EP4016576A1 - Electrical switching device for medium and / or high voltage applications - Google Patents
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- H01H33/66207—Specific housing details, e.g. sealing, soldering or brazing
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- H01H2033/6623—Details relating to the encasing or the outside layers of the vacuum switch housings
Definitions
- the invention relates to an electrical switching device, in particular for medium and/or high voltage applications, having at least two contactable conductor elements which can be spaced apart via a movement device and a housing which is made of one or more insulators and defines a switching chamber, parts of the switching chamber being able to be made of metal. usually in the vicinity of the contact gap and two, preferably metal, caps that close off the housing axially.
- VEBs vacuum circuit breakers
- These are core components in power transmission and distribution, particularly in their switching systems. They cover a large part of medium-voltage switching applications, i.e. switching applications in the range from 1 kV to 52 kV, for example, as well as a relevant part in low-voltage systems. Their use in high-voltage transmission systems, for example at voltages greater than 52 kV, is also increasing.
- a VCB While a VCB is closed most of the time, meaning that the conductor elements are contacted, its main task is to interrupt currents in AC systems under nominal conditions, i.e. in particular to switch nominal currents on and off, or preferably to interrupt currents under fault conditions , especially short circuits to interrupt and protect the system.
- Other applications include pure switching of load currents using contacting conductor elements, mostly used in low and medium voltage systems.
- the vacuum interrupter (VI, also vacuum interrupter) is the core element of a VCB.
- a vacuum interrupter usually has a pair of contacts which are formed by corresponding conductor elements, at least one of which can be moved by means of a movement device in order to be able to bring about the open and closed states of the switching device.
- one conductor element is moved axially with respect to the other fixed conductor element.
- the contacts may be fabricated from conductive bolts, particularly metal, which provide both electrical and thermal conduction and the mechanical means to hold and/or move the contacts.
- a VI also comprises a vacuum-tight housing and the aforementioned movement device and can also comprise a metal bellows which is connected to the housing on one side and to the moving conductor element, in particular the moving bolt, on the other side.
- the housing is essentially formed by an insulating component, i.e. an insulator, for example a ceramic tube, which is connected to the conductor elements via connecting elements, metal caps or the like being used, for example, which close the insulating component in the axial direction to form the switching chamber .
- Inside the switching chamber there is a permanent high vacuum of less than 10 ⁇ -4 hPa or 10 ⁇ -4 mbar. The vacuum is necessary to ensure the "make-break" operations and to ensure the isolation properties of the switching device in the open state.
- the switching device When the switching device is in an open state, it is necessary to isolate the rated voltage of the system as well as high amplitude transient voltages such as be triggered by lightning striking the system.
- the switching device changes from the closed to the open state, thus spacing the contacts of the conductor elements, rated currents or short-circuit currents must be interrupted, which lead to the appearance of transient voltage spikes across the VI that are significantly higher than the AC voltage ratings of the system.
- High voltages in vacuum systems usually generate free electrons through field emission processes when the electric field strength is sufficiently high.
- the acceleration of the electrons in the high electric fields increases the kinetic energy of these electrons, for example up to energies exceeding tens or even hundreds of KeV.
- the interaction of these high-energy electrons with the housing structures leads to the production of high-energy X-rays that can exit the vacuum interrupter.
- the fault current within the vacuum interrupter is minimal and does not produce any appreciable X-ray radiation
- circumstances can arise, for example when transient voltage spikes of high amplitude occur, in which the resulting X-ray radiation produces free electrons on and/or near the outer surface of the insulator.
- These electrons can be accelerated by the electric fields on and near the insulator surface, disturbing the electric field distribution in sensitive areas and leading to gas breakdown, resulting in failure of the vacuum interrupter operation.
- a shielding element which can also be made of metal, be provided in the contact area of the conductor elements to intercept free metal particles of the conductor elements, but this also has an influence on the field distribution within the switching chamber, but also on the insulator.
- the housing of the interrupter, and in particular the insulator, which is usually made of ceramic, must be able to withstand high voltages across the relevant surface, even in the presence of X-rays and free electrons, or, in some cases, even when the insulator is contaminated by dust particles electrostatically attached to the outer surface of the insulator. Since the insulator contributes significantly to the cost of a vacuum interrupter (or other switching device) and also negatively affects the cost of other structural elements of the vacuum interrupter (or other switching device), it is necessary to optimize the housing for maximum dielectric strength with minimum component size.
- the well-known VIs are often built symmetrically to an - imagined - center plane of the tube in order to minimize the number of different components and the complexity of the structure.
- the real environment of the tube generally strongly distorts the electric field, so that areas of the tube are strongly electric - in the sense of a high mean electric field strength.
- the subject of the present invention is an electrical switching device with at least two contactable conductor elements that can be spaced apart via a movement device and a housing that defines a switching chamber and that at least partially surrounds the conductor elements.
- Permittivity refers to the ability of a material to polarize through electric fields. Permittivity is a material property of electrically insulating polar or non-polar compounds that only becomes apparent when these compounds are exposed to an electric field.
- the matrix material can be selected from the group consisting of elastomers, duroplastics, thermoplastics and/or glass.
- the various coating methods for producing the coating can be selected accordingly.
- the matrix material is preferably applied as a paint, in particular in the form of a wet paint or powder paint.
- Other application methods such as spraying, immersion, potting, etc. are conceivable, but they are not in the foreground given the current state of research into the technology.
- a major advantage of application as a powder paint and/or wet paint is that the refractive-controlling coating produced is free of pores. Although this type of freedom from pores is also obtained by encapsulation, the homogeneity of the coating generally suffers, particularly at the edges.
- this When applied as a wet paint, this usually includes solvents that are not present in the matrix material or are only present in small amounts after the paint has dried.
- the matrix consists of a polymeric matrix material, for example a polymeric resin, which is present in the form of a polymeric binder.
- a polymer or a polymeric binder is referred to as a "polymeric matrix".
- the polymeric matrix includes in particular a resin or a resin mixture, such as epoxy resin, silicone elastomer, siloxane resin, silicone resin, polyvinyl alcohol, polyester imide and similar duroplastic, thermoplastic plastics, as well as any combinations, copolymers, blends and mixtures of the above resins and/or plastics.
- the matrix preferably contains fillers with a high permittivity compared to air, in particular refractive-dielectrically insulating fillers, such as ceramic fillers, which are polar and/or easily polarizable in an electric field.
- fillers with a high permittivity compared to air in particular refractive-dielectrically insulating fillers, such as ceramic fillers, which are polar and/or easily polarizable in an electric field.
- the materials for the filler(s) are preferably selected from class 1 ceramic materials, which meet high stability requirements and whose permittivities have a low dependence on temperature and field strength. These include, for example, compounds such as selected titanates, which show reproducibly low temperature coefficients and low dielectric losses. Their permittivity is largely independent of the field strength, which has advantages for the application under discussion here.
- Fillers made of a material which is commercially available from the field of capacitor ceramics and is therefore comparatively inexpensive and available in sufficient quantities are preferred.
- the materials come into consideration that have an almost linear temperature profile of the capacitor capacitance demonstrate.
- these are in the form of one or more ceramic(s), in particular ceramic(s) with metal nitride, metal carbide, metal boride and/or metal oxides such as titanium dioxide, aluminum oxide, ceramics comprising selected compounds of titanate are also suitable because of their field strength-independent permittivity.
- oxides of metal alloys in any combination with all of the above-mentioned materials are particularly suitable for fillers that exhibit largely field strength-independent permittivity.
- a mixture of finely ground paraelectrics such as titanium dioxide with admixtures of magnesium (Mg), zinc (Zn), zirconium (Zr), niobium (Nb), tantalum (Ta), cobalt (Co) and/or Suitable for strontium (Sr).
- customary additives such as hardeners, accelerators and/or additives may be present in the amounts conventionally recognized as advantageous. Both duroplastics and thermoplastics can be applied in the form of a powder coating.
- a hardener is present when additive polymerisation takes place.
- An accelerator, initiator and/or catalyst is used in all instances where resin is cured.
- the matrix material is usually applied before, during, but preferably after the manufacture of the housing.
- the refractive-control layer which is produced by coating with the matrix material, by spraying, doctoring, dipping, brushing and / or other methods, the production of a thin homogeneous - in particular as homogeneous as possible and as non-porous as possible - allow coating applied.
- the application method is preferably carried out automatically.
- the refractive-controlling coating is preferably a filled coating of one or more matrix materials, which can be organic, for example in the form of a polymer, or inorganic, for example as glass, in which the filler is introduced.
- the amount of filler in the refractive control coating can vary within wide limits.
- a filler concentration of 1% by volume - i.e. the almost unfilled matrix material with a relatively low refraction, which is almost exclusively caused by the dielectric barrier that forms the matrix material - can be present in the coating up to a filling of 70% by volume.
- the preferred range for the amount of filler is between 20 and 60% by volume, in particular from 30% by volume to 40% by volume, of filling in the matrix material.
- the filler particles of the refractive control coating do not have a preferred shape, they can be embedded in the matrix in any shape and size.
