DD227805B1

DD227805B1 - METHOD AND ARRANGEMENT FOR ASSESSING THE FUNCTIONALITY OF SWITCH CHAMBERS

Info

Publication number: DD227805B1
Application number: DD26506184A
Authority: DD
Inventors: Alexander Dr Rer Nat Lebek; Frank Mueller; Dankwart Dipl-Ing Obst; Eckehard Dipl-Ing Gebauer; Helmut Dr Schneider
Original assignee: Forgenta Forschungstechnik U G
Priority date: 1984-07-09
Filing date: 1984-07-09
Publication date: 1993-06-09
Also published as: DD227805A1

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Beurteilung der Funktionsfähigkeit von Schaltkammern unter Vakuum und Löschgas. Die Beurteilung dieser Funktionsfähigkeit ist von Bedeutung für die Qualitätskontrolle von Vakuumschaltern beim Produzenten, zur Prüfung der Aufrechterhaltung dieser Funktionsfähigkeit nach Lagerung, Transport und Wechsel der Umgebungsbedingungen sowie zur Kontrolle der Betriebssicherheit im eingebauten Zustand beim Anwender.The invention relates to a method and an arrangement for assessing the functionality of switching chambers under vacuum and quenching gas. The evaluation of this functionality is important for the quality control of vacuum switches at the manufacturer, to check the maintenance of this functionality after storage, transport and change of environmental conditions as well as to check the operational safety in the installed state at the user.

Characteristic of the known technical solutions

Bekannt sind Betriebskontrollen bei Schaltkontakten unter Vakuum durch Vakuummessung im evakuierten Teil der Schalter. In der Regel wird bei diesen Messungen die Oruckabhängigkeit von lonisationsvorgängen ausgenutzt. Es gibt auch Methoden, bei denen aus der Messung der Lichtbogendauer oder der Temperaturerhöhung während bzw. nach dem Abschaltvorgang auf den Druck in der Schaltkammer geschlossen wird. Diese Verfahren sind dadurch charakterisiert, daß sie entweder solche Parameter messen, die das Einbringen geeigneter Meßsonden in die Vakuumkammer selbst notwendig machen, oder daß sie die Auswirkungen des Schaltvorganges unter Betriebsbedingungen erfassen. Sie sind mit dem Nachteil behaftet, der mit dem zusätzlichen Konstruktions-, Platz· und Fertigungsaufwand für die Meßsonden sowie mit deren Wartung, Betriebssicherheit und Lebensdauer verbunden ist. Ihnen haftet weiter der Nachteil an, daß die mit ihnen möglichen Messungen zur Beurteilung der Funktionsfähigkeit der Schalter unter normalen Betriebsbedingungen durchgeführt werden müssen, und/oder daß das von ihnen gelieferte Kriterium für die Qualität des Schaltvorganges sich nur auf einen von mehreren für diese Qualität maßgebenden Parameter, den Druck, bezieht.Operating controls are known for switching contacts under vacuum by vacuum measurement in the evacuated part of the switch. As a rule, the ozone-dependence of ionization processes is utilized in these measurements. There are also methods in which it is concluded from the measurement of the arc duration or the temperature increase during or after the shutdown on the pressure in the switching chamber. These methods are characterized in that they either measure such parameters as make necessary the introduction of suitable probes into the vacuum chamber itself, or they detect the effects of the switching operation under operating conditions. They have the disadvantage associated with the additional design, space and manufacturing costs of the probes and their maintenance, reliability and life. They also have the disadvantage that the measurements that are possible with them to assess the functionality of the switches must be carried out under normal operating conditions, and / or that the criterion for the quality of the switching process supplied by them only one of several decisive for this quality Parameter, the pressure, relates.

