EP1327254A1 - Verfahren und vorrichtung zur reduzierung des kontaktabbrandes eines schaltgerätes - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur reduzierung des kontaktabbrandes eines schaltgerätes

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EP1327254A1
EP1327254A1 EP01987939A EP01987939A EP1327254A1 EP 1327254 A1 EP1327254 A1 EP 1327254A1 EP 01987939 A EP01987939 A EP 01987939A EP 01987939 A EP01987939 A EP 01987939A EP 1327254 A1 EP1327254 A1 EP 1327254A1
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EP
European Patent Office
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phase
command
erosion
angle
contact
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EP01987939A
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EP1327254B1 (de
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Norbert Elsner
Gerd Griepentrog
Reinhard Maier
Diethard Runggaldier
Bernhard Streich
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Application granted granted Critical
Publication of EP1327254B1 publication Critical patent/EP1327254B1/de
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/54—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere
    • H01H9/56—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the ac cycle
    • H01H9/563—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the ac cycle for multipolar switches, e.g. different timing for different phases, selecting phase with first zero-crossing
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H11/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of electric switches
    • H01H11/0062—Testing or measuring non-electrical properties of switches, e.g. contact velocity

Definitions

  • the invention relates to a method for reducing the contact wear of a switching device, in particular a contactor. It further relates to an apparatus for performing the method.
  • main contacts switch a three-phase system
  • the aim is to reduce the contact erosion by suitable operation and thus to increase the operating time of the switching device.
  • switching synchronization effect a uniform erosion can be achieved in the usually three main contacts, which increases the operating time. This is already the wiring of the switchgear or
  • a desired equalization of the contact erosion can be increased by avoiding the so-called auto-synchronization of the switching device.
  • switching commands can be delayed according to certain methods in such a way that the switching angles are evenly distributed.
  • the main contact arrangement most severely affected by the current erosion could be relieved by suitable selection of the switching time. This would place a greater load on the other two main contact arrangements, which would also bring about leveling.
  • the invention is based on the object of specifying a method for reducing the contact erosion of a switching device, in particular a contactor, with which on the one hand a diverging erosion of the main contacts, in particular caused by the switching synchronism, and on the other hand the total erosion of all three main contact arrangements of the switching device is reduced. Furthermore, a device that is particularly suitable for carrying out the method is to be specified.
  • this object is achieved according to the invention by the features of claim 1.
  • a switching device after receiving a switch-on command, it is delayed until a preferred phase or command angle is reached, which is assigned to the main contact with the currently most severe erosion.
  • the command or switching command angle1 is a specific point in time related to the phase position of the control or coil voltage for the electromagnetic actuation of the main contacts.
  • the switch-on command angle takes into account the contact closing time that is dependent on this between the application of the coil or control voltage of the magnet system of the switching device coupled to the main contacts and the contact of the contact elements of the respective main contacts.
  • the invention is based on the consideration that in every half of the network period there are three preferred times or command angles at which a switching operation causes a statistically lower total burnup of all three main contacts than any other
  • Time or any other equally distributed command angle Exactly one main contact can be assigned to each of the preferred points in time or command angle, which, on a statistical average, has a lower burnup compared to the other two main contacts when a switching operation initiated at this time or at this command angle.
  • This assignment between the preferred times ten or command angles and the main contacts is unambiguous, so that each main contact or each main contact arrangement is also assigned exactly one preferred command angle.
  • Each preferred command angle has two essential properties, namely, on the one hand, minimal burn-up for a specific main contact. On the other hand, if this preferred command angle, which is assigned to only one of the main contacts, is selected, the burn-up is statistically smaller for all main contacts than for any other command angle.
  • the delay can be brought about, for example, by a discretely implemented delay element or by a microcontroller. Since there are a total of three preferred command angles or times for every half network period, the delay is at most 180 °, which corresponds to a delay time of 10 ms at a network frequency of 50 Hz. In this way, the avoidance of any switching synchronization is ensured on the one hand. On the other hand, a reduction in the cumulative contact erosion is achieved in all three main contacts or main contact arrangements.
  • the current erosion of the three main contacts is preferably determined by measuring the time interval during the switch-off process.
  • the time span between a separation of the magnetic system provided for the electromagnetic actuation of the main contacts and the separation of the main contacts is recorded.
  • the magnet system can be separated by a characteristic voltage pulse on the associated one
  • Magnetic coil can be detected.
  • the separation of the main contacts also results in a voltage pulse, the level of which corresponds at least to the anode-cathode voltage of an arc that arises.
  • a time interval measurement is described for example in DE 196 03 310 AI and DE 196 03 319 AI.
  • the time interval measurement uses the knowledge that the burn-off of the main contacts is primarily in a reduction in the thickness of the contact pad and thus expressed in a shortened way.
  • the device thus comprises a number of evaluation elements for determining the erosion of each main contact of the switching device.
  • each evaluation element carries out a time interval measurement based on the voltage across the respective main contact and the voltage of the magnet coil of the magnet system.
  • the three preferred command angles which are phase angles of the coil or control voltage for the magnet system of the switching device assigned to the three phases of the three-phase network, are expediently stored as a table in a memory module.
  • a phase comparator generates a comparison of the
  • Main contact with the command or phase angle currently assigned to the strongest erosion with the phase angle of the currently detected control voltage of the magnet system provides a pulse to initiate the switching process.
