EP1927123A1 - Vakuumschaltkammer - Google Patents

Vakuumschaltkammer

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EP1927123A1
EP1927123A1 EP06791786A EP06791786A EP1927123A1 EP 1927123 A1 EP1927123 A1 EP 1927123A1 EP 06791786 A EP06791786 A EP 06791786A EP 06791786 A EP06791786 A EP 06791786A EP 1927123 A1 EP1927123 A1 EP 1927123A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
switching chamber
chamber according
vacuum
vacuum switching
screen
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06791786A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Edgar Dullni
Dietmar Gentsch
Kurt Kaltenegger
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ABB Technology AG
Original Assignee
ABB Technology AG
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Publication date
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/60—Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/662—Housings or protective screens
    • H01H33/66261—Specific screen details, e.g. mounting, materials, multiple screens or specific electrical field considerations
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
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    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/662—Housings or protective screens
    • H01H33/66261—Specific screen details, e.g. mounting, materials, multiple screens or specific electrical field considerations
    • H01H2033/66269—Details relating to the materials used for screens in vacuum switches

Definitions

  • the invention relates to a vacuum interrupter chamber with an insulating ceramic wall, are arranged within the movable contact in vacuum and concentrically surrounded by a shield between the contact piece and switching chamber, according to the preamble of claim 1.
  • Vacuum switching chambers are used in the low, medium and high voltage range. Within a vacuum are the contacts, the switching process itself takes place under a vacuum atmosphere. During the switching process, especially under short-circuit conditions, the goal is to extinguish the arc as quickly as possible. Said arc as such is a high-energy plasma stream of the evaporation processes generated within the vacuum interrupter chamber.
  • no metallic layer formed inside on the ceramic wall material of the vacuum interrupter chamber thus reducing the insulation capacity of the unit shielding components of thinner-walled metallic materials are usually introduced within the vacuum interrupter chamber, in the vicinity of the contact gap between the contact pieces and the insulation are arranged.
  • the required high erosion resistance can not be met by the screen materials commonly used in this form, or can only be achieved imperfectly.
  • the invention is therefore based on the object, at the structurally resulting within the vacuum switching chamber edges or fillets of the subcomponents used to increase the dielectric strength. In the area of the contact pieces, the erosion resistance of the screen should be improved.
  • edges or fillets of the screens should thus be coated with a material of high dielectric strength. This is achieved by a high electron work function and / or a mechanically high hardness. The dielectric strength of the arrangement or device, in particular on the screen edges, is increased. It can still be seen that on the so-called
  • Middle screen a corresponding edge board is arranged, which is guided to the outside and a screen control, that is, a corresponding control of the center potential is possible.
  • the layer on the components can be made relatively thin.
  • Coatings may consist of the abovementioned elements, mixtures and / or alloys in said form, for example TiN, TiNMI 2 O 3 , TiCN, TiAIN, C at least partly in diamond structure or also in a mixture with tungsten, hard metal coatings of WC and the like cermet.
  • These areas shown in the following drawing with XY consist of these mentioned material composites, wherein it is not excluded that these coatings can also be applied in the areas XXX and vice versa.
  • the layer may also be formed by nanoparticles, which may have correspondingly optimal properties due to their structure.
  • refractory or refractory metals are used on the surface of a component, which may be in the form of nanoparticles or as a layer, i. as a closed layer on the support, here the screen component partially or completely applied.
  • the materials used include the elements: tungsten, chromium, molybdenum, vanadium, titanium, tantalum and carbon.
  • the above-mentioned elements for the coating are selected for the areas denoted by XXX.
  • the coatings may consist of mixtures and / or alloys in the stated form, for example TiN, TiNMI 2 O 3 , TiCN, TiAIN, C in diamond structure, hard metal coatings of WC, and cermets. These areas shown in the following drawing with XY consist of these material composites.
  • the application of these particles or layers can take place via a chemical route.
  • Another possibility for applying a layer to a component is the immersion / coating / spraying or a physical vapor deposition (PVD) or a chemical vapor deposition (CVD) process by sputtering / vapor deposition or chemical surface reaction.
  • PVD physical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • the switching contacts 5 are arranged.
  • a switching contact fixed 8 is about a bellows 3 this movably 1 arranged within the vacuum interrupter chamber.
  • two movable contacts can be used, each contact piece is driven accordingly and guided over a metal bellows with a push rod to the outside.
  • the two metallic conductors 1, 8 are electrically separated from each other by an insulator 6.
  • the cover components 2 shown in this arrangement take over the connection between the insulator 6 and the bellows on one side and the conductor 8 on the other.
  • shieldings 4, 7 are arranged here in this sectional view, essentially here a center screen 4 can be seen, which is placed in the area around the actual contact point.
  • the center screen is coated with the corresponding material XXX or the material composite XY, in accordance with the above-mentioned materials or elements, alloys, etc.
  • Umbrella can be prevented, and on the other hand, the dielectric strength of the device or device is increased in particular at the screen edges. It can also be seen that on the so-called center screen 4, a corresponding edge board is arranged, which is guided to the outside and a screen control, that is, a corresponding control of the center potential is possible.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vakuumschaltkammer mit einer isolierenden keramischen Wandung, innerhalb der im Vakuum bewegliche Kontaktstücke angeordnet und von einer Schirmung zwischen Kontaktstück und Schaltkammerwandung umgeben sind, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1. Um hierbei zum einen die Abbrandfestigkeit der Schirmung und zum anderen die dielektrische Festigkeit der Anordnung zu verbessern, ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass im Bereich des Schirmes (4, 7) oder anderer Bauteile innerhalb der Vakuumschaltkammer (10) zumindest teilweise Beschichtungen aus hochschmelzendem Material oder aus Refraktärmetallen aufgebracht sind.

