WO2004057633A1 - Verfahren zur bestimmung der restlebensdauer eines schaltgerätes und zugehörige anordnung - Google Patents

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WO2004057633A1
WO2004057633A1 PCT/DE2003/004172 DE0304172W WO2004057633A1 WO 2004057633 A1 WO2004057633 A1 WO 2004057633A1 DE 0304172 W DE0304172 W DE 0304172W WO 2004057633 A1 WO2004057633 A1 WO 2004057633A1
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WO
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switching device
contact
wear
time interval
drive
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Application number
PCT/DE2003/004172
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English (en)
French (fr)
Inventor
Norbert Elsner
Peter Heider
Dirk Hertz
Reinhard Maier
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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Priority to DE50309598T priority patent/DE50309598D1/de
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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
    • H01H71/00—Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
    • H01H71/04—Means for indicating condition of the switching device
    • H01H2071/044—Monitoring, detection or measuring systems to establish the end of life of the switching device, can also contain other on-line monitoring systems, e.g. for detecting mechanical failures

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the remaining service life of a switching device, in particular for detecting and displaying wear states of the switching device, by monitoring the pressure through a spring arranged between a moving contact and a spring support during the movement of the switching device drive, with at least one time interval between for pressure monitoring two significant events during the drive movement can be determined.
  • the invention also relates to the associated arrangement for carrying out the method.
  • the remaining service life of a switching device depends on the state of wear during the operational use of the switching device.
  • the state of wear of switchgear means the determination of the erosion of the contacts and / or the wear of the switchgear mechanism of contactors and circuit breakers.
  • the switching contacts or the entire drive mechanism can be worn out on switching devices.
  • the decisive determinants for the wear of a switching device is the contact pressure or contact force with which a spring, which is usually present, presses the contacts against one another in the closed state, so that what is referred to as a pressure or a pressure spring provided for this purpose is referred to.
  • the following statements relate to a vacuum contactor as an example and preferred application of the invention.
  • the pressure spring is located between a spring support and a pin guide that is firmly connected to the movable contact.
  • next spring support pressure spring with pin guide and moving contact together towards the fixed contact.
  • the spring support moves further in the direction of the contacts.
  • the compression of the preloaded compression spring caused by this finally causes the necessary contact force.
  • the path of the spring support from the point at which the contacts close to the final position of the spring support is referred to as the pressure and is a decisive factor in the contact force generated.
  • the pressure and contact force are coupled to each other via the spring constant of the pressure spring.
  • the switch-off process is carried out inversely in an analogous manner.
  • the pressure and contact force decrease over the life of a switching device because
  • a method for detecting the remaining service life of contact erosion is already known, in particular for air contactors, in which the erosion occurs by measuring the time interval between the armature opening, which is characterized by a characteristic peak in the coil voltage, and the contact opening, which is characterized by the occurrence of a switching path voltage Burning recorded as contact pieces and thus their remaining life is determined.
  • EP 0 694 937 B1 (DE 196 03 319 AI) protects the process for detecting the change in through-pressure as a replacement criterion for the contact erosion. Specific methods for use in switching devices are described in detail in EP 0 878 016 B1 (DE 196 03 310 AI), EP 0 878 015 B1 and EP 1 002 325 B1.
  • EP 0 193 732 AI describes a monitoring and contact device for switchgear and switchgear and controlgear assembly, in which all events actually occurring and the current state of the switchgear are detected via a plurality of sensors and are logically fed to an evaluation.
  • the contact erosion is often measured in practice by placing a line mark on the bolt guide of the vacuum tube, which serves as an indicator of the erosion of the contacts in the tube. This method only records the contact wear, whereby the wear of the switching mechanism is not taken into account.
  • This maintenance work can include both the replacement of the main contacts and the replacement of components that are particularly susceptible to wear and tear until the entire switching device is replaced.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a vacuum contactor with associated drive including the switching mechanical components
  • FIG. 2 shows a pressure measurement with a fixed plunger coil and movable permanent magnet
  • FIG. 3 shows an arrangement for measuring the start of movement with a piezo bending transducer
  • 4 shows a measuring arrangement with a light barrier on the spring support
  • FIG. 5 shows a mechanical measurement with a switch
  • FIG. 6 shows a movable measurement with a light barrier on the bolt guide.
  • Vacuum contactors have recently proven to be an alternative to air contactors. Up to a few 10 6 switching cycles are thus advantageously possible, so that such contactors are suitable for use in many areas of technology.
  • Figure 1 shows a typical structure of a vacuum contactor with associated drive.
  • the components / assemblies that generate the pressure are: The bellcrank, the spring support and the movable tubular bolt with the attachments such as power strip connection, lever supports, switch position indicator and the associated fastening parts.
  • the attachments such as power strip connection, lever supports, switch position indicator and the associated fastening parts.
  • abrasion or plastic deformations can occur, which can either increase the pressure or reduce the pressure.
  • a vacuum contactor 1 comprises a vacuum interrupter 10, the contactor mechanism 20, 30, 40 and the drive 100.
  • a vacuum interrupter 10 is attached to an abutment 3 with a bracket 4.
  • the boom 4 carries the vacuum interrupter 10, for which purpose a fixed contact pin 15 of the interrupter 10 is clamped in the boom 4.
  • the vacuum interrupter 10 consists of hollow cylindrical components 11 to 13, the hollow cylinders 11 and 13 being arranged axially displaceable relative to one another by a linearly resilient metal bellows 12.
  • the components 11 and 13 are electrically insulated from one another, for which purpose one of the components can consist, for example, of ceramic material.
  • the switching contact 17 being a fixed contact with the fixed one
  • Bolt 15 connected and the switching contact 18 is connected as a moving contact with a movable pin 16 in the axial direction.
  • the switching contacts 17 and 18 of the vacuum interrupter 10 are actuated by means of the electromagnetic drive 100, for which purpose a structure of magnet 101, magnet armature 102 and associated coils 105, 105 x for electromagnetic excitation is present.
  • the magnetic yoke 101 is mounted in a holder 110.
  • the magnet armature 102 has a cutout 103 with fastening 105 for a contact carrier 30.
  • the armature 102 can be brought into two vertically different positions by the electromagnetic drive 100, of which the lower one corresponds to the “closed” position of the vacuum contactor 10 and the upper one corresponds to the “open” position of the vacuum contactor 10.
  • the vertical displacement must be converted into a horizontal displacement in FIG. 1, for which purpose a deflection device 20 is present.
  • the moving contact pin 16 is mounted outside the switching tube 10 against the pressure of a spring 21 in FIG. 1, the spring 21 being supported on a spring support 22.
  • the short lever arm of the deflection lever 25 presses with a first end element 27 on the spring support 22, while the long lever arm presses with a second end element 28 in a recess 31 of the contact carrier 30, which - as already mentioned - is connected to the armature 102 of the magnetic drive 100.
  • There is a support plate 35 for the contact carrier 30 There is a support plate 35 for the contact carrier 30.
  • a mechanically moving part of the display 40 also includes a switch position indicator 41, a current band connection 42 and a current band 44 which is connected to the rail connection 45.
  • the switching path of the contact arrangement is generally comparatively short, for example ⁇ 2 mm.
