DE102006061601B4 - Verfahren zur Ermittlung des Abbrands eines Übergangskontakts eines elektrischen Stufenschalters - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Ermittlung des Abbrands eines Übergangskontakts eines elektrischen Stufenschalters (12), wobei der Stufenschalter (12) mit einer Mehrzahl von Hauptkontakten (Sa1, Sb1) und Übergangskontakten (Sa2, Sb2) versehen ist, die mit Anzapfungen (15) einer Wicklung (14) eines Stufentransformators (10) koppelbar sind, und wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: es wird ein über den Stufenschalter (12) fließender Strom (IS') gemessen, es wird eine Stufenspannung (USt) zwischen zwei benachbarten Übergangskontakten (Sa2, Sb2) des Stufenschalters (12) ermittelt, in Abhängigkeit von dem gemessenen Strom (IS') und der ermittelten Stufenspannung (USt) wird ein über den Übergangskontakt (Sa2, Sb2) fließender Strom (IK+, IK–) berechnet, in Abhängigkeit von dem über den Übergangskontakt (Sa2, Sb2) fließenden Strom (IK+, IK–) wird ein aktueller Abbrand (VT) des Übergangskontaktes (Sa2, Sb2) berechnet, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden weiteren Schritte aufweist: es wird die aktuell an der Wicklung (14) des Stufentransformators (10) anliegende Spannung (UOS) gemessen, und es wird die Stufenspannung (USt) in Abhängigkeit von der an der Wicklung (14) des Stufentransformators (10) anliegenden Spannung (UOS) ermittelt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Abbrands eines Übergangskontakts eines elektrischen Stufenschalters nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 103 52 580 B3 bekannt.
• Elektrische Stufenschalter werden dazu verwendet, um zwischen unterschiedlichen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators umzuschalten. Bei diesen Umschaltungen entstehen Lichtbögen, die zu einem Abbrand der Schaltkontakte des Stufenschalters führen. Dieser Abbrand stellt einen Verschleiß des Stufenschalters dar, der gegebenenfalls die Funktionsfähigkeit des Stufenschalters in Frage stellen kann. Der Abbrand der Schaltkontakte muss deshalb überwacht werden und die Schaltkontakte müssen bei Erreichen von vorgegebenen Grenzwerten ausgetauscht werden.
• Aus der DE 100 03 918 C1 ist ein Verfahren zur Überwachung des Kontaktabbrandes bei Stufenschaltern bekannt, bei dem bei jeder Umschaltung aus dem gemessenen Strom über den Stufenschalter sowie aus der jeweiligen Nenn-Stufenspannung die jeweils zugehörigen, über die Schaltkontakte fließenden Schaltströme ermittelt werden. Daraus werden Abbranddaten ermittelt, die dann kumulativ verknüpft und mit zugehörigen Grenzwerten verglichen werden.
• Es hat sich gezeigt, dass dieses Verfahren eine nichtvernachlässigbare Ungenauigkeit aufweist, die zu einem verfrühten Austausch der Schaltkontakte führen kann.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ermittlung des Abbrands eines Übergangskontakts eines elektrischen Stufenschalters zu schaffen, das eine höhere Genauigkeit aufweist.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 gelöst.
• Der erfindungsgemäße Stufenschalter ist mit einer Mehrzahl von Hauptkontakten und Übergangskontakten versehen, die mit Anzapfungen einer Wicklung eines Stufentransformators koppelbar sind. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein über den Stufenschalter fließender Strom gemessen und es wird eine Stufenspannung zwischen zwei benachbarten Übergangskontakten des Stufenschalters ermittelt. In Abhängigkeit von dem gemessenen Strom und der ermittelten Stufenspannung wird ein über den Übergangskontakt fließender Strom berechnet, um danach in Abhängigkeit von dem über den Übergangskontakt fließenden Strom einen aktuellen Abbrand des Übergangskontakts zu berechnen.
• Durch die Verwendung des gemessenen Stroms und der Stufenspannung ist die erfindungsgemäße Ermittlung des Abbrands des Übergangskontakts wesentlich genauer. Ein verfrühter Austausch von Übergangskontakten kann damit vermieden werden. Dies hat einen geringeren Wartungsaufwand und damit reduzierte Kosten zur Folge.
• Bei der Erfindung wird die Stufenspannung in Abhängigkeit von der an der Wicklung des Stufentransformators anliegenden Spannung ermittelt. Dabei wird die aktuell an der Wicklung des Stufentransformators anliegende Spannung gemessen. Alternativ ist es in vorteilhafter Weise möglich, dass die aktuell an einer anderen Wicklung des Stufentransformators anliegende Spannung gemessen und über das Übersetzungsverhältnis der beiden Wicklungen die an der Wicklung des Stufentransformators anliegende Spannung ermittelt wird.
• Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, bei der ein Widerstand in Serie zu dem Übergangskontakt geschaltet ist, wird ein Kreisstrom in Abhängigkeit von der gemessenen Stufenspannung und dem Widerstand berechnet, und es wird der Kreisstrom bei der Berechnung des über den Übergangskontakt fließenden Stroms berücksichtigt. Der berechnete Kreisstrom weist eine erhöhte Genauigkeit auf, so dass auch der über den Übergangskontakt fließende Strom und damit der Abbrand des Übergangskontakts genauer ermittelt werden kann.
• Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird ein Abbrandkoeffizient in Abhängigkeit von einer zu erwartenden mittleren Lebensdauer des Übergangskontaktes berechnet, und es wird der Abbrandkoeffizient bei der Berechnung des aktuellen Abbrands des Übergangskontaktes berücksichtigt.
• Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird ein Bemessungsstrom bei der Berechnung des aktuellen Abbrands des Übergangskontaktes berücksichtigt.
• Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
• 1 zeigt einen schematischen Schaltplan eines Stufentransformators mit einem Wählerschalter und einem Stufenschalter, 2a bis 2e zeigen schematische Schaltpläne des Stufenschalters der 1 in unterschiedlichen Schaltstellungen, und 3 zeigt ein schematisches Diagramm der mittleren Lebensdauer der Schaltkontakte des Stufenschalters der 1.
• In der 1 ist ein Stufentransformator 10 mit einem Wählerschalter 11 und einem Stufenschalter 12 dargestellt. Der Stufentransformator 10 weist eine erste Wicklung 13 mit einer ersten Windungszahl W1 auf, die mit einer zweiten Wicklung 14 mit einer zweiten Windungszahl W2 elektromagnetisch gekoppelt ist. Die Kopplung der beiden Wicklungen 13, 14 besitzt ein Übersetzungsverhältnis ü. Die zweite Wicklung 14 weist eine Mehrzahl von Anzapfungen 15 auf, über die jeweils eine bestimmte Stufenanzahl WSt der Windungen W2 der zweiten Wicklung 14 abgreifbar ist.
• Die Anzapfungen 15 sind dem Wählerschalter 11 zugeführt, mit dem zwei der Anzapfungen 15 in nicht näher dargestellter Weise auswählbar sind. Der Wählerschalter 11 ist mit dem Stufenschalter 12 verbunden, so dass mit Hilfe des Stufenschalters 12 zwischen den beiden ausgewählten Anzapfungen 15 umgeschaltet werden kann. Ausgangsseitig kann der Stufenschalter 12 beispielsweise mit einem Sternpunkt 16 verbunden sein, wie dies in der 1 angedeutet ist.
• Im Betrieb fließt ein Strom IS in die erste Wicklung 13 des Stufentransformators 10. Weiterhin fällt an der ersten Wicklung 13 eine Spannung UUS ab, die sogenannte Unterspannung. Entsprechend fließt in die zweite Wicklung 14 der Strom IS' und es fällt die Spannung UOS, die sogenannte Oberspannung an dieser zweiten Wicklung 14 ab. Zwischen zwei benachbarten Anzapfungen 15 liegt eine Stufenspannung USt an.
• Im Betrieb wird entweder der Strom IS oder der Strom IS' sowie entweder die Spannung UUS oder die Spannung UOS gemessen. Aus dem gemessenen Strom und der gemessenen Spannung kann dann der jeweils andere Strom und die jeweils andere Spannung mit Hilfe des Übersetzungsverhältnisses ü der Kopplung der beiden Wicklungen 13, 14 ermittelt werden. Weiterhin wird im Betrieb in Echtzeit ermittelt, welche der Anzapfungen 15 aktuell verwendet wird, und welche Stufenanzahl WSt der Windungen W2 damit aktuell wirksam ist.
• In den 2a bis 2e ist jeweils ein Teil des Stufenschalters 12 detaillierter dargestellt. Es sind jeweils die beiden Anschlüsse gezeigt, über die der Stufenschalter 12 gemäß der 1 mit dem Wählerschalter 11 verbunden ist. Diese beiden Anschlüsse sind mit den Bezugszeichen Sta und Stb bezeichnet.
• Jeder der beiden Anschlüsse Sta und Stb ist mit einer Parallelschaltung zweier Schaltkontakte Sa1, Sa2, Sb2, Sb1 verbunden, wobei in jedem Zweig zu einem der beiden Schaltkontakte ein Widerstand Ra, Rb in Serie geschaltet ist. Die beiden Schaltkontakte Sa1 und Sb1 werden auch als Hauptkontakte bezeichnet, und die in Serie zu den Widerständen Ra, Rb liegenden Schaltkontakte Sa2 und Sb2 werden auch als Übergangskontakte bezeichnet. Alle vier Schaltkontakte Sa1, Sa2, Sb2, Sb1 sind mit einem gemeinsamen Punkt verbunden, der beispielsweise mit dem Sternpunkt 16 gekoppelt ist. Nachfolgend wird davon ausgegangen, dass die beiden Widerstände Ra und Rb gleich groß sind und den Widerstandswert R besitzen.
• In den 2a bis 2e sind die aufeinanderfolgenden Schaltstellungen der Schaltkontakte Sa1, Sa2, Sb2, Sb1 dargestellt, die bei einem Übergang von einer ersten Stufenstellung zu einer benachbarten zweiten Stufenstellung durchlaufen werden. Am Beginn des Übergangs, also in der 2a, fließt dabei der Strom IS' in den Anschluss Sta und es liegt dort die Stufenspannung Ua an, während nach dem Durchlauf des Übergangs, also in der 2e, der Strom IS' in den Anschluss Stb fließt und dort die Stufenspannung Ub anliegt.
• Während des Durchlaufs wird zuerst, ausgehend von dem geschlossenen Hauptkontakt Sa1 gemäß der 2a, zusätzlich gemäß der 2b der Übergangskontakt Sa2 geschlossen. In diesem Zustand fließt der Strom IS' in den Anschluss Sta und über die Schaltkontakte Sa1 und Sa2.
• Dann wird gemäß der 2c der Hauptkontakt Sa1 geöffnet und der Übergangskontakt Sb2 geschlossen. Hierbei entsteht ein Lichtbogen am Hauptkontakt Sa1. In dem entstehenden Zustand teilt sich der Strom IS' jeweils hälftig in zwei Teilströme auf und fließt über die beiden Anschlüsse Sta und Stb, über die beiden Widerstände Ra und Rb und über die beiden geschlossenen Übergangskontakte Sa2 und Sb2. Weiterhin existiert in diesem Zustand ein Kreisstrom IK, der über die zweite Wicklung 14, die beiden Widerstände Ra, Rb sowie über die beiden Übergangskontakte Sa2, Sb2 fließt. Dieser Kreisstrom IK muss bei einem der beiden Teilströme des Stroms IS' addiert und bei dem anderen Teilstrom subtrahiert werden. zwischen den beiden Anschlüssen Sta und Stb liegt die bereits erwähnte Stufenspannung USt an.
• Gemäß der 2d wird der Übergangskontakt Sa2 geöffnet und der Hauptkontakt Sb1 geschlossen. Hierbei entsteht ein Lichtbogen an dem Übergangskontakt Sa2. Der Strom IS' fließt in dem entstehenden Zustand über den Anschluss Stb und die Schaltkontakte Sb2 und Sb1. Abschließend wird gemäß 2e der Übergangskontakt Sb2 geöffnet.
• Wie erwähnt wurde, entsteht beim Öffnen des Hauptkontakts Sa1 ein Lichtbogen, der zu einem Abbrand der Oberfläche des Hauptkontakts Sa1 führt. Dieser Abbrand ist von dem über den Stufenschalter 12 fließenden Strom IS' abhängig und wird wie folgt berechnet: VH (in %) = (IS'/IB)^α·(100/NB) (Gleichung 1) mit

VH

= aktueller Abbrand in Prozent,

IB

= Bemessungsstrom des Stufenschalters 12,

NB

= bei dem Bemessungsstrom IB zulässige Schaltanzahl,

α

= Abbrandkoeffizient.

• Der Strom IS' fließt aktuell über den Hauptkontakt Sa1 und wird entweder direkt gemessen oder indirekt aus dem gemessenen Strom IS und dem Übersetzungsverhältnis ü ermittelt. Der Bemessungsstrom IB und die dabei zulässige Schaltanzahl NB werden üblicherweise vom Hersteller des Stufenschalters 12 zur Verfügung gestellt.
• Der Abbrandkoeffizient α errechnet sich wie folgt:

  

  (Gleichung 2) mit

I1, I2

= maximale Ströme über den Stufenschalter 12,

N1, N2

= maximale Schaltanzahlen bei den Strömen I2, I1.

• Die Ströme I1, I2 und die Schaltanzahlen N1, N2 ergeben sich dabei aus dem Diagramm der 3. Diese 3 zeigt den Zusammenhang zwischen der maximalen Schaltanzahl und dem zugehörigen maximalen Strom über den Stufenschalter 12. Die 3 oder ein entsprechendes Diagramm wird üblicherweise vom Hersteller des Stufenschalters 12 zur Verfügung gestellt.
• Flieht beispielsweise der maximale Strom I1 über den Stufenschalter 12, so darf die Anzahl der Umschaltungen des Stufenschalters 11 die maximale Schaltanzahl N2 nicht überschreiten. Entsprechendes gilt für den maximalen Strom I2 und die zugehörige maximale Schaltanzahl N1. Da der maximale Strom I2 größer ist als der maximale Strom I1, hat eine einzelne Umschaltung einen geringeren Abbrand zur Folge, so dass die maximale Schaltanzahl N1 kleiner ist als die maximale Schaltanzahl N2.
• Bei Strömen zwischen den beiden maximalen Strömen I1 und I2 kann die zugehörige maximale Schaltanzahl aus dem Diagramm der 3 entnommen werden. Rechnerisch wird der Zusammenhang zwischen den maximalen Strömen und den maximalen Schaltanzahlen durch den obigen Abbrandkoeffizienten α gemäß der Gleichung 2 berücksichtigt.
• Zur Ermittlung des aktuellen Abbrands VH ist es damit erforderlich, den Abbrandkoeffizienten α gemäß der Gleichung 2 zu berechnen und dann in die Gleichung 1 einzusetzen. Weiterhin muss der Strom IS' durch Messung ermittelt und ebenfalls in die Gleichung 1 eingesetzt werden. Das Ergebnis stellt einen prozentualen Wert des aktuellen Abbrands VH des Hauptkontakts SA1 dar.
• Bei dem Schaltkontakt Sa1 handelt es sich, wie erläutert wurde, um einen sogenannten Hauptkontakt. Die vorstehende Berechnung des aktuellen Abbrands VH kann für jeden der Hauptkontakte des Stufenschalters 12 zur Anwendung kommen, also beispielsweise auch für den Hauptkontakt Sb1, wenn dieser bei einem Umschaltvorgang geöffnet wird und dabei ein Lichtbogen entsteht.
• Der aktuelle Abbrand VH wird für jeden der Hauptkontakte des Stufenschalters 12 separat berechnet. Dieser aktuelle Abbrand VH wird für jeden der Hauptkontakte zu dem aufsummierten Abbrand vorhergehender Umschaltungen hinzuaddiert. Der aktuelle aufsummierte Abbrand wird gespeichert. Es ist damit in jedem Zeitpunkt der aktuelle aufsummierte Abbrand jedes Hauptkontakts des Stufenschalters 12 bekannt.
• Wie erläutert wurde, entsteht nicht nur beim Öffnen des Hauptkontakts Sa1 ein Lichtbogen, sondern auch beim Öffnen des Übergangskontakts Sa2. Dieser Lichtbogen erzeugt einen Abbrand auf der Oberfläche des Übergangskontakts Sa2, der wie folgt ermittelt wird: VT (in %) = ((IK+^α + IK–^α)/(IK + B^α + IK – B^α))·(100/NB) (Gleichung 3) mit

