专利名称:能够确定和显示接触部烧损的大功率开关的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及高压开关技术的领域,特别是能量分配网络中的功率 开关。本实用新型涉及一种根据独立权利要求
的前序部分的功率开关。
背景技术：
为了将电能供给系统的一部分与其余能量供给系统断开或接通，通常 使用功率开关。在工作中以及在接通和关断期间，在此对功率开关提出不 同的技术要求。于是， 一方面开关接触部必须具有高的耐热性和耐烧损 性，以使在接通和断开功率开关时能够经受住电弧的高温。另一方面，功 率开关的接触部必须具有尽可能小的电阻，以便在功率开关的接通状态 中在持续电流的情况下将欧姆性损耗最小化。
为了符合这些要求，功率开关具有接触系统至烧损接触系统和额定电 流接触系统的划分。开关构造为使得额定电流接触系统在电流引导时是决 定性的，而在开关的阶段中在烧损接触部之间的电弧被拉伸，由此于是烧 损接触系统是决定性的。此外，烧损接触系统防止了在额定电流接触部之 间的电弧燃烧。为了保证该功能，在接通和关断时在额定电流接触系统的 分离或接触与烧损接触系统的分离或接触之间出现时间上的延迟。时间差 也称为交叠时间，而位置差称为交叠长度。为了保证功率开关的正确功能， 不允许低于烧损接触部的确定的临界交叠时间或交叠长度，而低于烧损接
损。为了测量该烧损并且由此为了确定和显示功率开关的剩余的寿命，现 有技术中公开了多种方法。
EP 1318533公开了一种方法，其中电弧的烧损作用可以从受到电弧 作用的部件的几何参数以及所确定的电流-时间函数中以数学方式计算。 在多次开关过程之后所出现的烧损可以通过将所有先前的开关事件中计 算的烧损求和来确定。在此，开关的当前状态由监视系统计算，并且在达 到临界的测量值时借助报警消息来通知。该方法中的困难之处尤其是，考虑实际的烧损与所计算的烧损的偏差用于确定开关的剩余寿命。在此，由 于受到电弧作用的部件的几何参数的不精确仿真以及在开关过程中电流 值和时间值的有缺陷的检测，因此会出现偏差。
此外，DE 10260248公开了可以借助穿通压力监视 (Durchdruckueberwachung)来检测仅仅带有一个单个的开关接触系统 的开关(真空保护)的烧损确定和剩余寿命确定。在此，测量由于在开关 接触件上的烧损而改变的弹性距离(Federweg)，穿通压力弹簧以该弹性 距离压缩开关接触件。相应的弹簧位置的指示借助固定在弹簧上的指针来 进行，该指针将相应的值连续地映射到刻度尺上。替代地，提出了用于连 续的信号检测(位置确定)的测量方法如压电—弯曲转换器、光势垒和动 线闺，其中在关断过程中基于时间间隔测量来测量两个结果。在此，对于 确定烧损而产生的缺点是，烧损仅fet过辅助元素(例如弹性距离)来检 测，而这些辅助元素又受一定的^^差影响和附加的误差影响。
在欧洲申请05405679.1中，借助动态电阻测量(DRM)来确定具有 额定电流接触系统和烧损接触系统的电开关设备中的接触烧损。为此，借 助电阻测量在分离额定电流接触部和烧损电流接触部时测量在并联电流 路径中额定电流接触部和烧损电流接触部的分离之间的交叠时间，并且由 此确定烧损。该测量方法的缺点是，为了测量烧损，必须将开关从能量供 给网络断开并且借助辅助电源现场进行测量。
EP1 555 683 A描述了 一种用于在借助电动机驱动的功率开关上进行 接触部烧损测量的方法，其中确定不同的电弧接触部上的时间差，以及确 定烧损的电弧件上的时间差，并且根据两个时间差确定烧损长度。在该现 有技术中证明不利的是，由于间接的测量方法，即测量电动机的驱动电流， 所以只能不够精确地确定烧损状态。
