DE19519721C1 - Leistungsschalter und Verfahren zur Überwachung des Schalterantriebs - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Leistungsschalter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Überwachung der ordnungsgemäßen Funktion des Schalterantriebs eines Leistungsschalters nach dem Anspruch 12.

Ein derartiger Leistungsschalter und ein solches Verfahren sind aus der DE 38 22 342 C2 bekannt. Der bekannte Leistungsschalter weist einen Antrieb auf, der bei Schaltvorgängen eine Schalteinheit bewegt. Die Schalteinheit steht derart mit einem beweglichen Kontaktstück des Leistungsschalters in Berührung, daß bei einer Bewegung der Schalteinheit der Leistungsschalter in die Einschalt- bzw. in die Ausschaltstellung gelangt.

Der Leistungsschalter weist fünf versetzt zueinander angeordnete Lichtwege von Lichtschranken auf, die infolge der Bewegung der Schalteinheit nacheinander geöffnet und geschlossen werden. Bei Schaltvorgängen werden der Zeitpunkt der Ansteuerung des Antriebs und die Zeitpunkte, an denen die Lichtschranken geöffnet werden, erfaßt. Mittels eines Datenverarbeitungsprogramms wird untersucht, ob die Dauer zwischen den erfaßten Zeitpunkten im normalen Bereich liegt oder ob eine Verzögerung aufgetreten ist. Im letztgenannten Fall wird eine Störung im Antriebsvorgang angenommen.

Ein Schalterantrieb kann beispielsweise in der Weise fehlerhaft arbeiten, daß eine Bewegung des Antriebs nicht ordnungsgemäß über mechanische Verbindungselemente vom Antrieb auf das bewegliche Kontaktstück übertragen wird. In einem solchen Falle ist beispielsweise der Antrieb in der Einschaltstellung, während das bewegliche Kontaktstück sich in irgendeiner Position zwischen der Ausschaltung und der Einschaltstellung befindet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zum einen einen Leistungsschalter zu schaffen, der bezüglich der ordnungsgemäßen Funktion seiner mechanischen Verbindungselemente zwischen Antrieb und beweglichem Kontaktstück überwacht wird, und zum anderen, ein Verfahren zur Durchführung der Überwachung bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Leistungsschalter nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 12.

Dadurch daß - getrennt voneinander - sowohl die Stellung des Antriebs erfaßt wird als auch die Position der Kontaktstücke zueinander, läßt sich feststellen, ob die Bewegung fehlerlos vom Antrieb auf das bewegliche Kontaktstück übertragen wird.

Durch die Verwendung von Lichtwellenleitern gemäß Anspruch 11 wird die Positionserfassung nicht durch elektromagnetische Wellen gestört.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand dreier Zeichnungen, aus denen sich weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben, näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen gasisolierten Leistungsschalter;

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Leistungsschalter nach Fig. 1 und

Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen als Polsäulenschalter ausgebildeten Leistungsschalter.

In Fig. 1 ist ein metallgekapselter Leistungsschalter dargestellt, der mit einem Isoliergas, beispielsweise SF₆, gefüllt ist. Er weist eine bewegliche Schalteinheit 1 und ein feststehendes Kontaktstück 2 auf, das als ein Schaltstift ausgebildet ist. Zwischen der beweglichen Schalteinheit 1 und dem Kontaktstück 2 befindet sich die Schaltstrecke, in der sich beim Ausschalten hoher Ströme ein Lichtbogen ausbildet. Bestandteil der Schalteinheit 1 ist ein Kompressionsraum in dem - in an sich bekannter Weise - Löschgas zur Beblasung des Lichtbogens komprimiert wird. Das Kontaktstück 2 wird koaxial in einem (elektrisch leitenden) Rohr 3 gehalten, das entlang der Längsachse des Leistungsschalters angeordnet ist. Die bewegliche Schalteinheit 1 weist ein Kontaktstück 4 auf, welches als Fingerkontaktstück ausgebildet ist und in der Einschaltstellung des Leistungsschalters das Kontaktstück 2 seitlich umgibt. An der Schalteinheit 1 ist eine Isolierstoffdüse 5 befestigt, die das Kontaktstück 4 an seinem dem Kontaktstück 2 zugewandten Ende mit Abstand umschließt. Sie ragt in Längsrichtung über das Ende des Kontaktstücks 4 hinaus, so daß sie im Einschaltzustand das Kontaktstück 2 fast vollständig seitlich umgibt.

Das bewegliche Kontaktstück 4 ist an seinem der Schaltstrecke abgewandten Ende auf einem Kontaktrohr 6 befestigt, das an einer Schaltstange 7 angebracht ist. Das Kontaktrohr 6 und die Schaltstange 7 liegen hintereinander in einer gemeinsamen Längsachse. Ein nicht dargestellter Antrieb bewegt beim Einschalten die Schaltstange 7 nach oben und beim Ausschalten nach unten.

Das Rohr 3 weist zwei Paare von jeweils zwei gegenüberliegenden, auf gleicher Höhe befindlichen Öffnungen 9, 11 und 8, 10 auf, wobei die beiden Paare in Längsrichtung des Leistungsschalters versetzt zueinander angeordnet sind.

Allen Öffnungen 8, 9, 10 und 11 gegenüber ist jeweils ein Fenster 12, 13, 14 und 15 in der Kapselung des Leistungsschalters angeordnet.

Die Fenster 12, 13, 14 und 15 fluchten mit den zugehörigen gegenüberliegenden Öffnungen 8, 9, 10 und 11, so daß - bei geöffnetem Leistungsschalter - auf diese Weise zwei für Lichtstrahlen durchgängige Lichtwege gebildet werden, die in unterschiedlicher Höhe angeordnet sind. Bei geschlossenem Schalter werden die beiden Lichtwege durch die Isolierstoffdüse 5 versperrt.

Die Öffnungen 8, 9, 10 und 11 können zum Verbesserung der Gasströmung während eines Löschvorgangs eines Lichtbogens durch Glas geschlossen sein. Mit zwei Lichtschranken, die die zuvor genannten Lichtwege nutzen, wird erfaßt, ob das bewegliche Kontaktstück 4 sich in der Einschaltstellung oder in der Ausschaltstellung befindet. Das Licht für die beiden erwähnten Lichtschranken stammt von zwei Leuchtdioden (LEDs), die in einer außerhalb der Kapselung des Leistungsschalters angeordneten Geräteeinheit 16 zum Steuern und Überwachen des Leistungsschalters untergebracht sind. Das Licht wird von den Leuchtdioden über jeweils einen Lichtwellenleiter 17 und 18 an ein zugehöriges Fenster 12 und 13 in der Kapselung geführt. Von dort gelangt das Licht - für jede Leuchtdiode getrennt - bei geöffnetem Leistungsschalter durch die Öffnungen 8, 9, 10 und 11 im Rohr 3 an die gegenüberliegenden Fenster 14 und 15 in der Kapselung. Außen ist an jedes dieser Fenster 14 und 15 ein Lichtwellenleiter 19 und 20 angebracht. Die Lichtwellenleiter 19 und 20 nehmen das Licht auf und leiten es an die Geräteeinheit 16 weiter. Dort wird das ankommende Licht von einer Photodiode für jeden Lichtwellenleiter 19 und 20 detektiert. Wenn die Lichtstärke an den Photodioden recht groß ist, wird angenommen, daß das Kontaktstück 4 in der Ausschaltposition ist, im andern Falle ist es in der Einschaltposition.

Die Fenster 12, 13, 14 und 15 können aus einem Kunststoff, wie z. B. Acrylglas, bestehen, der von den im Schaltlichtbogen entstehenden Zersetzungsprodukten des Isoliergases nicht angegriffen wird.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch den Leistungsschalter nach Fig. 1, und zwar in Höhe der gegenüberliegenden Öffnungen 8 und 10 oder 9 und 11.

Der feststehende Schaltstift des Kontaktstücks 2 liegt in der Mittelachse des kreisförmigen Kapselungsquerschnitts des Leistungsschalters.

Der direkte (Licht-)Weg durch die Öffnungen 9 und 11 (bzw. 8 und 10) und durch die Fenster 13 und 15 (bzw. 12 und 14) verläuft nicht durch die (von dem Schaltstift versperrte) Mittelachse der Kapselung (und des den Schaltstift umgebenden Rohres 3), sondern leicht seitlich versetzt neben dem Kontaktstück 2. Dabei führt der Lichtweg durch den von der Isolierstoffdüse 5 in der Einschaltstellung eingenommenen Raum. Auf diese Weise wird mittels der Lichtschranken erfaßt, ob die Isolierstoffdüse 5 sich gerade im Bereich der Lichtwege der Lichtschranken befindet oder nicht.

Fig. 3 zeigt eine Polsäule eines Leistungsschalters im Längsschnitt. Der Leistungsschalter weist ein feststehendes Kontaktstück 2′ auf, das als Schaltstift ausgebildet ist und sich koaxial in einem Rohr 3′ befindet. Mit dem feststehenden Kontaktstück 2′ wirkt ein bewegliches Kontaktstück 4′ zusammen, das im geschlossenen Zustand des Leistungsschalters den Schaltstift umschließt. Das Kontaktstück 4′ ist Bestandteil einer verschiebbaren Schalteinheit, die zusätzlich eine Isolierstoffdüse 5′ umfaßt. Die Isolierstoffdüse 5′ umgibt mit Abstand in der Einschaltstellung die einander zugewandten Enden der Kontaktstücke 2′ und 4′. Das bewegliche Kontaktstück 4′ ist auf ein Kontaktrohr 6′ aufgesetzt, welches wiederum an einer Schaltstange 7, befestigt ist. Die Schaltstange 7′ wird von einem Antrieb 21 in Bewegung versetzt. Zur Isolierung der Zuleitungen gegeneinander sind die Kontaktstücke 2′ und 4′ und das Kontaktrohr 6′ gemeinsam von einem rohrförmigen Porzellanisolator 22 umgeben. Zur Isolierung gegen Erde befindet sich auch die Schaltstange 7′ koaxial in einem (weiteren) Porzellanisolator 23.

Im unteren Bereich des Kontaktrohres 6′ in der Nähe der Schaltstange 7′ sind vier Öffnungen 24 vorhanden, wobei jeweils zwei Öffnungen 24 sich einander gegenüberstehen und auf diese Weise einen Durchlaß für Lichtstrahlen (Lichtweg) bilden. Somit werden zwei Lichtwege für zwei Lichtschranken geschaffen, die in Längsrichtung des Kontaktrohres 6′ versetzt zueinander (übereinander) angeordnet sind.

Zu zwei übereinanderliegenden Öffnungen 24 ist jeweils ein Lichtwellenleiter 25 und 26 geführt, der von einer Leuchtdiode (LED) stammendes Licht weiterleitet. Die Leuchtdiode ist in einer Geräteeinheit 27 zum Überwachen und Steuern des Leistungsschalters untergebracht.

Von den beiden gegenüberliegenden Öffnungen 24 sind zwei weitere Lichtwellenleiter 28 und 29 zu jeweils einer Photodiode geführt. Jede Photodiode erfaßt die Intensität des einfallenden Lichts. Beide Photodioden sind ebenfalls in der Geräteeinheit 27 untergebracht. Auf diese Weise werden zwei übereinander angeordnete Lichtschranken geschaffen.

In der Einschaltstellung ist der Lichtweg der oberen Lichtschranke offen und der Lichtweg der unteren Lichtschranke versperrt. In der (in Fig. 3 dargestellten) Ausschaltstellung sind beide Lichtschranken offen, so daß das von den Leuchtdioden stammende Licht ungehindert die durch die Öffnungen 24 führenden Lichtwege passieren kann. Somit läßt sich über die Photodioden exakt detektieren, ob die Einschaltstellung des Leistungsschalters erreicht ist oder ob sich der Leistungsschalter in der Ausschaltstellung befindet.

