DD217074B1

DD217074B1 - METHOD AND DEVICE FOR ARCTIC-FORMING ELECTRODE SURFACES IN VACUUM CHAMBERS

Info

Publication number: DD217074B1
Application number: DD25388483A
Authority: DD
Inventors: Harald Fink; Helmut Boehme
Original assignee: Harald Fink
Priority date: 1983-08-11
Filing date: 1983-08-11
Publication date: 1987-10-14
Also published as: DD217074A1

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Schalter, insbesondere auf Hochspannungs-Vakuumschalter, und ist zur Lichtbogenformierung von Vakuumschaltkammern bestimmt.The invention relates to electrical switches, in particular to high-voltage vacuum switch, and is intended for arc formation of vacuum interrupters.

Characteristic of the known technical solution

Allgemein bekannt sind Formierungsverfahren, welche ausschließlich wahrend des Evakuierungsvorganges, also vor dem endgültigen vakuumdichten Verschließen der Vakuumschaltkammer durchgeführt werden Dies sind Formierungsverfahren, bei denen die Vakuumschaltkammer thermisch durch Erhitzen oder elektrisch durch Entladungen formiert wird oder eine Kombination von thermischer und elektrischer Formierung angewendet wird Demzufolge ist bekannt, die Formierung der Vakuumkammer durch thermisches Aufheizen der gesamten Kammer, indirekte Widerstandserwarmung mit Heizdrahtwendeln, direkte Widerstandserwarmung infolge Strombelastung bei geschlossenen Schaltkontakten, gesteuerten Elektronenbeschuß der zu formierenden Kammennnenteile oder durch das Zünden von Entladungen (Lichtbogen bei Kontaktoffnung, Glimmentladungen oder wechselseitige Anwendung beider Entladungsarten) durchzufuhren Bei einigen elektrischen Formierungsverfahren erfolgt wahrend oder nach der Formierung mit Entladungen eine Begasung bzw Spulung der Innenteile der Vakuumschaltkammer mit chemisch aktiven Gasen (Edelgase, Wasser- oder Sauerstoff), an die sich eine Evakuierung der Kammer anschließt.Forming methods which are carried out exclusively during the evacuation process, that is to say before the final vacuum-tight closure of the vacuum interrupter chamber are known. These are methods of forming in which the vacuum interrupter chamber is thermally formed by heating or electrically by discharges or a combination of thermal and electrical formation is applied known, the formation of the vacuum chamber by thermal heating of the entire chamber, indirect resistance heating with Heizdrahtwendeln, direct resistance heating due to current load with closed switch contacts, controlled electron bombardment of the formed Kammennnenteile or by the ignition of discharges (arc at Kontaktoffnung, glow discharges or reciprocal application of both types of discharge) To perform In some electrical forming processes, during or after formation with discharges, a beg orung the internal parts of the vacuum interrupter chamber with chemically active gases (noble gases, water or oxygen), followed by an evacuation of the chamber.

Durch diese bekannten Formierungsverfahren werden großflächig Gasbedeckungen und Fremdschichten, die sich, zum Beispiel, auf Schaltkontaktstucken, -kontakten und Kondensationsschirmen befinden, gelost und zwecks Vermeidung eines unzulässigen Anstieges des Innendruckes wahrend des Betriebes der Vakuumschaltkammer standig abgepumpt Außerdem werden, insbesondere durch Entladungen, die Oberflachenstrukturen der Kammerinnenteile verändert.By means of this known forming method, gas coverings and foreign layers, which are located, for example, on switching contact pieces, contacts and condensation screens, are released and permanently pumped out during the operation of the vacuum interrupter in order to avoid an unacceptable increase in internal pressure. In addition, the surface structures are, in particular, discharged the chamber interior parts changed.

