DE69834513T2

DE69834513T2 - Integriertes Schutzsystem mit Lichtbogenfehlererfassung

Info

Publication number: DE69834513T2
Application number: DE69834513T
Authority: DE
Inventors: Stanley J. Richmond Brooks; James W. Lexington Dickens; Dennis W. Cedar Rapids Fleege; Brett E. Cedar Rapids Larson; James V. Denton Fixemer; Dauane L. Cedar Rapids Turner; Gregory S. Marion Wiese; Robert F. Mr. Vernon Dvorak; Andy A. Cedar Rapids Haun; Robert J. Swisher Erger; Kon B. Cedar Rapids Wong; Charles D. Cedar Rapids Bettis
Original assignee: Square D Co
Current assignee: Schneider Electric USA Inc
Priority date: 1997-01-24
Filing date: 1998-01-23
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2018-01-24
Also published as: DE69813842D1; ATE326072T1; DE69838404D1; WO1998035237A2; DE69838404T2; ATE238564T1; EP1012611A4; AU6036798A; CA2278708C; DE69834513D1; MXPA99006868A; WO1998035237A3; CA2278708A1; EP1329733B1; EP1012611A2; EP1012611B1; EP1657559A1; EP1657559B1; DE69813842T2; EP1329733A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zum Schützen eines elektrischen Verteilungssystems gegenüber Lichtbogenfehlern.
Elektrische Systeme in Haushalts-, kommerziellen und industriellen Anwendungen umfassen gewöhnlich eine Schalttafel zum Aufnehmen elektrischer Energie von einer Nutzquelle. Die Energie ist mit der Schalttafel über Leitungsbusstäbe und neutrale Busstäbe verbunden. Die elektrische Energie bzw. der Strom wird von der Schalttafel zu bezeichneten Verzweigungsschaltungen über Leitungs- und neutrale Leiter, die eine oder mehrere Last(en) versorgen, zugeführt. Typischerweise sind verschiedene Typen von Schutzvorrichtungen mit den Busstäben der Schalttafel verbunden, um die Verzweigungsschaltungen gegen gefährliche, elektrische Zustände zu schützen und das Risiko einer Verletzung, einer Beschädigung oder von Feuer zu verringern.
Schaltungsunterbrecher sind ein ausreichend bekannter Typ einer Schutzvorrichtung, die so ausgelegt ist, um eine elektrische Schaltung offen zu schalten und zu unterbrechen, und zwar in Abhängigkeit von erfassten Überlastungen und Kurzschlussschaltungen. Ein Überlastungsschutz wird durch ein thermisches Element vorgesehen, das, wenn es durch den erhöhten Strom erwärmt wird, bewirken wird, dass der Schaltungsunterbrecher schaltet und die Energie bzw. den Strom unterbricht. Dies kann dann auftreten, wenn zu viele Lasten Energie bzw. Strom von derselben Verzweigungsschaltung gleichzeitig ziehen, oder wenn eine Einzellast mehr Energie zieht, als die Verzweigungsschaltung dafür ausgelegt ist, um sie zu führen. Ein Kurzschlussschaltungsschutz wird durch ein elektromagnetisches Element vorgesehen, das schaltet, wenn ein hoher Stromfluss erfasst wird. Schaltungsunterbrecher können auch einen Schutz gegenüber Erdungsfehlern schaffen, die dann auftreten, wenn Strom von einem heißen Leiter über eine Erdung durch eine Person oder ein Objekt fließt.
Lichtbogenfehler, die auftreten, wenn ein elektrischer Strom "Lichtbögen" bildet oder durch ein ionisiertes Gas zwischen zwei Enden eines gebrochenen Leiters, zwischen zwei Leitern, die eine Last versorgen, oder zwischen einem Leiter und Erde, fließt, weisen ei nen Typ einer elektrischen Gefahr auf, die nicht allgemein durch standardmäßige Schaltungsunterbrecher erfasst werden kann. Dies kommt daher, dass Strom-Niveaus, die Lichtbogenfehlern zugeordnet sind, allgemein nicht hoch genug sind, um die thermischen oder elektromagnetischen Elemente, die den standardmäßigen Schaltungsunterbrechern zugeordnet sind, zu schalten. Lichtbogenfehler resultieren typischerweise von einer korrodierten, abgenutzten oder gealterten Verdrahtung oder Isolation, von losen Verbindungen, von einer Verdrahtung, beschädigt durch Nägel oder Heftklammern durch die Isolation hindurch, und einer elektrischen Spannung, verursacht durch wiederholtes Überlasten, Blitzeinschläge, usw.. Das Vorhandensein eines Lichtbogenfehlers erzeugt eine wesentliche Brandgefahr, da er Wärme erzeugt, was die Leiterisolation und benachbarte, verbrennbare Materialien entzünden kann.
Lichtbogenfehlererfassungssysteme, die im Stand der Technik bekannt sind, erfassen allgemein den Strom, der durch den Leitungsleiter einer Verzweigungsschaltung hindurchführt, verarbeiten die erfassten Informationen, um zu bestimmen, ob die Charakteristika des Leitungsstroms das Auftreten eines Lichtbogenfehlers darstellen, und schalten die Verzweigungsschaltungen offen, falls ein Lichtbogenfehler aufgetreten ist.
Die US-A-4 949 214 beschreibt eine automatische Übersteuerungsschaltung, die auf die Größe eines momentanen Stromflusses über einen überwachten Leiter anspricht, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das einen Solenoid oder einen Erdungsfehlerunterbrecher betätigen kann, um automatisch einen Schaltungsunterbrecher auf eine Auswanderung des Stromflusses hin auszulösen, der ein vorbestimmtes, maximales Strom-Overhead-Niveau übersteigt. Der Kurzschlusskreisprotektor kann automatisch eine thermische Auslöseverzögerung überlaufen und bewirken, dass der Schaltkreisunterbrecher augenblicklich auslöst oder ein Auslösen für eine vorgegebene Periode von Kurzschlussereignissen verzögert, die das maximale Stromüberlastungsniveau überschreiten. In einer Ausführungsform wird ein Steuersignal erzeugt, das einen Solenoid betätigt, der mit einem thermischen, magnetischen Schaltungsunterbrecher verbunden ist. In einer alternativen Ausführungsform wird das Steuersignal für ein automatisches Triggern eines Erdungsfehlersunterbrechers verwendet. In beiden Ausführungsformen wird die Stromverteilungsschaltung in Abhängigkeit eines Kurzschlussschaltungszustands unterbrochen, der ansonsten während der thermischen Auslöseverzögerung eines herkömmlichen Schaltungsunterbrechers toleriert werden würde.
Die US-A-5 233 511 spezifiziert eine Schalttafel zum Steuern von Strompfaden durch eine Vielzahl von zugeordneten Schaltungsunterbrechern, wobei ein Schalttafelgehäuse Schaltungsunterbrecher umfasst, die jeweils eine Seite haben, die zu einer Vorderseite des Gehäuses hinweisen, und eine mehrfach unterteilte Benutzerschnittstellenschaltung umfassen, die so aufgebaut ist, um mit mindestens einem der Schaltungsunterbrecher zu kommunizieren. Die Schnittstellenschaltung umfasst einen ersten Schaltungsabschnitt und einen zweiten Schaltungsabschnitt. Der erste Schaltungsabschnitt ist angrenzend an die Rückwand des Gehäuses und hinter dem zweiten Schaltungsabschnitt angeordnet, und der zweite Schaltungsabschnitt umfasst eine Kommunikationseinrichtung, um einem Bediener an der Vorderseite des Gehäuses zu ermöglichen, mit den Schaltungsunterbrechern zu kommunizieren. Diese Anordnung minimiert eine Wärme an der Rückseite des Gehäuses, stellt Steuer- und Überwachungsfunktionen an der Vorderseite des Gehäuses bereit und bietet Raum für eine zusätzliche Schaltung in der Rückseite des Gehäuses. Ein automatischer Interpretierer kann in dem Gehäuse zum Interpretieren einer codierten Nachricht umfasst sein, die dem Bediener einen Zugang bereitstellt, um die Schaltungsunterbrecher zu steuern. Vorzugsweise wird die codierte Nachricht auf einer codierten Schlüsselkarte empfangen.
Es ist die Aufgabe dieser Erfindung, ein Lichtbogenschutzsystem zu schaffen, das einfach zu handhaben ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, wobei bevorzugte Ausführungsformen in den Unteransprüchen angegeben sind.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein System zum Erfassen von Lichtbogenfehlern in einem elektrischen Verteilungssystem geschaffen, umfassend eine Mehrzahl von Phasenleitungen zum Verbinden einer Energieversorgungsquelle mit einer jeweiligen Mehrzahl von Lasten, und einen Stromtransformator, elektrisch verbunden mit einer der Phasenleitungen. Der Stromtransformator besitzt eine sekundäre Leitung, die sich davon erstreckt, die einen elektrischen Strom führt. Das System überwacht die sekundäre Leitung hinsichtlich des Auftretens eines Lichtbogenfehlers in der entsprechenden Phasenleitung und trennt die Last von der Energieversorgungsquelle in Abhängigkeit der Erfassung eines Lichtbogenfehlers in der entsprechenden Phasenleitung. Die Überwachung der sekundären Leitung hinsichtlich des Auftretens eines Lichtbogenfehlers weist ein Überwachen von Änderungen in dem Strom (oder der Spannung), zugeordnet zu der sekundären Leitung, und Erzeugen eines Änderungs-Raten-Signals, darstellend die Rate einer Änderung eines Stroms (oder einer Spannung), zugeordnet der sekundären Leitung, auf. Ein Lichtbogenfehlererfassungssignal wird in Abhängigkeit von Variationen in dem Signal für die Rate eine Änderung, einen Lichtbogenfehler darstellend, erzeugt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform wird ein integriertes Schutzsystem für ein elektrisches Verteilungssystem geschaffen, umfassend eine Schalttafel zum Aufnehmen und Verteilen von Energie von einer Nutzquelle. Die Schalttafel nimmt Energie von der Nutzquelle über mindestens einen Leitungsbus und einen neutralen Bus auf. Die Schalttafel verteilt Energie zu einer Mehrzahl von Verzweigungsschaltungen, von denen jede Leitungs- und neutrale Leiter besitzt, um die Energie zu einer Last zuzuführen. Die Leitungs-Leiter sind elektrisch mit einem der Leitungsbusse verbunden und die neutralen Leiter sind elektrisch mit dem neutralen Bus verbunden. Die Schalttafel umfasst ein Gestell, das eine Mehrzahl von Positionen zum Befestigen von Schaltungsschutzvorrichtungen mit der Mehrzahl von Verzweigungsschaltungen besitzt. Das integrierte Schutzsystem weist eine Mehrzahl von Lichtbogenfehlerdetektormodulen und Leitungs-Unterbrechern auf, jeweils befestigt an einer der Positionen des Schalttafel-Gestells. Die Lichtbogenfehlerdetektormodule sind so angepasst, um das Auftreten eine Lichtbogenfehlers in irgendeiner der ausgewählten Anzahl von Verzweigungsschaltungen zu erfassen, während die Leitungsunterbrecher so angepasst sind, um die Last von der Energieversorgungsquelle in Abhängigkeit von der Erfassung eines Lichtbogenfehlers in einer der ausgewählten Verzweigungsschaltungen zu trennen. Ein Isolationsmodul, befestigt an einer der Positionen in der Schalttafel, kann für ein elektrisches Isolieren von Lichtbogenfehlersignalen zu der Verzweigungsschaltung hin, in der sie auftreten, versehen sein.
Gemäß einer anderen Ausführungsform wird ein integriertes Schutzsystem für ein elektrisches Verteilungssystem, im Wesentlichen so, wie dies vorstehend beschrieben ist, geschaffen, was eine Mehrzahl von Kombinations-Lichtbogenfehler-Detektor- und Leitungs-Unterbrecher-Modulen aufweist, jeweils zugeordnet zu einem der Verzweigungsschaltungen und befestigt an den Positionen in dem Schalttafel-Gestell. Ein Lichtbogenfehlerdetektorbereich des Moduls ist so ausgelegt, um das Auftreten eines Lichtbogenfehlers in seiner entsprechenden Verzweigungsschaltung zu erfassen, während ein Leitungsunterbrecherbereich des Moduls so ausgelegt ist, um die Last von der Energiever sorgungsquelle in Abhängigkeit des Auftretens eines Lichtbogenfehlers in der jeweiligen Verzweigungsschaltung zu unterbrechen. Ein Isolationsmodul, befestigt an einer der Positionen in der Schalttafel, kann für ein elektrisches Isolieren eines Lichtbogenfehlersignals mit der Verzweigungsschaltung, auf der sie auftrat, versehen sein.
Gemäß einer noch anderen Ausführungsform wird ein integriertes Schutzsystem für ein elektrisches Verteilungssystem, im Wesentlichen so, wie dies vorstehend beschrieben ist, geschaffen, aufweisend eine Mehrzahl von Lichtbogenfehlerdetektormodulen und Leitungsunterbrechermodulen. Die Leitungsunterbrechermodule sind jeweils an einer der Positionen in dem Schalttafel-Gestell verbunden, während die Lichtbogenfehlerdetektormodule extern an den Leitungsunterbrechermodulen befestigt sind. Die Lichtbogenfehlerdetektormodule sind so ausgelegt, um das Auftreten eines Lichtbogenfehlers in irgendeiner der Verzweigungsschaltungen zu erfassen, während die Leitungsunterbrechermodule so ausgelegt sind, um die Last von der Energieversorgungsquelle in Abhängigkeit der Erfassung eines Lichtbogenfehlers in einer der Verzweigungsschaltungen zu trennen. Ein Isolationsmodul, befestigt an einer der Positionen in der Schalttafel, kann für ein elektrisches Isolieren von Lichtbogenfehlersignalen zu der Verzweigungsschaltung, auf der sie aufgetreten sind, versehen sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Schaltindikator zur Verwendung in einem elektrischen Verteilungssystem geschaffen, umfassend eine Mehrzahl von Verzweigungsschaltungen, wobei jede davon einen Leitungs- und neutralen Leiter zum Verbinden einer Energieversorgungsquelle mit einer Last besitzt. Jede der Mehrzahl der Verzweigungsschaltungen umfasst einen Lichtbogenfehlerdetektor, angeordnet innerhalb eines Gehäuses, zum Erfassen des Auftretens eines Lichtbogenfehlerzustands und zum Aktivieren eines Schaltsignals in Abhängigkeit davon, und einen Leitungsunterbrecher zum Trennen der Last von der Energieversorgungsquelle in Abhängigkeit der Aktivierung des Schaltsignals. Der Schaltindikator weist eine Lichtquelle, angepasst so, um in Abhängigkeit der Aktivierung des Schaltsignals zu leuchten, auf. Ein Kanal ist innerhalb des Gehäuses zum Befördern von Licht zwischen der Lichtquelle und einer Öffnung des Gehäuses in Abhängigkeit einer Beleuchtung der Lichtquelle vorgesehen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform wird ein Schaltindikator zur Verwendung in einem elektrischen Verteilungssystem im Wesentlichen so, wie dies vorstehend beschrieben ist, geschaffen, wobei der Schaltindikator einen Kolben aufweist, der eine gefärbte Spitze besitzt. Der Kolben ist zwischen einer zurückgezogenen Position und einer ausgefahrenen Position in Abhängigkeit der Aktivierung des Schaltsignals bewegbar. Ein Kanal ist innerhalb des Gehäuses zum Befördern von Licht extern zu dem Gehäuse zu der gefärbten Spitze hin vorgesehen, um eine Reflexion von farbigem Licht zu erzeugen. Der Kanal befördert danach die Reflexion des farbigen Lichts zu der Öffnung des Gehäuses.
Gemäß einer noch anderen Ausführungsform wird ein Schaltindikator zur Verwendung in einem elektrischen Verteilungssystem, im Wesentlichen so, wie dies vorstehend beschrieben ist, geschaffen, in dem der Schaltindikator eine Bimetallscheibe aufweist, die eine gefärbte Oberseite besitzt. Die Bimetallscheibe ist thermisch zwischen einer im Wesentlichen flachen Position und einer konvexen Position in Abhängigkeit der Aktivierung des Schaltsignals bewegbar. Ein Kanal ist innerhalb des Gehäuses zum Befördern von Licht extern zu dem Gehäuse zu der gefärbten Oberseite hin vorgesehen, um eine Reflexion des gefärbten Lichts zu erzeugen. Der Kanal befördert danach die Reflexion des gefärbten Lichts zu der Öffnung des Gehäuses.
Gemäß einer noch anderen Ausführungsform wird ein Schaltindikator zur Verwendung in einem elektrischen Verteilungssystem, im Wesentlichen so, wie dies vorstehend beschrieben ist, geschaffen, in dem jeder der Mehrzahl von Verzweigungsschaltungen zwei oder mehr Schutzvorrichtungen umfasst. Jede der Schutzvorrichtungen ist so angepasst, um das Auftreten von jeweiligen Fehlerzuständen zu erfassen und ein Schaltsignal in Abhängigkeit davon zu aktivieren. Der Schaltindikator spricht auf die Aktivierung des Schaltsignals an und zeigt an, welche der Schutzvorrichtungen das Schaltsignal aktivierte.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Schaltungsunterbrecher zum Unterbrechen des elektrischen Stroms, über einen Leitungs-Leiter zu einem Lastanschluss fließend, in Abhängigkeit der Erfassung eines Lichtbogenfehlers, eines Erdungsfehlers und/oder einer Überlastung, geschaffen. Der Schaltungsunterbrecher besitzt einen Sensor zum Erfassen des elektrischen Stroms in einer elektrischen Energieverteilungsschaltung und zum Schicken eines Signals, das die Charakteristika des Stroms darstellt, zu einem elektronischen Detektor. Wenn der Detektor das Auftreten einer Überlast, eines Erdungsfehlers oder eines Lichtbogenfehlers erfasst, wird ein Schaltsignal zu einem Aktuator geschickt. Auf das Schaltsignal hin betätigt der Aktuator einen Schaltmechanismus zum Öffnen und Schließen eines Paars von Unterbrecherkontakten, die die elektrische Schaltung öffnen und schließen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform wird eine Isolationsvorrichtung zur Verwendung in einem elektrischen Verteilungsnetzwerk geschaffen, wobei das Netzwerk eine Mehrzahl von Verzweigungsschaltungen besitzt, definiert durch Leitungs- und neutrale Leiter, verbunden zwischen einer Energieversorgungsquelle und einer Last, wobei die Leitungs- und neutralen Leiter elektrisch mit jeweiligen Leitungs- und neutralen Bussen in einer elektrischen Verteilungsschalttafel verbunden sind, wobei die Isolationsvorrichtung Filtereinrichtungen zum Liefern eines Pfads mit niedriger Impedanz für ein Lichtbogenfehlersignal aufweist, das in einer ausgewählten Einen der Verzweigungsschaltungen auftritt, wobei die Filtereinrichtung zwischen dem Leitungs- und neutralen Bus in dem elektrischen Verteilungsnetzwerk verbunden ist.
Eine weitere Ausführungsform erleichtert eine automatisierte Herstellung (oder Handmontage) von Schaltungsunterbrechern, die Lichtbogenfehlerdetektoren umfassen. Solche Detektoren weisen einen toroidalen Sensor auf, der einen ringförmigen Kern besitzt, der eine einen Strom führende Lastleitung umgibt, in der die Messspule spiralförmig auf dem Kern so aufgewickelt ist, wie dies in den Patentanmeldungen, auf die vorstehend Bezug genommen ist, beschrieben ist. In einer Ausführungsform umfasst die Anordnung eine Schaltungsleiterplatte und einen zweiteiligen Sensorkern in einem zweiteiligen Gehäuse. Die unteren Abschnitte des Kerns und des Gehäuses sind mit der Schaltungsleiterplatte verbunden und die oberen Abschnitte des Kerns und des Gehäuses sind lösbar an deren jeweiligen unteren Abschnitten zu befestigen. Eine spiralförmige Wicklung ist auf dem unteren Kern platziert und ist an Leiterstiften befestigt, die einen elektrischen Kontakt zu der Schaltungsleiterplatte herstellen. Wenn der obere Kern an dem unteren Kern verbunden ist, bilden sie ein hohles Zentrum, das horizontal orientiert ist. Elektrische Energie wird zu einer elektrischen Last über eine Befestigung mit einem Lastleitungsanschluss, angeordnet an einer Seite der Messspule, zugeführt. Der Lastleitungsanschluss erstreckt sich durch die hohle Mitte der Messspule. Ein Isolator ist um den Bereich des Lastleitungsanschlusses innerhalb der Mitte der Messspule angeordnet. Eine Verbindung mit der elektrischen Versorgung ist über einen Lastanschluss vorgesehen, der mit dem Lastleitungsanschluss verbunden wird, nachdem er auf der gegenüberliegenden Seite der Messspule ausgetreten ist. In einer alternativen Ausführungsform ist der obere Abschnitt des Gehäuses weggelassen. In einer anderen Ausführungsform ist die Messspule auf der Schaltungsleiterplatte so positioniert, dass die hohle Mitte der Spule vertikal orientiert ist und der Lastleitungsanschluss mit dem Lastanschluss oberhalb der Messspule verbunden ist. Alternativ kann die Messspule einteilig sein und innerhalb der hohlen Mitte, befestigt horizontal, positioniert sein. In einer solchen Ausführungsform würde der Anschluss innerhalb der Messspule eingesetzt werden und Schweißverbindungen würden an dem Lastanschluss und der Schaltungsleiterplatte vorgenommen werden, nachdem die Messspule positioniert worden ist.
Gemäß einer noch anderen Ausführungsform werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen von Lichtbogenfehlern in einem Leitungs-Leiter, der einen elektrischen Strom zwischen einer Energieversorgungsquelle und einer Last führt, geschaffen, wobei der elektrische Strom eine AC-Wellenform definiert, die eine Reihe aus alternierenden, positiven, halben Zyklen und negativen, halben Zyklen aufweist. Das Verfahren weist die Schritte eines Erhaltens von Stromabtastungen in einer Reihe von halben Zyklen der Wellenform, Bestimmen des Spitzenstroms jeder der halben Zyklen und Vergleichen der Spitzenströme, um Änderungen in der Steigung zwischen halben Zyklen zu bestimmen, auf. Die Zahl von Änderungen in der Steigung, innerhalb eines ausgewählten Zeitintervalls auftretend, werden gezählt, und ein für einen Lichtbogen indikatives Signal wird dann erzeugt, wenn die Zahl von Umkehrungen in der Polarität, der Neigung, die innerhalb des ausgewählten Zeitintervalls auftreten, einer vorbestimmten Schwellwertzahl gleicht oder diese übersteigt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform werden ein alternatives Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen von Lichtbogenfehlern in einem Leitungs-Leiter, der einen elektrischen Strom zwischen einer Stromquelle und einer Last führt, geschaffen, wobei der elektrische Strom eine AC-Wellenform definiert, die aus einer Reihe von alternierenden positiven, halben Zyklen und negativen, halben Zyklen besteht. Das Verfahren weist die Schritte eines Erhaltens von Strom-Abtastungen in einer Reihe von Halb-Zyklen auf, Bestimmen des Peak-Stroms in jedem der Halb-Zyklen, und Vergleichen der Peak-Ströme, um Steigungs-Änderungen zwischen aufeinanderfolgenden Halb-Zyklen zu bestimmen, wie dies vorstehend beschrieben ist. Das Verfahren weist weiterhin die Schritte eines Normierens jeder der Strom-Abtastungen und eine Autokorrelation der normierten Strom-Abtastungen auf, um eine Messung von signifikanten Wellenform-Form-Änderungen zwischen aufeinanderfolgenden Halb-Zyklen zu erhalten. Sowohl die Zahl von Änderungen in einer Steigung als auch die Zahl von signifikanten Wellenform-Form-Änderungen, die in nerhalb eines ausgewählten Zeitintervalls auftreten, werden gezählt, und ein für einen Lichtbogen indikatives Signal wird dann erzeugt, wenn die Zahl von Umkehrungen in der Polarität oder die Zahl von Wellenform-Änderungen gleich zu vorbestimmten Schwellwert-Werten ist oder diese übersteigt.
In den Zeichnungen, die einen Teil dieser Offenbarung aufweisen:
1 zeigt ein Blockdiagramm eines Lichtbogenfehlererfassungssystems, das einen Sensor besitzt, verbunden mit dem Leitungs-Leiter einer Verzweigungsschaltung;
2 zeigt ein schematisches Diagramm einer elektrischen Schaltung zum Umsetzen des Lichtbogenfehlererfassungssystems, dargestellt in 1;
3a bis 3g zeigen Wellenformen an verschiedenen Punkten in der Schaltung der 2;
4 zeigt ein schematisches Diagramm einer alternativen Schaltung zur Verwendung anstelle des Komparators und eines monostabilen Impulsgenerators in der Schaltung der 2;
5 zeigt ein schematisches Diagramm einer alternativen Schaltung zum Umsetzen des Lichtbogenfehlererfassungssystems, dargestellt in 1;
6 zeigt ein schematisches Diagramm einer Testschaltung, die in einem Lichtbogenfehlererfassungssystem gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
7 zeigt ein schematisches Diagramm einer alternativen Testschaltung, die in einem Lichtbogenfehlererfassungssystem gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
8 zeigt ein Flussdiagramm eines Lichtbogenfehlererfassungssystems und eines Testverfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 zeigt ein Blockdiagramm eines Lichtbogenfehlererfassungssystems, verbunden mit sekundären Leitungen eines Stromtransformators, gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
10 zeigt ein Blockdiagramm einer Schalttafel, umfassend ein integriertes Schutzsystem, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Schalttafel, umfassend das integrierte Schutzsystem der 10, mit einem Isolationsmodul an der Schalttafel;
12 zeigt ein Blockdiagramm einer Schalttafel, umfassend ein integriertes Schutzsystem, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
13 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Schalttafel, umfassend das integrierte Schutzsystem der 12, mit einem Isolationsmodul an der Schalttafel;
14 zeigt ein Blockdiagramm einer Schalttafel, umfassend ein integriertes Schutzsystem, gemäß einer noch anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
15 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Schalttafel, umfassend das integrierte Schutzsystem der 14, mit einem Isolationsmodul an der Schalttafel;
16 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Isolationsmoduls, das in den integrierten Schutzsystemen der 9–15 verwendet werden kann;
17 zeigt ein schematisches Diagramm einer elektrischen Schaltung zum Umsetzen des Isolationsmoduls, dargestellt in 16;
18 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Lichtbogenfehlerdetektormoduls, das in dem integrierten Schutzsystem der 10 und 11 verwendet werden kann;
19 zeigt ein Blockdiagramm eines Lichtbogenfehlerdetektormoduls der 18;
20 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Miniaturschaltungsunterbrechergehäuses, das an einer Schalttafel befestigt werden kann und das ein Lichtbogenfehlererfassungssystem der 1 umfasst;
21 zeigt eine Draufsicht eines Miniaturschaltungsunterbrechers, installiert innerhalb des Miniaturschaltungsunterbrechergehäuses der 20, in einer geschlossenen (eingeschalteten) Position und einen Schaltindikator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassend;
22 zeigt eine Draufsicht eines Bereichs des Miniaturschaltungsunterbrechers der 21 in einer offenen (aus/geschalteten) Position;
23 zeigt einen Seitenaufriss eines Schaltindikators, der innerhalb des Miniaturschaltungsunterbrechergehäuses der 20 positioniert werden kann;
24 zeigt eine Draufsicht des Miniaturschaltungsunterbrechers der 21, umfassend einen Schaltindikator, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
25 zeigt einen Seitenaufriss eines Schaltindikators, der innerhalb des Miniaturschaltungsunterbrechergehäuses der 20 positioniert werden kann, gemäß einer noch anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
26 zeigt ein schematisches Diagramm einer elektrischen Schaltung zum Umsetzen eines Dual-LED-Schalt-Indikators, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
27 zeigt einen Seitenaufriss eines Schaltindikators, der innerhalb des Miniaturschaltungsunterbrechergehäuses der 20 positioniert werden kann, gemäß einer noch anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
28 zeigt einen Seitenaufriss eines Schaltindikators, der innerhalb des Miniaturschaltungsunterbrechergehäuses der 20 positioniert werden kann, gemäß einer noch anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
29 zeigt einen Seitenaufriss einer alternativen Ausführungsform des Schaltindikators der 26, umfassend ein push-to-reset- und ein push-to-test-Merkmal;
30 zeigt einen Seitenaufriss einer alternativen Ausführungsform des Schaltindikators der 28, umfassend ein push-to-reset- und ein push-to-test-Merkmal;
31 zeigt eine Draufsicht des Miniaturschaltungsunterbrechers der 21, umfassend ein push-to-test-Merkmal;
32 zeigt einen Seitenaufriss einer alternativen Ausführungsform des Schaltindikators der 27, umfassend ein push-to-reset- und twist-to-test-Merkmal;
33 zeigt einen Seitenaufriss eines Verriegelungsmechanismus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und stellt die zugeordneten Mess- und Erfassungsschaltungen in Blockdiagrammform dar;
34 zeigt eine Draufsicht eines Verriegelungsmechanismus gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
35a zeigt eine perspektivische Ansicht einer Kolben/Verriegelungsplatten-Anordnung für einen Verriegelungsmechanismus, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
35b zeigt eine Draufsicht der Kolben/Verriegelungsplatten-Anordnung der 35a, in der die Verriegelungsplatte ein abgerundetes Ende besitzt;
35c zeigt eine Draufsicht der Kolben/Verriegelungsplatten-Anordnung der 35a, in der die Verriegelungsplatte ein L-förmiges Ende besitzt;
36a zeigt eine Draufsicht eines Verriegelungsmechanismus, der eine Verriegelungsplatte mit einer integrierten Feder, einer Spule und einem Kolben aufweist, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
36b zeigt eine Draufsicht eines Verriegelungsmechanismus, aufweisend eine Verriegelungsplatte mit einer integrierten Feder, einer Spule und einem Kolben, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
36c zeigt eine Draufsicht des Verriegelungsmechanismus der 36b mit der integrierten Feder ausgelenkt;
37 zeigt eine Draufsicht eines elektronisch gesteuerten Schaltungsunterbrechers mit einer integrierten Verriegelungsschaltung, umfassend eine hoch magnetische Schaltleiterschleife, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
38 zeigt eine Draufsicht eines elektronisch gesteuerten Schaltungsunterbrechers mit einer integrierten Verriegelungsschaltung, aufweisend eine Schaltspule, einen Anker und ein Joch, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
39 zeigt ein Blockdiagramm eines elektrischen Verteilungsnetzwerks, das eine Isolationsvorrichtung verwendet, gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
40 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Schalttafel, die eine Isolationsvorrichtung verwendet, gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
41 zeigt eine perspektivische Ansicht einer alternativen Isolationsvorrichtung, gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
42 zeigt ein Schaltungsdiagramm der Isolationsvorrichtung, gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
43 zeigt eine Draufsicht eines Schaltungsunterbrechers, einen Lichtpunktfehlersensor einsetzend, eingebaut als Package innerhalb des Miniaturschaltungsunterbrechergehäuses der 20;
44 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Messspule, verbunden mit einem Verbinder einer internen Last und einem Lastleitungsanschluss;
45 zeigt eine perspektivische Teilansicht einer alternativen Ausführungsform der Energieverbindung zu der Schaltungsleiterplatte;
46 zeigt eine perspektivische Teilansicht einer alternativen Ausführungsform des unteren Gehäuses;
47 zeigt eine perspektivische Ansicht des Gehäuses und der Messspule;
48 zeigt eine perspektivische Teilansicht einer alternativen Verbindung zwischen dem Verbinder der internen Last und dem Lastleitungsanschluss;
49 zeigt eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform der Messspule und der Verbindung des Verbinders der internen Last und des Lastleitungsanschlusses;
50 zeigt eine perspektivische Teilansicht einer anderen, alternativen Ausführungsform der Messspule der 50;
51 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ösenverbindung;
52 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Spannungsentlastungselements;
53 zeigt eine perspektivische Ansicht eines alternativen Spannungsentlastungselements;
54 zeigt eine Aufrissansicht und eine perspektivische Ansicht eines anderen, alternativen Spannungsentlastungselements;
55 zeigt eine Aufrissansicht eines Lastleitungsanschlusses der vorliegenden Erfindung;
56 zeigt eine perspektivische Ansicht einer anderen, alternativen Ausführungsform, die eine einteilige Messspule, horizontal befestigt, einsetzt;
57 zeigt eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform der vertikal positionierten Messspule der 49;
58 zeigt eine perspektivische Ansicht einer anderen, alternativen Ausführungsform der vertikal positionierten Messspule der 49;
59 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer elektrischen Verteilungsschaltung, umfassend ein Lichtbogenfehlererfassungssystem, gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
60 zeigt ein Übersichts-Flussdiagramm über eine Art und Weise eines Betreibens des Lichtbogenfehlererfassungssystems der 59;
61 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Spitzenwert-Erfassungs-Unterprogramm darstellt, zugeordnet zu Schritt 2 in dem Flussdiagramm der 60;
62 zeigt ein Flussdiagramm, das das Unterprogramm für die Zählsteigungsänderungen, zugeordnet zu Schritt 3 in dem Flussdiagramm in der 60, darstellt;
63 zeigt ein Flussdiagramm, das die Normierungs- und Autokorrelations-Unterprogramme, zugeordnet zu Schritt 4 in dem Flussdiagramm der 60, darstellt;
64 zeigt ein Flussdiagramm, das das Unterprogramm für die Zählformänderungen, zugeordnet zu Schritt 5 in dem Flussdiagramm in der 60, darstellt;
65 zeigt ein Flussdiagramm, das die Prüfung für das Unterprogramm für den Schalt-Zustand, zugeordnet zu Schritt 6 in dem Flussdiagramm der 60, darstellt;
66 zeigt die Wellenformen, die der Erfassung der Steigungsänderungen darstellt, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung; und
67 zeigt die Wellenformen, die der Erfassung der Formänderungen zugeordnet sind, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Um sich nun den Zeichnungen zuzuwenden und unter zunächst Bezugnahme auf 1, sind Lichtbogenfehlerdetektoren 10a, 10b ..... 10n mit n Verzweigungen eines elektrischen Verteilungssystems 12 verbunden, das einen Energietransformator 14 eines Stromwerks als eine Quelle einer elektrischen Energie besitzt. Das elektrische Verteilungssystem 12 umfasst Leitungs-Leiter 16a, 16b ..... 16n und neutrale Leiter 18a, 18b ..... 18n, die elektrische Energie zu Lasten 20a, 20b ..... 20n über entsprechende Sensoren 21a, 21b ..... 21n, Leitungsunterbrecher 22a, 22b ..... 22n, und Blockierfilter 23a, 23b ..... 23n, verteilen. Die Leitungs-Leiter 16 und ein neutraler Leiter 18 befinden sich typischerweise bei 240 Volt oder 120 Volt und einer Frequenz von 60 Hz.
