DE19539535A1 - Verfahren zur Drucküberwachung einer Vakuumschaltröhre - Google Patents

Verfahren zur Drucküberwachung einer Vakuumschaltröhre

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DE19539535A1 DE1995139535 DE19539535A DE19539535A1 DE 19539535 A1 DE19539535 A1 DE 19539535A1 DE 1995139535 DE1995139535 DE 1995139535 DE 19539535 A DE19539535 A DE 19539535A DE 19539535 A1 DE19539535 A1 DE 19539535A1
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Description

Vakuumschaltröhren für Vakuumschaltgeräte der Energieversor­ gung und Energieverteilung benötigen zur Aufrechterhaltung ihrer Funktionsfähigkeit ein Hochvakuum mit einem Druck von höchstens ungefähr 0,1 Pa, das über die gesamte Lebensdauer gewährleistet werden muß. Werksseitige Prüfungen neuer Röhren garantieren Lagezeiten von mehr als 20 Jahren aufgrund der niedrigen Leckraten von weniger als 10-11 Pa × 1/s. Vor allem bei Schaltgeräten mit großer Schalthäufigkeit werden die Strukturelemente der Schaltröhren (Balg, Keramik, Metallisie­ rung der Keramik, Metallflansche) jedoch hohen mechanischen Belastungen, aber auch korrossiven Einflüssen ausgesetzt, die in Einzelfällen schließlich zum Auftreten von Lecks, zu einem Vakuumverlust und damit zum Versagen der Röhren führen kön­ nen. In speziellen Anwendungsbereichen kann deshalb eine kon­ tinuierliche Kontrolle des Röhreninnendrucks (Online-Druckmo­ nitoring) sinnvoll und notwendig sein.
An eine Online-Drucküberwachung von Vakuumschaltröhren werden eine Reihe von Anforderungen gestellt, die simultan erfüllt werden müssen.
Während bei einer teilbelüfteten Röhre im Dreiphasenbetrieb noch mit einer Löschung von Nennstromschaltungen gerechnet werden kann, muß bei Kurzschlußschaltungen teil oder voll­ ständig belüfteter Röhren von einem Versagen der Röhre und des Schaltgeräts ausgegangen werden. Die Mindestanforderung ist deshalb eine Aussage über die Funktionsfähigkeit der Röh­ re, d. h. das anzuwendende Meßprinzip muß in der Lage sein, einen ausreichend niedrigen Innendruck (pi kleiner als 0,1 Pa) nachzuweisen und von einem belüfteten (pi größer 10⁴ Pa) oder teilbelüfteten (10-3 Pa < pi < 10⁴ Pa) Zustand zu unter­ scheiden.
Diese Unterscheidung muß sowohl für Luft als umgebendes Me­ dium als auch für eine SF₆-Atmosphäre mit Drucken bis zu ei­ nigen Bar zweifelsfrei und ohne Interpretationsspielraum mög­ lich sein.
Weiterhin wird ein weiter Temperaturbereich von ungefähr -40°C bis zu +60°C gefordert. Da jede notwendige Freischal­ tung einer Röhre gleichzusetzen ist mit einer Wartung, ist eine Freischaltung der Röhre nicht tolerierbar, d. h. die Ak­ tivierung und Auslegung eines Drucksensors muß kontaktlos bzw. berührungslos erfolgen.
Eine Mindestforderung an ein entsprechendes Druck-Monitoring- System ist das Erkennen des (teil-)belüfteten Zustands, d. h. der zweifelsfreie Nachweis von Drucken im Bereich 10³ Pa < pi < (1 bis 3) × 10⁵ Pa. Dabei kann auch der Einbau von Druck­ sensoren in die Röhren toleriert werden, die aber im Interes­ se der Wartungsfreiheit des Schaltgeräts kontaktlos auslesbar sein müssen.
An Drucksensoren, aber auch an andere Druckmeßverfahren in einer Vakuumschaltröhre werden deshalb folgende Anforderungen gestellt:
  • - Temperaturbereich -40°C bis zu +60°C;
  • - Druckbereich (10³ bis 10⁴) Pa < pi < (1 bis 3) × 10⁵ Pa;
  • - Nachweis sowohl von SF₆ als auch von Luft, d. h. kein aus­ schließlich auf Sauerstoff reagierender chemischer Sensor;
  • - unempfindlich gegen mögliche Bedampfung;
  • - keine wesentliche Alterung über die gesamte Betriebszeit der Röhre;
  • - unempfindlich gegen mechanische Erschütterungen;
  • - kompatibel mit Fertigungsprozeß der Vakuumschaltröhre;
  • - unempfindlich gegen elektromagnetische Störstrahlung;
  • - unempfindlich gegen elektrische und magnetische Felder;
  • - berührungsfreie, kontaktlose Aktivierung bzw. Auslesung: keine elektrische Beschaltung/keine Freischaltung der Vaku­ umschaltröhre.
Durch den Fertigungs- und Prüfprozeß von Vakuumschaltröhren werden Leckraten L von größer 10-11 Pa × 1/s praktisch ausge­ schlossen und somit eine Lagerzeit von deutlich mehr als 20 Jahren erreicht.
Hauptfehlerquellen liegen in den kritischen, mechanisch stark beanspruchten Bereichen von Löt- und Schweißnähten, sowie in der Korrosion von Federbälgen bzw. den Metallflanschen; ver­ einzelt wird eine Überbeanspruchung der Keramik, speziell im Bereich von Lötstellen, mit nachfolgender Leckbildung beob­ achtet. Die daraus resultierenden Leckraten L liegen im Be­ reich von L ≈ 10-4 Pa × 1/s und darüber; geringere Leckraten L sind für die Praxis unbedeutend.
Das bedeutet, daß der für die einwandfreie Funktion zulässige Druckbereich in der Röhre bereits kurze Zeit nach Auftreten eines Lecks überschritten wird. Somit ist bereits kurze Zeit nach dem Auftreten eines Lecks mit einer Funktionseinschrän­ kung der Vakuumschaltröhre zu rechnen. Eine Drucküberwachung muß also nicht unbedingt den Druck messen, sondern vor allem eine Unterscheidung treffen können zwischen einem für die Funktion ausreichenden Innendruck pi < 10-3 Pa und einem nichtzulässigen Druck pi » 10-3 Pa.
Diese Druckgrenzen sind weitgehend identisch für alle rele­ vanten Gasarten, d. h. die Druckbestimmung muß im Prinzip gasartunabhängig arbeiten.
Invasive Meßmethoden zur Ermittlung des Röhreninnendrucks ei­ ner Vakuumschaltröhre sind bekannt, beispielsweise die Mes­ sung der Spannungsfestigkeit, die in der US-Patentschrift US 3 983 345 beschrieben ist.
Dieses Verfahren birgt einige Nachteile in sich. So ist bei­ spielsweise zur Messung des Drucks eine Freischaltung der Röhre notwendig, was einer Wartung der Röhre entspricht und somit einen hohen Aufwand bedeutet. Auch sind die durch das Verfahren erhaltenen Werte relativ ungenau, verursacht beispielsweise durch Störrauschen.
Auch wenig invasive Methoden, z. B. der Nachweis von Röntgen­ strahlung ist bekannt (EP 0 309 852). Ebenso ist ein Meßver­ fahren durch optische Analyse des Schaltlichtbogens bekannt (EP 0 537 074). Beide Verfahrensprinzipien unterliegen ebenso einigen prinzipiellen Nachteilen. So ist z. B. zum Messen wiederum eine Lastschaltung nötig, was zu einem erhöhten Auf­ wand bei der Durchführung des Meßverfahrens führt.
Die starke Streuung der Meßgrößen aufgrund der Alterung der Röhre führt zu stark interpretativen Ergebnissen und somit zu unsicheren Aussagen über den gemessenen Innendruck pi der Röhre.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Drucküberwachung einer Vakuumschaltröhre anzugeben, die die im vorigen beschriebenen Nachteile vermeidet.
Das Problem wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 2 gelöst.
Bei dem Verfahren nach Anspruch 1 wird eine in eine Vakuum­ schaltröhre eingekoppelte Ultraschallwelle an der Isolatorin­ nenwand der Vakuumschaltröhre reflektiert. Aus dem Verhältnis zwischen reflektierter zu transmittierter Amplitude läßt sich die Gasdichte innerhalb der Vakuumschaltröhre und somit der Innendruck pi der Vakuumschaltröhre ermitteln.
Bei dem Verfahren gemäß Patentanspruch 2 wird mindestens ein metallischer Teil der Vakuumschaltröhre durch die Ultra­ schallwellen in eigenfrequente Schwingungen versetzt und aus der gemessenen Resonanzfrequenz der Eigenschwingung des je­ weiligen metallischen Teils wird auf den Innendruck pi der Vakuumschaltröhre geschlossen. Dies ist möglich, da ein zu­ nehmender Röhreninnendruck pi über die Verringerung der Druckdifferenz Innendruck - Außendruck zu einer Abnahme der Druckkraft auf Flansche bzw. auf den Dampfschirm und damit zu einer Erniedrigung der Resonanzfrequenz der metallischen Tei­ le einer Vakuumschaltröhre führt. Gleichzeitig ändert sich über die ebenfalls veränderte Dämpfung die Amplitude des Ant­ wortsignals, woraus sich ebenso der Innendruck pi der Vakuum­ schaltröhre ableiten läßt.
Die Vorteile der im vorigen beschriebenen Verfahren sind vor allem darin zu sehen, daß eine berührungslose, nicht invasi­ ve, interpretationsfreie Drucküberwachung des Röhreninnen­ drucks einer Vakuumschaltröhre während des Betriebs möglich ist. Diese ist außerdem gasart unabhängig, wodurch die Druck­ überwachung auch bei SF₆- und Luftisolation möglich ist.
Durch die Weiterbildungen der Verfahren nach einem der An­ sprüche 5 bis 10 werden weitere Verbesserungen der Meßergeb­ nisse bei der Drucküberwachung der Vakuumschaltröhre erreicht.
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den Figuren dar­ gestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
Fig. 1 eine Anordnung eines Ultraschallsenders, einer Va­ kuumschaltröhre und eines Ultraschallempfängers, mit der das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem Ul­ traschallwellen von der Vakuumschaltröhre reflek­ tiert werden, durchgeführt wird;
Fig. 2 eine Anordnung mit einem Ultraschallsender, einer Vakuumschaltröhre und einem Ultraschallempfänger, mit der das Verfahren, bei dem mindestens ein me­ tallischer Teil der Vakuumschaltröhre bei dessen Eigenfrequenz durch die Ultraschallwellen zum Schwingen angeregt wird und daraus auf dem Röhren­ innendruck geschlossen wird, durchgeführt wird;
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm, in dem die Verfahrensschritte des Verfahrens, bei dem die Ultraschallwellen von der Vakuumschaltröhre reflektiert werden, darge­ stellt ist;
Fig. 4 ein Ablaufdiagramm, in dem die Schritte des Verfah­ rens dargestellt sind, bei dem mindestens ein Teil der Vakuumschaltröhre durch die Ultraschallwellen bei Eigenfrequenz des mindestens einen metallischen Teils zum Schwingen angeregt wird;
Fig. 5 ein Ablaufdiagramm, das mehrere zusätzliche Schrit­ te aus den abhängigen Ansprüchen darstellt;
Fig. 6 eine Übersicht über verschiedene Realisierungsmög­ lichkeiten für den Ultraschallsender.
Anhand der Fig. 1 bis 6 werden die erfindungsgemäßen Ver­ fahren weiter erläutert.
In den Fig. 1 und 2 ist jeweils eine Anordnung darge­ stellt, die einen Ultraschallsender USS, eine Vakuumschal­ tröhre VS und einen Ultraschallempfänger USE aufweist.
Die Vakuumschaltröhre VS, die in Fig. 2 dargestellt ist, weist außerdem mindestens einen metallischen Teil TVS der Va­ kuumschaltröhre VS auf.
In einem ersten Ausführungsbeispiel, das in Fig. 1 darge­ stellt ist, sendet der Ultraschallsender USS Ultraschallwel­ len US in die Vakuumschaltröhre VS 1.
Wenn innerhalb der Vakuumschaltröhre VS das Hochvakuum erhal­ ten ist, wird die in einer Isolatorwand der Vakuumschaltröhre VS eingekoppelte Ultraschallwelle US vollständig reflektiert.
Ist das Hochvakuum in der Vakuumschaltröhre VS nicht oder nur teilweise erhalten, ist also eine nennenswerte Gasdichte vor­ handen, wird ein Teil der eingekoppelten Ultraschallwelle US in das Gas der Vakuumschaltröhre VS transmittiert und nur teilweise reflektiert 2.
Der Ultraschallempfänger USE empfängt die von der Vakuum­ schaltröhre VS reflektierten Ultraschallwellen RUS 3.
In dem Ultraschallempfänger USE wird aus dem Verhältnis zwi­ schen reflektierter und transmittierter Amplitude die Gas­ dichte der Vakuumschaltröhre VS ermittelt. Bei der Messung des transmittierten Anteils mittels eines externen Sensors muß jedoch die reflektierte Ultraschallwelle RUS nochmals die Isolatorwand der Vakuumschaltröhre VS durchlaufen.
Da an jeder freien Oberfläche eine weitere Aufspaltung in ei­ ne reflektierte Welle und in eine transmittierte Welle ge­ schieht, sowie zusätzliche Beimischungen aus den azimutal und axial innerhalb des Isolators laufenden Wellen resultieren können, muß eine sorgfältige Analyse des Meßsignals in dem Ultraschallempfänger USE erfolgen, um eine eindeutige Aussage über einen Innendruck pi der Vakuumschaltröhre VS zu ermögli­ chen.
Das Verfahren des ersten Ausführungsbeispiels weist also fol­ gende grundlegenden Schritte auf:
  • - Der Ultraschallsender USS sendet die Ultraschallwellen US in die Vakuumschaltröhre VS 1,
  • - die Ultraschallwellen US werden in der Vakuumschaltröhre VS reflektiert 2,
  • - die von der Vakuumschaltröhre VS reflektierten Ultraschall­ wellen RUS werden von dem Ultraschallempfänger USE empfan­ gen 3, und
  • - aus den reflektierten Ultraschallwellen RUS wird in dem Ul­ traschallempfänger USE der Innendruck pi der Vakuumschal­ tröhre VS ermittelt 4 (vgl. Fig. 3).
Die Interpretation des resultierenden, komplizierten Wellen­ feldes der reflektierten Ultraschallwellen RUS kann unter Um­ ständen dadurch stark erleichtert werden, daß durch die Ver­ wendung sehr kurzer Ultraschallimpulse eine Laufzeitentkopp­ lung, d. h. eine vereinfachte Identifizierung der verschiede­ nen Anteile erreicht wird.
Eine weitere Vereinfachung wird erreicht, indem eine punkt­ förmige, d. h. fokussierte Schallquelle als Ultraschallsender USS verwendet wird.
Die reflektierte Ultraschallwelle RUS und die transmittierter Ultraschallwelle lassen sich für einen spezifischen Röhrentyp einer Vakuumschaltröhre VS erfassen und kontinuierlich wäh­ rend des Betriebs kontrollieren und mit Sollwerten SW, die zu Beginn des Verfahrens für den jeweiligen Röhrentyp ermittelt werden 21 und gespeichert werden 22, vergleichen 23 (vgl. Fig. 5). Aus diesem Vergleich werden die Änderungen des Röh­ reninnendrucks pi ermittelt 24.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel, dessen Anordnung in Fig. 2 beschrieben ist, wird die akustische Bestimmung des Spannungszustandes von Metallflanschen oder Schirmen, also von Metallteilen TVS, die die Vakuumschaltröhre VS aufweist, als Maß für den Innendruck pi der Vakuumschaltröhre VS ver­ wendet.
Die Vakuumschaltröhren VS enthalten üblicherweise Metalltei­ le, beispielsweise Metallflansche zur Verbindung von Stromzu­ führungsbolzen mit dem Keramikisolator oder auch freiliegende Metallschirme, die jeweils charakteristische akustische Ei­ genresonanzen aufweisen. Diese liegen typischerweise im Kilo- Hertz-Bereich. Außerdem hängen diese Eigenresonanzen vom me­ chanischen Spannungszustand des entsprechenden metallischen Teils ab.
Dieser Spannungszustand wird wesentlich durch die Druckdiffe­ renz zwischen dem Innendruck pi der Vakuumschaltröhre VS und dem Außenbereich bestimmt. Somit führt eine Änderung des In­ nendrucks pi zu einer Änderung des akustischen Verhaltens, vor allem zu einer Änderung von den Resonanzfrequenzen und der Dämpfungen der einzelnen metallischen Teile TVS der Vaku­ umschaltröhre VS.
Es werden wiederum von dem Ultraschallsender USS Ultraschall­ wellen US in die Vakuumschaltröhre VS gesendet 11 (vgl. Fig. 4).
Diese Einstrahlung vorzugsweise kurzer, hochfrequenter aku­ stischer Impulse regt die Eigenschwingungen der einzelnen me­ tallischen Teile TVS der Vakuumschaltröhre VS an 12.
Die Eigenschwingungen EUS werden über einen Sensor, dem Ul­ traschallempfänger USE empfangen 13.
Ultraschallsender USS und Ultraschallempfänger USE können da­ bei, wie auch in bei dem ersten Ausführungsbeispiel, aus ei­ nem geeigneten monolithischen Piezo-Sender/Empfänger beste­ hen.
Aus den Eigenschwingungen EUS wird durch den Ultraschallemp­ fänger USE der Innendruck pi der Vakuumschaltröhre VS ermit­ telt 14.
Die Ermittlung des Innendrucks pi der Vakuumschaltröhre VS geschieht auf der Basis, daß ein zunehmender Innendruck pi über die Verringerung der Druckdifferenz des Innendrucks pi und des Außendrucks der Vakuumschaltröhre VS zu einer Abnahme der Druckkraft auf die Metallteile TVS der Vakuumschaltröhre VS und damit zu einer Erniedrigung der Resonanzfrequenz führt.
Gleichzeitig ändert sich über die ebenfalls veränderte Dämp­ fung die Amplitude der Eigenschwingungen EUS.
Die reflektierte Ultraschallwelle RUS und die transmittierte Ultraschallwelle lassen sich wiederum für einen spezifischen Röhrentyp einer Vakuumschaltröhre VS erfassen und kontinuier­ lich während des Betriebs kontrollieren und mit Sollwerten SW, die zu Beginn des Verfahrens für den jeweiligen Röhrentyp ermittelt werden 21 und gespeichert werden 22, vergleichen 23 (vgl. Fig. 5). Aus diesem Vergleich werden die Änderungen des Röhreninnendrucks pi ermittelt 24.
Außerdem kann es vorgesehen sein, daß eine Temperaturkompen­ sation TK für die Vakuumschaltröhre durchgeführt wird. Auch eine Alterungskommpension also eine Kompensation der durch die Alterung der Vakuumschaltröhre VS entstehenden Effekte ist in einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgese­ hen.
Es hat sich weiterhin herausgestellt, daß es besonders vor­ teilhaft ist, wenn von dem Ultraschallsender USS fokussierte Schallwellen US gesendet werden.
Dies kann erreicht werden, in dem die Ultraschallsender USS realisiert wird durch beispielsweise
  • - phasengesteuerte Senderarrays PS, oder
  • - selbstfokussierende Schallsender SS, beispielsweise mit konkaven abstrahlenden Flächen, oder
  • - schallfokussierende Elemente SE (Schall-Linsen, Konkavspie­ gel) in Verbindung mit Schallsendern, die ebene oder diver­ gierende Wellen abstrahlen (vgl. Fig. 6).
Die Temperaturkompensation und die Kompensation von Alte­ rungseffekten der Vakuumschaltröhre VS erfolgt vorzugsweise über eine mikroprozessorkontrollierte Steuerelektronik.

Claims (10)

1. Verfahren zur Drucküberwachung einer Vakuumschaltröhre (VS),
  • - bei dem von einem Ultraschallsender (USS) Ultraschallwellen (US) in die Vakuumschaltröhre (VS) gesendet werden (1),
  • - bei dem die Ultraschallwellen (US) in der Vakuumschaltröhre (VS) reflektiert (RUS) werden (2),
  • - bei dem die reflektierten Ultraschallwellen (RUS) von einem Ultraschallempfänger (USE) empfangen werden (3), und
  • - bei dem aus den von dem Ultraschallempfänger (USE) empfan­ genen reflektierten Ultraschallwellen (RUS) ein Innendruck (pi) der Vakuumschaltröhre (VS) ermittelt wird (4).
2. Verfahren zur Drucküberwachung einer Vakuumschaltröhre (VS),
  • - bei dem von einem Ultraschallsender (USS) Ultraschallwellen (US) in die Vakuumschaltröhre (VS) gesendet werden (11),
  • - bei dem mindestens ein Teil (TVS) der Vakuumschaltröhre (VS) von den Ultraschallwellen (US) bei einer Eigenfrequenz des mindestens einen Teils (TVS) der Vakuumschaltröhre (VS) angeregt (EUS) wird (12),
  • - bei dem die bei der Eigenfrequenz angeregten Ultraschall­ wellen (EUS) von einem Ultraschallempfänger (USE) empfangen werden (13), und
  • - bei dem aus den von dem Ultraschallempfänger (USE) empfan­ genen, bei der Eigenfrequenz angeregten Ultraschallwellen (EUS), ein Innendruck (pi) der Vakuumschaltröhre (VS) ermit­ telt wird (14).
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Ultraschallwellen (US), mit denen der mindestens eine Teil (TVS) der Vakuum­ schaltröhre (VS) bei der Eigenfrequenz des mindestens einen Teils (TVS) der Vakuumschaltröhre (VS) angeregt (EUS) wird, pulsförmig sind.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
  • - bei dem zu Beginn des Verfahrens Sollwerte (SW) für den In­ nendruck (pi) der Vakuumschaltröhre (VS) ermittelt werden (21),
  • - bei dem die Sollwerte (SW) für den Innendruck (pi) der Va­ kuumschaltröhre (VS) in einem Speicher (SP) gespeichert wer­ den (22),
  • - bei dem in einer Vergleichseinheit (VE) am Ende des Verfah­ rens die von dem Ultraschallempfänger (USE) empfangenen Werte mit den Sollwerten (SW) für den Innendruck (pi) der Vakuum­ schaltröhre (VS) verglichen werden (23), und
  • - bei dem aus dem Vergleichsergebnis auf die Änderung des In­ nendrucks (pi) der Vakuumschaltröhre (VS) geschlossen wird (24).
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Ultraschallsender (USS) mindestens ein phasengesteuertes Sen­ dearray (PS) aufweist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Ultraschallsender (USS) mindestens einen selbstfokussierenden Schallsender (SS) aufweist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Ultraschallsender (USS) schallfokussierende Elemente (SE) und mindestens einen Schallsender, der ebene oder divergierende Wellen abstrahlt, aufweist.
8. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der selbstfokussierende Schallsender (SS) konkav abstrahlende Flächen aufweist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem eine Temperaturkompensation (TK) für die Vakuumschaltröhre (VS) durchgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem eine Kompensation von Effekten durchgeführt wird, die durch eine Alterung des Vakuumschaltröhre (VS) verursacht wurden.
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