Für die Betriebssicherheit von Schaltanlagen ist es wichtig, die Restlebensdauer von Kontaktstücken zu kennen, um durch rechtzeitige Wartungsmaßnahmen, z. B. bei Schützen, durch Aus- tausch der Kontakte, Betriebsstörungen zu vermeiden. Bisher bekannte Verfahren werten die zeitliche Abfolge während des Ausschaltvorganges aus. Für Schütze, insbesondere Luftschüt- ze, wurde ein Verfahren zur Restlebensdauererkennung des Kon- taktabbrandes entwickelt, bei dem der Abbrand durch Messung des Zeitintervalls zwischen Ankeröffnung-gekennzeichnet durch einen charakteristischen Peak in der Spulenspannung- und Kontaktöffnung-gekennzeichnet durch das Auftreten einer Schaltstreckenspannung-der Kontaktabbrand und damit die Restlebensdauer gemessen wird.

Speziell das Verfahren zur Erfassung der Durchdruckänderung als Ersatzkriterium für den Kontaktabbrand ist mit der EP 0 694 937 B1 unter Schutz gestellt. Spezifische Methoden zur Anwendung bei Schaltgeräten sind in der EP 0 878 016 B1, der EP 0 878 015 B1 und der EP 1 002 325 B1 beschrieben. Da- bei wird durchweg darauf abgestellt, dass die Durchdruckände- rungen beim Ausschaltvorgang, d. h. beim Öffnen der Schaltkon- takte durch einen elektromagnetischen Antrieb erfasst werden, woraus speziell der Abbrand an den Schaltkontakten ermittelt und daraus die Restlebensdauer des Schaltgerätes ermittelt wird.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und die zugehörige Vorrichtung anzugeben, bei denen neben dem Kontaktabbrand auch der Verschleiß der Schaltgerätemechanik unter bestimmten Bedingungen berücksichtigt werden kann. Zu- sätzlich ist eine Überwachung und Steuerung der Einschaltbe- wegung mit den erfassten Messwerten möglich.

Die Aufgabe ist bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch das kennzeichnende Merkmal gelöst. Eine zugehörige Vorrichtung ist im Patentan- spruch 10 angegeben. Weiterbildungen des Verfahrens sowie der zugehörigen Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen An- sprüche.

Gemäß der Erfindung erfolgt nunmehr die Erfassung der Durch- druckänderungen speziell beim Einschaltvorgang, d. h. beim Schließen der Schaltkontakte durch den Magnetantrieb. Bei der zugehörigen Vorrichtung ist für diesen Zweck am Magnetanker des Magnetantriebes ein Positionsgeber im kraftschlüssigen Kontakt angekoppelt.

Vorteilhaft ist bei der Erfindung, dass nicht nur der Kon- taktabbrand als die Lebensdauer des Schaltgerätes im Wesent- lichen bestimmende Größe, sondern auch der Verschleiß der Ge- rätemechanik hierzu berücksichtigt werden kann. Dies kann dann von Bedeutung sein, wenn das Schaltgerät speziell ein Vakuumschütz ist. Während nämlich bei Luftschützen der Kon- takthub vergleichsweise groß ist (bis zu 10 mm) und insofern das durch den Verschleiß der beweglichen Komponenten der Ge- rätemechanik verursachte Spiel prozentual kaum ins Gewicht fällt, kann dies bei Vakuumschützen eine nicht zu vernachläs- sigende Größe darstellen.