Description

Vakuumschaltkammer
Die Erfindung betrifft eine Vakuumschaltkammer mit einer isolierenden keramischen Wandung, innerhalb der im Vakuum bewegliche Kontaktstücke angeordnet sind und von einer Schirmung zwischen Kontaktstück und Schaltkammerwandung konzentrisch umgeben ist, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Vakuumschaltkammern werden im Nieder-, Mittel - und Hochspannungsbereich eingesetzt. Innerhalb eines Vakuums befinden sich die Kontaktstücke, der Schaltvorgang selbst findet unter einer Vakuumatmosphäre statt. Beim Schaltvorgang insbesondere unter Kurzschlussbedingungen ist das Ziel den entstandenen Lichtbogen schnellstmöglich zu löschen. Der besagte Lichtbogen als solcher ist ein hochenergetischer Plasmastrom der Verdampfungsprozesse innerhalb der Vakuumschaltkammer generiert. Damit sich nach einer Vielzahl von Schaltvorgängen keine metallische Schicht innen auf dem keramischen Wandungsmaterial der Vakuumschaltkammer ausbildet, und somit das Isolationsvermögen der Einheit reduziert, werden in der Regel Schirmbauteile aus dünnwandigeren metallischen Materialien innerhalb der Vakuumschaltkammer eingbracht, die in der Nähe der Schaltstrecke zwischen den Kontaktstücken und der Isolation angeordnet sind.
Der durch den Schaltvorgang bewirkte abströmende Metalldampf kondensiert dann auf der Oberfläche dieser Schirme. Des Weiteren werden auch andere hochenergetische Plasmastrahlen die ebenfalls aus dem Kontaktbereich kommen, vom Schirm aufgenommen. Dadurch bleibt die spannungsisolierende Funktion der Keramikhülle auf der Vakuumschaltkammer Innenseite erhalten. An den Kanten dieser eingebrachten Schirmbauteile liegen besonders unter Prüfbedingungen hohe elektrische Feldstärke an. Die auf den Schirm auftreffenden Plasmastrahlen heizen diesen lokal auf, so dass es zur Materialanschmelzung und Verdampfung kommen kann. Dies kann zum einen den Dampfdruck innerhalb der Vakuumschaltkammer während des Schaltvorganges erhöhen und zum anderen ein Durchschmelzen des Schirms verursachen. Eine besondere Beanspruchung des Schirmes tritt bei einer kompakten Bauweise der Vakuumschaltkammer bei häufigem Schalten von Kurzschlussströmen auf.
Die geforderte hohe Abbrandfestigkeit kann jedoch von den üblicherweise verwendeten Schirmmaterialen in dieser Form nicht erfüllt, beziehungsweise nur unvollkommen erreicht werden.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, an den sich innerhalb der Vakuumschaltkammer baulich ergebenden Kanten oder Verrundungen der verwendeten Teilkomponenten die dielektrische Festigkeit zu erhöhen. Im Bereich der Kontaktstücke soll die Abbrandfestigkeit des Schirmes verbessert werden.
Die gestellte Aufgabe wird bei einer Vakuumschaltkammer der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen hierzu sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Wesen der Erfindung ist hierbei, die Schirme oder die besagten Schirmteile, die direkt dem Kontaktsystembereich gegenüber liegen, mit einer besonderen hochschmelzenden Materialbeschichtung zu versehen. Die zu wählende Dicke der dabei aufgetragenen hochschmelzenden Schicht muss so bemessen sein, dass während einer Kurzschlussstromausschaltung die dabei generierte Energie durch Strahlung im Wesentlichen in dieser Schicht absorbiert und an die Trägerschicht abgeführt werden kann, ohne dass die Schirmanordnung, oder welche Bauteile auch immer damit beschichtet sind, je Schaltung sehr stark anschmelzen und damit in der Konsequenz frühzeitig durchschmelzen können. Für die Schirme bedeutet dies, dass sie im Bereich der betreffenden Kanten oder Verrundungen mit diesem Material hoher dielektrischer Festigkeit beschichtet sind. Dies führt dazu, dass eine hohe Elektronenaustrittsarbeit und/oder eine mechanisch hohe Härte bedingt wird. Diese Schicht kann dabei relativ dünn sein. Daher kann in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung diese Schicht durch chemische Beschichtung, Aufsputtem oder Aufdampfen aufgebracht werden.
Beim Öffnen der Kontaktstücke unter Last entsteht ein Lichtbogen, mit den oben beschriebenen Wirkungen. An den beschichteten Kanten und Oberflächen wird ein plasmainduziertes Erodieren des Materials deutlich reduziert, wodurch zum einen das Anschmelzen der Schirmungen reduziert und letztendlich ein Durchschmelzen des Schirmes verhindert werden kann.
Es wird ausserdem eine Steigerung der Spannungsfestigkeit einer Schirmanordnung erreicht. An den Kanten dieser eingebrachten Schirmbauteile liegen besonders unter dielektrischen Prüfbedingungen sehr hohe elektrische Feldstärken an. Zusätzlich zu der genannten Abbrandfestigkeit soll die dielektrische Festigkeit an den Kanten und Verrundungen des Schirmes oder anderer Bauteilkomponenten erhöht werden.
