Verfahren zur Ermittlung des durch Lichtbogenabbrand hervorgerufenen Zustands eines Leistungsschalters

Abstract

 Mit dem Verfahren wird der durch Lichtbogenabbrand hervorgerufene Zustand des Leistungsschalters in äusserst genauer und zuverlässiger Weise ermittelt. Bei jedem Schaltvorgang mit Lichtbogenbildung werden einem Monitoringsystem zunächst mindestens folgende Daten zugeführt:

Geometrieparameter (A_f, L_f, Rf, α_f; L_s, R_s; R_h, L_h; Rd, L_h) eines der Abbrandwirkung des Lichtbogens ausgesetzten Teils eines Elements (f, s, h, d) einer Schaltkammer des Schalters, deren Werte die Restlebensdauer des Schalters bestimmen und aus denen das Volumen des lichtbogenausgesetzten Teils errechnet wird, die Dichte des Schaltkammerelements,

ein Zeitpunkt (t₁, t₂, t₄), ab dem das Schaltkammerelement (f, s, h, d) der Wirkung des Lichtbogens ausgesetzt ist,

eine den Abbrand des Schaltkammerelements (f, s, h, d) in Funktion der Lichtbogenstromdichte (J_f, J_s, J_h, J_d) repräsentierende Abbrandcharakteristik, und

ein während des Schaltvorgangs (k) ermitteltes i(t)-Diagramm.

Das Monitoringsystem ermittelt dann aus den eingegebenen Daten das Volumen des lichtbogenausgesetzten Teils des Schaltkammerelements (f, s, h, d) und hieraus den die Restlebensdauer des Schalters bestimmenden Wert mindestens eines der Geometrieparameter nach dem Schaltvorgang.

Beschreibung

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Verfahren zur Ermittlung des durch Lichtbogenabbrand hervorgerufenen Zustands eines Leistungsschalters nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Bei diesem Verfahren wird aus der zeitlichen Abhängigkeit eines bei einem Schaltvorgang fliessenden Lichtbogenstroms der aktuelle Zustand des Schalters in einem Monitoringsystem errechnet. Mit einem solchen Verfahren können Service und Unterhalt von Leistungsschaltern erheblich verbessert und die hierbei nicht zu vermeidenden Kosten beträchtlich reduziert werden. Zugleich kann die Zuverlässigkeit der im Netz stehenden Leistungsschalter erhöht werden. Der Abbrand ist ein Mass für die Abnutzung des Schalters bzw. dessen noch verbleibende Lebensdauer.

[0002] Die heutzutage gängigste Art der Bestimmung des Lebensdauerendes eines Schalters ist die Aufaddierung des pro Ausschaltvorgang geschalteten Stromes und der Vergleich des so gewonnenen Wertes mit einer vom Hersteller gelieferten Lebensdauerkurve.

STAND DER TECHNIK

[0003] Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist in DE 199 23 362 A1 beschrieben. Bei diesem Verfahren wird bei jeder Kurzschlussausschaltung das Produkt aus der Lichtbogenbrenndauer und dem Effektivwert des Kurzschlussstromes während der Lichtbogenbrenndauer gebildet. Die Summe aller durch diese Berechnungsformel gebildeten Produkte wird als Kriterium für die nächste Revision des Leistungsschalters herangezogen. Hierbei werden jedoch lediglich Kurzschlussausschaltungen erfasst. Die Belastung bei Kurzschlusseinschaltungen sowie beim Ein- und Ausschalten kleiner Ströme (bis maximal Nennströme) werden nicht in die Berechnungsformel einbezogen. Ausserdem berücksichtigt dieses Verfahren lediglich den Abbrandzustand der Schalterkontakte als Kriterium für die Lebensdauer des Leistungsschalters.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0004] Die Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen definiert ist, löst die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welches den Zustand eines Leistungsschalters mit hoher Genauigkeit erfasst, und so eine sehr präzise Aussage über dessen Restlebensdauer ermöglicht.

[0005] Beim erfindungsgemässen Verfahren werden bei jedem Schaltvorgang mit Lichtbogenbildung k , wobei k = 1, 2, ..., einem Monitoringsystem zunächst mindestens folgende Daten zugeführt: Geometrieparameter eines der Abbrandwirkung des Lichtbogens ausgesetzten Teils eines Elements einer Schaltkammer des Schalters, deren Werte die Restlebensdauer des Schalters bestimmen und aus denen das Volumen des lichtbogenausgesetzten Teils errechnet wird, die Dichte des Schaltkammerelements, ein Zeitpunkt, ab dem das Schaltkammerelement der Wirkung des Lichtbogens ausgesetzt ist, eine den Abbrand des Schaltkammerelements in Funktion der Lichtbogenstromdichte repräsentierende Abbrandcharakteristik und ein während des Schaltvorgangs ermitteltes Strom-Zeit-Diagramm (i(t)-Diagramm). Das Monitoringsystem ermittelt sodann aus dem i(t)-Diagramm und dem Zeitpunkt die Grösse und die Dauer des das Schaltkammerelement belastenden Lichtbogenstroms, bestimmt hieraus und aus der Abbrandcharakteristik den beim Schaltvorgang verursachten Massenabbrand des Schaltkammerelementes, stellt durch Summation dieses und des in allen vorhergehenden Schaltvorgängen bestimmten Massenabbrands den kumulierten Massenabbrand des Schaltkammerelements fest und bestimmt mit Hilfe der Dichte des Schaltkammerelementes das Volumen des lichtbogenausgesetzten Teils und daraus den aktuellen Wert mindestens eines der Geometrieparameter nach dem Schaltvorgang.