  • the lifespan of a switching device is influenced by the wear of all mechanically moving parts. This wear is caused in a known manner on the one hand by the erosion of the electrical switching contacts on the contact surfaces A, since the thickness of the contact pieces decreases as a result of erosion.
  • the mechanical wear of the movable drive components can also have an influence on the service life of the entire switching device.
  • Such wear is, in particular, abrasion in bearings or also plastic deformation, which can have an individual effect either increasing the pressure or reducing the pressure.
  • such influences are compensated for at the various points in the switchgear mechanism.
  • the positions B to H at which wear can occur are also shown in FIG. It means B the support of the end element 27 on the spring support 22, C its support on the rear lever supports 24, E the mechanical stress on the other end element 28 in the driving groove 31 of the contact carrier 30, F the support of the contact carrier in the magnet armature, G / G x the bearing of the magnet armature 102 on the magnet yoke 101 on its pole faces and H / H the holder 110 of the magnet drive 100 in a base plate.
  • the fixed contacts 18 are firmly connected to the housing wall 11 in a simplified representation of the switch contacts 17, 18.
  • the moving contact 18 is located on a bolt 16 which can be moved in the axial direction of the arrangement via a bellows 13 or the like.
  • a contact force for closing the moving contact 18 is generated via a contact pressure spring 21.
  • the contact pressure spring 21 is located between the counter bearing 22 and 24, the outer counter bearing 22 being connected to the drive according to FIG. 1.
  • an adequate pressure of the spring is decisive for ensuring the switching contact.
  • the print-through changes with a longer service life due to the contact erosion, so that the print-through detection can be used in a known manner as a replacement criterion for the contact erosion. Since the drive movement in vacuum contactors has deflections with corresponding deflection pumps, which are also subject to mechanical wear, the through-pressure in vacuum switching devices in particular also depends on the mechanical wear of the drive components. Both influencing factors are now recorded.
  • time stamps must be set in a suitable manner.
  • FIGS. 2 to 6 Alternative examples corresponding to FIGS. 2 to 6 are described below for the latter purpose.
  • the five alternatives for determining the wear and the remaining service life of a switching device are each based on a time interval measurement between two events during the switch-off process, for which sensors for continuous signal detection are used. This procedure is based on the knowledge that the movement sequence of the mechanical components involved, in particular not from the time of the switch-off command or e.g. the coil voltage depends on an electromagnetically operated switching device. Different sensors are possible.
  • a time interval measurement ⁇ t takes place between the start of the movement of the spring cushions 22 until the time of contact opening.
  • the start of movement of the spring support 22 induces a voltage pulse in the moving coil 125 due to the movement of the permanent magnet 126.
  • the time interval ⁇ t determined in this way corresponds to that in a known speed profile of the spring support 22
  • the measurement can take place only on one current path (1-pin) of the switching device as well as on all 3 current paths (3-pin) of a three-phase switching device.
  • the signals from the three moving coils can advantageously be combined by connecting all three moving coils in series, in which case only the sum signal is evaluated.
  • the end position of the spring support can vary within wide limits, so that no adjustment is necessary. - An offset that has changed during the lifespan of the switching device does not impair the function.
  • a detection of the start of movement with a piezo bending transducer 137 on the spring support 22 for a 1- or 3-pole measurement is described as a second example:
  • a time interval measurement .DELTA.t takes place between the start of the movement of the spring support 22 up to the time of the contact opening.
  • the start of movement of the spring support causes a charge separation in the piezo bending transducer 137 and thus a voltage at the electrodes of the piezo transducer 137. Depending on the load resistance, this voltage can be up to several hundred volts.
  • the determined time interval corresponds to reproducible barem speed profile of the spring support 22 the pressure and is therefore a measure of the total wear - consisting of erosion and mechanical wear.
  • the measurement can take place only on one current path (1-pin) of the switching device as well as on all 3 current paths (3-pin) of a three-phase switching device.
  • a light barrier 141 is attached to the spring support 22: there is a time interval measurement ⁇ t between the start of the movement of the spring support until the time of the contact opening.
  • the start of movement of the spring support 22 causes an interruption or release of the light beam in the light barrier 141.
  • This change in state is used to record the start of movement of the time measurement.
  • a transmitter and receiver diode is arranged on one or both sides - with one or more poles - in the direction of movement of the spring support 22 or the bolt guide. An interruption or release of the light beam takes place according to FIG.
  • the time interval ⁇ t determined in this way corresponds to the pressure and is therefore a measure of the total wear of the switching device, consisting of erosion and mechanical wear.
  • the measurement can take place only on one current path (1-pole) of the switching device as well as on all current paths of a three-phase switching device.
  • a mechanical measurement is carried out by means of a switch S on the spring support 22:
  • the start of movement of the spring support 22 causes an interruption in accordance with the normally open contact shown in FIG. 5 or the release of the switching contact S (normally closed contact). This change in state is used to record the start of movement of the time measurement.
  • the switching element can be controlled as an opener or closer directly by the spring element 21 or an elevation or depression or an additional element firmly connected thereto, with or without an adjustment device.
  • the switching element can be attached to one or all current paths.
  • the time interval ⁇ t determined in this way corresponds to the pressure and is therefore a measure of the total wear and tear consisting of erosion and mechanical wear.
  • the measurement can take place only on one current path (1-pole) of the switching device as well as on all current paths of a three-phase switching device.
  • a fifth example for sensor detection is a light barrier on the bolt guide with 1 or 3-pole measurement: In contrast to the method according to Figures 2 to 5, the light barrier immediately measures ⁇ t from the contact opening to a waypoint (WP) Pin guide, which is already a measure of the erosion. In this respect, the pressure is only used indirectly in this measurement via the support of the end element 27 of the bell crank 25.
  • WP waypoint
  • the latter method is particularly applicable when the contact movement has a constant speed.
  • the mechanical wear of the switching device is recorded by the number of operations.
  • the maintenance requirement is then indicated either by the contact erosion or the number of operations.
  • the signal at the waypoint (WP) is provided by optocouplers, magnet + reed contact or magnet + Hall sensor etc.
  • wear occurs which, from a certain size, affects the functional reliability of the switchgear. It is therefore desirable to monitor the wear of the switching device in order to be able to carry out the necessary maintenance on the switching devices in good time and at suitable times.
  • the wear factors are contact wear due to erosion and abrasion, as well as wear on components of the switching device drive due to abrasion and deformation. The latter wear leads e.g. to the fact that the mechanical play in the switching device drive increases to possibly impermissible values.
  • the wear quantities of contact wear, contact spring pressure - pressure loss resulting from mechanical play can be continuously determined during switchgear operation and maintenance instructions can be issued if the specified limits are exceeded.
  • the wear quantities are expediently recorded when the switching device is switched off and is described below for this purpose. If additional movement variables, such as closing speed, acceleration, positions or the like, are recorded or specified, the method can also be extended to the switching-on process of the switching device.
  • the movement sequence of the moving components is treated as a linear movement and can be divided into two successive sections during the switch-off process:
  • Velocity: v 2 (to) vi (t D ) + (to-t D ) * K
  • An tr ⁇ eb / ⁇ - '(2.2) Path: s 2 (t ö ) vi (t D ) * (t 0 - t D ) +
  • the time t D which characterizes the zero pressure value during the switching-off process, is detected according to the invention by a sensor on the pressure-generating components of the switching device drive.
