DE3743868A1

DE3743868A1 - Verfahren und vorrichtung zum vakuumnachweis bei vakuumschaltroehren

Info

Publication number: DE3743868A1
Application number: DE19873743868
Authority: DE
Inventors: Wilfried Kuhl; Heinz-Helmut Dr Schramm
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-09-30
Filing date: 1987-12-23
Publication date: 1989-07-06
Also published as: EP0309852A1; JPH01115022A; EP0309852B1; DE3874065D1; US4906935A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Vakuumnachweis bei Vakuumschaltröhren, wobei bei vorgegebenem Kontakthub Hoch spannung zwischen den Kontakten angelegt wird. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf die zugehörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer Hochspannungseinheit zur Erzeugung einer Prüfspannung für die mit definiertem Kontakthub geöffneten Schaltkontakte der Vakuumschaltröhre.

Ein derartiges Verfahren und die zugehörige Vorrichtung ist spe ziell zum Vakuumnachweis bei gekapselten Vakuumschaltröhren, insbesondere bei SF ₆-isolierten Schaltanlagen, Gegenstand der älteren Patentanmeldung P 37 33 107.8. Das vorbeschriebene Ver fahren, bei dem gleichermaßen die Durchschlagfestigkeit geprüft wird, ist durch folgende Verfahrensmerkmale gekennzeichnet:

a) Es wird ein Kontakthub (h) unterhalb des Nennhubes des Vaku umschalters gewählt,
b) die bei diesem Kontakthub (h) und Hochspannung (U) im Vakuum aufgrund der Feldelektronenemission zwischen den Kontakten von den als Anode wirkenden Kontaktflächen erzeugte Röntgen strahlung wird erfaßt und
c) als Nachweis für das Vorliegen von Betriebsvakuum innerhalb der Schaltröhre ausgewertet.

Bei der zugehörigen Vorrichtung ist der Vakuumschaltröhre ein Röntgenstrahldetektor, vorzugsweise Geiger-Müller-Zählrohr, zu geordnet, der mit der Hochspannungseinheit über eine Auswerte schaltung verbunden ist, die zur Feststellung und Anzeige von Betriebsvakuum oder eines Leckes dient und die zur Minimierung der Röntgenstrahlung die Hochspannungseinheit abschaltet.

In der älteren Patentanmeldung wird das Verfahren und die Vor richtung in Ergänzung zur üblichen Prüfung auf Durchschlag festigkeit speziell zur Diskriminierung von Vakuum und SF ₆ als Isoliergas, bei dessen Eintritt in die Vakuumschaltröhre vorge gebene Prüfspannungen ebenfalls noch gehalten werden können, verwendet.

Obiges Verfahren der Hauptpatentanmeldung wird im Rahmen vor liegender Erfindung derart abgewandelt, daß es zum Vakuumnach weis auch ungekapselter Vakuumschaltröhren verwendet wird. An dem Aufbau der Vorrichtung und insbesondere der Auswerteschal tung ändert sich dadurch nichts.

Im Rahmen der Erfindung wird die bei einem Hochspannungstest speziell bei gegenüber dem Nennhub reduziertem Schaltkontakthub zwangsläufig erzeugte Röntgenstrahlung zum Vakuumnachweis aus genutzt. Dabei ist vorteilhaft, daß die Röntgenemission zwar für den Meßzweck ausgenützt werden kann, aber weit vor Errei chen der nach der Strahlenschutzverordnung vorgegebenen, unzu lässigen Grenze gestoppt wird.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbei spielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprü chen.

Es zeigen

Fig. 1 eine graphische Darstellung der Durchschlagfestigkeit als logarithmische Funktion des Druckes bei vorgegebenen Kontakthub und

Fig. 2 blockschaltbildmäßig eine Auswerteschaltung für die ange wandte Prüfvorrichtung.

Im Diagramm nach Fig. 1 ist als Abszisse der Druck einer Vakuum schaltröhre in Millibar und als Ordinate die Durchschlagfestig keit als Hochspannung U in Kilovolt Gleichspannung angegeben. Als funktionale Abhängigkeit ergibt sich die sogenannte Paschen- Kurve, die bei geöffneten Schaltkontakten jeweils den Wert der maximal gehaltenen Spannung wiedergibt.

Bekanntermaßen ist die Durchschlagfestigkeit im Vakkuum sehr hoch und beträgt z.B. in Abhängigkeit vom Kontaktwerkstoff für CuCr bei 1 mm Kontaktabstand ca. 80 kV. Normalerweise begrenzt daher die an Luft befindliche Isolatorkriechstrecke zur Poten tialtrennung eine Spannungsfestigkeit. Nach Überschreiten von 10^-2 mbar fällt die Spannungsfestigkeit steil ab zum sog. Pa schen-Minimum von einigen 100 V. In Richtung Atmosphärendruck (1000 mbar) steigt die Durchschlagfestigkeit wieder auf einige kV an.

