CN116137926A

CN116137926A - 中压开关设备的弹簧储能式驱动器中的故障检测

Info

Publication number: CN116137926A
Application number: CN202180060059.8A
Authority: CN
Inventors: M·G·希尔特; S·勒切勒
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2020-07-20
Filing date: 2021-06-09
Publication date: 2023-05-19
Also published as: WO2022017675A1; DE102020209017A1; US20230335350A1; EP4154287A1

Abstract

本发明涉及一种用于运行中压开关设备(10)的弹簧储能式驱动器(30)的方法、一种弹簧储能式驱动器(30)和一种具有这种弹簧储能式驱动器(30)的中压开关设备(10)。根据本发明的用于运行中压开关设备(10)的弹簧储能式驱动器(30)的方法至少具有以下步骤：‑测量用于张紧中压设备(10)的弹簧储能式驱动器(30)的驱动弹簧(34)的电辅助驱动器(31)的驱动电流；‑利用电辅助驱动器(31)张紧驱动弹簧(34)；‑依据所测量的驱动电流创建评估数据组；‑将评估数据组与期望进行比较；以及‑依据比较结果输出维护信号。

Description

中压开关设备的弹簧储能式驱动器中的故障检测

技术领域

本发明涉及一种用于运行中压开关设备的弹簧储能式驱动器的方法、一种设计用于执行根据本发明的运行方法的弹簧储能式驱动器以及一种具有这种弹簧储能式驱动器的中压开关设备。

背景技术

中压开关设备中的开关操作，例如特别是通过将中压开关设备的开关的移动触点远离其配合触点来断开开关，通常必须在接收到相应的控制信号后几毫秒内进行，以尽可能避免对人员和材料的危险。因此，使用弹簧储能式驱动器，其保持开关的开关动作所需的能量，以便能够以尽可能小的延迟对相应的控制信号作出反应。这些弹簧储能式驱动器具有一个或多个弹簧，这些弹簧由电辅助驱动器张紧。在此，弹簧的张紧通常在对张紧速度没有强烈要求的情况下进行。电辅助驱动器通常通过传动机构与弹簧连接或包含传动机构。

在这些弹簧储能式驱动器中，可能会发生故障，这些故障不利地影响开关运行并且必须在中压开关设备的安全运行管理的框架内被安全且早期地检测到，以便防止开关故障。这些故障的原因可能是在于弹簧储能式驱动器、其电辅助驱动器或弹簧储能式驱动器与电辅助驱动器的结合。

可能的故障包括：

-弹簧疲劳(储存在弹簧中的能量随着时间的推移而变小)

-弹簧变强(储存在弹簧中的能量随着时间的推移而增加)

-包括传动机构在内的辅助驱动器中的(增加的)机械迟钝

-辅助驱动器的电气特性的恶化伴随所提供的机械功率的降低

-过载和由此导致的包括传动机构在内的辅助驱动器的损坏

目前还没有用于在中压开关设备运行期间可靠地检测故障并将其与弹簧储能式驱动器的单个部件相关联的方法。迄今为止使用的系统只能检测到严重的偏差、例如整体布置的缺乏的可操作性，而且只能在单独测试的范畴内进行。为此，必须将开关从中压断开并且连接特殊的测试装置。

在此背景下，需要一种用于运行中压开关设备的弹簧储能式驱动器的方法，该方法允许在中压开关设备的常规运行期间进行故障检测。

发明内容

根据本发明的用于运行中压开关设备的弹簧储能式驱动器的方法至少具有以下步骤：

-测量用于张紧中压设备的弹簧储能式驱动器的驱动弹簧的电辅助驱动器的驱动电流；

-利用电辅助驱动器张紧驱动弹簧；

-依据所测量的驱动电流创建评估数据组；

-将评估数据组与期望进行比较；和

-依据比较结果输出维护信号。

该方法的优点是，在中压开关设备的常规运行期间，可以采集和判断弹簧储能式驱动器的状态以及其部件、如弹簧和包括传动机构在内的辅助驱动器的状态。维护信号的输出允许在弹簧储能式驱动器发生故障或不可接受的不起作用的可能性之前及时规划维护措施，并在对由中压开关设备供电或控制的运行的不利影响尽可能小的时间内进行维护措施，并且以这种方式尽可能减少停机时间。

