專利名稱：確定開關裝置觸點處開關裝置特有數據和/或確定與之連接的電網內運行數據的方法
技術領域：
本發明涉及一種按權利要求1前序部分所述用于確定開關裝置觸點，尤其是接觸器觸點處開關裝置特有數據和/或確定與之連接的電網內運行數據的方法。此外本發明還涉及一種實施此方法的所屬設備。
在先公開的DE 4427006 A1和在未先公開的DE 19603310 A1及DE19603319 A1中介紹了用于確定接觸器剩余壽命的方法，其中由在銜鐵斷開運動的開始與觸頭開始斷開之間的時間差，測定在壽命期間逐漸增大的觸點磨損。在這里使用微處理器及用于檢測必要的測量參數的專用電子電路，確定所謂觸頭跳起(contact spring action)的當前值，由于觸點的燒損是從其新值(＝100％剩余壽命)逐漸降至其最低值(＝0％剩余壽命)。將銜鐵在斷開過程中在銜鐵開始斷開與觸點開始斷開之間經過的路段稱為觸頭跳起(Kontaktdurchdruck)。
以此為出發點，本發明的目的是在上述方法中加入附加的功能并創造所屬的設備。
本發明的目的是通過方法權利要求1的全部特征來實現的。所屬的設備由并列的設備權利要求15得出。本發明的方法及所屬設備的進一步改進設計在從屬權利要求中給出。
在本發明范圍內，現有的電子學知識一方面可用來在確定剩余壽命的同時，識別某些故障狀態并避免錯誤計值，另一方面可用來獲得可利用于監控開關裝置的數據，如開關裝置或與之相連的電網的某些狀態。通過這種功能的擴展，可達到用最低的附加費用獲得其他的測量數據以及可使用已普遍存在的微處理機進行分析計算。
也就是說采用本發明可以用已有的“確定剩余壽命的電子學知識(Restlebensdauerelektronik)”確定開關裝置和/或電網的一些附加狀態。這些無需或只需少量附加技術性費用便可測定的狀態，在尤其使用接觸器作為開關裝置時最好是
1.檢測“接觸器驅動裝置的電路通/斷”2.操作循環數3.檢測“相位故障”4.檢測“電網電壓故障”5.檢測“觸點焊接”6.檢測“短路”其中第1、2和5點涉及作為開關裝置的接觸器的開關特性數據，第3、4和6點涉及相連電網的運行數據。
在相位故障時，在人造中性點處的電壓不處于零電位，當兩相完好時處于具有幅度為1/2U相的交流電壓狀態或一相完好時處于1U相交流電壓狀態。因此，用于觸點斷開的電子分析電路盡管橋式觸頭閉合仍產生周期性的輸出信號，由此在一般情況下由于所確定的時間差不正確而會導致錯誤地計算剩余壽命。
現在采取這樣的措施來解決上述問題，即，當兩種狀態“接觸器接通”和“相位故障”同時存在時，微處理器便能很好地停止剩余壽命的計算。停止計算由微處理器在規定的時間間隔后適時修正并在狀況未改變時在下一個時段繼續執行。接觸器斷開時間的最大值提供作為時間間隔長度。
在電網電壓故障時則相反，三相電網的所有三條相線L1、L2、L3均中斷。無論接觸器接通或斷開，在理想的情況下在接觸器負載側中性點電壓均為零。實際上與電網斷開的，亦即漂游的電流路徑就象天線一樣，它能電感應地和電容性地耦合干擾電壓。用于觸點斷開的電子分析電路對此的反應是偶爾受干擾信號影響產生輸出信號。
當兩種狀態“接觸器接通”和“電網電壓故障”同時存在時，在這里也通過微處理器停止剩余壽命的計算。計算的停止方式類似上面已說明的方式。
在一般的情況下，中性點電壓是相對于一個參考電位測量出來的，在按本發明的進一步發展所提供的設備中，操作電壓作為出現在中性點電路的一個電流支路上的電壓降能夠被檢測到。
下面借助于附圖所示實施例對本發明的其他優點和細節作進一步說明。附圖中

