Unterbrechereinheit mit einer Vakuumröhre und einem Isolier gehäuse

Die Erfindung betrifft eine Unterbrechereinheit nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zur Vermeidung des klimaschädlichen Schwefelhexafluorids wer den moderne Unterbrechereinheiten einerseits mit alternativen Isoliergasen befüllt oder es kommen Kombinationen aus Vakuum schaltröhren mit einer diese umgebenden Luftisolierung zum Tragen. In dem zweiten beschriebenen Fall ist ein üblicher Aufbau in der Form gestaltet, dass eine Vakuumschaltröhre wiederum in einem weiteren geschlossenen Raum angeordnet ist, in dem sich gereinigte Luft oder ein anderes luftähnliches Gasgemisch befindet. Um die Isolierfähigkeit einer derartigen Anordnung noch zu erhöhen, ist es zweckmäßig, die Vakuum schaltröhre, die in dem äußeren Umfang zumindest teilweise durch ein Isolatormaterial, beispielsweise eine Isolierkera mik, gebildet ist, mit einem weiteren Isoliergehäuse, insbe sondere auf einer Kunststoffbasis wie Epoxidharz bestehend, zu umhüllen. Dieses Isoliergehäuse ist somit zwischen dem äu ßeren Umfang der Vakuumschaltröhre und dem Gasraum, der bei spielsweise reine Luft enthält, angeordnet. Dabei wird das Isoliergehäuse über die Vakuumröhre geschoben oder das Iso liergehäuse wird in einem Gießprozess um die Vakuumröhre her umgegossen. In beiden alternativen Verfahren ist es stets schwer eine Grenzfläche zwischen der Vakuumröhre und dem Iso liergehäuse frei von Luftblasen bzw. anderen Einschlüssen zu gestalten. Derartige Blasen führen wiederum im Betrieb zu Teilentladungen in diesem Bereich, wodurch das Material des Isoliergehäuses einer Erosion unterliegt. Das Material wird an dieser Stelle angegriffen und verliert dabei seine elekt rische Isolierfähigkeit. Im schlimmsten Falle kann es nach einer längeren Schädigung des Materials des Isoliergehäuses zu einem Durchschlag in der Grenzschicht kommen oder ein Durchschlag nach außen in den Gasraum hin erfolgen. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Unterbrecher einheit mit einer Vakuumschaltröhre und einem Isoliergehäuse bereitzustellen, das gegenüber dem Stand der Technik einen verbesserten Schutz gegenüber Teilentladungen im Grenzbereich zwischen der Vakuumschaltröhre und dem Isoliergehäuse auf weist und somit eine frühzeitige Beschädigung bzw. Erosion des Materials des Isoliergehäuses verhindert wird.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einer Unterbrechereinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Die Unterbrechereinheit gemäß Patentanspruch 1 umfasst eine Vakuumschaltröhre und ein Isoliergehäuse, wobei das Isolier gehäuse eine Innenoberfläche aufweist und die Vakuumschalt röhre zumindest teilweise durch ein elektrisch isolierendes Strukturmaterial begrenzt ist. Das Strukturmaterial wiederum weist eine Außenoberfläche auf, wobei das Isoliergehäuse die Vakuumschaltröhre zumindest teilweise umgibt. In einem be triebsbereiten Zustand der Unterbrechereinheit ist die Innen oberfläche des Isoliergehäuses und die Außenoberfläche der Vakuumschaltröhre durch eine Adhäsionsschicht voneinander ge trennt. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass sowohl die Innenoberfläche als auch die Außenoberfläche zumindest teilweise mit einer leitfähigen Schicht versehen sind, sodass sich in einem Grenzbereich zwischen der Vakuumschaltröhre und dem Isoliergehäuse von einer Schaltachse radial nach außen gerichtet folgende Schichtfolge ergibt: Zuerst folgt von in nen nach außen das Strukturmaterial der Vakuumschaltröhre. Dieses Strukturmaterial weist die Außenoberfläche auf, die wiederum mit einer leitfähigen Schicht versehen ist, bzw. ei ne derartige leitfähige Schicht umfasst. Es folgt im Weiteren eine Adhäsionsschicht, die von einer weiteren leitfähigen Schicht am Isoliergehäuse bzw. an dessen Innenoberfläche um geben ist, und diese weitere leitfähige Schicht ist auf der Innenoberfläche des Isoliergehäuses angebracht. Im Weiteren folgt noch ein Volumenmaterial des Isoliergehäuses. Die beschriebene Schichtfolge umfasst zwei elektrisch leitfä hige Schichten, die die Adhäsionsschicht radial gesehen von beiden Seiten begrenzen. Beim Betrieb der Unterbrecherein heit, insbesondere bei einem Schaltvorgang, bei dem ein ent sprechendes elektrisches Feld von der Schaltachse radial nach außen gerichtet ist, bedeutet dies, dass die beiden leitfähi gen Schichten zum einen auf dem Strukturmaterial der Vakuum schaltröhre und zum anderen auf der Innenoberfläche des Iso liergehäuses jeweils dasselbe Potenzial aufweisen. Das wiede rum bedeutet, dass in der Adhäsionsschicht, die sich zwischen den beiden leitfähigen Schichten befindet, und in der auch mögliche Lufteinschlüsse vorhanden sind, kein elektrisches Feld befindet. Die Adhäsionsschicht ist somit feldfrei. Durch das lokale Fehlen eines elektrischen Feldes im Bereich der Adhäsionsschicht kommt es im Bereich von etwaigen Luftein schlüssen bzw. Gasblasen somit auch nicht zu einer Teilentla dung und somit auch im Weiteren nicht zu einer lokalen Erosi on des betroffenen Materials. Auf diese Weise wird die Le bensdauer der Kombination aus Unterbrechereinheit und Iso liergehäuse und ihre Betriebssicherheit gegenüber dem Stand der Technik deutlich erhöht.

