DE19942971A1 - Vorrichtung zur Innendruckmessung, Spannungskonditionierung und Stromkonditionierung von Vakuumschaltröhren und Verfahren hierfür - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Innendruckmessung, Spannungskonditionierung und Stromkonditionierung von Vakuumschaltröhren sowie Verfahren hierfür unter Einsatz der Vorrichtung, die als Kombinationsanlage für alle drei genannten Funktionen ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Innendruckmessung, Spannungskonditionierung und Stromkonditionierung von Vakuumschaltröhren sowie Verfahren hierfür unter Einsatz der Vorrichtung.

Die Grundbedingung für das sichere Funktionieren von Vakuumschaltröhren, das heißt vor allem, Unterbrechnung des Vakuumbogens beim Ausschalten sowie genügende innere dielektrische Festigkeit der Schaltstrecke, ist ein Innendruck von etwa 10^-7 bar oder kleiner. Dieser Druck darf während der gesamten Lebensdauer der Vakuumschaltröhre nicht überschritten werden.

Für die Qualitätssicherung von Vakuumschaltröhren ist es daher erforderlich, den Innendruck von Vakumschaltkammern zu messen, um eine lange Lebensdauer und hohe Qualität der Vakuumschaltröhren zu gewährleisten.

Die Messung des Innendruckes von Vakuumschaltkammern wird üblicherweise nach dem Magnetron-Prinzip durchgeführt, wie beispielsweise in CALOR- EMAG- Mitteilungen Heft 111983, Seiten 19 bis 21 in dem Aufsatz "Messung des Innendruckes von Vakuum-Schaltkammern" von Siegbert Berger beschrieben oder in Siemens-Zeitschrift 51 (1977) Heft 5, Seite 427 bis Seite 430 "Meßeinrichtung zum Bestimmen des Innendrucks von Vakuumschaltröhren" von Wilfried Kuhl und Klemens Wiehl beschrieben.

Das Magnetronverfahren basiert auf der lonisation von Restgasmolekülen nach dem Kaltkathodenmeßprinzip (auch Penningprinzip genannt): beim Anlegen einer DC-Hochspannung von einigen kV werden die im Vakuumbehälter vor allem aufgrund von Feldemissionen und kosmischer Höhenstrahlung stets vorhandenen Elektronen zur Anode hin beschleunigt, wo sie durch Stoßprozesse weitere Restgasmoleküle ionisieren. Da die mittlere freie Weglänge eines im Hochvakuum befindlichen Elektrons einige Meter beträgt, wird die Stoßwahrscheinlichkeit durch Zuschalten eines Gleichstrommagnetfelds, das die Elektroden auf Spiralbahnen zwingt, entsprechend erhöht. Bei den für Vakuumschaltröhren typischen Drücken (10^-7-10^-4 mbar) ist der so erzeugte Ionenstrom dem Restgasdruck angenähert proportional.

Für ein einwandfreies Schaltverhalten der Vakuumschaltröhren ist die Vorraussetzung ein möglichst reines Kontaktmaterial. In der Praxis hat sich zur Reinigung der Kontaktoberflächen von Vakuumschaltröhren als am erfolgreichsten die sogenannte Bogenformierung erwiesen, d. h. eine Reinigung der Elektroden durch die Vakuumbögen. Bei dieser auch als Stromkonditionierung bezeichneten Methode werden die obersten Schichten der Kontakte durch ein intensives Ionenbombardement aufgeheizt und abgetragen. Zum Stand der Technik wird beispielsweise auf den Aufsatz von B. Jüttner, P. Pech, K.H. Ibsch, E. Freund "Formierung von Kontakten in Vakuumlöschkammern mit Gleichstrombögen", publiziert in Wiss.-Techn. Mitteilungen des IPH, Heft 19/1978, Seite 9-14, verwiesen.

Für die vorliegende Erfindung wird bei der Stromkonditionierung gezielt die Eigenschaft der Vakuumlichtbögen vom Typ A genutzt, daß die Kathodenfußpunkte stochastisch mit hoher Geschwindigkeit auf auf der gesamten Kontaktoberfläche wandern; aufgrund der hohen Stromdichte bei sehr geringer Fußpunktfläche kommt es dabei auf der Kathodenoberfläche zu mikroskopisch kleinen Aufschmelzungen und Verdampfungen. Läßt man in der Vakuumschaltröhre einen DC-Lichtbogen über eine definierte Zeit brennen, erzielt man auf diese Weise eine gleichmäßigere Verteilung des Kontaktgefüges, weiterhin eine Reinigung der unmittelbaren Kontaktoberfläche und des oberflächennahen Bereiches von etwaigen Verunreinigungen, zum anderen werden bearbeitungsbedingte Inhomogenitäten wie z. B. Drehriefen geglättet. Durch Wiederholung des Konditionierungsvorgangs nach Umpolen werden beide Kontakte gleichmäßig belastet.

Trotz einer sehr sorgfältigen Vorbehandlung aller Bauteile einer Vakuumschaltröhre verfügen diese nicht gleichmäßig und stets über eine definierte, erwünschte Spannungsfestigkeit. Zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit und Ausgleich von Inhomogenitäten wird die Spannungskonditionierung angewandt. Zur Literatur wird hierzu verwiesen auf die Dissertation "Untersuchungen zum Emissionsstrom-, Konditionierungs- und Schweißverhalten von Vakuum-Schaltstrecken mit CuCr- Kontaktstücken" von Dr. Ing. Jörg Ballat vom 07. Dezember 1992, Darmstädter Dissertation D 17, beispielsweise Seiten 22 bis 28 u. a. Beim Spannungskonditionieren wird ausgenutzt, daß sich Hochspannungsentladungen vorzugsweise an punktuellen Oberflächeninhomogenitäten ausbilden, wo es zu Erhöhungen der elektrischen Feldstärke kommt.

