"Schalten im Nichts - Flexibel einsetzbare Vakuumschaltkammern für die Mittelspannung." - статья из официального сайта ABB., 2003. - http://www.ABB.de.

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	Schalten im Nichts
	11.07.2003 - Flexibel einsetzbare Vakuumschaltkammern für die Mittelspannung

       Die Stromunterbrechung im Vakuum ist in der Mittelspannung ein ideales Schaltprinzip. Hervorragende Schalteigenschaften, hohe Zuverlässigkeit und kompakte Abmessungen führen zu besonders wirtschaftlichen und flexibel einsetzbaren Schaltgeräten. ABB bietet ein umfassendes Programm an Vakuumschaltkammern für Schütze, Lastschalter und Leistungsschalter.

       Vakuumschaltkammern werden im Mittelspannungsbereich seit über 20 Jahren verstärkt eingesetzt: Sie sind besonders zuverlässig, wartungsfrei und schaltsicher. Der große Vorteil der Vakuumtechnik liegt u. a. in der hervorragenden inneren Spannungsfestigkeit im Vakuum, das keinerlei Kontrolle bedarf. Im Gegensatz zu den Schaltlichtbögen, die in Luft, Öl- oder SF6-isolierten Schaltstrecken auftreten, ist beim Zünden einer Entladung im Vakuum zunächst kein ionisierbares Umgebungsmedium vorhanden. Zu einer selbstständigen thermischen Gasentladung, dem Lichtbogen, kann es nicht kommen. Werden stromdurchflossene Kontaktstücke im Vakuum geöffnet, entsteht ein Metalldampfbogen. Dieser Vakuumbogen erzeugt die für den Stromtransport durch das Vakuum notwendigen Ladungsträger selbst durch Verdampfen des eigenen Elektrodenmaterials.

       Er brennt in der Regel bis zum ersten Strom-Nullwerden des Wechselstroms nach Öffnung der Kontaktstücke. Anschließend ist der Stromfluss unterbrochen. Um die Vorteile des Vakuum-Löschprinzips zu nutzen, begann ABB bereits Anfang der 80er Jahre mit einem intensiven Entwicklungsprogramm.

       Ziel der Forschungsarbeit war das Design und die Weiterentwicklung der Funktionalität von Vakuumschaltkammern sowie kompletten Vakuumschaltern. Daraus ist ein Sortiment von Schaltkammern entstanden, das für Schütze und Lastschalter als auch für Leistungsschalter bis zu Kurzschlussausschalt-Stromstärken von 63 kA eingesetzt werden kann.

       Einzelteilfertigung

       Am Beginn des Herstellungsprozesses steht ein anspruchsvolles Prüf- und Qualitätssicherungsverfahren, um die vorschriftsmäßige Güte der verwendeten Rohmaterialien sicherzustellen. Geprüft wird dabei unter anderem die hochreine Zusammensetzung und geringe Gasfreisetzung im späteren Betrieb.

       Erst dann beginnt die Fertigung der einzelnen Bauteile. In der nachfolgenden Oberflächenbehandlung werden sämtliche Einzelteile mit modernsten Methoden gereinigt. Der Transport zwischen den verschiedenen Reinigungsbädern erfolgt vollautomatisch durch spezielle Wagen.

       Über die unterschiedlichen Reinigungs- und Beizstationen gelangen die Bauteile schließlich in einen Reinraum der Klasse 1.000. Herzstück der Vakuumschaltkammern sind die Kontaktstücke. Sie bestehen aus einem Kupfer-Chrom-Verbundwerkstoff und erhalten ihre spezielle Geometrie in einer separaten Trockenbearbeitung. Die Kontaktstücke werden von prozessgesteuerten Bearbeitungsrobotern auf Abruf gefertigt und ebenfalls dem Reinraum zugeführt.

       Wie das Vakuum in die Kammer kommt

       Sind alle Einzelteile einer Fertigungscharge im Reinraum angelangt, erfolgt dort in staubfreier Atmosphäre der Zusammenbau der Schaltkammer. Zunächst wird zwischen den Bauteilen Lötmaterial entweder als Draht oder Folie platziert. Die so vormontierten Komponenten werden in hoher Stückzahl in einem Ultrahochvakuum-Lötofen weiter verarbeitet.

       Im Ofen werden die Chargen in einem speziellen Vakuum-Temperatur-Prozess bis auf über 800 °C erhitzt, die Bauteile über die flüssige Lötphase verbunden und im Kessel des Vakuumofens direkt verschlossen. Diese Lötverschließtechnik bietet den Vorteil eines Endvakuums mit äußerst niedrigem Restgasdruck.

       Konditionierung sowie Bestimmung von Druck und Leckrate

       Der Oberflächenzustand der Kontaktstücke hat wesentlichen Einfluss auf die spätere Spannungsfestigkeit der Vakuumschaltkammer. Deshalb führt ABB im Fertigungsprozess grundsätzlich eine Hochspannungskonditionierung der Elektroden durch. Die Wirkung der Konditionierung beruht auf dem physikalischen Zusammenhang, dass an der Stelle mit der geringsten Spannungsfestigkeit lokal eine elektrische Entladung einsetzt, die das verursachende Emissionszentrum durch Verdampfen beseitigt. Im Anschluss erhöht sich die Spannungsbelastbarkeit.

       Entscheidende Qualitätsfaktoren für die Lebensdauer einer Vakuumschaltkammer sind der Absolutwert des Kammerinnendrucks sowie die globale Leckrate.
       Zur Beurteilung dieser Werte wird jede Schaltkammer direkt nach der Herstellung einer Druckmessung nach dem Magnetron-Messverfahren unterzogen. Dabei benutzt man die Kammer mit ihrer speziellen Geometrie selbst als Druckmessröhre. Anschließend werden die fertigen Vakuumschaltkammern zwischengelagert und nach einer festgesetzten Quarantänezeit einer zweiten Druckmessung unterzogen.

       Auf dieses Weise kann die Leckrate der Kammern ermittelt werden. Eine Vakuumschaltkammer wird nur dann zur Auslieferung freigegeben, wenn der Absolutwert sowie der zeitliche Verlauf des Druckes streng definierten Qualitätskriterien gerecht werden.

       Qualitätskontrolle integraler Bestandteil der Produktion

       Bei derart komplexen Fertigungsprozessen muss die Qualitätskontrolle integraler Bestandteil des Fertigungsablaufs sein. Sämtliche Schritte bis zur Fertigstellung einer Vakuumschaltkammer sind deshalb durch Speicherung aller relevanten Daten vollständig nachvollziehbar. Dies gilt selbstverständlich auch für Komponenten von Zulieferern, die in den Kammern verbaut werden.

       Die hohe Qualität der Serienfertigung wird außerdem durch Einsatz eines hochmodernen Prozess-Managements auf Basis von IndustrialIT gewährleistet. Das Ergebnis ist eine Vakuumschaltkammer-Familie in kompakter und robuster Bauweise für vielfältige Anwendungen. Die Kammern sind besonders zuverlässig und bieten eine hohe elektrische Lebensdauer ohne Wartungsaufwand.

        Was ist eigentlich ein Vakuum?

       Ein Vakuum ist ein luftleerer Raum – das sprichwörtliche Nichts! Wissenschaftlich gesehen bezeichnet der Begriff den Zustand eines Gases, dessen Druck geringer ist als der Atmosphärendruck. Oder anders gesagt: Die Teilchendichte des Gases ist geringer als die der Atmosphäre an der Erdoberfläche. Gase bestehen aus sehr vielen kleinen Teilchen, den Molekülen und Atomen, die unabhängig voneinander ständig in Bewegung sind.

       Die mittlere Geschwindigkeit der Teilchen hängt von ihrer Masse und von der Temperatur des Gases ab. Der Druck wird definiert durch die Stoßhäufigkeit, mit der die Gasteilchen aufeinander oder an die Wand des umschließenden Gefäßes treffen. In einer Vakuumschaltkammer liegt dieser Druck bei ca. 10-7…10-8 mbar. Das ist der 10 ... 100milliardste Teil unserer Normalatmosphäre und entspricht dem Luftdruck in etwa 500 km Höhe.