WO2001018834A1 - Vorrichtung zur innendruckmessung, spannungskonditionierung und stromkonditionierung von vakuumschaltröhren und verfahren hierfür - Google Patents

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.