Vakuumschaltkammer

Die Erfindung betrifft eine Vakuumschaltkammer mit einer isolierenden keramischen Wandung, innerhalb der im Vakuum bewegliche Kontaktstücke angeordnet sind und von einer Schirmung zwischen Kontaktstück und Schaltkammerwandung konzentrisch umgeben ist, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Vakuumschaltkammern werden im Nieder-, Mittel - und Hochspannungsbereich eingesetzt. Innerhalb eines Vakuums befinden sich die Kontaktstücke, der Schaltvorgang selbst findet unter einer Vakuumatmosphäre statt. Beim Schaltvorgang insbesondere unter Kurzschlussbedingungen ist das Ziel den entstandenen Lichtbogen schnellstmöglich zu löschen. Der besagte Lichtbogen als solcher ist ein hochenergetischer Plasmastrom der Verdampfungsprozesse innerhalb der Vakuumschaltkammer generiert. Damit sich nach einer Vielzahl von Schaltvorgängen keine metallische Schicht innen auf dem keramischen Wandungsmaterial der Vakuumschaltkammer ausbildet, und somit das Isolationsvermögen der Einheit reduziert, werden in der Regel Schirmbauteile aus dünnwandigeren metallischen Materialien innerhalb der Vakuumschaltkammer eingbracht, die in der Nähe der Schaltstrecke zwischen den Kontaktstücken und der Isolation angeordnet sind.

Der durch den Schaltvorgang bewirkte abströmende Metalldampf kondensiert dann auf der Oberfläche dieser Schirme. Des Weiteren werden auch andere hochenergetische Plasmastrahlen die ebenfalls aus dem Kontaktbereich kommen, vom Schirm aufgenommen. Dadurch bleibt die spannungsisolierende Funktion der Keramikhülle auf der Vakuumschaltkammer Innenseite erhalten. An den Kanten dieser eingebrachten Schirmbauteile liegen besonders unter Prüfbedingungen hohe elektrische Feldstärke an.

Die auf den Schirm auftreffenden Plasmastrahlen heizen diesen lokal auf, so dass es zur Materialanschmelzung und Verdampfung kommen kann. Dies kann zum einen den Dampfdruck innerhalb der Vakuumschaltkammer während des Schaltvorganges erhöhen und zum anderen ein Durchschmelzen des Schirms verursachen. Eine besondere Beanspruchung des Schirmes tritt bei einer kompakten Bauweise der Vakuumschaltkammer bei häufigem Schalten von Kurzschlussströmen auf.

Die geforderte hohe Abbrandfestigkeit kann jedoch von den üblicherweise verwendeten Schirmmaterialen in dieser Form nicht erfüllt, beziehungsweise nur unvollkommen erreicht werden.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, an den sich innerhalb der Vakuumschaltkammer baulich ergebenden Kanten oder Verrundungen der verwendeten Teilkomponenten die dielektrische Festigkeit zu erhöhen. Im Bereich der Kontaktstücke soll die Abbrandfestigkeit des Schirmes verbessert werden.

Die gestellte Aufgabe wird bei einer Vakuumschaltkammer der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen hierzu sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Wesen der Erfindung ist hierbei, die Schirme oder die besagten Schirmteile, die direkt dem Kontaktsystembereich gegenüber liegen, mit einer besonderen hochschmelzenden Materialbeschichtung zu versehen. Die zu wählende Dicke der dabei aufgetragenen hochschmelzenden Schicht muss so bemessen sein, dass während einer Kurzschlussstromausschaltung die dabei generierte Energie durch Strahlung im Wesentlichen in dieser Schicht absorbiert und an die Trägerschicht abgeführt werden kann, ohne dass die Schirmanordnung, oder welche Bauteile auch immer damit beschichtet sind, je Schaltung sehr stark anschmelzen und damit in der Konsequenz frühzeitig durchschmelzen können.

Für die Schirme bedeutet dies, dass sie im Bereich der betreffenden Kanten oder Verrundungen mit diesem Material hoher dielektrischer Festigkeit beschichtet sind. Dies führt dazu, dass eine hohe Elektronenaustrittsarbeit und/oder eine mechanisch hohe Härte bedingt wird. Diese Schicht kann dabei relativ dünn sein. Daher kann in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung diese Schicht durch chemische Beschichtung, Aufsputtem oder Aufdampfen aufgebracht werden.

Beim öffnen der Kontaktstücke unter Last entsteht ein Lichtbogen, mit den oben beschriebenen Wirkungen. An den beschichteten Kanten und Oberflächen wird ein plasmainduziertes Erodieren des Materials deutlich reduziert, wodurch zum einen das Anschmelzen der Schirmungen reduziert und letztendlich ein Durchschmelzen des Schirmes verhindert werden kann.

Es wird ausserdem eine Steigerung der Spannungsfestigkeit einer Schirmanordnung erreicht. An den Kanten dieser eingebrachten Schirmbauteile liegen besonders unter dielektrischen Prüfbedingungen sehr hohe elektrische Feldstärken an. Zusätzlich zu der genannten Abbrandfestigkeit soll die dielektrische Festigkeit an den Kanten und Verrundungen des Schirmes oder anderer Bauteilkomponenten erhöht werden.

