Beschreibung

Schaltgerät zum Schalten mindestens eines Stromes

Die Erfindung betrifft ein Schaltgerät zum Schalten mindes ^¬ tens eines Stromes, wobei das Schaltgerät einen Schaltmecha ^¬ nismus aufweist, der zur betriebsgemäßen Unterbrechung und Verbindung einer Strombahn vorgesehen ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Schalten mindestens eines elektrischen Stromes mittels eines Schaltmechanismus eines Schaltgerätes, wobei eine Strombahn betriebsgemäß unterbro ^¬ chen und verbunden wird.

Ein derartiges Schaltgerät kommt in Verbindung mit elektri- sehen Netzen und Komponenten zum Einsatz. Die Schaltgeräte sind beispielsweise zum Schutz dieser elektrischen Netze und Komponenten im Falle eines Kurzschlusses oder einer überlast vorgesehen. Ein Schaltgerät kann als elektromechanisches Schaltgerät ausführt sein. Das Auslösekriterium für den Schaltvorgang geht aus einer Strommessung hervor. Es ist möglich eine Entscheidungsgröße zu definieren oder eine Auslöse ^¬ kennlinie anzugeben, die ein Auslösekriterium für das Schaltgerät darstellen. Weicht der Strom innerhalb eines bestimmten Toleranzbereiches von dem Erwartungswert oder Sollwert ab, so erfolgt eine Warnung oder Auslösung des Schutzmechanismus.

In der Praxis werden im Schaltgerät entsprechende Messwandler verwendet, die zur Erfassung eines oder mehrerer Ströme vorgesehen sind. Die Messdaten dieser Messwandler werden in ei- ner elektronischen Auswerteeinheit verarbeitet. Die Auswerte ^¬ einheit überprüft, ob ein Verlassen des Toleranzbereiches bzw. die überschreitung eines Schwellenwertes eines entspre ^¬ chenden Stromes vorliegt. Die Auswertung im Allgemeinen kann sich hierbei lediglich auf den Strom bzw. einer anderen elektrische Größe, die dem Messwandler zugängig ist, basie ^¬ ren. Die elektrische Größe wird hierbei von elektrischen Kom ^¬ ponenten außerhalb des Schaltgerätes, beispielsweise inner ^¬ halb des elektrischen Netzes, bestimmt. Dies bedeutet, dass

die Komponenten des elektrischen Netzes bezüglich eines Kurz- schluss- oder überlastfalles überwacht werden können, aber eine mögliche Fehlfunktion des Schaltgerätes selbst ist nicht analysierbar. Ein negativer Umwelteinfluss auf das Schaltge- rät oder ein Verschleiß des Schaltmechanismus des Schaltgerä ^¬ tes ist somit auch nicht erkennbar.

In der Praxis ist es wünschenswert, eine Entscheidungsbasis herzustellen, die es erlaubt, auf die Zuverlässigkeit oder den Betriebszustand des Schaltgerätes zurückzuschließen. Ins ^¬ besondere wenn das Schaltgerät zum Schütze des elektrischen Netzes vorgesehen ist, kommt dieser zusätzlichen Information über das Schaltgerät große Bedeutung zu.

Aus DE 37 34 886 Cl ist eine Vorrichtung zur Temperaturüberwachung eines Schaltungselementes in einer Schaltungsanord ^¬ nung, bei der über einen Temperaturfühler bei überschreitung eines vorgegebenen Wertes, der Stromkreis zur Vermeidung unerwünscht hoher Temperaturen beeinflussbar ist, bekannt. Eine Vorrichtung zur Temperaturüberwachung dieser Art ist insbesondere bei einer elektrischen überwachungsvorrichtung zur überwachung einer Schaltungsanordnung von Vorteil, bei der beispielsweise eine Stromschiene gegen unerwünschte Erwärmung in Folge erhöhter Stromabgabe geschützt werden soll. Bei der Schaltungsanordnung dient eine Relaisschaltung als Stellglied für das Ein- bzw. Ausschalten der zugehörigen Stromversorgung durch die zu überwachende Stromschiene. Die Vorrichtung zur Temperaturüberwachung dient somit der Stromregulierung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf einfache und kostengünstige Weise Fehler und Verschleiß innerhalb eines Schaltgerätes zu erkennen.

Diese Aufgabe wird bei einem Schaltgerät der eingangs genann- ten Art dadurch gelöst, dass das Schaltgerät mindestens eine Temperaturerfassungseinheit zur Fehlererkennung und/oder zur Verschleißerkennung im Schaltgerät aufweist. Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art

gelöst, wobei ein Fehler und/oder ein Verschleiß im Schaltge ^¬ rät und/oder eine starke Umweltbelastung des Schaltgerätes mittels mindestens einer Temperaturerfassungseinheit erkannt werden .

Eine Temperaturerfassungseinheit wird im Schaltgerät zur Feh ^¬ lererkennung und zur Verschleißerkennung integriert. Die Temperaturerfassungseinheit kann als Temperatursensor oder als Temperaturerfassungsstelle ausgeführt sein. Mittels der Kenntnis von neuralgischen Bauteilen innerhalb des Schaltge ^¬ rätes ist die Temperaturerfassungseinheit gezielt platzier ^¬ bar. Das Bauteil kann hierbei ein elektrisches oder mechani ^¬ sches Element darstellen. Eine Erwärmung dieses Bauteils weist in der Regel eindeutig auf einen bestimmten Fehler oder Verschleiß dieses Bauteils hin, kann aber auch funktionsbe ^¬ dingt auf einen Fehler oder Verschleiß eines anderen Bauteils hinweisen. Die Feststellung einer erhöhten Temperatur dieser Einheit lässt somit den Schluss auf einen speziellen Fehler oder Verschleißerscheinung zu, der für das entsprechende Bau- teil typisch ist. Ebenso sind Temperaturerfassungseinheiten innerhalb des Schaltgerätes platzierbar, so dass mehrere Aus ^¬ sagen zum Schaltgerät bzw. über dessen Betriebszustand ge ^¬ macht werden können. Weiterhin kann hinsichtlich der Meldung oder der ausgelösten Schutzmaßnahme oder Maßnahmen auf die jeweilige Ursache abgestellt werden.

Ein mögliches Bauteil zur Temperaturerfassung ist beispiels ^¬ weise die Strombahn. Mit den am Bauteil gewonnenen Messdaten sind mindestens ein Rückschluss auf den Betriebszustand des Netzes außerhalb des Schaltgerätes, als auch Aussagen zum

Schaltgerät, als auch Rückschlüsse auf die Betriebsumgebung möglich .

Eine vorteilhafte Ausführungsform des Schaltgerätes ist ein Schaltgerät, wobei eine Temperaturerfassungseinheit zur Mes ^¬ sung der Schaltkammertemperatur vorgesehen ist. Diese Ausführungsform ist sehr allgemein und stellt eine kritische Tempe ^¬ ratur fest, die aus einem beliebigen Bauteil des Schaltgerä-

tes oder möglicherweise sogar durch zu starke äußere Tempera ^¬ turbelastung verursacht werden kann. Folglich werden diese Einflüsse in Form von Temperaturmessdaten dokumentierbar. Eine beispielsweise zusätzlich angebrachte Temperaturerfas- sungseinheit , die zur Messung der Gehäusetemperatur vorgesehen ist, erlaubt die Unterscheidung, ob die Hitzequelle in ^¬ nerhalb oder außerhalb des Schaltgerätes zu suchen ist. Wei ^¬ terhin gibt es Bauteile, die zur Temperaturermittlung geeignet sind, da diese eine besondere Eignung aufgrund der Ver- wendung innerhalb des Schaltgerätes aufweisen.

Vorteilhafte Ausführungsformen können sich weiter ergeben, falls die Temperaturerfassungseinheit ein Thermoelement, ei ^¬ nen Temperaturwiderstand, einen Laser oder eine lichtemmitie- rende Diode zur Temperaturmessung aufweist. In Abhängigkeit der Verwendung der einzelnen Messelemente ergeben sich unterschiedliche Vorteile. Beispielsweise kann bei der Verwendung von Thermoelementen oder Temperaturwiderständen die Temperatur an verschiedenen Stellen bzw. an verschiedenen Bauteilen gleichzeitig überwacht werden und die Messdaten kumulativ verwendet werden, dies bedeutet, dass beispielsweise nur eine Messstelle ausreichend ist, um mehrere neuralgische Stellen innerhalb des Schaltgerätes zu überwachen. Hierbei ist es nicht möglich festzustellen, an welcher der Messstellen eine erhöhte Temperatur vorliegt. Deshalb sollte diese Art von multipler Temperaturmessung nur dann gewählt werden, wenn dieser Umstand für die Erkennung oder Analyse des Fehlers o- der Verschleißes nicht notwendig ist.

In der Regel sind Bauteile, insbesondere elektrische Bautei ^¬ le, in einer Elektronikeinheit notwendig, um eine überwachung des Schaltgerätes sicherzustellen. Die Elektronikeinheit ent ^¬ hält hierbei Auswertemittel, die zum Auswerten der Messdaten mindestens einer Temperaturerfassungseinheit vorgesehen sind. Vorteilhafterweise können diese Auswertemittel zur Berechnung der tatsächlichen Temperatur eines Bauteils innerhalb des Schaltgerätes verwendet werden, insbesondere wenn ein be ^¬ stimmter Temperaturgradient zwischen dem zu überwachenden

Bauteil und der Temperaturerfassungseinheit besteht. Es ist weiterhin sinnvoll, eine Berechnungsroutine zu implementie ^¬ ren, die es erlaubt, von der Temperatur, die an einem Bauteil tatsächlich gemessen worden ist, auf eine Temperatur zu schließen, die an einem anderen Bauteil vorliegt. Auf diese Weise können Temperaturgradienten innerhalb des Schaltgerätes berücksichtigt werden. Beispielsweise ist es möglich, eine Temperaturerfassungseinheit zur Schaltkammertemperaturerfas- sung vorzusehen, wobei die Berechnungsroutine die Temperatur der Strombahn mittels dieser Messdaten berechnet. In diesem Zusammenhang ist es sinnvoll, entsprechende Kennlinien zu erstellen, die beide Temperaturen einander eindeutig zuordnen. Damit ist mit der Erfassung der Gehäusetemperatur, ein Rückschluss auf die Temperatur der Strombahn oder andere Bau- teile, wie zum Beispiel den Schaltmechanismus, denkbar.

Vorteilhafterweise weist die Temperaturerfassungseinheit op ^¬ tische Mittel auf, die zur Temperaturmessung verwendet wer ^¬ den. Da optische Methoden auf eine berührungslose Weise eine Temperaturmessung erlauben, ist es möglich, die Temperatur solcher Bauteile zu messen, an die Thermoelemente oder Tempe ^¬ raturwiderstände nur schwer oder gar nicht anzubringen sind. Beispielsweise ist es möglich Bauteile des Schaltmechanismus aus einer gewissen Distanz mittels eines Laserstrahls oder mittels des Lichtes einer lichtemittierenden Diode abzutas ^¬ ten. Somit ist es möglich, beispielsweise die Kontaktoberflä ^¬ chen, die im Schaltmechanismus angeordnet sind, hinsichtlich ihrer Temperatur zu überwachen. Hierbei ist eine sehr lokale Temperaturmessung durchführbar, die verhindert, dass sich die ungewollten Temperaturen innerhalb des Schaltgerätes auf an ^¬ dere Bauteile erstrecken. Weiterhin sind Fehler und Verschleißerscheinungen der Kontaktflächen erkennbar. Die Kontaktflächen sind in aller Regel aus einem Material herge ^¬ stellt, welches den elektrischen Strom sehr gut leitet, bei- spielsweise Silber. Die Wahl dieses Materials ist für gewöhn ^¬ lich ein Kompromiss zwischen elektrischer Leitfähigkeit und Härte bzw. Zähigkeit des Kontaktmaterials. Die Wahl des sehr gut leitenden Silbers wird folglich durch den Abrieb oder Ab-

brand desselben relativiert. Im Falle des Abbrands oder des Abriebs verschlechtert sich der Kontakt zwischen den Kontakt ^¬ flächen und das Schaltgerät wird hochohmig. Folglich erhöht sich die Temperatur der Kontaktflächen während des Betriebes kontinuierlich. Stellt die auf optische Mittel basierende

