CN114175201B - 具有真空管和绝缘壳体的中断单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中断单元，包括真空开关管(4)和绝缘壳体(6)，其中，绝缘壳体(6)具有内表面(8)，并且真空开关管(4)至少部分地通过电绝缘的结构材料(22)形成边界，结构材料具有外表面(10)并且绝缘壳体(6)至少部分地包围真空开关管(4)，其中，在中断单元(2)的准备运行的状态下，绝缘壳体(6)的内表面(10)和真空开关管(4)的外表面(10)通过粘附层(12)隔开，其特征在于，内表面(8)以及外表面(10)都至少部分地设有导电层(14，16)，使得在真空开关管(4)和绝缘壳体(6)之间的边界区域(18)中从开关轴线(20)径向向外定向地得到以下层排列：真空开关管的结构材料(22)，结构材料(22)的外表面(10)，结构材料(22)的外表面(10)上的导电层(16)，粘附层(12)，绝缘壳体(6)上的导电层(14)，绝缘壳体的内表面(8)，绝缘壳体(6)的体积材料(24)。

Description

具有真空管和绝缘壳体的中断单元

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的中断单元。

背景技术

为了避免对气候有害的六氟化硫，现代的中断单元一方面用替代的绝缘气体填充，或者真空开关管与包围该真空开关管的空气绝缘的组合发挥作用。在所描述的第二种情况中，常见的结构以如下形式设计，即真空开关管又布置在另外的封闭的空间中，在其中具有净化的空气或另外的类似空气的气体混合物。为了还提高这种布置的绝缘能力，适宜的是，在外圆周中至少部分地通过绝缘材料、例如绝缘陶瓷形成的真空开关管用另外的绝缘壳体进行包裹，该另外的绝缘壳体尤其由塑料基底、诸如环氧树脂形成。因此，该绝缘壳体布置在真空开关管的外圆周和例如包含纯净空气的气体空间之间。在此，绝缘壳体被推到真空管上，或者绝缘壳体在铸造过程中围绕真空管进行铸造。在这两种替换方法中，始终难以使真空管和绝缘壳体之间的边界面不含气泡或其它夹杂物。这种气泡又在运行中导致该区域中的局部放电，由此绝缘壳体的材料受到侵蚀。该材料在该位置处受到腐蚀，并且在此失去其电绝缘能力。在最坏的情况下，在较长时间的绝缘壳体的材料的损坏之后，可能在边界层中发生击穿或者发生向外到气体空间中的击穿。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种具有真空开关管和绝缘壳体的中断单元，其相对于现有技术具有针对在真空开关管和绝缘壳体之间的边界区域中的局部放电的改进的保护并且因此防止了绝缘壳体的材料的提早的损坏或侵蚀。

上述技术问题的解决方案在于具有权利要求1的特征的中断单元。

根据权利要求1所述的中断单元包括真空开关管和绝缘壳体，其中，绝缘壳体具有内表面，并且真空开关管至少部分地通过电绝缘的结构材料形成边界。结构材料又具有外表面，其中，绝缘壳体至少部分地包围真空开关管。在中断单元的准备运行的状态下，绝缘壳体的内表面和真空开关管的外表面通过粘附层彼此隔开。本发明的特征在于，内表面以及外表面都至少部分地设有导电层，从而在真空开关管与绝缘壳体之间的边界区域中从开关轴线径向向外定向地得到以下层排列：首先从内向外排列真空开关管的结构材料。该结构材料具有外表面，该外表面又设有导电层，或者包括这种导电层。接下来是粘附层，粘附层被绝缘壳体上或者其内表面上的另外的导电层包围，并且该另外的导电层安置在绝缘壳体的内表面上。接下来还有绝缘壳体的体积材料。

所描述的层排列包括两个导电层，这两个导电层沿径向来看从两侧形成粘附层的边界。在中断单元运行时、尤其在开关过程中，在该开关过程中相应的电场从开关轴线径向向外定向，这意味着两个导电层一方面在真空开关管的结构材料上并且另一方面在绝缘壳体的内表面上分别具有相同的电位。这又意味着，在粘附层中不存在电场，粘附层位于两个导电层之间并且在粘附层中也存在可能的空气夹杂物。因此，粘附层是无场的。由于在粘附层的区域局部缺失电场，因此在可能的空气夹杂物或气泡的区域中也不发生局部放电，并且因此于是也不发生所涉及的材料的局部腐蚀。以这种方式，与现有技术相比，由中断单元和绝缘壳体构成的组合的使用寿命及其运行可靠性明显提高。

在此应注意的是，粘附层优选地是附加地引入两个导电层之间的粘结层。然而，原则上，两个导电层也可以被设计为，使得它们通过相应的工艺处理、例如通过热处理、又例如通过扩散过程彼此相互作用，从而在两个导电层之间的边界区域中形成粘附层。因此，粘附层也可以源于两个导电层。术语“导电”也被理解为半导体材料，其由通常的半导体材料、例如硅、碳化硅或化合物半导体、如砷化镓组成或包括这些半导体材料或化合物半导体。在此，层的导电率被测定为，使得层在轴向方向上的电阻处于10⁸欧姆与10¹⁵欧姆之间的范围内。

此外适宜的是，绝缘壳体从开关轴线出发径向向外定向地具有减小的介电常数。在此优选地，绝缘壳体的外边缘上的介电常数尽可能接近1，这意味着在到外部绝缘介质、例如净化的空气的过渡上的小的场强跳变。用于绝缘壳体的良好适合的材料、例如塑料、特别是环氧树脂基底的材料的介电常数的实际值在1.2和2之间、特别是在1.2和1.5之间。在此，绝缘壳体中的介电常数可以径向向外阶梯状地减小，这可以通过在绝缘壳体中的不同材料的分层来实现。介电常数径向向外的逐渐变化也可以是适宜的并且是可实现的。

附图说明

本发明的其他实施方式：

根据以下附图更详细地阐述另外的特征和另外的实施例。在此，这仅仅是纯粹的示意图，其并不构成对保护范围的限制。

在此，附图中：

图1示出了用于制造具有绝缘壳体的中断单元的图示，

图2示出了根据图1的局部II的在绝缘壳体与真空开关管之间的边界区域的放大图，

图3示出了根据图1的III的电场沿着径向延伸r的依赖关系。

具体实施方式

在图1中示出了具有真空开关管4和绝缘壳体6的中断单元2的结构或形成。在根据a的最左侧的图示中示出了真空开关管4，真空开关管具有结构材料22，结构材料包围真空室28。在真空室28中示意性示出了两个开关触点26，其中，其中至少一个开关触点能够沿着开关轴线20平移地运动。在此，应纯示意性地理解真空开关管4的外部构型，通常由绝缘的陶瓷材料组成或包括该绝缘的陶瓷材料的结构材料22通常仅表示真空开关管4的壳体的一部分。尤其在开关触点26沿着开关轴线20运动的区域中，真空开关管4在外部通过金属的外部材料形成边界。

此外，根据图1中的子图b，将导电的或半导体的层16施加到真空管4的或结构材料22的外表面10上。在此例如涉及粉末状的碳化硅材料，碳化硅材料嵌入环氧基质中并且具有SIC填充度，SIC填充度在总体积的50％与70％之间。由此形成的层16具有如下电导率，该电导率被测定为，使得所述层在轴向方向上的电阻在10⁸与10¹⁵欧姆之间的范围内。在此，根据真空开关管的测定电压和预定的几何参数以及由此形成的电场确定层16的导电率。

