Vakuumschaltanordnung und Verfahren zum Erkennen eines Lichtbogens

Die Erfindung betrifft eine Vakuumschaltanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Erkennen eines Lichtbogens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.

Aus der Betriebsanleitung „3TM Vakuum-Schütz 7,2 kV - 15 kV, 3-polig, 4,15 kV - 6,9 kV, 1-polig", Bestell-Nr. : 9229 0106 100 0, Siemens AG 2020, ist ein Schaltgerät für Mittelspannung bekannt, das eine Vakuumschalteinrichtung mit einem elektro-magnetischen Antrieb aufweist. Der Magnetantrieb kann dabei eine Magnetkraft auf eine sogenannte Ankerplatte ausüben und diese anziehen. Die Bewegung der Ankerplatte wird mechanisch in eine Bewegung zum Anpressen eines beweglichen Kontakts an einen Festkontakt innerhalb der Vakuumschalteinrichtung übersetzt. Der bewegbare Kontakt wird über einen flexiblen Federbalg aus dem Vakuum herausgeführt.

Aus dem Katalog „Vakuum-Leistungsschalter 3AH4", Artikel-Nr. EMMS-K1511-A041-A6, Siemens AG 2018, ist eine Vakuumschalteinrichtung mit Federspeicherantrieb bekannt.

Eine Vakuumschalteinrichtung im Sinne der Erfindung weist z.B. ein fluiddichtes Gehäuse auf, in dessen Inneren ein Vakuum herrscht (bzw. ein extrem niedriger Gasdruck unter 10 ^-3 mbar, bevorzugt unter IO ^-6 mbar) . Typischerweise wird das Gehäuse teilweise als Keramik-Isolierkörper aus Aluminiumoxid gebildet, der an einem metallischen Flanschbereich mit weiteren Komponenten des Gehäuses verbunden ist. Wird ein beweglicher Kontakt von dem Festkontakt z.B. mittels einer Federkraft schnell weggezogen, so wird ein entstehender Lichtbogen rasch gelöscht. Typischerweise wird der Strom zeitlich im Bereich des Nulldurchgangs unterbrochen. Vakuumschalteinrichtungen sind besonders gut zum Schalten von Wechselstrom geeignet , weil beim Nulldurchgang des Stroms ein Lichtbogen stets abreißt .

Während des Öf fnungsvorganges der Kontakte einer Vakuumschalteinrichtung zur Stromunterbrechung entsteht ein Lichtbogen zwischen den Kontakt flächen . Die Brenndauer des Lichtbogens ist bisher nur sehr aufwendig zu bestimmen .

Die exakte Brenndauer des Lichtbogens zu ermitteln ist eine wesentliche Voraussetzung zur Berechnung des Kontaktverschleißes , um die Betriebssicherheit des Schalters mit Vakuumschalteinrichtung zu gewährleisten bzw . im Rahmen eines Schaltermonitorings eine Vorhersage für das Restschaltvermö- gen der Vakuumschalteinrichtung zu ermöglichen . Für die Berechnung des Kontaktverschleißes werden bisher unterschiedliche Verfahren verwendet , u . a . das sogenannte „I ² t-Verfahren" in unterschiedlichen Ausprägungen .

Üblicherweise wird der Start Zeitpunkt des Lichtbogens aus der Messung der Bewegung des beweglichen Kontaktteils bestimmt . Das Ende der Lichtbogenbrenndauer wird aus dem in der Vakuumschalteinrichtung fließenden Strom bestimmt , wenn dieser dauerhaft auf 0 abfällt .

Da die Lichtbogenbrenndauer möglichst exakt ( auf ca . 0 , 1 ms Genauigkeit ) bestimmt werden muss , um den Kontaktverschleiß durch den Lichtbogen möglichst genau zu ermitteln, ist es notwendig, die Messung der Kontaktöf fnung und des Stromflusses durch die Vakuumschalteinrichtung entweder in einem Messsystem zu bestimmen oder bei zwei Messsystemen eine Zeitsynchronisierung zwischen den Messsystemen durchzuführen .

Solche Messsysteme sind kostenintensiv und wenig verbreitet , daher wird üblicherweise für die Lichtbogenbrenndauer ein recht ungenauer Ersatzwert herangezogen .

Dieser Ersatzwert wird bestimmt aus einem angenommenen Öf f- nungs zeitpunkt der beiden Kontakte , welcher aus dem Zeitpunkt der Schaltkommandos zum Öf fnen der Kontakte und einer ( kon- stanten) Schaltereigenzeit berechnet wird . Es wird für den Endpunkt der Lichtbogenbrenndauer der Stromfluss durch die Vakuumschaltröhre gemessen und es wird erkannt , wann dieser dauerhaft bei 0 liegt .

Da die Eigenzeit eines Schalters mit Vakuumschalteinrichtung nicht konstant ist , ergeben sich große Abweichungen bei der Bestimmung des Zeitpunktes der Kontaktöf fnung .

Wesentliche Einflussgrößen sind mechanische Toleranzen durch den Einfluss der Umgebungstemperatur und der Einfluss der Steuerspannungshöhe auf die Reaktions zeit der elektromagnetischen Auslöser von Federspeicherantrieben, welche den Schaltvorgang starten .

Ausgehend von bekannten Vakuumschaltanordnungen stellt sich an die Erfindung die Aufgabe , eine Vakuumschaltanordnung anzugeben, mit der eine Lichtbogendauer besonders genau bestimmt werden kann .

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Vakuumschaltan- ordnung gemäß Anspruch 1 .

Eine Antriebsvorrichtung kann beispielsweise eine vorgespannte mechanische Feder oder einen elektromagnetischen Antrieb aufweisen, um im Falle eines eintref fenden Schaltbefehls die Kontakte innerhalb von wenigen ms zu trennen . Die sog . Schaltstrecke , im Folgenden auch Trennstrecke genannt , ist z . B . zwischen 5 mm und 50 mm lang und auf die Nennspannung, für die die Vakuumschaltanordnung vorgesehen ist , abgestimmt . Bei Federspeicherantrieben sind die Toleranzen bzgl . der Öf f- nungsmomente der Kontakte größer sind als bei Magnetantrieben, so dass eine besonders genaue Messung der Lichtbogendauer bei Federspeicherantrieben besonders vorteilhaft ist .

