirklichung wird diese Entscheidung getroffen, wenn der Eingang 164 des Schwellwertdetektors 163 aktiv ist. In diesem Fall kann das Logikmodul 165 aus einer einfachen billigen Schaltung bestehen, die die notwendige Funktionalität hat. Natürlich ist in dieser Implementation kein Mikroprozessor erforderlich, um eine sehr zuverlässige Bogenentladungsdetektion durchzuführen, so daß man einen sehr kostengünstigen, hochzuverlässigen Bogenentladunsdetektor erhält. Das Logikmodul 165 kann aus einem Mikroprozessor bestehen, um weitere Überprüfungen, ausgehend von der Zeitdauer oder Wiederholung der Bogenentladungsereignisse, zu ermöglichen, oder um eine ausgefeilte Reaktion auf das Vorhandensein von Bogenentladung zu erreichen. Für anspruchsvollere Anwendungen kann ein Mikroprozessor mit einem internen A/D-Wandler den Ausgang des Integrators direkt durch einen internen A/D-Kanal überwachen, so daß Programme Schwellwert- und Reaktionsalgorithmen verwirklichen können.
Die Spitzenintegrallückendetektion ist sehr tolerant auf Variationen von Periode zu Periode und liefert eine außergewöhnliche Detektionsleistung, auch bei hohen Hintergrundstörungen. Obwohl das Spitzenintegrallückendetektionsverfahren nicht fordert, daß die Lücken streng synchron zur Versorgungsspannung sein müssen, erfordert es jedoch, daß schmale Lücken im wesentlichen regelmäßig auftreten, in der Größenordnung von einer Lücke pro Halbperiode. Obwohl die Spitzenintegraldetektion eine Bogenentladung nicht durch Überwachen des Rauschsignals hinsichtlich Lücken, die synchron zum Leistungswellenzug für sich alleine sind, feststellt, zeigt realiter diese Schaltung eine Bogenentladung nur dann an, wenn Lücken auftreten. Ist das Tastverhältnis des hochfrequenten Rauschens nahe 100%, rührt das Rauschen von einer anderen Quelle als von der Bogenentladung her, z. B. von Bürsten eines Motors o. ä., oder anders ausgedrückt, obwohl die Spitzenintegralüberwachung eine Überwachung des Rauschmusters hinsichtlich Amplitudenvariationen darstellt, die im wesentlichen synchron zum Leistungswellenzug sind, detektiert die Spitzenintegralüberwachung nicht die Synchronität an sich. Um Spitzenintegralverfahren so anzupassen, daß sie nur auf synchrone Muster reagieren, wie es für anspruchsvollere Anwendungen erforderlich sein kann, kann eine synchrone Mittelungsstufe (wie sie nachfolgend in Abschnitt 2C erläutert werden wird) zusätzlich vor der Spitzenintegraldetektion vorgesehen werden. In diesem Fall enthielte der Eingang des Spitzenintegraldetektors nur synchrone Bestandteile, so daß eine Bogenentladungsdetektion die Synchronizität der Lücken im Rauschen mit dem Wellenzug erforderte.

