WO2017167501A1 - Hochspannungsbauteil und vorrichtung mit einem hochspannungsbauteil - Google Patents

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Werner Hartmann
Steffen Lang
Thomas RETTENMAIER
Igor Ritberg
Bernd Trautmann
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Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • H01H2033/66284—Details relating to the electrical field properties of screens in vacuum switches

Definitions

  • the invention relates to a high-voltage component according to the preamble of patent claim 1 and to a device having a high-voltage component according to the preamble of patent claim 10.
  • Interrupters for medium and / or high voltage switches, field control elements as well as conductors in vacuum-, gas-, liquid- or solid-insulated lines must have a high dielectric strength.
  • the mutual distance (isolation distance) of the high-voltage components can be increased, which disadvantageously leads to a reduced compactness of the systems.
  • a rated voltage of 50 Hz or 60 Hz fundamental frequency with harmonic content up to the kHz range as well as a nominal withstand voltage, which is 50/60 Hz at up to twice the nominal voltage amplitude can be controlled for times up to one minute (load duration).
  • the insulating medium surrounding the high-voltage components typically determines the limits of the controllable electric field strengths or voltages on the surfaces of the field loaded high-voltage components.
  • insulating media in particular insulating gases, are used, which surround the voltage-carrying high-voltage components and have a higher dielectric strength than air.
  • insulating gas sulfur hexafluoride
  • nitrogen at ⁇ play SF As insulating gas (sulfur hexafluoride) or its mixture with nitrogen at ⁇ play SF.
  • liquid insulating media such as transformer oil, or synthetic Isolierflüs- may fluids as well as solid insulating materials such as polymers, ⁇ example, epoxy resins, or ceramics.
  • the dielectric strength in gaseous insulating media can be further increased by, in the insulating gas is encapsulated under elevated pressure. Al ⁇ lerdings this is a correspondingly high effort he ⁇ required to safely encapsulate the insulating gas at the elevated pressure.
  • Other known disadvantages, such as the insulating gas SF 6 are the high greenhouse gas potential of SF 6 and the high cost of liquid or solid insulating media.
  • field control components in the prior art examples play as caps, rings or tori electrical ⁇ rule fields between the high voltage section tries to manage and control.
  • these field control ⁇ components made of metal, in particular made of aluminum.
  • the recommended minimum clearances and thus the compactness of the plant will be ⁇ borders both the field strength on the surface of the field control components as well as by the dielectric strength of the insulating medium used.
  • the present invention is based on the object, the dielectric strength of a high-voltage component fibers to verbes ⁇ .
  • the high-voltage component according to the invention comprises a coating at least in a partial region of its surface, wherein the coating has a surface resistivity which varies nonlinearly with an electric field strength applied to the coating.
  • the coating always has a specific sheet resistance of at least 10 7 ohms at an applied field strength in the range from 10 5 V / m to 10 7 V / m.
  • the Hochputsbau ⁇ part in particular a metallic high-voltage component, which is exposed to a high electric field strength, provided with an electrically conductive with respect to their specific foundedn- chenwiderstand non-linear coating. It is essential for the invention that the surface resistance of the coating of Hochspanungsbauteils at an ⁇ lying field strength in the range of 10 5 V / m to 10 7 V / m does not fall below 10 7 ohms. As a result, the release of a breakdown-initiating electrons (starting electrons) is hindered, in particular prevented, so that significantly higher dielectric strengths can be achieved.
  • the coating can be applied to organic or inorganic polymers.
  • ren for example, epoxy resins, polyimides or silicones, or based on vitreous matrices, for example based on silicates.
  • the polymers or the glassy matrix are up to or beyond their Perkolationsgrenze with an organic or inorganic carrier from a few microns to a maximum of some 10 microns
  • the organic or inorganic Trä ⁇ gerstoff may be coated in inorganic or organic form nanocrystalline particles of non-linear conductive or semi-conductive materials such as doped tin oxide, indium oxide or mixtures thereof, or other conductive additives.
  • non-linear conductive or semi-conductive materials such as doped tin oxide, indium oxide or mixtures thereof, or other conductive additives.
  • doped and undoped semiconductors and semimetals in particular silicon carbide and comparable semiconducting materials, with sizes predominantly in the micrometer or nanometer range are also provided.
  • mixtures of powders with significantly different particle sizes are also advantageous.
  • the claimed ceremoniala ⁇ re dependence of the sheet resistivity of the applied electric field strength can therefore be achieved in many ways.
  • An electrical breakdown within a gaseous insulating medium typically takes place in several steps.
  • starting electrons are required, which are accelerated by means of the applied electric field strength.
  • the liberated start electrons are accelerated until their kinetic energy is sufficient, in the insulating gas by Stoßionisati ⁇ on further electrons (charge carriers) avalanche free ⁇ zen (Townsend discharge).
  • the number of free electrons in the avalanche reaches a critical one Limit, so that a so-called streamer discharge is triggered, which builds a weakly conductive channel to Gegenelekt ⁇ rode. From this then develops the high-current breakdown.
  • the required to breakdown start electrons are provided by field emission from the processes typically metal ⁇ metallic areas of the high-voltage component with high anlie ⁇ gender electric field strength.
  • the Feldemis ⁇ sion of the electrons is for cold surfaces, that is for surfaces with a typical ambient temperature of 300 Kelvin to 500 Kelvin, described by the Fowler-Nordheim equation. This results in required field strengths in the range of 3-10 9 V / m to 5-10 9 V / m from which a clear field emission of electrons begins.
  • the field enhancement factor beta summarizes the non-ideal properties of the surface of the high voltage ⁇ assembly member corrective in the microscopic range.
  • the invention is based on the finding that the field emission can be significantly reduced with the coating according to the invention of the high-voltage component or can be shifted to higher field strengths. As a result, the dielectric strength is shifted to significantly higher voltages under otherwise identical conditions, so that a more compact Construction is made possible by reducing the distances of the voltage ⁇ bearing components. In other words, the field superelevation factor ⁇ is reduced by the high-voltage component according to the invention with the coating according to the invention.
