Verfahren zur Herstellung eines keramischen Isolators Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Isolators nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Die Isolierfähigkeit von Festkörpern, wie beispielsweise Alu- miniumoxidkeramik gegenüber Beanspruchungen mit Hochspannung ist im Allgemeinen sehr hoch, sie findet jedoch ihre Grenzen in der endlichen Durchschlagfestigkeit von Festkörpern. Dies gilt auch für Hochspannungsisolatoren, insbesondere keramische Isolatoren für Mittel- und Hochspannungsvakuumschaltröh- ren. Ursache ist der Entladungsaufbau innerhalb von Isolato ^¬ ren, der durch die Defektdichte in Feldrichtung mitbestimmt wird. Dabei skaliert die dielektrische Festigkeit, die Durch- bruchfeidstärke im Festkörper nicht direkt mit der Iso ^¬ latorlänge, sondern sie ist proportional zu der Wurzel der Isolatorlänge. Dies hat zur Folge, dass es insbesondere für hohe Spannungen über etwa 100 kV zunehmend schwieriger wird, die notwendige Spannungsfestigkeit von beispielsweise Vakuum ^¬ schaltröhren für den Hochspannungsbereich, also in einem Bereich von mehr als 72 kV zu bewerkstelligen. Bisher wurde dieses Problem insbesondere bei Vakuumschaltröhren der Ener- gieübertragungs- und Verteilertechnik dadurch gelöst, dass an Stellen eines einzelnen zylindrischen Isolatorbauteils mit einer größeren Länge mehrere kürzere Bauteile verwendet wer ^¬ den, die durch eine geeignete, vakuumdichte und mechanisch stabile Verbindungstechnik, wie z.B. durch ein Hartlot, in axialer Richtung miteinander verbunden werden. Der Verbund von mehreren solchen kürzeren Isolatoren hat gemäß der oben beschriebenen Gesetzmäßigkeit der internen Spannungsfestig ^¬ keit eine höhere Spannungsfestigkeit als ein gleichlanger, einstückiger Isolator. Insgesamt ist dieses Lotverfahren jedoch sehr kostenintensiv, da ein hoher technischer Aufwand erforderlich ist, die entsprechende Vakuumdichtigkeit für die Verbindung zu erzeugen. Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, einen technisch kostengünstig herzustellenden keramischen Isolator für eine Hoch- oder Mittelspannungsschaltanlage bereitzustellen.

Die Lösung der Aufgabe besteht im Verfahren zur Herstellung eines keramischen Isolators nach Patentanspruch 1 sowie in einem keramischen Isolator mit den Merkmalen des Patentanspruches 9.

Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Patentanspruch 1 zur Herstellung eines keramischen Isolators für eine Hoch- oder Mittelspannungsschaltanlage stellt sich dabei in der Form dar, dass mindestens zwei achsensymmetrische keramische

