DEVICE FOR MONITORING AND CONTROLLING SWITCHING DEVICES AND COMBINATIONS OF SWITCHING DEVICES

Abstract: Devices for monitoring and controlling switchgear to determine the required maintenance dates usually operate on a mechanical or time basis. Electronic devices are limited to counting the switching cycles and comparison with stored reference values. In order to achieve maintenance or inspection appropriate to the actual state of the switchgear, the events actually occurring and the instantaneous state of the switchgear are recorded by a multiplicity of sensors (1 to 13) and fed as signals to an evaluation logic (14) which carries out a correlation, an assessment and a comparison with stored behaviour patterns (16) and acts on an optical and/or acoustical indicating device (17) or makes a record in a scannable memory (15). <IMAGE>

Description: nÜberwachungs- und Kontrolleinrichtung für Schaltgeräte und Schaltgerätekombinationen" Die Erfindung befasst sich mit einer Einrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1. Bei Schaltgeräten bzw. Schaltgerätekombinationen ist es oft wünschenswert, den Zeitpunkt für eine erforderliche Wartung oder Inspektion nach aussen zu signalisieren. Besonders bei den Schaltgeräten für grössere Nennstromstärken ist die Kenntnis z. B. des Kontaktabbrandes (Hauptschaltstücke bzw. bei mehrstufigen Systemen auch #breisskontakte), des Kontaktdurchdruckes, des Zustandes von Lichtbogenkammern, und diverser mechanisch beanspruchter Teile von besonderem Interesse für die Zuverlässigkeit einer Anlage. Bisher werden mechanische oder elektrische Zähleinrichtungen verwendet, mit denen die Anzahl der mechanischen Schaltspiele registriert wird. Es sind auch Abbrandanzeigen für die Schaltstücke bekannt, die mechanisch über Hebel oder Seilzüge gesteuert werden; ebenso die Erfassung der Anzahl der Betriebsstunden über Uhrenzählwerke. Es können Temperaturschreiber für das Temperatur/Zeitverhalten wie auch Fangschaltungen für Störmeldungen, d. h. Meldung einer nichtgewollten Schalterauslosung, eingesetzt werden. Es ist auch schon eine Einrichtung zur Kontrolle der Betriebsfähigkeit von elektrischen Schaltgeräten aus der DE-C2 27 27 378 bekannt, bei der der Ausgangsstrom eines StromwÅandlers als Ein gangsgrösse eines Ausschaltstrom und Schaltstückabbrand verknüpfenden Funktionsumsetzers verwendet wird. Die Ausgangsgrösse des Umsetzers wird mittels eines Hilfsschalters auf einen Summierspeicher gegeben, dessen Inhalt ein Mass für den im bisherigen Betrieb hervorgerufenen Abbrand der Schalterstücke bildet. Als Funktionsumsetzer ist ein elektronischer Funktionsspeicher (z. B. ein ROM) vorgesehen, in dem der Abbrand in Abhängigkeit von der Höhe des abzuschalten den Stromes als Zahlenwert gespeichert ist. Bei jeder Abschaltung wird der dem Augenblickswert des Stromes entsprechende Abbrandwert zur Eingabe in den Summierspeicher entnommen. Weiterhin ist eine Vergleichsstufe vorgesehen, die ein Signal abgibt, wenn die Summe der Abbrandwerte den vorgegebenen Sollwert überschreitet. oder Inspektionen Werden Sartungsarbeiten bzw. Reparaturen/nach einem starren Schema entsprechend der Anzahl der mechanischen Schaltspiele bzw. nach der Eetriebsstundenzahl ausgeführt, bleiben zwangsläufig viele weitere Einflussgrössen unberücksichtigt. Die Schaltgerätehersteller müssen bei ihren Empfehlungen für diese Wartungsintervalle daher von standardisierten Betriebsverhältnissen ausgehen. Tatsächlich treten jedoch beim Einsatz der Schaltgeräte zum Teil erhebliche Abweichungen von diesen