专利名称：监视开关设备触点烧损的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于监视开关设备中的触点烧损，尤其是用于判断接触器磨损状况的方法，其中检测并评估在断开过程中在打开的触点之间产生的电弧电压作为触点磨损状况的指示。此外本发明还涉及实施此方法的合适设备。
开关触点的使用寿命由烧损状况确定，亦即取决于在开关过程产生的电弧的影响下触点材料的逐渐损失。烧损通常使触点不均匀损耗。当在接触区内至少一个位置上触点材料或完全消蚀或损耗至规定的最小厚度时，便达到了开关触点的使用寿命。
与各种各样理论分析不同，实际上判断开关触点的状况往往只是通过断开开关设备和通过目视检查来进行。这主要适用于预估剩余寿命，了解剩余寿命对于开关设备的使用性能并因而对于线路中负载的工作可靠性均有重要意义。
由国际申请WO 94/22153 A1已知一种开关设备，其中触点在背面开槽并装在一个分开式触点架上。采用这一结构可方便地确定触点的剩余寿命当烧损时位于槽上方的材料消蚀，触点分成两半。在这种状态当接通时在触点两半之间产生电位差，它作为电压可以测出并可用作触点烧损的指示。此外，由DE 3714802 A1已知一种电子开关，其中至少为一个触点配设一光导体，可以从外部借助于适用的光学辅助装置测量它的传输特性。一种不允许的加重烧损触点的情况将改变此光学传输特性，并应最终导致破坏此光导体。
除了上述用于检测触点机械侵蚀的装置外，还有一些通过相应的方式评估电信号的建议。例如由DE 4028721 C2已知一种用于确定开关设备剩余寿命的方法，其中测定在开关过程中流动的电荷并针对开关过程累加。这一方法原则上不仅适合于显示确定的剩余寿命，而且除此以外还给出了任意时刻触点的烧损状况。
相比之下本发明的目的是提供一种简化的方法，它适用于判断接触器的运行准备状况，以及本发明还创造了一种相关的设备。
按本发明在前言所述类型的方法中为达到此目的采取的措施是，利用电弧电压的波动量作为触点磨损状况的判据。为了检测电弧电压的波动量，最好使用电弧电压的高频分量，尤其是在约1KHz以上的高频分量。电弧电压的高频分量经滤波后乘方。这些平方值可以累加并与一阈值比较。
因此，按本发明的设备的特征在于一种电路布置，借助于它检测电弧电压波动量并利用来判断触点的磨损状况。详细地说，此电路布置最好由高通滤波器、平方器、积分器和用于发生故障信号的单元组成。
本发明创造了一种方法和相关的设备，借助于它们可用简单的方法识别在使用接触器作为开关设备时尤其是主触点的状况，该主触点对于开关接触器的电气使用寿命起关键作用。在这种情况下最好也能使用在开关设备中已经存在的单元用于信号检测。
本发明突出的优点是，不必持续地观察开关设备或触点，在前言所述的先有技术中则必须这么做。在DE 2727378 C2中这也是必须的，该文献介绍了一种检查电气开关设备工作性能的装置，其中通过连续测量检测和累加触点处的电流。相比之下按DE 4416781 A1和DE 4132533 A1的设计包含一些特殊的方法，用于测量电源开关中熄弧火花的发展过程，或用于评估在电气机械滑动触点处的电弧。
在VDE-Fachbericht 42“Kontaktverhalten and Schalten”(11.Kontaktseminar，1991.9.25至27，在Universitaet Karlsruhe)[VDE-专业报告42“触头性能和开关”(第11期触头研究班，1991年9月25日至27日，在卡尔斯鲁厄大学)]中，给出了有磁触点电弧迁移特性的说明。在那里主要研究了运动电弧的现象，但是没有进一步得出有关判断触点磨损状况的结论。
下面借助附图所示实施例对本发明作进一步的详细说明。
图1所示为一种用于评估在开关设备断开的过程中在打开的触点之间产生的电弧电压的装置。
在开关设备的断开过程中，在触点之间形成的熔桥(Schmelzbruecke)转变成一个起先很短但随着触点开度的增大而扩展的电弧。此电弧形成开关接触元件的触点接触层上的底点，尤其在接触器中，这些接触层最好由在银-金属氧化物基例如AgSnO2上的触点材料组成。经过一个短的保持时间后，电弧在自磁化力的驱动下开始如所期望的那样迁移到通常存在的消弧腔内。在此运动期间，迫使电弧的底点在触点接触层上移动，这一情况与能量的交变状况相联系。为了补偿波动的功率损失，通过电弧从电路中提取相应的功率。由于电流基于主要在电路中实际存在的电感不可能按如此强烈的程度改变，使得电弧的电压与此交变的状况匹配，所以产生了所谓的波动量。
