DE10204849A1 - Verfahren zur Bestimmung der Kontaktabnutzung in einer Auslöseeinheit - Google Patents

Verfahren zur Bestimmung der Kontaktabnutzung in einer Auslöseeinheit

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DE10204849A1
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Abstract

Es werden ein Verfahren zur Bestimmung der Kontaktabnutzung in einer Auslöseeinheit (30) eines Leistungsschalters (58) und ein Leistungsschalter (58) zur Verwendung eines derartigen Verfahrens bereitgestellt. Die Auslöseeinheit (30) umfasst einen Mikrocontroller (44) und zugehörige Speicher (46, 48, 50). Ein Algorithmus (Programm), der in einem Speicher (48) der Auslöseeinheit (30) gespeichert ist, berechnet eine kumulative Energie, die in den Leistungsschalterkontakten umgesetzt wird, unter Verwendung eines zum Zeitpunkt der Trennung erfassten Stromsignals. Die Messung der kumulativen, in den Leistungsschalterkontakten umgesetzten Energie ist proportional zur Kontaktabnutzung. Wartungseinstellpunkte werden auf der Basis von Industriestandard-Dauertests bestimmt und Alarmschwellenwerte und Auslöseschwellenwerte, die ferner auf Industriestandards basieren, werden in Verbindung mit dem Algorithmus bereitgestellt zur Information eines lokalen oder entfernten Personals bezüglich einer erforderlichen Wartungsmaßnahme.

Description

BEZUGNAHME AUF ZUGEHÖRIGE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung ist eine "Continuation-in-part"-Anmeldung der US- Patentanmeldung Nr. 09/221 884 mit dem Titel "A Method Of Determining Contact Wear In A Trip Unit", die am 28. Dezember 1998 eingereicht wurde und noch anhängig ist.
GRUNDLAGEN DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft im Allgemeinen eine elektronische Auslöseeinheit, und insbesondere ein Verfahren und einen Leistungsschalter zur Bestimmung der Kontaktabnutzung des Leistungsschalters in Verbindung mit einer elektronischen Auslöseeinheit.
Elektronische Auslöseeinheiten sind bekannt. Eine elektronische Auslöseeinheit umfasst typischerweise Spannungs- und Stromsensoren, die analoge Signale zur Angabe von Kraftleitungssignalen bereitstellen. Die analogen Signale werden mittels eines A/D-Wandlers (Analog/Digital-Wandler) in digitale Signale umgewandelt, die mittels eines Mikrocontrollers verarbeitet werden. Die Auslöseeinheit umfasst ferner einen Schreib/Lesespeicher RAM, einen Nur-Lesespeicher ROM und ein EEPROM (elektronisch löschbarer programmierbarer Nur- Lesespeicher), die alle mit dem Mikrocontroller in Verbindung stehen. Der Speicher ROM umfasst einen Auslöseeinheitsanwendungscode, d. h., eine Hauptbetriebsfirmware einschließlich Initialisierungsparameter und eines Urprogramms (Boot Code). Das EEPROM umfasst Betriebsparameter des Anwendungsprogramms. Ein Ausgangssignal der elektronischen Auslöseeinheit betätigt einen Leistungsschalter (Schütz). Der Leistungsschalter umfasst typischerweise ein Kontaktpaar, mittels dessen ein Kraftstrom von einem Kontaktteil zum anderen Kontaktteil fließen kann. Sind die Kontakte geöffnet, dann kann kein Kraftstrom von einem Kontakt zum anderen fließen, so dass damit auch ein Stromfluss zu einer mit dem Leistungsschalter verbundenen Last verhindert wird.
Die Abnutzung von Leistungsschalterkontakten ist ein immer wieder auftretendes Problem, das jedoch schwierig zu messen oder vorauszusagen ist, da es durch eine Vielzahl von Faktoren beeinflusst wird. Eine Kontaktabnutzung wird beeinträchtigt durch den kumulativen Energieumsatz (Verlustleistung) bei dem Auftreten von Lichtbogen bei geöffnetem Leistungsschalter. Ein einzelner erheblicher Überstromfehler kann jedoch die Kontakte schneller als mehrere kleinere Fehler zerstören, obwohl die kleineren Fehler zusammen die gleiche umgesetzte Verlustleistung ergeben. Das ledigliche Zählen der Anzahl der bei einem Leistungsschalter aufgetretenen Fehler kann keine genaue Abschätzung bezüglich der Kontaktabnutzung ergeben. Kontakte können im Allgemeinen nicht auf einfache Weise überprüft werden, ohne kostenintensives Zerlegen und Abschalten der Leistung. Wird eine Kontaktabnutzung jedoch nicht erkannt, dann führt dies zu einem Leistungsverlust.
Die einzige gegenwärtige Lösung dieses Problems ist die vorsorgliche Wartung ungeachtet einer Notwendigkeit oder nicht. Industrieanlagen haben jedoch typischerweise weniger Wartungspersonal wie es erforderlich wäre, um diese vorsorglichen Wartungsarbeiten in entsprechender Weise durchzuführen. Andererseits gibt es in manchen Fällen keine klaren Richtlinien zum Ersetzen der Leistungsschalter in Abhängigkeit von den tatsächlichen Wartungsintervallen. Leistungssteuerungssysteme können mit Niederspannungs-Leistungsschalterauslöseeinheiten verbunden sein und einen Leistungsschalterzustand bereitstellen, wobei dies jedoch keine systematische Vorgehensweise zum Messen und Berichten bezüglich der Funktionsfähigkeit des Leistungsschalters auf der Basis entsprechender Bedingungen ist. Zeitlich geplante vorsorgliche Wartungsarbeiten sind die einzige Alternative. Somit gibt es keine entsprechenden verlässlichen Verfahren zur Fernbestimmung des Leistungsschalterzustands in Niederspannungsleistungsschaltern.
KURZZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorstehend diskutierten und andere Nachteile und Mängel werden gelöst oder verbessert durch ein Verfahren zur Erfassung der Kontaktabnutzung eines Paars von getrennten Kontakten in einer elektronischen Auslöseeinheit eines Leistungsschalters. Das Verfahren umfasst die Ausgabe eines Auslöse- und Öffnungssignals zum Einleiten eines Trennens des Paars von trennbaren Kontakten; Erfassen der Trennung des Paars trennbarer Kontakte; Erfassen des Stroms über das Kontaktpaar zur Bereitstellung eines entsprechenden Stromerfassungssignals; und Integrieren des Stromerfassungssignals nach der Erfassung der Trennung der trennbaren Kontakte, wobei sich eine erste Messung proportional zur Kontaktabnützung dieser Kontakte ergibt.
In gleicher Weise umfasst eine Leistungsschalteranordnung mit einer elektronischen Auslöseeinheit und einem Leistungsschalter mit zumindest einem Paar von trennbaren Kontakten ferner eine Einrichtung zur Erfassung des Trennens des zumindest einen Paars trennbarer Kontakte, einen Stromsensor, der vorgesehen ist zur Erfassung des Stroms durch das zumindest eine Paar trennbarer Kontakte zur Bereitstellung eines entsprechenden Stromerfassungssignals, und einen auf das erste Stromerfassungssignal ansprechenden Signalprozessor, und mit einer Speichereinrichtung zur Speicherung von Signalen einschließlich Programmsignale zur Bestimmung eines durchführbaren Programms, wobei der Prozessor das erste erfasste Stromsignal nach der Erfassung der Trennung des zumindest einen Paars trennbarer Kontakte integriert, wobei sich eine erste Messung proportional zu der Abnutzung dieser Kontakte ergibt.
Die vorstehenden diskutierten und weiteren Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann erkennbar und verständlich aus der detaillierten Beschreibung und den Figuren.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Es wird nun auf die Figuren Bezug genommen, wobei gleiche Elemente in unterschiedlichen Figuren in gleicher Weise durchnummeriert sind.
Fig. 1 ist ein schematisches Blockschaltbild einer elektronischen Auslöseeinheit gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 2 ist ein Ablaufdiagramm eines Leistungsschalterfunktionsfähigkeitsalgorithmus zur Verwendung bei der elektronischen Auslöseeinheit gemäß Fig. 1.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß Fig. 1 ist mit 30 eine allgemeine Darstellung einer elektronischen Auslöseeinheit gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Auslöseeinheit 30 umfasst einen Spannungssensor oder Sensoren 32, die analoge Signale zur Angabe der Spannungsmessung auf einer Signalleitung 34 bereitstellen, und einen Stromsensor oder Sensoren 36, die analoge Signale zur Angabe einer Strommessung auf einer Signalleitung 38 bereitstellen. Die analogen Signale auf den Leitungen 34 und 38 werden einem A/D-Wandler 40 (analog/digital-Wandler) zugeführt, der diese analogen Signal in digitale Signale umwandelt. Die digitalen Signale werden über einen Bus 42 einem Mikrocontroller (Signalprozessor) 44 zugeführt, wie er beispielsweise kommerziell erhältlich ist von der Hitachi Electronics Components Group (Mikrocontroller Familie H8/300 von Hitachi). Die Auslöseeinheit 30 umfasst ferner einen Schreib/Lesespeicher RAM 46, einen Nur-Lesespeicher ROM 48 und ein EEPROM (elektronisch löschbarer programmierbarer Speicher) 50, die alle mit dem Mikrocontroller 44 über einen Steuerungsbus 52 verbunden sind. Vorzugsweise sind der A/D-Wandler 40, die Speicher ROM 48 und RAM 46 oder jegliche Kombinationen derselben in bekannter Weise im Inneren des Mikrocontrollers 44 angeordnet. Das EEPROM 50 ist ein nicht-flüchtiger Speicher, so dass Informationen und Programme während einer Leistungsversorgungsunterbrechung oder eines Ausbaus nicht verloren gehen. Mittels einer Anzeigeeinrichtung 54 werden Daten, typischerweise Daten bezüglich des Leistungsschalters (Schütz), in Abhängigkeit von von dem Mikrocontroller 44 über den Steuerungsbus 52 erhaltenen Anzeigesignalen zur Anzeige gebracht. Eine Ausgangssteuerungseinrichtung 46 steuert einen Leistungsschalter 48 über eine Leitung 60 in Abhängigkeit von Steuerungssignalen, die über den Steuerungsbus 52 vom Mikrocontroller 44 erhalten wurden.
Eine Vielzahl von Temperatursensoren 66 bis 69 kann innerhalb des Leistungsschalters 58 angeordnet sein. Die Temperatursensoren 66 bis 68 sind jeweils in direkter Nachbarschaft zu den Kontakten für jeweilige Phasen A, B und C angeordnet. Die exakte Anordnung der Sensoren ist nicht kritisch und kann bei unterschiedlichen Leistungsschaltern unterschiedlich sein. Wesentlich ist jedoch hierbei, dass diese Temperatursensoren 66 bis 68 relativ zu ihren jeweiligen Kontakten angeordnet sind zur Bereitstellung einer Angabe bezüglich der Temperatur an diesem Kontakt. Der Temperatursensor 69 ist ebenfalls in dem Leistungsschalter 58 angeordnet, wobei dieser jedoch von den Kontakten des Leistungsschalters entfernt angeordnet ist zur Erfassung der Umgebungstemperatur innerhalb des Leistungsschalters selbst. Die Temperatursensoren 66 bis 69 können einfache Thermokopplungseinrichtungen sein, die ein analoges Signal zur Angabe der erfassten Temperatur abgeben. Die analogen Temperaturerfassungssignale auf Leitungen 71 bis 74 werden dem A/D-Wandler 40 zugeführt, in welchem sie in digitale Signale umgewandelt werden. Diese digitalen Signale werden sodann mittels des Busses 42 dem Mikrocontroller 44 zugeführt und werden gemäß der vorliegenden Erfindung verarbeitet.
