DE19617193A1 - Vorrichtung zum optischen Erfassen von Störlichtbögen und Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum optischen Er­ fassen von Störlichtbögen in gekapselten oder geschotteten Schaltanla­ gen (Lichtbogenwächtersystem), bei der der Störlichtbogen innerhalb der gekapselten oder geschotteten Schaltanlage von einem Lichtaufnehmer optisch erfaßt und über Lichtwellenleiter zu einem photoelektrischen Empfänger geleitet wird, dem eine Lichtbogenauswerteeinheit nachgeschaltet ist, die entsprechende Gegenmaßnahmen, wie z. B. das Abschalten des betroffenen Bauteils einleitet, und ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung.

Ein Lichtbogenwächtersystem ist aus der DE 28 56 188 A1 bekannt. Bei dieser Vorrichtung wird das von einem Lichtbogen ausgesandte Licht durch Lichtaufnehmer in Form einer abgeflachten Sammellinse und einem Lichtwellenleiter zu einer Auswerteeinheit gesandt. Dabei befindet sich in jedem Schottraum mindestens ein Lichtaufnehmer mit einem angeschlossenen Lichtwellenleiter.

Weiterhin ist aus der EP 0 126 270 B1 eine Vorrichtung zur Erfassung von Störlichtbögen in einer gekapselten Schaltanlage bekannt, bei der die Störlichtbögen, die in lichtdicht gegeneinander abgeschlossenen Räumen auftreten, über Lichtwellenleiter zu einer photoelektrischen Verstärkerschaltung führen.

Nachteilig bei den vorbekannten Lösungen ist es, daß bei einer Schaltanlage, deren einzelne Schotträume eine größere oder verwinkelte Ausgestaltung aufweisen, mehrere Lichtaufnehmer mit einem angeschlossenen Lichtwellenleiter pro Schottraum erforderlich sind, um alle in den jeweiligen Schotträumen möglicherweise auftretenden Störlichtbögen sicher zu erfassen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zum Erfassen von Störlichtbögen in gekapselten oder geschotteten Schaltanlagen anzugeben, die auch bei größeren oder verwinkelten Schotträumen mit nur einem Lichtaufnehmer mit angeschlossenem Lichtwellenleiter alle möglichen Störlichtbögen sicher erfaßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Lichtaufnehmer nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Trifft Licht von irgend einer Seite auf den erfindungsgemäßen Aufnehmer, so wird das eindringende Licht im Inneren durch Vielfachreflexion annähernd homogen verteilt, so daß nahezu unabhängig von der Lichteinfallsrichtung eine dem äußeren Lichtfluß proportionale Lichtintensität in den Lichtwellenleiter gelangt und von der nachgeschalteten Auswerteeinheit verarbeitet werden kann.

Das Material der Kugel besteht vorteilhafterweise aus Glas oder einem glasklaren Kunststoff, in das Material zum Streuen des Lichts eingebracht oder auf das Material zum Streuen des Lichtes in Form einer Streuschicht aufgebracht ist. Besonders geeignet erweisen sich weiße Farbpigmente, die in das optisch leitfähige Material eingebracht und homogen verteilt sind, die für eine annähernd homogene Verteilung des in die Kugel einfallenden Lichtes sorgen.

Ein besonders einfach und preiswert herzustellender Lichtaufnehmer besteht aus einer Kugel und einer Lichtwellenleitermontagehilfe, der aus einen einzigen Stück (einstückig) durch Spritzguß hergestellt ist. Hierbei können der oder die Lichtwellenleiter vor dem Spritzgießen in die Spritzgußform eingelegt werden. Sofern dabei ein optisch leitfähiges Material mit eingebrachten Farbpigmenten verwendet wird, ist der gesamte Lichtaufnehmer mit dem(n) angeschlossenen Lichtwellenleiter(n) in einem einzigen Arbeitsschritt herstellbar. Bei bestimmten Gußmaterialien kann es vorteilhaft sein, Zwischenformteile auf die Lichtwellenleiter vor dem Einbringen derselben in die Spritzgußform aufzubringen, um eine Zerstörung der Lichtwellenleiter durch den Spritzguß zu verhindern.

