WO2001033686A2 - Method for monitoring the effectiveness of a component of an electrical device during operation - Google Patents

Method for monitoring the effectiveness of a component of an electrical device during operation Download PDF

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    • H01H71/24—Electromagnetic mechanisms
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Definitions

  • Such monitoring can take place in such a way that the module is subjected to an electrical, optical or acoustic test pulse and the reaction of the module due to a special property of the component is detected and evaluated.
  • An electrical device in which components need to be monitored for their functionality during operation are, for example, electrical switching devices.
  • electrical switching devices For medium-voltage switchgear that uses a vacuum
  • Contain 20 switching tube a method for monitoring the pressure of the vacuum switching tube known, in which ultrasonic waves are sent as acoustic test pulses in the vacuum switching tube and in which ultrasound waves reflected in the vacuum switching tube are received and in which those received
  • Circuit breakers that are integrated in power distribution networks in the low-voltage range are triggered a switching process used, among other things, undervoltage and overcurrent releases that have a release magnet; when the release magnet responds, the circuit breaker is triggered (brochure "Circuit breaker 3WN1" from Siemens AG, 1986, pages 1 to 13).
  • the overcurrent releases used in such switches are designed as "magnetically bonded” releases, i.e. they have one Trigger coil applied to the magnetic core, an impact anchor, which is under the action of a magnetic or mechanical spring, and a captive magnet associated with the impact anchor.
  • the shackle magnet is a permanent magnet that, when the trigger is at rest, holds the anchor in the ready-to-fire position.
  • the magnetic field generated by the tripping coil weakens the magnetic field of the captive magnet so that it can move under the influence of the magnetic field generated and / or the spring force (DE 27 55 645 Bl, DE 42 38 939 AI).
  • the desired tripping current precisely and to prevent the setting from being influenced by shocks and vibrations. This is no longer guaranteed if the remanence of the permanent magnet, with which the impact armature is held before triggering, decreases in the course of an aging process.
  • the invention is therefore based on the object to provide a way to monitor the holding force of the captive magnet.
  • the trigger coil at a time before the due to the Overcurrent predicted activation of the tripping magnet is loaded with a current pulse, the duration of which is below the duration required for the tripping coil to respond.
  • the tripping voltage given to the tripping coil for the test purpose has the same value as the tripping voltage intended for the actual tripping, but the voltage pulse must be chosen to be shorter in time. Due to the inductance of the tripping coil, the current does not exceed the value required for tripping if the permanent magnet is intact.
  • the triggering of the trigger coil which is used to monitor the holding force of the permanent magnet, can also be carried out in several increasing stages by gradually increasing the duration of the test pulses applied in succession.
  • a particular advantage of the new monitoring method is that it does not require any additional mechanical or electrical or electronic components, but rather only through appropriate programming in the microprocessor assigned to the overcurrent release. calls. Switches that are already in operation can be switched on
  • EPROMS Fixed memory exchange
  • the monitoring method designed according to the invention is expediently used only in the case of so-called “time-uncritical" triggers, that is to say not in the event of a short circuit or in the case of very high currents.
  • Time-uncritical tripping occurs when the tripping time predicted when an overcurrent occurs is more than 3 s.
  • a circuit arrangement with which the new monitoring method can be carried out is shown in the figure.
  • Part of the circuit arrangement is a rectifier circuit 5, which is fed via the secondary winding 4 of a current transformer 3 from a phase 1 of a low-voltage power distribution network.
  • a trigger magnet 11 is assigned to the rectifier circuit 5 as a consumer, which, when activated, controls a switch 2 arranged in phase 1 of the low-voltage high-voltage power network.
  • a diode 14 and an electronic switch 12 are arranged.
  • the electronic switch 12 can be controlled directly or - by means of a control circuit 15 - indirectly from a microprocessor-controlled trigger circuit 8.
  • Both the trigger circuit 8 and further electronic components of the circuit are supplied with voltage by a power supply unit 7, which contains a voltage regulator.
  • a charging capacitor 6 and an electronic switch 10 are also arranged parallel to the trigger magnet 11, the electronic switch 10 for regulating the charging voltage of the Charging capacitor 6 is used and can be controlled directly or - by means of a control circuit 9 - indirectly from the microprocessor-controlled trigger circuit 8.
  • An overcurrent occurring in the low-voltage power distribution network is communicated to the trigger circuit 8 by a corresponding voltage drop across the measuring resistor 13.
  • the microprocessor contained in the trip circuit 8 calculates the expected trip time for the trip magnet 11 due to the size of the overcurrent.
