WO2016008729A1 - Elektrische schaltvorrichtung für mittel- und/oder hochspannungsanwendungen - Google Patents

Elektrische schaltvorrichtung für mittel- und/oder hochspannungsanwendungen Download PDF

Info

Publication number
WO2016008729A1
WO2016008729A1 PCT/EP2015/065064 EP2015065064W WO2016008729A1 WO 2016008729 A1 WO2016008729 A1 WO 2016008729A1 EP 2015065064 W EP2015065064 W EP 2015065064W WO 2016008729 A1 WO2016008729 A1 WO 2016008729A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
switching device
coating
filler
conductor elements
housing
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/065064
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Werner Hartmann
Steffen Lang
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Priority to ES15733457T priority Critical patent/ES2819508T3/es
Priority to EP15733457.4A priority patent/EP3146551B1/de
Priority to CN201580038912.0A priority patent/CN106537545B/zh
Priority to US15/326,692 priority patent/US10102989B2/en
Publication of WO2016008729A1 publication Critical patent/WO2016008729A1/de

Links

Classifications

    • 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
    • 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
    • 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
    • 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
    • H01H33/66207—Specific housing details, e.g. sealing, soldering or brazing
    • 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
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/24—Means for preventing discharge to non-current-carrying parts, e.g. using corona ring
    • 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
    • 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
    • H01H33/66207—Specific housing details, e.g. sealing, soldering or brazing
    • 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, comprising at least two contactable conductor elements which can be spaced apart via a movement device and a housing defining a switching chamber made of an insulator which at least partially surrounds the conductor elements.
  • VFB vacuum circuit breakers
  • Switching applications for example in the range of 1 kV to 52 kV, 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 most of the time is closed, thus providing for contact with the conductor elements, its main ⁇ neuter task is to interrupt currents in alternating ⁇ current systems under nominal conditions, ie in particular for switching on and off of current ratings, or preferably to Un - Breaking currents in fault conditions, in particular to interrupt short circuits and protect the systems. Other applications include the pure switching of load currents using contacting conductor elements, which is mostly used in low and medium voltage systems.
  • the vacuum interruptor (VI, also vacuum interrupter) is the core element of a VCB.
  • a vacuum interrupter usually has a pair of contacts which are formed by respective conductor elements, at least one of which can be moved by means of a movement device in order to bring about the open and closed states of the switching device can.
  • a conductor element is moved axially relative to the other fixed conductor element.
  • the contacts can be made on electrically conductive, in particular made of metal bolts, which provide both current and heat conduction as well as the mechanical see means to hold the contacts and / or move.
  • a VI further comprises a vacuum-tight housing and the movement device he ment ⁇ mentioned and may also comprise a metal bellows, which is connected on one side with the housing, on the other side with the moving conductor element, in particular the moving bolt.
  • the housing is substantially formed by an insulating member, that is, a Isola ⁇ gate, for example, a ceramic tube, which is connected via connecting elements to the conductor elements, for example, metal caps, or the like ge ⁇ uses are necessary to form the switching chamber, the insulator complete in the axial direction.
  • a permanent high vacuum is less than 10 -8 Pa, which can be assured, for example, for periods of operation of GR iquess 30 years by appropriate design of the Ge ⁇ reheatuses and the cap.
  • the vacuum is necessary to assure the "make-break" operations and to ensure the isolation characteristics of the switching device in the open state.
  • the switching device When the switching device is in an open state, on the one hand the nominal voltage of the system has to be isolated, on the other hand, however, high-amplitude surge voltages must also be isolated. For example, by a lightning strike in the system can be ⁇ triggers.
  • the switching device transitions from the closed to the open state, thus spacing the contacts of the conductor elements, it is necessary to interrupt rated currents or short-circuit currents which result in the appearance of transient voltage spikes across the VI, which are significantly higher than the nominal AC voltages of the system.
  • High voltages in vacuum systems typically generate free electrons through field emission processes when the elekt ⁇ generic 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 that exceed tens or even hundreds of KeV.
  • the insulator usually made of ceramics, must be able to withstand high voltages across its surface, even when X-ray and free electrons are present or, in some cases, even when the insulator is contaminated by dust particles , which are electrostatically attached to the outer surface of the insulator.
  • the addition of screen ⁇ elements with respect to the metal vapors leads to distortions of withstand the electrical fields at the insulator, which consequently can lead to overloading of the insulator caused by building up there charges to strong fields at certain points and.
  • the problems set out here also apply to other switching devices in addition to the vacuum interrupter mentioned by way of example.
  • the invention is therefore based on the object to provide a switching ⁇ device with a housing comprising an insulator, which despite simple feasibility reduces distortions of the electric field in the region of the switching device due to surface charges.
  • an electrical switching device of the type mentioned which is characterized in that the housing at least on one side, preferably on the outside, a resistive coating of a filled with a filler matrix material, wherein the sheet resistance of Coating between 10 8 and 10 12 ⁇ at operating field strength and the coating is lei ⁇ tend connected to the conductor elements, in particular by the housing at the end closing, the conductor elements holding, conductive caps.
  • the property spectrum of the coating is preferably further improved by virtue of the fact that the non-linear exponent describing the slope in the current-voltage characteristic of the coating is smaller than 6.
  • the presented here alternate ⁇ te invention is based on a special coating which is preferably applied externally to the insulator and can be applied before or during the manufacturing process of the housing, for example as a Lasierrind the group consisting of Ke ⁇ Ramik housing, or at the end of the manufacturing ⁇ processes by a dipping treatment, spraying or other suitable application processes, so that a well-defined coating is formed. This is preferably formed as homogeneous as possible, which means that as few unwanted
  • the resistance / conductivity ⁇ the ness of the coating influencing variables in addition to their thickness, the doping amount, the concentration of the filler, the
  • the coating is a total, albeit at high resistance conductive principle, but what to leads that targeted a fault current is applied to the switching device in order to optimize the electric field distribution operating conditions at Be ⁇ .
  • the conductive coating of the present invention tends to dissipate surface charges that would otherwise accumulate on the insulator and result in distortion of the electric field.
  • a clever choice of properties, as already indicated, produces an extremely stable, corrosion-resistant and reproducible conductive layer with a desired surface resistance.
  • the coating of the invention allows homogenization ⁇ tion of the field distribution on the surface of the insulator.
  • the coating is ohmic as much as possible, that is, has the lowest possible dependence on the applied voltage (and thus the applied electric field).
  • I KU a gives, where I is the current, U the voltage, K a geomet ⁇ riepene constant and the nonlinearity exponent.
  • Known coating material combinations use materials whose varistor properties are significantly more prominent, for example fillers with zinc oxide, ZnO.
  • This class of materials has tiken highlighted Druck characteris-, that shows a strong nonlinear behavior above a certain threshold ⁇ half of the electric field. Within the scope of the application of the present invention, this would lead to a drastic disruption of the field distribution as soon as only a portion of the coating exceeds this threshold value, which itself can even lead to a malfunction of the switching device.
  • Joule heating within the conductive coating would be too high.
  • the soft characteristics of the composition of matter as claimed by the present invention serve to gradually reduce the surface charges that would otherwise accumulate and / or lead to electron avalanches near the surface, thus resulting in the coating of the present invention a strong distortion of the electric field distribution is avoided. Electrons released by X-rays, charge accumulation or electron avalanches are thus rapidly removed from the surface of the insulator, so that field distortions are largely avoided. Consequently, the electric field strength on the surface of the Wegvorrich ⁇ device, thus the housing, extremely homogeneous, which in turn results in a reduction in size, in particular the length, and sons ⁇ tiger geometric requirements of the switching device.
  • the switching device can be implemented inexpensively.
  • material compositions are used which are not only easy to process but can also be adjusted to specific desired sheet resistance values by simple modifications.
  • the filler is tin oxide Sn02 ⁇ or silicon carbide SiC is or comprises. If the conductivity properties of these substances are to be adjusted by doping, a preferred embodiment of the invention provides that the filler is antimony-doped tin oxide and / or doped with aluminum
  • Silicon carbide is or comprises. It can, for example a doping of 0 to 15 mol% antimony (Sb) in tin oxide (Sn0 2 ) may be provided.
  • this loading vorzugten material combinations particularly for operating field strengths in the area of the insulator from 100 to 1200 V / mm prop ⁇ nen.
  • the matrix material may be selected from the group comprising elastomers, thermosets, thermoplastics and glass. Accordingly, the various coating methods for producing the coating can be selected.
  • the matrix material can therefore be formed organically, for example as a polymer, or inorganically, for example as glass, in which the filler is introduced. It is expedient ⁇ SSIG if the filler concentration 10 to 90 wt .-%, in particular 40 to 60 wt .-%, is.
  • the preferred range of 40 to 60 wt .-% corresponds to when using tin oxide on mica platelets ("platelets") a volume fraction of about 20 to 30 vol .-%.
  • the thickness of the coating has an effect here since ⁇ up, how high the surface conductivity of the coating;
  • thicker coatings tend in certain Materi- alkombinationen to more stable sheet resistance own sheep ⁇ th.
  • coating thicknesses of 100 to 500 ym ym have expedient erwie ⁇ sen.
  • the filler may consist of particles having a particle size of 100 nm to 300 ym, preferably 1 ym to 50 ym.
  • a support material is not necessarily required, but it may also be useful, particularly when a tin oxide Snue 2 umfas ⁇ sender filler is used when the particles are platelets of a Carrier material, in particular mica, are, which with the resistance properties defining notessma- terial, in particular tin oxide SnÜ 2 or silicon carbide SiC, are coated, preferably with a layer thickness in the range from 10 to 100 nm. It is therefore possible to use mica platelets which are coated with a layer of semiconducting material, in particular tin oxide, are coated. An alternative to using such platelets is quartz flour.
  • the aspect ratio also plays a role in the properties of the coating.
  • an aspect ratio less than or equal to five can be set for width to height.
  • a further possibility for adapting theinstitunwider- Stands, specifically to increase the conductivity, is a surface treatment of the particles, for example, it may be provided that the particles are coated to the outside of an electrically conductive layer, in particular titanium oxide Ti0 2 .
  • an electrically conductive layer in particular titanium oxide Ti0 2 .
  • a conductive Be ⁇ coating preferably with titanium oxide, be advantageous to produce the desired conductivity properties and thus surface resistances.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the sheet resistance along the Warre ⁇ ckungsplatz the conductor elements is varied in particular as a function of a change in the electric field under operating conditions along the extension direction of the conductor elements.
  • Such a variation in resistance along the extending direction can be achieved by varying the thickness of the coating and / or by use of different fillers and / or by varying the concentration of a single filler, for which suitable herstel ⁇ averaging techniques in the prior art are already known.
  • a certain course of sheet resistance can be realized, whether by changing the thickness of the coating, by using different fillers with different conductivities whose respective concentration changes along the length of the switching device, or by varying the Concentration of the single filler over the length of the switching device.
  • the switching device may in particular be designed as a vacuum interrupter.
  • the vacuum interrupter in the contacting region of Porterele ⁇ ments a the electric field on the insulator influencing, arranged within the switching chamber and / or held between two housing parts of the housing shielding element for Interception of free metal particles of the conductor elements often occurs through the screen element (which can also be referred to as a vapor ⁇ screen) also a field distortion, which can be significantly homogenized or compensated by the use of the coating in the present invention and their effects, For example, charge accumulation can be avoided.
  • FIG. 1 shows a switching device according to the invention according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows a possible course of the sheet resistance ent ⁇ long the direction of extension of the conductor elements
  • Fig. 3 shows a switching device according to the invention according to a second embodiment.
  • Fig. 1 shows in the form of a schematic diagram of a first exporting ⁇ approximately example of a switching device 1 according to the invention, here is a vacuum interrupter.
  • A here of two tubular ceramic parts, ie insulators 2, composite housing 3 is completed by metal caps 4 and defines a ne switching chamber 5, in which two, for example, as a bolt ⁇ formed conductor elements 6 are guided with contacts 7.
  • the lower one of the conductor elements 6 in FIG. 1 is movable according to the arrow 8 and the indicated movement device 9.
  • a metal shield member 12 (steam shield) is presently provided in the contact in the switching chamber. 5
  • this shield element 12 now also provides for a distortion of the electric field, so that in a region 13 behind the shield elements a lower electric field would be present during operation than in the regions 14, where, for example, charges can accumulate and thus provide further field distortions that could jeopardize the operability of the switching device 1.
  • the outside of the insulator 2 (and therefore of the housing 3 in the region of the insulator 2) is provided with a resistive coating 15 covering the entire outer surface of the insulator 2 and the caps 4 on both sides of the switching device 1 contacted, for example by a solder joint or the like. Consequently, by the
  • a conductive Ver ⁇ bond between the conductor elements 6 is given so that although a small fault current arises, but due to the high resistance of the coating 15, in this case in the range of 10 1 0 ⁇ , is not essential, However, contributes to the field alignment and the removal of surface charges. Too high fields are unproblematic for these properties, since which is significantly less than 6, the slope in the current-voltage characteristic of the coating 15 Be ⁇ descriptive nonlinearity exponent, the present is in the range of 4 to 4.5. Even with transient voltage peaks, breakdowns are avoided.
  • the coating 15 consists of a material composition which initially comprises a carrier material, in the present case glass, in which a filler is provided.
  • the filler is contained at 50% by weight.
  • the filler is tin oxide, SnÜ 2 , deposited as resistive material on mica flakes having an aspect ratio width to height less than 5 and having sizes in the range of 1 to 50 ym.
  • the thickness of the layer of resistive material on the wafer is between 10 and 100 nm, the total thickness of the coating 15 here being 250 ym.
  • Embodiments are conceivable in which the counter ⁇ stood material is still doped tin oxide in the here described examples play (SnC> 2), antimony (Sb), wherein the Dotie ⁇ tion realized here with 0 to 15 mol .-% can.
  • Another embodiment provides that titanium oxide, T1O 2 , is additionally applied to the platelets if the conductivity is to be increased.
  • the sheet resistance can be homogeneous over the entire Beschich ⁇ tion 15 and thus constant.
  • Fig. 2 the sheet resistance R ?? against the position 1 in the direction of extent 10 and the areas 13 and 14 shows.
  • the curve 16 of the surface resistance in region 13 shows an increase.
  • Such can be achieved by varying the thickness of the coating 15, by using two different fillers of different conductivity and varying their concentrations along the direction of extent 10 or by using a single filler and varying its concentration in the direction of extent 10.
  • Fig. 3 shows a second, slightly modified execution ⁇ example of a switching device 1 according to the invention Wiedemann around a vacuum interrupter.
  • a switching device 1 Wiedemann around a vacuum interrupter.
  • functionally identical components are provided with the same reference numerals.
  • the housing 3 in turn consists of two Isolato- ren 2, that is tubular ceramic members which are spaced apart but in this case, since the shield element between them a entspre ⁇ accordingly having larger radius 12 is held in the Kontak- t ists Symposium. 13
  • the coating 15 extends in each case along the outside of the insulators 2 and is conductively connected not only to the caps 4, but correspondingly of course also to the (metal) shielding element 12.
  • silicon carbide can also be used as an alternative for tin oxide, in which case where doping is to be provided there as well, aluminum (Al) is preferred as doping material.

