EP1212768A1 - Vorrichtung zur innendruckmessung, spannungskonditionierung und stromkonditionierung von vakuumschaltröhren und verfahren hierfür - Google Patents

Vorrichtung zur innendruckmessung, spannungskonditionierung und stromkonditionierung von vakuumschaltröhren und verfahren hierfür

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Publication number
EP1212768A1
EP1212768A1 EP00964008A EP00964008A EP1212768A1 EP 1212768 A1 EP1212768 A1 EP 1212768A1 EP 00964008 A EP00964008 A EP 00964008A EP 00964008 A EP00964008 A EP 00964008A EP 1212768 A1 EP1212768 A1 EP 1212768A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
current
internal pressure
vacuum interrupter
voltage
conditioning
Prior art date
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Application number
EP00964008A
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English (en)
French (fr)
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EP1212768B1 (de
Inventor
Johannes Meissner
Klaus Heidelberger
Jerrie Lipperts
Joachim Walter
Thomas Freyermuth
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Eaton Industries GmbH
Original Assignee
Moeller GmbH
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Publication date
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Application granted granted Critical
Publication of EP1212768B1 publication Critical patent/EP1212768B1/de
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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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/02—Contacts characterised by the material thereof
    • H01H1/0203—Contacts characterised by the material thereof specially adapted for vacuum switches
    • H01H2001/0205—Conditioning of the contact material through arcing during manufacturing, e.g. vacuum-depositing of layer on contact surface

Definitions

  • the invention relates to a device for internal pressure measurement, voltage conditioning and current conditioning of vacuum interrupters and methods therefor using the device.
  • the basic condition for the safe functioning of vacuum interrupters that is, interruption of the vacuum arc when switching off as well as sufficient internal dielectric strength of the switching path, is an internal pressure of approximately 10 "7 bar or less. This pressure may remain throughout the life of the vacuum interrupter For the quality assurance of vacuum interrupters it is therefore necessary to measure the internal pressure of vacuum interrupters in order to ensure a long service life and high quality of the vacuum interrupters.
  • the measurement of the internal pressure of vacuum interrupters is usually carried out according to the magnetron principle, as described, for example, in CALOREMAG communications, issue 1/1983, pages 19 to 21 in the essay "Measurement of the internal pressure of vacuum interrupters” by Siegbert Berger Siemens-Zeitschrift 51 (1977) No. 5, page 427 to page 430 "Measuring device for determining the internal pressure of vacuum interrupters” by Wilfriedde and Klemens Wiehl.
  • the magnetron process is based on the ionization of residual gas molecules the cold cathode measuring principle (also known as Penning principle): when a DC high voltage of a few kV is applied, the electrons that are always present in the vacuum container are accelerated towards the anode, mainly due to field emissions and cosmic radiation, where they ionize further residual gas molecules through collision processes. Since the mean free path of an electron in a high vacuum is a few meters, the probability of collision is increased accordingly by connecting a DC magnetic field that forces the electrodes on spiral tracks. At the pressures typical for vacuum interrupters (10 ⁇ 7 - 10 "4 mbar), the ion flow generated in this way is approximately proportional to the residual gas pressure.
  • the cold cathode measuring principle also known as Penning principle
  • the property of the vacuum arcs of type A that the cathode base points move stochastically at high speed on the entire contact surface, is specifically used in current conditioning; Due to the high current density with a very small base area, microscopic melting and evaporation occur on the cathode surface. If a DC arc is left burning in the vacuum interrupter for a defined time, this results in a more even distribution of the contact structure, furthermore cleaning of the immediate contact surface and the area close to the surface of any impurities. processing-related inhomogeneities such as turning grooves smoothed. By repeating the conditioning process after reversing the polarity, both contacts are loaded equally. Despite very careful pretreatment of all components of a vacuum interrupter, they do not have a uniform and always a defined, desired dielectric strength. To increase the
  • the invention is based on the object of making the carrying out of the measurement methods and conditioning methods for quality assurance of vacuum interrupters and vacuum interrupters more economical and more economical.
  • a device which is constructed as a combination system and with which both an internal pressure measurement and a current conditioning and voltage conditioning of vacuum interrupters (vacuum interrupters) can be carried out.
