EP0150389A1 - Vorrichtung zum Messen des Innendrucks eines betriebsmässig eingebauten Vakuumschalters - Google Patents

Vorrichtung zum Messen des Innendrucks eines betriebsmässig eingebauten Vakuumschalters Download PDF

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EP0150389A1
EP0150389A1 EP84115313A EP84115313A EP0150389A1 EP 0150389 A1 EP0150389 A1 EP 0150389A1 EP 84115313 A EP84115313 A EP 84115313A EP 84115313 A EP84115313 A EP 84115313A EP 0150389 A1 EP0150389 A1 EP 0150389A1
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EP
European Patent Office
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permanent magnets
switching
switching chamber
vacuum
pole shoes
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EP84115313A
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English (en)
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EP0150389B1 (de
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Wilfried Kuhl
Leonhard Klug
Bernd Rost
Wolfgang Schilling
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/60—Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/668—Means for obtaining or monitoring the vacuum

Definitions

  • the invention relates to a device for measuring the internal pressure of an operationally installed vacuum switch, which consists of a vacuum switching tube with switching chamber and switching contacts and associated drive, using a cold cathode discharge (Penning effect) with crossed electrical and magnetic fields, the electrical field between at least one of the switching contacts and the metallic wall of the switching chamber or an intervening condensation screen is applied, and permanent magnets are used to generate the magnetic field.
  • an operationally installed vacuum switch which consists of a vacuum switching tube with switching chamber and switching contacts and associated drive, using a cold cathode discharge (Penning effect) with crossed electrical and magnetic fields, the electrical field between at least one of the switching contacts and the metallic wall of the switching chamber or an intervening condensation screen is applied, and permanent magnets are used to generate the magnetic field.
  • the entire switching tube is inserted into an electromagnetic coil which is arranged concentrically to the switch axis and which generates a magnetic field.
  • an electrical field is applied to electrically conductive components of the switching tube in such a way that the electrical and magnetic fields are perpendicular to one another at least in partial areas of the inner volume of the switching tube.
  • the switching tube is available as a single component which is freely accessible on all sides.
  • the electrical field being applied between a switch contact and the necessary vapor shield in the switch chamber when the switch contacts are open, and the magnetic field is generated by a coil.
  • US Pat. No. 2,864,998 it is also known from US Pat. No. 2,864,998 to, for example, on the one hand apply the electrical field between the closed contacts and the metallic vapor shield and on the other hand to use permanent magnets for the generation of a crossing magnetic field.
  • the field lines of the electrical and magnetic fields are perpendicular to one another only in partial areas, so that overall comparatively large field strengths are necessary.
  • the internal pressure of vacuum interrupters located in the switch drive should be measured in the pressure range of approximately 10 -8 to 10 -3 mbar. This measurement should optionally be possible in the test field or at the user, without the switching tube being removed from the drive or complex mechanical adjustment work on the drive, for example stroke adjustments, being necessary.
  • the object of the invention is therefore to provide a device of the type mentioned, which works with permanent magnets and can be easily used for different needs in practice.
  • the permanent magnets are rod-shaped and have pole shoes shaped in such a way that they can be applied in the longitudinal direction to a circumferential section of the cylindrical switching chamber of the vacuum switch installed in the switch drive, the pole shoes of the permanent magnets encompassing metal molded parts of the switching chamber and equally fix the magnet arrangement on the switching chamber for the measurement.
  • At least one permanent magnet is necessary; however, there are preferably two or four permanent magnets, the pole shoes each forming semicircular shapes. This allows the base plates of the switching chamber to be completely enclosed and the magnets to be fixed for the measurement. It is always advantageous that even with closely spaced vacuum tubes of a complete switchgear assembly with associated switch drive, the accessibility is ensured due to the small overall height of the separate magnet arrangements.
  • the desired pressure range from 10 -8 to 10-3 mbar can be detected, for which purpose an axial permanent magnetic field in the middle of the vacuum tube axis should be approximately 10-2 Tesla.
  • an axial permanent magnetic field in the middle of the vacuum tube axis should be approximately 10-2 Tesla.
  • the ion current flows through a measuring resistor, and the voltage drop can be registered via a suitable extreme value voltmeter.
  • the suitable characteristic curves can be determined for the magnet arrangement used in each case.
  • Usual bar magnets can be used as permanent magnets, which consist of known materials. If high-performance magnets made of AlNiCo are used, it is possible to distribute individual bar magnets over the entire circumference due to their small spatial extent, two groups of magnets belonging together by connection via common pole pieces with semicircular recesses.
  • Figures 2 to 4 each in a perspective view in the measuring position on the vacuum switching tube three different embodiments of the arrangement of permanent magnets with associated pole pieces.
  • 1 means a vacuum switch, which essentially consists of a vacuum switching tube with a switching chamber and a first switching contact fixedly arranged therein, as well as a second switching contact which is movably arranged in relation thereto consists.
  • 2 identifies the actual switching chamber, which consists of a metallic hollow cylinder with respective annular shaped metal parts, into which ceramic insulators 3 and 4 are connected on both sides in a vacuum-tight manner.
  • a first contact pin 5 is rigidly inserted in the lower insulator 3, while in the other insulator 4 a second contact pin 6 is arranged displaceably by means of a flexible metal bellows 7.
  • the contact pins 5 and 6 each carry on their mutually facing sides contact pieces 8 and 9, the structure and material of which need not be discussed further here.
  • the switching chamber is evacuated after assembly and vacuum-tight connection of the individual parts and separated from the vacuum pump by squeezing the pump tube.
  • a test of the vacuum tightness and measurement of the final pressure reached after the contact has been established normally follows the manufacturing process.
  • 10 means a bar magnet, which is applied tangentially to a circumferential section of the cylindrical switching chamber 2.
  • pole shoes 11 and 12 made of soft iron are attached to the poles of the bar magnets on both sides, the length of which is exactly adjusted to the cylinder height of the switching chamber 2.
  • the pole shoes 11 and 12 overlap from the north and south poles of the bar magnet 10 the bases of the vacuum switching tube 1 and enclose the switching chamber 2 at the transitions to the isolator sections 3 and 4 in a ring.
  • the magnetic field lines generated by the magnet 10 with pole pieces 11 and 12 are indicated schematically in FIG.
  • the special design of the pole shoes ensures that the magnetic field reduction does not exceed 75% of the output field even with a magnet attached on one side on the side of the switching chamber 2 opposite the magnet. If suitable permanent magnets are selected, it can be achieved that a magnetic field of 10 Tesla is present in the central axis of the switching chamber 2.
  • the magnetic field thus runs essentially axially or in directions parallel to it.
  • the switching chamber 2 is switched so that 8 and 9 are measured when the contacts are closed.
  • the contacts are set to the anode potential and the opposite metallic jacket of the switching chamber 2 to the cathode potential.
  • the electrical voltage supply and measuring arrangement is designated by 15. It consists in detail of a DC voltage source 16, the positive output of which is connected to the contact pin 6 and the negative output of which is connected to the wall of the switching chamber 2. This creates a radial electric field that is largely perpendicular to the magnetic field generated in the entire area.
  • the electric field can be between 1 and 4 kV and can be, for example, 2 kV.
  • the emitted electrons do not reach the anode directly, but rather run in spiral paths. This extends the running distance sufficiently to achieve sufficient ionization of gas molecules still present, even in the low pressure range.
  • the ion current can then be measured as a measure of the pressure. This measuring method is well known in vacuum technology.
  • a resistor 17 with the value R m is connected in series to the electrical circuit, on which the voltage drop can be measured by means of an extreme value voltmeter 18 connected in parallel.
  • the current is determined from the voltage drop and the ion current is calibrated as a function of the pressure in the vacuum switching tube 1. From the respective calibration curve, which depends on the switching tube type, the internal pressure of the operationally installed vacuum switch can be concluded after measuring the ion current.
  • each 2 means the cylindrical switching chamber with those indicated from the outside Insulators 3 and 4 as well as the switching pins 5 and 6. From the perspective representations, the design of the pole pieces used for the bar magnets can now be seen in detail.
  • 21 and 22 mean two bar magnets which are arranged adjacent to one another on a peripheral section of the switching chamber 2.
