DE4318189A1

DE4318189A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Überwachung einer Schalterstellung

Info

Publication number: DE4318189A1
Application number: DE4318189A
Authority: DE
Inventors: Ron Dijk; Markus Meng
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG
Priority date: 1993-06-01
Filing date: 1993-06-01
Publication date: 1994-12-08
Also published as: JPH0715894A; JP3519447B2; US5585678A; EP0631360A2; EP0631360A3; EP0631360B1; ATE160908T1; DE59404707D1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Schutztech nik und Stationsleittechnik.

Sie geht aus von einer Vorrichtung zur Überwachung der Schalterstellung eines Schalters nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs. Im weiteren betrifft sie ein Verfahren zur Überwachung einer Schalterstellung.

Stand der Technik

Vorrichtungen zur Überwachung einer Schalterstellung wer den beispielsweise für Hoch- und Mittelspannungsschaltan lagen verwendet. Der Hochspannungsschalter muß überwacht werden und weist zu diesem Zweck eine Reihe von mecha nisch mit dem Hochspannungsschalter gekoppelten Hilfs schaltern auf. Die Hilfsschalter stehen in Verbindung mit einer Hilfsspannungsquelle. Die Hilfsspannungsquelle ist vorzugsweise als Niederspannungsquelle ausgeführt. Aus der Schalterstellung des Hilfsschalters kann wegen der mechanischen Kopplung direkt auf die Schalterstellung des Hochspannungsschalters geschlossen werden. Dies bringt den großen Vorteil mit sich, daß für die Detektion der Schalterstellung keine hohen Spannungen gehandhabt werden müssen.

Die Hilfsspannungsquellen sind nun aber von Anlage zu An lage verschieden, so daß für jede Anlage eine spezielle Überwachungseinrichtung hergestellt werden muß.

Ähnliche Probleme wie bei der Schalterüberwachung treten bei einer Überwachungseinrichtung auf, welche in der EP- B1 0 160 235 beschrieben wird. Die Erfindung nach der dieser Schrift löst die Aufgabe, den Auslösekreis eines Leistungsschalters auf Unterbrechung der Zuleitungen und auf Kurzschluß der Auslösespule zu überwachen, ohne daß eine eigene Stromversorgung für die Überwachungseinrich tung erforderlich ist. Dabei soll der Auslösekreis an un terschiedliche Speisespannungen anschließbar sein.

Zur Stromversorgung des Überwachungseinrichtung wird des halb zweckmäßigerweise die Auslösespannung der Anlage verwendet. Die Stromaufnahme der Überwachungseinrichtung ist konstant, so daß die Anpassung an verschiedene Aus lösespannungen mittels Vorwiderständen möglich ist. Damit muß zwar nicht mehr eine spezielle Schaltung für jede Anlage ausgelegt werden, die Schaltungen müssen jedoch immer noch nachträglich an die Hilfsspannungsquellen an gepaßt werden.

Für die automatisierte Herstellung solcher Schaltungen wäre es jedoch wünschenswert, wenn die Schaltungen nicht einmal mehr angepaßt werden müßten. Im weiteren wäre es wünschenswert, wenn nicht nur die binäre Information "offen/geschlossen" sondern auch die Höhe der Hilfsspan nung detektiert und übertragen werden könnte.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung zur Überwachung der Schalterstellung eines Schalters anzugeben, welche für jede Hilfsspannungsquelle geeignet ist, ohne noch speziell angepaßt werden zu müs sen. Im weiteren soll auch die Höhe der Hilfsspannung de tektiert werden können.

Diese Aufgabe wird bei einer Überwachungseinrichtung der eingangs genannten Art durch die Merkmale des ersten An spruchs gelöst.

Im weiteren soll ein Verfahren zur Umwandlung der Schal terstellung in ein elektrisches Signal angegeben werden. Dies wird durch die Merkmale des neunten Anspruchs ge löst.

Kern der Erfindung ist es also, daß die Hilfsspannung Uo bei geschlossenem Schalter in eine pulsdauermodulierte Impulsfolge umgewandelt wird, deren Einschaltdauer mit zunehmender Höhe der Hilfsspannung abnimmt. Mit anderen Worten je kleiner die Hilfsspannung Uo ist, desto größer ist die Einschaltdauer.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfassen die er sten Mittel ein Anpassungsnetzwerk und einen Signalwand ler. Die Umwandlung der Spannung Uo in eine pulsdauermo duliertes Signal erfolgt mittels eines A/D-Wandlers und eines Pulsdauer-Modulators. Bevorzugterweise wird das Si gnal von den zweiten Mitteln mittels eines Optokopplers auf eine Sekundärseite übertragen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß in einem ersten Schritt die Hilfsspannung in ein digitales Signal umgewandelt wird und dieses digitale Signal anschließend periodisch in eine pulsdauermodu lierte Impulsfolge transformiert wird, wobei die Ein schaltdauer der Impuls folge mit zunehmender Höhe der Hilfsspannung kleiner wird.