在EP 0 694 937 A2中公开了 一种用于确定保护接触部的剩余寿命的 方法，其中确定保护的剩余寿命并且通过开关设备上的显示装置以百分比 (%)的形式作为剩余开关次数和作为剩余工作时间来显示。
在US2005/122117A中描述了 一种用于确定开关i殳备的接触部磨损的 方法，其中测量闭合接触部时的运行时间变化。运行时间测量借助电流传 感器一方面通过测量用于开关接触部的驱动电磁铁的激励电流并且另一 方面通过测量通过开关接触部的电流来进行。在该现有技术中证明不利的 是，由于是间接的测量方法，即测量电磁铁的激励电流，接触部闭合的时刻的确定可能不够精确。希望的是，测量直接与接触部的闭合运动关联的 信号。
实用新型内容
因此，本实用新型的任务是，提出一种改进的功率开关，借助该功率 开关提高了开关的运行可靠性并且借助该功率开关也能够实现简化地识 别功率开关的运行状态。根据本实用新型，该任务通过独立权利要求
的特 征解决。
本实用新型的主M—种功率开关，其包括烧损接触系统和用于移动 烧损接触部的至少之一的机械驱动装置，其中机械驱动装置包括^能量 存储器、触发元件和至可移动的烧损接触部的力传递元件，该开关的特征 在于，存在用于确定接触部烧损的装置，这些装置具有用于检测参考时刻 的传感器，其中力传递元件在该参考时刻通过预先给定的位置。此外，该 功率开关具有用于检测通过功率开关的主电流和用于检测开关时刻的电 流传感器，其中在该开关时刻主电流表明烧损接触系统的接触部闭合或断
开；该功率开关还具有信号检测单元，用于根据时间差确定烧损接触部的 烧损状态。此外，功率开关具有用于检测参考时刻的传感器，在该参考时 刻存在用于触发单元的触发指令。存在用于检测机械驱动装置的至少一个 工作参数以及必要时用于基于工作参数的实际值和额定值之间的偏差来 校正参考时刻的装置。在另一优选的实施形式中，工作参lbl机械驱动装 置的温度和/或触发元件的供给电压和/或能量存储装置的充电状态。在另 一种优选的实施形式中，机械驱动装置是弹性存储器驱动装置，其中触发 元件用于术>开弹性能量存储器的卡锁或者用于打开液压阀，以《更在接通或 关断过程中将力传递的方向反转。在本实用新型的另一方面中，本实用新 型还在于功率开关具有用于确定测量信号的信号检测单元，该信号表明 烧损接触部的烧损状态，并且功率开关具有用于显示接触部烧损的显示单 元，其中信号检测单元具有计算装置，用于将测量信号与才艮警区间或者无 疑性区间(Unbedenklichkeitsintervall)关联。显示单元具有当测量信号 位于报警区间中时用于将报警信号以光学方式和/或声学方式输出的装 置。
根据本实用新型的功率开关包括烧损接触系统和用于移动烧损接触 部的至少之一的机械驱动装置，其中;WM区动装置包括机械能量存储器、触发元件和至可移动的烧损接触部的力传递元件，其中存在用于确定接触
部烧损的装置，这些装置包括用于检测参考时刻的传感器，其中力传递 元件在该参考时刻通过预先给定的位置；以及用于检测通过功率开关的主 电流和用于检测开关时刻的电流传感器，其中在该开关时刻主电流表明烧 损接触系统的接触部闭合或断开；以及信号检测单元，用于根据时间差确 定烧损接触部的烧损状态，其中在功率开关的开关过程中确定该开关过程 的参考时刻和该开关过程的开关时刻之间的初始时间差，其中针对另一开
时间差，并且其中由瞬时时间差与初始时间差的偏差确定烧损接触部的烧 损状态，以及其中功率开关包括用于确定测量信号的信号检测单元，该 测量信号表明烧损接触部的烧损状态；和用于显示接触部烧损的显示单 元，其中信号检测单元具有计算装置，用于将测量信号与报警区间或者无 疑性区间关联，并且其中显示单元具有用于将报警信号以光学方式和/或 声学方式输出的装置，其特征在于，计算装置设计用于将测量信号与报警 区间、无疑性区间或者位于其间的可疑区间关联，并且显示单元设计用于 借助三种不同的颜色输出三级信号。
在用于测量电功率开关的接触部烧损的方法中，该开关包括烧损接触 部和用于移动烧损接触部的至少之一的机械驱动装置。该机械驱动装置包 括机械能量存储器、触发元件和至可移动的烧损接触部的力传递元件。存 在额定电流接触系统，并且限定参考时刻，这些参考时刻表明出现开关过 程。确定表明烧损接触系统的接触部闭合或断开的开关时刻。在功率开关 的开关过程中确定该开关过程的参考时刻和该开关过程的开关时刻之间 的初始时间差，其中针对另 一开关过程确定该开关过程的参考时刻和该开 关过程的开关时刻之间的瞬时时间差，并且其中由瞬时时间差与初始时间 差的偏差确定烧损接触部的烧损状态。
在一种用于显示功率开关的接触部烧损的方法中，功率开关具有接触 系统、用于确定接触系统的烧损的信号检测单元以及显示单元。确定测量 信号，该测量信号表明烧损接触部的烧损状态。针对测量信号确定至少一 个无疑性区间和至少一个报警区间，其中当测量信号位于报警区间时，在 显示单元上输出报警信号。报警信号通知有限数目的还允许的开关过程。
功率开关的参考时刻的特M于，该参考时刻能够可重复地在每个开 关过程中被确定。优选的是，在接通过程中在开关闭合时检测参考时刻。在一个优选的实施例中，参考时刻直接通过对驱动装置的接通指令来给 出。接通指令于是可以是电流变化或电压变化形式的信号，该信号例如在 功率开关的驱动装置的线團中被触发。在另一优选的实施形式中，参考时 刻通过开关驱动装置的移动而确定，该移动通过用于闭合开关的接通指令
触发。在另一优选的实施形式中，参考时刻通过以下方式确定,接通 指令通过开关驱动装置的主接触系统的运动曲线上的确定的参考点或者 确定的参考水平，并且该参考点或者参考水平例如借助路径传感器或转动 传感器、辅助接触部或者光势垒来测量。
测量方法的工作原理在于，确定由于增大的烧损而引起的、移动限定 的第一参考时刻和电流限定的第二时刻之间的变化的时间差。
本实用新型的其他优选的实施形式、优点和应用由从属权利要求
、权 利要求的组合以及以下的描述和附图中得出。
以下将借助附图中示出的优选实施例进一步阐述本实用新型的主题。 其中
图1示意性地示出了带有烧损接触系统和额定电流接触系统的功率 开关的简化电路图，该功率开关与电能供给系统的部分相连；
图2示意性地示出了功率开关中的烧损接触系统和额定电流接触系 统的电流-时间特性曲线的实施例。
附图中使用的附图标记及其含义在附图标记表中被总结性地列出。在 附图中，相同或者作用相同的部分基本上设置有相同的或相似的附图标 记。对于理解本实用新型不重要的部件部分未被示出。所描述的实施例对 于实用新型主^A示例性的，并且没有限制作用。
具体实施方式
图1示意性地示出了电功率开关1，该电功率开关包含于未被进一步 示出的能量供给系统中。高压开关和中压开关考虑作为功率开关l，这些 高压和中压开关例如可以是发电机开关或者功率接地装置
