DE19603319A1 - Verfahren zur Bestimmung der Restlebensdauer von Kontakten in Schaltgeräten und zugehörige Anordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Restlebensdauer von Kontakten in Schaltgeraten, insbe­ sondere von Schützkontakten, wobei als Ersatzkriterium für den Abbrand der sogenannte Kontaktdurchdruck an der Schalt­ strecke erfaßt wird und wobei zur Bestimmung des Abbrandes der Kontaktstücke jeweils die Durchdruckänderung während des Ausschaltvorganges gemessen und als Restlebensdauer umgerech­ net wird, wozu beim Schützantrieb aus Anker mit Magnetspule und zugehörigem Joch und eine Zeitmessung des Ankerweges vom Beginn der Ankerbewegung bis zum Beginn der Kontaktöffnung erfolgt. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf die zu­ gehörige Vorrichtung mit einem Auswertegerät zur Bestimmung und Anzeige der Restlebensdauer.

In der älteren, nicht vorveröffentlichten 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 Mikroprozessor nach einem Auswertealgorithmus den aktuellen Wert des sog. Kontakt- Durchdruckes, welcher durch Abbrand von seinem Neuwert (=100% Restlebensdauer) auf seinen Mindestwert (=0% Restlebensdauer) abnimmt.

Die hierzu notwendigen Zeitsignale werden zum einen durch Unterbrechung eines Hilfsstrompfades über Anker und Joch des Magnetantriebes und über die Kontaktspannung an den Haupt­ schaltstücken detektiert und in definierte Spannungspulse umgeformt.

Zur Vereinfachung der Kontaktspannungsmessung wird gemäß Parallelpatentanmeldung vorgeschlagen, das Kontaktöffnen speziell im Drehstromnetz durch eine Überwachung der Spannung insbesondere an einem künstlichen Sternpunkt durchzuführen. Dies erlaubt es, die Einrichtung zur Bestimmung der Rest­ lebensdauer als unabhängiges Zusatzgerät in den Lastkreis zwischen dem Schütz und dem elektrischen Verbraucher zu schalten, welches lediglich mit einer Kommunikationsleitung für das Öffnen des Anker-Joch-Kontaktes mit dem Schütz ver­ bunden ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, demgegenüber eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der die Restlebensdauerkennung von einer Modifikation am Schütz, wie insbesondere einem Anker-Joch- Kontakt, unabhängig gemacht und bei beliebigen Schützen ein­ gesetzt werden kann.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß aus der Spannung an der Magnetspule der Zeitpunkt der Trennung des Ankers vom Joch des Schützmagnetantriebes detektiert wird. Vorteilhaf­ terweise wird dabei die Erhöhung des magnetischen Widerstan­ des des Magnetkreises beim Abheben des Magnetankers erfaßt. Dabei wird das durch die zeitliche Flußänderung an der Magnetspule induzierte Spannungssignal zur Zeitmessung her­ angezogen.

Bei der zugehörigen Anordnung hat das Auswertegerät Mittel zur Erfassung und Detektion der Spannung an der Magnetspule. Diese Mittel sind vorzugsweise Einheiten zur Signalgleich­ richtung, zur Signalbegrenzung und -formung, sowie zur Signalausblendung und Signalfreigabe.

Der Erfindung liegt folgendes physikalische Verhalten beim Ausschalten eines Schützmagnetantriebes zugrunde: Zur Er­ zeugung der notwendigen Ankerschließkraft wird durch den Strom der Magnetspule im Eisenkreis ein magnetischer Fluß vorgegebener Größe aufgebaut. Beim Ausschalten des Steuer­ stromkreises wird die Magnetspule stromlos und der magneti­ sche Fluß klingt im geschlossenen Eisenkreis auf Grund der Remanenz einige Millisekunden später ab. Der Magnetanker beginnt nun in dem Augenblick zu öffnen, in dem die magneti­ sche Schließkraft die Öffnungskraft, d. h. die Summe der Federkräfte von Kontakten und Brückenträger, unterschreitet. Beim Abheben des Magnetankers erhöht sich schlagartig der magnetische Widerstand des Magnetkreises, wobei der restliche Magnetfluß Φ (Kmagn ∼Φ²) rasch abklingt und die zeitliche Flußänderung an der Magnetspule ein Spannungssignal induziert.

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

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild zur Erfassung der Restlebensdauer bei Schützen beim Ausschaltvorgang,

Fig. 2 in mehreren Oszillogrammen die Signalverläufe von Spulenspannung und -strom als Funktion der Zeit beim Ausschalten eines Schützes,

Fig. 3 ein Blockschaltbild zur Auswertung der Ausschalt­ spannung gemäß Fig. 2,

Fig. 4 die konkrete schaltungsmäßige Realisierung der Fig. 3,

Fig. 5 zwei zugehörige Oszillogramme,

Fig. 6 eine Variante der schaltungsmäßigen Ausführung von Fig. 4

Fig. 7 ein zugehöriges Oszillogramm und

Fig. 8 eine Meßsignalauswertung mit Mittelwertbildung (sog. Averaging).

Identische bzw. gleichwirkende Teile haben in den Figuren gleiche Bezugszeichen. Die Figuren werden teilweise gemeinsam beschrieben.

Fig. 1 zeigt schematisch Aufbau und Anordnung einer Einrich­ tung 100 zur Erkennung der Restlebensdauer der Hauptkontakte eines Schützes 1 im Drehstromnetz. Diese Einrichtung ist auf der Lastseite zwischen dem Schütz 1 und einem Verbraucher 20, z. B. einem Drehstrommotor, angeordnet. Sie enthält ein erstes Auswertemodul 101 vorzugsweise zur Erfassung des Kontakt­ öffnungszeitpunktes t_k der erstöffnenden Hauptkontakte, bzw. alternativ zur Erfassung der Kontaktöffnungszeitpunkte eines jeden Hauptkontaktes. Sie enthält weiterhin ein zweites Aus­ wertemodul 102 zur Erfassung des Ankerbewegungsbeginns, wel­ cher auch als Zeitpunkt t_A des Ankeröffnens bezeichnet ist. Aus den Zeitsignalen t_A und t_k wird durch eine Auswerteein­ heit, beispielsweise einem Mikroprozessor 105, der Kontakt­ durchdruck und daraus die Restlebensdauer bestimmt und diese über ein Display 106 angezeigt und/oder einen Daten-BUS.

Das zweite Auswertemodul 102 ist mit seinen beiden Meßein­ gängen mit den Anschlüssen der Schützmagnetspule verbunden und bestimmt aus dem Signalverlauf der Spulenspannung während des Ausschaltvorganges den Zeitpunkt des Ankerbewegungs­ beginns t_A.

Die Einrichtung 100 zur Erkennung der Restlebensdauer der Hauptkontakte wird vorteilhafterweise auf der Lastseite des überwachten Schaltgerätes angeordnet, um mit geringem tech­ nischem Aufwand das Kontaktöffnen des überwachten Schalt­ gerätes zu überwachen, wie es in einer Parallelanmeldung im einzelnen beschrieben ist. Die Einrichtung 100 kann aber auch auf der Einspeiseseite des überwachten Schaltgerätes angeord­ net und in verschiedenen Einrichtungen (z. B. Überlastrelais) auf der Einspeise- oder Lastseite integriert sein. Die Er­ fassung des Kontaktöffnens kann durch Messung der Kontakt­ spannungen über Meßanschlüsse an den Anschlußklemmen der einzelnen Schaltpole erfolgen.

Fig. 2 zeigt Meßoszillogramme der Spulenspannung und des Ankeröffnens an einem Schütz in einer für die Messung modi­ fizierten Anordnung, bei welcher Anker und Joch bei gegen­ seitiger Berührung einen Hilfsstromkreis schließen bzw. die­ sen beim Abheben des Ankers trennen. Man erhält zum Zeitpunkt des Ankeröffnens einen Spannungspuls von ca. 2 ms Dauer und 50 V Amplitude.

Wie aus den einzelnen Oszillogrammen gemäß Fig. 2.10, 2.11 für Wechselspannung und gemäß Fig. 2.20 bzw. 2.21 für Gleichspan­ nung hervorgeht, ist das Auftreten dieses charakteristischen Spannungspulses unabhängig davon, ob als Haltestrom des Magnetsystems ein Wechselstrom (z. B. 150 mA _eff) oder ein Gleichstrom (z. B. 150 mA=) vorliegt.

Es ist üblich Schützspulen zu beschalten, um Schaltüber­ spannungen beim Abriß des Bogenstromes (chopping) zu ver­ meiden. Als Beschaltungselemente sind beispielsweise R-C- Glieder, Varistoren und im Gleichstromfall Zener-Dioden vorgesehen. Eine Erfassung des Ankeröffnungszeitpunktes aus der Spulenspannung bei Verwendung von R-C-Entstörgliedern ist nicht möglich, da beim Abschalten des Spulenstromes ein ange­ regter R-C-L-Schwingkreis entsteht und die Spulenspannung als abklingende Sinusschwingung keinen signifikanten Signalver­ lauf für eine Zuordnung zum Ankeröffnungszeitpunkt besitzt.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Bestim­ mung des Ankeröffnungszeitpunktes aus der Ausschaltspannung an der Magnetspule 5 eines Schützes 1. Die Ansteuerung des Schützmagnetsystems kann zweckmäßigerweise durch ein Hilfs­ schütz 2 erfolgen, welches die Steuerspeisespannung an die Schützspule 5 zweipolig zu- oder abschaltet. Die Spulenspan­ nung ist dann zum Zeitpunkt des Ankeröffnens vom Potential der Steuerspeisespannung getrennt.

Im Blockschaltbild der Fig. 3 besteht das Auswertemodul 102 aus der Hintereinanderschaltung einer Einheit 110 zur Signal­ gleichrichtung, einer Einheit 120 zur Signalbegrenzung und - formung, einer Einheit 130 zur Signalausblendung und einer Einheit 140 zur Signalfreigabe. Die Ausgangssignale der Einheiten 120 und 140 werden auf ein UND-Glied 150 gegeben, das den gewünschten Ankeröffnungszeitpunkt exakt ausgibt. Insbesondere wegen der notwendigen exakten Bestimmung der kleinen Zeitintervalle ist eine entsprechende Auslegung der Einheiten 110 bis 140 durch problemangepaßte Bauelemente notwendig.

Mit der nunmehr vorgeschlagenen Signalverarbeitung der Spulenspannung - ′Gleichrichtung, Begrenzung/Formung, Aus­ blendung, Freigabe′- wird ein Ausgangspuls erzeugt, der mit dem charakteristischen Spannungspuls, beispielsweise Puls­ breite ≈ 2ms, Pulshöhe ≈ 50V, in Fig. 2, welcher bei der Trennung des Ankers vom Joch entsteht, zeitlich zusammen­ fällt. Zur weiteren Signalverarbeitung kann vom Ausgangspuls beispielsweise mit einem in Fig. 3 nicht dargestellten Opto­ koppler ein Ausgangssignal abgeleitet werden, das vom Ver­ sorgungsnetz des Schützmagnetantriebes galvanisch getrennt ist.

Fig. 4 zeigt ein konkretes Beschaltungsbeispiel einer Aus­ werteschaltung zur Erfassung des Ankeröffnungszeitpunktes mit Bauteilen 111 bis 136, die zum Aufbau der Einheiten 110, 120, 130, 140 selbsterklärend sind. Die Schaltung schließt an die Meßleitungen zur Spannungsüberwachung der Magnetspule 6, 6′ des Schützantriebes 5 der Fig. 1 an. Beide Meßanschlüsse ent­ halten den gleichen Vorwiderstand 9 zur Spannungsteilung des Meßsignals, um eine freie Anschlußbelegung an der Schützspule 5 zu erhalten. Die Meßerde ist mit der Schutzerde verbunden und liegt praktisch auf Null-Potential, so daß während des Einschaltzustandes des Hilfsschützes nur vom Außenleiter L ein Meßstrom in die Auswerteschaltung fließt.

Durch die Signalgleichrichtung und die Begrenzerschaltung wird ein charakteristisches Meßsignal erzeugt. Dieses enthält im Einschaltzustand des Schützmagnetantriebes kurze Span­ nungspulse von beispielsweise 300 µs Breite und bei 50 Hz Wechselspannung 10 ms Zeitabstand, während beim Ausschaltvor­ gang zwei etwa 2 ms lange Spannungspulse mit wenigen Milli­ sekunden Zeitabstand entstehen, von denen der erste Puls den Induktionsabfall im Eisenkern kennzeichnet, während der zweite Puls durch das Abheben des Ankers vom Joch und der damit verbundenen Induktionsänderung erzeugt wird.

Im nachfolgenden Teil der elektronischen Schaltung werden alle Spannungspulse bis auf den letztgenannten unterdrückt so daß die Auswerteschaltung nur einen einzigen Ausgangs­ impuls liefert, der mit dem Ankeröffnungsbeginn zeitlich zusammen fällt.

Fig. 5 zeigt Meßoszillogramme der Auswerteschaltung nach Fig. 4. Der Anker-Joch-Hilfskontakt des modifizierten Schützes wurde dazu genutzt, den Zeitpunkt des Ankeröffnungsbeginns elektrisch/mechanisch zu erfassen und mit dem Ausgangssignal der Auswerteschaltung vergleichen zu können. Durch Signal­ mittelung (averaging) der Zeitsignale t_A und t_k können Zeit­ schwankungen, die durch mechanische Toleranzen beeinflußte Kontakttrennung der Schütz-Hauptkontakte und unterschied­ lichen Magnetisierungszustand des Schütz-Magnetantriebes verursacht werden, weitgehend eliminiert werden, so daß die gemittelte Zeitdifferenz zwischen dem Beginn der Ankeröff­ nungsbewegung und dem-Kontaktöffnungsbeginn mit einer Meß­ genauigkeit von +/- 100 . . . 200 µs erfaßt wird.

Fig. 6 zeigt eine weitere Auswerteschaltung zur Erfassung des Ankeröffnungszeitpunktes. Sie unterscheidet sich von der Schaltung in Fig. 4 nur durch den Schaltungsteil der Signal­ begrenzung und -formung, insbesondere durch den hohen Ein­ gangswiderstand der Komparatoren 128 und 129. Die Auswerte­ schaltung verarbeitet daher das Meßsignal von der Schützspule in gleicher Weise, unabhängig davon, ob der Masseanschluß der Elektronikversorgungsspannung auf Erdpotential liegt, oder nicht. Des weiteren wird die Erfassung des Ankeröffnungszeit­ punktes auch bei einpoliger Unterbrechung der Spulenspannung ermöglicht.

Die Schaltung nach Fig. 6 kann daher bei geerdeten und unge­ erdeten Netzen sowohl bei Wechsel- als auch bei Gleichspan­ nung eingesetzt werden. Zur Signalweiterverarbeitung ist z. B. mit einem Optokoppler eine galvanische Trennung des Ausgangs­ signals vom Versorgungsnetz des Schützmagnetantriebes vorzu­ sehen.

Fig. 7 zeigt Meßoszillogramme der Auswerteschaltung nach Fig. 6; das Elektronik-Massepotential war hierbei auf Erd­ potential gelegt. Man erhält vergleichbare Ausgangssignale mit gleicher Meßgenauigkeit wie bei der Schaltung nach Fig. 4.

Die zeitlich exakte Zuordnung des Ankeröffnungszeitpunktes zum "Anker-Öffnungspuls" der Auswerteschaltung gemäß Fig. 4 und 5 kann durch die Berücksichtigung eines schütz- und schaltungsspezifischen Zeitversatzes, gerechnet von der ansteigenden Flanke des "Anker-Öffnungspulses", beispiels­ weise 0,7 ms bei obigem Schütztyp, erfolgen. Abhängig von der Schütz-Baugröße und der Spannungshöhe der Steuerspeisespan­ nung kann eine Anpassung des Schaltungsteils für die Signal­ begrenzung erforderlich sein.

Fig. 8 zeigt den Signalverlauf des Ankeröffnungszeitpunktes t_A der Auswerteschaltung nach Fig. 6 und des Kontaktöffnungszeit­ punktes eines serienmäßigen Schützes.

Die Signalmittelung über 64 Schaltungen (Triggerzeitpunkt ist die positive Flanke des Anker-Öffnungspulses) zeigt eine schwache Streuung in der Breite des Anker-Öffnungspulses und eine zeitliche Streuung des Kontaktöffnungszeitpunktes von ≈ 0,5 ms. Das mittlere Zeitintervall vom Ankeröffnungsbeginn bis zum Kontaktöffnungsbeginn kann in gemessenem Beispiel mit 5,7 ms ± 0,2 ms angegeben werden.

Die beschriebene Auswerteschaltung zur Erfassung des Anker­ öffnungszeitpunktes kann Teil eines Auswertegerätes zur Be­ stimmung der Restlebensdauer von Schütz-Hauptkontakten sein. Dabei befindet sich das Auswertegerät auf der Lastseite zwi­ schen dem Schütz und dem elektrischen Verbraucher und ist über ein erstes Überwachungsmodul zur Erkennung des Kontakt­ öffnens aus der Spannungsänderung an einem künstlichen Stern­ punkt mit den Außenleitern L1, L2, L3 kontaktiert. Eine insbe­ sondere zweiadrige Signalleitung verbindet die Anschlüsse der Schützspule mit einem zweiten Überwachungsmodul zur Erkennung des Ankeröffnens. Aus den von den Überwachungsmodulen gelie­ ferten Zeitsignalen des Ankeröffnens t_A und des Kontakt­ öffnens t_k bestimmt der Mikroprozessor den aktuellen Kontakt­ durchdruck und daraus die elektrische Restlebensdauer der Hauptschaltstücke.

Claims (12)

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 wobei zur Bestim­ mung des Abbrandes der Kontaktstücke jeweils die Durchdruck­ änderung während des Ausschaltvorganges gemessen und als Restlebensdauer umgerechnet wird, wozu beim Schützmagnet­ antrieb aus Joch und Anker mit Magnetspule eine Zeitmessung des Ankerweges vom Beginn der Ankerbewegung bis zum Beginn der Kontaktöffnung erfolgt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß aus der Spannung an der Magnetspule der Zeitpunkt der Trennung des Ankers vom Joch des Schütz­ magnetantriebes detektiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Erhöhung des magnetischen Wider­ standes des Magnetkreises beim Abheben des Magnetankers er­ faßt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das durch die zeitliche Flußänderung an der Magnetspule induzierte Spannungssignal zur Zeitmessung herangezogen wird.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 und 3, mit einem Auswertegerät zur Bestimmung und Anzeige der Restlebensdauer, dadurch gekennzeichnet, daß das Auswertegerät (100) Mittel (110-150) zur Erfassung und Detektion der Spannung an der Magnetspule (5) aufweist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mittel zur Detektion der Signal­ spannung einer Einheit zur Signalgleichrichtung (110), eine Einheit zur Signalbegrenzung und -formung (120), eine Ein­ heit zur Signalausblendung (130) und eine Einheit zur Signal­ freigabe (140) sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einheiten (110, 120, 130, 140) aus diskreten Schaltungen zur Generierung eines Zeitsignals für den Anker-Öffnungszeitpunkt bestehen.

7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einheit (130) zur Signalausblen­ dung des Signals für den Anker-Öffnungszeitpunkt mehrere Zeitstufen (131, 132, 133) enthält.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zeitstufen (131, 132, 133) über wenigstens eine UND-Stufe (135) miteinander verbunden sind.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß das Auswerte­ gerät (100) als Zusatzbaustein in das zu überwachende Schütz (1) integriert ist.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß das Aus­ wertegerät (100) an das zu überwachende Schütz (1) ange­ schlossen ist.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß das Auswerte­ gerät (100) in einem Überlastrelais auf der Lastseite des zu überwachenden Schützes (1) angeordnet ist.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß das Auswerte­ gerät (100) als unabhängiges Zusatzgerät auf der Lastseite des zu überwachenden Schützes (1) angeordnet ist.