[go: up one dir, main page]

EP4016576B1 - Electrical switching device for medium and / or high voltage applications - Google Patents

Electrical switching device for medium and / or high voltage applications Download PDF

Info

Publication number
EP4016576B1
EP4016576B1 EP20214203.0A EP20214203A EP4016576B1 EP 4016576 B1 EP4016576 B1 EP 4016576B1 EP 20214203 A EP20214203 A EP 20214203A EP 4016576 B1 EP4016576 B1 EP 4016576B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
switching device
coating
housing
refraction
controlling coating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP20214203.0A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP4016576A1 (en
Inventor
Martin Koletzko
Steffen Lang
Igor Ritberg
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority to ES20214203T priority Critical patent/ES2994802T3/en
Application filed by Siemens AG, Siemens Energy Global GmbH and Co KG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to EP20214203.0A priority patent/EP4016576B1/en
Priority to EP21839136.5A priority patent/EP4244879A1/en
Priority to KR1020237023780A priority patent/KR20230118954A/en
Priority to US18/257,533 priority patent/US20240047159A1/en
Priority to PCT/EP2021/085728 priority patent/WO2022129073A1/en
Priority to JP2023536128A priority patent/JP2023554041A/en
Priority to CN202180093829.9A priority patent/CN116848608A/en
Publication of EP4016576A1 publication Critical patent/EP4016576A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP4016576B1 publication Critical patent/EP4016576B1/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/60Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66Vacuum switches
    • H01H33/662Housings or protective screens
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/60Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66Vacuum switches
    • H01H33/662Housings or protective screens
    • H01H33/66207Specific housing details, e.g. sealing, soldering or brazing
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/60Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66Vacuum switches
    • H01H33/662Housings or protective screens
    • H01H33/66207Specific housing details, e.g. sealing, soldering or brazing
    • H01H2033/6623Details relating to the encasing or the outside layers of the vacuum switch housings

Definitions

  • the invention relates to an electrical switching device, in particular for medium and/or high voltage applications, comprising at least two contactable conductor elements which can be separated by a movement device and a housing defining a switching chamber made of one or more insulators, wherein parts of the switching chamber can be made of metal, usually in the vicinity of the contact gap, and two caps, preferably made of metal, which axially close off the housing,
  • VEB vacuum circuit breakers
  • These are core components in energy transmission and distribution, particularly in their switching systems. They cover a large part of medium-voltage switching applications, i.e. switching applications in the range from 1 kV to 52 kV, for example, as well as a relevant part in low-voltage systems. Their use in high-voltage transmission systems, for example at voltages greater than 52 kV, is also increasing.
  • a VCB While a VCB is closed most of the time, thus providing contact between the conductor elements, its main task is to interrupt currents in alternating current systems under nominal conditions, in particular for switching nominal currents on and off, or preferably for interrupting currents under fault conditions, in particular to prevent short circuits. to interrupt and protect the system.
  • Other applications include pure switching of load currents using contacting conductor elements, which is mostly used in low and medium voltage systems.
  • the vacuum interrupter (VI, also vacuum switching tube) is the core element of a VCB.
  • a vacuum switching tube usually has a pair of contacts that are formed by corresponding conductor elements, at least one of which can be moved by means of a movement device in order to be able to bring about the open and closed states of the switching device.
  • one conductor element is moved axially with respect to the other fixed conductor element.
  • the contacts can be made of current-conducting bolts, in particular made of metal, which provide both current and heat conduction as well as the mechanical means to hold and/or move the contacts.
  • a VI further comprises a vacuum-tight housing and the mentioned movement device and can also comprise a metal bellows which is connected on one side to the housing and on the other side to the moving conductor element, in particular the moving bolt.
  • the housing is essentially formed by an insulating component, i.e. an insulator, for example a ceramic tube, which is connected to the conductor elements via connecting elements, whereby metal caps or the like are used, for example, which close off the insulating component in the axial direction to form the switching chamber.
  • the switching device When the switching device is in an open state, it is necessary to isolate the nominal voltage of the system, but also to isolate high amplitude surge voltages, for example can be triggered by a lightning strike into the system.
  • the switching device changes from the closed to the open state, thus separating the contacts of the conductor elements, rated currents or short-circuit currents must be interrupted, which lead to the appearance of temporary voltage peaks across the VI that are significantly higher than the rated AC voltages of the system.
  • High voltages in vacuum systems typically generate free electrons through field emission processes if the electric field strength is sufficiently high.
  • the acceleration of the electrons in the high electric fields increases the kinetic energy of these electrons, for example up to energies exceeding several tens or even hundreds of KeV.
  • the interaction of these high-energy electrons with the housing structures leads to the production of high-energy X-rays that can leave the vacuum interrupter.
  • the fault current within the vacuum interrupter is minimal and does not generate any significant X-rays, circumstances may arise, for example when transient high-amplitude voltage spikes occur, in which the resulting X-rays generate free electrons on and/or near the outer surface of the insulator.
  • These electrons can be accelerated by the electric fields on and near the insulator surface, disrupt the electric field distribution in sensitive areas and lead to gas breakdown, resulting in a failure in the operation of the vacuum interrupter.
  • a shielding element which can also be made of metal, in the contact area of the conductor elements to catch free metal particles from the conductor elements, but this also has an influence on the field distribution within the switching chamber, but also on the insulator.
  • the housing of the switching chamber and in particular the insulator, which is usually made of ceramic, must be able to withstand high voltages across its surface, even in the presence of X-rays and free electrons or, in some cases, even when the insulator is contaminated by dust particles that are electrostatically deposited on the outer surface of the insulator. Since the insulator contributes significantly to the cost of a vacuum interrupter (or other switching device) and also negatively influences the cost of other structural elements of the vacuum interrupter (or other switching device), it is necessary to optimize the housing in order to achieve maximum dielectric strength with minimum component size.
  • the known VIs are often constructed largely symmetrically to an -imaginary- center plane of the tube in order to minimize the number of different components and the complexity of the structure.
  • the real environment of the tube generally distorts the electric field strongly, so that areas of the tube are strongly electric - in the sense of a high average electric field strength.
  • This object is achieved by the subject matter of the present invention, as disclosed in the description, the figures and the claims.
  • Permittivity is the ability of a material to be polarized by electric fields. Permittivity is a material property of electrically insulating polar or non-polar compounds that only becomes apparent when these compounds are exposed to an electric field.
  • the matrix material can be selected from the group comprising elastomers, thermosets, thermoplastics and/or glass.
  • the various coating processes for producing the coating can be selected accordingly.
  • the matrix material is preferably applied as a paint, particularly in the form of a wet paint or powder paint.
  • Other application methods such as spraying, immersion baths, casting, etc. are conceivable, but they are not the main focus of current research into the technology.
  • the great advantage of applying the coating as a powder coating and/or wet coating is that the refractively controlling coating produced is free of pores. Such a pore-free coating can also be achieved by casting, but the homogeneity of the coating usually suffers, especially at the edges.
  • this When applied as a wet paint, this usually contains solvents which are not present in the matrix material or are only present in small quantities after the paint has dried.
  • the matrix is made of a polymeric matrix material, for example a polymeric resin, which is in the form of a polymeric binder.
  • a "polymer matrix” refers to a polymer or a polymeric binder.
  • the polymeric matrix comprises in particular a resin or a resin mixture, such as epoxy resin, silicone elastomer, siloxane resin, silicone resin, polyvinyl alcohol, polyester imide and similar thermosetting, thermoplastic plastics, as well as any combinations, copolymers, blends and mixtures of the above-mentioned resins and/or plastics.
  • the matrix preferably contains fillers with a high permittivity to air, in particular refractive dielectric insulating fillers, such as ceramic fillers, which are polar and/or easily polarizable in an electric field.
  • the materials for the filler(s) are selected from Class 1 ceramic materials that meet high stability requirements and whose permittivities have a low dependence on temperature and field strength.
  • These include, for example, compounds such as selected titanates, which have reproducibly low temperature coefficients and low dielectric losses. Their permittivity is largely independent of field strength, which has advantages for the application in question here.
  • Fillers made of a material that is commercially available in the field of capacitor ceramics and is therefore relatively cheap and available in sufficient quantities are preferred.
  • materials that have an almost linear temperature profile of the capacitor capacitance are considered.
  • these are in the form of one or more ceramics, in particular ceramics with metal nitride, metal carbide, metal boride and/or metal oxides such as titanium dioxide, aluminum oxide, selected compounds of ceramics comprising titanate are also suitable because of their field strength-independent permittivity.
  • oxides of metal alloys in any combination with all of the aforementioned materials are also particularly suitable for fillers that exhibit largely field strength-independent permittivity.
  • a mixture of finely ground paraelectrics such as titanium dioxide with admixtures of magnesium (Mg), zinc (Zn), zirconium (Zr), niobium (Nb), tantalum (Ta), cobalt (Co) and/or strontium (Sr) is suitable as a material for such a filler.
  • thermosets and thermoplastics can be applied in the form of a powder coating.
  • a hardener is present when additive polymerization takes place.
  • An accelerator, initiator and/or catalyst is used in all cases where resin is cured.
  • the matrix material is usually applied before, during, but preferably after the manufacture of the housing.
  • the refractive-controlling layer which is produced by coating with the matrix material, is applied by spraying, doctoring, dipping, brushing and/or other methods that enable the production of a thin, homogeneous - in particular allowing for a coating that is as homogeneous and pore-free as possible.
  • the application method is preferably carried out automatically.
  • the refractively controlling coating is preferably a filled coating made of one or more matrix materials, which can be organic, for example in the form of a polymer, or inorganic, for example as glass, in which the filler is introduced.
  • the amount of filler in the refractively controlling coating can vary within wide limits.
  • a filler concentration of 1 vol.% - i.e. the almost unfilled matrix material with a relatively low refraction, which is caused almost exclusively by the dielectric barrier formed by the matrix material - can be present in the coating up to a filling of 70 vol.%.
  • the preferred range of filler quantity is between 20 and 60 vol.%, in particular from 30 vol.% to 40 vol.% filling in the matrix material.
  • the filler particles of the refractive-controlling coating do not have a preferred shape; they can be embedded in the matrix in any shape and size.
  • the filler particles are irregular after appropriate grinding.
  • Filled paints whose particles are as close as possible to a spherical shape, are more suitable for processing than other shapes because the specific surface area is the smallest and thus the smallest possible processing viscosity is achieved with the same degree of filling.
  • the size of the fillers can vary. There can be different filler fractions in the filler.
  • the housing can be provided with differently filled coatings in different areas.
  • Thicker coatings and/or certain material combinations result in a stronger refraction of the field lines than others.
  • the level of permittivity and the thickness of the applied refractive-controlling coating determine how much the electric field is evened out.
  • thicknesses of the refractive-controlling coating of 10 ⁇ m to 5 mm, preferably in the range between 100 pm and 3 mm, particularly preferably in the range between 500 pm and 2 mm, have proven to be expedient.
  • the permittivity of the coating according to an embodiment of the invention - filled or unfilled - is used so that the electric field on the surface of the housing of the switching chamber is pushed away by the increased permittivity compared to the uncoated surface and local field increases are thus reduced. This is explained again and shown schematically in Figure 2.
  • the surface of the housing would usually be covered by an insulating gas such as nitrogen, air or sulphur hexafluoride. All of these gases have a comparatively low permittivity.
  • the refractively controlled coating proposed here breaks the emerging field lines according to the refractive field control - refraction - because the penetration of the field into the higher permittivity material is made more difficult by the displacement of the field from the material with a higher permittivity into the material with a lower permittivity material. because the electric field is pushed away from the edge or triple point.
  • the triple point is the area of the housing in which a metal electrode, a solid insulator and a gaseous insulator - in this case the surrounding gas - come together.
  • the refractively controlling coating is at least partially applied to at least one of the contacting sides of the housing.
  • the refractively controlling coating is also a dielectric barrier which, when applied to the metal electrodes, ensures that electrons have a much harder time getting out of the metal. Or, in other words, the electrical arcing between the electrodes is shifted towards higher voltages by the dielectric barrier. The refractive field shift then also shifts it towards even higher voltages.
  • the refractive-controlling coating is provided on both metallic caps of the housing, which axially close off the preferably cylindrical insulator body to form the switching chamber, in whole or in part in addition to the application on the insulator body.
  • the refractive-controlling coating covers the housing completely or partially or in selected areas.
  • the refractive-controlling coating is applied directly to the housing surface or, for example, to a lower layer, such as a resistive layer after the EP 3146551 B1 .
  • a lower layer on which the refractive-controlling coating is applied can comprise a further refractive-controlling layer as well as another, in particular a resistive layer after the EP 3146551 B1 , but preferably also, as an alternative, a resistive-capacitive layer.
  • the lower layer is a thinner layer than the upper one, so that the layer thicknesses increase from the inside to the outside on the housing outer surface.
  • the matrix materials of the respective coatings are compatible with one another. It is preferred, for example, that the matrix materials are at least inert to one another, but advantageously they can be mixed with one another and/or into one another as desired. It is very preferred that the matrix materials of different layers - for example the matrix material of a refractively controlling coating according to an embodiment of the present invention and the matrix material of a resistive coating according to the EP 3146551 B1 - have the same or similar chemical composition.
  • the coatings can also be combined in the form of layer stacks, with a resistive coating according to the EP 3146551 B1 preferably on the insulating areas of the housing of the switching device, such as on a ceramic cylinder, whereas the refractively controlling coating is provided in particular on the caps of the housing, i.e. the contacting areas.
  • both coatings can extend over one another as desired and in particular also over all areas of the housing on the outside.
  • All layers of the overall coating of the housing cover the respective parts of the housing completely or partially, but on the outside.
  • refractive-controlling coating is not applied over the entire surface of the housing, but only partially covers the housing. It is particularly preferred if the refractively controlling coating is applied to the caps, in particular to the metal caps and/or to the edges that form the caps with the insulator body.
  • the refractively controlling coating extends beyond the edge, forming a border, for example also onto the surface of the insulator body.
  • the insulator body itself is coated, for example with a resistive coating, or not.
  • the resistive layer is applied over the entire surface of the housing outer surface, according to the present invention it can, in contrast, also only partially cover the outside of the housing, in particular it can also be applied in the form of a resistive-capacitive layer with a non-galvanically - i.e. not via a contact - electrically conductively connected area.
  • the lower layer is thinner than the upper layer.
  • the refractive-controlling layer is located on the resistive layer.
  • FIG. 1 shows in the form of a schematic diagram an embodiment of a switching device 1 according to the invention, here a vacuum interrupter.
  • a housing 3 which is composed of two tubular ceramic parts, i.e. insulator bodies 2, is closed off by metal caps 4, which form areas with electrical contacts, and defines a switching chamber 5, into which two conductor elements 6, designed for example as bolts, with contacts 7 are guided.
  • the lower of the conductor elements 6 is designed to be movable according to the arrow 8 and the indicated movement device 9 and can be moved in the direction of extension 10 of the conductor elements 6, which also forms the axis of symmetry of the switching device 1, in order to bring the contacts 7 into contact or to space them apart, whereby in the present case an open, i.e. spaced-apart, state of the switching device 1 is shown.
  • the invention also relates to gas switches in which the gas is present inside the switch.
  • the gas switches included here are those in which gas serves as a switching medium and, after successful shutdown, as an insulating medium.
  • SF6 is usually used for this nowadays. Since SF6 is to be replaced as a strong greenhouse gas, switches with CO2, fluoronitrile or other alternative gases are also conceivable in the future.
  • a metal shielding element 12 (vapor shield) is provided in the contact area in the switching chamber 5.
  • this shielding element 12 also causes a distortion of the electric field, so that in an area behind the shielding elements there would be a lower electric field during operation than in the "unshielded" areas, where charges can accumulate, for example, and thus cause further field distortions that could jeopardize the functionality of the switching device 1.
  • a refractive-controlling coating 13 is located on the outer surface of the housing 3, i.e. both on the insulator body 3 and on areas of the electrical contacts - i.e. the caps 4.
  • the refractively controlling coating 13 of the embodiment shown here which is applied over the entire surface, comprises a polymer matrix which is filled with a highly permittive filler made of a ceramic material ⁇ r in the range of greater than or equal to 2 to 200, preferably from 10 to 100.
  • the filler is contained in the matrix at 30 vol%. It is a mixture of titanium dioxide and aluminum oxide particles.
  • the refractive-controlling coating 13 is relatively inexpensive in terms of material price and relatively easy to spray on - even automatically. Its presence can be relatively easily detected using a scanning electron microscope and elemental analysis.
  • the Figure 2 shows schematically the effect of a refractive-controlling coating on a housing outer surface such as the one in Figure 1 shown housing 3.
  • Figure 2 shows schematically the course of the field and equipotential lines 15, 14 at each triple point, right half with a refractive-controlling coating 13 and left half for comparison without such a coating, according to the state of the art.
  • the field lines 15 on the left run unbroken from the metal cap 4 into the surrounding gas, e.g. air. This can result in lightning discharges 16.
  • the field lines 15 are broken at the transition from the coating with high permittivity to the surrounding air with low permittivity - see area 17 - this breaks both the equipotential lines 14 and the field lines 15 are pulled far apart so that no arcs occur.
  • the refractively controlling coating 13, as proposed for the first time for this application, can reduce the length of the housing 3 of a switching device 1 and thus the overall length of the electrical switching device 1. This saves material costs.
  • a housing 3 could be produced for a specific voltage level.
  • This exact housing 3 could then be coated with the refractively controlling coating 13 according to an embodiment of the present invention, and thus be usable for the next higher voltage level. In terms of process technology, this results in a design that can be used for two voltage levels, with the same two housings 3 being usable for two switching devices 1 at different voltage levels!
  • the two housings differ only in the additional refractive-controlling coating 13.
  • the present invention is not limited to vacuum tubes, but relates to other switches, for example gas-insulated ones - for example those with SF6 and/or clean air - as switching gas.
  • gas switches with clean air this is usually only used as an insulating medium and is not located in the interrupter unit, where the arc is created and the switching action is carried out.

