DE102021203218A1

DE102021203218A1 - Überwachung der Funktionsfähigkeit eines Hochspannungsschalters

Info

Publication number: DE102021203218A1
Application number: DE102021203218.4A
Authority: DE
Inventors: Uwe Hering; Stefan Lecheler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2021-03-30
Filing date: 2021-03-30
Publication date: 2022-10-06
Anticipated expiration: 2041-03-31
Also published as: WO2022207159A1; DE102021203218B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Funktionsfähigkeit eines Hochspannungsschalters (100) während seines Betriebs, wobei die in einem Primärstromkreis (10) des Hochspannungsschalters (100) liegenden elektrischen Komponenten (1, 3) des Hochspannungsschalters (100) als Primärkomponenten des Hochspannungsschalters (100) und die restlichen elektrischen Komponenten (2, 50 bis 70) des Hochspannungsschalters (100) als Sekundärkomponenten des Hochspannungsschalters (100) bezeichnet werden, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:- Anlegen einer Spannung und/oder eines Stroms an mindestens eine Sekundärkomponente (2, 50 bis 70), wobei die Spannung bzw. der Strom so gewählt werden, dass sie nicht zu einer Betätigung der Sekundärkomponente (2, 50 bis 70) führen;- Ermitteln mindestens einer von der Spannung und/oder von dem Strom abhängigen Kenngröße (R1, R2) der Sekundärkomponente (2, 50 bis 70) zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten (t1, t2); und- Ermitteln eines Alterungszustands der Sekundärkomponente (2, 50 bis 70) aus einem zeitlichen Verlauf der Kenngröße (R1, R2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Funktionsfähigkeit eines Hochspannungsschalters sowie einen Hochspannungsschalter.
Hochspannungsschalter wie z. B. Leistungs- oder Lasttrennschalter haben die Aufgabe, einen Primärstromkreis, auch als Hauptstrom- oder Laststromkreis bezeichnet, zu schalten, wobei unter Hochspannung der Spannungsbereich größer 1000 V verstanden wird. Das Öffnen und Schließen der Schaltkontakte im Primärstromkreis erfolgt dabei mithilfe eines Schalterantriebs, der z. B. als ein Federspeicher-, Magnet-, Druckluft- oder Elektromotorantrieb ausgeführt sein kann.
Alle in einem Hochspannungsschalter verbauten elektrischen Komponenten, welche nicht dem Primärstromkreis zugeordnet sind, werden als Sekundärkomponenten oder kollektiv als Sekundärausstattung bezeichnet. Dazu zählen außer dem oben beschriebenen Schalterantrieb auch andere elektrisch betriebene Geräte wie Auslöser, Heizungseinrichtungen und Elektromotoren, z. B. ein in einem Federspeicherantrieb vorgesehener Getriebemotor zum Spannen einer Feder des Federspeichers, elektrische Schalt- und Steckverbindungen sowie zwischen den vorgenannten Komponenten und Elementen verlaufende elektrische Leitungen. Funktionsstörungen der Komponenten der Sekundärausstattung können die Betriebsfähigkeit eines Hochspannungsschalters, dessen essenzieller Bestandteil sie sind, gefährden.
DE 10 2009 008465 A1 (Siemens AG) 19.08.2010 beschreibt eine Auslösekreisüberwachung, mit der ein Drahtbruch im Sekundärstromkreis detektiert werden kann. Eine elektrische Spannung wird an eine Reihenschaltung von einer Auslösespule und einem Widerstandselement angelegt, ohne dass ein eine Unterbrechung des Primärstromkreises bewirkender Strom fließt. Dann wird eine von dem Potenzial an einem Punkt zwischen der Spule und dem Widerstandselement abhängigen Größe, z. B. eine Spannung, ermittelt. Dabei unterscheidet die Auslösekreisüberwachung lediglich zwischen zwei Fällen: Wenn die Größe in einem ersten Werteintervall liegt, wird ein fehlerfreier Zustand angenommen; liegt sie in einem zweiten Werteintervall, wird ein Fehlerzustand angenommen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Funktionsfähigkeit eines Hochspannungsschalters besser überwacht werden kann. Es ist außerdem Aufgabe der Erfindung, einen entsprechend angepassten Hochspannungsschalter anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß außerdem durch den Hochspannungsschalter gemäß dem unabhängigen Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Dabei kann das erfindungsgemäße Verfahren auch entsprechend den abhängigen Vorrichtungsansprüchen weitergebildet sein, und umgekehrt.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient einer Überwachung der Funktionsfähigkeit eines Hochspannungsschalters während seines Betriebs. Der Hochspannungsschalter kann z. B. ein Leistungsschalter oder ein Lasttrennschalter sein. Der Hochspannungsschalter kann als ein Vakuumleistungsschalter ausgebildet sein, in dem eine Vakuumschaltröhre den Schaltkontakt im Primärstromkreis des Leistungsschalters bildet. Leistungsschalter können außer mit Vakuumschaltröhren auch mit anderen Kontaktsystemen im Primärstromkreis ausgestattet werden, z. B. mit öl- oder gasgefüllten (z. B. SF₆) Schaltkammern. Dabei werden die in einem Primärstromkreis des Hochspannungsschalters liegenden elektrischen Komponenten des Hochspannungsschalters als Primärkomponenten des Hochspannungsschalters bezeichnet. Die restlichen elektrischen Komponenten des Hochspannungsschalters werden dagegen als Sekundärkomponenten des Hochspannungsschalters bezeichnet. Das Verfahren weist einen Schritt auf, in dem eine Spannung und/oder ein Strom an mindestens eine Sekundärkomponente angelegt wird. Unter dem Anlegen eines Stroms wird hierbei ein Beaufschlagen der Sekundärkomponente mit einem Stromstoß verstanden. Dabei wird die Höhe der Spannung bzw. die Stärke des Stroms so gewählt, dass ein dadurch durch die Sekundärkomponente fließender Strom nicht zu einer Betätigung der Sekundärkomponente führt; ein durch das Anlegen im Sekundärstromkreis fließender Strom ist also schwächer, als für eine Betätigung der Sekundärkomponenten nötig ist. Dabei hat diese Beschränkung nur eine Bedeutung für aktive, d. h. betätigbare Sekundärkomponenten wie Elektromotoren oder elektromagnetisch betätigte Mechaniken, nicht aber für passive Sekundärkomponenten wie Schalt- oder Steckverbindungen oder elektrische Leitungen, da diese nicht „betätigt“ werden können. Das Verfahren weist einen weiteren Schritt auf, in dem mindestens eine von der Spannung und/oder von dem Strom abhängige Kenngröße der Sekundärkomponente zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten ermittelt wird. Dabei kann die Ermittlung der mindestens einen Kenngröße der Sekundärkomponente zyklisch erfolgen, vorzugsweise mit einer Periodendauer im Bereich unter 1 s. Zusätzlich oder alternativ kann die Ermittlung der mindestens einen Kenngröße der Sekundärkomponente nach einer Schalthandlung des Hochspannungsschalters erfolgen, vorzugsweise durch mehrfache Messungen mit einer Mittelwertbildung. Dies hat den Vorteil, dass dadurch eine spontane Änderung wie z. B. ein Drahtbruch oder ein gelockerter Steckverbinder, welche aufgrund einer von der Schalthandlung ausgelösten Erschütterung verursacht wurde, bereits kurz nach ihrem Entstehen erkannt werden kann. Die Ermittlung der Kenngröße, z. B. eines elektrischen Widerstands oder einer Induktivität der Sekundärkomponente, kann mindestens einen Messschritt, in dem ein Messwert einer von der angelegten Spannung bzw. Strom abhängigen Messgröße ermittelt wird, und mindestens einen Rechenschritt aufweisen. Die von der angelegten Spannung bzw. Strom abhängigen Messgröße kann eine physikalisch-elektrische Größe wie ein Strom bzw. eine Spannung sein. Der Messschritt kann, bei einer angelegten Spannung U, eine Erfassung eines Stromverlaufes des durch die Spannung U angetriebenen Stroms I sein. Der Messschritt kann, bei einem eingeprägten Strom I (einem Stromstoß), eine Erfassung eines Spannungsverlaufs sein. Die angelegte Spannung bzw. der eingeprägte Strom können dabei eine gepulste Form aus mindestens einem Puls aufweisen. Es können dabei Spannungsformen verwendet werden, mit denen Kapazitätsmessgeräte arbeiten, z. B. eine gepulste Rechteckspannung mit 1 kHz und einem Puls-/Pausenverhältnis von >0 bis 100 %. Die Kenngröße der Sekundärkomponente ergibt sich vorzugsweise aus der Größe der angelegten Spannung bzw. Strom und dem ermittelten Messwert; z. B. kann die Kenngröße der Sekundärkomponente der ohmsche Widerstand R der Sekundärkomponente sein, der sich gemäß dem Ohmschen Gesetz aus der an der Sekundärkomponente angelegten Spannung U und dem gemessenen, aufgrund der angelegten Spannung U durch die Sekundärkomponente fließenden Strom I ergibt, und/oder eine Induktivität der Sekundärkomponente und/oder eine Kapazität der Sekundärkomponente. Und das Verfahren weist einen weiteren Schritt auf, in dem ein Alterungszustand der Sekundärkomponente aus einem zeitlichen Verlauf der Kenngröße abgeleitet wird. Dabei wird unter dem Begriff „Alterung“ jegliche Änderung von Eigenschaften der Sekundärkomponente verstanden, egal, ob welche Ursache sie hat, z.B. Umgebungstemperatur, Oxidation, Erschütterung, Strahlung (UV, radioaktiv), biologische und/oder chemische Einwirkung, etc.
