EP1573760B1

EP1573760B1 - Verfahren zur bestimmung der restlebensdauer eines schaltgerätes und zugehörige anordnung

Info

Publication number: EP1573760B1
Application number: EP03785581A
Authority: EP
Inventors: Norbert Elsner; Peter Heider; Dirk Hertz; Reinhard Maier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2003-12-17
Publication date: 2008-04-09
Anticipated expiration: 2023-12-17
Also published as: DE10260248A1; EP1573760A1; CN100409386C; CN1748273A; DE50309598D1; WO2004057633A1; DE10260248B4

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der Restlebensdauer eines Schaltgerätes und zugehörige AnordnungBekannt ist die Überwachung des Durchdruckes bei der Bewegung vom Schaltgeräteantrieb zur Bestimmung des Abbrandes von Kontaktstücken und zur Ermittlung der Restlebensdauer des Schaltgerätes. Dabei können zur Durchdrucküberwachung insbesondere zwei Intervalle bei der Antriebsbewegung erfasst werden. Gemäß der Erfindung ist zur Erfassung und Anzeige des Kontaktabbrandes und/oder des Schaltgerätemechanikverschleißes durch Durchdrucküberwachung ein separater Sensor vorhanden, mit dem zur Ermittlung der Zeitintervalle zwischen zwei Ereignissen zumindest eines der Ereignisse erfasst wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Restlebensdauer eines Vakuumschaltgerätes, insbesondere zur Erfassung und Anzeige von Verschleißzuständen des Schaltgerätes, durch Überwachung des Durchdruckes bei der Bewegung des Schaltgeräteantriebes, wobei zur Durchdrucküberwachung Zeitintervalle zwischen zwei signifikanten Ereignissen bei der Antriebsbewegung ermittelt werden. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf die zugehörige Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Die Restlebensdauer eines Schaltgerätes hängt vom Verschleißzustand während des betriebsmäßigen Einsatzes des Schaltgerätes ab. Unter Verschleißzustand von Vakuumschaltgeräten wird im vorliegenden Zusammenhang die Bestimmung des Abbrandes von den Kontakten und/oder des Verschleißes der Schaltgerätemechanik insbesondere von Vakuumschützen verstanden.
Bei Schaltgeräten können je nach Belastungsart die schaltenden Kontakte oder die gesamte Antriebsmechanik abgenützt sein. Entscheidende Bestimmungsgröße für den Verschleiß eines Schaltgerätes ist die Anpresskraft bzw. Kontaktkraft, mit der die Durchdruckfeder die Kontakte im geschlossenen Zustand gegeneinander presst. Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich auf ein Vakuumschütz und bevorzugte Anwendung der Erfindung für ein Vakuumschaltgerät.
Die Durchdruckfeder befindet sich zwischen einer Federauflage und einer Bolzenführung, die fest mit dem beweglichen Kontakt verbunden ist. Während des Schließvorganges bewegen sich zunächst Federauflage, Durchdruckfeder mit Bolzenführung sowie Bewegkontakt gemeinsam auf den Festkontakt zu. Nachdem der bewegliche Kontakt den Festkontakt berührt hat, bewegt sich die Federauflage weiter in Richtung der Kontakte. Die hierdurch verursachte Kompression der vorgespannten Durchdruckfeder ruft schließlich die notwendige Kontaktkraft hervor. Der Weg der Federauflage vom Punkt des Schließens der Kontakte bis zur endgültigen Lage der Federauflage wird als Durchdruck bezeichnet und ist mit entscheidend für die erzeugte Kontaktkraft. Der Durchdruck und Kontaktkraft sind über die Federkonstante der Durchdruckfeder miteinander gekoppelt. Der Ausschaltvorgang erfolgt in analoger Weise invers.
Der Durchdruck sowie Kontaktkraft lassen im Laufe der Lebensdauer eines Schaltgerätes nach, weil

der Abbrand an den Kontakten zu einem vergrößerten Weg des beweglichen Kontaktes führt und damit der Durchdruck bei gleicher Endlage der Federauflage verringert wird und
durch mechanischen Verschleiß und Abrieb innerhalb des Schaltgerätes die Endlage der Federauflage von den Schaltkontakten wegwandert und damit ebenfalls der Durchdruck verringert wird.

