СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗНОСА КОНТАКТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
METHOD AND DEVICE FOR DETERMINATION OF WEAR OF CONTACT ELEMENTS

Изобретение относится к области электрических переключателей, в частности, к распределительным устройствам для высокого или среднего напряжения. Аспекты изобретения касаются способа определения износа контактных элементов такого переключателя. Другие аспекты изобретения касаются электронного блока для электрического переключателя.
Силовые переключатели подвергаются постоянному износу и поэтому должны регулярно контролироваться и обслуживаться. В частности, электрическая дуга, возникающая во время операции переключения (например, при защитном отключении), приводит к истиранию материала контактных элементов и тем самым в значительной степени способствует износу. Контакты, в общем случае, не могут проверяться простым способом, то есть без связанного с высокими затратами демонтажа и отключения мощности. Поэтому, как правило, периодически выполняется техническое обслуживание силовых переключателей, при необходимости профилактическое техническое обслуживание, если защитные отключения сопровождались высокими токами. Тем самым, как правило, переключатель подвергается частому техническому обслуживанию. Техническое обслуживание обуславливает затраты, которые можно было избежать, и дополнительный риск того, что техническое обслуживание приведет к повреждениям. С другой стороны, при слишком больших интервалах между техническими обслуживаниями существует риск того, что износ или истирание материала контактов не будут обнаружены своевременно. В данном случае существует риск сбоя, или, по меньшей мере, потеря мощности переключателя.
Поэтому желательно более надежно определять износ контактов. Однако такой износ трудно измерить или спрогнозировать, так как на него влияет множество факторов. В общем случае предполагается, что износ контактов вызывается кумулятивным преобразованием энергии (мощность потерь) при возникновении электрической дуги в разомкнутом силовом переключателе. Поэтому только подсчет количества возникающих в силовом переключателе сбоев не может дать точной оценки относительно износа контактов.
В ЕР 1475813 А1 описан способ определения износа контактов в электрическом распределительном устройстве для высокого или среднего напряжения, причем контактный ток, протекающий через переключатель во время операции переключения, регистрируется с помощью преобразователя тока и оценивается в отношении износа контактов. Для определения параметра состояния, характеризующего износ контактов, сначала измеряется измеряемый сигнал тока преобразователя тока как функция времени, при возникновении отклонений между ожидаемым током контактов и измеряемым сигналом тока детектируется наличие ошибки измерения, и при детектировании ошибки измерения из измеряемого сигнала тока определяется, по меньшей мере, одно характеристическое значение тока и применяется для определения параметра состояния. Также в DE 10204849 А1 описан способ определения износа контактов.
Однако известные способы для определения износа могут быть усовершенствованы в отношении их надежности. Также является желательным создать способы, которые во множестве различных ситуаций коммутации предоставляют настолько надежные результаты, что они пригодны для автоматизированной (дистанционной) диагностики и технического обслуживания. Таким образом можно сократить требующие высоких затрат работы по техническому обслуживанию. Одновременно может осуществляться надежный непрерывный контроль состояния. Также является желательным распознавать проблемы и износ и устранять их, прежде чем они станут критическими.
Чтобы решить, по меньшей мере, некоторые из вышеназванных задач, предложен способ согласно пункту 1 формулы изобретения, устройство управления переключателем согласно пункту 13 формулы изобретения и распределительное устройство согласно пункту 14 формулы изобретения. Другие преимущества, признаки, аспекты и детали изобретения, а также предпочтительные варианты выполнения и особые аспекты изобретения раскрыты в зависимых пунктах, описании и на чертежах.
Согласно одному аспекту изобретения, предложен способ определения износа контактных элементов электрического переключателя (например, вакуумного переключателя), в частности, распределительного устройства для высокого или среднего напряжения. Способ включает в себя этап регистрации электрических значений, которые представляют электрический параметр, релевантный для электрической дуги, возникающей во время операции переключения на переключателе, как функцию времени, причем электрические значения могут регистрироваться, например, как непрерывная функция или как последовательность данных (вектор) с дискретно считанными значениями, а также могут включать в себя виртуальные значения, например (частично) моделированные, интерполированные или подобранные значения, причем в этом случае определяются виртуальные значения. Например, электрические значения могут быть значениями тока, которые представляют ток контакта, протекающий через переключатель во время операции переключения, как функцию времени. Способ также включает в себя этап вычисления значения износа, представляющего собой износ контактного элемента, из множества значений доли износа, причем значения доли износа вычисляются с применением множества правил вычисления доли износа из множества подмножеств зарегистрированных электрических значений, так что каждое из значений доли износа вычисляется по соответствующему из правил вычисления доли износа из соответствующего из подмножеств значений, причем по меньшей мере два из правил вычисления доли износа отличаются друг от друга. При этом подмножество значений следует понимать так, что оно может включать в себя все зарегистрированные электрические значения.