圖1示出在斷開過程中檢測接觸器觸點剩余壽命并與此同時測算與運行有關的數據或狀態；圖2示出在三相電網內的斷開過程中，為接觸器中第一個斷開的開關觸點生成斷開時刻Tk以及通過測量人造中性點電壓監控電網電壓；圖3示出用集成磁傳感器技術測定剩余壽命的實施例；圖4示出在不使用另一個參考電位的情況下檢測中性點處的觸點斷開；以及圖5示出用于測出圖4所示中性點處電流支路上的相電壓的求值裝置。
在各附圖中相同或作用相同的部分采用同樣的附圖標記標示。這些圖部分共同說明。
圖1表示確定剩余壽命的設備及其與一個接觸器1的配置。分析器100處于負載側10在接觸器和電負載例如電動機20之間，并通過一個用于識別觸點斷開的第一監控模塊101與相線L1、L2和L3觸點接通。監控模塊101控制微處理器105，后者確定觸頭跳起和其他的開關運行狀態。為此微處理器從一個單元102獲得其他的用于監控接觸器磁驅動機構的銜鐵斷開的信號。微處理器將所產生的數據輸給輸出裝置106，由輸出裝置106在必要時將所有與開關裝置有關的數據通過總線輸往其他分析器。
為接觸器配置一接觸器磁驅動機構5，它由銜鐵3與相應的磁軛4組成。磁軛4上安裝有接觸器線圈6或6′。線圈通過控制開關控制。在接觸器電磁線圈上的電壓被輸給所述單元102用于監控銜鐵斷開，銜鐵斷開信號被傳送給分析器100。
借助于上述線路可以根據監控模塊提供的時間信號通過微處理器105確定當前的觸頭跳起并由此確定主接觸元件的電氣壽命。除此之外，現在還可以確定其他一些開關裝置特有的數據，前言已指出了這些數據。下面詳細說明1)接觸器驅動機構“電路通/斷”用于由線圈電壓檢測銜鐵開始斷開的電子線路在正弦交流電壓過零時產生電壓脈沖。這些電壓脈沖可通過光電耦合器輸入微處理器105直接分析，或例如可通過可再觸發的時序級產生矩形波信號，它帶有一定延遲地跟隨開關狀態從“通”到“斷”的變換及電壓例如從“高”到“低”的變換。該一定延遲可規定為電網半周期的持續時間。2)操作循環數微處理器105計算例如在1)中說明的矩形脈沖信號從高到低變換的次數。3)相位故障相位故障在接觸器1接通狀態作為周期性中性點信號加以檢測，并可在觸點斷開的分析電路中按圖2直接作為周期性(雙倍電網頻率)輸出信號由微處理器識別。4)電網電壓故障在連接在相線的負載側，在測量接頭與測量接地點之間的人造中性點線路分壓器上，量取與相電壓成比例的電壓并作為數字信號進一步處理。
若在接觸器的接通狀態沒有測得此類電壓以及微處理器也未發現任何相位故障，則作為結果顯示電網電壓故障。5)接觸焊接接觸焊接可在接觸器斷開狀態，存在電網電壓的情況下識別。
三極焊接的極端情況借助于出現狀態“接觸器驅動機構電路斷”和“沒有電網電壓故障”來識別。
“接觸器驅動機構電路斷”和“相位故障”狀態同時發生時可判斷為單極或雙極焊接。活動橋式觸點的單側焊接在接觸器斷開狀態下是不可能測得的，因為與此相關的觸點間距是電氣斷開的。但這種橋式觸頭在接觸器接通狀態會有高概率地在負載側產生相位故障。因此當故障指示為“相位故障”時，必須附加指出兩種可能的原因“相線中斷”或“接觸器開關極斷開”。6)短路識別短路可采用過載繼電器中所使用的電流互感器。作為另一種可選擇的方案，例如采用磁傳感器，通過它檢測規定的電流門限是否被超過。除霍耳效應傳感器或磁阻效應傳感器外，還可以使用廉價的電感傳感器。這些傳感器絕緣地直接裝在主電流傳導路徑上，以便使被測的磁場能處于支配地位以及能使相鄰的發生短路的開關裝置的磁場影響可以忽略不計。
