ZEHNDER, Lukas (Dorfstrasse 28, Baden-Dättwil, CH-5405, CH)
VOGELSANG, Ruben (Paradiesstrasse 22, Schafisheim, CH-05503, CH)
SCHOENEMANN, Thomas (Paradiesstrasse 22, Schafisheim, CH-5503, CH)
STANEK, Michael (Birkenweg 4B, Gebenstorf, CH-5412, CH)
KRZYSZTOF, Guzek (Spitzenwiesstrasse 43, Jona SG, CH-8645, CH)
ZEHNDER, Lukas (Dorfstrasse 28, Baden-Dättwil, CH-5405, CH)
VOGELSANG, Ruben (Paradiesstrasse 22, Schafisheim, CH-05503, CH)
SCHOENEMANN, Thomas (Paradiesstrasse 22, Schafisheim, CH-5503, CH)
STANEK, Michael (Birkenweg 4B, Gebenstorf, CH-5412, CH)
| PATENTANSPRüCHE
5
1 . Leistungsschalter (1 ), umfassend ein Abbrandkontaktsystem (2a) und einen mechanischen Antrieb (1 1 ) zum Bewegen mindestens eines der Abbrand- kontakte, wobei der mechanische Antrieb (1 1 ) einen mechanischen Energiespeicher (14), ein Auslöseelement (1 3) und ein Kraftübertragungselement (1 5)
10 zum bewegbaren Abbrandkontakt aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
Mittel zum Bestimmen eines Kontaktabbrands vorhanden sind, welche umfassen:
• einen Sensor (9) zur Erfassung eines Referenzzeitpunkts (tri ,..., tr x ), zu dem das Kraftübertragungselement (1 5) eine vorgegebene Position
/5 durchläuft, und
• einen Stromsensor (10) zur Erfassung eines Primärstroms durch den Leistungsschalter (1) und zur Erfassung eines Schaltzeitpunkts (tai ,..., ta x ) bei dem der Primärstrom ein Schliessen oder ein öffnen der Kontakte des Abbrandkontaktsystems (2a) charakterisiert, und 0 • eine Signalerfassungseinheit (4) zur Bestimmung eines Abbrandzustand der Abbrandkontakte (2a) aus der Zeitdifferenz ((ta x -tr x ) - (tai-tn)).
2. Leistungsschalter (1 ), umfassend ein Abbrandkontaktsystem (2a) und einen mechanischen Antrieb (1 1 ) zum Bewegen mindestens eines des Abbrand- 5 kontakte, wobei der mechanische Antrieb (1 1 ) einen mechanischen Energiespeicher (14), ein Auslöseelement (1 3) und ein Kraftübertragungselement (1 5) zum bewegbaren Abbrandkontakt aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Bestimmen eines Kontaktabbrands vorhanden sind, welche umfassen:
30 • einen Sensor (9) zur Erfassung eines Referenzzeitpunkts (tri,..., tr x ), zu dem ein Auslösebefehl für die Auslöseeinheit (1 3) vorhanden ist, wobei • ein Stromsensor (10) zur Erfassung eines Primärstroms durch den Leistungsschalter (1 ) und zur Erfassung eines Schaltzeitpunkts (tai,..., ta x ) bei dem der Primärstrom ein Schliessen oder ein öffnen der Kontakte des Abbrandkontaktsystems (2a) charakterisiert, und
5 • eine Signalerfassungseinheit (4) zur Bestimmung eines Abbrandzustand der Abbrandkontakte (2a) aus der Zeitdifferenz ((ta x -tr x ) - (tai-tn)), wobei
• Mittel zur Erfassung mindestens eines Betriebsparameters für den mechanischen Antrieb (1 1) und gegebenenfalls zur Korrektur des Referenzzeitpunkts (tri t ...,tr x ) aufgrund einer Abweichung zwischen Ist—
10 und Sollwert des Betriebsparameters vorhanden sind.
3. Leistungsschalter (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
• die Betriebsparameter die Temperatur des mechanischen Antriebs und/oder die Versorgungsspannung für das Auslöseelement (1 3)
/5 und/oder den Ladezustand des Energiespeichers sind.
4. Leistungsschalter (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass
• der mechanischer Antrieb (1 1 ) ein Federspeicherantrieb ist, wobei das Auslöseelement (1 3) zum Lösen einer Verriegelung für den Feder- 0 energiespeicher (14) oder zum öffnen eines Hydraulikventils zur
Richtungsumkehr der Kraftübertragung bei Einschalt- oder Ausschaltvorgang dient.
5. Verfahren zur Messung des Kontaktabbrandes eines elektrischen 5 Leistungsschalters (1 ) welcher Abbrandkontakte und einen mechanischen
Antrieb (1 1 ) zum Bewegen mindestens eines der Abbrandkontakte, wobei der mechanische Antrieb (1 1 ) einen mechanischen Energiespeicher (14), ein Auslöseelement (1 3) und ein Kraftübertragungselement (1 5) zum bewegbaren Abbrandkontakt aufweist, wobei 0 -ein Nennstromkontaktsystem (2n) vorhanden ist, wobei
-Referenzzeitpunkte (tn ,..., tr x ) vorhanden sind, die das Auftreten eines Schaltvorganges charakterisieren, wobei - Schaltzeitpunkte (tai,..., ta x ) bestimmt werden, die ein Schliessen oder ein
öffnen der Kontakte des Abbrandkontaktsystems (2a) charakterisieren, wobei 5 -bei einem Schaltvorgang des Leitungsschalters (1 ) eine initiale Zeitdifferenz
(tai-tri) zwischen dem Referenzzeitpunkt (tri) dieses Schaltvorganges und dem Schaltzeitpunkt (tai) dieses Schaltvorganges bestimmt wird, wobei -für einen weiteren Schaltvorgang eine momentane Zeitdifferenz (ta x -tr x ) zwischen dem Referenzzeitpunkt (tr x ) dieses Schaltvorganges und dem 10 Schaltzeitpunkt (ta x ) dieses Schaltvorganges bestimmt wird und wobei
-aus einer Abweichung der momentanen Zeitdifferenz (ta x -tr x ) von der initialen Zeitdifferenz (tai-tn) ein Abbrandzustand der Abbrandkontakte
(2a) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, /5 dass die Schaltzeitpunkte (tai ,..., ta x ) durch Messung eines durch die
Abbrandkontakte (2a) fliessenden Einschaltstromes oder durch Messung einer zeitlichen Ableitung des Einschaltstromes bestimmt werden.
6. Verfahren zur Messung des Kontaktabbrandes nach Anspruch 5, 0 dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltvorgang ein Einschaltvorgang ist und dass die Schaltzeitpunkte (tai ,..., ta x ) bestimmt werden, die das Schliessen der Kontakte des Abbrandkontaktsystems (2a) charakterisieren.
7. Verfahren zur Messung des Kontaktabbrandes nach Anspruch 5 oder 6, 5 dadurch gekennzeichnet, dass ein Schwellwert (ta s ) für die Abweichung der momentanen Zeitdifferenz (ta x -tr x ) von der initialen Zeitdifferenz (tai-tn) definiert wird, welcher einer kritischen Abbrandlänge der Abbrandkontakte (2a) entspricht, und dass beim überschreiten des Schwellwertes (ta s ) ein Signal ausgegeben wird.
30
8. Verfahren zur Messung des Kontaktabbrandes nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal für zwei Zustände, nämlich oberhalb und unterhalb des Schwellwertes (ta s ) oder für drei Zustände, unterhalb eines ersten Schwellwertes (ta s ), oberhalb eines zweiten Schwellwertes (ta s ) und zwischen dem ersten und dem zweiten Schwellwert (ta s ) ausgegeben wird.
9. Verfahren zur Messung des Kontaktabbrandes nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzzeitpunkte (tri,..., tr x ) die Einleitung eines Schliessvorganges charakterisieren.
I O.Verfahren zur Messung des Kontaktabbrandes nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die initiale Zeitdifferenz (tai-tn) zwischen dem Referenzzeitpunkt (tri) und dem Schaltzeitpunkt (tai) beim erstmaligen Schliessvorgang des Leitungsschalters (1 ) bestimmt wird.
I 1 .Verfahren zur Messung des Kontaktabbrandes nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Einschaltstrom während des Lichtbogenziehens oder bei Erreichen des Sättigungsstromes bei Kontaktberührung der Abbrandkontakte (2a) bestimmt wird.
1 2. Verfahren zur Messung des Kontaktabbrandes nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Einschaltstrom mit einem Stromwandler (10) oder die zeitliche Ableitung des Einschaltstromes mit einer Rogowskispule (10) gemessen wird.
1 3. Verfahren zur Messung des Kontaktabbrandes nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktabbrandmessung durchgeführt wird, während der Leistungsschalter (1 ) im Betrieb ist.
14. Verfahren zur Anzeige des Kontaktabbrandes eines Leistungsschalters (1), , welcher Leistungsschalter (1 ) ein Kontaktsystem (2a, 2n), eine Signalerfassungseinheit (4) zur Abbrandbestimmung des Kontaktsystems (2a, 2n) und eine Anzeigeeinheit (5) aufweist, wobei ein Messsignal bestimmt wird, 5 welches einen Abbrandzustand der Abbrandkontakte (2a) charakterisiert, dadurch gekennzeichnet, -dass für das Messsignal mindestens ein Unbedenklichkeitsintervall (8b) und mindestens ein Warnintervall (8a) bestimmt wird,
-dass auf der Anzeigeeinheit ein Warnsignal ausgegeben wird, wenn das 10 Messsignal im Warnintervall (8a) liegt, wobei das Warnsignal eine beschränkte
Anzahl von noch zulässigen Schaltvorgängen signalisiert und die Anzeigeeinheit (5) im Bereich des Leistungsschalters (1 ) angeordnet ist.
1 5. Verfahren zur Anzeige des Kontaktabbrandes nach Anspruch 14, dadurch /5 gekennzeichnet, dass das Messsignal eine Abweichung gemäss einem der
Ansprüche 1 bis 9 ist.
16. Verfahren zur Anzeige des Kontaktabbrandes nach einem der Ansprüche 14 oder 1 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Unbedenklichkeitssignal 0 ausgegeben wird, falls das Messsignal im Unbedenklichkeitsintervall (8a) liegt.
1 7. Verfahren zur Anzeige des Kontaktabbrandes nach Anspruch 1 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Warnsignal und/oder das Unbedenklichkeitssignal 5 als optisches, insbesondere farbliches, und/oder akustisches Signal ausgegeben wird.