- the filler particles are irregular after appropriate grinding.
- Filled paints whose particles are as close as possible to a spherical shape, are better suited for processing than other shapes, because the specific surface area is the lowest and the lowest possible processing viscosity is achieved with the same degree of filling.
- the size of the fillers may vary. Different filler fractions can be present in the filler.
- the housing can be provided with differently filled coatings in different areas.
- the field lines are broken more than with others.
- the level of the permittivity and the thickness of the applied refractive-controlling coating determine how much the electric field is equalized.
- thicknesses of the refractive-controlling coating of 10 ⁇ m to 5 mm, preferably in the range between 100 ⁇ m and 3 mm, particularly preferably in the range between 500 ⁇ m and 2 mm, have proven to be expedient.
- the permittivity of the coating is used according to one embodiment of the invention—filled or unfilled—so that the electric field on the surface of the housing of the switching chamber is pushed away by the increased permittivity compared to the uncoated surface, thus reducing local field overshoots. This is explained again in FIG. 2 and shown schematically.
- an insulating gas such as nitrogen, air, or sulfur hexafluoride would typically be present at the surface of the housing. All these gases have a comparatively small permittivity.
- the triple point for example, is the area of the housing in which a metal electrode, a solid insulator and a gaseous insulator - in this case the surrounding gas - come together.
- the refractive-controlling coating is applied at least partially to at least one of the contacting sides of the housing. This is particularly so because the refractive-controlling coating is also a dielectric barrier that, applied to the metal electrodes, ensures that electrons have a much harder time escaping from the metal. Or, in other words, the electrical flashover between the electrodes is shifted to higher voltages by the dielectric barrier. Due to the refractive field shift then again in addition to even higher voltages.
- the refractive-controlling coating is preferably provided on both metallic caps of the housing, which axially close off the—preferably cylindrical—insulator body to form the switching chamber, in whole or in part in addition to being applied to the insulator body.
- the refractive control coating thus covers the housing in whole or in part or in selected areas.
- the refractive-controlling coating is applied, for example, directly to the housing surface or, for example, to a lower layer, such as a resistive layer after the EP 3146551 B1 .
- a lower layer, on which the refractive-controlling coating is applied can be both a further refractive-controlling layer and another, in particular a resistive layer after the EP 3146551 B1 , but preferred also, deviating from this, a resistive-capacitive layer.
- the lower layer is preferably a thinner layer than the upper one, so that the layer thicknesses increase from the inside to the outside on the outer surface of the housing.
- the matrix materials of the respective coatings are compatible with one another. It is preferred, for example, that the matrix materials are at least mutually inert, but advantageously they can be mixed with one another and/or in one another as desired. It is very preferred that the matrix materials of different layers - ie, for example, the matrix material of a refractive control coating according to an embodiment of the present invention and the matrix material of a resistive coating according to the EP 3146551 B1 - have the same or similar chemical composition.
- the coatings can also be provided combined in the form of layer stacks, with a resistive coating according to the EP 3146551 B1 is preferably provided on the insulating areas of the housing of the switching device, such as on a ceramic cylinder, whereas the refractively controlling coating is provided in particular on the caps of the housing, ie the contacting areas.
- both coatings can extend over one another as desired and in particular also over all areas of the housing on the outside.
- the refractive-controlling coating is not applied over the entire surface of the housing may be mentioned here as being particularly suitable. but only partially covers the housing. In this case, it is particularly preferred if the refractive-controlling coating is applied to the caps, in particular to the metal caps and/or to the edges that form the caps with the insulator body.
- the refractive-controlling coating also extends—forming an edge—beyond the edge, for example also onto the surface of the insulator body.
- the insulator body itself is still coated, for example provided with a resistive coating, or not.
- the resistive layer if it is applied over the entire surface of the outer surface of the housing, according to the present invention it can, in contrast, also only partially cover the outside of the housing, in particular it can also be in the form of a resistive-capacitive layer with a non-galvanic - i.e. not via a contact - be applied electrically conductively connected area.
- the lower layer is thinner than the upper layer.
- the refractive-controlling layer lies on the resistive layer.
- FIG. 1 shows an embodiment of a switching device 1 according to the invention, here a vacuum interrupter, in the form of a basic sketch.
- a housing 3 composed here of two tubular ceramic parts, i.e. insulator bodies 2, is closed by metal caps 4, which form areas with electrical contacts, and defines a switching chamber 5, into which two conductor elements 6, designed for example as bolts, with contacts 7 are guided.
- the lower one of the conductor elements 6 is designed to be movable according to the arrow 8 and the indicated movement device 9 and can be displaced in the direction of extension 10 of the conductor elements 6, which also forms the axis of symmetry of the switching device 1, in order to bring the contacts 7 into contact or space them apart, whereby presently an open, so spaced state of the switching device 1 is shown. Due to the mobility of the lower conductor element 6, this is coupled to the metal cap 4 via a metal bellows 11; the metal caps 4 are conductively connected to the conductor elements 6 on both sides.
- the invention also relates to gas switches where the gas is inside the switches.
- the gas circuit breakers also included here mean those in which gas serves as the switching medium on the one hand and - after successful disconnection - as the insulating medium on the other.
- SF6 is used nowadays. Since SF6 is to be replaced as a strong greenhouse gas, switches with CO2, fluoronitrile or other alternative gases are also conceivable in the future.
- a metal shielding element 12 (vapour shield) is provided in the contacting area in switching chamber 5.
- this shielding element 12 also causes a distortion of the electric field, so that in an area behind the shielding elements there would be a lower electric field during operation than in the "unshielded" areas, where charges can accumulate, for example, and thus can provide further field distortions that could call into question the functionality of the switching device 1.
- a refractive-controlling coating 13 according to a Embodiment of the invention is located.
- the refractive-controlling and - here over the entire surface - applied coating 13 of the embodiment shown here comprises a polymer matrix which is filled with a high-permittivity filler made of a ceramic material ⁇ r in the range of greater than/equal to 2 to 200, preferably from 10 to 100 , is filled.
- the matrix contains 30% by volume of the filler. It is a mixture of titanium dioxide and aluminum oxide particles.
- the refractive-controlling coating 13 is relatively inexpensive in terms of material price and can be sprayed on relatively easily—also automatically. Their presence can be detected relatively easily using a scanning electron microscope and elemental analysis.
- the figure 2 shows schematically the effect of a refractive control coating on a housing outer surface like that in figure 1 housing 3 shown.
- figure 2 shows schematically the course of the field and equipotential lines 15, 14 at each triple point, right half with a refractive-controlling coating 13 and left for comparison without such a coating, according to the prior art.
- the field lines 15 on the left run unbroken from the metal cap 4 into the surrounding gas, eg air. This can result in lightning discharges 16 .
- the field lines 15 are broken at the transition from the coating with high permittivity into the surrounding air with low permittivity - see area 17 - thereby both the equipotential lines 14 and the field lines 15 far apart, so that no arcs occur.
- the length of the housing 3 of a switching device 1 can be reduced by the refractive-controlling coating 13, as proposed for this application for the first time, and thus the overall length of the electrical switching device 1.
- a housing 3 could be manufactured for a specific voltage level. Exactly this housing 3 could then be coated with the refractively controlling coating 13 according to an embodiment of the present invention, and thus be usable for the next higher voltage level. In terms of process technology, this results in a design that can be used for two voltage levels, with the same two housings 3 being usable for two switching devices 1 of different voltage levels!
- the present invention is not limited to vacuum tubes, but relates to other switches, for example gas-insulated switches—for example those with SF6 and/or clean air—as the switching gas.
- gas-insulated switches for example those with SF6 and/or clean air
- this is usually only used as an insulating medium and is not located in the interrupter unit, where the arc occurs and the switching operation takes place.
Landscapes
- Organic Insulating Materials (AREA)
- Insulators (AREA)
- Gas-Insulated Switchgears (AREA)
- Insulating Bodies (AREA)
- Inorganic Insulating Materials (AREA)
Abstract
Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltvorrichtung, insbesondere für Mittel- und/oder Hochspannungsanwendungen, aufweisend wenigstens zwei über eine Bewegungseinrichtung beabstandbare, kontaktierbare Leiterelemente und ein eine Schaltkammer definierendes Gehäuse aus einem Isolator und zwei das Gehäuse axial abschließenden metallenen Kappen. Durch die Erfindung wird erstmals vorgeschlagen, eine Beschichtung mit hoher oder relativ zur Umgebungsluft hoher Permittivität aus einem Kunststoff, insbesondere einem gefüllten Kunststoff, auf die Gehäuseoberfläche einer Vakuumschaltröhre ganz oder teilweise aufzubringen, damit an kritischen, insbesondere an Triplepunkten, die Feldlinien gebrochen und Lichtbögen soweit wie möglich verhindert werden.The invention relates to an electrical switching device, in particular for medium and/or high voltage applications, having at least two contactable conductor elements that can be spaced apart by a movement device and a housing that defines a switching chamber and is made of an insulator and two metal caps that seal the housing axially. The invention proposes for the first time to apply a coating with a high permittivity or one that is high relative to the ambient air, made of a plastic, in particular a filled plastic, in whole or in part, on the housing surface of a vacuum interrupter, so that the field lines are broken at critical points, in particular at triple points, and arcs so far be prevented as possible.