C. Synchrone Mittelung

Wie bereits erwähnt und anhand der Fig. 5(a) diskutiert, zeigt durch Bogenentladung erzeugtes hochfrequentes Rauschen kurzzeitige statistische Fluktuationen, üblicherweise mehrere Ausfälle von einer Periode zur anderen. Mit dem Schwellwertdetektionsverfahren treten diese Ausfälle als zusätzliche "falsche" Lücken auf, was die Detektion synchroner Lücken schwieriger macht. Da diese Ausfälle jedoch sowohl hinsichtlich Lage als auch Dauer statistisch sind, sind sie nicht synchron zum Leistungswellenzug, wodurch sie leicht ausgeschieden werden können, indem eine synchrone Mittelungsstufe vor der Schwellwertdetektion eingeschoben wird. Wie bereits anhand der Fig. 8 erläutert, dient in der Frequenzdarstellung gesehen, die synchrone Mittelung als Optimalfilter, das nur synchrone Komponenten im Wellenzug durchläßt. Deshalb läßt eine synchrone Mittelungsstufe vor einem spitzenintegralen Detektor nur die Bestandteile durch, die genau synchron mit der Versorgungsspannungsfrequenz sind, wodurch die Selektivität dieses Detektionsverfahrens erhöht wird. Alternativ kann eine synchrone Mittelungsstufe vor einem Schwellwertdetektor die Variationen von einer Periode zur nächsten reduzieren, wodurch eine temporäre Schwellwertdetektion der Lücken verläßlicher wird.
"Synchrone Mittelung" (wie sie hier verstanden wird) betrifft die Mittelung mehrerer sequentieller analoger Proben des detektierten Signals, die in gleichen Intervallen einer Versorgungsspannungsperiode genommen werden, wobei zusammengehörige Proben, die dem gleichen relativen Intervall nachfolgender Versorgungsspannungsperioden entstammen, zusammengenommen werden. Dadurch erzeugen nur diejenigen Merkmale, die dauerhaft von einer Versorgungsspannungsperiode zur nächsten vorhanden sind, eine merkliche Wirkung auf die zugehörigen Teile des gemittelten Signals. Im Gegensatz dazu haben Ausfälle, die sporadisch in einer der Proben auftreten, nur eine kleine Auswirkung.
Anders ausgedrückt, verstärkt die synchrone Mittelung die Rauschmuster auf der Versorgungsleitung, die synchron zur Versorgungsspannungsfrequenz sind, unabhängig von dem Phasenverhältnis, beispielsweise zum Nulldurchgang von Strom- oder Spannungswellenzug, und erzeugt ein "reines" Bogenrauschsignal, unabhängig von zufälligen, bei einzelnen Zyklen auftretenden Ausfällen und Abweichungen der Lückendauer. Dadurch kann, wenn bogenentladungsinduziertes Rauschen vorliegt, der zugrundeliegende Wellenzug wirksam verstärkt werden, wohingegen Hintergrundrauschen aus Radioeinstreuungen o. ä., das nicht synchron zum Leistungswellenzug ist, abgeschwächt wird, sowie Ausfälle und statistische Eigenarten in einer gegebenen Periode ausgemittelt werden. Dies hat die Wirkung, daß das Signal/Rauschverhältnis des bogenentladungsverursachten Rauschwellenzuges gegenüber dem Rauschen anderer Quellen verbessert wird.
Die Vorteile der synchronen Mittelung sind graphisch in Fig. 12(c) dargestellt, in der das synchron gemittelte Signal in verschiedenen Stufen seiner Entwicklung dargestellt ist, d. h. es ist über die anwachsende Anzahl der Versorgungsspannungszyklen aufgetragen. Die Spur 138 ist typisch für das gemittelte Hintergrundsignal, wenn festgestellt wird, daß es sich nicht um Bogenentladung handelt, wogegen die Spur 134, 135 und 136 aufeinander synchron gemittelte Signale (d. h. Signale, die über eine zunehmend große Zahl aufeinanderfolgender Versorgungsspannungsperioden gemittelt wird) zeigen, nachdem eine Bogenentladung begann. Liegt keine Bogenentladung vor, ist auch bei einzelfrequenten Hintergrundsignalen das Signal des frequenzdurchlaufenden Detektors nur aus asynchronen Amplitudenvariationen, wodurch der Ausgang 138 auf einem niedrigen Pegel verbleibt. Nachdem die Bogenentladung beginnt, ist Bogenentladungsrauschen in der gesamten Versorgungsspannungsperiode vorhanden, bis auf die drei synchronen Lücken 137, so daß das synchron gemittelte Signal 134 gegenüber dem Hintergrundrauschen in den Lücken 137 zu wachsen beginnt. Hält die Bogenentladung an, wächst das synchron gemittelte Signal weiter außerhalb der Lücken an, wie bei 135 zu sehen ist, bis es einen stabilen Pegel 136 erreicht, in dem die Lücken klar gebildet sind. Ein solches Signal kann einfach analysiert werden, z. B. mittels des Logikmoduls 139 (Fig. 13) oder 165 (Fig. 17), das fest verdrahtete Logikelemente, einen Mikroprozessor oder eine Kombination daraus aufweisen kann.
Wie der Vergleich des synchron gemittelten Ausgangssignals 136 und des typischen Eingangssignals (z. B. Fig. 5(a)) zeigt, ist das erstere stabil und zeigt keine Ausfälle und lückenbreiten Fluktuationen, die in letzterem auftreten. Insbesondere die Lücken 137 im synchrongemittelten Signal 136 sind das Ergebnis der Mittelung des Rauschsignals der Fig. 5 über viele aufeinanderfolgende Zyklen, und kann deshalb verläßlicher detektiert werden. Die synchrone Mittelung verbessert ebenso das Signal/Rauschverhältnis anderer synchroner Variationsmuster der Rauschamplitude, wie beispielsweise die "Sattel-" oder "Krawattenknoten"-Muster, die anhand der Fig. 2(d) und 3(d) diskutiert wurden. Durch Überprüfung des synchronen Mittelwerts anstelle der Radiofrequenz-Einhüllenden selbst auf das Vorhandensein synchroner Lücken oder anderer Variationsmuster in der Rauschamplitude kann eine Detektion von Bogenentladungsmustern abhängig vom vorliegenden Mittelwertmuster gemacht werden und tolerant auf einzelne Variationen zwischen den Perioden ausgebildet werden. Darüber hinaus ist die Amplitude des synchronen Mittelwerts proportional zur Dauer der Bogenentladung und damit zu der dadurch abgegebenen Energie und somit zu der vom Bogen dadurch verursachten Brandgefahr. Darüber hinaus ist - wie erwähnt - die Koppelung von synchroner Mittelung mit temporärer Musterdetektion eine wirksame Anpassung an die spektrale Eigenschaft des bogenentladungsverursachten Rauschens.
Die Rate, mit der der synchron gemittelte Wellenzug anwächst, hängt von der Anzahl an Versorgungsspannungsperioden ab, über die die Probe gemittelt wird, also von der Mittelungszeitkonstante t. Die Auflösung des Ausgangssignals 136 hängt von der Zeitdauer jeder Probe ab, die kurz gegenüber einer typischen Lückendauer sein sollte, Eine Mittelungszeitkonstante in der Größenordnung von 1 sec und eine Probenbreite von 32 Microsekunden (510 Proben pro Zyklus) ergab sich als ausreichend für Haushaltsanwendung.
Wie erwähnt, ist das synchron gemittelte Signal eine Gruppe von Mittelungen aus N abfolgenden Proben für jede Periode der Versorgungsspannung. Es ist vorteilhaft, diese Gruppe über die volle Versorgungsspannungsperiode zu wählen, anstelle über die Halbperiode, da die Bogenentladungsmuster aufgrund von Gleichrichtungen symmetrisch sein kann. Man muß die Phase der Bogengruppe nicht zur Versorgungsspannung anpassen, sondern nur sicherstellen, daß die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Phasengruppen der Periode der Versorgungsspannung gleicht. Um eine synchrone Mittelung zu verwirklichen, muß das System in der Lage sein, mindestens N Mittelungen zu speichern, was entweder als analoge oder als digitale Speicherung erfolgen kann.
Ein brauchbares Mittel zum Durchführen der synchronen Mittelung ist der Einsatz eines Mikroprozessors mit integraler A/D-Wandlungsfähigkeit, das Nehmen von N aufeinanderfolgenden analogen Proben xk pro Periode der Versorgungsspannung und die Berechnung des exponentiell laufenden Mittelwertes yk aufeinanderfolgender Proben nach der unten aufgeführten Gleichung. Der Mittelwert yk für das k-te Zeitfenster ist:
wobei
k = Nummer des aktuellen Zeitfensters
yk = aktueller Mittelwert des Rauschens im Zeitfenster k
yk-1 = vorheriger Mittelwert des Rauschens im Zeitfenster k
xk = aktuell eingehende Probenamplitude
π = Zeitkonstante (in Sekunden)
dt - Zeitdifferenz zwischen den zugehörigen Proben, also die Länge der Periode der Versorgungsspannung (in Sekunden).
Für die Bogenentladungsdetektion in Haushalten kann man N zu 512 und die Zeitkonstante τ zwischen 0,016 und 1 Sekunde wählen, je nach Dauer der Bogenentladung, die notwendig ist, bevor die Schaltung anspricht. Bei 512 Proben pro Periode der Versorgungsspannung (1/60 Hz = 16,67 ms) wäre jede Probe 16,67 ms/412 = 32,6 Mikrosekunden lang. Wie aus der Gleichung ersichtlich ist, "zieht" jede neue Probe den Wert im synchronen Zeitfenster nach oben oder nach unten, wodurch ein abgetasteter Ausgangswellenzug erzeugt wird, bei dem jede Abtastung den Mittelwert für dieses Zeitfenster über viele Perioden der Versorgungsspannung wiedergibt.
Wie bereits erwähnt, kann ein Mikroprozessor auch die synchrone Mittelung vornehmen, wenn er zur Analyse des temporären Rauschmusters vorgesehen ist.
Ein anderes Verfahren zur Verwirklichung der synchronen Mittelung verwendet einen seriellen Analogspeicher, z. B. ein sogenanntes "bucket brigade device" (BBD), um N-Mittelwerte zu speichern und wird mit einem gewichteten Addierer kombiniert, um daraus jeden Mittelwert zu berechnen. In dieser Ausführungsform kann der seriell-analog Speicher ein beliebiges ladungsgekoppeltes analoges Schieberegister sein, das so ausgebildet ist, daß es jeden neuen Wert wiederum speichert und den gespeicherten Wert in Abfolge ohne die C-Offset ausgibt, so daß man eine direkte Rückkopplung zur Verwirklichung rekursiver Algorithmen hat. Um die synchrone Mittelung zu verwirklichen, wird das detektierte Signal, das vom Frontend ausgegeben wird, abgetastet, gewichtet und mit der gewichteten Probe aus der vorherigen Periode aus der Versorgungsspannung aufaddiert (z. B. mit dem Ausgang des BBD), um obige Gleichung zu erfüllen. Da dt und τ festliegen, sind die Wichtungen konstant, wodurch die Verwirklichung durch einen einfachen analogen Addierer erfolgt. Ist beispielsweise die Zeitkonstante τ auf 0,25 Sekunden und dt gleich der Zeit zwischen den Proben, z. B. 16,67 ms gewählt, nimmt e-dt/τ den Wert von 0,935 und (1 - e-dt/τ) den Wert von 0,065 an. Deshalb wird jede neue Eingabe für den BBD die Summe von 0,935 mal des vorherigen Mittelwertes (der dann als Ausgang einer üblichen BBD-Schaltung anliegt) plus 0,065 mal dem neuen Wert genommen. Der gemittelte Wert wird dadurch automatisch skaliert auf einer Skala zwischen Eins und Null. Eine solche Skalierung ist in jeder Ausführungsform der synchronen Mittelung wünschenswert. Ein Vorteil dieses Ansatzes liegt darin, daß die synchrone Mittelung ohne einen Mikroprozessor verwirklicht werden kann, und somit zu einer kostengünstigen Anwendung taugt, bei der der gesamte Detektor in eine oder zwei maßgeschneiderte integrierte Schaltungen integriert ist. Eine solche Verwirklichung liegt im Bereich der Erfindung.
Die Analyse des synchron gemittelten Wellenzuges zur Detektion, ob Bogenentladung vorliegt, kann - wie oben erwähnt und im einzelnen im Stammpatent und den vorhergigen Anmeldungungen diskutiert - durchgeführt werden, also durch Untersuchung des Wellenzuges hinsichtlich des Vorhandenseins von Variations mustern in der Rauschamplitude, z. B. Lücken oder Krawattenknoten oder Sattelmuster.