Ein weiterer Nachteil dieser Verfahren besteht in der Möglichkeit, daß diese Messungen zu einem Zeitpunkt vollzogen werden, zu dem infolge bereits eingetretener Schäden eine Zerstörung oder schwere Beschädigung der Schalter infolge fehlerhafter Funktion eintreten kann, womit in vielen Fällen auch eine Beschädigung nachgeschalteter Verbraucher verbunden ist. Außerdem können in solchen Fällen bereits für die Zuverlässigkeit der Meßsonden schädliche Einflüsse aus der Betätigung der Schalter in der Zeit des Überganges von der fehlerfreien zur fehlerhaften Schaltfunktion aufgetreten sein. Die Folge davon ist, daß die Prüfung der Schalter gerade in den kritischen Phasen mit einer erhöhten Unsicherheit bezüglich der Meßaussage behaftet ist. Bei den angeführten Meßverfahren ist außerdem immer die Durchführung der Messungen von der Lebensdauer der eingebauten Meßsonden und damit zumindest teilweise die Einsatzfähigkeit der Schalter mittelbar mit dieser Lebensdauer verbunden. Alle Verfahren haben den Nachteil, daß sich das von ihnen gelieferte Kriterium für die Qualität des Schaltvorganges nur auf einen von mehreren für diese Qualität maßgeblichen Parameter, den Druck bezieht.A further disadvantage of these methods is the possibility that these measurements are taken at a time when destruction or serious damage to the switches due to faulty function can occur as a result of damage already occurred, which in many cases also involves damage to downstream consumers. In addition, in such cases harmful influences from the actuation of the switches in the time of transition from the faultless to the faulty switching function may have already occurred for the reliability of the probes. The consequence of this is that the test of the switches, especially in the critical phases, is subject to an increased uncertainty with respect to the measurement statement. In the case of the listed measuring methods, moreover, the carrying out of the measurements of the life of the built-in measuring probes and thus at least in part the operational capability of the switches is always indirectly linked with this lifetime. All methods have the disadvantage that the criterion supplied by them for the quality of the switching process refers only to one of several decisive for this quality parameters, the pressure.

Furthermore, a method and an apparatus for testing electrical switching pieces encapsulated devices is known. This is

der Widerstandswert zwischen den äußeren Anschlüssen im Schließzustand der Schaltstücke gemessen.the resistance value between the external terminals measured in the closed state of the contact pieces.

The measured value is compared with a predetermined reference value. The disadvantage is that the switch becomes more complicated in construction because an impedance contact member of a resistor

und Widerstandsschaltstücken erforderlich sind, wobei dieses Impedanz-Kontaktglied parallel zum Leistungsschalterabschnitt liegt.and resistance switching pieces are required, this impedance contact member is parallel to the circuit breaker section.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, die Beurteilung der Funktionsfähigkeit von Schaltkontakten unter Vakuum bzw. Löschgas zu vereinfachen und sicherer bezüglich der Meßaussage zu machen.The aim of the invention is to simplify the assessment of the functionality of switching contacts under vacuum or quenching gas and to make safer with respect to the Meßaussage.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schaltvorgang kurzzeitig so nachzubilden, daß seine Wirkungen denjenigen bei einem Schaltvorgang unter normalen Betriebsbedingungen vergleichbar sind und dabei die Bedingungen der Nachbildung so zu wählen, daß alle Einflüsse des Nachbildungsvorganges zeitlich und energetisch so begrenzt sind, daß nachteilige Folgen auf den Schalter, die nachgeschalteten Einrichtungen und die Meßanordnung nicht eintreten können.The invention has for its object to simulate a switching operation for a short time so that its effects are comparable to those in a switching operation under normal operating conditions and to choose the conditions of the replica so that all influences of the replication process are limited in time and energy so that adverse consequences on the switch, the downstream equipment and the measuring arrangement can not occur.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß dem lastfreien Schalter während des mechanischen Öffnens oder Schließens der Kontakte eine für eine Entladung ausreichende Leistung über eine begrenzte Zeit zugeführt wird und der zeitliche Verlauf der Entladung zwischen den Schaltstücken im Vergleich zu einem idealen Abschaltvorgang zur Beurteilung herangezogen wird. Dafür ist es zweckmäßig, zur Durchführung der Prüfung die Ionisierung im Innenraum des Schalters zu erhöhen. Die zur Entladung benötigte Leistung kann aus einem Speicher entnommen werden, wobei die freigesetzte Energiemenge unterhalb der Energiemenge liegt, durch die eine Zerstörung oder eine den weiteren Einsatz des Schalters verhindernde oder einschränkende nachteilige Veränderung der Schaltstücke oder anderer Teile des Schalters eintreten kann. Eine Anordnung zur Beurteilung der Funktionsfähigkeit von Schaltkammern ist derart ausgestaltet, daß der Schalter mit einem in bezug auf die Belastbarkeit des Schalters dimensionierten Energiespeicher und mit einer Einrichtung zur Messung, Speicherung, Angabe und Auswertung des Strom- und Spannungsverlaufes zusammengeschaltet ist.According to the invention this is achieved in that the load-free switch is supplied during the mechanical opening or closing of the contacts sufficient for a discharge power over a limited time and the timing of the discharge between the switching pieces compared to an ideal shutdown is used for the assessment. It is expedient to increase the ionization in the interior of the switch to perform the test. The power required for the discharge can be taken from a memory, wherein the amount of energy released is below the amount of energy through which destruction or a further use of the switch preventing or limiting adverse change of the contact pieces or other parts of the switch can occur. An arrangement for assessing the functionality of switching chambers is designed such that the switch is interconnected with a dimensioned in terms of the load capacity of the switch energy storage and with a device for measuring, storage, indication and evaluation of the current and voltage.

