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Title:
METHOD AND DEVICE FOR THE SECURE OPERATION OF A SWITCHING DEVICE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2006/069959
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method and to a device for the secure operation of a switching device comprising at least one main contact which can be switched on and off and which comprises contact pieces and a displaceable contact bridge, and at least one control magnet which comprises a displaceable anchor. The anchor acts upon the contact bridge when it is switched on and off such that the corresponding main contact is opened or closed. The method comprises the following steps: a) at least one variable, in particular physical variables such as electrical, mechanical, optical and thermal variables, which are relevant to the switching operation, are detected, and b) the additional operations of the switching device are interrupted if at least one of the detected variables or at least one variable combined from the detected variables deviates more than a predetermined amount of a comparative value which corresponds to a set of characteristics.

Inventors:
MITLMEIER NORBERT (DE)
ZIMMERMANN NORBERT (DE)
Application Number:
PCT/EP2005/057077
Publication Date:
July 06, 2006
Filing Date:
December 22, 2005
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
MITLMEIER NORBERT (DE)
ZIMMERMANN NORBERT (DE)
International Classes:
H01H1/00; G01R31/327; H01H11/00
Foreign References:
DE10204849A12002-08-22
US4780786A1988-10-25
EP0193732A11986-09-10
US5747984A1998-05-05
DE19727986A11999-02-04
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (München, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Verfahren zum sicheren Betrieb eines Schaltgerätes mit zu¬ mindest einem ein und ausschaltbaren Hauptkontakt, der Kon taktstücke und eine bewegliche Kontaktbrücke aufweist, und mit zumindest einem Steuermagneten, der einen beweglichen Anker aufweist, wobei der Anker beim Ein und Ausschalten so auf die Kontaktbrücke wirkt, dass der entsprechende Hauptkon¬ takt geschlossen und geöffnet wird, mit den Schritten: a) Erfassen zumindest einer für den Schaltbetrieb relevanten Größe, insbesondere von physikalischen Größen, wie z.B. von elektrischen, mechanischen, optischen und thermischen Größen, und b) Unterbrechung des weiteren Betriebs des Schaltgerätes, wenn zumindest eine der erfassten Größen oder zumindest eine aus den erfassten Größen kombinierte Größe um mehr als einem vorgegebenen Betrag von einem in einem Kennlinienfeld korrespondierenden Vergleichswert abweicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das die Kennlinien für jeweils eine zu erfassende Größe oder die Kennlinien für jeweils eine Kom¬ bination aus zwei oder mehreren zu erfassenden Größen in ei nem elektronischen Speicher des Schaltgerätes abgelegt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t , dass mehrere Kennlinienfelder mit den jeweiligen Kennli¬ nien im elektronischen Speicher abgelegt werden, wobei ein Kennlinienfeld für jeweils einen Schaltgerätetyp bestimmt ist, und dass im Rahmen der Inbetriebnahme das Kennlinienfeld ent sprechend dem Typ des Schaltgerätes ausgewählt wird.
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Meldung bei Erreichung des Lebensdauerendes in Form eines optischen Signals und/oder über einen Datenbus an eine übergeordnete Leitstelle ausgegeben wird.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zumindest eine der zu erfassenden Größen die Stromstärke (iLliL3) durch eine jeweilige Strombahn des Schaltgerätes, die über der jeweiligen Schaltstelle anliegende elektrische Spannung (uLluL3) im geschlossenen und/oder geöffneten Zustand des Schaltgerätes, eine auf die mechanischen Komponenten des Schaltgerätes wirkende Beschleunigung, eine auf die mechani¬ schen Koppelglieder des Schaltgerätes wirkende Kraft, die Leuchtdauer und Lichtmenge eines beim Schaltvorgang entste henden Lichtbogens, die Temperatur der Kontaktmaterialien, der von den Komponenten des Schaltgerätes erzeugte Schall oder der Durchdruck im geschlossenen Zustand des Schaltgerätes ist.
6. Vorrichtung zum sicheren Betrieb eines Schaltgerätes, wo¬ bei das Schaltgerät zumindest einen ein und ausschaltbaren Hauptkontakt, der Kontaktstücke und eine bewegliche Kontakt¬ brücke aufweist, und zumindest einen Steuermagneten, der ei¬ nen beweglichen Anker aufweist, umfasst, wobei der Anker beim Ein und Ausschalten so auf die Kontaktbrücke wirkt, dass der entsprechende Hauptkontakt schließbar und offenbar ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass Mittel, insbesondere messtechnische Mittel wie Sensoren, zum Erfassen zumindest einer für den Schaltbetrieb relevanten Größe, ins besondere von physikalischen Größen, wie z.B. von elektrischen, mechanischen, optischen und thermischen Größen, vorgesehen sind, wobei der weitere Betrieb des Schaltgerätes un¬ terbrochen wird, wenn zumindest eine der erfassten Größen o der zumindest eine aus den erfassten Größen kombinierte Größe um mehr als einem vorgegebenen Betrag von einem in einem Kennlinienfeld korrespondierenden Vergleichswert abweicht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das die Kennlinien für jeweils eine zu erfassende Größe oder die Kennlinien für jeweils eine Kom¬ bination aus zwei oder mehreren zu erfassenden Größen in ei nem elektronischen Speicher des Schaltgerätes ablegbar sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mehrere Kennlinienfelder mit den jeweiligen Kennli nien im elektronischen Speicher ablegbar sind, wobei ein Kennlinienfeld für jeweils einen Schaltgerätetyp bestimmt ist, und dass im Rahmen der Inbetriebnahme das Kennlinienfeld ent¬ sprechend dem Typ des Schaltgerätes auswählbar ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Meldung bei Erreichung des Lebensdauerendes in Form eines op¬ tischen Signals und/oder über einen Datenbus an eine überge ordnete Leitstelle ausgebbar ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zumin¬ dest eine der zu erfassenden Größen die Stromstärke (iLliL3) durch eine jeweilige Strombahn des Schaltgerätes, die über der jeweiligen Schaltstelle anliegende elektrische Spannung (uLluL3) im geschlossenen und/oder geöffneten Zustand des Schaltgerätes, eine auf die mechanischen Komponenten des Schaltgerätes wirkende Beschleunigung, eine auf die mechani sehen Koppelglieder des Schaltgerätes wirkende Kraft, die Leuchtdauer und Lichtmenge eines beim Schaltvorgang entstehenden Lichtbogens, die Temperatur der Kontaktmaterialien, der von den Komponenten des Schaltgerätes erzeugte Schall oder der Durchdruck im geschlossenen Zustand des Schaltgerä tes ist.
11. Schaltgerät das zum sicheren Schalten von Verbrauchern das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchführt, wobei das Schaltgerät ein Schütz oder ein Leistungsschalter oder ein Kompaktabzweig ist.
12. Schaltgerät zum sicheren Schalten von Verbrauchern mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei das Schaltgerät ein Schütz oder ein Leistungsschalter oder ein Kompaktabzweig ist.
13. Schaltgerät nach Anspruch 11 oder 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Schaltgerät ein dreipoliges Schaltgerät mit drei Hauptkontakten zum Ein und Ausschalten von drei Strombahnen mit einem Steuermagneten ist .
Description:
Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zum sicheren Betrieb eines Schaltgerätes

