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Title:
ELECTROMECHANICAL SWITCHING DEVICE AND ARRANGEMENT WITH SEVERAL SUCH DEVICES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1996/007192
Kind Code:
A2
Abstract:
Switching devices may have means for contactlessly detecting their position. According to the invention, to recognise the switching position there are magnetic field sensors arranged at a suitable point inside and/or outside the device housing. Position-dependent magnetic fields are measured in particular to detect the on-off switched position, overcurrent triggering and contact welding. The magnetic field of the flowing current is detected, however, to detect short-circuit triggering. Differential Hall effect sensors (10, 30, 40) and Reed contacts (20) are used for these purposes. In an advantageous development of the main patent, there is a sound sensor (130) to detect switching noise, the signal of which is evaluated together with the overcurrent triggering signal to detect short-circuit triggering.

Inventors:
POHL FRITZ (DE)
JAEHNER WILFRIED (DE)
Application Number:
PCT/DE1995/001089
Publication Date:
March 07, 1996
Filing Date:
August 17, 1995
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
POHL FRITZ (DE)
JAEHNER WILFRIED (DE)
International Classes:
H01H9/16; H01H71/04; H01H71/24; H01H71/50; H02H3/04; H02H5/00; (IPC1-7): H01H71/04; H01H9/16; H01H71/24; H02H3/04; H02H5/00
Foreign References:
US4706073A1987-11-10
DE9406897U11994-06-16
US4611201A1986-09-09
FR2512993A31983-03-18
FR2201470A11974-04-26
EP0226530A21987-06-24
EP0050417A11982-04-28
FR2380652A11978-09-08
FR2217846A11974-09-06
US5051861A1991-09-24
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Claims:
Patentanεprüche
1. Elektromechaniεches Schaltgerät mit wenigεtens einem be¬ weglichen Kontakt und zugehörigem Antrieb in einem Geräte gehäuse mit Mitteln zur berührungεloεen Erkennung des Schalt zuεtandeε, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Erkennung der Schaltzustände Magnetfeldsenεoren (10, 20, 30, 40) vorhanden εind, die an geeigneter Stelle inner¬ halb und/oder außerhalb deε Gerätegehäuses (100) angeordnet sind und die mit den bestimmten Schaltzuständen verknüpfte Magnetfeldwerte erfassen.
2. Schaltgerät nach Anspruch 1, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß die Sensoren (10, 30, 40) zur Erkennung des Ein/Ausschaltzustandes, einer Überstromauε löεung und einer Kontaktverεchweißung poεitionεabhängige Magnetfelder von Permanentmagneten messen.
3. Schaltgerät nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Sensor (20) zur Kurz schlußauslösung daε Magnetfeld deε im Schaltgerät fließenden Stromeε mißt.
4. Schaltgerät nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Erfasεung der Ein/Aus Schaltεtellung mittels eines statischen DifferentialHall¬ effektSensors (10) erfolgt.
5. Schaltgerät nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Erfaεεung der Überstrom auslöεung mittelε eineε εtatiεchen DifferentialHallEffekt Sensors (30) erfolgt.
6. Schaltgerät nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß dem Sensor (30) Speichermittel zur Realisierung eines "elektronischen Gedächtnisεeε" zuge¬ ordnet sind.
7. Schaltgerät nach Anεpruch 2, wobei der bewegliche Kontakt auf einem um eine Drehachse εchwenkbaren Kontaktträger an¬ geordnet iεt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der HalleffektSenεor (40) als Magnetfeldsensor zur sen sorischen Erfassung der Position der Drehachse des Kontakt trägers (103) dient.
8. Schaltgerät nach Anspruch 7, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß die Erfassung einer Kontakt verschweißung durch logische Verknüpfung der Signale "Schalt¬ stellung" des Sensors (10) und "Kontaktwelle" des Sensors (40) erfolgt.
9. Schaltgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Poεi tionεabhängigkeit der von den Senεoren (10, 30, 40) gemeεse nen Magnetfelder von Permanentmagneten durch die zu über¬ wachenden Komponenten der Schaltermechanik erzeugt wird.
10. Schaltgerät nach Anspruch 9, mit einem Antriebsbügel als Komponente der Antriebsmechanik, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß die zu überwachende Kompo¬ nente der Schaltermechanik, beiεpielεweiεe der Antriebεbügel (105), auε ferromagnetiεchem Material besteht.
11. Schaltgerät nach Anspruch 9, mit einer Kontaktwelle und einem Klinkenhebel alε Komponenten der Antriebεmechanik, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die zu überwachende Komponente der Schaltermechanik , beiεpielsweise die Kontaktwelle (116) und Klinkenhebel (115), ein ferro magnetiεcheε Materialεtück trägt.
12. Schaltgerät nach Anspruch 11, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß das ferromagnetische Mate rialstück als Eiεenεtäbchen bzw. hohlzylinder ausgebildet ist und beispielsweiεe eine Länge von ca. 4 mm und eine Dicke von ca. 4 mm hat.
13. Schaltgerät nach Anεpruch 3, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß zur Erfassung der Kurzschluß auεlöεung ein ReedKontakt (20) vorhanden iεt.
14. Schaltgerät nach Anεpruch 13, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß dem ReedKontakt (20) Spei¬ chermittel zur Realiεierung eines "elektronischen Gedächt¬ nisses" zugeordnet sind.
15. Schaltgerät nach Anspruch 14, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß der ReedKontakt (20) durch eine ferromagnetische Abεchirmung gegen magnetiεche Fremd Störfeider abgeεchirmt iεt.
16. Schaltgerät nach Anεpruch 1, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß weiterhin ein Schallεensor (130) zur Erfassung des Schaltgeräusches vorhanden ist, desεen Signal gemeinεam mit dem Signal für Überεtromauεlösung zur Kurzschlußerfasεung ausgewertet wird.
17. Schaltgerät nach Anspruch 1, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß ein mit dem Schallsenεor (130) erfaßteε Signal für ein Schallereigniε und das mit einer DifferentialHallEffektSonde erzeugte Signal für Überstromauslösung über Zeitstufen (141,142) auf ein UND Glied (150) gegeben wird und bei zeitlicher Überlappung bei¬ der Signale ein Kurzεchlußereignis angezeigt wird.
18. Schaltgerät nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Schallsensor (130) ein Kondensatormikrophon oder ein piezoelektrisches Mikrophon ist, daε außerhalb deε Gerätegehäuεeε (100) angeordnet iεt.
19. Schaltgerät nach Anεpruch 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Schallsensor (130) in einem eigenen Gehäuse (400) für die Mittel der Schaltzu¬ standserkennung eingebaut ist, welches Gehäuse (400) an das Gerätegehäuse (300) des Leitungsschutzschalters ankoppelbar ist.
20. Anordnung mit mehreren Schaltgeräten nach einem der vor hergehenden Ansprüche mit folgenden Merkmalen: die Erkennung deε Ein/Auεεchaltzuεtandes und des Aus lösezustandes, insbeεondere Überεtrom oder Kurzschluß auεlöεung, der Schaltgeräte erfolgt durch Senεoren (10, 30) die Schaltgeräte sind über einen Datenbus mit einer Über¬ wachungseinrichtung (Controller) verbunden und melden dieεer unverzögert den Eintritt eineε Auslösezustandes die Schaltgeräte εind als Verteilerschalter in einem gemeinsamen Verteilerschrank eingebaut die Kurzschlußerfaεεung an den Verteilerεchaltern erfolgt durch einen oder mehrere feεtinεtallierte Schallsensoren an geeigneten Meßorten im Verteilerεchrank die Schallereigniεεe können nach Schallpegel und Zeitver¬ lauf εelektiert als mögliche Kurzschlußereignisεe erfaßt werden, und werden als elektrische Signale über den Datenbus der Überwachungεeinrichtung unverzögert gemeldet die Überwachungseinrichtung löscht eine Schallmeldung, wenn nicht innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters eine Auslösemeldung eintrifft die Überwachungseinrichtung stellt eine Kurzschlußauε lösung fest, wenn die Schallmeldung und die Auslöεemel dung innerhalb deε vorgegebenen Zeitfenεterε eintreffen und ordnet die Kurzschlußauslöεung demjenigen Verteiler¬ schalter zu, welcher die Auslöεemeldung geεendet hat.
21. Schaltgerät nach einem der vorhergehenden Anεprüche , g e k e n n z e i c h n e t durch eine mehrpolige Auεfüh rung .
Description:
Beschreibung

