WO2012072810A1 - Verfahren und vorrichtung zur überwachung von schaltgeräten - Google Patents

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WO2012072810A1
WO2012072810A1 PCT/EP2011/071666 EP2011071666W WO2012072810A1 WO 2012072810 A1 WO2012072810 A1 WO 2012072810A1 EP 2011071666 W EP2011071666 W EP 2011071666W WO 2012072810 A1 WO2012072810 A1 WO 2012072810A1
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WO
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arc
voltage
switch
switching
values
Prior art date
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PCT/EP2011/071666
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English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel Schrag
Felix Rager
Kai Hencken
Thierry Delachaux
Eldin Smajic
Original Assignee
Abb Research Ltd
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Filing date
Publication date
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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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/60—Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/664—Contacts; Arc-extinguishing means, e.g. arcing rings

Definitions

  • the invention is in the field of electrical switches, in particular the switchgear for high or medium voltage. Aspects of the invention relate to a method for determining a wear or malfunction of a switching contact of such a switch. Further aspects of the invention relate to an electrical switchgear for high or medium voltage.
  • Circuit-breakers are subject to constant wear and should therefore be regularly inspected and maintained. In particular, it leads to a short circuit
  • Arc duration is formed and the products formed are summed up.
  • the sum of the products is used as a criterion for judging the current switching contact state.
  • EP 1475813 Al describes a method for determining the
  • Contact contact wear in an electrical switchgear for high or medium voltage, wherein a during a switching operation flowing through the switch contact current is detected by means of a current transformer and evaluated with respect to contact wear.
  • a current measurement signal of the current transformer is first measured as a function of time; if deviations occur between the expected contact current and the current measurement signal, the presence of a measurement error is detected, and upon detection of the measurement error, the current measurement signal becomes at least one characteristic current value determined and used to determine the state quantity.
  • Difference between the maximum and the minimum occurring arc voltage is used as a criterion for the state of wear of the contactor contact pieces. For this purpose, low-frequency components of the arc voltage are hidden, the resulting
  • a method for determining a wear of the switching contacts of an electrical circuit breaker wherein between the switching contacts during a switching operation, an arc occurs and moves in a quasi-periodic manner.
  • electrical voltage values are detected at the switching contacts during a switching operation.
  • a characteristic arc voltage that occurs for the arc can be characterized, and thus analyzed, at least at one point in time.
  • an electrical voltage value is to be understood to include a single discrete value as well as a sequence of individual discrete values as a function of time, or else a continuous value function in
  • the method further comprises comparing the voltage values measured during the switching operation with predetermined reference values, wherein a deviation is determined by means of the detected voltage values and the predetermined reference values, and the determined deviation for the determination of the
  • Switch contact wear of the line switch is used.
  • a voltage value detected at a particular time is compared with a reference value assignable to that particular time.
  • a characteristic voltage value for example a local, global voltage maximum or voltage minimum
  • Reference voltage minimum occurs. From such a determined deviation of the temporal occurrence of an arc voltage value can also determine the switch contact wear on the line switch.
  • the reference values can characterize both new switching contacts, thus switching contacts without any wear, as well as a switching contacts that already have a wear.
  • the reference values thus serve as a reference for the currently measured voltage values at the switch.
  • the reference values used may have been detected by measurements, for example at a new switch during a first switching operation, but they may also be incorporated as virtual values, eg interpolated, simulated or fitted values.
  • the determined deviation may, for example, result directly from the detected voltage values and assignable, predetermined reference voltage values. However, the deviation may also arise by using the detected voltage values, the periodicity of occurring maxima, ie the periodicity of occurring
  • Reference periodicity which in turn results from the reference values to compare. Furthermore, a deviation can also be determined by timings at which measured characteristic voltage values occur with times at which
  • the detection of the voltage values is typically carried out during exactly one switching operation, but can also be carried out, for example, during several
  • the detected voltage value may be, for example, the measured arc voltage, but may also be a voltage value resulting from the arc voltage and an offset voltage. In an advantageously designed method, only voltage values are used as
  • Characterizing state variables detected at the switch contacts and with these the Heidelbergnessabbreak is determined. Other characterizing state variables such as
  • the arc current thus advantageously need not be detected to determine the Heidelberg.abpart.
  • the switching contact has slots and as a radial magnetic field (RMF) generating spiral scarf t. or as a
  • Radial magnetic field generating pot contact formed. With these contact geometries, the slots in the switch contacts generate characteristic maxima in the measured arc voltage when the arc root point passes over the respective slot during the arc rotation. This advantageously allows the circulation period and the location of the Characterize arcing on the switch contact as a function of time. This can be particularly due to the fact that the bow is no longer, or with a changed
  • the invention further relates to an electronic unit, which is designed in particular as a monitoring and / or control system for an electrical switch in the high or medium voltage.
  • an electronic unit which is designed in particular as a monitoring and / or control system for an electrical switch in the high or medium voltage.
  • the electronic unit has a value input module for detecting electrical voltage values.
  • the electrical voltage values represent a quantity relevant to the arc voltage applied to the switch during a switching operation as a function of time.
  • the electronic unit furthermore comprises a module for determining the characteristic variable from which the switching contact state is determined.
  • An arithmetic unit and a data memory with the reference values and with the program code executable by the arithmetic unit is also present in this module.
  • the program code includes
  • the invention also relates to an electrical switchgear for high or medium voltage, which comprises a vacuum switch and the electronic monitoring unit for carrying out the disclosed method.
  • FIG. 1 shows a diagram with the arc voltage detected during a switching operation on a new switch as a function of time
  • Fig. 2 is a diagram with the detected after several switching operations
  • FIG. 3 shows a diagram with the detected arc voltage as a function of the time of such a switch with which more switching operations have been carried out than with the switch whose arc voltage was detected in FIG. 2; 4 is another diagram of the detected arc voltage as a function of time of another switch on which a plurality of switching operations have been performed;
  • Fig. 5 is a histogram of the frequency of during a switching action
  • Fig. 7 shows an electrical switch with pot contacts.
  • Electrical switches as e.g. used as a circuit breaker in a switchgear for high or medium voltage, usually have two or more
  • Voltages greater than 50 kV, e.g. 50-800 kV) or for medium voltage i.e., voltages of 5 kV to 50 kV.
  • the vacuum circuit breaker 1 has a first contact piece 10 and a second contact piece 20.
  • the contact pieces 10, 20 each have a shaft 12, 22 and a arranged at the distal end of the shaft contact plate 14, 24.
  • the contact plate 14, 24 of each of the contact pieces 10, 20 each has one
  • the two contact pieces 10, 20 define a switching axis, along which they can be moved apart to open the switch relative to each other. In Fig. 6, this axis is the vertical.
  • the switch 1 of a vacuum circuit breaker which can be achieved with interruption short-circuit currents in medium voltage networks values up to about 50 kA, shown during opening, and the contact pieces 10, 20 are already along the switching axis of each other separated. The interruption of the current is not completely completed in Fig. 6, and an arc 33 is formed between the contact pieces 10 and 20. Mediated by the arc 33, a current still flows from the first contact piece 10 to the second contact piece.
  • the spiral contacts, 26, 26 generate a radial magnetic field (RMF) which causes an azimuthal arc on the contracted arc
  • RMF radial magnetic field
  • Lorentz force acts, which drives the arc on the contact plate 14, 24 from the inside to the outside and can rotate about the spiral contacts 26, 36.
  • the contracted arc moves at speeds of up to several hundred meters per second.
  • the current thus flows through the shaft 12 (current path 31a), via the spiral contacts 26 of the contact plate 14 (current path 3 lb), then via the arc 33, and via the
  • the contacts shown in Figure 6 are also referred to as contacts 10, 20 of the type RMF, since the switching current in a switching operation, a predominantly radial magnetic field (radially to the general current flow direction or to a main direction of the arc, ie parallel to a surface defined by the contact surfaces 14 and 24).
  • the slots dictate such current flow direction of the current 31b, 31c in the plates that the current induces a radial magnetic field (in the horizontal plane in FIG. 6).