Als Energiespeicher kann z. B. eine induktivität angeordnet sein, die in Reihe mit einem Arbeitswiderstand liegt, an dem eine Auswerteeinheit angeschlossen ist, der als Registriereinrichtung ein Schreiber oder Sichtgerät nachgeordnet ist. Die Erfindung bietet den Vorteil, daß die Einflüsse der verschiedenartigen, beim Schaltvorgang die Ionisierung im Innern der Schaltkammer bestimmenden Parameter summarisch als eine Meßgröße erfaßt werden, wobei die dazu eingesetzten technischen Hilfsmittel keine Veränderungen konstruktiver Art, insbesondere keine zusätzlichen Einbauten im Innenraum des Schalters erfordern. Weiterhin können die bei den Meßvorgängen am oder im Schalter ablaufenden Vorgänge, unabhängig von dem zu diesem Zeitpunkt bestehenden Zustand der Funktionsfähigkeit des Meßobjektes, keine nachteiligen Einwirkungen auf den Schalter, auf Teile desselben, auf mit dem Schalter verbundene Einrichtungen oder auf die Meßanordnung selbst haben. Ausgangspunkt für die erfindungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe ist der Umstand, daß die Stärke und der zeitliche Verlauf des Stromes bzw. der Spannung zwischen den auseinandergehenden Schaltstücken als Kriterium für die Beurteilung der Funktionsfähigkeit eines Schalters genutzt werden können. Diese Größen sind von einer Anzahl von Faktoren abhängig, die über Veränderungen an der Form und der materiellen Zusammensetzung der Schaltstückoberfläche die Ionisierung bzw. die Erzeugung freier Ladungsträger in der Schaltkammer verändern. Der Einfluß dieser Größen steigt vornehmlich mit den Schaltzahlen an. Außerdem verschieben sich die Anteile dieser Einflußgrößen mit der Zeit untereinander. Der Strom ist in seiner Größe und seinem zeitlichen Verlauf abhängig von der Spannung und der Ladungsträgerdichte zwischen den Schaltstücken und damit mittelbar auch vom Druck in der Schaltkammer. Die Ladungsträger erzeugen in Abhängigkeit von der ihnen durch die anliegende Spannung erteilten Bewegungsenergie infolge von Stoßprozessen mit den Teilchen der Restgasatmosphäre und der Oberfläche der Schaltstücke weitere Ladungsträger, wodurch der Widerstand der Schaltstrecke zwischen den Schaltstücken herabgesetzt wird. Mit dem gleichen Ergebnis für den Widerstandswert, aber durch andere Wirkmechanismen, sind die Materialzusammensetzung und die geometrische Beschaffenheit der Schaltstücke beteiligt. Durch sie wird die Austrittsarbeit für die Freisetzung von Elektronen aus dem Metall verändert, die entweder durch thermische Energie infolge der Erwärmung der Schaltstücke oder durch die vom Lichtbogen ausgelöste optische Anregung erzeugt werden bzw. durch die Erhöhung der Feldstärke und die damit verbundene Erzeugung von Elektronen durch Feldemission.As energy storage z. Example, be arranged an inductance, which is in series with a load resistor to which an evaluation unit is connected, which is arranged downstream of a recorder or display device as a registration. The invention has the advantage that the influences of the various, during the switching process, the ionization in the interior of the switching chamber determining parameters are summarily detected as a measured variable, the technical aids used for this no changes of a constructive nature, in particular no additional internals in the interior of the switch require. Furthermore, the processes taking place during or on the switch during the measuring operations, regardless of the state of functioning of the object under test at that time, can not have adverse effects on the switch, on parts thereof, on devices connected to the switch or on the measuring arrangement itself. Starting point for the inventive solution of the problem is the fact that the strength and the time course of the current or the voltage between the divergent contact pieces can be used as a criterion for the assessment of the operability of a switch. These quantities are dependent on a number of factors that alter the ionization or generation of free charge carriers in the switching chamber via changes in the shape and material composition of the contactor surface. The influence of these variables increases primarily with the switching numbers. In addition, the proportions of these predictors shift with each other over time. The current is dependent on the voltage and the charge carrier density between the switching pieces and thus indirectly also on the pressure in the switching chamber in terms of their size and their time course. The charge carriers generate additional charge carriers as a function of the kinetic energy given them by the applied voltage as a result of collision processes with the particles of the residual gas atmosphere and the surface of the switching pieces, whereby the resistance of the switching path between the switching pieces is reduced. With the same result for the resistance value, but through other mechanisms of action, the material composition and the geometric nature of the switching pieces are involved. It modifies the work function for the release of electrons from the metal, which are generated either by thermal energy due to the heating of the contact pieces or by the arc excitation optical excitation or by increasing the field strength and the associated generation of electrons field emission.