3. Bogenentladungsfehler-Trennschalter

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß der Bogenentladungsdetektor als Steckdose mit eingebauter Schaltungstrennfähigkeit ausgebildet ist; dies ist detailliert in Fig. 16 dargestellt, die die Schaltung zeigt, sowie in Fig. 17(a) und 17(b) je eine mögliche Gehäuseausbildung zeigen. In dieser Ausführungsform wird kein Mikroprozessor benötigt. Die gesamte Bogenentladungsdetektionfähigkeit ist in einer einzigen, kostengünstig integrierten Schaltung vorgesehen. Die vielfältigen Möglichkeiten innerhalb des Bereiches der oben erläuterten Erfindung liegen in dieser Ausführungsform darin, daß der Versorgungsstrom abgefühlt wird. Ein frequenzvariabler Detektor wird mittels eines resonanten Übertragers realisiert. Die Bogenentladungsmusterdetektion wird mit der Spitzenintegralmethode, die oben in Abschnitt 2B erläutert wurde, verwirklicht. Eine Selbsttastschaltung ist zur Überprüfung der Funktion eingebaut.
Fig. 16 einen differentialgespeisten Stromübertrager 176 (dabei kann es sich bei dem in Fig. 11(c) dargestellten Übertrager handeln), der Differentialmodesignale, die von Bogenentladung herrühren, abfühlt, und Common-mode-Signale abschwächt, wie sie durch Einkopplung aus parallel verlaufenden Verkabelungen oder zum Empfang von Radiosendern eingebracht werden können. Ein optionaler Vorschaltkondensator 177, der vorgeschaltet ist, dient dazu, einen Ringimpedanzpfad für die hochfrequenten Bogenentladungssignale zu schaffen, um den Strom durch den Übertrager und die davor entstehenden Vorschaltsignale zu maximieren. Dieser Kondensator 177 sollte im Bereich zwischen 0,001 bis 0,05 Microfarad liegen und hat vorzugsweise Durchschleifbauart, um Zuleitungsinduktivitäten zu minimieren.
Der Übertrager 176 ist vorzugsweise auf einen Pulvereisentoroidkern gewickelt, beispielsweise den T50-17-Kern von Micrometal, um eine Sättigung durch 60 Hz Lastströme zu verhindern. Die Gesamtinduktivität des zweiten 178 sollte etwa 1,4 Microhenry betragen und kann erhalten werden, indem 24 gleichmäßig beab standete Wicklungen eines 24er-Maß filmisolierten Magnetdrahtes vorgesehen werden. Diese zweite Induktivität 178 steht in der Resonanz mit einer Motorola MVAM108 Abstimmdiode 179, so daß ein Verstellbereich von ungefähr 5 bis 30 MHz entsteht. Ein bekannter Durchlaufgenerator 180 erzeugt eine Sägezahnschwingung mit einer Periode von 11 Millisekunden bei einem Spannungsverstellbereich von 0,5 bis 11 Volt, um die Resonzfrequenz zu verstellen. Ein Isolationswiderstand 181 beträgt ungefähr 220 kΩ und dient zur Isolation des Durchlaufgenerators 180 vom Schwingkreis. Der Ausgang des Übertragers 176 wird von einem Abgriff 182 nach sieben Wicklungen von der Erde entfernt abgegriffen und einem Radiofrequenzverstärker 183 durch Abblockkondensatoren 184 und 185 zugeführt. Ein Differentialverstärker mit variabler Verstärkung vom Typ Motorola MC1350 kann als Radiofrequenzverstärker 183 verwendet werden, er liefert eine Verstärkung bis zu 60 dB. Die Detektion wird durch einen konventionellen, amplitudenmodulierten Detektor 186 durchgeführt. Das detektierte Radiofrequenzsignal wird am Punkt 187 einer konventionellen AGC-Schaltung 188, die die Verstärkung des Verstärkers 183 steuert, um die mittlere Signalamplitude am Ausgang 187 konstant zu halten. Wie bereits erwähnt, wird die AGC-Zeitkonstante kurz gewählt, in der Größenordnung von 50 us oder weniger, so daß in etwa ein logarithmisches AGC-Ausgangssignal bei 189 erzeugt wird, welches den Logarithmus des detektierten Signals wiedergibt.
Das logarithmierte, detektierte Signal 189 wird dann durch einen Kondensator 190 AC gekoppelt und über den Widerstand 191 auf Erde bezogen. Der Kondensator 190 und der Widerstand 191 dienen bei einer Zeitkonstanten von ungefähr 0,1 Sekunden dazu, den Mittelwert der detektierten Radiofrequenzeinhüllenden auf Erde zu ziehen. Um das Spitenintegralverfahren zur erfindungsgemäßen Bogenentladungsdetektion zu verwirklichen, ist ein konventioneller positiver Spitzenwertdetektor 192 und ein konventioneller negativer Spitzenwertdetektor 193 vorgesehen, die die Spitzensignalabweichungen, bezogen auf Erde, überwachen. Diese Spitzenwertdetektoren sollten so ausgelegt sein, daß sie eine schnelle Ansprechzeit (< 10us) und eine langsame Abklingzeit (ca. 22 ms) haben, so daß sie der Radiofrequenzeinhüllenden, wie in den Fig. 15(c und d) dargestellt ist, folgen. Die Ausgänge dieser beiden Spitzenwertdetektoren werden dann im Addierer 195 aufaddiert und die Summe einem invertierenden Integrator 196 eingespeist. Die Integratorzeitkonstante sollte etwa 10 ms für jeden der beiden Spitzenwertdetektoren betragen. Dadurch steigt der Integrator 196 nach oben, wenn die negativen Spitzen stark sind, was der Fall ist, wenn ein Bogenentladungswellenzug vorhanden ist, jedoch abnimmt, wenn die positiven Spitzen stark sind. Ein dritter Eingang 194 einer positiven V&sub0; (ungefähr 1/10 des maximalen positiven Spitzendetektorausgangs) an einen Addierer 195 dient als eine Vorspannung für den Detektor 196, um sicherzustellen, daß der Ausgang bei keinem oder geringem Signaleingang niedrig bleibt.
Steigt der Ausgang 198 des Integrators über einen vorbestimmten Schwellwert, erzeugt der Schwellwertdetektor 197 eine logische Zustandsänderung am Ausgang 199, durch die das Logikmodul 203 als Bogenentladungsanzeige 204 einschaltet. Ein zweiter Integrator 200 mit einer Zeitkonstanten in der Größenordnung von 1 Sekunde dient dazu, um zu überprüfen, ob die Bogenentladung lang genug andauert, so daß sie eine Gefahr darstellt. Überschreitet der Ausgang des Integrators 200 den Schwellwert, der vom zweiten Schwellwertdetektor 201 eingestellt wurde, aktiviert das Logikmodul 203 einen Ansprechelektromagneten 205, der den Strom sowohl zur Last als auch zur Detektionsschaltung unterbricht. Eine manuelle Rückstelltaste 206 dient dazu, den Ansprechmechanismus und die Detektionsschaltung rückzustellen.
Das Logikmodul 203 kann eine einfache Gate-Logik oder eine diskrete Logikanordnung sein, die notwendige Funktionalität hat. Alternativ kann das Logikmodul 203 aus einem kostengünstigen Mikroprozessor bestehen, der weitere Überprüfungen, ausgehend von der Dauer oder Wiederholung der Bogenentladungsereignisse ermöglicht, oder eine ausgefeiltere Reaktion beim Vorhandensein von Bogenentladung leistet. Eine weitere Alternative ist die Verwendung eines Mikroprozessors mit interner A/D-Wandlungsfähigkeit, um einige oder alle der gerade beschriebenen Funktionen der Analogschaltung als Programm zu realisieren.
Eine Energieversorgung 207 wandelt die Versorgungsspannung in eine niedrige Gleichspannung um, um die Detektionsschaltung zu betreiben. Die Energiever sorgung hat einen bipolaren Ausgang, um zur grundbezogenen Interpretation der Analogsignalverarbeitungsstufen zu passen. Es ist jedoch wirtschaftlicher, eine unipolare Versorgung zu verwenden, und für die Signalpfade eine virtuelle Erde zu verwenden.
Eine Selbsttestfähigkeit, durch die das Gerät vom Verbraucher getestet werden kann, um seine Funktionsweise sicherzustellen, ist vorteilhaft. In der Ausführungsform der Fig. 16 ist eine Selbstüberprüfung dadurch erreicht, indem ein simuliertes Bogenentladungssignal eingespeist wird, das von einem Bogenentladungssynthesizer 208 durch eine zusätzliche Wicklung im Stromübertrager erzeugt wird, nachdem der Verbraucher einen Prüfschalter 209 betätigte. Dadurch kann der Übertrager, die Detektionsschaltung und der physikalische Ansprechmechanismus getestet werden. Der Bogenentladungssynthesizer 208 wird nachfolgend in Abschnitt 5 beschrieben.
Die Fig. 17(a) und 17(b) zeigen Seiten- und Frontalansichten eines geeigneten Gehäuses für den Bogenentladungsfehler-Trennschalter der Fig. 16 in einer Doppelsteckdose, das gegenwärtig verfügbare Erdschlußtrennschaltern entspricht. Ein gegossenes Plastikgehäuse 210 beinhaltet die gesamte Anordnung. Schraubanschlüsse 211 und 212 schaffen zusammen mit zwei ähnlichen Anschlüssen auf der anderen Seite und einem (nicht dargestellten) Erdanschluß die Verbindung zur Versorgungsleitung, der Last und Erdanschlüssen. Eine Metallplatte 213 umgibt das Gehäuse 210, so daß es in normalen Steckdosen befestigt werden kann. Zwei Anschlüsse 218 dienen zum Anschluß der Last. Ein Testschalter 214 (der dem Schalter 209 der Fig. 16 entspricht) erzeugt ein simuliertes Bogenentladungssignal zum Überprüfen des Gerätes. Funktioniert es, spricht das Gerät an und muß manuell mittels des Rückstellschalters 216 zurückgestellt werden (der dem Schalter 206 der Fig. 16 entspricht). Eine LED 217 zeigt, daß gerade eine Kontaktbogenentladung vorliegt.
Die Schaltung der Fig. 16 sowie Abwandlungen davon können in verschiedenen anderen Gehäusen untergebracht werden, insbesondere einem üblichen Sicherungsgehäuse, oder einer Art modulares Gehäuse, das für Gleichspannungsenergie versorgungen verwendet wird und auf integralen Einsteckkontaktfederzungen liegt. Alternativ kann die Schaltung direkt in dem Gerät eingebaut werden, das vor Bogenentladungen geschützt werden muß.

