Verfahren zur Zustandsbestimmung einer Antriebseinheit für ein Hoch- oder Mittelspannungsschaltgerät und Hoch- oder Mit telspannungsschaltgerät

Für einen sicheren Netzbetrieb von Hoch- oder Mittelspan nungsnetzen spielt der Zustand der Betriebsmittel, die im Netz eingesetzt werden, eine entscheidende Rolle. Daher müs sen in unterschiedlichen Abständen aber in regelmäßigen Zeit intervallen die Betriebsmittel geprüft und erneuert werden. Eine wirtschaftliche Erneuerung und Instandhaltungsplanung setzt ein Wissen über den Zustand der Betriebsmittel voraus, weshalb eine technische Überprüfung des Zustandes der Be triebsmittel einen wesentlichen Beitrag über die Wirtschaft lichkeit des Netzbetriebes im Allgemeinen liefert.

Insbesondere Hoch- oder Mittelspannungsschaltgeräte und dort wiederum insbesondere die Antriebssysteme werden während des Netzbetriebes am stärksten beansprucht. Dabei ist die kinema tische Kette, die aus Federn, Verklinkungen, Auslöse- und Spannmechanismen besteht, ein komplexes System, dessen Funk tionsfähigkeit nur sehr aufwändig geprüft werden kann. Dies erfolgt derzeit durch mechanisches Zerlegen, einer mechani schen Prüfung und einer anschließenden Remontage. Gerade bei der Remontage von Schaltgeräten und deren Antriebssystemen wurde eine hohe Fehleranfälligkeit festgestellt. So ist die Lebensdauer nach durchgeführter Wartung häufig niedriger als vor der Wartung.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Zustandsbestimmung einer Antriebseinheit für ein Hoch- oder Mittelspannungsschaltgerät sowie ein Hoch- oder Mittelspan- nungsschaltgerät an sich bereitzustellen, das dazu geeignet ist, eine technische Zustandsbestimmung zu generieren und da bei die Notwendigkeit des mechanischen bzw. manuellen Ein griffs in das Schaltgerät möglichst zu vermeiden oder zu re duzieren . Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren zur Zu standsbestimmung einer Antriebseinheit für Hoch- oder Mit telspannungsschaltgeräte mit den Merkmalen des Patentan spruchs 1 sowie in einem Hoch- oder Mittelspannungsschaltge rät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Zustandsbestimmung einer Antriebseinheit für Hoch- oder Mittelspannungsschaltgeräte umfasst dabei folgende Schritte: Zunächst wird ein Schaltvor gang mit dem Hoch- oder Mittelspannungsschaltgerät durchge führt. Dabei erfolgt eine Aufnahme eines charakteristischen Vibrationsmusters für den lastfreien Schaltvorgang, wobei mindestens ein Beschleunigungssensor verwendet wird. An schließend wird dieses charakteristische Vibrationsmuster in einer Datenbank bereitgestellt.

Das Bereitstellen dieses charakteristischen Vibrationsmusters ermöglicht es, dieses Vibrationsmuster, das bei einem intak ten neuwertigen bzw. fehlerfreien Gerät aufgenommen wird, für spätere Vergleichsmessungen vorzuhalten. Dabei kann dieses charakteristische Vibrationsmuster als Vorlage für weitere Vergleichsmessungen dienen, die an demselben Gerät oder an baugleichen Geräten vorgenommen werden. Die Ablage dieses Vibrationsmusters in einer Datenbank ist dazu geeignet, dass der Betreiber bzw. der Wartungsverantwortliche für das Hoch oder Mittelspannungsschaltgerät jederzeit Zugriff auf diese Grundinformationen, die für das entsprechende Schaltgerät charakteristisch sind, hat. Hieraus können Rückschlüsse gezo gen werden, inwieweit die Antriebseinheit durch Belastungen von einem ursprünglichen neuwertigen Zustand inzwischen ent fernt ist.