(Leistungserder )。开关1使电能供给系统的线路区段3b和线路区段3a断开或电连接。为此，开关l的接触系统(2a， 2n)借助机械的弹性存储 器驱动装置11断开或闭合。驱动装置11的触发元件13触发构建为板簧 的M能量存储装置14，其中该能量存储装置借助可以构建为驱动杆的 元件15来进行至开关的接触系统(2a, 2n)的力传递，用于进行闭合/ 断开。在闭合开关1时，首先闭合烧损接触系统2a，并且随后以数亳秒 的时间延迟闭合额定电流接触系统2n。在功率开关1中流动的电流在闭 合过程期间从烧损接触系统2a换向到额定电流接触系统2n。此外，功率 开关l包括用于检测测量信号的传感器9、 10,用于检测和处理测量信号 的信号检测单元4以及显示单元5，借助该显示单元例如可以通过烧损的 信号表示或者剩余寿命来显示功率开关1的状态。
在本实用新型中，由所测量到的、与烧损接触系统的接触部闭合的时 间差来确定在烧损接触系统上的烧损，并且利用它来评估功率开关1的剩 余寿命。时间差测量"在线"进行，即在开关l工作中并且与能量供给网 络电连接时，并且在开关1的接通阶段期间进行。开关1由此有利地不必 与能量供给网络去耦，以便进行烧损确定。类似地，烧损确定也可以在功 率开关l的关断阶段中进行，然而其中由于出现电弧，确定烧损接触系统 2a上的接触分离的准确时刻证实是更为困难的。开关的断开时刻的检测 例如可能通过测量出现的电弧电压来ii行。
为了确定在闭合开关1时烧损接触系统的烧损并且由此评估开关的 剩余寿命，检测参考时刻tr和烧损接触系统2a的两个烧损接触部的第一 接触之间的时间差，并且由此检测在时刻ta在主系统中电流的开始。随 着开关过程的次数增大以及与此关联的在烧损接触系统2a的接触部上的 烧损增大，由于所引起的材料磨损使得路程段更大，并且由此使得从触发 闭合过程到闭合接触部2a所需的持续时间变得更长。
图2示意性地针对烧损接触系统2a (特性曲线6)和针对额定电流接 触系统2n (特性曲线7)示出了在接通过程期间电流I的时间曲线。作为 参考时刻tr可以使用在驱动装置上的任意可再现的信号，例如在驱动线 圏中由于在闭合开关l时的接通指令而出现的电压变化。然而，例如接通
指令本身、辅助接触部的信号或者通过接通指令触发的驱动装置的移动或 者线團中的电流变化可以祐^检测并且用作用于确定参考时刻tr的信号。 在此重要的是，参考时刻可以再现。在触发接通过程之后数毫秒，在烧损 接触系统2a的接触部在时刻ta闭合期间，出现通过功率开关1的烧损接触部2a的电流。在又数毫秒之后，在时刻tn，额定电流接触系统2n的 接触部也闭合，并且电流I由此也可以流过额定电流接触系统2n的接触 部。
为了在开关1闭合时检测参考时刻tr和时刻ta，如图1中示意性示 出的那样设置了传感器9和10。在此，例如可以使用电压测量设备作为 用于测量参考时刻tr的传感器9。然而如果参考时刻tr的确定通过测量 电流或者通过确定未示出的开关驱动装置的限定的移动位置来ii行时，也 可能容易地使用电流转换器、辅助接触部或者光势垒作为传感器9。由此， 参考时刻tr限定了闭合过程的开始。通常使用电流转换器10作为用于确 定时刻tr的传感器10，该电流转换器检测在闭合烧损接触系统2a时的电 流。替代地，霍尔探头或者罗果夫斯基(Rogowski)线團也可以用作电 流传感器10。电流传感器10可以如图1中所示地设置在线路区段3a上 或者线路区段3b上。
[25
