DE69730510T2

DE69730510T2 - Vakuumschaltröhre mit einer kapselung und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE69730510T2
Application number: DE69730510T
Authority: DE
Inventors: Fred Ernest BESTEL
Original assignee: Cooper Industries LLC
Current assignee: Cooper Industries LLC
Priority date: 1996-09-13
Filing date: 1997-09-10
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2017-09-11
Also published as: CN1144246C; AU4261897A; CA2264612A1; TW352443B; ES2224268T3; EP0929905A1; CN1230287A; US5917167A; MY119298A; EP0929905A4; DE69730510D1; KR20000036107A; WO1998011582A1; EP0929905B1; JP2000507034A; CA2264612C; KR100354334B1

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Umhüllung für einen Hochspannungs-Unterbrecher und mehr bevorzugt auf ein Verfahren zum Vergießen des Unterbrechers in Epoxidharz.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Vakuum-Unterbrecher sind in der Technik gut bekannt zur Unterbrechung von Hochspannungsleitungen. Siehe U.S. Patente Nr. 4,839,481; 4,871,888; 4,982,059; und 5,387,772. Die Kontakte des Unterbrechers sind gekapselt in einem Vakuum in einem keramischen (wie Al₂O₃) Zylinder oder einer keramischen Flasche.
Eine Schaltvakuumflasche nach dem Stand der Technik ist in das obere Ende einer Epoxidstruktur oder -umhüllung eingebettet, die einem inneren Hohlraum für den Arbeitsstab enthält. Die mechanischen und dielektrischen Eigenschaften der Umhüllung wurden gesteigert durch Einbetten der Al₂O₃- Flasche in eine Schicht aus Polyurethan. Die polyurethanverkleidete Flasche wurde dann in eine Epoxidumhüllung vergossen. Ein Problem bei dem Stand der Technik tritt auf, wegen des Unterschiedes zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Epoxidharzes, dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Al₂O₃-Keramikgehäuses und der oberen Temperaturgrenze des Polyurethans.
Speziell wird das Epoxidharz typischerweise bei hohen Temperaturen wie 140°C ausgehärtet. Wie in 1 verdeutlicht, verändert sich, wenn das Epoxidharz abkühlt, der Wärmeausdehnungskoeffizient des Epoxidharzes dramatisch. Die Veränderung in dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Epoxidharzes führt dazu, dass das Epoxidharz unter beträchtliche Spannung und Zug gerät, wenn es abkühlt, weil das Keramikgehäuse und der Polyurethanüberzug stark differierende Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen. Als eine Ergebnis können Risse oder potenzielle Schwachstellen in der Epoxid- oder Polyurethanvergussmaße erzeugt werden und somit die notwendigen dielektrischen Eigenschaften des gesamten Moduls beeinträchtigen.
Vor der vorliegenden Erfindung wurde der Unterbrecher, um die potenzielle äußere dielektrische Schwäche der Keramikflasche zu überwinden in einen Öl- oder Gastank eingetaucht, um sicherzustellen, dass der Unterbrecher genügend isoliert war. Dies war schwierig und teuer.
Ein zusätzliches Problem bei dem Stand der Technik besteht in den hohen Kosten des Polyurethanüberzugs.
US-A-5597992 legt einem Stromumschalter einschließlich eines Gehäuses offen, der auf einem Hochspannungs-Schaltungsunterbrecher angebracht ist.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird deshalb ein Unterbrecher geliefert, der umfasst:
eine Vakuumanordnung;
Schaltkontakte, die in der Vakuumanordnung eingeschlossen sind;
eine Schicht aus starrem Material, welche die Vakuumanordnung umgibt und
eine Schicht aus gedehntem nachgiebigem Material um die Vakuumanordnung herum und innerhalb der Schicht aus starrem Material.
Außerdem wird in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Umhüllung eines Vakuumunterbrechers geliefert, das folgende Schritte umfasst:
Dehnen einer Hülse aus nachgiebigem Material;
Einführen des Vakuum-Unterbrechers in die gedehnte Hülse;
Schrumpfen der gedehnten Hülse auf den Unterbrecher; und
Einhüllen des Unterbrechers und der Hülse in ein starres Material.