Abstract

Elektrische Schaltvorrichtung (1, 1'), aufweisend wenigstens zwei über eine Bewegungseinrichtung (9) beabstandbare, kontaktierbare Leiterelemente (6) und ein eine Schaltkammer (5) definierendes Gehäuse (3) aus einem Isolator (2), das die Leiterelemente (6) wenigstens teilweise umgibt, wobei das Gehäuse (3) wenigstens auf einer Seite eine resistive Beschichtung (15) aus einem mit einem Füllstoff gefüllten Matrixmaterial aufweist, wobei der Flächenwiderstand der Beschichtung (15) zwischen 108 und 1012 Ohm bei Betriebsfeldstärke liegt und sie leitend mit den Leiterelementen (6) verbunden ist.

Description

Beschreibung
Elektrische Schaltvorrichtung für Mittel- und/oder Hochspannungsanwendungen
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, das die Leiterelemente wenigstens teilweise umgibt.
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 Übersprungvorgänge außerhalb der eigentlichen Schaltkammer vermeiden sollen.
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, beispielsweis also bei Spannungen größer als 52 kV, nimmt zu. Während ein VCB die meiste Zeit geschlossen ist, mithin eine Kontaktierung der Leiterelemente vorsieht, ist seine haupt¬ sächliche Aufgabe die Unterbrechung von Strömen in Wechsel¬ strom-Systemen bei Nennbedingungen, insbesondere also zum An- und Ausschalten von Nennströmen, oder aber bevorzugt zum Un- terbrechen von Strömen bei Fehlerbedingungen, insbesondere um Kurzschlüsse zu unterbrechen und das Systemen zu schützen. Andere Anwendungen umfassen das reine Schalten von Lastströ- men unter Verwendung von kontaktierenden Leiterelementen, das meist in Niedrig- und Mittelspannungssystemen verwendet wird.
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 auf stromleitenden, insbesondere aus Metall bestehenden Bolzen gefertigt sein, welche sowohl Strom- als auch Wärmeleitung zur Verfügung stellen sowie die mechani- sehen Mittel, um die Kontakte zu halten und/oder zu bewegen.
Ein VI umfasst ferner ein vakuumdichtes Gehäuse und die er¬ wähnte 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 Isola¬ tor, gebildet, beispielsweise ein keramisches Rohr, welches über Verbindungselemente mit den Leiterelementen verbunden ist, wobei beispielsweise Metallkappen oder dergleichen ge¬ nutzt werden, die zur Bildung der Schaltkammer das isolierende Bauteil in axialer Richtung abschließen. Innerhalb der Schallkammer herrscht ein permanentes Hochvakuum kleiner als 10~8 Pa, welches beispielsweise für Betriebsperioden von we- nigstens 30 Jahren durch entsprechende Ausgestaltung des Ge¬ häuses und der Kappen zugesichert werden kann. Das Vakuum ist notwendig, um die „make-break-Operationen" zuzusichern und die Isolationseigenschaften der Schaltvorrichtung im offenen Zustand zu gewährleisten.
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 bei- spielsweise durch einen Blitzeinschlag in das System ausge¬ löst 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.
Hohe Spannungen in Vakuumsystemen erzeugen üblicherweise freie Elektronen durch Feldemissionsprozesse, wenn die elekt¬ rische 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 kei- ne nennenswerten Röntgenstrahlungsanteile erzeugt, können Um¬ stände auftreten, beispielsweise wenn vorübergehende Span¬ nungsspitzen 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.
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 Ver- bindung 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 Vaku¬ umschaltröhre zur Folge haben können.
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 Kontaktma- terials verdampft und innerhalb der Schaltkammer als heißer Metalldampf verteilt. Dieser Metalldampf kann sich auf der Isolatoroberfläche absetzen und baut mit der Zeit eine leit¬ fähige Metallschicht auf. Diese Metallschicht, auch wenn sie nur schwach leitfähig ist, kann ebenso das elektrische Feld außerhalb und innerhalb der Vakuumschaltröhre stören und mit¬ hin über die Zeit die Spannungswiderstandsfähigkeit der Vaku¬ umschaltröhre 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 vorzu¬ sehen, welches jedoch auch einen Einfluss auf die Feldvertei¬ lung innerhalb der Schaltkammer, aber auch am Isolator hat.
Aus den genannten Gründen muss der meist aus Keramik reali- sierte Isolator in der Lage sein, hohen Spannungen über seine 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, den Isolator im Hinblick auf maximale dielektrische Stärke bei minimaler Größe zu optimieren. 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 Geo- metrie der Vakuumschaltröhre überschreiten. Nachdem diese Be¬ grenzungen nicht präzise vorhergesagt werden können, insbe¬ sondere für Tripelpunkt-Bereiche und scharfe Metallkanten, hängt die Auslegung von Vakuumschaltröhren nicht nur von Berechnungen zum elektrischen Feld während des Entwicklungspro- zesses ab, sondern benötigt auch eine große Menge empirischer Optimierung. Dies bezieht sich auch auf den Aufbau von metal¬ lischen Schichten aus den inneren Oberflächen des Isolators, welche, wie bereits erwähnt, heute üblicherweise durch Ver¬ wendung von Schirmstrukturen (Schirmelemente) innerhalb der Schaltkammer vermieden werden sollen. Dennoch können heutzutage die Ablagerungen des Metalldampfes und ihr Einfluss auf die dielektrische Stärke des Vakuuminteruptors nicht quanti¬ tativ in einer hinreichend genauen Art vorhergesagt werden. Ferner ist anzumerken, dass die genannten Designprozesse al¬ lesamt zu einer Reduzierung der Isolationseigenschaften der Außenstruktur der Vakuumschaltröhre deutlich unter die dielektrische Stärke von Luft oder anderen Gasen, die die Vaku¬ umschaltröhre umgeben, führt, so dass Isolatorgrößen (Länge, Durchmesser) benötigt werden, die hinsichtlich der Kosten und des Bauraums nicht optimal sind. Die Hinzufügung von Schirm¬ elementen 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 Schalt- Vorrichtungen neben der beispielhaft genannten Vakuumschaltröhre gelten. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schalt¬ vorrichtung mit einem einen Isolator umfassenden Gehäuse anzugeben, die trotz einfacher Realisierbarkeit Verzerrungen des elektrischen Feldes im Bereich der Schaltvorrichtung auf- grund von Oberflächenladungen reduziert.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine elektrische Schaltvorrichtung der eingangs genannten Art vorgesehen, die sich dadurch auszeichnet, dass das Gehäuse wenigstens auf einer Seite, be- vorzugt auf der Außenseite, eine resistive Beschichtung aus einem mit einem Füllstoff gefüllten Matrixmaterial aufweist, wobei der Flächenwiderstand der Beschichtung zwischen 108 und 1012 Ω bei Betriebsfeldstärke liegt und die Beschichtung lei¬ tend mit den Leiterelementen verbunden ist, insbesondere durch das Gehäuse endseitig schließende, die Leiterelemente halternde, leitende Kappen.
Dabei wird das Eigenschaftsspektrum der Beschichtung bevorzugt noch dadurch verbessert, dass der die Steigung in der Strom-Spannungskennlinie der Beschichtung beschreibende nichtlineare Exponent kleiner als 6 ist. Die hier vorgestell¬ te Erfindung basiert auf einer speziellen Beschichtung, die bevorzugt außen auf den Isolator aufgebracht wird und vor oder während dem Herstellungsprozess des Gehäuses aufgebracht werden kann, beispielsweise als ein Lasierprozess des aus Ke¬ ramik bestehenden Gehäuses, oder zum Ende des Herstellungs¬ prozesses durch eine Eintauchbehandlung, Aufsprühen oder andere geeignete Aufbringprozesse, so dass eine wohldefinierte Beschichtung entsteht. Diese ist bevorzugt möglichst homogen ausgebildet, das bedeutet, dass möglichst wenige ungewollte
