CN109153235B - 制备陶瓷绝缘体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制备用于高压或中压开关设备的陶瓷绝缘体的方法，其中将至少两个轴对称的陶瓷结构元件沿其对称轴的方向接合，并且在结构元件之间布置导电的等电位层，其特征在于，在陶瓷结构元件的烧结工艺之前，已经在陶瓷结构元件之间安装了用于等电位层的基材。

Description

制备陶瓷绝缘体的方法
技术领域
本发明涉及一种制备陶瓷绝缘体的方法。
背景技术
像例如氧化铝陶瓷那样的固体对高压下的应力的绝缘性能通常很高，但是在固体的最终击穿强度方面具有其局限性。这也适用于高压绝缘体，特别是用于中压和高压真空开关管的陶瓷绝缘体。原因是绝缘体内的放电结构，该放电结构受到沿场方向的缺陷密度的影响。在此，固体中的介电强度、即击穿场强不是直接与绝缘体的长度成比例，而是与绝缘体长度的方根成比例。其结果是，特别是对于高于约100kV的高压变得越来越难以实现例如用于所述高压范围、更确切地说大于72kV的范围的真空开关管所需的耐压强度。迄今为止，这个问题特别是在能量传输-和分配器技术的真空开关管中已经如下解决：在具有较大长度的单个圆柱形绝缘体部件的位置中使用了多个较短部件，这些较短部件通过适合的、真空密封且机械稳定的连接技术、例如通过硬焊料钎焊沿轴向彼此连接。根据内部耐压强度的上述规律性，多个这样的较短绝缘体的复合物具有比同等长度的单件式绝缘体更高的耐压强度。然而，该焊接工艺总体而言非常昂贵，因为需要高技术复杂性来产生用于所述连接的相应的真空密封性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够在技术上成本有效地制备的用于高压或中压开关设备的陶瓷绝缘体。
该技术问题通过具有以下特征的用于制备陶瓷绝缘体的方法和具有以下特征的陶瓷绝缘体解决。
用于制备高压或中压开关设备用的陶瓷绝缘体的本发明方法的表现形式为，将至少两个轴对称的陶瓷结构元件沿对称轴的方向、即在其对称轴的方向上接合并在所述结构元件之间布置导电的等电位层。在此，“沿对称轴的方向”或“在对称轴的方向上”是指，在实践中当使用预成型的生坯时，它们的端面彼此接合在一起。此外，这些结构元件还可以呈现不同于轴对称的形状，所以术语“对称轴”在特殊情况下也理解为对称面。因此，椭圆形体或多边形体也是有利的。该方法的特征在于，在陶瓷结构元件的烧结工艺之前，已经在所述陶瓷结构元件之间安装了用于等电位层的基材。
在此，术语“结构元件”应理解为自支撑陶瓷材料，其由所谓的生坯体产生，其中在此期间使用烧结工艺。生坯体在此是指未烧结状态下的陶瓷前体，所述陶瓷前体仍然允许轻易加工。生坯体例如是通过利用粉浆浇铸(Schlickerguss)压制陶瓷粉末、必要时添加粘合剂，或通过挤出过程来制备的。在烧结工艺中，细粒的陶瓷亦或金属物质必要时在升高的压力下被加热，但温度保持低于主要组分的熔点温度，因此工件的结构或形状在很大程度上得以保留(考虑到惯常的所谓的烧结收缩)。在此通常会发生收缩，其中原料颗粒被压实和孔隙被填充。在此，固相烧结和液相烧结是不同的，其中在固相烧结期间基本上通过各个颗粒之间的扩散过程形成所谓的烧结颈，这些烧结颈导致了牢固的最终独石型连接(或称为联结)。同样的工艺也可在液相参与下进行，从而也以这种方式在先前的生坯体的颗粒之间产生独石型连接。根据生坯体的相的组成，扩散工艺和熔化过程可以在烧结工艺期间在坯体内并行地一起发生。烧结工艺作为在升高的温度下的热处理进行，温度通常在500°和1500°之间，这很大程度上取决于所用陶瓷基材的类型或在烧结期间取决于被考虑用于制备生坯体的金属基材的金属。
在此，等电位层被理解为陶瓷结构元件之间的导电层，所述导电层具有比结构元件的陶瓷材料更高的电导率并且在此相对于对称轴垂直地布置和定义了针对轴向电场的所谓的等电位面。由此，陶瓷在内部以电的方式被分为短的轴向区块，由此增加了部分路径的及整个绝缘体的介电强度。通过所描述的在烧结工艺之前在未烧制的结构元件之间直接引入等电位层的方法，特别是在对真空密封性和电绝缘的高要求下，在生产技术上大大简化了等电位层的制备，这允许更经济地制备整个绝缘体。
特别有利的情形是，陶瓷结构元件的烧结过程以及与此同时对于所述等电位层来说在材料的参与下这些结构元件的接合过程，至少部分地在同一方法步骤中实现。“同一方法步骤”在此应理解为由结构元件的生坯体连同布置在其间的用于等电位层的基材组成的已经预先接合的绝缘体坯料共同经受温度处理。原则上，结构元件的烧结可能需要比形成等电位层更高或更低的温度。因此，整个工艺可以设计成两个阶段或总共多个阶段，其中原则上也可存在各种不同的气氛，并且其间也可进行冷却工艺。所有这些依次相继的分步骤，在此期间不同时进行材料的机械加工，在该情况下被理解为同一方法步骤。
有利的情形是，用于等电位层的基材是金属箔、金属粉末、金属织物、导电陶瓷或导电的、形成玻璃的材料。还可以使用所列物质的混合物，其中最终针对依据应用计算出的所需电导率，选择合适的材料组成，从而刚好有针对性地调节该电导率。这里，在选择用于等电位层的基材时，除了材料的电导率之外，还要注意它们的烧结性能或等电位层与结构元件之间的接合性能。
优选地，用于等电位层的基材被引入陶瓷结构元件的两个生坯体之间。在该变型中，首先按照常规描述的陶瓷成型方法制备生坯体，所述生坯体用作结构元件的前体。现在将用于等电位层的基材引入这些生坯体中的至少两个之间，其中将这个如此构造的结构体送入烧结工艺。以该方式，直接在也发生烧结工艺的热处理工艺期间，同时产生结构元件之间的连接以形成等电位层。因此，接合过程和烧结过程几乎同时地、优选在同一方法步骤中进行，其中该方法步骤正如已提及的那样可以分多个阶段进行。
在此，可通过浸涂、通过热喷涂方法、例如等离子喷涂或冷气喷涂、还通过化学或物理沉积方法、例如所谓的化学气相沉积，来施涂用于等电位层的基材。此外，还可以使用薄片、特别是金属箔或金属烧结体或以生坯体形式的金属坯料。
作为替代方案，用于等电位层的基材也可以在填充压模的过程中引入生坯体的陶瓷基材之间，其中实现共同成型工艺，特别是通过压制。用于结构元件的基材和用于等电位层的基材由此被压成一个共同的、多层的生坯体。然后还将该生坯体送入热处理过程，该热处理过程一方面包含接合工艺，另一方面包含烧结工艺，其中在接合工艺中可发生与在烧结工艺中类似的物理现象，例如以扩散和熔融连接的形式。
本发明的另一个部件是用于高压或中压开关设备的陶瓷绝缘体，其具有至少两个轴对称的陶瓷结构元件，其中这些结构元件通过等电位层相连。陶瓷绝缘体的特征在于，结构元件沿其对称轴的长度在15和35mm之间。由于陶瓷绝缘体材料的击穿强度与陶瓷结构元件的长度之间的关系的方根形变化曲线，不能够通过明显增加单个结构元件的长度来实现击穿强度的显著增加。通过结构元件的明显缩短和导电的等电位层在结构元件之间的相应引入，可以在使用还需要多个接合连接层、即等电位层的多个结构元件的情况下在较短的绝缘体结构中实现更高或至少同样高的击穿强度。根据本发明已经发现，当使用长度在15mm和35mm之间，特别是在20mm和30mm之间的结构元件时，允许形成相对于具有长度约为80mm的结构元件的传统绝缘体造成大幅缩短的绝缘体。此外还实现了在缩短与技术更复杂且成本更密集的等电位层的应用之间的最佳状态。
该结构在如下情形中则是特别有利的，即在结构元件和至少一个等电位层之间存在独石型连接，所述独石型连接例如有利地在用于烧结结构元件并通过等电位层接合这些结构元件的共同热处理步骤中通过烧结工艺而在用于等电位层的基材的各个颗粒和用于结构元件的陶瓷基材的颗粒之间形成。特别地，独石型连接优选是烧结连接。
参考以下实施例更详细地解释本发明的其他实施方式和进一步的特征。所涉及的是不限制保护范围的示例性实施方式。不同实施方式中的相同特征在此设有相同的附图标记。
附图说明
图1示出了具有陶瓷绝缘体的真空开关管的横截面图，
图2示出了用于结构元件的生坯体的结构，这些生坯体与用于等电位层的前体堆叠在一起，
图3示出了具有形成于其中的多层生坯体的成型工具，
图4示出了陶瓷绝缘体的击穿场强与其长度之间的抛物线关系。
具体实施方式
图1示出了开关设备4，其具有陶瓷绝缘体2，其中陶瓷绝缘体2包括两个或更多个陶瓷结构元件6，所述陶瓷结构元件6通过等电位层10彼此分开。所述等电位层10在现有技术中可以是焊料层或焊接在陶瓷结构元件6之间的金属环。在许多情况下，所述等电位层10或金属连接层也具有屏蔽板28，屏蔽板28将电场线相对于陶瓷结构元件6的陶瓷表面屏蔽并相应地引导至等电位层。陶瓷结构元件6和陶瓷绝缘体2沿对称轴8轴对称地构造，其中它们此外还通常呈现为旋转对称的。原则上，整个开关设备通常都旋转对称地以不同的横截面半径设计。在此，陶瓷绝缘体2是开关设备4的总壳体26的组成部分。在开关设备4中，开关触点24布置在真空开关室30中，这些开关触点24设计成可沿对称轴8移动，并且可通过所述移动而构建或断开开关设备4中的电接触。
图2示出了堆叠体15的图示，该堆叠体15既包括充当用于陶瓷结构元件6的前体的生坯体14，又包括用于等电位层10的基材12。在此，至少两个生坯体14和基材12彼此上下堆叠，其中在该实施方式中，生坯体14已经在单独的工艺中相应地旋转对称地成型。在此例如采用粉浆浇铸法或轴向或非轴向压制方法。这时将图2中所示的堆叠体15送入热处理工艺。热处理工艺在此还可多步骤地进行，其中根据各个基材12和用于生坯体14的陶瓷基材18的设计和物理化学性能来适配所述热处理工艺。在热处理工艺中实现烧结过程，使得陶瓷的基材18根据所描述的烧结机理被压实。同时进行基于相同的物理现象的类似工艺，其中在此还必要时通过扩散工艺和/或熔融工艺进行压实，该压实在该情况下被称为烧结。在该工艺之后，基材12被转换成最终的等电位层10，所述等电位层10则在这时完成的陶瓷结构元件6之间形成真空密封的、至少部分导电的层。
根据图3的替代设计可以在于，交替地将用于陶瓷结构元件6的生坯体14的基材18和随后将用于等电位层10的基材12注入到用于整个复合生坯体20的成型工具中。该注入可通过粉浆浇铸或粉末填充实现。接着进行压实，为了清楚起见，通过未示出的相应压头在压模16的实例中进行说明的压实没有示出。在此还应注意的是，为了在压模16的中间产生空腔或形成环形或圆柱形陶瓷绝缘体，布置有套筒17。箭头32和32'示出了不同基材12和18的交替注入。
如此制备的多层生坯体20经受类似的热处理工艺，所述热处理工艺已经关于图2中的结构得以描述。在此也导致在陶瓷结构元件6内或等电位层10内的各个颗粒之间以及在陶瓷结构元件6和等电位层10之间的接合区域中的烧结或烧结颈形成。因此，在这里，在根据图3的生坯体20中以及在根据图2的结构体中在陶瓷结构元件6和等电位层10之间形成了独石型连接。
图4示出了击穿电压34随陶瓷结构元件6的长度或高度22的变化曲线图。该曲线本身、即呈现出所述变量的方根形相关性的曲线本身设有附图标记36。基于曲线36的方根形变化曲线示出，当增加陶瓷结构元件6的长度时，不发生击穿电压34的显著增加。对于应形成用于很高电压、即450kV范围内的电压的绝缘体的情形，将多个单独的陶瓷结构元件彼此叠置并通过复杂的焊接方法、特别地通过硬焊料钎焊以真空密封的方式接合在一起。熔融焊料的施加通常还需要昂贵的银化合物，所以焊接工艺在技术上复杂且昂贵。对于450kV的设备，在现有技术中通常根据焊接方法以复杂的方式将三个80mm高的陶瓷结构元件彼此接合。按照现有技术，整个陶瓷绝缘体的长度为240mm。
所描述的方法技术规定相对于所述焊接方法明显更加成本有效，因为陶瓷结构元件的烧结过程和接合过程在一个或至少部分地在一个方法步骤中、即原位进行。由此，明显简化了制备中的过程相关的复杂性。以该方式已经表明，在15mm和35mm之间，优选地在20mm和30mm之间的陶瓷结构元件6或其生坯体14的高度对于相同的所需耐压强度450kV仅需要四个陶瓷结构元件。所述陶瓷结构元件通过三个接合连接被彼此接合并且在此还具有三个等电位层10。以该方式，通过将等电位层10的数量再提高一个等电位层，可以使绝缘体的总长度缩短至80mm，即缩短至从现有技术中已知的绝缘体的约三分之一。与此相对地存在另外的等电位层，与现有技术中使用的焊接方法相比，通过所描述的方法可以明显更加成本低廉地制备所述等电位层。

Claims (14)

1.一种制备用于高压或中压开关设备(4)的陶瓷绝缘体(2)的方法，其中将至少两个轴对称的陶瓷结构元件(6)在其对称轴(8)的方向上接合，并且在陶瓷结构元件(6)之间布置导电的等电位层(10)，所述等电位层相对于所述对称轴垂直地布置，其特征在于，在陶瓷结构元件(6)的烧结工艺之前，已经在陶瓷结构元件(6)之间安装了用于等电位层(10)的基材。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，陶瓷结构元件(6)的烧结过程和陶瓷结构元件(6)的接合过程至少部分地在同一方法步骤中实现。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用于等电位层(10)的基材是金属箔、金属粉末、金属织物、导电陶瓷或导电的、形成玻璃的材料。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在陶瓷结构元件(6)的两个生坯体(14)之间引入用于等电位层(10)的基材(12)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过浸涂、热喷涂、化学或物理沉积方法或以薄片的形式引入用于等电位层(10)的基材(12)。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，用于等电位层(10)的基材(12)在填充入压模(16)中的过程中被引入到生坯体(14)的陶瓷基材(18)之间。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，陶瓷基材(18)和等电位层(10)被交替地填充入压模(16)中，并且随后被压制成多层生坯体(20)。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，陶瓷结构元件(6)沿其对称轴(8)的高度(22)在5mm和50mm之间。
9.一种用于高压或中压开关设备的陶瓷绝缘体，具有至少两个轴对称的陶瓷结构元件(6)，其中陶瓷结构元件(6)通过相对于对称轴垂直地布置的等电位层(10)连接，其特征在于，陶瓷结构元件(6)沿其对称轴(8)的长度在5mm和50mm之间。
10.根据权利要求9所述的陶瓷绝缘体，其特征在于，陶瓷结构元件(6)和等电位层(10)具有独石型连接。
11.根据权利要求10所述的陶瓷绝缘体，其特征在于，陶瓷结构元件(6)和等电位层(10)被烧结在一起。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的绝缘体，其特征在于，陶瓷 结构元件(6)沿其对称轴(8)的长度在10mm和35mm之间。
13.根据权利要求9至11中任一项所述的绝缘体，其特征在于，陶瓷 结构元件(6)沿其对称轴(8)的长度在15mm和35mm之间。
14.根据权利要求9至11中任一项所述的绝缘体，其特征在于，陶瓷 结构元件(6)沿其对称轴(8)的长度在15mm和25mm之间。
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