Landscapes

  • Organic Insulating Materials (AREA)
  • Insulating Bodies (AREA)
  • Insulators (AREA)
  • Inorganic Insulating Materials (AREA)
  • Gas-Insulated Switchgears (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltvorrichtung, insbesondere für Mittel- und/oder Hochspannungsanwendungen, aufweisend wenigstens zwei über eine Bewegungseinrichtung beabstandbare, kontaktierbare Leiterelemente und ein eine Schaltkammer definierendes Gehäuse aus einem oder mehreren Isolator/en, wobei Teile der Schaltkammer aus Metall ausgeführt sein können, üblicherweise in der Nähe des Kontaktspaltes und zwei das Gehäuse axial abschließenden, bevorzugt metallenen, Kappen,The invention relates to an electrical switching device, in particular for medium and/or high voltage applications, comprising at least two contactable conductor elements which can be separated by a movement device and a housing defining a switching chamber made of one or more insulators, wherein parts of the switching chamber can be made of metal, usually in the vicinity of the contact gap, and two caps, preferably made of metal, which axially close off the housing,

Das Dokument WO02097839 offenbart eine Schaltvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The document WO02097839 discloses a switching device according to the preamble of claim 1.

Bei Mittel- und/oder Hochspannungsanwendungen, allgemein gesagt also bei Spannungen, die größer als 1 kV sind, werden aufgrund der hohen Spannungen komplexere Schaltvorrichtungen benötigt, die den auftretenden elektrischen Feldern standhalten können, möglichst resistent gegen Degradierungseffekte sind und auch Überschläge außerhalb der eigentlichen Schaltkammer vermeiden sollen.In medium and/or high voltage applications, generally speaking, voltages greater than 1 kV, more complex switching devices are required due to the high voltages that can withstand the occurring electric fields, are as resistant as possible to degradation effects and also prevent arcing outside the actual switching chamber.

Ein klassisches Beispiel hierfür sind die Vakuum-Leistungsschalter (vacuum circuit breakers - VCB), die Kernkomponenten bei der Energieübertragung und Verteilung sind, insbesondere in deren Schaltsystemen. Sie decken einen großen Teil der Mittelspannungs-Schaltanwendungen ab, also der Schaltanwendungen beispielsweise im Bereich von 1 kV bis 52 kV, sowie einen relevanten Teil in Niedrigspannungssystemen. Auch ihre Nutzung in Hochspannungs-Transmissionssystemen, beispielsweise bei Spannungen größer als 52 kV, nimmt zu. Während ein VCB die meiste Zeit geschlossen ist, mithin eine Kontaktierung der Leiterelemente vorsieht, ist seine hauptsächliche Aufgabe die Unterbrechung von Strömen in Wechselstrom-Systemen bei Nennbedingungen, insbesondere also zum An- und Ausschalten von Nennströmen, oder aber bevorzugt zum Unterbrechen von Strömen bei Fehlerbedingungen, insbesondere um Kurzschlüsse zu unterbrechen und das Systemen zu schützen. Andere Anwendungen umfassen das reine Schalten von Lastströmen unter Verwendung von kontaktierenden Leiterelementen, das meist in Niedrig- und Mittelspannungssystemen verwendet wird.A classic example of this is vacuum circuit breakers (VCB), which are core components in energy transmission and distribution, particularly in their switching systems. They cover a large part of medium-voltage switching applications, i.e. switching applications in the range from 1 kV to 52 kV, for example, as well as a relevant part in low-voltage systems. Their use in high-voltage transmission systems, for example at voltages greater than 52 kV, is also increasing. While a VCB is closed most of the time, thus providing contact between the conductor elements, its main task is to interrupt currents in alternating current systems under nominal conditions, in particular for switching nominal currents on and off, or preferably for interrupting currents under fault conditions, in particular to prevent short circuits. to interrupt and protect the system. Other applications include pure switching of load currents using contacting conductor elements, which is mostly used in low and medium voltage systems.

