Verfahren zur Bestimmung der Restlebensdauer von Kontakten in Schaltgeräten und zugehörige Anordnung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Restlebensdauer von Kontakten in Schaltgeräten, insbe¬ sondere von Schützkontakten, wobei als Ersatzkriterium für den Abbrand der sogenannte Kontaktdurchdruck an der Schalt- strecke erfaßt wird und wobei zur Bestimmung des Abbrandes der Kontaktstücke jeweils die Durchdruckänderung während des Ausschaltvorganges gemessen und als Restlebensdauer umgerech¬ net wird, wozu beim Schützantrieb aus Anker mit Magnetspule und zugehörigem Joch und eine Zeitmessung des Ankerweges vom Beginn der Ankerbewegung bis zum Beginn der Kontaktöffnung erfolgt . Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf die zu¬ gehörige Vorrichtung mit einem Auswertegerät zur Bestimmung und Anzeige der Restlebensdauer.

In der älteren, nicht vorveröffentlichten DE 44 27 006 AO wird die Restlebensdauer eines Schützes beim Ausschaltvorgang aus der Zeitdifferenz zwischen dem Beginn der Ankeröffnungs- bewegung und dem Kontaktöffnungsbeginn abgeleitet. Aus dem Wert der Zeitdifferenz bestimmt ein Mikroprozessor nach einem Auswertealgorithmus den aktuellen Wert des sog. Kontakt- Durchdruckes, welcher durch Abbrand von seinem Neuwert (= 100 % Restlebensdauer) auf seinen Mindestwert (= 0 % Rest- lebensdauer) abnimmt.

Die hierzu notwendigen ZeitSignale werden zum einen durch

Unterbrechung eines Hilfsstrompfades über Anker und Joch des Magnetantriebes und über die Kontaktspannung an den Haupt- schaltstücken detektiert und in definierte Spannungspulse umgeformt.

Zur Vereinfachung der Kontaktspannungsmessung wird gemäß Parallelpatentanmeldung vorgeschlagen, das Kontaktöffnen speziell im Drehstromnetz durch eine Überwachung der Spannung insbesondere an einem künstlichen Sternpunkt durchzuführen. Dies erlaubt es, die Einrichtung zur Bestimmung der Rest- lebensdauer als unabhängiges Zusatzgerät in den Lastkreis zwischen dem Schütz und dem elektrischen Verbraucher zu schalten, welches lediglich mit einer Kommunikationsleitung für das Öffnen des Anker-Joch-Kontaktes mit dem Schütz ver- bunden ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, demgegenüber eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der die Restlebensdauerkennung von einer Modifikation am Schütz, wie insbesondere einem Anker-Joch- Kontakt, unabhängig gemacht und bei beliebigen Schützen ein¬ gesetzt werden kann.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß aus der Spannung an der Magnetspule der Zeitpunkt der Trennung des Ankers vom Joch des Schützmagnetantriebes detektiert wird. Vorteilhaf¬ terweise wird dabei die Erhöhung des magnetischen Widerstan¬ des des Magnetkreises beim Abheben des Magnetankers erfaßt . Dabei wird das durch die zeitliche Flußänderung an der Magnetspule induzierte Spannungssignal zur Zeitmessung her¬ angezogen.

Bei der zugehörigen Anordnung hat das Auswertegerät Mittel zur Erfassung und Detektion der Spannung an der Magnetspule. Diese Mittel sind vorzugsweise Einheiten zur Signalgleich¬ richtung, zur Signalbegrenzung und -formung, sowie zur Signalausblendung und Signalfreigabe.

Der Erfindung liegt folgendes physikalische Verhalten beim Ausschalten eines Schützmagnetantriebes zugrunde: Zur Er¬ zeugung der notwendigen Ankerschließkraft wird durch den Strom der Magnetspule im Eisenkreis ein magnetischer Fluß vorgegebener Größe aufgebaut. Beim Ausschalten des Steuer¬ stromkreises wird die Magnetspule stromlos und der magneti¬ sche Fluß klingt im geschlossenen Eisenkreis auf Grund der Remanenz einige Millisekunden später ab. Der Magnetanker beginnt nun in dem Augenblick zu öffnen, in dem die magneti- sehe Schließkraft die Öffnungskraft, d.h. die Summe der

Federkräfte von Kontakten und Brückenträger, unterschreitet. Beim Abheben des Magnetankers erhöht sich schlagartig der magnetische Widerstand des Magnetkreises, wobei der restliche Magnetfluß Φ (Kmagn - Φ ² ) rasch abklingt und die zeitliche Flußänderung an der Magnetspule ein Spannungssignal induziert.

Einzelheiten und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungs- beispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patent¬ ansprüchen. Es zeigen

FIG 1 ein Prinzipschaltbild zur Erfassung der Restlebensdauer bei Schützen beim Ausschaltvorgang, FIG 2a bis d in mehreren Oszillogrammen die Signalverläufe von Spulenspannung und Spulenstrom als Funktion der Zeit beim Ausschalten eines Schützes bei Wechsel- bzw. Gleichstrombetätigung, FIG 3 ein Blockschaltbild zur Auswertung der Ausschaltspan- nung gemäß FIG 2,

FIG 4 die konkrete schaltungsmäßige Realisierung der FIG 3, FIG 5a und b zwei zugehörige Oszillogramme mit Signalspan¬ nungen zum Zeitpunkt des Ankeröffnens,

FIG 6 eine Variante der schaltungsmäßigen Ausführung von

FIG 4 , FIG 7 ein zugehöriges Oszillogramm mit der beim Ausschalten der Schützspule auftretenden Signalspannung und FIG 8 ein Oszillogramm mit Messung der Zeitdifferenz zwischen Ankeröffnungsbeginn und Kontaktöffnungsbeginn beim Aus¬ schalten eines wechselstrombetätigten, serienmäßigen Schützes mit Mittelwertbildung.

Identische bzw. gleichwirkende Teile haben in den Figuren gleiche Bezugszeichen. Die Figuren werden teilweise gemeinsam beschrieben.

FIG 1 zeigt schematisch Aufbau und Anordnung einer Einrich- tung 100 zur Erkennung der Restlebensdauer der Hauptkontakte eineε Schützes 1 im Drehstromnetz. Diese Einrichtung ist auf der Lastseite zwischen dem Schütz 1 und einem Verbraucher 20, z.B. einem Drehstrommotor, angeordnet. Sie enthält ein erstes Auswertemodul 101 vorzugsweise zur Erfassung des Kontakt- Öffnungszeitpunktes der erstöffnenden Hauptkontakte, bzw. alternativ zur Erfassung der Kontaktδffnungszeitpunkte eines jeden Hauptkontaktes. Sie enthält weiterhin ein zweites Aus¬ wertemodul 102 zur Erfassung des Ankerbewegungsbeginns, wel¬ cher auch als Zeitpunkt t _A des Ankeröffnens bezeichnet ist. Aus den Zeitsignalen t _A und t _k wird durch eine Auswerteein¬ heit, beispielsweise einem Mikroprozessor 105, der Kontakt¬ durchdruck und daraus die Restlebenεdauer bestimmt und diese über ein Display 106 angezeigt und/oder über einen Daten-BUS bzw. weiteren Auswertung ausgegeben.

Das zweite Auswertemodul 102 ist mit seinen beiden Meßein¬ gängen mit den Anschlüssen der Schützmagnetspule verbunden und bestimmt aus dem Signalverlauf der Spulenspannung während

des Ausschaltvorganges den Zeitpunkt des .Ankerbewegungs- beginns t _A .

Die Einrichtung 100 zur Erkennung der Restlebensdauer der Hauptkontakte wird vorteilhafterweise auf der Lastseite des überwachten Schaltgerätes angeordnet, um mit geringem tech¬ nischem Aufwand das Kontaktöffnen des überwachten Schalt¬ gerätes zu überwachen, wie es in einer Parallelanmeldung im einzelnen beschrieben ist. Die Einrichtung 100 kann aber auch auf der Einspeiseseite des überwachten Schaltgerätes angeord¬ net und in verschiedenen Einrichtungen (z.B. Überlastrelais) auf der Einspeise- oder Lastseite integriert sein. Die Er¬ fassung des Kontaktöffnens kann durch Messung der Kontakt¬ spannungen über Meßanschlüεse an den Anschlußklemmen der einzelnen Schaltpole erfolgen.

FIG 2 zeigt Meßoszillogramme der Spulenspannung und des Spulenstroms beim Ankeröffnen eines Schützes in einer für die Messung modifizierten Anordnung, bei welcher Anker und Joch bei gegenseitiger Berührung einen Hilfsstromkreis schließen bzw. diesen beim Abheben des Ankers trennen. Nach dem Aus¬ schaltzeitpunkt taue erhält man zum Zeitpunkt t _A des Anker- öffnens einen Spannungspuls von ca. 2 ms Dauer und 50 V Amplitude, da der rasch abklingende magnetische Restfluß einen Spannungsεtoß induziert.

Wie auε den einzelnen Oszillogrammen gemäß FIG 2a, 2b für Wechselεpannung und gemäß FIG 2c bzw. 2d für Gleichspannung hervorgeht, ist das Auftreten des charakteristischen Span- nungspulses unabhängig davon, ob als Haltestrom des Magnet- Systems ein Wechselstrom (z.B. 150 mA _efJ ) oder ein Gleich¬ strom (z.B. 150 mA=) vorliegt.

Eε iεt üblich Schützεpulen zu beεchalten, um Schaltüber¬ spannungen beim Abriß des Bogenstromes (chopping) zu ver¬ meiden. Als Beschaltungselemente sind beispielsweise R-C- Glieder, Varistoren und im Gleichstromfall Zener-Dioden vorgesehen. Eine Erfaεεung des Ankeröffnungszeitpunktes aus der Spulenspannung bei Verwendung von R-C-Entεtörgliedern iεt nicht möglich, da beim Abεchalten deε Spulenεtromeε ein ange¬ regter R-C-L-Schwingkreiε entsteht und die Spulenεpannung alε abklingende Sinuεschwingung keinen εignifikanten Signalver- lauf für eine Zuordnung zum Ankeröffnungszeitpunkt besitzt.

FIG 3 zeigt ein Blockschaltbid einer Einrichtung zur Bestim¬ mung des Ankeröffnungszeitpunktes aus der Ausschaltspannung an der Magnetspule 5 eines Schützes 1. Die Ansteuerung des Schützmagnetsystems kann zweckmäßigerweise durch ein Hilfs¬ schütz 2 erfolgen, welches die Steuerspeisespannung an die Schützspule 5 zweipolig zu- oder abschaltet. Die Spulenspan¬ nung ist dann zum Zeitpunkt des Ankeröffnens vom Potential der Steuerspeisespannung getrennt.

Im Blockschaltbild der FIG 3 besteht das Auswertemodul 102 aus der Hintereinanderschaltung einer Einheit 110 zur Signal¬ gleichrichtung, einer Einheit 120 zur Signalbegrenzung und - formung, einer Einheit 130 zur Signalausblendung und einer Einheit 140 zur Signalfreigabe. Die Ausgangsεignale der

Einheiten 120 und 140 werden auf ein UND-Glied 150 gegeben, das den gewünschten Ankeröffnungszeitpunkt exakt auεgibt . Inεbeεondere wegen der notwendigen exakten Bestimmung der kleinen Zeitintervalle ist eine entsprechende Auslegung der Einheiten 110 bis 140 durch problemangepaßte Bauelemente notwendig.

Mit der nunmehr vorgeschlagenen Signalverarbeitung der Spulenspannung - d.h. Gleichrichtung, Begrenzung/Formung,

Ausblendung, Freigabe- wird ein Ausgangεpulε erzeugt, der mit dem charakteristischen Spannungspuls, beispielεweiεe Puls¬ breite « 2 ms, Pulshöhe = 50 V, in FIG 2, welcher bei der Trennung deε Ankerε vom Joch entsteht, zeitlich zusammen¬ fällt. Zur weiteren Signalverarbeitung kann vom Ausgangεpuls beispielεweise mit einem in FIG 3 nicht dargestellten Opto¬ koppler ein Ausgangssignal abgeleitet werden, das vom Ver¬ sorgungsnetz des Schützmagnetantriebes galvanisch getrennt iεt.

FIG 4 zeigt ein konkreteε Beschaltungsbeispiel einer Aus¬ werteschaltung zur Erfasεung des Ankeröffnungszeitpunktes mit Bauteilen 111 bis 136, die zum Aufbau der Einheiten 110, 120, 130, 140 selbsterklärend sind. Die Schaltung schließt an die Meßleitungen zur Spannungsüberwachung der Magnetspule 6, 6' des Schützantriebes 5 der FIG 1 an. Beide Meßanschlüsse ent¬ halten den gleichen Vorwiderstand 9 zur Spannungεteilung des Meßsignals, um eine freie Anschlußbelegung an der Schützspule 5 zu erhalten. Die Meßerde ist mit der Schutzerde verbunden und liegt praktisch auf Null-Potential, so daß während des Einschaltzuεtandes des Hilfsschützes nur vom Außenleiter L ein Meßstrom in die Auswerteschaltung fließt.

Durch die Signalgleichrichtung und die Begrenzerschaltung wird ein charakteristisches Meßsignal erzeugt. Dieses enthält im Einschaltzustand des Schützmagnetantriebes kurze Span¬ nungspulse von beispielsweise 300 με Breite und bei 50 Hz Wechselεpannung 10 mε Zeitabstand, während beim Ausschaltvor¬ gang zwei etwa 2 ms lange Spannungspulse mit wenigen Milli- Sekunden Zeitabstand entstehen, von denen der erste Puls den Induktionsabfall im Eisenkern kennzeichnet, während der zweite Puls durch das Abheben des Ankers vom Joch und der damit verbundenen Induktionsänderung erzeugt wird.

Im nachfolgenden Teil der elektronischen Schaltung werden alle Spannungspulse bis auf den letztgenannten unterdrückt , so daß die Auswerteschaltung nur einen einzigen Ausgangs- impuls liefert, der mit dem Ankeröffnungsbeginn zeitlich zusammen fällt.

FIG 5 zeigt Meßoszillogramme der Auswerteschaltung nach FIG 4. Der Anker-Joch-Hilfskontakt des modifizierten Schützes wurde dazu genutzt, den Zeitpunkt des Ankeröffnungsbeginnε elektrisch/mechanisch zu erfaεεen und mit dem Auεgangεsignal der Auswerteschaltung vergleichen zu können. Durch Signal- mittelung (sog. Averaging) der Zeitsignale t _A und t _k können ZeitSchwankungen, die durch mechanische Toleranzen beein¬ flußte Kontakttrennung der Schütz-Hauptkontakte und unter- schiedlichen Magnetisierungszustand des Schütz-Magnetantrie- beε verurεacht werden, weitgehend eliminiert werden, so daß die gemittelte Zeitdifferenz zwischen dem Beginn der Anker¬ öffnungsbewegung und dem Kontaktöffnungsbeginn mit einer Meßgenauigkeit von +/- 100...200 μs erfaßt wird.

FIG 6 zeigt eine weitere Auswerteschaltung zur Erfassung des Ankeröffnungszeitpunktes. Sie unterscheidet sich von der Schaltung in FIG. 4 nur durch den Schaltungsteil der Signal- begrenzung und -formung, insbesondere durch den hohen Ein- gangswiderstand der Komparatoren 128 und 129. Die Auswerte¬ schaltung verarbeitet daher das Meßsignal von der Schützspule in gleicher Weise, unabhängig davon, ob der Masseanschluß der Elektronikversorgungsspannung auf Erdpotential liegt, oder nicht. Des weiteren wird die Erfassung des Ankeröffnungszeit- punktes auch bei einpoliger Unterbrechung der Spulenspannung ermöglicht.

Die Schaltung nach FIG. 6 kann daher bei geerdeten und unge¬ erdeten Netzen sowohl bei Wechsel- als auch bei Gleichspan-

nung eingeεetzt werden. Zur Signalweiterverarbeitung ist z.B. mit einem Optokoppler eine galvanische Trennung des Ausgangs- εignalε vom Versorgungsnetz des Schützmagnetantriebes vorzu¬ sehen.

FIG 7 zeigt Meßoszillogramme der Auswerteschaltung nach FIG. 6, wobei das Elektronik-Masεepotential hierbei auf Erd¬ potential gelegt war. Man erhält vergleichbare Auεgangs- signale mit gleicher Meßgenauigkeit wie bei der Schaltung nach FIG. 4.

Die zeitlich exakte Zuordnung des Ankeröffnungszeitpunktes t _A zum 'Anker-Öffnungspulε' der Auswerteschaltung gemäß FIG. 4 und 5 kann durch die Berücksichtigung eines schütz- und schaltungsεpezifischen Zeitverεatzeε, gerechnet von der ansteigenden Flanke des 'Anker-Öffnungspulses' , beispiel¬ weise 0,7 ms bei obigem Schütztyp, erfolgen. Abhängig von der Schütz-Baugröße und der Spannungshöhe dei ^* Steuerspeisespan¬ nung kann eine Anpassung deε Schaltungsteils für die Signal- begrenzung erforderlich sein.

FIG 8 zeigt den Signalverlauf des Ankeröffnungszeitpunktes t _A der Auswerteschaltung nach FIG 6 und des Kontaktöffnungszeit¬ punktes eines serienmäßigen Schützes, wobei wiederum die Mittelwertbildung (sog. Averaging) angewandt wurde.

Die Signalmittelung über 64 Schaltungen, bei denen die posi¬ tive Flanke des Anker-Öffnungspulses jeweils der TriggerZeit¬ punkt ist, zeigt eine schwache Streuung in der Breite des Anker-Öffnungspulεes und eine zeitliche Streuung des Kon¬ taktöffnungszeitpunktes von ~ 0,5 ms. Das mittlere Zeitinter¬ vall vom Ankeröffnungsbeginn t _A bis zum Kontaktöffnungsbeginn t _k kann in gemessenem Beispiel mit 4,6 ms ± 0,2 ms angegeben werden.

Die beschriebene Auεwerteεchaltung zur Erfaεεung des Anker¬ öffnungszeitpunktes kann Teil eines Auswertegerätes zur Be¬ stimmung der Restlebensdauer von Schütz-Hauptkontakten sein. Dabei befindet sich das Auεwertegerät auf der Lastseite zwi¬ schen dem Schütz und dem elektrischen Verbraucher und ist über ein ersteε Überwachungεmodul zur Erkennung des Kontakt- öffnenε auε der Spannungsänderung an einem künstlichen Stern¬ punkt mit den Außenleitern L1,L2,L3 kontaktiert. Eine insbe- εondere zweiadrige Signalleitung verbindet die Anεchlüεεe der Schützεpule mit einem zweiten Überwachungsmodul zur Erkennung des Ankeröffnens. Aus den von den Uberwachungsmodulen gelie¬ ferten Zeitsignalen des Ankeröffnens t _A und des Kontakt- öffnens t _κ bestimmt der Mikroprozessor den aktuellen Kontakt- durchdruck und daraus die elektrische Restlebensdauer der Hauptschaltstücke.