本发明基于并包括如下认识，即弹簧储能式驱动器的状态可以从用于张紧弹簧的电辅助驱动器的驱动电流中读出。例如，如果由于传动机构或辅助驱动器的电动机轴承的机械迟钝增加，辅助驱动器必须施加更大的扭矩，则驱动电流增加。然而，如果由于经过大量开关动作的材料疲劳，弹簧的张紧力减小，则电流也会减小。如果检测到这样的情况，则维护信号可以对此进行指示，以便可以启动相应的维护措施。

在此，1000伏特至约52千伏范围内的电压被表示为中压。

特别优选地，在测量驱动电流的步骤中，测量驱动电流的时间走向。在此，评估数据组是依据所测量的驱动电流的时间走向创建的。根据对驱动电流的时间走向的测量，可以确定多个参数，并且例如可以区分和检测在单个测量中获得的反向效应，该反向效应分别意味着弹簧储能式驱动器的恶化。因此，对驱动电流的时间走向的测量导致，更有可能及时检测出弹簧储能式驱动器的恶化，并且能够在待启动的维护措施之前已经辨别出弹簧储能式驱动器的相关部件，从而能够更好地评估执行维护措施的紧迫性。

例如，时间走向可以根据对电辅助驱动器的瞬时电流的周期性测量来测量。同样地，也可以在特定时间点进行单个测量，该单个测量涉及实际走向的在创建评估数据组时特别感兴趣的点。在此，总体上产生较少要处理的测量数据，这简化了评估和存储。由于这些点或至少其中一些点基于要观察的恶化可能会在时间上发生移动，因此也可以规定，围绕这些点进行一系列单个测量，并且在这些系列之间不测量或不太频繁地测量驱动电流。

优选地，在创建评估数据组的步骤中，确定驱动电流的时间走向的积分。驱动电流的积分表示在整个张紧过程中使用了多少电能。该参量的增加是弹簧储能式驱动器恶化的非常合适的指标。

在此，可以确定积分的第一部分，该第一部分指示由辅助驱动器所做的张紧功。积分的第一部分尤其可以指所测量的时间走向的如下时间部段，该时间部段从激活辅助驱动器后的局部最小值延伸到辅助驱动器的停用。积分的第一部分提供了关于弹簧的弹性是否以及如何随时间变化的信息，例如，在弹簧松弛的情况下，可以在不期望的降低的运动速度中反映出这点，在开关操作期间，开关的移动触点以该运动速度移动。

此外，可以确定该积分的第二部分，该第二部分指示辅助驱动器的驱动损耗。积分的第二部分可以特别涉及所测量的时间走向的如下时间部段，该时间部段从激活辅助驱动器的时间点延伸到上面提到的局部最小值，并且还可以涉及通过该局部最小值处的电流强度向上限制的时间走向的基座区域。积分的第二部分提供了如下信息，电动机轴承、传动机构和辅助驱动器的电动机动力的其他转换器和传递器到弹簧是否是迟钝的、或者是否以其他方式恶化或改变。

在根据本发明的方法的后两个实施方式的组合中，积分的第一部分和第二部分可以相互成比例关系。由此，可以在唯一一个比率值上读取多个故障变形，这可以简化与期望进行比较的步骤。

优选地，在创建评估数据组时确定至少一个特征时间点。在此，在比较评估数据组的步骤中，将至少一个特征时间点和/或在至少一个特征时间点测量的驱动电流与期望值进行比较，该期望值与至少一个特征时间点相关联。特征时间点例如相对于激活辅助电动机的起始时间点来确定，并且表示如下时间点，在该时间点对于给定的弹簧储能式驱动器类型期望的已知特性是可检测的。例如，可以选择以下时间点作为至少一个特征时间点：