Der Nachteil dieser bekannten Verfahren besteht darin, daß beim Formierungsprozeß, insbesondere durch Entladungen, wahrend der Evakuierung die Veränderung der Oberflachenstruktur der Kammennnenteile nicht gezielt erfolgt, sondern nur eine zufallige Veränderung der Schaltkontaktoberflachen herbeigeführt wird Da aber das Isoliervermogen von Vakuumschaltkammern wesentlich von der Mikrogeometne der Kontaktoberflachen, die durch mechanische und elektrische Belastungen bzw Schalthandlungen verändert werden kann, beeinflußt wird, kann bei den bekannten Verfahren trotz ausreichend niedrigen Drucks eine Verminderung des Isoliervermogens infolge der Mikrostruktur der Schaltkontaktoberflache auftretenThe disadvantage of this known method is that during the formation process, in particular by discharges, during the evacuation, the change of the surface structure of Kammennnenteile not targeted, but only a random change in the switching contact surfaces is brought about but because the Isoliervermogen of vacuum switch chambers substantially from the microgeometry of the contact surfaces , which can be changed by mechanical and electrical loads or switching operations is affected, may occur in the known methods, despite sufficiently low pressure, a reduction in the Isoliervermogens due to the microstructure of the switching contact surface

Bekannt sind insbesondere Verfahren zur Formierung von Oberflachen, d h zur Veränderung der MikroStruktur der Schaltkammerinnenteile mittels Durchschlagen mit nachfolgenden stromschwachen oder stromstarken Lichtbogen, welche als Durchschlag-oder Lichtbogenformierung bezeichnet werden Dementsprechend ist aus der DD-PS 149589 ein Verfahren zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit von Vakuumschaltkammern mittels Entladungen bekannt, bei dem die Schaltkontakte geschlossen werden, ein Endpotential an die geschlossene Strombahn der Strombolzen und Schaltkontakte und ein Hochspannungspotential an den im Normalbetrieb auf freien Potential liegenden Kondensationsschirm gelegt wird und die angelegte Hochspannung (Wechsel-, Gleich- oder Impulsspannung) bis zum Durchschlag zwischen dem Kondensationsschirm und den Schaltkontakten gesteigert wirdIn particular, methods for the formation of surfaces, ie for changing the microstructure of the switching chamber inner parts by means of penetration with subsequent low-current or high-current arc, which are referred to as breakdown or arc forming Accordingly, from DD-PS 149589 a method for increasing the dielectric strength of vacuum interrupters means Discharge known, in which the switch contacts are closed, an end potential to the closed current path of the current bolt and switch contacts and a high voltage potential to the normal operation at free potential condensation screen is placed and the applied high voltage (AC, DC or pulse voltage) to breakdown is increased between the condensation screen and the switch contacts

Nachteil dieses Verfahrens ist einerseits, daß durch das Schließen der Schaltkontakte deren Oberflache nicht formiert wird, andererseits ware fur deren Formierung eine große Anzahl „stromschwacher" Durchschlage erforderlich, wodurch ein erhöhter Prufaufwand entsteht Des weiteren ist nachteilig, daß aufgrund der Schaltkreisgestaltung kein stromstarker Lichtbogen erzeugt werden kann und bei bestimmten konstruktiven Ausfuhrungen der Vakuumschaltkammer zusatzliche bauliche Veränderungen fur die Zufuhrung des Hochspannungspotentials vorgenommen werden mußtenDisadvantage of this method is on the one hand that the surface is not formed by the closing of the switch contacts, on the other hand ware for the formation of a large number of "low power" Durchschlage required, creating an increased Prufaufwand arises Furthermore, it is disadvantageous that generated due to the circuit design no high-current arc can be made and in certain constructive execution of the vacuum interrupter additional structural changes for the supply of high voltage potential had to be made