4. Überwachungseinheit für ein Haus

Eine zweite bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Bogenentladungsdetektor, der als Überwachungseinheit für einen gesamten Haushalt ausgebildet ist, um die Endverbraucher vor dem Vorhandensein gefährlicher Bogenentladung im Haus zu warnen. In dieser Ausführungsform wird die Versorgungsspannung am oder nahe dem Lastzentrum abgefühlt. Ein heterodyner Bogenentladungsdetektor wird mittels verfügbarer Radiobauteile verwirklicht. Die Verstellspannungserzeugung, A/D-Wandelung, synchrone Mittelung und Lückenmessung werden von einem Mikroprozessor durchgeführt. Eine der im Stammpatent oder den ebenfalls anhängigen Anmeldungen zur Analyse des Rauschsignals hinsichtlich des Vorhandenseins synchroner Abweichungen der Amplitude, die eine Bogenentladung anzeigen, beschriebenen Techniken kann verwendet werden.
In Fig. 18 ist die Versorgungsspannung über einen Radiofrequenzkopplungsumwandler 219 und ein Isolationskondensator 220 einem abgestimmten Radiofrequenzverstärker 218 eingekoppelt. In dieser Ausführungsform beträgt der Frequenzbereich 10 bis 50 MHz und der Eingang ist impedanzangepaßt an das Lastzentrum, um die hochfrequenten Spannungssignale zu überwachen, die auf in das Lastzentrum versorgenden Leitungen vorhanden sind. Die Standard-Romex-Verkabelung, wie sie üblicherweise in Häusern verwendet wird, dient als Übertragungsleitung bei hohen Frequenzen und erscheint bei geeignetem Abschluß als Breitbandwiderstandslast. Bei einem typischen Haushalt sind jedoch Abschlüsse und Leitungslängen der einzelnen Verkabelungen unbekannt und stark veränderlich, was zu unvorhersehbaren destruktiven und konstruktiven Interferenzen führt, wenn sich die Frequenz verändert. Deshalb ist die hochfrequente Impedanz an jedem Punkt eines einzelnen Versorgungszweiges unvorhersehbar und schwer anzupassen, z. B. um eine gute Signalübertragung zu erreichen. Dies begrenzt die Wirksamkeit der spannungsabfühlenden Detektoren für den Hauseinsatz.
Das Lastzentrum zeigt jedoch als Zentrum eines Sternnetzes von etwa 20 bis 30 Übertragungskabeln eine niedrige Impedanz in der Größenordnung von 10 bis 30Ω im Meßband. Obwohl einzelne Anteile eines hochfrequenten Signals, das am Lastzentrum über eine Verkabelungsleitung ankommen kann, zurückreflektiert werden können, wird das verbleibende Signal von den anderen Leitungen entsprechend der Impedanz jeder Leitung aufgenommen, die am Netzzentrum ankommen. Da eine große Anzahl von im wesentlichen zufälligen Resonanzen einmal auftreten, kann eine wesentliche Leistung durch das Lastzentrum übertragen werden, wodurch eine geeignete Aufnahme am Lastzentrum zur effektiven Überwachung des gesamten Hauses über einen breiten Frequenzbereich möglich ist. Deshalb sind zur maximalen Signalübertragung der Verstärker 218, der Kopplungstransformer 219 und der Isolationskondensator 220 so ausgebildet, daß sie eine Eingangsimpedanz von ungefähr 10 bis 30Ω im Detektionsbereich von 10 bis 50 MHz bilden.
Der Ausgang des abgestimmten Radiofrequenzverstärkers 218 wird mit einem örtlichen Schwingkreissignal aus einer Quelle 219 in einen Mischer 220 zu einer Soll-IF-Frequenz von 455 KHz gemischt. Der Ausgang des Mischers 220 wird mit einem standardabgestimmten IF-Verstärker 221 verstärkt und dann einem einfachen amplitudenmodulierten Detektor 222 eingespeist, um die Einhüllende des Radiofrequenzeinganges am Punkt 223 zu erhalten. Eine AGC Stufe 224 steuert die Verstärkung des Radiofrequenzverstärkers 218, den Mischer 220 und den IF-Verstärker 221 durch eine Steuerleitung 225 in bekannter Weise, um ein Abschneiden zu vermeiden und das Signal/Rausch-Verhältnis zu optimieren.
Ein Digital/Analog-Wandler 226, der vom Mikroprozessor durch Steuerleitungen 227 gesteuert wird, erzeugt ein Steuersignal auf der Leitung 228, das zur Abstimmung sowohl des Eingangsradiofrequenzverstärkers 218 als auch des lokalen Schwingkreises 219 verwendet wird. Beide verwenden eine hyperabrupte Varactor- Diode, beispielsweise MVAM108 von Motorola, um eine spannungsgesteuerte Abstimmung auf bekannte Weise zu bewirken.
Ein Widerstand 229 mit hohem Widerstandswert in der Größenordnung von 5 bis 10 MΩ isoliert einen bekannten Nulldurchgangsdetektor 230 von der Versorgungsleitung, und leitet nur einen kleinen Teil des 60 Hz Stroms an den Detektor 230, der entsprechende Synchronisationspulse für den Mikroprozessor 231 erzeugt. Eine Energieversorgung 232 wird direkt von der Leitung versorgt, und erzeugt eine niedrige Gleichspannung für Detektionsschaltungen.
Der Mikroprozessor 231 weist zwei Hochgeschwindigkeitsanalogeingänge auf, die bei 223 und 232 dargestellt sind, sowie mehrere Binärein- und -ausgänge. Eine große Vielzahl von Ein-Chip-Mikroprozessoren kann verwendet werden, mit oder ohne zusätzliche Hardware, um diese Anforderungen zu erfüllen, beispielsweise die PIC16C74-Serie von Microchip oder die 68HC05-Serie von Motorola, jeweils Ein-Chip-Prozessoren. Anzeige- und Steuerfunktionen umfassen eine rote Statusanzeige 234, eine gelbe Statusanzeige 235, eine grüne Statusanzeige 236, eine Bogenentladungsanzeige 237 und einen akustischen Melder 239, der über eine Leitung 238 angesteuert wird, sowie einen Schalter 241 für Benutzereingaben, der mit dem Mikroprozessor 231 über eine Leitung 240 verbunden ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform führt der Mikroprozessor 231 einen Kalibrationsschritt in periodischen Zeitabständen durch. In diesem Schritt werden einzelne Frequenzteilbänder oder Kanäle identifiziert, in denen einfrequente Signale, wie Radiosendersignale, vorhanden sind. In darauffolgenden Bogenentladungsüberwachungsvorgängen werden diese identifizierten Teilbänder ausgelassen. Dieser "Frequenzauslöschungs"-Schritt kann dadurch verwirklicht werden, indem der Mikroprozessor so programmiert wird, daß er den vom lokalen Schwingkreis 217, welcher den Mischer 220 speist, nacheinander auf jede einer Vielzahl verschiedener Frequenzen im Detektionsbereich einstellt, d. h. auf die Zentren der Teilbänder, in die der gesamte Frequenzbereich unterteilt ist. Der Mikroprozessor 231 tut dies, indem er das Steuersignal für den D/A-Wandler 226 erhöht, wodurch sich die Steuerspannung für den lokalen Schwingkreis 219 ebenfalls erhöht. Verwendet man einen 8-Bit D/A-Wandler 226, kann so nacheinander die Signalamplitude in jedem der 256 Teilbänder detektiert werden. Auf diese Art und Weise wird das ge samte Frequenzband in jedem Kalibrationsschritt mehrfach untersucht, z. B. über die Zeitdauer mehrerer aufeinanderfolgender Versorgungsspannungsperioden. Detektiert man bei jeder Untersuchung merkliche Hintergrundsignale in den gleichen Teilbändern, zeigt dies das Vorliegen einfrequenter, schmalbandiger Signale, beispielsweise Signale von Radiosendern o. ä. an und der Mikroprozessor zeichnet diese Kanäle auf. Bei darauffolgenden Bogenentladungsüberwachungsvorgängen steuert der Mikroprozessor den D/A-Wandler 226 so an, daß ein ansonsten lineares Durchlaufmuster vollführt wird, bei dem die identifizierten Frequenzteilbänder ausgelassen werden. Dieser "Frequenzauslöschungs"-Vorgang läßt stabile Hintergrundrauschquellen im wesentlichen aus, wodurch die Detektionsempfindlichkeit der Bogenentladung gesteigert wird.