-流过辅助驱动器的电流的开始，

-张紧驱动弹簧的开始，

-驱动电流的局部或全局最大值的出现，

-辅助驱动器的关断时间点，以及

-流过辅助驱动器的电流的结束。

评估数据组与之进行比较的期望尤其可以是历史数据组或特定于弹簧储能式驱动器类型的预先给定的数据组。例如，历史数据组可以包含在弹簧储能式驱动器的制造过程中在弹簧的试验张紧期间按照根据本发明方法的相关方法步骤记录的同一弹簧储能式驱动器的数据组，或者在先前执行根据本发明的方法时记录的评估数据组。针对弹簧储能式驱动器类型预先给定的特定数据组可以描述弹簧储能式驱动器在生产分散中的广义特性，从而时间和成本节约地省去了在弹簧储能式驱动器的制造范畴中描述的测量。

本发明的第二方面涉及用于中压开关设备的弹簧储能式驱动器，其包括设计用于张紧弹簧储能式驱动器的驱动弹簧的电辅助驱动器和设计用于测量辅助驱动器的驱动电流的测量单元。在此，测量单元此外被设计为，将用于执行本发明第一方面的方法的测量结果传输到控制单元。控制单元可以与测量单元一起被实现为共同的单元，也可以被实现为弹簧储能式驱动器外部的单独的单元，例如在中压设备的数字保护装置中或远程控制中心中。

本发明的另一方面介绍了具有开关和根据本发明的前一方面的弹簧储能式驱动器的中压开关设备，该开关具有移动触点，该弹簧储能式驱动器被设计为根据控制信号移动开关的移动触点。

最后，本发明涉及一种具有计算机程序的数据存储器，该计算机程序由中压开关设备、数字保护装置或远程控制中心的控制单元、例如弹簧储能式驱动器的控制单元实施并且执行根据本发明的方法。

附图说明

下面根据实施例的附图更详细地解释本发明，附图中：

图1示出了具有根据本发明的弹簧储能式驱动器的中压开关设备的实施例；

图2示出了根据本发明的弹簧储能式驱动器的电辅助驱动器的驱动电流的时间走向的示例；和

图3示出了根据本发明的用于运行弹簧储能式驱动器的方法的实施例。

具体实施方式

图1示出了具有根据本发明的弹簧储能式驱动器30的中压开关设备10的实施例。弹簧储能式驱动器30连接到中压开关设备10的开关20的移动触点21，并且被设计为以尽可能小的延迟快速移动移动触点21以执行开关动作(特别是在开关20断开的过程中移动远离配合触点22)。

为此，弹簧储能式驱动器30具有驱动弹簧34，该驱动弹簧34在张紧状态下保持期望的快速移动移动触点21所需的能量作为弹簧能量，以便在使用情况下通过触发器35触发而快速释放该能量。在示出的实施例中，驱动弹簧34通过转换器36间接与移动触点21连接，该转换器例如可以包括安装在轴上的杠杆臂等，但是，也可以想到驱动弹簧34直接与移动触点21连接的实施方式。

弹簧储能式驱动器30可以包含另外的驱动弹簧，其用于断开或接通，在必要情况下用于在短于相应触发的驱动弹簧的再次张紧的持续时间的时间段内的多个开关动作。

此外，弹簧储能式驱动器30还具有电辅助驱动器31，其被设计为用于在驱动弹簧34被触发后再次张紧驱动弹簧。在此示出的实施例中，电辅助驱动器31包括电动机32，其通过传动机构33连接或可连接到驱动弹簧34。

驱动弹簧34和电辅助驱动器31的连接可以以技术领域中已知的方式以多种方式实现。例如，传动机构33可以与杠杆连接，该杠杆通过传动机构旋转，并且具有弹簧孔，驱动弹簧钩入该弹簧孔中。通过杠杆的转动，驱动弹簧被张紧(或压缩，在本发明的范畴中被统称为“张紧”)，并因此施加弹簧能量。

图1的实施例的弹簧储能式驱动器还具有测量单元和/或控制单元37，其被设计为驱动用于触发驱动弹簧34的触发器35，并随后激活电辅助驱动器31或电动机32以再次张紧驱动弹簧34。触发器35例如可以包括传动机构33的机械阻塞，其由触发器释放，从而激活传动机构的运转并释放驱动弹簧。