通过传感器9、 10确定的给定参考时刻tr和时刻ta的测量量被信号 检测单元4检测和处理。由此得到的信息如接触部烧损的大小或者开关1 的剩余寿命可以通过功率开关1的显示单元5而显示给用户。在也称为开 关的初始闭合过程的第一闭合过程中，由信号检测单元4确定该开关过程 的参考时刻t^和在该开关过程中在闭合烧损接触部时的开关时刻tal之 间的初始时间差ta「 tri。对于每个另外的闭合过程，信号检测单元4由 瞬时参考时刻trx和瞬时开关时刻tax确定瞬时时间差tax-trx。由信号检 测单元4确定的瞬时时间差tax-trx和初始时间差ta「t^之间的偏差是 针对功率开关1的接触部上的烧损的度量。随着开关周期的次数增大，瞬 时开关时刻tax向阈值tas的方向推移，如图1中通过箭头8所表明的那样。 如果超过针对瞬时时间差tax — trx所定义的阈值tas(该阈值对应于临界的 烧损长度)，则该状态通过显示单元用信号通知用户。有利的是，借助超 过阈值tas而确定断开和闭合过程的次数，使得可以将关于开关周期的剩 余次数的准确信息告知用户。有利的是，在第一次开关过程之前，初始时 间差ta「tn作为开关l的典型系统量已知，并且可以在使用功率开关之 前通过信号检测单元4输入。通过这种方式，可以确定临界的烧损长度并 且由此将开关1的剩余寿命直接作为典型系统量和瞬时时间差tax26
在另一实施形式中，仅仅考虑如下的用于确定烧损的测量在这些测 量中，已知的影响量例如功率开关的停顿时间、温度和驱动能量处于限定 的范围中。这样的优点是，由这些影响量引起的波动不会影响烧损确定， 并且于是可能进行可靠的烧损确定。替代地，也可以通过^M尝而消除已知 的相关性。
[271在另一实施形式中定义了多个阈值tas，在超过这些阈值时用信号通 知功率开关1的相应状态。有利的是，针对功率开关的'l^两个状态输出 信号，即在阈值tas之上和阈值tas之下。在另一有利的实施形式中，针对 三个状态输出信号，即在第一阈值t^之下，在第二阈值tas2之上以;5Ufr 第 一和第二阈值之间。功率开关1的相应状态通过显示元件5显示给用户。
[28
有利的是，在确定接触烧损时，通过测量流经烧损接触部2a的接通 电流或者通过测量接通电流的时间导数而确定第二时刻tai、 tax。在此， 在烧损接触部2a的接触部触碰的情况下，在电,伸(Lichtbogenziehen) 期间或者在达到饱和电流时，确定所测量的接通电流。电流转换器或者 Rogowski线圏被用作传感器10用于测量接通电流I，其中在Rogowski 线圏的情况下，测量接通电流的时间导数。在此，接触部烧损的显示通过 作为(特别是彩色的)光学和/或声学的报警信号和/或无疑性信号来进行。 这样的优点是，用户始终被告知功率开关的当前状态。为了尽可能简单地 将功率开关1的当前状态通知用户，存在',一个报警区间8b和恰好一 个无疑性区间8a，并且报警区间8b和无疑性区间8a通过两种不同的颜 色表示。在另一优选的实施形式中，功率开关的每个当前的状态通过三种 不同的颜色通知用户，其中这些颜色对应于报警区间8b、无疑性区间8a 和位于其间的可疑区间。该多级显示的优点是，在烧损接触部在进一步的 开关周期之后被烧损使得开关达到临界的功能能力之前，向用户通知中间 状态。由此，用户被预先警告并且可以预先计划修改开关l。附图标记表
I 功率开关
2a 烧损接触系统，烧损接触部
2n 额定电流接触系统
3a, 3b 线路区段，线路
4 信号检测单元
5 显示单元
6 烧损接触系统电流-时间曲线
7 额定电流接触系统电流-时间曲线
8 时刻tax由于烧损的推移方向 8a 报警区间
8b 无疑性区间
9 传感器，参考传感器
10 电流传感器
II 驱动装置
13 触发元件
14 能量存储器
15 力传递元件 ti^ 初始参考时刻
