EP1002325A1 - Method for determining switchgear-related data in switchgear contacts and/or operation-related data in a connected network - Google Patents

Method for determining switchgear-related data in switchgear contacts and/or operation-related data in a connected network

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EP1002325A1
EP1002325A1 EP98948727A EP98948727A EP1002325A1 EP 1002325 A1 EP1002325 A1 EP 1002325A1 EP 98948727 A EP98948727 A EP 98948727A EP 98948727 A EP98948727 A EP 98948727A EP 1002325 A1 EP1002325 A1 EP 1002325A1
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EP
European Patent Office
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voltage
switching
contact
detected
microprocessor
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EP98948727A
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EP1002325B1 (en
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Fritz Pohl
Norbert Elsner
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication of EP1002325B1 publication Critical patent/EP1002325B1/en
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/0015—Means for testing or for inspecting contacts, e.g. wear indicator

Definitions

  • the invention relates to a method for determining switching device-specific data on contacts in switching devices, in particular contactor contacts, and / or for determining operation-specific data in the network connected therewith according to the preamble of patent claim 1.
  • the invention also relates to the associated Device for performing the method.
  • the existing electronics can be used on the one hand to detect certain malfunctions during the remaining service life detection and to avoid a false evaluation, and on the other hand to obtain useful data for switching device monitoring, such as certain states of the switching device or the electrical network connected with it .
  • useful data for switching device monitoring such as certain states of the switching device or the electrical network connected with it .
  • Points 1, 2 and 5 relate to switching device-specific data of the contactor used as switching device and the points 3 3, 4 and 6 company-specific data in the switched network.
  • the voltage at the artificial star point is not at zero potential, but it is AC voltage having the amplitude U st ran g in two intact phases or 1 U str HS at a phase intact.
  • the electronic evaluation circuit for the contact opening therefore generates a periodic output signal despite the closed bridge contacts, which would normally result in an incorrect evaluation of the remaining service life due to an incorrectly determined time difference.
  • the microprocessor advantageously, the evaluation of the residual life is cut off when the two states ⁇ contactor switched on 'and' -Phasenausfall 'are made simultaneously.
  • the Ausensesperre is updated by the microprocessor in a predetermined time interval and at the same state in each of the following Interval continued: The maximum value of the contactor switch-off time is recommended as the interval length.
  • the development of the device can detect the occurrence of a switching voltage as a voltage drop in a current branch of the star point circuit.
  • FIG. 1 shows the detection of the remaining service life of contactor contacts during the switching-off process with simultaneous determination of operationally relevant data or states
  • FIG. 2 shows the generation of the opening time T ⁇ for the first-opening switching contacts of contactors during the switching-off process in three-phase networks and monitoring of the
  • FIG. 3 shows an example of the remaining service life detection with integrated magnetosensor technology
  • FIG. 4 shows the detection of the contact opening on the artificial one
  • FIG. 5 without the use of a further reference potential and FIG. 5 the evaluation for detecting the phase voltages at the current branches at the artificial star point according to FIG. 4.
  • FIG. 1 shows the schematic representation of a device for detecting the remaining service life and assigning it to a contactor 1.
  • An evaluation device 100 is located on the load side 10 between the contactor and an electrical consumer, for example a motor 20, and is contacted via a first monitoring module 101 to detect the opening of contact with the outer conductors L1, L2 and L3.
  • the monitoring unit 101 controls a microprocessor 105, which determines the contact pressure and additional switching operating states.
  • the microprocessor receives further signals for monitoring the armature opening of the contactor magnet drive from a unit 102.
  • the microprocessor outputs the result data to an output unit 106, from which, if necessary, all switching device-specific data is output via a bus for further evaluation.
  • a contactor magnetic drive 5 is assigned to the contactor, which consists of an armature 3 with an associated yoke 4.
  • Contactor coils 6 and 6 ' are attached to the yoke. The coils are controlled by a control switch. The voltage at the contactor magnet coils is fed to the unit 102 for monitoring the armature opening and the armature opening signal is transmitted to the evaluation unit 100.
  • the electronic circuit for detecting the start of the armature opening from the coil voltage generates at the zero crossings 6 against the sine AC voltage pulse.
  • These voltage pulses can be supplied to the microprocessor 105 via an optocoupler for direct evaluation, or a square wave signal can be generated, for example, with a retriggerable time step, which changes the switching state from on to off with the voltage change, e.g. from ⁇ high 'with a predetermined delay ⁇ deep follows.
  • the duration of a network half period can be specified for the delay time.
  • phase failure is detected when the contactor 1 is switched on as a periodic star point signal and can be recognized directly by the microprocessor in the evaluation circuit of the contact opening according to FIG. 2 as a periodic (double mains frequency) output signal.
  • a voltage which is proportional to the phase voltage is tapped at a voltage divider of the artificial star point circuit and which is connected between the load-side measuring connection of an outer conductor and the measuring earth and is further processed as a digital signal.
  • Contact welding can be detected when the contactor is switched off when the mains voltage is applied.
  • Current transformers such as those used in an overload relay can be used for short-circuit detection.
  • a magneto sensor system is used, for example, with which the exceeding of a predetermined current threshold is detected.
  • inexpensive inductance sensors can also be used. The sensors are arranged in isolation directly on the main current paths so that the measured magnetic field dominates and the magnetic field influence of adjacent short-circuit-carrying switching devices can be neglected.
  • the short-circuit detection is always linked by the microprocessor with the contactor switch-on state.
  • the microprocessor can issue an additional warning message to check the contactor contacts for welding.
  • the contactor could be switched off in a controlled manner in order to carry out a welding test.
  • the control phase of the contactor drive can be switched off briefly via a break contact controlled by the microprocessor, or permanently if there is a short circuit.
  • FIG. 2 shows an example of a circuit for generating a time signal T ⁇ at the start of contact opening of the most burned down main contacts.
  • the essential property of this circuit is to measure the contact voltages (arc voltage) of a three-pole switching device in the three-phase network at the artificial star point 15.
  • an extended evaluation unit 180 for detecting the mains voltage and for detecting the neutral point voltage.
  • the time T ⁇ for the first opening switching contacts during the switch-off process can be determined and, on the other hand, the mains voltage can be monitored at the same time.
  • the remaining service life detection can be carried out according to FIG. 3 with integrated magnetosensor technology for the purpose of short-circuit detection.
  • An overload relay with an integrated unit 200 for detecting the remaining service life in front of the motor 20 is interposed between the contactor 1, the units 201, 202 and 205 corresponding to the units 101, 102 and 105 from FIG.
  • a module 220 for monitoring short-circuits is also present in FIG.
  • the monitoring module 220 is controlled by magnetic sensors 221 to 223 assigned to the individual lines.
  • varistors limit overvoltages only to approximately 1.75 times their nominal operating voltage. Suppressor diodes, whose current-voltage characteristic curve breaks sharply, have proven to be cheaper. It is advantageous that the suppressor diodes, like the varistors, do not consume any electrical power in normal operation.
  • Free-wheeling circuit by means of a microprocessor-controlled free-wheeling transistor, to which a zener diode (anti) is connected in parallel to limit the switching voltage, the delay in switching off the contactor can be shortened and an evaluable coil voltage signal can be generated.
  • the time signal of the switching voltage required for this at the first opening main contact pieces was generated by measuring the differential voltage between a fixed reference potential, such as zero or earth potential, and the potential of an artificial star point on the load side of the monitored contactor.
  • a fixed reference potential such as zero or earth potential
  • the potential of an artificial star point on the load side of the monitored contactor.
  • neither a neutral conductor nor a protective conductor can be available in a switchgear.
  • the possibility of forming a fixed reference potential on the supply side of the contactor with another artificial star point would require additional technical effort.
  • the start of contact opening can be detected in FIGS. 4 or 5 without using a zero or earth potential.
  • the occurrence of a switching voltage is detected as a voltage drop in a current branch of the star point circuit.
  • the measured voltage is further processed with a high-pass filter and provides an output voltage proportional to the switching voltage. In a conventional manner, this can generate the desired control signal of the first start of contact opening when a predetermined threshold value is exceeded. Evaluation by logically linking the detected signals
  • U STF R * I ⁇ + L * d / dt f L + U B T J.
  • T JSTF R * I 2 + L * d / dt (I 2 ) + U B2
  • U 3 - U STP R * I 3 + L * d / dt (I 3 ) + U B3 ⁇ :
  • 50 denotes a passive high-pass filter with capacitance C x and ohmic resistance R x , via which a unit 500 is controlled to determine the contact opening time.
  • the time T ⁇ is determined precisely without a reference potential, such as zero or earth potential, having to be present.
  • an active high-pass filter of higher order or a series connection of passive and active high-pass filters can therefore be used instead of the passive high-pass filter 50 from FIG.
  • the amplitude of the input voltage at the active high-pass filter can be limited to permissible values.