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum sicheren Betrieb eines Schaltgerätes gemäß dem Oberbegriff des An ¬ spruchs 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

Mit Schaltgeräten, insbesondere Niederspannungsschaltgeräten, lassen sich die Strombahnen zwischen einer elektrischen Versorgungseinrichtung und Verbrauchern und damit deren Betriebsströme schalten. Das heißt, indem vom Schaltgerät Strombahnen geöffnet und geschlossen werden, lassen sich die angeschlossenen Verbraucher sicher ein- und ausschalten.

Ein elektrisches Niederspannungsschaltgerät, wie beispiels ¬ weise ein Schütz, ein Leistungsschalter oder ein Kompaktstar- ter, weist zum Schalten der Strombahnen einen oder mehrere so genannte Hauptkontakte auf, die von einem oder auch mehreren Steuermagneten gesteuert werden können. Prinzipiell bestehen die Hauptkontakte dabei aus einer beweglichen Kontaktbrücke und festen Kontaktstücken, an die der Verbraucher und die Versorgungseinrichtung angeschlossen sind. Zum Schließen und Öffnen der Hauptkontakte wird ein entsprechendes Ein- oder Ausschaltsignal an die Steuermagnete gegeben, woraufhin diese mit ihrem Anker so auf die beweglichen Kontaktbrücken einwirken, dass die Kontaktbrücken eine Relativbewegung in Bezug auf die festen Kontaktstücke vollziehen und entweder die zu schaltende Strombahnen schließen oder öffnen.