  • the conductivity of the coating decreases significantly due to its nonlinear sheet resistivity, so that the electron-emitting regions increase in size virtually.
  • a further advantage of the present invention is that the growth of field-emitting structures is impeded or even prevented under high applied electric field strengths, so that these structures can no longer form and reinforce.
  • the growth processes of struc ⁇ ren can form by a rearrangement of surface structures, but also by erecting nanowire-like structures (whiskers). Both processes for forming the growth processes can be suppressed by the high-voltage component according to the invention.
  • a high-voltage component with a coating which with respect to the electric field strength a has nonlinear conductivity (or correspondingly a non ⁇ linear surface resistivity) such that it is approximately constant below a first limit of the electrical ⁇ 's field strength and increases above this limit exponentially with a predetermined exponent. Below a second limit value as this ⁇ derum assumes an approximately constant value.
  • the high-voltage component according to the invention with the Inventive ⁇ coating according rather leads to a reduction of the field enhancement factor beta and thus to a reduction of the field-emission current at a given outer adjacent macroscopic field strength as well as to an advantageous limitation of the field emission current and thus to a stabilization ⁇ tion of his field emission behavior.
  • the dielectric strength of the high-voltage component can be further increased.
  • the coating of the high-voltage component is in the range at an applied field strength from 10 5 V / m to 10 7 V / m has a surface resistivity of at most 5-10 10 ohms, in particular of at most 10 10 ohms.
  • the coating may preferably have an area resistivity in the range from 10 3 V / m to 10 5 V / m, a specific sheet resistance of at least 5-10 9 ohm, in particular
  • the coating especially of at least 10 ohms. It is particularly preferred for the coating to have a specific sheet resistance of at most 10 13 ohms, in particular of at most 10 12 ohms, at an applied field strength in the range from 10 3 V / m to 10 5 V / m. Furthermore, it is advantageous if the coating always has a specific sheet resistance of at least 2-10 8 ohms and at most 6-10 8 ohms with an applied field strength in the range of 2 ⁇ 10 6 V / m to 10 7 V / m.
  • the surface resistivity of the coating at an applied field strength in the range of 5-10 4 V / m to 5-10 5 V / m with respect to the applied electric field strength an approximately constant non-linear exponent in the range of 3 to 6, in particular in the range of 4 to 5 on.
  • the coating of the high-voltage component has an average thickness ranging from 20 .mu.m to 500 .mu.m, in particular ⁇ sondere in the range of 50 ym to 200 ym on.
  • the coating of the high voltage ⁇ member in a direction perpendicular to the surface of the high-voltage component ⁇ a lower specific conductivity than in its direction tangential to the surface of the high-voltage component on.
  • the conductivity of the high-voltage ⁇ component has an anisotropy.
  • the guide may ability of the high voltage component also be isotropic.
  • Anisotropic conductivity of the high-voltage component can be achieved, for example, by virtue of the fact that the carrier particles coated with semiconductive particles are platelike, that is to say they have an elongated, extending shape with one
  • the device according to the invention is characterized in that it comprises a high-voltage component according to the present invention, the device being designed as a vacuum interrupter, insulator, high-voltage bushing or high-voltage cable end cap.
  • an increased fürschlagfes ⁇ activity of the device in particular for vacuum interrupters, insulators, high-voltage bushings or high-voltage cable end caps can be achieved.
  • this has a housing with a gas-insulated interior, which includes the high-voltage component.
  • the dielectric strength of the device can thereby be further increased, for example by an insulating gas filled in the interior.
  • Possible insulation ⁇ gases are, for example SF 6 or mixtures of SF 6 with nitrogen and fluoroketones, fluorinated nitriles and ver ⁇ rable substances or mixtures of said substances with air, carbon dioxide (C0 2) and / or nitrogen.
  • the coating of the high voltage component ⁇ extends at least partially, in particular fully ⁇ constantly, adjacent to the portion of the coating insulation components of the device.
  • FIG. 1 shows a schematic course of a nonlinear sheet resistivity according to the invention (sheet resistance / voltage characteristic).
  • the single FIGURE shows a diagram 1, which illustrates a nonlinear sheet resistance-voltage characteristic (characteristic curve) of a high-voltage component according to the invention.
  • Characteristic curve As sheet resistance-voltage characteristic of the depen ⁇ dependence of the specific surface resistance is in this case designated by the anlie ⁇ constricting the electric field strength. In other words, the characteristic is indicated by the curve 42 in the illustrated diagram.
  • the adjacent elekt ⁇ generic field strength in V / m is applied (volts per meter).
  • the ordinate 102 of the diagram 1 plots the specific area resistance of the high-voltage component in ohms.
  • the dimension of the sheet resistivity is typically also the unit ohms / D (ohms / square). However, this only serves to identify that it is a sheet resistance.
  • the electric field strength and the sheet resistivity are plotted logarithmically on their respective axes of the diagram 1, so that the diagram 1 shows a double logarithmic representation of the characteristic 42.
  • the characteristic curve having at a temperature at ⁇ electric field strength in the range of 10 5 V / m to 10 7 V / m is always a surface resistivity of 10 7 ohm we ⁇ tendonss 42nd In the example shown the sheet resistivity in the range of the field strength even above 10 8 ohms.
  • the characteristic curve 42 assumes an approximately constant value at an applied field strength in the range from 10 6 V / m to 10 7 V / m, that is to say the specific surface resistance of the high-voltage component is in the range from 10 6 V / m to 10 7 V / m approximately kon ⁇ constant.
  • characteristic curve 42 has a surface resistivity of at least 10 9 ohms, in particular WE ⁇ tendonss 10 10 Ohm, or at least 10 11 Ohm at.
  • the sheet resistivity in the range of 10 3 V / m to 10 4 V / m has an approximately constant value of 10 12 ohms.