  • the switch 1 shown in FIG. 6 thus has an RMF contact system (ie with helically shaped slots).
  • RMF contact system ie with helically shaped slots.
  • FIG. 7 another embodiment of a vacuum circuit breaker is shown, with which a radial magnetic field by means of the contacts 10, 20 is generated.
  • the contact system is also referred to as RMF pot contact system according to the shape of a contact pot 14a, 24a and the generated radial magnetic field.
  • the part of the illustrated vacuum circuit breaker in turn has a first contact piece 10 and a second contact piece 20.
  • the contact pieces 10, 20 each have a shank 12, 22 and a contact pot 14a, 24a arranged at the distal end of the shank.
  • the contact pot 14a, 24a of each of the contact pieces 10, 20 each have a contact surface which is formed by an annular disc 27, 37 and with the switch 1 closed
  • the contact pots 14a, 24a of each of the contact pieces 10, 20 in turn have slots 25, 35, so that a plurality of contacts 26a, 36a are formed.
  • the current path corresponds to the current path as described for the switch 1 in FIG. During the opening of the switch 1 and thus the contact separation, the arc 33 rotates between the
  • a difficulty with switches, and in particular with circuit breakers, is the wear of the contact pieces (e.g., contact pieces 10, 20 in Figures 6 and 7) through the contactor
  • Arc voltage U arc Arc voltage U arc .
  • the exceeding of the contact slots 25, 35 through the arc 33 leads to an increased arc voltage U arc .
  • the arc voltage U arc and in particular the increased arc voltage values U 3a ... U 3j as a function of the time t are thus a signature of the arrangement or the presence of the slots 25, 35 in the contact plates 14, 24 or in the contact plates. Pots 14a, 24a of the switch 1.
  • regions with increased voltage values U 3a ... U 3j show a peak-like curve.
  • the first voltage peak U 3a at time ti sets shortly after the opening of the switch 1 (voltage value U 2 ) at time t 0 .
  • the arc passes over a further 9 slots 25, 25, which is reproduced in the arc voltage curve as voltage peaks U 3b ... U 3j .
  • the invention is based on the finding that the signature in the
  • the change in the signature can be achieved in a simple manner by comparing the measured voltage values U (t) with predetermined reference values Ref.
  • the arc voltage values of an aged switch 1, ie a switch with which switching cycles have already been completed are to be determined as a function of the time t.
  • the arc voltage values U (t) can be any of those arc voltage values belonging to one circulating period of the arc 33.
  • FIG. 2 shows schematically the course of the arc voltage U arc (t) for an aged switch 1.
  • the arc voltage it is also possible instead of continuous detection the arc voltage to detect only individual values of the arc voltage.
  • the arc voltage U (t) initially increases and reaches shortly after the opening of the switch at the time t 0 the value U 2 which coincides with that value from FIG.
  • the characteristic variable ⁇ is the time delay between the onset of the signature of the arc voltage U (t) in the form of the first light-voltage peak U 3a at the aged switch (FIG. 2) and the onset of the signature of the arc voltage U (t) in the form of the first light-voltage peak U 3a at the new switch (Fig.1) determined. From the characteristic size ⁇ , the wear of the contact pieces 10, 20 on the switch 1 and thus the switching contact state of the circuit breaker 1 can be determined.
  • the amplitude of the arc voltage U (t) can be used to determine the wear of the contact pieces 10, 20 on the switch 1.
  • Arc voltage curve as shown in Figure 2.
  • the first arc voltage peak U 2 at the time t 3 starts only very late after the switch opening at the time t 0 .
  • the number of voltage peaks U 3 is further reduced with respect to the number of voltage peaks U 3 of a new switch (FIG. 1), just as the periodic amplitude of FIG. 1
  • Arc voltages U (t) itself.
  • ⁇ the decrease in the amplitude
  • Arc voltage peaks U 3a ... U 3j of an aged switch are compared with the amplitude of a new switch (FIG. 1).
  • amplitudes of individual arc voltage values U 3a -U 3j or else periodically occurring maxima as well as amplitude mean values of a plurality of periodic arc voltage values U 3a -U 3j can be compared with one another. If, for example, a constant threshold value of 40 volts has been defined as the reference value Ref, which may not be exceeded in order to enable faultless switching of the contact pieces 10, 20, this means that the switch 1 or at least its switch contact system 10, 20 with the characteristic the arc voltage as shown in Figure 2, must be replaced.
  • FIG. 4 shows schematically another arc voltage curve of an aged, so subject to wear contact piece 10, 20 of a switch 1, in which the periodicity of the occurring arc voltage peaks U 3a ... U 3j , is changed from the priodicity of the arc voltage peaks at the new switch (Fig. 1).
  • the first arc voltage peak U 2 at time ti in Figure 4 sets shortly after the switch opening (Voltage value U 2 ) at time t 0 on . This is followed by another arc voltage peak 33 . In the time window between 4 and 5 milliseconds and between 7 and 8 milliseconds, the characteristic arc voltage peak is absent.
  • Arc voltage peaks (FIG. 4) on the aged contact piece 10, 20 are reduced compared with the number of detectable arc voltage peaks of a new contact piece 10, 20 (FIG. 1).
  • irregularities in the form of a noise signal in the arc voltage curve in the range between 4 and 5 milliseconds and between 7 and 8 milliseconds can be seen.
  • the determination of the wear on the contact pieces 10, 20 and thus the determination of the switch contact state can consequently and according to a further inventive aspect also by means of the change in the periodicity of
  • Arc voltage peaks are determined, which is expressed as a characteristic size ⁇ . The greater the deviation from the periodicity or more the number of measured arcing voltage peaks compared to the number of measured ones
  • the wear on the contact pieces 10, 20 of the switch 1 can according to a further aspect of the invention by means of histograms, as shown for example in Figure 5, are determined.
  • the histogram Y shows the frequency N of occurring
  • the arc 33 will rotate only when the contact pieces 10, 20, the slots 25, 35, and thus the contact pieces 10, 20 have little or virtually no wear.
  • the arc moves over the contact surfaces of the contact pieces 10, 20, physical processes on the contact surfaces lead to a variable arc voltage U (t).
  • the movement of the arc 33 via the contact slots 25, 35 leads to a increased arc voltage U (t).
  • the histogram Y therefore shows a strong asymmetry of the distribution for a moving arc 33.
  • the asymmetry of the distribution decreases with higher wear of the contact pieces 10, 20.
  • a heavily worn contact piece 10, 20 has a nearly symmetrical distribution of
  • Arc voltage values in the low voltage range here for example in the range between 100 volts and 160 volts, as seen from the histogram X.
  • the degree of asymmetry can be used as a measure of the wear and thus the wear of the

Landscapes

  • Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)

Abstract

Ein Verfahren zur Bestimmung einer Schaltkontaktabnutzung eines elektrischen Leistungsschalters (1), bei welchem zwischen den Schaltkontakten (26, 26a, 36, 36a) während einer Schalthandlung ein Lichtbogen (33) auftritt, wobei elektrische Spannungswerte (U(t); U3a... U3j) an den Schaltkontakten (26, 26a, 36, 36a) als Funktion der Zeit während der Schalthandlung erfasst werden; und die erfassten Spannungswerte (U(t); U3a... U3j) mit vorgegebenen Referenzwerten (Ref) verglichen werden, und eine charakteristische Grösse (Δ) mittels der erfassten Spannungswerte (U(t); U3a... U3j) und der vorgegebenen Referenzwerte (Ref) bestimmt wird, und die charakteristische Grösse (Δ) für die Bestimmung des Schaltkontaktzustandes des Leistungsschalters (1) verwendet wird.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR ÜBERWACHUNG VON
SCHALTGERÄTEN
B E S C H R E I B U N G
Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektrischen Schalter, insbesondere der Schaltanlagen für Hoch- oder Mittelspannung. Aspekte der Erfindung betreffen ein Verfahren zum Bestimmen einer Abnutzung oder einer Fehlfunktion eines Schaltkontaktes eines solchen Schalters. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen eine elektrische Schaltanlage für Hochoder Mittelspannung.
