DD227805A1

DD227805A1 - Verfahren und anordnung zur beurteilung der funktionsfaehigkeit von schaltkammern

Info

Publication number: DD227805A1
Application number: DD26506184A
Authority: DD
Inventors: Alexander Lebek; Frank Mueller; Dankwart Obst; Eckehard Gebauer; Helmut Schneider
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1984-07-09
Filing date: 1984-07-09
Publication date: 1985-09-25
Also published as: DD227805B1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Pruefung von Schaltkammern unter Vakuum und Loeschgas. Ziel der Erfindung ist es, die Beurteilung der Funktionsfaehigkeit von Schaltkontakten zu vereinfachen und sicherer bezueglich der Messaussage zu machen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schaltvorgang kurzzeitig so nachzubilden, dass seine Wirkungen denjenigen bei einem Schaltvorgang unter normalen Betriebsbedingungen vergleichbar sind ohne dass der Schalter waehrend der Pruefung beschaedigt wird. Erfindungsgemaess wird das dadurch erreicht, dass dem lastfreien Schalter waehrend des mechanischen Oeffnens oder Schliessens bzw. bei einem definierten Abstand der Kontakte eine, fuer eine Entladung ausreichende, Leistung ueber eine begrenzte Zeit zugefuehrt wird und der zeitliche Verlauf der Entladung zwischen den Schaltstuecken im Vergleich zu einem idealen Abschaltvorgang zur Beurteilung herangezogen wird. Die Erfindung ist bei der Qualitaetskontrolle von Schaltern beim Produzenten und Anwender anwendbar. Fig. 1

Description

Verfahren und Anordnung zur Beurteilung der Punktionsfähigkeit -von Schaltkammern

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Beurteilung der Funktionsfähigkeit von Scnaltkammern ,unter Vakuum „und Löschgas. Die Beurteilung dieser Punktionsfähigkeit ist von Bedeutung für die Qualitätskontrolle von Vakuums ehalt em beim Produzenten, zur Prüfung der Aufrechterhaltung dieser !Punktionsfähigkeit nach Lagerung, Transport und Wechsel der Umgebungsbedingungen sowie zur Kontrolle der Betriebssicherheit im eingebauten Zustand beim Anwender.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekannt sind Betriebskontrollen bei Schaltkontakten unter Vakuum durch Vakuummessung im evakuierten Teil der Schalter· In der Regel wird bei diesen Messungen die Druckabhängigkeit von Ionisationsvorgängen ausgenutzt. Es gibt auch Methoden, bei denen aus der Messung der Lichtbogendauer oder der Temperaturerhöhung während bzw. nach dein AbschaltVorgang auf den Druck in der Sehaltkammer geschlossen wird« Diese Verfahren sind dadurch charakterisiert, daß sie entweder solche Parameter messen, die das Einbringen geeigneter Meßsonden in die Vakuumkammer selbst notwendig machen, oder daß sie die Auswirkungen des Schalt·

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Vorganges unter Betriebsbedingungen erfassen. Sie sind mit dem Nachteil behaftet, der mit dem zusätzlichen Konstruktions-, Platz- und 3?ertigungsaufwand für die Meßsonden sowie mit deren Wartung, Betriebssicherheit und Lebensdauer verbunden ist· Urnen haftet weiter der Uachteil an, daß die mit ihnen möglichen Messungen zur Beurteilung der · Funktionsfähigkeit der Schalter unter normalen Betriebsbedingungen durchgeführt werden müssen, und/oder daß das von ihnen gelieferte Kriterium für die Qualität des Schaltvorganges sich nur auf einen von mehreren für diese Qualität maßgebenden Parameter! den Druck, bezieht. Bin weiterer Uachteil dieser Verfahren besteht in der Möglichkeit, daß diese Messungen zu einem Zeitpunkt vollzogen werden, zu dem infolge bereits eingetretenen Schaden eine Zerstörung oder schwere Beschädigung der Schalter infolge fehlerhafter Punktion eintreten kann, womit in vielen Fällen auch eine Beschädigung nachgeschalteter Verbraucher verbunden ist. Außerdem können in solchen Pällen bereits für die Zuverlässigkeit der Meßsonden schädliche Einflüsse aus der Betätigung der Schalter in der Zeit des Überganges von der fehlerfreien zur fehlerhaften Sehaltfunktion aufgetreten sein. Die 3?olge davon ist, daß die Prüfung der Schalter gerade in den kritischen Phasen mit einer erhöhten Unsicherheit bezüglich der Meßaussage behaftet ist. Bei den angeführten Meßverfahren ist außerdem immer die Durchführung der Messungen von der Lebensdauer der eingebauten Meßsonden und damit zumindest teilweise die Sinsatzfähigkeit der Schalter mittelbar mit dieser Lebensdauer verbunden.

Alle Verfahren haben den Hachteil, daß sich das von ihnen gelieferte Kriterium für die Qualität des Schaltvorganges nur auf einen von mehreren für diese Qualität maßgeblichen Parameter, den Druck bezieht.

Weiterhin ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Prüfen elektrischer Schaltstücke gekapselter Geräte bekannt. Hierbei wird der Widerstandswert zwischen den äußeren Anschlüssen im Schließzustand der Schaltstücke gemessen.

Der Meßwert wird mit einem vorbestimmten Bezugswert verglichen.

Der Nachteil besteht darin, daß der Schalter komplizierter im Aufbau wird, weil ein Impedanz-Kontaktglied aus einem Widerstand und Widerstandsschaltstücken erforderlich sind, wobei dieses Impedanz-Kontaktglied parallel zum Leistungsschalterabschnitt liegt.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die Beurteilung der Funktionsfähigkeit von Schaltkontakten unter Vakuum zu bzw. Löschgas zu vereinfachen und sicherer bezüglich der Meßaussage zu machen.

•Darlegung des -Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die 'Aufgäbe zugrunde, einen Schaltvorgang kurzzeitig so. nachzubilden, daß seine .Wirkungen denjenigen bei einem Schaltvorgang unter normalen Betriebsbedingungen vergleichbar sind und dabei die Bedingungen der Fachbildung -so zu wählen, daß alle -Einflüsse des Uachbildungsvorganges zeitlich und energetisch so begrenzt sind, daß nachteilige Folgen auf den Schalter, die nachgeschalteten Einrichtungen und die Meßanordnung nicht eintreten können.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß dem lastfreien Schalter während des mechanischen Öffnens oder Schließens bzw. bei einem definierten Abstand der Kontakte eine, für eine Entladung ausreichende, Leistung über,eine begrenzte Zeit zugeführt wird und der seitliche Verlauf de: Entladung zwischen den Sehaltstücken im Vergleich zu einem idealen AbschältVorgang zur Beurteilung herangezogen wird. Dafür ist es zv/eckmäßig, zur Durchführung der Prüfung die Ionisierung im Innenraum des Schalters zu erhöhen. Die zur Entladung benötigte Leistung kann aus einem Speicher entnommen werden, wobei die freigesetzte Energiemenge unter-

halb der Energiemenge liegt, durch die eine Zerstörung oder eine den weiteren Einsatz des Schalters verhindernde oder einschränkende nachteilige Veränderung der Schaltstücke oder anderer Teile des Schalters eintreten kann« Eine Anordnung zur Beurteilung der Punktionsfähigkeit von Schaltkammern ist derart ausgestaltet, daß der Schalter mit einem in bezug auf die Belastbarkeit des Schalters dimensionierten Energiespeicher und mit einer Einrichtung zur Messung, Speicherung, Angabe und Auswertung des Strom- und Spannungsverlaufes zusammengeschaltet ist.

Als Energiespeicher kann z. B. eine Induktivität angeordnet sein, die in Reihe mit einem Arbeitswiderstand liegt, an dem eine Auswerteeinheit angeschlossen ist, der als Registriereinrichtung ein Schreiber oder Sichtgerät nachgeordnet ist.

Sine weitere Ausgestaltung der Anordnung sieht vor, daß am Schalter eine Vorrichtung zur Einstellung eines beliebigen Abstandes zwischen den Schaltstücken angeordnet ist und eine gesonderte Hochspannungsquelle mit einer auf einen isolierten Abschnitt des Schalters angebrachten Sonde zur Einbringung eines elektrischen Feldes in den Innenraum des Schalters vorgesehen ist. Bei dieser Ausführung wird der Meßvorgang durch Verringerung des Abstandes der Kontaktstücke eingeleitet.

Die Erfindung bietet den Vorteü, daß die Einflüsse der verschiedenartigen, beim Schaltvorgang die Ionisierung im Innern der Sehaltkammer bestimmenden Parameter summarisch als eine Meßgröße erfaßt werden, wobei die dazu eingesetzten technischen Hilfsmittel keine Veränderungen konstruktiver Art, insbesondere keine zusätzlichen Einbauten im Innenraum des Schalters erfordern. Y/eiterhin können die bei den Meßvorgängen am oder im Schalter ablaufenden Vorgänge, unabhängig von dem zu diesem Zeitpunkt bestehenden Zustand der Punktionsfähigkeit des Meßobjektes, keine nachteiligen Einwirkungen auf den Schalter, auf Teile des-

selben, auf mit dem Schalter verbundenen Einrichtungen oder auf die Meßanordnung selbst haben«

Ausgangspunkt für die erfindungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe ist der Umstand, daß die Stärke und der zeitliche Verlauf des Stromes bzw· der Spannung zwischen den auseinandergehenden Schaltstücken als Kriterium für die Beurteilung der Funktionsfähigkeit eines Schalters genutzt werden können. Diese Größen sind von einer Anzahl von Paktoren abhängig, die über Veränderungen an der Form und der materiellen Zusammensetzung der Schaltstückoberfläche die Ionisierung bzw. die Erzeugung freier Ladungsträger in der Schaltkammer verändern. Der Einfluß dieser Größen steigt vornehmlich mit den Schaltzahlen an. Außerdem verschieben sich die Anteile dieser Einflußgrößen mit der Zeit untereinander* Der Strom ist in seiner Größe und seinem zeitlichen Verlauf abhängig.von .der Spannung und der Ladungsträgerdichte zwischen den Schaltstücken und damit mittelbar 'auch vom Druck in der Schaltkammer. Die Ladungsträger erzeugen in Abhängigkeit von der ihnen durch die anliegende Spannung erteilten Bewegungsenergie infolge von Stoßprozessen mit den Teilchen der Restgasatmosphäre und der Oberfläche der Schaltstücke weitere Ladungsträger, wodurch der Widerstand der Schaltstrecke zwischen den Schaltstücken herabgesetzt wird. Mit dem gleichen Ergebnis für den Y/iderstandswert, aber durch andere Wirkmechanismen, sind die Materialzusammensetzung und die geometrische Beschaffenheit der Schaltstücke beteiligt. Durch 3ie werden die Austrittsarbeit für die Freisetzung von Elektronen aus dem Metall verändert, die entweder durch thermische Energie infolge der Erwärmung der Schaltstücke oder durch die vom Lichtbogen ausgelöste optische Anregung erzeugt werden bzw. durch die Erhöhung der Feldstärke und die damit verbundene Erzeugung von Elektronen durch Feldemission.

Die dargestellten Einflußgrößen verändern ihren spezifischen Beitrag zum Widerstand der Schaltstrecke im Laufe der

Lebensdauer der Schalter und insbesondere mit den Schaltzahlen, Während der Einfluß der Entstehung von Elektronen durch Feldemission bei glatten Schalt stückober f.lach en, also bei noch nicht oder nur wenig geschalteten Schaltern, gering ist gegenüber der durch den Gasdruck bestimmten Ionisierungswahrscheinlichkeit und Ladungsträgerdichte, nimmt der Einfluß der Feldemission mit den Schaltzahlen während des Betriebes der Schalter zu. Es entsteht auf diese Art eine Absenkung des elektrischen ¥/iderstandes zwischen den Schaltstücken auch bei konstant bleibendem Druck in der Schaltkammer·

Der Erfolg und die Zuverlässigkeit der mit dem erfindungsmäßigen Verfahren und der Anordnung vorgeschlagenen Messungen zur Erlangung eines Kriteriums für die Beurteilung· der Punktionsfähigkeit des Schalters werden von der dargestellten Verschiebung des Anteils der Sinflußgrö'ßen auf den Y/iderstand der Schalt strecke nicht beeinflußt. Das bedeutet, daß der vorgeschlagene Lösungsweg mit dem Vorteil verbunden ist, daß ohne Wechsel der Meßmethode oder der Instrumentation und unabhängig vom Alter des Schalters oder von den Sehalterzähl en der Meßzweck erreicht werden kann«

Das erfindungsgemäße Verfahren kann so realisiert werden, daß als Maß für die Punktionstüchtigkeit ein Zeitfenster definiert wird^dem der Widerstandswert der Bntladungsstrecke im Verlauf der Entladung zwischen den Schaltstükken wieder den Wert unendlich angenommen haben muß.

Es ist aber auch möglich, daß die durch die unterschiedliche Zeitdauer der Entladung hervorgerufenen Wirkungen, z. B. die unterschiedliche Aufladung eines Kondensators, als Maß für die Punktionstüchtigkeit benutzt werden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll in Ausführungsbeispie.len anhand von Zeichnungen näher erläutert werden*

7 Sa zeigen:

Pig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Variante

Pig. 2 eine zweite Variante

Pig. 3 die ideale Abschältfunktion

Pig. 4 "und

Pig. 5 reale Verläufe der Abschaltfunktion

In einem ITiederspannungsgleichstromkreis 1 befindet sich ein Vakuumschalter 2 in Reihe mit einer Induktivität 3 und einem Arbeitswiderstand 4· An dem Arbeitswiderstand 4 ist eine Auswerteeinheit 5 angeschlossen und dieser ist ein Schreiber bzw. Sichtgerät 6 nachgeordnet,

Bei dieser Anordnung wird der ffiederspannungsgleichstrom-"kreis 1 mit dem zu untersuchenden Vakuumschalter 2 'geöffnet. Die in der Induktivität 3 entstehende Induktionsspannung im Abschaltmoment,

^ü - - ^L -ar- '

führt im Zeitpunkt der !Trennung der Schalt stücke des Va<kuumschalters zu einem Strom, der mit der Auseinanderbewegung der Schaltstücke und in Abhängigkeit vom Widerstand der Schaltstrecke und dem Snergievorrat der als Speicher dienenden Induktivität 3 abklingt. Die zeitlich veränderte Stromstärke wird als. Spannungsabfall über den Arbeit swider st and 4 gemessen, in der Auswerteeinheit 5 gespeichert und mit Hilfe des Schreibers bzw. Sichtgerätes aufgezeichnet.

Aus dem Kurvenverlauf lassen sich Kriterien für die Beurteilung der Punktionsfähigkeit des Schalters ableiten. Die in Pig. 3 dargestellte Abschaltfunktion wäre das Ergebnis einer mit dem mechanischen Schaltvorgang ausgelösten Änderung des elektrischen Y/iderstandes zwischen den Schalt-

8 stücken im Idealfalle von

R(t) ^ O für alle t £ t_Q

nach.

oo für alle t ^ t_Q T - t₀» 0

Sie entspricht der geringsten Belastung der Schalt strecke und damit der höchsten Betriebszuverlässigkeit des Schal-

Dort bedeuten:

U = Spannungsabfall über Arbeitswiderstand 4 t β Zeitpunkt des Beginns des Abschaltvorganges t_D= Zeitpunkt der median· Beendigung des AbschaltVorganges (max. Abstand der Sehaltstücke = D)

T = Zeitpunkt der Beendigung des elektrischen Abschaltvorganges

At = Zeitdauer des mechanischen AbschaltVorganges

Die Pig. 4 und 5 stellen reale, mit der beschriebenen Anordnung zu erfassende Kurvenverläufe dar. Die Pig. 4 und unterscheiden sich durch den Wert T >t von der Pig. 3· Mit dem Zeitpunkt P wird ein von den Daten des Schaltertyps, seinen Einsatzbedingungen und dem Snergieinhalt des Speichers abhängiges Zeitfenster definiert, innerhalb dessen der Zeitpunkt 2, für den der Widerstandswert der Strekke wieder den Wert R^ -^z. erreicht hat, liegen muß. In Abhängigkeit, von den Betriebsbedingungen kann der ¥ert P vor oder hinter dem Wert t^ liegen, Wenn der Wert P für einen gegebenen Schaltertyp und gegebene Einsatzbedingungen richtig bestimmt ist, dann muß der Wert von T für Schalter mit fehlerfreier vor und für fehlerbehaftete Schaltfunktion hinter dem Wert P liegen. Pur ein geeignetes Zeitintervall, dessen Begrenzung den Wert P einschließt, liegt ein Übergangsbereich von der fehlerfreien zur fehlerhaften

Schaltung yor. In entsprechender Weise lassen sich an die Stelle der Meßpunkte in den 5¹Ig. 3, 4 und 5 bei verändertem Meßaufbau andere Meßpunkte und Kriterien definieren, die auf der Basis des gleichen erfindungsgemäß en Verfahrens andere Parameter für die Beurteilung der Punktionsfähigkeit des Schalters ausnutzen, wie z. B. die unterschiedliche Spannung eines Kondensators, der durch einen Strom, wie in Pig. 3, 4 oder 5 dargestellt, in unterschiedlicher Weise aufgeladen wird.

Eine andere Ausführungsform zeigt Pig. 2. Sie hat einen Speicher 7, mit dem das feste Schaltstück 8 und das über einen Pederbalg 9 bewegliche Schaltstück 10 des zu prüfenden Vakuumschalter s elektrisch verbunden sind.

Die Schaltstücke befinden sich in der evakuierten Vakuumkammer, die aus elektrisch-leitenden Teilen 11 und aus dem aus isolierenden Material bestehenden Hing 12 zusammengesetzt ist. Zur Prüfung wird an das bewegliche Schaltstück eine Platte 13 angesetzt, die mittels Schrauben 14 gestattet, das feste und das bewegliche Schaltstück 8, 10 um den kleinen Abstand d voneinander zu entfernen.

Zur Beurteilung der Punktionsfähigkeit des Schalters wird der Speicher 7 mit einer den konstruktiven Daten des Schalters und dem Abstand d angepaßten Prüf spannung U .. ~ an die Schaltstücke 8, 10 angeschlossen

Durch das mit einer Hochspannungsquelle 15 und einer Spitze

16 als Sonde über den isolierenden Hing 12 in den Innenraum

17 eingebrachte Wechselfeld, wird die Ionisierung im Innern des Vakuumschalters erhöht, wodurch der Widerstand der Schaltstrecke mit der Länge des Abstandes d zwischen den Schaltstücken 8 und 10 verringert wird.

Der Abstand d wird mittels der Schrauben 14 solange verringert, bis sich der Speicher 7 infolge der weiteren Herabsetzung des Widerstandes zwischen den Schaltstücken 8, 10 durch einen elektrischen Durchschlag entlädt. Aus den Werten U und d läßt sich der Betriebszustand und damit die Betriebssicherheit des Schalters beurteilen.

Claims

10 Erfindungsanspruch

1. Verfahren zur Beurteilung der Punktionsfähigkeit von

Sehaltkammern unter Vakuum bzw. Löschgas, gekennzeichnet dadurch, daß dem lastfreien Schalter während des mechanischen Öffnens oder Schließ ens bzw· bei einem definierten Abstand der Kontakte eine, für eine Entladung ausreichende, Leistung über eine begrenzte Zeit zugeführt wird und der zeitliche Verlauf der Entladung zwischen den Schaltstücken im Vergleich zu einem idealen Abschaltvorgang zur Beurteilung herangezogen wird.

2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die zur Entladung benötigte Leistung aus einem Speicher entnommen wird, wobei die freigesetzte Energiemenge unterhalb der~ Energiemenge liegt, durch die eine Zerstörung oder eine den weiteren Einsatz des Schalters verhindernde oder einschränkende nachteilige Veränderung der Schalt stücke oder anderer Teile des Schalters eintreten kann.

3. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Ionisierung im Innenraum des Schalters erhöht wird.

4. Verfahren nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß als Maß für die Punktionsfähigkeit ein Zeitfenster definiert wird, innerhalb dem der Widerstandswert der Entladungsstrecke im Verlauf der Entladung zwischen den Schaltstücken wieder der Wert unendlich angenommen haben muß.

5. Verfahren nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die durch die unterschiedliche Zeitdauer der Entladung hervorgerufenen Wirkungen, z. B* die unterschiedliche Aufladung eines Kondensators, als Maß für die Punktionsfähigkeit benutzt wird.

6. Anordnung zur Beurteilung der Funktionsfähigkeit von

S cn altkammern unter Vakuum bzw· Löschgas, gekennzeichnet dadurch, daß der Schalter mit einem in bezug auf die Belastbarkeit des Schalters dimensionierten Energiespeicher und. mit einer Einrichtung zur Messung,
Speicherung, Angabe und Auswertung des Strom- und Spannungsverlaufes zusammengeschaltet ist.

7. Anordnung nach Punkt 6, gekennzeichnet dadurch, daß als Energiespeicher eine Induktivität (3) angeordnet ist, die in Reihe mit einem Arbeitswiderstand (4)
liegt, an dem eine Auswerteeinheit (5) angeschlossen ist, der als Registriereinrichtung ein Schreiber oder Sichtgerät (β) nachgeordnet ist.

8. Anordnung nach Punkt 6 und 7, gekennzeichnet dadurch, daß am Schalter eine Vorrichtung (13, H) zur Einstellung eines beliebigen Abstandes (d) zwischen den

Sehaltstücken (8, 10) angeordnet ist und eine gesonderte Hochspannungsquelle (15) mit einer auf einen
isolierten Abschnitt (12) des Schalters angebrachten Sonde (16) zur Einbringung eines elektrischen Peldes in den Innenraum des Schalters vorgesehen ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen