WO2023088746A1 - Method and arrangement for determining the condition of a switch - Google Patents

Method and arrangement for determining the condition of a switch Download PDF

Info

Publication number
WO2023088746A1
WO2023088746A1 PCT/EP2022/081264 EP2022081264W WO2023088746A1 WO 2023088746 A1 WO2023088746 A1 WO 2023088746A1 EP 2022081264 W EP2022081264 W EP 2022081264W WO 2023088746 A1 WO2023088746 A1 WO 2023088746A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
switch
current
phases
time
closing
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/081264
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Thomas Hammer
Hans-Peter KRÄMER
Ivana Mladenovic
Jörg OCHS
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO2023088746A1 publication Critical patent/WO2023088746A1/en

Links

Classifications

    • 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
    • G01R31/3275—Fault detection or status indication
    • 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
    • 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
    • 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
    • G01R31/3277—Testing of circuit interrupters, switches or circuit-breakers of low voltage devices, e.g. domestic or industrial devices, such as motor protections, relays, rotation switches
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H71/00—Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
    • H01H71/04—Means for indicating condition of the switching device
    • H01H2071/044—Monitoring, detection or measuring systems to establish the end of life of the switching device, can also contain other on-line monitoring systems, e.g. for detecting mechanical failures

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the state of wear of a switch and a corresponding arrangement.
  • switches are used for switching (disconnecting and connecting) an electric current in a wide variety of ways and for different purposes.
  • they are used as circuit breakers in utility networks where reliability is important to prevent damage caused by an interruption in the power supply. Accordingly, the reliability of the switch is also important.
  • LV low-voltage
  • decentralized renewable power generation systems solar modules, possibly combined with energy storage or charging stations for electric vehicles, flexible industrial manufacturing processes, etc.
  • LV range deals with voltages typically below 1000 V .
  • monitoring the status (condition monitoring) of electrical equipment is relatively complex and expensive, especially at the low-voltage (LV) level.
  • LV circuit breakers are either operated until they malfunction, which can result in costly failures of parts of the power supply network, or they are replaced as a preventive measure, which also results in increased costs.
  • this criterion for estimating the aging becomes increasingly imprecise in the case of shutdowns with a high current, with the influence of the circuit on the aging being both significantly underestimated and overestimated.
  • the object of the invention is to specify a method and an arrangement with which an improved state determination of a switch is possible. This object is achieved by a method having the features of claim 1 , by a method having the features of claim 2 and by an arrangement having the features of claim 13 .
  • condition describes the wear or Aging condition of the switch, which is caused in particular by switching operations, i.e. use. If there is no wear or no wear worth mentioning, the switch is said to be intact.
  • inventive method is based on a detection and evaluation of the temporal behavior of the current through the switch at or. right after the switch is closed. The time profile of the voltage difference across the switch can also be recorded and evaluated; both options fall under the term "current characteristic".
  • the arrangement according to the invention with the switch comprises at least one sensor for the current parameter and an evaluation unit.
  • the sensor can be integrated into the switch or external.
  • Switching time This switching time is generally not known, in particular the point in time at which the spring drive starts the closing process of the contact is not known.
  • the invention is based on the knowledge that the switching time changes with increasing use/wear "Because, for example, the contact surface is melted and deformed by the switching processes or mass is removed from it. In principle, the switching time can be shortened or lengthened as a result, with an increase occurring in most cases.
  • the invention uses this change in switching time in different ways Some of the forms of leadership are different.
  • a switch is used that has at least two phases of an electrical line can switch .
  • the contacts of the phases close reproducibly quickly and almost synchronously.
  • the chronological offset of the closing times therefore increases with increasing wear, the current through the various phases usually starts at different times.
  • the evaluation unit determines the time difference between the closing times from the time profile recorded by the current sensors and compares this with a limit value.
  • the course of the current over time in a neutral conductor can also be measured and used for the evaluation.
  • the neutral conductor is connected in such a way that the current through it is equal to the sum of the currents through the phases. For this reason, a change in the switching times of the phases, and in particular an offset in their closing times, is reflected in the current through the neutral conductor. It is also within the scope of the invention to evaluate both the phase currents and the neutral conductor current.
  • a switch is used that switches three phases of a three-phase circuit or of a three-phase network (so-called three-pole switch). It is then also possible to measure the time course of the current in all three phases and use it for the evaluation. The time differences between the closing times of two phases in each case can then be used and the accuracy of the state determination can thus be increased. As an alternative or in addition, the time difference between the pole that closes first and the pole that closes last can be specifically selected.
  • the evaluation of the neutral conductor current is particularly advantageous when the load distribution of the phases is essentially symmetrical.
  • the time offset between the first and last closing poles Since the current through the neutral conductor is equal to the sum of the currents through the three phases, is it is essentially different from zero if and only if only one or two poles are closed. With all poles open or all closed, the neutral current is nearly zero with a balanced load. The duration of the neutral conductor current thus reflects the time delay of the closing times.
  • a switch which can switch at least one phase of an electrical line. It can also be a switch used in a DC circuit, i . H . the phase is at a constant potential.
  • the course of the current over time is evaluated on the basis of the bounce behavior of the switch. Bouncing of a switch only occurs when the contacts close. When closing, the moving contact of the pole is accelerated by a strong spring and hits the fixed contact at a relatively high speed. After hitting the fixed contact, the moving contact usually bounces off again, i .e . H . the contact will open one or more more times before finally settling in the closed state. When it bounces off and opens, an arc is initially created, so that the current flow through the switch does not return to zero or. only goes back to zero when the arc breaks off.
  • the process can essentially be described kinematically by a system consisting of a moving mass and a driving spring force and describe and model lossy elastic deformation when the moving contact collides with a fixed contact.
  • arcing occurs when the switch is closed and, even more so, when it is opened, between the contacts that are just not touching (when closing) or are no longer touching (when opening).
  • These arcs cause material to be removed from the contact surfaces and are the main cause of wear on a mechanical switch.
  • the removal of contact material reduces the contact mass on the one hand and changes the contact path on the other hand, usually increasing it. This means that the vibration behavior of the spring-mass system and thus also the bouncing behavior of the switch changes.
  • the values of the parameters change accordingly.
  • this altered oscillation behavior is determined from the current signal: when the contact is closed, provided that the circuit consisting of the source and the load is closed as a result, there is a rapid onset of current flow, determined by the load and the source, with the contact resistance im range from typically 0.1 Mohm to 10 Mohm can normally be neglected.
  • the contact opens, and if the current is sufficiently high, an arc is formed, the impedance of which is well above the contact resistance and increases as the contact distance increases. Depending on the arc current, the arc will be extinguished if a certain contact distance is exceeded.
  • the difference between successive closing times of the phase ie of the pole
  • the difference between successive closing times of the phase can be used for the evaluation and compared with one or more limit values.
  • a multi-pole switch is used, preferably a three-pole switch in a three-phase circuit.
  • the time course of the current in a neutral conductor can be measured, since this—as explained in connection with the first embodiment—reflects a change in the current flows in the phases. The course of the neutral conductor current over time is compared with that of an intact switch.
  • the parameter values of the kinematic model that describes the closing process can be used.
  • the parameter values of the model are then adjusted in such a way that the simulated and measured bounce behavior match as closely as possible.
  • One or more limit values for the deviation of an individual parameter can be specified, or the deviations and Limit values are considered for several parameters and used as a basis for determining the status.
  • the course of the current is measured over at least one bounce period (time interval between the first and second closing) of a pole.
  • the time interval between the first and second closing is used for the comparison with an intact switch.
  • the current curve is measured over at least one bounce period (time interval between the first and second closure) of the pole that closed last and the time interval between its first and second closure is used for the comparison with an intact switch.
  • Figure 1 a schematic representation of a three-pole switch
  • FIG. 2 the time course of the current when closing an intact three-pole switch
  • FIG. 3 the time course of the current when the three-pole switch used is closed, on which the first embodiment of the inventive method is explained
  • FIG. 4 the time course of the current when closing an intact three-pole switch with a neutral conductor
  • Figure 5 the time course of the current when closing a used three-pole switch with a neutral conductor on which a variant of the first embodiment of the invention
  • FIG. 6 the course of the current over time when a used three-pole switch with bouncing behavior is closed, on which the second embodiment of the inventive method is explained
  • FIG. 7 the course of the current over time when closing a used three-pole switch with bouncing behavior with a neutral conductor, on which a variant of the second embodiment of the inventive method is explained
  • FIG. 1 shows the basic circuit diagram of a three-pole switch 10 which can be used as a circuit breaker in a three-phase network.
  • a closable and openable contact 5 , 6 , 7 is present for each of the phases 1 , 2 , 3 .
  • the respective load impedances are shown with ZI, Z2, Z3.
  • a current sensor 11, 12, 13, which can be integrated in the switch, is present for each phase.
  • the arrangement has a microcontroller 15 as an evaluation unit, the input of which is connected to the current sensors 11 , 12 , 13 .
  • the microcontroller 15 records the time curves of the currents in the individual phases 1, 2, 3 and evaluates them.
  • FIG. 2 shows the current curves SI, S2, S3 detected with the current sensors 11, 12, 13 when the switch 10 is intact.
  • FIG. 3 shows the current curves SI, S2, S3 detected by the current sensors 11, 12, 13 when the switch 4 is already in use.
  • G predetermined limit values
  • the limits may be set empirically, with reaching Gl meaning that the switch is already showing some wear and needing to be replaced in the near future, and reaching G2 requiring immediate replacement. The switch or its status is therefore classified.
  • FIG. 4 shows the current curves SI, S2, S3 detected with the current sensors 11, 12, 13, and the current curve S4 in the neutral conductor for an intact switch.
  • the load distribution in the phases is essentially symmetrical.
  • the current sensors 11, 12 and 13 are not absolutely necessary, since only the course of the current in the neutral conductor has to be evaluated. With the switch intact, the current is on S4 through the neutral conductor 4 except for a very short one
  • FIG. 5 shows the current curves S1, S2, S3 detected with the current sensors 11, 12, 13, as well as the current curve S4 in the neutral conductor 4 for a used switch. Due to the offset in the closing times of the three poles, the current in the neutral conductor is different from zero over a longer period of time. In particular, the time offset ⁇ t a of the closing times of the switch that closes first and the switch that closes last can be determined very easily by the microcontroller 15 . As described for FIG. 3, the state of the switch can be determined and classified by making a comparison with one or more limit values for At a .
  • FIG. 6 illustrates the second embodiment of the inventive method, in which the bounce behavior of the switch is analyzed.
  • the current curves SI, S2, S3 of the three poles of a 3-pole switch are shown as an example, as well as the times for determining the bounce behavior of pole 2.
  • the distances between the values t o , t 2 , ... and t 0 characterize the bouncing behavior of this switching pole.
  • a change from new is a measure of wear on the contacts.
  • the course of the current is thus determined over at least one bouncing period. If the deviation exceeds a specified limit value, which e.g. B. can be determined empirically (by measuring on a switch that has aged in laboratory tests), the condition of the switch is classified as worn, and the system preferably outputs a corresponding signal.
  • a specified limit value which e.g. B. can be determined empirically (by measuring on a switch that has aged in laboratory tests)
  • the bounce behavior of a pole can also be modeled, the basis being the model of a spring-mass system. If the switch is worn out or of a pole, the parameter values of this model must then be changed in order to describe the vibration behavior correctly. If one or more of these changes exceeds one or more specified limits, the switch is classified as worn.
  • FIG. 7 illustrates the second embodiment of the inventive method with evaluation of the neutral conductor current S4, the load being distributed sufficiently symmetrically over the three phases.
  • the evaluation is preferably carried out as follows: In a first step, the times t o , t 1 , t 4 are determined from the jumps with strong changes in the current profile, at which the respective first contact closure takes place in the three phases. In particular, if these points in time are close together, the points in time t o , t o , te of the first contact openings, which should appear at approximately the same time interval from the first contact closure, are sought based on these points in time.
  • the time difference t 8 -t 4 is preferably used as a criterion for the evaluation of the aging by the microcontroller describes closing contact, namely the bounce period between the first and the second closing of the last closing contact.
  • the effect of statistical fluctuations or systematic errors on the validity of the status assessment can be reduced by evaluating all three phases. It can then be compared whether the times of the first contact closure and the time differences characteristic of the bouncing process are consistent: the time di f References should deviate more strongly from the new condition as the first contact closure changes. As a rule, the time differences should increase as the first contact closure changes.
  • the behavior can be simulated using a model of the three-pole kinematic system and the model parameters can be adapted to the measurement.
  • self-learning methods for evaluation and/or pattern recognition can also be used, for example artificial neural networks that classify the state of the equipment.
  • a status determination can be carried out on the basis of the changed bouncing behavior.
  • the self-learning processes are trained on new and artificially aged switches, and in the case of used switches they can identify and quantify deviations from the new condition and issue a reliable warning before the function of the switch is significantly impaired.
  • a major advantage of the invention is that the method uses current sensors, which are generally in Switches, especially in LV circuit breakers are present, or can be installed without much effort or cost.
  • a particular advantage results from the comparison of the three switched phases, because this increases the accuracy of the status determination.
  • switches can be replaced according to their condition and switches that are still sufficiently intact can continue to be used, even if they have already gone through many switching cycles (predictive maintenance, condition-based maintenance). This reduces costs considerably. At the same time, unexpected failures due to increased loads, e .g . B. in districts, industrial plants or commercial buildings, avoided. This improves the reliability of the electrical supply.
  • the analysis of the bounce behavior offers advantages if the poles of the switch show such wear that their closing times change to the same or very similar extent, so that no meaningful offset occurs despite wear.
  • the method is particularly suitable for low-voltage switches, since the change in current caused by the arc can be seen more clearly here than with higher voltages to be switched.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)

