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Hintergrund der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf intelligente elektronische
Vorrichtungen, z.B. elektronische Auslöseeinheiten und Schutzrelais.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Bestimmung
manueller Öffnungs-
(Auslöse-)
oder Wiedereinschaltoperationen in einer intelligenten elektronischen
Vorrichtung.
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Intelligente
elektronische Vorrichtungen sind allgemein bekannt. Beispielsweise
enthält
eine elektronische Auslöseeinheit
(eine derartige intelligente elektronische Vorrichtung) üblicherweise
Spannungs- und Stromsensoren, die analoge Signale liefern, die Netzleitungssignale
anzeigen. Die analogen Signale werden durch einen A/D (Analog/Digital)
Umsetzer in digitale Signale umgesetzt, die durch einen Mikrocontroller
verarbeitet werden. Die Auslöseeinheit
enthält
ferner RAM (Arbeitsspeicher), ROM (Nurlesespeicher) und EEPROM (elektronische
löschbare
programmierbare Nurlesespeicher), die alle über ein Interface mit dem Mikrocontroller
in Verbindung stehen. Der ROM enthält Anwendungscode der Auslöseeinheit,
z.B. Hauptfunktionalitäts-Firmware,
einschließlich
Initialisierungsparameter und Bootcode. Der EEPROM enthält Betriebsparameter
für den
Anwendungscode.
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Diese
elektronischen Auslöseeinheiten
enthielten ein Merkmal zum Zählen
der Anzahl von Auslösungen
durch Kategorie, z.B. augenblickliche, kurzzeitige, langzeitige,
Erdfehler oder manuell. Allerdings sind nicht alle manuellen Auslösungen gezählt worden.
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Manuelle
Auslösungen
werden entweder durch aus der Ferne gegebene Befehle oder lokal
gegebene Befehle eingeleitet. Aus der Ferne abgegebene Befehle werden
als ein Netzwerkbefehl durch die Auslöseeinheit empfangen und dann
ausgeführt. Lokal
gegebene Befehle sind Befehle, den Schalter zu öffnen oder zu schließen, die
nicht durch die Auslöseeinheit
gegeben werden, z.B. wenn eine Bedienungsperson einen Schaltergriff
manuell ein- oder ausschaltet, einen Auslöse- oder Wiedereinschaltknopf
verschiebt oder ein Auslöse-
oder Wiedereinschaltsignal über
einen Hilfskontakteingang zum Schalter empfangen wird. Lokal gegebene
Befehle werden nicht einfach detektiert, und deshalb werden die
entstehenden manuellen Operationen nicht gezählt. Man muss aber in der Lage
sein, alle Schalteroperationen zu zählen, seien sie nun manuell
oder automatisch, lokal oder entfernt erzeugt, um einen Schalterkontaktverschleiß richtig
zu ermitteln.
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EP 0774822 A beschreibt
ein System zum Programmieren eines Überlastschalters und zum Überwachen
von Überlasten,
wobei ein Sensor verwendet wird, der nur die Ströme misst, die in den Phasen
vorhanden sind.