Im erfindungsgemäßen Hochspannungsschalter werden die in einem Primärstromkreis des Hochspannungsschalters liegenden elektrischen Komponenten des Hochspannungsschalters als Primärkomponenten des Hochspannungsschalters und die restlichen elektrischen Komponenten des Hochspannungsschalters als Sekundärkomponenten des Hochspannungsschalters bezeichnet. Dabei weist der Hochspannungsschalter eine Rechen- und Steuereinheit zum Bereitstellen einer Spannung und/oder eines Stroms auf, die so bemessen sind, dass sie nicht zu einer Betätigung einer der Sekundärkomponenten führen. Insbesondere kann die Rechen- und Steuereinheit eine Speichereinheit zum Speichern eines ausführbaren Computerprogramms und von Daten, einen Prozessor zum Abarbeiten der Anweisungen eines Computerprogramms und zum Ausführen von Rechenschritten, eine Messeinheit zum Erfassen von physikalisch-elektrischen Größen sowie eine Schalteinheit zum Verschalten von zwei oder mehr elektrischen Leitungen zu Stromkreisen und zum Bereitstellen einer Spannung und/oder eines Stroms aufweisen. Der Hochspannungsschalter weist außerdem elektrische Leitungen zum Anlegen der Spannung und/oder des Stroms an mindestens eine der Sekundärkomponenten auf. Dabei ist die Rechen- und Steuereinheit so ausgebildet, dass sie aus der angelegten Spannung bzw. Strom eine Kenngröße der Sekundärkomponente ermitteln kann, und zwar durch mindestens einen vorzugsweise durch die Messeinheit durchgeführten Messschritt, in dem ein Messwert einer von der angelegten Spannung bzw. Strom abhängigen Messgröße ermittelt wird, und durch mindestens einen vorzugsweise durch den Prozessor durchgeführten Rechenschritt. Die von der angelegten Spannung bzw. Strom abhängigen Messgröße kann eine physikalisch-elektrische Größe wie ein Strom bzw. eine Spannung sein. Die Kenngröße der Sekundärkomponente ergibt sich vorzugsweise aus der Größe der angelegten Spannung bzw. Strom und dem ermittelten Messwert; z. B. kann die Kenngröße der ohmsche Widerstand R der Sekundärkomponente sein, der sich gemäß dem Ohmschen Gesetz aus der an der Sekundärkomponente angelegten Spannung U und dem gemessenen, aufgrund der angelegten Spannung U durch die Sekundärkomponente fließenden Strom I ergibt, und/oder eine Induktivität der Sekundärkomponente und/oder eine Kapazität der Sekundärkomponente. Darüber hinaus ist die Rechen- und Steuereinheit so ausgebildet, dass sie aus einem zeitlichen Verlauf der zu unterschiedlichen Zeitpunkten ermittelten Kenngröße einen Alterungszustands der Sekundärkomponente ermitteln kann, insbesondere durch mindestens einen vorzugsweise durch den Prozessor durchgeführten Rechenschritt. Dabei kann der Hochspannungsschalter eine Speichereinheit, insbesondere in Form der oben erwähnten Speichereinheit der Rechen- und Steuereinheit, zum Speichern eines Computerprogrammprodukts und von sonstigen Daten, insbesondere von Daten, die im Zusammenhang mit den oben genannten Ermittlungsschritten stehen, aufweisen.
Die Erfindung ist eine wesentliche Verbesserung der bekannten Auslösekreisüberwachung, die nur überwacht, ob eine elektrische Verbindung vorhanden ist, die aber eine Alterung von Sekundärkomponenten eines Hochspannungsschalters nicht erkennen kann. Mit der Erfindung kann eine fortschreitende Alterung von Sekundärkomponenten des Hochspannungsschalters überwacht werden, welche zu einer langsam fortschreitenden Verschlechterung der Eigenschaften der Sekundärkomponenten, z. B. durch Windungsschlüsse und schädlich hohe Kontaktübergangswiderstände, oder einer sehr schnell sich ändernden Verschlechterung der Eigenschaften der Sekundärkomponenten, z. B. durch Drahtbruch oder gelockerte Steckverbinder, führt. Eine Alterung einer Sekundärkomponente, welche langsam und kontinuierlich erfolgt, kann fortlaufend beobachtet und ein Zeitpunkt eines Ausfalls der Sekundärkomponente prädiziert werden. Auf eine Verschlechterung von Eigenschaften eines Sekundärkomponente kann also reagiert werden, bevor die Alterung zu einer wesentlichen Funktionsbeeinträchtigung der Sekundärkomponente und somit des Hochspannungsschalters führt. Somit kann ein überraschend eintretender Funktionsausfall des Hochspannungsschalters, der eventuell zu einer gefährlichen Situation oder einem überlangen Produktionsausfall aufgrund unvorhergesehener Wartungsarbeiten führen kann, vermieden werden.
Gemäß der Erfindung werden Sekundärkomponenten von Hochspannungsschaltern ohne eine zusätzliche Sensorik nur durch Ströme und Spannungspulse überwacht, die in ihrer Stärke bzw. in ihrem zeitlichen Verlauf nicht zu einer Betätigung der zu überprüfenden Sekundärkomponente, z. B. einem Auslöser oder einem elektrischen Motor, führen. Mittels dieser Ströme bzw. Spannungspulse können sowohl eine Eigentemperatur der zu überwachenden Sekundärkomponente berechnet als auch elektrische Kenngrößen auf eine unzulässige Änderung überwacht werden. Derartige Änderungen einer Kenngröße wie Widerstand oder Induktivität oder Kapazität können z. B. durch ein Windungsschluss einer Spule, welcher bei einer Überschreitung einer für einen Isolationslackdraht maximal zulässigen Temperatur von z. B. 105 °C oder bei einer mechanischen Einwirkung (z.B. durch ein Tier) auftreten kann, durch einen Drahtbruch einer elektrischen Leitung oder Verbindung, welcher bei einer mechanischen Einwirkung (z.B. durch eine Erschütterung oder ein Tier) auftreten kann, oder durch eine Lockerung einer elektrischen Verbindung wie z. B. einer Steckverbindung eines Federspeicherantriebs, hervorgerufen durch Erschütterungen, wie sie z. B. bei Vakuumschaltern auftreten können, oder durch eine chemische Veränderung der Kontaktmaterialien einer elektrischen Verbindung (z. B. durch Oxidation durch den Sauerstoff der Umgebungsluft oder Korrosion in einer aggressiven Atmosphäre), verursacht wird, hervorgerufen werden.
Eine zyklische und kontinuierliche Überwachung durch einen eingeprägten Strom bzw. eine eingeprägte Spannung hat zusätzlich den Vorteil, dass langfristige Alterungsprozesse festgestellt werden können, die durch Umgebungseinflüsse ausgelöst werden und so zu einer Fehlfunktion des Hochspannungsschalters führen können. Alterungsprozesse können in den Sekundärkomponenten selbst oder an Stellen, an denen Kontaktübergangswiderstände eine Rolle spielen, auftreten. Ein Kontaktübergangswiderstand, auch als Kontakt- oder Übergangswiderstand bezeichnet, ist der elektrische Widerstand einer elektrischen Kontaktfläche, beispielsweise zwischen den Kontakten eines elektrischen Schalters oder einer elektrischen Steckverbindung.
Die Erfindung hilft bei der Abschätzung, wann eine Wartung durchgeführt werden sollte. Dieser Ansatz verspricht Kosteneinsparungen gegenüber routinemäßig durchgeführten Instandhaltungsstrategien, da Wartungsaufgaben nur dann ausgeführt werden, wenn dies technisch gerechtfertigt ist. Durch eine zyklisch durchgeführte Ermittlung des Alterungszustands einer Sekundärkomponente kann zu jedem Zeitpunkt eine Aussage getroffen werden, ob der nächste Schaltvorgang des Hochspannungsschalters möglich sein wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können als Kenngrößen der Sekundärkomponente Verwendung finden: der elektrische Widerstand mindestens einer Sekundärkomponente, die Induktivität mindestens einer Sekundärkomponente, die Kapazität mindestens einer Sekundärkomponente.