[0006] Da so sämtliche Ein- und Ausschaltvorgänge des Leistungsschalters erfasst werden, in denen eine Strombelastung mit sehr kleinen, weit unter Nennstrom gelegenen, Strömen bis zu sehr grossen Kurzschlussströmen auftritt, werden mit dem erfindungsgemässen Verfahren der Abbrand des Geometrieparameters und damit die Restlebensdauer des Leistungsschalters exakt bestimmt. Betreiber von elektrischen Anlagen können so ihre Leistungsschalter besser ausnutzen und sind besser vor unbeabsichtigten Ausfällen geschützt. Zudem braucht nun vor einer Berechnung der Schalterlebensdauer nun nicht mehr darüber entschieden zu werden, ob die Berechnung überhaupt durchgeführt werden soll oder nicht, da sämtliche Schaltvorgänge berücksichtigt werden.

[0007] Für eine gute Genauigkeit des Verfahrens reicht es im allgemeinen aus, wenn lediglich der Zeitpunkt erfasst wird, ab dem das Schaltkammerelement der Wirkung des Lichtbogens ausgesetzt ist. Dies gilt vor allem für ein als Kontakt einer Kontaktanordnung des Schalters ausgebildetes Schaltkammerelement, da dieses Element ab dem vorgenannten Zeitpunkt der vollen Wirkung des Lichtbogens ausgesetzt ist. Ein als Isolierdüse ausgebildetes Schaltkammerelement ist hingegen ab diesem Zeitpunkt zunächst einer geringen Wirkung des Lichtbogens ausgesetzt, da der Lichtbogen lediglich durch einen Teil der Isolierdüse geführt ist. Erst ab einem späteren Zeitpunkt, wenn der Lichtbogen vollständig durch die Isolierdüse geführt ist, ist die Isolierdüse der vollen Wirkung des Lichtbogens ausgesetzt. Um mit einem solchen Schaltkammerelement eine hohe Genauigkeit des Verfahrens zu erreichen, ist es daher erforderlich, auch den späteren Zeitpunkt zu erfassen.

[0008] Das erfindungsgemässe Verfahren zeichnet sich durch hohe Genauigkeit und grosse Redundanz aus, wenn mehreren der Abbrandwirkung des Lichtbogens ausgesetzten Schaltkammerelementen jeweils ein Geometrieparameter zugeordnet ist. Solche Geometrieparameter sind mit Vorteil der Innenradius einer Kontakttulpe, die Höhe eines bei Abbrand der Kontakttulpe an deren Innenfläche gebildeten Kegelstumpfs, der Länge eines mit der Kontakttulpe zusammenwirkenden Kontaktstiftes, der Innenradius einer Hilfsdüse oder der Innenradius einer Hauptdüse. Ist der Abbrand schon weit vorangeschritten, so wird eine Alarmmeldung abgegeben, sobald der aktuelle Wert des Geometrieparameters oder der Wert eines von mehreren der Geometrieparameter abgeleiteten Zustandsparameters der Kontaktanordnung einen Grenzwert überschreitet.

[0009] Die für eine exakte Restlebensdauervorhersage wichtige und jedem der Schaltkammerelemente eigene Abbrandcharakteristik wird mit Vorteil durch ein Polynom angenähert. Die entsprechenden Polynomkoeffizienten können empirisch aus dem Massenabbrand und der Belastung des Schaltkammerelementes ermittelt werden.

[0010] Weitere Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens sind dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel entnehmbar.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0011] Die Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:

Fig. 1

in prinzipieller Darstellung sieben zeitlich aufeinanderfolgende unterschiedliche Schaltzustände a) bis g) eines im Neuzustand befindlichen Leistungsschalters im Bereich einer axialsymmetrisch ausgebildeten Löschzone seiner Schaltkammer,

Fig. 2

ein i(t)-Diagramm und ein Weg-Zeit-Diagramm (z(t)-Diagramm) des zum ersten Mal einen Ausschaltvorgang mit Strombelastung ausführenden Schalters gemäss Fig.1,

Fig. 3

die sieben Schaltzustände der Löschzone nach Fig.1 kurz vor einer Revision des Schalters,

Fig. 4

ein i(t)- und ein z(t)-Diagramm des Schalters gemäss Fig.3 während des Ausschaltens,

Fig. 5

in vergrösserter und in Achsrichtung leicht gedehnte Darstellung den Löschzonenbereich der Schaltkammer nach Fig.3, in der der Zustand des Löschzonenbereichs im Neuzustand gestrichelt dargestellt ist, und in der ferner Geometrieparameter von Elementen der Schaltkammer angegeben sind, und

Fig. 6

ein durch eine Näherungsfunktion beschriebenes i(t)-Diagramm.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

[0012] In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die in Fig.1 stark vereinfacht dargestellte Schaltkammer eines Leistungsschalters ist im Bereich ihrer Löschzone axialsymmetrisch ausgebildet und weist eine stromführende Kontaktanordnung auf mit einem feststehenden Tulpenkontakt f und einem beweglich ausgeführten Kontaktstift s sowie aus einem Isolierstoff - wie etwa Polytetrafluoräthylen - bestehend eine Hilfsdüse h und eine Hauptdüse d. In der gezeigten Ausführungsform sind neben der Kontakttulpe f auch die Hilfsdüse h und die Hauptdüse d feststehend ausgeführt. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, dass die Kontakttulpe f und die beiden Düsen h und d beweglich ausgeführt sind und der Kontaktstift s feststehend oder gegebenenfalls auch beweglich ausgeführt ist. Ferner kann die Kontakttulpe ebenfalls Stiftform aufweisen. Darüber hinaus kann die Hilfsdüse h oder die Hauptdüse d oder können auch beide Düsen entfallen. Wichtig ist vor allem, dass sich bei einem Schaltvorgang zwischen den beiden Kontakten f und s ein Lichtbogen bildet, welcher zumindest an einem dieser beiden Schaltkammerelemente oder an einem der gegebenenfalls vorgesehenen weiteren Schaltkammerelemente h und d Abbrand und damit einen die Lebensdauer des Schalters bestimmenden Verschleiss bewirkt.

