EP1986203A1 - Method to detect a contact isolation layer in a switching element having contacts and a switch having such a switching element - Google Patents

Method to detect a contact isolation layer in a switching element having contacts and a switch having such a switching element Download PDF

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EP1986203A1
EP1986203A1 EP07008554A EP07008554A EP1986203A1 EP 1986203 A1 EP1986203 A1 EP 1986203A1 EP 07008554 A EP07008554 A EP 07008554A EP 07008554 A EP07008554 A EP 07008554A EP 1986203 A1 EP1986203 A1 EP 1986203A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
voltage
switching
contact
switching device
switching element
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07008554A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Frank Dr. Kalvelage
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP07008554A priority Critical patent/EP1986203A1/en
Publication of EP1986203A1 publication Critical patent/EP1986203A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/0015—Means for testing or for inspecting contacts, e.g. wear indicator
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/60—Auxiliary means structurally associated with the switch for cleaning or lubricating contact-making surfaces
    • H01H1/605—Cleaning of contact-making surfaces by relatively high voltage pulses

Definitions

  • the invention relates to a method for detecting the presence of a Greisolier für in a contact-type switching element.
  • the invention further relates to a switching device which has an input-side terminal for connecting a switching voltage, an output-side terminal for connecting an electrical load, an interposed switched contact switching element and a control unit with means for driving the switching element to a control signal.
  • An electrical low-voltage switchgear such as a contactor or a circuit breaker, has for switching a contact-type switching element or in multi-pole case, a plurality of contact-type switching elements.
  • a switching element has so-called main contacts, which can be controlled by one or more control magnets.
  • the main contacts consist of a movable contact bridge and fixed contact pieces, to which a switching voltage and an electrical load are connected.
  • a corresponding on or off signal is output to the control magnets, which then act on the main contacts.
  • contact surfaces are made of materials such as a silver alloy. They are at this Placed on both the contact bridge and the contact pieces and have a certain thickness.
  • Such an insulating layer is formed with an increasing number of switching cycles.
  • the insulating layer may also form on non-switching contacts, e.g. by oxidation. Associated with this is an increase in the contact contact resistance between the switching contacts. In the worst case, this can lead to complete contact isolation. This corresponds to an interruption of the current flow.
  • the device comprises, in addition to the usual means for detecting and converting the switch position and the transmission means and evaluation means special means for removing an oxidation layer, which is formed for example by weathering on the contacts of the switch.
  • These means preferably comprise a switch and a control logic.
  • the drive logic closes the switch each time the switch is closed for a certain amount of time. As a result, a relatively high current flows through the contacts of the switch for a short time, and the oxidation layer is effectively removed.
  • the object of the invention is achieved by a method having the features of claim 1.
  • Advantageous embodiments of the method are given in the dependent claims 2 to 15.
  • a suitable switching device is called.
  • advantageous embodiments of the switching device are mentioned.
  • the method according to the invention serves for determining the presence of a contact insulation layer in the case of a contact-type switching element.
  • the switching element is connected on the input side with a switching voltage and the output side with an electrical load. It is measured for a variety of switching cycles, at least within an expected switch-on time of the switching element, a voltage applied across the closed switching element contact voltage.
  • a first warning message is issued if a currently measured value of the contact voltage exceeds a predetermined lower minimum voltage value.
  • the measured values for the contact voltage determined by the method according to the invention are particularly representative when the switching voltage and the electrical load are constant. This is the case in most operational applications. However, the measured values can also be determined independently of whether the electrical load is constant or not, since the contact voltage to be determined ultimately only depends on the resistance of the contact itself.
  • the predetermined lower minimum voltage value is approximately two to five times the value, which results for the contact voltage in the new state of the switching element.
  • the contact resistance is typically in the range of 0.1 ohms or even less.
  • the corresponding contact voltage is correspondingly low. It is less than 1 V for switching currents of a few amperes.
  • an arc ionization voltage value dependent on the contact material used is predetermined. This voltage value is a multiple of the lower minimum voltage value.
  • the first warning message is issued only when a currently measured value of the contact voltage is within the range of the predetermined arc ionization voltage value.
  • the arc ionization voltage is about 12 V. It can be used for other contact materials, e.g. for gold or platinum, also below or above.
  • the output according to the invention first warning message indicates that the switching element is functional only for a predefinable or combinrechenbare number of switching cycles.
  • the end of life of the switching element is caused by two different effects.
  • no contact can be made before the contact material is completely applied.
  • the contacts are insulating.
  • opening the contacts can no longer be possible if the contact material has been used up.
  • the contacts are welded together. This may result in burning off the non-contacting contacts of the other phases.
  • a spontaneous sporadic increase of the contact resistance is effected, while in the second case, the contact resistance is substantially constant, but can certainly increase further.
  • a predefinable free-burning current can be impressed via the switching element within the switch-on time, so that an existing contact insulating layer is at least partially removed. This is particularly advantageous if during the new phase of the switching element sporadically higher contact voltages are measured, which are above the lower minimum voltage.
  • Such sporadic outliers can have their cause, for example, in insulating microparticles, which dissolve in the region of the switch contacts or are present in the ambient air of the switching contacts. The latter can be dust particles, for example.
  • the burn-off contact burns off the switch contact.
  • the current intensity for this is usually a multiple of the rated current for the switching element.
  • the freewheeling current is only present for fractions of a second, this does not damage the switching contacts.
  • the contact voltage is typically again in the range of the previous contact voltages.
  • a second warning message can be output.
  • a limited number of further attempts at free-burning can be started.
  • the second warning message can be an indication that there is a permanent impairment of the switching contacts.
  • a third warning message can be issued if a second number of cycles calculated at the end of the service life is reached.
  • the determination of the second number can be done on the basis of a field test of a switching device type, for example. It is to be expected that the switching contacts of the tested switching elements of a switching device type achieve a high-impedance final state of the switching elements at approximately the same second number of switching cycles. The transition from a switching contact with insulating layer to a high-resistance or insulated switching contact also takes place comparatively abruptly. The reason for this is that the applied switching voltage is now no longer sufficient to the further grown insulating layer break through. In fact, the switching voltage is measured via the supposedly closed switching contact.
  • the second number of switching cycles may correspond to 0.5 to 0.7 times the first number of switching cycles.