  • the sheet resistivity for both high electric field strengths i.e., at field ⁇ strengthen the range of 10 6 V / m to 10 7 V / m and / or larger than even at low field strengths, i.e. at field strengths in the range from 10 3 V / m to 10 4 V / m and / or less an approximately constant value.
  • the specific surface resistance or the characteristic 42 has an approximately linear course with a negative slope.
  • This approximate linear course with ne ⁇ gativer slope corresponds
  • variable a therefore corresponds to the nonlinear exponent, which is typically in the range of 3 to 6, in particular in the range of 4 to 5.
  • the sheet resistivity is largely independent of the applied electric field strength and thus constant.
  • the sheet resistivity decreases with a further increase to ⁇ lying field strength advantageously no further.
  • the characteristic curve 42 typically has a reversal point, for example in the range of 5 ⁇ 10 3 V / m to 2 ⁇ 10 4 V / m, in particular in the range of 10 3 V / m to 50 - 10 3 V / m.
  • the characteristic curve 42 of the high-voltage component can be, for example, as described in the description, by organic or inorganic polymers, for example epoxy resins,
  • Polyimides or silicones can be achieved with a glassy matrix, for example based on silicates, which are filled up to or beyond their percolation limit with a or ⁇ ganic or inorganic carrier of typically a few microns to a maximum of some 10 microns.
  • the carrier is in this case coated with nanocrystalline particles of a nonlinear conductive, for example a semiconducting material.
  • Gege ⁇ appropriate, other conductive additives may be used in inorganic or organic form.

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  • Organic Insulating Materials (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)

Abstract

Es wird ein Hochspannungsbauteil vorgeschlagen, das wenigstens in einem Teilbereich seiner Oberfläche eine Beschichtung umfasst, wobei die Beschichtung einen mit einer an der Beschichtung anliegenden elektrischen Feldstärke nichtlinear variierenden spezifischen Flächenwiderstand aufweist. Erfindungsgemäß weist die Beschichtung bei einer anliegenden Feldstärke im Bereich von 105 Volt pro Meter bis 107 Volt pro Meter stets einen spezifischen Flächenwiderstand von wenigstens 107 Ohm auf.

Description

Beschreibung
Hochspannungsbauteil und Vorrichtung mit einem Hochspannungs¬ bauteil
Die Erfindung betrifft ein Hochspannungsbauteil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Vorrichtung mit einem Hochspannungsbauteil gemäß dem Oberbegriff des Patent¬ anspruches 10.
Hochspannungsbauteile für Mittel- und/oder Hochspannungsanla¬ gen, insbesondere Vakuumschaltröhren (engl. Vaccuum
Interrupter) für Mittel- und/oder Hochspannungsschalter, Feldsteuerelemente sowie Stromleiter in vakuum-, gas-, flüs- sig- oder feststoffisolierten Leitungen, müssen eine hohe Durchschlagsfestigkeit aufweisen. Zum Erreichen von hohen Durchschlagsfestigkeiten kann der gegenseitige Abstand (Isolationsabstand) der Hochspannungsbauteile vergrößert werden, was aber nachteilig zu einer verringerten Kompaktheit der An- lagen führt.
Typischerweise sind verschiedenste Anforderung an die Durch¬ schlagsfestigkeit der Hochspannungsbauteile zu stellen. Ins¬ besondere müssen eine hohe Blitzstoßspannung mit stark tran- sienten Schaltflanken, eine Nennspannung von 50 Hz oder 60 Hz Grundfrequenz mit harmonischen Anteilen bis in den kHz- Bereich sowie eine Nenn-Stehwechselspannung, die 50/60 Hz bei bis zum Doppelten der Nennspannungsamplitude beträgt, für Zeiten bis zu einer Minute (Belastungsdauer) beherrscht wer- den können.
Weiterhin ist es erforderlich in Mittel- und/oder Hochspannungsanlagen zur Energieübertragung und/oder Energieverteilung zwischen spannungstragenden, typischerweise metallischen Bauteilen, hohe Potentialdifferenzen zu beherrschen. Hierbei bestimmt das die Hochspannungsbauteile umgebende Isoliermedi¬ um typischerweise die Grenzen der beherrschbaren elektrischen Feldstärken oder Spannungen an den Oberflächen der feldmäßig belasteten Hochspannungsbauteile. In Abhängigkeit des verwen¬ deten Isoliermediums, der geometrischen Form der Hochspannungsbauteile sowie der Art der Spannungsbelastungen ist es daher erforderlich, bestimmte Mindestabstände zwischen den feldmäßig belasteten beziehungsweise spannungstragenden Hochspannungsbauteilen einzuhalten. Durch die genannten Mindestabstände wird die Baugröße der Anlage vergrößert, sodass kom¬ pakte Anlagen für hohe Spannungen nur schwer zu erreichen sind .
Es gilt daher bei festgelegten Anforderungen die erforderlichen Mindestabstände ( Isolationsabstände) zu minimieren, ohne dass es zu Durchschlägen durch das verwendete Isoliermedium kommt .
Bisher wurde im Stand der Technik schlicht ein ausreichend großer Abstand zwischen den feldtragenden Hochspannungsbauteilen gewählt, um die Entwicklung eines Durchschlags für al¬ le geforderten Betriebsbedingungen der Anlage möglichst zu verhindern. Weiterhin werden vorteilhafte Isoliermedien, insbesondere Isoliergase, eingesetzt, die die spannungstragenden Hochspannungsbauteile umgeben und eine gegenüber Luft erhöhte Durchschlagsfestigkeit aufweisen. Als Isoliergas wird bei¬ spielsweise SF6 ( Schwefelhexafluorid) oder dessen Mischung mit Stickstoff verwendet. Dadurch kann die Durchschlagsfes¬ tigkeit gegenüber trockener Luft (etwa 3 kV/mm) deutlich gesteigert werden, sodass etwa bei 20 Prozent SF6 mit trockenem Stickstoff eine Durchschlagsfestigkeit von etwa 5 kV/mm und bei reinem SF6 bis 9 kV/mm erreicht werden kann.