[0013] Aus der Fig.1 sind sieben verschiedene Stiftpositionen a) bis g) während einer Ausschaltung des im Neuzustand befindlichen Schalters ersichtlich. Die Lage der Spitze des Kontaktstifts f in der Position a) (Einschaltstellung des Schalters) wird als Bezugspunkt z₀ der Hubkoordinate definiert. Die Position g) definiert die Lage z₆ der Spitze des Kontaktstifts s zum Zeitpunkt der Stromlöschung. In den dazwischen liegenden Positionen b), c), d), e) und f) ist die Spitze des Kontaktstifts s durch Lagekoordinaten z₁, z₂, z₃, z₄ und z₅ definiert.

[0014] In der Figur 2 sind das zugeordnete z(t)-Diagramm mit der Weg- bzw. Hubkoordinate z des Schaltstifts s und der Zeitkoordinate t sowie das zugeordnete i(t)-Diagramm mit dem beim Ausschaltvorgang fliessenden Lichtbogenstrom i als einer und der Zeit t als anderer Koordinate dargestellt. Im dargestellten Beispiel ist die Position g) (Lagekoordinate z₆) zufälligerweise identisch mit der Ausschaltposition des Schalters (Kontaktstift s kann längs der Wegkoordinate z nicht mehr nach unten verschoben werden). Es gibt aber auch Fälle, bei denen der Stift s zum Zeitpunkt der Stromlöschung seine Endposition noch nicht erreicht hat, beispielsweise, wenn die Stromlöschung im gezeichneten Beispiel bereits eine Halbwelle früher erfolgen würde. In diesen Fällen verschiebt sich die Position z₆ nach oben.

[0015] Die Figur 3 zeigt analoge Positionen a) bis g) des Kontaktstifts s desselben Schalters kurz vor einer notwendigen Revision, wenn also nach Schaltvorgängen unter Strom die Schaltlichtbögen Abbrand an den Schaltkammerelementen f, s, h, d hervorgerufen haben. In Fig.4 sind das dazugehörige z(t)-Diagramm der Spitze des Kontaktstifts s und ein mögliches i(t)-Diagramm dargestellt. Um den Vergleich mit dem Schalter im Neuzustand (Figuren 1 und 2) zu vereinfachen, wurde die gleiche Stromkurve gewählt. Man beachte, dass auch in ausgebranntem Zustand die Position der Stiftspitze in der eingeschalteten Position als Nullpunkt der Hubkoordinate definiert wird. Die Koordinaten z₁, z₂, z₃, z₄ und z₅ haben sich aufgrund des Abbrandes verschoben.

[0016] Die verschiedenen Positionen a) bis g) sind in der nachfolgenden Tabelle 1 näher beschrieben.

Position	Koordinate	Zeitpunkt
a)	z0	t0	Vollständig eingeschaltete Position, Auslöse-Zeitpunkt der Stiftbewegung (= Spulensignal)
b)	z1	t1	Stift verlässt Abbrandtulpe, Beginn Lichtbogen, Beginn Kontaktabbrand
c)	z2	t2	Stift erreicht Anfang des Hilfsdüsenengnisses, Beginn Hilfsdüsenabbrand
d)	z3	t3	Stift erreicht Ende des Hilfsdüsenengnisses, ab hier ist der Hilfsdüsenabbrand nur noch vom Strom abhängig.
e)	z4	t4	Stift erreicht Anfang des Hauptdüsenengnisses, Beginn Hauptdüsenabbrand
f)	z5	t5	Stift erreicht Ende des Hauptdüsenengnisses, ab hier ist der Hauptdüsenabbrand nur noch vom Strom abhängig.
g)	z6	t6	Schalter löscht Lichtbogen bei Stromnull, Ende Kontaktabbrand und Düsenabbrand

[0017] Fig. 5 zeigt eine vergrösserte und in Achsrichtung leicht gedehnte Darstellung der in den Figuren 1 und 3 dargestellten Löschzonen. Darin eingezeichnet sind Geometrieparameter von Schaltkammerelementen, welche für die Bestimmung der Lebensdauer des Schalters relevant sind. Gestrichelt gezeichnete Partien repräsentieren den Neuzustand gemäss den Figuren 1 und 2 und ausgezogen dargestellte Partien repräsentieren den Zustand gemäss den Figuren 3 und 4 nachdem der Schalter k Schaltvorgänge unter Strom ausgeführt hat. Die Geometrieparameter bzw. deren Wert nach dem k-ten Schaltvorgang sind die folgenden:

R_f bzw. R_f,k = Innenradius der Kontakttulpe f

A_f bzw. A_f,k = Höhe eines beim Abbrand der Kontakttulpe gebildeten Kegelstumpfs,

L_f = axiale Länge der den Kontaktstift s umfassenden Engstelle der Kontakttulpe f,

α_f = Neigung des Kegelstumpfes gegen die Schaltkammerachse,

R_h bzw. R_h,k = Innenradius einer den Kontaktstift s umfassenden Engstelle der Hilfsdüse h,

L_h = axiale Länge der Engstelle der Hilfsdüse h,

R_d bzw. R_d,k = Innenradius einer den Kontaktstift s umfassende Engstelle der Hauptdüse d,

L_d = axiale Länge der Engstelle der Hauptdüse d,

L_s bzw. L_s,k = von der Spitze ausgehende Verkürzung des Kontaktstifts s in Achsrichtung,

R_s = Aussenradius des Kontaktstifts s.