Annahmen auf. Dann sind Zuverlässigkeitsaussagen für eine vorbeugende Instand setzung bei kompletten Schaltgerätekombinationen (z. 8. Industrieanlagen, Kraftwerke) sehr problematisch. So können z. B. nur drei Leistungsabschaltungenmit dem Grenzschaltvermögen den gleichen Kontaktabbrand an den Hauptschaltstücken eines Leistungsschalters bewirken wie fünftausend Abschaltungen im Nennstrombereich des Gerätes. Werden die Wartungsintervalle zur Erzielung einer hohen Betriebszuverlässigkeit sehr klein gewählt, ergibt sich unter Umständen eine unökonomische Material- und Anlagennutzung bei hohen Wartungskosten. Zu grosse Wartungsintervalle gehen zu Lasten der Betriebszuverlässigkeit und können zu einer Personen- und Anlagengefährdung und zu erheblichen Produktionsausfällen bei Anlagenstillstand führen. Betriebsanlagen, die der Imissionsschutzordnung unterliegen, sind hier besonders gefordert. Der Zustand eines Schaltgerätes bzw. einer Schaltgerätekombination zwischen zwei Wartungsterminen bleibt dem Betreiber bisher weitgehend unbekannt, er erhält auch keine Meldung von eventuell aufgetretenem übermässigem Verschleiss, der ein sofortiges Eingreifen erfordern würde. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Überinachungs und Kontrolleinrichtung zu entwickeln, mit der es möglich ist, bz. Inspektion die Wartung flexibel, entsprechend den tatsächlichen Erforder- nissen des jeweiligen Einsatzfalles durchzuführen, wobei der augenblickliche Schaltgerätezustand bzw. Abnutzungsgrad während des Betriebes erkennbar ist. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Mit der Einrichtung nach der Erfindung sind eine Reihe von Vorteilen verbunden. So sind keine starren Schaltzahl- und Massangaben oder Zeitintervalle für die Wartung erforderlich und es werden diejenigen Parameter berücksichtigt, die den tatsächlichen Abnutzungsgrad der Schaltgeräte beeinflussen. Weiterhin wird die Materialausnutzung verbessert, Revisionstermine besser abschätzbar und auch eine Aussage ermöglicht, ob eine Überholung des Schaltgerätes noch lohnt. Schliesslich besteht die Möglichkeit, die Vorgeschichte (bereits durchgeführte Wartungen) zu speichern. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt. Es zeigt Fig. 1 das prinzipielle Abnutzungsverhalten eines Gerätes am Beispiel eines Diagrammes über die Abhängigkeit des Ab nutzungsgrades von der Anzahl der Schaltspiele, Fig. 2 ein Blockschaltbild zur Erläuterung des Wirkungsprinzipa und Fig. 3 ein Schaltbild für das Zusammenwirken eines Schaltgerätes mit der Überwachungs- und Kontrolleinrichtung. Nach Fig. 1 wird von dem Prinzip ausgegangen, kritische Grössen im Neuzustand diverser Verschleissteile zu messen, d.h. O % Abnutzung entspricht noch 100 % zu erwartender Lebensdauer (hier Schaltspiele). Durch Vielzahlmessungen über die Schaltzahl wird die jeweilige Abnutzung ermittelt. Man erhält Kann- linien (linear, degressiv oder progressiv) über die Abhängigkeit des Abnutzungsgradas von der Anzahl der Schaltungen. Durch Extrapolation bis zur Varschleissgranze (entsprechend Ende der Lebensdauer) unter Serücksichtigung des Streubandes wird auf die noch zu erwartende Restachaltzahl geschlossen. Eine Bedeutungsumkehr ist ebenfalls möglich. Die empirisch ermittelten Kennlinien des Abnutzungsyerhaltens der verschiedenen Verschleissteile werden in einem Festwert speicher als Funktion, digitalisiert mit Streuband, als Kurvenschar mit verschiedenen Parametern oder mehrdimensional als Referenzkennfeld, gegebenenfalls mit eigenem Rechenprogramm, fest