  • the above values can be considered as empirical values. They can also be above or below, depending on the type of switch element.
  • a fourth warning message is issued when the currently measured value of the contact voltage exceeds a predetermined upper minimum voltage value, which indicates the failure of the switching element.
  • This warning message may e.g. be read in and evaluated by a higher-level monitoring or control center. As a result, an exchange of the respective switching element or the switching device can be made.
  • the upper minimum voltage value corresponds approximately to 0.7 to 0.9 times the switching voltage.
  • the further switching operation of the switching element is disabled when the upper minimum voltage has been exceeded. This is particularly advantageous for safety-relevant applications.
  • the contact voltage is measured several times within the respective turn-on time. An average value is formed from the corresponding measured values. This increases the accuracy of a measurement of the contact voltage. In addition, metrological outliers can be filtered out.
  • a maximum time duration of 0.3 s is assumed for the expected switch-on time of the switching element. This is the time it takes for the switching voltage at the output to reach the switching voltage under normal operating conditions.
  • the switch-on time can also be over how eg 1 s. It can also be lower, such as at 0.2 s. Decisive for the expected turn-on time are inductances in the supply of the switching voltage to the switching element.
  • the switching voltage is a DC voltage.
  • the switching voltage may be an alternating voltage.
  • the contact voltage to be determined is then measured in the voltage maximum during the switch-on time.
  • the contact voltage can be determined according to a further embodiment for a plurality, in particular for three switching elements of a multi-pole, in particular three-pole switching device.
  • the output of the warning messages or the impressing of an external freewheeling current takes place for each of the switching elements in an analogous manner. It is also possible to combine pole-by-pole warning messages and to output a single warning message as soon as one of the switching elements meets the requirements.
  • the object of the invention is further achieved by a switching device which has a parallel to the switching element connected voltage measuring unit for detecting a contact voltage.
  • the switching device has a control unit with means for evaluating the detected contact voltage, with means for outputting warning messages and with means for carrying out the method according to the invention.
  • the control unit is typically a microcontroller or a microcomputer.
  • the same microcontroller can be used to evaluate a measured switching voltage, which is also used to control the switching device.
  • the switching device has means for impressing a predetermined freewheeling current within the switch-on time of the switching element.
  • the means may, for example, be a series circuit of one compared to Load low-impedance resistor and an electronic switching element, such as a switching transistor to be.
  • the series connection is connected in parallel to the load.
  • the electronic switching element can then be turned on.
  • a stored voltage such as by means of a capacitor, can be used as a switching voltage for burnout.
  • the switching device is designed in particular for switching a DC voltage as a switching voltage. It may alternatively or additionally be designed as a switching voltage for switching an AC voltage.
  • the switching device is a multi-pole switching device. It has a plurality of contact-type switching elements, in particular three switching elements. In addition, the switching device has an adapted for multi-pole operation control unit.
  • the switching device is typically a low-voltage switching device, in particular a contactor or circuit breaker.
  • the voltages to be switched can be up to 72 V. In some cases, they can also be above it.
  • the currents to be switched are typically in the one or two-digit range.
  • the voltages to be switched are preferably at most 400V.
  • the voltages may also be in the one or two digit range, e.g. at 5V or 24V.
  • the switching device can be a high-voltage switching device, in particular a high-voltage switch.
  • the voltages to be switched are preferably at least 5000 V.
  • the voltages can also be in a two- or three-digit kilovolt range.
  • the switching device may be a medium-voltage switching device, in particular a medium-voltage switch.
  • the voltages to be switched in a range of 400 V to 5000 V.
  • FIG. 1 shows, by way of example, a contact-type switching element 1 connected between a switching voltage UC and an electrical load 4.
  • the reference numeral 5 denotes an internal resistance of the (ideal) voltage source UQ.
  • the internal resistance 5 reduces the available switching voltage US as a function of a load current IS.
  • the switching element 1 is shown in the middle part of the FIG. 1 . It is composed of an ideal switch 2 and a contact resistance 3 connected in series with it. As a function of the load current IS and as a function of a currently present contact resistance value, a corresponding contact voltage UC drops across the contact resistance 3.
  • FIG. 2 shows, by way of example, the voltage curve VUS, VUC of a switching voltage US connected to the electrical load and an associated contact voltage UC applied via a new-value switching contact of the switching element 1.
  • VUS voltage curve
  • VUC voltage curve
  • UC contact voltage
  • the upper voltage curve VUS shows the time increase of a switching voltage US acting as output voltage UA at the output of the switching element 1.
  • t0 is a switch-on time
  • t1 denotes a stationary time from which the switching voltage US reaches its maximum value USM.
  • the maximum value USM has a constant voltage value assuming a constant electrical load 4. The voltage value is reduced at least by the voltage drop across the internal resistance 5 of the voltage source UQ.
  • FIG. 3 shows by way of example the voltage curve VUC of a switching element 1 with an insulating layer on the switching contacts.
  • the contact voltage UC rises at the time t0 with a comparison with FIG. 2 much greater slew rate due to a much higher contact resistance value in the presence of a contact insulation layer.
  • the voltage waveform points designated P1-P4 voltage dips occur, forming one arc LB each.
  • TW denotes an expected switch-on time, within which a safe switch-on of the load 4 is to be expected. It is for example 0.3 s.
  • the contact voltage UC is in the range of an arc ionization voltage value UI. This is for the example of the FIG. 3 used contact material approx. 12 V.
  • the end of life of the switching element 1 is reached.
  • the switching element 1 is to be replaced, especially since the voltage UA available at the output of the switching element 1 is significantly reduced by the arc ionization voltage UI present across the switching contact.
  • the heat development in the region of the switching contact is very high.
  • FIG. 4 shows by way of example the voltage curve VUC of a switching element 1 with insulating, non-functional switching contacts. There is no appreciable flow of current through the load 4 more. In this case, the rising speed of the contact voltage UC is maximum. In the stationary state is above the switching contact a maximum Switching voltage value USM, which corresponds to the voltage value of the source voltage US in this currentless case.
  • FIG. 5 shows by way of example the method steps S1-S6 of the method according to the invention.
  • S1 denotes the start of the method according to the invention for determining the presence of a contact insulation layer in the case of a contact-type switching element 1.
  • step S2 at least within an expected switch-on time TW of the switching element 1 for a plurality of switching cycles, a contact voltage UC applied across the closed switching element 1 is measured.
  • step S3 a branch is made to a step S4 and a first warning message is output if a currently measured value of the contact voltage UC exceeds a predetermined minimum minimum voltage value UN.
  • step S5 the next turn-on operation is awaited to measure the plurality of switching cycles.
  • Step S6 designates the end of the flowchart according to the method according to the invention.
  • the predetermined lower minimum voltage value UN is approximately two to five times the value which results for the contact voltage UC in the new state of the switching element 1.