Strukturelemente entlang, das heißt in Richtung ihrer Symmet ^¬ rieachse gefügt werden und zwischen den Strukturelementen eine elektrisch leitfähige Äquipotentialschicht angeordnet ist. Dabei bedeutet entlang bzw. in Richtung der Symmetrieachse, dass in der Praxis bei Verwendung von vorgeformten Grünlingen Stirnflächen dieser aneinandergefügt werden. Ferner können die Strukturelemente auch Formen annehmen, die von einer Achsensymmetrie abweichen, weshalb unter dem Begriff Symmetrie ^¬ achse in speziellen Fällen auch eine Symmetriefläche verstanden wird. Somit sind auch elliptische oder polygonale Körper zweckmäßig. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Grundmaterial für die Äquipotentialschicht bereits vor einem Sinterprozess der keramischen Strukturelemente zwischen die ^¬ sen angebracht wird. Unter dem Begriff Strukturelement wird dabei ein selbsttra ^¬ gendes keramisches Material verstanden, das aus einem soge ^¬ nannten Grünkörper hervorgegangen ist, wobei hierbei ein Sinterprozess angewandt wird. Als Grünkörper bezeichnet man da ^¬ bei einen keramischen Vorkörper in einem ungesinterten Zu- stand, der sich noch leicht bearbeiten lässt. Ein Grünkörper wird beispielsweise durch Pressen von Keramikpulver über Schlickerguss , gegebenenfalls mit Bindemitteln versetzt oder durch Extrusionsverfahren hergestellt. Bei einem Sinterpro- zess werden feinkörnige keramische oder auch metallische Stoffe, gegebenenfalls unter erhöhtem Druck, erhitzt, wobei die Temperaturen jedoch unterhalb der Schmelzpunkttemperatur der Hauptkomponenten bleiben, so dass die Gestalt bzw. die Form des Werkstückes weitgehend erhalten bleibt (unter Be ^¬ rücksichtigung von üblichem sogenanntem Sinterschwund) . Dabei kommt es in der Regel zu einer Schwindung, wobei sich die Partikel des Ausgangsmaterials verdichten und Porenräume auf ^¬ gefüllt werden. Dabei unterscheidet man zwischen Festphasen- sintern und Flüssigphasensintern, wobei bei dem Festphasensintern im Wesentlichen durch Diffusionsprozesse zwischen den einzelnen Partikeln sogenannte Sinterhälse gebildet werden, die zu einer festen, letztlich monolithischen Verbindung führen. Derselbe Prozess kann auch unter Beteiligung einer Flüs- sigphase erfolgen, so dass auch auf diese Weise eine monoli ^¬ thische Verbindung zwischen den Partikeln des vormaligen Grünkörpers erzeugt wird. Diffusionsprozesse und Schmelzvor ^¬ gänge können während eines Sinterprozesses in einem Körper je nach Zusammensetzung der Phasen des Grünkörpers gemeinsam pa- rallel auftreten. Der Sinterprozess findet als Wärmebehand ^¬ lung bei erhöhten Temperaturen statt, üblich sind Temperatur zwischen 500° und 1500°, was sehr von der Art des verwendete keramischen Grundmaterials bzw. beim Sintern von Metallen des metallischen Grundmaterials, das zur Herstellung des Grünkör- pers herangezogen wird, abhängt.

Unter Äquipotentialschichten werden dabei leitende Schichten zwischen den keramischen Strukturelementen verstanden, die eine höhere elektrische Leitfähigkeit als das keramische Ma- terial der Strukturelemente aufweist und die dabei senkrecht bezüglich der Symmetrieachse angeordnet sind und die für axi ^¬ ale elektrische Felder sogenannte Äquipotentialflächen defi ^¬ nieren. Dadurch wird die Keramik intern elektrisch in kurze axiale Stücke unterteilt, wodurch sich die dielektrische Fes- tigkeit der Teilstrecke wie auch des gesamten Isolators er ^¬ höht. Durch das beschriebene Verfahren des direkten Einbringens der Äquipotentialschichten zwischen die ungebrannten Strukturelemente vor einem Sinterprozess wird die Herstellung der Äquipotentialschichten insbesondere unter den hohen Anforderungen an Vakuumdichtigkeit und elektrischer Isolation produktionstechnisch deutlich vereinfacht, was eine kostengünstigere Herstellung des gesamten Isolators erlaubt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Sintervorgang des ke ^¬ ramischen Strukturelementes und dabei ein Fügevorgang der Strukturelemente, unter Beteiligung des Materials, für die Äquipotentialschicht zumindest teilweise im selben Verfah- rensschritt erfolgt. Unter demselben Verfahrensschritt wird dabei verstanden, dass ein bereits vorgefügter Isolatorrohling, bestehend aus Grünkörpern des Strukturelementes mit da ^¬ zwischen angeordnetem Grundmaterial für Äquipotentialschichten, gemeinsam einer Temperaturbehandlung unterzogen wird. Grundsätzlich ist es möglich, dass für die Sinterung der

Strukturelemente eine höhere oder niedrigere Temperatur benö ^¬ tigt wird als für die Bildung der Äquipotentialschichten, somit kann der Gesamtprozess zweistufig oder insgesamt mehrstu ^¬ fig ausgelegt sein, wobei auch grundsätzlich verschiedene At- mosphären vorherrschen können und zwischendurch auch ein Ab- kühlprozess vonstattengehen kann. All diese sukzessiv aufeinanderfolgenden Teilschritte, bei denen währenddessen keine mechanische Bearbeitung des Materials erfolgt, werden in die ^¬ sem Fall unter demselben Verfahrensschritt verstanden.