Jeder der Leitungsunterbrecher 22 ist vorzugsweise ein Schaltungsunterbrecher, der einen Überlast-Schalt-Mechanismus umfasst, der eine thermische/magnetische Charakteristik so besitzt, dass sie die Unterbrecherkontakte zu einem Zustand einer offenen Schaltung in Abhängigkeit eines gegebenen Überlast-Zustand schaltet, um die entsprechende Last 20 von der Energieversorgung zu trennen, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Es ist auch bekannt, den Schaltungsunterbrecher 22 mit einer Erdungs-Fehler-Unterbrecherschaltung zu versehen, die auf einen Leitungs- oder Neutral-Erdungs-Fehler anspricht, um einen Schalt-Solenoid mit Energie zu beaufschlagen, der den Schaltungsunterbrecher schaltet und die Kontakte öffnet.
Die Sensoren 21 überwachen die Änderungsrate eines elektrischen Stroms in den jeweiligen Leitungs-Leitern 16 und erzeugen Signale, die die Änderungsrate darstellen. Das Signal für die Rate einer Änderung von jedem Sensor 21 wird zu dem entsprechenden Lichtbogendetektor 10 zugeführt, der einen Impuls zu jedem Zeitpunkt erzeugt, zu dem sich das Signal für die Rate einer Änderung oberhalb eines ausgedehnten Schwellwerts erhöht. Das Signal für die Rate einer Änderung und/oder die Impulse, erzeugt davon, werden gefiltert, um Signale oder Impulse außerhalb eines ausgewählten Frequenzbereichs zu eliminieren. Die abschließenden Impulse werden dann überwacht, um zu er fassen, wann die Anzahl der Impulse, die innerhalb eines ausgewählten Zeitintervalls auftreten, einen vorbestimmten Schwellwert übersteigen. In dem Fall, dass der Schwellwert überschritten wird, erzeugt der Detektor 10 ein Lichtbogenfehlererfassungssignal, das dazu verwendet werden kann, den entsprechenden Leitungsunterbrecher 22 zu schalten.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Sensor 21 einen toroidalen Sensor auf, der einen ringförmigen Kern besitzt, der die Strom führende Last-Leitung umgibt, wobei die Messspule spiralförmig auf dem Kern aufgewickelt ist. Der Kern ist aus magnetischem Material, wie beispielsweise einem Ferrit, Eisen oder geformtem, permeablem Pulver, geeignet dazu, auf schnelle Änderungen in dem Fluss anzusprechen, hergestellt. Ein bevorzugter Sensor verwendet einen Ferritkern, gewickelt mit 200 Windungen eines Kupferdrahts mit 24–36 Gauge, um die Messspule zu bilden. Ein Luftspalt kann in den Kern hineingeschnitten sein, um die Permeabilität auf ungefähr 30 zu verringern. Das Kernmaterial sättigt sich vorzugsweise nicht während der relativ hohen Ströme, erzeugt durch parallele Lichtbogen, so dass eine Lichtbogenerfassung noch bei solchen hohen Stromniveaus möglich ist.
Andere Mittel zum Erfassen der Änderungsrate des Stroms in einem Leitungs-Leiter sind durch die vorliegende Erfindung vorgesehen. Nach dem Faraday'schen Gesetz erzeugt irgendeine Spule eine Spannung proportional zu der Änderungsrate in dem magnetischen Fluss, der durch die Spule hindurchführt. Der Strom, der einem Lichtbogenfehler zugeordnet ist, erzeugt einen magnetischen Fluss, um den Leiter herum, und die Spule des Sensors 21 schneidet diesen Fluss, um ein Signal zu erzeugen. Andere geeignete Sensoren umfassen einen toroidalen Transformator mit einem Kern aus magnetischem Material oder einem Luftkern, einen Induktor oder einen Transformator mit einem laminierten Kern aus magnetischem Material, und Induktoren, befestigt auf gedruckten Schaltungsleiterplatten. Verschiedene Konfigurationen für den Sensorkern sind durch die vorliegende Erfindung vorgesehen und umfassen Toroide, die Luftspalte in deren Körpern haben.
Vorzugsweise stellt das Signal für die Rate einer Änderung, erzeugt durch den Sensor 21, nur Fluktuationen in der Änderungsrate innerhalb eines ausgewählten Frequenzbands dar. Die Sensor-Bandpass-Charakteristik ist vorzugsweise so, dass der Unterbrechungspunkt der niedrigeren Frequenz die Energiefrequenzsignale zurückweist, während der Unterbrechungspunkt der oberen Frequenz die Hochfrequenzsignale zu rückweist, erzeugt durch mit Rauschen behaftete Lasten, wie beispielsweise eine Lötkanone, eine elektrische Säge, einen elektrischen Bohrer, oder ähnliche Geräte, Ausrüstungen oder Werkzeuge. Der sich ergebende Ausgang des Sensors 21 ist so auf das ausgewählte Frequenzband, zugeordnet zu Lichtbogenfehlern, begrenzt, um dadurch scheinbare Fluktuation in der Signaländerungsrate zu eliminieren oder zu reduzieren, die zu einem störenden Schalten führen könnten. Als ein Beispiel kann die Sensor-Bandpass-Charakteristik haben: (1) einen niedrigeren Frequenzabschaltpunkt oder eine niedrigere Grenze von 60 Hz, um so Energiefrequenzsignale zurückzuweisen, und (2) einen oberen Frequenzabschaltpunkt oder eine obere Grenze von ungefähr 1 MHz, um so effektiv Hochfrequenzsignale, die mit Rauschen behafteten Lasten zugeordnet sind, zurückzuweisen. Diese spezifischen Frequenzabschaltpunkte für die Sensor-Bandpass-Charakteristik dienen nur als Beispiel und andere, geeignete Frequenzabschaltgrenzen können angewandt werden, und zwar in Abhängigkeit von den tatsächlichen Frequenzbereichen für die Energiesignale ebenso wie für Signale von Lasten, die mit Rauschen behaftet sind.
Die erwünschte Bandpass-Charakteristik wird durch geeignetes Auswählen und Einstellen der Eigenresonanzfrequenz des Sensors realisiert. Der Sensor vom Strom-Typ wird so ausgewählt, um eine vorbestimmte Eigenresonanzfrequenz zu haben, die zugeordnete obere und untere Frequenz-Abschneid- oder Roll-Off-Punkte für die Betriebscharakteristik des Sensors definiert. Vorzugsweise ist der Sensor vom Strom-Typ so ausgelegt, um die erwünschten Bandpassfilter-Charakteristika zu zeigen, wenn er so arbeitet, um die Änderungsrate der Stromvariationen innerhalb der Last-Leitung, die überwacht werden soll, zu erfassen. Die vorliegende Erfindung sieht andere Einrichtungen für eine Bandpassfilterung des Signalausgangs innerhalb des ausgewählten Frequenzbands vor. Zum Beispiel kann ein Bandpassfilter oder eine Kombination von Filtern in einer Schaltung verwendet werden, um Frequenzen oberhalb oder unterhalb der Abschneidpunkte bzw. Cut-Off-Punkte für das ausgewählte Frequenzband zu dämpfen.
2 stellt eine bevorzugte Schaltung für das Lichtbogenfehlererfassungssystem der 1 dar. Der Sensor 21 weist eine Sensorwicklung T1 auf, die auf einen Kern aufgewickelt ist, der den Leitungs-Leiter 16 umgibt. Verbunden parallel zu der Sensorwicklung T1 ist ein Paar von Dioden D1 und D2, die als Klemmvorrichtungen während Hochenergieübergangszuständen dient. Ein Widerstand R1 parallel zu den Dioden D1 und D2 dämpft ein Eigenklingeln bzw. -rauschen des Sensors, und zwar während Hochlei stungsübergängen. Ein Paar Kondensatoren C1 und C2 parallel zu dem Widerstand R1, und ein Widerstand R2 und eine Induktanz L1, verbunden in Reihe mit dem Eingang eines Komparators 30, werden so abgestimmt, um beim Dämpfen der erwünschten Roll-Off-Charakteristika des Filternetzwerks, gebildet dadurch, zu unterstützen. Zum Beispiel besitzt, mit den dargestellten Werten, die nachfolgend für die Komponenten der Schaltung der 2 aufgelistet sind, der Sensor ein Durchlassband, das sich von ungefähr 10 kHz bis ungefähr 100 kHz erstreckt, mit einem starken Roll-Off bzw. Abfall an beiden Seiten des Durchlassbands.
Die Betriebsweise der Schaltung der 2 kann deutlicher unter Bezugnahme auf die Reihe von Wellenformen in den 3a bis 3g verstanden werden. 3a zeigt eine tatsächliche Wellenform von einem Oszilloskop, verbunden mit einem Leitungs-Leiter 16, der einen Wechselstrom bei 60 Hz führt und eine Hochfrequenzstörung, beginnend zu dem Zeitpunkt t1, erfährt. Da die Hochfrequenzstörung innerhalb des Frequenzbereichs liegt, für den der Sensor 21 empfindlich ist (z.B. von ungefähr 10 kHz bis ungefähr 100 kHz), führt die Störung zu einem Burst eines Hochfrequenzrauschens in dem di/dt Ausgangssignal (3b) von dem Sensor 21 (an einem Punkt A in der Schaltung der 2), beginnend zu dem Zeitpunkt t1. Das Rausch-Burst besitzt eine relativ hohe Amplitude von der Zeit t1 bis ungefähr zu der Zeit t2, und fährt dann bei einer niedrigen Amplitude von der Zeit t2 bis ungefähr zu der Zeit t3 fort.
Die Größe des Signals für die Änderungsrate von dem Sensor 21 wird mit der Größe eines festgelegten Referenzsignals in einem Komparator 30 verglichen, was eine Ausgangsspannung nur dann erzeugt, wenn die Größe des Signals für die Änderungsrate diejenige des Referenzsignals kreuzt. Dies bewirkt, dass der Detektor Niedrig-Pegel-Signale ignoriert, erzeugt durch den Sensor 21. Alle Signale, die eine Größe oberhalb des Schwellwertpegels, eingestellt durch die Größe des Referenzsignals, besitzen, werden auf einen vorab eingestellten maximalen Wert verstärkt, um den Effekt eines großen Signals zu reduzieren. In dem Komparator 30 wird ein Transistor Q1, normalerweise mit seiner Basis hoch durch einen Widerstand R3 gezogen, eingeschaltet. Eine Diode D3 ändert den Schwellwert, und ermöglicht, dass nur negative Impulse von dem Sensor 21 zu der Basis des Transistors Q1 geführt werden. Wenn das Signal zu dem Komparator unterhalb des Schwellwertpegels abfällt (minus 0,2 Volt für die Schaltungswerte, die nachfolgend aufgelistet sind), bewirkt dies, dass sich der Transistor Q1 abschaltet. Dies bewirkt, dass der Kollektor des Transistors Q1 auf eine vorbestimmte Spannung ansteigt, bestimmt durch die Versorgungsspannung V_cc, einen Widerstand R4 und die Eingangsimpedanz einer monostabilen Impulsgeneratorschaltung 40. Diese Kollektorspannung ist der Ausgang zu der Komparatorschaltung 30. Die Kollektorspannung verbleibt hoch, so lange wie der Transistor Q1 abgeschaltet ist, was fortfährt, bis das Signal von dem Sensor 21 oberhalb des Schwellwertniveaus erneut ansteigt. Der Widerstand Q1 schaltet sich dann wieder ein, was bewirkt, dass die Kollektorspannung abfällt. Das Endergebnis ist ein Impulsausgang von dem Komparator, wobei die Breite des Impulses dem Zeitintervall entspricht, während dem der Transistor Q1 abgeschaltet ist, was dem Zeitintervall entspricht, während dem das in das negative laufende Signal von dem Sensor 21 unterhalb des Schwellwertpegels des Komparators verbleibt.
Das Rausch-Burst in dem Sensorausgang wird so gefiltert, um die Wellenform zu erzeugen, die in 3c dargestellt ist, und zwar an einem Punkt B in der Schaltung der 2. Die Wellenform an dem Punkt C in der Schaltung der 3 ist in 3d dargestellt, und sie kann so gesehen werden, dass die Amplitude reduziert worden ist und ein dc-Offset durch Summieren des gefilterten di/dt- Signals und einer dc-Vorspannung von der Versorgungsspannung V_cc an dem Punkt C eingeführt worden ist. Dies ist das Eingangssignal zu der Basis des Transistors Q1.
Der Ausgang des Transistors Q1 ist eine Serie von ins Positive laufenden Impulsen entsprechend zu den in das Negative laufenden Peaks in dem Eingangssignal. Der Transistorausgang, an dem Punkt D in der Schaltung der 2, ist in 3e dargestellt. Es kann gesehen werden, dass die Transistorschaltung als ein Komparator arbeitet, um Ausgangsimpulse entsprechend nur zu in das Negative laufenden Peaks zu erzeugen, die einen bestimmten Schwellwert in dem gefilterten di/dt-Signal, dargestellt in 3c, übersteigen. An diesem Punkt in der Schaltung variieren die Impulse in sowohl der Breite als auch der Amplitude, wie in 3e gesehen werden kann.
Um die Ausgangsimpulse des Komparators 30 umzuwandeln, die sowohl in der Breite als auch in der Amplitude variieren, und zwar in eine Reihe von Impulsen von im Wesentlichen konstanter Breite und Amplitude, wird der Komparator-Ausgang zu einer monostabilen Impulsgeneratorschaltung 40 zugeführt. Diese Hochpassfilterschaltung umfasst ein Paar Kondensatoren C3 und C4, verbunden in Reihe mit dem Kollektor des Transistors Q1, und zwei Widerstands-Dioden-Paare, verbunden parallel von den Aus gangsseiten des Kondensators C4 mit Masse. Die Impulse, erzeugt durch die Schaltung, werden im weiteren Detail nachfolgend in Verbindung mit den Wellenformen, dargestellt in 3, beschrieben. Die Ausgangsimpulse sind vorherrschende Impulse gleicher Breite und Amplitude, obwohl gelegentlich größere oder kleinere Impulse aus besonders großen oder kleinen Eingangsimpulsen resultieren können.
Die Impulse mit variabler Breite und variabler Amplitude der 3e werden zu einer Reihe von Impulsen von im Wesentlichen konstanter Breite und Amplitude durch die monostabile Impulsgeneratorschaltung 40 umgewandelt. Der Ausgang dieser Schaltung 40 ist, an dem Punkt E in der Schaltung der 2, in 3 Fig. dargestellt. Obwohl alle die Impulse, die in 3 Fig. dargestellt sind, von im Wesentlichen derselben Größe sind, können größere oder kleinere Impulse durch di/dt-Spitzenwerte erzeugt werden, die übermäßig groß oder übermäßig klein sind. Die weitaus größte Mehrheit der Impulse an dem Punkt e ist allerdings im Wesentlichen unabhängig von der Amplitude und der Dauer der entsprechenden Spitzenwerte in dem di/dt-Signal, vorausgesetzt, dass die Spitzenwerte groß genug sind, um einen Ausgangsimpuls von dem Komparator 30 zu erzeugen.
Die im Wesentlichen gleichförmigen Impulse, erzeugt durch die Schaltung 40, werden zu der Basis eines Transistors Q2 über einen Strombegrenzungswiderstand R7 zugeführt. Ein Kondensator C5, verbunden von der Transistorbasis mit Masse, verbessert die Schärfe des Roll-Off der Bandpassfilterung. Der Transistor Q2 ist der Anfang einer Integratorschaltung 50, die die Impulse integriert, erzeugt durch die Schaltung 40. Die Impulse schalten den Transistor ein und aus, um einen Kondensator C6, verbunden zwischen dem Transistoremitter und Masse, zu laden und zu entladen. Ein Widerstand R9 ist parallel zu dem Kondensator C6 verbunden und ein Widerstand R8, verbunden zwischen der Versorgungsspannung und dem Kollektor des Transistors Q2, bestimmt das Niveau des Ladestroms für den Kondensator C6. Die Größe der Ladung in dem Kondensator C6 zu einem gegebenen Fall stellt das Integral der Impulse, empfangen über ein ausgewähltes Zeitintervall, dar. Da die Impulse im Wesentlichen gleichförmig in der Breite und der Amplitude sind, ist die Größe des Integrals bei einem gegebenen Fall primär eine Funktion der Anzahl der Impulse, empfangen innerhalb des ausgewählten Zeitintervalls, unmittelbar diesem Fall vorausgehend. Demzufolge kann der Wert des Integrals dazu verwendet werden, zu bestimmen, ob ein Lichtbogenfehler aufgetreten ist.
Das integrale Signal, erzeugt durch die Schaltung 50, ist in 3g dargestellt, herangezogen an einem Punkt F in der Schaltung der 2. Es kann gesehen werden, dass sich die Integratorschaltung zu jedem Zeitpunkt auflädt, zu dem sie einen Impuls von der Schaltung 40 empfängt, und beginnt dann unmittelbar, sich zu entladen. Die Ladung akkumuliert nur dann, wenn die Impulse unter einer Rate ausreichend hoch so erscheinen, dass die Ladung, erzeugt durch einen Impuls, geringer als die Ladung ist, die auftritt, bevor der nächste Impuls ankommt. Wenn die Impulse in der ausreichenden Zahl unter einer ausreichenden Rate ankommen, um das integrale Signal zu einem Schalt-Schwellwert-Pegel TR (3g) zu erhöhen, wird SCR1 getriggert, um den Schaltungsunterbrecher auszulösen. Die Schaltung ist so ausgelegt, dass dies nur in Abhängigkeit eines di/dt Signals auftritt, das einen Lichtbogenfehler darstellt.
Wenn SCR1 eingeschaltet wird, wird ein Auslöse-Solenoid S1 mit Energie beaufschlagt, um die Last von der Schaltung in der üblichen Art und Weise zu trennen. Genauer gesagt bewirkt ein Einschalten von SCR1, dass der Strom von der Leitung zu neutral über eine Diodenbrücke fließt, gebildet durch die Dioden D7–D10, um dadurch den Solenoid mit Energie zu beaufschlagen, um die Schaltungsunterbrecherkontakte in der Leitung 16 zu öffnen und um dadurch den geschützten Teil des Systems von der Energieversorgungsquelle zu trennen. Die dc-Anschlüsse der Diodenbrücke sind über SCR1 verbunden, und der Spannungspegel wird durch eine Zener-Diode D6 in Reihe mit einem Strombegrenzungswiderstand R10 eingestellt. Ein Varistor V1 ist über die Diodenbrücke als ein Übergangsunterdrückungsglied verbunden. Ein Filterkondensator C7 ist über die Zener-Diode D6 verbunden. Die Auslöseschaltung verliert Energie, wenn die Schaltungsunterbrecherkontakte geöffnet werden, allerdings verbleiben die Kontakte bis zu einem Reset offen.

Ein Beispiel einer Schaltung, die das erwünschte Ergebnis erzeugt, das vorstehend beschrieben ist, ist die Schaltung der 2, die die folgenden Werte besitzt:

D1	1N4148
D2	1N4148
D3	1N4148
D4	1N4148
D5	1N4148
D6	27vZener

R1	3,01K
R2	1,3K
R3	174K
R4	27,4K
R5	10k
R6	10K
R7	10K
R8	4,2K
R9	4,75K
R10	24K
L1	3300μH
L2	500μH
L3	500μH
C1	0,012μF
C2	0,001μF
C3	0,001μF
C4	0,001μF
C5	0,001μF
C6	6,8μF
C7	1,0μF
C8	1,0μF
Q1	2N2222A
Q2	2N2222
SCR1	CR08AS-12 hergestellt von POWEREX-Equal
V_cc	27V

Obwohl ein Schaltungsunterbrecher der am üblichsten verwendete Leitungsunterbrecher ist, kann die Ausgangsvorrichtung ein Komparator, ein SCR, ein Relais, ein Solenoid, ein Schaltungs-Monitor, eine Computer-Schnittstelle, eine Lampe, ein wahrnehmbarer Alarm, usw., sein.
Es wird verständlich werden, dass eine Anzahl von Modifikationen in der Schaltung der 2 vorgenommen werden kann. Zum Beispiel kann der diskrete Bandpassfilter zwischen dem Sensor und dem Komparator gegen einen aktiven Filter, der einen Operationsverstärker verwendet, ersetzt werden. Als ein anderes Beispiel kann ein monostabiler Zeitgeber anstelle des monostabilen Impulsgenerators in der Schaltung der 2 verwendet werden. Diese Schaltung kann das Ausgangssignal von einem aktiven Filter als den Triggereingang zu einem Zeitgeber mit integrierter Schaltung empfangen, wobei der Ausgang des Zeitgebers über einen Widerstand zu derselben Integratorschaltung, gebildet durch den Widerstand R9 und den Kondensator C6 in der Schaltung der 2, zugeführt wird.
4 stellt eine Frequenz-Spannungs-Wandler-Schaltung dar, die anstelle der gesamten Schaltung zwischen Punkt A und der Integratorschaltung in 2 verwendet werden kann. In dieser Schaltung wird das Signal von dem Punkt A in 2 über einen Widerstand Ra zu einer integrierten Frequenz-Spannungs-Wandler-Schaltung 55, wie beispielsweise eine AD537, hergestellt von Analog Devices Inc, zugeführt werden. Der Ausgang der integrierten Schaltung 55 wird zu einem Paar von Komparatoren 56 und 57 zugeführt, die einen herkömmlichen Fensterkomparator bilden. Genauer gesagt wird der Ausgang der Schaltung 55 an den invertierenden Eingang eines Komparators 56 und an einen nicht-invertierenden Eingang eines Komparators 57 angelegt. Die anderen Eingänge der Komparatoren 56 und 57 nehmen zwei Referenzsignale A und B auf, die die Grenzen des Fensters einstellen, d.h. die einzigen Signale, die durch den Fensterkomparator hindurchführen, sind solche, die geringer als Referenz A und größer als Referenz B sind.
5 stellt einen Lichtbogendetektor 10 zum Erfassen der Änderungsrate der Leitungsspannung, d.h. dv/dt, im Gegensatz zu dem Strom, dar. Der Sensor in dieser Schaltung ist ein Kondensator C10, verbunden zwischen einem Leitungs-Leiter 16 und einer Induktanz L10, die zu Masse führt. Die Induktanz L10 bildet einen Teil eines Bandpassfilters, der nur solche Signale hindurchlässt, die innerhalb des erwünschten Frequenzbands fallen, z.B. zwischen 10 kHz und 100 kHz. Das Filternetzwerk umfasst auch einen Widerstand R10, einen Kondensator C11 und eine zweite Induktanz L11 parallel zu der ersten Induktanz L10, und einen Widerstand R11, verbunden zwischen dem Widerstand R10 und dem Kondensator C11. Der Widerstand R10 dämpft das Klingeln zwischen dem Kondensator C10 und der Induktanz L10, und der Widerstand R11 stellt den Schwellwert oder die Empfindlichkeit der Schaltung ein. Die Induktanzen L10 und L11 liefern ein Niederfrequenz-Roll-Off an dem oberen Ende des Durchlassbands, und ein Kondensator C11 liefert das Hochfrequenz-Roll-Off an dem unteren Ende des Durchlassbands.
Der Kondensator C10 kann dadurch aufgebaut werden, dass ein Dielektrikum mit dem Leitungsbus so verbunden wird, dass der Bus eine Platte des Kondensators bildet. Die zweite Platte des Kondensators wird an der entgegengesetzten Seite des Dielektrikums von dem Bus aus gesehen befestigt. Die Sensorschaltung ist mit der zweiten Platte verbunden.
Der Ausgang des Bandpassfilters, beschrieben vorstehend, wird zu einem Komparator 60 zugeführt, um Signale unterhalb eines ausgewählten Schwellwerts zu eliminieren, und um große Signale auf eine vorab ausgewählte, maximale Amplitude zu begrenzen. Der Filterausgang wird zu dem invertierenden Eingang des Komparators 60, über den Widerstand R11, zugeführt, während der nicht-invertierende Eingang ein Referenzsignal aufnimmt, eingestellt durch einen Spannungsteiler, gebildet durch ein Paar von Widerständen R12 und R13, verbunden zwischen V_cc und Masse. Der Komparator 60 eliminiert sehr niedrige Pegel eines Signals, empfangen von dem Sensor. Der Komparator 60 ist normalerweise abgeschaltet, wenn keine Lichtbogenbildung auf dem Leitungs-Leiter 16 vorhanden ist, und demzufolge ist der Komparator-Ausgang niedrig. Wenn das Spannungssignal von dem Sensor mehr negativ als der Referenzeingang ist (z.B. –0,2 Volt), geht der Ausgang von dem Komparator zu hoch über, und eine Vorwärts-Vorspannung wird an dem Transistor Q2 angelegt, der die Integratorschaltung ansteuert. Ein Kondensator C12, verbunden von der Basis des Transistors Q2 mit –V_cc, filtert ein Hochfrequenzrauschen heraus. Eine Diode D11 ist zwischen dem Komparatorausgang und der Basis des Transistors Q2 verbunden, um negative Signale zu blockieren, die den Kondensator C12 vorzeitig aufladen würden. Der Rest der Schaltung der 5 ist identisch zu derjenigen der 2.