Der Zusammenhang zwischen der Einschaltdauer der Impuls folge und der Höhe der Hilfsspannung wird besonders ein fach, wenn die Einschaltdauer mit zunehmender Höhe der Hilfsspannung linear abnimmt.

Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den Un teransprüchen.

Der große Vorteil der Erfindung liegt darin, daß für jede Hilfsspannungsquelle dieselbe Schaltung verwendet werden kann. Nicht einmal eine Abstimmung der Überwa chungseinheiten mittels Vorwiderständen ist mehr nötig. Demzufolge kann die Herstellung der Überwachungseinheiten einfach automatisiert werden. Dieser Umstand widerspie gelt sich direkt in einem kostengünstigen Herstellungs preis und in erhöhter Zuverlässigkeit. Darüberhinaus kann aus der Einschaltdauer des pulsdauermodulierten Signals direkt auf die Höhe der Hilfsspannung geschlossen werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei spielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläu tert.

Es zeigen:

Fig. 1 Ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung;

Fig. 2 Eine Schaltungsanordnung einer Ausführungsform der ersten Mittel;

Fig. 3 Eine Ausführungsform der zweiten Mittel;

Fig. 4 Ein Blockdiagramm des Signalwandlers; sowie

Fig. 5 Die Einschaltdauer des pulsdauermodulierten Si gnals in Abhängigkeit der Spannung Uo.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und de ren Bedeutung sind in der Bezeichnungsliste zusammenge faßt aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemä ßen Überwachungsvorrichtung. Mit (1) ist ein Schalter be zeichnet. Dies kann beispielsweise ein Hilfsschalter ei nes Hochspannungsschalters sein. Dieser Hilfsspannungs schalter ist mechanisch mit dem Hochspannungsschalter ge koppelt, so daß aus der Stellung des Hilfsschalters in einfacher Weise auf die Stellung des Hochspannungsschal ters geschlossen werden kann. Solche Hilfsschalter sind von großer Bedeutung, ermöglichen sie doch die Überwa chung eines Hochspannungsschalters auf kleinem Leistungs niveau.

Zur Überwachung der Schalterstellung des Schalters (1) ist dieser mit einer Hilfsspannungsquelle (2) verbunden, welche bei geschlossenem Schalter eine Spannung Uo ab gibt. Mit dem Schalter (1) und der Hilfsspannungsquelle (2) sind erste Mittel (3) verbunden. Diele ersten Mittel (3) detektieren die Schalterstellung des Schalters (1) und wandeln die anhaftende binäre Information in ein elektrisches Signal um.

Dieses elektrische Signal wird von den zweiten Mitteln (4) auf eine vorzugsweise galvanisch getrennte Sekundär seite übertragen. Auf dieser Sekundärseite wird das über tragene elektrische Signal ausgewertet. Die Übertragung erfolgt vorzugsweise mittels Optokopplern. Andere galva nisch getrennte Übertragungsarten sind jedoch auch denk bar.

Da nun aber Schaltanlagen von Fall zu Fall verschiedene Hilfsspannungen aufweisen, müssen die Überwachungsein richtungen von Hand und vor Ort an die vorhandene Hilfs spannung angepaßt werden. Andernfalls würden für ver schiedene Spannungen unterschiedliche Ansteuerströme des Optokopplers resultieren. Damit dies nicht der Fall ist, werden die Schaltungen beim Stand der Technik wie z. B. in der eingangs genannten Schrift mittels Vorwiderständen angepaßt.

Eine solche Anpassung ist aber erstens zeitaufwendig und verhindert zweitens eine automatisierte Herstellung von standardisierten Überwachungseinrichtungen. Die erfin dungsgemäße Überwachungseinrichtung soll es nun ermögli chen, daß für verschieden Hilfsspannungen ein einziger Schaltungstyp verwendet werden kann, ohne daß dieser noch angepaßt werden muß.

Dies wird dadurch erreicht, daß die Hilfsspannung, wel che bei geschlossenem Schalter am Eingang der ersten Mit tel (3) liegt, in eine pulsdauermodulierte Impulsfolge umgewandelt wird, deren Einschaltdauer mit zunehmender Höhe der Hilfsspannung abnimmt. Damit ist gewährleistet, daß die Übertragungsmittel (4) mit einer im wesentlichen hilfsspannungsunabhängigen Leistung angesteuert werden.