Abstract

The condition of a switch with regard to its wear and tear is determined by recording and evaluating the temporal behaviour of the current through the switch when or directly after the switch is switched off. The offset of the switching off times of different phases or the bounce behaviour of the switch is analysed.

Description

Beschreibung Description
Verfahren und Anordnung zur Zustandsbestimmung eines Schalters Method and arrangement for determining the status of a switch
Die Erfindung betri f ft ein Verfahren zur Bestimmung des Verschleiß-Zustands eines Schalters sowie eine entsprechende Anordnung . The invention relates to a method for determining the state of wear of a switch and a corresponding arrangement.
In elektrischen Schaltungen oder Netzen werden Schalter zum Schalten ( Trennen und Verbinden) eines elektrischen Stroms in unterschiedlichster Art und zu unterschiedlichen Zwecken verwendet . Beispielsweise werden sie als Schutzschalter in Versorgungsnetzen eingesetzt , bei denen die Zuverlässigkeit eine wichtige Rolle spielt , um Schäden durch eine Unterbrechung der Stromversorgung zu vermeiden . Dementsprechend ist auch die Zuverlässigkeit des Schalters wichtig . In electrical circuits or networks, switches are used for switching (disconnecting and connecting) an electric current in a wide variety of ways and for different purposes. For example, they are used as circuit breakers in utility networks where reliability is important to prevent damage caused by an interruption in the power supply. Accordingly, the reliability of the switch is also important.
Andererseits ist bekannt , dass Schalter altern und fehleranfällig werden können, wodurch ein zuverlässiges Schalten nicht mehr gewährleistet werden kann . On the other hand, it is known that switches can age and become error-prone, which means that reliable switching can no longer be guaranteed.
Betrachtet man als Beispiel ein elektrisches Energieversorgungsnetz im Niederspannungs- ( LV- ) Bereich, so können hier dezentrale erneuerbare Stromerzeugungsanlagen ( Solarmodule , ggf . kombiniert mit Energiespeichern oder Ladesäulen für Elektrofahrzeuge , flexiblen industriellen Fertigungsprozessen, etc . ) hinzugebaut werden . Dies hat in Verteilnetzen auf der LV-Ebene häufig eine höhere Belastung von LV-Leistungsschaltern zur Folge , da häufiger Schaltvorgänge bei hohem Strom stattfinden . Der höhere Verschleiß verringert die Zuverlässigkeit und verkürzt die Lebensdauer der Schalter . Beim LV-Bereich handelt es sich um Spannungen typischerweise unter 1000 V . Andererseits ist die Überwachung des Zustandes ( Condition Monitoring) eines elektrischen Betriebsmittels relativ aufwendig und teuer, gerade auch in der Niederspannungs ( LV) - Ebene . LV-Leistungsschalter werden entweder so lange betrieben, bis sie Fehl funktionen zeigen, woraus kostenintensive Aus fälle von Teilen des Energieversorgungsnetzes resultieren können, oder sie werden vorbeugend ausgetauscht , was ebenfalls erhöhte Kosten nach sich zieht . Dafür wird der aktuelle Verschleiß des Schalters abgeschätzt , beispielsweise durch Zählen der durchgeführten Schalt zyklen . Eine etwas bessere Abschätzung basiert auf der bei Abschaltungen im Schaltlichtbogen umgesetzten Energie . Diese Energie lässt sich im Wesentlichen durch den Wert E = I 2 t bestimmen, dabei ist I der abgeschaltete Strom und t die Dauer des Stromflusses im Schaltlichtbogen, wobei hier häufig als ungünstigster Fall 10 ms ( eine Halbwelle ) angenommen wird . Dieses Kriterium für die Abschätzung der Alterung wird j edoch bei Abschaltungen mit hohem Strom zunehmend ungenau, wobei der Einfluss der Schaltung auf die Alterung sowohl erheblich unter- als auch überschätzt werden kann . If you look at an electrical energy supply network in the low-voltage (LV) range as an example, decentralized renewable power generation systems (solar modules, possibly combined with energy storage or charging stations for electric vehicles, flexible industrial manufacturing processes, etc.) can be added here. In distribution grids on the LV level, this often results in a higher load on LV circuit breakers, since switching operations with high currents take place more frequently. The increased wear reduces reliability and shortens the life of the switches. The LV range deals with voltages typically below 1000 V . On the other hand, monitoring the status (condition monitoring) of electrical equipment is relatively complex and expensive, especially at the low-voltage (LV) level. LV circuit breakers are either operated until they malfunction, which can result in costly failures of parts of the power supply network, or they are replaced as a preventive measure, which also results in increased costs. To do this, the current wear on the switch is estimated, for example by counting the number of switching cycles that have been carried out. A somewhat better estimate is based on the energy converted in the switching arc when switching off. This energy can essentially be determined by the value E = I 2 t, where I is the switched-off current and t is the duration of the current flow in the switching arc, whereby 10 ms (one half-wave) is often assumed to be the worst case. However, this criterion for estimating the aging becomes increasingly imprecise in the case of shutdowns with a high current, with the influence of the circuit on the aging being both significantly underestimated and overestimated.
Aufgabe der Erfindung ist es , ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, mit dem eine verbesserte Zustandsbestimmung eines Schalters möglich ist . Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 2 und durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst . The object of the invention is to specify a method and an arrangement with which an improved state determination of a switch is possible. This object is achieved by a method having the features of claim 1 , by a method having the features of claim 2 and by an arrangement having the features of claim 13 .
Dabei beschreibt der Begri f f Zustand den Verschleiß- bzw . Alterungs zustand des Schalters , der insbesondere durch Schaltvorgänge , also den Gebrauch verursacht ist . Liegt kein oder kein nennenswerter Verschleiß vor, wird der Schalter als intakt bezeichnet . Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf einer Erfassung und Auswertung des zeitlichen Verhaltens des Stroms durch den Schalter beim bzw . direkt nach dem Schließen des Schalters . Ebenso kann der zeitliche Verlauf der Spannungsdi f ferenz über dem Schalter erfasst und ausgewertet werden, beide Optionen fallen unter den Begri f f „Stromkenngröße" . The term condition describes the wear or Aging condition of the switch, which is caused in particular by switching operations, i.e. use. If there is no wear or no wear worth mentioning, the switch is said to be intact. The inventive method is based on a detection and evaluation of the temporal behavior of the current through the switch at or. right after the switch is closed. The time profile of the voltage difference across the switch can also be recorded and evaluated; both options fall under the term "current characteristic".
Die erfindungsgemäße Anordnung mit dem Schalter umfasst mindestens einen Sensor für die Stromkenngröße und eine Auswerteeinheit . Dabei kann der Sensor in den Schalter integriert oder extern sein . The arrangement according to the invention with the switch comprises at least one sensor for the current parameter and an evaluation unit. The sensor can be integrated into the switch or external.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Option der Strommessung näher beschrieben, wobei in allen Aus führungs formen und Varianten die Option der Spannungsmessung ebenfalls möglich ist und im Rahmen der Erfindung liegt . The invention is described in more detail below using the option of current measurement, with the option of voltage measurement also being possible in all of the embodiments and variants and being within the scope of the invention.
Bei einem intakten Schalter erfolgt der Schließvorgang innerhalb einer reproduzierbaren Zeit , d . h . die Zeitdi f ferenz zwischen dem Auslösen des Schließens und dem Schließen des elektrischen Kontakts ist eine weitgehend feste Größe If the switch is intact, the closing process takes place within a reproducible time, i. H . the time difference between the triggering of the closing and the closing of the electrical contact is a largely fixed variable
( „Schalt zeit" ) . Diese Schaltzeit ist im Allgemeinen nicht bekannt , insbesondere ist der Zeitpunkt , zu dem der Federantrieb den Schließvorgang des Kontakts startet , nicht bekannt . Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis , dass sich mit zunehmendem Gebrauch/Verschleiß die Schaltzeit ändert , weil beispielsweise die Kontaktoberfläche durch die Schaltvorgänge auf geschmol zen und verformt wird oder Masse von ihr abgetragen wird . Grundsätzlich kann dadurch die Schaltzeit verkürzt oder verlängert werden, wobei in den meisten Fällen eine Verlängerung eintritt . Die Erfindung nutzt diese Änderung der Schaltzeit in verschiedenen Aus führungs formen teilweise unterschiedlich aus . ("Switching time"). This switching time is generally not known, in particular the point in time at which the spring drive starts the closing process of the contact is not known. The invention is based on the knowledge that the switching time changes with increasing use/wear "Because, for example, the contact surface is melted and deformed by the switching processes or mass is removed from it. In principle, the switching time can be shortened or lengthened as a result, with an increase occurring in most cases. The invention uses this change in switching time in different ways Some of the forms of leadership are different.