Dabei ist anzumerken, dass es sich bei der Adhäsionsschicht bevorzugt um eine Klebeschicht handelt, die zusätzlich zwi schen den beiden leitfähigen Schichten eingebracht ist.

Grundsätzlich können jedoch auch die beiden leitfähigen

Schichten so ausgestaltet sein, dass sie durch eine entspre chende Prozessbehandlung, beispielsweise durch eine Wärmebe handlung, wiederum beispielsweise durch Diffusionsvorgänge so miteinander interagieren, sodass sich im Grenzbereich zwi schen den beiden elektrisch leitenden Schichten die Adhäsi onsschicht ausbildet. Die Adhäsionsschicht könnte somit auch aus den beiden leitenden Schichten hervorgehen. Unter dem Be griff elektrisch leitfähig wird auch ein halbleitendes Mate rial verstanden, das auf üblichen Halbleitermaterialien, bei spielsweise wie Silizium, Siliziumkarbid oder Verbindungs halbleitern wie Galliumarsenid besteht bzw. dieses umfasst. Die elektrische Leitfähigkeit der Schicht ist dabei so bemes- sen, dass der elektrische Widerstand der Schicht in axialer Richtung einen Bereich zwischen 10 ⁸ und 10 ¹⁵ Ohm liegt.

Ferner ist es zweckmäßig, dass das Isoliergehäuse ausgehend von der Schaltachse radial nach außen gerichtet eine abneh mende Permittivität aufweist. Bevorzugt liegt dabei die Per- mittivität am äußeren Rand des Isoliergehäuses möglichst nahe bei 1, was einen geringen Feldstärkesprung am Übergang zum äußeren Isolationsmedium, beispielsweise der gereinigten Luft, bedeutet. Realistischen Werte für die Permittivität von gut geeigneten Materialien für das Isoliergehäuse, wie z. B. Kunststoffe, insbesondere auf Epoxidharzbasis liegen zwischen 1,2 und 2, insbesondere zwischen 1,2 und 1,5. Dabei kann die Permittivität im Isoliergehäuse radial nach außen stufenför mig abnehmen, was durch eine Schichtung von unterschiedlichem Material im Isoliergehäuse erreicht werden kann. Auch eine graduelle Änderung der Permittivität radial nach außen kann zweckmäßig sein und ist darstellbar.

Weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung:

Weitere Merkmale und weitere Ausführungsbeispiele werden an hand der folgenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei handelt es sich um rein schematische Darstellungen, die keine Ein schränkung des Schutzbereichs darstellen.