Eine Streuschicht ist vorteilhafterweise durch Ätzen oder Beschichten realisierbar, wobei ein bestimmtes Transparent eingehalten ist.

Vorteilhaft ist es, einen zweiten Lichtwellenleiter an die Kugel anzukoppeln, über den ein Prüflicht in das Innere der Kugel einkoppelbar ist. Mit diesem Prüflicht können die Übertragungsstrecke von der Kugel bis zur Auswerteeinheit die Auswerteeinheit und wesentliche Teile der Kugel getestet werden.

Aufgrund der annähernd homogenen Lichtverteilung in der Kugel ist es besonders vorteilhaft, beide Lichtwellenleiter symmetrisch zueinander anzuordnen, da sie so in ihrer Funktionalität vertauschbar sind und eine Kennzeichnung ihrer Funktion entfallen kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren für besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1a eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit aufgebrachter Streuschicht;

Fig. 1b eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit eingebrachtem Material zum Streuen;

Fig. 2 eine besonders bevorzugte Auswerteeinheit;

Fig. 3 die Vorrichtung aus Fig. 1 eingebaut in eine einpolig gekapselte Schaltanlage und

Fig. 4 das Diagramm der Intensität des Lichtes innerhalb des erfindungsgemäßen Lichtaufnehmers in Abhängigkeit von der Lichteinfallsrichtung.

Der Lichtaufnehmer in Fig. 1a ist als glasklare Kugel 1a ausgestaltet und an den ersten Lichtwellenleiter 3 gekoppelt. Realisiert wird dies vorteilhafterweise durch Kleben oder Schweißen. Weiterhin ist ein zweiter Lichtwellenleiter 5 an die Kugel gekoppelt, mit dem Prüflichtimpulse in das Innere der Kugel 1a einkoppelbar sind. Mit dem Prüflichtimpuls ist die Kugel 1a, der Lichtwellenleiter 3 und die Auswerteeinheit 4 überprüfbar.

Eine Lichtwellenleitermontagehilfe 6 vereinfacht die Verbindung zwischen Kugel 1a und dem Lichtwellenleiter 3. Die Kugel 1a ist an der Oberfläche mit Ausnahme der Koppelflächen 13, 15 zwischen der Kugel 1a und dem ersten Lichtwellenleiter 3 und dem zweiten Lichtwellenleiter 5 mit einer Streuschicht 2 überzogen. Diese Streuschicht ist vorteilhafterweise durch eine Beschichtung oder durch Ätzen realisiert. Im dargestellten Beispiel ist die Kugel 1 massiv dargestellt, sie kann aber auch hohl ausgeführt sein.

Besonders bevorzugt ist ein Lichtaufnehmer nach Fig. 1b:
Die Kugel 1b und die Lichtwellenleitermontagehilfe 6b bestehen aus einem einzigen Bauteil und sind aus einem optisch leitfähigen Material mit darin homogen verteilten weißen Farbpigmenten durch Spritzguß hergestellt, wobei die Enden der Lichtwellenleiter 3 mit dem optisch leitfähigen Material so umspritzt sind, daß die Lichtwellenleiter 3 etwas in die Kugel 1b ragen. So kann in einem einzigen Arbeitsgang der Lichtaufnehmer hergestellt und mit den Lichtwellenleitern 3 verbunden werden. Werden zwei Lichtwellenleiter 3, 5 symmetrisch in die Lichtaufnehmer eingebracht, lassen sich ihre Funktionen vertauschen. So kann auf eine Kennzeichnung der Lichtwellenleiter 3 verzichtet werden. Bei bestimmten optisch leitfähigen Materialien ist es vorteilhaft, die Lichtwellenleiter 3, 5 vor den Aufspritzen des Lichtaufnehmers mit Zwischenformteilen zu versehen, um eine Zerstörung oder Beschädigung der Lichtwellenleiter durch den Spritzgußvorgang zu verhindern.