Elektromechanisches Schaltgerät sowie Anordnung mit mehreren derartigen Schaltgeräten

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromechanisches Schaltgerät mit wenigstens einem beweglichen Kontakt und zu¬ gehörigem Antrieb in einem Gerätegehäuse und mit Mitteln zur berührungslosen Erkennung des Schaltzustandes. Daneben be- zieht sich die Erfindung auf eine Anordnung mit mehreren derartigen Schaltgeräten.

In elektrischen Verteilungen im industriellen Bereich ist es üblich, den Betriebszustand zu überwachen und speziell die Schaltzustände der Schaltgeräte, wie Ein-/Aus- oder Fehler¬ auslösung zu erfassen und zu melden. Als Ziel einer modernen Systemtechnik wird gefordert, daß Schaltgeräte mit Ober- wachungs- und Steuereinrichtungen über einen Datenbus kommu¬ nizieren, wozu Betriebsdaten in geeigneter Weise erfaßt wer- den müssen. Im Falle der Gebäudesystemtechnik sollen z.B. Leitungsschutzschalter mit einer berührungslosen Schaltzu- standserkennung ausgerüstet sein, welche im einzelnen den Einschaltzustand, die Überstromauslösung, die Kurzschlußaus¬ lösung und/oder weitere Schaltzustände erfaßt und über einen Datenbus meldet.

Beim Stand der Technik erfolgt eine Schaltzustandserkennung üblicherweise durch mechanisch gekoppelte Schaltelemente, wie Hilfsschalter und/oder Fehlersignalschalter, die beispiels- weise am Leitungsschutzschalter angebaut werden, womit der

Ein-/Ausschaltzustand und eine mögliche Fehlerauslösung, wie auch Überstrom bzw. Kurzschluß erfaßt werden. Eine solche mechanische Ankopplung der Schaltelemente an die Mechanik des zu überwachenden Schaltgerätes erfolgt zum einen über Öffnun- gen im Schaltergehäuse, durch die bei Kurzschlüssen elek¬ trisch leitende Gase austreten können, die z.B. elektrische Kriechstrecken erzeugen können, und erhöht zum anderen die

Betätigungskraft, die zum Einschalten des Schaltgerätes er¬ forderlich ist. Daneben können an den zusätzlichen Schaltele¬ menten beim kontaktbehafteten Schalten kleiner Ströme und Spannungen, die in der elektronischen Signalverarbeitung üblicherweise auftreten, durch korrosive Effekte Kontaktun¬ sicherheiten entstehen, die eine eindeutige Schaltzustands- erkennung verhindern.