Zweckmäßig ist es, wenn ein Grundmaterial für die Äquipoten ^¬ tialschicht eine Metallfolie, ein Metallpulver, ein metalli ^¬ sches Gewebe, eine leitfähige Keramik oder ein elektrisch leitfähiges, glasbildendes Material ist. Es können auch Mi- schungen aus den genannten Substanzen verwendet werden, wobei schlussendlich für die benötigte Leitfähigkeit, die bezüglich der Anwendung berechnet wird, eine geeignete Materialzusam ^¬ mensetzung gewählt wird, so dass eben diese Leitfähigkeit ge ^¬ zielt eingestellt wird. Hierbei wird bei der Auswahl der Grundmaterialien für die Äquipotentialschicht neben der elektrischen Leitfähigkeit der Materialien auch auf deren Sinterverhalten bzw. Fügeverhalten zwischen der Äquipotentialschicht und den Strukturelementen geachtet. Bevorzugt wird das Grundmaterial für die Äquipotentialschicht zwischen zwei Grünkörpern des keramischen Strukturelementes eingebracht. In dieser Variante wird zunächst ein Grünkörper nach dem klassischen beschriebenen keramischen Formgebungsverfahren hergestellt, der als Vorkörper für das Strukturele ^¬ ment dient. Zwischen mindestens zwei dieser Grünkörper wird nun das Grundmaterial für die Äquipotentialschicht einge ^¬ bracht, wobei dieser so aufgebaute Körper nun dem Sinterpro- zess zugeführt wird. Auf diese Art und Weise wird direkt wäh ^¬ rend des Wärmebehandlungsprozesses, in dem auch der Sinter- prozess stattfindet, gleichzeitig eine Verbindung zwischen den Strukturelementen unter Bildung der Äquipotentialschicht erzeugt. Ein Fügeverfahren und ein Sinterverfahren erfolgt hierbei somit nahezu simultan, bevorzugt in einem selben Ver ^¬ fahrensschritt, wobei dieser Verfahrensschritt, wie bereits erwähnt, mehrstufig erfolgen kann.

Dabei kann das Grundmaterial für die Äquipotentialschicht durch eine Tauchbeschichtung, durch ein thermisches Spritzverfahren, wie beispielsweise Plasmaspritzen oder Kaltgasspritzen, ferner durch ein chemisches oder ein physikalisches Abscheideverfahren, wie beispielsweise sogenannte Chemical Vapor Deposition, aufgebracht werden. Zusätzlich ist auch die Verwendung einer Folie, insbesondere einer metallischen Folie oder eines metallischen Sinterkörpers bzw. eines metallischen Rohlings in Form eines Grünkörpers möglich.

Alternativ hierzu kann das Grundmaterial für die Äquipoten- tialschicht auch während der Befüllung einer Pressform zwischen das keramische Grundmaterial der Grünkörper eingebracht werden, wobei ein gemeinsamer Formgebungsprozess , insbesonde ^¬ re durch Pressen, erfolgt. Das Grundmaterial für das Struk ^¬ turelement und das Grundmaterial für die Äquipotentialschicht wird somit in einen gemeinsamen, mehrschichtigen Grünkörper verpresst. Auch dieser Grünkörper wird anschließend einem Wärmebehandlungsverfahren, das einerseits einen Fügeprozess und andererseits einen Sinterprozess enthält, zugeführt, wo- bei beim Fügeprozess ähnliche physikalische Phänomene, bei ^¬ spielsweise in Form von Diffusionen und Schmelzverbindungen auftreten können, wie beim Sinterprozess . Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist ein keramischer Isolator für eine Hoch- oder Mittelspannungsschaltanlage mit mindestens zwei achsensymmetrischen keramischen Strukturelementen, wobei die Strukturelemente durch eine