Stand der Technik [0002] Leistungsschalter unterliegen ständigem Verschleiß und sollten daher regelmäßig kontrolliert und gewartet werden. Insbesondere führt die bei einem Kurzschluss
vorgenommene Schutzabschaltung zu einem Lichtbogen, der stark zu einer Materialabnutzung der Schaltkontakte und somit erheblich zum Verschleiß oder zu einer Fehlfünktion beiträgt. Kontakte können im Allgemeinen nicht auf einfache Weise überprüft werden, ohne kostenintensives Zerlegen und Abschalten der Leistung. Üblicherweise wird daher eine periodische Leistungsschalterwartung vorgenommen, gegebenenfalls mit vorgezogener Wartung, wenn Schutzabschaltungen mit hohen Strömen aufgetreten sind. Damit wird in der Regel der Schalter zu häufig gewartet. Die Wartung verursacht vermeidbare Kosten, und ein zusätzliches Risiko, dass bei der Wartung Schäden verursacht werden. Andererseits besteht bei zu großen Wartungsintervallen jedoch ein Risiko, dass ein Verschleiß bzw. eine
Kontaktabnutzung nicht frühzeitig erkannt wird. Hier besteht das Risiko einer Fehlfunktion, zumindest aber eines Leistungsverlusts des Schalters. [0003] DE 19923362 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung eines Kontaktzustandes eines Leistungsschalters, bei dem für jede Kurzschlussausschaltung das Produkt aus
Lichtbogenbrenndauer und dem Effektivwert des Kurzschlussstromes während einer
Lichtbogenbrenndauer gebildet wird und die gebildeten Produkte summiert werden. Die Summe der Produkte wird als Kriterium zur Beurteilung des aktuellen Schaltkontaktzustandes verwendet.
[0004] EP 1475813 AI beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der
Schaltkontaktabnutzung in einer elektrischen Schaltanlage für Hoch- oder Mittel Spannung, wobei ein während einer Schalthandlung durch den Schalter fließender Kontaktstrom mit Hilfe eines Stromwandlers erfasst wird und hinsichtlich Kontaktabnutzung ausgewertet wird. Zur Bestimmung einer die Kontaktabnutzung charakterisierenden Zustandsgröße wird zunächst ein Strommesssignal des Stromwandlers als Funktion der Zeit gemessen, bei Auftreten von Abweichungen zwischen dem erwarteten Kontaktstrom und dem Strommesssignal wird das Vorhandensein eines Messfehlers detektiert, und bei Detektion des Messfehlers wird aus dem Strommesssignal mindestens ein charakteristischer Stromwert bestimmt und zur Bestimmung der Zustandsgröße verwendet.
In DE 19544926 Cl wird ein Verfahren zur Überwachung des Abbrandes eines Schützes vorgeschlagen, bei dem das Schwankungsmass der Lichtbogenspannung, definiert als
Differenz aus dem Maximum und dem Minimum der auftretenden Lichtbogenspannung, als Kriterium für den Verschleißzustand der Schützkontaktstücke herangezogen wird. Dazu werden niederfrequente Anteile der Lichtbogenspannung ausgeblendet, das resultierende
Signal quadriert und anschließend integriert. Der erhaltene Summenwert aus dem Integrator wird mit einem Schwellwert verglichen und ein entsprechendes Fehlersignal generiert. Ein derartigen Verfahren ermöglicht es nicht, zeitlich aufgelöst signifikante
Lichtbogenspannungswerte zu analysieren und für die Bestimmung der Kontaktabnutzung heranzuziehen.
[0005] Die bekannten Verfahren zum Bestimmen einer Abnutzung sind jedoch hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit und Ihrer Vorhersagekraft für bestimmte Abnutzungs- oder
Fehlfunktionserscheinungen immer noch verbesserungsfähig. Auch ist es wünschenswert, Verfahren zu erhalten, die in einer Vielzahl unterschiedlicher Schaltsituationen so zuverlässige Ergebnisse liefern, dass sie für eine automatisierte (Fern-) Diagnose- und Wartung geeignet sind. Weiterhin sind Verfahren zur Bestimmung einer Schaltkontaktabnutzung wünschenswert, bei denen eine für die Schaltkontaktabnutzung charakteristische Zustandgröße ermittelt werden kann, ohne dafür ein Strommesssignal zu verwenden. Auf diese Weise können kostenintensive Messvorrichtungen vermieden werden, oder andere Fehlfunktionen als die Abnutzung oder der Abbrand der Kontakte erfasst werden. Gleichzeitig kann eine zuverlässige kontinuierliche Zustandsüberwachung verwirklicht werden. Auch ist es erstrebenswert, auf einfache Weise Probleme und Abnutzungen zu erkennen und zu beseitigen, bevor sie kritisch werden.
Darstellung der Erfindung [0006] Um zumindest einige der oben genannten Punkte zumindest zu verbessern, wird daher ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Schaltanlage gemäß Anspruch 13
vorgeschlagen. Weitere Vorteile, Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung sowie bevorzugte Ausführungen und besondere Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren. [0007] Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Abnutzung der Schaltkontakte eines elektrischen Leistungsschalters zur Verfügung gestellt, bei welchem zwischen den Schaltkontakten während einer Schalthandlung ein Lichtbogen auftritt und sich in einer quasiperiodischen Weise bewegt. In dem Verfahren werden an den Schaltkontakten elektrische Spannungswerte während einer Schalthandlung erfasst. Durch die gemessenen Spannungswerte kann eine auftretende charakteristische Lichtbogenspannung für den Lichtbogen zumindest an einem Zeitpunkt charakterisiert und somit analysiert werden. Hierbei ist unter einem elektrischer Spannungswert zu verstehen, dass dieser einen einzelnen diskreten Wert umfassen kann, als auch eine Folge von einzelnen diskreten Werten als Funktion der Zeit umfassen kann, oder auch eine kontinuierliche Wertefunktion in
Abhängigkeit der Zeit sein kann. Das Verfahren umfasst weiter das Vergleichen der während der Schalthandlung gemessenen Spannungswerte mit vorgegebenen Referenzwerten, wobei eine Abweichung mittels der erfassten Spannungswerte und der vorgegebenen Referenzwerte bestimmt wird, und die ermittelte Abweichung für die Bestimmung der
Schalterkontaktabnutzung des Leitungsschalters verwendet wird. Typischerweise wird ein zu einem bestimmten Zeitpunkt erfasster Spannungswert mit einem Referenzwert welcher diesem bestimmten Zeitpunkt zuweisbar ist, verglichen. Ebenso ist es gemäß der Erfindung auch möglich die Abweichung zu bestimmen, indem der oder die Zeitpunkte zu denen ein charakteristischer Spannungswert, beispielsweise ein lokales, globales Spannungsmaximum oder Spannungsminimum auftritt, verglichen werden mit dem oder den Zeitpunkten, zu denen in den Referenzspannungswerten ein vergleichbares und eindeutig zuordenbares lokales oder globales Referenzspannungsmaximum oder ein lokales oder globales
Referenzspannungsminimum auftritt. Aus einer derart ermittelten Abweichung des zeitlichen Auftretens eines Lichtbogenspannungswertes lässt sich ebenfalls die Schalterkontaktabnutzung am Leitungsschalter bestimmen.
