DE102004062267A1

DE102004062267A1 - Verfahren und Vorrichtung zum sicheren Betrieb eines Schaltgerätes

Info

Publication number: DE102004062267A1
Application number: DE102004062267A
Authority: DE
Inventors: Robert Dr. Adunka; Peter Hartinger; Bardo Koppmann; Norbert Mitlmeier; Ludwig Niebler; Fritz Pohl; Alf Dr. Wabner; Norbert Zimmermann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-12-23
Filing date: 2004-12-23
Publication date: 2006-07-13
Also published as: EP1829065A1; JP2008525949A; KR20070089879A; CN101088133A; US20080036562A1; US7872552B2; CN101088133B; KR101012524B1; WO2006069963A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum sicheren Betrieb eines Schaltgerätes mit zumindest einem ein- und ausschaltbaren Hauptkontakt, der Kontaktstücke 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 Hauptkontakt geschlossen und geöffnet wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
a) Erkennen, ob die bewegliche Kontaktbrücke des zumindest einen Hauptkontaktes nach dem Ausschalten einen Öffnungspunkt überschritten hat,
b) Unterbrechung des weiteren Betriebs des Schaltgerätes, wenn nach einer vorgegebenen Zeitdauer der Öffnungspunkt nicht überschritten ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum sicheren Betrieb eines Schaltgerätes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
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 beispielsweise ein Schütz, ein Leistungsschalter oder ein Kompaktstarter, 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 aufeinander treffen, entsprechend ausgebildete Kontaktflächen vorgesehen. Diese Kontaktflächen bestehen aus Materialien, wie beispielsweise Silberlegierungen, die an diesen Stellen so wohl auf die Kontaktbrücke als auch die Kontaktstücke aufgebracht sind und eine bestimmte Dicke aufweisen.

Die Materialien der Kontaktflächen sind bei jedem der Schaltvorgänge einem Verschleiß unterworfen. Faktoren, die diesen Verschleiß beeinflussen können, sind: der mit steigender Anzahl von Ein- und Ausschaltvorgängen zunehmende Kontaktabbrand oder Kontaktabrieb, zunehmende Verformungen, zunehmende Kontaktkorrosion durch Lichtbogeneinwirkung oder Umwelteinflüsse, wie beispielsweise Dämpfe oder Schwebstoffe, 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 Kontaktflächen 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.

Ist ein Hauptkontakt des Schaltgerätes verschlissen oder sogar verschweißt, kann das Schaltgerät den Verbraucher nicht mehr sicher ausschalten. So wird gerade bei einem verschweißten Kontakt trotz des Ausschaltsignals zumindest die Strombahn mit dem verschweißten Hauptkontakt weiter strom- beziehungsweise spannungsführend bleiben und damit der Verbraucher nicht vollständig von der Versorgungseinrichtung getrennt. Da somit der Verbraucher in einem nicht sicheren Zustand verbleibt, stellt das Schaltgerät eine potentielle Fehlerquelle 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 potentiellen Fehlerquellen zu erkennen und entsprechend darauf zu reagieren.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht so mit geringem Aufwand eine Kontaktverschweißung beim Ausschalten und damit einen nicht mehr sicheren Betrieb des Schaltgerätes zu erkennen und entsprechend darauf zu reagieren.

Erfindungsgemäß wird dazu im Betrieb eines Schaltgerätes beim Ausschalten erkannt, ob die bewegliche Kontaktbrücke des zumindest einen Hauptkontaktes einen Öffnungspunkt überschreitet, und der weitere Betrieb des Schaltgerätes wird unterbrochen, wenn nach einer vorgegebenen Zeitdauer der Öffnungspunkt nicht überschritten ist.

Der vorgegebene Öffnungspunkt entspricht dabei einem zuvor ermittelten Öffnungsweg der Kontaktbrücke, bei dem diese gerade noch mit den Kontaktstücken in Verbindung steht. Wird dann nach dem Ausschalten, das heißt nach dem gewollten Öffnen des zumindest einen Hauptkontaktes, ein Öffnungsweg ermittelt, der kleiner ist als dieser vorgegebene Öffnungspunkt, so kann davon ausgegangen werden, dass eine Verschwei ßung und damit ein nicht sicherer Betrieb des Schaltgerätes vorliegt. Wird das Auftreten eines solchen nicht sicheren Betriebsfalls im laufenden Betrieb überwacht und erkannt, kann rechtzeitig der weitere Betrieb des Schaltgerätes unterbunden werden.

Somit ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung der sichere Betrieb eines Schaltgerätes, wie zum Beispiel eines Schützes, eines Leistungsschalters oder eines Kompaktabzweig, und insbesondere der sichere Betrieb eines dreipoligen Schaltgerätes gewährleistet.