  • the pulse sequence of the generated pulse expediently corresponds to half a network period.
  • a flip-flop connected downstream of the phase comparator preferably a flip-flop, transmits the switch-on command to a switch for applying the control or coil voltage to the magnet system with the pulse generated by the phase comparator.
  • the phase comparator is connected to a phase output of the switching device, to which one of the phases of the three-phase network is connected.
  • FIG. 1 shows a basic circuit diagram of a switching device with an arrangement for reducing the contact erosion
  • FIG. 2 shows the closing time dependent on the switch-on command angle in an angle / time diagram
  • FIG. 3 shows in an angle / speed diagram the closing speed dependent on the switch-on command angle
  • FIG. 4 shows in an angle / time diagram the lift-off time dependent on the switch-on command angle of main contacts of the switching device
  • main contacts K1 to K3 whose immovable contact elements Kla, K2a and K3a, on the one hand, have phase connections 2 of a three-phase network
  • the movable contact elements Klb, K2b and K3b of the main contact clocks K1 to K3 are actuated by a common magnet system with a magnet coil 4.
  • the magnetic coil 4, with which the main contacts K1 to K3 are mechanically coupled, is connected via a control line 5 on the one hand to the phase connection 2 of the phase conductor L3 and on the other hand to the connection 2 of the neutral conductor N.
  • the control line 5 there is a switch 6 for actuating the magnet coil 4 and thus for actuating, ie for switching the magnet system of the switching device 1 on and off.
  • An evaluation element A L3 , A h2 , A LI is assigned to each main contact K1 to K3 to determine the contact wear of the respective main contact K1 to K3.
  • Each of these Ausenseglieder Ar .3, A L2, A L1 is the one hand, via a measuring line 7, the voltage U ⁇ , U 2, U 3 U about the respective main contact Kl to K3 and via measurement lines 8, the control or coil voltage S at the Solenoid 4 supplied.
  • the evaluation elements A rj3 , A L2 , A h ⁇ carry out a time interval measurement and thus determine the current erosion values ⁇ m 1 , ⁇ m 2 , ⁇ m 3 of the main contacts Kl to K3, ie the respective thickness of the remaining contact pads the main contacts Kl to K3.
  • a function block 9 is used in a function block 9 to determine a B. according to a so-called max-index function, the main contact Kl, K2 or K3 with the greatest erosion is determined.
  • a memory module 10 in which three preferred switch-on command angles ⁇ in a table. ⁇ 2 . ⁇ 3 are stored, the relevant command angle ⁇ ⁇ v for the following switching process is taken and forwarded to a phase comparator 11.
  • the phase comparator 11 continuously compares the phase angle ⁇ of the coil or control voltage U s with the preferred command angle ⁇ K v and, if they match, outputs a short pulse S which is, for example, approximately 100 ⁇ s long.
  • the phase comparator 11 is connected via a control line 12 to the connection 2 of the neutral conductor N and to one of the phase connections 2, in the exemplary embodiment phase L3, of the three-phase network.
  • the polarity of the coil voltage U ⁇ is not taken into account, so that the pulses S are output at intervals of half a network period T / 2.
  • the pulse S is fed to an input Ei of a flip-flop 13, at whose further input E an external switching command, ie the external switch-on command ES, is pending.
  • the flip-flop 13 takes over the switching command ES present at the input E 2 and thus initiates the switch-on process via the delay-free switch 6.
  • the switch-on command angle ⁇ ⁇ is the phase angle related to the phase position of the sinusoidal control or protective coil voltage U s . It can be seen from the curve that the closing time t s, which is dependent on the switch-on command angle ⁇ ⁇ , is not constant, but is subject to a fluctuation of more than 10 ms. At a network frequency of 50 Hz, this corresponds to an angle ⁇ ⁇ of more than 180 °.
  • the closing speed v s dependent on the switch-on command angle inkel, ie the speed at which the main contacts K1, K2, K3 meet.
  • the closing speed v s is dependent on the switch-on command angle ⁇ ⁇ .
  • the course of the closing speed v s is significantly dependent on the structural conditions of the respective contactor or switching device 1, so that generally valid statements cannot be made in practice.
  • the closing speed v s is subjected to statistical scatter at a constant switch-on command angle ⁇ ⁇ , which is evident from the error band determined in accordance with the measured standard deviation. Nevertheless, the closing speed v s of all three main contacts K1, K2, K3 is approximately the same, which is reflected in the single graph.
  • the withdrawal_2 duration t ab is the accumulated time during which the main contacts K1, K2, K3 are again separated from one another after the first contact.
  • a light arc relevant for the burnup is gene between the contact elements la to 3b of the main contacts Kl to K3.
  • a comparison of the graphs according to FIGS. 3 and 4 shows a clear relationship between the closing time t s and the lifting time t ab . Therefore causes a high closing speed v s also a comparatively long Abhebedauer from out. Therefore, as well as from simple considerations of elastic collision and to the spring-mass systems can in averaging over many circuits with the same closing speed v s for all three main contacts Kl to K3 are also approximately the same Abhebedauer t be assumed from. This can be done through the relationship
  • the amount of the flowing current i during the bounce lifting of the main contacts K1 to K3 is also important for the burnup. It can be assumed that the erosion is proportional to the integral of the arc current i over time.