Wenn ein Fehler auftritt, ist es erwünscht, die Verzweigung des Verteilungssystems zu isolieren, in der der Lichtbogenfehler aufgetreten ist, und zwar von dem Rest des Verteilungssystems. In dem System der 1 ist eine solche Isolation durch einen Isolator #1 (24a, 24b ... 24n) und/oder einen Isolator #2 (25a, 25b ... 25n) gebildet. Der Isolator #1 ist zur Verwendung in einem System ausgelegt, das einen Sensor vom Strom-Typ verwendet, wie dies in 2 dargestellt ist, während der Isolator #2 zur Verwendung in einem System ausgelegt ist, das einen Sensor vom Spannungs-Typ verwendet, wie dies in 5 darge stellt ist. Sowohl der Isolator #1 als auch der Isolator #2 können in einem System verwendet werden, das sowohl einen Sensor vom Strom-Typ als auch vom Spannungs-Typ besitzt.
Wie in 2 dargestellt ist, weist der Isolator #1 einen Kondensator C8 auf, der zwischen der Last-Leitung 16 und der neutralen Leitung 18 in jeder Verzweigung des Verteilungssystems verbunden ist. Der Kondensator C8 ist zwischen dem Leitungsunterbrecher 22 und der Energieversorgungsquelle 14 angeordnet, um einen Pfad mit niedriger Impedanz für einen Lichtbogenfehler von dem Leitungs-Leiter 16 zu dem neutralen Leiter 18 zu schaffen, unabhängig der Impedanz der Last 20. Genauer gesagt ist der Kondensator C8 so ausgelegt, um effektiv Hochfrequenz-Lichtbogenfehlersignale von den Leitungs-Leitern 16 zu den neutralen Leitern 18 kurzzuschließen, um so zu verhindern, dass ein Serien-Pfad zwischen den Verzweigungsschaltungen erzeugt wird, und um die fehlerhafte Erfassung von Lichtbogenfehlern in anderen Verzweigungsschaltungen zu verhindern. Zum Beispiel wird, unter Bezugnahme auf 1, der Isolator #1 verhindern, dass Hochfrequenz-Lichtbogenfehlersignale auf dem Leitungs-Leiter 16a herüber zu dem Leitungs-Leiter 16b führen. Dementsprechend wird ein Lichtbogenfehlersignal auf dem Leitungs-Leiter 16a geeignet den Leitungsunterbrecher 22a triggern, wird allerdings nicht den Leitungsunterbrecher 22b triggern.
Wie in 5 dargestellt ist, weist der Isolator #2 eine Induktanz L2 in der Last-Leitung 16 für jede Verzweigungsschaltung auf. Jede Induktanz L2 ist zwischen dem Leitungsunterbrecher 22 und dem Sensor 21 angeordnet, um eine Impedanz für den Strom, erzeugt durch einen Lichtbogenfehler. zu schaffen.
Das Lichtbogenfehlererfassungssystem umfasst auch einen Blockierfilter 23 in jeder Verzweigungsschaltung, um falsche Lichtbogenfehlersignale oder andere Störungsausgangssignale, erzeugt bei einem normalen Betrieb der Last 20, zu blockieren. Jeder Blokkierfilter 23 ist zwischen dem Sensor 21 und der Last 20 in jeder Verzweigungsschaltung verbunden, um zu verhindern, dass falsche Lichtbogenfehlersignale zu dem Sensor 21 zugeführt werden. Wie in den 2 und 5 zu sehen ist, umfasst der bevorzugte Blockierfilter ein Paar von Kondensatoren C9a und C9b, verbunden zwischen der Last-Leitung 16 und der neutralen Leitung 18 jeder Verzweigungsschaltung. Eine Induktanz L3 ist in der Last-Leitung 16 zwischen den zwei Kondensatoren C9a und C9b verbunden. Vorzugsweise besitzen die Kondensatoren C9a und C9b einen Nennbetrieb über die Leitung von un gefähr 0,47 μF. Die Induktanz L3 besitzt einen Betrieb von 15 Ampère bei 500 μH und Dimensionen von ungefähr 1,5'' Durchmesser und 1,313'' in der Länge (z.B. Dale IHV 15-500). Diese Werte können natürlich für den Energie-Nennbetrieb des elektrischen Systems und der Lasten 20 eingestellt werden.
Der Kondensator C9a erzeugt einen niedrigen Impedanzpfad für irgendeine Reihenlichtbogenbildung, die eingangsseitig des Kondensators auftritt, wie beispielsweise eine Lichtbogenbildung innerhalb der Wand eingangsseitig einer mit Rauschen behafteten Last. Dies ermöglicht, dass eine Serie einer Lichtbogenbildung in der Verzweigung, die den Blockierfilter enthält, erfasst werden kann. Die Induktanz L3 erzeugt eine Impedanz, die den größten Teil der Dämpfung des Signals, erzeugt durch eine mit Rauschen behaftete Last, hervorruft. Diese Induktanz ist so dimensioniert, um den Last-Strom der Vorrichtung zu führen, der typischerweise 15 bis 18 Ampère beträgt. Der zweite Kondensator C9b verringert die Größe einer Induktanz, erforderlich in der Induktanz L3, durch Erzeugen eines Niedrigimpedanzpfads über die Last 20.
Einer der Vorteile des Blockierfilters 23 ist derjenige, dass er lokal an einer bestimmten Verzweigungsschaltung verwendet werden kann, die dahingehend bekannt ist, mit einer Last 20, die mit Rauschen behaftet ist, verbunden zu sein. Die Kosten der Verwendung des Blockierfilters 23 werden verringert, da er nur dann verwendet werden kann, wenn er benötigt wird. Der Blockierfilter 23 ermöglicht auch ein einfaches nachträgliches Anpassen an existierende, elektrische Verteilungssysteme in Häusern oder an kommerziellen Orten.
Obwohl das vorstehende System in Verbindung mit einem gewöhnlichen 120 Volt System beschrieben worden ist, ist es bei den Spannungen irgendeines Standards anwendbar, umfassend 12, 120, 240, 480, 600 und 18.500 Volt. Das System ist zur Verwendung in Häusern bzw. Wohnhäusern, kommerziellen und industriellen Anwendungen, monostabilen oder Mehrphasen-Systemen und bei allen Frequenzen für Wechselstrom ebenso wie für Gleichstrom anwendbar. Dieses System ist bei Fahrzeugen, bei Flugzeugen und bei Schifffahrtserfordernissen anwendbar, bei separat unterteilten Quellen, wie beispielsweise Generatoren oder UPS, bei Kondensatorbänken, die einen Fehlerschutz benötigen.
6 stellt eine Testschaltung dar, die in einem Lichtbogenfehlererfassungssystem gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Ein Testdraht 82 führt durch die Messspule 21 zusammen mit dem Leitungs-Leiter 16a hindurch. Der Testdraht 82 ist mit einem freilaufenden Oszillator 84 verbunden, der so angepasst ist, um einen Strom in dem Testdraht 82 zu erzeugen, einen Lichtbogenfehler simulierend, vorzugsweise einen Wechselstrom mit einer Frequenz von ungefähr 10 kHz bis 100 kHz. Der simulierte Lichtbogenfehler, der durch den Testdraht 82 hindurchführt, wird durch den Sensor 21 erfasst, der wiederum ein Signal zu der Lichtbogenfehlerdetektorschaltung 10 in derselben Art und Weise schickt, wie dies allgemein in 1 dargestellt ist. Die Lichtbogenfehlerdetektorschaltung 10 ist vorzugsweise dieselbe Schaltung, wie dies in 2 dargestellt ist, allerdings wird ersichtlich werden, dass irgendeine Schaltung, die Lichtbogenfehler erfasst, verwendet werden kann. Die Lichtbogenfehlerdetektorschaltung verarbeitet danach das Signal, erzeugt durch den Sensor 21, in Abhängigkeit des Testsignals, erzeugt ein Auslösesignal und triggert den Leitungsunterbrecher 22 (2) in derselben Art und Weise, wie dies für einen tatsächlichen Lichtbogenfehler der Fall sein würde.
Der Oszillator 84 kann manuell über die Betätigung eines Drück-Test-Schalters 86 kontrolliert werden. Ein Bediener kann den Oszillator starten und einen Strom zu dem Testdraht 82 zuführen, indem der Drück-Test-Schalter 86 niedergedrückt wird, und kann darauffolgend den Oszillator stoppen, indem der Drück-Test-Schalter 86 freigegeben wird. Weiterhin kann ein Selbsttest oder ein automatischer Test anstelle des manuellen Tests, der vorstehend beschrieben ist, verwendet werden. Zum Beispiel kann der Schalter einen Zeitgeber für ein automatisches Starten und Stoppen des Oszillators 84 unter vorab ausgewählten Intervallen umfassen.
Eine alternative Testschaltung 90, die in Lichtbogenfehlererfassungssystemen gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, ist in 7 dargestellt. Ein erster Anschluss 92 ist mit dem Leitungs-Leiter verbunden und ein zweiter Anschluss 94 ist mit dem neutralen Leiter einer ausgewählten Verzweigungsschaltung eines elektrischen Verteilungssystems verbunden, das einen Lichtbogenfehlerdetektor besitzt, wie dies in 1 dargestellt ist. Ein Relais 96 ist zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss 92 und 94 verbunden. Das Relais 96 enthält ein Paar von elektrischen Kontakten 98 und eine Relaisspule 100. Eine Diode 102 und ein Widerstand 104 sind zwischen dem zweiten Anschluss 94 und der Relaisspule 100 verbunden. Ein Kondensator 106 ist zwischen dem zweiten Anschluss 94 und den elektrischen Kontakten 98 verbunden. Wenn der erste und der zweite Anschluss 92, 94 an dem Leitungs- und neutralen Leiter der ausgewählten Verzweigungsschaltung befestigt sind, wird ein Wechselstrom von der Verzweigungsschaltung in die Testschaltung 90 hinein eingeführt und das Relais 86 wird mit Energie beaufschlagt. Die Diode 102 bewirkt danach, dass die Relaisspule 100 jeden halben Zyklus abfällt, was bewirkt, dass sich die elektrischen Kontakte 98 schnell öffnen und schließen, und zwar einmal zu jedem Zyklus. Dieser Chatter-Effekt der elektrischen Kontakte 98 erzeugt ein Signal an dem Leitungs-Leiter, der einen Lichtbogenfehlerzustand simuliert. Der simulierte Lichtbogenfehlerzustand wird danach durch den Sensor 21 (1) erfasst und durch die Lichtbogenfehlerdetektorschaltung 10 in derselben Art und Weise wie ein tatsächlicher Lichtbogenfehler verarbeitet.
Das Relais 96 weist vorzugsweise ein Class 8501 Type KL-12 24VAC auf, erhältlich von Square D Company, kann allerdings irgendein vergleichbares Relais aufweisen, das im Stand der Technik bekannt ist. Der Kondensator 106 besitzt vorzugsweise einen Wert von ungefähr 0,47 μF und ist so vorgesehen, um die Stärke des simulierten Lichtbogenfehlersignals zu erhöhen. Der Widerstand 104 ist vorgesehen, um die 120 VAC der Verzweigungsschaltung auf 24 VAC für das Relais 96 herabzusetzen.
In einer Ausführungsform ist die Testschaltung 90 abnehmbar an dem Leitungs- und neutralen Leiter einer ausgewählten Verzweigungsschaltung befestigbar. Dies ermöglicht einem Benutzer, extern die Testschaltung an einer ausgewählten Verzweigungsschaltung so oft zu entfernen und zu befestigen, wie dies benötigt oder erwünscht ist, um das Lichtbogenfehlererfassungssystem zu testen. Alternativ kann die Testschaltung 90 zusammen mit der Lichtbogenfehlerdetektorschaltung in gemeinsamen Modul untergebracht werden.
Ein Flussdiagramm zum Testen eines Lichtbogenfehlererfassungssystems gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ist in 8 dargestellt. Der Block 62 bezeichnet die Einleitung eines diagnostischen Tests innerhalb des Lichtbogenfehlererfassungssystems. Der Anfangsschritt 62 kann automatisch oder unter der Kontrolle eines Bedieners durchgeführt werden. Wenn der diagnostische Test eingeleitet wird, liefert ein Signalgenerator 84 ein Testsignal 65 zu einem Sensor 21. Das Testsignal ist so ausgelegt, um das Auftreten eines Lichtbogenfehlers zu simulieren. Der Signalgenerator 64 kann den Oszillator 64 aufweisen, der in Bezug auf 6 beschrieben ist, die Testschaltung 90, die in Bezug auf 7 beschrieben ist, oder irgendein anderes Mittel zum Erzeugen eines Testsignals 95, das einen Lichtbogenfehler simuliert. Der Sensor 21 weist vorzugsweise eine toroidale, einen Strom erfassende Spule auf, im Wesentlichen dieselbe, wie sie in 6 gezeigt ist. Der Sensor 21 nimmt das Testsignal 65 auf und erzeugt ein Leistungs-Signal 68. Das Nennleistungs-Signal 68 wird durch die Lichtbogenfehlererfassungsschaltung 10 in derselben Art und Weise verarbeitet, wie dies zuvor beschrieben ist, um zu bestimmen, ob das Testsignal 65 einen Lichtbogenfehler darstellt oder nicht. Zusätzlich überwacht der Sensor 21 auch den Leitungs-Leiter einer ausgewählten Verzweigungsschaltung hinsichtlich des Auftretens von "wahren" Lichtbogenfehlern.
Die Lichtbogenfehlererfassungsschaltung 10 liefert danach einen Ausgang zu einem Diagnostik-Test-Integrator 62, was anzeigt, dass ein Lichtbogenfehler entweder erfasst wurde oder nicht erfasst wurde. Der Diagnostik-Test-Integrator nimmt auch ein Signal von dem Block 62 auf, was anzeigt, ob sich das System im Test befindet oder nicht. Demzufolge wird irgendeiner von vier möglichen Zuständen durch den Diagnostik-Test-Integrator 72 empfangen werden: (1) das System befindet sich im Test und ein Lichtbogenfehler wurde erfasst; (2) das System befindet sich im Test und kein Lichtbogenfehler wurde erfasst; (3) das System befindet sich nicht im Test und ein Lichtbogenfehler wurde erfasst; oder (4) das System befindet sich im Test und kein Lichtbogenfehler wurde erfasst. Der Diagnostik-Test-Integrator 72 wird ein Auslösesignal erzeugen, um das Öffnen der Kontakte eines Leitungs-Unterbrechers auszulösen, wenn entweder Zustand (2) oder (3) auftritt. Demzufolge wird ein Auslösesignal nicht nur dann erzeugt werden, wenn ein wahrer Lichtbogenfehler vorhanden ist, sondern auch dann, wenn ein Lichtbogenfehler während des Testprotokolls als ein Zeichen einer Betriebsfähigkeit angezeigt worden sein sollte und bis jetzt noch nicht angezeigt wurde. Umgekehrt wird der Diagnostik-Test-Integrator 62 nicht ein Auslösesignal erzeugen, wenn irgendein Zustand (1) oder (4) auftritt.
Dort, wo der Sensor 21 eine toroidale Wicklung aufweist, kann das Lichtbogenfehlererfassungssystem auch durch Testen des Widerstands der Wicklung getestet werden. Dies kann durch Eingeben eines Testsignals durchgeführt werden, das eine bekannte Spannung besitzt, und zwar über die Wicklung, und Vergleichen des Widerstands der Wicklung mit einem bekannten Wert, um zu bestimmen, ob die Wicklung geeignet arbeitet. Beide dieser Schritte können ausgeführt werden, während der Sensor 21 in Betrieb ist. Falls die Wicklung dahingehend vorgefunden wird, dass sie außerhalb eines akzeptierbaren Bereichs oberhalb oder unterhalb des bekannten Werts arbeitet, wird ein Auslösesi gnal erzeugt, um den Strom zu unterbrechen, der in der Verzweigungsschaltung, zugeordnet zu dem Sensor 21, fließt. Falls die Wicklung dahingehend vorgefunden wird, dass sie geeignet arbeitet, wird kein Auslösesignal erzeugt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Auslösesignals, von einem Testen des Widerstands der Wicklung resultierend, unabhängig von dem Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Auslösesignals von dem Diagnostik-Test-Integrator 72 der 8. Zum Beispiel kann, falls kein Auslösesignal erzeugt wird, da die Spule dahingehend vorgefunden wird, dass sie geeignet arbeitet, und zwar als Folge des Widerstandstests, ein Auslösesignal nichtsdestotrotz noch durch den Diagnostik-Test-Integrator 72 der 8 erzeugt werden, falls entweder Zustand (2) oder (3) auftritt. Umgekehrt wird, falls ein Auslösesignal durch den Widerstandstest erzeugt wird, da der Spulenwiderstand nicht innerhalb geeigneter Grenzen liegt, der Leitungsunterbrecher 22 so getriggert werden, um den Strom in der Verzweigungsschaltung ungeachtet davon zu unterbrechen, ob der Diagnostik-Test-Integrator 72 der 8 ein Auslösesignal erzeugt hat.
9 stellt ein Drei-Phasen, Vier-Draht-Elektrik-Verteilungs-System 102 dar, angepasst so, um elektrische Energie von einer Netzbetreiberquelle (nicht dargestellt) zu verschiedenen Lasten (nicht dargestellt) zu verteilen. Die Bezugszeichen 112, 114 und 116 bezeichnen drei jeweilige Phasenleitungen und das Bezugszeichen 118 bezeichnet eine neutrale Leitung des elektrischen Verteilungssystems 110. In industriellen Anwendungen weist jede der Phasenleitungen allgemein einen großen Bus-Stab auf, der ungefähr 8 Inch in der Breite sein kann, und sie führen einen Strom von 50 Ampère bis zu ungefähr 6000 Ampère. Stromtransformatoren (CTs) 120, 122 und 124, die deren primäre Wicklungen mit den jeweiligen Phasenleitungen 112, 114 und 116 verbunden haben, sind vorgesehen, um den Strom auf 5 Ampère an sekundären Leitungen 126a, 126b und 126c herabzusetzen. Die sekundären Leitungen 126a, 126b und 126c weisen typischerweise elektrische #16 AWG Drähte auf. Eine Energieüberwachungsausrüstung 129 kann vorgesehen werden, um das elektrische Verteilungssystem 110 zu überwachen, und zwar über eine oder mehrere der sekundären Leitungen 126a, 126b und 126c. Ein Sensor 130 ist mit der sekundären Leitung 126c verbunden und ist so angepasst, um die Änderungsrate eines elektrischen Stroms, der durch die sekundären Leitung 126c fließt, zu überwachen, und um ein Signal zu erzeugen, das eine Änderungsrate darstellt. Der Sensor 130 kann mit einer der sekundären Leitungen 126a, 126b oder 126c verbunden sein. Alternativ können der zweite und der dritte Sensor so vorgesehen sein, um irgendwelche zwei oder alle drei der sekundären Leitungen 126a, 126b oder 126c zu überwachen. Bei der Verwendung eines Sensors (von Sensoren), verbunden mit den relativ kleinen, sekundären Leitungen des Stromtransformators, im Gegensatz zu den großen Bus-Stäben, verwendet in industriellen Anwendungen, verbunden zu sein, ist der Sensor 130 viel kleiner als Systeme nach dem Stand der Technik und kann einfacher und kostengünstiger als Systeme nach dem Stand der Technik installiert werden.
Die Größen und die Stromnennwerte, die zuvor beschrieben sind, sind dazu vorgesehen, solche wiederzugeben, die in einem typischen, industriellen System vorgefunden werden, es wird allerdings ersichtlich werden, dass die Werte, die zuvor beschrieben sind, nur beispielhaft sind. Weiterhin ist die vorliegende Erfindung nicht auf Drei-Phasen-Vierdrahtsysteme beschränkt, sondern kann in Verbindung mit Ein-Phasen-Dreidrahtsystemen oder anderen elektrischen Energieverteilungssystemen, die im Stand der Technik bekannt sind, verwendet werden. Obwohl die vorliegende Erfindung besonders für industriellen Systeme angepasst ist, wird ersichtlich werden, dass die vorliegende Erfindung auch in Haushalts- oder kommerziellen Systemen verwendet werden kann, die einen Stromtransformator besitzen, der mit den Phasen- oder Leitungs-Bussen verbunden ist.
Das Änderungsratensignal von dem Sensor 130 wird zu einer Lichtbogenfehlerdetektorschaltung 132 zugeführt, die einen Impuls zu jedem Zeitpunkt erzeugt, zu dem sich das Änderungsratensignal oberhalb eines ausgewählten Schwellwerts erhöht. Das Änderungsratensignal und/oder die Impulse, erzeugt davon, werden gefiltert, um Signale oder Impulse zu eliminieren, die außerhalb eines ausgewählten Frequenzbereichs liegen. Die Endimpulse werden dann überwacht, um zu erfassen, wenn die Anzahl der Impulse, die innerhalb eines ausgewählten Zeitintervalls auftreten, einen vorbestimmten Schwellwert übersteigen. In dem Fall, dass der Schwellwert überschritten wird, beaufschlagt eine Lichtbogendetektorschaltung 132 einen Auslöse-Solenoid (nicht dargestellt) mit Energie, der die geeigneten Leitungsunterbrecher 136a, 136b oder 136c triggert, um den Strom, der zu dem jeweiligen Leitungs-Leiter 112, 114 oder 116 fließt, zu unterbrechen.
In einer alternativen Ausführungsform ist die Energieüberwachungsausrüstung 129 dazu geeignet, unabhängig einen Auslöse-Solenoid mit Energie zu beaufschlagen, der die Leitungsunterbrecher 136a, 136b oder 136c triggert. In diesem Fall kann, falls die Lichtbo genfehlerdetektorschaltung 132 bestimmt, dass ein Lichtbogenfehler aufgetreten ist, sie indirekt den Leitungsunterbrecher 136 triggern, indem ein Signal 131 zu der Energieüberwachungsausrüstung geschickt wird, im Gegensatz zu einem Schicken direkt zu den Leitungsunterbrechern.
Jeder der Leitungsunterbrecher 136 ist vorzugsweise ein Schaltungsunterbrecher, der einen Überlastungs-Auslöse-Mechanismus besitzt, der eine thermische/magnetische Charakteristik besitzt, die die Unterbrecherkontakte so auslöst, um einen offenen Schaltungszustand zu erzeugen, und zwar in Abhängigkeit eines gegebenen Überlastzustands, um die entsprechende Last von der Energieversorgungsquelle zu trennen, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Die Leitungsunterbrecher können mit einer Erdungsfehlerunterbrecherschaltung ausgerüstet sein, die auf einen Leitungs- oder Neutral-zu-Masse-Fehler anspricht, um einen Auslöse-Solenoid mit Energie zu beaufschlagen, der den Schaltungsunterbrecher auslöst und den Strom in dem Leitungs-Leiter 112, 114 oder 116 unterbricht.
10 zeigt eine Schalttafel 210, die ein integriertes Schutzsystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst. So, wie er hier verwendet wird, ist der Ausdruck "Schalttafel" dazu vorgesehen, elektrische Verteilungsvorrichtungen einzuschließen, die Stromkapazitäten haben, geeignet für entweder Haushalts-, kommerzielle oder industrielle Anwendungen. Die Schalttafel 210 empfängt elektrische Energie von einer Versorgungsquelle über Leitungs-Busse L100 und L200 und einen neutralen Bus N und verteilt die Energie zu Lasten in einer Mehrzahl von Verzweigungsschaltungen, definiert durch Leitungs-Leiter 216a, 216b, 216c ... 216n und neutrale Leiter (nicht dargestellt). Die Leitungs-Leiter 216a, 216b, 216c ... 216n sind elektrisch mit einem der Leitungs-Busse L100, L200 verbunden und die neutralen Leiter sind elektrisch mit dem neutralen Bus N verbunden. Die Schalttafel 210 weist ein Gestell auf, um verschiedene Schaltungsschutzvorrichtungen mit den Leitungs- und neutralen Leitern in irgendeiner der Verzweigungsschaltungen zu befestigen.
In der Ausführungsform, die in 10 dargestellt ist, umfasst das integrierte Schutzsystem eine Mehrzahl von Leitungsunterbrechern 218a, 218b, 218c ... 218n, und Lichtbogenfehlerdetektormodule 220a, 220b, 220c ... 220n (nachfolgend "AFD Module"). Jeder der Leitungsunterbrecher 218a, 218b, 218c ... 218n ist so ausgelegt, um die Verzweigungsschaltung zu schützen, mit der sie verbunden sind, und zwar gegen Überströ me, in dem die Last von der Energieversorgungsquelle in Abhängigkeit des Auftretens einer Überlastung oder einer Kurzschlussschaltung in der Verzweigungsschaltung unterbrochen wird. Die Leitungsunterbrecher können eingesteckt oder verschraubt sein mit den Leitungs-Bussen L100 oder L200, wie dies in den 10 oder 11 dargestellt ist, oder sie können separat innerhalb der Schalttafel 210 montiert sein und mit einem der Leitungs-Busse L100 oder L200 durch einen Draht verbunden sein. Die Leitungsunterbrecher können einen Schaltungsunterbrecher, eine Schmelzsicherung, ein Relais, einen automatischen Schalter oder irgendeine geeignete Einrichtung, die im Stand der Technik bekannt ist, aufweisen.
In 11 nun ist das integrierte Schutzsystem der 10 in einer anderen Ausführungsform dargestellt, die ein Isolationsmodul 222 verwendet, und zwar an der Schalttafel. Das Isolationsmodul 222 ist so ausgelegt, um sicherzustellen, dass Lichtbogenfehlersignale zu der Verzweigungsschaltung, in der sie auftreten, "isoliert sind". Zum Beispiel stellt die Isolationsvorrichtung 222, dargestellt in 11, sicher, dass die Lichtbogenfehlersignale, vorhanden auf dem Leitungs-Leiter 216a, nicht hinüber zu einem Leitungs-Leiter 216b, und vice verca, führen. Eine Reihe von Bus-Stab-Anschluss-Laschen T1 und T2 erstreckt sich in einer alternierenden Art und Weise entlang der Länge des Verteilungscenters 200. Jede der Anschluss-Laschen T1 ist elektrisch mit einem Leitungs-Bus L100 verbunden und jede der Anschluss-Laschen T2 ist elektrisch mit einem Leitungs-Bus L200 verbunden. (Die elektrische Verbindung zwischen Laschen T1, T2 und Leitungs-Bussen L100, L200 ist nicht in 11 sichtbar.) Das Isolationsmodul 222 ist elektrisch mit dem neutralen Bus N über einen Anschlussfahnendraht 219 verbunden. Das Isolationsmodul 222 weist ein "Zwei-Pol" Modul auf, verbunden mit einem der Anschluss-Laschen-Paare T1, T2 (nicht in 11 sichtbar), um so mit beiden Leitungs-Bussen L100 und L200 verbunden zu sein. Es wird allerdings ersichtlich werden, dass die Isolation durch eines oder zwei "Einzel-Pol" Isolations-Modul(en) (nicht dargestellt) gebildet sein kann, jedes verbunden mit einem der Leitungs-Busse L100 oder L200 und dem neutralen Bus N. In jedem Fall wird weiterhin ersichtlich werden, dass das Isolationsmodul (die Isolationsmodule) 222 mit den Leitungs-Bussen L100 und/oder L200 durch einen Draht oder andere, geeignete Mittel, die im Stand der Technik bekannt sind, im Gegensatz zu der vorstehenden Ausführung, verbunden sein können.
Das elektrische Verteilungssystem kann auch individuelle Isolationsmodule (nicht dargestellt) für eine oder mehrere der individuellen Verzweigungsschaltung(en) anstelle des Dual-Pol-Isolationsmoduls 222, dargestellt in 11, umfassen. Allerdings müssen sie, falls individuelle Isolationsmodule erwünscht sind, auf der Energieversorgungsseite eines Lichtbogenfehlerdetektors in irgendeiner gegebenen Verzweigungsschaltung positioniert sein. Zum Beispiel müssen sie, falls Verzweigungs-Isolationsmodule in 11 verwendet werden, auf der Energieversorgungsquellenseite von Lichtbogenfehlerdetektormodulen 220a, 220b, 220c oder 220d positioniert sein.
Das Außengehäuse des Zwei-Pol-Isolationsmoduls 222 ist in weiterem Detail in 16 dargestellt. Klauen J1 und J2 an einer Seite des Isolationsmoduls 222 sind jeweils so angepasst, um auf die Bus-Stab-Laschen T1, T2 der Verteilungstafel eingesteckt zu werden, und bilden demzufolge eine elektrische Verbindung mit jeweiligen Leitungs-Bussen L100 und L200. Zum Beispiel kann die Klaue J1 elektrisch mit dem Leitungs-Bus L100 über eine Verbindung mit der Bus-Stab-Lasche T1 verbunden werden und die Klaue J2 kann elektrisch mit dem Leitungs-Bus L200 über eine Verbindung mit der Bus-Stab-Lasche T2 verbunden werden. Schienen-Clips bzw. -Klammern 225 an der anderen Seite des Isolationsmoduls 222 sind so angepasst, um auf eine Befestigungsschiene in der Schalttafel aufgesteckt zu werden, um dabei zu unterstützen, das Isolationsmodul 222 fest in seiner Position in der Schalttafel zu halten. Ein Anschlussfahnendraht 219 verbindet die Vorrichtung mit dem neutralen Bus N. Wie nachfolgend ersichtlich werden wird, ermöglicht ein Fenster 251 in einer oberen Wand 252 des Gehäuses einem Benutzer, eine LED innerhalb der Vorrichtung zu sehen.
17 zeigt eine elektrische Schaltung zum Ausführen des Zwei-Pol-Isolationsmoduls 222, das in Bezug auf die 11 und 16 beschrieben ist. Wie in 17 dargestellt ist, ist das Zwei-Pol-Isolationsmodul 222 mit einer Versorgungsquelle 230 über Leitungs-Busse L100 und L200 und einem neutralen Bus N verbunden. Das Isolationsmodul 222 umfasst sowohl eine Stromstoßschutzschaltung (Abschnitt 1) als auch eine Isolationsschaltung (Abschnitt 2). Allerdings wird ersichtlich werden, dass das Modul 222 nur eine Isolationsschaltung enthalten kann.