Eine Lichtmesseinrichtung ist z . B . ein Sensor mit Photodioden und/oder Phototransistoren, die einfallendes Licht in elektrische Spannung und/oder einen elektrischen Strom übersetzen . Auch ein Fotowiderstand kann mit Vorteil eingesetzt werden . Je mehr Licht auf den Fotowiderstand fällt , desto kleiner wird sein elektrischer Widerstand. Eine Lichtemission im Sinne der Erfindung ist das im Inneren des Gehäuses entstehende Licht, wobei ohne Lichtbogen (i.d.R. absolute) Dunkelheit herrscht. Tritt ein Lichtbogen auf, so sind hohe Lichtstärken, z.B. in den Einheiten Lumen oder Candela, messbar. Daher kann die Lichtbogenbrenndauer (im Folgenden auch Lichtbogendauer oder zeitliche Dauer eines Lichtbogens genannt) exakt bestimmt werden. Die Lichtmesseinrichtung wird auf oder in der Keramik der der Vakuumschalteinrichtung angebracht und gegen Fremdlichteinfluss von außen abgeschirmt.

Das Gehäuse weist beispielsweise einen metallischen Flansch als Deckel und einen metallischen Flansch als Boden auf, die mit einem zylindermantelförmig ausgebildeten Keramik- Isolierkörper (z.B. aus Aluminiumoxid) verbunden sind. Der Keramik-Isolierkörper bildet den Rumpfbereich der Vakuumschaltanordnung aus. Das Innere des Gehäuses ist evakuiert. Der bewegliche Kontakt ist mit einem Faltenbalg verbunden und in einem Führungslager gleitverschiebar gelagert, so dass im Gehäuse ein Vakuum aufrechterhalten werden kann.

Ein Faltenbalg ist ein wellenförmig nach Art einer Ziehharmonika aufgeworfenes Bauteil, das mit geringem mechanischen Widerstand zusammenpressbar und wieder entspannbar und gleichzeitig fluiddicht und lange haltbar ist. Ein Faltenbalg wird z.B. aus einem dünnen Blech gefertigt.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei derzeitigen Bauformen von Vakuumschaltanordnungen, insbesondere bei Einsatz von Keramik-Isolierkörpern im Rumpfbereich eines Gehäuses, außerhalb am Gehäuse ein durchscheinendes helles Licht erkennbar wird, wenn eine Schalthandlung durchgeführt wird. Dieses Licht wird durch einen Lichtbogen erzeugt. Das Licht am Gehäuse ist in denjenigen Bereichen besonders gut zu erkennen, die nicht durch im Inneren des Gehäuses verbaute Abschirmungen (typischerweise aus Metall wie z.B. Kupfer oder Edelstahl) beschattet sind. Solche Abschirmungen werden häufig innerhalb des Gehäuses angeordnet, um eine zu starke Ab- lagerung von verdampften Metallen an der Keramik und damit eine Verschlechterung elektrischer I solationseigenschaften zu minimieren . Die Abschirmungen können z . B . in Längsrichtung im Bereich der Kontakte angeordnet sein und hohl zylindrisch ausgebildet sein . Lichtreflexionen im Inneren des Gehäuses , auch an den Abschirmungen, kommen an den nicht-abgeschirmten Anteilen des Gehäuses bzw . der Keramik an und sind dort mittels der Lichtmesseinrichtung erfassbar .

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vakuumschaltan- ordnung ist , dass ein Monitoring der Abnutzung der beiden Kontakte während des Betriebs der Vakuumschaltanordnung dauerhaft über die gesamte Lebensdauer ermöglicht wird . Hiermit können pauschale Austauschintervalle vermieden werden und die Vakuumschaltanordnungen können vom Betreiber eines Energienetzes so spät getauscht werden, dass einerseits Kosten eingespart und andererseits ein ausreichender Sicherheitspuf fer in Bezug auf die Abnutzung eingehalten wird .

Vakuumschaltanordnungen werden beispielsweise auch bei Industrieanlagen wie Hochöfen für die elektrischen Installationen eingesetzt . Gerade bei Hochöfen müssen aus fallbedingte Abschaltungen aufgrund hoher Kosten und Verzögerungen beim Wiederhochfahren unbedingt vermieden werden . Deswegen tauschen Betreiber von Hochöfen die verbauten Vakuumschaltanord- nungen besonders häufig, d . h . mit verkürzten Wartungsintervallen, aus . Mit dem erfindungsgemäßen Monitoring im laufenden Betrieb des Hochofens können vorzeitige Austausch- oder Wartungstermine der Vakuumschaltanordnungen vermieden werden . Ein Wartungstermin kann unter Beachtung der Abnutzung der Vakuumschaltanordnungen gut in den Betriebsablauf eingeplant werden, was erhebliche Kosten einspart .

In einer bevorzugten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Vakuumschaltanordnung ist die Vakuumschaltanordnung für Niederspannung ausgebildet . Niederspannung ist im Sinne der Erfindung durch eine elektrische Spannung bis 1 kV gekennzeichnet . In einer bevorzugten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Vakuumschaltanordnung ist die Vakuumschaltanordnung für Mittelspannung ausgebildet . Mittelspannung ist im Sinne der Erfindung durch eine elektrische Spannung zwischen 1 kV und 52 kV gekennzeichnet .

In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Vakuumschaltanordnung ist die Vakuumschaltanordnung für Hochspannung ausgebildet . Hochspannung ist im Sinne der Erfindung durch eine elektrische Spannung über 52 kV gekennzeichnet .

In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Vakuumschaltanordnung ist die erste Lichtmesseinrichtung innerhalb des Gehäuses angeordnet .

