EP1986203A1

EP1986203A1 - Verfahren zur Feststellung des Vorhandenseins einer Kontaktisolierschicht bei einem kontaktbehafteten Schaltelement sowie Schaltgerät mit einem derartigen Schaltelement

Info

Publication number: EP1986203A1
Application number: EP07008554A
Authority: EP
Inventors: Frank Dr. Kalvelage
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-04-26
Filing date: 2007-04-26
Publication date: 2008-10-29

Abstract

Das Verfahren dient zur Feststellung des Vorhandenseins einer Kontaktisolierschicht bei einem kontaktbehafteten Schaltelement (1), welches eingangsseitig mit einer Schaltspannung (US) und ausgangsseitig mit einer elektrischen Last (4) verbunden ist. Es wird für eine Vielzahl von Schaltspielen zumindest innerhalb einer erwarteten Einschaltzeit (TW) des Schaltelementes (1) eine über dem geschlossenen Schaltelement (1) anliegende Kontaktspannung (UC) gemessen. Es wird eine erste Warnmeldung (MSG1) ausgegeben, wenn ein aktuell gemessener Wert der Kontaktspannung (UC) einen vorgegebenen unteren Mindestspannungswert (UN) übersteigt. Die Erfindung betrifft ein Schaltgerät (10) mit zumindest einem Schaltelement (1) und mit einer Steuereinheit (6), welche Mittel zur Auswertung einer erfassten Kontaktspannung (UC), Mittel zur Ausgabe von Warnmeldungen (MSG1-MSG4) sowie Mittel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist.

