DE69615829T2 - Schaltung und Verfahren zur Erfassung von elektrischen Lichtbögen - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft das Überwachen, Detektieren, Analysieren von elektrischen Strömen sowie das Ansprechen auf elektrische Ströme eines elektrischen Leiters, die Frequenzen (Sekundärfrequenzen) besitzen, die sich von der Frequenz (Primärfrequenz) des Stromes unterscheiden, für den der Leiter ausgebildet ist (d. h. der 60 Hz-Strom, der in der elektrischen Verdrahtung eines Gebäudes fließt). Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Schaltungsanordnungen zum Detektieren des Stromes und/oder der Spannung bei Sekundärfrequenzen, die elektrische Lichtbögen kennzeichnen.
• Um die Erfassung von Lichtbögen in der Verdrahtung von Wohngebäuden und Bürogebäuden zu ermöglichen, sind verschiedene Lichtbogendetektionssysteme verwendet worden. Es wurde festgestellt, daß zwischen einer Leitung und neutralen oder Erdleitern auftretende Lichtbögen sowie serielle Lichtbögen Temperaturen erzeugen können, die über dem Zündniveau von vielen üblichen entflammbaren Materialien liegen und daher eine signifikante Feuergefahr darstellen. Beispielsweise können eine Verdrahtung mit einer verschlechterten oder gealterten Isolation sowie verschlissene Stromleitungen in einer Wohnung eine ausreichende Lichtbogenbildung erzeugen, um ein Feuer entstehen zu lassen.
• Zwei grundlegende Arten von Lichtbögen, die in Gebäuden auftreten können, sind Lichtbögen, die auf Leitungsstörungen zurückzuführen sind, und Kontaktlichtbögen. Ein auf eine Leitungsstörung zurückzuführender Lichtbogen basiert auf einem Kurzschluß von Leitung zu Leitung, einem Kurzschluß von einer Leitung zu einem neutralen Leiter oder einem Kurzschluß von einer Leitung zu einem Erdleiter. Wenn eine Störung dieser Art auftritt, zieht die Störung Strom bis zur Kapazität der Schaltung oder über diese hinaus, verdunkeln sich die Lichter, was anzeigt, daß eine übermäßig hohe Belastung gegeben ist, und, wenn die zugehörige Schaltung durch einen Trennschalter geschützt ist, löst der Trennschalter aus, wodurch die Stromzufuhr zum Lichtbogen unterbrochen wird. Diese Ereignisse treten typischerweise in weniger als einer Sekunde auf, und die Lichtbogenbildung hat eine Dauer, die nicht ausreicht, um ein wesentliches Ausmaß an Wärmeenergie auf die umgebenden Materialien abzustrahlen oder zu übertragen. Die Wahrscheinlichkeit eines Feuers ist daher relativ gering.
• Eine Kontaktlichtbogenbildung wird normalerweise durch die Verwendung von verschlissenen elektrischen Ausgängen, Steckern und Schaltern verursacht. Infolge eines derartigen Verschleißes besitzen diese Vorrichtungen eine unzureichende Stromleitfähigkeit für ihre ursprünglich beabsichtigten Zwecke. Beispielsweise kann ein Stecker einer beträchtlichen Zahl von Erhitzungszyklen, die durch eine Widerstandserhitzung verursacht werden, ausgesetzt sein. Dieser Zyklus zersetzt allmählich das Isolationsmaterial um den Kontaktbereich herum, bis Material teilweise in den Kontaktbereich fließt und auf diese Weise verhindert, daß ein geeigneter elektrischer Kontakt am Stecker stattfindet. Dieser Prozeß kann sich wiederholen, wenn der anfängliche Lichtbogen mehr Wärme erzeugt, so daß die Isolation carbonisiert und eine Isolationsschicht auf den Kontaktflächen des Steckers ausgebildet wird.
• Andere übliche Stellen einer Lichtbogenbildung sind oxidierte Klemmen, oxidierte und verschlissene Schalterkontakte sowie die Schnittstellen zwischen einer Aluminiumverdrahtung und Anschlußklemmen aus anderen Metallen, wie Kupfer. Der Lichtbogen, der sich normalerweise unter diesen Umständen bildet, wird üblicherweise als serieller Lichtbogen bezeichnet.
• Angesichts der Möglichkeit des Auftretens einer Lichtbogenbildung in den elektrischen Systemen von Gebäuden und der verheerenden Folgen hiervon (d. h. Gebäudebrände) wurde eine Reihe von Systemen entwickelt, um eine Lichtbogenbildung in den Leitungssystemen von Gebäuden zu detektieren. Beispielsweise beschreiben die US-PS 5 223 795 sowie die internationale Patentanmeldung Nr. 94/22031 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Detektieren einer Lichtbogenbildung in elektrischen Verbindungen durch die Überwachung von Hochfrequenzrauschen. Die Vorrichtung überwacht ein Hochfrequenzrauschen auf der zugehörigen Stromleitung, das für eine Lichtbogenbildung charakteristisch ist. Eine Methode der Vorrichtung in bezug auf die Bestimmung, ob eine Lichtbogenbildung vorhanden ist, besteht darin, das Lichtbogenrauschen von anderem Hochfrequenzrauschen zu unterscheiden, indem ermittelt wird, ob Lücken im Rauschen jeden Halbzyklus der Stromfrequenz auftreten.
• Systeme, wie sie in der US-PS 5 223 795 beschrieben sind, können in wirksamer Weise eine Lichtbogenbildung detektieren. Es wäre jedoch wünschenswert, das Lichtbogendetektionsvermögen von solchen Systemen zu verbessern, so daß das System zwischen unterschiedlichen Arten einer Lichtbogenbildung unterscheiden kann und die Fähigkeit besitzt, auf unterschiedliche Weise auf unterschiedliche Arten der Lichtbogenbildung anzusprechen. Verbesserungen im Verhalten können eine Reihe von Formen annehmen, wie beispielsweise das Verfeinern der Programmierung und der Schnittstellenschaltung, um genauere Kennzeichnungen von vom System überwachten Signalen zu liefern. Unabhängig von der Qualität des Systems zum Überwachen und Analysieren von Signalen liefert das System jedoch nur Lichtbogenschutzergebnisse, die so gut sind wie die Fähigkeit des Systems, Signale zu erzeugen, die für die Hochfrequenzströme auf der überwachten Verdrahtung kennzeichnend sind. Beispielsweise finden typischerweise Transformatoren Verwendung, um Signale zu erzeugen, die für die Hochfrequenzströme (gewünschte Signale) auf der überwachten Verdrahtung kennzeichnend sind. Transformatoren können jedoch auch Signale einschließen, die für ein Rauschen kennzeichnend sind, das auf die überwachten Drähte abgestrahlt wird. Ferner kann ein Transformator auch stehende Wellen erfassen, die sich nicht auf Hochfrequenzströme beziehen.