Letzteres ist dadurch gegeben, dass der Kontakthub bei Vaku- umschaltern gegenüber Luftschaltgeräten vergleichsweise ge- ring ist (bis zu 2 mm), dafür aber durch die Kontaktschließ- kraft, die durch Kraftbeaufschlagung der Gerätemechanik und

einer nur über Hebel erreichbaren Kraftumlenkung und Kraft- übersetzung erzeugt wird, Verschleißerscheinungen an Dreh- punkten und dergleichen leicht auftreten können.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbei- spielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentan- sprüchen. Es zeigen Figur 1 eine graphische Darstellung zur Berechnung der Kon- takt-Schließposition beim Einschaltvorgang, Figur 2 einen Magnetantrieb für ein Schaltgerät mit einem Po- sitionssensor, Figur 3 eine spezifische Ausbildung des Positionssensors aus Figur 2 zur Bestimmung einzelner Positionszeitpunkte, Figur 4 eine zu Figur 3 konkretisierte Anordnung für ein Luftschütz zur Ermittlung von Kontakt-Schließpositio- nen X3, X3neu der Positionszeitpunkte und Figur 5 ein Flussdiagramm zur rechnerischen Ermittlung der Kontaktlebensdauer eines Schaltgerätes.

Das nachfolgend beschriebene Verfahren zur Bestimmung der Restlebensdauer von Schaltkontakten besteht im Wesentlichen in der zeitlichen Erfassung vorgegebener, diskreter Positio- nen eines Magnetankers eines Schützantriebes und/oder be- stimmter Komponenten des Schaltgeräteantriebs und in der Be- stimmung der Geschwindigkeit und der (mittleren) Beschleuni- gung des Bauteiles, an dem die Positionsmessung vorgenommen wird, zu diesen vorgegebenen Positionen. Daneben besteht es in der Messung der Einschaltzeitpunkte der Schaltkontakte während ihrer Schließbewegung und der Bestimmung der Kontakt- Schließpositionen relativ zu den erfassten, diskreten Positi- onen.

Figur 1 zeigt dazu schematisch den Weg-Zeit-Verlauf 1 eines Bauteiles des Schaltgerätes, dessen Weg mit dem Kontaktweg identisch ist, dessen Weg entweder aber auch über einen kon-

stanten Faktor oder über eine vorgegebene Funktion mit dem Kontaktweg mathematisch verknüpft sein kann.

Zur Bestimmung der Restlebensdauer werden wenigstens vier Zeitpunkte erfasst, von denen einer, z. B. t3, den Kontakt- schließzeitpunkt darstellt und die anderen, z. B. tl, t2 und t4 Positionszeitpunkte eines oder mehrer Positionsgeber darstel- len. Wenigstens zwei dieser Zeitpunkte, z. B. tl und t2, kön- nen Zeitwerte zweier nah benachbarter Positionen sein, aus welchen durch die Beziehung V = (x2-xi)/ (t2-tl) ein Geschwindigkeitswert des Bauteiles ableitbar ist. Da das überwachte Bauteil während des Einschaltvorganges im allge- meinen eine beschleunigte Bewegung ausführt, wird neben der Geschwindigkeit v für wenigstens ein Zeitintervall, z. B. At = t4-tl oder At = t4-t2, ein mittlerer Wert einer konstanten Beschleunigung bestimmt.

Aus den ermittelten Werten der Geschwindigkeit und der Be- schleunigung, sowie aus den Relativpositionen der Positions- geber zueinander und ihrer Positionszeitpunkte, kann für den Kontaktschließzeitpunkt t3 durch eine einfache mathematische Beziehung die Position des schließenden Kontaktes bestimmt werden.

Die noch unbekannte Kontakt-Schließposition zwischen der Po- sition X2, welche das Ende des Wegintervalls zur Geschwindig- keitsbestimmung darstellt, und der Position X4, welche in Schließrichtung des Bauteiles nach der Kontakt-Schließposi- tion liegt, ist unbekannt. Es ist ersichtlich, dass sich die Kontakt-Schließposition X3 umso genauer bestimmen lässt, je enger das Wegintervall zwischen den Positionen xl und X4 ge- wählt wird. Im Idealfall werden die Positionen xl und X4 so gewählt, dass sie die durch Verschleiß von Kontakt und/oder Mechanik sich verändernde Kontaktschließposition sicher ein- schließen, das Wegintervall zwischen ihnen aber nicht wesent- lich größer wird, als die Differenz der Kontakt-Schließposi- tionen zu Beginn und zum Ende der Kontaktlebensdauer.