[0018] Für jeden, z. B. den k-ten, Schaltvorgang unter Strom werden folgende Daten für das in einem Monitoringsystem durchgeführte erfindungsgemässe Verfahren benötigt:

ein beim Schaltvorgang ermitteltes i(t)-Diagramm,

ein z(t)-Diagramm der Bewegung des Kontaktstifts (bleibt in der Regel während der ganzen Lebensdauer des Schalters gleich, kann jedoch bei Bedarf und entsprechend vorhandener Messmittel neu eingelesen werden),

der Auslöse-Zeitpunkt t₀ der Stiftbewegung (= Spulensignal),

die Werte (z.B. R_s bzw. L_s,k-1) eines oder mehrerer relevanter Geometrieparameter gemäss Fig.5, welche beim vorhergehenden Schaltvorgang ermittelt wurden (einige dieser Werte, z. B. L_s,k-1 ändern sich während eines Schaltvorganges, einige, z. B. R_s, können während der ganzen Lebensdauer des Schalters als gleichbleibend angenommen werden),

die Dichten des Materials eines oder mehrerer der abbrandausgesetzten Schaltkammerelemente, wie etwa Kontaktstift s oder Hauptdüse d,

der den Abbrand aller vorhergehenden (k-1) Schaltvorgänge kumulierende Massenabbrand eines oder mehrerer der Schaltkammerelemente, und

die Abbrandcharakteristik des Schalters, die vorzugsweise durch ein Polynom nachgebildet wird.

[0019] Die folgenden Daten werden vom Monitoringsystem nach jedem Schaltvorgang geliefert und können mit Alarmgrössen verglichen werden. Für einen später erfolgenden Schaltvorgang dienen diese Ausgangsdaten als Eingangsdaten:

relevante Geometriegrössen gemäss Fig. 5 nach dem Schaltvorgang,

Alarmmeldungen beim Erreichen kritischer Werte für Kontaktüberlappung Δz (= z₁ - z₀), Innendurchmesser 2R_f von Engstelle Kontakttulpe f, Innendurchmesser 2R_h von Engstelle Hilfsdüse h und Innendurchmesser 2R_d von Engstelle Hauptdüse d, kumulierter Massenabbrand eines oder mehrerer der Schaltkammerelemente.

[0020] Aus der Belastung S_r (r = f, s, h, d) der einzelnen Schaltkammerelemente mit dem Lichtbogenstrom beim Schaltvorgang und dem Abbrandfaktor C_r kann der Massenverlust Δm_r (r = f, s, h, d) der einzelnen Schaltkammerelemente beim Schaltvorgang berechnet werden. Es gelten folgende Definitionen, wobei die Indizes f, s, h, d, sich der Reihe nach auf die damit bezeichneten Schaltkammerelemente beziehen:

[0021] Die Potenzen p_f, p_s, p_h und p_d liegen normalerweise im Intervall zwischen 1 und 2.

AUSFÜHRUNG DES ERFINDUNGSGEMÄSSEN VERFAHRENS

Erster Schritt: Berechnung der Zeiten

Basierend auf den Daten:

[0022] 

Strom-Zeit Diagramm

i_k(t)

Weg-Zeit Diagramm

z(t) resp. Umkehrfunktion t(z)

Zeitpunkte

t_0,k und t_6,k

Koordinaten

z_1,k-1, z_2,k-1, z_3,k-1, z_4,k-1, z_5,k-1

wobei die Indizes k bzw. k-1 den k-ten bzw. den k-1-ten Schaltvorgang und k = 0 den Neuzustand des Schalters bedeuten, erhält man:

Zeitpunkte

[0023] 

Koordinate

[0024] 

Zweiter Schritt: Berechnung der Stromdichten

[0025] 

Dritter Schritt: Bestimmung der Abbrandfaktoren aus der Abbrandcharakteristik

[0026] 

Vierter Schritt: Berechnung der Belastungen

[0027] 

Fünfter Schritt: Berechnung des Massenabbrandes

[0028] 

Sechster Schritt: Berechnung des Volumenabbrandes

[0029] 



wobei ρ_f, ρ_s, ρ_h und ρ_d der Reihe nach die Dichten des Materials der Kontakttulpe f, des Kontaktstiftes s, der Hilfsdüse h sowie der Hauptdüse d bedeuten.

Siebter Schritt: Berechnung der aktuellen Geometrie-Parameter

a) Tulpenkontakt

[0030] Tulpenkontakte brennen in der Regel sowohl im Innern zylindrisch als auch auf der Lichtbogenzone zugewandten Seite in einem Winkel α_f ab. Das Lebensdauerende ist dann erreicht, wenn der Innendurchmesser der Tulpe grösser als der Aussendurchmesser des Stiftes wird, oder wenn die Kontaktüberlappung, welche neben dem Stiftabbrand noch vom Winkel a_f beeinflusst wird, im eingeschalteten Zustand kleiner als ein fest vorgegebener Grenzwert wird. (Bei einem Schalter ohne paralleles Nennstromsystem liegt dieser Grenzwert bei 0. Bei einem Schalter mit parallelem Nennstromsystem muss der Grenzwert so gewählt werden, dass noch genügend Zeit zur Kommutierung des Stroms verbleibt.)