Aus dem Stand der Technik sind weitere Isoliermedien bekannt, die im Vergleich zu SF6 eine höhere Durchschlagsfestigkeit aufweisen. Insbesondere können flüssige Isoliermedien, beispielsweise Transformatorenöl oder synthetische Isolierflüs- sigkeiten sowie feste Isolierstoffe wie Polymere, beispiels¬ weise Epoxidharze, oder Keramiken eingesetzt werden. Die Durchschlagsfestigkeit bei gasförmigen Isoliermedien, das heißt einem Isoliergas, kann ferner dadurch erhöht werden, in dem das Isoliergas unter erhöhtem Druck verkapselt wird. Al¬ lerdings ist auch hierfür ein entsprechend hoher Aufwand er¬ forderlich, um das Isoliergas bei dem erhöhten Druck sicher zu verkapseln. Weitere bekannte Nachteile, beispielsweise des Isoliergases SF6, sind das hohe Treibhausgaspotential von SF6 sowie die hohen Kosten für flüssige oder feste Isoliermedien.
Aus dem Stand der Technik ist weiterhin die Verwendung von Vakuum als isolierende Umgebung bekannt. Hier können Durch- Schlagsfestigkeiten bis zu 20 kV/mm oder mehr erreicht werden. Allerdings ist der Aufwand zur Bereitstellung der erforderlichen niedrigen Drücke von weniger als 10~6 Pa über die Lebensdauer der Anlage äußerst aufwendig, sodass diese Vaku¬ umtechnologie nur selten und typischerweise nur in einzelnen Hochspannungsbauteilen, beispielsweise Vakuumschaltröhren, oder kleinen Mittelspannungsanlagen, eingesetzt wird.
Anlagen, die für sehr hohe Spannungen ausgelegt sind, bei¬ spielsweise Anlagen zur Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) oder zur Blindleistungskompensation, weisen typischerweise eine derartige Baugröße auf, dass nur noch Luft als Isoliermedium infrage kommt. Dadurch ergeben sich aber noch größere Mindestabstände zwischen den spannungstragenden Hochspannungsbauteilen, wodurch die Baugröße der Anlagen zusätz- lieh erhöht wird. Dies ist insbesondere bei HGÜ-Anlagen oder bei Anlagen auf offener See (Offshore-Anlagen) besonders nachteilig .
Im Stand der Technik wird zudem mit Feldsteuerbauteilen, bei- spielsweise Kappen, Ringe oder Tori, versucht die elektri¬ schen Felder zwischen den Hochspannungsbauteilen zu steuern und zu kontrollieren. Typischerweise sind diese Feldsteuer¬ bauteile aus Metall, insbesondere aus Aluminium, gefertigt. Grundsätzlich werden die einzuhaltenden Mindestabstände und somit die Kompaktheit der Anlage sowohl von den Feldstärken auf der Oberfläche der Feldsteuerbauteile als auch durch die Durchschlagfestigkeit des verwendeten Isoliermediums be¬ grenzt . Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Durchschlagfestigkeit eines Hochspannungsbauteils zu verbes¬ sern .
Die Aufgabe wird durch ein Hochspannungsbauteil mit den Merk¬ malen des unabhängigen Patentanspruches 1 sowie eine Vorrich¬ tung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 10 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Das erfindungsgemäße Hochspannungsbauteil umfasst wenigstens in einem Teilbereich seiner Oberfläche eine Beschichtung, wobei die Beschichtung einen mit einer an der Beschichtung an- liegenden elektrischen Feldstärke nichtlinear variierenden spezifischen Flächenwiderstand aufweist. Erfindungsgemäß weist die Beschichtung bei einer anliegenden Feldstärke im Bereich von 105 V/m bis 107 V/m stets einen spezifischen Flächenwiderstand von wenigstens 107 Ohm auf.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Hochspannungsbau¬ teil, insbesondere ein metallisches Hochspannungsbauteil, das einer hohen elektrischen Feldstärke ausgesetzt ist, mit einer elektrisch leitfähigen in Bezug auf ihren spezifischen Flä- chenwiderstand nichtlinearen Beschichtung versehen. Hierbei ist es für die Erfindung wesentlich, dass der Flächenwiderstand der Beschichtung des Hochspanungsbauteils bei einer an¬ liegenden Feldstärke im Bereich von 105 V/m bis 107 V/m nicht unterhalb von 107 Ohm fällt. Dadurch wird die Freisetzung von einen Durchschlag auslösenden Elektronen (Startelektronen) behindert, insbesondere verhindert, sodass deutlich höhere Durchschlagsfestigkeiten erreicht werden können.
Zum Erreichen der beanspruchten nichtlinearen Abhängigkeit des spezifischen Flächenwiderstandes von der anliegenden
Feldstärke (Flächenwiderstandes-Spannungs-Kennlinie) , kann die Beschichtung auf organischen oder anorganischen Polyme- ren, beispielsweise Epoxidharzen, Polyimiden oder Silikonen, oder auf glasartigen Matrizen, beispielsweise basierend auf Silikaten, basieren. Hierbei werden die Polymere oder die glasartige Matrix bis zur oder über ihre Perkolationsgrenze mit einem organischen oder anorganischen Trägerstoff von einigen Mikrometern bis maximal einigen 10 Mikrometern
Partikelgröße gefüllt. Der organische oder anorganische Trä¬ gerstoff kann mit nanokristallinen Partikeln aus nichtlinear leitfähigen oder halbleitenden Materialien, beispielsweise dotiertem Zinnoxid, Indiumoxid oder Mischungen davon, oder weiteren leitfähigen Zusätzen in anorganischer oder organischer Form, beschichtet sein. Als weitere, zusätzliche oder alternative Füllstoffe sind auch dotierte und undotierte Halbleiter und Halbmetalle, insbesondere Siliziumkarbid und vergleichbare halbleitende Materialien, mit Größen vorwiegend im Mikrometer oder Nanometerbereich vorgesehen. Insbesondere sind auch Mischungen von Pulvern mit deutlich unterschiedlichen Partikelgrößen vorteilhaft. Die beanspruchte nichtlinea¬ re Abhängigkeit des spezifischen Flächenwiderstandes von der anliegenden elektrischen Feldstärke kann daher auf vielfältige Weise erreicht werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Freisetzung von Startelektronen für die Auslösung eines Durchschlags im Be- reich der für Hochspannungsbauteile typischen kritischen
Feldstärken vermindert. Im Weiteren soll kurz die Abfolge ei¬ nes solchen elektrischen Durchschlags beschrieben werden.
