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Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltvorrichtung, insbesondere für Mittel- und/oder Hochspannungsanwendungen, aufweisend wenigstens zwei über eine Bewegungseinrichtung beabstandbare, kontaktierbare Leiterelemente und ein eine Schaltkammer definierendes Gehäuse aus einem Isolator, das die Leiterelemente wenigstens teilweise umgibt.
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Bei Mittel- und/oder Hochspannungsanwendungen, allgemein gesagt also bei Spannungen, die größer als 1 kV sind, werden aufgrund der hohen Spannungen komplexere Schaltvorrichtungen benötigt, die den auftretenden elektrischen Feldern standhalten können, möglichst resistent gegen Degradierungseffekte sind und auch Übersprungvorgänge außerhalb der eigentlichen Schaltkammer vermeiden sollen.
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Ein klassisches Beispiel hierfür sind die Vakuum-Leistungsschalter (vacuum circuit breakers – VCB), die Kernkomponenten bei der Energieübertragung und Verteilung sind, insbesondere in deren Schaltsystemen. Sie decken einen großen Teil der Mittelspannungs-Schaltanwendungen ab, also der Schaltanwendungen beispielsweise im Bereich von 1 kV bis 52 kV, sowie einen relevanten Teil in Niedrigspannungssystemen. Auch ihre Nutzung in Hochspannungs-Transmissionssystemen, beispielsweis also bei Spannungen größer als 52 kV, nimmt zu. Während ein VCB die meiste Zeit geschlossen ist, mithin eine Kontaktierung der Leiterelemente vorsieht, ist seine hauptsächliche Aufgabe die Unterbrechung von Strömen in Wechselstrom-Systemen bei Nennbedingungen, insbesondere also zum An- und Ausschalten von Nennströmen, oder aber bevorzugt zum Unterbrechen von Strömen bei Fehlerbedingungen, insbesondere um Kurzschlüsse zu unterbrechen und das Systemen zu schützen. Andere Anwendungen umfassen das reine Schalten von Lastströmen unter Verwendung von kontaktierenden Leiterelementen, das meist in Niedrig- und Mittelspannungssystemen verwendet wird.
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Der Vakuum-Interruptor (VI, auch Vakuumschaltröhre) ist das Kernelement eines VCB. Eine Vakuumschaltröhre weist meist ein Paar von Kontakten auf, die durch entsprechende Leiterelemente gebildet werden, von denen wenigstens eines mittels einer Bewegungseinrichtung bewegt werden kann, um die geöffneten und geschlossenen Zustände der Schaltvorrichtung herbeiführen zu können. Üblicherweise wird dabei ein Leiterelement axial bezüglich des anderen fixierten Leiterelements bewegt. Die Kontakte können auf stromleitenden, insbesondere aus Metall bestehenden Bolzen gefertigt sein, welche sowohl Strom- als auch Wärmeleitung zur Verfügung stellen sowie die mechanischen Mittel, um die Kontakte zu halten und/oder zu bewegen.
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Ein VI umfasst ferner ein vakuumdichtes Gehäuse und die erwähnte Bewegungseinrichtung und kann zudem einen Metall-Balg umfassen, welcher auf einer Seite mit dem Gehäuse, auf der anderen Seite mit dem bewegten Leiterelement, insbesondere dem bewegten Bolzen, verbunden ist. Das Gehäuse wird im Wesentlichen durch ein isolierendes Bauteil, also einen Isolator, gebildet, beispielsweise ein keramisches Rohr, welches über Verbindungselemente mit den Leiterelementen verbunden ist, wobei beispielsweise Metallkappen oder dergleichen genutzt werden, die zur Bildung der Schaltkammer das isolierende Bauteil in axialer Richtung abschließen. Innerhalb der Schallkammer herrscht ein permanentes Hochvakuum kleiner als 10–8 Pa, welches beispielsweise für Betriebsperioden von wenigstens 30 Jahren durch entsprechende Ausgestaltung des Gehäuses und der Kappen zugesichert werden kann. Das Vakuum ist notwendig, um die „make-break-Operationen“ zuzusichern und die Isolationseigenschaften der Schaltvorrichtung im offenen Zustand zu gewährleisten.
