CN1138288C - 确定开关装置和／或电网运行的特定数据的方法及设备 - Google Patents

Abstract

一种用于确定开关装置中触头处的开关装置特定数据和/或与开关装置连接的电网内的特定运行数据的方法，该方法包括检测在开关路径长度中的所谓触头弹回行程，尤其对接触器的触头可作为触头磨损的等效判别标准。测量在断路过程中弹回行程的变化，可以用于确定磨损并可以转换为触头的触头剩余寿命。为此需要准确测量从衔铁开始运动到触头开始断开的衔铁运动。根据弹回行程检测信号附加地检测开关装置和电网上的开关状态。还提供一种用于实现该方法的设备。

Description

确定开关装置和/或电网运行的特定数据的方法及设备

本发明涉及一种用于确定在开关装置触头处，尤其是接触器触头处的开关装置特定数据和/或确定与之连接的电网内特定运行数据的方法，其中检测触头间隔处的所谓触头弹回行程作为磨损的等效判别标准，为了确定触头接触面的磨损，测量断路过程中触头弹回行程的变化并换算出剩余寿命，为此在由衔铁、电激磁线圈及所属的磁轭组成的开关装置驱动机构中测量从衔铁开始运动到触头开始断开的衔铁行程时间，由所测得的时间确定衔铁行程并由此确定触头弹回行程，其中借助于在所监测的开关装置负载侧采集触头断开的测量数据并根据电激磁线圈电压发送有关衔铁运动开始的信号。此外本发明还涉及一种实施此方法的所属设备。

在先公开的和未经审查的DE 4427006 A1DE 19603310 A1及DE 19603319A1中介绍了用于确定接触器剩余寿命的方法，其中由在衔铁打开运动的开始与触头开始断开之间的时间差，测定在触头电寿命期间逐渐增大的触头磨损。通过使用微处理器及用于检测必要的测量参数的专用电子电路，确定所谓触头弹回行程(contacts pring action)的当前值，由于触头的磨损是从其新值(＝100％触头剩余寿命)逐渐降至其最低值(＝0％剩余触头寿命)。将在断开期间衔铁在打开过程中在衔铁开始打开与触头开始断开之间的移动距离称为触头弹回行程(Kontaktdurchdruck)。

以此为出发点，本发明的目的是在上述方法中加入附加的功能并制造所属的设备。

本发明的目的是通过方法权利要求1的全部特征来实现的。所属的设备由并列的设备权利要求15得出。本发明的方法及所属设备的进一步改进设计在从属权利要求中给出。15.一种实施如上述任一项权利要求所述方法的设备，它包括用于根据时间信号确定触头弹回行程的推算电路和微处理器(105、205)，其中微处理器(105、205)同样地处理有关电网状态的信号，为此，微处理器(105、205)受用于推算电网电压和/或相电压的装置(180、190、500、600)的控制，此装置含有用于检测电弧电压，尤其是人造中性点(S)处电弧电压的装置。

在本发明范围内，一方面可以利用现有的电子技术在检测剩余寿命中，识别某些特定故障状态并避免错误推算，另一方面可用来获得监测开关装置有用的数据，如开关装置或与之相连的电网的某些特定状态。这种功能的扩展意味着，可以附加极低复杂程度获得其他的测量数据以及通过使用已普遍存在的微处理机可以得到另外的测量数据。

因此，本发明通过利用测量剩余寿命的电子技术能够检测确定开关装置和/或电网的一些附加状态。这些无需或只需少量附加技术复杂性便可检测的状态，在尤其使用接触器作为开关装置时，最好是：

1.检测“接触器驱动装置的电路通/断”

2.开闭操作次数

3.检测“相故障”

4.检测“电网电压故障”

5.检测“触头熔焊”

6.检测“短路”

其中第1、2和5点涉及作为开关装置的接触器的开关特定数据，第3、4和6点涉及相连电网的运行特定数据。

在相故障时，在人造中性点处的电压不处于零电位，而是当两相完好时处于具有幅度为1/2U_相的交流电压状态或一相完好时处于1U_相交流电压状态。因此，用于触头断开的电子推算电路尽管桥式触头闭合仍产生周期性的输出信号，由此由于所确定的时间差不正确而会导致错误地推算触头剩余寿命。

