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Die Erfindung betrifft eine Unterbrechereinheit nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Zur Vermeidung des klimaschädlichen Schwefelhexafluorids werden moderne Unterbrechereinheiten einerseits mit alternativen Isoliergasen befüllt oder es kommen Kombinationen aus Vakuumschaltröhren mit einer diese umgebenden Luftisolierung zum Tragen. In dem zweiten beschriebenen Fall ist ein üblicher Aufbau in der Form gestaltet, dass eine Vakuumschaltröhre wiederum in einem weiteren geschlossenen Raum angeordnet ist, in dem sich gereinigte Luft oder ein anderes luftähnliches Gasgemisch befindet. Um die Isolierfähigkeit einer derartigen Anordnung noch zu erhöhen, ist es zweckmäßig, die Vakuumschaltröhre, die in dem äußeren Umfang zumindest teilweise durch ein Isolatormaterial, beispielsweise eine Isolierkeramik, gebildet ist, mit einem weiteren Isoliergehäuse, insbesondere auf einer Kunststoffbasis wie Epoxidharz bestehend, zu umhüllen. Dieses Isoliergehäuse ist somit zwischen dem äußeren Umfang der Vakuumschaltröhre und dem Gasraum, der beispielsweise reine Luft enthält, angeordnet. Dabei wird das Isoliergehäuse über die Vakuumröhre geschoben oder das Isoliergehäuse wird in einem Gießprozess um die Vakuumröhre herumgegossen. In beiden alternativen Verfahren ist es stets schwer eine Grenzfläche zwischen der Vakuumröhre und dem Isoliergehäuse frei von Luftblasen bzw. anderen Einschlüssen zu gestalten. Derartige Blasen führen wiederum im Betrieb zu Teilentladungen in diesem Bereich, wodurch das Material des Isoliergehäuses einer Erosion unterliegt. Das Material wird an dieser Stelle angegriffen und verliert dabei seine elektrische Isolierfähigkeit. Im schlimmsten Falle kann es nach einer längeren Schädigung des Materials des Isoliergehäuses zu einem Durchschlag in der Grenzschicht kommen oder ein Durchschlag nach außen in den Gasraum hin erfolgen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Unterbrechereinheit mit einer Vakuumschaltröhre und einem Isoliergehäuse bereitzustellen, das gegenüber dem Stand der Technik einen verbesserten Schutz gegenüber Teilentladungen im Grenzbereich zwischen der Vakuumschaltröhre und dem Isoliergehäuse aufweist und somit eine frühzeitige Beschädigung bzw. Erosion des Materials des Isoliergehäuses verhindert wird.
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Die Lösung der Aufgabe besteht in einer Unterbrechereinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die Unterbrechereinheit gemäß Patentanspruch 1 umfasst eine Vakuumschaltröhre und ein Isoliergehäuse, wobei das Isoliergehäuse eine Innenoberfläche aufweist und die Vakuumschaltröhre zumindest teilweise durch ein elektrisch isolierendes Strukturmaterial begrenzt ist. Das Strukturmaterial wiederum weist eine Außenoberfläche auf, wobei das Isoliergehäuse die Vakuumschaltröhre zumindest teilweise umgibt. In einem betriebsbereiten Zustand der Unterbrechereinheit ist die Innenoberfläche des Isoliergehäuses und die Außenoberfläche der Vakuumschaltröhre durch eine Adhäsionsschicht voneinander getrennt. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass sowohl die Innenoberfläche als auch die Außenoberfläche zumindest teilweise mit einer leitfähigen Schicht versehen sind, sodass sich in einem Grenzbereich zwischen der Vakuumschaltröhre und dem Isoliergehäuse von einer Schaltachse radial nach außen gerichtet folgende Schichtfolge ergibt: Zuerst folgt von innen nach außen das Strukturmaterial der Vakuumschaltröhre. Dieses Strukturmaterial weist die Außenoberfläche auf, die wiederum mit einer leitfähigen Schicht versehen ist, bzw. eine derartige leitfähige Schicht umfasst. Es folgt im Weiteren eine Adhäsionsschicht, die von einer weiteren leitfähigen Schicht am Isoliergehäuse bzw. an dessen Innenoberfläche umgeben ist, und diese weitere leitfähige Schicht ist auf der Innenoberfläche des Isoliergehäuses angebracht. Im Weiteren folgt noch ein Volumenmaterial des Isoliergehäuses.