1 ist ein Diagramm, das die Beziehung der Wärmeausdehnungskoeffizienten gegen die Temperatur für Silikon, Epoxidharz und Keramik zeigt;
2 beschreibt eine Silikonhülse, die in einen Vakuumverteiler eingeführt ist;
3 beschreibt die Silikonhülse, die gegen die Öffnungen in dem Vakuumverteiler durch ein Vakuum gehalten wird;
4 beschreibt eine Vakuumflasche, die in die Silikonhülse eingeführt wird, die gegen die Öffnungen in dem Vakuumverteiler gehalten wird;
5 beschreibt die Silikonhülse, die auf der Vakuumflasche in dem Vakuumverteiler befestigt wird.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungen
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein neuartiges Verfahren zur Umhüllung eines Hochspannungsunterbrechers, wie einem, der in einer Vakuumflasche eingeschlossen ist vorgebracht. Speziell wird, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, eine gedehnte Silikonhülse über die Vakuumflasche aufgebracht, bevor man die Vakuumflasche in eine Epoxidharzumhüllung eingießt. Auch wenn es verschiedene Wege gibt, mit denen die Silikonhülse über die Flasche gezogen werden kann, schließt eine der bevorzugten Ausführungen die Verwendung eines Vakuumverteilers 10 ein. Siehe 2–5.
Der Vakuumverteiler 10 besitzt eine vorzugsweise im Wesentlichen zylindrische Öffnung 12, die groß genug ist, um eine Vakuumflasche 18 unterzubringen. Auch wenn die Öffnung als im Wesentlichen zylindrisch beschrieben wird, ist sie tatsächlich bevorzugt etwas konkav in der Form, so dass eine zentrale Position 20 der Öffnung 12 einen Durch- Durchmesser besitzt, der geringer ist als ein Durchmesser an den äußeren Enden der Öffnung 12. Die Bedeutung der leichten Konkavität wird hier im Folgenden erklärt.
Eine Vielzahl von Löchern 14 umgeben die Öffnung 12, um ein Vakuum innerhalb der Öffnung 12 zu ziehen. Die Löcher 14 sind, auch wenn es nicht in den Figuren dargestellt ist, mit einer Vorrichtung zur Erzeugung des Vakuums innerhalb der Öffnung 12 verbunden.
Die Länge der Silikonhülse 16 wird so geschnitten, dass sie mindestens so lang wie die Länge des Vakuumverteilers 10 ist. Bei einer bevorzugten Ausführung ist die Vakuumflasche etwa 19,1 cm lang und 5,08 cm im Durchmesser. Die Hülse erstreckt sich bevorzugt über die Länge der Flasche um etwa 5 cm an beiden Enden der Flasche hinaus. Die Hülse besitzt in entspanntem Zustand eine Wanddicke von 0,33 cm. Die Hülse 16 wird in der Öffnung 12 des Vakuumverteilers 10 angebracht. 2 beschreibt die Hülse 16 in einer entspannten Position in dem Vakuumverteiler 10.
Bei Verwendung des Vakuumverteilers 10 wird die Hülse auf etwa das 2,5-fache ihres ursprünglichen Innendurchmessers gedehnt. Die Dehnung der Hülse kann vereinfacht werden, indem man einen Heizbalg in die Hülse einführt und den Heizbalg aufbläht, indem man in ihn hineinbläst. Wenn die Hülse einmal mit der Oberfläche der Öffnung 12 einen Kontakt ausgebildet, wird der Sog, der durch die Löcher 14 ausgeübt wird die Hülse 16 in ihrem expandierenden Zustand halten. Der Heizbalg kann dann entfernt werden. 3 beschreibt die Hülse 16, die auf das 2,5-fache ihres ursprünglichen Innendurchmessers expandiert ist und gegen die Wand der Öffnung 12 des Vakuumverteilers 10 durch einen Sog, der durch die Löcher 14 ausgeübt wird gehalten wird.
Wie man in 4 sieht, wird eine Vakuumflasche 18 dann in die expandierte Hülse 16 eingeführt. Der Sog wird dann an den Löchern 14 unterbrochen, um zu bewirken, dass die Hülse 16 sich von der inneren Wand des Vakuumverteilers 10 löst und um die Vakuumflasche 18 herum schrumpft. Siehe 5. Der Vakuumverteiler 10 ist etwas konkav mit seinem engsten Durchmesser um das Zentrum. Ein Vorteil von diesem Aufbau besteht darin, dass, wenn der Sog von den Löchern 14 unterbrochen wird, die Hülse 16 sich am nächsten zu der Flasche 18 am zentralen Punkt der Flasche befindet, und er wird die Flasche zu Beginn am zentralen Punkt kontaktieren und wird fortfahren auf die Flasche in einem nach außen laufenden Muster aufzuschrumpfen. Als ein Flasche in einem nach außen laufenden Muster aufzuschrumpfen. Als ein Ergebnis wird Luft zwischen der Hülse 16 und der Flasche 18 weggedrückt werden und wird nicht zwischen der Hülse 16 und der Flasche 18 eingeschlossen.
Bei einer bevorzugten Ausführung ist, wenn die Hülse 16 sich in ihrer geschrumpften Position um die Vakuumflasche 18 befindet, die Hülse 16 um etwa das Zweifache ihres ursprünglichen Innendurchmessers gedehnt und besitzt jetzt eine Wanddicke von etwa 0,23 cm. In Anbetracht des gedehnten Zustandes der Silikonhülse wirkt der Druck der Hülse 16 gegen die Flasche 18 ferner dahingehend, Luft zwischen der Hülse 16 und der Flasche 18 hinauszudrücken.
Vor der Einführung der Vakuumflasche 18 in die gedehnten Hülse 16 wird ein Kleber auf Silanbasis vorzugsweise auf der Keramikflasche aufgebracht (oder auf der Innenseite der Silikonhülse 16), um es der Hülse zu ermöglichen, sich wirklich mit der Vakuumflasche 18 zu verkleben. Bei einer Ausführung wird Silan SILQUEST A-1100 (Gamma-Aminopropyltriethoxisilan) verwendet. Das Silan kann in Isopropylalkohol gelöst sein. Das Dehnen oder Expandieren der Silikonhülse während der Installierung dehnt die Molekülketten, was die Quervernetzung der Moleküle erleichtert.
Nachdem die Vakuumflasche 18 mit der darauf befestigten Silikonhülse 16 aus dem Vakuumverteiler 10 entfernt ist, wird sie auf etwa 160°C vorgeheizt. Die vorgeheizte Vakuumflasche 18 und die gedehnte Silikonhülse 16 werden dann in einen Guss-Hohlraum gestellt und eine Epoxidharz-Umhüllung wird um die Vakuumflasche 18 und die Hülse 16 bei etwa 160°C gegossen. Bei einer bevorzugten Ausführung wird die Epoxidharz-Umhüllung aus einem cycloaliphtischen vorgefüllten warmaushärtenden 2-Komponenten Epoxidharz gegossen.
Nachdem die Hülse auf der silanüberzogenen Flasche aufgebracht ist, lässt man Flasche und Hülse für etwa 24 h ruhen bevor die Epoxidharz-Umhüllung um die Flasche und die Hülse gegossen wird. Diese Zeitdauer ermöglicht es dem Silan durch die Hülse zu diffundieren und erleichtert eine Verbindung der Hülse mit der Epoxidharz-Umhüllung welche über der Flaschen- und Hülsenanordnung angebracht wird.
Das cycloaliphtische Epoxidharz sollte von einer wetterbeständigen Epoxidharzqualität sein wegen seiner Haltbarkeit und der Eigenschaft ultravioletter Strahlung standzuhalten. Auch wenn andere Epoxidharztypen, wie Bisphenol, nachgiebiger und somit für den Gießprozess geeigneter sind, wird Bisphenol nicht als eine wetterbeständige Epoxidharzqualität betrachtet.
Das Epoxidmaterial besitzt einen Wärmeausdehnungskoeffizienten in dem Bereich von 25 bis 50 × 10^–6 mm/mm/Grad C in dem Temperaturbereich von –40°C bis +100°C und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 100 × 10^–6 mm/mm/Grad C in den Temperaturbereich von +100°C bis etwa +160°C.
Während des Gießprozesses wird die Epoxidharz-Umhüllung bei etwa 160°C gebildet. Bei der bevorzugten Ausführung fließt das Epoxidharz in flüssiger Form, um die Silikonhülse 16 abzubilden und sich mit ihr zu verbinden und um den Rest des Gusshohlraums auszufüllen. Bei dieser erhöhten Temperatur besitzt das Epoxidharz einen relativ hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 100 × 10^–6 mm/mm/Grad C. Wenn das Epoxidharz über den Glasübergangs-Bereich hinweg abkühlt, sinkt der Wärmeausdehnungskoeffizient auf etwa 25 bis 50 × 10^–6 mm/mm/Grad C.
