EP0825683A2 - Wartungsfreie Steckerisolation - Google Patents

Abstract

Die Steckerisolation ist geeignet für ein Hochspannungskabel und weist einen Isolierkörper (2) aus Silikonkautschuk, EPDM oder ähnlichem Isolationswerkstoff auf, in welchem ein Steckkontaktteil (11, 12) eingebettet ist. Die konisch geformte Führungsfläche (10) der jeweiligen Isolierkörper (2) ist mit einer plasmapolymerisierten Schicht (9) versehen. In einer bevorzugten Ausführungsform weist mindestens eines der Steckkontaktteile (11, 12) eine Silber-Graphit-Komposit-Beschichtung auf.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine wartungsfreie Steckerisolation für ein Kabelsteckteil gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1 und für ein Geräteanschlussteil gemäss Oberbegriff des Anspruchs 5.

Derartige Steckerteile, resp. Steckergarnituren werden in Hochspannungs-Energieübertragungssystemen von beispielsweise modernen Eisenbahnkompositionen und insbesondere in Hochgeschwindigkeitszügen verwendet. Diese Eisenbahnkompositionen weisen mindestens zwei Triebwagen auf, deren Haupttransformatoren jeweils über zwei gleichzeitig in Betrieb genommene Stromabnehmer versorgt werden, um sicherzustellen, dass beim Abreissen des Schleifkontaktes zwischen Schleifleiste und Fahrdraht keine Fahrstörungen auftreten. Die Verwendung mehrerer elektrisch miteinander verbundener Haupttransformatoren macht es jedoch erforderlich, dass die einzelnen Zugkomponenten Hochspannungskabel tragen und mit geeigneten Hochspannungs-Kupplungs-Systemen ausgerüstet sind. Es versteht sich, dass diese Kupplungs-Systeme und deren Steckergarnituren zu keinerlei Personengefährdung führen dürfen und strengsten Sicherheitsbestimmungen genügen müssen.

Von den bekannten hochstromfesten Steckergarnituren für industrielle Anlagen, welche bspw. mit einer Epoxydharzisolierung, einem abgeschirmten Giessharzgehäuse oder einer EPDM-Ummantelung versehen sind, eignen sich solche mit einem Isolierkörper aus Silikonkautschuk in besonderer Weise für den Einsatz auf Schienenfahrzeugen. Dieser elastische Isolierwerkstoff weist eine für diese Anwendung vorteilhafte mechanische Flexibilität auf, um trotz der Vibrationen und extremen Belastungen die erforderliche Schliesskraft beizubehalten, Dieser Werkstoff ist darüberhinaus hydrophob und äusserst temperaturbeständig, hat ein geringes Gewicht und eine hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit. Steckergarnituren mit Isolierkörpern aus Silikonkautschuk werden deshalb in Hochspannungs-Kupplungen von Hochgeschwindigkeitszügen bevorzugt eingesetzt, finden ihre Anwendung aber in allen elektrischen Energieübertragungssystemen.

Diese Steckergarnituren umfassen grundsätzlich einen Geräteanschlussteil (Steckdose) und einen Kabelsteckteil, wobei der Geräteanschlussteil in bekannten Ausführungsformen kabelsteckteilseitig einen konusförmigen Isolierteil zur Aufnahme des Kabelsteckteils aufweist. Dabei ist der Isolierteil des Kabelsteckteils geräteanschlussteilseitig komplementär zum konusförmigen Isolierteil des Geräteanschlussteils geformt, so dass im zusammengesteckten Zustand die beiden Isolierteile bündig aneinander liegen. In dieser Ausführungsform weist das Isolierteil des Geräteanschlussteils einen nach aussen ragenden Konus (Aussenkonus) mit einem harten Kunststoff-Mantel auf, während der aus elastischem Silikonkautschuk gefertigte Isolierteil des Kabelsteckteils eine nach innen zusammenlaufende konische Ausnehmung (Innenkonus) aufweist. Diese beiden Isolierteile tragen in ihrem Innern einander zugeordnete Steckkontaktteile aus elektrisch leitendem Material. Dabei weist der Aussenkonus in seinem Innern eine Kontaktbuchse auf, die mit dem elektrisch leitenden Kabelstrang, insbesondere einem Hochspannungskabelstrang, verbunden ist. Der in der Regel mit einem Innenkonus versehene Kabelsteckteil ist entsprechend mit einem dazugehörigen Kontaktstecker ausgerüstet. Moderne Steckkontaktteile weisen zusätzlich zur Verbesserung des elektrischen Kontaktes kraftschlüssig anliegende Kontaktlamellen auf. Im folgenden soll der Einfachheit halber nur von dieser Art Steckeranordnungen die Rede sein, ohne die vorliegende Erfindung jedoch darauf zu beschränken.

