專利名稱：高壓開關監控系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及高壓工程領域，尤其涉及配電系統的斷路器。本發明是基于根據獨立權利要求的前序部分中的特征的用于監控開關器件的方法和裝置。
背景技術：
動態電阻測量(DRM)被用于確定斷路器的重疊時間(overlaptime)。重疊時間是額定電流接觸系統中的觸頭分離和自耗(consumable)接觸系統或滅弧接觸系統中的觸頭分離之間的時間差，其指示滅弧觸頭已被磨蝕的程度。從而可以評估滅弧室的剩余壽命。在DRM的情形中，在CO操作期間(閉合然后斷開開關)，1kA數量級的恒定直流電流經開關被傳輸，并且該開關兩端的電壓降被記錄下來。記錄該電壓使得能夠確定開關在任意時刻的線電阻。因此，可以確定接觸系統斷開的兩個時間，因此也可以確定重疊時間。需要傳輸的直流是如此之大的原因在于兩個接觸系統的電阻值非常小，并且差別細微。僅當傳輸非常高的電流時，自耗接觸系統和額定電流接觸系統之間的電壓差才在可測量范圍內。
該方法的一個缺點是在每種情形中需要被運送到相應安裝位置的所需裝置的大小。除了服務人工的運輸成本之外，還導致測試裝置的運輸成本上升。為了節省這些成本，需要一種較小的測量設備，該設備可以與前述設備相同程度的可靠性測量重疊時間，而且可由服務人員用手提包攜帶。
發明內容
本發明的一個目的是給出一種方法和裝置，用于改進對電開關器件中的接觸磨蝕的監控。該目的是利用獨立權利要求的特征根據本發明實現的。
本發明的主題是一種用于測量電開關器件中的接觸磨蝕的方法，所述電開關器件包括具有額定電流接觸系統的額定電流路徑和具有自耗接觸系統的自耗接觸電流路徑，從所述額定電流接觸和所述自耗接觸被分離時的電阻改變測量出所述額定電流接觸的分離和所述自耗接觸的分離之間的重疊時間，并且從其確定出所述自耗接觸的磨蝕，另外，第一電流和第二電流被從來自測量電流源的饋送電流分流出，所述第一電流傳送過所述開關器件，并且所述第二電流與所述開關器件并聯地傳送，并且利用測量系統檢測出所述第二電流，從作為時間的函數的所述第二電流的改變確定出所述重疊時間。
在另一個方面中，本發明包括一種測量系統，用于測量電開關器件中的接觸磨蝕，所述電開關器件包括具有額定電流接觸系統的額定電流路徑和具有自耗接觸系統的自耗接觸電流路徑，所述測量系統包括測量電流源，傳感器和估值單元，其用于以時間依賴的方式測量所述開關器件兩端的電阻，即，用于測量作為時間的函數的所述開關器件兩端的電阻，用于確定所述額定電流接觸的分離和所述自耗接觸的分離之間的重疊時間，并且用于據此確定所述自耗接觸的磨蝕，另外，還包括與所述開關器件并聯設置的并聯導體，并且所述傳感器被布置在所述并聯導體上；所述測量電流源被連接到所述開關器件用于饋送第一電流，并且被連接到所述并聯導體用于饋送第二電流；并且所述傳感器用于檢測所述第二電流，并且所述估值單元具有用于從作為時間的函數的所述第二電流的改變來確定所述重疊時間的裝置。可以以多種方式檢測并聯導體中的電流，特別地，可以利用感應耦合傳感器或者以另一種方式耦合的傳感器來檢測并聯導體中的電流。通過利用并聯測量電流路徑，即使利用低饋送測量電流也可以以高精度測量所述開關兩端的電阻的改變。
在一個優選實施例中，電流傳感器是Rogowski線圈(羅果夫斯基線圈)，其測量與所述第二電流的一階時間導數成正比的差分電流測量信號。由于其差分響應，所述Rogowski線圈對于第二電流改變和感生第一電流的改變具有高度的測量靈敏度。特別地，可以在未在時間上經任何在先積分的情況下對所述差分電流測量信號進行估值，以及/或者在在時間上經積分后對其進行估值。
本發明的其它實施例、優點和應用可以從從屬權利要求，從權利要求的組合，從下面的說明和附圖導出。
在附圖中，示意性地示出了圖1示出了具有兩個接觸系統的開關器件的簡化電路圖；圖2示出了根據本發明的用于監控開關器件中的接觸磨蝕的測量系統的實施例，該測量系統具有并聯的導體；圖3示出了動態電阻測量的電流或電壓測量曲線和位移/時間曲線；以及圖4示出了用于優化并聯導體電阻的圖。