Dementsprechend gerät die Silikonhülse 16, die unter Spannung steht, weil sie gedehnt wurde, damit sie um die Flasche 18 passt von dem Epoxidharz her unter Druck nachdem die Epoxidharz-Umhüllung beim Abkühlen schrumpft. Bei der bevorzugten Ausführung ist, nach der Abkühlung die Epoxidharz-Wand 1,0 cm dick, 10,0 cm im Durchmesser (Außendurchmesser) und das Silikon wird auf eine Dicke von 0,15 cm komprimiert. Eine Komprimierung des Silicons ist begrenzt, da die Bodenfläche der Silikonhülse 16 frei ist sich in den Hohlraum 17 auszudehnen, wenn die Komprimierung einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
Die Silikonhülse 16 besitzt einen Durometer-Wert in dem Bereich von 30–35, wenn sie sich in dem nicht gedehnten Zustand befindet und sie besitzt einen Durometer-Wert in dem Bereich von 55–57, wenn sie sich in dem gedehnten Zustand auf der Keramikflasche befindet.
Das gedehnte Silikon besitzt einen Wärmeausdehnungskoeffizienten in dem Bereich von 60 bis 90 × 10^–6 mm/mm/Grad C und mehr bevorzugt in dem Bereich von 70 bis 80 × 10^–6 mm/mm/Grad C. Dieser Wärmeausdehnungskoeffizienten ist über den Temperaturbereich von –40°C bis +160°C relativ konstant.
Somit ändert sich der Wärmeausdehnungskoeffizient des Epoxidharzes insofern, dass er höher ist als jener der gedehnten Silikonhülse, wenn das Epoxidharz zuerst gegossen wird und dass er auf einen Pegel gerät, der niedriger als jener der gedehnten Silikonhülse ist, nachdem das Epoxidharz abgekühlt ist. In dem Zustand, in dem sich das Epoxidharz unter der Glasübergangstemperatur befindet, liegt der Wärmeausdehnungskoeffizient der gedehnten Hülse 16 bei einem Wert von etwa der Hälfte des Koeffizienten des Epoxidharzes.
Das Aluminiumoxidkeramikmaterial besitzt einen Wärmeausdehnungskoeffizienten in dem Bereich von 2 bis 20 × 10^–6 mm/mm/Grad C und mehr bevorzugt in dem Bereich von 5 bis 15 × 10^–6 mm/mm/Grad C. Dieser Wärmeausdehnungskoeffizient ist relativ konstant über den Temperaturbereich von –40°C bis +160°C.
Außerdem wird, in Anbetracht der Wechselwirkung zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Elemente und ferner in Anbetracht der Pufferwirkung, die durch die nachgiebige Beschaffenheit des Silikons die Spannung in der Epoxidharz-Umhüllung reduziert. Als ein Ergebnis dieser reduzierten Spannung werden die dielektrischen und mechanischen Eigenschaften der Epoxidharz-Umhüllung stark verbessert. Die kostenintensive und schwierige Verwendung von Polyurethan nach dem Stand der Technik kann somit vermieden werden.
Ein anderer Vorteil der Verwendung der Silikonhülse zusammen mit dem Epoxidharz besteht darin, dass die Silikonhülse und die Epoxidharz-Umhüllung ähnliche dielektrische Werte besitzen, was eine homogene dielektrische Umhüllung erzeugt. Das Silikon besitzt einen dielektrischen Wert von etwa 3 und das Epoxidharz besitzt einen elektrischen Wert von etwa 4. Da Luft einen geringeren dielektrischen Wert besitzt, sollte die gesamte Luft aus der fertigen Umhüllung ausgeschlossen werden.
Ein bedeutender Vorteil besteht darin, dass es nicht mehr länger notwendig ist, die Vakuumflasche in einen Tank mit Öl oder Gas eintauchen zu müssen und somit wird rückt man eine Anzahl von Nachteilen von anderen Verfahren entsprechend dem Stand der Technik.
Bei der bevorzugten Ausführung ist der Unterbrecher ein axialer Magnetfeldunterbrecher vom Typ, wie er in dem US-Patent Nr. 4,871,888 offengelegt ist.
Auch wenn die oben offengelegte bevorzugte Ausführung spezifische Materialien und Ausdehnungspegel definiert, ist die vorliegende Erfindung nicht speziell auf die oben dargelegten Details begrenzt. Andere Materialien als Silikon können für die Hülse 16 verwendet werden, vorausgesetzt dass solche Materialien die notwendigen Eigenschaften einschließlich Flexibilität und thermischer Ausdehnung liefem. Zusätzlich kann das Verfahren zum Umhüllen der Vakuumflasche bei anderen Branchen und Umgebungen zusätzlich zu jener der Hochspannungsunterbrechertechnik Anwendung finden.

Claims

Unterbrecher, der umfasst: eine Vakuumanordnung (18); Schaltkontakte, die in der Vakuumanordnung (18) eingeschlossen sind; eine Schicht aus starrem Material, die die Vakuumanordnung umgibt und gekennzeichnet ist durch: eine Schicht (16) aus gedehntem nachgiebigem Material um die Vakuumanordnung (18) herum und innerhalb der Schicht aus starrem Material.
Unterbrecher nach Anspruch 1, wobei das nachgiebige Material (16) gedehntes Silikon ist.
Unterbrecher nach Anspruch 1, wobei das nachgiebige Material (16) auf das Zweifache seines ursprünglichen Durchmessers gedehnt ist.
Unterbrecher nach Anspruch 2, wobei das starre Material eine Umhüllung aus Epoxydharz ist.
Unterbrecher nach Anspruch 2, wobei das starre Material eine Umhüllung aus cycloaliphatischem Epoxydharz ist.
Unterbrecher nach Anspruch 4, wobei die Vakuumanordnung (18) eine Keramikflasche enthält.
Unterbrecher nach Anspruch 6, wobei das Silikon an der Keramikflasche (18) mit einem Klebstoff auf Silan-Basis angeklebt ist.
Unterbrecher nach Anspruch 1, wobei ein Wärmeausdehungskoeffizient des nachgiebigen Materials (16) innerhalb des Bereiches 60–90 × 10^–6 mm/mm/0°C liegt und das starre Material einen Wärmeausdenhnungskoeffizienten innerhalb des Bereiches von 25 bis 50 × 10^–6 mm/mm/°C im Temperaturbereich von –40°C bis ungefähr +1000 sowie einen Wärmeausdehnungskoeffizenten von ungefähr 100 × 10^–6 mm/mm/°C im Temperaturbereich von +100°C bis ungefähr +160°C hat.
Unterbrecher nach Anspruch 8, wobei das starre Material bei ungefähr 160°C geformt wird und beim Abkühlen das nachgiebige Material (16) in einem zusammengedrückten Zustand hält.
Unterbrecher nach Anspruch 9, wobei die Vakuumanordnung (18) einen Durchmesser von 5,08 m hat, das gedehnte nachgiebige Material (16) ungefähr 0,23 cm dick ist und das starre Material ungefähr 1,0 cm dick ist.
Unterbrecher nach Anspruch 10, wobei die Vakuumanordnung (18) und das starre Material (22) eine Öffnung aufweisen, durch die das nachgiebige Material (16) fließen kann, wenn das nachgiebige Material (16) einen Zusammendrück-Schwellenwert erreicht.
Unterbrecher nach Anspruch 1, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient des nachgiebigen Materials (16) innerhalb des Bereiches 60–90 × 10^–6 mm/mm/°C liegt und der Wärmeausdehnungskoeffizient des starren Materials auf einem Niveau über dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des nachgiebigen Materials (16) liegt, wenn das starre Material zunächst um das nachgiebige Material (16) herum gegossen wird und sich der Wärmeausdehungskoeffizient des starren Materials auf ein Niveau unter dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des nachgiebigen Materials (16) ändert, nachdem sich das starre Material abgekühlt hat.
Unterbrecher nach Anspruch 12, wobei das nachgiebige Material (16) gedehntes Silikon ist und das starre Material Epoxydharz ist.
Unterbrecher nach Anspruch 1, wobei das nachgiebige Material (16) einen Durometer-Wert im Bereich von 55 bis 57 hat.
Verfahren zum Umhüllen eines Vakuum-Unterbrechers, das die folgenden Schritte umfasst: Dehnen einer Hülse (16) aus nachgiebigem Material; Einführen des Vakuum-Unterbrechers in die gedehnte Hülse (16); Schrumpfen der gedehnten Hülse (16) auf den Unterbrecher; und Einhüllen des Unterbrechers und der Hülse (16) in ein starres Material.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das nachgiebige Material (16) Silikon ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Hülse (16) auf wenigstens das Zweifache ihres ursprünglichen Durchmessers gedehnt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das starre Material Epoxydharz ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Hülse (16) an dem Unterbrecher mit einem Klebstoff auf Silan-Basis angeklebt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Klebstoff auf Silan-Basis durch das nachgiebige Material (16) hindurch diffundiert und das nachgiebige Material (16) an dem starren Material anklebt.