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Wenn die Schaltvorrichtung in einem offenen Zustand ist, muss zum einen die Nennspannung des Systems isoliert werden, zum anderen aber auch Stoßspannungen hoher Amplituden, die beispielsweise durch einen Blitzeinschlag in das System ausgelöst werden können. Wenn die Schaltvorrichtung vom geschlossenen in den offenen Zustand übergeht, mithin die Kontakte der Leiterelemente beabstandet werden, müssen Nennströme oder Kurzschlussströme unterbrochen werden, die zum Auftauchen vorübergehender Spannungsspitzen über den VI führen, die deutlich höher als die Nenn-Wechselspannungen des Systems sind.
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Hohe Spannungen in Vakuumsystemen erzeugen üblicherweise freie Elektronen durch Feldemissionsprozesse, wenn die elektrische Feldstärke hinreichend hoch ist. Die Beschleunigung der Elektronen in den hohen elektrischen Feldern erhöht die kinetische Energie dieser Elektronen, beispielsweise bis hin zu Energien, die einige zehn oder sogar hunderte von KeV überschreiten. Die Interaktion dieser hochenergetischen Elektronen mit den Gehäusestrukturen führt zur Produktion hochenergetischer Röntgenstrahlung, die die Vakuumschaltröhre verlassen kann. Während unter üblichen Bedingungen der Fehlerstrom innerhalb der Vakuumschaltröhre minimal ist und keine nennenswerten Röntgenstrahlungsanteile erzeugt, können Umstände auftreten, beispielsweise wenn vorübergehende Spannungsspitzen hoher Amplitude auftreten, in denen die entstehende Röntgenstrahlung freie Elektronen an und/oder nahe der äußeren Oberfläche des Isolators erzeugt. Diese Elektronen können durch die elektrischen Felder auf der Isolatoroberfläche und in ihrer Nähe beschleunigt werden, die elektrische Feldverteilung in empfindlichen Bereichen stören und zu Gasdurchschlag führen, was zu einem Fehler im Betrieb der Vakuumschaltröhre führt.
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Auch in Fällen, in denen keine feststellbare Röntgenstrahlung existiert, beispielsweise in Niedrig- und Mittelspannungsanwendungen, können die hohen elektrischen Felder in kritischen Bereichen der Vakuumschaltröhre, beispielsweise an der Verbindung des Isolators und der Metallkappen durch Löten (Hartlöten), zum Ausstoß von Elektronen führen, was zu einer nennenswerten Menge an Feldemission führt. Auch diese Elektronen können lokal das elektrische Feld stören und zu weiterer Feldverstärkung und/oder zur Ladungsvervielfachung durch Elektronenlawinen führen, welche wiederum den Verlust der Isolationsstärke und/oder des Spannungswiderstands der Vakuumschaltröhre zur Folge haben können.
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Auf den inneren Oberflächen der Vakuumschaltröhre existieren ähnliche Herausforderungen, während ein zusätzliches Problem gelöst werden muss. Durch die Unterbrechung des Stroms (Nennstrom wie auch Kurzschlussstrom) werden Teile des Kontaktmaterials verdampft und innerhalb der Schaltkammer als heißer Metalldampf verteilt. Dieser Metalldampf kann sich auf der Isolatoroberfläche absetzen und baut mit der Zeit eine leitfähige Metallschicht auf. Diese Metallschicht, auch wenn sie nur schwach leitfähig ist, kann ebenso das elektrische Feld außerhalb und innerhalb der Vakuumschaltröhre stören und mithin über die Zeit die Spannungswiderstandsfähigkeit der Vakuumschaltröhre verschlechtern. Zwar wurde in diesem Kontext vorgeschlagen, im Kontaktierungsbereich der Leiterelemente ein Schirmelement, welches ebenso aus Metall bestehen kann, zum Abfangen freier Metallpartikel der Leiterelemente vorzusehen, welches jedoch auch einen Einfluss auf die Feldverteilung innerhalb der Schaltkammer, aber auch am Isolator hat.
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Aus den genannten Gründen muss der meist aus Keramik realisierte Isolator in der Lage sein, hohen Spannungen über seine Oberfläche Stand zu halten, auch wenn Röntgenstrahlung und freie Elektronen vorliegen oder, in einigen Fällen, sogar dann, wenn der Isolator durch Staubpartikel verschmutzt ist, die elektrostatisch an der äußeren Oberfläche des Isolators angelagert werden. Nachdem der Isolator nennenswert zu den Kosten einer Vakuumschaltröhre (oder sonstigen Schaltvorrichtungen) beiträgt und auch die Kosten anderer struktureller Elemente der Vakuumschaltröhre (oder sonstigen Schaltvorrichtungen) negativ beeinflusst, ist es notwendig, den Isolator im Hinblick auf maximale dielektrische Stärke bei minimaler Größe zu optimieren.
