DE19506168A1

DE19506168A1 - Einrichtung zur Schaltzustandserkennung von Schützen

Info

Publication number: DE19506168A1
Application number: DE1995106168
Authority: DE
Inventors: Fritz Dipl Phys Pohl
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1995-02-22
Filing date: 1995-02-22
Publication date: 1996-08-29

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Schalt zustandserkennung von Schützen, die wenigstens eine Schalt brücke mit zugehörigem Brückenträger, einen Anker und ein zu gehöriges Joch mit Schützmagnetspule aufweisen.

Im regulären Betriebszustand eines Schützes ist dessen Schaltzustand durch das Ein- bzw. Ausschalten der Schütz magnetspule definiert. Es ist jedoch wichtig, auch unabhängig vom Schaltzustand der Schützansteuerung erkennen zu können, ob das Schütz tatsächlich den vorgegebenen Schaltzustand ein nimmt oder ob eine Störung vorliegt. Störursachen können z. B. eine Leitungsunterbrechung in der Schützmagnetspule oder der Steuerleitung sein, ein nicht korrektes Schalten des Steuer schalters, beispielsweise des Tasters oder des im allgemeinen vorhandenen Hilfsschützes, eine Verschweißung der Schütz hauptkontakte, eine mechanische Blockierung od. dgl.

Weitere Störungen können das Stromtragverhalten der Haupt kontakte betreffen, wie der Bruch der Kontaktbrücke oder der Bruch des Brückenhalters, Fremdschichten auf den Kontakten oder ahnliches. Letztere Störmöglichkeiten können unter Um ständen durch Strommessung an den Hauptstrombahnen und Aus wertung der Stromsignale überwacht werden.

Mit der älteren, nicht vorveröffentlichten deutschen Patent anmeldung P 44 30 382.3 wird ein elektromechanisches Schalt gerät mit wenigstens einem beweglichen Kontakt und zugehöri gem Antrieb in einem Gerätegehäuse mit Mitteln zur berüh rungslosen Erkennung des Schaltzustandes vorgeschlagen, bei dem zur Erkennung der Schaltzustände Magnetfeldsensoren vor handen sind, die an geeigneter Stelle innerhalb und/oder außerhalb des Gerätegehäuses angeordnet sind und die mit den bestimmten Schaltzuständen verknüpfte Magnetfeldwerte er fassen. Demgegenüber ist speziell bei Schützen eine genaue Positionsbestimmung des Brückenträgers, z. B. das Überschrei ten einer vorgegebenen Positionsmarke, notwendig, um eine Kontaktverschweißung als solche erkennen zu können.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Einrichtung zur Schaltzustandserkennung speziell von Schützen anzugeben.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art durch wenigstens eine Meßeinrichtung zur Positionsbestimmung des Brückenträgers und eine elektro nische Schaltung zur Überwachung des Schaltzustandes der Schützmagnetspule und zur Auswertung der Positionssignale einerseits und der Schaltzustandssignale andererseits gelöst. Vorzugsweise ist die Positionsmeßeinrichtung eine statische Differential-Hall-Effekt-Sonde zur berührungsfreien Messung einer bestimmten Position des Brückenträgers. Dabei liegt der Meßort der Differential-Hall-Effekt-Sonde in der Positions meßeinrichtung im von Verschmutzung der Schützmechanik rela tiv geschützten Bereich des Gehäuses.

Im Rahmen der Erfindung beinhaltet die elektronische Schal tung ein Exklusiv-ODER-Schaltglied, an dessen einen Eingang das Ausgangssignal der Differential-Halleffekt-Sonde und an dessen anderen Eingang ein Schaltzustandssignal für die Schützmagnetspule angelegt wird. Als Signal für den Schaltzu stand der Schützmagnetspule kann von der Steuerspannung eine definierte Gleichspannung abgeleitet werden. Es ist aber auch möglich, ein diesbezügliches Signal durch Messung des magne tischen Streufeldes mit einem Hall-Effekt-IC zu generieren. Solche Hall-Effekt-ICs können zwischen der ferromagnetischen Bodenplatte des Schützgehäuses und einem gegenüberliegenden Jochbereich angeordnet sein.