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltvorrichtung, insbesondere für Mittel- und/oder Hochspannungsanwendungen, aufweisend wenigstens zwei über eine Bewegungseinrichtung beabstandbare, kontaktierbare Leiterelemente und ein eine Schaltkammer definierendes Gehäuse aus einem oder mehreren Isolator/en, wobei Teile der Schaltkammer aus Metall ausgeführt sein können, üblicherweise in der Nähe des Kontaktspaltes und zwei das Gehäuse axial abschließenden, bevorzugt metallenen, Kappen.The invention relates to an electrical switching device, in particular for medium and/or high voltage applications, having at least two contactable conductor elements which can be spaced apart via a movement device and a housing which is made of one or more insulators and defines a switching chamber, parts of the switching chamber being able to be made of metal. usually in the vicinity of the contact gap and two, preferably metal, caps that close off the housing axially.
Bei Mittel- und/oder Hochspannungsanwendungen, allgemein gesagt also bei Spannungen, die größer als 1 kV sind, werden aufgrund der hohen Spannungen komplexere Schaltvorrichtungen benötigt, die den auftretenden elektrischen Feldern standhalten können, möglichst resistent gegen Degradierungseffekte sind und auch Überschläge außerhalb der eigentlichen Schaltkammer vermeiden sollen.In the case of medium and/or high voltage applications, generally speaking at voltages greater than 1 kV, the high voltages require more complex switching devices that can withstand the electrical fields that occur, are as resistant as possible to degradation effects and also flashovers outside of the actual switching chamber should avoid.
Ein klassisches Beispiel hierfür sind die Vakuum-Leistungsschalter (vacuum circuit breakers - VCB), die Kernkomponenten bei der Energieübertragung und Verteilung sind, insbesondere in deren Schaltsystemen. Sie decken einen großen Teil der Mittelspannungs-Schaltanwendungen ab, also der Schaltanwendungen beispielsweise im Bereich von 1 kV bis 52 kV, sowie einen relevanten Teil in Niedrigspannungssystemen. Auch ihre Nutzung in Hochspannungs-Transmissionssystemen, beispielsweise bei Spannungen größer als 52 kV, nimmt zu. Während ein VCB die meiste Zeit geschlossen ist, mithin eine Kontaktierung der Leiterelemente vorsieht, ist seine hauptsächliche Aufgabe die Unterbrechung von Strömen in Wechselstrom-Systemen bei Nennbedingungen, insbesondere also zum An- und Ausschalten von Nennströmen, oder aber bevorzugt zum Unterbrechen von Strömen bei Fehlerbedingungen, insbesondere um Kurzschlüsse zu unterbrechen und das Systemen zu schützen. Andere Anwendungen umfassen das reine Schalten von Lastströmen unter Verwendung von kontaktierenden Leiterelementen, das meist in Niedrig- und Mittelspannungssystemen verwendet wird.A classic example of this are the vacuum circuit breakers (VCBs), which are core components in power transmission and distribution, particularly in their switching systems. They cover a large part of medium-voltage switching applications, i.e. switching applications in the range from 1 kV to 52 kV, for example, as well as a relevant part in low-voltage systems. Their use in high-voltage transmission systems, for example at voltages greater than 52 kV, is also increasing. While a VCB is closed most of the time, meaning that the conductor elements are contacted, its main task is to interrupt currents in AC systems under nominal conditions, i.e. in particular to switch nominal currents on and off, or preferably to interrupt currents under fault conditions , especially short circuits to interrupt and protect the system. Other applications include pure switching of load currents using contacting conductor elements, mostly used in low and medium voltage systems.
Der Vakuum-Interruptor (VI, auch Vakuumschaltröhre) ist das Kernelement eines VCB. Eine Vakuumschaltröhre weist meist ein Paar von Kontakten auf, die durch entsprechende Leiterelemente gebildet werden, von denen wenigstens eines mittels einer Bewegungseinrichtung bewegt werden kann, um die geöffneten und geschlossenen Zustände der Schaltvorrichtung herbeiführen zu können. Üblicherweise wird dabei ein Leiterelement axial bezüglich des anderen fixierten Leiterelements bewegt. Die Kontakte können aus stromleitenden, insbesondere aus Metall bestehenden Bolzen gefertigt sein, welche sowohl Strom- als auch Wärmeleitung zur Verfügung stellen sowie die mechanischen Mittel, um die Kontakte zu halten und/oder zu bewegen.The vacuum interrupter (VI, also vacuum interrupter) is the core element of a VCB. A vacuum interrupter usually has a pair of contacts which are formed by corresponding conductor elements, at least one of which can be moved by means of a movement device in order to be able to bring about the open and closed states of the switching device. Usually, one conductor element is moved axially with respect to the other fixed conductor element. The contacts may be fabricated from conductive bolts, particularly metal, which provide both electrical and thermal conduction and the mechanical means to hold and/or move the contacts.
Ein VI umfasst ferner ein vakuumdichtes Gehäuse und die erwähnte Bewegungseinrichtung und kann zudem einen Metall-Balg umfassen, welcher auf einer Seite mit dem Gehäuse, auf der anderen Seite mit dem bewegten Leiterelement, insbesondere dem bewegten Bolzen, verbunden ist. Das Gehäuse wird im Wesentlichen durch ein isolierendes Bauteil, also einen Isolator, gebildet, beispielsweise ein keramisches Rohr, welches über Verbindungselemente mit den Leiterelementen verbunden ist, wobei beispielsweise Metallkappen oder dergleichen genutzt werden, die zur Bildung der Schaltkammer das isolierende Bauteil in axialer Richtung abschließen. Innerhalb der Schaltkammer herrscht ein permanentes Hochvakuum kleiner als, 10^-4 hPa oder 10^-4 mbar. Das Vakuum ist notwendig, um die "make-break-Operationen" zuzusichern und die Isolationseigenschaften der Schaltvorrichtung im offenen Zustand zu gewährleisten.A VI also comprises a vacuum-tight housing and the aforementioned movement device and can also comprise a metal bellows which is connected to the housing on one side and to the moving conductor element, in particular the moving bolt, on the other side. The housing is essentially formed by an insulating component, i.e. an insulator, for example a ceramic tube, which is connected to the conductor elements via connecting elements, metal caps or the like being used, for example, which close the insulating component in the axial direction to form the switching chamber . Inside the switching chamber there is a permanent high vacuum of less than 10^-4 hPa or 10^-4 mbar. The vacuum is necessary to ensure the "make-break" operations and to ensure the isolation properties of the switching device in the open state.
Wenn die Schaltvorrichtung in einem offenen Zustand ist, muss zum einen die Nennspannung des Systems isoliert werden, zum anderen aber auch Stoßspannungen hoher Amplituden, die beispielsweise durch einen Blitzeinschlag in das System ausgelöst werden können. Wenn die Schaltvorrichtung vom geschlossenen in den offenen Zustand übergeht, mithin die Kontakte der Leiterelemente beabstandet werden, müssen Nennströme oder Kurzschlussströme unterbrochen werden, die zum Auftauchen vorübergehender Spannungsspitzen über den VI führen, die deutlich höher als die Nenn-Wechselspannungen des Systems sind.When the switching device is in an open state, it is necessary to isolate the rated voltage of the system as well as high amplitude transient voltages such as be triggered by lightning striking the system. When the switching device changes from the closed to the open state, thus spacing the contacts of the conductor elements, rated currents or short-circuit currents must be interrupted, which lead to the appearance of transient voltage spikes across the VI that are significantly higher than the AC voltage ratings of the system.
Hohe Spannungen in Vakuumsystemen erzeugen üblicherweise freie Elektronen durch Feldemissionsprozesse, wenn die elektrische Feldstärke hinreichend hoch ist. Die Beschleunigung der Elektronen in den hohen elektrischen Feldern erhöht die kinetische Energie dieser Elektronen, beispielsweise bis hin zu Energien, die einige zehn oder sogar hunderte von KeV überschreiten. Die Interaktion dieser hochenergetischen Elektronen mit den Gehäusestrukturen führt zur Produktion hochenergetischer Röntgenstrahlung, die die Vakuumschaltröhre verlassen kann. Während unter üblichen Bedingungen der Fehlerstrom innerhalb der Vakuumschaltröhre minimal ist und keine nennenswerten Röntgenstrahlungsanteile erzeugt, können Umstände auftreten, beispielsweise wenn vorübergehende Spannungsspitzen hoher Amplitude auftreten, in denen die entstehende Röntgenstrahlung freie Elektronen an und/oder nahe der äußeren Oberfläche des Isolators erzeugt. Diese Elektronen können durch die elektrischen Felder auf der Isolatoroberfläche und in ihrer Nähe beschleunigt werden, die elektrische Feldverteilung in empfindlichen Bereichen stören und zu Gasdurchschlag führen, was zu einem Fehler im Betrieb der Vakuumschaltröhre führt.High voltages in vacuum systems usually generate free electrons through field emission processes when the electric field strength is sufficiently high. The acceleration of the electrons in the high electric fields increases the kinetic energy of these electrons, for example up to energies exceeding tens or even hundreds of KeV. The interaction of these high-energy electrons with the housing structures leads to the production of high-energy X-rays that can exit the vacuum interrupter. While under normal conditions the fault current within the vacuum interrupter is minimal and does not produce any appreciable X-ray radiation, circumstances can arise, for example when transient voltage spikes of high amplitude occur, in which the resulting X-ray radiation produces free electrons on and/or near the outer surface of the insulator. These electrons can be accelerated by the electric fields on and near the insulator surface, disturbing the electric field distribution in sensitive areas and leading to gas breakdown, resulting in failure of the vacuum interrupter operation.
