WO2019233914A1 - Gasisolierte schaltanlage - Google Patents

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WO2019233914A1
WO2019233914A1 PCT/EP2019/064262 EP2019064262W WO2019233914A1 WO 2019233914 A1 WO2019233914 A1 WO 2019233914A1 EP 2019064262 W EP2019064262 W EP 2019064262W WO 2019233914 A1 WO2019233914 A1 WO 2019233914A1
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WO
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gas
insulated switchgear
insulating medium
switchgear according
fluoronitrile
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PCT/EP2019/064262
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Glaue
Thomas Hammer
Florian Kessler
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/12—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage
    • H01H1/36—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage by sliding
    • H01H1/38—Plug-and-socket contacts
    • H01H1/385—Contact arrangements for high voltage gas blast circuit breakers
    • 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
    • H01H33/04—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H33/22—Selection of fluids for arc-extinguishing
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    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/53—Cases; Reservoirs, tanks, piping or valves, for arc-extinguishing fluid; Accessories therefor, e.g. safety arrangements, pressure relief devices
    • H01H33/56—Gas reservoirs
    • H01H2033/566—Avoiding the use of SF6

Definitions

  • the invention relates to a gas-insulated switchgear according to the preamble of patent claim 1.
  • SF 6 gas-insulated switchgear sulfur hexafluoride
  • SF 6 has very good extinguishing properties and very good insulating properties, but it has a very high propellant house potential.
  • the greenhouse potential of the SF 6 is about 23,000 times greater than the global warming potential of carbon dioxide.
  • various insulating media are being investigated as an alternative to sulfur hexafluoride.
  • the group of fluoroketones and the group of fluoronitriles are investigated here.
  • the fluoroketone has been used to meet insulating properties with a low global warming potential
  • the fluoronitrile must be mixed because of its boiling point with a low-boiling carrier gas and is not sufficient as a gas mixture with its dielectric strength to the conventional sulfur hexafluoride zoom.
  • the dielectric coating of electrical conductors has been proposed in combination with fluoronitrile mixtures (WO 2014037566 A1).
  • dilution with a carbon dioxide-oxygen mixture has been proposed in the use of heptafluoro-isobutyrarbonitrile in order to increase the dielectric strength over dilution with pure carbon dioxide
  • the object of the invention is to provide a gas-insulated switchgear with an insulating medium ge compared to the conventional sulfur hexafluoride has a significantly lower global warming potential, the fluoronitrile keeps ent, but compared to the known prior art has a better long-term resistance in use in the gas-insulated switchgear.
  • the gas-insulated switchgear according to the invention according to claim 1 has a housing that summarizes an insulating chamber, in the electrical current leading components are arranged. Furthermore, an insulating medium is present in the insulating chamber, which acts as an electrical insulator and / or for dissolving tion of an arc is used.
  • the insulating medium comprises a fluoronitrile and another oxidizing carrier gas, such as oxygen.
  • the invention is distinguished by the fact that at least below parts of the surface of the current-carrying components there are regions that are doped with foreign atoms.
  • insulating media which comprise a fluoronitrile and an oxidizing carrier gas
  • these are oxides on the surface of the conductive components, which in turn undergo a reaction with the fluorine nitrile.
  • the constituent fluoride nitrile is decomposed from the insulating medium and the Isolierme medium gradually ver poorly insulating ver acting fluoronitrile.
  • the electrically insulating effect and the extinguishing effect of the insulating medium are increasingly deteriorated by the described aging process.
  • gas-insulated switchgear is understood to mean all electrical switchgear having an insulating medium. In particular, it means medium voltage switchgear and high voltage switchgear. Under current-carrying components are the components in the switchgear understood, which serve to guide electrical power, these are in particular the contacts and the electrical leads.
  • the impurities that form in areas below the surface of the live components do- can exist in elemental, atomic and ionic form. Also impurity ions, which are integrated into a lattice structure of the material of the components, are referred to here as atoms. It is expedient only to dope parts of the surfaces and the underlying areas of the components to be doped with foreign atoms. These are in particular these parts of the surfaces which are exposed to the strongest, in particular thermal loads.
  • the thickness of the regions doped with impurities which may also be referred to as the layer thickness, is at least 5 nm. Particularly preferably, the regions have a thickness of at least 20 nm.