Dabei zeigen:

Figur 1 eine Darstellung zur Herstellung einer Unterbre

chereinheit mit einem Isoliergehäuse

Figur 2 eine vergrößerte Darstellung des Grenzbereichs zwi schen Isoliergehäuse und Vakuumschaltröhre gemäß des Ausschnittes II aus Figur 1,

Figur 3 eine Abhängigkeit des elektrischen Feldes entlang der radialen Ausdehnung r gemäß III aus Figur 1. In Figur 1 ist der Aufbau bzw. die Entstehung einer Unter brechereinheit 2 mit einer Vakuumschaltröhre 4 und einem Iso liergehäuse 6 veranschaulicht. In der ganz linken Darstellung gemäß a ist eine Vakuumschaltröhre 4 dargestellt, die ein Strukturmaterial 22 aufweist, das einen Vakuumraum 28 umgibt. Im Vakuumraum 28 sind schematisch zwei Schaltkontakte 26 dar gestellt, wobei zumindest einer davon entlang einer

Schaltachse 20 translatorisch bewegbar ist. Dabei ist die äu ßere Gestalt der Vakuumschaltröhre 4 rein schematisch zu ver stehen, das Strukturmaterial 22, das in der Regel aus einem isolierenden keramischen Material besteht bzw. diese umfasst, stellt in der Regel lediglich einen Teil eines Gehäuses einer Vakuumschaltröhre 4 dar. Insbesondere in einem Bereich, in dem sich die Schaltkontakte 26 entlang der Schaltachse 20 be wegen, ist die Vakuumschaltröhre 4 im Äußeren durch ein me tallisches Außenmaterial begrenzt.

Im Weiteren wird gemäß der Teilfigur b in Figur 1 eine leit fähige bzw. halbleitende Schicht 16 auf einer Außenoberfläche 10 der Vakuumröhre 4 bzw. des Strukturmaterials 22 aufge bracht. Hierbei handelt es sich beispielsweise um ein pulver förmiges Siliziumkarbidmaterial, das in einer Epoxidmatrix eingebettet ist und einen SIC-Befüllungsgrad aufweist, der zwischen 50 und 70 Prozent des Gesamtvolumens beträgt. Die hieraus resultierende Schicht 16 weist eine Leitfähigkeit auf, die die so bemessen ist, dass der elektrische Wider stand der Schicht in axialer Richtung einen Bereich zwischen 10 ⁸ und 10 ¹⁵ Ohm liegt. Die Leitfähigkeit der Schicht 16 wird dabei entsprechend der sich aus der Bemessungsspannung und den vorgegebenen geometrischen Parametern der Vakuumschalt röhre und dem daraus resultierenden elektrischen Feld be stimmt .

Im Weiteren, gemäß Teilfigur c wird ein Isoliergehäuse 6 über die Vakuumschaltröhre 4 geschoben. Dabei ist hier sche matisch das Isoliergehäuse 6 zylindrisch ausgestaltet, wobei hierbei ein formschlüssiges Aufbringen des Isoliergehäuses 6 veranschaulicht wird. Grundsätzlich ist es auch möglich bzw. zweckmäßig das Isoliergehäuse 6 auf die Vakuumschaltröhre 4, insbesondere auf das Strukturmaterial 22 aufzugießen. Zweck mäßig ist dabei jedoch eine weitere leitfähige Schicht 14, die auf einer inneren Oberfläche 8 des Isoliergehäuses 6 an gebracht ist. Für die Schicht 16 gelten die gleichen Bedin gungen, die bereits zur Schicht 16 erläutert sind, grundsätz lich sollten die Schichten 14 und 16 artgleich sein. Sie kön nen jedoch auch unterschiedlich bezüglich ihres Materials und ihrer Leitfähigkeit sein, wenn dies beispielsweise unter schiedliche Haftbedingungen und daraus resultierend unter schiedliche Beschichtungsverfahren erforderlich machen. Dies ist zweckmäßig, wenn die noch näher zu beschreibende Feld freiheit oder Feldreduktion zwischen den Schichten 14, 16 er zielt wird.