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Die beschriebene Schichtfolge umfasst zwei elektrisch leitfähige Schichten, die die Adhäsionsschicht radial gesehen von beiden Seiten begrenzen. Beim Betrieb der Unterbrechereinheit, insbesondere bei einem Schaltvorgang, bei dem ein entsprechendes elektrisches Feld von der Schaltachse radial nach außen gerichtet ist, bedeutet dies, dass die beiden leitfähigen Schichten zum einen auf dem Strukturmaterial der Vakuumschaltröhre und zum anderen auf der Innenoberfläche des Isoliergehäuses jeweils dasselbe Potenzial aufweisen. Das wiederum bedeutet, dass in der Adhäsionsschicht, die sich zwischen den beiden leitfähigen Schichten befindet, und in der auch mögliche Lufteinschlüsse vorhanden sind, kein elektrisches Feld befindet. Die Adhäsionsschicht ist somit feldfrei. Durch das lokale Fehlen eines elektrischen Feldes im Bereich der Adhäsionsschicht kommt es im Bereich von etwaigen Lufteinschlüssen bzw. Gasblasen somit auch nicht zu einer Teilentladung und somit auch im Weiteren nicht zu einer lokalen Erosion des betroffenen Materials. Auf diese Weise wird die Lebensdauer der Kombination aus Unterbrechereinheit und Isoliergehäuse und ihre Betriebssicherheit gegenüber dem Stand der Technik deutlich erhöht.
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Dabei ist anzumerken, dass es sich bei der Adhäsionsschicht bevorzugt um eine Klebeschicht handelt, die zusätzlich zwischen den beiden leitfähigen Schichten eingebracht ist. Grundsätzlich können jedoch auch die beiden leitfähigen Schichten so ausgestaltet sein, dass sie durch eine entsprechende Prozessbehandlung, beispielsweise durch eine Wärmebehandlung, wiederum beispielsweise durch Diffusionsvorgänge so miteinander interagieren, sodass sich im Grenzbereich zwischen den beiden elektrisch leitenden Schichten die Adhäsionsschicht ausbildet. Die Adhäsionsschicht könnte somit auch aus den beiden leitenden Schichten hervorgehen. Unter dem Begriff elektrisch leitfähig wird auch ein halbleitendes Material verstanden, das auf üblichen Halbleitermaterialien, beispielsweise wie Silizium, Siliziumkarbid oder Verbindungshalbleitern wie Galliumarsenid besteht bzw. dieses umfasst. Die elektrische Leitfähigkeit der Schicht ist dabei so bemessen, dass der elektrische Widerstand der Schicht in axialer Richtung einen Bereich zwischen 108 und 1015 Ohm liegt.
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Ferner ist es zweckmäßig, dass das Isoliergehäuse ausgehend von der Schaltachse radial nach außen gerichtet eine abnehmende Permittivität aufweist. Bevorzugt liegt dabei die Permittivität am äußeren Rand des Isoliergehäuses möglichst nahe bei 1, was einen geringen Feldstärkesprung am Übergang zum äußeren Isolationsmedium, beispielsweise der gereinigten Luft, bedeutet. Realistischen Werte für die Permittivität von gut geeigneten Materialien für das Isoliergehäuse, wie z. B. Kunststoffe, insbesondere auf Epoxidharzbasis liegen zwischen 1,2 und 2, insbesondere zwischen 1,2 und 1,5. Dabei kann die Permittivität im Isoliergehäuse radial nach außen stufenförmig abnehmen, was durch eine Schichtung von unterschiedlichem Material im Isoliergehäuse erreicht werden kann. Auch eine graduelle Änderung der Permittivität radial nach außen kann zweckmäßig sein und ist darstellbar.
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Weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung:
- Weitere Merkmale und weitere Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei handelt es sich um rein schematische Darstellungen, die keine Einschränkung des Schutzbereichs darstellen.
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Dabei zeigen:
- 1 eine Darstellung zur Herstellung einer Unterbrechereinheit mit einem Isoliergehäuse
- 2 eine vergrößerte Darstellung des Grenzbereichs zwischen Isoliergehäuse und Vakuumschaltröhre gemäß des Ausschnittes II aus 1,
- 3 eine Abhängigkeit des elektrischen Feldes entlang der radialen Ausdehnung r gemäß III aus 1.