Unter Bezugnahme zu Anfang auf die Stromstoßschutzschaltung (Abschnitt 1), und insbesondere auf den Bereich des Abschnitts 1, angeordnet zwischen dem Leitungs-Bus L100 und dem neutralen Bus IV, ist dort eine Mehrzahl von Schmelzsicherungen F1, F2, F3, verbunden zwischen dem Leitungs-Bus L100 und den Knoten 201, 202 und 203 jeweils, vorgesehen. Varistoren V11, V12 und V13 sind zwischen Knoten 201, 202 und 203 jeweils und dem neutralen Bus N verbunden. Vorzugsweise sind die Varistoren Metalloxidvaristoren, die Zinkoxid verwenden. Die Widerstände R21, R22, R23 sind zwischen Knoten 201, 202 und 203 jeweils, und einem Knoten 204, verbunden.
Die Schmelzsicherungen F1, F2 und F3 öffnen sich, wenn die jeweiligen Varistoren V11, V12 und V13 ausfallen, das bedeutet, falls ein zerstörender Spannungsstoß auftritt. Widerstände R21, R22 und R23 bilden eine Widerstandsleiter, die eine Spannung über einen Anzeigewiderstand R31 entwickeln. Die Diode D11 liefert eine Vorwärts-Biasspannung zwischen dem Knoten 204 und der ersten Anzeige 236.
Unter Bezugnahme nun auf den Rest der Stromstoßschutzschaltung (Abschnitt 1), angeordnet zwischen dem Leitungs-Bus L200 und dem neutralen Bus N, ist dort eine Mehrzahl von Schmelzsicherungen F4, F5 und F6, verbunden zwischen dem Leitungs-Bus L200 und den Knoten 205, 206 und 207 jeweils, vorgesehen. Varistoren V14, V15 und V16 sind zwischen Knoten 205, 206 und 207 jeweils und dem neutralen Bus N verbunden. Widerstände R4, R5 und R6 sind zwischen den Knoten 205, 206 und 207 jeweils und dem Knoten 208 verbunden. Die Schmelzsicherungen F4, F5 und F6 sind so ausgelegt, um sich zu öffnen, wenn die jeweiligen Varistoren V14, V15 und V16 ausfallen.
Eine Anzeige 236 weist einen Widerstand R31, verbunden parallel zu einer Licht emittierenden Diode LED1, sichtbar über eine Öffnung 251 in einer oberen Wand 252 eines Isolationsmoduls 222 (dargestellt in 16), auf. Die LED 1 dient zum Überwachen des Status-Zustands eines Varistor- und Schmelzsicherungs-Paars, wie beispielsweise V11 und F1. Die Intensität der LED1 verringert sich, wenn eine Schmelzsicherung zerstört wird. Wenn nur eine vorbestimmte Anzahl von Varistor- und Schmelzsicherungs-Paaren in Betrieb verbleibt, wird sich eine LED1 auslösen, um ein Signal zum Ersetzen der Überspannungsschutzschaltung abzugeben.
Genauer gesagt variiert sich die Lichtabgabe der LED1 mit dem Betriebszustand jedes Varistor- und Schmelzsicherungs-Paars. Die Anzeige 236 verwendet die erste Mehrzahl von Widerständen R21, R22 und R23, die zweite Mehrzahl der Widerstände R4, R5 und R6, die Diode D11, den Widerstand R31 und die LED1, um anzuzeigen, wenn die Schaltung korrekt arbeitet. Die Widerstandsleiter des ersten Satzes der Widerstände R21–R23 überwacht die Schmelzsicherungen F1, F2 und F3 auf dem Leitungs-Bus L100 und der zweite Satz von Widerständen R24–R26 überwacht die Schmelzsicherungen F4, F5 und F6 und den Leitungs-Bus L200. Die Leitungs-Busse L100 und L200 entwickeln jeweils eine Spannung über den Widerstand R31, der proportional zu der Zahl von leitenden Schmelzsicherungen F1, F2, F3, F4, F5, F6 ist. Dann, wenn eine vorab ausgewählte Anzahl von diesen Schmelzsicherungen intakt ist, wird eine ausreichende Spannung vorhanden sein, um die LED1 vorwärts vorzuspannen, um ein Signal abzugeben, um anzuzeigen, dass die Stromstoßschutzschaltung in Betrieb ist.
Die vorstehend beschriebene Stromstoßableitungsschaltung ist so ausgelegt, um die Spannung zwischen dem Leitungs-Bus L100 und dem neutralen Bus N bei dem Auftreten eines Spannungsstoßes zu begrenzen. Die Betriebsweise der Stromstoßableiterschaltung ist im Detail in dem US-Patent Nr. 5,412,526, das hier unter Bezugnahme darauf eingeschlossen wird, beschrieben.
Unter Bezugnahme als nächstes auf die Isolationsschaltung (Abschnitt 2) der 17 und insbesondere auf den Bereich von Abschnitt 2, angeordnet zwischen dem Leitungs-Bus L100 und dem neutralen Bus N, ist dort eine Schmelzsicherung F7 vorgesehen, verbunden zwischen dem Leitungs-Bus L100 und einem Knoten 209. Ein Filter 240, der aus einem Kondensator C21 in Reihe zu einem Widerstand R9 besteht, ist zwischen dem Knoten 209 und dem neutralen Bus N verbunden. Der Filter 240 ist so ausgelegt, um effektiv Frequenzlichtbogenfehlersignale von dem Leitungs-Bus L100 zu dem neutralen Bus N kurzzuschalten, was demzufolge verhindert, dass Lichtbogenfehlersignale auf dem Leitungs-Bus L100 zu dem Leitungs-Bus L200 übertreten. Beim Abschluss des Lichtbogenfehlersignalpfads von dem Leitungs-Bus L100 zu dem neutralen Bus N nimmt der Filter 240 zwei Funktionen ein. Zuerst verhindert er, dass ein Lichtbogenfehlerdetektor (nicht dargestellt) an dem Leitungs-Bus L200 ein "falsches" Lichtbogenfehlersignal auf dem Leitungs-Bus L200 erfasst. Als zweites erhöht er die Signalstärke an dem Lichtbogenfehlerdetektor (nicht dargestellt), positioniert an dem Leitungs-Bus L100, an einer Lastseite des Filters 240. Ein Varistor V17 ist zwischen dem Knoten 209 und dem neutralen Bus N verbunden. Der Varistor V17 schafft einen bestimmten Grad eines Überspannungsschutzes für die Isolationsschaltung, verbunden zwischen dem Leitungs-Bus L100 und dem neutralen Bus N. Ein Widerstand R7 und eine Diode D12 sind in Reihe zwischen dem Knoten 209 und einer Anzeige 238 verbunden.
Unter Bezugnahme auf den Rest der Isolationsschaltung (Abschnitt 2), angeordnet zwischen dem Leitungs-Bus L200 und dem neutralen Bus N, ist dort eine Schmelzsicherung F8, verbunden zwischen dem Leitungs-Bus L200 und einem Knoten 211, vorgesehen. Ein Filter 242, der aus einem Kondensator C22 in Reihe mit einem Widerstand R30 besteht, ist zwischen dem Knoten 211 und dem neutralen Bus N verbunden. Der Filter 242 ist so ausgelegt, um den Lichtbogenfehlersignalpfad von dem Leitungs-Bus L200 zu dem neutralen Bus N herzustellen, dem effektiv Hochfrequenzlichtbogenfehlersignale von dem Leitungs-Bus L200 zu dem neutralen Bus N im Kurzschluss zugeführt werden. Demzufolge bewahrt, ähnlich zu dem Filter 240, der vorstehend beschrieben ist, der Filter 242 einen Lichtbogenfehlerdetektor (nicht dargestellt) an dem Leitungs-Bus L100 davor, dass er ein "falsches" Lichtbogenfehlersignal auf dem Leitungs-Bus L100 erfasst, und erhöht die Signalstärke an einem Lichtbogenfehlerdetektor (nicht dargestellt), positioniert an dem Leitungs-Bus L200 auf der Lastseite des Filters 242. Ein Varistor V18 schafft einen bestimmten Grad eines Überspannungsschutzes für die Isolationsschaltung, verbunden zwischen dem Leitungs-Bus L200 und dem neutralen Bus N. Ein Widerstand R8 ist zwischen dem Knoten 211 und der Anzeige 238 verbunden.
Die Anzeige 238 besteht aus einem Widerstand R32, verbunden parallel zu einer LED2. Die Anzeige 238 bildet eine Einrichtung zum Überwachen des Betriebs-Status der Isolationsschaltung. Sollten die Schmelzsicherungen F4 oder F8 aus irgendeinem Grund zerstört werden, was einen Verlust einer Isolator-Funktionalität verursacht, wird sich die LED2 abschalten. Die LED2 ist durch eine Öffnung 251 in der oberen Wand 252 des Isolationsmoduls 22 sichtbar (dargestellt in 16).
In 12 nun ist eine Schalttafel 210 dargestellt, die ein integriertes Schutzsystem gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst. In dieser Ausführungsform werden die Lichtbogenfehlererfassungs- und Leitungsunterbrechungsfunktionen, die vorstehend beschrieben sind, durch Kombination eines Lichtbogenfehlerdetektors und von Leitungsunterbrechermodulen 224a, 224b, 224c ... 224n (nachfolgend "Kombinations-Module") vorgenommen. Jedes der Kombinationsmodule ist eine der Verzweigungsschaltungen des elektrischen Verteilungssystems zugeordnet und umfasst sowohl eine Lichtbogenfehlererfassungsschaltung als auch einen Leitungsunterbrecher. Die Kombinationsmodule 224a, 224b, 224c ... 224n können an den Leitungs-Bussen L100 oder L200 eingesteckt oder damit verschraubt werden, wie dies in den 12 und 13 dar gestellt ist, oder sie können separat innerhalb der Schalttafel 210 befestigt und mit den Leitungs-Bussen L100 oder L200 mittels Draht verbunden werden. Wie in 13 dargestellt ist, kann das integrierte Schutzsystem auch ein Isolationsmodul 222 für ein elektrisches Isolieren von Lichtbogenfehlersignalen zu der Verzweigungsschaltung, auf der sie auftreten, umfassen, wie dies in Bezug auf 11 beschrieben ist. Eine Verzweigungsisolation kann auch durch eine Isolationsschaltung innerhalb der Kombinationsmodule 224a, 224b, 224c ... 224n erreicht werden. In jedem Fall kann das Isolationsmodul 222 oder können die Kombinationsmodule 224a ... n auch eine Überspannungsschutzschaltung umfassen, um die Leitungs-Busse oder irgendeine der Verzweigungsschaltungen gegen Spannungsstöße zu schützen.
Ähnlich zu den Leitungsunterbrechern, die in Bezug auf die 10 und 11 beschrieben sind, kann das Kombinationsmodul 224 in 12 oder 13 ein Relais, eine Schmelzsicherung, einen automatischen Schalter oder einen Schaltungsunterbrecher, kombiniert mit einem Lichtbogenfehlerdetektor, aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Kombinationsmodul 224 einen Schaltungsunterbrecher mit einer Lichtbogenfehlererfassungsfähigkeit auf.
In der Ausführungsform, die in 10 dargestellt ist, ist die Lichtbogenfehlererfassungsfähigkeit durch die Messspule 221 und zugeordnete, elektronische Komponenten 292 gebildet. Es ist bevorzugt, dass die elektronischen Komponenten 292 Lichtbogenfehler in der Art und Weise des AFD-Moduls 220, das in Bezug auf die 4–8 beschrieben ist, erfasst. Allerdings wird ersichtlich werden, dass die elektronischen Komponenten 292 in der Konfiguration variieren können oder unterschiedlich arbeiten können im Gegensatz zu solchen des AFD-Moduls 220. Weiterhin können, in Ausführungsformen, in denen der Schaltungsunterbrecher 218 eine GFI-Fähigkeit besitzt, die elektronischen Komponenten 292 irgendeine Konfiguration darstellen, die im Stand der Technik bekannt ist, zum Erfassen von Erdungsfehlern. Unter irgendeiner Rate werden die elektronischen Komponenten 292 so ausgelegt, um ein "AFD" Signal (oder ein "GFI" Signal, falls anwendbar), in Abhängigkeit einer Erfassung eines Lichtbogenfehlers oder eines Erdungsfehlers zu erzeugen. Das AFD oder GFI Signal bewirkt, dass ein magnetisches Feld um einen Auslöse-Solenoid 295 herum erzeugt wird, was bewirkt, dass ein Tauchkolben 297 nach rechts gezogen wird. Der Tauchkolben 297 ist mit einer Auslöse-Verbindung 299 verbunden, die wiederum mit dem Anker 274 verbunden ist, so dass eine Bewegung des Tauchkolbens 297 bewirkt, dass der Anker 274 nach rechts gezogen wird. Eine Bewegung des Ankers 274 nach rechts bewirkt, dass der Auslösehebel 276 freigegeben wird und der Strompfad durch den Schaltungsunterbrecher 218 unterbrochen wird.
In den 14 und 15 nun ist eine Schalttafel 210 dargestellt, die ein integriertes Schutzsystem gemäß einer noch anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst. In dieser Ausführungsform werden die Lichtbogenfehlererfassungs- und Leitungsunterbrechungsfunktionen, die vorstehend beschrieben sind, durch separate Lichtbogenfehlerdetektormodule 220a, 220b, 220c ... 220n und Leitungsunterbrechermodule 218a, 218b, 218c ... 218n im Wesentlichen so, wie dies in Bezug auf die 10 und 11 beschrieben ist, durchgeführt. Allerdings sind, in dieser Ausführungsform, die Lichtbogenfehlerdetektormodule 220a, 220b, 220c ... 220n extern zu den Leitungsunterbrechermodulen 218a, 218b, 218c ... 218n befestigt, im Gegensatz dazu, dass sie mit einer der Positionen in der Schalttafel 210 verbunden sind. Die Leitungsunterbrechermodule 218a, 218b, 218c ... 218n können in einem der Leitungs-Busse L100 oder L200 eingesteckt sein oder damit verschraubt sein, wie dies in den 10 und 11 dargestellt ist, oder sie können separat innerhalb der Schalttafel 210 befestigt und mit einem der Leitungs-Busse L100 oder L200 mittels Draht verbunden sein. Das integrierte Schutzsystem kann auch Isolationsmodul(e) 222 und/oder Verzweigungsisolationseinrichtungen umfassen, im Wesentlichen so, wie dies in Bezug auf 11 beschrieben ist. In jedem Fall kann (können) das (die) Isolationsmodul(e) 222 oder die Verzweigungsisolationseinrichtungen eine Überspannungsschutzschaltung umfassen, um die Leitungs-Busse oder irgendeine der Verzweigungsschaltungen gegen Überspannungen zu schützen.
In den 18 und 19 ist nun ein AFD-Modul 220 dargestellt, das als eines der AFD-Module 220a ... 220n in 10 oder 11 verwendet werden kann. Das AFD-Modul 220 weist ein Gehäuse 231 auf, das so angepasst ist, um mit einer der Positionen in der Schalttafel verbunden zu werden. Ein Leitungsanschluss 233 ist zum Verbinden des AFD-Moduls 220 mit einem der Leitungs-Leiter 216a ... 216n mittels Draht vorgesehen. Ein Leitungsstrom tritt in das AFD-Modul 220 über den Leitungsanschluss 233 ein, fließt durch das AFD-Modul 220 über den internen Leitungs-Leiter 237 und verlässt das AFD-Modul 220 über den Lastanschluss 235, bevor er zu der Last zugeführt wird. Ein AFD-Sensor 228 umgibt den internen Leitungs-Leiter 237 und erfasst die Änderungsrate eines elektrischen Stroms, der durch den internen Leitungs-Leiter 237 fließt. Das Änderungsratensi gnal von dem Sensor 228 wird zu der AFD-Schaltung 234 zugeführt, die einen Impuls zu jedem Zeitpunkt erzeugt, zu dem sich das Änderungsratensignal oberhalb eines ausgewählten Schwellwerts erhöht. Das Änderungsratensignal und/oder die Impulse, erzeugt davon, werden gefiltert, um Signale oder Impulse außerhalb eines ausgewählten Frequenzbereichs zu eliminieren. Die End-Impulse werden dann überwacht, um zu erfassen, wann die Zahl von Impulsen, die innerhalb eines ausgewählten Zeitintervalls auftreten, einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt. In dem Fall, dass der Schwellwert überschritten wird, erzeugt der Detektor 234 ein Lichtbogenfehlererfassungssignal, das dazu verwendet werden kann, den Leitungsunterbrecher 230 auszulösen. Der Leitungsunterbrecher 230 in dem AFD-Modul 220 ist so ausgelegt, um die Energie in der Verzweigungsschaltung zu unterbrechen, resultierend von einem Lichtbogenfehler, nicht von einem Überstrom- (Überlastung oder Kurzschlussschaltungs-) Zustand. Dementsprechend ist es, wie in dem 18 und 19 dargestellt ist, bevorzugt, dass der Leitungsunterbrecher 230 in dem AFD-Modul 220 ein Relais, im Gegensatz zu einem Schaltungsunterbrecher, wie dies in Bezug auf die 13 und 14 beschrieben ist, aufweist.
In einer Ausführungsform weisen die Leitungsunterbrecher Schaltungsunterbrecher auf, die mit der Schalttafel mittels eine Gehäuses 561 verbunden sind, wie dies in 20 dargestellt ist. Das Miniaturschaltungsunterbrechergehäuse 561 ist aus einer elektrisch isolierenden Basis 563, verschlossen an einer Fläche durch eine abnehmbare Abdeckung 565, die zusammen die Bauelemente eines Miniaturschaltungsunterbrechers umschließen, die einen Standard-Schaltungsunterbrecher aufweisen können, und einem Erdungsfehlerunterbrechermodul, einem Lichtbogenfehlererfassungssystem, oder irgendeiner Kombination davon, aufgebaut. In Ausführungsformen, die ein Lichtbogenfehlererfassungssystem umfassen, wird das Lichtbogenfehlererfassungssystem vorzugsweise dasjenige sein, das in Bezug auf 1 beschrieben ist. Allerdings wird ersichtlich werden, dass alternative Typen von Lichtbogenfehlererfassungssystemen innerhalb des Miniaturschaltungsunterbrechergehäuses 561 umschlossen sein können. Eine Klammer 577 ist zum Befestigen des Gehäuses 561 an einem Befestigungsträger 587 einer Schalttafel 575 eines elektrischen Verteilungssystems vorgesehen. Ein elektrisch leitender, klauenähnlicher Anschluss 569a oder ein Schraubanschluss 569b erstreckt sich durch die Basis 563, um extern mit einem Leitungs-Bus-Stab 573 innerhalb der Schalttafel 575 verbunden zu werden. Ähnlich erstreckt sich ein Tafel-Neutral-Leiter 569 durch das Gehäuse 561 zur Ver bindung mit einem neutralen Stab 581 in der Schalttafel 575. Externe Verbindungen mit den Leitungs- und neutralen Leitern, die zu einem Last-Center einer Verzweigungsschaltung des elektrischen Verteilungssystems führen, sind über einen Lastleitungsleiter 583 und einen Last-Neutral-Leiter 585 jeweils verbunden. Ein Betätigungsgriff 588 und eine Test-Taste 567 sind über separate Öffnungen in der Basis 563 für eine externe, manuelle Betätigung des Miniaturschaltungsunterbrechers befestigt.
In 21 nun ist ein Diagramm eines Miniaturschaltungsunterbrechers 522 vorgesehen, angepasst so, um innerhalb des Miniaturschaltungsunterbrechergehäuses der 20 aufgenommen zu werden, umfassend Standard-Schaltungsunterbrecher-Komponenten und ein Lichtbogenfehlererfassungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 21 gezeigt ist, befindet sich der Miniaturschaltungsunterbrecher 522 in einer geschlossenen Position, was ermöglicht, dass Leitungsstrom vollständig durch den Schaltungsunterbrecher und zu einem Last-Center einer zugeordneten Verzweigungsschaltung hin fließt. Der Leitungsstrom tritt in den Schaltungsunterbrecher 522 über den klauenähnlichen Anschluss 569a ein und fließt durch einen stationären Kontaktträger 562, integral mit dem Anschluss 569a. Der stationäre Kontaktträger 562 besitzt einen stationären Kontakt 566, der daran befestigt ist. Wenn sich der stationäre Kontakt 566 in der geschlossenen Position befindet, stößt er gegen einen bewegbaren Kontakt 568 an, der mit einem bewegbaren Kontaktträger 564 verbunden ist. Der Leitungsstrom fließt dadurch von dem stationären Kontaktträger 562 zu dem bewegbaren Kontaktträger 564 durch den stationären und bewegbaren Kontakt 566 und 568 jeweils.
Ein Anschlussleiter 589 ist elektrisch mit einem Ende an dem bewegbaren Kontaktträger 564 und an dem anderen Ende mit einem Joch 572 verbunden, was ermöglicht, dass Leitungsstrom von dem bewegbaren Kontaktträger 564 zu dem Joch 562 fließt, wenn sich der Schaltungsunterbrecher 522 in einer geschlossenen Position befindet. Eine Bimetallleiteranordnung 590, aufgebaut aus zwei unähnlichen Thermostat-Materialien, ist elektrisch mit dem Joch 572 verbunden. Die Bimetallleiteranordnung 590 umfasst eine leitende Platte 5910 an einem Ende, die elektrisch mit einem internen Leiter 593 verbunden ist. Wenn sich der Schaltungsunterbrecher 522 in der geschlossenen Position befindet, fließt elektrischer Strom von dem Joch 572 über die Bimetallleiteranordnung 590 zu der leitfähigen Platte 591 und durch den internen Leiter 593. Danach führt, wenn Strom durch den internen Leiter 593 fließt, er durch eine Messspule 521 hindurch, die im We sentlichen in Bezug auf 1 beschrieben ist, die die Änderungsrate eines elektrischen Stroms, der durch den Schaltungsunterbrecher 522 fließt, überwacht. Nach Verlassen der Messspule 521 fließt der Leitungsstrom zu einem Lastanschlussblock 570, mit dem Lastleitungs-Leiter 583 (20) befestigt werden kann, um den Leitungsstrom zu einer Last zuzuführen. Der Lastanschlussblock 570 ist durch zwei leitfähige Platten definiert, die so angepasst sind, um mittels einer Schraube verklemmt zu werden. Der Lastleitungs-Leiter 583 kann durch Einsetzen davon zwischen zwei leitfähigen Platten und Festziehen der Schraube der Lastanschlussblöcke 570 befestigt werden.
Der Miniaturschaltungsunterbrecher 522 umfasst auch einen neutralen Anschlussblock 571, an dem der neutrale Lastleiter 585 (20) befestigt werden kann, und zwar in einer ähnlichen Art und Weise, wie der Lastleitungs-Leiter 583, an dem Lastanschlussblock 570 befestigt wird. Der Miniaturschaltungsunterbrecher 522 umfasst weiterhin einen internen, neutralen Leiter 603, elektrisch verbunden an einem Ende mit der Schaltungsleiterplatte 596 und an dem anderen Ende mit dem neutralen Schalttafelleiter 579, wie dies in Bezug auf 20 beschrieben ist. In Ausführungsformen mit einer Masse-Fehler-Unterbrechungs- (Ground Fault Interruption – GFI) Schaltung wird der neutrale Schalttafelleiter 579 über den Sensor 521 zusammen mit dem internen Leitungs-Leiter 593 geführt, um eine Nicht-Balance eines Stromflusses zwischen der internen Leitung und den neutralen Leitungen 593 und 603 zu ermöglichen, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Eine vollständigere Beschreibung der GFI-Schaltung ist in dem US-Patent Nr. 5,446,431 offenbart, die auf den vorliegenden Inhaber übertragen ist, und hier unter Bezugnahme darauf eingeschlossen wird.
In 22 nun ist der Miniaturschaltungsunterbrecher 522 in einer offenen Position dargestellt. In der offenen Position wird der bewegbare Kontaktträger 564 von dem stationären Kontaktträger 562 weg bewegt, was bewirkt, dass der bewegbare Kontakt 568 von dem stationären Kontakt 566 getrennt wird, und den elektrischen Strom, der durch den Schaltungsunterbrecher 522 fließt, unterbricht. Der Schaltungsunterbrecher 522 kann in irgendeiner Art und Weise so ausgelöst werden, dass er offen ist, umfassend eine manuelle Kontrolle und in Abhängigkeit von thermisch und elektromagnetisch erfassten Überlastungszuständen und Erdungsfehlerzuständen. Da der Mechanismus, um den Schaltungsunterbrecher 522 in eine offene Stellung auszulösen, im Detail in dem Patent Nr. 5,446,431 beschrieben ist, wird er hier nur kurz beschrieben werden.
Der Miniaturschaltungsunterbrecher 522 kann zwischen der offenen und der geschlossenen Position durch einen Benutzer bewegt werden, der manuell den Betätigungsgriff 588 nach rechts oder nach links jeweils bewegt, was eine entsprechende Bewegung der Oberseite des bewegbaren Kontaktträgers 564 nach links oder nach rechts von einer Grundstellungsposition aus bewirkt. Eine Kippfeder 578 ist an einem Ende mit dem Betätigungsgriff 588 und an dem anderen Ende mit dem Boden des bewegbaren Kontaktträgers 564 verbunden. Wenn sich die Oberseite des bewegbaren Kontaktträgers 564 links von der Gleichgewichtsposition aus befindet, dient die Kippfeder 578 dazu, den Boden des bewegbaren Kontaktträgers 564 zu der geschlossenen Position hin vorzuspannen. Umgekehrt spannt, wenn sich die Oberseite des bewegbaren Kontaktträgers 564 rechts von der Gleichgewichtsposition aus befindet, die Kippfeder 578 den Boden des bewegbaren Kontaktträgers zu der offenen Position hin vor.
Der Miniaturschaltungsunterbrecher 522 kann zu seiner offenen Stellung hin ausgelöst werden, und zwar in Abhängigkeit eines Erfassens von verschiedenen Typen von Fehlerzuständen. Unter dem Auftreten eines moderat gehaltenen Überlastungszustands wird, wenn sich die Kontakte 566 und 568 in einer geschlossenen Position befinden, die Bimetallleiteranordnung 590 erwärmt und nach rechts gebogen. Ein Biegen der Bimetallleiteranordnung 590 bewirkt, dass ein Anker 574 und ein Joch 572 in Gegenuhrzeigerrichtung schwingen und einen Auslösehebel 576 freigeben. Der Auslösehebel 576 dreht sich in Uhrzeigerrichtung um den Stift 580 herum, was bewirkt, dass die Kippfeder 578 den Boden des bewegbaren Kontaktträgers 564 von dem stationären Kontakt 566 wegzieht und Strompfad unterbricht.
Ähnlich wird, unter dem Auftreten eines übermäßigen Stromüberlastungszustands, ein hohes magnetisches Flussfeld um das Joch 572 herum erzeugt. Der Anker 574 wird zu dem Joch 572 hin durch das magnetische Feld gezogen, was bewirkt, dass der Auslösehebel 576 von dem Joch 574 freigegeben wird. Wie in Bezug auf die thermischen Auslösevorgänge beschrieben ist, bewirkt eine Freigabe des Auslösehebels 576 von dem Anker 574, dass die Kippfeder den Boden des bewegbaren Kontaktträgers 564 von dem stationären Kontakt 566 wegzieht und den Strompfad unterbricht.
Schließlich sind elektronische Bauelemente 592, befestigt an einer Schaltungsplatte 596, zum Verarbeiten des Signalausgangs von dem Sensor 521 und zum Bestimmen, ob ein Lichtbogenfehlerzustand oder ein Erdungsfehlerzustand vorhanden ist, vorgesehen.
Die elektronischen Bauelemente 592 für ein Erfassen von Lichtbogenfehlern sind vorzugsweise dieselben wie diejenigen, die in Bezug auf 2 oder 5 beschrieben sind, allerdings wird ersichtlich werden, das irgendeine Konfiguration von elektronischen Bauelementen 592, bekannt im Stand der Technik zum Erfassen von Lichtbogenfehlern, vorgesehen sein kann. Ähnlich können die elektronischen Bauelemente 592 irgendeine Konfiguration wiedergeben, die im Stand der Technik zum Erfassen von Erdungsfehlern bekannt ist. Unter irgendeiner Rate sind die elektronischen Bauelemente 592 so ausgelegt, um entweder ein "AFD" und/oder ein "GFI" Auslösesignal entsprechend dazu zu erzeugen, ob der Schaltungsunterbrecher 592 so ausgelegt ist, um Lichtbogenfehler und/oder Erdungsfehler zu erfassen. In Abhängigkeit der Erzeugung entweder eines AFD oder eines GFI Auslösesignals wird ein magnetisches Feld um einen Auslösesolenoid 595 herum erzeugt, was bewirkt, dass ein Tauchkolben 597 nach rechts gezogen wird. Der Tauchkolben 597 ist mit einem Auslösehebel 599 verbunden, der wiederum mit dem Anker 574 verbunden ist, so dass die Bewegung des Tauchkolbens 597 bewirkt, dass der Anker 574 nach rechts gezogen wird. Wie zuvor beschrieben ist, bewirkt eine Bewegung des Ankers 574 nach rechts, dass der Auslösehebel 576 freigegeben wird und der Strompfad durch den Schaltungsunterbrecher 522 unterbrochen wird.
Ein Flag-Anker 605 ist mit dem Auslösehebel 576 durch einen Rücksetzstift 609 verbunden. Wenn der Auslösehebel 576 von dem Anker 574 in Abhängigkeit von irgend einem von verschiedenen Typen von Auslösezuständen, die vorstehend beschrieben sind, freigegeben wird, wird der Flag-Anker 605 nach rechts bewegt und wird durch eine Linse 607 sichtbar, was demzufolge eine externe Auslöseanzeige, nach außen zu dem Gehäuse des Schaltungsunterbrechers 522, liefert.
