Verfahren zur Funktionsprüfung eines mechanischen Schaltele¬ mentes

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsprüfung ei¬ nes, insbesondere als Auslöser in einem Hochspannungs-Lei¬ stungsschalter ausgebildeten mechanischen Schaltelementes, bei welchem Verfahren durch die magnetische Wirkung eines eine Spule durchfließenden Stromes eine Bewegung eines Spu¬ lenkernes in Gang gesetzt wird, wobei die Spule mit einem elektrischen Impuls beaufschlagt wird, und der Verlauf des Stromes durch die Spule mittels einer Überwachungseinrichtung gemessen und differenziert wird.

Bei einem bekannten Verfahren zur Funktionsprüfung eines me¬ chanischen Schaltelementes einer elektrischen Schaltanlage (Elektrizitätswirtschaft, Jg. 94 (1995), Heft 7) erfolgt ein Funktionstest im Ruhezustand, d. h. ein Meßimpuls, der in festgelegten zeitlichen Abständen auf einen Lastkreis aufge¬ bracht wird, ist so kurz, daß eine Bewegung des Schaltelemen- tes nicht ausgelöst wird. Hierdurch wird nur die Leitfähig¬ keit des Lastkreises überprüft. Es ist dort keine Kontrolle der mechanischen Bewegbarkeit des Schaltelementes möglich.

Aus der US-PS 5,270,900 ist bekannt, daß ein elektromagneti¬ sches Schaltelement, das von einer Spule mit einem Kern ge¬ bildet ist, zum Öffnen und Schließen eines Ventiles benutzt wird. Die Bewegung des Kernes, die zum Öffnen des Ventiles führt, wird mittels eines elektrischen Impulses, der auf die Spule aufgebracht wird ausgelöst. Die Öffnungsdauer des Ven¬ tils wird durch einen Zähler vorgegeben. Um den Zeitpunkt für den Start des Zählers zu bestimmen, wird der Stromverlauf in der Spule gemessen und differenziert. Nachdem die Ableitung des gemessenen Stromes einen vorher festgelegten Wert er-

reicht hat, wird der Zähler gestartet. Nach Ablauf des Zäh¬ lers wird das Ventil mittels des Schaltelementes wieder ge¬ schlossen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art zur Funktionsprüfung eines mecha¬ nischen Schaltelementes zu schaffen, bei welchem die mechani¬ sche Funktionsfähigkeit des Schaltelementes überprüft wird, ohne einen Schaltvorgang des Schaltelementes vollständig aus- zuführen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der elektrische Impuls abgeschaltet wird, sobald die Ableitung des gemessenen Stromverlaufes einen bestimmten Wert erreicht.

Der wesentliche Vorteil, der mit der Erfindung erreicht wird, besteht in einer flexiblen Kontrollmöglichkeit des Schalt- elementes mittels einer begrenzten Bewegung des Kernes der Spule. Durch die Bewegung des Kernes in der Spule ändert sich deren Induktivität und der magnetische Fluß. Somit wird der zeitliche Verlauf des Stromes in der Spule von der Bewegung beeinflußt.

Durch die Überwachung der zeitlichen Ableitung des Stromver- laufes in der Spule ist das Abschalten des elektrischen Im¬ pulses, der auf die Spule aufgebracht wird, direkt von der Bewegung des Kernes abhängig.

Der für das Abschalten des elektrischen Impulses herangezo- gene und durch Differenzierung des Stromverlaufes durch die Spule ermittelte Zeitpunkt ist lediglich von der tatsächlich erfolgten Bewegung des Kernes abhängig. Somit bewirkt eine leichtere Beweglichkeit des Kernes bei besonderen Betriebsbe¬ dingungen (z. B. erhöhte Temperatur) eine entsprechend frühe- re Abschaltung des elektrischen Impulses. Daher ist die tat-

sächlich zurückgelegte Wegstrecke des Kernes bis zum Abschal¬ ten des elektrischen Impulses weitgehend unabhängig von den äußeren Betriebsbedingungen. Dies ist wichtig, um zu gewähr¬ leisten, daß das erfindungsgemäße Verfahren unter unter- schiedlichen Bedingungen einsetzbar ist, ohne daß ein Risiko besteht, im Zuge des Prüfverfahrens irrtümlich einen Schalt- Vorgang im Hochspannungs-Leistungsschalter auszulösen.