  • the microprocessor is further programmed to operate about 50 to 100 ms before the trip magnet 11 is triggered by actuating the electronic switch 12 gives a test pulse to the trigger magnet 11, the duration of which is shorter than the duration required to respond to the trigger magnet. If this control leads to the triggering of the trigger magnet 11, then this is a sign that the captive magnet no longer has the required remanence.
  • the premature triggering is registered by the trigger circuit 8 and can be displayed as an error.

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Abstract

According to the invention, the retaining force of a permanent magnet, which forms part of the tripping magnet (11) in a circuit breaker forming part of a power switch (2) in a power supply circuit, is monitored, whereby the release coil of the tripping magnet (11) is energised with a pulse of current before a predicted response, whose duration is shorter than that duration necessary for the desired response.

Description

Beschreibung description
VERFAHREN ZUM ÜBERWACHEN DER FUNKTIONSFAHIGKEIT EINES BAUELEMENTS EINES ELEKTRISCHEN GERÄTES WÄHREND DES BETRIEBESMETHOD FOR MONITORING THE FUNCTIONALITY OF A COMPONENT OF AN ELECTRICAL DEVICE DURING OPERATION
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet des Erfassens einer physikalischen Größe und ist bei der Überwachung der Funktionsfähigkeit eines Bauelementes anzuwenden, das Teil einer Baugruppe eines in Betrieb befindlichen elektrischen GerätesThe invention is in the field of detecting a physical quantity and is to be used for monitoring the functionality of a component which is part of an assembly of an electrical device in operation
10 ist. Eine solche Überwachung kann in der Weise ablaufen, daß die Baugruppe mit einem elektrischen, optischen oder akustischen Prüfimpuls beaufschlagt und die aufgrund einer speziellen Eigenschaft des Bauelementes erfolgende Reaktion der Baugruppe erfaßt und ausgewertet wird.10 is. Such monitoring can take place in such a way that the module is subjected to an electrical, optical or acoustic test pulse and the reaction of the module due to a special property of the component is detected and evaluated.
1515
Ein elektrisches Gerät, bei dem Bauelemente während des Betriebes einer Überwachung ihrer Funktionsfähigkeit bedürfen, sind beispielsweise elektrische Schaltgeräte. So ist für Mit- telspannungs-Schaltgeräte, die als Schaltelement eine Vakuum-An electrical device in which components need to be monitored for their functionality during operation are, for example, electrical switching devices. For medium-voltage switchgear that uses a vacuum
20 schaltröhre enthalten, ein Verfahren zur Drucküberwachung der Vakuumschaltröhre bekannt, bei dem als akustische Prüfimpulse Ultraschallwellen in die Vakuumschaltröhre gesendet werden und bei dem in der Vakuumschaltröhre reflektierte Ultraschallwellen empfangen werden und bei dem aus den empfangenenContain 20 switching tube, a method for monitoring the pressure of the vacuum switching tube known, in which ultrasonic waves are sent as acoustic test pulses in the vacuum switching tube and in which ultrasound waves reflected in the vacuum switching tube are received and in which those received
25 Signalen der Innendruck der Vakuumschaltröhre ermittelt wird (DE 195 39 535 AI) . Für den gleichen Zweck kann auch mit einer an die geöffneten, sich langsam schließenden Schaltkontakte angelegten Spannung (DE 195 26 393 AI) oder mit einem hochfrequenten Strom (DE 36 43 672 C2 ) oder auch mit opti-25 signals the internal pressure of the vacuum interrupter is determined (DE 195 39 535 AI). For the same purpose, a voltage applied to the open, slowly closing switching contacts (DE 195 26 393 AI) or with a high-frequency current (DE 36 43 672 C2) or also with optically
30 sehen Hilfsmitteln (DE 20 02 686 AI) gearbeitet werden.30 see aids (DE 20 02 686 AI) are working.