短路識別原則上由微處理器通過接觸器接通狀態邏輯運算。在記錄到短路時微處理器輸出附加的報警信號，以檢查接觸器觸點是否焊接。尤其能有控制地斷開接觸器，以便實施焊接檢驗。為此，接觸器驅動機構的控制相可通過一個由微處理器控制的常閉觸頭短時斷開接觸，或在持續短路時持久地斷開。
圖2表示一個實施例線路，用于當最嚴重燒損的主觸頭觸點開始斷開時生成一個時間信號Tk。此線路重要的特征在于，測量三相電網在人造中性點S處三極開關裝置的接觸電壓(電弧電壓)。作為對前面所述線路的補充，現在有一個擴展的分析器180，用于檢測電網電壓和用于檢測中性點電壓。由此一方面可在斷開過程確定初次斷開開關觸點的時刻Tk，另一方面同時監控電網電壓。
按圖3是對前面所介紹的現有技術的相應擴展，可以借助于檢測短路用的集成磁傳感器進行剩余壽命檢測。在這里，在電動機20前與接觸器1之間連接一個包括用于剩余壽命檢測的集成裝置200的過載繼電器，其中，裝置201、202和205與圖1中的裝置101、102和105相對應。此外在圖3中還有一個監控短路用的模件220。監控模件220由配屬于各導線的磁傳感器221至223控制。
由列表“通過邏輯運算分析測得的信號”以列表說明的方式表明，除了通過監控觸頭跳起檢測觸點的燒損外，通過邏輯運算借助于圖1至3具體測得的信號，還可以說明開關裝置的狀態。在這里重要的是求值分析線路基本上仍可采用與以往相同的結構。
通過邏輯運算分析測得的信號迄今在根據線圈電壓確定銜鐵開始斷開時不安裝R-C元件，因為安裝R-C元件會導致無法分析出線圈電壓的變化過程。可供選用的是可變電阻或齊納二極管。
業已證明，可變電阻將過電壓僅限于其額定工作電壓值的約1.75倍。業已證實更有利的是抑制二極管，它的電流電壓特性曲線急劇折拐。比較有利的是抑制二極管和可變電阻在正常工作中都不吸收電功率。另一種可能的配置是通過橋式整流器連接在正、負出口上的電容器，為了放電它與一高歐姆電阻并聯。在接通接觸器線圈時電容器充電到控制相的峰值電壓，并在抑制過電壓的情況下短時提高其電壓。在接觸器線圈斷開時電容器通過并聯電阻放電(功率損失＝電網2/R)。
在接通直流工作的接觸器驅動機構時防止過電壓的自激電路中，可在電流特性曲線上檢測銜鐵斷開。但要求出準確的銜鐵斷開時刻看來卻不太可能，因為信號特征曲線相對于一個可分析的線圈電壓信號在時間上擴展了約5倍。在用微處理器控制的自振蕩晶體管替代自激電路中的自振蕩二極管時(該自振蕩晶體管為了限制開關電壓與一個齊納二極管(反向)并聯)，則可以縮短接觸器的延時斷開并產生一個可分析的線圈電壓信號。
在圖2中，所需的初次斷開主接觸元件時開關電壓的時間信號，是通過測量固定的參考電壓(如零或地電位)與在被監控的接觸器負載側人造中性點電位之間的電壓差得到的。然而在某些使用情況下，開關設備既不能提供零線，也不能提供保護導體。在這種情況下若要在接觸器的供電側通過另一個人造中性點形成固定的參考電位，則需要附加的技術性費用。另一種可供選擇的方案，是在圖4或5中不使用零電位或地電位檢測觸點開始斷開。
按圖4，出現的開關電壓作為電壓降在中性點線路的一個支路中檢測。測得的電壓用高通濾波器進一步處理并提供一個與開關電壓成比例的輸出電壓。它可以按傳統的方式在超過規定的閾值時產生期望的觸點初次開始斷開的控制信號。
對于開關電壓(電弧電壓)適用下式U1+U2+U3＝0，I1+I2+I3＝0U1-USTP＝R*I1+L*d/dt(I1)+UB1U2-USTP＝R*I2+L*d/dt(I2)+UB2U3-USTP＝R*I3+L*d/dt(I3)+UB3Σ:USTP=-(UB1+UB2+UB3)/3‾]]>式中U(1、2、3)＝相電壓、USTP＝中性點電壓、I(1、2、3)＝相電流、UB(1、2、 3)＝電弧電壓、R＝歐姆負載、L＝電感負載。
