Title:
Hochspannungsbauteil und Vorrichtung mit einem Hochspannungsbauteil
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Es wird ein Hochspannungsbauteil vorgeschlagen, das wenigstens in einem Teilbereich seiner Oberfläche eine Beschichtung umfasst, wobei die Beschichtung einen mit einer an der Beschichtung anliegenden elektrischen Feldstärke nichtlinear variierenden spezifischen Flächenwiderstand aufweist. Erfindungsgemäß weist die Beschichtung bei einer anliegenden Feldstärke im Bereich von 105 Volt pro Meter bis 107 Volt pro Meter stets einen spezifischen Flächenwiderstand von wenigstens 107 Ohm auf.





Inventors:
Hartmann, Werner (91085, Weisendorf, DE)
Lang, Steffen (91352, Hallerndorf, DE)
Rettenmaier, Thomas (91052, Erlangen, DE)
Ritberg, Igor (90762, Fürth, DE)
Trautmann, Bernd (91056, Erlangen, DE)
Application Number:
DE102016217625A
Publication Date:
10/05/2017
Filing Date:
09/15/2016
Assignee:
Siemens Aktiengesellschaft, 80333 (DE)
International Classes:
H01H33/662; H01B17/42; H01C7/10
Domestic Patent References:
DE102014213944A1N/A2016-01-21
DE102010052889A1N/A2012-06-06
Foreign References:
FR2821479A12002-08-30
200501035142005-05-19
JP2004265801A2004-09-24
Claims:
1. Hochspannungsbauteil, das wenigstens in einem Teilbereich seiner Oberfläche eine Beschichtung umfasst, wobei die Beschichtung einen mit einer an der Beschichtung anliegenden elektrischen Feldstärke nichtlinear variierenden spezifischen Flächenwiderstand aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung bei einer anliegenden Feldstärke im Bereich von 105 Volt pro Meter bis 107 Volt pro Meter stets einen spezifischen Flächenwiderstand von wenigstens 107 Ohm aufweist.

2. Hochspannungsbauteil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung bei einer anliegenden Feldstärke im Bereich von 103 Volt pro Meter bis 105 Volt pro Meter, insbesondere im Bereich von 103 Volt pro Meter bis 104 Volt pro Meter, einen Flächenwiderstand von wenigstens 109 Ohm aufweist.

3. Hochspannungsbauteil gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung bei einer anliegenden Feldstärke im Bereich von 105 Volt pro Meter bis 107 Volt pro Meter einen spezifischen Flächenwiderstand von höchstens 5·1010 Ohm, insbesondere von höchstens 1010 Ohm, aufweist.

4. Hochspannungsbauteil gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung bei einer anliegenden Feldstärke im Bereich von 103 Volt pro Meter bis 105 Volt pro Meter einen spezifischen Flächenwiderstand von wenigstens 5·109 Ohm, insbesondere von wenigstens 1010 Ohm, aufweist.

5. Hochspannungsbauteil gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung bei einer anliegenden Feldstärke im Bereich von 103 Volt pro Meter bis 105 Volt pro Meter einen spezifischen Flächenwiderstand von höchstens 1013 Ohm, insbesondere von höchstens 1012 Ohm, aufweist.

6. Hochspannungsbauteil gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung bei einer anliegenden Feldstärke im Bereich von 2·106 Volt pro Meter bis 107 Volt pro Meter stets einen spezifischen Flächenwiderstand von wenigstens 2·108 Ohm und höchstens 6·108 Ohm aufweist.

7. Hochspannungsbauteil gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische Flächenwiderstand der Beschichtung bei einer anliegenden Feldstärke im Bereich von 5·104 Volt pro Meter bis 5·105 Volt pro Meter bezüglich der anliegenden elektrischen Feldstärke einen annähernd konstanten nichtlinearen Exponenten im Bereich von 3 bis 6, insbesondere im Bereich von 4 bis 5, aufweist.

8. Hochspannungsbauteil gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine mittlere Dicke im Bereich von 20 Mikrometern bis 500 Mikrometern, insbesondere im Bereich von 50 Mikrometern bis 200 Mikrometern, aufweist.