  • the invention is characterized by a device for internal pressure measurement, voltage conditioning and current conditioning of vacuum interrupters, comprising a coil for generating magnetic fields for internal pressure measurement, a high current transformer which supplies the coil current for building up the magnetic field and the DC current for current conditioning, a high voltage generator , which provides the DC high voltage required for the internal pressure measurement on the one hand and a variable AC high voltage for the voltage conditioning on the other hand, a mounting device for the vacuum interrupter, which has a locking device for the contact base of the vacuum interrupter on one side and a locking device on the opposite side Has clamping and fixing device for the vacuum interrupter, wherein the clamping and fixing device with a linear drive device for moving the vacuum interrupter in positions for producing defined distances between ischen the contacts of the vacuum interrupter for voltage conditioning, current conditioning or internal pressure measurement and connected to a removal position, and wherein the locking device is equipped with a pneumatic drive for rapid expansion of the contacts from the closed position to a defined distance to ignite a DC arc for current conditioning is.
  • the system according to the invention is a combination device in which the individual device components for multiple Other procedures can be used.
  • the realization of the voltage conditioning, the internal pressure measurement and the current conditioning in one device also enables, in a further development according to the invention, an automated sequence of all process steps, starting from the individual component recognition, through the process control to the evaluation and logging of the measurement results for the individual test objects.
  • the invention is characterized in particular by the combination of all three functions in a single apparatus: a single high-current transformer supplies the coil current for the magnetic field of the internal pressure test on the one hand, and the DC current for the current conditioning on the other; A special high-voltage generator firstly supplies the DC high voltage for the internal pressure test, secondly a variable AC high voltage for the (breakdown) conditioning and for the final dielectric strength test of the vacuum interrupters.
  • the individual devices and components of the device according to the invention are explained in more detail below.
  • the high voltage generator an alternating voltage of 0 - 30 kV and a direct voltage of 0 - 20 kV can be generated. It can be used for voltage conditioning as well as for internal pressure measurement.
  • the high-voltage generator essentially consists of a control and monitoring unit, an electronically regulated high-voltage power supply, with which the direct voltage can be set, and an adjustable alternating voltage source.
  • the DC voltage initiates the internal pressure measurement when the magnetic field is applied to the coil.
  • the alternating voltage is a variable transformer operated via a high-voltage transformer with an upstream motor adjustable and is used for voltage conditioning.
  • the high-voltage generator can be equipped with a microprocessor-controlled operating and display unit that shows the test parameters on a display. All functions of the high-voltage generator can also be controlled via an isolated optical interface - optical interface. Commands and messages are transmitted via fiber optics between the high-voltage generator and the computer (PC) control unit that controls the high-voltage generator.
  • PC computer
  • the high current transformer used in the device according to the invention has two tasks. The first is to supply the coil for generating the magnetic field for the internal pressure measurement with direct current, so as to generate a homogeneous magnetic field within the vacuum tube. The second task is to provide DC power for power conditioning.
  • a transformer in the form of a three-phase thyristor-controlled rectifier is used as the high-current transformer.
  • a direct current of low residual ripple is obtained by means of a six-pulse rectification and a smoothing choke.
  • the high current transformer should be able to generate an adjustable direct current in the range up to 600 A.
  • a smoothing capacitor can be connected in parallel to the coil in order to smooth the remaining ripple of the direct current.
  • the high-current transformer is additionally equipped with an interface to the programmable logic controller (PLC).
  • PLC programmable logic controller
  • the high-current transformer can be controlled externally via the interface and its messages can be processed in the PLC.
  • the interface shows signals for on and off of the direct current circuit, signals vacuum umbogen burns or does not burn, signals for the setpoint of the direct current, signals for the actual value of the direct current, signals for the presence of a short circuit when the contacts of the vacuum interrupter are closed when the direct current is switched on.
  • the magnetic field required for internal pressure measurement is generated by means of a high-current coil, which is equipped with a cooling system.
  • the coil is preferably cooled by means of water which flows through the hollow conductor of the coil and is provided at a sufficient pressure by means of a high-pressure coolant pump.
  • the flow rate achieved as a result of the pressure for example at a pressure of 50 bar, is necessary since the magnetic field required for measuring the internal pressure can only be achieved by large currents of several 100 A, which in turn cause the coil to heat up considerably.
  • the cooling system of the magnetic coil is also monitored, for example by means of a flow meter and a temperature sensor. These measurement data are also fed to the programmable logic controller and processed in it and used for controlling the flow, in particular via the coolant pump.