[0031] Um eine sichere Aussage treffen zu können, empfiehlt es sich, sowohl den gesamten Massenabbrand auf einen rein zylindrischen Innenausbrand als auch denselben gesamten Massenabbrand auf einen rein kegelförmigen Abbrand abzuwälzen. Man erhält so die folgenden neuen Geometrieparameter:

Konstante Geometrieparameter:

[0032] 

1. Zylindrischer Ausbrand

[0033] Es gilt:

[0034] Daraus folgt:

2. Kegelförmiger Ausbrand

[0035] Es gilt:

[0036] Daraus lässt sich A_f,k berechnen.

b) Kontaktstift

[0037] Kontaktstifte brennen in der Regel von ihrer Spitze weg parallel nach hinten ab.

Konstanter Geometrieparameter:

[0038] 

[0039] Es gilt:

und somit:

c) Hilfsdüse

[0040] In erster Näherung brennt die Hilfsdüse im Innern zylindrisch ab und die für den Abbrand wirksame Länge bleibt konstant.

Konstanter Geometrieparameter:

[0041] 

[0042] Somit gilt:

[0043] Daraus folgt:

d) Isolierdüse

[0044] Für die Isolierdüse gilt dasselbe, wie für die Hilfsdüse.

Konstanter Geometrieparameter:

[0045] 

[0046] Somit gilt:

[0047] Daraus folgt:

e) Neue z-Parameter

[0048] 

Achter Schritt: Alarmmeldungen

[0049] Die Werte für die Kontaktüberlappung (= Δz_k), den Radius der Kontakttulpe (= R_f), den Radius der Hilfsdüse (= R_h) und den Radius der Hauptdüse (= R_d) bestimmen die verbleibende Lebensdauer des Schalters. Diese können kontinuierlich mit vorgegebenen Grenzwerten (ΔZ_min, R_f,max, R_h,max, R_d,max) verglichen werden.

• Beispielsweise ist eine prozentuale Angabe der erreichten Lebensdauer denkbar (Beispiel: wenn Δz₀ = 50 mm, Δz_min = 30 mm, dann erscheint bei einem Δz_k = 42 mm die Meldung: "60 % der Lebensdauer erreicht").
• Es ist auch möglich, wenn der erste der vier Parameter zum Beispiel 90 % der Lebensdauer erreicht, spezielle optische oder akustische Warnungen auszugeben und wenn der erste der vier Parameter 100 % der Lebensdauer erreicht, den Schalter zu blockieren.
• Ist eine Zeiterfassung mit einbezogen, kann - auf Basis der bisherigen durchschnittlichen Belastung - zum Beispiel auch die noch verbleibende Lebensdauer (in Tagen, Wochen, Monaten oder Jahren) ausgegeben werden.

[0050] Das erfindungsgemässe Verfahren kann auch bei Schaltern angewendet werden, bei denen die Abbrandtulpen so dimensioniert sind, dass sich deren Finger bei hohen Strömen plastisch verformen, d.h. auf Block zusammenziehen. Dadurch verlängert sich die Lebensdauer. In den Formeln muss in diesen Fällen, d.h. sobald ein entsprechender Grenzstrom einmal überschritten wurde,
R_f,0
durch

mit

a = Anzahl Finger

b = Schlitzbreite im Neuzustand

ersetzt werden.

[0051] Oftmals wird immer das gleiche Lebensdauerende-Kriterium (beispielsweise Kontaktüberlappung) über die nächste Revision entscheiden. Für solche Schalter resp. in solchen Anwendungsfällen kann das erfindungsgemässe Verfahren soweit vereinfacht werden, dass nur gerade die dafür notwendigen Geometrieparameter berechnet werden.

[0052] Insbesondere Schalter, welche bei niedrigen Spannungen betrieben werden, haben beim Einschalten meist eine vergleichsweise kurze Lichtbogendauer. Die dadurch verursachten Abbranderscheinungen sind gering und können vernachlässigt werden.

[0053] Die genauesten Resultate erhält man mit dem erfindungsgemässen Verfahren, wenn während des gesamten Schaltvorganges (Ein- oder Ausschalten) das genaue Strom-Zeit-Diagramm eingelesen wird. Die Abtastrate sollte dabei möglichst klein (< 1 ms) gewählt werden. Dies ergibt für jeden Schaltvorgang allerdings eine relativ grosse Datenmenge.

[0054] In sehr guter Näherung und für t ≥ t₀ lässt sich das Strom-Zeit-Diagramm jedoch durch die folgende Funktion darstellen:

mit

I_eff

AC-Komponente des Stromes

I_DC

DC-Komponente des Stromes

ω = 2·π·f

Kreisfrequenz

f

Frequenz

t_e

Einschaltzeitpunkt

τ

Zeitkonstante der DC-Komponente des Stromes

[0055] In Fig. 6 ist diese Funktion graphisch dargestellt:

[0056] Aus der Messung von Zeit und Strom einzelner Punkte (z.B. Strompeaks oder Stromnulldurchgänge) lassen sich daraus die Parameter I_eff, I_DC, f, t_e und τ bestimmen, womit sich die Datenmenge deutlich reduziert.

