DE19806329A1 - Hochspannungs-Vakuumschaltkammer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vakuumschaltkammer, die einen von einem Isolierzylinder aus Keramik, vorzugsweise Porzellan, umschlossenen Vakuumraum aufweist, wobei die untere und die obere Öffnung des Isolierzylinders mit einem Boden und einem Deckel vakuumdicht verschlossen sind und im mittleren Bereich des Bodens ein axial in Längsrichtung verschiebbarer Kontaktstift angeordnet ist, der an seinem unteren Ende mit einem außerhalb der Vakuumschaltkammer angeordneten Antrieb verbunden ist und an seinem oberen Ende im Vakuumraum mit einem Schaltkontaktstück mit einer oberen Stirnfläche versehen ist sowie im mittleren Bereich des Deckels axial zu dem Kontaktstift ein Gegenkontaktstift axial in Längsrichtung in dem Deckel fest oder verschiebbar angeordnet ist, wobei dessen unteres Ende im Vakuumraum mit einem Schaltkontaktstück mit einer unteren Stirnfläche versehen ist, wobei die untere Stirnfläche der oberen Stirnfläche des an dem Kontaktstift angeordneten Schaltkontaktstückes gegenüberliegend angeordnet ist und der Kontaktstift sowie der Gegenkontaktstift jeweils vakuumdicht gegenüber dem Vakuumraum von einem Metallfaltenbalg, der an dem Boden bzw. Deckel sowie an dem Schaltkontaktstück oder dem oberen Teil des Kontaktstiftes bzw. Gegenkontaktstiftes befestigt ist, umschlossen ist und im Bereich der Einschaltstellung und der Ausschaltstellung der Schaltkontaktstücke im Wesentlichen konzentrisch zu diesen elektrisch wirksame Steuerelektroden (Potentialringe) aus Metall angeordnet sind.

Es ist bekannt, Vakuumschalter sowohl als Leistungsschalter und Lastschalter im Hochspannungsbereich als auch als Lastschalter im Bereich der Niederspannung einzusetzen. Die Lichtbogenlöschung innerhalb einer Vakuumschaltkammer eines Vakuumschalters unter Vakuum erfordert die Ausnutzung des den elektrischen Strom begleitenden Magnetfeldes. Die unter dem Einfluß des Magnetfeldes erzwungene Bewegung des Lichtbogens bedingt ebene Kontaktflächen, was zu Stirnkontakten führt. Die Stirnkontakte sind zylinderförmige, äußerlich sehr massiv wirkende Schaltkontaktstücke mit Stirnflächen, wie sie beispielsweise durch die DE 39 00 684 A1 bekannt sind. Die Schaltkontaktstücke berühren sich vollständig mit ihrer kreisförmigen Stirnfläche unter der Einwirkung einer äußeren Kraft. Diese Kontaktkraft resultiert im Wesentlichen aus der von einer dem äußeren Antrieb zugeordneten Feder aufgebrachten Kraft. Um die Stärke und Richtung des den Strom begleitenden Magnetfeldes zu beeinflussen, weisen die Schaltkontaktstücke innere Ausnehmungen auf, die in Abhängigkeit ihrer Richtung ein axiales oder radiales Magnetfeld induzieren.

Es ist bekannt, beispielsweise durch die DE 39 32 159 C2, daß der Vakuumraum der Vakuumschaltkammer durch einen zylindrischen Isoliermantel sowie nach oben und unten durch Deckel verschlossen ist. Der untere Stirnkontakt ist dabei an einem durch den unteren Deckel hindurchtretenden, in Längsrichtung axial verschiebbaren Kontaktbolzen angeordnet.

Die Abdichtung des Vakuumraumes erfolgt durch einen, den Kontaktbolzen im Bereich des unteren Deckels umschließenden, Metallfaltenbalg. Der diesem beweglichen Stirnkontakt gegenüberstehende, feste Stirnkontakt ist ebenfalls an einem Kontaktbolzen angeordnet, der an dem oberen Deckel befestigt ist.

Durch die DE 196 03 081 A1 sowie DE 195 19 078 A1 ist bekannt, daß das Kontaktsystem eines Vakuumschalters für höhere Spannungen aus zwei verschiedenartigen Elektrodenpaaren besteht, mit einer Funktionsteilung derart, daß das Schaltkontaktpaar im Einschaltzustand die Stromtragfähigkeit sowie während des Öffnungsvorganges unter Spannung ca. 10 ms die Lichtbogenlöschung und das Steuerelektrodenpaar die Gewähr des entsprechenden Isoliervermögens im Ausschaltzustand eines Hochspannungsvakuumschalters bis zu den Nennstehprüfspannungen übernimmt.

