评估开关设备机械性能的方法 |
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| 申请号 | CN201310408222.2 | 申请日 | 2013-09-10 | 公开(公告)号 | CN103674508B | 公开(公告)日 | 2017-12-26 |
| 申请人 | 施耐德电器工业公司; | 发明人 | F.卡扎尔斯; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种用于评估 开关 设备机械性能的方法，开关设备包括至少一个极柱。每个极柱包括:一对触头(12，14);用于第一触头(14)的 支撑 臂(16);驱动支撑臂(16)的机构(22)，包括旋转极柱轴(20)和蓄能装置，蓄能装置能够驱动所述臂移动以便将触头(12，14)放置到断开 位置 ;所述方法包括:测量极柱轴(20)在触头(12，14)断开期间内的旋转 角 度(θ);从测量结果中获取至少一个具体值;将所述具体值与开关设备的原始操作 说明书 相比较;根据所获得的具体值和操作说明书的那些值之间的比较情况，判断驱动机构(22)的机械磨损性能。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于评估开关设备机械性能的方法，所述开关设备包括至少一个极柱，每个极柱包括： |
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| 说明书全文 | 评估开关设备机械性能的方法技术领域[0001] 本发明涉及一种用于评估包括至少一个极柱的开关设备的机械性能的方法。本发明还涉及用于实施该方法的开关设备。该设备包括具有一对触头的至少一个极柱(pole)，一对触头可以在断开位置和闭合位置之间相对彼此移动。每个极柱还包括用于第一触头的支撑臂。驱动支撑臂的机构包括旋转极柱轴和至少一个杆，所述杆以枢转方式将驱动机构联接到支撑臂。蓄能装置能够驱动所述臂移动，以便将触头放置到断开位置。 背景技术[0003] 动触头的致动可以通过不同的方式来执行。 [0004] 某些大功率开关设备，特别是用来切换大于600A等级的电流且需要高电磁强度的开关设备，包括由杠杆系统驱动的触头，杠杆系统与旋转轴联接，旋转轴本身由具有两个枢转连杆的肘节机构致动。这些开关设备，特别是文献EP0222645、EP0789380和EP1347479中描述的开关设备，用于例如安全方面且被放置在线路的起点处。 [0005] 这些大功率开关设备被提供用来执行一些断开-闭合操作，这些操作是由厂家预设和确定的。该断开-闭合循环可以在卸载时执行，这种情况下，考虑机械耐久性。该断开-闭合循环还可以在额定负载时执行，这种情况下，考虑电学耐久性。 [0006] 断开-闭合操作的多次重复导致触片磨损。触头磨损的特征在于材料的脱落和/或材料的破碎。触头的该磨损对开关设备的电工性能有影响，特别是会改变它的电动强度和导致温升。 [0007] 已知的是使用直接刻在极柱笼上的指示器来评估触头的磨损。该指示器使得可以观察触指相对于极柱笼的相对游隙(relative play)。该检测法的缺点在于仅仅只能用在设备的维修操作期间。该维修操作需要关闭开关设备，特别是要从开关设备的外壳上拆下滤波器。 发明内容[0008] 因此，本发明之目的是通过提出一种判断和评估开关设备的机械性能、特别是电触头磨损性能的方法而克服现有技术的缺点。 [0009] 根据本发明的方法包括测量极柱轴在触头断开期间内的旋转角度。从这些测量结果中获得至少一个具体值(specific value)。