Gasisolierte Schaltanlage

Die Erfindung betrifft eine gasisolierte Schaltanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In gasisolierten Schaltanlagen wird bisher Schwefelhexafluo rid (SF ₆₎ als Isoliergas und als Lichtbogenlöschgas einge setzt. SF ₆ hat sehr gute Löscheigenschaften und sehr gute Isoliereigenschaften, wobei es jedoch ein sehr hohes Treib hauspotential aufweist. Das Treibhauspotential des SF ₆ ist in etwa 23.000 Mal so groß wie das Treibhauspotential des Koh lendioxids. Aus diesem Grund werden verschiedene Isoliermedi en als Alternative für Schwefelhexafluorid untersucht. Hier bei werden unter anderem insbesondere die Gruppe der Fluorke tone und die Gruppe der Fluornitrile untersucht.

Insbesondere wurden zur Erfüllung der Isoliereigenschaften bei einem niedrigen Treibhauspotential das Fluorketon

Heptafluor-3- (trifluormethyl) butan-2-one (CF ₃ ) ₂ CFC (=0) CF ₃ und das Fluornitril Heptafluor-iso-butyronitril (CF ) CF-CN vor geschlagen, die als Reinsubstanzen extrem hohe dielektrische Festigkeiten bei niedriger Toxizität aufweisen. Während das Fluornitril dabei aber gleichzeitig noch einen akzeptablen Siedepunkt hat, liegt beim Fluorketon der Siedepunkt so hoch, dass es für viele gasisolierte Schalteranwendungen, insbeson dere bei Hochspannung, nur noch als stark verdünntes Gemisch mit niedriger dielektrischer Festigkeit eingesetzt werden könnte .

Auch das Fluornitril muss aufgrund seines Siedepunktes mit einem niedrigsiedenden Trägergas gemischt werden und reicht als Gasmischung mit seiner dielektrischen Festigkeit nicht an das herkömmliche Schwefelhexafluorid heran. Als Maßnahme zur Erhöhung der dielektrischen Festigkeit wurde in Kombination mit Fluornitrilgemischen die dielektrische Beschichtung von elektrischen Leitern vorgeschlagen (WO 2014037566 Al). Weiterhin wurde bei der Verwendung des Heptafluor-iso- butyronitril zur Erhöhung der dielektrischen Festigkeit ge genüber Verdünnung mit reinem Kohlendioxid die Verdünnung mit einem Kohlendioxid-Sauerstoff-Gemisch vorgeschlagen

(WO 2015040069 Al) .

Generell kommen die genannten Alternativgase aufgrund ihres hohen Siedepunktes nur in Verdünnung mit einem niedrigsieden den und einer niedrigen Elektronenaffinität aufweisendem Gas, wie Stickstoff, zum Einsatz. Die Verdünnung von Fluornitril mit Stickstoff führt jedoch in ungünstiger Weise zu deutli cher Bildung fester Kohlestoffablagerungen nach Belastung des Gasgemisches mit Lichtbögen. Da diese Beläge die dielektri sche Festigkeit von Isolatoroberflächen reduzieren, sind sie unerwünscht. Das wiederrum könnte durch weitere Zugabe von Sauerstoff vermieden werden. Dies führt jedoch in überra schender Weise zu einer schnellen Alterung des Gasgemisches unter realen Betriebsbedingungen, die sich durch Verlust des Fluornitrils und damit durch nachlassende dielektrische Fes tigkeit bemerkbar macht.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine gasisolierte Schaltanlage mit einem Isoliermedium bereitzustellen, das ge genüber dem herkömmlichen Schwefelhexafluorid ein deutlich geringeres Treibhauspotential aufweist, das Fluornitrile ent hält, aber gegenüber dem bekannten Stand der Technik eine bessere Langzeitbeständigkeit im Einsatz in der gasisolierten Schaltanlage aufweist.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einer gasisolierten Schalt anlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Die erfindungsgemäße gasisolierte Schaltanlage gemäß Patent anspruch 1 weist ein Gehäuse auf, das eine Isolierkammer um fasst, in der elektrischen Strom führende Komponenten ange ordnet sind. Ferner liegt in der Isolierkammer ein Isolierme dium vor, das elektrisch isolierend wirkt und/oder zur Lö- schung eines Lichtbogens dient. Das Isoliermedium umfasst ein Fluornitril und ein weiteres oxidierend wirkendes Trägergas, wie zum Beispiel Sauerstoff. Die Erfindung zeichnet sich da durch aus, dass zumindest unterhalb von Teilen der Oberfläche der stromführenden Komponenten Bereiche vorliegen, die mit Fremdatomen dotiert sind.

Der Vorteil gegenüber dem Stand der Technik besteht darin, dass sich bei Isoliermedien gemäß des Standes der Technik, die ein Fluornitril und ein oxidierend wirkendes Trägergas umfassen, sich auf den Oberflächen der stromführenden Kompo nenten Verbindungen zwischen dem Material der Komponente (in der Regel Kupfer oder Silber) und dem oxidierend wirkenden Trägergases (in der Regel Sauerstoff) bilden. Es handelt sich dabei also in der Regel um Oxide auf der Oberfläche der lei tenden Komponenten, die wiederum eine Reaktion mit dem Fluor nitril eingehen. Dies führt dazu, dass der Bestandteil Fluor nitril aus dem Isoliermedium zersetzt wird und das Isolierme dium nach und nach an isolierend wirkendem Fluornitril ver armt. Somit werden die elektrisch isolierende Wirkung und die Löschwirkung des Isoliermediums durch den beschriebenen Alte rungsprozess zunehmend verschlechtert. Es hat sich herausge stellt, dass die Dotierung der Oberflächen der stromführenden Komponenten mit einem Fremdatom die Oxidbildung an der Ober fläche unterbindet beziehungsweise so stark reduziert, dass eine Reaktion mit Nitrilgruppen an der Oberfläche der Kompo nenten nachhaltig reduziert wird und somit die Alterungsei genschaften des Isoliermediums deutlich verbessert sind.

Unter dem Begriff gasisolierte Schaltanlage werden alle elektrischen Schaltanlagen verstanden, die ein Isoliermedium aufweisen. Insbesondere werden darunter Mittelspannungs schaltanlagen und Hochspannungsschaltanlagen verstanden. Un ter stromführenden Komponenten werden die Komponenten in der Schaltanlage verstanden, die zur Führung von elektrischem Strom dienen, dies sind insbesondere die Kontakte und die elektrischen Zuleitungen. Die Fremdatome, die in Bereichen unterhalb der Oberfläche der stromführenden Komponenten do- tiert sind, können sowohl in elementarer, also atomarer Form und in ionischer Form vorliegen. Auch Fremdatomionen, die in eine Gitterstruktur des Materials der Komponenten eingebunden sind, werden hier als Atome bezeichnet. Dabei ist es zweckmä ßig nur Teile der Oberflächen und die darunter liegenden Be reiche der Komponenten mit Fremdatomen zu dotieren. Dies sind insbesondere diese Teile der Oberflächen, die den stärksten, insbesondere thermischen Belastungen ausgesetzt sind.

Die Dicke der Bereiche, die mit Fremdatomen dotiert sind, die man auch als Schichtdicke bezeichnen kann, weist mindestens 5 nm auf. Besonders bevorzugt weisen die Bereiche eine Dicke von mindestens 20 nm auf. Durch die definierte Dicke wird si chergestellt, dass es sich nicht um reine Oberflächeneffekte handelt, und auch bei Abtrag der Oberfläche bis zu einer be stimmten Tiefe gewährleistet ist, dass die gewünschte Wirkung zur Vermeidung von einer Oxidbildung erzielt wird.

Als Fremdatome eignen sich insbesondere nichtmetallischen Fremdatome, insbesondere Stickstoff oder Bor. Die Einlagerung dieser Stoffe in das in der Regel metallische Gitter des Kom ponentenmaterials, das wiederum bevorzugt Kupfer, Silber,

Gold oder Legierungen hieraus umfasst, hat sich als besonders wirksam zur Verhinderung einer Oxidschicht an der Oberfläche der Komponenten erwiesen.

Ferner hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, dass das oxidierend wirkende Trägergas des Isoliermediums Sauerstoff umfasst. Somit würde das Isoliermedium neben möglichen ande ren Komponenten ein Fluornitril, insbesondere das Heptafluor- iso-butyronitril und Sauerstoff umfassen. Als zusätzlichen Bestandteil und weiteres Trägergas kann das Isoliermedium auch noch Stickstoff, Kohlendioxid oder ein Edelgas wie z.B. Argon enthalten. Im Folgenden wird als weiteres Trägergas exemplarisch Stickstoff genannt, ohne andere Trägergase damit auszuschließen. Eine Mischung aus dem genannten Nitril, Sau erstoff und Stickstoff weist eine hohe dielektrische Festig keit auf, wobei der Sauerstoff insbesondere dazu dient, Koh- lenstoffablagerungen, die bei Verwendung des Isoliermediums mit dem Fluornitril als Löschgas für Lichtbögen entstehen, zu verhindern. Dabei reagiert der Sauerstoff mit dem Kohlenstoff der Rußablagerung zu Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid, was wiederum ebenfalls einen positiven Beitrag zu den Isolierei genschaften des Isoliermediums liefert. Bei der genannten Kombination von Fluornitril, Stickstoff und Sauerstoff als Bestandteile des Isoliermediums hat sich herausgestellt, dass es zweckmäßig ist, wenn die Konzentration des Sauerstoffes in dem Gasgemisch des Isoliermediums ein Vielfaches n der Fluor nitrilkonzentration ist, wobei 1 < n < 5 sein sollte.

Ferner ist es zweckmäßig, wenn das Isoliermedium zusätzlich oder anstatt des Stickstoffes Kohlendioxid enthält, wobei es dann wiederum zweckmäßig ist, dass die Konzentration des Sau erstoffes im Isoliermedium ein Vielfaches m der Konzentration des Fluornitrils beträgt, wobei 0,5 < m < 4 ist.

Ferner hat sich herausgestellt, dass es zweckmäßig ist, be sonders die Oberflächenbereiche beziehungsweise die Bereiche unterhalb dieser Oberflächen mit Fremdatomen zu dotieren, die in einem Betriebszustand der Schaltanlage zumindest zeitweise Oberflächentemperaturen aufweisen kann, die über 70 °C betra gen. Das heißt insbesondere bei Oberflächenbereichen, die im Betriebszustand, beispielsweise bei Schaltvorgängen gegenüber anderen Bereichen in der gasisolierten Schaltanlage ver gleichsweise heiß werden, ist die Dotierung mit Fremdatomen zweckmäßig. Denn gerade an diesen Oberflächen erfolgt auf grund der erhöhten Temperatur eher eine Oxidbildung, was wie derum zu einer Zersetzung der Nitrile des Isoliermediums führt .

Weitere Ausgestaltungsformen und weitere Merkmale der Erfin dung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Da bei handelt es sich um rein exemplarische Ausgestaltungsfor men, die keine Einschränkung des Schutzbereiches darstellen.

Dabei zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung eines Querschnittes durch eine gasisolierte Schaltanlage und

Figur 2 ein schematischer, vergrößerter Querschnitt durch eine Oberfläche und den darunter liegenden Bereich von stromführenden Komponenten der Schaltanlage.

In Figur 1 ist eine gasisolierte Schaltanlage 1 gezeigt, die in Form eines Selbstblasschalters aufgebaut ist, und deren Funktion an dieser Stelle nicht näher erläutert werden soll. Es soll lediglich auf wesentliche Bauteile der gasisolierten Schaltanlage 1 eingegangen werden, hierbei wäre zunächst ein Gehäuse 2 zu nennen, das eine Isolierkammer 6 umfasst. In der Isolierkammer 6, die geometrisch komplex gestaltet ist, liegt ein Isoliermedium 8 vor. Ferner weist die Schaltanlage 1 zwei Kontakte 3, 4 auf, einen Festkontakt 3 und einen Bewegkontakt 4 die zusammen ein Kontaktsystem bilden. Der Festkontakt 3 ist dabei in Form eines Domes ausgestaltet, der in den Be wegkontakt 4 in Form eines Tulpenkontaktes einführbar ist.

Der Tulpenkontakt weist aber auch innere und äußere radiale Kontaktbereiche auf, wobei jedoch das Kontaktsystem in derart gestaltet ist, dass zwischen dem dornförmigen Kontakt (Fest kontakt 3) und dem Tulpenkontakt (Bewegkontakt 4) beim Öffnen und beim Schließen des Kontaktsystemes ein Lichtbogen 10 ent steht .

Das Isoliermedium 8 dient einerseits dazu, eine Isolierung zwischen dem Gehäuse 2 und den Kontakten 3, 4 bereitzustel len, auf der anderen Seite dient das Isoliermedium 8 auch da zu, den Lichtbogen 10 zu löschen.

Das Isoliermedium 8 weist dabei einen Anteil eines Fluornit riles, in diesem konkreten Fall des Heptafluor-iso- butyronitril (CF ) CF-CN auf, der zwischen 1 Volumenprozent und 20 Volumenprozent besteht. Ferner weist das Isoliermedium 8 in diesem Beispiel einen Stickstoffanteil auf, der zwi schen 10 Volumenprozent und 80 Volumenprozent liegt und einen Sauerstoffanteil , der zwischen 1 Volumenprozent und 20 Volu menprozent liegt. Das Verhältnis des Sauerstoffs zum Fluor nitril beträgt dabei ein Vielfaches n, wobei für n bevorzugt in etwa 1 < n < 4 gilt. In einer vorteilhaften Mischung lie gen neben ca. 5 Vol. % des Nitrils ca. 20 Vol. % Sauerstoff und ca. 75 Stickstoff vor.

Die Kontakte 3 und 4 bestehen in der Regel aus Kupfer, aus Silber oder aus Kupfer-/Silberlegierungen . Gelegentlich kom men auch versilberte oder vergoldete Kupfermaterialien als Kontaktmaterialien also als stromleitende Komponenten zum Einsatz .

Nun ist vorgesehen, dass Oberflächen 12 der Kontakte 3, 4 aber auch von Stromzuleitungskomponenten 16, insbesondere die Oberflächen 12, die im Einsatz einer relativ hohen thermi schen Belastung von mehr als 70 °C ausgesetzt sind, mit nichtmetallischen Fremdatomen oberflächennah dotiert sind. Hierzu wird bevorzugt eine Implantationsmethode, insbesondere Ionenimplantation angewandt. Dabei wird die genannte Oberflä che 12 in einer speziellen Vorrichtung zur Ionenimplantation mit entsprechenden nichtmetallischen Fremdatomen, insbesonde re Stickstoff oder Bor beschossen. Die Ionen des Stickstoffs oder Bor dringen dabei bis zu einer bestimmten Eindringtiefe in einen Bereich 22 unter der Oberfläche 12 in das Material ein. Dies ist in Figur 2 schematisch veranschaulicht. Die Eindringtiefe kann bei der Ionenimplantation durch bestimmte Parameter, insbesondere durch die Bewegungsenergie der ein zelnen Ionen bestimmt werden. Auch das Eindringprofil und die daraus resultierende Konzentration entlang der Eindringtiefe kann durch die Prozessparameter gut gesteuert werden. Dabei wird der Bereich 22 mit Fremdatomen 18 unter der Oberfläche 12 in derart dotiert, dass die Dotierung bis zu einer Tiefe 20 unter der Oberfläche 12 von 5 nm auftritt. Bevorzugt ist die Tiefe 20 der Dotierung mindestens 20 nm groß. Diese Do tierung mit Fremdatomen im oberflächennahen Bereich bewirkt, dass eine Oxidbildung auf der Oberfläche 12 in den Bereichen, in denen eine Dotierung vorliegt, unterbunden oder zumindest stark reduziert wird. Diese Oxidbildung wird bei dem be schriebenen Isoliermedium durch die Anwesenheit des Sauer stoffes im Isoliermedium 8 hervorgerufen. Im Weiteren würde das Fluornitril, das Bestandteil des Isoliermediums 8 ist, mit dem Kupferoxid an der Oberfläche 12 Kupferkomplexe bil den, und es würde dabei zersetzt werden. Dies tritt insbeson dere an den Teilen bzw. Stellen der Oberfläche 12 auf, die beim Betrieb besonders hoher thermischer Belastung ausgesetzt sind. Daher ist es zweckmäßig, dass die beschriebene Dotie rung der Oberflächen 12 mit Fremdatomen 18 lediglich dort an gewandt wird, wo dies auch nötig ist, also genau an den Tei len, die eben diese kritischen Temperaturen, bevorzugt über 70 °C während des Betriebs erreichen.