ERMITTLUNG DER ABBRANDCHARAKTERISTIK

[0057] Die Ermittlung der Abbrandcharakteristik erfolgt getrennt und im Vorfeld der Ermittlung des Lebensdauerendes. Es sind dazu exakte Messungen der Massen der Schaltkammerelemente vor und nach Schaltvorgängen vorzunehmen. Typischerweise erfolgen solche Messungen während Laborversuchen, sie können aber auch vor Ort durchgeführt werden. Oft sind infolge Wägeunsicherheiten die Daten von mehreren Schaltvorgängen zusammenzufassen. Unterscheiden sich die Stromdichten zwischen den einzelnen Schaltvorgängen nicht wesentlich, so können S_f, S_s, S_h und S_d als die Summe aller Einzelbelastungen, Δm_f, Δm_s, Δm_h und Δm_d als den aufaddierten Massenabbrand aller Schaltvorgänge und J_f, J_s, J_h und J_d als den Mittelwert der einzelnen Stromdichten interpretiert werden.

[0058] Unterscheiden sich die Stromdichten der einzelnen Schaltvorgänge aber wesentlich, so ist die Abbrandcharakteristik des Schalters vorzugsweise durch ein Polynom nachzubilden. Sie kann mit folgender Formel angesetzt werden:

   wobei den einzelnen Grössen folgende Bedeutung zukommt:

C_r(J_r) = Abbrandfaktor des Schaltkammerelements r, mit r = f, s, h, d

J_r = Stromdichte im Schaltkammerelement r,

c_r,p mit p = 0, 1, 2, 3,.., n = Polynomkoeffizienten,

n = Grad des Polynoms.

[0059] Für einen einzelnen Schaltvorgang gilt:

[0060] Mit dem Polynomansatz für die Abbrandcharakteristik

ergibt sich daraus für den Massenverlust aller Schaltvorgänge zwischen zwei Wägevorgängen:

bzw.

[0061] Werden die Informationen über alle Wägungen w (w = 1, 2,...) zusammengefasst, so lässt sich für jedes Schaltkammerelement r folgende Matrixgleichung aufstellen:

[0062] Zur Ermittlung der Polynomkoeffizienten c_r,p kann obige Gleichung der allgemeinen nichtlinearen Ausgleichsrechnung zugeführt werden. Die Konvergenz des dabei verwendeten Algorithmus ist nur für w = n+1 gewährleistet.

Ansprüche

1. Verfahren zur Ermittlung des durch Lichtbogenabbrand hervorgerufenen Zustands eines Leistungsschalters mit einer während eines Schaltvorgangs k, mit k = 1, 2, 3,..., der Wirkung eines Schaltlichtbogens ausgesetzten Schaltkammer, bei dem aus der zeitlichen Abhängigkeit (i(t) - Diagramm) eines beim Schaltvorgang k fliessenden Lichtbogenstroms (i_k) der aktuelle Zustand des Schalters in einem Monitoringsystem errechnet wird, dadurch gekennzeichnet,
dass bei jedem Schaltvorgang k mit Lichtbogenbildung dem Monitoringsystem mindestens folgende Daten zugeführt werden:

Geometrieparameter (A_f, L_f, R_f, α_f; L_s, R_s; R_h, L_h; R_d, L_d) eines der Abbrandwirkung des Lichtbogens ausgesetzten Teils eines Schaltkammerelements (f, s, h, d), deren Werte die Restlebensdauer des Schalters bestimmen und aus denen das Volumen des lichtbogenausgesetzten Teils errechnet wird,

die Dichte des Schaltkammerelements (f, s, h, d),

ein erster Zeitpunkt (t₁, t₂, t₄), ab dem das Schaltkammerelement (f, s, h, d) der Wirkung des Lichtbogens ausgesetzt ist,

eine den Abbrand des Schaltkammerelements (f, s, h, d) in Funktion der Lichtbogenstromdichte (J_f, J_s, J_h, J_d) repräsentierende Abbrandcharakteristik, und

ein während des Schaltvorgangs k ermitteltes i(t)-Diagramm,
und dass das Monitoringsystem aus dem i(t)- Diagramm und dem ersten Zeitpunkt (t₁, t₂, t₄) die Grösse und die Dauer des das Schaltkammerelement belastenden Lichtbogenstroms (i_k) ermittelt, aus den ermittelten Werten sowie der Abbrandcharakteristik den beim Schaltvorgang k verursachten Massenabbrand des Schaltkammerelementes bestimmt, durch Summation dieses und des in allen vorhergehenden Schaltvorgängen 1, 2,...,k-1 bestimmten Massenabbrands den kumulierten Massenabbrand des Schaltkammerelements feststellt, und aus dem Volumen des lichtbogenausgesetzten Teils und der Dichte des Schaltkammerelements den Wert (R_f,k, A_f,k, L_s,k, R_h,k, R_d,k) mindestens eines der Geometrieparameter (R_f, A_f, L_s, R_h, R_d) nach dem Schaltvorgang k bestimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zugeführten Daten zusätzlich einen zweiten Zeitpunkt (t₃, t₅) umfassen, ab dem das Schaltkammerelement (h, d) der vollen Wirkung des Lichtbogens ausgesetzt ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehreren der Abbrandwirkung des Lichtbogens ausgesetzten Schaltkammerelementen (f, s, h, d) jeweils Geometrieparameter (A_f, L_f, R_f, α_f; L_s, R_s; R_h, L_h; R_d, L_d) zugewiesen werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Geometrieparameter (R_f, A_f, L_s, R_h, R_d,) zugewiesen wird dem Innenradius (R_f) einer Kontakttulpe (f), der Höhe (A_f) eines bei Abbrand der Kontakttulpe (f) an deren Innenfläche gebildeten Kegelstumpfes, der Längenänderung (L_s) eines mit der Kontakttulpe (f) zusammenwirkenden Kontaktstiftes (s), dem Innenradius (R_h) einer Hilfsdüse (h) oder dem Innenradius (R_d) einer Hauptdüse (d).