Description

Verfahren zur Feststellung des Vorhandenseins einer Kontaktisolierschicht bei einem kontaktbehafteten Schaltelement sowie Schaltgerät mit einem derartigen Schaltelement
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feststellung des Vorhandenseins einer Kontaktisolierschicht bei einem kontaktbehafteten Schaltelement.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Schaltgerät, welches einen eingangsseitigen Anschluss zum Anschließen einer Schaltspannung, einen ausgangsseitigen Anschluss zum Anschließen einer elektrischen Last, ein dazwischen geschaltetes kontaktbehaftetes Schaltelement und eine Steuereinheit mit Mitteln zum Ansteuern des Schaltelementes auf ein Steuersignal aufweist.
Ein elektrisches Niederspannungsschaltgerät, wie beispielsweise ein Schütz oder ein Leistungsschalter, weist zum Schalten ein kontaktbehaftetes Schaltelement oder im mehrpoligen Fall auch mehrere kontaktbehaftete Schaltelemente auf. Ein Schaltelement weist sogenannte Hauptkontakte auf, die von einem oder auch mehreren Steuermagneten gesteuert werden können. Prinzipiell bestehen die Hauptkontakte dabei aus einer beweglichen Kontaktbrücke und festen Kontaktstücken, an welchen eine Schaltspannung sowie eine elektrische Last angeschlossen sind. Zum Schließen und Öffnen der Hauptkontakte wird von einer Steuereinheit oder Ansteuerelektronik ein entsprechendes Ein- oder Ausschaltsignal an die Steuermagnete ausgegeben, welche dann auf die Hauptkontakte einwirken.
Zur besseren Kontaktierung zwischen den Kontaktstücken und den Kontaktbrücken sind an Stellen, an denen beide aufeinander treffen, entsprechend ausgebildete Kontaktflächen vorgesehen. Diese Kontaktflächen bestehen aus Materialien, wie beispielsweise aus einer Silberlegierung. Sie sind an diesen Stellen sowohl auf der Kontaktbrücke als auch den Kontaktstücke aufgebracht und weisen eine bestimmte Dicke auf.
Ein mögliches Ausfallkriterium von solchen Schaltkontakten ist eine Isolierschichtbildung. Eine derartige Isolierschicht bildet sich mit einer zunehmenden Anzahl von Schaltspielen aus. Die Isolierschicht kann sich auch an nicht schaltenden Kontakten bilden, wie z.B. durch Oxidation. Damit verbunden ist eine Zunahme des Kontaktübergangswiderstandes zwischen den Schaltkontakten. Im schlimmsten Fall kann dies zu einer vollständigen Kontaktisolierung führen. Dies entspricht einer Unterbrechung des Stromflusses.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 43 18 188 A1 ist eine Vorrichtung zur Überwachung der Schalterstellung eines Schalters angegeben. Die Vorrichtung umfasst neben den üblichen Mitteln zur Detektion und Umwandlung der Schalterstellung sowie der Übertragungsmittel und Auswertmittel spezielle Mittel zur Entfernung einer Oxidationsschicht, welche sich z.B. durch Witterungseinflüsse auf den Kontakten des Schalters bildet. Diese Mittel umfassen vorzugsweise einen Schalter und eine Ansteuerlogik. Die Ansteuerlogik schließt den Schalter jedes Mal wenn der Schalter geschlossen wird für eine gewisse Zeitspanne. Dadurch fließt für eine kurze Zeit ein relativ hoher Strom durch die Kontakte des Schalters, und die Oxidationsschicht wird wirksam entfernt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, welches die Feststellung des Vorhandenseins einer Kontaktisolierschicht auf einfache und zuverlässige Weise ermöglicht.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein geeignetes Schaltgerät mit zumindest einem kontaktbehafteten Schaltelement anzugeben, bei welchem das Vorhandensein einer Kontaktisolierschicht auf einfache und zuverlässige Weise feststellbar ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 15 angegeben. Im Anspruch 16 ist ein geeignetes Schaltgerät genannt. In den abhängigen Ansprüchen 17 bis 23 sind vorteilhafte Ausführungsformen des Schaltgerätes genannt.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Feststellung des Vorhandenseins einer Kontaktisolierschicht bei einem kontaktbehafteten Schaltelement. Das Schaltelement ist eingangsseitig mit einer Schaltspannung und ausgangsseitig mit einer elektrischen Last verbunden. Es wird für eine Vielzahl von Schaltspielen zumindest innerhalb einer erwarteten Einschaltzeit des Schaltelementes eine über dem geschlossenen Schaltelement anliegende Kontaktspannung gemessen. Es wird eine erste Warnmeldung ausgegeben, wenn ein aktuell gemessener Wert der Kontaktspannung einen vorgegebenen unteren Mindestspannungswert übersteigt.
Die kurzeitige, abschnittsweise Erfassung der an einem geschlossenen Schaltelement anliegenden Kontaktspannung erfordert im Vergleich zur kontinuierlichen Messung des Kontaktwiderstandes vorteilhaft nur einen geringen technischen Aufwand. Herkömmliche Geräte mit einer kontinuierlichen Erfassung weisen dagegen eine hohe Speichertiefe auf. Entsprechend aufwändig und teuer sind solche Geräte.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten Messwerte für die Kontaktspannung sind insbesondere dann repräsentativ, wenn die Schaltspannung sowie die elektrische Last konstant sind. Dies ist in den meisten betrieblichen Anwendungsfällen der Fall. Die Messwerte können aber auch unabhängig davon, ob die elektrische Last konstant ist oder nicht, ermittelt werden, da die zu ermittelnde Kontaktspannung letztendlich nur vom Widerstand des Kontaktes selbst abhängig ist.
Nach einer Verfahrensvariante beträgt der vorgegebene untere Mindestspannungswert etwa das zwei- bis fünffache des Wertes, welcher sich für die Kontaktspannung im Neuzustand des Schaltelementes ergibt. Bei einem neuen Schaltelement liegt der Kontaktwiderstandwiderstand typischerweise im Bereich von 0,1 Ohm oder sogar darunter. Entsprechend gering ist die zugehörige Kontaktspannung. Sie beträgt für Schaltströme von einigen Ampere weniger als 1 V. Durch das Anheben des unteren Mindestspannungswertes auf das zwei- bis fünffache wird die Zuverlässigkeit des Feststellens des Vorhandenseins einer Isolierschicht vorteilhaft erhöht.
Einer weiteren Ausführungsform zufolge ist ein vom verwendeten Kontaktwerkstoff abhängiger Lichtbogenionisationsspannungswert vorgegeben. Dieser Spannungswert beträgt ein Vielfaches des unteren Mindestspannungswertes. Es wird die erste Warnmeldung erst dann ausgegeben, wenn ein aktuell gemessener Wert der Kontaktspannung im Bereich des vorgegebenen Lichtbogenionisationsspannungswertes liegt.
Die Lichtbogenionisationsspannung beträgt beispielsweise für Silberlegierungen etwa 12 V. Sie kann für andere Kontaktmaterialien, wie z.B. für Gold oder Platin, auch darunter oder darüber liegen.
Ausgehend von einem neuwertigen Schaltkontakt wächst mit der Anzahl von Schaltspielen die Isolierschicht an den Schaltkontakten des Schaltelementes an. Ab einer gewissen Isolierschichtdicke ergibt sich eine Spannungsresistenz. Das heißt, dass die Isolierschicht erst bei einer gewissen Spannungshöhe durchbrochen wird. Mit Ansteigen der Schaltspannung kommt es folglich bei Erreichen der gewissen Spannungshöhe zu Mikrolichtbögen, welche den Durchbruch der Isolierschicht bewirken. Ausgehend von der ansteigenden Schaltspannung bricht somit die Kontaktspannung auf die Lichtbogenionisationsspannung ein. Dieser Vorgang kann sich während des Einschaltvorganges mehrfach wiederholen, bis sich die Kontaktspannung letztendlich auf das stationäre Niveau der Lichtbogenionisationsspannung einschwingt. Im Vergleich zum Kontaktwiderstand eines neuen oder neuwertigen Schaltkontakts ist nun dieser ein Vielfaches höher. Dieser kann, je nach Schaltstrom, ein bis zwei Größenordnungen darüber liegen. Der Übergang von einem neuen bzw. neuwertigen Schaltkontakt zu einem Schaltkontakt mit einer aufgewachsenen Isolierschicht erfolgt nach Erreichen einer gewissen Schaltspielzahl vergleichsweise sprunghaft, sobald sich die Isolierschicht über den gesamten Schaltkontakt ausgebreitet hat.
Mit dem sprunghaften Anstieg des Kontaktwiderstands ist das eigentliche Lebensdauerende des Schaltelementes erreicht. Die gemäß der Erfindung ausgegebene erste Warnmeldung zeigt an, dass das Schaltelement nur noch für eine vorgebbare oder hochrechenbare Anzahl von Schaltspielen funktionstüchtig ist.
Im Allgemeinen wird das Lebensdauerende des Schaltelementes durch zwei unterschiedliche Effekte hervorgerufen. Zum einen kann keine Kontaktgabe mehr erfolgen, bevor das Kontaktmaterial vollständig aufgebracht ist. In diesem Fall sind die Kontakte isolierend. Zum anderen kann auch kein Öffnen der Kontakte mehr möglich sein, wenn das Kontaktmaterial aufgebraucht ist. In diesem Fall sind die Kontakte miteinander verschweißt. Dies kann unter Umständen zu einem Abbrennen der nicht Kontakt gebenden Kontakte der anderen Phasen führen. Im ersten Fall wird eine spontane sporadische Erhöhung des Kontaktwiderstandes bewirkt, während im zweiten Fall der Kontaktwiderstand im Wesentlichen konstant ist, sicher aber auch weiter erhöhen kann.
Alternativ oder zusätzlich kann zur Ausgabe der ersten Warnmeldung ein vorgebbarer Freibrennstrom innerhalb der Einschaltzeit über das Schaltelement eingeprägt werden, so dass eine vorhandene Kontaktisolierschicht zumindest teilweise entfernt wird. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn während der Neuphase des Schaltelementes sporadisch höhere Kontaktspannungen gemessen werden, die über der unteren Mindestspannung liegen. Derartige sporadische Ausreißer können ihre Ursache beispielsweise in isolierenden Mikropartikeln haben, welche sich im Bereich der Schaltkontakte lösen oder in der Umgebungsluft der Schaltkontakte vorhanden sind. Letztere können z.B. Staubpartikel sein.
Durch das Freibrennen kann der Schaltkontakt freigebrannt werden. Die Stromstärke hierzu beträgt üblicherweise ein Vielfaches des Nennstromes für das Schaltelement. Da der Freibrennstrom jedoch nur für Sekundenbruchteile ansteht, führt dies zu keiner Schädigung der Schaltkontakte. Nach erfolgreicher Freibrennung liegt die Kontaktspannung typischerweise wieder im Bereich der vorangegangenen Kontaktspannungen.
Für den Fall, dass der vorgegebene Mindestspannungswert nach versuchtem Freibrennen nicht wieder wird, kann eine zweite Warnmeldung ausgegeben werden. Es kann alternativ noch eine begrenzte Anzahl weiterer Freibrennversuche gestartet werden. Die zweite Warnmeldung kann einen Hinweis gegeben, dass eine dauerhafte Beeinträchtigung der Schaltkontakte vorliegt.
Es kann nach einer weiteren Verfahrensvariante eine erste Anzahl von Schaltspielen ermittelt werden, die benötigt wird, bis die Kontaktspannung den unteren Mindestspannungswert oder den Lichtbogenionisationsspannungswert überschreitet. Es kann eine dritte Warnmeldung ausgegeben werden, wenn eine auf das Lebensdauerende hochgerechnete zweite Anzahl von Schaltspielen erreicht wird.
Die Festlegung der zweiten Anzahl kann z.B. auf Basis eines Feldversuches eines Schaltgerätetyps erfolgen. Dabei ist zu erwarten, dass die Schaltkontakte der geprüften Schaltelemente eines Schaltgerätetyps bei etwa einer gleichen zweiten Schaltspielzahl einen hochohmigen Endzustand der Schaltelemente erreichen. Der Übergang von einem Schaltkontakt mit Isolierschicht zu einem hochohmigen oder isolierten Schaltkontakt erfolgt gleichfalls vergleichsweise sprunghaft. Grund dafür ist, dass die angelegte Schaltspannung nun gerade nicht mehr ausreicht, um die weiter gewachsene Isolierschicht zu durchbrechen. Faktisch wird über den vermeintlich geschlossenen Schaltkontakt die Schaltspannung gemessen.