Aus der älteren, nicht vorveröffentlichten europäischen Patentanmeldung Nr. 94106336.4 ist ein Verfahren zur Erken¬ nung von Schaltzuständen bekannt, bei der über einen extern an das Schaltergehäuse angelegten Kondensator eine kapazitive Ankopplung an die ström- bzw. spannungsführenden Teile im Schaltgerät realisiert wird. Die über einen kapazitiven Span- nungsteiler gemessenen Signale besitzen signifikante Verläufe für den Ein- bzw. Ausschaltzustand des Schaltgerätes und können auch hinsichtlich Überstrom und dgl. ausgewertet wer¬ den.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein elektromecha¬ nisches Schaltgerät auf einfache Weise derart zu modifizie¬ ren, daß eine berührungslose Schaltzustandserkennung möglich ist.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Er¬ kennung der Schaltzustände Sensoren vorhanden sind, die an geeigneter Stelle innerhalb und/oder außerhalb des Gerätege¬ häuses angeordnet sind und die mit den bestimmten Schaltzu¬ ständen verknüpften Magnetfeldwerte erfassen. Vorzugsweise messen die Sensoren zur Erkennung des Ein-/Ausschaltzustan- des, einer Überstromauslösung und einer Kontaktverschweißung positionsabhängige Magnetfelder von Permanentmagneten. Spe¬ ziell zur Kurzschlußauslösung messen die Sensoren das Magnet¬ feld des im Schaltgerät fließenden Stromes.

Es hat sich gezeigt, daß zur sensorischen Erfassung der Ein-/

Ausschaltstellung des Schaltgerätes, der Überstromauslösung und des Kontaktverschweißens statische Differential-Hall¬ effekt-Sensoren geeignet sind. Zur Erfassung der Kurzschlu߬ auslösung ist dagegen ein Reed-Kontakt besser geeignet.

Gemäß weiterer Erfindung ist weiterhin ein Schallsensor zur Erfassung des Schaltgeräusches vorhanden ist, dessen Signal gemeinsam mit dem Signal für Überstromauslösung zur Kurz¬ schlußerfassung ausgewertet wird. Gegenüber einer Kurzschluß- erfassung durch Detektion des Magnetfeldes liegt der Vorteil der zusätzlichen Schall-Detektion darin, daß der Ort und Ab¬ stand der Schallquelle zum Schallsensor das Schallsignal nur gering beeinflussen und daß keine Abschirmeffekte auftreten, wie dies bei Magnetfeldern durch ferromagnetische Bauteile möglich ist. Um ein Kurzschlußereignis zuverlässig und stör¬ unempfindlich zu erfassen, wird das mit dem Schallsensor erfaßte Signal für ein Schallereignis und das insbesondere mit einer Differential-Hall-Effekt-Sonde erzeugte Signal für Überstromauslösung vorteilhafterweise über Zeitstufen und ein UND-Glied weiterverarbeitet und es wird nur bei zeitlicher Überlappung bzw. bei geringem Zeitabstand beider Signale ein Kurzschlußereignis angezeigt. Vorzugsweise ist der Schall¬ sensor ein Kondensatormikrophon oder ein piezoelektrisches Mikrophon, das außerhalb des Gerätegehäuses angeordnet ist. Der Schallsensor kann in einem eigenen Gehäuse für die Mittel der Schaltzustandserkennung eingebaut sein.

Mit letzterer Ergänzung kann vorteilhafterweise bei mehr¬ poligen Schaltern eine sichere Kurzschlußdetektion einer einzelnen oder mehrerer Phasen erfolgen, da die Entfernung des Schallsensors zum Schallereignis des Schaltpoles zwischen etwa 3 bis 10 cm liegt. Dabei wird davon ausgegangen, daß das von Kurzschluß erzeugte Schallereignis in etwa zeitgleich mit der Auslösung der Phase des Leitungsschutzschalters auftritt, so daß über ein Zeitfenster für die logische UND-Verknüpfung beider Vorgänge insbesondere Störschallquellen unterdrückt werden können.

In vorteilhafter Kombination der erfindungsgemäß vorgeschla¬ genen Maßnahmen kann eine Anordnung mit mehreren Schalt- geraten geschaffen werden, die in erfinderischer Weise aus- gebildet sind, bei dem die Schaltgeräte über einen Datenbus mit einer Überwachungseinrichtung verbunden sind und über diesen unverzögert den Eintritt eines Auslösezustandes mel¬ den. Bei dieser Anordnung sind die Schaltgeräte als Vertei¬ lerschalter in einem gemeinsamen Verteilerschrank eingebaut und erfolgt die Kurzschlußerfassung an den Verteilerschaltern durch einen oder mehrere fest installierte Schallsensoren an geeigneten Meßorten im Verteilerschrank. In spezifischer Ausbildung können dabei die Schallereignisse nach Schallpegel und Zeitverlauf selektiert als zunächst mögliche Kurzschluß- ereignisse erfaßt werden und werden als elektrische Signale über den Datenbus der Überwachungseinrichtung unverzögert gemeldet. Die Überwachungseinrichtung löscht dann eine Schallmeldung, wenn nicht innerhalb eines vorgegebenen Zeit¬ fensters eine Auslösemeldung eintrifft und stellt dann eine Kurzschlußauslösung fest, wenn die Schallmeldung und die