  • this is in the example of the FIG. 3 a drawn to the lower minimum voltage value UN line drawn.
  • the first warning message can also be output only when a currently measured value of the contact voltage UC is in the range of the predetermined arc ionization voltage value UI.
  • the arc ionization voltage value UI is a value dependent on the contact material used. It is usually a multiple of the lower minimum voltage value UN.
  • the short-term applied freewheeling current a multiple of the maximum possible load current, that is, the rated current, for the switching element 1 on.
  • the freewheeling current may e.g. which is 10 times the rated current.
  • the freewheeling current can alternatively be impressed via the switching element 1 for a predetermined number of subsequent switching cycles.
  • the number may e.g. in a range of two to five.
  • a second warning message can also be issued if the specified minimum voltage value UN is not fallen below after attempting to burn off again.
  • the second warning message indicates an unexpected state of the switching contacts.
  • a first number of switching cycles can be determined until the contact voltage UC exceeds the lower minimum voltage value UN or the arc ionization voltage value UI.
  • a third warning message can then be issued if a second number of switching cycles extrapolated to the end of life is reached.
  • the second number of switching cycles may be 0.5 to 0.7 times the first number of switching cycles.
  • the determination of the second number of switching cycles is based on empirical considerations, e.g. from the results of a field test, wherein a plurality of load circuits are performed over a plurality of days and with respect to the respective type of the switching element 1.
  • the third warning message indicates that shortly with the failure of the switching element 1 and the switching device with such a switching element 1 is to be expected.
  • a fourth warning message can be output when the currently measured value of the contact voltage UC exceeds a predetermined upper minimum voltage value UH, which indicates the failure of the switching element 1.
  • the upper minimum voltage value UH may correspond, for example, approximately 0.7 to 0.9 times the switching voltage US.
  • a line belonging to the upper minimum voltage value UH is shown.
  • the further switching operation of the switching element 1 can be blocked when the upper minimum voltage UH is exceeded in order to prevent a possible faulty behavior of loads to be switched and the plant components connected thereto. Blocking is usually mandatory for safety-relevant applications.
  • the contact voltage UC can be measured several times within the respective expected switch-on time TW and a mean value can be formed from the corresponding measured values to increase the reliability of the warning messages to be output.
  • the expected on-time TW of the switching element 1 can be assumed to be a maximum period of 0.3 s. It can also be above or below depending on the type of switching element used. In particular, the expected switching time increases with the level of the switching voltage and the load current.
  • FIG. 6 shows by way of example the profile VR of a contact resistance value R over the service life of a switching element 1.
  • the timing of the switching operations is given in days.
  • the field trial conducted on five examinees took place over a period of approx. 150 days.
  • contact resistance measured values MW of the five test specimens are entered in logarithmic representation over the time axis t.
  • VR of the contact resistance value RC two significant stages are recognizable which determine three phases PH1-PH3 of the "lifetime" of a switching element 1 in terms of time.
  • the first phase PH1 denotes a new or operating phase of the switching element 1.
  • the switching element 1 has within this phase PH1, that is, from the start of the field test until about the 80th Day, comparatively low contact resistance values RC for all the samples.
  • the measured contact resistance values RC are below a predetermined lower resistance limit RN, which in relation to the FIG. 2 to FIG. 4 with the local lower minimum voltage UN corresponds.
  • AR outliers in contact resistance value RC are indicated, which are above the lower resistance limit RN.
  • a burnout attempt can be made, thereby eliminating sporadic contamination of the switch contacts.
  • the second phase PH2 extends from the 80th day to the 135th day. Although the end of life of the switching element 1 is reached within this phase PH2, the switching element 1 is still functional until about the 135th day.
  • the one or more switching contacts of the switching element 1 are now covered with a continuous insulating layer which can be broken when the switching voltage US from a certain voltage value.
  • a value corresponding to the arc ionization voltage value UI is FIG. 3 corresponding arc ionization resistance limit specified.
  • the third phase PH3 corresponds to the failure of the switching element 1.
  • the switching contacts are insulating.
  • the contact resistance values RC associated with the respective measured values MW are orders of magnitude higher than those of the two first phases PH1 and PH2.
  • FIG. 7 shows a switching device 10 with, for example, a switching element 1 and with a control unit 6 for carrying out the method according to the invention.
  • the switching device 10 has an input-side terminal for connecting a switching voltage US and an output-side terminal for connecting an electrical load 4. In between, a contact-type switching element 1 is connected, symbolized by an ideal switch 2 and a contact resistance 3 connected in series with it.
  • a voltage measuring unit 7 for detecting a contact voltage UC is connected in parallel to the switching element 1.
  • a control unit 6 has means for evaluating the detected contact voltage UC. It also has means for issuing warning messages MSG1-MSG4 and means for carrying out the method according to the invention.
  • the control unit 6 has an input-side terminal for detecting a control voltage UE. This can e.g. be a digital voltage value.
  • the control unit 6 controls the switching element 1 as a function of the control voltage UE by means of a control signal ST.
  • the control signal ST is used to supply a control magnet or actuator, which ultimately actuates the switch contacts or the main contacts of the switching element 1.
  • control unit 6 has outputs for outputting the warning messages MSG1-MSG4.
  • the warning messages MSG1-MSG4 can be output in the form of digital signals and optionally trigger a light source, such as an LED, for displaying the corresponding warning.
  • a light source such as an LED
  • the warning messages MSG1-MSG4 can be provided as a bus signal at the output of the control unit 6.
  • the control unit 6 is in particular a microcontroller, microprocessor or a microcomputer.
  • FIG. 7 has the switching device 10 means 8, 9 for impressing a predetermined freewheeling current IF during the expected switch-on time TW of the switching element 1 on.
  • the switch-on duration of the freewheeling current IF is in particular shorter than the expected switch-on time TW.
  • the switching device 10 shown is designed to switch a DC voltage as a switching voltage US.
  • the switching device 10 may alternatively or additionally be designed as a switching voltage US for switching an AC voltage.
  • the switching device 10 may be a multi-pole switching device having a plurality of contact-type switching elements 1.
  • the switching device 10 is a three-pole switching device for switching three-pole loads.
  • the three-pole arrangement of switching elements 1 is particularly common for switching three-pole loads in a 400V / 50Hz three-phase network.
  • control unit 10 in a three-phase switching voltage in the AC voltage case or in the case of three-phase current adapted for multi-pole operation control unit 6.
  • the switching device 10 is a low-voltage switching device, in particular a contactor or circuit breaker.
  • the voltages to be switched are preferably maximum 400V.
  • the voltages can also be in the one- or two-digit range, such as at 5 V or 72 V.
  • the switching device 10 may be a high-voltage switching device, in particular a high-voltage switch.
  • the voltages to be switched are preferably at least 5000 V.
  • the voltages can also be in a two- or three-digit kilovolt range.
  • the switching device 10 may be a medium-voltage switching device, in particular a medium-voltage switch.
  • the voltages to be switched are in a range of 400 V to 5000 V.

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Abstract

The method involves connecting logic element (1) with a switching voltage (US) at the input side and with an electrical load (4) at the output side. An expected turn on time of the logic element is measured over the closed logic element lying close to contact voltage (UC) for multiple switching cycles. An alarm (MSG1) is issued, if a currently measured value of the contact voltage exceeds a given lower minimum voltage value. An independent claim is also included for a switching device, which has an input connection for connecting a switching voltage.

Description

Verfahren zur Feststellung des Vorhandenseins einer Kontaktisolierschicht bei einem kontaktbehafteten Schaltelement sowie Schaltgerät mit einem derartigen SchaltelementMethod for determining the presence of a contact insulating layer in a contact-type switching element and switching device with such a switching element

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feststellung des Vorhandenseins einer Kontaktisolierschicht bei einem kontaktbehafteten Schaltelement.The invention relates to a method for detecting the presence of a Kontaktisolierschicht in a contact-type switching element.

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.The invention further relates to a switching device which has an input-side terminal for connecting a switching voltage, an output-side terminal for connecting an electrical load, an interposed switched contact switching element and a control unit with means for driving the switching element to a control signal.

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.An electrical low-voltage switchgear, such as a contactor or a circuit breaker, has for switching a contact-type switching element or in multi-pole case, a plurality of contact-type switching elements. A switching element has so-called main contacts, which can be controlled by one or more control magnets. In principle, the main contacts consist of a movable contact bridge and fixed contact pieces, to which a switching voltage and an electrical load are connected. To close and open the main contacts of a control unit or control electronics, a corresponding on or off signal is output to the control magnets, which then act on the main contacts.

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.For better contact between the contact pieces and the contact bridges are provided at points where both meet, correspondingly formed contact surfaces. These contact surfaces are made of materials such as a silver alloy. They are at this Placed on both the contact bridge and the contact pieces and have a certain thickness.

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.One possible failure criterion of such switching contacts is an insulating layer formation. Such an insulating layer is formed with an increasing number of switching cycles. The insulating layer may also form on non-switching contacts, e.g. by oxidation. Associated with this is an increase in the contact contact resistance between the switching contacts. In the worst case, this can lead to complete contact isolation. This corresponds to an interruption of the current flow.

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.From the German patent application DE 43 18 188 A1 a device for monitoring the switch position of a switch is specified. The device comprises, in addition to the usual means for detecting and converting the switch position and the transmission means and evaluation means special means for removing an oxidation layer, which is formed for example by weathering on the contacts of the switch. These means preferably comprise a switch and a control logic. The drive logic closes the switch each time the switch is closed for a certain amount of time. As a result, a relatively high current flows through the contacts of the switch for a short time, and the oxidation layer is effectively removed.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, welches die Feststellung des Vorhandenseins einer Kontaktisolierschicht auf einfache und zuverlässige Weise ermöglicht.It is an object of the invention to provide a method which enables the detection of the presence of a contact insulating layer in a simple and reliable manner.

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.It is a further object of the invention to provide a suitable switching device with at least one contact-type switching element, in which the presence of a Kontaktisolierschicht can be determined in a simple and reliable manner.

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.The object of the invention is achieved by a method having the features of claim 1. Advantageous embodiments of the method are given in the dependent claims 2 to 15. In claim 16, a suitable switching device is called. In the dependent claims 17 to 23 advantageous embodiments of the switching device are mentioned.

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.The method according to the invention serves for determining the presence of a contact insulation layer in the case of a contact-type switching element. The switching element is connected on the input side with a switching voltage and the output side with an electrical load. It is measured for a variety of switching cycles, at least within an expected switch-on time of the switching element, a voltage applied across the closed switching element contact voltage. A first warning message is issued if a currently measured value of the contact voltage exceeds a predetermined lower minimum voltage value.

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.The short term, partial detection of the voltage applied to a closed contact element contact voltage requires in comparison to the continuous measurement of the contact resistance advantageously only a small technical effort. Conventional devices with a continuous detection, however, have a high storage depth. Accordingly complex and expensive are such devices.

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.The measured values for the contact voltage determined by the method according to the invention are particularly representative when the switching voltage and the electrical load are constant. This is the case in most operational applications. However, the measured values can also be determined independently of whether the electrical load is constant or not, since the contact voltage to be determined ultimately only depends on the resistance of the contact itself.

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.According to a variant of the method, the predetermined lower minimum voltage value is approximately two to five times the value, which results for the contact voltage in the new state of the switching element. For a new switching element, the contact resistance is typically in the range of 0.1 ohms or even less. The corresponding contact voltage is correspondingly low. It is less than 1 V for switching currents of a few amperes. By raising the lower minimum voltage value by two to five times, the reliability of detecting the presence of an insulating layer is advantageously increased.

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.According to a further embodiment, an arc ionization voltage value dependent on the contact material used is predetermined. This voltage value is a multiple of the lower minimum voltage value. The first warning message is issued only when a currently measured value of the contact voltage is within the range of the predetermined arc ionization voltage value.

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.For example, for arc silver alloys, the arc ionization voltage is about 12 V. It can be used for other contact materials, e.g. for gold or platinum, also below or above.

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.Starting from a mint switching contact increases with the number of switching cycles, the insulating layer on the switching contacts of the switching element. From a certain insulating layer thickness results in a voltage resistance. This means that the insulating layer is broken only at a certain voltage level. As the switching voltage increases, micro-arcs, which cause the breakdown of the insulating layer, consequently occur upon reaching the certain voltage level. Starting from the rising switching voltage, the contact voltage thus breaks down to the arc ionization voltage. This process can be repeated several times during the switch-on until the contact voltage finally settles on the stationary level of the arc ionization voltage. Compared to the contact resistance of a new or newswitching contact is now this one Many times higher. This can be one to two orders of magnitude higher, depending on the switching current. The transition from a new or newswitching contact to a switch contact with a grown insulating is done after reaching a certain number of switching comparatively erratic, as soon as the insulating layer has spread over the entire switching contact.

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.With the sudden increase in contact resistance, the actual end of life of the switching element is reached. The output according to the invention first warning message indicates that the switching element is functional only for a predefinable or hochrechenbare number of switching cycles.

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.In general, the end of life of the switching element is caused by two different effects. First, no contact can be made before the contact material is completely applied. In this case, the contacts are insulating. On the other hand, opening the contacts can no longer be possible if the contact material has been used up. In this case, the contacts are welded together. This may result in burning off the non-contacting contacts of the other phases. In the first case, a spontaneous sporadic increase of the contact resistance is effected, while in the second case, the contact resistance is substantially constant, but can certainly increase further.

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.Alternatively or additionally, for the purpose of outputting the first warning message, a predefinable free-burning current can be impressed via the switching element within the switch-on time, so that an existing contact insulating layer is at least partially removed. This is particularly advantageous if during the new phase of the switching element sporadically higher contact voltages are measured, which are above the lower minimum voltage. Such sporadic outliers can have their cause, for example, in insulating microparticles, which dissolve in the region of the switch contacts or are present in the ambient air of the switching contacts. The latter can be dust particles, for example.

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.The burn-off contact burns off the switch contact. The current intensity for this is usually a multiple of the rated current for the switching element. However, since the freewheeling current is only present for fractions of a second, this does not damage the switching contacts. After successful free-burning, the contact voltage is typically again in the range of the previous contact voltages.

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.In the event that the specified minimum voltage value does not return after attempting to burn off, a second warning message can be output. Alternatively, a limited number of further attempts at free-burning can be started. The second warning message can be an indication that there is a permanent impairment of the switching contacts.

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.It can be determined according to a further variant of the method, a first number of switching cycles, which is required until the contact voltage exceeds the lower minimum voltage value or the Lichtionionisationsspannungswert. A third warning message can be issued if a second number of cycles calculated at the end of the service life is reached.

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.The determination of the second number can be done on the basis of a field test of a switching device type, for example. It is to be expected that the switching contacts of the tested switching elements of a switching device type achieve a high-impedance final state of the switching elements at approximately the same second number of switching cycles. The transition from a switching contact with insulating layer to a high-resistance or insulated switching contact also takes place comparatively abruptly. The reason for this is that the applied switching voltage is now no longer sufficient to the further grown insulating layer break through. In fact, the switching voltage is measured via the supposedly closed switching contact.

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.According to one embodiment, the second number of switching cycles may correspond to 0.5 to 0.7 times the first number of switching cycles. The above values can be considered as empirical values. They can also be above or below, depending on the type of switch element.

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.According to a further variant of the method, a fourth warning message is issued when the currently measured value of the contact voltage exceeds a predetermined upper minimum voltage value, which indicates the failure of the switching element. This warning message may e.g. be read in and evaluated by a higher-level monitoring or control center. As a result, an exchange of the respective switching element or the switching device can be made.

Insbesondere entspricht der obere Mindestspannungswert in etwa dem 0,7- bis 0,9-fache der Schaltspannung.In particular, the upper minimum voltage value corresponds approximately to 0.7 to 0.9 times the switching voltage.

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.According to a further advantageous variant of the method, the further switching operation of the switching element is disabled when the upper minimum voltage has been exceeded. This is particularly advantageous for safety-relevant applications.

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.According to one embodiment, the contact voltage is measured several times within the respective turn-on time. An average value is formed from the corresponding measured values. This increases the accuracy of a measurement of the contact voltage. In addition, metrological outliers can be filtered out.

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.Preferably, a maximum time duration of 0.3 s is assumed for the expected switch-on time of the switching element. This is the time it takes for the switching voltage at the output to reach the switching voltage under normal operating conditions. The switch-on time can also be over how eg 1 s. It can also be lower, such as at 0.2 s. Decisive for the expected turn-on time are inductances in the supply of the switching voltage to the switching element.

Vorzugsweise ist die Schaltspannung eine Gleichspannung.Preferably, the switching voltage is a DC voltage.

Alternativ kann die Schaltspannung eine Wechselspannung sein. Vorzugsweise wird dann während der Einschaltzeit die zu ermittelnde Kontaktspannung im Spannungsmaximum gemessen.Alternatively, the switching voltage may be an alternating voltage. Preferably, the contact voltage to be determined is then measured in the voltage maximum during the switch-on time.

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.The contact voltage can be determined according to a further embodiment for a plurality, in particular for three switching elements of a multi-pole, in particular three-pole switching device. The output of the warning messages or the impressing of an external freewheeling current takes place for each of the switching elements in an analogous manner. It is also possible to combine pole-by-pole warning messages and to output a single warning message as soon as one of the switching elements meets the requirements.

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.The object of the invention is further achieved by a switching device which has a parallel to the switching element connected voltage measuring unit for detecting a contact voltage. The switching device has a control unit with means for evaluating the detected contact voltage, with means for outputting warning messages and with means for carrying out the method according to the invention.

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.The control unit is typically a microcontroller or a microcomputer. Preferably, the same microcontroller can be used to evaluate a measured switching voltage, which is also used to control the switching device.

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.According to one embodiment, the switching device has means for impressing a predetermined freewheeling current within the switch-on time of the switching element. The means may, for example, be a series circuit of one compared to Load low-impedance resistor and an electronic switching element, such as a switching transistor to be. The series connection is connected in parallel to the load. By means of a freewheeling signal generated by the control unit, the electronic switching element can then be turned on. Alternatively, a stored voltage, such as by means of a capacitor, can be used as a switching voltage for burnout.

Das Schaltgerät ist insbesondere zum Schalten einer Gleichspannung als Schaltspannung ausgelegt. Es kann alternativ oder zusätzlich zum Schalten einer Wechselspannung als Schaltspannung ausgelegt sein.The switching device is designed in particular for switching a DC voltage as a switching voltage. It may alternatively or additionally be designed as a switching voltage for switching an AC voltage.

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.In particular, the switching device is a multi-pole switching device. It has a plurality of contact-type switching elements, in particular three switching elements. In addition, the switching device has an adapted for multi-pole operation control unit.

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.The switching device is typically a low-voltage switching device, in particular a contactor or circuit breaker. The voltages to be switched can be up to 72 V. In some cases, they can also be above it. The currents to be switched are typically in the one or two-digit range. The voltages to be switched are preferably at most 400V. The voltages may also be in the one or two digit range, e.g. at 5V or 24V.

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.Alternatively, the switching device can be a high-voltage switching device, in particular a high-voltage switch. The voltages to be switched are preferably at least 5000 V. The voltages can also be in a two- or three-digit kilovolt range.

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.Alternatively, the switching device may be a medium-voltage switching device, in particular a medium-voltage switch. Preferably are the voltages to be switched in a range of 400 V to 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.
The invention and advantageous embodiments of the invention will be described in more detail below with reference to the following figures. Show it
FIG. 1
by way of example a contact-type switching element connected between a switching voltage and an electrical load,
FIG. 2
by way of example the voltage curve of a switching voltage connected to the electrical load and an associated contact voltage lying above a new-value switching contact of the switching element,
FIG. 3
for example, the voltage curve of a switching element with an insulating layer on the switch contacts,
FIG. 4
for example, the voltage curve of a switching element with isolated, non-functional switching contacts,
FIG. 5
by way of example the method steps of the method according to the invention,
FIG. 6
exemplifies the course of a contact resistance value over the life of a switching element and
FIG. 7
a switching device with, for example, a switching element and with a control unit for carrying out the method according to the invention.

FIG 1 zeigt beispielhaft ein zwischen einer Schaltspannung UC und einer elektrischen Last 4 geschaltetes kontaktbehaftetes Schaltelement 1. FIG. 1 shows, by way of example, a contact-type switching element 1 connected between a switching voltage UC and an electrical load 4.

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.In the left part of the FIG. 1 is to see a voltage applied to the switching element 1 switching voltage US. It is generated by a voltage source UQ. The reference numeral 5 denotes an internal resistance of the (ideal) voltage source UQ. The internal resistance 5 reduces the available switching voltage US as a function of a load current IS.

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.In the middle part of the FIG. 1 the switching element 1 is shown. It is composed of an ideal switch 2 and a contact resistance 3 connected in series with it. As a function of the load current IS and as a function of a currently present contact resistance value, a corresponding contact voltage UC drops across the contact resistance 3.

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. FIG. 2 shows, by way of example, the voltage curve VUS, VUC of a switching voltage US connected to the electrical load and an associated contact voltage UC applied via a new-value switching contact of the switching element 1. For the present FIG. 2 as well as for the following figures 3 to FIG. 7 a constant voltage source UQ and a constant electrical load 4 are assumed.

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.The upper voltage curve VUS shows the time increase of a switching voltage US acting as output voltage UA at the output of the switching element 1. With t0 is a switch-on time, with t1 denotes a stationary time from which the switching voltage US reaches its maximum value USM. The maximum value USM has a constant voltage value assuming a constant electrical load 4. The voltage value is reduced at least by the voltage drop across the internal resistance 5 of the voltage source UQ.

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.The course shown is typical for a DC voltage source. The time delay essentially results from inductances in the supply lines and in the voltage source UQ itself. For both voltage curves VUS, VUC, the respective voltage maximum USM, UCN is reached after about 0.17 s at the time t1. UCN is the current maximum contact voltage value. As the FIG. 2 shows further, this has a comparatively low value of about 0.1 V for the newswitching contact.

FIG 3 zeigt beispielhaft den Spannungsverlauf VUC eines Schaltelementes 1 mit einer Isolierschicht an den Schaltkontakten. FIG. 3 shows by way of example the voltage curve VUC of a switching element 1 with an insulating layer on the switching contacts.

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.In the example of FIG. 3 If the contact voltage UC rises at the time t0 with a comparison with FIG. 2 much greater slew rate due to a much higher contact resistance value in the presence of a contact insulation layer. In this case, in the voltage waveform points designated P1-P4, voltage dips occur, forming one arc LB each. Only after an effective switch-on time TS of approx. 0.21 s is the course VUC of the contact voltage UC stable. TW denotes an expected switch-on time, within which a safe switch-on of the load 4 is to be expected. It is for example 0.3 s. In the stable state, the contact voltage UC is in the range of an arc ionization voltage value UI. This is for the example of the FIG. 3 used contact material approx. 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.With a stationary formation of a contact voltage UC in the region of the arc ionization voltage value UI, the end of life of the switching element 1 is reached. Until the final failure of the switching element 1, that is, until the time of the presence of insulating switching contacts, typically a number of about 100 to 1000 switching cycles is possible. Preferably, upon reaching this switching state, the switching element 1 is to be replaced, especially since the voltage UA available at the output of the switching element 1 is significantly reduced by the arc ionization voltage UI present across the switching contact. In addition, the heat development in the region of the switching contact is very high.

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. 4 shows by way of example the voltage curve VUC of a switching element 1 with insulating, non-functional switching contacts. There is no appreciable flow of current through the load 4 more. In this case, the rising speed of the contact voltage UC is maximum. In the stationary state is above the switching contact a maximum Switching voltage value USM, which corresponds to the voltage value of the source voltage US in this currentless case.

FIG 5 zeigt beispielhaft die Verfahrensschritte S1-S6 des erfindungsgemäßen Verfahrens. FIG. 5 shows by way of example the method steps S1-S6 of the method according to the invention.

Mit S1 ist der Start des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Feststellung des Vorhandenseins einer Kontaktisolierschicht bei einem kontaktbehafteten Schaltelement 1 bezeichnet.S1 denotes the start of the method according to the invention for determining the presence of a contact insulation layer in the case of a contact-type switching element 1.

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.According to step S2, at least within an expected switch-on time TW of the switching element 1 for a plurality of switching cycles, a contact voltage UC applied across the closed switching element 1 is measured.

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.In step S3, a branch is made to a step S4 and a first warning message is output if a currently measured value of the contact voltage UC exceeds a predetermined minimum minimum voltage value UN.

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.In the other case, a branch is made from step S3 to step S5. In step S5, the next turn-on operation is awaited to measure the plurality of switching cycles.

Mit Schritt S6 ist das Ende des Flussdiagramms gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bezeichnet.Step S6 designates the end of the flowchart according to the method according to the invention.

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.Preferably, the predetermined lower minimum voltage value UN is approximately two to five times the value which results for the contact voltage UC in the new state of the switching element 1. For a better understanding this is in the example of the FIG. 3 a drawn to the lower minimum voltage value UN line drawn.

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.Alternatively, the first warning message can also be output only when a currently measured value of the contact voltage UC is in the range of the predetermined arc ionization voltage value UI. The arc ionization voltage value UI is a value dependent on the contact material used. It is usually a multiple of the lower minimum voltage value 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.Alternatively, it is also possible to use only a fractional value of the arc ionization voltage value UI as a comparison value for the contact voltage UC, as shown in FIG. 0.1 times the arc ionization voltage value 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.As an alternative or in addition to the output of the first warning message, it is also possible to emboss a predefinable spark-free current within the expected on-time TW via the switching element 1, so that an existing contact-insulating layer can be at least partially removed. In particular, the short-term applied freewheeling current a multiple of the maximum possible load current, that is, the rated current, for the switching element 1 on. The freewheeling current may e.g. which is 10 times the rated current.

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.The freewheeling current can alternatively be impressed via the switching element 1 for a predetermined number of subsequent switching cycles. The number may e.g. in a range of two to five.

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.In addition, a second warning message can also be issued if the specified minimum voltage value UN is not fallen below after attempting to burn off again. The second warning message indicates an unexpected state of the switching contacts.

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.Furthermore, a first number of switching cycles can be determined until the contact voltage UC exceeds the lower minimum voltage value UN or the arc ionization voltage value UI. A third warning message can then be issued if a second number of switching cycles extrapolated to the end of life is reached. For example, the second number of switching cycles may be 0.5 to 0.7 times the first number of switching cycles.

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.The determination of the second number of switching cycles is based on empirical considerations, e.g. from the results of a field test, wherein a plurality of load circuits are performed over a plurality of days and with respect to the respective type of the switching element 1. The third warning message indicates that shortly with the failure of the switching element 1 and the switching device with such a switching element 1 is to be expected.

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.In addition, a fourth warning message can be output when the currently measured value of the contact voltage UC exceeds a predetermined upper minimum voltage value UH, which indicates the failure of the switching element 1. The upper minimum voltage value UH may correspond, for example, approximately 0.7 to 0.9 times the switching voltage US. For a better understanding this is in the example of the FIG. 3 a line belonging to the upper minimum voltage value UH is shown. In particular, the further switching operation of the switching element 1 can be blocked when the upper minimum voltage UH is exceeded in order to prevent a possible faulty behavior of loads to be switched and the plant components connected thereto. Blocking is usually mandatory for safety-relevant applications.

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.In the method according to the invention, the contact voltage UC can be measured several times within the respective expected switch-on time TW and a mean value can be formed from the corresponding measured values to increase the reliability of the warning messages to be output. The expected on-time TW of the switching element 1 can be assumed to be a maximum period of 0.3 s. It can also be above or below depending on the type of switching element used. In particular, the expected switching time increases with the level of the switching voltage and the load current.

FIG 6 zeigt beispielhaft den Verlauf VR eines Kontaktwiderstandswertes R über die Lebensdauer eines Schaltelementes 1. FIG. 6 shows by way of example the profile VR of a contact resistance value R over the service life of a switching element 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.The timing of the switching operations is given in days. The field trial conducted on five examinees took place over a period of approx. 150 days. In each case, contact resistance measured values MW of the five test specimens are entered in logarithmic representation over the time axis t. In the course of time VR of the contact resistance value RC, two significant stages are recognizable which determine three phases PH1-PH3 of the "lifetime" of a switching element 1 in terms of time.

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.The first phase PH1 denotes a new or operating phase of the switching element 1. The switching element 1 has within this phase PH1, that is, from the start of the field test until about the 80th Day, comparatively low contact resistance values RC for all the samples. In most cases, the measured contact resistance values RC are below a predetermined lower resistance limit RN, which in relation to the FIG. 2 to FIG. 4 with the local lower minimum voltage UN corresponds. With AR outliers in contact resistance value RC are indicated, which are above the lower resistance limit RN. Within the first phase PH1, in the presence of such excessive contact resistance RC, a burnout attempt can be made, thereby eliminating sporadic contamination of the switch contacts.

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.The second phase PH2 extends from the 80th day to the 135th day. Although the end of life of the switching element 1 is reached within this phase PH2, the switching element 1 is still functional until about the 135th day. The one or more switching contacts of the switching element 1 are now covered with a continuous insulating layer which can be broken when the switching voltage US from a certain voltage value. With RI, a value corresponding to the arc ionization voltage value UI is FIG. 3 corresponding arc ionization resistance limit specified.

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.The third phase PH3 corresponds to the failure of the switching element 1. The switching contacts are insulating. The contact resistance values RC associated with the respective measured values MW are orders of magnitude higher than those of the two first phases PH1 and PH2.

FIG 7 zeigt ein Schaltgerät 10 mit beispielhaft einem Schaltelement 1 und mit einer Steuereinheit 6 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. FIG. 7 shows a switching device 10 with, for example, a switching element 1 and with a control unit 6 for carrying out the method according to the invention.

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.The switching device 10 has an input-side terminal for connecting a switching voltage US and an output-side terminal for connecting an electrical load 4. In between, a contact-type switching element 1 is connected, symbolized by an ideal switch 2 and a contact resistance 3 connected in series with it.

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.According to the invention, a voltage measuring unit 7 for detecting a contact voltage UC is connected in parallel to the switching element 1. A control unit 6 has means for evaluating the detected contact voltage UC. It also has means for issuing warning messages MSG1-MSG4 and means for carrying out the method according to the invention.

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.The control unit 6 has an input-side terminal for detecting a control voltage UE. This can e.g. be a digital voltage value. The control unit 6 controls the switching element 1 as a function of the control voltage UE by means of a control signal ST. In particular, the control signal ST is used to supply a control magnet or actuator, which ultimately actuates the switch contacts or the main contacts of the switching element 1.

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.Furthermore, the control unit 6 has outputs for outputting the warning messages MSG1-MSG4. The warning messages MSG1-MSG4 can be output in the form of digital signals and optionally trigger a light source, such as an LED, for displaying the corresponding warning. Alternatively or in addition For example, the warning messages MSG1-MSG4 can be provided as a bus signal at the output of the control unit 6.

Die Steuereinheit 6 ist insbesondere ein Mikrocontroller, Mikroprozessor oder ein Mikrocomputer.The control unit 6 is in particular a microcontroller, microprocessor or a microcomputer.

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.In the example of FIG. 7 has the switching device 10 means 8, 9 for impressing a predetermined freewheeling current IF during the expected switch-on time TW of the switching element 1 on. The switch-on duration of the freewheeling current IF is in particular shorter than the expected switch-on time TW. Thus, immediately after switching off the freewheeling current IF, the contact voltage UC can be measured and it can be checked whether the frictional attempt was successful, that is, whether the contact voltage value RC is again below the lower minimum voltage limit.

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.The switching device 10 shown is designed to switch a DC voltage as a switching voltage US. The switching device 10 may alternatively or additionally be designed as a switching voltage US for switching an AC voltage.

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.Furthermore, the switching device 10 may be a multi-pole switching device having a plurality of contact-type switching elements 1. In particular, the switching device 10 is a three-pole switching device for switching three-pole loads. The three-pole arrangement of switching elements 1 is particularly common for switching three-pole loads in a 400V / 50Hz three-phase network.

Darüber hinaus weist das Steuergerät 10 bei einer dreiphasigen Schaltspannung im Wechselspannungsfall bzw. im Drehstromfall einen für den mehrpoligen Betrieb angepasste Steuereinheit 6 auf.In addition, the control unit 10 in a three-phase switching voltage in the AC voltage case or in the case of three-phase current adapted for multi-pole operation control unit 6.

