EP0309852B1 - Verfahren und Vorrichtung zum Vakuumnachweis bei Vakuumschaltröhren - Google Patents

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EP0309852B1
EP0309852B1 EP88115334A EP88115334A EP0309852B1 EP 0309852 B1 EP0309852 B1 EP 0309852B1 EP 88115334 A EP88115334 A EP 88115334A EP 88115334 A EP88115334 A EP 88115334A EP 0309852 B1 EP0309852 B1 EP 0309852B1
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EP
European Patent Office
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vacuum
voltage
contact
interrupter
high voltage
Prior art date
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EP88115334A
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English (en)
French (fr)
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EP0309852A1 (de
Inventor
Rüdiger Dr. Hess
Wolfgang Schilling
Wolfgang Dr. Schlenk
Wilfried Kuhl
Peter Dipl.-Ing. Trentin (Fh)
Heinz-Helmut Dr. Schramm
Leonhard Klug
Heribert Dipl.-Ing. Weber (Fh)
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/60—Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/668—Means for obtaining or monitoring the vacuum

Definitions

  • the invention relates to a method for vacuum detection in vacuum interrupters, high voltage being applied between the contacts for a given contact stroke.
  • the invention also relates to the associated device for carrying out the method with a high-voltage unit for generating a test voltage for the switching contacts of the vacuum interrupter opened with a defined contact stroke.
  • Vacuum interrupters are among others also used in SF6-insulated switchgear. For quality monitoring of the vacuum state, vacuum interrupters are usually checked with a measuring device based on the magnetron measuring principle before delivery. Due to the modern manufacturing technology, a vacuum loss in the switching tube cannot normally occur even after a long time. Nevertheless, the requirement is raised to be able to control the internal pressure of a vacuum switch installed in the switchgear without removing the switch tube from the container.
  • the user can safely control the internal pressure by using mobile measuring devices, for example with measuring methods after the high voltage test or by using modified magnetron devices with permanent magnets.
  • mobile measuring devices for example with measuring methods after the high voltage test or by using modified magnetron devices with permanent magnets.
  • Such methods and measuring devices for vacuum interrupters installed in SF6-insulated switchgear are not applicable.
  • the SF6's good insulation ability would maintain the test voltage despite a possible leak on the switching tube at the nominal stroke and thus simulate a good vacuum. So it can with this The process cannot be safely differentiated between vacuum and SF6 filling, ie a leak in the switching tube.
  • the object of the invention is therefore to propose a method and an associated device of the type mentioned at the outset with which it can be ascertained whether a functional operating vacuum is present in vacuum interrupters and which can be used with non-encapsulated and encapsulated interrupters.
  • the vacuum interrupter is assigned an X-ray detector, preferably a Geiger-Müller counter tube, which is connected to the high-voltage unit via an evaluation circuit, which is used to determine and display the operating vacuum or a leak and to minimize the X-ray dose the high-voltage unit switches off.
  • an X-ray detector preferably a Geiger-Müller counter tube
  • the invention can preferably be used in encapsulated vacuum interrupters, in particular in SF6-insulated switchgear, to determine whether, in particular, no insulating gas has leaked into the interior of the tube without the interrupters having to be removed from the SF6 container.
  • a modified high-voltage device is therefore used in combination with a for the vacuum control X-ray measuring device and a corresponding signal evaluation circuit used.
  • the X-ray radiation which is inevitably generated in a high-voltage test, in particular when the switching contact stroke is reduced compared to the nominal stroke, is used. On the other hand, no measurable X-ray radiation occurs at the nominal stroke.
  • the X-ray emission can be used for the measurement purposes, but is stopped long before the impermissible limit specified in the Radiation Protection Ordinance is reached.
  • the abscissa is the pressure of a vacuum interrupter in millibars and the ordinate is the dielectric strength as high voltage U in kilovolt DC.
  • the so-called Paschen curve is a functional dependency, which shows the value of the maximum voltage held when the switch contacts are open.
  • the dielectric strength in vacuum is very high and is e.g. depending on the contact material for CuCr at 1 mm contact spacing approx. 80 kV. Normally, therefore, the insulator creepage distance in air for electrical isolation limits a dielectric strength. After exceeding 10 ⁇ 2 mbar, the dielectric strength drops sharply to the so-called Paschen minimum of a few 100 V. In the direction of atmospheric pressure (1000 mbar), the dielectric strength increases again to a few kV.