  • Each of the magnets 21 and 22 has, at its opposite ends, identically designed pole shoes 25 to 28, which, starting from the magnetic cross-sectional area, form approximately half a ring disk each.
  • bar magnets 31 to 32 are present, but are located on two opposite circumferential sections of the switching chamber 2.
  • Four pole shoes 35 to 38 assigned to the magnetic poles each again form a half ring, a magnet with two pole shoes each forming a unit.
  • a complete enclosure of the vacuum switching tube is again formed on the insulator attachment.
  • the comparatively flat design and separate handling options of the mirror-inverted units ensure that they can also be placed around switching tubes which are installed next to one another in switchgear assemblies.
  • the usual magnetic materials iron oxides
  • the specified boundary conditions do not fall below a certain cross-sectional area of the bar magnets. In this respect, if more than two, for example four, magnets are selected, the individual magnets will then have to lie opposite one another in groups.
  • a problem-adapted number of permanent magnets can be selected for the practical application of the device described. In practice, a single magnet can be sufficient for test measurements in a comparatively poor vacuum. If, however, measurements are to be carried out over a larger measuring range with a comparatively good vacuum and a linear characteristic is sought, the number of rod-shaped permanent magnets should be increased accordingly, since the ignition limit of the gas discharge is strongly dependent on the course of the magnetic field, particularly in the lowest pressure range. In all cases, the invention achieves that with optimally low electrical and magnetic fields can also be measured with vacuum switches that are operationally installed in switchgear.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen des Innendrucks eines betriebsmäßig eingebauten Vakuumschalters, der aus Vakuumschaltrohr mit Schaltkammer und Schaltkontakten sowie zugehörigem Antrieb besteht. Es ist bekannt für eine solche Messung eine Kaltkathodenentladung (sogenannter Penning-Effekt) mit gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern auszunutzen, wobei das elektrische Feld beispielsweise zwischen wenigstens einem der Schaltkontakte und einer metallischen Wand der Schaltkammer bzw. eines dazwischenliegenden Kondensationsschirmes angelegt wird und wobei zur Magnetfelderzeugung Permanentmagnete verwendet werden. Gemäß der Erfindung sind nun die Permanentmagnete (10; 21 22; 31,32; 40) stabförmig ausgebildet und weisen derart ausgeformte Polschuhe (11, 12; 25-28; 35-38; 45-48) auf, daß sie zur Druckmessung des in eine Schaltanlage eingebauten Vakuumschaltrohres (1) direkt in Längsrichtung an einen Umfangsabschnitt der zylinderförmigen Schaltkammer (2) anlegbar sind, wobei die Polschuhe (11, 12; 25-28; 35-38; 45-48) Metallformteile der Schaltkammer (2) umgreifen und gleichermaßen die Magnetanordnung an der Schaltkammer (2) für die Messung fixieren. Durch die Anzahl der verwendeten Permanentmagnete läßt sich der Empfindlichkeitsbereich der Messung beeinflussen.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen-des Innendrucks eines betriebsmäßig eingebauten Vakuumschalters, der aus Vakuumschaltrohr mit Schaltkammer und Schaltkontakten sowie zugehörigem Antrieb besteht, unter Ausnutzung einer Kaltkathodenentladung (Penning-Effekt) mit gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern, wobei das elektrische Feld zwischen wenigstens einem der Schaltkontakte und der metallischen Wand der Schaltkammer bzw. eines dazwischenliegenden Kondensationsschirmes angelegt wird und wobei zur Magnetfelderzeugung Permanentmagnete verwendet werden.
  • Bei der Fertigung von Vakuum-Schaltröhren ist es notwendig, den Innendruck der evakuierten Vakuumschaltgehäuse zu messen. Dazu wird beispielsweise die gesamte Schaltröhre in eine konzentrisch zur Schalterachse angeordnete Elektromagnetspule eingebracht, die ein magnetisches Feld erzeugt. Gleichzeitig wird ein elektrisches Feld an elektrisch leitende Bauteile der Schaltröhre derart angelegt, daß zumindest in Teilbereichen des Innenvolumens der Schaltröhre das elektrische und das magnetische Feld senkrecht aufeinanderstehen. Durch Ausnutzung des sogenannten Penning-Effektes kann eine Kaltkathodenentladung und damit ein Ionenstrom erzeugt werden, dessen Wert dem Innendruck der Schaltröhre im Druckbereich von 10 -8 bis 10-3 mbar proportional ist.