将所述具体值与开关设备的具体原始操作说明书中的值相比较。根据所获得的具体值和操作说明书的那些值的比较情况，判断驱动机构的机械磨损性能。 [0010] 根据本发明的第一扩展例，该方法包括确定第一具体值，第一具体值等于到达极柱轴的旋转角度变化曲线上的第一拐点所需的第一角度。所述拐点对应于极柱轴到达最大旋转速度以及电触头脱离接触的时刻。然后将所述具体值与从开关设备的具体原始操作说明书中提取的理论参考值相比较。根据确定的具体值和来自操作说明书的理论参考值之间的比较情况，判断电触头的磨损。 [0011] 根据本发明的第二扩展例，该方法包括确定第二具体值，第二具体值等于到达旋转角度变化曲线上的第一拐点所需的第一时间，所述拐点对应于极柱轴到达最大旋转速度的时刻。确定第三具体值，第三具体值等于到达旋转角度变化曲线上的第二点所需的第二时间。所述第二点对应于当主动触头对处于断开位置时所达到的理论最终旋转角度。计算第一和第二时间之间经过的时间，然后与代表未磨损开关设备的操作的参考值相比较。最后根据确定的具体值和操作说明书中的那些值之间的比较情况，判断电触头的磨损。 [0012] 根据本发明的开关设备包括多个相同的极柱和为所有极柱共有的极柱轴，极柱轴是驱动机构的旋转轴。 [0013] 根据该设备的一个扩展例，第一触头的支撑臂包括支承第一触头的第一部分和第二部分，这两个部分相对彼此滑动，使得在这对触头的闭合位置，第二部分可以占据第一坞接位置(docking position)和行进位置的第二端，在行进位置，第一部分插入第二部分中。 [0014] 优选地，极柱轴的驱动机构包括肘节设备，肘节设备与脱扣钩和断开弹簧联接，以便移动动触头的支撑臂，肘节设备包括两个连杆。 [0015] 有利地，极柱轴的驱动机构包括复位设备，复位设备具有带弹性设备的蓄能系统，弹性设备包括至少一个闭合弹簧以便向闭合位置移动动触头，闭合弹簧的设定由复位凸轮操作，复位凸轮由手动杠杆或伺服电动机旋转地驱动。 [0019] 通过下文中以指示性而非限制性方式给出的对附图中所示特殊实施例的描述，可以清楚地看到本发明的其它优点和特征。 [0020] 图1示出实施根据本发明的方法的开关设备； [0021] 图2示出根据图1的开关设备的驱动机构的细节透视图； [0022] 图3示出根据图1的开关设备的驱动机构的另一细节透视图； [0023] 图4示出根据图1的开关设备的旋转传感器70的细节透视图； [0024] 图5A-5C示出在断开阶段中图2的驱动机构； [0025] 图6示出本发明的特定实施例中使用的传感器； [0026] 图7示出在断开过程中驱动机构的触头保持器极柱轴的旋转角度和旋转速度的变化曲线； [0027] 图8示出在不同磨损程度下，在断开过程中驱动机构的触头保持器极柱轴的旋转角度变化曲线； [0028] 图9示出作为触头磨损的函数的接触压力弹簧的力的变化曲线。 具体实施方式[0029] 参照图1，对于每个极柱，用于600A以上高强度电流的开关设备10通常包括一对触头12、14。每个电触头优选地与诸如银合金的适当材料的触片关联。触头之一14安装在臂16上，臂16在远离静触头12的断开位置和触头12、14之间建立起机械接触和电接触的闭合位置之间枢转。极柱还包括灭弧室18和将被安装在连接区域上的一对主端子(未示出)。对于这些大范围而言，开关设备10包括布置在平行平面内且垂直于共用极柱轴20的多个极柱，闭合或断开极柱的命令从极柱轴20通过中间的杠杆驱动机构22(图1和 2)被传送到每个触头14。 [0030] 极柱轴20以旋转方式安装在开关设备10的壳体上，并由适当的装置致动。