Magnetaktor und Verfahren zu dessen Einsatz an elektrischen Schaltanlagen

Die Erfindung betrifft Schaltvorgänge an Mittelspannungs- Schaltanlagen, insbesondere an modernen Hochleistungs-Schalt ^¬ anlagen mit magnetischen Aktoren zum Ein- und Ausschalten der Anlage. Diese Aktoren weisen bezüglich älterer Federspeicher- Systeme eine überlegene Dynamik auf. Sie sind einfacher auf ^¬ gebaut und damit in der Konstruktion günstiger.

Trotz der neueren Entwicklungen von magnetischen Aktoren bleiben in Verbindung mit Schaltvorgängen in Mittelspannungs- Schaltanlagen grundlegende Probleme erhalten. Hier sind ins ^¬ besondere zu nennen:

1. Unter Einwirkung der Mittelspannung bilden sich bei

Schaltvorgängen in Mittelspannungs-Schaltanlagen zwischen den Elektroden der Leistungsschalter Lichtbögen aus, die das

Elektrodenmaterial schädigen und die Lebensdauer der Anlage begrenzen. Aus diesem Grund ist die Bewegungsgeschwindigkeit der Schaltelektroden möglichst hoch zu wählen, um so die Lichtbögen schnell wieder zu löschen. Aus der hohen Geschwin- digkeit resultieren jedoch vor allem beim Anschlag der

Schaltelektroden in der Endstellung, der ausgeschalteten Stellung, hohe Beschleunigungen mit negativem Vorzeichen, die auch als Bremsbeschleunigungen bezeichnet werden. Diese betreffen die beweglichen Aktorkomponenten und ebenso die be- weglichen Übertragungskomponenten. Dadurch wird eine außerordentlich hohe Belastung für Material und Konstruktion dargestellt. Die Lebensdauer wird eingeschränkt und die Kosten der Konstruktion erhöhen sich. 2. Die Anforderung an die durchschnittliche Lebensdauer von heutigen Mittelspannungs-Schaltanlagen bezüglich der zu erwartenden Betriebszeit ist hoch. Hier werden beispielsweise mehr als 25 Jahre erwartet. Bei derart langen Standzeiten ist es von großer Wichtigkeit, jederzeit den korrekten Betrieb der Anlagen sicher zu stellen. Dabei kann bereits im Vorfeld ein bevorstehender Ausfall einer Anlage signalisiert werden, so dass eine rechtzeitige Wartung ermöglicht wird. Hierzu sind bisher lediglich teure und fehleranfällige Modelle für entsprechende Zusatzsensorik bekannt.

Das unter 1. genannte Problem der Belastung der Schaltelektro ^¬ den durch Lichtbögen wird zum einen durch Überdimensionierung der beweglichen Komponenten erreicht. Hierbei werden beispielsweise eine massive Befestigung von mitbewegten Kompo ^¬ nenten in Form von größeren Querschnitten bei Kraft übertragenden Teilen oder Hochleistungsmaterialien wie faserverstärkte Karbonfasern eingesetzt. Zum anderen werden passive Dämpfer, beispielsweise Gasdämpfer, eingesetzt, um die Be ^¬ schleunigungen beim Auftreffen der Schaltelektroden in der Endlage zu reduzieren.

Das unter 2. genannte Problem wird derzeit durch zusätzliche Sensorik erfasst. Beispielsweise werden zusätzliche Schalter verwendet, welche die Bewegungsdauer/Time of Flight messen, oder eine Positionssensorik, um bei Auftreffen der Elektroden die Traj ektorie/Bahnkurve des Aktors aufzuzeichnen. Eine Lösung gegen die hohen Bremsbeschleunigungen beim Schalten von Magnetaktoren ist bisher nicht bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Belastungen an Leistungsschaltern im Mittelspannungsbereich zu verringern und die Standzeiten auf einem hohen Niveau zu halten oder zu verbessern .

