CN1618110A - 开关装置触头耗损的测定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在一种开关装置中用于确定一种其移动由励磁线圈(21)控制的电磁铁(20)所驱动的电极触头(C1、C2、C3)耗损的方法。基于随着在电磁铁闭合移动期间生成的触头(C1、C2、C3)耗损行程的行进时间(Tu)的变化，通过测量代表至少一个电极导通状态的至少一个电信号(Ip)、通过测量流过电磁铁线圈(21)的励磁电流(Is)并通过按照时间基准比较电信号(Ip)及励磁电流(Is)来确定耗损。这样就可将所测定的耗损行程的行进时间(Tu)与存储在存储装置中的初始行进时间(Ti)相比较。本发明还涉及可以实现该方法的一种开关装置。

Description

开关装置触头耗损的测定方法
技术领域
本发明涉及一种开关装置触头耗损(wear)的测定方法，在该电力开关装置中特别是接触器、起动器或双接触器(discontacor)、或接触器-断路器中装有一个或几个强电电极(power pole)。本发明还涉及一种使用该方法的开关装置。
背景技术
为了切换被控电力负荷，在开关装置的每个电极上装有动触头及静触头。每次切换操作期间，安装在这些触头上的触头圆片(disks)以可变的速率耗损，其决定于负荷的电流或电压。大量切换操作后，这些耗损可能引起开关装置的故障，而这些故障的后果对安全及可用性来说可能是严重的。为避免这类后果，通常采用的解决办法是预定次数操作(如100万次操作)后系统性地更换触头或整体更换开关装置，而不检查触头圆片的实际耗损。结果可能是作业进行得太晚，触头圆片已过量耗损，或进行得早于所需，触头圆片尚未严重耗损。因此，为了推断触头电极剩余寿命的相关消息，或在开关装置执行大量操作的情况下，了解何时它们已经达到寿命(live)终点，能够测定触头的实际耗损是很重要的，因为其要提供在合适时间将向用户报报警的装置，因此避免自动装置中故障或缺陷的发生。
文件EP0878015及EP0878016通过计算触头断开时触头压力的变化来测定触头的剩余寿命。触头压力的改变通过测量开始瞬间与结束瞬间之间的时间来确定，开始瞬间是控制电磁铁衔铁开始移动的时刻；结束瞬间是触头断开瞬间。开始瞬间通过一个辅助回路分析断开相线(phase)时电磁线圈端子上电压来检测，结束瞬间是耗损最严重的切换电极触头断开开始的瞬间，并通过将所有相线连接到检测电路，测量作为输出侧电流线人造中性点上电压变化的切换电压来进行检测。
不过实际上，这些装置能工作但线路的断开会引起电弧的出现，会干扰在这些电极中进行的电压测量。这些装置还需特别防护以测量的线圈电压，例如必须附加使用一个辅助开关以使辅助回路与线圈电源相隔离，以便在一个放电电阻上测量线圈电压。
发明内容
本发明的目的是用尽可能简单地测定开关装置电极触头的耗损而避免这些缺点。为此本发明描述了一种测定开关装置电极触头耗损的方法，该开关装置包括一个或几个装有由控制电磁铁驱动的触头的电极；触头在断开位置与闭合位置之间的移动由励磁线圈控制，触头的耗损由电磁铁作闭合移动时的触头耗损间隙行进时间(contact wear distance travel time)来测定。根据本发明，触头耗损间隙行进时间发生在电磁铁作闭合移动期间，通过在至少一个电极上测量至少一个代表导通或不导通状态的电信号、通过测量通过电磁铁线圈的励磁电流、并通过计算通过所述电信号确定的触头闭合瞬间与由所述励磁电流确定的电磁铁闭合移动终止瞬间之间的时间间隔确定。
根据一个特征，当电极变为导通时以电信号的出现确定为触头闭合瞬间，而检测出最小励磁电流时确定为电磁铁闭合移动终止。
根据另一个特征，以开关装置中在对应的电极中主电流的出现确定为每个电极触头闭合瞬间。根据另一个特征，以在对应的电极与中性点之间触头的输出侧相/中性点电压的出现确定为电极触头闭合瞬间。根据另一个特征，以触头输出侧两个电极之间相/相电压的出现确定为电极触头闭合瞬间。
