EP4016576A1

EP4016576A1 - Elektrische schaltvorrichtung für mittel- und/oder hochspannungsanwendungen

Info

Publication number: EP4016576A1
Application number: EP20214203.0A
Authority: EP
Inventors: Martin Koletzko; Steffen Lang; Igor Ritberg
Original assignee: Siemens AG; Siemens Energy Global GmbH and Co KG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2020-12-15
Filing date: 2020-12-15
Publication date: 2022-06-22
Anticipated expiration: 2040-12-15
Also published as: JP2023554041A; HUE069376T2; US12518937B2; WO2022129073A1; EP4016576B1; EP4244879A1; ES2994802T3; US20240047159A1; CN116848608A; KR20230118954A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltvorrichtung, insbesondere für Mittel- und/oder Hochspannungsanwendungen, aufweisend wenigstens zwei über eine Bewegungseinrichtung beabstandbare, kontaktierbare Leiterelemente und ein eine Schaltkammer definierendes Gehäuse aus einem Isolator und zwei das Gehäuse axial abschließenden metallenen Kappen. Durch die Erfindung wird erstmals vorgeschlagen, eine Beschichtung mit hoher oder relativ zur Umgebungsluft hoher Permittivität aus einem Kunststoff, insbesondere einem gefüllten Kunststoff, auf die Gehäuseoberfläche einer Vakuumschaltröhre ganz oder teilweise aufzubringen, damit an kritischen, insbesondere an Triplepunkten, die Feldlinien gebrochen und Lichtbögen soweit wie möglich verhindert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltvorrichtung, insbesondere für Mittel- und/oder Hochspannungsanwendungen, aufweisend wenigstens zwei über eine Bewegungseinrichtung beabstandbare, kontaktierbare Leiterelemente und ein eine Schaltkammer definierendes Gehäuse aus einem oder mehreren Isolator/en, wobei Teile der Schaltkammer aus Metall ausgeführt sein können, üblicherweise in der Nähe des Kontaktspaltes und zwei das Gehäuse axial abschließenden, bevorzugt metallenen, Kappen.
Bei Mittel- und/oder Hochspannungsanwendungen, allgemein gesagt also bei Spannungen, die größer als 1 kV sind, werden aufgrund der hohen Spannungen komplexere Schaltvorrichtungen benötigt, die den auftretenden elektrischen Feldern standhalten können, möglichst resistent gegen Degradierungseffekte sind und auch Überschläge außerhalb der eigentlichen Schaltkammer vermeiden sollen.
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 geöffneten und geschlossenen Zustände der Schaltvorrichtung herbeiführen zu können. Üblicherweise wird dabei ein Leiterelement axial bezüglich des anderen fixierten Leiterelements bewegt. Die Kontakte können aus stromleitenden, insbesondere aus Metall bestehenden Bolzen gefertigt sein, welche sowohl Strom- als auch Wärmeleitung zur Verfügung stellen sowie die mechanischen Mittel, um die Kontakte zu halten und/oder zu bewegen.
Ein VI umfasst ferner ein vakuumdichtes Gehäuse und die erwähnte Bewegungseinrichtung und kann zudem einen Metall-Balg umfassen, welcher auf einer Seite mit dem Gehäuse, auf der anderen Seite mit dem bewegten Leiterelement, insbesondere dem bewegten Bolzen, verbunden ist. Das Gehäuse wird im Wesentlichen durch ein isolierendes Bauteil, also einen Isolator, gebildet, beispielsweise ein keramisches Rohr, welches über Verbindungselemente mit den Leiterelementen verbunden ist, wobei beispielsweise Metallkappen oder dergleichen genutzt werden, die zur Bildung der Schaltkammer das isolierende Bauteil in axialer Richtung abschließen. Innerhalb der Schaltkammer herrscht ein permanentes Hochvakuum kleiner als, 10^-4 hPa oder 10^-4 mbar. Das Vakuum ist notwendig, um die "make-break-Operationen" zuzusichern und die Isolationseigenschaften der Schaltvorrichtung im offenen Zustand zu gewährleisten.