现在采取这样的措施来解决上述问题，即，当两种状态“接触器接通”和“相故障”同时存在时，微处理器便能便利地停止剩余触头寿命的推算。停止推算由微处理器在规定的时间间隔后适时修正，并在状况未改变时在下一个相应时段继续执行。接触器断开时间的最大值用作间隔长度。

另一方面，在电网电压故障时，三相电网的所有三条外部导线L1、L2、L3均中断。无论接触器接通或断开，在理想的情况下在接触器负载侧中性点电压应为零。实际上与电网断开的，亦即悬浮的电流路径就象天线一样，它能以电感和电容耦合方式引入干扰电压。用于触头断开的电子推算电路对此的反应是偶尔受干扰信号影响产生输出信号。

再者当两种状态“接触器接通”和“电网电压故障”同时存在时，也通过微处理器停止剩余寿命的推算。以与上面已说明的类似方式维持停止推算。

在一般的情况下，中性点电压是相对于一个参考大地电位测量出来的，在按本发明的进一步发展所实现的设备中，能够按照中性点电路的一个电流路径上的电压降检测出现的切换电压。

下面借助于附图所示实施例对本发明的其他优点和细节作进一步说明。附图中：

图1示出用于在断开过程中检测接触器触头剩余寿命并与此同时测算与运行有关的数据或状态的设备的方块电路示意图；

图2示出用于在三相电网内的断开过程中，生成在各接触器中第一个切换断开的触头断开时刻T_k以及通过测量人造中性点电压监测电网电压的设备的方块电路示意图；

图3示出用集成磁传感器系统测定剩余寿命的实施例的设备实例的方块电路示意图；

图4示出在不使用任何其它的参考电位的情况下检测人造中性点处的触头断开的设备实例的方块电路示意图；以及

图5示出用于检测图4所示人造中性点处电流支路上的相电压的推算装置的设备实例的方块电路示意图。

下面详细参照附图中的特征部分，在各附图中相同或作用相同的部分采用同样的附图标记标示。在某些情况下，这些部分共同说明。

图1表示鉴定剩余寿命的设备及其与一个接触器1的配置。推算单元100处于负载侧10在接触器和电负载例如电动机20之间，并通过一个用于识别触头断开的第一监测模块101与外部导线L1、L2和L3接通。监测模块101作用于微处理器105，后者确定触头弹回行程和其他的开关运行状态。为此微处理器从一个单元102获得其他的用于监测接触器磁驱动机构的衔铁打开的信号。微处理器将所产生的数据传输到输出装置106，由输出装置106在必要时将开关装置特定的数据通过总线输往其他推算单元以便进一步推算。

为接触器配置一接触器磁驱动机构5，它由衔铁4与相应的磁轭3组成。磁轭4上安装有接触器线圈6或6′。线圈通过控制开关起动。在接触器电激磁线圈上的电压提供给用于监测衔铁打开的所述单元102，衔铁打开信号传送给推算单元100。

借助于上述线路可以根据监测模块提供的时间信号通过微处理器105确定当前的触头弹回行程并由此确定主开关元件的电寿命。除此之外，现在还可以确定其他一些开关装置特定的数据，前言已指出了这些数据。下面详细说明：1)接触器驱动机构“电路通/断”

用于根据线圈电压检测衔铁开始打开的电子线路在正弦交流电压过零时产生电压脉冲。这些电压脉冲可通过光电耦合器输入微处理器105用于直接推算，或例如可通过可再触发的计时级产生矩形波信号，它带有一定延迟地跟随开关状态从“通”到“断”的变换及电压例如从“高”到“低”的变换。该一定延迟可规定为电网半周期的持续时间。2)开闭操作次数

微处理器105计算例如在1)中说明的矩形脉冲信号从高到低变换的次数。3)相故障

在接触器1接通状态，按照周期性中性点信号检测相故障，并按图2所示按照由微处理器的周期性(双倍电网频率)输出信号可在用于触头断开的推算电路中直接识别相故障。4)电网电压故障

