WO2005104155A1 - Verfahren zum ermitteln eines eine abnutzung von schaltkontakten eines leistungsschalters angebenden restschaltspiel-wertes - Google Patents

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WO2005104155A1
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switch
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Oliver Weiland
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H01H1/0015—Means for testing or for inspecting contacts, e.g. wear indicator
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/327—Testing of circuit interrupters, switches or circuit-breakers
    • G01R31/3271—Testing of circuit interrupters, switches or circuit-breakers of high voltage or medium voltage devices
    • G01R31/3272—Apparatus, systems or circuits therefor
    • G01R31/3274—Details related to measuring, e.g. sensing, displaying or computing; Measuring of variables related to the contact pieces, e.g. wear, position or resistance
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    • 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

  • Circuit breakers electrical energy supply systems are usually divided into individual sections. Such sections can be separated from one another by means of so-called circuit breakers. If an error, for example a short circuit, occurs on a section of an energy supply system, the affected section is separated from the rest of the system by means of the circuit breakers delimiting it, so that the error cannot affect the other healthy sections.
  • Circuit breakers generally have switching contacts located opposite one another on the end face, which come into contact with one another or can be separated from one another by initiating a drive movement. They are designed for switching high powers so that, for example, a faulty line in an energy distribution network can be interrupted in the event of a short circuit. Due to the high short-circuit currents, an arc is drawn when the switch contacts are disconnected, which due to its high temperature causes wear due to the contact material burning. This arc-induced material erosion affects. affects the switching capacity of the circuit breaker.
  • the circuit breakers are therefore replaced, for example, after a certain period of time. Such a time-dependent replacement of the circuit breaker can then be unnecessary. be necessary if only a few switching processes have been carried out with the switch to be replaced and no other serious defects, such as a creeping gas leak or the like, can be identified. On the other hand, however, it is also possible that an unexpectedly large number of switching operations, that is to say power interruptions, were carried out with the switch in the predetermined time period, so that the switch has considerable defects in its switching contacts after a comparatively short service life.
  • This shelf life information mations are usually based on switching experiments with identical circuit breakers and usually include sizes such as a maximum number of switching cycles - i.e. the number of possible opening operations of the circuit breaker - on the one hand with a rated operating current and on the other hand with a rated short-circuit current.
  • the rated operating current indicates a breaking current for which the circuit breaker is designed during normal operation of the energy supply system.
  • the rated short-circuit current specifies the maximum breaking current for which the circuit breaker is set up, ie the maximum short-circuit current that the circuit breaker can open without being destroyed.
  • breaking current The dependency on the breaking current and the associated maximum number of switching cycles is often shown graphically in a diagram from which the operator of the circuit breaker can read how many switching operations the circuit breaker can carry out for a specific breaking current.
  • breaking current can vary from switching operation to switching operation, this graphically readable information can only be used to provide information for the individual case; an indication of the current wear of the switching contacts of the circuit breaker is not easily possible from this.
  • the invention is based on the object of specifying a method for determining a residual switching clearance value indicating wear of switch contacts of a circuit breaker, with which a comparatively reliable indication of the wear of the switch contacts of the circuit breaker is possible in a simple manner.
  • This object is achieved according to the invention by a method for determining a residual switching clearance value indicating wear of switching contacts of a circuit breaker, in which a breaking current measured value indicating a current flowing current is determined when the switching contacts of the circuit breaker open; for this breaking current measured value, a breaking current-dependent switching cycle value is determined on the basis of a switch-specific characteristic; the quotient is then determined from a switching cycle reference value determined on the basis of the switch-specific characteristic curve and the switching cycle value dependent on the breaking current, with the formation of a switching cycle parameter; Finally, for the first opening of the switching contacts of the circuit breaker, a difference between the switching cycle reference value and the switching cycle characteristic is formed, forming a residual switching cycle value, and for each further opening of the switching contacts of the circuit breaker, the difference between a residual switching cycle determined for an immediately preceding opening process of the switching contacts. Value and the switching cycle parameter determined with formation of a respective current residual switching cycle value.
  • the main advantage of the method according to the invention is that on the basis of the information provided by the circuit breaker manufacturer and experimentally validated information on possible switching cycles at certain breaking currents, it is possible to make a comparatively reliable statement as to how many switching cycles the corresponding circuit breaker can still perform depending on the breaking current.
  • the fact that the residual switching cycle value calculated in each case during the previous opening operation of the circuit breaker is used as the output value for the difference formation for the subsequent switching operation can be used for each switching operation circuit breaker the currently valid wear of the switch contacts can be determined.
  • the service life of the switch contacts is counted down, so to speak, so that the residual switching cycle value, taking into account the switching history of the circuit breaker, always indicates the switching cycles of the circuit breaker that are still possible at the current time.
  • a low value of the residual switching cycle value indicates high wear of the switching contacts.
  • An advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the switching cycle reference value is determined on the basis of the switch-specific characteristic with respect to a reference breaking current value. As a result, the switching operations of the circuit breaker are normalized to corresponding switching operations at the reference breaking current. In this way, the remaining service life of the switch contacts of the circuit breaker can be specified particularly easily.
  • a switch-specific rated operating current can advantageously be used as the reference breaking current.
  • the rated operating current characterizes the normal operating state of the circuit breaker, so it depends, for example, on the nominal current of the energy supply system. In this way, the switching cycles of the circuit breaker that are still possible can be standardized to the current flowing during normal operation of the energy supply system.
  • na b * Ia m for I n ⁇ I a ⁇ I sc
  • Ia the breaking current measured value
  • Isc a switch-specific rated short-circuit current
  • ⁇ a the switching current-dependent switching cycle value
  • b a switch-specific power function prefactor and m a switch-specific power function exponent
  • the residual current can be very easily determined for the rated operating current on the one hand and for the rated short-circuit current on the other hand. switching cycle value can be determined.
  • the residual switching cycle value determined is compared with a threshold value indicating a minimum residual switching cycle value and a warning signal is generated when the residual switching cycle value falls below the threshold value.
