DE19714655C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Konditionieren einer Vakuumschaltkammer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Konditionieren einer Vakuumschaltkammer sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Frisch gefertigte Vakuumschaltkammern besitzen sog. jungfräuliche Oberflächen der Kontaktstücke und anderer Bereiche, die im Betrieb durch einen Schaltlichtbogen be­ lastet werden können. Wenn diese Oberflächen, wenn auch nur gering verschmutzt sind, z. B. durch Oxide, Gaspartikel und dgl., dann besteht bei einer ersten Schalthand­ lung die Gefahr, daß der Druck innerhalb der Vakuumschaltkammer ansteigt, so daß das Schaltvermögen der Schaltkammer reduziert ist. Aus diesem Grunde werden die Vakuumschaltkammern vor der ersten Schalthandlung bzw. vor dem Vertrieb konditio­ niert. Dazu wird ein Lichtbogen innerhalb der Vakuumschaltkammer gezogen, der diese Schmutzpartikel abschmilzt und ionisiert, so daß diese an der Abschirmung, die eine Getterwirkung aufweist, abgelagert werden.

Ein bekanntes Verfahren ist ein Konditionierungsverfahren, bei dem die Vakuuschalt­ kammer mit unterschiedlichen Strömen und Spannungen beaufschlagt wird, wobei jede Strom/Spannungsstufe mehrere Male geschaltet wird. Dieses Verfahren ist sehr zeit­ aufwendig und verursacht demgemäß hohe Kosten.

Aus der DE 30 50 651 ist ein Verfahren bekannt geworden, bei dem Chrom-Kupfer­ kontakte in einer Vakuumschaltkammer mit einem durch einen zwischen den Kon­ takten erregten Lichtbogen erzeugten konzentrierten Wärmestrom behandelt werden. Nach dieser Wärmebehandlung wird die Oberfläche der Kontakte mit einer be­ stimmten Geschwindigkeit der Temperaturabsenkung abgekühlt. Danach wird die Vakuumschaltkammer auf elektrische Festigkeit geprüft.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs ge­ nannten Art zu schaffen, mit dem der Konditionierungsvorgang erheblich vereinfacht und beschleunigt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vakuumschaltkammer nacheinander jeweils für eine bestimmte Zeitdauer mit Gleichstrom unterschiedlicher Polarität beaufschlagt wird.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Stromstärke zwischen ca. 100 A bis 2.000 A gewählt, die Zeitdauer zwischen 0,5 Sekunden bis 200 Sekunden und der Abstand der geöffneten Kontaktstücke kann zwischen 1 mm und 30 mm betragen.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann an die Vakuumschaltkammer ein magnetisches Querfeld mit einer Stärke von ca. 5 mT bis 150 mT angelegt werden, wobei das magnetische Querfeld auch als Drehfeld ausgebildet sein kann.

Um ein solches Querfeld herzustellen, können entweder beidseitig zur Vakuumschalt­ kammer je eine Spule vorgesehen sein, zwischen denen das Querfeld besteht; die Spulen können parallel zueinander oder in einem Winkel von 90° zueinander ausge­ richtet sein. Mit dieser Ausführung kann ein Drehfeld erzeugt werden.

Das Querfeld kann auch durch Permanentmagnete erzeugt werden, die still stehen oder sich auch um die Vakuumschaltkammer drehen können, vorzugsweise mit ca. 5 bis 25 Umdrehungen pro Sekunde.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, d. h. mit dem Gleichstrom, wird zwischen den Kontaktstücken der Vakuumschaltkammer ein diffuser Lichtbogen erzeugt, der auf die Oberflächen der Kontaktstücke einwirkt und Schmutzpartikel wegbrennt. Durch das Querfeld wird der diffuse Lichtbogen nach außen bewegt, so daß die von den Lichtbo­ genfußpunkten von der Kontaktoberfläche entfernten Schmutzpartikel nach außen Richtung Abschirmung wandern. Darüber hinaus hat das Konditionieren eine sog. Be­ schichtungsfunktion mit Cu/Cr, insoweit, als zunächst durch den Lichtbogen Teile der Oberfläche verdampft werden; durch die Metallgase werden auch reine Kupferteile mit Cu/Cr beschichtet.

Die Konditionierung kann noch verbessert werden, wenn das Querfeld in Drehung ver­ setzt wird. Im Vergleich zu dem eingangs erwähnten, bekannten Konditionierungsver­ fahren ist die Zeitdauer für die Einwirkung des Gleichstromes mit unterschiedlicher Po­ larität zeitlich erheblich kürzer, so daß demgemäß auch die Kosten reduziert sind.

Anhand der Zeichnung, in der drei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht durch eine Vakuumschaltkammer mit parallel zueinander angeordneten Spulen,

Fig. 2 eine Vakuumschaltkammer mit senkrecht zueinander angeordneten Spu­ len, und

Fig. 3 eine Vakuumschaltkammer mit beidseitig angeordneten Permanentma­ gneten.

Eine Vakuumschaltkammer 10, kurz auch Vakuumkammer 10 genannt, besitzt sche­ matisch im wesentlichen ein Zylindergehäuse 11 aus isolierendem Material, welches an den beiden Enden mittels eines metallischen Deckels 12, 13 verschlossen ist. An dem metallischen Deckel ist ein ortsfester Kontaktstückträger 14 angebracht, an dem ein ortsfestes Kontaktstück 15 befestigt ist. An dem unteren Deckel 13 ist ein Ende eines Faltenbalges 16 befestigt, dessen anderes Ende mit einem bewegbaren Kontaktstengel 17 verbunden ist, der das bewegbare Kontaktstück 18 trägt. Innerhalb des Gehäuses 11 befindet sich ein etwa zylinderförmiger Abschirmring 19.

An den beiden Kontaktstückträgern 14 und 17 ist eine Stromquelle 20 angeschlossen, mit der Gleichstrom beider Polaritäten erzeugt werden kann.

Beidseitig zu dem Gehäuse 11 befinden sich Spulen 21 und 22, die parallel zueinander verlaufen bzw. deren Achsen miteinander fluchten, wodurch ein Querfeld 23 erzeugt wird, welches gemäß Pfeilrichtung von der linken Spule 21 zur rechten Spule 22 ver­ läuft.

Wenn zwischen den geöffneten Kontaktstücken 15 und 18 mit geeigneter Stromstärke ein diffuser Lichtbogen 24 entsteht, dann werden durch den diffuse Lichtbogen auf der Oberfläche der Kontaktstücke 15 und 18 befindliche Schmutzpartikel jeder Art aufge­ schmolzen, verdampft und nach außen auf die Abschirmung 19, die Getterwirkung besitzt, bewegt, so daß sie dort niederschlagen. Darüber hinaus werden auch Teile der Kontaktstückoberfläche der beiden Kontaktstücke 15 und 18 aufgeschmolzen und ver­ dampft, durch welchen Metalldampf die reinen Kupferteile beispielsweise der Kontakt­ stengel 14 und 17 mit dem Kontaktmaterial beschichtet werden. In besonders vorteil­ hafter Ausgestaltung ist das Kontaktmaterial Cu/Cr, welches als Sinterstruktur vorhan­ den ist.

Zur Konditionierung wird die Vakuumschaltkammer mit einem Gleichstrom mit einer und danach mit der anderen Polarität beaufschlagt, so daß der Stromfluß im Lichtbo­ gen in der einen und in der anderen Richtung - nacheinander - verläuft.

Aufgrund des Querfeldes 23 werden die einzelnen Lichtbogenabschnitte des diffusen Lichtbogens 24 nach rechts bewegt, wodurch die Entfernung der Schmutzpartikel noch weiter verstärkt wird.

Untersuchungen haben ergeben, daß mit einer Stromstärke des Gleichstromes, der von der Gleichstromquelle 20 erzeugt wird, von ca. 100 A bis 2.000 A, einer Einwirk­ dauer, bei dem der Lichtbogen 24 brennen soll, von zwischen 0,5 Sekunden bis 200 Sekunden lang brennen und einem Abstand der beiden Kontaktstücke 15, 18 zwischen 1 mm und 3 mm gute Konditionierungsergebnisse erzielt werden können.

Das durch die beiden Spulen 21, 22 erzeugte Querfeld soll eine Stärke von 5 mT bis 150 mT besitzen.

Die Spulen 21 und 22 können auch so der Vakuumkammer 10 zugeordnet sein, daß die Mittelachsen M1-M1 und M2-M2 der beiden Spulen 21, 22 unter einem Winkel von 90° zueinander verlaufen. Dabei können die Ströme, die in beiden Spulen fließen, 90° zueinander phasenverschoben sein, wodurch das magnetische Drehfeld entsteht.

Die Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Die Vakuumkammer 10, die in gleicher Weise ausgebildet ist wie die Vakuumkammer gemäß Fig. 1, besitzt die beiden Kontaktstücke 15, 18, die mit der Gleichstromenergiequelle 20 verbunden sind, so daß zwischen den beiden Kontaktstücken der diffuse Lichtbogen 24 brennt. Zur Er­ zeugung des Querfeldes 23 sind zwei Permanentmagnete 30 und 31 neben der Vaku­ umkammer 10 angeordnet, die diametral gegenüberliegend auf einem Drehteller 32 bzw. auf an dem Drehteller 32 befestigten Armen 33 und 34 angebracht sind. Der Drehteller 32 ist durch eine Drehstütze 35 unterstützt, die über Drehlager 36 drehbar gelagert ist, wobei die Drehachse mit der Mittelachse der Vakuumkammer 10 fluchtet. Unterhalb des Drehlagers 36 befindet sich ein Antriebsmotor 37, der den Drehteller 32 mit zwischen 5 bis 25 Umdrehungen pro Sekunde antreibt.

Selbstverständlich können die Permanentmagnete auch ortsfest eingebaut sein.

Der Abstand zwischen der Außenfläche der Vakuumschaltkammer 10 und den Spulen 20, 21 bzw. den Permanentmagneten 30 bis 31 kann zwischen 0 mm und 25 mm vari­ ierbar sein.

Es ist nachzutragen, daß der Lichtbogen 24 durch geeignete Umschaltvorrichtungen umgepolt werden muß, so daß ein Strom einmal vom Kontaktstück 15 zum Kontakt­ stück 18 und zum anderen vom Kontaktstück 18 zum Kontaktstück 15 fließt. Diese Be­ aufschlagung mit Gleichstrom unterschiedlicher Polarität ist zur besseren Abtragung von Schmutzpartikeln auf den Kontaktstückoberflächen 15 und 18 zweckmäßig.

Claims (11)

1. Verfahren zum Konditionieren einer Vakuumschaltkammer (10) durch Erzeu­ gen eines Lichtbogens (24) zwischen den geöffneten Kontaktstücken (15, 18) der Va­ kuumschaltkammer (10), dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumschaltkammer (10) nacheinander für jeweils eine bestimmte Zeitdauer mit Gleichstrom unterschiedlicher Polarität beaufschlagt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstrom von ca. 100 A bis 2.000 A, die Zeitdauer zwischen 0,5 Sekunden bis 200 Sekunden und der Abstand der Kontaktstücke (15, 18) zwischen 1 mm und 30 mm betragen kann.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an die Va­ kuumschaltkammer (10) ein magnetisches Querfeld (23) angelegt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Querfeld (23) eine Stärke von ca. 5 mT bis 150 mT besitzt.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Querfeld (23) als Drehfeld erzeugt wird.

6. Vorrichtung zur Erzeugung des Querfeldes zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß beidseitig zur Vaku­ umschaltkammer (10) je eine Spule (21, 22) vorgesehen ist, zwischen denen das Querfeld (23) besteht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (21, 22) parallel zueinander ausgerichtet sind und ihre Achsen (M₁-M₁; M₁-M₂) mitein­ ander fluchten.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen M₁- M₁; M₂-M₂) der Spulen (21, 22) einen Winkel von 90° zueinander bilden und daß der durch die Spulen (21, 22) fließende Strom um 90° gegeneinander phasenverschoben ist.

9. Vorrichtung zur Erzeugung des magnetischen Querfeldes (23) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Querfeldes (23) beidseitig je ein Permanentmagnet (30, 31) vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Perma­ nentmagnete (30, 31) auf einer Drehvorrichtung (33 bis 37) angebracht sind, so daß sich die Permanentmagnete (30,31) bezogen auf die Vakuumschaltkammer (10) um diese drehen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Umdre­ hungszahl zwischen 5 bis 25 Umdrehungen pro Sekunde liegt.