Es kann die Keramikdicke lokal reduziert sein . Beispielsweise kann in die Keramik eine Öf fnung für die Lichtmesseinrichtung eingebracht sein, wobei entsprechende Dichtmittel zur Sicherstellung einer langlebigen fluiddichten Verbindung von Lichtmesseinrichtung und Keramik vorgesehen werden können .

Alternativ kann ein Stück Glas bei der Herstellung in die Keramik eingeschmol zen werden . An diesem Glas ist es dann möglich, die erste Lichtmesseinrichtung oder einen Lichtwellenleiter zur ersten Lichtmesseinrichtung anzubringen . Diese Bauform hat den Vorteil , dass auch geringe Lichtstärken sehr genau erfassbar sind, weil das Glas einen nahezu ungehinderten Blick in Innere erlaubt .

In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Vakuumschaltanordnung ist die erste Lichtmesseinrichtung außerhalb des Gehäuses angeordnet .

Probemessungen haben gezeigt , dass der Lichtbogen i . d . R . auch im Normalbetrieb der Vakuumschaltanordnung, also bei Schalten eines Nennstromes (und nicht erst im Kurzschluss fall mit viel höheren Strömen) schon sehr hell leuchtet . Die Lichtstärke der Lichtemission des Lichtbogens ist so groß , dass er durch die Keramik des Gehäuses scheint und von der ersten Lichtmesseinrichtung erfasst werden kann . Diese Bauform hat den Vorteil , dass keine zusätzlichen Anforderungen an eine Abdichtung gestellt werden, d . h . dass die Vakuumschaltanordnung wie bisher einfach und fluiddicht hergestellt werden kann .

Außerdem kann eine erste Lichtmesseinrichtung, die außerhalb des Gehäuses angebracht wird, bei bestehenden Vakuumschaltan- ordnungen nachgerüstet werden . Dies ermöglicht auch für bestehenden Anlage ein Lichtbogen-Monitoring und eine genaue Restlebensdauerabschätzung . Auch bei dieser Bauform kann die Keramikdicke konstruktiv lokal reduziert sein, um eine verbesserte Durchdringbarkeit der Keramik für die Lichtemission des Lichtbogens zu ermöglichen . Es kann wiederrum die erste Lichtmesseinrichtung direkt am Messpunkt am Gehäuse angeordnet werden . Die Lichtmesseinrichtung kann in diesem Fall direkt an dem Gehäuse bzw . der Keramik anliegen und gegen Fremdlichteinflüsse abgeschirmt sein . Alternativ kann sie mit einem Lichtwellenleiter mit dem Messpunkt verbunden sein . Der Einsatz des Lichtwellenleiters hat den Vorteil , dass die erste Lichtmesseinrichtung in einem vergleichsweise großen Abstand zu den Hochspannungskomponenten angebracht werden kann . Es kann auch ein Lichtwellenleiter-Anschluss gasdicht in die Keramik eingeschmol zen werden, um einen Lichtwellenleiter anzuschließen .

In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Vakuumschaltanordnung ist die erste Lichtmesseinrichtung ausgebildet , eine Lichtemission im infraroten Wellenlängenbereich zu messen . Infrarotes Licht weist z . B . eine Wellenlänge zwischen 780 nm und 1 mm . Da ein Lichtbogen starke Hitze abgibt , ist infrarotes Licht besonders gut zur Lichtbogenerkennung geeignet .

In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Vakuumschaltanordnung ist die erste Lichtmesseinrichtung ausgebildet , eine Lichtemission im ultravioletten Wei- lenlängenbereich zu messen. Ultraviolettes Licht weist z.B. eine Wellenlänge zwischen 380 nm bis 100 nm.

In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Vakuumschaltanordnung ist die erste Lichtmesseinrichtung ausgebildet, eine Lichtemission im sichtbaren Wellenlängenbereich zu messen. Sichtbares Licht weist z.B. eine Wellenlänge zwischen 380 nm und 780 nm auf.

In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Vakuumschaltanordnung ist eine Auswertungseinrichtung ausgebildet, anhand eines zeitlichen Verlaufs der Lichtemission eine zeitliche Dauer für den Lichtbogen zu bestimmen. Die zeitliche Dauer kann zusammen mit dem Zeitpunkt des Auftretens des Lichtbogens (z.B. Datum, Uhrzeit) in einer Datenspeichereinrichtung gespeichert werden. Beispielsweise kann ein Lichtstärkeschwellenwert festgelegt sein, bei dessen Überschreiten vom Vorliegen eines Lichtbogens ausgegangen wird .

Eine Datenspeichereinrichtung ist beispielsweise ein elektronisches Bauteil, dass z.B. ausreichend Speicherplatz für alle über die Betriebsdauer einer Vakuumschalteinrichtung auftretenden Messwerte bereitstellt und bevorzugt persistent ist, d.h. bei kurzzeitiger Unterbrechung der Energieversorgung (z.B. bei Wartungen im Netzbetrieb) die Daten dauerhaft speichern kann. Es kann z.B. ein EEPROM oder NVRAM oder ein Flash-Speicher verwendet werden.

In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Vakuumschaltanordnung ist die Auswertungseinrichtung ausgebildet, anhand einer periodischen Schwankung im zeitlichen Verlauf der Lichtemission eine Bewegung des Lichtbogens relativ zu dem beweglichen und/oder dem Festkontakt zu ermitteln. Diese Bewegung kann z.B. in der Datenspeichereinrichtung gespeichert werden. Oft wird bei Vakuumschalteinrichtungen eine Modifikation der Oberflächen und/oder der dreidimensionalen Geometrie der Kontakte ( z . B . als sogenannter Spiralkontakt ) vorgenommen, um eine Bewegung, insbesondere eine Rotation, des Lichtbogens zwischen den beiden Kontakten zu erreichen .

Wird eine einzelne Lichtmesseinrichtung an einer ersten Position an dem Gehäuse eingesetzt , um einen rotierenden Lichtbogen zu erfassen, so ergibt sich durch die Rotation eine im zeitlichen Verlauf periodisch an- und abschwellende Lichtemission . Dies ergibt sich, weil der Lichtbogen bei seinem Weg auf den Kontakten der ersten Lichtmesseinrichtung näherkommt und sich dann wieder von ihr entfernt . Daher zeigt ein wie vorgesehen rotierender Lichtbogen eine periodisch schwankende Lichtemission .