Vorteilhaft kann vorgesehen sein, daß die Impulshöhe bei der Funktionsprüfung geringer ist als bei einem tatsächlichen Auslösevorgang.

Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß der Spule bei der Funktionsprüfung ein Vorwiderstand vorgeschal- tet wird.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß der elektrische Impuls abgeschaltet wird, sobald die Ableitung des gemessenen Stromverlaufes erstmals nach Beginn des elektrischen Impulses das Vorzeichen wechselt.

Der Zeitpunkt des Vorzeichenwechsels der Ableitung des ge¬ messenen Stromverlaufes ist ein besonders gut durch Messung zu ermittelnder Punkt. Er eignet sich deshalb in besonderer Weise als ein Auslösezeitpunkt für das Abschalten deε elek¬ trischen Impulses.

Vorteilhaft kann auch vorgesehen sein, daß als Quelle für den elektrischen Impuls eine Konstantspannungsquelle benutzt wird.

Eine Konstantspannungsquelle ist ein leicht verfügbares Gerät zur Erzeugung elektrischer Spannungsimpulse.

Es kann auch vorteilhaft sein, daß nach dem Abschalten des elektrischen Impulses eine pulsweitenmodulierte Folge von weiteren Impulsen in der Spule erzeugt wird, deren zeitlicher Strommittelwert eine kontrollierte Bewegung des Spulenkernes bewirkt.

Hierdurch läßt sich der Stößel kontrolliert bis zur Verriege¬ lungseinrichtung bewegen, ohne eine Entriegelung zu bewirken. Darauf kann der Leerhub des Auslösers gemessen werden.

Als vorteilhafte Ausgestaltung der Einrichtung zur Durchfüh¬ rung des Verfahrens zur Funktionsprüfung kann vorgesehen sein, daß die Einrichtung einen Impulsgeber zur Einspeisung eines elektrischen Impulses, eine Überwachungseinrichtung zur Messung und Differenzierung des Stromverlaufes in der Spule, einen nachgeschalteten Komparator, eine Einrichtung zur Einstellung des Schwellwertes des Komparators und eine Steuereinrichtung zum Abschalten des elektrischen Impulses, sobald die Ableitung des gemessenen Stromverlaufes einen be¬ stimmten Wert erreicht hat, aufweist.

Hierdurch ist ein einfach zu erstellender Aufbau der Kon¬ trolleinrichtung gegeben, der an die jeweils gegebenen Be- dingungen bei der Funktionsprüfung verschiedener Varianten elektromagnetischer Auslöser nicht individuell angepaßt zu werden braucht.

Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung im Zu- sammenhang mit einer Zeichnung genauer beschrieben.

Es zeigen:

Figur 1 ein schematisches Blockschaltbild zu dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Funktionsprüfung eines mechanischen Schaltelementes,

Figur 2A einen schematischen Kurvenverlauf des Stromes in der Spule und dessen zeitlicher Ableitung, Figur 2B einen Kurvenverlauf des von dem Kern zurückgelegten Weges, Figur 3A einen zeitlichen Verlauf der in die Spule eingespeisten elektrischen Impulse, Figur 3B einen schematischen Kurvenverlauf des Stromes in der

Spule, Figur 3C einen schematischen Kurvenverlauf des vom Kern zurückgelegten Weges,

Figur 3D einen schematischen Kurvenverlauf der magnetischen

Kraft, Figur 4 ein schematisches Blockschaltbild zum Verfahren für die Messung des Auslösehubes.

Gemäß Figur 1 ist in einem nicht dargestellten Hochspannungs- Leistungsschalter ein elektromagnetischer Auslöser gebildet durch einen in einer Spule 1 angeordneten ferromagnetischen Kern 2, an dessen einer Stirnseite 3 ein Stößel 4 aus einem unmagnetischen Material angebracht ist. Wird auf die Spule 1 mittels eines Impulsgebers 5 ein elektrischer Impuls aufge¬ bracht, so bewegen sich der Kern 2 und der Stößel 4 in Rich¬ tung des Pfeiles 6. Bei der Funktionsprüfung soll der von dem Kern 2 und dem Stößel 4 zurückgelegte Weg begrenzt werden, um ein Entriegeln der Elemente 7, 8 des Hochspannungs-Leistungs- Schalters zu verhindern. Um dies zu erreichen, wird mittels einer Strommeßeinrichtung 9 der in der Spule während der Be¬ aufschlagung mit dem elektrischen Impuls fließende Strom ge¬ messen. Mittels eines Differenziergliedes 10 wird die zeit- liehe Ableitung des gemessenen Stromverlaufes ermittelt. Der Verlauf der zeitlichen Ableitung des Stromes bildet die erste Eingangsgröße eines Komparators 11. Der Komparator 11 wird mittels einer Einsteileinrichtung 12 mit einem Schwellwert an seinem Referenzeingang beaufschlagt. Erreicht die in den Kom- parator 11 eingespeiste erste Größe den Schwellwert, so gibt