Bekannt ist auch ein Verfahren und eine Anordnung zur Bogenformierung innerer feststehender Bauteile eines evakuierten Vakuumentladungsgefaßes gemäß DD-PS 139047, bei dem zwischen den Schaltkontakten der Vakuumschaltkammer durch Kontaktoffnung ein Lichtbogen gezündet wird Der Lichtbogen erzeugt ein Metalldampfplasma, das den Raum zwischen den Schaltkontakten und dem zu formierenden feststehenden Bauteil (z B Kondensationsschirm) ausfüllt Dieses Plasma schafft Bedingungen fur die Zündung einer Entladung zwischen dem zu formierenden als Katode geschalteten Bauteil und den Schaltkontakten Die Entladung wird durch das Zuschalten einer mit dem zu formierenden Bauteil verbundenen zusätzlichen Stromquelle oder durch Kurzschließen der Schaltkontakte mittels parallelen Schalters oder Zusammenfuhren der Schaltkontakte eingeleitet Die Anordnung zur Durchfuhrung dieses bekannten Verfahrens, bei der zur Einleitung der Bogenentladung die Schaltkontakte in einem Stromkreis mit einem Vorwiderstand, einem Schalter und einer Stromquelle geschaltet sind, enthalt einen Parallelstromkreis, bei dem die zu formierenden feststehenden Bauteile über einen Vorwiderstand an den negativen Pol der Stromquelle oder ei nerzweiten Stromquelle, die dann mit ihrem positiven Pol mit einer der Schaltelektroden verbunden ist, geschaltet sind, wobei die an den Bauteilen anliegende Spannung hoher ist als die Brennspannung zwischen den SchaltelektrodenAlso known is a method and an arrangement for sheet formation of internal fixed components of an evacuated vacuum discharge vessel according to DD-PS 139047, in which an arc is ignited between the switching contacts of the vacuum interrupter by Kontaktoffnung The arc generates a metal vapor plasma, the space between the switch contacts and the This plasma creates conditions for the ignition of a discharge between the component to be formed connected as a cathode and the switching contacts The discharge is by connecting an additional power source connected to the component to be formed or by shorting the switch contacts by means of parallel switch or merging of the switching contacts initiated The arrangement for carrying out this known method, in which the initiation of the arc discharge, the switching contacts in a circuit with a Vorwiders tand, a switch and a power source are connected, includes a parallel circuit, in which the stationary components to be formed via a resistor to the negative pole of the power source or egg ner-second power source, which is then connected to its positive pole with one of the switching electrodes connected , wherein the voltage applied to the components voltage is higher than the burning voltage between the switching electrodes

Die Nachteile dieses Verfahrens bestehen dann, daß die als Anode wirkenden Schaltkontakte nicht durch den Lichtbogen, der zwischen dem feststehenden Bauteil und den Schaltkontakten gezündet wird, formiert werden und durch Schaltungen der Kontakte, insbesondere beim stromlosen Offnen, ausgeprägte Mikrostrukturen entstehen, welche isolationsmindernd wirken Bei Anwendung dieses Verfahrens ware zum Abtragen aller ausgeprägten Mikrounebenheiten auf der gesamten Schaltkontaktoberflache durch den bei Kontaktoffnung enstehenden Lichtbogen ein mehrmaliges Wiederholen der Lichtbogenzundung mit relativ hohen Lichtbogenstromen und relativ langer Lichtbogenbrenndauer notwendig, wodurch einerseits eine zu starke Kontakterosion auftreten kann und andererseits ein zu hoher pruftechnischer Aufwand entsteht Außerdem ist nachteilig, daß die Anordnung zur Durchfuhrung des о g Verfahrens zur Bogenformierung zusatzliche Anschlußvorrichtungen am Kondensationsschirm der Vakuumkammer erfordertThe disadvantages of this method are then that the switching contacts acting as an anode are not formed by the arc, which is ignited between the fixed component and the switch contacts, and formed by circuits of the contacts, especially in the currentless opening, pronounced microstructures, which reduce the insulation Application of this method would be to ablate all pronounced micro-bumps on the entire switching contact surface by arcing at Kontaktoffnung arc repeated repetition of arc ignition with relatively high arc current and relatively long arc burning time necessary, which on the one hand too strong contact erosion can occur and on the other hand too high Pruftechnischer effort It is also disadvantageous that the arrangement for carrying out the о g method for sheet forming requires additional connection devices on the condensation screen of the vacuum chamber