9. Hochspannungsbauteil gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Hochspannungsbauteil eine geringer spezifische Leitfähigkeit als in einer Richtung tangential zur Oberfläche des Hochspannungsbauteils aufweist.

10. Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass diese ein Hochspannungsbauteil gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst, wobei die Vorrichtung als Vakuumschaltröhre, Isolator, Hochspannungsdurchführung oder Hochspannungskabel-Endverschluss ausgebildet ist.

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese ein Gehäuse mit einem gasisolierten Innenraum, der das Hochspannungsbauteil umfasst, aufweist.

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Beschichtung des Hochspannungsbauteils wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, auf an dem Teilbereich der Beschichtung angrenzende Isolationskomponenten der Vorrichtung erstreckt.

Description:

Die Erfindung betrifft ein Hochspannungsbauteil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Vorrichtung mit einem Hochspannungsbauteil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 10.

Hochspannungsbauteile für Mittel- und/oder Hochspannungsanlagen, insbesondere Vakuumschaltröhren (engl. Vaccuum Interrupter) für Mittel- und/oder Hochspannungsschalter, Feldsteuerelemente sowie Stromleiter in vakuum-, gas-, flüssig- oder feststoffisolierten Leitungen, müssen eine hohe Durchschlagsfestigkeit aufweisen. Zum Erreichen von hohen Durchschlagsfestigkeiten kann der gegenseitige Abstand (Isolationsabstand) der Hochspannungsbauteile vergrößert werden, was aber nachteilig zu einer verringerten Kompaktheit der Anlagen führt.

Typischerweise sind verschiedenste Anforderung an die Durchschlagsfestigkeit der Hochspannungsbauteile zu stellen. Insbesondere müssen eine hohe Blitzstoßspannung mit stark transienten Schaltflanken, eine Nennspannung von 50 Hz oder 60 Hz Grundfrequenz mit harmonischen Anteilen bis in den kHz-Bereich sowie eine Nenn-Stehwechselspannung, die 50/60 Hz bei bis zum Doppelten der Nennspannungsamplitude beträgt, für Zeiten bis zu einer Minute (Belastungsdauer) beherrscht werden können.

Weiterhin ist es erforderlich in Mittel- und/oder Hochspannungsanlagen zur Energieübertragung und/oder Energieverteilung zwischen spannungstragenden, typischerweise metallischen Bauteilen, hohe Potentialdifferenzen zu beherrschen. Hierbei bestimmt das die Hochspannungsbauteile umgebende Isoliermedium typischerweise die Grenzen der beherrschbaren elektrischen Feldstärken oder Spannungen an den Oberflächen der feldmäßig belasteten Hochspannungsbauteile. In Abhängigkeit des verwendeten Isoliermediums, der geometrischen Form der Hochspannungsbauteile sowie der Art der Spannungsbelastungen ist es daher erforderlich, bestimmte Mindestabstände zwischen den feldmäßig belasteten beziehungsweise spannungstragenden Hochspannungsbauteilen einzuhalten. Durch die genannten Mindestabstände wird die Baugröße der Anlage vergrößert, sodass kompakte Anlagen für hohe Spannungen nur schwer zu erreichen sind.

Es gilt daher bei festgelegten Anforderungen die erforderlichen Mindestabstände (Isolationsabstände) zu minimieren, ohne dass es zu Durchschlägen durch das verwendete Isoliermedium kommt.

Bisher wurde im Stand der Technik schlicht ein ausreichend großer Abstand zwischen den feldtragenden Hochspannungsbauteilen gewählt, um die Entwicklung eines Durchschlags für alle geforderten Betriebsbedingungen der Anlage möglichst zu verhindern. Weiterhin werden vorteilhafte Isoliermedien, insbesondere Isoliergase, eingesetzt, die die spannungstragenden Hochspannungsbauteile umgeben und eine gegenüber Luft erhöhte Durchschlagsfestigkeit aufweisen. Als Isoliergas wird beispielsweise SF6 (Schwefelhexafluorid) oder dessen Mischung mit Stickstoff verwendet. Dadurch kann die Durchschlagsfestigkeit gegenüber trockener Luft (etwa 3 kV/mm) deutlich gesteigert werden, sodass etwa bei 20 Prozent SF6 mit trockenem Stickstoff eine Durchschlagsfestigkeit von etwa 5 kV/mm und bei reinem SF6 bis 9 kV/mm erreicht werden kann.

