DE102004060281B4

DE102004060281B4 - Verfahren zur Herstellung eines isolierstoffgekapselten Mittel- oder Hochspannungsschalters, sowie ein isolierstoffgekapselter Mittel- oder Hochspannungsschalter selbst

Info

Publication number: DE102004060281B4
Application number: DE200410060281
Authority: DE
Inventors: Karl Michael Dipl.-Phys. Schmidt
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 2004-12-15
Filing date: 2004-12-15
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2024-12-16
Also published as: DE102004060281A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines isolierstoffgekapselten Mittel- oder Hochspannungsschalters, bei welchem eine Schaltkammer in einer Vergussform mit Vergussmasse versehen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltkammer zuvor in eine Ätzlösung getaucht wird, und sodann in die Gießform eingebracht und anschließend die Vergussmasse angegossen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines isolierstoffgekapselten Mittel- oder Hochspannungsschalters, sowie ein isolierstoffgekapselter Mittel- oder Hochspannungsschalter selbst, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 8.
Vakuumschaltkammern so wie sie in Schaltern und Schaltanlagen der gattungsgemäßen Art enthalten sind, bestehen aus einem zumindest teilkeramischen Kammergehäuse in dem metallische Schaltkontakte angeordnet sind. Das Innere der Schaltkammer ist evakuiert wobei das Vakuum durch übliche Einbringung von Gettermaterial dauerhaft gehalten wird. Dem Vakuum als solchem kommen gute Isolationseigenschaften zu, so dass beim Schalten solcher Schalter der Lichtbogen möglichst zuverlässig gelöscht werden kann. Vakuumschaltkammern dieser Art werden im Mittelspannungsbereich von einem oder mehreren 10 kV bis hin zu mehreren 100 kV verwendet, und werden in Vergussmassen eingebettet.
Die gebräuchlichste Vergussmasse ist hierbei Epoxydharz. Bei bekannten Verfahren wird die gefertigte Vakuumkammer in eine mehr oder weniger angeheizte Gießform eingelegt, in die sodann Epoxydharz unter einer Prozesstemperatur von ca. 170 Grad eingebracht wird.
Es ist außerdem bekannt, dass die keramischen Bauteile, sowie die verwendeten metallischen Bauteile und das Epoxydharz selbst unterschiedliche, zum Teil deutlich unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten in Abhängigkeit zur Temperatur besitzen.
Um sowohl im Betrieb als auch in der Herstellung diesem gerecht zu werden, wird die Vergussmasse beziehungsweise das Epoxydharz nicht direkt um die Vakuumschaltkammer gegossen, sondern die Vakuumschaltkammer wird zuvor mit einer Gummimanschette versehen, die stramm über die Vakuumkammeroberfläche gezogen wird. Dabei werden in der Regel sogenannte Kaltschrumpfschläuche verwendet, die vor Überziehen über die Vakuumschaltkammer mit mechanischen oder anderen Mitteln expandiert werden, und sobald diese in Sollposition gebracht sind, werden diese Mittel entnommen, so dass der Schrumpfschlauch schlüssig und fest um die Vakuumkammer schrumpft.
Auf diese Weise vorbereitete Vakuumschaltkammern mit Gummimanschette werden dann in die Vergussform eingelegt, und das Epoxydharz oder die Vergussmasse wird um die so bereits vorummantelte Vakuumkammer gegossen.
Der Zweck der Vorsehung einer solchen Gummimanschette ist, dass diese sozusagen als Zwischenschicht oder Interface zwischen Vakuumschaltkammeroberfläche und der sich ergebenden Vergussmasseninnenfläche die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausgleicht, somit im Betrieb oder auch bei der Herstellung mechanische Spannungen vermeidet und auf diese Weise auch Lufteinschlüsse an dieser besagten Grenzfläche vermieden werden. Zu diesem Zweck ist diese Manschette natürlich in dem geforderten Umfang elastischer als die Vergussmasse.
Das Verfahren dieser bekannten Art ist zwar zweckmäßig aber relativ aufwändig.

