DE4030806A1

DE4030806A1 - METHOD FOR INCREASING THE VOLTAGE RESISTANCE AND IMPROVING THE CROSS-CURRENT BEHAVIOR OF INSULATION CIRCUITS AND APPLICATION OF THIS METHOD TO VACUUM SWITCHES

Info

Publication number: DE4030806A1
Application number: DE19904030806
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Schlenk; Karl Heinz Gunzelmann; Jutta Sill; Ernst-Ludwig Dr Hoene
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1990-09-28
Filing date: 1990-09-28
Publication date: 1992-04-02
Also published as: WO1992006482A1

Abstract

According to the invention, the effective insulation section can be increased by coating with an insulating material. The coating is applied by thermal spraying, especially via a plasma spray process or a high-speed flame spraying process, the spray powder being, for example, aluminium oxide (Al2O3). In a vacuum switch reinforced by this process with mutually movable contacts in a switch casing of metal components, with an internal insulation section between the open contacts and an outer ceramic insulation section between the metal parts of the switch casing, a thermally sprayed coating (10) is applied over the outer insulation section to the metal parts (2, 3) of the switch casing (1).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit und Verkleinerung der Kriechströme von Iso lationsstrecken. Daneben bezieht sich die Erfindung auf die An wendung dieses Verfahrens bei Vakuumschaltern mit einem metal lischen Schaltgefäß. In diesem Zusammenhang bezieht sich die Erfindung auch auf einen derartigen Vakuumschalter mit gegenein ander beweglichen Kontakten in einem Schaltgefäß aus metalli schen Teilen, mit einer inneren Isolationsstrecke zwischen den geöffneten Kontakten und einer äußeren Isolationsstrecke zwi schen den metallischen Teilen des Schaltgefäßes.The invention relates to a method for increasing the Dielectric strength and reduction of leakage currents from Iso lations routes. In addition, the invention relates to the An application of this procedure to vacuum switches with a metal Switching vessel. In this context, the Invention also against such a vacuum switch other movable contacts in a metal switchgear parts, with an internal insulation gap between the open contacts and an outer insulation gap between between the metallic parts of the switching vessel.

Zwischen dem beweglichen und dem festen Schaltstück einer Vaku umschaltröhre befindet sich eine äußere Isolationsstrecke, so daß sich bei geöffneten Kontakten aufgrund der inneren Isola tionsstrecke eine galvanische Trennung ergibt. Die äußere Isola tionsstrecke wird z. B. durch einen Keramik-Isolatorring reali siert, der an beiden Stirnflächen durch eine Metall/Keramik- Verbindung mit den Metallflanschen bzw. Metallkappen des Schalt gehäuses verbunden ist.Between the movable and the fixed contact piece of a vacuum switching tube is an outer insulation section, so that with open contacts due to the inner isola tion path results in galvanic isolation. The outer isola tion line is z. B. reali by a ceramic insulator ring which is covered on both faces by a metal / ceramic Connection with the metal flanges or metal caps of the switch housing is connected.

Aus Kostengründen soll die Länge des Keramik-Isolatorringes mög lichst gering gehalten werden. Zwar liegt die Spannungsfestig keit einer derartigen Isolationsstrecke vakuumseitig, d. h. bei einem Vakuumdruck < 10^-3mbar, bei ca. 40 kV/mm. Im Außenraum, d. h. gegen die Umgebung, sinkt bei Atmosphärendruck dieser Wert auf ca. 3 kV/mm ab.For cost reasons, the length of the ceramic insulator ring should be kept as short as possible. The dielectric strength of such an insulation section is on the vacuum side, ie at a vacuum pressure <10 ^-3 mbar, at approximately 40 kV / mm. Outside, ie against the environment, this value drops to approx. 3 kV / mm at atmospheric pressure.