gespeichert. Die Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der über Sensoren erfassten Messgrössen, deren Änderung Uberwacht, direkt bewertet oder indirekt durch Verknüpfung von abhängigen Daten ermittelt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, nach der Fertigstellung des Schaltgerätes bzw. der Schaltgerätekombination, alle Zustandsspeicher auf Null zurückzustellen und lediglich das Herstelldatum in einen nichtflüchtigen Festwertspeicher einzutragen. Mittels Sensoren 1 bis 13 werden Abnutzungsgrade bzw. Verschleisszustände und vom Normalverhalten abweichende Zustände direkt erfasst oder indirekt durch Verknüpfung von Analogiedaten über ein eigenes Software-Programm errechnet. Alle so gewonnenen Informationen werden in einem Kernelement 14, einem Mikroprozessor, verarbeitet und das Ergebnis in dem Zu standsspeichar 15 (veränderbarer, abfragefähiger Festwertspeicher) abgespeichert. So können z. 8. die Sensoren 1 bis 13 für die Erfassung folgender Schaltkreis- bzw. Verschleisszustände dienen: Sensor 1 für die Schaltspiele N (Anzahl), Sensor 2 die Betriebszeit t/a (Langzeit/Datum), Sensor 3 Temperatur 2$ 1 der Strombahn, Sensor 4 Temperatur ss 2 der Umgebung, Sensor 5 bis 7 für Überströme Z1 bis Z3, Sensor 8 für Schalt-/Batriebsspannung U Sensor 9 für Spannungsabfall iS U oder Erdschluss RE, Sensor 10 für Stromsteilheit di/dt, Sensor 11 für den Kontaktabbrand S (indirekt), Sensor 12 für den Kontaktabbrand AS (direkt) und Sensor 13 für die Zeitkonstante T. Der Kontaktabbrand kann dabei direkt über Weg- oder Winkel Messsensoren, über optische Positionsmeldung oder magnetische Näherungamelder festgestellt werden. Oder auch indirekt durch Verknüpfen der den Abbrand beeinflussenden Analogiedaten, wie Stromhöhe, Schaltspannung, cos Y, Anzahl der Schaltungen und Schaltaugenblick (bei Wechselstrom), auch Stromsteilheit di/dt bzw. die Zeitkon-stante'T = L/R (bei Gleichstrom) in einem eigenen Programm und Vergleich mit den empirisch ermittelten und in einem Kennfeld gespeicherten Daten. Vom Zeitpunkt der Inbetriebnahme an werden alle verschleissrelevanten Ereignisse erfasst, Je nach Einfluahohe unterschiedlich stark bewertet und als fiktive "Verschleiss-Schaltzahit' entsprechend aufsummiert und getrennt in Zustandsspeichern 15 eingetragen. Danach folgt ein Vergleich mit den im Referenzkennfeldspeicher 16 vorgegebenen Referenzwerten, durch Extrapolation auf die Verschleiss grenze wird die noch vorhandene Restschaltzahl bzw. der augenblickliche Gesamtzustand ermittelt. Diese Zustandainformation wird analog/quasianalog mit LED, LCD oder entsprechenden Signaleinrichtungen 17 oder digital über eine Segmentanzeige z. 8. LCD-Segmentdisplay direkt am Schaltgerät bzw. Kombination ablesbar. Werden geeignete Signalleitungen 18 vorgesehen, z. 8. Datenbus, Glasfaserstrecke, kann diese Information auch an übergeordnete Überwachunga-Service- oder Alarmsysteme gegeben werden. In einer grösseren Anlage (z. 8. Kraftwerke, Industriebetrieb, Schiff u. ä.) kann aufgrund dieser Zustandsinformation sofort erkannt werden, ob das Schaltgerät/Kombination bei dieser oder erst bei der nächsten Revision gewartet werden muss. Noch ausaagefähiger ist die Abfrage des momentanen Zustandes mit einem Testkoffer 19 oder einem Computer, der über einen Busanschluss 20 mit dem Mikroprozessor 14 oder mittels Akustikkoppler Ueber das Fernsprechnetz kommuniziert. Damit lassen sich die in den Zustandsspeichern 15 eingetragenen "VerschleiB- Schaltzahlen" einzeln abfragen, so dass gegebenenfalls erkennbar wird, welches Verschleissereignis