  • the current contact erosion can be separated from the values dAbrand + dMechani and d Me chan ⁇ k () updated during the switching device life.
  • dburning (Si (t D ) + S 2 (t ö )) new "(Si (t D ) + S 2 (t 0 )) (6)
  • the functional reliability of the switchgear can now be checked with these burn-up and wear values so that the values dA bb r a n d and through-pressure S ⁇ (t D ) of the contact force spring do not exceed or fall below predetermined limits within the switchgear life.
  • the mechanical wear that is effective for the printing pressure can be specified and a limit can be specified, upon reaching which the switchgear mechanism can be rated as used.
  • Burn-up [%] [(s ⁇ (t D ) + s (t ö )) n eu- (s ⁇ (t D ) + s 2 (t ö ))] / [(s ⁇ (t D ) + s 2 (tö )) n ⁇ u] * 100 (8.1)
  • the function, burn-up and wear variables are related to percentage limit values that ensure the safe operation of the switchgear.
  • a distinction can thus be made between the actual contact erosion and the mechanical wear. This is particularly important for vacuum contactors, since the entire tube is usually replaced when the contact burns off.

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Abstract

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

Description

Beschreibung
Verfahren zur Bestimmung der Restlebensdauer eines Schaltgerätes und zugehörige Anordnung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Restlebensdauer eines Schaltgerätes, insbesondere zur Erfassung und Anzeige von Verschleißzuständen des Schaltgerätes, durch Überwachung des Durchdruckes einer zwischen einem Bewegkontakt und einer Federauflage angeordneten Feder bei der Bewegung des Schaltgeräteantriebes, wobei zur Durchdrucküberwachung wenigstens ein Zeitintervall zwischen zwei signifikanten Ereignissen bei der Antriebsbewegung ermittelt werden. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf die zugehö- rige Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Die Restlebensdauer eines Schaltgerätes hängt vom Verschleißzustand während des betriebsmäßigen Einsatzes des Schaltgerätes ab. Unter Verschleißzustand von Schaltgeräten wird im vorliegenden Zusammenhang die Bestimmung des Abbrandes von den Kontakten und/oder des Verschleißes der Schaltgerätemechanik von Schützen und Leistungsschaltern verstanden.
Bei Schaltgeräten können je nach Belastungsart die schalten- den Kontakte oder die gesamte Antriebsmechanik abgenützt sein. Entscheidende Bestimmungsgrößen für den Verschleiß eines Schaltgerätes ist die Anpresskraft bzw. Kontaktkraft, mit der eine üblicherweise vorhandene Feder die Kontakte im geschlossenen Zustand gegeneinander presst, so dass von einem sogenannten Durchdruck bzw. einer dafür vorhandenen Durchdruckfeder gesprochen wird. Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich auf ein Vakuumschütz als Beispiel und bevorzugte Anwendung der Erfindung.
Die Durchdruckfeder befindet sich zwischen einer Federauflage und einer Bolzenführung, die fest mit dem beweglichen Kontakt verbunden ist. Während des Schließvorganges bewegen sich zu- nächst Federauflage, Durchdruckfeder mit Bolzenführung sowie Bewegkontakt gemeinsam auf den Festkontakt zu. Nachdem der bewegliche Kontakt den Festkontakt berührt hat, bewegt sich die Federauflage weiter in Richtung der Kontakte. Die hier- durch verursachte Kompression der vorgespannten Durchdruckfeder ruft schließlich die notwendige Kontaktkraft hervor. Der Weg der Federauflage vom Punkt des Schließens der Kontakte bis zur endgültigen Lage der Federauflage wird als Durchdruck bezeichnet und ist mit entscheidend für die erzeugte Kontakt- kraft. Der Durchdruck und Kontaktkraft sind über die Federkonstante der Durchdruckfeder miteinander gekoppelt. Der Ausschaltvorgang erfolgt in analoger Weise invers .
Der Durchdruck sowie Kontaktkraft lassen im Laufe der Lebens- dauer eines Schaltgerätes nach, weil
- der Abbrand an den Kontakten zu einem vergrößerten Weg des beweglichen Kontaktes führt und damit der Durchdruck bei gleicher Endlage der Federauflage verringert wird und
- durch mechanischen Verschleiß und Abrieb innerhalb des Schaltgerätes die Endlage der Federauflage von den Schaltkontakten wegwandert und damit ebenfalls der Durchdruck verringert wird.
Sinkt der Durchdruck bzw. die Kontaktkraft eines Schaltgerä- tes im Laufe der Lebensdauer ab, so können ab bestimmten Werten Kontaktverschweißungen sowie Schaltversager auftreten, die schwere Anlagenschäden verursachen können.
Insbesondere für Luftschütze ist bereits ein Verfahren zur Restlebensdauererkennung des Kontaktabbrandes bekannt, bei dem der Abbrand durch Messung des Zeitintervalls zwischen Ankeröffnung, der durch einen charakteristischen Peak in der Spulenspannung gekennzeichnet ist, und Kontaktöffnung, der durch das Auftreten einer Schaltstreckenspannung gekennzeich- net ist, der Abbrand als Kontaktstücke erfasst und damit deren Restlebensdauer ermittelt wird. Das Verfahren zur Erfassung der Durchdruckänderung als Ersatzkriterium für den Kontaktabbrand ist mit der EP 0 694 937 Bl (DE 196 03 319 AI) unter Schutz gestellt. Spezifische Methoden zur Anwendung bei Schaltgeräten sind im Einzelnen in der EP 0 878 016 Bl (DE 196 03 310 AI), der EP 0 878 015 Bl und der EP 1 002 325 Bl beschrieben. Dabei wird durchweg darauf abgestellt, dass die Durchdruckänderung speziell beim Ausschaltvorgang, d.h. beim Öffnen der Schaltkontakte durch einen elektromagnetischen Antrieb, erfasst er- den, woraus speziell der Abbrand an den Schaltkontakten ermittelt und daraus die Restlebensdauer des Schaltgerätes berechnet wird. Des Weiteren wird in der EP 0 193 732 AI eine Überwachungs- und Kontakteinrichtung für Schaltgeräte und Schaltgerätekombination beschrieben, bei denen über eine Mehrzahl von Sensoren alle tatsächlich auftretenden Ereignisse sowie der momentane Zustand des Schaltgerätes erfasst und als Signale einer Auswertelogig zugeführt werden.
Bei Vakuumschützen wird der Kontaktabbrand in der Praxis häu- fig dadurch gemessen, dass an der Bolzenführung der Vakuumröhre eine Strichmarke angebracht ist, die als Indikator für den Abbrand der Kontakte in der Röhre dient . Dieses Verf hren erfasst nur den Kontaktabbrand, wobei der Verschleiß der Schaltmechanik damit nicht berücksichtigt wird.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, das sowohl den Verschleiß des Schaltgerätes infolge Abbrandes der Kontakte als auch den mechanischen Verschleiß innerhalb der Schaltgerätemechanik bestimmen kann, so dass geeignete Wartungsmaßnahmen rechtzeitig durchgeführt werden können. Diese Wartungsarbeiten können sowohl in der Erneuerung der Hauptkontakte als auch dem Auswechseln besonders verschleißanfälliger Bauteile bis zum Austausch des gesamten Schaltgerätes liegen.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Patentanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige Anordnung ist Ge- genstand des Sachanspruches 13. Weiterbildungen des Verfahrens bzw. zugehörige spezifische Anordnungen sind Gegenstand der abhängigen Verfahrens- und Sachansprüche.