Sinkt der Durchdruck bzw. die Kontaktkraft eines Schaltgerätes im Laufe der Lebensdauer ab, so können ab bestimmten werten Kontaktverschweißungen sowie Schaltversager auftreten, die schwere Anlagenschäden verursachen können.
Insbesondere für Luftschütze ist bereits ein Verfahren zur Restlebensdauererkennung des Kontaktabbrandes bekannt, bei dem der Abbrand durch Messung des Zeitintervalls zwischen Ankeröffnung, der durch einen charakteristischen Peak in der Spulenspannung gekennzeichnet ist, und Kontaktöffnung, der durch das Auftreten einer Schaltstreckenspannung gekennzeichnet ist, der Abbrand der Kontaktstücke erfasst und damit deren Restlebensdauer ermittelt wird.
Das Verfahren zur Erfassung der Durchdruckänderung als Ersatzkriterium für den Kontaktabbrand ist mit der EP 0 694 937B1 unter Schutz gestellt. Spezifische Methoden zur Anwendung bei Schaltgeräten sind im Einzelnen in der EP 0 878 016 B1 , der EP 0 878 015 B1 und der EP 1 002 325 B1 beschrieben. Dabei wird durchweg darauf abgestellt, dass die Durchdruckänderung speziell beim Ausschaltvorgang, d.h. beim Öffnen der Schaltkontakte durch einen elektromagnetischen Antrieb, erfasst werden, woraus speziell der Abbrand an den Schaltkontakten ermittelt und daraus die Restlebensdauer des Schaltgerätes berechnet wird.
Weiterhin ist aus der DE 100 28 559 ein elektromagnetisches Schaltgerät, insbesondere Schütz, bekannt, mit einem Lastkontakt aus festen Kontaktstücken und einer beweglichen Kontaktbrücke, die im Neuzustand Kontaktauflagen mit einer anfänglichen Kontaktauflagendicke aufweisen, wobei die Kontaktauflagen nach einer Anzahl n von Schaltspielen unter Nennlast abgebrannt sind, wobei die Kontaktbrücke von einem Kontaktbrückenträger, der die Kontaktbrücke in einem Mitnahmebereich erfasst, von den festen Kontaktstücken abhebbar ist, wobei der Kontaktbrückenträger zumindest im Mitnahmebereich aus einem derart verschleißfesten Material besteht, dass der Kontaktbrückenträger im Mitnahmebereich nach der Anzahl n von Schaltspielen unter Nennlast einen Maximalabtrag von maximal 10 % der anfänglichen Kontaktauflagendicke aufweist. Mit dieser Methode werden speziell Luftschaltgeräte mit Brückenkontakten überwacht.
Insbesondere bei Vakuumschützen wurde in der Praxis der Kontaktabbrand bisher dadurch gemessen, dass an der Bolzenführung der Vakuumröhre eine Strichmarke angebracht ist, die ein Indikator für den Abbrand der Kontakte in der Röhre ist. Beide Verfahren erfassen nur den Kontaktabbrand. Der Verschleiß der Schaltmechanik kann damit nicht erfasst werden,
Aufgabe der Erfindung ist es demnach, ein Verfahren anzugeben, das sowohl den Verschleiß eines Vakuumschaltgerätes infolge Abbrandes der Kontakte als auch den mechanischen Verschleiß innerhalb der Schaltgerätemechanik bestimmen kann, so dass geeignete wartungsmaßnahmen rechtzeitig durchgeführt werden können. Diese Wartungsarbeiten können sowohl in der Erneuerung der Hauptkontakte als auch dem Auswechseln besonders verschleißanfälliger Bauteile bis zum Austausch des gesamten Schaltgerätes liegen.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Abfolge der Maßnahmen des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Verfahrensansprüchen angegeben. Eine zugehörige Anordnung ist Gegenstand des Sachanspruches 12. Weiterbildungen der Anordnungen sind Gegenstand der abhängigen Sachansprüche.
Mit der Erfindung ist es nunmehr insbesondere möglich, den gesamten Verschleißzustand des Vakuumschaltgerätes zu ermitteln. Dabei wird nicht nur wie beim Stand der Technik der Kontaktabbrand erfasst, sondern es werden auch Verschleißzustände der beweglichen Komponenten des Schaltgerätes berücksichtigt. Dies ist insbesondere bei Vakuumschaltschützen von Bedeutung, da dort auf der einen Seite der Kontakthub vergleichsweise gering ist, aber auf der anderen Seite der Antrieb für die Schaltkontaktbewegung über eine Hebelmechanik mit Kraftumlenkung und -verstärkung erfolgt und es dadurch bei hohen Schaltzahlen an den sich bewegenden mechanischen Komponenten zu einem nicht zu vernachlässigender Verschleiß kommen kann.
In besonders vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist es auch möglich, zwischen dem eigentlichen Kontaktabbrand und dem Verschleiß der Antriebsmechanik zu diskriminieren. Damit können insbesondere für die Praxis durch eine sachgerechte Wartung der Vakuumschaltgeräte erhebliche Einsparungen erzielt werden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Beispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen jeweils am Beispiel eines Vakuumschalters

Figur 1: eine schematische Darstellung eines Vakuumschützes mit zugehörigem Antrieb einschließlich der schaltmechanischen Komponenten,
Figur 2: eine Durchdruckmessung mit einer festen Tauchspule und beweglichem Dauermagneten,
Figur 3: eine Anordnung zur Messung des Bewegungsbeginnes mit einem Piezobiegewandler,
Figur 4: eine Messanordnung mit einer Lichtschranke an der Federauflage,
Figur 5: eine mechanische Messung mit einem Schalter und
Figur 6: eine bewegliche Messung mit einer Lichtschranke an der Bolzenführung.

