DE4438591A1 - Störlichtbogen-Schutzvorrichtung für Schaltanlagen zur Verteilung elektrischer Energie und Verfahren zur Fertigung und Prüfung - Google Patents
Störlichtbogen-Schutzvorrichtung für Schaltanlagen zur Verteilung elektrischer Energie und Verfahren zur Fertigung und PrüfungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Störlichtbogen-Schutzvorrichtung
nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, sowie ein Verfahren zur
Fertigung und Prüfung nach dem Oberbegriff des Nebenanspruches
15.
Derartige Schutzvorrichtungen weisen einen sogenannten
Kurzschließer oder Kurzschließerpatrone auf, wie sie z. B. in
der DE-U 92 15 609 gezeigt und beschrieben ist.
Diese Kurzschließerpatronen bestehen zum Beispiel aus zwei zy
lindrischen Komponenten aus elektrisch leitfähigem Material,
die über ein Isolierrohr mechanisch fest miteinander ver
bunden, elektrisch jedoch gegeneinander isoliert sind, wobei
sie koaxial ineinander gesetzt sind, so daß ein Spalt ent
steht.
Um zu verhindern, daß es beim Anliegen der Betriebsspannung zu
unerwünschten Stromüberschlägen kommt, befindet sich der Spalt
dauerhaft im Hochvakuum.
Da beim Bau elektrischer Energieverteilungsanlagen üblicher
weise von einer Lebensdauer im Bereich 20-30 Jahre ausgegan
gen wird, sind an eine Störlichtbogen-Schutzvorrichtung ent
sprechend hohe Anforderungen bzgl. Sicherheit und Langzeitzu
verlässigkeit geknüpft. Für die in einer solchen Schutzvor
richtung verwendeten Kurzschließerpatronen bedeutet dies vor
allem, daß der Restgasdruck innerhalb der verschlossenen Pa
trone im Hinblick auf Durchschlagsfestigkeit während der ge
samten Lebensdauer nicht höher als 10-4 mbar werden darf.
Bei der Prüfung der Vakuumgüte von Vakuumschaltkammern ist die
Anwendung des sog. Magnetronverfahren bekannt [z. B. S.Berger,
Calor-Emag-Mitteilungen, Heft I/1983, 19-21), bei dem die Io
nisation von Restgasmolekülen durch Elektronenstoßprozesse
nach dem Kaltkathodenprinzip [F.M.Penning, Philips Techn.
Rundsch. 2 (1937), 201-208; P.A.Redhead, Can.J.Phys. 37
(1959), 1260-1271) gemessen wird. Aus zwei Druckmessungen, die
aus Wirtschaftlichkeitsgründen üblicherweise nicht mehr als
rd. ein Monat auseinanderliegen, wird dabei für jede Schalt
kammer die Gesamtleckrate ermittelt, aus der sich die Vakuum-
Lebensdauer, d. h. die Zeit nach der der zulässige Höchstdruck
von 10-4 mbar erreicht ist, extrapolieren läßt.
Dem großen Vorteil des Kaltkathodenprinzips, bei dem der Prüf
ling als geschlossener Behälter selber die Rolle der Meßröhre
übernimmt, steht eine Ungenauigkeit der Druckanzeige bis etwa
+/- 50% gegenüber [Leybold AG, Grundlagen der Vakuumtechnik,
Berechnungen und Tabellen, Aufl. 09/87, S.53], was vor allem
auf den Umstand zurückzuführen ist, daß die Meßgröße durch den
Meßvorgang selber verändert wird. Die Erholungszeit, d. h. die
Zeit nach der man an einem Behälter mit eingeschlossenen
Hochvakuum den zuvorgemessenen Druckwert wieder reproduziert,
kann dabei mehrere Monate betragen.
Bei zulässigen Leckraten von 10-13-10-14 mbar*l/s ergeben
sich somit verfahrensbedingt entsprechende Unsicherheiten für
die projizierte Vakuumlebensdauer. Dies beeinträchtigt daher
entscheidet die Qualität bei Kurzschließerpatronen.
Bei Anwendung eines derartigen Meßverfahrens bei Kurzschlie
ßerpatronen ist es nach der Montage in einer Störlichtbogen-
Schutzvorrichtung nicht möglich ist, den Zustand des Vakuums
zu kontrollieren.