  • a high-voltage generator is provided for realizing the voltage conditioning with the device according to the invention, with which the generation of a sufficiently high voltage of up to 30 kV (AC) is possible.
  • the high-voltage generator used for the device is capable of generating both direct and alternating voltage.
  • the alternating voltage is used in order to achieve a uniform conditioning of both contact surfaces of the vacuum interrupter.
  • a linear drive is provided in the device.
  • the vacuum interrupter To be able to move the linear drive, it must be clamped in a specially designed holding device. This holding device can then be connected to the linear drive and thus enables opening and closing movements of the vacuum switching contacts. So that the contacts in the vacuum interrupter are pulled apart or moved together, it is necessary to clamp the vacuum interrupter on both sides and additionally lock it in the holding device on one side. This locking takes place, for example, by means of a pneumatic device. If the linear drive for the vacuum interrupter is now set in motion, the two switching contacts are moved relative to one another. The
  • Linear drive enables a defined distance to be established between the contact pieces of the vacuum interrupter clamped in the device.
  • different distances between the contacts are required and, depending on the contact opening point found, set with the help of the linear drive.
  • the clamped vacuum interrupter is moved between the test position and the removal position by means of the linear drive.
  • the linear drive is controlled in an automatic mode using the programmable logic controller (PLC) or in manual mode using a handwheel or the corresponding function keys on an operator terminal.
  • PLC programmable logic controller
  • the linear drive only develops a relatively low movement speed, on the other hand it enables the drive to be accurate to 1/100 mm.
  • the drive itself comprises a DC motor, a servo amplifier, a position controller and a position control.
  • the DC motor is controlled in automatic mode by the PLC.
  • the rotary movement of the motor of the drive is converted into a linear movement with the help of a linear axis, which makes it possible to change the position of the test object - vacuum interrupter.
  • the linear axis preferably consists of two spindles which are connected to one another by a cover plate, as a result of which these parts are synchronized and high power transmission is ensured.
  • the spindle drive and the drive motor are over, for example a toothed belt connected to each other, which allows slip-free operation for precise position control.
  • the linear drive has an upper and lower mechanical stop, one stop serving as a reference point for the drive. In between are the removal position for the tube change and the test positions, whereby the defined contact distances - contact strokes - are controlled via the PLC.
  • the holder for the vacuum interrupter is designed as a test specimen, in order not only to enable the vacuum interrupter to be moved into a test position, but also to provide the different states of the switching contacts or their required for the various methods Create distance from each other.
  • the vacuum interrupter is fixed on one side with a clamping and fixing device, which has a pneumatically operating cylinder for clamping the vacuum interrupter, which is controlled via the PLC.
  • a locking device for the tube base - i.e. the contact base - the vacuum interrupter is provided, which is preferably designed as a rotary stroke cylinder and on the one hand serves to lock the vacuum interrupter and on the other hand enables a quick contact stroke to ignite a vacuum arc by separating the contacts.
  • the rotary stroke cylinder can therefore perform both a linear movement parallel to the axis of movement of the contacts of the vacuum interrupter and a rotary movement.
  • the rotary stroke cylinder is equipped with a toggle or the like attached to the piston and perpendicular to the linear axis of movement, which locks the mechanism attached to the contact base point of the vacuum interrupter.
  • a pneumatic cylinder is provided as a compensating cylinder, which has the task of compensating for the weight of the mechanism clamped at the contact base point of the vacuum interrupter, the force emanating from it and extending in the direction of the axis of movement of the contacts but is less than the force emanating from the linear drive, which enables a play-free linear movement of sufficient mechanical drive pressure.
  • a particularly precise distance control of the contacts and the setting thereof can be achieved with the aid of the linear drive.
  • a pneumatically operated isolator is provided, which is opened during the voltage conditioning and the internal pressure measurement so that the high voltage does not overturn on the high-current circuit.
  • the isolator on the other hand, is closed during current conditioning in order to safely conduct the high conditioning current to the contact of the vacuum interrupter.
  • the acquisition and preparation of the measurement values for the ion current flowing through the vacuum interrupter and the applied high voltage is provided by means of a measurement value acquisition and evaluation system.