Der Vakuum-Interruptor (VI, auch Vakuumschaltröhre) ist das Kernelement eines VCB. Eine Vakuumschaltröhre weist meist ein Paar von Kontakten auf, die durch entsprechende Leiterelemente gebildet werden, von denen wenigstens eines mittels einer Bewegungseinrichtung bewegt werden kann, um die geöffneten und geschlossenen Zustände der Schaltvorrichtung herbeiführen zu können. Üblicherweise wird dabei ein Leiterelement axial bezüglich des anderen fixierten Leiterelements bewegt. Die Kontakte können aus stromleitenden, insbesondere aus Metall bestehenden Bolzen gefertigt sein, welche sowohl Strom- als auch Wärmeleitung zur Verfügung stellen sowie die mechanischen Mittel, um die Kontakte zu halten und/oder zu bewegen.The vacuum interrupter (VI, also vacuum switching tube) is the core element of a VCB. A vacuum switching tube usually has a pair of contacts that are formed by corresponding conductor elements, at least one of which can be moved by means of a movement device in order to be able to bring about the open and closed states of the switching device. Usually, one conductor element is moved axially with respect to the other fixed conductor element. The contacts can be made of current-conducting bolts, in particular made of metal, which provide both current and heat conduction as well as the mechanical means to hold and/or move the contacts.

Ein VI umfasst ferner ein vakuumdichtes Gehäuse und die erwähnte Bewegungseinrichtung und kann zudem einen Metall-Balg umfassen, welcher auf einer Seite mit dem Gehäuse, auf der anderen Seite mit dem bewegten Leiterelement, insbesondere dem bewegten Bolzen, verbunden ist. Das Gehäuse wird im Wesentlichen durch ein isolierendes Bauteil, also einen Isolator, gebildet, beispielsweise ein keramisches Rohr, welches über Verbindungselemente mit den Leiterelementen verbunden ist, wobei beispielsweise Metallkappen oder dergleichen genutzt werden, die zur Bildung der Schaltkammer das isolierende Bauteil in axialer Richtung abschließen. Innerhalb der Schaltkammer herrscht ein permanentes Hochvakuum kleiner als, 10^-4 hPa oder 10^-4 mbar. Das Vakuum ist notwendig, um die "make-break-Operationen" zuzusichern und die Isolationseigenschaften der Schaltvorrichtung im offenen Zustand zu gewährleisten.A VI further comprises a vacuum-tight housing and the mentioned movement device and can also comprise a metal bellows which is connected on one side to the housing and on the other side to the moving conductor element, in particular the moving bolt. The housing is essentially formed by an insulating component, i.e. an insulator, for example a ceramic tube, which is connected to the conductor elements via connecting elements, whereby metal caps or the like are used, for example, which close off the insulating component in the axial direction to form the switching chamber. There is a permanent high vacuum within the switching chamber of less than 10^-4 hPa or 10^-4 mbar. The vacuum is necessary to ensure the "make-break operations" and to guarantee the insulation properties of the switching device in the open state.

Wenn die Schaltvorrichtung in einem offenen Zustand ist, muss zum einen die Nennspannung des Systems isoliert werden, zum anderen aber auch Stoßspannungen hoher Amplituden, die beispielsweise durch einen Blitzeinschlag in das System ausgelöst werden können. Wenn die Schaltvorrichtung vom geschlossenen in den offenen Zustand übergeht, mithin die Kontakte der Leiterelemente beabstandet werden, müssen Nennströme oder Kurzschlussströme unterbrochen werden, die zum Auftauchen vorübergehender Spannungsspitzen über den VI führen, die deutlich höher als die Nenn-Wechselspannungen des Systems sind.When the switching device is in an open state, it is necessary to isolate the nominal voltage of the system, but also to isolate high amplitude surge voltages, for example can be triggered by a lightning strike into the system. When the switching device changes from the closed to the open state, thus separating the contacts of the conductor elements, rated currents or short-circuit currents must be interrupted, which lead to the appearance of temporary voltage peaks across the VI that are significantly higher than the rated AC voltages of the system.

Hohe Spannungen in Vakuumsystemen erzeugen üblicherweise freie Elektronen durch Feldemissionsprozesse, wenn die elektrische Feldstärke hinreichend hoch ist. Die Beschleunigung der Elektronen in den hohen elektrischen Feldern erhöht die kinetische Energie dieser Elektronen, beispielsweise bis hin zu Energien, die einige zehn oder sogar hunderte von KeV überschreiten. Die Interaktion dieser hochenergetischen Elektronen mit den Gehäusestrukturen führt zur Produktion hochenergetischer Röntgenstrahlung, die die Vakuumschaltröhre verlassen kann. Während unter üblichen Bedingungen der Fehlerstrom innerhalb der Vakuumschaltröhre minimal ist und keine nennenswerten Röntgenstrahlungsanteile erzeugt, können Umstände auftreten, beispielsweise wenn vorübergehende Spannungsspitzen hoher Amplitude auftreten, in denen die entstehende Röntgenstrahlung freie Elektronen an und/oder nahe der äußeren Oberfläche des Isolators erzeugt. Diese Elektronen können durch die elektrischen Felder auf der Isolatoroberfläche und in ihrer Nähe beschleunigt werden, die elektrische Feldverteilung in empfindlichen Bereichen stören und zu Gasdurchschlag führen, was zu einem Fehler im Betrieb der Vakuumschaltröhre führt.High voltages in vacuum systems typically generate free electrons through field emission processes if the electric field strength is sufficiently high. The acceleration of the electrons in the high electric fields increases the kinetic energy of these electrons, for example up to energies exceeding several tens or even hundreds of KeV. The interaction of these high-energy electrons with the housing structures leads to the production of high-energy X-rays that can leave the vacuum interrupter. While under normal conditions the fault current within the vacuum interrupter is minimal and does not generate any significant X-rays, circumstances may arise, for example when transient high-amplitude voltage spikes occur, in which the resulting X-rays generate free electrons on and/or near the outer surface of the insulator. These electrons can be accelerated by the electric fields on and near the insulator surface, disrupt the electric field distribution in sensitive areas and lead to gas breakdown, resulting in a failure in the operation of the vacuum interrupter.

Auch in Fällen, in denen keine feststellbare Röntgenstrahlung existiert, beispielsweise in Niedrig- und Mittelspannungsanwendungen, können die hohen elektrischen Felder in kritischen Bereichen der Vakuumschaltröhre, beispielsweise an der Verbindung des Isolators und der Metallkappen durch Löten (Hartlöten), zum Ausstoß von Elektronen führen, was zu einer nennenswerten Menge an Feldemission führt. Auch diese Elektronen können lokal das elektrische Feld stören und zu weiterer Feldverstärkung und/oder zur Ladungsvervielfachung durch Elektronenlawinen führen, welche wiederum den Verlust der Isolationsstärke und/oder des Spannungswiderstands der Vakuumschaltröhre zur Folge haben können.Even in cases where no detectable X-rays exist, for example in low and medium voltage applications, the high electric fields in critical areas of the vacuum interrupter, for example at the connection of the insulator and the metal caps by soldering (brazing), can lead to the ejection of electrons, resulting in a significant amount of field emission. These electrons can also locally disturb the electric field and lead to further Field amplification and/or charge multiplication by electron avalanches, which in turn can result in loss of insulation strength and/or voltage resistance of the vacuum interrupter.

Auf den inneren Oberflächen der Vakuumschaltröhre existieren ähnliche Herausforderungen, während ein zusätzliches Problem gelöst werden muss. Durch die Unterbrechung des Stroms (Nennstrom wie auch Kurzschlussstrom) werden Teile des Kontaktmaterials verdampft und innerhalb der Schaltkammer als heißer Metalldampf verteilt. Dieser Metalldampf kann sich auf der Isolatoroberfläche absetzen und baut mit der Zeit eine leitfähige Metallschicht auf. Diese Metallschicht, auch wenn sie nur schwach leitfähig ist, kann ebenso das elektrische Feld außerhalb und innerhalb der Vakuumschaltröhre stören und mithin über die Zeit die Spannungswiderstandsfähigkeit der Vakuumschaltröhre verschlechtern. Zwar wurde in diesem Kontext vorgeschlagen, im Kontaktierungsbereich der Leiterelemente ein Schirmelement, welches ebenso aus Metall bestehen kann, zum Abfangen freier Metallpartikel der Leiterelemente vorzusehen, welches jedoch auch einen Einfluss auf die Feldverteilung innerhalb der Schaltkammer, aber auch am Isolator hat.Similar challenges exist on the inner surfaces of the vacuum interrupter, while an additional problem must be solved. When the current is interrupted (both nominal current and short-circuit current), parts of the contact material are vaporized and distributed within the switching chamber as hot metal vapor. This metal vapor can settle on the insulator surface and builds up a conductive metal layer over time. This metal layer, even if it is only weakly conductive, can also disrupt the electric field outside and inside the vacuum interrupter and thus deteriorate the voltage resistance of the vacuum interrupter over time. In this context, it has been proposed to provide a shielding element, which can also be made of metal, in the contact area of the conductor elements to catch free metal particles from the conductor elements, but this also has an influence on the field distribution within the switching chamber, but also on the insulator.

Aus den genannten Gründen muss das Gehäuse der Schaltkammer, insbesondere auch der meist aus Keramik realisierte Isolator in der Lage sein, hohen Spannungen über der jeweiligen Oberfläche Stand zu halten, auch wenn Röntgenstrahlung und freie Elektronen vorliegen oder, in einigen Fällen, sogar dann, wenn der Isolator durch Staubpartikel verschmutzt ist, die elektrostatisch an der äußeren Oberfläche des Isolators angelagert werden. Nachdem der Isolator nennenswert zu den Kosten einer Vakuumschaltröhre (oder sonstigen Schaltvorrichtungen) beiträgt und auch die Kosten anderer struktureller Elemente der Vakuumschaltröhre (oder sonstigen Schaltvorrichtungen) negativ beeinflusst, ist es notwendig, das Gehäuse im Hinblick auf maximale dielektrische Stärke bei minimaler Bauteilgröße zu optimieren.For the reasons mentioned above, the housing of the switching chamber, and in particular the insulator, which is usually made of ceramic, must be able to withstand high voltages across its surface, even in the presence of X-rays and free electrons or, in some cases, even when the insulator is contaminated by dust particles that are electrostatically deposited on the outer surface of the insulator. Since the insulator contributes significantly to the cost of a vacuum interrupter (or other switching device) and also negatively influences the cost of other structural elements of the vacuum interrupter (or other switching device), it is necessary to optimize the housing in order to achieve maximum dielectric strength with minimum component size.

Diese Problemstellung wurde bislang dadurch gelöst, dass die innere und die äußere Geometrie der Vakuumschaltröhre derart gewählt wurde, dass die erwarteten elektrischen Feldstärken nicht empirisch abgeleitete Grenzen für eine bestimmte Geometrie der Vakuumschaltröhre überschreiten. Nachdem diese Begrenzungen nicht präzise vorhergesagt werden können, insbesondere für Tripelpunkt-Bereiche und/oder scharfe Metallkanten, hängt die Auslegung von Vakuumschaltröhren nicht nur von Berechnungen zum elektrischen Feld während des Entwicklungsprozesses ab, sondern benötigt auch eine große Menge empirischer Optimierung. Dies bezieht sich auch auf den Aufbau von metallischen Schichten aus den inneren Oberflächen des Isolators, welche, wie bereits erwähnt, heute üblicherweise durch Verwendung von Schirmstrukturen (Schirmelemente) innerhalb der Schaltkammer vermieden werden sollen. Dennoch können heutzutage die Ablagerungen des Metalldampfes und ihr Einfluss auf die dielektrische Stärke des Vakuum-Interruptors VI nicht quantitativ in einer hinreichend genauen Art vorhergesagt werden.This problem has so far been solved by choosing the inner and outer geometry of the vacuum interrupter such that the expected electric field strengths do not exceed empirically derived limits for a specific geometry of the vacuum interrupter. Since these limits cannot be predicted precisely, especially for triple point areas and/or sharp metal edges, the design of vacuum interrupters not only depends on electric field calculations during the development process, but also requires a large amount of empirical optimization. This also applies to the build-up of metallic layers from the inner surfaces of the insulator, which, as already mentioned, are usually avoided today by using shield structures (shield elements) within the switching chamber. Nevertheless, the deposits of the metal vapor and their influence on the dielectric strength of the vacuum interrupter VI cannot be predicted quantitatively in a sufficiently accurate manner.

Ferner ist anzumerken, dass die genannten Designprozesse allesamt zu einer Reduzierung der Isolationseigenschaften der Außenstruktur der Vakuumschaltröhre deutlich unter die dielektrische Stärke von Luft oder anderen Gasen, die die Vakuumschaltröhre umgeben, führt, so dass Gehäuse- und/oder Isolatorgrößen - bezüglich der Länge und/oder dem Durchmesser - benötigt werden, die hinsichtlich der Kosten und des Bauraums nicht optimal sind. Die Hinzufügung von Schirmelementen bezüglich der Metalldämpfe führt zu Verzerrungen der im Betrieb auftretenden elektrischen Felder am Isolator, was zu starken Feldern an bestimmten Stellen und mithin zu einer Überbelastung des Isolators führen kann, die durch sich dort aufbauende Ladungen entstehen. Doch auch andere Ursachen führen, wie bereits dargestellt wurde, zu derartig lokalen hohen Feldern am Isolator des Gehäuses der Vakuumschaltröhre, wobei die hier dargelegten Probleme auch bei anderen Schaltvorrichtungen, wie z.B. Gasschalter neben der beispielhaft genannten Vakuumschaltröhre gelten.It should also be noted that the design processes mentioned all lead to a reduction in the insulation properties of the outer structure of the vacuum interrupter to well below the dielectric strength of air or other gases surrounding the vacuum interrupter, so that housing and/or insulator sizes - in terms of length and/or diameter - are required that are not optimal in terms of cost and installation space. The addition of shielding elements with respect to the metal vapors leads to distortions of the electric fields on the insulator that occur during operation, which can lead to strong fields at certain points and thus to an overload of the insulator caused by charges building up there. However, as already explained, other causes also lead to such local high fields on the insulator of the housing of the vacuum interrupter, whereby the problems described here also apply to other switching devices, such as gas switches, in addition to the vacuum interrupter mentioned as an example.

In der Regel sind die bekannten VIs zwar oft weitgehend symmetrisch zu einer -gedachten - Mittelebene der Röhre aufgebaut, um die Zahl unterschiedlicher Bauteile und die Komplexität des Aufbaus zu minimieren. Die reale Umgebung der Röhre verzerrt jedoch das elektrische Feld im Allgemeinen stark, so dass Bereiche der Röhre stark elektrisch - im Sinne einer hohen mittleren elektrischen Feldstärke - sind.As a rule, the known VIs are often constructed largely symmetrically to an -imaginary- center plane of the tube in order to minimize the number of different components and the complexity of the structure. However, the real environment of the tube generally distorts the electric field strongly, so that areas of the tube are strongly electric - in the sense of a high average electric field strength.

Es besteht daher der Bedarf, die unterschiedlichen Anforderungen an die Spannungsfestigkeit, wie hohe Blitzstoßspannungen mit stark transienten Schaltflanken - beispielsweise 1,2µm Anstiegszeit und einer exponentiell abfallenden Rückflanke mit einer Zeitkonstanten von 50us, Nennspannungen von 50Hz oder 60Hz Grundfrequenz mit harmonischen Anteilen bis in den kHz-Bereich, sowie so genannte Nenn-Stehwechselspannung 50/60Hz bei bis zum Doppelten der Nennspannungsamplitude, für bis zu einer Minute Belastungsdauer, durch die Konzeption der Schaltvorrichtung zu beherrschen.There is therefore a need to master the different requirements for dielectric strength, such as high lightning impulse voltages with highly transient switching edges - for example 1.2 µm rise time and an exponentially falling trailing edge with a time constant of 50 us, nominal voltages of 50 Hz or 60 Hz fundamental frequency with harmonic components up to the kHz range, as well as so-called nominal power frequency withstand voltage 50/60 Hz at up to twice the nominal voltage amplitude, for up to one minute load duration, through the design of the switching device.

Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Schaltvorrichtung mit einem einen - bevorzugt zylinderförmigen - Isolator und axiale Abschluss-Kappen umfassenden Gehäuse anzugeben, die eine erhöhte Spannungsfestigkeit bei minimaler Baugröße sowie Herstellkosten der Schaltvorrichtung zeigt, insbesondere eine Schaltvorrichtung, die besonders in den stark elektrisch belasteten Bereichen - wie oben erklärt - des Gehäuses eine verbesserte Spannungsfestigkeit zeigt. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie er in der Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbart ist, gelöst.It is therefore the object of the present invention to provide a switching device with a housing comprising a - preferably cylindrical - insulator and axial end caps, which has an increased dielectric strength with minimal size and manufacturing costs of the switching device, in particular a switching device which has an improved dielectric strength particularly in the areas of the housing which are subject to high electrical loads - as explained above. This object is achieved by the subject matter of the present invention, as disclosed in the description, the figures and the claims.

Dementsprechend ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine elektrische Schaltvorrichtung gemäß Anspruch 1.Accordingly, the subject matter of the present invention is an electrical switching device according to claim 1.

Als "Permittivität" wird die Polarisationsfähigkeit eines Materials durch elektrische Felder bezeichnet. Die Permittivität ist eine Materialeigenschaft von elektrisch isolierenden polaren oder unpolaren Verbindungen, die sich nur zeigt, wenn diese Verbindungen einem elektrischen Feld ausgesetzt sind."Permittivity" is the ability of a material to be polarized by electric fields. Permittivity is a material property of electrically insulating polar or non-polar compounds that only becomes apparent when these compounds are exposed to an electric field.

Das Matrixmaterial kann aus der Gruppe umfassend Elastomere, Duroplaste, Thermoplaste und/oder Glas gewählt werden. Entsprechend können die verschiedenen Beschichtungsverfahren zur Herstellung der Beschichtung gewählt werden.The matrix material can be selected from the group comprising elastomers, thermosets, thermoplastics and/or glass. The various coating processes for producing the coating can be selected accordingly.

Das Matrixmaterial wird bevorzugt als Lack, insbesondere in Form eines Nasslacks oder Pulverlacks, aufgetragen. Andere Aufbringungsmethoden, wie Sprühen, Tauchbad, Verguss etc. sind denkbar, sie allerdings stehen beim momentanen Stand der Erforschung der Technik nicht im Vordergrund.The matrix material is preferably applied as a paint, particularly in the form of a wet paint or powder paint. Other application methods such as spraying, immersion baths, casting, etc. are conceivable, but they are not the main focus of current research into the technology.

Großer Vorteil der Aufbringung als Pulverlack und/oder Nasslack ist die Porenfreiheit der hergestellten refraktiv-steuernden Beschichtung. Eine derartige Porenfreiheit wird zwar durch Verguss auch erhalten, allerding leidet dabei in der Regel die Homogenität der Beschichtung, insbesondere an den Kanten.The great advantage of applying the coating as a powder coating and/or wet coating is that the refractively controlling coating produced is free of pores. Such a pore-free coating can also be achieved by casting, but the homogeneity of the coating usually suffers, especially at the edges.

Bei der Aufbringung als Nasslack umfasst dieser in der Regel Lösungsmittel, die nach der Trocknung des Lackes nicht oder in nur geringen Mengen noch im Matrixmaterial vorhanden sind.When applied as a wet paint, this usually contains solvents which are not present in the matrix material or are only present in small quantities after the paint has dried.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Matrix aus einem polymeren Matrixmaterial, beispielsweise einem polymeren Harz, das in Form eines polymeren Binders vorliegt.According to an advantageous embodiment, the matrix is made of a polymeric matrix material, for example a polymeric resin, which is in the form of a polymeric binder.

Als "polymere Matrix" wird ein Polymer oder ein polymeres Bindemittel bezeichnet. Die polymere Matrix umfasst insbesondere ein Harz oder ein Harzgemisch, wie Epoxidharz, Silikonelastomer, Siloxanharz, Silikonharz, Polyvinylalkohol, Polyesterimid und ähnliche duroplastische, thermoplastische Kunststoffe, sowie beliebige Kombinationen, Copolymere, Blends und Mischungen der oben genannten Harze und/oder Kunststoffe. Die polymere Matrix kann als Beschichtung einer Permittivität von εr >/= 2 gefüllt oder ungefüllt vorliegen. Vorzugsweise befinden sich in der Matrix Füllstoffe mit gegenüber Luft hoher Permittivität, insbesondere refraktivdielektrisch isolierende Füllstoffe, wie keramische Füllstoffe, die polar und/oder im elektrischen Feld leicht polarisierbar sind.A "polymer matrix" refers to a polymer or a polymeric binder. The polymeric matrix comprises in particular a resin or a resin mixture, such as epoxy resin, silicone elastomer, siloxane resin, silicone resin, polyvinyl alcohol, polyester imide and similar thermosetting, thermoplastic plastics, as well as any combinations, copolymers, blends and mixtures of the above-mentioned resins and/or plastics. The polymeric matrix can be present as a coating with a permittivity of ε r >/= 2, filled or unfilled. The matrix preferably contains fillers with a high permittivity to air, in particular refractive dielectric insulating fillers, such as ceramic fillers, which are polar and/or easily polarizable in an electric field.

Vorzugsweise werden die Materialien für den oder die Füllstoff(e) ausgewählt aus den Keramikmaterialien Klasse 1, die hohen Anforderungen an die Stabilität genügen und deren Permittivitäten eine geringe Temperatur- und Feldstärkeabhängigkeit aufweisen. Dazu gehören beispielsweise Verbindungen wie ausgewählte Titanate, die reproduzierbar geringe Temperaturkoeffizienten und geringe dielektrische Verluste zeigen. Ihre Permittivität ist weitgehend Feldstärke-unabhängig, was für die hier in Rede stehende Anwendung Vorteile aufweist.Preferably, the materials for the filler(s) are selected from Class 1 ceramic materials that meet high stability requirements and whose permittivities have a low dependence on temperature and field strength. These include, for example, compounds such as selected titanates, which have reproducibly low temperature coefficients and low dielectric losses. Their permittivity is largely independent of field strength, which has advantages for the application in question here.

Die gemäß der Erfindung in Betracht kommenden Keramikmaterialien für den oder die Füllstoff(e) haben relative Permittivitäten εr im Bereich von

  • εr >/= 2 bis εr </= 200, vorzugsweise von
  • εr >/= 10 bis εr </= 100.
The ceramic materials considered for the filler(s) according to the invention have relative permittivities ε r in the range of
  • ε r >/= 2 to ε r </= 200, preferably from
  • ε r >/= 10 to ε r </= 100.