Auch in Fällen, in denen keine feststellbare Röntgenstrahlung existiert, beispielsweise in Niedrig- und Mittelspannungsanwendungen, können die hohen elektrischen Felder in kritischen Bereichen der Vakuumschaltröhre, beispielsweise an der Verbindung des Isolators und der Metallkappen durch Löten (Hartlöten), zum Ausstoß von Elektronen führen, was zu einer nennenswerten Menge an Feldemission führt. Auch diese Elektronen können lokal das elektrische Feld stören und zu weiterer Feldverstärkung und/oder zur Ladungsvervielfachung durch Elektronenlawinen führen, welche wiederum den Verlust der Isolationsstärke und/oder des Spannungswiderstands der Vakuumschaltröhre zur Folge haben können.Even in cases where there is no detectable X-ray emission, for example in low and medium voltage applications, the high electric fields in critical areas of the vacuum interrupter, for example at the connection of the insulator and the metal caps by soldering (brazing), can lead to the ejection of electrons, resulting in an appreciable amount of field emission. These electrons can also locally disturb the electric field and lead to further Field amplification and/or charge multiplication due to electron avalanches, which in turn can result in the loss of insulation strength and/or the voltage resistance of the vacuum interrupter.
Auf den inneren Oberflächen der Vakuumschaltröhre existieren ähnliche Herausforderungen, während ein zusätzliches Problem gelöst werden muss. Durch die Unterbrechung des Stroms (Nennstrom wie auch Kurzschlussstrom) werden Teile des Kontaktmaterials verdampft und innerhalb der Schaltkammer als heißer Metalldampf verteilt. Dieser Metalldampf kann sich auf der Isolatoroberfläche absetzen und baut mit der Zeit eine leitfähige Metallschicht auf. Diese Metallschicht, auch wenn sie nur schwach leitfähig ist, kann ebenso das elektrische Feld außerhalb und innerhalb der Vakuumschaltröhre stören und mithin über die Zeit die Spannungswiderstandsfähigkeit der Vakuumschaltröhre verschlechtern. Zwar wurde in diesem Kontext vorgeschlagen, im Kontaktierungsbereich der Leiterelemente ein Schirmelement, welches ebenso aus Metall bestehen kann, zum Abfangen freier Metallpartikel der Leiterelemente vorzusehen, welches jedoch auch einen Einfluss auf die Feldverteilung innerhalb der Schaltkammer, aber auch am Isolator hat.Similar challenges exist on the inner surfaces of the vacuum interrupter, while an additional problem must be solved. Due to the interruption of the current (rated current as well as short-circuit current), parts of the contact material are vaporized and distributed as hot metal vapor within the switching chamber. This metal vapor can settle on the insulator surface and over time builds up a conductive metal layer. This metal layer, even if it is only slightly conductive, can also disturb the electric field outside and inside the vacuum interrupter and thus degrade the voltage withstand capability of the vacuum interrupter over time. In this context, it was proposed that a shielding element, which can also be made of metal, be provided in the contact area of the conductor elements to intercept free metal particles of the conductor elements, but this also has an influence on the field distribution within the switching chamber, but also on the insulator.
Aus den genannten Gründen muss das Gehäuse der Schaltkammer, insbesondere auch der meist aus Keramik realisierte Isolator in der Lage sein, hohen Spannungen über der jeweiligen Oberfläche Stand zu halten, auch wenn Röntgenstrahlung und freie Elektronen vorliegen oder, in einigen Fällen, sogar dann, wenn der Isolator durch Staubpartikel verschmutzt ist, die elektrostatisch an der äußeren Oberfläche des Isolators angelagert werden. Nachdem der Isolator nennenswert zu den Kosten einer Vakuumschaltröhre (oder sonstigen Schaltvorrichtungen) beiträgt und auch die Kosten anderer struktureller Elemente der Vakuumschaltröhre (oder sonstigen Schaltvorrichtungen) negativ beeinflusst, ist es notwendig, das Gehäuse im Hinblick auf maximale dielektrische Stärke bei minimaler Bauteilgröße zu optimieren.For the above reasons, the housing of the interrupter, and in particular the insulator, which is usually made of ceramic, must be able to withstand high voltages across the relevant surface, even in the presence of X-rays and free electrons, or, in some cases, even when the insulator is contaminated by dust particles electrostatically attached to the outer surface of the insulator. Since the insulator contributes significantly to the cost of a vacuum interrupter (or other switching device) and also negatively affects the cost of other structural elements of the vacuum interrupter (or other switching device), it is necessary to optimize the housing for maximum dielectric strength with minimum component size.
Diese Problemstellung wurde bislang dadurch gelöst, dass die innere und die äußere Geometrie der Vakuumschaltröhre derart gewählt wurde, dass die erwarteten elektrischen Feldstärken nicht empirisch abgeleitete Grenzen für eine bestimmte Geometrie der Vakuumschaltröhre überschreiten. Nachdem diese Begrenzungen nicht präzise vorhergesagt werden können, insbesondere für Tripelpunkt-Bereiche und/oder scharfe Metallkanten, hängt die Auslegung von Vakuumschaltröhren nicht nur von Berechnungen zum elektrischen Feld während des Entwicklungsprozesses ab, sondern benötigt auch eine große Menge empirischer Optimierung. Dies bezieht sich auch auf den Aufbau von metallischen Schichten aus den inneren Oberflächen des Isolators, welche, wie bereits erwähnt, heute üblicherweise durch Verwendung von Schirmstrukturen (Schirmelemente) innerhalb der Schaltkammer vermieden werden sollen. Dennoch können heutzutage die Ablagerungen des Metalldampfes und ihr Einfluss auf die dielektrische Stärke des Vakuum-Interruptors VI nicht quantitativ in einer hinreichend genauen Art vorhergesagt werden.So far, this problem has been solved by selecting the inner and outer geometry of the vacuum interrupter in such a way that the expected electric field strengths do not exceed empirically derived limits for a specific geometry of the vacuum interrupter. Since these limitations cannot be precisely predicted, particularly for triple point regions and/or sharp metal edges, the design of vacuum interrupters not only depends on electric field calculations during the design process, but also requires a large amount of empirical optimization. This also relates to the build-up of metallic layers on the inner surfaces of the insulator, which, as already mentioned, are usually to be avoided today by using shielding structures (shielding elements) within the switching chamber. However, nowadays the deposits of the metal vapor and their influence on the dielectric strength of the vacuum interrupter VI cannot be quantitatively predicted in a sufficiently accurate way.
Ferner ist anzumerken, dass die genannten Designprozesse allesamt zu einer Reduzierung der Isolationseigenschaften der Außenstruktur der Vakuumschaltröhre deutlich unter die dielektrische Stärke von Luft oder anderen Gasen, die die Vakuumschaltröhre umgeben, führt, so dass Gehäuse- und/oder Isolatorgrößen - bezüglich der Länge und/oder dem Durchmesser - benötigt werden, die hinsichtlich der Kosten und des Bauraums nicht optimal sind. Die Hinzufügung von Schirmelementen bezüglich der Metalldämpfe führt zu Verzerrungen der im Betrieb auftretenden elektrischen Felder am Isolator, was zu starken Feldern an bestimmten Stellen und mithin zu einer Überbelastung des Isolators führen kann, die durch sich dort aufbauende Ladungen entstehen. Doch auch andere Ursachen führen, wie bereits dargestellt wurde, zu derartig lokalen hohen Feldern am Isolator des Gehäuses der Vakuumschaltröhre, wobei die hier dargelegten Probleme auch bei anderen Schaltvorrichtungen, wie z.B. Gasschalter neben der beispielhaft genannten Vakuumschaltröhre gelten.It should also be noted that the design processes mentioned all result in a reduction of the insulating properties of the vacuum interrupter's outer structure well below the dielectric strength of air or other gases surrounding the vacuum interrupter, so that housing and/or insulator sizes - in terms of length and/or or the diameter - are required, which are not optimal in terms of costs and space. The addition of shielding elements relative to the metal vapors introduces distortions into the operational electric fields at the insulator, which can result in strong fields at certain locations and consequent overloading of the insulator caused by charges building up there. However, other causes also lead to such high local fields on the insulator of the housing of the vacuum interrupter, as has already been explained, with the problems presented here also applying to other switching devices, such as gas switches, in addition to the vacuum interrupter mentioned by way of example.