Es hat sich nun gezeigt, dass sich die Steckerisolation dieser Steckerteile nach dem Zusammenstecken nur sehr schwer wieder trennen lassen, insbesondere, weil sich der elastische Silikonkautschuk reib- und formschlüssig an den Aussenkonus anlegt. Dieses aussergewöhnliche Haftverhalten des elastischen Silikonkautschuks macht es unumgänglich, dass die Führungsflächen der Steckergarnituren und insbesondere der Konus aus elastischem Silikonkautschuk regelmässig eingefettet oder mit einem besonderen Schmiermittel versehen werden müssen. Leider lässt sich nicht vermeiden, dass diese Fette im Laufe der Zeit in den Silikonkautschuk hineindiffundieren und die erwünschte Gleitwirkung nachlässt resp. wieder ganz verschwindet.
Darüberhinaus zeigt es sich, dass auch die metallischen Steckkontaktteile sich im Laufe der Zeit aneinander festsetzen (sich gegenseitig anfressen) und deshalb nur noch schwer voneinander getrennt werden können.

Bei der obenerwähnten Anwendung in Hochgeschwindigkeitszügen, aber auch in vielen Gebieten der Elektrotechnik, werden diese Steckergarnituren selten getrennt, d.h. können kaum nachgefettet werden, um den Reibwert zu mindern und sind deshalb allfällige Entkupplungen immer mit zeitraubenden und schwierigen Manipulationen verbunden. Es ist deshalb das Bestreben der modernen Eisenbahnindustrie, solche aufwendigen Manipuationen zu eliminieren und insbesondere deren Ziel, das Kuppeln und Entkuppeln von einzelnen Wagen, zu automatisieren.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine wartungsfreie Steckerisolation für Hochspannungskabel zu schaffen, die sich insbesondere für das automatische Kuppeln und Entkuppeln eignet. Insbesondere soll eine Steckerisolation für Kabelsteck- und Geräteanschlussteile geschaffen werden, deren Isolationskörper aus Silkonkautschuk, EPDM (Ethylen-Propylen-Terpolymer) oder ähnlichen Isolationswerkstoffen bestehen und deren Führungsflächen auch nach längerer Kontaktzeit nicht aneinander haften und problemlos wieder voneinander getrennt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine Steckerisolation mit den Merkmalen des Anspruchs 9 oder 10 gelöst und insbesondere durch einen Geräteanschlussteil und einen Kabelsteckteil gemäss Anspruch 1 oder 5, von welchen Teilen mindestens eines einen aus elastischem Silikonkautschuk, gefertigten Isolierkörper mit einer plasmapolymerisierte Führungsfläche aufweist. Dabei werden Geräteanschluss- und Kabelsteckteile verwendet, deren Aufbau und Anordnung im wesentlichen konventionellen Hochstromsteckern entspricht. Diese weisen grundsätzlich einen aus elastischem Silikonkautschuk, EPDM oder ähnlichen Isolationswerkstoffen gefertigten Isolationskörper auf, der in einem Gehäuse befestigt ist und in seinem Innern eine mit dem Kabel verbundene Kontaktbuchse resp. Kontaktstift aufweist. Bei bekannten Ausführungsformen ist der Aussenkonus des Geräteanschlussteils mit einem Kunststoff- resp. Giessharzmantel versehen, der in den Innenkonus des Kabelsteckteils eingeführt werden kann.