Mit der Erfindung ist nunmehr die Erfassung des Ein- bzw. Ausschaltzustandes der Schützmagnetspule und der Ein- bzw. Ausschaltposition der Hauptkontakte über die elektronische Einrichtung eindeutig möglich, wobei die Auswertegrößen einem Datenbus zugeführt und in einer prozessorgesteuerten Über wachungseinrichtung weiterverarbeitet werden können.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbei spielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit weiteren Unteransprüchen. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Schützes mit am Kontaktbrückenträger angebrachten Positionsgeber,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Positionsgebers gemäß Fig. 1 mit entsprechendem Schaltsignal,

Fig. 3 die Auswerteschaltung zur Verarbeitung vom Schaltzustand der Schützmagnetspule einerseits und Positionssignal des Brückenträgers andererseits und

Fig. 4 einen Ausschnitt aus einem Schützgehäuse mit der Möglichkeit der Erfassung des Schaltzustandes der Schützmagnetspule.

In Fig. 1 ist ein Gehäuse 1 eines Schützes vereinfacht dar gestellt: Aus dem Gehäuse ragt im oberen Bereich ein beweg licher Brückenträger 2 mit einer Schaltbrücke 3 mit daran angebrachten Bewegkontakten 31. Auf dem Gehäuse ist ein Kon taktträger 4 mit den sogenannten Festkontakten 41 fest ange bracht.

In der Fig. 1 sind die Kontakte im geöffneten Zustand darge stellt, wobei die Größe der vollen Kontaktöffnung h vom jeweiligen Schütztyp abhängt und beispielsweise bei einem Schütz mit 55 kW-Nennleistung (380 V∼) etwa 10 mm betragen kann.

Im Gehäuse 1 sind die zugehörigen elektromagnetischen An triebsmittel untergebracht. Letztere sind im wesentlichen ein Joch 5 mit Zwangsluftspalt 54 und mit einer Spule 6 zur Rea lisierung eines Elektromagneten, dem ein am unteren Ende des Brückenträgers 2 angebrachter Anker 7 zugeordnet ist. Bei Stromfluß durch die Schützmagnetspule 6 wird der Anker 7 an gezogen. In der Darstellung der Fig. 1 ist ebenfalls die volle Ankeröffnung h erkennbar.

Dem Brückenträger 2 innerhalb des Gerätegehäuses 1 ist eine Positionsmeßeinrichtung 10 zugeordnet, die anhand Fig. 2 im einzelnen erläutert wird. Als eigentlicher Sensor ist eine statische Differential-Hall-Effekt-Sonde 15 vorgesehen, mit der die Position des Brückenträgers 2 berührungslos gemessen werden kann. Mit einer derartigen Sonde wird die Wegüber schreitung eines Probekörpers 11 als ferromagnetischer Meßkör per zu einer vorgegebenen Positionsmarke P gemessen. Die Ortsauflösung einer solchen Sonde beträgt etwa 2 bis 3 mm, bei einem Abstand Sonde-Probekörper < 2 mm, vorzugsweise bei einem Abstand von 1 bis 1,5 mm. Die Differential-Hall-Effekt- Sonde 15 ist mit dem Schützgehäuse fest verbunden und kann an der Innenseite oder der Außenseite in die Gehäusewand einge bettet sein.

Aus Fig. 1 ergibt sich, daß der Meßort der Meßeinrichtung 10 in dem vor Verschmutzung relativ geschützten Inneren des Ge häuses 1 der Schützmechanik gewählt wird. Durch die Anordnung der Meßeinrichtung 10 in diesem Bereich wird eine etwaige ferromagnetische Verschmutzung in der Umgebung der Meßein richtung 10, beispielsweise durch Lichtbogenabbrand an Eisen laufschienen, sicher vermieden.