在初次斷開開關極的情況下例如UB2和UB3為零，于是得出USTP＝-UB1/3代入上面的方程中以及在L＝0、U＝U1、2、3以及I＝I1、2、3時，可得出在中性點線路的一個支路上兩個可能的測量值為R*I＝U-2/3UBR*I＝U+1/3UB在圖4中標號50表示包括電容Cx和歐姆電阻Rx的無源高通濾波器，通過它控制一個用于確定觸點斷開時刻的裝置500。由此準確確定時刻Tk，而無需存在參考電位，如零電位或地電位。為了確定弧電壓分量，用高通濾波器50(例如f(-3dB)＝5…10KHz)消除有干擾的50Hz-電網電壓分量。
在圖4具有無源高通濾波器的結構中，對于一個16V電壓階躍(它相應于在接觸器電橋觸頭的觸點分開之后的開關電壓)測量得到幅度約1V的有效信號，有干擾的電網電壓(220V～)產生的剩余信號幅度同樣約1V。采用有源的更高等級的高通濾波器，有干擾的電網電壓分量可減小到一個可忽略不計的量。
因此為了進一步減少在測量電壓內的電網電壓分量，可取代圖4中的無源高通濾波器50而使用更高等級的有源高通濾波器或無源與有源高通濾波器的串聯線路。
通過串聯無源高通濾波器50可以將有源高通濾波器輸入電壓的幅度限制為允許值。
圖5中按下列方式修改了按圖4的線路，即，人造中性點線路的其中一條相線直接連接一分析裝置600，它同樣監控觸點斷開和電網電壓。從另外兩條相線各有用于監控其相電壓的一條測量線連接在此分析裝置上。在這里分析裝置600包含無源和/或有源高通濾波器，用于檢測初次斷開的開關觸點的開關電壓，除此之外還包含有檢測被監控電路相電壓的電子線路。
借助于這些圖主要說明了接觸器觸點的監控，而下列考慮則適用于檢測功率開關的剩余壽命
在正常的斷開過程中，彈性蓄力器的機械能轉化為運動的開關鎖構件和運動觸點的動能以及轉化成摩擦功。
隨著機械能轉化為動能，確定從開關鎖斷開動作開始到觸點開始斷開的運動過程，并進而確定所需的時間。
由于觸點燒損，無論觸點處于接通狀態還是分開的瞬間，運動觸頭支承相對于固定觸頭支承的位置都有所改變，因而相應地改變了與運動觸頭支承連接的開關鎖構件的位置。例如開關軸便算作此類開關鎖構件，運動觸頭支承裝在此開關軸上，此外還有將力傳給開關軸和/或運動觸點的杠桿機構。
開關鎖構件的運動(直線和/或旋轉運動)通常屬于不均勻加速運動。由于觸點燒損，如下面簡單的例子所說明的那樣，使得觸點斷開時刻朝更短的時間偏移Δt1)具有等加速度b的加速運動行程時間t1、t2行程時間差Δt＝t1-t2t1＝在觸點為新的狀態下的斷開時間t2＝觸點有材料燒損時的斷開時間行程S1、S2行程差ΔS＝S1-S2ΔS＝由于燒損引起的位置改變，例如觸點接觸面厚度改變V1＝規定的結構性常數，例如位置被監控的開關鎖構件在觸點斷開時刻的速度S1＝1/2 b*t12，S2＝1/2 b*t22，ΔS＝1/2 b*(t12-t22)＝1/2 b*(2t1-Δt)*Δt當V1＝b*t1時，得出ΔS＝(V1-1/2 b*Δt)Δt2)具有恒定速度V1的勻速運動S1＝V1*t1，S2＝V1*t2，ΔS＝V1*Δt當Δt＜＜t1、t2時，對于不均勻的加速運動，在實際的斷開過程中可近似取ΔS～Δt或ΔS＝V1*Δt并規定結構性常數V1。
下面用S表示觸頭跳起，在這里對新的狀態賦予給定的結構性值Sneu以及對壽命終止時賦予最低觸頭跳起Smin。