Natürlich zeigen solche singulären Quellen normalerweise keine Lücken, die synchron mit dem Leistungswellenzug sind, auf. Deshalb wären diese singulären Signale wohl davon ausgeschlossen, als etwaiges bogenentladungsverursachtes Rauschen bei einem System aufzutreten, das sowohl Frequenzauslöschung als auch Lückendetektion durchführt.
Hat man einmal diese Kanäle identifiziert, in denen kohärente Hintergrundsignale vorliegen, durchläuft der Mikroprozessor 231 - wie erwähnt - mit der Detektionsfrequenz kontinuierlich die verbleibenden Frequenzkanäle, und führt dabei eine synchrone Mittelung (in dieser Ausführungsform durch ein Programm), bezogen auf die linear detektierten Signale am Eingang 223 aus. Mittels der Versorgungsspannungssynchronisationspulse aus dem Nulldurchgangsdetektor 230 zur Synchronisierung des Vorgehens zur Versorgungsspannung unterteilt der Prozessor 231 zuerst die Versorgungsspannungsperiode 512 in gleiche Zeitfenster und bildet eine Tabelle mit 512 Werten, die jeder einen exponentiell gewichteten laufenden Mittelwert des Eingangssignals in der Leitung 223 während des entsprechenden Zeitfenster über aufeinanderfolgende Perioden der Versorgungsspannung enthalten. Um dies durchzuführen, ist das Programm so ausgelegt, daß jede Probe zieht, sie exponentiell nach deren Abschnitt 2C angegebenen Gleichung wichtet und dann die Summe der gewichteten neuen Proben mit den entsprechenden gewichteten Werten in der Tabelle bildet, welcher gewichtete Wert der zuvor gespeicherte Wert ist. Die Summe wird dann als neuer Wert in der Tabelle gespeichert. Dadurch enthält die Tabelle eine exponentiell gewichtete, abgetastete und skalierte Wiedergabe der Radiofrequenzeinhüllenden, die am Eingang 223 erscheint.
Wie erwähnt, wird - wenn die Bogenentladung anhält - die Gruppe an exponentiell gewichteten Mittelwerten schrittweise ein stabiles Bogenentladungsmuster bilden, das einfach auf das Vorhandensein von Lücken mittels temporärer Analyse, die in diesen Anwendungen sowie dem Stammpatent und in den vorherigen Anmeldungen beschrieben sind, überprüft werden kann.
Allgemein wird der gespeicherte Wellenzug auf das Vorhandensein von zwei Lücken pro Versorgungsspannungsperiode überprüft, die jeder innerhalb eines vorbestimmten Breitenbereichs liegen, der eine dauerhafte Bogenentladung anzeigt, d. h. sich zwischen 0 und 90º der Versorgungsspannungsperiode erstreckt
Wird ein solches Muster detektiert, stellt der Mikroprozessor 231 fest, daß eine Bogenentladung vorliegt, und schaltet die Bogenentladungsanzeige 237 ein.
Normalerweise schaltet der Mikroprozessor 231 die grüne Statuslampe 236 ein, die zeigt, daß etwaiges Rauschen, das die erforderlichen Bedingungen erfüllt, bevor eine Bogenentladung möglicherweise detektiert wird, unter dem vorbestimmten Pegel gefährlicher Bogenentladung liegt, d. h. von der normalen Betriebsweise von Schaltern, Lampendimmern o. ä. herrührt. Überschreitet die Zeitdauer eines Bogenentladungsereignisses eine vorbestimmte Zeitdauer, beispielsweise zwei Versorgungsspannungsperioden, weist dies darauf hin, daß eine solche Bogenentladung gefährlich sein könnte, wodurch der Mikroprozessor die grüne Lampe 236 ab- und die gelbe Lampe 235 einschaltet. Diese Lampe bleibt eingeschaltet, bis sie vom Benutzer durch Drücken der Rückstelltaste 241 zurückgesetzt wird. Überschreitet die Dauer und Frequenz der Bogenentladung einen zweiten Schwellwert, beispielsweise 20 Perioden der Versorgungsspannung, weist dies darauf hin, daß die Bogenentladung nachweisbar gefährlich ist, worauf der Mikroprozessor die gelbe Lampe 235 ab- und die rote Lampe 234 einschaltet, die darauf hinweist, daß eine ernste Gefahr besteht. Tritt dies auf, sorgt der Mikroprozessor 231 weiter periodisch dafür, daß der akustische Melder 239 ertönt, umd die Aufmerksamkeit auf das Lastzentrum zu lenken und die Bewohner über die Gefahr in Kenntnis zu setzen. Der Detektor muß wieder manuell zurückgestellt werden, indem die Rückstelltaste 241 gedrückt wird, um den Alarmzustand zu löschen und die grüne Lampe 236 wieder zu aktivieren.
Natürlich gibt es viele Wege, auf die Programme verwirklicht werden können, um geeignete Warnungen für Hausbesitzer zu schaffen, und die Erfahrung im Einsatz wird zeigen, welche Betriebsarten und Schwellwertgrenzen die besten sind. Zusätzliche Kontrolleingriffe, die bei der Detektion einer Bogenentladung vorgenommen werden können - beispielsweise die automatische Benachrichtigung eines Elektrikers, um die Bogenentladung zu untersuchen -, sind innerhalb des Bereiches der Erfindung. Beim Einsatz für verschiedene Anwendungen, beispielsweise Geschäftslokale oder historische Stätten, kann die Anforderung an Meldung und Betrieb sich unterscheiden, was andere Reaktionen erfordern kann. Es wird davon ausgegangen, daß solche Abweichungen innerhalb des Bereichs der Erfindung liegen.
Eine geeignete physikalische Ausführung für einen Detektor für ein ganzes Haus entsprechend der Schaltung der Fig. 18 ist in den Fig. 19(a) und 19(b) dargestellt, die Seiten- und Frontansicht eines Detektors für ein ganzes Haus zeigt, der in einen bekannten Sicherungskasten eingebaut werden kann, und damit nur als Überwachungsgerät dient und deshalb den Standardansprechmechanismus nicht umfaßt. Der Vorteil dieser Gehäuseversion liegt darin, daß die Detektionsschaltungen direkt mit den Lastzentrumsleitern verbunden werden können, wodurch die niedrige Impedanzanpassung, die zur optimalen Detektionsempfindlichkeit nötig ist, leicht erreicht werden kann. Der Detektor kann einfach in einen leeren Einbauplatz im Sicherungskasten eingebaut werden. Wie in Fig. 19(a) zu sehen ist, enthält ein Gehäuse 242 einen Standardzungenanschluß (nicht dargestellt), um ihn auf eine der Phasenschienen zu klemmen. Ein separater Draht 243 dient zur Verbindung mit dem Nulleiter. Wie in Fig. 19(b) zu sehen ist, hat die Vorderseite des Gehäuses ein Gitter 244, so daß man den akustischen Melder laut hören kann, drei Statusanzeigelampen 245 bis 247, eine Bogenentladungslampe 248 und eine Rückstelltaste 249.
Alternative mögliche Gehäusekonstruktionen für die erfindungsgemäße Bogenentladungsdetektion umfassen ein nachtlichtartiges Gehäuse aus Kunststoff, das in eine Steckdose eingesteckt werden kann, um als Detektor für ein ganzes Haus zu dienen, oder eine Ringeinsatzkonstruktion, die zwischen einem Standardstromzähler und dem Halter angeordnet werden kann. Diese Ausführungsform kann einen Übertrager vorsehen, um die Schaltungszustandsinformation fern zu übertragen, oder eine kleine Anzeigeeinheit, die direkt in einen besonderen Sicherungskasten eingebaut wird.