Durch die Einprägung eines Stromes I bzw. einer Spannung U, die nicht zur Betätigung der zu überwachenden Sekundärkomponente führen, ist es möglich, durch das Erfassen der zu den eingeprägten Größen Strom I bzw. Spannung U entsprechend korrespondierenden Größen von Spannung U bzw. Strom I die ohmschen Widerstände R der Sekundärkomponenten gemäß dem Ohmschen Gesetz R = U / I zu berechnen.
Beaufschlagt man die im Hochspannungsschalter verbauten induktiven Sekundärkomponenten, z. B. Auslösespulen oder Motoren, mit einem Spannungspuls, der nicht zu einer Betätigung dieser Sekundärkomponenten führt, kann man durch eine Messung des Stromes I und der Spannung U die Selbstinduktivität L der zu überprüfenden Sekundärkomponente berechnen: L = U / (dI/dt). Durch Veränderungen der Selbstinduktivität einer Sekundärkomponente können Rückschlüsse auf den Zustand der überwachenden induktiven Sekundärkomponente gezogen werden. Hierdurch ist insbesondere die Detektion von Windungsschlüssen möglich, die mit anderen Messmethoden, schon aufgrund der vorhandenen Kontaktübergangswiderstände, nicht sicher möglich ist. Windungsschlüsse verursachen eine Leistungsverminderung und können zu einem Funktionsfehler des Hochspannungsschalters führen.
Beaufschlagt man die im Hochspannungsschalter verbauten kapazitiven Sekundärkomponenten, z. B. Kondensatoren wie Entstörkondensatoren oder kapazitiv arbeitende Aktuatoren, mit einem Spannungspuls, der nicht zu einer Betätigung dieser Sekundärkomponenten führt, kann man durch eine Messung des Stromes I und der Spannung U die Kapazität C der zu überprüfenden Sekundärkomponente berechnen: C = I / (dU/dt). Durch Veränderungen der Kapazität einer Sekundärkomponente können Rückschlüsse auf den Zustand der überwachenden kapazitiven Sekundärkomponente gezogen werden. Es ist ebenfalls möglich, aus einem Laden mit konstantem Strom und einem Beobachten der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit Rückschlüsse auf den Zustand der überwachenden kapazitiven Sekundärkomponente zu ziehen.
Das Anlegen einer Spannung bzw. eines Stroms an eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Sekundärkomponenten, vorzugsweise durch Anlegen der Spannung bzw. des Stroms an die Anschlussklemmen eines Strompfades, erlaubt die Überwachung aller in Reihe geschalteten Sekundärkomponenten gleichzeitig. Dadurch umgeht man den Aufwand einer Einzelüberwachung der Sekundärkomponenten. Wird eine Veränderung einer Kenngröße der Gesamtheit der überwachten Sekundärkomponenten, z. B. des Gesamtwiderstands, festgestellt, welche einen definierten Grenzwert überschreitet, so muss zur Klärung, welche Sekundärkomponente der Vielzahl von in Reihe geschalteten Sekundärkomponenten diese Verschlechterung hervorgerufen hat, eine Nachmessung an einzelnen Sekundärkomponenten erfolgen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird mithilfe der Temperaturabhängigkeit des als eine Kenngröße verwendeten elektrischen Widerstands die Temperatur der Sekundärkomponente ermittelt, aus der ein Alterungszustands der Sekundärkomponente ermittelt wird. Wird eine Sekundärkomponente bei relativ hohen Temperaturen betrieben, können die Isolationen schneller altern als bei niedrigeren Temperaturen; somit ist die Wahrscheinlichkeit höher, dass in einer Spule ein Windungsschluss auftritt und sich die Induktivität der Spule und folglich die magnetische Kraftwirkung der Spule verschlechtert.
Da die Sekundärkomponenten aus vorzugsweise metallischem Leitermaterial mit einem spezifischen elektrischen Widerstand bestehen, ist es möglich, auf Basis einer bekannten Temperaturabhängigkeit R = f(T) des elektrischen Widerstands R die Temperatur T aus der Widerstandsveränderung des Leitermaterials zu ermitteln. Somit kann eine Umgebungstemperaturinformation generiert werden, die einerseits zur Temperaturkompensation der zu überwachenden Sekundärkomponenten verwendet werden kann und andererseits Rückschlüsse auf zu hohe oder zu niedrige Umgebungstemperaturen im Einsatzraum des Hochspannungsschalters erlaubt; zu hohe oder zu niedrige Umgebungstemperaturen können den Alterungsprozess von Hochspannungsschaltern beschleunigen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird aus dem zeitlichen Verlauf der Kenngröße ein Windungsschluss einer Spule und/oder eine Höhe eines Kontaktübergangswiderstands abgeleitet. Das folgende Beispiel soll dies veranschaulichen: Im Stromkreis einer Spule liegen die Leitungs- und Kontaktübergangswiderstände in Reihenschaltung vor. Bei einem Windungsschluss verringert sich die Induktivität der Spule gemäß dem Wegfall der Windungen durch den Kurzschluss. Beispielsweise habe eine Spule mit 100 Windungen eine angenommene Induktivität von 100 mH und einen angenommenen Widerstand von 100 mΩ. Sind nun 10 Windungen der Spule kurzgeschlossen, verringert sich sowohl ihre Induktivität, z. B. auf 90 mH, als auch ihr Widerstand, z. B. auf 90 mΩ. Folglich tritt im Falle eines Windungsschlusses einer Spule eine Erniedrigung sowohl des Widerstands als auch der Induktivität im Stromkreis der Spule auf. Im Gegensatz dazu führen Verschlechterungen des Kontaktübergangswiderstandes von Schalt- oder Steckkontakten im Stromkreis der Spule lediglich zu einer Widerstandserhöhung im Stromkreis, ohne die Induktivität des Stromkreises zu beeinflussen.
Es existieren Hochspannungsschalter mit je mindestens einer Einschalt- und einer Ausschalt-Auslöserspule, auch einfach als Einschalt- und einer Ausschalt-Auslöser oder als Auslöser bezeichnet. Im Falle eines solchen Hochspannungsschalters werden gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Einschaltauslöser und ein Ausschaltauslöser des Hochspannungsschalters mit zwei zusätzlichen Widerständen, sogenannten Referenz- oder Hilfswiderständen, als eine Wheatstone-Messbrücke geschaltet, welche im Ausschlagverfahren betrieben wird und dadurch Widerstandsänderungen des Einschaltauslösers und/oder des Ausschaltauslösers detektieren kann. Die Verschaltung der Auslöser und der Hilfswiderstände zu einer Messbrücke darf nur für einen relativ kurzen Zeitraum der Messung erfolgen; andernfalls ist die Funktion des Hochspannungsschalters nicht mehr gegeben, da die Auslöser in dieser Messbrücken-Verschaltung nicht so gesteuert werden können, wie es für die ungestörte Funktion des Hochspannungsschalters nötig ist. Während die Messbrücke für die Messung etabliert ist, wird das Schalten des Hochspannungsschalters durch die Rechen- und Steuereinheit gesperrt.
Ein Beaufschlagen eines Sekundärstromkreises des Hochspannungsschalters, in dem ein Einschaltauslöser angeordnet ist, d. h. der Einschaltauslöserstrombahn, mit einem Auslösestrom führt zu einem Schließen eines Primärstromkreises des Hochspannungsschalters. Überschreitet ein Einschaltauslöser eines Hochspannungsschalters einen zulässigen Widerstands-Grenzwert, darf der Hochspannungsschalter nicht weiter betrieben werden, insbesondere nicht eingeschaltet werden, da nicht sichergestellt ist, dass die Einschaltung fehlerfrei, in der richtigen Zeitdauer und vollständig erfolgt. Eine Zeitverzögerung in der Eigenzeit kann z. B. für asynchrone Zuschaltungen von Generatoren katastrophale Folgen haben, weil dann die Ausgleichsströme aufgrund der nicht zueinander passenden Spannungen zwischen Netz und Generator zu schwerwiegenden Schäden führen können.
Ein Beaufschlagen eines Sekundärstromkreises des Hochspannungsschalters, in dem ein Ausschaltauslöser angeordnet ist, d. h. der Ausschaltauslöserstrombahn, mit einem Auslösestrom führt zu einem Unterbrechen eines Primärstromkreises des Hochspannungsschalters. Überschreitet ein Ausschaltauslöser eines Hochspannungsschalters einen zulässigen Widerstands-Grenzwert, darf der Hochspannungsschalter nicht weiter betrieben werden, insbesondere weder aus- noch eingeschaltet werden: nicht ausgeschaltet, weil eventuell der Schaltvorgang außerhalb der zugesicherten Eigenzeiten erfolgt; nicht eingeschaltet, weil eventuell nicht mehr ausgeschaltet werden kann.
