DE19526393C2

DE19526393C2 - Vacuum detection method in operationally installed vacuum interrupters

Info

Publication number: DE19526393C2
Application number: DE1995126393
Authority: DE
Inventors: David Walter Dr Branston
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-07-19
Filing date: 1995-07-19
Publication date: 1998-11-19
Anticipated expiration: 2015-07-20
Also published as: DE19526393A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Vakuumnach weis in betriebsmäßig eingebauten Vakuumschaltröhren.The invention relates to a method for vacuum white in operationally installed vacuum interrupters.

Die Betriebslebensdauer von Vakuumschaltröhren beträgt übli cherweise mehr als 20 Jahre. Um ein ordnungsgemäßes Schalt verhalten über diesen Zeitraum zu gewährleisten, muß ein Druck von weniger als 10^-2 Pa aufrechterhalten bleiben. Von Herstellern und/oder Betreibern von Vakuumschaltanlagen wird eine einfache Methode zum regelmäßigen Nachprüfen der Vakuum schaltbedingungen gewünscht. Insbesondere werden Lösungen für Schaltanlagen, in denen die eigentliche Vakuumschaltröhre nur schwer zugänglich ist, beispielsweise bei mit SF6 isolierten Schaltanlagen für den Mittelspannungsbereich, gewünscht.The service life of vacuum interrupters is usually more than 20 years. To ensure proper switching behavior over this period, a pressure of less than 10 ^-2 Pa must be maintained. Manufacturers and / or operators of vacuum switchgear want a simple method for regularly checking the vacuum switching conditions. In particular, solutions for switchgear in which the actual vacuum interrupter is difficult to access, for example in switchgear insulated with SF6 for the medium-voltage range, are desired.

Bei Vakuumschaltröhren wird üblicherweise am Ende des Her stellungsprozesses der Restdruck in der Röhre durch die Mes sung des sogenannten Penningstromes bestimmt. Hierzu wird die Röhre in ein externes Magnetfeld gebracht und gleichzeitig eine hohe Spannung zwischen den getrennten Kontakten ange legt. Der gemessene Strom ist ein Maß für den herrschenden Restdruck. Eine derartige Anordnung ist beispielhaft in der JP 54-147085 A1, Pat. Abstr. of Japan, Sect. E, Vol. 4 (1980) Nr. 5, E-165, beschrieben.With vacuum interrupters, usually at the end of the fro positioning process the residual pressure in the tube through the measurement solution of the so-called Penning current. For this, the Tube placed in an external magnetic field and at the same time high voltage between the separated contacts sets. The measured current is a measure of the prevailing Residual pressure. Such an arrangement is exemplary in the JP 54-147085 A1, Pat. Abstr. of Japan, Sect. E, Vol. 4 (1980) No. 5, E-165.

Ein Nachteil letzterer Meßmethode ist die Notwendigkeit eines geeichten Meßplatzes mit stationärer elektromagnetischer Spule zur Erzeugung eines geeigneten Magnetfeldes, wie er insbesondere in der Fabrik vorhanden ist. Es ist zwar bereits mit der EP 0 150 389 B1 eine Meßanordnung für die Messung von betriebsmäßig eingebauten Schaltröhren bekannt, bei der Per manentmagneten verwendet werden, die von außen an die Röhre anlegbar sind. Zumindest muß aber hier die Röhre selbst zu gänglich sein. A disadvantage of the latter measurement method is the need for one calibrated measuring station with stationary electromagnetic Coil for generating a suitable magnetic field, such as it especially in the factory. It is already with EP 0 150 389 B1 a measuring arrangement for the measurement of operationally installed switching tubes known at the Per Magnets can be used from the outside of the tube can be created. At least the tube itself has to be closed here be accessible.