  • a further advantageous embodiment of the method according to the invention also provides that the determination of the residual switching cycle value is carried out by a computing device of an electrical field device.
  • field devices such as, for example, electrical protective devices, which are usually close to the circuit breaker, can be used to determine the wear of the switch contacts.
  • additional hardware components such as additional current transformers, because the electrical field devices are usually already connected to the energy supply system via appropriate transformers.
  • a further advantageous embodiment of the method according to the invention further provides that the residual switching value determined and / or a warning signal generated as a function thereof is displayed on a display device.
  • the operator of the circuit breaker can be given the residual switching cycle value and / or a warning signal, for example on a display device in a control station of the energy supply system or a display device of a field device.
  • Figure 1 shows schematically a field device on a portion of an energy transmission line
  • Figure 2 schematically shows an embodiment of a method for determining a residual switching value in a block diagram
  • Figure 3 shows an embodiment of a switch-specific characteristic
  • FIG. 1 shows two sections 1 and 2 of an energy transmission line of an energy supply system, which is otherwise not shown. Sections 1 and 2 of the energy transmission line can be separated from one another by a circuit breaker 3.
  • a field device in the form of an electrical protective device 5 is connected to the line section 2 via a current transformer 4.
  • the protective device 5 is a
  • Communication line 8 connected to a communication bus 9.
  • a drive device 6 for a movable switch contact 7a of the circuit breaker 3 is connected to a further output of the protective device 5.
  • a fixed switch contact 7b of the circuit breaker 3 is located on the end opposite the movable switch contact 7a.
  • the protective device 5 detects the short circuit on the basis of current measurement values recorded by the current transformer 4 and, if appropriate, also on the basis of voltage measurement values recorded by means of a voltage converter (not shown). The protective device 5 then emits a trigger signal to the drive device 6 of the circuit breaker 3, which brings the movable switch contact 7a into the open position. When the switch contacts 7a and 7b are opened, an arc arises between them, the high temperature of which causes the switch contacts 7a and 7b to partially burn and thus wear out. After the circuit breaker 3 has carried out a certain number of switching operations, the switch contacts 7a and 7b have burned down too much and the circuit breaker 3 must be replaced.
  • a residual switching clearance value is calculated by means of a computing device of the field device 5, which is not shown in FIG. 1, as will be explained below with reference to FIGS. 2 and 3:
  • Figure 2 shows a schematic representation of an embodiment of a method for determining a residual switching value S R for the switching contacts 7a and 7b of the circuit breaker 3 in the form of a block diagram.
  • a breaking current measured value Ia is determined by means of the current transformer 4, as indicated by block 11 in FIG. 2.
  • the switch-off current measured value Ia represents, for example, an effective value of that
  • the correct point in time for acquiring the breaking current measured value Ia can be determined, for example, in that after the trigger signal has been sent from the protective device 5 to the drive device 6 of the circuit breaker 3 Known proper time of the circuit breaker 3 is waited, this proper time indicating the time period between the receipt of the trigger signal by the drive device 6 and the actual opening of the switch contacts 7a and 7b.
  • the switch-off current measured value Ia is only determined after this end of time.
  • the breaking current measured value Ia is fed to the computing device of the protective device 5, which first examines it in terms of its position with regard to a characteristic curve specific to the circuit breaker 3, as is indicated in block 12 of FIG.
  • the characteristic curve indicates the number of possible switching cycles depending on the respective breaking current Ia.
  • Such a characteristic curve is usually supplied by the manufacturer in the technical specifications of the circuit breaker 3.
  • FIG. 3 shows a double-logarithmic plot of a characteristic curve, shown in bold, which shows the relationship between a switching cycle value n
  • the computing device of the protective device 5 determines the associated switching cycle value n
  • the quotient is calculated from a switching cycle reference value n max with respect to a reference breaking current and the breaking current-dependent switching cycle value n
  • Any current up to the maximum that can be switched off by the circuit breaker 3 can be used as the reference breaking current Rated short-circuit current Isc can be selected.
  • the rated operational current I n is easily derived from the switch-specific characteristic.
  • the switching cycle parameter K n is transferred to a block 14 for difference formation. The first time the switching contacts 7a and 7b open, the difference between
  • the switching cycle reference value n max can no longer be used as the output value for forming the difference, since this only indicates the number of possible switching cycles for the unused circuit breaker 3. Instead, the residual switching clearance value determined for the previous switching operation is now used as the new output value for forming the difference, since this contains the switching history of the circuit breaker 3 and thus the currently still possible Chen switching operations of the switching contacts 7a and 7b indicates.
  • the current residual switching play value S R is thus in accordance with the equation
  • the residual switching cycle value S R can be displayed, for example, on a display device, such as a display 10 of the protective device 5, and / or from the protective device 5 via the communication line 8 and the communication bus 9 to an external device, for example a host computer in a control room. transmitted and displayed or evaluated there.
  • the operator of the circuit breaker 3 thus has the possibility of viewing the current wear of the switch contacts 7a and 7b of the circuit breaker 3 and, if necessary, arranging for maintenance or an exchange of the circuit breaker 3 or the switching tube of the circuit breaker 3.
  • the residual switching cycle value S R can also be passed on to a block 15 for checking the threshold value, in which it is compared with a threshold value SW. falls below If the residual switching cycle value S R is the threshold value SW, a maintenance signal W is generated and presented to the operator of the circuit breaker 3, for example on the display device 10 of the protective device 5 or an external display device - for example in a control room.
  • the threshold value SW gives z. B. a predetermined minimum remaining life at which the operator of the circuit breaker 3 is to be prompted to initiate an exchange of the circuit breaker 3 even before the switch contacts 7a and 7b of the circuit breaker 3 have completely burned down. The operator of the circuit breaker 3 thus has sufficient time to carry out maintenance or an exchange of the circuit breaker 3.
  • the switching cycle actually be the starting value for the output value A for forming the difference in block 14 - Reference value n max can be used. This can be read, for example, from the diagram shown in FIG. 3 for the selected reference breaking current (for example the rated operating current). If, on the other hand, the circuit breaker 3 is a used circuit breaker, the switch contacts of which have already partially burnt down due to an arc, the starting value for the output value A must be set on the basis of empirical values in order to form the difference.
  • the method for determining the residual switching cycle value S R can be used for single or multi-phase electrical lines.
  • a current transformer 4 must be provided on each phase conductor, and the method described above for determining the residual switching value S R is to be applied accordingly for each phase conductor.
  • a maintenance signal W can be generated, for example, if, with regard to one of the multiple phase conductors, the residual switching clearance value S R falls below the threshold value SW indicating the minimum remaining service life.
  • FIG. 3 shows a typical characteristic curve which indicates the dependence of the number of possible switching cycles (breaking current-dependent switching cycle value n
  • the characteristic curve has a first region 21. This range specifies the maximum breaking current-dependent switching cycle value of the circuit breaker 3 for currents less than or equal to the so-called rated operational current I n .
  • the rated operational current I n is 2500 A.
  • the circuit breaker 3 is designed for this current in normal operation and experiments by the circuit breaker manufacturer have shown that 10,000 switching cycles of the circuit breaker are possible with this current.
  • the characteristic curve has a second region 22 which indicates the maximum possible breaking current of the circuit breaker without being destroyed.
  • this maximum breaking current which is also called the short-circuit rated current Isc, is 50,000 A.
  • an intermediate area 23 is specified, which indicates the dependence of the possible switching cycles of the circuit breaker 3 on the breaking current Ia in the area between the rated operational current I n and the short-circuit rated current Isc.
  • This dependence generally follows a power function, which is generally in the form n
  • b denotes a power function prefactor and m a power function exponent;
  • Ia stands for the breaking current-dependent switching cycle value and Ia denotes the breaking current.
  • this power function is entered as a straight line.
  • the power function pre-factor can be specified b and the power function exponent m can be easily calculated as shown below:

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines eine Abnutzung von Schaltkontakten (7a,7b) eines Leistungsschalters (3) angebenden Restschaltspiel-Wertes (SR). Um vergleichsweise zuverlässig eine Aussage über die Abnutzung der Schaltkontakte (7a,7b) des Leistungsschalters (3) zu generieren, ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, folgende Schritte durchzuführen: Beim Öffnen der Schaltkontakte (7a,7b) des Leistungsschalters (3) wird ein einen momentan fließenden Strom angebender Ausschaltstrom-Messwert (Ia)ermittelt; für diesen wird anhand einer schalterspezifischen Kennlinie ein ausschaltstromabhängiger Schaltspiel-Wert (n/Ia) ermittelt; der Quotient aus einem anhand der schalterspezifischen Kennlinie festgelegten Schaltspiel-Bezugswert (nmax) und dem ausschaltstromabhängigen Schaltspiel-Wert (n/Ia) wird unter Bildung einer Schaltspiel-Kenngröße (Kn) ermittelt und für das erstmalige Öffnen der Schaltkontakte (7a,7b) des Leistungsschalters (3) wird eine Differenz zwischen dem Schaltspiel-Bezugswert (nmax) und der Schaltspiel-Kenngröße (Kn) unter Bildung eines Restschaltspiel-Wertes (SR) ermittelt und für jedes weitere Öffnen der Schaltkontakte (7a,7b) des Leistungsschalters (3) wird jeweils die Differenz zwischen einem für einen unmittelbar vorhergehenden Öffnungsvorgang der Schaltkontakte (7a,7b) ermittelten Restschaltspiel-Wert und der Schaltspiel-Kenngröße (Kn) unter Bildung eines jeweiligen aktuellen Restschaltspiel-Wertes (SR) ermittelt.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Ermitteln eines eine Abnutzung von Schaltkontakten eines Leistungsschalters angebenden Restschaltspiel- Wertes
Elektrische Energieversorgungssysteme sind üblicherweise in einzelne Abschnitte aufgeteilt. Solche Abschnitte sind mittels sogenannter Leistungsschalter voneinander abtrennbar. Tritt auf einem Abschnitt eines Energieversorgungssystems ein Fehler, beispielsweise ein Kurzschluss, auf, - so wird der betroffene Abschnitt mittels der ihn begrenzenden Leistungsschalter vom übrigen System abgetrennt, so dass sich der Fehler nicht auf die übrigen - gesunden - Abschnitte auswirken kann.
Leistungsschalter weisen im Allgemeinen einander stirnseitig gegenüberliegende Schaltkontakte auf, die durch Einleiten einer Antriebsbewegung miteinander in Kontakt gelangen oder voneinander getrennt werden können. Sie sind zum Schalten hoher Leistungen ausgelegt, so dass beispielsweise in einem Kurzschlussfall eine fehlerbehaftete Leitung eines Energieverteilungsnetzes unterbrochen werden kann. Aufgrund der hohen Kurzschlussströme wird beim Trennen zwischen den Schalt- kontakten ein Lichtbogen gezogen, der wegen seiner hohen' Temperatur eine Abnutzung durch Abbrand des Kontaktmaterials bewirkt. Dieser lichtbogeninduzierte Materialabbrand beein- . trächtigt das Schaltvermögen des Leistungsschalters.
Um Fehlfunktionen des Leistungsschalters zu vermeiden, werden die Leistungsschalter daher beispielsweise nach einer bestimmten Zeitdauer ausgetauscht. Ein solcher zeitdauerabhängiger Austausch des Leistungsschalters kann jedoch dann unnö- tig sein, wenn mit dem auszutauschenden Schalter nur wenig Schaltprozesse durchgeführt wurden und auch ansonsten keine schwerwiegenden Mängel, wie beispielsweise ein schleichender Gasaustritt oder dergleichen, feststellbar sind. Andererseits ist es jedoch auch möglich, dass in der vorgegebenen Zeitdauer unerwartet viele Schaltspiele, d. h. Stromunterbrechungen, mit dem Schalter durchgeführt wurden, so dass der Schalter bereits nach einer vergleichsweise kurzen Lebensdauer an seinen Schaltkontakten erhebliche Mängel aufweist.
Um zumindest eine Abschätzung des Abbrandes der Schaltkontakte eines Leistungsschalters vornehmen zu können, geht z. B. aus der als Stand der Technik geltenden deutschen Patentanmeldung DE 103 12 504 hervor, den während der Dauer des Lichtbogens fließenden Strom in Form eines Strom-Zeit-Integrals zu erfassen. Auf diese Weise wird der gesamte während der Dauer des Lichtbogens über die Schaltkontakte des Leistungsschalters geflossene Strom ermittelt. Die bei jedem Öffnen des Leistungsschalters erfassten Strom-Zeit-Integrale werden in einem Summenspeicher zu einer Gesamtsumme aufaddiert. Diese Gesamtsumme wird beispielsweise mit einem Grenzwert verglichen, und es wird ein Warnsignal abgegeben, wenn sie den Grenzwert überschreitet. Das Warnsignal gibt an, dass der Leistungsschalter auszutauschen ist. Die Schwierigkeit bei diesem Verfahren besteht insbesondere darin, einen angemessenen Grenzwert anzugeben, mit dem die Gesamtsumme der Strom-Zeit-Integrale verglichen werden und anhand dessen das Warnsignal abgegeben werden kann.
Ferner ist es bekannt, dass Hersteller von Leistungsschaltern in technischen Spezifikationen und Handbüchern häufig Informationen zur Haltbarkeit der Schaltkontakte eines entsprechenden Leistungsschalters liefern. Diese Haltbarkeitsinfor- mationen beruhen üblicherweise auf Schaltexperimenten mit baugleichen Leistungsschaltern und beinhalten normalerweise Größen wie eine maximale Anzahl von Schaltspielen - also die Anzahl der möglichen Öffnungsvorgänge des Leistungsschalters - einerseits bei einem Bemessungs-Betriebsstrom und andererseits bei einem Bemessungs-Kurzschlussstrom. Hierbei kennzeichnet der Bemessungs-Betriebsstrom einen Ausschaltstrom, für den der Leistungsschalter im Normalbetrieb des Energieversorgungssystems ausgelegt ist. Der Bemessungs-Kurzschluss- ström gibt hingegen den maximalen Ausschaltstrom an, für den der Leistungsschalter eingerichtet ist, d. h. den maximalen Kurzschlussstrom, den der Leistungsschalter ohne Zerstörung abschalten kann.
Häufig ist die Abhängigkeit von Ausschaltstrom und dazugehörigen maximalen Schaltspielzahlen in einem Diagramm graphisch dargestellt, aus dem der Betreiber des Leistungsschalters ablesen kann, wie viele Schaltvorgänge der Leistungsschalter bei einem bestimmten Ausschaltstrom durchführen kann. Da der Ausschaltstrom jedoch von Schaltvorgang zu Schaltvorgang variieren kann, sind mit Hilfe dieser graphisch ablesbaren Informationen lediglich Angaben für den jeweiligen Einzelfall möglich, eine Angabe der aktuellen Abnutzung der Schaltkontakte des Leistungsschalters ist hieraus nicht ohne Weiteres möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ermitteln eines eine Abnutzung von Schaltkontakten eines Leistungsschalters angebenden Restschaltspiel-Wertes an- zugeben, mit dem in einfacher Weise eine vergleichsweise zuverlässige Angabe der Abnutzung der Schaltkontakte des Leistungsschalters möglich ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Ermitteln eines eine Abnutzung von Schaltkontakten eines Leistungsschalters angebenden Restschaltspiel-Wertes gelöst, bei dem beim Öffnen der Schaltkontakte des Leistungsschalters ein einen momentan fließenden Strom angebender Ausschaltstrom-Messwert ermittelt wird; für diesen Ausschaltstrom- Messwert wird anhand einer schalterspezifischen Kennlinie ein ausschaltstromabhängiger Schaltspiel-Wert ermittelt; anschließend wird der Quotient aus einem anhand der schalter- spezifischen Kennlinie festgelegten Schaltspiel-Bezugswert und dem ausschaltstromabhangigen Schaltspiel-Wert unter Bildung einer Schaltspielkenngröße ermittelt; schließlich wird für das erstmalige Öffnen der Schaltkontakte des Leistungsschalters eine Differenz zwischen dem Schaltspiel-Bezugswert und der Schaltspielkenngröße unter Bildung eines Restschaltspiel-Wertes und für jedes weitere Öffnen der Schaltkontakte des Leistungsschalters jeweils die Differenz zwischen einem für einen unmittelbar vorhergehenden Öffnungsvorgang der Schaltkontakte ermittelten Restschaltspiel-Wert und der Schaltspiel-Kenngröße unter Bildung eines jeweiligen aktuellen Restschaltspiel-Wertes ermittelt.
Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass auf der Basis der vom Leistungsschalterher- steller angegebenen und experimentell abgesicherten Informationen zu möglichen Schaltspielen bei bestimmten Ausschaltströmen vergleichsweise zuverlässig eine Angabe darüber gemacht werden kann, wie viele Schaltspiele der entsprechende Leistungsschalter ausschaltstromabhängig noch durchführen kann. Dadurch, dass der jeweils beim vorausgehenden Öffnungsvorgang des Leistungsschalters berechnete Restschaltspiel- Wert für den nachfolgenden Schaltvorgang als Ausgangswert zur Differenzbildung verwendet wird, kann für jeden Schaltvorgang des Leistungsschalters die aktuell gültige Abnutzung der Schaltkontakte bestimmt werden. Hierbei wird sozusagen die Lebensdauer der Schaltkontakte heruntergezählt, so dass die Restschaltspiel-Wert unter Berücksichtigung der Schalthisto- rie des Leistungsschalters immer die zum aktuellen Zeitpunkt noch möglichen Schaltspiele des Leistungsschalters angibt. Dabei gibt ein niedriger Wert des Restschaltspiel-Wertes eine hohe Abnutzung der Schaltkontakte an.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Schaltspiel-Bezugswert anhand der schalterspezifischen Kennlinie bezüglich eines Referenz-Ausschaltstromwertes festgelegt wird. Hierdurch findet sozusagen eine Normierung der Schaltvorgänge des Leistungsschalters auf entsprechende Schaltvorgänge beim Referenz-Ausschaltstrom statt. Auf diese Weise lässt sich die Restlebensdauer der Schaltkontakte des Leistungsschalters besonders einfach angeben.
Vorteilhafterweise kann als Referenz-Ausschaltstrom ein schalterspezifischer Bemessungs-Betriebsstrom verwendet werden. Der Bemessungs-Betriebsstrom kennzeichnet den Normalbe- triebszustand des Leistungsschalters, ist also beispielsweise vom Nennstrom des Energieversorgungssystems abhängig. Auf diese Weise können die noch möglichen Schaltspiele des Leistungsschalters auf den im Normalbetrieb des Energieversorgungssystems fließenden Strom normiert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfin- dungsgemäßen Verfahrens ist außerdem vorgesehen, dass als schalterspezifische Kennlinie die Abhängigkeit
Figure imgf000007_0001
Figure imgf000008_0001
n a = b*Iam für In < Ia < Isc
verwendet wird, wobei
Ia den Ausschaltstrom-Messwert, In einen schalterspezifischen Bemessungs-Betriebsstrom, Isc einen schalterspezifischen Bemessungs-Kurz- schlussstrom, n | ιa den ausschaltstromabhangigen Schaltspiel-Wert, n | ιn einen bemessungsbetriebsstromabhängigen Schaltspiel-Wert, b einen schalterspezifischen Potenzfunktions- Vorfaktor und m einen schalterspezifischen Potenzfunktions-Ex- ponenten
angeben.
Auf diese Weise kann allein auf Basis der üblicherweise von Leistungsschalterherstellern angegebenen Informationen zu möglichen Schaltspielen des Leistungsschalters einerseits bei dem Bemessungs-Betriebsstrom und andererseits bei dem Bemes- sungs-Kurzschlussstrom auf sehr einfache Weise der Rest-. schaltspiel-Wert bestimmt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist zudem vorgesehen, dass der ermittelte Restschaltspiel-Wert mit einem einen Mindest- restschaltspiel-Wert angebenden Schwellenwert verglichen wird und ein Warnsignal erzeugt wird, wenn der Restschaltspiel- Wert den Schwellenwert unterschreitet. Hierdurch ist es mög- lieh, bereits einige Zeit vor der vollständigen Abnutzung der Schaltkontakte des Leistungsschalters ein Warnsignal zu erzeugen, das den Betreiber des Leistungsschalters darauf hinweist, eine Wartung einzuleiten bzw. den Leistungsschalter oder die Schaltröhre möglichst bald auszutauschen.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht außerdem vor, dass die Ermittlung des Restschaltspiel-Wertes von einer Recheneinrichtung eines elektrischen Feldgerätes durchgeführt wird. Auf diese Weise können üblicherweise in Leistungsschalternähe vorhandene Feldgeräte, wie beispielsweise elektrische Schutzgeräte, zur Ermittlung der Abnutzung der Schaltkontakte verwendet werden. Hierdurch entstehen keine weiteren Kosten für zusätzliche Hardwarebausteine, wie beispielsweise zusätzliche Stromwandler, weil die elektrischen Feldgeräte üblicherweise bereits mit dem Energieversorgungssystem über entsprechende Wandler verbunden sind.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht ferner vor, dass der ermittelte Restschaltspiel-Wert und/oder ein in Abhängigkeit von diesem erzeugtes Warnsignal auf einer Anzeigeeinrichtung angezeigt werden. Auf diese Weise kann dem Betreiber des Leistungs- Schalters der Restschaltspiel-Wert und/oder ein Warnsignal beispielsweise auf einer Anzeigeeinrichtung in einer Leitstation des Energieversorgungssystems oder einer Anzeigeeinrichtung eines Feldgerätes angegeben werden.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung sind in
Figur 1 schematisch ein Feldgerät an einem Abschnitt einer Energieübertragungsleitung, in Figur 2 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Ermittlung eines Restschaltspiel-Wertes in einem Blockschaltbild und in
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel einer schalterspezifischen Kennlinie
dargestellt.
Figur 1 zeigt zwei Abschnitte 1 und 2 einer im ansonsten nicht dargestellten Energieübertragungsleitung eines Energieversorgungssystems. Die Abschnitte 1 und 2 der Energieübertragungsleitung sind durch einen Leistungsschalter 3 voneinander abtrennbar. Über einen Stromwandler 4 ist mit dem Leitungsabschnitt 2 ein Feldgerät in Form eines elektrischen Schutzgerätes 5 verbunden. Das Schutzgerät 5 ist über eine
Kommunikationsleitung 8 mit einem Kommunikationsbus 9 verbunden. Mit einem weiteren Ausgang des Schutzgerätes 5 ist eine Antriebseinrichtung 6 für einen beweglichen Schaltkontakt 7a des Leistungsschalters 3 verbunden. Dem beweglichen Schalt- kontakt 7a stirnseitig gegenüber liegt ein feststehender Schaltkontakt 7b des Leistungsschalters 3.
Im Folgenden soll angenommen werden, dass auf einem der Leitungsabschnitte 1 oder 2 ein Kurzschluss auftritt. Unter Ver- wendung an sich bekannter (und daher an dieser Stelle nicht näher erläuterter) Schutzalgorithmen für Energieversorgungssysteme erkennt das Schutzgerät 5 den Kurzschluss anhand mittels des Stromwandlers 4 aufgenommener Strommesswerte und ggf. auch anhand mittels eines nicht dargestellten Spannungs- wandlers aufgenommener Spannungsmesswerte. Das Schutzgerät 5 gibt daraufhin ein Auslösesignal an die Antriebseinrichtung 6 des Leistungsschalters 3 ab, die den beweglichen Schaltkontakt 7a in die geöffnete Stellung bringt. Beim Öffnen der Schaltkontakte 7a und 7b entsteht zwischen diesen ein Lichtbogen, durch dessen hohe Temperatur die Schaltkontakte 7a und 7b teilweise abgebrannt und damit abge- nutzt werden. Nachdem der Leistungsschalter 3 eine bestimmte Anzahl von Schaltspielen durchgeführt hat, sind die Schaltkontakte 7a und 7b zu stark abgebrannt und der Leistungsschalter 3 muss ausgewechselt werden.
Zur Bestimmung der Abnutzung der Schaltkontakte 7a und 7b wird mittels einer in Figur 1 nicht dargestellten Recheneinrichtung des Feldgerätes 5 ein Restschaltspiel-Wert berechnet, wie es nachfolgend unter Hinzuziehung der Figuren 2 und 3 erläutert wird:
Figur 2 zeigt hierzu in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Ermittlung eines Restschaltspiel-Wertes SR für die Schaltkontakte 7a und 7b des Leistungsschalters 3 in Form eines Blockschaltbilds.
Zum Zeitpunkt des Öffnens der Schaltkontakte 7a und 7b des Leistungsschalters 3 wird mittels des Stromwandlers 4 ein Ausschaltstrom-Messwert Ia bestimmt, wie dies durch Block 11 in Figur 2 andeutet ist. Der Ausschaltstrom-Messwert Ia stellt dabei beispielsweise einen Effektivwert desjenigen
Stromes dar, der genau zum Zeitpunkt des Öffnens der Schaltkontakte 7a und 7b in Form eins Lichtbogens zwischen den sich öffnenden Schaltkontakten 7a und 7b fließt.
Der richtige Zeitpunkt zur Erfassung des Ausschaltstrom-Messwertes Ia kann beispielsweise dadurch bestimmt werden, dass nach der Abgabe des Auslösesignals von dem Schutzgerät 5 an die Antriebseinrichtung 6 des Leistungsschalters 3 eine be- kannte Eigenzeit des Leistungsschalters 3 abgewartet wird, wobei diese Eigenzeit die Zeitspanne zwischen dem Empfang des Auslösesignals durch die Antriebseinrichtung 6 und dem tatsächlichen Öffnen der Schaltkontakte 7a und 7b angibt. Erst nach Ablauf dieser Eigenzeit wird der Ausschaltstrom-Messwert Ia bestimmt.
Der Ausschaltstrom-Messwert Ia wird der Recheneinrichtung des Schutzgeräts 5 zugeführt, die diesen zunächst auf seine Lage hinsichtlich einer für den Leistungsschalter 3 spezifischen Kennlinie untersucht, wie dies in Block 12 der Figur 2 angedeutet ist. Die Kennlinie gibt hierbei die Zahl möglicher Schaltspiele in Abhängigkeit vom jeweiligen Ausschaltstrom Ia an. Eine solche Kennlinie wird üblicherweise vom Hersteller in den technischen Spezifikationen des Leistungsschalters 3 mitgeliefert .
Ein Beispiel für eine Kennlinie dieser Art ist in Figur 3 gezeigt. Figur 3 zeigt in doppellogarithmischer Auftragung eine - fett eingezeichnete - Kennlinie, die die Abhängigkeit zwischen einem Schaltspiel-Wert n|ϊa und dem Ausschaltstrom Ia für einen bestimmten Leistungsschalter angibt.
Anhand der Lage des Ausschaltstrommesswertes Ia auf der Kenn- linie ermittelt die Recheneinrichtung des Schutzgeräts 5 den zugehörigen Schaltspiel-Wert n | Ia und gibt diesen gemäß Figur 2 an einen Block 13 zur Quotientenbildung weiter. Hier wird der Quotient aus einem Schaltspiel-Bezugswert nmax bezüglich eines Referenz-Ausschaltstromes und dem aus der Kennlinie in Block 12 ermittelten ausschaltstromabhangigen Schaltspiel- Wert n|ιa unter Bildung einer Schaltspiel-Kenngröße Kn berechnet. Als Referenz-Ausschaltstrom kann jeder beliebige Strom bis zu dem maximal von dem Leistungsschalter 3 abschaltbaren Bemessungs-Kurzschlussstrom Isc gewählt werden. Es bietet sich jedoch an, als Referenz-Ausschaltstrom den Betriebs-Be- messungsstrom In zu wählen, da dieser den Strom im Normalbetrieb des Leistungsschalters 3 darstellt. Der hierzu gehö- rende Schaltspiel-Bezugswert ergibt sich ohne Weiteres aus der schalterspezifischen Kennlinie.
Die Schaltspiel-Kenngröße Kn wird an einen Block 14 zur Differenzbildung übergeben. Beim ersten Öffnungsvorgang der Schaltkontakte 7a und 7b wird hier die Differenz aus dem
Schaltspiel-Bezugswert nmax und der Schaltspiel-Kenngröße Kn gebildet. Als Ergebnis ergibt sich der gesuchte Restschaltspiel-Wert SR, der die Abnutzung der Schaltkontakte 7a und 7b des Leistungsschalters 3 angibt. Ein niedriger Wert des Rest- schaltspiel-Wertes bedeutet hierbei eine hohe Abnutzung. Für den ersten Öffnungsvorgang wird somit der Restschaltspiel- Wert SR gemäß der Gleichung
max 'R max n Ia
ermittelt .
Für jeden weiteren Öffnungsvorgang der Schaltkontakte 7a und 7b kann als Ausgangswert zur Differenzbildung nicht mehr der Schaltspiel-Bezugswert nmax verwendet werden, da dieser nur die Anzahl der möglichen Schaltspiele für den unbenutzten Leistungsschalter 3 angibt. Stattdessen wird als neuer Ausgangswert für die Differenzbildung nunmehr der für den jeweils vorhergehenden Schaltvorgang ermittelte Restschalt- spiel-Wert verwendet, da dieser die Schalthistorie des Leistungsschalters 3 beinhaltet und somit die aktuell noch mögli- chen Schaltspiele der Schaltkontakte 7a und 7b angibt. Für alle auf den ersten Öffnungsvorgang folgenden Öffnungsvorgänge wird der aktuelle Restschaltspiel-Wert SR somit entsprechend der Gleichung
Figure imgf000014_0001
bestimmt
Der jeweils für den Restschaltspiel-Wert SR ermittelte Wert wird gemäß Figur 2 folglich für einen nachfolgenden Öffnungs- Vorgang des Leistungsschalters 3 als Ausgangswert A (= SR_ vorhergehendes öffnen) für die Differenzbildung verwendet, wie -es durch einen gepunktet dargestellten Pfeil am Ausgang des Blockes 14 angedeutet ist.
Der Restschaltspiel-Wert SR kann beispielsweise auf einer Anzeigevorrichtung, wie z.B. einem Display 10 des Schutzgerätes 5, angezeigt werden und/oder von dem Schutzgerät 5 über die Kommunikationsleitung 8 und den Kommunikationsbus 9 an ein externes Gerät, beispielsweise einen Leitrechner in einer Leitwarte, übermittelt und dort angezeigt bzw. ausgewertet werden. Damit hat der Betreiber des Leistungsschalters 3 die Möglichkeit, die aktuelle Abnutzung der Schaltkontakte 7a und 7b des Leistungsschalters 3 einzusehen und ggf. eine Wartung oder ein Austausch des Leistungsschalters 3 bzw. der Schalt- röhre des Leistungsschalters 3 zu veranlassen.
Außerdem kann der Restschaltspiel-Wert SR auch an einen Block 15 zur Schwellenwertüberprüfung weitergegeben werden, in dem er mit einem Schwellenwert SW verglichen wird. Unterschreitet die Restschaltspiel-Wert SR den Schwellenwert SW, so wird ein Wartungssignal W erzeugt und dem Betreiber des Leistungsschalters 3 beispielsweise an der Anzeigevorrichtung 10 des Schutzgerätes 5 oder einer externen Anzeigevorrichtung - bei- spielsweise in einer Leitwarte - dargestellt. Der Schwellenwert SW gibt hierbei z. B. eine vorgegebene minimale Restlebensdauer an, bei der der Betreiber des Leistungsschalters 3 dazu veranlasst werden soll, einen Austausch des Leistungsschalters 3 einzuleiten, noch bevor die Schaltkontakte 7a und 7b des Leistungsschalters 3 vollständig abgebrannt sind. Der Betreiber des Leistungsschalters 3 hat somit ausreichend Zeit, eine Wartung oder einen Austausch des Leistungsschalters 3 vorzunehmen.
Nur, wenn es sich bei dem Leistungsschalter 3 um einen neuen Leistungsschalter handelt, der noch keiner Alterung durch Schaltvorgänge oder widrige Umwelteinflüsse beispielsweise bei Lagerung und/oder Transport ausgesetzt worden ist, kann als Startwert für den Ausgangswert A zur Differenzbildung im Block 14 tatsächlich der Schaltspiel-Bezugswert nmax angesetzt werden. Dieser kann z.B. aus dem in Figur 3 gezeigten Diagramm für den gewählten Referenz-Ausschaltstrom (z.B. den Bemessungs-Betriebsstrom) abgelesen werden. Handelt es sich hingegen bei dem Leistungsschalter 3 um einen gebrauchten Leistungsschalter, dessen Schaltkontakte bereits durch einen Lichtbogen teilweise abgebrannt sind, so muss der Startwert für den Ausgangswert A zur Differenzbildung anhand von Erfahrungswerten eingestellt werden.
Das Verfahren zur Bestimmung des Restschaltspiel-Wertes SR kann bei ein- oder mehrphasigen elektrischen Leitungen eingesetzt werden. Bei einer mehrphasigen Ausführung ist entsprechend an jedem Phasenleiter ein Stromwandler 4 vorzusehen, und das oben beschriebene Verfahren zur Ermittlung des Restschaltspiel-Wertes SR ist entsprechend für jeden Phasenleiter anzuwenden. Ein Wartungssignal W kann in diesem Fall beispielsweise dann erzeugt werden, wenn hinsichtlich eines der mehreren Phasenleiter der Restschaltspiel-Wert SR den die minimale Restlebensdauer angebenden Schwellenwert SW unterschreitet .
Obwohl das Verfahren gemäß Fig. 2 von einzelnen Berechnungs- blocken durchgeführt wird, kann es auch von einer Datenverarbeitungsanlage - wie einem Mikroprozessor mit entsprechender Software - durchgeführt werden.
Figur 3 zeigt, wie bereits erwähnt, eine typische Kennlinie, die die Abhängigkeit der Anzahl noch möglicher Schaltspiele (ausschaltstromanhängiger Schaltspiel-Wert n|Ia) vom Ausschaltstrom Ia angibt. Die Kennlinie weist hierbei einen ersten Bereich 21 auf. Dieser Bereich gibt den maximalen ausschaltstromabhangigen Schaltspielwert des Leistungsschalters 3 für Ströme kleiner oder gleich dem sogenannten Betriebs-Be- messungsstrom In an. Im Beispiel der Figur 3 liegt der Be- triebs-Bemessungsstrom In bei 2500 A. Für diesen Strom ist der Leistungsschalter 3 im Normalbetrieb ausgelegt und Experimente seitens des Leistungsschalterherstellers haben erge- ben, dass bei diesem Strom 10.000 Schaltspiele des Leistungsschalters möglich sind.