Alle nachfolgend beschriebenen Figuren beziehen sich speziell auf Vakuumschaltschütze. Vakuumschütze haben sich in jüngerer Zeit als Alternative zu Luftschützen bewährt. Damit sind in vorteilhafter Weise bis zu einigen 10⁶ Schaltspiele möglich, so dass sich derartige Schütze für den Einsatz in vielen Gebieten der Technik eignen.
Figur 1 zeigt einen typischen Aufbau eines Vakuumschützes mit zugehörigem Antrieb. Die den Durchdruck erzeugenden Bauelementen/Baugruppen sind: Der Umlenkhebel, die Federauflage und der bewegliche Röhrenbolzen mit den Anbauteilen wie Strombandanschluss, Hebelauflage, Schaltstellungsanzeige sowie den zugehörigen Befestigungsteilen. An den mit Buchstaben A bis G gekennzeichneten Stellen können Abriebe oder plastische Verformungen auftreten, die sich entweder durchdruckerhöhend oder durchdruckverringernd auswirken können.
Nachfolgend wird zunächst der Aufbau eines Vakuumschützes mit zugehörigem elektromagnetischem Antrieb und damit verbundener Schützmechanik beschrieben, das zum Schalten eines ein- oder mehrpoligen Netzes dient. Es wird lediglich eine Phase eines Drehstromnetzes mit einer einzigen Vakuumschaltröhre betrachtet.
Gemäß Figur 1 umfasst letzterer Teil eines Vakuumschütz 1 eine Vakuumschaltröhre 10, die Schützmechanik 20, 30, 40 und den Antrieb 100. Im Einzelnen ist eine Vakuumschaltröhre 10 an einem Widerlager 3 mit Ausleger 4 befestigt. Der Ausleger 4 trägt die Vakuumschaltröhre 10, wozu ein Festkontaktbolzen 15 der Schaltröhre 10 im Ausleger 4 eingespannt ist.
Die Vakuumschaltröhre 10 besteht aus hohlzylinderförmigen Bauteilen 11 bis 13, wobei die Hohlzylinder 11 und 13 durch einen linear federnden Metallbalg 12 gegeneinander axial verschiebbar angeordnet sind. Die Bauteile 11 und 13 sind gegeneinander elektrisch isoliert, wozu eines der Bauteile beispielsweise aus keramischem Material bestehen kann.
In der Vakuumschaltröhre 10 befinden sich unter Vakuum zwei Schaltkontakte 17 und 18 axial gegeneinander beweglich, wobei der Schaltkontakt 17 als Festkontakt mit dem fest stehenden Bolzen 15 verbunden und der Schaltkontakt 18 als Bewegkontakt mit einem in Achsrichtung beweglichen Bolzen 16 verbunden ist.
Die Schaltkontakte 17 und 18 der Vakuumschaltröhre 10 werden mittels des elektromagnetischen Antriebes 100 betätigt, wozu ein Aufbau aus Magnetjoch 101, Magnetanker 102 und zugehörigen Spulen 105, 105' zur elektromagnetischen Erregung vorhanden ist. Das Magnetjoch 101 ist in einer Halterung 110 gelagert. Der Magnetanker 102 hat eine Aussparung 103 mit Befestigung 105 für einen Kontaktträger 30.
Durch den elektromagnetischen Antrieb 100 ist der Anker 102 in zwei vertikal unterschiedliche Positionen bringbar, von denen die untere der "Schließ"-Stellung des Vakuumschützes 10 und die obere der "Öffnungs"-Stellung des Vakuumschützes 10 entsprechen. Dazu muss in Figur 1 die Vertikalverschiebung in eine Horizontalverschiebung umgesetzt werden, wozu eine Umlenkeinrichtung 20 vorhanden ist.
Im Einzelnen ist in der Figur 1 der Bewegkontaktbolzen 16 außerhalb der Schaltröhre 10 gegen den Druck einer Feder 21 gelagert, wobei sich die Feder 21 auf einer Federauflage 22 abstützt. Es ist ein L-förmiger Umlenkhebel 25 vorhanden, der mit einer Achse 26 im Knickpunkt gelagert ist. Der kurze Hebelarm des Umlenkhebels 25 drückt mit einem ersten Endelement 27 auf die Federauflage 22, während der lange Hebelarm mit einem zweiten Endelement 28 in einer Aussparung 31 des Kontaktträgers 30, der - wie bereits erwähnt - mit dem Anker 102 des Magnetantriebes 100 verbunden ist, geführt wird. Es ist eine Auflageplatte 35 für den Kontaktträger 30 vorhanden.
Mit dem L-förmig ausgebildeten Umlenkhebel 25 lässt sich ein vergleichsweise großer Verschiebeweg in vertikaler Richtung in einen kleineren Verschiebeweg in horizontaler Richtung unter entsprechender Kraftbeaufschlagung umsetzen. Dies ist für die Betätigung des Vakuumschützes 10 notwendig, bei dem insbesondere ein hinreichender Kontaktdruck zwischen den Kontaktflächen der Schaltkontakte 17 und 18 erzeugt werden muss. Dazu wird die Feder 21 für die Schließstellung mittels eines vorgebbaren Durchdruckes gespannt und eine für die Schließstellung der Schaltkontakte 17, 18 hinreichende Kontaktkraft erzeugt. Der Durchdruck wird in der Figur 1 dadurch verdeutlicht, dass bei geöffneter Schaltstellung des Endelementes 27 am kurzen Hebelarm des Umlenkhebels 25 dieses durch eine hintere Hebelauflage 23 abgestützt wird.
In der Figur 1 sind als mechanisch bewegte Teile der Anzeige 40 weiterhin eine Schaltstellungsanzeige 41, ein Strombandanschluss 42 und ein Stromband 44 vorhanden, das mit dem Schienenanschluss 45 verbunden ist.
Bei der in der Figur 1 dargestellten Anordnung ist im Allgemeinen der Schaltweg der Kontaktanordnung vergleichsweise gering, beispielsweise < 2 mm. Daraus ergibt sich, dass das im Schaltgeräteantrieb mit der zugehörigen Umlenkung bei häufiger Aktivierung auftretende Spiel der einzelnen Bewegungen nicht vernachlässigt werden kann. Bei der Konstruktion von Schaltgeräten mit derartigen Antriebs- und Kraftübertragungseinrichtungen sind diese Gegebenheiten zu berücksichtigen.