Согласно другому аспекту изобретения, предложен электронный блок, в частности устройство управления, для электрического переключателя (например, вакуумного переключателя), в частности, для распределительного устройства для высокого или среднего напряжения. Электронный блок включает в себя модуль ввода значений для получения электрических значений (например, значений тока), которые представляют электрический параметр, релевантный для электрической дуги, возникающей на переключателе во время операции переключения, как функцию времени. Модуль ввода значений может, таким образом, быть выполнен для получения зарегистрированных электрических значений от прибора измерения значений, а также, возможно, значений, полученных (частично) моделированием или интерполяцией и подобного зарегистрированных электрических значений. Электронный блок также содержит модуль определения износа, который имеет вычислительный блок и запоминающее устройство с программным кодом, исполняемым вычислительным блоком. Программный код включает в себя множество правил вычисления доли износа, которые предусмотрены для вычисления соответствующих значений доли износа из соответствующих подмножеств зарегистрированных электрических значений, причем, по меньшей мере, два из правил вычисления доли износа отличаются друг от друга, и программу вычисления значения износа для вычисления значения износа, представляющего собой износ контактного элемента, из значений доли износа. В частности, программный код содержит предписания для выполнения любого упомянутого здесь способа.
Изобретение также относится к устройству для выполнения упомянутого способа и включает в себя части устройства для выполнения соответствующих отдельных этапов способа. Эти этапы способа могут быть выполнены посредством компонентов аппаратных средств, посредством компьютера, запрограммированного соответствующим программным обеспечением, посредством комбинации того и другого или иным образом. Изобретение, кроме того, относится к способу, согласно которому работают соответственно описанные устройства. Оно включает в себя этапы способа для выполнения каждой функции устройств.
Ниже изобретение описано со ссылками на представленные примеры выполнения, которые раскрывают дополнительные преимущества и варианты осуществления. При этом на чертежах показано:
Фиг. 1а - диаграмма измеренного тока, возникающего во время операции переключения, как функция времени;
Фиг. 1b - диаграмма напряжения (точнее, напряжения электрической дуги), возникающего во время операции переключения, как функция времени;
Фиг. 2 - диаграмма тока, возникающего во время операции переключения, как функция времени, из которого выводятся различные фазы электрической дуги операции переключения;
Фиг. 3а и 3b - соответствующие вспомогательные функции, которые могут применяться для соответствующего изобретению вычисления значения износа; и
Фиг. 4 - контактные элементы электрического переключателя.
В описываемых ниже вариантах выполнения отдельные аспекты и признаки могут комбинироваться модульным образом с аспектами и признаками других вариантов выполнения. За счет такой комбинации могут получаться новые варианты выполнения, которые также должны рассматриваться как принадлежащие к настоящему техническому решению. Далее описывается однофазный переключатель. В общем случае имеется три фазы с соответственно относящимся к ним силовым переключателем. Соответствующие износы могут в данном случае определяться, как правило, независимо один от другого, согласно любому из описанных аспектов.
Далее в основном описаны такие варианты выполнения, в которых определяются значения тока и вычисляются значения доли износа из значений тока. В общем случае, значения доли износа могут также вычисляться из других электрических значений. В качестве электрических значений при этом понимаются любые значения величин, которые релевантны для электрической дуги, возникающей на переключателе во время операции переключения. В частности, электрические значения могут представлять собой значения тока, значения напряжения и/или их комбинации (например, значения мощности электрической дуги, которые формируются из произведения тока и напряжения). Упоминаемые в данном случае правила вычислений, основанные на значениях тока, аналогичным образом применимы для вычислений, основанных на других электрических значениях, при этом значения тока I в тех же правилах вычислений заменяются другими электрическими значениями.
Электрические переключатели, применяемые, например, как силовые переключатели в распределительной установке для высокого или среднего напряжения, обычно имеют два или более контактных элементов. При замкнутом переключателе эти контактные элементы находятся в электропроводном прямом контакте друг с другом. При размыкании переключателя контактные элементы удаляются друг от друга и отделяются, так что ток более не может протекать от одного контактного элемента к другому контактному элементу. Если во время процесса коммутации ток протекает, то во время размыкания обоих контактных элементов друг от друга протекание тока не может сразу же полностью прерваться, а возникает электрическая дуга между обоими контактными элементами, которая в течение определенного времени продолжает проводить ток. Такая электрическая дуга возникает и в силовых переключателях, то есть особых типах переключателей, которые выполнены для коммутации под нагрузкой; и особенно в силовых переключателях для высокого напряжения (то есть напряжений более чем 50 кВ, например, 50-800 кВ) или для среднего напряжения (то есть напряжений от 5 кВ до 50 кВ).
Такой процесс коммутации под нагрузкой с электрической дугой представлен на фиг. 4 на примере вакуумного силового переключателя. Вакуумный силовой переключатель 1 имеет первый контактный элемент 10 и второй контактный элемент 20. Контактные элементы 10, 20 имеют, соответственно, стержень 12, 22 и расположенный на дистальном конце стержня контактный диск 14, 24. Контактный диск 14, 24 каждого контактного элемента 10, 20 имеет, соответственно, контактную поверхность, которая при замкнутом переключателе непосредственно контактирует с соответствующей контактной поверхностью другого контактного элемента. Оба контактных элемента 10, 20 определяют ось переключения, вдоль которой они могут перемещаться относительно друг друга при размыкании переключателя. На фиг. 4 эта ось является вертикалью.
На фиг. 4 переключатель 1 представлен во время размыкания, и контактные элементы 10, 20 уже отделены друг от друга вдоль оси переключения. Прерывание тока на фиг. 4 еще не полностью завершено, и электрическая дуга 33 образована между контактными элементами 10 и 20. Через электрическую дугу 33 протекает ток от первого контактного элемента 10 к второму контактному элементу. Ток протекает через стержень 12 (путь тока 31а), через контактный диск 14 (путь тока 31b), потом через электрическую дугу 33 и через контактный диск 24 (путь тока 31с) и через стержень 22. Под влиянием электрической дуги материал контактного элемента удаляется (этот материал образует обычно плазму электрической дуги 33), что приводит к износу контактных элементов.
6
В представленном примере контактные элементы 10, 20 выполнены как TMF-тип (TMF - поперечное магнитное поле). TMF-тип означает, что контактные элементы выполнены таким образом, что коммутационный ток в процессе коммутации вызывает преимущественно поперечное магнитное поле (перпендикулярно общему направлению протекания тока или к основному направлению электрической дуги, то есть параллельно плоскости, определяемой контактными поверхностям 14 и 24). Это в данном случае достигается посредством щелей в контактных дисках 14 и 24. Прорези задают такое направление протекания тока 31b, 31с в дисках, что ток индуцирует поперечное магнитное поле (на фиг. 4 в горизонтальной плоскости). Показанный на фиг. 4 переключатель относится к спиральному типу (то есть со спирально выполненными прорезями). Также возможны другие формы контактных элементов. Возможной альтернативной формой для переключателей TMF-типа являются, например, чашеобразные (cup-shaped) контактные элементы. Показанный на фиг. 4 переключатель является вакуумным силовым переключателем (то есть с пониженным давлением в камере переключения, в которой ожидается возникновение электрической дуги, в частности, с высоким вакуумом). Даже если некоторые преимущества изобретения особенно эффективно могут быть реализованы для вакуумных силовых переключателей в диапазоне среднего и высокого напряжения, они не ограничиваются такими переключателями. Также аспекты изобретения могут относиться, например, к силовому переключателю с защитным газом, в котором камера переключения заполнена защитным газом например, SF.
Сложность в случае переключателей, в частности силовых переключателей, заключается в износе контактных элементов (например, контактных элементов 10, 20 на фиг. 4) из-за электрической дуги (33 на фиг. 4). Проблемы, вызванные истиранием или связанным с этим износом переключателя, уже описаны выше. По вышеуказанным причинам является желательным определять износ по возможности наиболее точно.
В способе, упомянутом в данном случае в целях наглядности, чтобы определить износ, используют интеграл тока в следующем виде:
(1)
В данном случае износ указывается посредством толщины d (в мм), на которую из-за электрической дуги во время процесса коммутации происходит удаление материала с контактной поверхности контактного элемента. При этом I(t) представляет контактный ток, протекающий через переключатель во время операции коммутации, как функцию времени t, то есть ток, который к моменту времени t протекает через электрическую дугу 33, см. фиг. 4, k и α - постоянные, которые могут быть определены посредством модели или эмпирически. Временной интеграл в (1) относится ко всему времени коммутации, в течение которого существует электрическая дуга. При этом интеграл в уравнении (1) также может выражаться суммой для дискретных значений тока, которая подходящим образом аппроксимирует такой интеграл.
Правило (1) вычисления дает, однако, неточные результаты, особенно для средних и высоких токов переключения. Если параметры k и α калибруются для низких токов коммутации, то износ для высоких токов коммутации и большой длительности электрической дуги (фазовая длина 0,75π и более) с использованием правила (1) имеет тенденцию к завышенной оценке, а износ для средних и высоких токов коммутации и короткой длительности электрической дуги (фазовая длина 0,25π и менее) имеет тенденцию к заниженной оценке. Поэтому встает вопрос о более реалистичном и более точном правиле вычисления, чтобы определять износ d также для широкого диапазона токов коммутации или длительностей дуги. С этой целью можно было бы предложить подынтегральное выражение в (1) заменить более сложным выражением (с большим количеством эмпирически согласуемых параметров). Достижимая при таком подходе точность также ограничена и может не оправдывать повышение количества согласуемых параметров.
В соответствии с изобретением эти трудности преодолеваются с помощью следующего способа определения износа контактных элементов: прежде всего, регистрируются значения тока I(t), которые представляют контактный ток, протекающий во время операции коммутации через переключатель, как функцию времени t. Значения тока I(t) могут определяться как непрерывная функция или как последовательность данных (вектор) с дискретно считанными значениями. Считанные значения тока могут быть не только измеренными значениями, но и включать в себя виртуальные значения, например, моделированные, интерполированные или подобранные значения на основе измеренных значений и/или подходящей модели. Например, ток может приниматься синусоидальным, а амплитуда и фаза, а при необходимости и частота сигнала могут согласовываться на основе измеренных значений, так что получается хорошее согласование синусоидального тока с измеренными значениями.
i
i
i
i
Затем вычисляется значение d износа из множества N значений d доли износа, i=1,…,N (например, как сумма этих значений доли износа). Значения d доли износа вычисляются с применением множества правил f вычисления значений доли износа из множества подмножеств зарегистрированных значений I(t) тока, так что каждое из значений доли износа согласно соответствующему из правил f вычисления значений доли износа вычисляется из соответствующего из подмножеств значений тока (подмножество значений тока может также включать в себя все зарегистрированные значения тока, но также может быть действительным или фиктивным подмножеством). При этом, по меньшей мере, два из правил вычисления значений доли износа отличаются друг от друга (как функционалы или отображения).
Один аспект изобретения основывается на том, что во время операции коммутации возникают различные фазы электрической дуги. Эти фазы электрической дуги практически следуют во времени друг за другом. Эти различные фазы электрической дуги приводят к различному износу контактных элементов, то есть износ, в соответствии с фазой электрической дуги, зависит от тока различным образом: в то время как диффузная электрическая дуга приводит к скорее равномерному и незначительному износу различных частей контактного элемента, стационарная сжатая электрическая дуга приводит к интенсивному износу ограниченной части контактного элемента и, тем самым, в целом является более релевантной для износа.