Bevorzugt werden Füllstoffe aus einem Material, das aus dem Bereich der Kondensatorkeramik handelsüblich und daher vergleichsweise billig und in ausreichenden Mengen erhältlich ist. Insbesondere kommen dabei die Materialien in Betracht, die einen nahezu linearen Temperaturverlauf der Kondensator-Kapazität zeigen. Beispielsweise liegen diese in Form einer oder mehrere Keramik(en), insbesondere Keramik(en) mit Metallnitrid, Metallcarbid, Metallborid und/oder Metalloxide wie Titandioxid, Aluminiumoxid, ausgewählte Verbindungen von Titanat umfassender Keramik, sind ebenfalls wegen ihrer feldstärkeunabhängigen Permittivität geeignet. Insbesondere geeignet sind - neben Mischoxiden - wie dem Titanat und/oder Mischungen aus verschiedenen Metalloxiden, auch Oxide von Metalllegierungen in beliebiger Kombination mit allen vorgenannten Materialien für weitgehend feldstärkeunabhängige Permittivität zeigende Füllstoffe.Fillers made of a material that is commercially available in the field of capacitor ceramics and is therefore relatively cheap and available in sufficient quantities are preferred. In particular, materials that have an almost linear temperature profile of the capacitor capacitance are considered. For example, these are in the form of one or more ceramics, in particular ceramics with metal nitride, metal carbide, metal boride and/or metal oxides such as titanium dioxide, aluminum oxide, selected compounds of ceramics comprising titanate are also suitable because of their field strength-independent permittivity. In addition to mixed oxides such as titanate and/or mixtures of various metal oxides, oxides of metal alloys in any combination with all of the aforementioned materials are also particularly suitable for fillers that exhibit largely field strength-independent permittivity.

Beispielsweise ist als Material für einen derartigen Füllstoff ein Gemisch aus feingemahlenen Paraelektrika wie Titandioxid mit Beimengungen von Magnesium (Mg), Zink (Zn), Zirkon (Zr), Niob (Nb), Tantal (Ta), Cobalt (Co) und/oder Strontium (Sr) geeignet. Folgende Verbindungen seien hier beispielhaft genannt: MgNb2O6, ZnNb2O6, MgTa2O6, ZnTa2O6, wie beispielsweise (ZnMg)TiO3, (ZrSn)TiO4 und/oder Ba2Ti9O20, sowie beliebige Kombinationen und Gemische der genannten Verbindungen.For example, a mixture of finely ground paraelectrics such as titanium dioxide with admixtures of magnesium (Mg), zinc (Zn), zirconium (Zr), niobium (Nb), tantalum (Ta), cobalt (Co) and/or strontium (Sr) is suitable as a material for such a filler. The following compounds are mentioned here as examples: MgNb 2 O 6 , ZnNb 2 O 6 , MgTa 2 O 6 , ZnTa 2 O 6 , such as (ZnMg)TiO 3 , (ZrSn)TiO 4 and/or Ba 2 Ti 9 O 20 , as well as any combinations and mixtures of the compounds mentioned.

Bei der Aufbringung in Form von Pulverlack sind übliche Additive, wie Härter, Beschleuniger und/oder Zusatzstoffe möglicher weise in den herkömmlich als vorteilhaft erkannten Mengen enthalten. Sowohl Duroplaste als auch Thermoplaste können in Form eines Pulverlacks aufgebracht werden.When applied in the form of powder coating, common additives such as hardeners, accelerators and/or additives may be included in the amounts traditionally recognized as advantageous. Both thermosets and thermoplastics can be applied in the form of a powder coating.

Dabei liegt ein Härter vor, wenn eine additive Polymerisation stattfindet. Ein Beschleuniger, Initiator und/oder Katalysator wird in allen Fällen, in denen Harz gehärtet wird, eingesetzt.A hardener is present when additive polymerization takes place. An accelerator, initiator and/or catalyst is used in all cases where resin is cured.

Das Matrixmaterial wird in der Regel vor, während, aber bevorzugt nach der Herstellung des Gehäuses aufgebracht. Beispielsweise wird die refraktiv-steuernde Schicht, die durch Beschichten mit dem Matrixmaterial erzeugt wird, durch Besprühen, Aufrakeln, Eintauchen, Bepinseln und/oder sonstige Methoden, die die Herstellung einer dünnen homogenen - insbesondere möglichst homogen und möglichst porenfreien - Beschichtung erlauben, aufgebracht.The matrix material is usually applied before, during, but preferably after the manufacture of the housing. For example, the refractive-controlling layer, which is produced by coating with the matrix material, is applied by spraying, doctoring, dipping, brushing and/or other methods that enable the production of a thin, homogeneous - in particular allowing for a coating that is as homogeneous and pore-free as possible.

Die Aufbringungsmethode wird dabei bevorzugt automatisiert durchgeführt.The application method is preferably carried out automatically.

Die refraktiv-steuernde Beschichtung ist bevorzugt eine gefüllte Beschichtung aus einem oder mehreren Matrixmaterialien, die organisch, beispielsweise in Form eines Polymers, oder anorganisch, beispielsweise als Glas, ausgebildet sein können, in dem der Füllstoff eingebracht ist.The refractively controlling coating is preferably a filled coating made of one or more matrix materials, which can be organic, for example in the form of a polymer, or inorganic, for example as glass, in which the filler is introduced.

Die Füllstoffmenge in der refraktiv-steuernden Beschichtung kann in weiten Grenzen variieren. So kann eine Füllstoffkonzentration 1 Vol% - also dem fast ungefüllten Matrixmaterial mit einer relativ geringen Refraktion, die fast nur durch dielektrische Barriere, die das Matrixmaterial bildet, bewirkt wird, bis hin zu einer Füllung von 70 Vol.-% in der Beschichtung vorliegen. Der bevorzugte Bereich an Füllstoffmenge liegt dabei zwischen 20 bis 60 Vol.-%, insbesondere von 30 Vol% bis 40 Vol% Füllung im Matrixmaterial.The amount of filler in the refractively controlling coating can vary within wide limits. For example, a filler concentration of 1 vol.% - i.e. the almost unfilled matrix material with a relatively low refraction, which is caused almost exclusively by the dielectric barrier formed by the matrix material - can be present in the coating up to a filling of 70 vol.%. The preferred range of filler quantity is between 20 and 60 vol.%, in particular from 30 vol.% to 40 vol.% filling in the matrix material.

Die Füllstoffpartikel der refraktiv-steuernden Beschichtung haben keine bevorzugte Form, sie können in beliebigen Formen und Größen in der Matrix eingebettet vorliegen. Beispielsweise liegen die Füllstoff-Partikel nach entsprechender Mahlung irregulär vor.The filler particles of the refractive-controlling coating do not have a preferred shape; they can be embedded in the matrix in any shape and size. For example, the filler particles are irregular after appropriate grinding.

Zur Verarbeitung eignen sich gefüllte Lacke, deren Partikel möglichst einer sphärischen Form angenähert sind, besser als andere Formen, weil dabei die spezifische Oberfläche am geringsten ist und somit bei gleichem Füllgrad eine kleinstmögliche Verarbeitungsviskosität erreicht wird.Filled paints, whose particles are as close as possible to a spherical shape, are more suitable for processing than other shapes because the specific surface area is the smallest and thus the smallest possible processing viscosity is achieved with the same degree of filling.

Die Größe der Füllstoffe kann variieren. Es können verschiedene Füllstofffraktionen im Füllstoff vorliegen. Das Gehäuse kann in verschiedenen Bereichen mit verschieden gefüllten Beschichtungen versehen sein.The size of the fillers can vary. There can be different filler fractions in the filler. The housing can be provided with differently filled coatings in different areas.

Bei dickeren Beschichtungen und/oder bei bestimmten Materialkombinationen kommt es zu einer stärkeren Brechung der Feldlinien als bei anderen. Die Höhe der Permittivität und die Dicke der aufgebrachten refraktiv-steuernden Beschichtung bestimmen dabei, wie stark das elektrische Feld vergleichmässigt wird.Thicker coatings and/or certain material combinations result in a stronger refraction of the field lines than others. The level of permittivity and the thickness of the applied refractive-controlling coating determine how much the electric field is evened out.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung haben sich Dicken der refraktiv-steuernden Beschichtung von 10µm bis 5mm liegen, bevorzugt im Bereich zwischen 100pm und 3mm, insbesondere bevorzugt im Bereich zwischen 500pm und 2 mm als zweckmäßig erwiesen.In the context of the present invention, thicknesses of the refractive-controlling coating of 10 µm to 5 mm, preferably in the range between 100 pm and 3 mm, particularly preferably in the range between 500 pm and 2 mm, have proven to be expedient.

Vorliegend wird die Permittivität der Beschichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung - gefüllt oder ungefüllt - eingesetzt, damit durch die gegenüber der unbeschichteten Oberfläche erhöhte Permittivität das elektrische Feld an der Oberfläche des Gehäuses der Schaltkammer weggedrückt wird und so lokale Feldüberhöhungen reduziert werden. Dies wird in Figur 2 nochmal erläutert und schematisch dargestellt.In the present case, the permittivity of the coating according to an embodiment of the invention - filled or unfilled - is used so that the electric field on the surface of the housing of the switching chamber is pushed away by the increased permittivity compared to the uncoated surface and local field increases are thus reduced. This is explained again and shown schematically in Figure 2.

Ohne die refraktiv-steuernde Schicht wäre an der Oberfläche des Gehäuses üblicherweise ein isolierendes Gas wie Stickstoff, Luft oder Schwefelhexafluorid. All diese Gase besitzen eine vergleichsweise kleine Permittivität. Luft beispielsweise hat die Permittivität εr = 1,00059. Eine Beschichtung aus einem Kunststoff wie einem Harz hat dagegen eine Permittivität von zumindest dem doppelten Wert εr = 2 - Beispiel Silikonharz - bis etwa εr = 9 - Beispiel Polyvinylalkohol. Das bezieht sich auf die gehärteten Harze.Without the refractive-controlling layer, the surface of the housing would usually be covered by an insulating gas such as nitrogen, air or sulphur hexafluoride. All of these gases have a comparatively low permittivity. Air, for example, has a permittivity of ε r = 1.00059. A coating made of a plastic such as a resin, on the other hand, has a permittivity of at least twice the value ε r = 2 - for example silicone resin - up to around ε r = 9 - for example polyvinyl alcohol. This refers to the hardened resins.

Durch die hier vorgeschlagene refraktiv-steuernde Beschichtung werden die austretenden Feldlinien gemäß der refraktiven Feldsteuerung gebrochen - Brechung = Refraktion -, weil durch Feldverdrängung aus dem Material mit höherer Dielektrizitätszahl in das Material mit niedrigerer Dielektrizitätszahl das Eindringen des Feldes in das Höherpermittive erschwert wird, da das elektrische Feld von der Kante oder dem Tripelpunkt weggedrängt wird.The refractively controlled coating proposed here breaks the emerging field lines according to the refractive field control - refraction - because the penetration of the field into the higher permittivity material is made more difficult by the displacement of the field from the material with a higher permittivity into the material with a lower permittivity material. because the electric field is pushed away from the edge or triple point.