Ein Kalibrieren, Überprüfen oder Programmieren und andere Maßnahmen erfolgen mittels eines Kommunikations-I/O- Anschlusses 62 (I/O-Port, I/O-Interface, Eingangs/Ausgangs-Anschlüsse), der mit dem Mikrocontroller 44 über den Steuerungsbus 52 in Verbindung steht. Eine Leistungsversorgung 63, die ihre Energie von einer Versorgungseinrichtung oder einem Stromtransformator (CT-Leistung) erhält, liefert eine angemessene Leistung über eine Leitung 64 zu den Bauteilen der Auslöseeinheit 30. Der Speicher ROM 48 umfasst einen Auslöseeinheitsanwendungscode (Programm), beispielsweise eine Hautbetriebsfirmware einschließlich Initialisierungsparameter und eines Urprogrammcodes. Der Anwendungscode umfasst einen Code für einen Kontaktabnutzungserfassungsalgorithmus, der nachstehend beschrieben ist.
Der Speicher EEPROM 50 umfasst einen Betriebsparametercode, beispielsweise einen Code zur Einstellung benutzerdefinierter Schwellenwerte für den Kontaktabnutzungserfassungsalgorithmus. Diese Parameter können in der Auslöseeinheit bei dem Hersteller gespeichert werden und können ausgewählt werden entsprechend den Bedürfnissen des Kunden, wobei sie jedoch auch gemäß der nachstehenden Beschreibung aus einem entfernten System heruntergeladen werden können. Der Kontaktabnutzungserfassungsalgorithmus läuft in Realzeit ab und wird vorzugsweise beim Starten durch den Urprogrammcode eingeleitet.
Der Kontaktabnutzungserfassungsalgorithmus (Programm) gemäß der vorliegenden Erfindung kann unterschiedliche differenzielle Temperaturen zwischen jedem Kontaktsensor 66 bis 68 und dem Umgebungssensor 69 berechnen, sowie Differenzialtemperaturen zwischen den Kontaktsensoren 66 bis 68, d. h. die Differenz zwischen dem Sensor 66 (Phase A) und dem Sensor 67 (Phase B), die Differenz zwischen dem Sensor 67 (Phase B) und dem Sensor 68 (Phase C), und die Differenz zwischen dem Sensor 68 (Phase C) und dem Sensor 66 (Phase A). Der Kontaktabnutzungserfassungsalgorithmus kann danach den Widerstand der Kontakte auf der Basis des Kontakttemperaturanstiegs über der Umgebungstemperatur schätzen und das Ergebnis mit einer gespeicherten Tabelle von zu erwartenden Temperaturanstiegen als eine Funktion des Stroms vergleichen. Betragen beispielsweise der Strom in der Phase A 400 A, die Umgebungstemperatur 90°C und die Kontakttemperatur der Phase A 140°C, dann ist der Temperaturanstieg über die Umgebungstemperatur 140 - 90 = 50°C. Falls die gespeicherte Tabelle bezüglich dieses Beispiels den erwarteten Temperaturanstieg bei einem Strom von 400 A auf lediglich 30°C angibt, und falls ein Alarmschwellenwert auf lediglich 10°C Abweichung (oder 40°C) eingestellt ist, dann wird ein Alarm ausgegeben.
Ferner kann in diesem Zusammenhang ebenfalls das Ohmsche Gesetz mit (Spannung über dem Kontakt geteilt durch Strom durch den Kontakt (Wechselstromphase angepasst)) verwendet werden zur Berechnung des Kontaktwiderstands, der verglichen wird mit einem gespeicherten zulässigen Maximalwert. Daher sind alternative Möglichkeiten gegeben zur Beschaffung dieses Parameters für jeden Leistungsschalterkontakt.
In Abhängigkeit von einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine statistische Standardabweichungsanalyse dieser Differenzialtemperaturen relativ zu einer vorbestimmten Differenzialtemperatureinrichtung (Arithmetik) verwendet zur Bestimmung sehr schwerer Fehler. In alternativer Weise werden diese Differenzialtemperaturen mit voreingestellten zulässigen Maximalwerten verglichen und es wird ein Alarm verwendet, wenn ein Maximalwert überschritten wird. In einer weiteren Alternative wird die geometrische Form des Leistungsschalters thermodynamisch modelliert, d. h. der Strom durch die Leistungsschalterkontakte, die Kontakttemperaturen, die Umgebungstemperatur und eine maximale zulässige Kontaktwiderstandskonstante werden verwendet zur Berechnung eines vorausgesagten Kontaktwiderstands. Ein Alarm wird ausgegeben, wenn der vorausgesagte Kontaktwiderstand ein Maximum überschreitet. Die thermodynamische und elektrische Modellierung des Leistungsschalters wird für den Fachmann auf diesem Gebiet verständlich unter Verwendung grundlegender thermodynamischer und elektrische Gleichungen und bekannter Modellierungswerkzeuge. Das Verfahren einer derartigen Modellierung ist nicht kritisch für die vorliegende Erfindung, wobei dies vielmehr ein einfaches anderes Verfahren zum Vergleichen der erfassten Temperaturen mit Bezugsgrößen oder Grenzwerten zur Bestimmung der Kontaktabnutzung ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ebenso die Abnutzung in Niederspannungsleistungsschaltern und Schaltschützen gemessen werden durch Messen der Energie des Lichtbogens, der auftritt, wenn die Einrichtung geöffnet wird. Diese Messungen bilden eine phasenbezogene Bewertung der Abnutzung der Leistungsschalterkontakte und bewirken eine Warnung bezüglich der Ersatzbedingungen oder der Wartungsbedingungen als Funktion der tatsächlichen Belastung des Leistungsschalters. Diese Belastungsinformation kann auch über eine Entfernung zu einem lokalen Terminal (über ein lokales Netzwerk LAN) oder das Internet zu einem entfernten internen oder externen Wartungsunternehmen übermittelt werden.
Für jedes Auslöseereignis oder manuelle Öffnen eines unter Strom stehenden Leistungsschalters wird eine Messung der umgesetzten bzw. verteilten Energie des Leistungsschalters, wenn dieser geöffnet wird, berechnet als (I2) (T), wobei I der Kontaktstrom und T eine feste Zeit zwischen Abtastungen ist. Der Energieumsatz bzw. die Verlustleistung wird berechnet und sodann in Registern des Mikrocontrollers aufsummiert für jeden Kontakt und für jeden Fehlertyp, beispielsweise ein Langzeitfehler, ein Kurzzeitfehler, ein Erdschluss, ein Momentanfehler oder ein manueller Eingriff, zur Bildung einer kumulativen Fehlerenergie bezogen auf den Fehlertyp oder als Gesamtwert.
Elektronische Schutzeinrichtungen wie Überlastrelais und Auslöseeinheiten messen Strom, bei digitalen Anordnungen mittels eines Abtastens, als Teil ihrer Grundschutzfunktion. Für die Leistungsschalterfunktionsfähigkeit kann der Strom gemessen und quadriert werden für die Zeitdauer, in der die Kontakte infolge der Auslösung oder des Öffnens getrennt sind.
Die Abnutzung der Leistungsschalterkontakte ist eine Funktion des zum Zeitpunkt der Unterbrechung fließenden Stroms. Dabei treten zwei Effekte auf: ein höherer Strom bewirkt eine Abnutzung durch eine höhere Erwärmung der Kontaktoberfläche, und ein höherer Strom führt zu einem Lichtbogen während einer längeren Zeitdauer vor der Unterbrechungswirkung des Leistungsschalters. Die Abnutzung der Kontakte ist proportional zur Integration des Quadrats des Kraftleitungsstroms (des Starkstroms) während der Unterbrechung.
Gemäß Fig. 2 ist mit 100 in allgemeiner Form ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel eines Ablaufdiagramms eines Kontaktabnutzungsalgorithmus zum Akkumulieren der I2T-Information dargestellt. In digitalen Anordnungen kann ein festes Abtastmuster verwendet werden. Die Integration stellt hierbei das einfache Aufsummieren des Quadrats jedes Stromabtastwerts dar. Dabei ist zu beachten, dass der Strom bei jedem Phasenstrom separat abgetastet und gespeichert wird. Der Mechanismuszeitgeber ist eine feste Zeitverzögerung zur Angabe der Zeitdauer von der Ausgabe eines elektronischen Signals zum Auslösen des Leistungsschalters zu dem Zeitpunkt, bei dem die Kontakte des Leistungsschalters oder Kontaktschützes ihre Bewegung beginnen. Dies kann gemessen oder geschätzt werden auf der Basis typischer Mechanismuszeiten und vom Hersteller veröffentlichten Unterbrechungszeiten. Weitere Einrichtungen zur Erfassung der Trennung der Kontakte liegen innerhalb des Bereichs dieser Erfindung. Dabei ist zu beachten, dass die Abtastungen oder die abgetasteten Stromsignale nicht aufgenommen werden, bis sich die Kontakte trennen, und es werden Abtastungen vorgenommen, bis der Leistungsschalter geöffnet ist, d. h. bis kein Strom mehr über die Kontakte übertragen wird. Die feste Zeitdauer zwischen den Abtastungen ist die Zeit T, die in dem Algorithmus verwendet wird. Es ist ferner zu beachten, dass die Temperatursensoren 66 bis 69 in Verbindung mit den Leitungen 71 bis 74 und die Spannungssensoren 32 in Verbindung mit der Leitung 34 gemäß der Darstellung in Fig. 1 nicht für das vorliegende Ausführungsbeispiel erforderlich sind.
Der Kontaktabnutzungsalgorithmus 100 (Programm) wird im Block 102 eingeleitet, wenn ein Auslösesignal oder ein Leistungsschalteröffnungssignal ausgegeben wird. Im Block 104 wird durch das Programm bestimmt, ob die Öffnung eine Auslösung ist oder nicht, und es wird jeweils die entsprechende Auslösemechanismusverzögerung oder Öffnungsmechanismusverzögerung gemäß der Darstellung in den Blöcken 106 und 108 eingeleitet. Nach der Ausgabe des Auslösesignals (Block 102) und nach Vollendung der Verzögerungszeit durch den Mechanismuszeitgeber (Blöcke 106 und 108) werden die Stromabtastungen für jede Phase, wie es mittels Block 110 dargestellt ist, quadriert und in einem Akkumulator (einer je Phase) gespeichert, wie dies in Block 112 dargestellt ist. Jeder dieser Abtastwerte wird implizit mit der festen Zeitdauer zwischen den Abtastungen multipliziert, so dass eine I2T- Akkumulation (Aufsammlung) entsteht. Ebenfalls können empirische Konstanten der kumulierten Fehlerenergie bezüglich unterschiedlicher Fehlertypen zugeordnet werden, um beispielsweise Erdschlüsse als größere Fehler darzustellen als manuelle Öffnungen. Ist der Leistungsschalter noch nicht geöffnet, wie dies in Block 114 bestimmt wird, dann verzweigt das Programm zurück zu Block 110.
Ist gemäß der Bestimmung in Block 114 der Leistungsschalter geöffnet, dann wird die kumulierte Fehlerenergie je Fehlertyp oder insgesamt mit einem Alarmschwellenwert (der durch den Benutzer eingestellt werden kann und im EEPROM 50 gespeichert wird) gemäß Block 116 verglichen, wobei gemäß Block 118 ein Alarm ausgegeben wird, wenn der Alarmschwellenwert überschritten wird. Ein Alarm kann dabei eine oder jede Kombination mit einem Warnlicht, einer Nachricht, einer Kommunikation, einem Internetanruf und dergleichen umfassen.
Überschreitet einer der Phasenakkumulatoren den bestimmten Schwellenwert, dann wird eine Marke gesetzt zur Angabe, dass eine Abnutzungsbedingung vorliegt. Diese Abnutzungsbedingung kann durch den Kunden eingestellt werden und basiert auf vielfachen (10%-100%) verschiedener veröffentlichter Industriestandards für Belastungszyklen. Beispielsweise ist es gemäß dem UL-Standard erforderlich, dass Leistungsschalter mit geformtem Gehäuse eine vorgegebene Anzahl von Lastzyklen (typischer Weise 15) mit dem sechsfachen des Nennstroms durchführen. Diese Unterbrechungen weisen einen definierten Leistungsfaktor und Strompegel auf, der zu einem gegebenen kumulierten I2T-Wert für den betreffenden Leistungsschalter führt. In gleicher Weise erfordern Standards Dauertests mit dem Leistungsschalter unter voller Belastung (Nennleistung). Auf der Basis dieser garantierten Betriebserfordernisse ist ein Leistungsschalterkapazitäts-I2T-Wert gleich dem Dauertest und es können Lastzyklustests festgelegt werden. Der Schwellenwert für die Wartung sollte nicht auf mehr als 100% der Leistungsstandardkapazität eingestellt werden. Ferner können Einstellwerte bereitgestellt werden auf einer ANSI- oder IEC-Basis. Die Schwellenwerte repräsentieren einen Prozentsatz der gesicherten Leistungsschalterbetriebsfähigkeit.
Die Aufzeichnung der I2T-Werte für den Leistungsschalter während der Qualifikation bezüglich eines veröffentlichten Standards (UL, IEC, usw.), die dann Wartungseinstellpunkte als Vielfache oder Teilvielfache der UL- oder IEC- oder ANSI-Dauertests repräsentieren, macht aus dem I2T-Messungen eine vergleichende Messung (wobei I2T sowohl bei der Messung der Dauerprüfungsergebnisse als auch bei dem laufenden Betrieb des Produkts verwendet werden). Die Messung der nichtlinearen Lichtbogenspannung E oder des Widerstands R wird dabei weniger wichtig, und es wird lediglich der Strom I bevorzugt, da der Leistungsschalter bereits Strom misst.
Eine Prioritätsreihenfolge der Wartungsarbeiten bei der Wartung von Leistungsschaltern kann auf der Basis dieser Information zusammengestellt werden, d. h. welcher Leistungsschalter zuerst infolge einer Kontaktabnutzung eine Wartung erhalten wird. Manche größere Industrieanlagen weisen hunderte von zu wartenden Leistungsschaltern auf. Die Benutzer überarbeiten typischer Weise einen bestimmten Prozentsatz ihrer Leistungsschalter in jedem Jahr. Ein genaues Bestimmen einer Priorität der Reihenfolge, in welcher die einzelnen Leistungsschalterprobleme behandelt werden sollen, ermöglicht eine effektivere Verwendung begrenzter Ressourcen und dient der Verminderung der Abschaltzeiten der Einrichtungen.
Wird durch das Programm im Block 116 bestimmt, dass ein Akkumulator nicht den Alarmschwellenwert überschritten hat, dann wird in Block 120 bestimmt, ob ein Akkumulator über einem Auslöseschwellenwert liegt. Liegt ein Akkumulator über einem Auslöseschwellenwert, dann wird das Auslöseprogramm entsprechend Block 122 verarbeitet. Ein Auslöseprogramm kann dabei eine oder mehrere der Maßnahmen: Verriegelung, Nachrichten, Kommunikationen, Internetanrufe und gleichartige Funktionen umfassen. Insbesondere können die nachfolgenden wahlweisen Maßnahmen ergriffen werden:
  • 1. Eine Auslöseeinheit oder ein Relais sperrt den Betrieb der Einrichtung bis eine Wartungsmaßnahme das Abnutzungsproblem gelöst hat (wobei zu dieser Zeit die Akkumulatoren auf Null zurückgesetzt werden)
  • 2. Es wird eine Anzeige oder eine Nachricht bezüglich einer lokalen Auslöseeinheit oder eines Relais bereitgestellt.
  • 3. Eine Kommunikation über eine Entfernung mittels einer Kommunikationsverbindung wie beispielsweise mittels eines lokalen Kommunikationsbus innerhalb eines lokalen Netzwerks (LAN) macht einen Arbeiter des Betriebs auf das Problem aufmerksam.
  • 4. Eine Kommunikation über eine Entfernung mittels eines Leistungssteuerungssystems in das Internet alarmiert einen Mitarbeiter eines entfernten Unternehmens.
  • 5. Eine Kommunikation über eine Entfernung mittels eines Leistungssteuerungssystems in das Internet alarmiert ein entferntes Wartungsunternehmen, das den Kunden informiert oder eine Wartung zur Reparatur der Einrichtung plant.
  • 6. Eine Kommunikation über eine Entfernung direkt mit dem Internet oder einem unternehmenseigenen Netzwerk von der Auslöseeinheit oder dem Relais mit geeigneten Kommunikationsmöglichkeiten.
Zusätzlich können viele Einstellpunkte vorgesehen sein, bei denen zuerst eine Warnung und sodann eine Sperrmaßnahme (Abschaltmaßnahme) ergriffen wird. Ein niedriger Einstellpunkt stellt eine Zeit bereit zur Planung einer Wartungsmaßnahme während einer Abschaltzeit.
Liegt ein Akkumulator nicht über einem Auslöseschwellenwert, dann wird der Algorithmus 100 mit Block 124 beendet und startet erneut mit Block 102, wenn ein weiteres Auslösesignal oder ein Leistungsschalteröffnungssignal ausgegeben wird.
Sämtliche der vorstehend angegebenen Grenzwerte oder Einstellungen (beispielsweise Alarm- und Auslöseschwellenwerte) werden vorzugsweise in dem Speicher EEPROM 50 gespeichert und können geändert werden durch Herunterladen von gewünschten Einstellungen über die Kommunikations-I/O-Anschlüsse 62. Dies umfasst auch das über eine Entfernung mögliche Herunterladen derartiger Daten, wenn die Einheit mit einem (nicht gezeigten) Systemcomputer, entweder direkt oder über Telefonleitungen oder über andere geeignete Verbindungen verbunden ist. In bevorzugter Weise kann ebenfalls der Speicher EEPROM 50 einen Flash-Speicher umfassen, in welchem derartige Daten in bekannter Weise gespeichert werden.
Gemäß der vorstehenden Beschreibung kann der Leistungsschalterfunktionsfähigkeitsalgorithmus I2T-Werte messen und integrieren während eines Fehlers und bei normalen Öffnungsbedingungen des Leistungsschalters in Niederspannungs-Leistungsschalterauslöseeinheiten. Die Industriestandards (UL, ANSE, IEC) für Leistungsschalter (Schaltschütze) für die Leistungsschalterleistungsfähigkeit bilden die Grundlage zur Erfassung der Leistungsschalterfunktionsfähigkeit und zur Bestimmung des Erfordernisses einer Wartung oder eines Ersatzes des Leistungsschalters. Eine Verbindung über ein Leistungssteuerungssystem LAN und/oder das Internet stellt sowohl interne als auch externe Wartungsmöglichkeiten bezüglich dieses Problems bereit.
Es ist zu beachten, dass andere Varianten dieser Offenbarung dem I2T-Wert schätzen können für jede Öffnung oder Auslösung unter Verwendung gespeicherter oder geschätzter Lichtbogenenergien auf der Basis der Bedingungen vor der Öffnung, oder einem gemittelten geschätzten Wert. Eine Abwandlung dieser Abnutzungsmessung kann ein EIT-Verfahren umfassen, das die Spannung über den Kontakt misst und mit dem gegenwärtigen Strom multipliziert. Während dies gegenüber dem einfacheren I2T-Ansatz, bei dem eine konstante Lichtbogenspannung angenommen wird, eine Verbesserung darstellt, sind demgegenüber drei zusätzliche Spannungssensoren über den Kontakten erforderlich, die lediglich während der Unterbrechung verwendet werden. Gemäß der Beziehung E = IR, wobei I der Strom und R der Widerstand des Lichtbogens ist, stellt die Berechnung I2RT eine Alternative dar, wobei jedoch R unbekannt und zur Zeit während des Lichtbogens nicht linear ist. IT integriert auf einfache Weise den Strom des Lichtbogens. Obwohl dies weniger genau ist, verwenden einfachere Auslöseeinheiten eine derartige Abschätzungseinrichtung im Hinblick auf niedrigere Kosten. Die Messung von I2T oder auch von IT stellt eine Kompromissmessung dar, die proportional zur Gesamtenergie in den Kontakten während der Unterbrechung ist.
Bezüglich der Übertragung einer Kontaktabnutzungsinformation kann dies auf verschiedene Arten erfolgen:
  • 1. Erzeugen einer Ereignisnachricht zur Übertragung mittels eines mit einem (nicht gezeigten) zugehörigen Computer verbundenen Netzwerks oder anderen (nicht gezeigten) zentralen Überwachungseinrichtungen;
  • 2. Anzeigen einer Information auf der Anzeigeeinrichtung 54 der Auslöseeinheit oder des Leistungsschalters; oder
  • 3. Schließen eines Relaiskontakts, der seinerseits verwendet werden kann zum Betreiben einer Warnhupe, eines Warnlichts oder eines anderen Alarms (die nicht gezeigt sind). Eine Kontaktabnutzungsinformation kann ebenfalls angezeigt (oder gedruckt) werden in Form eines Logbuchs. Eine Information bezüglich beispielsweise einer beschleunigten Kontaktabnutzung ist nützlich als Hilfe bei der Bestimmung des Grundes oder der Ursache eines Problems (d. h. systematische Ursachenermittlung), die andererseits schwierig zu ermitteln ist. Schließlich kann der tatsächliche Akkumulationswert der I2T-Information an eine lokale oder entfernte Einrichtung übertragen werden zur weitern Analyse, wobei Umgebungsbedingungen und andere Bedingungen einbezogen werden.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, ist für den Fachmann auf diesem Gebiet zu beachten, dass unterschiedliche Änderungen durchgeführt werden können und Elemente derselben durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne dass von dem Bereich der Erfindung abgewichen wird. Ferner sind viele Abweichungen bezüglich der Lehre der Erfindung möglich zur Anpassung an eine bestimmte Situation oder ein Material, ohne vom wesentlichen Bereich der Erfindung abzuweichen. Die Erfindung ist daher nicht auf das spezielle Ausführungsbeispiel beschränkt, das als beste Art zur Umsetzung der Erfindung offenbart ist, und die Erfindung umfasst sämtliche Ausführungsbeispiele, die innerhalb des Bereichs der zugehörigen Patentansprüche liegen.
Es werden ein Verfahren 100 zur Bestimmung der Kontaktabnutzung in einer Auslöseeinheit 30 eines Leistungsschalters 58 und ein Leistungsschalter 58 zur Verwendung eines derartigen Verfahrens bereitgestellt. Die Auslöseeinheit 30 umfasst einen Mikrocontroller 44 und zugehörige Speicher 46, 48, 50. Ein Algorithmus (Programm) 100, der in einem Speicher 48 der Auslöseeinheit 30 gespeichert ist, berechnet eine kumulative Energie, die in den Leistungsschalterkontakten umgesetzt wird unter Verwendung eines zum Zeitpunkt der Trennung erfassten Stromsignals. Die Messung der kumulativen, in den Leistungsschalterkontakten umgesetzten Energie ist proportional zur Kontaktabnutzung. Wartungseinstellpunkte werden auf der Basis von Industriestandard-Dauertests bestimmt und Alarmschwellenwerte und Auslöseschwellenwerte, die ferner auf Industriestandards basieren, werden in Verbindung mit dem Algorithmus 100 bereitgestellt zur Information eines lokalen oder entfernten Personals bezüglich einer erforderlichen Wartungsmaßnahme.

Claims (41)

1. Verfahren (100) zur Erfassung der Kontaktabnutzung eines Paars trennbarer Kontakte in einer elektronischen Auslöseeinheit (30) eines Leistungsschalters (58), wobei das Verfahren (100) umfasst:
  • a) Ausgeben (102) eines Auslöse- oder Öffnungssignals zum Einleiten einer Trennung des Paars trennbarer Kontakte;
  • b) Erfassen (104) des Trennens des Paars trennbarer Kontakte;
  • c) Erfassen (110) eines Stroms durch das Kontaktpaar zur Bereitstellung eines erfassten entsprechenden Stromsignals; und
  • d) Integrieren (112) des erfassten Stromsignals nach der Erfassung des Trennens des Paars trennbarer Kontakte zur Bildung einer ersten Messung proportional zur Kontaktabnutzung der Kontakte.
2. Verfahren (100) nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt des
  • a) Multiplizierens der ersten Messung des erfassten Stromsignals zum Messen der umgesetzten Energie während das Paar trennbarer Kontakte getrennt wird, wobei eine zweite Messung proportional zur Kontaktabnutzung der Kontakte gebildet wird.
3. Verfahren (100) nach Anspruch 1, ferner mit den Schritten des Messens einer Spannung über den Kontakten zur Bildung eines entsprechenden Spannungssignals und Multiplizieren der ersten Messung mit dem Spannungssignal zur Bildung einer weiteren Messung proportional zur Kontaktabnutzung der Kontakte.
4. Verfahren (100) nach Anspruch 2, ferner mit der Wiederholung der Schritte (b) bis (e) bis zur Öffnung des Leistungsschalters (58).
5. Verfahren (100) nach Anspruch 4, ferner mit dem Speichern jeder der zweiten Messungen in einem Akkumulator zur Bereitstellung einer Summe sämtlicher zweiter Messungen.
6. Verfahren (100) nach Anspruch 5, ferner mit der Bereitstellung getrennter Akkumulatoren für jeden Fehlertyp und für jede Phase des Leistungsschalters (58).
7. Verfahren (100) nach Anspruch 5, ferner mit dem Einstellen eines Alarmschwellenwerts und Vergleichen (116) der Summe in dem Akkumulator mit dem Alarmschwellenwert nach der Öffnung des Leistungsschalters (58).
8. Verfahren (100) nach Anspruch 7, ferner mit dem Verarbeiten (118) eines Alarmprogramms, falls die Summe über dem Alarmschwellenwert liegt.
9. Verfahren (100) nach Anspruch 7, ferner mit dem Einstellen eines Auslöseschwellenwerts und Vergleichen (120) der Summe in dem Akkumulator mit dem Auslöseschwellenwert nach dem Öffnen des Leistungsschalters (58).
10. Verfahren (100) nach Anspruch 9, ferner mit dem Verarbeiten (120) eines Auslöseprogramms, falls die Summe über dem Auslöseschwellenwert liegt.
11. Verfahren (100) nach Anspruch 7, wobei das Einstellen eines Alarmschwellenwerts die Bestimmung betrieblicher Leistungsfähigkeiten des Leistungsschalters auf der Basis von Industriestandards und das Auswählen eines Prozentsatzes kleiner als 100% der gesicherten Leistungsschalter-Leistungsfähigkeit als Alarmschwellenwert umfasst.
12. Verfahren (100) nach Anspruch 8, wobei das Verarbeiten (118) eines Alarmprogramms die Kommunikation über ein Leistungssteuerungssystem zu einem entfernten Personal unter Verwendung einer Internetverbindung oder einer Intranetverbindung umfasst.
13. Verfahren (100) nach Anspruch 10, wobei das Verarbeiten (122) eines Auslöseprogramms eine Kommunikation über ein Leistungssteuerungssystem mit einem entfernten Personal unter Verwendung einer Internetverbindung oder einer Intranetverbindung umfasst.
14. Verfahren (100) nach Anspruch 10, wobei das Verarbeiten (122) eines Auslöseprogramms einen Verriegelungsvorgang des Leistungsschalters (58) umfasst.
15. Verfahren (100) nach Anspruch 14, ferner mit dem Einstellen des Akkumulators auf Null.
16. Verfahren (100) nach Anspruch 2, wobei das Erfassen (104) des Trennens des Paars trennbarer Kontakte das Initialisieren (106, 108) eines Mechanismuszeitgebers für eine vorbestimmte Zeitdauer umfasst.
17. Verfahren (100) nach Anspruch 16, wobei das Integrieren (112) des erfassten Stromsignals das Multiplizieren des erfassten Stromsignals mit einer festen Zeitdauer T zwischen jedem erfassten Stromsignal umfasst.
18. Verfahren (100) nach Anspruch 17, ferner mit der Wiederholung der Schritte (b) bis (e) bis zum Öffnen des Leistungsschalters (58).
19. Verfahren (100) nach Anspruch 1, ferner mit dem Programmieren des Verfahrens (100) innerhalb eines Nur- Lesespeichers (48).
20. Verfahren (100) nach Anspruch 7, wobei das Einstellen des Alarmschwellenwerts das Einbringen des Alarmschwellenwerts in einen elektronisch löschbaren programmierbaren Nur-Lesespeicher (50) umfasst.
21. Verfahren (100) nach Anspruch 9, wobei das Einstellen des Auslöseschwellenwerts das Eingeben des Auslöseschwellenwerts in einen elektronisch löschbaren programmierbaren Nur-Lesespeicher (50) umfasst.
22. Verfahren (100) nach Anspruch 8, wobei das Verarbeiten (118) eines Alarmprogramms eine Kommunikation zu einem Personal mittels eines lokalen Netzwerks umfasst.
23. Verfahren (100) nach Anspruch 10, wobei das Verarbeiten (122) eines Auslöseprogramms die Kommunikation zu einem Personal mittels eines lokalen Netzwerks umfasst.
24. Verfahren (100) nach Anspruch 5, ferner mit dem Einstellen von Wartungseinstellpunkten als Vielfache von Industriestandard-Dauertests, Vergleichen der Summe der Wartungseinstellpunkte und Überprüfen der Kontakte, wenn die Summe einen Einstellpunkt erreicht.
25. Verfahren (100) nach Anspruch 24, ferner mit dem Ersetzen der abgenutzten Kontakte.
26. Leistungsschalteranordnung mit einer elektronischen Auslöseeinheiten (30) und einem Leistungsschalter (58) mit zumindest einem Paar trennbarer Kontakte, wobei die Leistungsschalteranordnung ferner umfasst:
eine Einrichtung zur Erfassung des Trennens des zumindest einen Paars trennbarer Kontakte;
einen Stromsensor (36), der angeordnet ist zum Erfassen des Stroms über das zumindest eine Paar trennbarer Kontakte zur Bereitstellung eines dieses anzeigenden Stromerfassungssignals; und
einen Signalprozessor (44), der auf das erste Stromerfassungssignal anspricht und einen Speicher (48) aufweist zur Speicherung von Signalen einschließlich Programmsignalen zur Bestimmung eines ausführbaren Programms, wobei der Prozessor (44) das erste Stromerfassungssignal nach der Erfassung des Trennens des zumindest einen Paars trennbarer Kontakte integriert zur Bildung einer ersten Messung proportional zur Kontaktabnutzung der Kontakte.
27. Leistungsschalteranordnung nach Anspruch 26, wobei der Prozessor (44) ferner die erste Messung mit dem Stromerfassungssignal multipliziert zum Messen der umgesetzten Energie, wenn das Paar trennbarer Kontakte getrennt wird, zur Bildung einer zweiten Messung proportional zur Kontaktabnutzung der Kontakte.
28. Leistungsschalteranordnung nach Anspruch 27, ferner mit einem Akkumulator zum Speichern und Bereitstellen einer Summe sämtlicher zweiter Messungen.
29. Leistungsschalteranordnung nach Anspruch 28, ferner mit getrennten Akkumulatoren für jeden Fehlertyp und für jede Phase des Leistungsschalters (58).
30. Leistungsschalteranordnung nach Anspruch 28, ferner mit einem elektronisch löschbaren programmierbaren Nur- Lesespeicher (50) zum Speichern eines Alarmschwellenwerts für einen Vergleich mit der Summe in dem Akkumulator, nachdem der Leistungsschalter (58) geöffnet ist.
31. Leistungsschalteranordnung nach Anspruch 30, wobei der Prozessor (44) ferner einen Speicher (48) umfasst zum Speichern eines Alarmprogramms, das nach dem Öffnen des Leistungsschalters (58) eingeleitet wird, falls die Summe in dem Akkumulator über dem Alarmschwellenwert liegt.
32. Leistungsschalteranordnung nach Anspruch 31, wobei der Alarmschwellenwert ein Prozentsatz kleiner als 100% von Betriebsleistungsfähigkeiten des Leistungsschalters (58) auf der Basis von Industriestandards ist.
33. Leistungsschalteranordnung nach Anspruch 28, ferner mit einem elektronisch löschbaren programmierbaren Nur- Lesespeicher (50) zum Speichern eines Auslöseschwellenwerts für einen Vergleich mit der Summe in dem Akkumulator, nachdem der Leistungsschalter (58) geöffnet ist.
34. Leistungsschalteranordnung nach Anspruch 32, wobei der Prozessor (44) ferner einen Speicher (48) umfasst zum Speichern eines Auslöseprogramms, das nach dem Öffnen des Leistungsschalters (58) eingeleitet wird, falls die Summe in dem Akkumulator über dem Auslöseschwellenwert liegt.
35. Leistungsschalteranordnung nach Anspruch 24, ferner mit einem Spannungssensor (32) zur Messung einer Spannung über den Kontakten zur Bildung eines entsprechenden Spannungssignals, und wobei der Prozessor (44) die erste Messung mit dem Spannungssignal multipliziert zur Bildung einer weiteren Messung proportional zur Kontaktabnutzung der Kontakte.
36. Leistungsschalteranordnung nach Anspruch 26, ferner mit einer Internet- oder Intranetverbindung zu einem Leistungssteuerungssystem.
37. Leistungsschalteranordnung nach Anspruch 26, ferner mit einer Verbindung zu einem lokalen Kommunikationsbus.
38. Leistungsschalteranordnung nach Anspruch 26, wobei der Speicher (48) ein Nur-Lesespeicher (48) ist.
39. Leistungsschalteranordnung nach Anspruch 26, ferner mit einem Analog/Digital-Wandler (40) zum Empfangen des erfassten Kontakttemperatursignals und des Stromerfassungssignals, und einem Bus (42) zur Übertragung digitaler Signale von dem Analog/Digital- Wandler (40) zu dem Prozessor (44).
40. Leistungsschalteranordnung nach Anspruch 26, wobei der Prozessor (44) das erste Stromerfassungssignal mit einer festen Zeitdauer T zwischen jedem Stromerfassungssignal bis zur Öffnung des Leistungsschalters (58) multipliziert.
41. Leistungsschalteranordnung nach Anspruch 26, wobei die Einrichtung zur Erfassung des Trennens des zumindest einen Paars trennbarer Kontakte einen Mechanismuszeitgeber umfasst.
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