Aus der DE 697 30 510 T2 ist eine solche Anordnung bekannt, bei welcher zunächst eine Art manschette aus nachgiebigem Material auf die Vakuumkammer mit Hilfe einer Saugeinrichtung geweitet aufgebracht wird. Die Manschette schrumpft hernach auf die Vakuumkammer auf und danach folgt ein Einguss in hartem Epoxidharz. Die nachgiebige Dämpfungsschicht ist ans sich notwendig um die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten auszugleichen, jedoch ist die Verwendung einer so aufwändig aufgebrachten Dämpfungsschicht zu Montage- und Kostenaufwändig.

Aus der DE 26 25 869 A1 ist eine Ammonikalösung lediglich zum Ätzen von Kupfer angegeben.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines isolierstoffgekapselten Mittel- oder Hochspannungsschalters, sowie ein isolierstoffgekapselter Mittel- oder Hochspannungsschalter selbst, dahingehend weiterzubilden, dass die Vorsehung einer vorkonturierten Gummimanschette überflüssig wird, aber dennoch zuverlässig die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten berücksichtigt werden.

Die gestellte Aufgabe wird bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 7 angegeben.

Die gestellte Aufgabe wird im Hinblick auf einen isolierstoffgekapselten Mittel- oder Hochspannungsschalter der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 8 gelöst.

Kern der verfahrensgemäßen Erfindung ist hierbei, dass vor Einbringen der Vakuumkammer in die Vergussmassengießform, die Vakuumkammer zuvor in eine Ätzlösung getaucht wird, und sodann in die Gießform eingebracht und die Vergussmasse angegossen wird.

Durch die Tauchung wird auf der Oberfläche der Vakuumschaltkammer eine Ätzlösung aufgebracht und es werden nun bei der üblichen Prozesstemperatur beispielsweise von Epoxydharz, circa 170 Grad Celsius, die Komponenten in der Ätzlösung chemisch aufgespalten, so dass die Ätzkomponenten über eine chemisch definierbare Eindringtiefe in die Epoxidharzinnenoberfläche eindringen, die der Vakuumkammeroberfläche zugewandt ist, und dort durch die Ätzung eine intrinsische elastische zweite Vergussmassenphase erzeugen.

Die in diesem Bereich erzeugte intrinsische elastische Schicht macht eine Gummimanschette dort überflüssig. Die Schichtdicke, die im Material, das heißt in der Vergussmasse selbst erzeugt wird, hängt ab von der Eindringtiefe der gewählten Ätzlösungskomponenten, die durch thermische Dissoziation den Ätzprozess auslösen, wobei die Eindringtiefe von den chemisch wirksamen mittleren freien Weglängen abhängt. Hierbei sind allerdings erfahrungsgemäß Dicken von circa 1 mm bis hin zu einigen Millimetern erreichbar. Dies entspricht dann im Übrigen den Schichtdicken, die ansonsten im Stand der Technik verwendete Gummimanschetten aufweisen. Hierbei jedoch mit dem Unterschied, dass keine Gummimanschetten verwendet werden müssen, sondern das die Innenfläche der Vergussmasse über eine solche dementsprechende Tiefe derart weichgeätzt wird, dass die Vergussmasse dort bleibend elastisch wird, während dem noch tiefer im Volumen von der Grenzfläche entfernt wieder die normale harte Epoxydharzphase vorliegt.

Eine mögliche Ätzlösung kann hierbei in weiterer Ausgestaltung aus einer NH₃ : H₂O Ammoniaklösung oder einer ammoniakreichen Lösung bestehen. Dabei kann die Ammoniaklösung, sowie jede andere denkbare Ätzlösung auch in eine relativ hoch viskose oder zähe Lösung eingebracht werden, so dass die durch Tauchung der Vakuumschaltkammer in die Ätzlösung entstehenden anhaftenden Schichten der dann viskosen oder pastösen oder zumindest zähflüssigen Ätzlösung entsprechend so dick sind, dass eine hinreichende Ätzwirkung über die gewünschten Schichttiefen im Epoxydharz beziehungsweise in der Vergussmasse entsteht.