Erfindungsgemäss ist die Führungsfläche des Kabelsteckteils, d.h. die Oberfläche des aus elastischem Silikonkautschuk, EPDM oder einem ählichen Isolationswerkstoff gefertigten Innenkonus plasmapolymerisiert. Mit Hilfe des Plasmapolymerisationsverfahrens wird die Führungsfläche so vernetzt, dass deren Reibkoeffizient und Haftfähigkeit in hohem Masse reduziert wird. Dies führt zu einer gleitfähigen und nichthaftenden Oberfläche, deren vorteilhafte Eigenschaften überraschenderweise auch nach längerem Gebrauch - in einer Testserie wurden mit erfindungsgemäss behandelten Isolationskörpern über 10'000 Kupplungen vorgenommen, ohne dabei Veränderungen im Gleitverhalten feststellen zu können - erhalten bleiben.

In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemässen Steckerisolation sind auch die Steckkontaktteile in geeigneter Weise behandelt. Dabei hat sich gezeigt, dass eine Silber-Graphit-Komposit-Beschichtung die obengenannten Anforderungen erfüllen kann.

Das Beschichtungsverfahren ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung und soll hier nicht näher erläutert werden. Es versteht sich aber, dass der Fachmann auf dem Gebiet der Plasmapolymerisation funktionelle Beschichtungen mit den gewünschten Oberflächeneigenschaften, insbesondere Dehäsivschichten, ohne erfinderisches Dazutun aufbringen kann. Bei der vorliegenden Erfindung wurde in einer Ausführungsform ein Isolationskörper aus elastischem Silikonkautschuk mit modifiziertem Quarz, d.h. mit einer bekannten siliziumorganischen Verbindung beschichtet. Dadurch liess sich der Haftreibungskoeffizient, der bei elastischem Silikonkautschuk satt über 1 liegt, auf einen Wert von ca. 0.2 reduzieren. Bei dieser Beschichtungstechnik zeigt sich überraschenderweise, dass die quarzharte, hochvernetzte Oberfläche auf dem elastischen Silikonkautschuk bei wiederholter Deformation ihre Gleiteigenschaften beibehält. Dies führt zu der gewünschten Langzeit-Trennfähigkeit.

In einer anderen Ausführungsform weist das aus elastischem Silikonkautschuk gefertigte Isolationsteil des Geräteanschlussteils einen plasmapolymerisierten Aussenkonus auf.

Die Vorteile der erfindungsgemässen Steckerisolation sind dem Fachmann unmittelbar erkennbar und sind im wesentlichen in den wartungsfreien und nichthaftenden Führungsflächen zu sehen. Die Führungsflächen brauchen grundsätzlich nicht mehr gefettet zu werden. Insbesondere kann mit den erfindungsgemässen Isolierteilen die Funktionsfähigkeit der Steckverbindung unabhängig von einer regelmässigen Wartung gewährleistet werden, d.h. werden die Steckerverbindungen bedienungsfreundlicher und betriebssicherer. Die durch die erfindungsgemässe Steckerisolation erzielte Langzeit-Trennfähigkeit, eignet sich diese damit besonders auch für das automatische Kuppeln und Entkuppeln von Hochspannungskupplungen, wie sie bei Hochgeschwindigkeitszügen zum Einsatz kommen.

Im folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und mit Hilfe der Figuren näher erläutert werden. Dabei zeigt:

Fig. 1: einen Querschnitt durch ein Geräteanschlussteil;

Fig. 2: einen Querschnitt durch ein Kabelsteckteil;

Fig. 3: einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Geräteanschlussteils;

Fig. 4: einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Kabelsteckteils.

Bei dem in Figur 1 dargestellten Geräteanschlussteil ist der Isolierkörper 1 aus einem elektrisch isolierenden Giessharz gefertigt. Dieser Körper ist kabelsteckteilseitig als Aussenkonus 6 geformt. Zentral in diesem Aussenkonus 6 ist eine metallische Kontaktbuchse 12 eingebettet, die mit den Kabellitzen 5 eines elektrisch leitenden Kabelstrangs verbunden ist. Der Isolierkörper 1 ist in einem Gehäuse 3 befestigt und kann mit Ablenkresp. Feldsteuerelektroden 4 versehen sein. Die besondere Dimensionierung und Gestaltung des Geräteanschlussteils liegt im Bereich des fachmännischen Könnens und ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Figur 2 zeigt ein mit dem Geräteanschlussteil gemäss Figur 1 zusammensteckbares Kabelsteckteil. Dieses weist einen mit einem Innenkonus 8 versehenen Silikonkörper 2 auf, dessen Konusfläche komplementär zur Konusfläche des Aussenkonus 6 des Geräteanschlussteils gestaltet ist.

Zentral in diesem Silikonkörper 2 ist ein Kontaktstift 11 angeordnet, der so dimensioniert ist, dass dieser in Kontakt mit der Kontaktbuchse 12 des Geräteanschlussteils gebracht werden kann. Dieser Kontaktstift 11 ist wiederum mit Kabellitzen 5 eines Elektrokabels verbunden. Es versteht sich, dass auch dieser Silikonkörper 2 mit Ablenkresp. Feldsteuerelektroden 4 versehen sein kann. Erfindungsgemäss ist die Oberfläche dieses Innenkonus 8 plasmapolymerisiert und weist damit eine plasmapolymerisierte Schicht 9 auf. Dies erlaubt, dass die beiden konusförmigen Isolierteile 6 (Figur 1) und 8 (Figur 2) mit ihren Führungsflächen 10 deckungsgleich aufeinander geschoben werden können und eine jederzeit lösbare Trennfuge bilden. Diese plasmapolymerisierte Schicht 9 auf dem Innenkonus 8 weist einen Haftreibungskoeffizienten von ca. 0.2 auf und erlaubt damit das einfache Gleiten der beiden Führungsflächen aufeinander und insbesondere das Trennen von Geräteanschlussteil und Kabelsteckteil dieser Steckerisolation. Zu demselben Zweck weisen die im Innern der Isolierkörper 1, 2 eingebetteten Kontaktsteckerteile 11, 12 in einer bevorzugten Ausführungsform eine Silber-Graphit-Komposit-Beschichtung auf.

Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Geräteanschlussteils dessen Isolierkörper 1 aus Giessharz gefertigt ist, jedoch mit einem Innenkonus 13 versehen ist. Im Innern des Isolierkörpers 1 liegt wiederum eine Kontaktbuchse 12, die mit Kabellitzen 5 eines Kabelstrangs verbunden ist. Die Kontaktbuchse 12 ist so geformt, dass sie einen Kontaktstift 11 des dazugehörigen Kabelsteckteils aufnehmen kann. Ein dazugehöriges Kabelsteckteil ist in Figur 4 dargestellt und weist einen aus Silikonkautschuk gefertigten Isolierkörper 2 auf. Dieser Silikonkörper ist ebenfalls konisch geformt, sodass dessen Konusfläche 10 mit der Innenkonusfläche 13 des Geräteanschlussteils gemäss Figur 3 fluchtet. Erfindungsgemäss ist mindestens diese konische Führungsfläche 10 plasmapolymerisiert resp. mit einer plasmapolymerisierten Schicht 9 versehen. In analoger Weise liegt ein Kabelstrang axial in diesem Isolierteil und sind dessen Kabellitzen 5 mit einem Kontaktstift 11 verbunden. Dieser metallische Kontaktstift 11 kann in bevorzugten Ausführungsformen mit Kontaktlamellen 14 ausgerüstet sein. Vorzugsweise sind auch bei dieser in den Figuren 3 und 4 dargestellten weiteren Ausführungsformen die Kontaktsteckerteile mit einer Silber-Graphit-Komposit-Beschichtung versehen, um zu verhindern, dass sich diese metallischen Teile gegenseitig festsetzen.