  • the arc current i is usually potentiated with a contact-specific constant k according to the relationship:
  • ⁇ m are the contact erosion and C v and k in particular of the properties of the main contact Kl to K3, z.
  • ⁇ SLI ( ⁇ K + f ' ( ⁇ / ° • 360 ° + 240 °) mod 360 °
  • T ⁇ S 2 ( ⁇ K + - ⁇ - 360 ° + 120 °) mod 360 °
  • ⁇ sL3 ( ⁇ - ⁇ - 360 ° mod 360 ° T
  • T is the network period with a period of 20 ms as a rule.
  • ⁇ s is the closing angle related to the respective phase or phase line Ll, L2, L3.
  • the main contacts Kl, K2, K3, two processes are at the burnup involved, namely on the one hand each have the same for all the main contacts Kl to K3 Abhebedauer t, and on the other hand for all i main contacts Kl to K3 respectively different height of the arc current.
  • This is also evident from the experimentally determined course of the relative bounce charge Q of the three main contacts K1, K2, K3 which is dependent on the switch-on command angle ⁇ ⁇ and is shown in FIG.
  • the relative bounce charge Q is the actual bounce charge related to the effective value of the nominal current.
  • the control voltage U s is in turn coherent with the outer or phase conductor L3.
  • the mean value of the three relative impact charges Q is drawn in there in the form of a line marked with crosses.
  • the reason for this is that for these switch-on command angles ⁇ ⁇ the relative bounce charge Q of an assigned main contact Kl.K2.K3 each has a local minimum and also the mean value of the bounce charges Q of all three main contacts K1, K2, K3 is lower than the average is.
  • the control phase is changed so that the control or coil voltage Us phase-synchronized z. B. to phase or external line Ll, the preferred switch-on command angle ⁇ ⁇ are to be rotated accordingly.
  • the switching on of an alternating current driven, electromagnetically operated contactor 1 is influenced by utilizing its specific properties in such a way that on the one hand the switching synchronization effect is avoided and on the other hand the erosion of the main contacts K1, K2, K3 is reduced overall.

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Abstract

Zur Reduzierung des Kontaktabbrandes eines Schaltgerätes (1), insbesondere eines Schützes, wird ein Einschaltbefehl (ES) bis zum Erreichen desjenigen auf den Phasenwinkel (Y) der Steuerspannung (US) eines mit den Hauptkontakten (K1, K2, K3) des Schaltgerätes gekoppelten Magnetsystems (4) bezogenen Kommandowinkels (YKn) verzögert, der dem jeweiligen Hauptkontakt (K1, K2, K3) mit dem aktuell stärksten Abbrand zugeordnet ist. Dazu sind eine Anzahl von Auswertegliedern (ALn) zur Bestimmung des Kontaktabbrandes (Dmn) und ein Speicherbautein (10) für bestimmte Kommandowinkel (YKn) sowie ein Phasenkomparator (11) vorgesehen, der anhand eines Vergleiches des bevorzugten Kommandowinkels (YKn) mit dem Phasenwinkel (Y) der erfassten Steuerspannung (US) einen Impuls (S) zur Einleitung des Schaltvorgangs erzeugt.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Reduzierung des Kontaktabbrandes eines Schaltgerates
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Reduzierung des Kontaktabbrandes eines Schaltgerätes, insbesondere eines Schütz. Sie bezieht sich weiter auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens .
Bei einem mit Wechselstrom angesteuerten und elektromagnetisch betätigten Schaltgerät, dessen nachfolgend als Hauptkontakte bezeichneten Hauptkontaktanordnungen ein Drehstromsystem schalten, besteht das Bestreben, durch geeignete Be- triebsführung den Kontaktabbrand zu reduzieren und damit die Funktionsdauer des Schaltgerätes zu erhöhen. So kann durch Vermeidung des sogenannten Schaltsynchronisationseffektes ein gleichmäßiger Abbrand in den üblicherweise drei Hauptkontakten erreicht werden, wodurch die Funktionsdauer erhöht wird. Dazu ist bereits die Beschaltung der Schaltgeräte- bzw.
Schützspule mit einer Kapazität vorgeschlagen worden. Darüber hinaus kann eine angestrebte Vergleichmäßigung des Kontaktabbrandes durch Vermeidung der sogenannten Autosynchronisation des Schaltgerätes erhöht werden. Dazu können beispiels- weise Schaltbefehle nach bestimmten Methoden derart verzögert werden, dass eine gleichmäßige Verteilung der Schaltwinkel hervorgerufen wird.
Um sowohl den Autosynchronisationseffekt als auch den z.B. durch Fertigungstoleranzen hervorgerufen mechanischen Synchronisationseffekt auszugleichen, könnte durch geeignete Wahl des Schaltzeitpunktes die vom aktuellen Abbrand am stärksten betroffene Hauptkontaktanordnung bezüglich des Ab- brandes entlastet werden. Dadurch würden die beiden anderen Hauptkontaktanordnungen stärker belastet, wodurch ebenfalls eine Nivellierung herbeigeführt wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Reduzierung des Kontaktabbrandes eines Schaltgerätes, insbesondere eines Schützes, anzugeben, mit dem einerseits ein, insbesondere durch den Schaltsynchronismus hervorgerufener, divergierender Abbrand der Hauptkontakte und andererseits der summarische Abbrand aller drei Hauptkontaktanordnungen des Schaltgerätes reduziert wird. Des Weiteren soll eine zur Durchführung des Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung angegeben werden .
Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruches 1. Dazu wird bei einem Schaltgerät nach Erhalt eines Einschaltbefehles dieser bis zum Erreichen eines bevorzugten Phasen- oder Kommando- winkeis verzögert, der demjenigen Hauptkontakt mit dem aktuell stärksten Abbrand zugeordnet ist. Der Kommando- oder Einschal kommandowinke1 ist dabei ein bestimmter, auf die Phasenlage der Steuer- oder Spulenspannung zum elektromagnetischen Betätigen der Hauptkontakte bezogener Zeitpunkt. Der Einschaltkommandowinkel berücksichtigt dabei die von diesem abhängige Kontaktschließzeit zwischen dem Anlegen der Spulenoder Steuerspannung des mit den Hauptkontakten gekoppelten Magnetsystems des Schaltgerätes und der Berührung der Kontaktelemente der jeweiligen Hauptkontakte.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass in jeder halben Netzperiode drei bevorzugte Zeitpunkte oder Kommandowinkel existieren, zu denen ein Schaltvorgang einen im statistischen Mittel geringeren summarischen Abbrand aller drei Hauptkontakte verursacht als ein beliebiger anderer
Zeitpunkt oder ein beliebiger anderer gleich verteilter Kommandowinkel. Dabei kann jedem der bevorzugten Zeitpunkte oder Kommandowinkel genau ein Hauptkontakt zugeordnet werden, der einem zu diesem Zeitpunkt bzw. zu diesem Kommandowinkel ein- geleiteten Schaltvorgang im statistischen Mittel einen gegenüber den anderen beiden Hauptkontakten geringeren Abbrand aufweist. Diese Zuordnung zwischen den bevorzugten Zeitpunk- ten oder Kommandowinkeln und den Hauptkontakten ist eineindeutig, so dass jedem Hauptkontakt oder jeder Hauptkontaktanordnung auch exakt ein bevorzugter Kommandowinkel zugeordnet ist. Jedem bevorzugten Kommandowinkel sind dabei zwei we- sentliche Eigenschaften, nämlich einerseits ein minimaler Abbrand für einen bestimmten Hauptkontakt. Andererseits ist bei Wahl dieses bevorzugten und nur einem der Hauptkontakte zugeordneten Kommandowinkels für alle Hauptkontakte der Abbrand im statistischen Mittel kleiner als bei einem beliebigen anderen Kommandowinkel.
Die Verzögerung kann beispielsweise durch ein diskret realisiertes Verzögerungsglied oder durch einen Mikrokontroller bewerkstelligt werden. Da insgesamt drei bevorzugte Komman- dowinkel oder Zeitpunkte für jede halbe Netzperiode existieren, beträgt die Verzögerung höchstens 180°, was bei einer Netzfrequenz von 50 Hz einer Verzögerungszeit von 10 ms entspricht. Auf diese Weise ist einerseits die Vermeidung jeglicher Schaltsynchronisation sichergestellt. Andererseits wird eine Reduzierung des kumulierten Kontaktabbrandes in allen drei Hauptkontakten oder Hauptkontaktanordnungen erreicht .
Der aktuelle Abbrand der drei Hauptkontakte wird vorzugsweise durch eine Zeitintervallmessung während des Ausschaltvorgangs bestimmt. Hierbei wird die Zeitspanne zwischen einer Trennung des zur elektromagnetischen Betätigung der Hauptkontakte vorgesehenen Magnetsystems und der Trennung der Hauptkontakte erfasst. Die Trennung des Magnetsystems kann hierbei durch einen charakteristischen Spannungsimpuls an der zugeordneten
Magnetspule detektiert werden. Die Trennung der Hauptkontakte resultiert ebenfalls in einem Spannungsimpuls , dessen Höhe mindestens der Anoden-Kathoden-Spannung eines entstehenden Lichtbogens entspricht. Eine derartige Zeitintervallmessung ist beispielsweise beschrieben in der DE 196 03 310 AI und der DE 196 03 319 AI. Die Zeitintervallmessung nutzt die Erkenntnis, dass sich der Abbrand der Hauptkontakte primär in einer Verringerung der Dicke der Kontaktauflage und damit in einem verkürzten Weg äußert.
Bezüglich der Vorrichtung wird die genannte Aufgabe erfin- dungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruches 5. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der auf diesen rückbezogenen Unteransprüche.
So umfasst die Vorrichtung eine Anzahl von Auswertegliedern zur Bestimmung des Abbrandes jedes Hauptkontaktes des Schaltgerätes. Dazu führt jedes Auswerteglied anhand der Spannung über dem jeweiligen Hauptkontakt und der Spannung der Magnetspule des Magnetsystems eine Zeitintervallmessung durch. Die drei bevorzugten Kommandowinkel, die den drei Phasen des Drehstromnetzes zugeordnete Phasenwinkel der Spulen- oder Steuerspannung für das Magnetsystem des Schaltgerätes sind, sind zweckmäßigerweise als Tabelle in einem Speicherbaustein hinterlegt .