Bekannt ist das Vakuum-Meßprinzip, das die Abbremsung von im
Vakuum befindlichen Rotationskörpern durch Restgasmoleküle
ausnutzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Qualität
und Langzeitzuverlässigkeit von Vakuum-Schaltelementen,
insbesondere einer Kurzschließerpatrone zu verbessern.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Weiterhin wird die Aufgabe
durch die kennzeichnenden Merkmale des Nebenanspruches 15
gelöst. In den Unteransprüchen sind besonders vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung gekennzeichnet.
Durch Einbeziehung dieses präziseren und gleichzeitig wirt
schaftlichen Vakuummeßverfahrens, das sowohl für die Stückprü
fung in die laufende Fertigung integrierbar, prinzipiell aber
auch auf bereits eingebaute Patronen anwendbar ist, wird die
Qualität und Langzeitzuverlässigkeit einer Kurzschlie
ßerpatrone deutlich erhöht. Mit dem Gasreibungsvakuummeter
sind im Hochvakuumbereich Genauigkeiten von 1-2% erzielbar,
was einer Verbesserung von mindestens einer Zehnerpotenz
gegenüber dem Kaltkathodenverfahren entspricht.
Durch die Integration des Vakuumsensors in eine Kurzschließer
patrone, was mit nur unerheblichen Mehrkosten verbunden ist,
werden neben der wesentlich erhöhten Meßgenauigkeit noch wei
tere Vorteile erzielt.
Die kompakte Meßanordnung eignet sich sowohl für den
stationären Meßbetrieb zur Stückprüfung in der laufen
den Fertigung, prinzipiell, d. h. bei hinreichend langer
und zugänglicher Sensorhülse, aber auch zur mobilen In
spektion eingebauter Kurzschließerpatronen.
Im Gegensatz zum Magnetron-Vakuummeter erfordert das
Gasreibungsvakuummeter keine Schutzvorkehrungen bzgl.
Hochspannungssicherheit und Röntgenstörstrahlung.
Anders als beim Magnetron-Vakuumineter ist bei veränder
ter Vakuumkammergeometrie kein Wechsel der Kalibrier
kurve erforderlich.
Das Gasreibungsvakuummeter ist aufgrund der hohen
Meßgenauigkeit auch für den Ultrahochvakuumbe
reich prinzipiell geeignet, so daß sich verkürzte
Zeitintervalle zur Leckratenbestimmung auch für diesen Bereich
ergeben können.
Im Sinne einer kostengünstigen Fertigung ist es, wenn der
Vakuumsensor zusammen mit den anderen Komponenten in einem
einzigen Hochvakuum-Lötprozeß zu einer fertigen Patrone
verbunden wird.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn ein Magnetsystem für
Aufhängung, Antrieb und Rotationsmessung in einem kompakten,
zylindrischen Meßkopf untergebracht ist, der bündig über die
Sensorhülse geschoben wird, wodurch auch nach einer Montage
der Kurzschließerpatrone eine Messung ausgeführt werden kann.
Anhand der Zeichnungen, in der Ausführungsbeispiele
dargestellt sind, sollen die Erfindung, weitere
Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung und weitere
Vorteile näher beschrieben und erläutert werden.
Es zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung des
Funktionsprinzips eines Gasreibungsvakuumeters,
Fig. 2 eine Darstellung einer ersten Ausführungsform der
Kurzschließerpatrone mit einem Gasreibungsvakuumeter
und
Fig. 3 eine Darstellung einer zweiten Ausführungsform der
Kurzschließerpatrone mit einem Gasreibungs
vakuummeter.
Die Ausführungsbeispiele beziehen sich speziell auf die sog.
Kurzschließerpatrone, über die im Störfall der Störlichtbogen
schon kurz nach seinem Entstehen in einen satten metallischen
Kurzschluß überführt wird, der dann solange besteht, bis der
vorgeordnete Leistungsschalter für eine endgültige Stromab
schaltung gesorgt hat.