Die Kanten oder Verrundungen der Schirme sollen somit mit einem Material hoher dielektrischer Festigkeit beschichtet sein. Dieses erreicht man durch eine hohe Elektronenaustrittsarbeit und/oder eine mechanisch hohe Härte. Die dielektrische Festigkeit der Anordnung bzw. Einrichtung insbesondere an den Schirmkanten wird erhöht. Hierbei ist noch zu erkennen, dass an dem sogenannten
Mittelschirm ein entsprechender Randboard angegeordnet ist, der nach außen geführt ist und eine Schirmsteuerung, das heißt eine entsprechende Ansteuerung des Mittenpotentials möglich ist.
Die Schicht auf den Bauteilen kann dabei relativ dünn ausgeführt sein. Diese
Beschichtungen können aus den oben genannten Elementen, Mischungen und / oder Legierungen in besagter Form bestehen, z.B. TiN, TiNMI2O3, TiCN, TiAIN, C zumindest zum Teil in Diamantstrucktur oder auch in einer Mischung mit Wolfram, Hartmetallbeschichtungen aus WC o.a. und auch Cermets. Diese in der nachfolgenden Zeichnung mit XY dargestellten Bereiche bestehen aus diesen genannten Materialkompositen, wobei nicht ausgeschlossen ist, dass diese Beschichtungen auch in den Bereichen XXX aufgebracht werden können und umgekehrt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung kann hierbei die Schicht auch von Nanopartikeln gebildet sein, die aufgrund ihrer Struktur entsprechend optimale Eigenschaften haben können.
Zur Beschichtung werden auf der Oberfläche eines Bauteiles besonders hochschmelzende bzw. Refraktärmetalle verwendet, die in Form von Nanopartikeln oder als Schicht d.h. als geschlossene Schicht auf den Träger, hier das Schirmbauteil bereichsweise oder auch komplett aufgebracht werden. Zu den verwendeten Werkstoffen gehören die Elemente: Wolfram, Chrom, Molybdän, Vanadium, Titan, Tantal und Kohlenstoff. In der nachfolgenden Zeichnung werden für die dort mit XXX bezeichneten Bereiche die oben genannten Elemente für die Beschichtung gewählt.
Des Weiteren können die Beschichtungen aus Mischungen und/oder Legierungen in besagter Form bestehen, z.B. TiN, TiNMI2O3, TiCN, TiAIN, C in Diamantstruktur, Hartmetallbeschichtungen aus WC o.a. und Cermets. Diese in der nachfolgenden Zeichnung mit XY dargestellten Bereiche bestehen aus diesen genannten Materialkompositen.
Die Aufbringung dieser Partikel bzw. Schichten kann über einen chemischen Weg erfolgen. Eine weitere Möglichkeit zur Aufbringung einer Schicht auf ein Bauteil ist das Tauchen / Streichen / Spritzen bzw. ein Physical-Vapour-Deposition (PVD-) oder ein Chemical-Vapour-Deposition (CVD-) Verfahren durch Aufsputtern / Aufdampfen oder durch chemische Oberflächenreaktion.
Die Erfindung ist einem Ausführungsbeispiel dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.
Die Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Vakuumschaltkammer 10. Innerhalb der Vakuumschaltkammer sind die Schaltkontakte 5 angeordnet. Dabei ist ein Schaltkontakt feststehend 8 und ein anderer ist über einen Faltenbalg 3 hierzu beweglich 1 innerhalb der Vakuumschaltkammer angeordnet. Wahlweise können auch zwei bewegliche Kontakte eingesetzt werden, wobei jedes Kontaktstück entsprechend angetrieben und über einen metallischen Balg mit einer Schubstange nach außen geführt ist. Die beiden metallischen Leiter 1 , 8 sind voneinander durch einen Isolator 6 elektrisch getrennt. Die in dieser Anordnung dargestellten Deckelbauteile 2 übernehmen die Verbindung zwischen dem Isolator 6 und dem Balg auf der einen Seite und dem Leiter 8 auf der anderen.
Innerhalb der Vakuumschaltkammer 10 sind hier in dieser Schnittdarstellung Schirmungen 4, 7 angeordnet, im Wesentlichen ist hier ein Mittelschirm 4 erkennbar, der im Bereich um die eigentliche Kontaktstelle platziert ist. An den dargestellten hervorgehobenen Kanten, das heißt insbesondere aber nicht ausschließlich dort ist der Mittelschirm mit dem entsprechenden Material XXX bzw. dem Materialkomposit XY beschichtet, gemäß den jeweils oben genannten Materialien bzw Elemente, Legierungen etc.
Beim Öffnen der Kontaktstücke unter Last entsteht ein Lichtbogen, mit den oben beschriebenen Wirkungen. An den beschichteten Kanten und Oberflächen wird ein plasmainduziertes Erodieren des Materials deutlich reduziert, wodurch zum einen das Anschmelzen der Schirmungen reduziert und letztendlich ein Durchschmelzen des
Schirmes verhindert werden kann, und zum anderen auch die dielektrische Festigkeit der Anordnung bzw. Einrichtung insbesondere an den Schirmkanten erhöht wird. Hierbei ist noch zu erkennen, dass an dem sogenannten Mittelschirm 4 ein entsprechender Randboard angegeordnet ist, der nach außen geführt ist und eine Schirmsteuerung, das heißt eine entsprechende Ansteuerung des Mittenpotentials möglich ist.