Falls der Einschaltauslöser und der Ausschaltauslöser eines Hochspannungsschalters die gleichen elektrischen Eigenschaften, insbesondere den gleichen elektrischen Widerstand, besitzen, kann durch Hinzufügen von zwei zusätzlichen Widerständen eine Wheatstone-Messbrücke realisiert werden, die bereits geringste Widerstandsänderungen detektieren kann. Bei geeigneter Auslegung der Messanordnung können auch Kontaktübergangswiderstände entsprechend kompensiert werden. Eine Identifikation, welcher der beiden Auslöser die Widerstandsänderung aufweist und aufgrund der durch die Widerstandsänderung hervorgerufenen Potentialdifferenz zwischen den Spannungsteilern der Wheatstone-Messbrücke zu einer Verstimmung der Wheatstone-Messbrücke führt, ist nicht zwingend notwendig: wenn ein Widerstandswert mindestens eines Auslösers sich aufgrund von Temperatur und/oder Alterung so verändert, dass ein Grenzwert überschritten wird, darf der Hochspannungsschalter nicht mehr betrieben werden.
Wenn die Referenzwiderstände einen Temperaturkoeffizienten aufweisen, welcher sehr nahe am Temperaturkoeffizienten der zu überwachenden Widerstände des Einschaltauslösers und des Ausschaltauslösers liegt, ist der Einfluss von Temperaturänderungen auf die Messbrücke vernachlässigbar.
Die Wheatstonesche Messbrücke funktioniert nach dem Prinzip, dass das Teilerverhältnis der beiden Spannungsteiler gleich ist. Ändert sich die Umgebungstemperatur der Wheatstoneschen Messbrücke, wird sich, falls die beiden zu überwachenden Auslöser-Widerstände annähernd gleich sind - was bei gleichartig aufgebauten Auslösern sehr wahrscheinlich ist - und die Referenzwiderstände den gleichen Temperaturkoeffizienten haben, das Teilerverhältnis in den beiden Spannungsteilern in gleicher Weise verändern, so dass die Messbrücke abgeglichen bleibt und keine Spannungsdifferenz zwischen den Spannungsteilern auftritt.
Alternativ können, damit der Temperaturkoeffizient der Referenzwiderstände sehr nahe am Temperaturkoeffizienten der zu überwachenden Widerstände des Einschaltauslösers und des Ausschaltauslösers liegt, beispielsweise zwei weitere Auslöserspulen als Referenzwiderstände verwendet werden; in diesem Fall ist das Temperaturverhalten aller vier in der Wheatstone-Messbrücke verwendeten Widerstände praktisch identisch. Zusätzliche Auslöserspulen können verbaut sein, weil ein Kunde eine weitere, unabhängige Möglichkeit zum Schalten (EIN oder AUS) haben möchte. Werden weitere Auslöserspulen als Referenzwiderstände verwendet, ist es ausreichend, wenn die Auslöserspulen nur Spulen aufweisen, ohne Anker und Mechanik, da die weiteren Auslöserspulen nur deshalb verwendet werden, damit ein identisches Verhalten der Widerstände erreicht und so eine Verstimmung der Messbücke durch eine Temperaturänderung vermieden wird.
Sind alle vier Widerstandselemente der Wheatstoneschen Messbrücke ähnliche Spulen und liegt eine Wechselspannung an der Messbrücke an, können mit der Messbrücke Änderungen des Verhältnisses der Impedanzen (= Wechselstromwiderstände) der vier Spulen detektiert werden. Da die Impedanz einer Spule aus dem ohmschen Widerstand und der Induktivität gebildet wird, können auch Rückschlüsse auf Änderungen der Induktivität der Spulen gezogen werden, wenn die ohmschen Widerstände der vier Spulen bekannt sind, z.B. mittels Gleichspannungsmessungen ermittelt wurden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Zeitspanne zwischen den zwei unterschiedlichen Zeitpunkten so bemessen, dass die Sekundärkomponente in dieser Zeitspanne eine messbare Zustandsänderung erfahren kann. Da es durch unvorhersagbare Einwirkungen biologischer oder seismologischer Natur sehr kurzfristig zu Änderungen der elektrischen Eigenschaften einer Sekundärkomponente kommen kann (z. B. Tiere kriechen in den Hochspannungsschalter und beschädigen eine elektrische Leitung oder Erschütterungen eines leichten, kaum messbaren Erdbebens oder vom Verkehr auf einer in der Nachbarschaft des Hochspannungsschalters verlaufenden Straße führen, u. U. über lange Zeiträume, zu einer Lockerung einer Steckverbindung), kann es von Vorteil sein, das Zeitintervall zwischen den zwei unterschiedlichen Zeitpunkten, an denen die Kenngröße der Sekundärkomponente ermittelt wird, relativ kurz zu wählen, z. B. im Bereich einer Sekunde. Zusätzlich oder alternativ kann die Ermittlung der mindestens einen Kenngröße der Sekundärkomponente nach einer Schalthandlung des Hochspannungsschalters erfolgen, vorzugsweise durch mehrfache Messungen mit einer Mittelwertbildung. Dies hat den Vorteil, dass dadurch eine spontane Änderung wie z. B. ein Drahtbruch oder ein gelockerter Steckverbinder, welche aufgrund einer von der Schalthandlung ausgelösten Erschütterung verursacht wurde, bereits kurz nach ihrem Entstehen erkannt werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Ermittlung der Kenngröße, z. B. eines elektrischen Widerstands oder einer Induktivität oder einer Kapazität der Sekundärkomponente, mindestens einen Messschritt, in dem ein Messwert einer von der angelegten Spannung bzw. Strom abhängigen Messgröße ermittelt wird, und mindestens einen Rechenschritt, in dem aus der Größe der angelegten Spannung bzw. des Stroms und dem ermittelten Messwert die Kenngröße berechnet wird. Die von der angelegten Spannung bzw. Strom abhängigen Messgröße kann eine physikalisch-elektrische Größe wie ein Strom bzw. eine Spannung sein. Die Kenngröße ergibt sich vorzugsweise durch einen Rechenschritt aus der Größe der angelegten Spannung bzw. Strom und dem ermittelten Messwert; z. B. kann die Kenngröße der ohmsche Widerstand R der Sekundärkomponente sein, der sich gemäß dem Ohmschen Gesetz R=U/I (Rechenschritt!) aus der an der Sekundärkomponente angelegten Spannung U und dem gemessenen, aufgrund der angelegten Spannung U durch die Sekundärkomponente fließenden Strom I ergibt.
Beispielsweise kann die Kenngröße die Selbstinduktivität L der zu überprüfenden Sekundärkomponente, die sich durch die Formel L = U / (dI/dt) (Rechenschritt!) aus der an der Sekundärkomponente angelegten Spannung U und der zeitlichen Änderung dI/dt des gemessenen, aufgrund der angelegten Spannung U durch die Sekundärkomponente fließenden Stroms I ergibt.
Beispielsweise kann die Kenngröße die Kapazität C der zu überprüfenden Sekundärkomponente, die sich durch die Formel C = I / (dU/dt) (Rechenschritt!) aus dem der Sekundärkomponente eingeprägten Strom I und der zeitlichen Änderung dU/dt der gemessenen, an der Sekundärkomponente anliegenden Spannung U ergibt.