Eine Anpassung der Schaltung an die Hilfsspannungsquelle entfällt damit ganz.

Als weiterer Vorteil kann die Codierung der Hilfsspannung in eine Pulsdauermodulation in den Auswertmitteln (5) rückgängig gemacht, d. h. decodiert werden. Damit erhält man nicht nur eine hilfsspannungsunabhängige Übertragung der Schalterstellung des Schalters (2), sondern gleich zeitig auch noch eine Information über die Höhe der Hilfsspannung.

Üblicherweise werden Hilfsspannungen von 24 V bis 250 V verwendet. Diese Spannung weist im schlechtesten Fall ein Toleranz von 125% auf, so daß mit Spannungen von 18 V bis 312 V gerechnet werden muß.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Detektions- und Umwandlungsmittel (3). Diese ersten Mittel (3) sind aus einem Anpassungsnetzwerk (6) und einem Signalwandler (7) aufgebaut.

Das Anpassungsnetzwerk (6) besteht im wesentlichen aus einem Spannungsbegrenzer (T1), einem Spannungsteiler (R1, R2, C1) und einer Diode (D1). Der Spannungsbegrenzer schützt die Überwachungsanordnung vor Überspannung, indem es die an seinem Eingang anliegende Spannung auf z. B. ± 450 V begrenzt.

Im Normalfall liegt bei geschlossenem Schalter die Hilfs spannung Uo an. Diese wird im Spannungsteiler (R1, R2, C1) durch einen durch die Größe der Widerstände (R1, R2) bestimmten Faktor geteilt. Der Kondensator (C1) dient zur Spannungsglättung. Diese geteilte Spannung wird an den Signalwandler weitergegeben.

Die Hilfsspannung ist zudem über eine Gleichrichterdiode (D1) mit einem Transistor (T2) - vorzugsweise ein Feldef fekttransistor - verbunden. Zusammen mit dem Widerstand (R3) wirkt dieser Transistor als Stromquelle. Dieser Strom fließt durch die Zenerdiode (D2). Dadurch erhält man einer konstante Spannung, welche mittels des Konden sators (C2) geglättet wird und als stabile Spannungsver sorgung für den Signalwandler (7) dient.

In Fig. 4 ist ein Blockdiagramm des Signalwandlers (7) dargestellt. Der Signalwandler (7) umfaßt im wesentli chen einen Oszillator (9), einen A/D-Wandler (8) und einen Pulsdauermodulator (19). Die Hilfsspannung wird im Spannungsteiler (R1, R2, C1) auf ein verarbeitbares Ni veau abgesenkt. Der Ausgang des Spannungsteilers steht mit dem Eingang des A/D-Wandlers (8) in Verbindung. Der A/D-Wandler (8) wird durch den Oszillator (9) getaktet. Er wandelt die anliegende, der Hilfsspannung Uo entspre chende Spannung in ein digitales Signal um, welches über mehrere Leitungen an den Pulsdauer-Modulator (10) weiter gegeben wird.

Der Pulsdauer-Modulator (10) wandelt das digitale Signal des A/D-Wandlers in eine pulsdauermodulierte Impulsfolge um, deren Einschaltdauer oder Duty-Cycle abhängig vom Wert des anliegenden digitalen Signals ist. Diese Impuls folge wird an den Ausgang des Pulsdauermodulators (10) weitergegeben.

Auf diese Weise wird bei geschlossenem Schalter die Hilfsspannung Uo in eine pulsdauermodulierte Impulsfolge umgewandelt. Da nur eine Spannung an den ersten Mitteln (3) anliegt, falls der Schalter (1) geschlossen ist, kann also aus dem Vorhandensein einer pulsdauermodulierten Im pulsfolge auf die Schalterstellung geschlossen werden.

Fig. 5 zeigt eine bevorzugte Codierungsvorschrift für den Pulsdauermodulator (10). Bei ganz kleinen Spannungs werten (theoretisch gegen 0 V) weist die Impulsfolge eine Einschaltdauer von 50% auf. Bis zu einer bestimmten Maxi malspannung (Umax) wird die Einschaltdauer linear mit steigender Spannung gesenkt. Ab der Grenzspannung (Umax) wird die Einschaltdauer konstant auf dem minimalen Wert (DCmin < 0%) gehalten. Dadurch wird es möglich, zwischen 0 V, d. h. keine Spannung am Signalwandler und damit kein Signal, und maximaler Spannung, d. h. ein Signal mit 0% Einschaltdauer und damit auch kein Signal, zu unterschei den. Selbstverständlich sind aber auch nicht-lineare Co dierungsvorschriften denkbar. Im übrigen kann die Codie rung in den Auswertmitteln rückgängig gemacht werden, und somit auf die Höhe der Hilfsspannung geschlossen werden.