Zur Lösung der Positions/Zeit-Erfassung ergeben sich mehrere alternative Verfahren, wozu auf den Aufbau des Schaltgeräte- antriebes eingegangen wird : In Figur 2 ist ein bekannter Magnetantrieb für ein Schaltge- rät dargestellt und pauschal mit 100 bezeichnet. Es besteht in bekannter Weise aus beispielsweise E-förmigem Magnetjoch mit Magnetspulen und einem Magnetanker.

In Figur 2 ist ein zugehöriges Schaltgerät speziell ein Schütz. Dieses kann ein Luftschütz aber ebenso ein Vakuum- schütz sein, wobei in letzterem Fall die Anlenkung des An- triebes an die Bewegkontakte des Schützes komplexer ist.

In Figur 2 ist ein Magnetjoch mit 101 bezeichnet, auf dem zwei Magnetspulen 102 und 102 zur magnetischen Erregung sit- zen. Die Polflächen des Magnetjoches sind mit 103 und 103 bezeichnet. Dem Magnetjoch 101 ist ein Magnetanker 110 zuge- ordnet, der bei Erregung des Magnetantriebes durch die Mag- netspulen vom Magnetjoch angezogen wird.

In Figur 2 ist die volle Öffnungsposition des Magnetankers 110 dargestellt. Auf dem Magnetanker ist ein Träger 130 für einen Bewegkontakt 141 angeordnet, wobei in Figur 2 der Trä- ger 130 in vertikaler Richtung bewegbar ist. Bei der Ein- schaltbewegung des Antriebes wird der Bewegkontakt 141 in Schließposition zu dem Festkontakt 151 gebracht.

In der Figur 2 ist auf der anderen dem Magnetjoch zugewandten Seite des Magnetankers ein Positionsgeber 120 in kraftschlüs- sigem Kontakt mit dem Magnetanker 110 angeordnet. Der Positi- onsgeber 120 dient im Wesentlichen zur Erfassung bestimmter Positionszeitpunkte bei der Ankerbewegung und wird in den weiteren Figuren im Einzelnen beschrieben.

In Figur 3 ist der Magnetantrieb mit einer spezifischen Aus- führungsform eines Positionsgebers 120 dargestellt, dessen Vorzüge in seiner Einfachheit, Robustheit und der Präzision bei Erfassung der vorgegebenen Positionen liegt. Wie aus der Figur 3 ersichtlich, kann die konstruktiv vorgebbare Anzahl von zu erfassenden Positionen erheblich über der Mindestzahl von drei Positionen, dsh (xl, x2 und X4), liegen. Der Positi- onsgeber 120 ist als zylindrischer Stab ausgebildet, welcher über eine Feder 125 mit mäßiger Federkraft gegen den Magnet- anker 110 gedrückt wird und in einem zugehörigen Gehäuse be- wegt werden kann. Im Ausschaltzustandes des Magnetantriebes 100 liegt der Positionsgeber 120 am Anker 110 an, wodurch bei der Einschaltbewegung des Ankers 110 der Positionsgeber mit- genommen wird und auf ihn Beschleunigungskräfte einwirken, aber keine Stoßkräfte. Die Zylindermantelfläche des Positi- onsgebers ist in axialer Richtung in mehrere leitende und nichtleitende Flächenabschnitte unterteilt. Da der Außen- durchmesser aller Flächenabschnitte identisch ist und sie sich ohne Trennfuge aneinander anschließen, erhält man eine glatte Zylinderoberfläche aus in axialer Richtung sich ab- wechselnden elektrisch leitenden und nichtleitenden Abschnit- ten.

Ein derartiger elektrisch leitender Abschnitt kann z. B. ein gut leitender, metallischer Ring sein, dessen Höhe z. B. 1mm oder weniger betragen kann. Die Positionserfassung kann durch elektrische Kontaktgabe äußerer Kontaktglieder mit diesem Me- tallring erfolgen.