I st die Lichtbogenrotation j edoch gestört , z . B . weil die eingangs erwähnten Schlitze sich über die Betriebsdauer mit vielen Schaltvorgängen teilweise mit Kontaktmaterial zugesetzt haben, so springt der Lichtbogen stärker zwischen einzelnen Position auf der Kontaktoberfläche und es ergibt sich keine gleichmäßig periodisch schwankende Lichtemission mehr, sondern vielmehr Sprünge in der Lichtintensität . Beispielsweise kann mittels der Auswertungseinrichtung ein Periodi zitätswert der Lichtemission bestimmt werden, der umso kleiner wird, j e mehr die Lichtemission im zeitlichen Verlauf von einer gleichmäßigen Periode abweicht , d . h . j e sprunghafter sie auftritt . Dieser Periodi zitätswert kann berücksichtigt werden, um eine Restlebensdauer bzw . einen nächsten Austausch- oder Wartungstermin zu bestimmen .

Grundsätzlich erlaubt die Analyse der periodischen Schwankung der Lichtemission also eine Veri fi zierung eines besonders starken Lichtbogens , der typischerweise beim Schalten eines Kurzschlusses auf tritt . Ein solcher besonders starker Lichtbogen wird im Gegensatz zu einem di f fusen Lichtbogen auch als kontrahierter Lichtbogen bezeichnet . Da solche Schalthandlungen den Schalter besonders stark abnutzen, ist es besonders wichtig, die Anzahl und Dauer dieser Lichtbögen im Vergleich zu di f fusen Lichtbögen beim Schalten im Normalbetrieb zu kennen . Auch die Anzahl und Dauer von auf diese Weise erkannten kontrahierten Lichtbögen kann berücksichtigt werden, um eine Restlebensdauer bzw . einen nächsten Austausch- oder Wartungstermin zu bestimmen .

Auch bei anderen Ausgestaltungen der Kontakte wie z . B . Plattenkontakten führen Teilkontraktionen des Lichtbogens zu einer erhöhten Lichtintensität . Dadurch könnte ein stärkerer lokaler Verschleiß (Abbrand) der Kontakte detektiert werden . Es können erfindungsgemäß also nicht nur Abweichungen bei rotierenden Lichtbögen erfasst werden .

In einer bevorzugten Fortbildung der vorgenannten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Vakuumschaltanordnung ist eine zweite Lichtmesseinrichtung an einer unterschiedlichen Position als der Position der ersten Lichtmesseinrichtung am Gehäuse angeordnet . Es können auch noch weitere zusätzliche Lichtmesseinrichtungen an j eweils unterschiedlicher Position im Vergleich zu den Positionen der j eweils anderen Lichtmesseinrichtungen vorgesehen werden . Dies ist ein Vorteil , weil mittels mehrerer Lichtmesseinrichtungen ein periodischer zeitlicher Verlauf der Lichtemission noch besser erfasst werden kann . Beispielsweise können die erste und die zusätzlichen Lichtmesseinrichtungen im Querschnitt umlaufend am Gehäuse angeordnet werden . I st das Gehäuse bzw . die Keramik im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet , so können die Lichtmesseinrichtungen im Querschnitt ringförmig umlaufend am Gehäuse angeordnet werden . Die Lichtmesseinrichtungen können in Umfangsrichtung des zylindrischen Gehäuses beispielsweise einen gleichen Winkelabstand aufweisen, also äquidistant ausgebildet werden . Bei drei Lichtmesseinrichtungen wäre also ein Winkelabstand von 120 ° vorzusehen, bei zwei Lichtmesseinrichtungen von 180 ° . Bei einer äquidistanten Anordnung ergibt sich der Vorteil , dass die periodischen Schwankungen der Lichtstärke besonders deutlich erfassbar sind . In einer bevorzugten Fortbildung der vorgenannten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Vakuumschaltanordnung ist eine dritte Lichtmesseinrichtung am Gehäuse angeordnet , die eine andere Lichtempfindlichkeit als die erste Lichtmesseinrichtung aufweist . Es können auch noch weitere zusätzliche Lichtmesseinrichtungen mit j eweils anderer Lichtempfindlichkeit im Vergleich zu den Lichtempfindlichkeiten der j eweils anderen Lichtmesseinrichtungen vorgesehen werden . Der Begri f f Lichtempfindlichkeit zielt dabei auf eine unterschiedliche ausgeprägte Fähigkeit zur Erfassung von Lichtstärken und nicht zwangsläufig auf eine unterschiedliche Empfindlichkeit für verschiedene Wellenlängen der Lichtemission ab .

Diese Bauform hat den Vorteil , dass auch ein Lichtbogen mit im zeitlichen Verlauf extrem schwankender Helligkeit in seiner ganzen Dauer erfasst werden kann . Beispielsweise ist bei typischen Schalthandlungen im Normalbetrieb anfangs oder dauerhaft nur ein di f fuser Lichtbogen auf den Kontakten gegeben . Im Normalbetrieb wird beispielsweise ein Nennstrom von einigen hundert bis einigen tausend Ampere geschaltet , bei einem Kurzschluss viele tausende bis zehntausende Volt . Um die vergleichsweise geringe Lichtemission dieses di f fusen Lichtbogens , insbesondere auch außerhalb des Gehäuses , erfassen zu können, ist eine Lichtmesseinrichtung mit besonders großer Lichtempfindlichkeit vorteilhaft . Die mindestens eine weitere Lichtmesseinrichtung kann dann mit einer vergleichsweise geringeren Lichtempfindlichkeit ausgebildet sein, um einen sehr hell leuchtenden, kontrahierten Lichtbogen im weiteren zeitlichen Verlauf gut erfassen zu können . Auch kann es beim Schalten von Kurzschlussströmen im Fehlerfall zu sehr hellen Lichtbögen kommen .