In einer ersten Aus führungs form wird ein Schalter verwendet , der mindestens zwei Phasen einer elektrischen Leitung schalten kann . Bei einem intakten derartigen Schalter schließen die Kontakte der Phasen reproduzierbar schnell und nahezu synchron . Mit zunehmendem Verschleiß ändern sich die Schaltzeiten der Phasen in der Regel unterschiedlich, da einzelnen Phasen meist unterschiedlich belastet werden und daher nicht gleichmäßig verschleißen . Der zeitliche Versatz der Schließzeitpunkte wird daher mit zunehmendem Verschleiß größer, der Strom durch die verschiedenen Phasen setzt in der Regel zu verschiedenen Zeiten ein . Aus dem mit den Stromsensoren erfassten zeitlichen Verlauf ermittelt die Auswerteeinheit die Zeitdi f ferenz der Schließ zeitpunkte und vergleicht diese mit einem Grenzwert . In a first embodiment, a switch is used that has at least two phases of an electrical line can switch . With an intact switch of this type, the contacts of the phases close reproducibly quickly and almost synchronously. With increasing wear, the switching times of the phases usually change differently, since individual phases are usually loaded differently and therefore do not wear out evenly. The chronological offset of the closing times therefore increases with increasing wear, the current through the various phases usually starts at different times. The evaluation unit determines the time difference between the closing times from the time profile recorded by the current sensors and compares this with a limit value.
Anstelle der Ströme in den mindestens zwei Phasen kann auch der zeitliche Verlauf des Stroms in einem Neutralleiter gemessen und für die Auswertung herangezogen werden . Der Neutralleiter ist dabei so geschaltet , dass der Strom durch ihn gleich der Summe der Ströme durch die Phasen ist . Aus diesem Grund spiegelt sich eine Änderung der Schaltzeiten der Phasen und insbesondere ein Versatz bei ihren Schließ zeitpunkten im Strom durch den Neutralleiter wider . Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, sowohl die Phasenströme als auch den Neutralleiterstrom aus zuwerten . Instead of the currents in the at least two phases, the course of the current over time in a neutral conductor can also be measured and used for the evaluation. The neutral conductor is connected in such a way that the current through it is equal to the sum of the currents through the phases. For this reason, a change in the switching times of the phases, and in particular an offset in their closing times, is reflected in the current through the neutral conductor. It is also within the scope of the invention to evaluate both the phase currents and the neutral conductor current.
In einer bevorzugten Variante der ersten Aus führungs form wird ein Schalter verwendet , der drei Phasen einer Drehstromschaltung bzw . eines Drehstromnetzes schalten kann ( sogenannter dreipoliger Schalter ) . Es ist dann zusätzlich möglich, den zeitlichen Stromverlauf in allen drei Phasen zu messen und für die Auswertung heranzuziehen . Es können dann die Zeitdi fferenzen der Schließ zeitpunkte von j eweils zwei Phasen herangezogen werden und so die Genauigkeit der Zustandsbestimmung erhöht werden . Alternativ oder zusätzlich kann gezielt die Zeitdi f ferenz zwischen dem zuerst schließenden und dem zuletzt schließenden Pol ausgewählt werden . Die Auswertung des Neutralleiterstroms ist vor allem dann vorteilhaft , wenn die Lastverteilung der Phasen im Wesentlichen symmetrisch ist . Beispielsweise ist es im Fall einer Sternschaltung von drei Phasen und einer im Wesentlichen symmetrischen Lastverteilung besonders einfach, den Zeitversatz zwischen dem erst- und let ztschließenden Pol zu bestimmen : Da der Strom durch den Neutralleiter gleich der Summe der Ströme durch die drei Phasen ist , ist er genau dann wesentlich von null verschieden, wenn nur ein oder zwei Pole geschlossen sind . Wenn alle Pole of fen oder alle geschlossen sind, ist der Neutralleiterstrom bei symmetrischer Last nahezu null . Die Dauer des Neutralleiterstroms spiegelt also den Zeitversatz der Schließ zeitpunkte wider . In a preferred variant of the first embodiment, a switch is used that switches three phases of a three-phase circuit or of a three-phase network (so-called three-pole switch). It is then also possible to measure the time course of the current in all three phases and use it for the evaluation. The time differences between the closing times of two phases in each case can then be used and the accuracy of the state determination can thus be increased. As an alternative or in addition, the time difference between the pole that closes first and the pole that closes last can be specifically selected. The evaluation of the neutral conductor current is particularly advantageous when the load distribution of the phases is essentially symmetrical. For example, in the case of a three-phase star connection and a substantially symmetrical load distribution, it is particularly easy to determine the time offset between the first and last closing poles: Since the current through the neutral conductor is equal to the sum of the currents through the three phases, is it is essentially different from zero if and only if only one or two poles are closed. With all poles open or all closed, the neutral current is nearly zero with a balanced load. The duration of the neutral conductor current thus reflects the time delay of the closing times.
Gemäß einer zweiten Aus führungs form wird ein Schalter verwendet , der mindestens eine Phase einer elektrischen Leitung schalten kann . Dabei kann es sich auch um einen Schalter handeln, der in einem Gleichstromkreis eingesetzt wird, d . h . die Phase liegt auf einem konstanten Potential . Bei der zweiten Aus führungs form wird der zeitliche Verlauf des Stroms aufgrund des Prellverhaltens des Schalters ausgewertet . Das Prellen eines Schalters tritt nur beim Schließen der Kontakte auf . Beim Schließen wird der Bewegkontakt des Pols durch eine starke Feder beschleunigt und tri f ft mit relativ hoher Geschwindigkeit auf den Festkontakt . Nach dem Auftref fen auf den Festkontakt prallt der Bewegkontakt in der Regel wieder ab, d . h . der Kontakt öf fnet sich noch ein oder mehrere Male , bevor er schließlich im geschlossenen Zustand zur Ruhe kommt . Dabei entsteht beim Abprallen und Öf fnen zunächst ein Lichtbogen, so dass der Stromfluss durch den Schalter nicht auf Null zurückgeht bzw . nur dann auf Null zurückgeht , wenn der Lichtbogen abreißt . According to a second embodiment, a switch is used which can switch at least one phase of an electrical line. It can also be a switch used in a DC circuit, i . H . the phase is at a constant potential. In the second embodiment, the course of the current over time is evaluated on the basis of the bounce behavior of the switch. Bouncing of a switch only occurs when the contacts close. When closing, the moving contact of the pole is accelerated by a strong spring and hits the fixed contact at a relatively high speed. After hitting the fixed contact, the moving contact usually bounces off again, i .e . H . the contact will open one or more more times before finally settling in the closed state. When it bounces off and opens, an arc is initially created, so that the current flow through the switch does not return to zero or. only goes back to zero when the arc breaks off.
Der Vorgang lässt sich kinematisch im Wesentlichen durch ein System bestehend aus bewegter Masse , antreibender Federkraft und verlustbehafteter elastischer Verformung beim Aufprall des Bewegkontaktes auf einen Festkontakt beschreiben und modellieren . Beim Betrieb eines Schalters entstehen beim Schließen und verstärkt noch beim Öf fnen des Schalters Lichtbögen zwischen den sich gerade noch nicht (beim Schließen) oder nicht mehr berührenden Kontakten (beim Öf fnen) . Diese Lichtbögen bewirken ein Abtragen von Material an den Kontaktflächen und sind die wesentliche Ursache für den Verschleiß eines mechanischen Schalters . Durch das Abtragen von Kontaktmaterial wird einerseits die Kontaktmasse geringer und andererseits der Kontaktweg geändert , in der Regel vergrößert . Dies führt dazu, dass sich das Schwingungsverhalten des Fe- der-Masse-Systems und damit auch das Prellverhalten des Schalters ändert . The process can essentially be described kinematically by a system consisting of a moving mass and a driving spring force and describe and model lossy elastic deformation when the moving contact collides with a fixed contact. During the operation of a switch, arcing occurs when the switch is closed and, even more so, when it is opened, between the contacts that are just not touching (when closing) or are no longer touching (when opening). These arcs cause material to be removed from the contact surfaces and are the main cause of wear on a mechanical switch. The removal of contact material reduces the contact mass on the one hand and changes the contact path on the other hand, usually increasing it. This means that the vibration behavior of the spring-mass system and thus also the bouncing behavior of the switch changes.