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht darin, das Isoliervermogen der Vakuumschaltkammer zu erhohen, den pruftechnischen Aufwand sowie den Zeitaufwand fur die Durchfuhrung des Verfahrens zu verringern sowie zusätzliche Anschlußvorrichtungen und bauliche Veränderungen an der Vakuumkammer zu vermeidenThe object of the invention is to increase the insulating capacity of the vacuum interrupter chamber, to reduce the technical testing effort and the time required for the implementation of the method and to avoid additional connection devices and structural changes to the vacuum chamber

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur Lichtbogenformierung von Elektrodenoberflachen in einer Vakuumschaltkammer zu schaffen, in der, nach dem hermetischen Verschließen über einen vorgeschalteten Schaltkreis zwischervden zu formierenden Elektroden ein Durchschlag eingeleitet, eine gezielte wirksame Formierung der Elektrodenoberflachen ermöglicht, die Neubildung von ausgeprägten Mikrospitzen sowie eine starke Kontakterosion vermieden werdenThe invention has for its object to provide a method and an arrangement for arc formation of electrode surfaces in a vacuum interrupter chamber, in which, after the hermetic sealing via an upstream circuit zwischervden electrodes to be formed initiated a breakdown, a targeted effective formation of the electrode surfaces allows New formation of pronounced microtips and a strong contact erosion are avoided

Diese Aufgabe wird dadurch gelost, daß bei dem erfindungsgemaßen Verfahren als Schaltkreis ein L-C-Reihenschwingkreis verwendet wird, der einen gedampften hochfrequenten Lichtbogenstrom erzeugt, welcher in der Vakuumstrecke wahrend eines hochfrequenten Stromnulldurchganges geloscht und anschließend wieder gezündet wird, daß der Vorgang „Loschung — Wiederzündung" so lange wiederholt wird, bis die endgültige Losung des Lichtbogens eintritt Eine mit dem Lichtbogenstrom durch die Kammer fließende Ladung betragt unabhängig von der Stromrichtung mindestens 0,05As Der L-C-Reihenschwingkreis ist vorzugsweise über eine triggerbare Funkenstrecke schaltbar Von besonderem Vorteil ist, daß der Ansatzpunkt des Lichtbogens wahrend der Lichtbogenformierung von Halbwelle zu Halbwelle des hochfrequenten Lichtbogenstromes selbständig auf kritische Bereiche der MikroStruktur der Elektrodenoberflachen gesteuert und die Elektroden wechselseitig formiert werdenThis object is achieved in that in the inventive method as a circuit LC series resonant circuit is used which generates a vaporized high-frequency arc current, which is deleted in the vacuum line during a high-frequency current zero crossing and then ignited again that the process "deletion - reignition" is repeated until the final solution of the arc enters a charge flowing with the arc current through the chamber charge is independent of the current direction at least 0.05 As The LC series resonant circuit is preferably switchable via a triggerable spark gap Of particular advantage is that the starting point of Arc during the arc formation from half-wave to half-wave of the high-frequency arc current independently controlled to critical areas of the microstructure of the electrode surfaces and the electrodes are mutually formed

exemplary

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausfuhrungsbeispiel naher erläutert Die dazugehörigen Zeichnungen zeigenThe invention will be explained in more detail in the following on an exemplary embodiment The accompanying drawings show

Fig 1 die Anordnung zur Durchfuhrung des Verfahrens zur Lichtbogenformierung von als Schaltkontakte ausgeführten1 shows the arrangement for carrying out the method for arc shaping of designed as switching contacts

Elektroden, Fig 2 den Bereich fur die Lichtbogenformierung (F)Electrodes, Fig. 2 shows the area for arc formation (F)