Äquipotentialschicht verbunden sind. Der keramische Isolator zeichnet sich dadurch aus, dass die Länge der Strukturelemente entlang ihrer Symmetrieachse zwischen 15 und 35 mm be ^¬ trägt. Aufgrund eines wurzeiförmigen Verlaufes des Zusammen ^¬ hangs zwischen einer Durchschlagfestigkeit des keramischen Isolatormaterials und der Länge des keramischen Strukturele- mentes kann durch deutliche Erhöhung der Länge des einzelnen Strukturelementes keine signifikante Erhöhung der Durch ^¬ schlagfestigkeit erzielt werden. Durch eine deutliche Verkür ^¬ zung der Strukturelemente und das entsprechende Einbringen von leitenden Äquipotentialschichten zwischen Strukturelemen- te kann unter Verwendung mehrerer Strukturelemente, die auch mehrere Fügeverbindungsschichten, also Äquipotentialschichten erfordern, bei einer kürzeren Bauweise des Isolators eine hö ^¬ here oder zumindest gleichhohe Durchschlagfestigkeit erzielt werden. Es hat sich erfindungsgemäß herausgestellt, dass bei Verwendung von Strukturelementen, die eine Länge zwischen 15 mm und 35 mm, insbesondere zwischen 20 mm und 30 mm, sich ein Isolator aufbauen lässt, der eine starke Verkürzung gegenüber einem herkömmlichen Isolator mit Strukturelementen in der Länge von ca. 80 mm bewirkt. Dabei wird ein Optimum zwischen Verkürzung und Anwendung von technisch aufwendigeren und kostenintensiveren Äquipotentialschichten erzielt.

Besonders zweckmäßig ist dieser Aufbau dann, wenn zwischen den Strukturelementen und der mindestens einen Äquipoten- tialschicht eine monolithische Verbindung besteht, die bei ^¬ spielsweise vorteilhaft bei einem gemeinsamen Wärmebehand ^¬ lungsschritt zur Sinterung der Strukturelemente und zum Fügen dieser durch die Äquipotentialschicht durch Sinterprozesse zwischen den einzelnen Partikeln des Grundmaterials für die Äquipotentialschicht und die Partikel für das keramische Grundmaterial des Strukturelementes entsteht. Insbesondere handelt es sich bei der monolithischen Verbindung bevorzugt um eine Sinterverbindung.

Weitere Ausgestaltungsformen und weitere Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden Beispiele näher erläutert. Dabei handelt es sich um exemplarische Ausgestaltungsformen, die keine Einschränkung des Schutzbereiches darstellen. Die ^¬ selben Merkmale in unterschiedlichen Ausgestaltungsformen werden dabei mit denselben Bezugszeichen versehen.

Dabei zeigen:

Figur 1 eine Querschnittsdarstellung durch eine Vakuumschaltröhre mit einem keramischen Isolator, einen Aufbau von Grünkörpern für ein Strukturelement, die mit Vorkörpern für eine