In der Teilfigur d ist die Unterbrechereinheit in einem fer tigen Zustand schematisch dargestellt. Der Grenzbereich 18 zwischen dem Strukturmaterial 22 der Vakuumschaltröhre 4 und einem Volumenmaterial 24 des Isoliergehäuses 6 ist in Figur 1 durch einen Kreis dargestellt, der mit dem Bezugszeichen II versehen ist und dessen vergrößerte Darstellung in der Figur 2 abgebildet ist. Figur 2 zeigt demnach diesen Ausschnitt, den Grenzbereich 18 zwischen der Vakuumschaltröhre 4 und dem Isoliergehäuse 6, wobei auf der linken Seite der Figur 2 das Strukturmaterial 22 (beispielsweise Aluminiumoxid) als Außen begrenzung der Vakuumschaltröhre 4 dargestellt ist. Dieses Strukturmaterial 22 weist eine Außenoberfläche 10 auf, auf der eine leitfähige Schicht 16 aufgebracht ist. Die Zusammen setzung der leitfähigen Schicht 16 wurde bereits im vorherge henden Absatz beschrieben. Es folgt eine Adhäsionsschicht 12, die bevorzugt und im Wesentlichen durch einen organischen Klebstoff gebildet wird. Als Weiteres folgt eine weitere elektrisch leitende Schicht 14, die in ihrer Zusammensetzung der Schicht 16 sehr ähnelt oder sogar aus dem gleichen Mate rial besteht. Diese ist auf einer inneren Oberfläche 8 des Isoliergehäuses 6 aufgebracht. Im Weiteren folgt noch das Vo lumenmaterial 24 des Isoliergehäuses 6. Bei diesem Material handelt es sich bevorzugt um ein Epoxidharz. Gemäß Figur 2 sind zwischen den Schichten 16 und 14 in der Adhäsionsschicht 12 Blasen 32 dargestellt. Diese Blasen 32 bilden sich unerwünscht, sind aber beim Aufbringen des Iso liergehäuses auf die Vakuumschaltröhre 4 bzw. auf das Struk turmaterial 22 der Vakuumschaltröhre 4 schwer zu vermeiden.

Es ist dabei anzumerken, dass die Reihenfolge der Schichten im Grenzbereich 18 entlang des Pfeiles r beschrieben ist, der eine radiale Abfolge ausgehend von der Schaltachse 20 nach außen beschreibt.

In Figur 3, die das elektrische Feld ebenfalls entlang der radialen Ausdehnung des Pfeiles r von der Schaltachse 20 aus gesehen, darstellt, ist zu erkennen, wie sich das elektrische Feld ausgehend von der Schaltachse 20 im Vakuumraum 28 konti nuierlich abschwächt. Der Versatz der Feldstärke in Figur 3, der in dem Bereich 28 durch die zwei gestrichelten Linien ge trennt ist, zeigt lediglich, dass es sich hier um einen

Schnitt handelt, der besagt, dass bei einer maßstabsgetreuen Darstellung dieser Bereich 28 in Figur 3 eine größere Ausdeh nung aufweisen würde. Ein echter Sprung in der Stärke des elektrischen Feldes tritt mit dem Auftreten des Strukturmate rials 22 auf, in diesem Fall dringt das Feld vom Vakuum in das Strukturmaterial 22 ein, das eine höhere Permittivität als das Vakuum im Vakuumraum 28 aufweist, und daher das elektrische Feld stark reduziert wird. Auch hier nimmt das elektrische Feld E radial nach außen sukzessive ab.

Im Weiteren folgen entlang des Pfeils r in radialer Richtung die Schichten 12, 14 und 16. In Figur 3 ist zu erkennen, dass in diesem Bereich kein elektrisches Feld vorhanden ist. Hier nach folgt das Volumenmaterial 24 des Isoliergehäuses 6, in dem das elektrische Feld E weiterhin abnimmt, bis an der äu ßeren Oberfläche des Isoliergehäuses 6 der Luftraum 30 be ginnt, der ebenfalls eine isolierende Wirkung aufweist. In diesem Luftraum 30 kann sich gereinigte Luft, jedoch auch ganz normale Luft, also eine Außenatmosphäre, jedoch auch ein luftähnliches Gemisch, das Stickstoff und Kohlendioxid um- fasst, befinden. Hierbei handelt es sich um eine weitere Iso lationsstufe für die Unterbrechereinheit 2, in der das elekt rische Feld weiter abnimmt.

