WO2022129073A1 - Elektrische schaltvorrichtung für mittel- und/oder hochspannungsanwendungen - Google Patents

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WO2022129073A1
WO2022129073A1 PCT/EP2021/085728 EP2021085728W WO2022129073A1 WO 2022129073 A1 WO2022129073 A1 WO 2022129073A1 EP 2021085728 W EP2021085728 W EP 2021085728W WO 2022129073 A1 WO2022129073 A1 WO 2022129073A1
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switching device
coating
housing
ref
raktiv
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PCT/EP2021/085728
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Martin Koletzko
Steffen Lang
Igor Ritberg
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Siemens Aktiengesellschaft
Siemens Energy Global GmbH & Co. KG
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/60—Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/662—Housings or protective screens
    • H01H33/66207—Specific housing details, e.g. sealing, soldering or brazing
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    • H01H2033/6623—Details relating to the encasing or the outside layers of the vacuum switch housings

Definitions

  • the invention relates to an electrical switching device, in particular for medium and/or high voltage applications, having at least two contactable conductor elements that can be spaced apart by a movement device and a housing that defines a switching chamber and is made of one or more insulators, with parts of the switching chamber consisting of Can be made of metal, usually in the vicinity of the contact gap and two axially closing the housing, preferably metal, caps.
  • VEB vacuum circuit breakers
  • These cover a large part of medium-voltage switching applications, i.e. switching applications in the range from 1 kV to 52 kV, for example, as well as a relevant part in low-voltage systems.
  • a VCB While a VCB is closed most of the time, and therefore provides contacting of the conductor elements, its main task is the interruption of currents in AC systems under nominal conditions, i.e. in particular for switching nominal currents on and off, or preferably for interrupting currents under fault conditions , especially short circuits to interrupt and protect the systems .
  • Other applications include pure switching of load currents using contacting conductor elements, mostly used in low and medium voltage systems.
  • the vacuum interrupter (VI, also vacuum interrupter) is the core element of a VCB.
  • a vacuum interrupter usually has a pair of contacts which are formed by corresponding conductor elements, at least one of which can be moved by means of a movement device in order to be able to bring about the open and closed states of the switching device. In this case, one conductor element is usually moved axially with respect to the other fixed conductor element.
  • the contacts can be made from current-conducting bolts, in particular those made of metal, which provide both current and heat conduction and the mechanical means to hold and/or move the contacts.
  • a VI also includes a vacuum-tight housing and the movement device mentioned and can also include a metal bellows, which is connected to the housing on one side and to the moving conductor element, in particular the moving bolt, on the other side.
  • the housing is essentially formed by an insulating component, i.e. an insulator, for example a ceramic tube, which is connected to the conductor elements via connecting elements, with metal caps or the like being used, for example, to form the switching chamber, the insulating component in the axial direction to lock .
  • the switching device When the switching device is in an open state, it is necessary to isolate the rated voltage of the system as well as high amplitude surge voltages that can be triggered by a lightning strike on the system, for example.
  • the switching device changes from the closed to the open state, hence the contacts of the conductor elements are spaced, rated currents or short-circuit currents must be interrupted, which lead to the appearance of transient voltage spikes across the VI, which are significantly higher than the AC voltage ratings of the system.
  • High voltages in vacuum systems usually generate free electrons through field emission processes when the electric field strength is sufficiently high.
  • the acceleration of the electrons in the high electric fields increases the kinetic energy of these electrons, for example up to energies exceeding a few tens or even hundreds of KeV.
  • the interaction of these high-energy electrons with the housing structures results in the production of high-energy X-rays that can exit the vacuum interrupter.
  • the fault current within the vacuum interrupter is minimal and does not generate any appreciable X-ray radiation
  • circumstances can arise, for example if transient voltage peaks of high amplitude occur in which the resulting X-ray radiation generates free electrons on and/or near the outer surface of the insulator.
  • These electrons can be accelerated by the electric fields on and near the insulator surface, disturbing the electric field distribution in sensitive areas and leading to gas breakdown, leading to failure of the vacuum interrupter operation.
  • a shielding element which can also be made of metal, be provided in the contacting area of the conductor elements to intercept free metal particles of the conductor elements, but this also has an influence on the field distribution within the switching chamber, but also on the insulator.
  • the housing of the switching chamber and in particular the insulator, which is usually made of ceramic, must be able to withstand high voltages across the respective surface, even if X-rays and free electrons are present or, in some cases, even then , when the insulator is contaminated by dust particles that are electrostatically attached to the outer surface of the insulator . Since the isolator contributes significantly to the cost of a vacuum interrupter (or other switching device) and also negatively affects the cost of other structural elements of the vacuum interrupter (or other switching device), it is necessary to optimize the housing for maximum dielectric strength with minimum component size .
  • the subject matter of the present invention is an electrical switching device with at least two contactable conductor elements that can be spaced apart via a movement device and a housing that defines a switching chamber and that at least partially surrounds the conductor elements.
  • the housing of an electrical switching device shows improved dielectric strength through an insulating, ref r2011- field-controlling coating if this coating is insulating and is partially or completely applied to the outside of the housing and thus the boundary surface of the housing to the environment - z.
  • the coating preferably has a significantly higher permittivity than a conventional protective lacquer, which in turn is preferably not due to the permittivity of the matrix material, ie the binder, but to the permittivity of the fillers contained therein, which particularly preferably have a high lattice polarization.
  • a high permittivity of the polymeric and preferably organic matrix material is not advantageous due to the fear of degradation effects, because organic materials do not show lattice polarization but what is known as orientation polarization.
  • Grid polarization is the property of a material in the form of a solid crystal lattice - for example ceramic - that has ionic character, i.e. internal dipoles, and "only" reacts to the presence of an electric field by slightly shifting the individual ions within the lattice .
  • the stability of this material in the electrical field remains high, even at a relatively high switching frequency of—for example, 50 Hz—and with high field strengths present.
  • Permittivity refers to the ability of a material to polarize through electric fields. Permittivity is a material property of electrically insulating polar or non-polar compounds that only becomes apparent when these compounds are exposed to an electric field.
  • the matrix material can be selected from the group consisting of elastomers, duroplastics, thermoplastics and/or glass.
  • the various coating methods for producing the coating can be selected accordingly.
  • the matrix material is preferably applied as a paint, in particular in the form of a wet paint or powder paint.
  • Other application methods such as spraying, dipping, potting etc. are conceivable, but they are not in the foreground given the current state of research into the technology.
  • a major advantage of application as a powder paint and/or wet paint is that the refractive-controlling coating produced is free of pores. Although this type of freedom from pores is also obtained by encapsulation, the homogeneity of the coating generally suffers, particularly at the edges.
  • the matrix When applied as a wet paint, this generally includes solvents which are not present in the matrix material or are only present in small amounts after the paint has dried.
  • the matrix consists of a polymeric matrix material, for example a polymeric resin, which is present in the form of a polymeric binder.
  • a polymer or a polymeric binder is referred to as a "polymeric matrix".
  • the polymeric matrix comprises in particular a resin or a resin mixture, such as epoxy resin, silicone elastomer, siloxane resin, silicone resin, polyvinyl alcohol, polyesterimide and similar duroplastic, thermoplastic synthetic materials, as well as any combinations , copolymers , blends and mixtures of the abovementioned resins and / or plastics
  • the matrix preferably contains fillers with a high permittivity compared to air, in particular refractive-dielectrically insulating fillers, such as ceramic fillers, which are polar and/or easily polarizable in an electric field.
  • fillers with a high permittivity compared to air in particular refractive-dielectrically insulating fillers, such as ceramic fillers, which are polar and/or easily polarizable in an electric field.
  • the materials for the filler(s) are preferably selected from class 1 ceramic materials, which meet high stability requirements and whose permittivities have a low dependence on temperature and field strength. These include, for example, compounds such as selected titanates, which exhibit reproducible low temperature coefficients and low dielectric losses. Their permittivity is largely independent of the field strength, which has advantages for the application under discussion here.
  • the ceramic materials that are particularly suitable here for the filler(s) have relative permittivities Er in the range of
  • the materials come into consideration that show an almost linear temperature profile of the capacitor capacitance.
  • these are in the form of one or more ceramic(s), in particular ceramic(s) with metal nitride, metal carbide, metal boride and/or metal oxides such as titanium dioxide, aluminum oxide, ceramics comprising selected compounds of titanate, are also suitable because of their field strength-independent permittivity.