Nach einer Ausführungsform kann die zweite Anzahl von Schaltspielen dem 0,5- bis 0,7-fachen der ersten Anzahl von Schaltspielen entsprechen. Die zuvor genannten Werte können als empirische Werte betrachtet werden. Sie können, je nach Schaltelementtyp, auch darüber oder darunter liegen.
Einer weiteren Verfahrensvariante zufolge wird eine vierte Warnmeldung ausgegeben, wenn der aktuell gemessene Wert der Kontaktspannung einen vorgegebenen oberen Mindestspannungswert überschreitet, welcher den Ausfall des Schaltelementes anzeigt. Diese Warnmeldung kann z.B. von einer übergeordneten Überwachungs- oder Leitstelle eingelesen und ausgewertet werden. Dadurch kann ein Tausch des betreffenden Schaltelementes bzw. des Schaltgerätes vorgenommen werden.
Insbesondere entspricht der obere Mindestspannungswert in etwa dem 0,7- bis 0,9-fache der Schaltspannung.
Nach einer weiteren vorteilhaften Verfahrensvariante wird der weitere Schaltbetrieb des Schaltelementes gesperrt, wenn die obere Mindestspannung überschritten worden ist. Dies ist insbesondere bei sicherheitsrelevanten Anwendungen vorteilhaft.
Nach einer Ausführungsform wird die Kontaktspannung innerhalb der jeweiligen Einschaltzeit mehrmals gemessen. Es wird aus den korrespondierenden Messwerten ein Mittelwert gebildet. Dadurch wird die Genauigkeit einer Messung der Kontaktspannung erhöht. Zudem können messtechnische Ausreißer ausgefiltert werden.
Vorzugsweise wird für die erwartete Einschaltzeit des Schaltelementes eine maximale Zeitdauer von 0,3 s angenommen. Dies ist die Zeit, die benötigt wird, bis unter normalen Betriebsbedingungen die Schaltspannung am Ausgang die Schaltspannung erreicht hat. Die Einschaltzeit kann auch darüber liegen, wie z.B. 1 s. Sie kann auch darunter liegen, wie z.B. bei 0,2 s. Maßgeblich für die erwartete Einschaltzeit sind Induktivitäten in der Zuführung der Schaltspannung zu dem Schaltelement.
Vorzugsweise ist die Schaltspannung eine Gleichspannung.
Alternativ kann die Schaltspannung eine Wechselspannung sein. Vorzugsweise wird dann während der Einschaltzeit die zu ermittelnde Kontaktspannung im Spannungsmaximum gemessen.
Die Kontaktspannung kann nach einer weiteren Ausführungsform für mehrere, insbesondere für drei Schaltelemente eines mehrpoligen, insbesondere dreipoligen Schaltgerätes, ermittelt werden. Die Ausgabe der Warnmeldungen bzw. das Einprägen eines Freibrennstromes erfolgt für jeden der Schaltelemente in analoger Weise. Es können auch polweise Warnmeldungen zusammengefasst werden und eine jeweilige einzige Warnmeldung ausgegeben werden, sobald eines der Schaltelemente die Voraussetzungen dazu erfüllt.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Schaltgerät gelöst, welches eine parallel zum Schaltelement geschaltete Spannungsmesseinheit zur Erfassung einer Kontaktspannung aufweist. Das Schaltgerät weist eine Steuereinheit mit Mitteln zum Auswerten der erfassten Kontaktspannung, mit Mitteln zur Ausgabe von Warnmeldungen sowie mit Mitteln zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf.
Die Steuereinheit ist typischerweise ein Mikrocontroller oder ein Mikrocomputer. Vorzugsweise kann derselbe Mikrocontroller zur Auswertung einer gemessenen Schaltspannung herangezogen werden, der auch zur Ansteuerung des Schaltgerätes verwendet wird.
Nach einer Ausführungsform weist das Schaltgerät Mittel zum Einprägen eines vorgegebenen Freibrennstromes innerhalb der Einschaltzeit des Schaltelementes auf. Die Mittel können beispielsweise eine Reihenschaltung aus einem im Vergleich zur Last niederohmigen Vorwiderstand und einem elektronischen Schaltelement, wie z.B. einem Schalttransistor, sein. Die Reihenschaltung ist parallel zur Last geschaltet. Mittels eines von der Steuereinheit erzeugten Freibrennsignals kann dann das elektronische Schaltelement leitend geschaltet werden. Alternativ kann auch eine gespeicherte Spannung, wie z.B. mittels eines Kondensators, als Schaltspannung zum Freibrennen verwendet werden.
Das Schaltgerät ist insbesondere zum Schalten einer Gleichspannung als Schaltspannung ausgelegt. Es kann alternativ oder zusätzlich zum Schalten einer Wechselspannung als Schaltspannung ausgelegt sein.
Im Besonderen ist das Schaltgerät ein mehrpoliges Schaltgerät. Es weist mehrere kontaktbehaftete Schaltelemente, insbesondere drei Schaltelemente, auf. Zudem weist das Schaltgerät eine für den mehrpoligen Betrieb angepasste Steuereinheit auf.
Das Schaltgerät ist typischerweise ein Niederspannungsschaltgerät, insbesondere ein Schütz oder Leistungsschalter. Die zu schaltenden Spannungen können bis zu 72 V betragen. Sie können in bestimmten Fällen auch darüber liegen. Die zu schaltenden Ströme liegen typischerweise im ein- oder zweistelligen Bereich. Die zu schaltenden Spannungen betragen vorzugsweise maximal 400V. Die Spannungen können auch im ein- oder zweistelligen Bereich liegen, wie z.B. bei 5 V oder 24 V.
Alternativ kann das Schaltgerät ein Hochspannungsschaltgerät, insbesondere ein Hochspannungsschalter, sein. Die zu schaltenden Spannungen betragen vorzugsweise mindestens 5000 V. Die Spannungen können auch in einem zwei- oder dreistelligen Kilovolt-Bereich liegen.
Alternativ kann das Schaltgerät ein Mittelspannungsschaltgerät, insbesondere ein Mittelspannungsschalter, sein. Vorzugsweise liegen die zu schaltenden Spannungen in einem Bereich von 400 V bis 5000 V.
Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungen der Erfindung werden im Weiteren anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen

FIG 1: beispielhaft ein zwischen einer Schaltspannung und einer elektrischen Last geschaltetes kontaktbehaftetes Schaltelement,
FIG 2: beispielhaft den Spannungsverlauf einer an die elektrische Last geschalteten Schaltspannung und einer über einem neuwertigen Schaltkontakt des Schaltelementes liegenden zugehörigen Kontaktspannung,
FIG 3: beispielhaft den Spannungsverlauf eines Schaltelementes mit einer Isolierschicht an den Schaltkontakten,
FIG 4: beispielhaft den Spannungsverlauf eines Schaltelementes mit isolierten, nicht funktionstüchtigen Schaltkontakten,
FIG 5: beispielhaft die Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens,
FIG 6: beispielhaft den Verlauf eines Kontaktwiderstandswertes über die Lebensdauer eines Schaltelementes und
FIG 7: ein Schaltgerät mit beispielhaft einem Schaltelement und mit einer Steuereinheit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

FIG 1 zeigt beispielhaft ein zwischen einer Schaltspannung UC und einer elektrischen Last 4 geschaltetes kontaktbehaftetes Schaltelement 1.
Im linken Teil der FIG 1 ist eine am Schaltelement 1 anliegende Schaltspannung US zu sehen. Sie wird von einer Spannungsquelle UQ erzeugt. Mit dem Bezugszeichen 5 ist ein innerer Widerstand der (idealen) Spannungsquelle UQ bezeichnet. Der innere Widerstand 5 reduziert in Abhängigkeit eines Laststromes IS die zur Verfügung stehende Schaltspannung US.
Im mittleren Teil der FIG 1 ist das Schaltelement 1 gezeigt. Es setzt sich aus einem idealen Schalter 2 und einen dazu in Reihe geschalteten Kontaktwiderstand 3 zusammen. Über dem Kontaktwiderstand 3 fällt in Abhängigkeit vom Laststrom IS sowie in Abhängigkeit eines aktuell vorliegenden Kontaktwiderstandswertes eine entsprechende Kontaktspannung UC ab.
FIG 2 zeigt beispielhaft den Spannungsverlauf VUS, VUC einer an die elektrische Last geschalteten Schaltspannung US und einer über einem neuwertigen Schaltkontakt des Schaltelementes 1 anliegenden zugehörigen Kontaktspannung UC. Für die vorliegende FIG 2 sowie für die nachfolgenden Figuren FIG 3 bis FIG 7 werden eine konstante Spannungsquelle UQ sowie eine konstante elektrische Last 4 angenommen.
Der obere Spannungsverlauf VUS zeigt den zeitlichen Anstieg einer am Ausgang des Schaltelementes 1 als Ausgangspannung UA wirkenden Schaltspannung US. Mit t0 ist ein Einschaltzeitpunkt, mit t1 ein stationärer Zeitpunkt bezeichnet, ab dem die Schaltspannung US ihren maximalen Wert USM erreicht. Der maximale Wert USM weist bei Annahme einer konstanten elektrischen Last 4 einen konstanten Spannungswert auf. Der Spannungswert ist zumindest um die über den inneren Widerstand 5 der Spannungsquelle UQ abfallende Spannung reduziert.
Der gezeigte Verlauf ist typisch für eine Gleichspannungsquelle. Die zeitliche Verzögerung resultiert im Wesentlichen aus Induktivitäten in den Zuleitungen und in der Spannungsquelle UQ selbst. Für beide Spannungsverläufe VUS, VUC wird das jeweilige Spannungsmaximum USM, UCN im Zeitpunkt t1 nach ca. 0,17 s erreicht. Mit UCN ist aktueller maximaler Kontaktspannungswert bezeichnet. Wie die FIG 2 weiter zeigt, weist dieser für den neuwertigen Schaltkontakt einen vergleichsweise niedrigen Wert von ca. 0,1 V auf.
FIG 3 zeigt beispielhaft den Spannungsverlauf VUC eines Schaltelementes 1 mit einer Isolierschicht an den Schaltkontakten.
Im Beispiel der FIG 3 steigt die Kontaktspannung UC zum Zeitpunkt t0 mit einer im Vergleich zur FIG 2 viel größeren Anstiegsgeschwindigkeit an, bedingt durch einen um ein Vielfaches höheren Kontaktwiderstandswert bei Vorhandensein einer Kontaktisolierschicht. Dabei erfolgen in den mit P1-P4 bezeichneten Spannungsverlaufspunkten Spannungseinbrüche unter Ausbildung jeweils eines Lichtbogens LB. Erst nach einer effektiven Einschaltzeit TS von ca. 0,21 s ist der Verlauf VUC der Kontaktspannung UC stabil. Mit TW ist eine erwartete Einschaltzeit bezeichnet, innerhalb derer ein sicheres Einschalten der Last 4 zu erwarten ist. Sie beträgt beispielhaft 0,3 s. Im stabilen Zustand liegt die Kontaktspannung UC im Bereich eines Lichtbogenionisationsspannungswertes UI. Dieser beträgt für das im Beispiel der FIG 3 verwendete Kontaktmaterial ca. 12 V.
Mit einer stationären Ausbildung einer Kontaktspannung UC im Bereich des Lichtbogenionisationsspannungswertes UI ist das Lebensdauerende des Schaltelementes 1 erreicht. Bis zum endgültigen Ausfall des Schaltelementes 1, das heißt bis zum Zeitpunkt des Vorliegens isolierender Schaltkontakte, ist typischerweise noch eine Anzahl von ca. 100 bis 1000 Schaltspielen möglich. Vorzugsweise ist mit Erreichen dieses Schaltzustandes das Schaltelement 1 auszutauschen, zumal die am Ausgang des Schaltelementes 1 zur Verfügung stehende Spannung UA durch die über dem Schaltkontakt anstehende Lichtbogenionisationsspannung UI deutlich reduziert ist. Zudem ist die Wärmeentwicklung im Bereich des Schaltkontaktes sehr hoch.
FIG 4 zeigt beispielhaft den Spannungsverlauf VUC eines Schaltelementes 1 mit isolierenden, nicht funktionstüchtigen Schaltkontakten. Es findet kein nennenswerter Stromfluss durch die Last 4 mehr statt. In diesem Fall ist die Anstiegsgeschwindigkeit der Kontaktspannung UC maximal. Im stationären Zustand liegt über dem Schaltkontakt ein maximaler Schaltspannungswert USM an, der in diesem stromlosen Fall dem Spannungswert der Quellenspannung US entspricht.
FIG 5 zeigt beispielhaft die Verfahrensschritte S1-S6 des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Mit S1 ist der Start des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Feststellung des Vorhandenseins einer Kontaktisolierschicht bei einem kontaktbehafteten Schaltelement 1 bezeichnet.