Temperaturerfassungseinheit einen Anstieg der Temperatur auf den Kontaktplatten oder ähnlichen Bauteilen fest, so lässt dies den Schluss zu, dass entweder Abrieb oder Abbrand die Betriebseigenschaften des Schaltgerätes verschlechtern. In diesem Zusammenhang ist die überwachung bzw. Charakterisierung des Schaltgerätes mit einer Temperaturerfassungseinheit sinnvoll, da mittels einer Strom-Temperaturkennlinie auch auf den Abnutzungsgrad des Schaltgerätes geschlossen werden kann. Umgekehrt kann abgeschätzt werden, wie lange das Schaltgerät noch in Gebrauch bleiben sollte, bevor eine Be ^¬ nutzung nicht mehr sinnvoll ist. Die Benutzung eines Maßes für den Abrieb oder Abbrand ist auch insofern sinnvoll, weil die Lebensdauer der Schaltgeräte die bei Last geschaltet wer ^¬ den, bzw. nicht unter Last geschaltet werden, sehr unter- schiedlich ist. Ein Schaltgerät, das unter Last geschaltet wird, hat typischerweise eine Lebensdauer von 0.01 bis 10 Millionen Schaltungen, wobei die Anzahl der möglichen Schaltungen bei einem Schaltgerät, das ohne Last geschaltet wird, zum Beispiel einen Faktor 100 höher liegt.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind Meldemittel für die Messdaten der Temperaturerfassungseinheit als Auslösekriterium für eine Meldung eines Betriebszustandes und/oder einer Servicemeldung vorgesehen. Die Meldung eines Betriebszustandes bezieht sich hier im Wesentlichen auf eine Meldung eines vorliegenden Fehlers. Eine Servicemeldung ist dann wichtig, wenn der Verschleiß des Schaltgerätes insbeson ^¬ dere des Schaltmechanismus überwacht wird. Eine entsprechende Meldung oder Servicemeldung einer kritischen Temperatur könn- te eine Inspektion oder den Austausch oder auch eine Auslösung des Schaltgerätes nach sich ziehen. Wie bereits erwähnt, ist die Meldung eines Betriebszustandes auch auf die Erken ^¬ nung eines Fehlers gerichtet, wobei ein Fehler beispielsweise

ein abgebranntes Schaltstück, eine Verschmutzung der Kontakte oder ein Fremdkörper im Kontaktsystem sein kann. Solche Fehler sind durch eine allein durch eine Erfassung des Stromes nicht erkennbar.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen und bevorzugte Weiterbil ^¬ dungen der Erfindung sind der Figurenbeschreibung und/oder den Unteransprüchen zu entnehmen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert .

Es zeigen:

FIG 1 eine geschnittene Ansicht eines elektromechanischen

Schaltgerätes eines ersten Ausführungsbeispiels, FIG 2 eine geschnittene Ansicht eines elektromechanischen

Schaltgerätes eines zweiten Ausführungsbeispiels, FIG 3 eine geschnittene Ansicht eines elektromechanischen

Schaltgerätes eines dritten Ausführungsbeispiels, FIG 4 eine geschnittene Ansicht eines elektromechanischen Schaltgerätes eines vierten Ausführungsbeispiels, und FIG 5 eine geschnittene Ansicht eines elektromechanischen Schaltgerätes eines fünften Ausführungsbeispiels.

Figur 1 zeigt eine geschnittene Ansicht eines Schaltgerätes eines ersten Ausführungsbeispiels. Das Schaltgerät weist eine Elektronikeinheit 1 und eine mechanische Einheit im Innenraum der Schaltkammer 8 auf. Eine Temperaturerfassungseinheit 4 ist an der Schaltkammerwand angeformt. Die Messdaten der Tem ^¬ peraturerfassungseinheit 4 werden über eine elektrische Ver ^¬ bindung zur Elektronikeinheit 1 geleitet. Die Elektronikein- heit 1 weist Auswertemittel auf, die zur Auswertung der Mess ^¬ daten der Temperaturerfassungseinheit 4 vorgesehen sind. Ins ^¬ besondere können diese Auswertemittel eine Berechnungsroutine aufweisen, die es ermöglicht, mit der Messung der Temperatur

der Schaltkammerwand auf die Temperatur der Kontakte oder an ^¬ dere Bauteile mechanischen oder elektrischen Typs zu schließen. Der Vorteil hierbei besteht darin, dass es nicht notwen ^¬ dig ist, eine Temperaturerfassungseinheit 4 auf die Kontakt- flächen oder in der Nähe der Kontaktflächen anzubringen.

Stattdessen wird der Temperaturgradient, der von den Kontakten zur Temperaturerfassungseinheit 4 reicht, einmalig cha ^¬ rakterisiert und bei der Temperaturberechnung berücksichtigt. Es ist sicherlich sinnvoll, die Temperaturerfassungseinheit 4 so nahe wie möglich an die Kontaktflächen heranzubringen. Damit ist sichergestellt, dass kein zeitlicher Verzug zwischen dem tatsächlichen Auftreten der Temperatur und der Messung besteht .