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Alarmmeldung abgegeben wird, sobald der aktuelle Wert (R_f,k, A_f,k, L_s,k, R_h,k, R_d,k) des mindestens einen Geometrieparameters (R_f, A_f, L_s, R_h, R_d) oder der Wert (Δz_k) eines von mehreren der Geometrieparameter (A_f, L_s) abgeleiteten Zustandsparameters (Δz) einen Grenzwert überschreitet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Zustandsparameter (Δz) die Überlappung der Kontakttulpe (f) und des Kontaktstiftes (s) gewählt wird, und dass dieser Zustandsparameter aus folgender Gleichung bestimmt wird:

wobei

z_1,k die Position des Kontaktstiftes (s) beim Verlassen der Kontakttulpe (f),

A_f,k die Höhe des Kegelstumpfes, und

L_s,k die Längenänderung des Kontaktstiftes (s),

jeweils nach dem k-ten Schaltvorgang,

z_1,0 die Position des Kontaktstiftes (s) beim Verlassen der Kontakttulpe (f) vor Inbetriebnahme des Schalters, und

z₀ die Position des Kontaktstiftes (s) bei geschlossenem Schalter bedeuten.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbrandcharakteristik durch ein Polynom nachgebildet ist und durch folgende Formel bestimmt ist:

wobei den einzelnen Grössen folgende Bedeutung zukommt:

C_r(J_r) = Abbrandcharakteristik eines Schaltkammerelements r, mit r = f, s, h, d,

J_r = Stromdichte im Schaltkammerelement r,

c_r,p mit p = 0, 1, 2, 3,.., n = Polynomkoeffizienten,

n = Grad des Polynoms.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Polynomkoeffizienten c_r,p aus Massenabbrand und Belastung des Schaltkammerelementes r mit dem Lichtbogenstrom ermittelt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenabbrand durch Wiegen des Schaltkammerelements r bestimmt wird, und dass die Polynomkoeffizienten gemäss der folgenden Matrixgleichung errechnet werden:

wobei

w = die Anzahl der Wägungen (w = 1, 2,..),

ΔM_r,w = den kumulierten Massenabbrand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wägungen ausgeführten Schaltvorgängen,

J_r,k = die beim k-ten Schaltvorgang am Schaltkammerelement r wirkende Stromdichte des Schaltlichtbogens, und

S_r,k = die beim k-ten Schaltvorgang am Schaltkammerelement r auftretende Belastung, bedeuten.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Verfahrensschritte ausgeführt werden:

dem mindestens einen Geometrieparameter (R_f, A_f, L_s, R_h, R_d) werden aus dem z(t)-Diagramm Lage- (z_1,k, z_2,k,...) und Zeitkoordinaten (t_1,k, t_2,k,...) zugewiesen, welche die Abbrandwirkung des Lichtbogens auf das dem Geometrieparameter zugeordnete Schaltkammerelement (f, s, h, d) örtlich und zeitlich bestimmen,

aus dem aktuellen Auslösezeitpunkt (t_0,k), dem aktuellen Zeitpunkt (t_6,k), an dem der Schalter den Lichtbogen löscht, dem aktuellen z(t)-Diagramm und dem im vorhergehenden Schaltvorgang k-1 berechneten Lagekoordinaten (z_1,k-1, z_2k-1,...) werden nach dem Schaltvorgang k aktuelle Zeitkoordinaten (t_1,k, t_2,k,...) berechnet, aus den aktuellen Zeitkoordinaten und dem im vorhergehenden Schaltvorgang k-1 berechneten Wert (R_f,k-1, A_f,k-1, L_s,k-1, R_h,k-1, R_d,k-1) des mindestens einen Geometrieparameters (R_f, A_f, L_s, R_h, R_d) wird an dem der Abbrandwirkung des Lichtbogens ausgesetzten Schaltkammerelement (f, s, h, d) mit Hilfe des aktuellen i(t)-Diagramms der aktuelle Wert (J_f,k, J_s,k, J_h,k, J_d,k) der Stromdichte (J_f, J_s, J_h, J_d) des Lichtbogens berechnet,

aus der Abbrandcharakteristik und dem aktuellen Wert der Stromdichte wird ein aktueller Abbrandfaktor (C_f,k, C_s,k, C_h,k, C_d,k) bestimmt,

aus den aktuellen Zeitkoordinaten (t_1,k, t_2,k,...), den im vorhergehenden Schaltvorgang k-1 berechneten Lagekoordinaten (z_1,k-1, z_2,k-1,...) und dem aktuellen i(t)-Diagramm wird die durch den Lichtbogen hervorgerufene aktuelle Belastung (S_f,k, S_s,k, S_h,k, S_d,k) des Schaltkammerelementes (f, s, h, d) berechnet,

aus dem aktuellen Abbrandfaktor (C_f,k, C_s,k, C_h,k, C_d,k) und der aktuellen Belastung (S_f,k, S_s,k, S_h,k, S_d,k) werden der Massenabbrand (Δm_f,k, Δm_s,k, Δm_h,k, Δm_d,k) beim Schaltvorgang (k) und hieraus der kumulierte Massenabbrand (ΔM_f,k, ΔM_s,k, ΔM_h,k, ΔM_d,k) des Schaltkammerelementes (f, s, h, d) berechnet,

aus der Dichte des Materials und dem kumulierten Massenabbrand des Schaltkammerelementes wird dessen kumulierter Volumenabbrand (ΔV_f,k, ΔV_s,k, ΔV_h,k, ΔV_d,k) berechnet, und

aus dem kumulierten Volumenabbrand werden die aktuellen Werte des mindestens einen Geometrieparameters (R_f,k, A_f,k, L_s,k, R_h,k, R_d,k) und der Lagekoordinaten (z_1,k, z_2,k,...) berechnet.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuellen Zeitkoordinaten wie folgt berechnet werden:









wobei den einzelnen Grössen folgende Bedeutung zukommt

t_1,k = Zeitpunkt, an dem der Kontaktstift (s) die Kontakttulpe (f) verlässt,

t_2,k = Zeitpunkt, an dem der Kontaktstift (s) die Engstelle der Hilfsdüse (h) erreicht,

t_3,k = Zeitpunkt, an dem der Kontaktstift (s) die Engstelle der Hilfsdüse (h) verlässt,

t_4,k = Zeitpunkt, an dem der Kontaktstift (s) die Engstelle der Hauptdüse (d) erreicht,

t_5,k = Zeitpunkt, an dem der Kontaktstift (s) die Engstelle der Hauptdüse (d) verlässt,

t_0,k = Auslösezeitpunkt,

jeweils beim aktuellen Schaltvorgang k bedeuten.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuellen Stromdichten wie folgt berechnet werden:



wobei den einzelnen Grössen folgende Bedeutung zukommt

J_f,k= Stromdichte an der Kontakttulpe (f),

J_s,k = Stromdichte am Kontaktstift (s),

J_n,k = Stromdichte in der Engstelle der Hilfsdüse (h),

J_d,k = Stromdichte in der Engstelle der Hauptdüse (d),

t_6,k = aktueller Lichtbogenlöschzeitpunkt,

i_k = Lichtbogenstrom aus dem aktuellen Strom-Zeit-Diagramm,

bestimmt jeweils beim aktuellen Schaltvorgang k,

R_f,k-1 = Innenradius der Kontakttulpe (f),

R_s,k-1 = Radius des Kontaktstifts (s),

R_h,k-1 = Innenradius der Hilfsdüse (h), und

R_d,k-1 = Innenradius der Hauptdüse (d),

bestimmt jeweils beim vorhergehenden Schaltvorgang k-1.

13. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die aktuellen Belastungen wie folgt berechnet werden:







wobei den einzelnen Grössen folgende Bedeutung zukommt

S_f,k = Belastung an der Kontakttulpe (f),

S_s,k = Belastung am Kontaktstift (s),

S_h,k = Belastung in der Engstelle der Hilfsdüse (h),

S_d,k = Belastung in der Engstelle der Hauptdüse (d),

t_6,k = aktueller Lichtbogenlöschzeitpunkt, und

p_f, p_s, p_h, p_d = empirisch ermittelte Potenzen.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Potenzen (p_f, p_s, p_h, p_d) im Intervall [1...2] liegen.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle Massenabbrand wie folgt berechnet wird:







wobei Δm_f,k, Δm_s,k, Δm_h,k und Δm_d,k der Reihe nach den Massenbrand der Kontakttulpe (f), des Kontaktstiftes (s), der Hilfsdüse (h) und der Hauptdüse (d) während des akuellen Schaltvorgangs k bedeuten.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle kumulierte Massenabbrand wie folgt berechnet wird:



wobei ΔM_f,k, ΔM_s,k, ΔM_h,k und ΔM_d,k der Reihe nach den kumulierten Massenbrand der Kontakttulpe (f), des Kontaktstiftes (s), der Hilfsdüse (h) und der Hauptdüse (d) nach dem akuellen Schaltvorgang k bedeuten.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle Volumenabbrand (ΔV_f,k, ΔV_s,k, ΔV_h,k, ΔV_d,k) wie folgt berechnet wird:



wobei ΔV_f,k und ρ_f, ΔV_s,k und ρ_s, ΔV_h,k und ρ_h sowie ΔV_d,k und ρ_d der Reihe nach den Volumenabbrand und die Dichte der Kontakttulpe (f), des Kontaktstiftes (s), der Hilfsdüse (h) sowie der Hauptdüse (d) nach dem aktuellen Schaltvorgang k bedeuten.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausbildung des Schaltkammerelementes als Kontakttulpe (f) der Geometrieparameter (R_f) als rein zylindrischer Innenabbrand und unabhängig davon als rein kegelförmiger Innenabbrand berechnet wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausbildung des Schaltkammerelementes als Kontaktstift (s) der Geometrieparameter (L_s) als von der Stiftspitze ausgehende parallele Verkürzung des Kontaktstiftes berechnet wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausbildung des Schaltkammerelementes als Düse (h, d) der Geometrieparameter (R_h, R_d) als zylindrischer Abbrand bei konstanter Düsenlänge berechnet wird.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das i(t)-Diagramm mit einer Abtastrate von höchstens 1 ms erfasst wird.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das i(t)-Diagramm durch Messung einzelner Punkte und durch Modellrechnung nachgebildet wird.

Zeichnung