Als Triplepunkt wird z.B. der Bereich des Gehäuses in dem eine Metallelektrode, ein fester Isolator und ein gasförmiger Isolator - also hier das umgebende Gas - zusammenkommen, bezeichnet.The triple point is the area of the housing in which a metal electrode, a solid insulator and a gaseous insulator - in this case the surrounding gas - come together.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist die refraktiv-steuernde Beschichtung zumindest auf einer der kontaktierenden Seiten des Gehäuses zumindest teilweise aufgebracht. Dies insbesondere deshalb, weil die refraktiv-steuernde Beschichtung gleichzeitig noch eine dielektrische Barriere ist, die, auf den Metallelektroden aufgebracht, dafür sorgt, dass es Elektronen deutlich schwerer haben, aus dem Metall heraus zu kommen. Oder, mit anderen Worten, der elektrische Überschlag zwischen den Elektroden wird durch die dielektrische Barriere hin zu höheren Spannungen verschoben. Durch die refraktive Feldverschiebung dann eben noch mal zusätzlich zu noch höheren Spannungen hin.According to an advantageous embodiment, the refractively controlling coating is at least partially applied to at least one of the contacting sides of the housing. This is particularly because the refractively controlling coating is also a dielectric barrier which, when applied to the metal electrodes, ensures that electrons have a much harder time getting out of the metal. Or, in other words, the electrical arcing between the electrodes is shifted towards higher voltages by the dielectric barrier. The refractive field shift then also shifts it towards even higher voltages.

Vorzugsweise ist die refraktiv-steuernde Beschichtung auf beiden metallischen Kappen des Gehäuses, die den - vorzugsweise zylindrischen Isolatorkörper zur Bildung der Schaltkammer axial abschließen, ganz oder teilweise zusätzlich zu der Aufbringung auf dem Isolatorkörper, vorgesehen.Preferably, the refractive-controlling coating is provided on both metallic caps of the housing, which axially close off the preferably cylindrical insulator body to form the switching chamber, in whole or in part in addition to the application on the insulator body.

Die refraktiv-steuernde Beschichtung bedeckt so das Gehäuse ganz oder teilweise oder in ausgewählten Bereichen. Die refraktiv-steuernde Beschichtung ist beispielsweise direkt auf der Gehäuseoberfläche aufgebracht oder beispielsweise aber auch auf einer unteren Schicht, wie beispielsweise einer resistive Schicht nach dem EP 3146551 B1 .The refractive-controlling coating covers the housing completely or partially or in selected areas. The refractive-controlling coating is applied directly to the housing surface or, for example, to a lower layer, such as a resistive layer after the EP 3146551 B1 .

Eine untere Schicht, auf der die refraktiv-steuernde Beschichtung aufgebracht wird, kann sowohl eine weitere refraktiv-steuernde Schicht als auch eine andere, insbesondere eine resistive Schicht nach dem EP 3146551 B1 , bevorzugt aber auch, abweichend davon eine resistiv-kapazitive Schicht, sein.A lower layer on which the refractive-controlling coating is applied can comprise a further refractive-controlling layer as well as another, in particular a resistive layer after the EP 3146551 B1 , but preferably also, as an alternative, a resistive-capacitive layer.

Bevorzugt ist die untere Schicht dabei eine dünnere Schicht als die obere, so dass sich die Schichtdicken von innen nach außen auf der Gehäuse-Außenoberfläche steigern.Preferably, the lower layer is a thinner layer than the upper one, so that the layer thicknesses increase from the inside to the outside on the housing outer surface.

Bei einer Beschichtung auf einer resistiven unteren Schicht ist insbesondere vorgesehen, dass die Matrixmaterialien der jeweiligen Beschichtungen miteinander kompatibel sind. Bevorzugt ist beispielsweise, dass die Matrixmaterialien zumindest zueinander inert sind, aber vorteilhafterweise sind sie beliebig miteinander und/oder ineinander mischbar. Ganz bevorzugt ist, dass die Matrixmaterialien verschiedener Schichten - also beispielsweise das Matrixmaterial einer refraktiv steuernden Beschichtung nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und das Matrixmaterial einer resistiven Beschichtung gemäß der EP 3146551 B1 - gleiche oder ähnliche chemische Zusammensetzung aufweisen.In the case of a coating on a resistive lower layer, it is particularly provided that the matrix materials of the respective coatings are compatible with one another. It is preferred, for example, that the matrix materials are at least inert to one another, but advantageously they can be mixed with one another and/or into one another as desired. It is very preferred that the matrix materials of different layers - for example the matrix material of a refractively controlling coating according to an embodiment of the present invention and the matrix material of a resistive coating according to the EP 3146551 B1 - have the same or similar chemical composition.

Die Beschichtungen können auch in Form von Schichtstapel kombiniert vorgesehen sein, wobei eine resistive Beschichtung gemäß der EP 3146551 B1 vorzugsweise auf den isolierenden Bereichen des Gehäuses der Schaltvorrichtung, wie beispielsweise auf einem keramischen Zylinder vorgesehen ist, wohingegen die refraktiv steuernde Beschichtung insbesondere auf den Kappen des Gehäuses, also den kontaktierenden Bereichen vorgesehen ist. Beide Beschichtungen können sich aber beliebig übereinander und insbesondere auch über alle Bereiche des Gehäuses außen erstrecken.The coatings can also be combined in the form of layer stacks, with a resistive coating according to the EP 3146551 B1 preferably on the insulating areas of the housing of the switching device, such as on a ceramic cylinder, whereas the refractively controlling coating is provided in particular on the caps of the housing, i.e. the contacting areas. However, both coatings can extend over one another as desired and in particular also over all areas of the housing on the outside.

Alle Schichten der Gesamt-Beschichtung des Gehäuses bedecken die jeweiligen Teile des Gehäuses ganz oder teilweise, allerdings außen.All layers of the overall coating of the housing cover the respective parts of the housing completely or partially, but on the outside.

Als besonders geeignet genannt seien hier beispielsweise die Ausführungsformen, bei denen die refraktiv-steuernde Beschichtung nicht vollflächig auf dem Gehäuse aufgetragen ist, sondern nur teilweise das Gehäuse bedeckt. Dabei ist es insbesondere bevorzugt, wenn die refraktiv-steuernde Beschichtung auf den Kappen, insbesondere auf den metallenen Kappen und/oder auf den Kanten, die die Kappen mit dem Isolatorkörper bilden, aufgetragen ist.Particularly suitable examples include embodiments in which the refractive-controlling coating is not applied over the entire surface of the housing, but only partially covers the housing. It is particularly preferred if the refractively controlling coating is applied to the caps, in particular to the metal caps and/or to the edges that form the caps with the insulator body.

Hier ist wiederum insbesondere bevorzugt vorgesehen, dass sich die refraktiv-steuernde Beschichtung noch - einen Rand bildend - über die Kante hinaus erstreckt, beispielsweise auch auf die Oberfläche des Isolatorkörpers.Here, it is again particularly preferred that the refractively controlling coating extends beyond the edge, forming a border, for example also onto the surface of the insulator body.

Dabei ist es unerheblich, ob der Isolatorkörper selbst noch beschichtet, beispielsweise mit einer resistiven Beschichtung versehen, vorliegt, oder nicht.It is irrelevant whether the insulator body itself is coated, for example with a resistive coating, or not.

Es sind alle möglichen Schicht-Kombinationen von Beschichtungen auf dem Gehäuse, insbesondere von Beschichtungen der hier in Rede stehenden resistiven Beschichtung nach dem EP 3146551 B1 einerseits und einer refraktiv-steuernden Beschichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung andererseits denkbar, z.B.

  • dass die untere - resistive Schicht komplett das ganze Gehäuse bedeckt und die obere refraktiv-steuernde Schicht die untere Schicht nur teilweise abdeckt;
  • dass die untere Schicht die Gehäuse-Außenoberfläche nur teilweise bedeckt, insbesondere dass die untere Schicht in Form einer resistiv-kapazitiven Schicht aufgebracht ist und die obere refraktiv-steuernde Schicht die untere Schicht und die gesamte Gehäuse-Außenoberfläche ganz oder teilweise bedeckt;
  • dass die untere Schicht teilweise von der oberen Schicht unbedeckt bleibt;
  • dass resistiv-kapazitive Bereiche der unteren Schicht mit der refraktiv-steuernden oberen Schicht abgedeckt sind;
  • dass zwei oder mehr Schichten einer Art verschiedene Gehäusebereiche bedecken und sich dabei eine oder keine Überlappung ergibt;
  • etc...
All possible combinations of layers of coatings on the housing, in particular of coatings of the resistive coating in question according to the EP 3146551 B1 on the one hand and a refractive-controlling coating according to an embodiment of the present invention on the other hand, e.g.
  • that the lower resistive layer completely covers the entire housing and the upper refractive-controlling layer only partially covers the lower layer;
  • that the lower layer only partially covers the housing outer surface, in particular that the lower layer is applied in the form of a resistive-capacitive layer and the upper refractive-controlling layer completely or partially covers the lower layer and the entire housing outer surface;
  • that the lower layer remains partially uncovered by the upper layer;
  • that resistive-capacitive areas of the lower layer are covered with the refractive-controlling upper layer;
  • that two or more layers of one species cover different shell areas with little or no overlap;
  • etc...

Gemäß dem EP 3146551 B1 ist die resistive Schicht ganzflächig auf der Gehäuse-Außenoberfläche aufgetragen, gemäß der vorliegenden Erfindung kann sie im Unterschied dazu auch nur teilweise das Gehäuse außen bedecken, insbesondere kann sie auch in Form einer resistiv-kapazitiven Schicht mit einem nicht galvanisch - also nicht über einen Kontakt - elektrisch leitend verbunden Bereich, aufgetragen sein.According to the EP 3146551 B1 the resistive layer is applied over the entire surface of the housing outer surface, according to the present invention it can, in contrast, also only partially cover the outside of the housing, in particular it can also be applied in the form of a resistive-capacitive layer with a non-galvanically - i.e. not via a contact - electrically conductively connected area.

Grundsätzlich ist es vorteilhaft, wenn die untere Schicht dünner als die obere Schicht ist.In principle, it is advantageous if the lower layer is thinner than the upper layer.

Grundsätzlich ist es vorteilhaft, wenn die refraktiv-steuernde Schicht auf der resistiven Schicht liegt.In principle, it is advantageous if the refractive-controlling layer is located on the resistive layer.

Eine Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Figur 1 dargestellt.

  • Figur 1 zeigt eine Schaltvorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als Vakuumröhre und
  • Figur 2 zeigt schematisch die Wirkung einer refraktiv steuernden Beschichtung auf einer Gehäuse-Oberfläche eines Gehäuses einer Schaltvorrichtung nach einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
A switching device according to the present invention is shown in Figure 1 shown.
  • Figure 1 shows a switching device according to an embodiment of the present invention as a vacuum tube and
  • Figure 2 shows schematically the effect of a refractively controlling coating on a housing surface of a housing of a switching device according to an exemplary embodiment of the invention.