  • Bei den bekannten Meßanordnungen wird im allgemeinen davon ausgegangen, daß die Schaltröhre als allseitig frei zugängliches Einzelbauteil zur Verfügung steht. Dies ist beispielsweise in der US-PS 32 63 162 vorausgesetzt, wobei dort bei offenen Schaltkontakten das elektrische Feld zwischen einem Schaltkontakt und der notwendigen, in der Schaltkammer liegenden Dampfabschirmung angelegt wird und das Magnetfeld durch eine Spule erzeugt wird. Alternativ dazu ist es aus der US-PS 28 64 998 auch bekannt, beispielsweise einerseits das elektrische Feld zwischen den geschlbssenen Kontakten und der metallischen Dampfabschirmung anzulegen und andererseits für die Erzeugung eines kreuzenden Magnetfeldes Permanentmagnete zu verwenden. Speziell bei der in der US-PS 28 64 998 beschriebenen Vorrichtung stehen die Feldlinien der elektrischen und magnetischen Felder nur in Teilbereichen senkrecht aufeinander, so daß insgesamt vergleichsweise große Feldstärken notwendig werden.
  • Es wäre wünschenswert, den Innendruck von Vakuumschaltröhren während der gesamten Lebensdauer, also auch im Schaltbetrieb überprüfen zu können. Es ist jedoch schwierig, zuverlässige Innendruckmessungen an Schaltröhren, die mit zugehörigem Antrieb in Schaltanlagen eingebaut sind, vorzunehmen, da die Zugänglichkeit erheblich eingeschränkt ist und insbesondere das Einbringen der Vakuumschaltröhre in eine koaxiale Zylinderspule nicht mehr möglich ist. Zwar ist in der EP-OS 0 056 722 eine Vakuumschaltröhre beschrieben, die bereits ein sogenanntes 'On line'-Vakuumüberwachungssystem beinhaltet. Dabei wird ebenfalls der Penning-Effekt ausgenutzt und durch dem Vakuumschaltrohr fest zugeordnete Komponenten das notwendige Magnetfeld erzeugt. Diese Komponenten können entweder magnetfelderzeugende Spulen oder Permanentmagnete sein, die innerhalb oder außerhalb der Schaltkammer angeordnet sind. Insbesondere kann ein Permanentmagnet ringförmig um die Schaltkammer gelegt sein.
  • Insbesondere letztere Anordnung mit integrierten Komponenten für eine 'On line'-überwachung ist vergleichsweis aufwendig. Sie kann für die Verwendung bei üblichen Vakuumschaltern Nachteile haben, da durch das Magnetfeld der Permanentmagnete das Schaltverhalten beeinflußt wird.
  • Aus Gründen der Betriebsüberwachung soll jedoch der Innendruck von im Schalterantrieb befindlichen Vakuum-Schaltröhren im Druckbereich von etwa 10-8 bis 10-3 mbar gemessen werden. Dabei soll diese Messung fakultativ im Prüffeld oder auch beim Anwender möglich sein, ohne daß das Schaltrohr aus dem Antrieb ausgebaut werden oder aufwendige mechanische Einstellarbeiten am Antrieb - beispielsweise Hubverstellungen-notwendig werden.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die mit Permanentmagneten arbeitet und sich leicht für die unterschiedlichen Bedürfnisse der Praxis anwenden läßt.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Permanentmagnete stabförmig ausgebildet sind und derart ausgeformte Polschuhe aufweisen, daß sie zur Messung jeweils in Längsrichtung an einen Umfangsabschnitt der zylinderförmigen Schaltkammer des im Schalterantrieb eingebauten Vakuumschalters anlegbar sind, wobei die Polschuhe der Permanentmagnete Metallformteile der Schaltkammer umgreifen und gleichermaßen die Magnetanordnung an der Schaltkammer für die Messung fixieren.
  • Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist wenigstens ein Permanentmagnet notwendig; vorzugsweise sind jedoch zwei oder vier Permanentmagnete vorhanden, wobei die Polschuhe jeweils halbkreisförmige Ausformungen bilden. Damit lassen sich die Grundplatten der Schaltkammer jeweils vollständig umschließen und die Magnete für die Messung fixieren. Vorteilhaft ist immer,daß auch bei eng nebeneinanderliegenden Vakuumröhren einer kompletten Schaltanlage mit zugehörigem Schalterantrieb aufgrund der geringen Bauhöhe der separaten Magnetanordnungen die Zugänglichkeit gewährleistet ist.
  • Aufgrund der Ausbildung der Permanentmagnet-Anordnung lassen sich Messungen mit vergleichsweise geringen Feldstärken durchführen. Dabei ist der erwünschte Druckbereich von 10-8 bis 10-3 mbar erfaßbar, wozu ein axiales Permanentmagnetfeld in der Mitte der Vakuumröhrenachse etwa 10-2 Tesla betragen sollte. Durch Optimierung der Polschuhe läßt sich erreichen, daß die Magnetfeldminderung auch bei gegebenenfalls einzigen, einseitig angebrachten Permanentmagneten, auf dem dem Magneten gegenüberliegenden Rand nicht mehr als 75 % beträgt. Wenn vorzugsweise bei geschlossenen Schaltkontakten gemessen wird und die Kontaktanordnung auf Anodenpotential und das metallische Gehäuse der Schaltkammer auf Kathodenpotential gelegt wird, kann mit elektrischen Feldern zwischen einem und 4 kV, vorzugsweise aber bei 2 kV, gearbeitet werden.
  • Für die Auslegung der elektrischen Meßeinheiten können übliche Mittel des Standes der Technik verwendet werden: Der Ionenstrom fließt über einen Meßwiderstand, wobei der Spannungsabfall über ein geeignetes Extremwertvoltmeter registriert werden kann. Durch Kalibrierung oder Testmessungen lassen sich die geeigneten Kennlinien für die jeweils benutzte Magnetanordnung ermitteln. Als Permanentmagnete sind übliche Stabmagnete verwendbar, die aus bekannten Werkstoffen bestehen. Werden Hochleistungsmagnete aus AlNiCo verwendet, ist es möglich, aufgrund deren geringen räumlichen Ausdehnung einzelne Stabmagnete über dem gesamten Umfang zu verteilen, wobei jeweils zwei Gruppen von Magneten durch Verbindung über gemeinsame'Polschuhe mit halbkreisförmigen Ausnehmungen zusammengehören.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen:
    • FIG 1 das Prinzip des Meßverfahrens anhand einer Schnittdarstellung eines Vakuumschaltrohres mit angelegtem Permanentmagnet und schaltbildmäßig angedeuteten elektrischen Meßeinheiten.
  • Die Figuren 2 bis 4 jeweils in perspektivischer Darstellung in der Meßstellung am Vakuumschaltrohr drei verschiedene Ausführungsformen der Anordnung von Permanentmagneten mit zugehörigen Polschuhen.
  • In den Figuren sind identische Teile, insbesondere die Teile der Vakuumröhre, mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • In FIG 1 bedeutet 1 einen Vakuumschalter, der im wesentlichen aus einem Vakuumschaltrohr mit Schaltkammer und darin fest angeordneten ersten Schaltkontakt sowie einen demgegenüber beweglich angeordneten zweiten Schaltkontakt besteht. Im einzelnen kennzeichnet 2 die eigentliche Schaltkammer, die aus einem metallischen Hohlzylinder mit jeweiligen ringförmigen Metallformteilen besteht, in die beidseitig jeweils Keramikisolatoren 3 und 4 vakuumdicht verbunden sind. In FIG 1 ist im unteren Isolator 3 ein erster Kontaktbolzen 5 starr eingefügt, während im anderen Isolator 4 ein zweiter Kontaktbolzen 6 mittels eines flexiblen Metallbalges 7 demgegenüber verschiebbar angeordnet ist. Die Kontaktbolzen 5 und 6 tragen auf ihren einander zugewandten Seiten jeweils Kontaktstücke 8 und 9, auf deren Aufbau und Material hier nicht weiter eingegangen zu werden braucht.