Wie in 21 gezeigt ist, umfasst der Schaltungsunterbrecher 522 weiterhin einen Auslöse-Indikator 594 unabhängig von dem Flag-Anker 605 für ein spezifisches Anzeigen dann, wenn der Schaltungsunterbrecher 522 zu einer offenen Stelle durch einen Lichtbogenfehler oder einen Erdungsfehler ausgelöst worden ist. Der Auslöse-Indikator 594 ist an einem Ende mit der Schaltungsleiterplatte 596 verbunden, auf der die elektronischen Komponenten 592 verbunden sind, wie dies vorstehend beschrieben ist, zum Erfassen von Lichtbogenfehlern und/oder Erdungsfehlern. Unter Erzeugung entweder eines AFD oder GFI Auslösesignals wird der Schaltungsunterbrecher 522 zu seiner offenen Stellung ausgelöst und der Auslöse-Indikator 594 liefert ein sichtbares Signal 598 nach außen zu dem Gehäuse des Schaltungsunterbrechers 522.
Unter Bezugnahme nun auf 23 wird der Auslöse-Indikator 594 in größerem Detail beschrieben. Der Auslöse-Indikator 594 weist eine Lichtquelle 600, einen Lichtkanal 602 und eine Apertur bzw. Öffnung 604 auf. Die Lichtquelle kann eine Licht emittierende Diode (LED), ein Neon-Lampenkolben oder irgendeine andere, geeignete Lichtquelle, die im Stand der Technik bekannt ist, aufweisen. Die Lichtquelle ist an der Schaltungsleiterplatte 596 innerhalb des Schaltungsunterbrechergehäuses befestigt und wird in Abhängigkeit der Erzeugung entweder eines AFD oder eines GFI Auslösesignals erzeugt. Eine Beleuchtung der Lichtquelle 600 bewirkt, dass Lichtwellen nach außen von der Lichtquelle in einer Richtung, die durch die Pfeile 606 angenähert sind, abgegeben wird. Ein Lichtkanal 602, der ein Ende zu der Lichtquelle ausgerichtet besitzt, schneidet im Wesentlichen die Lichtwellen, die von der Lichtquelle ausgehen. Der Lichtkanal kann ein Lichtrohr bzw. einen Lichtleiter (21 und 23), ein faseroptisches Kabel (24), einen offenen Bereich des Schaltungsunterbrechergehäuses (25) oder nur irgendeine andere, geeignete Einrichtung, die im Stand der Technik bekannt ist, aufweisen, ist allerdings vorzugsweise aus einem nicht-leitenden Material aufgebaut, so dass er nicht mit den Strom führenden Teilen innerhalb des Schaltungsunterbrechers in Wechselwirkung tritt. Unter Erreichen des Kanals werden die Lichtwellen nach hinten und nach vorne zwischen den inneren Wänden des Kanals, wie dies durch die Pfeile 606 in 23 angenähert ist, zurückgeworfen, wobei sie schließlich die Öffnung 604 an dem anderen Ende des Kanals erreichen und über die äußere Fläche 606 des Schaltungsunterbrechergehäuses austreten. Dementsprechend kann ein Benutzer den Schaltungsunterbrecher-Auslöse-Zustand durch Beobachten der Außenseite des Schaltungsunterbrechergehäuses bestimmen. Allgemein zeigt das Vorhandensein eines Lichtaustritts außerhalb des Gehäuses an, dass ein Auslöse-Zustand aufgetreten ist, während das Nichtvorhandensein von Licht anzeigt, dass ein Auslöse-Zustand nicht aufgetreten ist oder dass der Schaltungsunterbrecher aufgrund elektromechanischer oder thermischer Zustände ausgelöst hat.
Vorzugsweise wird dort, wo der Schaltungsunterbrecher 522 sowohl eine AFD als auch einen GFI Erfasungsschaltung enthält, der Auslöse-Indikator 594 anzeigen, welcher Typ eines Fehlerzustands die unterbrochene Schaltung verursachte. Dies kann durch Verwenden von mehreren Lichtquellen ausgeführt werden, wobei jedes auf ein unter schiedliches, jeweiliges AFD oder GFI Auslösesignal anspricht. Zusätzlich ist es bevorzugt, dass die Lichtquellen oder eine einzelne Lichtquelle mehrfach gefärbt ist, so dass eine Beleuchtung einer bestimmten Farbe anzeigen wird, ob der Schaltungsunterbrecher 522 zu seinem offenen Zustand durch einen Lichtbogenfehler oder einen Erdungsfehler ausgelöst wurde. Eine repräsentative Schaltung zum Durchführen dieser Maßnahme ist in 26 dargestellt, die eine rote LED 613 zum Anzeigen eines GFI Fehlerzustands und eine gelbe LED 629 zum Anzeigen eines AFD Fehlerzustands verwendet. Natürlich wird ersichtlich werden, dass die Farbkonfiguration von LEDs umgekehrt werden kann, oder dass alternative Farben, andere als rot und gelb, verwendet werden können.
In der Ausführungsform, die in 26 dargestellt ist, ist jede der LEDs 613 und 629 elektrisch zwischen dem Leitungs- und neutralen Leiter auf einer Leitungsseite des Schaltungsunterbrechers, isoliert von der Lastseite des Schaltungsunterbrechers durch jeweilige Optotriacs 611 und 625, verbunden, um irgendwelche Potentialleckagepfade von der Leitung zu der Last, nachdem der Unterbrecher ausgelöst wurde, zu verhindern. Eine Aktivierung eines GFI (oder AFD) Auslösesignals durch die elektronischen Bauelemente 592 (21) bewirkt, dass elektrischer Strom durch den Optotriac 611 (oder 625) fließt, was wiederum einen Strompfad von der Leitung zu neutral durch die LED 613 (oder 629) liefert. Um die LEDs 613 oder 629 beleuchtet zu halten, nachdem der Unterbrecher ausgelöst wurde, sind die Optotriacs 611 oder 625 mit einem leitfähigen Zustand verriegelt, in dem sie direkt von der Leitungsseite des Unterbrechers mit Strom versorgt werden, was demzufolge einen minimalen Strom über die Leitungsseite der Optotriacs 611 oder 625, unabhängig irgendeines Signalisierens von der GFI oder AFD Schaltung, liefert.
Unter normalen Betriebszuständen besitzt der Kondensator 617 keinen Entladungspfad und behält deshalb einen Spannungspegel, spezifiziert durch die Zenerdiode 615, bei. Wenn der Optotriac-Treiber 611 (oder 625) durch die GFI (oder AFD) Schaltung einmal getriggert ist, ist der Kondensator 617 in der Lage, sich über die LED 613 (oder 629) nur dann zu entladen, wenn der Optotriac-Treiber 611 (oder 625) in dem negativen, halben Zyklus aktiviert ist. Die RC-Zeitkonstante, geliefert durch den Widerstand 619 (oder 627) und den Kondensator 617, dient dazu, den Strom oberhalb des maximalen Haltestroms des Optotriacs 611 (oder 625) zu halten. Dies schafft einen vorwärtsvorgespannten Strompfad zu der LED 613 (oder 629) für die Dauer des negativen, halben Zyklus. An dem nächsten, positiven halben Zyklus wird sich der Kondensator 617 auf den Pegel, spezifiziert durch die Zenerdiode 615, entladen. Der positive, halbe Zyklus wird auch einen Strom liefern, um den Optotriac 611 oder 625 leitend zu halten. Wenn der Optotriac-Treiber 611 oder 625 zu Anfang durch die GFI oder AFD Schaltung an einem positiven halben Zyklus getriggert wurde, würde Strom von dem positiven halben Zyklus den Strom liefern, der notwendig ist, um den Optotriac-Treiber 611 oder 625 leitend zu halten. Wenn einmal der Spannungspegel des positiven, halben Zyklus damit beginnt, unterhalb des Spannungspegels abzufallen, auf den der Kondensator 617 aufgeladen wurde, wird der Kondensator 617 damit starten, sich über die LED 613 oder 629 zu entladen. Die RC-Zeitkonstante, geliefert durch einen Widerstand 619 (oder 627) und den Kondensator 617, dient dazu, den Strom oberhalb des maximalen Haltestroms des Optotriacs 611 (oder 625) zu halten.
Eine Zenerdiode 615 wird als ein Spannungsregulator verwendet, um den Betrieb der Schaltung nicht-sensitiv in Bezug auf Fluktuation in der Leitungsspannung zu halten. Ein Gleichrichter 623 wird dazu verwendet, die LED 613 gegen große Umkehrspannungen zu schützen. Ein Widerstand 621 wird als ein Strombegrenzer für den Strom, der durch die LEDs 613 oder 629 fließt, verwendet.
In 27 nun ist eine alternative Ausführungsform eines Auslöse-Indikators 524 gezeigt, bei dem ein Tauchkolben 610 an der Schaltungsleiterplatte 596 innerhalb des Schaltungsunterbrechergehäuses befestigt ist. Der Tauchkolben 610 ist zwischen einer zurückgezogenen Position und einer ausgefahrenen Position in Abhängigkeit der Aktivierung des Auslösesignals bewegbar. Wenn er sich in einer ausgefahrenen Position befindet, erstreckt sich eine gefärbte Spitze 612 nach außen von dem Tauchkolben 610 in Abhängigkeit der Erzeugung eines Auslösesignals. Ein Lichtrohr 602 ist so ausgerichtet, dass sich ein Ende des Lichtrohrs 602 angrenzend an die gefärbte Spitze 612 befindet, wenn sich der Tauchkolben in der ausgefahrenen Position befindet. Das andere Ende des Lichtrohrs erstreckt sich über die äußere Oberfläche 606 des Schaltungsunterbrechergehäuses hinaus. Umgebungslicht, außen zu dem Schaltungsunterbrechergehäuse, tritt in das Lichtrohr 602 über die Öffnung 604 ein und wird nach hinten und nach vorne entlang der Länge des Lichtrohrs 602 reflektiert, bis es den Tauchkolben 610 erreicht. Unter Erreichen des Tauchkolbens 610 wird das Licht zurück zu der Öffnung 604 hin reflektiert. Wenn ein Auslösesignal erzeugt worden ist, was bewirkt, dass sich die gefärbte Spitze 612 nach außen von dem Tauchkolben 610 erstreckt, wird eine Reflexion von gefärbtem Licht von der gefärbten Spitze 612 entlang der Oberfläche des Lichtrohrs 602 propagiert und tritt aus der Öffnung 604 aus.
In 28 nun ist eine andere, alternative Ausführungsform des Auslöse-Indikators 594 dargestellt, bei der eine Bimetall-Scheibe 614 an der Schaltungsleiterplatte 596 innerhalb des Schaltungsunterbrechergehäuses befestigt ist. Die Bimetall-Scheibe 614 ist thermisch zwischen einer im Wesentlichen flachen Position und einer konvexen Position in Abhängigkeit von der Aktivierung des Auslösesignals bewegbar. Wenn sie sich in der konvexen Position befindet, erstreckt sich die gefärbte Oberseite 616 der Bimetall-Scheibe 614 nach außen von der Schaltungsleiterplatte 596 in Abhängigkeit der Erzeugung eines Auslösesingals. Ein Lichtrohr 602 ist so ausgerichtet, dass ein Ende des Lichtrohrs angrenzend an die gefärbte Oberseite 616 vorliegt, wenn sie sich in der konvexen Position befindet. Das andere Ende des Lichtrohrs erstreckt sich über die äußere Oberfläche 606 des Schaltungsunterbrechergehäuses hinaus. Umgebungslicht, extern zu dem Schaltungsunterbrechergehäuse, tritt in das Lichtrohr 602 über die Öffnung 604 ein und wird nach hinten und nach vorne entlang der Länge des Lichtrohrs 602 reflektiert, bis es die Bimetall-Scheibe 614 erreicht. Unter Erreichen der Bimetall-Scheibe 614 wird das Licht nach hinten zu der Öffnung 604 hin reflektiert. Wenn ein Auslösesignal erzeugt worden ist, was bewirkt, dass sich die gefärbte Oberseite 616 der Bimetall-Scheibe 614 nach außen von der Schaltungsleiterplatte 596 erstreckt, wird eine Reflexion des gefärbten Lichts von der gefärbten Oberseite 616 entlang der Oberfläche des Lichtrohrs 602 propagiert und tritt aus der Öffnung 604 aus.
Wie in Bezug auf 26 beschrieben ist, ist es bevorzugt, dass der Auslöse-Indikator dazu geeignet ist, zu unterscheiden, ob das Auslösesignal durch die AFD oder GFI Schaltung erzeugt worden ist. Dies kann unter Verwendung von Mehrfach-Auslöse-Indikatoren des Typs vorgenommen werden, der in den 27 oder 28 dargestellt ist, wobei jeder auf die Erzeugung entweder eines AFD oder eines GFI Auslösesignals anspricht. Jeder der jeweiligen Auslöse-Indikatoren kann eine unterschiedliche Farbe einer gefärbten Spitze (27) oder eine gefärbte Oberseite (28) umfassen, so dass eine Reflexion von Licht von einer bestimmten Farbe den bestimmten Typ eines Fehlerzustands identifiziert, der durch den Schaltungsunterbrecher verursacht ist, um einen offenen Zustand auszulösen.
In den 29 und 30 sind nun weitere Ausführungsformen des Auslöse-Indikators 594 dargestellt, umfassend eine Reset-Taste 618 und einen Test-Schalter 626. Wie in 29 dargestellt ist, ist die Reset-Taste 618 integral mit dem Ende des Lichtrohrs 602, sich über das Schaltungsunterbrechergehäuse 608 hinaus erstreckend, ausgebildet, allerdings wird ersichtlich werden, dass die Reset-Taste in einer unterschiedlichen Position und physikalisch unabhängig von dem Lichtrohr 602 angeordnet sein kann. Die Reset-Taste 618 ist so ausgelegt, um nach innen durch einen Benutzer in der Richtung des Pfeils 620 hinein gedrückt zu werden, um dadurch zu bewirken, dass das Lichtrohr nach innen innerhalb des Schaltungsunterbrechergehäuses 608 bewegt wird. Der Auslöse-Indikator 594 kann auch eine Schrauben- bzw. Spiralfeder 622 umfassen, die dann komprimiert wird, wenn die Reset-Taste 618 niedergedrückt wird, und die zurück springt, wenn die Reset-Taste 618 freigegeben wird. Das Lichtrohr 602 wird vorzugsweise aus einem relativ steifen Material aufgebaut, wie beispielsweise Polycarbonat oder Acrylkunststoff, so dass der Bodenbereich des Lichtrohrs 602 nach innen in der Richtung des Pfeils 620 bewegt wird, wenn die Reset-Taste niedergedrückt wird. Der Bereich des Lichtrohrs 602 drückt deshalb physikalisch auf den Tauchkolben 610 (29) oder die Bimetall-Scheibe 614 (30) nach unten, um so den Tauchkolben oder die Bimetall-Scheibe zurück zu deren jeweiligen, nicht ausgelösten Position zurückzuversetzen (z.B. zurückgezogene oder im Wesentlichen flache Position).
Der Auslöse-Indikator 594 kann auch mit einem Test-Schalter 626, umfassend einen ersten Kontakt 628, einen zweiten Kontakt 630 und eine Drück-Test-Taste zum Aktivieren des Test-Schalters 626, versehen sein. Die Drück-Test-Taste kann die Reset-Taste 618, wie sie in 29 und 30 dargestellt ist, aufweisen, oder kann eine unabhängige Drück-Test-Taste 638 aufweisen, wie dies in 31 dargestellt ist. In jedem Fall wird, unter Niederdrücken der Drück-Test-Taste, der erste Kontakt 628 nach unten auf den zweiten Kontakt 630 gedrückt, was eine elektrische Verbindung zwischen den zwei Kontakten 628, 630 bildet. Der zweite Kontakt 630 ist mit einer Stromquelle 632 verbunden, während der erste Kontakt 628 mit den elektrischen Komponenten 592 innerhalb des Schaltungsunterbrechers verbunden ist. Demzufolge bewirkt ein Niederdrücken der Drück-Test-Taste 618, dass die Stromquelle 632 elektrisch mit den elektrischen Komponenten 592 innerhalb des Schaltungsunterbrechers verbunden wird. Die elektronischen Bauelemente 592 interpretieren danach den Einfluss von Strom von der Stromquelle als einen Fehlerzustand und aktivieren ein Auslösesignal in Abhängigkeit davon. Eine Aktivierung des Auslösesignals bewirkt, dass der Auslöse-Indikator 594 ein Lichtsignal oder ein reflektiertes Lichtsignal extern zu dem Schaltungsunterbrechergehäuse erzeugt, wie dies vorstehend beschrieben ist. Unter Freigabe der Drück-Test-Taste 618 kehrt der erste Kontakt 628 zu seiner Anfangsposition, von dem zweiten Kontakt 630 entfernt, zurück, was eine Unterbrechung des elektrischen Pfads zwischen der Stromquelle 632 und den elektronischen Bauelementen 592 innerhalb des Schaltungsunterbrechers bewirkt.
In Ausführungsformen wie solche, die in den 29 und 30 gezeigt sind, in denen eine einzelne Taste 618 als sowohl eine Reset-Taste als auch eine Drück-Test-Taste verwendet wird, muss eine Zeitverzögerungsschaltung innerhalb der elektronischen Bauelemente innerhalb des Schaltungsunterbrechers eingeschlossen werden. Insoweit, wie Zeitverzögerungsschaltungen ausreichend im Stand der Technik bekannt sind, werden sie hier im Detail nicht beschrieben werden. Es ist ausreichend anzugeben, dass, unter Niederdrücken der Reset-Taste/Drück-Test-Taste 618, die elektronischen Bauelemente 592 innerhalb des Schaltungsunterbrechers ein Auslösesignal aktivieren werden, bis die Reset-Taste/Drück-Test-Taste, für eine vorbestimmte Zeitperiode, niedergedrückt wird. Dementsprechend kann ein Benutzer, der beabsichtigt, den Auslöse-Indikator 594 zurückzusetzen, kurz die Reset-Taste 618 niederdrücken, ohne dabei nachteilig ein Auslösesignal zu aktivieren.
Eine weitere Ausführungsform des Auslöse-Indikators 594 ist in 32 dargestellt, in der der Test-Schalter durch Verdrehen, im Gegensatz zu einem Niederdrücken auf das Lichtrohr 602, aktiviert werden kann. In dieser Ausführungsform ist ein Nocken 634 an dem Lichtrohr 602 befestigt. Eine Drehung des Lichtrohrs 602 bewirkt, dass der Nocken 634 den ersten Kontakt 628 zu dem zweiten Kontakt 630 hin bildet und schließlich eine elektrische Verbindung zwischen einer Stromquelle und den elektrischen Bauelementen 592 innerhalb des Schaltungsunterbrechers bildet. Wie vorstehend in Bezug auf die 29 und 30 beschrieben ist, aktivieren die elektronischen Bauelemente 592 ein Auslösesignal, was wiederum bewirkt, dass der Auslöse-Indikator 594 ein Lichtsignal oder ein reflektiertes Lichtsignal, extern zu dem Schaltungsunterbrechergehäuse, erzeugt. Wie in 32 dargestellt ist, kann das vorstehend beschriebene Verdreh-Test-Merkmal mit dem Drück-Reset-Merkmal, diskutiert in Bezug auf die 29 und 30, kombiniert werden. Weiterhin kann der Auslöse-Indikator 594 ein Verdreh-Reset-Merkmal, kombiniert mit ei nem Drück-Test-Merkmal, einem Drück-Reset-Merkmal und einem Drück-Test-Merkmal, oder einem Verdreh-Reset-Merkmal und einem Verdreh-Test-Merkmal, umfassen.
33 stellt die Beziehung unter den Bauelementen zum Auslösen eines Schaltungsunterbrechers in Abhängigkeit eines Erfassens von Lichtbogenfehlern, von Erdungsfehlern und von Überlastungen dar. Um das Auftreten eines Lichtbogenfehlers zu erfassen, wenn sich die Schaltungsunterbrecherkontakte in einer geschlossenen Position befinden, überwacht ein Lichtbogenfehlersensor 740 eine Änderungsrate eines elektrischen Stromes in dem Leitungs-Leiter 734 und liefert ein Signal, das die Änderungsrate einstellt, zu einer Auslöseschaltung 742, die eine elektronische Schaltung aufweist, befestigt an der Schaltungsleiterplatte 742. Die Lichtbogenfehlererfassungsschaltung 743 in der Auslöseschaltung 742 analysiert das Signal hinsichtlich Charakteristika eines Lichtbogenfehlers. Wenn eine Lichtbogenfehlererfassungsschaltung 743 das Vorhandensein eines Lichtbogenfehlers erfasst, schickt sie ein Auslösesignal zu dem Verriegelungsmechanismus 720, um den Schaltpunktunterbrecher 710 auszulösen.
Um das Auftreten eines Erdungsfehlers zu erfassen, wenn sich die Schaltungsunterbrecherkontakte in einer geschlossenen Position befinden, erfasst ein Erdungsfehlersensor 741 die Differenz in dem Strom in dem Leitungs-Leiter 734 und einem neutralen Leiter 733 und liefert ein Signal, das die Differenz darstellt, und zwar zu der Auslöseschaltung 742. Die Erdungsfehlererfassungsschaltung 745 in der Auslöseschaltung 742 analysiert das Signal hinsichtlich Charakteristika eines Erdungsfehlers. Falls die Erdungsfehlererfassungsschaltung 745 einen Erdungsfehler erfasst, schickt die Auslöseschaltung 742 ein Auslösesignal zu dem Verriegelungsmechanismus 720, um den Schaltungsunterbrecher 710 auszulösen, und zwar in derselben Art und Weise, wie dies vorstehend beschrieben ist.
Um das Auftreten einer Überlastung zu erfassen, wenn sich die Schaltungsunterbrecherkontakte in einer geschlossenen Position befinden, tastet die Überlastungsschaltung 747 der Auslöseschaltung 742 den Strom ab, der durch den Leitungs-Leiter 734 fließt. Die Überlastungsschaltung 747 analysiert Stromabtastungen hinsichtlich Charakteristika einer Überlastung. Falls die Auslöseschaltung 742 eine Überlastung erfasst, schickt die Auslöseschaltung ein Auslösesignal zu dem Verriegelungsmechanismus 720, um den Schaltungsunterbrecher auszulösen, und zwar in derselben Art und Weise, wie dies vorstehend beschrieben ist.
Die Flexibilität von elektronischen Bauelementen der Auslöseschaltung stattet den Schaltungsunterbrecher mit einer Vielzahl von Erfassungsmerkmalen aus. Der Schaltungsunterbrecher kann mit einer Schaltung versehen sein, um den Unterbrecher in Abhängigkeit eines Lichtbogenfehlers, eines Erdungsfehlers oder einer Überlastung zu öffnen. Die elektronischen Bauelemente der Auslöseschaltung können so modifiziert werden, um nur einen der vorstehenden Zustände zu erfassen, oder alle der aufgelisteten Zustände. In jedem möglichen Fall wird die Auslöseschaltung zu dem Verriegelungsmechanismus 720 ein Auslösesignal in Abhängigkeit des Auftretens eines erfassten Zustands zuführen.
33 umfasst eine vergrößerte Seitenaufrissansicht einer Ausführungsform des Verriegelungsmechanismus 720. Der Verriegelungsmechanismus 720 enthält eine Spule 750, einen Tauchkolben 752, eine Verriegelungsplatte 754 und eine Vorspannfeder 756. Die Spule 750 ist typischerweise ein Solenoid, und der Tauchkolben 752 ist für eine Bewegung in die Spule 750 hinein positioniert. Die Verriegelungsplatte 754 der 33 besitzt einen rechtwinkligen Kunststoffblockteil 760, teilweise umgeben durch einen dünnen Metallmantel 762. Der Kunststoffblockteil 760 besitzt ein Öffnungsende, das sich mit einem Stahlzylinderkolben 752 verbindet, um die Tauchkolben/Verriegelungsplattenanordnung zu bilden. Wenn sich der Verriegelungsmechanismus 720 in der eingegriffenen Position befindet, greift das Sitzende der Verriegelungsplatte 754 in den Auslösehebel 718 ein. Der Metallmantel 762 der Verriegelungsplatte 754 bildet eine glatte, nicht korrosive Oberfläche für eine leichte Bewegung innerhalb des Unterbrechergehäuses 728 und von dem Auslösehebel 718 weg. Die sanfte Bewegung von der ausgefahrenen Position zu der zurückgezogenen Position verleiht dem Unterbrecher 710 eine gleichmäßige Auslösewirkung.
Der Verrieglungsmechanismus der 33 umfasst weiterhin eine Vorspannfeder 756, die den Tauchkolben 752 umgibt. Ein Ende der Vorspannfeder 756 stößt gegen die Verriegelungsplatte 754 an und das andere Ende stößt gegen die Spule 750 an. Die Vorspannfeder 756 kann gegen den äußeren Bereich des Spulengehäuses 758 anstoßen oder die Vorspannfeder kann innerhalb der Spule 750 positioniert werden (siehe 34). Die Vorspannfeder 756 drückt die Tauchkolben/Verriegelungsplattenanordnung 752 und 754 von der Spule 750 weg, um sie zu der ausgefahrenen Position vorzuspannen, um den Auslösehebel 718 an die Verriegelungsplatte 754 anzulegen.
Wenn eine Überlastung, ein Erdungsfehler oder ein Lichtbogenfehler durch die Auslöseschaltung erfasst wird, schickt die Auslöseschaltung ein Auslösesignal zu der Spule 750. Das Auslösesignal beaufschlagt die Spule 750 mit Energie und erzeugt ein magnetisches Feld innerhalb der Spule 750. Das magnetische Feld zieht den Tauchkolben 752 weiter in die Spule 750 hinein. Die Bewegung des Tauchkolbens in die Spule 750 hinein bewegt die Tauchkolben/Verriegelungsplattenanordnung 752 und 754 nach rechts und drückt die Vorspannfeder 756 zusammen. Diese Bewegung zieht die Verriegelungsplatte 754 von dem Auslösehebel 718 weg und bringt den Auslösehebel 718 von seinem Sitz an der Verriegelungsplatte 754 außer Eingriff. Der Auslösehebel 718 gleitet von der Verriegelungsplatte 754 weg in die ausgelöste Position hinein, um dadurch die Separation des bewegbaren Kontakts 726 von dem stationären Kontakt 724 und ein Öffnen des Schaltungsunterbrechers 710 zu bewirken.
33 stellt auch ein zusätzliches Merkmal für den Auslösemechanismus 720 dar. Ein sich nach oben erstreckender Anschlag 764 ist auf der Verriegelungsplatte 754 gebildet. Der Anschlag 764 begrenzt die Bewegung der Tauchkolben/Verriegelungsplattenanordnung innerhalb des Gehäuses 728. Der Anschlag 764 hält die Bewegung der Tauchkolben/Verriegelungsplattenanordnung 752 und 754 nach links an, nachdem die Anordnung die Position erreicht hat, die dazu notwendig ist, um den Auslösehebel 718 in Eingriff zu bringen. Der Anschlag 764 hält auch die Bewegung der Anordnung 752 und 754 nach rechts an, nachdem sie die Position erreicht hat, die dazu nötig ist, um den Auslösehebel 718 von seinem Sitz auf der Verriegelungsplatte 754 außer Eingriff zu bringen.
Wenn sich einmal der Schaltungsunterbrecher in der freigegebenen Position befindet, was bewirkt, dass sich der Auslösehebel 718 in der ausgelösten Position befindet, hört Strom auf, von dem Leitungsanschluss zu dem Lastanschluss zu fließen. Strom fließt nicht länger durch den Leitungs-Leiter. Die Stromsensoren 740 und 741 hören damit auf, Signale zu der Auslöseschaltung zuzuführen, da kein Strom verfügbar ist, um ihn zu messen. Die Auslöseschaltung hört damit auf, ein Auslösesignal zu dem Auslösemechanismus 720 zuzuführen, so dass die Spule 750 nicht länger erregt ist. Das magnetische Feld in der Spule 750 verschwindet und die Vorspannfeder 756 führt den Tauchkolben 752 und die Verriegelungsplatte 754 zu deren eingegriffenen Position zurück. Um den Schaltungsunterbrecher zurückzusetzen, bewegt ein Benutzer manuell einen Griff bzw. eine Handha be zu der typischen Reset-Position hin, was den Auslösehebel 718 nach oben zu seiner verriegelten Position bewegt. Die obere Kante des Auslösehebels 817 bewegt die Tauchkolben/Verriegelungsplatte 752 und 754 zu der Spule 750, durch Zusammendrücken der Vorspannfeder 756, hin. Wenn der Auslösehebel 718 seine obere Position erreicht, kehrt die Tauchkolben/Verriegelungsplatte 754 zu deren eingegriffener Position zurück, was den Auslösehebel 718 zu seiner verriegelten Position führt.
Dabei sind verschiedene, alternative Ausführungsformen für den integrierten Verriegelungsmechanismus, gebildet durch die Tauchkolben/Verriegelungsplattenanordnung 752 und 754 und den Auslösehebel 718, vorhanden. 34 stellt eine andere Ausführungsform der Tauchkolben/Verriegelungsplattenanordnung 752 und 754 dar. In diesem Fall führt der Tauchkolben 752 die Funktion der Verriegelungsplatte in der eingegriffenen Position durch, durch Vorsehen eines Sitzes, um mechanisch in den Auslösehebel 718 einzugreifen. Der Tauchkolben 752 ist ein Stahlzylinder mit einem abgeflachten Sitzende für einen mechanischen Eingriff mit dem Auslösehebel 718. Die glatten Oberflächen des Tauchkolbens 752 eliminieren eine Reibung mit dem Auslösehebel 718 und dem Unterbrechergehäuse 728, wenn sich der Tauchkolben von der eingegriffenen zu der freigegebenen Position bewegt. Um diese Anordnung auszuführen, besitzt der Tauchkolben 752 leichte Schulteranschläge 761, um die Vorspannfeder 756 sicher zu halten.