Bei der Spannungskonditionierung werden diese Mikroinhomogenitäten bei geeignet gewählter Entladungsstromstärke effizient abgetragen, so daß die Isolationsfestigkeit der Vakuumstrecke dann gegenüber dem unkonditionierten Fall deutlich gestiegen ist. Um eine möglichst gleichmäßige Glättung beider Kontaktoberflächen in möglichst kurzer Zeit zu erzielen, konditioniert man zweckmäßigerweise mit AC-Durchschlägen, wobei die Hochspannung gezielt in Abhängigkeit vom Konditionierungsfortschritt (Anzahl der Überschläge pro Zeitintervall, bezogen auf den jeweiligen Hochspannungs(scheitel)Wert) gesteigert wird.

Die verschiedenen Prüfverfahren und Konditionierungsverfahren bei der Herstellung und Qualitätssicherung von Vakuumschaltröhren oder Vakuumschaltkammern wurden bisher mit für die jeweils einzelnen Verfahren ausgebildeten Vorrichtungen durchgeführt. Eine solche Vorrichtung für die Innendruckmessung ist beispielsweise in der DE 33 47 176 A1 oder der US 3575656 beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Durchführen der Meßverfahren und Konditionierungsverfahren zur Qualitätsicherung von Vakuumschaltröhren und Vakuumschaltkammern wirtschaftlicher zu gestalten und kostengünstiger zu gestalten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gelöst, die als Kombinationsanlage aufgebaut ist und mit der sowohl eine Innendruckmessung als auch eine Stromkonditionierung und Spannungskonditionierung von Vakuumschaltröhren (Vakuumschaltkammern) durchgeführt werden kann.

Die Erfindung zeichnet sich durch eine Vorrichtung zur Innendruckmessung, Spannungskonditionierung und Stromkonditionierung von Vakuumschaltröhren aus, umfassend eine Spule zur Magnetfelderzeugung für die Innendruckmessung, einen Hochstromtransformator, der den Spulenstrom zum Aufbau des Magnetfeldes sowie den DC-Strom für die Stromkonditionierung liefert, einen Hochspannungsgenerator, der einerseits die für die Innendruckmessung benötigte DC-Hochspannung und andererseits eine varüerbare AC-Hochspannung für die Spannungskonditionierung liefert, eine Halterungsvorrichtung für die Vakuum- Schaltröhre, die auf einer Seite eine Arretierungsvorrichtung für den Kontaktfußpunkt der Vakuumschaltröhre und auf der gegenüberliegenden Seite eine Einspann- und Fixiervorrichtung für die Vakuumschaltröhre aufweist, wobei die Einspann- und Fixiervorrichtung mit einer Linearantriebsvorrichtung zum Verfahren der Vakuumschaltröhre in Positionen zum Herstellen definierter Abstände zwischen den Kontakten der Vakuumschaltröhre für die Spannungskonditionierung, Stromkonditionierung bzw. Innendruckmessung und in eine Entnahmeposition verbunden ist, und wobei die Arretierungsvorrichtung mit einem pneumatischen Antrieb zum schnellen Auseinanderfahren der Kontakte aus der Schließposition auf einen definierten Abstand zum Zünden eines Gleichstromlichtbogens für die Stromkonditionierung ausgestattet ist.

Bei der erfindungsgemäßen Anlage handelt es sich um eine Kombinationsvorrichtung, bei der die einzelnen Gerätekomponenten für mehrere Verfahren verwendet werden. Die Realisierung der Spannungskonditionierung, der Innendruckmessung und der Stromkonditionierung in einer Vorrichtung ermöglicht darüberhinaus in erfindungsgemäßer Weiterbildung einen automatisierten Ablauf sämtlicher Prozeßschritte, angefangen von der individuellen Bauteilerkennung, über die Prozeßsteuerung bis zur Auswertung und Protokollierung der Meßergebnisse zu den einzelnen Prüflingen.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind den kennzeichnenden Merkmalen der Unteransprüche entnehmbar. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Verfahren ist den kennzeichnenden Merkmalen der Verfahrensansprüche zu entnehmen.

Die Erfindung zeichnet sich insbesondere durch folgende Eigenschaften aus:
Vereinigung aller drei Funktionen in einer einzigen Apparatur: ein einziger Hochstromtrafo liefert zum einen den Spulenstrom für das Magnetfeld der Innendruckprüfung, zum anderen den DC-Strom für die Stromkonditionierung; ein spezieller Hochspannungsgenerator liefert erstens die DC-Hochspannung für die Innendruckprüfung, zweitens eine varüerbare AC-Hochspannung für die (Druchschlags-)Konditionierung sowie für die abschließende Spannungsfestigkeitsprüfung der Vakuumschaltröhren.

Nachfolgend werden die einzelnen Geräte und Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung näher erläutert. Mit dem Hochspannungsgenerator kann eine Wechselspannung von 0-30 kV und eine Gleichspannung von 0-20 kV erzeugt werden. Er kann sowohl für die Spannungskonditionierung als auch für die Innendruckmessung eingesetzt werden. Der Hochspannungsgenerator besteht im wesentlichen aus einer Steuer- und Überwachungseinheit, einem elektronisch geregelten Hochspannungsnetzgerät, mit dem die Gleichspannung einstellbar ist, und einer einstellbaren Wechselspannungsquelle. Die Gleichspannung leitet bei anliegendem Magnetfeld an der Spule die Innendruckmessung ein. Die Wechselspannung hingegen ist über einen Hochspannungstransformator mit vorgeschaltetem Motor betriebenen Stelltransformator einstellbar und dient der Spannungskonditionierung. Darüberhinaus kann der Hochspannungsgenerator mit einer mikroprozessorgesteuerten Bedien- und Anzeigeeinheit ausgerüstet sein, die die Prüfparameter in einem Display darstellt. Alle Funktionen des Hochspannungsgenerators sind außerdem über ein isoliertes optisches Interface - optische Schnittstelle - steuerbar. Befehle und Meldungen werden über Lichtleiter zwischen Hochspannungsgenerator und Rechner (PC) Steuereinheit übertragen, der den Hochspannungsgenerator steuert.

Der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendete Hochstromtransformator hat zwei Aufgaben. Die erste besteht darin, die Spule zum Erzeugen des Magnetfeldes für die Innendruckmessung mit Gleichstrom zu versorgen, um so innerhalb der Vakuumröhre ein homogenes Magnetfeld zu erzeugen. Die zweite Aufgabe ist die Bereitstellung von Gleichstrom für die Stromkonditionierung.

Als Hochstromtransformator wird ein Transformator in Form eines Drei-Phasen- Thyristor-gesteuerten Gleichrichters eingesetzt. Mittels einer sechspulsigen Gleichrichtung und einer Glättungsdrossel wird ein Gleichstrom geringer Restwelligkeit erhalten. Der Hochstromtransformator sollte in der Lage sein, einen einstellbaren Gleichstrom im Bereich von bis zu 600 A zu erzeugen. Zusätzlich kann noch ein Glättungskondensator parallel zur Spule geschaltet werden, um so auch noch die verbliebene Welligkeit des Gleichstromes zu glätten. Um die Spule vor zu großer Erwärmung zu schützen, kann sie mit einer Einrichtung zur Kühlung, beispielsweise einer Wasserkühlung ausgestattet sein. Für die erfindungsgemäße Vorrichtung einsetzbare Spulen sind in der Lage, kurzzeitig ein Magnetfeld von bis zu 0,5 Tesla zu erzeugen. Für die automatische Durchführung der Prozesse mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Hochstromtransformator zusätzlich mit einer Schnittstelle zur speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) ausgestattet. Über die Schnittstelle kann der Hochstromtransformator extern gesteuert werden und seine Meldungen in der SPS verarbeitet werden. Die Schnittstelle weist hierbei für die Steuerung Signale für Ein und Aus des Gleichstromkreises, Signale Vakuumbogen brennt oder brennt nicht, Signale für den Sollwert des Gleichstroms, Signale für den Ist-Wert des Gleichstroms, Signale für vorhandenen Kurzschluß, wenn die Kontakte der Vakuumschaltröhre bei eingeschaltetem Gleichstrom geschlossen sind, auf.

Das zur Innendruckmessung benötigte Magnetfeld wird mittels einer Hochstromspule erzeugt, die mit einem Kühlsystem ausgestattet ist. Bevorzugt wird die Spule mittels Wasser gekühlt, das durch den Hohlleiter der Spule fließt und mittels einer Hochdruckkühlmittelpumpe mit einem ausreichenden Druck bereitgestellt wird. Der infolge des Druckes erreichte Durchfluß, beispielsweise bei einem Druck von 50 bar, ist erforderlich, da das zur Innendruckmessung benötigte Magnetfeld nur durch große Stromstärken von mehreren 100 A erzielt werden kann, die wiederum eine starke Erwärmung der Spule nach sich ziehen. Das Kühlsystem der Magnetspule wird auch überwacht, beispielsweise mittels eines Durchflußmessers und eines Temperaturfühlers. Auch diese Meßdaten werden der speicherprogrammierbaren Steuerung zugeführt und in dieser verarbeitet und für die Steuerung des Durchflusses insbesondere über die Kühlmittelpumpe verwendet.

Für die Realisierung der Spannungskonditionierung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Hochspannungsgenerator vorgesehen, mit dem die Erzeugung einer ausreichend hohen Spannung von bis zu 30 kV (AC) möglich ist. Der für die Vorrichtung eingesetzte Hochspannungsgenerator ist in der Lage, sowohl Gleich- als auch Wechselspannung zu erzeugen. Für die Spannungskonditionierung wird die Wechselspannung verwendet, um eine gleichmäßige Konditionierung beider Kontaktoberflächen der Vakuumschaltröhre zu erreichen.

Da sich nicht in Schaltgeräte eingebaute Vakuumschaltröhren immer im geschlossenen Zustand befinden, das heißt die Kontakte liegen aufeinander, ist eine Vorrichtung erforderlich, mit der ein definierter Abstand zwischen den Kontakten möglichst genau eingestellt werden kann. Erfindungsgemäß wird in der Vorrichtung ein Linearantrieb vorgesehen. Um die Vakuumschaltröhre mit dem Linearantrieb bewegen zu können, muß sie in eine eigens hierfür angefertigte Haltevorrichtung eingespannt werden. Diese Haltevorrichtung kann dann mit dem Linearantrieb verbunden werden und ermöglicht so Öffnungs- und Schließbewegungen der Vakuumschaltkontakte. Damit die Kontakte in der Vakuumschaltröhre auseinandergezogen werden bzw. zusammengefahren werden, ist es erforderlich, die Vakuumschaltröhre an beiden Seiten einzuspannen und zusätzlich in der Haltevorrichtung an einer Seite zu arretieren. Diese Arretierung erfolgt beispielsweise mittels einer pneumatischen Vorrichtung. Wird der Linearantrieb für die Vakuumschaltröhre nun in Bewegung gesetzt, so werden die beiden Schaltkontakte relativ zueinander bewegt. Der Linearantrieb ermöglicht, einen definierten Abstand zwischen den Kontaktstücken, der in die Vorrichtung eingespannten Vakuumschaltröhre herzustellen. Hierbei ist es erforderlich, für jede als Prüfling in die Vorrichtung eingespannte Vakuumschaltröhre zuerst mittels des Linearantriebes den Kontaktöffungspunkt der Kontakte aufzufinden. Für die verschiedenen Funktionsprüfungen sind verschiedene Abstände der Kontakte erforderlich und in Abhängigkeit von dem aufgefundenen Kontaktöffnungspunkt einzustellen mit Hilfe des Linearantriebes. Mittels des Linearantriebs wird die eingespannte Vakuumschaltröhre zwischen der Prüfpositon und der Entnahmeposition verfahren. Hierbei wird der Linearantrieb in einem automatischen Betrieb mittels der speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) oder im manuellen Betrieb über ein Handrad oder entsprechende Funktionstasten eines Bedienterminals gesteuert. Der Linearantrieb entwickelt nur eine relativ geringe Bewegungsgeschwindigkeit, auf der anderen Seite ermöglicht er eine Genauigkeit des Antriebes auf 1/100 mm. Der Antrieb selbst umfaßt einen Gleichstrommotor, einen Servoverstärker, einen Lageregler und eine Positionssteuerung. Die Steuerung des Gleichstrommotors erfolgt im Automatikbetrieb durch die SPS. Die Drehbewegung des Motors des Antriebes wird mit Hilfe einer Linearachse in eine lineare Bewegung umgesetzt, wodurch es möglich ist, die Position des Prüflings - Vakuumschaltröhre - zu verändern. Bevorzugt besteht die Linearachse aus zwei Spindeln, die durch eine Abdeckplatte miteinander verbunden sind, wodurch ein Gleichlauf dieser Teile und eine hohe Kraftübertragung gewährleistet ist. Der Spindeltrieb und der Antriebsmotor sind beispielsweise über einen Zahnriemen miteinander verbunden, der einen schlupffreien Betrieb zur genauen Positionsregelung gestattet. Der Linearantrieb weist einen oberen und unteren mechanischen Anschlag auf, wobei ein Anschlag als Referenzpunkt für den Antrieb dient. Dazwischen sind die Entnahmeposition für den Röhrenwechsel und die Prüfpositionen, wobei die definierten Kontaktabstände - Kontakthübe - über die SPS angesteuert werden.

Wesentlich für die Durchführung der Verfahren mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Ausbildung der Halterung für die Vakuumschaltröhre als Prüfling, um nicht nur das Einfahren der Vakuumschaltröhre in eine Prüfpositon zu ermöglichen, sondern darüberhinaus die für die verschiedenen Verfahren benötigten unterschiedlichen Zustände der Schaltkontakte bzw. deren Abstand zueinander herzustellen. Hierbei wird die Vakuumschaltröhre auf einer Seite mit einer Einspann- und Fixiervorrichtung festgelegt, die einen pneumatisch arbeitenden Zylinder zum Einspannen der Vakuumschaltröhre aufweist, der über die SPS angesteuert wird.

Desweiteren ist eine Arretierungsvorrichtung für den Röhrenfußpunkt - Kontaktfußpunkt - der Vakuumschaltröhre vorgesehen, die bevorzugt als Drehhubzylinder ausgebildet ist und einerseits der Arretierung der Vakuumschaltröhre dient und zum anderen einen schnellen Kontakthub zum Zünden eines Vakuumbogens durch Trennen der Kontakte ermöglicht. Der Drehhubzylinder kann also sowohl eine lineare Bewegung parallel zur Bewegungsachse der Kontakte der Vakuumschaltröhre als auch eine Drehbewegung ausführen. Hierfür ist der Drehhubzylinder mit einem am Kolben angebrachten und senkrecht zur linearen Bewegungsachse verlaufenden Knebel oder dergleichen ausgerüstet, der die am Kontaktfußpunkt der Vakuumschaltröhre angebrachte Mechanik arretiert.

Zusätzlich ist ein pneumatischer Zylinder als Ausgleichszylinder vorgesehen, der die Aufgabe hat, das Gewicht der am Kontaktfußpunkt der Vakuumschaltröhre eingespannten Mechanik zu kompensieren, wobei die von ihm ausgehende und in Richtung der Bewegungsachse der Kontakte verlaufenden Kraft aber geringer ist als die von dem Linearantrieb ausgehende Kraft, wodurch eine spielfreie Linearbewegung von ausreichendem mechanischen Antriebsdruck ermöglich ist. Auf diese Weise kann erfindungsgemäß eine besonders genaue Abstandsregelung der Kontakte und Einstellung derselben erreicht werden mit Hilfe des Linearantriebes.

Zur Trennung des Hochspannungskreises von dem Hochstromkreis ist ein pneumatisch betätigter Trenner vorgesehen, der bei der Spannungskonditinierung und der Innendruckmessung geöffnet ist, damit die Hochspannung nicht auf den Hochstromkreis überschlägt. Der Trenner ist dagegen während der Sromkonditionierung geschlossen, um den hohen Konditionierstrom sicher zum Kontakt der Vakuumschaltröhre zu leiten. Für die Innendruckmessung ist die Erfassung und Aufbereitung der Meßwerte für den durch die Vakuumschaltröhre fließenden Ionenstrom und die anliegende Hochspannung vorgesehen mittels eines Meßwerteerfassungs- und Auswertesystems. Die Erfassung und Aufbereitung der Meßdaten erfolgt mit Hilfe von Meßverstärkern, die von den Meßverstärkern bevorzugt in Gestalt von Lichtsignalen abgegebenen Signalen werden in einem Transientenrekorder in digitale Spannungssignale umgewandelt, um dann im PC - Steuereinheit - verarbeitet zu werden. Der PC kann zudem mit einer Software zur Archivierung der Daten ausgestattet sein, sodaß alle Meßdaten jedes Prüflings, d. h. jede Vakuumschaltröhre nicht nur erfaßt sondern auch gespeichert werden können. Sofern die Prüflinge mit einem Erkennungscode zur individuellen Bauteilerkennung ausgestattet sind, können die Daten des bei der Innendruckmessung aufgetretenen Strom- und Spannungsverlauf auch zu einem späteren Zeitpunkt wieder betrachtet und ausgewertet werden.

Der Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der beigefügten Fig. 1 schematisch dargestellt.

Der Prüfling, eine Vakuumschaltröhre 1, ist in dem Hohlraum der Hochstromspule 4 angeordnet und in einer Halterung H befestigt. Die Arretierungseinrichtung für den Kontaktfußpunkt der Vakuumschaltröhre 1 wird von einem Drehhubzylinder 5, 5A gebildet, dessen Pneumatikzylinder 5 in Pfeilrichtung P1, P2 verfahrbar sind. Am Kolben sind Knebel 5A angebracht, die durch eine Drehbewegung des Drehhubzylinders eine Arretierung des Kontaktfußpunktes der Vakuumschaltröhre in der Haltevorrichtung bewirken. Erfolgt nach absolvierter Prüfung die Anweisung, die Vakuumschaltröhre in die Entnahmeposition zu fahren, so bewegen sich die Drehhubzylinder nach oben und die Knebel 5A drehen sich von der Vakuumschaltröhre weg, so daß die Ausfahrstrecke für die Vakuumschaltröhre freigegeben ist. Auf der anderen Seite ist eine Einspann- und Fixiervorrichtung für die in die Prüfposition eingelegte Vakuumschaltröhre 1 vorgesehen, die in Gestalt eines Pneumatikzylinders 7 ausgeführt ist. Die Einspann- und Fixiervorrichtung 7 ist mit dem Linearantrieb 2, 3 verbunden, wobei 2 die Linearachse, und 3 das Antriebsmodul mit dem Gleichstrommotor umfaßt. Die Spule 4 wird von dem Hochstromtransformator 13 gespeist und ist desweiteren an eine Kühlmittelpumpe 12 für Kühlwasser angeschlossen. Der Hochspannungsgenerator ist mit 11 bezeichnet. Der Umschalter S3 dient dem Zuschalten des Spulenstromes bei der Innendruckmessung. Der Meßverstärker 9 dient zur Aufnahme der bei der Innendruckmessung anliegenden Spannung. Der Meßverstärker 8 zur Aufnahme des Innendruck-Stromsignales wird über den Schalter S1 zugeschaltet. Der Schalter S2 dient zum Zuschalten des Konditionsstromes bei der Stromkonditionierung und Spannungskonditionierung.

Desweiteren ist schematisch die Kühleinrichtung für die Vakuumschaltröhre bei der Stromkonditionierung in Gestalt von Druckluftdüsen 10 schematisch angedeutet. Desweiteren ist der Trenner T, der mittels eines Pneumatikzylinders 6 betätigbar ist zur Trennung des Hochstorm- von dem Hochspannungskreis sowie ein Sicherheitserdungsschalter S4 vorgesehen. Die Meßverstärker sind an eine Meßdatenerfassung- und Auswertevorrichtung 14 mit PC Steuereinheit verbunden, die auch die Spannung von dem Hochspannungsgenerator 11 erfaßt.

Die Innendruckmessung, Spannungskonditionierung und Stromkonditionierung einer Vakuumschaltröhre mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß dessen in Fig. 1 dargestellten prinzipiellen Aufbaus erfolgt in Teilprozessen nacheinander. Der Ablauf dieser Teilprozesse in bezug auf die Schaltzustände der Schalter S1, S2, S3, S4 und des Trenners T gemäß Prinzipschaltbild nach Fig. 1 sind in der beigefügten Tabelle Fig. 2 aufgeführt. Die Tabelle der Fig. 2 stellt die wesentlichen Schaltzustände und damit auch die Prinzipschaltbilder zur Realisierung der drei Grundfunktionen Innendruckmessung, Spannungskonditionierung und Stromkonditionierung dar.

Mit Hilfe des Linearantriebs wird die eingespannte Vakuumschaltröhre zwischen den Prüfpositionen und der Entnahmeposition, in Pfeilrichtung P, verfahren. Die Bewegung zum Trennen der Kontakte für die Prüfung - Stromkonditionierung - erfolgt hingegen mittels der pneumatischen Vorrichtung 5, 5A.

Für die Spannungskonditionierung ist es erforderlich, den Abstand zwischen den Kontakten der Vakuumschaltröhre möglichst genau einzustellen. Hierfür wird der Linearantrieb verwendet. Das Auseinanderziehen der Kontakte kann jedoch nur erfolgen, wenn die Vakuumschaltröhre an einer Seite arretiert wird. Wird der Linearantrieb in Bewegung gesetzt, so zieht er in Abhängigkeit von der Einbaulage der Vakuumschaltröhre ein Kontaktstück mit sich.

Zum Durchführen der Spannungskonditionierung wird zuerst der Kontaktabstand mit dem Linearantrieb eingestellt. Danach wird die Hochspannung, die mit der oberen Halterung der Schaltröhre verbunden ist, zugeschaltet. Im einzelnen wird durch Verfahren des Linearantriebs der Kontaktöffnungspunkt gefunden und danach der Linearantrieb auf den der Spannungskonditionierung zugeordneten Kontakthub II verfahren, d. h. der gewünschte definierte Kontaktabstand wird erreicht, danach wird der pneumatische Trenner T geöffnet, Kontaktfußpunkt der Vakuumschaltröhre und der Trenner geerdet, danach die Anweisung über den PC "Spannung EIN zur Spannungskonditionierung" gegeben und nach Beendigung die Hochspannungsfreigabe zurückgenommen, die Erdung des Trenners und des Kontaktfußpunktes der Vakuumschaltröhre aufgehoben und der Linearantrieb in eine Warteposition verfahren für die Durchführung eines weiteren Teilprozesses.

Die Realisierung der Innendruckmessung erfolgt mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach dem Penning- bzw. Magnetron-Verfahren. Grundvoraussetzung hierfür ist eine Gleichspannungsquelle zur Erzeugung eines elektrischen Hochspannungsfeldes sowie eines Magnetfeldes. Die Gleichspannung wird durch den Hochspannungsgenerator 11 zur Verfügung gestellt, der mit dem oberen Teil der Halterung H von der Vakuumschaltröhre verbunden ist. Das Magnetfeld wird durch die wassergekühlte von einem Gleichstrom durchflossene Spule 4 erzeugt.

Die Zündung eines Entladungsstromes innerhalb der Vakuumschaltröhre 1 erfordert, das die Kontakte wieder auf Abstand durch den definierten Kontakthub I gebracht werden müssen, so daß die elektrischen und magnetischen Feldlinien zwischen dem oberen Kontakt und dem Metalldampfschirm der Vakuumschaltröhre zum Teil senkrecht zueinander stehen. Die Abstandseinstellung erfolgt mit dem Linearantrieb wie vorangehend erläutert. Die Innendruckmessung der Vakuumschaltröhre erfolgt, in dem zuerst der gewünschte Kontaktabstand, beispielsweise 2 mm, eingestellt wird. Daraufhin wird das Magnetfeld und als letztes die Hochspannung zugeschaltet. Der dabei gezündete Ladungstrom wird gemessen. Somit werden die folgenden Behandlungsschritte für die Innendruckmessung durchgeführt. Der Linearantrieb wird zum Erreichen und Auffinden des Kontaktöffnungspunktes verfahren und anschließend der Linearantrieb auf den gewünschten eingestellten Kontakthub I verfahren und nach erreichter Position zurückgesetzt, wodurch die beiden Kontakte der Vakuumschaltröhre auf eine definierte Strecke geöffnet sind. Danach wird der Trenner T geöffnet, und aus Sicherheitsgründen geerdet, ebenso der fixierte Kontaktfußpunkt der Vakuumschaltröhre, damit bei der Spannungsvorkonditionierung die gesamte Spannung über den geöffneten Kontakten abfällt. Danach wir die Hochspannung freigegeben und der PC angewiesen, die Spannungsvorkonditionierung durchzuführen. Die Spannungsvorkonditionierung verhindert, daß es beim schlagartigen Einschalten der DC-Hochspannung zu Durchschlägen kommt, die das Innendruck-Meßsignal beeinträchtigen. Nach deren Beendigung wird die Freigabe der Hochspannung und die Erdung des Kontaktfußpunkte und des Trenners zurückgenommen und nun der Meßverstärker zur Aufnahme des Innendruckstromsignales zugeschaltet. Zugleich wird die Kühlmittelpumpe 12 eingeschaltet, wodurch die Hochstromspule 4 mit Kühlwasser durchströmt wird. Danach wird die galvanische Verbindung zwischen Spule 4 und dem Hochstromtransformator 13 hergestellt und die Netzversorgung eingeschaltet und dann der Trafostrom eingeschaltet. Nach erfolgter Innendruckmessung wird anschließend der Stromfluß des Trafos 13 unterbrochen und die Freigabe der Hochspannung sowie die Erdung des Trenners aufgehoben, ebenso die Ansteuerung des Netzschützes des Trafos und danach die galvanische Verbindung zwischen Spule und Trafo getrennt, anschließend der Meßverstärker weggeschaltet, die Kühlmittelpumpe abgeschaltet. Zum Abschluß hin wird der Linearantrieb wiederum in Bewegung gesetzt und die Vakuumschaltröhre in eine Warteposition oder Entnahmeposition verbracht. Für den Teilprozeß der Stromkonditionierung ist es erforderlich, einen Vakuumbogen zu zünden, der die Kontaktoberflächen konditioniert. Dieser Gleichstrombogen läßt sich zünden, indem bei geschlossenen Kontakten der Vakuumschaltröhre ein Strom zugeschaltet wird. Durch Trennen der Kontakte auf einen gewünschten definierten Abstand - Kontakthub III - entsteht dann der Gleichstrombogen, der sich je nach Stromstärke auch in mehrere Teilbögen aufspalten kann.

Beim Trennen der Kontaktstrecke spielt die Geschwindigkeit, mit der die Kontakte auseinandergezogen werden, eine wesentliche Rolle. Werden die Kontakte zu langsam voneinander getrennt, kann es aufgrund der sehr starken Erwärmung der Kontaktoberflächen zu einer Verschweißung kommen. Um dies zu vermeiden, muß ein ausreichend schneller Antrieb zum Auseinanderziehen der Kontakte auf einen: definierten Abstand von z. B. 2,5 mm zur Verfügung stehen.

Der elektromotorische Linearantrieb ist für diese Aufgabe nicht geeignet. Seine Bewegungsgeschwindigkeit ist zu langsam. Zum Trennen der Kontakte wird deshalb eine pneumatische Vorrichtung eingesetzt, mit der der vorher festgelegte Kontaktabstand - Kontakthub III - eingestellt werden kann in Gestalt vorzugsweise des Drehhubzylinders 5, 5A. Bevor die pneumatische Vorrichtung 5, 5A zur Anwendung kommt, muß die Vakuumschaltröhre, wie vorangehend beschrieben, arretiert werden. Beim Betätigen der pneumatischen Arretierungsvorrichtung 5, 5A wird der eine Kontakt ruckartig auf den mittels des Linearantriebes eingestellten Kontaktabstand gezogen und der Gleichstrombogen kann so gezündet werden.

Die Öffnung der Kontakte zum Zwecke des Zündens des Gleichstrombogens erfolgt bei arretiertem Kontaktfußpunkt der Vakuumschaltröhre. Diese werden, wie bereits beschrieben, mittels der Knebel 5A des Drehhubzylinders arretiert. Danach wird der Drehhubzylinder 5 achsparallel zur Bewegungsachse der Kontakte nach oben gefahren, wodurch sich die Kontakte schließen. Danach wird der Bogenzündstrom eingeschaltet und die Drehhubzylinder schlagartig wieder nach unten gefahren, woraufhin ein Vakuumbogen entsteht und die definierte Kontaktöffnungsstrecke - Kontaktabstand - wieder hergestellt wird. Die Endlagen des Drehhubzylinders können beispielsweise mittels Magnetschaltern überwacht werden. Durch diesen Vorgang erfolgt die Stromkonditionierung nur jeweils eines der beiden Kontakte. Die Konditionierung des anderen Kontaktes erfolgt anschließend in gleicher Weise nach Umpolung der Stromzufuhr.

Die einzelnen Schritte, Schalthandlungen zum Durchführen der Teilprozesse der Spannungskonditionierung, Innendruckmessung bzw. Stromkonditionierung können mittels einer speicherprogrammierbaren Steuerung SPS automatisch ablaufen, entsprechend werden die einzelnen Geräte und Schalter angesteuert. Beim Auftreten einer Störung, sowie bei einem Abbruch durch den Bediener werden die Geräteteile in ihren Grundzustand zurückversetzt, gegebenenfalls wird auch die Vakuumschaltröhre in eine entsprechende Ausgangsposition mittels des Linearantriebes verbracht.

Für die Innendruckmessung nach dem Penning-Verfahren ist es gegebenenfalls zweckmäßig, einen hier nicht dargestellten Aktor zur Erzeugung und Übertragung eines mechanischen Stoßimpulses auf die zu prüfende Vakuumschaltröhre zur Zündung des Entladungsstromes vorzusehen, da die Penning-Entladung bei Innendrücken im Bereich ≦ 7^-7 mbar nicht immer prompt zündet, sie läßt sich aber durch Stoßimpuls - initiierte Desorption lose gebundener Restgasmoleküle auslösen. Die Stoßübertragung kann dabei rein mechanisch, z. B. über eine Klinken-/Nockenscheibe - vorzugsweise aber elektromechanisch über Schaltanker, Schutzantrieb oder Piezostapelaktor erzeugen. Dieser mechanische Impulsgeber einschließlich einer Ansteuerung kann ebenfalls in die speicherprogrammierbare Steuerung der Vorrichtung für die Durchführung der drei Funktionsprüfungen integriert werden.

Claims (20)

1. Vorrichtung zur Innendruckmessung, Spannungskonditionierung und Stromkonditionierung von Vakuumschaltröhren umfassend eine Spule (4) zur Magnetfelderzeugung für die Innendruckmessung, einen Hochstromtransformator (13), der den Spulenstrom zum Aufbau des Magnetfeldes sowie den DC-Strom für die Stromkonditionierung liefert, einen Hochspannungsgenerator (11), der einerseits die für die Innendruckmessung benötigte DC-Hochspannung und andererseits eine variierbare AC-Hochspannung für die Spannungskonditionierung liefert, eine Halterungsvorrichtung für die Vakuumschaltröhre (1), die auf einer Seite eine Arretierungsvorrichtung (5,5 A) für den Kontaktfußpunkt der Vakuumschaltröhre und auf der gegenüberliegenden Seite eine Einspann- und Fixiervorrichtung (7) für die Vakuumschaltröhre aufweist, wobei die Einspann- und Fixiervorrichtung (7) mit einer Linearantriebsvorrichtung (2, 3) zum Verfahren der Vakuumschaltröhre in Positionen zum Herstellen definierter Abstände zwischen den Kontakten der Vakuumschaltröhre für die Spannungskonditionierung, Stromkonditionierung und Innendruckmessung und in eine Entnahmeposition verbunden ist, und wobei die Arretierungsvorrichtung mit einem pneumatischen Antrieb zum schnellen Auseinanderfahren der Kontakte aus der Schließposition auf einen definierten Abstand zum Zünden eines Gleichstromvakuumbogens für die Stromkonditionierung ausgestattet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) zum nacheinander Durchführen der einzelnen Schalthandlungen für die Spannungskonditionierung, Innendruckmessung und Stromkonditionierung vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Hochstromtransformator (13) mit Drei-Phasen-Thyristor gesteuerter Gleichrichter vorgesehen ist, dem ein Wandler und eine Schnittstelle zur speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) zugeordnet ist, um die Meßsignale an die SPS zu übermitteln und den Gleichrichter extern zu steuern.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochstromgenerator (11) mit einer mikroprozessorgesteuerten Bedien- und Anzeigeeinheit ausgestattet ist und über ein isoliertes optisches Interface fernsteuerbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichent, daß als Spule eine mit einer Wasserkühlung mit Kühlmittelpumpe ausgestattete Hochstromspule vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearantriebsvorrichtung eine Linearachse (2) mit mindestens einer Spindel und einem Antriebsmodul mit Gleichstrommotor (3) zur Positionierung der Vakuumschaltröhre bzw. der Kontakte der Vakuumschaltröhre zueinander umfaßt, wobei die Steuerung des Antriebsmoduls durch die SPS über eine Schnittstelle erfolgt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Trennung des Hochstromkreises von dem Hochspannungskreis ein pneumatisch betätigter Trenner (T) vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einspannen und Fixieren der Vakuumschaltröhre bzw. zum Arretieren des Kontaktfußpunktes der Vakuumschaltröhre jeweils Pneumatikzylinder (7, 5, 5A) vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Arretierungsvorrichtung ein Dreh- Hubzylinder (5, 5A) vorgesehen ist, der eine schnelle lineare Bewegung längs einer Zylinder-Kolbenachse zwecks Schließung und Auseinanderfahren der Kontakte zum Erreichen eines definierten Abstandes ausführt und eine Drehbewegung zwecks Arretierung mittels senkrecht zur linearen Zylinder-Kolbenachse am Kolben angebrachter Knebel ausführt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kühleinrichtung (10) zur Kühlung der Vakuumschaltröhre vorgesehen ist, die gegebenenfalls mittels der SPS während der Stromkonditionierung zuschaltbar ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung des Innendruckes ein Meßverstärker (8) zur Aufnahme des Innendruckstromsignales während der Innendruckmessung und ein Meßverstärker (9) zur Aufnahme der bei der Innendruckmessung anliegenden Spannung vorgesehen ist, die an eine Meßdatenerfassung - und Auswertevorrichtung (PC) angeschlossen sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schalter (51) zum Zuschalten des Meßverstärkers (8) für das Innendruck-Stromsignal bei der Innendruckmessung zwischen Meßverstärker (8) und Kontaktfußpunkt der Vakuumschaltröhre vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schalter (52) zum Zuschalten des Stromes des Hochstromtransformators bei der Spannungskonditionierung bzw. Stromkonditionierung zwischen dem Kontaktfußpunkt der Vakuumschaltröhre und dem Hochstromtransformator angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schalter (53) zum Zuschalten des Stromes des Hochstromtransformators zur Spule (4) für die Innendruckmessung zwischen Hochstromtransformator und Spule vorgesehen ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sicherheitserdungsschalter (54) dem Trenner (T) zugeordnet ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Aktor zur Erzeugung und Übertragung eines mechanischen Stoßimpulses bei der Innendruckmessung auf die zu prüfende Vakuumschaltröhre vorgesehen ist.

17. Verfahren zur Innendruckmessung für Vakuumschaltröhren mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem eine Spannungsvorkonditionierung mit anschließender Innendruckmessung mit automatisch ablaufenden Schalthandlungen durchgeführt wird, wobei die zu prüfende Vakuumschaltröhre mittels des Linearantriebes in eine Position des Kontaktöffnungspunktes verfahren wird und danach mittels des Linearantriebes ein definierter Abstand in Form des Kontakthubes I in bezug auf den aufgefundenen Kontaktöffnungspunkt unter Öffnung der Kontakte durchgeführt wird, der Hochstromkreis von dem Hochspannungskreis durch Öffnen des Trenners (T) getrennt wird, der Sicherheitserdungsschalter (S4) geöffnet wird, ebenso der Schalter (S2), und nach Hochspannungsfreigabe zur Spannungsvorkonditionierung und Zuschalten des Meßverstärkers (8) durch Schließen des Schalters (S1), anschließend unter Beaufschlagung mit Hochspannung die Innendruckmessung bei geschlossenem Schalter (S3) durchgeführt wird.

18. Verfahren zur Spannungskonditionierung einer Vakuumschaltröhre mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, die mit automatisch ablaufenden Schalthandlungen durchgeführt wird, wobei die zu prüfende Vakuumschaltröhre mittels des Linearantriebes in eine Position des Kontaktöffnungspunktes verfahren wird und danach mittels des Linearantriebes der Abstand mittels des Kontakthubes II in bezug auf den aufgefundenen Kontaktöffnungspunkt unter Öffnung der Kontakte durchgeführt wird, der Hochstromkreis von dem Hochspannungskreis durch Öffnen des Trenners (T) getrennt wird und der Sicherheitserdungsschalter (S4) geöffnet wird, sowie die Schalter (S1) und (S2) geöffnet sind, und danach die Hochspannungsfreigabe für die Spannungskonditionierung der Vakuumschaltröhre bei geschlossenem Schalter (S2) durchgeführt wird.

19. Verfahren zur Stromkonditionierung einer Vakuumschaltröhre mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18, die mit automatisch ablaufenden Schalthandlungen durchgeführt wird, wobei die zu prüfende Vakuumschaltröhre mittels des Linearantriebes in eine Position des Kontaktöffnungspunktes verfahren wird und danach mittels des Linearantriebes der Abstand in Form des Kontakthubes III in bezug auf den aufgefundenen Kontaktöffnungspunkt und der Öffnung der Kontakte durchgeführt wird, der Hochstromkreis und der Hochspannungskreis durch Schließen des Trenners (T) verbunden sind, die Schalter (S1, S3, S4) geöffnet sind und die Vakuumschaltröhre mit Strom zur Konditionierung durch Schließen des Schalters (S2) beaufschlagt wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilprozesse der Innendruckmessung, Spannungskonditionierung und Stromkonditionierung aufeinanderfolgend an einer Vakuumschaltröhre durchgeführt werden, wobei die Teilprozesse jederzeit abbrechbar sind und die angesteuerten Geräte einschließlich der zu prüfenden Vakuumschaltröhre in ihren Grundzustand zurückversetzt werden.