在外部导线的负载侧测量连接点与接地点之间连接的人造中性点线路的分压器上抽取与相电压成比例的电压，并作为数字信号进一步处理。

若在接触器的接通状态没有测得此类电压，以及微处理器也未发现任何相故障，则作为结果指示电网电压故障。5)触头熔焊

触头熔焊可在接触器断开状态并存在电网电压的情况下识别。

三极熔焊的极端情况借助于出现“接触器驱动机构电路断开”和“没有电网电压故障”状态来识别。

“接触器驱动机构电路断开”和“相故障”两个状态同时发生时可判断为单极或双极熔焊。因为与此相关的触头间距是电气断开的，当接触器断开时，桥式动触头的单侧熔焊是不可能测得的。但在接触器接通时这种桥式触头会高概率地在负载侧产生相故障。因此，当产生指示为“相故障”故障消息时，需附加信息以指出两种可能的原因“外部导线断开”或“接触器开关电极断开”。6)短路

识别短路可采用过载继电器中所使用的电流互感器。作为另一种可选择的方案，例如采用磁传感器系统，通过它检测预定的电流门限是否被超过。除霍耳效应传感器或磁阻效应传感器外，还可以使用廉价的感应式传感器。这些传感器绝缘地直接装在主电流传导路径上，以便使被测的磁场能处于支配地位以及能使相邻的发生短路的开关装置的磁场影响可以忽略不计。

原则上由微处理器进行的短路识别与接触器接通状态相关联。在记录到短路时微处理器输出附加的报警消息，以检查接触器触头是否熔焊。尤其接触器有可能被控制地断开，以便实施熔焊检验。为此，接触器驱动机构的控制相可通过一个由微处理器控制的常闭触头短时断开或在持续短路时持久地断开。

图2表示一个实施例线路，用于当最严重磨损的主触头开始触头断开时生成一个时间信号T_k。此线路重要的特征在于，测量三相电网在人造中性点S处三极开关装置的接触电压(电弧电压)。作为对前面所述线路的补充，现在有一个改进的推算单元180，用于检测电网电压和用于检测中性点电压。由此一方面可在断开过程确定初次断开的切换触头的时刻T_k，另一方面同时监测电网电压。

按图3是对前面所介绍的现有技术的相应扩展，可以借助于检测短路用的集成磁传感器系统进行剩余寿命检测。在这种情况下，在电动机20前与接触器1之间连接一个包括用于剩余寿命检测的集成装置200的过载继电器，其中，装置201、202和205与图1中的装置101、102和105相对应。此外在图3中还有一个监测短路用的模件220。监测模件220由配属于各线路的磁传感器221至223起动。

以题为“通过逻辑运算推算测得的信号”列表自行说明的方式表明，除了通过监测触头弹回行程检测触头的磨损外，借助于图1至3具体测得的信号通过逻辑运算，还可以说明开关装置的特定状态。在这种情况下，推算线路很大程度上仍可采用与以往相同的结构。

                                       通过逻辑运算推算测得的信号

中性点电压	任意	任意	零	≠零	零	≠零	任意
								电网电压	任意	任意	零	任意	≠零	任意	任意
电磁线圈电压	≠零	零	≠零	≠零	零	零	≠零
								磁传感器							电感B＞阈值
推算	电路“通”	电路“断”	电网故障	相位故障	3极焊接	1或2极焊接	短路

迄今未能提出利用R-C元件的、用于根据线圈电压检测衔铁打开的开始的电路，因为安装R-C元件会导致无法推算出线圈电压的变化过程。可供选用的是可变电阻或齐纳二极管。

业已发现，可变电阻仅将过电压限于其额定工作电压值的约1.75倍。业已证实更有利的是抑制二极管，它的电流电压特性曲线急剧折拐。比较有利的是抑制二极管和可变电阻一样在正常工作中都不吸收电功率。另一种可能的配置是通过桥式整流器连接在正、负出端口上的电容器，为了放电它与一高欧姆电阻并联。在接通接触器线圈时电容器充电到控制相的峰值电压，并在抑制过电压的情况下短时提高其电压。在接触器线圈断开时电容器通过并联电阻放电(功率损失＝U_电网 ²/R)。