Ein Phasenkomparator erzeugt anhand eines Vergleichs des dem
Hauptkontakt mit dem aktuell stärksten Abbrand zugeordneten Kommando- oder Phasenwinkels mit dem Phasenwinkel der aktuell erfaßten Steuerspannung des Magnetsystems einen Impuls zur Einleitung des Schaltvorgangs . Dabei entspricht die Impuls- folge des erzeugten Impulses zweckmäßigerweise einer halben Netzperiode. Eine dem Phasenkomparator nachgeschaltete Kippstufe, vorzugsweise ein Flipflop, übergibt mit dem vom Phasenkomparator erzeugten Impuls den Einschaltbefehl an einen Schalter zum Anlegen der Steuer- oder Spulenspannung an das Magnetsystem. Zur Ermittlung des Phasenwinkels der vorzugsweise kontinuierlich erfassten SteuerSpannung ist der Phasenkomparator mit einem Phasenausgang des Schaltgerätes verbunden, an den eine der Phasen des Drehstromnetzes angeschlossen ist .
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch Verzögerung und damit durch gezielte Beeinflussung des Einschaltvorgangs eines mit Wechselstrom angesteuerten, elektromagnetisch betätigten Schaltgerätes, insbesondere eines Schützes, unter Nutzung dessen spezifischer Eigenschaften einerseits der Synchronisationseffekt vermieden und andererseits der Abbrand der Hauptkontakte insgesamt reduziert wird. Dabei wird eine Veränderung sowohl des durch die Hauptkontakte zu schaltenden Hauptstromkreises als auch des Schaltgerätes selbst vermieden.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
FIG 1 ein Prinzipschaltbild eines Schaltgerätes mit einer Anordnung zur Reduzierung des Kontaktabbrandes, FIG 2 in einem Winkel/Zeit-Diagramm die vom Einschaltkommandowinkel abhängige Schließzeit,
FIG 3 in einem Winkel/Geschwindigkeits-Diagramm die vom Einschaltkommandowinkel abhängige Schließgeschwindigkeit, FIG 4 in einem Winkel/Zeit-Diagramm die vom Einschaltkommandowinkel abhängige Abhebedauer von Hauptkontakten des Schaltgerätes,
FIG 5 in einem Winkel/Winkel-Diagramm die vom Einschaltkommandowinkel abhängigen Schließwinkel der Haupt- kontakte, und
FIG 6 in einem weiteren Diagramm die vom Einschaltkommandowinkel abhängige relative Prellladung.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
FIG 1 zeigt ein Schütz als Schaltgerät 1 mit drei nachfolgend als Hauptkontakte Kl bis K3 bezeichneten Hauptkontaktanordnungen, deren unbeweglichen Kontaktelemente Kla,K2a bzw. K3a einerseits mit Phasenanschlüssen 2 eines Drehstromnetzes
L1,L2, 3,N und andererseits mit einer Last 3 verbunden sind. Die beweglichen Kontaktelemente Klb,K2b und K3b der Hauptkon- takte Kl bis K3 werden von einem gemeinsamen Magnetsystem mit einer Magnetspule 4 betätigt. Die Magnetspule 4, mit der die Hauptkontakte Kl bis K3 mechanisch gekoppelt sind, ist über eine Steuerleitung 5 einerseits mit dem Phasenanschluss 2 des Phasenleiters L3 und andererseits mit dem Anschluss 2 des Neutralleiters N verbunden. In der Steuerleitung 5 liegt ein Schalter 6 zum Ansteuern der Magnetspule 4 und somit zum Betätigen, d. h. zum Ein- und Ausschalten des Magnetsystems des Schaltgerätes 1.
Jedem Hauptkontakt Kl bis K3 ist ein Auswerteglied AL3 , Ah2 , ALI zur Ermittlung des Kontaktabbrandes des jeweiligen Hauptkontaktes Kl bis K3 zugeordnet. Jedem dieser Auswerteglieder Ar.3 , AL2 , AL1 wird einerseits über eine Messleitung 7 die Span- nung Uι,U2,U3 über dem jeweiligen Hauptkontakt Kl bis K3 und andererseits über Messleitungen 8 die Steuer- oder Spulenspannung Us an der Magnetspule 4 zugeführt. Anhand dieser Spannungen U1;U2,U3 und Us führen die Auswerteglieder Arj3,AL2, Ahχ eine Zeitintervallmessung durch und bestimmen damit die aktuellen Abbrandwerte Δm1,Δm2,Δm3 der Hauptkontakte Kl bis K3 , d. h. die jeweilige Dicke der verbleibenden Kontaktauflagen der Hauptkontakte Kl bis K3.
Aus den dadurch ermittelten aktuellen Abbrandwerten Δmι,Δm2, Δrr-3 wird in einem Funktionsbaustein 9 nach einem vorgegebenen funktionalen Zusammenhang, z. B. nach einer sogenannten max- index-Funktion, der Hauptkontakt Kl , K2 oder K3 mit dem größten Abbrand bestimmt. Mittels eines Speicherbausteins 10, in dem tabellarisch drei bevorzugte Einschaltkommandowinkel Ψκι. Ψκ2.Ψκ3 hinterlegt sind, wird der für den folgenden Schaltvorgang maßgebliche Kommandowinkel Ψκv entnommen und an einen Phasenkomparator 11 weitergeleitet.