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In 1 ist der Aufbau bzw. die Entstehung einer Unterbrechereinheit 2 mit einer Vakuumschaltröhre 4 und einem Isoliergehäuse 6 veranschaulicht. In der ganz linken Darstellung gemäß a ist eine Vakuumschaltröhre 4 dargestellt, die ein Strukturmaterial 22 aufweist, das einen Vakuumraum 28 umgibt. Im Vakuumraum 28 sind schematisch zwei Schaltkontakte 26 dargestellt, wobei zumindest einer davon entlang einer Schaltachse 20 translatorisch bewegbar ist. Dabei ist die äußere Gestalt der Vakuumschaltröhre 4 rein schematisch zu verstehen, das Strukturmaterial 22, das in der Regel aus einem isolierenden keramischen Material besteht bzw. diese umfasst, stellt in der Regel lediglich einen Teil eines Gehäuses einer Vakuumschaltröhre 4 dar. Insbesondere in einem Bereich, in dem sich die Schaltkontakte 26 entlang der Schaltachse 20 bewegen, ist die Vakuumschaltröhre 4 im Äußeren durch ein metallisches Außenmaterial begrenzt.
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Im Weiteren wird gemäß der Teilfigur b in 1 eine leitfähige bzw. halbleitende Schicht 16 auf einer Außenoberfläche 10 der Vakuumröhre 4 bzw. des Strukturmaterials 22 aufgebracht. Hierbei handelt es sich beispielsweise um ein pulverförmiges Siliziumkarbidmaterial, das in einer Epoxidmatrix eingebettet ist und einen SIC-Befüllungsgrad aufweist, der zwischen 50 und 70 Prozent des Gesamtvolumens beträgt. Die hieraus resultierende Schicht 16 weist eine Leitfähigkeit auf, die die so bemessen ist, dass der elektrische Widerstand der Schicht in axialer Richtung einen Bereich zwischen 108 und 1015 Ohm liegt. Die Leitfähigkeit der Schicht 16 wird dabei entsprechend der sich aus der Bemessungsspannung und den vorgegebenen geometrischen Parametern der Vakuumschaltröhre und dem daraus resultierenden elektrischen Feld bestimmt.
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Im Weiteren, gemäß c wird ein Isoliergehäuse 6 über die Vakuumschaltröhre 4 geschoben. Dabei ist hier schematisch das Isoliergehäuse 6 zylindrisch ausgestaltet, wobei hierbei ein formschlüssiges Aufbringen des Isoliergehäuses 6 veranschaulicht wird. Grundsätzlich ist es auch möglich bzw. zweckmäßig das Isoliergehäuse 6 auf die Vakuumschaltröhre 4, insbesondere auf das Strukturmaterial 22 aufzugießen. Zweckmäßig ist dabei jedoch eine weitere leitfähige Schicht 14, die auf einer inneren Oberfläche 8 des Isoliergehäuses 6 angebracht ist. Für die Schicht 16 gelten die gleichen Bedingungen, die bereits zur Schicht 16 erläutert sind, grundsätzlich sollten die Schichten 14 und 16 artgleich sein. Sie können jedoch auch unterschiedlich bezüglich ihres Materials und ihrer Leitfähigkeit sein, wenn dies beispielsweise unterschiedliche Haftbedingungen und daraus resultierend unterschiedliche Beschichtungsverfahren erforderlich machen. Dies ist zweckmäßig, wenn die noch näher zu beschreibende Feldfreiheit oder Feldreduktion zwischen den Schichten 14, 16 erzielt wird.