Auslösemeldung innerhalb des vorgegebenen Zeitfensters ein¬ treffen.Das Zeitfenster für die Koinzidenzprüfung der Aus¬ löse- und der Schallmeldung wird also durch das zuerst ein¬ treffende Signal aktiviert. Durch die entsprechend verteilten Schallsensoren wird das Schallereignis sicher erfaßt und es kann die Überwachungseinrichtung die Kurzschlußauslösung demjenigen Verteilerschalter zuordnen, welcher die Auslöse¬ meldung gesendet hat.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungs- beispiels anhand der Zeichnung. Es zeigen

Figur 1 das Blockschaltbild einer Einrichtung zur berüh- rungslosen Erkennung des Schaltzustandeε eines

Schaltgerätes, Figur 2 ein Prinzipschaltbild der Sensorschaltung,

Figur 3 ein zu Figur 2 alternatives Prinzipschaltbild einer BUS-unabhängigen Sensorschaltung,

Figur 4 einen elektromechanischen Leitungsschutzschalter für die Anordnung spezieller Sensoren an der Gehäuse- seitenwand und den notwendigen Anpassungsmaßnahmen für die Sensorbetätigung, und

Figur 5 eine Prinzipskizze des Sensoraufbaus zur Positions¬ überwachung der ferromagnetiεchen Elemente in Fi¬ gur 4. Figur 6 eine schematische Darstellung des Zeitverlaufes von Schallsignalen beim Ausschalten,

Figur 7 das Prinzip einer Schaltung zur akustischen Kurz¬ schlußerfassung,

Figur 8 eine elektronische Schaltung gemäß Figur 1, die mit einer akustischen Erkennung der Kurzschlußabschal¬ tung ergänzt ist,

Figur 9 den Aufbau eines dreipoligen Leitungsschutzschalters mit einer seitlich angebauten Überwachungseinrich¬ tung zur berührungslosen Schaltzustandserkennung, Figur 10 einen Verteilerschrank mit einer Mehrzahl zu über¬ wachender Verteilerεchalter und

Figur 11 eine Signalfolge bei einer Anordnung gemäß Figur 10.

In Figur 1 ist in der ersten Zeile die gewünschte Erkennungs- funktion dargestellt. Dies sind im einzelnen die Schaltstel¬ lung, ein möglicher Kurzschluß und/oder ein Überstrom, sowie eine mögliche Kontaktverschweißung. Darunter sind die zuge¬ hörigen Sensoren aufgeführt. Im einzelnen sind ein Positions¬ sensor 1, ein B-Feldsensor 2 sowie weitere Positionssensoren 3 und 4 vorhanden. Die Sensoren 2 und 3 sind über elektroni¬ sche Speicher 5 und 6 auf die Ausgänge gekoppelt, wobei Rück¬ kopplungen für das Rücksetzen der elekronischen Speicher so¬ wie für eine Rücksetzsperre vorhanden sind.

In Figur 2 ist als Positionssensor 1, 3 und 4 der Figur 1 speziell e.ne statische Differential-Halleffekt-Sonde 10, 30

und 40 vorgesehen. Als B-Feldsensor dient dagegen speziell ein Reed-Kontakt 20.

Die sensorische Erfassung der Schaltstellung (Ein-/Aus) des Schaltgerätes erfolgt mittels des statischen Differential- Halleffekt-Sensors 10, dessen Ausgangsspannung über die Stel¬ lung des ferromagnetischen Antriebsbügels "hoch" bzw. "tief" geschaltet wird. Diese Ausgangsspannung stellt sich z.B. auch nach Ausschalten und Wiedereinschalten der Elektronikversor- gungsspannung eindeutig ein, da der ferromagnetische An¬ triebsbügel nach entsprechender Vorgabe den räumlichen Meßbe¬ reich des Sensors 10 nicht verläßt. Gleiches gilt für den Verschweißsensor 40, welcher die Position der Kontaktwelle an einem auf der Welle befestigten kleinen Eisenzylinder über- wacht. Zur Erfassung der Überstromauslösung wird wiederum ein statischer Differential-Halleffekt-Sensor 30 eingesetzt. Der Sensor 30 mißt hier den Positionswechsel eines Eisenstäb¬ chens, welches am Verklinkungsende des Klinkenhebels ange¬ bracht ist. Beispielsweise kann ein solches Eisenstäbchen die Länge 4 mm und den Durchmesser 4 mm haben. Bei der Entklin- kung ist der Weg des Eisenstäbchens größer als der räumliche Meßbereich des Sensors, so daß als eindeutiges Auslösesignal die Signalflanke (z.B. "hoch" → "tief") am Ausgang des Dif¬ ferential-Halleffekt-Sensors gemessen werden kann. Mit der Signalflanke wird ein elektronisches Gedächtnis gesetzt, das die Überstromauslösung solange anzeigt, bis das Gedächtnis zurückgesetzt wird.

Die Erfassung der Kurzschlußauslösung erfolgt gemäß Figur 2 zweckmäßigerweise durch den Reed-Kontakt 20. Dieser schaltet bei ausreichend hohem Magnetfeld unabhängig von dessen Pola¬ rität. Messungen an einem Reed-Kontakt mit robuster Ausfüh¬ rung ergaben das Einschalten bei einer magnetischen Induktion von 3 bis 4 mT. Magnetfelder dieser Höhe werden z.B. beim Leitungsschutzschalter als Streufeld der Auslösespule bei einer Amperewindungszahl von beispielsweise 1200 AW erzeugt. Bei hohen Kurzschlußströmen erreicht der untersuchte Reed-

Kontakt eine Einschalt-Verzugszeit von etwa 0,2 ms. Nach Ab¬ klingen des Kurzschlußstromes schaltet der Reed-Kontakt 20 wieder aus. Mit dem Schaltεignal des Reed-Kontaktes 20 wird ein elektroniεcheε Gedächtniε geεetzt, das biε zu εeinem Zu- rücksetzen die Kurzschlußauεlöεung speichert.

Alternativ zum Reed-Kontakt 20 kann ein möglicher Kurzεchluß auch durch andere magnetfeldempfindliche Sonden, wie Hall- Effekt-IC'ε, beiεpielεweiεe "Hall effect εwitch" , überwacht und mit einer Auεwertelogik weiterverarbeitet werden.

Der Vorgang des Setzens bzw. Zurücksetzens der elektronischen Gedächtnisse muß bei KurzschlußdraufSchaltungen in spezifi¬ scher Weise gesteuert werden. So kann bei einer Handeinschal- tung eines Leitungsschutzschalterε eine Kurzschlußausschal¬ tung erfolgen, obwohl der Drehknauf in Einschaltpoεition ge¬ bracht wird; dieε wird alε εogenannte Freiauεlösung bezeich¬ net. Durch logische Und-Verknüpfung deε Einεchaltεignalε mit den Signalen "keine-Überεtromauεlöεung" und "keine-Kurz- schlußauslöεung" wird daε Rücksetzen der elektronischen Ge- dächtniεεe unmittelbar während der Überεtrom- oder Kurz- εchlußauslösung blockiert.

Für letzteren Zweck εind in Figur 2 monoεtabile Kippεtufen 12, 50 und 51 zur Einstellung der Impulsdauer vorhanden, deren nichtinvertierende Ausgänge Q bzw. deren invertierende Ausgänge Q an die Eingänge eines Und-Schaltgliedes 52 ange- εchloεεen εind, dessen Ausgang die Rücksetz-Eingänge der Flipflops 22 und 32 ansteuert. Somit wird das Rücksetzen und die Rücksetzεperre gebildet.

Im einzelnen besteht das Prinzipschaltbild zur Schaltzu- standserkennung in Figur 2 aus Sensoren 10, 20, 30 und 40 zur Erfasεung der verschiedenen Zustände, aus Impulsformern 11, 31 und 41 bestehend aus einer Reihenschaltung einer Zener-

Diode zur Korrektur der Of'.set-Spannung und einem RC-Tiefpaß, aus einem Lastwiderstand 21 für den Reedkontakt 20, sowie aus

einer Speicherschaltung für die transienten Signale des Kurz¬ schlußsensors 20 und des Überstromεensors 30, wobei die Spei¬ cherschaltung zwei Flipflop 22 und 32 enthält, deren gespei¬ cherte Signalzustände durch die Rücksetzschaltung, bestehend aus den monostabilen Kippεtufen 12, 50 und 51, dem Und-

Schaltglied 52 und dem Entεtörglied 55 zeitgesteuert zurück¬ gesetzt werden. Die Treiberstufen 13, 23, 33 und 43 dienen zur Pegelanpassung der Schaltzustandssignale für die weitere Signalverarbeitung, wie optische Anzeige, Busankopplung und dergleichen.

Daε Prinzipεchaltbild nach Figur 3 zeigt eine Ausführungsform einer BUS-unabhängigen Senεorschaltung zur Erkennung der Schaltzustände. Im Unterεchied zur Schaltung nach Figur 2 wird in der Schaltung nach Figur 3 die Auεwertung und Anzeige der Schaltzustände selbst vorgenommen. Das Prinzipschaltbild nach Figur 3 enthält daher zusätzliche logische Verknüpfungen für die Auεwertung und Anzeige der Schaltzuεtände, wie SchaltStellung Ein/Aus, Kurzschluß, Überstrom und Kontaktver- schweißung. So sind die Ausgangssignale der Flipflop's 22 und 32 durch das Und-Schaltglied 54 miteinander verknüpft, um im Kurzschlußfall die Überstromanzeige zu sperren und nur die Kurzschlußanzeige zu aktivieren. Die Rücksetzεchaltung wird auε den beiden monostabilen Kippstufen 12 und 50, dem Und- Schaltglied 52, dem Nand-Schaltglied 53 sowie dem Entstör¬ glied 55 gebildet. Eine Kontaktverschweißung wird als εolche erkannt, wenn in der Schaltstellung 'Aus' deε Schaltgerätes die Kontaktwelle in der Einschaltεtellung bleibt. Dazu er¬ folgt eine zeitlich geεteuerte Verknüpfung der beiden Sensor- signale 'Schaltstellung' und 'Kontaktwelle' durch die mono- εtabilen Kippstufen 12 und 60, dem Nand-Schaltglied 61 und den Und-Schaltgliedern 62 und 63. Die optische Anzeige er¬ folgt schließlich über Anzeigenelemente 12, 24, 34 und 44, z.B. Lumineszenzdioden.

