DE19603310A1

DE19603310A1 - Verfahren zur Bestimmung der Restlebensdauer von Kontakten in Schaltgeräten und zugehörige Anordnung

Info

Publication number: DE19603310A1
Application number: DE19603310A
Authority: DE
Inventors: Fritz Dipl Phys Pohl; Norbert Elsner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-01-31
Filing date: 1996-01-31
Publication date: 1997-08-07
Also published as: WO1997028548A1; US20010019268A1; EP0878016A1; CN1068956C; US6359440B2; DE59700469D1; CN1208498A; EP0878016B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Restlebensdauer von Kontakten in Schaltgeräten, insbeson dere von Schützkontakten, wobei als Ersatzkriterium für den Abbrand der sogenannte Kontaktdurchdruck an der Schaltstrecke erfaßt wird und zur Bestimmung des Abbrandes der Kontakt stücke jeweils die Durchdruckänderung während des Ausschalt vorganges gemessen und als Restlebensdauer umgerechnet wird, wozu beim Schützantrieb aus Anker mit Magnetspule und zuge hörigem Joch eine Zeitmessung des Ankerweges vom Beginn der Ankerbewegung bis zum Beginn der Kontaktöffnung erfolgt. Da neben bezieht sich die Erfindung auf die zugehörige Anordnung zur Durchführung des Verfahrens mit einem Auswertegerät zur Anzeige der Restlebensdauer.

In der älteren, nichtvorveröffentlichten P 44 27 006.2 wird die Restlebensdauer eines Schützes beim Ausschaltvorgang aus der Zeitdifferenz zwischen dem Beginn der Ankeröffnungs bewegung und dem Kontaktöffnungsbeginn abgeleitet. Aus dem Wert der Zeitdifferenz bestimmt ein Mi-kroprozessor nach einem Auswertealgorithmus den aktuellen Wert des sog. Kon takt-Durchdruckes, welcher durch Abbrand von seinem Neuwert (= 100% Restlebensdauer) auf seinen Mindestwert (= 0% Rest lebensdauer) abnimmt. Die hierzu notwendigen Zeitsignale werden zum einen durch Unterbrechung eines Hilfsstrompfades über Anker und Joch des Magnetantriebes und über die Kontakt spannung an den Hauptschaltstücken detektiert und in defi nierte Spannungspulse umgeformt, wozu Meßleitungen angebracht werden müssen.

Das Anbringen der Meßleitungen (bei Drehstrom 6 Stück) zur Auswertung der Kontaktspannungen kann insofern als problema tisch angesehen werden, als daß

a) eine Spannungsverschleppung von der Einspeiseseite des Schützes auf die Lastseite nicht ausgeschlossen werden kann,
b) die geforderte Isolationsspannungsfestigkeit (8 kV) zu einem erhöhten Aufwand bei der Auswerteschaltung führt, und
c) eine Integration der Meßleitungen im Schütz und deren An schluß an eine Steckverbindung konstruktive und sicher heitsrelevante Änderungsmaßnahmen erfordert.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und die zugehörige Anordnung vorzuschlagen, bei denen der Kontakt öffnungsbeginn nicht über Meßleitungen sowohl auf der Ein speiseseite als auch auf der Lastseite der Hauptstrombahnen bestimmt werden müssen.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch eine Meßwerterfassung der Kontaktöffnung auf der Lastseite des überwachten Schalt gerätes und durch eine spannungsfreie Signalgabe des Anker bewegungsbeginns gelöst. Vorzugsweise wird zur Anwendung bei Drehstromnetzen der Beginn der Kontaktöffnung der am stärk sten abbrennenden Kontaktstücke eines der Schaltpole erfaßt, indem die Schaltspannung als Spannungsänderung an einem künstlichen Sternpunkt auf der Lastseite des überwachten Schaltgerätes gemessen wird, woraus zuzüglich des Ankerbe wegungsbeginns die Restlebensdauer der Schützhauptschalt stücke bestimmbar ist.

Bei der zugehörigen Anordnung mit einem Auswertegerät zur Anzeige der Restlebensdauer ist zwischen Schaltgerät und Auswertegerät eine spannungsfreie Signalleitung an Anker und Joch des Magnetantriebs des Schaltgerätes vorhanden. Das Auswertegerät befindet sich also auf der Lastseite zwischen Schaltgerät und dem elektrischen Verbraucher.

Zur Reduzierung des technischen Aufwandes braucht also insbe sondere bei Drehstromnetzen nicht mehr jede Hauptstrombahn einzeln bezüglich des Kontaktabbrandes überwacht zu werden, sondern es wird nur der Durchdruck der am stärksten abge brannten Kontakte eines der drei Schaltpole erfaßt, um die Restlebensdauer der Schütz-Hauptschaltstücke zu bestimmen. Zudem ist die Erfassung der Restlebensdauer ohne enge, räum liche Zuordnung zum Schütz möglich, wobei der Beginn der Ankeröffnungsbewegung als Kontaktunterbrechung zwischen Anker und Joch dem Auswertegerät über eine spannungsfreie Signal leitung gemeldet wird.

Als spannungsfreie Signalgabe wird in vorstehendem Zusammen hang die elektrische Kontaktgabe zwischen Anker und Joch ver standen, im Gegensatz zu einem Spannungssignal, beispiels weise der Kontaktspannung an den Hauptkontakten.

Einzelheiten und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungs beispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Unter ansprüchen. Es zeigen jeweils als Blockschaltbild

Fig. 1 die Erfassung der Restlebensdauer von Schützen beim Ausschaltvorgang,

Fig. 2 die Generierung des Zeitsignals für die erstöffnende Hauptstrombahn von Schützen beim Ausschaltvorgang in Drehstromnetzen,

Fig. 3 das Beispiel der Restlebensdauererfassung speziell bei einer Wendeschützschaltung und

Fig. 4 die Erfassung der Restlebensdauer von Schützen beim Ausschaltvorgang in Gleichstromnetzen.

Gleichwirkende Teile haben in den Figuren gleiche Bezugs zeichen. Die Figuren werden teilweise gemeinsam beschrieben.

Fig. 1 zeigt die schematische Darstellung einer Einrichtung zur Erkennung der Restlebensdauer und deren Zuordnung zu einem Schütz 1. Das Auswertegerät 100 befindet sich auf der Lastseite 10 zwischen dem Schütz 1 und dem elektrischen Ver braucher 20, beispielsweise einem Motor, und ist über ein erstes Überwachungsmodul 101 zur Erkennung des Kontaktöffnens mit den Außenleitern L1, L2, L3 kontaktiert. Eine zweiadrige Kommunikationsleitung 8 verbindet den Anker-Joch-Kontakt 7 des Schützes 1 mit einem zweiten Überwachungsmodul 102 zur Erkennung des Ankeröffnens. Aus den von den Überwachungs modulen 101 und 102 gelieferten Zeitsignalen bestimmt ein Mikroprozessor 105 den aktuellen Kontaktdurchdruck und daraus die elektrische Restlebensdauer der Hauptschaltstücke.

Wie Kontrollmessungen an einem Schütz mit herausgeführtem Anker-Joch-Kontakt zeigen, sind die Zeitsignale, aus denen die Restlebensdauer ermittelt wird, zeitlichen Schwankungen unterworfen, die von mechanischen Toleranzen und vom Abklin gen der Magnetkraft herrühren. Die Zeitdifferenz zwischen den Zeitsignalen kann sich daher zwischen 2 aufeinanderfolgenden Auswertungen um wenige 1/10 ms unterscheiden. Um eine ent sprechende Schwankung der Ausgabegröße zu vermeiden, wird die Restlebensdauer über einen gleitenden Mittelwert, z. B. der letzten 10 Messungen, bestimmt. Damit wird eine Genauigkeit bei der Bestimmung des Kontaktdurchdruckes von 1/10 mm für realistisch erachtet. Fehlauswertungen bei der Bestimmung der Zeitdifferenz können dadurch vermieden werden, daß nur solche Zeitsignale ausgewertet werden, die innerhalb eines vorge gebenen Zeitfensters liegen.

Fig. 2 zeigt ein Schaltungsbeispiel zur Generierung eines Zeitsignals t_k beim Kontaktöffnungsbeginn der am stärksten abgebrannten Hauptkontakte. Die wesentliche Eigenschaft dieser Schaltung besteht darin, die Kontaktspannungen (Bogen spannung) eines dreipoligen Schaltgerätes im Drehstromnetz an einem "künstlichen" Sternpunkt 15 zu messen. Für die Kontakt spannungen, d. h. die Bogenspannung an einem solchen künstli chen Sternpunkt 15, bestehen folgende Gleichungen:

U₁ + U₂ + U₃ = 0, I₁ + I₂ + I₃ = 0
U₁ - U_STP = R * I₁ + L * d/dt(I₁) + UB₁
U₂ - U_STP = R * I₂ + L * d/dt(I₂) + UB₂
U₃ - U_STP = R * I₃ + L * d/dt(I₃) + UB₃
Summe : U_STP = -(UB₁ + UB₂ + UB₃) / 3,
wobei folgende Bezeichnungen gewählt sind:
U_i = Strangspannungen,
I_i = Strangströme,
U_Bi = Bogenspannungen,
i = 1, 2, 3,
U_STP = Sternpunktspannung,
R = ohmsche Last,
L = induktive Last.

Bei geschlossenen Schütz-Hauptkontakten (UB₁ = UB₂ = UB₃ = 0) müßte die Sternpunktspannung 0 Volt betragen. Tatsächlich entsprechen die realen Strangspannungen jedoch keinen idealen Sinusspannungen, so daß die Summe der Strangspannungen von Null abweicht und die Sternpunktspannung um die Spannungs nullinie fluktuiert. Dieses Signalrauschen kann durch ein Hochpaßfilter 16 so reduziert werden, daß ein Verhältnis Signalamplitude/Rauschamplitude < 10 erreicht wird. Das Zeit signal t_k, d. h. das Spannungssignal am "künstlichen" Stern punkt, wird entsprechend seiner Polarität über einen von zwei Komparatoren 18 und 18′ verarbeitet, deren Ausgänge über ein ODER-Schaltglied 19 an den Signalausgang des Überwachungs moduls (für das Kontaktöffnen) gekoppelt sind.

Fig. 3 zeigt eine Einrichtung zur Restlebensdauererkennung am Beispiel eines Schütz-Wendestarters mit zwei Schützen 1 und 2: Für die Anwendung von Drehstrommotoren gibt es eine Viel zahl unterschiedlicher Anschlußbedingungen zur Steuerung der Drehzahlen und der Drehrichtung.

Die von den Schützen 1 und 2 geschalteten Hauptstromkreise entsprechen in ihren Grundformen den Hauptstromkreisen nach Fig. 1 oder 3. Üblicherweise befindet sich dabei auf der Lastseite des Schützes 1 bzw. 2 ein Überlastrelais 210 zum Schutz der Motorlast. Es ist daher zweckmäßig, Überlastrelais 210 und die Einrichtung zur Restlebensdauererkennung in einem gemeinsamen Kontrollgerät zu integrieren. Dieses könnte, wie bereits in der älteren Patentanmeldung P 44 27 006.2 be schrieben, zusätzliche Funktionen zur Überwachung des Schalt zustandes aufweisen, so daß im Endergebnis ein "allgemeines" Kontrollgerät 200 zur Überwachung der gesamten elektrischen Anlage resultieren würde.

Im Beispiel der Fig. 3 ist zur Erfassung der Restlebensdauer der beiden Schütze 1 und 2 lediglich ein zweiter Meßkanal beim Überwachungsmodul 202 (Ankeröffnen) notwendig. Ein Mikroprozessor 205 ordnet die berechnete Restlebensdauer demjenigen Schütz zu, das durch den signalgebenden Meßkanal repräsentiert ist.

In Drehstromnetzen werden neben dreipoligen Verbrauchern auch vierpolige Verbraucher, z. B. ohmsche Lasten, durch elektri sche Schaltgeräte an das Netz geschaltet bzw. von diesem ge trennt. Diese elektrischen Schaltgeräte besitzen vier Schalt pole, von denen drei Schaltpole mit den Außenleitern L1, L2, L3 verbunden sind, während der vierte Schaltpol an den Neu tralleiter angeschlossen ist. Jeder dieser vier Schaltpole ist beim Einschalten und beim Ausschalten des vierpoligen Verbrauchers einem Kontaktabbrand unterworfen, so daß es notwendig ist, den Verschleißzustand aller Kontaktstücke zu überwachen und die Restlebensdauer abhängig von den am stärk sten abgebrannten Kontaktstücken zu bestimmen.

Letzteres wird dadurch realisiert, daß die Schaltspannung eines der drei Schaltpole, welche mit den Außenleitern L1, L2, L3 verbunden sind, am künstlichen Sternpunkt 15 und die Schaltspannung des vierten Schaltpols, welcher mit dem Neu tralleiter N verbunden ist, am Neutralleiter N gemessen wird. Dabei werden sowohl die Spannung des künstlichen Sternpunktes 15 und die Spannung des Neutralleiters N auf der Lastseite 10 des überwachten Schaltgerätes 1 erfaßt und es wird die Diffe renzspannung beider Spannungswerte als Schaltspannung der erstöffnenden, am stärksten abgebrannten Kontaktstücke aus gewertet.

Fig. 4 zeigt eine Einrichtung zur Erfassung der Restlebens dauer von Schützen in Gleichstromnetzen. Abhängig von der Höhe der Netzgleichspannung und davon, ob das Gleichspan nungsnetz geerdet ist oder nicht, ist es üblich eine Reihen schaltung von Schaltstrecken vorzunehmen und die Zuschaltung des elektrischen Netzes ein- oder zweipolig auszuführen. Um eine einheitliche Anschlußbedingung für die Meßanschlüsse zur Überwachung des Kontaktöffnens zu erhalten und um eine Span nungsverschleppung von der Einspeiseseite auf die Lastseite des Schützes 1 auszuschließen, werden die Meßleitungen an der Lastseite 10 angeschlossen.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 besteht ein Überwachungs modul 300 aus einzelnen Schaltungsgliedern 31 bis 38. Ins besondere enthält der Überwachungsmodul 300 für das Kontakt öffnen einen Blockkondensator C zur Unterdrückung des Gleich spannungsanteils, Begrenzungswiderstände R1 und R2, eine Zenerdiode zur Spannungsbegrenzung und einen Optokoppler zur potentialfreien Messung der Kontaktspannung. Aus dem Zeit signal des Ankeröffnens und dem Zeitsignal t_k des Kontakt öffnens bestimmt ein Mikroprozessor 305 in entsprechender Weise den Kontaktdurchdruck und daraus die Restlebensdauer der Schütz-Hauptschaltstücke.

Bei allen Ausführungsbeispielen können die von den Mikro prozessoren bestimmten Werte über zugehörige Ausgabeeinheiten direkt angezeigt oder aber auf ein System zur Datenübertra gung, insbesondere ein Bussystem, zur weiteren Auswertung gegeben werden.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Restlebensdauer von Kontakten in Schaltgeräten, insbesondere von Schützkontakten, wobei als Ersatzkriterium für den Abbrand der sogenannte Kontaktdurch druck an der Schaltstrecke erfaßt wird und zur Bestimmung des Abbrandes der Kontaktstücke jeweils die Durchdruckänderung während des Ausschaltvorganges gemessen und als Restlebens dauer umgerechnet wird, wozu beim Schutzantrieb aus Anker mit Magnetspule und zugehörigem Joch eine Zeitmessung des Anker weges vom Beginn der Ankerbewegung bis zum Beginn der Kon taktöffnung erfolgt, gekennzeichnet durch eine Meßwerterfassung des Kontaktöffnens auf der Lastseite des überwachten Schaltgerätes und durch eine spannungsfreie Signalgabe des Ankerbewegungsbeginns.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß zur Anwendung bei Drehstromnetzen der Beginn der Kontaktöffnung der am stärksten abbrennenden Kon taktstücke eines der Schaltpole erfaßt wird, indem die Schaltspannung als Spannungsänderung an einem künstlichen Sternpunkt auf der Lastseite des überwachten Schaltgerätes gemessen wird, woraus die Restlebensdauer der Schützhaupt schaltstücke bestimmbar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Anwendung bei Drehstrom netzen mit drei Außenleitern (L1, L2, L3) und einem Neutral leiter (N) der Beginn der Kontaktöffnung der am stärksten abbrennenden Kontaktstücke eines der vier Schaltpole erfaßt wird, indem die Schaltspannung als Spannungsänderung zwischen dem künstlichen Sternpunkt der Außenleiter (L1, L2, L3) und dem Neutralleiter (N) auf der Lastseite des überwachten Schaltgerätes bestimmbar ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Anwendung bei Gleich stromnetzen der Beginn der Kontaktöffnung der am stärksten abbrennenden Kontaktstücke eines der Schaltpole erfaßt wird, indem die Schaltspannung als Spannungsänderung zwischen den Netzleitern (L+, L-) auf der Lastseite des überwachten Schaltgerätes gemessen wird, woraus die Restlebensdauer der Schützhauptschaltstücke bestimmbar ist.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 4 mit einem Auswertegerät zur Anzeige der Restlebensdauer, dadurch gekenn zeichnet, daß zwischen Schaltgerät (1) und Aus wertegerät (100, 200, 300) eine spannungsfreie Signalleitung (8, 8′, 38) an Anker (3) und Joch (4) des Magnetantriebes (5) des Schaltgerätes (1) vorhanden ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß das Auswertegerät (100, 200, 300) sich auf der Lastseite zwischen Schaltgerät, insbesondere Schütz (1), und dem elektrischen Verbraucher (20) befindet.

7. Anordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein erstes Überwachungsmodul (101, 201) zur Erkennung des Kontaktöffnens und ein zweites Überwachungsmodul (102, 202) zur Erkennung des Ankeröffnens.

8. Anordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Mikroprozessor (105, 205, 305) zur Bestimmung des aktuellen Kontaktdurchdruckes aus den von den beiden Überwa chungsmodulen (101, 201; 102, 202) gelieferten Zeitsignalen.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8 zur Anwendung bei Drehstromnetzen nach dem Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltung zur Generierung eines Zeitsignals beim Kontakt öffnungsbeginn der am stärksten abgebrannten Hauptkontakte vorhanden ist, und daß mit dieser Schaltung die Kontaktspan nungen (Bogenspannungen) des dreipoligen Schaltgerätes im Drehstromnetz am künstlichen Sternpunkt (15) gemessen werden.

10. Anordnung nach Anspruch 9, wobei zur Anwendung bei Dreh strommotoren ein Überlastrelais zum Schutz der Motorlast vorhanden ist, dadurch gekennzeich net, daß das Überlastrelais (210) und das Auswertegerät (201, 202, 205) zur Restlebensdauererkennung in einem gemein samen Kontrollgerät (200) integriert ist.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, zur Anwendung bei Schützen in Gleichstromnetzen nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reihenschaltung der Schaltstrecken für eine ein- oder zweipolig ausgelegte Zuschaltung des elektrischen Netzes vorhanden ist und daß die Meßleitungen (30) an der elektri schen Last (20) angeschlossen sind.

12. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, daß das Überwachungsmodul (300) für das Kontaktöffnen einen Blockkondensator (32) zur Unterdrückung des Gleichspannungsanteils, Begrenzungswider stände (34, 36), eine Zehnerdiode (33) zur Spannungsbegren zung und einen Optokoppler (35) zur potentialfreien Messung der Kontaktspannung aufweist.

13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein System zur Datenüber mittlung, insbesondere ein Bussystem.