Schwankungen des Flächenwiderstands entlang des Gehäuses auf¬ treten. Dabei sind bereits Materialkombinationen bekannt geworden, deren Eigenschaften so angepasst werden können, dass ein bestimmter Flächenwiderstand der Beschichtung eingestellt wird. Nachdem dies beispielsweise über die Konzentration des Füllstoffs geschehen kann, sind zweckmäßige Ausgestaltungen denkbar, in denen die Konzentration des Füllstoffs so angepasst wird, dass ein Bereich erreicht wird, in dem der Flä- chenwiderstand nicht länger deutlich von der Konzentration des Füllstoffs abhängt, so dass eine Beschichtung entsteht, die sehr leicht reproduzierbar ist. Zur Einstellung des gewünschten Flächenwiderstands können bereits bei der Herstel- lung geeignete Maßnahmen getroffen werden, nachdem über eine geschickte Wahl der Korngröße des Füllstoffs bzw. eines Leit¬ stoffs bzw. eine leitende Beschichtung von Teilchen, aus denen der Füllstoff besteht, eine Erniedrigung des Flächenwiderstands erreicht werden kann, wobei über eine geeignete Do¬ tierung auch eine Erhöhung des Flächenwiderstands erreicht werden kann.
Ein bekanntes Beispiel für eine Materialkombination, die im Rahmen einer solchen Beschichtung geeignet ist, wird durch DE 198 39 285 Cl beschrieben. Dort geht es zwar um ein Glimmschutzband, jedoch hat sich gezeigt, dass die dortige Kombi¬ nation von einem Trägermaterial und einem anorganischen Füllstoff, der Zinnoxid aufweist, auch zur Herstellung einer Be¬ schichtung im Rahmen der vorliegenden Erfindung geeignet ist, um die gewünschten Eigenschaften der Beschichtung zu erreichen .
Wie bereits erwähnt wurde, sind den Widerstand/die Leitfähig¬ keit der Beschichtung beeinflussende Größen neben ihrer Dicke die Dotierungsmenge, die Konzentration des Füllstoffs, die
Leitfähigkeit des Füllstoffs selbst und die Teilchengröße des Füllstoffs. Die Beschichtung ist also insgesamt, wenn auch bei hohem Widerstand, grundsätzlich leitfähig, was aber dazu führt, dass gezielt ein Fehlerstrom in die Schaltvorrichtung eingeprägt wird, um dessen elektrische Feldverteilung bei Be¬ triebsbedingungen zu optimieren. Die leitfähige Beschichtung der vorliegenden Erfindung führt dazu, dass Oberflächenladungen zerstreut werden, die sich anderweitig auf dem Isolator ansammeln würden und eine Verzerrung des elektrischen Feldes zur Folge hätten. Unter geschickter Wahl der Eigenschaften, wie bereits angedeutet, entsteht eine äußerst stabile, gegen Korrosion resistente und reproduzierbare leitfähige Schicht mit einem gewünschten Flächenwiderstand. Die erfindungsgemäße Beschichtung erlaubt also eine Homogeni¬ sierung der Feldverteilung auf der Oberfläche des Isolators. Dabei ist die Beschichtung möglichst weitgehend ohmsch, das bedeutet, weist eine möglichst geringe Abhängigkeit von der anliegenden Spannung (und somit dem anliegenden elektrischen Feld) auf. Wie bereits dargelegt wurde, ist es besonders be¬ vorzugt, wenn der die Steigung in der Strom- Spannungskennlinie der Beschichtung beschreibende nicht line- are Exponent kleiner als 6 ist. Dies tritt beispielsweise für das bereits genannte Zinnoxid, SnÜ2, zu, aber auch für das weiterhin genannte Siliziumcarbid, SiC, mithin auch für die entsprechenden Füllstoffe. Der genannte Nichtlinearitätsexpo- nent, der meist als bezeichnet wird, ist im Zusammenhang mit spannungsabhängigen Widerständen (Varistoren) bekannt.
Bei Varistoren ist aus der Spannungs-Stromkennlinie bekannt, dass der Widerstand mit steigender Spannung abnimmt, was durch den Nichtlinearitätsexponenten beschrieben wird, wie sich aus der definierenden Gleichung
I = KUa ergibt, worin I der Strom ist, U die Spannung, K eine geomet¬ rieabhängige Konstante und der Nichtlinearitätsexponent .
Bekannte Beschichtungsmaterialkombinationen nutzen Materialien, deren Varistor-Eigenschaften deutlich stärker hervortreten, beispielsweise Füllstoffe mit Zinkoxid, ZnO. Diese Klasse von Materialien hat hervorgehobene Schaltcharakteris- tiken, zeigt also ein starkes nichtlineares Verhalten ober¬ halb eines bestimmten Schwellwerts des elektrischen Feldes. Im Rahmen der Anwendung der vorliegenden Erfindung würde dies zu einer drastischen Störung der Feldverteilung führen, sobald auch nur ein Anteil der Beschichtung diesen Schwellwert überschreitet, was bereits selbst zu einer Fehlfunktion der Schaltvorrichtung führen kann. Auch Beschichtungen, die Graphit als Teil des Füllstoffs verwenden, sind für die hier be¬ schriebene Anwendung eher ungeeignet, da hier der Nachteil besteht, dass die Resistenz gegen Korrosion, insbesondere die Resistenz gegen Teilentladungserosion, deutlich schlechter ist als bei den durch die vorliegende Erfindung beschriebenen Materialien; ferner wäre die Leitfähigkeit einer solchen Be- Schichtung deutlich zu hoch, so dass die auftretende
Joulesche Erwärmung innerhalb der leitfähigen Beschichtung zu hoch würde.
Im Gegensatz zu diesen Beispielen dienen die weichen Charak- teristiken der Materialzusammensetzung, wie sie die vorliegende Erfindung beansprucht, einer graduellen Reduzierung der Oberflächenladungen, die sich anderweitig ansammeln würden und/oder zu Elektronenlawinen nahe der Oberfläche führen würden, so dass mithin durch die erfindungsgemäße Beschichtung eine starke Verzerrung der elektrischen Feldverteilung vermieden wird. Elektronen, die durch Röntgenstrahlung, Ladungsakkumulation oder Elektronenlawinen frei werden, werden somit schnell von der Oberfläche des Isolators entfernt, so dass Feldverzerrungen weitgehend vermieden werden. Mithin wird die elektrische Feldstärke auf der Oberfläche der Schaltvorrich¬ tung, mithin des Gehäuses, äußerst homogen, woraus wiederum eine Reduzierung der Größe, insbesondere der Länge, und sons¬ tiger Geometrieanforderungen an die Schaltvorrichtung resultiert. Die Schaltvorrichtung lässt sich kostengünstig reali- sieren.
Wie dargelegt wurde, werden hierbei gezielt Materialzusammen¬ stellungen eingesetzt, die nicht nur einfach verarbeitbar sind, sondern auch durch einfache Modifikationen auf bestimm- te gewünschte Flächenwiderstandswerte einstellbar sind. Dabei ist es, wie schon gesagt, bevorzugt, wenn der Füllstoff Zinn¬ oxid Sn02 oder Siliziumcarbid SiC ist oder umfasst. Sollen die Leitfähigkeitseigenschaften dieser Substanzen durch eine Dotierung angepasst werden, sieht eine bevorzugte Ausgestal- tung der Erfindung vor, dass der Füllstoff mit Antimon dotiertes Zinnoxid und/oder mit Aluminium dotiertes
Siliziumcarbid ist oder umfasst. Dabei kann beispielsweise eine Dotierung von 0 bis 15 mol% Antimon (Sb) in Zinnoxid (Sn02) vorgesehen sein.
Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass sich diese be- vorzugten Materialkombinationen besonders für Betriebsfeldstärken im Bereich des Isolators von 100 bis 1200 V/mm eig¬ nen .
Das Matrixmaterial kann aus der Gruppe umfassend Elastomere, Duroplasten, Thermoplasten und Glas gewählt werden. Entsprechend können die verschiedenen Beschichtungsverfahren zur Herstellung der Beschichtung gewählt werden. Das Matrixmaterial kann mithin organisch, beispielsweise als ein Polymer, oder anorganisch, beispielsweise als Glas, ausgebildet sein, in dem der Füllstoff eingebracht ist. Dabei ist es zweckmä¬ ßig, wenn die Füllstoffkonzentration 10 bis 90 Gew.-%, insbesondere 40 bis 60 Gew.-%, beträgt. Der bevorzugte Bereich von 40 bis 60 Gew.-% entspricht dabei bei Verwendung von Zinnoxid auf Glimmerplättchen („platelets" ) einem Volumenanteil von etwa 20 bis 30 Vol.-%.