In einer bevorzugten Fortbildung der vorgenannten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Vakuumschaltanordnung ist eine vierte Lichtmesseinrichtung am Gehäuse angeordnet , die eine andere spektrale Empfindlichkeit als die erste Lichtmesseinrichtung aufweist . Diese Bauform hat den Vorteil , dass z . B . das durch den Lichtbogen abgedampfte Material ( z . B . Chrom des Kontaktmaterials ) anhand seiner Absorption bei den unterschiedlichen Wellenlängen, für die die Lichtmesseinrichtungen ausgebildet werden, erfasst werden kann . Mit anderen Worten können kontaktmaterial-spezi fische Spektrallinien ( z . B . von Chrom) erfasst werden .

Es kann über eine Viel zahl von Schaltspielen mittels der Lichtmesseinrichtungen erkannt werden, wie viel abgedampftes Material sich innen am Gehäuse abgesetzt hat und die Lichtintensität mindert . Es kann mittels der Auswertungseinrichtung ein Ablagerungswert für die Keramik geschätzt werden, der angibt , wie stark sich abgedampfte Metalle von den Kontakten am Gehäuse abgesetzt haben . Je höher der Ablagerungswert , desto geringer eine Restlebensdauer der Vakuumschaltanordnung . Auch der Ablagerungswert kann berücksichtigt werden, um eine Restlebensdauer bzw . einen nächsten Austausch- oder Wartungstermin zu bestimmen .

In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Vakuumschaltanordnung ist die Auswertungseinrichtung ausgebildet , anhand einer Viel zahl von in der Datenspeichereinrichtung gespeicherten zeitlichen Dauern und/oder periodischen Schwankungen einen Abnutzungswert für die Vakuumschaltanordnung zu schätzen . Beispielsweise kann also für bei j edem Schaltvorgang eine Verschlechterung des bisherigen Abnutzungswertes geschätzt werden, und zwar umso mehr, j e länger der aktuelle Lichtbogen dauerte . Entsprechend kann z . B . in dem Datenspeicher j eweils der Zeitpunkt der Messung ( z . B . Datum und Uhrzeit ) zusammen mit der Dauer des Lichtbogens und dem angepassten Abnutzungswert hinterlegt werden . Entsprechend ergibt sich im zeitlichen Verlauf ein stetig ansteigender Abnutzungswert , z . B . von 0 % bei der Installation ansteigend bis maximal 100 % , was einem unbrauchbaren Schalter entspricht .

In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Vakuumschaltanordnung ist eine Wartungsplanungseinrichtung ausgebildet , anhand eines zeitlichen Verlaufs Abnut- zungswerte einen zukünftigen Verlauf für den Abnutzungswert vorherzusagen, und für die Vakuumschaltanordnung einen Wartungstermin festzulegen, wenn der zukünftige Verlauf des Abnutzungswerts einen vorher festgelegten Schwellenwert überschreitet. Die Abnutzungswerte können z.B. aus der Datenspeichereinrichtung entnommen werden. Es kann der zukünftige Verlauf z.B. durch fitten einer exponentiell ansteigenden oder einer linearen Gleichung auf die bisher gespeicherten Abnutzungswerte im zeitlichen Verlauf geschätzt werden. Alternativ oder zusätzlich können auch Erfahrungswerte, d.h. bekannte Verläufe von anderen baugleichen Vakuumschaltanordnungen, herangezogen werden. Der vorher festgelegte Schwellenwert kann z.B. auf einen Wert zwischen 0 % und 100 %, beispielsweise 80 %, festgelegt sein. Damit steht eine ausreichende Sicherheitsreserve zur Verfügung, um den Schalter auszutauschen bzw. zu warten, bevor dieser unbrauchbar wird.

Durch dieses sog. „predictive Monitoring" im laufenden Betrieb kann beispielsweise eine bisherige Herstellerangabe für eine maximal zulässige Anzahl von Schaltspielen deutlich erhöht werden, z.B. von 50.000 Schaltspielen auf 150.000 Schaltspiele . Damit kann eine Vakuumschaltanordnung dreimal länger als bisher genutzt werden, ohne Sicherheitseinbußen befürchten zu müssen. Entsprechend sinken die Kosten für den Betreiber theoretisch auf ein Drittel.

Die Auswertungseinrichtung und/oder die Wartungsplanungseinrichtung können lokal an der Vakuumschaltanordnung vorgesehen werden. Sie können jedoch auch entfernt angeordnet werden und per Datenkommunikation mittels einer Kommunikationseinrichtung Daten vom Installationsort des Schalters erhalten. Die Daten, z.B. von der Lichtmesseinrichtung, können mittels der Kommunikationseinrichtung z.B. per Kabel (Kupferkabel oder Lichtwellenleiter oder Stromleitung per Power-Line- Communication) oder per Funk (W-Lan, long-range-radio, 3G, 4G, 5G) gesendet werden. Es können z.B. Ethernet oder TCP/IP oder IEC 61850 Standards für die Datenkommunikation verwendet werden . Mit Vorteil können die Auswertungseinrichtung und/oder die Wartungsplanungseinrichtung beispielsweise als reine Software-Applikationen in einem zugeordneten Schutzgerät , in einer Leitstelle oder in einer Cloud ausgebildet sein . Eine Cloud im Sinne der Erfindung ist ein per Datenkommunikation verbundenes Netzwerk mit Datenspeicher- und Datenprozessorressourcen, die mittels Software skalierbar gemanagt werden .

In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Vakuumschaltanordnung ist eine Lichtquelle ausgebildet , Licht in das Gehäuse zu emittieren . Das Licht der Lichtquelle ist von einer oder mehreren Lichtmesseinrichtungen erfassbar . Beispielsweise kann die Lichtquelle im Querschnitt auf der anderen Seite des Gehäuses relativ zur ersten Lichtmesseinrichtung angeordnet sein, also in Umfangsrichtung z . B . um 180 ° versetzt . Die Lichtquelle kann z . B . durch das Gehäuse Licht einstrahlen . Alternativ kann wie eingangs beschrieben ein Glaselement in die Keramik eingeschmol zen werden, um den Lichteintritt ins Gehäuse zu begünstigen .