Die Lebensdauer eines Schaltgerätes wird durch den Verschleiß aller mechanisch bewegten Teile beeinflusst. Dieser Verschleiß wird in bekannter Weise einerseits durch den Abbrand der elektrischen Schaltkontakte an den Kontaktflächen A bewirkt, da sich die Dicke der Kontaktstücke infolge eines Abbrandes verringert.
Aus der Figur 1 ergibt sich aber weiterhin, dass andererseits der mechanische Verschleiß der beweglichen Antriebskomponenten ebenfalls ein Einfluss für die Lebensdauer des gesamten Schaltgerätes haben kann. Ein solcher Verschleiß sind insbesondere Abriebe bei Lagern oder aber auch plastische Verformungen, die sich einzeln entweder durchdruckerhöhend oder aber durchdruckverringernd auswirken können. Im Idealfall kompensieren sich solche Einflüsse an den verschiedenen Stellen der Schaltgerätemechanik.
Im Einzelnen sind in der Figur 1 neben den Kontaktflächen weiterhin die Stellen B bis H, an denen ein Verschleiß auftreten kann, eingetragen. Es bedeuten B die Auflage des Endelementes 27 an der Federauflage 22, C dessen Auflage an der hinteren Hebelauflage 24, E die mechanische Beanspruchung des anderen Endelementes 28 in der Mitnehmernut 31 des Kontaktträgers 30, F die Auflage des Kontaktträgers im Magnetanker, G/G' die Auflage von Magnetanker 102 auf dem Magnetjoch 101 an dessen Polflächen sowie H/H' die Halterung 110 des Magnetantriebes 100 in einer Grundplatte.
In den Figuren 2 bis 6 ist in vereinfachter Darstellung von den Schaltkontakten 17, 18 jeweils der Festkontakt 18 mit der Gehäusewand 11 fest verbunden. Der Bewegkontakt 18 befindet sich an einem Bolzen 16, welcher über einen Federbalg 13 oder dergleichen in axialer Richtung der Anordnung bewegbar ist. Dabei wird über eine Kontaktdruckfeder 21 eine Kontaktkraft für das Schließen des Bewegkontaktes 18 generiert. Die Kontaktdruckfeder 21 befindet sich zwischen Gegenlager 22 und 24, wobei das äußere Gegenlager 22 mit dem Antrieb entsprechend Figur 1 in Verbindung steht.
In bekannter Weise ist für die Gewährleistung des Schaltkontaktes ein hinreichender Durchdruck der Feder maßgebend. Mit längerer Lebensdauer verändert sich der Durchdruck aufgrund des Kontaktabbrandes, so dass die Durchdruckerfassung in bekannter Weise als Ersatzkriterium für den Abbrand der Kontakte herangezogen werden kann. Da die Antriebsbewegung bei Vakuumschützen Umlenkungen mit entsprechenden Umlenkpumpen aufweist, die ebenfalls einem mechanischen Verschleiß unterliegen, ist speziell bei Vakuumschaltgeräten der Durchdruck auch von dem mechanischen Verschleiß der Antriebskomponenten abhängig. Beide Einflussgrößen werden nunmehr erfasst.
Da bereits beim Stand der Technik die Durchdruckmessung im Einzelnen durch eine Zeitmessung erfolgt und insbesondere das Zeitintervall zwischen Ankerbewegungsbeginn und Kontaktöffnen bestimmt wird, wird nachfolgend ebenfalls eine Zeitmessung durchgeführt. Dafür müssen in geeigneter Weise Zeitmarken gesetzt werden.
Für letzteren Zweck werden nachfolgend alternative Beispiele entsprechend den Figuren 2 bis 6 beschrieben.
Die fünf Alternativen zur Bestimmung des Verschleißes und der Restlebensdauer eines Schaltgerätes beruhen jeweils auf einer Zeitintervallmessung zwischen zwei Ereignissen während des Ausschaltvorganges, wozu Sensoren zur kontinuierlichen Signalerfassung verwendet werden. Dieser Vorgehensweise liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Bewegungsablauf der beteiligten mechanischen Komponenten insbesondere nicht vom Zeitpunkt des Ausschaltbefehls oder z.B. der Spulenspannung bei einem elektromagnetisch betätigten Schaltgerät abhängt. Es sind unterschiedliche Sensoren möglich.
Als erstes Beispiel wird eine feste Tauchspule 125 mit beweglichem Dauermagnet 126 an der Federauflage 22 für eine 1- oder 3-polige Messung beschrieben: Es erfolgt eine Zeitintervallmessung Δt zwischen dem Beginn der Bewegung der Federauflage 22 bis zum Zeitpunkt der Kontaktöffnung. Der Bewegungsbeginn der Federauflage 22 induziert durch die Bewegung des Dauermagneten 126 einen Spannungsimpuls in der Tauchspule 125. Das so bestimmte Zeitintervall Δt entspricht bei einem bekannten Geschwindigkeitsprofil der Federauflage 22 dem Durchdruck und ist damit ein Maß für den Gesamtverschleiß bestehend aus Kontaktabbrand und mechanischem Verschleiß der Antriebskomponenten.
Die Messung kann sowohl nur an einer Strombahn (1-polig) des Schaltgerätes als auch an allen 3 Strombahnen (3-polig) eines Drehstrom-Schaltgerätes erfolgen. Im letzten Fall können die Signale der drei Tauchspulen vorteilhaft zusammengefasst werden, indem alle drei Tauchspulen in Reihe geschalten werden, wobei dann nur das Summensignal ausgewertet wird.
Es ergeben sich folgende Vorteile:

Es liegt eine galvanische Trennung zu spannungsführenden Teilen vor.
Es gibt keine mechanische Verbindung zwischen beweglicher Federauflage und der Tauchspule, so dass die Messung verschleißfrei erfolgt.
Die Endlage der Federauflage kann in weiten Grenzen variieren, so dass keine Justage erforderlich ist.
Ein während der Lebensdauer des Schaltgerätes veränderter Offset führt zu keiner Funktionsbeeinträchtigung.

Als zweites Beispiel wird eine Erfassung des Bewegungsbeginns mit einem Piezo-Biegewandler 137 an der Federauflage 22 für eine 1- oder 3-poliger Messung beschrieben: Es erfolgt eine Zeitintervallmessung Δt zwischen dem Beginn der Bewegung der Federauflage 22 bis zum Zeitpunkt der Kontaktöffnung. Der Bewegungsbeginn der Federauflage bewirkt im Piezo-Biegewandler 137 eine Ladungstrennung und damit eine Spannung an den Elektroden des Piezowandlers 137. Je nach Belastungswiderstand kann diese Spannung bis zu mehreren hundert Volt betragen. Das bestimmte Zeitintervall entspricht bei reproduzierbarem Geschwindigkeitsprofil der Federauflage 22 dem Durchdruck und ist damit ein Maß für den Gesamtverschleiß - bestehend aus Abbrand und mechanischem Verschleiß. Die Messung kann sowohl nur an einer Strombahn (1-polig) des Schaltgerätes als auch an allen 3 Strombahnen (3-polig) eines Drehstrom-Schaltgerätes erfolgen.
Es ergeben sich folgende Vorteile:

Es entsteht ein großer Signalpegel.
Die Anordnung ist platzsparend.
Es ist nur eine Grobjustage erforderlich.
Während der Lebensdauer des Schaltgerätes veränderter Offset führt zu keiner Funktionsbeeinträchtigung.

Als drittes Beispiel 3 wird eine Lichtschranke 141 an der Federauflage 22 angebracht: Es erfolgt eine Zeitintervallmessung Δt zwischen dem Beginn der Bewegung der Federauflage bis zum Zeitpunkt der Kontaktöffnung. Der Bewegungsbeginn der Federauflage 22 bewirkt eine Unterbrechung oder Freigabe des Lichtstrahls in der Lichtschranke 141. Diese Zustandsänderung wird zur Erfassung des Bewegungsbeginns der Zeitmessung verwendet. Dazu ist eine Sende- und Empfängerdiode einseitig oder beidseitig - 1- oder mehrpolig - in der Bewegungsrichtung der Federauflage 22 bzw. der Bolzenführung angeordnet. Eine Unterbrechung oder Freigabe des Lichtstrahls erfolgt gemäß Figur 3 durch ein Fenster 141 als Öffnungen, Gitterstrukturen, Erhebungen und oder Vertiefungen, die entweder in der Federauflage 22 integriert , fest mit der Federauflage 22 verbunden oder mit einer Justageeinrichtung versehen sind. Das so bestimmte Zeitintervall Δt entspricht - bei reproduzierbarem Geschwindigkeitsprofil der Federauflage - dem Durchdruck und ist damit ein Maß für den Gesamtverschleiß des Schaltgerätes, bestehend aus Abbrand und mechanischem Verschleiß. Die Messung kann sowohl nur an einer Strombahn (1-polig) des Schaltgerätes als auch an allen Strombahnen eines Drehstrom-Schaltgerätes erfolgen.
Es ergeben sich folgende Vorteile:

Es liegt eine galvanische Trennung zu den spannungsführenden Teilen vor.
Es existiert keine mechanische Verbindung zwischen der beweglichen Federauflage und der Lichtschranke, so dass verschleißfrei gemessen wird.
Es entsteht ein großer Signalpegel.

Bei einem vierten Beispiel erfolgt eine mechanische Messung mittels eines Schalters S an der Federauflage 22:
Es erfolgt eine Zeitintervallmessung Δt zwischen dem Beginn der Bewegung der Federauflage bis zum Zeitpunkt der Kontaktöffnung. Der Bewegungsbeginn der Federauflage 22 bewirkt eine Unterbrechung entsprechend dem in Figur 5 dargestellten Schließer oder Freigabe des Schaltkontakts S(Öffner). Diese Zustandsänderung wird zur Erfassung des Bewegungsbeginns der Zeitmessung verwendet. Das Schaltelement kann je nach Ausprägung als Öffner oder Schließer direkt durch das Federelement 21 oder einer Erhebung oder Vertiefung oder eines damit fest verbundenen Zusatzelementes mit oder ohne Justageeinrichtung angesteuert werden. Das Schaltelement kann an einer oder auch an allen Strombahnen angebracht werden.
Das so bestimmte Zeitintervall Δt entspricht bei reproduzierbarem Geschwindigkeitsprofil der Federauflage dem Durchdruck und ist damit ein Maß für den Gesamtverschleiß bestehend aus Abbrand und mechanischem Verschleiß. Die Messung kann sowohl nur an einer Strombahn (1-polig) des Schaltgerätes als auch an allen Strombahnen eines Drehstrom-Schaltgerätes erfolgen.
Es ergeben sich folgende Vorteile:

Als fünftes Beispiel für die Sensorerfassung dient eine Lichtschranke an der Bolzenführung mit 1- oder 3-poliger Messung: Im Gegensatz zu den Verfahren gemäß den Figuren 2 bis 5 erfolgt mit der Lichtschranke unmittelbar eine Messung Δt von der Kontaktöffnung zu einem Wegepunkt (WP) der Bolzenführung, was bereits ein Maß für den Abbrand ist. Insofern wird bei dieser Messung der Durchdruck nur indirekt über die Auflage des Endelementes 27 des Umlenkhebels 25 -ausgenutzt.
Letzteres Verfahren ist insbesondere dann anwendbar, wenn die Kontaktbewegung eine konstante Geschwindigkeit aufweist. Der mechanische Verschleiß des Schaltgerätes wird durch die Schaltzahl erfasst. Der Wartungsbedarf wird dann entweder durch den Kontaktabbrand oder die Schaltzahl indiziert. Die Signalgabe am Wegepunkt (WP) erfolgt durch Optokoppler, Magnet + Reed Kontakt oder Magnet + Hallsensor etc..
Speziell beim letzten Beispiel ergeben sich folgende Vorteile: Es ist keinerlei Veränderung an bisheriger Konstruktion von Vakuumröhre, Bolzenführung, Feder und Kontaktplatte erforderlich. Lediglich der bisherige Reiter mit Strichmarkierung ist zu ersetzen. Die übrigen Elemente wie z.B. der Optokoppler und zugehörige Elektronik können im Schützdeckel untergebracht werden. Das Signal kann dann so aufbereitet werden, dass es in die vorhandene Elektronik direkt eingespeist werden kann. Da das Verfahren prinzipiell anders ist, muss die Software entsprechend minimal und ohne zusätzliche Erweiterung angepasst werden.
Anhand der einzelnen Beispiele wurde speziell die Anwendung für im Vakuum arbeitende Schaltgeräte, und zwar insbesondere für Vakuumschütze, beschrieben. Ganz entsprechend ist aber dieses Prinzip mit dem separaten Zeitsensor auch für Luftschütze anwendbar. Dort ergibt sich gegenüber dem einleitend dargestellten Stand der Technik nunmehr auch die Möglichkeit, den mechanischen Verschleiß der Schaltgerätemechanik zu erfassen und zu bewerten.
Beim Schaltbetrieb von Schaltgeräten, insbesondere von Schützen und Leistungsschaltern, tritt Verschleiß auf, der ab einer bestimmten Größe die Funktionssicherheit des Schaltgerätes beeinträchtigt. Es ist daher wünschenswert den Verschleiß des Schaltgerätes zu überwachen, um rechtzeitig und zu geeigneten Zeitpunkten die notwendige Wartung an den Schaltgeräten vornehmen zu können. Als Verschleißfaktoren treten der Kontaktverschleiß durch Abbrand und Abrieb, sowie der Verschleiß an Komponenten des Schaltgeräteantriebs durch Abrieb und Verformung auf. Letzterer Verschleiß führt z.B. dazu, dass sich das mechanische Spiel im Schaltgeräteantrieb auf möglicherweise unzulässige Werte vergrößert.
Mit dem Verfahren können die Verschleißgrößen

Kontaktabbrand
Kontaktfeder-Durchdruck
vom mechanischen Spiel herrührender Durchdruckverlust

Die Erfassung der Verschleißgrößen erfolgt zweckmäßigerweise beim Ausschaltvorgang des Schaltgerätes und wird im Folgenden hierfür beschrieben. Bei zusätzlicher Erfassung oder Vorgabe weiterer Bewegungsgrößen, wie Schließgeschwindigkeit, Beschleunigung, Positionen oder dergleichen, ist das Verfahren auch auf den Einschaltvorgang des Schaltgerätes erweiterbar.
Nachfolgend wird anhand einer Modellrechnung eine sensorgestützte Erfassung des Durchdruckes der Kontaktkraft-Feder und zur Diskriminierung der den Durchdruck verändernden Größen des Kontaktabbrandes und des mechanischen Verschleißes beschrieben:
Die wesentlichen Kräfte, die beim Ausschaltvorgang zur Öffnungsbewegung der Kontakte und der damit gekoppelten Komponenten des Schaltgeräteantriebs genutzt werden, sind im Normalbetrieb, d.h. ohne Kurzschlussausschaltung, die Kontaktfederkräfte und die Antriebsfederkraft. Während die Antriebsfederkraft über die gesamte Öffnungsbewegung der Schaltgerätemechanik wirkt, sind die Kontaktfederkräfte nur solange wirksam, solange der Durchdruck der Kontaktkraft-Feder während der Öffnungsbewegung nicht auf Null abgenommen hat.
Diese Federkräfte führen beim Ausschaltvorgang zu einer beschleunigten Hub- und/oder Drehbewegung, so dass zu bestimmten, für den Öffnungsvorgang charakteristischen Zeitpunkten bestimmte Positionen der beweglichen Komponenten der Schaltgerätemechanik ermittelt werden können. Man erhält daher im Neuzustand des Schaltgerätes Positionswerte, die sich von den Werten des Gebrauchszustandes mit fortschreitender Gebrauchsdauer und kumulierendem Kontaktabbrand sowie mechanischem Verschleiß immer stärker unterscheiden.
Im Folgenden wird der Bewegungsablauf der beweglichen Komponenten als Linearbewegung behandelt und kann beim Ausschaltvorgang in zwei aufeinanderfolgende Abschnitte unterteilt werden:

Erster Bewegungsabschnitt:

Beginn t = 0, Geschwindigkeit v(t=0) = 0, Ende t = t_D zum Zeitpunkt, zu dem der Durchdruck auf Null abgenommen hat.
Es gilt:

Beschleunigung:: $b_{1} (t) = (K_{Kontakt} + K_{Antrieb}) / m$
Geschwindigkeit:: $v_{1} (t_{D}) = t_{D} * (K_{Kontakt} + K_{Antrieb}) / m$
Weg:: $s_{1} (t_{D}) = {}^{1}{/_{2}} * {t_{D}}^{2} * (K_{Kontakt} + K_{Antrieb}) / m$

Zweiter Bewegungsabschnitt:

Beginn t = t_D, Ende t = t_Ö zum Zeitpunkt, zu dem die Kontaktöffnung erfolgt. Es gilt:

Beschleunigung:: $b_{2} (t) = K_{Antrieb} / m$
Geschwindigkeit:: $v_{2} (t_{\ddot{o}}) = v_{1} (t_{D}) + (t_{\ddot{o}} - t_{D}) * K_{Antrieb} / m$
Weg:: $s_{2} (t_{\ddot{o}}) = v_{1} (t_{D}) * (t_{\ddot{o}} - t_{D}) + {}^{1}{/_{2}} * {(t_{\ddot{o}} - t_{D})}^{2} * K_{Antrieb} / m$