在作业中，触头闭合，即电磁铁被激励时，而不是触头断开时更为有利。首先，这样可以避免特别是由触头上的电弧及线圈中的剩余磁通产生的干扰，因而简化了为检测出触头闭合瞬间而对所述装置电极上电流或电压的测量。此外，虽然断开时不需测量，但在闭合时，电磁铁激励时，已对装有电子方式控制线圈的开关装置中线圈励磁电流进行了测量。因此，为了检测出电磁铁闭合移动的终止，也可以简单使用所述励磁电流测量结果。
由相对于存储在开关装置存储装置中的初始耗损间隙行进时间(initialwear distance travel time)而测定的这一行进时间偏差(the drift of this traveltime)开始，采用可能已用修正系数修正的所测耗损间隙行进时间(weardistance travel time)来确定触头的耗损。因此，可以从将所测定的耗损间隙行进时间与存储在开关装置存储装置中的最小可允许耗损间隙行进时间进行比较开始，确定触头耗损。
本发明还介绍可实施该方法的开关装置。该型开关装置包括：输出在至少一个电极上代表至少一个电极导通或不导通状态的主要信号的第一测量装置；输出一个代表在电磁铁的线圈中有励磁电流流动的辅助信号的第二测量装置；及一个为实施该方法向其中输入主要信号及辅助信号的处理单元。第一测量装置串联在开关装置的电流线中，以测量电极中的主电流。另外，第一测量装置也可以安装在开关装置输出侧电流线与中性点之间，以测量电极的相/中性点电压。
根据另一特征，该开关装置包括用于存储初始的触头耗损间隙行进时间的装置。处理单元计算测定的触头耗损间隙行进时间并将所述测定的间隙行进时间与存储的初始间隙行进时间进行比较，以确定触头剩余寿命和/或提供寿命终止信息，超出该寿命时不再保证产品性能。
附图说明
参照作为示例和由附图表示的的实施例，阅读下面给出的详细说明，可以更清楚地看出其它特征及优点：
图1所示为根据本发明，包括第一电流测量装置的开关装置功能示意图。
图2表示图1所示开关装置中触头电极操作的简化细节。
图3为图1所示开关装置闭合移动期间主电流及励磁电流变化的系列示意图。
图4为作为图1的替代方案的带有第一电压测量装置的细节。
具体实施方式
电力开关装置，如接触器、接触器-断路器或启动器(双接触器)，包括一个或几个电极(pole)。如图1所示的例子中，开关装置包括三个电极P1、P2及P3。
开关装置包括在电源电网与电极P1、P2、P3间建立电连续性的输入侧电流线(电源线)及在开关装置电极与电力负荷之间建立电连续性的输出侧电流线L1、L2、L3(负载线)，电力负荷通常为通过开关装置控制和/或保护的电动机M。输入侧电流线由电极触头C1、C2、C3与输出侧电流线接通或断开。按公知方式，触头C1、C2、C3包括安装在可动桥接件28上的动触头和静触头。可动桥接件28由控制电磁铁20及触头压力弹簧25驱动。控制电磁铁20包括：一个固定磁轭、一个可动衔铁23、一个复归弹簧26及一个励磁线圈21。通过使励磁线圈21中流动励磁电流Is来产生电磁铁20的可动衔铁23的闭合移动。励磁线圈21最好由直流励磁电压供电。
在如图2所示的详细实施例中表示一种装有断路电极的开关装置，同样可以设想一种装有接触器电极的装置。带有断路电极的装置的操作如下：当电磁铁的线圈21中没有励磁电流Is通过时，复归弹簧26使可动衔铁23与电磁铁的固定磁轭分开。可动衔铁23与一个没有在图中详示的机械连杆22(例如一个压杆)做机械配合，以便动作可动桥接件28，因此通过动触头与静触头分开，触头断开。除非复归弹簧的力比触头压力弹簧25的压力大，否则复归弹簧26就不能起到这个作用。励磁线圈21中励磁电流的出现使可动衔铁23向反方向位移朝电磁铁20的固定磁轭方向移动，这样使移可动桥接件释放。触头闭合力由压在可动桥接件28上的触头压力弹簧25提供以迫使动触头与静触头紧密接触。特别是，装有断开电极的装置的优点是：由于此时可动桥接件28与电磁铁的可动衔铁23分开，由于移动中的可动桥接件惯性总体下降，这样就降低了在触头闭合移动终点触头跳动的风险。