Weiterhin wird bereits für betriebsmäßig eingebaute Vakuum schaltröhren vorgeschlagen, die Kontaktstücke auf einen definierten Abstand zu trennen, z. B. auf Nennhub, wie etwa typischerweise 12 bis 14 mm, und eine ansteigende Spannung anzulegen, bis ein Lichtbogendurchschlag erfolgt. Die physikalischen Grundlagen dafür sind in dem Fachbuch "Ein führung in die Hochspannungsversuchstechnik" (Viehweg-Verlag Braunschweig 1972), Seiten 144 bis 146 gegeben. Bei dieser Methode werden hohe Spannungen benötigt, welche außerhalb des Prüffeldes nur mit großem Aufwand generierbar sind und in der Praxis auch eine erhebliche Belastung bzw. Gefährdung der isolierenden Teile der Anlage mit sich bringen.Furthermore, vacuum is already installed for operational purposes Contact tubes suggested the contact pieces on one separate defined distance, e.g. B. on nominal stroke, such as typically 12 to 14 mm, and an increasing voltage until an arc breakdown occurs. The The physical basis for this can be found in the specialist book "Ein leadership in high-voltage test technology "(Viehweg-Verlag Braunschweig 1972), pages 144 to 146. At this High voltages are required, which are outside the Test field can only be generated with great effort and in the Practice also a considerable burden or endangerment of the bring isolating parts of the system with it.

Schließlich ist es aus der EP 0 309 852 B1 bekannt, die Rönt genemission, die beim Anlegen einer hohen Spannung zwischen den geöffneten Kontakten über an einem der beiden Kontakt stücke bewirkte Feldelektronenemission entstehen kann, als Vakuumnachweis auszunutzen. Auch hier werden wieder hohe Spannungen benötigt und es sind für das Arbeiten mit Röntgen strahlung entsprechende Sicherheitsbestimmungen zu beachten.Finally, it is known from EP 0 309 852 B1 that X-ray genemission that occurs when applying a high voltage between the open contacts via one of the two contacts Pieces caused field electron emission can arise as To use vacuum detection. Here, too, are high again Tensions are needed and it is for working with x-rays relevant safety regulations must be observed.

Daneben ist aus der JP 1-227033 A, Pat. Abstr. of Japan, Sect. P, Vol. 13 (1989) Nr. 547, P-971, bekannt, in Behältern das Vakuum dadurch zu bestimmen, daß an den Behälter Elektroden mit Hochspannung angelegt werden und mittels einer Ver gleichsschaltung der fließende Strom vor und hinter dem Vakuumdurchgang erfaßt und verglichen wird. Diese Methode ist für die Praxis von Vakuumschaltern ungeeignet.In addition, JP 1-227033 A, Pat. Abstr. of Japan, Sect. P, Vol. 13 (1989) No. 547, P-971, to determine the vacuum in containers by using electrodes on the containers be applied with high voltage and by means of a ver equalizing the flowing current before and after the Vacuum passage is detected and compared. This method is unsuitable for the practice of vacuum switches.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Vakuum nachweis in betriebsmäßig eingebauten Vakuumschaltröhren vor zuschlagen, das ohne zusätzliche Mittel realisierbar ist und insbesondere in rauhen Praxisbedingungen eingesetzt werden kann.The object of the invention is therefore a method for vacuum proof in operationally installed vacuum interrupters strike that is feasible without additional funds and can be used especially in harsh practical conditions can.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe mit folgenden Verfahrensschritten:
According to the invention, the object is achieved with the following method steps:

- There is a between the contact pieces opened to the nominal stroke Voltage between about 500 and 2000 V applied,
- Then the contact pieces are defined under Speed closed and closed
- The time (t burn ) between the arc ignition and the contact closure is determined.

Das erfindungsgemäße Verfahren geht davon aus, daß ein Licht bogen entsteht, wenn die Kontaktstücke einer Vakuumschalt röhre unter Spannung getrennt werden. Allerdings ist es wäh rend der Zündphase schwierig, von den elektrischen Signalen allein zu bestimmen, ob der Lichtbogen im Vakuum oder Gas, insbesondere Luft, gezündet wurde. Das Brennverhalten wird vielmehr durch den Metalldampf aus den Elektroden bestimmt.The method according to the invention assumes that a light arc arises when the contact pieces of a vacuum switch tubes under voltage. However, it is wah rend the ignition phase difficult from the electrical signals alone to determine whether the arc is in vacuum or gas, especially air, was ignited. The burning behavior will rather determined by the metal vapor from the electrodes.