Die 35a–35c stellen weitere Ausführungsformen der Tauchkolben/Verriegelungsplattenanordnung 752 und 754 dar. In 35a besitzt eine flache Metallverriegelungsplatte 754 ein mit Nut versehenes Ende 758, das sich mit dem Vertiefungsende 766 des Tauchkolbens 752 verriegelt. Wie in 35b gezeigt ist, schlägt das mit Einkerbung versehene Ende 768 der Verriegelungsplatte 754 an die Vorspannfeder 756 an und wirkt als ein Anschlag durch Begrenzen der Bewegung der Tauchkolben/Verriegelungsplattenanordnung 752 und 754 in dem Unterbrechergehäuse 728. Die Verriegelungsplatte 754 in 35a besitzt ein gefaltetes Sitzende, um in den Auslösehebel 718 einzugreifen. Alternative Ausführungsformen für das Sitzende der Verriegelungsplatte 754 sind ein abgerundetes Ende der 35b und ein L-förmiges Ende, von dem Auslösehebel 718 weggedreht, wie dies durch 35c dargestellt ist. Für einen übereinstimmenden Auslösevorgang werden die Oberflächen der vorstehenden Verriegelungsplatten 754 leicht geschliffen bzw. poliert und abgerundet, um der Verriegelungsplatte 754 zu ermöglichen, sanft in das Gehäuse 728 hinein- und von dem Auslösehebel 718 wegzu gleiten. Die 36a–36c stellen eine Tauchkolben/Verriegelungsplattenanordnung 752 und 754 dar, wobei eine Verriegelungsplatte 754 als eine selbständige Vorspannfeder arbeitet. In dieser Anordnung führt die Verriegelungsplatte 754 selbst die Vorspannfunktion der Vorspannfeder 756 in den vorherigen Ausführungsformen durch. Die Verriegelungsplatte 754 ist aus einem flexiblen Metall aufgebaut, das unter der Kraft komprimiert wird und zu seiner Ursprungsform zurückkehrt, wenn die Kraft weggenommen wird. Die Verriegelungsplatte 754 mit der selbsttätigen Vorspannfeder in deren entspannten Zustand befindet sich in der eingegriffenen Position. Wenn der Tauchkolben 752 in die Spule so hineingezogen wird, wird die Verriegelungsplatte 754 komprimiert oder abgelenkt, so dass das Sitzende, das in den Auslösehebel 718 eingreift, zu der Spule 750 hinbewegt wird, was ermöglicht, dass der Auslösehebel 718 von seiner verriegelnden Position zu seine ausgelösten Position gleitet, um die Schaltung zu unterbrechen.
36a stellt eine Ausführungsform der Verriegelungsplatte 754 dar, die als eine unabhängige Feder arbeitet. Die Verriegelungsplatte 754 besitzt einen U-förmigen Bereich 770, positioniert zwischen dem mit Nut versehenen Ende des Tauchkolbens 752 und dem Spulenghäuse 758. Wenn sich der Verriegelungsmechanismus in der eingegriffenen Position befindet, befindet sich der U-förmige Bereich 770 in einem entspannten Zustand, was den Eingriff zwischen der Verriegelungsplatte 754 und dem Auslösehebel 718 beibehält. Wenn der Tauchkolben 752 in die Spule 750 hineingezogen wird, komprimiert sich der U-förmige Bereich 770 der Verriegelungsplatte 754. Die Bewegung des Tauchkolbens zieht das Sitzende der Verriegelungsplatte 754 nach rechts, was bewirkt, dass der Auslösehebel 718 von der Verriegelungsplatte 754 weggleitet und die Schaltung öffnet.
Die 36b und 36c stellen eine alternative Ausführungsform der Verriegelungsplatte 754 mit der unabhängigen Feder dar. In dieser Ausführungsform ist die unabhängige Feder ein L-förmiger Bereich der Verriegelungsplatte, wobei deren Schenkel 772 von dem Auslösehebel 718 weggedreht ist. Wenn sich der Verriegelungsmechanismus in der eingegriffenen Position befindet, befindet sich der Schenkel 772 in einem entspannten Zustand, was den Eingriff zwischen der Verriegelungsplatte 754 und dem Auslösehebel 718 beibehält, wie dies in 36b dargestellt ist. In 36c zieht die Spule 750 die Tauchkolben/Verriegelungsplattenanordnung 752 und 754 nach rechts, was den Schenkel 772 biegt, und was das Sitzende der Verriegelungsplatte 754 nach rechts bewegt. Aufgrund der Bewegung des Sitzendes der Verriegelungsplatte 754 zu der Spule hin, gleitetet der Auslösehebel 718 von dem Sitz weg, auf der Verriegelungsplatte 754, was die Schaltung öffnet.
37 stellt eine modifizierte Ausführungsform des Schaltungsunterbrechers dar, der den Leitungs-Leiter 734 um den Verriegelungsmechanismus 720 als eine Schlaufe 776 herum gewickelt für ein hohes, magnetisches Auslösen besitzt. Wenn der Strom durch den Schaltungsunterbrecher auf ein hohes Niveau ansteigt, d.h. oberhalb eines vorab ausgewählten Niveaus, erzeugt der Strom in der Schleife 776 ein magnetisches Feld, das den Tauchkolben 752 in die Spule 750 hineinzieht. Die Bewegung des Tauchkolbens 752 in die Spule 750 hinein öffnet die Schaltung, wie dies im Detail vorstehend beschrieben ist. Das Hoch-Magnet-Auslösen des Schaltungsunterbrechers tritt auf, sobald der Strom durch den Leitungs-Leiter 732 durch den Schwellwertpegel hindurchführt. 38 stellt eine ähnliche Ausführungsform eines elektronisch gesteuerten Schaltungsunterbrechers mit einem integrierten Verriegelungs-Auslösen dar.
In 38 besteht der Verriegelungsmechanismus 720 aus einem Anker 780, einem Joch 782 und einer Auslösespule 784, die um das Joch 782 herumgewickelt ist. Der Strompfad in dieser Ausführungsform führt von dem bewegbaren Kontaktträger 716 durch einen flexiblen Leiter 786 (oder ein Anschlussteil), der den Strompfad mit dem Joch 782 verbindet, das wiederum elektrisch mit dem Leitungs-Leiter 734 verbunden ist. 38 stellt eine Ausführungsform des Schaltungsunterbrechers 710 mit einem Erdungsfehlererfassungssensor 741 dar. Andere Ausführungsformen sind vorgesehen, umfassend eine Lichtbogenfehler- und Überstromerfassungsschaltung.
Wie vorstehend offenbart ist, fühlt der Erdungsfehlersensor 741 in 38 die Nicht-Balance eines Stromflusses zwischen dem Leitungs- und neutralen Leiter 734 und 733. Wenn die Auslöseschaltung das Vorhandenseins eines Erdungsfehlers bestimmt, wird ein Auslösesignal zu der Auslösespule 784 geschickt. Die Auslösespule 784 wird durch das Auslösesignal in derselben Art und Weise erregt, wie die Spule erregt wurde, wie dies vorstehend offenbart ist. Die erregte Auslösespule 784 erzeugt ein magnetisches Feld um das Joch 782 herum. In der bevorzugten Ausführungsform besitzt die Auslösespule 784 Umwicklungen, um ein magnetisches Feld von ungefähr 1500 A Wicklungen (1500 A turns) zu erzeugen.
Der Anker 780 ist schwenkbar an seinem oberen Ende 788 in den Armen 790 des Jochs 782 aufgelegt. Ein Luftspalt 796 separiert den Anker 780 von dem Joch 782. Eine Ankerfeder 792 schränkt elastisch den Anker 780 hinsichtlich eines Schwingens relativ zu dem Joch 782 ein. Wenn sich der Verriegelungsmechanismus in der eingegriffenen Position befindet, greift der Auslösehebel 718 in den Anker, durch Ruhen auf einem Sitz 794, eingekerbt in den Anker 780, ein. Wenn die Auslösespule 784 ein magnetisches Feld erzeugt, wird der Anker 780 zu dem Joch 782 hingezogen, was bewirkt, dass der Anker 780 in Gegenuhrzeigerrichtung schwingt, was den Luftspalt 796 schließt, was den Verriegelungsmechanismus zu seiner freigegebenen Position bewegt. Wenn sich der Anker 780 nach rechts schwenkt, wird der Auslösehebel 718 von seinem Sitz 794 auf dem Anker 780 freigegeben. Wie vorstehend offenbart ist, schwingt der Auslösehebel 718 in Uhrzeigerrichtung, um die Schaltung zu öffnen.
Der Schaltungsunterbrecher kann in seiner traditionellen Art und Weise zurückgesetzt werden. Mit der Schaltung offen wird ein Auslösesignal nicht länger zu der Auslösespule 784 geschickt, so dass das magnetische Feld abnimmt bzw. verschwindet und der Anker 780 zu seiner eingegriffenen Position zurückkehrt. Ein Benutzer bewegt manuell die Handhabe 722 zu der typischen Reset-Position, unter Drehung des Auslösehebels 718 in Gegenuhrzeigerrichtung. Der Auslösehebel 718 greift in den Anker 780 ein, was ihn zu dem Joch 782 hin bewegt. Wenn der Auslösehebel 718 seine obere Position erreicht, kehrt der Auslösehebel 718 zu seinem Sitz 794 auf dem Anker 780 zurück, was den Auslösehebel in seine verriegelte Position zurückversetzt und den Schaltungsunterbrecher zurücksetzt.
Wie in 39 dargestellt ist, ist eine Dual-Pol-Isolationsvorrichtung 810 mit einem ersten Leitungs-Bus L801, einem zweiten Leitungs-Bus L802 und einem neutralen Bus N eines elektrischen Verteilungsnetzwerks verbunden. Das elektrische Verteilungsnetzwerk liefert elektrische Energie von einer Energiequelle (nicht dargestellt) zu Verzweigungsschaltungen B1, B2, B3 und B4, jede jeweilige Leitungs-Leiter L803, L804, L805 und L806 und einen neutralen Leiter N umfassend, zum Zuführen elektrischer Energie zu jeweiligen Lasten 834, 832,830 und 828. Leitungs-Unterbrecher 812, 814, 816 und 818 sind an den jeweiligen Leitungs-Leitern L803, L804, L805 und L806 jeder Verzweigungsschaltung zwischen der Energieversorgungsquelle und der Last verbunden. Der Leitungs-Bus L802 ist mit den Leitungs-Unterbrechern 812 und 814 verbunden, während der Leitungs-Bus L801 mit den Unterbrechern 816 und 818 verbunden ist. Die Leitungs-Unterbrecher 812, 814, 816 und 818 sind so ausgelegt, um den Stromfluss in einer bestimmten Verzweigungs schaltung B1, B2, B3 und B4 zu unterbrechen, wenn ein Lichtbogenfehler in der Verzweigungsschaltung erfasst wird. Allerdings wird ersichtlich werden, dass das elektrischen Verteilungsnetzwerk, das zuvor beschrieben ist, nur beispielhaft ist.
Die Dual-Pol-Isolationsvorrichtung 810 ist so ausgelegt, um sicherzustellen, dass Hochfrequenz-Lichtbogenfehlersignale, vorhanden an irgendeiner der Verzweigungsschaltungen B1, B2, B3 oder B4, zu der Verzweigungsschaltung isoliert sind, an der der Lichtbogenfehler aufgetreten ist, was demzufolge sicherstellt, dass nur der Leitungs-Unterbrecher, der der Verzweigungsschaltung zugeordnet ist, in der der Lichtbogenfehler aufgetreten ist, ausgelöst wird. Genauer gesagt stellt die Isolationsvorrichtung 810 sicher, dass ein Lichtbogenfehlersignal, vorhanden in der Verzweigungsschaltung B1, nicht die Leitungs-Unterbrecher 814, 816 oder 818 schalten wird, sondern vielmehr nur den Leitungs-Unterbrecher 812 schalten wird. Ähnlich stellt die Isolationsvorrichtung 810 sicher, dass ein Lichtbogenfehlersignal, vorhanden in irgendeiner der Verzweigungsschaltungen B2, B3 und B4, durch jeweilige Leitungs-Unterbrecher 814, 816 und 818 auslösen wird. Dies wird erreicht, indem ein Pfad mit niedriger Impedanz von dem Leitungs-Bus L801 zu dem neutralen Bus N und von dem Leitungs-Bus L802 zu dem neutralen Bus N vorgesehen wird, so dass Lichtbogenfehlersignale in irgendeiner der Verzweigungsschaltungen B1, B2, B3 und B4 effektiv an dem Leitungs-Bus L801 oder L802 kurzgeschlossen werden, was demzufolge "falsche" Lichtbogenfehlersignale in den anderen Verzweigungsschaltungen verhindert. Durch Vervollständigen des Lichtbogenfehlersignalpfads dient die Isolationsvorrichtung 810 auch dazu, die Signalfestigkeit an dem Lichtbogenfehlerdetektor in der Verzweigungsschaltung zu erhöhen, in der der Lichtbogenfehler aufgetreten ist. Vorzugsweise umfasst die Isolationsvorrichtung 810 auch eine Überspannungsschutzschaltung, die das elektrische Verteilungsnetzwerk gegen Überspannungen schützt.
In 40 nun ist eine Schalttafel 850 dargestellt, die dazu verwendet werden kann, die Isolationsvorrichtung aufzunehmen. So, wie er hier verwendet wird, ist der Ausdruck "Schalttafel" dazu vorgesehen, elektrische Verteilungsvorrichtungen einzuschließen, die Stromfähigkeiten haben, die für Haushalts- kommerzielle oder industrielle Verwendungen geeignet sind. Die Schalttafel 850 überträgt elektrische Energie von einer Versorgungsquelle zu einer Mehrzahl von Verzweigungsschaltungen über Leitungs-Busse L801 und L802 und zu einem neutralen Bus N. Jede Verzweigungsschaltung weist einen Leitungs- und neutralen Leiter zum Zuführen von elektrischer Energie von der Schalttafel zu einer Last auf. Wie in 40 dargestellt ist, weisen die Verzweigungsschaltungen Leitungs-Leiter L803 und L804 und jeweilige neutrale Leiter (nicht dargestellt) zum Zuführen elektrischer Energie zu jeweiligen Lasten (nicht dargestellt) auf. Jeder der Leitungs-Leiter L803 und L804 ist elektrisch mit einem der Leitungs-Busse L801 oder L802 verbunden und die neutralen Leiter sind elektrisch mit dem neutralen Bus N an der Verteilungstafel verbunden. Jeder der Leitungs-Leiter L803 und L804 wird über jeweilige Leitungs-Unterbrecher 856 und 858 geführt.
Die Leitungs-Busse L801 und L802 und der neutrale Bus N befinden sich typischerweise auf 240 Volt oder 120 Volt, und bei einer Frequenz von 60 Hz, und treten in die Schalttafel an Hauptlaschen bzw. Anschlussösen 862 und 864 ein. Eine Reihe von Busstablaschen T1 und T2 erstreckt sich in einer alternierenden Art und Weise entlang der Länge des Verteilungscenters 865. Jede der Laschen T1 ist elektrisch mit dem Leitungs-Bus L801 verbunden und jede der Laschen T2 ist elektrisch mit dem Leitungs-Bus L802 verbunden. (Die elektrische Verbindung zwischen den Laschen T1, T2 und den Leitungs-Bussen L801, L802 ist nicht in 40 sichtbar.) Eine Dual-Pol-Isolationsvorrichtung 866 ist mit einem der Laschenpaare T1, T2 verbunden, so dass sie elektrisch mit beiden Leitungs-Bussen L801 und L802 verbunden ist. Die Dual-Pol-Isolationsvorrichtung 866 ist elektrisch mit dem neutralen Bus N über einen Anschlussdraht 868 verbunden. So, wie dies vorstehend diskutiert ist, ist die Isolationsvorrichtung 866 so ausgelegt, um sicherzustellen, dass Lichtbogenfehlersignale zu der Verzweigungsschaltung, in der sie auftreten, "isoliert" sind. Zum Beispiel stellt die Isolationsvorrichtung 866, dargestellt in 40, sicher, dass Lichtbogenfehlersignale, die auf dem Leitungs-Leiter L803 vorhanden sind, nicht herüber zu dem Leitungs-Leiter L804, und vice versa, führen.
Wie wiederum 40 zeigt, umfasst jede Verzweigungsschaltung der Schalttafel einen Leitungsunterbrecher 856 oder 858, ausgelegt so, um die Last von der Energieversorgungsquelle in irgendeiner der Verzweigungsschaltungen zu trennen, in der ein Lichtbogenfehler auftritt. In einer bevorzugten Ausführungsform weist jeder der Leitungsunterbrecher 856 oder 858 einen Schaltungsunterbrecher auf, der einen Auslösemechanismus besitzt, der die Unterbrecherkontakte zu einem offenen Schaltungszustand in Abhängigkeit von Charakteristika von Lichtbogenfehlern auslöst, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Ein bevorzugtes Verfahren eines Erfassens von Lichtbogenfehlern ist in der anhängigen US-Patentanmeldung Serial Nr. 08/600,512, angemeldet am 13. Februar 1996, für "Arcing Fault Detection System", übertragen auf den Inhaber der vorliegenden Erfindung und hier unter Bezugnahme darauf eingeschlossen, offenbart. Der Schaltungsunterbrecher kann auch auf Überlastzustände ansprechen, die thermisch/magnetische Charakteristika haben, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Es ist auch bekannt, den Schaltungsunterbrecher mit einer Erdungsfehlerunterbrecherschaltung zu versehen, die auf einen Leitungs- oder Neutral-Masse-Fehler anspricht, um einen Auslösesolenoid zu erregen, der den Schaltungsunterbrecher auslöst und die Kontakte öffnet.
Die Leitungsunterbrecher können einen Schaltungsunterbrecher, eine Schmelzsicherung, einen Automatik-Relais-Schalter oder irgendeine geeignete Einrichtung, die im Stand der Technik bekannt ist, aufweisen. Die Leitungsunterbrecher müssen nicht von demselben Typ in jeder der Verzweigungsschaltungen sein. Die Leitungsunterbrecher können an einem der Verteilungs-Busse L801 oder L802 eingesteckt oder daran verschraubt sein oder können separat innerhalb der Schalttafel befestigt sein und können mit einem der Verteilungs-Busse L801 oder L802 mittels Draht verbunden sein.
Wie vorstehend erwähnt ist, umfasst die Schalttafel 850 eine Dual-Pol-Isolations-Vorrichtung 866 für ein elektrisches Isolieren von Lichtbogenfehlern in der geeigneten Verzweigungs-Schaltung und zum Erhöhen der Signalstärke eines Lichtbogenfehlersignals in der geeigneten Verzweigungsschaltung. Die Isolationsvorrichtung 866 ist vorzugsweise nahe der Verbindung der elektrischen Versorgungsquelle mit der Schalttafel befestigt. Sie kann in den neutralen Bus und die Verteilungs-Busse L801 und L802 eingesteckt oder daran verschraubt sein, oder kann mit den Bus-Leitungen durch einen Draht verbunden sein. Vorzugsweise wird die Dual-Pol-Isolations-Vorrichtung 866 eine Überspannungsschutzschaltung umfassen, um jeden der Verteilungs-Busse L801 oder L802 gegenüber Spannungen zu schützen. Alternativ können zwei Einzel-Pol-Isolations-Vorrichtungen vorgesehen sein, wobei jede davon mit dem neutralen Bus N und einem der Verteilungs-Busse L801 oder L802 verbunden wird.
Alternativ kann das elektrische Verteilungssystem Verzweigungsisolationsmodule (nicht dargestellt) in einem oder in mehreren der individuellen Verzweigungsschaltungen umfassen, um dieselbe Funktion wie das Dual-Pol-Isolationsmodul 866, dargestellt in 40, vorzunehmen. Allerdings müssen, falls Verzweigungsisolationsmodule verwendet werden, die Leitungsunterbrecher 856 und 858, dargestellt in 40, keine Lichtbogenfehlerdetektoren aufweisen, da Isolationsmodule an der Seite der Energieversorgungsquelle eines Lichtbogenfehlerdetektors in irgendeiner gegebenen Verzweigungsschaltung positioniert sein müssen. Dementsprechend muss, falls Verzweigungsisolationsmodule verwendet werden, eine Lichtbogenfehlererfassung auf einer Lastseite der Verzweigungsisolationsmodule, oder durch kombinierte Lichtbogenfehlerdetektor- und Isolationsmodule (nicht dargestellt), in denen der Lichtbogenfehlerdetektorbereich auf der Lastseite des Isolationsbereichs positioniert ist, vorgesehen werden.
Wie in 42 dargestellt ist, ist eine Dual-Pol-Isolationsvorrichtung 924 mit einer Versorgungsquelle 930 über Leitungs-Busse L801 und L802 und einen neutralen Bus N verbunden. Die Isolationsvorrichtung 924 umfasst sowohl eine Überspannungsschutzschaltung (Abschnitt 1) als auch eine Isolationsschaltung (Abschnitt 2). Allerdings wird ersichtlich werden, dass die Vorrichtung 924 nur eine Isolationsschaltung enthalten kann.
Unter Bezugnahme auf zunächst die Überspannungsschutzschaltung (Abschnitt 1), und, insbesondere, auf den Bereich des Abschnitts 1, angeordnet zwischen dem Leitungs-Bus L801 und dem neutralen Bus N, ist eine Mehrzahl von Schmelzsicherungen F11, F12, F13 vorhanden, verbunden zwischen dem Leitungs-Bus L801 und Knoten 901, 902 und 903 jeweils. Varistoren V21, V22 und V23 sind zwischen Knoten 901, 902, 903 jeweils und dem neutralen Bus N verbunden. Bevorzugt sind die Varistoren Metalloxidvaristoren, unter Verwendung von Zinkoxid. Widerstände R51, R52, R53 sind zwischen Knoten 901, 902 und 903 jeweils und einem Knoten 904 verbunden.
Schmelzsicherungen F11, F12 und F13 öffnen sich, wenn die jeweiligen Varistoren V21, V22 und V23 ausfallen, das bedeutet, falls eine störende Überspannung auftritt. Die Widerstände R51, R52 und R53 bilden eine Widerstandsleiter, die eine Spannung über einen Anzeigewiderstand R61 entwickelt. Eine Diode D21 liefert eine Vorwärts-Vorspannung zwischen dem Knoten 904 und der ersten Anzeige 936.
Unter Bezugnahme nun auf den Rest der Überspannungsschutzschaltung (Abschnitt 1), angeordnet zwischen dem Leitungs-Bus L802 und dem neutralen Bus N, ist eine Mehrzahl von Schmelzsicherungen F14, F15 und F16 vorgesehen, verbunden zwischen dem Leitungs-Bus L802 und den Knoten 905, 906 und 907 jeweils Varistoren V24, V25 und V26 sind zwischen Knoten 905, 906 und 907 jeweils und dem neutralen Bus N verbunden. Widerstände R54, R55 und R56 sind zwischen den Knoten 905, 906 und 907 jeweils und dem Knoten 904 verbunden. Die Schmelzsicherungen F14, F15 und F16 sind so ausgelegt, um sich zu öffnen, falls die jeweiligen Varistoren V24, V25 und V26 ausfallen.
Die Anzeige 936 weist einen Widerstand R61 auf, verbunden parallel mit einer Licht emittierenden Diode LED11, sichtbar über eine Öffnung in einer Oberseitenwand des Isolationsmoduls 866. Die LED11 dient zum Überwachen des Status-Zustands eines Varistor- und Schmelzsicherungs-Paars, wie beispielsweise V21 und F11. Die Intensität der LED11 verringert sich, wenn eine Schmelzsicherung zerstört wird. Wenn nur eine vorbestimmte Anzahl von Varistor- und Schmelzsicherungs-Paaren in Betrieb verbleibt, wird sich die LED11 vollständig löschen, um ein Ersetzen der Überspannungsschutzschaltung zu signalisieren.
Genauer gesagt variiert der Lichtausgang der LED11 mit dem Betriebszustand jedes Varistor-Schmelzsicherungs-Paars. Die Anzeige 936 verwendet die erste Mehrzahl der Widerstände R51, R52 und R53, die zweite Mehrzahl der Widerstände R54, R55 und R56, die Diode D21, den Widerstand R61 und die LED11, um anzuzeigen, wenn die Schaltung korrekt arbeitet. Die Widerstandsleiter des ersten Satzes der Widerstände R51–R53 überwacht die Schmelzsicherungen F11, F12 und F13 auf dem Leitungs-Bus L801 und der zweite Satz der Widerstände R54–R56 überwacht die Schmelzsicherungen F14, F15 und F16 und den Leitungs-Bus L802. Die Leitungs-Busse L801 und L802 entwickeln jeweils eine Spannung über den Widerstand R61, die proportional zu der Zahl der leitenden Schmelzsicherungen F11, F12, F13, F14, F15 und F16 ist. Nur wenn eine vorbestimmte Anzahl dieser Schmelzsicherungen intakt ist, wird eine ausreichende Spannung verfügbar sein, um die LED11 nach vorne vorzuspannen, um ein Signal abzugeben, das anzeigt, dass die Überspannungsschutzschaltung arbeitet.
Die vorstehend beschriebene Überspannungs-Arrestor-Schaltung ist so ausgelegt, um die Spannung zwischen dem Leitungs-Bus L801 und dem neutralen Bus N beim Auftreten einer Überspannung zu begrenzen. Die Betriebsweise der Überspannungs-Arrestor-Schaltung ist im Detail in dem US-Patent Nr. 5,412,526 beschrieben, das hier unter Bezugnahme darauf eingeschlossen wird.
Unter Bezugnahme als nächstes auf die Isolationsschaltung (Abschnitt 2) der 42, und, insbesondere, auf den Bereich des Abschnitts 2, angeordnet zwischen dem Leitungs-Bus L801 und dem neutralen Bus N, ist dort eine Schmelzsicherung F17, verbunden zwischen dem Leitungs-Bus L801 und einem Knoten 909, vorgesehen. Ein Filter 940, der aus einem Kondensator C51 in Reihe mit einem Widerstand R59 besteht, ist zwischen dem Knoten 909 und dem neutralen Bus N verbunden. Der Filter 940 ist so ausgelegt, um effektiv die Hochfrequenz-Lichtbogenfehlersignale von dem Leitungs-Bus L801 zu dem neutralen Bus N hin kurzzuschließen, was demzufolge Lichtbogenfehlersignale auf dem Leitungs-Bus L801 davor schützt, hinüber zu dem Leitungs-Bus L802 zu gehen. Unter Vervollständigung des Lichtbogenfehlersignalpfads von dem Leitungs-Bus L801 zu dem neutralen Bus N, nimmt der Filter 940 zwei Funktionen vor. Zuerst verhindert er, dass der Lichtbogenfehlerdetektor (nicht dargestellt) auf dem Leitungs-Bus L802 ein "falsches" Lichtbogenfehlersignal auf dem Leitungs-Bus L802 erfasst. Zweitens erhöht er die Signalstärke an einem Lichtbogenfehlerdetektor (nicht dargestellt), positioniert auf dem Leitungs-Bus L801 auf einer Lastseite des Filters 940. Ein Varistor V27 ist zwischen dem Knoten 909 und dem neutralen Bus N verbunden. Der Varistor V27 lieferte einen bestimmten Grad eines Überspannungsschutzes für die Isolationsschaltung, verbunden zwischen dem Leitungs-Bus L801 und dem neutralen Bus N. Ein Widerstand R57 und eine Diode D22 sind in Reihe zwischen dem Knoten 909 und einer Anzeige 938 verbunden.
Unter Bezugnahme nun auf den Rest der Isolationsschaltung (Abschnitt 2), angeordnet zwischen dem Leitungs-Bus L802 und dem neutralen Bus N, ist dort eine Schmelzsicherung F18 vorgesehen, verbunden zwischen dem Leitungs-Bus L802 und einem Knoten 910. Ein Filter 942, der aus einem Kondensator C52 in Reihe mit einem Widerstand R60 besteht, ist zwischen dem Knoten 910 und dem neutralen Bus N verbunden. Der Filter 942 ist so ausgelegt, um einen Lichtbogenfehlersignalpfad von dem Leitungs-Bus L802 zu dem neutralen Bus N durch effektives Kurzschließen von Hochfrequenz-Lichtbogenfehlersignalen von dem Leitungs-Bus L802 zu dem neutralen Bus N zu vervollständigen. Demzufolge verhindert, ähnlich dem Filter 940, der vorstehend beschrieben ist, der Filter 942, dass ein Lichtbogenfehlerdetektor (nicht dargestellt) auf dem Leitungs-Bus L801 ein "falsches" Lichtbogenfehlersignal auf dem Leitungs-Bus L801 erfasst, und erhöht die Signalstärke an einem Lichtbogenfehlerdetektor (nicht dargestellt), positioniert auf dem Leitungs-Bus L802 auf einer Lastseite des Filters 942. Ein Varistor V28 liefert einen Grad eines Überspannungsschutzes für die Isolationsschaltung, verbunden zwischen dem Leitungs-Bus L802 und dem neutralen Bus N. Ein Widerstand R58 ist zwischen dem Knoten 910 und der Anzeige 938 verbunden.
Eine Anzeige 938 besteht aus einem Widerstand R62, parallel verbunden zu einer LED12. Die Anzeige 938 bildet eine Einrichtung zum Überwachen des Betriebsstatus der Isolationsschaltung. Sollte die Schmelzsicherung F14 oder F18 aus irgendeinem Grund zerstört werden, was einen Verlust einer Isolator-Funktionalität verursacht, wird sich die LED12 abschalten. Die LED12 ist über eine Öffnung in der Oberseitenwand der Isolationsvorrichtung 866 sichtbar.
Es wird ersichtlich werden, dass das Design und die Betriebsweise der Zwei-Pol-Isolationsvorrichtung, die zuvor beschrieben ist, ähnlich bei Einzel-Pol-Isolationsvorrichtungen oder Mehrfach-Pol-Isolationsvorrichtungen angewandt werden kann. Die Schaltung für eine Einzel-Pol-Isolationsvorrichtung wird im Wesentlichen ähnlich zu der vorstehend beschriebenen Zwei-Pol-Isolationsvorrichtung sein, wobei der Unterschied derjenige ist, dass sie nur die Schaltung der Abschnitte 1 und 2, angeordnet zwischen dem Leitungs-Bus L801 und dem neutralen Bus N, enthalten wird.