Die Verarbeitung der von der Kugel 1a, b empfangenen und durch den ersten Lichtwellenleiter 3 übertragenen Lichtblitze in der Auswerteeinheit 4 ist aus der vorgenannten DE 28 56 188 A1 bekannt.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsgestaltung der Auswerteeinheit 4 ist durch die DE 44 40 281.3 der Anmelderin vorgeschlagen worden, auf deren Inhalt hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird, ist in Fig. 2 dargestellt.

Das von der Kugel 1 empfangene Licht wird über den ersten Lichtwellenleiter 3 zu einem photoelektrischen Sensor 41, wie z. B. einer Photodiode, einem Phototransistor oder einer Photozelle geleitet. Daran ist die eigentliche Lichtbogenauswerteeinheit 40 angeschlossen, die Bauelemente enthält, mit denen das vom Sensor 41 gelieferte Signal bewertet wird.

Die Bewertung geschieht nach Intensität, Anstiegszeit und Dauer und ist an sich bekannt. Wenn vorgegebene Grenzwerte der Intensität, der Anstiegszeit oder der Dauer überschritten werden, erzeugt die Lichtbogenauswerteeinheit 40 ein Signal, das einer Steuereinheit 53 zugeführt wird. Die Steuereinheit 53 gibt dann am Ausgang 54 ein Alarmsignal aus, das zum Abschalten der Schaltanlage 20 benutzt werden kann. Der Prüfgenerator 50 sendet über den zweiten Lichtwellenleiter 5 Prüflichtimpulse mit Hochfrequenz oder pulscodemoduliert in die Kugel 1, die dort reflektiert und über den ersten Lichtwellenleiter 3 zum Sensor 41 geleitet werden. Der Prüfgenerator 50 ist ebenfalls mit der Steuereinheit 53 verbunden.

Die Prüflichtimpulse werden vom Sensor 41 empfangen und in elektrische Signale umgewandelt. Die Intensität der vom Prüfgenerator 50 ausgesandten Lichtsignale ist geringer als die bei einer Lichtbogenentladung am Sensor 41 auftretende Intensität und liegt unterhalb der Ansprechwelle der Lichtbogenauswerteeinheit 40. An den Sensor 41 ist vorteilhafterweise weiterhin ein Prüfempfänger 52 angeschlossen, der die vom Prüfgenerator 50 ausgesandten Signale erkennt und dann eine entsprechende Meldung an die Steuereinheit 53 abgibt.

Weiterhin ist vorteilhafterweise ein Lichtbogensimulator 51 vorhanden, der ein Signal erzeugt, das dem Verlauf von typischen Signalen entspricht, die von Lichtbogenentladungen am Ausgang des Sensors 41 erzeugt werden. Die Dauer des simulierten Lichtbogensignals kann allerdings etwas geringer sein als die Dauer des kürzesten real auftretenden Lichtbogens. Die Vergleichswerte sind in der Lichtbogenauswerteeinheit 40 so eingestellt, daß das simulierte Lichtbogensignal noch erfaßt wird.

Zur Überwachung der Lichtbogenauswerteeinheit 40 wird von der Steuereinheit 53 der Ausgang 54 für das Alarmsignal gesperrt und der Ausgang des Lichtbogensimulators 51 an den Eingang der Lichtbogenauswerteinheit 40 geschaltet. Der Lichtbogensimulator 51 erzeugt ein Lichtsignal, das den Auslösekriterien entspricht. Ist die Lichtbogenauswerteeinheit 40 in Ordnung, löst sie ein Alarmsignal aus und leitet es an die Steuereinheit 53.