Dagegen wird bei einer Entladung zwischen schließenden Kon takten der Zeitpunkt des Zündens eindeutig durch das Vorhan densein von Gas oder Vakuum bestimmt. Wenn bei angelegter Spannung die Kontakte geschlossen werden, wird ein Vakuum durchschlag stattfinden, wenn der Restdruck immer noch gering ist. Dies ist damit begründet, daß bei einer Feldstärke von etwa 3.10⁷ V/cm auf der Kontaktoberfläche Feldemission ein setzt und die Entladung getriggert wird. Bei etwa 1000 V zwi schen absolut ebenen Kontakten würde eine derartige Feld stärke bei einer Kontakttrennung von 3,3.10^-4 mm erreicht werden. Auch wenn man einen Felderhöhungsfaktor von 30 auf grund unebener Oberflächen annimmt, entsteht das für Feld emission notwendige Feld erst bei 10^-2 mm. Nimmt man ferner eine typische Kontaktgeschwindigkeit von 1 m/s an, kann davon ausgegangen werden, daß der Spannungszusammenbruch nur wäh rend der letzten zehn Mikrosekunden vor der Kontaktschließung auftritt. Sofern Gas in die Vakuumröhre hineingedrungen ist, wird das Durchschlagsverhalten durch die Paschenkurve be stimmt. Damit ist das Vorliegen von für das Schalten in der Vakuumschaltröhre ausreichendem Vakuum eindeutig bestimmbar!On the other hand, in the event of a discharge between closing contacts, the time of ignition is clearly determined by the presence of gas or vacuum. If the contacts are closed when the voltage is applied, a vacuum breakdown will take place if the residual pressure is still low. This is due to the fact that at a field strength of approximately 3.10 ⁷ V / cm field emission sets in on the contact surface and the discharge is triggered. At about 1000 V between absolutely flat contacts, such a field strength would be achieved with a contact separation of 3.3.10 ^-4 mm. Even if one assumes a field increase factor of 30 due to uneven surfaces, the field required for field emission only arises at 10 ^-2 mm. If one further assumes a typical contact speed of 1 m / s, it can be assumed that the voltage breakdown only occurs during the last ten microseconds before the contact is closed. If gas has penetrated into the vacuum tube, the breakdown behavior is determined by the Paschen curve. The presence of sufficient vacuum for switching in the vacuum interrupter can thus be clearly determined!

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungs beispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Unter ansprüchen. Es zeigenFurther details and advantages of the invention emerge from the following figure description of execution examples using the drawing in conjunction with the sub claims. Show it

Fig. 1 eine Vakuumschaltröhre zur Verdeutlichung der Problemstellung, Fig. 1 is a vacuum interrupter to illustrate the problem,

Fig. 2 das Vakuumdurchschlagsverhalten und das Gasdurch schlagsverhalten als vereinfachtes Diagramm, Fig. 2 the vacuum breakdown characteristic and the gas breakdown characteristic as a simplified diagram,

Fig. 3 gemessene Paschenkurven von Luft und SF6 und Fig. 3 measured Paschen curves of air and SF6 and

Fig. 4a) und b) idealisierte Oszillogramme für eine dichte und eine undichte Röhre. FIG. 4a) and b) idealized oscillograms for a tight and a leaking tube.

In Fig. 1 ist eine Vakuumschaltröhre 10 dargestellt, die im wesentlichen aus vakuumdicht miteinander verbundenen Stirn teilen 11 bzw. 18 und einem Isolatorhohlzylinder 12 besteht, welche das Röhreninnere gegen Atmosphäre abschließen. Am Isolator 12 kann eine metallische Abschirmung 14 potential frei gehaltert werden.In Fig. 1, a vacuum interrupter 10 is shown, which essentially consist of vacuum-tightly connected forehead parts 11 and 18 and an insulator hollow cylinder 12 , which seal off the interior of the tube from the atmosphere. A metallic shield 14 can be kept floating on the insulator 12 .