Demzufolge wird eine elektrische Isolationsvorrichtung dort vorgesehen werden, wo Fehler zu der elektrischen Verzweigung des elektrischen Verteilungsnetzwerks, wo sie auftreten, isoliert sind. Die Isolationsvorrichtung kann eine Einzel-Pol-, eine Dual-Pol- oder eine Mehrfach-Pol-Vorrichtung sein und ist zur Verwendung auf der Energieversorgungsquellenseite eines Lichtbogenfehlerdetektors anwendbar. Die Vorrichtung kann so aufgebaut sein, dass sie für die Verwendung in einer Vielfalt von Bereichen einer elektrischen Schalttafel anwendbar ist. Die Isolationsvorrichtung kann auch eine Schaltung enthalten, die Überspannungen unterdrücken, die in dem elektrischen Verteilungsnetzwerk auftreten.
43 stellt eine Draufsicht eines Schaltungsunterbrechers 1001 dar, umfassend Standard-Schaltungs-Unterbrecherkomponenten und Lichtbogenfehler-Erfassungskomponenten, angeordnet innerhalb eines Minaturschaltungsunterbrechergehäuses, dargestellt in 42. Wie in 43 dargestellt ist, befindet sich der Minaturschaltungsunterbrecher 1001 in einer geschlossenen Position, was ermöglicht, dass Leitungsstrom vollständig durch den Schaltungsunterbrecher und zu der Last einer vorgesehenen Verzweigungsschaltung hinfließt. Der Leitungsstrom tritt in Schaltungsunterbrecher 1001 über den klauenähnlichen Anschluss 1069a ein. Der stationäre Kontaktträger 1089 besitzt einen stationären Kontakt 1002, der daran befestigt ist. Ein bewegbarer Kontakt 1003, befestigt an einem bewegbaren Kontaktträger 1091, stößt gegen den stationären Kontakt 1002 an, wenn sich der Schaltungsunterbrecher 1001 in der geschlossenen Posi tion befindet. Leitungsstrom fließt dadurch von dem stationären Kontaktträger 1089 zu dem bewegbaren Kontaktträger 1091 über die stationären und bewegbaren Kontakte 1002 und 1003 jeweils.
Ein Anschlussfahnenleiter 1093 ist elektrisch mit einem Ende des bewegbaren Kontaktträgers 1091 und an dem anderen Ende mit einem Joch 1059 verbunden, was ermöglicht, dass Leitungsstrom von dem bewegbaren Kontaktträger 1091 zu dem Joch 1095 fließt, wenn sich die Kontakte 1002 und 1003 in einer geschlossenen Position befinden. Ein Bimetall-Leiter 1097, aufgebaut aus zwei unähnlichen Thermostat-Materialien, ist elektrisch mit dem Joch 1095 verbunden. Der Bimetall-Leiter 1097 ist elektrisch mit einem internen Leitungs-Leiter 1101 verbunden, der mit einem Lastanschluss 1105 verbunden ist. Wenn sich die Kontakte 1002 und 1003 in der geschlossenen Position befinden, fließt Leitungsstrom von dem Joch 1095 über den Bimetall-Leiter 1097 und über den internen Leitungs-Leiter 1101. Danach führt Strom, der durch den internen Leitungs-Leiter 1101 fließt, durch eine Messspule 1103 hindurch, die die Änderungsrate des Leitungsstroms überwacht, der durch den Schaltungsunterbrecher 1001 fließt. Die vorliegende Erfindung bezieht sich gemäß einem Aspekt auf Verfahren zum Zusammenbauen bestimmter Bauelemente, die der Messspule 1103 zugeordnet sind.
Nach Verlassen der Messspule 1103 fließt der Leitungsstrom zu einem Lastanschluss 1105, mit dem der Last-Leitungs-Leiter verbunden werden kann, um den Leitungsstrom zu einer Last zu liefern. Der Leitungsstrom ist elektrisch mit der Schaltungsleiterplatte 1123 an einer Verbindung 1105a verbunden. Die vorliegende Erfindung bezieht sich gemäß einem Aspekt auf Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden des Last-Leitungs-Leiters mit dem Last-Leitungsanschluss 1105. Der Miniatur-Schaltungs-Unterbrecher 1001 umfasst auch einen Last-Neutral-Anschluss 1107, mit dem der Last-Neutral-Leiter verbunden werden kann. Der Miniatur-Schaltungs-Unterbrecher 1001 umfasst weiterhin einen internen, neutralen Leiter, der elektrisch mit dem neutralen Anschluss 1107 und dem Schalttafel-Neutral-Leiter, beschrieben in Bezug auf 20, verbunden ist. Der interne, neutrale Leiter ist elektrisch mit der Schaltungsleiterplatte 1123 an einer Verbindung 1079a verbunden. Die vorliegende Erfindung bezieht sich gemäß einem Aspekt auf Verfahren und Vorrichtungen zum Verbinden des internen, neutralen Leiters, des neutralen Schalttafel-Leiters und des neutralen Last-Leiters mit dem neutralen Last-Anschluss 1107. In Ausführungsformen mit einer Erdungsfehler-Unterbrechungs (ground fault inter ruption – GFI) Schaltung (nicht dargestellt) würde der neutrale Last-Leiter über den Sensor 1103 entlang des internen Leitungs-Leiters 1101 geführt werden, um ein Erfassen einer Nicht-Balance eines Stromflusses zwischen dem internen Leitungs- und neutralen Leiter 1101 und 1079 zu ermöglichen, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Eine vollständigere Beschreibung einer GFI-Schaltung ist in dem US-Patent Nr. 5,446,431 beschrieben, die auf den vorliegenden Inhaber übertragen ist und die hier unter Bezugnahme darauf eingeschlossen ist.
Der Schaltungsunterbrecher 1001 kann auf irgendeine von verschiedenen Arten und Weisen zu einem offenen Zustand ausgelöst werden, umfassend eine manuelle Kontrolle und in Abhängigkeit von thermisch und elektromagnetisch erfassten Überlastungszuständen und Erdungsfehlerzuständen. Der Mechanismus zum Auslösen des Schaltungsunterbrechers 1101 zu einem offenen Zustand ist im Detail in dem US-Patent Nr. 5,446,431, übertragen auf den Inhaber der vorliegenden Erfindung und hier unter Bezugnahme darauf eingeschlossen, beschrieben. Dementsprechend wird er hier nur kurz beschrieben werden.
Der Miniaturschaltungsunterbrecher 1001 kann zwischen der offenen und der geschlossenen Position durch einen Benutzer bewegt werden, der manuell den Betätigungsgriff 1111 nach rechts oder links jeweils bewegt, was eine entsprechende Bewegung der Oberseite des bewegbaren Kontaktträgers 1091 nach links oder nach rechts an einen Schwenkpunkt bewirkt. Eine Toggle-Feder 1113 ist an einem Ende mit dem Betätigungsgriff 1111 und an dem anderen Ende mit dem bewegbaren Kontaktträger 1091 verbunden. Wenn sich die Oberseite des bewegbaren Kontaktträgers 1091 links von dem Schwenkpunkt des Handgriffs befindet, dient die Toggle-Feder 1113 dazu, den Boden des bewegbaren Kontaktträgers 1091 zu der offenen Position vorzuspannen. Umgekehrt spannt, wenn sich die Oberseite des bewegbaren Kontaktträgers 1091 rechts von dem Schwenkpunkt befindet, die Toggle-Feder 1113 den Boden des bewegbaren Kontaktträgers 1091 zu der geschlossenen Position vor.
Der Miniaturschaltungsunterbrecher 1001 ist auch so ausgelegt, um, in Abhängigkeit eines Erfassens von verschiedenen Typen von Fehler-Zuständen, zu einem offenen Zustand ausgelöst zu werden. Unter dem Auftreten eines moderat gehaltenen Überlastungszustands wird, wenn sich die Kontakte 1002 und 1003 in einer geschlossenen Position befinden, der Bimetall-Leiter 1097 erwärmt und das untere Ende biegt sich nach rechts. Der Bimetall-Leiter 1097 kann durch eine Kalibrierungsschraube 1133 eingestellt werden. Ein Biegen des Bimetall-Leiters 1097 durch eine differentielle Expansion bewirkt, dass ein Anker 1115 und ein Joch 1095 in Gegenuhrzeigerrichtung schwenken und einen Auslösehebel 1117 freigeben. Der Auslösehebel 1117 dreht sich in Uhrzeigerrichtung um einen Stift 1119 herum, was bewirkt, dass die Toggle-Feder 1113 den Boden des bewegbaren Kontaktträgers 1091 von dem stationären Kontakt 1002 weg zieht und den Strompfad unterbricht.
Ähnlich wird, unter dem Auftreten eines übermäßigen Stromüberlastungszustands, ein hohes magnetisches Flussfeld um das Joch 1095 herum erzeugt. Der Anker 1115 wird zu dem Joch 1095 durch das magnetische Feld hingezogen, was bewirkt, dass der Auslösehebel 1117 von dem Anker 1115 freigegeben wird. Wie in Bezug auf die thermischen Auslöse-Vorgänge beschrieben ist, bewirkt eine Freigabe des Auslösehebels 1117 von dem Anker 1115, dass die Toggle-Feder 1113 den Boden des bewegbaren Kontaktträgers 1091 von dem stationären Kontakt 1002 weg zieht und den Strompfad unterbricht.
Schließlich sind die elektronischen Bauelemente 1121, befestigt an einer Schaltungsleiterplatte 1123, zum Verarbeiten des Signalausgangs des Sensors 1103 und zum Bestimmen, ob ein Lichtbogenfehlerzustand oder ein Erdungsfehlerzustand vorhanden sind, vorgesehen. Die elektronischen Bauelemente 1121 sind vorzugsweise dieselben wie solche, die in der anhängigen US-Patenanmeldung Serial Nr. 08/600,512 beschrieben sind, allerdings wird ersichtlich werden, dass irgendeine Konfiguration von elektronischen Bauelementen, die im Stand der Technik zum Erfassen von Lichtbogenfehlern bekannt ist, vorgesehen sein kann. Ähnlich können die elektronischen Komponenten 1121 irgendeine Konfiguration wiedergeben, die im Stand der Technik zum Erfassen von Erdungsfehlern bekannt ist. Bei irgendeiner Rate sind die elektronischen Bauelemente 1121 so ausgelegt, um ein "AFD" und/oder "GFI" Auslösesignal entsprechend dazu zu erzeugen, wobei der Schaltungsunterbrecher dazu ausgelegt ist, Lichtbogenfehler und/oder Erdungsfehler zu erfassen. In Abhängigkeit einer Erzeugung irgendeines AFD oder eines GFI Auslösesignals, wird ein magnetisches Feld um einen Auslöse-Solenoid 1125 herum erzeugt, was bewirkt, dass ein Tauchkolben 1127 nach rechts gezogen wird. Der Tauchkolben 1127 ist mit einer Auslöse-Verbindung 1129 verbunden, die wiederum mit dem Anker 1115 verbunden ist, so dass eine Bewegung des Tauchkolbens 1127 bewirkt, dass der Anker 1115 nach rechts gezogen wird. Wie zuvor beschrieben ist, bewirkt eine Bewegung des Ankers 1115 nach rechts, dass der Auslösehebel 1117 freigegeben wird, und der Strompfad durch den Schaltungsunterbrecher 1001 unterbrochen wird.
In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die elektronischen Bauelemente 1121 auch so ausgelegt werden, um ein thermisches/magnetisches Auslösesignal in Abhängigkeit von Überlastungen oder Kurzschlussschaltungen zu erzeugen, um so das Erfordernis nach dem Bimetall, dem Joch oder dem Anker, zugeordnet dem Stand der Technik, zu vermeiden. Diese Fähigkeit ist im Detail in dem US-Patent Nr. 5,136,457 beschrieben, das auf den Inhaber der vorliegenden Erfindung übertragen ist und hier unter Bezugnahme darauf eingeschlossen wird. In dieser Ausführungsform wird das thermische/magnetische Auslösesignal bewirken, dass die Kontakte des Schaltungsunterbrechers 1001 geöffnet werden, und zwar im Wesentlichen in derselben Art und Weise, wie sie in Abhängigkeit eines AFD oder eine GFI Auslösesignals geöffnet werden würden.
Die 44 und 47 stellen eine Anordnung 1010 dar, die eine gedruckte Schaltungsleiterplatte 1012 (44 nur) und ein Gehäuse 1014 umfassen. Das Gehäuse 1014 besitzt einen bewegbaren, oberen Abschnitt 1016 und einen unteren Abschnitt 1018, der mit der Schaltungsleiterplatte 1012 verbunden ist. Die Messspule 1020 weist einen oberen Kernabschnitt 1022 und einen unteren Kernabschnitt 1024 (siehe 47) auf. Eine Wicklung 1026 umgibt den unteren Kernabschnitt 1022, wie am besten in 47 dargestellt ist. Jedes Ende der Wicklung 1026 ist mit einem jeweiligen einen der elektrisch leitenden Stifte 1027 verbunden, die durch das Gehäuse 1014 führen und demzufolge elektrisch an der Schaltungsleiterplatte 1012 verbunden sind. Der obere Kernabschnitt 1022 verriegelt sich mit dem unteren Kernabschnitt 1024, um eine horizontal orientierte Mitte 1060 zu bilden, durch die der Leitungs-Leiter (oder sowohl der Leitungs- als auch der neutrale Leiter) des Schaltungsunterbrechers so ausgelegt sind, um dort hindurchzuführen. Der obere Abschnitt 1016 des Gehäuses 1014 besitzt ein Paar von Einfangteilen 1019 zum Einschnappen an einem jeweiligen Paar von Rampen 1017 auf dem unteren Abschnitt 1018. Demzufolge umschließen der obere und der untere Abschnitt im Wesentlichen die Messspule 1020. Es ist möglich, den oberen Abschnitt 1016 wegzulassen, falls dies erwünscht ist, wobei in diesem Fall die äußere Abdeckung als das obere Gehäuse dient. Das Gehäuse 1014 besitzt ein Paar von Öffnungen 1015, durch die sich ein Last-Leitungs-Anschluss 1028 erstreckt. Diese Öffnungen können unterschiedliche Konfiguration haben (vergleiche z.B. 44 und 47, in Abhängigkeit von der Form des Last-Leitungs-Anschlusses).
Wie wiederum 44 zeigt, besitzt der Last-Leitungs-Anschluss 1028 ein langes Ende 1030 und ein kurzes Ende 1032. Das lange Ende 1030 ist teilweise von einem Isolator 1034 umgeben, wo er durch die hohle Mitte der Messspule 1020 hindurchführt. Das lange Ende 1030 ist in der Messspule 1020 so angeordnet, dass sich der Isolator 1034 über die Messspule 1020 hinaus und durch die Öffnung 1015 erstreckt. Leitungsstrom führt durch den Last-Anschluss 1036 hindurch, der mit dem langen Ende 1030 des Last-Leitungs-Anschlusses 1028 verbunden ist. Vorzugsweise ist der Last-Anschluss 1036 mit dem langen Ende 1030 durch eine Klemmverschweißung verbunden, wie dies dargestellt ist. Eine Kalibrierungsschraube 1038 ist in dem Last-Anschluss 1036 angeordnet, so dass sich ein Bereich der Kalibrierungsschraube 1038 hinter den Last-Anschluss 1036 erstreckt.
Energie wird zu der Schaltungsleiterplatte 1012 über eine Verbindung mit dem Last-Leitungs-Anschluss 1028 zugeführt. In einer Ausführungsform erfolgt die Verbindung über eine Klammer 1042 für einen reibungsmäßigen und elektrischen Eingriff in das kurze Ende 1032 des Last-Leitungs-Anschlusses 1028. Alternativ kann die Verbindung 1042 eine Blattfeder 1044 umfassen, die an dem kurzen Ende 1032 des Last-Leitungs-Anschlusses 1028 klemmverschweißt ist, wie dies in 45 dargestellt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform, die in 46 dargestellt ist, kann der untere Abschnitt 1018 des Gehäuses 1014 einen isolierenden Kanal 1046 zum Isolieren der Kali brierschraube 1038 und einen Schraubenzieher, eingesetzt in den Schaltungsunterbrecher hinein, von den Bauelementen auf der Schaltungsleiterplatte 1012 umfassen. Der isolierende Kanal 1046 ist im Wesentlichen U-förmig und so konfiguriert, um die Kalibrierschraube 1038 aufzunehmen und beim Ausrichten eines Schraubenziehers zu dem Kopf der Kalibrierschraube 1038 zu unterstützen. Der Isolationskanal 1046 ist mit dem unteren Abschnnitt 1018 des Gehäuses 1014 verbunden oder ist integral damit ausgebildet.
48 stellt eine alternative Verbindung zwischen dem Lastanschluss 1036 und dem Last-Leitungs-Anschluss 1028 dar. In einer Ausführungsform besitzt der Lastanschluss 1036 einen Schlitz 1032, der so konfiguriert ist, um das lange Ende 1030 des Last-Leitungs-Anschlusses 1028 aufzunehmen. In einer alternativen Ausführungsform (nicht dargestellt) besitzt der Last-Leitungs-Anschlusses 1028 einen ähnlichen Schlitz, der so konfiguriert ist, um das Ende des Lastanschlusses 1036 aufzunehmen.
49 stellt eine alternative Ausführungsform dar, bei der die hohle Mitte 1060 des Sensors 1020 vertikal, im Gegensatz zu horizontal, orientiert ist. Demzufolge führen die Anschlüsse vertikal, im Gegensatz zu horizontal, durch die Spule hindurch, wie in der Ausführungsform, die vorstehend diskutiert ist. Hierbei ist ein Sensor-Bus 1054, der einen ersten Endbereich 1056 und einen zweiten Endbereich 1058 besitzt, mit der Schaltungsleiterplatte 1012 über Schlitze 1055 verbunden. Die Messspule 1020 ist um den ersten Endbereich 1056 herum angeordnet. Der Lastanschluss 1036 ist mit dem ersten Endbereich 1056 verbunden. Der Last-Leitungs-Anschluss 1028 ist mit dem zweiten Endbereich 1058 verbunden. Vorzugsweise sind beide Verbindungen durch Klemmschweißen hergestellt, wie dies dargestellt ist. 50 stellt eine alternative Ausführungsform dar, bei der Last-Leitungs-Anschluss 1028 und der Sensor-Bus 1054 aus einem einzelnen Metallstück hergestellt sind.
Die 56–58 stellen zusätzliche Konstruktionen zu solchen, dargestellt in den 46 und 49–50 jeweils, dar. 56 stellt eine einteilige Messspule 1014A, mit der hohlen Mitte horizontal orientiert, dar. Der Last-Leitungs-Anschluss 1028A wird mit der Messspule 1014A und platziert auf der Schaltungsleiterplatte, 1012A, vormontiert und dann an dem Lastanschluss 1036A und dem Schaltungsleiterplattenverbinder 1042A, klemmgeschweißt. Ein Schraubanschluss kann verwendet werden, um die Energieversorgung zu verbinden, wie dies dargestellt ist.
Die 57 und 58 stellen eine einteilige Messspule (1014B und 1014C), mit der hohlen Mitte vertikal orientiert, dar. In diesen Konstruktionen wird Energie über Verbindungen entweder unter der Schaltungsleiterplatte (1012B, 57) oder oberhalb der Schaltungsleiterplatte (1012C, 58) zugeführt. Die Verbindungen mit dem Lastanschluss (1036B und 1036C) sind durch ein Klemmschweißen oberhalb der Messspule (1014B und 1014C) hergestellt, was wiederum eine Top-Down-Anordnung erleichtert.
Flexible, allerdings eingeschränkte, Drahtenden sind wichtige Merkmale der Schaltungsunterbrecher der Erfindung, um eine automatisierte Montage zu erleichtern. Alternative Verfahren zum Erzielen solcher Drahtenden sind in den 51-54 dargestellt.
Eine Ösen-Verbindung 1062 ist in 51 dargestellt. Die Öse 1062 umfasst eine Oberseite 1064 und eine hohle Mitte 1066. Die Oberseite 1064 umfasst ein Loch 1068, das die Oberseite 1064 mit der hohlen Mitte 1066 verbindet. Ein neutraler Bus 1070, der über einen Draht 1082 mit dem neutralen Anschluss der Platte (nicht dargestellt) verbunden ist, ist mit der Öse 1062 an dem neutralen Lastanschluss über einen Draht 1078 verbunden. Ein Ende 1072 des Busses 1070 ist innerhalb der hohlen Mitte 1066 der Öse 1062 positioniert und erstreckt sich unterhalb des Lochs 1068. Eine Drahtverbindeschraube 1076 ist in dem Loch 1068 angeordnet und erstreckt sich durch die hohle Mitte 1066, um einen Draht 1078 zwischen dem Ende 1072 des neutralen Busses 1070 und dem Boden 1071 der hohlen Mitte 1066 zu verbinden. Ein Spannungsfreisetzungselement 1080 ist an dem Ende 1074 des neutralen Busses 1070 vorgesehen.
In 52 wiederum ist ein Spannungsfreisetzungselement 1080 dargestellt, das einen oberen Abschnitt 1084 zum Verbinden des Last-Neutral-Drahts (dargestellt als 1078 in 51) und eines Bodenabschnitts 1086 umfasst. Der obere Abschnitt 1084 ist im Wesentlichen flach und umfasst ein Loch 1090, das darin angeordnet ist. Der Last-Neutral-Draht ist zwischen dem flachen Abschnitt und einer zweiten, passenden Platte (nicht dargestellt) mittels einer Schraube (nicht dargestellt), die in das Loch 1090 eingeschraubt ist, festgeklemmt. Ein Spannungsfreisetzungsbereich 1092 definiert einen Hohlraum 1094 zum Aufnehmen des Platten-Neutral-Drahts. Der Bodenabschnitt 1086 bildet einen Zylinder 1092, der einen Hohlraum 1094 definiert. Der obere Abschnitt 1084 und der Boden-Abschnitt 1086 sind miteinander verbunden und durch ein festes Element 1096 separiert. Verbunden mit dem oberen Abschnitt 1084 des Spannungsfreisetzungselements 1080 ist ein Draht 1098 (entsprechend zu dem Draht 1082 der 51). Der Draht 1098 erstreckt sich durch den Hohlraum 1094, gebildet durch den Boden-Abschnitt 1086, und darin gesichert, um eine Spannung an der Verbindung des Drahts 1098 zu dem oberen Abschnitt 1084 zu verhindern. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Draht 1098 an dem oberen Abschnitt 1084 klemmverschweißt, wie dies dargestellt ist.
In einer alternativen Ausführungsform, dargestellt in 53, ist der Draht 1098 mit dem festen Element 1096 des Spannungsfreisetzungsteils 1080 verbunden. Der Draht 1098 erstreckt sich durch den Hohlraum 1094, um eine Spannung an der Verbindung des Drahts 1098 zu dem festen Element 1096 zu verhindern. Vorzugsweise ist der Draht 1098 an dem festen Element 1096 klemmverschweißt. Wie in 52 beschrieben ist, würde der Last-Neutral-Draht 1078 (der 51) an dem oberen Abschnitt 1084 festgeklemmt werden.
In einer anderen, alternativen Ausführungsform, dargestellt in 54, ist der Last-Neutral-Draht mit dem oberen Abschnitt 1084 durch eine Schraube 1100 verbunden dargestellt, wie dies zuvor in Verbindung mit den 52–53 beschrieben ist. Der Platten-Neutral-Draht 1098 ist mit dem Boden-Abschnitt 1086 des Spannungsfreisetzungselements 1080 verbunden. Der Spannungsfreisetzungsabschnitt 1092 verhindert eine Spannung an der Verbindung des Drahts 1098.
55 stellt eine Ausführungsform dar, bei der ein Schlitz 1106 in der äußeren Kante der Schaltungsleiterplatte 1012 vorgesehen ist, um eine Klammer aufzunehmen, die den Last-Leitungs-Anschluss 1028 sichert (siehe 45). Die Boden-Abschnitte der Klammer 1108 und der Klemm-Anschluss 1028 sind in dem Schlitz 1106 der Schaltungsleiterplatte 1012 angeordnet. Von dem Boden der Klammer und dem Klemm-Anschluss sich erstreckend sind Flansche 1110 vorhanden, die so konfiguriert sind, um den Last-Leitungs-Anschluss 1028 gegen eine Bewegung in irgendeiner Richtung, mit Ausnahme zu der Mitte der Schaltungsleiterplatte 1012 hin, zu begrenzen.
In den Zeichnungen nun unter Bezugnahme zu Anfang auf 59, ist ein schematisches Blockdiagramm eines Lichtbogenfehlererfassungssystems, verbunden mit einer einzelnen Verzweigungsschaltung eines elektrischen Verteilungssystems, dargestellt. Es wird allerdings ersichtlich werden, dass das Lichtbogenfehlererfassungssystem mit mehreren Verzweigungsschaltungen verbunden sein kann. Jede Verzweigungsschaltung ist auf einem Leitungs-Leiter 1510 und einem neutralen Leiter 1512 aufgebaut, die elektrische Energie von einem Stomversorger-Transformator 1514 zu einer Last 1516 verteilt. Der Leitungs-Leiter 1510 und der neutrale Leiter 1512 führen typischerweise 240 Volt oder 120 Volt, mit einer Frequenz von 60 Hz. Ein Sensor 1518 erfasst die Änderungsrate des elektrischen Stroms an dem Leitungs-Leiter 1510 und schickt ein Änderungsratensignal, üblich bezeichnet als ein di/dt Signal, zu einem Lichtbogendetektor 1520. Wie im Detail nachfolgend beschrieben werden wird, verarbeitet der Lichtbogenfehlerdetektor 1520 das Sensorsignal hinsichtlich Charakteristika von Lichtbogenfehlern und evaluiert es. Falls der Lichtbogendetektor 1520 das Auftreten eines Lichtbogenfehlers erfasst, erzeugt er ein Auslösesignal zu dem Leitungsunterbrecher 1522, was den Strom in dem Leitungs-Leiter 1510 unterbricht.
Der Leitungs-Leiter 1522 ist vorzugsweise ein Schaltungsunterbrecher, der einen Überlastungs-Auslöse-Mechanismus umfasst, der eine thermische/magnetische Charakte ristik umfasst, die die Unterbrecherkontakte zu einem Zustand einer offenen Schaltung in Abhängigkeit eines gegebenen Überlastungszustands auslöst, um die Last 1516 von der Energieversorgungsquelle zu trennen, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Es ist auch bekannt, den Schaltungsunterbrecher 1522 mit einer Erdungsfehler-Unterbrecherschaltung zu versehen, und zwar in Abhängigkeit von einem Leitungs- oder Neutral-Masse-Fehler, um einen Auslöse-Solenoid mit Energie zu erregen, der den Schaltungsunterbrecher auslöst und die Kontakte öffnet.
Der Sensor 1518 weist vorzugsweise einen toroidalen Sensor auf, der einen ringförmigen Kern besitzt, der den Strom führenden Leitungs-Leiter 1510 umgibt, wobei die Messspule spiralförmig auf dem Kern aufgewickelt ist. Der Kern ist aus einem magnetischen Material, wie beispielsweise einem Ferrit, Eisen oder geformten, permeablen Pulver, geeignet zum Ansprechen auf schnelle Änderungen im Fluss, hergestellt. Ein bevorzugter Sensor verwendet einen Ferritkern, gewickelt mit 200 Windungen mit 24–36 Gauge Kupferdraht, um die Messspule zu bilden. Ein Luftspalt kann in den Kern hineingeschnitten sein, um die Permeabilität auf ungefähr 30 zu reduzieren. Das Kernmaterial sättigt sich vorzugsweise nicht während der relativ hohen Ströme, die durch parallele Lichtbogen erzeugt sind, so dass eine Lichtbogenerfassung noch bei solchen hohen Stromniveaus möglich ist.
Andere Einrichtungen zum Erfassen der Änderungsrate des Stroms in einem Leitungs-Leiter sind durch die vorliegende Erfindung vorgesehen. Durch das Faraday'sche Gesetz erzeugt irgendeine Spule eine Spannung proportional zu der Änderungsrate in dem magnetischen Fluss, der durch die Spule hindurchführt. Der Strom, der einem Lichtbogenfehler zugeordnet ist, erzeugt einen magnetischen Fluss um den Leiter herum, und die Spule des Sensor 1518 schneidet diesen Fluss, um ein Signal zu erzeugen. Andere geeignete Sensoren umfassen einen toroidalen Transformator mit einem Kern aus magnetischem Material oder einem Luftkern, einen Induktor oder einen Transformator mit einem laminierten Kern aus magnetischem Material, und Induktoren, befestigt an gedruckten Schaltungsleiterplatten. Verschiedene Konfigurationen für den Sensorkern sind durch die vorliegende Erfindung vorgesehen und umfassen Toroide, die Luftspalte in deren Körpern haben.
Ein Integrator 1423 integriert das di/dt Signal von dem Sensor 1518, um ein Signal zu erzeugen, das den Strom (i), geführt durch den Leitungs-Leiter 1510, darstellt. Das in tegrierte di/dt Signal (oder i Signal) wird danach durch den Signal-Konditionierer 1524 verarbeitet und in eine Reihe von Impulsen durch eine Analog-Digital-(A/D)-Wandler 1526 umgewandelt. Die Stromimpulse werden dann an einer Vielzahl von Punkten durch eine Abtasteinrichtung 1528 abgetastet. Der abgetastete Strom wird dann durch die CPU 1530 verarbeitet, was die Zahl von bestimmten Lichtbogenfehler-Charakteristika bestimmt, die innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls auftreten. Falls die Zahl von Lichtbogenfehler-Charakteristika einen Auslöse-Schwellwert-Pegel innerhalb des vorbestimmten Zeitintervalls übersteigt, erzeugt die CPU 1530 ein Auslösesignal, um den Leitungsunterbrecher 1522 zu triggern.