Aus dem Stand der Technik sind weitere Isoliermedien bekannt, die im Vergleich zu SF6 eine höhere Durchschlagsfestigkeit aufweisen. Insbesondere können flüssige Isoliermedien, beispielsweise Transformatorenöl oder synthetische Isolierflüssigkeiten sowie feste Isolierstoffe wie Polymere, beispielsweise Epoxidharze, oder Keramiken eingesetzt werden. Die Durchschlagsfestigkeit bei gasförmigen Isoliermedien, das heißt einem Isoliergas, kann ferner dadurch erhöht werden, in dem das Isoliergas unter erhöhtem Druck verkapselt wird. Allerdings ist auch hierfür ein entsprechend hoher Aufwand erforderlich, um das Isoliergas bei dem erhöhten Druck sicher zu verkapseln. Weitere bekannte Nachteile, beispielsweise des Isoliergases SF6, sind das hohe Treibhausgaspotential von SF6 sowie die hohen Kosten für flüssige oder feste Isoliermedien.

Aus dem Stand der Technik ist weiterhin die Verwendung von Vakuum als isolierende Umgebung bekannt. Hier können Durchschlagsfestigkeiten bis zu 20 kV/mm oder mehr erreicht werden. Allerdings ist der Aufwand zur Bereitstellung der erforderlichen niedrigen Drücke von weniger als 10–6 Pa über die Lebensdauer der Anlage äußerst aufwendig, sodass diese Vakuumtechnologie nur selten und typischerweise nur in einzelnen Hochspannungsbauteilen, beispielsweise Vakuumschaltröhren, oder kleinen Mittelspannungsanlagen, eingesetzt wird.

Anlagen, die für sehr hohe Spannungen ausgelegt sind, beispielsweise Anlagen zur Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) oder zur Blindleistungskompensation, weisen typischerweise eine derartige Baugröße auf, dass nur noch Luft als Isoliermedium infrage kommt. Dadurch ergeben sich aber noch größere Mindestabstände zwischen den spannungstragenden Hochspannungsbauteilen, wodurch die Baugröße der Anlagen zusätzlich erhöht wird. Dies ist insbesondere bei HGÜ-Anlagen oder bei Anlagen auf offener See (Offshore-Anlagen) besonders nachteilig.

Im Stand der Technik wird zudem mit Feldsteuerbauteilen, beispielsweise Kappen, Ringe oder Tori, versucht die elektrischen Felder zwischen den Hochspannungsbauteilen zu steuern und zu kontrollieren. Typischerweise sind diese Feldsteuerbauteile aus Metall, insbesondere aus Aluminium, gefertigt. Grundsätzlich werden die einzuhaltenden Mindestabstände und somit die Kompaktheit der Anlage sowohl von den Feldstärken auf der Oberfläche der Feldsteuerbauteile als auch durch die Durchschlagfestigkeit des verwendeten Isoliermediums begrenzt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Durchschlagfestigkeit eines Hochspannungsbauteils zu verbessern.

Die Aufgabe wird durch ein Hochspannungsbauteil mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 10 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.

Das erfindungsgemäße Hochspannungsbauteil umfasst wenigstens in einem Teilbereich seiner Oberfläche eine Beschichtung, wobei die Beschichtung einen mit einer an der Beschichtung anliegenden elektrischen Feldstärke nichtlinear variierenden spezifischen Flächenwiderstand aufweist. Erfindungsgemäß weist die Beschichtung bei einer anliegenden Feldstärke im Bereich von 105 V/m bis 107 V/m stets einen spezifischen Flächenwiderstand von wenigstens 107 Ohm auf.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Hochspannungsbauteil, insbesondere ein metallisches Hochspannungsbauteil, das einer hohen elektrischen Feldstärke ausgesetzt ist, mit einer elektrisch leitfähigen in Bezug auf ihren spezifischen Flächenwiderstand nichtlinearen Beschichtung versehen. Hierbei ist es für die Erfindung wesentlich, dass der Flächenwiderstand der Beschichtung des Hochspanungsbauteils bei einer anliegenden Feldstärke im Bereich von 105 V/m bis 107 V/m nicht unterhalb von 107 Ohm fällt. Dadurch wird die Freisetzung von einen Durchschlag auslösenden Elektronen (Startelektronen) behindert, insbesondere verhindert, sodass deutlich höhere Durchschlagsfestigkeiten erreicht werden können.