In der Figur 4 bedeuten 100 ein konventionelles Schaltgerät, beispielsweise einen Leitungsεchutzεchalter. Wesentlich sind

bei einem εolchen Schalter 100 der Feεtkontakt 102 und der auf einem beweglichen Kontaktträger 103 angeordnete Bewegkon¬ takt 104. Die mechaniεche Kopplung des beweglichen Kontakt¬ trägers an das Schaltschloß erfolgt durch einen ferromagneti- sehen Antriebsbügel 105.

Auf die Mechanik sowie den Antrieb eines solchen bekannten Schalters wird nicht im einzelnen eingegangen. Lediglich pau¬ schal werden die mechaniεchen Antriebεelemente mit 110 und der Magnetantrieb mit 120 bezeichnet.

Für den vorliegenden Anwendungszweck ist wichtig, daß der An¬ triebsbügel aus ferromagnetischem Material beεteht. Der An- triebεbügel kann in seiner Dicke teilweise auf z.B. 2, 5 mm verstärkt sein, um seinen Einfluß auf den Magnetfeldverlauf zu erhöhen. Weiterhin εind am Klinkenhebel und an der Kon- taktachεe ferromagnetiεche Stäbchen 115 und 116 zur Poεi- tionεüberwachung angebracht. Die Stellung der Elemente 105, 115, 116 auε ferromagnetiεchem Material wird durch die Hall- effekt-Sonden 10, 30 und 40 erfaßt. Weiterhin ist neben dem Magnetantrieb 120 der Reed-Kontakt 20 zur Erfassung von stromflußbedingten Magnetfeldern angeordnet.

Die Sensoren 10, 20, 30 und 40 sind im Ausführungsbeispiel der Figur 4 außerhalb des Schaltergehäuses angebracht. Die Projektion der Sondenpositionen auf die Zeichenebene ist durch Kreuze bzw. durch ein εtilisiertes Reed-Kontaktsy bol verdeutlicht. Gegebenenfalls können die Sonden auch teilweise innerhalb deε Gehäuses bzw. auf der Gehäusewand angeordnet sein.

In Figur 5 ist eine schematische Meßanordnung zur berührungs- loεen Poεitionsbestimmung an einem der ferromagnetiεchen Stäbchen der Figur 4 dargeεtellt. Hierzu befindet εich die Differential-Hall-Effekt-Sonde 202 in einem vorgegebenen Abstand, der als Luftspalt-Abεtand nr.t 203 charakteriεiert iεt, zu einem ferro agnetiεchen Element 204. Auf der dem

Luftspalt abgewandten Seite der Sonde 202 befindet sich ein Permanentmagnet 200, desεen Magnetfeld die Sonde in etwa senkrecht durchdringt und in den Luftspalt eintritt. Bei der Bewegung des ferromagnetischen Elementes in Verschiebungε- richtung 205 werden die in das Element eintretenden Magnet¬ feldlinien mit verschoben. Die dabei resultierende Feldver¬ zerrung am Ort der beiden Hall-Bereiche führt zu einem Dif¬ ferenzausgangssignal der Differential-Halleffekt-Sonde 202.

Alternativ zur Positionsbestimmung ferromagnetischer Elemente kann die Differential-Halleffekt-Sonde direkt die Poεition eineε kleinen Hartmagnetelementes bestimmen. In diesem Fall entfällt der in Figur 5 vorhandene Permanentmagnet 200 auf der Rückseite der Sonde 202.

Mit der in Figur 4 und 5 angegebenen Anordnung der Sensoren ist eine Sensorüberwachung der vier Schaltzustände Ein-/Aus, Überstromauslösung, Kurzschlußauεlöεung und Kontaktver- εchweißung zuverläεεig und unempfindlich gegen Störeinflüεεe. Dafür können folgende Punkte angeführt werden:

- Das Ein-/Ausεignal und daε Verschweißsignal werden permanent angezeigt.

- Das Überstrom-Auεlöεeεignal wird bei mäßiger Stromhöhe er¬ faßt und gespeichert, beispielεweise i < 5 • I j q - Das Kurzschlußauslösesignal des Reed-Kontaktes 20 besteht bis zum Abklingen des Stromes auf kleine Stromwerte, so daß mit einer sicheren Erkennung und Speicherung zu rechnen ist. Beiεpielεweiεe schließt der Reed-Kontakt 20 im Streu¬ feld der Magnetspule, wenn der im Schaltgerät mit Aus- löεecharakteriεtik B16 fließende elektriεche Strom 130 A überschreitet, und öffnet, wenn der elektrische Strom 40 A unterschreitet.

Um die Beeinflussung des Reed-Kontaktes 20 durch magnetische Fremdfelder, beiεpielsweise von benachbarten Schaltgeräten, zu vermeiden, kann der Reed-Kontakt auf der dem überwachten

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Schaltgerät abgewandten Seite mit einer magnetischen Abschir¬ mung verεehen werden.

Vorstehend wurde eine Einrichtung zur berührungsloεen Schalt- zuεtandεerkennung an εpezifiεchen Leitungsschutzschaltern im einzelnen beschrieben. Die Erfassung der Schaltzustände "EIN/AUS", "Überstromauslöεung" und "Kontaktverεchweißung" erfolgt dort mit Differential-Hall-Effekt-Sonden an ferro- magnetiεchen Geberelementen, während die Kurzschlußerfassung über das magnetische Streufeld des Magnetauslösers mit einem Reed-Kontakt erfolgt. Eine solche Einrichtung läßt εich als kompaktes Erkennungsmodul aufbauen, das in einem eigenen Gehäuse mit beispielsweise 1-Teilungseinheit untergebracht und an den zu überwachenden Leitungεschutzschalter seitlich angebaut wird.