Ferner weist die Kennlinie einen zweiten Bereich 22 auf, der den maximalen möglichen Ausschaltstrom des Leistungsschalters ohne Zerstörung angibt. Im Beispiel der Figur 3 beträgt dieser maximale Ausschaltstrom, der auch Kurzschluss-Bemessungs- strom Isc genannt wird, 50.000 A. Aus der Kennlinie lässt sich ablesen, dass bei einem Ausschaltstrom von 50.000 A maximal 50 Schaltspiele mit dem Leistungsschalter möglich sind.
Zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich 21 der Kennlinie ist ein Zwischenbereich 23 angegeben, der die Abhängigkeit der möglichen Schaltspiele des Leistungsschalters 3 vom Ausschaltstrom Ia im Bereich zwischen dem Betriebs-Bemessungs- strom In und dem Kurzschluss-Bemessungsstrom Isc angibt. Diese Abhängigkeit folgt im Allgemeinen einer Potenzfunktion, die allgemein in der Form n|Ia b Ia m dargestellt werden kann. Hierbei bezeichnet b einen Potenzfunktions-Vorfaktor und m einen Potenzfunktions-Exponenten; n | Ia steht für den ausschaltstromabhangigen Schaltspiel-Wert und Ia bezeichnet den Ausschaltstrom. Im doppellogarithmischen Diagramm der Figur 3 ist diese Potenzfunktion als Gerade eingetragen.
Da der Anfangs- und Endpunkt der Geraden durch die Wertepaare (Bemessungs-Betriebsstrom) / (Schaltspielzahl beim Bemessungs- Betriebsstrom) einerseits und (Bemessungs-Kurzschluss- ström) / (Schaltspielzahl beim Bemessungs-Kurzschlussstrom) andererseits angegeben sind, können der Potenzfunktions-Vorfaktor b und der Potenzfunktions-Exponent m wie im Folgenden gezeigt einfach berechnet werden:
Figure imgf000017_0001
glsc- ϊn n In b =- m n Somit sind alle drei Bereiche der Kennlinie eindeutig definiert und bilden die folgende Berechnungsvorschrift für die ausschaltstromabhangigen Schaltspiel-Wert n | ϊa beim jeweiligen Ausschaltstrom Ia: n|ιa = n|m für Ia ≤ In ; nlia = nliβc für Ia > Isc ; n Ia b*Iaπ für In < Ia < Isc
Mit dem hiermit ermittelten Restschaltspiel-Wert SR wird dem Betreiber des Leistungsschalters 3 eine auf gesicherter Basis berechnete Abnutzung bzw. Restlebensdauer für die Schaltkontakte 7a und 7b an die Hand gegeben.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Ermitteln eines eine Abnutzung von Schaltkontakten (7a, 7b) eines Leistungsschalters (3) angebenden Restschaltspiel-Wertes (SR) , bei dem beim Öffnen der Schaltkontakte (7a, 7b) des Leistungsschalters (3) ein einen momentan fließenden Strom angebender Ausschaltstrom-Messwert (Ia) ermittelt wird; für diesen Ausschaltstrom-Messwert (Ia) anhand einer schalterspezifischen Kennlinie ein ausschaltstromabhängi- ger Schaltspiel-Wert (n/ϊa) ermittelt wird; der Quotient aus einem anhand der schalterspezifischen Kennlinie festgelegten Schaltspiel-Bezugswert (Nmax) und dem ausschaltstromabhangigen Schaltspiel-Wert (n/a) unter Bildung einer Schaltspiel-Kenngröße (Kn) ermittelt wird und für das erstmalige Öffnen der Schaltkontakte (7a, 7b) des Leistungsschalters (3) eine Differenz zwischen dem Schaltspiel-Bezugswert (Nmax) und der Schaltspiel-Kenngröße (Kn) unter Bildung eines Restschaltspiel-Wertes (SR) ermittelt wird und für jedes weitere Öffnen der Schaltkontakte (7a, 7b) des Leistungsschalters (3) jeweils die Differenz zwischen einem für einen unmittelbar vorhergehenden Öffnungsvorgang der Schaltkontakte (7a, 7b) ermittelten Restschaltspiel- Wert und der Schaltspiel-Kenngröße (Kn) unter Bildung eines jeweiligen aktuellen Restschaltspiel-Wertes (SR) ermittelt wird.
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 der Schaltspiel-Bezugswert (Nmax) anhand der schalterspezifischen Kennlinie bezüglich eines Referenz-Ausschaltstromwertes festgelegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass als Referenz-Ausschaltstromwert (Nmax) ein schalterspezifischer Bemessungs-Betriebsstrom verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass als schalterspezifische Kennlinie die Abhängigkeit
Figure imgf000020_0001
n|ιa = n| sc für Ia > Isc ; n|la = b*Ian für In < I. < Isc verwendet wird, wobei Ia den Ausschaltstrom-Messwert, In einen schalterspezifischen Bemessungs-Betriebsstrom, Isc einen schalterspezifischen Bemessungs-Kurzschlussstrom, n | Ia den ausschaltstromabhangigen Schaltspiel-Wert, n | In einen bemessungsbetriebsstromabhängigen Schaltspiel-Wert, b einen schalterspezifischen Potenzfunktions-Vorfaktor und m einen schalterspezifischen Potenzfunktions-Exponenten angeben.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der ermittelte Restschaltspiel-Wert (SR) mit einem einen Mindestrestschaltspiel-Wert angebenden Schwellenwert (Sw) verglichen wird und ein Warnsignal (W) erzeugt wird, wenn der Restschaltspiel- Wert (SR) den Schwellenwert (Sw) unterschreitet.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Ermittlung des Restschaltspiel-Wertes (SR) von einer Recheneinrichtung eines elektrischen Feldgerätes (5) durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass - der ermittelte Restschaltspiel-Wert (SR) und/oder ein in Abhängigkeit von diesem erzeugtes Warnsignal (W) auf einer Anzeigeeinrichtung (10) angezeigt werden.
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