trx 在第x个开关过程之后的参考时刻
taj 初始开关时刻
tax 在第x个开关过程之后的瞬时时刻
tas 阈值
tn 在额定电流接触系统的接触部闭合时的时刻
权利要求
1.一种功率开关(1)，其包括烧损接触系统(2a)和用于移动烧损接触部的至少之一的机械驱动装置(11)，其中机械驱动装置(11)包括机械能量存储器(14)、触发元件(13)和至可移动的烧损接触部的力传递元件(15)，其中存在用于确定接触部烧损的装置，这些装置包括
用于检测参考时刻(tr1，...，trx)的传感器(9)，其中力传递元件(15)在该参考时刻通过预先给定的位置；以及
用于检测通过功率开关(1)的主电流和用于检测开关时刻(ta1，...，tax)的电流传感器(10)，其中在该开关时刻主电流表明烧损接触系统(2a)的接触部闭合或断开；以及
信号检测单元(4)，用于根据时间差((tax-trx)-(ta1-tr1))确定烧损接触部(2a)的烧损状态，其中在功率开关(1)的开关过程中确定该开关过程的参考时刻(tr1)和该开关过程的开关时刻(ta1)之间的初始时间差(ta1-tr1)，其中针对另一开关过程确定该开关过程的参考时刻(trx)和该开关过程的开关时刻(tax)之间的瞬时时间差(tax-trx)，并且其中由瞬时时间差(tax-trx)与初始时间差(ta1-tr1)的偏差确定烧损接触部(2a)的烧损状态，以及
其中功率开关包括用于确定测量信号的信号检测单元(4)，该测量信号表明烧损接触部的烧损状态；和用于显示接触部烧损的显示单元(5)，其中信号检测单元(4)具有计算装置，用于将测量信号与报警区间(8a)或者无疑性区间(8b)关联，并且其中显示单元(5)具有用于将报警信号以光学方式和/或声学方式输出的装置，
其特征在于，
计算装置设计用于将测量信号与报警区间(8a)、无疑性区间(8b)或者位于其间的可疑区间关联，并且显示单元(5)设计用于借助三种不同的颜色输出三级信号。
2. 根据权利要求
1所述的功率开关(1 )，其特征在于，功率开关(1)包括被配置为用于检测工作M中的至少一个的装置， 所述工作^t是机械驱动装置的温度和/或触发元件(13 )的供给电压和/ 或能量存储装置的充电状态。
3. 根据权利要求
1或2所述的功率开关(1 )，其特征在于，M驱动装置(11)是弹性存储器驱动装置，其中触发元件(13 )用 于松开弹性能量存储器(14)的卡锁或者用于打开液压阀，以便在接通或 关断过程中将力传递的方向反转。
4. 根据权利要求
1或者2所述的功率开关(1 )，其特征在于，功率 开关(1) l良电机开关。
5. 根据权利要求
3所述的功率开关(1),其特征在于，功率开关(1) ;U1电机开关。
专利摘要
本实用新型涉及一种功率开关，其具有信号检测单元，用于确定该功率开关的电弧接触部的状态。此外，功率开关包括计算装置和显示单元，以便将信号检测单元的检测信号转换成信号区间并且随后显示电弧接触部的实际状态。该显示单元具有用于以光学方式和/或声学方式输出的装置。优选地，该接触部的状态通过三种不同的颜色来指示。
文档编号G01R31/327GKCN201302605SQ200790000067
公开日2009年9月2日 申请日期2007年6月26日
发明者卢卡斯·策恩德, 古泽克·克日什托夫, 托马斯·舍内曼, 米夏埃尔·施塔内克, 鲁本·福格尔桑 申请人:Abb技术有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan