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Verfahren zur Herstellung druckgasisolierter elektrischer Geräte oder
Vorrichtungen für hohe Spannungen,, insbesondere Meßwandler Die Erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren zur Herstellung und Überwachung des Betriebes von Hochspannungsgeräten
wie Kondensatoren, Prüftransformatoren, Spannungswandlern für Meßzwecke usw., die
mit einem Gas relativ hohen Druckes gefüllt sind. Man hat ja bekanntlich, um die
Spannungsfestigkeit von Transformatoren u.-dgl. heraufzusetzen und um gleichzeitig
die Abmessungen dieser Geräte zu verringern, derartige Anordnungen in ein Gefäß
gesetzt, welches mit Öl als Isolationsflüssigkeit gefüllt ist. Derartige Anordnungen
haben ein hohes Gewicht und benötigen in der Regel ein Ausdehnungsgefäß. Damit weisen
sie den Nachteil auf, daß durch den Einfluß der Luftfeuchtigkeit und durch Verschmutzung
das Isoliermittel verschlechtert werden kann, wodurch die Spannungsfestigkeit deis
Gerätes herabgesetzt wird. Außerdem besteht bei Ölisolation Brand- und Verqualmungsgefahr.
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Um diese Nachteile zu vermeiden, hat man auch schon daran gedacht,
das flüssige Isolationsmittel durch ein gasförmiges zu ersetzen. Man muß hierbei
im Innern des Gefäßes einen relativ hohen Gasdruck anwenden, um zu ebenso kleinen
Abmessungen zu gelangen, wie sie durch die Ölisolation bedingt sind. Hierbei ergibt
sich nun eine weitere Schwierigkeit. Die Durchführungen für die Stromzuleitungen
müssen nicht nur dem hohen Innendruck widerstehen können, sondern sie müssen auch
vollkommen gasdicht sein. Hauptsächlich wegen
dieser Schwierigkeit
haben sich daher druckgasgefüllte Hochspannungsgeräte wie Transformatoren u. dgl.
nicht eingebürgert.
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Nun sind in letzter Zeit, insbesondere auf dem Gebiet der pumpenlosen
Großgleichrichter mit Metallgefäß, absolut vakuumdichte Stromeinführungen bekanntgeworden,
bei denen die vakuum-und gasdichte Verbindung zwischen einem Metallteil und einem
keramischen Isolator erzeugt-wird. Die hierbei angewendeten Verfahren bestehen darin,
daß man zwischen der Keramik und dem Metallteil entweder einen Glas- oder Emailschmelzfluß
oder aber eine Hart- oder Weichlotverbindung herstellt. Von diesen bekannten hochvakuum-
und gasdichten Verbindungen ist insbesondere die Verschmelzung mit Hilfe eines Glas-
oder Emailschmelzflusses von Bedeutung, weil das Glas widerstandsfähig gegen Gase
und Dämpfe jeglicher Art ist, was bei den Hart- oder Weichlotverbindungen nicht
zutrifft. Wenn man also derartige Verschmelzungen zwischen einem Metall- und Keramikteil
mit Hilfe eines Glas- oder Emailschmelzflusses auf die Durchführungen eines Transformators,
Kondensators od. dgl. anwendet, so erhält man auf diese Weise ein den technischen
Anforderungen vollständig genügendes gasdichtes Gefäß, so daß auch nach längerer
Betriebsdauer keine meßbare Abnahme des im Innern herrschenden Gasdruckes festzustellen
ist.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung zur Herstellung derartiger Geräte
besteht nun darin, zunächst das Gefäß auf etwa ioo° C zu erhitzen und auf Hochvakuum
auszupumpen, um alle Spuren von Luft, Wasserdampf u. dgl. zu entfernen und danach
mit dem betreffenden Füllgas hohen Druckes zu füllen und schließlich durch einen
Abschmelzvorgang zu verschließen. Das Gas weist keine Verunreinigungen mehr auf,
und das vollkommen gasdichte Gefäß garantiert die elektrischen Eigenschaften auf
unbegrenzte Zeit.
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Um das fertig hergestellte Gefäß auf. Vakuumdichtigkeit zu prüfen,
ist es vorteilhaft, den Kessel mit einem chemisch aktiven Gas wie z. B. Ammoniak
zu füllen und auf der Außenseite des Gefäßes einen Indikatoranstrich vorzusehen,
z. B. mit Mercuronitrat getränkte Tücher aufzulegen. An den Stellen, an denen eine
wenn auch nur sehr kleine Undichtigkeit vorhanden ist, dringt das Ammoniak durch
und färbt das Indikatortuch - schwarz. Das Ammoniak braucht nur einen geringen Überdruck
aufzuweisen, beispielsweise 1/z atü. Im übrigen ist das Verfahren in den deutschen
Patentschriften 503 073 und 55:1. 038 näher beschrieben.
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Obwohl also die obengeschilderten Einschmelzungen den im Innern herrschenden
Gasdruck von etwa 2o atü über einen beliebig langet Zeitraum aufrechterhalten können,
ist jedoch zu bedenken, daß in den meisten Fällen die Betriebssicherheit des Gerätes
von der genauen Einhaltung des Gasdruckes abhängig ist. Es ist daher auf jeden Fall
erwünscht, von Zeit zu Zeit eine Überwachung des Druckes im Innern des Gerätes vorzunehmen.
Man könnte nun daran denken, die Überwachung des Gasdruckes im Innern des Gerätes
mit Hilfe eines handelsüblichen direkt anzeigenden Zeigergerätes vorzunehmen. Hierbei
besteht jedoch der Nachteil, daß der aktiveTeil dieser Instrumente zum größten Teil
aus Nichteisenmetallen besteht und daher gegen die Einflüsse gewisser Füllgase empfindlich
sein kann. Außerdem muß dann die Verbindung mit dem Eisengefäß mit Hilfe eines Lötflusses
erfolgen, der ebenfalls gegen die Einflüsse des Füllgases nicht immer widerstandsfähig
ist. Als brauchbar haben sich Zeigermanometer in Sonderausführung erwiesen, bei
denen alle dem Druckgas ausgesetzten- Teile aus rostfreien Stahl bestehen und sämtliche
Verbindungen durch Schweißen hergestellt sind.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, die Messung
des Gasdruckes mit Hilfe des Spannungsüberschlages an einer Funkenstrecke vorzunehmen.
Diese Funkenstrecke wird im Innern des Gefäßes angeordnet und durch eine Spannung
von, außen gespeist. Um hierbei nicht zusätzliche Durchführungen an dem Gefäß vornehmen
zu müssen, ist es vorteilhaft, die eine Elektrode der Funkenstrecke mit dem metallischen
Gehäuse unmittelbar zu verbinden und die andere Elektrode der Funkenstrecke an eine
der vorhandenen Durchführungen anzuschließen. Um den Druck im Innern des Gefäßes
zu bestimmen, wird das Paschensche Gesetz herangezogen, welches lautet: »Das Produkt
aus Schlagweite und Gasdruck ist bei gegebener Spannung konstant. « Man kann also
bei vorgegebenem und bekanntem Abstand der Elektroden der Funkenstrecke aus der
Messung der Durchschlagspannung den Druck bestimmen.
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Bezüglich der Dimensionierung der Funkenstrecke hat man darauf zu
achten, daß ihre Durchschlagspannung im Betriebszustand kleiner ist als die Überschlagspannung
des mit der benutzten isolierten Durchführung verbundenen elektrischen Teiles. Die
Durchschlagspannung muß aber größer sein als die vorgeschriebene Prüfspannung dieses
Geräteteiles.
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Die Druckgasisolierung und die Anwendung der Keramik-Glas-Metallverschmelzungen
sowie der Prüffunkenstrecke hat insbesondere Bedeutung für Spannungswandler für
Meßzwecke, Prüftransformatoren, Hochspannungskondensatoren, Schaltgeräte für Meßspannung
u. dgl., ohne daß die Erfindung hierauf beschränkt ist. Sollte in dem Gerät eine
relativ hohe Leistung umgesetzt werden, so kann zur Erhöhung der Kühlwirkung das
Innere des Gefäßes zusätzlich mit einem gut wärmeleitenden, körnigen Material ausgefüllt
werden, z. B. Quarzsand. Es ist zweckmäßig, in diesem Fall die Funkenstrecke durch
einen für das Gas durchlässigen Schutzkasten od. dgl. von dem körnigen Material
frei zu halten.
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Handelt es sich um einen Meßwandler, so ist es zweckmäßig, die Prüffunkenstrecke
zwischen einer Durchführung der Niederspannungswicklung und dem Gehäuse anzuschließen.
Wenn die Prüfspannung der Niederspannungswicklung etwa z kV beträgt, so würde man
z. B. die Funkenstrecke derart
einstellen, daß sie, wenn der richtige
Gasdruck im Gefäß vorhanden ist, etwa 2,5 kV entspricht. Die Isolation der Niederspannungswicklung
gegenüber dem Gehäuse muß dann in diesem Falle einer Spannung von mehr als 2,5 kV
standhalten und kann z. B. 3 kV betragen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, und zwar für den Fall eines
Spannungswandlers, ist in der .Abbildung dargestellt. In einem druckfesten Gefäß
i, welches mit einem Gas sehr hohen Druckes, etwa 2o atü, gefüllt ist, befindet
sich der Wandler 2. Die Hochspannungswicklung ist durch die Stromeinführungen 3
und 4 nach außen geführt, desgleichen die Niederspannungswicklung durch die Stromeinführungen
5 und 6. Die Hochspannungsdurchführung 3, desgleichen die Niederspannungsdurchführung
5 ist im Schnitt dargestellt. Die Hochspannungsdurchführung 3 besteht aus einem
keramischen Körper 7, der zur Vermeidung von Kriechströmen in an sich bekannter
Weise auf seiner Oberfläche gewellt ist. Der Stromzuführungsleiter 9 ist konzentrisch
in einer@Bohrung des keramischen Körpers 7 geführt. Er endigt am oberen Ende in
einer Metallkappe io, die den keramischen Körper 7 von außen umfaßt und mit diesem
mit Hilfe eines Glas- oder Emailschmelzflusses hochvakuum- und gasdicht verbunden
ist. Vorteilhaft wählt man den Ausdehnungskoeffizienten der Metallkappe größer als
den des Keramikteiles, damit eine Schrumpfwirkung zustande kommt. Zu diesem Zweck
dienen metallische Haftflächen i i, auf denen die Metallkappe io mit sehr gutem
Paßsitz aufsitzt. Die axiale Länge dieser Haftflächen i i wird zweckmäßigerweise
kleiner als der Durchmesser gewählt. Außerdem steht die Metallkappe io nach beiden
Seiten dieser Haftflächen i i über, und zwar zu dem Zweck, um Schubspannungen in
axialer Richtung zu vermeiden. Bei der Verschmelzung der Metallkappe io mit dem
keramischen Körper 7 tritt eine Schrumpfwirkung auf, die, sofern sie in radialer
Richtung erfolgt, eine sehr erwünschte Erhöhung der Festigkeit der Verbindung garantiert.
Glas und Keramik sind nämlich gegenüber Druckspannungen sehr unempfindlich, sie
sind dagegen sehr empfindlich gegen Zugspannungen. Man muß daher die Anordnung derart
treffen. daß nur die Druckspannungen in radialer Richtung auftreten, dagegen die
in axialer Richtung auftretenden Zugspannungen vermieden werden.
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Damit das flüssige Schmelzmaterial in den sehr engen kapillarartigen
Zwischenraum an. der Haftfläche i i gebracht werden kann, ist es vorteilhaft, oberhalb
dieser Verschmelzungsstelle z. B. durch Aussparungen im keramischen Material einen
taschenförmigen Auffangbehälter zu schaffen, in welchen das Schmelzmaterial vor
dem Verschmelzungsvorgang eingebracht wird. Die Verschmelzung wird sodann in der
Weise vorgenommen, daß das Schmelzmaterial so hoch erhitzt wird, bis es sehr leicht
flüssig ist und damit in die feinsten Poren und Zwischenräume eindringt.
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Um den keramischen Körper 7 mit dem metallischen Kessel i ebenfalls
hochvakuum- und gasdicht zu verbinden, ist am Kessel i ein rohrförmiger Stutzen
12 angeschweißt. Mit diesem rohrförmigen Stutzen 12 ist nun bei 8 eine flache oder
konische Scheibe,13 verschweißt, die an der Stelle 14 ebenfalls längs zylindrischer
Haftflächen mit dem keramischen Körper 7 mit Hilfe eines Glas- oder Emailschmelzflusses
verbunden ist. Die Ausbildung dieser Haftfläche ist im übrigen in genau der gleichen
Weise vorgenommen, wie das weiter oben bei der Haftfläche i i beschrieben ist.
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Die Niederspannungsdurchführungen 5 und 6 sind in ganz entsprechender
Weise ausgebildet wie die Hochspannungsdurchführungen 3 und 4, und es kann daher
auf die nähere Beschreibung verzichtet werden.
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Die Keramik-Glas-Metallverschmelzungen lassen sich ohne weiteres so
ausbilden, daß sie dem im Innern des Kessels herrschenden Druck von etwa 2o atü
widerstehen. Eine Versuchseinschmelzung von 8o mm Durchmesser ergab bei einer Breite
der Haftfläche von io mm eine Festigkeit gegen Abreißen von 5oo kg/cm am Umfang.
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Um den Druck im Innern des Gefäßes jederzeit leicht nachprüfen zu
können, ist eine Funkenstrecke 15 vorgesehen, deren eine Elektrode 15" mit der Niederspannungsdurchführung
6 verbunden ist, während die andere Elektrode i56 mit der Gehäusewand i verbunden
ist. Der Abstand der Elektroden 15" und 156 ist fest eingestellt und bekannt. Um
nun die Durchbruchsspannung und daraus gemäß dem Paschenschen Gesetz den Gasdruck
im Innern zu messen, wird zwischen die Niederspannungsdurchführung 6 und die Gehäusewand
i ein Hochspannungsgenerator 16 geschaltet, dessen Spannung allmählich verändert
wird. Sieht man dann noch einen Hochspannungsmesser 17 vor, so kann man aus dem
Zusammenbruch der Spannung an diesem Instrument die Durchbruchsfeldstärke und damit
den Gasdruck bestimmen. Gegebenenfalls kann man das Meßinstrument in Torr eichen.
Als Druckgas kommt ein Gas in Frage, welches eine hohe Durchschlagsfestigkeit besitzt,
z. B. Stickstoff.
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Falls aus irgendeinem Grunde z. B. durch Verschmoren einer Wicklung
des Spannungswandlers, der Druck im Innern des Gefäßes unzulässig hoch ansteigt,
tritt eine Drucksicherung in Funktion. An einer passenden Stelle des Gefäßes i ist
ein Rohrstutzen 18 angeschweißt, an den wiederum eine ringförmige Scheibe ig längs
der Naht 20 eingeschweißt ist. Die Scheibe i9 ist im Zentrum ausgespart und mit
einer dünnen Membran 21, die vorteilhaft aus nichtrostendem Stahl besteht, versehen.
Die Membran 21 kann mit der Ringscheibe ig verschweißt sein, sie kann aber auch
mit der Scheibe ig aus einem Stück bestehen und durch Dünndrehen erzeugt werden.
Durch entsprechende Wahl der Dicke der Membran 21 und des Lochdurchmessers der Scheibe
ig kann die Sicherung derart eingestellt werden, daß bei einem vorgegebenen Überdruck
die Membran platzt.
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Ferner ist am Gefäß noch eine nicht dargestellte an sich bekannte
Abschmelzvorrichtung vorhanden. Diese besteht aus einem dünn gedrehten Rohrteil
in
der Pump- und Fülleitung für das Druckgas. Nach erfolgtem Zusammenbau
und nach Vornahme der Dichtigkeitsprüfung wird das Gefäß evakuiert und dabei bis
etwa ioo° C ausgeheizt. Dann wird das Druckgas eingefüllt und darauf die Abschmelzstelle
vorzugsweise elektrisch aufgeheizt und schließlich durch Zusammenhämmern zugeschweißt.
Im einzelnen ist dieses Verfahren in der deutschen Patentschrift 673 523 näher beschrieben.