DE19526394A1 - Verfahren zum Vakuumnachweis in betriebsmäßig eingebauten Vakuumschaltröhren - Google Patents

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. Ein Nachteil dieser Meßmethode ist die Notwendig­ keit eines geeichten Meßplatzes mit stationärer elektromagne­ tischer Spule zur Erzeugung eines geeigneten Magnetfeldes, wie er insbesondere in der Fabrik vorhanden ist.

Es ist zwar bereits mit der EP-B 0 150 389 eine Meßanordnung für die Mes­ sung von betriebsmäßig eingebauten Schaltröhren bekannt, bei der Permanentmagneten verwendet werden, die von außen an die eingebaute Röhren anlegbar sind. Zumindest muß aber hier die Röhre selbst zugänglich sein.

Weiterhin ist es bereits für betriebsmäßig eingebaute Vakuum­ schaltröhren bekannt, 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. Dafür werden hohe Spannun­ gen benötigt, welche außerhalb des Prüffeldes mit großem Auf­ wand 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-B-O 309 852 bekannt, die Rönt­ genemission, die beim Anlegen einer hohen Spannung zwischen geöffneten Kontakten über an einem der beiden Kontaktstücke bewirkte Feldelektronenemission entstehen kann, als Vakuum­ nachweis auszunutzen. Auch hier werden wieder hohe Spannungen benötigt und es sind für das Arbeiten mit Röntgenstrahlung entsprechende Sicherheitsbestimmungen zu beachten.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein weiteres Verfahren zum "In­ situ" -Nachweis des Vakuumzustandes einer Vakuumschaltröhren anzugeben.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß akusti­ sche Schwingungen, insbesondere im Ultraschallbereich, erfaßt und aus dem Schallspektrum Aussagen über den Vakuumzustand der Röhre abgeleitet werden. Vorteilhafterweise kann der beim Schalten der Röhre erzeugte Schall mit einem Schallempfänger aufgenommen und ausgewertet werden. Es ist auch möglich, daß mittels eines separaten Schallsenders Schall in die Röhre eingestrahlt und mittels eines Schallempfängers der Schall aufgenommen und ausgewertet wird. Dabei kann beispielsweise ein einziges Piezoelement als Sende-/Empfangssystem dienen.

Die Erfindung geht von der Erfahrung aus, daß beim Kontakt­ trennen und/oder -schließen zwangsläufig durch die Reibung und das Aufprallen von Metallteilen aufeinander ein akusti­ sches Signal entsteht. Entscheidend ist die Erkenntnis, daß die Ausbreitung der Schallwellen unterschiedlich ist, je nachdem ob die Schaltröhre Vakuum oder ein Gas, insbesondere Luft, beinhaltet. Im ersten Fall führt der Weg zum Schallsen­ sor nur über die Metall- bzw. Keramikwände. Im zweiten Fall kommt der Weg durch das in der Röhre enthaltene Gas, insbe­ sondere Luft, hinzu. Dies hat Auswirkungen nicht nur auf die Signalamplitude und den zeitlichen Verlauf, sondern auch auf das Frequenzspektrum. Da nur die Ausbreitung der akustischen Welle von Interesse ist, reichen Leerschaltungen, d. h. strom­ lose Schaltungen, zur Diagnose aus.

Von letzterem abgesehen kann für eine online-Messung während des Betriebes der Vakuumschaltröhre ein als Sender benutztes Piezoelement an die Röhre angebracht werden, das in regel­ mäßigen Zeitabständen ein akustisches Signal aussendet. Die­ ses Piezoelement oder alternativ ein zweites an einer anderen Stelle der Röhre angebracht es Piezoelement können als Empfän­ ger des Signals dienen. Auch hier wird der Unterschied der aufgenommenen Signalstruktur als Grundlage für eine Ja/Nein- Aussage verwendet.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungs­ beispiels anhand der Zeichnung in Verbindung mit weiteren Unteransprüchen. Es zeigen

Fig. 1 eine Vakuumschaltröhre mit einem an geeigneter Stelle angebrachten akustischen Sensor und

Fig. 2 eine Schaltanlage mit einer Vakuumschaltröhre und einen entsprechend Fig. 1 ausgebildeten Sensor.

In Fig. 1 ist eine Vakuumschaltröhre 10 dargestellt, die im wesentlichen aus metallischen Stirnteilen 11 und 18 sowie einem Isolatorhohlzylinder 12 besteht, welche vakuumdicht miteinander verbundenen sind und das Röhrengehäuseinnere gegen Atmosphäre abschließen. Am Isolator 12 kann ein metallischer Abschirmhohlzylinder 14 potentialfrei 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. Dabei ist der eine Kontaktbolzen 1 über einen Federbalg 13 und der andere Kontaktbolzen starr mit der Röhre 1 verbunden. Das Kontaktsystem 15 besteht aus einem Be­ wegkontaktstück 16 und dem einen Festkontaktstück 17 vorge­ gebener Geometrie. Im offenen Zustand, d. h. bei Nennhub h, haben die Kontaktstücke 16 und 17 etwa 20 mm Abstand, während sie im geschlossenen Zustand bündig aufeinander aufliegen.

Durch einen entsprechenden in Fig. 1 nicht dargestellten An­ trieb 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 kön­ nen. In diesem Fall würde ein Druckanstieg dann relativ schnell, d. h. innerhalb von Tagen, erfolgen. Eine Drucknach­ weismethode muß daher geeignet sein, eindeutig zwischen dich­ ten und einer bis auf den Umgebungsdruck vollgelaufenen Röhre unterscheiden zu können.

In Fig. 1 ist ein akustischer Sensor 21 direkt an der Wan­ dung des Keramikhohlzylinders 12 der Schaltröhre angebracht. Es kommen beispielsweise Ultraschallmikrophone, Dehnungsmeß­ streifen oder auch sogenannte Accelerometer als Detektoren in Frage. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist die genaue Lage des Sensors 21 nicht kritisch. Sie muß aber reproduzierbar sein und soll die Spannungsfestigkeit der Schaltröhre 10 nicht beeinträchtigen.

In Fig. 1 erfüllt die gezeigte Position obige Bedingungen. Das Meßsignal kann entweder elektrisch oder falls die Be­ triebsspannung es erfordert, über Lichtleiter zum Auswerte­ gerät übertragen werden, und wird in üblicher Weise aufgetra­ gen und ausgewertet: Einerseits ergeben sich charakteristi­ sche Kurven der Signalamplituden in Abhängigkeit von der Zeit für unterschiedliche Laufwege des Schalls, d. h. je nachdem ob Vakuum vorliegt oder die Schaltröhre belüftet ist. Anderer­ seits kann sich in Abhängigkeit von letzteren Randbedingungen auch das Frequenzspektrum ändern, das beispielsweise durch stromloses Schalten, d. h. beim Aufeinanderprallen der Kon­ taktstücke mit Schallemission, erzeugt wird.

In einer gasisolierten Schaltanlage mit Vakuumschaltröhren gemäß Fig. 2 ist ein Sensor 31 am Anlagengehäuse 30 ange­ bracht worden. In komplexen räumlich ausgedehnten, aber nicht getrennten Systemen sind dabei zur genaueren Ortung der defekten Röhre die Signale mehrerer Sensoren 31, 32, etc. heranzuziehen.

Statt der Sensoren 21 bzw. 31 in Fig. 1 bzw. Fig. 2, die als Empfänger zum Erfassen innerhalb der Röhre erzeugt er Schallsignale ausgelegt sind, kann auch ein insbesondere als Schallsender verwendbares Piezoelement an der Wandung der Röhre 10 angebracht werden. Ein solcher Sender kann in regel­ mäßigen Zeitabständen ein akustisches Signal aussenden, das von einem anderen Piezoelement als Empfänger erfaßt wird.

Alternativ können die Schallsignale bei geeigneter Zeitsteue­ rung vom gleichen Piezoelement empfangen werden.

Bezüglich des Unterschiedes der aufgenommenen Signalstruktur, je nachdem ob Schalldämpfung durch Luft existiert oder nicht, gelten die gleichen Randbedingungen wie bei der Auswertung von röhreninternen Schallphänomenen. Durch entsprechende elektronische Schaltkreise kann man die erfaßten Signale mit Referenzwerten vergleichen und als binäre Meldung mit ja/nein-Aussage für den Vakuumzustand der Röhre anzeigen.

Claims (8)

1. Verfahren zum Vakuumnachweis in betriebsmäßig eingebauten Vakuumschaltröhren, dadurch gekennzeich­ net, daß akustische Schwingungen, insbesondere im Ultra­ schallbereich, erfaßt und aus dem Schallspektrum Aussagen über den Zustand der Röhre abgeleitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der beim Schalten der Röhre erzeugte Schall mit einem Schallempfänger aufgenommen und ausgewertet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mittels eines separaten Schallsenders Schall in die Röhre eingestrahlt und mittels eines Schall­ empfängers der Schall aufgenommen und ausgewertet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein einziges Piezoelement als Sende-/ Empfangssystem verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Amplitude des Schallspektrums ausgewertet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß das Frequenz­ spektrum des Schallsignals ausgewertet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß als Schall­ empfänger (21; 31, 32) ein Mikrophon, ein Dehnungsmeßstreifen oder ein sogenanntes Accelerometer verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Signal­ übertragung potentialfrei über optische Elemente, insbeson­ dere Lichtwellenleiter, erfolgt.