Mit einer zunehmenden Anzahl von Schaltzyklen im Gebrauch ändern sich entsprechend die Werte der Parameter, beispielsweise Kontaktmasse , Dicke und weitere Parameter, die in das kinematische Modell des Schwingungsverhaltens des Systems eingehen . With an increasing number of switching cycles in use, the values of the parameters, such as contact mass, thickness and other parameters that go into the kinematic model of the vibration behavior of the system, change accordingly.
Gemäß der zweiten Aus führungs form wird dieses geänderte Schwingungsverhalten aus den Stromsignal ermittelt : Beim Kontaktschluss kommt es , sofern der aus Quelle und Last bestehende Stromkreis dadurch geschlossen wird, zu einem schnell einsetzenden, durch die Last und die Quelle bestimmten Stromfluss , wobei der Kontaktwiderstand im Bereich von typisch 0 , 1 möhm bis 10 möhm im Normal fall vernachlässigt werden kann . Nach dem ersten Prellvorgang öf fnet sich der Kontakt , wobei sich bei hinreichend hoher Stromstärke ein Lichtbogen bildet , dessen Impedanz deutlich oberhalb des Kontaktwiderstandes liegt und mit zunehmendem Kontaktabstand steigt . Je nach Lichtbogenstrom kommt es bei Überschreiten eines gewissen Kontaktabstandes zum Verlöschen des Lichtbogens . Da ein Lichtbogen eine Spannung benötigt , ist der Strom, wenn ein Lichtbogen brennt , kleiner, als wenn die Kontakte sich berühren, und das Zünden und Verlöschen eines Lichtbogens führt j eweils zu einem von einer MCU detektierbaren Sprung im Stromsignal . Der zeitliche Verlauf dieser Stromsprünge charakterisiert das Prellverhalten und verändert sich mit zunehmendem Verschleiß . Zur Zustandsermittlung kann der zeitliche Verlauf des Stromflusses in der Phase ermittelt und mit demj enigen eines intakten Schalters verglichen werden . According to the second embodiment, this altered oscillation behavior is determined from the current signal: when the contact is closed, provided that the circuit consisting of the source and the load is closed as a result, there is a rapid onset of current flow, determined by the load and the source, with the contact resistance im range from typically 0.1 Mohm to 10 Mohm can normally be neglected. After the first bouncing process, the contact opens, and if the current is sufficiently high, an arc is formed, the impedance of which is well above the contact resistance and increases as the contact distance increases. Depending on the arc current, the arc will be extinguished if a certain contact distance is exceeded. Since an arc requires a voltage, the current when an arc burns is smaller than when the contacts touch, and the ignition and extinguishing of an arc leads to a jump in the current signal that can be detected by an MCU. The course of these current jumps over time characterizes the bouncing behavior and changes with increasing wear. To determine the state, the time course of the current flow in the phase can be determined and compared with that of an intact switch.
Insbesondere kann die Di f ferenz zwischen aufeinanderfolgenden Schließ zeiten der Phase ( d . h . des Pols ) für die Auswertung herangezogen werden und mit einem oder mehreren Grenzwerten verglichen werden . In particular, the difference between successive closing times of the phase (ie of the pole) can be used for the evaluation and compared with one or more limit values.
Bei einer Variante wird ein mehrpoliger Schalter verwendet , bevorzugt ein dreipoliger Schalter in einer Drehstromschaltung . Dabei kann alternativ zum Phasenstrom oder zusätzlich der zeitliche Stromverlauf in einem Neutralleiter gemessen werden, da sich in diesem - wie im Zusammenhang mit der ersten Aus führungs form erläutert - eine Änderung der Stromflüsse in den Phasen widerspiegelt . Der zeitliche Verlauf des Neutralleiterstroms wird mit dem eines intakten Schalters verglichen . In one variant, a multi-pole switch is used, preferably a three-pole switch in a three-phase circuit. In this case, as an alternative to the phase current or in addition, the time course of the current in a neutral conductor can be measured, since this—as explained in connection with the first embodiment—reflects a change in the current flows in the phases. The course of the neutral conductor current over time is compared with that of an intact switch.
Für den Vergleich mit einem intakten Schalter kann dessen zeitlicher Stromverlauf beim Schließen herangezogen werden . Alternativ oder zusätzlich können die Parameterwerte des kinematischen Modells , das den Schließvorgang beschreibt , herangezogen werden . Die Parameterwerte des Modells werden dann so angepasst , dass das simulierte und das gemessene Prellverhalten möglichst gut übereinstimmen . Es können ein oder mehrere Grenzwerte für die Abweichung eines einzelnen Parameters vorgegeben sein, oder es können die Abweichungen und Grenzwerte bei mehreren Parametern betrachtet und der Zustandsbestimmung zugrunde gelegt werden . For a comparison with an intact switch, its current profile over time when it is closed can be used. Alternatively or additionally, the parameter values of the kinematic model that describes the closing process can be used. The parameter values of the model are then adjusted in such a way that the simulated and measured bounce behavior match as closely as possible. One or more limit values for the deviation of an individual parameter can be specified, or the deviations and Limit values are considered for several parameters and used as a basis for determining the status.
Gemäß einer Variante der zweiten Aus führungs form wird der Stromverlauf über mindestens eine Prellperiode ( zeitlicher Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Schließen) eines Pols gemessen . Für den Vergleich mit einem intakten Schalter wird der zeitliche Abstand zwischen dem ersten und zweiten Schließen herangezogen . According to a variant of the second embodiment, the course of the current is measured over at least one bounce period (time interval between the first and second closing) of a pole. The time interval between the first and second closing is used for the comparison with an intact switch.
Bei einer weiteren Variante wird der Stromverlauf über mindestens eine Prellperiode ( zeitlicher Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Schließen) des zuletzt schließenden Pols gemessen und der zeitliche Abstand zwischen dessen ersten und zweiten Schließen für den Vergleich mit einem intakten Schalter herangezogen . In a further variant, the current curve is measured over at least one bounce period (time interval between the first and second closure) of the pole that closed last and the time interval between its first and second closure is used for the comparison with an intact switch.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Aus führungsbeispielen, die in den Figuren dargestellt sind, erläutert . Es zeigen : The invention is explained below using exemplary embodiments illustrated in the figures. Show it :
Figur 1 : eine schematische Darstellung eines dreipoligen Schalters Figure 1: a schematic representation of a three-pole switch
Figur 2 : den zeitlichen Stromverlauf beim Schließen eines intakten dreipoligen Schalters FIG. 2: the time course of the current when closing an intact three-pole switch
Figur 3 : den zeitlichen Stromverlauf beim Schließen gebrauchten dreipoligen Schalters , an dem die erste Aus führungs form des erfinderischen Verfahrens erläutert wird FIG. 3: the time course of the current when the three-pole switch used is closed, on which the first embodiment of the inventive method is explained
Figur 4 : den zeitlichen Stromverlauf beim Schließen eines intakten dreipoligen Schalters mit einem Neutralleiter FIG. 4: the time course of the current when closing an intact three-pole switch with a neutral conductor
Figur 5 : den zeitlichen Stromverlauf beim Schließen eines gebrauchten dreipoligen Schalters mit Neutralleiter, an dem eine Variante der ersten Aus führungs form des erfinderischenFigure 5: the time course of the current when closing a used three-pole switch with a neutral conductor on which a variant of the first embodiment of the invention
Verfahrens erläutert wird procedure is explained
Figur 6 : den zeitlichen Stromverlauf beim Schließen eines gebrauchten dreipoligen Schalters mit Prellverhalten, an dem die zweite Aus führungs form des erfinderischen Verfahrens erläutert wird FIG. 6: the course of the current over time when a used three-pole switch with bouncing behavior is closed, on which the second embodiment of the inventive method is explained
Figur 7 : den zeitlichen Stromverlauf beim Schließen eines gebrauchten dreipoligen Schalters mit Prellverhalten mit Neutralleiter, an dem eine Variante der zweiten Aus führungsform des erfinderischen Verfahrens erläutert wird FIG. 7: the course of the current over time when closing a used three-pole switch with bouncing behavior with a neutral conductor, on which a variant of the second embodiment of the inventive method is explained
Figur 1 zeigt das Prinzipschaltbild eines dreipoligen Schalters 10 , der als Leistungsschalter in einem Drehstromnetz verwendet werden kann . Für j ede der Phasen 1 , 2 , 3 ist ein schließbarer und öf fenbarer Kontakt 5 , 6 , 7 vorhanden . Die j eweiligen Lastimpedanzen sind mit Z I , Z2 , Z3 dargestellt . Für j ede Phase ist ein Stromsensor 11 , 12 , 13 vorhanden, der im Schalter integriert sein kann . Ferner ist ein Neutralleiter 4 mit zugeordnetem Stromsensor 14 vorhanden . Die Anordnung weist einen Microcontroller 15 als Auswerteeinheit auf , dessen Eingang mit den Stromsensoren 11 , 12 , 13 verbunden sind . Der Microcontroller 15 erfasst die zeitlichen Verläufe der Ströme in den einzelnen Phasen 1 , 2 , 3 und wertet sie aus . Insbesondere kann er die Schließ zeitpunkte der einzelnen Phasen bzw . Pole aus den Messwerten entnehmen, den zeitlichen Versatz zwischen zwei Schließ zeitpunkten ermitteln und diesen mit einem oder mehreren vorgegebenen Grenzwerten vergleichen . Dadurch ist wie oben erläutert eine Bestimmung oder Klassi fizierung des Zustandes des Schalters 10 möglich . Figur 2 zeigt die mit den Stromsensoren 11, 12, 13 erfassten Stromverläufe SI, S2, S3, wenn der Schalter 10 intakt ist. Beim Schließen des Schalters (bei t ~ 2 ms) werden alle Phasen annähernd gleichzeitig geschlossen, die Schließzeitpunkte der Phasen haben im Wesentlichen keinen Versatz. FIG. 1 shows the basic circuit diagram of a three-pole switch 10 which can be used as a circuit breaker in a three-phase network. A closable and openable contact 5 , 6 , 7 is present for each of the phases 1 , 2 , 3 . The respective load impedances are shown with ZI, Z2, Z3. A current sensor 11, 12, 13, which can be integrated in the switch, is present for each phase. There is also a neutral conductor 4 with an associated current sensor 14 . The arrangement has a microcontroller 15 as an evaluation unit, the input of which is connected to the current sensors 11 , 12 , 13 . The microcontroller 15 records the time curves of the currents in the individual phases 1, 2, 3 and evaluates them. In particular, he can determine the closing times of the individual phases or Take poles from the measured values, determine the time offset between two closing times and compare this with one or more specified limit values. As explained above, this makes it possible to determine or classify the state of the switch 10 . FIG. 2 shows the current curves SI, S2, S3 detected with the current sensors 11, 12, 13 when the switch 10 is intact. When closing the switch (at t ~ 2 ms), all phases are closed almost simultaneously, the closing times of the phases have essentially no offset.
Figur 3 zeigt die mit den Stromsensoren 11, 12, 13 erfassten Stromverläufe SI, S2, S3, wenn der Schalter 4 bereits gebraucht ist. Beim Schließen des Schalters (t ~ 2 ms) sind die Schließzeitpunkte der einzelnen Phasen nicht mehr übereinstimmend, vielmehr schließt der Kontakt der Phase 2 später als der Kontakt der Phase 1, und der Kontakt der Phase 3 wird als letztes geschlossen, im Beispiel ca. 0,5 ms nach Phase 1. Der Microcontroller vergleicht eine dieser Zeitdifferenzen, bevorzugt diejenige zwischen dem erstschließenden und dem let ztschließenden Schalter (Ata) , mit einem oder mehreren vorgegebenen Grenzwerten G, beispielsweise Gl= 0,4 ms und G2 = 0,8 ms. Die Grenzwerte können empirisch festgelegt sein, wobei das Erreichen von Gl bedeutet, dass der Schalter bereits einen gewissen Verschleiß aufweist und in naher Zukunft ausgetauscht werden muss, und das Erreichen von G2 den sofortigen Austausch erforderlich macht. Der Schalter bzw. sein Zustand wird also klassifiziert. FIG. 3 shows the current curves SI, S2, S3 detected by the current sensors 11, 12, 13 when the switch 4 is already in use. When the switch closes (t ~ 2 ms), the closing times of the individual phases no longer match, rather the phase 2 contact closes later than the phase 1 contact, and the phase 3 contact closes last, in the example approx. 0.5 ms after phase 1. The microcontroller compares one of these time differences, preferably the one between the first-closing and the last-closing switch (At a ), with one or more predetermined limit values G, for example Gl=0.4 ms and G2=0, 8ms. The limits may be set empirically, with reaching Gl meaning that the switch is already showing some wear and needing to be replaced in the near future, and reaching G2 requiring immediate replacement. The switch or its status is therefore classified.
Figur 4 zeigt die mit den Stromsensoren 11, 12, 13 erfassten Stromverläufe SI, S2, S3, sowie den Stromverlauf S4 im Neutralleiter für einen intakten Schalter. In dieser Variante ist die Lastverteilung in den Phasen im Wesentlichen symmetrisch. Die Stromsensoren 11, 12 und 13 sind nicht zwingend erforderlich, da nur der Stromverlauf im Neutralleiter ausgewertet werden muss. Bei dem intakten Schalter ist der Strom S4 durch den Neutralleiter 4 bis auf einen sehr kurzenFIG. 4 shows the current curves SI, S2, S3 detected with the current sensors 11, 12, 13, and the current curve S4 in the neutral conductor for an intact switch. In this variant, the load distribution in the phases is essentially symmetrical. The current sensors 11, 12 and 13 are not absolutely necessary, since only the course of the current in the neutral conductor has to be evaluated. With the switch intact, the current is on S4 through the neutral conductor 4 except for a very short one
Schaltpuls ( Zeitraum Atn) annähernd Null . Switching pulse (period At n ) almost zero.
Figur 5 zeigt die mit den Stromsensoren 11 , 12 , 13 erfassten Stromverläufe S I , S2 , S3 , sowie den Stromverlauf S4 im Neutralleiter 4 für einen gebrauchten Schalter . Durch den Versatz der Schließ zeitpunkte der drei Pole ist der Strom im Neutralleiter über einen längeren Zeitraum verschieden von Null . Es kann sehr einfach insbesondere der Zeitversatz Ata der Schließ zeitpunkte des erstschließenden und des letztschließenden Schalters vom Microcontroller 15 ermittelt werden . Wie bei Figur 3 beschrieben kann der Zustand des Schalters bestimmt und klassi fi ziert werden, indem ein Vergleich mit einem oder mehreren Grenzwerten für Ata vorgenommen wird . FIG. 5 shows the current curves S1, S2, S3 detected with the current sensors 11, 12, 13, as well as the current curve S4 in the neutral conductor 4 for a used switch. Due to the offset in the closing times of the three poles, the current in the neutral conductor is different from zero over a longer period of time. In particular, the time offset Δt a of the closing times of the switch that closes first and the switch that closes last can be determined very easily by the microcontroller 15 . As described for FIG. 3, the state of the switch can be determined and classified by making a comparison with one or more limit values for At a .
Figur 6 veranschaulicht die zweite Aus führungs form des erfinderischen Verfahrens , bei der das Prellverhalten des Schalters analysiert wird . Es sind beispielhaft die Stromverläufe SI , S2 , S3 der drei Pole eines 3-poligen Schalters dargestellt und die Zeitpunkte zum Bestimmen des Prellverhaltens von Pol 2 . Zu dem Zeitpunkt to schließt der Kontakt von Pol 2 zum ersten Mal ; bei t = ti öf fnet der Kontakt und es entsteht ein Lichtbogen . Bei t = t2 schließt der Kontakt wieder, bei t = to öf fnet er wieder und es entsteht wieder ein Lichtbogen, usw . Die Abstände der Werte to , t2 , ... zu t0 charakterisieren das Prellverhalten dieses Schaltpols . Eine Änderung gegenüber dem Neuzustand ist ein Maß für den Verschleiß der Kontakte . Bevorzugt wird die Zeitdi f ferenz At = t2-t0 durch den Microcontroller ausgewertet , weil hier aufgrund der geringen statistischen Streuung die Änderungen gegenüber dem Neuzustand am deutlichsten sichtbar werden . Es wird also der Stromverlauf über mindestens eine Prellperiode ermittelt . Wenn die Abweichung einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet , der z . B . empirisch ( durch Messung an einem in Labortests gealterten Schalter ) ermittelt werden kann, wird der Zustand des Schalters als verschlissen klassi fi ziert , und bevorzugt gibt das System ein entsprechendes Signal aus . FIG. 6 illustrates the second embodiment of the inventive method, in which the bounce behavior of the switch is analyzed. The current curves SI, S2, S3 of the three poles of a 3-pole switch are shown as an example, as well as the times for determining the bounce behavior of pole 2. At time t o the contact of pole 2 closes for the first time; at t = ti the contact opens and an arc occurs. At t = t 2 the contact closes again, at t = to it opens again and an arc occurs again, etc. The distances between the values t o , t 2 , ... and t 0 characterize the bouncing behavior of this switching pole. A change from new is a measure of wear on the contacts. The time difference Δt=t 2 −t 0 is preferably evaluated by the microcontroller because the changes compared to the new state are most clearly visible here due to the low statistical scatter. The course of the current is thus determined over at least one bouncing period. If the deviation exceeds a specified limit value, which e.g. B. can be determined empirically (by measuring on a switch that has aged in laboratory tests), the condition of the switch is classified as worn, and the system preferably outputs a corresponding signal.