测量单元和/或控制单元37在图1中作为单个单元示出，该单个单元是弹簧储能式驱动器30的一部分，但也可以实现为由例如测量单元和远距离布置的控制单元组成的分布式装置。在这种情况下，测量单元可以布置在弹簧储能式驱动器中，并且控制单元可以布置在中压开关设备中的数字保护装置中，或者布置在诸如控制中心的远程位置。控制单元的所示功能也可以被划分为多个单元。例如，触发器35的驱动可以由布置在弹簧储能式驱动器30中的单元进行，然而下面描述的对测量值的评估可以在另外的、特别是远程的单元中进行。

测量单元和/或控制单元37被设计为，在驱动弹簧34张紧期间测量电辅助驱动器31的驱动电流，并根据所测量的驱动电流推断出弹簧储能式驱动器30和/或弹簧储能式驱动器30的特定部件的状态。这种评估的结果可以作为维护信号输出到信号接收器38，以示出维护措施的需要的程度并且必要时示出弹簧储能式驱动器30的需要维护的部件，该信号接收器38例如可以是中压开关设备10的显示器或者也可以是远程控制中心。

图2示出了弹簧储能式驱动器30的电辅助驱动器31的驱动电流I的时间走向的示例，其例如可以由图1中所示的实施例的测量单元和/或控制单元37测量。在通常的应用中，所示出的驱动电流的典型的时间走向在小于10秒的时间段内、例如在3到5秒的时间段内延伸。在时间点t₀激活电辅助驱动器，然后以通过电动机32的电动机绕组的电感限制的增长速度，直到时间点t₁出现非常高的驱动电流。快速增长的驱动电流在电动机绕组中形成磁场，其是电动机运动的原因。在时间点t₁，电动机32开始旋转，由此旋转的生成效应产生与上述原因相反作用的反向电压，因此，随着电动机32在时间点t₁时开始旋转，驱动电流再次减小。在电动机32启动之后，驱动电流减小，以便直到时间点t₂保持在平台上，这表示在没有机械负载的情况下、即在张紧工作开始之前运行的电动机32。在该时间段内消耗的电流是克服电动机32、传动机构32和与电动机32连接的其它移动部件中的损耗所必需的。因此，在平台期间测量的驱动电流测量值包含关于所提到的部件的状态的信息。

从时间点t₂开始，驱动电流再次增加，以便在时间点t₃达到(局部)最大值。驱动电流的增加是由张紧驱动弹簧34所需的附加扭矩引起的。因此，在时间点t₂开始驱动弹簧34的实际张紧，也就是说，从该时间点开始，通过电辅助驱动器31将弹簧能量引入到驱动弹簧34中。驱动弹簧34被进一步张紧，直到在时间点t₄电辅助驱动器31被停用。该时间点尤其可以通过驱动弹簧34或机械地与驱动弹簧34连接的部件、例如电动机32本身的位置来确定。例如，当辅助开关已经达到预定的结束位置时，该辅助开关可以直接或间接地由驱动弹簧34操作，由此通过辅助开关中断电辅助驱动器的驱动电路。然而，也可以想到，针对给定的弹簧储能式驱动器固定地选择时间点t₄，并且对于中压开关设备的运行，假定在该时间点驱动弹簧34被足够地张紧。

在时间点t₄停用电辅助驱动器后，驱动电流迅速下降，直到在时间点t₅变为零。在此期间流动的电流(例如通过电动机绕组的电感维持的电流)可以在所提到的辅助开关中的电弧中流动，直到电动机绕组消磁。

控制单元37可以以不同的方式测量电辅助驱动器31的驱动电流。例如，在特别简单的实施例中，可以在激活电辅助驱动器后的预定时间点，例如在对应于出现驱动电流的(局部)最大值的预期时间点(图2中的时间点t₃)的时间点t₃`，仅测量一次驱动电流。如果在该时间点测量的驱动电流的值偏离预期，则这可能表明例如驱动弹簧的疲劳(张紧驱动弹簧所需的驱动电流较少)、电动机和/或传动机构中的摩擦损失的增加(张紧驱动弹簧所需的驱动电流较多)、辅助电动机中的机械间隙的增加(直到稍后才达到局部最大值)以及其他老化效应。由于其中一些效应是相反的，当它们同时发生时，这些效应可能会被掩盖，因此重复测量是有利的。

例如，测量可以周期性地重复，大约至少每50毫秒重复一次。在实际的实施例中，以1毫秒及以下的间隔来测量驱动电流，例如以8千赫兹的采样频率来测量。

但是作为单次或周期性测量的替换方案，也可以在时间上不均匀地多次测量驱动电流，即在出现一个或一些描述为t₁至t₅的特征时间点的期望时间点进行。例如，可以在图2的时间点t₁和t₂之间的高概率的时间点t₂`测量，以获得表征电辅助驱动器31的无负载运行的测量值。随后，可以在位于图2的时间点t₂和t₄之间的时间点t₃′再次测量，以获得测量值，从该测量值获得由电辅助驱动器31施加的张紧功的量。这种方法易于执行，但相对于驱动电流的唯一测量，它已经提供了更可靠的对不同老化效应的检测。

也可以在围绕对于根据本发明的运行方法的特殊实施方式所要考虑的特征时间点发生的预期时间点的时间段内执行一系列测量，然后中断测量，直到下一个(预期的)特征时间点的临近。然后，在每个测量系列中，具有相关测量时间点的各个最大值或最小值可以被认为是实际的特征时间点，并用于评估。相对于连续或周期性地测量驱动电流，由此减少了测量次数和针对评估要处理的数据，但仍然实现了弹簧储能式驱动器中的老化效应检测的类似的可靠性。

在图2中，驱动电流的时间走向下方的面积对应于驱动电流的积分，其又表示用于张紧驱动弹簧的总能量。该积分可以被分解为两个部分，其在图2中用不同阴影表示，其中部分I(驱动电流的积分的第一部分)表示实际引入驱动弹簧的弹簧能量，部分II(驱动电流的积分的第二部分)表示电动机32、传动机构33等中的损耗。通过从时间点t₂开始，对于部分I仅考虑驱动电流的在时间点t₂处的驱动电流瞬时值以上的部分，直到电流再次低于该瞬时值或直到电辅助驱动器被停用，从而将部分I与其余部分区分开来。

对于评估，可以考虑积分和/或积分的各个部分。也可以将积分或其部分相互成比例关系，并在评估中考虑这些关系。

无论根据本发明方法的实施例的评估细节如何，在此创建评估数据组，该评估数据组尽可能有说服力地描述弹簧储能式驱动器的当前状态，然后将其与期望进行比较，期望例如是旧的评估数据组、在弹簧储能式驱动器的制造过程中在初始测量中获得的相应的数据组或针对弹簧储能式驱动器的结构类型的典型数据组。依据比较的结果，然后可以输出维护信号。例如，当评估数据组或评估数据组的单个数据偏离期望超过预定的故障容限时，可以指示维护措施的必要性。根据方法的实施变型，可能故障的类型和/或所涉及的部件也可以通过维护信号进行发信号报告。

图3示出了根据本发明的用于运行弹簧储能式驱动器的方法的实施例。该方法在起始步骤S0中开始并且然后继续到步骤S1，在该步骤S1中激活电辅助驱动器。在激活电辅助驱动器之后，重复执行步骤S2，在该步骤S2中测量电辅助驱动器的驱动电流，同时张紧弹簧储能式驱动器的驱动弹簧。由此测量驱动电流的时间走向。

这里需要注意的是，驱动电流的测量是在激活电辅助驱动器的同时开始，还是在激活之前或之后开始，或者完全独立于激活开始，原则上并不重要。在这方面，图3仅用于说明实施例和更好地理解本发明。

在步骤S3中，确定驱动电流的积分。该步骤也可以通过连续累加各个测量值与步骤S2并行进行，而不是如图3所示，在测量整个时间走向之后进行。然后，在步骤S4中确定关于图2解释的积分的第一部分，在步骤S5中确定积分的第二部分。当然，步骤S4和S5的顺序可以互换。积分、积分的第一部分和积分的第二部分的量也可以通过另外两个参量的求和或求差来确定。在步骤S6中，创建评估数据组，该评估数据组可以包含测量值、积分、其部分和/或其比例关系的任何组合，甚至仅包含所述参量中的一个。在步骤S7中，将该评估数据组与期望进行比较，并且最后在步骤S8中，依据比较的结果，在该方法直到在结束步骤S9中驱动弹簧的下一次张紧的结束之前，输出维护信号。根据维护信号，可以规划适当的维护措施，并在执行维护措施的有利的时间点暂时停止中压设备的运行。

参考实施例的图示对本发明进行了更详细的说明。实施例并不限制本发明的仅仅由权利要求书限定的保护范围，而仅用于更好地理解本发明。

附图标记列表

10 中压开关设备

20 开关

21 移动触点

22 配合触点

30 弹簧储能式驱动器

31 电辅助驱动器

32 电动机

33 传动机构

34 驱动弹簧

35 触发器

36 转换器

37测量单元，控制单元

38信号接收器

Claims

1.一种用于运行中压开关设备(10)的弹簧储能式驱动器(30)的方法，具有如下步骤：

-测量用于张紧所述中压设备(10)的弹簧储能式驱动器(30)的驱动弹簧(34)的电辅助驱动器(31)的驱动电流；

-利用所述电辅助驱动器(31)张紧所述驱动弹簧(34)；

-依据所测量的驱动电流创建评估数据组；

-将所述评估数据组与期望进行比较；和

-依据比较结果输出维护信号。

2.根据上一项权利要求所述的方法，其中，在测量所述驱动电流的步骤中测量所述驱动电流的时间走向，并且依据所测量的驱动电流的时间走向创建所述评估数据组。

3.根据上一项权利要求所述的方法，其中，在创建所述评估数据组的步骤中确定所述驱动电流的时间走向的积分。

4.根据上一项权利要求所述的方法，其中，确定所述积分的第一部分，所述第一部分表示所述辅助驱动器所做的张紧功。

5.根据上两项权利要求中任一项所述的方法，其中，确定所述积分的第二部分，所述第二部分表示所述辅助驱动器(31)的驱动损耗。

6.根据上两项权利要求所述的方法，其中，所述积分的第一部分和第二部分相互成比例关系。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，在创建所述评估数据组的情况下确定至少一个特征时间点(t₁，t₂，t₃，t₄，t₅)，并且在比较所述评估数据组的步骤中，将至少一个特征时间点(t₁，t₂，t₃，t₄，t₅)和/或在至少一个特征时间点(t₁，t₂，t₃，t₄，t₅)测量的驱动电流与期望值进行比较，所述期望值与至少一个特征时间点(t₁，t₂，t₃，t₄，t₅)相关联。

8.根据上一项权利要求所述的方法，其中，至少一个特征时间点(t₁，t₂，t₃，t₄，t₅)是从如下时间点选择的：流过所述辅助驱动器(31)的电流的开始、所述驱动弹簧的张紧的开始、所述驱动电流的局部或全局最大值的出现、所述辅助驱动器(31)的关断时间点和流过所述辅助驱动器(31)的电流的结束。

9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述期望是历史数据组或特定于所述弹簧储能式驱动器的类型的预先给定的数据组。

10.一种用于中压开关设备(10)的弹簧储能式驱动器(30)，所述弹簧储能式驱动器具有电辅助驱动器(31)和测量单元(37)，所述辅助驱动器被设计用于张紧所述弹簧储能式驱动器(30)的驱动弹簧(34)，所述测量单元被设计用于测量所述辅助驱动器(31)的驱动电流，并将测量结果传输到控制单元(37)，所述控制单元用于执行根据上述权利要求中任一项所述的方法。

11.一种中压开关设备(10)，具有带有移动触点(21)的开关(20)和根据上一项权利要求所述的弹簧储能式驱动器(30)，所述弹簧储能式驱动器被设计用于根据控制信号移动所述开关(20)的移动触点(21)。

12.一种具有计算机程序的数据存储器，所述计算机程序由中压开关设备(10)、数字保护装置或远程控制中心的控制单元(37)、例如弹簧储能式驱动器(30)的控制单元(37)实施并且执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法。