DE19526393C2

DE19526393C2 - Verfahren zum Vakuumnachweis in betriebsmäßig eingebauten Vakuumschaltröhren

Info

Publication number: DE19526393C2
Application number: DE1995126393
Authority: DE
Inventors: David Walter Dr Branston
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-07-19
Filing date: 1995-07-19
Publication date: 1998-11-19
Anticipated expiration: 2015-07-20
Also published as: DE19526393A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Vakuumnach weis in betriebsmäßig eingebauten Vakuumschaltröhren.

Die Betriebslebensdauer von Vakuumschaltröhren beträgt übli cherweise mehr als 20 Jahre. Um ein ordnungsgemäßes Schalt verhalten über diesen Zeitraum zu gewährleisten, muß ein Druck von weniger als 10^-2 Pa aufrechterhalten bleiben. Von Herstellern und/oder Betreibern von Vakuumschaltanlagen wird eine einfache Methode zum regelmäßigen Nachprüfen der Vakuum schaltbedingungen gewünscht. Insbesondere werden Lösungen für Schaltanlagen, in denen die eigentliche Vakuumschaltröhre nur schwer zugänglich ist, beispielsweise bei mit SF6 isolierten Schaltanlagen für den Mittelspannungsbereich, gewünscht.

Bei Vakuumschaltröhren wird üblicherweise am Ende des Her stellungsprozesses der Restdruck in der Röhre durch die Mes sung des sogenannten Penningstromes bestimmt. Hierzu wird die Röhre in ein externes Magnetfeld gebracht und gleichzeitig eine hohe Spannung zwischen den getrennten Kontakten ange legt. Der gemessene Strom ist ein Maß für den herrschenden Restdruck. Eine derartige Anordnung ist beispielhaft in der JP 54-147085 A1, Pat. Abstr. of Japan, Sect. E, Vol. 4 (1980) Nr. 5, E-165, beschrieben.

Ein Nachteil letzterer Meßmethode ist die Notwendigkeit eines geeichten Meßplatzes mit stationärer elektromagnetischer Spule zur Erzeugung eines geeigneten Magnetfeldes, wie er insbesondere in der Fabrik vorhanden ist. Es ist zwar bereits mit der EP 0 150 389 B1 eine Meßanordnung für die Messung von betriebsmäßig eingebauten Schaltröhren bekannt, bei der Per manentmagneten verwendet werden, die von außen an die Röhre anlegbar sind. Zumindest muß aber hier die Röhre selbst zu gänglich sein.

Weiterhin wird bereits für betriebsmäßig eingebaute Vakuum schaltröhren vorgeschlagen, die Kontaktstücke auf einen definierten Abstand zu trennen, z. B. auf Nennhub, wie etwa typischerweise 12 bis 14 mm, und eine ansteigende Spannung anzulegen, bis ein Lichtbogendurchschlag erfolgt. Die physikalischen Grundlagen dafür sind in dem Fachbuch "Ein führung in die Hochspannungsversuchstechnik" (Viehweg-Verlag Braunschweig 1972), Seiten 144 bis 146 gegeben. Bei dieser Methode werden hohe Spannungen benötigt, welche außerhalb des Prüffeldes nur mit großem Aufwand generierbar sind und in der Praxis auch eine erhebliche Belastung bzw. Gefährdung der isolierenden Teile der Anlage mit sich bringen.

Schließlich ist es aus der EP 0 309 852 B1 bekannt, die Rönt genemission, die beim Anlegen einer hohen Spannung zwischen den geöffneten Kontakten über an einem der beiden Kontakt stücke bewirkte Feldelektronenemission entstehen kann, als Vakuumnachweis auszunutzen. Auch hier werden wieder hohe Spannungen benötigt und es sind für das Arbeiten mit Röntgen strahlung entsprechende Sicherheitsbestimmungen zu beachten.

Daneben ist aus der JP 1-227033 A, Pat. Abstr. of Japan, Sect. P, Vol. 13 (1989) Nr. 547, P-971, bekannt, in Behältern das Vakuum dadurch zu bestimmen, daß an den Behälter Elektroden mit Hochspannung angelegt werden und mittels einer Ver gleichsschaltung der fließende Strom vor und hinter dem Vakuumdurchgang erfaßt und verglichen wird. Diese Methode ist für die Praxis von Vakuumschaltern ungeeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Vakuum nachweis in betriebsmäßig eingebauten Vakuumschaltröhren vor zuschlagen, das ohne zusätzliche Mittel realisierbar ist und insbesondere in rauhen Praxisbedingungen eingesetzt werden kann.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe mit folgenden Verfahrensschritten:

- Zwischen die auf Nennhub geöffneten Kontaktstücke wird eine Spannung zwischen etwa 500 und 2000 V angelegt,
- anschließend werden die Kontaktstücke unter definierter Geschwindigkeit geschlossen geschlossen und
- es wird die Zeitdauer (t_brenn) zwischen der Lichtbogen zündung und der Kontaktschließung ermittelt.

