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Vorwort Das vorliegende Buch ist bisher die einzige Monografie über Vakuumschalter in deutscher Sprache. Es sind folgende in den USA bzw. in England verlegte Monografien in englischer Sprache bekannt, die von international bekannten und anerkannten Fachleuten geschrieben oder herausgegeben wurden: •Lafferty, J. M. (Editor): Vacuum Arcs, Theory and Application. John Wiley and Sons, New York, 1980. •Greenwood, A.: Vacuum Switchgear. IEE Power Series 18. IEE London/UK, 1994. •Boxman, R. L. et al. ...
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VDE VERLAG Zum Autor Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. Hans Joachim Lippmann, Jahrgang 1930, studierte Physik und Geophysik an der Georgia-Augusta-Universität in Göttingen. Seine Berufstätigkeit begann er in einem Entwicklungslabor der Siemens AG in Nürnberg. Dort beschäftigte er sich mit den Anwendungen des Hall-Effekts an III-V-Halbleitern. Dies war auch das Thema eines Buchs gemeinsam mit F. Kuhrt, das 1968 erschien. Von 1967 bis 1972 leitete er ein Laboratorium für neue, physikalische Fertigungsv... [weiter lesen] |
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Inhalt
Zu diesem Buch. 5
Vorwort. 7
Einleitung. 13
1 Wirkungsweise des Vakuumschalters. 17
2 Einige physikalische Grundlagen. 23
2.1 Grenzen der Vakuumisolation. 23
2.2 Begriffe aus der Plasmaphysik. 27
3 Vakuumbogen bei kleinen Strömen. 31
3.1 Katodenflecke. 31
3.1.1 Experimentelle Ergebnisse zum Katodenfleck. 33
3.1.2 Laser-Absorptionsfotografie. 35
3.1.3 Verhalten der Metallionen. 37
3.1.4 Bewegung der Katodenflecke. 39
3.2 Physikalische Modelle für den Katodenfleck. 40
3.2.1 Katodenfleckmodell nach Ecker. 40
3.2.1.1 Theoretische Ansätze. 42
3.2.1.2 Strom-Spannung-Kennlinie des Katodenflecks. 44
3.2.1.3 Näherungsformel für die Strom-Spannung-Kennlinie. 44
3.2.1.4 Einfluss einer Parallelkapazität. 45
3.2.2 Dynamische Katodenfleckbildung durch explosionsartigen Emissionsprozess (Explos...
3.3 Modelle der Plasma-Ausbreitung. 51
3.3.1 Modell nach Wieckert. 51
3.3.2 Modell von Hantschke. 52
3.4 Diffuser Vakuumbogen. 52
3.4.1 Brennspannung. 55
4 Vakuumbogen bei großen Strömen. 57
4.1 Kontrahierter Vakuumbogen. 58
4.1.1 Modelle der Kontraktion. 61
4.1.2 Modell mit Pinch-Effekt. 62
4.1.3 Modell von Boxman. 63
4.1.4 Modell von Wieckert und Egli. 67
4.1.5 Modell von Schellekens und Schram. 68
4.2 Radialmagnetfeld-Kontakt. 69
4.2.1 Spiralkontakt. 75
4.3 Einfluss axialer Magnetfelder auf den Vakuumbogen. 77
4.3.1 Experimentelle Ergebnisse. 78
4.3.2 Yanabu-Modell. 80
4.3.3 Erweitertes Boxman-Modell. 81
4.4 Kontaktformen mit axialem Magnetfeld. 82
4.4.1 Spulenkontakt. 82
4.4.2 Axialmagnetfeld-Kontakt (AMF-Kontakt).83
4.4.3 Hufeisen-Kontakt. 86
5 Vorgänge nach dem Löschen des Vakuumbogens. 89
5.1 Wiederverfestigung der Schaltstrecke. 89
5.1.1 Direkte Messung der Wiederverfestigungsspannung. 89
5.1.2 Messung der Wiederverfestigung durch laserinduzierte Fluoreszenz. 90
5.2 Potentialmessungen am Dampfschirm. 93
5.3 Spätentladungen. 96
6 Kontaktwerkstoffe. 99
6.1 Kontaktwerkstoffe für Vakuumschütze. 101
6.1.1 Herstellung von Wolfram-Kupfer. 104
6.2 Kontaktwerkstoffe für Leistungsschalter. 105
6.2.1 Herstellung von Chrom-Kupfer. 108
6.3 Abreißstrom. 109
6.3.1 Messung des Abreißstroms. 110
6.3.1.1 Messergebnisse. 112
6.3.1.2 Verbundwerkstoffe. 113
7 Aufbau und Technologie der Vakuumschaltröhren. 115
7.1 Bauformen. 115
7.2 Verwendete Werkstoffe. 117
7.3 Schützröhren. 119
7.4 Leistungsröhren. 122
7.4.1 Dimensionierungsfragen. 123
8 Herstellung von Vakuumschaltröhren und Qualitätssicherung. 129
8.1 Fertigungsablauf. 129
8.2 Innendruckmessung. 134
8.3 Restgasverhalten. 137
9 Konstruktiver Aufbau und Eigenschaften der Vakuumschalter. 141
9.1 Vakuumschütze. 141
9.2 Vakuum-Leistungsschalter. 146
9.2.1 Extreme Betriebsbedingungen. 152
9.2.2 Isoliervermögen. 152
9.3 SF 6-isolierte Schaltanlagen. 152
9.4 Einpolige Vakuumschalter. 153
9.4.1 Bahnschalter. 153
9.4.2 Schalter für Gleichstrom. 155
10 Schaltfälle. 157
10.1 Schalten kapazitiver Ströme. 157
10.2 Schalten kleiner induktiver Ströme. 158
10.3 Sonderfall multiple Wiederzündungen. 161
10.4 Schalten von Kurzschlussströmen. 165
11 Vergleich mit anderen Schaltprinzipien. 167
11.1 Zur Marktentwicklung bei Schaltgeräten. 167
11.2 Vorteile des Vakuumschalters. 170
12 Ausblick. 175
Literatur. 177
Sachverzeichnis. 187
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Sachverzeichnis
A
Abbrand 58, 101, 106, 119, 151, 175
Abbrandfestigkeit 105
Abbrandverhalten 144
Abreißstrom 47, 55, 101, 105, 106, 109, 113, 119, 158, 160
Abreißstromverteilung 111
Abschaltleistung 125
Abschaltverhalten 125
Abschirmschicht 28, 41
Ag-Cu-Eutektikum-Lot 119, 131
aggressive Atmosphäre 146
AgWC 56, 79
aluminothermisches Verfahren 108
AMF-Kontakt 83, 87, 94
Anode 27, 36, 57, 81
Anodenfleck 53, 55, 58, 60, 63, 66, 67, 100
Anoden-Fußpunkt 57, 58, 59
Anodenjet 74, 75
Antrieb 18, 22, 104, 119, 122
Antriebskasten 18, 141, 146, 147
asymmetrische Bauform 117
asymmetrischer Aufbau 120
Ausheizen 115, 129
Ausheizvorgang 132
Ausschaltstrom 141
Ausschaltvermögen 99
Austrittsarbeit 77, 109
axiales Magnetfeld 77, 78, 79, 80, 81, 82, 85, 86, 87, 175
Axialmagnetfeld-Kontakt 83, 85, 124, 156
azimutales Eigenfeld 39
Azimutalkomponente 69, 71
B
Bahnschalter 153
Bergbaugeräte 144
Bi 100, 106, 109
Biot-Savart'sches Gesetz 71
Bogen 85
Bogenstrom 33
Bogenzustandsdiagramm 73
Bohm'sches Schicht-Kriterium 29
Boltzmann-Verteilung 27, 28
Brennspannung 18, 33, 55, 58, 61, 73, 78, 79, 86, 87, 126, 171, 175
C
CCD-Kamera 35
CH-freies Vakuum 132
Chopping 106
Chrom 101
Chrom-Kupfer 15, 108, 119
Chrom-Nickel-Stahl 18, 122
Cranberg-Gesetz 124
CrCu 21, 33, 56, 58, 78, 79, 80, 85, 89, 91, 96, 101, 105, 113, 124, 127, 129, 143, 1...
CrNi-Stahl 119
CuBi 80, 112
CuCr 77
current chopping 33
CuTe 112
D
Dampf 96
Dampfdichte 61, 67, 91
Dampfdruck 43, 51, 100, 106, 109
Dampfschirm 18, 78, 93, 94, 115, 116, 117, 120, 121, 123, 124, 125, 137
Debeye-Länge 28, 40, 53, 54, 63
diffus 37, 53, 54, 55, 61, 63, 74, 77, 80, 85, 89, 120, 158
diffuser Vakuumbogen 33, 94
Drehstrommotor 141, 146
Druck 20
Durchschlagspannung 21, 23, 26, 89
E
EEE-Modell 32, 37
Eigenmagnetfeld 62, 63, 75, 77, 82, 125
Ein- und Ausschaltfeder 18
Einblicktubus 71
Elektronendichte 32, 35, 53, 54, 61, 63
Elektronen-Ionen-Stoß 53
Elektronentemperatur 27, 35, 37, 44, 53, 54, 63, 65
Entgasung 105, 118, 129
Entladung 35
Erosion 70, 101, 104
Erosionsspur 33
Evakuieren 115, 129
Existenzdiagramm 43
explosive Atmosphäre 146
F
Faltenbalg 126
Federbalg 17, 18, 115, 119, 120, 121, 122, 131, 132
Federspeicher 18
Federspeicherantrieb 146, 147, 149, 151
Feldemission 23, 24
Ferminiveau 26
finites Element 71, 83
Fowler 24
Fowler-Nordheim-Diagramm 25
Fowler-Nordheim-Gesetz 25
freie Weglänge 53, 61, 63, 80
frei gesetztes Gas 99
Fremdgasgehalt 101, 104, 119
Fußpunkt 57, 105
G
Gas 108
Gasfreisetzung 137
Gasgehalt 109, 117
Gasgleichung 63
Getteraktivität 100
Getterfähigkeit 99, 104, 105, 137
Getterung 139
Gewichts-ppm 104, 137
Gew.-ppm 117
Glaskeramik 118
Gleichstrom 155
Gleichstromschalter 156
Gleitlager 20, 122
Graphit-Tiegel 105, 108, 118
H
Hall-Feld 82
Hall-Sonde 71
Hall-Spannung 71, 73
Härte 101, 119
Hartlöten 118, 119, 129, 131
Helium-Lecksucher 129, 131, 134
Helium-Lecktest 132
Helmholtz-Spule 78
HLOS-Kupfer 117
Hochspannung 141
Hub 21, 22
Hufeisen-Kontakt 86
Hufeisenkontaktpaar 175
I
induktive Ströme 158
Innendruck 20, 104, 137, 138, 139
Innenwiderstand 21
Ionendichte 27
Ionenschlauch 80
Ionentemperatur 63
Ionisierungspotential 109
Isolation 23
Isolationsfähigkeit 118
Isoliervermögen 152
K
Kapazität 109, 110, 159, 160, 161, 163
kapazitive Ströme 157
Katode 27, 31, 32, 33, 34, 52, 67, 100
Katodenfall 55
Katodenfleck 31, 32, 33, 34, 39, 40, 41, 42, 51, 52, 54, 55, 63, 67, 80, 109, 113, 13...
Katodenjet 74, 75
Kennlinie 45
Keramik 18, 20, 115, 116, 118, 122, 131, 134, 153
Kerbschlagzähigkeit 101
Kernfusion 62, 155
Kontaktflügel 75
kontrahiert 57, 58, 69, 74, 76, 77, 94, 96, 106, 125
Kontraktion 57, 60, 61, 82
Körner 105, 107, 108
Korngröße 108, 113, 118, 131
Kovar 119
Krater 33, 42, 47, 49, 100
Kupfer und Chrom 34, 59, 60
Kurzunterbrechungen 150
kurzunterbrechungsfähige Schalter 151
L
laminar 132
Laser-Absorption 35
laserinduzierte Fluoreszenz 90
Laufring 70
Lebensdauer 22, 32, 121, 126, 144, 145, 146, 149, 155
Lebensdauerprüfung 126
Leckrate 134, 135, 136, 137
Leistungsröhre 122
Leistungsschalter 18, 21, 22, 31, 99, 105, 113, 116, 117, 119, 121, 124, 129, 137, 14...
Lichtbogen 31, 94, 120, 158
Lichtbogenarbeit 22, 126, 171
Lorentz-Glied 64, 68
Lorentz-Kraft 40, 76
Lötfolie 120, 134
M
Magnetantrieb 18, 141, 146
Magnetfeld 64, 69, 70
Magnetfeldlinie 62
magnetischer Druck 65, 66
magnetisches Eigenfeld 71
Magnetron-Prinzip 134
Mangan 112
Maxwell'sche Gleichungen 29, 30, 64, 67, 69
Metalldampfstrahl 67
Metallfederbalg 17, 18, 115, 119, 120, 121, 122, 131, 132
metastabil 90
Mikrofleck 36
Mikrosonde 107
Mittelschaltkammer 116, 122
Mittelspannung 21, 22, 126, 141, 148
Mo 101, 103
Molybdän-Mangan-Silikat-Verfahren 131
Motorantrieb 18, 146, 149
multiple Wiederzündungen 161
N
Nachstrom 93
Neutraldampf 91
Neutralteilchen 58
Neutralteilchendichte 62, 68
Niederspannung 141
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