Ein elektrischer Durchschlag innerhalb eines gasförmigen Iso- liermediums (Isoliergas) erfolgt typischerweise in mehreren Schritten. In einem ersten Schritt sind Startelektronen erforderlich, welche mittels der anliegenden elektrischen Feldstärke beschleunigt werden. Hierbei werden die freigesetzten Startelektronen soweit beschleunigt, bis ihre kinetische Energie ausreichend ist, um im Isoliergas durch Stoßionisati¬ on weitere Elektronen (Ladungsträger) lawinenartig freizuset¬ zen (Townsend-Entladung) . In einem zweiten Schritt erreicht die Anzahl der freien Elektronen in der Lawine eine kritische Grenze, sodass eine sogenannte Streamerentladung ausgelöst wird, welche einen schwach leitfähigen Kanal zur Gegenelekt¬ rode aufbaut. Aus dieser entwickelt sich dann der stromstarke Durchschlag. Die physikalischen Eigenschaften des Isolierga- ses, insbesondere seine Ionisationsenergie, Dichte und Elekt- ronegativität , bestimmen dabei wesentlich die elektrische Feldstärke, ab der sich ein Durchschlag entwickelt (Durch¬ schlagsfestigkeit) . Die für einen Durchschlag erforderlichen Startelektronen werden durch Feldemissionsprozesse aus den typischerweise metal¬ lischen Bereichen des Hochspannungsbauteils mit hoher anlie¬ gender elektrischer Feldstärke bereitgestellt. Die Feldemis¬ sion der Elektronen wird für kalte Oberflächen, das heißt für Oberflächen mit einer typischen Umgebungstemperatur von 300 Kelvin bis 500 Kelvin, durch die Fowler-Nordheim-Gleichung beschrieben. Aus dieser ergeben sich erforderliche Feldstärken im Bereich von 3-109 V/m bis 5-109 V/m ab denen eine deutliche Feldemission von Elektronen einsetzt. Jedoch zeigen alle technisch hergestellten Metalloberflächen, selbst im Vakuum, bereits durchschlagsauslösende Feldemissionen bei typi¬ schen Feldstärken von etwa 2-107 V/m bis 3-107 V/m, das heißt bei makroskopischen Feldstärken, die etwa um einen Faktor 200 niedriger sind als die Feldstärken, die sich aus der Fowler- Nordheim-Gleichung für ideale Metalloberflächen ergeben. Diese Reduktion der für eine durchschlagsauslösende Feldemission erforderlichen Feldstärke wird durch die Einführung eines Feldüberhöhungsfaktors ß in der Fowler-Norheim-Gleichung berücksichtig. Hierbei fasst der Feldüberhöhungsfaktor ß die nichtidealen Eigenschaften der Oberfläche des Hochspannungs¬ bauteils im mikroskopischen Bereich korrigierend zusammen.
Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Feldemission mit der erfindungsgemäßen Beschichtung des Hochspannungsbauteils deutlich verringern beziehungsweise zu höheren Feldstärken hin verschieben lässt. Dadurch wird die Durchschlagsfestigkeit zu deutlich höheren Spannungen unter sonst gleichen Bedingungen verschoben, sodass eine kompaktere Bauweise durch eine Verringerung der Abstände der spannungs¬ tragenden Bauteile ermöglicht wird. Mit anderen Worten wird der Feldüberhöhungsfaktor ß durch das erfindungsgemäße Hochspannungsbauteils mit der erfindungsgemäßen Beschichtung ver- ringert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung nimmt die Leitfähigkeit der Beschichtung aufgrund ihres nichtlinearen spezifischen Flächenwiderstandes deutlich ab, sodass die Elektronen emittie- rende Bereiche in ihren Abmessungen virtuell zunehmen. Dies führt zu einer Verringerung des Feldüberhöhungsfaktors ß so¬ wie einer verbesserten räumlichen Verteilung des Feldemissionsstromes, das heißt zu einer lokalen Verringerung der Emissionsstromdichte. Weiterhin nimmt der spezifische Flächenwi- derstand durch die nichtlineare Beschichtung in weiter ent¬ fernten Bereichen des feldemittierenden Bereichs um mehrere Größenordnungen zu, sodass der Feldemissionsstrom durch das Hochspannungsbauteil deutlich begrenzt wird. Vorteilhafter¬ weise wird dadurch eine thermische Überhitzung des feldemit- tierenden Hochspannungsbauteils vermieden, wodurch der Feldemissionsstrom - im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Hochspannungsbauteilen - begrenzt wird, sodass das erfindungsgemäße Hochspannungsbauteil thermisch stabil bleibt .
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass das Wachstum von feldemittierenden Strukturen unter hohen anliegenden elektrischen Feldstärken behindert oder sogar verhindert wird, sodass sich diese Strukturen nicht weiter ausbil- den und verstärken können. Die Wachstumsprozesse der Struktu¬ ren können sich durch eine Umlagerung von Oberflächenstrukturen, aber auch durch ein Aufrichten von nanodrahtartigen Strukturen (Whiskern) ausbilden. Beide Prozesse zur Bildung der Wachstumsprozesse können durch das erfindungsgemäße Hoch- spannungsbauteil unterdrückt werden.