Hierzu kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungs form in einer Referenzmessung ebenfalls Referenzschaltvorgang ein Referenzvibrationsmuster erstellt werden. Dies kann wie derum bei demselben Schaltgerät bzw. bei einem baugleichen Schaltgerät erfolgen. Es wird dann ein Vergleich zwischen dem Referenzvibrationsmuster und dem charakteristischen Vibrati- onsmuster vorgenommen und es wird eine Zustandsgröße der An triebseinheit ermittelt.

Unter dem Begriff Zustandsgröße wird dabei jegliche Informa tion verstanden, die aus dem Vergleich der beiden Vibrations muster durch unterschiedliche Methoden erzielt werden kann. Hierzu kann beispielsweise eine Frequenzanalyse in Form einer FFT (Fast Fourier Transformation) erfolgen. Der Bestimmungs modus der Zustandsgröße ist dabei variabel, er kann bereits bei Inbetriebnahme des Schaltgerätes vorgegeben sein, er kann sich jedoch auch während des Betriebs durch neue Erkenntnisse und durch neue Methoden jederzeit ändern. Dies ist deshalb möglich, da bereits zur Inbetriebnahme oder kurz darauf bei einem fehlerfrei arbeitenden Gerät das charakteristische Vib rationsmuster aufgenommen wird, das über die gesamte Be triebsdauer des Schaltgerätes erhalten bleibt und jederzeit während der Betriebsdauer, die bis zu 40 Jahre betragen kann, herangezogen werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung werden die Sensordaten des Beschleunigungssensors von einer an der Antriebseinheit angeordneten Datenverarbeitungsvorrichtung aufgenommen und in das Referenzvibrationsmuster umgewandelt. Diese direkte Verarbeitung der Sensordaten am Gerät ermög licht die direkte Auswertung des Referenzvibrationsmusters vor Ort einerseits und andererseits das Weiterleiten dieses Vibrationsmusters über ein Datennetz zu einem Rechnersystem und der dortigen Speicherung in der Datenbank.

Ferner ist es zweckmäßig, wenn die Vibration mittels des Be schleunigungssensors an einer Antriebswelle gemessen wird.

Die Antriebswelle zählt zu den meist beanspruchten Komponen ten in der Antriebseinheit und sie liefert ein besonders gut auswertbares charakteristisches Vibrationsmuster. Gleiches gilt auch für das Gehäuse der Antriebseinheit, das ebenfalls die Vibration aller Komponenten der Antriebseinheit aufnimmt und ebenfalls ein gut auswertbares Vibrationsmuster liefert. Zur Bereitstellung eines möglichst unverzerrten Vibrations musters wird dieses bevorzugt in einem lastfreien Schaltvor gang ermittelt. Dies ist somit eine Off-line Messmethode, da das Schaltgerät vom Netzt getrennt ist. Jedoch kann auch eine Online Messung zweckmäßig, wobei das Vibrationsmuster (das charakteristische und/oder das Referenzmuster) während eines ohnehin stattfindenden Schaltvorgangs aufgenommen wird. Hier bei kann während eines nicht geplanten Schaltvorgangs außer halb fester Wartungsintervalle eine Diagnose des Antriebssys tems vorgenommen werden und ggf. eine Prognose über die wei tere Lebensdauer vorgenommen werden. Bei den Geräten, die schon länger im Betrieb sind und deren Zustand oder Referenz signal nicht bekannt sind, könnten die Beobachtungen von Mus terentwicklung während der Schaltvorgängen auch kurzfristig auf Fehler hindeuten.

Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist ein Hoch- oder Mittelspannungsschaltgerät mit den Merkmalen des Patentan spruchs 8. Dieses Hoch- oder Mittelspannungsschaltgerät weist eine Antriebseinheit für einen Schaltkontakt auf, wobei im Bereich der Antriebseinheit mindestens ein Beschleunigungs sensor angeordnet ist. Ferner ist eine Steuervorrichtung für die Antriebseinheit vorgesehen, die derart ausgestaltet ist, einen bevorzugt lastfreien Schaltvorgang durchzuführen und mit dem Beschleunigungssensor ein charakteristisches Vibrati onsmuster für den lastfreien Schaltvorgang aufzunehmen und das charakteristische Vibrationsmuster in einer Datenbank be reitzustellen. Das erfindungsgemäße Hoch- oder Mittelspan- nungsschaltgerät gemäß Anspruch 7 weist dabei dieselben Vor teile auf, die bereits bezüglich des Patentanspruchs 1 erläu tert sind.

Unter dem Begriff Antriebseinheit werden alle mechanischen Bauteile verstanden, die zum Antrieb von Schaltkontakten des Hoch- oder Mittelspannungsschaltgerätes dienen. Dazu gehören insbesondere der Antrieb an sich, der kinematisch die mecha nische Bewegung induziert, die Antriebsstangen und das Gehäu se. Unter dem Begriff Steuervorrichtung wird eine Vorrichtung verstanden, die einerseits dazu geeignet ist, einen last freien Schaltvorgang zu steuern, wobei diese Steuervorrich tung nicht notwendigerweise direkt am Schaltgerät angeordnet sein muss. Dies ist zwar in aller Regel zweckmäßig, die Steu ervorrichtung kann jedoch auch Teil einer zentralen Steuer vorrichtung sein, die über das Datennetz mit dem Schaltgerät in Verbindung steht. Die Steuervorrichtung kann dabei weitere Teilvorrichtungen, beispielweise eine Datenverarbeitungsvor richtung umfassen, die die Sensordaten auswertet und zu dem charakteristischen Vibrationsmuster zusammenfügt. Sie kann ferner eine Datenübertragungsvorrichtung enthalten, die dazu geeignet ist, entweder das charakteristische Vibrationsmuster bzw. das Referenzvibrationsmuster bzw. auch die Sensorrohda ten über das Datennetz zu einer Datenbank oder einer Zentral station, beispielsweise einer Leitwarte, zu übertragen. Unter dem Begriff Datenbank wird ein elektronisches Speichermedium verstanden, in dem Informationen über das charakteristische Vibrationsmuster abgespeichert sind, hierbei kann die Daten bank es sowohl direkt an dem Schaltgerät selbst bzw. auch di rekt an der Art der Steuervorrichtung angeordnet sein, sie kann jedoch auch an einem beliebigen Standort innerhalb des Datennetzes und somit mit dem Mittelspannungsschaltgerät ver bunden, angeordnet sein.

Weitere Ausgestaltungsformen und weitere Merkmale der Erfin dung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Hierbei handelt es sich um rein schematische Ausgestaltungs formen, die keine Einschränkung des Schutzbereichs darstel len .

Dabei zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Hochspan- nungs- oder Mittelspannungsschaltgerätes mit ei ner Antriebseinheit und einer Steuervorrichtung, Figur 2 eine Aufnahme eines charakteristischen Vibrati onsmusters einer Antriebseinheit für ein Schalt gerät,

Figur 3 ein Schaltgerät gemäß Figur 1 mit einer Steuer vorrichtung und einer Anbindung über ein Daten netz an eine Datenbank,

Figur 4 ein Schaltgerät gemäß Figur 1 mit einer Anbindung über ein Datennetz zu einer Datenbank und einer Zentralstation,

Figur 5 ein Schaltgerät gemäß Figur 1 mit einer Steuer vorrichtung und einer Anbindung über ein Daten netz zu einer Zentralstation.