在切换直流工作的接触器驱动机构时防止过电压的续流电路中，可根据电流特性曲线检测衔铁打开。但要推算准确的衔铁打开时刻看来却不太可能，因为特征信号的特征曲线与一个可推算的线圈电压信号相比较，在时间上扩展了约5倍。在用微处理器控制的续流晶体管替代续流电路中的续流二极管时(该续流晶体管为了限制切换电压与一个齐纳二极管(反向)并联)，则可以缩短接触器的延时断开并产生一个可推算的线圈电压信号。

在图2中，为此初次断开主开关元件时所需的切换电压的时间信号，是通过测量固定的参考电压(如零或地电位)与在被监测的接触器负载侧人造中性点电位之间的电压差得到的。然而在某些使用情况下，开关设备组件既不能提供零线，也不能提供保护接地导线。在这种情况下，若要在接触器的供电侧通过另一个人造中性点形成固定的参考电位，则需要附加的技术复杂性。另一种可供选择的方案，是在图4或5中不使用零电位或地电位检测触头开始断开。

按图4，按照在中性点线路的一个支路中的电压降检测出现的切换电压。测得的电压用高通滤波器进一步处理并提供一个与切换电压成比例的输出电压。它可以在超过预定的阈值时产生期望的按常规的方式触头初次开始断开的控制信号。

对于切换电压(电弧电压)适用下式：U₁+U₂+U₃＝0，I₁+I₂+I₃＝0U₁-U_STP＝R*I₁+L*d/dt(I₁)+U_B1U₂-U_STP＝R*I₂+L*d/dt(I₂)+U_B2U₃-U_STP＝R*I₃+L*d/dt(I₃)+U_B3Σ：U_STP＝-(U_B1+U_B2+U_B3)/3式中U(_1、2、3)＝相电压、U_STP＝中性点电压、I(_1、2、3)＝相电流、U_B(_1、2、3)＝电弧电压、R＝欧姆负载、L＝电感负载。

在初次断开开关极的情况下例如U_B2和U_B3为零，于是得出

U_STP＝-U_B1/3代入上面的方程中以及在L＝0、U：＝U_1、2、3以及I：＝I_1、2、3时，可得出在中性点线路的一个支路上两个可能的测量值为：

R*I＝U-2/3U_B

R*I＝U+1/3U_B

在图4中标号50表示包括电容C_x和欧姆电阻R_x的无源高通滤波器，通过它起动一个用于确定触头断开时刻的装置500。由此准确确定时刻T_k，而无需存在参考电位，如零电位或地电位。为了检测电弧电压分量，用高通滤波器50(例如f(-3dB)＝5...10KHz)消除有干扰的50Hz-电网电压分量。

在图4具有无源高通滤波器的结构中，对于一个16V电压阶跃(它相应于在接触器桥式触头的触头分开之后的切换电压)测量得到幅度约1V的有效信号，有干扰的电网电压(220V～)产生的剩余信号幅度同样约1V。采用有源的更高等级的高通滤波器，有干扰的电网电压分量可减小到一个可忽略不计的量。

因此，为了进一步减少在测量电压内的电网电压分量，可取代图4中的无源高通滤波器50而使用更高等级的有源高通滤波器，或无源与有源高通滤波器的串联线路。通过包括串联无源高通滤波器50可以将有源高通滤波器输入电压的幅度限制为允许值。

图5中按下列方式修改了按图4的线路，即，人造中性点线路的其中一相直接连接一推算装置600，它同时监测触头断开和电网电压。从另外两相各有用于监测其相电压的一条测量线连接在此推算装置上。在这种情况下，推算装置600包含无源和/或有源高通滤波器，用于检测初次断开的开关触头的切换电压，除此之外还包含有检测被监测电路相电压的电子线路。

借助于这些图主要说明了接触器触头的监测，而下以介绍则适用于检测功率开关的剩余寿命：

在正常的断开过程中，弹簧蓄能装置的机械能转化为运动的开闭机构元件和动触头的动能以及转化成摩擦功。

机械能转化为动能支配了运动过程，并因此决定从开闭机构断开动作开始到触头开始断开所需的时间。

由于触头磨损，无论触头处于接通状态还是分开的瞬间，动触头支承相对于静触头支承的位置都有所改变。因而相应地改变了与动触头支承连接的开闭机构元件的位置。例如开关轴便算作此类开闭机构元件，动触头支承装在此开关轴上，此外还有将力传给开关轴和/或动触头的杠杆机构。

