DE4030806A1 - Verfahren zur erhoehung der spannungsfestigkeit und verbesserung des kriechstromverhaltens von isolationsstrecken und anwendung dieses verfahrens auf vakuumschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit und Verkleinerung der Kriechströme von Iso­ lationsstrecken. Daneben bezieht sich die Erfindung auf die An­ wendung dieses Verfahrens bei Vakuumschaltern mit einem metal­ lischen Schaltgefäß. In diesem Zusammenhang bezieht sich die Erfindung auch auf einen derartigen Vakuumschalter mit gegenein­ ander beweglichen Kontakten in einem Schaltgefäß aus metalli­ schen Teilen, mit einer inneren Isolationsstrecke zwischen den geöffneten Kontakten und einer äußeren Isolationsstrecke zwi­ schen den metallischen Teilen des Schaltgefäßes.

Zwischen dem beweglichen und dem festen Schaltstück einer Vaku­ umschaltröhre befindet sich eine äußere Isolationsstrecke, so daß sich bei geöffneten Kontakten aufgrund der inneren Isola­ tionsstrecke eine galvanische Trennung ergibt. Die äußere Isola­ tionsstrecke wird z. B. durch einen Keramik-Isolatorring reali­ siert, der an beiden Stirnflächen durch eine Metall/Keramik- Verbindung mit den Metallflanschen bzw. Metallkappen des Schalt­ gehäuses verbunden ist.

Aus Kostengründen soll die Länge des Keramik-Isolatorringes mög­ lichst gering gehalten werden. Zwar liegt die Spannungsfestig­ keit einer derartigen Isolationsstrecke vakuumseitig, d. h. bei einem Vakuumdruck < 10^-3mbar, bei ca. 40 kV/mm. Im Außenraum, d. h. gegen die Umgebung, sinkt bei Atmosphärendruck dieser Wert auf ca. 3 kV/mm ab.

Zur Verbesserung der Spannungsfestigkeit und Verminderung von Kriechströmen im Außenraum wurde bereits vorgeschlagen, eine Ummantelung des Keramikisolators durch einen Isolierschlauch, welcher als Schrumpfschlauch ausgebildet ist, vorzusehen, wobei dieser Isolierschlauch breiter als die Isolatorlänge ist. Dane­ ben ist es bekannt, durch Abdeckung von eventuell vorhandenen Spitzen am Metall-Keramik-Übergang die Spannungsfestigkeit zu erhöhen. Schließlich wird in der DE-OS 28 33 820 ein Vakuum­ schalter mit einem ein Isolierelement enthaltendem Vakuumgefäß zur Aufnahme eines feststehenden Kontaktes und eines beweglichen Kontaktes beschrieben, der durch eine auf der Außenfläche des Isolierelementes vorgesehene Beschichtung aus einer Fettverbin­ dung eines wasserabstoßenden Materials und durch ein Isolier­ rohr aus wasserabstoßendem, aufschrumpfbaren Material auf der Beschichtung aus der Fettverbindung gekennzeichnet ist.

Speziell der Einsatz eines Isolierschlauches hat den Nachteil einer begrenzten Haltbarkeit des Kunststoffes in aggressiven Industrieatmosphären, bei Bestrahlung mit UV-Anteilen im Freien und anderer störender Einflüsse. Insbesondere kann unter den Schrumpfschlauch Feuchtigkeit kriechen, so daß sich Spannungs­ festigkeit und Kriechstromverhalten verschlechtern.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, die Spannungsfestig­ keit und das Kriechstromverhalten der Keramik im Außenraum zu verbessern, ohne daß Isolierschläuche mit den erwähnten Nachtei­ len verwendet werden müssen.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die wirksa­ me Isolationsstrecke durch eine Beschichtung aus isolierendem Material vergrößert ist. Bei einem Bauteil mit bereits vorhande­ ner Isolationsstrecke wird dazu durch thermisches Spritzen eine Schicht hergestellt, die sowohl die Isolationsstrecke als auch die angrenzenden metallischen Bereiche des Bauteiles haftfest bedeckt.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird das thermische Spritzen vorteilhafterweise dazu angewandt, um einen Keramikisolator als Isolationsstrecke und damit verbundene metallische Teile mit dem Isolierwerkstoff durchgehend zu beschichten. Dies kann einer­ seits mit einem Plasmaspritzverfahren oder andererseits mit ei­ nem Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahren erfolgen. Als Isolationswerkstoff wird vorzugsweise ein keramisches Pulver, z. B. Al₂O₃, verwendet.