  • oxides of metal alloys in any combination with all of the above-mentioned materials are particularly suitable for fillers exhibiting largely field strength-independent permittivity.
  • a mixture of finely ground paraelectrics such as titanium dioxide with admixtures of magnesium (Mg), zinc (Zn), zirconium (Zr), niobium (Nb), tantalum (Ta), cobalt (Co) and/or or strontium ( Sr ) .
  • the usual additives such as hardeners, accelerators and/or additives may be present in the amounts conventionally recognized as advantageous.
  • Both duroplastics and thermoplastics can be applied in the form of a powder coating.
  • a hardener is present when additive polymerisation takes place.
  • An accelerator, initiator and/or catalyst is used in all cases where resin is cured.
  • the matrix material is usually applied before, during, but preferably after the manufacture of the housing.
  • the ref rept-controlling layer through Coating is produced with the matrix material, by spraying, raking, dipping, brushing and/or other methods that allow the production of a thin homogeneous—in particular as homogeneous as possible and as pore-free as possible—coating applied.
  • the application method is preferably carried out automatically.
  • the ref ractive-controlling coating is preferably a filled coating of one or more matrix materials that can be organic, for example in the form of a polymer, or inorganic, for example as glass, in which the filler is introduced.
  • the amount of filler in the refractory-controlling coating can vary within wide limits. For example, a filler concentration of 1% by volume - i.e. the almost unfilled matrix material with a low refraction, which is almost exclusively caused by the dielectric barrier that forms the matrix material - up to a filling of 70% by volume in the coating present.
  • the preferred range for the amount of filler is between 20 and 60% by volume, in particular from 30% by volume to 40% by volume, of filling in the matrix material.
  • a filler based on iron oxide is introduced into a matrix of anhydride-hardened epoxy.
  • the unfilled matrix material - epoxy resin - shows a permittivity of 3.8 measured at 30°C under the conditions.
  • the aim is to increase the permittivity by lattice polarization, e.g. B. by adding solid, in particular crystalline, fillers.
  • the aim is not to achieve high permittivity through orientation polarization of the polymeric binder.
  • a polar plastic with a Tg at room temperature or lower would have exorbitantly high permittivities at 30 °C. But that should be avoided.
  • the reason is that the chemical sigma bonds of the polar groups are degraded in the course of operation with a polarization reversal of 50 times per second - this corresponds to 50 Hz and a correspondingly high electric field strength - and this changes the permittivity and other material properties.
  • the filler particles of the refractive control coating do not have a preferred shape, they can be of any shape and sizes are embedded in the matrix. For example, the filler particles are irregular after appropriate grinding.
  • Filled paints whose particles are as close as possible to a spherical shape, are more suitable for processing than other shapes, because the specific surface area is the lowest and the lowest possible processing viscosity is achieved with the same degree of filling.
  • the size of the fillers can vary. There can be different filler fractions in the filler.
  • the housing can be provided with differently filled coatings in different areas.
  • the level of the permittivity and the thickness of the applied ref ractive-control coating determine how strong the electric field is equalized.
  • thicknesses of the ref ractive-controlling coating of 10 ⁇ m to 5 mm, preferably in the range between 100 ⁇ m and 3 mm, particularly preferably in the range between 500 ⁇ m and 2 mm, have proven to be expedient.
  • the permittivity of the coating is used according to one embodiment of the invention—filled or unfilled—so that the electric field on the surface of the housing of the switching chamber is pushed away by the increased permittivity compared to the uncoated surface and local field overshoots are reduced. This is explained again in FIG. 2 and shown schematically.
  • an insulating gas such as nitrogen substance, air or sulfur hexafluoride. All these gases have a small permittivity.
  • the refractive-controlling coating is applied at least partially to at least one of the contacting sides of the housing.
  • the refractive-controlling coating is also a dielectric barrier that, applied to the metal electrodes, ensures that electrons have a much harder time getting out of the metal. Or, in other words, the electrical flashover between the electrodes is shifted towards higher voltages by the dielectric barrier. Due to the refractive field shift then again in addition to even higher voltages.
  • the ref ractive-controlling coating is provided on both metal caps of the housing, which axially close off the preferably cylindrical insulator body to form the switching chamber, in whole or in part in addition to the application on the insulator body.
  • the ref ractive-controlling coating covers the housing in whole or in part or in selected areas.
  • the refractive-controlling coating is applied, for example, directly to the housing surface or, for example, to a lower layer, such as a resistive layer according to EP 3146551 B1.
  • a lower layer, on which the refractively controlling coating is applied can be both a further refractively controlling layer and another, in particular a resistive layer according to EP 3146551 B1, but preferably also, deviating from this, a resistive-capacitive one layer , be .
  • the lower layer is preferably a thinner layer than the upper one, so that the layer thicknesses increase from the inside to the outside on the outer surface of the housing.
  • the matrix materials of the respective coatings are compatible with one another. It is preferred, for example, that the matrix materials are at least mutually inert, but advantageously they can be mixed with one another and/or in one another as desired. It is very preferred that the matrix materials of different layers—ie, for example, the matrix material of a refractively controlling coating according to an embodiment of the present invention and the matrix material of a resistive coating according to EP 3146551 B1—have the same or similar chemical composition.
  • the coatings can also be provided combined in the form of layer stacks, with a resistive coating according to EP 3146551 B1 preferably being provided on the insulating areas of the housing of the switching device, such as on a ceramic cylinder, whereas the refractively controlling coating is particularly on the caps of the Housing, so the contacting areas is provided.
  • both coatings can extend over one another as desired and in particular also over all areas of the housing on the outside.
  • a resistive coating is a so-called "ohmic coating” with an adjustable resistance, whereby there is always a residual conductivity.
  • the refractive field-controlling coating is an insulating dielectric coating.
  • particularly suitable designs are those in which the refractory-controlling coating is not applied to the full surface of the housing, but only partially covers the housing. In this case, it is particularly preferred if the ref ractive-controlling coating is applied to the caps, in particular to the metal caps and/or to the edges that form the caps with the insulator body.
  • the ref ractive-controlling coating also extends—forming an edge—beyond the edge, for example also onto the surface of the insulator body.
  • the lower layer covers the outer surface of the housing only partially, in particular that the lower layer is applied in the form of a resistive-capacitive layer and the upper ref r2011-controlling layer completely or partially covers the lower layer and the entire outer surface of the housing;
  • the resistive layer is applied over the entire surface of the outer surface of the housing, according to the present invention, in contrast, it can also only partially cover the housing on the outside, in particular it can also be in the form of a resistive-capacitive layer with a non-galvanic - So not via a contact - be applied electrically conductively connected area.
  • the bottom layer is thinner than the top layer.
  • the refractive-controlling layer lies on the resistive layer.
  • FIG. 1 A switching device according to the present invention is shown in FIG.
  • FIG. 1 shows a switching device according to one embodiment of the present invention as a vacuum tube
  • FIG. 2 shows schematically the effect of a refractively controlling coating on a housing surface of a housing of a switching device according to an exemplary embodiment of the invention.
  • Figure 1 shows in the form of a principle sketch z ze from an exemplary embodiment of a switching device 1 according to the invention, here a vacuum interrupter.
  • a housing 3 composed here of two tubular ceramic parts, i.e. insulator body 2, is closed by metal caps 4, which form areas with electrical contacts, and defines a switching chamber 5, into which two conductor elements 6, designed as bolts for example, with contacts 7 are guided are .
  • the lower one of the conductor elements 6 is designed to be movable according to the arrow 8 and the indicated movement device 9 and can be displaced in the direction of extension 10 of the conductor elements 6, which also forms the axis of symmetry of the switching device 1, in order to bring the contacts 7 into contact or to space them apart, in the present case an open, ie spaced, state of the switching device 1 is shown. Due to the mobility of the lower conductor element 6, it is coupled to the metal cap 4 via a metal bellows 11; The metal caps 4 are thus conductively connected to the conductor elements 6 on both sides.
  • the invention also relates to gas switches in which the gas is present inside the switch.
  • the gas circuit breakers also included here mean those in which gas is used on the one hand as a switching medium and on the other - after it has been switched off successfully - as an insulating medium.
  • SF6 is used nowadays. Since SF6 is to be replaced as a strong greenhouse gas, switches with CO2, fluoronitrile or other alternative gases are also conceivable in the future.
  • a metal shielding element 12 (vapor shield) is provided in the contacting area in the switching chamber 5.
  • this shielding element 12 also ensures a distortion of the electric field, so that in an area behind the shielding elements there would be a lower electric field during operation than in the "unshielded" areas, where charges can accumulate, for example, and thus can provide further field distortions, which could question the functionality of the switching device 1.