Die Lichtquelle dient dazu, im Normalbetrieb Licht ins Gehäuse abzugeben, auch wenn keine Schalthandlung unter Ausbildung eines Lichtbogens stattfindet . Dies ermöglicht es , unabhängig vom Schalt zustand (Kontakte geschlossen oder of fen) eine Absorption innerhalb des evakuierten Gehäuses im zeitlichen Verlauf über die gesamte Lebens zeit der Vakuumschaltanordnung zu erfassen . Beispielsweise kann regelmäßig, also z . B . einmal pro Tag, die Lichtquelle aktiviert werden . Dies ermöglicht , insbesondere bei Messung von mindestens zwei Wellenlängen durch Lichtmesseinrichtungen mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit , eine Einschätzung über die Ablagerung von abgedampften Metallen wie Chrom innerhalb des Gehäuses . Diese Ablagerungen werten die Keramik dielektrisch ab und verringern die j eweils messbare Lichtstärke über die Lebensdauer . Die Ablagerungen an der Keramik und anderen Bauteilen sind ein wesentlicher Alterungs- und Abnutzungsef fekt bei Vakuumschaltanordnungen . In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Vakuumschaltanordnung ist ein Hohlspiegel ausgebildet , eine außen am Gehäuse auftretende Lichtemission zu bündeln . Beispielsweise kann der Hohlspiegel mit einem ersten Abstand von dem Gehäuse beabstandet werden, der z . B . mehr als 50cm beträgt . Bevorzugt beträgt der Abstand mehr als 1 m, noch mehr bevorzugt mehr als 2 m .

Vakuumschaltanordnungen sind häufig in Schaltanlagen angeordnet und nicht im Freien . Daher herrscht in der Umgebung der Vakuumschaltanordnung außer bei Wartungsarbeiten Dunkelheit . Mittels des Hohlspiegels kann das Licht an der Oberfläche der Vakuumschaltanordnung gebündelt und konzentriert , ggf . über einen Lichtwellenleiter, der Lichtmesseinrichtung zugeführt werden . Dies hat den Vorteil , dass auch vergleichsweise schwache di f fuse Lichtbögen noch erfassbar sind bzw . geringere Anforderungen an die Lichtempfindlichkeit der Lichtmesseinrichtung gestellt werden . Diese Variante hat den Vorteil , dass keine weiteren metallischen Bauteile wie die Lichtmesseinrichtung am Gehäuse der Vakuumschaltanordnung angeordnet werden müssen . Dies erhöht die Sicherheit gegenüber Teilentladungen weiter .

Ausgehend von bekannten Verfahren zum Erkennen eines Lichtbogens stellt sich an die Erfindung die Aufgabe , ein Verfahren zum Erkennen eines Lichtbogens anzugeben, mit dem eine Lichtbogendauer besonders genau bestimmt werden kann .

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 12 . Bevorzugte Aus führungs formen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 13 bis 16 . Es ergeben sich dabei j eweils sinngemäß die gleichen Vorteile wie eingangs für die erfindungsgemäße Vakuumschaltanordnung angegeben .

Zur besseren Erläuterung der erfindungsgemäßen Vakuumschaltanordnung zeigen in schematischer Darstellung die Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vakuumschaltanordnung, und

Figur 2 einen zeitlichen Verlauf einer Lichtemission, und

Figur 3 einen zeitlichen Verlauf von Abnutzungswerten der Vakuumschaltanordnung, und

Figur 4 eine zweite Aus führungs form einer erfindungsgemäßen Vakuumschaltanordnung mit mehreren Lichtmesseinrichtungen, und

Figur 5 eine dritte Aus führungs form einer erfindungsgemäßen Vakuumschaltanordnung mit einer zusätzlichen Lichtquelle, und

Figur 6 eine vierte Aus führungs form einer erfindungsgemäßen Vakuumschaltanordnung mit einer entfernt angeordneten Lichtmesseinrichtung.

In der Figur 1 ist eine Vakuumschaltanordnung 1 dargestellt. Die Vakuumschaltanordnung 1 weist ein Gehäuse 5, 6,9-11 mit einem metallischem Flansch 5 (als Deckel) und einem im Wesentlichen röhrenförmig ausgebildeten Keramik-Isolierkörper 6, im Folgenden auch Keramik 6 genannt, auf. Ferner weist das Gehäuse 5, 6,9-11 einen Boden mit einem metallischen Flansch 10 und einem Führungslager 9 auf, das mittels eines Befestigungsteils 11 am Flansch 10 festgelegt ist. Das Gehäuse ist fluiddicht ausgebildet und evakuiert. Im Inneren herrscht also ein sehr geringer Gasdruck 4 bzw. ein Vakuum vor. Ein beweglicher Kontakt 3 ist gleitverschiebbar im Führungslager 9 gelagert und mittels einer Antriebsvorrichtung 14 zum Ausbilden einer Trennstrecke 12 in Richtung 13 aus dem Gehäuse 5, 6, 9, 10, 11 herausziehbar. Ein Festkontakt 2 ist am Flansch 5 angeordnet. Zur Sicherstellung der Fluiddichtigkeit ist im Inneren des Gehäuses 5, 6, 9, 10, 11 ein metallischer Falten- balg 7 einerseits an dem Flansch 10 und andererseits am Kontaktpunkt 8 an dem beweglichen Kontakt 3 festgelegt .

