EP1002325B1 - Verfahren zur bestimmung von schaltgerätespezifischen daten an kontakten in schaltgeräten und/oder von betriebsspezifischen daten im damit geschalteten netz - Google Patents

Verfahren zur bestimmung von schaltgerätespezifischen daten an kontakten in schaltgeräten und/oder von betriebsspezifischen daten im damit geschalteten netz Download PDF

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EP1002325B1
EP1002325B1 EP98948727A EP98948727A EP1002325B1 EP 1002325 B1 EP1002325 B1 EP 1002325B1 EP 98948727 A EP98948727 A EP 98948727A EP 98948727 A EP98948727 A EP 98948727A EP 1002325 B1 EP1002325 B1 EP 1002325B1
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EP
European Patent Office
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accordance
contact
switchgear
voltage
microprocessor
Prior art date
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EP98948727A
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English (en)
French (fr)
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EP1002325A1 (de
Inventor
Fritz Pohl
Norbert Elsner
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • 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 determination of switchgear-specific data on contacts in switchgear, in particular contactor contacts, and / or for determination of company-specific data in the switched Network according to the preamble of claim 1. Besides The invention also relates to the associated device to carry out the procedure.
  • the existing Electronics on the one hand can be used to identify certain malfunctions to recognize during the remaining service life recording and to avoid a false evaluation, and on the other hand for a Switchgear monitoring to gain useful data such as certain states of the switchgear or of the switch electrical network.
  • a Switchgear monitoring to gain useful data such as certain states of the switchgear or of the switch electrical network.
  • Points 1, 2 and 5 relate to switching device-specific Data of the contactor used as switching device and the points 3, 4 and 6 company-specific data in the switched Network.
  • the voltage at the artificial star point is not at zero potential, but alternating voltage is present with the amplitude 1 ⁇ 2 U strand with two intact phases or 1 U strand with an intact phase.
  • 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 latter problem is now solved in that the microprocessor advantageously the evaluation of the remaining service life locks if the two states 'contactor switched on' and 'Phase failure' exist at the same time.
  • the evaluation lock is from the microprocessor in a predetermined time interval updated and unchanged in the following Interval continued.
  • the interval length is the Maximum value of the contactor switch-off time on.
  • all three outer conductors are L1, L2, L3 of the three-phase network interrupted. Ideally would be the star point voltage on the load side of the contactor Zero, regardless of whether the contactor is switched on or off. In fact, those separated from the network, i.e. floating current paths like antennas and there can be interference voltages can be coupled inductively and capacitively.
  • the electronic Evaluation circuit for contact opening reacts then with output signals sporadically generated by the interference signals.
  • the microprocessor evaluates the Remaining service life locked if the two states' contactor switched on 'and' mains voltage failure 'exist simultaneously.
  • the evaluation lock is made in an analogous manner as above stated maintained.
  • Figure 1 shows the schematic representation of a device to identify the remaining service life and their assignment to a contactor 1.
  • An evaluation device 100 is located on the Load side 10 between the contactor and an electrical consumer, for example an engine 20 and is about a first Monitoring module 101 for the detection of the contact opening contacted with the outer conductors L1, L2 and L3.
  • the monitoring unit 101 controls a microprocessor 105 which the contact pressure and additional switching operating states determined.
  • the microprocessor receives further signals 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 an output, if applicable all switchgear-specific data via a bus further evaluation takes place.
  • a contactor magnetic drive 5 is assigned to the contactor there is an anchor 3 with associated yoke 4.
  • These voltage pulses can the microprocessor 105 via an optocoupler can be fed for direct evaluation, or it can e.g. a square-wave signal with a retriggerable time stage are generated, which with a predetermined delay Switching state from on to off with voltage change e.g. from ⁇ high 'to ⁇ low' follows.
  • For the delay time can specify the duration of a network half-period his.
  • the microprocessor 105 includes e.g. the number of Signal change high ⁇ low of the rectangular pulses described in 1.).
  • the phase failure is when contactor 1 is switched on periodic star point signal is detected and can be used in the evaluation circuit of the contact opening according to Figure 2 immediately as periodic (double mains frequency) output signal from Microprocessor can be recognized.
  • Contact welding can take place when the contactor is switched off be detected when mains voltage is present.
  • the one- or two-pole welding is recognized as such, if the states ⁇ contactor drive electrically off 'and 'Phase failure' meet.
  • the one-sided welding A switching bridge can be in the off state of the contactor cannot be measured since the affected switching distance is still electrically separates. It is very likely that it will Bridge contact, however, when the contactor is switched on on the Generate a phase failure on the load side. Therefore at the Fault message ⁇ phase failure 'the additional reference to the two possible causes ⁇ Interruption of an outer conductor - or - contactor switching pole open 'necessary.
  • current transformers such as those in a Overload relays are used.
  • magnetosensors are used, with which the exceeding of a predetermined current threshold is detected.
  • Sensors can also be inexpensive inductance sensors be used. The sensors are isolated immediately arranged on the main current paths so that the measured Magnetic field dominates and the magnetic field influence of neighboring short-circuit-bearing switching devices are neglected can.
  • the short-circuit detection is fundamentally by the microprocessor linked to the contactor switch-on state.
  • the microprocessor can register a registered short circuit Issue additional warning message, the contactor contacts open Check welding.
  • the contactor is switched off to carry out a welding test perform.
  • FIG. 2 shows an example of a circuit for generating a time signal T K 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 K 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.
  • the technology can, according to FIG. 3, determine the remaining service life With integrated magneto sensors for short-circuit detection respectively.
  • Contactor 1 has an overload relay with an integrated one Residual life detection unit 200 before Motor 20 interposed, the units 201, 202 and 205 correspond to units 101, 102 and 105 from FIG. 1.
  • a module 220 for monitoring of Short circuits exist.
  • the monitoring module 220 is operated by magnetic sensors assigned to the individual lines 221 to 223 controlled.
  • varistors only limit overvoltages 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.
  • Anchor opening can be detected on the current profile.
  • the evaluation the exact time of anchor opening hardly appears possible because the characteristic signal curve around the Factor 5 compared to an evaluable coil voltage signal is widened in time.
  • a Zener diode to limit the switching voltage (anti) connected in parallel, the switch-off delay of the Contactor shortens and an evaluable coil voltage signal be generated.
  • 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.
  • 50 denotes a passive high-pass filter with capacitance C X and ohmic resistance R X , by means of which a unit 500 is controlled to determine the contact opening time.
  • the time T K is exactly determined without a reference potential, such as zero or earth potential, having to be present.
  • Measurements for a structure according to FIG. 4 with passive High pass filter to a 16V voltage jump which is the switching voltage immediately after the contact separation of a contactor bridge contact corresponds to a useful signal of approximately 1V Amplitude with a residual signal of the disturbing mains voltage (220 V ⁇ ) of also about 1V amplitude.
  • passive High-pass filters possibly of a higher order, can cause the disturbing mains voltage component reduced to a negligible value become.
  • the circuit according to FIG. 4 is modified in such a way that that to one strand of the artificial star point circuit an evaluation unit 600 is switched directly which is both the contact opening and the mains voltage supervised. One of the two other strands is another Measuring line for monitoring their string voltage on the Evaluation unit connected.
  • the evaluation unit contains 600 passive and / or active high-pass filters for detection the switching voltage of the first opening switching contact and in addition, an electronic circuit for recording the String voltages of the monitored circuits.
  • circuit breakers While essentially monitoring based on the figures of contactor contacts apply to the remaining service life recording The following considerations for circuit breakers:
  • Contact erosion changes the position of the movable one Contact carrier to the fixed contact carrier both in Switch-on status, as well as at the moment of contact separation, and correspondingly the position of the movable one Contact carrier coupled switch lock components.
  • switch components include e.g. the selector shaft which the moving contact carriers are mounted, or the lever mechanism for power transmission to the selector shaft and / or on the moving contacts.
  • the maximum permissible contact erosion ⁇ s max thus corresponds to a maximum displacement ⁇ t max of the contact opening time for shorter running times.
  • the required exact position detection can be done without contact working, field-dependent position sensors, like inductive or capacitive displacement sensors.
  • Optical sensors are dealing with the problem of pollution, e.g. by the burn, exposed and therefore for the Position detection in the switchgear is not particularly suitable.
  • an electromechanical auxiliary contact is proposed, which of the switch component to be monitored is opened. The fixed contact of this auxiliary contact device determines the beat position of the monitored Switch lock component on the associated moving contact. This should be a reproducible position detection be at least 1/10 mm possible without great effort.

Landscapes

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

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung von schaltgerätespezifischen Daten an Kontakten in Schaltgeräten, insbesondere Schützkontakten, und/oder zur Bestimmung 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.
In der vorveröffentlichten DE 44 27 006 A1 sowie in den nichtvorveröffentlichten DE 196 03 310 A1 und DE 196 03 319 A1 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 bestimmt, 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 Kontaktöffnungsbeginn zurücklegt.
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 Vorrichtungsanspruch 15. Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die vorhandene Elektronik einerseits dazu benutzt werden, bestimmte Störzustände 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 geringstem Zusatzaufwand gewonnen und mit einem üblicherweise bereits vorhandenen Mikroprozessor ausgewertet werden können.
Mit der Erfindung ist also die Erfassung zusätzlicher Zustände 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:
  • 1. Erfassung 'Schützantrieb elektrisch Ein/Aus'
  • 2. Anzahl der Schaltspiele
  • 3. Erfassung 'Phasenausfall'
  • 4. Erfassung `Netzspannungsausfall'
  • 5. Erfassung 'Kontaktverschweißen'
  • 6. Erfassung 'Kurzschluß'
    • Dabei betreffen die Punkte 1, 2 und 5 schaltgerätespezifische Daten des als Schaltgerät verwendeten Schützes und die Punkte 3, 4 und 6 betriebsspezifische Daten im damit geschalteten Netz.
    Bei Phasenausfall liegt die Spannung am künstlichen Sternpunkt nicht auf Nullpotential, sondern es steht Wechselspannung an mit der Amplitude ½ 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.
    Letzteres Problem wird nun dadurch gelöst, daß der Mikroprozessor vorteilhafterweise die Auswertung der Restlebensdauer sperrt, wenn die beiden Zustände 'Schütz 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.
    Bei Netzspannungsausfall sind dagegen alle drei Außenleiter L1, 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.
    Auch hier wird durch den Mikroprozessor die Auswertung der Restlebensdauer gesperrt, wenn die beiden Zustände 'Schütz eingeschaltet' und 'Netzspannungsausfall' gleichzeitig bestehen. Die Auswertesperre wird in analoger Weise wie oben angegeben aufrecht erhalten.
    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.
    Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen jeweils als Schaltbild
    Figur 1
    die Erfassung der Restlebensdauer von Schützkontakten beim Ausschaltvorgang mit gleichzeitiger Ermittlung von betriebsrelevanten Daten bzw. Zuständen,
    Figur 2
    die Generierung des Öffnungszeitpunktes TK für die erstöffnenden Schaltkontakte von Schützen beim Ausschaltvorgang in Drehstromnetzen und Überwachung der Netzspannung durch Spannungsmessung an einem künstlichen Sternpunkt,
    Figur 3
    ein Beispiel für die Restlebensdauererfassung mit integrierter Magnetosensorik,
    Figur 4
    die Erfassung des Kontaktöffnens am künstlichen Sternpunkt ohne Verwendung eines weiteren Bezugspotentials und
    Figur 5
    die Auswertung zur Erfassung der Strangspannungen an den Stromzweigen am künstlichen Sternpunkt gemäß Figur 4.
    Gleiche bzw. gleichwirkende Elemente haben in den einzelnen Figuren gleiche Bezugszeichen. Die Figuren werden teilweise gemeinsam beschrieben.
    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 Verbraucher, beispielsweise einem Motor 20 und ist über ein erstes Überwachungsmodul 101 zur Erkennung des Kontaktöffnens mit den Außenleitern L1, 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.
    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.
    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 schaltgerätespezifische Daten ermittelt, auf die eingangs bereits hingewiesen wurde. Dies sind im einzelnen:
    1.) Schützantrieb "elektrisch Ein/Aus"
    Die elektronische Schaltung zur Erfassung des Ankeröffnungsbeginns aus der Spulenspannung erzeugt bei den Nulldurchgängen 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 `hoch' nach `tief' folgt. Für die Verzögerungszeit kann die Dauer einer Netzhalbperiode vorgegeben sein.
    2.) Anzahl der Schaltspiele
    der Mikroprozessor 105 zählt hierzu z.B. die Anzahl der Signalwechsel hoch ⇒ tief der in 1.) beschriebenen Rechteckpulse.
    3.) Phasenausfall
    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.
    4.) Netzspannungsausfall
    Es wird an einem Spannungsteiler der künstlichen Sternpunktschaltung, der zwischen dem lastseitigen Meßanschluß eines Außenleiters und der Meßerde angeschlossen ist, eine zur Strangspannung proportionale Spannung abgegriffen und als digitales Signal weiterverarbeitet.
    Wird im Einschaltzustand des Schützes keine derartige Spannung gemessen und erkennt der Mikroprozessor auch keinen Phasenausfall, so wird als Ergebnis ein Netzspannungsausfall angezeigt.
    5.)Kontaktverschweißen
    Das Kontaktverschweißen kann im Ausschaltzustand des Schützes bei anliegender Netzspannung erkannt werden.
    Der Extremfall der dreipoligen Verschweißung wird anhand der Zustände `Schützantrieb elektrisch Aus' und `kein Netzspannungsausfall' erkannt.
    Die ein- oder zweipolige Verschweißung wird als solche erkannt, wenn die Zustände `Schützantrieb elektrisch Aus' und `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.
    6.) Kurzschluß
    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 magnetoresistiven Sensoren können auch kostengünstige Induktivitätssensoren eingesetzt werden. Die Sensoren werden isoliert unmittelbar auf den Hauptstrombahnen angeordnet, damit das gemessene Magnetfeld dominiert und der Magnetfeldeinfluß benachbarter kurzschlußtragender Schaltgeräte vernachlässigt werden kann.
    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 Verschweißprüfung durchzuführen. Hierzu kann die Steuerphase des Schützantriebes über einen vom Mikroprozessor gesteuerten Öffner-Kontakt kurzzeitig, oder bei andauerndem Kurzschluß dauerhaft ausgeschaltet werden.
    Figur 2 zeigt ein Schaltungsbeispiel zur Generierung eines Zeitsignals TK beim Kontaktöffnungsbeginn der am stärksten abgebrannten Hauptkontakte. Die wesentliche Eigenschaft dieser Schaltung besteht darin, die Kontaktspannungen (Bogenspannung) 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 TK für die erstöffnenden Schaltkontakte beim Ausschaltvorgang bestimmt und andererseits gleichzeitig die Netzspannung überwacht werden.
    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 Überlastrelais 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.
    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.
    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.
    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 Kondensator 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 = ÛNetz 2/R).
    Bei Freilaufkreisen zur Verhinderung von Überspannungen beim Schalten von gleichstrombetriebenen Schützantrieben kann das 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 im 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.
    In Figur 2 wurde das hierzu notwendige Zeitsignal der Schaltspannung an den erstöffnenden Hauptschaltstücken durch Messung der Differenzspannung zwischen einem festen Bezugspotential, 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.
    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.
    Figure 00110001
    Für die Schaltspannungen (Bogenspannung) gelten folgende Gleichungen: U1 + U2 + U3 = 0 ,   I1 + I2 + I3 = 0
    Figure 00120001
    wobei U(1,2,3) = Strangspannungen, USTP = Sternpunktspannung, I(1,2,3) = Strangströme, UB(1,2,3) = Bogenspannungen, R = ohmsche Last, L = induktive Last bedeuten.
    Im Fall eines erstöffnenden Schaltpols sind z.B. UB2 und UB3 Null und man erhält USTP = - UB1 / 3
    Eingesetzt in obige Gleichungen erhält man für L=0, U:=U1,2,3 und I:=I1,2,3 die beiden möglichen Meßwerte an einem Stromzweig der Sternpunktschaltung R * I = U - 2/3 UB R * I = U + 1/3 UB
    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 TK genau ermittelt, ohne daß ein Bezugspotential, wie Null- oder Erdpotential, vorhanden sein müßte. Zur Erfassung des Bogenspannungsanteils 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 1V Amplitude bei einem Restsignal der störenden Netzspannung (220 V∼) von ebenfalls etwa 1V Amplitude. Durch ein aktives Hochpaßfilter, evtl. höherer Ordnung, kann der störende Netzspannungsanteil auf einen vernachlässigbaren Wert reduziert werden.
    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.
    Mit der Reihenschaltung des passiven Hochpaßfilters 50 kann die Amplitude der Eingangsspannung am aktiven Hochpaßfilter auf zulässige Werte begrenzt werden.
    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.
    Während anhand der Figuren im wesentlichen die Überwachung von Schützkontakten beschrieben wurde, gelten für die Restlebensdauererfassung an Leistungsschaltern nachfolgende Überlegungen:
    Beim betriebsmäßigen Ausschaltvorgang wird mechanische Energie eines Federkraftspeichers in kinetische Energie der bewegten Schaltschloßkomponenten und der Bewegkontakte, sowie in Reibungsarbeit umgewandelt.
    Mit der Umsetzung mechanischer in kinetische Energie ist der Bewegungsablauf und damit der Zeitbedarf vom Beginn der Ausschaltbetätigung des Schaltschlosses bis zum Kontaktöffnungsbeginn bestimmt.
    Durch den Kontaktabbrand ändert sich die Position des beweglichen Kontaktträgers zum festen Kontaktträger sowohl im 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.
    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, einfache Beispiele dargestellt, eine zeitliche Verschiebung Δt des Kontaktöffnungszeitpunktes zu kürzeren Zeiten bewirkt:
  • 1.) Beschleunigte Bewegung mit konstanter Beschleunigung b Laufzeiten t1, t2 Laufzeitunterschied Δt = t1- t2
  • t1 = Öffnungszeit im Neuzustand der Kontakte
  • t2 = Öffnungszeit der Kontakte mit Materialabbrand
    • Wege s1, s2 Wegunterschied Δs = s1 - s2
    Δs =
    Positionsänderung infolge des Abbrandes, z.B. Dickenänderung der Kontaktauflagen
    v1 =
    konstruktiv vorgegebene Konstante, z.B. Geschwindigkeit der positionsüberwachten Schaltschloßkomponente im Kontaktöffnungszeitpunkt
    s1 = ½ b*t1 2, s2 = ½ b*t2 2, Δs = ½ b*(t1 2 - t2 2) = ½ b*(2t1 - Δt)*Δt
    Mit v1 = b*t1 folgt Δs = (v1 - ½ b*Δt)*Δt
  • 2.) Gleichförmige Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit v1 s1 = v1* t1, s2 = v1*t2, Δs = v1*Δt
    • Bei Werten Δt << t1, t2 kann man daher für die ungleichförmg beschleunigte Bewegung beim realen Ausschaltvorgang näherungsweise annehmen Δs ~ Δt bzw. Δs = v1*Δt, mit der konstruktiv vorgegeben Konstante v1.
    Im folgenden wird der Kontaktdurchdruck mit s bezeichnet, wobei dem Neuzustand der konstruktiv vorgegebene Wert Sneu und dem Lebensdauerende der Mindestdurchdruck Smin zugeordnet sind.
    Bei einer Laufzeitmessung ergeben sich zu den Werten des Kontaktdurchdruckes sneu, s, smin die zugehörigen Laufzeiten tneu, t und tmin, anhand derer man eine fiktive Geschwindigkeit v1 einführen kann, mit: sneu - s = Δs = v1*Δt(s) bzw. sneu - smin = Δsmax = v1*Δtmax
    Der maximal zulässige Kontaktabbrand Δsmax korrespondiert also mit einer maximalen Verschiebung Δtmax des Kontaktöffnungszeitpunktes zu kürzeren Laufzeiten.
    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.
    Die konstruktiven Eigenschaften des Schaltschlosses bestimmen 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.
    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 Positionsungenauigkeit von 1/10 mm eine Ungenauigkeit der Abbranderfassung von > 1/10 mm zu erwarten.
    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 Hilfskontakteinrichtung 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.
    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) bestimmt 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 konstruktiven Gründen deutlich vom Verlauf der Laufzeitänderung, so ändert sich die fiktive Geschwindigkeit v1 mit der Größe des Kontaktabbrandes. Dies läßt sich näherungsweise berücksichtigen, indem v1 durch lineare Interpolation aus den konstruktiv vorgegebenen Werten v1' im Neuzustand und v1'' am Lebensdauerende gebildet wird: v1 = v1'*(Δtmax - Δt) / Δtmax + v1''*Δt/Δtmax,    mit Δt = Laufzeit(tneu) - Laufzeit(t)
    Damit ergibt sich als Bestimmungsgleichung für die Restlebensdauer in Prozent: Rld[%] = (1 - Δt*v1/Δsmax)*100 Letztere Gleichung kann mit dem vorhandenen Mikroprozessor ausgewertet werden, so daß die Werte online anzeigbar sind.

    Claims (21)

    1. Verfahren zur Bestimmung von schaltgerätespezifischen Daten an Kontakten in Schaltgeräten, insbesondere von Schützkontakten, und/oder zur Bestimmung von betriebsspezifischen Daten im damit geschalteten Netz, wobei als Ersatzkriterium für den Abbrand der sogenannte Kontaktdurchdruck an der Schaltstrecke erfaßt wird und zur Bestimmung des Abbrandes der Kontaktauflagen der Kontaktstücke jeweils die Durchdruckänderung während des Ausschaltvorganges gemessen und als Restlebensdauer umgerechnet wird, wozu beim Schaltgeräteantrieb aus Anker, Magnetspule und zugehörigem Joch eine Zeitmessung des Ankerweges vom Beginn der Ankerbewegung bis zum Beginn der Kontaktöffnung erfolgt, wobei aus der gemessenen Zeit der Ankerweg und hieraus der Durchdruck bestimmt wird, mit einer Meßwerterfassung des Kontaktöffnens auf der Lastseite des überwachten Schaltgerätes und mit einer Signalgabe des Ankerbewegungsbeginns aus der Spannung der Magnetspule, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Signalen der Durchdruckerfassung durch Spannungsmessung an der Magnetspule des Schaltgeräteantriebes und an Schaltpolen des Schaltgerätes, insbesondere an einem kunstlichen Sternpunkt, nicht nur der Durchdruck bestimmt, sondern zusätzlich die Schalt-, Betriebs- und Fehlerzustände am Schaltgerät und am elektrischen Netz erfaßt werden.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebszustand des Schützantriebes "Elektrisch Ein/Aus" erfaßt wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Schaltspiele erfaßt wird.
    4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Phasenausfall erfaßt wird.
    5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Netzspannungsausfall erfaßt wird.
    6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kontaktverschweißen erfaßt wird.
    7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Signalen der Durchdruckerfassung zusätzlich ein eventuell im Netz vorliegender Kurzschluß abgeleitet wird.
    8. Verfahren nach Anspruch 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Erfassung des Phasenausfalls und/oder des Netzspannungsausfalls fehlerhafte Auswertungen bei der Bestimmung der Restlebensdauer der Schaltkontakte vermieden werden.
    9. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale für den Schützantrieb "Elektrisch Ein/Aus" einem Mikroprozessor über einen Optokoppler zur weiteren Auswertung zugeführt werden.
    10. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Mikroprozessor die Anzahl der Signalwechsel "Elektrisch Ein/Aus" aufgezählt werden.
    11. Verfahren nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Phasenausfall im Einschaltzustand des Schützes vom Mikroprozessor erkannt wird.
    12. Verfahren nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Netzspannungsausfall über einen Spannungsteiler am künstlichen Sternpunkt vom Mikroprozessor erkannt wird.
    13. Verfahren nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktverschweißen im Ausschaltzustand des Schützes bei anliegender Netzspannung erkannt wird.
    14. Verfahren nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kurzschluß durch die Erfassung des magnetischen Feldes mit einer Magneto-Sensorik erkannt wird.
    15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 14, mit einer Auswerteschaltung und einem Mikroprozessor (105, 205) zur Bestimmung des Kontaktdurchdrucks aus Zeitsignalen, wobei der Mikroprozessor (105, 205) gleichermaßen Signale über den Netzzustand verarbeitet, wozu der Mikroprozessor (105, 205) von Einheiten (180, 190, 500, 600) zur Auswertung der Netzspannung und/oder der Strangspannung angesteuert wird, die Mittel zur Erfassung von Bogenspannungen, insbesondere an einem künstlichen Sternpunkt (S), beinhalten (Fig. 4).
    16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erfassung der Bogenspannungen ohne Bezugspotential arbeiten.
    17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß einem der Leitungsstränge (L1, L2, L3) am künstlichen Sternpunkt (S) ein Hochpaßfilter (50) zugeordnet ist.
    18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (50) ein passives Hochpaßfilter ist.
    19. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (50) ein aktives Hochpaßfilter ist.
    20. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (50) eine Reihenschaltung eines passiven und eines aktiven Hochpaßfilters ist.
    21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, d adurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung zur Bestimmung der Bogenspannung ohne Bezugspotential für die zusätzliche Erfassung der Strangspannungen Meßleitungen zu jedem Leitungsstrang am künstlichen Sternpunkt (S) aufweist.
    EP98948727A 1997-08-07 1998-08-05 Verfahren zur bestimmung von schaltgerätespezifischen daten an kontakten in schaltgeräten und/oder von betriebsspezifischen daten im damit geschalteten netz Expired - Lifetime EP1002325B1 (de)

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