Insbesondere wird das erfindungsgemäße Verfahren bei Vakuum­ schaltern mit einem metallischen Schaltgefäß angewandt. Bei ei­ nem solchen Vakuumschalter ist eine thermisch gespritzte Schicht über die äußere Isolationsstrecke hinaus auf den metallischen Teilen des Schaltgefäßes aufgebracht. Vorteilhafterweise sind beide Kappen des Schaltgefäßes auf dem sich der Isolationsstrek­ ke anschließenden Ringbereich mit der thermisch gespritzten Schicht versehen.

Da die thermischen Spritzverfahren gut beherrschbar sind, läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren mit vergleichsweise gerin­ gem Aufwand realisieren. Die durch thermische Spritzen erzeugte Beschichtung hat vorteilhafterweise nur eine geringe und nach außen eine geschlossene Porosität. Es entsteht somit an der Oberfläche des Schaltgerätes eine verwitterungsfeste Isolations­ strecke, die bis zu hohen Temperaturen auch bei aggressiven Medien beständig ist.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Ver­ bindung mit den Patentansprüchen, wobei insbesondere in der An­ wendung für Vakuumschalter auf die einzige Figur der Zeichnung verwiesen wird. Die Figur zeigt einen Vakuumschalter in schemati­ scher, teilweise geschnittener Darstellung.

Ein Vakuumschalter benötigt ein luftdichtes Schaltgefäß 1, bei­ spielsweise mit zwei metallischen Kappen 2 und 3 und einem da­ zwischen angeordneten Ring 4 aus keramischem Isolationsmate­ rial, für potentialmäßig getrennte Anschlüsse. Durch jeweilige Metall/Keramik-Verbindungen der Teile 2 bzw. 3 mit dem Teil 4 ist das Schaltgefäß vakuumdicht ausgebildet.

In das vakuumdichte Schaltgefäß 1 sind zwei Kontaktbolzen 5 und 6 eingebracht, wobei der Kontaktbolzen 5 starr mit der oberen Metallkappe 2 verbunden und der Kontaktbolzen 6 über einen Fe­ derbalg 7 in der Längsrichtung des Schaltgefäßes beweglich aus­ gebildet ist. Auf den Kontaktbolzen 5 und 6 sitzen innerhalb des Schaltgefäßes 1 Schaltstücke 8 und 9.

Über einen nicht dargestellten Antrieb kann der bewegliche Kon­ taktbolzen mit dem Kontaktstück 9 verschoben werden, so daß sich innerhalb des Vakuums bei Öffnen der Kontaktstücke 8 und 9 eine Isolationsstrecke ergibt, die einen Strom zu unterbrechen vermag. Nach außen sind die Kontaktbolzen 5 und 6 über den Keramikring 4 gegeneinander isoliert, so daß sich hier eine äußere Isolations­ strecke ergibt.

Derartige Vakuumschalter sind in unterschiedlichster Auslegung Stand der Technik. Das Schaltvermögen wird dabei nicht nur durch den Kontakthub innerhalb des Schaltgefäßes 1 sowie Aufbau und Material der Kontaktstücke 8 und 9 selbst bestimmt, sondern auch durch die Spannungsfestigkeit der durch den Keramikring 4 defi­ nierten äußeren Isolationsstrecke. Aus Kostengründen soll die Höhe des Keramikringes 4 möglichst gering gehalten werden können. Die Spannungsfestigkeit ist daher der Höhe des Keramikringes proportional. Dabei zeigt sich bei einem bekannten Vakuumschal­ ter, daß die Spannungsfestigkeit beispielsweise vakuumseitig bei ca. 40 kV/mm, im Außenraum bei Atmosphärendruck dagegen bei etwa 3 kV/mm liegt.

Letztere Diskrepanz läßt sich wesentlich verringern, wenn das gesamte Schaltgefäß 1 mit einer Keramikbeschichtung versehen ist und auch die metallischen Kappen 2 und 3 eine Isolations­ schicht aufweisen. Darüber hinaus wird dadurch das Kriechstrom­ verhalten wesentlich verbessert.

In der Figur ist die keramische Beschichtung im Schnitt durch die Struktur 10 angedeutet. Selbstverständlich ist es sinnvoll, nur die starren und nicht zu kontaktierenden Teile, d. h. nicht etwa den beweglichen Kontaktbolzen 6, mit der Beschichtung zu versehen. Gegebenenfalls sollen auch nur bestimmte Bereiche der metallischen Teile 2 und 3 beschichtet sein, was durch eine Maskentechnik realisiert werden kann.

Als Beschichtungstechnik für vergleichsweise dicke, fest anhaf­ tende Schichten, die in kürzester Zeit hergestellt werden kön­ nen, kommen alle thermischen Spritzverfahren in Frage. Diese sind beispielsweise das Plasmaspritzen, welches insbesondere im Niederdruckbereich von 20 bis 100 mbar angewandt werden kann.

