ОПРЕДЕЛЕНИЕ И УКАЗАНИЕ ОБГОРАНИЯ КОНТАКТОВ В СИЛОВОМ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области техники высоковольтных выключателей, в частности, к силовым выключателям в распределительных электросетях. Она относится к силовому выключателю согласно родовому понятию независимого пункта формулы полезной модели.
Уровень техники
Для отключения участков электрической системы энергоснабжения от остальной системы электроснабжения или подключения к ней обычно используются силовые выключатели. При этом при работе и во время включения и выключения к силовому выключателю предъявляются различные технические требования. Так, с одной стороны, коммутационные контакты должны иметь высокую стойкость к нагреванию и обгоранию, чтобы выдерживать при включении и выключении силового выключателя высокие температуры электрической дуги. С другой стороны, контакты силового выключателя должны иметь возможно меньшее электрическое сопротивление для минимизации омических потерь при длительном прохождении тока во включенном состоянии силового выключателя. Для удовлетворения этим требованиям силовой выключатель имеет разделение контактной системы на расходуемую вследствие обгорания контактную систему и контактную систему номинального тока. Выключатель выполнен так, что контактная система номинального тока является определяющей для прохождения тока, в то время как в фазе выключения между расходуемыми вследствие обгорания контактами создается электрическая дуга и тем самым определяющей является расходуемая контактная система. Кроме того, расходуемая контактная система предотвращает горение электрической дуги между контактами номинального тока. Для обеспечения этих функций при включении и выключении происходит задержка во времени между размыканием и, соответственно, замыканием контактов контактной системы номинального тока и размыканием и, соответственно, замыканием расходуемой контактной системы. Разность во времени называется также временем перекрытия, а разность по месту - длиной перекрытия.
Для обеспечения правильной работы силового выключателя необходимо, чтобы время перекрытия и длина перекрытия не были меньше определенного критического значения, при котором происходит большее обгорание расходуемых контактов. Для измерения этого обгорания и тем самым для определения и указания оставшегося срока службы силового выключателя из уровня техники известно несколько способов.
Из ЕР 1318533 известен способ, согласно которому можно математически вычислять действие обгорания из геометрических параметров подвергаемых воздействию электрической дуги частей и определяемой зависимости тока от времени. Происходящее обгорание после нескольких процессов коммутации можно определять посредством суммирования вычисляемого во всех предыдущих случаях коммутации обгорания. При этом действительное состояние выключателя вычисляется с помощью системы мониторинга, и достижение критических значений измерения сигнализируется с помощью сигнала тревоги. Трудность в этом способе состоит, в частности, в учете отклонения действительного обгорания от вычисленного обгорания для определения оставшегося срока службы выключателя. При этом отклонения могут возникать за счет неточного воспроизведения геометрических параметров подвергаемых воздействию электрической дуги частей, а также неправильного измерения величин тока и времени во время коммутационного процесса.
Кроме того, из DE 10260248 известна возможность определения обгорания и оставшегося срока службы выключателей (вакуумных контакторов), содержащих лишь одну единственную систему коммутационных контактов, с помощью контролирования продавливания. При этом измеряют изменяемый за счет обгорания коммутационных контактных деталей ход пружины, с помощью которой пружина продавливания сжимает друг с другом коммутационные контактные детали. Указание соответствующего положения пружины осуществляется с помощью закрепленного на пружине указателя, который непрерывно отображает соответствующее значение на шкале. В качестве альтернативного решения указаны способы измерения для непрерывного измерения сигналов (определения положения) пьезоэлектрического преобразователя изгиба, светового реле и подвижной катушки, с помощью которых измеряются два события в процессе выключения на основе измерения интервалов времени. При этом определение обгорания имеет недостатки, заключающиеся в том, что обгорание измеряют с помощью вспомогательных элементов (например, хода пружины), которые подвержены влиянию определенных допусков и дополнительных помех.