Соответствующий изобретению способ позволяет предпочтительным образом вычислять долю различных фаз электрической дуги в износ контактных элементов, как соответственно собственное значение доли износа. Каждое из значений доли износа может вычисляться посредством определенного для соответствующей фазы электрической дуги правила вычисления значений доли износа. При этом является предпочтительным подмножества значений тока и/или правил вычисления значений доли износа выбирать таким образом, что определенное зарегистрированное значение тока, в зависимости от того, на какой фазе электрической дуги оно возникает, приводит к соответственно отличающемуся значению доли износа.
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
Для этого, прежде всего, необходимо определить соответствующие подмножества значений тока. В качестве подмножеств значений тока могут определяться те значения тока, которые относятся к соответствующей фазе электрической дуги. Для этого могут определяться временные интервалы для соответствующих фаз электрической дуги (например, для i-той фазы электрической дуги - временной интервал [t; t'] от t до t'), и подмножества значений тока выбираются как подмножества значений тока I(t; t'), принадлежащие к соответствующему временному интервалу [t; t']. С этой целью подходящим образом выбираются граничные моменты времени t, t' для соответствующей фазы электрической дуги (см. дополнительно ниже), и подмножества значений тока определяются с учетом этих моментов времени.
i
i
Временное разграничение между отдельными фазами электрической дуги может быть несколько нерезким, с переходными временными промежутками между ними. Однако можно, по меньшей мере, приближенно определить граничный момент времени для границ (начало и конец) фазы, то есть t для начала или t' для конца i-той фазы электрической дуги. В общем случае такой граничный момент времени может быть либо начальным моментом времени для начала электрической дуги (или первой фазы электрической дуги), или переходным моментом времени для перехода от одной фазы к соответствующей следующей фазе или конечным моментом времени для конца электрической дуги (или последней фазы электрической дуги). Тем самым, переходный момент времени относится не к началу или концу электрической дуги как таковой, так как в данном случае различные фазы электрической дуги не переходят друг в друга.
В случае TMF-переключателей может регистрироваться вид и перемещение электрической дуги посредством наблюдений за сформированных особенным образом контактными элементами. При этом в примерном TMF-переключателе могут различаться друг от друга следующие различные фазы электрической дуги:
Фаза с диффузной электрической дугой: электрическая дуга пространственно распределена по большой площади на контактном элементе;
Фаза со сжатой стационарной электрической дугой: электрическая дуга сжата до узкой области, от которой она распространяется перпендикулярно контактной поверхности, и является стационарной, то есть практически не перемещается вдоль контактной поверхности;
Фаза со сжатой подвижной электрической дугой: электрическая дуга сжата до узкой области, но перемещается вдоль контактной поверхности с высокой скоростью (то есть с заметно более высокой скоростью, чем в предыдущей фазе).
После завершения последней фазы электрическая дуга гаснет (возможно, с дополнительной фазой с диффузной электрической дугой перед полным гашением). В зависимости от конструкции переключателя и контактных элементов, фазы из вышеупомянутых фаз могут различаться, и могут иметься дополнительные фазы или меньше фаз, или фазы другого вида, чем вышеописанные фазы.
0
open
0
1
1
2
2
3
0
1
1
1
2
2
В приведенном выше примере может определяться в качестве граничного момента времени начальный момент времени t (или, точнее, t) для начала диффузной электрической дуги, переходный момент времени t'=t для перехода от диффузной электрической дуги к сжатой стационарной электрической дуге, другой переходный момент времени t'=t для перехода от сжатой стационарной электрической дуги к перемещающейся электрической дуге, и конечный момент времени t'=t для конца перемещающейся электрической дуги. Если эти переходные промежутки времени подходящим образом определены, то подмножества значений тока могут быть определены как первое, второе и третье подмножества значений тока I([t'; t]), I([t; t']), I([t; t']).
Далее со ссылкой на фиг. 1а и 1b описывается, каким образом граничные моменты времени, которые ограничивают фазы электрической дуги, могут определяться по отдельности.
0
3
0
На Фиг. 1а и 1b показаны диаграммы с током I, возникающим во время операции коммутации (фиг. 1а, вертикальная ось), и соответственно напряжением U электрической дуги (фиг. 1b, вертикальная ось) как функцию времени t (горизонтальная ось). В схематичном представлении на фиг. 1а и 1b временная ось показана не в масштабе, поэтому расположение моментов времени от t до t на фиг. 1а и 1b несколько различается. Ток имеет, в общем, синусоидальную форму, с огибающей, модулирующей основную частоту. На фиг. 1а и 1b представлена только часть синусоидального периода колебания, с переходом через нуль перед моментом времени t.
0
0
Представленный на фиг. 1b ток является током перегрузки. На основе этого тока перегрузки, устройство управления переключателем выдает коммутационный сигнал, который вызывает размыкание контактных элементов переключателя. Спустя короткое время устройство управления переключателем выдает коммутационный сигнал, который вызывает размыкание контактных элементов переключателя. Контактные элементы затем удаляются друг от друга и размыкаются примерно к моменту времени t. Это размыкание распознается по тому, что на фиг. 1b напряжение резко нарастает и возникает электрическая дуга. Примерно одновременно возникает электрическая дуга как диффузная электрическая дуга. В качестве начала для диффузной электрической дуги (1-ая фаза электрической дуги), которое определяет момент времени t, может использоваться размыкание контактных элементов или нарастание напряжения, показанное на фиг. 1b. В некоторых вариантах выполнения можно пренебречь незначительным износом контактов во время фазы диффузной электрической дуги.
1
0
constr
constr
constr
К моменту времени t=t'диффузная электрическая дуга переходит в сжатую стационарную электрическую дугу. Этот переход может, например, определяться тем, что ток превышает заданное пороговое значение тока I. Точный выбор порогового значения тока I зависит от геометрии контактных элементов и других деталей, и может калиброваться с помощью измерений. Посредством различных наблюдений было установлено, что I в общем случае может составлять более 10 кА, например, 15 кА. В качестве альтернативы, переход к сжатой стационарной электрической дуге может определяться и другим способом. Различные возможные альтернативы определения описаны ниже.
2
1
В момент t=t' стационарная электрическая дуга переходит в подвижную электрическую дугу под влиянием поперечного магнитного тока, генерируемого протекающим током. Перемещение электрической дуги приводит к повышенной составляющей шума измеряемого напряжения и измеряемого тока. Поэтому переход в подвижную электрическую дугу может регистрироваться за счет того, что шумовая составляющая напряжения (отношение дисперсии в заданном частотном диапазоне к усредненному значению напряжения) превышает заданное пороговое значение. Точный выбор частотного диапазона и порогового значения зависит от геометрии контактных элементов и других деталей, например, оценка шумового сигнала особенно показательна при спиральном TMF-типе. Пороговое значение и так далее может, например, калиброваться посредством измерений. В качестве альтернативы, переход в сжатую стационарную электрическую дугу может определяться и другим способом, как описано ниже.
3
2
3
К моменту времени t=t'электрическая дуга гаснет и, тем самым, заканчивается фаза электрической дуги. Этот момент времени распознается, например, по тому, что ток заметно снижается. В общем случае, момент времени tможет определяться посредством понижения тока и/или напряжения ниже заданного предельного значения.
Для определения вышеупомянутых граничных моментов времени, которые ограничивают отдельные фазы электрической дуги, могут использоваться и другие события, которые каким-либо образом коррелированы с началом или концом электрической дуги. Таким событием может, например, являться следующее:
а. Начало электрической дуги (например, определяемое посредством измерения яркости в области электрической дуги, тока контактов, напряжения контактов или подобной величины);
b. Переход от стационарного состояния электрической дуги к перемещающемуся состоянию электрической дуги (например, определяемый посредством измерения дисперсии или шумовой составляющей вышеназванных величин);
с. Переход от диффузной электрической дуги к сжатой электрической дуге (например, определяемый посредством измерения пространственного распределения яркости в области электрической дуги);
d. Конец электрической дуги (например, определяемый посредством измерения яркости в области электрической дуги, тока контактов, напряжения контактов или подобной величины);
е. Отделение контактного элемента от другого контактного элемента переключателя (например, определяемое посредством механического измерения или путем оценки коммутационного сигнала, посылаемого от устройства управления контактами; речь может идти об исследуемом контактном элементе или о другом контактном элементе);
f. Удаление контактного элемента от другого контактного элемента переключателя на расстояние, которое превышает заданное пороговое значение расстояния (например, определяемое посредством механического измерения);
g. Выдача или оценка команды переключения (например, от устройства управления переключателем);
h. Превышение или понижение зарегистрированного значения ниже заданного порогового значения, причем зарегистрированное значение может быть выбрано из списка, включающего в себя следующие измеренные значения:
- значение тока и/или значение напряжения электрического или магнитного поля (например, определяемое измерительным преобразователем);
- частотный компонент значения тока и/или значения напряжения;
- значение яркости электрической дуги;
- значение положения, которое описывает положение контактной площадки и/или расстояние между двумя контактными площадками;
- прежнее значение износа контактного элемента, например, во время предшествующей операции коммутации;
- прежнее суммарное значение износа контактного элемента, то есть сумма значений износа всех предшествующих операций коммутации;
- прошедший интервал времени с начала появления некоторого другого события, в частности, одного из событий, перечисленных в этом перечне; и/или
- при необходимости, прошедший интервал времени с более раннего граничного момента времени.
Граничный момент времени может, в частности, выбираться как момент времени соответствующего события. Граничный момент времени может также вычисляться с учетом нескольких упомянутых событий, например, посредством логического или взвешенного соединения нескольких событий или посредством формирования среднего значения нескольких соответствующих времен. Граничный момент времени является, в частности, переходным моментом времени, который представляет собой переход от стационарного состояния электрической дуги к перемещающемуся состоянию электрической дуги.
По меньшей мере, один граничный момент времени может определяться также с учетом, по меньшей мере, одного из следующих измеренных значений:
- значение тока;
- значение напряжения;
- значение электрического или магнитного поля;
- шумовая составляющая или частотная оставляющая значения тока;
- шумовая составляющая или частотная оставляющая значения напряжения;
- шумовая составляющая или частотная оставляющая электрического или магнитного поля;
- значение яркости электрической дуги;
- значение положения, которое описывает положение контактной площадки и/или расстояние между двумя контактными площадками (причем, в частности, один из контактных элементов является исследуемым контактный элементом; но также речь может идти о другом контактном элементе);
- прежнее значение износа;
- прежнее суммарное значение износа;
- истекший интервал времени с начала появления некоторого другого события, в частности, одного из перечисленных выше событий;
- при необходимости, прошедший интервал времени с более раннего граничного момента времени.
В зависимости от доступности измеренных значений и событий, могут выбираться элементы из приведенного выше списка, и правила определения для соответствующей фазы электрической дуги могут калиброваться соответствующим образом, например, путем усреднения или формирования взвешенного среднего значения.
В приведенном в качестве примера варианте выполнения соответствующие временные интервалы для подмножеств значений тока могут определяться, например, следующим образом:
№
Фаза электрической дуги
Критерий для определения начала фазы
0
Диффузная электрическая дуга
Разделение контактных элементов, определяемое, например, путем оценки команды переключения или посредством механических датчиков)
1
Сжатая стационарная электрическая дуга
Ток контактов превышает пороговое значение I<sub>constr</sub>, например, 10 кА
2
Сжатая вращающаяся электрическая дуга
Шумовая составляющая тока или напряжения превышает пороговое значение
Конец сжатой вращающейся электрической дуги (фаза 2) может, например, определяться тем, что ток вновь понижается ниже заданного порогового значения.
Числа в левом столбце относятся к временным промежуткам, показанным на фиг. 1а и 2. На фиг. 1а и 2 схематично показаны возможные соответствующие значения тока и напряжения, на основе которых можно было бы осуществить описанную в таблице классификацию.
0
1
0
1
1
2
1
2
2
3
2
3
1
2
3
1
2
3
Как показано на фиг. 2, значения тока на основе определенных граничных моментов времени могут быть подразделены на различные подмножества значений тока. Первое подмножество значений тока включает в себя значения тока I([t; t]) во временном интервале [t; t] (ссылочная позиция 1). Второе подмножество значений тока включает в себя значения тока I([t; t]) во временном интервале [t; t] (ссылочная позиция 2). Третье подмножество значений тока включает в себя значения тока I([t; t]) во временном интервале [t; t] (ссылочная позиция 3). Для каждого из подмножеств значений тока вычисляется соответствующее значение d, d, d доли износа с применением соответствующих правил вычисления доли износа. Значения d, d, d доли износа затем объединяются для получения значения d износа (например, суммируются).
i
i
j
j
i
j
i
i
i
j
j
j
В общем случае для вычисления значения износа также определяется, по меньшей мере, один переходный момент времени, который, в частности, представляет собой соответствующий переход между различными фазами электрической дуги, возникающей во время операции коммутации. Временные интервалы, в частности, определены таким образом, что переходный момент времени определяет переход между первым временным интервалом [t; t'] и вторым временным интервалом [t; t'], так что t'=t образуется посредством переходного момента времени. В частности, способ может включать в себя определение конца t' первого временного интервала [t; t'] и начало t второго временного интервала [t; t'] с учетом определенного переходного момента времени, например, так что переходный момент времени лежит между первым временным интервалом и вторым временным интервалом; в частности, так что первый временной интервал наступает раньше, чем переходный момент времени, или равен переходному моменту времени, а второй временной интервал наступает позже, чем переходный момент времени или равен переходному моменту времени. Иными словами, первый временной интервал лежит в данном случае перед вторым временным интервалом, с переходным моментом времени между ними. Затем подмножества значений тока определяются с учетом, по меньшей мере, одного определенного переходного момента времени.
i
i
i
i
i
i
Подмножества значений тока I([t; t']) в соответствии с этим определяются как значения тока, относящиеся к соответствующему временному интервалу [t; t']. По меньшей мере, один из временных интервалов [t; t'] определяется с учетом, по меньшей мере, одного определенного граничного или переходного момента времени.
Ниже описываются возможные варианты выполнения отдельных правил вычисления доли износа (на каждое подмножество значений тока или на каждую фазу электрической дуги). В одном варианте выполнения, по меньшей мере, одно или также все правила вычисления доли износа оцениваются как соответствующий интеграл выражения (1) (или как сумма, которая аппроксимирует такой интеграл), причем соответствующий интеграл по времени или сумма ограничены, только соответствующим временным интервалом или соответствующим подмножеством значений тока. Соответствующий параметр k и α в (1) могут тогда выбираться соответственно отдельно на каждое подмножество значений тока (или на каждую фазу электрической дуги), например, задаваться на основе модели или калиброваться на основе измерений.
i
i
i
Правило f вычисления доли износа для i-того подмножества значений тока (в данном случае представлено как подмножество значений тока, относящееся к временному интервалу [t; t']), может быть сформулировано следующим образом:
i
i
i
1
2
1
2
1
2
-αi
-1
-αi
Причем k или K, α соответствуют параметрам k и α в (1). В уравнении (2') параметр К записан заглавной буквой, чтобы по отношению к параметру k из уравнений(1) и (2) указать на различную физическую единицу измерения: [k]=см А с; [K]=см А. В остальном параметры k и К эквивалентны. В варианте выполнения выражение (2) или (2') выбирается для двух подмножеств значений тока (например, первого (i=1) и второго (i=2) подмножеств значений тока) при α≠α или К≠К. В частности, в вариантах выполнения имеют место 0,5≤α, α≤3.
Однако также возможны другие правила вычисления доли износа, нежели (2), (2'). В общем случае правила вычисления доли износа содержат формирование доли в форме
1
2
i
i
αi
к по меньшей мере двум из долей износа (при i=1 для первой доли износа и i=2 для второй доли износа, так что φ ≠ φ, причем знак неравенства в данном случае означает «не равны как функции»). В данном случае I(t) обозначает значение тока, которое включено в подмножество значений тока, относящееся к i-той доле износа. Уравнения (2) и (2') являются специальными случаями уравнений (3) и (3′), например при φ(I(t))=K*I(t).
i
i
i
<mrow><mi>d</mi><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munder><mo>∑</mo><mi>i</mi></munder><mrow><msub><mi>d</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munder><mo>∑</mo><mi>i</mi></munder><mrow><msub><mi>f</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">[</mo><mi>I</mi><mo stretchy="false">]</mo></mrow></mstyle></mrow></mstyle></mrow>
Значение доли износа может затем вычисляться как сумма отдельных долей износа d=f[I], i=0…(N-1), например, в виде:
, где f - одно из описываемых в данном случае правил вычисления доли износа.
i
i
i
i
i
i
В (2′) для правила f вычисления доли износа суммирование выполняется в пределах от t до t′. Вместо жесткой границы для этих сумм можно также суммировать на большем временном промежутке, причем доли взвешиваются зависимой от времени функцией γ(t), которая, внутри временного интервала [t; t′] больше, чем вне этого временного интервала. Соответственно обобщенное уравнение (2′) имеет в этом случае следующий вид:
i
i
i
i
i+1
i
Примеры для функций γ(t) показаны на фиг. 3. На Фиг. 3а показаны функции γ(t) как ступенчатые функции, которые внутри временного интервала между t и t′=t имеют значение 1, а вне этого временного интервала значение 0. С помощью этих функций γ(t) согласно фиг. 3а сумма в уравнении (4) вновь переводится в специальную форму уравнения (2).
i
i
i
i
i+1
i
i
i
Альтернативная функция γ(t) представлена на фиг. 3b. В данном случае γ(t) внутри временного интервала между t и t′=t больше, чем вне этого временного интервала, но γ(t) непрерывно убывает и имеет также вне этого временного интервала конечное значение. В этом случае перекрываются подмножества значений тока различных долей износа, по которым в уравнении (3) с применением функций γ(t), показанных на фиг. 3b, выполняется суммирование. В частности, подмножества значений тока могут в данном случае охватывать все зарегистрированные значения тока, и их доля взвешивается только посредством подходящей функции γ(t).
i
Функция γ(t) может быть выражена следующим образом:
<mrow><msub><mi>γ</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mover accent="true"><mi>γ</mi><mo>˜</mo></mover><mo stretchy="false">(</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><msub><mo>'</mo><mi>i</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mover accent="true"><mi>γ</mi><mo>˜</mo></mover>
при
в качестве функции, которая внутри интервала [0; 1] имеет большие значения, чем вне этого интервала. Показанные на фиг. 3а и фиг. 3b функции по существу эквиваленты и приводят к весьма сходным результатам.
При обобщении уравнения (4), износ может быть выражен как сумма
<mrow><mi>d</mi><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munder><mo>∑</mo><mi>i</mi></munder><mrow><msub><mi>f</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">[</mo><mi>I</mi><mo stretchy="false">]</mo></mrow></mstyle></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">[</mo><mi>I</mi><mo stretchy="false">]</mo><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munder><mo>∑</mo><mi>t</mi></munder><mrow><msub><mi>γ</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>*</mo><msub><mi>ϕ</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>I</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mstyle></mrow>
<mrow><msub><mi>ϕ</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>I</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>K</mi><mi>i</mi></msub><mo>*</mo><mi>I</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><msup><mo stretchy="false">)</mo><mrow><msub><mi>α</mi><mi>i</mi></msub></mrow></msup></mrow>
i
при
, причем в примере уравнения (3)
. Функция φ(I(t)) может интерпретироваться таким образом, что она для каждого значения I(t) вносит свою составляющую в долю обгорания.
Приведенное выше правило вычисления может соответственно применяться также для интегралов от значений тока, определяемых непрерывно во времени. В этом случае можно согласно приведенному выше обобщению выразить износ как интеграл
Интеграл может аппроксимироваться численным способом.
Ниже описываются другие возможные варианты выполнения изобретения. Согласно одному варианту выполнения, значения доли износа для нескольких фаз электрической дуги со сходной характеристикой износа могут вычисляться посредством общего правила вычисления доли износа. Однако не следует все фазы электрической дуги вычислять одинаковым способом, то есть, по меньшей мере, два из правил вычисления доли износа отличаются друг от друга.
Согласно другому варианту, наряду с токами I также регистрируются напряжения U электрической дуги и принимаются во внимание при вычислении значения износа. Согласно одному варианту выполнения, напряжения могут, например, регистрироваться с помощью дополнительных датчиков напряжения. Соответствующая функция износа может тогда иметь, например, следующую форму:
В общем случае, любое электрическое значение, которое представляет параметр, релевантный для мощности, протекающей через переключатель во время операции коммутации, может быть использовано для вычисления, так, например, ток I, напряжение U электрической дуги, их произведение (как в приведенном выше уравнении).