In der Regel sind die bekannten VIs zwar oft weitgehend symmetrisch zu einer -gedachten - Mittelebene der Röhre aufgebaut, um die Zahl unterschiedlicher Bauteile und die Komplexität des Aufbaus zu minimieren. Die reale Umgebung der Röhre verzerrt jedoch das elektrische Feld im Allgemeinen stark, so dass Bereiche der Röhre stark elektrisch - im Sinne einer hohen mittleren elektrischen Feldstärke - sind.As a rule, the well-known VIs are often built symmetrically to an - imagined - center plane of the tube in order to minimize the number of different components and the complexity of the structure. However, the real environment of the tube generally strongly distorts the electric field, so that areas of the tube are strongly electric - in the sense of a high mean electric field strength.
Es besteht daher der Bedarf, die unterschiedlichen Anforderungen an die Spannungsfestigkeit, wie hohe Blitzstoßspannungen mit stark transienten Schaltflanken - beispielsweise 1,2µm Anstiegszeit und einer exponentiell abfallenden Rückflanke mit einer Zeitkonstanten von 50ps, Nennspannungen von 50Hz oder 60Hz Grundfrequenz mit harmonischen Anteilen bis in den kHz-Bereich, sowie so genannte Nenn-Stehwechselspannung 50/60Hz bei bis zum Doppelten der Nennspannungsamplitude, für bis zu einer Minute Belastungsdauer, durch die Konzeption der Schaltvorrichtung zu beherrschen.There is therefore a need to meet the different requirements for dielectric strength, such as high lightning impulse voltages with strong transient switching edges - for example 1.2µm rise time and an exponentially falling trailing edge with a time constant of 50ps, nominal voltages of 50Hz or 60Hz fundamental frequency with harmonic components up to the kHz range, as well as the so-called nominal withstand voltage of 50/60Hz at up to twice the nominal voltage amplitude, for a load duration of up to one minute, through the design of the switching device.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Schaltvorrichtung mit einem einen - bevorzugt zylinderförmigen - Isolator und axiale Abschluss-Kappen umfassenden Gehäuse anzugeben, die eine erhöhte Spannungsfestigkeit bei minimaler Baugröße sowie Herstellkosten der Schaltvorrichtung zeigt, insbesondere eine Schaltvorrichtung, die besonders in den stark elektrisch belasteten Bereichen - wie oben erklärt - des Gehäuses eine verbesserte Spannungsfestigkeit zeigt.It is therefore the object of the present invention to specify a switching device with a - preferably cylindrical - housing comprising an insulator and axial end caps, which has increased dielectric strength with a minimal overall size and manufacturing costs of the switching device, in particular a switching device that is used particularly in the heavily electrically loaded Areas - as explained above - the housing shows improved dielectric strength.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie er in der Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbart ist, gelöst.This object is solved by the subject matter of the present invention as disclosed in the description, the figures and the claims.
Dementsprechend ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine elektrische Schaltvorrichtung mit zumindest zwei über eine Bewegungseinrichtung beabstandbaren, kontaktierbaren Leiterelementen und einem, eine Schaltkammer definierenden, Gehäuse, das die Leiterelemente wenigstens teilweise umgibt, wobei das Gehäuse einen Isolatorkörper und Bereiche eines elektrischen Kontaktes hat und wobei das Gehäuse außen zumindest teilweise eine refraktiv-steuernde Beschichtung aufweist, die eine dielektrisch isolierende Matrix, gegebenenfalls Füllstoff enthaltend, mit einer Permittivität εr >/= 2 hat.Accordingly, the subject of the present invention is an electrical switching device with at least two contactable conductor elements that can be spaced apart via a movement device and a housing that defines a switching chamber and that at least partially surrounds the conductor elements. wherein the housing has an insulator body and areas of an electrical contact and wherein the housing has at least partially a refractive-control coating on the outside, which has a dielectrically insulating matrix, optionally containing filler, with a permittivity ε r >/=2.
Als "Permittivität" wird die Polarisationsfähigkeit eines Materials durch elektrische Felder bezeichnet. Die Permittivität ist eine Materialeigenschaft von elektrisch isolierenden polaren oder unpolaren Verbindungen, die sich nur zeigt, wenn diese Verbindungen einem elektrischen Feld ausgesetzt sind."Permittivity" refers to the ability of a material to polarize through electric fields. Permittivity is a material property of electrically insulating polar or non-polar compounds that only becomes apparent when these compounds are exposed to an electric field.
Das Matrixmaterial kann aus der Gruppe umfassend Elastomere, Duroplaste, Thermoplaste und/oder Glas gewählt werden. Entsprechend können die verschiedenen Beschichtungsverfahren zur Herstellung der Beschichtung gewählt werden.The matrix material can be selected from the group consisting of elastomers, duroplastics, thermoplastics and/or glass. The various coating methods for producing the coating can be selected accordingly.
Das Matrixmaterial wird bevorzugt als Lack, insbesondere in Form eines Nasslacks oder Pulverlacks, aufgetragen. Andere Aufbringungsmethoden, wie Sprühen, Tauchbad, Verguss etc. sind denkbar, sie allerdings stehen beim momentanen Stand der Erforschung der Technik nicht im Vordergrund.The matrix material is preferably applied as a paint, in particular in the form of a wet paint or powder paint. Other application methods, such as spraying, immersion, potting, etc. are conceivable, but they are not in the foreground given the current state of research into the technology.
Großer Vorteil der Aufbringung als Pulverlack und/oder Nasslack ist die Porenfreiheit der hergestellten refraktiv-steuernden Beschichtung. Eine derartige Porenfreiheit wird zwar durch Verguss auch erhalten, allerding leidet dabei in der Regel die Homogenität der Beschichtung, insbesondere an den Kanten.A major advantage of application as a powder paint and/or wet paint is that the refractive-controlling coating produced is free of pores. Although this type of freedom from pores is also obtained by encapsulation, the homogeneity of the coating generally suffers, particularly at the edges.
Bei der Aufbringung als Nasslack umfasst dieser in der Regel Lösungsmittel, die nach der Trocknung des Lackes nicht oder in nur geringen Mengen noch im Matrixmaterial vorhanden sind.When applied as a wet paint, this usually includes solvents that are not present in the matrix material or are only present in small amounts after the paint has dried.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Matrix aus einem polymeren Matrixmaterial, beispielsweise einem polymeren Harz, das in Form eines polymeren Binders vorliegt.According to an advantageous embodiment, the matrix consists of a polymeric matrix material, for example a polymeric resin, which is present in the form of a polymeric binder.
Als "polymere Matrix" wird ein Polymer oder ein polymeres Bindemittel bezeichnet. Die polymere Matrix umfasst insbesondere ein Harz oder ein Harzgemisch, wie Epoxidharz, Silikonelastomer, Siloxanharz, Silikonharz, Polyvinylalkohol, Polyesterimid und ähnliche duroplastische, thermoplastische Kunststoffe, sowie beliebige Kombinationen, Copolymere, Blends und Mischungen der oben genannten Harze und/oder Kunststoffe. Die polymere Matrix kann als Beschichtung einer Permittivität von εr >/= 2 gefüllt oder ungefüllt vorliegen.A polymer or a polymeric binder is referred to as a "polymeric matrix". The polymeric matrix includes in particular a resin or a resin mixture, such as epoxy resin, silicone elastomer, siloxane resin, silicone resin, polyvinyl alcohol, polyester imide and similar duroplastic, thermoplastic plastics, as well as any combinations, copolymers, blends and mixtures of the above resins and/or plastics. The polymeric matrix can be filled or unfilled as a coating with a permittivity of ε r >/=2.
Vorzugsweise befinden sich in der Matrix Füllstoffe mit gegenüber Luft hoher Permittivität, insbesondere refraktivdielektrisch isolierende Füllstoffe, wie keramische Füllstoffe, die polar und/oder im elektrischen Feld leicht polarisierbar sind.The matrix preferably contains fillers with a high permittivity compared to air, in particular refractive-dielectrically insulating fillers, such as ceramic fillers, which are polar and/or easily polarizable in an electric field.
Vorzugsweise werden die Materialien für den oder die Füllstoff(e) ausgewählt aus den Keramikmaterialien Klasse 1, die hohen Anforderungen an die Stabilität genügen und deren Permittivitäten eine geringe Temperatur- und Feldstärkeabhängigkeit aufweisen. Dazu gehören beispielsweise Verbindungen wie ausgewählte Titanate, die reproduzierbar geringe Temperaturkoeffizienten und geringe dielektrische Verluste zeigen. Ihre Permittivität ist weitgehend Feldstärke-unabhängig, was für die hier in Rede stehende Anwendung Vorteile aufweist.The materials for the filler(s) are preferably selected from
Die hier insbesondere in Betracht kommenden Keramikmaterialien für den oder die Füllstoff(e) haben relative Permittivitäten εr im Bereich von
ε r >/= 2 bis εr </= 200, vorzugsweise von
ε r >/= 10 bis εr </= 100.The ceramic materials particularly suitable here for the filler(s) have relative permittivities ε r in the range from
ε r >/= 2 to ε r </= 200, preferably from
ε r >/= 10 to ε r </= 100.