Zur Verbesserung der Spannungsfestigkeit und Verminderung von Kriechströmen im Außenraum wurde bereits vorgeschlagen, eine Ummantelung des Keramikisolators durch einen Isolierschlauch, welcher als Schrumpfschlauch ausgebildet ist, vorzusehen, wobei dieser Isolierschlauch breiter als die Isolatorlänge ist. Dane ben ist es bekannt, durch Abdeckung von eventuell vorhandenen Spitzen am Metall-Keramik-Übergang die Spannungsfestigkeit zu erhöhen. Schließlich wird in der DE-OS 28 33 820 ein Vakuum schalter mit einem ein Isolierelement enthaltendem Vakuumgefäß zur Aufnahme eines feststehenden Kontaktes und eines beweglichen Kontaktes beschrieben, der durch eine auf der Außenfläche des Isolierelementes vorgesehene Beschichtung aus einer Fettverbin dung eines wasserabstoßenden Materials und durch ein Isolier rohr aus wasserabstoßendem, aufschrumpfbaren Material auf der Beschichtung aus der Fettverbindung gekennzeichnet ist.To improve dielectric strength and reduce Outside leakage currents have already been proposed, one Coating the ceramic insulator with an insulating tube, which is designed as a shrink tube, to provide this insulating hose is wider than the insulator length. Dane ben it is known by covering any existing Spikes at the metal-ceramic transition increase the dielectric strength increase. Finally, in DE-OS 28 33 820 a vacuum Switch with a vacuum vessel containing an insulating element for establishing a fixed contact and a movable one Contact described by a on the outer surface of the Insulating element provided coating from a grease compound a water-repellent material and an insulation tube made of water-repellent, shrinkable material on the Coating from the fat compound is marked.

Speziell der Einsatz eines Isolierschlauches hat den Nachteil einer begrenzten Haltbarkeit des Kunststoffes in aggressiven Industrieatmosphären, bei Bestrahlung mit UV-Anteilen im Freien und anderer störender Einflüsse. Insbesondere kann unter den Schrumpfschlauch Feuchtigkeit kriechen, so daß sich Spannungs festigkeit und Kriechstromverhalten verschlechtern.In particular, the use of an insulating tube has the disadvantage a limited shelf life of the plastic in aggressive Industrial atmospheres, when irradiated with UV components outdoors and other disruptive influences. In particular, among the Heat shrink tubing crawl so that there is tension deteriorate strength and tracking behavior.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, die Spannungsfestig keit und das Kriechstromverhalten der Keramik im Außenraum zu verbessern, ohne daß Isolierschläuche mit den erwähnten Nachtei len verwendet werden müssen.In contrast, the object of the invention is to withstand the voltage and the leakage current behavior of the ceramic in the outdoor area improve without insulating sleeves with the mentioned night len must be used.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die wirksa me Isolationsstrecke durch eine Beschichtung aus isolierendem Material vergrößert ist. Bei einem Bauteil mit bereits vorhande ner Isolationsstrecke wird dazu durch thermisches Spritzen eine Schicht hergestellt, die sowohl die Isolationsstrecke als auch die angrenzenden metallischen Bereiche des Bauteiles haftfest bedeckt.The object is achieved in that the effective insulation path through a coating of insulating Material is enlarged. For a component with an existing one For this purpose, insulation is created by thermal spraying Layer made that both the insulation gap as well the adjacent metallic areas of the component are adherent covered.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird das thermische Spritzen vorteilhafterweise dazu angewandt, um einen Keramikisolator als Isolationsstrecke und damit verbundene metallische Teile mit dem Isolierwerkstoff durchgehend zu beschichten. Dies kann einer seits mit einem Plasmaspritzverfahren oder andererseits mit ei nem Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahren erfolgen. Als Isolationswerkstoff wird vorzugsweise ein keramisches Pulver, z. B. Al₂O₃, verwendet.In the method according to the invention, thermal spraying is advantageously used in order to continuously coat a ceramic insulator as an insulation section and associated metallic parts with the insulating material. This can be done on the one hand with a plasma spraying process or on the other hand with a high-speed flame spraying process. A ceramic powder, e.g. B. Al ₂ O ₃ used.

Insbesondere wird das erfindungsgemäße Verfahren bei Vakuum schaltern mit einem metallischen Schaltgefäß angewandt. Bei ei nem solchen Vakuumschalter ist eine thermisch gespritzte Schicht über die äußere Isolationsstrecke hinaus auf den metallischen Teilen des Schaltgefäßes aufgebracht. Vorteilhafterweise sind beide Kappen des Schaltgefäßes auf dem sich der Isolationsstrek ke anschließenden Ringbereich mit der thermisch gespritzten Schicht versehen.In particular, the process according to the invention is carried out under vacuum switches applied with a metallic switching vessel. With egg Such a vacuum switch is a thermally sprayed layer beyond the outer insulation section on the metallic Parts of the switching vessel applied. Are advantageous both caps of the switching vessel on which the insulation strip ke adjoining ring area with the thermally sprayed Layer.

Da die thermischen Spritzverfahren gut beherrschbar sind, läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren mit vergleichsweise gerin gem Aufwand realisieren. Die durch thermische Spritzen erzeugte Beschichtung hat vorteilhafterweise nur eine geringe und nach außen eine geschlossene Porosität. Es entsteht somit an der Oberfläche des Schaltgerätes eine verwitterungsfeste Isolations strecke, die bis zu hohen Temperaturen auch bei aggressiven Medien beständig ist.Since the thermal spraying processes are easy to control, lets the method according to the invention is comparatively small realize according to effort. The generated by thermal spraying Coating advantageously has only a slight and after outside a closed porosity. It thus arises at the Surface of the switchgear a weatherproof insulation Route up to high temperatures even with aggressive Media is stable.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Ver bindung mit den Patentansprüchen, wobei insbesondere in der An wendung für Vakuumschalter auf die einzige Figur der Zeichnung verwiesen wird. Die Figur zeigt einen Vakuumschalter in schemati scher, teilweise geschnittener Darstellung.Further advantages and details of the invention result from the following description of exemplary embodiments in Ver binding with the claims, in particular in the An Application for vacuum switch on the only figure of the drawing is referred. The figure shows a vacuum switch in schematic shear, partially cut representation.

Ein Vakuumschalter benötigt ein luftdichtes Schaltgefäß 1, bei spielsweise mit zwei metallischen Kappen 2 und 3 und einem da zwischen angeordneten Ring 4 aus keramischem Isolationsmate rial, für potentialmäßig getrennte Anschlüsse. Durch jeweilige Metall/Keramik-Verbindungen der Teile 2 bzw. 3 mit dem Teil 4 ist das Schaltgefäß vakuumdicht ausgebildet.A vacuum switch requires an airtight switching vessel 1 , for example with two metal caps 2 and 3 and a ring 4 made of ceramic insulation material arranged between them, for electrically isolated connections. The switching vessel is made vacuum-tight by means of respective metal / ceramic connections of parts 2 and 3 with part 4 .

In das vakuumdichte Schaltgefäß 1 sind zwei Kontaktbolzen 5 und 6 eingebracht, wobei der Kontaktbolzen 5 starr mit der oberen Metallkappe 2 verbunden und der Kontaktbolzen 6 über einen Fe derbalg 7 in der Längsrichtung des Schaltgefäßes beweglich aus gebildet ist. Auf den Kontaktbolzen 5 und 6 sitzen innerhalb des Schaltgefäßes 1 Schaltstücke 8 und 9.In the vacuum-tight switching vessel 1 , two contact pins 5 and 6 are introduced, the contact pin 5 being rigidly connected to the upper metal cap 2 and the contact pin 6 being formed via a Fe derbalg 7 movable in the longitudinal direction of the switching vessel. 1 contact pieces 8 and 9 sit on the contact bolts 5 and 6 within the switching vessel.

Über einen nicht dargestellten Antrieb kann der bewegliche Kon taktbolzen mit dem Kontaktstück 9 verschoben werden, so daß sich innerhalb des Vakuums bei Öffnen der Kontaktstücke 8 und 9 eine Isolationsstrecke ergibt, die einen Strom zu unterbrechen vermag. Nach außen sind die Kontaktbolzen 5 und 6 über den Keramikring 4 gegeneinander isoliert, so daß sich hier eine äußere Isolations strecke ergibt.Via a drive, not shown, the movable con contact pin can be moved with the contact piece 9 , so that there is an insulation gap within the vacuum when the contact pieces 8 and 9 are opened , which can interrupt a current. To the outside, the contact bolts 5 and 6 are insulated from each other via the ceramic ring 4 , so that there is an outer insulation section.

Derartige Vakuumschalter sind in unterschiedlichster Auslegung Stand der Technik. Das Schaltvermögen wird dabei nicht nur durch den Kontakthub innerhalb des Schaltgefäßes 1 sowie Aufbau und Material der Kontaktstücke 8 und 9 selbst bestimmt, sondern auch durch die Spannungsfestigkeit der durch den Keramikring 4 defi nierten äußeren Isolationsstrecke. Aus Kostengründen soll die Höhe des Keramikringes 4 möglichst gering gehalten werden können. Die Spannungsfestigkeit ist daher der Höhe des Keramikringes proportional. Dabei zeigt sich bei einem bekannten Vakuumschal ter, daß die Spannungsfestigkeit beispielsweise vakuumseitig bei ca. 40 kV/mm, im Außenraum bei Atmosphärendruck dagegen bei etwa 3 kV/mm liegt.Vacuum switches of this type are state of the art in a wide variety of designs. The switching capacity is determined not only by the contact stroke within the switching vessel 1 and the structure and material of the contact pieces 8 and 9 itself, but also by the dielectric strength of the outer insulation path defined by the ceramic ring 4 . For reasons of cost, the height of the ceramic ring 4 should be kept as low as possible. The dielectric strength is therefore proportional to the height of the ceramic ring. It is shown in a known vacuum switch that the dielectric strength, for example on the vacuum side, is approximately 40 kV / mm, in the exterior at atmospheric pressure, however, is approximately 3 kV / mm.

Letztere Diskrepanz läßt sich wesentlich verringern, wenn das gesamte Schaltgefäß 1 mit einer Keramikbeschichtung versehen ist und auch die metallischen Kappen 2 und 3 eine Isolations schicht aufweisen. Darüber hinaus wird dadurch das Kriechstrom verhalten wesentlich verbessert. The latter discrepancy can be significantly reduced if the entire switching vessel 1 is provided with a ceramic coating and the metallic caps 2 and 3 also have an insulation layer. In addition, the leakage current behavior is significantly improved.

In der Figur ist die keramische Beschichtung im Schnitt durch die Struktur 10 angedeutet. Selbstverständlich ist es sinnvoll, nur die starren und nicht zu kontaktierenden Teile, d. h. nicht etwa den beweglichen Kontaktbolzen 6, mit der Beschichtung zu versehen. Gegebenenfalls sollen auch nur bestimmte Bereiche der metallischen Teile 2 und 3 beschichtet sein, was durch eine Maskentechnik realisiert werden kann.In the figure, the ceramic coating is indicated in section by the structure 10 . Of course, it makes sense to provide only the rigid and not to be contacted parts, ie not the movable contact pin 6 , with the coating. If necessary, only certain areas of the metallic parts 2 and 3 should also be coated, which can be achieved by a mask technique.

Als Beschichtungstechnik für vergleichsweise dicke, fest anhaf tende Schichten, die in kürzester Zeit hergestellt werden kön nen, kommen alle thermischen Spritzverfahren in Frage. Diese sind beispielsweise das Plasmaspritzen, welches insbesondere im Niederdruckbereich von 20 bis 100 mbar angewandt werden kann.As a coating technique for comparatively thick, firmly adhering layers that can be produced in the shortest possible time all thermal spray processes are possible. These are, for example, plasma spraying, which is particularly important in Low pressure range from 20 to 100 mbar can be applied.

Gegebenenfalls kommt auch das Hochgeschwindigkeits-Flammspritz- Verfahren in Frage. Bei geeigneter Prozeßführung entstehen Schichten vorgegebener Dicke mit nach außen geschlossener Poro sität und guter Anbindung zur Unterlage. Bei Anwendung anderer Verfahren, die keine geschlossene Porosität erreichen, kann die Schicht vorgegebener Dicke in einfacher Weise, - z. B. durch Glas oder Epoxydharz - entweder nur an der Oberfläche oder im Tränk verfahren insgesamt versiegelt werden. Dies ist deshalb von Bedeutung, da nur so ein Unterkriechen der Schicht durch Wasser oder eine Wasseraufnahme in der Schicht wirksam unterdrückt wird, was ansonsten bei offener Porosität dem angestrebten Er gebnis entgegenstünde.If necessary, the high-speed flame spraying Procedure in question. With appropriate process control arise Layers of specified thickness with poro closed to the outside quality and good connection to the document. When using others Processes that do not achieve closed porosity can Layer of predetermined thickness in a simple manner, -. B. through glass or epoxy resin - either only on the surface or in the drinker procedures are sealed overall. This is why of Significance, because only by crawling under the layer by water or effectively suppresses water absorption in the layer becomes what is otherwise the intended Er the result.