在附圖中相同的標號用于標識相同部分。
具體實施例方式
諸如高壓斷路器、高電流斷路器(發電機斷路器)或者開關斷連器之類的斷路器1在原理上有兩個接觸系統，即額定電流接觸系統3和弧或者自耗接觸系統5。
額定電流接觸系統3的任務是在開關1被閉合時盡可能以無損方式傳輸電流。因此其具有非常低的線電阻和接觸電阻。自耗接觸系統5僅在額定電流接觸系統3斷開和其自身斷開之間的短時間中承載可觀的電流。因此，自耗接觸系統5的電阻的角色不重要，因此在所有斷路器1中該電阻都比額定電流接觸系統3的電阻大的多。
圖1示出了這種斷路器1的示意圖。在跳閘操作(斷開)時，額定電流接觸系統3首先被斷開。電流從額定電流路徑2轉換到具有自耗接觸系統5的自耗接觸電流路徑4，自耗接觸系統5在數毫秒的重疊時間或轉換時間后也類似地斷開。
在動態電阻測量(DRM)的情形中，為了確定重疊時間，利用了兩個接觸系統的電阻不同這一事實。在發電機斷路器中，這些電阻對于標稱或者額定電流接觸3可以是例如2μΩ-20μΩ，對于弧或自耗接觸5是300μΩ-800μΩ。傳統DRM中的一個缺點是必須使1kA數量級的非常高的恒定直流電流傳輸過閉合的開關1，以便能夠足夠精確地測量自耗電流接觸系統和額定電流接觸系統之間的電壓差。
圖2示出了根據本發明的動態電阻測量的示例性實施例，其被稱作DRM light(DMA光線)。DRM light在原理上與傳統的DRM方法不同。開關1中的電阻的改變在導體12的輔助下被測量，導體12被并聯安裝，并且根據開關1的狀態承載或多或少的電流。在這種情形中，要被動態測量(即，以時間依賴的方式)的開關電阻R2(t)出現在開關器件1的兩端，并且并聯導體電阻R1出現在并聯導體12兩端，并聯導體12與開關器件1并聯連接。有利地是在接觸端子處的連接電阻被包括在并聯電阻R1中。
特別地，圖2示出了具有與測量系統7電連接的端子或者測量端子6的開關器件1，測量系統7被電連接到測量端子6。測量系統7包括測量電流源11，傳感器8、8a和估值單元10，其用于以時間依賴的方式測量開關1兩端的電阻，用于確定額定電流接觸系統3的分離和自耗接觸系統5的分離之間的重疊時間，并且用于據此確定自耗接觸系統5的磨蝕。根據本發明，傳感器8和8a被布置在并聯導體12上，測量電流源11被連接到開關器件1用于饋送第一電流I2，并且被連接到并聯導體12用于饋送第二電流I1，傳感器8和8a檢測第二電流I1，估值單元10具有用于根據作為時間t的函數的第二電流I1的改變來確定重疊時間Δt的裝置。下面給出實例性實施例。
如圖2所示，有利地是，總的饋送電流I0等于第一和第二電流的和I1+I2；并且/或者測量電流源11是恒定直流源11，例如具有串聯電阻器(優選具有高電阻)的蓄電池或者可充電電池。I0的數量級是數安培。結合作為電流測量分支的根據本發明的并聯導體12，這足以用于以非常高的精度測量開關1的重疊時間和接觸磨蝕。
測量系統7有利地包括用于檢測接觸運動s(t)的裝置。測量系統7還可以被設計為便攜式設備。要被檢查的開關器件1例如可以是斷路器1、高電流斷路器或者發電機斷路器1、或者開關斷連器1。
如圖2和圖3所示，傳感器8和8a用于檢測電流測量信號，例如，作為時間t的函數的I1(t)、ΔI1(t)、dI1(t)/dt，或者第二電流I1的另一個時間導數，或者這種電流變量的組合，電流測量信號表征通過并聯導體12的第二電流I1，結果，間接表征通過開關1的第一電流I2。傳感器8和8a一般是電流傳感器，它們例如感應測量與第二電流I1的時間導數成正比的差分電流測量信號ΔI1(t)或者dI1(t)/dt。電流傳感器8a優選是Rogowski線圈8a，其測量與第二電流I1的一階時間導數成正比的差分電流測量信號ΔI1(t)或者dI1(t)/dt。
對于Rogowski線圈8a或者一般的磁電流測量設備，輸出信號可由u(t)＝M*dI1(t)/dt描述，其中u(t)是在測量線圈中感生的電壓，該電壓可以用作輸出信號，并且比例因子M表示互感，其存在于測量線圈和電流路徑之間。