  • the acquisition and preparation of the measurement data takes place with the aid of measurement amplifiers, the signals which are preferably output in the form of light signals by the measurement amplifiers are converted into digital voltage signals in a transient recorder, in order then to be processed in the PC control unit.
  • the PC can also be equipped with software for archiving the data so that all measurement data of each test object, i.e. each vacuum interrupter can not only be recorded but also saved. If the test objects are equipped with a recognition code for individual component recognition, the data of the current and voltage curve that occurred during the internal pressure measurement can also be viewed and evaluated again at a later point in time.
  • FIG. 1 the structure of a device according to the invention in a schematic
  • Figure 2 a tabular representation of the essential switching states and thus also the basic circuit diagrams for realizing the three basic functions of internal pressure measurement, voltage conditioning and
  • the test object a vacuum interrupter 1
  • the locking device for the contact base point of the vacuum interrupter 1 is formed by a rotary stroke cylinder 5, 5A, the pneumatic cylinder 5 of which can be moved in the direction of the arrow P1, P2.
  • 5A toggle are attached to the piston, which by a
  • a clamping and fixing device for the vacuum interrupter 1 inserted into the test position is provided, which is designed in the form of a pneumatic cylinder 7.
  • the clamping and fixing device 7 is connected to the linear drive 2, 3, 2 the linear axis and 3 the drive module to the
  • the DC motor includes.
  • the coil 4 is fed by the high-current transformer 13 and is further connected to a coolant pump 12 for cooling water.
  • the high voltage generator is designated 1 1.
  • the changeover switch S3 is used to switch on the coil current for the internal pressure measurement.
  • the measuring amplifier 9 serves to record the voltage applied during the internal pressure measurement.
  • the measuring amplifier 8 for recording the internal pressure current signal is switched on via the switch S1.
  • the switch S2 serves to switch on the condition current during current conditioning and voltage conditioning.
  • the cooling device for the vacuum interrupter during current conditioning is schematically indicated in the form of compressed air nozzles 10.
  • the isolator T which can be actuated by means of a pneumatic cylinder 6 to separate the high-current circuit from the high-voltage circuit, and a safety earthing switch S4 are provided.
  • the measurement amplifiers are connected to a measurement data acquisition and evaluation device 14 with a PC control unit, which also detects the voltage from the high-voltage generator 11.
  • the internal pressure measurement, voltage conditioning and current conditioning of a vacuum interrupter with the aid of the device according to the invention in accordance with the basic structure shown in FIG. 1 takes place in sub-processes one after the other.
  • the sequence of these sub-processes with regard to the switching states of the switches S1, S2, S3, S4 and the isolator T according to the basic circuit diagram according to FIG. 1 are listed in the attached table in FIG. 2.
  • the clamped vacuum interrupter With the help of the linear drive, the clamped vacuum interrupter is moved between the test positions and the removal position, in the direction of arrow P. The movement to disconnect the contacts for the test - current conditioning - takes place, however, by means of the pneumatic device 5, 5A.
  • the linear drive is used for this.
  • the contacts can only be pulled apart if the vacuum interrupter is locked on one side. If the linear actuator is set in motion, it pulls a contact piece with it depending on the installation position of the vacuum interrupter.
  • the contact distance is first set with the linear drive. Then the high voltage, which is connected to the upper bracket of the switching tube, is switched on.
  • the contact opening point is found by moving the linear drive and then the linear drive is moved to the contact stroke II assigned to the voltage conditioning, ie the desired defined contact distance is reached, then the pneumatic isolator T is opened, the contact base of the vacuum interrupter and the isolator are grounded, then the instruction via the PC "voltage ON for voltage conditioning" and after completion the high-voltage release is withdrawn, the earthing of the isolator and the contact base of the vacuum interrupter is removed and the linear drive is moved into a waiting position for the execution of a further sub-process.
  • the internal pressure measurement is carried out with the device according to the invention using the Penning or magnetron method.
  • the basic requirement for this is a DC voltage source for generating an electrical high-voltage field and a magnetic field.
  • the DC voltage is provided by the high voltage generator 11 which is connected to the upper part of the holder H from the vacuum interrupter.
  • the magnetic field is generated by the water-cooled coil 4 through which a direct current flows.
  • the ignition of a discharge current within the vacuum interrupter 1 requires that the contacts have to be brought back through the defined contact stroke I so that the electrical and magnetic field lines between the upper contact and the metal vapor shield of the vacuum interrupter are partially perpendicular to each other.