  • the defined thickness ensures that it is not a question of pure surface effects, and even when the surface is removed to a certain depth, it is ensured that the desired effect of avoiding oxide formation is achieved.
  • Suitable foreign atoms are in particular non-metallic foreign atoms, in particular nitrogen or boron.
  • the incorporation of these substances into the usually metallic lattice of the component material which in turn preferably comprises copper, silver,
  • Including gold or alloys thereof has proven to be particularly effective for preventing an oxide layer on the surface of the components.
  • the oxidizing carrier gas of the insulating medium comprises oxygen.
  • the insulating medium would comprise a fluoronitrile, in particular heptafluoroisobutyronitrile and oxygen.
  • the insulating medium may also contain nitrogen, carbon dioxide or a noble gas such as argon.
  • nitrogen is exemplified without excluding other carrier gases.
  • a mixture of said nitrile, oxygen and nitrogen has a high dielectric strength, the oxygen serving in particular lenstoffablagerened that arise when using the insulating medium with the fluoronitrile as quenching gas for arcs to prevent.
  • the oxygen reacts with the carbon of the soot deposition to carbon monoxide or carbon dioxide, which in turn also provides a positive contribution to the Isolierei properties of the insulating medium.
  • concentration of oxygen in the gas mixture of the insulating medium is a multiple n of the fluorine nitrile concentration, where 1 ⁇ n ⁇ 5.
  • the insulating medium additionally or instead of the nitrogen contains carbon dioxide, in which case it is then again expedient that the concentration of the oxygen in the insulating medium is a multiple m of the concentration of fluoronitrile, where 0.5 ⁇ m ⁇ 4.
  • Figure 1 is a schematic representation of a cross section through a gas-insulated switchgear
  • Figure 2 is a schematic, enlarged cross-section through a surface and the underlying region of current-carrying components of the switchgear.
  • a gas-insulated switchgear 1 which is constructed in the form of a Diskschalters, and whose function is not explained in detail at this point. It will be discussed only essential components of the gas-insulated switchgear 1, this would first be called a housing 2, which includes an insulating chamber 6. In the insulating chamber 6, which is designed geometrically complex, an insulating medium 8 is present. Furthermore, the switchgear 1 has two contacts 3, 4, a fixed contact 3 and a moving contact 4 which together form a contact system.
  • the fixed contact 3 is designed in the form of a dome, the wegtern in the loading 4 in the form of a tulip contact can be inserted.
  • the tulip contact also has inner and outer radial contact areas, but the contact system is designed in such a way that between the mandrel-shaped contact (fixed contact 3) and the tulip contact (moving contact 4) when opening and closing the contact system, an arc 10 is ent ,
  • the insulating medium 8 serves on the one hand to an insulation between the housing 2 and the contacts 3, 4 environmentallyzustel sources, on the other hand, the insulating medium 8 is also there to extinguish the arc 10.
  • the insulating medium 8 in this case has a proportion of a Fluornit riles, in this particular case of heptafluoro-iso-butyronitrile (CF) CF-CN, which is between 1 volume percent and 20 percent by volume. Further, the insulating medium 8 in this example, a nitrogen content which is between 10% by volume and 80% by volume and a Oxygen content, which is between 1 volume percent and 20 Volu menprozent.
  • the ratio of oxygen to fluorine nitrile is a multiple n, where n is preferably in about 1 ⁇ n ⁇ 4. In an advantageous mixture, in addition to about 5% by volume of the nitrile, about 20% by volume of oxygen and about 75% of nitrogen are present.
  • the contacts 3 and 4 are usually made of copper, silver or copper / silver alloys. Occasionally, silver or gold-plated copper materials are also used as contact materials as current-conducting components.
  • surfaces 12 of the contacts 3, 4 but also of power supply components 16, in particular the surfaces 12, which are exposed in use of a relatively high thermal load of more than 70 ° C, are doped close to the surface with non-metallic impurities.
  • an implantation method in particular ion implantation is used.
  • said Oberflä surface 12 is bombarded in a special device for ion implantation with corresponding non-metallic impurities, insbesonde re nitrogen or boron.
  • the ions of nitrogen or boron penetrate to a certain depth of penetration into a region 22 below the surface 12 in the material. This is illustrated schematically in FIG.
  • the penetration depth can be determined during ion implantation by certain parameters, in particular by the kinetic energy of an individual ions. Also, the penetration profile and the resulting concentration along the penetration depth can be well controlled by the process parameters.