  • the exemplary embodiment sketched here provides for a refractory-controlling coating to be applied to the outer surface of the housing 3, i.e. both to the insulator body 3 and to areas of the electrical contacts--i.e. the caps 4 13 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the ref ractive-controlling and - here over the entire surface - applied coating 13 of the embodiment shown here comprises a polymeric matrix with a high-permittive filler f, made of a ceramic material E r in the range of greater than / equal to 2 to 200 , preferably from 10 to 100 .
  • the filler is contained in the matrix at 30% by volume. It is a mixture of titanium dioxide and aluminum oxide particles.
  • the ref ractive-controlling coating 13 is relatively cheap in terms of material price and relatively easy - even automated - can be sprayed on. Their presence can be detected relatively easily using a scanning electron microscope and elemental analysis.
  • FIG. 2 shows schematically the effect of a refractive-controlling coating on a housing outer surface like the housing 3 shown in FIG.
  • Figure 2 shows schematically the course of the field and equipotential lines 15, 14 each at a triple point, right half with a refractive-controlling coating 13 and left for comparison without such a coating, according to the prior art.
  • the field lines 15 on the left run unbroken from the metal cap 4 into the surrounding gas, e.g. B. Air . This can result in lightning discharges 16 .
  • the field lines 15 are broken at the transition from the coating with high permittivity into the surrounding air with low permittivity - see area 17 - as a result both the equipotential lines 14 and the field lines 15 become wide pulled apart to prevent arcing.
  • the length of the housing 3 of a switching device 1 and thus the overall length of the electrical switching device 1 can be reduced by the refractive-controlling coating 13 , as is proposed here for the first time for this application.
  • a housing 3 could be manufactured for a specific voltage level. Exactly this housing 3 could then be coated with the refractively controlling coating 13 according to one embodiment of the present invention, and thus be usable for the next higher voltage level. In terms of process technology, this results in a design that can be used for two voltage levels, with the same two The housing 3 for two switching devices 1, different voltage levels can be used.
  • the only difference between the two housings is the additional coating 13 that controls refraction.
  • FIG. 3 shows the graphs for measuring the permittivities of the filled plastics mentioned by way of example and the unfilled reference sample of pure matrix material, ie 0% by weight filling with iron oxide. The measurements were carried out with a device from EPRO Gallspach GmbH "www . epro . at" Type : ITTD 2000 ; Mains : 90- 240V / 50- 60Hz .
  • the solid line shows the permittivity of the reference sample
  • the dashed graph shows the example with 30% by weight iron oxide
  • the graph shown with dash-dot-dash shows the sample filled with 20% by weight iron oxide.
  • the coating comprising matrix material and filler, preferably has a permittivity greater than 4, in particular in the range from 3 to 150, preferably from 4 to 100 and particularly preferably from 5 to 50, in each case at room temperature.
  • the present invention is not limited to vacuum tubes, but relates to other switches, for example gas-insulated switches—for example those with SF6 and/or clean air—as the switching gas.
  • gas-insulated switches for example those with SF6 and/or clean air
  • this is usually only used as an insulation medium and is not located in the interrupter unit, where the arc occurs and the switching operation takes place.

Landscapes

  • Organic Insulating Materials (AREA)
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Abstract

202025974 Auslandsfassung 27 Zusammenfassung Elektrische Schaltvorrichtung für Mittel- und/oder Hochspan- nungsanwendungen 5 Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltvorrichtung, insbesondere für Mittel- und/oder Hochspannungsanwendungen, aufweisend wenigstens zwei über eine Bewegungseinrichtung be- abstandbare, kontaktierbare Leiterelemente und ein eine Schaltkammer definierendes Gehäuse aus einem Isolator und 10 zwei das Gehäuse axial abschließenden metallenen Kappen. Durch die Erfindung wird erstmals vorgeschlagen, eine Be- schichtung mit hoher oder relativ zur Umgebungsluft hoher Permittivität aus einem Kunststoff, insbesondere einem ge- füllten Kunststoff, auf die Gehäuseoberfläche einer Vakuum-15 schaltröhre ganz oder teilweise aufzubringen, damit an kriti- schen, insbesondere an Triplepunkten, die Feldlinien gebro- chen und Lichtbögen soweit wie möglich verhindert werden. Fig. 2 20 25

Description

Beschreibung
Elektrische Schaltvorrichtung für Mittel- und/oder Hochspan- nungsanwendungen
Die Erfindung betri f ft eine elektrische Schaltvorrichtung, insbesondere für Mittel- und/oder Hochspannungsanwendungen, aufweisend wenigstens zwei über eine Bewegungseinrichtung be- abstandbare , kontaktierbare Leiterelemente und ein eine Schaltkammer definierendes Gehäuse aus einem oder mehreren I solator/en, wobei Teile der Schaltkammer aus Metall ausgeführt sein können, üblicherweise in der Nähe des Kontaktspaltes und zwei das Gehäuse axial abschließenden, bevorzugt metallenen, Kappen .
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 Degradierungsef fekte sind und auch Überschläge 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, beispielsweise bei Spannungen größer als 52 kV, nimmt zu . Während ein VCB die meiste Zeit geschlossen ist , mithin eine Kontaktierung der Leiterelemente vorsieht , ist seine hauptsächliche Aufgabe die Unterbrechung von Strömen in Wechselstrom-Systemen bei Nennbedingungen, insbesondere also zum An- und Ausschalten von Nennströmen, oder aber bevorzugt zum Unterbrechen von Strömen bei Fehlerbedingungen, insbesondere um Kurzschlüsse zu unterbrechen und das Systemen zu schützen . Andere Anwendungen umfassen das reine Schalten von Lastströmen unter Verwendung von kontaktierenden Leiterelementen, das meist in Niedrig- und Mittelspannungssystemen verwendet wird .
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 geöf fneten und geschlossenen Zustände der Schaltvorrichtung herbei führen zu können . Üblicherweise wird dabei ein Leiterelement axial bezüglich des anderen fixierten Leiterelements bewegt . Die Kontakte können aus stromleitenden, insbesondere aus Metall bestehenden Bol zen gefertigt sein, welche sowohl Strom- als auch Wärmeleitung zur Verfügung stellen sowie die mechanischen Mittel , um die Kontakte zu halten und/oder zu bewegen .
Ein VI umfasst ferner ein vakuumdichtes Gehäuse und die erwähnte Bewegungseinrichtung und kann zudem einen Metall-Balg umfassen, welcher auf einer Seite mit dem Gehäuse , auf der anderen Seite mit dem bewegten Leiterelement , insbesondere dem bewegten Bol zen, verbunden ist . Das Gehäuse wird im Wesentlichen durch ein isolierendes Bauteil , also einen I solator, gebildet , beispielsweise ein keramisches Rohr, welches über Verbindungselemente mit den Leiterelementen verbunden ist , wobei beispielsweise Metallkappen oder dergleichen genutzt werden, die zur Bildung der Schaltkammer das isolierende Bauteil in axialer Richtung abschließen . Innerhalb der Schaltkammer herrscht ein permanentes Hochvakuum kleiner als , 10A-4 hPa oder 10A-4 mbar . Das Vakuum ist notwendig, um die „make-break-Operationen" zuzusichern und die I solationseigenschaften der Schaltvorrichtung im of fenen Zustand zu gewährleisten .
Wenn die Schaltvorrichtung in einem of fenen 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 ausgelöst werden können . Wenn die Schaltvorrichtung vom geschlossenen in den of fenen 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 elektrische Feldstärke hinreichend hoch ist . Die Beschleunigung der Elektronen in den hohen elektrischen Feldern erhöht die kinetische Energie dieser Elektronen, beispielsweise bis hin zu Energien, die einige zehn oder sogar hunderte von KeV überschreiten . Die Interaktion dieser hochenergetischen Elektronen mit den Gehäusestrukturen führt zur Produktion hochenergetischer Röntgenstrahlung, die die Vakuumschaltröhre verlassen kann . Während unter üblichen Bedingungen der Fehlerstrom innerhalb der Vakuumschaltröhre minimal ist und keine nennenswerten Röntgenstrahlungsanteile erzeugt , können Umstände auftreten, beispielsweise wenn vorübergehende Spannungsspitzen hoher Amplitude auftreten, in denen die entstehende Röntgenstrahlung freie Elektronen an und/oder nahe der äußeren Oberfläche des I solators erzeugt . Diese Elektronen können durch die elektrischen Felder auf der I solatoroberfläche und in ihrer Nähe beschleunigt werden, die elektrische Feldverteilung in empfindlichen Bereichen stören und zu Gasdurchschlag führen, was zu einem Fehler im Betrieb der Vaku- umschaltröhre 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 Verbindung des I solators 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 Ladungsverviel fachung durch Elektronenlawinen führen, welche wiederum den Verlust der I solationsstärke und/oder des Spannungswiderstands der Vaku- umschaltröhre zur Folge haben können .