此外，估值單元10應當具有用于檢測電流測量信號例如I1(t)、ΔI1(t)或者dI1(t)/dt中的第一和第二符號(signature)13a、13b；14a、14b，符號13a、13b；14a、14b是在額定電流接觸系統3和自耗接觸系統5被分離時電阻的改變所導致的。此外，估值單元10還應當具有用于根據第一和第二符號13a、13b；14a、14b的時刻之間的差Δt確定重疊時間的裝置。
下面將參考圖3對此進行更詳細地解釋。圖3在公共時間軸t上示出了開關1中的接觸運動的位移曲線s(t)(該曲線可以以各種已知的方式記錄，例如，利用設備上的線性電位計)，以及直流測量信號I1(t)和差分電流測量信號ΔI1(t)或者dI1(t)/dt，其與直流測量信號I1(t)的一階導數成正比。這種差分電流測量信號可由到第二電流I1的感應耦合獲得。
當開關1被完全閉合時，饋送電流I0在額定電流接觸系統3、自耗接觸系統5和并聯導體12之間分流。當額定電流接觸系統3斷開時，開關1中的電阻R2(t)增大，結果并聯導體12中的電流I2也增大。一旦開關1被完全斷開，則總電流I0＝I1流過并聯導體12。并聯導體12中的電流改變ΔI1(t)或者時間導數dI1(t)/dt被Rogowski線圈8a檢測出。例如利用測量技術或者通過計算，通過在時間上積分，可以從Rogowski線圈信號ΔI1(t)或者dI1(t)/dt確定出直流測量信號I1(t)。
可見，所尋求的重疊時間或傳輸時間Δt可以通過測量由Rogowski線圈8a生成的峰值之間的時間來確定。對線圈信號進行積分不是必需的，但是這可以防止錯誤解釋。因此，通過根據直流電流測量信號I1(t)或者差分電流測量信號ΔI1(t)或者dI1(t)/dt或者更高階導數對時刻進行估值，可以進一步提高動態電阻測量方法和該電阻測量裝置7的可靠性。
圖3中的測量曲線s(t)、ΔI1(t)或者dI1(t)/dt，以及I1(t)是針對發電機斷路器1實驗性地得出的，并且允許可靠地確定開關1的重疊時間ΔT、接觸磨蝕、所需維護工作和檢查時間。
因此，在電流測量信號I1(t)、ΔI1(t)或者dI1(t)/dt中存在表征額定電流接觸分離的第一時刻的第一符號13a、14a，以及表征自耗接觸分離的第二時刻的第二符號13b、14b。在給定的示例中，符號13a、13b是直流測量信號中的峰值I1(t)，并且符號14a、14b是差分電流測量信號中的峰值的導數ΔI1(t)或者dI1(t)/dt。根據傳感器8、8a和測量設備10，也可能存在其它符號并且在它們產生的時刻被估值。
在圖3所示的實例性實施例中，開關1中的電阻的改變ΔR2在從額定電流接觸系統3改變到自耗接觸系統5的第一轉變13a、14b中非常低。一般來說，ΔR2在μΩ的范圍內。為了在給定電阻變化ΔR2的情況下，能夠可靠地確定所述第一轉變13a、14b，電流改變ΔI1應當盡可能大。同時，被饋送的電流I0應當保持較低。在本發明中，ΔI1的值達到數百mA的范圍，I0的值達到數A。為了此目的，并聯導體12的電阻R1也應當被優化，并且存在結果在何種程度取決于并聯導體12的電阻R1的問題。
根據一個實例性實施例，可以最優地選擇并聯導體R1。下面應用I1(t)=I0R2(t)R1+R2(t)′---[1]]]>其中，I0是電流源的電流，R1是并聯導體的電阻，R2(t)是開關的電阻，其可隨時間變化。當電阻R2(t)改變ΔR2時，在時刻t1的電流I1(t)改變ΔI1，近似由下式給出ΔI1=∂I1∂R2|R2=R2(t1)ΔR2---[2],]]>并且下面應用ΔI1＝I0*ΔR2*k(R1)[3]k(R1)＝R1*(R1+R2)-2[4]，其中，時刻t1時的R2是開關1的自耗接觸系統5的電阻值，并且k(R1)是作為并聯導體電阻R1的函數的比例常數或者靈敏度系數。