Bei Leistungsschaltern, die in Energieverteilungsnetzen im Niederspannungsbereich eingebunden sind, werden zur Auslösung eines Schaltvorganges unter anderem Unterspannungs- und Überstrom-Auslöser eingesetzt, die einen Auslösemagneten aufweisen; bei Ansprechen des Auslösemagneten wird die Auslösung des Leistungsschalters bewirkt (Prospekt "Leistungsschalter 3WN1" der Siemens AG, 1986, Seiten 1 bis 13).- Die in solchen Schaltern eingesetzten Uberstromauslöser sind als "magnetgefesselte" Auslöser ausgestaltet, das heißt sie weisen eine auf einen Magnetkern aufgebrachte Auslösespule, einen Schlaganker, der unter der Einwirkung einer magnetischen oder mechanischen Feder steht, und einen dem Schlaganker zugeordneten Fesselmagneten auf. Bei dem Fesselmagneten handelt es um einen Permanentmagneten, der im Ruhezustand des Auslösers den Schlaganker in auslösebereiter Stellung festhält. Im Auslösefall schwächt das von der Auslösespule erzeugte Magnet- feld das Magnetfeld des Fesselmagneten, so daß dieser sich unter dem Einfluß des erzeugten Magnetfeldes und/oder der Federkraft bewegen kann (DE 27 55 645 Bl, DE 42 38 939 AI). - Bei Überstromauslösern kommt es darauf an, eine gewünschte Auslösestromstärke genau einstellen zu können und eine Beeinflussung der Einstellung durch Erschütterungen und Vibrationen möglichst auszuschließen. Dies ist dann nicht mehr gewährleistet, wenn die Remanenz des Permanentmagneten, mit dem der Schlaganker vor der Auslösung festgehalten wird, im Zuge eines Alterungsprozesses abnimmt.Circuit breakers that are integrated in power distribution networks in the low-voltage range are triggered a switching process used, among other things, undervoltage and overcurrent releases that have a release magnet; when the release magnet responds, the circuit breaker is triggered (brochure "Circuit breaker 3WN1" from Siemens AG, 1986, pages 1 to 13). The overcurrent releases used in such switches are designed as "magnetically bonded" releases, i.e. they have one Trigger coil applied to the magnetic core, an impact anchor, which is under the action of a magnetic or mechanical spring, and a captive magnet associated with the impact anchor. The shackle magnet is a permanent magnet that, when the trigger is at rest, holds the anchor in the ready-to-fire position. In the event of tripping, the magnetic field generated by the tripping coil weakens the magnetic field of the captive magnet so that it can move under the influence of the magnetic field generated and / or the spring force (DE 27 55 645 Bl, DE 42 38 939 AI). - In the case of overcurrent releases, it is important to be able to set the desired tripping current precisely and to prevent the setting from being influenced by shocks and vibrations. This is no longer guaranteed if the remanence of the permanent magnet, with which the impact armature is held before triggering, decreases in the course of an aging process.
Ausgehend von einem Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Überwachung der Haltekraft des Fesselmagneten zu schaffen.Based on a method with the features of the preamble of claim 1, the invention is therefore based on the object to provide a way to monitor the holding force of the captive magnet.
Zur Lösung diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß bei Auftreten eines Überstromes im Energieverteilungsnetz die Auslösespule zu einem Zeitpunkt, der vor der aufgrund des Überstromes prognostizierten Ansteuerung des Auslösemagneten liegt, mit einem Stromimpuls belastet wird, dessen Dauer unterhalb der für ein Ansprechen der Auslösespule an sich erforderlichen Dauer liegt.To solve this problem it is provided according to the invention that when an overcurrent occurs in the power distribution network, the trigger coil at a time before the due to the Overcurrent predicted activation of the tripping magnet is loaded with a current pulse, the duration of which is below the duration required for the tripping coil to respond.
Mit einem gemäß der Erfindung ausgebildeten Überwachungsverfahren ist es somit möglich, die Haltekraft des im Auslösemagneten angeordneten Permamentmagneten zu überwachen. Führt nämlich der Prüfimpuls zu einem Ansprechen des Auslösemagne- ten, so kann aufgrund dieses "vorzeitigen" Ansprechens einWith a monitoring method designed in accordance with the invention, it is thus possible to monitor the holding force of the permanent magnet arranged in the release magnet. If the test impulse triggers the triggering magnet, this "premature" response may result
Alarm gegeben und nachfolgend der geschwächte Permamentmagnet beziehungsweise der komplette Auslösemagnet (die Baugruppe) ausgewechselt werden.An alarm is given and the weakened permanent magnet or the complete trigger magnet (the assembly) are replaced.
Die auf die Auslösespule für den Prüfzweck gegebene Auslösespannung hat den gleichen Wert wie die zum eigentlichen Auslösen vorgesehene Auslösespannung, der Spannungsimpuls muß jedoch zeitlich kürzer gewählt werden. Bedingt durch die Induktivität der Auslösespule überschreitet dann der Strom nicht den Wert, der bei intaktem Permanentmagneten zum Auslösen erforderlich ist.The tripping voltage given to the tripping coil for the test purpose has the same value as the tripping voltage intended for the actual tripping, but the voltage pulse must be chosen to be shorter in time. Due to the inductance of the tripping coil, the current does not exceed the value required for tripping if the permanent magnet is intact.
Die der Überwachung der Haltekraft des Permanentmagneten dienende Ansteuerung der Auslösespule kann auch in mehreren sich steigernden Stufen durchgeführt werden, indem die Dauer der nacheinander aufgebrachten Prüfimpulse schrittweise vergrös- sert wird.The triggering of the trigger coil, which is used to monitor the holding force of the permanent magnet, can also be carried out in several increasing stages by gradually increasing the duration of the test pulses applied in succession.
Ein besonderer Vorteil des neuen Überwachungsverfahrens be- steht darin, das es keine zusätzlichen mechanischen oder elektrischen beziehungsweise elektronischen Bauteile erfordert sondern allein durch eine entsprechende Programmierung in dem dem Uberstromauslöser zugeordneten Mikroprozessor er- fordert. Bereits in Betrieb befindliche Schalter können durchA particular advantage of the new monitoring method is that it does not require any additional mechanical or electrical or electronic components, but rather only through appropriate programming in the microprocessor assigned to the overcurrent release. calls. Switches that are already in operation can be switched on
Austausch des Festspeichers (EPROMS) nachgerüstet werden.Fixed memory exchange (EPROMS) can be retrofitted.
Das gemäß der Erfindung ausgebildete Überwachungsverfahren wird zweckmäßig nur bei sogenannten "zeitunkritischen" Auslösungen angewendet, also nicht im Kurzschlußfall oder bei sehr hohen Strömen. Zeitunkritische Auslösungen liegen dann vor, wenn die bei Auftreten eines Überstromes prognostizierte Auslösezeit mehr als 3 s beträgt.The monitoring method designed according to the invention is expediently used only in the case of so-called "time-uncritical" triggers, that is to say not in the event of a short circuit or in the case of very high currents. Time-uncritical tripping occurs when the tripping time predicted when an overcurrent occurs is more than 3 s.
Eine Schaltungsanordnung, mit der das neue Überwachungsverfahren ausgeführt werden kann, ist in der Figur dargestellt.A circuit arrangement with which the new monitoring method can be carried out is shown in the figure.
Teil der Schaltungsanordnung ist eine Gleichrichterschaltung 5, die über die Sekundärwicklung 4 eines Stromwandlers 3 aus einer Phase 1 eines Niederspannungs-Energieverteilungsnetzes gespeist wird. Der Gleichrichterschaltung 5 ist als Verbraucher ein Auslösemagnet 11 zugeordnet, der im Falle seines An- sprechens einen in der Phase 1 des Niederspannungs-Stark- Stromnetzes angeordneten Schalter 2 ansteuert. - Im Stromkreis des Auslösemagneten 11 sind eine Diode 14 und ein elektronischer Schalter 12 angeordnet. Der elektronische Schalter 12 ist direkt oder - mittels einer Ansteuerschaltung 15 - indirekt von einer mikroprozessorgesteuerten Auslöseschaltung 8 angesteuerbar.Part of the circuit arrangement is a rectifier circuit 5, which is fed via the secondary winding 4 of a current transformer 3 from a phase 1 of a low-voltage power distribution network. A trigger magnet 11 is assigned to the rectifier circuit 5 as a consumer, which, when activated, controls a switch 2 arranged in phase 1 of the low-voltage high-voltage power network. - In the circuit of the release magnet 11, a diode 14 and an electronic switch 12 are arranged. The electronic switch 12 can be controlled directly or - by means of a control circuit 15 - indirectly from a microprocessor-controlled trigger circuit 8.
Sowohl die Auslöseschaltung 8 als auch weitere elektronische Komponenten der Schaltung werden von einem Netzteil 7, welches einen Spannungsregler enthält, mit Spannung versorgt.Both the trigger circuit 8 and further electronic components of the circuit are supplied with voltage by a power supply unit 7, which contains a voltage regulator.
Parallel zum Auslösemagneten 11 sind noch ein Ladekondensator 6 sowie ein elektronischer Schalter 10 angeordnet, wobei der elektronische Schalter 10 zur Regelung der Ladespannung des Ladekondensators 6 dient und direkt oder - mittels einer Ansteuerschaltung 9 - indirekt von der mikroprozessorgesteuer- ten Auslöseschaltung 8 angesteuerbar ist.A charging capacitor 6 and an electronic switch 10 are also arranged parallel to the trigger magnet 11, the electronic switch 10 for regulating the charging voltage of the Charging capacitor 6 is used and can be controlled directly or - by means of a control circuit 9 - indirectly from the microprocessor-controlled trigger circuit 8.