Bevorzugt werden Füllstoffe aus einem Material, das aus dem Bereich der Kondensatorkeramik handelsüblich und daher vergleichsweise billig und in ausreichenden Mengen erhältlich ist. Insbesondere kommen dabei die Materialien in Betracht, die einen nahezu linearen Temperaturverlauf der Kondensator-Kapazität zeigen. Beispielsweise liegen diese in Form einer oder mehrere Keramik(en), insbesondere Keramik(en) mit Metallnitrid, Metallcarbid, Metallborid und/oder Metalloxide wie Titandioxid, Aluminiumoxid, ausgewählte Verbindungen von Titanat umfassender Keramik, sind ebenfalls wegen ihrer feldstärkeunabhängigen Permittivität geeignet. Insbesondere geeignet sind - neben Mischoxiden - wie dem Titanat und/oder Mischungen aus verschiedenen Metalloxiden, auch Oxide von Metalllegierungen in beliebiger Kombination mit allen vorgenannten Materialien für weitgehend feldstärkeunabhängige Permittivität zeigende Füllstoffe.Fillers made of a material which is commercially available from the field of capacitor ceramics and is therefore comparatively inexpensive and available in sufficient quantities are preferred. In particular, the materials come into consideration that have an almost linear temperature profile of the capacitor capacitance demonstrate. For example, these are in the form of one or more ceramic(s), in particular ceramic(s) with metal nitride, metal carbide, metal boride and/or metal oxides such as titanium dioxide, aluminum oxide, ceramics comprising selected compounds of titanate are also suitable because of their field strength-independent permittivity. In addition to mixed oxides, such as titanate and/or mixtures of different metal oxides, oxides of metal alloys in any combination with all of the above-mentioned materials are particularly suitable for fillers that exhibit largely field strength-independent permittivity.
Beispielsweise ist als Material für einen derartigen Füllstoff ein Gemisch aus feingemahlenen Paraelektrika wie Titandioxid mit Beimengungen von Magnesium (Mg), Zink (Zn), Zirkon (Zr), Niob (Nb), Tantal (Ta), Cobalt (Co) und/oder Strontium (Sr) geeignet. Folgende Verbindungen seien hier beispielhaft genannt: MgNb2O6, ZnNb2O6, MgTa2C>6, ZnTa2O6, wie beispielsweise (ZnMg)TiO3, (ZrSn)TiO4 und/oder Ba2Ti9O20, sowie beliebige Kombinationen und Gemische der genannten Verbindungen.For example, a mixture of finely ground paraelectrics such as titanium dioxide with admixtures of magnesium (Mg), zinc (Zn), zirconium (Zr), niobium (Nb), tantalum (Ta), cobalt (Co) and/or Suitable for strontium (Sr). The following compounds are mentioned here as examples: MgNb 2 O 6 , ZnNb 2 O 6 , MgTa 2 C> 6 , ZnTa 2 O 6 , such as (ZnMg)TiO 3 , (ZrSn)TiO 4 and/or Ba 2 Ti 9 O 20 , and any combinations and mixtures of the compounds mentioned.
Bei der Aufbringung in Form von Pulverlack sind übliche Additive, wie Härter, Beschleuniger und/oder Zusatzstoffe möglicher weise in den herkömmlich als vorteilhaft erkannten Mengen enthalten. Sowohl Duroplaste als auch Thermoplaste können in Form eines Pulverlacks aufgebracht werden.When applied in the form of a powder coating, customary additives such as hardeners, accelerators and/or additives may be present in the amounts conventionally recognized as advantageous. Both duroplastics and thermoplastics can be applied in the form of a powder coating.
Dabei liegt ein Härter vor, wenn eine additive Polymerisation stattfindet. Ein Beschleuniger, Initiator und/oder Katalysator wird in allen Fällen, in denen Harz gehärtet wird, eingesetzt.A hardener is present when additive polymerisation takes place. An accelerator, initiator and/or catalyst is used in all instances where resin is cured.
Das Matrixmaterial wird in der Regel vor, während, aber bevorzugt nach der Herstellung des Gehäuses aufgebracht. Beispielsweise wird die refraktiv-steuernde Schicht, die durch Beschichten mit dem Matrixmaterial erzeugt wird, durch Besprühen, Aufrakeln, Eintauchen, Bepinseln und/oder sonstige Methoden, die die Herstellung einer dünnen homogenen - insbesondere möglichst homogen und möglichst porenfreien - Beschichtung erlauben, aufgebracht.The matrix material is usually applied before, during, but preferably after the manufacture of the housing. For example, the refractive-control layer, which is produced by coating with the matrix material, by spraying, doctoring, dipping, brushing and / or other methods, the production of a thin homogeneous - in particular as homogeneous as possible and as non-porous as possible - allow coating applied.
Die Aufbringungsmethode wird dabei bevorzugt automatisiert durchgeführt.The application method is preferably carried out automatically.
Die refraktiv-steuernde Beschichtung ist bevorzugt eine gefüllte Beschichtung aus einem oder mehreren Matrixmaterialien, die organisch, beispielsweise in Form eines Polymers, oder anorganisch, beispielsweise als Glas, ausgebildet sein können, in dem der Füllstoff eingebracht ist.The refractive-controlling coating is preferably a filled coating of one or more matrix materials, which can be organic, for example in the form of a polymer, or inorganic, for example as glass, in which the filler is introduced.
Die Füllstoffmenge in der refraktiv-steuernden Beschichtung kann in weiten Grenzen variieren. So kann eine Füllstoffkonzentration 1 Vol% - also dem fast ungefüllten Matrixmaterial mit einer relativ geringen Refraktion, die fast nur durch dielektrische Barriere, die das Matrixmaterial bildet, bewirkt wird, bis hin zu einer Füllung von 70 Vol.-% in der Beschichtung vorliegen. Der bevorzugte Bereich an Füllstoffmenge liegt dabei zwischen 20 bis 60 Vol.-%, insbesondere von 30 Vol% bis 40 Vol% Füllung im Matrixmaterial.The amount of filler in the refractive control coating can vary within wide limits. A filler concentration of 1% by volume - i.e. the almost unfilled matrix material with a relatively low refraction, which is almost exclusively caused by the dielectric barrier that forms the matrix material - can be present in the coating up to a filling of 70% by volume. The preferred range for the amount of filler is between 20 and 60% by volume, in particular from 30% by volume to 40% by volume, of filling in the matrix material.
Die Füllstoffpartikel der refraktiv-steuernden Beschichtung haben keine bevorzugte Form, sie können in beliebigen Formen und Größen in der Matrix eingebettet vorliegen. Beispielsweise liegen die Füllstoff-Partikel nach entsprechender Mahlung irregulär vor.The filler particles of the refractive control coating do not have a preferred shape, they can be embedded in the matrix in any shape and size. For example, the filler particles are irregular after appropriate grinding.
Zur Verarbeitung eignen sich gefüllte Lacke, deren Partikel möglichst einer sphärischen Form angenähert sind, besser als andere Formen, weil dabei die spezifische Oberfläche am geringsten ist und somit bei gleichem Füllgrad eine kleinstmögliche Verarbeitungsviskosität erreicht wird.Filled paints, whose particles are as close as possible to a spherical shape, are better suited for processing than other shapes, because the specific surface area is the lowest and the lowest possible processing viscosity is achieved with the same degree of filling.
Die Größe der Füllstoffe kann variieren. Es können verschiedene Füllstofffraktionen im Füllstoff vorliegen. Das Gehäuse kann in verschiedenen Bereichen mit verschieden gefüllten Beschichtungen versehen sein.The size of the fillers may vary. Different filler fractions can be present in the filler. The housing can be provided with differently filled coatings in different areas.
Bei dickeren Beschichtungen und/oder bei bestimmten Materialkombinationen kommt es zu einer stärkeren Brechung der Feldlinien als bei anderen. Die Höhe der Permittivität und die Dicke der aufgebrachten refraktiv-steuernden Beschichtung bestimmen dabei, wie stark das elektrische Feld vergleichmässigt wird.With thicker coatings and/or with certain material combinations, the field lines are broken more than with others. The level of the permittivity and the thickness of the applied refractive-controlling coating determine how much the electric field is equalized.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung haben sich Dicken der refraktiv-steuernden Beschichtung von 10pm bis 5mm liegen, bevorzugt im Bereich zwischen 100pm und 3mm, insbesondere bevorzugt im Bereich zwischen 500µm und 2 mm als zweckmäßig erwiesen.Within the scope of the present invention, thicknesses of the refractive-controlling coating of 10 μm to 5 mm, preferably in the range between 100 μm and 3 mm, particularly preferably in the range between 500 μm and 2 mm, have proven to be expedient.