Um den mechanischen Verschleiß durch Abrieb zwischen den Kon- taktgliedern und dem Ring klein zuhalten, kann die Kontaktga- be statt durch einen schleifenden Kontakt durch einen abrol- lenden Kontakt realisiert sein. An diesen Messkontakt ist ein elektrischer Messkreis angeschlossen, der aus dem Kontaktsig- nal (Ein/Aus) ein Spannungssignal (Ein/Aus) ableitet. Beträgt z. B. die momentane Schließgeschwindigkeit des Bauteiles 1 m/s, so liefert der Messkontakt beim Vorbeilaufen des 1 mm

hohen Metallringes Zeitpunkte der Schaltflanken des Span- nungssignals, die einen Zeitabstand von 1 Millisekunde auf- weisen. An jeder Segmentgrenze der Flächenabschnitte kann al- so ein Zeitsignal entnommen werden. Der Positionssensor 120 nach Figur 3 liefert also ein wechselndes Rechteckspannungs- signal das mit dem am Messkontakt erzeugten Leitfähigkeits- signal der vorbeistreichenden, segmentierten Zylindermantel- fläche zeitlich übereinstimmt.

In Figur 4 sind der Kontaktapparat 40 eines Luftschützes und der Anker 110 mit dem Positionsgeber 120 auf der einen Seite sowie dem Brückenträger 130 auf der anderen Seite entspre- chend Figur 3 dargestellt. An den Brückenträger 130 ist der bewegliche Teil des Kontaktapparates mit seinen Komponenten eingebracht. Im Einzelnen ist eine Kontaktbrücke 140 mit Be- wegkontakten 14, 14 an einem Federgehäuse 160 mit Gegenlager 161 angebracht, wobei die Kontaktbrücke 140 bei geöffneten Kontakten durch eine Kontaktkraft-Feder 165 gegen den Brü- ckenträger 130 abgestützt wird. Durch diese Anordnung sind die Bewegkontakte 141, 141 gegenüber den Festkontakten 151, 1518, die auf Kontaktträgern 150, 150' befestigt sind, beweg- lich und in Öffnungs-bzw. Schließstellung bringbar. Die Kon- taktkraft-Feder 165 erzeugt dabei die Kontaktkraft und die Schließpositionen von Magnetanker und Kontaktbrücke bestimmen den Durchdruck der Feder.

Aus der Figur 4 ergeben sich die geometrischen Verhältnisse, welche die Positionszeitpunkte tl bis t4 bestimmen, wobei die gleichen Bezugszeichen wie in Figur 3 verwendet sind. Wesent- lich ist in diesem Zusammenhang die Bestimmung der Geberposi- tion X3neu im Neuzustand der Kontakte und der Geberposition X3 im Gebrauchtzustand der Kontakte. Weiterhin sind die Ortsmar- ken xl (t1), X2 (t2) und x4 (t4) dargestellt. Die Kontakte sind als Kontaktringe 122 bis 124 bzw. 125, 125'um den zylindri- schen Positionsgeber 120 ausgebildet. Es kann auch genügen, die Oberfläche 121 des Positionsgeber 120 zu beschichten.

Zur Positionsbestimmung des Kontaktes beim Kontaktschließen werden die Geschwindigkeit zwischen den nah benachbarten Po- sitionen xl und X2 und die mittlere Beschleunigung zwischen xl und X4 benötigt. Es gilt : v = (x2-x1)/(t2-t1). (1) X4-Xl = v*(t4-t1)+0.5*bm*(tr-t1)2, (2.1) b 2/ (t4-tl) * ((x4-x1)/(t4-t1)-(x2-x2)/(t2-t1)) (2.2) Damit erhält man für die Kontakt-Schließposition X3 x3-x1 = v*(t3-t1)+0,5*bm*(t-t1)2, (3.1) X3-Xl = (x2-xl)/ (t2-tl) * (t3-tl) + ( (x4-xl)/ (t4-tl) (X2-xl)/(t2-tl)) * (t3-tl) 2/ (t4-tl) (3.2) Es ist ersichtlich, dass zur Berechnung der Änderung der Kon- takt-Schließposition nur die Differenzen der gemessenen Kon- taktzeiten ti und der bekannten Positionswerte benötigt wer- den. Eine räumliche Justierung für die Bestimmung absoluter Positionswerte ist also nicht erforderlich.