Im Stromkreis der Gleichrichterschaltung liegt noch ein Meßwiderstand 13, wobei der an diesem Widerstand sich ergebende Spannungsabfall als Meßsignal der Auslöseschaltung 8 zugeführt wird.In the circuit of the rectifier circuit there is also a measuring resistor 13, the voltage drop resulting at this resistor being supplied to the trigger circuit 8 as a measuring signal.
Ein im Niederspannungs-Energieverteilungsnetzes auftretender Überstrom wird durch einen entsprechenden Spannungsabfall am Meßwiderstand 13 der Auslöseschaltung 8 mitgeteilt. Der in der Auslöseschaltung 8 enthaltene Mikroprozessor errechnet dabei die aufgrund der Größe des Überstromes sich ergebende voraussichtliche Auslösezeit für den Auslösemagneten 11. Der Mikroprozesssor ist weiterhin so programmiert, daß er etwa 50 bis 100 ms vor der Auslösung des Auslösemagneten 11 durch Betätigung des elektronischen Schalters 12 einen Prüfimpuls auf den Auslösmagneten 11 gibt, dessen Dauer kürzer als die zum Ansprechen des Auslösemagneten an sich erforderliche Dauer ist. Führt diese Ansteuerung zu einem Auslösen des Auslösemagneten 11, so ist dies ein Zeichen dafür, daß der Fesselmagnet nicht mehr die erforderliche Remanenz aufweist. Die vorzeitig erfolgte Auslösung wird von der Auslöseschaltung 8 registriert und kann als Fehler angezeigt werden. An overcurrent occurring in the low-voltage power distribution network is communicated to the trigger circuit 8 by a corresponding voltage drop across the measuring resistor 13. The microprocessor contained in the trip circuit 8 calculates the expected trip time for the trip magnet 11 due to the size of the overcurrent. The microprocessor is further programmed to operate about 50 to 100 ms before the trip magnet 11 is triggered by actuating the electronic switch 12 gives a test pulse to the trigger magnet 11, the duration of which is shorter than the duration required to respond to the trigger magnet. If this control leads to the triggering of the trigger magnet 11, then this is a sign that the captive magnet no longer has the required remanence. The premature triggering is registered by the trigger circuit 8 and can be displayed as an error.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Überwachen der Funktionsfähigkeit eines Bauelementes, das Teil einer Baugruppe eines elektrischen Gerä- tes ist, während des Betriebes des Gerätes, bei dem die Baugruppe mit einem Prüfimpuls beaufschlagt und die aufgrund einer speziellen Eigenschaft des Bauelementes erfolgende Reaktion des Bauelements oder der Baugruppe erfaßt und ausgewertet wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Überwachung der Haltekraft eines Permanentmagneten, der als Teil eines Auslösemagneten (11) in einem Uberstromauslöser eines in ein Energieverteilungsnetz eingebundenen Niederspannungs-Leistungsschalters (2) zum Festhalten eines unter Einwirkung einer Feder stehenden Schlagankers angeordnet ist, bei Auftreten eines Überstromes in dem Energieverteilungsnetz die Auslösespule zu einem Zeitpunkt, der vor der prognostizierten Ansteuerung des Auslösemagneten (11) liegt, mit einem Stromimpuls belastet wird, dessen Dauer unterhalb der für ein Ansprechen des Auslösemagneten an sich erforderlichen Dauer liegt.1. A method for monitoring the functionality of a component that is part of an assembly of an electrical device during the operation of the device, in which the assembly is subjected to a test pulse, and the reaction of the component or assembly that takes place due to a special property of the component is recorded and evaluated, characterized in that for monitoring the holding force of a permanent magnet, which is arranged as part of a release magnet (11) in an overcurrent release of a low-voltage circuit breaker (2) integrated in an energy distribution network for holding an impact armature under the action of a spring If an overcurrent occurs in the energy distribution network, the trigger coil is loaded with a current pulse at a point in time before the predicted activation of the trigger magnet (11), the duration of which is below that for a triggering of the trigger agneten per se required duration.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Auslösespule nacheinander mit mehreren Prüfimpulsen zunehmender Dauer belastet wird. 2. The method of claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the trigger coil is successively loaded with several test pulses of increasing duration.
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