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Diese Problemstellung wurde bislang dadurch gelöst, dass die innere und die äußere Geometrie der Vakuumschaltröhre derart gewählt wurde, dass die erwarteten elektrischen Feldstärken nicht empirisch abgeleitete Grenzen für eine bestimmte Geometrie der Vakuumschaltröhre überschreiten. Nachdem diese Begrenzungen nicht präzise vorhergesagt werden können, insbesondere für Tripelpunkt-Bereiche und scharfe Metallkanten, hängt die Auslegung von Vakuumschaltröhren nicht nur von Berechnungen zum elektrischen Feld während des Entwicklungsprozesses ab, sondern benötigt auch eine große Menge empirischer Optimierung. Dies bezieht sich auch auf den Aufbau von metallischen Schichten aus den inneren Oberflächen des Isolators, welche, wie bereits erwähnt, heute üblicherweise durch Verwendung von Schirmstrukturen (Schirmelemente) innerhalb der Schaltkammer vermieden werden sollen. Dennoch können heutzutage die Ablagerungen des Metalldampfes und ihr Einfluss auf die dielektrische Stärke des Vakuuminteruptors nicht quantitativ in einer hinreichend genauen Art vorhergesagt werden.
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Ferner ist anzumerken, dass die genannten Designprozesse allesamt zu einer Reduzierung der Isolationseigenschaften der Außenstruktur der Vakuumschaltröhre deutlich unter die dielektrische Stärke von Luft oder anderen Gasen, die die Vakuumschaltröhre umgeben, führt, so dass Isolatorgrößen (Länge, Durchmesser) benötigt werden, die hinsichtlich der Kosten und des Bauraums nicht optimal sind. Die Hinzufügung von Schirmelementen bezüglich der Metalldämpfe führt zu Verzerrungen der im Betrieb auftretenden elektrischen Felder am Isolator, was zu starken Feldern an bestimmten Stellen und mithin zu einer Überbelastung des Isolators führen kann, die durch sich dort aufbauende Ladungen entstehen. Doch auch andere Ursachen führen, wie bereits dargestellt wurde, zu derartig lokalen hohen Feldern am Isolator des Gehäuses der Vakuumschaltröhre, wobei die hier dargelegten Probleme auch bei anderen Schaltvorrichtungen neben der beispielhaft genannten Vakuumschaltröhre gelten.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltvorrichtung mit einem einen Isolator umfassenden Gehäuse anzugeben, die trotz einfacher Realisierbarkeit Verzerrungen des elektrischen Feldes im Bereich der Schaltvorrichtung aufgrund von Oberflächenladungen reduziert.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine elektrische Schaltvorrichtung der eingangs genannten Art vorgesehen, die sich dadurch auszeichnet, dass das Gehäuse wenigstens auf einer Seite, bevorzugt auf der Außenseite, eine resistive Beschichtung aus einem mit einem Füllstoff gefüllten Matrixmaterial aufweist, wobei der Flächenwiderstand der Beschichtung zwischen 108 und 1012 Ω bei Betriebsfeldstärke liegt und die Beschichtung leitend mit den Leiterelementen verbunden ist, insbesondere durch das Gehäuse endseitig schließende, die Leiterelemente halternde, leitende Kappen.
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Dabei wird das Eigenschaftsspektrum der Beschichtung bevorzugt noch dadurch verbessert, dass der die Steigung in der Strom-Spannungskennlinie der Beschichtung beschreibende nichtlineare Exponent kleiner als 6 ist. Die hier vorgestellte Erfindung basiert auf einer speziellen Beschichtung, die bevorzugt außen auf den Isolator aufgebracht wird und vor oder während dem Herstellungsprozess des Gehäuses aufgebracht werden kann, beispielsweise als ein Lasierprozess des aus Keramik bestehenden Gehäuses, oder zum Ende des Herstellungsprozesses durch eine Eintauchbehandlung, Aufsprühen oder andere geeignete Aufbringprozesse, so dass eine wohldefinierte Beschichtung entsteht. Diese ist bevorzugt möglichst homogen ausgebildet, das bedeutet, dass möglichst wenige ungewollte Schwankungen des Flächenwiderstands entlang des Gehäuses auftreten. Dabei sind bereits Materialkombinationen bekannt geworden, deren Eigenschaften so angepasst werden können, dass ein bestimmter Flächenwiderstand der Beschichtung eingestellt wird. Nachdem dies beispielsweise über die Konzentration des Füllstoffs geschehen kann, sind zweckmäßige Ausgestaltungen denkbar, in denen die Konzentration des Füllstoffs so angepasst wird, dass ein Bereich erreicht wird, in dem der Flächenwiderstand nicht länger deutlich von der Konzentration des Füllstoffs abhängt, so dass eine Beschichtung entsteht, die sehr leicht reproduzierbar ist. Zur Einstellung des gewünschten Flächenwiderstands können bereits bei der Herstellung geeignete Maßnahmen getroffen werden, nachdem über eine geschickte Wahl der Korngröße des Füllstoffs bzw. eines Leitstoffs bzw. eine leitende Beschichtung von Teilchen, aus denen der Füllstoff besteht, eine Erniedrigung des Flächenwiderstands erreicht werden kann, wobei über eine geeignete Dotierung auch eine Erhöhung des Flächenwiderstands erreicht werden kann.