Auch die Dicke der Beschichtung hat dabei einen Einfluss da¬ rauf, wie hoch die Flächenleitfähigkeit der Beschichtung ist; zudem tendieren dickere Beschichtungen bei bestimmten Materi- alkombinationen zu stabileren Flächenwiderstandseigenschaf¬ ten. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung haben sich Dicken der Beschichtung von 100 ym bis 500 ym als zweckmäßig erwie¬ sen . Der Füllstoff kann aus Teilchen einer Korngröße von 100 nm bis 300 ym, bevorzugt 1 ym bis 50 ym, bestehen. Werden im Mikrometerbereich liegende anorganische Teilchen, beispiels¬ weise Siliziumcarbid, verwendet, ist ein Trägermaterial nicht zwangsläufig erforderlich, wobei es jedoch auch zweckmäßig sein kann, insbesondere dann, wenn ein Zinnoxid SnÜ2 umfas¬ sender Füllstoff verwendet wird, wenn die Teilchen Plättchen aus einem Trägermaterial, insbesondere Glimmer, sind, die mit dem die Widerstandseigenschaften definierenden Widerstandsma- terial, insbesondere Zinnoxid SnÜ2 oder Siliziumcarbid SiC, beschichtet sind, bevorzugt mit einer Schichtdicke im Bereich von 10 bis 100 nm. Es können mithin Glimmerplättchen (Mica- Platelets) verwendet werden, die mit einer Schicht von halb- leitendem Material, insbesondere Zinnoxid, überzogen sind. Eine Alternative zur Verwendung solcher Plättchen ist Quarzmehl. Insbesondere bei Verwendung der Plättchen spielt bei den Eigenschaften der Beschichtung auch das Seitenverhältnis eine Rolle. Beispielsweise kann bei Plättchen ein Seitenver- hältnis kleiner oder gleich Fünf für Breite zu Höhe angesetzt werden. Wird ein Füllstoff mit einen betonten Seitenverhält¬ nis, beispielsweise also Plättchen, verwendet, ist es, wie eingangs bereits dargelegt wurde, insbesondere günstig mög¬ lich, einen Bereich zu erreichen, in dem der Flächenwider- stand nicht länger deutlich von der Konzentration des Füllstoffs abhängt, was die Reproduzierbarkeit der Beschichtung erhöht .
Eine weitere Möglichkeit zur Anpassung des Flächenwider- Stands, hier konkret zur Erhöhung der Leitfähigkeit, ist eine Oberflächenbehandlung der Teilchen, wobei beispielsweise vorgesehen sein kann, dass die Teilchen nach außen von einer elektrisch leitenden Schicht, insbesondere Titanoxid Ti02, überzogen sind. Gerade bei kleineren Korngrößen und/oder ge- ringeren Konzentrationen kann eine derartige leitfähige Be¬ schichtung, bevorzugt mit Titanoxid, zweckmäßig sein, um die gewünschten Leitfähigkeitseigenschaften und somit Flächenwiderstände herzustellen. Es ist zwar bereits eine äußerst vorteilhafte Ausgestaltung gegeben, wenn ein äußerst homogener Flächenwiderstand über die Oberfläche des Isolators, mithin in der gesamten Be¬ schichtung, vorhanden ist, die jedenfalls zum hinreichenden Abführungen von Oberflächenladungen und zur Homogenisierung des elektrischen Feldes am Isolator führt. Nichtsdestotrotz sind Fälle denkbar, in denen die Nutzung von Hintergrundwis¬ sen zur lokalen Variation des Flächenwiderstands zu noch verbesserten Resultaten führen können, so dass beispielsweise in Bereichen, in denen bekannt ist, dass, beispielsweise auf¬ grund anderer Bestandteile der Schaltvorrichtung, ohnehin hohe Felder auftreten, ein niedrigerer Flächenwiderstand gewählt werden kann, damit sich Ladungen schneller verteilen als in Bereichen kleinerer Betriebsfeldstärken. Nachdem
Schaltvorrichtungen meist symmetrisch um die Erstreckungsrichtung der Leiterelemente (und mithin auch die Bewegungs¬ richtung des wenigstens einen bewegbaren Leiterelements) aus¬ gestaltet sind, sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der Er- findung vor, dass der Flächenwiderstand entlang der Erstre¬ ckungsrichtung der Leiterelemente variiert ist, insbesondere in Abhängigkeit einer Veränderung des elektrischen Feldes bei Betriebsbedingungen entlang der Erstreckungsrichtung der Leiterelemente. Eine derartige Variation des Widerstands entlang der Erstreckungsrichtung kann durch eine Variation der Dicke der Beschichtung und/oder durch Verwendung unterschiedlicher Füllstoffe und/oder durch Variation der Konzentration eines einzigen Füllstoffs erreicht werden, wofür geeignete Herstel¬ lungstechniken im Stand der Technik bereits bekannt sind. So kann beispielsweise über die Länge der Schaltvorrichtung ein bestimmter Verlauf des Flächenwiderstandes realisiert werden, sei es durch Veränderung der Dicke der Beschichtung, durch Nutzung unterschiedlicher Füllstoffe mit unterschiedlichen Leitfähigkeiten, deren jeweilige Konzentration sich entlang der Länge der Schaltvorrichtung ändert, oder sei es durch Variation der Konzentration des einzigen Füllstoffs über die Länge der Schaltvorrichtung.
So kann eine Anpassung im Hinblick auf Vorwissen über die Verteilung des elektrischen Feldes bei Betrieb der Schaltvorrichtung vorgenommen werden.
Die Schaltvorrichtung kann insbesondere als eine Vakuumschaltröhre ausgebildet sein. Ist nun ferner vorgesehen, dass die Vakuumschaltröhre im Kontaktierungsbereich der Leiterele¬ mente ein das elektrische Feld am Isolator beeinflussendes, innerhalb der Schaltkammer angeordnetes und/oder zwischen zwei Gehäuseteilen des Gehäuses gehaltertes Schirmelement zum Abfangen freier Metallpartikel der Leiterelemente aufweist, tritt häufig durch das Schirmelement (welches auch als Dampf¬ schirm bezeichnet werden kann) auch eine Feldverzerrung auf, die durch die Verwendung der Beschichtung im Rahmen der vorliegenden Erfindung deutlich homogenisiert bzw. kompensiert werden kann und deren Effekte, beispielsweise Ladungsansammlungen, vermieden werden können. Beispielsweise kann es bei solchen Schirmelementen zu einer Abschwächung der Betriebsfeldstärke im Bereich des Schirmelements selber, also hinter bzw. neben dem Schirmelement, kommen, während größere Be¬ triebsfeldstärken an die Erstreckungslänge des Schirmelements anschließend am Isolator auftreten können. Dieses Wissen kann auch genutzt werden, um, wie gerade dargelegt wurde, den Flä¬ chenwiderstand ortsabhängig zu variieren.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen: Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schaltvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 ein möglicher Verlauf des Flächenwiderstands ent¬ lang der Erstreckungsrichtung der Leiterelemente, und
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Schaltvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Fig. 1 zeigt in Form einer Prinzipskizze ein erstes Ausfüh¬ rungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung 1, hier eine Vakuumschaltröhre. Ein hier aus zwei röhrenförmigen Keramikteilen, also Isolatoren 2, zusammengesetztes Gehäuse 3 wird durch metallene Kappen 4 abgeschlossen und definiert ei- ne Schaltkammer 5, in die zwei beispielsweise als Bolzen aus¬ gebildete Leiterelemente 6 mit Kontakten 7 geführt sind. Das in Fig. 1 untere der Leiterelemente 6 ist gemäß dem Pfeil 8 und der angedeuteten Bewegungseinrichtung 9 beweglich ausge- staltet und kann in Erstreckungsrichtung 10 der Leiterelemente 6, welche auch die Symmetrieachse der Schaltvorrichtung 1 bildet, verschoben werden, um die Kontakte 7 in Kontakt zu bringen oder zu beabstanden, wobei vorliegend ein geöffneter Zustand der Schaltvorrichtung 1 gezeigt ist. Aufgrund der Be¬ weglichkeit des unteren Leiterelements 6 ist dieses über ei¬ nen Metallbalg 11 an die Metallkappe 4 angekoppelt; auf bei¬ den Seiten sind also die Metallkappen 4 leitend mit den Lei¬ terelementen 6 verbunden.
Innerhalb der Schaltkammer 5 herrscht Vakuum, vorliegend mit einem Druck als < 10~8 pa.
Um beispielsweise beim Öffnen der Schaltvorrichtung 1 entste- hende Metalldämpfe nicht auf die innere Oberfläche des Isola¬ tors 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 13 hinter den Schirmelementen ein geringeres elektrisches Feld im Betrieb vorliegen würde als in den Bereichen 14, wo sich beispielsweise Ladungen ansammeln können und somit für weitere Feldverzerrungen sorgen können, die die Funktionsfähigkeit der Schaltvorrich- tung 1 in Frage stellen könnten. Um dem entgegenzuwirken, ist die Außenseite des Isolators 2 (und mithin des Gehäuses 3 im Bereich des Isolators 2) mit einer resistiven Beschichtung 15 versehen, die die gesamte Außenoberfläche des Isolators 2 überdeckt und auf beiden Seiten der Schaltvorrichtung 1 lei- tend die Kappen 4 kontaktiert, beispielsweise durch eine Lötverbindung oder dergleichen. Mithin ist durch die
resistive, aber leitfähige Beschichtung 15 eine leitende Ver¬ bindung zwischen den Leiterelementen 6 gegeben, so dass zwar ein geringer Fehlerstrom entsteht, der aber aufgrund des ho- hen Widerstandes der Beschichtung 15, vorliegend im Bereich von 10 1 0 Ω, nicht wesentlich ist, jedoch zur Feldangleichung und zum Abtransport von Oberflächenladungen beiträgt. Auch zu hohe Felder sind für diese Eigenschaften unproblematisch, da der die Steigung in der Strom-Spannungskennlinie der Be¬ schichtung 15 beschreibende Nichtlinearitätsexponent deutlich kleiner als 6 ist, vorliegend im Bereich von 4 bis 4,5 liegt. Selbst bei transienten Spannungsspitzen werden Durchschläge mithin vermieden.
Die Beschichtung 15 besteht aus einer Materialzusammenset¬ zung, die zunächst ein Trägermaterial, vorliegend Glas, um- fasst, in dem ein Füllstoff vorgesehen ist. Der Füllstoff ist zu 50 Gew.-% enthalten. Bei dem Füllstoff handelt es sich um Zinnoxid, SnÜ2, das als Widerstandsmaterial auf Glimmerplätt- chen aufgebracht ist, die ein Seitenverhältnis Breite zu Höhe von kleiner als 5 aufweisen und Größen im Bereich von 1 bis 50 ym besitzen. Die Dicke der Schicht aus Widerstandsmaterial auf dem Plättchen liegt zwischen 10 und 100 nm, wobei die insgesamte Dicke der Beschichtung 15 hier 250 ym beträgt.
Es sind Ausführungsbeispiele denkbar, in denen das Wider¬ standsmaterial noch dotiert ist, im hier beschriebenen Bei- spiel von Zinnoxid (SnC>2) mit Antimon (Sb) , wobei die Dotie¬ rung hier mit 0 bis 15 Mol.-% realisiert werden kann. Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass zusätzlich auch Titanoxid, T1O2, auf den Plättchen aufgebracht wird, wenn die Leitfähigkeit erhöht werden soll.
Der Flächenwiderstand kann dabei über die gesamte Beschich¬ tung 15 homogen und somit konstant sein. Es ist jedoch auch denkbar, Vorwissen einfließen zu lassen, um eine Variation des Flächenwiderstands in Abhängigkeit von der Position in Erstreckungsrichtung 10, also Längsrichtung der Schaltvorrichtung 1, zu realisieren, so dass beispielsweise in dem Bereich 13 hinter dem Schirmelement 12 ein höherer Flächenwiderstand vorliegen kann als in den Bereichen 14. Dies ist in Fig. 2 schematisch dargestellt, der den Flächenwiderstand R?? gegen die Position 1 in Erstreckungsrichtung 10 sowie die Bereiche 13 und 14 zeigt. Man erkennt, dass der Verlauf 16 des Flächenwiderstands im Bereich 13 eine Erhöhung zeigt. Derartiges kann durch Variation der Dicke der Beschichtung 15, durch Verwendung zweier unterschiedlicher Füllstoffe mit unterschiedlicher Leitfähigkeit und Variation derer Konzentrationen entlang der Erstreckungsrichtung 10 oder auch durch Verwendung eines einzigen Füllstoffs und Variation dessen Konzentration in Erstreckungsrichtung 10 erreicht werden.
Fig. 3 zeigt ein zweites, leicht modifiziertes Ausführungs¬ beispiel einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung 1 wiede- rum einer Vakuumschaltröhre. Der Einfachheit halber sind funktional gleiche Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen versehen .
Ersichtlich besteht das Gehäuse 3 wiederum aus zwei Isolato- ren 2, also röhrenförmigen Keramikteilen, die in diesem Fall jedoch beabstandet sind, da zwischen ihnen das einen entspre¬ chend größeren Radius aufweisende Schirmelement 12 im Kontak- tierungsbereich 13 gehaltert ist. Die Beschichtung 15 erstreckt sich jeweils entlang der Außenseite der Isolatoren 2 und ist nicht nur mit den Kappen 4 leitend verbunden, sondern entsprechend natürlich auch mit dem (metallenen) Schirmelement 12.
Es sei noch angemerkt, dass Siliziumcarbid (SiC) als Alterna- tive für Zinnoxid ebenso verwendet werden kann, wobei dann, wenn dort auch eine Dotierung vorgesehen sein soll, Aluminium (AI) als Dotierungsmaterial bevorzugt wird.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausfüh- rungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge¬ schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Schaltvorrichtung (1, 1λ), aufweisend we¬ nigstens zwei über eine Bewegungseinrichtung (9)
beabstandbare, kontaktierbare Leiterelemente (6) und ein eine Schaltkammer (5) definierendes Gehäuse (3) aus einem Isolator (2), das die Leiterelemente (6) wenigstens teilweise umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) wenigstens auf einer Seite eine resistive Beschichtung (15) aus einem mit einem Füllstoff gefüllten Matrixmaterial aufweist, wobei der Flächenwiderstand der Beschichtung (15) zwischen 108 und 1012 Ohm bei Betriebsfeldstärke liegt und sie leitend mit den Lei¬ terelementen (6) verbunden ist.
2. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der die Steigung in der Strom-Spannungskennlinie der Beschichtung (15) beschreibende nichtlineare Exponent kleiner als sechs ist.
3. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff Zinnoxid SnÜ2 oder
Siliziumcarbid SiC ist oder umfasst.
4. Schaltvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich- net, dass der Füllstoff mit Antimon dotiertes Zinnoxid und/oder mit Aluminium dotiertes Siliziumcarbid ist oder um¬ fasst .
5. Schaltvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial aus der
Gruppe umfassend Elastomere, Duroplasten, Thermoplasten und Glas gewählt ist und/oder das die Füllstoffkonzentration 10 bis 90 Gewichts-%, insbesondere 40-60 Gewichts-%, beträgt.
6. Schaltvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (15) eine Dicke von 100 ym bis 500 ym aufweist.
7. Schaltvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff aus Teilchen einer Korngröße von 100 nm bis 300 ym, insbesondere 1 ym bis 50 ym, besteht.
8. Schaltvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen Plättchen aus einem Trägermaterial, insbesondere Glimmer, sind, die mit dem die Widerstandseigenschaften definierenden Widerstandsmaterial, insbesondere Zinnoxid SnÜ2 oder Siliziumcarbid SiC, beschichtet sind, be¬ vorzugt mit einer Schichtdicke im Bereich von 10 bis 100 nm, und/oder die Teilchen nach außen von einer elektrisch leitenden Schicht, insbesondere Titanoxid Ti02, überzogen sind.
9. Schaltvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flächenwiderstand ent¬ lang der Erstreckungsrichtung (10) der Leiterelemente (6) variiert ist, insbesondere in Abhängigkeit einer Veränderung des elektrischen Feldes bei Betriebsbedingungen entlang der Erstreckungsrichtung (10) der Leiterelemente (6).
10. Schaltvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation des Flächenwiderstandes entlang der Erstreckungsrichtung (10) durch eine Variation der Dicke der Beschichtung (15) und/oder durch Verwendung unterschiedlicher Füllstoffe und/oder durch Variation der Konzentration des einzigen Füllstoffes erreicht ist.
11. Schaltvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass sie als eine Vakuumschalt¬ röhre ausgebildet ist.
12. Schaltvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumschaltröhre im Kontaktierungsbereich der Leiterelemente (6) ein das elektrische Feld am Isolator be¬ einflussendes, innerhalb der Schaltkammer (5) angeordnetes und/oder zwischen zwei Gehäuseteilen des Gehäuses (3) gehal- tertes Schirmelement (12) zum Abfangen freier Metallpartikel der Leiterelemente (6) aufweist.
PCT/EP2015/065064 2014-07-17 2015-07-02 Elektrische schaltvorrichtung für mittel- und/oder hochspannungsanwendungen WO2016008729A1 (de)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ES15733457T ES2819508T3 (es) 2014-07-17 2015-07-02 Dispositivo de conmutación eléctrica para aplicaciones de media y/o alta tensión
EP15733457.4A EP3146551B1 (de) 2014-07-17 2015-07-02 Elektrische schaltvorrichtung für mittel- und/oder hochspannungsanwendungen
CN201580038912.0A CN106537545B (zh) 2014-07-17 2015-07-02 中压和/或高压应用的电开关设备
US15/326,692 US10102989B2 (en) 2014-07-17 2015-07-02 Electric switching device for medium and/or high-voltage uses

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102014213944.9A DE102014213944A1 (de) 2014-07-17 2014-07-17 Elektrische Schaltvorrichtung für Mittel- und/oder Hochspannungsanwendungen
DE102014213944.9 2014-07-17

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2016008729A1 true WO2016008729A1 (de) 2016-01-21

Family

ID=53499012

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2015/065064 WO2016008729A1 (de) 2014-07-17 2015-07-02 Elektrische schaltvorrichtung für mittel- und/oder hochspannungsanwendungen

Country Status (6)

Country Link
US (1) US10102989B2 (de)
EP (1) EP3146551B1 (de)
CN (1) CN106537545B (de)
DE (1) DE102014213944A1 (de)
ES (1) ES2819508T3 (de)
WO (1) WO2016008729A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017012740A1 (de) * 2015-07-21 2017-01-26 Siemens Aktiengesellschaft Energietechnische komponente, insbesondere vakuumschaltröhre
US10102989B2 (en) 2014-07-17 2018-10-16 Siemens Aktiengesellschaft Electric switching device for medium and/or high-voltage uses

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016217625A1 (de) * 2016-03-30 2017-10-05 Siemens Aktiengesellschaft Hochspannungsbauteil und Vorrichtung mit einem Hochspannungsbauteil
KR102545133B1 (ko) 2016-04-05 2023-06-19 엘에스일렉트릭(주) 진공 차단기의 진공 인터럽터
AT518664B1 (de) 2016-04-22 2017-12-15 Trench Austria Gmbh HGÜ-Luftdrosselspule und Verfahren zur Herstellung
DE102017221783A1 (de) * 2017-12-04 2019-06-06 Siemens Aktiengesellschaft Anordnung und Verfahren zum Schalten hoher Spannungen mit einer Schalteinrichtung und genau einem Widerstandsstapel
KR102523707B1 (ko) * 2018-05-16 2023-04-19 엘에스일렉트릭(주) 차단기의 극 부품 조립체
CN110070968B (zh) * 2019-03-20 2021-11-23 天津大学 一种耐直流闪络的非线性电导涂层绝缘子制备方法
DE102019211345A1 (de) * 2019-07-30 2021-02-04 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Unterbrechereinheit mit einer Vakuumröhre und einem Isoliergehäuse
US11688578B2 (en) * 2020-11-11 2023-06-27 Moxtek, Inc. Interruption-ring in an X-ray tube
EP4016576A1 (de) 2020-12-15 2022-06-22 Siemens Aktiengesellschaft Elektrische schaltvorrichtung für mittel- und/oder hochspannungsanwendungen
DE102021201781A1 (de) 2021-02-25 2022-08-25 Siemens Aktiengesellschaft Elektrische Schaltvorrichtung für Mittel- und/oder Hochspannungsanwendungen
DE102021207963A1 (de) 2021-07-23 2023-01-26 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Vakuumschaltröhre zum Schalten von Spannungen
US11862419B2 (en) * 2021-11-15 2024-01-02 Eaton Intelligent Power Limited Toroidal encapsulation for high voltage vacuum interrupters
DE102022207491A1 (de) * 2022-07-21 2024-02-01 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Vakuumschaltröhre zum Schalten von Spannungen und Verfahren zum Sammeln von Partikeln in der Vakuumschaltröhre

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4002867A (en) * 1972-11-01 1977-01-11 Westinghouse Electric Corporation Vacuum-type circuit interrupters with condensing shield at a fixed potential relative to the contacts
DE19839285C1 (de) * 1998-08-28 2000-04-27 Siemens Ag Glimmschutzband
FR2821479A1 (fr) * 2001-02-28 2002-08-30 Alstom Materiau isolant pour surmoulage sur appareils moyenne et haute tension, et appareils electriques moyenne et haute tension utilisant un tel materiau
JP2004265801A (ja) * 2003-03-04 2004-09-24 Japan Ae Power Systems Corp 真空バルブ
DE102010052889A1 (de) * 2010-12-01 2012-06-06 Merck Patent Gmbh Teilleitfähige dielektrische Beschichtungen und Gegenstände
FR2971884A1 (fr) * 2011-02-17 2012-08-24 Alstom Grid Sas Chambre de coupure d'un courant electrique pour disjoncteur a haute ou moyenne tension et disjoncteur comprenant une telle chambre

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3590184A (en) * 1968-12-09 1971-06-29 Allis Chalmers Mfg Co High-voltage outdoor vaccum switch with conductive coating serving as electrostatic shield means and end cap-mounting means
DE3840825A1 (de) * 1988-12-03 1990-06-07 Calor Emag Elektrizitaets Ag Kontaktanordnung fuer vakuumschalter
US5808258A (en) * 1995-12-26 1998-09-15 Amerace Corporation Encapsulated high voltage vacuum switches
US6130394A (en) * 1996-08-26 2000-10-10 Elektrotechnische Weke Fritz Driescher & Sohne GmbH Hermetically sealed vacuum load interrupter switch with flashover features
DE19958646C2 (de) * 1999-12-06 2001-12-06 Abb T & D Tech Ltd Hybridleistungsschalter
JP2001286045A (ja) * 2000-03-30 2001-10-12 Toshiba Corp 電気機器
DE10029763B4 (de) * 2000-06-16 2009-01-15 Siemens Ag Vakuumschaltröhre
WO2002097839A1 (de) * 2001-05-30 2002-12-05 Abb Patent Gmbh Steuerung mindestens einer vakuumschaltstrecke
US20040242034A1 (en) * 2003-05-30 2004-12-02 Hubbell Incorporated Electrical assembly and dielectric material
JP4403782B2 (ja) * 2003-11-17 2010-01-27 株式会社日立製作所 真空スイッチギヤ
SG193213A1 (en) * 2008-08-18 2013-09-30 Semblant Ltd Halo-hydrocarbon polymer coating
DE102014213944A1 (de) 2014-07-17 2016-01-21 Siemens Aktiengesellschaft Elektrische Schaltvorrichtung für Mittel- und/oder Hochspannungsanwendungen

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4002867A (en) * 1972-11-01 1977-01-11 Westinghouse Electric Corporation Vacuum-type circuit interrupters with condensing shield at a fixed potential relative to the contacts
DE19839285C1 (de) * 1998-08-28 2000-04-27 Siemens Ag Glimmschutzband
FR2821479A1 (fr) * 2001-02-28 2002-08-30 Alstom Materiau isolant pour surmoulage sur appareils moyenne et haute tension, et appareils electriques moyenne et haute tension utilisant un tel materiau
JP2004265801A (ja) * 2003-03-04 2004-09-24 Japan Ae Power Systems Corp 真空バルブ
DE102010052889A1 (de) * 2010-12-01 2012-06-06 Merck Patent Gmbh Teilleitfähige dielektrische Beschichtungen und Gegenstände
FR2971884A1 (fr) * 2011-02-17 2012-08-24 Alstom Grid Sas Chambre de coupure d'un courant electrique pour disjoncteur a haute ou moyenne tension et disjoncteur comprenant une telle chambre

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10102989B2 (en) 2014-07-17 2018-10-16 Siemens Aktiengesellschaft Electric switching device for medium and/or high-voltage uses
WO2017012740A1 (de) * 2015-07-21 2017-01-26 Siemens Aktiengesellschaft Energietechnische komponente, insbesondere vakuumschaltröhre

Also Published As

Publication number Publication date
EP3146551B1 (de) 2020-06-24
ES2819508T3 (es) 2021-04-16
US20170213675A1 (en) 2017-07-27
CN106537545B (zh) 2019-08-16
CN106537545A (zh) 2017-03-22
EP3146551A1 (de) 2017-03-29
US10102989B2 (en) 2018-10-16
DE102014213944A1 (de) 2016-01-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3146551B1 (de) Elektrische schaltvorrichtung für mittel- und/oder hochspannungsanwendungen
EP1577904B1 (de) Hochspannungsdurchführung mit Feldsteuermaterial
EP2243145B1 (de) Feldgesteuerter verbundisolator
EP3807920A1 (de) Vakuumschaltröhre und hochspannungsschaltanordnung
DE102017214805A1 (de) Strombegrenzung mit einem Vakuumschalter
DE2459270C2 (de) Vakuumunterbrecher
EP3472847A1 (de) Isolatoranordnung für eine hoch- oder mittelspannungsschaltanlage
DE1933438C3 (de) Triggerbares Hochvakuum-Schaltgerät
WO2017012740A1 (de) Energietechnische komponente, insbesondere vakuumschaltröhre
EP3688774B1 (de) Isolationssystem, isolationsstoff und isolationsmaterial zur herstellung des isolationssystems
WO2013152948A1 (de) Überspannungsableiter
EP4244879A1 (de) Elektrische schaltvorrichtung für mittel- und/oder hochspannungsanwendungen
WO2022179834A1 (de) Elektrische schaltvorrichtung für mittel- und/oder hochspannungsanwendungen
DE4125097C2 (de) Kontaktanordnung für einen Vakuum-Leistungsschalter
EP2991084B1 (de) Überspannungsableiter
DE102011006013B3 (de) Vakuumschaltröhre und Schalterpol
WO2017167501A1 (de) Hochspannungsbauteil und vorrichtung mit einem hochspannungsbauteil
WO2023147967A1 (de) Steuerbare vakuumschaltröhre und anordnung sowie verfahren zum absteuern von vakuumschaltröhren
DE102016214755A1 (de) Keramikisolator für Vakuumschaltröhren
WO1986005921A1 (en) X-ray tube with a cylindrical metal component enclosing the anode and cathode
DE102021207962A1 (de) Vakuumschaltröhre und Anordnung mit Vakuumschaltröhren sowie Verfahren zum Absteuern von Vakuumschaltröhren
DE2357418A1 (de) Elektrische hochspannungseinrichtung

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 15733457

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

REEP Request for entry into the european phase

Ref document number: 2015733457

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2015733457

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 15326692

Country of ref document: US