CN1267392A - 确定开关装置触点处开关装置特有数据和/或确定与之连接的电网内运行数据的方法 - Google Patents

Abstract

一种确定开关装置中触点处开关装置特有数据和/或与之连接的电网内运行数据的方法及设备,尤其针对接触器的触点建议,检测触点间隔处的所谓触头跳起作为触点烧损的等效判据。若测量在断路过程中触头跳起的变化,则由此可确定烧损并换算出触点的剩余寿命。为此有必要准确测量从衔铁开始运动到触点开始断开的衔铁行程。按照本发明,根据触头跳起检测信号附加地检测在开关装置和在电网上的开关状态。

Description

确定开关装置触点处开关装置特有 数据和/或确定与之连接的 电网内运行数据的方法

本发明涉及一种按权利要求1前序部分所述用于确定开关装置触点，尤其是接触器触点处开关装置特有数据和/或确定与之连接的电网内运行数据的方法。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DE 4427006 A1和在未先公开的DE 19603310 A1及DE19603319 A1中介绍了用于确定接触器剩余寿命的方法，其中由在衔铁断开运动的开始与触头开始断开之间的时间差，测定在寿命期间逐渐增大的触点磨损。在这里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，确定所谓触头跳起(contact spring action)的当前值，由于触点的烧损是从其新值(＝100％剩余寿命)逐渐降至其最低值(＝0％剩余寿命)。将衔铁在断开过程中在衔铁开始断开与触点开始断开之间经过的路段称为触头跳起(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创造所属的设备。

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。

在本发明范围内，现有的电子学知识一方面可用来在确定剩余寿命的同时，识别某些故障状态并避免错误计值，另一方面可用来获得可利用于监控开关装置的数据，如开关装置或与之相连的电网的某些状态。通过这种功能的扩展，可达到用最低的附加费用获得其他的测量数据以及可使用已普遍存在的微处理机进行分析计算。

也就是说采用本发明可以用已有的“确定剩余寿命的电子学知识(Restlebensdauerelektronik)”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性费用便可测定的状态，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.操作循环数

3.检测“相位故障”

4.检测“电网电压故障”

5.检测“触点焊接”

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性数据，第3、4和6点涉及相连电网的运行数据。

在相位故障时，在人造中性点处的电压不处于零电位，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，用于触点断开的电子分析电路尽管桥式触头闭合仍产生周期性的输出信号，由此在一般情况下由于所确定的时间差不正确而会导致错误地计算剩余寿命。

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“相位故障”同时存在时，微处理器便能很好地停止剩余寿命的计算。停止计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时段继续执行。接触器断开时间的最大值提供作为时间间隔长度。

在电网电压故障时则相反，三相电网的所有三条相线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均为零。实际上与电网断开的，亦即漂游的电流路径就象天线一样，它能电感应地和电容性地耦合干扰电压。用于触点断开的电子分析电路对此的反应是偶尔受干扰信号影响产生输出信号。

当两种状态“接触器接通”和“电网电压故障”同时存在时，在这里也通过微处理器停止剩余寿命的计算。计算的停止方式类似上面已说明的方式。

在一般的情况下，中性点电压是相对于一个参考电位测量出来的，在按本发明的进一步发展所提供的设备中，操作电压作为出现在中性点电路的一个电流支路上的电压降能够被检测到。

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示出在断开过程中检测接触器触点剩余寿命并与此同时测算与运行有关的数据或状态；

图2示出在三相电网内的断开过程中，为接触器中第一个断开的开关触点生成断开时刻T_k以及通过测量人造中性点电压监控电网电压；

图3示出用集成磁传感器技术测定剩余寿命的实施例；

图4示出在不使用另一个参考电位的情况下检测中性点处的触点断开；以及

图5示出用于测出图4所示中性点处电流支路上的相电压的求值装置。

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。这些图部分共同说明。

图1表示确定剩余寿命的设备及其与一个接触器1的配置。分析器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点断开的第一监控模块101与相线L1、L2和L3触点接通。监控模块101控制微处理器105，后者确定触头跳起和其他的开关运行状态。为此微处理器从一个单元102获得其他的用于监控接触器磁驱动机构的衔铁断开的信号。微处理器将所产生的数据输给输出装置106，由输出装置106在必要时将所有与开关装置有关的数据通过总线输往其他分析器。

为接触器配置一接触器磁驱动机构5，它由衔铁3与相应的磁轭4组成。磁轭4上安装有接触器线圈6或6′。线圈通过控制开关控制。在接触器电磁线圈上的电压被输给所述单元102用于监控衔铁断开，衔铁断开信号被传送给分析器100。

借助于上述线路可以根据监控模块提供的时间信号通过微处理器105确定当前的触头跳起并由此确定主接触元件的电气寿命。除此之外，现在还可以确定其他一些开关装置特有的数据，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”

用于由线圈电压检测衔铁开始断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直接分析，或例如可通过可再触发的时序级产生矩形波信号，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)操作循环数

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)相位故障

相位故障在接触器1接通状态作为周期性中性点信号加以检测，并可在触点断开的分析电路中按图2直接作为周期性(双倍电网频率)输出信号由微处理器识别。4)电网电压故障

在连接在相线的负载侧，在测量接头与测量接地点之间的人造中性点线路分压器上，量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位故障，则作为结果显示电网电压故障。5)接触焊接

接触焊接可在接触器断开状态，存在电网电压的情况下识别。

三极焊接的极端情况借助于出现状态“接触器驱动机构电路断”和“没有电网电压故障”来识别。

“接触器驱动机构电路断”和“相位故障”状态同时发生时可判断为单极或双极焊接。活动桥式触点的单侧焊接在接触器断开状态下是不可能测得的，因为与此相关的触点间距是电气断开的。但这种桥式触头在接触器接通状态会有高概率地在负载侧产生相位故障。因此当故障指示为“相位故障”时，必须附加指出两种可能的原因“相线中断”或“接触器开关极断开”。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，通过它检测规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，还可以使用廉价的电感传感器。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。

短路识别原则上由微处理器通过接触器接通状态逻辑运算。在记录到短路时微处理器输出附加的报警信号，以检查接触器触点是否焊接。尤其能有控制地断开接触器，以便实施焊接检验。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接触，或在持续短路时持久地断开。

图2表示一个实施例线路，用于当最严重烧损的主触头触点开始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，现在有一个扩展的分析器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开关触点的时刻T_k，另一方面同时监控电网电压。

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进行剩余寿命检测。在这里，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中还有一个监控短路用的模件220。监控模件220由配属于各导线的磁传感器221至223控制。

由列表“通过逻辑运算分析测得的信号”以列表说明的方式表明，除了通过监控触头跳起检测触点的烧损外，通过逻辑运算借助于图1至3具体测得的信号，还可以说明开关装置的状态。在这里重要的是求值分析线路基本上仍可采用与以往相同的结构。通过逻辑运算分析测得的信号

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
分析	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

迄今在根据线圈电压确定衔铁开始断开时不安装R-C元件，因为安装R-C元件会导致无法分析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。

业已证明，可变电阻将过电压仅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＝_电网 ²/R)。

在接通直流工作的接触器驱动机构时防止过电压的自激电路中，可在电流特性曲线上检测衔铁断开。但要求出准确的衔铁断开时刻看来却不太可能，因为信号特征曲线相对于一个可分析的线圈电压信号在时间上扩展了约5倍。在用微处理器控制的自振荡晶体管替代自激电路中的自振荡二极管时(该自振荡晶体管为了限制开关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分析的线圈电压信号。

在图2中，所需的初次断开主接触元件时开关电压的时间信号，是通过测量固定的参考电压(如零或地电位)与在被监控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，开关设备既不能提供零线，也不能提供保护导体。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，则需要附加的技术性费用。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点开始断开。

按图4，出现的开关电压作为电压降在中性点线路的一个支路中检测。测得的电压用高通滤波器进一步处理并提供一个与开关电压成比例的输出电压。它可以按传统的方式在超过规定的阈值时产生期望的触点初次开始断开的控制信号。

对于开关电压(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_B3 $\stackrel{\‾}{\mathrm{\Σ}:U_{\mathrm{STP}}=-(U_{B1}+U_{B2}+U_{B3})/3}$ 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，通过它控制一个用于确定触点断开时刻的装置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。为了确定弧电压分量，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(它相应于在接触器电桥触头的触点分开之后的开关电压)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条相线直接连接一分析装置600，它同样监控触点断开和电网电压。从另外两条相线各有用于监控其相电压的一条测量线连接在此分析装置上。在这里分析装置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点的开关电压，除此之外还包含有检测被监控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点的监控，而下列考虑则适用于检测功率开关的剩余寿命：

在正常的断开过程中，弹性蓄力器的机械能转化为运动的开关锁构件和运动触点的动能以及转化成摩擦功。

随着机械能转化为动能，确定从开关锁断开动作开始到触点开始断开的运动过程，并进而确定所需的时间。

由于触点烧损，无论触点处于接通状态还是分开的瞬间，运动触头支承相对于固定触头支承的位置都有所改变，因而相应地改变了与运动触头支承连接的开关锁构件的位置。例如开关轴便算作此类开关锁构件，运动触头支承装在此开关轴上，此外还有将力传给开关轴和/或运动触点的杠杆机构。

开关锁构件的运动(直线和/或旋转运动)通常属于不均匀加速运动。由于触点烧损，如下面简单的例子所说明的那样，使得触点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＝在触点为新的状态下的断开时间

t₂＝触点有材料烧损时的断开时间

行程S₁、S₂    行程差ΔS＝S₁-S₂

ΔS＝由于烧损引起的位置改变，例如触点接触面厚度改变

V₁＝规定的结构性常数，例如位置被监控的开关锁构件在触点断开时刻的速度

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

当V₁＝b^*t₁时，得出ΔS＝(V₁-1/2 b^*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，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并规定结构性常数V₁。

下面用S表示触头跳起，在这里对新的状态赋予给定的结构性值S_neu以及对寿命终止时赋予最低触头跳起S_min。

在测量行程时间时，对于触头跳起S_neu、S、S_min得出相关的行程时间t_neu、t和t_min，借助于它们可以导出虚拟速度V₁，以及

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点烧损ΔS_max与触点断开时刻朝着更短的行程时间的最大偏移Δt_max相对应。

为得到触点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点断开时刻一致。所选出的开关锁构件在断开过程中到达事先规定位置的瞬时选择作为起始时刻。由此还做到不利用下面的短路断开来分析触点烧损。在这样的短路断开情况下，在达到预定的开关锁位置前，电流的力量已经把触点断开。从而避免在短路断开时对触点烧损作出错误的判断。

开关锁的结构特征具体决定了用于生成测量行程时间用的起始时刻的方法。为了在机电式断路器中实现稳定的接通与断开位置，开关锁通常设计为翻转杠杆机构的形式，其中翻转杠杆机构在位置变换时必须越过一个死点位置。因此要预先规定一个开关锁位置用于检测行程时间的起始时刻，在此位置时翻转杠杆机构处于死点位置与断开时的最终位置之间。

为了在确定触点烧损或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关锁位置，其精度至少为1/10mm。因为位置被监控的开关锁构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时烧损检测的不准确度预计会＞1/10mm。

所要求的精确的位置检测，采用非接触式工作的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烧损而受污染的问题，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点，它受要监控的开关锁构件的撞击。此辅助触点装置的固定触点决定了被监控的开关锁构件运动触点的撞击位置。因此无须大的费用支出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点，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。随着触点烧损增加使行程时间t缩短到t_min，它与最大允许烧损ΔS_max相对应。采用规定的结构性参数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，触点烧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，触头跳起变化曲线与行程时间变化曲线有明显的差别，所以虚拟速度V₁随触点烧损量而改变。这可以采用近似计算，即通过在新状态下结构性规定的V₁′值与在寿命终止时的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计算，所以可在线显示。

Claims (23)

1.一种确定开关装置触点，尤其是接触器触点处开关装置特有数据和/或确定与之连接的电网内运行数据的方法，其中检测触点间隔处的所谓触头跳起作为烧损的等效判据，为了确定触头接触面的烧损，测量断路过程中触头跳起的变化并换算出剩余寿命，为此在由衔铁、电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点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跳起，其中借助于在所监控的开关装置负载侧采集触点断开的测量数据并根据线圈电压发送有关衔铁运动开始的信号，其特征在于：根据触头跳起检测信号，附加地检测开关装置和电网上的开关状态、运行状态和故障状态。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：检测开关装置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：检测操作循环的次数。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：检测相位故障。

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：检测触点焊接。

7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：根据触头跳起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：通过检测相位故障和/或电网电压故障，避免在确定开关触点剩余寿命时的不正确计算。

9.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于：开关装置驱动机构“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分析。

10.按照权利要求1和3所述的方法，其特征在于：在微处理器内计算“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：由微处理器识别开关装置接通状态的相位故障。

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：存在电网电压时识别开关装置断开状态下的触点焊接。

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，它包括分析电路和微处理器，用于根据时间信号确定触头跳起，其特征在于：微处理器(105、205)同样地处理有关电网状态的信号。

16.按照权利要求15所述的设备，其特征在于：微处理器(105、205)受用于分析计算电网电压和/或相电压的单元(180、190、500、600)的控制。

17.按照权利要求16所述的设备，其特征在于：分析单元(180、190、500、600)含有用于检测在人造中性点(S)处电弧电压的装置(图4)。

18.按照权利要求17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。

19.按照权利要求17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)。

20.按照权利要求19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。

21.按照权利要求19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。

22.按照权利要求19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。

23.按照权利要求15至22之一所述的设备，其特征在于：为了在没有参考电位的情况下确定电弧电压，分析电路在人造中性点(S)处具有去往每条输电线路的测量线，用于附加地检测相电压。

Images