Figur 2 zeigt eine geschnittene Ansicht eines Schaltgerätes eines zweiten Ausführungsbeispiels. Wie bereits im ersten Ausführungsbeispiel enthält dieses Schaltgerät eine Elektro ^¬ nikeinheit 1 und eine Schaltkammer. In diesem Ausführungs ^¬ beispiel wird die kumulative Messmethode gewählt. Es werden zwei Thermoelemente 7 innerhalb des Schaltgerätes angeformt, so dass eine Temperaturmessung an zwei verschiedenen Stellen erfolgt. Die relevante Messgröße ist in diesem Fall die Span ^¬ nung, die von den beiden Thermoelementen 7 ausgeht. Eine Erhöhung der Spannung über einen festlegbaren Schwellenwert führt zu der Diagnose, dass entweder an einem, oder dem ande ^¬ ren, oder an beiden Thermoelementen 7 eine erhöhte Temperatur vorliegt. Erlaubt die Elektronikeinheit 1 eine Auswertung von zwei Messstellen, so ist es möglich, beide Thermoelemente 7 separat zu überwachen und somit eindeutig festzustellen, wel- ches der beiden eine erhöhte Temperatur meldet.

Figur 3 zeigt eine geschnittene Ansicht eines Schaltgerätes eines dritten Ausführungsbeispiels. Der Aufbau des Schaltge ^¬ rätes im dritten Ausführungsbeispiel entspricht dem Aufbau des Schaltgerätes aus dem zweiten Ausführungsbeispiel, aller ^¬ dings werden anstatt den Thermoelementen 7 Temperaturwiderstände 5 als Temperaturerfassungseinheiten eingesetzt. Die möglichen Betriebsweisen sind bereits im zweiten Ausführungs-

beispiel beschrieben, wobei die relevante Messgröße im drit ^¬ ten Ausführungsbeispiel der ohmsche Widerstand der Tempera ^¬ turwiderstände 5 ist.

Figur 4 zeigt eine geschnittene Ansicht eines Schaltgerätes eines vierten Ausführungsbeispiels. In diesem Ausführungsbei ^¬ spiel ist die auf optischen Mitteln basierende Temperaturerfassungseinheit 2 ebenfalls über eine Leitung mit der Elekt ^¬ ronikeinheit 1 verbunden. Die Aufnahme der Messdaten findet durch die optische Abtastung eines aufwärmungsanfälligen Bauteils statt. Die Temperaturerfassungseinheit 2 kann hierfür eine Laser LED oder eine herkömmliche LED aufweisen. Eine herkömmliche LED ist dann verwendbar, wenn der Lichtweg 3 zum Messpunkt bzw. der Messfläche gering ist. Ist das nicht der Fall und der Messpunkt liegt schlecht erreichbar oder ist weit von der Temperaturerfassungseinheit 2 entfernt, so kann auf die besseren Fokussierungseigenschaften einer Laser LED zurückgegriffen werden. Auf diese Weise sind auch Temperatu ^¬ ren von Bauteilen messbar, die sich entweder bewegen oder schwer erreichbar sind. Insbesondere kann die Temperaturerfassungseinheit 2 ganz direkt für die Erkennung von Schwärzungen der Kontaktelemente ausgeführt werden. Hierbei ist es nicht notwendig die genaue Temperatur zu ermitteln, sondern es ist ausreichend, den Grad der Schwärzung der Kontaktfläche als Auslösekriterium zu verwenden, indem die Lichtintensität des reflektierten Lichtes gemessen wird.

Figur 5 zeigt eine geschnittene Ansicht eines elektromechani- schen Schaltgerätes eines fünften Ausführungsbeispiels. Die Temperaturerfassung findet im Schalter über eine integrierte Temperaturerfassungseinheit 4 innerhalb der Elektronikeinheit 1 statt. Dies erfordert charakterisierende Messungen über das Temperaturverhalten des Schalters, stellt aber eine sehr kos ^¬ tengünstige Variante der Temperaturerfassung dar.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Schaltgerät zum Schalten mindestens eines Stromes, wobei das Schaltgerät ei ^¬ nen Schaltmechanismus in einer Schaltkammer aufweist, der zur

betriebsgemäßen Unterbrechung und Verbindung einer Strombahn vorgesehen ist. Schaltgeräte nehmen oft eine Schutzfunktion beispielsweise gegenüber einem Stromnetz wahr. Deshalb ist zur Unterstützung der Schutzfunktion eine Fehler- und Ver- schleißerkennung innerhalb des Schaltgerätes wünschenswert. Zu diesem Zweck wird das Schaltgerät derart weitergebildet, so dass mindestens eine Temperaturerfassungseinheit zur Feh ^¬ ler- und Verschleißerkennung innerhalb des Schaltgerätes ver ^¬ wendbar ist.