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die jeweiligen Gegenstände der unabhängig formulierten Patentansprüche.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mit einer virtuellen Sensorik und mit einer angepassten Auswertelogik eine Selbstüberwachung für einen Magnetaktor intern reali- sierbar ist, wobei Daten der virtuellen Sensorik gelesen und ausgewertet werden, um damit eine aktive Überwachung bzw. ei ^¬ ne aktive Regelung der Bestromung des Magnetaktors zu betreiben .

Zur Realisierung der Erfindung wird ein marktüblicher bistabiler Linearaktor betrieben, bei dem bevorzugt durch Einfügen eines Shunt-Widerstandes in ein oder mehrere der vorhandenen

Anwendungen, beispielsweise eine Strommessung, eine Datenauf- nähme ermöglicht wird. Der hierüber gemessene Stromverlauf 1-^ wird digitalisiert und in eine Auswertelogik übertragen.

Stromkreise sind an der mindestens einen oberen Aktorspule des Magnetaktors und an der mindestens einer unteren Ak ^¬ torspule des Magnetaktors vorhanden. Weiterhin ergibt sich ein Stromkreis durch die Strommessung, die zweckmäßigerweise in der Spule abgegriffen wird, die eine Bewegung des Ankers initiiert .

Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch den Einsatz einer Bremsumpolung, die mit einer, der oberen oder der unteren

Spule, auf den Aktor einwirkt. Durch die Bremsumpolung wird erreicht, dass der Anker des Magnetaktors nicht durch eine initiierende Bestromung einer ausgewählten Spule beschleunigt wird und mit maximaler Geschwindigkeit auf irgendein Mittel zur Bestimmung der Endstellung auftrifft. Anders ausgedrückt wird vermieden, dass eine mechanisch sehr hohe Belastung durch rein mechanisches Abbremsen des Ankers geschieht.

Eine Schaltung zur Bremsumpolung wird an einer entsprechenden Spule eines Magnetaktors eingesetzt, die diesen stabil bei ^¬ spielsweise in der Aus-Stellung der Mittelspannungs- Schaltanlage hält.

Es ist besonders vorteilhaft, den gemessenen Stromfluss 1-^ zu jedem Zeitpunkt auszuwerten und gegen eine hinterlegte Refe ^¬ renzkurve I _re f (t) zu vergleichen. Weicht die Stromkurve, im

Vergleich mit eventuell festgesetzten Schwellwerten, um einen festgelegten Betrag ab, so entspricht dies einem Fehlerfall. Ein Fehlerfall kann in einem fehlenden oder gebrochenen Verbindungskabel liegen oder die Bewegungstraj ektorie ist zu frühzeitig durch einen mechanischen Fehler gestoppt worden, womit in der Spule die rückinduzierten Ströme abgesenkt wor- den sind. Eine Auswertelogik setzt dann über eine geeignete Ausgabeschnittstelle eine Fehlermeldung ab. Damit wird eine Wartung veranlasst, die aktuelle Probleme an eine Schaltanla ^¬ ge adressiert. Weiterhin ist besonders vorteilhaft, wenn die Messdaten über ein in der Auswertelogik hinterlegtes inverses Modell des Magnetaktorsystems ausgewertet werden.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass lediglich ein Magnetkreis entsprechend einer Spule ausgewertet wird, sodass beispielsweise lediglich an der obe ^¬ ren Aktorspule eine Strommessung vorgesehen ist. Zur Erhöhung der Genauigkeit einer Messung lassen sich in einer anderen Variante der Erfindung auch beide Messkreise gleichzeitig auswerten.