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Ein bekanntes Beispiel für eine Materialkombination, die im Rahmen einer solchen Beschichtung geeignet ist, wird durch
DE 198 39 285 C1 beschrieben. Dort geht es zwar um ein Glimmschutzband, jedoch hat sich gezeigt, dass die dortige Kombination von einem Trägermaterial und einem anorganischen Füllstoff, der Zinnoxid aufweist, auch zur Herstellung einer Beschichtung im Rahmen der vorliegenden Erfindung geeignet ist, um die gewünschten Eigenschaften der Beschichtung zu erreichen.
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Wie bereits erwähnt wurde, sind den Widerstand/die Leitfähigkeit der Beschichtung beeinflussende Größen neben ihrer Dicke die Dotierungsmenge, die Konzentration des Füllstoffs, die Leitfähigkeit des Füllstoffs selbst und die Teilchengröße des Füllstoffs. Die Beschichtung ist also insgesamt, wenn auch bei hohem Widerstand, grundsätzlich leitfähig, was aber dazu führt, dass gezielt ein Fehlerstrom in die Schaltvorrichtung eingeprägt wird, um dessen elektrische Feldverteilung bei Betriebsbedingungen zu optimieren. Die leitfähige Beschichtung der vorliegenden Erfindung führt dazu, dass Oberflächenladungen zerstreut werden, die sich anderweitig auf dem Isolator ansammeln würden und eine Verzerrung des elektrischen Feldes zur Folge hätten. Unter geschickter Wahl der Eigenschaften, wie bereits angedeutet, entsteht eine äußerst stabile, gegen Korrosion resistente und reproduzierbare leitfähige Schicht mit einem gewünschten Flächenwiderstand.
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Die erfindungsgemäße Beschichtung erlaubt also eine Homogenisierung der Feldverteilung auf der Oberfläche des Isolators. Dabei ist die Beschichtung möglichst weitgehend ohmsch, das bedeutet, weist eine möglichst geringe Abhängigkeit von der anliegenden Spannung (und somit dem anliegenden elektrischen Feld) auf. Wie bereits dargelegt wurde, ist es besonders bevorzugt, wenn der die Steigung in der Strom-Spannungskennlinie der Beschichtung beschreibende nicht lineare Exponent kleiner als 6 ist. Dies tritt beispielsweise für das bereits genannte Zinnoxid, SnO2, zu, aber auch für das weiterhin genannte Siliziumcarbid, SiC, mithin auch für die entsprechenden Füllstoffe. Der genannte Nichtlinearitätsexponent, der meist als α bezeichnet wird, ist im Zusammenhang mit spannungsabhängigen Widerständen (Varistoren) bekannt. Bei Varistoren ist aus der Spannungs-Stromkennlinie bekannt, dass der Widerstand mit steigender Spannung abnimmt, was durch den Nichtlinearitätsexponenten α beschrieben wird, wie sich aus der definierenden Gleichung I = KUα ergibt, worin I der Strom ist, U die Spannung, K eine geometrieabhängige Konstante und α der Nichtlinearitätsexponent.
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Bekannte Beschichtungsmaterialkombinationen nutzen Materialien, deren Varistor-Eigenschaften deutlich stärker hervortreten, beispielsweise Füllstoffe mit Zinkoxid, ZnO. Diese Klasse von Materialien hat hervorgehobene Schaltcharakteristiken, zeigt also ein starkes nichtlineares Verhalten oberhalb eines bestimmten Schwellwerts des elektrischen Feldes. Im Rahmen der Anwendung der vorliegenden Erfindung würde dies zu einer drastischen Störung der Feldverteilung führen, sobald auch nur ein Anteil der Beschichtung diesen Schwellwert überschreitet, was bereits selbst zu einer Fehlfunktion der Schaltvorrichtung führen kann. Auch Beschichtungen, die Graphit als Teil des Füllstoffs verwenden, sind für die hier beschriebene Anwendung eher ungeeignet, da hier der Nachteil besteht, dass die Resistenz gegen Korrosion, insbesondere die Resistenz gegen Teilentladungserosion, deutlich schlechter ist als bei den durch die vorliegende Erfindung beschriebenen Materialien; ferner wäre die Leitfähigkeit einer solchen Beschichtung deutlich zu hoch, so dass die auftretende Joulesche Erwärmung innerhalb der leitfähigen Beschichtung zu hoch würde.
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Im Gegensatz zu diesen Beispielen dienen die weichen Charakteristiken der Materialzusammensetzung, wie sie die vorliegende Erfindung beansprucht, einer graduellen Reduzierung der Oberflächenladungen, die sich anderweitig ansammeln würden und/oder zu Elektronenlawinen nahe der Oberfläche führen würden, so dass mithin durch die erfindungsgemäße Beschichtung eine starke Verzerrung der elektrischen Feldverteilung vermieden wird. Elektronen, die durch Röntgenstrahlung, Ladungsakkumulation oder Elektronenlawinen frei werden, werden somit schnell von der Oberfläche des Isolators entfernt, so dass Feldverzerrungen weitgehend vermieden werden. Mithin wird die elektrische Feldstärke auf der Oberfläche der Schaltvorrichtung, mithin des Gehäuses, äußerst homogen, woraus wiederum eine Reduzierung der Größe, insbesondere der Länge, und sonstiger Geometrieanforderungen an die Schaltvorrichtung resultiert. Die Schaltvorrichtung lässt sich kostengünstig realisieren.
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Wie dargelegt wurde, werden hierbei gezielt Materialzusammenstellungen eingesetzt, die nicht nur einfach verarbeitbar sind, sondern auch durch einfache Modifikationen auf bestimmte gewünschte Flächenwiderstandswerte einstellbar sind. Dabei ist es, wie schon gesagt, bevorzugt, wenn der Füllstoff Zinnoxid SnO2 oder Siliziumcarbid SiC ist oder umfasst. Sollen die Leitfähigkeitseigenschaften dieser Substanzen durch eine Dotierung angepasst werden, sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass der Füllstoff mit Antimon dotiertes Zinnoxid und/oder mit Aluminium dotiertes Siliziumcarbid ist oder umfasst. Dabei kann beispielsweise eine Dotierung von 0 bis 15 mol% Antimon (Sb) in Zinnoxid (SnO2) vorgesehen sein.
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Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass sich diese bevorzugten Materialkombinationen besonders für Betriebsfeldstärken im Bereich des Isolators von 100 bis 1200 V/mm eignen.
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Das Matrixmaterial kann aus der Gruppe umfassend Elastomere, Duroplasten, Thermoplasten und Glas gewählt werden. Entsprechend können die verschiedenen Beschichtungsverfahren zur Herstellung der Beschichtung gewählt werden. Das Matrixmaterial kann mithin organisch, beispielsweise als ein Polymer, oder anorganisch, beispielsweise als Glas, ausgebildet sein, in dem der Füllstoff eingebracht ist. Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Füllstoffkonzentration 10 bis 90 Gew.-%, insbesondere 40 bis 60 Gew.-%, beträgt. Der bevorzugte Bereich von 40 bis 60 Gew.-% entspricht dabei bei Verwendung von Zinnoxid auf Glimmerplättchen („platelets“) einem Volumenanteil von etwa 20 bis 30 Vol.-%.
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Auch die Dicke der Beschichtung hat dabei einen Einfluss darauf, wie hoch die Flächenleitfähigkeit der Beschichtung ist; zudem tendieren dickere Beschichtungen bei bestimmten Materialkombinationen zu stabileren Flächenwiderstandseigenschaften. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung haben sich Dicken der Beschichtung von 100 µm bis 500 µm als zweckmäßig erwiesen.
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Der Füllstoff kann aus Teilchen einer Korngröße von 100 nm bis 300 µm, bevorzugt 1 µm bis 50 µm, bestehen. Werden im Mikrometerbereich liegende anorganische Teilchen, beispielsweise Siliziumcarbid, verwendet, ist ein Trägermaterial nicht zwangsläufig erforderlich, wobei es jedoch auch zweckmäßig sein kann, insbesondere dann, wenn ein Zinnoxid SnO2 umfassender Füllstoff verwendet wird, wenn die Teilchen Plättchen aus einem Trägermaterial, insbesondere Glimmer, sind, die mit dem die Widerstandseigenschaften definierenden Widerstandsmaterial, insbesondere Zinnoxid SnO2 oder Siliziumcarbid SiC, beschichtet sind, bevorzugt mit einer Schichtdicke im Bereich von 10 bis 100 nm. Es können mithin Glimmerplättchen (Mica-Platelets) verwendet werden, die mit einer Schicht von halbleitendem Material, insbesondere Zinnoxid, überzogen sind. Eine Alternative zur Verwendung solcher Plättchen ist Quarzmehl. Insbesondere bei Verwendung der Plättchen spielt bei den Eigenschaften der Beschichtung auch das Seitenverhältnis eine Rolle. Beispielsweise kann bei Plättchen ein Seitenverhältnis kleiner oder gleich Fünf für Breite zu Höhe angesetzt werden. Wird ein Füllstoff mit einen betonten Seitenverhältnis, beispielsweise also Plättchen, verwendet, ist es, wie eingangs bereits dargelegt wurde, insbesondere günstig möglich, einen Bereich zu erreichen, in dem der Flächenwiderstand nicht länger deutlich von der Konzentration des Füllstoffs abhängt, was die Reproduzierbarkeit der Beschichtung erhöht.
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Eine weitere Möglichkeit zur Anpassung des Flächenwiderstands, hier konkret zur Erhöhung der Leitfähigkeit, ist eine Oberflächenbehandlung der Teilchen, wobei beispielsweise vorgesehen sein kann, dass die Teilchen nach außen von einer elektrisch leitenden Schicht, insbesondere Titanoxid TiO2, überzogen sind. Gerade bei kleineren Korngrößen und/oder geringeren Konzentrationen kann eine derartige leitfähige Beschichtung, bevorzugt mit Titanoxid, zweckmäßig sein, um die gewünschten Leitfähigkeitseigenschaften und somit Flächenwiderstände herzustellen.
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Es ist zwar bereits eine äußerst vorteilhafte Ausgestaltung gegeben, wenn ein äußerst homogener Flächenwiderstand über die Oberfläche des Isolators, mithin in der gesamten Beschichtung, vorhanden ist, die jedenfalls zum hinreichenden Abführungen von Oberflächenladungen und zur Homogenisierung des elektrischen Feldes am Isolator führt. Nichtsdestotrotz sind Fälle denkbar, in denen die Nutzung von Hintergrundwissen zur lokalen Variation des Flächenwiderstands zu noch verbesserten Resultaten führen können, so dass beispielsweise in Bereichen, in denen bekannt ist, dass, beispielsweise aufgrund anderer Bestandteile der Schaltvorrichtung, ohnehin hohe Felder auftreten, ein niedrigerer Flächenwiderstand gewählt werden kann, damit sich Ladungen schneller verteilen als in Bereichen kleinerer Betriebsfeldstärken. Nachdem Schaltvorrichtungen meist symmetrisch um die Erstreckungsrichtung der Leiterelemente (und mithin auch die Bewegungsrichtung des wenigstens einen bewegbaren Leiterelements) ausgestaltet sind, sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass der Flächenwiderstand entlang der Erstreckungsrichtung der Leiterelemente variiert ist, insbesondere in Abhängigkeit einer Veränderung des elektrischen Feldes bei Betriebsbedingungen entlang der Erstreckungsrichtung der Leiterelemente. Eine derartige Variation des Widerstands entlang der Erstreckungsrichtung kann durch eine Variation der Dicke der Beschichtung und/oder durch Verwendung unterschiedlicher Füllstoffe und/oder durch Variation der Konzentration eines einzigen Füllstoffs erreicht werden, wofür geeignete Herstellungstechniken im Stand der Technik bereits bekannt sind. So kann beispielsweise über die Länge der Schaltvorrichtung ein bestimmter Verlauf des Flächenwiderstandes realisiert werden, sei es durch Veränderung der Dicke der Beschichtung, durch Nutzung unterschiedlicher Füllstoffe mit unterschiedlichen Leitfähigkeiten, deren jeweilige Konzentration sich entlang der Länge der Schaltvorrichtung ändert, oder sei es durch Variation der Konzentration des einzigen Füllstoffs über die Länge der Schaltvorrichtung.
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So kann eine Anpassung im Hinblick auf Vorwissen über die Verteilung des elektrischen Feldes bei Betrieb der Schaltvorrichtung vorgenommen werden.
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Die Schaltvorrichtung kann insbesondere als eine Vakuumschaltröhre ausgebildet sein. Ist nun ferner vorgesehen, dass die Vakuumschaltröhre im Kontaktierungsbereich der Leiterelemente ein das elektrische Feld am Isolator beeinflussendes, innerhalb der Schaltkammer angeordnetes und/oder zwischen zwei Gehäuseteilen des Gehäuses gehaltertes Schirmelement zum Abfangen freier Metallpartikel der Leiterelemente aufweist, tritt häufig durch das Schirmelement (welches auch als Dampfschirm bezeichnet werden kann) auch eine Feldverzerrung auf, die durch die Verwendung der Beschichtung im Rahmen der vorliegenden Erfindung deutlich homogenisiert bzw. kompensiert werden kann und deren Effekte, beispielsweise Ladungsansammlungen, vermieden werden können. Beispielsweise kann es bei solchen Schirmelementen zu einer Abschwächung der Betriebsfeldstärke im Bereich des Schirmelements selber, also hinter bzw. neben dem Schirmelement, kommen, während größere Betriebsfeldstärken an die Erstreckungslänge des Schirmelements anschließend am Isolator auftreten können. Dieses Wissen kann auch genutzt werden, um, wie gerade dargelegt wurde, den Flächenwiderstand ortsabhängig zu variieren.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Schaltvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2 ein möglicher Verlauf des Flächenwiderstands entlang der Erstreckungsrichtung der Leiterelemente, und
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3 eine erfindungsgemäße Schaltvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt in Form einer Prinzipskizze ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung 1, hier eine Vakuumschaltröhre. Ein hier aus zwei röhrenförmigen Keramikteilen, also Isolatoren 2, zusammengesetztes Gehäuse 3 wird durch metallene Kappen 4 abgeschlossen und definiert eine Schaltkammer 5, in die zwei beispielsweise als Bolzen ausgebildete Leiterelemente 6 mit Kontakten 7 geführt sind. Das in 1 untere der Leiterelemente 6 ist gemäß dem Pfeil 8 und der angedeuteten Bewegungseinrichtung 9 beweglich ausgestaltet und kann in Erstreckungsrichtung 10 der Leiterelemente 6, welche auch die Symmetrieachse der Schaltvorrichtung 1 bildet, verschoben werden, um die Kontakte 7 in Kontakt zu bringen oder zu beabstanden, wobei vorliegend ein geöffneter Zustand der Schaltvorrichtung 1 gezeigt ist. Aufgrund der Beweglichkeit des unteren Leiterelements 6 ist dieses über einen Metallbalg 11 an die Metallkappe 4 angekoppelt; auf beiden Seiten sind also die Metallkappen 4 leitend mit den Leiterelementen 6 verbunden.
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Innerhalb der Schaltkammer 5 herrscht Vakuum, vorliegend mit einem Druck als < 10–8 pa.
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Um beispielsweise beim Öffnen der Schaltvorrichtung 1 entstehende Metalldämpfe nicht auf die innere Oberfläche des Isolators 2, hier Keramik, kommen zu lassen, ist vorliegend in der Schaltkammer 5 ein metallenes Schirmelement 12 (Dampfschirm) im Kontaktierungsbereich vorgesehen. Dieses Schirmelement 12 sorgt nun jedoch auch für eine Verzerrung des elektrischen Feldes, so dass in einem Bereich 13 hinter den Schirmelementen ein geringeres elektrisches Feld im Betrieb vorliegen würde als in den Bereichen 14, wo sich beispielsweise Ladungen ansammeln können und somit für weitere Feldverzerrungen sorgen können, die die Funktionsfähigkeit der Schaltvorrichtung 1 in Frage stellen könnten. Um dem entgegenzuwirken, ist die Außenseite des Isolators 2 (und mithin des Gehäuses 3 im Bereich des Isolators 2) mit einer resistiven Beschichtung 15 versehen, die die gesamte Außenoberfläche des Isolators 2 überdeckt und auf beiden Seiten der Schaltvorrichtung 1 leitend die Kappen 4 kontaktiert, beispielsweise durch eine Lötverbindung oder dergleichen. Mithin ist durch die resistive, aber leitfähige Beschichtung 15 eine leitende Verbindung zwischen den Leiterelementen 6 gegeben, so dass zwar ein geringer Fehlerstrom entsteht, der aber aufgrund des hohen Widerstandes der Beschichtung 15, vorliegend im Bereich von 1010 Ω, nicht wesentlich ist, jedoch zur Feldangleichung und zum Abtransport von Oberflächenladungen beiträgt. Auch zu hohe Felder sind für diese Eigenschaften unproblematisch, da der die Steigung in der Strom-Spannungskennlinie der Beschichtung 15 beschreibende Nichtlinearitätsexponent deutlich kleiner als 6 ist, vorliegend im Bereich von 4 bis 4,5 liegt. Selbst bei transienten Spannungsspitzen werden Durchschläge mithin vermieden.
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Die Beschichtung 15 besteht aus einer Materialzusammensetzung, die zunächst ein Trägermaterial, vorliegend Glas, umfasst, in dem ein Füllstoff vorgesehen ist. Der Füllstoff ist zu 50 Gew.-% enthalten. Bei dem Füllstoff handelt es sich um Zinnoxid, SnO2, das als Widerstandsmaterial auf Glimmerplättchen aufgebracht ist, die ein Seitenverhältnis Breite zu Höhe von kleiner als 5 aufweisen und Größen im Bereich von 1 bis 50 µm besitzen. Die Dicke der Schicht aus Widerstandsmaterial auf dem Plättchen liegt zwischen 10 und 100 nm, wobei die insgesamte Dicke der Beschichtung 15 hier 250 µm beträgt.
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Es sind Ausführungsbeispiele denkbar, in denen das Widerstandsmaterial noch dotiert ist, im hier beschriebenen Beispiel von Zinnoxid (SnO2) mit Antimon (Sb), wobei die Dotierung hier mit 0 bis 15 Mol.-% realisiert werden kann. Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass zusätzlich auch Titanoxid, TiO2, auf den Plättchen aufgebracht wird, wenn die Leitfähigkeit erhöht werden soll.
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Der Flächenwiderstand kann dabei über die gesamte Beschichtung 15 homogen und somit konstant sein. Es ist jedoch auch denkbar, Vorwissen einfließen zu lassen, um eine Variation des Flächenwiderstands in Abhängigkeit von der Position in Erstreckungsrichtung 10, also Längsrichtung der Schaltvorrichtung 1, zu realisieren, so dass beispielsweise in dem Bereich 13 hinter dem Schirmelement 12 ein höherer Flächenwiderstand vorliegen kann als in den Bereichen 14. Dies ist in 2 schematisch dargestellt, der den Flächenwiderstand R?? gegen die Position l in Erstreckungsrichtung 10 sowie die Bereiche 13 und 14 zeigt. Man erkennt, dass der Verlauf 16 des Flächenwiderstands im Bereich 13 eine Erhöhung zeigt.
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Derartiges kann durch Variation der Dicke der Beschichtung 15, durch Verwendung zweier unterschiedlicher Füllstoffe mit unterschiedlicher Leitfähigkeit und Variation derer Konzentrationen entlang der Erstreckungsrichtung 10 oder auch durch Verwendung eines einzigen Füllstoffs und Variation dessen Konzentration in Erstreckungsrichtung 10 erreicht werden.
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3 zeigt ein zweites, leicht modifiziertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung 1‘, wiederum einer Vakuumschaltröhre. Der Einfachheit halber sind funktional gleiche Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ersichtlich besteht das Gehäuse 3 wiederum aus zwei Isolatoren 2, also röhrenförmigen Keramikteilen, die in diesem Fall jedoch beabstandet sind, da zwischen ihnen das einen entsprechend größeren Radius aufweisende Schirmelement 12 im Kontaktierungsbereich 13 gehaltert ist. Die Beschichtung 15 erstreckt sich jeweils entlang der Außenseite der Isolatoren 2 und ist nicht nur mit den Kappen 4 leitend verbunden, sondern entsprechend natürlich auch mit dem (metallenen) Schirmelement 12.
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Es sei noch angemerkt, dass Siliziumcarbid (SiC) als Alternative für Zinnoxid ebenso verwendet werden kann, wobei dann, wenn dort auch eine Dotierung vorgesehen sein soll, Aluminium (Al) als Dotierungsmaterial bevorzugt wird.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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