开闭机构元件的运动(直线和/或旋转运动)通常属于不均匀加速运动。由于触头磨损，如下面简单的例子所说明的那样，使得触头断开时刻朝更短的时间偏移Δt：1)具有等加速度b的加速运动

行程时间t₁、t₂行程时间差Δt＝t₁-t₂

t₁＝在触头为新的状态下的断开时间

t₂＝触头有材料磨损时的断开时间

距离S₁、S₂   距离差ΔS＝S₁-S₂

ΔS＝由于磨损引起的位置改变，例如触头接触面厚度改变

V₁＝由结构决定的常数，例如位置被监测的开闭机构元件在触头断开时刻的速度

S₁＝1/2b*t₁ ²，S₂＝1/2b*t₂ ²，ΔS＝1/2b*(t₁ ²-t₂ ²)＝1/2b*(2t₁-Δt)*Δt

当V₁＝b*t₁时，得出ΔS＝(V₁-1/2b*Δt)Δt2)具有恒定速度V₁的匀速运动

S₁＝V₁*t₁，S₂＝V₁*t₂，ΔS＝V₁*Δt

当Δt＜＜t₁、t₂时，因此可假设，通过由结构决定的常数V₁对于不均匀的加速运动，在实际的断开过程中可近似取ΔS～Δt或ΔS＝V₁*Δt。

下面用S表示触头弹回行程，由结构决定的新状态指定该值S_neu，以及对触头寿命终止时最低弹回行程S_min。

在行程时间测量提供对于触头弹回行程值S_neu、S、S_min相关的行程时间t_neu、t和t_min，借助于它们可以导出虚拟速度V₁，其中

S_neu-S＝ΔS＝V₁*Δt(S)或

S_neu-S_min＝ΔS_max＝V₁*Δt_max

也就是说最大允许的触头磨损ΔS_max与触头断开时刻朝着更短的行程时间的最大偏移Δt_max相对应。

为得到触头断开时刻的时间偏移Δt而测量行程时间，行程时间的终止时刻与触头断开时刻一致。所选出的开闭机构元件在断开过程中到达预定位置的瞬时选择作为起始时刻。由此还导致短路断开，在不用于推算触头磨损的情况下，即使在达到预定的开闭机构位置前，由于电流的作用力已经把触头断开。从而避免在短路断开的情况下对触头磨损作出错误的判断。

开闭机构的结构特征具体决定了用于生成行程时间测量值的起始时刻的方法。为了在机电式断路器中实现稳定的接通与断开位置，开闭机构通常构成为摇臂机构的形式操作，在其中杠杆机构在位置变换时必须越过一个死点位置。因此要规定一个用于检测行程时间的起始时刻的预定开闭机构位置，在此位置时摇臂机构处于死点位置与断开时的最终位置之间。

为了在确定触头磨损和触头剩余寿命时达到足够的精度，需要精确检测表征起始时刻的开闭机构位置，其精度至少为1/10mm。因为位置被监测的开闭机构元件在行程时间起始时刻的速度比结束时刻的速度低，所以位置不准确度为1/10mm时磨损检测的不准确度预计会＞1/10mm。

要精确检测位置，采用非接触式工作的与现场相关的位置传感器，如电感或电容式位移传感器几乎是不可能实现的。光学传感器有例如由于磨损而受污染的问题，因此不适用于在开关装置内作位置检测。作为简单、耐用的位置检测装置建议采用机电式辅助触头，它受要监测的开闭机构元件的作用。此辅助触头装置的静触头决定了被监测的开闭机构元件撞击动触头的位置。因此无须大的复杂度就能重复地检测位置，其精度至少为1/10mm。

在开关装置为新的状态时或对于新的开关触头，在断开过程中检测行程时间t_neu，并将其储存在一个恰当的非易失性的数据存储器内。随着触头磨损增加使行程时间t缩短到t_min，它与最大允许磨损ΔS_max相对应。采用受结构支配的参数Δt_max(＝t_neu-t_min)作为最大允许的行程时间缩短，采用微处理器确定(百分比)剩余寿命。