Wenn die Schaltvorrichtung in einem offenen Zustand ist, muss zum einen die Nennspannung des Systems isoliert werden, zum anderen aber auch Stoßspannungen hoher Amplituden, die beispielsweise durch einen Blitzeinschlag in das System ausgelöst werden können. Wenn die Schaltvorrichtung vom geschlossenen in den offenen Zustand übergeht, mithin die Kontakte der Leiterelemente beabstandet werden, müssen Nennströme oder Kurzschlussströme unterbrochen werden, die zum Auftauchen vorübergehender Spannungsspitzen über den VI führen, die deutlich höher als die Nenn-Wechselspannungen des Systems sind.
Hohe Spannungen in Vakuumsystemen erzeugen üblicherweise freie Elektronen durch Feldemissionsprozesse, wenn die elektrische Feldstärke hinreichend hoch ist. Die Beschleunigung der Elektronen in den hohen elektrischen Feldern erhöht die kinetische Energie dieser Elektronen, beispielsweise bis hin zu Energien, die einige zehn oder sogar hunderte von KeV überschreiten. Die Interaktion dieser hochenergetischen Elektronen mit den Gehäusestrukturen führt zur Produktion hochenergetischer Röntgenstrahlung, die die Vakuumschaltröhre verlassen kann. Während unter üblichen Bedingungen der Fehlerstrom innerhalb der Vakuumschaltröhre minimal ist und keine nennenswerten Röntgenstrahlungsanteile erzeugt, können Umstände auftreten, beispielsweise wenn vorübergehende Spannungsspitzen hoher Amplitude auftreten, in denen die entstehende Röntgenstrahlung freie Elektronen an und/oder nahe der äußeren Oberfläche des Isolators erzeugt. Diese Elektronen können durch die elektrischen Felder auf der Isolatoroberfläche und in ihrer Nähe beschleunigt werden, die elektrische Feldverteilung in empfindlichen Bereichen stören und zu Gasdurchschlag führen, was zu einem Fehler im Betrieb der Vakuumschaltröhre führt.
Auch in Fällen, in denen keine feststellbare Röntgenstrahlung existiert, beispielsweise in Niedrig- und Mittelspannungsanwendungen, können die hohen elektrischen Felder in kritischen Bereichen der Vakuumschaltröhre, beispielsweise an der Verbindung des Isolators und der Metallkappen durch Löten (Hartlöten), zum Ausstoß von Elektronen führen, was zu einer nennenswerten Menge an Feldemission führt. Auch diese Elektronen können lokal das elektrische Feld stören und zu weiterer Feldverstärkung und/oder zur Ladungsvervielfachung durch Elektronenlawinen führen, welche wiederum den Verlust der Isolationsstärke und/oder des Spannungswiderstands der Vakuumschaltröhre zur Folge haben können.
Auf den inneren Oberflächen der Vakuumschaltröhre existieren ähnliche Herausforderungen, während ein zusätzliches Problem gelöst werden muss. Durch die Unterbrechung des Stroms (Nennstrom wie auch Kurzschlussstrom) werden Teile des Kontaktmaterials verdampft und innerhalb der Schaltkammer als heißer Metalldampf verteilt. Dieser Metalldampf kann sich auf der Isolatoroberfläche absetzen und baut mit der Zeit eine leitfähige Metallschicht auf. Diese Metallschicht, auch wenn sie nur schwach leitfähig ist, kann ebenso das elektrische Feld außerhalb und innerhalb der Vakuumschaltröhre stören und mithin über die Zeit die Spannungswiderstandsfähigkeit der Vakuumschaltröhre verschlechtern. Zwar wurde in diesem Kontext vorgeschlagen, im Kontaktierungsbereich der Leiterelemente ein Schirmelement, welches ebenso aus Metall bestehen kann, zum Abfangen freier Metallpartikel der Leiterelemente vorzusehen, welches jedoch auch einen Einfluss auf die Feldverteilung innerhalb der Schaltkammer, aber auch am Isolator hat.
Aus den genannten Gründen muss das Gehäuse der Schaltkammer, insbesondere auch der meist aus Keramik realisierte Isolator in der Lage sein, hohen Spannungen über der jeweiligen Oberfläche Stand zu halten, auch wenn Röntgenstrahlung und freie Elektronen vorliegen oder, in einigen Fällen, sogar dann, wenn der Isolator durch Staubpartikel verschmutzt ist, die elektrostatisch an der äußeren Oberfläche des Isolators angelagert werden. Nachdem der Isolator nennenswert zu den Kosten einer Vakuumschaltröhre (oder sonstigen Schaltvorrichtungen) beiträgt und auch die Kosten anderer struktureller Elemente der Vakuumschaltröhre (oder sonstigen Schaltvorrichtungen) negativ beeinflusst, ist es notwendig, das Gehäuse im Hinblick auf maximale dielektrische Stärke bei minimaler Bauteilgröße zu optimieren.
Diese Problemstellung wurde bislang dadurch gelöst, dass die innere und die äußere Geometrie der Vakuumschaltröhre derart gewählt wurde, dass die erwarteten elektrischen Feldstärken nicht empirisch abgeleitete Grenzen für eine bestimmte Geometrie der Vakuumschaltröhre überschreiten. Nachdem diese Begrenzungen nicht präzise vorhergesagt werden können, insbesondere für Tripelpunkt-Bereiche und/oder scharfe Metallkanten, hängt die Auslegung von Vakuumschaltröhren nicht nur von Berechnungen zum elektrischen Feld während des Entwicklungsprozesses ab, sondern benötigt auch eine große Menge empirischer Optimierung. Dies bezieht sich auch auf den Aufbau von metallischen Schichten aus den inneren Oberflächen des Isolators, welche, wie bereits erwähnt, heute üblicherweise durch Verwendung von Schirmstrukturen (Schirmelemente) innerhalb der Schaltkammer vermieden werden sollen. Dennoch können heutzutage die Ablagerungen des Metalldampfes und ihr Einfluss auf die dielektrische Stärke des Vakuum-Interruptors VI nicht quantitativ in einer hinreichend genauen Art vorhergesagt werden.
Ferner ist anzumerken, dass die genannten Designprozesse allesamt zu einer Reduzierung der Isolationseigenschaften der Außenstruktur der Vakuumschaltröhre deutlich unter die dielektrische Stärke von Luft oder anderen Gasen, die die Vakuumschaltröhre umgeben, führt, so dass Gehäuse- und/oder Isolatorgrößen - bezüglich der Länge und/oder dem Durchmesser - benötigt werden, die hinsichtlich der Kosten und des Bauraums nicht optimal sind. Die Hinzufügung von Schirmelementen bezüglich der Metalldämpfe führt zu Verzerrungen der im Betrieb auftretenden elektrischen Felder am Isolator, was zu starken Feldern an bestimmten Stellen und mithin zu einer Überbelastung des Isolators führen kann, die durch sich dort aufbauende Ladungen entstehen. Doch auch andere Ursachen führen, wie bereits dargestellt wurde, zu derartig lokalen hohen Feldern am Isolator des Gehäuses der Vakuumschaltröhre, wobei die hier dargelegten Probleme auch bei anderen Schaltvorrichtungen, wie z.B. Gasschalter neben der beispielhaft genannten Vakuumschaltröhre gelten.
In der Regel sind die bekannten VIs zwar oft weitgehend symmetrisch zu einer -gedachten - Mittelebene der Röhre aufgebaut, um die Zahl unterschiedlicher Bauteile und die Komplexität des Aufbaus zu minimieren. Die reale Umgebung der Röhre verzerrt jedoch das elektrische Feld im Allgemeinen stark, so dass Bereiche der Röhre stark elektrisch - im Sinne einer hohen mittleren elektrischen Feldstärke - sind.
Es besteht daher der Bedarf, die unterschiedlichen Anforderungen an die Spannungsfestigkeit, wie hohe Blitzstoßspannungen mit stark transienten Schaltflanken - beispielsweise 1,2µm Anstiegszeit und einer exponentiell abfallenden Rückflanke mit einer Zeitkonstanten von 50ps, Nennspannungen von 50Hz oder 60Hz Grundfrequenz mit harmonischen Anteilen bis in den kHz-Bereich, sowie so genannte Nenn-Stehwechselspannung 50/60Hz bei bis zum Doppelten der Nennspannungsamplitude, für bis zu einer Minute Belastungsdauer, durch die Konzeption der Schaltvorrichtung zu beherrschen.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Schaltvorrichtung mit einem einen - bevorzugt zylinderförmigen - Isolator und axiale Abschluss-Kappen umfassenden Gehäuse anzugeben, die eine erhöhte Spannungsfestigkeit bei minimaler Baugröße sowie Herstellkosten der Schaltvorrichtung zeigt, insbesondere eine Schaltvorrichtung, die besonders in den stark elektrisch belasteten Bereichen - wie oben erklärt - des Gehäuses eine verbesserte Spannungsfestigkeit zeigt.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie er in der Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbart 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 Isolatorkörper und Bereiche eines elektrischen Kontaktes hat und wobei das Gehäuse außen zumindest teilweise eine refraktiv-steuernde Beschichtung aufweist, die eine dielektrisch isolierende Matrix, gegebenenfalls Füllstoff enthaltend, mit einer Permittivität ε_r >/= 2 hat.