  • the distance is set with the linear drive as explained above.
  • the internal pressure measurement of the vacuum interrupter is carried out by first setting the desired contact distance, for example 2 mm. Then the magnetic field and finally the high voltage is switched on. The charge current ignited is measured. The following treatment steps for the internal pressure measurement are thus carried out.
  • the linear drive is moved to reach and find the contact opening point and then the linear drive is moved to the desired set contact stroke I and is reset after the position has been reached, as a result of which the two contacts of the vacuum interrupter reach a defined distance are open.
  • the disconnector T is then opened and grounded for safety reasons, as is the fixed contact base of the vacuum interrupter, so that the entire voltage drops across the opened contacts during voltage preconditioning. Then the high voltage is released and the PC is instructed to carry out the voltage preconditioning.
  • the voltage preconditioning prevents breakdowns that affect the internal pressure measurement signal when the DC high voltage is suddenly switched on. After their termination, the release of the high voltage and the grounding of the contact base and the isolator are withdrawn and the measuring amplifier is now switched in to record the internal pressure current signal. At the same time, the coolant pump 12 is switched on, so that the high-current coil 4 is flowed through by cooling water. Then the galvanic connection between coil 4 and the high-current transformer 13 is established and the mains supply is switched on and then the transformer current is switched on.
  • the current flow of the transformer 13 is then interrupted and the release of the high voltage and the earthing of the isolator are canceled, the control of the mains contactor of the transformer and then the galvanic connection between the coil and the transformer is disconnected, after which the measuring amplifier is disconnected. the coolant pump is switched off. Finally, the linear drive is set in motion again and the vacuum interrupter is placed in a waiting position or removal position. For the sub-process of current conditioning, it is necessary to ignite a vacuum arc that conditions the contact surfaces. This direct current arc can be ignited by switching on a current when the contacts of the vacuum interrupter are closed. By separating the contacts to a desired defined distance - contact stroke III - the direct current arc is created, which can also split into several partial arcs depending on the current intensity.
  • the speed at which the contacts are pulled apart plays an important role in separating the contact path. If the contacts are separated from one another too slowly, welding can occur due to the very strong heating of the contact surfaces. Around To avoid this, a sufficiently fast drive must be available to pull the contacts apart at a defined distance of, for example, 2.5 mm. The electromotive linear drive is not suitable for this task. His speed of movement is too slow.
  • a pneumatic device is therefore used to separate the contacts, with which the previously defined contact distance - contact stroke III - can be set in the form of preferably the rotary stroke cylinder 5, 5A. Before the pneumatic device 5, 5A is used, the vacuum interrupter must be locked as described above.
  • the pneumatic locking device 5, 5A When the pneumatic locking device 5, 5A is actuated, the one contact is jerkily pulled to the contact distance set by means of the linear drive, and the direct current arc can thus be ignited.
  • the contacts are opened for the purpose of igniting the DC arc when the contact point of the vacuum interrupter is locked. As already described, these are locked by means of the toggle 5A of the rotary lifting cylinder.
  • the rotary stroke cylinder 5 is then moved upwards parallel to the axis of movement of the contacts, as a result of which the contacts close. Then the arc ignition current is switched on and the rotary stroke cylinders are suddenly lowered again, whereupon a vacuum arc is created and the defined contact opening distance - contact distance - is restored.
  • the end positions of the rotary stroke cylinder can be monitored, for example, by means of magnetic switches. Through this process, the current conditioning takes place only one of the two contacts. The other contact is then conditioned in the same way after reversing the polarity of the power supply.
  • the individual steps, switching operations for carrying out the sub-processes of voltage conditioning, internal pressure measurement or current conditioning can run automatically by means of a programmable logic controller PLC, the individual devices and switches are controlled accordingly. If a malfunction occurs, as well as if the
  • the vacuum interrupter is also brought into a corresponding starting position by means of the linear drive.
  • an actuator (not shown here) for generating and transmitting a mechanical shock pulse to the vacuum interrupter to be tested for igniting the discharge current, since the Penning discharge at internal pressures in the range • 10 " 7 mbar does not always ignite promptly, but it can be triggered by a shock pulse - initiated desorption of loosely bound residual gas molecules.
  • the shock transmission can be done purely mechanically, eg via a ratchet / cam disk - but preferably electromechanically via switch armature, protective drive or piezo stack actuator
  • This mechanical pulse generator including a control can also be integrated into the programmable logic controller of the device for carrying out the three functional tests.

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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

B e s c h r e i b u n g
Vorrichtung zur Innendruckmessung, Spannungskonditionierung und Stromkonditionierung von Vakuumschaltröhren und Verfahren hierfür
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Innendruckmessung, Spannungskonditionierung und Stromkonditionierung von Vakuumschaltröhren sowie Verfahren hierfür unter Einsatz der Vorrichtung.
Stand der Technik
Die Grundbedingung für das sichere Funktionieren von Vakuumschaltröhren, das heißt vor allem, Unterbrechung des Vakuumbogens beim Ausschalten sowie genügende innere dielektrische Festigkeit der Schaltstrecke, ist ein In- nendruck 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 Vakuumschaltkammern 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 1/1983, 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 Kühl und Klemens Wiehl beschrieben. Das Magnetronverfahren basiert auf der Ionisation 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 Stoßpro- zesse 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 lonenstrom dem Restgasdruck angenähert proportional.
Für ein einwandfreies Schaltverhalten der Vakuumschaltröhren ist die Voraussetzung ein möglichst reines Kontaktmaterial. In der Praxis hat sich zur Reinigung der Kontaktoberflächen von Vakuumschaltröhren als am erfolg- reichsten die sogenannte Bogenformierung erwiesen, d.h. eine Reinigung der Elektroden durch die Vakuumlichtbögen. Bei dieser auch als Stromkonditionierung bezeichneten Methode werden die obersten Schichten der Kontakte durch ein intensives lonenbombardement 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 Kathoden- fußpunkte stochastisch mit hoher Geschwindigkeit 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 Vakuum- schaltröhre 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 bear- beitungsbedingte 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.
Beim Spannungskonditionieren wird ausgenutzt, dass sich Hochspannungsentladungen vorzugsweise an punktuellen Oberflächeninhomogenitäten aus- bilden, 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 Kon- taktoberflächen 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 Innendruckmes- sung ist beispielsweise in der DE 3347176 A1 oder der US 3575656 beschrieben. Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Durchführen der Messverfahren und Konditionierungsverfahren zur Qualitätssicherung von Vakuumschalt- röhren 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 Innendruckmes- sung 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 Vakuumschaltröh- ren 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 variierbare AC-Hoch- Spannung 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 Linearantriebs- Vorrichtung 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 Auseinan- derfahren 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 meh- rere Verfahren verwendet werden. Die Realisierung der Spannungskonditionierung, der Innendruckmessung und der Stromkonditionierung in einer Vorrichtung ermöglicht darüber hinaus in erfindungsgemäßer Weiterbildung einen automatisierten Ablauf sämtlicher Prozessschritte, angefangen von der indivi- duellen Bauteilerkennung, über die Prozesssteuerung bis zur Auswertung und Protokollierung der Messergebnisse zu den einzelnen Prüflingen.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Verfahren ist den Verfahrensansprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung zeichnet sich insbesondere durch die Vereinigung alle drei Funktionen in einer einzigen Apparatur aus: 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 variierbare AC-Hochspannung für die (Durchschlags-) Konditionierung sowie für die abschließende Spannungsfestigkeitsprüfung der Vakuumschaltröhren.
Nachfolgend werden die einzelnen Geräte und Komponenten der erfindungs- gemäßen 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 Gleichspan- nung 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. Darüber hinaus kann der Hochspannungsgenerator mit einer mikroprozessor-gesteuerten 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 Stromkonditi- onierung .
Als Hochstromtransformator wird ein Transformator in Form eines Dreiphasen- 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 Vaku- umbogen brennt oder brennt nicht, Signale für den Sollwert des Gleichstroms, Signale für den Ist-Wert des Gleichstroms, Signale für vorhandenen Kurz- schluss, 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., beispiels- weise 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 Span- nungskonditionierung wird die Wechselspannung verwendet, um eine gleichmäßige Konditionierung beider Kontaktoberflächen der Vakuumschaltröhre zu erreichen.
Da sich nicht in Schaltgeräte eingebaute Vakuumschaltröhren immer im ge- schlossenen 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 Öffnungsund 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 ge- setzt, 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 Kontaktöffnungs- punkt 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 Prüfposition 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 Ser- voverstärker, 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 Prüf- lings - 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 Prüfposition zu ermöglichen, sondern darüber hinaus 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 pneuma- tisch arbeitenden Zylinder zum Einspannen der Vakuumschaltröhre aufweist, der über die SPS angesteuert wird.
Des weiteren ist eine Arretierungsvorrichtung für den Röhrenfußpunkt - d.h. den 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 i n 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 Abstandregelung 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 Spannungskonditionierung und der Innendruckmessung geöffnet ist, damit die Hochspannung nicht auf den Hochstromkreis überschlägt. Der Trenner ist dagegen während der Stromkonditionierung 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 lonenstrom 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 Transientenrecorder 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, so dass 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 aufge- tretenen Strom- und Spannungsverlauf auch zu einem späteren Zeitpunkt wieder betrachtet und ausgewertet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden, anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispiel. Es zeigen Figur 1 : den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer
Darstellung; Figur 2: eine tabellarische Darstellung der wesentlichen Schaltzustände und damit auch der Prinzipschaltbilder zur Realisierung der drei Grund- funktionen Innendruckmessung, Spannungskonditionierung und
Stromkonditionierung.
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
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 Kne- bei 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 des weiteren an eine Kühlmittelpumpe 12 für Kühlwasser angeschlossen. Der Hochspannungsgenerator ist mit 1 1 bezeichnet. Der Umschalter S3 dient dem Zuschalten des Spulenstromes bei der Innendruckmes- sung. Der Messverstärker 9 dient zur Aufnahme der bei der Innendruckmessung anliegenden Spannung. Der Messverstärker 8 zur Aufnahme des Innendruck-Stromsignals wird über den Schalter S1 zugeschaltet. Der Schalter S2 dient zum Zuschalten des Konditionsstromes bei der Stromkonditionierung und Spannungskonditionierung.
Des weiteren ist schematisch die Kühleinrichtung für die Vakuumschaltröhre bei der Stromkonditionierung in Gestalt von Druckluftdüsen 10 schematisch angedeutet. Des weiteren ist der Trenner T, der mittels eines Pneumatikzylinders 6 betätigbar ist zur Trennung des Hochstrom- 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 Figur 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 Figur 1 sind in der beigefügten Tabelle Figur 2 aufgeführt.
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, Kon- taktfußpunkt 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. Magnetronverfahren. 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 durchflos- sene 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 vorange- hend 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 Ladungsstrom 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 Stre- cke 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 Innendruck- Stromsignals 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 Ansteue- rung des Netzschützes des Trafos und danach die galvanische Verbindung zwischen Spule und Trafo getrennt, anschließend der Messverstärker wegge- schaltet, 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 iässt sich zün- den, 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 Teillichtbögen 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 pneumati- sehen 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 Bogenzünd- strom eingeschaltet und die Drehhubzylinder schlagartig wieder nach unten gefahren, woraufhin ein Vakuumbogen entsteht und die definierte Kontaktöff- nungsstrecke - 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 ange- steuert. 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 Vakuum- schaltröhre zur Zündung des Entladungsstromes vorzusehen, da die Penning- Entladung bei Innendrücken im Bereich • 10"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 elektrome- chanisch 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.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern umfaßt auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungsformen.