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In der d ist die Unterbrechereinheit in einem fertigen Zustand schematisch dargestellt. Der Grenzbereich 18 zwischen dem Strukturmaterial 22 der Vakuumschaltröhre 4 und einem Volumenmaterial 24 des Isoliergehäuses 6 ist in 1 durch einen Kreis dargestellt, der mit dem Bezugszeichen II versehen ist und dessen vergrößerte Darstellung in der 2 abgebildet ist. 2 zeigt demnach diesen Ausschnitt, den Grenzbereich 18 zwischen der Vakuumschaltröhre 4 und dem Isoliergehäuse 6, wobei auf der linken Seite der 2 das Strukturmaterial 22 (beispielsweise Aluminiumoxid) als Außenbegrenzung der Vakuumschaltröhre 4 dargestellt ist. Dieses Strukturmaterial 22 weist eine Außenoberfläche 10 auf, auf der eine leitfähige Schicht 16 aufgebracht ist. Die Zusammensetzung der leitfähigen Schicht 16 wurde bereits im vorhergehenden Absatz beschrieben. Es folgt eine Adhäsionsschicht 12, die bevorzugt und im Wesentlichen durch einen organischen Klebstoff gebildet wird. Als Weiteres folgt eine weitere elektrisch leitende Schicht 14, die in ihrer Zusammensetzung der Schicht 16 sehr ähnelt oder sogar aus dem gleichen Material besteht. Diese ist auf einer inneren Oberfläche 8 des Isoliergehäuses 6 aufgebracht. Im Weiteren folgt noch das Volumenmaterial 24 des Isoliergehäuses 6. Bei diesem Material handelt es sich bevorzugt um ein Epoxidharz.
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Gemäß 2 sind zwischen den Schichten 16 und 14 in der Adhäsionsschicht 12 Blasen 32 dargestellt. Diese Blasen 32 bilden sich unerwünscht, sind aber beim Aufbringen des Isoliergehäuses auf die Vakuumschaltröhre 4 bzw. auf das Strukturmaterial 22 der Vakuumschaltröhre 4 schwer zu vermeiden. Es ist dabei anzumerken, dass die Reihenfolge der Schichten im Grenzbereich 18 entlang des Pfeiles r beschrieben ist, der eine radiale Abfolge ausgehend von der Schaltachse 20 nach außen beschreibt.
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In 3, die das elektrische Feld ebenfalls entlang der radialen Ausdehnung des Pfeiles r von der Schaltachse 20 aus gesehen, darstellt, ist zu erkennen, wie sich das elektrische Feld ausgehend von der Schaltachse 20 im Vakuumraum 28 kontinuierlich abschwächt. Der Versatz der Feldstärke in 3, der in dem Bereich 28 durch die zwei gestrichelten Linien getrennt ist, zeigt lediglich, dass es sich hier um einen Schnitt handelt, der besagt, dass bei einer maßstabsgetreuen Darstellung dieser Bereich 28 in 3 eine größere Ausdehnung aufweisen würde. Ein echter Sprung in der Stärke des elektrischen Feldes tritt mit dem Auftreten des Strukturmaterials 22 auf, in diesem Fall dringt das Feld vom Vakuum in das Strukturmaterial 22 ein, das eine höhere Permittivität als das Vakuum im Vakuumraum 28 aufweist, und daher das elektrische Feld stark reduziert wird. Auch hier nimmt das elektrische Feld E radial nach außen sukzessive ab.
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Im Weiteren folgen entlang des Pfeils r in radialer Richtung die Schichten 12, 14 und 16. In 3 ist zu erkennen, dass in diesem Bereich kein elektrisches Feld vorhanden ist. Hiernach folgt das Volumenmaterial 24 des Isoliergehäuses 6, in dem das elektrische Feld E weiterhin abnimmt, bis an der äußeren Oberfläche des Isoliergehäuses 6 der Luftraum 30 beginnt, der ebenfalls eine isolierende Wirkung aufweist. In diesem Luftraum 30 kann sich gereinigte Luft, jedoch auch ganz normale Luft, also eine Außenatmosphäre, jedoch auch ein luftähnliches Gemisch, das Stickstoff und Kohlendioxid umfasst, befinden. Hierbei handelt es sich um eine weitere Isolationsstufe für die Unterbrechereinheit 2, in der das elektrische Feld weiter abnimmt.
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In 3 ist bezüglich des elektrischen Feldes wiederum ein Sprung zwischen dem Material 24 des Isoliergehäuses 6 zu erkennen. Dies liegt daran, dass die Permittivität der Luft bzw. des Gases, das außerhalb des Isoliergehäuses 6 anliegt, in der Nähe von 1 liegt. Das Material 24 des Isoliergehäuses 6 hat in der Regel eine höhere Permittivität, wobei es wünschenswert wäre, dass sich die Permittivität des Materials 24 entlang des Radius erniedrigt, sodass der Sprung, der hier zwischen dem Übergang von 24 auf den Bereich 30 zu erkennen ist, reduziert und möglichst gering ausfällt. Hierfür kann es zweckmäßig sein, dass das Volumenmaterial 24 des Isoliergehäuses 6 entlang des Pfeiles r unterschiedliche Permittivitäten aufweist. Grundsätzlich sollte im Außenbereich die Permittivität des Materials so niedrig wie möglich, also so nah wie möglich an 1 liegen. Im Inneren kann die Permittivität höher sein. Dies kann durch einen schichtförmigen Aufbau des Volumenmaterials 24 gelingen, sodass zwei oder mehrere Schichten unterschiedlichen Materials mit unterschiedlichen Permittivitäten konzentrisch umeinander gelegt werden. Es ist jedoch auch zweckmäßig, das Material so auszugestalten, dass sich ein gradientenförmiges Verhalten der Permittivität in Richtung des Pfeils r ergibt.
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In den Bereichen 12, 14 und 16, in denen gemäß 3 das elektrische Feld Null oder nahe Null ist, sind wie beschrieben die elektrisch leitfähigen Schichten 14 und 16 angeordnet, die die Adhäsionsschicht 12 einschließen. Wie in 2 dargestellt, können in der Adhäsionsschicht 12 Blasen 32 auftreten, in denen es bei Anlegen eines elektrischen Feldes zu einer Teilentladung kommen kann, wodurch das Material der Adhäsionsschicht bzw. auch das umliegende Material, bzw. das Volumenmaterial 24 des Isoliergehäuses 6 erodiert und letztendlich altert. Dieser Alterungsprozess kann die Durchschlagfestigkeit und somit auch die Lebensdauer der Kombination aus Isoliergehäuse 6 und Unterbrechereinheit 2 reduzieren und somit einen früheren Austausch erforderlich machen. Durch die beschriebenen Schichten 14 und 16 ist die Adhäsionsschicht 12 jedoch so eingebettet, dass auf ihrer Innen- und auf ihrer Außenseite jeweils das gleiche Potenzial anliegt und somit dort das elektrische Feld auf null zurückgeht und daher auch keine Teilentladung in dem kritischen Bereich der Adhäsionsschicht 12, in der sich Blasen 32 bilden können, stattfindet. Die Gefahr der Erosion in diesem Übergangs- oder Grenzbereich 18 ist durch die beschriebenen Schichten 14 und 16 nahezu auf null reduziert.
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Dabei ist anzumerken, dass es sich bei der Adhäsionsschicht 12 in der Regel um eine Klebeschicht handelt, die dazu geeignet ist, das Material 24 des Isoliergehäuses 6 mit dem Strukturmaterial 22 der Vakuumschaltröhre 4 zu verkleben. Grundsätzlich kann es auch zweckmäßig sein, die Schichten 14 und 16 so direkt aufeinander zu bringen und einer entsprechenden Behandlung zu unterziehen, sodass sich zwischen ihnen eine Adhäsionsschicht ausbildet, bzw. die Adhäsionsschicht 12 direkt durch die Schichten 14 und 16 gebildet wird. Hierbei kann es sich beispielsweise um Diffusionsprozesse oder durch chemische Umwandlung in einem weiteren Grenzbereich zwischen diesen beiden Schichten 14 und 16 handeln. Auch diese Maßnahme trägt dazu bei, Blasen 32 zu unterdrücken und falls sie doch auftreten, durch die Einbettung in Materialien mit demselben Potenzial bezüglich einer Teilentladung unschädlich zu machen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Unterbrechereinheit
- 4
- Vakuumschaltröhre
- 6
- Isoliergehäuse
- 8
- innere Oberfläche Isoliergehäuse
- 10
- Außenoberfläche Vakuumröhre
- 12
- Adhäsionsschicht
- 14
- leitfähige Schicht Innenoberfläche
- 16
- leitfähige Schicht Außenoberfläche
- 18
- Grenzbereich
- 20
- Schaltachse
- 22
- Strukturmaterial
- 24
- Vakuummaterial Isoliergehäuse
- 26
- Schaltkontakte
- 28
- Vakuumraum
- 30
- Luftraum/Gasraum
- 32
- Blasen
