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Dokumentenidentifikation DE19604203A1 07.08.1997
Titel Verfahren zur Überwachung eines Mittel- oder Hochspannungsleistungsschalters
Anmelder ABB Patent GmbH, 68309 Mannheim, DE
Erfinder Kunz, Heribert, Dr.-Ing., 76189 Karlsruhe, DE;
Plettner, Horst, Dipl.-Ing., 63457 Hanau, DE
DE-Anmeldedatum 06.02.1996
DE-Aktenzeichen 19604203
Offenlegungstag 07.08.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.08.1997
IPC-Hauptklasse H01H 33/42
IPC-Nebenklasse H02B 13/065   G01R 31/327   
Zusammenfassung Es wird ein Verfahren zur Überwachung eines Mittel- oder Hochspannungsleistungsschalters, der ein bewegliches Kontaktstück aufweist, welches von einer Antriebsvorrichtung angetrieben wird, angegeben, wobei zwischen der Antriebsvorrichtung und dem beweglichen Kontaktstück Getriebeelemente, wie z. B. eine Kurbelwelle, eine Pleuelstange oder Antriebsstange oder dgl. vorgesehen sind, die die Bewegung der Antriebsvorrichtung auf das bewegliche Kontaktstück übertragen. Zur Detektion von Fehlern kann der der tatsächliche Bewegungsablauf der Antriebsvorrichtung gemessen und mit einem Bewegungsverlauf-Sollwert verglichen werden, wobei bei Abweichung hin zu beschleunigtem oder verzögertem Bewegungsverlauf ein Alarmsignal abgegeben wird, das zum Außerbetriebsetzen des Schalters führt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Elektrische Hochspannungsleistungsschalter, die beispielsweise SF&sub6;-gasisoliert sind, besitzen ein bewegliches Kontaktstück, welches von einem Antrieb oder einer Antriebsvorrichtung bei einer Schalthandlung in Bewegung gesetzt wird. Die meisten heutigen Antriebsvorrichtungen sind hydraulische Antriebe, die eine Kolbenstange aufweisen, deren Bewegung meist über einen Kurbeltrieb und eine Zugstange auf das bewegliche Kontaktstück übertragen wird.

Sollte nun zwischen der Kolbenstange und dem beweglichen Kontaktstück ein Fehler beispielsweise durch Bruch oder Beschädigung auftreten, so wird dieses derzeit lediglich bei der Inbetriebnahme festgestellt und überwacht. Fehler, die später auftreten, wie Schwergängigkeit durch erhöhte Reibung in Lagern oder Gleitkontakten, werden kaum überwacht.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem auch während des Betriebes die Getriebekomponenten zwischen der Antriebsvorrichtung und dem beweglichen Kontaktstück überwacht werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1.

Erfindungsgemäß also wird der tatsächliche Bewegungsverlauf der Antriebsvorrichtung, insbesondere die Geschwindigkeit, mit der sich die Antriebsvorrichtung und dort insbesondere die Kolbenstange bewegt, gemessen und mit einem Soll-Bewegungsverlauf, also mit einer Soll-Geschwindigkeit verglichen; ist die Geschwindigkeit der Schalthandlung zu groß, dann kann dies darauf hindeuten, daß zwischen dem Kontaktstück und der Antriebsvorrichtung ein Fehler, z. B. ein Bruch, aufgetreten ist.

Die Erfindung macht sich dabei zu Nutze, daß die Öffnungs- oder Schließgeschwindigkeit, oder Schaltgeschwindigkeit, abhängig ist von der SF&sub6;-Dichte, der Umgebungstemperatur, und natürlich auch von der Bauart des Leistungsschalters. Bei sog. Blaskolbenschaltern ist die Schaltgeschwindigkeit auch noch abhängig von der Art des abzuschaltenden Stromes. Der Bewegungsverlauf des beweglichen Kontaktstückes kann demgemäß für jede Schalterbauart festgelegt werden. Bei Untersuchungen ist festgestellt worden, daß - je nach Schalterbauart - der Bewegungsverlauf eines beweglichen Kontaktstückes bis zu etwa 20% vor Beendigung der Schaltbewegung kaum unterschiedlich ist. Bei einem Blaskolbenschalter bewegt sich das bewegliche Kontaktstück mit dem Blaszylinder relativ langsam, weil zunächst der Blasdruck aufgebaut werden muß. Sobald das Gas freigegeben wird, der Lichtbogen also beblasen werden kann, beschleunigt sich das Kontaktstück, verlangsamt sich aufgrund der Verstopfung der Düse durch das Lichtbogenplasma und gelangt dann wieder mit erhöhter Geschwindigkeit in die Ausschaltstellung. Sobald der Weg für das Gas freigegeben wird, erhält man eine bestimmte Geschwindigkeit bzw. Steigung der Kurve. Wenn nun beispielsweise ein Bruch an der Zugstange, die unmittelbar am beweglichen Kontaktstück anschließt, auftritt, dann bewegt sich das bewegliche Kontaktstück sowie der Blaszylinder nicht und demgemäß muß sich die Geschwindigkeit der Kolbenstange der Antriebsvorrichtung erhöhen, zum einen, weil die dem beweglichen Kontaktstück entsprechende Masse nicht mehr beschleunigt wird und zum anderen weil ein Druckaufbau zur Erhöhung des Blasdruckes nicht mehr stattfindet.

Eine andere Möglichkeit ist folgende:

So wie sich die Geschwindigkeit bei einer Schalthandlung beim Bruch beispielsweise an der Zugstange erhöht, so kann sich die Geschwindigkeit der Kolbenstange der Antriebsvorrichtung auch verringern, beispielsweise weil die Reibung zwischen Gleitkontaktstücken oder die Reibung innerhalb von Lagerelementen erhöht wird. Dann wird die Schalthandlung längere Zeit in Anspruch nehmen, was ein Indiz für einen Fehler sein kann.

Die Änderung des Bewegungsverlaufes, d. h. die Änderung der Geschwindigkeit bei einer Schalthandlung kann nicht nur beim Ausschalten detektiert werden, sondern auch beim Einschalten. Es ist selbstverständlich, daß beispielsweise bei einem Bruch der Zugstange, die unmittelbar am beweglichen Kontaktstück anschließt, auch die Einschaltbewegung beschleunigt abläuft, so daß der Einschaltvorgang früher beendet ist als er hätte beendet sein sollen.

Man kann nun eine bestimmte zulässige Steigung der Kurve des Bewegungsverlaufes definieren; wenn die tatsächlich gemessene Steigung deutlich größer ist als diese zulässige Steigung, dann kann davon ausgegangen werden, daß ein Fehlerfall aufgetreten ist.

Zur Ermittlung der Steigung werden zwei Punkte des Bewegungsverlaufes herausgegriffen und der dazwischenliegende Bereich zur Messung verwendet:

1. Punkt = Trennung der Lichtbogenkontakte

2. Punkt = die Strecke 20% bis 30% vor Ende der Schalthandlung.

Näher an das Ende der Schalthandlung bzw. der Schaltbewegung zu gehen ist nicht zweckmäßig, da dort die Kurve des Bewegungsverlaufes in die Horizontale übergeht und es klar ist, daß der Steigungswert desto unbrauchbarer wird, je näher der zweite Punkt an der Endstellung der Schalthandlung liegt.

Zur Messung der Steigung gibt es mehrere Möglichkeiten. Zum einen kann der Bewegungsablauf an der Antriebsvorrichtung mit einem Sensor, beispielsweise einem Potentiometer, ermittelt werden, und aus diesem Wegverlauf errechnet ein Rechner die Steigung und die Geschwindigkeit und vergleicht die gemessenen Werte mit den zulässigen Werten. Es besteht auch die Möglichkeit, Hilfsschalter zu verwenden. Ein erster Schalter wird bei der Kontakttrennung und ein zweiter Schalter entsprechend später betätigt. Wenn die Schaltzeitpunkte der beiden Hilfsschalter näher beieinander oder weiter auseinander liegen als eine bestimmte zulässige Zeitdifferenz, dann ist ein Fehler am Leistungsschalter vorhanden.

Anhand der Zeichnung sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen und weitere Vorteile näher erläutert und beschrieben werden.

Es zeigen:

Fig. 1 und 2 Weg-Zeit-Diagramme zweier unterschiedlicher Schalter beim Ausschaltvorgang,

Fig. 3 ein Weg-Zeit-Diagramm beim Einschaltvorgang, und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Hochspannungsleistungsschalters.

Zunächst wird Bezug genommen auf die Fig. 4. Das Schaltgerät welches sehr schematisch dargestellt ist, besitzt ein festes Kontaktstück 10, welches mit einem beweglichen Kontaktstück 11 zusammenarbeitet, das an einer Kontaktstange 12 befestigt ist; alle diese Komponenten bilden den Hochspannungsleistungsschalter 13. Die Kontaktstange 12 ist mittels einer Kupplung 14 mit einer Antriebsstange 15 verbunden, welch letztere zum Ausgleich von Bewegungstoleranzen über ein Gelenk 16 mit einer Kolbenstange 17 gekuppelt ist, die zu einer Kolben-Zylinderanordnung 18 mit einem Zylinder 19 und einem darin befindlichen Kolben 20 gehört. An der Kolbenstange 17 ist der Kolben 20 befestigt.

Wenn nun zur Durchführung einer Ausschaltung in den kleineren Raum 21a der Kolben-Zylinderanordnung Druckfluid zugeführt und/oder der Raum 21 entlastet wird, dann bewegt sich der Kolben 20 in Pfeilrichtung P, wodurch über die Antriebsstange 15 und die Kupplung 14 die Kontaktstange 12 und damit das bewegliche Kontaktstück 11 in Ausschaltrichtung bewegt werden. Die Kontaktstelle 10, 11 kann dabei in einem Schalter angeordnet sein, der als Vakuumschalter, als Selbstblasschalter oder als Blaskolbenschalter ausgebildet ist.

Das bewegliche Kontaktstück 11 besitzt eine Masse m&sub1;&sub1; die Kontaktstange 12 eine Masse m&sub1;&sub2;, die Kupplung 14 eine Masse m&sub1;&sub4;, die Antriebsstange 15 eine Masse m&sub1;&sub5; und das Gelenk 16 eine Masse m&sub1;&sub6;. Die Summe dieser Massen m&sub1;&sub1; + m&sub1;&sub2; + m&sub1;&sub4; + m&sub1;&sub5; + m&sub1;&sub6; ist von der Kolben-Zylinderanordnung 18 zu beschleunigen und wenn der Schalter 13 ein sog. Blaskolbenschalter ist, dann ist auch ein Blasdruck zur Beblasung des Lichtbogens zu erzeugen. Hieraus ergibt sich für die Antriebsvorrichtung bzw. für die Kolben-Zylinderanordnung eine bestimmte geforderte Antriebsleistung und der Bewegungsverlauf und damit die Geschwindigkeit der Kolbenstange 17 und des Kolbens 20 sind hierdurch definiert und bestimmt.

Die Fig. 1 zeigt ein Weg-Zeit-Diagramm des Kolbens mit der Kolbenstange bei einem Selbstblasschalter und die Fig. 2 den Weg-Zeit-Verlauf bei einem Blaskolbenschalter, je bei einer Ausschaltung.

Bei der Ausführung nach Fig. 1 erkennt man, daß eine Kurve 1, eine Kurve 2 und eine Kurve 3 ein Band mit einer bestimmten Breite B bilden; die Breite des Bandes, welches als auch Sollband bezeichnet werden kann, ist abhängig von unterschiedlichen Faktoren, beispielsweise von mechanischen Einflüssen, wie z. B. Reibung in Lagern, oder in geringem Umfang auch von der Umgebungstemperatur.

Die Kurve 4, die rechts dieses Bandes B liegt, zeigt ein Verhalten eines Schalters, bei dem der Schaltvorgang verspätet eingeleitet oder verlangsamt worden ist, beispielsweise durch unzulässige hohe Reibungen in Lagern oder an der Kontaktstelle und dgl., und die Kurve 5 erhält man dann wenn beispielsweise die Antriebsstange 15 gebrochen ist und damit die Antriebsvorrichtung bzw. die Kolben-Zylinderanordnung lediglich den verbleibenden Teil der Antriebsstange, das Gelenk 16, die Kolbenstange 17 und den Kolben 20 beschleunigen muß. Diese Kurve zeigt, daß der Anstieg A5, der durch den Quotienten Wegstrecke : Zeit definiert ist, größer ist als die Anstiege der Kurven 1, 2, 3 und 4. Der Wert des Anstieges A5 und die damit definierte Geschwindigkeit liegen unterhalb des Bandes B, der als zulässiges Band bezeichnet werden kann. Die Messung der Anstiege kann dadurch erfolgen, daß man an der Kolbenstange 17 einen Sensor anbringt, der den Bewegungsverlauf anzeigt, oder man kann zwei Punkte benutzen, nämlich den Punkt P&sub1; der Kontakttrennung und einen Punkt P&sub2;, der z. B. 30% des gesamten Ausschaltweges von der Ausschaltstellung entfernt ist.

Bei dem Diagramm Fig. 2 zeigt die Kurve 6 den Bewegungsverlauf bei einem Blaskolbenschalter bei einer Kurzschlußabschaltung, die Kurve 7 den Bewegungsverlauf bei sog. Leerlauf, wenn der Schalter ohne Strom geschaltet wird, und die Kurve 8 den Verlauf bei Bruch beispielsweise des Gelenkes 16. Auch hier kann durch Definierung des Anstieges der einzelnen Kurven, insbesondere eines zulässigen Anstieges, und durch Vergleich mit dem Anstieg der Kurve 8 auf einen Fehler, z. B. auf den Bruch der Antriebsstange 15 oder des Gelenkes 16 geschlossen werden.

Die Punkte P&sub1; und P&sub2;, die bei einem Blaskolbenschalter ebenfalls benutzt werden können, werden durch Hilfsschalter definiert, die mit der Kolbenstange 17 in Verbindung stehen. Der zeitliche Abstand der beiden Punkte P&sub1; und P&sub2; ist natürlich bei den Kurven 4 und 5 bezogen auf die Kurve 1 bzw. das zwischen den beiden Kurven 2 und 3 liegende Band unterschiedlich, so ist der zeitliche Abstand ΔT zwischen den Punkten P&sub1; und P&sub2; der Kurve 5 kleiner als der zeitliche Abstand der Kurve 1 zwischen den Punkten P&sub1; und P&sub2; ebenso wie der zeitliche Abstand ΔT der Kurve 4.

Die Fig. 3 zeigt ein Weg-Zeit-Diagramm für einen Einschaltvorgang. Beginnend von der Einschaltung verläuft der Weg über der Zeit entsprechend einer Sollkurve gemäß der Kurve 9 oder einem dem Kurvenband zwischen den Kurven 2 und 3 der Fig. 1 entsprechenden Kurvenband (nicht gezeigt). Sollte beispielsweise ein Bruch an der Antriebsstange 15 erfolgt sein, dann erhält man eine beschleunigte Kurve, nämlich die Kurve 10. In ähnlicher Weise gibt es auch eine lediglich strichliert in der Fig. 3 gezeigte Kurve 11, die der Kurve 4 der Fig. 1 entspricht und dann entsteht, wenn sich der Einschaltvorgang aufgrund von Reibung in bestimmten Teilen, z. B. mit Gleit- oder Drehlagern, verzögert.

Die Kurven 4 bzw. 11 sind durchaus von wesentlicher Bedeutung, da diese Kurven andeuten können, daß ein größerer Fehler, der zu einer Fehlschalthandlung führt, noch erfolgen kann. Detektiert man die Kurven 4 und 11, dann kann noch etwas zur Vermeidung größerer Schäden getan werden, wogegen natürlich die Kurven 5 und 10 bei einem erfolgten Bruch oder bei einem sonstigen Fehler detektiert werden können.

Die Messung der Geschwindigkeit oder der Beschleunigung ist an sich bekannt; sie kann mit den verschiedensten Methoden durchgeführt werden; eine solche Methode ist beispielsweise die Messung der Zeitdifferenz zwischen der Betätigung zweier Hilfsschalter, eine inkrementale Messung der Bewegung der Kolbenstange und dgl.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Überwachung eines Mittel- oder Hochspannungsleistungsschalters, der ein bewegliches Kontaktstück aufweist, welches von einer Antriebsvorrichtung angetrieben wird, wobei zwischen der Antriebsvorrichtung und dem beweglichen Kontaktstück Getriebeelemente wie z. B. eine Kurbelwelle, eine Pleuelstange oder Antriebsstange und dgl. vorgesehen sind, die die Bewegung der Antriebsvorrichtung auf das bewegliche Kontaktstück übertragen, dadurch gekennzeichnet, daß der tatsächliche Bewegungsverlauf der Antriebsvorrichtung gemessen und mit einem Bewegungsverlauf-Sollwert verglichen wird, wobei bei Abweichung hin zu beschleunigtem oder verzögertem Bewegungsverlauf ein Alarmsignal abgegeben wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als charakteristische Werte die Geschwindigkeit und/oder die größte Steigung des Bewegungsverlaufes verwendet werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdifferenz zwischen der Betätigung zweier Hilfsschalter gemessen wird.






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