Im Neuzustand der Kontakte werden über einen Mikroprozessor die mit dem Positionssensor gemessenen Zeitwerte der Bauteil- Positionen und des Kontakt-Einschaltzeitpunktes zu einem Weg (x3-xl) neu berechnet. Durch Kontaktverschleiß eventuell zu- sätzlich mit mechanischem Verschleiß erhält man im Schaltbe- trieb einen aktuellen Wert des Weges (x3-xl).

Der Verschleiß, z. B. in mm, ist dabei durch die Differenz der berechneten Wege (x3-xl)-(x3-xl) neu gegeben. Beim Kontaktab- brand entspricht diese Differenz der Abnahme des Durchdruckes durch Reduzierung der Kontaktstückdicke. Tritt zusätzlich noch eine Durchdruckabnahme durch Verschleiß mechanischer, kraftübertragender Teile des Geräteantriebes auf, so wird die mechanisch, bedingte Durchdruckabnahme als Teil der gesamten Durchdruckabnahme miterfasst, da die Kontakte und die An- triebskomponenten bei der beschleunigten Einschaltbewegung in kraftschlüssigem Kontakt stehen.

In Figur 5 ist die rechnerische Vorgehensweise anhand eines Flussdiagramms verdeutlicht. Die einzelnen Schritte 201 bis 212 sind weitestgehend selbsterklärend : Über den Start und einer Voreinstellung von Schaltgeräte-Geberdaten entsprechend den Positionen 201 und 202 werden die Zeitpunkte t2, t3 und t4 entsprechend Position 205 ermittelt. Daraus lassen sich ent- sprechend Position die Ausgabewerte X3 (t3) und xl (tl) bzw. de- ren Differenz X3-xl berechnen. Durch die Differenz (X3-Xl) neu-(x3-xl) ergibt sich die aktuelle Durchdruckänderung gemäß Position 210. Gemäß Position 211 wird die Durchdruckän- derung mit dem Lebensdauer-Ende der Kontakte korrelliert und bei Erfüllung der vorgegebenen Bedingungen entsprechend Posi- tion 212 das Programm beendet. Ist das nicht der Fall, wird zur Position 203 zurückgegangen und es werden tl, t2 und t3 entsprechend den Positionen 204,205 neu ermittelt. Die Posi- tionen 206 bzw. 208 geben Prüfroutinen für die Mittelwertbil- dung von X3-xi an.

Nach dem Erreichen des Kontakt-Lebensdauer-Endes und dem Ein- bau neuer Kontakte wird zu Beginn eines neuen Lebensdauerzyk- lus der aktuelle Wert (x3-xl) neu bestimmt, welcher den aktuel- len Verschleißzustand der Schaltgerätemechanik implizit bein- haltet. Dadurch ist eine sichere Beurteilung des Kontaktver- schleißes in jedem folgenden Lebensdauerzyklus gewährleistet.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der oben beschrie- benen Vorgehensweise ist eine Geschwindigkeitsregelung des Antriebes : Für geschwindigkeitsregelbare Antriebe, insbeson- dere Schützantriebe, die aus einem regelbaren, magnetischen Antrieb bestehen, kann die mit dem Positionssensor gemessene Geschwindigkeit v genutzt werden, um den Antrieb iterativ auf eine vorgegebene Geschwindigkeit einzustellen, oder die Ge- schwindigkeit auf einen vorgegebenen Wertebereich zu be- schränken. Dazu werden die Steuerparameter mit jeder Ein- schaltung des Antriebes mit einem vorgegebenen Parameter- schritt in Richtung höhere Geschwindigkeit gestellt, solange

die Geschwindigkeit kleiner als der Sollwert ist oder unter- halb des Sollbereiches liegt, oder in Richtung kleinere Ge- schwindigkeit gestellt, solange die Geschwindigkeit größer als der Sollwert ist, oder oberhalb des Sollbereiches liegt.