Gemäß Schritt S2 wird zumindest innerhalb einer erwarteten Einschaltzeit TW des Schaltelementes 1 für eine Vielzahl von Schaltspielen eine über dem geschlossenen Schaltelement 1 anliegende Kontaktspannung UC gemessen.
Im Schritt S3 wird zu einem Schritt S4 verzweigt und eine erste Warnmeldung ausgegeben, wenn ein aktuell gemessener Wert der Kontaktspannung UC einen vorgegebenen unteren Mindestspannungswert UN übersteigt.
Im anderen Fall wird ausgehend von Schritt S3 zum Schritt S5 verzweigt. Im Schritt S5 wird zur Messung der Vielzahl von Schaltspielen auf den nächsten Einschaltvorgang gewartet.
Mit Schritt S6 ist das Ende des Flussdiagramms gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bezeichnet.
Vorzugsweise beträgt der vorgegebene untere Mindestspannungswert UN etwa das zwei- bis fünffache des Wertes, welcher sich für die Kontaktspannung UC im Neuzustand des Schaltelementes 1 ergibt. Zum besseren Verständnis ist hierzu im Beispiel der FIG 3 eine zum unteren Mindestspannungswert UN gehörende Linie eingezeichnet.
Alternativ kann auch die erste Warnmeldung erst dann ausgegeben werden, wenn ein aktuell gemessener Wert der Kontaktspannung UC im Bereich der vorgegebenen Lichtbogenionisationsspannungswert UI liegt. Der Lichtbogenionisationsspannungswert UI ist ein vom verwendeten Kontaktwerkstoff abhängiger Wert. Er beträgt üblicherweise ein Vielfaches des unteren Mindestspannungswertes UN.
Es ist alternativ auch möglich, nur einen anteiligen Wert der Lichtbogenionisationsspannungswertes UI als Vergleichswert für die Kontaktspannung UC heranzuziehen, wie z.B. das 0,1-fache des Lichtbogenionisationsspannungswertes UI.
Alternativ oder zusätzlich zur Ausgabe der ersten Warnmeldung kann auch ein vorgebbarer Freibrennstrom innerhalb der erwarteten Einschaltzeit TW über das Schaltelement 1 eingeprägt werden, so dass eine vorhandene Kontaktisolierschicht zumindest teilweise entfernt werden kann. Insbesondere weist der kurzzeitig anlegte Freibrennstrom ein Vielfaches des maximalen möglichen Laststromes, das heißt des Nennstromes, für das Schaltelement 1 auf. Der Freibrennstrom kann z.B. das 10-fache des Nennstromes betragen.
Der Freibrennstrom kann alternativ für eine vorgegebene Anzahl von anschließenden Schaltspielen über das Schaltelement 1 eingeprägt werden. Die Anzahl kann z.B. in einem Bereich von zwei bis fünf liegen.
Es kann darüber hinaus auch eine zweite Warnmeldung ausgegeben werden, wenn der vorgegebene Mindestspannungswert UN nach versuchtem Freibrennen nicht wieder unterschritten wird. Die zweite Warnmeldung zeigt dabei einen unerwarteten Zustand der Schaltkontakte an.
Weiterhin kann eine erste Anzahl von Schaltspielen ermittelt werden, bis die Kontaktspannung UC den unteren Mindestspannungswert UN oder den Lichtbogenionisationsspannungswert UI überschreitet. Es kann dann eine dritte Warnmeldung ausgegeben werden, wenn eine auf das Lebensdauerende hochgerechnete zweite Anzahl von Schaltspielen erreicht wird. Die zweite Anzahl von Schaltspielen kann beispielsweise dem 0,5- bis 0,7-fachen der ersten Anzahl von Schaltspielen entsprechen.
Die Festlegung der zweiten Anzahl von Schaltspielen erfolgt nach empirischen Gesichtspunkten, wie z.B. aus den Ergebnissen eines Feldversuchs, wobei über Vielzahl von Tagen und bezogen auf den jeweiligen Typ des Schaltelementes 1 eine Vielzahl von Lastschaltungen durchgeführt wird. Die dritte Warnmeldung zeigt an, dass in Kürze mit dem Ausfall des Schaltelementes 1 bzw. des Schaltgerätes mit einem solchen Schaltelement 1 zu rechnen ist.
Es kann zudem eine vierte Warnmeldung ausgegeben werden, wenn der aktuell gemessene Wert der Kontaktspannung UC einen vorgegebenen oberen Mindestspannungswert UH überschreitet, welcher den Ausfall des Schaltelementes 1 anzeigt. Der obere Mindestspannungswert UH kann z.B. in etwa dem 0,7- bis 0,9-fache der Schaltspannung US entsprechen. Zum besseren Verständnis ist hierzu im Beispiel der FIG 3 eine zum oberen Mindestspannungswert UH gehörende Linie eingezeichnet. Insbesondere kann der weitere Schaltbetrieb des Schaltelementes 1 bei Überschreiten der oberen Mindestspannung UH gesperrt werden, um ein mögliches Fehlverhalten zu schaltender Lasten und der damit verbundenen Anlagenteile zu verhindern. Eine Sperrung ist üblicherweise bei sicherheitsrelevanten Anwendungen zwingend erforderlich.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Kontaktspannung UC innerhalb der jeweiligen erwarteten Einschaltzeit TW mehrmals gemessen werden und ein Mittewert aus den korrespondierenden Messwerten zur Erhöhung der Zuverlässigkeit der auszugebenden Warnmeldungen gebildet werden. Als erwartete Einschaltzeit TW des Schaltelementes 1 kann eine maximale Zeitdauer von 0,3 s angenommen. Sie kann je nach verwendetem Schaltelementtyp auch darüber oder darunter liegen. Insbesondere nimmt die erwartete Schaltzeit mit der Höhe der Schaltspannung und des Laststromes zu.
FIG 6 zeigt beispielhaft den Verlauf VR eines Kontaktwiderstandswertes R über die Lebensdauer eines Schaltelementes 1.
Der zeitliche Verlauf der Schaltspiele ist in Tagen angegeben. Der an fünf Prüflingen durchgeführte Feldversuch erfolgte über einen Zeitraum von ca. 150 Tagen. Über der Zeitachse t sind in logarithmischer Darstellung jeweils Kontaktwiderstandsmesswerte MW der fünf Prüflinge eingetragen. Im zeitlichen Verlauf VR des Kontaktwiderstandswertes RC sind zwei signifikante Stufen erkennbar, welche in zeitlicher Hinsicht drei Phasen PH1-PH3 des "Lebenszeit" eines Schaltelementes 1 bestimmen.