Zum Erreichen der beanspruchten nichtlinearen Abhängigkeit des spezifischen Flächenwiderstandes von der anliegenden Feldstärke (Flächenwiderstandes-Spannungs-Kennlinie), kann die Beschichtung auf organischen oder anorganischen Polymeren, beispielsweise Epoxidharzen, Polyimiden oder Silikonen, oder auf glasartigen Matrizen, beispielsweise basierend auf Silikaten, basieren. Hierbei werden die Polymere oder die glasartige Matrix bis zur oder über ihre Perkolationsgrenze mit einem organischen oder anorganischen Trägerstoff von einigen Mikrometern bis maximal einigen 10 Mikrometern Partikelgröße gefüllt. Der organische oder anorganische Trägerstoff kann mit nanokristallinen Partikeln aus nichtlinear leitfähigen oder halbleitenden Materialien, beispielsweise dotiertem Zinnoxid, Indiumoxid oder Mischungen davon, oder weiteren leitfähigen Zusätzen in anorganischer oder organischer Form, beschichtet sein. Als weitere, zusätzliche oder alternative Füllstoffe sind auch dotierte und undotierte Halbleiter und Halbmetalle, insbesondere Siliziumkarbid und vergleichbare halbleitende Materialien, mit Größen vorwiegend im Mikrometer oder Nanometerbereich vorgesehen. Insbesondere sind auch Mischungen von Pulvern mit deutlich unterschiedlichen Partikelgrößen vorteilhaft. Die beanspruchte nichtlineare Abhängigkeit des spezifischen Flächenwiderstandes von der anliegenden elektrischen Feldstärke kann daher auf vielfältige Weise erreicht werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Freisetzung von Startelektronen für die Auslösung eines Durchschlags im Bereich der für Hochspannungsbauteile typischen kritischen Feldstärken vermindert. Im Weiteren soll kurz die Abfolge eines solchen elektrischen Durchschlags beschrieben werden.

Ein elektrischer Durchschlag innerhalb eines gasförmigen Isoliermediums (Isoliergas) erfolgt typischerweise in mehreren Schritten. In einem ersten Schritt sind Startelektronen erforderlich, welche mittels der anliegenden elektrischen Feldstärke beschleunigt werden. Hierbei werden die freigesetzten Startelektronen soweit beschleunigt, bis ihre kinetische Energie ausreichend ist, um im Isoliergas durch Stoßionisation weitere Elektronen (Ladungsträger) lawinenartig freizusetzen (Townsend-Entladung). In einem zweiten Schritt erreicht die Anzahl der freien Elektronen in der Lawine eine kritische Grenze, sodass eine sogenannte Streamerentladung ausgelöst wird, welche einen schwach leitfähigen Kanal zur Gegenelektrode aufbaut. Aus dieser entwickelt sich dann der stromstarke Durchschlag. Die physikalischen Eigenschaften des Isoliergases, insbesondere seine Ionisationsenergie, Dichte und Elektronegativität, bestimmen dabei wesentlich die elektrische Feldstärke, ab der sich ein Durchschlag entwickelt (Durchschlagsfestigkeit).