Die skizzierte Aufgabenstellung wird auch durch ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt, auch kürzer als Computerprogramm bezeichnet, gelöst. Das Computerprogrammprodukt ist in einem Hochspannungsschalter ausführbar ausgebildet. Das Computerprogramm umfasst Befehle, die bewirken, dass der Hochspannungsschalter des Anspruchs 8 die Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausführt. Das Computerprogrammprodukt ist als Software oder Firmware in einer Speichereinheit des Hochspannungsschalters speicherbar und durch einen Prozessor des Hochspannungsschalters ausführbar ausgebildet. Dabei kann die Speichereinheit des Hochspannungsschalters und der Prozessor des Hochspannungsschalters Teil einer Rechen- und Steuereinheit des Hochspannungsschalters sein, welche die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt. Dabei kann die Rechen- und Steuereinheit außer der Speichereinheit zum Speichern des ausführbaren Computerprogramms und weiterer Daten und außer dem Prozessor zum Abarbeiten des Computerprogramms und zum Ausführen von weiteren Rechenschritten eine Messeinheit zum Erfassen von physikalisch-elektrischen Kenngrößen wie Strom und/oder Spannung sowie eine Schalteinheit zum Verschalten von zwei oder mehr elektrischen Leitungen zu Stromkreisen und zum Bereitstellen einer Spannung und/oder eines Stroms aufweisen. Beim Abarbeiten des Computerprogramms steuert der Prozessor die anderen Komponenten der Rechen- und Steuereinheit, nämlich die Speichereinheit, die Messeinheit und die Schalteinheit so an, dass die Verfahrensschritte ausgeführt werden. Alternativ oder ergänzend kann das Computerprogrammprodukt auch zumindest teilweise als festverdrahtete Schaltung ausgebildet sein, beispielsweise als ASIC (= Application Specific Integrated Circuit). Das Computerprogrammprodukt ist dazu ausgebildet, die Rechen- und Steuereinheit des Hochspannungsschalter so anzusteuern, dass ein Anlegen von Spannung bzw. Strom an Sekundärkomponenten, ein Empfang von Messwerten einer Kenngrö-ße, die von der Spannung und/oder von dem Strom abhängig ist, zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten, und eine Auswertung der Messwerte und eine Ermittlung von Daten aus den Messwerten ausgeführt wird. Erfindungsgemäß ist das Computerprogrammprodukt dazu ausgebildet, mindestens eine Ausführungsform des skizzierten Verfahrens umzusetzen und durchzuführen. Dabei kann das Computerprogrammprodukt sämtliche Teilfunktionen des Verfahrens in sich vereinigen, also monolithisch ausgebildet sein. Alternativ kann das Computerprogrammprodukt auch segmentiert ausgebildet sein und jeweils Teilfunktionen auf Segmente verteilen, die auf separater Hardware ausgeführt werden. Beispielsweise kann ein Teil des Verfahrens in einem Hochspannungsschalter durchgeführt werden und ein anderer Teil des Verfahrens in einer übergeordneten Steuereinheit, wie beispielsweise einer SPS oder einer Computer-Cloud.
Es wird weiter ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, das direkt in den internen Speicher einer digitalen Recheneinheit geladen werden kann und Softwarecodeabschnitte umfasst, mit denen die Schritte des hierin beschriebenen Verfahrens ausgeführt werden, wenn das Produkt auf der Rechen- und Steuereinheit des Hochspannungsschalter läuft. Die Recheneinheit ist insbesondere ein Prozessor der Rechen- und Steuereinheit des Hochspannungsschalter zur Steuerung des Hochspannungsschalters. Das Computerprogrammprodukt kann auf einem Datenträger gespeichert sein, wie z. B. einem USB-Speicherstick, einer DVD oder einer CD-ROM, einem Flash-Speicher, EEPROM oder einer SD-Karte. Das Computerprogrammprodukt kann auch in der Form eines über ein drahtgebundenes oder drahtloses Netzwerk ladbaren Datenstroms vorliegen.
Das Verfahren ist zur automatischen Ausführung bevorzugt in Form eines Computerprogrammprodukts realisiert, wobei das Computerprogrammprodukt in Verbindung mit einer Mess- und Steuerelektronik eine Überwachung der Sekundärkomponenten vornimmt. Die Erfindung ist damit einerseits auch ein Computerprogrammprodukt mit durch einen Computer ausführbaren Programmcodeanweisungen und andererseits ein Speichermedium mit einem derartigen Computerprogramm, also ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln.
Wenn im Folgenden Verfahrensschritte oder Verfahrensschrittfolgen beschrieben werden, bezieht sich dies auf Aktionen, die aufgrund des Computerprogrammprodukts oder unter Kontrolle des Computerprogrammprodukts erfolgen, sofern nicht ausdrücklich darauf hingewiesen ist, dass einzelne Aktionen durch einen Benutzer des Computerprogrammprodukts veranlasst werden. Zumindest bedeutet jede Verwendung des Begriffs „automatisch“, dass die betreffende Aktion aufgrund des Computerprogramms oder unter Kontrolle des Computerprogramms erfolgt.
Die skizzierte Aufgabenstellung wird auch durch ein erfindungsgemäßes computerlesbares Medium gelöst, auf dem das Computerprogrammprodukt nach Anspruch 9 gespeichert ist.
Anstelle eines Computerprogramms mit einzelnen Programmcodeanweisungen kann die Implementierung des hier und im Folgenden beschriebenen Verfahrens auch in Form von Firmware erfolgen. Dem Fachmann ist klar, dass anstelle einer Implementation eines Verfahrens in Software stets auch eine Implementation in Firmware oder in Firm- und Software oder in Firm- und Hardware möglich ist. Daher soll für die hier vorgelegte Beschreibung gelten, dass von dem Begriff Software oder dem Begriff Computerprogramm auch andere Implementationsmöglichkeiten, nämlich insbesondere eine Implementation in Firmware oder in Firm- und Software oder in Firm- und Hardware, umfasst sind.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich durch die folgende Beschreibung der Zeichnungen. Hierbei zeigen in schematischer und nicht maßstabsgetreuer Darstellung:

1 einen Hochspannungsschalter;
2 ein Ablaufdiagramm;
3 eine Wheatstone-Messbrücke; und
4 einen zeitlichen Verlauf eines Widerstands einer Sekundärkomponente eines Hochspannungsschalters.

1 zeigt einen als einen Vakuumleistungsschalter ausgebildeten Hochspannungsschalter 100 mit einer ein- oder mehrphasigen Primärstrombahn 10, welche eine obere Anschlussklemme 102 über einen Leitungsabschnitt 3 mit in einer Vakuum-Schaltkammer angeordneten Hauptkontakten 1, und die Hauptkontakte 1 über einen Leitungsabschnitt 3 mit einer unteren Anschlussklemme 103 verbindet. Die obere Anschlussklemme 102 kann mit einer Mittel- oder Hochspannungsquelle, z. B. einem Mittelspannungsnetz eines Energieversorgers, verbunden werden, die eine elektrische Spannung von z. B. 1000 V AC bereitstellt. An die untere Anschlussklemme 103 kann ein Verbraucher, z. B. ein Transformator, angeschlossen werden, dessen Versorgung mit elektrischer Energie durch den Hochspannungsschalter gesteuert wird. Im Falle eines Stromflusses durch die Primärstrombahn 10 liegt die Primärstrombahn 10 in einem Primärstromkreis, der durch ein Öffnen der Hauptkontakte 1 unterbrochen werden kann.
Der Hochspannungsschalter 100 weist außerdem eine Vielzahl von Steuerstrombahnen 20 bis 25 auf, die zur Sekundärausstattung des Hochspannungsschalters 100 zählen. Bei Vakuumleistungsschaltern liegen übliche Spannungen im Steuerstromkreis im Bereich 24 bis 660 Volt.
Der Hochspannungsschalter 100 weist eine Ausschaltauslöserstrombahn 20 auf, welche eine obere Anschlussklemme 202 über einen Schaltkontakt 51 und einen eine Spule aufweisenden Ausschaltauslöser 54 mit einer unteren Anschlussklemme 203 verbindet. Dabei sind der Schaltkontakt 51 mit zwei Steckverbindungen 50, 52 und der Ausschaltauslöser 54 mit zwei Steckverbindungen 53, 55 in Reihe in die Ausschaltauslöserstrombahn 20 geschaltet, unter Verwendung von verbindenden Leitungsabschnitten 2, welche als Kabel, Leiterbahnen oder als Stromschienen ausgebildet sein können. Die obere Anschlussklemme 202 kann mit einer Niederspannungsquelle verbunden werden, welche zur Aktivierung eine elektrische Spannung von z. B. 230 V AC bereit stellt. Die untere Anschlussklemme 203 kann mit einem Neutralleiter verbunden werden. Im Falle eines Stromflusses durch die Ausschaltauslöserstrombahn 20 liegt die Ausschaltauslöserstrombahn 20 in einem Sekundärstromkreis, der durch ein Öffnen des Schaltkontakts 51 unterbrochen werden kann.
Der Hochspannungsschalter 100 weist außerdem eine Einschaltauslöserstrombahn 21 auf, welche eine obere Anschlussklemme 204 über einen Schaltkontakt 57 und einen eine Spule aufweisenden Einschaltauslöser 60 mit einer unteren Anschlussklemme 205 verbindet. Dabei sind der Schaltkontakt 57 mit zwei Steckverbindungen 56, 58 und der Ausschaltauslöser 60 mit zwei Steckverbindungen 59, 61 in Reihe in die Einschaltauslöserstrombahn 21 geschaltet, unter Verwendung von verbindenden Leitungsabschnitten 2, welche als Kabel, Leitungen, Leiterbahnen oder als Stromschienen ausgebildet sein können. Die obere Anschlussklemme 204 kann mit derselben Niederspannungsquelle wie die obere Anschlussklemme 202 der Ausschaltauslöserstrombahn 20 verbunden werden. Die untere Anschlussklemme 205 kann mit demselben Neutralleiter wie die untere Anschlussklemme 203 der Ausschaltauslöserstrombahn 20 verbunden werden.