Figur 1 zeigt in Form einer Prinzip-Skizze ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung 1, hier eine Vakuumschaltröhre. Ein hier aus zwei röhrenförmigen Keramikteilen, also Isolatorkörper, 2, zusammengesetztes Gehäuse 3 wird durch metallene Kappen 4, die Bereiche mit elektrischen Kontakten bilden, abgeschlossen und definiert eine Schaltkammer 5, in die zwei beispielsweise als Bolzen ausgebildete Leiterelemente 6 mit Kontakten 7 geführt sind. Figure 1 shows in the form of a schematic diagram an embodiment of a switching device 1 according to the invention, here a vacuum interrupter. A housing 3, which is composed of two tubular ceramic parts, i.e. insulator bodies 2, is closed off by metal caps 4, which form areas with electrical contacts, and defines a switching chamber 5, into which two conductor elements 6, designed for example as bolts, with contacts 7 are guided.

Das in Fig. 1 untere der Leiterelemente 6 ist gemäß dem Pfeil 8 und der angedeuteten Bewegungseinrichtung 9 beweglich ausgestaltet und kann in Erstreckungsrichtung 10 der Leiterelemente 6, welche auch die Symmetrieachse der Schaltvorrichtung 1 bildet, verschoben werden, um die Kontakte 7 in Kontakt zu bringen oder zu beabstanden, wobei vorliegend ein geöffneter, also beabstandeter Zustand der Schaltvorrichtung 1 gezeigt ist. Aufgrund der Beweglichkeit des unteren Leiterelements 6 ist dieses über einen Metallbalg 11 an die Metallkappe 4 angekoppelt; auf beiden Seiten sind also die Metallkappen 4 leitend mit den Leiterelementen 6 verbunden.The Fig. 1 The lower of the conductor elements 6 is designed to be movable according to the arrow 8 and the indicated movement device 9 and can be moved in the direction of extension 10 of the conductor elements 6, which also forms the axis of symmetry of the switching device 1, in order to bring the contacts 7 into contact or to space them apart, whereby in the present case an open, i.e. spaced-apart, state of the switching device 1 is shown. Due to the mobility of the lower conductor element 6, it is coupled to the metal cap 4 via a metal bellows 11; the metal caps 4 are therefore conductively connected to the conductor elements 6 on both sides.

Innerhalb der Schaltkammer 5 herrscht Vakuum, vorliegend mit einem Druck als < 10-4 hPa.There is a vacuum within the switching chamber 5, in this case with a pressure of < 10 -4 hPa.

Die Erfindung bezieht sich jedoch auch auf Gasschalter, bei denen das Gas innerhalb der Schalter vorliegt. Bei den hier auch umfassten Gasschaltern sind die gemeint, bei denen Gas zum einen als Schaltmedium und zum anderen -nach erfolgreicher Abschaltung- als Isoliermedium dient. Üblicherweise wird dabei heutzutage SF6 verwendet. Da SF6 als starkes Treibhausgas ersetzt werden soll, sind in Zukunft auch Schalter mit CO2, Fluornitril oder anderen alternativen Gasen denkbar.However, the invention also relates to gas switches in which the gas is present inside the switch. The gas switches included here are those in which gas serves as a switching medium and, after successful shutdown, as an insulating medium. SF6 is usually used for this nowadays. Since SF6 is to be replaced as a strong greenhouse gas, switches with CO2, fluoronitrile or other alternative gases are also conceivable in the future.

Um beispielsweise beim Öffnen der Schaltvorrichtung 1 entstehende Metalldämpfe nicht auf die innere Oberfläche des Isolators 2, hier Keramik, kommen zu lassen, ist vorliegend in der Schaltkammer 5 ein metallenes Schirmelement 12 (Dampfschirm) im Kontaktierungsbereich vorgesehen. Dieses Schirmelement 12 sorgt nun jedoch auch für eine Verzerrung des elektrischen Feldes, so dass in einem Bereich hinter den Schirmelementen ein geringeres elektrisches Feld im Betrieb vorliegen würde, als in den "un-abgeschirmten" Bereichen, wo sich beispielsweise Ladungen ansammeln können und somit für weitere Feldverzerrungen sorgen können, die die Funktionsfähigkeit der Schaltvorrichtung 1 in Frage stellen könnten.In order to prevent metal vapors that are generated when the switching device 1 is opened, for example, from coming into contact with the inner surface of the insulator 2, here ceramic, a metal shielding element 12 (vapor shield) is provided in the contact area in the switching chamber 5. However, this shielding element 12 also causes a distortion of the electric field, so that in an area behind the shielding elements there would be a lower electric field during operation than in the "unshielded" areas, where charges can accumulate, for example, and thus cause further field distortions that could jeopardize the functionality of the switching device 1.

Um dem entgegen zu wirken, ist bei dem hier skizzierten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass sich auf der Außenoberfläche des Gehäuses 3, also sowohl auf den Isolatorkörper 3 als auch auf Bereichen der elektrischen Kontakte - also den Kappen 4 - eine refraktiv-steuernde Beschichtung 13 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung befindet.In order to counteract this, it is provided in the embodiment outlined here that a refractive-controlling coating 13 according to an embodiment of the invention is located on the outer surface of the housing 3, i.e. both on the insulator body 3 and on areas of the electrical contacts - i.e. the caps 4.

Die refraktiv-steuernde und - hier vollflächig - aufgetragene Beschichtung 13 der hier gezeigten Ausführungsform umfasst eine polymere Matrix, die mit einem hoch-permittiven Füllstoff, aus einem keramischen Material εr im Bereich von grö-βer/gleich 2 bis 200, vorzugsweise von 10 bis 100, gefüllt ist. Der Füllstoff ist mit 30 Vol% in der Matrix enthalten. Es handelt sich um eine Mischung aus Titandioxid und Aluminiumoxid-Partikel.The refractively controlling coating 13 of the embodiment shown here, which is applied over the entire surface, comprises a polymer matrix which is filled with a highly permittive filler made of a ceramic material ε r in the range of greater than or equal to 2 to 200, preferably from 10 to 100. The filler is contained in the matrix at 30 vol%. It is a mixture of titanium dioxide and aluminum oxide particles.

Die refraktiv-steuernde Beschichtung 13 ist relativ günstig im Materialpreis und relativ einfach - auch automatisiert - aufsprühbar. Ihr Vorhandensein kann mit einer Rasterelektronenmikroskop und einer Elementaranalyse relativ einfach nachgewiesen werden.The refractive-controlling coating 13 is relatively inexpensive in terms of material price and relatively easy to spray on - even automatically. Its presence can be relatively easily detected using a scanning electron microscope and elemental analysis.

Die Figur 2 zeigt schematisch die Wirkung einer refraktiv-steuernden Beschichtung auf einer Gehäuse-Außenoberfläche wie dem in Figur 1 gezeigten Gehäuse 3.The Figure 2 shows schematically the effect of a refractive-controlling coating on a housing outer surface such as the one in Figure 1 shown housing 3.

Figur 2 zeigt schematisch den Verlauf der Feld- und Äquipotentiallinien 15, 14 an jeweils an einem Triplepunkt, rechte Hälfte mit einer refraktiv-steuernden Beschichtung 13 und links zum Vergleich ohne eine derartige Beschichtung, gemäß dem Stand der Technik. Wie zu erkennen ist, verlaufen die Feldlinien 15 links ungebrochen von der Metallkappe 4 in das umgebende Gas, z.B. Luft. Dadurch können sich Blitzentladungen 16 ergeben. Rechts, wo die Beschichtung 13 zwischen Metallkappe 4 und Umgebungsluft liegt, werden die Feldlinien 15 beim Übergang von der Beschichtung mit hoher Permittivität in die umgebende Luft mit niedriger Permittivität gebrochen - siehe Bereich 17 - dadurch werden sowohl die Äquipotentiallinien 14 als auch die Feldlinien 15 weit auseinandergezogen, damit keine Lichtbögen auftreten. Figure 2 shows schematically the course of the field and equipotential lines 15, 14 at each triple point, right half with a refractive-controlling coating 13 and left half for comparison without such a coating, according to the state of the art. As can be seen, the field lines 15 on the left run unbroken from the metal cap 4 into the surrounding gas, e.g. air. This can result in lightning discharges 16. On the right, where the coating 13 lies between the metal cap 4 and the ambient air, the field lines 15 are broken at the transition from the coating with high permittivity to the surrounding air with low permittivity - see area 17 - this breaks both the equipotential lines 14 and the field lines 15 are pulled far apart so that no arcs occur.

Durch die refraktiv-steuernde Beschichtung 13, wie sie für diese Anwendung erstmals vorliegend vorgeschlagen wird, kann die Länge des Gehäuses 3 einer Schaltvorrichtung 1 reduziert werden und somit die Gesamtlänge der elektrischen Schaltvorrichtung 1. Dadurch werden Materialkosten eingespart. Es könnte zum Beispiel ein Gehäuse 3 für eine bestimmte Spannungsebene hergestellt werden. Exakt dieses Gehäuse 3 könnte dann mit der refraktiv steuernden Beschichtung 13 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschichtet werden, und so für die nächsthöhere Spannungsebene einsetzbar sein. Das ergibt sich damit prozesstechnisch ein Design, das für zwei Spannungsebenen nutzbar ist, wobei die gleichen beiden Gehäuse 3 für zwei Schaltvorrichtungen 1, unterschiedlicher Spannungsebenen nutzbar sind!The refractively controlling coating 13, as proposed for the first time for this application, can reduce the length of the housing 3 of a switching device 1 and thus the overall length of the electrical switching device 1. This saves material costs. For example, a housing 3 could be produced for a specific voltage level. This exact housing 3 could then be coated with the refractively controlling coating 13 according to an embodiment of the present invention, and thus be usable for the next higher voltage level. In terms of process technology, this results in a design that can be used for two voltage levels, with the same two housings 3 being usable for two switching devices 1 at different voltage levels!

Die beiden Gehäuse unterscheiden sich lediglich durch die zusätzliche refraktiv-steuernde Beschichtung 13.The two housings differ only in the additional refractive-controlling coating 13.

Der besondere Vorteil der hier erstmals vorgestellten Anwendung einer refraktiv-steuernden Beschichtung ist auch, dass dadurch, dass durch diese Beschichtung kaum Strom fließt, diese sehr alterungsbeständig ist und länger und zuverlässiger hält.The special advantage of the application of a refractive-controlling coating presented here for the first time is that, since hardly any current flows through this coating, it is very resistant to aging and lasts longer and more reliably.

Durch die Erfindung wird erstmals vorgeschlagen, eine Beschichtung mit hoher oder zumindest relativ zur Umgebungsluft εr = 1 hoher Permittivität aus einem Kunststoff εr >/= 2, insbesondere εr >/= 3 insbesondere einem gefüllten Kunststoff, auf die Gehäuseoberfläche einer Vakuumschaltröhre ganz oder teilweise aufzubringen, damit in kritischen Bereichen, insbesondere an Triplepunkten, die Feldlinien gebrochen und Lichtbögen soweit wie möglich auseinandergezogen und damit Blitze verhindert werden.The invention proposes for the first time to apply a coating with high permittivity or at least high permittivity relative to the ambient air ε r = 1 made of a plastic ε r >/= 2, in particular ε r >/= 3, in particular a filled plastic, to the housing surface of a vacuum interrupter in whole or in part, so that in critical areas, in particular at triple points, the field lines are broken and arcs are spread out as far as possible, thus preventing lightning.