Der Phasenkomparator 11 vergleicht kontinuierlich den Phasen- winkel Ψ der Spulen- oder Steuerspannung Us mit dem bevorzugten Kommandowinkel ΨKv und gibc bei Übereinstimmung einen kurzen Impuls S aus, der beispielsweise etwa 100 μs lang ist. Dazu ist der Phasenkomparator 11 über eine Steuerleitung 12 mit dem Anschluß 2 des Nullleiters N und einem der Phasenanschlüsse 2, im Ausführungsbeispiel der Phase L3 , des Drehstromnetzes verbunden. Im Phasenkomparator 11 bleibt dabei die Polarität der Spulenspannung UΞ unberücksichtigt, so dass die Impulse S im Abstand von einer halben Netzperiode T/2 ausgegeben werden. Der Impuls S wird an einen Eingang Ei eines Flipflops 13 geführt, an dessen weiteren Eingang E ein externer Schaltbefehl, d.h. der externe Einschaltbefehl ES, ansteht. Das ausgangsseitig mit dem Schalter 6 verbundene
Flipflop 13 übernimmt mit dem am Eingang Ei anstehenden Impuls S den am Eingang E2 anstehenden Schaltbefehl ES und leitet somit über den verzögerungsfreien Schalter 6 den Einschaltvorgang ein.
Die Ableitung der bevorzugten Kommandowinkel Ψv aus dem Schaltverhalten des elektromagnetisch betätigten Schaltgerates oder Schützes 1 wird nachfolgend anhand der FIG 2 bis 6 näher beschrieben. Beispielhaft wird hierzu der durch Messun- gen verifizierte Einschaltvorgang eines 37kW-Schützes herangezogen .
FIG 2 zeigt die vom Einschaltkommandowinkel Ψκ abhängige Schließzeit ts . Diese gibt die Zeit vom Anlegen der Steuer- oder Spulenspannung Us bis zur Berührung der Kontaktelemente
Kla bis K3b der Hauptkontakte Kl bis K3 an. Der Einschaltkommandowinkel Ψκ ist hierbei der auf die Phasenlage der sinusförmigen Steuer- bzw. Schutzspulenspannung Us bezogene Phasenwinkel. Aus dem Verlauf ist ersichtlich, dass die vom Einschaltkommandowinkel Ψκ abhängige Schließzeit ts nicht konstant, sondern einer Schwankung von mehr als 10 ms unterworfen ist. Dies entspricht bei einer Netzfrequenz von 50 Hz einem Winkel ψκ von mehr als 180°.
Für Ψκ = n ■ 180°, mit n e N, ist die Schaltzeit ts minimal. Grund hierfür ist, dass dort bei Einschaltung der fast ausschließlich induktiven Schütz- oder Magnetspule 4 ein maxi- males transientes Gleichstromglied hervorgerufen wird, was insgesamt eine höhere Anzugskraft zur Folge hat. Bei konstantem Einschaltkommandowinkel Ψκ ist die Schließzeit ts nahezu keinen statistischen Schwankungen unterworfen. Somit kann in Kenntnis des Kommandowinkels Ψκ die Schließzeit ts und damit auch der Schließzeitpunkt der Hauptkontakte K1,K2,K3 sehr genau bestimmt werden. Wesentlich dabei ist, dass zwar die Schließzeit ts aller drei Hauptkontakte Kl,K2,K3 konstant ist, der auf die jeweilige Netzspannung bezogene Schließwin- kel jedoch in den drei Hauptkontakten K1,K2,K3 bei einem
Schaltvorgang aufgrund der Phasenverschiebung im Drehstromsystem jeweils um 120° versetzt ist.
FIG 3 zeigt die vom Einschaltkommandowinkel ψ abhängige Schließgeschwindigkeit vs, d.h. die Geschwindigkeit, mit der die Hauptkontakte Kl,K2,K3 aufeinander treffen. Ebenso wie die Schließzeit ts ist auch die Schließgeschwindigkeit vs abhängig vom Einschaltkommandowinkel Ψκ. Im Gegensatz zur Schließzeit ts ist jedoch der Verlauf der Schließgeschwindig- keit vs erheblich von den konstruktiven Gegebenheiten des jeweiligen Schützes oder Schaltgerätes 1 abhängig, so dass allgemein gültige Aussagen praktisch nicht gemacht werden können. Darüber hinaus ist die Schließgeschwindigkeit vs bei konstantem Einschaltkommandowinkel Ψκ einer statistischen Streuung unterworfen, was aus dem entsprechend der gemessenen Standardabweichung ermittelten Fehlerband hervorgeht. Dennoch ist die Schließgeschwindigkeit vs aller drei Hauptkontakte Kl , K2 , K3 näherungsweise gleich, was sich in dem einzigen Graphen widerspiegelt.
FIG 4 zeigt die vom Einschaltkommandowinkel Ψκ abhängige Abhebedauer tab aller drei Hauptkontakte Kl , K2 , K3 während des sogenannten Einschaltprellens . Die Abheb_2dauer tab ist hierbei die kumulierte Zeit, während derer die Hauptkontakte Kl, K2 , K3 nach der ersten Berührung erneut voneinander getrennt sind. Hierbei wird ein für den Abbrand maßgeblicher Lichtbo- gen zwischen den Kontaktelementen la bis 3b der Hauptkontakte Kl bis K3 hervorgerufen.