• Es ist daher ein Bedarf nach einem verbesserten Detektor und einem verbesserten Lichtbogendetektionsverfahren vorhanden, mit dem die Erfassung von stehenden Wellen reduziert oder eliminiert wird.
• Die Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 13 wiedergegeben.
• Es folgt nunmehr eine Kurzbeschreibung der Zeichnungen. Hiervon zeigen:
• Fig. 1 einen schematischen Schaltplan einer ersten Ausführungform eines Lichtbogendetektionssystems;
• Fig. 2 einen schematischen Schaltplan einer zweiten Ausführungsform des Lichtbogendetektionssystems;
• Fig. 3A und 3B Schaltpläne für eine Ausführungsform der Lichtbogendetektionsschaltung;
• Fig. 4 eine dreidimensionale Darstellung eines elektrischen Lichtbogens, eines Mehrfrequenzsignales (d. h. Weißrauschen) und von kontinuierlichen Schmalbandsignalen;
• Fig. 5 eine Darstellung der Rauscherzeugung eines Bohrmaschinenmotors, gefiltert durch die Ausführungsform der Lichtbogendetektionsschaltung; und
• Fig. 6 eine Darstellung des von einem Bohrmaschinenmotor in Gegenwart eines Lichtbogens erzeugten Rauschens, das durch die Ausführungsform der Lichtbogendetektionsschaltung gefiltert wird.
• Wie man Fig. 1 entnehmen kann, ist ein Lichtbogendektionssystem 10 so ausgebildet, daß es Leitung-Leitung- Lichtbögen, Leitung-Erde-Lichtbögen, Leitung-Neutral- Lichtbögen oder Kontaktlichtbögen detektiert. Die Lichtbogendetektion basiert auf der Überwachung des Stromes in mindestens einem der Leiter einer elektrischen Wechselstromschaltung, wie sie beispielsweise in den Fig. 1 und 2 schematisch dargestellt ist. Diese Schaltungen, in denen Lichtbögen überwacht werden, besitzen eine Wechselstromquelle 12, eine Last 14, einen Erdbezugspegel 16 und einen Schaltungsunterbrecher 18 (d. h. einen von einem Auslöse-Solenoid betätigbaren Trennschalter).
• Das Lichtbogendetektionssystem 10 umfaßt einen Stromsensor 20 und eine Lichtbogenüberwachungs- und -ansprechschaltung 22. Bei der vorliegenden Ausführungsform des Systems 10 ist der Stromsensor 20 in Reihe mit dem Stromunterbrecher 18 zwischen die Stromquelle 12 und die Last 14 geschaltet. Der Stromsensor 20 besitzt eine Klemme 26, eine Klemme 28, einen Induktor 30, einen Kondensator 32 und einen Transformator 34. Der Transformator 34 umfaßt eine Primärwicklung 36 (W&sub1;) und eine Sekundärwicklung 38 (W&sub2;), die über einen Kern 40 magnetisch gekoppelt sind. Der Induktor 30 ist zwischen die Klemmen 26 und 28 geschaltet, und der Kondensator 32 ist mit der Primärwicklung 36 zwischen die Klemmen 26 und 28 in Reihe geschaltet. Der Kondensator 32 und die Primärwicklung 36 sind daher mit dem Induktor 30 zwischen die Klemmen 26 und 28 parallel geschaltet.
• Die Lichtbogenüberwachungs- und -ansprechschaltung 22 ist mit Leitern 42 und 44 an die Sekundärwicklung 38 geschaltet. Der Transformator 34 sorgt für eine Isolation zwischen dem Leiter 24 und der Schaltung 22 und liefert ferner Signale, die für den Strom in der Primärwicklung 36 kennzeichnend sind. Die Lichtbogenüberwachungs- und -ansprechschaltung 22 kann gemäß den nachfolgend im einzelnen beschriebenen Ausführungsformen angeordnet sein. Die Schaltung 22 erzeugt ein Auslösesignal in Abhängigkeit von dem an die Leiter 42 und 44 gelegten Signal. Generell wird die Schaltung 22 von einem Phasenleiter 24 mit Strom versorgt und analysiert die nicht-primären Frequenzsignale im Phasenleiter 24, um das Vorhandensein eines Lichtbogens zu ermitteln. Das Auslösesignal wird von einer geeigneten Steuerschaltung innerhalb der Schaltung 22 auf geeignete Weise behandelt (d. h. verstärkt und isoliert) und dann an einen Leiter 46 gelegt, der an den Schaltungsunterbrecher 18 angeschlossen ist. Wenn daher die Schaltung 22 auf der Basis des vom Stromsensor 20 erzeugten Signales einen unerwünschten Lichtbogen detektiert, wird ein Auslösesignal an den Schaltungsunterbrecher 18 gelegt, der den Strom von der Stromquelle 12 von der Last 14 trennt.
• Beispielsweise umfaßt die bevorzugte Ausführungsform der Schaltung 20 einen Transformator 34 mit einem Windungsverhältnis von 1 : 1 und einem Ferritkern 40 zum magnetischen Koppeln der Wicklungen 36 und 38. Des weiteren können die Impedanzen des Induktors 30 und der Wicklung 36 so ausgewählt werden, daß sie allgemein gleich sind und in einem Bereich von 0,5 Milliohm bis 2 Ohm bei der Operationsfrequenz der elektrischen Schaltung liegen. Genauer gesagt, das vorstehend beschriebene Lichtbogendetektionssystem findet typischerweise in den Stromkreisen von Gebäuden (Wohngebäuden oder Bürogebäuden) Verwendung, die mit einem Wechselstrom von 60 Hz versorgt werden. Daher haben der Induktor 30 und die Wicklung 36 eine Impedanz von 0,5 Milliohm bis 2 Ohm bei der Primärfrequenz von 60 Hz.
• Der Kondensator 32 filtert den Strom mit der Primärfrequenz aus, so daß dieser Strom daran gehindert wird, durch die Wicklung 36 zu fließen. Daher wird der Kondensator 32 so ausgewählt, daß er bei 60 Hz eine Impedanz besitzt, die in einem Bereich liegt, der 5.000 bis 30.000mal so groß ist wie die Impedanz des Induktors 30. Beispielsweise kann der Induktor 30 einen Wert von 1,3 Mikrohenry und der Kondensator 32 einen Wert von 220 Picofarad besitzen (bei 60 Hz hat der Kondensator 32 eine Impedanz, die etwa 25.000mal so groß ist wie die des Induktors 30). Der Induktor 30 ist in der Lage, den Vollaststrom auf dem Leiter 24 zu tragen. Die Impedanz des Induktors 30 ist bei der Primärfrequenz von 60 Hz niedrig, steigt jedoch an, wenn die Frequenz des Stromes auf dem Leiter 24 ansteigt. Somit durchdringen die Hochfrequenzkomponenten den parallelen Pfad einschließlich des Kondensators 32 und der Wicklung 36. Der Kondensator 32 und die Wicklung 36 bilden ein Bandpaßfilter mit einer Mittelfrequenz, die in einem Bereich von 10 kHz bis 1 GigaHz liegen kann, vorzugsweise jedoch in einem Bereich von 5-30 MHz liegt. Generell wird die Mittelfrequenz (fcc) durch die folgende Gleichung definiert:
• fc = [2*π* (Kapazität des Kondensators 32* Induktanz der Wicklung 36)1/2]&supmin;¹
• Bei der vorliegenden Ausführungsform des Lichtbogendetektionssystems 10 ist der Schaltungsunterbrecher 18 vorzugsweise ein Trennschalter mit einer Auslösespule, die den Trennschalter in Abhängigkeit von einem an den Leiter 46 gelegten Auslösesignal betätigt. Ferner ist der Stromsensor vorzugsweise im Phasenleiter angeordnet. Es kann jedoch auch Anwendungsfälle geben, bei denen der Sensor 20 mit dem neutralen Leiter 48 oder dem Erdleiter 50 in Reihe geschaltet ist. Die in Fig. 1 gezeigte Schaltung ist eine Einphasenschaltung. Für eine Mehrphasenschaltung kann jedoch auch ein Stromsensor 20 an sämtliche Phasenleiter der Schaltung gekoppelt sein.
• Wie vorstehend allgemein beschrieben, ist das Lichtbogendetektionssystem 10 so ausgebildet, daß es Leitung-Leitung-, Leitung-Erde-, Leitung-Neutral- und Kontaktlichtbögen detektiert. Beispielsweise ist die Last 14 über Klemmen 52, 54 und 56 an den Phasenleiter 24, den neutralen Leiter 48 und den Erdleiter 50 angeschlossen. Somit besteht in der Schaltung der Fig. 1 die Möglichkeit einer Lichtbogenbildung zwischen den Leitern 24 und 48, 24 und 50, innerhalb der Klemme 52, innerhalb der Klemme 54, innerhalb der Klemme 56 und innerhalb der Last 14. Der Stromsensor 20 ist so ausgebildet, daß er Signale erzeugt, die für mit diesen Arten der Lichtbogenbildung in Verbindung stehende Stromfrequenzen kennzeichnend sind, ohne daß falsche Signale eingeführt werden. Daher reduziert dies das Risiko, daß die Lichtbogenüberwachungs- und -ansprechschaltung 22 den Leiter 46 mit falschen Signalen beaufschlagt und auf diese Weise eine unerwünschte Schaltungsunterbrechung durch den Trennschalter 18 erzeugt.
• Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform des Stromsensors 20. Bei dieser Ausführungsform ist der Stromsensor 20 zwischen den Leiter 24 und den neutralen Leiter 48 oder Erdleiter 50 geschaltet. Die zweite Ausführungsform des Stromsensors 20 umfaßt einen Transformator 58 und einen Kondensator 60. Der Transformator 58 besitzt eine Primärwicklung 62, eine Sekundärwicklung 64 und einen Toroidkern 66. Die Wicklungen 62 und 64 sind bifilare Wicklungen (d. h. als Paar von Wicklungsdrähten um den Kern 66 gewickelt). Der Kondensator 60 und die Primärwicklung 62 sind zwischen den Phasenleiter 24 und den neutralen Leiter 48 in Reihe geschaltet, wie in Fig. 2 gezeigt.
• Der Kondensator 60 und die Induktanz der Wicklung 62 bilden ein Bandpaßfilter. Signale, die Komponenten enthalten können, welche eine Lichtbogenbildung kennzeichnen, werden der Sekundärwicklung 64 zugeführt, um ein Spannungssignal zu erzeugen. Dadurch, daß der Kondensator 60 einen Wert von etwa 100 Picofarad und die Wicklung 62 eine Induktanz von etwa 1 Mikrohenry besitzen, liefert der Transformator eine Mittelfrequenz zwischen 16 und 17 MHz. Allgemein gesagt, die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform des Stromsensors 20 ermöglicht, daß das System 10 eine Lichtbogenbildung in einer elektrischen Schaltung auf der Basis der Spannung der elektrischen Schaltung überwachen kann, während die Ausführungsform des Stromsensors 20 der Fig. 1 ermöglicht, daß das System 10 die elektrische Schaltung in bezug auf eine Lichtbogenbildung auf der Basis des Stromes überwachen kann. In Abhängigkeit vom speziellen Anwendungsfall kann jeder dieser beiden Sensoren eingesetzt werden, um ein optimales System für die Überwachung einer Lichtbogenbildung zur Verfügung zu stellen.
• Wie die Fig. 3A und 3B zeigen, umfaßt die Ausführungsform der Lichtbogenüberwachungs- und -ansprechschaltung 22 eine variable Frequenzfilterschaltung 200, eine Verstärkerschaltung 202, eine zweite variable Frequenzfilterschaltung 204, eine Verstärkerschaltung 206, eine Filterabtastsignalerzeugerschaltung 208, eine Verstärkerschaltung 210, eine Verstärkerschaltung 212, eine Kapp- und Komparatorschaltung 214, eine Referenzselektorschaltung 216 und eine Integrationsschaltung 218. Das variable Frequenzfilter 200 besitzt einen Kondensator 220 und einen Widerstand 222, die zwischen Erde und den Leiter 44 geschaltet sind, einen Widerstand 224, einen Kondensator 226, der zwischen den Leiter 42 und den Widerstand 224 geschaltet ist, und einen Varactor 228 (d. h. eine Diode mit variabler Kapazität), der zwischen den Widerstand 224 und Erde geschaltet ist. Der Widerstand 224 ist ebenfalls an den Ausgangsleiter 230 des Filterabtastsignalerzeugers 208 geschaltet.
• Das variable Frequenzfilter 200 ist über einen Kondensator 232, der die Gleichstromkomponenten der Signale, die vom Filter 200 erzeugt werden, vor Zuführung dieser Signale zum Verstärker 202 ausfiltert, an den Verstärker 202 angeschlossen. Der Verstärker 202 wird von der 12 V-Systemquelle gespeist und besitzt einen Kondensator 234, der zwischen die 12 V-Stromquelle und Erde geschaltet ist, einen Widerstand 236, der zwischen den Kondensator 232 und Erde geschaltet ist, einen Widerstand 238, der zwischen den Kondensator 232 und die 12 V-Stromquelle geschaltet ist, und einen Transistor 240. Die Basis des Transistors 240 ist an den Kondensator 232 geschaltet, der Kollektor des Transistors 240 ist über einen Widerstand 242 an die 12 V-Stromquelle geschaltet, und der Emitter des Transistors 240 ist über die Parallelschaltung eines Kondensators 244 und eines Widerstandes 246 an Erde angeschlossen.
• Ein Kondensator 248 verbindet den Kollektor des Transistors 240 mit dem zweiten variablen Frequenzfilter 204. Genauer gesagt, das Filter 204 besitzt einen Widerstand 250, der zwischen Erde und einen Induktor 252 geschaltet ist, einen Varactor 254, dessen Anode an den Induktor geschaltet ist und dessen Kathode an den Kondensator 248 geschaltet ist, und einen Widerstand 256, der zwischen die Kathode des Varactors 254 und den Leiter 230 geschaltet ist. Das Filter 204 umfaßt ferner einen Kondensator 258, der parallel zum. Widerstand 250 geschaltet ist.
• Ein Kondensator 260 verbindet das Filter 204 mit dem Verstärker 206. Wie die Kondensatoren 232 und 248 filtert der Kondensator 260 die Gleichstromkomponenten des vom Filter 204 an den Verstärker 206 gelegten Signales aus. Wie insbesondere in den Fig. 3A und 3B gezeigt ist, besitzen die Verstärker 202, 206, 210 und 212 im wesentlichen den gleichen Aufbau und die gleichen Komponenten. Daher sind die Komponenten der Verstärker 206, 210 und 212 mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie die Komponenten des Verstärkers 202. Der Verstärker 206 ist mit einem Kondensator 262 an den Verstärker 210 angeschlossen, und der Verstärker 210 ist mit einem Kondensator 264 an den Verstärker 212 angeschlossen. Die Kondensatoren 262 und 264 filtern Gleichstromkomponenten aus, die in den Signalen sein können, welche von den Verstärkern 206 bis 210 und vom Verstärker 210 bis 212 übertragen werden. Zum geeigneten Tunen des Verstärkers 212 unterscheidet sich der Verstärker 212 vom Verstärker 202 dadurch, daß der Widerstand 236 durch einen Widerstand 263 ersetzt wurde, der einen anderen Widerstandswert aufweist, und daß der Widerstand 242 durch einen Widerstand 265 ersetzt wurde, der einen anderen Widerstandswert als der Widerstand 242 aufweist.
• Ein Kondensator 266 und ein Widerstand 268 schließen den Verstärker 212 an die Kappungs- und Komparatorschaltung 214 an. Die Schaltung 214 besitzt einen Widerstand 270, einen Kondensator 272, eine Diode 274, eine Diode 276 und einen Operationsverstärker 278, die so geschaltet sind, wie in Fig. 3B gezeigt.
• Der Ausgang des Verstärkers 278 ist an den Eingang der Referenzselektorschaltung 216 angeschlossen. Insbesondere ist die Schaltung 216 zwischen Erde und die 12 V- Referenz über einen Widerstand 280, einen Widerstand 282 und einen Kondensator 284, der parallel zum Widerstand 282 geschaltet ist, geschaltet. Die Schaltung 216 umfaßt ferner einen Komparator 286, dessen nichtinvertierender Eingang an den Ausgang des Verstärkers 278 und dessen invertierender Eingang über den Widerstand 280 an Erde geschaltet ist.
• Der Ausgang des Verstärkers 286 ist über einen Widerstand 288 an eine Integrationsschaltung 218 geschaltet. Die Integrationsschaltung 218 umfaßt einen Komparator 290, dessen nichtinvertierender Eingang über einen Kondensator 292 an Erde und über den Widerstand 288 an den Ausgang des Verstärkers 286 geschaltet ist. Der invertierende Eingang des Komparators 290 ist über den Widerstand 280 an Erde gelegt. Eine Diode 294 verbindet den Ausgang des Komparators 290 mit dem nichtinvertierenden Eingang desselben. Strom wird von der 12 V-Spannungsquelle an den Komparator gelegt, der teilweise vom Kondensator 296 gefiltert wurde. Der Ausgang des Komparators 290 ist ferner über einen Widerstand 300 an einen SCR 298 angeschlossen. Ein Kondensator 302 legt den SCR 298 an Erde. Die Anode des SCR 298 ist über den Leiter 46 an das Auslösesolenoid des Schaltungsunterbrechers 18 geschaltet. Die Kathode des SCR 298 ist an Erde gelegt.
• Wie in Fig. 3A gezeigt, umfaßt der Filterabtastsignalerzeuger 208 einen Widerstand 302, einen Widerstand 304, einen Widerstand 306, einen Kondensator 308, einen Transistor 310, eine Diode 312, einen Widerstand 314, eine Diode 316 und einen Operationsverstärker 318, die an den Leiter 230, Erde und die 12 V- Spannungsquelle gelegt sind, wie in Fig. 3A gezeigt. Diese Konfiguration der Erzeugerschaltung 208 erzeugt eine Spannung auf dem Leiter 230, die im Grunde eine Sägezahnwelle bildet, die sich von 0,5 bis 10 V mit einer Frequenz von etwa 180 Hz zyklisch bewegt. Dieses 180 Hz-Signal wird an Filterschaltungen 200 und 204 gelegt, um Varactoren 228 und 254 zu steuern, die die Mittelfrequenzen dieser Filter von 2 bis 8 MHz auf 12 bis 18 MHz verändern. Vorzugsweise sind die Filterschaltungen 200 und 204 so ausgebildet, daß sie Mittelfrequenzen besitzen, die sich zwischen 5 und 15 MHz mit einer Frequenz von 180 Hz bewegen, was dem Abtastsignal oder der modifizierten Sägezahnwelle entspricht, die durch den Sender 208 am Leiter 230 erzeugt wird (d. h. einem Ladekondensator 308 mit einer vorgegebenen Frequenz über etwa 1/180 sec und dann unmittelbar dem Entladekondensator 308).
• Generell filtern und transformieren die Filter 200 und 204 das vom Sensor 20 erzeugte Signal in ein Signal, das Amplituden besitzt, die die Spannung oder den Strom im Leiter 24 wiedergeben. Das Filter 204 ist nicht unbedingt erforderlich. Das vom Sensor 20 erzeugte Signal wird jedoch bei Frequenzen gefiltert, die von etwa 5 bis 15 MHz reichen und sich schrittweise mit einer konstanten Rate über die Zykluszeit (d. h. 1/180 sec) des Abtastsignales am Leiter 230 ändern (d. h. ansteigen oder abfallen). Durch die Fortpflanzungsverzögerungen des vom Sensor 20 erzeugten Signales durch das Filter 200 und den Verstärker 202 filtert das Filter 204 das Signal zu einem Zeitpunkt, der gegenüber der Zeit, bei der das Filter 200 das Signal filtert, verzögert ist. Daher wirken die Filter 200 und 204 als Verbundfilter, um die Bandbreite, über die das vom Sensor 20 erzeugte Signal gefiltert wird, zu verengen. Beispielsweise beträgt die Bandbreite der Filter 200 und 204 individuell etwa 2 MHz, und diese Bandbreite kann durch Kombination der Filter 200 und 204, wie in Fig. 3A gezeigt, auf etwa 1 MHz verengt werden.
• Fig. 4 zeigt eine dreidimensionale Darstellung des von einem Lichtbogen an einem Leiter 24 erzeugten Signales. Im einzelnen umfaßt die Darstellung die Frequenz, Amplitude und Zeit auf den Achsen. Sie besitzt diverse Merkmale, wie beispielsweise die Rücken 320, 322, 324 und 326, die Schmalbandsignale, beispielsweise von älteren Vorschaltgeräten für Fluoreszenzlampen erzeugte Spitzenspannungen, kennzeichnen. Die Darstellung umfaßt ferner ein relativ kontinuierliches Gebilde 328, das sich entlang einer Achse erstreckt, die allgemein parallel zur Frequenzachse verläuft, und eine relativ kurze Zeitdauer besitzt. Dieses Gebilde 328 kennzeichnet Weißrauschen, das theoretisch bei sämtlichen Frequenzen, über die es vorhanden ist, die gleiche Amplitude besitzt. Der restliche Teil der in Fig. 4 gezeigten Amplituden ist das Ergebnis von Lichtbogenenergie. Der Lichtbogen, der durch die Darstellung der Fig. 4 gekennzeichnet ist, erstreckt sich über den vollständigen gezeigten Frequenzbereich und hat eine Dauer über die volle Zeitperiode T&sub0; bis TN. Der in den Fig. 3A und 3B gezeigte Lichtbogendetektor ist so ausgebildet, daß er ein Auslösesignal in Gegenwart eines Signales erzeugt, das Amplituden in einem großen Bereich von Frequenzen aufweist und eine Dauer hat, die eine vorgegebene Grenze übersteigt (d. h. Lichtbogenbildung).
• Es wird nunmehr wieder auf die Fig. 3A und 3B Bezug genommen. Wenn ein einen Lichtbogen einschließendes Signal, wie das graphisch in Fig. 4 gezeigte Signal, dem Filter 200 zugeführt wird, gibt das Filter 200 ein Signal ab, das die Amplituden aufweist, die entlang der Linie A-A angeordnet sind und den Frequenzen F0 bis FN entsprechen. Der Effekt der Verwendung des variablen Frequenzfilters 200 besteht darin, ein Signal an dessen Ausgang zu erzeugen, das relativ geringe Amplitudeninformationen in bezug auf die Schmalbandsignale 320, 322, 324 und 326 und das Weißrauschen 328 enthält. Daher wird die Erzeugung von falschen Auslösesignalen bei SCR 298 durch Verwendung eines variablen Frequenzfilters, wie des Filters 200, wesentlich verringert.
• Der Verstärker 202 hat einen Verstärkungsfaktor zwischen 100 und 400 über das Frequenzspektrum des am Ausgang des Kondensators 232 erzeugten Signales und verstärkt das Signal zur Zuführung zum zweiten variablen Frequenzfilter 204. Wie vorstehend kurz erläutert, funktioniert das Filter 204 im wesentlichen wie das Filter 200 und filtert das Signal mit einer geringfügigen Mittelfrequenzverschiebung gegenüber dem Filter 200. Die Kombination der Filter 200 und 204 filtert das Signal zur Schaffung einer engeren Bandbreite für die Mittelfrequenzen, bei denen das Signal gefiltert wird. Wie vorstehend erläutert, wird die Bandbreite für die Mittelfrequenzen, bei denen das Signal gefiltert wird, durch die Verwendung des zweiten variablen Frequenzfilters 204 um nahezu 50% reduziert. In Abhängigkeit vom Einsatzzweck und von Kostenüberlegungen kann das Filter 204 aber auch entfallen.
• Die Verstärker 206, 210 und 212 besitzen jeweils einen Verstärkungsfaktor von etwa 100 bis 400 über den Frequenzbereich des am Ausgang des Kondensators 260 erzeugten Signales. Durch die Verstärkung der Verstärker 206, 210 und 212 wird ein Signal am Ausgang des Kondensators 266 erzeugt, das von der Kappungsschaltung 214 bei 0,6 V gekappt werden kann.
• Wenn das am Ausgang des Kondensators 266 erzeugte Signal das Ergebnis eines dem Sensor 20 zugeführten Signales, das einen Lichtbogen enthält, ist, bleibt der Ausgang des Operationsverstärkers 278 relativ zur Referenzspannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 286 hoch (d. h. etwa 8 V). Folglich wird der Ausgang des Verstärkers 286 hoch gesetzt und lädt den Kondensator 292 auf. Wenn der Ausgang des Verstärkers 286 niedrig ist, wird der Kondensator 292 durch den Verstärker 286 entladen. Daher wirkt der Kondensator 292 in Verbindung mit der zugehörigen Schaltung als Integrator, um das vom Verstärker 278 erzeugte Signal, das sich über der von der Spannungsreferenz am invertierenden Eingang des Verstärkers 286 eingestellten Schwellenspannung befindet, zu integrieren. Wenn daher ein Lichtbogen vorhanden ist und der Ausgang des Verstärkers 286 hoch bleibt, wird der Kondensator 292 aufgeladen. Wenn die Spannung über den Kondensator 292 eine vorgegebene Grenze, die von der Widerstandsbrücke 282 und 280 und der 12 V-Spannungsquelle eingestellt wird (d. h. etwa 8 V), übersteigt, legt der Komparator 290 ein Auslösesignal mit hohem Pegel an den Widerstand 300, der den SCR 298 vorwärts vorspannt, welcher wiederum das Auslösesolenoid des Schaltungsunterbrechers aktiviert, um den Leiter 24 zu öffnen und die Last 14 von der Stromquelle 12 zu entfernen.
• Die Diode 294 ist eine Verriegelungsdiode, die den Ausgang des Komparators 290 auf einem hohen Pegel verriegelt, wenn ein Auslösesignal am Ausgang des Komparators erzeugt wird. Mit dieser Verriegelungsanordnung soll sichergestellt werden, daß der SCR 298 im vorwärts vorgespannten Zustand verbleibt, obwohl der SCR 298 das Anlegen eines Wechselstromes an das Auslösesolenoid des Schaltungsunterbrechers steuern kann. Genauer gesagt, ohne diese Anordnung würde der Wechselstrom den SCR 298 auf reverse Weise vorspannen und dieser würde bei Beendigung des Lichtbogens die Stromleitung unterbrechen. Wenn einmal ein Lichtbogen von der Schaltung detektiert worden ist, sollte die Auslösung auch dann stattfinden, wenn der Lichtbogen beendet ist. Dies ist wichtig, da der Schaltungsunterbrecher 18 bei Detektion eines Lichtbogens geöffnet werden sollte, und zwar unabhängig davon, ob die Lichtbogenbildung vor der Erregung des Solenoides zur Öffnung des Schaltungsunterbrechers 18 beendet ist oder nicht. Beim Öffnen des Schaltungsunterbrechers 18 wird die Stromzufuhr von der 12 V-Stromquelle unterbrochen, so daß sich die Kondensatoren in der Schaltung des Lichtbogendetektors entladen, und die Verriegelung des Komparators 290 wird unterbrochen.