特别地，对于具有中间极柱轴20和高电动强度的断开开关设备10来说，驱动机构22是肘节型的，并具有相对彼此枢转的两个连杆24、26。连杆之一24可旋转地铰接在脱扣钩28上，脱扣钩28以枢转方式安装在固定轴上，另一连杆26与极柱轴20的曲柄30机械联接，曲柄30也为所有极柱共有，并另外成为电触头的驱动机构22的杠杆之一。 [0031] 断开弹簧32锚定在曲柄30和固定的止动闩之间，并趋向于使曲柄30 返回其断开位置。由绕固定轴枢转的杠杆形成的断开棘爪由半月形断开螺栓 36驱动，断开棘爪被推向脱扣钩28，移动远离半月形螺栓36。断开棘爪的两个端部之间形成有辊子，以便与脱扣钩28的V形凹槽协作，辊子借助弹簧(未示出)复位，该弹簧趋向于缩短脱扣钩28上的肘节机构24、26的铰接轴与曲柄30上的肘节机构的铰接轴之间的距离。 [0032] 在优选的实施例中，开关设备10能够复位，也就是说，该设备具有协助闭合功能的蓄能器，例如，文献EP0222645中描述的“榴弹”(“grenade”) 机构。特别地，驱动杠杆40安装成绕固定轴42枢转，包括至少一个闭合弹簧44的弹性蓄能设备以枢转方式装配在固定点和驱动杠杆40的触指上。驱动杠杆40支承辊子52，辊子52用于与设定凸轮(setting cam)48协作，设定凸轮48键接在轴50上。辊子52能够与绕固定轴枢转的闭合棘爪54协作。能锁定棘爪54的闭合螺栓56借助弹簧弹性地返回其闭合位置，棘爪54本身借助弹簧返回其锁定位置。 [0033] 极柱轴20由中间的各种元件致动，然后驱动触头14。为了该目的，对于每个极柱，其曲柄30设有连接杆60，连接杆60将曲柄30连接到触头14 的支撑臂16。支撑臂16具有相对彼此滑动的两个部分，极柱笼62相对于杆 60枢转地安装，并由杆60直接移动。臂16的支承触头14的部分64在极柱笼62内滑动，优选绕轴66以铰接的方式滑动，弹簧形成装置67(例如一个或多个接触压力弹簧)设置在支撑件64和极柱笼62之间，将触头14推至相对于笼的突出位置。该构造允许触头14相对于坞接处(docking)有附加行程，因此，在触头12、14之间的电流流动位置，极柱笼62可以继续它的移动，而不会增加触头12、14上的压力。所以，臂16借由它的笼62绕第一轴68 以枢转的方式安装在闭合位置和断开位置之间，触头14的支撑件64铰接在笼62的第二轴66上。 [0034] 而且，在所示实施例中，连接到偏移(offset)极柱轴20的肘节系统24、 26允许减少移动。特别地，由设计设备时固定和确定的极柱轴20总行程或最终角度或最终旋转角度θ最终在50到55°的范围内。 [0035] 如图5A所示，驱动机构22的起点是其处于闭合状态的位置。在该状态下，触头14压靠在静触头12上，接触压力弹簧67受压，从而提供传导电流所需的接触压力。 [0036] 接触压力通过驱动机构22，经由极柱笼62、连接杆60、曲柄30和连杆 26、24传递，连杆26、24被保持为抵靠连接到钩28的辊子。机械力还被下部杆24和钩28之间的枢转连接部接受。 [0037] 通过接受整个驱动机构中的力，机械接触压力具有使钩28绕其旋转轴枢转的自然趋势，从而断开所述机构。为了保证驱动机构22保持在闭合位置，连接到杠杆34的辊子防止其转动。杠杆34本身借助半月形元件36保持在其位置上，半月形元件由未示出的致动器致动。 [0038] 在断开阶段期间，未示出的电磁或机械致动器使半月形元件36枢转。半月形元件36的旋转消除了对杠杆34的压迫，杠杆34在钩28的作用力下绕其旋转轴枢转。杠杆34的旋转移去了对钩28的支撑。由于不再被保持，钩28可以在接触压力弹簧67和回位弹簧32的作用下绕其旋转轴枢转。如图5B所示，钩28的旋转使得可断开(beak up)肘节系统24、26，从而释放机构，进一步确保它的断开。 [0039] 根据本发明，传感器70测量极柱轴20在其移动起点和其行程终点之间的旋转量。极柱轴20的行程终点对应于触头12、14的断开位置。传感器70 还测量在动触头和静触头 12、14处于闭合位置的时刻以及所述触头处于断开位置的时刻之间极柱轴20的旋转量θ。 [0040] 驱动机构22在断开期间的行为特性与以下事实有关：弹簧32的返回力与所有接触压力弹簧67的蓄积力相比很微小。 [0041] 如图7所示，评估开关设备在断开期间的机械性能的方法基于辨别与驱动机构的极柱轴20的三个角位置对应的三个状态。 [0042] 在闭合状态和触头12、14分离时刻之间，驱动机构22受到接触压力弹簧67的力，并受到弹簧32的返回力。如图7所示，触头12、14的分离时刻由极柱轴20的旋转角度变化曲线Sθ上的第一拐点A表示。所述曲线取决于所有移动部件，即触指、笼、极柱轴和连接杆的惯量。各部件的组件被迫加速，极柱轴的旋转角度变化曲线呈现出由二次方程定义的曲线。 [0043] 在触头12、14分离之后(超过第一拐点A)，驱动机构22仅仅受到弹簧 32的返回力，该返回力的值很小。所述机构不再受到外力，比如接触压力弹簧67的力。如所示，然后，极柱轴20的旋转角度变化曲线呈现出由一级方程式定义的形状。因此，移动部件的组件匀速移动。 [0044] 当极柱轴20到达由极柱轴20旋转角度变化曲线Sθ中的第二拐点B代表的角位置时，开关设备处于断开状态。然后驱动机构22接触到止动件。在当前的判断情况下，其暂时是与所述止挡件第一次接触的时刻，在与止动件的该第一次接触之后，机构回弹。 [0045] 判断方案以对触头12、14的分离时刻的辨别为基础，即分辨驱动机构 22在断开期间的两种运行模式。 [0046] 辨别该时刻的一种方法可以通过分析极柱轴20在断开移动期间的角速度来实现。极柱轴20的角速度由图7中的曲线Sv表示。在触头12、14分离的时候(极柱轴20旋转角度变化曲线Sθ的第一拐点A)，如图7所示，极柱轴的速度分布图Sv显现出可以用合适的运算法则过滤掉的第一突变Sv1。 [0047] 判断触头12、14磨损的第一方法包括确定在触头12、14分离时，极柱轴20的旋转角度θ1的值。所述旋转角度θ1的值被称为断开角度，随着触头 12、14的磨损而变小。 [0048] 判断触头12、14磨损的第二方法包括测量触头12、14断开的时刻T1 和极柱轴20到达最终旋转角度θ最终的时刻T2之间经过的时间。最终旋转角度θ最终对应于当触头对12、14处于断开位置时极柱轴达到的角度。 [0049] 随着触头的磨损越多，在触断器处于闭合位置时，接触压力弹簧67内储存的机械能就越趋向于减少。 [0050] 图9示出接触压力弹簧67的力P1、P2的变化直线Se，其是所述接触压力弹簧67的长度的函数。如图1所示，所述接触压力弹簧67放置在极柱笼62和触指64之间。 [0051] 接触压力弹簧67在开关设备的断开位置L1和闭合位置L2之间的长度差异使得其可以用作表征触头12、14磨损的指标。该指标通常被称为接触游隙L1-L2。接触游隙L1-L2可以用毫米表示。接触压力弹簧67内储存的机械能由包含在接触压力变化直线下的梯形灰色区域表示。 [0052] 图9中分别标注为L2a和L2b的闭合位置对应于触头12、14的不同磨损阶段。随着触头磨损，处于闭合位置的接触游隙趋向于减少，即从值L1-L2a 变化到值L1-L2b。因此，如图9所示，随着电触点磨损增加，代表储存的机械能的梯形面积趋向减小。 [0053] 在原始运行状态，也就是说当开关设备未磨损时，由接触压力弹簧67 储存的机械能对应于由以下四个顶点L1、P1、P2a和L2a限定出的梯形面积。如图9所示，所述梯形面积由以下公式表示： [0054] 1/2(P1+P2a)×(L1-L2) [0055] 当触头磨损时，由接触压力弹簧67储存的机械能对应于由以下四个顶点L1、P1、P2b和L2b限定的新的梯形面积，如图9所示，所述梯形面积由以下公式表示： [0056] 1/2(P1+P2b)×(L1-L2b) [0057] 已知P2 [0058] 因此，随着所述触头的磨损，由接触压力弹簧67储存的机械能趋向减少。 [0060] 当由于触头12、14磨损以及接触游隙L1-L2减少而导致势能减小时，驱动机构22的增速(加速)放缓。驱动机构22的动能的减少导致行进触头12、 14的闭合位置和断开位置之间的距离所需的时间延长。 [0061] 图8通过显示在触头12、14不同磨损程度下，在断开期间驱动机构的极柱轴20的旋转角度变化曲线而图示了该现象。虚线表示的旋转角度θ变化曲线S1θ表示触头12、14未磨损的驱动机构。实线表示的旋转角度θ变化曲线S2θ表示触头12、14已磨损的驱动机构22。 [0062] 评估开关设备机械性能的方法、特别是用于判断所述设备的触头12、14 的磨损的方法包括以下连续步骤： [0063] 第一步，测量极柱轴20在借助驱动机构22断开触头12、14的整个过程内的旋转角度θ。 [0064] 第二步，从前一步骤所进行的测量中获取至少一个具体值。 [0065] 根据本发明的第一优选实施例，第一方法包括确定第一具体值，其等于到达极柱轴20的旋转角度θ变化曲线Sθ的第一拐点A所需的第一角度θ1。如图7所示，所述拐点对应于极柱轴20达到最大旋转速度时的时刻以及已经转过第一角度θ1的时刻。如图5A所示，拐点A还对应于触头12、14脱离接触的时刻。 [0066] 在触头12、14脱离接触的时刻，极柱轴20的旋转角度θ值的变化提供了对开关设备磨损的指示。实际上，不管触头是静触头12还是动触头14，设备卸载操作或负载操作都会引起触片的磨损。触片的磨损会导致材料脱落和/或破碎。而且，该材料的脱落和/或破碎趋向于缩短极柱分离的时间，并可以引起第一旋转角度θ1值减小。 [0067] 第一方法的第二步包括将所述具体值与从开关设备的原始操作说明书中提取的理论参考值相比较。所述参考值被认为是开关设备的“机械”构造的函数。该“机械”构造特别地取决于极柱数量和榴弹的弹簧44的类型。根据开关设备的结构，所述构造被记录下来以便使用和比较。参考值优选地是与开关设备相关联的产品特征。因此该特征由厂家提供。当设备是新的时，还可以在实施测量程序之后估算参考值。根据本发明的方法，参考值被记录下来以便随后使用。 [0068] 评估保护设备的机械性能的最后一步包括根据确定的具体值和来自操作说明书的理论参考值之间的对比情况判断触头12、14的磨损。 [0069] 根据方法的特定实施例，通过轴在触头脱离接触时的旋转角度θ1和时间 T1来估算接触游隙。 [0070] 根据本发明的第二优选实施例，第二方法包括确定第二具体值和第三具体值，第二具体值等于到达第一拐点A所需的第一时间T1，第三具体值等于到达旋转角度θ变化曲线Sθ上第二点B所需的第二时间T2。所述第二点 B对应于触头对12、14在断开位置时达到的理论最终旋转角度θ最终。 [0071] 理论最终旋转角度θ最终是与开关设备的特性有关的理论值。因此该旋转角度值由厂家提供。当装置是新的时，可以在实施测量程序之后估算所述旋转角度值。根据本发明的方法，所述旋转角度值被记录下来以便随后使用。 [0072] 第二方法的第二步包括将所述第二和第三具体值与从开关设备的原始操作说明书中提取的理论参考值相比较。根据优选的实施例，该方法包括计算第一和第二时间T1、T2之间经过的时间ΔT。然后，将第一和第二时间T1、 T2之间经过的时间ΔT与代表未磨损开关设备的操作的参考值相比较。这些理论参考值是根据开关设备的机械构造而确立的。该机械构造特别地取决于极柱数量和榴弹的弹簧类型。根据开关设备的结构，所述构造被记录下以方便使用和比较。这些理论参考值优选地是与开关设备相关联的产品特性。因此所述值由厂家提供。当装置是新的时，还可以在实施测量程序之后估算参考值。根据本发明的方法，参考值被记录下来以便随后使用。 [0073] 评估保护设备的机械性能的最后一步包括根据确定的具体值和来自操作说明书的参考值的比较情况，判断触头12、14的磨损。 [0074] 换句话说，根据本发明的这两种方法的最后步骤提供了触头12、14的磨损信息。 [0075] 根据特定的扩展例，传感器70优选地位于极柱轴20上，位于在触头断开期间可能受到碎屑污染的区域之外，并远离可能被热气喷射的区域。开关设备10具有高电动强度，其寿命可能长达三十年，有利地，传感器70是非接触型的，以限制传感器70内由磨损或摩擦导致的任何偏置。 [0076] 如图3和4所示，旋转传感器70包括布置在极柱轴20上的齿轮112或一部分齿轮。在另一个未显示的实施例中，齿轮由一系列磁极组成。检测装置114(例如使用感应式的、霍耳效应电池或磁阻电池的敏感元件的微电子学设备)定位在开关设备10的壳体上，与齿轮或磁极相对。齿轮112和检测装置114无接触地通讯。优选地，检测装置114结合了处理模拟信号(由经过的齿轮齿或经过的磁极产生)的数字方法，以便以由四分之一周期偏置的方波信号形式实现它们的数字转录。在某些类型的实施例中，检测装置可以结合模拟信号的内插功能(functions of interpolation)。 [0077] 根据未显示的第二特定扩展例，小体积的传感器70优选地位于轴20的端部，例如位于靠近开关设备10壳体的端部。特别地，不具有滑动接触的磁传感器，特别是磁阵列型旋转传感器是特别合适的，这是因为它没有易于迅速分解(degrade)的部分。如图6所示，这类传感器70包括磁装置72，特别是磁体，其可以稳固地附接到用于确定旋转的元件上，特别地，磁体72 可以通过粘合到其端部或通过任何其它机械方式而直接联接到极柱轴20。此外，传感器70包括检测装置74，特别是具有约4mm侧向尺寸的印刷电路板类型的检测器，检测器74定位成与磁装置72相对，例如联接到开关设备 10的壳体，特别是放置在适合的外壳中。检测器74以常规方式连接到处理数据和显示结果的装置上，例如，开关设备10上已有的增加新功能的电子模块。有利地，传感器70是诸如文献EP1830162或EP1921423中所描述的，角分辨率级别为0.2到0.5°。 [0078] 虽然本发明是参照具有高电动强度的开关设备10的触头12、14来进行描述的，其中驱动机构22包括极柱轴20角位置的大变化，而过度压碎形程的变化小，但是不局限于此，其可以涉及其它类型的开关设备、接触器和/ 或断路器。根据触头是否磨损，如果借助双连杆和肘节进行移动解耦放大了角度差，则根据触头的行程和根据检测装置70的精度，可将本发明的装置应用于其它包括旋转部分的驱动机构。 [0079] 根据未显示的不同实施例，传感器测量极柱笼62在极柱轴20的移动起点和所述轴20的行进终点之间的旋转量。极柱轴20的行进终点对应于电触头的断开位置。 |
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