Das erfindungsgemäße Verfahren geht davon aus, daß ein Licht bogen entsteht, wenn die Kontaktstücke einer Vakuumschalt röhre unter Spannung getrennt werden. Allerdings ist es wäh rend der Zündphase schwierig, von den elektrischen Signalen allein zu bestimmen, ob der Lichtbogen im Vakuum oder Gas, insbesondere Luft, gezündet wurde. Das Brennverhalten wird vielmehr durch den Metalldampf aus den Elektroden bestimmt.

Dagegen wird bei einer Entladung zwischen schließenden Kon takten der Zeitpunkt des Zündens eindeutig durch das Vorhan densein von Gas oder Vakuum bestimmt. Wenn bei angelegter Spannung die Kontakte geschlossen werden, wird ein Vakuum durchschlag stattfinden, wenn der Restdruck immer noch gering ist. Dies ist damit begründet, daß bei einer Feldstärke von etwa 3.10⁷ V/cm auf der Kontaktoberfläche Feldemission ein setzt und die Entladung getriggert wird. Bei etwa 1000 V zwi schen absolut ebenen Kontakten würde eine derartige Feld stärke bei einer Kontakttrennung von 3,3.10^-4 mm erreicht werden. Auch wenn man einen Felderhöhungsfaktor von 30 auf grund unebener Oberflächen annimmt, entsteht das für Feld emission notwendige Feld erst bei 10^-2 mm. Nimmt man ferner eine typische Kontaktgeschwindigkeit von 1 m/s an, kann davon ausgegangen werden, daß der Spannungszusammenbruch nur wäh rend der letzten zehn Mikrosekunden vor der Kontaktschließung auftritt. Sofern Gas in die Vakuumröhre hineingedrungen ist, wird das Durchschlagsverhalten durch die Paschenkurve be stimmt. Damit ist das Vorliegen von für das Schalten in der Vakuumschaltröhre ausreichendem Vakuum eindeutig bestimmbar!

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungs beispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Unter ansprüchen. Es zeigen

Fig. 1 eine Vakuumschaltröhre zur Verdeutlichung der Problemstellung,

Fig. 2 das Vakuumdurchschlagsverhalten und das Gasdurch schlagsverhalten als vereinfachtes Diagramm,

Fig. 3 gemessene Paschenkurven von Luft und SF6 und

Fig. 4a) und b) idealisierte Oszillogramme für eine dichte und eine undichte Röhre.

In Fig. 1 ist eine Vakuumschaltröhre 10 dargestellt, die im wesentlichen aus vakuumdicht miteinander verbundenen Stirn teilen 11 bzw. 18 und einem Isolatorhohlzylinder 12 besteht, welche das Röhreninnere gegen Atmosphäre abschließen. Am Isolator 12 kann eine metallische Abschirmung 14 potential frei gehaltert werden.

In das Innere der Vakuumschaltröhre 10 führen Kontaktbolzen 1 und 2, von denen einer axial beweglich ist, und die ein Kon taktsystem 15 tragen. Dazu ist der eine Kontaktbolzen 1 über einen Federbalg 13 mit der Röhre 1 und der andere Kontakt bolzen 2 fest mit der Röhre 1 verbunden. Das Kontaktsystem 15 besteht aus einem Bewegkontaktstück 16 und einem Festkontakt stück 17 vorgegebener Geometrie. Im offenen Zustand, d. h. bei Nennhub h, haben die Kontaktstücke 16 und 17 beispielsweise etwa 20 mm Abstand, während sie im geschlossenen Zustand bün dig aufeinander aufliegen.

Durch einen entsprechenden, in Fig. 1 nicht dargestellten Antrieb wird die Schaltbewegung erzeugt. Im allgemeinen geht man von einer typischen Kontaktgeschwindigkeit von 1 m/s aus, wobei durch mechanischen Kontakt der Kontaktstücke 16 und 17 der Stromfluß und durch Öffnen der Kontakte die Unterbrechung erreicht wird. Dabei ist Voraussetzung das Vorliegen eines hinreichenden Vakuums.

Bei der Fertigung derartiger Schaltröhren wird üblicherweise bei der Endabnahme im Werk dafür gesorgt, daß nur Röhren mit ausreichend niedrigen Leckraten ausgeliefert werden. Ein langsames Ansteigen des Druckes über Monate oder Jahre ist daher fast ausgeschlossen. Aufgrund der starken mechanischen Beanspruchungen, die durch unsachgemäße Montage in der Praxis auftreten können, ist es aber nicht völlig auszuschließen, daß Risse im Federbalg oder an Schweißnähten entstehen können. In diesem Fall würde ein Druckanstieg dann relativ schnell, d. h. innerhalb von Tagen, erfolgen. Eine Drucknach weismethode muß daher geeignet sein, eindeutig zwischen dichten und einer bis auf den Umgebungsdruck vollgelaufenen Röhre unterscheiden zu können.

Anhand Fig. 2 wird die sogenannte Paschenkurve, die das Durchschlagsverhalten innerhalb der Vakuumschaltröhre 10 bei Gaseinbruch, d. h. bei Belüftung, wiedergibt, verdeutlicht: Aufgetragen ist die Spannung als Funktion des Druckes inner halb der Vakuumschaltröhre 10. Wesentlich ist dabei das Pro dukt (P.d) aus Druck P und Abstand d der Kontaktstücke 16 und 17 mit 0 < d ≦ h zwischen Kontaktschluß und Nennhub.

In Fig. 2 findet im ganz linken Bereich bei niedrigem P.d ein Vakuumdurchschlag statt. Die Spannungsfestigkeit ist da bei proportional zum Elektrodenabstand. Wird der Gasdruck er höht, kommt man zum P.d-Bereich, in dem der Durchschlagmecha nismus durch das Vorhandensein der Gasmoleküle beeinflußt wird. Die Spannungsfestigkeit fällt bis zum sogenannten Paschenminimum, das für die meisten Gase zwischen etwa 300 V bis 500 V beträgt und in der Nähe von 10^-3 MPa.mm liegt, ab. Rechts vom Paschenminimum steigt die Spannungsfestigkeit mit steigendem P.d wieder an. Für eine Zündspannung von 1000 V ergeben sich unterschiedliche Zündpunkte 21 für eine dichte Röhre, 22 für eine undichte Röhre und 23 für eine vollgelau fene Röhre.

Gemessene Paschenkurven von Luft einerseits und SF6 anderer seits sind in Fig. 3 dargestellt, wobei wiederum auf der Abszisse der Faktor P.d und auf der Ordinate die Zündspannung jeweils in logarithmischem Maßstab aufgetragen sind. Im ein zelnen kennzeichnet 31 die Zündkennlinie für Luft und 32 die Zündkennlinie für SF₆. Letztere Kennlinie ist für SF₆-gekap selte Schaltanlagen mit Vakuumschaltern von Bedeutung. Aus den Meßkurven lassen sich Werte für die charakteristischen Zündzeitpunkte der Fig. 2 bestimmen:

Die Werte für die Zündpunkte 21, 22 und 23 aus Fig. 2 sind in nachfolgender Tabelle zusammengestellt. Da Messungen auf der linken Seite des Paschenminimums nicht bekannt sind, ist der diesbezügliche Wert geschätzt.

Tabelle

In den Teilfiguren a und b der Fig. 4 sind idealisierte Oszillogramme einerseits für eine dichte und andererseits für eine undichte Vakuumschaltröhre 10 wiedergegeben. Wie bereits ausgeführt, wird für eine dichte Röhre die Zeit t_brenn typi scherweise zwischen 0 und 10 µs liegen. Wenn dagegen bei spielsweise SF6 bis zu einem Druck von 10 Pa in eine Röhre 10 eingedrungen ist, würde ein Durchschlag bei einem Kontaktab stand von ca. 10 mm stattfinden. Dies bedeutet für die Zeit t_brenn, daß dieser Wert einige Größenordnungen größer als bei der dichten Röhre ist.

Bei welchem Druck konkret die Detektionsgrenze liegt, hängt vom tatsächlichen Verlauf des linken Astes der Paschenkurve, vom Nennhub der speziell verwendeten Röhre und der Höhe der angelegten Spannung ab. Bis zu 10 kV läßt sich die Spannung leicht mit einer transportierbaren Spannungsquelle erzeugen, so daß in der Praxis vor Ort an der eingebauten Schaltröhre gemessen werden kann. Die Zeitdauer t_brenn wird in üblicher Weise mit einem Oszillographen ermittelt.

Durch entsprechende elektronische Schaltkreise kann man un mittelbar t_brenn erfassen, mit einem Referenzwert vergleichen und als einfache binäre Meldung weitergeben. Dabei ist bei spielsweise für ein praxistauglichen Gerät folgende Vor gehensweise denkbar:

a) t_brenn < t_ref,
Daraus folgt, die Röhre ist dicht, und ein erstes Anzeige organ, beispielsweise grünes LED, leuchtet
b) t_brenn < t_ref.
Daraus folgt, die Röhre ist undicht, und ein zweites Anzeige organ, beispielsweise ein rotes LED, leuchtet.

Wenn bei dem beschriebenen Verfahren eine Prüfspannung größer als 5 kV gewählt wird, liegt der entsprechende Zündzeitpunkt bei etwa 10⁵ Pa.mm auf der Paschenkurve, was bei einem Kon taktabstand von ungefähr 1 mm im Fall einer auf < 1 bar voll gelaufenen Röhre erfüllt ist. Aus diesem Grund kann man un mittelbar zwischen einer dichten und einer vollgelaufenen Röhre unterscheiden.

Claims

1. Verfahren zum Vakuumnachweis in betriebsmäßig eingebauten Vakuumschaltröhren mit folgenden Verfahrensschritten:

1. zwischen die auf Nennhub geöffneten Kontaktstücke der Vakuumschaltröhre wird eine Spannung zwischen etwa 800 bis 2000 V angelegt,
2. anschließend werden die Kontaktstücke unter definierter Geschwindigkeit geschlossen
3. und es wird die Zeitdauer (t_brenn) zwischen der Lichtbogen zündung und der Kontaktschließung ermittelt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Geschwindigkeit der Schließbe wegung der Kontaktstücke etwa 1 m/s beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Spannung etwa 1000 V beträgt.