Zur besseren Kontaktierung zwischen den Kontaktstücken und den Kontaktbrücken sind an Stellen, an denen beide aufeinan- der treffen, entsprechend ausgebildete Kontaktflächen vorge ¬ sehen. Diese Kontaktflächen bestehen aus Materialien, wie beispielsweise Silberlegierungen, die an diesen Stellen so-

wohl auf die Kontaktbrücke als auch die Kontaktstücke aufge ¬ bracht sind und eine bestimmte Dicke aufweisen.

Die Materialien der Kontaktflächen sind bei jedem der Schalt- Vorgänge einem Verschleiß unterworfen. Faktoren, die diesen Verschleiß beeinflussen können, sind:

zunehmender Kontaktabbrand oder Kontaktabrieb mit stei ¬ gender Anzahl von Ein- und Ausschaltvorgängen,

■ zunehmende Verformungen,

■ zunehmende Kontaktkorrosion durch Lichtbogeneinwirkung oder

Umwelteinflüsse, wie beispielsweise Dämpfe oder Schweb ¬ stoffe usw.

Als Folge davon werden die Betriebsströme nicht mehr sicher geschaltet, was zu Stromunterbrechungen, Kontaktaufheizungen oder zu Kontaktverschweißungen führen kann.

So wird sich insbesondere mit zunehmendem Kontaktabbrand die Dicke der an den Kontaktflächen aufgebrachten Materialien verringern. Damit wird der Schaltweg zwischen den Kontaktflä ¬ chen der Kontaktbrücke und der Kontaktstücke länger, was letztendlich die Kontaktkraft beim Schließen verringert. Als Folge davon werden mit zunehmender Anzahl von Schaltvorgängen die Kontakte nicht mehr richtig schließen. Durch die daraus resultierenden Stromunterbrechungen oder aber auch durch ein verstärktes Einschaltprellen kann es dann zu einer Kontaktaufheizung und damit zu einem zunehmenden Aufschmelzen des Kontaktmaterials kommen, was dann wiederum zu einem Verschweißen der Kontaktflächen der Hauptkontakte führen kann.

Es gibt zwar eine Reihe von Verfahren, die versuchen, das nahende Ende der Lebensdauer auf Grund eines reduzierten Kontaktdurchdruckes zu ermitteln. Diese Verfahren stellen jedoch

nicht sicher, dass alleine über die Bewertung des Kontakt ¬ durchdruckes ein Verschweißen des Kontaktes vermieden wird, so dass das Lebensdauerende rechtzeitig signalisiert werden kann.

Das Problem der Materialwanderung von Kontaktmaterial kann z.B. dazu führen, dass an einer Schaltstelle, d.h. am Fest ¬ schaltstück oder am beweglichen Schaltstück, Kontaktmaterial verbraucht wird und am gegenüberliegenden Kontakt aufgebaut wird. Der Kontaktdurchdruck reduziert sich hierbei nicht oder nur unwesentlich. Auch in diesem Fall verschweißt ein Kontakt, wenn letztendlich Kontaktmaterial gegen Kontaktträgermaterial schaltet. Damit ist eine Kontaktstelle mit hoher Schweißneigung hergestellt. Die bisherigen Verfahren zur Sig- nalisierung des Lebensdauerendes der Strombahn sind also nicht zuverlässig.

Ist ein Hauptkontakt des Schaltgerätes verschlissen oder so ¬ gar verschweißt, kann das Schaltgerät den Verbraucher nicht mehr sicher ausschalten. So wird gerade bei einem verschweiß ¬ ten Kontakt trotz des Ausschaltsignals zumindest die Strom ¬ bahn mit dem verschweißten Hauptkontakt weiter ström- beziehungsweise spannungsführend bleiben, und damit der Verbrau ¬ cher nicht vollständig von der Versorgungseinrichtung ge- trennt. Da somit der Verbraucher in einem nicht sicheren Zustand verbleibt, stellt das Schaltgerät eine potentielle Feh ¬ lerquelle dar.