Claims

A n s p r ü c h e
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 benö- tigte DC-Hochspannung und andererseits eine variierbare AC-Hochspan- nung für die Spannungskonditionierung liefert, eine Halterungsvorrichtung für die Vakuumschaltröhre (1 ), die auf einer Seite eine Arretierungsvorrichtung (5, 5A) 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 ver- bunden ist, und wobei die Arretierungsvorrichtung mit einem pneumatischen
Antrieb zum schnellen Auseinanderfahren der Kontakte aus der Schließposition auf einen definierten Abstand zum Zünden eines Gleichstromvaku- umbogens 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 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochstromtransformator (13) mit Dreiphasen-Thyristor-gesteuerter Gleichrichter vorgesehen ist, dem ein Wandler und eine Schnittstelle zur speicherpro- grammierbaren Steuerung (SPS) zugeordnet ist, um die Messsignale an die SPS zu übermitteln und den Gleichrichter extern zu steuern.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Hoch- Stromgenerator (11 ) mit einer mikroprozessorgesteuerten Bedien- und Anzeigeeinheit ausgestattet ist und über ein isoliertes optisches Interface fernsteuerbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Spule (4) eine mit einer Wasserkühlung mit Kühlmittelpumpe ausgestattete
Hochstromspule vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2, 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 Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Trennung des Hochstromkreises von dem Hochspannungskreis ein pneumatisch betätigter Trenner (T) vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 , 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 Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Arretie- rungsvorrichtung 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 Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühl- einrichtung (10) zur Kühlung der Vakuumschaltröhre vorgesehen ist, die gegebenenfalls mittels einer SPS während der Stromkonditionierung zuschaltbar ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Mes- sung des Innendruckes ein Messverstärker (8) zur Aufnahme des Innen- druckstromsignals 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 Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass ein
Schalter (S1) zum Zuschalten des Messverstärkers (8) für das Innendruck- Stromsignal bei der Innendruckmessung zwischen Messverstärker (8) und Kontaktfußpunkt der Vakuumschaltröhre vorgesehen ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Schalter (S2) zum Zuschalten des Stromes des Hochstromtransformators bei der Spannungskonditionierung bzw. Stromkonditionierung zwischen dem Kontaktfußpunkt der Vakuumschaltröhre und dem Hochstromtransforma- tor angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Schalter (S3) zum Zuschalten des Stromes des Hochstromtransformators zur Spule (4) für die Innendruckmessung zwischen Hochstromtransformator und Spule vorgesehen ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sicherheitserdungsschalter (S4) dem Trenner (T) zugeordnet ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Aktor zur Erzeugung und Übertragung eines mechanischen Stoßimpulses bei der Innendruckmessung auf die zu prüfende Vakuumschaltröhre vorgese- hen ist.
17. Verfahren zur Innendruckmessung für Vakuumschaltröhren mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 , bei dem eine Spannungsvorkonditionierung mit anschließender Innendruckmessung mit automatisch ablaufenden Schalthandlungen durchgeführt wird, wobei die zu prüfende Vakuumschaltröhre mittels der Linearantriebsvorrichtung (2, 3) in eine Position des Kontaktöffnungspunktes verfahren wird und danach mittels der Linearantriebsvorrichtung (2, 3) 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 eines Trenners (T) getrennt wird, ein dem Trenner (T) zugeordneter Sicherheitserdungsschalter (S4) geöffnet wird, ebenso ein Schalter (S2), der zum Zuschalten des Stromes des Hochstromtransformators bei der Spannungskonditionierung bzw. Stromkondi- tionierung zwischen dem Kontaktfußpunkt der Vakuumschaltröhre und dem Hochstromtransformator angeordnet ist, und nach Hochspannungsfreigabe zur Spannungsvorkonditionierung und Zuschalten eines Messverstärkers (8), der zur Aufnahme des Innendruckstromsignals während der innendruckmessung vorgesehen ist, durch Schließen eines Schalters (S1), der zum Zuschalten des Messverstärkers (8) für das Innendruck-
Stromsignal bei der Innendruckmessung zwischen Messverstärker (8) und Kontaktfußpunkt der Vakuumschaltröhre vorgesehen ist, anschließend unter Beaufschlagung mit Hochspannung die Innendruckmessung bei einem geschlossene Schalter (S3), der zum Zuschalten des Stromes des Hochstromtransformators zur Spule (4) für die Innendruckmessung zwischen Hochstromtransformator und Spule vorgesehen ist, durchgeführt wird.
18. Verfahren zur Spannungskonditionierung einer Vakuumschaltröhre nach Anspruch 17, das mit automatisch ablaufenden Schalthandlungen durchgeführt wird, wobei die zu prüfende Vakuumschaltröhre mittels der Linearantriebsvorrichtung (2, 3) in eine Position des Kontaktöffnungspunktes verfahren wird und danach mittels der Linearantriebsvorrichtung (2, 3) 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 nach An- spruch 17, das mit automatisch ablaufenden Schalthandlungen durchgeführt wird, wobei die zu prüfende Vakuumschaltröhre mittels der Linearantriebsvorrichtung (2, 3) in eine Position des Kontaktöffnungspunktes verfahren wird und danach mittels der Linearantriebsvorrichtung (2, 3) 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 Anspruch 17, 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.
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