Gegebenenfalls kommt auch das Hochgeschwindigkeits-Flammspritz- Verfahren in Frage. Bei geeigneter Prozeßführung entstehen Schichten vorgegebener Dicke mit nach außen geschlossener Poro­ sität und guter Anbindung zur Unterlage. Bei Anwendung anderer Verfahren, die keine geschlossene Porosität erreichen, kann die Schicht vorgegebener Dicke in einfacher Weise, - z. B. durch Glas oder Epoxydharz - entweder nur an der Oberfläche oder im Tränk­ verfahren insgesamt versiegelt werden. Dies ist deshalb von Bedeutung, da nur so ein Unterkriechen der Schicht durch Wasser oder eine Wasseraufnahme in der Schicht wirksam unterdrückt wird, was ansonsten bei offener Porosität dem angestrebten Er­ gebnis entgegenstünde.

Beispiel:

In Versuchen wurde ein fließfähiges Pulver aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) mit einem Plasmabrenner im Niederdruckbereich bei etwa 60 mbar oder an Luft auf das Schaltgefäß 1 gespritzt. Dabei wur­ de der Keramikring 4 und der zylindrische Bereich der metalli­ schen Kappen 2 und 3 mit einer geschlossenen Schicht versehen, die durchgehend gut haftet. Das Ergebnis ist eine vergrößerte Spannungsfestigkeit des Kerramikisolators 4 im Außenraum durch die längere Kriechstrecke und insbesondere auch durch Überdecken von eventuell vorhandenen Metallspitzen an den Metall-Keramik- Übergängen.

Es hat sich gezeigt, daß mit Aluminiumoxid eine verwitterungs­ feste Isolationsstrecke geschaffenn werden kann, die bis zu ho­ hen Temperaturen beständig ist. Insbesondere können speziell für die Anwendung des Vakuumschalters die Schaltgefäße auch nach der thermischen Beschichtung den üblichen Ausheizvorgängen bei 250 bis 400°C zur Erreichung eines guten Endvakuums unter­ zogen werden. Die so ertüchtigten Vakuumschalter weisen eine verbesserte Spannungsfestigkeit auf, die ansonsten nur durch eine erheblich längere Keramik als Isolationsstrecke oder durch eine Profilkeramik erreicht werden konnte.

Auch bei anderen Anwendungsfällen, bei denen die Spannungsfe­ stigkeit und das Kriechstromverhalten von Isolationsstrecken verbessert werden soll, kann das beschriebene Verfahren einge­ setzt werden. Insofern ist die Erfindung auch unabhängig von Vakuumschaltern anwendbar.

Claims (11)

1. Verfahren zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit und Verklei­ nerung der Kriechströme von Isolationsstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Isolations­ strecke eines Bauteiles durch eine Beschichtung aus isolieren­ dem Material vergrößert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine bei einem Bauteil bereits vorhan­ dene Isolationsstrecke und daran angrenzende metallische Berei­ che des Bauteiles durch thermisches Spritzen mit Isolierwerk­ stoff beschichtet werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierwerkstoff mittels Plasmaspritzen im Niederdruckbereich von 20 bis 100 mbar oder bei Atmosphärendruck auf das Bauteil aufgebracht wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierwerkstoff mittels Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen bei Atmosphärendruck auf das Bauteil aufgebracht wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Isolierwerkstoff kera­ misches Pulver, z. B. Al₂O₃, verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in einem zusätzlichen Verfahrens­ schritt eine Versiegelung der Beschichtung, beispielsweise durch Oberflächenabdeckung oder durch Tränkung, erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für die Versiegelung Glas oder Epoxydharz verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 7, gekennzeichnet durch die Anwendung bei Va­ kuumschaltern.

9. Vakuumschalter mit gegeneinander beweglichen Kontakten in einem Schaltgefäß aus metallischen Teilen, mit einer inneren Isolationsstrecke zwischen den geöffneten Kontakten und einer äußeren Isolationsstrecke zwischen den metallischen Teilen des Schaltgefäßes, dadurch gekennzeichnet, daß eine thermisch gespritzte Schicht (10) über die äußere Iso­ lationsstrecke (4) hinaus auf den metallischen Teilen (2, 3) des Schaltgefäßes (1) aufgebracht ist.

10. Vakuumschalter nach Anspruch 9, wobei das Schaltgefäß aus zwei topfartigen Kappen als metallische Teile mit jeweils einem Bodenbereich und einem zylindrischen Bereich und einem dazwi­ schenenliegenden Keramikring als äußere Isolationsstrecke be­ steht, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch gespritzte Schicht (10) den zylindrischen Teil der Kappen (2, 3) weitgehend abdeckt.

11. Vakuumschalter nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die thermisch gespritzte Schicht (10) eine geschlossene Porosität hat.