Auf den inneren Oberflächen der Vakuumschaltröhre existieren ähnliche Heraus forderungen, während ein zusätzliches Problem gelöst werden muss . Durch die Unterbrechung des Stroms (Nennstrom wie auch Kurzschlussstrom) werden Teile des Kontaktmaterials verdampft und innerhalb der Schaltkammer als heißer Metalldampf verteilt . Dieser Metalldampf kann sich auf der I solatoroberfläche absetzen und baut mit der Zeit eine leitfähige Metallschicht auf . Diese Metallschicht , auch wenn sie nur schwach leitfähig ist , kann ebenso das elektrische Feld außerhalb und innerhalb der Vakuumschaltröhre stören und mithin über die Zeit die Spannungswiderstands fähigkeit 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 vorzusehen, welches j edoch auch einen Einfluss auf die Feldverteilung innerhalb der Schaltkammer , aber auch am I solator hat .
Aus den genannten Gründen muss das Gehäuse der Schaltkammer , insbesondere auch der meist aus Keramik realisierte I solator in der Lage sein, hohen Spannungen über der j eweiligen Oberfläche Stand zu halten, auch wenn Röntgenstrahlung und freie Elektronen vorliegen oder, in einigen Fällen, sogar dann, wenn der I solator durch Staubpartikel verschmutzt ist , die elektrostatisch an der äußeren Oberfläche des I solators angelagert werden . Nachdem der I solator nennenswert zu den Kosten einer Vakuumschaltröhre ( oder sonstigen Schaltvorrichtungen) beiträgt und auch die Kosten anderer struktureller Elemente der Vakuumschaltröhre ( oder sonstigen Schaltvorrichtungen) negativ beeinflusst , ist es notwendig, das Gehäuse im Hinblick auf maximale dielektrische Stärke bei minimaler Bauteilgröße zu optimieren . Diese Problemstellung wurde bislang dadurch gelöst , dass die innere und die äußere Geometrie der Vakuumschaltröhre derart gewählt wurde , dass die erwarteten elektrischen Feldstärken nicht empirisch abgeleitete Grenzen für eine bestimmte Geometrie der Vakuumschaltröhre überschreiten . Nachdem diese Begrenzungen nicht präzise vorhergesagt werden können, insbesondere für Tripelpunkt-Bereiche und/oder scharfe Metallkanten, hängt die Auslegung von Vakuumschaltröhren nicht nur von Berechnungen zum elektrischen Feld während des Entwicklungsprozesses ab, sondern benötigt auch eine große Menge empirischer Optimierung . Dies bezieht sich auch auf den Aufbau von metallischen Schichten aus den inneren Oberflächen des I solators , welche , wie bereits erwähnt , heute üblicherweise durch Verwendung von Schirmstrukturen ( Schirmelemente ) innerhalb der Schaltkammer vermieden werden sollen . Dennoch können heutzutage die Ablagerungen des Metalldampfes und ihr Einfluss auf die dielektrische Stärke des Vakuum- Interruptors VI nicht quantitativ in einer hinreichend genauen Art vorhergesagt werden .
Ferner ist anzumerken, dass die genannten Designprozesse allesamt zu einer Reduzierung der I solationseigenschaften der Außenstruktur der Vakuumschaltröhre deutlich unter die dielektrische Stärke von Luft oder anderen Gasen, die die Vaku- umschaltröhre umgeben, führt , so dass Gehäuse- und/oder I solatorgrößen - bezüglich der Länge und/oder dem Durchmesser - benötigt werden, die hinsichtlich der Kosten und des Bauraums nicht optimal sind . Die Hinzufügung von Schirmelementen bezüglich der Metalldämpfe führt zu Verzerrungen der im Betrieb auftretenden elektrischen Felder am I solator, was zu starken Feldern an bestimmten Stellen und mithin zu einer Überbelastung des I solators führen kann, die durch sich dort aufbauende Ladungen entstehen . Doch auch andere Ursachen führen, wie bereits dargestellt wurde , zu derartig lokalen hohen Feldern am I solator des Gehäuses der Vakuumschaltröhre , wobei die hier dargelegten Probleme auch bei anderen Schaltvorrichtungen, wie z . B . Gasschalter neben der beispielhaft genannten Vakuumschaltröhre gelten . In der Regel sind die bekannten Vi s zwar oft weitgehend symmetrisch zu einer -gedachten - Mittelebene der Röhre aufgebaut , um die Zahl unterschiedlicher Bauteile und die Komplexität des Aufbaus zu minimieren . Die reale Umgebung der Röhre verzerrt j edoch das elektrische Feld im Allgemeinen stark, so dass Bereiche der Röhre stark elektrisch - im Sinne einer hohen mittleren elektrischen Feldstärke - sind .
Es besteht daher der Bedarf , die unterschiedlichen Anforderungen an die Spannungs festigkeit , wie hohe Blitzstoßspannungen mit stark transienten Schalt flanken - beispielsweise l , 2pm Anstiegs zeit und einer exponentiell abfallenden Rückflanke mit einer Zeitkonstanten von 50ps , Nennspannungen von 50Hz oder 60Hz Grundfrequenz mit harmonischen Anteilen bis in den kHz-Bereich, sowie so genannte Nenn-Stehwechselspannung 50/ 60Hz bei bis zum Doppelten der Nennspannungsamplitude , für bis zu einer Minute Belastungsdauer, durch die Konzeption der Schaltvorrichtung zu beherrschen .
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Schaltvorrichtung mit einem einen - bevorzugt zylinderförmigen - I solator und axiale Abschluss-Kappen umfassenden Gehäuse anzugeben, die eine erhöhte Spannungs festigkeit bei minimaler Baugröße sowie Herstellkosten der Schaltvorrichtung zeigt , insbesondere eine Schaltvorrichtung, die besonders in den stark elektrisch belasteten Bereichen - wie oben erklärt - des Gehäuses eine verbesserte Spannungs festigkeit zeigt .
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie er in der Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen of fenbart ist , gelöst .
Dementsprechend ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine elektrische Schaltvorrichtung mit zumindest zwei über eine Bewegungseinrichtung beabstandbaren, kontaktierbaren Leiterelementen und einem, eine Schaltkammer definierenden, Gehäuse , das die Leiterelemente wenigstens teilweise umgibt , wobei das Gehäuse einen I solatorkörper und Bereiche eines elektrischen Kontaktes hat und wobei das Gehäuse außen zumindest teilweise eine ref raktiv-steuernde Beschichtung aufweist , die eine dielektrisch isolierende Matrix, gegebenenfalls Füllstof f enthaltend, mit einer Permittivität Er >/= 2 hat .
Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es , dass durch eine isolierende , ref raktiv- f eidsteuernde Beschichtung das Gehäuse einer elektrischen Schaltvorrichtung eine verbesserte Spannungs festigkeit zeigt , wenn diese Beschichtung isolierend ist und teilweise oder ganz flächig auf das Gehäuse außen aufgebracht ist und somit die Grenz fläche des Gehäuses zu der Umgebung - z . B . Umgebungsatmosphäre , respektive Luft - bildet . Die Beschichtung hat bevorzugt eine gegenüber einem herkömmlichen Schutzlack deutlich erhöhte Permittivität , die wiederum bevorzugt - nicht auf die Permittivität des Matrixmaterials , also des Bindemittels , zurückgeht , sondern auf die Permittivität der darin enthaltenen Füllstof fe , die insbesondere bevorzugt eine hohe Gitterpolarisation aufweisen . Eine hohe Permittivität des polymeren und vorzugsweise organischen Matrixmaterials ist wegen zu befürchtender Degradationsef fekte nicht vorteilhaft , weil organische Materialien keine Gitterpolarisation sondern eine so genannte Orientierungspolarisation zeigen .