Der Hochspannungsschalter 100 weist außerdem zwei Federspeicherantriebstrombahnen 23 und 24 und eine Heizelementstrombahn 25. In die Federspeicherantriebstrombahnen 23 und 24, welche jeweils obere Anschlussklemmen 208, 210 und untere Anschlussklemmen 209, 211 aufweisen, ist jeweils, mithilfe von Schaltkontakten 62, 64 bzw. 65, 67 und Leitungsabschnitten 2, welche als Kabel, Leitung, Leiterbahnen oder als Stromschienen ausgebildet sein können, ein Federspeicherantrieb 63, 66 geschaltet. In die Heizelementstrombahn 25, welche eine obere Anschlussklemme 212 und eine untere Anschlussklemme 213 aufweist, ist, mithilfe von Schaltkontakten 68 und 70 und Leitungsabschnitten 2, welche als Kabel, Leitungen, Leiterbahnen oder als Stromschienen ausgebildet sein können, ein elektrisches Heizelement 69 geschaltet, welches den Gehäuseinnenraum des Hochspannungsschalters 100 gegen eine schädliche Kondensation von Luftfeuchtigkeit schützt. Die oberen Anschlussklemmen 208, 210, 212 können mit derselben Niederspannungsquelle wie die obere Anschlussklemme 202 der Ausschaltauslöserstrombahn 20 verbunden werden. Die unteren Anschlussklemmen 209, 211, 213 können mit demselben Neutralleiter wie die untere Anschlussklemme 203 der Ausschaltauslöserstrombahn 20 verbunden werden.
Der Hochspannungsschalter 100 kann außerdem beliebige weitere Hilfs- und Steuerstrombahnen mit weiteren Sekundärkomponenten, deren elektrische Eigenschaften einem Alterungsprozess unterliegen, aufweisen, von denen exemplarisch eine Strombahn 22 angedeutet ist, welche eine obere Anschlussklemme 206 und eine untere Anschlussklemme 207 aufweist.
Darüber hinaus weist der Hochspannungsschalter 100 zwei Schaltschlösser 4, 5, zwei Federspeicher 6, 7 sowie eine Rechen- und Steuereinheit 8 auf; dabei wird die Rechen- und Steuereinheit 8 über die Strombahn 22 mit elektrischer Energie versorgt. Die Rechen- und Steuereinheit 8 weist eine Speichereinheit 81, einen Prozessor 82, eine Messeinheit 83 und eine Schalteinheit 84 auf, welche als eine Leiterplatte (engl.: PCB = Printed Circuit Board) ausgebildet sein können. Die Speichereinheit 81 kann einen ROM (= Read Only Memory) zum Speichern eines Computerprogrammprodukts, einen RAM (= Random Access Memory) sowie eine nichtflüchtige Datenspeichereinheit (z. B. Flash-EPROM) zum Speichern von sonstigen Daten aufweisen. Der Prozessor 82 kann zum Ausführen einer auf der Speichereinheit 81 gespeicherten Computerprogrammprodukts dienen. Die Messeinheit 83 kann zum Erfassen von physikalisch-elektrischen Kenngrößen von Sekundärkomponenten wie Strom und/oder Spannung dienen. Die Schalteinheit 84 kann zum Verschalten von zwei oder mehr elektrischen Leitungen 40 bis 45 zu Stromkreisen und zum Bereitstellen einer Spannung und/oder eines Stroms dienen.
Eine Ausschalt-Auslösung des Hochspannungsschalters 100 geht wie folgt vonstatten: Ein Anlegen einer Auslösespannung an die Anschlussklemmen 202, 203 der Ausschaltauslöserstrombahn 20, z. B. aufgrund eines Ausschaltbefehls oder eines Fehlerfalls, führt dazu, dass eine Auslösespule des Ausschaltauslösers 54 infolge des durch die Ausschaltauslöserstrombahn 20 fließenden elektrischen Stromes ein magnetisches Feld bildet, welches eine Ausklinkung 31 des Schaltschlosses 4 zur Folge hat. Das ausgeklinkte Schaltschloss 4 gibt den Federspeicher 6 durch 33 frei, dessen gespeicherte mechanische Energie freigesetzt und zu den Hauptkontakten 1 durch 35 übertragen wird, wo sie eine Öffnung der Hauptkontakte 1 hervorruft. Der entladene Federspeicher 6 kann mithilfe des Federspeicherantriebs 63 wieder geladen 37, sozusagen „aktiviert“ werden: ein Elektromotor des Federspeicherantriebs 63 spannt über ein Getriebe eine Feder des Federspeicherantriebs 63.
Eine Einschalt-Auslösung des Hochspannungsschalters 100 geht analog vonstatten: Ein Anlegen einer Auslösespannung an die Anschlussklemmen 204, 205 der Einschaltauslöserstrombahn 20, z. B. aufgrund eines Einschaltbefehls, führt dazu, dass eine Auslösespule des Einschaltauslösers 60 infolge des durch die Ausschaltauslöserstrombahn 21 fließenden elektrischen Stromes ein magnetisches Feld bildet, welches eine Ausklinkung 32 des Schaltschlosses 5 zur Folge hat. Das ausgeklinkte Schaltschloss 5 gibt den Federspeicher 7 durch 34 frei, dessen gespeicherte mechanische Energie freigesetzt und zu den Hauptkontakten 1 durch 36 übertragen wird, wo sie eine Schließung der Hauptkontakte 1 hervorruft. Der entladene Federspeicher 7 kann mithilfe des Federspeicherantriebs 66 wieder geladen 38, sozusagen „aktiviert“ werden: ein Elektromotor des Federspeicherantriebs 66 spannt über ein Getriebe eine Feder des Federspeicherantriebs 66.
Es gibt auch Ausführungen von Hochspannungsschaltern, die mit einem Federspeicherantrieb eine zentrale Federspeichereinheit spannen, mit deren Hilfe dann sowohl Ein- als auch Ausschaltvorgang ablaufen. Dabei weist die zentrale Federspeichereinheit eine Einschaltfeder auf, die beim Aktivieren die Ausschaltfeder spannt.
An den Anschlussklemmen 202, 203 der Ausschaltauslöserstrombahn 20 sind elektrische Leitungen 40 angeschlossen, die mit der Rechen- und Steuereinheit 8 verbunden sind. Analog dazu sind auch an den Anschlussklemmen 204 bis 213 der übrigen Strombahnen 21 bis 25 elektrische Leitungen 41 bis 45 angeschlossen, die mit der Rechen- und Steuereinheit 8 verbunden sind. Mittels der Leitungen 41 bis 45 können die Strombahnen 20 bis 25 jeweils mit einer Spannung oder einem Strom beaufschlagt und eine aus der Beaufschlagung resultierende Messgröße gemessen und an die Rechen- und Steuereinheit 8 übertragen werden. Die Rechen- und Steuereinheit 8 kann daraus mindestens einer von der Spannung und/oder von dem Strom abhängigen Kenngröße der Sekundärkomponenten 2, 50 bis 70 ermitteln. Nach einer Ermittlung der Kenngröße zu zwei oder mehr unterschiedlichen Zeitpunkten kann die Rechen- und Steuereinheit 8 aus einem zeitlichen Verlauf der Kenngröße einen Alterungszustand der Strombahnen 20 bis 25 mit den darin verschalteten Sekundärkomponenten 2, 50 bis 70 ermitteln.