1 8. Verfahren zur Anzeige des Kontaktabbrandes nach einem der Ansprüche 14 bis 1 7, dadurch gekennzeichnet, dass es genau ein Warnintervall (8a) und 30 genau ein Unbedenklichkeitsintervall (8b) gibt, und insbesondere dass diese durch zwei unterschiedliche Farben signalisiert werden.
1 9. Verfahren zur Anzeige des Kontaktabbrandes nach einem der Ansprüche 14 bis 1 8, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Warnintervall (8b), ein Unbedenklichkeitsintervall (8a) und ein dazwischenliegendes 5 Bedenklichkeitsintervall gibt, und insbesondere dass diese durch drei unterschiedliche Farben signalisiert werden.
20. Elektrischer Leistungsschalter (1 ) nach einem der Ansprüche I bis 4 mit einer Signalerfassungseinheit (4) zur Bestimmung eines Messsignals, welches einen
10 Abbrandzustand der Abbrandkontakte charakterisiert, und einer
Anzeigeeinheit (5) zum Anzeigen des Kontaktabbrandes, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalerfassungseinheit (4) Rechenmittel zur Zuordnung des Messsignals zu einem Warnintervall (8a) oder einem Unbedenklichkeitsintervall (8b)
/5 aufweist und dass die Anzeigeeinheit (5) Mittel zur optischen und/oder akustischen Ausgabe eines Warnsignals aufweist.
21 . Elektrischer Leistungsschalter (1 ) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, 0 dass die Signalerfassungseinheit (4) Mittel zur Ausführung des
Messverfahrens gemäss einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.
22. Elektrischer Leistungsschalter (1) nach einem der Ansprüche 19 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigeeinheit ein Unbedenklichkeitssignal 5 oder kein Signal ausgibt, wenn das Messsignal im Unbedenklichkeitsintervall
(8b) liegt.
23. Elektrischer Leistungsschalter (1 ) nach einem der Ansprüche 20 bis 22 dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigeeinheit (5) das Warnsignal 0 und/oder ein Unbedenklichkeitssignal akustisch und/oder optisch, insbesondere farblich, anzeigt.
24. Elektrischer Leistungsschalter (1 ) nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechenmittel zur Zuordnung des Messsignals zu einem Warnintervall (8a), einem Unbedenklichkeitsintervall (8b) oder einem dazwischenliegenden Bedenklichkeitsintervall ausgelegt sind, und dass die Anzeigeeinheit (5) zur Ausgabe eines dreistufigen Signals, insbesondere dreier unterschiedlicher Farben, ausgelegt ist. |
VERFAHREN ZUR BESTIMMUNG DES KONTAKTABBRANDES AN EINEM HOCHLEISTUNCSSCHALTER
B E S C H R E I B U N G
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Hochspannungsschaltertechnik, insbesondere der Leistungsschalter in Energieverteilungsnetzen. Sie bezieht sich auf eine Vorrichtung, eine Anzeige und ein Verfahren zur überwachung eines Hochleistungsschalters gemäss dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
Um Abschnitte eines elektrischen Energieversorgungssystems vom übrigen Energieversorgungssystem abzuschalten oder zuzuschalten, werden üblicherweise Leistungsschalter eingesetzt. Im Betrieb und während des Ein- und Ausschaltens unterliegt der Leistungsschalter dabei unterschiedlichen technischen
Anforderungen. So müssen zum einen die Schaltkontakte eine hohe Wärme- und Abbrandbeständigkeit aufweisen, um beim Ein- und Ausschalten des Leistungsschalters den hohen Temperaturen des Lichtbogens widerstehen zu können. Zum anderen sollen die Kontakte des Leistungsschalters einen möglichst kleinen elektrischen Widerstand aufweisen, um ohmsche Verluste bei
Dauerstromfluss im eingeschalteten Zustand des Leistungsschalters zu minimieren.
Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, weisen Leistungsschalter eine Aufteilung des Kontaktsystems in ein Abbrand- und ein Nennstromkontaktsystem auf. Der Schalter ist so konstruiert, dass das Nennstromkontaktsystem bei der Stromführung massgeblich ist, während in der Phase des Schaltens der Lichtbogen zwischen den Abbrandkontakten gezogen wird und somit dann das Abbrand kontaktsystem massgeblich ist. Weiterhin verhindert das Abbrandkontaktsystem ein Lichtbogenbrennen zwischen den Nennstromkontakten. Um diese Funktion zu gewährleisten, tritt beim Ein- und Ausschalten eine zeitliche Verzögerung zwischen der Trennung bzw. Kontaktierung des Nennstromkontaktsystems und der Trennung bzw. Kontaktierung des
Abbrandkontaktsystems auf. Die zeitliche Differenz wird auch überlappungszeit- und die örtliche Differenz überlappungslänge genannt.
Um die richtige Funktion des Leistungsschalters sicherzustellen, darf eine bestimmte kritische überlappungszeit- oder überlappungslänge der Abbrandkontakte nicht unterschritten werden, was einem grossen Abbrand an den Abbrandkontakten entspricht. Zur Messung dieses Abbrandes und damit zur Bestimmung und zur Anzeige der verbleibenden Lebensdauer eines Leistungsschalters sind mehrere Verfahren aus dem Stand der Technik bekannt.
Aus der EP 1318533 ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Abbrandwirkung des Lichtbogens aus Geometrieparametern der dem Lichtbogen ausgesetzten Teile und einer ermittelten Strom-Zeit Funktion mathematisch berechnet werden kann. Der erfolgte Abbrand nach mehreren Schaltvorgängen lässt sich
durch Summation des in allen vorhergehenden Schaltfällen errechneten Abbrandes bestimmen. Der aktuelle Zustand des Schalters wird dabei von einem Monitoringsystem errechnet und beim Erreichen kritischer Messwerte mittels Alarmmeldungen quittiert. Die Schwierigkeit bei diesem Verfahren besteht insbesondere darin, ein Abweichen des tatsächlichen Abbrandes vom berechneten Abbrand für die Bestimmung der Restlebensdauer des Schalters zu berücksichtigen. Abweichungen können dabei durch ungenaue Nachbildung der Geometrieparameter
der dem Lichtbogen ausgesetzten Teile sowie einer fehlerhaften Erfassung der Strom- und Zeitwerte während des Schaltvorganges entstehen. Ferner ist aus der DE 1 0260248 bekannt, dass die Bestimmung des Abbrandes und die Ermittlung der Restlebensdauer von Schaltern (Vakuumschützen) mit nur einem einzigen Schaltkontaktsystem, mittels Durchdrucküberwachung erfasst werden kann. Dabei wird der durch Abbrand an den Schaltkontaktstücken veränderte Federweg gemessen, mit dem eine Durchdruckfeder die Schaltkontaktstücke zusammenpresst. Die Anzeige der jeweiligen Federposition wird mit einem an der Feder befestigten Zeiger vorgenommen, welcher den jeweiligen Wert auf einer Skala kontinuierlich abbildet. Alternativ werden Messmethoden zur kontinuierlichen
Signalerfassung (Positionsbestimmung) wie Piezo-Biegewandler, Lichtschranke und Tauchspule aufgeführt, bei denen zwei Ereignisse beim Ausschaltvorgang beruhend auf einer Zeitintervallmessung gemessen werden. Für die Bestimmung des Abbrandes ergeben sich hierbei die Nachteile, dass der Abbrand nur über Hilfselemente (Bsp. Federweg) erfasst wird, die wiederum bestimmten Toleranz- und zusätzlichen Fehlereinflüssen unterliegen.
In der europäischen Anmeldung Aktennummer 05405679.1 wird der Kontaktabbrand in einem elektrischen Schaltgerät, welches Nennstromkontaktsystem und Abbrandkontaktsystem aufweist, mittels dynamischer Widerstandsmessung (Dynamic Resistance Measurement - DRM) bestimmt. Dazu wird mit einer Widerstandsmessung bei Trennung der Nennstromkontakte und der Abbrandkontakte eine überlappungszeit zwischen Trennung der Nennstromkontakte und der Abbrandkontakte in einem Parallelstrompfad gemessen und daraus der Abbrand bestimmt. Der Nachteil dieser Messmethode ist, dass zur Messung des Abbrandes der Schalter vom Energieversorgungsnetz abgeschaltet- und die Messung vor Ort mit einer Hilfsstromquelle durchgeführt werden muss.
Die EP 1 555 683 A, beschreibt ein Verfahren zur Kontaktabbrandmessung an einem Leistungsschalter der mittels eines Eletromotors angetrieben wird, wobei eine
Zeitdifferenz an den unverschlissenen Lichtbogenkontakten bestimmt wird, und
eine Zeitdifferenz an den abgebrannten Lichtbogenstücken bestimmt wird und aus beiden Zeitdifferenzen die Abbrandlänge bestimmt wird. Als nachteilig im Stand der Technik erweist sich, dass auf Grund des indirekten Messverfahrens, Messung des Antriebsstroms vom Elektromotor der Abbrandzustand nur ungenügend genau bestimmt werden kann.
In der EP 0 694 937 A2 wird ein Verfahren zur Bestimmung der Restlebensdauer von Schützkontakten offenbart, bei dem die Restlebensdauer des Schützes ermittelt und über ein Display am Schaltgerät in %, als Restschaltzahl und als Restbetriebsdauer angezeigt wird.
In der US2OO5/1 221 1 7A wird ein Verfahren zur Bestimmung des Kontaktverschleisses von Schaltgeräten beschrieben, indem die Laufzeitänderung beim Schliessen der Kontakte gemessen wird. Die Laufzeitmessung erfolgt zum einen über Messung des Erregerstroms eines Antriebelektromagneten für die Schaltkontakte und zum anderen über Messung des Stromflusses durch die Schaltkontakte mittels Stromsensoren. Nachteilig im Stand der Technik erweist sich, dass auf Grund des indirekten Messverfahrens, Messung des Erregersstroms vom Elektromagneten, eine nicht genügend genaue Bestimmung des Zeitpunktes des Kontaktschliessens möglich ist. Wünschenswert ist die Messung eines Signales, welches direkt mit der Schliessbewegung der Kontakte zusammenhängt.