Als "Permittivität" wird die Polarisationsfähigkeit eines Materials durch elektrische Felder bezeichnet. Die Permittivität ist eine Materialeigenschaft von elektrisch isolierenden polaren oder unpolaren Verbindungen, die sich nur zeigt, wenn diese Verbindungen einem elektrischen Feld ausgesetzt sind.
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, Polyesterimid und ähnliche duroplastische, thermoplastische Kunststoffe, sowie beliebige Kombinationen, Copolymere, Blends und Mischungen der oben genannten Harze und/oder Kunststoffe. Die polymere Matrix kann als Beschichtung einer Permittivität von ε_r >/= 2 gefüllt oder ungefüllt vorliegen.
Vorzugsweise befinden sich in der Matrix Füllstoffe mit gegenüber Luft hoher Permittivität, insbesondere refraktivdielektrisch isolierende Füllstoffe, wie keramische Füllstoffe, die polar und/oder im elektrischen Feld leicht polarisierbar sind.
Vorzugsweise werden die Materialien für den oder die Füllstoff(e) ausgewählt aus den Keramikmaterialien Klasse 1, die hohen Anforderungen an die Stabilität genügen und deren Permittivitäten eine geringe Temperatur- und Feldstärkeabhängigkeit aufweisen. Dazu gehören beispielsweise Verbindungen wie ausgewählte Titanate, die reproduzierbar geringe Temperaturkoeffizienten und geringe dielektrische Verluste zeigen. Ihre Permittivität ist weitgehend Feldstärke-unabhängig, was für die hier in Rede stehende Anwendung Vorteile aufweist.
Die hier insbesondere in Betracht kommenden Keramikmaterialien für den oder die Füllstoff(e) haben relative Permittivitäten ε_r im Bereich von
ε _r >/= 2 bis ε_r </= 200, vorzugsweise von
ε _r >/= 10 bis ε_r </= 100.
Bevorzugt werden Füllstoffe aus einem Material, das aus dem Bereich der Kondensatorkeramik handelsüblich und daher vergleichsweise billig und in ausreichenden Mengen erhältlich ist. Insbesondere kommen dabei die Materialien in Betracht, die einen nahezu linearen Temperaturverlauf der Kondensator-Kapazität zeigen. Beispielsweise liegen diese in Form einer oder mehrere Keramik(en), insbesondere Keramik(en) mit Metallnitrid, Metallcarbid, Metallborid und/oder Metalloxide wie Titandioxid, Aluminiumoxid, ausgewählte Verbindungen von Titanat umfassender Keramik, sind ebenfalls wegen ihrer feldstärkeunabhängigen Permittivität geeignet. Insbesondere geeignet sind - neben Mischoxiden - wie dem Titanat und/oder Mischungen aus verschiedenen Metalloxiden, auch Oxide von Metalllegierungen in beliebiger Kombination mit allen vorgenannten Materialien für weitgehend feldstärkeunabhängige Permittivität zeigende Füllstoffe.
Beispielsweise ist als Material für einen derartigen Füllstoff ein Gemisch aus feingemahlenen Paraelektrika wie Titandioxid mit Beimengungen von Magnesium (Mg), Zink (Zn), Zirkon (Zr), Niob (Nb), Tantal (Ta), Cobalt (Co) und/oder Strontium (Sr) geeignet. Folgende Verbindungen seien hier beispielhaft genannt: MgNb₂O₆, ZnNb₂O₆, MgTa₂C>₆, ZnTa₂O₆, wie beispielsweise (ZnMg)TiO₃, (ZrSn)TiO₄ und/oder Ba₂Ti₉O₂₀, sowie beliebige Kombinationen und Gemische der genannten Verbindungen.
Bei der Aufbringung in Form von Pulverlack sind übliche Additive, wie Härter, Beschleuniger und/oder Zusatzstoffe möglicher weise in den herkömmlich als vorteilhaft erkannten Mengen enthalten. Sowohl Duroplaste als auch Thermoplaste können in Form eines Pulverlacks aufgebracht werden.
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 refraktiv-steuernde Schicht, die durch Beschichten mit dem Matrixmaterial erzeugt wird, durch Besprühen, Aufrakeln, Eintauchen, Bepinseln und/oder sonstige Methoden, die die Herstellung einer dünnen homogenen - insbesondere möglichst homogen und möglichst porenfreien - Beschichtung erlauben, aufgebracht.
Die Aufbringungsmethode wird dabei bevorzugt automatisiert durchgeführt.
Die refraktiv-steuernde Beschichtung ist bevorzugt eine gefüllte Beschichtung aus einem oder mehreren Matrixmaterialien, die organisch, beispielsweise in Form eines Polymers, oder anorganisch, beispielsweise als Glas, ausgebildet sein können, in dem der Füllstoff eingebracht ist.
Die Füllstoffmenge in der refraktiv-steuernden Beschichtung kann in weiten Grenzen variieren. So kann eine Füllstoffkonzentration 1 Vol% - also dem fast ungefüllten Matrixmaterial mit einer relativ geringen Refraktion, die fast nur durch dielektrische Barriere, die das Matrixmaterial bildet, bewirkt wird, bis hin zu einer Füllung von 70 Vol.-% in der Beschichtung vorliegen. Der bevorzugte Bereich an Füllstoffmenge liegt dabei zwischen 20 bis 60 Vol.-%, insbesondere von 30 Vol% bis 40 Vol% Füllung im Matrixmaterial.
Die Füllstoffpartikel der refraktiv-steuernden Beschichtung haben keine bevorzugte Form, sie können in beliebigen Formen und Größen in der Matrix eingebettet vorliegen. Beispielsweise liegen die Füllstoff-Partikel nach entsprechender Mahlung irregulär vor.
Zur Verarbeitung eignen sich gefüllte Lacke, deren Partikel möglichst einer sphärischen Form angenähert sind, besser als andere Formen, weil dabei die spezifische Oberfläche am geringsten ist und somit bei gleichem Füllgrad eine kleinstmögliche Verarbeitungsviskosität erreicht wird.
Die Größe der Füllstoffe kann variieren. Es können verschiedene Füllstofffraktionen im Füllstoff vorliegen. Das Gehäuse kann in verschiedenen Bereichen mit verschieden gefüllten Beschichtungen versehen sein.
Bei dickeren Beschichtungen und/oder bei bestimmten Materialkombinationen kommt es zu einer stärkeren Brechung der Feldlinien als bei anderen. Die Höhe der Permittivität und die Dicke der aufgebrachten refraktiv-steuernden Beschichtung bestimmen dabei, wie stark das elektrische Feld vergleichmässigt wird.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung haben sich Dicken der refraktiv-steuernden Beschichtung von 10pm bis 5mm liegen, bevorzugt im Bereich zwischen 100pm und 3mm, insbesondere bevorzugt im Bereich zwischen 500µm und 2 mm als zweckmäßig erwiesen.
Vorliegend wird die Permittivität der Beschichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung - gefüllt oder ungefüllt - eingesetzt, damit durch die gegenüber der unbeschichteten Oberfläche erhöhte Permittivität das elektrische Feld an der Oberfläche des Gehäuses der Schaltkammer weggedrückt wird und so lokale Feldüberhöhungen reduziert werden. Dies wird in Figur 2 nochmal erläutert und schematisch dargestellt.
Ohne die refraktiv-steuernde Schicht wäre an der Oberfläche des Gehäuses üblicherweise ein isolierendes Gas wie Stickstoff, Luft oder Schwefelhexafluorid. All diese Gase besitzen eine vergleichsweise kleine Permittivität. Luft beispielsweise hat die Permittivität ε_r = 1,00059. Eine Beschichtung aus einem Kunststoff wie einem Harz hat dagegen eine Permittivität von zumindest dem doppelten Wert ε_r = 2 - Beispiel Silikonharz - bis etwa ε_r = 9 - Beispiel Polyvinylalkohol. Das bezieht sich auf die gehärteten Harze.
Durch die hier vorgeschlagene refraktiv-steuernde Beschichtung werden die austretenden Feldlinien gemäß der refraktiven Feldsteuerung gebrochen - Brechung = Refraktion -, weil durch Feldverdrängung aus dem Material mit höherer Dielektrizitätszahl in das Material mit niedrigerer Dielektrizitätszahl das Eindringen des Feldes in das Höherpermittive erschwert wird, da das elektrische Feld von der Kante oder dem Tripelpunkt weggedrängt wird.
Als Triplepunkt wird z.B. der Bereich des Gehäuses in dem eine Metallelektrode, ein fester Isolator und ein gasförmiger Isolator - also hier das umgebende Gas - zusammenkommen, bezeichnet.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist die refraktiv-steuernde Beschichtung zumindest auf einer der kontaktierenden Seiten des Gehäuses zumindest teilweise aufgebracht. Dies insbesondere deshalb, weil die refraktiv-steuernde Beschichtung gleichzeitig noch eine dielektrische Barriere ist, die, auf den Metallelektroden aufgebracht, dafür sorgt, dass es Elektronen deutlich schwerer haben, aus dem Metall heraus zu kommen. Oder, mit anderen Worten, der elektrische Überschlag zwischen den Elektroden wird durch die dielektrische Barriere hin zu höheren Spannungen verschoben. Durch die refraktive Feldverschiebung dann eben noch mal zusätzlich zu noch höheren Spannungen hin.
Vorzugsweise ist die refraktiv-steuernde Beschichtung auf beiden metallischen Kappen des Gehäuses, die den - vorzugsweise zylindrischen Isolatorkörper zur Bildung der Schaltkammer axial abschließen, ganz oder teilweise zusätzlich zu der Aufbringung auf dem Isolatorkörper, vorgesehen.
Die refraktiv-steuernde Beschichtung bedeckt so das Gehäuse ganz oder teilweise oder in ausgewählten Bereichen. Die refraktiv-steuernde Beschichtung ist beispielsweise direkt auf der Gehäuseoberfläche aufgebracht oder beispielsweise aber auch auf einer unteren Schicht, wie beispielsweise einer resistive Schicht nach dem EP 3146551 B1 .
Eine untere Schicht, auf der die refraktiv-steuernde Beschichtung aufgebracht wird, kann sowohl eine weitere refraktiv-steuernde Schicht als auch eine andere, insbesondere eine resistive Schicht nach dem EP 3146551 B1 , 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 jeweiligen Beschichtungen miteinander kompatibel sind. Bevorzugt ist beispielsweise, dass die Matrixmaterialien zumindest zueinander inert sind, aber vorteilhafterweise sind sie beliebig miteinander und/oder ineinander mischbar. Ganz bevorzugt ist, dass die Matrixmaterialien verschiedener Schichten - also beispielsweise das Matrixmaterial einer refraktiv steuernden Beschichtung nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und das Matrixmaterial einer resistiven Beschichtung gemäß der EP 3146551 B1 - 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 B1 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.
Alle Schichten der Gesamt-Beschichtung des Gehäuses bedecken die jeweiligen Teile des Gehäuses ganz oder teilweise, allerdings außen.
Als besonders geeignet genannt seien hier beispielsweise die Ausführungsformen, bei denen die refraktiv-steuernde Beschichtung nicht vollflächig auf dem Gehäuse aufgetragen ist, sondern nur teilweise das Gehäuse bedeckt. Dabei ist es insbesondere bevorzugt, wenn die refraktiv-steuernde Beschichtung auf den Kappen, insbesondere auf den metallenen Kappen und/oder auf den Kanten, die die Kappen mit dem Isolatorkörper bilden, aufgetragen ist.
Hier ist wiederum insbesondere bevorzugt vorgesehen, dass sich die refraktiv-steuernde Beschichtung noch - einen Rand bildend - über die Kante hinaus erstreckt, beispielsweise auch auf die Oberfläche des Isolatorkörpers.
Dabei ist es unerheblich, ob der Isolatorkörper 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 B1 einerseits und einer refraktiv-steuernden Beschichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung andererseits denkbar, z.B.

dass die untere - resistive Schicht komplett das ganze Gehäuse bedeckt und die obere refraktiv-steuernde Schicht die untere Schicht nur teilweise abdeckt;
dass die untere Schicht die Gehäuse-Außenoberfläche nur teilweise bedeckt, insbesondere dass die untere Schicht in Form einer resistiv-kapazitiven Schicht aufgebracht ist und die obere refraktiv-steuernde Schicht die untere Schicht und die gesamte Gehäuse-Außenoberfläche ganz oder teilweise bedeckt;
dass die untere Schicht teilweise von der oberen Schicht unbedeckt bleibt;
dass resistiv-kapazitive Bereiche der unteren Schicht mit der refraktiv-steuernden oberen Schicht abgedeckt sind;
dass zwei oder mehr Schichten einer Art verschiedene Gehäusebereiche bedecken und sich dabei eine oder keine Überlappung ergibt;
etc...