zur akuten Wartungsanzeige geführt hat; ob z. B. erhöhter Kontaktabbrand oder die hohe Anzahl mechanischer Schaltspiele die Ursache sind (eine Art Eigendiagnose). Sind die Sensoren für die Kurzschluss- und Überlasterfassung geschaltet, lässt sich z. B. feststellen, ob der Kontaktabbrand durch wenige Kurzschlussabschaltungen oder durch häufige Überlastschaltungen verursacht wurde. Wird eine Schaltgerätekombination überwacht, lässt sich erkennen, welche Schaltgeräte einer Anlage besonders stark beansprucht werden. Ein bedeutender Vorteil ergibt sich bei der Wartung ohne Testkoffer, wenn das Anzeigefeld (z. 8. Segmentdisplay) am Schaltgerät als Abfrage-Menüfeld 21, d. h. Anwahl der verschiedenen Zustandsspeicher 15 per Tastendruck und Anzeige des Inhalts auf diesem Anzeigefeld, ausgebildet wird (Dialogverkehr). Dadurch ergibt sich eine sehr kostengünstige, zeitsparende selektive Wartung, bei der nur die wirklich erforderlichen Arbeiten ausgeführt werden. Nach Durchführung der Wartungsarbeiten wird dann der entsprechende Zustandsspeicher 15, je nach Ausbaustufe, entweder am Gerät selbst durch eine Taste oder bei Benutzung des Testkoffers 19 über den Datenbus 20 zurückgesetzt. Dabei ist es auch möglich, die erfolgten Wartungen mit Anzahl und Umfang im Zustandsspeicher 15 fest einzutragen, und damit bei jeder Wartung die Vorgeschichte dieses Schaltgerätes abzufragen. Werden wegen besonderer Einsatzbedingungen kürzere Wartungsintervalle benötigt, lassen sich die Zustandsspeicher 15 auch nur schrittweise bis auf das erforderliche Mass zurücksetzen. Bemerkenswert ist der direkte Signalfluss von einigen kritischen Zustands-Messgrössen, die beim Überschreiten vorbestimmter Grenzen fldurchschlagendeff Wirkung haben, dargestellt mit doppeltem Pfeilstrich. Überschreitet z-. 8. die Temperatur der Schaltgerätestrombahn (Sensoren Bund 6) in Relation zum fliessenden Strom einen vorbestimmten Wert erheblich, kann ein nach Dringlichkeit gestufter Alarm 22,- 23, 24 über eine Alarm bewertungastufe gegeben werden oder das Schaltgerät 25 unver züglich ahgeschaltet werden, Dieser Fall könnte z. 8. bei gebrochenen bzw. gelösten Schraub- oder Lötverbindungen in der Strombahn eintreten. Da diese Störung von den üblichen Überstromauslösern nicht bemerkt würde, könnte es zum Totalausfall des Gerätes kommen. Die Überwachungseinrichtung kann vorzugsweise in verschiedenen Ausbaustufen und Komfortklassen ausgeführt werden, die sich durch die Anzahl der vorhandenen Eingangakanäle (Sensoreingänge), Art der Messwertverknüpfung (direkte oder indirekte Ermittlung), und Bedien-Komfort (LED-Zeile, Menüfeld, Testkoffer oder Akustikkoppleranschluss sowie Dialogtechniken wie Touch Screen, Leuchtstift, Ma s- oder Window-Technik). In einer Ausführungsform sind Schnittstellen vorgesehen, die ein Zusammenwirken mit anderen externen Schutzsystemen wie Feuer- und Rauchmelder, Störlichtbogenwächter, Stromanstiegs erfassungssystemen, Objektschutzatörwertmeldesystemen usw. ermöglichen. Werden die diskreten Baugruppen hardwaremässig zusammengefasst bzw. hochintegriert, lässt sich dieser Baustein auch als Funktionseinheit in andere Geräte oder Überwachungs- und Schutzsysteme integrieren. Das gilt besonders, wenn nicht nur einzelne Schaltgeräte, sondern ganze Schaltgerätekombinationen (Definition gemäss VDE und IEC) zu überwachen sind. In der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 sind zur Überwachung eines Schaltgerätes 25 die folgenden Bausteine vorgesehen: Ein Netzteil 26 dient zur Einspeisung aus dem Spannungsnetz