Zur Überwachung der ordnungsgemäßen Bewegung des beweglichen Kontaktstücks 4, 4′ in den zuvor beschriebenen beiden Leistungsschaltern ist an den Antrieben jeweils ein faseroptischer Bewegungssensor angebracht, dessen Ausgangssignale von der Geräteeinheit 16, 27 ausgewertet werden. Mittels des Bewegungssensors läßt sich feststellen, ob sich der Antrieb in der Einschalt- oder in der Ausschaltposition befindet. Die Stellung der Kontaktstücke 2, 2′, 4, 4′ zueinander wird über die beschriebenen Lichtschranken erfaßt. Wenn eine Diskrepanz zwischen den so ermittelten Positionen festgestellt wird, liegt ein Fehler an den Verbindungselementen zwischen dem Antrieb und dem beweglichen Kontaktstück 4, 4′ vor. In diesem Fall wird der Leistungsschalter über die Geräteeinheit 16, 27 gesperrt. Die Sperre wird automatisch an die zuständige Schaltwarte gemeldet.

Bei einer konventionellen Peripherie erfolgt die Meldung der Sperrung des Leistungsschalters im Rahmen der vorhandenen Sammelmeldung. Die Ursache der Sperre kann dann mit einer Bedieneinheit von der Geräteeinheit 16, 27 am Leistungsschalter abgefragt werden.

Bei serieller Verbindung zwischen dem Leistungsschalter und der Schaltwarte wird die Information über die Ursache der Sperre als Datensignal automatisch an die Schaltwarte übertragen und steht dort für die weitere Verarbeitung zur Verfügung.

Aufgrund der Elastizitäten der Verbindungselemente kann eine Zeitdifferenz zwischen korrespondierenden Stellungen des Antriebs und den Kontaktstücken zueinander auftreten. Um dadurch bedingte Fehlmeldungen zu vermeiden, wird eine Diskrepanz zwischen den erfaßten Werten für die Schalterstellung nur dann als Fehler gewertet, wenn sie über eine vorgegebene Zeitdauer hinweg bestehen bleibt.

Bei der Auswertung der Lichtsignale, die bei den Photodioden eintreffen, ist zu berücksichtigen, daß während eines Ausschaltvorgangs eine intensive Lichtstrahlung von dem zwischen den Kontaktstücken 2, 4 und 2′, 4′ sich ausbildenden Schaltlichtbogen ausgeht, durch die eine falsche Schalterstellung vorgetäuscht werden kann. Deshalb ist im Programm der Geräteeinheit 16, 27 vorgesehen, daß während eines Aus- und eines Einschaltvorgangs und eine bestimmte Zeit danach keine Auswertung der bei den Photodioden ankommenden Signale erfolgt. Die hierfür benötigte Information über die Bewegung des Leistungsschalters ist durch den Bewegungssensor in der Geräteeinheit 16, 27 verfügbar.

Claims (14)

1. Leistungsschalter mit zwei Kontaktstücken (2, 4, 2′, 4′), von denen eines (2, 2′) fest angebracht und das andere (4, 4′) von einem Antrieb gegen dieses in Bewegung versetzbar ist, wobei der Leistungsschalter mindestens zwei versetzt angeordnete Lichtwege (8, 10, 12, 14; 9, 11, 13, 15) mindestens zweier Lichtschranken aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktstücke (2, 4; 2′, 4′) entlang einer Längsachse angeordnet sind, daß die Lichtschranken im Innern des Leistungsschalters, entlang der Längsachse versetzt sind, und im Verlaufe der Ein- und Ausschaltbewegung die Lichtwege von einer beweglichen Schalteinheit (1) versperrt oder geöffnet werden, so daß mittels der Lichtschranken Schalterstellungen des Leistungsschalters erfaßbar sind, daß mittels der Lichtschranken erfaßbar ist, ob die Ein- oder die Ausschaltstellung des Leistungsschalters erreicht ist, und daß der Leistungsschalter einen Sensor zur Erfassung der Stellung des Antriebs und eine Geräteeinheit (16, 27) aufweist, die die von den Lichtschranken und die von dem Sensor stammenden Signale bezüglich der Schalterstellungen aufnimmt.

2. Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsschalter ein gasisolierter Hochspannungsschalter ist, daß das feststehende Kontaktstück (2) ein koaxial im Innern eines Rohres (3) befestigter Schaltstift ist, der im geschlossenen Zustand des Leistungsschalters von dem beweglichen Kontaktstück (4) umfaßt wird und dabei mit Abstand von einer Isolierstoffdüse (5) umgeben ist, daß zumindest ein Teil der Lichtwege durch Öffnen (8, 9, 10, 11) in dem Rohr (3) geführt ist, daß in der Einschaltstellung mindestens zwei zueinander entlang der Längsachse versetzt angeordnete Lichtwege versperrt sind und daß in der Ausschaltstellung diese Lichtwege frei sind.

3. Leistungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwege in der Einschaltstellung durch die Isolierstoffdüse (5) versperrt sind.

4. Leistungsschalter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltstift in der Mittelachse des Rohres (3) angeordnet ist und daß die Lichtwege in der Ausschaltstellung an dem Schaltstift vorbei verlaufen.

5. Leistungsschalter nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (8, 9, 10, 11) des Rohres (3) mit lichtdurchlässigen Fenstern verschlossen sind.

6. Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Kontaktstück (4′) an seinem der Schaltstrecke abgewandten Ende an einem entlang der Längsachse des Leistungsschalters angeordneten Kontaktrohr (6′) befestigt ist, daß dieses Kontaktrohr (6′) entlang seiner Längsachse versetzt angeordnete Paare von gegenüberliegenden Öffnungen (24) für die Lichtwege aufweist.

7. Leistungsschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Einschaltstellung zumindest ein Lichtweg frei ist und mindestens ein anderer versperrt ist, während in der Ausschaltstellung alle Lichtwege frei sind.

8. Leistungsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwege zumindest teilweise durch Fenster (12, 13, 14, 15) in der Kapselung des Leistungsschalters geführt sind.

9. Leistungsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor zur Erfassung der Stellung des Antriebs ein Bewegungssensor ist.

10. Leistungsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtschranken zumindest teilweise jeweils mindestens eine Leuchtdiode und eine Photodiode aufweisen.

11. Leistungsschalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht für die Lichtwege der Lichtschranken zumindest teilweise von der Leuchtdiode über einen Lichtwellenleiter (17, 18, 23, 24) an den Anfang des Lichtweges geleitet wird und gegenüberliegend am Ende des Lichtweges über einen anderen Lichtwellenleiter (19, 20, 28, 29) an die Photodiode.

12. Verfahren zur Überwachung der ordnungsgemäßen Funktion des Schalterantriebs eines Leistungsschalters mit einem feststehenden und einem beweglichen Kontaktstück (2, 4; 2′, 4′), wobei mit Hilfe von mindestens zwei entlang der Längsachse des Leistungsschalters versetzt angeordneten Lichtschranken, deren Lichtwege im Verlaufe einer Schalterbetätigung von mindestens einem beweglichen Schalterteil versperrt oder geöffnet werden, Schalterstellungen erfaßt werden, dadurch gekennzeichnet, daß am Antrieb für das bewegliche Kontaktstück (4, 4′) die Stellung der Kontaktstücke (2, 4, 2′, 4′) zueinander erfaßt wird, daß mittels der Lichtschranken erfaßt wird, ob sich die Kontaktstücke (2, 4; 2′, 4′) in der Einschalt- oder in der Ausschaltposition befinden, und daß in einer Geräteeinheit (16, 27) verglichen wird, ob eine Abweichung von der an dem Antrieb ermittelten Position der Kontaktstücke (2, 4; 2′, 4′) zu der mittels der Lichtschranken erfaßten Position besteht.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß nur dann, wenn eine vorgegebene Zeit lang eine Abweichung festgestellt wird, dies als Fehler in der Funktion des Schalterantriebs gewertet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß im Verlaufe von Ein- und Ausschaltvorgängen erfaßte Werte für die Schalterpositionen nicht bei der Fehlerauswertung berücksichtigt werden.