Vorliegend wird die Permittivität der Beschichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung - gefüllt oder ungefüllt - eingesetzt, damit durch die gegenüber der unbeschichteten Oberfläche erhöhte Permittivität das elektrische Feld an der Oberfläche des Gehäuses der Schaltkammer weggedrückt wird und so lokale Feldüberhöhungen reduziert werden. Dies wird in Figur 2 nochmal erläutert und schematisch dargestellt.In the present case, the permittivity of the coating is used according to one embodiment of the invention—filled or unfilled—so that the electric field on the surface of the housing of the switching chamber is pushed away by the increased permittivity compared to the uncoated surface, thus reducing local field overshoots. This is explained again in FIG. 2 and shown schematically.
Ohne die refraktiv-steuernde Schicht wäre an der Oberfläche des Gehäuses üblicherweise ein isolierendes Gas wie Stickstoff, Luft oder Schwefelhexafluorid. All diese Gase besitzen eine vergleichsweise kleine Permittivität. Luft beispielsweise hat die Permittivität εr = 1,00059. Eine Beschichtung aus einem Kunststoff wie einem Harz hat dagegen eine Permittivität von zumindest dem doppelten Wert εr = 2 - Beispiel Silikonharz - bis etwa εr = 9 - Beispiel Polyvinylalkohol. Das bezieht sich auf die gehärteten Harze.Without the refractive control layer, an insulating gas such as nitrogen, air, or sulfur hexafluoride would typically be present at the surface of the housing. All these gases have a comparatively small permittivity. Air, for example, has the permittivity ε r = 1.00059. A coating made of a plastic such as a resin, on the other hand, has a permittivity of at least twice the value ε r = 2 - example silicone resin - up to about ε r = 9 - example polyvinyl alcohol. This refers to the cured resins.
Durch die hier vorgeschlagene refraktiv-steuernde Beschichtung werden die austretenden Feldlinien gemäß der refraktiven Feldsteuerung gebrochen - Brechung = Refraktion -, weil durch Feldverdrängung aus dem Material mit höherer Dielektrizitätszahl in das Material mit niedrigerer Dielektrizitätszahl das Eindringen des Feldes in das Höherpermittive erschwert wird, da das elektrische Feld von der Kante oder dem Tripelpunkt weggedrängt wird.The refractive-control coating proposed here breaks the exiting field lines according to the refractive field control - refraction = refraction - because the field displacement from the material with a higher dielectric constant to the material with a lower dielectric constant makes it more difficult for the field to penetrate into the higher permittivity, since the electric field is pushed away from the edge or triple point.
Als Triplepunkt wird z.B. der Bereich des Gehäuses in dem eine Metallelektrode, ein fester Isolator und ein gasförmiger Isolator - also hier das umgebende Gas - zusammenkommen, bezeichnet.The triple point, for example, is the area of the housing in which a metal electrode, a solid insulator and a gaseous insulator - in this case the surrounding gas - come together.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist die refraktiv-steuernde Beschichtung zumindest auf einer der kontaktierenden Seiten des Gehäuses zumindest teilweise aufgebracht. Dies insbesondere deshalb, weil die refraktiv-steuernde Beschichtung gleichzeitig noch eine dielektrische Barriere ist, die, auf den Metallelektroden aufgebracht, dafür sorgt, dass es Elektronen deutlich schwerer haben, aus dem Metall heraus zu kommen. Oder, mit anderen Worten, der elektrische Überschlag zwischen den Elektroden wird durch die dielektrische Barriere hin zu höheren Spannungen verschoben. Durch die refraktive Feldverschiebung dann eben noch mal zusätzlich zu noch höheren Spannungen hin.According to an advantageous embodiment, the refractive-controlling coating is applied at least partially to at least one of the contacting sides of the housing. This is particularly so because the refractive-controlling coating is also a dielectric barrier that, applied to the metal electrodes, ensures that electrons have a much harder time escaping from the metal. Or, in other words, the electrical flashover between the electrodes is shifted to higher voltages by the dielectric barrier. Due to the refractive field shift then again in addition to even higher voltages.
Vorzugsweise ist die refraktiv-steuernde Beschichtung auf beiden metallischen Kappen des Gehäuses, die den - vorzugsweise zylindrischen Isolatorkörper zur Bildung der Schaltkammer axial abschließen, ganz oder teilweise zusätzlich zu der Aufbringung auf dem Isolatorkörper, vorgesehen.The refractive-controlling coating is preferably provided on both metallic caps of the housing, which axially close off the—preferably cylindrical—insulator body to form the switching chamber, in whole or in part in addition to being applied to the insulator body.
Die refraktiv-steuernde Beschichtung bedeckt so das Gehäuse ganz oder teilweise oder in ausgewählten Bereichen. Die refraktiv-steuernde Beschichtung ist beispielsweise direkt auf der Gehäuseoberfläche aufgebracht oder beispielsweise aber auch auf einer unteren Schicht, wie beispielsweise einer resistive Schicht nach dem
Eine untere Schicht, auf der die refraktiv-steuernde Beschichtung aufgebracht wird, kann sowohl eine weitere refraktiv-steuernde Schicht als auch eine andere, insbesondere eine resistive Schicht nach dem
Bevorzugt ist die untere Schicht dabei eine dünnere Schicht als die obere, so dass sich die Schichtdicken von innen nach außen auf der Gehäuse-Außenoberfläche steigern.The lower layer is preferably a thinner layer than the upper one, so that the layer thicknesses increase from the inside to the outside on the outer surface of the housing.
Bei einer Beschichtung auf einer resistiven unteren Schicht ist insbesondere vorgesehen, dass die Matrixmaterialien der jeweiligen Beschichtungen miteinander kompatibel sind. Bevorzugt ist beispielsweise, dass die Matrixmaterialien zumindest zueinander inert sind, aber vorteilhafterweise sind sie beliebig miteinander und/oder ineinander mischbar. Ganz bevorzugt ist, dass die Matrixmaterialien verschiedener Schichten - also beispielsweise das Matrixmaterial einer refraktiv steuernden Beschichtung nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und das Matrixmaterial einer resistiven Beschichtung gemäß der
Die Beschichtungen können auch in Form von Schichtstapel kombiniert vorgesehen sein, wobei eine resistive Beschichtung gemäß der
Alle Schichten der Gesamt-Beschichtung des Gehäuses bedecken die jeweiligen Teile des Gehäuses ganz oder teilweise, allerdings außen.All layers of the overall coating of the housing fully or partially cover the respective parts of the housing, but on the outside.
Als besonders geeignet genannt seien hier beispielsweise die Ausführungsformen, bei denen die refraktiv-steuernde Beschichtung nicht vollflächig auf dem Gehäuse aufgetragen ist, sondern nur teilweise das Gehäuse bedeckt. Dabei ist es insbesondere bevorzugt, wenn die refraktiv-steuernde Beschichtung auf den Kappen, insbesondere auf den metallenen Kappen und/oder auf den Kanten, die die Kappen mit dem Isolatorkörper bilden, aufgetragen ist.The embodiments in which the refractive-controlling coating is not applied over the entire surface of the housing may be mentioned here as being particularly suitable. but only partially covers the housing. In this case, it is particularly preferred if the refractive-controlling coating is applied to the caps, in particular to the metal caps and/or to the edges that form the caps with the insulator body.
Hier ist wiederum insbesondere bevorzugt vorgesehen, dass sich die refraktiv-steuernde Beschichtung noch - einen Rand bildend - über die Kante hinaus erstreckt, beispielsweise auch auf die Oberfläche des Isolatorkörpers.Here again, it is particularly preferred that the refractive-controlling coating also extends—forming an edge—beyond the edge, for example also onto the surface of the insulator body.
Dabei ist es unerheblich, ob der Isolatorkörper selbst noch beschichtet, beispielsweise mit einer resistiven Beschichtung versehen, vorliegt, oder nicht.In this case, it is irrelevant whether the insulator body itself is still coated, for example provided with a resistive coating, or not.
Es sind alle möglichen Schicht-Kombinationen von Beschichtungen auf dem Gehäuse, insbesondere von Beschichtungen der hier in Rede stehenden resistiven Beschichtung nach dem
- dass die untere - resistive Schicht komplett das ganze Gehäuse bedeckt und die obere refraktiv-steuernde Schicht die untere Schicht nur teilweise abdeckt;
- dass die untere Schicht die Gehäuse-Außenoberfläche nur teilweise bedeckt, insbesondere dass die untere Schicht in Form einer resistiv-kapazitiven Schicht aufgebracht ist und die obere refraktiv-steuernde Schicht die untere Schicht und die gesamte Gehäuse-Außenoberfläche ganz oder teilweise bedeckt;
- dass die untere Schicht teilweise von der oberen Schicht unbedeckt bleibt;
- dass resistiv-kapazitive Bereiche der unteren Schicht mit der refraktiv-steuernden oberen Schicht abgedeckt sind;
- dass zwei oder mehr Schichten einer Art verschiedene Gehäusebereiche bedecken und sich dabei eine oder keine Überlappung ergibt;
- etc...
- that the lower - resistive layer completely covers the whole housing and the upper refractive-controlling layer only partially covers the lower layer;
- that the lower layer only partially covers the outer surface of the housing, in particular that the lower layer is applied in the form of a resistive-capacitive layer and the upper refractive-controlling layer completely or partially covers the lower layer and the entire outer surface of the housing;
- that the bottom layer remains partially uncovered by the top layer;
- that resistive-capacitive areas of the lower layer are covered with the refractive-controlling upper layer;
- that two or more layers of a species cover different areas of the housing with some or no overlap;
- Etc...
Gemäß dem
Grundsätzlich ist es vorteilhaft, wenn die untere Schicht dünner als die obere Schicht ist.In principle, it is advantageous if the lower layer is thinner than the upper layer.
Grundsätzlich ist es vorteilhaft, wenn die refraktiv-steuernde Schicht auf der resistiven Schicht liegt.In principle, it is advantageous if the refractive-controlling layer lies on the resistive layer.
Eine Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in
-
zeigt eine Schaltvorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als Vakuumröhre undFigur 1 -
zeigt schematisch die Wirkung einer refraktiv steuernden Beschichtung auf einer Gehäuse-Oberfläche eines Gehäuses einer Schaltvorrichtung nach einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.Figur 2
-
figure 1 12 shows a switching device according to an embodiment of the present invention as a vacuum tube and -
figure 2 12 schematically shows the effect of a refractive control coating on a housing surface of a housing of a switching device according to an exemplary embodiment of the invention.
Das in
Innerhalb der Schaltkammer 5 herrscht Vakuum, vorliegend mit einem Druck als < 10-4 hPa.Inside the switching
Die Erfindung bezieht sich jedoch auch auf Gasschalter, bei denen das Gas innerhalb der Schalter vorliegt. Bei den hier auch umfassten Gasschaltern sind die gemeint, bei denen Gas zum einen als Schaltmedium und zum anderen -nach erfolgreicher Abschaltung- als Isoliermedium dient. Üblicherweise wird dabei heutzutage SF6 verwendet. Da SF6 als starkes Treibhausgas ersetzt werden soll, sind in Zukunft auch Schalter mit CO2, Fluornitril oder anderen alternativen Gasen denkbar.However, the invention also relates to gas switches where the gas is inside the switches. The gas circuit breakers also included here mean those in which gas serves as the switching medium on the one hand and - after successful disconnection - as the insulating medium on the other. Usually SF6 is used nowadays. Since SF6 is to be replaced as a strong greenhouse gas, switches with CO2, fluoronitrile or other alternative gases are also conceivable in the future.
Um beispielsweise beim Öffnen der Schaltvorrichtung 1 entstehende Metalldämpfe nicht auf die innere Oberfläche des Isolators 2, hier Keramik, kommen zu lassen, ist vorliegend in der Schaltkammer 5 ein metallenes Schirmelement 12 (Dampfschirm) im Kontaktierungsbereich vorgesehen. Dieses Schirmelement 12 sorgt nun jedoch auch für eine Verzerrung des elektrischen Feldes, so dass in einem Bereich hinter den Schirmelementen ein geringeres elektrisches Feld im Betrieb vorliegen würde, als in den "un-abgeschirmten" Bereichen, wo sich beispielsweise Ladungen ansammeln können und somit für weitere Feldverzerrungen sorgen können, die die Funktionsfähigkeit der Schaltvorrichtung 1 in Frage stellen könnten.In order, for example, to prevent metal vapors produced when switching
Um dem entgegen zu wirken, ist bei dem hier skizzierten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass sich auf der Außenoberfläche des Gehäuses 3, also sowohl auf den Isolatorkörper 3 als auch auf Bereichen der elektrischen Kontakte - also den Kappen 4 - eine refraktiv-steuernde Beschichtung 13 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung befindet.In order to counteract this, it is provided in the exemplary embodiment outlined here that a refractive-controlling
Die refraktiv-steuernde und - hier vollflächig - aufgetragene Beschichtung 13 der hier gezeigten Ausführungsform umfasst eine polymere Matrix, die mit einem hoch-permittiven Füllstoff, aus einem keramischen Material εr im Bereich von größer/gleich 2 bis 200, vorzugsweise von 10 bis 100, gefüllt ist. Der Füllstoff ist mit 30 Vol% in der Matrix enthalten. Es handelt sich um eine Mischung aus Titandioxid und Aluminiumoxid-Partikel.The refractive-controlling and - here over the entire surface - applied
Die refraktiv-steuernde Beschichtung 13 ist relativ günstig im Materialpreis und relativ einfach - auch automatisiert - aufsprühbar. Ihr Vorhandensein kann mit einer Rasterelektronenmikroskop und einer Elementaranalyse relativ einfach nachgewiesen werden.The refractive-controlling
Die
Durch die refraktiv-steuernde Beschichtung 13, wie sie für diese Anwendung erstmals vorliegend vorgeschlagen wird, kann die Länge des Gehäuses 3 einer Schaltvorrichtung 1 reduziert werden und somit die Gesamtlänge der elektrischen Schaltvorrichtung 1. Dadurch werden Materialkosten eingespart. Es könnte zum Beispiel ein Gehäuse 3 für eine bestimmte Spannungsebene hergestellt werden. Exakt dieses Gehäuse 3 könnte dann mit der refraktiv steuernden Beschichtung 13 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschichtet werden, und so für die nächsthöhere Spannungsebene einsetzbar sein. Das ergibt sich damit prozesstechnisch ein Design, das für zwei Spannungsebenen nutzbar ist, wobei die gleichen beiden Gehäuse 3 für zwei Schaltvorrichtungen 1, unterschiedlicher Spannungsebenen nutzbar sind!The length of the
Die beiden Gehäuse unterscheiden sich lediglich durch die zusätzliche refraktiv-steuernde Beschichtung 13.The only difference between the two housings is the additional
Der besondere Vorteil der hier erstmals vorgestellten Anwendung einer refraktiv-steuernden Beschichtung ist auch, dass dadurch, dass durch diese Beschichtung kaum Strom fließt, diese sehr alterungsbeständig ist und länger und zuverlässiger hält.The special advantage of the use of a refractive-controlling coating, which is presented here for the first time, is that because hardly any current flows through this coating, it is very resistant to aging and lasts longer and more reliably.
Durch die Erfindung wird erstmals vorgeschlagen, eine Beschichtung mit hoher oder zumindest relativ zur Umgebungsluft εr = 1 hoher Permittivität aus einem Kunststoff εr >/= 2, insbesondere εr >/= 3 insbesondere einem gefüllten Kunststoff, auf die Gehäuseoberfläche einer Vakuumschaltröhre ganz oder teilweise aufzubringen, damit in kritischen Bereichen, insbesondere an Triplepunkten, die Feldlinien gebrochen und Lichtbögen soweit wie möglich auseinandergezogen und damit Blitze verhindert werden.The invention proposes for the first time a coating with high permittivity or at least high relative to the ambient air ε r = 1 made of a plastic ε r >/= 2, in particular ε r >/= 3, in particular a filled plastic, on the housing surface of a vacuum interrupter entirely or partially applied so that in critical areas, especially at triple points, the field lines are broken and arcs are drawn apart as much as possible, thus preventing lightning.
Die hier vorliegende Erfindung ist nicht auf Vakuumröhren beschränkt, sondern bezieht sich auf andere Schalter, beispielsweise gasisolierte - beispielsweise solche mit SF6 und/oder Clean Air -als Schaltgas. Bei Gasschalter mit Clean Air wird dieses in der Regel nur als Isolationsmedium verwendet und befindet sich nicht in der Unterbrechereinheit, wo der Lichtbogen entsteht und die Schalthandlung vorgenommen wird.The present invention is not limited to vacuum tubes, but relates to other switches, for example gas-insulated switches—for example those with SF6 and/or clean air—as the switching gas. In the case of gas switches with clean air, this is usually only used as an insulating medium and is not located in the interrupter unit, where the arc occurs and the switching operation takes place.
- 11
- Schaltvorrichtungswitching device
- 22
- Isolatorinsulator
- 33
- GehäuseHousing
- 44
- Kappecap
- 55
- Schaltkammerswitching chamber
- 66
- Leiterelementladder element
- 77
- KontaktContact
- 88th
- PfeilArrow
- 99
- Bewegungseinrichtungmoving device
- 1010
- Erstreckungsrichtungdirection of extension
- 1111
- Metallbalgmetal bellows
- 1212
- Schirmelementscreen element
- 1313
- refraktiv-steuernde Beschichtungrefractive control coating
- 1414
- Äquipotentiallinienequipotential lines
- 1515
- Feldlinienfield lines
- 1616
- Blitzlightning
- 1717
- Bereich in dem Feldlinien refraktiv gebrochen werdenArea in which field lines are broken refractively
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