Als „Gitterpolarisation" wird die Eigenschaft eines in Form eines Kristallgitters fest vorliegenden -beispielsweise keramischen - Materials bezeichnet , das ionischen Charakter, also interne Dipole , hat und auf das Vorliegen eines elektrischen Feldes „nur" durch leichtes Verschieben der einzelnen Ionen innerhalb des Gitters reagiert . Die Stabilität dieses Materials im elektrischen Feld ist auch bei relativ hoher Schaltfrequenz von - beispielsweise 50 Hz - und bei hohen anliegenden Feldstärken unverändert hoch .
Anders verhält es sich bei polymeren Matrixmaterialien, die ebenfalls Permittivität zeigen, bei Polyvinylalkohol , bei- spielsweise von bis zu 9 , diese zeigen die so genannte „Orientierungspolarisation" , die bedeutet , dass ganze Moleküle oder Molekülgruppen durch Umschalten des elektrischen Feldes rotieren und sich neu ausrichten . Diese Materialien werden durch Schaltvorgänge gestresst und destabilisiert . So können unerwünschte Degradationsef fekte durch Schaltvorgänge hervorgerufen werden, die im schlimmsten Fall zur Zersetzung des Materials und damit zur Zerstörung der Beschichtung führen können .
Als „Permittivität" wird die Polarisations fähigkeit eines Materials durch elektrische Felder bezeichnet . Die Permittivität ist eine Materialeigenschaft von elektrisch isolierenden polaren oder unpolaren Verbindungen, die sich nur zeigt , wenn diese Verbindungen einem elektrischen Feld ausgesetzt sind .
Das Matrixmaterial kann aus der Gruppe umfassend Elastomere , Duroplaste , Thermoplaste und/oder Glas gewählt werden . Entsprechend können die verschiedenen Beschichtungsverfahren zur Herstellung der Beschichtung gewählt werden .
Das Matrixmaterial wird bevorzugt als Lack, insbesondere in Form eines Nasslacks oder Pulverlacks , aufgetragen . Andere Aufbringungsmethoden, wie Sprühen, Tauchbad, Verguss etc . sind denkbar, sie allerdings stehen beim momentanen Stand der Erforschung der Technik nicht im Vordergrund .
Großer Vorteil der Aufbringung als Pulverlack und/oder Nasslack ist die Porenfreiheit der hergestellten refraktiv- steuernden Beschichtung . Eine derartige Porenfreiheit wird zwar durch Verguss auch erhalten, allerding leidet dabei in der Regel die Homogenität der Beschichtung, insbesondere an den Kanten .
Bei der Aufbringung als Nasslack umfasst dieser in der Regel Lösungsmittel , die nach der Trocknung des Lackes nicht oder in nur geringen Mengen noch im Matrixmaterial vorhanden sind . Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Matrix aus einem polymeren Matrixmaterial , beispielsweise einem polymeren Harz , das in Form eines polymeren Binders vorliegt .
Als „polymere Matrix" wird ein Polymer oder ein polymeres Bindemittel bezeichnet . Die polymere Matrix umfasst insbesondere ein Harz oder ein Harzgemisch, wie Epoxidharz , Silikonelastomer, Siloxanharz , Silikonharz , Polyvinylalkohol , Po- lyesterimid und ähnliche duroplastische , thermoplastische Kunststof fe , sowie beliebige Kombinationen, Copolymere , Blends und Mischungen der oben genannten Harze und/oder Kunststof fe . Die polymere Matrix kann als Beschichtung einer Permittivität von £r >/= 2 gefüllt oder ungefüllt vorliegen .
Vorzugsweise befinden sich in der Matrix Füllstof fe mit gegenüber Luft hoher Permittivität , insbesondere refraktiv- dielektrisch isolierende Füllstof fe , wie keramische Füllstoffe , die polar und/oder im elektrischen Feld leicht polarisierbar sind .
Vorzugsweise werden die Materialien für den oder die Füllstof f ( e ) ausgewählt aus den Keramikmaterialien Klasse 1 , die hohen Anforderungen an die Stabilität genügen und deren Per- mittivitäten eine geringe Temperatur- und Feldstärkeabhängigkeit aufweisen . Dazu gehören beispielsweise Verbindungen wie ausgewählte Titanate , die reproduzierbar geringe Temperaturkoef fi zienten und geringe dielektrische Verluste zeigen . Ihre Permittivität ist weitgehend Feldstärke-unabhängig, was für die hier in Rede stehende Anwendung Vorteile aufweist .
Die hier insbesondere in Betracht kommenden Keramikmaterialien für den oder die Füllstof f ( e ) haben relative Permittivi- täten Er im Bereich von
Er >/= 2 bis Er </= 200 , vorzugsweise von Er >/= 10 bis Er </ = 100 .
Bevorzugt werden Füllstof fe aus einem Material , das aus dem Bereich der Kondensatorkeramik handelsüblich und daher ver- gleichsweise billig und in ausreichenden Mengen erhältlich ist . Insbesondere kommen dabei die Materialien in Betracht , die einen nahezu linearen Temperaturverlauf der Kondensator- Kapazität zeigen . Beispielsweise liegen diese in Form einer oder mehrere Keramik ( en) , insbesondere Keramik ( en) mit Metallnitrid, Metallcarbid, Metallborid und/oder Metalloxide wie Titandioxid, Aluminiumoxid, ausgewählte Verbindungen von Titanat umfassender Keramik, sind ebenfalls wegen ihrer feldstärkeunabhängigen Permittivität geeignet . Insbesondere geeignet sind - neben Mischoxiden - wie dem Titanat und/oder Mischungen aus verschiedenen Metalloxiden, auch Oxide von Metalllegierungen in beliebiger Kombination mit allen vorgenannten Materialien für weitgehend feldstärkeunabhängige Permittivität zeigende Füllstof fe .
Beispielsweise ist als Material für einen derartigen Füllstof f ein Gemisch aus feingemahlenen Paraelektrika wie Titandioxid mit Beimengungen von Magnesium (Mg) , Zink ( Zn) , Zirkon ( Zr ) , Niob (Nb ) , Tantal ( Ta ) , Cobalt ( Co ) und/oder Strontium ( Sr ) geeignet . Folgende Verbindungen seien hier beispielhaft genannt : MgNb2Oe, ZnNb2Oe, MgTa2Oe, ZnTa2Oe, wie beispielsweise ( ZnMg) TiOs, ( ZrSn) TiO4 und/oder Ba2TigO20, sowie beliebige Kombinationen und Gemische der genannten Verbindungen .
Bei der Aufbringung in Form von Pulverlack sind übliche Additive , wie Härter, Beschleuniger und/oder Zusatzstof fe möglicher weise in den herkömmlich als vorteilhaft erkannten Mengen enthalten . Sowohl Duroplaste als auch Thermoplaste können in Form eines Pulverlacks aufgebracht werden .
Dabei liegt ein Härter vor, wenn eine additive Polymerisation stattfindet . Ein Beschleuniger, Initiator und/oder Katalysator wird in allen Fällen, in denen Harz gehärtet wird, eingesetzt .
Das Matrixmaterial wird in der Regel vor, während, aber bevorzugt nach der Herstellung des Gehäuses aufgebracht . Beispielsweise wird die ref raktiv-steuernde Schicht , die durch Beschichten mit dem Matrixmaterial erzeugt wird, durch Besprühen, Auf räkeln, Eintauchen, Bepinseln und/oder sonstige Methoden, die die Herstellung einer dünnen homogenen - insbesondere möglichst homogen und möglichst porenfreien - Beschichtung erlauben, aufgebracht.
Die Aufbringungsmethode wird dabei bevorzugt automatisiert durchgeführt .
Die ref raktiv-steuernde Beschichtung ist bevorzugt eine gefüllte Beschichtung aus einem oder mehreren Matrixmateria- lien, die organisch, beispielsweise in Form eines Polymers, oder anorganisch, beispielsweise als Glas, ausgebildet sein können, in dem der Füllstoff eingebracht ist.
Die Füllstoffmenge in der ref raktiv-steuernden Beschichtung kann in weiten Grenzen variieren. So kann eine Füllstoff kon- zentration 1 Vol% - also dem fast ungefüllten Matrixmaterial mit einer geringen Refraktion, die fast nur durch dielektrische Barriere, die das Matrixmaterial bildet, bewirkt wird, bis hin zu einer Füllung von 70 Vol.-% in der Beschichtung vorliegen. Der bevorzugte Bereich an Füllstoffmenge liegt dabei zwischen 20 bis 60 Vol.-%, insbesondere von 30 Vol% bis 40 Vol% Füllung im Matrixmaterial.