Die in die Bewegung eingehenden Zeitsignale sind der Ankerbewegungsbeginn t=0, der Zeitpunkt t_D, wenn der Durchdruck auf Null abgesunken ist und der Kontaktöffnungszeitpunkt t_Ö, wenn die beweglichen Kontakte durch den Schaltgeräteantrieb von den Festkontakten abgehoben werden.
Die Zeitpunkte t=0 und t_ö können nach dem Stand der Technik aus elektrischen Spannungssignalen am Magnetantrieb und an den Schaltkontakten gewonnen werden. Der Zeitpunkt t_D, der beim Ausschaltvorgang den Durchdruckwert Null kennzeichnet, wird erfindungsgemäß durch einen Sensor an den Durchdruckerzeugenden Komponenten des Schaltgeräteantriebs erfasst.
Der im ersten Bewegungsabschnitt sich ergebende Weg s₁(t_D) ist direkt oder bis auf eine Proportionalitätskonstante identisch mit dem Durchdruck (= Federweg), um den die Federlänge beim Einschaltvorgang abnimmt.
Im Neuzustand hat s₁(t_D)_neu einen Wert, der mit dem Neuzustand der Kontakte. d.h. der Dicke der Kontaktauflagen, und mit dem mechanischen Verschleiß, d.h. Verschleißweg, = Null korrespondiert.
Durch Kontaktabbrand und mechanischen Verschleiß ergibt sich während der Gerätelebensdauer ein aktueller Wert s₁(t_D), woraus ein Summenwert aus Kontaktabbrand (d_Abbrand) und mechanischem Verschleiß (d_Mechanik) bestimmt werden kann. Es gilt: $d_{Abbrand} + d_{Mechanik} = s_{1} {(t_{D})}_{neu} - s_{1} (t_{D})$
Aus dem zweiten Bewegungsabschnitt erhält man für den Neuzustand des Schaltgerätes das konstruktiv vorgegebene, mechanische Spiel s₂ ( t_Ö) _neu.
Durch mechanischen Verschleiß d_Mechanik vergrößert sich dieses mechanische Spiel, woraus $d_{Mechanik} = s_{2} (t_{\ddot{o}}) - s_{2} {(t_{\ddot{o}})}_{neu}$

bestimmt werden kann.
Aus den während der Schaltgerätelebensdauer aktualisierten Werten $d_{Abbrand} + d_{Mechanik} und d_{Mechanik}$

kann der aktuelle Kontaktabbrand separiert werden. Es gilt: $d_{Abbrand} = {(s_{1} (t_{D}) + s_{2} (t_{\ddot{o}}))}_{neu} - (s_{1} (t_{D}) + s_{2} (t_{\ddot{o}}))$
Die Funktionssicherheit des Schaltgerätes kann nun mit diesen Abbrand- und Verschleißwerten so kontrolliert werden, dass innerhalb der Schaltgerätelebensdauer die Werte d_Abbrand und Durchdruck s₁(t_D) der Kontaktkraft-Feder vorgegebene Grenzen nicht über- bzw. unterschreiten. Zudem kann der für den Durchdruck wirksame mechanische Verschleiß angegeben und eine Grenze vorgegeben werden, bei deren Erreichen die Schaltgerätemechanik als verbraucht bewertet werden kann.
Hierzu ist es zweckmäßig, die maßgeblichen Funktions-, Abbrand- und Verschleißgrößen auf prozentuale Größen zu beziehen: $Kontaktfeder - Durchdruck [%] = [(s_{1} {(t_{D})}_{neu} - s_{1} (t_{D})) / s_{1} {(t_{D})}_{neu}] * 100$
$= [1 - {(t_{D} / t_{D, neu})}^{2}] * 100$
$Abbrand [%] = [{(s_{1} (t_{D}) + s_{2} (t_{\ddot{o}}))}_{neu} - (s_{1} (t_{D}) + s_{2} (t_{\ddot{o}}))] / [{(s_{1} (t_{D}) + s_{2} (t_{\ddot{o}}))}_{neu}] * 100$
$= 1 [1 - ({t_{D}}^{2} - {t_{\ddot{o}}}^{2} / 2) / {({t_{D}}^{2} - {t_{\ddot{o}}}^{2} / 2)}_{neu}] * 100$
Bei vernachlässigbarem mechanischen Spiel im Neuzustand ist t_Ö ≈ t_D und man erhält: $Abbrand [%] = [1 - 2 * ({t_{D}}^{2} - {t_{\ddot{o}}}^{2} / 2) / {t_{D}}^{2}_{neu}] * 100$
Der aus dem mechanischen Verschleiß resultierende relative Anteil der Durchdruckminderung der Kontaktkraft-Feder ist durch den Ausdruck gegeben $d_{Mechanic} / {Durchdruck}_{neu} = (s_{2} (t_{\ddot{o}}) - s_{2} {(t_{\ddot{o}})}_{neu}) / s_{1} {(t_{D})}_{neu}$
Damit kann nun eine auf den Durchdruck bezogene prozentuale Größe des mechanischen Verschleißes angeben werden. Es gilt: $mechanischer Verschleiß [%] = [(s_{2} (t_{\ddot{o}}) - s_{2} {(t_{\ddot{o}})}_{neu}) / s_{1} {(t_{D})}_{neu}] * 100$
In diese Größe geht neben den Zeitwerten t_D, t_ö im Neu- und Gebrauchszustand auch der Quotient $K_{Antrieb} / (K_{Kontakt} + K_{Antrieb})$