  • the Paschen curve 100 can thus be used to define the operating vacuum required for the function of a vacuum interrupter: It must be in the generally less than 10 ⁇ 2 mbar. In contrast, the exact value of the pressure below this size does not play a decisive role in the dielectric strength.
  • Vacuum switches usually have a nominal stroke between 10 and 20 mm. With this stroke, there is no measurable X-ray emission outside the vacuum interrupter. For test purposes, however, contact strokes below the nominal stroke are used in vacuum switches, in particular in the range between 1 and 8 mm, for example 3 mm. For this purpose, the contact stroke to this value can be specified on the external drive shaft of the switching device using a manually insertable spacer.
  • the contact material of the contact pieces is excited by field electron emission between the contact pieces for X-ray radiation, which can be measured outside the vacuum switch.
  • the vacuum breaks down which can be caused by a leak spontaneously or by slow flooding, no X-ray radiation occurs.
  • the X-ray radiation is detected, for example, in the circuit according to FIG. 2:
  • a vacuum switching tube 15, a Geiger-Müller counter tube 20 associated with it and a measuring device 21 connected to it are schematically indicated.
  • the evaluation circuit shown in block diagram form essentially consists of two units 30 and 40 , which are explained in detail below in the functional context:
  • the block 30 consists in detail of the high-voltage unit 25 already mentioned for generating the test voltage, to which a circuit 31 is assigned a unit 31 for a limit switch, a subsequent control logic 32, and a switching unit 33 for switching the high-voltage unit 25 on and off .
  • the control logic unit 32 controls a display device consisting of signal amplifier 34 and signal lamp 35.
  • the entire block 30 is connected via a signal line to the block 40, the latter controls the unit 33 for switching the high-voltage unit 25 on and off.
  • the block 40 consists in detail of a counter 41, which is driven by the counting pulses of the measuring device 21, which is connected downstream of the Geiger-Müller counter tube 20. In the counter 41, the pulses occurring in a predetermined time, which can be set by means of a timer 42, for example one second, are added up. The count value is fed to a comparator 44 and compared with a value which can be predetermined by means of a coding switch 43. The response signal arrives at a flip-flop 46, e.g. B. flip-flop, which is controlled simultaneously by a switch-on unit 45.
  • a flip-flop 46 e.g. B. flip-flop
  • the flip-flop 46 equally controls a display device comprising a signal amplifier 47 and a signal lamp 48 and an AND gate 50, which is actuated via the switch-on device 45 and a measuring timer 49, which limits the measuring time to, for example, 30 s.
  • the test voltage can expediently be set from a low value with an increasing characteristic to the operating point, the evaluation circuit already being in operation with an increasing voltage.
  • the contact stroke h is given as the abscissa in millimeters and the dielectric strength as the ordinate as high voltage U in kilovolts of effective alternating voltage.
  • the dielectric strength is in each case a monotonically increasing function of the contact stroke, in FIG. 3 a first functional dependency for vacuum as a parameter and 2 a second functional dependency with 1.5 bar SF6 as a parameter.
  • a complete control room is designated by 10 in FIG. In the present case, this consists of three panels, each with three SF6-encapsulated switches.
  • the containers for receiving the SF6 are designated 11.
  • a vacuum interrupter 15 the two contact pins 16 and 17 of which are electrically connected to the functional units of the switchgear assembly, which are not discussed in detail here.
  • the movable contact pin is mechanically connected via a linkage 18 to a drive, not shown in FIG. 2, which causes the switching contacts to open or close.
  • the linkage 18 is coupled to a drive shaft 12 via connecting elements which cannot be recognized.
  • the contact stroke h can be predetermined on the external drive shaft 12 by means of cams 13 and shock absorbers 14 via a manually insertable spacer 19 such that it is limited for test purposes considerably below the nominal stroke, for example to 3 mm.
  • the vacuum interrupter 15 in FIG. 4 is assigned a Geiger-Müller counter tube (GMZ) 20 outside the container 11.
  • the Geiger-Müller counter tube 20 is followed by a measuring device 21 which is coupled to a high-voltage unit 25 via a switch.
  • the high-voltage unit 25 is connected to the two contact pins 16 and 17 when the contacts are open.
  • the method according to the invention can be carried out with such an arrangement: the invention takes advantage of the phenomenon that when the contacts are open and the distance between the contacts is sufficiently short or the voltage is high enough due to field emission Electrons are generated, each of which excites the counter electrode (anode) to X-rays.
  • the entire switchgear 10 To test a vacuum interrupter for vacuum, the entire switchgear 10 must be disconnected from the mains and both contact bolts 16 and 17 must be available for the connection of the test device.
  • the electrical connections are only shown in principle in FIG. 2, in practice the contacting is carried out in the switch panel.
  • the spacer 19 is inserted between the cam 13 and the shock absorber 14, which acts on the switching drive 18 and thus limits the switch contact stroke to, for example, 3 mm.
  • the high voltage cable and the earth cable are connected to the two poles of the vacuum interrupter 15.
  • the counter tube of the Geiger-Müller counter 20 is located outside the SF6 container 11 at a distance of approximately 5 cm from the container wall at the level of the center of the switch contact gap.
  • X-rays gamma rays
  • the Geiger-Müller counter tube 20 delivers counting pulses per unit of time, ie X-ray quanta per second, which are processed in a circuit arrangement and, after reaching an adjustable threshold, cause the high-voltage unit to be switched off. This will be discussed in more detail below. If, however, SF6 has entered the vacuum interrupter 15 through a leak, the voltage is not maintained up to a certain SF6 pressure, for example of about 2 bar. A voltage breakdown occurs that can be registered. In this case, X-rays do not arise.
  • the contact stroke used for the test should be between 1 and 8 mm for a given test alternating voltage and must also be selected, inter alia, as a function of the contact material used for the vacuum switch, since the material influences the X-ray emission.
  • the dissertation by D. Dohnal “Investigations on X-rays on high-voltage high-vacuum arrangements” (TU Braunschweig 1981).
  • the voltage in the switching tube may also be maintained when a certain SF6 overpressure is reached.
  • a graph for example 2 bar SF6 would lie between curves 1 and 2. A distinction can thus be made even in the case of zero emission of the X-rays between a slight leak that has not yet completely led to the flooding and a complete SF6 flooding in which a test voltage is maintained despite the zero emission of X-rays.
  • the test voltage can expediently be set from a low value with an increasing characteristic to the operating point, the evaluation circuit already being in operation with an increasing voltage.
  • a microprocessor can also be used for the evaluation circuit according to FIG. 2, in which the functions shown on the basis of blocks 30 and 40 and units 31 to 50 are carried out in software.

Landscapes

  • X-Ray Techniques (AREA)
  • High-Tension Arc-Extinguishing Switches Without Spraying Means (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Vakuumnachweis bei Vakuumschaltröhren, wobei bei vorgegebenem Kontakthub Hochspannung 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.
  • Vakuumschaltröhren werden u.a. auch in SF₆-isolierten Schaltanlagen verwendet. Zur Qualitätsüberwachung des Vakuumzustandes werden Vakuumschaltröhren üblicherweise vor Auslieferung mit einer Meßeinrichtung nach dem Magnetron-Meßprinzip geprüft. Aufgrund der modernen Fertigungstechnologie kann im Normalfall ein Vakuumverlust in der Schaltröhre auch nach längerer Zeit nicht auftreten. Trotzdem wird die Forderung erhoben, den Innendruck eines in der Schaltanlage eingebauten Vakuumschalters kontrollieren zu können, ohne hierzu die Schaltröhre aus dem Behälter auszubauen.
  • Für Schaltröhren ohne SF₆-Isolierung kann der Anwender durch Einsatz mobiler Meßgeräte, beispielsweise mit Meßverfahren nach dem Hochspannungstest oder durch modifizierte Magnetron-Geräte mit Permanentmagneten, den Innendruck sicher kontrollieren. Nicht anwendbar sind derart vorbekannte Verfahren und Meßgeräte für in SF₆-isolierten Schaltanlagen eingebaute Vakuumschaltröhren. Insbesondere bei dem bisher üblichen Hochspannungstest würde die gute Isolierfähigkeit des SF₆ trotz eines eventuellen Lecks an der Schaltröhre bei Nennhub die Testspannung halten und damit gutes Vakuum vortäuschen. Es kann also mit diesem Verfahren nicht sicher zwischen Vakuum und SF₆-Füllung, d.h. einem Leck in der Schaltröhre, unterschieden werden.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, mit denen festgestellt werden kann, ob ein funktionsfähiges Betriebsvakuum in Vakuumschaltröhren vorliegt und die bei ungekapselten und gekapselten Schaltröhren anwendbar sind.
  • Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch folgende Verfahrensmerkmale gelöst:
    • a) Es wird ein Kontakthub unterhalb des Nennhubes des Vakuumschalters gewählt,
    • b) die bei diesem Kontakthub im Vakuum aufgrund der Feldelektronenemission zwischen den Kontakten von den als Anode wirkenden Kontaktflächen erzeugte Röntgenstrahlung wird erfaßt und
    • c) als Nachweis für das Vorliegen von Betriebsvakuum innerhalb der Schaltröhre ausgewertet.
  • Bei der zugehörigen Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist der Vakuumschaltröhre ein Röntgenstrahldetektor, vorzugsweise Geiger-Müller-Zählrohr, zugeordnet, der mit der Hochspannungseinheit über eine Auswerteschaltung verbunden ist, die zur Feststellung und Anzeige von Betriebsvakuum oder eines Lecks dient und die zur Minimierung der Röntgendosis die Hochspannungseinheit abschaltet.
  • Vorzugsweise kann die Erfindung bei gekapselten Vakuumschaltröhren, insbesondere bei SF₆-isolierten Schaltanlagen, eingesetzt werden, um festzustellen, ob insbesondere kein Isoliergas durch Lecks in das Innere der Röhre gelangt ist, ohne daß dafür die Schaltröhren aus dem SF₆-Behälter ausgebaut werden müssen.
  • Im Rahmen der Erfindung wird also für die Vakuumkontrolle ein modifiziertes Hochspannungsgerät in Kombination mit einem Röntgenstrahlungsmeßgerät und einer entsprechenden Signalauswerteschaltung verwendet. Es wird die bei einem Hochspannungstest speziell bei gegenüber dem Nennhub reduziertem Schaltkontakthub zwangsläufig erzeugte Röntgenstrahlung ausgenutzt. Bei Nennhub tritt dagegen keine meßbare Röntgenstrahlung auf.
  • Die Messung von Röntgenemissionen der Kontaktoberflächen bei Nennhub ist vom Stand der Technik prinzipiell vorbekannt: In der US-PS 4 534 741 und der JP-OS 60-49520 wird im einzelnen beschrieben, daß die durch Feldelektronenemission zwischen den Kontakten von den jeweils gegenüberliegenden Kontaktoberflächen emittierte Röntgenstrahlung als Detektor ausgenutzt werden kann. Dabei geht es jedoch ausschließlich um die Prüfung der dielektrischen Eigenschaften der Kontaktoberflächen, wobei in diesem Fall das Vorliegen von Vakuum innerhalb der Schaltröhre vorausgesetzt wird. Die erfindungsgemäße Lehre dahingehend, die Röntgenemission als Detektor speziell für das Vorliegen von Betriebsvakuum, ihr Ausbleiben dagegen für das Auftreten von Lecks bzw. Gasflutung heranzuziehen, hat mit obigem Stand der Technik keinen Zusammenhang.
  • Im Rahmen der Erfindung ist es besonders vorteilhaft, daß die Röntgenemission zwar für die Meßzwecke ausgenutzt werden kann, aber weit vor Erreichen der nach der Strahlenschutzverordnung vorgegebenen, unzulässigen Grenze gestoppt wird.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den weiteren Patentansprüchen.
  • Es zeigen
    • FIG 1
    eine graphische Darstellung der Durchschlagfestigkeit als Funktion des logarithmisch aufgetragenen Druckes bei vorgegebenen Kontakthub und
    FIG 2
    blockschaltbildmäßig eine Auswerteschaltung für die angewandte Prüfvorrichtung.
    FIG 3
    eine graphische Darstellung der Durchschlagfestigkeit zwischen Vakuumschalterkontakten in Abhängigkeit vom Kontakthub,
    FIG 4
    eine schematische Darstellung einer dreipoligen gekapselten SF₆-Schaltanlage mit Prüfvorrichtung zum Vakuumnachweis.
  • In den Figuren sind identische Teile in unterschiedlicher Darstellung der einzelnen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren werden nachfolgend teilweise zusammen beschrieben.
  • Im Diagramm nach FIG 1 ist als Abszisse der Druck einer Vakuumschaltröhre in Millibar und als Ordinate die Durchschlagfestigkeit 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 Vakuum 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 Potentialtrennung eine Spannungsfestigkeit. Nach Überschreiten von 10⁻² mbar fällt die Spannungsfestigkeit steil ab zum sog. Paschen-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 100 für einen Kontakthub, h, von h=3 mm als Parameter dargestellt. Mit der Paschenkurve 100 läßt sich also das für die Funktion einer Vakuumschaltröhre notwendige Betriebsvakuum definieren: Es muß im allgemeinen geringer 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 jedoch 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 Kontaktstücke durch Feldelektronenemission zwischen den Kontaktstücken zur Röntgenstrahlung angeregt, die außerhalb des Vakuumschalters 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 beispielsweise in der Schaltung gemäß Fig. 2 erfaßt: In Fig. 2 sind ein Vakuumschaltrohr 15, ein ihm zugeordnetes Geiger-Müller-Zählrohr 20 mit sich daran 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 Hochspannungseinheit 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 zugeordnet ist. Von der Steuerlogikeinheit 32 wird eine Anzeigeinrichtung, bestehend aus Signalverstärker 34 und Signallampe 35 angesteuert.
  • 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 Zählimpulsen 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 Impulse aufsummiert. Der Zählwert wird auf einen Komparator 44 gegeben, und mit einem mittels eines Codierschalters 43 vorgebbaren Wert verglichen. Das Antwortsignal gelangt auf eine Kippstufe 46, z. B. Flip-Flop, die gleichzeitig von einer Einschalteinheit 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 entsteht. 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 abgestellt ist. Bei diesen Werten kann der Vakuumzustand von Schaltröhren sowohl bei neuen als auch bei bereits geschalteten Kontaktoberflächen 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 zweckmäßigerweise die Prüfspannung von einem niedrigen Wert mit ansteigender Charakteristik auf den Arbeitspunkt eingestellt werden, wobei bereits mit ansteigender Spannung die Auswerteschaltung in Betrieb ist.
  • Im Diagramm nach FIG 3 ist als Abszisse der Kontakthub h in Millimetern und als Ordinate die Durchschlagfestigkeit als Hochspannung U in Kilovolt effektiver Wechselspannung angegeben. Bekannterweise ist die Durchschlagsfestigkeit jeweils eine monoton steigende Funktion vom Kontakthub, wobei in FIG 3 mit 1 eine erste funktionale Abhängigkeit für Vakuum als Parameter und mit 2 eine zweite funktionale Abhängigkeit mit 1,5 bar SF₆ als Parameter angegeben ist. Diese funktionalen Abhängigkeiten bedeuten, daß vorgegebene Spannungen unterhalb der experimentel ermittelten Kurven gehalten werden, während sie oberhalb dieser Kurven zum Durchschlag zwischen den Kontakten führen.
  • Mit den VDE-Vorschriften ist eine Prüfwechselspannung für die Prüfung von Vakuumschaltröhren vorgegeben. Üblicherweise wird in der Praxis an geschalteten Anlagen zu einem späteren Zeitpunkt als zur Prüfung der neuen, ungeschalteten Anlage mit Werten von 0,8 x der Prüfwechselspannung gearbeitet, welcher Wert beispielsweise bei 40 kV effektiv liegt. Diese Grenze ist als Parallele 3 zur Abszisse eingezeichnet. Durch Vorgabe eines bestimmten Kontakthubes von beispielsweise 3 mm wird nun ein Arbeitspunkt definiert, welcher im Diagramm der FIG 3 mit 4 bezeichnet ist. Dies bedeutet, daß an diesem Arbeitspunkt unter Vakuum die Prüfspannung gehalten wird, während sie bei Flutung mit SF₆ von 1,5 bar zum Durchschlag führt.
  • In FIG 4 ist eine komplette Schaltwarte mit 10 bezeichnet. Diese besteht im vorliegenden Fall aus drei Schaltfeldern, die jeweils drei SF₆-gekapselte Schalter aufweisen. Die Behälter für die Aufnahme des SF₆ sind mit 11 bezeichnet. Darin befindet sich jeweils eine Vakuumschaltröhre 15, deren beide Kontaktbolzen 16 und 17 mit den Funktionseinheiten der Schaltanlage, auf die hier im einzelnen nicht eingegangen wird, elektrisch verbunden sind. Der bewegliche Kontaktbolzen ist mechanisch über ein Gestänge 18 mit einem in der Fig. 2 nicht dargestellten Antrieb verbunden, der das Öffnen bzw. Schließen der Schaltkontakte bewirkt. Über nicht erkennbare Verbindungselemente ist das Gestänge 18 mit einer Antriebswelle 12 gekoppelt. Unabhängig von dem vorgegebenen Nennhub der Kontakte kann an der externen Antriebswelle 12 mittels Nocken 13 und Stoßdämpfer 14 der Kontakthub h über ein manuell einbringbares Distanzstück 19 so vorgegeben werden, daß er für Prüfzwecke erheblich unterhalb des Nennhubes, beispielsweise auf 3 mm, begrenzt ist.
  • Der Vakuumschaltröhre 15 ist in FIG 4 außerhalb des Behälters 11 ein Geiger-Müller-Zählrohr (GMZ) 20 zugeordnet. Dem Geiger-Müller-Zählrohr 20 ist ein Meßgerät 21 nachgeschaltet, das über einen Schalter mit einer Hochspannungseinheit 25 gekoppelt ist. Die Hochspannungseinheit 25 ist mit den beiden Kontaktbolzen 16 und 17 bei geöffneten Kontakten verbunden. Mit einer derartigen Anordnung läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren ausführen: Die Erfindung macht sich das Phänomen zunutze, daß bei geöffneten Kontakten bei hinreichend niedrigem Abstand bzw. hinreichend hoher Spannung zwischen den Kontakten durch Feldemission Elektronen erzeugt werden, welche jeweils die Gegenelektrode (Anode) zu Röntgenstrahlung anregen.
  • Für die Prüfung einer Vakuumschaltröhre auf Vakuum muß die gesamte Schaltanlage 10 vom Netz getrennt werden, und es müssen beide Kontaktbolzen 16 und 17 für den Anschluß des Prüfgerätes verfügbar sein. In FIG 2 sind die elektrischen Verbindungen nur im Prinzip dargestellt, in der Praxis wird die Kontaktierung im Schaltfeld durchgeführt. Das Distanzstück 19 wird zwischen Nocken 13 und Stoßdämpfer 14 eingebracht, das auf den Schaltantrieb 18 einwirkt und somit den Schalter-Kontakthub auf beispielsweise 3 mm begrenzt. Das Hochspannungskabel und das Erdkabel werden an die zwei Pole der Vakuumschaltröhre 15 angeschlossen. Das Zählrohr des Geiger-Müller-Zählers 20 befindet sich außerhalb des SF₆-Behälters 11 in ca. 5 cm Abstand von der Behälterwand in Höhe der Mitte des Schalterkontaktspaltes.
  • Nach dem Einstellen der Hochspannung auf etwa 57 kV (Gleichspannung) bzw. 40 kVeff (Wechselspannung) entsteht bei einwandfreiem Vakuum der Schaltröhre 15 durch Feldelektronenemission Röntgenstrahlung (Gammastrahlen), die eine nach der Strahlenschutzverordnung vorgegebene Grenze außerhalb des SF₆-Behälters 11, die bei beispielsweise 1 µSv/h liegt, nicht überschreiten darf. Das Geiger-Müller-Zählrohr 20 liefert Zählimpulse pro Zeiteinheit, d.h. Röntgenquanten pro Sekunde, die in einer Schaltungsanordnung verarbeitet werden und nach Erreichen einer einstellbaren Schwelle die Abschaltung der Hochspannungseinheit bewirken. Darauf wird weiter unten im einzelnen eingegangen. Ist dagegen SF₆ durch ein Leck in die Vakuumschaltröhre 15 eingedrungen, so wird die Spannung bis zu einem bestimmten SF₆-Druck, beispielsweise von etwa 2 bar, nicht gehalten. Es tritt ein Spannungsdurchschlag auf, der registriert werden kann. Röntgenstrahlung entsteht in diesem Fall nicht.
  • Mittels der anhand FIG 2 bereits beschriebenen Auswerteschaltung kann nunmehr einerseits das Vorliegen von Betriebsvakuum in der gekapselten Schaltröhre 15 eindeutig erkannt werden, ohne daß unzulässig hohe Röntgen-Emission entsteht. Andererseits kann ein Leck im Schaltergehäuse und insbesondere ein Fluten mit SF₆ angezeigt werden, wozu noch einmal auf die grafische Darstellung nach FIG 2 Bezug genommen wird: Oberhalb des Graphen 2 mit 1,5 bar SF₆ (d.h. 0,5 bar Überdruck SF₆) wird die Prüfspannung von 0,8 x der vorgegebenen Prüfwechselspannung bei beispielsweise 3 mm Hub nicht mehr gehalten und bricht zwischen den Kontakten durch. Die Signallampe 35 leuchtet dann nach Ablauf der durch den Zeitgeber vorgegebenen Meßzeit auf und meldet hierdurch eine defekte Röhre, d.h. Vakuumverlust durch SF₆-Eintritt.
  • Bei einem relativ großen Kontakthub von 10 mm würde dagegen gemäß FIG 2 in beiden Fällen die Spannung gehalten. Es tritt aber auch bei gutem Vakuum keine meßbare Röntgenemission auf. In diesem Fall könnte also nicht mehr zwischen SF₆ und Vakuum unterschieden werden. Insgesamt ergibt sich, daß der zur Prüfung verwendete Kontakthub bei vorgegebener Prüfwechselspannung zwischen 1 und 8 mm liegen sollte und unter anderem auch in Abhängigkeit vom beim Vakuumschalter verwendeten Kontaktwerkstoff gewählt werden muß, da der Werkstoff die Röntgenemission beeinflußt. Hierzu wird auf die Dissertation von D. Dohnal "Untersuchungen zur Röntgenstrahlung an Hochspannungs-Hochvakuum-Anordnungen" (TU Braunschweig 1981) verwiesen. Wird dagegen der Kontakthub h zu klein gewählt, kann ebenfalls nicht zwischen Vakuum und SF₆ unterschieden werden, da in diesem Fall die Prüfspannung niedriger gewählt werden müßte und die dadurch weichere Röntgenstrahlung unter Umständen vom Schaltergehäuse 15 bzw. Behälter 11 absorbiert würde.
  • Mit einem vorgegebenen Wert von 57 kV Gleichspannung, der mit einer effektiven Wechselspannung von ca. 40 kV vergleichbar ist, d.h. wiederum dem Wert von 0,8 x der Prüfwechselspannung, wird unter gutem Vakuum die Spannung bei 3 mm Kontakthub gehalten. Hierbei entsteht Röntgen-Emission, die durch den Block 40 der Schaltungsanordnung nach FIG 3 unmittelbar bei Erreichen des vorgegebenen Wertes die Hochspannungseinheit 25 abschaltet. Durch die Signalleuchte 48 wird das Vorliegen von Vakuum angezeigt, und zwar so lange, bis gegebenenfalls durch die Starttaste 45 für eine zweite Messung als Kontrollmessung die Hochspannung wieder eingeschaltet wird.
  • Aufgrund der guten Isolationseigenschaften von SF₆ wird bei Erreichen eines bestimmten SF₆-Überdruckes gegebenenfalls auch die Spannung im Schaltrohr gehalten. In FIG 3 würde ein Graph für beispielsweise 2 bar SF₆ zwischen den Kurven 1 und 2 liegen. Es kann somit auch bei Null-Emission der Röntgenstrahlung zwischen einem geringfügigen Leck, das noch nicht vollständig zur Flutung geführt hat, und einer kompletten SF₆-Flutung, bei der trotz Null-Emission an Röntgenstrahlung eine Prüfspannung gehalten wird, unterschieden werden.
  • Bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zweckmäßigerweise die Prüfspannung von einem niedrigen Wert mit ansteigender Charakteristik auf den Arbeitspunkt eingestellt werden, wobei bereits mit ansteigender Spannung die Auswerteschaltung in Betrieb ist.
  • Für die Auswerteschaltung nach FIG 2 kann auch ein Mikroprozessor eingesetzt werden, bei dem die anhand der Blöcke 30 und 40 und den Einheiten 31 bis 50 dargestellten Funktionen softwaremäßig ausgeführt werden.

Claims (15)

  1. Verfahren zum Vakuumnachweis bei Vakuumschaltröhren, wobei bei vorgegebenem Kontakthub Hochspannung zwischen den Kontakten angelegt wird , gekennzeichnet durch folgende Verfahrensmerkmale:
    a) Es wird ein Kontakthub (h) unterhalb des Nennhubes des Vakuumschalters 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 Röntgenstrahlung wird erfaßt und
    c) als Nachweis für das Vorliegen von Betriebsvakuum innerhalb der Schaltröhre ausgewertet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anwendung bei gekapselten Vakuumschaltröhren, insbesondere bei SF₆-isolierten Schaltanlagen, wobei die Durchschlagfestigkeit geprüft wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Kontakthub (h) und/oder Hochspannung (U) in Abhängigkeit vom Kontaktwerkstoff der Kontakte gewählt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Kontakthub zwischen 1 und 8 mm, vorzugsweise bei 3 mm, gearbeitet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit Gleichspannung von 30 bis 100 kV, vorzugsweise etwa 57 kV, und einem Gleichstrom von unterhalb 12 mA gearbeitet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennbeichnet, daß mit Wechselspannung zwischen 25 und 70 kVeff, vorzugsweise 40 kVeff, und einem Strom unter 3 mA gearbeitet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 3 sowie Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfspannung mit ansteigender Charakteristik von einem niedrigen Wert auf den Arbeitspunkt eingestellt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Röntgenstrahlung quantitativ gemessen wird und bei Erreichen vorgegebener Schwellwerte der Röntgendosis eine Abschaltung der Hochspannung bewirkt und damit weitere Röntgenemission vermieden wird, wobei gleichermaßen eine Anzeigeeinrichtung zur Bestätigung des einwandfreien Betriebsvakuums aktiviert wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Null-Emission der Röntgenstrahlung die Betriebsspannung über eine vorgegebene Prüfzeit, beispielsweise 30 Sekunden, als Prüfspannung gehalten und dann erst abgeschaltet wird, wobei mit der Abschaltung eine Anzeigeeinrichtung zur Anzeige eines Lecks an der Schaltröhre aktiviert wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, 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.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestätigung der Anzeige die Röntgenaktivierung zyklisch wiederholbar ist.
  12. 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 Kontakthub geöffneten Schaltkontakte der Vakuumschaltröhre, dadurch gekennzeichnet, daß der Vakuumschaltröhre (15) ein Röntgenstrahldetektor (20, 21), vorzugsweise Geiger-Müller-Zählrohr, zugeordnet ist, der mit der Hochspannungseinheit (25) über eine Auswerteschaltung (30 bis 50) verbunden ist, die zur Feststellung und Anzeige von Betriebsvakuum oder eines Leckes dient und die zur Minimierung der Röntgenstrahlung die Hochspannungseinheit (25) abschaltet.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Röntgenstrahldetektor (20) in definiertem Abstand von der Vakuumschaltröhre (15), vorzugsweise 5 cm, angeordnet ist und die Röntgenemission zur Abschaltung der Hochspannungseinheit (25) auf diesen Abstand normiert ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in den Antrieb für die Kontaktbewegung der Vakuumschaltröhre (15) ein Distanzstück zur Vorgabe eines definierten, unterhalb des normalen Nennhubes liegenden Kontakthubes einbringbar ist.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (30 bis 50) mittels eines Mikroprozessors softwaregesteuert ist.
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