Beispiele - siehe Figur 3:
In einer Matrix aus anhydridisch gehärtetem Epoxid wird ein Füllstoff auf der Basis von Eisenoxid eingebracht. Das ungefüllte Matrixmaterial - Epoxidharz - zeigt unter den Bedingungen eine Permittivität von 3,8 gemessen bei 30°C.
Gefüllt mit 30 Gew% Eisenoxid-basiertem Füllstoff ergibt sich eine Permittivität von 5, 6 bei 30°C und gefüllt mit 20Gew% Eisenoxid-basiertem Füllstoff ergibt sich eine Permittivität von 4,7, wieder gemessen bei 30°C.
Die Messungen und Beobachtungen legen folgende Vermutungen nahe: Bei Raumtemperatur oder leicht darüber (30°C) wird die Permittivität durch Zugabe von keramischen Eisenoxid- Füllstof fpartkel entsprechend erhöht . Dies liegt vor allem an der Gitterpolarisation durch den Füllstof f und etwas Orien- tierungs- und Grenz flächenpolarisation des polymeren Bindemittels .
Ab einer Temperatur von 120 ° C, welche der Glasübergangstemperatur des Polymers entspricht , wird thermisch die Bindungsenergie der Wasserstof fbrückenbindungen überwunden, wodurch diese polaren Gruppen nun sich im elektrischen Feld ab dieser Temperatur „frei" bewegen können . Die Orientierungspolarisation nimmt entsprechend drastisch zu, was sich in einer signi fikanten Erhöhung der Permittivität zeigt .
Durch Zugabe von Füllstof f wird dieser Ef fekt prozentual entsprechend vom Füllstof f überlagert .
Ziel ist es , die Permittivität durch Gitterpolarisation, z . B . durch Zugabe von fest , insbesondere von kristallin vorliegendem Füllstof f zu steigern . Ziel ist es nicht , hohe Permittivität durch die Orientierungspolarisation des polymeren Bindemittels zu erzielen . Ein polarer Kunststof f mit einer Tg bei Raumtemperatur oder kleiner hätte bei 30 ° C entsprechend exorbitant hohe Permittivitäten . Das soll aber vermieden werden . Der Grund ist , dass die chemischen Sigma-Bindungen der polaren Gruppen bei einer Umpolarisierung von 50-mal j e Sekunde - das entspricht 50 Hz und einer entsprechend hohen elektrischen Feldstärke - im Laufe des Betriebes degradiert und damit ändert sich die Permittivität und andere Materialeigenschaften .
Dies geht zu Lasten der Lebensdauer, die in der hier in Rede stehenden Technik bei etwa 40 Jahre liegt und über diesen Zeitraum konstante feldsteuernde Eigenschaften der Schicht mehr oder minder gewährleisten sollte .
Die Füllstof fpartikel der ref raktiv-steuernden Beschichtung haben keine bevorzugte Form, sie können in beliebigen Formen und Größen in der Matrix eingebettet vorliegen . Beispielsweise liegen die Füllstof f-Partikel nach entsprechender Mahlung irregulär vor .
Zur Verarbeitung eignen sich gefüllte Lacke , deren Partikel möglichst einer sphärischen Form angenähert sind, besser als andere Formen, weil dabei die spezi fische Oberfläche am geringsten ist und somit bei gleichem Füllgrad eine kleinstmögliche Verarbeitungsviskosität erreicht wird .
Die Größe der Füllstof fe kann variieren . Es können verschiedene Füllstof f fraktionen im Füllstof f vorliegen . Das Gehäuse kann in verschiedenen Bereichen mit verschieden gefüllten Beschichtungen versehen sein .
Bei dickeren Beschichtungen und/oder bei bestimmten Materialkombinationen kommt es zu einer stärkeren Brechung der Feldlinien als bei anderen . Die Höhe der Permittivität und die Dicke der aufgebrachten ref raktiv-steuernden Beschichtung bestimmen dabei , wie stark das elektrische Feld vergleichmäs- sigt wird .
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung haben sich Dicken der ref raktiv-steuernden Beschichtung von 10pm bis 5mm liegen, bevorzugt im Bereich zwischen 100pm und 3mm, insbesondere bevorzugt im Bereich zwischen 500pm und 2 mm als zweckmäßig erwiesen .
Vorliegend wird die Permittivität der Beschichtung gemäß einer Aus führungs form der Erfindung - gefüllt oder ungefüllt - eingesetzt , damit durch die gegenüber der unbeschichteten Oberfläche erhöhte Permittivität das elektrische Feld an der Oberfläche des Gehäuses der Schaltkammer weggedrückt wird und so lokale Feldüberhöhungen reduziert werden . Dies wird in Figur 2 nochmal erläutert und schematisch dargestellt .
Ohne die ref raktiv-steuernde Schicht wäre an der Oberfläche des Gehäuses üblicherweise ein isolierendes Gas wie Stick- stof f , Luft oder Schwefelhexafluorid . All diese Gase besitzen eine kleine Permittivität . Luft beispielsweise hat die Per- mittivität Er = 1 , 00059 . Eine Beschichtung aus einem Kunststof f wie einem Harz hat dagegen eine Permittivität von zumindest dem doppelten Wert Er = 2 - Beispiel Silikonharz - bis etwa £r = 9 - Beispiel Polyvinylalkohol . Das bezieht sich auf die gehärteten Harze . Bevorzugt werden Kunststof fe mit niedriger Permittivität eingesetzt , damit durch die Schaltvorgänge keine Degradationsef fekte hervorgerufen werden .
Durch die hier vorgeschlagene ref raktiv-steuernde Beschichtung werden die austretenden Feldlinien gemäß der refraktiven Feldsteuerung gebrochen - Brechung = Refraktion - , weil durch Feldverdrängung aus dem Material mit höherer Dielektri zitätszahl in das Material mit niedrigerer Dielektri zitäts zahl das Eindringen des Feldes in das Höherpermittive erschwert wird, da das elektrische Feld von der Kante oder dem Tripelpunkt weggedrängt wird .
Als Triplepunkt wird z . B . der Bereich des Gehäuses in dem eine Metallelektrode , ein fester I solator und ein gas förmiger I solator - also hier das umgebende Gas - zusammenkommen, bezeichnet .
Nach einer vorteilhaften Aus führungs form ist die refraktiv- steuernde Beschichtung zumindest auf einer der kontaktierenden Seiten des Gehäuses zumindest teilweise aufgebracht . Dies insbesondere deshalb, weil die ref raktiv-steuernde Beschichtung gleichzeitig noch eine dielektrische Barriere ist , die , auf den Metallelektroden aufgebracht , dafür sorgt , dass es Elektronen deutlich schwerer haben, aus dem Metall heraus zukommen . Oder, mit anderen Worten, der elektrische Überschlag zwischen den Elektroden wird durch die dielektrische Barriere hin zu höheren Spannungen verschoben . Durch die refraktive Feldverschiebung dann eben noch mal zusätzlich zu noch höheren Spannungen hin . Vorzugsweise ist die ref raktiv-steuernde Beschichtung auf beiden metallischen Kappen des Gehäuses , die den - vorzugsweise zylindrischen I solatorkörper zur Bildung der Schaltkammer axial abschließen, ganz oder teilweise zusätzlich zu der Aufbringung auf dem I solatorkörper, vorgesehen .
Die ref raktiv-steuernde Beschichtung bedeckt so das Gehäuse ganz oder teilweise oder in ausgewählten Bereichen . Die re- f raktiv-steuernde Beschichtung ist beispielsweise direkt auf der Gehäuseoberfläche aufgebracht oder beispielsweise aber auch auf einer unteren Schicht , wie beispielsweise einer resistive Schicht nach dem EP 3146551 Bl .
Eine untere Schicht , auf der die ref raktiv-steuernde Beschichtung aufgebracht wird, kann sowohl eine weitere refrak- tiv-steuernde Schicht als auch eine andere , insbesondere eine resistive Schicht nach dem EP 3146551 Bl , bevorzugt aber auch, abweichend davon eine resistiv-kapazitive Schicht , sein .
Bevorzugt ist die untere Schicht dabei eine dünnere Schicht als die obere , so dass sich die Schichtdicken von innen nach außen auf der Gehäuse-Außenoberfläche steigern .
