CN1976147B - 用于测量电开关器件中的接触磨蚀的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用新颖的动态电阻测量(DRM)来测量电开关器件(1)中的接触磨蚀的方法和装置。根据本发明，为了确定开关器件(1)中的重叠时间(ΔT)和接触磨蚀，通过测量出通过开关器件(1)和并联导体(12)的测量电流(I0)，以及并联导体(12)中的电流改变(ΔI₁)，间接测量出开关器件(1)两端的电流变化ΔI₂。其它示例性实施例涉及以下内容：利用Rogowski线圈(8a)检测并联导体(12)中的差分电流测量信号(ΔI₁(t)，dI₁(t)/dt)；选择开关电阻(R₂)的数量级的并联导体电阻(R₁)。优点包括：即使在数A的较低测量电流I₀，开关电阻(R₂)的μΩ范围内的小改变(ΔR₂)也导致数百mA范围内的大电流改变。结果，可以提供手持便携式DRM测量设备。

Description

用于测量电开关器件中的接触磨蚀的方法和系统

技术领域

本发明涉及高压工程领域，尤其涉及配电系统的断路器。本发明是用于监控开关器件的方法和装置。

背景技术

动态电阻测量(DRM)被用于确定断路器的重叠时间(overlaptime)。重叠时间是额定电流接触系统中的触头分离和自耗(consumable)接触系统或灭弧接触系统中的触头分离之间的时间差，其指示灭弧触头已被磨蚀的程度。从而可以评估灭弧室的剩余寿命。在DRM的情形中，在CO操作期间(闭合然后断开开关)，1kA数量级的恒定直流电流经开关被传输，并且该开关两端的电压降被记录下来。记录该电压使得能够确定开关在任意时刻的线电阻。因此，可以确定接触系统断开的两个时间，因此也可以确定重叠时间。需要传输的直流是如此之大的原因在于两个接触系统的电阻值非常小，并且差别细微。仅当传输非常高的电流时，自耗接触系统和额定电流接触系统之间的电压差才在可测量范围内。

该方法的一个缺点是在每种情形中需要被运送到相应安装位置的所需装置的大小。除了服务人工的运输成本之外，还导致测试装置的运输成本上升。为了节省这些成本，需要一种较小的测量设备，该设备可以与前述设备相同程度的可靠性测量重叠时间，而且可由服务人员用手提包携带。

发明内容

本发明的一个目的是给出一种方法和装置，用于改进对电开关器件中的接触磨蚀的监控。该目的是根据本发明实现的。

本发明的主题是一种用于测量电开关器件中的接触磨蚀的方法，所述电开关器件包括具有额定电流接触系统的额定电流路径和具有自耗接触系统的自耗接触电流路径，该方法包括测量所述额定电流接触系统的分离和所述自耗接触系统的分离之间的重叠时间，并且从其确定出所述自耗接触系统的磨蚀，其中，测量重叠时间的步骤包括：a)从来自测量电流源的馈送电流分流出第一电流和第二电流，b)所述第一电流传送过所述开关器件，并且所述第二电流通过与所述开关器件并联设置的并联导体与所述开关器件并联地传送，以及c)利用测量系统检测出所述第二电流，从作为时间的函数的所述第二电流的改变确定出所述重叠时间，其中，在步骤c)中，利用电流传感器检测出表征所述第二电流的作为时间的函数的电流测量信号，由于所述额定电流接触系统被分离时的电阻改变，所述电流测量信号中的第一符号被测量出，并且由于所述自耗接触系统被分离时的电阻改变，所述电流测量信号中的第二符号被测量出，并且从所述第一和第二符号的时刻之间的差确定出所述重叠时间。

在另一个方面中，本发明包括一种测量系统，用于测量电开关器件中的接触磨蚀，所述电开关器件包括具有额定电流接触系统的额定电流路径和具有自耗接触系统的自耗接触电流路径，所述测量系统包括测量电流源，传感器和估值单元，包括所述测量电流源，传感器和估值单元的所述测量系统用于以时间依赖的方式测量所述开关器件两端的电阻，即，用于测量作为时间的函数的所述开关器件两端的电阻，用于确定所述额定电流接触系统的分离和所述自耗接触系统的分离之间的重叠时间，并且用于据此确定所述自耗接触的磨蚀，另外，还包括与所述开关器件并联设置的并联导体，并且所述传感器被布置在所述并联导体上；所述测量电流源被连接到所述开关器件用于馈送第一电流，并且被连接到所述并联导体用于馈送第二电流；并且所述传感器用于检测所述第二电流，并且所述估值单元具有用于从作为时间的函数的所述第二电流的改变来确定所述重叠时间的装置，其中所述传感器检测表征所述第二电流的作为时间的函数的电流测量信号，所述传感器是电流传感器，所述估值单元具有用于检测所述电流测量信号中的第一符号和第二符号的装置，所述第一符号由于在所述额定电流接触系统被分离时电阻的改变而发生，而所述第二符号由于在所述自耗接触系统被分离时电阻的改变而发生；并且所述估值单元具有用于从所述第一符号和所述第二符号的时刻之间的差来确定所述重叠时间的装置。可以以多种方式检测并联导体中的电流，特别地，可以利用感应耦合传感器或者以另一种方式耦合的传感器来检测并联导体中的电流。通过利用并联测量电流路径，即使利用低馈送测量电流也可以以高精度测量所述开关两端的电阻的改变。

在一个优选实施例中，电流传感器是Rogowski线圈(罗果夫斯基线圈)，其测量与所述第二电流的一阶时间导数成正比的差分电流测量信号。由于其差分响应，所述Rogowski线圈对于第二电流改变和感生第一电流的改变具有高度的测量灵敏度。特别地，可以在未在时间上经任何在先积分的情况下对所述差分电流测量信号进行估值，以及/或者在在时间上经积分后对其进行估值。

本发明的其它实施例、优点和应用可以从下面的说明和附图导出。

附图说明

在附图中，示意性地示出了：

图1示出了具有两个接触系统的开关器件的简化电路图；

图2示出了根据本发明的用于监控开关器件中的接触磨蚀的测量系统的实施例，该测量系统具有并联的导体；

图3示出了动态电阻测量的电流或电压测量曲线和位移/时间曲线；以及

图4示出了用于优化并联导体电阻的图。

在附图中相同的标号用于标识相同部分。

具体实施方式

诸如高压断路器、高电流断路器(发电机断路器)或者开关断连器之类的断路器1在原理上有两个接触系统，即额定电流接触系统3和弧或者自耗接触系统5。

额定电流接触系统3的任务是在开关1被闭合时尽可能以无损方式传输电流。因此其具有非常低的线电阻和接触电阻。自耗接触系统5仅在额定电流接触系统3断开和其自身断开之间的短时间中承载可观的电流。因此，自耗接触系统5的电阻的角色不重要，因此在所有断路器1中该电阻都比额定电流接触系统3的电阻大的多。

图1示出了这种断路器1的示意图。在跳闸操作(断开)时，额定电流接触系统3首先被断开。电流从额定电流路径2转换到具有自耗接触系统5的自耗接触电流路径4，自耗接触系统5在数毫秒的重叠时间或转换时间后也类似地断开。

在动态电阻测量(DRM)的情形中，为了确定重叠时间，利用了两个接触系统的电阻不同这一事实。在发电机断路器中，这些电阻对于标称或者额定电流接触3可以是例如2μΩ-20μΩ，对于弧或自耗接触5是300μΩ-800μΩ。传统DRM中的一个缺点是必须使1kA数量级的非常高的恒定直流电流传输过闭合的开关1，以便能够足够精确地测量自耗电流接触系统和额定电流接触系统之间的电压差。

图2示出了根据本发明的动态电阻测量的示例性实施例，其被称作DRM light(DMA光线)。DRM light在原理上与传统的DRM方法不同。开关1中的电阻的改变在导体12的辅助下被测量，导体12被并联安装，并且根据开关1的状态承载或多或少的电流。在这种情形中，要被动态测量(即，以时间依赖的方式)的开关电阻R₂(t)出现在开关器件1的两端，并且并联导体电阻R₁出现在并联导体12两端，并联导体12与开关器件1并联连接。有利地是在接触端子处的连接电阻被包括在并联电阻R₁中。

特别地，图2示出了具有与测量系统7电连接的端子或者测量端子6的开关器件1，测量系统7被电连接到测量端子6。测量系统7包括测量电流源11，传感器8、8a和估值单元10，其用于以时间依赖的方式测量开关1两端的电阻，用于确定额定电流接触系统3的分离和自耗接触系统5的分离之间的重叠时间，并且用于据此确定自耗接触系统5的磨蚀。根据本发明，传感器8和8a被布置在并联导体12上，测量电流源11被连接到开关器件1用于馈送第一电流I₂，并且被连接到并联导体12用于馈送第二电流I₁，传感器8和8a检测第二电流I₁，估值单元10具有用于根据作为时间t的函数的第二电流I₁的改变来确定重叠时间Δt的装置。下面给出实例性实施例。

如图2所示，有利地是，总的馈送电流I₀等于第一和第二电流的和I₁+I₂；并且/或者测量电流源11是恒定直流源11，例如具有串联电阻器(优选具有高电阻)的蓄电池或者可充电电池。I₀的数量级是数安培。结合作为电流测量分支的根据本发明的并联导体12，这足以用于以非常高的精度测量开关1的重叠时间和接触磨蚀。

测量系统7有利地包括用于检测接触运动s(t)的装置。测量系统7还可以被设计为便携式设备。要被检查的开关器件1例如可以是断路器1、高电流断路器或者发电机断路器1、或者开关断连器1。

如图2和图3所示，传感器8和8a用于检测电流测量信号，例如，作为时间t的函数的I₁(t)、ΔI₁(t)、dI₁(t)/dt，或者第二电流I₁的另一个时间导数，或者这种电流变量的组合，电流测量信号表征通过并联导体1₂的第二电流I₁，结果，间接表征通过开关1的第一电流I₂。传感器8和8a一般是电流传感器，它们例如感应测量与第二电流I₁的时间导数成正比的差分电流测量信号ΔI₁(t)或者dI₁(t)/dt。电流传感器8a优选是Rogowski线圈8a，其测量与第二电流I₁的一阶时间导数成正比的差分电流测量信号ΔI₁(t)或者dI₁(t)/dt。

对于Rogowski线圈8a或者一般的磁电流测量设备，输出信号可由u(t)＝M*dI₁(t)/dt描述，其中u(t)是在测量线圈中感生的电压，该电压可以用作输出信号，并且比例因子M表示互感，其存在于测量线圈和电流路径之间。

此外，估值单元10应当具有用于检测电流测量信号例如I₁(t)、ΔI₁(t)或者dI₁(t)/dt中的第一和第二符号(signature)13a、13b；14a、14b，符号13a、13b；14a、14b是在额定电流接触系统3和自耗接触系统5被分离时电阻的改变所导致的。此外，估值单元10还应当具有用于根据第一和第二符号13a、13b；14a、14b的时刻之间的差Δt确定重叠时间的装置。

下面将参考图3对此进行更详细地解释。图3在公共时间轴t上示出了开关1中的接触运动的位移曲线s(t)(该曲线可以以各种已知的方式记录，例如，利用设备上的线性电位计)，以及直流测量信号I₁(t)和差分电流测量信号ΔI₁(t)或者dI₁(t)/dt，其与直流测量信号I₁(t)的一阶导数成正比。这种差分电流测量信号可由到第二电流I₁的感应耦合获得。

当开关1被完全闭合时，馈送电流I0在额定电流接触系统3、自耗接触系统5和并联导体12之间分流。当额定电流接触系统3断开时，开关1中的电阻R₂(t)增大，结果并联导体12中的电流I₂也增大。一旦开关1被完全断开，则总电流I₀＝I₁流过并联导体12。并联导体12中的电流改变ΔI₁(t)或者时间导数dI₁(t)/dt被Rogowski线圈8a检测出。例如利用测量技术或者通过计算，通过在时间上积分，可以从Rogowski线圈信号ΔI₁(t)或者dI₁(t)/dt确定出直流测量信号I₁(t)。

可见，所寻求的重叠时间或传输时间Δt可以通过测量由Rogowski线圈8a生成的峰值之间的时间来确定。对线圈信号进行积分不是必需的，但是这可以防止错误解释。因此，通过根据直流电流测量信号I₁(t)或者差分电流测量信号ΔI₁(t)或者dI₁(t)/dt或者更高阶导数对时刻进行估值，可以进一步提高动态电阻测量方法和该电阻测量装置7的可靠性。

图3中的测量曲线s(t)、ΔI₁(t)或者dI₁(t)/dt，以及I₁(t)是针对发电机断路器1实验性地得出的，并且允许可靠地确定开关1的重叠时间ΔT、接触磨蚀、所需维护工作和检查时间。

因此，在电流测量信号I₁(t)、ΔI₁(t)或者dI₁(t)/dt中存在表征额定电流接触分离的第一时刻的第一符号13a、14a，以及表征自耗接触分离的第二时刻的第二符号13b、14b。在给定的示例中，符号13a、13b是直流测量信号中的峰值I₁(t)，并且符号14a、14b是差分电流测量信号中的峰值的导数ΔI₁(t)或者dI₁(t)/dt。根据传感器8、8a和测量设备10，也可能存在其它符号并且在它们产生的时刻被估值。

在图3所示的实例性实施例中，开关1中的电阻的改变ΔR₂在从额定电流接触系统3改变到自耗接触系统5的第一转变13a、14b中非常低。一般来说，ΔR₂在μΩ的范围内。为了在给定电阻变化ΔR₂的情况下，能够可靠地确定所述第一转变13a、14b，电流改变ΔI₁应当尽可能大。同时，被馈送的电流I₀应当保持较低。在本发明中，ΔI₁的值达到数百mA的范围，I₀的值达到数A。为了此目的，并联导体12的电阻R₁也应当被优化，并且存在结果在何种程度取决于并联导体12的电阻R₁的问题。

根据一个实例性实施例，可以最优地选择并联导体R₁。下面应用：

$I_1\left(t\right)=I_0\frac{R_2\left(t\right)}{R_1+R_2{\left(t\right)}^{\′}}---\left[1\right]$

其中，I₀是电流源的电流，R₁是并联导体的电阻，R₂(t)是开关的电阻，其可随时间变化。当电阻R₂(t)改变ΔR₂时，在时刻t₁的电流I₁(t)改变ΔI₁，近似由下式给出：

${\mathrm{\ΔI}}_1=\frac{{\∂I}_1}{{\∂R}_2}{|}_{R_2=R_2\left(t_1\right)}{\mathrm{\ΔR}}_2---\left[2\right],$

并且下面应用：

ΔI₁＝I₀*ΔR₂*k(R₁)[3]

k(R₁)＝R₁*(R₁+R₂)^-2[4]，

其中，时刻t₁时的R₂是开关1的自耗接触系统5的电阻值，并且k(R₁)是作为并联导体电阻R₁的函数的比例常数或者灵敏度系数。

图4示出了作为R₁/R₂的函数的灵敏度函数R₂*k。其在R₂＝R₁时具有最大值k_max＝0.25[1/Ω]，并且在R₂＞R₁时减小(对于R₂＜R₁类似)。根据一个优选示例性实施例，并联导体电阻R₁和开关电阻R₂的比值应当被挑选为小于100，优选小于30，更优选小于10，尤其优选小于5。并联导体电阻R₁的绝对值应当优选被挑选为小于10mΩ，优选小于2mΩ，更优选小于1mΩ，尤其优选等于开关电阻R₂的最大值。

本发明的主题也是一种测量方法，该主题具有示例性实施例。

标号列表

Claims (23)

1.一种用于测量电开关器件(1)中的接触磨蚀的方法，所述电开关器件包括具有额定电流接触系统(3)的额定电流路径(2)和具有自耗接触系统(5)的自耗接触电流路径(4)，所述方法包括测量所述额定电流接触系统(3)的分离和所述自耗接触系统(5)的分离之间的重叠时间(ΔT)，并且从其确定出所述自耗接触系统(5)的磨蚀，其特征在于，所述测量重叠时间(ΔT)的步骤包括：

a)从来自测量电流源(11)的馈送电流(I₀)分流出第一电流(I₂)和第二电流(I₁)，

b)所述第一电流(I₂)传送过所述开关器件(1)，并且所述第二电流(I₁)通过与所述开关器件(1)并联设置的并联导体(12)与所述开关器件(1)并联地传送，以及

c)利用测量系统(7)检测出所述第二电流(I₁)，从作为时间(t)的函数的所述第二电流(I₁)的改变确定出所述重叠时间(ΔT)，

其中，在步骤c)中，利用电流传感器(8，8a)检测出表征所述第二电流(I₁)的作为时间(t)的函数的电流测量信号(I₁(t)，ΔI₁(t)，dI₁(t)/dt)，

由于所述额定电流接触系统(3)被分离时的电阻改变，所述电流测量信号(I₁(t)，ΔI₁(t)，dI₁(t)/dt)中的第一符号(13a，14a)被测量出，并且由于所述自耗接触系统(5)被分离时的电阻改变，所述电流测量信号中的第二符号(13b，14b)被测量出，并且

从所述第一和第二符号(13a，14a；13b，14b)的时刻之间的差确定出所述重叠时间(ΔT)。

2.根据权利要求1所述的用于测量接触磨蚀的方法，其特征在于：

利用所述测量系统(7)测量出与所述第二电流(I₁)的时间导数成正比的差分电流测量信号(ΔI₁(t)，dI₁(t)/dt)。

3.根据权利要求2所述的用于测量接触磨蚀的方法，其特征在于：

与所述第二电流(I₁)的一阶时间导数成正比的差分电流测量信号(ΔI₁(t)，dI₁(t)/dt)是利用Rogowski线圈(8a)测量出的。

4.根据权利要求2的用于测量接触磨蚀的方法，其特征在于：

a)为了确定所述重叠时间(ΔT)，根据所述差分电流测量信号(ΔI₁(t)，dI₁(t)/dt)在未经任何在先积分的情况下对所述额定电流接触系统的分离的第一时刻和所述自耗接触系统的分离的第二时刻进行估值；以及/或者

b)为了确定所述重叠时间(ΔT)，根据所述差分电流测量信号(ΔI₁(t)，dI₁(t)/dt)对所述额定电流接触系统的分离的第一时刻和所述自耗接触系统的分离的第二时刻进行积分然后进行估值。

5.根据权利要求1-4中的任一个的用于测量接触磨蚀的方法，其特征在于：

由所述测量电流源(11)提供的所述馈送电流(I₀)被分流成所述第一电流(I₂)和所述第二电流(I₁)。

6.根据权利要求1-4中的任一个的用于测量接触磨蚀的方法，其特征在于：

数安培的恒定直流电流(I₀)被所述测量电流源(11)馈送入。

7.根据权利要求1-4中的任一个的用于测量接触磨蚀的方法，其特征在于在所述自耗接触系统(5)分离之前的测量阶段中：

a)所述第一电流(I₂)经由所述开关器件(1)而流过开关电阻(R₂)，并且所述第二电流(I₁)经由与所述开关器件(1)并联连接的并联导体(12)而流过并联导体电阻(R₁)；并且

b)所述并联导体电阻(R₁)比上所述开关电阻(R₂)的比值被选择为小于100。

8.根据权利要求7所述的用于测量接触磨蚀的方法，其特征在于：所述并联导体电阻(R₁)比上所述开关电阻(R₂)的比值被选择为小于10。

9.根据权利要求7所述的用于测量接触磨蚀的方法，其特征在于：所述并联导体电阻(R₁)被选择为小于10mΩ。

10.根据权利要求9所述的用于测量接触磨蚀的方法，其特征在于：所述并联导体电阻(R₁)被选择为小于1mΩ。

11.一种测量系统(7)，用于测量电开关器件(1)中的接触磨蚀，所述电开关器件(1)包括具有额定电流接触系统(3)的额定电流路径(2)和具有自耗接触系统(5)的自耗接触电流路径(4)，所述测量系统(7)包括测量电流源(11)，传感器(8，8a)和估值单元(10)，包括所述测量电流源(11)，传感器(8，8a)和估值单元(10)的所述测量系统(7)用于测量作为时间(t)的函数的所述开关器件(1)两端的电阻，用于确定所述额定电流接触系统(3)的分离和所述自耗接触系统(5)的分离之间的重叠时间(ΔT)，并且用于据此确定所述自耗接触系统(5)的磨蚀，其特征在于：

a)与所述开关器件(1)并联设置的并联导体(12)，并且所述传感器(8，8a)被布置在所述并联导体(12)上；

b)所述测量电流源(11)被连接到所述开关器件(1)用于馈送第一电流(I₂)，并且被连接到所述并联导体(12)用于馈送第二电流(I₁)；并且

c)所述传感器(8，8a)用于检测所述第二电流(I₁)，并且所述估值单元(10)具有用于从作为时间(t)的函数的所述第二电流(I₁)的改变来确定所述重叠时间(Δt)的装置，其中

所述传感器(8，8a)检测表征所述第二电流(I₁)的作为时间(t)的函数的电流测量信号(I₁(t)，ΔI₁(t)，dI₁(t)/dt)，所述传感器(8，8a)是电流传感器(8，8a)，

所述估值单元(10)具有用于检测所述电流测量信号(I₁(t)，ΔI₁(t)，dI₁(t)/dt)中的第一符号(13a，14a)和第二符号(13b，14b)的装置，所述第一符号由于在所述额定电流接触系统(3)被分离时电阻的改变而发生，而所述第二符号由于在所述自耗接触系统(5)被分离时电阻的改变而发生；并且

所述估值单元(10)具有用于从所述第一符号(13a，14a)和所述第二符号(13b，14b)的时刻之间的差来确定所述重叠时间(ΔT)的装置。

12.根据权利要求11的测量系统(7)，其特征在于：

所述电流传感器(8，8a)测量与所述第二电流(I₁)的时间导数成正比的差分电流测量信号(ΔI₁(t)，dI₁(t)/dt)。

13.根据权利要求11的测量系统(7)，其特征在于：

a)所述电流传感器(8a)是Rogowski线圈(8a)，并且其测量与所述第二电流(I₁)的一阶时间导数成正比的差分电流测量信号(ΔI₁(t)，dI₁(t)/dt)；以及

b)为了确定所述重叠时间(ΔT)，根据所述差分电流测量信号(ΔI₁(t)，dI₁(t)/dt)在未在时间(t)上经任何在先积分的情况下对所述额定电流接触系统的分离的第一时刻和所述自耗接触系统的分离的第二时刻进行估值，以及/或者在时间(t)上经积分后对所述第一时刻和所述第二时刻进行估值。

14.根据权利要求11-13中的任一个的测量系统(7)，其特征在于：

由所述测量电流源(11)提供的馈送电流(I₀)等于所述第一和第二电流的总和(I₁+I₂)。

15.根据权利要求11-13中的任一个的测量系统(7)，其特征在于：

所述测量电流源(11)提供数安培的恒定直流电流(I₀)，所述测量电流源(11)是具有串联电阻器的蓄电池。

16.根据权利要求11-13中的任一个的测量系统(7)，其特征在于在所述自耗接触系统(5)分离之前的测量阶段中：

a)在所述开关器件(1)两端存在开关电阻(R₂)，并且在与所述开关器件(1)并联连接的所述并联导体(12)的两端存在并联导体电阻(R₁)；并且

b)所述并联导体电阻(R₁)比上所述开关电阻(R₂)的比值小于100。

17.根据权利要求16所述的测量系统(7)，其特征在于：所述并联导体电阻(R₁)比上所述开关电阻(R₂)的比值小于10。

18.根据权利要求16所述的测量系统(7)，其特征在于：所述并联导体电阻(R₁)小于10mΩ。

19.根据权利要求18所述的测量系统(7)，其特征在于：所述并联导体电阻(R₁)小于1mΩ。

20.根据权利要求11-13中的任一个的测量系统(7)，其特征在于：

所述测量系统(7)包括用于检测接触运动(s(t))的装置。

21.根据权利要求11-13中的任一个的测量系统(7)，其特征在于：

所述测量系统(7)是便携式设备(7)。

22.根据权利要求11-13中的任一个的测量系统(7)，其特征在于：

所述开关器件(1)是断路器(1)。

23.根据权利要求22的测量系统(7)，其特征在于，所述断路器(1)是发电机断路器或开关断连器。

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