der Komparator ein Signal an eine Steuereinheit 13, die ih¬ rerseits ein Signal an den Impulsgeber 5 abgibt, um das Ab¬ schalten des elektrischen Impulses zu bewirken.

Wird eine reale Spule zu einem Zeitpunkt T _Q mit einem elek¬ trischen Impuls beaufschlagt, so zeigt der Stromverlauf in der Spule 1 den in Figur 2A schematisch dargestellten zeitli¬ chen Verlauf 14. Ist in der Spule 1 ein beweglicher Kern 2 angeordnet, so wird durch die durch den elektrischen Impuls zum Zeitpunkt Tj_ ausgelöste Bewegung des Kernes 2 der zeit¬ liche Verlauf des Stromes in der Spule beginnend von dem Zeitpunkt Tj_ an gegenüber dem Verlauf ohne Bewegung des Ker¬ nes verändert. Der veränderte zeitliche Verlauf des Stromes ist durch eine Kurve 15 schematisch in Figur 2A dargestellt.

In der Figur 2B ist der von dem Kern 2 zurückgelegte Hub 17 gegen die Zeit aufgetragen. Nach Abschalten des Impulses bei T2 bewegt sich der Kern 2 noch ein Stück weiter, um dann von einer Rückholfeder 18 zurückbewegt zu werden.

Zum Zeitpunkt T2 durchläuft die Kurve 15 im Unterschied zu der Kurve 14 ohne eine Bewegung des Kernes ein lokales Maxi¬ mum. Der Anstieg der Kurve 15 ist zu diesem Zeitpunkt Null. Die Ableitung 16 der Kurve 15 hat zum Zeitpunkt T2 einen Nulldurchgang. T2 ist deshalb ein besonders gut durch Messung ermittelbarer Punkt des Kurvenverlaufeε 16. Er wird deshalb vorteilhaft benutzt, um den Zeitpunkt für das Abschalten des elektrischen Impulses, der auf die Spule aufgebracht wird, zu ermitteln. Mittels der Einsteileinrichtung 12 des Komparators 11 kann jedoch indirekt ein beliebiger Zeitpunkt zwischen TT _. und T2 oder nach T2 festgelegt werden, zu dem das Abschalten des elektrischen Impulses stattfinden soll. Der Abschaltzeit¬ punkt für den Impuls kann immer so gewählt werden, daß durch

die Bewegung des Kernes 2 und des Stößels 4 in Richtung des Pfeiles 6 die Elemente 7, 8 des Hochspannungs-Leistungs- schalters nicht entriegelt werden.

Die bisher beschriebene Erfindung kann vorteilhaft zur Mes¬ sung des Hubes eines mechanischen Schaltelementes, insbeson¬ dere eines Auslösers in einem Hochspannungs-Leistungsschalter eingesetzt werden.

Der Auslöserhub setzt sich aus dem Leerhub H _L und dem Ar¬ beitshub H _w zusammen. Wird die Auslöserspule 1 mit einem elektrischen Impuls beaufschlagt, so bewegen sich der Kern 2 und der Stößel 4, ohne mechanische Arbeit zu leisten, zu¬ nächst bis zu den Elementen 7, 8 des Hochspannungs-Leistungs- Schalters. Der hierbei zurückgelegte Weg wird als Leerhub H _L bezeichnet. Von diesen Punkt an muß der Kern mechanische Ar¬ beit leisten um die Elemente 7, 8 zu entriegeln. Der zurück¬ gelegte Weg, bis zur vollständigen Entriegelung, wird als Ar¬ beitshub H _w bezeichnet.

Zur Messung des Leerhubes H _L ist eine Bewegung des Stößels 4 bis zur Berührung mit dem Element 7 notwendig. Dabei sollen die Elemente 7, 8 nicht entriegelt werden. Der Stößel 4 und der Kern 2 sollen in dieser Position verharren.