Besonders vorteilhaft ist ein Hochspannungsbauteil mit einer Beschichtung, die bezüglich der elektrischen Feldstärke eine nichtlineare Leitfähigkeit (oder dementsprechend einen nicht¬ linearen spezifischen Flächenwiderstand) dergestalt aufweist, dass diese unterhalb eines ersten Grenzwertes der elektri¬ schen Feldstärke annähernd konstant ist und oberhalb dieses Grenzwertes exponentiell mit einem vorgegebenen Exponenten zunimmt. Unterhalb eines zweiten Grenzwertes nimmt diese wie¬ derum einen annähernd konstanten Wert an.
Im Vergleich hierzu weisen bekannte Beschichtungen und somit bekannte Hochspannungsbauteile eine Varistor-Kennlinie auf, die ein scharfes Abknicken zu geringen Werten des Flächenwiderstandes oberhalb einer kritischen Feldstärke aufweist. Da¬ durch werden Feldemissionen aus feldemittierenden Strukturen oder Bereichen nicht verhindert sondern verstärkt.
Das erfindungsgemäße Hochspannungsbauteil mit der erfindungs¬ gemäßen Beschichtung führt vielmehr zu einer Verringerung des Feldüberhöhungsfaktors ß und somit zu einer Verringerung des Feldemissionsstromes bei gegebener äußeren anliegenden makro- skopischen Feldstärke als auch zu einer vorteilhaften Begrenzung des Feldemissionsstromes und somit zu einer Stabilisie¬ rung seines Feldemissionsverhaltens.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Beschichtung bei einer anliegenden Feldstärke im Bereich von 103 Volt pro Meter bis 105 Volt pro Meter, insbesondere im Bereich von 103 Volt pro Meter bis 104 Volt pro Meter, ei¬ nen Flächenwiderstand von wenigstens 109 Ohm aufweist. Dadurch kann vorteilhafterweise die Durchschlagsfestigkeit des Hochspannungsbauteils weiter erhöht werden.
Die im Weiteren genannten Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Hochspannungsbauteils führen stets zu einer weiteren Ver- besserung seiner Durchschlagsfestigkeit.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Beschichtung des Hoch¬ spannungsbauteils bei einer anliegenden Feldstärke im Bereich von 105 V/m bis 107 V/m einen spezifischen Flächenwiderstand von höchstens 5-1010 Ohm, insbesondere von höchstens 1010 Ohm aufweist . Weiterhin kann die Beschichtung bevorzugt bei einer anliegenden Feldstärke im Bereich von 103 V/m bis 105 V/m einen spezifischen Flächenwiderstand von wenigstens 5-109 Ohm, insbe-
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sondere von wenigstens 10 Ohm aufweisen. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Beschichtung bei einer anliegenden Feldstärke im Bereich von 103 V/m bis 105 V/m einen spezifischen Flächenwiderstand von höchstens 1013 Ohm, insbesondere von höchstens 1012 Ohm, aufweist. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die Beschichtung bei einer anliegenden Feldstärke im Bereich von 2 · 106 V/m bis 107 V/m stets einen spezifischen Flächenwiderstand von wenigstens 2-108 Ohm und höchstens 6-108 Ohm aufweist. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der spezifische Flächenwiderstand der Beschichtung bei einer anliegenden Feldstärke im Bereich von 5-104 V/m bis 5-105 V/m bezüglich der anliegenden elektrischen Feldstärke einen annähernd konstanten nichtlinearen Exponenten im Be- reich von 3 bis 6, insbesondere im Bereich von 4 bis 5 auf.
Bevorzugt weist die Beschichtung des Hochspannungsbauteils eine mittlere Dicke im Bereich von 20 ym bis 500 ym, insbe¬ sondere im Bereich von 50 ym bis 200 ym, auf.
Besonders bevorzugt weist die Beschichtung des Hochspannungs¬ bauteils in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Hoch¬ spannungsbauteils eine geringere spezifische Leitfähigkeit als in ihrer Richtung tangential zur Oberfläche des Hochspan- nungsbauteils auf.
Mit anderen Worten weist die Leitfähigkeit des Hochspannungs¬ bauteils eine Anisotropie auf. Vorzugsweise kann die Leitfä- higkeit des Hochspannungsbauteils auch isotrop sein. Eine anisotrope Leitfähigkeit des Hochspannungsbauteils lässt sich beispielsweise dadurch erreichen, dass die mit halbleitenden Partikeln beschichteten Trägerpartikel plättchenartig sind, das heißt eine längliche sich erstreckende Form mit einem
Aspektverhältnis größer als eins aufweisen. Durch die anlie¬ gende elektrische Feldstärke beziehungsweise Spannung werden die Plättchen vorwiegend parallel zur Oberfläche des Hoch¬ spannungsbauteils ausgerichtet, sodass in dieser Richtung die Perkolationsschwelle überschritten und somit eine hohe Leit¬ fähigkeit erreicht wird. Senkrecht zur Oberfläche des Hoch¬ spannungsbauteils ergibt sich hingegen eine geringe Leitfä¬ higkeit, da die Trägerpartikel einen größeren Abstand zuei¬ nander aufweisen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass diese ein Hochspannungsbauteil gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst, wobei die Vorrichtung als Vakuumschaltröhre, Isolator, Hochspannungsdurchführung oder Hochspannungska- belendverschluss ausgebildet ist.
Vorteilhafterweise kann dadurch eine erhöhte Durchschlagsfes¬ tigkeit der Vorrichtung, insbesondere für Vakuumschaltröhren, Isolatoren, Hochspannungsdurchführungen oder Hochspannungska- belendverschlüsse erreicht werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung weist diese ein Gehäuse mit einem gasisolierten Innenraum auf, der das Hochspannungsbauteil umfasst.