波动量定义为所产生的最大与最小电弧电压之差。其起因一方面与电弧运动有关，它的运动速度在约20至40m/s之间，及另一方面与触点表面不均匀性有关，该表面的粗糙度在约100至500μm范围内。例如当速度为20m/s和触点表面平均粗糙度为200μm时，产生的要评估的频率在100KHz范围内。所有的量均取决于触点类型和状态，但产生的频率无论如何均大于1KHz，所以应当研究电弧电压的这些高频分量。
随着开关的触点接触层被逐渐磨损，应确定触点表面增加的粗糙度和裂纹。这些又会在迁移过程引起电弧电压更大的波动量。
上述这种影响尤其在开关触点接触层被消耗到至少局部不再存在触点材料时表现得更明显。在这种情况下电弧必然在通常用铜制的支承材料上形成底点，这会引起为发射载流子所需的阴极电位降的突变。
可以检测随触点磨损增加而提高的电弧电压波动量，并利用来预估开关触点的磨损状况。为此在图中用ULB表示一个未示出的开关设备上的第一个接头。在接头ULB下游是高通滤波器1，它在断开过程中滤出电弧电压的高频分量，也就是由此选除了电弧电压的低频分量。由此而产生的信号实行数值运算，例如为此输入一平方器2，并在乘方后通过积分器3累加。
通过与阈值发生器4的信号比较，当积分器3出口处的一个取决于具体的开关设备类型的值超过时，产生一个相应的故障信号并进行显示。为此可按适当的方式设计相应的显示器。如此提供的信号可输入总线系统输往中央通信装置。
在按附图的线路布置中，可以选择在主触点闭合时积分器3复位，亦即U≌0，以保证在每次接通前总是处于确定的原始状态。
在对按附图的线路的修改中，高通滤波器1也可以通过来自低通滤波器的信号求差按软件进行模拟。在这种情况下首先实施指数平均法，然后将如此得出的信号从原始信号中减去。
权利要求
1.一种用于监视开关设备中的触点烧损，尤其是用于判断接触器磨损状况的方法，其中，检测并评估在断开过程中在打开的触点之间产生的电弧电压作为触点磨损状况的指示，其特征在于利用电弧电压的波动量作为触点磨损状况的判据。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于为了检测电弧电压的波动量，使用尤其在约1KHz以上的电弧电压高频分量。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于电弧电压的高频分量经滤波后乘方。
4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于在电弧断路持续期间对电弧电压的高频乘方分量积分，以及，将此积分值与一阈值比较。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于在每次触点闭合时积分值回零(U≌0)，以保证每次开关前处于确定的原始状态。
6.按照权利要求2所述的方法，其特征在于为了过滤高频分量采用高通滤波器。
7.按照权利要求2所述的方法，其特征在于电弧电压的高频分量通过在电弧电压与一个最好通过求电弧电压浮动的平均值得出的信号之间求差获得。
8.按照权利要求2所述的方法，其特征在于所述被计算出的信号与阈值比较，由此计算出剩余寿命，以及这一信息出于监视和控制的目的被输入总线系统。
9.一种实施如权利要求1或权利要求2至8中任一项所述方法的设备，其中，接触器的磨损状况通过在断开过程中评估电弧电压的高频分量进行检测，其特征在于一种线路布置(10)，借助于它检测电弧电压的波动量，并利用来判断触点的磨损状态。
10.按照权利要求9所述的设备，其特征在于所述装置(10)由一高通滤波器(1)、一平方器(2)、一积分器(3)和一用于发生指示信号的单元(4)组成。
11.按照权利要求10所述的设备，其特征在于所述用于发生指示信号的单元是一个比较器(4)。
12.按照权利要求11所述的设备，其特征在于所述积分器(3)可由一复位器(5)控制。
13.按照权利要求11所述的设备，其特征在于所述高通滤波器通过在经低通滤波后的电弧电压与电弧电压之间求差自动执行。
全文摘要
一种监视开关设备触点烧损的方法和设备,已知接触器的使用寿命主要由主触点的磨损状况确定。为预防由于触点缺乏工作能力造成不应用的开关设备的故障,按本发明使用在断开过程中在打开的触点之间形成的电弧作为指示;测量电弧电压;以及,利用电弧电压的波动量作为触点磨损状况的判据。相关的设备由一种线路布置(10)构成,它由至少一个高通滤波器(1)、一个平方器(2)、一个积分器(3)和一个用于发生故障信号的器件(4)组成。
文档编号G01R31/327GK1202979SQ96198494
公开日1998年12月23日 申请日期1996年11月25日 优先权日1995年12月1日
发明者格尔德·格里彭特罗格, 戴维-沃尔特·布兰斯顿, 诺伯特·埃尔斯纳, 莱因哈德·梅尔 申请人:西门子公司