VT

= aktueller Abbrand in Prozent,

IK+

= Strom in positiver Richtung,

IK–

= Strom in negativer Richtung,

IK + B

= Summe aus Bemessungsdurchgangsstrom und Bemessungskreisstrom,

IK – B

= Differenz aus Bemessungsdurchgangsstrom und Bemessungskreisstrom,

NB

= bei dem Bemessungsstrom zulässige Schaltanzahl,

α

= Abbrandkoeffizient.

• Der Bemessungsdurchgangsstrom und der Bemessungskreisstrom werden üblicherweise von dem Hersteller des Stufenschalters 12 zur Verfügung gestellt. Entsprechendes gilt für die Schaltanzahl NB.
• Für die Ströme IK+ und IK– gilt folgendes: IK+ = IS'/2 + IK IK- = IS'/2 – IK (Gleichungen 4) mit IK = USt/2R (Gleichung 5) und mit USt = UOS·(WSt/W2) (Gleichung 6).
• Die Spannung UOS ist die sogenannte Oberspannung. Diese Spannung UOS wird aktuell gemessen oder durch Messung der Spannung UUS über das Übersetzungsverhältnis ü ermittelt.
• Die Stufenanzahl WSt der Windungen der zweiten Wicklung 14 ergibt sich aus der aktuellen Stufenstellung und wird üblicherweise vom Hersteller des Stufenschalters 12 zur Verfügung gestellt. Entsprechendes gilt für die Windungszahl W2 der zweiten Wicklung 14.
• Insgesamt wird damit die Stufenspannung USt gemäß der Gleichung 6 und mit Hilfe der Messung der aktuellen Spannung UOS berechnet.
• Diese Stufenspannung USt wird dann in die Gleichung 5 eingesetzt, so dass der Kreisstrom IK berechnet werden kann. Wie erläutert wurde, repräsentiert der Wert R den Widerstandswert der beiden Widerstände Ra, Rb.
• Der sich ergebende Kreisstrom IK wird dann in die Gleichungen 4 eingesetzt, aus denen die Ströme IK+ und IK– ermittelt werden. Diese Ströme IK+ und IK– werden dann in die Gleichung 3 zur Berechnung des aktuellen Abbrands VT eingesetzt. Das Ergebnis stellt einen prozentualen Wert des aktuellen Abbrands VT des Übergangskontakts Sa2 dar.
• Bei dem Schaltkontakt Sa2 handelt es sich, wie erläutert wurde, um einen sogenannten Übergangskontakt. Die vorstehende Berechnung des aktuellen Abbrands VT kann für jeden der Übergangskontakte des Stufenschalters 12 zur Anwendung kommen, also beispielsweise auch für den Übergangskontakt Sb2, wenn dieser bei einem Umschaltvorgang geöffnet wird und dabei ein Lichtbogen entsteht.
• Der aktuelle Abbrand VT wird für jeden der Übergangskantakte des Stufenschalters 12 separat berechnet. Dieser aktuelle Abbrand VT wird für jeden der Übergangskontakte zu dem aufsummierten Abbrand vorhergehender Umschaltungen hinzuaddiert. Der aktuelle aufsummierte Abbrand wird gespeichert. Es ist damit in jedem Zeitpunkt der aktuelle aufsummierte Abbrand jedes Übergangskontakts des Stufenschalters 12 bekannt.

Claims (6)

1. Verfahren zur Ermittlung des Abbrands eines Übergangskontakts eines elektrischen Stufenschalters (12), wobei der Stufenschalter (12) mit einer Mehrzahl von Hauptkontakten (Sa1, Sb1) und Übergangskontakten (Sa2, Sb2) versehen ist, die mit Anzapfungen (15) einer Wicklung (14) eines Stufentransformators (10) koppelbar sind, und wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: es wird ein über den Stufenschalter (12) fließender Strom (IS') gemessen, es wird eine Stufenspannung (USt) zwischen zwei benachbarten Übergangskontakten (Sa2, Sb2) des Stufenschalters (12) ermittelt, in Abhängigkeit von dem gemessenen Strom (IS') und der ermittelten Stufenspannung (USt) wird ein über den Übergangskontakt (Sa2, Sb2) fließender Strom (IK+, IK–) berechnet, in Abhängigkeit von dem über den Übergangskontakt (Sa2, Sb2) fließenden Strom (IK+, IK–) wird ein aktueller Abbrand (VT) des Übergangskontaktes (Sa2, Sb2) berechnet, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden weiteren Schritte aufweist: es wird die aktuell an der Wicklung (14) des Stufentransformators (10) anliegende Spannung (UOS) gemessen, und es wird die Stufenspannung (USt) in Abhängigkeit von der an der Wicklung (14) des Stufentransformators (10) anliegenden Spannung (UOS) ermittelt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die aktuell an einer anderen Wicklung (13) des Stufentransformators (10) anliegende Spannung (UUS) gemessen und über das Übersetzungsverhältnis (ü) der beiden Wicklungen (13, 14) die an der Wicklung (14) des Stufentransformators (10) anliegende Spannung (UOS) ermittelt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei ein Widerstand (Ra, Rb) in Serie zu dem Übergangskontakt (Sa2, Sb2) geschaltet ist, wobei ein Kreisstrom (IK) in Abhängigkeit von der gemessenen Stufenspannung (USt) und dem Widerstand (Ra, Rb) berechnet wird, und wobei der Kreisstrom (IK) bei der Berechnung des über den Übergangskontakt (Sa2, Sb2) fließenden Stroms (IK+, IK–) berücksichtigt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Abbrandkoeffizient (α) in Abhängigkeit von einer zu erwartenden mittleren Lebensdauer des Übergangskontaktes (Sa2, Sb2) berechnet wird, und wobei der Abbrandkoeffizient (α) bei der Berechnung des aktuellen Abbrands (VT) des Übergangskontaktes (Sa2, Sb2) berücksichtigt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Abbrandkoeffizient (α) aus der folgenden Gleichung errechnet wird:

   

   mit I1, I2 = maximale Ströme über den Stufenschalter, N1, N2 = maximale Schaltanzahlen bei den Strömen I2, I1.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Bemessungsstrom (IK + B, IK – B) bei der Berechnung des aktuellen Abbrands (VT) des Übergangskontaktes (Sa2, Sb2) berücksichtigt wird.

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