Die erste Phase PH1 bezeichnet eine Neu- oder Betriebsphase des Schaltelementes 1. Das Schaltelement 1 weist innerhalb dieser Phase PH1, das heißt vom Start des Feldversuches bis etwa zum 80. Tag, für alle Prüflinge vergleichsweise geringe Kontaktwiderstandswerte RC auf. In den meisten Fällen liegen die gemessenen Kontaktwiderstandswerte RC unterhalb einer vorgegebenen unteren Widerstandsgrenze RN, welche in Bezug auf die FIG 2 bis FIG 4 mit der dortigen unteren Mindestspannung UN korrespondiert. Mit AR sind Ausreißer im Kontaktwiderstandswert RC bezeichnet, welcher oberhalb der unteren Widerstandgrenze RN liegen. Innerhalb der ersten Phase PH1 kann bei Vorliegen eines solch überhöhten Kontaktwiderstandes RC ein Freibrennversuch unternommen werden und dadurch eine sporadische Verschmutzung der Schaltkontakte beseitigt werden.
Die zweite Phase PH2 erstreckt sich etwa vom 80. Tag bis zum 135. Tag. Innerhalb dieser Phase PH2 ist zwar das Lebensdauerende des Schaltelementes 1 erreicht, das Schaltelement 1 ist aber noch bis etwa zum 135. Tag eingeschränkt funktionsfähig. Der oder die Schaltkontakte des Schaltelementes 1 sind nun mit einer durchgängigen Isolierschicht überzogen, welche bei Anlegen der Schaltspannung US ab einem gewissen Spannungswert noch durchbrochen werden kann. Mit RI ist eine zum Lichtbogenionisationsspannungswert UI gemäß FIG 3 korrespondierende Lichtbogenionisationswiderstandsgrenze angegeben.
Die dritte Phase PH3 entspricht dem Ausfall des Schaltelementes 1. Die Schaltkontakte sind isolierend. Die zu den jeweiligen Messwerten MW zugehörigen Kontaktwiderstandswerte RC sind um Größenordnungen höher als die der beiden ersten Phasen PH1 und PH2.
FIG 7 zeigt ein Schaltgerät 10 mit beispielhaft einem Schaltelement 1 und mit einer Steuereinheit 6 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das Schaltgerät 10 weist einen eingangsseitigen Anschluss zum Anschließen einer Schaltspannung US sowie einen ausgangsseitigen Anschluss zum Anschließen einer elektrischen Last 4 auf. Dazwischen ist ein kontaktbehaftetes Schaltelement 1 geschaltet, symbolisiert durch einen idealen Schalter 2 und einem zu diesem in Reihe geschalteten Kontaktwiderstand 3.
Erfindungsgemäß ist parallel zum Schaltelement 1 eine Spannungsmesseinheit 7 zur Erfassung einer Kontaktspannung UC geschaltet. Eine Steuereinheit 6 weist Mittel zum Auswerten der erfassten Kontaktspannung UC auf. Sie weist weiterhin Mittel zur Ausgabe von Warnmeldungen MSG1-MSG4 sowie Mittel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf.
Die Steuereinheit 6 weist einen eingangsseitigen Anschluss zur Erfassung einer Steuerspannung UE auf. Dies kann z.B. ein digitaler Spannungswert sein. Die Steuereinheit 6 steuert in Abhängigkeit der Steuerspannung UE mittels eines Steuersignals ST das Schaltelement 1 an. Insbesondere dient das Steuersignal ST zur Speisung eines Steuermagneten oder Aktors, welcher letztendlich die Schaltkontakte bzw. die Hauptkontakte des Schaltelementes 1 betätigt.
Weiterhin weist die Steuereinheit 6 Ausgänge zur Ausgabe der Warnmeldungen MSG1-MSG4 auf. Die Warnmeldungen MSG1-MSG4 können in Form digitaler Signale ausgegeben werden und gegebenenfalls ein Leuchtmittel, wie z.B. eine LED, zur Anzeige der entsprechenden Warnung ansteuern. Alternativ oder zusätzlich können die Warnmeldungen MSG1-MSG4 als Bussignal am Ausgang der Steuereinheit 6 bereitgestellt werden.
Die Steuereinheit 6 ist insbesondere ein Mikrocontroller, Mikroprozessor oder ein Mikrocomputer.
Im Beispiel der FIG 7 weist das Schaltgerät 10 Mittel 8, 9 zum Einprägen eines vorgebbaren Freibrennstromes IF während der erwarteten Einschaltzeit TW des Schaltelementes 1 auf. Die Einschaltdauer des Freibrennstromes IF ist insbesondere kürzer als die erwartete Einschaltzeit TW. So kann unmittelbar nach Abschalten des Freibrennstromes IF die Kontaktspannung UC gemessen und überprüft werden, ob der Freibrennversuch erfolgreich war, das heißt, ob die Kontaktspannungswert RC wieder unter der unteren Mindestspannungsgrenze liegt.
Das gezeigte Schaltgerät 10 ist zum Schalten einer Gleichspannung als Schaltspannung US ausgelegt. Das Schaltgerät 10 kann alternativ oder zusätzlich zum Schalten einer Wechselspannung als Schaltspannung US ausgelegt sein.
Weiterhin kann das Schaltgerät 10 ein mehrpoliges Schaltgerät sein, welches mehrere kontaktbehaftete Schaltelemente 1 aufweist. Insbesondere ist das Schaltgerät 10 ein dreipoliges Schaltgerät zum Schalten dreipoliger Lasten. Die dreipolige Anordnung von Schaltelementen 1 ist insbesondere zum Schalten von dreipoligen Lasten bei einem 400V/50Hz-Drehstromnetz üblich.
Darüber hinaus weist das Steuergerät 10 bei einer dreiphasigen Schaltspannung im Wechselspannungsfall bzw. im Drehstromfall einen für den mehrpoligen Betrieb angepasste Steuereinheit 6 auf.
Typischerweise ist das Schaltgerät 10 ein Niederspannungsschaltgerät, insbesondere ein Schütz oder Leistungsschalter. Die zu schaltenden Spannungen betragen vorzugsweise maximal 400V. Die Spannungen können auch im ein- oder zweistelligen Bereich liegen, wie z.B. bei 5 V oder 72 V.
Alternativ kann das Schaltgerät 10 ein Hochspannungsschaltgerät, insbesondere ein Hochspannungsschalter, sein. Die zu schaltenden Spannungen betragen vorzugsweise mindestens 5000 V. Die Spannungen können auch in einem zwei- oder dreistelligen Kilovolt-Bereich liegen.
Alternativ kann das Schaltgerät 10 ein Mittelspannungsschaltgerät, insbesondere ein Mittelspannungsschalter, sein. Vorzugsweise liegen die zu schaltenden Spannungen in einem Bereich von 400 V bis 5000 V.

Claims

Verfahren zur Feststellung des Vorhandenseins einer Kontaktisolierschicht bei einem kontaktbehafteten Schaltelement (1),
- wobei das Schaltelement (1) eingangsseitig mit einer Schaltspannung (US) und ausgangsseitig mit einer elektrischen Last (4) verbunden ist,

- wobei für eine Vielzahl von Schaltspielen zumindest innerhalb einer erwarteten Einschaltzeit (TW) des Schaltelementes (1) eine über dem geschlossenen Schaltelement (1) anliegende Kontaktspannung (UC) gemessen wird und

- wobei eine erste Warnmeldung (MSG1) ausgegeben wird, wenn ein aktuell gemessener Wert der Kontaktspannung (UC) einen vorgegebenen unteren Mindestspannungswert (UN) übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der vorgegebene untere Mindestspannungswert (UN) etwa das etwa zwei- bis fünffache des Wertes beträgt, welcher sich für die Kontaktspannung (UC) im Neuzustand des Schaltelementes (1) ergibt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein vom verwendeten Kontaktwerkstoff abhängiger Lichtbogenionisationsspannungswert (UI) vorgegeben ist, welcher ein Vielfaches des unteren Mindestspannungswertes (UN) beträgt, und wobei die erste Warnmeldung (MSG1) erst dann ausgegeben wird, wenn ein aktuell gemessener Wert der Kontaktspannung (UC) im Bereich der vorgegebenen Lichtbogenionisationsspannungswert (UI) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass alternativ oder zusätzlich zur Ausgabe der ersten Warnmeldung (MSG1) ein vorgebbarer Freibrennstrom (IF) während der Einschaltzeit (TS) über das Schaltelement (1) eingeprägt wird, so dass eine vorhandene Kontaktisolierschicht zumindest teilweise entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine zweite Warnmeldung (MSG2) ausgegeben wird, wenn der vorgegebene Mindestspannungswert (UN) nach einem Freibrennversuch nicht wieder unterschritten wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine erste Anzahl von Schaltspielen ermittelt wird, bis die Kontaktspannung (UC) den unteren Mindestspannungswert (UN) überschreitet, und dass eine dritte Warnmeldung (MSG3) ausgegeben wird, wenn eine auf das Lebensdauerende hochgerechnete zweite Anzahl von Schaltspielen erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite Anzahl von Schaltspielen dem 0,5- bis 0,7-fachen der ersten Anzahl von Schaltspielen entspricht.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine vierte Warnmeldung (MSG4) ausgegeben wird, wenn der aktuell gemessene Wert der Kontaktspannung (UC) einen vorgegebenen oberen Mindestspannungswert (UH) überschreitet, welcher den Ausfall des Schaltelementes (1) anzeigt.
Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass der obere Mindestspannungswert (UH) etwa dem 0,7- bis 0,9-fachen der Schaltspannung (US) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass der weitere Schaltbetrieb des Schaltelementes (1) gesperrt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kontaktspannung (UC) innerhalb der jeweiligen erwarteten Einschaltzeit (TW) mehrmals gemessen wird und dass aus den korrespondierenden Messwerten ein Mittelwert gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass für die erwartete Einschaltzeit (TW) des Schaltelementes (1) eine maximale Zeitdauer von 0,3 s angenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schaltspannung (US) eine Gleichspannung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schaltspannung (US) eine Wechselspannung ist und dass die während der erwarteten Einschaltzeit (TW) zu ermittelnde Kontaktspannung (UC) vorzugsweise im Spannungsmaximum gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kontaktspannung (UC) für mehrere, insbesondere für drei Schaltelemente (1) eines mehrpoligen, insbesondere dreipoligen Schaltgerätes (10), ermittelt wird.
Schaltgerät, welches aufweist
- einen eingangsseitigen Anschluss zum Anschließen einer Schaltspannung (US),

- einen ausgangsseitigen Anschluss zum Anschließen einer elektrischen Last (4),

- ein dazwischen geschaltetes kontaktbehaftetes Schaltelement (1) und

- eine Steuereinheit (6) mit Mitteln zum Ansteuern des Schaltelementes (1) auf ein Steuersignal (ST) hin,
dadurch gekennzeichnet,
- dass das Schaltgerät eine parallel zum Schaltelement (1) geschaltete Spannungsmesseinheit (7) zur Erfassung einer Kontaktspannung (UC) aufweist und

- dass die Steuereinheit (6) Mittel zur Auswertung der erfassten Kontaktspannung (UC), Mittel zur Ausgabe von Warnmeldungen (MSG1-MSG4) sowie Mittel zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche aufweist.
Schaltgerät nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Schaltgerät Mittel (8, 9) zum Einprägen eines vorgegebenen Freibrennstromes (IF) innerhalb der erwarteten Einschaltzeit (TW) des Schaltelementes (1) nach Anspruch 4 aufweist.
Schaltgerät nach Anspruch 16 oder 17,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Schaltgerät zum Schalten einer Gleichspannung als Schaltspannung (US) ausgelegt ist.
Schaltgerät nach Anspruch 16 oder 17,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Schaltgerät zum Schalten einer Wechselspannung als Schaltspannung (US) ausgelegt ist.
Schaltgerät nach einem der Ansprüche 16 bis 19,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Schaltgerät ein mehrpoliges Schaltgerät ist, welches mehrere kontaktbehaftete Schaltelemente (1) aufweist und dass das Schaltgerät eine für den mehrpoligen Betrieb angepasste Steuereinheit (6) aufweist.
Schaltgerät nach einem der Ansprüche 16 bis 20,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Schaltgerät ein Niederspannungsschaltgerät, insbesondere ein Schütz oder Leistungsschalter, ist.
Schaltgerät nach einem der Ansprüche 16 bis 20,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Schaltgerät ein Hochspannungsschaltgerät, insbesondere ein Hochspannungsschalter, ist.
Schaltgerät nach einem der Ansprüche 16 bis 20,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Schaltgerät ein Mittelspannungsschaltgerät, insbesondere ein Mittelspannungsschalter, ist.