Vorteilhafterweise kann dadurch die Durchschlagsfestigkeit der Vorrichtung weiter erhöht werden, beispielsweise durch ein in den Innenraum gefülltes Isoliergas. Mögliche Isolier¬ gase sind beispielsweise SF6 oder Mischungen von SF6 mit Stickstoff sowie Fluorketone, fluorierte Nitrile und ver¬ gleichbare Substanzen oder Mischungen von den genannten Stoffen mit Luft, Kohlendioxid (C02) und/oder Stickstoff. Besonders bevorzugt erstreckt sich die Beschichtung des Hoch¬ spannungsbauteils wenigstens teilweise, insbesondere voll¬ ständig, auf an dem Teilbereich der Beschichtung angrenzende Isolationskomponenten der Vorrichtung.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er¬ geben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der einzigen Zeichnung. Dabei zeigt die Figur einen schematisierten Verlauf eines erfindungsgemäßen nichtlinearen spezifischen Flächenwiderstandes (Flächenwider- standes-Spannungs-Kennlinie) .
Die einzige Figur zeigt ein Diagramm 1, das eine nichtlineare Flächenwiderstandes-Spannungs-Kennlinie (Kennlinie) eines er- findungsgemäßen Hochspannungsbauteils verdeutlicht. Als Flä- chenwiderstandes-Spannungs-Kennlinie wird hierbei die Abhän¬ gigkeit des spezifischen Flächenwiderstandes mit der anlie¬ genden elektrischen Feldstärke bezeichnet. Mit anderen Worten ist im dargestellten Diagramm die Kennlinie durch die Kurve 42 gekennzeichnet.
An der Abszisse 101 des Diagramms 1 ist die anliegende elekt¬ rische Feldstärke in V/m (Volt pro Meter) aufgetragen. An der Ordinate 102 des Diagramms 1 ist der spezifische Flächenwi- derstand des Hochspannungsbauteils in Ohm aufgetragen. Als Dimension für den spezifischen Flächenwiderstand wird typischerweise auch die Einheit Ohm/D (Ohm/Quadrat ) verwendet. Allerdings dient dies nur zur Kennzeichnung, dass es sich um einen Flächenwiderstand handelt. Die elektrische Feldstärke sowie der spezifische Flächenwiderstand sind logarithmisch an ihren jeweiligen Achsen des Diagramms 1 aufgetragen, sodass das Diagramm 1 eine doppelt logarithmische Darstellung der Kennlinie 42 zeigt. Deutlich zu erkennen ist, dass die Kennlinie 42 bei einer an¬ liegenden elektrischen Feldstärke im Bereich von 105 V/m bis 107 V/m stets einen spezifischen Flächenwiderstand von we¬ nigstens 107 Ohm aufweist. Im dargestellten Beispiel liegt der spezifische Flächenwiderstand im genannten Bereich der Feldstärke sogar oberhalb von 108 Ohm. Weiterhin nimmt die Kennlinie 42 bei einer anliegenden Feldstärke im Bereich von 106 V/m bis 107 V/m einen annähernd konstanten Wert an, das heißt der spezifische Flächenwiderstand des Hochspannungsbau¬ teils ist im Bereich von 106 V/m bis 107 V/m annähernd kon¬ stant .
Die Kennlinie 42 weist bei einer anliegenden elektrischen Feldstärke im Bereich von 103 V/m bis 105 V/m, insbesondere im Bereich von 103 V/m bis 104 V/m, einen spezifischen Flächenwiderstand von wenigstens 109 Ohm, insbesondere von we¬ nigstens 1010 Ohm oder wenigstens 1011 Ohm, auf. Im dargestellten Diagramm weist der spezifische Flächenwiderstand im Bereich von 103 V/m bis 104 V/m einen annähernd konstanten Wert von 1012 Ohm auf.
Mit anderen Worten weist der spezifische Flächenwiderstand sowohl für hohe elektrische Feldstärken, das heißt bei Feld¬ stärken im Bereich von 106 V/m bis 107 V/m und/oder größer, als auch bei niedrigen Feldstärken, das heißt bei Feldstärken im Bereich von 103 V/m bis 104 V/m und/oder kleiner einen annähernd konstanten Wert auf.
In einem Zwischenbereich, der durch eine anliegende Feldstärke im Bereich von 104 V/m bis 105 V/m gekennzeichnet ist, weist der spezifische Flächenwiderstand beziehungsweise die Kennlinie 42 einen annähernd linearen Verlauf mit einer nega- tiven Steigung auf. Dieser annähernde lineare Verlauf mit ne¬ gativer Steigung entspricht in der doppelt logarithmischen Darstellung dem nichtlinearen Exponenten der Kennlinie 42. Mit anderen Worten gilt in dem genannten Bereich der elektrischen Feldstärke / = K ·Ό beziehungsweise σ = K ·Ό~ , wobei / den aus der anliegenden Feldstärke beziehungsweise Spannung resultierenden Strom, U die aus der anliegenden elektrischen Feldstärke resultierende Spannung, K eine von der Geometrie abhängige Konstante und σ die Leitfähigkeit bezeichnet. Für a ungleich 1 liegt eine nichtlineare Abhängigkeit der Leit¬ fähigkeit von der Spannung und somit eine nichtlineare Abhän¬ gigkeit des spezifischen Flächenwiderstandes von der elektri¬ schen Feldstärke vor. Die Variable a entspricht daher dem nichtlinearen Exponenten, der typischerweise im Bereich von 3 bis 6, insbesondere im Bereich von 4 bis 5, liegt.
Im Vergleich zu einer bekannten Varistor-Kennlinie fällt so¬ mit die erfindungsgemäße Kennlinie 42 des erfindungsgemäßen Bauteils deutlich flacher aus, was überraschenderweise zu be¬ sonders vorteilhaften Feldsteuereigenschaften führt.