Da magnetische Felder mit wachsender Entfernung vom Ort ihrer Erzeugung abnehmen, insbeεondere mit 1/r, ist es allerdingε nicht ohne weiteres möglich, mit dem gleichen Erkennungsmodul die Schaltzuεtände an ein- und mehrpoligen Leitungεεchutz- schaltern zu erfasεen. Wegen der mechaniεchen Kopplung der Schaltpole eineε mehrpoligen Leitungεεchutzεchalterε über den Schaltgriff und die Auεlösewelle gilt letzteres allerdings nicht für die Schaltzustände "EIN/AUS" und "Überstromauε- löεung", εondern nur für die beiden weiteren Schaltzuεtände "Kurzεchlußauεlöεung" und "Kontaktverεchweißung" . Insbeson¬ dere bei der Erkennung von Kurzschlüεεen muß aber bei mehr¬ poligen Schaltern, unabhängig davon welche Phaεen den Kurz- εchlußεtrom führen, daε betroffene Schaltgerät εicher be- stimmt werden können.

Bei üblichen Leitungsschutzschaltern hängt der zur Kurz- schlußauslöεung erforderliche Mindeεtεtrom von der εpezifi- schen Auslösecharakteriεtik des Schalters und von dessen Nennstrom ab. Beispielsweiεe beträgt dieεer Mindeεtstrom bei einem 16 A-Leitungsschutzschalter mit der genormten Auslöse¬ charakteristik B, d.h. 5facher Auslöεeεtrom, etwa / - 100 A.

Bei einem solchen Strom ist das vom Abschaltlichtbogen er¬ zeugte Schaltgeräusch deutlich vernehmbar und kann daher mit einem Mikrophon detektiert werden. Mit wachsender Höhe deε Kurzεchlußεtromes wird ein solcheε Schaltgeräuεch εo laut, daß mit der sicheren Detektion eines derartigen Kurzschluß- ereignisεes zu rechnen ist. Dafür wird im Gehäuse der Schalt- zustandserkennung ein Mikrophon eingebaut, wobei die Entfer¬ nung zum Schallereignis des Schaltpoles je nach Entfernung deε Poleε bei einem εeitlich angekoppelten, mehrpoligen Leitungεεchalter etwa 3 bis 10 cm beträgt. Letzteres wird anhand Figur 6 verdeutlicht.

In Figur 6a ist die Mikrophonspannung U über der Zeit t auf¬ getragen. Aus einem üblichen Rauschen tritt beim Auεεchalt- Vorgang ein deutliches Schallereignis auf, das durch den

Graph 121 verdeutlicht wird. Beiεpielsweise hat ein solches Schallereignis eine zeitliche Breite von 5 bis 10 ms.

In der Figur 6b ist verdeutlicht, daß bei Auftreten des Schallereignisses zum Zeitpunkt t]_ ein Kurzschluß beginnt, der zum Zeitpunkt t3 endet. In diesem Beiεpiel wird daε Schaltschloß zum Zeitpunkt t2 durch den nichtverzögerten Aus¬ löser in die Ausεchaltεtellung gebracht.

In Figur 7 ist ein Mikrophon mit 130, der dazugehörige Schwellwertschalter mit 131 und eine Differential-Hall- Effekt-Sonde mit 132 bezeichnet. Beiden nachgeschaltet sind Zeitstufen 141 und 142, wobei die Zeitstufe 141 zum Zeitpunkt ti und die Zeitstufe 142 zum Zeitpunkt t2 durch das zuge- hörige Sensorsignal angesteuert wird. Es lassen sich so gegeneinander verschobene Zeitimpulεe t]_ und t2 auf den Auεgangεleitungen erzeugen, waε in Figur 3 verdeutlicht iεt. Beide Auεgangssignale gelangen dann auf eine UND-Stufe 150 mit nachgeschaltetem Flip-Flop 160. Diese Schaltung bewirkt, daß bei zeitlicher Überlappung beider Sensorsignale ein Kurzschlußereignis angezeigt wird.

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Auε der zeitlichen Koinzidenz des Schallereignisseε und des Auslösevorganges wird also bei einer prinzipiellen Anordnung gemäß Figur 7 auf eine Kurzschlußschaltung des überwachten Leitungεεchutzschalterε geschlossen.

In Figur 8 ist die Schaltung gemäß Figur 1 derart abgewan¬ delt, daß εtatt deε Sensors 20 für den Kurzschluß eine Anord¬ nung entsprechend der prinzipiellen Darstellung gemäß Figur 3 mit einem akustiεchen Senεor 130, 131 und zwei monostabilen Multivibratoren 141 und 142 vorhanden sind, deren Ausgangε- εignale über das UND-Schaltglied 150 das Flip-Flop 22 ent¬ sprechend Figur 1 ansteuern.

Die anhand Figur 8 beschriebene Einrichtung zur Schalt- zustandserkennung eignet sich gleichermaßen für die Über¬ wachung ein- und/oder mehrpoliger Leitungsεchutzεchalter.