此外，根据子图c，绝缘壳体6被推到真空开关管4上。在此，示意性地，柱形地设计绝缘壳体6，其中，在此示出了绝缘壳体6的形状配合的施加。原则上也可行的或者说适宜的是，将绝缘壳体6浇铸到真空开关管4上、尤其浇铸到结构材料22上。然而，另外的导电层14在此是适宜的，该另外的导电层安装在绝缘壳体6的内表面8上。对于层16适用已经针对层16阐述的相同条件，原则上层14和16应当是相同类型的。然而，它们在其材料和其导电率方面也可能是不同的，例如如果这需要不同的附着条件和由此形成的不同的涂覆方法的话。当在层14，16之间实现还待详细描述的场自由性或场减小时，这是适宜的。

在子图d中示意性示出了处于完成状态的中断单元。在图1中通过圆圈示出了真空开关管4的结构材料22与绝缘壳体6的体积材料24之间的边界区域18，该圆圈设有附图标记II，并且在图2中示出了该圆圈的放大图。因此，图2示出了该局部，即真空开关管4与绝缘壳体6之间的边界区域18，其中，在图2的左侧示出了结构材料22(例如氧化铝)作为真空开关管4的外部边界。该结构材料22具有外表面10，在外表面上施加有导电层16。导电层16的组成已经在前一段中进行了描述。接着是粘附层12，粘附层优选地并且基本上通过有机粘附剂形成。此外，接着是另外的导电层14，另外的导电层在其组成方面与层16非常相似或者甚至由相同材料组成。该另外的导电层被施加在绝缘壳体6的内表面8上。接下来还跟随绝缘壳体6的体积材料24。该材料优选地为环氧树脂。

根据图2，在粘附层12中的层16和14之间示出了气泡32。不期望形成这些气泡32，但是在将绝缘壳体施加到真空开关管4上或者施加到真空开关管4的结构材料22上时难以避免。在此要注意的是，沿着箭头r描述边界区域18中的层的顺序，所述箭头描述从开关轴线20出发向外的径向顺序。

图3示出了同样沿着箭头r的径向延伸从开关轴线20向外看的电场，从中可以看出，电场如何从开关轴线20出发在真空室28中连续地减弱。图3中的场强的错位(其在区域28中通过两个虚线隔开)仅示出了：这只是一个片段，这意味着，在按真实比例示出的情况下，图3中的该区域28会具有更大的延伸。电场强度的真正的跳变随着结构材料22的出现而发生，在这种情况下，场从真空进入结构材料22中，该结构材料具有比真空室28中的真空更高的介电常数，并且因此电场大大减小。在此，电场E也径向向外逐渐减小。

此外，在径向方向上沿着箭头r排列层12、14和16。在图3中可以看出，在该区域中不存在电场。在此，紧随其后的是绝缘壳体6的体积材料24，在该体积材料中电场E继续减小，直至在绝缘壳体6的外表面处开始空气空间30，该空气空间同样具有绝缘作用。在该空气空间30中可以存在净化的空气，然而也可以存在完全正常的空气、即外部大气，然而也可以存在包括氮气和二氧化碳的类似空气的混合物。在此涉及用于中断单元2的另外的绝缘级，在该另外的绝缘级中电场进一步减小。

在图3中，关于电场又可以看到绝缘壳体6的材料24之间的跳变。这是因为空气或气体(其贴靠在绝缘壳体6的外部)的介电常数接近1。绝缘壳体6的材料24通常具有较高的介电常数，其中值得期望的是，材料24的介电常数沿着半径减小，从而在此在从24到区域30的过渡之间可看到的跳变减小并且尽可能的小。为此可能适宜的是，绝缘壳体6的体积材料24沿着箭头r具有不同的介电常数。原则上，在外部区域，材料的介电常数应尽可能低，即尽可能接近1。在内部，介电常数可以更高。这可以通过体积材料24的层状结构来实现，使得具有不同介电常数的两个或更多个不同材料层彼此同心地放置。然而，也适宜的是，材料被设计为，使得在箭头r的方向上得到介电常数的梯度形状的表现。