[0008] Die Referenzwerte können sowohl neue Schaltkontakte, somit Schaltkontakte ohne jegliche Abnutzung charakterisieren, als auch einen Schaltkontakte, die bereits eine Abnutzung aufweisen. Die Referenzwerte dienen somit als Bezugsgrösse für die am Schalter aktuell gemessenen Spannungswerte. Weiterhin können die verwendeten Referenzwerte durch Messungen erfasst worden sein, beispielsweise an einem neuen Schalter bei einer erstmaligen Schalthandlung, sie können aber auch als virtuelle Werte, z.B. interpolierte, simulierte oder gefittete Werte einfliessen. [0009] Die bestimmte Abweichung kann sich beispielsweise direkt aus den erfassten Spannungswerten und zuordenbaren, vorgegebenen Referenzspannungswerten ergeben. Die Abweichung kann sich aber auch ergeben, indem die erfassten Spannungswerte genutzt werden, die Periodizität auftretender Maxima, also die Periodizität von auftretenden
Lichtspannungspeaks (-spitzen) daraus abzuleiten und diese Periodizität mit einer
Referenzperiodizität, welche sich wiederum aus den Referenzwerten ergibt, zu vergleichen. Es kann weiterhin auch eine Abweichung bestimmt werden, indem Zeitpunkte bei denen gemessene charakteristische Spannungswerte auftreten mit Zeitpunkten bei denen
vorgegebene Referenzspannungswerte auftreten und welche den gemessenen
charakteristischen momentan gemessenen Spannungswerten zuordenbar sind, verglichen werden.
[0010] Das Erfassen der Spannungswerte wird typischerweise während genau einer Schalthandlung vorgenommen, kann aber beispielsweise auch während mehreren
aufeinanderfolgenden Schalthandlungen erfolgen. Der erfasste Spannungswert kann beispielsweise die gemessene Lichtbogenspannung sein, kann aber auch ein Spannungswert sein, der sich aus der Lichtbogenspannung und einer Offsetspannung ergibt. In einem vorteilhaft ausgelegten Verfahren werden ausschliesslich Spannungswerte als
charakterisierende Zustandsgrößen an den Schaltkontakten erfasst und mit diesen wird die Schaltkontaktabnutzung bestimmt. Andere charakterisierende Zustandsgrößen wie
beispielsweise der Lichtbogenstrom müssen somit vorteilhaft nicht detektiert werden, um die Schaltkontaktabnutzung zu bestimmen.
[0012] Mit Vorteil werden im Verfahren zur Bestimmung der Schaltkontaktabnutzung eine geschlitzte Kontaktgeometrie benutzt, das heisst, der Schaltkontakt weist Schlitze auf und ist als ein Radialmagnetfeld (RMF) erzeugender Spiral schal tkontakt oder als ein
Radialmagnetfeld erzeugender Topfkontakt ausgebildet. Bei diesen Kontaktgeometrien erzeugen die Schlitze in den Schaltkontakten charakteristische Maxima in der gemessen Lichtbogenspannung, wenn während der Lichtbogenrotation der Lichtbogenfusspunkt über den jeweiligen Schlitz läuft. Damit lassen sich vorteilhaft die Umlaufperiode und der Ort des Lichtbogens auf dem Schaltkontakt als Funktion der Zeit charakterisieren. Damit kann insbesondere auf die Tatsache, dass der Bogen nicht mehr, oder mit einer veränderten
Geschwindigkeit rotiert, oder die Tatsache, dass Schlitze zugeschmolzen sind, geschlossen werden. [0013] Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine elektronische Einheit, welche insbesondere als Überwachungs- und/oder Steuerungssystem für einen elektrischen Schalter in der Hoch- oder Mittelspannung ausgebildet ist. Eine solche elektronische Einheit
weist ein Werte-Eingangs-Modul zum Erfassen von elektrischen Spannungswerten auf. Die elektrischen Spannungswerte stellen eine für die während einer Schalthandlung an den Schalter anliegende Lichtbogenspannung als Funktion der Zeit relevante Größe dar. Die elektronische Einheit umfasst weiterhin ein Modul zur Bestimmung der charakteristischen Größe, aus welcher der Schaltkontaktzustand ermittelt wird. Eine Recheneinheit und einen Datenspeicher mit den Referenzwerten und mit durch die Recheneinheit ausführbarem Programmcode ist ebenfalls in diesem Modul vorhanden. Der Programmcode umfasst
eine Berechnungsvorschrift, die zum Berechnen des Schaltkontaktzustandes die
charakteristische Grösse mittels der erfassten Spannungswerte und den vorgegebenen
Referenzwerte bestimmt, als auch eine Abnutzungswert-Berechnungs-Routine zum Berechnen des Schaltkontaktzustandes mittels der charakteristischen Größe.
[0014] Die Erfindung bezieht sich auch auf eine elektrische Schaltanlage für Hoch- oder Mittelspannung, welche einen Vakuumschalter und die elektronische Überwachungseinheit zum Ausführen des offenbarten Verfahrens umfasst.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0015] Im Folgenden soll die Erfindung anhand von in Figuren bevorzugten
Ausführungsbeispielen erläutert werden, aus denen sich weitere Vorteile und Abwandlung ergeben. Dazu zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm mit der während einer Schalthandlung an einem neuen Schalter erfassten Lichtbogenspannung als Funktion der Zeit;
Fig. 2 ein Diagramm mit der nach mehreren Schalthandlungen erfassten
Lichtbogenspannung an einem gealterten Schalter als Funktion der Zeit;
Fig. 3 ein Diagramm mit der erfassten Lichtbogenspannung als Funktion der Zeit eines solchen Schalters, mit welchem mehr Schalthandlungen durchgeführt worden als mit dem Schalter, dessen Lichtbogenspannung in Figur 2 erfasst wurde; Fig. 4 ein weiteres Diagramm der erfassten Lichtbogenspannung als Funktion der Zeit eines anderen Schalters, an dem mehrere Schalthandlungen durchgeführt worden sind;
Fig. 5 ein Histogramm über die Häufigkeit der während einer Schalthandlung
auftretenden Lichtbogenspannung;
Fig. 6 einen elektrischen Schalter mit Spiralkontakten;
Fig. 7 einen elektrischen Schalter mit Topfkontakten.
Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche oder gleich wirkende Teile mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen. Für das Verständnis der Erfindung nicht wesentliche Teile sind zum Teil nicht dargestellt. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele stehen beispielhaft für den Erfindungsgegenstand und haben keine beschränkende Wirkung. Wege zur Ausführung der Erfindung
[0016] Elektrische Schalter wie sie z.B. als Leistungsschalter in einer Schaltanlage für Hoch- oder Mittel Spannung verwendet werden, haben üblicherweise zwei oder mehrere
Kontaktstücke. Bei geschlossenem Schalter sind diese Kontaktstücke in elektrisch leitfähigem direktem Kontakt zueinander. Beim Öffnen des Schalters werden die Kontaktstücke voneinander wegbewegt und getrennt, so dass kein Strom mehr von dem einen Kontaktstück zu dem anderen Kontaktstück fließen kann. Wenn während des Schaltvorgangs ein Strom fließt, so wird während der Trennung der beiden Kontaktstücke voneinander der Stromfluss nicht sofort vollständig unterbrochen, sondern ein Lichtbogen entsteht zwischen den beiden Kontaktstücken, der für eine gewisse Zeit den Strom weiter trägt. Ein solcher Lichtbogen tritt auch bei Leistungsschaltern auf, d.h. besonderen Schaltertypen, die dafür ausgelegt sind, unter Last zu schalten, und ganz besonders bei Leistungsschaltern für Hochspannung (d.h.
Spannungen von mehr als 50 kV, z.B. 50-800 kV) oder für Mittel Spannung (d.h. Spannungen von 5 kV bis 50 kV).
[0017] Ein solcher Schaltvorgang unter Last mit Lichtbogen ist in Fig. 6 am Beispiel eines Vakuum-Leistungsschalters dargestellt. Der Vakuum-Leistungsschalter 1 hat ein erstes Kontaktstück 10 und ein zweites Kontaktstück 20. Die Kontaktstücke 10, 20 weisen jeweils einen Schaft 12, 22 und einen am distalen Ende des Schafts angeordneten Kontakt-Teller 14, 24 auf. Der Kontakt-Teller 14, 24 jedes der Kontaktstücke 10, 20 hat jeweils eine
Kontaktoberfläche, die bei geschlossenem Schalter eine entsprechende Kontaktoberfläche des jeweils anderen Kontaktstücks direkt kontaktiert. Die Kontakt-Teller 14, 24 jedes der Kontaktstücke 10, 20
weisen spiralförmige Schlitze 25, 35 auf, so das Spiralkontakte 26, 36 gebildet werden.