In 60 nun ist ein Übersichts-Flussdiagramm der Schritte dargestellt, die durch das Lichtbogenfehlererfassungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden. Jeder dieser Schritte wird im Detail in Bezug auf die 61 bis 65 beschrieben. Allgemein stellt allerdings Schritt 1 das Erhalten von Stromabtastungen von der Abtasteinrichtung 1528 dar. Vorzugsweise werden Abtastungen von irgendwelchen zwei aufeinanderfolgenden Halb-Zyklen (z.B. ein positiver, halber Zyklus, gefolgt durch einen negativen, halben Zyklus oder vice versa), zwei aufeinanderfolgenden positiven Halb-Zyklen oder zwei aufeinanderfolgenden negativen Halb-Zyklen genommen. Weiterhin ist es bevorzugt, dass Abtastungen an 32 Punkten pro halbem Zyklus eines Stroms herangezogen werden, allerdings wird ersichtlich werden, dass eine alternative Zahl von Abtastpunkten verwendet werden kann. Als nächstes bestimmt, wie durch Schritt 2 dargestellt ist, die CPU die Größe des Strom-Peaks in jedem ausgewählten, halben Zyklus. Als nächstes wird, wie durch Schritt 3 dargestellt ist, die "Steigung", oder das Verhältnis von Strom-Peaks von einem halben Zyklus zu dem nächsten, einer Polarität (z.B. "positiv" oder "negativ") zugeordnet, und die Zahl von Umkehrungen der Polarität zwischen benachbarten Steigungen wird gezählt.
Schließlich wird, im Schritt 6, die Zahl von Umkehrungen in der Polarität mit einem Auslöse-Schwellwert-Pegel verglichen. Falls die Zahl von Umkehrungen in der Polarität den Auslöse-Schwellwert-Pegel übersteigt, wird ein Auslösesignal zu dem Leitungsunterbrecher 1522 geschickt, um die Energieversorgungsquelle von der Last zu trennen. Falls die Zahl von Umkehrungen in der Polarität nicht den Auslöse-Schwellwert-Pegel übersteigt und dadurch nicht einen Lichtbogenfehler darstellt, wiederholt sich der vorstehend beschriebene Prozess selbst mit neu erhaltenen Stromabtastungen, bis ein Lichtbogenfehler erfasst ist. Vorzugsweise wird der Auslöse-Schwellwert-Pegel hoch genug sein, so dass Umkehrungen in der Polarität, verursacht durch bekannte Lastübergänge, nicht den Schaltungsunterbrecher auslöst. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Auslöse-Schwellwert-Pegel auf einem Auffinden von 15 oder mehr Umkehrungen in der Polarität pro Sekunde basierend.
In einer anderen Ausführungsform erfasst die CPU 1530 Lichtbogenfehler durch Zählen der Anzahl von signifikanten Wellenform-Form-Änderungen zwischen halben Zyklen zusätzlich zu einem Zählen der Anzahl von Umkehrungen in der Polarität. Dies wird unter Durchführen von Schritt 3, der zuvor beschrieben ist, zusammen mit zusätzlichen Schritten 4 und 5 vorgenommen. In Schritt 4 normiert die CPU 1530 und autokorreliert die Stromabtastungen. Ein Normieren wird durch Unterteilen jeder der Stromabtastungen durch den Peak-Strom, zugeordnet dem halben Zyklus, von dem sie genommen werden, durchgeführt. Jede der Stromabtastungen wird dadurch einen normierte Größe geringer als oder gleich zu 1 haben. Eine Autokorrelation wird durch Vergleichen jedes Einen der Zahl von normierten Stromabtastungen von einem halben Zyklus zu dem entsprechenden einen der Anzahl der normierten Stromabtastungen in dem nächsten, ausgewählten, halben Zyklus durchgeführt. Wie in weiterem Detail nachfolgend beschrieben werden wird, ist der Autokorrelationsschritt so zugeordnet, um eine Messung von signifikanten Wellenformänderungen zwischen ausgewählten, halben Zyklen zu erhalten. In den Schritten 5 und 6 fällt die CPU die Zahl von signifikanten Formänderungen, die innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls auftreten, und schickt ein Auslösesignal zu dem Leitungsunterbrecher 1522, falls die Zahl von signifikanten Formänderungen einen Auslöse-Schwellwert-Pegel übersteigt.
Ähnlich zu dem Auslöse-Schwellwert-Pegel, zugeordnet zu Steigungsänderungen, wie dies vorstehend beschrieben ist, wird der Auslöse-Schwellwert-Pegel, zugeordnet zu Formänderungen, vorzugsweise hoch genug sein, so dass wesentliche Formänderungen, verursacht durch bekannte Lastübergänge, nicht den Schaltungsunterbrecher auslöst. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Auslöse-Schwellwert-Pegel, zugeordnet zu Formänderungen, auf einem Auffinden von drei wesentlichen Formänderungen pro Sekunde basierend. Demzufolge kann, in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der Leitungsunterbrecher durch 15 oder mehr Umkehrungen in der Polarität pro Sekunde oder drei oder mehr wesentliche Formänderungen pro Sekunde getriggert werden. Es wird allerdings ersichtlich werden, dass andere Auslöse-Schwellwerte und/oder Zeitintervalle ausgewählt werden können, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die 61 bis 65 zeigen Flussdiagramme, die die Schritte darstellen, die dem Flussdiagramm der 60 zugeordnet sind, und zwar in größerem Detail. In 61 zunächst ist ein Flussdiagramm dargestellt, das ein Peak-Erfassungs-Unterprogramm, zugeordnet zu Schritt 2 des Flussdiagramms der 60, darstellt. Im Schritt 2.1 wird der Peak-Strom des am kürzesten vorher liegenden, halben Zyklus in einem Speicher als Variable "last peak" gespeichert. Im Schritt 2.2 wird eine "auto sum" und eine "peak" Variable, zugeordnet zu dem vorliegenden, halben Zyklus auf Null initialisiert. Die "auto sum" Variable wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 63 bis 65 beschrieben. Die "peak" Variable stellt den Wert der Stromabtastung dar, die die größte, absolute Größe in dem vorliegenden, halben Zyklus besitzt. Eine Ganzzahl-Zähler-Zahl wird auf Null im Schritt 2.3 initialisiert. Im Schritt 2.4 wird eine Stromabtastung, zugeordnet der vorliegenden Zähler-Zahl, mit dem Wert der "peak" Variablen, zugeordnet zu der nächsten, und kürzesten vorher liegenden Zähler-Zahl in dem vorliegenden Zyklus, verglichen. Zum Beispiel wird, in der 5. Iteration von Schritt 2.4, eine Stromabtastung 5 mit der "peak" Variablen verglichen, erhalten durch Stromabtastungen 1–4 des vorliegenden Zyklus. Falls die Stromabtastung, zugeordnet zu der Zähler-Zahl, größer als irgendeine der vorherigen Stromabtastungen in dem vorliegenden Zyklus ist, wird die "peak" Variable so zurückgesetzt, um die absolute Größe der Stromabtastung anzupassen (Schritt 2.5). Die Zähler-Zahl wird danach um eins erhöht (Schritt 2.6), und, falls die Zähler-Zahl geringer als die Zahl von Punkten pro halbem Zyklus ist (Schritt 2.7), kehrt der Prozess zu Schritt 2.4 mit der nächsten Stromabtastung zurück. In Schritt 2.4 schreitet, falls die Stromabtastung, zugeordnet der Zähler-Zahl, nicht größer als die vorherige "peak" Variable ist, der Prozess weiter zu Schritt 2.6 und führt fort, wie dies zuvor beschrieben ist. Durch Umgehen des Schritts 2.5 wird die "peak" Variable nicht zurückgesetzt, sondern vielmehr behält sie den Wert bei, welchen sie auch immer vor der vorliegenden Stromabtastung besaß. Schließlich wird, im Schritt 2.7, falls die Zähler-Zahl gleich zu der Zahl von Punkten in dem halben Zyklus ist, der Prozess abgeschlossen. Der Wert der "peak" Variablen und der Abschluss des Prozesses stellt dadurch den absoluten Wert der Peak Stromabtastung in deren zugeordnetem, halben Zyklus dar.
In 62 nun ist ein Flussdiagramm dargestellt, das das Zählungs-Steigungs-Änderungs-Unterprogramm, zugeordnet zu Schritt 3 des Flussdiagrammes der 60, darstellt. In Schritt 3.1 wird eine Variable "slope" ("Steigung") auf neutral initialisiert. Die "slope" Variable stellt die Steigung einer Linie dar, die von dem momentanen Peak in dem ersten, ausgewählten, halben Zyklus (bezeichnet als Variable "peak") zu dem momentanen Peak in einem zweiten, ausgewählten, halben Zyklus (bezeichnet als Variable "peak" eines Zyklus) gezogen ist. Vorzugsweise stellen die Variablen "peak" und "peak one cycle" die Strom-Peaks von aufeinanderfolgenden positiven (oder negativen) halben Zyklen dar.
In den Schritten 3.2 und 3.3 werden die Strom-Peaks in den ausgewählten, halben Zyklen miteinander verglichen, um zu bestimmen, ob sie eine wesentliche Steigungsänderung darstellen, definiert hier so, dass sie größer als 5% sind. Genauer gesagt wird das Verhältnis von "peak" zu "peak one cycle" im Schritt 3.2 evaluiert und das Verhältnis von "peak one cycle" zu "peak" wird im Schritt 3.3 evaluiert. Falls das Verhältnis, abgeleitet im Schritt 3.2, größer als 1,05 ist, wird die Steigungs-Variable als negativ bezeichnet (Schritt 3.4). Falls das Verhältnis, abgeleitet im Schritt 3.3, größer als 1,05 ist, wird die Steigungs-Variable als postiv bezeichnet (Schritt 3.5). Falls kein Verhältnis größer als 1,05 ist, verbleibt die Steigung als neutral bezeichnet.
Im Schritt 3.6 wird die Steigungs-Richtung, zugeordnet dem ausgewählten Paar von Halte-Zyklen, mit der Steigungs-Richtung des am nächsten, am kürzesten vorher liegenden Paars von Halb-Zyklen verglichen. Eine Änderung in der Steigung tritt dann auf, wenn sich die Steigungs-Richtungen in der Polarität ändern (z.B. von "positiv" zu "negativ", oder vice versa), und keiner der Peaks geringer als fünf Ampère beträgt. Strom-Peaks von weniger als 5 Ampère werden ignoriert, da sie nicht eine wesentliche, elektrische Gefahr darstellen. Falls im Schritt 3.6 bestimmt ist, dass eine Änderung in der Steigung aufgetreten ist, wird die Steigungsänderung im Schritt 3.7 durch Erhöhen einer "slope sum" ("Steigungs-Summe") Variable durch eine wahlweise Zahl, hier 10, gezählt. Im Schritt 3.8 wird die Variable "slope sum" mit 0,99 multipliziert, um den kumulativen Wert der "slope sum" Variablen um ein Prozent bei jedem Abtastpunkt der Wellenform zu verringern.
63 zeigt ein Flussdiagramm, das die Normierungs- und Autokorrelations-Unterprogramme, zugeordnet zu Schritt 4 in dem Flussdiagramm der 60, darstellt. Eine Normierung der Stromwerte vor einem Autokorrelieren davon ermöglicht der vorliegenden Erfindung, ein Problem zu vermeiden, das dem Stand der Technik zugeordnet ist, nämlich ein "falsches Auslösen" oder ein fehlerhaftes Anzeigen eines Lichtbogenfehlers in Abhängigkeit von Lastübergängen, verursacht durch, zum Beispiel, dem Starten eines elektrischen Motors. Da Lastübergangs-Änderungen in der Größe des Stroms zwischen Zyklen bewirken, sind Lichtbogenerfassungssysteme, die einen Lichtbogenfehler in Abhängigkeit von Änderungen in der Größe eines Stroms anzeigen oder zumindest konditional anzeigen, dahingehend wahrscheinlich, falsch in Abhängigkeit der Lastübergänge auszulösen. Durch Normieren der Stromwerte in jedem halben Zyklus auf ein Peak von "1", ist das Lichtbogenfehlererfassungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung auf Erhöhungen in der Größe im Strom, verursacht durch Lastübergänge, unempfindlich, um dadurch nicht wahrscheinlich dahingehend zu sein, falsch im Hinblick auf Lastübergänge auszulösen.
Im Schritt 4.1 wird bestimmt, ob die "peak" Variable einen rms Wert von weniger als 5 Ampère besitzt oder nicht. Falls er geringer als 5 Ampère ist, wird eine bool'sche Variable "Below 5A" als wahr bezeichnet (Schritt 4.2). Falls sie nicht geringer als 5 Ampère ist, wird die Variable "Below 5A" als falsch bezeichnet (Schritt 4.3). Eine Ganzzahl-Zähler-Zahl wird auf Null im Schritt 4.4 initialisiert.
Im Schritt 4.5 wird der abgetastete Strom von einem ausgewählten Halb-Zyklus, zugeordnet der Zähler-Zahl (bezeichnet als "samples[counter]"), mit dem abgetasteten Strom von einem vorherigen, halben Zyklus, zugeordnet derselben Zähler-Zahl, (bezeichnet "hold[Counter]"), verglichen. Zum Beispiel wird, in der zehnten Iteration, Abtastung "10", von dem vorliegenden Halb-Zyklus, mit der gespeicherten Strom-Abtastung "10" von dem vorherigen Halb-Zyklus verglichen. Danach werden, im Schritt 4.6 oder 4.7, die Stromabtastungen, zugeordnet der Zähler-Zahl in sowohl dem vorliegenden Zyklus als auch dem vorherigen Zyklus, durch Dividieren dadurch durch den Peak-Strom, zugeordnet dem vorherigen Zyklus, normiert, dann voneinander subtrahiert, um die Differenz zwischen dem normierten Strom von dem vorliegenden Zyklus zu dem vorherigen, halben Zyklus zu erhalten. Der kleinere der zwei normierten Werte wird von dem größeren der zwei normierten Werte subtrahiert, so dass die Differenz eine positive Zahl aufweist, die den absoluten Wert zwischen den zwei normierten Werten darstellt. Dieses Ergebnis wird durch die Variable "auto ratio" bezeichnet.
Im Schritt 4.8 wird, falls die "Below 5A" Variable wahr ist, die "auto ratio" Variable, die der Zähler-Zahl zugeordnet ist, auf Null im Schritt 4.9 gesetzt. Im Schritt 4.10 wird eine "auto sum" Variable, die die kumulative Summe der Verhältnisse von entsprechenden Stromabtastungen in den ausgewählten, halben Zyklen darstellt, um den Wert der "auto ratio" Variable, was zuvor beschrieben ist, erhöht. Die "hold[counter]" Variable, zugeordnet der Zähler-Zahl, wird dann auf den Wert der "samples[counter]" Variablen, zugeordnet der Zähler-Zahl, zurückgesetzt (Schritt 4.11), und die Zähler-Zahl wird um eins erhöht (Schritt 4.12). Falls die Zähler-Zahl geringer als die Zahl von Punkten pro halbem Zyklus ist (Schritt 4.13), kehrt der Prozess zu Schritt 4.5 mit der nächsten Stromabtastung zurück. Dieser Prozess wird dann abgeschlossen, wenn die Zähler-Zahl gleich zu der Zahl von Punkten in dem halben Zyklus ist. Der Wert der "auto sum" Variablen beim Abschluss des Prozesses stellt dadurch eine Messung von Formänderungen zwischen ausgewählten, halben Zyklen dar.
64 zeigt ein Flussdiagramm, das das Unterprogramm zum Zählen von Formänderungen, zugeordnet zu dem Schritt 5 in dem Flussdiagramm der 60, darstellt. Im Schritt 5.1 wird bestimmt, ob die "peak" Variable größer als die "last peak" Variable ist und die "last peak" Variable nicht gleich zu Null ist. Danach wird, im Schritt 5.2 oder 5.3, das Verhältnis des vorliegenden Peaks mit dem letzten Peak (bezeichnet durch eine Variable "peak ratio") berechnet. Als nächstes wird, im Schritt 5.4, bestimmt, ob die "auto sum" Variable, beschrieben in Bezug auf 63, größer als ein Lichtbogen-Schwellwert und geringer als ein Lichtbogen-Cutoff-Wert ist. Der Lichtbogen-Schwellwert ist, wie zuvor beschrieben ist, vorzugsweise auf eine Erfassung von 16 signifikanten Wellenformenänderungen pro Sekunde basierend. Der Lichtbogen-Cutoff-Wert ist auf eine Erfassung einer übermäßig großen Zahl von signifikanten Formänderungen basierend, die Lastfluktuationen, im Gegensatz zu Lichtbogen, anzeigen. Im Schritt 5.5 wird bestimmt, ob das Peak-Verhältnis geringer als 1,10 ist. Falls die Antwort in beiden Schritten 5.4 und 5.5 dahingehend bestimmt wird, dass sie ja ist, ist eine wesentliche Formänderung aufgetreten und eine "auto sum sum" Variable wird durch eine wahlweise Zahl (24) im Schritt 5.6 erhöht. Im Schritt 5.7 wird die "auto sum sum" Variable mit 0,98 multipliziert, um den kumulativen Wert der "auto sum sum" Variable um zwei Prozent bei jedem Abtastpunkt der Wellenform zu verringern.
In 65 nun ist ein Flussdiagramm dargestellt, das die Prüfung für ein Auslöse-Bedingungs-Unterprogramm darstellt, das dem Schritt 6 in dem Flussdiagramm der 60 zugeordnet ist. Falls die Zahl von signifikanten Formänderungen, dargestellt durch die "auto sum sum" Variable, größer als ein Auslöse-Schwellwert-Pegel ist (Schritt 6.1) und die Zahl von Steigungsänderungen, dargestellt durch die "slope sum" Variable, größer als ein Steigungs-Schwellwert-Pegel ist (Schritt 6.2), wird ein Auslösesignal erzeugt, um den Schaltungsunterbrecher auszulösen (Schritt 6.3). Der Schaltungsunterbrecher wird auch ausgelöst, wenn die Steigungssumme größer als ein Steigungsüberlaufpegel ist (Schritt 6.4). Falls keine der Auslöse-Bedingungen auftritt, wird der Peak-Strom der am kürzesten vorher liegenden Halb-Zyklen in dem Speicher in den Schritten 6.6 und 6.7 gespeichert, und der gesamte Prozess eines Erfassens von Lichtbogenfehlern fährt mit darauffolgenden Halb-Zyklen fort.
Die Unterprogramme, die in Bezug auf 61 bis 65 beschrieben sind, können vielleicht am besten unter Bezugnahme auf die Reihe von Wellenformen, dargestellt in den 66 und 67, verstanden werden. 66 zeigt die Wellenformen, die der Erfassung von Steigungsänderungen zugeordnet sind, und 67 zeigt die Wellenformen, die der Erfassung von Formänderungen zugeordnet sind. Wie zunächst 66 zeigt, stellt eine Wellenform 1540 die "peak" Variable, die in Bezug auf 61 diskutiert ist, dar. Die "peak" Variable stellt den Wert der Strom-Abtastung dar, die die größte, absolute Größe in deren zugeordnetem, halben Zyklus besitzt. Demzufolge ist die Wellenform 1540 aus einem diskreten Wert pro Zyklus aufgebaut oder 12 diskreten Werten pro jedem Zehntel einer Sekunde. Wie in 66 dargestellt ist, besitzt die "peak" Wellenform 1540 einen minimalen Wert von Null Ampère (entsprechend einer Referenz-Position "0" in 66) und einen maximalen Wert von ungefähr zehn Ampère (entsprechend einer Referenz-Position "10" in 66).
Die Wellenform 1542 stellt die Steigung der Strom-Peaks von einem halben Zyklus zu dem vorherigen halben Zyklus dar. Wie zuvor definiert ist, wird die Steigung dadurch berechnet, indem das Verhältnis des Strom-Peaks in einem halben Zyklus zu dem Strom-Peak in dem vorherigen, halben Zyklus berechnet wird. Die Verhältnisse, die oberhalb der Linie fallen, stellen "positive" Steigungen dar, und die Verhältnisse, die unterhalb der Linie fallen, stellen "negative" Steigungen dar. Die Wellenform 1542 wird auf Null Prozent zentriert (entsprechend einer Referenz-Position "20" in 66), und fluktuiert zwischen einem minimalen Wert von ungefähr minus zwei Prozent (entsprechend einer Referenz-Position "10") und einem maximalen Wert von ungefähr plus zwei Prozent (entsprechend zu einer Referenz-Position "30").
Die Wellenform 1544 weist eine Reihe von Impulsen auf, die anzeigen, ob sich die Steigungen der Wellenform 1542 in der Polarität geändert hat (z.B. von "positiv" zu "negativ", oder vice versa), und zwar von Zyklus zu Zyklus. Wie in Bezug auf 62 beschrieben ist, werden Steigungsänderungen nur dann angezeigt, wenn sich die Peak-Ströme zwischen Zyklen um mindestens 5% unterscheiden und falls der Peak-Strom nicht geringer als 5 Ampère rms ist. Wie in 66 dargestellt ist, weist die Wellenform 1544 eine Reihe von binären Null'en auf (entsprechend einer Referenz-Position "40"), was anzeigt, dass eine Steigungsänderung nicht aufgetreten ist, und von binären "Eins'en" (entsprechend einer Referenz-Position "45"), was anzeigt, dass eine Steigungsänderung aufgetreten ist.
Die Wellenform 1546 stellt die "slope sum" Variable dar, die in Bezug auf 62 beschrieben ist, eine Zählung von signifikanten Steigungs-Änderungen von Zyklus zu Zyklus aufweisend. Wie in 66 dargestellt ist, besitzt die "slope sum" Wellenform einen minimalen Wert von Null (entsprechend einer Referenz-Position "50") und einen maximalen Wert von ungefähr dreißig (entsprechend einer Referenz-Position "80"). Ein erstes Auslöse-Kriterium für ein Lichtbogenfehlererfassungssystem wird dann getriggert, wenn die "slope sum" Variable gleich zu fünfzehn signifikanten Steigungsänderungen pro Sekunden ist oder diese übersteigt (entsprechend zu einer y-Achsen-Referenz "65").
In 67 nun stellt eine Wellenform 1550 den Strom i(t) an dem Leitungs-Leiter dar, eine AC-Wellenform bei einer Frequenz von 60 Hz über einen Zeitintervall von 0,0 Sekunden hinweg aufweisend. Jeder Zyklus besitzt einer Periode von 1/60 einer Sekunde, oder 16,67 Millisekunden. Dementsprechend sind dabei 6 volle Zyklen (oder 12 Halb-Zyklen) alle Zehntel einer Sekunde vorhanden. Die i(t) Wellenform wird auf Null Ampère zentriert (entsprechend zu einer y-Achse-Referenz "–10"), und Zyklen zwischen einem minimalen Wert von ungefähr minus 10 Ampère (entsprechend zu einer Referenz-Position "–20") und einem maximalen Wert von ungefähr plus 10 Ampère (entsprechend zu einer Referenz-Position "0").
Die Wellenform 1552 stellt den Wert der "auto ratio" Variablen, die in Bezug auf 63 diskutiert ist, dar. Die "auto ratio" Variable stellt die Differenzen zwischen dem normierten Strom von der Abtastungs-Position in einem halben Zyklus zu derjenigen der entsprechenden Abtast-Position in dem vorherigen, halben Zyklus dar, ausgedrückt als ein Prozentsatz. Die "auto ratio" Wellenform 1552 stellt dadurch eine Mehrzahl von individu ellen "auto ratio" Variablen dar, 32 pro halbem Zyklus, entsprechend zu der Zahl von Abtastungen, die von der i(t) Wellenform 1550 herangezogen sind. Wie in 67 dargestellt ist, besitzt die "auto ratio" Wellenform 1552 einen minimalen Wert von Null Prozent (entsprechend einer Referenz-Position "0") und einen maximalen Wert von ungefähr zwanzig Prozent (entsprechend einer Referenz-Position "10").
Die Wellenform 1554 stellt die "auto sum" Variable, die in Bezug auf 3c diskutiert ist, da. Die "auto sum" Variable wird durch Aufsummieren der "auto ratio" Wellenform 1552 in jedem halben Zyklus berechnet. Demzufolge liefert die "auto sum" Wellenform 1554 eine Messung der Anzahl von Formänderungen pro halbem Zyklus, einen diskreten Wert pro halbem Zyklus, oder 12 Werte für jedes Zehntel einer Sekunde, aufweisend. Wie in 67 dargestellt ist, besitzt die "auto sum" Wellenform 1554 einen minimalen Wert von Null (entsprechend einer Referenz-Position "10") und einen maximalen Wert von ungefähr acht (entsprechend einer Referenz-Position "50").
Die Wellenform 1556 stellt die "auto sum sum" Variable, diskutiert in Bezug auf 3d, dar. Wie vorstehend diskutiert ist, ist die Größe der "auto sum sum" Variablen davon abhängig, ob die "auto sum" Wellenform 1554 größer als ein Lichtbogen-Schwellwert-Wert oder geringer als ein Lichtbogen-Cutoff-Wert ist, und ob das Verhältnis von Strom-Peaks von Zyklus zu Zyklus geringer als 10% beträgt. Falls diese Bedingungen erfüllt sind, ist eine wesentliche Formänderung aufgetreten, und die "auto sum sum" Variable wird entsprechend erhöht. Wie in 67 dargestellt ist, besitzt die "auto sum sum" Wellenform 1556 einen minimalen Wert von Null (entsprechend einer Referenz-Position "50") und einen maximalen Wert von ungefähr zwölf oder dreizehn (entsprechend einer Referenz-Position "75"). Ein zweites Auslöse-Kriterium für das Lichtbogenfehlererfassungssystem wird dann getriggert, wenn die "auto sum sum" Variable 1556 gleich zu drei signifikanten Formänderungen pro Sekunde ist oder diese übersteigt (entsprechend einer Referenz-Position "56").
Während bestimmte Ausführungsformen und Anwendungen der vorliegenden Erfindung dargestellt und beschrieben worden sind, wird verständlich werden, dass, die Erfindung nicht auf dem präzisen Aufbau und die Zusammensetzungen, die hier offenbart sind, eingeschränkt ist, und dass verschiedene Modifikationen, Änderungen und Variationen aus den vorstehenden Beschreibungen ersichtlich werden, ohne den allgemeinen Gedan ken und den Schutzumfang der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, zu verlassen.

Claims

Integriertes Schutzsystem für ein elektrisches Verteilungssystem, umfassend eine Schalttafel (210) zum Aufnehmen und Verteilen von Strom von einer Nutzquelle, wobei die Schalttafel (210) den Strom über mindestens einen Leitungsbus und einen neutralen Bus aufnimmt, wobei die Schalttafel (210) den Strom von dem mindestens einen Leitungsbus und dem neutralen Bus zu einer Vielzahl von Verzweigungsschaltungen verteilt, die jeweils Leitungs- (16a, 16b, ... 16n) und neutrale Leiter (18a, 18b, ... 18n) zum Zuführen des Stroms zu einer Last (20a, 20b, ... 20n) haben, wobei jeder der Leitungs-Leiter (16a, 16b, ... 16n) elektrisch mit einem der mindestens einen Leitungsbusse verbunden ist, wobei jeder der neutralen Leiter (18a, 18b, ... 18n) elektrisch mit dem neutralen Bus verbunden ist, wobei die Schalttafel (210) ein Gestell umfasst, das eine Vielzahl von Positionen zum Anbringen von Schaltungsschutzvorrichtungen an einer entsprechenden Vielzahl der Verzweigungsschaltungen besitzt, wobei das integrierte Schutzsystem aufweist: mindestens einen Leitungsunterbrecher (22a, 22b, ... 22n), befestigt an einer entsprechenden mindestens einen der Positionen in dem Gestell zum Trennen der Last von der Stromquelle in irgendeiner der ausgewählten Verzweigungsschaltungen, in denen ein Lichtbogenfehler erfasst worden ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Lichtbogenfehlerdetektormodul (10a, 10b, ... 10n) an einer entsprechenden mindestens einen der Positionen in dem Gestell zum Erfassen des Auftretens von Lichtbogenfehlern in einer ausgewählten Anzahl von Verzweigungsschaltungen angebracht ist; und ein Isolationsmodul (24a, 24b, ... 24n und/oder 25a, 25b, ... 25n) elektrisch mit dem mindestens einen Leitungsbus und einem neutralen Bus an einer Seite der Stromquelle des Lichtbogenfehlerdetektormoduls (10a, 10b, ... 10n) verbunden ist, wobei das Isolationsmodul (24a, 24b, ... 24n und/oder 25a, 25b, ... 25n) so angepasst ist, um elektrisch Lichtbogenfehlersignale zu der Verzweigungsschaltung hin, in der sie aufgetreten sind, zu isolieren.
Integriertes Schutzsystem nach Anspruch 1, wobei jeder der mindestens einen Leitungsunterbrecher (22a, 22b, ... 22n) elektrisch zwischen einem der Leitungsbusse und einem Leitungs-Leiter (16a, 16b, ... 16n) einer der ausgewählten Verzweigungsschaltungen verbunden ist, wobei jedes der mindestens einen Lichtbogenfehlerdetektormodule (10a, 10b, ... 10n) an dem Leitungs-Leiter (16a, 16b, ... 16n) einer jeweiligen einen der ausgewählten Verzweigungsschaltungen positioniert ist.
Integriertes Schutzsystem nach Anspruch 2, wobei jeder der mindestens einen Leitungsunterbrecher (22a, 22b, ... 22n) einen Schaltkreistrennschalter aufweist.
Integriertes Schutzsystem nach Anspruch 3, wobei jedes der mindestens einen Lichtbogenfehlerdetektormodule (10a, 10b, ... 10n) einen Schaltungsunterbrecher umfasst, der so angepasst ist, um einen elektrischen Strom in Abhängigkeit von Lichtbogenfehlern in einer jeweiligen einen der ausgewählten Verzweigungsschaltungen zu unterbrechen.
Integriertes Schutzsystem nach Anspruch 1, wobei das Isolationsmodul (24a, 24b, ... 24n und/oder 25a, 25b, ... 25n) eine Überspannungsschutzschaltung zum Schützen des elektrischen Verteilungssystems gegen Spannungsstöße umfasst.