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 Prüfung

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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.
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