剩余寿命[％]＝(1-(行程时间(t_neu)-行程时间(t))/Δt_max)*100

在上述方程中，触头磨损引起的位置改变与行程时间的改变之间可简化为线性关系。由于结构的原因，弹回行程特性曲线变化与行程时间变化曲线有明显的差别，所以虚拟速度V₁随触头磨损量而改变。这可以采用近似计算，即通过在新状态下由结构支配的V₁′值与在触头寿命终止时的V₁″值之间线性内插得出V₁：

V₁＝V₁′*(Δt_max-Δt)/Δt_max+V₁″*Δt/Δt_max

其中Δt＝行程时间(t_neu)-行程时间(t)

由此得出确定剩余寿命(按百分比计)的状态方程：

剩余寿命[％]＝(1-Δt*V₁/ΔS_max)*100

上述方程可用现有的微处理器推算，所以可在线显示。

Claims (21)

1.一种用于确定在开关装置触头处，尤其是接触器触头处的开关装置特定数据和/或确定与之连接的电网内特定运行数据的方法，其中检测触头间隔处的所谓触头弹回行程作为磨损的等效判别标准，为了确定触头接触面的磨损，测量断路过程中触头弹回行程的变化并换算出剩余寿命，为此在由衔铁、电激磁线圈及所属的磁轭组成的开关装置驱动机构中测量从衔铁开始运动到触头开始断开的衔铁行程时间，由所测得的时间确定衔铁行程并由此确定触头弹回行程，其中借助于在所监测的开关装置负载侧采集触头断开的测量数据并根据电激磁线圈电压发送有关衔铁运动开始的信号，其特征在于：通过在开关装置驱动机构的电激磁线圈处和在开关装置的开关极处，尤其在人造中性点处的电压测量，根据触头弹回行程检测信号，不仅确定触头弹回行程，而且附加地检测开关装置和电网的开关状态、运行状态和故障状况。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：检测接触器驱动机构的运行状态：“电路通/断”。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：检测开闭操作的次数。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：检测相故障。

5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：检测电网电压故障。

6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：检测触头熔焊。

7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：根据触头弹回行程检测信号附加地导出在电网中可能存在的短路。

8.按照权利要求1、4和5所述的方法，其特征在于：通过检测相故障和/或电网电压故障，避免在确定开关触头剩余寿命时的不正确推算。

9.按照权利要求1和2所述的方法，其特征在于：接触器驱动机构“电路通/断”信号通过一个光电耦合器输入微处理器作进一步推算。

10.按照权利要求1和3所述的方法，其特征在于：在微处理器内计数“电路通/断”信号交替变换的次数。

11.按照权利要求1和4所述的方法，其特征在于：由微处理器识别接触器接通状态的相故障。

12.按照权利要求1和5所述的方法，其特征在于：电网电压故障通过在人造中性点处的分压器由微处理器识别。

13.按照权利要求1和6所述的方法，其特征在于：在接触器断开状态下在有电网电压时识别触头熔焊。

14.按照权利要求1和7所述的方法，其特征在于：借助于磁传感器系统通过检测磁场来识别短路。

15.一种实施如上述任一项权利要求所述方法的设备，它包括用于根据时间信号确定触头弹回行程的推算电路和微处理器(105、205)，其中微处理器(105、205)同样地处理有关电网状态的信号，为此，微处理器(105、205)受用于推算电网电压和/或相电压的装置(180、190、500、600)的控制，此装置含有用于检测电弧电压，尤其是人造中性点(S)处电弧电压的装置。

16.按照权利要求15所述的设备，其特征在于：用于检测电弧电压的装置在没有参考电位的情况下工作。

17.按照权利要求15所述的设备，其特征在于：为其中一条输电线路(L1、L2、L3)在人造中性点(S)处配置一高通滤波器(50)。

18.按照权利要求17所述的设备，其特征在于：所述滤波器(50)是一种无源的高通滤波器。

19.按照权利要求17所述的设备，其特征在于：所述滤波器(50)是一种有源的高通滤波器。

20.按照权利要求17所述的设备，其特征在于：所述滤波器(50)是无源和有源高通滤波器的串联电路。

21.按照权利要求18至20之一所述的设备，其特征在于：用于在没有参考电位的情况下确定电弧电压的所述推算电路，为了附加地检测相电压，在人造中性点(S)处具有接到每条输电线路的测量线。

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