  • Bei der Herstellung des beschriebenen Vakuumschalters wird die Schaltkammer nach Aufbau und vakuumdichten Verbinden der Einzelteile evakuiert und durch Abquetschen des Pumprohres von der Vakuumpumpe getrennt. Eine Prüfung der Vakuumdichtigkeit sowie Messung des nach Herstellung des Kontaktes erreichten Enddruckes schließt sich im Normalfall dem Herstellungsverfahren an. Nachfolgend wir ein Meßaufbau für eine Messung unter Ausnutzung des Penning-Effektes beschrieben, mit dem auch bei anschließend in eine Schaltanlage eingebautem Vakuumschaltrohr gemessen werden kann.
  • In FIG 1 bedeutet 10 ein Stabmagnet, der tangential an einem Umfangsabschnitt der zylinderförmigen Schaltkammer 2 angelegt ist. Wie aus der Schnittdarstellung der FIG 1 ersichtlich ist, sind beidseitig an den Polen der Stabmagneten, dessen Länge exakt auf die Zylinderhöhe der Schaltkammer 2 abgestellt ist, Polschuhe 11 und 12 aus Weicheisen angebracht. Die Polschuhe 11 und 12 greifen vom Nord- und Südpol des Stabmagnetens 10 über die Grundflächen des Vakuumschaltrohres 1 und umschließen die Schaltkammer 2 an den übergängen zu den Isolatorstrecken 3 und 4 ringförmig.
  • In FIG 1 sind die durch den Magneten 10 mit Polschuhen 11 und 12 erzeugten Magnetfeldlinien schematisch angedeutet. Durch die spezielle Ausbildung der Polschuhe ist gewährleistet, daß die Magnetfeldverminderung auch bei einem einseitig angebrachten Magneten auf der dem Magneten gegenüberliegenden Seite der Schaltkammer 2 nicht mehr als 75 % des Ausgangsfeldes beträgt. Bei Wahl geeigneter Permanentmagnete läßt sich erreichen, daß in der Mittelachse der Schaltkammer 2 ein Magnetfeld von 10 Tesla vorhanden ist.
  • Das Magnetfeld verläuft also im wesentlichen axial oder in dazu parallelen Richtungen. Elektrisch ist die Schaltkammer 2 so geschaltet, daß bei geschlossenen Kon- : takten 8 und 9 gemessen wird. Dabei werden die Kontakte auf Anodenpotential und der dem gegenüberliegenden metallischen Mantel der Schaltkammer 2 auf Kathodenpotential gelegt. Die elektrische Spannungsversorgungs-und Meßanordnung ist mit 15 bezeichnet. Sie besteht im einzelnen aus einer Gleichspannungsquelle 16, deren positiver Ausgang an den Kontaktbolzen 6 und deren negativer Ausgang an die Wand der Schaltkammer 2 gelegt ist. Dadurch wird ein radiales elektrisches Feld erzeugt, welches im gesamten Bereich weitgehend senkrecht zum erzeugten Magnetfeld liegt.
  • Durch die Beschaltung der Gehäusewand 2 mit negativem Potential wird eine optimal große Kathode gebildet, die als Kaltkathode zur Emission von Elektronen dient. Das elektrische Feld kann etwa zwischen 1 und 4 kV liegen und beispielsweise 2 kV betragen.
  • Die emittierten Elektronen gelangen aufgrund des gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldes nicht unmittelbar zur Anode, sondern führen in etwa Spiralbahnen aus. Damit ist die Laufstrecke genügend weit verlängert, um auch im niedrigen Druckbereich eine ausreichende Ionisierung noch vorhandener Gasmoleküle zu erreichen. Der Ionenstrom ist dann als Maß für den Druck erfaßbar. Dieses Meßverfahren ist in der Vakuumtechnik hinreichend bekannt.
  • Während aber im Normalfall bei Ausnutzung des beschriebenen Penning-Effektes elektrische Spannungen zwischen 1000 und 20 000 V und Magnetfelder zwischen 0,2 und 0,35 Tesla zur Zündung einer Entladung benötigt werden, konnte anhand umfangreicher Untersuchungen gezeigt werden, daß bei der beschriebenen Anordnung bereits die angegebenen niedrigeren elektrischen Spannungen und niedrigen Magnetfeldstärken genügen.
  • Dem elektrischen Schaltkreis ist ein Widerstand 17 mit dem Wert Rm in Reihe geschaltet, an dem mittels eines parallelgeschalteten Extremwertvoltmeters 18 der Spannungsabfall gemessen werden kann. Aus dem Spannungsabfall wird bei bekannten Rm der Strom ermittelt und eine Kalibrierung des Ionenstroms in Abhängigkeit des Druckes im Vakuumschaltrohr 1 vorgenommen. Aus der jeweiligen Kalibrierkurve, die vom Schaltrohrtyp abhängig ist, kann nach Messen des Ionenstroms auf den Innendruck des betriebsmäßig eingebauten Vakuumschalters geschlossen werden.
  • In den Figuren 2 bis-4-bedeutet jeweils 2 die zylinderförmige Schaltkammer mit den von außen angedeuteten Isolatoren 3 und 4 sowie den Schaltbolzen 5 und 6. Aus den perspektivischen Darstellungen ist nun insbesondere die Ausbildung der für die Stabmagneten verwendeten Polschuhe im einzelnen ersichtlich.
  • In FIG 2 bedeuten 21 und 22 zwei Stabmagnete, die an einem Umfangsabschnitt der Schaltkammer 2 benachbart nebeneinander angeordnet sind. Jeder der Magnete 21 und 22 hat an seinen gegenüberliegenden Enden identisch ausgebildete Polschuhe 25 bis 28, die ausgehend von der Magnetquerschnittsfläche in etwa je eine halbe Ringscheibe bilden. Dabei ergänzen sich die beiden zueinander spiegelbildlich ausgebildeten Ringscheiben der beiden Magnete 21 und 22 zu einem Gesamtring, der die Isolatoransätze vollständig umschließt.
  • In FIG 3 sind Stabmagnete 31 bis 32 vorhanden, die aber an zwei gegenüberliegenden Umfangsabschnitten der Schaltkammer 2 liegen. Vier den Magnetpolen zugeordneten Polschuhe 35 bis38 bilden jeweils wieder je einen Halbring, wobei je ein Magnet mit zwei Polschuhen eine Einheit bildet. Durch ein spiegelbildliches Zusammenfügen der beiden Teileinheiten wird wieder ein Komplettumschluß des Vakuumschaltrohres am Isolatoransatz gebildet.
  • Bei den anhand der Figuren 2 und 3 beschriebenen Anordnungen der Permanentmagnete mit Polschuhen ist jeweils durch die vergleichsweise flache Bauform und getrennte Handhabungsmöglichkeit der spiegelbildlich zueinander ausgebildeten Einheiten sichergestellt, daß diese auch um solche Schaltröhren legbar sind, welche in Schaltanlagen eng benachbart nebeneinander eingebaut sind. Allerdings läßt sich bei den üblichen magnetischen Werkstoffen (Eisenoxide) und den vorgegebenen Randbedingungen eine bestimmte Querschnittsfläche der Stabmagnete nicht unterschreiten. Insofern werden dann bei Wahl von mehr als zwei, z.B vier, Magneten die einzelnen Magnete jeweils gruppenweise gegenüberliegen müssen.
  • Es sind jedoch auch magnetische Werkstoffe hoher Wirksamkeit bekannt, die es ermöglichen, einzelne Stabmagnete wesentlich schlanker auszuführen. In diesem Fall ist es möglich, das gesamte Schaltgehäuse 2 mit einer Mehrzahl von Einzelmagneten zu umgeben, was im einzelnen in FIG 4 dargestellt ist. Es bedeuten 40 identische Stabmagnete aus AlNiCo 700, die mit Abstand rund um das Schaltgehäuse gelegt sind. Mit 45 bis 48 sind jeweils wieder die oberen und unteren Polschuhe bezeichnet, die entsprechend den Figuren 2 und 3 aufgebaut sind, aber in diesem Fall keine Ausbuchtungen enthalten brauchen. Durch beide Teilanordnungen werden jetzt jeweils halbzylinderartige Gebilde geformt, welche bei Bedarf für eine Vakuummessung nach dem Penning-Effekt um eine Schaltröhre legbar sind.