Die Kurzschließerpatrone besteht im wesentlichen aus zwei zy
lindrischen Komponenten aus elektrisch hochleitfähigem Metall,
vorzugsweise Kupfer, die über ein Isolierrohr, vorzugsweise
Keramik, mechanisch fest miteinander verbunden, elektrisch je
doch gegeneinander isoliert sind, wobei sie koaxial ineinander
gesetzt sind, so daß ein Spalt entsteht, der im Hinblick auf
die geforderten extrem kurzen Auslösezeiten nur ca. 1 mm be
trägt.
Das Funktionsprinzip des Gasreibungsvakuummeters ist in der
Fig. 1 zu erkennen. Die Druckmessung beruht auf der Abbremsung
einer im Vakuumsystem eingekapselten Stahl- bzw. Rotorkugel R,
die über ein System von Permanentmagneten M und geregelten
Magnetspulen A, L in einer berührungsfreien Gleichgewichtslage
gehalten und von einem weiteren Spulensystem D induktiv in
eine Rotation von ca. 400 Hz versetzt wird. Die durch die
Reibung mit den Gasmolekülen bedingte Drehzahlabnahme wird
über zwei Pickup-Spulen P erfaßt.
Der Sensor, bestehend aus der Rotorkugel R von 4,5 mm Durch
messer und einer Hülse V aus Edelstahl oder einem anderen
nichtmagnetischen Werkstoff von 8,4 mm Außendurchmesser, 0,2
mm Wandstärke und einer Mindestlänge von 40 mm ist hierbei
über eine hochvakuumdichte Verbindung, z. B. Lötung, mit dem zu
messenden Vakuumbehälter verbunden. Das Magnetsystem für
Aufhängung, Antrieb und Rotationsmessung ist in einem kom
pakten, zylindrischen Meßkopf untergebracht, der bündig über
die Sensorhülse geschoben wird.
Die Fig. 2 und 3 zeigen zwei vorteilhafte Ausführungsformen
einer Kurzschließerpatrone mit integriertem Vakuumsensor.
Beiden Ausführungsformen ist gemein, daß der Sensor zusammen
mit den anderen Komponenten in einem einzigen Hochvakuum-Löt
prozeß zur fertigen Patrone verbunden wird. In Fig. 2 ist die
Sensorhülse 6 mit der Rotorkugel 7 in einer exzentrisch
angebrachten Vertiefung mit dem Kupferzylinder 1b auf dessen
äußerer Stirnfläche verlötet; die Verbindung zur Vakuumkammer
wird über eine axiale Bohrung hergestellt. Eine abschraubbare
Schutzkappe 8 mit Greifflächen für Montagewerkzeuge schützt
den Sensor vor Beschädigung. Bei der in Fig. 3 dargestellten
Ausführung ist der Vakuumsensor zentriert innerhalb des An
schlußgewindes angeordnet. Die axial ausgebohrte Anschluß
schraube 9 übernimmt hierbei gleichzeitig die Funktion der
Schutzkappe.
Die Komponenten des Gasreibungsvakuummeters sind teilweise in
der Kurzschließerpatrone und teilweise in einem
Gasreibungsvakuummeter-Meßkopf einer Vakuum-Prüfeinrichtung
angeordnet. Das Gasreibungsvakuumeter besteht also aus einem
Sensorelement in Form einer Rotorkugel R und einer Hülse, die
in das Vakuum-Schaltelement integriert werden, während das Sy
stem von Permanentmagneten M und geregelten Magnetspulen A, L
den Gasreibungsvakuumeter-Meßkopf charakterisieren.
Die Kurzschließerpatrone kann, wie Fig. 2 und 3 zeigen, mit
einem Gasmoleküle absorbierenden Getter 4 versehen sein, das
z. B. in der Nähe eines Zentrierteiles 3, eines Kupferbechers
1a oder einer Isolierhülse 2 angeordnet sein kann.
Die Störlichtbogen-Schutzvorrichtung ist für Nieder- und
Mittelspannungs-Schaltanlagen geeignet.
Claims (18)
1. Störlichtbogen-Schutzvorrichtung für Schaltanlagen zur
Verteilung elektrischer Energie, bestehend mindestens
einer Kurzschließerpatrone mit Isolierteilen und
elektrisch leitfähigen Komponenten zur Erzeugung eines
metallischen Kurzschlusses, wobei die elektrisch
leitfähigen Komponenten in einem Vakuum angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschließerpatrone mit
einem integrierten Vakuumsensor versehen ist.