In Figur 3 ist bezüglich des elektrischen Feldes wiederum ein Sprung zwischen dem Material 24 des Isoliergehäuses 6 zu erkennen. Dies liegt daran, dass die Permittivität der Luft bzw. des Gases, das außerhalb des Isoliergehäuses 6 anliegt, in der Nähe von 1 liegt. Das Material 24 des Isoliergehäuses 6 hat in der Regel eine höhere Permittivität, wobei es wün schenswert wäre, dass sich die Permittivität des Materials 24 entlang des Radius erniedrigt, sodass der Sprung, der hier zwischen dem Übergang von 24 auf den Bereich 30 zu erkennen ist, reduziert und möglichst gering ausfällt. Hierfür kann es zweckmäßig sein, dass das Volumenmaterial 24 des Isolierge häuses 6 entlang des Pfeiles r unterschiedliche Permittivitä- ten aufweist. Grundsätzlich sollte im Außenbereich die Per mittivität des Materials so niedrig wie möglich, also so nah wie möglich an 1 liegen. Im Inneren kann die Permittivität höher sein. Dies kann durch einen Schichtförmigen Aufbau des Volumenmaterials 24 gelingen, sodass zwei oder mehrere

Schichten unterschiedlichen Materials mit unterschiedlichen Permittivitäten konzentrisch umeinander gelegt werden. Es ist jedoch auch zweckmäßig, das Material so auszugestalten, dass sich ein gradientenförmiges Verhalten der Permittivität in Richtung des Pfeils r ergibt.

In den Bereichen 12, 14 und 16, in denen gemäß Figur 3 das elektrische Feld Null oder nahe Null ist, sind wie beschrie ben die elektrisch leitfähigen Schichten 14 und 16 angeord net, die die Adhäsionsschicht 12 einschließen. Wie in Figur 2 dargestellt, können in der Adhäsionsschicht 12 Blasen 32 auf- treten, in denen es bei Anlegen eines elektrischen Feldes zu einer Teilentladung kommen kann, wodurch das Material der Ad häsionsschicht bzw. auch das umliegende Material, bzw. das Volumenmaterial 24 des Isoliergehäuses 6 erodiert und letzt endlich altert. Dieser Alterungsprozess kann die Durchschlag festigkeit und somit auch die Lebensdauer der Kombination aus Isoliergehäuse 6 und Unterbrechereinheit 2 reduzieren und so mit einen früheren Austausch erforderlich machen. Durch die beschriebenen Schichten 14 und 16 ist die Adhäsionsschicht 12 jedoch so eingebettet, dass auf ihrer Innen- und auf ihrer Außenseite jeweils das gleiche Potenzial anliegt und somit dort das elektrische Feld auf null zurückgeht und daher auch keine Teilentladung in dem kritischen Bereich der Adhäsions schicht 12, in der sich Blasen 32 bilden können, stattfindet. Die Gefahr der Erosion in diesem Übergangs- oder Grenzbereich 18 ist durch die beschriebenen Schichten 14 und 16 nahezu auf null reduziert.

Dabei ist anzumerken, dass es sich bei der Adhäsionsschicht 12 in der Regel um eine Klebeschicht handelt, die dazu geeig net ist, das Material 24 des Isoliergehäuses 6 mit dem Struk turmaterial 22 der Vakuumschaltröhre 4 zu verkleben. Grund sätzlich kann es auch zweckmäßig sein, die Schichten 14 und 16 so direkt aufeinander zu bringen und einer entsprechenden Behandlung zu unterziehen, sodass sich zwischen ihnen eine Adhäsionsschicht ausbildet, bzw. die Adhäsionsschicht 12 di rekt durch die Schichten 14 und 16 gebildet wird. Hierbei kann es sich beispielsweise um Diffusionsprozesse oder durch chemische Umwandlung in einem weiteren Grenzbereich zwischen diesen beiden Schichten 14 und 16 handeln. Auch diese Maßnah me trägt dazu bei, Blasen 32 zu unterdrücken und falls sie doch auftreten, durch die Einbettung in Materialien mit dem selben Potenzial bezüglich einer Teilentladung unschädlich zu machen .

Bezugszeichenliste

2 Unterbrechereinheit

4 Vakuumschaltröhre

6 Isoliergehäuse

8 innere Oberfläche Isoliergehäuse

10 Außenoberfläche Vakuumröhre

12 AdhäsionsSchicht

14 leitfähige Schicht Innenoberfläche 1 6 leitfähige Schicht Außenoberfläche 18 Grenzbereich

20 Schaltachse

22 Strukturmaterial

24 Vakuummaterial Isoliergehäuse

2 6 Schaltkontakte

28 Vakuumraum

30 Luftraum/Gasraum

32 Blasen