Gemäß Fig 1 ist eine Vakuumschaltkammer 1, deren Kondensationsschirm 2 wie im Netzbetrieb auf freiem Potential liegt und deren beweglicher und feststehender Kontakt 3,4 sich im geöffneten Zustand befinden und in einem Schaltkreis angeordnet sind, dargestellt Dieser Schaltkreis ist ein einfacher L-C-Reihenschwingkreis, in dem der feststehende Kontakt über einen Schalter 5 mit einer Induktivität L und einer Kapazität C verbunden ist, wobei der Schalter 5 vorzugsweise als triggerbare Funkenstrecke ausgebildet ist, und der bewegliche Kontakt 3 an die Kapazität C angeschlossen ist Beide Schaltkontakte 3,4 sind entsprechend der Polantat des hochfrequenten Lichtbogenstromes wechselseitig als Anode und Katode ausgebildet, wodurch ein zusatzliches Umpolen, ζ B der Polantat der Spannungsquelle, entfallt Die Lichtbogenformierung der Kontaktoberflachen erfolgt nach dem hermetischen Verschließen der Vakuumschaltkammer 1 Zwischen den sich im geöffneten Zustand befindlichen Schaltkontakten 3,4, deren Abstand so bemessen ist, daß ein Durchschlag, aber kein Überschlag in dem die Vakuumschaltkammer umgebenden Medium entsteht, wird ein Durchschlag durch das Zuschalten des L C Reihenschwingkreises eingeleitet, indem die Kapazität C auf eine Gleichspannung U beliebiger Polarität aufgeladen und anschließend der Schalter 5 geschlossen wird Mit dem Durchschlag beginnt ein gedämpfter hochfrequenter Lichtbogenstrom zu fließen, der durch das Zusammenwirken der Induktivität L und der Kapazität CAccording to Figure 1 is a vacuum interrupter chamber 1, the condensation screen 2 as in the network operation is at free potential and their movable and fixed contact 3,4 are in the open state and are arranged in a circuit, this circuit is a simple LC series resonant circuit, in the fixed contact is connected via a switch 5 with an inductance L and a capacitance C, wherein the switch 5 is preferably formed as a triggerable spark gap, and the movable contact 3 is connected to the capacitance C. Both switch contacts 3,4 are corresponding to the Polantat of the high-frequency arc current alternately formed as anode and cathode, whereby an additional Umpolen, der B of the polarity of the voltage source, omitted The arc shaping of the contact surfaces is carried out after hermetically closing the vacuum interrupter chamber 1 between the switch contacts in the open state 3,4, whose distance is such that a breakdown, but no flashover in the surrounding the vacuum interrupter medium is formed, a breakdown by the connection of the LC series resonant circuit is initiated by the capacitor C charged to a DC voltage U of any polarity and then the Switch 5 is closed With the breakdown begins to flow a damped high-frequency arc current, the by the interaction of the inductance L and the capacitance C

hervorgerufen wird. Im Fußpunkt des Lichtbogens auf der Katode erfolgt eine Aufschmelzung und Formierung der Oberfläche des betreffenden Schaltkontaktes 3,4, d. h. eine Beseitigung der Mikrospitzen. Während eines darauffolgenden hochfrequenten Stromnulldurchganges wird der Lichtbogen in der geöffneten Vakuum-Schaltstrecke kurzzeitig gelöscht und wieder gezündet, d.h. der Lichtbogenstrom beginnt erneut zu fließen und der Lichtbogen trägt weitere Mikrospitzen von der Oberfläche des als Katode gepolten Schaltkontaktes 3, 4 ab. Dieser Vorgang „Wiederzündung — Lichtbogenstromfluß bis zum nächsten hochfrequenten Stromnulldurchgang — Löschung — Wiederzündung" wiederholt sich so lange, bis die endgültige Löschung des Lichtbogens ohne Wiederzündung eintritt.is caused. At the base of the arc on the cathode is a melting and forming the surface of the respective switching contact 3,4, d. H. an elimination of microtips. During a subsequent high-frequency current zero crossing, the arc in the opened vacuum switching path is briefly canceled and re-ignited, i. the arc current begins to flow again and the arc carries off further microtips from the surface of the poled as cathode switching contact 3, 4 from. This process "re-ignition - arc current flow until the next high-frequency current zero crossing - extinction - re-ignition" is repeated until the final extinguishment of the arc occurs without re-ignition.