Dadurch kann beispielsweise bei Kompaktstartern nach der IEC 60 947-6-2, bei denen ein zusätzlicher Schutzmechanismus auf die selben Hauptkontakte wirkt wie der Steuermagnet beim betriebsmäßigen Schalten, die Schutzfunktion blockiert werden.

Zum sicheren Betrieb von Schaltgeräten und damit zum Schutz des Verbrauchers und der elektrischen Anlage sind deshalb solche Fehlerquellen zu vermeiden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, solche potentiel ¬ len Fehlerquellen zu erkennen und entsprechend darauf zu rea ¬ gieren.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren mit den Merkma ¬ len des Anspruchs 1 sowie durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht so mit geringem Aufwand, das Lebensdauerende eines Schaltgerätes und somit einen nicht mehr sicheren Betrieb des Schaltgerätes zu erkennen und ent ¬ sprechend darauf zu reagieren.

Bei dem Verfahren und der Vorrichtung wird zumindest eine für den Schaltbetrieb relevante Größe, insbesondere eine physika ¬ lische Größe, wie z.B. eine elektrische, mechanische, opti ¬ sche oder thermische Größe, erfasst und der weitere Betrieb des Schaltgerätes unterbrochen, wenn zumindest eine der er- fassten Größen oder zumindest eine aus den erfassten Größen kombinierte Größe um mehr als einem vorgegebenen Betrag von einem in einem Kennlinienfeld korrespondierenden Vergleichswert abweicht .

Dadurch wird sichergestellt, dass am Lebensdauerende des Schaltgerätes, das heißt dann, wenn insbesondere die Kontakt ¬ materialien der Kontaktflächen weitgehend abgetragen sind oder wenn sich ein atypisches Schaltverhalten des Schaltgerätes entwickelt oder einstellt, der weitere Betrieb des Schaltgerätes unterbrochen wird, so dass ein sicherer Betrieb des Schaltgerätes gewährleistet ist. So ist es z.B. möglich, im geschlossenen Zustand des Schaltgerätes die an der Kon ¬ taktbrücke abfallende elektrische Leistung zu ermitteln, wel ¬ che dort in Wärme umgesetzt wird. Überschreitet dieser Leis ¬ tungswert dann einen vorgegebenen Vergleichswert, wie z.B. eine Verlustleistung von 2 Watt, so wird der Schaltbetrieb unterbrochen.

In einer Ausführungsform der Erfindung werden die Kennlinien für jeweils eine zu erfassende Größe oder die Kennlinien für jeweils eine Kombination aus zwei oder mehreren zu erfassenden Größen in einem elektronischen Speicher des Schaltgerätes abgelegt. Dieser elektronische Speicher ist insbesondere ein nichtflüchtiger Speicher, wie ein EPROM- EEPROM- oder FRAM- Speicher. In besonders vorteilhafter Weise kann dann die Steuereinheit des Schaltgerätes datentechnisch auf diesen Speicher zugreifen und die ausgelesenen Kennlinienwerte mit aktuell vorliegenden erfassten Messwertgrößen vergleichen.

Ist die Steuereinheit ein MikroController, so kann dieser bereits einen integrierten elektronischen Speicher aufweisen, der neben einem Betriebsprogramm zur Steuerung des Schaltgerätes auch die Kennliniendaten umfasst. Die Daten zu den Kennlinien können dabei in geeigneter Weise datentechnisch aufbereitet sein, wie z.B. in tabellarischer Form oder in einem Datenbankformat vorliegen. Bekannte Datenbankformate ba ¬ sieren z.B. auf den Microsoft-Anwendungen EXCEL oder ACCESS.