Das Prellverhalten eines Pols kann auch modelliert werden, wobei die Grundlage das Modell eines Feder-Masse-Systems ist . Bei Verschleiß des Schalters bzw . eines Pols müssen dann die Parameterwerte dieses Modells geändert werden, um das Schwingungsverhalten zutref fend zu beschreiben . Wenn eine oder mehrere dieser Änderungen einen oder mehrere vorgegebene Grenzwerte überschreitet , wird der Schalter als verschlissen klassi fi ziert . The bounce behavior of a pole can also be modeled, the basis being the model of a spring-mass system. If the switch is worn out or of a pole, the parameter values of this model must then be changed in order to describe the vibration behavior correctly. If one or more of these changes exceeds one or more specified limits, the switch is classified as worn.
Figur 7 veranschaulicht die zweite Aus führungs form des erfinderischen Verfahrens mit Auswertung des Neutralleiterstroms S4 , wobei die Last ausreichend symmetrisch auf die drei Phasen verteilt ist . Die Auswertung erfolgt bevorzugt wie folgt : In einem ersten Schritt werden aus den Sprüngen mit starken Änderungen des Stromverlaufs die Zeitpunkte to, ti , t4 ermittelt , zu denen in den drei Phasen der j eweils erste Kontaktschluss stattfindet . Insbesondere wenn diese Zeitpunkte nah beieinander liegen, werden ausgehend von diesen Zeitpunkten die Zeitpunkte to , to, te der ersten Kontaktöf fnungen gesucht , die in ungefähr dem gleichen zeitlichen Abstand zum ersten Kontaktschluss erscheinen sollten . Ausgehend davon werden dann die Zeitpunkte des zweiten Kontaktschlusses t8, t7 , t8 gesucht , die wieder in ähnlichen zeitlichen Abständen zu den Öf fnungs zeitpunkten in der j eweiligen Phase liegen sollten . Als Kriterium für die Bewertung der Alterung durch den Microcontroller wird bevorzugt die Zeitdi f ferenz t8-t4 herangezogen, die den ersten Prellvorgang in dem als letztes schließenden Kontakt beschreibt , nämlich die Prellperiode zwischen dem ersten und des zweiten Schließen des letzschlie- ßenden Kontakts darstellt . FIG. 7 illustrates the second embodiment of the inventive method with evaluation of the neutral conductor current S4, the load being distributed sufficiently symmetrically over the three phases. The evaluation is preferably carried out as follows: In a first step, the times t o , t 1 , t 4 are determined from the jumps with strong changes in the current profile, at which the respective first contact closure takes place in the three phases. In particular, if these points in time are close together, the points in time t o , t o , te of the first contact openings, which should appear at approximately the same time interval from the first contact closure, are sought based on these points in time. Proceeding from this, the times of the second contact closure t 8 , t 7 , t 8 are searched for, which should again be at similar time intervals to the opening times in the respective phase. The time difference t 8 -t 4 is preferably used as a criterion for the evaluation of the aging by the microcontroller describes closing contact, namely the bounce period between the first and the second closing of the last closing contact.
Die Auswirkung statistischer Schwankungen oder systematischer Fehler auf die Aussagekraft der Zustandsbewertung kann dadurch reduziert werden, dass alle drei Phasen ausgewertet werden Es kann dann verglichen werden, ob die Zeitpunkte des ersten Kontaktschlusses und die für den Prellvorgang charakteristischen Zeitdi f ferenzen konsistent sind : die Zeitdi f ferenzen sollten mit zunehmend geändertem erstem Kontaktschluss stärker vom Neuzustand abweichen . In der Regel sollten die Zeitdi f ferenzen mit zunehmend geändertem erstem Kontaktschluss zunehmen . The effect of statistical fluctuations or systematic errors on the validity of the status assessment can be reduced by evaluating all three phases. It can then be compared whether the times of the first contact closure and the time differences characteristic of the bouncing process are consistent: the time di f References should deviate more strongly from the new condition as the first contact closure changes. As a rule, the time differences should increase as the first contact closure changes.
Auch für dieses Beispiel kann das Verhalten mithil fe eines Modells des dreipoligen kinematischen Systems simuliert und die Modellparameter an die Messung angepasst werden . For this example too, the behavior can be simulated using a model of the three-pole kinematic system and the model parameters can be adapted to the measurement.
In allen Aus führungs formen und Varianten können auch selbstlernende Verfahren zur Auswertung und/oder Mustererkennung eingesetzt werden, zum Beispiel künstliche neuronale Netze , die den Zustand des Betriebsmittels klassi fi zieren . Insbesondere bei der Auswertung des Prellverhaltens kann dadurch anhand des veränderten Prellverhaltens eine Zustandsbestimmung erfolgen . Die selbstlernenden Verfahren werden an neuen und künstlich gealterten Schaltern trainiert , und können bei gebrauchten Schaltern Abweichungen gegenüber dem Neuzustand erkennen und quanti fi zieren und zuverlässig warnen, bevor die Funktion des Schalters deutlich beeinträchtigt wird . In all embodiments and variants, self-learning methods for evaluation and/or pattern recognition can also be used, for example artificial neural networks that classify the state of the equipment. In particular, when evaluating the bouncing behavior, a status determination can be carried out on the basis of the changed bouncing behavior. The self-learning processes are trained on new and artificially aged switches, and in the case of used switches they can identify and quantify deviations from the new condition and issue a reliable warning before the function of the switch is significantly impaired.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das Verfahren Stromsensoren nutzt , die im Allgemeinen in Schaltern, insbesondere in LV-Leistungsschaltern vorhanden sind, oder ohne großen Aufwand oder Kosten installiert werden können . Ein besonderer Vorteil ergibt sich durch den Vergleich der drei geschalteten Phasen, weil hierdurch die Genauigkeit der Zustandsbestimmung erhöht wird . A major advantage of the invention is that the method uses current sensors, which are generally in Switches, especially in LV circuit breakers are present, or can be installed without much effort or cost. A particular advantage results from the comparison of the three switched phases, because this increases the accuracy of the status determination.
Mit der Erfindung können zum einen Schalter entsprechend ihrem Zustand ausgetauscht werden und noch ausreichend intakte Schalter weiterverwendet werden, auch wenn sie schon viele Schaltzyklen durchlaufen haben ( Predictive Maintenance , Condition Based Maintenance ) . Dadurch werden Kosten beträchtlich reduziert . Gleichzeitig werden unerwartete Aus fälle durch erhöhte Belastung, z . B . in Stadtteilen, Industrieanlagen oder kommerziell genutzten Gebäuden, vermieden . Die Zuverlässigkeit der elektrischen Versorgung wird dadurch verbessert .With the invention, on the one hand, switches can be replaced according to their condition and switches that are still sufficiently intact can continue to be used, even if they have already gone through many switching cycles (predictive maintenance, condition-based maintenance). This reduces costs considerably. At the same time, unexpected failures due to increased loads, e .g . B. in districts, industrial plants or commercial buildings, avoided. This improves the reliability of the electrical supply.
Eine Auswertung anhand der ersten Schließ zeitpunkte ist einfach, insbesondere wenn lediglich der Stromverlauf im Neutralleiter ausgewertet wird . Bei den Messungen ist nur eine relative geringe Auflösung erforderlich . Dies ist messtechnisch insbesondere bei Niederspannungsschaltern einfach realisierbar . Ferner sind keine Vergleichswerte von intakten Schaltern notwendig . An evaluation based on the first closing times is easy, especially if only the current curve in the neutral conductor is evaluated. Only a relatively low resolution is required for the measurements. This is easy to implement metrologically, particularly in the case of low-voltage switches. Furthermore, no comparison values of intact switches are necessary.
Dagegen bietet die Analyse des Prellverhaltens Vorteile , wenn die Pole des Schalters einen derartigen Verschleiß aufweisen, dass sich ihre Schließ zeitpunkte in gleichem oder sehr ähnlichem Ausmaß ändern, so dass trotz Verschleiß kein aussagekräftiger Versatz auftritt . Das Verfahren eignet sich insbesondere für Niederspannungsschalter, da hier die Stromänderung durch den Lichtbogen deutlicher erkennbar ist als bei höheren zu schaltenden Spannungen . Be zugs Zeichen On the other hand, the analysis of the bounce behavior offers advantages if the poles of the switch show such wear that their closing times change to the same or very similar extent, so that no meaningful offset occurs despite wear. The method is particularly suitable for low-voltage switches, since the change in current caused by the arc can be seen more clearly here than with higher voltages to be switched. reference sign
10 Schalter 10 switches
I, 2, 3 Phasen I, 2, 3 phases
4 Neutralleiter 5, 6,7 Kontakte (Kontakt federn)4 neutral conductors 5, 6,7 contacts (contact springs)
ZI, Z2, Z3 Lastimpedanzen ZI, Z2, Z3 load impedances
SI, S2, S3, S4 Stromverläufe SI, S2, S3, S4 current curves
II, 12, 13, 14 Stromsensoren II, 12, 13, 14 current sensors
15 Microcontroller 15 microcontrollers

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Verfahren zur Zustandsbestimmung eines Schalters, wobei der Schalter (10) mindestens zwei Phasen (1, 2, 3) einer elektrischen Leitung schalten kann, bei dem beim Schließen des Schalters (10) der zeitliche Verlauf einer Stromkenngröße (SI, S2, S3, S4) in den mindestens zwei Phasen (1, 2, 3) und/oder in einem Neutralleiter (4) gemessen wird, wobei der zeitliche Verlauf Schließzeitpunkte der mindestens zwei Phasen widerspiegelt, und mit einem Grenzwert für die Zeitdifferenz der Schließzeitpunkte der mindestens zwei ( Phasen- ) Ströme und/oder für die Zeitdauer des Stromflusses im Neutralleiter verglichen wird und aus dem Vergleich eine Aussage über den Zustand des Schalters (10) abgeleitet wird. 1. Method for determining the status of a switch, in which the switch (10) can switch at least two phases (1, 2, 3) of an electrical line, in which when the switch (10) is closed, the time profile of a current parameter (SI, S2, S3 , S4) is measured in the at least two phases (1, 2, 3) and/or in a neutral conductor (4), with the time profile reflecting the closing times of the at least two phases, and with a limit value for the time difference between the closing times of the at least two (Phase) currents and/or for the duration of the current flow in the neutral conductor is compared and a statement about the state of the switch (10) is derived from the comparison.
2. Verfahren zur Zustandsbestimmung eines Schalters, wobei der Schalter (10) mindestens eine Phase (1, 2, 3) einer elektrischen Leitung schalten kann, bei dem beim Schließen des Schalters (10) der zeitliche Verlauf einer Stromkenngröße (SI, S2, S3, S4) in mindestens einer Phase (1, 2, 3) oder in einem Neutralleiter (4) gemessen wird, und mit dem zeitlichen Verlauf der entsprechenden Stromkenngröße eines intakten Schalters verglichen wird, und aus dem Vergleich eine Aussage über den Zustand des Schalters (10) abgeleitet wird. 2. Method for determining the status of a switch, in which the switch (10) can switch at least one phase (1, 2, 3) of an electrical line, in which when the switch (10) is closed, the time profile of a current parameter (SI, S2, S3 , S4) is measured in at least one phase (1, 2, 3) or in a neutral conductor (4) and is compared with the time curve of the corresponding current characteristic of an intact switch, and from the comparison a statement about the state of the switch ( 10) is derived.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Stromkenngröße die Stromstärke verwendet wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (10) drei Phasen schalten kann. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf der Stromkenngröße der drei Phasen gemessen wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Grenzwerte vorgegeben sind, anhand derer beim Vergleichen eine Klassifizierung des Schalters hinsichtlich seines Zustands erfolgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussage oder die Klassifizierung des ermittelten Zustands unter Einsatz eines neuronalen Netzes erfolgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter drei Phasen schalten kann und mindestens zwei Zeitdifferenzen aus den drei Schließzeitpunkten ermittelt und für den Vergleich mit dem Grenzwert verwendet werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf der Stromkenngröße mindestens über eine Prellperiode einer Phase gemessen wird und der zeitliche Abstand zwischen dem ersten Schließen und dem zweiten Schließen für den Vergleich verwendet wird. 18 3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the current parameter current is used. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the switch (10) can switch three phases. Method according to the preceding claim, characterized in that the time profile of the current parameter of the three phases is measured. Method according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of limit values are specified, on the basis of which the switch is classified with regard to its state when compared. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the statement or the classification of the determined state takes place using a neural network. Method according to one of Claims 1, 3 - 7, characterized in that the switch can switch three phases and at least two time differences are determined from the three closing times and used for the comparison with the limit value. Method according to one of Claims 2 - 6, characterized in that the time profile of the current parameter is measured over at least one bounce period of a phase and the time interval between the first closing and the second closing is used for the comparison. 18
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 - 6, 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter mehrere Phasen schalten kann und der zeitliche Verlauf der Stromkenngröße mindestens über eine Prellperiode der zuletzt schließenden Phase gemessen wird, und dass der zeitliche Abstand zwischen dem ersten Schließen und dem zweiten Schließen dieser Phase für den Vergleich verwendet wird . 10. The method according to any one of claims 2 - 6, 9, characterized in that the switch can switch several phases and the time profile of the current parameter is measured at least over a bounce period of the last closing phase, and that the time interval between the first closing and the second closing of this phase is used for the comparison.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 - 6, 9 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass für den Vergleich mit der Stromkenngröße des intakten Schalters ein kinematisches Modell des intakten Schalters verwendet wird. 11. The method according to any one of claims 2-6, 9-10, characterized in that a kinematic model of the intact switch is used for the comparison with the current parameter of the intact switch.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass für den Vergleich eine Änderung von mindestens einem Parameterwert des kinematischen Modells für den Vergleich ausgewertet wird. 12. The method as claimed in claim 11, characterized in that a change in at least one parameter value of the kinematic model is evaluated for the comparison.
13. Anordnung mit einem Schalter (10) , mindestens einem Sensor (11, 12, 13) für eine Stromkenngröße und einer Auswerteeinheit (15) , bei der die Auswerteeinheit (15) ausgebildet ist, beim Schließen des Schalters (10) den zeitlichen Verlauf einer Stromkenngröße in mindestens zwei Phasen (1, 2, 3) und/oder in einem Neutralleiter (4) des Schalters zu messen, wobei der zeitliche Verlauf Schließzeitpunkte der mindestens zwei Phasen widerspiegelt, und mit einem Grenzwert für die Zeitdifferenz der Schließzeitpunkte der mindestens zwei Phasen und/oder für die Zeitdauer des Stromflusses im Neutralleiter zu vergleichen . 19 Anordnung mit einem Schalter (10) , mindestens einem Sensor (11, 12, 13, 14) für eine Stromkenngröße und einer Auswerteeinheit (15) , bei der die Auswerteeinheit (15) ausgebildet ist, beim Schließen des Schalters (10) den zeitlichen Verlauf einer Stromkenngröße in mindestens einer Phase (1, 2, 3) und/oder in einem Neutralleiter (4) des Schalters zu messen, und mit dem zeitlichen Verlauf der entsprechenden Stromkenngröße eines intakten Schalters zu vergleichen. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (11, 12, 13, 14) für die Stromkenngröße in den Schalter (10) integriert ist . Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (10) ein Niederspannungs-Leistungsschalter ist . 13. Arrangement with a switch (10), at least one sensor (11, 12, 13) for a current parameter and an evaluation unit (15), in which the evaluation unit (15) is designed, when the switch (10) is closed, the course over time to measure a current parameter in at least two phases (1, 2, 3) and/or in a neutral conductor (4) of the switch, with the time profile reflecting the closing times of the at least two phases, and with a limit value for the time difference between the closing times of the at least two To compare phases and / or for the duration of the current flow in the neutral conductor. 19 Arrangement with a switch (10), at least one sensor (11, 12, 13, 14) for a current parameter and an evaluation unit (15), in which the evaluation unit (15) is designed to measure the time when the switch (10) is closed To measure the course of a current parameter in at least one phase (1, 2, 3) and/or in a neutral conductor (4) of the switch and to compare it with the time course of the corresponding current parameter of an intact switch. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor (11, 12, 13, 14) for the current parameter is integrated into the switch (10). Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the switch (10) is a low-voltage circuit breaker.
PCT/EP2022/081264 2021-11-16 2022-11-09 Method and arrangement for determining the condition of a switch WO2023088746A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021212854.8A DE102021212854A1 (en) 2021-11-16 2021-11-16 Method and arrangement for determining the status of a switch
DE102021212854.8 2021-11-16