Aus einem Vergleich der Graphen gemäß den FIG 3 und 4 ist ein deutlicher Zusammenhang zwischen der Schließzeit ts und der Abhebedauer tab ersichtlich. Demnach ruft eine hohe Schließgeschwindigkeit vs auch eine vergleichsweise lange Abhebedauer ab hervor. Daher sowie auch aus einfachen Überlegungen zum elastischen Stoß und zu Feder-Masse-Systemen kann bei Mittlung über viele Schaltungen bei gleicher Schließgeschwindigkeit vs für alle drei Hauptkontakte Kl bis K3 auch von etwa gleicher Abhebedauer tab ausgegangen werden. Dies lässt sich durch die Beziehung
audrücken, wobei C eine schaltgerätespezifische Konstante ist .
Zusätzlich zur Schließgeschwindigkeit vs und damit zur Abhebedauer tab ist für den Abbrand auch die Höhe des fließenden Stromes i während der Prellabhebungen der Hauptkontakte Kl bis K3 von Bedeutung. Dabei kann davon ausgegangen werden, dass der Abbrand proportional zum Integral des Lichtbogen- Stromes i über die Zeit ist. Dabei wird zusätzlich der Lichtbogenstrom i in der Regel mit einer kontaktspezifischen Konstante k potenziert gemäß der Beziehung:
Dabei sind Δm der Kontaktabbrand und Cv und k insbesondere von den Eigenschaften des Hauptkontaktes Kl bis K3 , z. B. dessen Geometrie und Material, abhängige Konstanten.
Obwohl die erste Berührung der Kontaktelemente la bis 3b der Hauptkontakte Kl bis K3 im absoluten, zeitlichen Maßstab nahezu gleichzeitig stattfindet, ist der auf die jeweilige Netzspannung bezogene elektrische Schließwinkel der Hauptkontakte K1,K2,K3 nicht gleich, sondern aufgrund der um 120° versetzten Spannungen im Dreiphasen-System ebenfalls um 120° versetzt. Dieser Zusammenhang ist in FIG 5 verdeutlicht, in der die auf 360° normierten Schließwinkel in den drei Hauptkontaktanordnungen Kl , K2 , K3 in Abhängigkeit des Einschaltkommandowinkels Ψκ gezeigt sind. Der in FIG 5 gezeigte Verlauf lässt sich unter Nutzung der Schließzeit ts mit Hilfe der nachfolgenden Gleichungen formulieren, wobei die An- Steuerung der Schütz- oder Magnetspule 4 kohärent zum Außenoder Phasenleiter L3 ist und an den Hauptkontakten Kl,K2,K3 ein rechtsdrehendes Dreileitersystem geschaltet wird:
ΨSLI = (ΨK + f'(Ψ/° • 360° + 240°) mod 360° T ΨS 2 = (ΨK + -^^-360° + 120°) mod 360°
T
ΨsL3 = (Ψκ - ^^ - 360° mod 360° T
Dabei ist T die Netzperiode mit in der Regel 20 ms Periodendauer. Ψs ist der auf die jeweilige Phase oder Phasenleitung Ll,L2,L3 bezogene Schließwinkel. Mod 360° bezeichnet den Mo- dulu-Operator, dessen Anwendung den Divisionsrest bei einer Division durch 360° ergibt. Beispielsweise würde sich bei einem Winkel von 540° = 1,5 • 360° und einer Division durch 360° der Faktor 1,5 ergeben. Aus dem numerischen Rest von 0,5 würde sich somit eine Divisionsrest von 180° ergeben.
Daraus folgt, dass zwar die Abhebedauer tab der Hauptkontakte Kl bis K3 etwa gleich ist, der fließende Strom bei diesen Abhebungen prinzipiell aber unterschiedlich ist. In Näherung kann für den fließenden Strom in den Hauptkontaktanordnungen Kl,K2,K3 während der Prellabhebung angesetzt werden:
iu = C" • sin(Ψκ + ^^ • 360° + 240°) T in = C" • sin( V . 360° + 120°) iu = C" • sin(Ψκ 4- l Ϊ . 36o°) r
Dabei ist C" eine von der zu schaltenden Last 3 und der Netz- Spannung abhängige Konstante.
Somit sind am Abbrand der Hauptkontakte Kl,K2,K3 zwei Prozesse beteiligt, nämlich einerseits die für alle Hauptkontakte Kl bis K3 jeweils gleiche Abhebedauer tab und andererseits die für alle Hauptkontakte Kl bis K3 jeweils unterschiedliche Höhe des Lichtbogenstromes i. Dies wird auch anhand des in FIG 6 dargestellten experimentell bestimmten Verlaufs der vom Einschaltkommandowinkel Ψκ abhängigen relativen Prellladung Q der drei Hauptkontakte Kl,K2,K3 deutlich. Als relative Prell- ladung Q wird hierbei die auf den Effektivwert des Nennstroms bezogene tatsächliche Prellladung bezeichnet.
Bei der in FIG 6 dargestellten Abhängigkeit der relativen Prellladung Q vom Einschaltkommmandowinkel Ψκ ist die Steuer- Spannung Us wiederum kohärent zum Außen- oder Phasenleiter L3. Zusätzlich ist dort der Mittelwert der drei relativen Prellladungen Q eingezeichnet in Form einer mit Kreuzen markierten Linie. Diese mit Kreuzen markierte Linie weist im Bereich um etwa Ψκ = 50° und Ψ = 85° jeweils Minima auf, die deutlich unter dem durchschnittlichen Wert der Prellladung Q liegen. Die Bereiche um diese Minima sind demnach potenzielle Bereiche für bevorzugte Einschaltkommandowinkel Ψκ.