Diese setzt die Lichtbogenauswerteeinheit 40 zurück und gibt den Ausgang 54 für das Alarmsignal wieder frei. Im Fall einer Störung aktiviert die Steuereinheit 53 den Ausgang 55 für ein Störsignal.

In Fig. 3 sieht man den Schnitt durch eine einpolige gekapselte Schaltanlage 20 mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus der Kugel 1, dem Lichtwellenleiter 3 und der Auswerteeinheit 4. Die gekapselte Schaltanlage weist neben der erfindungsgemäßen Vorrichtung einen Leiter 21, eine metallische Kapselung 22, Schottwände 23 und einen Leistungsschalter 5 auf.

Die Kugeln 1A, 1B sind so positioniert, daß sie die Störlichtbogen, der innerhalb der gekapselten Schaltanlage 20 auftreten können, erfassen können und die Auswerteeinheiten 4a, 4b dann z. B. die Zwangserdung des Leiters 21 einleiten können. Statt mehrerer Auswerteeinheiten 4a, 4b kann auch eine Auswerteeinheit 4 die Informationen aller Lichtaufnehmer über die Lichtwellenleiter 3a, 3b verarbeiten.

Fig. 4 zeigt das Diagramm der Intensität des Lichtes innerhalb eines Lichtaufnehmers in Abhängigkeit von der Lichteinfallsrichtung. Dabei zeigt der Pfeil A die Achse des ersten Lichtwellenleiters 3. Man erkennt, daß über einen Bereich von 320° die Intensität des Lichtes mindestens 70% des Maximalwertes beträgt, und in einem Bereich von 300° sogar mindestens 80% des Maximalwertes vorhanden sind. So läßt sich in jeder einzelnen Kapselung ein Einbauort finden, von dem aus alle auftretenden Störlichtbögen sicher erfaßt werden können und somit nur ein Lichtaufnehmer aus Fig. 1a oder aus Fig. 1b erforderlich ist.

Claims (13)

1. Vorrichtung zum optischen Erfassen von Störlichtbögen in gekapselten Schaltanlagen, bei der der Störlichtbogen innerhalb der gekapselten Schaltanlage von einem Lichtaufnehmer optisch erfaßt und über einen Lichtwellenleiter zu einer Auswerteeinheit geleitet wird, dadurch gekennzeichnet,
daß der Lichtaufnehmer aus einer Kugel (1) aus optisch leitfähigem Material besteht, die mit dem Lichtwellenleiter (3) verbunden ist,
daß in oder auf der Kugel (1) Materialien zum Streuen des Lichtes vorhanden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Lichtwellenleitermontagehilfe (6) fest mit der Kugel verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel (1) und die Lichtwellenleitermontagehilfe (6) aus einem Stück hergestellt sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Farbpigmente in dem optisch leitfähigen Material der Kugel vorhanden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbpigmente weiß sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Streuschicht (2) auf die Kugel (1) aufgebracht ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuschicht (2) durch Ätzen der Kugel (1) realisiert ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuschicht (2) durch Beschichten der Kugel (1) realisiert ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das optisch leitfähige Material ein Kunststoff ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das optisch leitfähige Material Glas ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über einem zweiten Lichtwellenleiter (5) ein Prüflicht in das Innere der Kugel (1) einkoppelbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß beide Lichtwellenleiter (3, 5) symmetrisch zueinander an die Kugel (1) angekoppelt sind.

13. Verfahren zum Herstellen eines Lichtaufnehmers nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeden Lichtwellenleiter (3) ein Zwischenformteil aufgebracht wurde, daß jeder Lichtwellenleiter (3) mit dem Zwischenformteil in eine Spritzgußform eingebracht wird und dann das optisch leitfähige Material in die Spritzgußform eingespritzt wird, wobei die Spritzgußform die Form einer Kugel (1) mit angeschlossener Lichtwellenleitermontagehilfe (6) aufweist.