Auε Figur 9 ergibt sich die räumliche Zuordnung zwischen einem dreipoligen Leitungεεchutzschalter und einer Einrich- tung zur berührungsloεen Schaltzustandserkennung. Dargestellt ist das gemeinsame Gehäuεe 300, daε auε parallelen Teilgehäu¬ sen 301, 302, 303 für die einzelnen Phasen Ll, L2, L3 be¬ steht, wobei eine gemeinsame Griffleiεte 310 vorhanden iεt. Daε entεprechend Figur 2 und 3 arbeitende Erkennungsmodul ist alε εeparateε Gehäuse 400 seitlich angeflanscht.und hat in der Verlängerung der Griffleiste 110 drei Dioden 401 biε 403 als optische Schaltzustandsanzeigen.

Die jeweiligen Schaltzuεtände der drei Schaltpole und zwar "EIN/AUS" bzw. "Überεtromauslösung" εind über die gemeinsame Griffleiste bzw. die Auεlöεewelle mechaniεch miteinander ge¬ koppelt und werden durch Magnetfeldεenεoren überwacht, wäh¬ rend "Kurzεchlußauslösungen" in einer oder in mehreren Phaεen durch den Schallεenεor 130 mit nachgeschaltetem NF-Verstärker 135, trotz unterεchiedlicher Entfernung zwischen den Schall- ereigniεεen und dem Senεor, erfaßt werden.

Mit der anhand der Figuren 6 bis 9 beschriebenen Einrichtung ist nunmehr bei mehrpoligen Leitungsεchutzεchaltern eine εichere Diεkriminierung der Kurzεchlüεεe hinεichtlich deε betroffenen Schalters möglich.

In einer Verteilung mit mehreren Leitungsschutzschaltern, die als Verteilerschalter in einem Verteilerschrank installiert sind, kann es vorteilhaft sein, die Kurzschlußerfassung durch einen oder mehrere Schallsenεoren vorzunehmen und dadurch den Senεoraufwand zu reduzieren. Voraussetzung hierfür ist, daß jedes der zu überwachenden Schaltgeräte beim Auεlösevorgang eine unverzögerte Meldung an eine zentrale Überwachungsein¬ heit abgibt. Dieε iεt inεbesondere der Fall, wenn die Schalt¬ geräte über einen Datenbus mit einer Überwachungεeinrichtung kommunizieren.

In Figur 10 ist der Aufbau eines Verteilerschrankes 500 sche- matiεch dargeεtellt, bei der die einzelnen inεtallierten Schaltgeräte 100, 100', ... ihren Schaltzustand, wie insbe- εondere Ein/Aus und/oder Auslösung, über einen Datenbus 1000 mit zugehörigen Bus-Koppeleinrichtungen 1010 an einen Con¬ troller 600 als Überwachungseinrichtung melden und dieser zuεätzlich von beispielsweiεe zwei Schallεensoren 130 bzw. 130' Meldungen erhält, sobald im Verteilerschrank 500 charakteristische, akustiεche Signale auftreten.

Die Selektierung der akustischen Signale hinsichtlich Schall¬ pegel und Zeitverlauf des Schallsignalε durch die elektroni- εche Signalverarbeitung hat den Sinn, daε Schaltgeräusch von Untergrund- und Störgeräuschen zu trennen. Damit wird er¬ reicht, daß der Schallsensor 130 bzw. 130' mit ausreichender Wahrscheinlichkeit nur auf Schaltgeräuεche anεpricht, die von Kurzschlußabschaltungen herrühren und z.B. eine Zeitdauer von 5 bis 10 ms besitzen.

Sowohl die Schaltzustandsmeldungen und die Schallmeldungen werden über den Datenbus 1000 dem Controller 600 unverzögert

gemeldet, und der Controller 600 entscheidet über ein Zeit¬ fenster, ob beide Signale vom gleichen Ereignis, nämlich der Kurzschlußabεchaltung, stammen oder unabhängig voneinander entstanden sind. Das Zeitfenster wird hierzu durch das vom Controller 600 zuerst empfangene Signal aktiviert und nach einer vorgegebenen Zeitdauer T wieder geschlossen. Empfängt der Controller 600 innerhalb des Zeitfensterε auch das andere Signal, εo wird mit dem zeitlichen Zuεammentreffen des Aus¬ löse- und des Schallsignals auf eine Kurzschlußabschaltung geschlossen.

Mit der Adresse des sendenden Schalters, beiεpielεweiεe Schalter X in Figur 10, wird diesem das Kurzschlußereigniε zugeordnet, womit die Schaltzustandserkennung "Kurzschluß- auεlösung" für jeden individuellen Verteilerschalter inner¬ halb des Verteilerschranks 500 realisiert ist.

Figur 11 zeigt eine Signalfolge der vom Controller 600 über den Datenbus empfangenen Meldungen eines Auslöεe- und eineε Schallereignisses: Fällt das zweite Signal innerhalb des

Zeitfensters, das vom ersten Signal getriggert wurde, εo er¬ kennt der Controller 600 dieε alε eine Kurzschlußauslösung und verknüpft diese mit der Adresεe deε meldenden Schalterε, beispielsweise des Schalterε X. Fällt daε zweite Signal je- doch außerhalb des vom ersten Signal, und zwar vom Schalter Y getriggerten Zeitfensters, so wird die Auslöεemeldung vom Controller 600 nicht alε Kurzεchlußauεlöεung, sondern als Überεtromauslösung des meldenden Schalters Y bewertet. Die Schallmeldung wird in diesem Fall vom Controller 600 als Störsignal bewertet und gelöεcht.




 
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