В европейской заявке №05405679.1 обгорание контактов в электрическом коммутационном приборе, который имеет контактную систему номинального тока и расходуемую контактную систему, определяют с помощью динамического измерения сопротивления (Dynamic Resistance Measurement - DRM). Для этого с помощью измерения сопротивления при размыкании контактов номинального тока и расходуемых контактов определяют время перекрытия между размыканием контактов номинального тока и расходуемых контактов в параллельном пути прохождения тока и на его основании определяют обгорание. Недостатком этого способа измерения является то, что для измерения обгорания необходимо отключать выключатель от сети электроснабжения и проводить измерение на месте с помощью вспомогательного источника тока.
В ЕР 1555683 А приведено описание способа измерения обгорания контактов в силовом выключателе, который приводится в действие с помощью электродвигателя, при этом определяют разность во времени на неизношенных подвергаемых воздействию электрической дуги контактах и разность во времени на обгоревших за счет электрической дуги контактах, и из обеих разностей времени определяют длину обгорания. Недостатком уровня техники является то, что на основании опосредованного способа измерения, а также измерения тока привода электродвигателя, можно определять состояние обгорания лишь с недостаточной точностью.
В ЕР 0694937 А2 раскрыт способ определения оставшегося срока службы защитных контактов, в котором определяют оставшийся срок службы контактора и с помощью дисплея на коммутационном приборе указывают в процентах, в виде оставшегося числа переключений или в виде оставшегося срока службы.
В US 2005/122117 A приведено описание способа определения износа контактов коммутационных приборов посредством измерения изменения времени прохождения при замыкании контактов. Измерение времени прохождения осуществляется, с одной стороны, с помощью измерения тока возбуждения приводного электромагнита для коммутационных контактов и, с другой стороны, с помощью измерения прохождения тока через коммутационные контакты с помощью датчиков тока. Недостатком уровня техники является то, что на основании опосредованного способа измерения, измерения тока возбуждения электромагнитов, возможно не достаточно точное определение момента времени замыкания контактов. Желательно измерять сигнал, который непосредственно связан с движением замыкания контактов.
Раскрытие полезной модели.
Ввиду вышесказанного, задачей данной полезной модели является создание улучшенного силового выключателя, с помощью которого повышается надежность работы выключателя и с помощью которого также обеспечивается возможность упрощенного распознавания рабочего состояния силового выключателя. Эта задача согласно настоящей полезной модели решена с помощью признаков независимого пункта формулы полезной модели.
Предметом полезной модели является силовой выключатель, который содержит расходуемую вследствие обгорания контактную систему и по меньшей мере один механический привод для перемещения по меньшей мере одного расходуемого вследствие обгорания контакта, при этом механический привод имеет механический накопитель энергии, спусковой элемент и элемент передачи усилия к подвижному расходуемому контакту, и выключатель характеризуется тем, что имеются средства для определения обгорания контактов, которые имеют датчик для определения опорного момента времени, в который элемент передачи усилия проходит заданное положение. Кроме того, силовой выключатель имеет датчик тока для измерения первичного тока через силовой выключатель и для определения момента времени коммутации, в который первичный ток характеризует замыкание или размыкание контактов расходуемой контактной системы, а также блок измерения сигналов для определения состояния обгорания расходуемых контактов из разности времени. Кроме того, силовой выключатель имеет датчик измерения опорного момента времени, в который имеется команда спуска для спускового блока. Имеются средства для измерения, по меньшей мере, одного рабочего параметра механического привода, и при необходимости корректуры опорного момента времени на основании отклонения между действительным и номинальным значением рабочего параметра. В одном предпочтительном варианте выполнения рабочие параметры представляют собой температуру механического привода и/или питающее напряжение для спускового элемента и/или состояние зарядки накопителя энергии. В другом предпочтительном варианте выполнения механический привод является пружинным накопительным приводом, при этом спусковой элемент служит для освобождения запирания пружинного накопителя энергии или для открывания гидравлического клапана для реверсирования направления передачи усилия в процессе включения или выключения. Согласно другому аспекту полезной модели, силовой выключатель имеет блок измерения сигналов для определения сигнала измерения, который характеризует состояние обгорания расходуемых контактов, а также указательный блок для указания обгорания контактов, при этом блок измерения сигналов имеет вычислительные средства для отнесения сигнала измерения к интервалу предупреждения или к интервалу, не вызывающему опасений. Указательный блок имеет средства для выдачи оптического и/или акустического сигнала предупреждения, когда сигнал измерения лежит в интервале предупреждения.
В способе измерения обгорания контактов электрического силового выключателя выключатель содержит расходуемые контакты и механический привод для перемещения по меньшей мере одного расходуемого контакта. Механический привод содержит механический накопитель энергии, спусковой элемент и элемент передачи усилия к подвижному расходуемому контакту. Имеется контактная система номинального тока и заданы опорные моменты времени, которые характеризуют явления коммутационного процесса. В качестве моментов времени коммутации определяют моменты времени, которые характеризуют замыкание или размыкание контактов расходуемой контактной системы. В процессе коммутации силового выключателя определяют первоначальную разность времени между опорным моментом времени этого коммутационного процесса и моментом времени коммутации этого коммутационного процесса, при этом для другого коммутационного процесса определяют моментальную разность времени между опорным моментом времени этого коммутационного процесса и моментом времени коммутации этого коммутационного процесса, и при этом из отклонения моментальной разности времени от первоначальной разности времени определяют состояние обгорания расходуемых контактов.
Согласно способу указания обгорания контактов силового выключателя силовой выключатель имеет контактную систему, блок измерения сигналов для определения обгорания контактной системы и указательный блок. Определяют сигнал измерения, который характеризует состояние обгорания расходуемых контактов. Для сигнала измерения определяют по меньшей мере один интервал, не вызывающий опасений, и по меньшей мере один интервал предупреждения, при этом в указательный блок выдается сигнал предупреждения, когда сигнал измерения лежит в интервале предупреждения. Сигнал предупреждения сигнализирует о том, что имеется ограниченное количество еще допустимых коммутационных процессов.
Опорный момент времени силового выключателя характеризуется тем, что его можно определять с возможностью воспроизведения в каждом коммутационном процессе. Опорный момент времени предпочтительно определяют в процессе включения для замыкания контактов выключателя. В предпочтительном примере выполнения опорный момент времени задают непосредственно с помощью сигнала команды на включение привода. В этом случае команда на включение может быть сигналом в виде изменения тока или напряжения, которое, например, инициируется в катушке привода силового выключателя. В другом предпочтительном варианте выполнения опорный момент времени задают с помощью движения привода выключателя, которое инициируется с помощью команды включения для замыкания контактов выключателя. В другом предпочтительном варианте выполнения опорный момент времени задают при прохождении после команды включения определенной относительной точки или определенного относительного уровня на траектории движения основной контактной системы привода выключателя, и эту относительную точку или этот относительный уровень измеряют, например, с помощью датчика пути или поворота, вспомогательного контакта или светового реле.
Принцип действия способа измерения состоит в том, что определяют вызываемую за счет увеличивающегося обгорания измененную разность времени между первым, заданным движением опорным моментом времени и вторым, заданным током моментом времени.
Другие предпочтительные варианты выполнения, преимущества и применения полезной модели следуют из зависимых пунктов, из комбинации пунктов формулы полезной модели, а также из последующего описания и чертежей.
Краткое описание чертежей
Ниже приводится подробное описание предмета полезной модели на основе предпочтительных примеров выполнения, которые показаны на сопровождающих чертежах, на которых схематично изображено следующее:
на фиг.1 - упрощенная схема силового выключателя с расходуемой вследствие обгорания контактной системой и контактной системой номинального тока, который соединен с участком электрической сети энергоснабжения;
на фиг.2 - пример кривой зависимости тока от времени расходуемой контактной системы и контактной системы номинального тока в силовом выключателе.