Die Schaltkontakte sind im Ein-Zustand stromdurchflossen, wobei im Schaltfall deren Oberflächen durch den Schaltlichtbogen thermisch hochbelastet sind. Zwischen den thermisch hochbeanspruchten, sich trennenden Kontaktoberflächen muß unmittelbar nach Stromunterbrechung, wenn diese erfolgreich sein soll, ein Isoliervermögen bis zur Einschwingspannung des jeweiligen Hochspannungsnetzes beherrscht werden. Das Steuerelektrodenpaar dagegen wird während des Ausschaltvorganges weder von einem elektrischen Funken noch von einem Schaltlichtbogen merklich beansprucht.

Gemäß den DE 196 03 081 A1 sowie DE 195 19 078 A1 ist es bekannt die Steuerelektroden, die nicht stromdurchflossen sind, aus unmagnetischen Stahl herzustellen. Für unmagnetischen Stahl wird im Vergleich zu Kupferwerkstoffen als Elektrodenmaterial im Hochvakuum eine bis zu 30% höhere Durchschlagspannung angegeben. Es ist auch bekannt, ein Steuerelektrodensystem auf der Basis von Graphit zu gestalten DE 196 03 158 A1.

Im Betriebsspannungsbereich bis 36 kV wurden mit dem Vakuumschaltprinzip national und international seit über 20 Jahren beachtliche wirtschaftliche Erfolge erzielt. Ein besonderer Vorteil besteht in der Tatsache, daß der Vakuumschalter total umweltfreundlich ist. Eine Weiterentwicklung dieses Vakuumschaltprinzips zu höheren Schaltkammerspannungen, vorzugsweise für Schaltkammerspannungen bis 123 kV, scheiterte bisher an der Beherrschung der entsprechenden Prüfspannungen bis 550 kV in einer Kontaktanordnung.

Da in einer Vakuumschaltstrecke keine ausreichende Zahl von Gaspartikeln vorhanden sind, kann das elektrische Feld die zum elektrischen Durchschlag erforderliche Ladungsträgerzahl nur aus dem Elektrodenmaterial selbst gewinnen. Dieser Prozeß erfordert für Stahlelektroden naturgemäß eine höhere Energie (Feldstärke) als z. B. für Kupfer, was zu höheren Durchschlagsspannungen führt.

Dennoch werden auch bei Stahlelektroden mit wirtschaftlich vertretbaren Mitteln keine Prüfspannungen von z. B. 550 kV beherrscht, in physikalischen Grundlagenuntersuchungen erwies sich, daß nicht nur die thermischen Eigenschaften des Elektrodenmaterials (Schmelztemperatur), sondern vor allem dessen Oberflächenstruktur von maßgeblichem Einfluß ist.

Die das elektrische Feld bestimmenden Steuerelektroden (Potentialring) werden mittels verschiedenen technologischen Verfahren bearbeitet, um die erforderliche definierte Form (Krümmung) zu erzielen. Die Folge dieser mechanischen Verformungen verursacht in der Oberflächenstruktur der Steuerelektroden vielfältige Rauhigkeit mit einer Tiefe von mehreren µm. Diese Rauhigkeiten (Spitzen, scharfe Kanten) formt im Oberflächenbereich das elektrische Feld - was in dieser oberflächennahen Zone als Mikrofeld bezeichnet wird, im Vergleich zum Makrofeld, das durch die Hauptabmessungen der Elektroden gebildet wird. Während das Makrofeld ein der Rechnung zugängiges schwachinhomogenes elektrisches Feld darstellt, erzwingen die vielfältigen Spitzen extreme Inhomogenitäten im Mikrofeldbereich die im Spannungsfeld örtlich hohe elektrische Feldstärken erzeugen. Diese vielfältigen Inhomogenitäten verursachen:

• - eine reduzierte Durchschlagspannung
• - eine stark streuende Durchschlagfestigkeit und
• - ermöglichen bei hohen Spannungen (< 50 kV) das Auftreten von Röntgenstrahlen, die naturgemäß schädigende Wirkungen auf das Personal nicht ausschließen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Hochspannungs-Vakuumschaltkammer entsprechend dem Oberbegriff nach Anspruch 1 zu schaffen, bei der das Steuerelektrodenpaar in dem einander zugewandten Oberflächenbereich, der bei anstehender Spannung maßgeblich das elektrische Feld bestimmt, eine solche Struktur erfährt, daß sich kein störendes elektrisches Mikrofeld ausbildet, so daß sich keine örtlichen Überhöhungen des elektrischen Makrofeldes ergeben und somit keine nennenswerten Reduzierungen und Schwankungen der optimal möglichen elektrischen Durchschlagfestigkeiten eintreten können, wobei gleichzeitig auch bei Anliegen einer Hochspannung im Bereich der Netzspannungen bis 123 kV ein Emittieren von Röntgenstrahlen mit einer den Menschen schädigenden Intensität zu vermeiden ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Steuerelektroden im Bereich ihrer einander zugewandten Potentialringe in Form von ringförmigen Wülsten, die im Ausschaltzustand der Hochspannungs-Vakuumschaltkammer die elektrische Feldstärke maßgeblich bestimmen, auf den gesamten einander zugewandten gekrümmten Stirnflächen mit einem isolierenden thermischen hochfesten Material beschichtet sind. Als Material für die Beschichtung ist eine Keramik, vorzugsweise ein Metalloxyd, z. B. Al₂O₃, TiO₂ oder ZrO₂ vorgesehen. Die Dicke der Isolierschicht sollte mindestens im Bereich von 0,01 bis 0,2 mm liegen, wobei diese Isolierschicht dicht sein und eine gleichmäßige Dicke haben soll, wobei die Toleranz 10% nicht überschreiten sollte.

Als Trägermaterial für die kompletten Steuerelektroden dient vorzugsweise ein unmagnetischer Stahl, Chrom-Nickel-Stahl, bzw. Nitritstahl. Die erfinderische Lösung beinhaltet für die Isolierschicht die Forderung nach einer glatten Oberfläche des Trägermaterials, deren Rauhigkeit < 1 µm sein sollte.

Die durch die Erfindung beabsichtigten Wirkungen werden auch dann erreicht, wenn zwischen der Isolierschicht und dem Trägermaterial eine sehr schwach-leitfähige Zwischenschicht vorgesehen ist, wobei mittels dieser Zwischenschicht, vorzugsweise eine Materialkombination aus einem Metalloxyd und einer Hartmetallegierung, beispielsweise Al₂O₃/TiC_x; Al₂O₃/TiN_x oder Al₂O₃/TiC_yN_x, die durch den Bearbeitungsprozeß verursachten Inhomogenitäten auf dem Trägermaterial geglättet und damit die Möglichkeit der Ausbildung örtlicher elektrischer Felder mit überhöhten Werten vermieden werden könnte. Infolge der Materialverwandtschaft von Zwischenschicht = (z. B. Al₂O₃/TiC) und der Deckschicht (Al₂O₃) werden mögliche mechanische bzw. thermische Spannungen zwischen Grundkörper (z. B. Stahl) und Deckschicht (Al₂O₃) abgebaut.

Die Erfindung wird an einem Beispiel - Fig. 1 und 2 - näher erläutert. Die Fig. 1 zeigt den Schnitt durch ein Kontaktsystem einer Vakuumschaltkammer eines Hochspannungs-Vakuumschalters für das Nennspannungsgebiet bis 123/145 kV in der Kontaktstellung "Aus" in der die Steuerelektroden (Potentialringe) das volle Isoliervermögen bis zu den dafür genormten Nennstehblitzstoß-Spannungen bis zu 550/650 kV gewähren.

Gemäß Fig. 1 besteht der Isolierzylinder 1 der Hochspannungs-Vakuumschaltkammer aus Keramik und der Deckel 2 schließt den Isolierzylinder oben vakuumdicht ab. Der Kontaktstift 3 ist kraftschlüssig und vakuumdicht in der Mitte des Deckels 2 angeordnet und wird auf dem ins Kammerinnere gerichtete Ende mit dem kreisscheibenförmigen Schaltkontakt 4 abgeschlossen. Der gesamte Festkontaktteil 3/4 wird von der kompletten Steuerelektrode 5 zentrisch umgeben. Die Steuerelektrode 5 ist an dem Deckel 2 befestigt und hat an dem Ende das in die Vakuumschaltkammer hinein ragt eine nach innen geöffnete ringförmige Wulst 6 (Potentialring).

In der gezeichneten Ausschaltstellung des Kontaktsystems ist auf der Seite mit dem beweglichen Kontaktstift 7 sowie dem diesen Kontaktstift 7 begrenzenden Schaltkontakt 8 auch ein Metallfaltenbalg 9, der die Vakuumdichtheit des beweglichen Kontaktstiftes 7 gewährleistet, angeordnet. Der gesamte bewegliche Kontaktteil 7/8 ist analog der Festkontaktseite von einer Steuerelektrode 10 umgeben. Diese ist am Kammerboden 14 befestigt und bildet am ins Vakuumschaltkammerinnere hineinragenden Ende einen Potentialring in Form einer ringförmigen Wulst 11, die ebenfalls radial nach innen geöffnet ist.

Die beiden ringförmigen Wulste 6, 11 sind gleich geformt und spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet, und bilden das eigentliche Steuerelektrodenpaar, das im Auszustand die erforderliche Potentialtrennung gewährleistet.

Dieses Steuerelektrodenpaar sichert bei anstehender Spannung infolge der definierten Krümmung der Wulste 6, 11 ein schwachinhomogenes elektrisches Feld, das in Fig. 1 schematisch dargestellt ist.

Gemäß der Erfindung wird der gekrümmte Teil der Steuerelektroden 5, 10 und zwar die Wulste 6, 11 mit einem isolierenden, thermisch hochfesten Material 12, 13, vorzugsweise einem Metalloxyd, wie z. B. Al₂O₃, ZrO₂ oder TiO₂, mit einer Dicke bis zu einigen Zehntel "mm" beschichtet.

Diese Isolierschicht soll keine undichten Stellen im Gefüge aufweisen, aber so dick sein, daß ein merklicher Abbau der elektrischen Feldstärke (Mikrofeld) in der unmittelbaren Zone von der metallischen Oberfläche des Grundkörpers der Steuerelektroden 5, 10 erzielt wird. Das gesamte elektrische Feld wird zwischen den metallischen Oberflächen der Wulste 6, 11 der Steuerelektroden 5, 10 aufgebaut, das in vorliegender Anordnung in drei Zonen zerfällt.

• - In den Vakuumteil der Isolierstrecke, hier ist der relative Dielektrizitätsfaktor ε = 1.
• - In den festen Isolierstoffteilen (Isolierschichten), hier ist ε ≈ 6, beispielsweise bei Al₂O₃.

Das bedeutet, daß in der festen Isolierstoffschicht mit Al₂O₃ die elektrische Feldstärke auf ein Sechstel reduziert wird. Durch diese merkliche Reduzierung der elektrischen Feldstärke in den Isolierschichten also in dem isolierenden, thermisch hochfesten Material 12 und 13, wird das Mikrofeld nahezu wirkungslos. Dieser Abbau der elektrischen Feldstärke ist nur eine der vorteilhaften Wirkungen der Isolierschicht. Eine weitere vorteilhafte Wirkung ist die Abdeckung der die Elektronen liefernden Metalloberfläche des Grundkörpers der Steuerelektroden 5, 10 die für einen elektrischen Durchschlag erforderlich wären und damit ebenfalls die Durchschlagfestigkeit erhöht, sowie eine noch hinzukommende Wirkung, gemäß der die Emittierung von Röntgenstrahlen vermieden wird. Um den Umformungsprozeß zur Herstellung der definierten Krümmung des Grundkörpers der Steuerelektroden 5, 10 kostengünstig zu gestalten, wird der die Isolierschicht tragende Grundkörper aus einem Chrom-Nickel-Stahl bzw. Nitritstahl hergestellt. Die Oberfläche des zu beschichtenden Teils des Stahlkörpers muß gleichmäßig glatt sein, die Rauhtiefe sollte < 1 µm, möglichst < 0,5 µm, sein, zur Gewähr eines gleichförmigen elektrischen Feldes auf der Metalloberfläche und in der Isolierschicht muß die aufgetragene Isolierschicht annähernd gleichmäßig dick sein.

Die Erfindung beinhaltet auch, daß das aufgetragene isolierende thermisch hochfeste Material 12, 13 aus jeweils zwei Teilschichten zusammengesetzt ist. Fig. 2 zeigt die unmittelbar auf dem Wulst 6 der Steuerelektrode 5 aufgetragene Zwischenschicht 15, die aus einem Material sehr niedriger Leitfähigkeit und hoher thermischer Festigkeit, z. B. Al₂O₃/TiC_x, Al₂O₃/TiN_x oder Al₂O₃/TiC_y, besteht, um mögliche Inhomogenitäten im Bereich bis zu einigen 10 µm Tiefe auf dem metallischen Grundkörper unwirksam zu machen, sie soll eine technisch glatte Oberfläche auf dieser ersten Zwischenschicht 15 erzeugen.

Diese glatte Oberfläche auf der Zwischenschicht 15 ist dann Basis für die zweite Teilschicht der eigentlichen Isolierschicht, also des isolierenden, thermisch hochfesten Materials 12, 13, also des Metalloxyds z. B. Al₂O₃, ZrO₂ oder TiO₂. Durch die Materialverwandtschaft der Zwischenschicht, z. B. Al₂O₃/TiC, und der eigentlichen Isolierschicht in Form der Deckschicht, Al₂O₃ können mögliche mechanische bzw. thermische Spannungen zwischen dem Werkstoff, des Grundkörpers, also der Steuerelektrode 5, z. B. Stahl und den beiden Beschichtungen, z. B. Al₂O₃/TiC bzw. Al₂O₃ abgebaut werden.