圖4示出了作為R1/R2的函數的靈敏度函數R2*k。其在R2＝R1時具有最大值kmax＝0.25[1/Ω]，并且在R2＞R1時減小(對于R2＜R1類似)。根據一個優選示例性實施例，并聯導體電阻R1和開關電阻R2的比值應當被挑選為小于100，優選小于30，更優選小于10，尤其優選小于5。并聯導體電阻R1的絕對值應當優選被挑選為小于10mΩ，優選小于2mΩ，更優選小于1mΩ，尤其優選等于開關電阻R2的最大值。
本發明的主題也是一種根據獨立權利要求1的測量方法，該主題具有根據從屬權利要求2-7的示例性實施例。
標號列表
權利要求
1.一種用于測量電開關器件(1)中的接觸磨蝕的方法，所述電開關器件包括具有額定電流接觸系統(3)的額定電流路徑(2)和具有自耗接觸系統(5)的自耗接觸電流路徑(4)，從所述額定電流接觸(3)和所述自耗接觸(5)被分離時的電阻改變測量出所述額定電流接觸(3)的分離和所述自耗接觸(3)的分離之間的重疊時間(ΔT)，并且從其確定出所述自耗接觸(5)的磨蝕，所述方法的特征在于a)從來自測量電流源(11)的饋送電流(I0)分流出第一電流(I2)和第二電流(I1)，b)所述第一電流(I2)傳送過所述開關器件(1)，并且所述第二電流(I1)與所述開關器件(1)并聯地傳送，以及c)利用測量系統(7)檢測出所述第二電流(I1)，從作為時間(t)的函數的所述第二電流(I1)的改變確定出所述重疊時間(ΔT)。
2.根據權利要求1的用于測量接觸磨蝕的方法，其特征在于利用電流傳感器(8，8a)檢測出表征所述第二電流(I1)的作為時間(t)的函數的電流測量信號(I1(t)，ΔI1(t)，dI1(t)/dt)。
3.根據前述權利要求中的任一個的用于測量接觸磨蝕的方法，其特征在于a)由于所述電流接觸(3)被分離時的所述電阻改變，所述電流測量信號(I1(t)，ΔI1(t)，dI1(t)/dt)中的第一符號(13a，14a)被測量出，并且由于所述自耗接觸(5)被分離時的所述電阻改變，所述電流測量信號中的第二符號(13b，14b)被測量出，以及b)從所述第一和第二符號(13a，14a；13b，14b)的時刻之間的差確定出所述重疊時間(ΔT)。
4.根據前述權利要求中的任一個的用于測量接觸磨蝕的方法，其特征在于a)利用所述測量系統(7)測量出與所述第二電流(I1)的時間導數成正比的差分電流測量信號(ΔI1(t)，dI1(t)/dt)；以及b)特別地，與所述第二電流(I1)的一階時間導數成正比的差分電流測量信號(ΔI1(t)，dI1(t)/dt)是利用Rogowski線圈(8a)測量出的。
5.根據權利要求4的用于測量接觸磨蝕的方法，其特征在于a)為了確定所述重疊時間(ΔT)，所述差分電流測量信號(ΔI1(t)，dI1(t)/dt)在未經任何在先積分的情況下被估值；以及/或者b)為了確定所述重疊時間(ΔT)，所述差分電流測量信號(ΔI1(t)，dI1(t)/dt)被積分然后被估值。
6.根據前述權利要求中的任一個的用于測量接觸磨蝕的方法，其特征在于a)總饋送電流(I0)被分流成所述第一電流(I2)和所述第二電流(I1)；以及/或者b)數安培數量級的恒定直流電流(I0)被所述測量電流源(11)饋送入。
7.根據前述權利要求中的任一個的用于測量接觸磨蝕的方法，其特征在于在所述自耗接觸(5)分離之前的測量階段中a)所述第一電流(I2)經由所述開關器件(1)而流過開關電阻(R2)，并且所述第一電流(I1)經由與所述開關器件(1)并聯連接的所述并聯導體(12)而流過并聯導體電阻(R1)；b)所述并聯導體電阻(R1)和所述開關電阻(R2)的比值被選擇為小于100，優選小于30，更優選小于10，尤其優選小于5；并且c)特別地，所述并聯導體電阻(R1)被選擇為小于10mΩ，優選小于2mΩ，更優選小于1mΩ，尤其優選等于所述開關電阻(R2)的最大值。