In Figur 1 ist eine schematische Darstellung eines herkömmli chen Hochspannungsschaltgerätes gegeben, das in ähnlicher Form auch als Mittelspannungsschaltgerät ausgestaltet sein kann. Das Hochspannungsschaltgerät 4 umfasst dabei drei auf recht angeordnete Schalter 3, die jeweils Schaltkontakte 20 enthalten und über eine einzige zentrale Antriebseinheit 2 mechanisch verbunden sind. Die Antriebseinheit 2 umfasst da bei insbesondere eine Antriebswelle 16, die schematisch in dem linken der drei Schalter 3 eingezeichnet ist. Ferner um fasst die Antriebseinheit 2 auch noch einen Antrieb 30, der beispielsweise in Form eines Federantriebs oder eines Elekt romotors ausgestaltet sein kann. Zudem ist die Antriebsein heit 2 von einem Gehäuse 18 umgeben. Im Weiteren sind an ver schiedenen Bauteilen der Antriebseinheit 2 Beschleunigungs sensoren 8 angeordnet. Hierbei ist mindestens das Anbringen eines Beschleunigungssensors 8 zweckmäßig, zur Steigerung der Aussagekraft der Vibrationsmessung können jedoch mehrere Be schleunigungssensoren 8 an verschiedenen Bauteilen der An triebseinheit 2 angebracht sein. Hierbei bietet sich insbe sondere die Antriebsstange 16 an, einen Beschleunigungssensor 8 aufzunehmen, woraus konkrete und aussagekräftige Vibrati onsmuster ermittelt werden können. Andererseits ist das Ge- häuse 18 ein Ort, an dem ein Vibrationsmuster aufgenommen werden kann, indem Informationen über alle Bestandteile der Antriebseinheit 2 zusammenfließen.

Wie bereits erwähnt, sind die Beschleunigungssensoren 8 dazu geeignet, ein Vibrationsmuster der Antriebseinheit 2 aufzu nehmen. Hierzu ist es zweckmäßig, ein charakteristisches Vib rationsmuster einer fabrikneuen Antriebseinheit 2 bzw. des damit verbundenen Hoch- oder Mittelspannungsschaltgerätes vorzunehmen. Unter fabrikneu wird dabei verstanden, dass die Aufnahme des charakteristischen Vibrationsmusters 6 entweder bei der Endmontage des Schaltgerätes 4 oder nach Aufstellen des Schaltgerätes im Feld beim Netzbetreiber vor oder zeitnah nach der Inbetriebnahme erfolgt. Zur Aufnahme des charakte ristischen Vibrationsmusters 6 ist eine Steuervorrichtung 22 vorgesehen, die in Figur 1 schematisch durch den Kasten 22 dargestellt ist. Dieser Kasten 22 ist ein Stück von der An triebseinheit 2 entfernt dargestellt, was noch später detail lierter beschrieben werden wird. Dies bedeutet, dass die Steuervorrichtung entweder direkt an der Antriebseinheit 2 bzw. an dem Schaltgerät 4 angeordnet sein kann, jedoch auch in einer Entfernung von diesem Schaltgerät beispielsweise in einer Leitwarte angeordnet sein kann.

Die Steuervorrichtung 22 umfasst dabei in der vorliegenden Ausgestaltungsform eine Datenverarbeitungsvorrichtung 12 so wie eine Datenübertragungsvorrichtung 24. Die Datenverarbei tungsvorrichtung 12 ist dazu ausgestaltet, Rohdaten zur Vib ration bzw. Schwingung der einzelnen Komponenten der An triebseinheit 2 über eine Verbindungsleitung 28 zur Steuer vorrichtung 22 bzw. zu der in diesem Fall in ihr enthaltenen Datenverarbeitungsvorrichtung 12 zu übertragen. Die Datenver arbeitungsvorrichtung 12 verarbeitet diese Daten zu den in Figur 2 exemplarisch dargestellten charakteristischen Vibra tionsmuster 6. Die Steuervorrichtung 22 bzw. die Datenüber tragungsvorrichtung 24, die Teil der Steuervorrichtung 22 sein kann, übermittelt dann die ermittelten Daten über ein Datennetz 14 mit zu einer hier nicht dargestellten Datenbank 10 bzw. zu einer in Figur 1 ebenfalls nicht dargestellten Zentralstation 26 (siehe Fig. 3 bzw. Fig. 4) .