Bei einer Beschichtung auf einer resistiven unteren Schicht ist insbesondere vorgesehen, dass die Matrixmaterialien der j eweiligen Beschichtungen miteinander kompatibel sind . Bevorzugt ist beispielsweise , dass die Matrixmaterialien zumindest zueinander inert sind, aber vorteilhafterweise sind sie beliebig miteinander und/oder ineinander mischbar . Ganz bevorzugt ist , dass die Matrixmaterialien verschiedener Schichten - also beispielsweise das Matrixmaterial einer refraktiv steuernden Beschichtung nach einem Aus führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und das Matrixmaterial einer resistiven Beschichtung gemäß der EP 3146551 Bl - gleiche oder ähnliche chemische Zusammensetzung aufweisen . Die Beschichtungen können auch in Form von Schichtstapel kombiniert vorgesehen sein, wobei eine resistive Beschichtung gemäß der EP 3146551 Bl vorzugsweise auf den isolierenden Bereichen des Gehäuses der Schaltvorrichtung, wie beispielsweise auf einem keramischen Zylinder vorgesehen ist , wohingegen die refraktiv steuernde Beschichtung insbesondere auf den Kappen des Gehäuses , also den kontaktierenden Bereichen vorgesehen ist . Beide Beschichtungen können sich aber beliebig übereinander und insbesondere auch über alle Bereiche des Gehäuses außen erstrecken . Eine resistive Beschichtung ist ein so genannter „Ohm ' scher Belag" mit einem einstellbaren Widerstand, wobei immer eine Rest-Leitfähigkeit vorhanden ist . Im Gegensatz dazu ist die refraktiv- f eidsteuernde Beschichtung eine isolierende dielektrische Beschichtung .
Alle Schichten der Gesamt-Beschichtung des Gehäuses bedecken die j eweiligen Teile des Gehäuses ganz oder teilweise , allerdings außen .
Als besonders geeignet genannt seien hier beispielsweise die Aus führungs formen, bei denen die ref raktiv-steuernde Beschichtung nicht voll flächig auf dem Gehäuse aufgetragen ist , sondern nur teilweise das Gehäuse bedeckt . Dabei ist es insbesondere bevorzugt , wenn die ref raktiv-steuernde Beschichtung auf den Kappen, insbesondere auf den metallenen Kappen und/oder auf den Kanten, die die Kappen mit dem I solatorkörper bilden, auf getragen ist .
Hier ist wiederum insbesondere bevorzugt vorgesehen, dass sich die ref raktiv-steuernde Beschichtung noch - einen Rand bildend - über die Kante hinaus erstreckt , beispielsweise auch auf die Oberfläche des I solatorkörpers .
Dabei ist es unerheblich, ob der I solatorkörper selbst noch beschichtet , beispielsweise mit einer resistiven Beschichtung versehen, vorliegt , oder nicht . Es sind alle möglichen Schicht-Kombinationen von Beschichtungen auf dem Gehäuse , insbesondere von Beschichtungen der hier in Rede stehenden resistiven Beschichtung nach dem EP 3146551 Bl einerseits und einer ref raktiv-steuernden Beschichtung gemäß einer Aus führungs form der vorliegenden Erfindung andererseits denkbar, z . B .
- dass die untere - resistive Schicht komplett das ganze Gehäuse bedeckt und die obere ref raktiv-steuernde Schicht die untere Schicht nur teilweise abdeckt ;
- dass die untere Schicht die Gehäuse-Außenoberfläche nur teilweise bedeckt , insbesondere dass die untere Schicht in Form einer resistiv-kapazitiven Schicht aufgebracht ist und die obere ref raktiv-steuernde Schicht die untere Schicht und die gesamte Gehäuse-Außenoberfläche ganz oder teilweise bedeckt ;
- dass die untere Schicht teilweise von der oberen Schicht unbedeckt bleibt ;
- dass resistiv-kapazitive Bereiche der unteren Schicht mit der ref raktiv-steuernden oberen Schicht abgedeckt sind;
- dass zwei oder mehr Schichten einer Art verschiedene Gehäusebereiche bedecken und sich dabei eine oder keine Überlappung ergibt ;
- etc...
Gemäß dem EP 3146551 Bl ist die resistive Schicht ganz flächig auf der Gehäuse-Außenoberfläche aufgetragen, gemäß der vorliegenden Erfindung kann sie im Unterschied dazu auch nur teilweise das Gehäuse außen bedecken, insbesondere kann sie auch in Form einer resistiv-kapazitiven Schicht mit einem nicht galvanisch - also nicht über einen Kontakt - elektrisch leitend verbunden Bereich, aufgetragen sein .
Grundsätzlich ist es vorteilhaft , wenn die untere Schicht dünner als die obere Schicht ist . Grundsätzlich ist es vorteilhaft , wenn die refraktiv- steuernde Schicht auf der resistiven Schicht liegt .
Eine Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Figur 1 dargestellt .
Figur 1 zeigt eine Schaltvorrichtung nach einer Aus führungsform der vorliegenden Erfindung als Vakuumröhre und
Figur 2 zeigt schematisch die Wirkung einer refraktiv steuernden Beschichtung auf einer Gehäuse-Oberfläche eines Gehäuses einer Schaltvorrichtung nach einer beispielhaften Aus führungs form der Erfindung .
Figur 1 zeigt in Form einer Prinzip-Ski z ze ein Aus führungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung 1 , hier eine Vakuumschaltröhre . Ein hier aus zwei röhrenförmigen Keramikteilen, also I solatorkörper, 2 , zusammengesetztes Gehäuse 3 wird durch metallene Kappen 4 , die Bereiche mit elektrischen Kontakten bilden, abgeschlossen und definiert eine Schaltkammer 5 , in die zwei beispielsweise als Bol zen ausgebildete 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 ausgestaltet 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 geöf fneter, also beabstandeter Zustand der Schaltvorrichtung 1 gezeigt ist . Aufgrund der Beweglichkeit des unteren Leiterelements 6 ist dieses über einen Metallbalg 11 an die Metallkappe 4 angekoppelt ; auf beiden Seiten sind also die Metallkappen 4 leitend mit den Leiterelementen 6 verbunden .
Innerhalb der Schaltkammer 5 herrscht Vakuum, vorliegend mit einem Druck als < 10~4 hPa . Die Erfindung bezieht sich j edoch auch auf Gasschalter, bei denen das Gas innerhalb der Schalter vorliegt . Bei den hier auch umfassten Gasschaltern sind die gemeint , bei denen Gas zum einen als Schaltmedium und zum anderen -nach erfolgreicher Abschaltung- als I soliermedium dient . Üblicherweise wird dabei heutzutage SF6 verwendet . Da SF6 als starkes Treibhausgas ersetzt werden soll , sind in Zukunft auch Schalter mit CO2 , Fluornitril oder anderen alternativen Gasen denkbar .
Um beispielsweise beim Öf fnen der Schaltvorrichtung 1 entstehende Metalldämpfe nicht auf die innere Oberfläche des I solators 2 , hier Keramik, kommen zu lassen, ist vorliegend in der Schaltkammer 5 ein metallenes Schirmelement 12 ( Dampf schirm) im Kontaktierungsbereich vorgesehen . Dieses Schirmelement 12 sorgt nun j edoch auch für eine Verzerrung des elektrischen Feldes , so dass in einem Bereich hinter den Schirmelementen ein geringeres elektrisches Feld im Betrieb vorliegen würde als in den „un-abgeschirmten" Bereichen, wo sich beispielsweise Ladungen ansammeln können und somit für weitere Feldverzerrungen sorgen können, die die Funktions fähigkeit der Schaltvorrichtung 1 in Frage stellen könnten .
Um dem entgegenzuwirken, ist bei dem hier ski z zierten Aus führungsbeispiel vorgesehen, dass sich auf der Außenoberfläche des Gehäuses 3 , also sowohl auf den I solatorkörper 3 als auch auf Bereichen der elektrischen Kontakte - also den Kappen 4 - eine ref raktiv-steuernde Beschichtung 13 gemäß einem Aus führungsbeispiel der Erfindung befindet .
Die ref raktiv-steuernde und - hier voll flächig - aufgetragene Beschichtung 13 der hier gezeigten Aus führungs form umfasst eine polymere Matrix, die mit einem hoch-permittiven Füllstof f , aus einem keramischen Material Er im Bereich von grö- ßer/gleich 2 bis 200 , vorzugsweise von 10 bis 100 , gefüllt ist . Der Füllstof f ist mit 30 Vol% in der Matrix enthalten . Es handelt sich um eine Mischung aus Titandioxid und Alumini- umoxid-Partikel . Die ref raktiv-steuernde Beschichtung 13 ist relativ günstig im Materialpreis und relativ einfach - auch automatisiert - auf sprühbar . Ihr Vorhandensein kann mit einer Rasterelektronenmikroskop und einer Elementaranalyse relativ einfach nachgewiesen werden .