В другом варианте выполнения непосредственно мощность Ρ(t)=I(t)*U(t) может также использоваться как функция времени, вместо I(t) в любом из приведенных выше уравнений, например, (2), (2′), (3), (3′)·
Согласно другому варианту, могут также опускаться отдельные фазы электрической дуги, которые несущественно влияют на износ. Например, в показанных на фиг. 1 и 2 примерах диффузная фаза электрической дуги (нулевая фаза между t0 и t1) по этой причине может быть опущена, так что вычисление начинается только с фазы i=1.
i
i
i
i
Ниже описывается устройство управления переключателем и распределительное устройство, которые предназначены для выполнения описываемого здесь способа. Устройство управления переключателем содержит модуль ввода значений тока для получения значений тока (например, получение зарегистрированных значений, например, с измерительного прибора или с устройства для моделирования, интерполяции и подобного), которые представляют ток контактов, протекающий через переключатель во время операции коммутации, как функцию времени. Устройство управления переключателем включает в себя также модуль определения износа, который содержит вычислительный блок и запоминающее устройство с программным кодом, выполняемым вычислительным блоком. Программный код включает в себя множество правил f вычисления доли износа, которые предусмотрены для вычисления соответствующих значений доли износа из соответствующих подмножеств I([t; t']) зарегистрированных значений тока, так что каждое из правил вычисления доли износа вычисляет соответствующее из значений доли износа из соответствующих подмножеств значений тока. По меньшей мере, два из правил f вычисления доли износа различаются друг от друга. Программный код содержит также программу вычисления значения износа для вычисления значения d износа, представляющего собой износ контактного элемента, из значений доли износа (например, как сумму).
i
i
i
i
i
i
Программный код содержит, в частности, инструкции для выполнения способа, раскрытого в данном описании. В частности, правила f вычисления доли износа предусмотрены для вычисления соответствующего множества значений доли износа из соответствующего множества подмножеств I([t; t']) зарегистрированных значений тока, так что каждое из правил f вычисления доли износа вычисляет соответствующее из значений доли износа из соответствующих подмножеств значений тока I([t; t']).
Распределительное устройство выполнено для высокого или среднего напряжения, и, в частности, является силовым переключателем, например, вакуумным силовым переключателем (но также возможен газоизолированный силовой переключатель). Распределительное устройство содержит вышеописанное устройство управления переключателем. Ток контактов представляет собой, в частности, ток электрической дуги. Распределительное устройство содержит в качестве контактного элемента контактный элемент TMF-типа, так как здесь имеются особенно явно выраженные фазы электрической дуги. Контактный элемент TMF-типа характеризуется тем, что его конструкция во время операции коммутации или при электрической дуге преимущественно способствует формированию поперечного магнитного поля. Поперечное магнитное поле способствует перемещению электрической дуги и приводит к явно выраженным фазам электрической дуги. Контактный элемент может, в частности, представлять собой спиральный TMF-тип (как представлено на фиг. 4). Контактный элемент может, таким образом, содержать контактные площадки с круговым поперечным сечением, например, со спиралеобразной щелью. В качестве альтернативы, контактный элемент может быть выполнен чашеобразным (чашеобразного типа cup-shaped). В общем случае переключатель может содержать два контактных элемента, выполненных с возможность перемещения друг относительно друга в продольном направлении.
Распределительное устройство может содержать несколько контактных элементов (например, 3 контактных элемента для трех фаз). В этом случае износ может происходить отдельно для каждого из контактных элементов, как описано в данном примере.
Распределительное устройство может также содержать систему диагностики, которая соединена с устройством управления переключателем, чтобы принимать вычисленные значения износа. Система диагностики может выполнять следующие функции (на каждую фазу отдельно):
- суммирование значения износа для получения суммарного значения износа, которое представляет собой суммарный износ контактного элемента как сумму для нескольких операций коммутации;
- иициирование сигнала тревоги, предупредительной сигнализации или команды блокирования, если значение износа или суммарное значение износа превышает заданное пороговое значение сигнала тревоги или пороговое значение предупредительной сигнализации или пороговое значение блокирования;
- вычисление процентного износа как доли текущего износа (значения износа к суммарному значению износа) от допустимого максимального износа;
- вычисление предположительно остающейся длительности работы переключателя на основе значения износа или суммарного значения износа;
- направление определенного значения износа или его производной величины (например, суммарного значения износа) на сервер диагностики в реальном времени.
i
i
i
i
i
i
i
j
j
j
j
j
j
j
i
j
Ниже раскрываются другие общие аспекты изобретения. Согласно одному аспекту, способ определения износа контактного элемента включает в себя вычисление значения (d) износа, представляющего собой износ контактного элемента, из зарегистрированных значений тока (I(t)), причем первое значение доли износа вычисляется согласно первому правилу f вычисления доли износа из, по меньшей мере, одного значения тока (I(t); I([t; t'])) для первого временного интервала (t; [t; t']), и второе значение доли износа вычисляется согласно второму правилу f вычисления доли износа из по меньшей мере одного значения тока (I(t); I([t; t'])) для второго временного интервала (t; [t; t']), причем первое правило f вычисления доли износа отличается от второго правила f вычисления доли износа.
В общем случае не требуется, чтобы правило вычисления доли износа было единым в пределах соответствующих значений тока. Регистрация может включать в себя измерение, в частности, измерение отсчетов в дискретных временных интервалах считывания, а также (частично) моделирование. Моделирование может базироваться на модели, например, предположении, что значения тока лежат на синусоидальной кривой, или содержать интерполяцию между измеренными значениями. Таким способом значения тока могут быть представлены как непрерывная функция времени или как вектор дискретных зарегистрированных значений.
Правило вычисления доли износа не равно нулю (как функционал). Правило вычисления доли износа, которое как функционал равно нулю, не дает, независимо от электрических значений подмножеств значений, никакой доли износа (то есть всегда нуль). Такое правило вычисления доли износа не рассматривается в качестве правила вычисления доли износа.