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.Typically, the switching device 10 is a low-voltage switching device, in particular a contactor or circuit breaker. The voltages to be switched are preferably maximum 400V. The voltages can also be in the one- or two-digit range, such as at 5 V or 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.Alternatively, the switching device 10 may be a high-voltage switching device, in particular a high-voltage switch. The voltages to be switched are preferably at least 5000 V. The voltages can also be in a two- or three-digit kilovolt range.

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.Alternatively, the switching device 10 may be a medium-voltage switching device, in particular a medium-voltage switch. Preferably, the voltages to be switched are in a range of 400 V to 5000 V.

Claims (23)

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. Method for detecting the presence of a contact insulation layer in a contact-type switching element (1), - Wherein the switching element (1) on the input side with a switching voltage (US) and the output side is connected to an electrical load (4), - Wherein for a plurality of switching cycles at least within an expected switch-on time (TW) of the switching element (1) over the closed switching element (1) applied contact voltage (UC) is measured and - Wherein a first warning message (MSG1) is output when a currently measured value of the contact voltage (UC) exceeds a predetermined lower minimum voltage value (UN). 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.Method according to claim 1,
characterized,
that the predetermined lower minimum voltage value (UN) is approximately two to five times the value which results for the contact voltage (UC) in the new state of the switching element (1). 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.Method according to claim 1 or 2,
characterized,
in that a arc ionisation voltage value (UI) dependent on the contact material used is predetermined, which is a multiple of the lower minimum voltage value (UN), and wherein the first warning message (MSG1) is output only if a currently measured value of the contact voltage (UC) is in the range of predetermined arc ionization voltage value (UI) is. 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.Method according to one of claims 1 to 3,
characterized,
in that, alternatively or in addition to the output of the first warning message (MSG1), a prescribable external clearing current (IF) is impressed via the switching element (1) during the switch-on time (TS) so that an existing contact insulating layer is at least partially removed. 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.Method according to claim 4,
characterized,
that a second warning message (MSG2) is issued if the predetermined minimum voltage value (UN) is not fallen below again after a free-fire attempt. 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.Method according to one of the preceding claims,
characterized,
that a first number of operating cycles is determined until the contact voltage (UC) exceeds the lower minimum voltage value (UN), and that output a third warning message (MSG3) when a second at the end of life projected number of operating cycles is reached. 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.Method according to claim 6,
characterized,
that the second number of switching cycles corresponding to 0.5 to 0.7 times the first number of switching cycles. 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.Method according to one of the preceding claims,
characterized,
that a fourth warning message (MSG4) is issued when the currently measured value of the contact voltage (UC) exceeds a predetermined upper minimum voltage value (UH), which indicates the failure of the switching element (1). Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass der obere Mindestspannungswert (UH) etwa dem 0,7- bis 0,9-fachen der Schaltspannung (US) entspricht.Method according to claim 8,
characterized,
that the upper minimum voltage value (UH) is about 0.7 to 0.9 times the switching voltage (US) corresponds. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass der weitere Schaltbetrieb des Schaltelementes (1) gesperrt wird.Method according to claim 8 or 9,
characterized,
that the further switching operation of the switching element (1) is blocked. 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.Method according to one of the preceding claims,
characterized,
that the contact voltage (UC) within the respective anticipated switch-on time (TW) is measured several times and that a mean value is formed from the corresponding measured values. 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.Method according to one of the preceding claims,
characterized,
in that a maximum time duration of 0.3 s is assumed for the expected switch-on time (TW) of the switching element (1). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schaltspannung (US) eine Gleichspannung ist.Method according to one of claims 1 to 12,
characterized,
that the switching voltage (US) is a DC voltage. 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.Method according to one of claims 1 to 12,
characterized,
in that the switching voltage (US) is an alternating voltage and that the contact voltage (UC) to be determined during the expected switch-on time (TW) is preferably measured in the voltage maximum. 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.Method according to one of the preceding claims,
characterized,
that the contact voltage (UC) for several, in particular for three switching elements (1) of a multi-pole, in particular three-pole switching device (10) is determined. 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. Switching device having an input side terminal for connecting a switching voltage (US), an output-side terminal for connecting an electrical load (4), - An interposed switched contact switching element (1) and a control unit (6) with means for activating the switching element (1) in response to a control signal (ST), characterized, - That the switching device has a parallel to the switching element (1) connected voltage measuring unit (7) for detecting a contact voltage (UC) and - That the control unit (6) comprises means for evaluating the detected contact voltage (UC), means for issuing warning messages (MSG1-MSG4) and means for performing the method according to one of the preceding claims. 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.Switching device according to claim 16,
characterized,
in that the switching device has means (8, 9) for impressing a predetermined spark-free current (IF) within the expected switch-on time (TW) of the switching element (1) according to claim 4. Schaltgerät nach Anspruch 16 oder 17,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Schaltgerät zum Schalten einer Gleichspannung als Schaltspannung (US) ausgelegt ist.Switching device according to claim 16 or 17,
characterized,
that the switching device for switching a DC voltage as the switching voltage (US) is designed. Schaltgerät nach Anspruch 16 oder 17,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Schaltgerät zum Schalten einer Wechselspannung als Schaltspannung (US) ausgelegt ist.Switching device according to claim 16 or 17,
characterized,
that the switching device for switching an alternating voltage as the switching voltage (US) is designed. 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.Switching device according to one of Claims 16 to 19,
characterized,
that the switching device is a multi-pole switching device having a plurality of switching elements with contacts (1) and that the switching device comprises a customized for the multi-pole operation control unit (6). Schaltgerät nach einem der Ansprüche 16 bis 20,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Schaltgerät ein Niederspannungsschaltgerät, insbesondere ein Schütz oder Leistungsschalter, ist.Switching device according to one of Claims 16 to 20,
characterized,
that the switching device is a low-voltage switching device, in particular a contactor or circuit breaker. Schaltgerät nach einem der Ansprüche 16 bis 20,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Schaltgerät ein Hochspannungsschaltgerät, insbesondere ein Hochspannungsschalter, ist.Switching device according to one of Claims 16 to 20,
characterized,
that the switching device is a high-voltage switching device, in particular a high-voltage switch. Schaltgerät nach einem der Ansprüche 16 bis 20,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Schaltgerät ein Mittelspannungsschaltgerät, insbesondere ein Mittelspannungsschalter, ist.Switching device according to one of Claims 16 to 20,
characterized,
that the switching device is a medium voltage switching device, in particular a medium voltage switch.
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