Die Kanten oder Verrundungen der Schirme sollen somit mit einem Material hoher dielektrischer Festigkeit beschichtet sein. Dieses erreicht man durch eine hohe Elektronenaustrittsarbeit und/oder eine mechanisch hohe Härte. Die dielektrische Festigkeit der Anordnung bzw. Einrichtung insbesondere an den Schirmkanten wird erhöht. Hierbei ist noch zu erkennen, dass an dem sogenannten

Mittelschirm ein entsprechender Randboard angegeordnet ist, der nach außen geführt ist und eine Schirmsteuerung, das heißt eine entsprechende Ansteuerung des Mittenpotentials möglich ist.

Die Schicht auf den Bauteilen kann dabei relativ dünn ausgeführt sein. Diese

Beschichtungen können aus den oben genannten Elementen, Mischungen und / oder Legierungen in besagter Form bestehen, z.B. TiN, TiNMI ₂ O ₃ , TiCN, TiAIN, C zumindest zum Teil in Diamantstrucktur oder auch in einer Mischung mit Wolfram, Hartmetallbeschichtungen aus WC o.a. und auch Cermets.

Diese in der nachfolgenden Zeichnung mit XY dargestellten Bereiche bestehen aus diesen genannten Materialkompositen, wobei nicht ausgeschlossen ist, dass diese Beschichtungen auch in den Bereichen XXX aufgebracht werden können und umgekehrt.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung kann hierbei die Schicht auch von Nanopartikeln gebildet sein, die aufgrund ihrer Struktur entsprechend optimale Eigenschaften haben können.

Zur Beschichtung werden auf der Oberfläche eines Bauteiles besonders hochschmelzende bzw. Refraktärmetalle verwendet, die in Form von Nanopartikeln oder als Schicht d.h. als geschlossene Schicht auf den Träger, hier das Schirmbauteil bereichsweise oder auch komplett aufgebracht werden. Zu den verwendeten Werkstoffen gehören die Elemente: Wolfram, Chrom, Molybdän, Vanadium, Titan, Tantal und Kohlenstoff. In der nachfolgenden Zeichnung werden für die dort mit XXX bezeichneten Bereiche die oben genannten Elemente für die Beschichtung gewählt.

Des Weiteren können die Beschichtungen aus Mischungen und/oder Legierungen in besagter Form bestehen, z.B. TiN, TiNMI ₂ O ₃ , TiCN, TiAIN, C in Diamantstruktur, Hartmetallbeschichtungen aus WC o.a. und Cermets. Diese in der nachfolgenden Zeichnung mit XY dargestellten Bereiche bestehen aus diesen genannten Materialkompositen.

Die Aufbringung dieser Partikel bzw. Schichten kann über einen chemischen Weg erfolgen. Eine weitere Möglichkeit zur Aufbringung einer Schicht auf ein Bauteil ist das Tauchen / Streichen / Spritzen bzw. ein Physical-Vapour-Deposition (PVD-) oder ein Chemical-Vapour-Deposition (CVD-) Verfahren durch Aufsputtern / Aufdampfen oder durch chemische Oberflächenreaktion.

Die Erfindung ist einem Ausführungsbeispiel dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.

Die Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Vakuumschaltkammer 10. Innerhalb der Vakuumschaltkammer sind die Schaltkontakte 5 angeordnet. Dabei ist ein Schaltkontakt feststehend 8 und ein anderer ist über einen Faltenbalg 3 hierzu

beweglich 1 innerhalb der Vakuumschaltkammer angeordnet. Wahlweise können auch zwei bewegliche Kontakte eingesetzt werden, wobei jedes Kontaktstück entsprechend angetrieben und über einen metallischen Balg mit einer Schubstange nach außen geführt ist. Die beiden metallischen Leiter 1 , 8 sind voneinander durch einen Isolator 6 elektrisch getrennt. Die in dieser Anordnung dargestellten Deckelbauteile 2 übernehmen die Verbindung zwischen dem Isolator 6 und dem Balg auf der einen Seite und dem Leiter 8 auf der anderen.

Innerhalb der Vakuumschaltkammer 10 sind hier in dieser Schnittdarstellung Schirmungen 4, 7 angeordnet, im Wesentlichen ist hier ein Mittelschirm 4 erkennbar, der im Bereich um die eigentliche Kontaktstelle platziert ist. An den dargestellten hervorgehobenen Kanten, das heißt insbesondere aber nicht ausschließlich dort ist der Mittelschirm mit dem entsprechenden Material XXX bzw. dem Materialkomposit XY beschichtet, gemäß den jeweils oben genannten Materialien bzw Elemente, Legierungen etc.

Beim öffnen der Kontaktstücke unter Last entsteht ein Lichtbogen, mit den oben beschriebenen Wirkungen. An den beschichteten Kanten und Oberflächen wird ein plasmainduziertes Erodieren des Materials deutlich reduziert, wodurch zum einen das Anschmelzen der Schirmungen reduziert und letztendlich ein Durchschmelzen des

Schirmes verhindert werden kann, und zum anderen auch die dielektrische Festigkeit der Anordnung bzw. Einrichtung insbesondere an den Schirmkanten erhöht wird. Hierbei ist noch zu erkennen, dass an dem sogenannten Mittelschirm 4 ein entsprechender Randboard angegeordnet ist, der nach außen geführt ist und eine Schirmsteuerung, das heißt eine entsprechende Ansteuerung des Mittenpotentials möglich ist.