Ebenfalls im Gegensatz zu bekannten Beschichtungen mit Varistor-Kennlinie, beispielsweise Beschichtungen mit Zinkoxidfül- lern, wird bei dem erfindungsgemäßen Hochspannungsbauteil, beispielsweise durch dotiertem Zinn- ( I I ) -Oxid oder vergleich¬ baren Zinnoxidfüllern und weiteren Füllstoffen, bei elektrischen Feldstärken oberhalb von etwa 106 V/m der spezifische Flächenwiderstand weitestgehend unabhängig von der anliegen- den elektrischen Feldstärke und somit konstant. Dadurch nimmt der spezifische Flächenwiderstand bei weiter zunehmender an¬ liegender Feldstärke vorteilhafterweise nicht weiter ab.
Die Kennlinie 42 weist typischerweise einen Umkehrpunkt auf, der beispielsweise im Bereich von 5 · 103 V/m bis 2 · 104 V/m, insbesondere im Bereich von 103 V/m bis 50 - 103 V/m, liegt.
Die Kennlinie 42 des Hochspannungsbauteils kann beispielswei¬ se, wie in der Beschreibung beschrieben, durch organische oder anorganischer Polymere, beispielsweise Epoxidharze,
Polyimide oder Silikone, sowie mit einer glasartigen Matrix, beispielsweise basierend auf Silikaten erreicht werden, wobei diese bis zur oder über ihre Perkolationsgrenze mit einem or¬ ganischen oder anorganischen Trägerstoff von typischerweise einigen Mikrometern bis maximal einigen 10 Mikrometern gefüllt sind. Der Trägerstoff ist hierbei mit nanokristallinen Partikeln aus einem nichtlinear leitfähigen, beispielsweise einen halbleitenden Werkstoff, beschichtet. Insbesondere mit dotiertem Zinnoxid, Indiumoxid oder Mischungen hieraus. Gege¬ benenfalls können weitere leitfähige Zusätze in anorganischer oder organischer Form verwendet werden. Besonders vorteilhaft sind zusätzliche Füllstoffe, wie beispielsweise dotiertes oder undotiertes Siliziumkarbid und vergleichbare halbleiten¬ de Stoffe, die bevorzugt eine Partikelgröße im Mikrometerbe¬ reich oder Nanometerbereich aufweisen. Durch eine Mischung der genannten Materialien kann die Kennlinie 42 erreicht oder bezüglich ihres Wertebereiches und Definitionsbereiches ver- schoben werden.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele ein- geschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Hochspannungsbauteil, das wenigstens in einem Teilbereich seiner Oberfläche eine Beschichtung umfasst, wobei die Be- Schichtung einen mit einer an der Beschichtung anliegenden elektrischen Feldstärke nichtlinear variierenden spezifischen Flächenwiderstand aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung bei einer anliegenden Feldstärke im Bereich von 105 Volt pro Meter bis 107 Volt pro Meter stets einen spezi- fischen Flächenwiderstand von wenigstens 107 Ohm aufweist.
2. Hochspannungsbauteil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung bei einer anliegenden Feldstärke im Bereich von 103 Volt pro Meter bis 105 Volt pro Me- ter, insbesondere im Bereich von 103 Volt pro Meter bis 104 Volt pro Meter, einen Flächenwiderstand von wenigstens 109 Ohm aufweist.
3. Hochspannungsbauteil gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Beschichtung bei einer anliegenden
Feldstärke im Bereich von 105 Volt pro Meter bis 107 Volt pro Meter einen spezifischen Flächenwiderstand von höchstens 5-1010 Ohm, insbesondere von höchstens 1010 Ohm, aufweist.
4. Hochspannungsbauteil gemäß einem der vorhergehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung bei einer anliegenden Feldstärke im Bereich von 103 Volt pro Meter bis 105 Volt pro Meter einen spezifischen Flächenwiderstand von wenigstens 5-109 Ohm, insbesondere von wenigstens 1010 Ohm, aufweist.
5. Hochspannungsbauteil gemäß einem der vorhergehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung bei einer anliegenden Feldstärke im Bereich von 103 Volt pro Me- ter bis 105 Volt pro Meter einen spezifischen Flächenwiderstand von höchstens 1013 Ohm, insbesondere von höchstens 1012 Ohm, aufweist.
6. Hochspannungsbauteil gemäß einem der vorhergehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung bei einer anliegenden Feldstärke im Bereich von 2 · 106 Volt pro Meter bis 107 Volt pro Meter stets einen spezifischen Flä- chenwiderstand von wenigstens 2-108 Ohm und höchstens 6-108 Ohm aufweist.
7. Hochspannungsbauteil gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische Flä- chenwiderstand der Beschichtung bei einer anliegenden Feldstärke im Bereich von 5-104 Volt pro Meter bis 5-105 Volt pro Meter bezüglich der anliegenden elektrischen Feldstärke einen annähernd konstanten nichtlinearen Exponenten im Bereich von 3 bis 6, insbesondere im Bereich von 4 bis 5, aufweist.
8. Hochspannungsbauteil gemäß einem der vorhergehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine mittlere Dicke im Bereich von 20 Mikrometern bis 500 Mikrome¬ tern, insbesondere im Bereich von 50 Mikrometern bis 200 Mik- rometern, aufweist.
9. Hochspannungsbauteil gemäß einem der vorhergehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung in ei¬ ner Richtung senkrecht zur Oberfläche des Hochspannungsbau- teil eine geringer spezifische Leitfähigkeit als in einer
Richtung tangential zur Oberfläche des Hochspannungsbauteils aufweist .
10. Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass diese ein Hoch- spannungsbauteil gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche um- fasst, wobei die Vorrichtung als Vakuumschaltröhre, Isolator, Hochspannungsdurchführung oder Hochspannungskabel- Endverschluss ausgebildet ist.
11. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese ein Gehäuse mit einem gasisolierten Innenraum, der das Hochspannungsbauteil umfasst, aufweist.
12. Vorrichtung gemäß Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Beschichtung des Hochspannungsbau¬ teils wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, auf an dem Teilbereich der Beschichtung angrenzende Isolationskompo- nenten der Vorrichtung erstreckt.
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