在一种装有断开电极的开关装置中，可将触头圆片(disk)做的足够厚，以使产品寿命的终止不是由于触头圆片太薄，而是由于剩余的触头耗损行程间隙(the remaining wear travel distance)太小。当此耗损行进间隙变为零时，压杆22一直保持与动跨接片28接触，此时可动衔铁23已结束它的闭合运动，它阻止了弹簧25使动触头与静触头接触而施加的压力。由于触头压力不足，所以在这样的条件下，已不能保证开关装置正确工作。因此，触头耗损就可能决定于触头的剩余耗损行进间隙而不是触头圆片的剩余厚度。
根据本发明，该开关装置包括第一测量装置11、12、13、11′，它们能够输出所测量的代表在至少一个电极P1、P2、P3的导通或不导通状态的至少一个电信号的至少一个主要信号。在图1所示的实施例中所述第一测量装置包括串联在各输出侧电流线L1、L2、L3上的电流传感器11、12、13，并且它们各分别输出一个决定于在开关装置各电极P1、P2、P3中流通的主电流的主要信号31、32、33。通常在接触器-断路器中，这些电流传感器11、12、13特别用来执行热故障、电磁故障或短路故障保护功能。例如，电流传感器11、12、13可以是Rogowski型电流传感器。此时在这种情况下，所得到的主要信号实际上反映的是电流Ip的导数(derivation)，因此所述电流Ip一出现就会出现一个大的信号，这样就可以很容易的检测出电流Ip出现的瞬间。
在如图4所示的另一替代实施例中，第一测量装置11′位于触头C1、C2、C3的输出侧，在输出侧电流线L1、L2、L3与开关装置的实际中性点N之问，以便分别输出分别决定于不同电极P1、P2、P3的相电压/中性点电压的主要信号31′、32′、33′。这一替代的解决方案在不需要电流传感器简化装置中实现。在图4的简化例子中，测量装置11′包括一个将每个测量电极旁路以降低电流强度的第一高电阻，它与第二电阻串联，第二电阻用于在端子上测量电压。三个第二电阻的终止连到中性点N。另有类似的电压测量系统。因此，如果需要，进行模拟处理以后，测量装置11′产生代表各电极的相/中性点电压的主要信号31′、32′、33′。在另一替代的实施例中，也可以利用第一测量装置测量两个电极间的相/相电压。
将主要信号31、32、33或31′、32′、33′送至开关装置的处理单元10。处理单元10例如可以安装在开关装置内印刷电路的ASIC型集成电路中。特别说明它可以用来控制电磁铁20及对接触器-断路器用来控制热和/或电磁跳闸装置。
该开关装置还包括用来测量电磁铁20的励磁线圈21中流通的励磁电流Is的第二测量装置14。由于线圈21由直流电压供电，第二测量装置14可以由串联在线圈21控制回路中的一个电阻构成，这样可以直接测量端子上的电压。因此，对该测量结果进行模拟处理后，将测量装置14产生代表励磁电流Is的辅助信号34送到处理单元10。
在接触器/断路器型开关装置情况下，其中为保护电力负荷已提供了测量主电流Ip的电流传感器11、12、13，这些相同的电流传感器还可优先被用在本发明范围内，也确定触头C1、C2、C3闭合时间。另外，如果这样一个接触器-断路器装置已经包括经特别设计的一个电子处理单元10以控制电磁铁20，该处理单元10还可以具有代表励磁电流Is的信息34。将在如本发明描述的确定触头耗损的处理程序综合到这种开关装置中是方便而经济的，以便在需要的时候向用户报警并因此避免开关装置的故障与事故。
参见图3，处理单元10中采用的处理程序基于下列原理：
当出现触头闭合指令50时，曲线51示意所示送至电磁铁20的线圈21的励磁电流Is开始增加。在分离阶段时期，磁铁20的可动衔铁23不动，励磁电流Is近似沿一渐近线增加。