5. Bogenentladungsrauschensynthese zur Selbstüberprüfung

Wie bereits ausführlich dargelegt, erzeugt dauerhafte Bogenentladung charakteristisches Breitbandrauschen mit einer synchronen Lücke pro Halbperiode der Versorgungsspannung. Deshalb ist es eine sinnvolle Methode, um einen der beschriebenen Bogenentladungsdetektoren zu testen, eine genaue Simulation des Bogenentladungsrauschens in dem Detektor einzuspeisen und dann zu entscheiden, ob dieser richtig reagiert.
Bogenentladungsrauschen entsteht von der lawinenartigen Ladungsmultiplikation über die physikalische Lücke hinweg. Ähnliche Lawineneffekte treten an Potentialsperren bei umkehrgespannten Halbleiterübergängen auf, jedoch mit sehr viel geringeren Strompegeln. Deshalb kann durch Verwirklichung geeigneter Strombegrenzungsmittel das von der Lawinenmultiplikation eines umgekehrt gespannten Halbleiterüberganges erzeugte Rauschen dazu verwendet werden, um den Rauschanteil des charakteristischen Bogenentladungsmusters auf sichere und billige Weise zu simulieren. Das zweite charakteristische Merkmal des bogenverursachten Rauschens, die synchronen Lücken im Rauschen, können dadurch simuliert werden, indem das Rauschen mit Pulsen getaktet wird, die von der Versorgungsspannung abgeleitet werden. Dadurch kann man ein genaues Abbild der charakteristischen Bogenentladungsmuster synthetisieren, um sie zur Überprüfung der erfindungsgemäßen, auf Bogenentladung reagierenden Geräte zu verwenden. Ein solcher Bo genentladungsrauschsynthesizer zur Selbstüberprüfung ist in der Schaltung 16 in Blockdiagrammform bei 208 enthalten.
Fig. 20 zeigt einen vereinfachten Schaltplan eines einfachen Bogenentladungswellenzugsynthesizers. Ein Halbleiterübergang in einer Diode 250 wird von einer Spannung V+ gegengespannt, wobei ein Strombegrenzungswiderstand 251 zur Begrenzung des Stroms beim Durchbrech auf nicht zerstörerische Pegel dient. Ist die Spannung V+ wesentlich höher als die Umkehrdurchbruchspannung des Übergangs 250, entsteht am Übergang eine Lawine, die breitbandiges Rauschen bis hinauf zu 50 MHz oder höher erzeugt, je nach Auswahl des Bauteils. Das bei 252 vorhandene Rauschen wird dann durch einen Breitbandverstärker 253 verstärkt, der durch einen Steuereingang auf der Leitung 256 getaktet wird. Die Versorgungsspannung (oder der Versorgungsstrom 255) wird durch einen geeigneten Nulldurchgangsdetektor 254 geschleift, um synchrone Pulse zu erzeugen, deren gewünschte Breite zweimal der Periode der Versorgungsspannung entspricht. Diese Pulse takten den Verstärker 253 ein und aus, so daß synchrone Lücken entstehen und ein simulierter Bogenentladungswellenzug an der Ausgangsleitung 257 bereitgestellt wird. Durch geeignete Pufferung kann das simulierte Bogenentladungssignal dann einem spannungs/spannungsabfühlenden Bogenentladungsdetektor oder einem strom/- stromabfühlenden Bogenentladungsdetektor zugeführt werden.
Aus obiger Diskussion folgt, daß das erfindungsgemäße Verfahren zur Bogenentladungsdetektion sich der Analyse dessen widmet, was normalerweise als Rauschen in einem elektrischen System angesehen wird. Im einzelnen prägen Bogenentladungen den Leistungswellenzug ein Rauschen auf, das im wesentlichen kontinuierlich in der Frequenz und im wesentlichen kontinuierlich in der Zeit ist, bis auf Variationsmuster in der Amplitude, d. h. die Lücken, die synchron zu den Nulldurchgängen des Leistungswellenzuges auftreten. Diese einzigartige Charakteristik der Bogenentladung sowohl in Frequenz- als auch in Zeitdarstellung wird verwendet, um eine sehr zuverlässige, erfindungsgemäße Bogenentladung durchzuführen, d. h. um bogenentladungsverursachtes Rauschen von anderen Rauschquellen mit hoher Frequenz auf der Versorgungsleitung zu unterscheiden.
Beispielsweise kann die Tatsache, daß Bogenentladung breitbandig ist, dazu verwendet werden, um erfindungsgemäß singuläre Quellen, wie Radiosendersignale o. ä. zu unterscheiden. Im einzelnen kann der gesamte hinsichtlich bogenentladungsverursachtes Rauschen überwachte Frequenzbereich in Teilbänder unterteilt werden. Der Energiepegel in jedem der Teilbänder wird in Kalibrationsintervallen gemessen, um das Vorhandensein von singulären Interferenzen festzustellen. Diejenigen Bande, in denen Rundfunksendersignale vorliegen, können bei der nachfolgenden Analyse des gesamten Rauschsignals außer acht gelassen werden. Natürlich kann man auch mit anderen Verfahren in der Frequenzdarstellung prüfen, ob das Rauschen von Bogenentladung herrührt, beispielsweise den Frequenzkontakt des Rauschens hinsichtlich statistischer Zufälligkeit, auf das Vorhandensein von Bestandteilen oberhalb einer gewissen Frequenz, oder auf die 1/f oder "Rosa"-Charakteristik zu prüfen, was alles im Bereich der hier und im Stammpatent sowie den vorherigen Anmeldungen offenbarten Erfindung liegt.
Bezüglich der in der Zeitdarstellung nach der Erfindung durchgeführten Analyse wird bogenverursachtes Rauschen von anderen Arten breitbandigem Hochfrequenzrauschen dadurch unterschieden, indem gefordert wird, daß die Amplitude des Signals gewisse Muster zeigt, von denen der Erfinder erkannte, daß sie auf Bogenentladung hinweisen. In den meisten Ausführungsformen bringt dies wiederum die Detektion von Lücken mit, die synchron zum Leistungswellenzug liegen. Dieses Vorgehen kann weiter durch eine synchrone Mittelung verbessert werden, bei der die Periode der Versorgungsspannung in eine Vielzahl von Zeitfenstern unterteilt und die Amplitude des Rauschens in jedem Zeitfenster über mehrere Perioden der Versorgungsspannung aufaddiert werden. Eine exponentielle Wichtung einer jeden Amplitudenmessung ist besonders vorteilhaft. Die Leistungsfähigkeit der synchronen Mittelung ermöglicht es, daß das zugrundeliegende Muster an Variationsamplituden des Rauschens, das synchron zum Leistungswellenzug ist, deutlich erscheint, trotz der Tatsache, daß die Lücken in gewisser Hinsicht zufällig verteilt sind, was dieses Muster in einer einzelnen Periode der Versorgungsspannung verdeckt. Die synchrone Mittelung steigert das Signal/Rauschverhältnis des bogenentladungsver ursachten Rauschwellenzuges gegenüber anderem Rauschen auf der Versorgungsleitung wirksam.
Die Zeitdarstellungsanalyse des hochfrequenten Rauschens, um Bogenentladung zu detektieren, umfaßt auch das oben erwähnte Spitzenintegralverfahren, bei dem das Tastverhältnis des Rauschens - also der Prozentanteil der Periode der Versorgungsspannung, während der das Rauschen einen Schwellwert überschreitet - gemessen wird. Nähert sich das Tastverhältnis des breitbandigen Rauschens auf der Leitung 100%, erreicht diese jedoch nicht, ist wahrscheinlich eine gefährliche Bogenentladung vorhanden. Erreicht sie 100%, sind keine Lücken vorhanden, so daß das Rauschen von anderen Quellen herrührt. Das Erfordernis, daß das Tastverhältnis nicht 100% erreicht, ist beim Spitzenintegralverfahren eine wirksame Anforderung, damit periodische Lücken detektiert werden.
Die Verarbeitung hochfrequenten Rauschens auf einer Wechselspannungsversorgungsleitung sowohl in der Frequenz- als auch in der Zeitdarstellung schafft wie erwähnt ein einzigartiges Verfahren zum Unterscheiden von bogenentladungsverursachtem Rauschen von anderen Rauschquellen. Die Erfindung verwendet die Verwirklichung dieser Erkenntnis des Erfinders dahingehend, daß Bogenentladung hochfrequentes Rauschen gewisser besonderer Merkmale in der Zeit- und in der Frequenzdarstellung im Leistungswellenzug aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion von Bogenentladung verwendet deshalb die Schritte der Analyse des hochfrequenten Rauschens auf der Versorgungsleitung auf das Vorhandensein von sowohl Frequenz- als auch Zeitmerkmalen, die einzigartig für bogenentladungsverursachtes Rauschen sind. Deshalb verwendet die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion von Bogenentladung Mittel zur Analyse von Hochfrequenzenergie im Leistungswellenzug hinsichtlich besonderer Merkmale sowohl in der Zeit- als auch in der Frequenzdarstellung.
Obwohl einzelne bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung genauer beschrieben wurden, ergeben sich dem Fachmann vielfältige Verbesserungen. Obige Offenbarung ist deshalb nur exemplarisch aufzufassen und soll die Erfindung nicht einschränken. Die Erfindung ist nur durch die nachfolgenden Ansprüche begrenzt.

Claims

1. Verfahren zur Detektion des Vorhandenseins einer elektrischen Bogenentladung bei einer AC-Versorgungsleitung mit bestimmter Frequenz und Periode, welches Verfahren folgende Schritte aufweist:

a) Überwachen des Versorgungsstroms, der Versorgungsspannung oder - energie, die als Wellenzug von der Versorgungsleitung emittiert wird,

b) Filtern des überwachten Wellenzuges mittels eines schmalbandigen Bandfilters mit variabler Frequenz (80,81, 83; 91; 180) mit einer unteren Filterfrequenz, die wesentlich höher liegt als die bestimmte Frequenz der Versorgungsleitung, und

c) Untersuchen des gefilterten Signals als Zeitreihe, um wiederholt auftretende Merkmale zu detektieren, die eine Bogenentladung anzeigen,

dadurch gekennzeichnet, daß Schritt b) das Durchfahren des Durchlaßbandes des Filters mit variabler Frequenz durch eine vorbestimmte Gruppe von Frequenzen aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Schritt c) aufweist, einen vorbestimmten Schwellwert auf das gefilterte Signal anzuwenden und zu entscheiden, ob die Amplitude der Hochfrequenzenergie beim gefilterten Signal den vorbestimmten Schwellwert in der gesamten vorbestimmten Gruppe an Frequenzen überschreitet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Durchlaßband des Filters mit variabler Frequenz asynchron bezüglich des überwachten Wellenzuges verändert wird.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem Schritt c) die Detektion von Variationsmustern in der Amplitude des gefilterten Signals aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Variationsmuster der Amplitude Lücken aufweisen, die in Intervallen auftreten, die im wesentlichen gleich ganzzahligen Vielfachen der halben Periode der AC-Versorgungsleitung sind, während welcher Lücken die Amplitude des gefilterten Signals wesentlich geringer ist als zu anderen Zeiten im Zyklus.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem Schritt c) aufweist, die Messung des Tastverhältnisses des gefilterten Signals und die Bestimmung des Prozentanteils des Versorgungszyklus', während dem die Amplitude einen Schwellwert überschreitet, wobei eine Bogenentladung vorliegt, wenn das Tastverhältnis sich 100% nähert, dieses jedoch nicht erreicht.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Tastverhältnis ermittelt wird, indem der AC-Anteil des gefilterten Signals auf einen DC-Bezugspegel gekoppelt wird, sowohl negative wie auch positive Abweichungen des Signals über bzw. unter dem DC-Bezugspegel überwacht werden, die Absolutwerte der positiven und negativen Abweichungen integriert werden und das Tastverhältnis durch Abziehen der integrierten positiven Werte von den integrierten negativen Werten berechnet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Peakabweichungen mittels Peakdetektoren (147, 157, 158, 192, 193) gemessen werden, die schnelle Ansprech- und langsame Abklingeigenschaften haben.

9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem Schritt c) durchgeführt wird, indem der überwachte Wellenzug mit einem lokalen Oszillatorsignal gemischt wird, das die vorbestimmte Gruppe an Frequenzen durchlaufend verstellt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem Schritt c) durchgeführt wird, indem ein frequenzvariabel abgestimmter Transducer verwendet wird, um hochfrequente Signale im überwachten Wellenzug zu detektieren, wonach eine Signalverstärkung und eine Detektion erfolgt.

11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, das weiter einen Frequenzauswahlschritt aufweist, bei dem Signale mit Frequenzen innerhalb eines identifizierten Teilbandes des Filters mit variabler Frequenz vor Schritt c) weggelassen werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der Frequenzauswahlschritt aufweist:

Festlegen eines Gesamtfrequenzbereiches, durch den der Durchlaßbereich des Filters mit variabler Frequenz durchlaufend verstellt wird,

Unterteilen des Gesamtbereiches in mehrere Teilbänder,

Messen der Energieamplitude in dem überwachten Wellenzug innerhalb jedes Teilbandes während jedem von mehreren, aufeinanderfolgenden Versorgungszyklen,

Identifikation der Teilbänder, deren Energie während jedem der mehreren, aufeinanderfolgenden Versorgungszyklen über einen Schwellwertpegel liegt, und

Weglassen der identifizierten Teilbänder aus dem Gesamtfrequenzbereich.

13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem Schritt c) die Durchführung eines Frequenzdarstellungstestes und eines Zeitdarstellungstestes aufweist, wobei das Vorhandensein einer Bogenentladung nur detektiert wird, wenn beide Tests bestanden wurden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Frequenzdarstellungstest die Identifikation der Frequenz besonderer Signale innerhalb des Durchlaßbandes des Filters mit variabler Frequenz und das Löschen der Energie an Frequenzen aufweist, die den Frequenzen der identifizierten, besonderen Signale entsprechen.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem der Zeitdarstellungstest an einem Rauschsignal durchgeführt wird, das mit dem Filter mit variabler Frequenz gefiltert wurde.

16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der Zeitdarstellungstest die Untersuchung des gefilterten Rauschsignals auf das Vorhandensein von Mustern in dessen Amplitude aufweist, die synchron zum überwachten Wellenzug sind.

17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der Zeitdarstellungstest weiter die Messung des Anteils des überwachten Wellenzuges aufweist, indem die Amplitude des Rauschsignals einen Schwellwert überschreitet, und die Untersuchung des Rauschsignals aufweist, um festzustellen, ob seine Amplitude sich im wesentlichen zeitlich gleichmäßig verändert.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, bei dem der Zeitdarstellungstest an einem synchron gemittelten Rauschsignal durchgeführt wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem eine synchrone Mittelung vor Schritt c) durchgeführt wird, welche synchrone Mittelung folgende Schritte aufweist:

Unterteilen des Versorgungszyklus' in mehrere Teile gleicher Länge,

Abtasten der Amplitude des gefilterten Signals während jedes Teils mehrerer, aufeinanderfolgender Versorgungszyklen,

Summieren der Amplitude jedes Teils des gefilterten Signals zusammen mit den Amplituden entsprechend der Teile des gefilterten Signals während vorhergehender Versorgungszyklen und

Skalieren jeder Summe, um einen synchron gemittelten Wellenzug zu erzeugen.

20. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem Schritt c) die Untersuchung des synchron gemittelten Wellenzuges aufweist, um Muster mit regelmäßigen Abweichungen der Amplitude zu lokalisieren, die im wesentlichen synchron zum Versorgungszyklus sind.

21. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem Schritt c) weiter die Messung der Zeitbreite eines Teils des synchron gemittelten Wellenzuges aufweist, für den die gemittelte Amplitude wesentlich geringer ist als für andere Teile.

22. Vorrichtung zur Detektion des Vorhandenseins elektrischer Bogenentladung bei einer AC-Versorgungsleitung, wobei diese Bogenentladung der Versorgungsleitung hochfrequentes, breitbandiges Rauschen überlagert, welche Vorrichtung aufweist:

Überwachungsmittel (74, 90,176) zum Überwachen des Versorgungsstroms, der Versorgungsspannung oder -energie, die von der Versorgungsleitung als Wellenzug emittiert wird, schmalbandige Bandfiltermittel mit variabler Frequenz (80,81, 83, 91, 180) zum Filtern des überwachten Wellenzuges, wobei die Mindestdurchlaßfrequenz der Filtermittel wesentlich höher liegt als die Frequenz der Versorgungsleitung, und

Detektormittel (193, 1^65, 203) zum Detektieren wiederholt auftretender Eigenschaften des gefilterten Wellenzuges,

dadurch gekennzeichnet, daß die schmalbandigen Bandpaßfiltermittel mit variabler Frequenz ein Bandpaßfilter mit durchfahrbarer Frequenz aufweisen.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, bei der die Detektormittel (139, 165, 203) wiederholte Muster von Amplitudenvariationen des gefilterten Wellenzuges detektieren, die im wesentlichen synchron zum überwachten Wellenzug liegen.

24. Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, bei der die Detektormittel (139, 165, 203) das Tastverhältnis von Frequenzbestandteilen messen, die vorbestimmten Eigenschaften von Bogenentladung verursachtem Rauschen entsprechen, und feststellen, daß eine Bogenentladung vorliegt, wenn das Tastverhältnis sich 100% nähert, dieses jedoch nicht erreicht.

25. Vorrichtung nach einem der Anspruch 22 mit 24, bei der die Detektormittel Schwellwertdetektormittel (163, 197, 201) aufweisen, um die Amplitude des überwachten Wellenzuges mit einem vorbestimmten Pegel zu vergleichen und davon abhängig ein binäres Ausgangssignal bereitstellen.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, bei der der vorbestimmte Pegel dynamisch abhängig vom Mindestpegel des Rauschens während des Versorgungszyklus' variiert.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, bei der das Rauschsignal vor dem Schwellwertvergleich logarithmisch verstärkt ist.

28. Vorrichtung nach einem der Anspruch 22 bis 27, die weiter Testmittel (208, 209) aufweist, um ein Testsignal zu erzeugen, das Frequenz- und Zeiteigenschaften aufweist, die bogenentladungsverursachtem Rauschen vergleichbar sind, um die Funktion der Vorrichtung zu überprüfen.

29. Vorrichtung nach Anspruch 28, bei der die Testmittel eine umgekehrt gespannte Halbleiterverbindung (250) aufweisen, die zum Lawinenzustand abhängig von einem Signal stimuliert wird, das synchron zum Leistungswellenzug ist.

30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 29, die weiter Mittelungsmittel aufweist, um eine synchrone Mittelung des gefilterten Wellenzuges über mehrere Zyklen zu berechnen.

31. Vorrichtung nach Anspruch 30, bei der die Mittelungsmittel Mittel zum Teilen des Zyklus' in mehrere Teile gleicher Länge aufweist, Mittel zum Abtasten der Amplitude des Rauschens während jedes Teils der mehreren, aufeinanderfolgenden Zyklen und Mittel zum Aufsummieren der Amplituden des Rauschens, das während entsprechender Teile der aufeinanderfolgenden Zyklen entspricht, um ein synchron gemitteltes Rauschsignal zu erzeugen.

32. Vorrichtung nach Anspruch 31, die weiter Vergleichsmittel aufweist, um die Teile des synchron gemittelten Rauschsignals mit anderen zu vergleichen, um Muster regelmäßiger Amplitudenabweichungen zu lokalisieren.

33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 32, die weiter Mittel zum Auswerten der Amplitude des gefilterten Wellenzuges als Funktion der Frequenz und zum Bestimmen des Vorhandenseins einer Bogenentladung entsprechend des Vorhandenseins eines breitbandigen Rauschens aufweist.

34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 33, die weiter Mittel zur Identifikation von Frequenzteilbändern im Frequenzbereich aufweist, durch den das Filter verstellt, Mittel zum Messen der Energieamplitude in jedem Teilband während mehrerer aufeinanderfolgender Zyklen, Mittel zum Identifizieren der Teilbänder, in denen die Energieamplitude einen vorbestimmten Minimalwert während jedem der aufeinanderfolgenden Zyklen überschreitet und Mittel zum Weglassen der Energie aus den identifizierten Teilbändern von dem aus dem Wellenzug entnommenen Rauschen.

35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 34, die weiter Frequenzdarstellungsanalysenmittel zum Untersuchen hochfrequenten Rauschens im Leistungswellenzug als Funktion der Frequenz aufweist, Zeitdarstellungsanalyse mittel zum Untersuchen eines Signals proportional zur Amplitude des hochfrequenten Rauschens als Funktion der Zeit und Mittel zum Bereitstellen eines Signals, das eine Bogenentladung vorlegt, wenn sowohl die Frequenzdarstellungsanalysemittel als auch die Zeitdarstellungsanalysemittel feststellen, daß das hochfrequente Rauschen vorbestimmte Eigenschaften eines bogenentladungsverursachten Rauschens zeigt.

36. Vorrichtung nach Anspruch 35, bei der die Zeitdarstellungsanalysemittel einen Mikroprozessor aufweisen, der ausgebildet ist, das Signal proportional zur Amplitude des hochfrequenten Rauschens als Funktion der Zeit zu untersuchen.

37. Vorrichtung nach Anspruch 36, bei der das proportionale Signal ein Analogsignal ist und der Mikroprozessor eine Analog/Digitalwandlungsschaltung aufweist.

38. Vorrichtung nach Anspruch 37, bei der das analoge Signal ungefähr der Logarithmus der Rauschamplitude ist.

39. Vorrichtung nach Anspruch 38, bei der der Logarithmus der Rauschamplitude aus einem automatischen Verstärkersteuerschaltungselement abhängig vom Rauschen abgeleitet wird.

40. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 35 bis 39, bei der die Frequenzdarstellungsanalysemittel Mittel aufweisen, um festzustellen, ob das Rauschen eines oder mehrerer Tests hinsichtlich großer Bandbreite, Zufallsverteilung, frequenzproportionaler Amplitude oder dem Vorhandensein von Frequenzkomponenten über einem vorbestimmten Schwellwert aufweisen.

41. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 35 bis 39, die weiter Berechnungsmittel aufweisen, um ein synchron gemitteltes Rauschsignal über mehrere Zyklen vor der Untersuchung durch die Zeitdarstellungsanalysemittel zu berechnen.

ÜBERSETZUNG DER FIGUREN

Fig. 10

FREQ. CONTROL Frequenzsteuerung

AGC LEVEL/LOG SIGNAL AGC Pegel/Logarithmiertes Signal

Fig. 6

TIME Zeit

FREQUENCY Frequenz

Fig. 8

FREQUENCY (khz) Frequenz (kHz)

Fig. 9

FREQ. CONTROL Frequenzsteuerung

AGC LEVEL/LOG SIGNAL AGC Pegel/Logarithmiertes Signal

Fig. 13

LINE Versorgungsleitung

FREQ. CONTROL Frequenzsteuerung

Fig. 14

LOG SIGNAL Logarithmiertes Signal

Fig. 15A bis 15D

AVG Mittelwert

PEAK Spitze

Fig. 16

LORD Last

LINE Versorgungsleitung

LOGIC Logik

Fig. 17B

RESET Zurückstellen

Fig. 19B

DANGER Gefahr

WARNING Warnung

RESET Zurückstellen

Fig. 18

LINE Phase

NEUTRAL Nulleiter

RED Rot

YELLOW Gelb

GREEN Grün

ARC Bogenentladung