2. Störlichtbogen-Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Vakuumsensor ein
Gasreibungsvakuummeter (Fig. 1) ist.
3. Störlichtbogen-Schutzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Vakuumsensor der Meßkopf
eines Gasreibungsvakuummeters ist.
4. Störlichtbogen-Schutzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Vakuumsensor zusammen mit
den anderen Komponenten in einem einzigen Vakuum- oder
Hochvakuum-Lötprozeß zu einer fertigen Patrone verbunden
wird.
5. Störlichtbogen-Schutzvorrichtung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Druckmessung eines als Vakuumsensor eingesetzten
Gasreibungsvakuumeters auf der Abbremsung einer im Vakuum
eingekapselten Rotorkugel (R) beruht, die über ein System
von Permanentmagneten (M) und geregelten Magnetspulen
(A, L) in einer berührungsfreien Gleichgewichtslage
gehalten und von einem weiteren Spulensystem (D) induktiv
in eine Rotation versetzt wird.
6. Störlichtbogen-Schutzvorrichtung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
eine durch die Reibung mit den Gasmolekülen bedingte
Drehzahlabnahme über zwei Pickup-Spulen (P) erfaßt wird.
7. Störlichtbogen-Schutzvorrichtung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Vakuumsensor aus einer Hülse (V) besteht, die über eine
hochvakuumdichte Verbindung mit dem zu messenden
Vakuumbehälter verbunden ist.
8. Störlichtbogen-Schutzvorrichtung nach nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse eine Edelstahlhülse
(V) ist oder aus einem nichtmetallischen Werkstoff
besteht.
9. Störlichtbogen-Schutzvorrichtung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Magnetsystem für Aufhängung, Antrieb und Rotationsmessung
in einem kompakten, zylindrischen Meßkopf untergebracht
ist, der bündig über die Sensorhülse geschoben wird.
10. Störlichtbogen-Schutzvorrichtung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Sensorhülse (6) mit einer Rotorkugel (7) in einer ex
zentrisch angebrachten Vertiefung mit einem
Kupferzylinder (1b) auf dessen äußerer Stirnfläche
verlötet wird.
11. Störlichtbogen-Schutzvorrichtung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Verbindung zur Vakuumkammer über eine axiale Bohrung
hergestellt ist.
12. Störlichtbogen-Schutzvorrichtung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
eine den Vakuumsensor vor Beschädigung schützende ab
schraubbare Schutzkappe (8) mit Greifflächen für Montage
werkzeuge vorhanden ist.
13. Störlichtbogen-Schutzvorrichtung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Vakuumsensor zentriert innerhalb eines Anschlußgewindes
angeordnet ist.
14. Störlichtbogen-Schutzvorrichtung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
eine axial ausgebohrte Anschlußschraube (9) gleichzeitig
die Funktion einer Schutzkappe übernimmt.
15. Störlichtbogen-Schutzvorrichtung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kurzschließerpatrone mit einem Gasmoleküle
absorbierenden Getter (4) versehen ist.
16. Verfahren zur Fertigung und Prüfung von Vakuum-
Schaltelementen, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Sensorelement eines
Gasreibungsvakuummeter bereits im Fertigungsprozeß des
Vakuum-Schaltelementes angebracht wird, wobei der
Vakuumzustand durch einen Gasreibungsvakuummeter-Meßkopf
einer Vakuum-Prüfeinrichtung gemessen werden kann.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß
das Sensorelement des Gasreibungsvakuummeters der
Gasreibungsvakuumeter zusammen mit den anderen
Komponenten in einem einzigen Hochvakuum-Lötprozeß zur
fertigen Patrone verbunden wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß
das Gasreibungsvakuummeter aus einem Sensorelement in Form
einer Rotorkugel (R) und einer Hülse besteht, die in das
Vakuum-Schaltelement integriert werden, während ein
Magnetsystem für Aufhängung, Antrieb und Rotationsmessung
in einem Gasreibungsvakuummeter-Meßkopf angeordnet sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19944438591 DE4438591A1 (de) | 1994-10-28 | 1994-10-28 | Störlichtbogen-Schutzvorrichtung für Schaltanlagen zur Verteilung elektrischer Energie und Verfahren zur Fertigung und Prüfung |
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