Bei einem solchen Meßaufbau wechselt das Ausgangssignal der Differential-Hall-Effekt-Sonde 15 von HOCH nach TIEF, wenn bei der Öffnungsbewegung der Brückenträger 2 die vorgewählte Positionsmarke P passiert. Bei der Schließbewegung des Brückenträgers 2 wechselt das Ausgangssignal dementsprechend wieder nach HOCH.

Gemäß Fig. 2 wird beispielsweise ein Eisenstreifen von 10 mm Breite, 20 mm Länge und 1 mm Dicke als ferromagnetischer Meß körper 11, der mit zwei in Längsrichtung verlaufenden, zuein ander versetzten Durchbrüchen 12 und 13 versehen ist, verwen det. Der Eisenstreifen 11 ist mit dem Brückenträger 2 gemäß Fig. 1 über Befestigungen 17 und 18 mechanisch gekoppelt und führt daher die gleiche Bewegung wie der Brückenträger 2 aus.

Beispielsweise beim oben erwähnten Schütz (I_E,AC1 = 160 A) setzt sich die Bewegung des Brückenträgers 2 und dementspre chend des Magnetankers 7 aus dem eigentlichen Kontaktschließ weg 5 und einem zusätzlichen Kontaktdurchdruck zusammen, wo bei letzterer Kontaktdurchdruck etwa 3 mm bei einem Kontakt schließweg 5 über die volle Ankeröffnung von h=10 mm betragen kann. Tritt nun infolge eines Kurzschlusses eine dauerhafte Kontaktverschweißung ein, so kann der Brückenträger 2 keine volle Öffnungsbewegung ausführen. Der Brückenträger 2 wird daher nicht mehr die Position der halben Kontaktöffnung er reichen und die Positionsmarke wird demzufolge auf den Wert der halben Kontaktöffnung eingestellt. Als Ergebnis liefert das Sondenausgangssignal dann bei einem Wert der Kontakt öffnung, der < 0,5 × h (h = volle Kontaktöffnung) entspricht, den Wert TIEF und im andern Fall den Wert HOCH. Dem Wert TIEF entspricht der Schaltzustand Aus und dem Wert HOCH der Schaltzustand Ein des Schützes.

Als weiteres Zustandssignal wird der Schaltzustand der Schützmagnetspule 6 erfaßt und mit einer elektronischen Schaltung gemäß Fig. 3 ausgewertet. Die Schützmagnetspule 6 wird beispielsweise durch einen Steuerschalter 21 ein- oder ausgeschaltet. Das an der Schützmagnetspule 6 abgegriffene Spannungssignal wird über einen aus zwei Widerständen 22 und 22′ gebildeten Spannungsteiler mit zwei gegeneinander ge schalteten, an Meßerde gelegten Zenerdioden 24 und 24′ auf einen Fensterdiskriminator 25 gegeben, der beispielsweise ein Spannungsfenster von -1/2 U_Z bis +1/2 U_Z aufweist. Vom Fen sterdiskriminator 25 wird das Signal über ein aus Widerstän den 26, 27, Diode 28 und Kapazität 29 gebildetes Integrier glied auf den einen Eingang eines Exklusiv-ODER-Schaltgliedes 20 gegeben.

Gemäß Fig. 3 wird von der Steuerspannung der Magnetspule 6 eine definierte Gleichspannung abgeleitet und diese zusammen mit dem Ausgangssignal der Differential-Hall-Effekt-Sonde 15 der Fig. 1 an die Eingänge des Exklusiv-ODER-Schaltgliedes 20 angelegt. Das Ausgangssignal A des Exklusiv-ODER-Schalt gliedes 20 ist bei der Übereinstimmung der Zustandssignale "Spule Ein" und "Hauptkontakte Ein" bzw. "Spule Aus" und "Hauptkontakte Aus" der Spannungswert 0 und bei Nichtüber einstimmung der Zustandssignale der Spannungswert 1. Das Ausgangssignal A=0 bedeutet demzufolge keine Störung und das Signal A=1 eine Störung.