Zusammenfassend erweist sich die plasmapolymerisierte Oberfläche der aus Silikonkautschuk, EPDM oder ähnlichen Isolationswerkstoffen gefertigten Isolierteile als erfindungswesentlich. Moderne Plasmatechniken umfassen Verfahren, bei denen die Oberflächeneigenschaften von Werkstücken durch Einwirkung einer kalten, d.h. einer bei Raumtemperatur vorgenommenen, elektrischen Gasentladung, eines sogenannten Plasmas, modifiziert werden. Dazu zählen alle Plasmaentladungen bei denen eine dünne Schicht eines Polymerisats abgeschieden wird und bei denen die Oberfläche des Werkstücks zumindest gereinigt oder auch intensiv aktiviert und verändert wird. Bei dieser Plasmatechnik und insbesondere bei der Plasmapolymerisation wird im Prinzip eine elektrische Gasentladung in einem, mit einem geeigneten Monomer begasten Unterdruckgefäss vorgenommen. Eine elektrische Spannungsquelle ist an zwei innerhalb dieses Unterdruckgefässes angeordneten Elektroden angeschlossen. Mikroskopisch gesehen, werden durch den Stromdurchgang die Moleküle im Gasraum zum Teil ionisiert. Durch das zwischen den Elektroden liegende elektrische Feld werden die Ionen beschleunigt und erreichen dabei Energien in der Grössenordnung von 10eV. Diese Energie genügt, um chemische Bindungen aufzubrechen und Reaktionen in Gang zu setzen, die sonst erst bei sehr hohen Temperaturen von beispielsweise ca. 12'000°C ablaufen würden. Für die Modifikation der Werkstoffoberfläche wird in das Unterdruckgefäss resp. den Entladungskessel mindestens ein reaktionsfähiges, gasförmiges Monomer eingebracht. Die Moleküle des Monomers werden durch Stösse mit den energiereichen Elektronen der Gasentladung angeregt und aktiviert, zu einem nennenswerten Teil auch fragmentiert. Damit stehen im Gasraum angeregte Monomere und Fragmente für die Reaktion an der Oberfläche des Werkstücks zur Verfügung. Diese Reaktionen sind die eigentliche Basis der Plasmapolymerisation. Dabei ist der radikalische Reaktionspfad, der die Reaktionen und Schichtbildungen auch mit Verbindungen gestattet, die, weil gesättigt, normalerweise nicht polymerisationsfähig sind, von zentraler Bedeutung. Durch die verschiedenen Möglichkeiten von Wechselwirkungen zwischen der Gasphase und den Oberflächen der Werkstoffe, sowie zwischen den elektrisch neutralen, aber hochangeregten Molekülen, den freien Radikalen und das durch die Plasmaentladung selbst erzeugte kurzwellige, ultraviolette Licht erweisen sich die unterschiedlichen Reaktionsmechanismen als sehr komplex.

Neuere Untersuchungen dieser Mechanismen sind beispielsweise 1994 an der Bundesdeutschen Fachtagung für Plasmatechnologie in Wuppertal vorgestellt worden. Grundsätzlich entsteht bei diesem Oberflächenbehandlungsverfahren ein sehr kurzkettiges, jedoch hochvernetztes Netzwerk mit sehr kurzen Zwischenketten. Regelmässig sich wiederholende Strukturen, wesentliches Merkmal einer Polymerisation, fehlen fast vollständig. Die durch die Plasmapolymerisation erzeugte Oberflächenschicht weist wegen des hohen Vernetzungsgrades ganz neue Eigenschaften auf, die sich grundsätzlich von denen eines konventionell aus dem gleichen Monomer hergestellten Polymers unterscheiden. Das erzeugte, hochvernetzte Polymerisat ist praktisch stets ein Duromer, ist hart und sehr temperaturbeständig. Diese Oberflächenschicht ist schon bei geringer Schichtdicke frei von Pinholes und wegen der räumlichen Vernetzung mit nahezu keinem Lösemittel mehr auflösbar.

Mit dieser Plasmapolymerisationstechnik können praktisch alle organischen Verbindungen zur Schichtbildung gebracht werden, wobei sich typischerweise Substanzen aus der Familie der reinen Kohlenwasserstoffe, Silizium-Kohlenwasserstoffe, Metallorganika, usw. als geeignet erweisen. Durch geeignete Wahl von Material aus solchen Familien sind die Schichteigenschaften leicht steuerbar, z.B. in Richtung Silikon oder Quarz, in Richtung "Teflon" oder auch zu metallhaltigen Schichten. Das Plasmapolymerisationsverfahren ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung und soll hier nicht im Detail weiter erläutert werden. Die für die vorliegende Erfindung besonders geeigneten plasmapolymerisierten Oberflächen sind quarz-resp. teflonartig. Deren Erzeugung liegt im Bereich des normalen Könnens des Fachmanns auf dem Gebiet der Plasmapolymerisation.

Es versteht sich, dass die erfindungsgemässe Steckerisolation ohne weiteres so dimensioniert werden kann, dass sich diese auch für den Mittel- und Niederspannungsbereich oder als Verbindungsmuffen eignet. Ausserdem können die Isolierteile der einzelnen Steckergarniturteile auch mit nichtkonischen Führungsflächen, insbesondere mit zylindrischen oder gerippten Flächen versehen sein, wobei es unerheblich ist, ob nur das Isolierteil des Kabelsteckteils, oder auch dasjenige des Geräteanschlussteils aus Silikonkautschuk, EPDM oder ähnlichen Isolationswerkstoffen gefertigt ist.

Claims (10)

1. Kabelsteckteil für ein Hochspannungskabel (5) mit einem Isolierkörper (2) aus elastischem Silikonkautschuk, EPDM oder einem ähnlichem Isolationswerkstoff, in welchem ein Steckkontaktteil (11 oder 12) einbettbar ist und dessen geräteteilseitiger Teil zur Aufnahme eines Geräteanschlussteils mit einer Führungsfläche (10) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsfläche (10) plasmapolymerisiert ist.
2. Kabelsteckteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsfläche (10) einen Haftreibungskoeffizienten von weniger als 0.2 aufweist.
3. Kabelsteckteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der geräteanschlussteilseitige Teil des Isolierkörpers (2) als Innenkonus (8) oder als Aussenkonus (6) ausgebildet ist.
4. Kabelsteckteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Steckkontaktteil (11, 12) eine Silber-Graphit-Komposit-Beschichtung aufweist.
5. Geräteanschlussteil für ein Hochspannungskabel (5) mit einem Isolierkörper aus Silikonkautschuk, EPDM oder ähnlichem Isolationswerkstoff, in welchem ein Steckkontaktteil einbettbar ist und dessen kabelsteckseitiger Teil zur Aufnahme eines Kabelsteckteils mit einer Führungsfläche versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsfläche plasmapolymerisiert ist.
6. Geräteanschlussteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsfläche einen Haftreibungsreibungskoeffizienten von weniger als 0.2 aufweist.
7. Geräteanschlussteil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der kabelsteckteilseitige Teil des Isolierkörpers als Aussen- oder als Innenkonus ausgebildet ist.
8. Geräteanschlussteil nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Steckkontaktteil eine Silber-Graphit-Komposit-Beschichtung aufweist.
9. Steckerisolation für ein Kabelsteckteil gemäss Anspruch 1.
10. Steckerisolation für einen Geräteanschlussteil gemäss Anspruch 5.

Images