在測量行程時間時，對于觸頭跳起Sneu、S、Smin得出相關的行程時間tneu、t和tmin，借助于它們可以導出虛擬速度V1，以及Sneu-S＝ΔS＝V1*Δt(S)或
Sneu-Smin＝ΔSmax＝V1*Δtmax也就是說最大允許的觸點燒損ΔSmax與觸點斷開時刻朝著更短的行程時間的最大偏移Δtmax相對應。
為得到觸點斷開時刻的時間偏移Δt而測量行程時間，行程時間的終止時刻與觸點斷開時刻一致。所選出的開關鎖構件在斷開過程中到達事先規定位置的瞬時選擇作為起始時刻。由此還做到不利用下面的短路斷開來分析觸點燒損。在這樣的短路斷開情況下，在達到預定的開關鎖位置前，電流的力量已經把觸點斷開。從而避免在短路斷開時對觸點燒損作出錯誤的判斷。
開關鎖的結構特征具體決定了用于生成測量行程時間用的起始時刻的方法。為了在機電式斷路器中實現穩定的接通與斷開位置，開關鎖通常設計為翻轉杠桿機構的形式，其中翻轉杠桿機構在位置變換時必須越過一個死點位置。因此要預先規定一個開關鎖位置用于檢測行程時間的起始時刻，在此位置時翻轉杠桿機構處于死點位置與斷開時的最終位置之間。
為了在確定觸點燒損或剩余壽命時達到足夠的精度，需要精確檢測表征起始時刻的開關鎖位置，其精度至少為1/10mm。因為位置被監控的開關鎖構件在行程時間起始時刻的速度比結束時刻的速度低，所以位置不準確度為1/10mm時燒損檢測的不準確度預計會＞1/10mm。
所要求的精確的位置檢測，采用非接觸式工作的場相關的位置傳感器，如電感或電容式位移傳感器幾乎是不可能實現的。光學傳感器有例如由于燒損而受污染的問題，因此不適用于在開關裝置內作位置檢測。作為簡單、耐用的位置檢測裝置建議采用機電式輔助觸點，它受要監控的開關鎖構件的撞擊。此輔助觸點裝置的固定觸點決定了被監控的開關鎖構件運動觸點的撞擊位置。因此無須大的費用支出就能重復地檢測位置，其精度至少為1/10mm。
在開關裝置為新的狀態時或對于新的開關觸點，在斷開過程中檢測行程時間tneu，并將其儲存在一個恰當的非易失性的數據存儲器內。隨著觸點燒損增加使行程時間t縮短到tmin，它與最大允許燒損ΔSmax相對應。采用規定的結構性參數Δtmax(＝tneu-tmin)作為最大允許的行程時間縮短，采用微處理器確定(百分比)剩余壽命。
剩余壽命[％]＝(1-(行程時間(tneu)-行程時間(t))/Δtmax)*100在上述方程中，觸點燒損引起的位置改變與行程時間的改變之間可簡化為線性關系。由于結構的原因，觸頭跳起變化曲線與行程時間變化曲線有明顯的差別，所以虛擬速度V1隨觸點燒損量而改變。這可以采用近似計算，即通過在新狀態下結構性規定的V1′值與在壽命終止時的V1″值之間線性內插得出V1V1＝V1′*(Δtmax-Δt)/Δtmax+V1″*Δt/Δtmax其中Δt＝行程時間(tneu)-行程時間(t)由此得出確定剩余壽命(按百分比計)的方程剩余壽命[％]＝(1-Δt*V1/ΔSmax)*100上述方程可用現有的微處理器計算，所以可在線顯示。
權利要求
1.一種確定開關裝置觸點，尤其是接觸器觸點處開關裝置特有數據和/或確定與之連接的電網內運行數據的方法，其中檢測觸點間隔處的所謂觸頭跳起作為燒損的等效判據，為了確定觸頭接觸面的燒損，測量斷路過程中觸頭跳起的變化并換算出剩余壽命，為此在由銜鐵、電磁線圈及所屬的磁軛組成的開關裝置驅動機構中測量從銜鐵開始運動到觸點開始斷開的銜鐵行程時間，由所測得的時間確定銜鐵行程并由此確定觸頭跳起，其中借助于在所監控的開關裝置負載側采集觸點斷開的測量數據并根據線圈電壓發送有關銜鐵運動開始的信號，其特征在于根據觸頭跳起檢測信號，附加地檢測開關裝置和電網上的開關狀態、運行狀態和故障狀態。