Die beiden Kontaktstücke 10, 20 definieren eine Schaltachse, entlang derer sie zum Öffnen des Schalters relativ zueinander auseinanderbewegbar sind. In Fig. 6 ist diese Achse die Vertikale. [0018] In Fig. 6 ist der Schalter 1 eines Vakuum-Leistungsschalters, mit welchem bei Unterbrechung Kurzschlussströme in Mittelspannungsnetzen Werte bis ca. 50 kA erreicht werden können, während des Öffnens dargestellt, und die Kontaktstücke 10, 20 sind bereits entlang der Schaltachse voneinander getrennt. Die Unterbrechung des Stroms ist in Fig. 6 noch nicht vollständig abgeschlossen, und ein Lichtbogen 33 ist zwischen den Kontaktstücken 10 und 20 ausgebildet. Durch den Lichtbogen 33 vermittelt, fließt noch ein Strom vom ersten Kontaktstück 10 zum zweiten Kontaktstück. Die Spiralkontakte, 26, 26 generieren ein Radialmagnetfeld (RMF) wodurch auf den kontrahierten Lichtbogen eine azimutale
Lorentzkraft wirkt, die den Lichtbogen auf dem Kontakt-Teller 14, 24 von innen nach aussen treibt und ihn über die Spiralkontakte 26, 36 rotieren lässt. Der kontrahierte Lichtbogen bewegt sich dabei mit Geschwindigkeiten von bis zu mehreren hundert Meter je Sekunde. Der Strom fließt somit über den Schaft 12 (Stromweg 31a), über die Spiralkontakte 26 des Kontakt-Tellers 14 (Stromweg 3 lb), sodann über den Lichtbogen 33, und über die
Spiralkontakte 36 des Kontakt-Tellers 24 (Stromweg 31c) und über den Schaft 22. Die Kontraktion des Lichtbogens 33 bei hohen Stromstärken, insbesondere aufgrund des Pinch- Effektes, erzeugt einen Materialabbrand (das Material bildet üblicherweise das Plasma des Lichtbogens) auf den Kontaktoberflächen der Kontaktteller 14, 24 und/ oder ein allmähliches Verschmelzen und damit Verschliessen der Schlitze 25, 35, was zu einer Abnutzung der Kontaktstücke 10, 20 führt. [0019] Die in Figur 6 gezeigten Kontaktstücke werden auch als Kontakte 10, 20 vom Typ RMF bezeichnet, da der Schaltstrom bei einem Schaltvorgang ein überwiegend radiales magnetisches Feld (radial zur allgemeinen Stromfluss-Richtung bzw. zu einer Hauptrichtung des Lichtbogens, d.h. parallel zu einer durch die Kontaktoberflächen 14 und 24 definierten Fläche) hervorruft. Die Schlitze geben eine solche Stromflussrichtung des Stroms 31b, 31c in den Tellern vor, dass der Strom ein radiales Magnetfeld (in Fig. 6 in der horizontalen Ebene) induziert. Der in Fig. 6 gezeigte Schalter 1 weist also ein RMF-Kontaktsystem (d.h. mit spiralförmig gestalteten Schlitzen) auf. [0020] In Figur 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Vakuum-Leistungsschalters dargestellt, mit welchem ein Radialmagnetfeld mittels der Kontakte 10, 20 erzeugt wird. Das Kontaktsystem wird entsprechend der Form eines Kontakt-Topfes 14a, 24a und des erzeugten radialen Magnetfeldes auch als RMF-Topfkontaktsystem bezeichnet.
Der Teil des dargestellten Vakuum-Leistungsschalters hat wiederum ein erstes Kontaktstück 10 und ein zweites Kontaktstück 20. Die Kontaktstücke 10, 20 weisenjeweils einen Schaft 12, 22 und einen am distalen Ende des Schafts angeordneten Kontakt-Topf 14a, 24a auf. Der Kontakt-Topf 14a, 24a jedes der Kontaktstücke 10, 20 hat jeweils eine Kontaktoberfläche, die durch eine Ringscheibe 27, 37 gebildet wird und bei geschlossenem Schalter 1 eine
entsprechende Kontaktoberfläche des jeweils anderen Kontaktstücks direkt kontaktiert. Die Kontakt-Töpfe 14a, 24a jedes der Kontaktstücke 10, 20 weisen wiederum Schlitze 25, 35 auf, so das eine Vielzahl von Kontakten 26a, 36a gebildet werden. Der Stromweg entspricht dem Stromweg, wie er für den Schalter 1 in Figur 6 beschrieben wurde. Während des Öffnens des Schalters 1 und damit der Kontakttrennung rotiert der Lichtbogen 33 zwischen den
Kontaktstücken 10, 20 auf den beiden Ringscheiben 27, 37. Auch andere Formen der
Kontaktstücke sind möglich, um ein Radialmagnetfeld zu erzeugen.
[0021] Eine Schwierigkeit bei Schaltern und insbesondere bei Leistungsschaltern ist die Abnutzung der Kontaktstücke (z.B. Kontaktstücke 10, 20 in Fig. 6 und 7) durch den
Lichtbogen (33 in Fig. 6 und 7). Die durch die Abnutzung bzw. den damit einhergehenden Verschleiß des Schalters hervorgerufenen Probleme sind bereits weiter oben beschrieben. Aus den oben genannten Gründen ist es wünschenswert, den Verschleiß möglichst genau zu bestimmen.
[0022] Erfindungsgemäss werden diese Schwierigkeiten durch das folgende Verfahren zum Bestimmen der Abnutzung der Schaltkontakte zumindest gelindert: Zunächst wird wie in Figur 1 schematisch dargestellt, die Lichtbogenspannung Uarc eines neuen Vakuumschalters 1, also eines Schalters, welcher noch keine Schalthandlungen ausgeführt hat, bzw. dessen Kontakte 26, 26a, 27, 27a noch keinen Verschleiß aufweisen, und dessen geschlitzte Kontakt- Töpfe 14a, 24a bzw. dessen geschlitzter Kontakt-Teller 14, 24 ein Radialmagnetfeld erzeugen, während der Kontaktöffnung als Funktion der Zeit t gemessen. Rotiert der Lichtbogen 33 verursacht durch das erzeugte Radialmagnetfeld über die Kontaktflächen der beiden Kontakt- Teller 14, 24 bzw. wie in Figur 7 dargestellt über die beiden Kontakt-Töpfe 14a, 24a, kommt es bei der Bewegung des Lichtbogens 33 auf den Kontaktflächen zu einer veränderten
Lichtbogenspannung Uarc. Insbesondere das Überschreiten der Kontaktschlitze 25, 35 durch den Lichtbogen 33 führt zu einer erhöhten Lichtbogenspannung Uarc. Die Lichtbogenspannung Uarc und insbesondere die erhöhten Lichtbogenspannungswerte U3a... U3j als Funktion der Zeit t sind somit eine Signatur der Anordnung bzw. des Vorhandenseins der Schlitze 25, 35 in den Kontakt-Tellern 14, 24 bzw. in den Kontakt-Töpfen 14a, 24a des Schalters 1. Das
Vorhandensein von Schlitzen 25, 35 in regelmäßigen Abständen wie in Figur 6 und 7 dargestellt, drückt sich bei einem neuen Schalter in einem periodischen Auftreten erhöhter Spannungswerte U3a... U3j in der Uarc (t)-Messkurve aus, wie in Figur 1 ersichtlich.
Insbesondere zeigen Bereiche mit erhöhten Spannungswerten U3a... U3j einen peakhaften Kurvenverlauf. Der erste Spannungspeak U3a zur Zeit ti setzt kurz nach der Öffnung des Schalters 1 (Spannungswert U2) zur Zeit t0 ein. In einer Umlaufperiode des Lichtbogens 33 überstreicht der Lichtbogen weitere 9 Schlitze 25, 25 was in der Lichtbogenspannungskurve als Spannungspeaks U3b... U3j wiedergegeben wird.