Gemäß dem EP 3146551 B1 ist die resistive Schicht ganzflächig 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 Ausführungsform 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 Ausführungsform der Erfindung.

Figur 1 zeigt in Form einer Prinzip-Skizze ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung 1, hier eine Vakuumschaltröhre. Ein hier aus zwei röhrenförmigen Keramikteilen, also Isolatorkörper, 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 Bolzen 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 geöffneter, 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 jedoch auch auf Gasschalter, bei denen das Gas innerhalb der Schalter vorliegt. Bei den hier auch umfassten Gasschaltern sind die gemeint, bei denen Gas zum einen als Schaltmedium und zum anderen -nach erfolgreicher Abschaltung- als Isoliermedium dient. Üblicherweise wird dabei heutzutage SF6 verwendet. Da SF6 als starkes Treibhausgas ersetzt werden soll, sind in Zukunft auch Schalter mit CO2, Fluornitril oder anderen alternativen Gasen denkbar.
Um beispielsweise beim Öffnen der Schaltvorrichtung 1 entstehende Metalldämpfe nicht auf die innere Oberfläche des Isolators 2, hier Keramik, kommen zu lassen, ist vorliegend in der Schaltkammer 5 ein metallenes Schirmelement 12 (Dampfschirm) im Kontaktierungsbereich vorgesehen. Dieses Schirmelement 12 sorgt nun jedoch auch für eine Verzerrung des elektrischen Feldes, so dass in einem Bereich hinter den Schirmelementen ein geringeres elektrisches Feld im Betrieb vorliegen würde, als in den "un-abgeschirmten" Bereichen, wo sich beispielsweise Ladungen ansammeln können und somit für weitere Feldverzerrungen sorgen können, die die Funktionsfähigkeit der Schaltvorrichtung 1 in Frage stellen könnten.
Um dem entgegen zu wirken, ist bei dem hier skizzierten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass sich auf der Außenoberfläche des Gehäuses 3, also sowohl auf den Isolatorkörper 3 als auch auf Bereichen der elektrischen Kontakte - also den Kappen 4 - eine refraktiv-steuernde Beschichtung 13 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung befindet.
Die refraktiv-steuernde und - hier vollflächig - aufgetragene Beschichtung 13 der hier gezeigten Ausführungsform umfasst eine polymere Matrix, die mit einem hoch-permittiven Füllstoff, aus einem keramischen Material ε_r im Bereich von größer/gleich 2 bis 200, vorzugsweise von 10 bis 100, gefüllt ist. Der Füllstoff ist mit 30 Vol% in der Matrix enthalten. Es handelt sich um eine Mischung aus Titandioxid und Aluminiumoxid-Partikel.
Die refraktiv-steuernde Beschichtung 13 ist relativ günstig im Materialpreis und relativ einfach - auch automatisiert - aufsprühbar. Ihr Vorhandensein kann mit einer Rasterelektronenmikroskop und einer Elementaranalyse relativ einfach nachgewiesen werden.
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 jeweils an einem Triplepunkt, rechte Hälfte mit einer refraktiv-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 refraktiv-steuernde Beschichtung 13, wie sie für diese Anwendung erstmals vorliegend vorgeschlagen wird, kann die Länge des Gehäuses 3 einer Schaltvorrichtung 1 reduziert werden und somit die Gesamtlänge der elektrischen Schaltvorrichtung 1. Dadurch werden Materialkosten eingespart. Es könnte zum Beispiel ein Gehäuse 3 für eine bestimmte Spannungsebene hergestellt werden. Exakt dieses Gehäuse 3 könnte dann mit der refraktiv steuernden Beschichtung 13 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschichtet werden, und so für die nächsthöhere Spannungsebene einsetzbar sein. Das ergibt sich damit prozesstechnisch ein Design, das für zwei Spannungsebenen nutzbar ist, wobei die gleichen beiden Gehäuse 3 für zwei Schaltvorrichtungen 1, unterschiedlicher Spannungsebenen nutzbar sind!