在瞬间A，励磁线圈21中已存储了使可动衔铁23开始移动闭合的足够安匝数。从此瞬间开始，电磁铁20的气隙逐渐减小，这将使电磁铁20中固定磁轭与可动衔铁23形成的磁路的磁阻改变。这种磁阻的变化使励磁电流Is下降。励磁电流Is的下降一直持续到与可移动电磁铁23行程终点即电磁铁20闭合移动终点对应的瞬间C。在瞬间C以后，气隙及电磁铁20的磁阻不再变化，励磁电流Is再次增加，如曲线51所示。
同时，从瞬间A开始，可动衔铁的移动使可动桥接件28在触头压力弹簧25带动下逐渐释放。可动衔铁28开始移动，一直到瞬间B，此时迫使每个电极的动触头与相应的静触头相接触，电极变为导通状态。从瞬间B开始，由各电流传感器11、12、13测量的主电流Ip开始出现，如曲线52示意所示。如图2所示，如果每个电极有两个静触头及两个动触头，在瞬间B最好与两个动/静触头对的闭合相对应，这样就能检测出在同一电极上两对触头触头圆片的最大耗损。在图4的替代实施例中，瞬间B可以由在触头输出侧每个电极上在电极与实际中性点之间由第一测量装置11′测到相/中性点电压的出现来确定。同样，瞬间B也可以用在触头输入侧装置的两个电极之间测量相/相电压来检测。
因此，处理单元10能够通过从接收辅助信号34开始，检测由在图3所示曲线拐点所代表的励磁电流Is最小值的出现，来检测与瞬间C对应的电磁铁闭合移动终止。另外，处理单元10也能够通过从主要信号31、32、33或31′、32′、33′开始，检测代表电极导通或不导通状态(换句话说，主电流Ip或相/中性点电压或相/相电压)的信号的出现，来检测出表示触头闭合的瞬间，其对应于瞬间B。处理单元10可以比较作为时间的函数的电信号与励磁电流Is的变化并用这些变化确定触头耗损间隙行进时间(Contact weardistance Trave/time)。
瞬间A与瞬间C之间的时间T1与电磁铁的可移动衔铁23闭合移动持续时间相对应。瞬间A与瞬间B之间的时间T2与可动桥接件28闭合移动持续时间相对应。T1与T2之间的差(或时间间隔)称为Tu，与触头耗损间隙行进所需(又称为触头压紧行程间隙)的行进时间，即瞬间B与瞬间C之间的时间相对应，如曲线53所示。很明显，当动和/或静触头圆片耗损增加时，T2增加，因而时间Tu减小。
为避免时间Tu测量及计算时的偶然误差，处理单元10可选择性地进行滤波(filter)或平滑(smooth)处理，特别是只使用根据指定数量的电磁铁闭合循环，例如几十次循环进行的几次测量中计算的平均值。
有关触头耗损的信息，一般可以包括以百分数表示的触头剩余寿命，耗损程度等和/或表明开关装置触头剩余寿命终止的报警信息。
为了得出有关触头剩余寿命的相关信息，处理单元10将所测得的触头耗损间隙行进时间Tu与对应于触头的初始耗损间隙(initial wear distance)(又称为新状态时的比较间隙)的初始行进时间Ti(initial trawel time)进行比较，并及时监视其时间变化或Tu与Ti之间差值的演变。该初始行进时间Ti与由指定类型电磁铁确定的校准值相对应。
为了得出触头寿命终止报警信息，处理单元10将所测得的触头耗损间隙行进时间Tu与对应于最小可允许触头耗损间隙相比较的最小行进时间Tmin，再低于该间隙就不能保证开关装置的预期性能对应。该最小行进时间Tmin也由指定的类型电磁铁确定。
开关装置装有连接到处理单元10的内部存储装置15，其可以存储这一初始值Ti和/或这一最小值Tmin。存储装置15可以由例如EEPROM型非易失存储装置或由快速(FLASH)型存储装置组成。最好，由于费用和尺寸上的考虑，将处理单元10及存储装置15安装在开关装置的同一集成电路中。存储在存储装置15中的初始值Ti或者取开关装置制造时预定的数值，或者取在开关装置第一次作开关操作时的第一次测量值Tu。
为将Tn与Ti和/或Tmin进行比较，通常假设一个触头闭合移动时电磁铁可移动部分的实际移动速度。例如Ti及Tmin可以由电磁铁的可动衔铁23的正常速度确定，而且该正常速度不需要与用于确定Tu的尾部速度相等。