  • Für die praktische Anwendung der beschriebenen Vorrichtung kann eine problemangepaßte Zahl von Permanentmagneten gewählt werden. Für Testmessungen in vergleichsweise schlechten Vakuum kann in der Praxis ein einziger Magnet ausreichen. Soll jedoch über einen größeren Meßbereich bei vergleichsweise guten Vakuum gemessen werden und wird eine lineare Kennlinie angestrebt, so ist die Zahl der stabförmigen Permanentmagnete entsprechend zu erhöhen, da insbesondere im untersten Druckbereich die Zündgrenze der Gasentladung stark abhängig vom Verlauf des magnetischen Feldes ist. In allen Fällen ist durch die Erfindung erreicht, daß mit optimal niedrigen elektrischen und magnetischen Feldern auch bei betriebsmäßig in Schaltanlagen eingebauten Vakuumschaltern gemessen werden kann.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Messen des Innendrucks eines betriebsmäßig eingebauten Vakuumschalters, der aus Vakuumschaltrohr mit Schaltkammer und Schaltkontakten sowie zugehörigem Antrieb besteht, unter Ausnutzung einer Kaltkathodenentladung (Penning-Effekt) mit gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern, wobei das elektrische"Feld zwischen wenigstens einem der Schaltkontakte und einer metallischen Wand der Schaltkammer bzw. des dazwischenliegenden Kondensationsschirmes angelegt wird und wobei zur Magnetfelderzeugung Permanentmagnete verwendet werden, dadurch gekennzeichnet , daß die Permanentmagnete (10; 21, 22; 31, 32;40) stabförmig ausgebildet sind und derart ausgeformte Polschuhe (11, 12, 25 - 28, 35 - 38, 45 - 48) aufweisen, daß die Magnetanordnung zur Druckmessung des in eine Schaltanlage eingebauten Vakuumschaltrohres (1) direkt in Längsrichtung an einen Umfangsabschnitt der zylinderförmigen Schaltkammer (2) anlegbar ist, wobei die Polschuhe (11, 12, 25 - 28, 35 - 38, 45 - 48) Metallformteile der Schaltkammer (2) umgreifen und gleichermaßen die Magnetanordnung an der Schaltkammer (2) für die Messung fixieren.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein einziger Permanentmagnet (10) vorhanden ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zwei Permanentmagnete (21, 22) vorhanden sind, die jeweils Polschuhe (25 - 28) mit halbkreisartigen Ausformungen aufweisen, wobei bei nebeneinanderliegenden Permanentmagneten (21, 22) die Schaltkammer (2) vollständig umschlossen wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zwei Permanentmagnete (31, 32) vorhanden sind, die gegenüberliegend über Polschuhe (35 - 38) mit halbkreisförmigen Ausnehmungen verbunden sind, wobei jeweils zwei dieser Anordnungen die Schaltkammer (2) vollständig umschließen.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Permanentmagnete (10; 21, 22; 31, 32) aus üblichen Magnetwerkstoffen, beispielsweise Eisenoxiden, bestehen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß eine Vielzahl von dünnen stabförmigen Permanentmagneten (40) vorhanden ist, von denen jeweils zwei Gruppen über Polschuhe (45 - 48) mit halbkreisförmigen Ausnehmungen verbunden sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Permanentmagnete (40) aus AlNiCo-Legierungen bestehen.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Polschuhe (11, 12; 25 - 28; 35 - 38; 45 - 48) aus Weicheisen bestehen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Schaltkontakte (8, 9) auf Anodenpotential und die Wandung der Schaltkammer (2) auf Kathodenpotential liegt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Potentialdifferenz zwischen 1 und 4 kV, vorzugsweise 2 kV beträgt.
EP84115313A 1983-12-27 1984-12-12 Vorrichtung zum Messen des Innendrucks eines betriebsmässig eingebauten Vakuumschalters Expired EP0150389B1 (de)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
DE3347176 1983-12-27
DE19833347176 DE3347176A1 (de) 1983-12-27 1983-12-27 Vorrichtung zum messen des innendrucks eines betriebsmaessig eingebauten vakuumschalters

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