Ferner ist im Inneren eine metallische Abschirmung 16 derart angeordnet , dass beim Betätigen der Vakuumschaltanordnung entstehende Abdampfungen von Kontaktmaterial der beiden Kontakte 2 , 3 sich an der Abschirmung 16 niederschlagen . Beim Heraus ziehen des beweglichen Kontakts 3 in Richtung 13 bildet sich im gezeigten Beispiel ein kontrahierter Lichtbogen 23 mit den Fußpunkten 33 , 34 auf den beiden Kontakten 2 , 3 aus . Dieser erzeugt ein sehr helles Licht , das z . B . durch einen Spalt zwischen dem Faltenbalg 7 und der Abschirmung 16 entlang der Sichtachse 15 innen auf die Keramik 6 fällt . In dem so angestrahlten Keramikbereich 31 ist auch außerhalb der Vakuumschaltanordnung 1 ein helles Licht durchscheinend durch die Keramik 6 mit bloßem Auge wahrnehmbar .

Zur messtechnischen Erfassung dieser Lichtemission eines beim Ausbilden der Trennstrecke 12 entstehenden Lichtbogens 23 ist eine erste Lichtmesseinrichtung 18 vorgesehen, die mit einem Lichtwellenleiter 17 an einem Messpunkt 32 verbunden ist . Der besonders hellleuchtende , ringförmig das Gehäuse umlaufende Bereich ist mit dem Bezugs zeichen 31 gekennzeichnet . In dem dargestellten Aus führungsbeispiel ist der Lichtwellenleiter 17 mit einem Gehäuse 33 gegen Fremdlichteinflüsse am Messpunkt 32 auf der Keramik 6 abgeschirmt .

Die Lichtmesseinrichtung 18 ist in einer Überwachungsanordnung 21 angeordnet . Eine Auswertungseinrichtung 19 ist mit der Lichtmesseinrichtung 18 per Datenkommunikation verbunden . Die Auswertungseinrichtung 19 ist ausgebildet , anhand eines zeitlichen Verlaufs der Lichtemission, die von der Lichtmesseinrichtung 18 beim Schalten gemessen wird, eine zeitliche Dauer für den Lichtbogen 23 zu bestimmen . Ferner ist die Auswertungseinrichtung 19 ausgebildet , die bestimmte zeitliche Dauer für den Lichtbogen 23 in einer Datenspeichereinrichtung 22 abzuspeichern . Darüber hinaus können Datum und Uhrzeit des Lichtbogens 23 sowie der zeitliche Verlauf der Lichtemission in der Datenspeichereinrichtung 22 abgelegt werden .

Die Auswertungseinrichtung 19 ist ferner ausgebildet , anhand einer periodischen Schwankung im zeitlichen Verlauf der Lichtemission eine Bewegung des Lichtbogens 23 relativ zu dem beweglichen und/oder Festkontakt zu ermitteln . Auch diese periodische Schwankung im zeitlichen Verlauf der Lichtemissionen bzw . die ermittelte Bewegung des Lichtbogens 23 kann in der Datenspeichereinrichtung 22 abgespeichert werden .

Ferner ist eine Wartungsplanungseinrichtung 20 vorgesehen, die anhand eines zeitlichen Verlaufs der Abnutzungswerte einen zukünftigen Verlauf des Abnutzungswerts Vorhersagen kann . Aus dieser Vorhersage kann für die Vakuumschaltanordnung 1 ein Wartungstermin festgelegt werden, und zwar dann, wenn der zukünftige Verlauf des Abnutzungswertes einen vorher festgelegten Schwellenwert überschreitet .

Mit Ausnahme der Lichteinrichtung 18 können die weiteren Einrichtungen der Überwachungsanordnung 21 , nämlich die Auswertungseinrichtung 19 , die Datenspeichereinrichtung 22 sowie die Wartungsplanungseinrichtung 20 auch entfernt vom Gehäuse 5 , 6 , 9 , 10 , 11 der Vakuumschaltanordnung 1 angeordnet werden . In einer Weiterbildung könnte auch die Lichtmesseinrichtung 18 entfernt angeordnet und über einen Lichtwellenleiter mit dem Messpunkt am Gehäuse verbunden werden . Der eigentliche Lichtsensor könnte sich z . B . auch in einem entfernt angebrachten Schutzgerät befinden, wobei ggf . ein bereits vorhandener Lichtwellenleiteranschluss für eine interne Kommunikationseinrichtung genutzt werden kann . Mit anderen Worten könnte die bereits installierte Technik zur Kommunikation per Lichtwellenleiter auch als Lichtmesseinrichtung im Sinne der Erfindung genutzt werden .

Beispielsweise können diese Auswertungs- und Datenspeicherfunktionen in einem entfernten Auswertungsgerät angeordnet werden, dass z . B . einer Schaltschranksteuerung und einer Sub- station-Kontrolleinheit zugeordnet ist . Die Einrichtungen können j eweils einzeln oder gemeinsam Prozessormittel und Datenspeichermittel aufweisen .

In diesem Fall können von der Lichtmesseinrichtung 18 gemessene Lichtemissionen z . B . mittels Datenkommunikation übermittelt werden . Auch eine Auswertung als reine Softwarefunktion in einer Cloud kann auf diese Weise mittels Fernübertragung der Lichtemissionsdaten ermöglicht werden .

Die Figur 2 zeigt einen zeitlichen Verlauf einer gemessenen Lichtemission beim Schalten . Auf der hori zontalen Achse ist die Zeit in Millisekunden aufgetragen . Auf der vertikalen Achse ist die gemessene Lichtintensität bzw . Lichtstärke in der Einheit Candela aufgetragen . Der zeitliche Verlauf der Lichtemission 24 beim Trennen der Kontakte innerhalb der Vakuumschaltanordnung 1 verläuft zunächst bei einer Lichtintensität von null ( kleinere Schwankungen im Rahmen der Messungenauigkeit sind angedeutet ) . Wird der bewegliche Kontakt schließlich vom Festkontakt weggezogen und eine Trennstrecke ausgebildet , so steigt die Lichtintensität durch Auftreten eines Lichtbogens stark an und überschreitet zum Zeitpunkt to ein Lichtstärkeschwellenwert I _s . Die gemessene Lichtemission steigt weiter an und erreicht rasch einen maximalen Wert der gemessenen Lichtstärke I _L . Während der Lichtbogen brennt , verharrt die Lichtstärke in etwa auf einem Plateau und fällt schließlich bei Erlöschen des Lichtbogens rasch wieder auf null ab . Dabei unterschreitet die gemessene Lichtemission zum Zeitpunkt ti den Schwellenwert I _s . Erfindungsgemäß wird die zeitliche Dauer des Lichtbogens t _D als die Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten to und ti betrachtet .