ein.
Zur Definition des Lebensdauerendes werden schließlich die Funktions-, Abbrand- und Verschleißgrößen auf prozentuale Grenzwerte bezogen, die eine sichere Funktion des Schaltgerätes gewährleisten. Somit kann zwischen dem eigentlichen Kontaktabbrand und dem Mechanikverschleiß unterschieden werden. Dies ist insbesondere bei Vakuumschützen von Bedeutung, da bei Kontaktabbrand üblicherweise die gesamte Röhre ausgetauscht wird.
Bei dem anhand der einzelnen Beispiele dargestellten Verfahren zur Bestimmung von Durchdruckänderungen wird im dynamischen Betrieb des Schaltgerätes gemessen. Dies bedeutet, dass im Ausschaltvorgang, aber auch im Einschaltvorgang des Schaltgerätes gemessen werden kann. Letzteres war beim Stand der Technik nicht möglich. Durch die Messung beim Einschalten des Schaltgerätes lassen sich Verschleißeinflüsse der Schaltgerätemechanik besonders gut erfassen.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Restlebensdauer eines Vakuumschaltgerätes, insbesondere zur Erfassung und Anzeige von Verschleißzuständen des Vakuumschaltgerätes einschließlich Schaltgeräteantrieb, durch Überwachung des Durchdruckes beim Schalten zur Erfassung zumindest des Kontaktabbrandes im Schaltgerät,
mit folgenden Maßnahmen:
- Bei der Bewegung des Schaltgeräteantriebes werden zur Durchdrucküberwachung Zeitsignale (t₀, t_D, t_Ö) zur Definition von zwei Zeitintervallen zwischen signifikanten Ereignissen der Antriebsbewegung ermittelt,

- zur Erfassung und Anzeige von Kontaktabbrand (d_Abbrand) einerseits und Verschleiß (d_Verschleiß) der Schaltgerätemechanik andererseits mittels Durchdrucküberwachung wird ein separater Sensor verwendet,

- mit dem Sensor wird zwecks Ermittlung des Zeitintervalls (t_Ö - t_D) zwischen den signifikanten Ereignissen zumindest eines der Ereignisse erfasst,

- aus dem Zeitintervall (t_Ö - t_D) werden rechnerisch relative Durchdruckänderungen, die sowohl den Kontaktabbrand (d_Abbrand) als auch den Schaltgerätemechanikverschleiß (d_Verschleiß) beinhalten, ermittelt und es wird daraus die Restlebensdauer des Schaltgerätes bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ausschaltvorgang des Schaltgerätes gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einschaltvorgang des Schaltgerätes gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, gekennzeichnet in der Anwendung bei Vakuumschützen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung des Zeitintervalles an einem oder gleichzeitig an mehreren Polen des Schaltgerätes, insbesondere gleichzeitig 3-polig, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung und Anzeige des Schaltkontaktabbrandes beim 3-poligen Schaltgerät für jeden Pol einzeln erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Ereignisse zur Zeitintervallmessung elektrisch erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Ereignisse zur Zeitintervallmessung optisch erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Ereignisse zur Zeitintervallmessung mechanisch erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet in einer Diskriminierung von Kontaktabbrand und Schaltgerätemechanikverschleiß.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Durchdruckänderungen in einem dem Kontaktabbrand zuordenbaren Anteil und einem dem Mechanikverschleiß zuordenbaren Anteil aufgeteilt werden und separat angezeigt werden.
Anordnung zur Bestimmung der Restlebensdauer von Vakuumschaltgeräten unter Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 11, mit Kontaktstücken (17, 18), von denen eines ein Festkontakt (17) und ein anderer ein Bewegkontakt (18)ist, wobei der Bewegkontakt über eine Schaltgerätemechanik (20 - 23) mit einem Antrieb (100) zur Aktivierung des Vakuumchaltgerätes (10) zwecks Durchführung einer Hubbewegung des Bewegkontaktes (18) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Antrieb ein Sensor (225, 226; 127; 141; 151; 161) zugeordnet ist, mit dem der Verschleißzustand aller mechanischen Komponenten der Schaltgerätemechanik (20 bis 31) erfasst wird.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eine fest angeordnete Tauchspule (125) mit beweglichem Dauermagnet (126) ist, wobei der Dauermagnet (126) an der Federauflage (22) der Schaltgerätemechanik (20 bis 31) befestigt ist.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Piezowandler (137) ist, der an der Federauflage (22) der Schaltgerätemechanik (20 bis 31) befestigt ist.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eine Lichtschranke (14) ist, die mit der Bolzenführung (16) des Bewegkontaktes (15) verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Schalter (51) ist, der mit der Federauflage (22) der Schaltgerätemechanik (22 bis 31) verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtschranke (141) durch einen Optokoppler, einen Magnet mit zugehörigen Reed-Kontakt und oder einen Magnet mit zugehörigen Hallsensor gebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, gekennzeichnet in der Ausführung für ein Vakuumschaltgerät, insbesondere Vakuumschütz.
Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, gekennzeichnet durch einen Rechner zur Berechnung und Anzeige des Kontaktabbrandes einerseits und des Schaltgerätemechanikverschleißes andererseits.
Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass im Rechner der Kontaktabbrand gemäß G1. 8.2
- $Abbrand [%] = [1 - ({t_{D}}^{2} - {t_{\ddot{O}}}^{2} / 2) / ({t_{D}}^{2} - {t_{\ddot{O}}}^{2} / 2)_{neu}] * 100$
und der Mechanikverschleiß gemäß G1. 11

- $mechanischer Verschleiß [%] = [(S_{2} (t_{\ddot{O}}) - S_{2} {(t_{\ddot{O}})}_{neu}) / S_{1} {(t_{D})}_{neu}] * 100$

bestimmbar ist, wobei s_i (t_D) der Weg beim Einschalten des Antriebes und s_i (t_Ö) der Weg beim öffnen der Schaltkontakte mit i = erstes/zweites Zeitintervall bzw. Bewegungsabschnitt bedeuten.