Weitere vorteilhafte Ausführungen und bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungen derselben werden im Weiteren anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein vereinfachtes Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
3 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
4 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Wie in 1 dargestellt, werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nach einem Ausschaltsignal im Wesentlichen die beiden folgenden Schritte durchgeführt:
Schritt a) Erkennen, ob die bewegliche Kontaktbrücke des zumindest einen Hauptkontaktes nach dem Ausschalten einen Öffnungspunkt überschritten hat,
Schritt b) Unterbrechung des weiteren Betriebs des Schaltgerätes, wenn nach einer vorgegebenen Zeitdauer der Öffnungspunkt nicht überschritten ist.
So wird nach dem betriebsmäßigen Ausschalten, das heißt insbesondere nach einem Ausschaltsignal zum Öffnen der drei Hauptkontakte eines dreipoligen Schaltgerätes überprüft, ob alle Hauptkontakte des Schaltgerätes geöffnet wurden. Erfindungsgemäß erfolgt dies indem überprüft wird, ob die bewegliche Kontaktbrücken beim Öffnen einen bestimmten Öffnungsweg zurückgelegt haben, der größer als ein im Voraus bestimmter und damit vorgegebener Öffnungspunkt ist. Ist der erkannte Öffnungsweg einer der Kontaktbrücken auch nach Ablauf einer ebenfalls zuvor festgelegten Zeitdauer nach dem Öffnen immer noch unterhalb dieses Öffnungspunktes, so kann von einer Kontaktverschweißung ausgegangen werden, so dass der weitere Betrieb des Schaltgerätes unterbrochen werden muss.
Liegt ein solcher Fehlerfall vor, so kann die Unterbrechung des weiteren Betriebs beispielsweise durch das Öffnen eines redundanten weiteren geräteinternen Schaltelements erfolgen, das in Reihe mit den Hauptkontakten geschaltet ist. Das Schaltelement trennt dann unabhängig davon, ob die Hauptkontakte geöffnet oder geschlossen sind, den Verbraucher von der Versorgungseinrichtung. Dadurch, dass das Schaltelement sich nicht ohne weiteres mehr schließen lässt, wird der weitere Betrieb des Schaltgerätes sicher unterbunden. Als Alternative zum Öffnen dieses zusätzlichen Schaltelements kann im Fehlerfall auch die Ansteuerung des Steuermagneten bis zu einer Rücksetzung unterbrochen und damit blockiert werden. Zusätzlich kann geräteintern ein entsprechend starker Kraftspeicher ausgelöst werden, der so auf den oder die verschweißten Hauptkontakte einwirkt, dass diese wieder aufgebrochen und damit geöffnet werden.
2 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Schaltgerätes 110 mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Ein- und Ausschaltsteuersignale zum Ein- und Ausschalten der Hauptkontakte 10 werden über Klemmen A1 und A2 und eine Steuereinrichtung 16 an den Steuermagneten 12 angelegt. Beim Ausschalten wird der Steuermagnet, der als elektromagnetischer Antrieb 12 für die Hauptkontakte dient, über die Steuereinrichtung 16 entregt. Über die Verbindung 18 wirkt dabei auf die Kontaktbrücken eine Kraft gegen die Kontaktlastfeder 17. Die Hauptkontakte 10 werden so geöffnet und damit der Verbraucher M von der Versorgungseinrichtung, hier durch die drei Leitungen L1–L3, gekennzeichnet, getrennt.
Nach dem Entregen des Steuermagneten 12 wird zudem von einer Auswerteeinrichtung 15 mittels der Elektroden 11 und 11' überprüft, ob die Kontaktbrücke den vorgegebenen Öffnungspunkt überschritten haben. Zur Messung eines Spannungsabfalls über die Hauptkontakte 10 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel dafür je Strombahn jeweils zwei Elektroden 11 und 11', und zwar einmal vor dem Hauptkontakt 10 und einmal nach dem Hauptkontakt, vorgesehen. Erfindungsgemäß wird dann nach dem Ausschalten der Hauptkontakte 10 von der Auswerteeinrichtung 15 über die Elektroden 11 und 11' eine Spannungsprüfung über die Hauptkontakte 10 vorgenommen. Ist der Spannungsabfall an einer der Hauptkontakte 10 zu gering, ist dies ein Indiz dafür, dass dieser nicht weit genug geöffnet hat. Das heißt, der beim Ausschalten von der Kontaktbrücke zurückgelegte Öffnungsweg hat den vorgegebenen Wert nicht überschritten, und es liegt mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Verschweißung vor.
Wird nach einer vorgegebenen Zeitdauer, von beispielsweise 100ms, nachdem ein Ausschaltsignal ausgelöst wurde, weiterhin zu geringer Öffnungsweg erkannt, muss sichergestellt werden, dass der weitere Betrieb des Schaltgerätes unterbrochen wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist dafür die Auswerteeinrichtung 15 über eine nicht näher bezeichnete Verbindung mit der Steuereinrichtung 16 so verbunden. Wird nun von der Auswerteeinrichtung 15 ein solcher Fehlerfall erkannt, wird dieser an die Steuereinrichtung 16 weitergemeldet, woraufhin diese zumindest eine der Steuerleitungen unterbricht.
Zusätzlich wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Auslösemechanik 14 aktiviert, mit der ein Federkraftspeicher 13 entklinkt wird. Solche Federkraftspeicher können zum Beispiel bereits von Leistungsschaltern oder Kompaktstartern bekannte Schaltschlösser sein. Solch ein Schaltschloss schlägt dann mechanisch mit hoher Kraft auf die nicht geöffneten Hauptkontakte 10 der Schaltstellen des Schaltgerätes, um die verschweißten Hauptkontakte aufzubrechen. Um dabei eine Aufbrechung zu erreichen, muss die Kraft des Federspeichers 13 entsprechend groß dimensioniert sein. Der Federspeicher 13 bleibt dann entweder in der ausgeklinkten Stellung und kann nicht mehr zurückgesetzt werden, oder der Federspeicher 13 hat eine Mechanik, mittels der die Feder wieder gespannt und die Auslösemechanik 14 wieder verklinkt werden kann. Da das Zurücksetzen der Mechanik 13 und 14 nur manuell erfolgen kann, wird ein Anwender so auf den Störfall aufmerksam gemacht und muss entsprechend, beispielsweise durch einen Austausch des Schaltgerätes, darauf reagieren.
In einem weiteren nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel kann auch nur ein Stromsensor pro Strombahn vorgesehen sein. Dann wird über die Strommessung in jeder der Strombahnen erkannt, ob der Öffnungspunkt nach dem Ausschalten überschritten wurde. Ist anhand der Strommessung erkannt, dass eine Überschreitung des Öffnungspunktes nicht stattgefunden hat, wird der weitere Betrieb des Schaltgerätes unterbrochen.
3 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der der zu erkennende Öffnungsweg der Kontaktbrücken der Schaltstelle 20 direkt von der Auswerteeinrichtung 25 abgefragt wird. Dies kann beispielsweise mittels entsprechender, aber in 3 nicht näher dargestellter, Mittel 21 erfolgen. So können beispielsweise Schaltüberwachungsmittel vorgesehen sein, die in einen ersten Zustand überführt werden, wenn die Hauptkontakte beim Einschalten geschlossen werden, und die auch nach dem Ausschalten in diesem ersten Zustand verbleiben, wenn zumindest einer der Hauptkontakte verschweißt ist.
Dabei wird davon ausgegangen, dass der erkannte Öffnungsweg den vorgegebenen Wert unterschritten hat, wenn diese Mittel nach dem Ausschalten in diesem ersten Zustand verbleiben, der nicht dem vorgegebenen Zustand nach dem Öffnen entspricht.
Als weiteres Ausführungsbeispiel für die Erkennung des Öffnungsweges der Hauptkontakte wäre auch eine Induktivitätsmessung direkt an der Spule des Steuermagneten denkbar. Der Steuermagnet weist im regulären eingeschalteten Zustand eine andere Induktivität als im ausgeschalteten Zustand auf. Wird diese Induktivität des ausgeschalteten Zustands nach dem Ausschalten nicht erreicht, wird angenommen, dass der Öffnungspunkt nicht überschritten ist und das Schaltgerät wird abgeschaltet.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Hier ist im Fehlerfall, zum Unterbrechen des weiteren Betriebs, ein weiteres Schaltelement 39' vorgesehen, das in den einzelnen Strombahnen in Reihe zu den eigentlich schaltenden Hauptkontakten 30 angeordnet ist. Im Falle der Verschweißung eines der Hauptkontakte 30 erkennt die Auswerteeinrichtung 35 mittels der Elektroden 31 und 31' einen zu geringen Spannungsabfall an diesem Hauptkontakt. Als Folge davon bewirkt die Auswerteeinrichtung 35, dass eine Auslösemechanik 34 aktiviert und damit ein Federkraftspeicher 33 entklinkt wird. Dieser Federkraftspeicher 33 wirkt über die Wirkverbindung 39 auf das Schaltelement 39' und öffnet es. Dadurch werden die Strombahnen sicher, und unabhängig davon ob die Hauptkontakte geöffnet oder noch geschlossen sind, unterbrochen und der weitere Betrieb des Schaltgerätes unterbunden.

Claims

Verfahren zum sicheren Betrieb eines Schaltgerätes mit zumindest einem ein- und ausschaltbaren Hauptkontakt, der Kontaktstücke 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 Hauptkontakt geschlossen und geöffnet wird, mit den Schritten: a) Erkennen, ob die bewegliche Kontaktbrücke des zumindest einen Hauptkontaktes nach dem Ausschalten einen Öffnungspunkt überschritten hat, b) Unterbrechung des weiteren Betriebs des Schaltgerätes, wenn nach einer vorgegebenen Zeitdauer der Öffnungspunkt nicht überschritten ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Überschreiten des Öffnungspunktes durch eine Messung eines Stroms, in einer vom Hauptkontakt zu schaltenden Strombahn, erkannt wird, wobei der Öffnungspunkt nicht überschritten ist, wenn der gemessene Strom größer als ein nach dem Ausschalten vorgesehener Strom ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Überschreiten des Öffnungspunktes durch eine Messung eines Spannungsabfalls über einen Hauptkontakt erkannt wird, wobei der Öffnungspunkt nicht überschritten ist, wenn der Spannungsabfall kleiner als ein nach dem Ausschalten vorgesehener Spannungsabfall ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Überschreiten des Öffnungspunktes durch eine Messung einer Induktivität des Steuermagneten erkannt wird, wobei der Öffnungspunkt nicht überschritten ist, wenn die Induktivität nach dem Ausschalten einen Wert aufweist, der nicht dem vorgegebenen Wert nach dem Öffnen entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungspunkt durch einen Zustand von, mit der Kontaktbrücke in Wirkverbindung stehenden, Mitteln erkannt wird, wobei der erkannte Öffnungspunkt nicht überschritten ist, wenn diese Mittel nach dem Ausschalten in diesem Zustand verbleiben, der nicht dem vorgegebenen Zustand nach dem Öffnen entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Betrieb unterbrochen wird, indem ein in Reihe mit dem Hauptkontakt in der Strombahn angeordnetes Schaltelement geöffnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Betrieb unterbrochen wird, indem zumindest eine Steuerleitung zum Steuern des Steuermagneten unterbrochen wird.
Vorrichtung zum sicheren Betrieb eines Schaltgerätes, wobei das Schaltgerät zumindest einen ein- und ausschaltbaren Hauptkontakt, der Kontaktstücke und eine bewegliche Kontaktbrücke aufweist, und zumindest einen Steuermagneten, der einen beweglichen Anker aufweist, umfasst, und wobei der Anker beim Ein- und Ausschalten so auf die Kontaktbrücke wirkt, dass der entsprechende Hauptkontakt schließbar und öffenbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – erste Mittel zum Erkennen, ob ein Öffnungspunkt der Kontaktbrücke des zumindest einen Hauptkontaktes überschrit ten wurde, vorgesehen sind, – und weitere Mittel vorgesehen sind, die den weiteren Betrieb des Schaltgerätes unterbrechen, wenn die Mittel nach dem Ausschalten erkennen, dass der Öffnungspunkt nach einer vorgegebenen Zeitdauer nicht überschritten ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel einen Stromsensor umfassen, der den Strom in einer vom Hauptkontakt zu schaltenden Strombahn misst.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel zwei Elektroden umfassen, wobei die erste und die zweite Elektrode so angeordnet sind, dass ein Spannungsabfall über den Hauptkontakt ableitbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel, ein Mittel zum Detektieren einer Induktivität umfassen, das die Induktivität des Steuermagneten misst.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel eine Öffnungsmechanik umfassen, die in Wirkverbindung mit der Kontaktbrücke steht und einen ersten und zweiten Zustand einnehmen kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Mittel eine Auswerteeinrichtung umfassen, die zum Unterbrechen des weiteren Betriebs ein in Reihe mit dem Hauptkontakt in der Strombahn angeordnetes Schaltelement öffnet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Mittel eine Steuereinrichtung zum Steuern des Steuermagneten umfassen, die zum Unterbrechen des weiteren Betriebs die Steuerleitung zum Steuermagneten unterbricht.
Schaltgerät das zum sicheren Schalten von Verbrauchern das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchführt, wobei das Schaltgerät ein Schütz oder ein Leistungsschalter oder ein Kompaktabzweig ist.
Schaltgerät zum sicheren Schalten von Verbrauchern mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei das Schaltgerät ein Schütz oder ein Leistungsschalter oder ein Kompaktabzweig ist.
Schaltgerät nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltgerät ein dreipoliges Schaltgerät mit drei Hauptkontakten zum Ein- und Ausschalten von drei Strombahnen mit einem Steuermagneten ist.