Äquipotentialschicht gestapelt sind, ein Formgebungswerkzeug mit einem darin entstehenden mehrschichtigen Grünkörper und den parabelförmigen Zusammenhang zwischen einer Durchbruchfeidstärke von keramischen Isolatoren mit deren Länge. In Figur 1 ist eine Schaltanlage 4 dargestellt, die einen ke ^¬ ramischen Isolator 2 aufweist, wobei der keramische Isolator 2 zwei oder mehrere keramische Strukturelemente 6 umfasst, die durch Äquipotentialschichten 10 voneinander getrennt sind. Diese Äquipotentialschichten 10 können im Stand der Technik Lotschichten sein oder metallische Ringe, die zwischen die Strukturelemente 6 gelötet werden. In vielen Fällen weisen diese Äquipotentialschichten 10 oder metallische Verbindungsschichten auch Schirmungsbleche 28 auf, die elektri- sehe Feldlinien von den keramischen Oberflächen der Strukturelemente 6 abschirmen und entsprechend zu den Äquipotential ^¬ schichten leiten. Die Strukturelemente 6 bzw. der keramische Isolator 2 sind achsensymmetrisch entlang einer Symmetrieach- se 8 aufgebaut, wobei sie dabei in der Regel rotationssymmet ^¬ risch dargestellt sind. Grundsätzlich ist die gesamte Schalt ^¬ anlage in der Regel rotationssymmetrisch mit unterschiedli ^¬ chen Querschnittradien ausgestaltet. Dabei ist der keramische Isolator 2 Bestandteil des Gesamtgehäuses 26 der Schaltanlage 4. In der Schaltanlage 4 sind in einer Vakuumschaltkammer 30 Schaltkontakte 24 angeordnet, die beweglich entlang der Sym ^¬ metrieachse 8 ausgestaltet sind, und die durch die Bewegung einen elektrischen Kontakt in der Schaltanlage 4 aufbauen bzw. trennen können.

In Figur 2 ist eine Darstellung eines gestapelten Körpers 15 gegeben, der sowohl vom Grünkörper 14, die als Vorkörper für die keramischen Strukturelemente 6 dienen, als auch ein

Grundmaterial 12 für Äquipotentialschichten 10 umfasst. Dabei werden mindestens zwei Grünkörper 14 und ein Grundmaterial 12 übereinandergestapelt , wobei es in dieser Ausgestaltungsform so ist, dass der Grünkörper 14 bereits in einem separaten Prozess entsprechend rotationssymmetrisch geformt wird. Dabei wird beispielsweise ein Schlickergießverfahren oder ein axia- les bzw. unaxiales Pressverfahren angewandt. Die in Figur 2 dargestellte Stapelung 15 wird nun einem Wärmebehandlungspro- zess zugeführt. Der Wärmebehandlungsprozess kann dabei mehr ^¬ stufig verlaufen, wobei dieser je nach Ausgestaltung und physikalisch chemischem Verhalten der einzelnen Grundmaterialien 12 bzw. einem keramischen Grundmaterial 18 für den Grünkörper 14 angepasst ist. Bei einem Wärmebehandlungsprozess erfolgt ein Sintervorgang, so dass das Grundmaterial 18 der Keramik nach dem beschriebenen Mechanismus des Sinterns verdichtet wird. Gleichzeitig erfolgt ein vergleichbarer Prozess, der auf den selben physikalischen Phänomen basiert, wobei auch hier gegebenenfalls durch Diffusionsprozesse und/oder

Schmelzprozesse eine Verdichtung erfolgt, die in diesem Fall als Sintern bezeichnet wird. Nach diesem Prozess ist das Grundmaterial 12 zur endgültigen Äquipotentialschicht 10 um ^¬ gewandelt, die dann eine vakuumdichte, elektrisch zumindest teilweise leitfähige Schicht zwischen den nun fertig gestell ^¬ ten Strukturelementen 6 bildet.

Ein alternatives Vorgehen kann gemäß Figur 3 darin bestehen, dass in ein Formgebungswerkzeug für einen Gesamtverbundgrünkörper 20 alternierend das Grundmaterial 18 für den Grünkör ^¬ per 14 des Strukturelementes 6 und anschließend das Grundma- terial 12 für die Äquipotentialschicht 10 eingefüllt werden. Dieses Einfüllen kann durch Schlickergießen oder durch Pul- verschüttungen erfolgen. Anschließend erfolgt eine Verdichtung, die am Beispiel einer Pressform 16 dargestellten Verdichtung durch einen nicht dargestellten entsprechenden

Pressstempel der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist. Dabei ist zu erwähnen, dass zur Generierung eines Hohlraums bzw. einer Darstellung eines ringförmigen bzw. zylinderförmigen keramischen Isolators in der Mitte der Pressform 16 eine Pinole 17 angeordnet ist. Das alternierende Einfüllen der unterschiedlichen Grundmaterialien 12 und 18 wird durch die Pfeile 32 und 32 ^λ veranschaulicht.

Ein so hergestellter mehrschichtiger Grünkörper 20 wird einem analogen Wärmebehandlungsprozess , der bereits bezüglich des Aufbaus in Figur 2 beschrieben ist, unterzogen. Hierbei kommt es ebenfalls zu Versinterungen bzw. Sinterhalsbildungen zwischen den einzelnen Partikeln innerhalb des Strukturelementes 6 bzw. innerhalb der Äquipotentialschicht 10 und in einem Fü ^¬ gebereich zwischen dem Strukturelement 6 und der

Äquipotentialschicht 10 kommt. Somit wird hier in dem Grün ^¬ körper 20 nach Figur 3 wie auch in dem Körper gemäß Figur 2 eine monolithische Verbindung zwischen dem Strukturelement 6 und der Äquipotentialschicht 10 gebildet. In Figur 4 ist eine Darstellung der Abhängigkeit einer Durchbruchsspannung 34 in Abhängigkeit der Länge bzw. Höhe 22 eines Strukturelementes 6 gegeben. Die Kurve selber, die eine wurzeiförmige Abhängigkeit der genannten Größen darstellt, wird mit dem Bezugszeichen 36 versehen. Aufgrund des wurzei ^¬ förmigen Verlaufs der Kurve 36 wird sichtbar, dass bei einer Erhöhung der Länge des Strukturelementes 6 keine signifikante Erhöhung der Durchbruchsspannung 34 eintritt. Für den Fall, dass Isolatoren für sehr hohe Spannungen dargestellt werden sollen, also für Spannungen im Bereich von 450 kV, werden mehrere einzelne Strukturelemente übereinander gesetzt und durch ein aufwendiges Lötverfahren, insbesondere durch Hart ^¬ lötung vakuumdicht miteinander gefügt. Dieses Aufbringen von Schmelzlot erfordert in der Regel auch teure Silberverbindun ^¬ gen, weshalb das Lotverfahren technologisch aufwendig und teuer ist. Für eine 450 kV Anlage werden dabei üblicherweise im Stand der Technik drei 80 mm hohe Strukturelemente ent ^¬ sprechend des Lotverfahrens aufwendig miteinander gefügt. Der gesamte keramische Isolator wird nach dem Stand der Technik eine Länge von 240 mm betragen.

Die beschriebene verfahrenstechnische Anordnung ist gegenüber dem Lotverfahren deutlich kostengünstiger, da das Fügeverfah- ren und das Sinterverfahren des Strukturelementes in einem bzw. mindestens teilweise in einem Verfahrensschritt, also in situ stattfindet. Hierdurch wird der prozessuale Aufwand bei der Herstellung deutlich vereinfacht. Auf diese Weise hat es sich herausgestellt, dass eine Höhe des Strukturelementes 6 bzw. dessen Grünkörpers 14, die zwischen 15 mm und 35 mm, be ^¬ vorzugt zwischen 20 mm und 30 mm liegt, bei derselben geforderten Spannungsfestigkeit von 450 kV lediglich vier Strukturelemente erfordert. Diese wird durch drei Fügeverbindungen miteinander gefügt und weist dabei drei Äquipotential- schichten 10 auf. Auf diese Weise kann durch die Erhöhung der Anzahl der Äquipotentialschichten 10 um eine weitere

Äquipotentialschicht die Gesamtlänge des Isolators auf 80 mm, also auf ca. ein Drittel des Isolators der aus dem Stand der Technik bekannt ist, verkürzt werden. Demgegenüber steht eine weitere Äquipotentialschicht, die jedoch durch das beschrie ^¬ bene Verfahren deutlich kostengünstiger hergestellt werden kann als das im Stand der Technik angewandte Lotverfahren.