• Beispielsweise können die Komponenten der Ausführungsform der Schaltung 22 die folgenden Eigenschaften besitzen:
• Kondensator 220 250 pF
• Widerstand 222 49,9 Ω
• Widerstand 224 100 K Ω
• Kondensator 226 250 pF
• Kondensator 232 1 nF
• Kondensator 234 100 uF
• Widerstand 236 10K Ω
• Widerstand 238 100K Ω
• Transistor 240 2N3904
• Widerstand 242 10K Ω
• Kondensator 244 1 nF
• Widerstand 246 470 Ω
• Kondensator 248 1 nF
• Widerstand 250 49,9 Ω
• Induktor 252 1,5 uH
• Widerstand 256 100K Ω
• Kondensator 258 1 nF
• Kondensator 260 1 nF
• Kondensator 262 1 nF
• Widerstand 263 51,1 K Ω
• Kondensator 264 1 nF
• Widerstand 265 3,3K Ω
• Kondensator 266 1 nF
• Widerstand 268 1M Ω
• Widerstand 270 10K Ω
• Kondensator 272 15 pF
• Diode 274 1N4148
• Diode 276 1N4148
• Verstärker 276 LM2902
• Widerstand 280 22,6K Ω
• Widerstand 282 7,5K Ω
• Kondensator 284 100n F
• Komparator 286 LM2902
• Widerstand 288 107K Ω
• Komparator 290 LM2902
• Kondensator 292 100n F
• Diode 294 1N4148
• Kondensator 296 100nF
• SCR 298 EC103D
• Widerstand 300 1K Ω
• Kondensator 302 100nF
• Diese Ausführungsform des Lichtbogendetektors wurde in Verbindung mit der Analogschaltung der Fig. 3A und 3B im einzelnen beschrieben. Gegenwärtig wird davon ausgegangen, daß dies der kostengünstigste Weg ist, um den Lichtbogendetektor zu realisieren. Dieser Lichtbogendetektor kann jedoch auch mit einem programmierten digitalen Prozessor mit zugehöriger Analog-Digital- Schaltung und digitalen Eingängen und Ausgängen (d. h. Mikrocontroller) realisiert werden. Genauer gesagt, der Sensor 20 wäre dann an den A-D-Wandler der Steuereinheit mit geeigneter Filterung angeschlossen und die Steuereinheit wäre so programmiert (ausgebildet), um eine Digitalfilterung des vom A-D-Wandler erzeugten digitalen Signales durchzuführen. Dieses digital gefilterte Signal würde dann von geeigneter Software analysiert, um digitale Daten zu erzeugen, die ein Auslösesignal kennzeichnen, wenn das vom Sensor 20 erzeugte Signal einen Lichtbogen im Leiter 24 wiedergibt. Mit anderen Worten, die Digitalfilterung und Datenmanipulation, die im Mikrocontroller stattfindet, würde so ausgebildet sein, daß ein Auslösesignal in Abhängigkeit von einem Lichtbogensignal im wesentlichen in der gleichen Weise wie bei der Analogschaltung der Fig. 3A und 3B erzeugt würde. Der SCR 298 wäre über eine geeignete Isolationsschaltung, falls erforderlich, an einen digitalen Ausgang des Mikrocontrollers angeschlossen, und bei Erzeugung eines Auslösesignales durch den Mikrocontroller in Abhängigkeit von einer Lichtbogenbildung würde der digitale Ausgang den SCR 298 vorwärts vorspannen, um den Schaltungsunterbrecher auszulösen. Geht man daher von der in den Fig. 3A und 3B gezeigten Schaltung aus, so wäre eine Substitution dieser Schaltung durch einen geeignet ausgebildeten Mikrocontroller möglich und für den Fall wahrscheinlich, daß die Kosten des Mikrocontrollers zur Durchführung der Signalverarbeitung, um den Lichtbogendetektor zu realisieren, in der Zukunft verringert werden.
• Es wird nunmehr eine spezielle Situation beschrieben, bei der es wünschenswert ist, eine Falschauslösung, verursacht durch die Unmöglichkeit einer genauen Bestimmung des Vorhandenseins eines Lichtbogens, zu vermeiden. Die Fig. 5 und 6 zeigen Signale, welche die am Kondensator 266 erzeugten Signale wiedergeben die Fig. 5 zeigt das Signal, das erzeugt wird, wenn eine elektrische Bohrmaschine als Last 14 angeschlossen wird. Es ist generell bekannt, daß elektrische Bohrmaschinen ein beträchtliches Rauschen in der Schaltung, an die sie angeschlossen sind, erzeugen. Ein Lichtbogendetektor sollte jedoch in Abhängigkeit von diesem Rauschen kein Auslösesignal erzeugen. Fig. 6 zeigt ein am Kondensator 266 erzeugtes Signal, das sowohl das Vorhandensein einer Bohrmaschine als auch das Vorhandensein eines Lichtbogens einschließt. Wie man ohne weiteres erkennen kann, besitzt das in Fig. 6 gezeigte gefilterte Signal Amplituden, die in dem Frequenzbereich, den die Filter 200 und 204 abtasten, relativ hoch sind. Wenn daher das in Fig. 5 gezeigte Signal an den Komparator 286 gelegt wird, nimmt das Ausgangssignal einen hohen und niedrigen Pegel derart an, daß der Kondensator 292 keine Chance zum Aufladen (d. h. zum Integrieren) hat und somit ein Auslösesignal am Ausgang des Komparators 290 erzeugt. Das in Fig. 6 gezeigte Signal hält das Ausgangssignal im wesentlichen auf konstante Weise hoch und bewirkt eine Aufladung des Kondensators 292 (d. h. Integration) auf eine Spannung, die bewirkt, daß der Komparator 290 an seinem Ausgang ein Auslösesignal erzeugt.
• Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde vorstehend anhand eines Beispieles erläutert. Es versteht sich, daß auch entsprechende Modifikationen vorgenommen werden können, ohne den Schutzumfang der nachfolgenden Patentansprüche zu verlassen. Beispielsweise können die Werte der Kapazitäten und Induktanzen variiert werden, so daß sie anderen Primärfrequenzen als 60 Hz entsprechen (d. h. 50 Hz für den europäischen Bereich). Ferner kann die Kernausbildung der Transformatoren 40 und 66 modifiziert werden, um unterschiedliche Anwendungen zu ermöglichen. Durch eine weitere Modifikation kann die Schaltung der Fig. 2 unter Verwendung einer Primärwicklung 62 von 5,5 Mikrohenry verändert werden. Durch noch eine andere Modifikation kann der Stromsensor 20, wenn er zusammen mit der Überwachungs- und Ansprechschaltung 22 eingesetzt wird, die Form eines Transformators annehmen, der an eine oder mehrere Leiter 24, 48 oder 50 magnetisch gekoppelt ist.