Figur 2 zeigt, wie bereits dargelegt, ein charakteristisches Vibrationsmuster einer Antriebseinheit 2 beispielsweise gemäß Figur 1. In dem vorliegenden Beispiel werden die Daten eines Beschleunigungssensors 8 aufgenommen, der hier an dem Gehäuse 18 angebracht ist. In dem Diagramm gemäß Figur 2 ist auf der X-Achse die Zeit eingetragen, auf der Y-Achse bezüglich eines Nullpunktes in positive und negative Richtungen. Dabei zeigt jede dargestellte Kennlinie eine Raumrichtung, nämlich ent lang der X-Richtung, der Y-Richtung und der Z-Richtung. Ein derartiges charakteristisches Vibrationsmuster wird nun in der Datenbank 10 abgelegt.

Innerhalb eines Wartungsintervalls, das je nach Netzbetrieb unterschiedlich ist und das üblicherweise zwischen sechs und zehn Jahre betragen kann, wird ein zweites, hier nicht darge stelltes Referenzvibrationsmuster des Schaltgerätes 4 bzw. der Antriebseinheit 2 des Schaltgerätes 4, ebenfalls während eines lastfreien Schaltvorgangs aufgenommen. Dieses hier nicht dargestellte Referenzvibrationsmuster gleicht im Ideal fall dem in Figur 2 dargestellten charakteristischen Vibrati onsmuster. Sollten durch Alterung Abweichungen dieses Refe renzmusters auftreten, so werden die über typische Frequenz analysemethoden, beispielsweise einer entsprechenden Fourier transformation verglichen. Hieraus wird eine Zustandsgröße ermittelt, die dazu dient, eine Aussage über den technischen und mechanischen Zustand bzw. den Verschleiß des Schaltgerä tes zu treffen. In die Auswertung dieser Zustandsgröße flie ßen gegebenenfalls mehrere technische Informationen ein, die ggf. auch während der im Allgemeinen sehr langen Laufzeit des Schaltgerätes im Vergleich mit anderen Schaltgeräten ermit telt werden können. Somit ist es wichtig, ein charakteristi sches Vibrationsmuster eines neuwertigen Schaltgerätes, mög lichst direkt nach oder kurz vor Inbetriebnahme aufzunehmen. Dieses charakteristische Vibrationsmuster 6 hilft über die gesamte Lebensdauer des Schaltgerätes 4 auch unter Hinzunahme weiterer Erkenntnisse den jeweiligen Zustand des Schaltgerä tes auch nach einer langen Betriebsdauer zu ermitteln.

In Figur 3 ist eine Darstellung eines Schaltgerätes 4 gege ben, das dem in Figur 1 gleicht. Dabei sind ebenfalls Verbin dungsleitungen 28 zur Steuervorrichtung 22 vorgesehen, wobei die Steuervorrichtung 22 ebenfalls eine Datenübertragungsvor richtung 24 enthält. Hierüber werden Rohdaten in das Daten netz 14 eingespeist und zur Datenverarbeitungsvorrichtung 12 weitergeleitet. Die Datenverarbeitungsvorrichtung 12 ist in dieser Ausgestaltungsform Bestandteil einer zentralen Rech nereinheit, die auch die Datenbank 10 umfasst. Durch die in Figur 3 dargestellte Verbindung ist es einerseits möglich, das beschriebene charakteristische Vibrationsmuster 6 aufzu nehmen und in der Datenbank 10 abzuspeichern. Diese Darstel lung ist auch dazu geeignet, nach einer bestimmten Zeit das ebenfalls beschriebene Referenzvibrationsmuster aufzunehmen und über das Datennetz 14 und die Datenverarbeitungsvorrich tung 12 zur Datenbank 10 zu leiten. In dem Rechnersystem der Datenbank 10 oder auch an einem weiteren Rechnersystem wird dann ein Vergleich zwischen dem charakteristischen Vibrati onsmuster 6 und dem Referenzvibrationsmuster durchgeführt und die bereits erwähnte Zustandsgröße zur Vorhersage des Alte rungsprozesses der Antriebseinheit 2 ermittelt.

In Figur 4 ist wiederum eine ähnliche Ausgestaltungsform des Schaltgerätes 4 mit der Antriebseinheit 2 und der Steuervor richtung 22 dargestellt, wie dies bereits in den Figuren 1 und 3 beschrieben ist. Der Unterschied in Figur 4 zu den vor genannten Figuren besteht darin, dass das Datennetz in diesem Fall zumindest stückweise über ein drahtloses Netz erfolgt. Die Daten werden dabei wiederum, wie bereits gemäß Figur 3 dargelegt, zu einer Recheneinheit geleitet, die die Datenver arbeitungsvorrichtung 12 und die Datenbank 10 umfasst. Die dort in einer weiteren Recheneinheit ermittelten Zustandsgrö ße wird wiederum ebenfalls durch das Datennetz 14 zu einer Zentralstation 26 weitergeleitet. Die Zentralstation 26 kann dabei beispielsweise die Leitwarte des Netzbetreibers sein. Dabei ist beispielsweise ein Modell möglich, wonach die Da tenbank 10 und die Datenverarbeitungsvorrichtung 12 in einer Recheneinheit des Herstellers des Schaltgerätes 4 und der An triebseinheit 2 abgelegt ist und dort auch der Vergleich zwi schen dem charakteristischen Vibrationsmuster 6 und dem Refe renzvibrationsmuster erfolgt und die Zustandsgröße ermittelt wird. Auf diese Weise können Informationen der Zustandsgröße von dem Hersteller des Schaltgerätes ermittelt werden und an den Betreiber des Hoch- oder Mittelspannungsnetzes weiterge leitet werden.

Ein alternatives Beispiel hierzu ist in Figur 5 gegeben, wo nach die Steuervorrichtung 22 wie bereits gemäß Figur 1 die Datenverarbeitungsvorrichtung 12 enthält, in diesem Fall ent hält die Steuervorrichtung jedoch auch die Datenbank 10. Das heißt, das charakteristische Vibrationsmuster 6 ist in einer Recheneinheit abgelegt, die direkt am Schaltgerät 4 angeord net ist und ggf. ein Bestandteil dieses ist. Alle Rechenope rationen, die der Erstellung des charakteristischen Vibrati onsmusters und des Referenzvibrationsmusters zugrunde liegen, werden dabei von der Steuervorrichtung 22 bzw. Teilen davon durchgeführt. Ferner kann hierbei auch direkt der Vergleich zwischen den beiden Vibrationsmustern durchgeführt werden und die Zustandsgröße ermittelt werden. Die so dezentral ermit telte und errechnete Zustandsgröße kann über das Datennetz zur Zentralstation, also insbesondere zur Leitwarte des Netz betreibers gesendet werden, wobei die ebenfalls in der Steu ervorrichtung 22 integrierte Datenübertragungsvorrichtung 24 zum Einsatz kommt. In der Zentralstation 26 kann dann über den Zustand jedes einzelnen vergleichbaren Schaltgerätes 4 bestimmt werden und ggf. auch gesteuert über eine technische Vorrichtung einer Erwartungsarbeit bzw. ein Austausch des Schaltgerätes veranlasst werden. Bezugszeichenliste

2 Antriebseinheit

4 Hoch- oder Mittelspannungsschaltgerät 6 charakteristische Vibrationsmuster

8 Beschleunigungssensor

10 Datenbank

12 DatenverarbeitungsVorrichtung

14 Datennetz

16 Antriebswelle

18 Gehäuse

20 Schaltkontakt

22 Steuervorrichtung

24 DatenübertragungsVorrichtung

26 Zentralstation

28 Verbindungsleitung

30 Antrieb