Die beiden Gehäuse unterscheiden sich lediglich durch die zusätzliche refraktiv-steuernde Beschichtung 13.
Der besondere Vorteil der hier erstmals vorgestellten Anwendung einer refraktiv-steuernden Beschichtung ist auch, dass dadurch, dass durch diese Beschichtung kaum Strom fließt, diese sehr alterungsbeständig ist und länger und zuverlässiger hält.
Durch die Erfindung wird erstmals vorgeschlagen, eine Beschichtung mit hoher oder zumindest relativ zur Umgebungsluft ε_r = 1 hoher Permittivität aus einem Kunststoff ε_r >/= 2, insbesondere ε_r >/= 3 insbesondere einem gefüllten Kunststoff, auf die Gehäuseoberfläche einer Vakuumschaltröhre ganz oder teilweise aufzubringen, damit in kritischen Bereichen, insbesondere an Triplepunkten, die Feldlinien gebrochen und Lichtbögen soweit wie möglich auseinandergezogen und damit Blitze verhindert werden.
Die hier vorliegende Erfindung ist nicht auf Vakuumröhren beschränkt, sondern bezieht sich auf andere Schalter, beispielsweise gasisolierte - beispielsweise solche mit SF6 und/oder Clean Air -als Schaltgas. Bei Gasschalter mit Clean Air wird dieses in der Regel nur als Isolationsmedium verwendet und befindet sich nicht in der Unterbrechereinheit, wo der Lichtbogen entsteht und die Schalthandlung vorgenommen wird.

Bezugszeichenliste

1: Schaltvorrichtung
2: Isolator
3: Gehäuse
4: Kappe
5: Schaltkammer
6: Leiterelement
7: Kontakt
8: Pfeil
9: Bewegungseinrichtung
10: Erstreckungsrichtung
11: Metallbalg
12: Schirmelement
13: refraktiv-steuernde Beschichtung
14: Äquipotentiallinien
15: Feldlinien
16: Blitz
17: Bereich in dem Feldlinien refraktiv gebrochen werden

Claims

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 refraktiv-steuernde Beschichtung (13) aufweist, die eine dielektrisch isolierende Matrix aus einem Material einer Permittivität ε_r >/= 2 umfasst.
Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Matrix der refraktiv-steuernden Beschichtung (13) füllstoffhaltig vorliegt.
Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die refraktiv-steuernde Beschichtung zumindest in einem Bereich eines elektrischen Kontaktes (4) vorliegt.
Schaltvorrichtung nach dem Anspruch 1, wobei das Material der Füllstoff-Partikel der zumindest einen Füllstofffraktion eine Keramik mit einer Permittivität ε_r >/= 3 und ε_r </= 200 ist.
Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Material der Füllstoff-Partikel der zumindest einen Füllstofffraktion eine Keramik mit zumindest einem Metalloxid, einem Metall-Mischoxid und/oder einem Titanat umfasst.
Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in der Matrix eine Gesamtmenge an Füllstoff-Partikel im Bereich von 1 Vol% bis 70 Vol% vorliegt.
Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Harz ausgewählt ist aus der Gruppe der Elastomere, Duroplaste, Thermoplaste und/oder Glas.
Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Matrix ein polymeres Harz und/oder ein polymeres Harzgemisch ist.
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.
Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die refraktiv-steuernde Beschichtung in Kombination mit zumindest einer weiteren Beschichtung auf der Außenoberfläche des Gehäuses (13) vorgesehen ist.
Schaltvorrichtung nach Anspruch 10, wobei die weitere Beschichtung eine resistive Beschichtung ist.
Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die resistive Beschichtung die Gehäuse-Außenoberfläche ganz oder teilweise bedeckt.
Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche die refraktiv-steuernde Beschichtung (13) zumindest zum Teil über der resistiven Beschichtung vorgesehen ist.
Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die refraktiv-steuernde Beschichtung mit einer Schichtdicke kleiner/gleich 5mm, vorliegt.
Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die refraktiv-steuernde Beschichtung mit einer Schichtdicke kleiner/gleich 2mm vorliegt.
Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die refraktiv steuernde Beschichtung als Nasslack applizierbar ist.
Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die refraktiv-steuernde Beschichtung als Pulverlack applizierbar ist.
Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei es sich bei der Schaltvorrichtung um einen Vakuumschalter oder einen Gasschalter handelt.