EP4055620B1 - Verfahren und vorrichtung zum konditionieren von kontaktstücken für elektroden einer vakuumschaltröhre - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum konditionieren von kontaktstücken für elektroden einer vakuumschaltröhre Download PDF

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EP4055620B1
EP4055620B1 EP20816116.6A EP20816116A EP4055620B1 EP 4055620 B1 EP4055620 B1 EP 4055620B1 EP 20816116 A EP20816116 A EP 20816116A EP 4055620 B1 EP4055620 B1 EP 4055620B1
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EP
European Patent Office
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arc
magnetic field
conditioning
contact pieces
coil
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EP4055620A1 (de
EP4055620C0 (de
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Martin Koletzko
Thomas RETTENMAIER
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
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    • 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
    • H01H33/664—Contacts; Arc-extinguishing means, e.g. arcing rings
    • 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
    • H01H1/0206—Contacts characterised by the material thereof specially adapted for vacuum switches containing as major components Cu and Cr
    • H—ELECTRICITY
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    • 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 is based on a method for carrying out a device for conditioning contact pieces for electrodes of a vacuum interrupter by generating an arc between the contact pieces arranged at a distance along an axis, wherein the arc is moved in a targeted manner during conditioning via a variable transverse magnetic field.
  • the invention further relates to a device for conditioning contact pieces for electrodes of a vacuum interrupter by generating an arc between the contact pieces arranged at a distance along an axis, wherein the device comprises a coil arrangement with at least one coil or a permanent magnet arrangement with at least one permanent magnet for generating a variable transverse magnetic field, by means of which the arc can be moved in a targeted manner during conditioning.
  • Devices for conditioning contact pieces for electrodes of vacuum interrupters are known, for example, from DE 19714 655 A1 , from the DE 26 00 683 A1 and from GODECHOT 10.1109/DEIV.2016.7763981 known.
  • the quality of the surfaces of the electrode contacts plays a crucial role in the electrical withstand capacity of an electrode assembly in a vacuum. Since technical surfaces usually contain defects or micro-tips, these surfaces must be specially treated after the vacuum interrupters have been installed to achieve the desired dielectric strength. Typically, this is done using Electrical voltages are applied to the vacuum interrupters and arcing is deliberately induced. The arcs created during these arcing events melt or vaporize the defects on the surfaces, thereby gradually increasing the dielectric strength.
  • Another method for conditioning electrode surfaces is to treat the surface to be conditioned with an arc for an extended period of time (current conditioning).
  • current conditioning Low voltages are generally used, as this does not require arcing. Instead, the current flow begins when the contacts are closed, and an arc is only established after the contacts open. In this case, the externally applied voltage only needs to cover the voltage requirements of the arc.
  • the printed matter DE 19 714 655 C2 describes a method for conditioning contact pieces of electrodes of a Vacuum interrupter in which the arc is moved in a targeted manner by means of a rotating transverse field.
  • This transverse magnetic field allows the position/movement of the arc on the surface of the contact piece to be conditioned to be precisely controlled. This ensures that the center of gravity of the arc traverses a selected surface area along a specific path. However, the path can only be controlled with a certain degree of precision, which limits the quality of the conditioning. This limitation is particularly noticeable with high-current arcs.
  • the invention is based on the object of providing a method and a device for conditioning such contact pieces which overcome the stated difficulties.
  • variable transverse magnetic field allows the device to precisely control the position/movement of the arc on the surface of the contact piece to be conditioned. This ensures that the arc traverses a selected surface area along a specific path. For a more diffuse, i.e., wider, arc, an overlap area of the path can be adjusted. This ensures that the surface of the contact piece in question is traversed as completely as possible by the arc, while at the same time ensuring a fairly uniform melting.
  • the device according to the invention advantageously further comprises a direct current source for generating the arc.
  • the resulting arc is preferably a high-current arc with a current intensity I in the range of 2 kA ⁇ I ⁇ 100 kA.
  • the direct current source is designed for a corresponding current intensity (2 kA ⁇ I ⁇ 100 kA).
  • the device is, in particular, a device for carrying out a method described below.
  • the features mentioned in connection with the embodiments of the method shall also apply to the device, and vice versa.
  • the contact area of the arc with the surface of the contact piece is also larger. This ensures that the surface of the contact piece is covered/traversed by the arc as completely as possible, while at the same time the melting is fairly uniform.
  • the arc can be set so diffuse that almost complete coverage - and thus melting - of the contact surfaces occurs during the conditioning process.
  • longitudinal field and “transverse field” refer to the (imaginary) axis on which the contact pieces are arranged. For many vacuum interrupters, this coincides with their longitudinal axis.
  • the arc is a high-current arc with a current intensity I in the range of 2 kA ⁇ I ⁇ 100 kA.
  • a high-current arc preferably has a current intensity I of a few kA to several tens of kA (kA: kiloamperes).
  • Such high-current arcs generally have a smaller contact area with the contact piece to be conditioned. This contact area can now be enlarged using the longitudinal field.
  • the transverse magnetic field and/or the longitudinal magnetic field is generated by means of a coil arrangement having at least one coil.
  • the at least one coil can be an air coil and/or a cored coil.
  • the transverse magnetic field and/or the longitudinal magnetic field is generated by means of a permanent magnet arrangement with at least one permanent magnet.
  • the current flow begins when the contacts are closed, and the arc only establishes after the contacts open. This is typical for the so-called current conditioning described above.
  • the vacuum interrupter 20 shown here essentially has a cylindrical housing 22 made of insulating material, which extends along a longitudinal axis 22 and is closed at each of the two corresponding ends by a metal cover 26, 28.
  • One of the electrodes 16 is fixedly attached to one of the metal covers 26. This electrode 16 is the fixed electrode with the fixed contact piece 12.
  • One end of a bellows 30 is attached to the lower cover 28, the other end of which is connected to the electrode 18, which is designed as a movable electrode and supports the movable contact piece 14.
  • An approximately cylindrical shield 32 is located within the housing 22.
  • a current source 34 is electrically connected to the two electrodes 16, 18, with which direct current of both polarities can be generated (direct current source).
  • the device 10 further comprises a coil arrangement configured as a pair of coils. Coils 36, 38 of this pair of coils are located on both sides of the housing 22. These coils run parallel to each other or their axes are aligned, thereby generating a transverse field 40 that runs from the left coil 36 to the right coil 38 in the direction of the arrow.
  • the diffuse arc 42 melts and vaporizes any type of dirt particles located on the surface of the corresponding contact piece 12 or contact pieces 12, 14, and moves them outward onto the shield 32, which has a gettering effect, where they deposit. Furthermore, parts of the contact surface of the two contact pieces 12, 14 are also melted and vaporized, through which metal vapor the pure copper parts, for example, of the electrodes 16, 18, are coated with the contact material.
  • the contact material is Cu/Cr, which is present as a sintered structure.
  • the coils 36, 38 can also be arranged in the vacuum interrupter 20 such that the center axes of the two coils 36, 38 are at an angle of 90° to each other.
  • the currents flowing in both coils can be 90° out of phase with each other, creating the "two-phase" rotating magnetic field.
  • Such an arrangement of the coils 36, 38 is known from the aforementioned DE 197 14 655 C2 known.
  • a three-phase rotating field can also be generated in a similar manner. In this case, coils 36, 38 are arranged in a fixed position, unlike the illustration in the figure.
  • the coils 36, 38 of the coil pair are arranged on a base 44 rotatably mounted about the axis 24 and rotatably mounted about the vacuum interrupter 20 via corresponding arms 46, 48.
  • the base 44 is fixedly mounted on a rotary support 50, which in turn is rotatably mounted via a rotary bearing 52 and driven by a drive motor 54.
  • a correspondingly rotating transverse field 40 can be generated not only by means of a coil arrangement with coils 36, 38 but also by means of a permanent magnet arrangement (not shown here) with at least one permanent magnet.
  • a corresponding structure is also known from the aforementioned DE 197 14 655 C2 known.
  • the diffusivity of the high-current arc 42 is adjusted for conditioning via the strength of the generated longitudinal field 60.
  • the device 10 further includes power sources (not shown) for the coils 36, 38; 56, 58 and a control device (also not shown) for the coordinated execution of the conditioning.
  • a control device is also referred to as a control unit. This control device controls the various power sources, including the direct current source 34.
  • the arc movement is specifically controlled by external magnetic fields 40.
  • Particularly suitable here are rotating magnetic fields (two-phase or three-phase) directed radially to the desired direction of the arc. This method is particularly advantageous because the converted charge (current intensity I x time) is significantly reduced during conditioning and, as a result, the vapor deposition of ceramic insulators is significantly reduced.
  • the diffusivity of a high-current arc 42 (a few kA to several tens of kA) for conditioning the contact pieces 12, 14 is increased by an additional axial magnetic field 60.
  • a higher diffusivity of the arc 42 results in almost complete coverage (and thus melting) of the contact surfaces during the conditioning process.

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  • High-Tension Arc-Extinguishing Switches Without Spraying Means (AREA)

Description

  • Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Ausführung auf einer Vorrichtung zum Konditionieren von Kontaktstücken für Elektroden einer Vakuumschaltröhre durch Erzeugen eines Lichtbogens zwischen den entlang einer Achse beabstandet angeordneten Kontaktstücken, wobei der Lichtbogen beim Konditionieren über ein veränderbares magnetisches Querfeld gezielt bewegt wird.
  • Die Erfindung geht weiterhin aus von einer Vorrichtung zum Konditionieren von Kontaktstücken für Elektroden einer Vakuumschaltröhre durch Erzeugen eines Lichtbogens zwischen den entlang einer Achse beabstandet angeordneten Kontaktstücken, wobei die Vorrichtung eine Spulenanordnung mit mindestens einer Spule oder eine Permanentmagnetanordnung mit mindestens einem Permanentmagneten zur Erzeugung eines veränderbaren magnetischen Querfeldes aufweist, mittels dessen der Lichtbogen beim Konditionieren gezielt bewegbar ist. Vorrichtungen zum Konditionieren von Kontaktstücken für Elektroden von Vakuumschaltröhren sind z. B. aus der DE 19714 655 A1 , aus der DE 26 00 683 A1 und aus GODECHOT X ET AL: "lnvestigation of current conditioning process for vacuum interrupters", 2016 27TH INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON DISCHARGES AND ELECTRICAL INSULATION IN VACUUM (ISDEIV), IEEE, Bd. 2, 18. September 2016 (2016-09-18), Seiten 1-4, XP033015037, DOI: 10.1109/DEIV.2016.7763981 bekannt.
  • Für die elektrische Spannungsfestigkeit einer Elektrodenanordnung im Vakuum spielt neben der Qualität des Vakuums vor allem die Güte der Oberflächen von Kontaktstücken der Elektroden eine entscheidende Rolle. Da technische Oberflächen in der Regel Fehlstellen oder Mikrospitzen aufweisen, müssen diese Oberflächen, nach der Montage der Vakuumschaltröhren, speziell behandelt werden, damit die gewünschte Spannungsfestigkeit erreicht werden kann. In der Regel werden hierzu elektrische Spannungen an die Vakuumschaltröhren angelegt und bewusst Überschläge provoziert. Die Lichtbögen, die bei diesen Überschlägen entstehen, schmelzen oder verdampfen die Fehlstellen auf den Oberflächen wodurch die Spannungsfestigkeit schrittweise erhöht wird.
  • Eine weitere Methode Elektrodenoberflächen zu konditionieren besteht darin, die zu konditionierende Oberfläche längere Zeit mit einem Lichtbogen zu behandeln (Stromkonditionierung), dabei werden in der Regel kleine Spannungen verwendet, da hierbei kein Überschlag erzeugt werden muss, sondern der Stromfluss bei geschlossenen Kontakten beginnt und sich ein Lichtbogen erst nach der Öffnung der Kontakte etabliert. Die extern angelegte Spannung muss in diesem Fall nur den Spannungsbedarf des Lichtbogens decken.
  • Bislang wird bei der sogenannten Stromkonditionierung durch Auswahl geeigneter Parameter (Kontakthub, Stromstärke, Anzahl der Pulse, Pulsdauer, Polaritätswechsel) versucht eine gleichmäßige und vollständige Überschmelzung der Kontaktscheiben zu erreichen. Ziel ist es auf diese Weise nicht nur die die dielektrische Festigkeit der Kontaktstrecke zu erhöhen, sondern auch die störende Röntgenemission zu reduzieren, welche durch die Kontaktpaare erzeugt wird. Wird die Lichtbogenbewegung nicht aktiv gesteuert, so ist sie weitgehend zufällig. Daher kann es zu einem großen Ladungsumsatz während der Stromkonditionierungsprozedur kommen, bis die Kontaktoberflächen ausreichendend flächig überschmolzen worden sind. Während ein Lichtbogen im Vakuum brennt wird Metalldampf erzeugt, welcher sich wiederum auf den Oberflächen des Vakuumschalters niederschlägt. Wenn sich dieser Metalldampf auf den Keramikisolatoren niederschlägt, kann es zu einer dielektrischen Abwertung der Vakuumschaltröhre kommen, die dem Sinn der Konditionierung entgegensteht oder gegebenenfalls die Lebensdauer der Vakuumschaltröhre herabsetzt.
  • Die Druckschrift DE 19 714 655 C2 beschreibt ein Verfahren zum Konditionieren von Kontaktstücken von Elektroden einer Vakuumschaltröhre, bei dem der Lichtbogen mittels eines rotierenden Querfeldes gezielt bewegt wird.
  • Durch dieses magnetische Querfeld kann die Position/Bewegung des Lichtbogens an der Oberfläche des zu konditionierenden Kontaktstücks gezielt gesteuert werden. Auf diese Weise kann dafür gesorgt werden, dass der Schwerpunkt des Lichtbogens einen gewählten Oberflächenbereich auf einer bestimmten Bahn überfährt. Die Bahn kann dabei jedoch nur mit einer gewissen Präzision gesteuert werden, was die Qualität der Konditionierung beschränkt. Diese Limitierung macht sich insbesondere bei stromstarken Lichtbögen bemerkbar.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Konditionieren von derartigen Kontaktstücken anzugeben, die die angegebenen Schwierigkeiten überwinden.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Konditionieren von Kontaktstücken für Elektroden einer Vakuumschaltröhre durch Erzeugen eines Lichtbogens zwischen den entlang einer Achse beabstandet angeordneten Kontaktstücken, bei dem die Vorrichtung eine Spulenanordnung mit mindestens einer Spule oder eine Permanentmagnetanordnung mit mindestens einem Permanentmagneten zur Erzeugung eines veränderbaren magnetischen Querfeldes aufweist, mittels dessen der Lichtbogen beim Konditionieren gezielt bewegbar ist, ist vorgesehen, dass die Vorrichtung weiterhin eine Spulenanordnung mit mindestens einer Spule oder eine Permanentmagnetanordnung mit mindestens einem Permanentmagneten zur Erzeugung eines veränderbaren magnetischen Längsfeldes aufweist, mittels dessen der Lichtbogen beim Konditionieren gezielt diffuser gemacht werden kann.
  • Durch das veränderbare magnetische Querfeld kann mittels der Vorrichtung die Position/Bewegung des Lichtbogens an der Oberfläche des zu konditionierenden Kontaktstücks gezielt gesteuert werden. Auf diese Weise kann dafür gesorgt werden, dass der Lichtbogen einen gewählten Oberflächenbereich auf einer bestimmten Bahn überfährt. Bei einem diffuseren, also breiteren, Lichtbogen kann ein Überlappungsbereich der Bahn eingestellt werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Oberfläche des entsprechenden Kontaktstücks möglichst vollständig vom Lichtbogen überfahren wird, wobei das Überschmelzen gleichzeitig recht gleichmäßig ist.
  • Schließlich ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Vorteil vorgesehen, dass diese weiterhin eine Gleichstromquelle zum Erzeugen des Lichtbogens umfasst. Der resultierende Lichtbogen ist bevorzugt ein stromstarker Lichtbogen mit einer Stromstärke I im Bereich von 2 kA ≤ I ≤ 100 kA. Gerade für solche stromstarken Lichtbögen ist es wichtig, bei einem überlappenden Randbereich eine geringere Diffusität des Lichtbogens zu haben. Die Gleichstromquelle ist für eine entsprechende Stromstärke (2 kA ≤ I ≤ 100 kA) ausgelegt.
  • Die Vorrichtung ist insbesondere eine Vorrichtung zur Durchführung eines im folgenden beschriebenen Verfahrens. Die im Zusammenhang mit den Ausführungsformen des Verfahrens genannte Merkmale sollen entsprechend auch für die Vorrichtung gelten und umgekehrt.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ausführung auf einer Vorrichtung zum Konditionieren von Kontaktstücken für Elektroden einer Vakuumschaltröhre durch Erzeugen eines Lichtbogens zwischen den entlang einer Achse beabstandet angeordneten Kontaktstücken, bei dem der Lichtbogen beim Konditionieren über ein veränderbares magnetisches Querfeld gezielt bewegt wird, ist vorgesehen, dass der Lichtbogen beim Konditionieren über ein einstellbares magnetisches Längsfeld gezielt diffuser gemacht wird.
  • Durch das veränderbare magnetische Querfeld wird die Position/Bewegung des Lichtbogens an der Oberfläche des zu konditionierenden Kontaktstücks gezielt gesteuert. Auf diese Weise kann dafür gesorgt werden, dass der Lichtbogen einen gewählten Oberflächenbereich auf einer bestimmten Bahn überfährt. Die Kontaktfläche des Lichtbogens mit der zu konditionierenden Oberfläche des Kontaktstücks kann dabei größer sein als die Ausdehnung der Bahn.
  • Bei einem diffuseren, also breiteren, Lichtbogen ist auch die Kontaktfläche des Lichtbogens mit der Oberfläche des Kontaktstücks größer. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Oberfläche des entsprechenden Kontaktstücks möglichst vollständig vom Lichtbogen abgedeckt/überfahren wird, wobei das Überschmelzen gleichzeitig recht gleichmäßig ist.
  • Der Lichtbogen kann insbesondere so diffus eingestellt werden, dass sich eine nahezu komplette Bedeckung - und somit Überschmelzung - der Kontaktoberflächen während des Konditioniervorgangs einstellt.
  • Die Angabe Längsfeld bzw. Querfeld bezieht sich jeweils auf die (gedachte) Achse, auf der die Kontaktstücke angeordnet sind. Diese fällt für viele Vakuumschaltröhren mit deren Längsachse zusammen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Lichtbogen ein stromstarker Lichtbogen mit einer Stromstärke I im Bereich von 2 kA ≤ I ≤ 100 kA. Ein solcher stromstarker Lichtbogen weist bevorzugt eine Stromstärke I von einigen einzelnen kA bis zu einigen zehn kA auf (kA: Kiloampere). Solche stromstarken Lichtbögen haben in der Regel eine kleinere Kontaktfläche mit dem zu konditionierenden Kontaktstück. Diese Kontaktfläche kann nun mittels des Längsfeldes vergrößert werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das veränderbare magnetische Querfeld ein rotierendes magnetisches Querfeld. Ein solches rotierendes magnetisches Querfeld ist aus der eingangs erwähnten Patentschrift DE 19 714 655 C2 durchaus bekannt.
  • Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das magnetische Querfeld und/oder das magnetische Längsfeld mittels einer Spulenanordnung mit mindestens einer Spule generiert. Die mindestens eine Spule kann eine Luftspule und/oder eine Spule mit Kern sein.
  • Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass das rotierende magnetisches Querfeld ein zweiphasiges oder dreiphasiges magnetisches Drehfeld ist. Zur Erzeugung derartiger Drehfelder werden zwei bzw. drei Spulenanordnungen benötigt. Bei einem zweiphasigen magnetischen Drehfeld sind z.B. zwei Spulenanordnungen so angeordnet, dass die Mittelachsen der beiden Spulenanordnungen unter einem Winkel von 90° zueinander verlaufen. Dabei können die Ströme, die in beiden Spulenanordnungen fließen, 90° zueinander phasenverschoben sein, wodurch das zweiphasige magnetische Drehfeld entsteht.
  • Alternativ oder zusätzlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass das magnetische Querfeld und/oder das magnetische Längsfeld mittels einer Permanentmagnetanordnung mit mindestens einem Permanentmagneten generiert wird.
  • Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Stromfluss bei geschlossenen Kontaktstücken einsetzt und sich der Lichtbogen erst nach dem Öffnen der Kontaktstücke etabliert. Dies ist typisch für die eingangs beschriebene sogenannte Stromkonditionierung.
  • Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zumindest eines der Kontaktstücke als Kontaktscheibe ausgebildet. Die Verwendung von Kontaktscheiben bei den Elektroden von Vakuumschaltröhren hat sich bewährt.
  • Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von einem Ausführungsbeispiel, das im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert wird. Dabei zeigt die
    • Fig.
    eine Vorrichtung zum Konditionieren von Kontaktstücken für Elektroden einer Vakuumschaltröhre gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Darstellung.
  • Die Fig. zeigt in einer schematischen Darstellung eine Vorrichtung 10 zum Konditionieren von Kontaktstücken 12, 14 (kurz: Konditionier-Vorrichtung) für Elektroden 16, 18 von Vakuumschaltröhren 20. Im hier gezeigten Beispiel können die Kontaktstücke 12, 14 mittels der Konditionier-Vorrichtung 10 in komplett montierten Vakuumschaltröhren 20 konditioniert werden. Die hier nur schematisch dargestellten Kontaktstücke 12, 14 sind insbesondere als Kontaktscheiben ausgebildet. Alternativ wäre es auch denkbar, dass das einzelne zu konditionierende Kontaktstück 12 in einer entsprechenden Vakuumkammer der Vorrichtung 10 montiert wird.
  • Die hier gezeigte Vakuumschaltröhre 20 besitzt im Wesentlichen ein Zylindergehäuse 22 aus isolierendem Material, welches sich bezüglich einer Längsachse 22 erstreckt und an den beiden entsprechenden Enden über je einen metallischen Deckel 26, 28 verschlossen ist. An dem einen metallischen Deckel 26 ist eine der Elektroden 16 ortsfest angebracht. Diese Elektrode 16 ist die ortsfeste Elektrode mit dem ortsfesten Kontaktstück 12.
  • An dem unteren Deckel 28 ist ein Ende eines Faltenbalges 30 befestigt, dessen anderes Ende mit der als bewegbare Elektrode ausgebildeten Elektrode 18 verbunden ist, die das bewegbare Kontaktstück 14 trägt. Innerhalb des Gehäuses 22 befindet sich eine etwa zylinderförmige Abschirmung 32.
  • An die beiden Elektroden 16, 18 ist eine Stromquelle 34 elektrisch angeschlossen, mit der Gleichstrom beider Polaritäten erzeugt werden kann (Gleichstromquelle).
  • Die Vorrichtung 10 umfasst weiterhin eine als Spulenpaar ausgestaltete Spulenanordnung. Beidseitig zu dem Gehäuse 22 befinden sich Spulen 36, 38 dieses Spulenpaares, die parallel zueinander verlaufen bzw. deren Achsen miteinander fluchten, wodurch ein Querfeld 40 erzeugt werden kann, welches gemäß Pfeilrichtung von der linken Spule 36 zur rechten Spule 38 verläuft.
  • Wenn zwischen den geöffneten Kontaktstücken 12, 14 mit geeigneter Stromstärke I ein diffuser Lichtbogen 42 entsteht, dann werden durch den diffuse Lichtbogen 42 auf der Oberfläche des entsprechenden Kontaktstücks 12 bzw. der Kontaktstücke 12, 14 befindliche Schmutzpartikel jeder Art aufgeschmolzen, verdampft und nach außen auf die Abschirmung 32, die Getterwirkung besitzt, bewegt, sodass sie dort niederschlagen. Darüber hinaus werden auch Teile der Kontaktstückoberfläche der beiden Kontaktstücke 12, 14 aufgeschmolzen und verdampft, durch welchen Metalldampf die reinen Kupferteile beispielsweise der Elektroden 16, 18 mit dem Kontaktmaterial beschichtet werden. In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist das Kontaktmaterial Cu/Cr, welches als Sinterstruktur vorhanden ist.
  • Zur Konditionierung werden die Elektroden 16, 18 der Vakuumschaltröhre 20 mit einem Gleichstrom zunächst mit der einen und danach mit der anderen Polarität beaufschlagt, sodass der Stromfluss im Lichtbogen 42 in der einen und in der anderen Richtung - nacheinander - verläuft.
  • Aufgrund des Querfeldes 40 werden die einzelnen Lichtbogenabschnitte des diffusen Lichtbogens 42 über die Oberfläche des entsprechenden Kontaktstücks 15 bewegt, wodurch ein systematisches Entfernen der Schmutzpartikel über die gesamte Oberfläche ermöglicht wird.
  • Die Spulen 36, 38 können der Vakuumschaltröhre 20 auch so zugeordnet sein, dass die Mittelachsen der beiden Spulen 36, 38 unter einem Winkel von 90° zueinander verlaufen. Dabei können die Ströme, die in beiden Spulen fließen, 90° zueinander phasenverschoben sein, wodurch das "zweiphasige" magnetische Drehfeld entsteht. Eine derartige Anordnung der Spulen 36, 38 ist aus der eingangs erwähnten DE 197 14 655 C2 bekannt. In entsprechender Weise kann auch ein dreiphasiges Drehfeld erzeugt werden. In diesem Fall sind die Spulen 36, 38 - abweichend von der Darstellung der Fig. (orts-) fest angeordnet.
  • Im Beispiel der Fig. sind die Spulen 36, 38 des Spulenpaares an einer um die Achse 24 drehbar gelagerten Basis 44 über entsprechende Arme 46, 48 um die Vakuumschaltröhre 20 rotierbar angeordnet. Die Basis 44 ist dabei auf einer Drehstütze 50 fest aufgebaut, die ihrerseits über ein Drehlager 52 drehbar gelagert ist und über einen Antriebsmotor 54 angetrieben wird.
  • Mittels einer derartigen mechanischen Drehanordnung mit den Komponenten Basis 44, Arme 46, 48, Drehstütze 50, Drehlager 52 und Antriebsmotor 54 kann ein entsprechend rotierendes Querfeld 40 nicht nur mittels einer Spulenanordnung mit Spulen 36, 38 sondern auch mittels einer (hier nicht gezeigten) Permanentmagnetanordnung mit mindestens einem Permanentmagneten erzeugt werden. Ein entsprechender Aufbau ist ebenfalls aus der eingangs erwähnten DE 197 14 655 C2 bekannt.
  • In der eingangs erwähnten Patentschrift DE 197 14 655 C2 wird weiterhin erwähnt, dass mit einer Stromstärke des von der Gleichstromquelle 34 erzeugten Gleichstroms von ca. 0,1 kA bis 2 kA, einer Einwirkdauer, bei dem der Lichtbogen 24 brennen soll, von zwischen 0,5 Sekunden bis 200 Sekunden und einem Abstand der beiden Kontaktstücke 12, 14 zwischen 1 mm und 3 mm gute Konditionierungsergebnisse erzielt werden können.
  • Möchte man nun einen stromstarken Lichtbogen 42 mit deutlich mehr als 2kA verwenden, z.B. mit 2,5 kA ≤ I ≤ 100 kA so muss man die Diffusität dieses stromstarken Lichtbogens 42 zur Konditionierung erhöhen.
  • Dazu weist die Vorrichtung 10 eine weitere Spulenanordnung auf, die hier im Beispiel ebenfalls als Spulenpaar ausgebildet ist. Die Spulenanordnung/das Spulenpaar weist zwei Spulen 56, 58 zur Erzeugung eines veränderbaren magnetischen Längsfeldes 60 auf, mittels dessen der Lichtbogen 42 beim Konditionieren gezielt diffuser gemacht, also aufgeweitet, werden kann. Die Achsen der Spulen 56,58 dieser weiteren Spulenanordnung fluchten miteinander und mit der Achse 24 der Vakuumschaltröhre 20.
  • Die Diffusität des stromstarken Lichtbogens 42 wird zur Konditionierung über die Stärke des generierten Längsfeldes 60 eingestellt.
  • Neben den dargestellten und bereits genannten Komponenten weist die Vorrichtung 10 weiterhin (nicht dargestellte) Stromquellen für die Spulen 36, 38; 56, 58 und eine (ebenfalls nicht dargestellte) Kontrolleinrichtung zum koordinierten Durchführen der Konditionierung auf. Eine solche Kontrolleinrichtung wird auch als Steuergerät bezeichnet. Diese Kontrolleinrichtung steuert die diversen Stromquellen, darunter auch die Gleichstromquelle 34, an.
  • Im Folgenden sollen entscheidende Aspekte der Erfindung noch einmal mit anderen Worten wiedergegeben werden:
    Um in verhältnismäßig kurzer Zeit eine gleichmäßige Konditionierung zu erreichen, wird die Lichtbogenbewegung erfindungsgemäß gezielt durch externe Magnetfelder 40 gesteuert. Besonders geeignet sind hier radial zur gewünschten Laufrichtung des Lichtbogens gerichtete magnetische Drehfelder (zweiphasig oder dreiphasig). Besonders vorteilhaft ist dieses Verfahren, da die umgesetzte Ladung (Stromstärke I x Zeit) während der Konditionierung deutlich reduziert wird und in der Folge auch die Bedampfung von Keramikisolatoren erheblich reduziert wird.
  • Weiterhin ist die Erhöhung der Diffusität eines stromstarken Lichtbogens 42 (einige einzelne kA bis einige zehn kA) zur Konditionierung der Kontaktstücke 12, 14 durch ein zusätzliches axiales Magnetfeld 60 vorgesehen. Eine höhere Diffusität des Lichtbogens 42 hat zur Folge, dass sich eine nahezu komplette Bedeckung (und somit Überschmelzung) der Kontaktoberflächen während des Konditioniervorgangs einstellt.
  • Die Konditionierung ist insbesondere eine sogenannte Stromkonditionierung.
    • Bezugszeichenliste:
    • 10
    Konditionier-Vorrichtung
    12
    Kontaktstück
    14
    Kontaktstück
    16
    Elektrode (fest)
    18
    Elektrode (bewegbar)
    20
    Vakuumschaltröhre
    22
    Gehäuse
    24
    Achse
    26
    Deckel
    28
    Deckel
    30
    Faltenbalg
    32
    Abschirmung
    34
    Gleichstromquelle
    36
    Radialspule
    38
    Radialspule
    40
    Querfeld
    42
    Lichtbogen
    44
    Basis
    46
    Arm
    48
    Arm
    50
    Drehstütze
    52
    Drehlager
    54
    Antriebsmotor
    56
    Axialspule
    58
    Axialspule
    60
    Längsfeld

Claims (10)

  1. Vorrichtung (10) zum Konditionieren von Kontaktstücken (12, 14) für Elektroden (16, 18) einer Vakuumschaltröhre (20) durch Erzeugen eines Lichtbogens (42) zwischen den entlang einer Achse (24) beabstandet angeordneten Kontaktstücken (12, 14), wobei die Vorrichtung (10) eine Spulenanordnung mit mindestens einer Spule (36, 38) oder eine Permanentmagnetanordnung mit mindestens einem Permanentmagneten zur Erzeugung eines veränderbaren magnetischen Querfeldes (40) aufweist, mittels dessen der Lichtbogen (42) beim Konditionieren gezielt bewegbar ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Vorrichtung (10) weiterhin eine Spulenanordnung mit mindestens einer Spule (56, 58) oder eine Permanentmagnetanordnung mit mindestens einem Permanentmagneten zur Erzeugung eines veränderbaren magnetischen Längsfeldes (60) aufweist, mittels dessen der Lichtbogen (42) beim Konditionieren gezielt diffuser gemacht werden kann.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    gekennzeichnet durch eine Gleichstromquelle (34) zum Erzeugen des Lichtbogens (42).
  3. Verfahren ausgeführt auf einer Vorrichtung zum Konditionieren von Kontaktstücken (12, 14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, für Elektroden (16, 18) einer Vakuumschaltröhre (20) durch Erzeugen eines Lichtbogens (42) zwischen den entlang einer Achse (24) beabstandet angeordneten Kontaktstücken (12, 14), wobei der Lichtbogen (42) beim Konditionieren über ein veränderbares magnetisches Querfeld (40) gezielt bewegt wird, wobei der Lichtbogen (42) beim Konditionieren über ein einstellbares magnetisches Längsfeld (60) gezielt diffuser gemacht wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogen ein Lichtbogen mit einer Stromstärke I im Bereich von 2 kA ≤ I ≤ 100 kA ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass das veränderbare magnetische Querfeld (40) ein rotierendes magnetisches Querfeld (40) ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass das rotierende magnetisches Querfeld (40) ein zweiphasiges oder dreiphasiges magnetisches Drehfeld ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Querfeld (40) und/oder das magnetische Längsfeld (60) mittels einer Spulenanordnung mit mindestens einer Spule (36, 38, 56, 58) generiert wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Querfeld (40) und/oder das magnetische Längsfeld (60) mittels einer Permanentmagnetanordnung mit mindestens einem Permanentmagneten generiert wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Stromfluss bei geschlossenen Kontaktstücken (12, 14) einsetzt und sich der Lichtbogen erst nach dem Öffnen der Kontaktstücke etabliert.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Kontaktstücke (12, 14) als Kontaktscheibe ausgebildet ist.
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