Darstellung der Erfindung
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zur überwachung des Kontaktabbrandes in einem elektrischen
Leistungsschalter der eingangs genannten Art zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Messung des Kontaktabbrandes 5 eines elektrischen Leistungsschalters welcher Abbrandkontakte und einen mechanischen Antrieb zum Bewegen mindestens eines der Abbrandkontakte aufweist, wobei der mechanische Antrieb einen mechanischen Energiespeicher, ein Auslöseelement und ein Kraftübertragungselement zum bewegbaren Abbrandkontakt umfasst, wobei ein Nennstromkontaktsystem vorhanden ist, wobei
W Referenzzeitpunkte vorhanden sind, die das Auftreten eines Schaltvorganges charakterisieren, wobei Schaltzeitpunkte bestimmt werden, die ein Schliessen oder öffnen der Kontakte des Abbrandkontaktsystems charakterisieren, wobei bei einem Schaltvorgang des Leitungsschalters eine initiale Zeitdifferenz zwischen dem Referenzzeitpunkt dieses Schaltvorganges und dem Schaltzeitpunkt dieses
/5 Schaltvorganges bestimmt wird, wobei für einen weiteren Schaltvorgang eine momentane Zeitdifferenz zwischen dem Referenzzeitpunkt dieses Schaltvorganges und demSchaltzeitpunkt dieses Schaltvorganges bestimmt wird und wobei aus einer Abweichung der momentanen Zeitdifferenz von der initialen Zeitdifferenz ein Abbrandzustand der Abbrandkontakte bestimmt wird. 0 In einem weiteren Aspekt besteht die Erfindung in einem Leistungsschalter welcher ein Abbrandkontaktsystem und einen mechanischen Antrieb zum Bewegen mindestens eines der Abbrandkontakte umfasst, wobei der mechanische Antrieb einen mechanischen Energiespeicher, ein Auslöseelement und ein Kraftübertragungselement zum bewegbaren Abbrandkontakt aufweist und der 5 Schalter sich dadurch auszeichnet, dass Mittel zum Bestimmen eines Kontaktabbrands vorhanden sind, welche einen Sensor zur Erfassung eines Referenzzeitpunkts, zu dem das Kraftübertragungselement eine vorgegebene Position durchläuft, aufweisen und weiterhin einen Stromsensor zur Erfassung eines Primärstroms durch den Leistungsschalter und zur Erfassung eines Schaltzeitpunkts
30 bei dem der Primärstrom ein Schliessen oder ein öffnen der Kontakte des Abbrandkontaktsystems charakterisiert, aufweisen, sowie eine
Sigrialerfassungseinheit zur Bestimmung eines Abbrandzustandes der Abbrandkontakte aus der Zeitdifferenz. In einer weiteren Ausführungsform weist der Leistungsschalter einen Sensor zur Erfassung eines Referenzzeitpunkts, zu dem ein Auslösebefehl für die Auslöseeinheit vorhanden ist, auf, wobei Mittel zur Erfassung mindestens eines Betriebsparameters für den mechanischen Antrieb und gegebenenfalls zur Korrektur des Referenzzeitpunkts aufgrund einer Abweichung zwischen Ist- und Sollwert des Betriebsparameters vorhanden sind. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind die Betriebsparameter die Temperatur des mechanischen Antriebs und/oder die Versorgungsspannung für das Auslöseelement und/oder den Ladezustand des Energiespeichers. In noch einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der mechanischer Antrieb ein Federspeicherantrieb, wobei das Auslöseelement zum Lösen einer Verriegelung für den Federenergiespeicher oder zum öffnen eines Hydraulikventils zur Richtungsumkehr der Kraftübertragung bei Einschalt- oder Ausschaltvorgang dient. In einem weiteren Aspekt der Erfindung besteht die Erfindung auch darin, dass der Leistungsschalter eine Signalerfassungseinheit zur Bestimmung eines Messsignals aufweist, welche einen Abbrandzustand der Abbrandkontakte charakterisiert, sowie einer Anzeigeeinheit zum Anzeigen des Kontaktabbrandes, wobei die Signalerfassungseinheit Rechenmittel zur Zuordnung des Messsignals zu einem Warnintervall oder einem Unbedenklichkeitsintervall aufweist und wobei die Anzeigeeinheit Mittel zur optischen und/oder akustischen Ausgabe eines Warnsignals aufweist, wenn das Messsignal im Warnintervall liegt. In noch einem weiteren Aspekt besteht die Erfindung auch in einem
Verfahren zur Anzeige des Kontaktabbrandes eines Leistungsschalters, wobei der Leistungsschalter, ein Kontaktsystem, eine Signalerfassungseinheit zur Abbrandbestimmung des Kontaktsystems und eine Anzeigeeinheit aufweist, wobei ein Messsignal bestimmt wird, welches einen Abbrandzustand der Abbrandkontakte
charakterisiert, wobei für das Messsignal mindestens ein Unbedenklichkeitsintervall und mindestens ein Warnintervall bestimmt wird, wobei auf der Anzeigeeinheit ein Warnsignal ausgegeben wird, wenn das Messsignal im Warnintervall liegt und wobei das Warnsignal eine beschränkte Anzahl von noch zulässigen Schaltvorgängen signalisiert.
Der Referenzzeitpunkt des Leistungsschalters zeichnet sich dadurch aus, dass er reproduzierbar bei jedem Schaltvorgang bestimmbar ist. Bevorzugt wird der Referenzzeitpunkt beim Einschaltvorgang, zum Schliessen des Schalters detektiert. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Referenzzeitpunkt direkt durch den Einschaltbefehl an einen Antrieb gegeben. Der Einschaltbefehl kann dann ein Signal in Form einer Strom- oder Spannungsänderung sein, welches z.B. in der Spule des Antriebes vom Leistungsschalter ausgelöst wird. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird der Referenzzeitpunkt durch die Bewegung des Schalterantriebes festgelegt, welche durch den Einschaltbefehl zum Schliessen des Schalters ausgelöst wird. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Referenzzeitpunkt dadurch festgelegt, dass nach dem Einschaltbefehl ein bestimmter Bezugspunkt oder bestimmtes Bezugslevel auf der Bewegungskurve des Hauptkontaktsystems des Schalterantriebes durchlaufen wird und dieser Bezugspunkt oder Bezugslevel z.B. mittels eines Weg- oder Drehsensors, eines Hilfskontaktes oder einer Lichtschranke gemessen wird.
Die Wirkungsweise des Messverfahrens besteht darin, die durch zunehmenden Abbrand verursachte veränderte zeitliche Differenz zwischen dem ersten bewegungsdefinierten Referenzzeitpunkt und dem zweiten stromdefinierten Zeitpunkt zu bestimmen.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen, Vorteile und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus abhängigen Patentansprüchen, aus Anspruchskombinationen sowie aus der nun folgenden Beschreibung und den Figuren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltbild eines Leistungsschalters mit
Abbrandkontaktsystem und Nennstromkontaktsystem, der mit einem Abschnitt eines elektrischen Energieversorgungssystems verbunden ist; Fig. 2 Ausführungsbeispiel einer Strom-Zeit Kennlinie eines
Abbrandkontaktsystems und eines Nennstromkontaktsystems in dem Leistungsschalter.
Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Teile mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen. Für das Verständnis der Erfindung nicht wesentliche Teile sind zum Teil nicht dargestellt. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele stehen beispielhaft für den Erfindungsgegenstand und haben keine beschränkende Wirkung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Fig. 1 zeigt schematisch einen elektrischen Leistungsschalter 1 , der in ein nicht weiter dargestelltes Energieversorgungssystem eingebunden ist. Als Leistungsschalter 1 kommen Hoch - und Mittelspannungsschalter in Betracht, welche beispielsweise Generatorschalter oder auch Leistungserder sein können. Der Schalter 1 unterbricht bzw. verbindet elektrisch den Leitungsabschnitt 3a mit dem Leitungsabschnitt 3b des elektrischen Energieversorgungssystems. Dazu werden die Kontaktsysteme (2a, 2n) des Schalters 1 mittels eines mechanischen
Federspeicherantriebes 1 1 geöffnet oder geschlossen. Das Auslöseelement 13 des Antriebes 1 1 löst den als Tellerfeder ausgebildeten mechanischen Energiespeicher 14 aus, wobei dieser mittels des Elementes 1 5, welches als Antriebsstange ausgebildet sein kann, die Kraftübertragung auf die Kontaktsysteme (2a, 2n) des Schalter zum Schliessen/öffnen vornimmt. Beim Schliessen des Schalters 1 wird zuerst das Abbrandkontaktsystem 2a und danach mit einer zeitlichen Verzögerung von einigen Millisekunden das Nennstromsystem 2n geschlossen. Der im Leistungsschalter 1 fliessende Strom kommutiert während des Schliessvorganges vom Abbrandkontaktsystem 2a auf das Nennstromkontaktsystem 2n. Weiterhin umfasst der Leistungsschalter 1 Sensoren 9, 10 zum Detektieren der Messsignale, eine Signalerfassungseinheit 4 zum Erfassen und Verarbeiten der Messsignale und eine Anzeigeeinheit 5, mit der der Zustand des Leistungsschalters 1 z. B. durch Signalisierung des Abbrands oder der Restlebensdauer angezeigt werden kann.
Bei der vorliegenden Erfindung wird aus einer gemessenen Zeitdifferenz zur Kontaktschliessung des Abbrandkontaktsystems der Abbrand am Abbrandkontaktsystem bestimmt und dies genutzt, um damit die verbleibende Lebensdauer des Leistungsschalters 1 zu beurteilen. Die Zeitdifferenzmessung wird „online" also während der Schalter 1 im Betrieb und elektrisch mit dem Energieversorgungsnetz verbunden ist und während der Einschaltphase des Schalters 1 durchgeführt. Der Schalter 1 muss somit vorteilhaft nicht vom Energieversorgungsnetz abgekoppelt werden, um die Abbrandbestimmung vorzunehmen. In analoger Weise kann die Abbrandbestimmung aber auch in der Ausschaltphase des Leistungsschalters 1 vorgenommen werden, wobei sich jedoch die Bestimmung des exakten Zeitpunktes der Kontakttrennung am
Abbrandkontaktsystem 2a auf Grund des entstehenden Lichtbogens als schwieriger erweist. Eine Detektion des öffnungszeitpunktes des Schalters ist z.B. über die Messung der auftretenden Lichtbogenspannung möglich.
Um den Abbrand des Abbrandkontaktsystems beim Schliessen des Schalters 1 zu bestimmen und damit die Restlebensdauer des Schalters zu beurteilen, wird die
zeitliche Differenz zwischen einem Referenz-Zeitpunkt tr und der ersten Kontaktierung der beiden Abbrandkontakte des Abbrandkontaktsystems 2a und damit den Beginn des Stromflusses im Hauptsystem zu einem Zeitpunkt ta erfasst. Mit steigender Anzahl von Schaltvorgängen und dem damit verbundenen zunehmenden Abbrand an den Kontakten des Abbrandkontaktsystems 2a wird durch den hervorgerufenen Materialabtrag die Wegstrecke und damit die benötigte Zeitdauer vom Auslösen des Schliessvorganges bis zum Schliessen der Kontakte 2a grösser.