在第一个简化变更方案中，对于一个指定类型，具有指定额定值的指定类型的电磁铁可以认为可动衔铁23的移动速度大约维持恒定。在这种情况下，处理单元10可以检测已测定的行进时间Tu与初始行进时间Ti之差的导数，并可简单算出触头的剩余寿命。同样，当Tu小于Tmin时处理单元10可以很容易给出触头寿命终点信息而不要求对Tu的测量结果进行校正。
在第二变更方案中，可以认为可动衔铁23的移动速度不仅决定于电磁铁类型而且也决定于励磁线圈的电源电压(或至少是在有切换指令的情况下线圈电源电压的平均值)。当电源电压升高时，在闭合移动期间，可动衔铁23的实际移动速度加快，在这种情况下，开关装置装有电源电压测量装置，将这些装置连接到处理单元10，以便在对Ti和/或Tmin进行比较前考虑到速度的变化能够对测定的行进时间Tu选定修正系数，以便使得出的有关触头耗损的信息更确切。
在第三变更方案中，可以认为可动衔铁23的移动速度还决定于其他参数，如装置的运行温度。不过该处理过程不会由于变得太复杂的计算而恶化。运就是为什么在这种情况下，处理单元计算在线圈中出现电流Is的时刻0与可动衔铁23开始移动时最大电流Is出现瞬间之间的持续时间对应的分离持续时间T3(见图3)，以便更确切地估计可动衔铁23的移动速度。持续时间T3也是装置运行温度及线圈电源电压的函数。因此持续时间T3的变化与可动衔铁23移动速度的变化之间可以形成一种简单的关系。考虑到速度的变化，通过对测定的持续时间T3与存储的参考持续时间的比较，对测定的行进时间Tu也可以选定一个修正系数，以便使得出的有关触头耗损的信息更确切。
该开关装置还包括与通信总线B例如一种串接链路、一种现场总线、一种LAN、一种全球网络(因特网或因特网型)或其他网络相连的通信装置18。将这些通信装置18连接到处理单元10，以便与由处理单元10计算的触头电极耗损相关的信息可以在通信总线B上传输。该开关装置还包括连接到处理单元10的信号装置17。这些信号装置17，例如一种小荧光屏、或开关装置前面的几个信号灯，使得能向位置接近开关装置的操作人员显示由处理单元10计算的触头电极耗损情况的相关信息。
当要求处理单元10发出控制控制电磁铁20的指令时，处理单元10能随动于(slave)这些指令直到电极触头寿命信息的终止，以便能消除当触头耗损太严重时还发出开关装置闭合电极的指令的可能性，因为此时开关装置已经不能保证预定的性能。因此，由于当有故障的危险时开关装置可以自锁，这样就提供了一个附加很重要的安全功能。
在一个优选实施例中，对开关装置每个电极P1、P2、P3都装有电流传感器11、12、13。处理单元10可以接收每个电极的主要信号31、32、33，这样就可以分别检测每个电极的触头耗损。此时开关装置触头的耗损或者逐个电极地或者通过使用触头耗损最严重的电极计算触头耗损。
在另一实施例中，不是开关装置的每个电极P1、P2、P3都有一个电流传感器11、12、13，而是例如仅在一个电极上有一个电流传感器。这样处理单元10接收单一的主要信号并且实际也就只能在该电极上检测触头耗损。此时开关装置所有触头的耗损都由对一个电极的单一测量结果确定，而没有考虑不同电极中触头耗损间的其它不同。
显然，在不超出本发明范围的情况下，还可以设想出其它详细变化及改进并使用可以设想出的等效方案。

Claims (17)

1、一种确定开关装置中电极触头(C1、C2、C3)耗损的方法，该开关装置包括装有由控制电磁铁(20)驱动的触头的一个或更多电极，触头在断开位置及闭合位置之间的移动由励磁线圈21控制，触头(C1、C2、C3)耗损利用触头耗损间隙行进时间(Tu)确定，其特征在于，在电磁铁闭合移动期间产生该触头耗损间隙行进时间(Tu)是通过：
测量至少一个代表至少一个电极(P1、P2、P3)导通或不导通状态的电信号(Ip)，
测量通过电磁铁(20)线圈(21)的励磁电流(Is)，
计算由所述电信号(Ip)确定的触头闭合瞬间与所述励磁电流(Is)确定的电磁铁闭合移动终止瞬间之间的时间间隔。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以通过检测所述励磁电流(Is)最小值来确定电磁铁闭合移动的结束瞬间。