Es wird bereits beschrieben, dass die Tiefe 20 unter der Oberfläche 12, die mit Fremdatomen 18 dotiert ist, mindestens 5 nm betragen soll, bevorzugt mindestens 20 nm. Im Weiteren sollte diese Tiefe 20 auch nicht mehr als 1 gm, bevorzugt nicht mehr als 200 nm betragen. Ein bevorzugter Bereich der Tiefe 20 unterhalb der Oberfläche 12, der mit Fremdatomen do tiert ist, liegt also zwischen 20 nm und 200 nm. Eine Dotie rung in höhere Tiefen, insbesondere über 1 gm Tiefe hinaus könnte wiederum die Kontakteigenschaften der Kontakte 3, 4 negativ beeinflussen.

Im Zusammenhang mit dem funktionalwirkenden Bereich 22 unter der Oberfläche 12 wird hierbei explizit von einem Bereich ge sprochen, da die Fremdatome 18 bevorzugt in das Bulkmaterial der Komponente 3, 4, 16 eingebracht werden. Grundsätzlich ist es allerdings auch möglich, auf das Bulkmaterial, also auf das Kernmaterial der Kontakte 3, 4 beziehungsweise der Zulei tungskomponenten 16 gezielt eine hier nicht dargestellte Schicht aufzubringen, die genau die beschriebene Material struktur mit den eingelagerten Fremdatomen 18 aufweist. Hier zu würde beispielsweise auf einen Kupferkontakt 3 eine Kup ferschicht mit definiert eingelagerten Stickstoffatomen bei spielsweise durch ein Abscheidungsverfahren aufgebracht wer den. Auch dies würde dann unter die Diktion Bereiche 22 mit Fremdatomen 18 unterhalb der Oberfläche 12 fallen. Das glei che gilt, wenn die Kontakte 3 und 4 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen und mit einer Schicht aus Silber oder Gold beschichtet werden. Auch dann ist es zweckmäßig, entsprechende Fremdatome in die Kontaktoberfläche, die dann eben aus dem beschichteten Material besteht, einzubringen.

Durch die Dotierung der Bereiche 22 unter der Oberfläche 12 mit nichtmetallischen Fremdatomen wird die Oxidation der Oberfläche 12 verhindert, ohne elektrische Kontakte 3, 4 oder Zuleitungen 16 negativ zu beeinträchtigen. Der Kontaktwider stand bleibt unverändert niedrig, die Volumenleitfähigkeit wird durch Oberflächenbehandlungen im Bereich von weniger als 1 pm nicht beeinträchtig. Bei entsprechenden Beschichtungspa- rametern kann mit der genannten Dotierung sogar das Langzeit verhalten der elektrischen Kontakte verbessert werden.

Bezugszeichenliste

1 Gasisolierte Schaltanlage

2 Gehäuse

3 Festkontakt

4 Bewegkontakt

6 Isolierkammer

8 Isoliermedium

10 Lichtbogen

12 Oberflächenkomponenten 14 Antrieb

16 Stromzuleitungskomponente 18 Fremdatome

20 Tiefe Bereich

22 Bereich, dotiert