Der Signalwandler (7) ist in einem bevorzugten Ausfüh rungsbeispiel in einem ASIC integriert. Dadurch kann viel Platz eingespart, und die Zuverlässigkeit des Signalwand lers (7) erhöht werden.

Mit dieser Impulsfolge werden nun die zweiten Mittel (4) angesteuert. Wie Fig. 3 zeigt, bestehen diese Mittel (4) vorzugsweise aus einem Optokoppler (OC). Der pulsförmige Strom der Leuchtdiode des Optokopplers (OC) weist somit eine Einschaltdauer auf, welche mit zunehmender Höhe der Hilfsspannung abnimmt. Damit kann die Überwachungsein richtung für beliebige Hilfsspannungsquellen (2) verwen det werden.

An der Sekundärseite des Optokopplers (OC) sind die drit ten Mittel (5) zur Auswertung der übertragenen Informa tion angeschlossen. Diese Mittel (5) können beispiels weise einen Microcomputer umfassen.

Der Optokoppler (OC) belastet natürlich die Stromversor gung des Signalwandlers (7). Damit verstellt sich die Re ferenzspannung des A/D-Wandlers. Damit die Messung im A/D-Wandler dennoch möglichst genau erfolgen kann, wird dieser so gesteuert, daß er die anliegende Spannung im mer dann umwandelt, wenn der Optokoppler nicht angesteu ert wird, mit anderen Worten während der nicht ausgenütz ten Hälfte der Einschaltdauer der Impulsfolge. Zudem kann auch die Anstiegszeit des Optokopplers in diesen Bereich verlegt werden. Damit können langsame, d. h. billige Opto koppler eingesetzt werden.

Damit der Zeitpunkt des Schließens des Schalters (1) möglichst genau gemessen werden kann, steuert der Puls dauermodulator (10) den Optokoppler vorzugsweise derart an, daß der Optokoppler unmittelbar nach dem Schließen des Schalters eingeschaltet wird. Andernfalls würde sich eine kurze Verzögerungszeit ergeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt einen ersten Schritt, in welchem die Hilfsspannung Uo, welche in Ver bindung mit dem Schalter (1) steht, in ein digitales Si gnal umgewandelt wird. Das digitale Signal wird in einem zweiten Schritt in eine pulsdauermodulierte Impulsfolge transformiert, deren Einschaltdauer mit zunehmender Höhe der Hilfsspannung abnimmt.

Die Vorschrift für die Umwandlung in eine pulsdauermodu lierte Impulsfolge entspricht dabei der oben erläuterten Codierung.

Insgesamt steht also mit der Erfindung eine Schalter- Überwachungseinrichtung zur Verfügung, welche ohne Anpas sung für unterschiedliche Hilfsspannungen verwendet wer den kann. Damit kann die Herstellung solcher Einrichtun gen auf einfache Weise standardisiert werden. Zudem wird nicht nur die binäre Information über die Schalterstel lung, sondern auch die Höhe der Hilfsspannung detektiert und übertragen.

Bezugszeichenliste

1 Schalter
2 Hilfsspannungsquelle
3 erste Mittel
4 zweite Mittel
5 dritte Mittel
6 Anpassungsnetzwerk
7 Signalwandler
8 A/D-Wandler
9 Oszillator
10 PWM-Modulator
T1 Spannungsbegrenzer
T2 MOSFET
R1-R4 Widerstände
C1-C3 Kondensatoren
D1 Gleichrichterdiode
D2 Zenerdiode
Uo Hilfsspannung
U1 reduzierte Hilfsspannung
U2 geregelte Spannung
OC Optokoppler
DCmin Minimale Einschaltdauer
Umax obere Spannungsgrenze
DC Einschaltdauer (Duty-Cycle)