[0023] Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich die Signatur in der
Lichtbogenspannung mit zunehmender Anzahl Schaltvorgänge im Schalter 1 und damit mit erhöhter Verschleiß der Schaltstücke 10, 20 ändert. Die Änderung in der Signatur kann auf einfache Weise durch Vergleich der gemessener Spannungswerte U(t) mit vorgegebenen Referenzwerten Ref erreicht werden.
[0024] Hierzu sind gemäß einem Aspekt der Erfindung die Lichtbogenspannungswerte eines gealterten Schalters 1, also eines Schalters, mit welchen bereits Schaltzyklen absolviert wurden, als Funktion der Zeit t zu bestimmen. Als Lichtbogenspannungswerte U(t) können alle diejenigen Lichtbogenspannungswerte dienen, die zu einer Umlaufperiode des Lichtbogens 33 gehören. Figur 2 zeigt nun schematisch den Verlauf der Lichtbogenspannung Uarc(t) für einen gealterten Schalter 1. Es ist aber auch möglich anstatt einer kontinuierlichen Erfassung der Lichtbogenspannung nur einzelne Werte der Lichtbogenspannung zu erfassen. Die Lichtbogenspannung U(t) steigt zunächst an und erreicht kurz nach der Öffnung des Schalters zum Zeitpunkt t0 den Wert U2 welcher mit demjenigen Wert aus Figur 1 übereinstimmt. Im weiteren Verlauf steigt die Lichtbogenspannung U(t) weiter an und ein erster markanter Spannungspeak U3a ergibt sich zum Zeitpunkt t2. Nachfolgend sind Spannungspeaks U3b... U3f erfasst worden, welche die gleiche Periodizität aufweisen, wie die Lichtbogenspanungspeaks aus Figur 1, also die Spannungspeaks am neuen Schalterl . Ersichtlich hat sich das Auftreten des ersten Lichtbogenspannungspeaks U3a zum Zeitpunkt t2 gegenüber dem Auftreten des ersten Lichtbogenspannungspeak eines noch neuen Schaltkontakts (Fig. 1) zeitlich um t2 -ti verzögert. Der Lichtbogen 33 brennt zwischen den Kontaktoberflächen der Kontakt-Teller 14a, 24a bzw. der Kontakt-Töpfe 14, 24 ohne zunächst einer ersichtlichen Bewegung bzw. ohne einen der Kontaktschlitze 25, 35 scheinbar zu überschreiten. In Figur 2 wird dies im Verlauf der Lichtbogenkurve zwischen den Zeitpunkten t0 der Kontaktöffnung U2 und dem Zeitpunkt ti beim Auftreten des ersten Lichtbogenspannungspeaks U3a sichtbar. Als charakteristische Grösse Δ wird die zeitliche Verzögerung zwischen dem Einsetzen der Signatur der Lichtbogenspannung U(t) in Form vom ersten Lichtspannungspeak U3a am gealterten Schalter (Fig.2 ) gegenüber dem Einsetzen der Signatur der Lichtbogenspannung U(t) in Form vom ersten Lichtspannungspeak U3a am neuen Schalter (Fig.1 ) ermittelt. Aus der charakteristischen Grösse Δ kann der Verschleiss der Kontaktstücke 10, 20 am Schalters 1 und damit der Schaltkontaktzustand des Leistungsschalters 1 bestimmt werden. Eine
Erfassung der Lichtbogenströme ist somit zur Bestimmung des Verschleisses nicht
erforderlich.
[0025] Alternativ kann zur Bestimmung des Verschleisses der Kontaktstücke 10, 20 am Schalters 1 auch die Amplitude der Lichtbogenspannung U(t) herangezogen werden.
Insbesondere lässt sich aus der veränderten Amplitude der auftretenden
Lichtbogenspannungspeaks U3a... U3j gegenüber der Amplitude an einem neuen Schalter wie in Figur 1 dargestellt, der Verschleiss am Schalter 1 bestimmen. In Figur 1 erreicht die Lichtbogenspannung U(t) für einen Schalter mit neuen Kontakstücken 10, 20 einen maximalen Wert von etwa 200 Volt. Hingegen nimmt die Lichtbogenamplitude für einen Schalter, der schon mehrere Schaltzyklen durchlaufen hat, ab und beträgt für den Schalter wie in Figur 2 dargestellt noch maximal 150 Volt zum Zeitpunkt t2. Durchläuft der Schalter weitere
Schaltzyklen, sinkt die Lichtbogenspannung auf Grund des Verschleisses an den
Kontakstücken 10, 20 weiter ab, bis auch die Lichtbogenspannungspeaks fast gänzlich verschwinden. Eine solche Charakteristik eines solch gealterten Schalters ist in Figur 3 dargestellt. Dort ist die Lichtbogenspannung eines gealterten Schalters 1 dargestellt, der wesentlich mehr Schaltzyklen durchlaufen hat, als ein Schalter mit einer
Lichtbogenspannungskurve wie in Figur 2 dargestellt. Der erste Lichtbogenspannungspeak U2 zur Zeit t3 setzt dabei erst sehr spät nach der Schalteröffnung zum Zeitpunkt t0 ein. Die Anzahl Spannungspeaks U3 ist gegenüber der Anzahl der Spannungspeaks U3 eines neuen Schalters (Fig. l) weiter reduziert, eben so die auftretenden periodischen Amplitude der
Lichtbogenspannungen U(t) selbst. Für die Verschleissbestimmung des Schalters wird nun als charakteristische Grösse Δ die Abnahme der Amplitude beispielsweise in den
Lichtbogenspannungspeaks U3a... U3j bestimmt. Die Amplitude der erfassten
Lichtbogenspannungspeaks U3a... U3j eines gealterten Schalters (Fig.2, 3) wird mit der Amplitude eines neuen Schalters (Fig. 1) verglichen. Dazu können Amplituden einzelner Lichtbogenspannungswerte U3a... U3j, oder auch periodisch auftretende Maxima als auch Amplitudenmittelwerte mehrer periodischer Lichtbogenspannungswerte U3a... U3j miteinander verglichen werden. Ist als Referenzwert Ref beispielsweise ein konstanter Schwellwert von 40 Volt definiert worden, welcher nicht unterschritten werden darf, um ein fehlerfreies Schalten der Kontaktstücke 10, 20 zu ermöglichen, so bedeutet dies, das der Schalter 1 oder zumindest dessen Schaltkontaktsystem 10, 20 mit der Charakteristik der Lichtbogenspannung wie in Figur 2 dargestellt, ausgetauscht werden müssen. Die Differenz der Maximalamplituden unterschreitet dort mit 50 Volt den zuvor definierten Schwellwert. [0026] Figur 4 zeigt schematisch eine weitere Lichtbogenspannungskurve eines gealterten, also mit Verschleiss behafteten Kontaktstückes 10, 20 eines Schalters 1, bei welchem die Periodiziät der auftretenden Lichtbogenspannungspeaks U3a... U3j, verändert ist gegenüber der Priodizität der Lichtbogenspannungspeaks am neuen Schalter (Fig. 1). Der erste Lichtbogenspannungpeak U2 zur Zeit ti in Figur 4 setzt kurz nach der Schalteröffnung (Spannungswert U2) zum Zeitpunkt t0 ein. Es folgt ein weiterer Lichtbogenspannungspeak υ33. Im Zeitfenster zwischen 4 und 5 Millisekunden und zwischen 7 und 8 Millisekunden fehlt der charakteristische Lichtbogenspannungspeak. Die Anzahl der bestimmbaren
Lichtbogenspannungspeaks (Fig. 4) am gealterten Kontaktstück 10, 20 ist gegenüber der Anzahl der bestimmbaren Lichtbogenspannungspeaks eines neuen Kontaktstücks 10, 20 (Fig.1) reduziert. Es sind zusätzlich Unregelmässigkeiten in Form eines Rauschsignals in der Lichtbogenspannungskurve im Bereich zwischen 4 und 5 Millisekunden und zwischen 7 und 8 Millisekunden erkennbar. Die Bestimmung des Verschleisses an den Kontaktstücken 10, 20 und damit die Bestimmung der Schalterkontaktzustandes kann folglich und gemäss einem weiteren erfinderischen Aspekt auch mittels der Änderung in der Periodizität der
Lichtbogenspannungspeaks bestimmt werden, welches als charakteristische Grösse Δ ausgedrückt wird. Je grösser die Abweichung von der Periodizität ist oder mehr die Anzahl der gemessenen Lichtbogenspannungspeaks gegenüber der Anzahl der gemessenen
Lichtbogenspannungspeaks an einem neuen Schalter 1 abweicht, desto grösser der
Abnutzunggrad der Kontaktstücke 10, 20 des Schalters. Die Lichtbogenspannungswerte und deren Häufigkeit und Verteilung am neuen Schalter (Fig. 1) können als Referenzwerte Ref dienen.