Zur Messung des Arbeitshubes H _w müssen der Stößel 4 und der Kern 2 die Elemente 7, 8 vollständig entriegeln und in der Entriegelungsposition verharren, d.h. der volle Auslöserhub muß zurückgelegt werden.

Gemäß der beschriebenen Erfindung wird der elektrische Impuls abgeschaltet sobald die Ableitung des gemessenen Stromverlau¬ fes einen bestimmten Wert erreicht. Dadurch wird eine be¬ grenzte Bewegung des Kernes 2 und des Stößels 4 gewährlei- stet. Aufgrund der mechanischen Gegenkraft der Rückholfeder

18 werden der Kern 2 und der Stößel 4 in die Ausgangsposition gebracht, sobald der elektrische Impuls abgeschaltet wird.

Wird, wie weiter oben beschrieben, der elektrische Impuls zum Zeitpunkt T ₂ , wie in Fig. 2A gezeigt, abgeschaltet (siehe

Fig. 3B) so sinkt der Stromverlauf nach einer kurzen Bewegung (einem Zucken), des Kerns exponentiell. Durch das Einspeisen von weiteren elektrischen Impulsen von definierter Länge (siehe Fig. 3A) kann ein sägezahnförmiger Stromverlauf inner- halb eines Toleranzbereiches eingestellt werden, dessen

Strommittelwert größer oder gleich dem benötigten Haltestrom¬ wert an dieser Position des Kerns ist. Schaltet man nämlich den elektrischen Impuls ab wenn der Stromverlauf einen be¬ stimmten Wert überschreitet und wieder ein wenn der Stromver- lauf einen bestimmten Wert unterschreitet so ergibt sich ein sägezahnförmiger Stromverlauf mit kleiner Amplitude. Diese Regelungsart wird Zweipunktregelung genannt. Als Führungs¬ größe dieser Regelung kann z.B. der Anzugsstrom gewählt wer¬ den, d.h. der Stromwert der eine Bewegung des Spulenkernes in Gang setzt. Dadurch wird ein Zurückfahren des Kerns verhin¬ dert (siehe Fig. 3C) .

Zur Regelung des Strommittelwertes kann eine Stromregelung die nach dem PWM-(Pulsweitenmodulation) Prinzip arbeitet, eingesetzt werden, d.h. die Breite der elektrischen Impulse wird in Abhängigkeit von der Stromdifferenz zwischen dem Sollwert und dem Istwert des Stromes verändert. Ist die Stromdifferenz positiv, so wird ein elektrischer Impuls er¬ zeugt, der den Stromverlauf im Auslöserzweig ansteigen läßt. Die Breite des elektrischen Impulses in der Spule ist propor¬ tional zur Stromdifferenz. Ist die Stromdifferenz negativ oder gleich null, so wird kein elektrischer Impuls erzeugt. Als Führungsgröße dieser Regelung kann wieder der Anzugsstrom dienen.

Die Stromregelung greift sofort nach dem Funktionstest des Auslösers ein. Ist der Funktionstest positiv, d.h. bewegt sich der Kern, so wird die Auslöserhubmessung durchgeführt, sonst wird die Auslöserhubmessung nicht durchgeführt.

Aufgrund des breiteren Luftspaltes in der Ausgangsposition des Kerns ist der benötigte Anzugsstrom in dieser Stellung wesentlich höher als der benötigte Haltestrom in jeder ande- ren Stellung des Kerns. Wird der Anzugsstrom als Führungs¬ größe für die Stromregelung genutzt so wird sich der Kern langsam weiter vorwärts bewegen.

Um den Stößel 4 bis hin zur Berührung mit dem Element 7 zu bewegen, muß der eingestellte Stromwert, d.h. die Führungs¬ größe des Regelkreises so hoch gewählt werden, daß vermieden wird, daß die Feder 18 den Kern 2 zurückbewegt. Der Stromver¬ lauf darf nicht unter den Stromwert absinken der gerade not¬ wendig ist, um den Kern in dieser Position zu halten.

Ziel dieses Verfahrens ist es, den Stößel 4 bis zur Berührung mit dem Element 7 zu bewegen und dabei die Elemente 7, 8 nicht zu entriegeln. Während der Stößel in dieser Position gehalten wird kann der Leerhub als Differenz zwischen der Ausgangsposition und dieser Position mit einem Längenmeßgerät gemessen werden. Um das zu erreichen, muß die Kraft, die der Auslöser entwickelt, kleiner sein als die Gegenkraft der Ele¬ mente 7, 8.