Daraus ergibt sich, dass die bevorzugten Einschaltkommando- winkel bei ΨKi = 55° für den Phasenleiter Ll, bei Ψκ2 = 80° für den Phasenleiter L2 und bei Ψκ3 = 65° für den Phasenleiter L3 liegen. Grund hierfür ist, dass zu diesen Einschaltkommandowinkeln Ψκ die relative Prellladung Q eines zugeordneten Hauptkontaktes Kl.K2.K3 jeweils ein lokales Minimum aufweist und auch der Mittelwert der Prellladungen Q aller drei Hauptkontakte K1,K2,K3 niedriger als der Durchschnitt ist. Wird die Steuerphase gewechselt, so dass die Steueroder Spulenspannung Us phasensynchron z. B. zur Phasen- oder Außenleitung Ll ist, so sind auch die bevorzugten Einschaltkommandowinkel Ψκ entsprechend zu rotieren.
Insgesamt wird somit der Einschaltvorgang eines mit Wechselstrom angesteuerten, elektromagnetisch betätigten Schützes 1 unter Ausnutzung seiner spezifischen Eigenschaften derart be- einflusst, dass einerseits der Schaltsynchronisationseffekt vermieden und andererseits der Abbrand der Hauptkontakte Kl, K2 , K3 insgesamt reduziert wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Reduzierung des Kontaktabbrandes eines Schaltgerätes (1), bei dem ein zum elektromagnetischen Be- tätigen dessen Hauptkontakte (Kl bis K3 ) anstehender Einschaltbefehl (ES) zur Einleitung eines Schaltvorgangs bis zum Erreichen desjenigen auf den Phasenwinkel (Ψ) der Steuerspannung (Us) eines mit den Hauptkontakten (Kl bis K3 ) gekoppelten Magnetsystems (4) bezogenen Kommandowinkels (ΨV) ver- zögert wird, der dem Hauptkontakt (K1,K2,K3) mit dem aktuell stärksten Abbrand zugeordnet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der aktuelle Abbrand jedes Hauptkontaktes (Kl,K2,K3) durch eine Zeitintervallmes- sung während eines Ausschaltvorgangs bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem als Zeitintervall die Zeitspanne zwischen einer Trennung eines zur elektromagnetischen Betätigung der Hauptkontakte (K1,K2,K3) dienenden Mag- netsystems (4) und der Trennung der Hauptkontakte (K1,K2,K3) erfasst wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , bei dem bei Übereinstimmung des dem Hauptkontakt (K1,K2,K3) mit dem aktu- eil stärksten Abbrand zugeordneten Kommandowinkels (ΨKv) mit dem Phasenwinkel (Ψ) der kontinuierlich erfaßten Steuerspan- nung (Us) des Magnetsystems (4) ein Impuls (S) zur Einleitung des Schaltvorgangs erzeugt wird.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , mit einer Anzahl von Auswertegliedern (ALn) zur Bestimmung des Abbrandes jedes Hauptkontaktes (Kl,K2,K3) des Schaltgerätes , - mit einem Speicherbaustein (10), in dem ein Anzahl von auf den Phasenwinkel (Ψ) einer Steuerspannung (O ) für ein Magnetsystem (4) des Schaltgerätes (1) bezogenen Kommandowinkeln (ΨRV) hinterlegt ist, und mit einem Phasenkomparator (10), der anhand eines Vergleichs des dem Hauptkontakt (K1,K2,K3) mit dem aktuell stärksten Abbrand zugeordneten Kommandowinkels (ΨKv) mit dem Phasenwinkel (Ψ) der erfaßten Steuerspannung (Us) des Magnetsystems (4) einen Impuls (S) zur Einleitung des Schaltvorgangs erzeugt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, mit einer dem Phasenkomparator (11) nachgeschalteten Kippstufe (13), die mit dem vom Phasenkomparator (11) erzeugten Impuls (S) den Einschaltbefehl (ES) an einen in einer Steuerleitung (5) des Magnetsystems (4) angeordneten Schalter (6) übergibt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Phasenkomparator (10) zur Ermittlung des Phasenwinkels (Ψ) der kontinuierlich erfassten Steuerspannung (Us) mit einem an eine der Phasen (L1,L2,L3) eines Drehstromnetzes angeschlossenen Pha- senausgang (2) des Schaltgerätes (1) verbunden ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der jedes Auswerteglied (ALn) einerseits über eine Messleitung (7) zur Erfassung der Spannung (Un) über dem jeweiligen Hauptkon- takt (Kl,K2,K3) und andererseits mit einer Messleitung (8) zur Erfassung der Steuerspannung (Us) des Magnetsystems (4) verbunden ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, mit einem mit den Auswertegliedern (ALn) verbundenen Funktionsbaustein
(9) zur Ermittlung des Hauptkontaktes (Kl,K2,K3) mit dem aktuell stärksten Abbrand.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Impulsfolge (T/2) des vom Phasenkomparator (11) erzeugten Impulses (S) einer halben Netzperiode entspricht.
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