Die Figur 2 zeigt schematisch die Wirkung einer refraktiv- steuernden Beschichtung auf einer Gehäuse-Außenoberfläche wie dem in Figur 1 gezeigten Gehäuse 3 .
Figur 2 zeigt schematisch den Verlauf der Feld- und Äquipotentiallinien 15 , 14 an j eweils an einem Triplepunkt , rechte Häl fte mit einer ref raktiv-steuernden Beschichtung 13 und links zum Vergleich ohne eine derartige Beschichtung, gemäß dem Stand der Technik . Wie zu erkennen ist , verlaufen die Feldlinien 15 links ungebrochen von der Metallkappe 4 in das umgebende Gas , z . B . Luft . Dadurch können sich Blitzentladungen 16 ergeben . Rechts , wo die Beschichtung 13 zwischen Metallkappe 4 und Umgebungsluft liegt , werden die Feldlinien 15 beim Übergang von der Beschichtung mit hoher Permittivität in die umgebende Luft mit niedriger Permittivität gebrochen - siehe Bereich 17 - dadurch werden sowohl die Äquipotentiallinien 14 als auch die Feldlinien 15 weit auseinandergezogen, damit keine Lichtbögen auftreten .
Durch die ref raktiv-steuernde Beschichtung 13 , wie sie für diese Anwendung erstmals vorliegend vorgeschlagen wird, kann die Länge des Gehäuses 3 einer Schaltvorrichtung 1 reduziert werden und somit die Gesamtlänge der elektrischen Schaltvorrichtung 1 . Dadurch werden Materialkosten eingespart . Es könnte zum Beispiel ein Gehäuse 3 für eine bestimmte Spannungsebene hergestellt werden . Exakt dieses Gehäuse 3 könnte dann mit der refraktiv steuernden Beschichtung 13 gemäß einer Aus führungs form der vorliegenden Erfindung beschichtet werden, und so für die nächsthöhere Spannungsebene einsetzbar sein . Das ergibt sich damit prozesstechnisch ein Design, das für zwei Spannungsebenen nutzbar ist , wobei die gleichen bei- den Gehäuse 3 für zwei Schaltvorrichtungen 1 , unterschiedlicher Spannungsebenen nutzbar sind .
Die beiden Gehäuse unterscheiden sich lediglich durch die zusätzliche ref raktiv-steuernde Beschichtung 13 .
Figur 3 zeigt die Graphen zur Messung der Permittivitäten der beispielhaft genannten gefüllten Kunststof fe und der ungefüllten Referenzprobe reinen Matrixmaterials , also 0Gew% Füllung mit Eisenoxid . Die Messungen wurden mit einem Gerät der EPRO Gallspach GmbH „www . epro . at" Type : ITTD 2000 ; Mains : 90- 240V / 50- 60Hz durchgeführt .
Die durchgezogene Linie zeigt die Permittivität der Referenzprobe , der gestrichelte Graph zeigt das Beispiel mit 30Gew% Eisenoxid und der mit Strich-Punkt-Strich dargestellte Graph die mit 20Gew% Eisenoxid gefüllte Probe .
Der besondere Vorteil der hier erstmals vorgestellten Anwendung einer ref raktiv-steuernden Beschichtung ist auch, dass dadurch, dass durch diese Beschichtung kaum Strom fließt , diese sehr alterungsbeständig ist und länger und zuverlässiger hält .
Durch die Erfindung wird erstmals vorgeschlagen, eine Beschichtung mit hoher oder zumindest relativ zur Umgebungsluft Er = 1 hoher Permittivität aus einem Kunststof f £r >/= 2 , insbesondere £r >/= 3 insbesondere einem gefüllten Kunststof f , auf die Gehäuseoberfläche einer Vakuumschaltröhre ganz oder teilweise auf zubringen, damit in kritischen Bereichen, insbesondere an Triplepunkten, die Feldlinien gebrochen und Lichtbögen so weit wie möglich auseinandergezogen und damit Blitze verhindert werden . Bevorzugt hat die Beschichtung, Matrixmaterial und Füllstof f umfassend, eine Permittivität größer 4 , insbesondere im Bereich von 3 bis 150 , vorzugsweise von 4 bis 100 und insbesondere bevorzugt von 5 bis 50 , j eweils bei Raumtemperatur . Die hier vorliegende Erfindung ist nicht auf Vakuumröhren beschränkt , sondern bezieht sich auf andere Schalter, beispielsweise gasisolierte - beispielsweise solche mit SF6 und/oder Clean Air -als Schaltgas . Bei Gasschalter mit Clean Air wird dieses in der Regel nur als I solationsmedium verwendet und befindet sich nicht in der Unterbrechereinheit , wo der Lichtbogen entsteht und die Schalthandlung vorgenommen wird .
Bezugs zeichenliste
1 Schalt Vorrichtung
2 I solator
3 Gehäuse
4 Kappe
5 S chalt kämme r
6 Le it er element
7 Kontakt
8 Pfeil
9 Bewegungseinr ich tung
10 Erstreckungsrichtung
11 Metallbalg
12 Schirmelement
13 ref raktiv-steuernde Beschichtung
14 Äquipotentiallinien
15 Feldlinien
16 Blitz
17 Bereich in dem Feldlinien refraktiv gebrochen werden

Claims

24 Patentansprüche
1. Elektrische Schaltvorrichtung (1) mit zumindest zwei über eine Bewegungseinrichtung (9) beabstandbaren, kontaktierbaren Leiterelementen (6) und einem, eine Schaltkammer (5) definierenden, Gehäuse (3) , das die Leiterelemente (6) wenigstens teilweise umgibt, wobei das Gehäuse (3) einen Isolatorkörper (2) und Bereiche eines elektrischen Kontaktes (4) hat und wobei das Gehäuse (3) außen zumindest teilweise eine ref raktiv-steuernde Beschichtung (13) aufweist, die eine dielektrisch isolierende Matrix aus einem Material einer Permittivität
Er >/= 2 umfasst.
2. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Matrix der ref raktiv-steuernden Beschichtung (13) füllstoffhaltig vorliegt .
3. Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die ref raktiv-steuernde Beschichtung zumindest in einem Bereich eines elektrischen Kontaktes (4) vorliegt.
4. Schaltvorrichtung nach dem Anspruch 1, wobei das Material der Füllstoff-Partikel der zumindest einen Füllstoff fraktion eine Keramik mit einer Permittivität £r >/= 3 und £r </= 200 ist.
5. Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Material der Füllstoff-Partikel der zumindest einen Füllstoff fraktion eine Keramik mit zumindest einem Metalloxid, einem Metall-Mischoxid und/oder einem Tita- nat umfasst.
6. Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in der Matrix eine Gesamtmenge an Füllstoff- Partikel im Bereich von 1 Voll bis 70 Voll vorliegt.
7. Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Harz ausgewählt ist aus der Gruppe der Elastomere, Duroplaste, Thermoplaste und/oder Glas.
8. Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Matrix ein polymeres Harz und/oder ein polymeres Harzgemisch ist.
9. Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das polymere Harz oder das polymere Harzgemisch zumindest eine Verbindung ausgewählt aus der Gruppe folgender Verbindungen: Epoxidharz, Silikonelastomer, Siloxanharz, Silikonharz, Polyvinylalkohol, Polyesterimid, sowie beliebige Mischungen und/oder Kombinationen der vorstehenden Verbindungen umfasst.
10. Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die ref raktiv-steuernde Beschichtung in Kombination mit zumindest einer weiteren Beschichtung auf der Außenoberfläche des Gehäuses (13) vorgesehen ist.
11. Schaltvorrichtung nach Anspruch 10, wobei die weitere Beschichtung eine resistive Beschichtung ist.
12. Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die resistive Beschichtung die Gehäuse- Außenoberfläche ganz oder teilweise bedeckt.
13. Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche die ref raktiv-steuernde Beschichtung (13) zumindest zum Teil über der resistiven Beschichtung vorgesehen ist.
14. Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die ref raktiv-steuernde Beschichtung mit einer Schichtdicke kleiner/gleich 5mm, vorliegt.
15. Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die ref raktiv-steuernde Beschichtung mit einer Schichtdicke kleiner/gleich 2mm vorliegt.
16. Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die refraktiv steuernde Beschichtung als Nasslack applizierbar ist.
17. Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die ref raktiv-steuernde Beschichtung als Pulverlack applizierbar ist.
18. Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei es sich bei der Schaltvorrichtung um einen Vakuumschalter oder einen Gasschalter handelt.
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