Auf der Basis des inversen Modells in Verbindung mit der Strommessung an einer Aktorspule können in vorteilhafter Weise die Geschwindigkeit des Ankers und durch AufIntegration die Position des Ankers innerhalb des Magnetaktors ermittelt werden. In einer anderen Ausführung wird die gemessene Maximalgeschwindigkeit gegen eine hinterlegte Referenzgeschwin ^¬ digkeit verglichen. Die Referenzgeschwindigkeit oder auch an ^¬ dere Referenzdaten werden in Versuchsserien für eine korrekte Funktionsweise als genügend abgesichert ermittelt. Bei Unter ^¬ schreiten einer maximalen Geschwindigkeit, die als Referenzgeschwindigkeit angegeben ist, wird eine Fehlermeldung abge ^¬ setzt, mit der gleichzeitig ein bestimmtes Problem adressiert ist .

Wesentliche Vorteile ergeben sich aus der Variante der Erfin ^¬ dung, bei der das inverse Modell derart genutzt wird, dass die Aktortraj ektorie/Bahnkurve als Grundlage für eine Parame- terbestimmung genutzt wird. Dazu wird in der Auswertelogik beispielsweise ein parametrisches Modell der Mechanik hinter ^¬ legt. Durch Variation der Parameter wird durch das Verfahren des kleinsten Fehlerquadrates ein Parametersatz ermittelt, der die gemessene Aktor-Traj ektorie optimal reproduziert.

Durch Vorgabe von bestimmten Fenstern wird überprüft, ob die Parameter sich im gewünschten Bereich befinden.

Vorteilhafterweise ist einer der Parameter die Dämpfung des mechanischen Systems. Bei typischen Fehlerfällen, basierend auf Korrosion oder Verschmutzung durch Eindringen von Fremdkörpern, steigt zunächst die Dämpfung des Systems an. Damit überschreitet der Dämpfungswert einen vorgegebenen Referenzwert und es wird eine entsprechende Fehlermeldung abgesetzt, welche eine Adressierung des bestimmten, ermittelten Fehlers enthält.

Wesentliche Vorteile ergeben sich daraus, dass auf der Basis von Messwerten, die mittels der virtuellen Sensorik aufgenommen sind, wie beispielsweise das Positionssignal x(t), eine Überschreitung einer Referenzposition überwacht werden kann. Ist diese Referenzposition erreicht, so wird die Bestromung der entsprechenden Aktorspule, für die die Bremsumpolung vorgesehen ist, umgepolt. Die Kraftwirkung des Aktors auf die Mechanik wechselt daraufhin das Vorzeichen, sodass die

Schaltelektrode ab sofort nicht mehr aktiv angetrieben wird, sondern gebremst wird. Die Überwachung der Position unter Vergleich gegen eine Referenzposition stellt dabei sicher, dass die Bremswirkung bzw. umgekehrte Beschleunigung zum richtigen Zeitpunkt eingebracht wird. Diese hat in Bezug auf Fehlfunktionen des Aktorsystems sicherheitsrelevante Quali ^¬ tät .

Die vorteilhafte Einbringung einer Bremswirkung in das Magnetaktor getriebene Schaltsystem für Mittelspannungs- Schaltanlagen weist im Wesentlichen zwei Vorteile auf:

Zum einen wird die Geschwindigkeit des Aktors bzw. des Ankers und einer damit verbundenen Hubstange sowie von Elektroden und Kraftübertragungselementen vor Erreichen der Endposition einer Schaltelektrode herabgesetzt. Die Beschleunigung beim mechanischen Auftreffen auf die Endposition wird somit reduziert, was eine Reduktion der mechanischen Belastung zur Folge hat .

Des Weiteren ermöglicht die Umpolung der angelegten Spannung analog zur elektrischen Bremsung bei Elektrofahrzeugen eine Energierekuperation . Dies hat zur Folge, dass die Anforderungen an die bereitzustellende elektrische Antriebsleistung so- wie die Anforderungen an die elektrischen Energiespeicher/Kondensatoren sinken, was eine positive Auswirkung auf die Kosten des Aktorsystems zur Folge hat.