Claims (17)

1. Lichtbogendetektor (10), der an einen elektrischen Leiter (24) angeschlossen ist und ein Lichtbogendetektionssignal in Abhängigkeit von einer Spannung oder einem Strom im Leiter, die oder der in Abhängigkeit von einem elektrischen Lichtbogen generiert wurde, erzeugt, mit

einem Signalumformer (20), der an den elektrischen Leiter angeschlossen ist und ein erstes Signal erzeugt, das die Spannung oder den Strom im Leiter kennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogendetektor des weiteren umfaßt:

eine Filterschaltung (200, 204) mit variabler Frequenz, die eine Filterfrequenz besitzt, die einen vorgegebenen Bereich überstreicht, wobei das Filter das erste Signal empfängt und ein zweites Signal mit einer Vielzahl von Amplituden, die die Spannung oder den Strom bei einer entsprechenden Vielzahl von Frequenzen kennzeichnen, erzeugt; und

eine Schwellenabtastschaltung (206, 214, 216, 218), die an die Filterschaltung mit variabler Frequenz angeschlossen ist, um das Lichtbogendetektionssignal zu erzeugen, wenn eine Vielzahl der Amplituden eine vorgegebene Schwelle übersteigt.

2. Lichtbogendetektor nach Anspruch 1, bei dem die Filterschaltung mit variabler Frequenz ein erstes und zweites Filter (200, 204) mit variabler Frequenz umfaßt, die eine Mittelfrequenz besitzen, die sich von einer ersten vorgegebenen Frequenz bis zu einer zweiten vorgegebenen Frequenz bewegt, wobei die Vielzahl der Frequenzen zwischen der ersten und zweiten vorgegebenen Frequenz liegt, und bei dem das erste Filter mit variabler Frequenz an den Signalumformer und das zweite Filter mit variabler Frequenz an das erste Filter mit variabler Frequenz angeschlossen sind, um das zweite Signal zu erzeugen.