Beispielsweise wird aus dem zeitlichen Verlauf der Kenngröße ein Windungsschluss einer Spule und/oder eine Höhe eines Kontaktwiderstands abgeleitet. Das folgende Beispiel soll dies veranschaulichen: In der Ausschaltauslöserstrombahn 20 liegen der Widerstand des Ausschaltauslösers 54, die Übergangswiderstände der Steckverbindungen 50, 52, 53, 55, die Kontaktwiderstände des Schaltkontakts 51 und die Leitungswiderstände der Leitungsabschnitte 2, welche die vorgenannten Komponenten 51, 54 mit den Anschlussklemmen 202, 203 verbinden, in Reihenschaltung vor. Im Falle eines Windungsschlusses der Spule des Ausschaltauslösers 54 tritt eine Erniedrigung sowohl des Widerstands als auch der Induktivität der Spule ein. Diese Änderung der elektrischen Eigenschaften des Ausschaltauslösers 54 kann wie folgt detektiert werden: Über die Leitungen 40 liegt eine von der Schalteinheit 84 der Rechen- und Steuereinheit 8 bereit gestellte Messspannung U an den Anschlussklemmen 202, 203 der Ausschaltauslöserstrombahn 20 an. Der folglich durch die Ausschaltauslöserstrombahn 20 fließende Strom I wird durch die Messeinheit 83 der Rechen- und Steuereinheit 8 gemessen. Der Prozessor 82 der Rechen- und Steuereinheit 8 berechnet aus den Größen U und I den ohmschen Widerstand R und die Induktivität L der Ausschaltauslöserstrombahn 20. Im Falle des oben beschriebenen Windungsschlusses der Spule des Ausschaltauslösers 54 detektiert die Rechen- und Steuereinheit 8 eine Erniedrigung sowohl des Widerstands als auch der Induktivität in der Ausschaltauslöserstrombahn 20. Im Gegensatz dazu führen Verschlechterungen der Kontaktwiderstände der Schaltkontaktes 51 und der Steckkontakte 50, 52, 53, 55 sowie der Leitungswiderstände der Leitungsabschnitte 2 in der Ausschaltauslöserstrombahn 20 lediglich zu einer Widerstandserhöhung in der Ausschaltauslöserstrombahn 20, ohne die Induktivität der Ausschaltauslöserstrombahn 20 zu beeinflussen.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren dient einer Überwachung der Funktionsfähigkeit des in 1 dargestellten Hochspannungsschalters 100 während seines Betriebs. Dabei werden die in dem Primärstromkreis 10 des Hochspannungsschalters liegenden elektrischen Komponenten des Hochspannungsschalters, d. h. die Anschlussklemmen 102, 103, die Hauptkontakte 1 und die die Hauptkontakte 1 mit den Anschlussklemmen 102, 103 verbindenden Leitungsabschnitte 3, als Primärkomponenten des Hochspannungsschalters und die restlichen elektrischen Komponenten des Hochspannungsschalters 100 als Sekundärkomponenten des Hochspannungsschalters bezeichnet.
Das Verfahren weist einen ersten Schritt 91 auf, in dem eine Spannung an mindestens eine der Sekundärkomponenten 2, 50 bis 70 angelegt wird. Dabei wird die Spannung so gewählt, dass sie nicht zu einer Betätigung der Sekundärkomponente 2, 50 bis 70 führt. Im Fall der Auslöser 54, 60 bedeutet das, dass die an den Anschlussklemmen 202, 203 bzw. 204, 205 angelegte Spannung so gering ist, dass das dadurch von den Auslösespulen der Auslöser 54, 60 gebildete magnetische Feld nicht zu einer Ausklinkung der Schaltschlösser 4, 5 führt.
Im Fall der Federspeicherantriebe 63, 69 bedeutet das, dass die an den Anschlussklemmen 208, 209 bzw. 210, 211 angelegte Spannung so gering ist, dass die Elektromotoren der Federspeicherantriebe 63, 69 nicht anlaufen. Im Fall des Heizelements 69 bedeutet das, dass die an den Anschlussklemmen 212, 213 angelegte Spannung so gering ist, dass das Heizelement 69 eine vorgegebene Heizleistung nicht überschreitet, damit das Heizelement 69 keine unnötige Wärmelast des Hochspannungsschalters 100 bildet.
Das Verfahren weist einen dem ersten Schritt 91 nachfolgenden zweiten Schritt 92 auf, im dem eine von der Spannung abhängige Kenngröße der mit der Spannung beaufschlagten Sekundärkomponente 2, 50 bis 70 zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten ermittelt wird. Dabei können zwischen dem ersten und dem zweiten Schritt noch beliebige weitere Verfahrensschritte durchgeführt werden.
Im Fall der Steckverbindungen 50, 52, 53, 55, 56, 58, 59, 61, 62, 64, 65, 67, 68, 70 und der Leitungsabschnitte 2 kann die Kenngröße ein elektrischer Widerstand R sein, der gemäß dem ohmschen Gesetz R = U/I aus der an den Anschlussklemmen 202 bis 213 jeweils angelegten Spannung U und der Stromstärke I des aufgrund der Spannung U durch die Steckverbindungen oder Leitungsabschnitte jeweils fließenden Stroms, gemessen von der Rechen- und Steuereinheit 8, ermittelt wird.
Im Fall der Auslöser 54, 60 kann die Kenngröße ein elektrischer Widerstand der jeweiligen Auslösespule der Auslöser 54, 60 sein, oder eine Selbstinduktivität L der jeweiligen Auslösespule der Auslöser 54, 60, die gemäß der Formel L = U/(dI/dt) aus der an den Anschlussklemmen 202 bis 205 angelegten jeweiligen Spannung U und der zeitlichen Änderung dI/dt der Stromstärke I des aufgrund der Spannung U durch die Auslösespule jeweils fließenden Stroms, gemessen von der Rechen- und Steuereinheit 8, ermittelt wird.
Im Fall der Federspeicherantriebe 63, 66 kann die Kenngröße, wie bei den Auslösern 54, 60, eine Induktivität L oder ein elektrischer Widerstand einer Spule eines Elektromotors sein. Im Fall des Heizelements 69 kann die Kenngröße, wie bei den Steckverbindungen 50, 52, 53, 55, 56, 58, 59, 61, 62, 64, 65, 67, 68, 70 und den Leitungsabschnitten 2, ein elektrischer Widerstand R sein.
Das Verfahren weist außerdem einen dem zweiten Schritt 92 nachfolgenden dritten Schritt 93 auf, im dem aus einem zeitlichen Verlauf der Kenngröße ein Alterungszustand der Sekundärkomponente 2, 50 bis 70 abgeleitet wird. Dabei können zwischen dem zweiten und dem dritten Schritt noch beliebige weitere Verfahrensschritte durchgeführt werden.
Während des Betriebs des Hochspannungsschalters 100 überwacht sich der Hochspannungsschalter 100 selbst auf seine Funktionsfähigkeit: Dazu werden die Sekundärkomponenten des Hochspannungsschalters 100 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer Spannung bzw. einem Strom beaufschlagt, auf dessen Basis Rückschlüsse auf eine unzulässige Alterung der Sekundärkomponenten gezogen werden. Es wird generell die Veränderung (= Alterung) überwacht, und bei „langsamen“ Änderungen kann auch eine Prognose erstellt werden, wann eine Sekundärkomponente den zulässigen Grenzwert überschreitet.
3 zeigt eine in einem Hochspannungsschalter 100 gemäß 1 ausgebildete Wheatstone-Messbrücke 300, die wie folgt verschaltet ist: Eine von der Rechen- und Steuereinheit 8 bereitgestellte erste Spannung, die nicht zu einer Auslösung des Ausschaltauslösers 54 führt, wird mittels eines ersten elektrischen Leitungspaars 40, das an die Anschlussklemmen 202, 203 der Ausschaltauslöserstrombahn 20 angeschlossen ist, an eine in der Ausschaltauslöserstrombahn 20 liegende, als ein erster Spannungsteiler wirkende Reihenschaltung, gebildet von dem Ausschaltauslöser 54 und einem ersten zusätzlichen Widerstand 12 angelegt. Eine von der Rechen- und Steuereinheit 8 bereitgestellte zweite Spannung, die nicht zu einer Auslösung des Einschaltauslösers 60 führt, wird mittels eines zweiten elektrischen Leitungspaars 41, das an die Anschlussklemmen 204, 205 der Einschaltauslöserstrombahn 21 angeschlossen ist, an eine in der Einschaltauslöserstrombahn 21 liegende, als ein zweiter Spannungsteiler wirkende Reihenschaltung, gebildet von dem Einschaltauslöser 60 und einem zweiten zusätzlichen Widerstand 13 angelegt. Dabei weisen die erste und die zweite Spannung dasselbe Potential auf.
Zum Abgreifen einer Potentialdifferenz zwischen einem ersten Kontaktpunkt 460, der zwischen dem Ausschaltauslöser 54 und dem ersten zusätzlichen Widerstand 12 liegt, und einem zweiten Kontaktpunkt 470, der zwischen dem Einschaltauslöser 60 und dem zweiten zusätzlichen Widerstand 13 liegt, sind die Kontaktpunkte 460, 470 jeweils mithilfe elektrischer Leitungen 46, 47 mit der Rechen- und Steuereinheit 8 verbunden, wo die Potentialdifferenz ermittelt wird.
Dabei werden die zwei zusätzlichen Widerständen 12, 13 so bemessen, dass in einem Ausgangszustand die Potentialdifferenz zwischen den beiden Messpunkten 460, 470 gleich Null ist. Die durch eine Alterung hervorgerufene Veränderung der Widerstände der Auslöser 54, 60 führt zu einer „Verstimmung“ der Messbrücke 300, die sich als eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Messpunkten 460, 470 äußert. Der Vorteil der Überwachung der Auslöser 54, 60 mittels einer Wheatstone-Messbrücke liegt darin, dass bereits geringste Widerstandsänderungen der Auslöser 54, 60 detektiert werden können.