Применяемые на чертежах ссылочные позиции и их значение приведены в перечне ссылочных позиций. Одинаковые или одинаково действующие части в основном обозначены на фигурах одинаковыми или аналогичными ссылочными позициями. Несущественные для понимания полезной модели части частично не изображены. Примеры выполнения, описание которых приводится, представляют в качестве примера предмет полезной модели и не имеют ограничивающего характера.
Осуществление полезной модели
На фиг.1 схематично показан электрический силовой выключатель 1, который включен в не изображенную систему электроснабжения. В качестве силового выключателя 1 могут использоваться выключатели высокого и среднего напряжения, которые могут быть, например, генераторными выключателями или же силовыми выключателями заземления. Выключатель 1 прерывает, соответственно, создает электрическое соединение линейного участка 3а с линейным участком 3b электрической системы энергоснабжения. Для этого размыкаются или замыкаются контактные системы 2а, 2n выключателя 1 с помощью механического пружинного накопительного привода 11. Спусковой элемент 13 привода 11 освобождает выполненный в виде тарельчатой пружины механический накопитель 14 энергии, при этом он с помощью элемента 15, который может быть выполнен в виде приводного рычага, осуществляет передачу усилия на контактные системы 2а, 2n выключателя для замыкания или размыкания. Для замыкания контактов выключателя 1 сначала замыкается расходуемая контактная система 2а, а затем с задержкой во времени в несколько миллисекунд замыкается контактная система 2n номинального тока. Протекающий в силовом выключателе 1 ток коммутируется во время процесса замыкания с расходуемой контактной системы 2а на контактную систему 2n номинального тока. Кроме того, силовой выключатель 1 содержит датчики 9, 10 для обнаружения сигналов измерения, блок 4 измерения сигналов для измерения и обработки сигналов измерения и блок 5 индикации, с помощью которого указывается состояние силового выключателя 1, например, посредством сигнализации обгорания или оставшегося срока службы.
В данной полезной модели из измеренной разности времени для замыкания контактов расходуемой контактной системы определяется обгорание расходуемой контактной системы, и это значение используется для оценки оставшегося срока службы силового выключателя 1. Измерение разности времени выполняется оперативно, т.е. во время, когда выключатель 1 находится в работе и электрически соединен с сетью энергоснабжения и во время фазы включения выключателя 1. Таким образом, предпочтительно нет необходимости в отсоединении выключателя 1 от сети электроснабжения для осуществления определения обгорания. Аналогичным образом, определение обгорания можно также осуществлять в фазе выключения силового выключателя 1, однако при этом определение точного момента времени размыкания контактов в расходуемой контактной системе 2а на основании возникающей электрической дуги является затруднительным. Обнаружение момента времени размыкания контактов выключателя возможно, например, посредством измерения возникающего напряжения электрической дуги.
Для определения обгорания расходуемой контактной системы при замыкании контактов выключателя 1 и тем самым для оценки оставшегося срока службы выключателя измеряется разность времени между опорным моментом времени tr и первым вхождением в контакт обоих расходуемых контактов расходуемой контактной системы 2а и, таким образом, началом прохождения тока в момент времени ta. С увеличением количества коммутационных процессов и связанного с этим увеличивающегося обгорания контактов расходуемой контактной системы 2а увеличивается участок пути, вызванный уносом материала, и тем самым требуемое время инициирования процесса замыкания до замыкания контактов 2а.
На фиг.2 схематично показано изменение во времени тока I во время процесса включения для расходуемой контактной системы 2а (кривая 6) и для контактной системы 2n номинального тока (кривая 7). В качестве опорного момента времени tr может служить какой-нибудь воспроизводимый сигнал в приводе, например, изменение напряжения в катушке привода, которое происходит за счет команды включения при замыкании выключателя 1. Однако можно обнаруживать, например, саму команду включения, сигнал от вспомогательного контакта или же изменение тока в катушке или движение привода, которое инициируется командой включения, и использовать в качестве сигнала для задания опорного момента времени tr. При этом важным является лишь то, что опорный момент времени является воспроизводимым. Через несколько миллисекунд после инициирования процесса включения, во время замыкания контактов расходуемой контактной системы 2а в момент времени ta, ток проходит через расходуемые контакты 2а силового выключателя 1. После еще нескольких миллисекунд в момент времени tn замыкаются также контакты контактной системы 2n номинального тока, и тем самым ток I может проходить через контакты контактной системы 2n номинального тока.
Для обнаружения опорного момента времени tr и момента времени ta при замыкании выключателя 1 предусмотрены, как схематично показано на фиг.1, датчики 9 и 10. При этом в качестве датчика 9 для измерения опорного момента времени tr можно использовать, например, устройство для измерения напряжения. Однако в качестве датчика 9 можно также использовать преобразователь тока, вспомогательный контакт или световое реле, если определение опорного момента времени tr осуществляется с помощью измерения тока или посредством определения заданного положения движения не изображенного привода выключателя. Таким образом, опорный момент времени tr задает начало процесса замыкания. В качестве датчика 10 для определения момента времени tr обычно применяется преобразователь 10 тока, который измеряет проходящий ток при замыкании расходуемой контактной системы 2а. Однако в качестве альтернативного решения, роль датчика 10 тока может выполнять также датчик Холла или пояс Роговского. Датчик 10 тока может быть предусмотрен, как показано на фиг.1, на участке 3а линии или на участке 3b линии.
Определяемые с помощью датчиков 9, 10 величины измерений, которые задают опорный момент времени tr и момент времени ta, измеряются и обрабатываются с помощью блока 4 измерения сигналов. Полученные таким образом данные, такие как величина обгорания контактов или оставшийся срок службы выключателя 1, можно указывать для пользователя с помощью блока 5 индикации силового выключателя 1.
1
1
1
1
x
x
x
x
x
x
1
1
x
s
s
x
x
s
В первом процессе включения, который называется также первоначальным процессом замыкания выключателя, определяют с помощью блока 4 измерения сигналов первоначальную разность времени ta-tr между опорным моментом времени tr этого коммутационного процесса и моментом времени ta коммутации при замыкании расходуемых контактов в этом коммутационном процессе. Для каждого следующего процесса включения с помощью блока 4 измерения сигналов измеряют моментальную разность времени ta-tr из моментального опорного момента времени tr и моментального момента времени ta коммутации. Определяемое с помощью блока 4 измерения сигналов отклонение между моментальной разностью времени ta-tr и первоначальной разностью времени ta-tr является мерой обгорания контактов силового выключателя 1. С увеличением числа коммутационных циклов моментальный момент времени ta коммутации сдвигается в направлении порогового значения ta, как обозначено на фиг.1 стрелкой 8. При превышении заданного порогового значения ta для моментальной разности времени ta-tr, которое соответствует критической длине обгорания, это состояние сигнализируется пользователю с помощью указательного блока. При превышении порогового значения ta количество процессов замыкания и размыкания предпочтительно задано так, что пользователь получает точную информацию об оставшемся количестве коммутационных циклов.
1
1
x
x
1
1
Первоначальная разность времени ta-tr предпочтительно известна перед первым процессом включения в качестве характеристической системной величины выключателя 1 и может вводиться перед использованием силового выключателя с помощью блока 4 измерения сигналов. Таким образом, критическую длину обгорания и тем самым оставшийся срок службы выключателя 1 можно определять непосредственно в виде разности между характеристической системной величиной и моментальной разностью времени ta-tr. Однако первоначальную разность времени ta-tr можно также определять с помощью блока 4 измерения сигналов посредством формирования среднего значения из нескольких первоначальных коммутационных процессов. Обгорание и тем самым оставшийся срок службы можно определять непосредственно во время процесса замыкания без необходимости отсоединения выключателя от системы электроснабжения.