  • the circuit in accordance with FIG. 4 is modified in such a way that an evaluation unit 600 is connected directly to the one strand of the artificial star point circuit, which evaluates the contact opening and the mains voltage. From the other two strings, another measuring line is connected to the evaluation unit to monitor its string voltage.
  • the evaluation unit 600 contains passive and / or active high-pass filters for detecting the switching voltage of the first opening switching contact and, moreover, an electronic circuit for detecting the phase voltages of the monitored circuits.
  • the contact erosion changes the position of the movable contact carrier to the fixed contact carrier both in the
  • Switch-on state as well as at the moment of contact separation, and thus the position of the switching lock components coupled to the movable contact carrier.
  • key switch components include e.g. the switching shaft on which the moving contact carriers are mounted, or the lever mechanism for transmitting power to the switching shaft and / or to the moving contacts.
  • the movement (linear and / or rotational movement) of the switching mechanism components is generally a non-uniformly accelerated movement.
  • the contact erosion, as with the following, is simple
  • a time shift ⁇ t of the contact opening time causes shorter times:
  • the contact pressure is denoted by s, with the new state being assigned the structurally predetermined value s new and the end of life having the minimum pressure s m ⁇ n .
  • runtimes are measured, the end time of which is equated with the contact opening time.
  • the time at which a selected component of the key switch reaches a predetermined position during the switch-off process is selected as the starting time. This also ensures that short-circuit shutdowns, in which the contact opening due to current forces occurs before the predetermined switching lock position is reached, are not used to evaluate the contact erosion. This avoids incorrect evaluation of the contact erosion in the event of short-circuit shutdowns.
  • the design properties of the key switch determine in detail the method for generating the start time for the runtime measurement.
  • the switch lock is usually designed as a rocker arm mechanism, in which the lever mechanism has to overcome a dead center position when the position changes.
  • a key switch position in which the lever mechanism is in the switch-off position between the dead center position and the end position is therefore specified as the predetermined key switch position for detecting an initial point in time of the transit time measurement.
  • Optical sensors are concerned with the problem of contamination, e.g. due to the erosion, exposed and therefore not particularly suitable for position detection in the switchgear.
  • An electromechanical auxiliary contact is suggested as a simple, robust device for position detection, which is opened by the switching lock component to be monitored. The fixed contact of this auxiliary contact device determines the impact position of the monitored switching lock component on the associated moving contact. This should allow a reproducible position detection to at least 1/10 mm without great effort.
  • the running time t will now be newly detected and stored in a suitable non-volatile data memory in the switch-off operation.
  • the running time t is reduced to a value t min , which corresponds to the maximum permissible erosion ⁇ s max .

Landscapes

  • Keying Circuit Devices (AREA)
  • Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)
  • Testing Electric Properties And Detecting Electric Faults (AREA)
  • Testing Of Short-Circuits, Discontinuities, Leakage, Or Incorrect Line Connections (AREA)

Abstract

The invention relates to a method in which the contact spring action at the break is detected, in particular for earthing contacts, as a replacement criterion for the erosion of contacts. Erosion can be determined by measuring the change in contact spring action during the switching off process, and converted to give the residual life of the contacts. This requires precise measurement of the armature path from the beginning of the armature movement to the beginning of the contact opening. In accordance with the invention, the switching conditions in the switchgear and in the electric network can also be detected from the signals used for determining the contact spring action.

Description

Beschreibungdescription
Verfahren zur Bestimmung von schaltgerätespezifischen Daten an Kontakten in Schaltgeräten und/oder von betriebsspezifi- sehen Daten im damit geschalteten NetzProcess for determining switchgear-specific data on contacts in switchgear and / or company-specific data in the network switched with it
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung von schaltgerätespezifischen Daten an Kontakten in Schaltgeräten, insbesondere Schützkontakten, und/oder zur Besti - mung von betriebsspezifischen Daten im damit geschalteten Netz gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf die zugehörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for determining switching device-specific data on contacts in switching devices, in particular contactor contacts, and / or for determining operation-specific data in the network connected therewith according to the preamble of patent claim 1. The invention also relates to the associated Device for performing the method.
In der vorveröffentlichten DE 44 27 006 AI sowie in den nichtvorveröffentlichten DE 196 03 310 AI und DE 196 03 319 AI werden Verfahren zur Bestimmung der Restlebensdauer von Schützen beschrieben, bei denen aus der Zeitdifferenz zwischen dem Beginn der Ankeröffnungsbewegung und dem Kontaktöffnungsbeginn der im Verlauf der elektrischen Lebensdauer zunehmende Kontaktverschleiß erfaßt wird. Mit Hilfe eines Mikroprozessors sowie spezifisch angepaßter elektronischer Schaltungen zur Erfassung der benötigten Meßgrößen wird dabei der aktuellen Wert des sog. Kontakt-Durchdruckes be- stimmt, welcher durch Abbrand von seinem Neuwert (= 100 % Restlebensdauer) auf seinen Mindestwert (= 0 % Restlebensdauer) abnimmt. Als Kontakt-Durchdruck wird diejenige Wegstrecke bezeichnet, welche der Magnetanker beim Ausschaltvorgang zwischen dem Ankeröffnungsbeginn und dem Kontakt- Öffnungsbeginn zurücklegt.In the previously published DE 44 27 006 AI and in the unpublished DE 196 03 310 AI and DE 196 03 319 AI methods for determining the remaining life of shooters are described, in which the time difference between the beginning of the armature opening movement and the start of contact opening during the course of electrical life increasing contact wear is detected. With the help of a microprocessor and specifically adapted electronic circuits for recording the required measured variables, the current value of the so-called contact print is determined, which burns from its new value (= 100% remaining life) to its minimum value (= 0% remaining life) decreases. The contact pressure is the distance covered by the magnet armature during the switch-off process between the beginning of the armature opening and the beginning of the contact opening.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, in die vorbeschriebenen Verfahren zusätzliche Funktionalitäten einzubinden und die zugehörige Vorrichtung zu schaffen. Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Gesamtheit der Merkmale des Verfahrensanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige Vorrichtung ergibt sich aus dem nebengeordneten Vorrichtungs¬ anspruch 15. Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.Based on this, it is an object of the invention to incorporate additional functionalities into the above-described methods and to create the associated device. The object is achieved by the entirety of the features of method claim 1. An associated device results from the subordinate device claim 15. Further developments of the method according to the invention and the associated device are specified in the subclaims.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die vorhandene Elektronik einerseits dazu benutzt werden, bestimmte Stör- zustände bei der Restlebensdauererfassung zu erkennen und eine Fehlauswertung zu vermeiden, sowie andererseits für eine Schaltgeräteüberwachung nützliche Daten zu gewinnen, wie bestimmte Zustände des Schaltgerätes oder des damit geschalteten elektrischen Netzes. Mit dieser Funktionserweiterung ist erreicht, daß die weiteren Meßdaten mit geringstemIn the context of the present invention, the existing electronics can be used on the one hand to detect certain malfunctions during the remaining service life detection and to avoid a false evaluation, and on the other hand to obtain useful data for switching device monitoring, such as certain states of the switching device or the electrical network connected with it . With this functional extension it is achieved that the further measurement data with the smallest
Zusatzaufwand gewonnen und mit einem üblicherweise bereits vorhandenen Mikroprozessor ausgewertet werden können.Additional effort gained and can be evaluated with a microprocessor that is usually already available.
Mit der Erfindung ist also die Erfassung zusätzlicher Zu- stände am Schaltgerät und/oder am elektrischen Netz mit Hilfe der vorhandenen ""Restlebensdauerelektronik' möglich. Diese ohne oder nur mit geringem zusätzlichen technischen Aufwand erfaßbaren Zustände sind bei Verwendung speziell eines Schützes als Schaltgerät vorzugsweise:With the invention, it is therefore possible to detect additional states on the switching device and / or on the electrical network with the aid of the existing " " residual life electronics. These states, which can be detected with little or no additional technical effort, are preferably when using a contactor as a switching device:
1. Erfassung ""Schützantrieb elektrisch Ein/Aus'1. Detection " " contactor drive electrical on / off '
2. Anzahl der Schaltspiele2. Number of switching cycles
3. Erfassung ΛPhasenausfall'3. Recording Λ phase failure '
4. Erfassung ""Netzspannungsausfall' 5. Erfassung Kontaktverschweißen'4. Acquisition "" power failure 'fifth acquisition contact welding'
6. Erfassung ""Kurzschluß'6. Detection " " short circuit '
Dabei betreffen die Punkte 1, 2 und 5 schaltgerätespezifische Daten des als Schaltgerät verwendeten Schützes und die Punkte 3 3, 4 und 6 betriebsspezifische Daten im damit geschalteten Netz.Points 1, 2 and 5 relate to switching device-specific data of the contactor used as switching device and the points 3 3, 4 and 6 company-specific data in the switched network.
Bei Phasenausfall liegt die Spannung am künstlichen Stern- punkt nicht auf Nullpotential, sondern es steht Wechselspannung an mit der Amplitude Ustrang bei zwei intakten Phasen oder 1 Ustrang bei einer intakter Phase. Die elektronische Auswerteschaltung für das Kontaktöffnen erzeugt daher trotz geschlossener Brückenkontakte ein periodisches Ausgangssignal, woraus im Normalfall eine Fehlauswertung der Restlebensdauer durch eine fehlerhaft bestimmte Zeitdifferenz folgen würde.When phase failure, the voltage at the artificial star point is not at zero potential, but it is AC voltage having the amplitude U st ran g in two intact phases or 1 U str HS at a phase intact. The electronic evaluation circuit for the contact opening therefore generates a periodic output signal despite the closed bridge contacts, which would normally result in an incorrect evaluation of the remaining service life due to an incorrectly determined time difference.
Letzteres Problem wird nun dadurch gelöst, daß der Mikroprozessor vorteilhafterweise die Auswertung der Restlebensdauer sperrt, wenn die beiden Zustände ΛSchütz eingeschaltet' und "-Phasenausfall' gleichzeitig bestehen. Die Auswertesperre wird vom Mikroprozessor in einem vorgegebenen Zeitintervall aktualisiert und bei unverändertem Zustand im jeweils folgenden Intervall fortgesetzt. Als Intervallänge bietet sich der Maximalwert der Schütz-Ausschaltzeit an.The latter problem is now solved in that the microprocessor advantageously, the evaluation of the residual life is cut off when the two states Λ contactor switched on 'and' -Phasenausfall 'are made simultaneously. The Auswertesperre is updated by the microprocessor in a predetermined time interval and at the same state in each of the following Interval continued: The maximum value of the contactor switch-off time is recommended as the interval length.
Bei Netzspannungsausfall sind dagegen alle drei Außenleiter Ll, L2, L3 des Drehstromnetzes unterbrochen. Im Idealfall wäre die Sternpunktspannung auf der Lastseite des Schützes Null, gleichgültig ob das Schütz ein- oder ausgeschaltet ist. Tatsächlich verhalten sich die vom Netz getrennten, d.h. floatenden Strombahnen wie Antennen und es können Störspannungen induktiv und kapazitiv eingekoppelt werden. Die elektronische Auswerteschaltung für das Kontaktöffnen reagiert hierauf mit von den Störsignalen sporadisch erzeugten Ausgangssignalen.In the event of a mains voltage failure, however, all three outer conductors Ll, L2, L3 of the three-phase network are interrupted. Ideally, the star point voltage on the load side of the contactor would be zero, regardless of whether the contactor is switched on or off. In fact, those separated from the network, i.e. floating current paths such as antennas and interference voltages can be coupled inductively and capacitively. The electronic evaluation circuit for the contact opening reacts to this with output signals sporadically generated by the interference signals.
Auch hier wird durch den Mikroprozessor die Auswertung derHere, too, the microprocessor evaluates the
Restlebensdauer gesperrt, wenn die beiden Zustände "-Schütz eingeschaltet' und "'Netzspannungsausfall' gleichzeitig be- 99/08Remaining service life blocked if the two states " contactor switched on" and " " mains voltage failure '' are 99/08
4 stehen. Die Auswertesperre wird in analoger Weise wie oben angegeben aufrecht erhalten.4 stand. The evaluation lock is maintained in a manner analogous to that indicated above.
Während im allgemeinen Fall die Sternpunktspannung gegen ein Bezugspotential gemessen wird, kann in eigenerfinderischer Weiterbildung bei der Realisierung der Vorrichtung das Auftreten einer Schaltspannung als Spannungsabfall in einem Stromzweig der Sternpunktschaltung detektiert werden.While in the general case the star point voltage is measured against a reference potential, in the development of the device the development of the device can detect the occurrence of a switching voltage as a voltage drop in a current branch of the star point circuit.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen jeweils als SchaltbildFurther advantages and details of the invention result from the following description of the figures of exemplary embodiments with reference to the drawing. They each show as a circuit diagram
Figur 1 die Erfassung der Restlebensdauer von Schützkontakten beim Ausschaltvorgang mit gleichzeitiger Ermittlung von betriebsrelevanten Daten bzw. Zuständen, Figur 2 die Generierung des Öffnungszeitpunktes Tκ für die erstöffnenden Schaltkontakte von Schützen beim Aus- schaltvorgang in Drehstromnetzen und Überwachung der1 shows the detection of the remaining service life of contactor contacts during the switching-off process with simultaneous determination of operationally relevant data or states, FIG. 2 shows the generation of the opening time T κ for the first-opening switching contacts of contactors during the switching-off process in three-phase networks and monitoring of the
Netzspannung durch Spannungsmessung an einem künstlichen Sternpunkt, Figur 3 ein Beispiel für die Restlebensdauererfassung mit integrierter Magnetosensorik, Figur 4 die Erfassung des Kontaktöffnens am künstlichenMains voltage by measuring the voltage at an artificial star point, FIG. 3 shows an example of the remaining service life detection with integrated magnetosensor technology, FIG. 4 shows the detection of the contact opening on the artificial one
Sternpunkt ohne Verwendung eines weiteren Bezugspotentials und Figur 5 die Auswertung zur Erfassung der Strangspannungen an den Stromzweigen am künstlichen Sternpunkt gemäß Figur 4.5 without the use of a further reference potential and FIG. 5 the evaluation for detecting the phase voltages at the current branches at the artificial star point according to FIG. 4.
Gleiche bzw. gleichwirkende Elemente haben in den einzelnen Figuren gleiche Bezugszeichen. Die Figuren werden teilweise gemeinsam beschrieben. 5 Figur 1 zeigt die schematische Darstellung einer Einrichtung zur Erkennung der Restlebensdauer und deren Zuordnung zu einem Schütz 1 . Ein Auswertegerät 100 befindet sich auf der Lastseite 10 zwischen dem Schütz und einem elektrischen Ver- braucher, beispielsweise einem Motor 20 und ist über ein erstes Überwachungsmodul 101 zur Erkennung des Kontaktöffnens mit den Außenleitern Ll, L2 und L3 kontaktiert. Die Überwachungseinheit 101 steuert einen Mikroprozessor 105 an, der den Kontakt-Durchdruck und zusätzliche Schaltbetriebszustände ermittelt. Dazu erhält der Mikroprozessor weitere Signale zur Überwachung des Ankeröffnens des Schützmagnetantriebes von einer Einheit 102. Der Mikroprozessor gibt die Ergebnisdaten auf eine Ausgabeeinheit 106, von der gegebenenfalls eine Ausgabe aller schaltgerätespezifischen Daten über einen Bus zur weiteren Auswertung erfolgt.The same or equivalent elements have the same reference numerals in the individual figures. Some of the figures are described together. 5 FIG. 1 shows the schematic representation of a device for detecting the remaining service life and assigning it to a contactor 1. An evaluation device 100 is located on the load side 10 between the contactor and an electrical consumer, for example a motor 20, and is contacted via a first monitoring module 101 to detect the opening of contact with the outer conductors L1, L2 and L3. The monitoring unit 101 controls a microprocessor 105, which determines the contact pressure and additional switching operating states. For this purpose, the microprocessor receives further signals for monitoring the armature opening of the contactor magnet drive from a unit 102. The microprocessor outputs the result data to an output unit 106, from which, if necessary, all switching device-specific data is output via a bus for further evaluation.
Dem Schütz ist ein Schützmagnetantrieb 5 zugeordnet, der aus einem Anker 3 mit zugehörigem Joch 4 besteht. Auf dem Joch sind Schützspulen 6 bzw. 6' angebracht. Die Spulen werden über einen Steuerschalter angesteuert. Die Spannung an den Schützmagnetspulen wird der Einheit 102 zur Überwachung des Ankeröffnens zugeführt und das Ankeröffnungssignal an die Auswerteeinheit 100 übermittelt.A contactor magnetic drive 5 is assigned to the contactor, which consists of an armature 3 with an associated yoke 4. Contactor coils 6 and 6 'are attached to the yoke. The coils are controlled by a control switch. The voltage at the contactor magnet coils is fed to the unit 102 for monitoring the armature opening and the armature opening signal is transmitted to the evaluation unit 100.
Mit der beschriebenen Schaltung ist es möglich, aus den von den Überwachungsmodulen gelieferten Zeitsignalen über den Mikroprozessor 105 den aktuellen Kontaktdurchdruck und daraus die elektrische Lebensdauer der Hauptschaltstücke zu bestimmen. Zusätzlich werden nunmehr auch weitere schaltgerätespe- zifische Daten ermittelt, auf die eingangs bereits hingewiesen wurde. Dies sind im einzelnen:With the circuit described, it is possible to use the microprocessor 105 to determine the current contact pressure and the electrical life of the main contact pieces from the time signals supplied by the monitoring modules. In addition, additional switchgear-specific data are now determined, which were already referred to at the beginning. In detail, these are:
1.) Schützantrieb „elektrisch Ein/Aus"1.) Contactor drive "electrical on / off"
Die elektronische Schaltung zur Erfassung des Ankeröffnungs- beginns aus der Spulenspannung erzeugt bei den Nulldurchgän- 6 gen der Sinus-Wechselspannung Spannungspulse. Diese Spannungspulse können dem Mikroprozessor 105 über einen Optokoppler zur direkten Auswertung zugeführt werden, oder es kann z.B. mit einer nachtriggerbaren Zeitstufe ein Rechtecksignal erzeugt werden, das mit einer vorgegebenen Verzögerung dem Wechsel des Schaltzustandes von Ein nach Aus mit dem Spannungswechsel z.B. von Λhoch' nach λtief folgt. Für die Verzögerungszeit kann die Dauer einer Netzhalbperiode vorgegeben sein.The electronic circuit for detecting the start of the armature opening from the coil voltage generates at the zero crossings 6 against the sine AC voltage pulse. These voltage pulses can be supplied to the microprocessor 105 via an optocoupler for direct evaluation, or a square wave signal can be generated, for example, with a retriggerable time step, which changes the switching state from on to off with the voltage change, e.g. from Λ high 'with a predetermined delay λ deep follows. The duration of a network half period can be specified for the delay time.
2.) /Anzahl der Schaltspiele der Mikroprozessor 105 zählt hierzu z.B. die Anzahl der Signalwechsel hoch => tief der in 1. ) beschriebenen Rechteckpulse.2.) / Number of switching cycles of the microprocessor 105 counts e.g. the number of signal changes high => low of the rectangular pulses described in 1.).
3.) Phasenausfall3.) Phase loss
Der Phasenausfall wird im Einschaltzustand des Schützes 1 als periodisches Sternpunktsignal erfaßt und kann bei der Auswerteschaltung des Kontaktöffnens nach Figur 2 unmittelbar als periodisches (doppelte Netzfrequenz) Ausgangssignal vom Mikroprozessor erkannt werden.The phase failure is detected when the contactor 1 is switched on as a periodic star point signal and can be recognized directly by the microprocessor in the evaluation circuit of the contact opening according to FIG. 2 as a periodic (double mains frequency) output signal.
4.) Netzspannungsausfall4.) Mains voltage failure
Es wird an einem Spannungsteiler der künstlichen Sternpunkt- Schaltung, der zwischen dem lastseitigen Meßanschluß eines Außenleiters und der Meßerde angeschlossen ist, eine zur Strangspannung proportionale Spannung abgegriffen und als digitales Signal weiterverarbeitet.A voltage which is proportional to the phase voltage is tapped at a voltage divider of the artificial star point circuit and which is connected between the load-side measuring connection of an outer conductor and the measuring earth and is further processed as a digital signal.
Wird im Einschaltzustand des Schützes keine derartige Spannung gemessen und erkennt der Mikroprozessor auch keinen Phasenausfall, so wird als Ergebnis ein Netzspannungsausfall angezeigt. 7 5. ) KontaktverschweißenIf no such voltage is measured when the contactor is switched on and the microprocessor does not detect any phase failure, a mains voltage failure is displayed as a result. 7 5.) Contact welding
Das Kontaktverschweißen kann im Ausschaltzustand des Schützes bei anliegender Netzspannung erkannt werden.Contact welding can be detected when the contactor is switched off when the mains voltage is applied.
Der Extremfall der dreipoligen Verschweißung wird anhand der Zustände ΛSchützantrieb elektrisch Aus' und ""kein Netzspannungsausfall' erkannt.The extreme case of three-pole welding is recognized on the basis of the states Λ contactor drive electrically off 'and " " no mains voltage failure'.
Die ein- oder zweipolige Verschweißung wird als solche er- kannt, wenn die Zustände λSchützantrieb elektrisch Aus' undThe one- or two-pole welding is recognized as such if the states λ contactor drive electrically off 'and
"'Phasenausfall' zusammentreffen. Die einseitige Verschweißung einer Schaltbrücke kann im Ausschaltzustand des Schützes nicht gemessen werden, da die betroffene Schaltstrecke noch elektrisch trennt. Mit hoher Wahrscheinlichkeit wird dieser Brückenkontakt jedoch im Schütz-Einschaltzustand auf der Lastseite einen Phasenausfall erzeugen. Daher ist bei der Störmeldung "*Phasenausfall' der zusätzliche Hinweis auf die beiden möglichen Ursachen "'Unterbrechung eines Außenleiters - oder - Schütz-Schaltpol offen' notwendig. " 'Phase failure' coincide. The one-sided welding of a switching bridge cannot be measured when the contactor is switched off because the affected switching distance is still electrically isolated. However, this bridge contact will most likely produce a phase failure on the load side when the contactor is switched on Fault message " * phase failure 'the additional reference to the two possible causes " ' interruption of an outer conductor - or - contactor switching pole open 'necessary.
6.) Kurzschluß6.) Short circuit
Zur Kurzschlußerkennung können Stromwandler, wie sie in einem Überlastrelais eingesetzt werden, verwendet werden. Als Alternative wird beispielsweise eine Magnetosensorik verwendet, mit welcher das Überschreiten einer vorgegebenen Stromschwelle erfaßt wird. Neben Hall-Effekt Sensoren oder magnetoresi- stiven Sensoren können auch kostengünstige Induktivitätssensoren eingesetzt werden. Die Sensoren werden isoliert unmittelbar auf den Hauptstrombahnen angeordnet, damit das gemes- sene Magnetfeld dominiert und der Magnetfeldeinfluß benachbarter kurzschlußtragender Schaltgeräte vernachlässigt werden kann.Current transformers such as those used in an overload relay can be used for short-circuit detection. As an alternative, a magneto sensor system is used, for example, with which the exceeding of a predetermined current threshold is detected. In addition to Hall effect sensors or magnetoresistive sensors, inexpensive inductance sensors can also be used. The sensors are arranged in isolation directly on the main current paths so that the measured magnetic field dominates and the magnetic field influence of adjacent short-circuit-carrying switching devices can be neglected.
Die Kurschlußerkennung wird vom Mikroprozessor grundsätzlich mit dem Schütz-Einschaltzustand verknüpft. Im Fall eines registrierten Kurzschlusses kann der Mikroprozessor eine zusätzliche Warnmeldung herausgeben, die Schützkontakte auf Verschweißung zu kontrollieren. Insbesondere könnte eine kontrollierte Abschaltung des Schützes erfolgen, um eine Ver- schweißprüfung durchzuführen. Hierzu kann die Steuerphase des Schützantriebes über einen vom Mikroprozessor gesteuerten Öffner-Kontakt kurzzeitig, oder bei andauerndem Kurzschluß dauerhaft ausgeschaltet werden.The short-circuit detection is always linked by the microprocessor with the contactor switch-on state. In the case of one If the short circuit is registered, the microprocessor can issue an additional warning message to check the contactor contacts for welding. In particular, the contactor could be switched off in a controlled manner in order to carry out a welding test. For this purpose, the control phase of the contactor drive can be switched off briefly via a break contact controlled by the microprocessor, or permanently if there is a short circuit.
Figur 2 zeigt ein Schaltungsbeispiel zur Generierung eines Zeitsignals Tκ beim Kontaktöffnungsbeginn der am stärksten abgebrannten Hauptkontakte. Die wesentliche Eigenschaft dieser Schaltung besteht darin, die Kontaktspannungen (Bogen- spannung) eines dreipoligen Schaltgerätes im Drehstromnetz am künstlichen Sternpunkt 15 zu messen. In Ergänzung zu vorbeschriebenen Schaltungen ist nunmehr eine erweiterte Auswerteeinheit 180 zur Erfassung der Netzspannung und zur Erfassung der Sternpunktspannung vorhanden. Damit können einerseits der Zeitpunkt Tκ für die erstöffnenden Schaltkontakte beim Aus- schaltvorgang bestimmt und andererseits gleichzeitig die Netzspannung überwacht werden.FIG. 2 shows an example of a circuit for generating a time signal T κ at the start of contact opening of the most burned down main contacts. The essential property of this circuit is to measure the contact voltages (arc voltage) of a three-pole switching device in the three-phase network at the artificial star point 15. In addition to the circuits described above, there is now an extended evaluation unit 180 for detecting the mains voltage and for detecting the neutral point voltage. On the one hand, the time T κ for the first opening switching contacts during the switch-off process can be determined and, on the other hand, the mains voltage can be monitored at the same time.
In entsprechenden Erweiterungen zum vorbeschriebenen Stand der Technik kann gemäß Figur 3 die Restlebensdauererfassung mit integrierter Magnetosensorik zwecks Kurzschlußerfassung erfolgen. Dem Schütz 1 ist hier ein Uberlastrelais mit integrierter Einheit 200 zur Restlebensdauererfassung vor dem Motor 20 zwischengeschaltet, wobei die Einheiten 201, 202 und 205 den Einheiten 101, 102 und 105 aus Figur 1 entsprechen. Weiterhin ist in Figur 2 ein Modul 220 zur Überwachung von Kurzschlüssen vorhanden. Das Überwachungsmodul 220 wird von den einzelnen Leitungen zugeordneten magnetischen Sensoren 221 bis 223 angesteuert. 9 Aus der Tabelle „Auswertung durch logische Verknüpfung der erfaßten Signale" ergibt sich in selbsterklärender Weise, daß durch die logische Verknüpfung der anhand der Figuren 1 bis 3 im einzelnen erfaßten Signale jeweils neben der Erfassung des /Abbrandes der Kontakte durch die Durchdrucküberwachung weiterhin auch die schaltgerätespezifischen Zustände angegeben werden können. Wesentlich ist dabei, daß weitestgehend auf den gleichen Aufbau der Auswerteschaltungen zurückgegriffen werden kann.In corresponding expansions to the above-described prior art, the remaining service life detection can be carried out according to FIG. 3 with integrated magnetosensor technology for the purpose of short-circuit detection. An overload relay with an integrated unit 200 for detecting the remaining service life in front of the motor 20 is interposed between the contactor 1, the units 201, 202 and 205 corresponding to the units 101, 102 and 105 from FIG. A module 220 for monitoring short-circuits is also present in FIG. The monitoring module 220 is controlled by magnetic sensors 221 to 223 assigned to the individual lines. 9 From the table "Evaluation by logical linkage of the detected signals" it follows in a self-explanatory manner that the logical linkage of the signals recorded in detail with reference to FIGS. 1 to 3 in addition to the detection of / erosion of the contacts by the pressure monitoring also continues to Switching device-specific states can be specified, it is essential that the same structure of the evaluation circuits can be used as far as possible.
Bei der Erfassung des Ankeröffnungsbeginns aus der Spulenspannung wurde bisher die Beschaltung mit R-C-Gliedern ausgeschlossen, da dies zu einem nicht auswertbaren Verlauf der Spulenspannung führt. Als Alternativen werden Varistoren oder Zenerdioden genannt.In the detection of the beginning of the armature opening from the coil voltage, the connection with R-C elements was previously excluded, since this leads to a curve of the coil voltage that cannot be evaluated. Varistors or Zener diodes are mentioned as alternatives.
Es hat sich gezeigt, daß Varistoren Überspannungen nur auf etwa den 1,75-fachen Wert ihrer Nennbetriebsspannung begrenzen. Als günstiger erweisen sich Suppressor-Dioden, deren Stromspannungskennlinie scharf abknickt. Vorteilhaft ist, daß die Suppressor-Dioden, wie auch die Varistoren, im Normalbetrieb keine elektrische Leistung aufnehmen. Eine weitere Beschaltungsmöglichkeit stellt ein über einen Brückengleichrichter an den Plus- und Minusausgang angeschlossener Konden- sator dar, dem zur Entladung ein hochohmiger Widerstand parallel geschaltet ist. Bei eingeschalteter Schützspule lädt sich der Kondensator auf die Spitzenspannung der Steuerphase auf und erhöht kurzzeitig seine Spannung bei der Bedämpfung einer Überspannung. Bei ausgeschalteter Schützspule entlädt sich der Kondensator über den Parallelwiderstand (Verlustleistung = ÜNetz 2/R) .It has been shown that varistors limit overvoltages only to approximately 1.75 times their nominal operating voltage. Suppressor diodes, whose current-voltage characteristic curve breaks sharply, have proven to be cheaper. It is advantageous that the suppressor diodes, like the varistors, do not consume any electrical power in normal operation. Another connection option is a capacitor connected to the plus and minus output via a bridge rectifier, to which a high-resistance resistor is connected in parallel for discharging. When the contactor coil is switched on, the capacitor charges to the peak voltage of the control phase and briefly increases its voltage when an overvoltage is damped. When the contactor coil is switched off, the capacitor discharges through the parallel resistor (power loss = Ü Netz 2 / R).
Bei Freilaufkreisen zur Verhinderung von Überspannungen beim Schalten von gleichstrombetriebenen Schützantrieben kann das 10 Ankeröffnen am Stromverlauf detektiert werden. Die Auswertung des genauen Ankeröffnungszeitpunktes erscheint jedoch kaum möglich, da der charakteristische Signalverlauf um etwa den Faktor 5 gegenüber einem auswertbaren Spulenspannungssignal zeitlich verbreitert ist. Bei Ersatz der Freilaufdiode imWith freewheeling circuits to prevent overvoltages when switching DC-operated contactor drives, this can 10 anchor openings can be detected on the current profile. However, it is hardly possible to evaluate the exact armature opening time, since the characteristic signal curve is time-widened by a factor of 5 compared to an evaluable coil voltage signal. When replacing the freewheeling diode in
Freilaufkreis durch einen mikroprozessorgesteuerten Freilauftransistor, dem zur Schaltspannungsbegrenzung eine Zenerdiode (anti-) parallel geschaltet ist, kann der Ausschaltverzug des Schützes verkürzt und ein auswertbares Spulenspannungssignal erzeugt werden.Free-wheeling circuit by means of a microprocessor-controlled free-wheeling transistor, to which a zener diode (anti) is connected in parallel to limit the switching voltage, the delay in switching off the contactor can be shortened and an evaluable coil voltage signal can be generated.
In Figur 2 wurde das hierzu notwendige Zeitsignal der Schaltspannung an den erstöffnenden Hauptschaltstücken durch Messung der Differenzspannung zwischen einem festen Bezugs- potential, wie Null- oder Erdpotential, und dem Potential eines künstlichen Sternpunktes auf der Lastseite des überwachten Schützes generiert. In bestimmten /Anwendungsfällen können jedoch in einer Schaltanlage weder ein Nulleiter, noch ein Schutzleiter verfügbar sein. Die Möglichkeit, in diesem Fall auf der Einspeiseseite des Schützes mit einem weiteren künstlichen Sternpunkt ein festes Bezugspotential zu bilden, würde zusätzlichen technischen Aufwand erfordern. Als Alternative kann in den Figuren 4 oder 5 der Kontaktöffnungsbeginn ohne Verwendung eines Null- oder Erdpotentials erfaßt werden.In FIG. 2, the time signal of the switching voltage required for this at the first opening main contact pieces was generated by measuring the differential voltage between a fixed reference potential, such as zero or earth potential, and the potential of an artificial star point on the load side of the monitored contactor. In certain / applications, however, neither a neutral conductor nor a protective conductor can be available in a switchgear. The possibility of forming a fixed reference potential on the supply side of the contactor with another artificial star point would require additional technical effort. As an alternative, the start of contact opening can be detected in FIGS. 4 or 5 without using a zero or earth potential.
Gemäß Figur 4 wird das Auftreten einer Schaltspannung als Spannungsabfall in einem Stromzweig der Sternpunktschaltung detektiert. Die gemessene Spannung wird mit einem Hochpaßfilter weiterverarbeitet und liefert eine der Schaltspannung proportionale Ausgangsspannung. Diese kann auf herkömmliche Weise bei Überschreiten eines vorgegeben Schwellwertes das gewünschte Steuersignal des ersten Kontaktöffnungsbeginns erzeugen. Auswertung durch logische Verknüpfung der erfaßten SignaleAccording to FIG. 4, the occurrence of a switching voltage is detected as a voltage drop in a current branch of the star point circuit. The measured voltage is further processed with a high-pass filter and provides an output voltage proportional to the switching voltage. In a conventional manner, this can generate the desired control signal of the first start of contact opening when a predetermined threshold value is exceeded. Evaluation by logically linking the detected signals
Für die Schaltspannungen (Bogenspannung) gelten folgende Gleichungen :The following equations apply to the switching voltages (arc voltage):
Ui + U2 + U3 = 0 , Ij + I , + I3 = 0Ui + U 2 + U 3 = 0, Ij + I, + I 3 = 0
TJ, - USTF = R * I Ϊ + L * d/dt f L + UB TJ. - TJSTF = R * I2 + L * d/dt ( I2 ) + UB2 U3 - USTP = R * I3 + L * d/dt ( I3 ) + UB3 ∑ : USTP = - ( UBI + UB2 + UB3 ) / 3 , wobei U (1,2,3) = Strangspannungen, USTp = Sternpunktspannung, 1(1,2,3) = Strangströme, UB (1,2.3) = Bogenspannungen, R = ohmsche Last, L = induktive Last bedeuten.TJ , - U STF = R * I Ϊ + L * d / dt f L + U B T J. - T JSTF = R * I 2 + L * d / dt (I 2 ) + U B2 U 3 - U STP = R * I 3 + L * d / dt (I 3 ) + U B3 ∑: U STP = - (UBI + U B2 + U B3 ) / 3, where U (1,2,3) = phase voltages, U ST p = star point voltage, 1 (1,2,3) = phase currents, U B (1,2.3) = arc voltages, R = resistive load, L = inductive load.
Im Fall eines erstöffnenden Schaltpols sind z.B. UB2 und UB3 Null und man erhält In the case of a switching pole opening for the first time, for example U B2 and U B 3 are zero and one obtains
Eingesetzt in obige Gleichungen erhält man für L=0, und I: die beiden möglichen Meßwerte an einem Stromzweig der Sternpunktschaltung R * I = U - 2/3 UB R * I = U + 1/3 UB Inserted in the above equations one obtains for L = 0, and I: the two possible measured values on a current branch of the star point circuit R * I = U - 2/3 U B R * I = U + 1/3 U B
In der Figur 4 bedeuten 50 ein passives Hochpaßfilter mit Kapazität Cx und ohmschen Widerstand Rx, über welches eine Einheit 500 zur Bestimmung des Kontaktöffnungszeitpunktes angesteuert wird. Damit wird der Zeitpunkt Tκ genau ermittelt, ohne daß ein Bezugspotential, wie Null- oder Erdpoten- tial, vorhanden sein müßte. Zur Erfassung des Bogenspan- nungsanteils wird der störende 50 Hz - Netzspannungsanteil mit einem Hochpaßfilter 50 (z.B. f(-3dB) = 5 ...10 kHz) eliminiert. Messungen ergeben für einen Aufbau gemäß Figur 4 mit passivem Hochpaßfilter zu einem 16V-Spannungssprung, was der Schaltspannung unmittelbar nach der Kontakttrennung eines Schütz- Brückenkontaktes entspricht, ein Nutzsignal von etwa IV Amplitude bei einem Restsignal der störenden Netzspannung (220 V~) von ebenfalls etwa IV Amplitude. Durch ein aktives Hochpaßfilter, evtl. höherer Ordnung, kann der störende Netzspannungsanteil auf einen vernachlässigbaren Wert reduziert werden.In FIG. 4, 50 denotes a passive high-pass filter with capacitance C x and ohmic resistance R x , via which a unit 500 is controlled to determine the contact opening time. In this way, the time T κ is determined precisely without a reference potential, such as zero or earth potential, having to be present. To detect the arc voltage component, the disturbing 50 Hz mains voltage component is eliminated with a high-pass filter 50 (eg f (-3dB) = 5 ... 10 kHz). Measurements for a structure according to FIG. 4 with a passive high-pass filter to a 16 V voltage jump, which corresponds to the switching voltage immediately after the contact separation of a contactor bridge contact, result in a useful signal of approximately IV amplitude with a residual signal of the disturbing mains voltage (220 V ~) of likewise approximately IV amplitude. An active high-pass filter, possibly of a higher order, can reduce the disturbing mains voltage component to a negligible value.
Zur besseren Unterdrückung des Netzspannungsanteiles in der Meßspannung kann daher statt des passiven Hochpaßfilters 50 aus Figur 4 ein aktives Hochpaßfilter höherer Ordnung oder eine Reihenschaltung aus passivem und aktivem Hochpaßfilter eingesetzt werden.For better suppression of the network voltage component in the measurement voltage, an active high-pass filter of higher order or a series connection of passive and active high-pass filters can therefore be used instead of the passive high-pass filter 50 from FIG.
Mit der Reihenschaltung des passiven Hochpaßfilters 50 kann die Amplitude der Eingangsspannung am aktiven Hochpaßfilter auf zulässige Werte begrenzt werden.With the passive high-pass filter 50 connected in series, the amplitude of the input voltage at the active high-pass filter can be limited to permissible values.
In Figur 5 ist die Schaltung gemäß Figur 4 in der Weise modifiziert, daß an den einen Strang der künstlichen Sternpunktschaltung unmittelbar eine Auswerteeinheit 600 geschaltet ist, die gleichermaßen das Kontaktöffnen und die Netzspannung überwacht. Von den beiden anderen Strängen ist je eine weitere Meßleitung zur Überwachung deren Strangspannung an der Auswerteeinheit angeschlossen. Dabei enthält die Auswerteeinheit 600 passive und/oder aktive Hochpaßfilter zur Erfassung der Schaltspannung des erstöffnenden Schaltkontaktes und darüber hinaus eine elektronische Schaltung zur Erfassung der Strangspannungen der überwachten Stromkreise.In FIG. 5, the circuit in accordance with FIG. 4 is modified in such a way that an evaluation unit 600 is connected directly to the one strand of the artificial star point circuit, which evaluates the contact opening and the mains voltage. From the other two strings, another measuring line is connected to the evaluation unit to monitor its string voltage. In this case, the evaluation unit 600 contains passive and / or active high-pass filters for detecting the switching voltage of the first opening switching contact and, moreover, an electronic circuit for detecting the phase voltages of the monitored circuits.
Während anhand der Figuren im wesentlichen die Überwachung von Schützkontakten beschrieben wurde, gelten für die Rest- lebensdauererfassung an Leistungsschaltern nachfolgende Überlegungen:While the monitoring of contactor contacts was essentially described with the aid of the figures, the following applies to the remaining Lifetime detection at circuit breakers following considerations:
Beim betriebsmäßigen Ausschaltvorgang wird mechanische Ener- gie eines Federkraftspeichers in kinetische Energie der bewegten Schaltschloßkomponenten und der Bewegkontakte, sowie in Reibungsarbeit umgewandelt.During the operational switch-off process, the mechanical energy of a spring force accumulator is converted into kinetic energy of the moving switch lock components and the moving contacts, as well as into friction work.
Mit der Umsetzung mechanischer in kinetische Energie ist der Bewegungsablauf und damit der Zeitbedarf vom Beginn der Ausschaltbetätigung des Schaltschlosses bis zum Kontaktöffnungsbeginn bestimmt.With the conversion of mechanical into kinetic energy, the movement sequence and thus the time required from the start of the actuation of the switch lock to the start of the contact opening is determined.
Durch den Kontaktabbrand ändert sich die Position des beweg- liehen Kontaktträgers zum festen Kontaktträger sowohl imThe contact erosion changes the position of the movable contact carrier to the fixed contact carrier both in the
Einschaltzustand, als auch im Augenblick der Kontakttrennung, und damit korrespondierend die Position der mit dem beweglichen Kontaktträger gekoppelten Schaltschloßkomponenten. Zu diesen Schaltschloßkomponenten zählt z.B. die Schaltwelle, an der die Bewegkontaktträger gelagert sind, oder der Hebelmechanismus zur Kraftübertragung auf die Schaltwelle und/oder auf die Bewegkontakte.Switch-on state, as well as at the moment of contact separation, and thus the position of the switching lock components coupled to the movable contact carrier. These key switch components include e.g. the switching shaft on which the moving contact carriers are mounted, or the lever mechanism for transmitting power to the switching shaft and / or to the moving contacts.
Bei der Bewegung (Linear- und/oder Rotationsbewegung) der Schaltschloßkomponenten handelt es sich im allgemeinen um eine ungleichförmig beschleunigte Bewegung. Durch den Kontaktabbrand wird, wie durch nachfolgende, einfacheThe movement (linear and / or rotational movement) of the switching mechanism components is generally a non-uniformly accelerated movement. The contact erosion, as with the following, is simple
Beispiele dargestellt, eine zeitliche Verschiebung Δt des Kontaktöffnungszeitpunktes zu kürzeren Zeiten bewirkt:Illustrated, a time shift Δt of the contact opening time causes shorter times:
Beschleunigte Bewegung mit konstanter Beschleunigung bAccelerated motion with constant acceleration b
Laufzeiten tι, t2 Laufzeitunterschied Δt = tα - t2 ti = Öffnungszeit im Neuzustand der Kontakte t2 = Öffnungszeit der Kontakte mit Materialabbrand Wege si, s2 Wegunterschied Δs = si - s2 Δs = Positionsänderung infolge des Abbrandes, z.B. Dickenänderung der Kontaktauflagen v: = konstruktiv vorgegebene Konstante, z.B. Geschwindigkeit der positionsüberwachten Schaltschloßkomponente im KontaktöffnungszeitpunktRuntimes tι, t 2 Runtime difference Δt = t α - t 2 ti = opening time when the contacts are new t 2 = opening time of the contacts with material erosion Travel si, s 2 Travel difference Δs = si - s 2 Δs = change in position as a result of the erosion, eg change in thickness of the contact pads v : = constructively specified constant, eg speed of the position-monitored switch component at the time of contact opening
si = b*tι2 , s2 = ^ b*t2 2 , Δs = b ti2 - t2 2) = H b* (2tι - Δt)*Δtsi = b * tι 2 , s 2 = ^ b * t 2 2 , Δs = b ti 2 - t 2 2 ) = H b * (2tι - Δt) * Δt
Mit vi = b*tι folgt Δs = (v; - b*Δt)*ΔtWith vi = b * tι follows Δs = (v ; - b * Δt) * Δt
2.) Gleichförmige Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit v: si = vA ti , s2 = vι*t2 , Δs = Vι*Δt2.) Uniform movement at constant speed v : si = vA ti, s 2 = vι * t 2 , Δs = Vι * Δt
Bei Werten Δt « ti, t2 kann man daher für die ungleichförmg beschleunigte Bewegung beim realen Ausschaltvorgang näherungsweise annehmen Δs ~ Δt bzw. Δs = vα*Δt, mit der konstruktiv vorgegeben Konstante vα .At values Δt «ti, t 2 , one can therefore approximately assume Δs ~ Δt or Δs = v α * Δt for the irregularly accelerated movement in the real switch-off process, with the constructively predetermined constant v α .