In das Innere der Vakuumschaltröhre 10 führen Kontaktbolzen 1 und 2, von denen einer axial beweglich ist, und die ein Kon taktsystem 15 tragen. Dazu ist der eine Kontaktbolzen 1 über einen Federbalg 13 mit der Röhre 1 und der andere Kontakt bolzen 2 fest mit der Röhre 1 verbunden. Das Kontaktsystem 15 besteht aus einem Bewegkontaktstück 16 und einem Festkontakt stück 17 vorgegebener Geometrie. Im offenen Zustand, d. h. bei Nennhub h, haben die Kontaktstücke 16 und 17 beispielsweise etwa 20 mm Abstand, während sie im geschlossenen Zustand bün dig aufeinander aufliegen.In the interior of the vacuum interrupter 10 lead contact pins 1 and 2 , one of which is axially movable, and which carry a contact system 15 Kon. For this purpose, a contact pin 1 via a bellows 13 with the tube 1 and the other contact pin 2 is firmly connected to the tube 1 . The contact system 15 consists of a moving contact piece 16 and a fixed contact piece 17 of predetermined geometry. In the open state, ie at nominal stroke h, the contact pieces 16 and 17 have, for example, about 20 mm spacing, while in the closed state they lie flush against one another.

Durch einen entsprechenden, in Fig. 1 nicht dargestellten Antrieb wird die Schaltbewegung erzeugt. Im allgemeinen geht man von einer typischen Kontaktgeschwindigkeit von 1 m/s aus, wobei durch mechanischen Kontakt der Kontaktstücke 16 und 17 der Stromfluß und durch Öffnen der Kontakte die Unterbrechung erreicht wird. Dabei ist Voraussetzung das Vorliegen eines hinreichenden Vakuums.The switching movement is generated by a corresponding drive, not shown in FIG. 1. In general, a typical contact speed of 1 m / s is assumed, the current flow being achieved by mechanical contact of the contact pieces 16 and 17 and the interruption being achieved by opening the contacts. The prerequisite for this is the existence of a sufficient vacuum.

Bei der Fertigung derartiger Schaltröhren wird üblicherweise bei der Endabnahme im Werk dafür gesorgt, daß nur Röhren mit ausreichend niedrigen Leckraten ausgeliefert werden. Ein langsames Ansteigen des Druckes über Monate oder Jahre ist daher fast ausgeschlossen. Aufgrund der starken mechanischen Beanspruchungen, die durch unsachgemäße Montage in der Praxis auftreten können, ist es aber nicht völlig auszuschließen, daß Risse im Federbalg oder an Schweißnähten entstehen können. In diesem Fall würde ein Druckanstieg dann relativ schnell, d. h. innerhalb von Tagen, erfolgen. Eine Drucknach weismethode muß daher geeignet sein, eindeutig zwischen dichten und einer bis auf den Umgebungsdruck vollgelaufenen Röhre unterscheiden zu können.In the manufacture of such switching tubes is usually during final acceptance in the factory, ensure that only tubes with sufficiently low leak rates are delivered. A pressure increases slowly over months or years therefore almost impossible. Because of the strong mechanical Stresses caused by improper installation in practice can occur, but it cannot be completely ruled out, that there are cracks in the bellows or on welds can. In this case, an increase in pressure would then be relative quickly, d. H. within days. A print after method must therefore be suitable to clearly distinguish between dense and one that has run up to the ambient pressure To be able to distinguish between tubes.

Anhand Fig. 2 wird die sogenannte Paschenkurve, die das Durchschlagsverhalten innerhalb der Vakuumschaltröhre 10 bei Gaseinbruch, d. h. bei Belüftung, wiedergibt, verdeutlicht: Aufgetragen ist die Spannung als Funktion des Druckes inner halb der Vakuumschaltröhre 10. Wesentlich ist dabei das Pro dukt (P.d) aus Druck P und Abstand d der Kontaktstücke 16 und 17 mit 0 < d ≦ h zwischen Kontaktschluß und Nennhub. . Is with reference to Fig 2, the so-called Paschen curve that represents the breakdown behavior within the vacuum switch tube 10 in gas influx, ie ventilation, as illustrated: Plotted is the voltage as a function of the pressure within half of the vacuum interrupter 10. It is essential that the product (Pd) of pressure P and distance d of the contact pieces 16 and 17 with 0 <d ≦ h between contact closure and nominal stroke.

In Fig. 2 findet im ganz linken Bereich bei niedrigem P.d ein Vakuumdurchschlag statt. Die Spannungsfestigkeit ist da bei proportional zum Elektrodenabstand. Wird der Gasdruck er höht, kommt man zum P.d-Bereich, in dem der Durchschlagmecha nismus durch das Vorhandensein der Gasmoleküle beeinflußt wird. Die Spannungsfestigkeit fällt bis zum sogenannten Paschenminimum, das für die meisten Gase zwischen etwa 300 V bis 500 V beträgt und in der Nähe von 10^-3 MPa.mm liegt, ab. Rechts vom Paschenminimum steigt die Spannungsfestigkeit mit steigendem P.d wieder an. Für eine Zündspannung von 1000 V ergeben sich unterschiedliche Zündpunkte 21 für eine dichte Röhre, 22 für eine undichte Röhre und 23 für eine vollgelau fene Röhre.In Fig. 2 there is a vacuum breakdown in the far left area at low Pd. The dielectric strength is proportional to the distance between the electrodes. If the gas pressure is increased, one arrives at the Pd range in which the breakdown mechanism is influenced by the presence of the gas molecules. The dielectric strength drops to the so-called Paschen minimum, which for most gases is between about 300 V to 500 V and is close to 10 ^-3 MPa.mm. To the right of the Paschen minimum, the dielectric strength increases again with increasing Pd. For an ignition voltage of 1000 V, there are different ignition points 21 for a tight tube, 22 for a leaky tube and 23 for a fully sealed tube.

Gemessene Paschenkurven von Luft einerseits und SF6 anderer seits sind in Fig. 3 dargestellt, wobei wiederum auf der Abszisse der Faktor P.d und auf der Ordinate die Zündspannung jeweils in logarithmischem Maßstab aufgetragen sind. Im ein zelnen kennzeichnet 31 die Zündkennlinie für Luft und 32 die Zündkennlinie für SF₆. Letztere Kennlinie ist für SF₆-gekap selte Schaltanlagen mit Vakuumschaltern von Bedeutung. Aus den Meßkurven lassen sich Werte für die charakteristischen Zündzeitpunkte der Fig. 2 bestimmen:Measured Paschen curves of air on the one hand and SF6 on the other hand are shown in FIG. 3, the factor Pd again being plotted on the abscissa and the ignition voltage being plotted on a logarithmic scale on the ordinate. In particular, 31 identifies the ignition characteristic for air and 32 the ignition characteristic for SF ₆ . The latter characteristic is important for SF ₆ encapsulated switchgear with vacuum switches. Values for the characteristic ignition times in FIG. 2 can be determined from the measurement curves:

Die Werte für die Zündpunkte 21, 22 und 23 aus Fig. 2 sind in nachfolgender Tabelle zusammengestellt. Da Messungen auf der linken Seite des Paschenminimums nicht bekannt sind, ist der diesbezügliche Wert geschätzt.The values for the ignition points 21 , 22 and 23 from FIG. 2 are summarized in the table below. Since measurements on the left side of the Paschen minimum are not known, the relevant value is estimated.

Tabelletable

In den Teilfiguren a und b der Fig. 4 sind idealisierte Oszillogramme einerseits für eine dichte und andererseits für eine undichte Vakuumschaltröhre 10 wiedergegeben. Wie bereits ausgeführt, wird für eine dichte Röhre die Zeit t_brenn typi scherweise zwischen 0 und 10 µs liegen. Wenn dagegen bei spielsweise SF6 bis zu einem Druck von 10 Pa in eine Röhre 10 eingedrungen ist, würde ein Durchschlag bei einem Kontaktab stand von ca. 10 mm stattfinden. Dies bedeutet für die Zeit t_brenn, daß dieser Wert einige Größenordnungen größer als bei der dichten Röhre ist.In the partial figures a and b of FIG. 4, idealized oscillograms are shown on the one hand for a tight and on the other hand for a leaky vacuum interrupter 10 . As already stated, the time t is _burning typi cally microseconds between 0 and 10 for a tight tube. In contrast, if, for example, SF6 has penetrated into a tube 10 up to a pressure of 10 Pa, a breakdown would take place at a contact distance of approximately 10 mm. For the time t _burn this means that this value is several orders of magnitude larger than with the dense tube.

Bei welchem Druck konkret die Detektionsgrenze liegt, hängt vom tatsächlichen Verlauf des linken Astes der Paschenkurve, vom Nennhub der speziell verwendeten Röhre und der Höhe der angelegten Spannung ab. Bis zu 10 kV läßt sich die Spannung leicht mit einer transportierbaren Spannungsquelle erzeugen, so daß in der Praxis vor Ort an der eingebauten Schaltröhre gemessen werden kann. Die Zeitdauer t_brenn wird in üblicher Weise mit einem Oszillographen ermittelt. The pressure at which the detection limit lies depends on the actual course of the left branch of the Paschen curve, the nominal stroke of the specially used tube and the level of the applied voltage. Up to 10 kV, the voltage can easily be generated with a transportable voltage source, so that in practice measurements can be made on the built-in switch tube. The time period t _burn is determined in the usual way with an oscillograph.

Durch entsprechende elektronische Schaltkreise kann man un mittelbar t_brenn erfassen, mit einem Referenzwert vergleichen und als einfache binäre Meldung weitergeben. Dabei ist bei spielsweise für ein praxistauglichen Gerät folgende Vor gehensweise denkbar:
Corresponding electronic circuits can be used to directly record _burns , compare them with a reference value and pass them on as a simple binary message. The following procedure is conceivable for example for a practical device:

a) t burn <t ref ,
It follows that the tube is tight and a first indicator organ, for example a green LED, lights up
b) t burn <t ref .
It follows that the tube is leaking and a second indicator organ, for example a red LED, lights up.

Wenn bei dem beschriebenen Verfahren eine Prüfspannung größer als 5 kV gewählt wird, liegt der entsprechende Zündzeitpunkt bei etwa 10⁵ Pa.mm auf der Paschenkurve, was bei einem Kon taktabstand von ungefähr 1 mm im Fall einer auf < 1 bar voll gelaufenen Röhre erfüllt ist. Aus diesem Grund kann man un mittelbar zwischen einer dichten und einer vollgelaufenen Röhre unterscheiden.If a test voltage greater than 5 kV is selected in the described method, the corresponding ignition point is approximately 10 ⁵ Pa.mm on the Paschen curve, which is achieved at a contact distance of approximately 1 mm in the case of a tube that is full to <1 bar . For this reason, a distinction can be made between a tight and a full tube.

Claims

1.Procedure for vacuum detection in operationally installed vacuum interrupters with the following process steps:

1. A voltage between approximately 800 and 2000 V is applied between the contact pieces of the vacuum interrupter that are open to the nominal stroke.
2. Then the contact pieces are closed at a defined speed
3. and the time (t _burn ) between the arc ignition and the contact closure is determined.

2. The method according to claim 1, characterized records that the speed of the lock movement of the contact pieces is about 1 m / s.

3. The method according to claim 1, characterized records that the voltage is about 1000 V.