In einer besonderen Ausführungsform sind mehrere Kennlinienfelder mit den jeweiligen Kennlinien im elektronischen Speicher abgelegt, wobei ein Kennlinienfeld für jeweils einen Schaltgerätetyp bestimmt ist, und wobei im Rahmen der Inbe ¬ triebnahme oder Montage dann das Kennlinienfeld entsprechend dem Typ des Schaltgerätes ausgewählt wird. Die Auswahl des

Schaltgerätetyps kann z.B. durch einen Techniker oder im Rahmen der Fertigung eines Schaltgerätes erfolgen, indem z.B. ein Kodierschalter auf einen entsprechenden Kode eingestellt wird, der dem jeweiligen Schaltgerätetyp entspricht. Die Ein- Stellung kann aber auch über eine Datenschnittstelle erfol ¬ gen, über welche die Steuereinheit des Schaltgerätes mit ei ¬ nem Service-PC angeschlossen werden kann. Auf diese Weise reduziert sich die Vielfalt von elektronischen Steuereinheiten oder von Baugruppen mit einer solchen Steuereinheit erheb- lieh. Aufgrund der heute verfügbaren Speichergröße ist es heute kein Problem, Hunderte von Kennlinienfelder in dem elektronischen Speicher abzuspeichern. Auf diese Weise können auch unterschiedlichste Kombinationen eines Schaltgerätes mit

jeweils unterschiedlichem elektromagnetischen Antrieb und jeweils unterschiedlichen Schaltkontakten im elektronischen Speicher bereits abgelegt sein.

Die Auswahl des jeweiligen Kennlinienfeldes kann z.B. dadurch erfolgen, dass im Rahmen des Zusammenbaus eines Schaltgerätes jeweils unterschiedliche Kodierkontakte geschlossen oder ge ¬ öffnet werden. So können technisch unterschiedlich ausgeführte Schaltkontakte, die alle mittels eines möglichen elektro- magnetischen Antriebs betätigt werden können, beim Zusammenbau unterschiedliche Kodierkontakte auf der Steuerplatine mit der elektronischen Steuereinheit im Sinne eines Kodierste ¬ ckers betätigen. Dadurch ist in besonders vorteilhafter Weise schon beim Zusammenbau des Schaltgerätes das richtige Kennli- nienfeld automatisch ausgewählt.

In einer weiteren Ausführungsform wird eine Meldung bei Erreichung des Lebensdauerendes in Form eines optischen Signals und/oder über einen Datenbus an eine übergeordnete Leitstelle ausgegeben. Das optische Signal kann z.B. das Licht einer Leuchtdiode sein. Dadurch kann sofort ein Servicetechniker zum Tausch oder zur Reparatur des Schaltgerätes informiert werden.

Die nachfolgende Auflistung möglicher messtechnisch erfassbarere Größen, die im Zusammenhang mit dem Betrieb eines Schaltgerätes stehen, ist nicht vollständig. Weitere mögliche zu erfassende Größen sind möglich, auch wenn diese nachfol ¬ gend nicht aufgeführt sind. Dabei kann zumindest eine der zu erfassenden Größen die Stromstärke durch eine jeweilige

Strombahn des Schaltgerätes, die über der jeweiligen Schalt ¬ stelle anliegende elektrische Spannung im geschlossenen und/oder geöffneten Zustand des Schaltgerätes, eine auf die mechanischen Komponenten des Schaltgerätes wirkende Beschleu- nigung, eine auf die mechanischen Koppelglieder des Schaltgerätes wirkende Kraft, die Leuchtdauer und Lichtmenge eines beim Schaltvorgang entstehenden Lichtbogens, die Temperatur der Kontaktmaterialien, der von den Komponenten des Schaltge-

rätes erzeugte Schall oder der Durchdruck im geschlossenen Zustand des Schaltgerätes sein.

Die jeweiligen Kennlinien bzw. die aus zwei oder mehreren Größen kombinierten Kennlinien können dabei empirisch, versuchstechnisch oder mittels Simulation, wie z.B. auf Basis eines FEM-Modells, ermittelt werden. Die dem jeweiligen Gerät entsprechenden Kennlinien können auch im Vorfeld während der Entwicklung ermittelt und dann im elektronischen Speicher hinterlegt werden.

In einer weiteren Ausführung kann bei jedem Ein- und Ausschalten der Strom miterfasst werden, da jede Schalthandlung in Abhängigkeit von Strom und Spannung zum Abbrand bzw. Verbrauch von Kontaktmaterial führt. Eine messtechnische Aus ¬ werteeinheit, die z.B. in der elektronischen Steuereinheit integriert sein kann, vergleicht dann den Einschalt- und den Ausschaltstrom mit einem gespeicherten Kennfeld und errechnet daraus den Verschleiß eines jeden Schaltvorganges.