Die für einen Durchschlag erforderlichen Startelektronen werden durch Feldemissionsprozesse aus den typischerweise metallischen Bereichen des Hochspannungsbauteils mit hoher anliegender elektrischer Feldstärke bereitgestellt. Die Feldemission der Elektronen wird für kalte Oberflächen, das heißt für Oberflächen mit einer typischen Umgebungstemperatur von 300 Kelvin bis 500 Kelvin, durch die Fowler-Nordheim-Gleichung beschrieben. Aus dieser ergeben sich erforderliche Feldstärken im Bereich von 3·109 V/m bis 5·109 V/m ab denen eine deutliche Feldemission von Elektronen einsetzt. Jedoch zeigen alle technisch hergestellten Metalloberflächen, selbst im Vakuum, bereits durchschlagsauslösende Feldemissionen bei typischen Feldstärken von etwa 2·107 V/m bis 3·107 V/m, das heißt bei makroskopischen Feldstärken, die etwa um einen Faktor 200 niedriger sind als die Feldstärken, die sich aus der Fowler-Nordheim-Gleichung für ideale Metalloberflächen ergeben. Diese Reduktion der für eine durchschlagsauslösende Feldemission erforderlichen Feldstärke wird durch die Einführung eines Feldüberhöhungsfaktors β in der Fowler-Norheim-Gleichung berücksichtig. Hierbei fasst der Feldüberhöhungsfaktor β die nichtidealen Eigenschaften der Oberfläche des Hochspannungsbauteils im mikroskopischen Bereich korrigierend zusammen.

Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Feldemission mit der erfindungsgemäßen Beschichtung des Hochspannungsbauteils deutlich verringern beziehungsweise zu höheren Feldstärken hin verschieben lässt. Dadurch wird die Durchschlagsfestigkeit zu deutlich höheren Spannungen unter sonst gleichen Bedingungen verschoben, sodass eine kompaktere Bauweise durch eine Verringerung der Abstände der spannungstragenden Bauteile ermöglicht wird. Mit anderen Worten wird der Feldüberhöhungsfaktor β durch das erfindungsgemäße Hochspannungsbauteils mit der erfindungsgemäßen Beschichtung verringert.

Gemäß der vorliegenden Erfindung nimmt die Leitfähigkeit der Beschichtung aufgrund ihres nichtlinearen spezifischen Flächenwiderstandes deutlich ab, sodass die Elektronen emittierende Bereiche in ihren Abmessungen virtuell zunehmen. Dies führt zu einer Verringerung des Feldüberhöhungsfaktors β sowie einer verbesserten räumlichen Verteilung des Feldemissionsstromes, das heißt zu einer lokalen Verringerung der Emissionsstromdichte. Weiterhin nimmt der spezifische Flächenwiderstand durch die nichtlineare Beschichtung in weiter entfernten Bereichen des feldemittierenden Bereichs um mehrere Größenordnungen zu, sodass der Feldemissionsstrom durch das Hochspannungsbauteil deutlich begrenzt wird. Vorteilhafterweise wird dadurch eine thermische Überhitzung des feldemittierenden Hochspannungsbauteils vermieden, wodurch der Feldemissionsstrom – im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Hochspannungsbauteilen – begrenzt wird, sodass das erfindungsgemäße Hochspannungsbauteil thermisch stabil bleibt.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass das Wachstum von feldemittierenden Strukturen unter hohen anliegenden elektrischen Feldstärken behindert oder sogar verhindert wird, sodass sich diese Strukturen nicht weiter ausbilden und verstärken können. Die Wachstumsprozesse der Strukturen können sich durch eine Umlagerung von Oberflächenstrukturen, aber auch durch ein Aufrichten von nanodrahtartigen Strukturen (Whiskern) ausbilden. Beide Prozesse zur Bildung der Wachstumsprozesse können durch das erfindungsgemäße Hochspannungsbauteil unterdrückt werden.

Besonders vorteilhaft ist ein Hochspannungsbauteil mit einer Beschichtung, die bezüglich der elektrischen Feldstärke eine nichtlineare Leitfähigkeit (oder dementsprechend einen nichtlinearen spezifischen Flächenwiderstand) dergestalt aufweist, dass diese unterhalb eines ersten Grenzwertes der elektrischen Feldstärke annähernd konstant ist und oberhalb dieses Grenzwertes exponentiell mit einem vorgegebenen Exponenten zunimmt. Unterhalb eines zweiten Grenzwertes nimmt diese wiederum einen annähernd konstanten Wert an.

Im Vergleich hierzu weisen bekannte Beschichtungen und somit bekannte Hochspannungsbauteile eine Varistor-Kennlinie auf, die ein scharfes Abknicken zu geringen Werten des Flächenwiderstandes oberhalb einer kritischen Feldstärke aufweist. Dadurch werden Feldemissionen aus feldemittierenden Strukturen oder Bereichen nicht verhindert sondern verstärkt.