Die dargestellten Einflußgrößen verändern ihren spezifischen Beitrag zum Widerstand der Schaltstrecke im Laufe der Lebensdauer der Schalter und insbesondere mit den Schaltzahlen. Während der Einfluß der Entstehung von Elektronen durch Feldemission bei glatten Schaltstückoberflächen, also bei noch nicht oder nur wenig geschalteten Schaltern, gering ist gegenüber der durch den Gasdruck bestimmten lonisierungswahrscheinlichkeit und Ladungsträgerdichte, nimmt der Einfluß der Feldemission mit den Schaltzahlen während des Betriebes der Schalter zu. Es entsteht auf diese Art eine Absenkung des elektrischen Widerstandes zwischen den Schaltstücken auch bei konstant bleibendem Druck in der Schaltkammer. Der Erfolg und die Zuverlässigkeit der mit dem erfindungsmäßigen Verfahren und der Anordnung vorgeschlagenen Messungen zur Erlangung eines Kriteriums für die Beurteilung der Funktionsfähigkeit des Schalters werden von der dargestellten Verschiebung des Anteils der Einflußgrößen auf den Widerstand der Schaltstrecke nicht beeinflußt. Das bedeutet, daß der vorgeschlagene Lösungsweg mit dem Vorteil verbunden ist, daß ohne Wechsel der Meßmethode oder der Instrumentation und unabhängig vom Alter des Schalters oder von den Schalterzahlen der Meßzweck erreicht werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren kann so realisiert werden, daß als Maß für die Funktionstüchtigkeit ein Zeitfenster definiert wird, in dem der Widerstandswert der Entladungsstrecke im Verlauf der Entladung zwischen den Schaltstücken wieder den Wert unendlich angenommen haben muß.The factors shown change their specific contribution to the resistance of the switching path in the course of the life of the switch and in particular with the switching numbers. While the influence of the formation of electrons by field emission in smooth switch piece surfaces, ie with switches that are not yet or only slightly switched, is small compared with the ionization probability and carrier density determined by the gas pressure, the influence of the field emission increases with the switching numbers during operation of the switches. It arises in this way a lowering of the electrical resistance between the switching pieces even at a constant pressure in the switching chamber. The success and reliability of the measurements proposed by the method and arrangement of the invention to obtain a criterion for assessing the operability of the switch are not affected by the illustrated shift of the proportion of influencing variables to the resistance of the contact gap. This means that the proposed approach is associated with the advantage that the measuring purpose can be achieved without changing the measuring method or the instrumentation and regardless of the age of the switch or the number of switches. The inventive method can be realized so that a time window is defined as a measure of the functionality in which the resistance value of the discharge path in the course of the discharge between the switching pieces again must have assumed the value infinite.