  • the region 22 is doped with foreign atoms 18 under the surface 12 in such a way that the doping occurs to a depth 20 below the surface 12 of 5 nm.
  • the depth 20 of the doping is preferably at least 20 nm in size. This doping with foreign atoms in the near-surface region causes oxide formation on the surface 12 in the areas in which doping is present or at least prevented is greatly reduced. This oxide formation is caused by the presence of the oxygen in the insulating medium 8 in the insulation medium described be.
  • the fluoronitrile which is part of the insulating medium 8
  • the depth 20 below the surface 12, which is doped with foreign atoms 18, should be at least 5 nm, preferably at least 20 nm. Furthermore, this depth 20 should not be more than 1 gm, preferably not more than 200 nm amount. A preferred range of the depth 20 below the surface 12, which is doped with foreign atoms do, is thus between 20 nm and 200 nm. A doping tion in higher depths, especially over 1 gm depth out could turn the contact properties of the contacts 3, 4 negative influence.
  • this is explicitly referred to as a region ge, since the foreign atoms 18 are preferably introduced into the bulk material of the component 3, 4, 16.
  • a layer not shown here, to the bulk material, that is, to the core material of the contacts 3, 4 or the supply components 16, which has exactly the described material structure with the embedded impurity atoms 18.
  • a Kup fer Mrs with defined embedded nitrogen atoms in example applied by a deposition method who the. Again, this would be among the diction areas 22 with Foreign atoms 18 fall below the surface 12.
  • the contacts 3 and 4 are made of copper or a copper alloy and are coated with a layer of silver or gold. Even then, it is expedient to introduce appropriate foreign atoms into the contact surface, which then just consists of the coated material.
  • the oxidation of the surface 12 is prevented without adversely affecting electrical contacts 3, 4 or leads 16 negative.
  • the contact resistance remains unchanged low, the volume conductivity is not affected by surface treatments in the range of less than 1 pm. With corresponding coating parameters, even the long-term behavior of the electrical contacts can be improved with the doping mentioned.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine gasisolierte Schaltanlage (1) mit einem Gehäuse (2), das eine Isolierkammer (6) umfasst und mit darin angeordneten stromführenden Komponenten (3, 4, 16) und einem in der Isolierkammer (6) vorliegenden gasförmigen Isoliermedium (8), das elektrisch isolierend wirkt und/oder zur Löschung eines Lichtbogens (10) dient, wobei das Isoliermedium (8) ein Fluornitril und ein oxidierend wirkendes Trägergas umfasst. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest unterhalb von Teilen der Oberfläche (12) der stromführenden Komponenten (3, 4, 16) Bereiche (22) vorliegen, die mit nichtmetallischen Fremdatomen dotiert sind.

Description

Beschreibung
Gasisolierte Schaltanlage
Die Erfindung betrifft eine gasisolierte Schaltanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In gasisolierten Schaltanlagen wird bisher Schwefelhexafluo rid (SF6) als Isoliergas und als Lichtbogenlöschgas einge setzt. SF6 hat sehr gute Löscheigenschaften und sehr gute Isoliereigenschaften, wobei es jedoch ein sehr hohes Treib hauspotential aufweist. Das Treibhauspotential des SF6 ist in etwa 23.000 Mal so groß wie das Treibhauspotential des Koh lendioxids. Aus diesem Grund werden verschiedene Isoliermedi en als Alternative für Schwefelhexafluorid untersucht. Hier bei werden unter anderem insbesondere die Gruppe der Fluorke tone und die Gruppe der Fluornitrile untersucht.
Insbesondere wurden zur Erfüllung der Isoliereigenschaften bei einem niedrigen Treibhauspotential das Fluorketon
Heptafluor-3- (trifluormethyl) butan-2-one (CF3) 2CFC (=0) CF3 und das Fluornitril Heptafluor-iso-butyronitril (CF ) CF-CN vor geschlagen, die als Reinsubstanzen extrem hohe dielektrische Festigkeiten bei niedriger Toxizität aufweisen. Während das Fluornitril dabei aber gleichzeitig noch einen akzeptablen Siedepunkt hat, liegt beim Fluorketon der Siedepunkt so hoch, dass es für viele gasisolierte Schalteranwendungen, insbeson dere bei Hochspannung, nur noch als stark verdünntes Gemisch mit niedriger dielektrischer Festigkeit eingesetzt werden könnte .