Die Figur 3 zeigt einen zeitlichen Verlauf eines Abnutzungswertes A in Prozent einer maximalen Abnutzung, wobei die maximale Abnutzung einer Funktionsuntüchtigkeit des Geräts entspricht . Auf der hori zontalen Achse ist eine Zeit t in Jahren a aufgetragen . Auf der vertikalen Achse ist die prozentuale Abnutzung zwischen 0 % und 100 % aufgetragen . Zum Zeitpunkt 0 , der Inbetriebnahme der Vakuumschaltanord- nung, ist ein Abnutzungswert von 0 definitionsgemäß gegeben . Nach vielen Schalthandlungen ergibt sich im Laufe der Jahre eine zunehmende Verschlechterung bzw . Abnutzung des Vakuumschaltgeräts bzw . der Vakuumschaltanordnung, so dass sich für den Abnutzungswert ein ansteigender Verlauf 25 bis zum heutigen Tage t _T ergibt . Mittels der Wartungsplanungseinrichtung kann dieser zeitliche Verlauf 25 , der auf Messdaten der Lichtmesseinrichtung basiert , für die Zukunft fortgeschrieben werden . Es ergibt sich ein vorhergesagter Verlauf 26 ( angedeutet durch eine gestrichelte Linie ) , der nach ca . 15 , 25 Jahren einen Abnutzungsschwellenwert A _s überschreitet . Dieser beträgt z . B . 80% der maximalen Abnutzung von 100% . Zu diesem Zeitpunkt wird ein Austausch des Gerätes als Wartungstermin vor geschlagen .

Die Figur 4 zeigt ein zweites Aus führungsbeispiel der Vakuumschaltanordnung, bei dem in einer Draufsicht um das im Wesentlichen zylinderförmige Gehäuse bzw . um die Keramik 6 neben der ersten Lichtmesseinrichtung 18 zwei weitere Lichtmesseinrichtungen 40 und 41 angeordnet sind . Die drei Lichtmesseinrichtungen 18 , 40 , 41 sind äquidistant mit einem Winkel a von 120 ° in Bezug auf eine Mittelpunktsachse durch die Vakuumschaltanordnung angeordnet . Dieser gleichmäßige Winkelabstand in Umfangsrichtung ermöglicht es , die Bewegung eines Lichtbogens auf den Kontakten durch Helligkeitsunterschiede im zeitlichen Verlauf noch genauer zu erfassen .

Die Figur 5 zeigt ein drittes Aus führungsbeispiel einer Vakuumschaltanordnung, bei der auf der Keramik 6 gegenüberliegend zur ersten Lichtmesseinrichtung 18 eine Lichtquelle 50 angebracht ist . Die Lichtquelle 50 ist ausgebildet , Licht durch die Keramik 6 hindurch in das Innere der evakuierten Vakuumschaltanordnung einzustrahlen . Dieses Licht kann mittels der ersten Lichtmesseinrichtung 18 erfasst und ausgewertet werden . In diesem Aus führungsbeispiel ist es damit möglich, auch zu den Zeiten, in denen keine Schalthandlung unter Lichtbo- genausbildung stattfindet , Messdaten zu Alterungsprozessen innerhalb des evakuierten Bereichs zu ermitteln . Beispielsweise kann anhand des von der Lichtquelle ausgestrahlten und mittels der Lichtmesseinrichtung 18 erfassten Lichtes eine Verschlechterung des Vakuums innerhalb der Vakuumschaltanord- nung frühzeitig festgestellt werden . Dies ergibt sich daraus , dass mehr Licht absorbiert und damit die empfangene Lichtemission schwächer wird, wenn mehr Gasteilchen innerhalb des Gehäuses 6 vorliegen . Ferner ist es möglich, ein Maß für das Absetzen von abgedampften Metallen von den Kontakten auf der Innenseite der Keramik 6 zu erfassen .

Die Figur 6 zeigt ein viertes Aus führungsbespiel einer Vakuumschaltanordnung, bei der die Lichtmesseinrichtung 18 weder direkt auf dem Gehäuse bzw . der Keramik 6 angeordnet ist noch mittels eines Lichtwellenleiters mit diesem verbunden ist . Vielmehr ist mit einem Abstand d von z . B . 1 m ein Hohlspiegel 60 angeordnet . Dieser Hohlspiegel 60 weist eine Öf fnungsbrei- te b auf und ist in der Lage , auf einem Abschnitt der Breite b der Keramik 6 eine Lichtemission einzufangen und auf eine im Fokuspunkt des Hohlspiegels 60 angeordnete Lichtmesseinrichtung 18 zu lenken ( gestrichelte Linien deuten einzelne Lichtstrahlengänge an) . Form und Größe des Hohlspiegels können auf das Gehäuse bzw . die Keramik 6 abgestimmt sein, so dass im Wesentlichen ausschließlich das aus der Keramik emittierte Licht auf die Lichtmesseinrichtung 18 tri f ft . Der Einfluss eines ggf . störenden Umgebungslichts kann auf diese Weise weiter vermindert werden .

Dieses Aus führungsbeispiel macht es ferner sich zu Nutze , dass Vakuumschaltanordnungen typischerweise in Schaltschrän- ken oder Ähnlichem angeordnet werden, d . h . im Normalbetrieb in absoluter Dunkelheit betrieben werden . Damit ermöglicht der Hohlspiegel 60 es , eine besonders einfache Nachrüstlösung für bereits in Betrieb genommene Vakuumschaltanordnungen im Feld bereitzustellen . Denn es muss nicht einmal eine Lichtmesseinrichtung am Gehäuse 6 angeordnet werden oder ein Lichtwellenleiter am Gehäuse 6 befestigt werden .