3. Lichtbogendetektor nach Anspruch 2, bei dem sich die Mittelfrequenz zwischen der ersten und zweiten vorgegebenen Frequenz mit einer konstanten Rate über eine erste vorgegebene Zeitdauer zyklisch bewegt.

4. Lichtbogendetektor nach Anspruch 3, bei dem die erste vorgegebene Frequenz in einem Bereich von 2 bis 8 MHz und die zweite vorgegebene Frequenz in einem Bereich von 12 bis 18 MHz liegen.

5. Lichtbogendetektor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, der des weiteren eine erste Verstärkerschaltung (202) aufweist, die zwischen die Filter mit variabler Frequenz geschaltet ist.

6. Lichtbogendetektor nach Anspruch 5, bei dem die Schwellenabtastschaltung umfaßt:

eine zweite Verstärkerschaltung (206), die an das zweite Filter mit variabler Frequenz angeschlossen ist, um das zweite Signal zu verstärken und ein drittes Signal zu erzeugen;

eine Integrationsschaltung (214, 218), die an die zweite Verstärkerschaltung geschaltet ist, um das dritte Signal zu integrieren, wenn die Amplitude des dritten Signales die vorgegebene Schwelle übersteigt, und ein Integrationssignal zu erzeugen; und

eine Komparatorschaltung (216, 218), die an die Integrationsschaltung angeschlossen ist, um das Lichtbogendetektionssignal abzugeben, wenn das Integrationssignal eine vorgegebene Grenze übersteigt.

7. Lichtbogendetektor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem die Mittelfrequenz des zweiten Filters mit variabler Frequenz gegenüber der Mittelfrequenz des ersten Filters mit variabler Frequenz versetzt ist.

8. Lichtbogendetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Signalumformer ein Transformator ist.

9. Lichtbogendetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Signalumformer ein Strom-Shunt ist.

10. Lichtbogendetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, der des weiteren einen Schaltungsunterbrecher (18) zum Unterbrechen des Stromflusses im elektrischen Leiter in Abhängigkeit vom Lichtbogensignal aufweist.

11. Lichtbogendetektor nach Anspruch 10, bei dem der Unterbrecher umfaßt:

eine Schaltvorrichtung, die an den elektrischen Leiter geschaltet ist und die vom elektrischen Leiter gebildete Schaltung in Abhängigkeit von einem Auslösesignal öffnen kann; und

eine an die Schaltvorrichtung und die Schwellenabtastschaltung geschaltete Auslöseschaltung zur Abgabe eines Auslösesignales an die Schaltvorrichtung, wenn das Lichtbogendetektionssignal erzeugt wird.

12. Lichtbogendetektor nach Anspruch 11, bei dem die Schaltvorrichtung ein Trennschalter ist, der eine an die Auslöseschaltung geschaltete Auslösespule umfaßt.

13. Detektionsverfahren für einen elektrischen Lichtbogen, bei dem ein erstes Signal erzeugt wird, das die Spannung oder den Strom in einem elektrischen Leiter kennzeichnet, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

Filtern des ersten Signales, während die Filterfrequenz einen vorgegebenen Bereich überstreicht, um ein zweites Signal mit einer Vielzahl von Amplituden, die die Spannung oder den Strom bei einer entsprechenden Vielzahl von Frequenzen kennzeichnen, zu erzeugen; und

Erzeugen eines Lichtbogendetektionssignales, wenn eine Vielzahl der Amplituden eine vorgegebene Schwelle übersteigt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Schritt des Filterns das doppelte Filtern des ersten Signales umfaßt.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem der Schritt des Filterns das zyklische Bewegen der Filterfrequenz zwischen der ersten und zweiten vorgegebenen Frequenz mit einer konstanten Rate über eine erste vorgegebene Zeitdauer umfaßt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem der Signalerzeugungsschritt des weiteren folgende Schritte umfaßt:

Verstärken des zweiten Signales zur Erzeugung eines dritten Signales; und

Integrieren des dritten Signales, wenn die Amplitude des dritten Signales die vorgegebene Schwelle übersteigt, um ein Integrationssignal zu erzeugen.

17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der Schritt der Signalerzeugung des weiteren den Schritt der Abgabe des Lichtbogendetektionssignales, wenn das Integrationssignal eine vorgegebene Grenze übersteigt, umfaßt.