Das erfindungsgemäße Hochspannungsbauteil mit der erfindungsgemäßen Beschichtung führt vielmehr zu einer Verringerung des Feldüberhöhungsfaktors β und somit zu einer Verringerung des Feldemissionsstromes bei gegebener äußeren anliegenden makroskopischen Feldstärke als auch zu einer vorteilhaften Begrenzung des Feldemissionsstromes und somit zu einer Stabilisierung seines Feldemissionsverhaltens.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Beschichtung bei einer anliegenden Feldstärke im Bereich von 103 Volt pro Meter bis 105 Volt pro Meter, insbesondere im Bereich von 103 Volt pro Meter bis 104 Volt pro Meter, einen Flächenwiderstand von wenigstens 109 Ohm aufweist.

Dadurch kann vorteilhafterweise die Durchschlagsfestigkeit des Hochspannungsbauteils weiter erhöht werden.

Die im Weiteren genannten Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Hochspannungsbauteils führen stets zu einer weiteren Verbesserung seiner Durchschlagsfestigkeit.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Beschichtung des Hochspannungsbauteils bei einer anliegenden Feldstärke im Bereich von 105 V/m bis 107 V/m einen spezifischen Flächenwiderstand von höchstens 5·1010 Ohm, insbesondere von höchstens 1010 Ohm aufweist.

Weiterhin kann die Beschichtung bevorzugt bei einer anliegenden Feldstärke im Bereich von 103 V/m bis 105 V/m einen spezifischen Flächenwiderstand von wenigstens 5·109 Ohm, insbesondere von wenigstens 1010 Ohm aufweisen.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die Beschichtung bei einer anliegenden Feldstärke im Bereich von 103 V/m bis 105 V/m einen spezifischen Flächenwiderstand von höchstens 1013 Ohm, insbesondere von höchstens 1012 Ohm, aufweist.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die Beschichtung bei einer anliegenden Feldstärke im Bereich von 2·106 V/m bis 107 V/m stets einen spezifischen Flächenwiderstand von wenigstens 2·108 Ohm und höchstens 6·108 Ohm aufweist.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der spezifische Flächenwiderstand der Beschichtung bei einer anliegenden Feldstärke im Bereich von 5·104 V/m bis 5·105 V/m bezüglich der anliegenden elektrischen Feldstärke einen annähernd konstanten nichtlinearen Exponenten im Bereich von 3 bis 6, insbesondere im Bereich von 4 bis 5 auf.

Bevorzugt weist die Beschichtung des Hochspannungsbauteils eine mittlere Dicke im Bereich von 20 µm bis 500 µm, insbesondere im Bereich von 50 µm bis 200 µm, auf.

Besonders bevorzugt weist die Beschichtung des Hochspannungsbauteils in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Hochspannungsbauteils eine geringere spezifische Leitfähigkeit als in ihrer Richtung tangential zur Oberfläche des Hochspannungsbauteils auf.

Mit anderen Worten weist die Leitfähigkeit des Hochspannungsbauteils eine Anisotropie auf. Vorzugsweise kann die Leitfähigkeit des Hochspannungsbauteils auch isotrop sein. Eine anisotrope Leitfähigkeit des Hochspannungsbauteils lässt sich beispielsweise dadurch erreichen, dass die mit halbleitenden Partikeln beschichteten Trägerpartikel plättchenartig sind, das heißt eine längliche sich erstreckende Form mit einem Aspektverhältnis größer als eins aufweisen. Durch die anliegende elektrische Feldstärke beziehungsweise Spannung werden die Plättchen vorwiegend parallel zur Oberfläche des Hochspannungsbauteils ausgerichtet, sodass in dieser Richtung die Perkolationsschwelle überschritten und somit eine hohe Leitfähigkeit erreicht wird. Senkrecht zur Oberfläche des Hochspannungsbauteils ergibt sich hingegen eine geringe Leitfähigkeit, da die Trägerpartikel einen größeren Abstand zueinander aufweisen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass diese ein Hochspannungsbauteil gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst, wobei die Vorrichtung als Vakuumschaltröhre, Isolator, Hochspannungsdurchführung oder Hochspannungskabelendverschluss ausgebildet ist.