Example:

In Versuchen wurde ein fließfähiges Pulver aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) mit einem Plasmabrenner im Niederdruckbereich bei etwa 60 mbar oder an Luft auf das Schaltgefäß 1 gespritzt. Dabei wur de der Keramikring 4 und der zylindrische Bereich der metalli schen Kappen 2 und 3 mit einer geschlossenen Schicht versehen, die durchgehend gut haftet. Das Ergebnis ist eine vergrößerte Spannungsfestigkeit des Kerramikisolators 4 im Außenraum durch die längere Kriechstrecke und insbesondere auch durch Überdecken von eventuell vorhandenen Metallspitzen an den Metall-Keramik- Übergängen.In experiments, a flowable powder made of aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ) was sprayed onto the switching vessel 1 using a plasma torch in the low pressure range at about 60 mbar or in air. The ceramic ring 4 and the cylindrical region of the metallic caps 2 and 3 were provided with a closed layer which adheres well throughout. The result is an increased dielectric strength of the ceramic insulator 4 in the outside space due to the longer creepage distance and in particular also by covering any metal tips that may be present at the metal-ceramic transitions.

Es hat sich gezeigt, daß mit Aluminiumoxid eine verwitterungs feste Isolationsstrecke geschaffenn werden kann, die bis zu ho hen Temperaturen beständig ist. Insbesondere können speziell für die Anwendung des Vakuumschalters die Schaltgefäße auch nach der thermischen Beschichtung den üblichen Ausheizvorgängen bei 250 bis 400°C zur Erreichung eines guten Endvakuums unter zogen werden. Die so ertüchtigten Vakuumschalter weisen eine verbesserte Spannungsfestigkeit auf, die ansonsten nur durch eine erheblich längere Keramik als Isolationsstrecke oder durch eine Profilkeramik erreicht werden konnte.It has been shown that weathering with aluminum oxide fixed insulation distance can be created, up to ho hen temperatures is stable. In particular, specifically for the use of the vacuum switch the switchgear too after the thermal coating the usual baking processes at 250 to 400 ° C to achieve a good final vacuum under be drawn. The vacuum switches that have been strengthened in this way have improved dielectric strength, which otherwise only through a considerably longer ceramic as an insulation section or through a profile ceramic could be achieved.

Auch bei anderen Anwendungsfällen, bei denen die Spannungsfe stigkeit und das Kriechstromverhalten von Isolationsstrecken verbessert werden soll, kann das beschriebene Verfahren einge setzt werden. Insofern ist die Erfindung auch unabhängig von Vakuumschaltern anwendbar.Also in other applications where the voltage fe stability and the leakage current behavior of insulation sections the method described can be improved be set. In this respect, the invention is also independent of Vacuum switches applicable.

Claims

1. A method for increasing the dielectric strength and Verklei reduction of the leakage currents of insulation paths, characterized in that the effective insulation distance of a component is increased by a coating of isolate the material.

2. The method according to claim 1, characterized records that one already exists for a component Insulation stretch and adjacent metallic areas surface of the component by thermal spraying with insulation be coated with fabric.

3. The method according to claims 1 and 2, characterized characterized in that the insulating material by means of Plasma spraying in the low pressure range from 20 to 100 mbar or is applied to the component at atmospheric pressure.

4. The method according to claims 1 and 2, characterized characterized in that the insulating material by means of High speed flame spraying at atmospheric pressure on the Component is applied.

5. The method according to claims 1 to 4, characterized in that kera mixed powder, z. B. Al ₂ O ₃ is used.

6. The method according to claim 2 to 4, characterized ge indicates that in an additional procedure sealed the coating, for example by Surface covering or by impregnation.

7. The method according to claim 6, characterized records that for sealing glass or epoxy is used.

8. The method according to claim 1 or one of claims 2 to 7, characterized by the application at Va vacuum switches.

9. Vacuum switch with mutually movable contacts in a switching vessel made of metallic parts, with an inner insulation gap between the opened contacts and an outer insulation gap between the metallic parts of the switching vessel, characterized in that a thermally sprayed layer ( 10 ) over the outer insulation path ( 4 ) is also applied to the metallic parts ( 2 , 3 ) of the switching vessel ( 1 ).

10. Vacuum switch according to claim 9, wherein the switching vessel consists of two pot-like caps as metallic parts, each with a bottom region and a cylindrical region and a ceramic ring lying between them as an outer insulation section, characterized in that the thermally sprayed layer ( 10 ) comprises the cylindrical part the caps ( 2 , 3 ) largely covers.

11. Vacuum switch according to claim 6, characterized in that the thermally sprayed layer ( 10 ) has a closed porosity.