Die Bestimmung des Verbrauchs von Kontaktmaterial kann auch durch die Erfassung von Strom und Lichtbogendauer erfolgen. Fasst man in einem Kennlinienfeld die unterschiedlichen Belastungsarten zusammen, kann man je nach Energieumsatz des Ein- bzw. Ausschaltvorganges Rückschlüsse auf den anteiligen Abbrand von Kontaktmaterial ziehen und diese entsprechend aufsummieren. Nach dem Erreichen eines für das jeweilige Gerät festzulegenden Grenzwertes der über die Lebensdauer aufsummierten Lichtbogenarbeit kann dem Anlagenbetreiber die Notwendigkeit eines Austausches des Gerätes bzw. der Kontakte angezeigt werden, bevor durch das Schaltgerät, bedingt durch seinen Ausfall am Lebensdauerende, einen Anlagenstillstand erzeugt wird.

Darüber hinaus sind weitere Maßnahmen vorstellbar, die in Kombination oder auch alleine zu einer sicheren Erkennung des Lebensdauerendes von Schaltgeräten führen:

So kann während des Einschaltzustandes des Schaltgerätes per ¬ manent oder in vorgegebenen Zeitintervallen die sichere Stromführung des Schaltgerätes überwacht werden. Bei Erkennen einer Störung, die die Stromführung beeinträchtigt, wird das Schaltgerät in den Ausschaltzustand gebracht und dessen wei ¬ tere Betätigung blockiert. Nach Kontrolle und Behebung der Störung kann das Schaltgerät wieder für das betriebsmäßige Schalten freigegeben werden.

Erfindungsgemäß werden so Störungen in der Stromführung des Schaltgerätes als zeitliche Änderungen von Messgrößen er- fasst, die eine Abweichung von Normwerten darstellen. Die Normwerte selbst können eine Funktion der Betriebsbedingungen sein, wie Stromhöhe, Netzspannung, Schalthäufigkeit, Umge- bungstemperatur, geleistete Schaltanzahl etc. Als Messgrößen können einzelne Größen oder mehrere Größen verknüpft von der Überwachungseinrichtung ausgewertet werden.

Diese Messgrößen, die zu einem oder zu mehreren Schaltpolen erfasst werden können, sind: elektrischer Strom, elektrische Spannung, künstliche Sternpunktspannung auf der Lastseite,

Beschleunigung mechanischer Komponenten, - Position mechanischer Koppelglieder zwischen Kontakt und

Antrieb,

Kraft auf mechanische Koppelglieder,

Licht, insbesondere des Lichtbogens bei Schaltvorgängen

Temperatur, - Schall,

Durchdruck.

Alle diese Messgrößen weisen bei Störungen der Stromführung im Einschaltzustand des Schaltgerätes typische zeitliche Sig- nalfluktuationen oder typische Signalpegel auf.

So kann mit Stromwandlern das höherfrequente Signalrauschen oder die (kurzzeitige) Totalunterbrechung des Stromflusses erfasst werden.

Durch direkte oder kapazitive Spannungsmessung kann das

(kurzzeitige) Auftreten von Bogenspannung oder das Auftreten von Stromunterbrechung der Netzspannung an den Kontakten erfasst werden. Aus dem Spannungsrauschen an einem künstlichen Sternpunkt kann das Auftreten von Bogenspannung oder Netz- Spannung an allen Hauptkontakten des Schaltgerätes detektiert werden.

Durch fluktuierendes Kontakttrennen (Kontaktflattern) treten Beschleunigungen an Kontakten und mechanischen Koppelgliedern auf. Diese Messgröße kann mit einem Beschleunigungssensor erfasst werden.

Die Position mechanischer Koppelglieder wird durch das Kontaktflattern verrauscht, was z.B. mit einem optischen Sensor oder mit einem Piezosensor erfasst werden kann.

Da bei stark abgebrannten Kontakten die Störung der Stromführung durch eine Fluktuation der Kontaktkraft verursacht sein kann und diese durch eine komplementäre Kraftkomponente am mechanischen Koppelglied zwischen Kontakt und Schaltgeräteantrieb erzeugt wird, kann das fluktuierende Kraftsignal auf das Koppelglied mit einem geeigneten Kraftsensor gemessen werden.