8.一種測量系統(7)，用于測量電開關器件(1)中的接觸磨蝕，所述電開關器件(1)包括具有額定電流接觸系統(3)的額定電流路徑(2)和具有自耗接觸系統(5)的自耗接觸電流路徑(4)，所述測量系統(7)包括測量電流源(11)，傳感器(8，8a)和估值單元(10)，其用于測量作為時間(t)的函數的所述開關器件(1)兩端的電阻，用于確定所述額定電流接觸(3)的分離和所述自耗接觸(5)的分離之間的重疊時間(ΔT)，并且用于據此確定所述自耗接觸(5)的磨蝕，其特征在于a)與所述開關器件(1)并聯設置的并聯導體(12)，并且所述傳感器(8，8a)被布置在所述并聯導體(12)上；b)所述測量電流源(11)被連接到所述開關器件(1)用于饋送第一電流(I2)，并且被連接到所述并聯導體(12)用于饋送第二電流(I1)；并且c)所述傳感器(8，8a)用于檢測所述第二電流(I1)，并且所述估值單元(10)具有用于從作為時間(t)的函數的所述第二電流(I1)的改變來確定所述重疊時間(Δt)的裝置。
9.根據權利要求8的測量系統(7)，其特征在于a)所述傳感器(8，8a)檢測表征所述第二電流(I1)的作為時間(t)的函數的電流測量信號(I1(t)，ΔI1(t)，dI1(t)/dt)，特別地所述傳感器(8，8a)是電流傳感器(8，8a)；以及b)特別地，所述電流傳感器(8，8a)測量與所述第二電流(I1)的時間導數成正比的差分電流測量信號(ΔI1(t)，dI1(t)/dt)。
10.根據權利要求9的測量系統(7)，其特征在于a)所述電流傳感器(8a)是Rogowski線圈(8a)，并且其測量與所述第二電流(I1)的一階時間導數成正比的差分電流測量信號(ΔI1(t)，dI1(t)/dt)；以及b)為了確定所述重疊時間(ΔT)，所述差分電流測量信號(ΔI1(t)，dI1(t)/dt)在未在時間(t)上經任何在先積分的情況下被估值，以及/或者在在時間(t)上經積分后被估值。
11.根據權利要求9-10中的任一個的測量系統(7)，其特征在于a)所述估值單元(10)具有用于檢測所述電流測量信號(I1(t)，ΔI1(t)，dI1(t)/dt)中的第一和第二符號(13a，14a；13b，14b)的裝置，所述符號由于在所述額定電流接觸(3)和所述自耗接觸(5)被分離時電阻的改變而發生；并且b)所述估值單元(10)具有用于從所述第一和第二符號(13a，14a；13b，14b)的時刻之間的差來確定所述重疊時間(ΔT)的裝置。
12.根據權利要求8-11中的任一個的測量系統(7)，其特征在于a)所述總饋送電流(I0)等于所述第一和第二電流的總和(I1+I2)；并且/或者b)所述測量電流源(11)提供數安培數量級的恒定直流電流(I0)，特別地，所述測量電流源(11)是具有串聯電阻器的蓄電池。
13.根據權利要求8-12中的任一個的測量系統(7)，其特征在于在所述自耗接觸(5)分離之前的測量階段中a)在所述開關器件(1)兩端存在開關電阻(R2)，并且在與所述開關器件(1)并聯連接的所述并聯導體(12)的兩端存在并聯導體電阻(R1)；b)所述并聯導體電阻(R1)和所述開關電阻(R2)的比值小于100，優選小于30，更優選小于10，尤其優選小于5；并且c)特別地所述并聯導體電阻(R1)小于10mΩ，優選小于2mΩ，更優選小于1mΩ，尤其優選等于所述開關電阻(R2)的最大值。
14.根據權利要求8-12中的任一個的測量系統(7)，其特征在于a)所述測量系統(7)包括用于檢測所述接觸運動(s(t))的裝置；并且/或者b)所述測量系統(7)是便攜式設備(7)；并且/或者c)所述開關器件(1)是斷路器(1)、高電流斷路器(1)、或者開關斷連器(1)。
全文摘要
本發明涉及一種利用新穎的動態電阻測量(DRM)來測量電開關器件(1)中的接觸磨蝕的方法和裝置。根據本發明，為了確定開關器件(1)中的重疊時間(ΔT)和接觸磨蝕，通過測量出通過開關器件(1)和并聯導體(12)的測量電流(I0)，以及并聯導體(12)中的電流改變(ΔI
文檔編號H02B13/035GK1976147SQ200610140319
公開日2007年6月6日 申請日期2006年11月27日 優先權日2005年11月30日
發明者馬雷克·哈格爾, 帕特里克·費爾曼 申請人:Abb技術有限公司