Mit der Erfindung ist es nunmehr insbesondere möglich, den Verschleißzustand des Schaltgerätes insgesamt zu ermitteln. Dabei wird nicht nur - wie beim Stand der Technik - der Kontaktabbrand erfasst, sondern es werden auch Verschleißzustände der beweglichen Komponenten des Schaltgerätes berücksich- tigt werden. Dies ist insbesondere bei Vakuumschaltgeräten, wie Vakuumschütze, von Bedeutung, da dort auf der einen Seite der Kontakthub vergleichsweise gering ist, aber auf der anderen Seite der Antrieb für die Schaltkontaktbewegung über eine Hebelmechanik mit Kraftumlenkung und -Verstärkung erfolgt und es dadurch bei hohen Schaltzahlen an den sich bewegenden mechanischen Komponenten zu einem nicht mehr zu vernachlässigender Verschleiß kommen kann.
In besonders vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist es auch möglich, zwischen dem eigentlichen Kontaktabbrand und dem Verschleiß der Antriebsmechanik zu diskriminieren. Damit können insbesondere für die Praxis durch eine sachgerechte Wartung erhebliche Einsparungen erzielt werden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Beispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen jeweils am Beispiel eines Vakuumschalters
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Vakuumschützes mit zugehörigem Antrieb einschließlich der schaltmechanischen Komponenten, Figur 2 eine Durchdruckmessung mit einer festen Tauchspule und beweglichem Dauermagneten, Figur 3 eine Anordnung zur Messung des Bewegungsbeginnes mit einem Piezobiegewandler, Figur 4 eine Messanordnung mit einer Lichtschranke an der Federauflage, Figur 5 eine mechanische Messung mit einem Schalter und Figur 6 eine bewegliche Messung mit einer Lichtschranke an der Bolzenführung.
Alle nachfolgend beschriebenen Figuren beziehen sich speziell auf Vakuumschaltschütze. Vakuumschütze haben sich in jüngerer Zeit als Alternative zu Luftschützen bewährt. Damit sind in vorteilhafter Weise bis zu einigen 106 Schaltspiele möglich, so dass sich derartige Schütze für den Einsatz in vielen Gebieten der Technik eignen.
Figur 1 zeigt einen typischen Aufbau eines Vakuumschützes mit zugehörigem Antrieb. Die den Durchdruck erzeugenden Bauelementen/Baugruppen sind: Der Umlenkhebel, die Federauflage und der bewegliche Röhrenbolzen mit den Anbauteilen wie Strom- bandanschluss, Hebelaufläge, Schaltstellungsanzeige sowie den zugehörigen Befestigungsteilen. An den mit Buchstaben A bis G gekennzeichneten Stellen können Abriebe oder plastische Verformungen auftreten, die sich entweder durchdruckerhöhend oder durchdruckverringernd auswirken können.
Nachfolgend wird zunächst der Aufbau eines Vakuumschützes mit zugehörigem elektromagnetischem Antrieb und damit verbundener Schützmechanik beschrieben, das zum Schalten eines ein- oder mehrpoligen Netzes dient. Es wird lediglich eine Phase eines Drehstromnetzes mit einer einzigen Vakuumschaltröhre betrachtet.
Gemäß Figur 1 umfasst letzterer Teil eines Vakuumschütz 1 eine Vakuumschaltröhre 10, die Schützmechanik 20, 30, 40 und den Antrieb 100. Im Einzelnen ist eine Vakuumschaltröhre 10 an einem Widerlager 3 mit Ausleger 4 befestigt. Der Ausleger 4 trägt die Vakuumschaltröhre 10, wozu ein Festkontaktbolzen 15 der Schaltröhre 10 im Ausleger 4 eingespannt ist. Die Vakuumschaltröhre 10 besteht aus hohlzylinderförmigen Bauteilen 11 bis 13, wobei die Hohlzylinder 11 und 13 durch einen linear federnden Metallbalg 12 gegeneinander axial verschiebbar angeordnet sind. Die Bauteile 11 und 13 sind gegen- einander elektrisch isoliert, wozu eines der Bauteile beispielsweise aus keramischem Material bestehen kann.
In der Vakuumschaltröhre 10 befinden sich unter Vakuum zwei Schaltkontakte 17 und 18 axial gegeneinander beweglich, wobei der Schaltkontakt 17 als Festkontakt mit dem fest stehenden
Bolzen 15 verbunden und der Schaltkontakt 18 als Bewegkontakt mit einem in Achsrichtung beweglichen Bolzen 16 verbunden ist.
Die Schaltkontakte 17 und 18 der Vakuumschaltröhre 10 werden mittels des elektromagnetischen Antriebes 100 betätigt, wozu ein Aufbau aus Magnet och 101, Magnetanker 102 und zugehörigen Spulen 105, 105 x zur elektromagnetischen Erregung vorhanden ist. Das Magnetjoch 101 ist in einer Halterung 110 gela- gert. Der Magnetanker 102 hat eine Aussparung 103 mit Befestigung 105 für einen Kontaktträger 30.
Durch den elektromagnetischen Antrieb 100 ist der Anker 102 in zwei vertikal unterschiedliche Positionen bringbar, von denen die untere der „Schließ"-Stellung des Vakuumschützes 10 und die obere der „Öffnungs"-Stellung des Vakuumschützes 10 entsprechen. Dazu muss in Figur 1 die Vertikalverschiebung in eine Horizontalverschiebung umgesetzt werden, wozu eine Umlenkeinrichtung 20 vorhanden ist.
Im Einzelnen ist in der Figur 1 der Bewegkontaktbolzen 16 außerhalb der Schaltröhre 10 gegen den Druck einer Feder 21 gelagert, wobei sich die Feder 21 auf einer Federauflage 22 abstützt. Es ist ein L-förmiger Umlenkhebel 25 vorhanden, der mit einer Achse 26 im Knickpunkt gelagert ist. Der kurze Hebelarm des Umlenkhebels 25 drückt mit einem ersten Endelement 27 auf die Federauflage 22, während der lange Hebelarm mit einem zweiten Endelement 28 in einer Aussparung 31 des Kontaktträgers 30, der - wie bereits erwähnt - mit dem Anker 102 des Magnetantriebes 100 verbunden ist, geführt wird. Es ist eine Auflageplatte 35 für den Kontaktträger 30 vorhanden.
Mit dem L-förmig ausgebildeten Umlenkhebel 25 lässt sich ein vergleichsweise großer Verschiebeweg in vertikaler Richtung in einen kleineren Verschiebeweg in horizontaler Richtung unter entsprechender Kraftbeaufschlagung umsetzen. Dies ist für die Betätigung des Vakuumschützes 10 notwendig, bei dem insbesondere ein hinreichender Kontaktdruck zwischen den Kontaktflächen der Schaltkontakte 17 und 18 erzeugt werden muss. Dazu wird die Feder 21 für die Schließstellung mittels eines vorgebbaren Durchdruckes gespannt und eine für die Schließ- Stellung der Schaltkontakte 17, 18 hinreichende Kontaktkraft erzeugt. Der Durchdruck wird in der Figur 1 dadurch verdeutlicht, dass bei geöffneter Schaltstellung des Endelementes 27 am kurzen Hebelarm des Umlenkhebels 25 durch eine hintere Hebelauflage 23 abgestützt wird.
In der Figur 1 sind als mechanisch bewegte Teile der Anzeige 40 weiterhin eine Schaltstellungsanzeige 41, ein Strombandan- schluss 42 und ein Stromband 44 vorhanden, das mit dem Schie- nenanschluss 45 verbunden ist.
Bei der in der Figur 1 dargestellten Anordnung ist im Allgemeinen der Schaltweg der Kontaktanordnung vergleichsweise gering, beispielsweise < 2 mm. Daraus ergibt sich, dass das im Schaltgeräteantrieb mit der zugehörigen U lenkung bei häufi- ger Aktivierung auftretende Spiel der einzelnen Bewegungen nicht vernachlässigt werden kann. Bei der Konstruktion von Schaltgeräten mit derartigen Antriebs- und Kraftübertragungs- einrichtungen sind diese Gegebenheiten zu berücksichtigen.
Die Lebensdauer eines Schaltgerätes wird durch den Verschleiß aller mechanisch bewegten Teile beeinflusst. Dieser Verschleiß wird in bekannter Weise einerseits durch den Abbrand der elektrischen Schaltkontakte an den Kontaktflächen A bewirkt, da sich die Dicke der Kontaktstücke infolge eines Abbrandes verringert .
Aus der Figur 1 ergibt sich aber weiterhin, dass andererseits der mechanische Verschleiß der beweglichen Antriebskomponenten ebenfalls ein Einfluss für die Lebensdauer des gesamten Schaltgerätes haben kann. Ein solcher Verschleiß sind insbesondere Abriebe bei Lagern oder aber auch plastische Verfor- mungen, die sich einzeln entweder durchdruckerhöhend oder a- ber durchdruckverringernd auswirken können. Im Idealfall kompensieren sich solche Einflüsse an den verschiedenen Stellen der Schaltgerätemechanik.
Im Einzelnen sind in der Figur 1 neben den Kontaktflächen weiterhin die Stellen B bis H, an denen ein Verschleiß auftreten kann, eingetragen. Es bedeuten B die Auflage des Endelementes 27 an der Federauflage 22, C dessen Auflage an der hinteren Hebelaufläge 24, E die mechanische Beanspruchung des anderen Endelementes 28 in der Mitnehmernut 31 des Kontaktträgers 30, F die Auflage des Kontaktträgers im Magnetanker, G/Gx die Auflage von Magnetanker 102 auf dem Magnetjoch 101 an dessen Polflächen sowie H/H die Halterung 110 des Magnetantriebes 100 in einer Grundplatte.
In den Figuren 2 bis 6 ist in vereinfachter Darstellung von den Schaltkontakten 17, 18 jeweils der Festkontakt 18 mit der Gehäusewand 11 fest verbunden. Der Bewegkontakt 18 befindet sich an einem Bolzen 16, welcher über einen Federbalg 13 oder dergleichen in axialer Richtung der Anordnung bewegbar ist.
Dabei wird über eine Kontaktdruckfeder 21 eine Kontaktkraft für das Schließen des Bewegkontaktes 18 generiert. Die Kontaktdruckfeder 21 befindet sich zwischen Gegenlager 22 und 24, wobei das äußere Gegenlager 22 mit dem Antrieb entspre- chend Figur 1 in Verbindung steht. In bekannter Weise ist für die Gewährleistung des Schaltkontaktes ein hinreichender Durchdruck der Feder maßgebend. Mit längerer Lebensdauer verändert sich der Durchdruck aufgrund des Kontaktabbrandes, so dass die Durchdruckerfassung in be- kannter Weise als Ersatzkriterium für den Abbrand der Kontakte herangezogen werden kann. Da die Antriebsbewegung bei Vakuumschützen Umlenkungen mit entsprechenden Umlenkpumpen aufweist, die ebenfalls einem mechanischen Verschleiß unterliegen, ist speziell bei Vakuumschaltgeräten der Durchdruck auch von dem mechanischen Verschleiß der Antriebskomponenten abhängig. Beide Einflussgrößen werden nunmehr erfasst.
Da bereits beim Stand der Technik die Durchdruckmessung im Einzelnen durch eine Zeitmessung erfolgt und insbesondere das Zeitintervall zwischen Ankerbewegungsbeginn und Kontaktöffnen bestimmt wird, wird nachfolgend ebenfalls eine Zeitmessung durchgeführt. Dafür müssen in geeigneter Weise Zeitmarken gesetzt werden.
Für letzteren Zweck werden nachfolgend alternative Beispiele entsprechend den Figuren 2 bis 6 beschrieben.
Die fünf Alternativen zur Bestimmung des Verschleißes und der Restlebensdauer eines Schaltgerätes beruhen jeweils auf einer Zeitintervallmessung zwischen zwei Ereignissen während des Ausschaltvorganges, wozu Sensoren zur kontinuierlichen Signalerfassung verwendet werden. Dieser Vorgehensweise liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Bewegungsablauf der beteiligten mechanischen Komponenten insbesondere nicht vom Zeit- punkt des Ausschaltbefehls oder z.B. der Spulenspannung bei einem elektromagnetisch betätigten Schaltgerät abhängt. Es sind unterschiedliche Sensoren möglich.
Als erstes Beispiel wird eine feste Tauchspule 125 mit beweg- lichem Dauermagnet 126 an der Federauflage 22 für eine 1- oder 3-polige Messung beschrieben: Es erfolgt eine Zeitintervallmessung Δt zwischen dem Beginn der Bewegung der Feder- aufläge 22 bis zum Zeitpunkt der Kontaktöffnung. Der Bewegungsbeginn der Federauflage 22 induziert durch die Bewegung des Dauermagneten 126 einen Spannungsimpuls in der Tauchspule 125. Das so bestimmte Zeitintervall Δt entspricht bei einem bekannten Geschwindigkeitsprofil der Federauflage 22 dem
Durchdruck und ist damit ein Maß für den Gesamtverschleiß bestehend aus Kontaktabbrand und mechanischem Verschleiß der Antriebskomponente .
Die Messung kann sowohl nur an einer Strombahn (1-polig) des Schaltgerätes als auch an allen 3 Strombahnen (3-polig) eines Drehstrom-Schaltgerätes erfolgen. Im letzten Fall können die Signale der drei Tauchspulen vorteilhaft zusammengefasst werden, indem alle drei Tauchspulen in Reihe geschalten werden, wobei dann nur das Summensignal ausgewertet wird.
Es ergeben sich folgende Vorteile:
- Es liegt eine galvanische Trennung zu spannungsführenden Teilen vor. - Es gibt keine mechanische Verbindung zwischen beweglicher Federauflage und der Tauchspule, so dass die Messung verschleißfrei erfolgt.
- Die Endlage der Federauflage kann in weiten Grenzen variieren, so dass keine Justage erforderlich ist. - Ein während der Lebensdauer des Schaltgerätes veränderter Offset führt zu keiner Funktionsbeeinträchtigung.