Eine weitere Ausführung der Erfindung sieht vor, dass die Einbringung einer Bremswirkung nicht nach dem Erreichen einer bestimmten Position des Ankers beginnt, sondern nach einer festen, eingestellten Zeit. Diese Zeit beginnt mit der Aktorbewegung zu laufen. Der Beginn der Aktorbewegung wird wie folgt detektiert: Es wird eine Referenzkurve hinterlegt, die bei fixiertem Aktor aufgenommen ist und sobald die real ge ^¬ messene Stromkurve aus der virtuellen Sensorik um einen geeigneten, ausgewählten Betrag abweicht, kann davon ausgegangen werden, dass der Magnetaktor sich bewegt. Durch diese Bewegung wird in der Spule nach der Lenz ' sehen Regel eine Ge- genspannung detektiert, die zu einem Absinken des Spulenstroms führt. Dieser Zeitpunkt wird als Nullpunkt der Zeit ^¬ messung angenommen.

Es ist vorteilhaft, die beschriebene Bremswirkung nach einer festgelegten Zeit nach Beginn der Bestromung der Aktorinitiierenden Spule zu starten. Die Ermittlung dieser Zeit basiert auf Daten der virtuellen Sensorik und besteht so weitgehend aus sicheren Messwerten.

Im Folgenden werden anhand der begleitenden, schematischen, die Erfindung nicht einschränkenden Figuren Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigen: einen bistabilen Magnetaktor 10 mit Strommessung 6 sowie mit einer Schaltung zur Umpolung der Spannung, sodass eine Aktivierung der Bremsfunktion 7 darstellbar ist; eine schematische, nicht maßstabsgetreue Ansicht eines Magnetaktors 10 mit einer stirnseitig posi ^¬ tionierten, mit dem Anker bewegbaren Hubstange 9, wobei ein Hub über den Hebel 13 auf eine Schalter ^¬ elektrode 11 einer elektrischen Schaltanlage über ^¬ tragbar ist.

Moderne, Hochleistungs-Mittelspannungs-Schaltanlagen werden mit Magnetaktor betrieben. Diese elektromagnetischen Aktoren verfügen über eine hohe Dynamik und sind einfach aufgebaut, sodass sie günstig herstellbar sind. Zur Vermeidung von negativen Einwirkungen bei einer Mittelspannungs-Schaltanlage sind insbesondere die Zeiten der Schaltvorgänge, bei denen sich zwischen den Elektroden der Mittelspannungs- Leistungsschalter Lichtbögen bilden, zu reduzieren. Damit kann eine längere Standzeit des Elektrodenmaterials und damit die Lebensdauer der Anlage erhöht bzw. verbessert werden. Zur Realisierung einer sehr hohen Standzeit einer Mittelspan- nungs-Leistungs-Schaltanlage ist gleichzeitig die Einführung einer ständigen Kontrolle bzw. Überwachung sinnvoll.

Die Figur 1 zeigt die Ausführung eines Magnetaktors entspre- chend der Erfindung.

Die Figur 2 zeigt einen Magnetaktors 10, dessen Hub auf eine Schaltelektrode 11 einer Mittelspannungs-Schaltanlage zum Ein/Aus-Schalten übertragbar ist. Die Erfindung liefert die wesentliche Lösung für die Verrin ^¬ gerung der mechanischen Belastung von Schaltelektroden 11, welche zur Verkürzung von Lichtbögen, insbesondere beim Ausschalten von Mittelspannungs-Schaltanlagen, auftreten. Die mechanische Belastung tritt bisher darin auf, dass der Aus ^¬ schaltvorgang durch eine hohe Geschwindigkeit der Schalt ^¬ elektrode verkürzt wird, sodass sich auch die Dauer des

Lichtbogens verkürzt. Damit trifft jedoch die Schaltelektrode mit hoher Geschwindigkeit auf einen Anschlag für die Endstel ^¬ lung im ausgeschalteten Zustand auf. Erfindungsgemäß wird ei ^¬ ne virtuelle Sensorik angewandt, die durch Strom oder Stromprofilmessung mit Messdaten versorgt wird und mit entspre ^¬ chender Auswertelogik ausgelesen und ausgewertet wird. Dies liefert gleichzeitig die Daten für eine Bremsumpolung 7, so ^¬ dass der Anker vor Erreichen seiner stabilen Halteposition abgebremst wird und nicht mit maximaler Geschwindigkeit auf ^¬ trifft. Auf Grundlage der Strommessung in Verbindung mit der virtuellen Sensorik ergibt sich eine aktive Überwachung oder eine aktive Regelung des Magnetaktors.

In Figur 1 ist im Schnitt ein bistabiler, elektromagnetischer Linearaktor dargestellt. Dieser Linearaktor besteht aus einem Joch 1, einem Anker 2, einer monolithisch mit dem Anker 2 verbundener Hubstange 9, die stirnseitig zu beiden Seiten übersteht sowie einer oberen Aktorspule 3 und einer unteren Aktorspule 4. Weiterhin ist der Anker 2 an seiner Umfangsflache mit Permanentmagneten 5 belegt. Der Anker 2 kann bistabil entweder oben oder unten, je nach

Bestromung der oberen Aktorspule 3 oder der unteren Aktorspule 4, gehalten werden. Durch die Belegung des inneren Ankers 22 mit Permanentmagneten 5 kann die stabile Fixierung in Endstellung stromlos erfolgen. Der effektive Hub des Magnetsys- tems wird über die Hubstange 9 an eine Mittelspannungs- Schaltanlage übertragen. Dazu ist die Hubstange 9 mit einer Schaltelektrode 11 der Mittelspannungs-Schaltanlage direkt oder indirekt verbunden. Weiterhin ist in Figur 1 sichtbar, dass die obere Aktorspule

3 mit einer Schaltung zur Strommessung 6 mittels eines Shunt- widerstandes R geschaltet ist. Diese Schaltung kann für sich über einen Schalter T _] _ ein- und ausgeschaltet werden. Entsprechend der Erfindung kann die Strommessung ein- oder mehrfach an einer oder mehreren Spulen eines Magnetaktors 10 angekoppelt werden. An der unteren Aktorspule 4 ist die

Bremsumpolung 7 angekoppelt, die in Form einer üblichen

Bremsumpolung realisiert ist. Die Bremsumpolung sorgt dafür, dass im Bereich der Aktorspule an der die Bremspolung angekoppelt ist, der Anker 2 beim Auftreffen auf die Endposition an dieser Spule vorher abgebremst wird. In dem in Figur 1 dargestellten Fall befindet sich der Aktor 2 mit der Hubstan- ge 9 in der unteren bistabilen Lage im Bereich der unteren Aktorspule 4.

Die in Figur 1 dargestellte Ausführung eines Magnetaktors 10 kann somit einen Hub in beiden Richtungen übertragen. Das Di- mensionierungsverhältnis zwischen der oberen und der unteren Aktorspule 3, 4 kann individuell eingestellt werden.

Bei gleichzeitiger Betrachtung der Figuren 1 und 2 ist erkennbar, dass sich der Anker 2 mit der Hubstange 9 relativ zum Magnetaktor 10 in der unteren Stellung befindet, was eine geöffnete Schaltstellung für die Schaltelektrode 11 bedeutet. Das heißt, der Schaltspalt 12 ist in diesem Zustand vorhanden und der Schalter ist geöffnet. Eine Variante der Erfindung ist mit einem in der Auswertelo ^¬ gik hinterlegten inversen Modell gekoppelt bzw. wird damit ausgewertet. Das inverse Modell ist nach der folgenden Glei ^¬ chung aufgebaut:

Die Daten bedeuten im Einzelnen: X : die Position des Ankers 2,

X : die Geschwindigkeit,

R _{ma es} (x,l) den magnetischen Widerstand des jeweiligen Magnetkreises in Abhängigkeit von der Position x sowie dem Strom I der jeweiligen Aktorspule, N : die Anzahl der Wicklungen der Aktorspule 3, 4,

R : den Ohmschen Widerstand der Aktorspule 3, 4,

U _Q : die von außen an die Aktorspule 3, 4 angelegte

Spannung . Die hier angelegte Spannung ergibt sich für den Spezialfall, dass lediglich ein Magnetkreis ausgewertet wird. Wie in Figur 1 dargestellt, ist lediglich im oberen Magnetkreis an der oberen Spule eine Strommessung vorgesehen. Analog lassen sich als Ausführungsvarianten der Erfindung auch beide Magnetkrei- se gleichzeitig auswerten, um so die Genauigkeit weiter zu erhöhen .

Allgemein kann zu jedem Zeitpunkt auf die oben beschriebene

Weise die Geschwindigkeit X und durch AufIntegration die Po- sition X des Aktors ermittelt werden. In ähnlicher Weise kann die gemessene maximale Geschwindigkeit v _max gegen eine hinterlegte Referenzgeschwindigkeit v _re f verglichen werden. Referenzwerte oder Referenzkurven werden vorher in Versuchsserien für eine korrekte Funktionsweise ermittelt, sodass sie ausreichend abgesichert sind. Bei Unterschreiten eines Soll ^¬ wertes wie beispielsweise einer Geschwindigkeit, wenn also die maximale Geschwindigkeit kleiner als die Referenzge ^¬ schwindigkeit ist, wird eine Fehlermeldung abgesetzt.

2x

Das inverse Modell lässt sich weiterhin derart nutzen, dass die Bahnkurve x(t) als Grundlage für eine Parametrierung ge- nutzt wird. Hierbei wird in der Auswertelogik ein parametrisches Modell der Mechanik hinterlegt. Durch Variation der Parameter wird beispielsweise durch die Methode des kleinsten Fehlerquadrates ein Parametersatz ermittelt. Dieser gibt den optimalen Satz an Parametern wieder, mit dem die gemessene Bahnkurve optimal reproduzierbar ist. Ein wesentlicher Faktor ist die Dämpfung, sodass dieser Parameter zweckmäßigerweise für das mechanische System ausgewählt wird. Dies bedeutet, dass die Überschreitung eines Dämpfungswertes eine Fehlermel ^¬ dung initiiert.

??

Das Positionssignal x(t) aus dem inversen Modell kann auf die Überschreitung einer Referenzposition hin überwacht werden. Ist diese Referenzposition erreicht, so kann zur Abbremsung die Bestromung einer Aktorspule umgedreht werden. Die Kraft- Wirkung des Aktors bzw. des Ankers mit seiner Hubstange wech ^¬ selt daraufhin das Vorzeichen, d.h. die Elektroden werden nun nicht mehr aktiv angetrieben, sondern gebremst. Die Überwachung der Position mit gleichzeitigem Vergleich gegen eine Referenzposition stellt dabei sicher, dass die Bremswirkung bzw. die umgekehrte Beschleunigung nicht zu einem falschen Zeitpunkt angebracht wird. Dies würde potentiell zu einer gravierenden sicherheitsrelevanten Fehlfunktion führen.

Insgesamt betrifft die Erfindung die Anwendung einer virtuel- len Sensorik, wobei die Messung des Stromflusses 6 in der entsprechenden Aktuierungsspule, der oberen oder der unteren Aktorspule 3, 4, ausgewertet wird. Die Nutzung des von der virtuellen Sensorik gelieferten Signals trägt zur Selbstüberwachung des Aktorsystems bei sowie zur Detektion von Fehlerfällen. Durch die aktive magnetische Bremsung des Schaltersystems durch den Magnetaktor kann durch Unterstützung von Seiten der virtuellen Sensorik eine Regelung oder eine Steuerung ausgeführt werden.