[0027] Der Verschleiss an den Kontaktstücken 10, 20 des Schalters 1 kann gemäss einem weiteren Aspekt der Erfindung auch mittels Histogramme, wie beispielsweise in Figur 5 dargestellt, bestimmt werden. Das Histogramm Yzeigt die Häufigkeit N der auftretenden
Lichtbogenspannungswerte U(t) eines sich über die Kontaktoberflächen der Kontaktstücke 10, 20 rotierenden Lichtbogens 33, während das Histogramm X die Häufigkeit N der auftretenden Lichtbogenspannungswerte U(t) für einen auf den Kontaktoberflächen örtlich quasi stehenden Lichtbogen 33 darstellt. Wie vorangehend erläutert, wird der Lichtbogen 33 nur rotieren, wenn die Kontaktstücke 10, 20 die Schlitze 25, 35 aufweisen, und somit die Kontaktstücke 10, 20 nur einen geringen oder praktisch keinen Verschleiss aufweisen. Bewegt sich der Lichtbogen über die Kontaktoberflächen der Kontaktstücke 10, 20 führen physikalische Vorgänge auf den Kontaktoberflächen zu einer veränderlichen Lichtbogenspannung U(t). Insbesondere die Bewegung des Lichtbogens 33 über die Kontaktschlitze 25, 35 führt zu einer erhöhten Lichtbogenspannung U(t). Dieses ist im Histogramm Y durch eine höhere Häufigkeit von Spannungswerten in einem höheren Spannungsbereich sichtbar. Das Histogramm Y zeigt daher eine starke Asymmetrie der Verteilung für einen sich bewegenden Lichtbogen 33. Die Asymmetrie der Verteilung nimmt mit höherem Verschleiss der Kontaktstücke 10, 20 ab. Ein stark abgenutztes Kontaktstück 10, 20 weist eine nahezu symmetrische Verteilung von
Lichtbogenspannungswerten im niederen Spannungsbereich auf, hier beispielsweise im Bereich zwischen 100 Volt und 160 Volt, wie aus dem Histogramm X ersichtlich. Der Grad der Asymmetrie kann als ein Mass für den Verschleiss und damit für die Abnutzung der
Kontaktstücke 10, 20 des Schalters 1 herangezogen werden.
Bezugszeichenliste
1 Schalter
10, 20 Kontaktstücke
12, 22 Schaft
14, 24 Kontakt-Teller
14a, 24a Kontakt-Topf
31a, 31b, 31c, 3 ld Stromweg
33 Lichtbogen
25, 35 Schlitz
26, 36 Spiralkontakt, Spiralschaltkontakt
26a, 36a Kontakt, Schaltkontakt
27, 37 Ringscheibe
URef, Ref Referenzspannungswerte
t Zeit
to, Ϊ2, · · · tn Zeitpunkt
U(t) Lichtbogenspannung als Funktion der Zeit
U2 Spannungswert zum Zeitpunkt der Öffnung des Schalters
υ33. · · U3j Spannungswerte, Spannungspeaks, Lichtbogenspannungspeaks
X Histogramm der Lichtbogenspannungen eines gealterten Schalters
Y Histogramm der Lichtbogenspannungen eines Schalters mit wenig oder keiner Abnutzung an den Schaltkontakten

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
Verfahren zur Bestimmung einer Abnutzung eines Schaltkontaktes (26, 26a, 36, 36a) eines elektrischen Leistungsschalters (1), bei welchem zwischen den Schaltkontakten (26, 26a, 36, 36a) während einer Schalthandlung ein Lichtbogen (33) auftritt und sich in einer quasiperiodischen Weise bewegt, wobei
elektrische Spannungswerte (U(t); U3a. . . U3j) an den Schaltkontakten (26, 26a, 36, 36a) während der Schalthandlung erfasst werden;
die erfassten Spannungswerte (U(t); U3a... U3j) mit vorgegebenen Referenzwerten (Ref) verglichen werden,
eine charakteristische Grösse (Δ) mittels der erfassten Spannungswerte (U(t); U3a... U3j) und der vorgegebenen Referenzwerte (Ref) bestimmt wird,
die charakteristische Grösse (Δ) für die Bestimmung des Schaltkontaktzustandes des Leistungsschalters (1) verwendet wird,
und eine Signatur der Lichtbogenspannung (U(t)) an mehreren Zeitpunkten, über einen Zeitraum oder über die ganze Lichtbogendauer als Funktion der Zeit (t) analysiert wird.
Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die elektrischen Spannungswerte (U(t); U3a... U3j) die durch den Lichtbogen (33) hervorgerufene Signatur in der Lichtbogenspannung (U(t)) zu mindestens zu einem Zeitpunkt charakterisiert wird, und dass die Signatur der Lichtbogenspannung (U(t)) einem Bereich mit einem lokalen Maximum, insbesondere einem ersten lokalen Maximum, einem Bereich mit einem lokalen Minimum, insbesondere einem ersten lokalen Minimum und/ oder einem Beginn eines charakteristischen Rauschens im Messsignal der Lichtbogenspannung (U(t)), entspricht. Verfahren gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ausschliesslich die Signatur der Lichtbogenspannung (U(t)) als Funktion der Zeit als Messgrösse erfasst wird.
Verfahren gemäss einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogen zwischen den Schaltkontakten (26, 26a, 36, 36a) rotiert und wobei wenigstens ein Schaltkontakt (26, 26a, 36, 36a) Schlitze (25, 35) aufweist, insbesondere dass der Schaltkontakt (26, 26a, 36, 36a) ein Radialmagnetfeld erzeugender Spiralschaltkontakt (26, 36) oder ein Radialmagnetfeld erzeugender Kontakt (26a, 36a) eines Kontakt-Topfes (14a, 24a) ist, welcher den Lichtbogen (33) rotiert.
Verfahren gemäss einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die charakteristische Grösse (Δ) einer zeitlichen Verzögerung des Einsetzens der Signatur in der Lichtbogenspannung (U(t)) entspricht, wobei dafür mindestens ein erster Zeitpunkt (ti) bei dem ein vorgegebener Referenzwert (Ref) auftritt mit mindestens einem zweiten Zeitpunkt (t2) bei welchem der gemessene zugehörige Spannungswert (U(t); U3a. . . U3j) auftritt, verglichen wird.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmte charakteristische Grösse (Δ) eine Abnahme in der Amplitude der Signatur der Lichtbogenspannung (U(t)) ist, wobei insbesondere der Referenzwert (Ref) einen vorgebbaren konstanten Schwellwert definiert.
Verfahren gemäss Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
das Verfahren an einem Leistungsschalter (1) welcher Spiralschaltkontakte (26, 36) aufweist, durchgeführt wird,
diejenigen gemessenen Spannungswerte (U(t); U3a. . . U3j) welche quasi-periodische oder periodische Anteile in der Signatur der Lichtbogenspannung (U(t)) wiedergeben, ausgewertet werden, die bestimmte charakteristische Grösse (Δ) als ein Unterschreiten des Schwellwertes durch die quasi-periodischen Anteile oder die periodischen Anteile in der Signatur, insbesondere durch die periodisch auftretenden Maxima bestimmt wird.
8. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass
das Verfahren an einem Leistungsschalter (1) durchgeführt wird welcher Spiralschaltkontakte (26, 36) aufweist, wobei
die charakteristische Grösse (Δ) eine Änderung der Periodizität ist und dazu das Auftreten der lokale Maxima in der Signatur welche durch die gemessenen Spannungswerte (U(t); U3a... U3j) bestimmt werden, verglichen wird mit dem Auftreten der lokalen Maxima welche durch die vorgegebenen Referenzwerte (Ref) bestimmt werden.
9. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
das Verfahren an einem Leistungsschalter (1) durchgeführt wird welcher Spiralschaltkontakte (26, 36) aufweist,
die Verteilung der gemessenen Spannungswerte (U(t)) bestimmt wird und statistische Parameter zur Bestimmung des Schaltkontaktzustandes berechnet werden, insbesondere ein Histogramm (X, Y) der Spannungswerte (U(t)) verwendet wird und wobei als Mass für den Schaltkontaktzustand die Asymmetrie der Verteilung im Histogramm (X, Y) dient.
10. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
das Verfahren an einem Leistungsschalter (1) welcher Spiralschaltkontakte (26, 36) aufweist durchgeführt wird,
aus der Lichtbogenspannung (U(t)) mittels eines Bandpassfilters ein gefiltertes Signal der Spannungswerte (U(t); U3a... U3j) bestimmt wird, wobei der durchlässige Frequenzbereich der Umlaufgeschwindigkeit des Lichtbogens (33) multipliziert mit der Anzahl der Spiralkontakte (26, 36) entspricht, insbesondere der Filter eine Frequenzband zwischen 500 Hz und 3 kHz aufweist, das gefilterte Signal als ein Mass für eine gemessene Stärke der Lichtbogenspannung (U(t)) verwendet wird, und insbesondere die Energie als Mass für die Stärke der Lichtbogenspannung (U(t)) dient.
11. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren an einem Leistungsschalter (1) durchgeführt wird welcher Spiralschaltkontakte (26, 36) aufweist,
dass die gemessenen Spannungswerte (U(t)) fouriertransformiert werden,
und eine Integration des Spektrums über einen charakteristischen Frequenzbereich durchgeführt wird.
12. Elektronische Einheit, insbesondere Überwachungs- und/oder Steuerungssystem eines elektrischen Schalters (1) für Hoch- oder Mittelspannung umfassend,
- ein Werte-Eingangs-Modul zum Erfassen von elektrischen Spannungswerten (U(t); U3a... U3j), die eine für die während einer Schalthandlung an dem Schalter (1) anliegenden Lichtbogenspannung (U(t)) als Funktion der Zeit relevante Größe darstellen; und
- ein Modul zur Bestimmung einer charakteristischen Größe (Δ) aus welcher der Schaltkontaktzustand ermittelt wird, das eine Recheneinheit und einen Datenspeicher mit vorgegebenen Referenzwerten (Ref) und mit durch die Recheneinheit ausführbarem Programmcode aufweist, wobei der Programmcode umfasst:
eine Berechnungsvorschrift, die zum Berechnen des Schaltkontaktzustandes die charakteristische Grösse (Δ) mittels der erfassten Spannungswerte (U(t); υ33... U3j) und den vorgegebenen Referenzwerten (Ref) bestimmt und
eine Abnutzungswert-Berechnungs-Routine zum Berechnen des Schaltkontaktzustandes mittels der charakteristischen Größe (Δ).
13. Elektrische Schaltanlage für Hoch- oder Mittelspannung umfassend einen Vakuumschalter (1) und eine elektronische Überwachungseinheit nach Anspruch 12, welche ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausführt.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105785264A (zh) * 2016-04-25 2016-07-20 首瑞（天津）电气设备有限公司 断路器状态监测装置
EP3336560A1 (de) * 2016-12-16 2018-06-20 Schneider Electric Industries SAS Verfahren und vorrichtung zur diagnose der abnutzung eines elektrischen stromunterbrechungsgeräts, und elektrisches gerät, das eine solche vorrichtung umfasst
US10147572B2 (en) 2016-03-11 2018-12-04 Abb Schweiz Ag Embedded pole and method of assembling same
CN110344983A (zh) * 2018-04-05 2019-10-18 Seg汽车德国有限公司 用于运行内燃机的起动机的方法、监视装置和起动机
CN113439318A (zh) * 2019-02-18 2021-09-24 Ls电气株式会社 真空断路器用触头监测装置及包括该装置的真空断路器
US11887795B2 (en) 2020-09-16 2024-01-30 Abb Schweiz Ag Contactor control

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3641359A (en) * 1970-12-04 1972-02-08 Gen Electric Monitor circuit for vacuum-type electric circuit interrupter
DE4028721A1 (de) * 1990-09-10 1992-03-12 Siemens Ag Verfahren und anordnung zur ermittlung der restlebensdauer von schaltgeraeten
DE19544926C1 (de) 1995-12-01 1997-04-30 Siemens Ag Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen des Abbrandes der Kontaktstücke bei einem Schaltgerät
DE19923362A1 (de) 1999-05-21 2000-11-23 Abb Patent Gmbh Verfahren zur Bewertung des Kontaktzustandes eines Leistungsschalters
DE10051161C1 (de) * 2000-10-16 2002-03-07 Siemens Ag Verfahren und Vorrichtung zur Reduzierung des Kontaktabbrandes eines Schaltgerätes
EP1475813A1 (de) 2003-05-07 2004-11-10 ABB Technology AG Verfahren und Vorrichtung zur Ueberwachung von Schaltgeräten in elektrischen Schaltanlagen

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3641359A (en) * 1970-12-04 1972-02-08 Gen Electric Monitor circuit for vacuum-type electric circuit interrupter
DE4028721A1 (de) * 1990-09-10 1992-03-12 Siemens Ag Verfahren und anordnung zur ermittlung der restlebensdauer von schaltgeraeten
DE19544926C1 (de) 1995-12-01 1997-04-30 Siemens Ag Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen des Abbrandes der Kontaktstücke bei einem Schaltgerät
DE19923362A1 (de) 1999-05-21 2000-11-23 Abb Patent Gmbh Verfahren zur Bewertung des Kontaktzustandes eines Leistungsschalters
DE10051161C1 (de) * 2000-10-16 2002-03-07 Siemens Ag Verfahren und Vorrichtung zur Reduzierung des Kontaktabbrandes eines Schaltgerätes
EP1475813A1 (de) 2003-05-07 2004-11-10 ABB Technology AG Verfahren und Vorrichtung zur Ueberwachung von Schaltgeräten in elektrischen Schaltanlagen

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10147572B2 (en) 2016-03-11 2018-12-04 Abb Schweiz Ag Embedded pole and method of assembling same
CN105785264A (zh) * 2016-04-25 2016-07-20 首瑞（天津）电气设备有限公司 断路器状态监测装置
EP3336560A1 (de) * 2016-12-16 2018-06-20 Schneider Electric Industries SAS Verfahren und vorrichtung zur diagnose der abnutzung eines elektrischen stromunterbrechungsgeräts, und elektrisches gerät, das eine solche vorrichtung umfasst
FR3060758A1 (fr) * 2016-12-16 2018-06-22 Schneider Electric Industries Sas Procede et dispositif de diagnostic d'usure d'un appareil electrique de coupure, et appareil electrique comportant un tel dispositif
US11404223B2 (en) 2016-12-16 2022-08-02 Schneider Electric Industries Sas Method and device for diagnosing wear of an electrical switching unit, and electrical unit comprising such a device
CN110344983A (zh) * 2018-04-05 2019-10-18 Seg汽车德国有限公司 用于运行内燃机的起动机的方法、监视装置和起动机
CN113439318A (zh) * 2019-02-18 2021-09-24 Ls电气株式会社 真空断路器用触头监测装置及包括该装置的真空断路器
US11887795B2 (en) 2020-09-16 2024-01-30 Abb Schweiz Ag Contactor control

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