Die Störung der Stromführung im Schaltgerät ist häufig von

Störlichtbögen begleitet, welche mit einem den Kontakt überwachenden Photosensor erfasst werden.

Ein weiteres Merkmal der gestörten Stromführung ist das Auf- treten eines erheblichen Kontaktspannungsabfalls, was - wie eingangs beschrieben - zu einer erhöhten elektrischen Verlustleistung und daher zu einer erhöhten Temperatur in der Kontaktumgebung führt. Das relativ niederfrequente Fluktuie-

ren des Temperatursignals kann mit einem Temperatursensor er- fasst werden.

Da Störlichtbögen mit einer intensiven, charakteristischen Geräuschentwicklung einhergehen, kann mit Schallsensoren das Auftreten derartiger Kontaktstörungen messtechnisch erfasst werden. Die Abnahme des Kontaktdurchdruckes ist durch die Lichtbogenerosion der Kontakte und die Abnahme der Kontaktdi ¬ cken bestimmt. Bei Kontaktlebensdauerende hat der Durchdruck einen Mindestwert erreicht. Der Mindestdurchdruck ist durch den Antriebsweg bestimmt, den der Antrieb in KontaktÖffnungs ¬ richtung zurücklegen muss, um Kraftschluss zu dem Bewegkontakt herzustellen. Dieser Mindestdurchdruck kann als Abstand zwischen dem Bewegkontakt und dem mechanischen Koppelglied, oder als Abstand des Koppelgliedes von der aktiven Antriebs ¬ komponente gemessen werden, wie z.B. mittels eines kapaziti ¬ ven Messverfahrens. Die erfassten Wegmesswerte werden dann mit einem im Kennfeld hinterlegten Grenzwert verglichen.

Alle diese Überwachungsmaßnahmen werden vorzugsweise im Einschaltzustand des Schaltgerätes durchgeführt, wobei die Stö ¬ rung der Stromführung frühzeitig aus der Fluktuation oder dem Pegel der erfassten Überwachungssignale erkannt wird.

Um eine möglichst lange Verfügbarkeit des Schaltgerätes zu gewährleisten, können verschiedene dieser Überwachungsgrößen als alleinbestimmende Messgrößen (z.B. Auftreten von Bogen- spannung oder von Licht am Kontakt, Erreichen des Mindest- durchdruckes) , oder als zusätzliche Messgrößen (z.B. Tempera- tur) gewertet werden. Insbesondere können die Überwachungs ¬ größen miteinander zeitlich und fakultativ verknüpft werden, um die Auswertezuverlässigkeit zu erhöhen und eine Fehlab ¬ schaltung des Schaltgerätes zu vermeiden.

Gilt ein Störfall von der Überwachungseinheit als erkannt, so wird das Schaltgerät ausgeschaltet und der weitere Schaltbe ¬ trieb blockiert. Dadurch ist ein sicherer Schaltbetrieb bis zum Lebensdauerende des Schaltgerätes gewährleistet.

Der Vorteil für den Kunden besteht bei den beschriebenen Lösungen darin, dass das Gerät bis zu seiner maximalen Lebensdauer betrieben werden kann, bevor die Schaltstücke oder das Gerät mehrfach kontrolliert werden muss. Es wird eine zuver- lässige Meldung nahe dem Lebensdauerende erzeugt, die es dem Anwender ermöglicht, das Schaltgerät über eine lange Be ¬ triebsdauer ohne zusätzliche Wartungsarbeiten zu betreiben. Der Kunde spart damit Zeit und als weiterer Vorteil wird der zuverlässige Betrieb der Anlage sichergestellt.

Weitere vorteilhafte Ausführungen und bevorzugte Weiterbil ¬ dungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungen derselben wer- den im Weiteren anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen:

FIG 1 ein vereinfachtes Flussdiagramm des erfindungsgemä ¬ ßen Verfahren und FIG 2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Wie in FIG 1 dargestellt, werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im Wesentlichen die beiden folgenden Schritte durchgeführt:

Schritt a) Erfassen zumindest einer für den Schaltbetrieb relevanten Größe, insbesondere von physikalischen Größen, wie z.B. von elektrischen, mechanischen, optischen und thermischen Größen, und Schritt b) Unterbrechung des weiteren Betriebs des Schaltge ¬ rätes, wenn zumindest eine der erfassten Größen oder zumindest eine aus den erfassten Größen kombinierte Größe um mehr als einem vorgegebenen Betrag von einem in einem Kennlinienfeld korrespon- dierenden Vergleichswert abweicht.

Dadurch wird sichergestellt, dass am Lebensdauerende des Schaltgerätes, das heißt dann, wenn insbesondere die Kontakt-

materialien der Kontaktflächen weitgehend abgetragen sind oder wenn sich ein atypisches Schaltverhalten des Schaltgerätes entwickelt oder einstellt, der weitere Betrieb des Schaltgerätes unterbrochen wird, so dass ein sicherer Betrieb des Schaltgerätes gewährleistet ist.

FIG 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überwachung eines Schaltgerätes. In der Bildmitte der FIG 2 ist eine elektronische Steuereinheit 1, wie z.B. ein MikroController, dargestellt. Ein Gleichrichter 2 wandelt eine eingangsseitige Wechselspannung, wie z.B. von 230V, in eine Gleichspannung, wie z.B. von 48V, zur elektrischen Versorgung der elektronischen Steuereinheit 1 um. Der Gleichrichter 2 dient unter anderem zur Versorgung weiterer elektronischer Komponenten, wie z.B. der Strom- und Span- nungsmessaufbereitungseinheiten 3 und 4. Anstelle eines Gleichrichters 2 kann auch ein Wechselrichter vorgesehen sein, welcher eine eingangsseitige Gleichspannung in eine zumeist niedrigere Spannung umwandelt.

Im linken Teil der FIG 2 sind eine Strommessaufbereitungsein- heit 3 und eine Spannungsmessaufbereitungseinheit 4 zu sehen. Die Strommessaufbereitungseinheit 3 wandelt z.B. die von den nicht weiter dargestellten Stromwandlern erfassten Ströme iLl-iL3 in den jeweiligen Strombahnen in datentechnisch von der Steuereinheit 1 weiterverarbeitbare Signale um. Die Spannungsmessaufbereitungseinheit 4 wandelt z.B. die von den nicht weiter dargestellten Spannungswandlern erfassten Spannungen uLl-uL3, die über der jeweiligen Strombahn, insbeson- dere über dem beweglichen Schaltstück, abfällt, in datentechnisch von der Steuereinheit 1 weiterverarbeitbare Signale um.

In der FIG 2 werden beispielhaft nur die jeweiligen Strom- und Spannungswerte im geschlossenen Zustand des Schaltgerätes erfasst und ausgewertet. Weitere Sensoren zur Erfassung der weiteren Größen gemäß der Erfindung sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.

Die elektronische Steuereinheit 1 umfasst weiterhin einen elektronischen Speicher, unter anderem zur Hinterlegung der Kennlinien bzw. Kennlinienfelder gemäß der Erfindung. Entsprechend dem Beispiel der FIG 2 wird zu den jeweils erfass- ten Messwerten iLl-iL3 und uLl-uL3 der zugehörige Grenzwert im Kennlinienfeld ermittelt und im Falle einer Überschreitung der Schaltbetrieb unterbrochen. In einem solchen Fall gibt die elektronische Steuereinheit 1 eine Meldung an eine Melde ¬ einheit 5 aus. Diese kann über eine geeignete Datenschnitt- stelle die Meldung z.B. an eine übergeordnete Leitstelle aus ¬ geben und/oder ein Leuchtmittel, wie z.B. eine LED-Warnleuchte, ansteuern.

Zur Steuerung des Antriebs 6 des Schaltgerätes gibt die elektronische Steuereinheit 1 ein Schaltsignal an eine Leis ¬ tungsstufe 7 aus, die den erforderlichen Strom und die erforderliche Spannung bereitstellen kann. Eine in einem Rückkoppelzweig angeordnete Regeleinheit 8 erfasst die zum Antrieb gehörenden Istwerte und erzeugt aus diesen geeignete Sollwer- te zur Steuerung und Regelung des Antriebs 6. Die Sollwerte werden dann der elektronischen Steuereinheit 1 zur Weiterverarbeitung zur Verfügung gestellt.