Die Ätzwirkung geht bei diesen Ausgestaltungsbeispiel mit Ammoniak davon aus, dass bei der üblichen Prozesstemperatur von 170 Grad, die das einfließende Epoxydharz aufweist, der Wasserstoff von Stickstoff getrennt wird und somit freie Wasserstoffradikale entstehen. Diese dringen sodann in die Innenoberfläche des heißen Epoxydharzes oder der heißen Vergussmasse ein und verursachen dort die beschriebene Ätzwirkung. Der nachfolgende stark elektronegative und ebenfalls ionisierte Stickstoff des Ammoniaks würde dann diese durch die Ätzung verursachte Materialaufweichung mehr oder weniger einfrieren, beziehungsweise konsolidieren. Was bleibt ist eine dauerhaft elastische Phase im Epoxydharz über die entsprechend gewählte Eindringtiefe von 1 bis mehreren Millimetern. Damit wird eine Dämpfungsschicht wie ansonsten nur durch eine Gummimanschette erzielbar. Diese ist dann intrinsisch in der Vergussmasse, das heißt in diesem Falle im Epoxydharz erzeugt.

Weitere Ätzlösungen können Säuren, insbesondere Mineralsäuren wie Schwefelsäure H₂SO₄ oder schwefelige Säuren H₂SO₄ enthalten. Denkbar ist auch Phosphorsäure H₃PO₄. Ebenso sind starke Basen wie Natronlauge NaOH geeignet.

In Fällen der Verwendung von sowohl Säuren als auch Basen entstehen in allen Fällen Hydroxylionen OH^–, die die Ätzung bewirken. Dabei erweist sich die Vergussmasse Epoxydharz deshalb in diesem Verfahren als vorteilhaft, weil Epoxydharz eine hochkomplexe, aber vor allem eine hochvernetzte Struktur hat. Dies bedeutet, je stärker die Vernetzung eingestellt wird, d.h. je länger die Molekülketten bzw -ringe sind, um so härter ist im Resultat das Epoxydharz im ausgehärteten Zustand.

Diese Molekülketten oder -ringe bestehen aus Ester-Verbindungen. Beim herkömmlichen Epoxydguss entstehen diese Verbindungen und bei einem wunschgemäß harten Epoxydharz entstehen langen Verbindungsketten.

Um diesem lokal entgegenzuwirken, können die eingebrachten Hydroxylionen oder die Wasserstoffradikale genau diese hohe Vernetzung oder das Entstehen dieser langen Molekülketten unterbinden. Im Ergebnis entsteht somit intrinsisch lokal eine zweite Epoxydharzphase, die jedoch weicher ist als das übrige Epoxydharz, weil dort nur noch kurze Molekülketten vorliegen.

Im Epoxydharz ggfs enthaltene Acryle und Acrylate sowie die Einbringung von Sauerstoff und/oder Stickstoff fixieren chemisch diese weiche Epoxydharzphase in einer Eindringtiefe von ggfs einigen Millimetern.

Es entsteht somit eine intrinsische weiche Polsterschicht, die die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Vakuumkammer und Epoxydharzverguss ausgleicht.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist angegeben, dass an den externen Anschlüssen der Vakuumschaltkammer wärmeleitfähige Bolzen eingeschraubt sind um im Falle des Vergussprozesses die Vakuumschaltkammer auf eine noch höhere Temperatur aufzuheizen als die eingebrachte Vergussmasse.

Dies heißt am Beispiel, dass die Vakuumschaltkammer durchaus auf eine Temperatur von 200 Grad aufgeheizt werden kann, während dem die Epoxydharzmasse oder welche Vergussmasse auch immer, mit einer Prozesstemperatur von 170 Grad Celsius eingebracht wird. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass nur im Bereich der Polanschlüsse die Vakuumschaltkammer einen metallischen Partialkorpus hat, während dem die übrigen Bereiche aus keramischem Werkstoff bestehen. Dies hat zur Folge, dass sich die metallischen Partien relativ leicht aufheizen lassen, während dem die Keramik aufgrund ihrer extrem schlechten Wärmeleiteigenschaft nicht heiß genug wird.

Aus diesem Grund ist einer möglichen Ausgestaltung angegeben, dass in die Anordnung Mikrowellenenergie einspeisbar ist, beispielsweise auch über die eingeschraubten Stehbolzen, die an die Kontaktierpole der Vakuumschaltkammer angeschraubt werden können. Mit Hilfe dieser Energieform, und der auf der Oberfläche der Vakuumschaltkammer durch die zuvorige Tauchung anhaftende Ätzlösung erfolgt eine relativ starke thermische Energieankopplung auf diese besagte Grenzfläche, so dass genau hier möglicherweise eine höhere Temperatur lokal einstellbar ist, als die Prozesstemperatur der Vergussmasse. Dies hat prozesstechnisch den Vorteil, dass durch die auf diese Weise einzubringende zusätzliche thermische Energie man im Hinblick auf einen effizienten Dissoziationsprozess innerhalb der anhaftenden Ätzlösung relativ unabhängig wird von der durch die Vergussmasse vorgegebenen Prozesstemperatur, bei Epoxydharz sind dies die besagten 170 Grad Celsius.

Darüber hinausgehend würde durch eine höhere Temperierung im Bereich der Grenzfläche ein Temperaturgradient von der Oberfläche der Vakuumschaltkammer in die Vergussmasse hinein entstehen, wodurch die Diffusion in das Vergussmassenmaterial zum einen stärker wird, und zum anderen auch auf den gewünschten Ätzerfolg besonders im Hinblick auf die gewünschten Eindringtiefen hin frei einstellbar ist.

Ein auf diese Weise hergestellter Vakuumschalter enthält somit die technischen Merkmale eines erfindungsgemäßen Vakuumschalters gemäß unabhängigem Patentanspruches 8.

Somit besteht der einrichtungsgemäße Kern der Erfindung darin, dass ein auf diese Weise hergestellter Vakuumschalter auf jedwede zuvorige Einbringung einer elastischen Gummimanschette verzichten kann und stattdessen eine elastische intrinsische Innenschicht in der Vergussmasse erzeugt wird.

Ein solcher Schalter ist nach Voreinstellung der Parameter über die die Eindringtiefen gestaltet werden können, sehr einfach und schnell zu fertigen und enthält alle mechanischen und im Übrigen auch elektrischen Vorteile eines mit einer Dämpfungsschicht versehenen vergossenen Vakuumschalters.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.
1 die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte in chronologischer Abfolge.
2 erfindungsgemäße Vakuumschaltkammer samt Verguss im Längsschnitt.
1 zeigt die chronologische Abfolge der erfindungsgemäßen Verfahrenschritte. Eine Vakuumschaltkammer 1 wird an den beidseitigen Enden im Bereich der dort platzierten Anschlussgewinde mit metallischen Bolzen 2 verschraubt, die eine gute elektrische und wärmeleitmäßige Ankopplung an die Vakuumschaltkammer gewährleisten. Sodann wird die Kammer in eine Ätzlösung L getaucht, die im Wesentlichen Ammoniak enthält. Als Ätzlösungen kommen jeweils solche Lösungen in Betracht, die chemisch entweder Wasserstoffradikale oder Hydroxylionen oder andere bei thermischer Energiezufuhr freisetzen.
Die Ätzlösung als solche kann auch Ammoniak in einer pastösen oder höher viskosen zähen Flüssigkeit beinhalten, die zumindest eine höhere Viskosität als Wasser aufweist und somit einen stärkeren beziehungsweise dickeren Haftfilm auf der Vakuumschaltkammeroberfläche erzeugt. Im nachfolgenden Verfahrensschritt wird die so präparierte Vakuumschaltkammer mit der entsprechend benetzten Oberfläche in eine Gießform F eingelegt, und die Vakuumschaltkammer, beziehungsweise die zuvor angebrachten Bolzen 2 werden elektrisch mit einer Einrichtung zur Zuführung letztendlich thermischer Energie oder Mikrowellenenergie verbunden.
Die so eingelegte Schaltkammer wird ortsfixiert und sodann die flüssige Vergussmasse in die Gießform F eingebracht. Bei der Verwendung von Epoxydharz als Vergussmasse trägt diese schon von sich aus eine Prozesstemperatur von 170 Grad Celsius und die Gießform ist ebenfalls bereits vorgeheizt, um ein zu frühzeitiges Einfrieren der Vergussmasse zu verhindern. Die Vergussmasse umschließt nun die so präparierte Oberfläche der Vakuumschaltkammer und überträgt dabei natürlich auch die in ihr enthaltene thermische Energie. Zusätzlich kann über die hier dargestellten Anschlüsse Mikrowellenenergie oder thermische Energie anderer Art zugeführt werden, so dass sich die Vakuumschaltkammer auf ein Temperaturniveau oberhalb der Prozesstemperatur der Vergussmasse anheizen lässt um einen Temperaturgradienten zu erzeugen der von der Vakuumschaltkammeroberfläche in die Vergussmasse hinein weist. Dadurch wird eine entsprechende Diffusionsdrift thermisch unterstützt und über die so gewählte Temperatur kann der Dissoziationsprozess in der anhaftenden Ätzlösung so frei gesteuert werden, dass innerhalb der Vergussmasse eine entsprechende Eindringtiefe des Ätzens entsteht.
Innerhalb dieser wird die Vergussmasse weicher als im übrigen Volumen, so dass eine intrinsische zweite Phase mit höherer Elastizität als im übrigen Volumen entsteht. Damit ist sozusagen eine intrinsische Dämpfungsschicht erstellt, die dieselbe Wirkung hat wie eine oben im Stand der Technik bereits beschriebene zuvor eingebrachte Gummimanschette.
2 zeigt einen auf diese Weise erstellten fertigen Vakuumschalter 1 mit Verguss 10 im Längsschnitt, wobei zu sehen ist, dass innerhalb der hier dargestellten Eindringtiefe eine intrinsische elastische Phase A der Vergussmasse 10 im Material entsteht die in ihrer Elastizität einer im Stand der Technik eingebrachten Gummimanschette entspricht. Der Herstellungsprozess wird dabei erheblich einfacher. In die Ätzlösung können im Übrigen noch Schwefel und Zinkoxyde eingebracht werden, die das Einfrieren einer elastischen Phase der Vergussmasse chemisch mit fixieren helfen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines isolierstoffgekapselten Mittel- oder Hochspannungsschalters, bei welchem eine Schaltkammer in einer Vergussform mit Vergussmasse versehen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltkammer zuvor in eine Ätzlösung getaucht wird, und sodann in die Gießform eingebracht und anschließend die Vergussmasse angegossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die so präparierte Schaltkammer zusammen mit der oberflächlich aufgebrachten Ätzlösung sowie der Vergussmasse auf die Prozesstemperatur der Vergussmasse gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Eindringtiefe der Ätzlösung in die Grenzfläche zur Vergussmasse durch Einstellen und Steuern des Prozesstemperatur verändert wird, und so eine intrinsische Schicht einer zweiten Vergussmassenphase mit erhöhter Elastizität in ihrer Schichtdicke eingestellt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ätzlösung eine Ammoniak enthaltende Lösung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ätzlösung eine Mineralsäuren enthaltende Lösung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse und/oder die Schaltkammer durch Einspeisung von Mikrowellenenergie nachheizt wird, bzw gesteuert nachgeheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung eines Temperaturgradienten an der Oberfläche der Schaltkammer eine Temperatur durch Fremdbeheizung eingestellt wird, die höher ist als die Temperatur der Vergussmasse.
Isolierstoffgekapselter Mittel- oder Hochspannungsschalter mit einer Schaltkammer, insbesondere einer Vakuumschaltkammer, welche in eine Vergussmasse eingegossen ist, wobei zwischen Schaltkammeroberfläche und Vergussmasse eine elastische Polterschicht angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Polsterschicht durch Ätzung intrinsisch aus der Vergussmasse selbst gebildet ist.