Claims

Patentansprüche:
1. Vakuumschaltkammer, mit einer isolierenden keramischen Wandung, innerhalb der im Vakuum bewegliche Kontaktstücke angeordnet und von einer Schirmung zwischen Kontaktstück und Schaltkammerwandung konzentrisch umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Schirmes (4, 7) oder anderer Bauteile innerhalb der Vakuumschaltkammer (10) zumindest teilweise Beschichtungen aus hochschmelzendem Material oder aus Refraktärmetallen aufgebracht sind.
2. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das hochschmelzende Material der aufzubringenden Schichten aus den Elementen: Wolfram und/oder Chrom und/oder Molybdän und/oder Vanadium und/oder Titan und/oder Tantal und/oder Kohlenstoff (Material XXX) besteht.
3. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte Beschichtung durch ein PVD- oder ein CVD- Verfahren, durch Aufsputtern oder Aufdampfen oder chemische Reaktion oder durch eine Spritztechnik bzw. Tauchen oder Streichen oder Spritzen auf die entsprechende Partie der Vakuumschaltkammer aufgebracht ist.
4. Vakuumschaltkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus Nanopartikeln besteht.
5. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel aus Wolfram, oder Molybdän, oder Tantal, oder Vanadium, oder Titan, oder Chrom, Kohlenstoff bestehen.
6. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel aus einer CuCr Legierung bestehen.
7. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel aus einem Verbundwerkstoff bestehen.
8. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff aus CuCr mit Cr>1% besteht.
9. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff aus WCu, oder MoCu besteht.
10. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff aus TiN, oder TiN+AI2O3, oder aus
TiCN1 oder aus TiAIN besteht.
11. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff aus WC besteht.
EP06791786A 2005-09-13 2006-09-01 Vakuumschaltkammer Withdrawn EP1927123A1 (de)

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