在根据图3电场为零或接近零的区域12、14和16中，如所描述的那样，布置有包围粘附层12的导电层14和16。如在图2中示出的那样，在粘附层12中可能出现气泡32，在这些气泡中在施加电场时可能出现局部放电，由此粘附层的材料或者周围的材料或者绝缘壳体6的体积材料24被侵蚀并且最终老化。该老化过程会降低击穿强度并且因此也会降低绝缘壳体6和中断单元2的组合的使用寿命，并且因此需要更早的更换。然而，由于所描述的层14和16，粘附层12嵌入为，使得在其内侧和其外侧上分别存在相同的电势并且因此在那里电场回到零并且因此在能够形成气泡32的粘附层12的临界区域中也不发生局部放电。在该过渡区域或边界区域18中的侵蚀的危险由于所描述的层14和16几乎降低到零。

在此要注意的是，粘附层12通常是粘结层，其适合于将绝缘壳体6的材料24与真空开关管4的结构材料22粘合。原则上也可以适宜的是，层14和16直接地彼此靠近并且经受相应的处理，使得在它们之间形成粘附层，或者粘附层12直接通过层14和16形成。在此例如可以涉及扩散过程或通过在这两个层14和16之间的另外的边界区域中的化学转化。该措施也有助于抑制气泡32，并且如果仍然出现气泡，则通过将其嵌入到具有相同电位的材料中使其在局部放电方面无害。

附图标记列表

2 中断单元

4 真空开关管

6 绝缘壳体

8 绝缘壳体的内表面

10 真空管的外表面

12 粘附层

14 内表面的导电层

16 外表面的导电层

18 边界区域

20 开关轴线

22 结构材料

24 绝缘壳体的真空材料

26 开关触点

28 真空室

30 空气空间/气体空间

32 气泡

Claims (10)

1.一种中断单元，其包括真空开关管(4)和绝缘壳体(6)，其中，所述绝缘壳体(6)具有内表面(8)，并且所述真空开关管(4)至少部分地通过电绝缘的结构材料(22)形成边界，所述结构材料具有外表面(10)并且所述绝缘壳体(6)至少部分地包围所述真空开关管(4)，其中，在所述中断单元(2)的准备运行的状态下，所述绝缘壳体(6)的内表面(8)和所述真空开关管(4)的外表面(10)通过粘附层(12)隔开，其特征在于，所述内表面(8)以及所述外表面(10)都至少部分地设有导电层(14，16)，使得在所述真空开关管(4)和所述绝缘壳体(6)之间的边界区域(18)中从开关轴线(20)径向向外定向地得到以下层排列：所述真空开关管的结构材料(22)，所述结构材料(22)的外表面(10)，所述结构材料(22)的外表面(10)上的导电层(16)，粘附层(12)，所述绝缘壳体(6)上的导电层(14)，所述绝缘壳体的内表面(8)，所述绝缘壳体(6)的体积材料(24)。

2.根据权利要求1所述的中断单元，其特征在于，所述导电层(14，16)包括半导体材料。

3.根据权利要求1所述的中断单元，其特征在于，所述导电层的导电率被测定为，使得所述层在轴向方向上的电阻处于10⁸欧姆与10¹⁵欧姆之间的范围内。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的中断单元，其特征在于，所述导电层包含碳化硅。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的中断单元，其特征在于，所述绝缘壳体(6)从所述开关轴线(20)出发径向向外定向地具有减小的介电常数。

6.根据权利要求4所述的中断单元，其特征在于，所述绝缘壳体的介电常数径向向外阶梯状地减小。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的中断单元，其特征在于，所述绝缘壳体在其径外的边缘处具有介电常数，所述介电常数处于1与2之间。

8.根据权利要求7所述的中断单元，其特征在于，所述绝缘壳体在其径外的边缘处具有介电常数，所述介电常数处于1.2与1.5之间。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的中断单元，其特征在于，所述绝缘壳体由塑料构成。

10.根据权利要求9所述的中断单元，其特征在于，所述绝缘壳体由环氧树脂构成。