embodiment

Die Erfindung soll in Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigenThe invention will be explained in more detail in exemplary embodiments with reference to drawings. Show it

Fig. 1: a block diagram of a variant Fig. 2: the ideal shutdown function

Fig. 3 undFig. 3 and

Fig. 4: real history of the shutdown function.

In einem Niederspannungsgleichstromkreis 1 befindet sich ein Vakuumschalter 2 in Reihe mit einer Induktivität 3 und einem Arbeitswiderstand 4. An dem Arbeitswiderstand 4 ist eine Auswerteeinheit S angeschlossen und dieser ist ein Schreiber bzw. Sichtgerät 6 nachgeordnet.In a low-voltage DC circuit 1 is a vacuum switch 2 in series with an inductor 3 and a load resistor 4. At the load resistor 4, an evaluation unit S is connected and this is a recorder or display unit 6 downstream.

Bei dieser Anordnung wird der Niederspannungsgleichstromkreis 1 mit dem zu untersuchenden Vakuumschalter 2 geöffnet. Die in der Induktivität 3 entstehende Induktionsspannung im Abschaltmoment,In this arrangement, the low-voltage DC circuit 1 is opened with the vacuum switch 2 to be examined. The resulting in the inductance 3 induction voltage in Abschaltmoment,

führt im Zeitpunkt der Trennung der Schaltstücke des Vakuumschalters zu einem Strom, der mit der Auseinanderbewegung der Schaltstücke und in Abhängigkeit vom Widerstand der Schaltstrecke und dem Energievorrat der als Speicher dienenden Induktivität 3 abklingt. Die zeitlich veränderte Stromstärke wird als Spannungsabfall über den Arbeitswiderstand 4 gemessen, in der Auswerteeinheit 5 gespeichert und mit Hilfe des Schreibers bzw. Sichtgerätes 6 aufgezeichnet. Aus dem Kurvenverlauf lassen sich Kriterien für die Beurteilung der Funktionsfähigkeit des Schalters ableiten. Die in Fig. 2 dargestellte Abschaltfunktion wäre das Ergebnis einer mit dem mechanischen Schaltvorgang ausgelösten Änderung des elektrischen Widerstandes zwischen den Schaltstücken im Idealfalle vonleads at the time of separation of the contact pieces of the vacuum switch to a current that decays with the movement apart of the switching pieces and in dependence on the resistance of the switching path and the energy supply of the serving as a memory inductance 3. The time-varying current is measured as a voltage drop across the load resistor 4, stored in the evaluation unit 5 and recorded by means of the recorder or display device 6. From the curve can be derived criteria for the assessment of the functionality of the switch. The shutdown function shown in Fig. 2 would be the result of a triggered with the mechanical switching change in the electrical resistance between the switching pieces in the ideal case of

RU) = O for all t

nachto

R (t) m «for all t> t _o

At = T - t_o - 0.At = T - t _o - 0.

Sie entspricht der geringsten Belastung der Schaltstrecke und damit der höchsten Betriebszuverlässigkeit des Schalters. Dort bedeuten:It corresponds to the lowest load of the switching path and thus the highest operational reliability of the switch. There mean:

U voltage drop across working resistor 4

t₀ » Zeitpunkt des Beginns des Abschaltvorgangest ₀ »Time of the start of the switch-off process

t₀ »Zeitpunkt der mechan. Beendigung des Abschaltvorganges (max. Abstand der Schaltstücke = D)t ₀ »time of the mechan. End of the switch-off process (maximum distance of the switching pieces = D)

T = time of completion of the electrical shutdown At a period of mechanical shutdown.

Die Fig. 3 und 4 stellen reale, mit der beschriebenen Anordnung zu erfassende Kurvenverläufe dar. Die Fig. 3 und 4 unterscheiden sich durch den Wert T > to von der Fig. 2. Mit dem Zeitpunkt F wird ein von den Daten des Schaltertyps, seinen Einsatzbedingungen und dem Energieinhalt des Speichers abhängiges Zeitfenster definiert, innerhalb dessen der Zeitpunkt T, für den der Widerstandswert der Strecke wieder den Wert R » » erreicht hat, liegen muß. In Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen kann der Wert F vor oder hinter dem Wert t_D liegen. Wenn der Wert F für einen gegebenen Schaltertyp und gegebene Einsatzbedingungen richtig bestimmt ist, dann muß der Wert von T für Schalter mit fehlerfreier vor und für fehlerbehaftete Schaltfunktion hinter dem Wert F liegen. Für ein geeignetes Zeitintervall, dessen Begrenzung den Wert F einschließt, liegt ein Übergangsbereich von der fehlerfreien zurfehlerhaften Schaltung vor. in entsprechenderweise lassen sich an die Stelle der Meßpunkte in den Fig. 2,3 und 4 bei verändertem Meßaufbau andere Meßpunkte und Kriterien definieren, die auf der Basis des gleichen erfindungsgemäßen Verfahrens andere Parameter für die Beurteilung der Funktionsfähigkeit des Schalters ausnutzen.Figures 3 and 4 illustrate real waveforms to be detected with the described arrangement. Figures 3 and 4 differ by the value T> to from Figure 2. At time F, one of the data of the switch type, Defines its operating conditions and the energy content of the memory-dependent time window within which the time T, for which the resistance value of the route has again reached the value R »» must be. Depending on the operating conditions, the value F may be before or after the value t _D. If the value F is properly determined for a given switch type and given conditions of use, then the value of T for switches with error free and faulty switch function must be less than the value F. For a suitable time interval, the limitation of which includes the value F, there is a transition range from the error-free to the faulty circuit. In a corresponding manner, other measuring points and criteria can be defined instead of the measuring points in FIGS. 2, 3 and 4 with a changed measuring structure, which on the basis of the same method according to the invention use other parameters for the evaluation of the functionality of the switch.

Claims

1. A method for assessing the operability of switching chambers under vacuum or quenching gas, characterized by

- That the load-free switching chamber during the mechanical Publ nens or closing a sufficient for a discharge power is supplied over a limited period of time,

- That the time course of the discharge between the switching pieces of the switching chamber is measured and

- That this measured time course of the discharge to assess the operability of the switching chamber is set in comparison to an ideal shutdown of a switching chamber.

2. The method according to item 1, characterized in that the power required for the discharge is removed from a memory, wherein the amount of energy released is below the amount of energy by the destruction or further use of the switching chamber preventing or limiting adverse change in the switching pieces or other parts of the switch can occur.

3. The method according to item 1, characterized in that during the mechanical Publ nens or closing the ionization in the interior of the switching chamber is increased by introducing an electric field.

4. The method according to item 2, characterized in that as a measure of the operability of the switching chamber, a time window is defined in the measured time course of the discharge, within which the discharge must be completed.

5. Circuit arrangement for carrying out the method, characterized in that the switching chamber is connected in series with a designed as an energy storage inductor and a subsequent measuring resistor, that over this series circuit, a low voltage DC power source is arranged and that parallel to the measuring resistor, a measuring and evaluation unit with subsequent registration unit is provided.