Die in Fig. 2 beschriebene Art der Beschichtung ist in analoger Weise auch für die gegenüberliegende Steuerelektrode 10 mit der Wulst 11 vorzunehmen.

Claims (7)

1. Vakuumschalter, die einen von einem Isolierzylinder aus Keramik, vorzugsweise Porzellan, umschlossenen Vakuumraum aufweist, wobei die untere und die obere Öffnung des Isolierzylinders mit einem Boden und einem Deckel vakuumdicht verschlossen sind und im mittleren Bereich des Bodens ein axial in Längsrichtung verschiebbarer Kontaktstift angeordnet ist, der an seinem unteren Ende außerhalb des Vakuumraums mit einem Antrieb verbunden ist und an seinem oberen Ende im Vakuumraum mit einem Schaltkontaktstück mit einer oberen Stirnfläche versehen ist sowie im mittleren Bereich des Deckels axial zu dem Kontaktstift einen Gegenkontaktstift axial in Längsrichtung in dem Deckel verschiebbar angeordnet ist, wobei dessen unteres Ende im Vakuumraum mit einem Schaltkontaktstück mit einer unteren Stirnfläche versehen ist, wobei die untere Stirnfläche der oberen Stirnfläche des an dem Kontaktstift angeordneten Schaltkontaktstückes gegenüberliegend angeordnet ist und der Kontaktstift sowie der Gegenkontaktstift jeweils vakuumdicht gegenüber dem Vakuumraum von einem Metallfaltenbalg, der an dem Boden bzw. Deckel sowie an dem Schaltkontaktstück oder dem oberen Teil des Kontaktstiftes bzw. Gegenkontaktstift befestigt ist, umschlossen ist und im Bereich der Einschaltstellung und der Ausschaltstellung der Schaltkontaktstücke im wesentlichen konzentrisch zu diesen elektrisch wirksame Steuerelektroden im wesentlichen aus Metall, vorzugsweise aus unmagnetischem Stahl, angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektroden (5, 10) im Bereich ihrer einander zugewandten Potentialringe in Form von ringförmigen Wulsten (6, 11) mit einem isolierenden thermisch hochfesten Material (12, 13), vorzugsweise aus Metalloxyden Al₂O₃, ZrO₂ oder TiO₂ beschichtet sind.

2. Hochspannungs-Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der aus einem isolierenden, thermisch hochfesten Material (12, 13) bestehenden Beschichtung im Bereich Zehntel bis zu einigen Zehntel "mm" liegt.

3. Hochspannungs-Vakuumschalter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zu beschichtenden Oberflächen des metallischen Grundkörpers im Bereich der ringförmigen Wulste (6, 11) glatt sind, wobei die zulässige Rauhigkeit < 1 µm ist.

4. Hochspannungs-Vakuumschalter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der aus einem isolierenden thermisch hochfesten Material (12, 13) bestehenden Beschichtung und den metallischen Grundkörpern im Bereich der ringförmigen Wulste (6, 11) eine Zwischenschicht 15 mit der Dicke von einigen 10 µm aus einem Material sehr niedrigen Leitfähigkeit und hoher thermischer Festigkeit z. B. Al₂O₃/TiC_x, Al₂O₃/TiC_x oder Al₂O₃/TiC_yN_x vorgesehen ist.

5. Hochspannungs-Vakuumschalter nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den ringförmigen Wulsten (6, 11) aufgetragene aus einem isolierenden, thermisch hochfesten Material (12, 13) bestehende Beschichtung gleichmäßig dick und dicht ist.

6. Hochspannungs-Vakuumschalter nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektroden (5, 19) vorzugsweise aus einem unmagnetischen Stahl, einem Chrom-Nickel-Stahl oder einem Nitritstahl bestehen, wobei die Krümmung der Wulste (6, 11) der Steuerelektroden (5, 10) damit gestaltet ist, daß diese ein schwach inhomogenes elektrisches Feld ergeben, und radial nach innen in Richtung der Schaltkontakte (4, 8) geöffnet sind.

7. Hochspannungs-Vakuumschalter nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltkontakte (4, 8) und die Steuerelektroden (5, 19) koaxial zueinander angeordnet sind, wobei die axiale Zuordnung von Schaltkontakten (4, 8) und die Steuerelektroden (5, 19) auf den beiden Kontaktseiten voneinander abweichen.