Auch das Fluornitril muss aufgrund seines Siedepunktes mit einem niedrigsiedenden Trägergas gemischt werden und reicht als Gasmischung mit seiner dielektrischen Festigkeit nicht an das herkömmliche Schwefelhexafluorid heran. Als Maßnahme zur Erhöhung der dielektrischen Festigkeit wurde in Kombination mit Fluornitrilgemischen die dielektrische Beschichtung von elektrischen Leitern vorgeschlagen (WO 2014037566 Al). Weiterhin wurde bei der Verwendung des Heptafluor-iso- butyronitril zur Erhöhung der dielektrischen Festigkeit ge genüber Verdünnung mit reinem Kohlendioxid die Verdünnung mit einem Kohlendioxid-Sauerstoff-Gemisch vorgeschlagen
(WO 2015040069 Al) .
Generell kommen die genannten Alternativgase aufgrund ihres hohen Siedepunktes nur in Verdünnung mit einem niedrigsieden den und einer niedrigen Elektronenaffinität aufweisendem Gas, wie Stickstoff, zum Einsatz. Die Verdünnung von Fluornitril mit Stickstoff führt jedoch in ungünstiger Weise zu deutli cher Bildung fester Kohlestoffablagerungen nach Belastung des Gasgemisches mit Lichtbögen. Da diese Beläge die dielektri sche Festigkeit von Isolatoroberflächen reduzieren, sind sie unerwünscht. Das wiederrum könnte durch weitere Zugabe von Sauerstoff vermieden werden. Dies führt jedoch in überra schender Weise zu einer schnellen Alterung des Gasgemisches unter realen Betriebsbedingungen, die sich durch Verlust des Fluornitrils und damit durch nachlassende dielektrische Fes tigkeit bemerkbar macht.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine gasisolierte Schaltanlage mit einem Isoliermedium bereitzustellen, das ge genüber dem herkömmlichen Schwefelhexafluorid ein deutlich geringeres Treibhauspotential aufweist, das Fluornitrile ent hält, aber gegenüber dem bekannten Stand der Technik eine bessere Langzeitbeständigkeit im Einsatz in der gasisolierten Schaltanlage aufweist.
Die Lösung der Aufgabe besteht in einer gasisolierten Schalt anlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Die erfindungsgemäße gasisolierte Schaltanlage gemäß Patent anspruch 1 weist ein Gehäuse auf, das eine Isolierkammer um fasst, in der elektrischen Strom führende Komponenten ange ordnet sind. Ferner liegt in der Isolierkammer ein Isolierme dium vor, das elektrisch isolierend wirkt und/oder zur Lö- schung eines Lichtbogens dient. Das Isoliermedium umfasst ein Fluornitril und ein weiteres oxidierend wirkendes Trägergas, wie zum Beispiel Sauerstoff. Die Erfindung zeichnet sich da durch aus, dass zumindest unterhalb von Teilen der Oberfläche der stromführenden Komponenten Bereiche vorliegen, die mit Fremdatomen dotiert sind.
Der Vorteil gegenüber dem Stand der Technik besteht darin, dass sich bei Isoliermedien gemäß des Standes der Technik, die ein Fluornitril und ein oxidierend wirkendes Trägergas umfassen, sich auf den Oberflächen der stromführenden Kompo nenten Verbindungen zwischen dem Material der Komponente (in der Regel Kupfer oder Silber) und dem oxidierend wirkenden Trägergases (in der Regel Sauerstoff) bilden. Es handelt sich dabei also in der Regel um Oxide auf der Oberfläche der lei tenden Komponenten, die wiederum eine Reaktion mit dem Fluor nitril eingehen. Dies führt dazu, dass der Bestandteil Fluor nitril aus dem Isoliermedium zersetzt wird und das Isolierme dium nach und nach an isolierend wirkendem Fluornitril ver armt. Somit werden die elektrisch isolierende Wirkung und die Löschwirkung des Isoliermediums durch den beschriebenen Alte rungsprozess zunehmend verschlechtert. Es hat sich herausge stellt, dass die Dotierung der Oberflächen der stromführenden Komponenten mit einem Fremdatom die Oxidbildung an der Ober fläche unterbindet beziehungsweise so stark reduziert, dass eine Reaktion mit Nitrilgruppen an der Oberfläche der Kompo nenten nachhaltig reduziert wird und somit die Alterungsei genschaften des Isoliermediums deutlich verbessert sind.
Unter dem Begriff gasisolierte Schaltanlage werden alle elektrischen Schaltanlagen verstanden, die ein Isoliermedium aufweisen. Insbesondere werden darunter Mittelspannungs schaltanlagen und Hochspannungsschaltanlagen verstanden. Un ter stromführenden Komponenten werden die Komponenten in der Schaltanlage verstanden, die zur Führung von elektrischem Strom dienen, dies sind insbesondere die Kontakte und die elektrischen Zuleitungen. Die Fremdatome, die in Bereichen unterhalb der Oberfläche der stromführenden Komponenten do- tiert sind, können sowohl in elementarer, also atomarer Form und in ionischer Form vorliegen. Auch Fremdatomionen, die in eine Gitterstruktur des Materials der Komponenten eingebunden sind, werden hier als Atome bezeichnet. Dabei ist es zweckmä ßig nur Teile der Oberflächen und die darunter liegenden Be reiche der Komponenten mit Fremdatomen zu dotieren. Dies sind insbesondere diese Teile der Oberflächen, die den stärksten, insbesondere thermischen Belastungen ausgesetzt sind.
Die Dicke der Bereiche, die mit Fremdatomen dotiert sind, die man auch als Schichtdicke bezeichnen kann, weist mindestens 5 nm auf. Besonders bevorzugt weisen die Bereiche eine Dicke von mindestens 20 nm auf. Durch die definierte Dicke wird si chergestellt, dass es sich nicht um reine Oberflächeneffekte handelt, und auch bei Abtrag der Oberfläche bis zu einer be stimmten Tiefe gewährleistet ist, dass die gewünschte Wirkung zur Vermeidung von einer Oxidbildung erzielt wird.
Als Fremdatome eignen sich insbesondere nichtmetallischen Fremdatome, insbesondere Stickstoff oder Bor. Die Einlagerung dieser Stoffe in das in der Regel metallische Gitter des Kom ponentenmaterials, das wiederum bevorzugt Kupfer, Silber,
Gold oder Legierungen hieraus umfasst, hat sich als besonders wirksam zur Verhinderung einer Oxidschicht an der Oberfläche der Komponenten erwiesen.
Ferner hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, dass das oxidierend wirkende Trägergas des Isoliermediums Sauerstoff umfasst. Somit würde das Isoliermedium neben möglichen ande ren Komponenten ein Fluornitril, insbesondere das Heptafluor- iso-butyronitril und Sauerstoff umfassen. Als zusätzlichen Bestandteil und weiteres Trägergas kann das Isoliermedium auch noch Stickstoff, Kohlendioxid oder ein Edelgas wie z.B. Argon enthalten. Im Folgenden wird als weiteres Trägergas exemplarisch Stickstoff genannt, ohne andere Trägergase damit auszuschließen. Eine Mischung aus dem genannten Nitril, Sau erstoff und Stickstoff weist eine hohe dielektrische Festig keit auf, wobei der Sauerstoff insbesondere dazu dient, Koh- lenstoffablagerungen, die bei Verwendung des Isoliermediums mit dem Fluornitril als Löschgas für Lichtbögen entstehen, zu verhindern. Dabei reagiert der Sauerstoff mit dem Kohlenstoff der Rußablagerung zu Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid, was wiederum ebenfalls einen positiven Beitrag zu den Isolierei genschaften des Isoliermediums liefert. Bei der genannten Kombination von Fluornitril, Stickstoff und Sauerstoff als Bestandteile des Isoliermediums hat sich herausgestellt, dass es zweckmäßig ist, wenn die Konzentration des Sauerstoffes in dem Gasgemisch des Isoliermediums ein Vielfaches n der Fluor nitrilkonzentration ist, wobei 1 < n < 5 sein sollte.
Ferner ist es zweckmäßig, wenn das Isoliermedium zusätzlich oder anstatt des Stickstoffes Kohlendioxid enthält, wobei es dann wiederum zweckmäßig ist, dass die Konzentration des Sau erstoffes im Isoliermedium ein Vielfaches m der Konzentration des Fluornitrils beträgt, wobei 0,5 < m < 4 ist.
Ferner hat sich herausgestellt, dass es zweckmäßig ist, be sonders die Oberflächenbereiche beziehungsweise die Bereiche unterhalb dieser Oberflächen mit Fremdatomen zu dotieren, die in einem Betriebszustand der Schaltanlage zumindest zeitweise Oberflächentemperaturen aufweisen kann, die über 70 °C betra gen. Das heißt insbesondere bei Oberflächenbereichen, die im Betriebszustand, beispielsweise bei Schaltvorgängen gegenüber anderen Bereichen in der gasisolierten Schaltanlage ver gleichsweise heiß werden, ist die Dotierung mit Fremdatomen zweckmäßig. Denn gerade an diesen Oberflächen erfolgt auf grund der erhöhten Temperatur eher eine Oxidbildung, was wie derum zu einer Zersetzung der Nitrile des Isoliermediums führt .
Weitere Ausgestaltungsformen und weitere Merkmale der Erfin dung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Da bei handelt es sich um rein exemplarische Ausgestaltungsfor men, die keine Einschränkung des Schutzbereiches darstellen.
Dabei zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung eines Querschnittes durch eine gasisolierte Schaltanlage und
Figur 2 ein schematischer, vergrößerter Querschnitt durch eine Oberfläche und den darunter liegenden Bereich von stromführenden Komponenten der Schaltanlage.
In Figur 1 ist eine gasisolierte Schaltanlage 1 gezeigt, die in Form eines Selbstblasschalters aufgebaut ist, und deren Funktion an dieser Stelle nicht näher erläutert werden soll. Es soll lediglich auf wesentliche Bauteile der gasisolierten Schaltanlage 1 eingegangen werden, hierbei wäre zunächst ein Gehäuse 2 zu nennen, das eine Isolierkammer 6 umfasst. In der Isolierkammer 6, die geometrisch komplex gestaltet ist, liegt ein Isoliermedium 8 vor. Ferner weist die Schaltanlage 1 zwei Kontakte 3, 4 auf, einen Festkontakt 3 und einen Bewegkontakt 4 die zusammen ein Kontaktsystem bilden. Der Festkontakt 3 ist dabei in Form eines Domes ausgestaltet, der in den Be wegkontakt 4 in Form eines Tulpenkontaktes einführbar ist.
Der Tulpenkontakt weist aber auch innere und äußere radiale Kontaktbereiche auf, wobei jedoch das Kontaktsystem in derart gestaltet ist, dass zwischen dem dornförmigen Kontakt (Fest kontakt 3) und dem Tulpenkontakt (Bewegkontakt 4) beim Öffnen und beim Schließen des Kontaktsystemes ein Lichtbogen 10 ent steht .
Das Isoliermedium 8 dient einerseits dazu, eine Isolierung zwischen dem Gehäuse 2 und den Kontakten 3, 4 bereitzustel len, auf der anderen Seite dient das Isoliermedium 8 auch da zu, den Lichtbogen 10 zu löschen.
Das Isoliermedium 8 weist dabei einen Anteil eines Fluornit riles, in diesem konkreten Fall des Heptafluor-iso- butyronitril (CF ) CF-CN auf, der zwischen 1 Volumenprozent und 20 Volumenprozent besteht. Ferner weist das Isoliermedium 8 in diesem Beispiel einen Stickstoffanteil auf, der zwi schen 10 Volumenprozent und 80 Volumenprozent liegt und einen Sauerstoffanteil , der zwischen 1 Volumenprozent und 20 Volu menprozent liegt. Das Verhältnis des Sauerstoffs zum Fluor nitril beträgt dabei ein Vielfaches n, wobei für n bevorzugt in etwa 1 < n < 4 gilt. In einer vorteilhaften Mischung lie gen neben ca. 5 Vol. % des Nitrils ca. 20 Vol. % Sauerstoff und ca. 75 Stickstoff vor.
Die Kontakte 3 und 4 bestehen in der Regel aus Kupfer, aus Silber oder aus Kupfer-/Silberlegierungen . Gelegentlich kom men auch versilberte oder vergoldete Kupfermaterialien als Kontaktmaterialien also als stromleitende Komponenten zum Einsatz .
Nun ist vorgesehen, dass Oberflächen 12 der Kontakte 3, 4 aber auch von Stromzuleitungskomponenten 16, insbesondere die Oberflächen 12, die im Einsatz einer relativ hohen thermi schen Belastung von mehr als 70 °C ausgesetzt sind, mit nichtmetallischen Fremdatomen oberflächennah dotiert sind. Hierzu wird bevorzugt eine Implantationsmethode, insbesondere Ionenimplantation angewandt. Dabei wird die genannte Oberflä che 12 in einer speziellen Vorrichtung zur Ionenimplantation mit entsprechenden nichtmetallischen Fremdatomen, insbesonde re Stickstoff oder Bor beschossen. Die Ionen des Stickstoffs oder Bor dringen dabei bis zu einer bestimmten Eindringtiefe in einen Bereich 22 unter der Oberfläche 12 in das Material ein. Dies ist in Figur 2 schematisch veranschaulicht. Die Eindringtiefe kann bei der Ionenimplantation durch bestimmte Parameter, insbesondere durch die Bewegungsenergie der ein zelnen Ionen bestimmt werden. Auch das Eindringprofil und die daraus resultierende Konzentration entlang der Eindringtiefe kann durch die Prozessparameter gut gesteuert werden. Dabei wird der Bereich 22 mit Fremdatomen 18 unter der Oberfläche 12 in derart dotiert, dass die Dotierung bis zu einer Tiefe 20 unter der Oberfläche 12 von 5 nm auftritt. Bevorzugt ist die Tiefe 20 der Dotierung mindestens 20 nm groß. Diese Do tierung mit Fremdatomen im oberflächennahen Bereich bewirkt, dass eine Oxidbildung auf der Oberfläche 12 in den Bereichen, in denen eine Dotierung vorliegt, unterbunden oder zumindest stark reduziert wird. Diese Oxidbildung wird bei dem be schriebenen Isoliermedium durch die Anwesenheit des Sauer stoffes im Isoliermedium 8 hervorgerufen. Im Weiteren würde das Fluornitril, das Bestandteil des Isoliermediums 8 ist, mit dem Kupferoxid an der Oberfläche 12 Kupferkomplexe bil den, und es würde dabei zersetzt werden. Dies tritt insbeson dere an den Teilen bzw. Stellen der Oberfläche 12 auf, die beim Betrieb besonders hoher thermischer Belastung ausgesetzt sind. Daher ist es zweckmäßig, dass die beschriebene Dotie rung der Oberflächen 12 mit Fremdatomen 18 lediglich dort an gewandt wird, wo dies auch nötig ist, also genau an den Tei len, die eben diese kritischen Temperaturen, bevorzugt über 70 °C während des Betriebs erreichen.
Es wird bereits beschrieben, dass die Tiefe 20 unter der Oberfläche 12, die mit Fremdatomen 18 dotiert ist, mindestens 5 nm betragen soll, bevorzugt mindestens 20 nm. Im Weiteren sollte diese Tiefe 20 auch nicht mehr als 1 gm, bevorzugt nicht mehr als 200 nm betragen. Ein bevorzugter Bereich der Tiefe 20 unterhalb der Oberfläche 12, der mit Fremdatomen do tiert ist, liegt also zwischen 20 nm und 200 nm. Eine Dotie rung in höhere Tiefen, insbesondere über 1 gm Tiefe hinaus könnte wiederum die Kontakteigenschaften der Kontakte 3, 4 negativ beeinflussen.
Im Zusammenhang mit dem funktionalwirkenden Bereich 22 unter der Oberfläche 12 wird hierbei explizit von einem Bereich ge sprochen, da die Fremdatome 18 bevorzugt in das Bulkmaterial der Komponente 3, 4, 16 eingebracht werden. Grundsätzlich ist es allerdings auch möglich, auf das Bulkmaterial, also auf das Kernmaterial der Kontakte 3, 4 beziehungsweise der Zulei tungskomponenten 16 gezielt eine hier nicht dargestellte Schicht aufzubringen, die genau die beschriebene Material struktur mit den eingelagerten Fremdatomen 18 aufweist. Hier zu würde beispielsweise auf einen Kupferkontakt 3 eine Kup ferschicht mit definiert eingelagerten Stickstoffatomen bei spielsweise durch ein Abscheidungsverfahren aufgebracht wer den. Auch dies würde dann unter die Diktion Bereiche 22 mit Fremdatomen 18 unterhalb der Oberfläche 12 fallen. Das glei che gilt, wenn die Kontakte 3 und 4 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen und mit einer Schicht aus Silber oder Gold beschichtet werden. Auch dann ist es zweckmäßig, entsprechende Fremdatome in die Kontaktoberfläche, die dann eben aus dem beschichteten Material besteht, einzubringen.
Durch die Dotierung der Bereiche 22 unter der Oberfläche 12 mit nichtmetallischen Fremdatomen wird die Oxidation der Oberfläche 12 verhindert, ohne elektrische Kontakte 3, 4 oder Zuleitungen 16 negativ zu beeinträchtigen. Der Kontaktwider stand bleibt unverändert niedrig, die Volumenleitfähigkeit wird durch Oberflächenbehandlungen im Bereich von weniger als 1 pm nicht beeinträchtig. Bei entsprechenden Beschichtungspa- rametern kann mit der genannten Dotierung sogar das Langzeit verhalten der elektrischen Kontakte verbessert werden.
Bezugszeichenliste
1 Gasisolierte Schaltanlage
2 Gehäuse
3 Festkontakt
4 Bewegkontakt
6 Isolierkammer
8 Isoliermedium
10 Lichtbogen
12 Oberflächenkomponenten 14 Antrieb
16 Stromzuleitungskomponente 18 Fremdatome
20 Tiefe Bereich
22 Bereich, dotiert

Claims

Patentansprüche
1. Gasisolierte Schaltanlage (1) mit einem Gehäuse (2), das eine Isolierkammer (6) umfasst und mit darin angeordneten stromführenden Komponenten (3, 4, 16) und einem in der Iso lierkammer (6) vorliegenden gasförmigen Isoliermedium (8), das elektrisch isolierend wirkt und/oder zur Löschung eines Lichtbogens (10) dient, wobei das Isoliermedium (8) ein Flu ornitril und ein oxidierend wirkendes Trägergas umfasst, da durch gekennzeichnet, dass zumindest unterhalb von Teilen der Oberfläche (12) der stromführenden Komponenten (3, 4, 16) Be reiche (22) vorliegen, die mit Fremdatomen dotiert sind.
2. Gasisolierte Schaltanlage nach Anspruch 1 dadurch gekenn zeichnet, dass die Bereiche (22), die mit Fremdatomen dotiert sind, eine Tiefe (20) von mindestens 5 nm aufweist.
3. Gasisolierte Schaltanlage nach Anspruch 2 dadurch gekenn zeichnet, dass die Tiefe (20) mindestens 20 nm beträgt.
4. Gasisolierte Schaltanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Fremdatome nichtmetallische Fremdatome, insbesondere Stickstoff und/oder Bor sind.
5. Gasisolierte Schaltanlage nach einem der vorhergehenden
Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die stromführenden Komponenten (3, 4, 16) Kupfer, Silber, Gold oder Legierungen hieraus umfassen.
6. Gasisolierte Schaltanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Isoliermedium (8) Sauerstoff als oxidierend wirkendes Trägergas umfasst.
7. Gasisolierte Schaltanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Isoliermedium ein Fluornitril in Form des Heptafluor-iso-butyronitril
( (CF3) 2CF-CN) umfasst.
8. Gasisolierte Schaltanlage nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Isoliermedium (8) zusätzlich Stick stoff enthält.
9. Gasisolierte Schaltanlage nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, dass die Konzentration des Sauerstoffes im Isolier medium ein Vielfaches n der Konzentration des Fluornitrils beträgt, wobei 1 < n < 6 ist.
10. Gasisolierte Schaltanlage nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Isoliermedium (8) zusätzlich Kohlen dioxid enthält.
11. Gasisolierte Schaltanlage nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, dass die Konzentration des Sauerstoffes im Iso liermedium (8) ein Vielfaches m der Konzentration des Fluor nitrils beträgt, wobei 0,5 < m < 4 ist.
12. Gasisolierte Schaltanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stromführenden Komponenten (3, 4, 16) Kontakte (3, 4) oder Stromzuleitungs komponenten (16) sind.
13. Gasisolierte Schaltanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen (12) der stromführenden Komponenten (3, 4, 16), die Bereiche auf weisen, die mit nichtmetallischen Fremdatomen dotiert sind in einem Betriebszustand der Schaltanlage zumindest zeitweise Oberflächentemperaturen aufweisen, die über 70 °C betragen.
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