In Fig. 1 ist eine derartige Paschen-Kurve 1 für einen Kontakt hub von h=3 mm als Parameter dargestellt. Mit der Paschenkurve läßt sich also das für die Funktion einer Vakuumschaltröhre not wendige Betriebsvakuum definieren: Es muß im allgemeinen gerin ger als 10^-2 mbar sein. Dagegen spielt der genaue Wert des Druckes unterhalb dieser Größe keine entscheidende Rolle für die Durchschlagfestigkeit.

Es ist bekannt, daß bei der Erzeugung von Röntgenstrahlung über Elektronenanregung im wesentlichen die gleichen Anforderungen an das Vakuum zu stellen sind. Daher kann das Vorliegen von Röntgenemission speziell in Vakuumschaltröhren als Sensor für das Vorliegen von Betriebsvakuum herangezogen werden.

Üblicherweise haben Vakuumschalter einen Nennhub zwischen 10 und 20 mm. Bei diesem Hub tritt keine meßbare Röntgenemission außerhalb der Vakuumschaltröhre auf. Für Prüfzwecke werden je doch bei Vakuumschaltern Kontakthübe unterhalb des Nennhubes, insbesondere im Bereich zwischen 1 und 8 mm, beispielsweise 3 mm, verwendet. Dazu kann an der externen Antriebswelle des Schaltgerätes über ein manuell einbringbares Distanzstück der Kontakthub auf diesen Wert vorgegeben werden.

Bei einem Kontakthub von 3 mm wird das Kontaktmaterial der Kon taktstücke durch Feldelektronenemission zwischen den Kontakt stücken zur Röntgenstrahlung angeregt, die außerhalb des Vakuum schalters meßbar ist. Bricht dagegen das Vakuum zusammen, was durch ein Leck spontan oder durch langsame Flutung erfolgen kann, so tritt keine Röntgenstrahlung auf.

Die Röntgenstrahlung wird in der bereits vorbeschriebenen Schal tung gemäß Fig. 2 erfaßt: In Fig. 2 sind ein Vakuumschaltrohr 15, ein ihm zugeordnetes Geiger-Müller-Zählrohr 20 mit sich da ran anschließendem Meßgerät 21 schematisch angedeutet.

Die blockschaltbildmäßig dargestellte Auswerteschaltung besteht im wesentlichen aus zwei Einheiten 30 und 40, die nachfolgend im Funktionszusammenhang im einzelnen erläutert werden:

Der Block 30 besteht im einzelnen aus der schon erwähnten Hoch spannungseinheit 25 für die Erzeugung der Prüfspannung, der in einem Schaltkreis eine Einheit 31 für eine Grenzwertabschaltung, eine nachfolgende Steuerlogik 32, und eine Schalteinheit 33 für das Ein- bzw. Ausschalten der Hochspannungseinheit 25 zugeord net ist. Von der Steuerlogikeinheit 32 wird eine Anzeigeinrich tung, bestehend aus Signalverstärker 34 und Signallampe 35 an gesteuert.

Der gesamte Block 30 ist über eine Signalleitung mit dem Block 40 verbunden, welcher letzterer die Einheit 33 zur Ein- bzw. Ausschaltung der Hochspannungseinheit 25 ansteuert. Der Block 40 besteht im einzelnen aus einem Zähler 41, der von den Zähl impulsen des Meßgerätes 21, das dem Geiger-Müller-Zählrohr 20 nachgeschaltet ist, angesteuert wird. Im Zählgerät 41 werden die in einer vorgegebenen Zeit, die mittels eines Zeitgebers 42 einstellbar ist, beispielsweise eine Sekunde, anfallenden Im pulse aufsummiert. Der Zählwert wird auf einen Komparator 44 gegeben, und mit einem mittels eines Codierschalters 43 vorgeb baren Wert verglichen. Das Antwortsignal gelangt auf eine Kipp stufe 46, z. B. Flip-Flop, die gleichzeitig von einer Einschalt einheit 45 angesteuert wird.

Von der Kippstufe 46 wird gleichermaßen eine Anzeigeeinrichtung aus Signalverstärker 47 und Signallampe 48 sowie ein UND-Glied 50 angesteuert, das über die Einschalteinrichtung 45 und einen Meßzeitgeber 49, der die Meßdauer auf beispielsweise 30 s begrenzt, betätigt wird.

Mittels der so beschriebenen Auswerteschaltung kann also das Vorliegen von Betriebsvakuum in der Schaltröhre 15 eindeutig erkannt werden, ohne daß unzulässig hohe Röntgen-Emission ent steht. Durch Vakuumverlust defekte Schaltröhren können somit sicher erkannt werden.

Es hat sich gezeigt, daß es sinnvoll ist, die Messung für die Anzeige des Vorliegens von Vakuum über Erfassung von Röntgen- Emission auf 30 s zu begrenzen, worauf der Meßzeitgeber 49 abge stellt ist. Bei diesen Werten kann der Vakuumzustand von Schalt röhren sowohl bei neuen als auch bei bereits geschalteten Kon taktoberflächen geprüft werden. Die Empfindlichkeit des Geiger- Müller-Zählrohrs 20 ist im allgemeinen so hoch, daß bereits eine Strahlen-Dosis von 1 µSv erfaßt wird. Da dieser Wert im Bereich des Nulleffektes der natürlichen Umgebungsstrahlung liegt, kann in diesem Bereich unbedenklich gearbeitet werden.

Bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zweck mäßigerweise die Prüfspannung von einem niedrigen Wert mit an steigender Charakteristik auf den Arbeitspunkt eingestellt wer den, wobei bereits mit ansteigender Spannung die Auswerteschal tung in Betrieb ist.

Für die Auswerteschaltung nach Fig. 2 kann auch ein Mikropro zessor eingesetzt werden, bei dem die anhand der Blöcke 30 und 40 und den Einheiten 31 bis 50 dargestellten Funktionen soft waremäßig ausgeführt werden.

Claims

1. Verfahren zum Vakuumnachweis bei Vakuumschaltröhren, wobei bei vorgegebenem Kontakthub Hochspannung zwischen den Kontakten angelegt wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensmerkmale:

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß Kontakthub (h) und/oder Prüfspannung (U) in Abhängigkeit vom Kontaktwerkstoff der Kontakte gewählt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß bei einem Kontakthub zwischen 1 und 8 mm, vorzugsweise bei 3 mm, gearbeitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß mit Gleichspannung von 30 bis 100 kV, vorzugsweise etwa 57 kV, und einem Gleichstrom von unterhalb 12 mA gearbeitet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß mit Wechselspannung zwischen 25 und 70 kV_eff, vorzugsweise 40 kV_eff, und einem Strom unter 3 mA gearbeitet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2 sowie Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüf spannung mit ansteigender Charakteristik von einem niedrigen Wert auf den Arbeitspunkt eingestellt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Röntgenstrahlung quantitativ ge messen wird und bei Erreichen vorgegebener Schwellwerte der Röntgendosis eine Abschaltung der Hochspannung bewirkt und damit weitere Röntgenemission vermieden wird, wobei gleicher maßen eine Anzeigeeinrichtung zur Bestätigung des einwandfreien Betriebsvakuums aktiviert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß bei Null-Emission der Röntgenstrahlung die Betriebsspannung über eine vorgegebene Prüfzeit, beispiels weise 30 Sekunden, als Prüfspannung gehalten und dann erst abgeschaltet wird, wobei mit der Abschaltung eine Anzeigeein richtung zur Anzeige eines Lecks an der Schaltröhre aktiviert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß bei Null-Emission Spannungsdurchschläge erfaßt und unmittelbar zur Abschaltung der Prüfspannung führen, wobei gleichermaßen mit der Abschaltung die Anzeigeeinrichtung zur Anzeige eines Leckes an der Schaltröhre aktiviert wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestä tigung der Anzeige die Röntgenaktivierung zyklisch wiederholbar ist.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 10 mit einer Hochspannungseinheit zur Erzeugung einer Prüfspannung für die mit definiertem Kon takthub geöffneten Schaltkontakte der Vakuumschaltröhre, da durch gekennzeichnet, daß der Vakuum schaltröhre (15) ein Röntgenstrahldetektor (20, 21), vorzugs weise Geiger-Müller-Zählrohr, zugeordnet ist, der mit der Hoch spannungseinheit (25) über eine Auswerteschaltung (30 bis 50) verbunden ist, die zur Feststellung und Anzeige von Betriebs vakuum oder eines Leckes dient und die zur Minimierung der Rönt genstrahlung die Hochspannungseinheit (25) abschaltet.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch ge kennzeichnet, daß der Röntgenstrahldetektor (20) in definiertem Abstand von der Vakuumschaltröhre (15), vorzugs weise 5 cm, angeordnet ist und die Röntgenemission zur Abschal tung der Hochspannungseinheit (25) auf diesen Abstand normiert ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch ge kennzeichnet, daß in den Antrieb für die Kontakt bewegung der Vakuumschaltröhre (15) ein Distanzstück zur Vor gabe eines definierten, unterhalb des normalen Nennhubes liegen den Kontakthubes einbringbar ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch ge kennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (30 bis 50) mittels eines Mikroprozessors softwaregesteuert ist.