2.按照權利要求1所述的方法，其特征在于檢測開關裝置驅動機構的運行狀態“電路通/斷”。
3.按照權利要求1所述的方法，其特征在于檢測操作循環的次數。
4.按照權利要求1所述的方法，其特征在于檢測相位故障。
5.按照權利要求1所述的方法，其特征在于檢測電網電壓故障。
6.按照權利要求1所述的方法，其特征在于檢測觸點焊接。
7.按照權利要求1所述的方法，其特征在于根據觸頭跳起檢測信號附加地導出在電網中可能存在的短路。
8.按照權利要求1、4和5所述的方法，其特征在于通過檢測相位故障和/或電網電壓故障，避免在確定開關觸點剩余壽命時的不正確計算。
9.按照權利要求1或2所述的方法，其特征在于開關裝置驅動機構“電路通/斷”信號通過一個光電耦合器輸入微處理器作進一步分析。
10.按照權利要求1和3所述的方法，其特征在于在微處理器內計算“電路通/斷”信號交替變換的次數。
11.按照權利要求1和4所述的方法，其特征在于由微處理器識別開關裝置接通狀態的相位故障。
12.按照權利要求1和5所述的方法，其特征在于電網電壓故障通過在人造中性點處的分壓器由微處理器識別。
13.按照權利要求1和6所述的方法，其特征在于存在電網電壓時識別開關裝置斷開狀態下的觸點焊接。
14.按照權利要求1和7所述的方法，其特征在于借助于磁傳感器通過檢測磁場來識別短路。
15.一種實施如上述任一項權利要求所述方法的設備，它包括分析電路和微處理器，用于根據時間信號確定觸頭跳起，其特征在于微處理器(105、205)同樣地處理有關電網狀態的信號。
16.按照權利要求15所述的設備，其特征在于微處理器(105、205)受用于分析計算電網電壓和/或相電壓的單元(180、190、500、600)的控制。
17.按照權利要求16所述的設備，其特征在于分析單元(180、190、500、600)含有用于檢測在人造中性點(S)處電弧電壓的裝置(圖4)。
18.按照權利要求17所述的設備，其特征在于用于檢測電弧電壓的裝置在沒有參考電位的情況下工作。
19.按照權利要求17所述的設備，其特征在于為其中一條輸電線路(L1、L2、L3)在人造中性點(S)處配置一高通濾波器(50)。
20.按照權利要求19所述的設備，其特征在于所述濾波器(50)是一種無源的高通濾波器。
21.按照權利要求19所述的設備，其特征在于所述濾波器(50)是一種有源的高通濾波器。
22.按照權利要求19所述的設備，其特征在于所述濾波器(50)是無源和有源高通濾波器的串聯電路。
23.按照權利要求15至22之一所述的設備，其特征在于為了在沒有參考電位的情況下確定電弧電壓，分析電路在人造中性點(S)處具有去往每條輸電線路的測量線，用于附加地檢測相電壓。
全文摘要
一種確定開關裝置中觸點處開關裝置特有數據和/或與之連接的電網內運行數據的方法及設備,尤其針對接觸器的觸點建議,檢測觸點間隔處的所謂觸頭跳起作為觸點燒損的等效判據。若測量在斷路過程中觸頭跳起的變化,則由此可確定燒損并換算出觸點的剩余壽命。為此有必要準確測量從銜鐵開始運動到觸點開始斷開的銜鐵行程。按照本發明,根據觸頭跳起檢測信號附加地檢測在開關裝置和在電網上的開關狀態。
文檔編號H01H1/00GK1267392SQ98808208
公開日2000年9月20日 申請日期1998年8月5日 優先權日1997年8月7日
發明者弗里茨·波爾, 諾伯特·埃爾斯納 申請人:西門子公司