Fig. 2 zeigt schematisch den zeitlichen Verlauf des Stromes I während des
Einschaltvorganges für das Abbrandkontaktsystem 2a (Kennlinie 6) und für das Nennstromkontaktsystem 2n (Kennlinie 7). Als Referenzzeitpunkt tr kann irgendein reproduzierbares Signal am Antrieb dienen, so z.B. die Spannungsänderung in der Antriebsspule, zu welcher es durch den Einschaltbefehl beim Schliessen des Schalters 1 kommt. Es kann aber beispielsweise der Einschaltbefehl selber, das Signal von einem Hilfskontakt oder auch die Stromänderung in der Spule oder die Bewegung des Antriebs, welche durch den Einschaltbefehl ausgelöst wird, detektiert werden und als Signal zur Festlegung des Referenzzeitpunktes tr benutzt werden. Wichtig ist dabei nur, dass der Referenzzeitpunkt reproduzierbar ist. Einige Millisekunden nach dem Auslösen des Einschaltvorganges, während die Kontakte des Abbrandkontaktsystems 2a zum Zeitpunkt ta geschlossen werden, kommt es zum Stromfluss durch die Abbrandkontakte 2a des Leistungsschalters 1 . Nach einigen weiteren Millisekunden, zum Zeitpunkt tn schliessen auch die Kontakte des Nennstromkontaktsystems 2n und der Strom I kann somit auch durch die Kontakte des Nennstromkontaktsystems 2n fliessen.
Für die Detektion des Referenzzeitpunktes tr und des Zeitpunktes ta beim Schliessen des Schalters 1 sind wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, Sensoren 9 und 10 vorgesehen. Dabei ist als Sensor 9 zur Messung des Referenzzeitpunktes tr z.B. ein Spannungsmessgerät einsetzbar. Es ist aber ohne weiteres möglich einen
Stromwandler, einen Hilfskontakt oder eine Lichtschranke als Sensor 9 einzusetzen,
falls die Bestimmung des Referenzzeitpunkts tr über Messung des Stromes oder durch Bestimmung einer definierten Bewegungsposition vom nicht dargestellten Schalterantrieb erfolgt. Der Referenzzeitpunkt tr definiert somit den Beginn des Schliessvorganges. Als Sensor 10 zur Bestimmung des Zeitpunktes tr wird üblicher Weise ein Stromwandler 10 verwendet, der den Stromfluss beim Schliessen des Abbrandkontaktsystems 2a erfasst. Alternativ kann als Stromsensor 1 0 aber auch eine Hallsonde oder eine Rogowskispule dienen. Der Stromsensor 10 kann wie in Fig. 1 dargestellt am Leitungsabschnitt 3a oder am Leitungsabschnitt 3b vorgesehen werden.
Die über die Sensoren 9, 1 0 bestimmten Messgrössen, die den Referenzzeitpunkt tr und den Zeitpunkt ta festlegen, werden von der Signalerfassungseinheit 4 erfasst und verarbeitet. Die daraus gewonnen Informationen wie die Grosse des Kontaktabbrandes oder die Restlebensdauer des Schalters 1 lassen sich über die Anzeigeeinheit 5 des Leistungsschalters 1 für den Benutzer anzeigen.
In einem ersten Schliessvorgang, der auch als initialer Schliessvorgang des Schalters bezeichnet wird, wird von der Signalerfassungseinheit 4 die initiale Zeitdifferenz tai-tri zwischen dem Referenzzeitpunkt tri dieses Schaltvorganges und dem Schaltzeitpunkt tai beim Schliessen der Abbrandkontakte bei diesem Schaltvorgang bestimmt. Für jeden weiteren Schliessvorgang bestimmt die Signalerfassungseinheit 4 eine momentane Zeitdifferenz ta x -tr x aus dem momentanen Referenzzeitpunkt tr x und dem momentanen Schaltzeitpunkt ta x . Die von der Signalerfassungseinheit 4 ermittelte Abweichung zwischen momentaner Zeitdifferenz ta x -tr x und initialer Zeitdifferenz tai-tn ist ein Mass für den Abbrand an den Kontakten des Leistungsschalters 1 . Mit steigender Anzahl von Schaltzyklen verschiebt sich der momentane Schaltzeitpunkt ta x in Richtung des Schwellwert ta s , wie in Fig.l durch Pfeil 8 angedeutet. Wird ein definierter Schwellwert ta s für die momentane Zeitdifferenz ta x -tr x , welcher einer kritischen Abbrandlänge entspricht, überschritten, so wird dieser Zustand über die Anzeigeeinheit dem Benutzer signalisiert. Vorteilhafterweise ist mit überschreiten des Schwellwertes ta s die Anzahl
der öffnungs- und Schliessvorgänge festgelegt, so dass dem Benutzer eine genaue Information über die verbleibende Anzahl von Schaltzyklen gegeben wird. Mit Vorteil ist die initiale Zeitdifferenz tai-tn vor dem erstmaligen Schaltvorgang als charakteristische Systemgrösse des Schalters 1 bekannt und kann vor dem Einsatz des Leistungsschalters über die Signalerfassungseinheit 4 eingegeben werden. Auf diese Weise lässt sich die kritische Abbrandlänge und damit die Restlebensdauer des Schalters 1 unmittelbar als Differenz aus der charakteristischen Systemgrösse und der momentanen Zeitdifferenz ta x -tr x bestimmen. Die initiale Zeitdifferenz tai-tn kann aber auch durch Mittelwertbildung aus mehreren initialen Schaltvorgängen von der Signalerfassungseinheit 4 bestimmt werden. Der Abbrand und somit die
Restlebensdauer lassen sich direkt während des Schliessvorganges bestimmen, ohne dass der Schalter vom Energieversorgungssystem abgekoppelt werden muss.
In einer weiteren Ausführungsform werden nur solche Messungen zur Abbrandbestimmung herangezogen, bei denen bekannten Einflussgrössen wie z.B. Temperatur, Antriebsenergie und Stillstandszeit des Leistungsschalters in einem definierten Bereich liegen. Das hat den Vorteil, dass durch diese Einflussgrössen hervorgerufene Schwankungen die Abbrandbestimmung unbeeinflusst lassen und so eine verlässliche Abbrandbestimmung möglich ist. Alternativ dazu können auch bekannte Abhängigkeiten durch Kompensation eliminiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform sind mehrere Schwellwerte ta s definiert, welche bei überschreiten den jeweiligen Zustand des Leistungsschalters 1 signalisieren. Mit Vorteil wird ein Signal für genau zwei Zustände des Leistungsschalters ausgegeben, nämlich oberhalb und unterhalb des Schwellwertes ta s . In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform wird ein Signal für drei Zustände ausgegeben, nämlich unterhalb eines ersten Schwellwertes ta s i, oberhalb eines zweiten Schwellwertes ta S 2 und zwischen dem ersten und dem zweiten Schwellwert. Der jeweilige Zustand des Leistungsschalters 1 wird dem Benutzer über das Anzeigeelement 5 angezeigt.
Vorteilhaft wird der zweite Zeitpunkt tai , ta x bei der Bestimmung des Kontaktabbrandes durch Messung eines durch die Abbrandkontakte 2a fliessenden Einschaltstromes oder durch Messung einer zeitlichen Ableitung des Einschaltstromes bestimmt. Dabei wird der gemessene Einschaltstrom während des Lichtbogenziehens oder bei Erreichen des Sättigungsstromes, bei Kontaktberührung der Abbrandkontakte 2a bestimmt. Als Sensor 10 zur Messung des Einschaltstroms I wird ein Stromwandler oder eine Rogowskispule eingesetzt, wobei bei letzterer die zeitliche Ableitung des Einschaltstromes gemessen wird. Die Anzeige des Kontaktabbrandes erfolgt dabei über ein Warnsignal und/oder ein Unbedenklichkeitssignal als optisches, insbesondere farbliches, und/oder akustisches Signal. Das hat den Vorteil, dass der Benutzer immer über den aktuellen Zustand des Leistungsschalters informiert ist. Um dem Benutzer den jeweils aktuellen Zustand des Leistungsschalters 1 möglichst einfach mitzuteilen gibt es genau ein Warnintervall 8b und genau ein Unbedenklichkeitsintervall δa und das Warnintervall 8b und das Unbedenklichkeitsintervall 8a werden durch zwei unterschiedliche Farben signalisiert. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird dem Benutzer der jeweils aktuellen Zustand des Leistungsschalters durch drei unterschiedliche Farben signalisiert, wobei die Farben einem Warnintervall 8b, einem Unbedenklichkeitsintervall 8a und einem dazwischen liegenden Bedenklichkeitsintervall entsprechen. Diese mehrstufige Anzeige hat den Vorteil, dass dem Benutzer ein Zwischenzustand signalisiert wird, bevor die Abbrandkontakte nach weiteren Schaltzyklen soweit abgebrannt sind, dass der Schalter eine kritische Funktionsfähigkeit erreicht. Der Benutzer ist somit vorgewarnt und kann eine Revision des Schalters 1 weit im Voraus einplanen.
Bezugszeichenliste
1 Leistungsschalter
2a Abbrandkontaktsystem, Abbrandkontakte
2n Nennstromkontaktsystem
3a, 3b Leitungsabschnitt, Leitung
4 Signalerfassungseinheit 5 Anzeigeeinheit
6 Strom-Zeit Kurve Abbrandkontaktsystem
7 Strom-Zeit Kurve Nennstromkontaktsystem
8 Verschiebungsrichtung von Zeitpunkt ta x durch Abbrand 8a Warnintervall 8b Unbedenklichkeitsintervall
9 Sensor, Referenzsensor
1 0 Stromsensor
1 1 Antrieb
1 3 Auslöseelement 14 Energiespeicher
1 5 Element der Kraftübertragung tri initialer Referenzzeitpunkt tr x Referenzzeitpunkt nach dem x-ten Schaltvorgang tai initialer Schaltzeitpunkt ta x momentaner Zeitpunkt nach dem x-ten Schaltvorgang ta s Schwellwert tn Zeitpunkt bei Kontaktschliessung des Nennstromkontaktsystems