Damit wird erreicht, dass die Kontakte nach erreichter Ge- schwindigkeitseinstellung mit der vorgegebenen Geschwindig- keit schließen.

Eine Alternative zu vorstehend angegebener Vorgehensweise er- gibt sich durch die Bestimmung zweier Zeitpunkte beginn und tEnde für die Abfolge des Einschaltvorganges und daraus be- rechneter Restlebensdauer. Es bedeuten : tBeginn = den Zeitpunkt des Anlegens von Spannung an die Spu- le entweder - unter Berücksichtigung der Phasenlage der Span- nung zur Erfassung der unterschiedlichen Kraft- entwicklung oder - unter Einsatz eines phasengesteuerten Zuschal- tens, was der Herbeiführung von Synchronismus dient. tEnde-Erfassung des Kontaktschließens, wozu die Schalt- streckenspannung gemessen wird.

Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass sich das Verfahren an bestehenden Schützen anwenden lässt. Allerdings ist hierzu die Erfassung der Spannungsform mit einem A/D-Wandler oder eine Nulldurchgangsdetektion an der Steuerspannung erforder- lich.

Zur Auswertung des Einschaltweges aus den Zeitpunkten tBeginn und tEnde wird die vorgegebene und empirisch bestimmbare Weg- Zeit-Kurve des Magnetantriebes entsprechend Figur 1 herange- zogen. Die Änderung des Einschaltweges im Gebrauchszustand hinsichtlich des Neuzustandes liefert dann ein direktes oder proportionales Maß in der Änderung der Kontaktstückdicke.

Alternativ dazu erfolgt die Bestimmung zweier anderer Zeit- punkte beginn und tEnde für die Abfolge des Einschaltvorganges und daraus berechneter Restlebensdauer. Die Messgrößen sind folgendermaßen definiert : tBeginn = Zeitpunkt des Kontaktschließens, wozu die Schalt- streckenspannung gemessen wird. tEnde = Erfassung eines Wegepunktes, entweder wenn das Magnetsystem schließt, wobei die Messung z. B. durch Anlegen einer Spannung erfolgt, die Joch-Anker-Bewegung und ein Spannungsnull- wert gemessen wird, oder ein Schalter am Magnetsystem oder beliebigem We- gepunkt angebracht wird.

Aus der entsprechend Figur 1 empirisch vorgegebenen Weg-Zeit- Kurve des Magnetantriebes wird ein Durchdruckwert der Kon- taktkraft-Feder bestimmt und aus dessen Änderung im Gebrauchszustand die verschleißbezogene Durchdruckänderung bestimmt. Vorteil diesen Verfahrens ist eine einfache Erfas- sung der Zeitmarken. Allerdings kann für das Verfahren eine Abwandlung des Schützaufbaus und damit eine Neukonstruktion erforderlich sein.

Bei der ersten Alternative kann eine vorteilhafte Ausprägung einer Geschwindigkeitsregelung des Antriebes folgendermaßen erfolgen : Durch mehrere Positionsringe auf einem Positionsge- ber besteht die Möglichkeit, den Weg bei der Ankerbewegung zu messen und durch Steuerung der Magnetkraft eine nahezu kon- stante Geschwindigkeit für das Schließen des Schaltgerätes zu erreichen. Dadurch wird nicht nur die Schaltbewegung opti- miert, sondern es werden auch die den Verschleiß bewirkenden Kräfte an den mechanisch bewegten Teilen so weit wie möglich minimiert.