Bei einer geeigneten Auslegung der Wheatstone-Messbrücke 300 können auch Änderungen von Kontaktübergangswiderständen detektiert werden.
3 zeigt wie die Auslöser 54, 60 und die Hilfswiderstände 12, 13 im Hochspannungsschalter verschaltet werden können, um eine Messbrücke zu realisieren. Diese Verschaltung darf nur für den Zeitraum der Messung erfolgen. Andernfalls wäre die Funktion des Hochspannungsschalters nicht mehr gegeben, da die Auslöser 54, 60 in dieser Verschaltung nicht so gesteuert werden können, wie es für einen normalen Betrieb des Hochspannungsschalters nötig ist.
Die Messbrücke, wie sie in 3 dargestellt ist, verbindet Einschalt- und Ausschalt-Auslöser 54, 60 miteinander. Daher wird die dargestellte Messbrücke 300 nur zum Zeitpunkt der durch die Rechen- und Steuereinheit 8 gesteuerten Messung etabliert, während der das Schalten des Hochspannungsschalters durch die Rechen- und Steuereinheit 8 gesperrt wird. Die Leitungen 40 und 41 werden also nur zum Zeitpunkt der Messung so verschaltet, dass eine Wheatstonesche Messbrücke entsteht.
4 zeigt einen Verlauf eines elektrischen Widerstands R einer Sekundärkomponente des Hochspannungsschalters 100 über der Zeit t. In das R-t-Diagramm ist auch ein Grenzwert R_s des elektrischen Widerstands eingetragen: der elektrische Widerstand R der überwachten Sekundärkomponente des Hochspannungsschalters 100 darf diesen Grenzwert R_s nicht überschreiten, andernfalls darf der Hochspannungsschalter 100 nicht mehr betrieben werden. Die Messungen zur Ermittlung der Sekundärkomponente erfolgen regelmäßig und zyklisch in Intervallen von z. B. 1 s; es sind aber auch kürzere oder längere Zeitintervalle möglich. Die Auswertung durch die Rechen- und Steuereinheit ergibt, dass die zu den Zeitpunkten t₁ und t₂ ermittelten Werte R₁ und R₂ des elektrischen Widerstands R der Sekundärkomponente mit der Zeit t zunehmen. Zu den Zeitpunkten t₁ und t₂ liegt der Widerstand R der Sekundärkomponente noch unterhalb des Grenzwertes R_s.
Durch eine zyklische und kontinuierliche Überwachung des Widerstands R der Sekundärkomponente ist die Rechen- und Steuereinheit des Hochspannungsschalters 100 in der Lage, auf Basis von bereits ermittelten Widerstandswerten - in 4 sind das die zu den Zeitpunkten t₁ und t₂ ermittelten Werte - eine in 4 durch die gestrichelte Linie angegebene Ausgleichsgerade K zu bestimmen, welche die zukünftige Entwicklung des Widerstands extrapoliert. Durch eine Extrapolation auf Basis der gesicherten Wertepaare (t₁; R₁), (t₂; R₂) kann die Rechen- und Steuereinheit abschätzen, zu welchem Zeitpunkt t_s die Sekundärkomponente den Grenzwert R_s voraussichtlich überschreiten wird und ein weiterer Betrieb des Hochspannungsschalters 100 untersagt ist; die Rechen- und Steuereinheit kann diesen Zeitpunkt so rechtzeitig einem Betreiber des Hochspannungsschalters mitteilen, z. B. durch eine E-Mail, eine Anzeige auf einem Display, einen Warnton, o.ä., dass dieser eine Wartung vornehmen kann, bevor ein Betrieb des Hochspannungsschalters gefährdet ist. Die Erfindung versetzt einen Betreiber des Hochspannungsschalters also in die Lage, im Rahmen einer sogenannten Predictive Maintenance den Zeitpunkt eines notwendigen Wartungstermins abzuschätzen und rechtzeitig in den laufenden Betrieb einzuplanen. Die Erfindung hilft bei der Abschätzung, wann eine Wartung durchgeführt werden sollte. Dieser Ansatz verspricht Kosteneinsparungen gegenüber zyklisch mit festen zeitlichen Abständen durchgeführten Instandhaltungsstrategien, da Wartungsaufgaben nur dann ausgeführt werden, wenn dies technisch gerechtfertigt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009008465 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Überwachung der Funktionsfähigkeit eines Hochspannungsschalters (100) während seines Betriebs, wobei die in einem Primärstromkreis (10) des Hochspannungsschalters (100) liegenden elektrischen Komponenten (1, 3) des Hochspannungsschalters (100) als Primärkomponenten des Hochspannungsschalters (100) und die restlichen elektrischen Komponenten (2, 50 bis 70) des Hochspannungsschalters (100) als Sekundärkomponenten des Hochspannungsschalters (100) bezeichnet werden, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: - Anlegen einer Spannung und/oder eines Stroms an mindestens eine Sekundärkomponente (2, 50 bis 70), wobei die Spannung bzw. der Strom so gewählt werden, dass sie nicht zu einer Betätigung der Sekundärkomponente (2, 50 bis 70) führen; - Ermitteln mindestens einer von der Spannung und/oder von dem Strom abhängigen Kenngröße (R₁, R₂) der Sekundärkomponente (2, 50 bis 70) zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten (t₁, t₂) ; und - Ermitteln eines Alterungszustands der Sekundärkomponente (2, 50 bis 70) aus einem zeitlichen Verlauf der Kenngröße (R₁, R₂).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Kenngrößen der Sekundärkomponente Verwendung finden können: der elektrische Widerstand (R₁, R₂), die Induktivität, die Kapazität.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei aus der Temperaturabhängigkeit des als eine Kenngröße verwendeten elektrischen Widerstands (R₁, R₂) die Temperatur der Sekundärkomponente (2, 50 bis 70) ermittelt wird, aus der ein Alterungszustand der Sekundärkomponente (2, 50 bis 70) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei aus dem zeitlichen Verlauf der Kenngröße ein Windungsschluss einer Spule und/oder eine Höhe eines Kontaktwiderstands ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Einschaltauslöser (54) und ein Ausschaltauslöser (60) des Hochspannungsschalters (100) mit zwei zusätzlichen Widerständen (12, 13) als eine Wheatstone-Messbrücke (300) geschaltet werden, welche Widerstandsänderungen des Einschaltauslösers (54) und/oder des Ausschaltauslösers (60) detektieren kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zeitspanne zwischen den zwei unterschiedlichen Zeitpunkten (t₁, t₂) so bemessen wird, dass die Sekundärkomponente (2, 50 bis 70) in dieser Zeitspanne eine messbare Zustandsänderung erfahren kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ermittlung der Kenngröße mindestens einen Messschritt, in dem ein Messwert einer von der angelegten Spannung bzw. Strom abhängigen Messgröße ermittelt wird, und mindestens einen Rechenschritt, in dem aus der Größe der angelegten Spannung bzw. des Stroms und dem ermittelten Messwert die Kenngröße berechnet wird, aufweist.
Hochspannungsschalter (100), wobei die in einem Primärstromkreis (10) des Hochspannungsschalters (100) liegenden elektrischen Komponenten (1, 3) des Hochspannungsschalters (100) als Primärkomponenten des Hochspannungsschalters (100) und die restlichen elektrischen Komponenten des Hochspannungsschalters (100) als Sekundärkomponenten (2, 50 bis 70) des Hochspannungsschalters (100) bezeichnet werden, aufweisend: - eine Rechen- und Steuereinheit (8) zum Bereitstellen einer Spannung und/oder eines Stroms, die so bemessen sind, dass sie nicht zu einer Betätigung einer der Sekundärkomponenten (2, 50 bis 70) führen, und - elektrische Leitungen (40 bis 45) zum Anlegen der Spannung und/oder des Stroms an mindestens eine Sekundärkomponente (2, 50 bis 70), wobei die Rechen- und Steuereinheit (8) dazu ausgebildet ist, aus der angelegten Spannung bzw. Strom und einem von der Rechen- und Steuereinheit (8) ermittelten Messwert einer von der angelegten Spannung bzw. Strom abhängigen Messgröße eine Kenngröße der Sekundärkomponente (2, 50 bis 70) zu ermitteln und aus einem zeitlichen Verlauf der zu unterschiedlichen Zeitpunkten (t₁, t₂) ermittelten Kenngröße (R₁, R₂) einen Alterungszustands der Sekundärkomponente (2, 50 bis 70) zu ermitteln.
Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bewirken, dass der Hochspannungsschalter (100) des Anspruchs 8 die Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausführt.
Computerlesbares Medium, auf dem das Computerprogrammprodukt nach Anspruch 9 gespeichert ist.