Im folgenden wird der Kontaktdurchdruck mit s bezeichnet, wobei dem Neuzustand der konstruktiv vorgegebene Wert sneu und dem Lebensdauerende der Mindestdurchdruck smιn zugeordnet sind.In the following the contact pressure is denoted by s, with the new state being assigned the structurally predetermined value s new and the end of life having the minimum pressure s m ι n .
Bei einer LaufZeitmessung ergeben sich zu den Werten des Kontaktdurchdruckes sneu, s, smir, die zugehörigen Laufzeiten tneu, t und tmin, anhand derer man eine fiktive Geschwindigkeit Vi einführen kann, mit:In the case of a run time measurement, the values of the contact pressure s new , s, s mir , the associated run times t new , t and tmin, which can be used to introduce a fictitious speed Vi with:
sneu - s = Δs = Vι*Δt(s) bzw. Der maximal zulässige Kontaktabbrand Δsmax korrespondiert also mit einer maximalen Verschiebung Δtmax des Kontaktöffnungszeitpunktes zu kürzeren Laufzeiten.s new - s = Δs = Vι * Δt (s) or The maximum permissible contact erosion Δs max thus corresponds to a maximum displacement Δt max of the contact opening time for shorter running times.
Um die zeitliche Verschiebung Δt des Kontaktöffnungszeitpunktes zu erhalten, werden Laufzeiten gemessen, deren Endzeitpunkt mit dem Kontaktöffnungszeitpunkt gleichgesetzt ist. Als Anfangszeitpunkt wird der Zeitpunkt gewählt, bei dem eine ausgewählte Komponente des Schaltschlosses eine vorbestimmte Position während des Ausschaltvorganges erreicht. Damit wird zusätzlich erreicht, daß Kurzschlußabschaltungen, bei denen das Kontaktöffnen infolge von Stromkräften bereits vor dem Erreichen der vorbestimmten Schaltschloßposition erfolgt, nicht zur Auswertung des Kontaktabbrandes herangezogen werden. Dadurch wird eine fehlerhafte Auswertung des Kontaktabbrandes bei Kurzschlußabschaltungen vermieden.In order to obtain the time shift Δt of the contact opening time, runtimes are measured, the end time of which is equated with the contact opening time. The time at which a selected component of the key switch reaches a predetermined position during the switch-off process is selected as the starting time. This also ensures that short-circuit shutdowns, in which the contact opening due to current forces occurs before the predetermined switching lock position is reached, are not used to evaluate the contact erosion. This avoids incorrect evaluation of the contact erosion in the event of short-circuit shutdowns.
Die konstruktiven Eigenschaften des Schaltschlosses bestim- en im Detail die Methode zur Generierung des Anfangszeitpunktes für die LaufZeitmessung. Um bei elektromechanischen Leistungsschaltern eine stabile Einschalt- und Ausschaltposition zu realisieren, ist das Schaltschloß meist in der Funktionsweise eines Kipphebelmechanismus ausgeführt, bei der der Hebelmechanismus bei Positionswechsel eine Totpunktlage zu überwinden hat. Als vorbestimmte Schaltschloßposition zur Erfassung eines Anfangszeitpunktes der Laufzeitmessung wird daher eine Schaltschloßstellung vorgegeben, bei der sich der Hebelmechanismuß zwischen der Totpunktlage und der Endstellung in Ausschaltposition befindet.The design properties of the key switch determine in detail the method for generating the start time for the runtime measurement. In order to achieve a stable switch-on and switch-off position with electromechanical circuit breakers, the switch lock is usually designed as a rocker arm mechanism, in which the lever mechanism has to overcome a dead center position when the position changes. A key switch position in which the lever mechanism is in the switch-off position between the dead center position and the end position is therefore specified as the predetermined key switch position for detecting an initial point in time of the transit time measurement.
Um eine ausreichende Genauigkeit bei der Bestimmung des Kontaktabbrandes bzw. der Restlebensdauer zu erzielen, ist es erforderlich, die den Anfangszeitpunkt charakterisierende Schaltschloßposition auf wenigstens 1/10 mm genau zu erfassen. Da die Geschwindigkeit der positionsüberwachten Schaltschloßkomponente zum Anfangszeitpunkt der LaufZeitmessung kleiner sein wird als zum Endzeitpunkt, ist zu einer Posi- tionsungenauigkeit von 1/10 mm eine Ungenauigkeit der Ab- branderfassung von > 1/10 mm zu erwarten.In order to achieve sufficient accuracy when determining the contact erosion or the remaining service life, it is necessary to characterize the starting time Detect key switch position with an accuracy of at least 1/10 mm. Since the speed of the position-monitored switch lock component will be lower at the start of the running time measurement than at the end, an inaccuracy of the burn-up detection of> 1/10 mm is to be expected at a position inaccuracy of 1/10 mm.
Die geforderte genaue Positionserfassung läßt sich mit berührungslos arbeitenden, feldabhängigen Positionssensoren, wie induktiven oder kapazitiven Wegsensoren, kaum realisieren. Optische Sensoren sind mit dem Problem der Verschmutzung, z.B. durch den Abbrand, ausgesetzt und daher für die Positionserfassung im Schaltgerät nicht sonderlich geeignet. Als einfache, robuste Einrichtung zur Positionserfassung wird ein elektromechanischer Hilfskontakt vorgeschlagen, welcher von der zu überwachenden Schaltschloßkomponente aufgeschlagen wird. Der Festkontakt dieser Hilfskontakt- einrichtung bestimmt die Schlagposition der überwachten Schaltschloßkomponente auf den zugehörigen Bewegkontakt. Hiermit sollte eine reproduzierbare Positionserfassung auf wenigstens 1/10 mm ohne großen Aufwand möglich sein.The exact position detection required can hardly be achieved with contactless, field-dependent position sensors such as inductive or capacitive displacement sensors. Optical sensors are concerned with the problem of contamination, e.g. due to the erosion, exposed and therefore not particularly suitable for position detection in the switchgear. An electromechanical auxiliary contact is suggested as a simple, robust device for position detection, which is opened by the switching lock component to be monitored. The fixed contact of this auxiliary contact device determines the impact position of the monitored switching lock component on the associated moving contact. This should allow a reproducible position detection to at least 1/10 mm without great effort.
Im Neuzustand des Schaltgerätes bzw. bei neuen Schaltkontakten wird nun beim Ausschaltvorgang die Laufzeit tneu erfaßt und in einem geeigneten, nicht flüchtigen Datenspeicher abgespeichert. Mit zunehmendem Kontaktabbrand verkürzt sich die Laufzeit t bis auf einen Wert tmin, der mit dem maximal zulässigen Abbrand Δsmax korrespondiert. Mit der konstruktiv vorgebenen Größe Δtmax (= tneu - tmin) , als maximal zulässiger LaufZeitverkürzung, wird mit einem Mikroprozessor die Restlebensdauer (z.B. in Prozent) bestimmtIn the new state of the switching device or at new switch contacts the running time t will now be newly detected and stored in a suitable non-volatile data memory in the switch-off operation. With increasing contact erosion, the running time t is reduced to a value t min , which corresponds to the maximum permissible erosion Δs max . With the constructively specified variable Δt max (= t new - t min ) as the maximum permissible reduction in running time, the remaining service life (eg in percent) is determined using a microprocessor
Rld[%] = (1 - (Laufzeit (tneu) - Laufzeit (t) ) /Δtmax) *100 . In der obigen Gleichung ist vereinfachend ein linearer Zusammenhang zwischen der Positionsveränderung infolge des Kontaktabbrandes und der Laufzeitänderung angenommen. Unterscheidet sich der Verlauf der Durchdruckänderung aus kon- struktiven Gründen deutlich vom Verlauf der Laufzeitänderung, so ändert sich die fiktive Geschwindigkeit v-. mit der Größe des Kontaktabbrandes. Dies läßt sich näherungsweise berücksichtigen, indem v: durch lineare Interpolation aus den konstruktiv vorgegebenen Werten v/im Neuzustand und V] ' ' am Lebensdauerende gebildet wird:Rld [%] = (1 - (transit time (t n eu) - transit time (t)) / Δt max ) * 100. In the above equation, a linear relationship between the change in position as a result of the contact erosion and the change in transit time is assumed for simplicity. If the course of the change in through-pressure differs significantly from the course of the change in transit time for design reasons, the fictitious speed changes v-. with the size of the contact erosion. This can be taken into account approximately by forming v : by linear interpolation from the design values v / when new and V] '' at the end of the service life:
v: = v-_'*(Δtma - Δt)/ Δtma + v:"* Δt/Δtmax , mit Δt = Laufzeit (tneu) - Laufzeit (t)v : = v -_ '* (Δt ma - Δt) / Δt ma + v : "* Δt / Δt max , with Δt = running time (t new ) - running time (t)
Damit ergibt sich als Bestimmungsgleichung für die Restlebensdauer in Prozent:This gives the equation for determining the remaining life in percent:
Rld[%] = (1 - Δt*vι/Δsmax )*100 Letztere Gleichung kann mit dem vorhandenen Mikroprozessor ausgewertet werden, so daß die Werte online anzeigbar sind. Rld [%] = (1 - Δt * vι / Δs max ) * 100 The latter equation can be evaluated with the existing microprocessor so that the values can be displayed online.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Bestimmung von schaltgerätespezifischen Daten an Kontakten m Schaltgeraten, insbesondere von Schutzkontakten, und/oder zur Bestimmung von betriebsspezi- fiscnen Daten im damit geschalteten Netz, wobei als Ersatzkriterium für den Abbrand der sogenannte Kontaktdurchdruck an der Schaltstrecke erfaßt wird und zur Bestimmung des Abbran- des der Kontaktauflagen der Kontaktstucke jeweils die Durch- druckanderung wahrend des Ausschaltvorganges gemessen und als Restlebensdauer umgerechnet wird, wozu beim Schaltgerateantrieb aus Anker, Magnetspule und zugehörigem Joch eine Zeitmessung des Ankerweges vom Beginn der Ankerbewegung bis zum Beginn der Kontaktoffnung erfolgt, wobei aus der gemessenen Zeit der Ankerweg und hieraus der Durchdruck bestimmt wird, mit einer Meßwerterfassung des Kontaktoffnens auf der Lastseite des überwachten Schaltgerates und mit einer Signalgabe des Ankerbewegungsbeginns aus der Spulenspannung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß aus den Signalen der Durchdruckerfassung zusatzlich die Schalt-, Betriebs- und Fehlerzustande am Schaltgerat und am elektrischen Netz erfaßt werden.1. Method for determining switching device-specific data on contacts m switching devices, in particular protective contacts, and / or for determining operating-specific data in the network connected therewith, the so-called contact pressure on the switching path being recorded as a replacement criterion for the erosion and for determining the When the contact conditions of the contact pieces branch off, the change in pressure during the switch-off process is measured and converted as the remaining service life, for which purpose in the case of the switching device drive comprising armature, solenoid coil and associated yoke, a time measurement of the armature path from the beginning of the armature movement to the beginning of the contact opening takes place measured time of the armature path and from this the pressure is determined, with a measurement of the contact opening on the load side of the monitored switching device and with a signal that the armature begins to start from the coil voltage, characterized in that from d Signals of the pressure-through detection additionally detect the switching, operating and error states on the switching device and on the electrical network.
2. Verfanren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n - z e i c h n e t , daß der Betriebszustand des Schaltgerateantriebes "Elektrisch Em/Aus" erfaßt wird.2. Method according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n - z e i c h n e t that the operating state of the switching device drive "Electrical Em / Off" is detected.
3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Anzahl der Schaltspiele erfaßt wirα.3. The method of claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the number of switching cycles is detected α.
4. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Phasenausfall erfaßt wird. 4. The method according to claim 1, characterized in that a phase failure is detected.
5. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Netzspannungsausfall erfaßt wird.5. The method of claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that a power failure is detected.
6. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n - z e i c h n e t , daß ein Kontaktverschweißen erfaßt wird.6. The method of claim 1, d a d u r c h g e k e n n - z e i c h n e t that a contact welding is detected.
7. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß aus den Signalen der Durchdruckerfassung zusätzlich ein eventuell im Netz vorliegender Kurzschluß abgeleitet wird.7. The method of claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that a short circuit possibly present in the network is also derived from the signals of the pressure detection.
8. Verfahren nach Anspruch 1, 4 und 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß durch die Erfassung des Phasenausfalls und/oder des Netzspannungsausfalls fehlerhafte Auswertungen bei der Bestimmung der Restlebensdauer der Schaltkontakte vermieden werden.8. The method of claim 1, 4 and 5, d a d u r c h g e k e n n e e c h n e t that erroneous evaluations are avoided in the determination of the remaining life of the switching contacts by detecting the phase failure and / or the mains voltage failure.
9. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Signale für den Schaltge- räteantrieb „Elektrisch Ein/Aus" einem Mikroprozessor über einen Optokoppler zur weiteren Auswertung zugeführt werden.9. The method according to claim 1 and 2, d a d u r c h g e k e n e z e i c h n e t that the signals for the switching device drive "electrical on / off" are supplied to a microprocessor via an optocoupler for further evaluation.
10. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß in einem Mikroprozessor die Anzahl der Signalwechsel „Elektrisch Ein/Aus" aufgezählt werden.10. The method according to claim 1 and 3, d a d u r c h g e k e n e z e i c h n e t that the number of signal changes "electrical on / off" are counted in a microprocessor.
11. Verfahren nach Anspruch 1 und 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Phasenausfall im Ein- schaltzustand des Schaltgerätes vom Mikroprozessor erkannt wird.11. The method according to claim 1 and 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that a phase failure in the switched-on state of the switching device is detected by the microprocessor.
12. Verfahren nach Anspruch 1 und 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Netzspannungsausfall über einen Spannungsteiler am künstlichen Sternpunkt vom Mikroprozessor erkannt wird.12. The method according to claim 1 and 5, characterized in that a power failure over a voltage divider at the artificial star point is recognized by the microprocessor.
13. Verfahren nach Anspruch 1 und 6, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , daß das Kontaktverschweißen im13. The method of claim 1 and 6, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t that the contact welding in
Ausschaltzustand des Schaltgerätes bei anliegender Netzspannung erkannt wird.Switch-off status of the switchgear is detected when mains voltage is present.
14. Verfahren nach Anspruch 1 und 7, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , daß ein Kurzschluß durch die14. The method of claim 1 and 7, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t that a short circuit by the
Erfassung des magnetischen Feldes mit einer Magneto-Sensorik erkannt wird.Detection of the magnetic field is detected with a magneto sensor system.
15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 14, mit einer Auswerteschaltung und einem Mikroprozessor zur Bestimmung des Kontaktdurchdrucks aus Zeitsignalen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Mikroprozessor (105, 205) gleichermaßen Signale über den Netzzustand verarbeitet.15. An apparatus for performing the method according to claim 1 or one of claims 2 to 14, with an evaluation circuit and a microprocessor for determining the contact pressure from time signals, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the microprocessor (105, 205) equally processes signals about the network state.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Mikroprozessor (105, 205) von Einheiten (180, 190, 500, 600) zur Auswertung der Netzspannung und/oder der Strangspannung angesteuert wird.16. The apparatus of claim 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the microprocessor (105, 205) is controlled by units (180, 190, 500, 600) for evaluating the line voltage and / or the phase voltage.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Auswerteeinheiten (180, 190, 500, 600) Mittel zur Erfassung von Bogenspannungen an einem künstlichen Sternpunkt (S) beinhalten (Fig. 4) .17. The apparatus as claimed in claim 16, so that the evaluation units (180, 190, 500, 600) include means for detecting arc voltages at an artificial star point (S) (FIG. 4).
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Mittel zur Erfassung der Bogenspannungen ohne Bezugspotential arbeiten.18. The apparatus of claim 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the means for detecting the arc voltages work without reference potential.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß einem der Leitungsstränge (Ll, L2, L3) am künstlichen Sternpunkt (S) ein Hochpaßfilter (50) zugeordnet ist.19. The apparatus according to claim 17, dadurchge indicates that a high-pass filter (50) is assigned to one of the wiring harnesses (Ll, L2, L3) at the artificial star point (S).
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Filter (50) ein passives Hochpaßfilter ist.20. The apparatus of claim 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the filter (50) is a passive high-pass filter.
21. Vorrichtung nach Anspruch 19, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , daß das Filter (50) ein aktives21. The apparatus of claim 19, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t that the filter (50) an active
Hochpaßfilter ist.Is high pass filter.
22. Vorrichtung nach Anspruch 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Filter (50) eine Reihen- Schaltung eines passiven und eines aktiven Hochpaßfilters ist.22. The apparatus of claim 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the filter (50) is a series circuit of a passive and an active high-pass filter.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 22, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Bestim- mung der Bogenspannung ohne Bezugspotential die Auswerteschaltung Meßleitungen zu jedem Leitungsstrang am künstlichen Sternpunkt (S) für die zusätzliche Erfassung der Strangspannungen aufweist. 23. Device according to one of claims 15 to 22, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that for determining the arc voltage without reference potential, the evaluation circuit has measuring lines for each line string at the artificial star point (S) for the additional detection of the string voltages.
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