L1, L2, L3 oder über Stromwandler oder auch mit beiden Einspeisungen, die über Brücken 27 wählbar sind. Ein Akkumulator 28 ist zum gepufferten Betrieb einer Uhr mit Datum oder dem Kernelement 14 (Mikroprozessor) vorgesehen, in dem alle Informationen zusammenlaufen und verarbeitet werden. In einem Festwertspeicher 29 sind das Programm für den Mikroprozessor 14 und ein Referenzkennfeld fest gespeichert und in einem Zustandsspeicher 15 der aktuelle Zustand des Schaltgerätes abgespeichert. Der Dateninhalt des Speichers 15 kann verändert, nicht aber bei einem Spannungsausfall verlorengehen. Es ist auch möglich, die beiden Festwertspeicher in einem gemeinsamen Bauteil 30 zusammenzufassen, da auch der Inhalt des Speichers 29 in einem veränderbaren Festwertspeicher abgelegt werden kann. Mit 31 ist eine Uhr mit Datum bezeichnet. Diese Funktion kann auch durch den Mikroprozessor 14 verwirklicht werden. Es muss jedoch ein ständiger Betrieb, beispielsweise durch Pufferung der Versorgungsspannung, gewährleistet sein. Zur Anzeige des momentanen Schaltgerätezustandes ist eine LED Zeile 17 vorgesehen. Ebenso ist die Verwendung einer 7-Segment bzw. einer alphanumerischen Anzeige mit LED oder LCD möglich. Für die Meldung des Schaltgerätezustandes an eine übergeordnete Überwachungs-, Service- bzw. Wartungastation kann ein besonderer Busanschluss 18 vorgesehen sein. Ein Taster 32 zum Zurücksetzen des Zustandsspeichers 15 ist nur erforderlich, wenn ein Busanschluss nicht vorhanden ist. Mit einem Schalter 33 kann als Alternative zu Spannungsmess- wertgebern 34 die verwendete Betriebsspannung bzw. die Spannungsart stufig eingegeben werden. Ein weiterer Schalter 35 dient zur Wahl des Kennfeldes. Der Spannungsmesswertgeber 34 kann aus einem oder aus drei Gebern zur Feststellung der anstehenden Schalterspannung bestehen. Hier reicht eine grobe Klassifizierung z. 8. 600 V oder 1000 V - Netz aus. StrommeSwertgeber 36 dienen zur Erfassung der einzelnen Phasenströme bzw. - bei Gleichstrom - des fliessenden Stromes. Gegebenenfalls kann mit ihnen aus Strom und Spannung der cos Y bzw. bei Gleichstrom auch die Stromsteilheit di/dt ermittelt werden. Temperaturmesswertgeber 3 und 4 sind z. 8. in der Nähe der Schaltatücke zur Erfassung der Temperatur der Strombahn bzw. zur Erfassung der Umgebungstemperatur des Schalters angeordnet. Ein Hilfsschaltstück 1 oder ein anders gearteter Sensor erfasst die Schaltspiele und ein Sensor 12 als Weggeber, Licht schranke oder Drehwinkelgeber ermittelt direkt den Kontakt abbrand. Mit Bauelementen lassen sich folgende Ereignisse bzw. Zustände des dreipolig dargestellten Schaltgerätes 25 bewerten: - Anzahl der mechanischen Schaltspiele durch Hilfskontakt 1. Wenn eP-Pufferung gewählt wird, kann diese Bewertung alle Schaltspiele erfassen, sonst nur die, die bei anstehender Versorgungsspannung stattfinden. - Anzahl der elektrischen Schaltspiele durch Hilfskontakt 1 und Strommesswertgeber 36. - Betriebsatunden durch Uhr 31 mit Datum. - Lagerzeit durch Uhr 31 mit Datum. - Zustand der Lagerfette des Schaltgerätes 25 indirekt durch Bewertung der Betriebszeit, Lagerzeit, Anzahl der Schalt spiele und Umgebungstemperaturgeber. Bei Pufferung von und Temperaturgeber lässt sich auch die Lagertemperatur mitbewerten. Zustand der Schaltkontakte (z. 8. Abbrand) indirekt durch Bewertung von . Anzahl der elektrischen Schaltspiele . Anzahl der Nennstromabschaltungen . Anzahl der Überstromabschaltungen Z1(1 x IE), Z2 (2 x IE) und Z3 (15 x IE) (Sensoren 5, 6, 7 der Fig. 2) . Höhe der jeweiligen Abschaltleistung durch Einbeziehung der Schaltspannung und des cos Höhe der jeweiligen Einschaltleistung . Kontaktabbrand indirekt über die Bewertung von Strom und Temperatur der jeweiligen Strombahn Zustand der Schaltkontakte (z. O. Abbrand) Direkt durch Änderungsmessung des Winkels oder Weges oder der Position von Teilen. Zustand der Lichtbogenlöschkammern indirekte Bewertung wie bei Schaltkontakten, jedoch ohne Kontaktabbrand. Zustand der Schaltmechanik indirekt durch Bewertung vom Zustand der Schaltkontakte (erbrachte Ein/Ausschaltleistung) sowie den Zustand der Lagerfette (Betriebszeit, Lagerzeit, Temperatur, Anzahl der Schaltspiele) breitere Hardware-Sensoren sind denkbar und würden die Ge nauigkeit der Bewertung wesentlich erhöhen. Beispielsweise lässt sich der Kontaktabbrand auch über Winkel- oder Weg geber direkt erfassen, so dass man nicht auf die oben ange führte indirekte Bewertung angewiesen ist. Ebenso könnten geeignete Sensoren (z. B. Optik) das Lager spiel der Schaltmechanik, die Position bzw. die Positions änderungen verschleissbestimmender Teile überwachen.

Claims: Monitoring and checking equipment for electrical switching devices and switching device combinations for obtaining flexible maintenance and inspection points of time with the use of variable interrogatable electronic solid body stores, wherein actual values of operational magnitudes are measured, prepared and compared with stored limit values and measurement signals are derived therefrom, characterised thereby, that a plurality of sensors (1 to 13) is provided, which apart from the operational magnitudes detect operational events as well as the state of wear of components of the switching device (25) or the switching device combination, that these detected measurement values are digitalised within the monitoring and checking equipment and fed to a microprocessor (14), by which a state of wear is determined for individual device components and their associated lubricants from the measurement values by means Of analog equations by way of a wear switching number and the aid of stored wear characteristic lines and/or surfaces and that state of wear is stored in the solid body stores (15) and indicated on a display. Equipment according to claim 1, characterised thereby, that the display (17) is directly associated with the switching device (25) or the switching device combination. Equipment according to claim 1, characterised thereby, that the indication of the switching device state takes place by way of a data bus in a superordinated monitoring station. Equipment according to one of the claims 1, 2 and 3, characterised thereby, that an alarm (22, 23, 24), which is in a given case graduated according to urgency, is issued together with the indication in the case of a critical switching device state. Equipment according to claim 1, characterised thereby, that a transportable testing equipment (19) (test carrying case) is connectable by way of a data bus (20) to the microprocessor (14). Equipment according to one of the claims 2 and 3, characterised thereby, that an LCD-display (17) permitting a dialogue traffic is provided at the switching device (25). Equipment according to claim 1, characterised thereby, that an acoustic coupler, by which data can be called up by way of the telephone network, is connectable to the microprocessor (14).

Inventors: GRONAU, HERBERT, DIPL.-ING., SCHWARZ, GERD, DIPL.-ING.
Applicants: LICENTIA PATENT-VERWALTUNGS-GMBH
Application year: 1986
Main classification: G01R31
IPC codes: H01H1