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023088746A1 true WO2023088746A1 (en) 2023-05-25

Family

ID=84367399

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2022/081264 WO2023088746A1 (en) 2021-11-16 2022-11-09 Method and arrangement for determining the condition of a switch

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102021212854A1 (en)
WO (1) WO2023088746A1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4105698A1 (en) * 1991-02-21 1992-08-27 Elektro App Werke Veb Three-pole vacuum safety switch panel with magnetic Gp. driver - switching current loads so that electric working life corresponds o mechanical life for all loads
DE10051161C1 (en) * 2000-10-16 2002-03-07 Siemens Ag Switching device contact wear reduction method uses delay of switching command used for electromagnetic operation of main contacts
EP3018679A1 (en) * 2014-11-06 2016-05-11 Rockwell Automation Technologies, Inc. 5-pole based wye-delta motor starting system and method

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4105698A1 (en) * 1991-02-21 1992-08-27 Elektro App Werke Veb Three-pole vacuum safety switch panel with magnetic Gp. driver - switching current loads so that electric working life corresponds o mechanical life for all loads
DE10051161C1 (en) * 2000-10-16 2002-03-07 Siemens Ag Switching device contact wear reduction method uses delay of switching command used for electromagnetic operation of main contacts
EP3018679A1 (en) * 2014-11-06 2016-05-11 Rockwell Automation Technologies, Inc. 5-pole based wye-delta motor starting system and method

Also Published As

Publication number Publication date
DE102021212854A1 (en) 2023-05-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0721684B1 (en) Method of generating a fault-indication signal
DE102013219243B4 (en) Method and device for determining the aging of an electronic interruption element, in particular a power contactor
DE102011076320B4 (en) Grounding monitoring device and charging system
DE102016107598B3 (en) DEVICE AND METHOD FOR MONITORING A HIGH-VOLTAGE PROTECTOR IN A VEHICLE
DE4133426C2 (en)
EP3891518B1 (en) Device and method for detecting wear in an electromechanical switching apparatus
DE102007046483A1 (en) Circuit arrangement for monitoring electrical insulation
DE102014005524B4 (en) interruption of a current
EP2328159A1 (en) Method and device for determining the wear on a contact element
DE102015224658A1 (en) Electromechanical circuit breaker
EP0721688B1 (en) Method of generating a protection-triggering signal
EP3723221A1 (en) Detection of an earth fault in a dc network
DE102017112256A1 (en) METHOD FOR DETECTING A CONTACT ERROR IN A PHOTOVOLTAIC SYSTEM
WO2020207730A1 (en) Locating an earth fault in a dc network
DE3020128A1 (en) MONITORING DEVICE FOR A CAPACITOR BATTERY ON AN AC VOLTAGE NETWORK
WO2023088746A1 (en) Method and arrangement for determining the condition of a switch
WO2017178325A1 (en) Switch test device and method for testing a switch
DE102017201488A1 (en) Detecting a short circuit in an electrical power distribution network
EP3245694A1 (en) Method for categorising an electric arc or detection of an arcing fault
DE4418124C2 (en) Device for detecting insulation deterioration on power supply lines
DE102018221270A1 (en) Device and method for detecting wear of an electromechanical switching device
DE102015105370A1 (en) Connection box and network for power distribution
DE19532196C2 (en) Method and device for status detection on circuit breakers using an electrode arrangement
EP3452839A1 (en) Device for detecting electrical currents on or near electrical conductors
EP3797408B1 (en) Device, method, and control module for monitoring a two-wire line

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22814379

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1