Der Anzugsstrom erzeugt in der Ausgangsposition des Kerns ge¬ rade die notwendige Kraft, um die Gegenkraft der Rückholfeder zu kompensieren und den Kern langsam vorwärts zu bewegen. An einer anderen Position des Kerns erzeugt dieselbe An¬ zugsstromstärke jedoch eine höhere Kraft. Ist die Gegenkraft, die von den Elementen 7, 8 aufgebracht wird, größer als die

vom Auslöser erzeugte Kraft in der Position, in der der Stö¬ ßel und das Element 7 einander berühren, so verharren der Kern und der Stößel in dieser Position. Ist die Gegenkraft, die von den Elementen 7, 8 aufgebracht wird, niedriger als die vom Auslöser erzeugte Kraft so werden die Elemente 7, 8 entriegelt und es muß ein neuer Meßvorgang gestartet werden. Das kann verhindert werden, indem als Führungsgröße des Stromreglers ein geringerer Stromwert gewählt wird. Ein ge¬ ringerer Stromwert bedeutet, daß eine geringere Kraft durch den Auslöser erzeugt wird, jedoch darf diese Kraft nicht ge¬ ringer werden als die zum Halten des Kerns benötigte Kraft.

Die Kraft, die der Auslöser an einer bestimmten Position des Kernes 2 entwickelt, ist proportional zum Quadrat des Stromes F~i ² Somit läßt sich die Kraft relativ einfach über den Strom einstellen, wenn die Position des Kernes bekannt ist. Nach dem Anzugsvorgang vergrößert sich die magnetische Kraft aufgrund der Zunahme des magnetischen Flusses und der Abnahme des Luftspaltes (siehe Fig. 3D, Kurve 23) bei annä- hernd gleichem Stromwert. Wird nun der Stromwert geringer, so sinkt auch die magnetische Kraft.

Es kann auch vorgesehen sein, daß eine Diode und ein ohmscher Widerstand zueinander in Reihe und zur Auslöserspule parallel geschaltet werden, um den exponentiellen Abfall des Stromes einzustellen.

Die magnetische Energie, die in der Spule gespeichert wird, wird jeweils beim Abschalten des elektrischen Impulses in elektrische Energie umgewandelt. Diese elektrische Energie wird in Form von Wärme abgegeben. Werden ein ohmscher Wider¬ stand und eine für den Abschaltvorgang in Durchlaßrichtung geschaltete Diode parallel zur Auslöserspule geschaltet, so wird die elektrische Energie über dem Widerstand in Wärme um- gewandelt. Durch Verändern des Widerstandswertes kann nun die

Zeitkonstante des exponentiellen Stromabfalls eingestellt werden. Hierdurch kann die Zeit eingestellt werden, die bis zum Erreichen der Führungsgröße bzw. des vorgegebenen Strom¬ wertes in der Regelung benötigt wird.

Es kann auch vorgesehen sein, daß ein Stromregler einsetzt wird, der aus einer Vergleichseinrichtung 25, einem Frequenz¬ generator 26 und einer Modulationseinrichtung 27 besteht, (siehe Fig. 4) . Mit der Vergleichseinrichtung 25 wird die Differenz zwischen dem eingestelltem Stromsollwert und dem momentanen Stromwert bestimmt. Diese Differenz ist die erste Eingangsgröße für die Modulationseinrichtung 27. Die zweite Eingangsgröße sind die Rechteckimpulse, die durch den Fre¬ quenzgenerator 26 erzeugt werden. Aufgrund der Stromdifferenz wird die Breite der Rechteckimpulse verändert (moduliert) .

Diese modulierten Impulse werden als zweite Eingangsgröße auf die Steuereinheit 13 gegeben, die ihrerseits ein Signal an den Impulsgeber 5 abgibt.

Es erfolgt eine Pulsweitenmodulation (PWM) , d.h. die Breite der elektrischen Impulse wird in Abhängigkeit von der Strom¬ differenz zwischen dem Sollwert und dem Istwert des Stromes verändert.

Ist der Leerhub gemessen worden, so kann der Strom durch die Spule soweit vergrößert werden, daß die Elemente 7, 8 entrie¬ gelt werden und der Stößel den Arbeitshub durchläuft. Es kann die Position vor der Entriegelung und nach der Entriegelung gemessen werden. Die Differenz dieser beiden Positionen stellt den Arbeitshub dar.