Vorteilhafterweise kann dadurch eine erhöhte Durchschlagsfestigkeit der Vorrichtung, insbesondere für Vakuumschaltröhren, Isolatoren, Hochspannungsdurchführungen oder Hochspannungskabelendverschlüsse erreicht werden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung weist diese ein Gehäuse mit einem gasisolierten Innenraum auf, der das Hochspannungsbauteil umfasst.

Vorteilhafterweise kann dadurch die Durchschlagsfestigkeit der Vorrichtung weiter erhöht werden, beispielsweise durch ein in den Innenraum gefülltes Isoliergas. Mögliche Isoliergase sind beispielsweise SF6 oder Mischungen von SF6 mit Stickstoff sowie Fluorketone, fluorierte Nitrile und vergleichbare Substanzen oder Mischungen von den genannten Stoffen mit Luft, Kohlendioxid (CO2) und/oder Stickstoff.

Besonders bevorzugt erstreckt sich die Beschichtung des Hochspannungsbauteils wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, auf an dem Teilbereich der Beschichtung angrenzende Isolationskomponenten der Vorrichtung.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der einzigen Zeichnung. Dabei zeigt die Figur einen schematisierten Verlauf eines erfindungsgemäßen nichtlinearen spezifischen Flächenwiderstandes (Flächenwiderstandes-Spannungs-Kennlinie).

Die einzige Figur zeigt ein Diagramm 1, das eine nichtlineare Flächenwiderstandes-Spannungs-Kennlinie (Kennlinie) eines erfindungsgemäßen Hochspannungsbauteils verdeutlicht. Als Flächenwiderstandes-Spannungs-Kennlinie wird hierbei die Abhängigkeit des spezifischen Flächenwiderstandes mit der anliegenden elektrischen Feldstärke bezeichnet. Mit anderen Worten ist im dargestellten Diagramm die Kennlinie durch die Kurve 42 gekennzeichnet.

An der Abszisse 101 des Diagramms 1 ist die anliegende elektrische Feldstärke in V/m (Volt pro Meter) aufgetragen. An der Ordinate 102 des Diagramms 1 ist der spezifische Flächenwiderstand des Hochspannungsbauteils in Ohm aufgetragen. Als Dimension für den spezifischen Flächenwiderstand wird typischerweise auch die Einheit Ohm/☐ (Ohm/Quadrat) verwendet. Allerdings dient dies nur zur Kennzeichnung, dass es sich um einen Flächenwiderstand handelt. Die elektrische Feldstärke sowie der spezifische Flächenwiderstand sind logarithmisch an ihren jeweiligen Achsen des Diagramms 1 aufgetragen, sodass das Diagramm 1 eine doppelt logarithmische Darstellung der Kennlinie 42 zeigt.

Deutlich zu erkennen ist, dass die Kennlinie 42 bei einer anliegenden elektrischen Feldstärke im Bereich von 105 V/m bis 107 V/m stets einen spezifischen Flächenwiderstand von wenigstens 107 Ohm aufweist. Im dargestellten Beispiel liegt der spezifische Flächenwiderstand im genannten Bereich der Feldstärke sogar oberhalb von 108 Ohm. Weiterhin nimmt die Kennlinie 42 bei einer anliegenden Feldstärke im Bereich von 106 V/m bis 107 V/m einen annähernd konstanten Wert an, das heißt der spezifische Flächenwiderstand des Hochspannungsbauteils ist im Bereich von 106 V/m bis 107 V/m annähernd konstant.

Die Kennlinie 42 weist bei einer anliegenden elektrischen Feldstärke im Bereich von 103 V/m bis 105 V/m, insbesondere im Bereich von 103 V/m bis 104 V/m, einen spezifischen Flächenwiderstand von wenigstens 109 Ohm, insbesondere von wenigstens 1010 Ohm oder wenigstens 1011 Ohm, auf.

Im dargestellten Diagramm weist der spezifische Flächenwiderstand im Bereich von 103 V/m bis 104 V/m einen annähernd konstanten Wert von 1012 Ohm auf.

Mit anderen Worten weist der spezifische Flächenwiderstand sowohl für hohe elektrische Feldstärken, das heißt bei Feldstärken im Bereich von 106 V/m bis 107 V/m und/oder größer, als auch bei niedrigen Feldstärken, das heißt bei Feldstärken im Bereich von 103 V/m bis 104 V/m und/oder kleiner einen annähernd konstanten Wert auf.

In einem Zwischenbereich, der durch eine anliegende Feldstärke im Bereich von 104 V/m bis 105 V/m gekennzeichnet ist, weist der spezifische Flächenwiderstand beziehungsweise die Kennlinie 42 einen annähernd linearen Verlauf mit einer negativen Steigung auf. Dieser annähernde lineare Verlauf mit negativer Steigung entspricht in der doppelt logarithmischen Darstellung dem nichtlinearen Exponenten der Kennlinie 42. Mit anderen Worten gilt in dem genannten Bereich der elektrischen Feldstärke I = K·Uα beziehungsweise σ = K·U–α, wobei I den aus der anliegenden Feldstärke beziehungsweise Spannung resultierenden Strom, U die aus der anliegenden elektrischen Feldstärke resultierende Spannung, K eine von der Geometrie abhängige Konstante und σ die Leitfähigkeit bezeichnet. Für α ungleich 1 liegt eine nichtlineare Abhängigkeit der Leitfähigkeit von der Spannung und somit eine nichtlineare Abhängigkeit des spezifischen Flächenwiderstandes von der elektrischen Feldstärke vor. Die Variable α entspricht daher dem nichtlinearen Exponenten, der typischerweise im Bereich von 3 bis 6, insbesondere im Bereich von 4 bis 5, liegt.

Im Vergleich zu einer bekannten Varistor-Kennlinie fällt somit die erfindungsgemäße Kennlinie 42 des erfindungsgemäßen Bauteils deutlich flacher aus, was überraschenderweise zu besonders vorteilhaften Feldsteuereigenschaften führt.

Ebenfalls im Gegensatz zu bekannten Beschichtungen mit Varistor-Kennlinie, beispielsweise Beschichtungen mit Zinkoxidfüllern, wird bei dem erfindungsgemäßen Hochspannungsbauteil, beispielsweise durch dotiertem Zinn-(II)-Oxid oder vergleichbaren Zinnoxidfüllern und weiteren Füllstoffen, bei elektrischen Feldstärken oberhalb von etwa 106 V/m der spezifische Flächenwiderstand weitestgehend unabhängig von der anliegenden elektrischen Feldstärke und somit konstant. Dadurch nimmt der spezifische Flächenwiderstand bei weiter zunehmender anliegender Feldstärke vorteilhafterweise nicht weiter ab.

Die Kennlinie 42 weist typischerweise einen Umkehrpunkt auf, der beispielsweise im Bereich von 5·103 V/m bis 2·104 V/m, insbesondere im Bereich von 103 V/m bis 50·103 V/m, liegt.

Die Kennlinie 42 des Hochspannungsbauteils kann beispielsweise, wie in der Beschreibung beschrieben, durch organische oder anorganischer Polymere, beispielsweise Epoxidharze, Polyimide oder Silikone, sowie mit einer glasartigen Matrix, beispielsweise basierend auf Silikaten erreicht werden, wobei diese bis zur oder über ihre Perkolationsgrenze mit einem organischen oder anorganischen Trägerstoff von typischerweise einigen Mikrometern bis maximal einigen 10 Mikrometern gefüllt sind. Der Trägerstoff ist hierbei mit nanokristallinen Partikeln aus einem nichtlinear leitfähigen, beispielsweise einen halbleitenden Werkstoff, beschichtet. Insbesondere mit dotiertem Zinnoxid, Indiumoxid oder Mischungen hieraus. Gegebenenfalls können weitere leitfähige Zusätze in anorganischer oder organischer Form verwendet werden. Besonders vorteilhaft sind zusätzliche Füllstoffe, wie beispielsweise dotiertes oder undotiertes Siliziumkarbid und vergleichbare halbleitende Stoffe, die bevorzugt eine Partikelgröße im Mikrometerbereich oder Nanometerbereich aufweisen. Durch eine Mischung der genannten Materialien kann die Kennlinie 42 erreicht oder bezüglich ihres Wertebereiches und Definitionsbereiches verschoben werden.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.