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Kurze Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmung manueller
Operationen einer Auslösevorrichtung
an einer intelligenten elektronischen Vorrichtung in einem elektrischen Verteilungssystem
bereitgestellt, das enthält:
Abtasten
eines Stroms in einer Leitung des elektrischen Verteilungssystems
zum Liefern eines abgetasteten Stromsignals als Anzeige dafür,
Abtasten
einer Spannung an der Leitung des elektrischen Verteilungssystems
stromabwärts
von der Auslösevorrichtung
zum Liefern eines abgetasteten Spannungssignals als Anzeige dafür, und
Generieren
eines manuellen Operationssignals, das ein Auftreten einer manuellen
Operation der Auslösevorrichtung
anzeigt, wenn, bei Fehlen eines Auslösebefehls, der durch die intelligente
elektronische Vorrichtung gegeben oder bearbeitet worden ist, das
abgetastete Stromsignal auf allen Phasen der Leitung Null wird und
das abgetastete Spannungssignal auf allen Phasen der Leitung Null
wird.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung wird eine intelligente elektronische
Vorrichtung bereitgestellt, die enthält:
eine Auslösevorrichtung
an einem elektrischen Verteilungssystem,
einen Stromsensor
zum Abtasten eines Stroms in einer Leitung des elektrischen Verteilungssystems
zum Liefern eines abgetasteten Stromsignals als Anzeige dafür,
einen
Spannungssensor, der stromabwärts
von der Auslösevorrichtung
angeordnet ist, zum Abtasten einer Spannung an der Leitung des elektrischen
Verteilungssystems zum Liefern eines abgetasteten Spannungssignals
als Anzeige dafür,
und
einen Signalprozessor, der auf das abgetastete Stromsignal
und das abgetastete Spannungssignal anspricht, wobei der Signalprozessor
ein manuelles Operationssignal generiert, das ein Auftreten einer manuellen
Operation der Auslösevorrichtung
anzeigt, wenn, bei Fehlen eines Auslösebefehls, der durch die intelligente
elektronische Vorrichtung gegeben oder bearbeitet worden ist, das
abgetastete Stromsignal auf allen Phasen der Leitung Null wird und
das abgetastete Spannungssignal auf allen Phasen der Leitung Null
wird.
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In
einem Beispiel der Erfindung weist die elektronische Auslöseeinheit
Spannungs- und Stromsensoren auf, die analoge Signale liefern, die Netzleitungssignale
angeben. Die analogen Signale werden durch einen A/D (Analog/Digital)
Wandler in digitale Signale umgesetzt, die durch einen Microcontroller
verarbeitet werden. Die Auslöseeinheit
enthält
ferner RAM (Arbeitsspeicher), ROM (Nurlesespeicher) und EEPROM (elektonischer
löschbarer programmierbarer
Nurlesespeicher), die alle mit dem Microcontroller kommunizieren.
Der ROM enthält
Anwendungscode der Auslöseeinheit,
z.B. Hauptfunktionalitäts-Firmware
einschließlich
Initialisierungsparameter und Bootcode. Der Anwendungscode enthält Code
für den
Detektionsalgorithmus der manuellen Auslösung gemäß der Erfindung. Der EEPROM
enthält
Betriebsparameter, die in der Speichereinheit in der Fabrik gespeichert
werden, aber diese können auch
aus der Ferne runtergeladen werden.
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In
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung detektiert der Detektions-Algorithmus für manuelle Operationen
manuelle Operationen, die über
aus der Ferne gegebene Befehle direkt eingeleitet werden. Zusätzlich detektiert
der Algorithmus manuelle Operationen, die über lokal gegebene Befehle
eingeleitet werden, wenn die folgenden Bedingungen erfüllt sind:
(1) es ist keine Nachricht für
ein Auslöse-
oder Wiedereinschaltereignis durch die Auslöseeinheit innerhalb der Reaktionszeit
gegeben, die erforderlich ist, um den Schalter zu betätigen (auszulösen/zu öffnen);
(2) Der Strom wird in allen Phasen der Leitung Null; und (3) die
Spannung stromabwärts
(Lastseite) von dem Schalter wird Null auf allen Phasen (wiedereinschalten,
Spannung stromabwärts
(Lastseite) von dem Schalter geht von 0V auf allen Phasen zur nominalen
Spannung auf allen Phasen).