Claims

1. Vorrichtung zur Überwachung der Schalterstellung eines Schalters (1) umfassend

a) eine Hilfsspannungsquelle (2), welche in Verbindung mit dem Schalter (1) steht und bei geschlossenem Schalter (1) eine bestimmte Spannung Uo abgibt;
b) erste Mittel (3) zur Detektion der Schalterstellung sowie zur Umwandlung der detektierten Schalterstel lung in ein elektrisches Signal, wobei die ersten Mittel (3) mit dem Schalter (1) und der Hilfsspan nungsquelle (2) verbindbar sind, derart daß bei geschlossenem Schalter die Spannung Uo an den er sten Mitteln (3) anliegt;
c) zweite Mittel (4) zur Übertragung des elektrischen Signals, welche zweiten Mittel (4) mit den ersten (3) verbindbar sind, wobei
d) die ersten und zweiten Mittel (3 bzw. 4) von der Hilfsspannungsquelle (2) mit elektrischer Energie versorgt werden; und
e) dritte Mittel (5) zur Auswertung des von den zwei ten Mitteln (4) übertragenen elektrischen Signals; dadurch gekennzeichnet, daß
f) die ersten Mittel (3) bei geschlossenem Schalter (1) die anliegende Spannung Uo in eine pulsdauermo dulierte Impulsfolge bestimmter Einschaltdauer um wandeln, wobei
g) die Einschaltdauer je kürzer ist, um so höher die Spannung Uo ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Mittel (3) ein Anpassungsnetzwerk (6) und einen Signalwandler (7) umfassen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

a) das Anpassungsnetzwerk (6) umfaßt:
i) einen Spannungsbegrenzer (T1), einen Spannungs teiler (R1-R2, C1), welcher die Spannung Uo auf den Wert U1 reduziert, sowie eine Diode (D1);
ii) einen Spannungsregler im wesentlichen bestehend aus einer Stromquelle (T2, R3), einer Zenerdi ode (D2) sowie Glättungskondensatoren (C2-C3) und einem Anpaßwiderstand (R4), welcher Span nungsregler eine geregelte Spannung U2 abgibt; wobei
iii) der Spannungsbegrenzer mit der Hilfsspannungs quelle verbunden ist, und der Spannungsregler über die Diode (D1) mit dem Spannungsbegrenzer verbunden ist;
b) der Signalwandler (7) vom Spannungsregler gespeist wird und zudem mit dem Ausgang des Spannungsteilers verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalwandler (7) umfaßt:

a) einen A/D-Wandler (8), dessen Eingang mit dem Aus gang des Spannungsteilers verbunden ist und welcher A/D-Wandler (8) die an seinem Eingang anliegende Spannung U1 in ein digitales Signal umwandelt und an seinen Ausgang gibt;
b) einen pulsdauer-Modulator (10), dessen Eingang mit dem digitalen Ausgang des A/D-Wandlers (8) in Ver bindung steht und das digitale Ausgangssignal des A/D-Wandlers (8) periodisch in eine pulsdauermodu lierte Impulsfolge umwandelt und an seinen Ausgang gibt; sowie
c) einen Oszillator (9), welcher ein Clock-Signal ab gibt, durch welches der A/D-Wandler (8) und der pulsdauer-Modulator (10) getaktet werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3, oder 4, dadurch ge kennzeichnet, daß der Signalwandler (7) in einem ASIC integriert ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Mittel (4) einen Optokoppler (OC) um fassen, welcher durch den Spannungsregler gespeist und durch die pulsdauermodulierte Impulsfolge des Pulsdau ermodulators (10) angesteuert, d. h. ein- und ausge schaltet wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Pulsdauermodulator (10) den Optokoppler (OC) der art ansteuert, daß der Optokoppler (OC) unmittelbar nach Schließen des Schalters (1) eingeschaltet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Einschaltdauer der pulsdauermo dulierten Impulsfolge linear mit zunehmender Höhe der Hilfsspannung Uo abnimmt.

9. Verfahren zur Überwachung einer Schalterstellung eines Schalters (1), wobei

a) der Schalter (1) mit einer Hilfsspannungsquelle (2) verbunden ist, welche Hilfsspannungsquelle (2) eine bestimmte Spannung Uo abgibt; dadurch gekennzeichnet, daß
b) bei geschlossenem Schalter die Spannung Uo peri odisch in ein digitales Signal umgewandelt wird und anschließend
c) das digitale Signal in ein pulsdauermoduliertes Si gnal umgewandelt wird, wobei
d) die Einschaltdauer des pulsdauermodulierten Signals je kleiner gewählt wird, um so höher die Spannung Uo ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Einschaltdauer des pulsdauermodulierten Signals für eine obere Grenze (Umax) der Spannung Uo auf einen minimalen Wert (DCmin) begrenzt wird;
b) die Einschaltdauer für Uo = 0 V auf 50% begrenzt wird und zwischen 50% und dem minimalen Wert (DCmin) linear abnimmt.