В другом варианте выполнения для определения обгорания используются лишь такие измерения, при которых известные параметры влияния, такие, как например, температура, энергия привода и время остановки силового выключателя, лежат в заданном диапазоне. Это имеет преимущество, состоящее в том, что вызываемые этими параметрами колебания не влияют на определение обгорания, и тем самым обеспечивается возможность надежного определения обгорания. В качестве альтернативного решения, можно также исключать известные зависимости с помощью компенсации.
s
В другом варианте выполнения задано несколько пограничных значений ta, при превышении которых сигнализируется соответствующее состояние силового выключателя 1.
s
s1
s2
Предпочтительно, сигнал выдается строго для двух состояний силового выключателя, а именно, выше и ниже порогового значения ta. В другом предпочтительном варианте выполнения выдается сигнал для трех состояний, а именно, ниже первого порогового значения ta, выше второго порогового значения ta и между первым и вторым пороговым значением. Соответствующее состояние силового выключателя 1 указывается пользователю с помощью блока 5 индикации.
1
x
Второй момент времени ta, ta при определении обгорания контактов предпочтительно определяют с помощью измерения проходящего через расходуемые контакты 2а тока включения или с помощью измерения производной во времени тока включения. При этом измеряемый ток включения определяют во время горения электрической дуги или при достижении тока насыщения, при соприкосновении расходуемых контактов 2а. В качестве датчика 10 для измерения тока I включения используется преобразователь тока или пояс Роговского, при этом в последнем случае измеряется производная во времени тока включения. При этом указание обгорания контактов осуществляется с помощью сигнала предупреждения и/или сигнала отсутствия опасений в виде оптического, в частности, цветового, и/или акустического сигнала. Это имеет преимущество, состоящее в том, что пользователь всегда информирован о действительном состоянии силового выключателя. Для возможно простого сообщения пользователю действительного состояния силового выключателя 1 имеется строго один интервал 8b предупреждения и строго один интервал 8а отсутствия опасений, и при этом интервал 8b предупреждения и интервал 8а отсутствия опасений сигнализируются двумя различными цветами. В другом предпочтительном варианте выполнения пользователю сигнализируются действительное состояние силового выключателя с помощью трех различных цветов, при этом цвета соответствуют интервалу 8b предупреждения, интервалу 8а отсутствия опасений и лежащему между ними сомнительному интервалу. Такое многоступенчатое указание имеет преимущество, состоящее в том, что пользователю сигнализируется промежуточное состояние, прежде чем расходуемые контакты после последующих коммутационных циклов обгорят настолько, что будет достигнуто критическое состояние выключателя. Таким образом, пользователь получает предварительное предупреждение и может заранее планировать проверку силового выключателя 1.
Перечень ссылочных позиций
1. Силовой выключатель
2а. Расходуемая контактная система, расходуемые контакты
2n. Контактная система номинального тока
3а, 3b. Участок линии, линия
4. Блок измерения сигналов
5. Блок индикации
6. Кривая зависимости тока от времени для расходуемой контактной системы
7. Кривая зависимости тока от времени для контактной системы номинального тока
x
8. Направление сдвига момента времени ta за счет обгорания
8а. Интервал предупреждения
8b. Интервал отсутствия опасений
9. Датчик, опорный датчик
10. Датчик тока
11. Привод
13. Спусковой элемент
14. Накопитель энергии
15. Элемент передачи усилия
1
tr. Первоначальный опорный момент времени
x
tr. Опорный момент времени после х процессов коммутации
1
ta. Первоначальный момент времени коммутации
x
ta. Моментальный момент времени после х процессов коммутации
s
ta. Пороговое значение
n
t. Момент времени замыкания контактов контактной системы номинального тока