Dementsprechend wird mit einem einzigen Durchschlag, der das Fließen des hochfrequenten Lichtbogenstromes einleitet, eine größere Anzahl von Wiederzündungen erreicht, wobei in der Vakuumschaltkammer 1 der Ansatzpunkt des hochfrequenten Lichtbogens bzw. der Brennfleck auf der Schaltkontaktoberfläche nach der Zündung von Halbwelle zu Halbwelle des sinusförmigen hochfrequenten Lichtbogenstromes selbständig auf die kritischen Stellen der MikroStruktur, d.h. auf die ausgeprägten Mikrospitzen gesteuert wird. Dadurch werden mit der Formierung nacheinander, von Wiederzündung zu Wiederzündung, gezielt die kritischen Bereiche auf der Oberfläche der Schaltkontakte 3, 4 beseitigt.Accordingly, with a single breakdown, which initiates the flow of the high-frequency arc current, a larger number of reignifications achieved in the vacuum interrupter chamber 1, the starting point of the high-frequency arc or the focal spot on the switching contact surface after the ignition of half-wave to half-wave of the sinusoidal high-frequency arc current independently on the critical parts of the microstructure, ie is controlled to the pronounced microtips. As a result, with the formation successively, from reignition to reignition, the critical areas on the surface of the switch contacts 3, 4 are eliminated.

Der gedämpfte hochfrequente Lichtbogenstrom wird durch ein Strom-Zeit-Integral (Fig. 2), d. h. einer Ladung von mindestens 0,05As charakterisiert, wobei Amplitude Ϊ und Frequenz f des hochfrequenten Lichtbogenstromes durch die Parameter des L-C-Reihenschwingkreises bestimmt werden. Diese Parameter haben vorzugsweise folgende Werte: Ladespannung der Kapazität U ~ 10OkV, Kapazität C = 100...100OnF, Induktivität L = 50...400/XH. Demnach gilt für die Bestimmung der Amplitude Ϊ und Frequenz fThe damped high frequency arc current is represented by a current-time integral (FIG. 2), i. H. a charge of at least 0.05As, wherein amplitude Ϊ and frequency f of the high-frequency arc current are determined by the parameters of the L-C series resonant circuit. These parameters preferably have the following values: charging voltage of the capacitance U ~ 10OkV, capacitance C = 100 ... 100OnF, inductance L = 50 ... 400 / XH. Accordingly, for the determination of the amplitude Ϊ and frequency f

ΐ = U/VL/C,f = Vs я VLCΐ = U / VL / C, f = Vs я VLC

und für die Bestimmung des Strom-Zeit-Integrals einer ungedämpften Halbwelle des sinusförmigen hochfrequenten Lichtbogenstromes Ji (t) dt = T/wf > 0,05As.and for determining the current-time integral of an undamped half wave of the sinusoidal high frequency arc current Ji (t) dt = T / wf> 0.05 As.

Die erfindungsgemäße Lichtbogenformierung und die zur Durchführung des Verfahrens beschriebene Anordnung gewährleisten die Erfüllung der eingangs genannten Ziele und Aufgaben.The arc formation according to the invention and the arrangement described for carrying out the method ensure the fulfillment of the objectives and tasks mentioned above.

Claims

1. A method for arc formation of electrode surfaces in a vacuum interrupter chamber in which after the hermetic sealing via an upstream circuit between the electrodes to be formed a breakdown is initiated, characterized in that an LC series resonant circuit is used as the circuit which generates a damped high-frequency arc current which is extinguished in the vacuum line during a high-frequency current zero crossing and then ignited again, that the process "deletion - re-ignition" is repeated until the final extinguishment of the arc occurs.

2. A method for arc forming according to claim 1, characterized in that a flowing with the arc current through the chamber charge is independent of the current direction at least 0.05 As.

3. Arrangement for carrying out the method for arc forming according to claim 1, characterized in that the L-C series resonant circuit is switchable via a triggerable spark gap.