3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，以所述电流信号(Ip)的出现来确定触头(C1、C2、C3)闭合瞬间。
4、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，以在开关装置的每个电极(P1、P2、P3)上流通的主电流(Ip)的出现来确定每个电极触头(C1、C2、C3)的闭合瞬间。
5、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在触头输出侧由每个电极(P1、P2、P3)与中性点(N)之间相/中性点电压的出现来确定每个电极触头(C1、C2、C3)闭合瞬间。
6、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在触头输出侧由两个电极(P1、P2、P3)之间相/相电压的出现来确定电极触头(C1、C2、C3)闭合瞬间。
7、根据权利要求1至6中之一所述的方法，其特征在于，通过利用将所测定的触头耗损间隙行进时间(Tu)与存储在开关装置存储装置(15)中的初始触头耗损间隙行进时间(Ti)进行比较得到的时间变化来确定触头耗损。
8、根据权利要求1至6中之一所述的方法，其特征在于，通过利用将所测定的触头耗损间隙行进时间(Tu)与开关装置存储装置(15)中的最小可允许触头耗损间隙行进时间(Tmin)进行比较来确定触头耗损。
9、一种开关装置，包括装有触头(C1、C2、C3)的一个或几个电极(P1、P2、P3)，这些触头由励磁线圈(21)控制其移动的控制电磁铁(20)驱动，其特征在于，该开关装置包括：
输出代表至少一个电极(P1、P2、P3)导通或不导通状态的至少一个主要信号(31、32、33、31′、32′、33′)的第一测量装置(11、12、13、11′)，
输出代表电磁铁(20)的线圈(21)中流通的励磁电流(Is的辅助信号(34)的第二测量装置(14)，
处理单元(10)，主要信号(31、32、33、31′、32′、33′)和辅助信号(34)输入到其中，以实现根据所述权利要求之一所述的方法。
10、权利要求9所述的开关装置，其特征在于，第一测量装置(11、12、13)串联在开关装置电流线(L1、L2、L3)中，以便用来测量流通在电极(P1、P2、P3)中的主电流。
11、根据权利要求9所述的开关装置，其特征在于，第一测量装置(11′)安装在开关装置输出侧电流线(L1、L2、L3)与中性点(N)之间，以便测量电极(P1、P2、P3)相/中性点电压。
12、根据权利要求10或11所述的开关装置，其特征在于，其包括用于存储初始触头耗损间隙行进时间(Ti)的存储装置(15)。
13、根据权利要求12所述的开关装置，其特征在于，处理单元(10)计算所测定的触头(C1、C2、C3)耗损间隙行进时间(Ti)及将所述测定时间(Tu)与存储的初始行进时间(Ti)进行比较，以确定有关电极触头耗损的信息。
14、根据权利要求13所述的开关装置，其特征在于，处理单元(10)及存储装置(15)安装在开关装置集成电路中。
15、根据权利要求13所述的开关装置，其特征在于，包括通信装置，连接到处理单元(10)以便可以在通信总线(B)上传输电极触头耗损的相关信息。
16、根据权利要求13所述的开关装置，其特征在于，包括连接到处理单元(10)以显示电极触头耗损相关信息的信号装置(17)。
17、根据权利要求13所述的开关装置，其中处理单元(10)向电磁铁(20)输出指令，其特征在于，处理单元(10)能够随动于控制电磁铁(20)的指令及电极触头耗损的相关信息。
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