Alternativ zur Spannungsmessung an der Schützmagnetspule 6 kann deren Schaltzustand auch durch Messung des magnetischen Streufeldes erfolgen. Bei partieller Anpassung des Zwangs luftspaltes 54 der Teiljoche 51 und 52 für die Aufnahme eines Hall-IC′s zur Magnetfeldmessung wird die magnetische Erregung im Anker-Joch-Magnetkreis direkt über das Feld des Luftspal tes gemessen. Bei einer Induktion im Joch 5 von bspw. 1 T und einem Zwangsluftspalt 54 von 0,2 mm Weite erhält man bei ei ner partiellen Spalterweiterung auf 1,2 mm für die Aufnahme eines Hall-IC′s einen Induktionsmeßwert von etwa 150 mT. Wegen der federnden Lagerung der Jochs 5 werden allerdings an die mechanische Robustheit der Hall-IC-Anschlüsse hohe An sprüche gestellt.

Wenn gemäß Fig. 4 bei einem Schütz mit Joch-Zwangsluftspalt 54 im Gehäuse 100 eine ferromagnetische Bodenplatte 101 vor handen ist, kann die magnetische Erregung von Joch 5 und An ker 7 auch am Streufeld zwischen Joch 5 und Bodenplatte 101 gemessen werden. Hierzu ist in Fig. 4 ein Hall-Effekt-IC 60 im Luftspalt 55 zwischen der ferromagnetischen Stahlboden platte 101 des Gehäuses 1 und dem Joch 5 eingebracht. Bei spielsweise beträgt das magnetische Streufeld am Magnetjoch 5 des Schützes im Einschaltzustand etwa 25 mT (Effektivwert) und im Ausschaltzustand < 1 mT. Bei Einsatz eines unipolaren Magnetfeld-Schalters erhält man am Spannungsausgang des ICs 60 bei Wechselstrom-Erregung der Magnetspule 6 ein positives Rechtecksignal und bei Gleichstrom-Erregung mit vorgegebener Polarität der Spulenanschlüsse ein positives Gleichspannungs signal.

Um bei Gleichstromerregung der Schützmagnetspule 6 und be liebiger Polarität der Spulenanschlüsse den Einschaltzustand der Magnetspule 6 eindeutig erkennen zu können, wäre für jede der beiden möglichen Magnetfeldrichtungen der beiden Joch bereiche 51 und 52 in Fig. 4 ein eigener Hall-Effekt IC 60 und 60′ vorzusehen. Gegebenenfalls wäre für eine ausschließ liche Wechselstrom-Erregung auch ein bipolarer Magnetfeld- Schalter mit ausgangsseitigem Hochpaßfilter geeignet.

Das Ausgangssignal des Hall-Effekt-ICs 60 gemäß Fig. 4 wird in analoger Weise entsprechend Fig. 3 zu einem definierten Gleichspannungssignal weiterverarbeitet und dieses zusammen mit dem Positionssignal der Schützhauptkontakte über ein ent sprechendes Exklusiv-ODER-Schaltglied 20 ausgewertet.

Die Bestimmung des Schaltzustandes der Schützmagnetspule über das Hall-Effekt-IC gemäß Fig. 4 bietet gegenüber der Messung der Steuerspannung den Vorteil einer eindeutigen Aussage über mögliche Unterbrechungen im Steuerkreis, beispielsweise durch Unterbrechung der Schützmagnetspule.

Die am Schütz bestimmten Schaltzustandssignale können über eine Bus-gekoppelte Auswerteeinrichtung zusammen mit dem Schaltzustand des Steuerschalters insbesondere hinsichtlich Einfachfehlern ausgewertet werden, die in nachfolgender Tabelle aufgelistet sind.

Tabelle

Mit der beschriebenen Anordnung ist also eine eindeutige Zu ordnung von Schaltzuständen und/oder Störungen möglich. Ins besondere gegenüber früheren Methoden, bei denen mechanische Hilfskontakte durch den Schützantrieb betätigt werden und als Öffner, Schließer oder Wechsler ihren Schaltzustand mit der Schaltbewegung der Schützkontakte ändern, ergibt sich nunmehr die Möglichkeit einer verbesserten, eindeutigen Signalerzeu gung. Da die Hilfskontakte zum Schalten kleiner Ströme, wie sie in elektronischen Schaltern üblicherweise auftreten, wenig geeignet sind und mechanische Toleranzen keine exakten Umschaltpunkte bei der Ein-Ausschaltbewegung des Schützan triebes zulassen, können sie demzufolge nicht zu einer aus reichend genauen Positionsbestimmung der Schützhauptkontakte bzw. des Brückenträgers verwendet werden.

Claims

1. Einrichtung zur Schaltzustandserkennung von Schützen, die wenigstens eine Schaltbrücke mit zugehörigem Brückenträger, einen Anker und ein zugehöriges Joch mit Schützmagnetspule innerhalb eines Gehäuses aufweisen, gekennzeich net durch wenigstens eine Meßeinrichtung (10) zur Posi tionsbestimmung des Brückenträgers (2) und eine elektronische Schaltung (20-29) zur Überwachung des Schaltzustandes der Schützmagnetspule und zur Auswertung der Positionssignale einerseits und der Schaltzustandssignale andererseits.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Positionsmeßeinrichtung (10) eine statische Differential-Hall-Effekt-Sonde (15) zur berührungsfreien Messung einer bestimmten Position des Brückenträgers (2) enthält.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß der Meßort der Differential- Hall-Effekt-Sonde (15) in der Positionsmeßeinrichtung (10) im von Verschmutzung der Schützmechanik geschützten Bereich des Gehäuses (1, 100) liegt.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß in der Positionsmeßeinrich tung (10) die Differential-Hall-Effekt-Sonde (15) einem ferromagnetischen Meßkörper (11) zugeordnet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß der ferromagnetische Meßkör per ein Eisenstreifen (11) ist, der mit zwei in Längsrichtung verlaufenden, zueinander versetzten Durchbrüchen (12, 13) versehen ist und der mit dem Brückenträger (2) mechanisch ge koppelt ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die elektronische Schaltung (20-29) ein Exklusiv-ODER-Schaltglied (20) beinhaltet, an dessen einen Eingang das Ausgangssignal der Differential- Halleffekt-Sonde (15) und an dessen anderen Eingang ein Schaltzustandssignal der Schützmagnetspule (6) angelegt wird.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß als Signal für den Schalt zustand der Schützmagnetspule (6) eine definierte Gleichspan nung von der Steuerspannung der Magnetspule (6) abgeleitet und an den zweiten Eingang des Exklusiv-ODER-Schaltgliedes (20) angelegt wird.

8. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß das Signal für den Schalt zustand der Schützmagnetspule (6) durch Messung des magneti schen Streufeldes mit einem Hall-Effekt-IC (60) abgeleitet wird.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, wobei das Joch einen Zwangs luftspalt und das Gehäuse eine ferromagnetische Bodenplatte aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Hall-Effekt-IC (60) zwischen der ferro magnetischen Bodenplatte des Gehäuses (1) und einem gegen überliegenden Jochbereich (51, 52) angeordnet ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, wobei das Joch einen Zwangs luftspalt aufweist, dadurch gekennzeich net, daß der Hall-Effekt-IC (60) in jeweils einem Be reich (51, 52) des magnetischen Streufeldes angeordnet ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet, daß das magnetische Streufeld mit einem Hall-Effekt-IC (60) in einem partiell aufgeweiteten Be reich des Zwangsluftspaltes (54) des Magnetjochs (5) gemessen wird.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, da durch gekennzeichnet, daß zur Messung des magnetischen Gleichfeldes am Joch (5) bei einer Gleich stromerregung der Schützmagnetspule (6) für die beiden Feld richtungen je ein eigener Hall-Effekt-IC (60, 60′) vorgesehen ist.

13. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltzustandssignale über eine Bus-gekoppelte Auswerteein heit zusammen mit dem Schaltzustand des Steuerschalters hin sichtlich einzelner Kriterien ausgewertet werden.