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Die
vorliegende Erfindung ist brauchbar beim Ermitteln von Kontaktverschleiß. Kontaktverschleiß ist direkt
proportional zu der Energie, die durch die Kontaktstücke abgeleitet
wird, wenn Schalter ausgelöst
werden. Zusätzlich
haben gewisse Fehlerarten schwerere Auswirkungen auf Kontaktverschleiß als andere,
beispielsweise verschleißen
Erdfehler Schalter schneller als manuelle Auslösungen. Deshalb ist es für die Analyse
von Kontaktverschleiß vorteilhaft,
dass die vorliegende Erfindung für
eine genauere Ermittlung der Anzahl von Gesamtauslösungen pro
Fehlertyp sorgt, indem sowohl die lokal gegebenen als auch entfernt
gegebenen manuellen Auslösungen
berücksichtigt
werden.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Es
wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
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1 ein
sehe matisches Blockdiagramm von einer elektronischen Auslöseeinheit
gemäß der Erfindung
ist;
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2 ein
schematisches Blockdiagramm von einer elektronischen Auslöseeinheit
gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist; und
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3 ein
Fließbild
von dem erfindungsgemäßen Detektions-Algorithmus
für eine
manuelle Auslösung
ist.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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In 1 ist
eine allgemeine schematische Darstellung von einer Auslöseeinheit
allgemein bei 30 gezeigt. Es sei darauf hingewiesen, dass
die vorliegende Erfindung nicht auf elektronische Auslöseeinheit
beschränkt
ist, sondern auf intelligente elektronische Vorrichtungen gerichtet
ist, die Schalter ganz allgemein steuern können. Die Auslöseeinheit 30 enthält einen
Spannungssensor 32, der analoge Signale liefert, die Spannungsmessungen
auf einer Signalleitung 34 anzeigen, und einen Stromsensor 36, der
analoge Signale liefert, die Strommessungen auf einer Signalleitung 38 anzeigt.
Die analogen Signale auf den Leitungen 34 und 38 werden
an einen A/D (Analog/Digital)-Wandler 40 geliefert, der
diese analogen Signale in digitale Signale umsetzt. Die digitalen
Signale werden über
einen Bus 42 zu einem Mikrokontroller (Signalprozessor) 44 übertragen,
wie dieser beispielsweise von der Hitachi Electronics Components
Group (die Mikrokontrollerfamilie H8/300 von Hitachi) im Handel
erhältlich
ist. Die Auslöseeinheit 30 enthält ferner
einen RAM (Arbeitsspeicher) 46, ROM (Nurlesespeicher) 48 und
EEPROM (elektronischer löschbarer
programmierbarer Nurlesespeicher) 50, die alle mit dem
Mikrokontroller 44 über
einen Steuerbus 52 kommunizieren. Es wird deutlich, dass
der A/D Wandler 40, ROM 48, RAM 46 oder
jede Kombination davon intern in dem Mikrokontroller 44 sein
kann, wie es bekannt ist. Der EEPROM 50 ist nicht-flüchtig, so
dass Systeminformation und Programmierung während einer Netzunterbrechung oder
Spannungsausfall nicht verloren gehen. Daten, üblicherweise der Status des
Schalters, werden durch ein Display 54 dargestellt als
Antwort auf Displaysignale, die von dem Mikrokontroller 44 über den Steuerbus 52 empfangen
werden. Eine Ausgangs-Steuervorrichtung 56 steuert als
Antwort auf Steuersignale, die von dem Mikrokontroller 44 über den
Steuerbus 52 empfangen werden, ein Auslösemodul oder -vorrichtung 58 (z.B.
ein Schalter oder Relais) über
eine Leitung 60. Kalibrierung, Prüfung, Programmierung und andere
Merkmale werden über einen
Kommunikations I/O Port 62 ausgeführt, der mit dem Mikrokontroller 44 über dem
Steuerbus 52 kommuniziert. Eine Energieversorgung 63,
die durch die Service-Elektrizität gespeist
wird, liefert geeignete Energie über
eine Leitung 64 an die Komponenten der Auslöseeinheit 30.
Der ROM 48 enthält
Anwendungscode der Auslöseeinheit,
z.B. eine Hauptfunktionalitäts-Firmware
einschließlich
Initialisierungsparametern und Bootcode. Der Anwendungscode enthält Code
für einen
erfindungsgemäßen Detektions-Algorithmus
für eine
manuelle Detektion. Der EEPROM 50 enthält Betriebsparametercode, der
in der Auslöseeinheit
in der Fabrik gespeichert wird, aber auch aus der Ferne runtergeladen
werden kann, wie es nachfolgend beschrieben wird. Der Detektions-Algorithmus
für eine
manuelle Auslösung
läuft in Realzeit
und wird vorzugsweise beim Start aus dem Bootcode initialisiert.
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In
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung detektiert der Algorithmus manuelle Operationen des Auslösemoduls
(Schalters) 58 als Antwort auf lokal gegebene Befehle an
der elektronischen Auslöseeinheit 30,
z.B. enthalten derartige manuelle Operationen eine Bedienungsperson,
die einen Schaltergriff manuell ein- oder ausschaltet, eine Bedienungsperson,
die einen Auslöse-
oder wiedereinschaltknopf verschiebt oder eine Auslösung als
Antwort auf ein Auslösesignal,
das von einem Hilfskontakteingang des Schalters empfangen wird.
Es wird deutlich, dass andere Auslöseereignisse, d.h. kurzzeitige,
langzeitige, augenblickliche, Erdfehler- oder manuelle Auslöseereignisse
als Antwort auf aus der Ferne gegebene Auslösebefehle gezählt oder
verfolgt werden, wie es im Stand der Technik bekannt ist. Darüber hinaus wird
ferner deutlich, dass es die Kombination oder Gesamtzahl von Operationszählungen
und/oder (im Falle von Auslöseoperationen)
Auslösetypen
ist, die bei der Ermittlung von Kontaktverschleiß des Schalters nützlich ist.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung sind Spannungssensoren 32 stromabwärts von
dem Schalter 58 (1) angeordnet
(aus Gründen,
die nachfolgend erläutert
werden).
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Der
Algorithmus detektiert die vorgenannten manuellen Operationen (als
Antwort auf lokal gegebene Befehle), wenn die folgenden Bedingungen
erfüllt
sind:
- (1) Es ist keine Auslöseereignisnachricht von der Auslöseeinheit 30 innerhalb
der Reaktionszeit abgegeben worden, die für die Auslösung des Schalters 70 benötigt wird,
wie es durch den Mikrokontroller 44 ermittelt ist (Auslöse- oder Öffnungsbefehle);
- (2) Strom, der durch Stromsensoren 36 abgetastet wird,
wird auf allen Phasen Null; und
- (3) Spannung stromabwärts
von dem Schalter 70, wie sie durch die stromabwärtigen (lastseitigen) Spannungssensoren
abgetastet wird, wird auf allen Phasen Null (eine manuelle Schließoperation wird
detektiert, wenn kein Wiedereinschaltbefehl durch die Auslöseeinheit
empfangen wurde, aber trotzdem Spannung auf allen Phasen auf der Lastseite
des Schalters detektiert wird).
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Die
Richtung von Strom würde
erforderlich sein, wenn der Schalter 58 rückwärts gespeist
wird, d.h. ein umgekehrter Stromfluss. Um die letzte der drei Bedingungen
zu detektieren, sind Spannungssensoren 38 stromabwärts von
dem Schalter 58 angeordnet (1), wie
es vorstehend beschrieben wurde. Wenn diese drei Bedingungen detektiert
werden, dann wird ein Signal generiert, das das Auftreten einer
manuellen Auslösung
anzeigt, das gezählt wird.
Diese Zählung
wird benutzt, um die Einschätzung
von Kontaktverschleiß des
Schalters oder Relais zu unterstützen,
wie es zuvor beschrieben wurde.
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Mit
den Spannungssensoren 32, die stromabwärts von dem Schalter 58 angeordnet
sind, sind die Spannungsdaten stromaufwärts von dem Schalter 58 nicht
verfügbar,
wenn der Schalter 58 offen ist. Dementsprechend sind in
einem anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung zusätzliche
Spannungssensoren 32' stromaufwärts von
dem Schalter 58 angeordnet (2), wobei
Spannungssensoren 32 stromabwärts von dem Schalter 58 angeordnet
sind. Die stromaufwärtigen
Spannungssensoren 32' liefern auch
analoge Signale, die Spannungsmessungen auf einer Signalleitung 72 zum
A/D Wandler 40 anzeigen. In diese m Beispiel werden Spannungen
stromaufwärts
und stromabwärts
des Schalters 58 abgetastet, selbst wenn der Schalter 58 offen
ist. Die Verwendung von stromaufwärtigen und stromabwärtigen Spannungssensoren 32', 32 sorgt
auch für
eine Ermittlung, wenn der Schalter 58 rückwärts gespeist wird, d.h. bei
umgekehrten Strömen.
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In 3 ist
ein Ausführungsbeispiel
von einem Fließdiagramm
des Detektions-Algorithmus für eine
manuelle Auslösung
gemäß der Erfindung
allgemein bei 80 bezeigt. Der Detektions-Algorithmus für eine manuelle
Auslösung
wird auf jede der Phasen der Netzleitungen angewendet. Der Detektions-Algorithmus
(Programm) wird vorzugsweise von dem Boot-Code beim Starten, Block 82,
eingeleitet und läuft
unmittelbar zum Block 84. Am Block 84 ermittelt das
Programm, ob die Spannung auf den Leitungs- und Lastseiten nominal
ist. Wenn die Spannung nicht nominal ist, dann läuft das Programm in einer Schleife
zurück
zum Block 82, wo es wieder beginnt, anderenfalls läuft das
Programm weiter zum Block 86. Im Block 86 ermittelt
das Programm, ob eine automatische Wiedereinschaltung aufgetreten
ist. wenn eine automatische Wiedereinschaltung nicht aufgetreten ist,
dann ermittelt das Programm am Block 88, ob eine manuelle
Wiedereinschaltung aufgetreten ist. Wenn eine automatische Wiedereinschaltung
(Block 86) oder eine manuelle Wiedereinschaltung (Block 88)
aufgetreten ist, dann läuft
das Programm weiter zum Block 90 und inkrementiert auch
ein Register der Gesamtoperationen am Block 92. Am Block 90 ermittelt
das Programm, ob eine automatische Auslösung (einschließlich einer
entfernten manuellen) aufgetreten ist. Wenn eine automatische Auslösung aufgetreten
ist, dann läuft
das Programm in einer Schleife zurück zum Block 82, wo
es wieder startet, und das Register für die gesamten Operationen
wird auch am Block 92 inkrementiert. Wenn eine automatische Auslösung nicht
aufgetreten ist, dann läuft
das Programm weiter zum Block 94. Am Block 94 ermittelt das
Programm, ob der Strom auf allen Phasen der Netzleitungen Null ist.
Wenn der Strom auf allen Phasen nicht Null ist, läuft das
Programm in einer Schleife zurück
zum Block 82, wo es wieder startet, anderenfalls läuft das
Programm weiter zum Block 96.
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Am
Block 96 wird die abgetastete Spannung stromabwärts (lastseitig)
von dem Schalter auf eine Nullanzeige auf allen Phasen geprüft. Wenn
die stromabwärtigen
Spannungen nicht Null sind, dann kehrt das Programm zum Block 82 zurück. Weiterhin wird
im Block 96 die abgetastete Spannung stromaufwärts (leitungsseitig)
von dem Schalter geprüft
hinsichtlich einer nominalen Spannungsanzeige auf allen Phasen.
Wenn die stromaufwärtigen
Spannungen nicht nominal sind, dann kehrt das Programm zum Block 82 zurück. Wenn
diese zwei Bedingungen nicht erfüllt
sind, dann läuft
das Programm weiter zum Block 88. Dadurch wird einer Rückwärtseinspeisung
Rechnung getragen, d.h. einem Strom, der in umgekehrter Richtung
fließt,
was auftritt, wenn die stromabwärtige
Spannung höher
als die stromaufwärtige
Spannung ist. Wenn alle Bedingungen zum Detektieren eines lokal
auftretenden manuellen Auslöseereignisses
erfüllt
sind, inkrementiert das Programm sowohl das Zählregister für die gesamten Auslöseoperationen,
(Block 92), als auch ein Zählregister für eine lokal
erteilte manuelle Auslösung, Block 98.
Das Programm kehrt auch zum Block 82 zurück und der
obige Prozess setzt sich fort, bis die Einheit abgeschaltet wird.
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Ein
Zähler
für die
gesamten Operationen (Wiedereinschaltoperationen, manuelle Auslösungen,
alle Auslösungen
oder durch Auslösetypen) und/oder
das Auftreten einer manuellen Operation können an der Auslöseeinheit 30 oder
an einem Zentralcomputer (nicht gezeigt) bildlich dargestellt werden.
Diese Information ist nützlich
bei der Einschätzung
von Kontaktverschleiß des
Schalters, wie es als Beispiel in der US-Patentanmeldung (Anwalts-Aktenzeichen
41PR-7491), mit der Bezeichnung "A
Method of Determining Contact Wear In A Trip Unit", gleichzeitig hiermit
eingereicht und durch diese Bezugnahme in die vorliegende Offenbarung
eingeschlossen, beschrieben ist. Wie in der vorgenannten Anmeldung
beschrieben ist, wird für
jede Operation eines gespeisten Schalters ein Maß der abgeführten Energie, wenn Schalter
geöffnet
oder geschlossen werden, als (I2)(T) berechnet,
wobei I der Kontaktstrom und T die Kontakttemperatur sind. Diese
Energieabfuhr wird berechnet und dann in Registern des Mikrokontrollers
aufsummiert (z.B. an Blöcken 86, 88 für Wiedereinschaltoperationen,
am Block 90 für
automatische Öffnungs/Auslöse-Operationen
und am Block 98 für
manuelle Öffnungs/Auslöse-Operationen)
für jeden
Kontakt und für
jeden Fehler- oder Operationstyp, z.B. kurzzeitige, langzeitige,
Erdfehler, augenblickliche und manuelle, um kumulative Energie durch
Fehler oder Operationstyp oder Gesamtzahl zu liefern.
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Zusätzlich zur
Bestimmung von Kontaktverschleiß kann
die vorliegende Erfindung verwendet werden, um eine Historie von
Kontaktverschleiß zu entwickeln.
Wenn die kumulative Energie, die in den Schalterkontakten abgeführt wird, über der
Zeit anwächst,
nimmt der Kontaktverschleiß ebenfalls
zu. Diese Information kann verwendet werden, um vorherzusagen, wie
viel von der Kontaktlebensdauer verbraucht ist (oder übrig bleibt).
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Auf
der Basis dieser Information kann eine Prioritäts-Rangordnung von Wartungsaufgaben zur Wartung
von Schaltern aufgestellt werden, d.h. welcher Schalter zuerst Wartung
benötigt
aufgrund der Anzahl von Auslösungen.
Viele große
Einrichtungen müssen
Hunderte von Schaltern warten. Benutzer überholen üblicherweise einen gewissen
Prozentsatz ihrer Schalter jährlich.
Deshalb gestattet eine genaue Prioritätenauflistung der Reihenfolge,
in der die einzelnen Schalterprobleme geprüft werden sollten, eine effektivere
Nutzung von eingeschränkten
Ressourcen und sie hilft, die Ausfallzeit der Einrichtung zu verkürzen.
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Es
sind zwar bevorzugte Ausführungsbeispiele
gezeigt und beschrieben worden, es können aber verschiedene Modifikationen
und Substitutionen vorgenommen werden, ohne von dem Schutzumfang der
Erfindung abzuweichen. Dementsprechend sollte klar sein, dass die
vorliegende Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, zur Darstellung
und nicht zur Einschränkung
beschrieben worden ist.