Die hier vorliegende Erfindung ist nicht auf Vakuumröhren beschränkt, sondern bezieht sich auf andere Schalter, beispielsweise gasisolierte - beispielsweise solche mit SF6 und/oder Clean Air -als Schaltgas. Bei Gasschalter mit Clean Air wird dieses in der Regel nur als Isolationsmedium verwendet und befindet sich nicht in der Unterbrechereinheit, wo der Lichtbogen entsteht und die Schalthandlung vorgenommen wird.The present invention is not limited to vacuum tubes, but relates to other switches, for example gas-insulated ones - for example those with SF6 and/or clean air - as switching gas. In gas switches with clean air, this is usually only used as an insulating medium and is not located in the interrupter unit, where the arc is created and the switching action is carried out.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Schaltvorrichtungswitching device
22
Isolatorinsulator
33
GehäuseHousing
44
Kappecap
55
Schaltkammerswitching chamber
66
Leiterelementconductor element
77
Kontaktcontact
88
PfeilArrow
99
Bewegungseinrichtungexercise facility
1010
Erstreckungsrichtungdirection of extension
1111
Metallbalgmetal bellows
1212
Schirmelementscreen element
1313
refraktiv-steuernde Beschichtungrefractive-controlling coating
1414
Äquipotentiallinienequipotential lines
1515
Feldlinienfield lines
1616
Blitzflash
1717
Bereich in dem Feldlinien refraktiv gebrochen werdenarea in which field lines are refractively refracted

Claims (16)

  1. Electrical switching device (1) having at least two contactable conductor elements (6) that are able to be spaced apart by a movement apparatus (9), and having a housing (3) that defines a switching chamber (5) and that at least partially surrounds the conductor elements (6), wherein the housing (3) has an insulator body (2) and regions of an electrical contact (4) and wherein the housing (3) externally at least partially has a refraction-controlling coating (13) that comprises a dielectrically insulating matrix consisting of a material having a permittivity εr >/= 2, characterized in that the matrix of the refraction-controlling coating is present in a manner containing fillers, wherein the material of the filler particles of the at least one filler fraction is a ceramic having a permittivity in the range of 2r >/= 3 and Sr </= 200.
  2. Switching device according to Claim 1, wherein the refraction-controlling coating is present at least in a region of an electrical contact (4).
  3. Switching device according to Claim 1 or 2, wherein the material of the filler particles of the at least one filler fraction comprises a ceramic containing at least a metal oxide, a metal mixed oxide and/or a titanate.
  4. Switching device according to one of the preceding claims, wherein the matrix contains a total amount of filler particles in the range from 1% by volume to 70% by volume.
  5. Switching device according to one of the preceding claims, wherein the resin is selected from the group of elastomers, thermosetting plastics, thermoplastics and/or glass.
  6. Switching device according to one of the preceding claims, wherein the matrix is a polymeric resin and/or a polymeric resin mixture.
  7. Switching device according to one of the preceding claims, wherein the polymeric resin or the polymeric resin mixture comprises at least one compound selected from the group of the following compounds: epoxy resin, silicone elastomer, siloxane resin, silicone resin, polyvinyl alcohol, polyesterimide, and any mixtures and/or combinations of the above compounds.
  8. Switching device according to one of the preceding claims, wherein the refraction-controlling coating is provided in combination with at least one further coating on the outer surface of the housing (13).
  9. Switching device according to Claim 8, wherein the further coating is a resistive coating.
  10. Switching device according to one of the preceding claims, wherein the resistive coating completely or partially covers the housing outer surface.
  11. Switching device according to one of the preceding claims, wherein the refraction-controlling coating (13) is provided at least partially above the resistive coating.
  12. Switching device according to one of the preceding claims, wherein the refraction-controlling coating is present with a layer thickness of less than/equal to 5 mm.
  13. Switching device according to one of the preceding claims, wherein the refraction-controlling coating is present with a layer thickness of less than/equal to 2 mm.
  14. Switching device according to one of the preceding claims, wherein the refraction-controlling coating is able to be applied as a wet varnish.
  15. Switching device according to one of the preceding claims, wherein the refraction-controlling coating is able to be applied as a powdered varnish.
  16. Switching device according to one of the preceding claims, wherein the switching device is a vacuum switch or a gas switch.
EP20214203.0A 2020-12-15 2020-12-15 Electrical switching device for medium and / or high voltage applications Active EP4016576B1 (en)

Priority Applications (8)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP20214203.0A EP4016576B1 (en) 2020-12-15 2020-12-15 Electrical switching device for medium and / or high voltage applications
ES20214203T ES2994802T3 (en) 2020-12-15 2020-12-15 Electrical switching device for medium and / or high voltage applications
KR1020237023780A KR20230118954A (en) 2020-12-15 2021-12-14 Electrical switching devices for medium and/or high voltage applications
US18/257,533 US20240047159A1 (en) 2020-12-15 2021-12-14 Electric Switching Device for Medium- and/or High-Voltage Uses
EP21839136.5A EP4244879A1 (en) 2020-12-15 2021-12-14 Electric switching device for medium- and/or high-voltage uses
PCT/EP2021/085728 WO2022129073A1 (en) 2020-12-15 2021-12-14 Electric switching device for medium- and/or high-voltage uses
JP2023536128A JP2023554041A (en) 2020-12-15 2021-12-14 Electrical switchgear for medium and/or high voltage applications
CN202180093829.9A CN116848608A (en) 2020-12-15 2021-12-14 Electrical switching apparatus for medium and/or high voltage applications

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP20214203.0A EP4016576B1 (en) 2020-12-15 2020-12-15 Electrical switching device for medium and / or high voltage applications

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP4016576A1 EP4016576A1 (en) 2022-06-22
EP4016576B1 true EP4016576B1 (en) 2024-10-02

Family

ID=73854587

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP20214203.0A Active EP4016576B1 (en) 2020-12-15 2020-12-15 Electrical switching device for medium and / or high voltage applications
EP21839136.5A Pending EP4244879A1 (en) 2020-12-15 2021-12-14 Electric switching device for medium- and/or high-voltage uses

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP21839136.5A Pending EP4244879A1 (en) 2020-12-15 2021-12-14 Electric switching device for medium- and/or high-voltage uses

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20240047159A1 (en)
EP (2) EP4016576B1 (en)
JP (1) JP2023554041A (en)
KR (1) KR20230118954A (en)
CN (1) CN116848608A (en)
ES (1) ES2994802T3 (en)
WO (1) WO2022129073A1 (en)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004519836A (en) * 2001-05-30 2004-07-02 アーベーベー・パテント・ゲーエムベーハー Controller for at least one vacuum breaker gap
JP4391115B2 (en) * 2003-04-09 2009-12-24 三菱電機株式会社 Epoxy resin casting article
DE102014213944A1 (en) 2014-07-17 2016-01-21 Siemens Aktiengesellschaft Electrical switching device for medium and / or high voltage applications
DE102017201326A1 (en) * 2017-01-27 2018-08-02 Siemens Aktiengesellschaft Isolator arrangement for a high voltage or medium voltage system

Also Published As

Publication number Publication date
CN116848608A (en) 2023-10-03
KR20230118954A (en) 2023-08-14
WO2022129073A1 (en) 2022-06-23
EP4016576A1 (en) 2022-06-22
US20240047159A1 (en) 2024-02-08
ES2994802T3 (en) 2025-01-31
EP4244879A1 (en) 2023-09-20
JP2023554041A (en) 2023-12-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3146551B1 (en) Electrical switching apparatus for medium and high voltage
EP1577904B1 (en) High voltage bushing with element for electric-field control
EP3807920B1 (en) Vacuum interrupter and high-voltage switching assembly
DE69110499T2 (en) Load switch supported by varistor.
DE602005002724T2 (en) Gas-insulated switchgear
DE102017214805A1 (en) Current limit with a vacuum switch
EP3472847B1 (en) Insulator arrangement for a high or medium voltage switchgear assembly
WO2013041359A2 (en) Elelctrical conduction device, overhang corona shielding arrangement and method for producing an overhang corona shielding
WO2012163561A1 (en) Electric component for a high-voltage system
EP4016576B1 (en) Electrical switching device for medium and / or high voltage applications
EP3559968B1 (en) Insulation arrangement for a high or medium voltage assembly
WO2019063421A1 (en) Assembly having a gas-insulated switchgear
DE102021201781A1 (en) Electrical switching device for medium and/or high voltage applications
WO2017012740A1 (en) Energy-related component, in particular vacuum interrupter
EP4445401A1 (en) Controllable vacuum interrupter, and arrangement and method for controlling vacuum interrupters
EP3688774B1 (en) Insulation system, insulation substance and insulation material for producing the insulation system
EP1187157B1 (en) Disconnecting switch
EP0661788B1 (en) High-voltage arrangement
DE102021207963A1 (en) Vacuum interrupter for switching voltages
WO2017167501A1 (en) High-voltage component and device comprising a high-voltage component
WO2025056153A1 (en) Power switch
EP3819920A1 (en) Device for compensating voltage in square-wave voltages for an electromotor
DE102022205691A1 (en) Coated active component in a high-voltage device and method for increasing dielectric strength
WO2024027907A1 (en) Switching device
DE102019211345A1 (en) Interrupter unit with a vacuum tube and an insulating housing

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION HAS BEEN PUBLISHED

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20221219

RBV Designated contracting states (corrected)

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

RAP3 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: SIEMENS ENERGY GLOBAL GMBH & CO. KG

Owner name: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

17Q First examination report despatched

Effective date: 20230620

GRAP Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: GRANT OF PATENT IS INTENDED

INTG Intention to grant announced

Effective date: 20240524

GRAS Grant fee paid

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR3

GRAA (expected) grant

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009210

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE PATENT HAS BEEN GRANTED

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: B1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

REG Reference to a national code

Ref country code: GB

Ref legal event code: FG4D

Free format text: NOT ENGLISH

REG Reference to a national code

Ref country code: CH

Ref legal event code: EP

REG Reference to a national code

Ref country code: IE

Ref legal event code: FG4D

Free format text: LANGUAGE OF EP DOCUMENT: GERMAN

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R096

Ref document number: 502020009366

Country of ref document: DE

RAP2 Party data changed (patent owner data changed or rights of a patent transferred)

Owner name: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R081

Ref document number: 502020009366

Country of ref document: DE

Owner name: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT, DE

Free format text: FORMER OWNERS: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT, 80333 MUENCHEN, DE; SIEMENS ENERGY GLOBAL GMBH & CO. KG, 81739 MUENCHEN, DE

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: NO

Payment date: 20241212

Year of fee payment: 5

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: FR

Payment date: 20241213

Year of fee payment: 5

REG Reference to a national code

Ref country code: LT

Ref legal event code: MG9D

REG Reference to a national code

Ref country code: ES

Ref legal event code: FG2A

Ref document number: 2994802

Country of ref document: ES

Kind code of ref document: T3

Effective date: 20250131

REG Reference to a national code

Ref country code: NL

Ref legal event code: MP

Effective date: 20241002