Als zweites Beispiel wird eine Erfassung des Bewegungsbeginns mit einem Piezo-Biegewandler 137 an der Federauflage 22 für eine 1- oder 3-poliger Messung beschrieben: Es erfolgt eine Zeitintervallmessung Δt zwischen dem Beginn der Bewegung der Federauflage 22 bis zum Zeitpunkt der Kontaktöffnung. Der Bewegungsbeginn der Federauflage bewirkt im Piezo-Biegewandler 137 eine Ladungstrennung und damit eine Spannung an den Elektroden des Piezowandlers 137. Je nach Belastungswiderstand kann diese Spannung bis zu mehreren hundert Volt betragen. Das bestimmte Zeitintervall entspricht bei reproduzier- barem Geschwindigkeitsprofil der Federauflage 22 dem Durchdruck und ist damit ein Maß für den Gesamtverschleiß - bestehend aus Abbrand und mechanischem Verschleiß. Die Messung kann sowohl nur an einer Strombahn (1-polig) des Schaltgerä- tes als auch an allen 3 Strombahnen (3-polig) eines Drehstrom-Schaltgerätes erfolgen.
Es ergeben sich folgende Vorteile:
- Es entsteht ein großer Signalpegel . - Die Anordnung ist platzsparend.
- Es ist nur eine Grobjustage erforderlich.
- Während der Lebensdauer des Schaltgerätes veränderter Offset führt zu keiner Funktionsbeeinträchtigung.
Als drittes Beispiel 3 wird eine Lichtschranke 141 an der Federauflage 22 angebracht: Es erfolgt eine Zeitintervallmessung Δt zwischen dem Beginn der Bewegung der Federauflage bis zum Zeitpunkt der Kontaktöffnung. Der Bewegungsbeginn der Federauflage 22 bewirkt eine Unterbrechung oder Freigabe des Lichtstrahls in der Lichtschranke 141. Diese Zustandsänderung wird zur Erfassung des Bewegungsbeginns der Zeitmessung verwendet. Dazu ist eine Sende- und Empfängerdiode einseitig oder beidseitig - 1- oder mehrpolig - in der Bewegungsrichtung der Federauflage 22 bzw. der Bolzenführung angeordnet. Eine Unterbrechung oder Freigabe des Lichtstrahls erfolgt gemäß Figur 3 durch ein Fenster 141 als Öffnungen, Gitterstrukturen, Erhebungen und oder Vertiefungen, die entweder in der Federauflage 22 integriert , fest mit der Federauflage 22 verbunden oder mit einer Justageeinrichtung versehen sind. Das so bestimmte Zeitintervall Δt entspricht - bei reproduzierbarem Geschwindigkeitsprofil der Federauflage - dem Durchdruck und ist damit ein Maß für den Gesamtverschleiß des Schaltgerätes, bestehend aus Abbrand und mechanischem Verschleiß. Die Messung kann sowohl nur an einer Strombahn (1- polig) des Schaltgerätes als auch an allen Strombahnen eines Drehstrom-Schaltgerätes erfolgen . Es ergeben sich folgende Vorteile:
- Es liegt eine galvanische Trennung zu den spannungsführenden Teilen vor.
- Es existiert keine mechanische Verbindung zwischen der be- weglichen Federauflage und der Lichtschranke, so dass verschleißfrei gemessen wird.
- Es entsteht ein großer Signalpegel.
Bei einem vierten Beispiel erfolgt eine mechanische Messung mittels eines Schalters S an der Federauflage 22 :
Es erfolgt eine Zeitintervallmessung Δt zwischen dem Beginn der Bewegung der Federauflage bis zum Zeitpunkt der Kontaktöffnung. Der Bewegungsbeginn der Federauflage 22 bewirkt eine Unterbrechung entsprechend dem in Figur 5 dargestellten Schließer oder Freigabe des Schaltkontakts S (Öffner). Diese Zustandsänderung wird zur Erfassung des Bewegungsbeginns der Zeitmessung verwendet. Das Schaltelement kann je nach Ausprägung als Öffner oder Schließer direkt durch das Federelement 21 oder einer Erhebung oder Vertiefung oder eines damit fest verbundenen Zusatzelementes mit oder ohne Justageeinrichtung angesteuert werden. Das Schaltelement kann an einer oder auch an allen Strombahnen angebracht werden.
Das so bestimmte Zeitintervall Δt entspricht bei reproduzier- barem Geschwindigkeitsprofil der Federauflage dem Durchdruck und ist damit ein Maß für den Gesamtverschleiß bestehend aus Abbrand und mechanischem Verschleiß. Die Messung kann sowohl nur an einer Strombahn (1-polig) des Schaltgerätes als auch an allen Strombahnen eines Drehstrom-Schaltgerätes erfolgen.
Es ergeben sich folgende Vorteile:
- Es liegt eine galvanische Trennung zu den spannungsführenden Teilen vor.
- Es existiert keine mechanische Verbindung zwischen der be- weglichen Federauflage und der Lichtschranke, so dass verschleißfrei gemessen wird.
- Es entsteht ein großer Signalpegel . Als fünftes Beispiel für die Sensorerfassung dient eine Lichtschranke an der Bolzenführung mit 1- oder 3-poliger Messung: Im Gegensatz zu den Verfahren gemäß den Figuren 2 bis 5 erfolgt mit der Lichtschranke unmittelbar eine Messung Δt von der Kontaktöffnung zu einem Wegepunkt (WP) der Bolzenführung, was bereits ein Maß für den Abbrand ist. Insofern wird bei dieser Messung der Durchdruck nur indirekt über die Auflage des Endelementes 27 des Umlenkhebels 25 -ausgenutzt.
Letzteres Verfahren ist insbesondere dann anwendbar, wenn die Kontaktbewegung eine konstante Geschwindigkeit aufweist. Der mechanische Verschleiß des Schaltgerätes wird durch die Schaltzahl erfasst. Der Wartungsbedarf wird dann entweder durch den Kontaktabbrand oder die Schaltzahl indiziert. Die Signalgabe am Wegepunkt (WP) erfolgt durch Optokoppler, Magnet + Reed Kontakt oder Magnet + Hallsensor etc..
Speziell beim letzten Beispiel ergeben sich folgende Vortei- le: Es ist keinerlei Veränderung an bisheriger Konstruktion von Vakuumröhre, Bolzenführung, Feder und Kontaktplatte erforderlich. Lediglich der bisherige Reiter mit Strichmarkierung ist zu ersetzen. Die übrigen Elemente wie z.B. der Optokoppler und zugehörige Elektronik können im Schützdeckel un- tergebracht werden. Das Signal kann dann so aufbereitet werden, dass es in die vorhandene Elektronik direkt eingespeist werden kann. Da das Verfahren prinzipiell anders ist, muss die Software entsprechend minimal und ohne zusätzliche Erweiterung angepasst werden.
Anhand der einzelnen Beispiele wurde speziell die Anwendung für im Vakuum arbeitende Schaltgeräte, und zwar insbesondere für Vakuumschütze, beschrieben. Ganz entsprechend ist aber dieses Prinzip mit dem separaten Zeitsensor auch für Luft- schütze anwendbar. Dort ergibt sich gegenüber dem einleitend dargestellten Stand der Technik nunmehr auch die Möglichkeit, den mechanischen Verschleiß der Schaltgerätemechanik zu erfassen und zu bewerten.
Beim Schaltbetrieb von Schaltgeräten, insbesondere von Schüt- zen und Leistungsschaltern, tritt Verschleiß auf, der ab einer bestimmten Größe die Funktionssicherheit des Schaltgerätes beeinträchtigt. Es ist daher wünschenswert den Verschleiß des Schaltgerätes zu überwachen, um rechtzeitig und zu geeigneten Zeitpunkten die notwendige Wartung an den Schaltgeräten vornehmen zu können. Als Verschleißfaktoren treten der Kontaktverschleiß durch Abbrand und Abrieb, sowie der Verschleiß an Komponenten des Schaltgeräteantriebs durch Abrieb und Verformung auf. Letzterer Verschleiß führt z.B. dazu, dass sich das mechanische Spiel im Schaltgeräteantrieb auf möglicher- weise unzulässige Werte vergrößert.
Mit dem Verfahren können die Verschleißgrößen Kontaktabbrand Kontaktfeder-Durchdruck - vom mechanischen Spiel herrührender Durchdruckverlust kontinuierlich während des Schaltgerätebetriebs bestimmt werden und bei Überschreiten vorgegebener Grenzen Wartungshinweise ausgegeben werden.
Die Erfassung der Verschleißgrößen erfolgt zweckmäßigerweise beim Ausschaltvorgang des Schaltgerätes und wird im Folgenden hierfür beschrieben. Bei zusätzlicher Erfassung oder Vorgabe weiterer Bewegungsgrößen, wie Schließgeschwindigkeit, Be- schleunigung, Positionen oder dergleichen, ist das Verfahren auch auf den Einschaltvorgang des Schaltgerätes erweiterbar.
Nachfolgend wird anhand einer Modellrechnung eine sensorgestützten Erfassung des Durchdruckes der Kontaktkraft-Feder und zur Diskriminierung der den Durchdruck verändernden Größen des Kontaktabbrandes und des mechanischen Verschleißes beschrieben: Die wesentlichen Kräfte, die beim Ausschaltvorgang zur Öffnungsbewegung der Kontakte und der damit gekoppelten Komponenten des Schaltgeräteantriebs genutzt werden, sind im Normalbetrieb, d.h. ohne Kurzschlussausschaltung, die Kontaktfederkräfte und die Antriebsfederkraft . Während die Antriebsfederkraft über die gesamte Öffnungsbewegung der Schaltgerätemechanik wirkt, sind die Kontaktfederkräfte nur solange wirksam, solange der Durchdruck der Kontaktkraft- Feder während der Öffnungsbewegung nicht auf Null abgenommen hat.
Diese Federkräfte führen beim Ausschaltvorgang zu einer beschleunigten Hub- und/oder Drehbewegung, so dass zu bestimm- ten, für den Öffnungsvorgang charakteristischen Zeitpunkten bestimmte Positionen der beweglichen Komponenten der Schaltgerätemechanik ermittelt werden können. Man erhält daher im Neuzustand des Schaltgerätes Positionswerte, die sich von den Werten des Gebrauchszustandes mit fortschreitender Gebrauchs- dauer und kumulierendem Kontaktabbrand sowie mechanischem Verschleiß immer stärker unterscheiden.
Im Folgenden wird der Bewegungsablauf der beweglichen Komponenten als Linearbewegung behandelt und kann beim Ausschalt- Vorgang in zwei aufeinanderfolgende Abschnitte unterteilt werden:
Erster Bewegungsabschnitt:
Beginn t = 0, Geschwindigkeit v(t=0) = 0, Ende t = tD zum Zeitpunkt, zu dem der Durchdruck auf Null abgenommen hat. Es gilt:
Beschleunigung: bι(t) = (KKontakt+I rieb) m (1.1)
Geschwindigkeit: vι(tD) = tD* (KKontakt+ Antrieb) /m (1.2) Weg : Sι ( tD ) = %* tD 2 * ( KKontakt + KAntrieb) /m ( 1 . 3 ) Zweiter Bewegungsabschnitt:
Beginn t = tD, Ende t = tö zum Zeitpunkt, zu dem die Kontaktöffnung erfolgt. Es gilt:
Beschleunigung: b2(t) = KAntπeb m (2.1)
Geschwindigkeit: v2(to) = vi (tD) + ( to-tD) *KAntrιeb/π-' (2.2) Weg: s2(tö) = vi (tD) * (t0-tD) +
1/2* ( t0- tO) 2 *KΑntrιeh/ (2.3)
Die in die Bewegung eingehenden Zeitsignale sind der Ankerbewegungsbeginn t=0, der Zeitpunkt tD, wenn der Durchdruck auf Null abgesunken ist und der KontaktöffnungsZeitpunkt tö, wenn die beweglichen Kontakte durch den Schaltgeräteantrieb von den Festkontakten abgehoben werden.
Die Zeitpunkte t=0 und tö können nach dem Stand der Technik aus elektrischen SpannungsSignalen am Magnetantrieb und an den Schaltkontakten gewonnen werden. Der Zeitpunkt tD, der beim Ausschaltvorgang den Durchdruckwert Null kennzeichnet, wird erfindungsgemäß durch einen Sensor an den Durchdruckerzeugenden Komponenten des Schaltgeräteantriebs erfasst.
Der im ersten Bewegungsabschnitt sich ergebende Weg sι(tD) ist direkt oder bis auf eine Proportionalitätskonstant iden- tisch mit dem Durchdruck (= Federweg) , um den die Federlänge beim Einschaltvorgang abnimmt.
Im Neuzustand hat Sι(tD)neu einen Wert, der mit dem Neuzustand der Kontakte, d.h. der Dicke der Kontaktauflagen, und mit dem mechanischen Verschleiß, d.h. Verschleißweg, = Null korrespondiert .
Durch Kontaktabbrand und mechanischen Verschleiß ergibt sich während der Gerätelebensdauer ein aktueller Wert sι(tD), wo- raus ein Summenwert aus Kontaktabbrand (ä^brand) und mechanischem Verschleiß (dMecanιk) bestimmt werden kann. Es gilt: dAbbrand+CΪMechariik = Si ( tD ) neu" Ξl ( to ) ( 3 ) Aus dem zweiten Bewegungsabschnitt erhält man für den Neuzustand des Schaltgerätes das konstruktiv vorgegebene, mechanische Spiel S2 (to)neu.
Durch mechanischen Verschleiß dMeChanιk vergrößert sich dieses mechanische Spiel, woraus d-Mechanik = S2 ( tö ) ~ S2 ( t0 ) neu ( 4 ) bestimmt werden kann.
Aus den während der Schaltgerätelebensdauer aktualisierten Werten dAbbrand+dMechani nd dMechanιk ( ) kann der aktuelle Kontaktabbrand separiert werden. Es gilt: dAbbrand = ( Si ( tD ) + S2 ( tö ) ) neu" ( Si ( tD ) + S2 ( t0 ) ) ( 6 )
Die Funktionssicherheit des Schaltgerätes kann nun mit diesen Abbrand- und Verschleißwerten so kontrolliert werden, dass innerhalb der Schaltgerätelebensdauer die Werte dAbbrand und Durchdruck Sι(tD) der Kontaktkraft-Feder vorgegebene Grenzen nicht über- bzw. unterschreiten. Zudem kann der für den Durchdruck wirksame mechanische Verschleiß angegeben und eine Grenze vorgegeben werden, bei deren Erreichen die Schaltgerätemechanik als verbraucht bewertet werden kann.
Hierzu ist es zweckmäßig, die maßgeblichen Funktions-, Abbrand- und Verschleißgrößen auf prozentuale Größen zu beziehen:
Kontaktfeder - Durchdruck [%]
= [(Sι(tD)nβu-Sι(tD))/Sι(tD)nβu]*100 (7.1)
= [l-(tD/tD,neu)2l*100 (7.2)
Abbrand [%]= [ (sι(tD)+s (tö) )neu- (sι(tD) +s2(tö) ) ] / [(sι(tD)+s2(tö))nβu]*100 (8.1)
= [l-(tD 2-tö2/2)/(tD 2-tö 2/2)neul*100 (8.2) Bei vernachlässigbarem mechanischen Spiel im Neuzustand ist tö ~ tD und man erhält: Abbrand [%] = [1-2* (tD 2-tö 2/2) /tD 2 neu] *100 (9)
Der aus dem mechanischen Verschleiß resultierende relative Anteil der Durchdruckminderung der Kontaktkraft-Feder ist durch den Ausdruck gegeben
dMechanιk/Durchdruckneu = ( S2 ( tö ) - S2 ( t0 ) neu ) / Si ( tD ) neu ( 10 )
Damit kann nun eine auf den Durchdruck bezogene prozentuale Größe des mechanischen Verschleißes angeben werden. Es gilt:
mechanischer Verschleiß[%] = [(S2(tö)-S2(to)neu)/Sι(tD)neul*100 (11)
In diese Größe geht neben den Zeitwerten tD, tö im Neu- und Gebrauchszustand auch der Quotient
KAntrie ( Kκon akt+KAntrιeb) ( 12 ) ein.
Zur Definition des Lebensdauerendes werden schließlich die Funktions-, Abbrand- und Verschleißgrößen auf prozentuale Grenzwerte bezogen, die eine sichere Funktion des Schaltgerätes gewährleisten. Somit kann zwischen dem eigentlichen Kon- taktabbrand und dem Mechanikverschleiß unterschieden werden. Dies ist insbesondere bei Vakuumschützen von Bedeutung, da bei Kontaktabbrand üblicherweise die gesamte Röhre ausgetauscht wird.
Bei dem anhand der einzelnen Beispiele dargestellten Verfahren zur Bestimmung von Durchdruckänderungen wird im dynamischen Betrieb des Schaltgerätes gemessen. Dies bedeutet, dass im Ausschaltvorgang, aber auch im Einschaltvorgang des Schaltgerätes gemessen werden kann. Letzteres war beim Stand der Technik nicht möglich. Durch die Messung beim Einschalten des Schaltgerätes lassen sich Verschleißeinflüsse der Schaltgerätemechanik besonders gut erfassen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung der Restlebensdauer eines Schaltgerätes, insbesondere zur Erfassung und Anzeige von Ver- schleißzuständen des Schaltgerätes, durch Überwachung des
Durchdruckes bei der Bewegung des Schaltgeräteantriebes, wobei zur Durchdrucküberwachung wenigstens ein Zeitintervall zwischen signifikanten Ereignissen der Antriebsbewegung ermittelt werden, mit folgenden Maßnahmen: - zwecks Erfassung und Anzeige des Kontaktabbrandes einerseits und des Schaltgerätemechanikverschleißes andererseits mittels Durchdrucküberwachung wird ein separater Sensor verwendet, - mit dem Sensor wird zumindest eines der Ereignisse zwecks Ermittlung des Zeitintervalls zwischen zwei Ereignissen erfasst, aus dem Zeitintervall werden relative Durchdruckänderungen und daraus die Restlebensdauer des Schaltgerätes bestimmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ausschaltvorgang des Schaltgerätes gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einschaltvorgang des Schaltgerätes gemessen wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet in der Anwendung bei Vakuumschaltgeräten, insbesondere Vakuumschützen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet in der Anwendung bei Luftschaltgeräten.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung des Zeitintervalles an einem oder gleichzeitig an mehreren Polen des Schaltgerätes, insbesondere gleichzeitig 3-polig, erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung und Anzeige des Schaltkontaktabbrandes beim 3- poligen Schaltgerät für jeden Pol einzeln erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Ereignisse zur Zeitintervallmessung elektrisch erfolgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7 , dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Ereignisse zur
Zeitintervallmessung optisch erfolgt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Ereignisse zur Zeitintervallmessung mechanisch erfolgt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet in einer Diskriminierung von Kontaktabbrand und Schaltgerätemechanikverschleiß.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Durchdruckänderungen in einem dem Kontaktabbrand zuordenbaren Anteil und einem dem Mechanikverschleiß zuordenbaren Anteil aufgeteilt werden und separat angezeigt werden.
13. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 12 mit Kontaktstücken, von denen einer ein Festkontakt und ein anderer ein Bewegkontakt ist, wobei der Bewegkontakt über eine Schaltgerätemechanik mit einem Antrieb zur Aktivierung des Schaltgeräteantriebes zwecks Durchführung der Hubbewegung der Kontakte verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Antrieb ein Sensor (225, 226; 127; 141; 151; 161) zugeordnet ist, mit dem der Bewegungsablauf aller mechanischen Komponenten der Schaltgerätemechanik (20 bis 31) erfasst wird.
14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eine fest angeordnete Tauchspule (125) mit beweglichem Dauermagnet (126) ist, wobei der Dauermagnet (126) an einer Federauflage (22) der Schaltgerätemechanik (20 bis 31) befestigt ist.
15. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Piezowandler (137) ist, der an einer Federauflage (22) der Schaltgerätemechanik (20 bis 31) befestigt ist.
16. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eine Lichtschranke (14) ist, die mit einer Führung (16) des Bewegkontaktes (15) verbunden ist.
17. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Schalter (51) ist, der mit einer Federauflage (22) der Schaltgerätemechanik (22 bis 31) verbunden ist.
18. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtschranke (141) durch einen Optokoppler, einen Magnet mit zugehörigen Reed-Kontakt und oder einen Magnet mit zugehörigen Hallsensor gebildet ist.
19. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, gekenn- zeichnet in der Ausführung für ein Vakuumschaltgerät, insbesondere Vakuumschütz .
20. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, gekennzeichnet in der Ausführung für ein Luftschaltgerät.
21. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 20, gekennzeichnet durch einen Rechner zur Berechnung und Anzeige des Kontaktabbrandes einerseits und des Schaltgerätemechanikver- schleißes andererseits.
22. Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass im Rechner der Kontaktabbrand - Abbrand[%] = [l-(tD 2-t0 2/2) / (tD 2-tö 2/2)neu] *100 (Gl. 8.2) und der Mechanikverschleiß
- Verschleiß[%] = [ (s2 ( tö) -s2 ( ö) neu) si ( tD) neu! *100 (Gl. 11) bestimmbar ist, wobei t0 die Zeit beim Öffnen der Schaltkontakte, tD die Zeit am Ende des ersten Zeitabschnittes bzw. Anfang des zweiten Zeitabschnittes und s^tn) der Weg beim Einschalten des Antriebes und Sι(t0) der Weg beim Öffnen der Schaltkontakte mit i = erster/zweiter Bewegungsabschnitt bedeuten.
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