用于高压或中压设备的绝缘体装置的制作方法

通常使用陶瓷材料作为绝缘的材料、作为高压或中压设备、尤其开关设备中的绝缘体材料。该固体的绝缘能力普遍相当高，由于在陶瓷材料的晶格结构或粒状结构中存在缺陷，在高压、尤其高于72kv的电压下可能产生击穿。也就是说，在这类材料中，自临界电压或临界电位达到击穿场强ebd。但仅仅单纯地通过相应地将陶瓷绝缘体设计得更厚或更长不能提高受所述缺陷影响的临界的击穿场强ebd。这是因为通过增大绝缘体的厚度或长度不产生击穿场强ebd的线性增大，而是在绝缘体的厚度或长度与绝缘体的击穿场强之间存在大致为平方根的关系。也就是说，通过较高地增大绝缘体的厚度或长度可以获得击穿场强的仅相对较少的增大。因此，由于厚度与击穿场强之间的平方根关系，绝缘物质或绝缘元件的材料尺寸必须过度地增大，以便显著提高击穿场强。这虽然在技术上一定程度地可行，但不能经济地实现。

因此，本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于高压或中压设备的绝缘体装置，所述绝缘体装置在几何尺寸不变的同时确保与现有技术相比更高的击穿场强。

所述技术问题通过具有权利要求1的特征的用于高压和中压设备的绝缘体装置解决。

按照本发明的根据权利要求1所述的用于高压或中压设备的绝缘体装置具有至少一个结构元件，所述结构元件轴对称设计。所述结构元件的典型的对称设计方案是筒状形状，但该对称设计方案也可以呈锥状地延伸，原则上，横截面的椭圆形扭曲在技术上也可行。在此，所述结构元件具有至少两个环形的基础区域，所述基础区域由同样为环形的阻挡区域彼此隔开。在此，环形理解为筒状形状，该筒状形状也可以呈锥状或空心圆锥体形状地延伸。本发明的突出点在于，所述阻挡区域的材料的相对介电常数是所述基础区域的材料的相对介电常数的至少两倍。

通过将多个阻挡区域或者说一个阻挡区域插入绝缘体装置的两个基础区域之间，同时将阻挡区域的介电常数明显提高为基础区域的至少2倍，由此在阻挡区域中，由高压设备感应的电场的电场强度相对基础区域明显降低。在此，人们称之为弱场区域，在理想情况下是无场区域。场减弱通过基础区域的材料的相对介电常数与阻挡区域的材料的相对介电常数之比确定。由此，陶瓷在内部在电气上被划分为多个短的轴向的区块，由此极大地提高局部段以及整个绝缘体装置的电气强度。

介电常数ε也被称为导电性或电性能，在此，介电常数ε理解为材料针对电场而言的可穿透性。真空也具有介电常数，该介电常数也被称为电场常数ε0。在此，物质的相对介电常数εr由其真实的介电常数与电场常数ε0之比得出：

εr＝ε/ε0，方程1。

另外，在此所称的介电常数分别指方程1中描述的相对介电常数εr。

通过基础区域的相对介电常数与阻挡区域的相对介电常数之间的因数为2的关系就可以观察到阻挡区域中的电场的显著减弱。但原则上适用的是，阻挡区域中的相对介电常数越高、即阻挡区域的介电常数与基础区域的介电常数之间的因数越高，则阻挡区域中的电场的减弱效应越强并且因此基础区域分成多个彼此电气隔离的区域的分区段效应越强。在此业已证明，更有利的是，阻挡区域的相对介电常数是基础区域的介电常数的至少五倍高，尤其有利的是，阻挡区域的相对介电常数是基础区域的介电常数的至少十倍或特别有利地至少100倍。

如此高的介电常数可以通过钛酸盐、即钛酸的盐类、尤其钛酸钡获得。在此，有利的组合是，氧化铝或包含氧化铝的材料作为基础区域的材料，并且以钛酸盐、尤其钛酸钡或钛酸钙为基础的材料用于阻挡区域。二氧化钛也具有高的介电常数并且适合作为阻挡区域的材料或材料组分。

在此，基础区域的材料的相对介电常数通常并且优选处于5至25之间。在此，相对介电常数是无量纲的量，其如同所述由总介电常数与电场常数ε0之比得出。与此相比，阻挡区域的材料的相对介电常数是基础区域的相对介电常数的至少两倍，因此阻挡区域的材料的相对介电常数至少为10并且产生于10至10000之间的范围内。特别优选地，控制区域(steuerbereich)的相对介电常数产生于100至10000之间、特别优选1000至10000之间的范围内。

在本发明的另外的设计形式中适宜的是，所述基础区域在对称轴线的方向上的长度尺寸处于5mm至50mm之间。业已证明，在基础区域的该长度范围内，绝缘体装置或结构元件特别好地分区段。这同样适用于阻挡区域的长度尺寸，阻挡区域的长度尺寸处于0.1mm至5mm之间。

同样适宜的是，每个基础区域的长度尺寸相对于所属的阻挡区域的相应的长度尺寸的比值处于10至100之间。

适宜的是，所述绝缘体装置是高压或中压开关设备的部件，其中，所述开关设备既可以是真空开关设备也可以是气体绝缘的开关设备。

此外适宜的是，在绝缘用的结构元件的内壁上安装有屏蔽元件，这些屏蔽元件用于偏转和导出电场并且使结构元件的材料中的等位线均匀分布。这些屏蔽元件或者说屏蔽板优选如此布置，从而它们在结构元件中紧固在阻挡区域所处的位置中。在此，等位线理解为具有相同电位的线。等位线垂直于所属电场的相对应的场线并且具有类似的密度。紧密分布的等位线对应紧密的场线，同样地，彼此散开的等位线产生彼此散开的场线。

本发明的另外的设计形式和另外的特征根据附图详细阐述。附图是示范性的设计形式，这些设计形式不是对保护范围的限制。在附图中：

图1示出根据现有技术的具有绝缘体装置的高压开关设备，

图2示出具有基础区域和阻挡区域的绝缘用的结构元件的投影视图，

图3示出根据图2的结构元件的三维俯视图，

图4示出按照图2的结构元件的带有标出的等位线的对半分的横剖面图，

图5示出类似于图4但具有附加的屏蔽元件的示图。

在图1中示出具有开关室26的高压开关设备3，在开关室26中，两个开关触头24沿轴向相对彼此可移动地示出，其中，通过至少一个开关触头的轴向移动可以建立或断开电气接触。此外，开关设备3具有绝缘体装置1，绝缘体装置1包括至少一个绝缘用的结构元件2。在此处所示的根据图1的开关设备中，绝缘体装置1具有三个结构元件2。但原则上并且优选地，绝缘体装置1尽可能仅由一个结构元件2构成。另外对实现这点的可能性将更详细地探讨。在按照现有技术的绝缘体装置1中，原则上将尤其由氧化物陶瓷、例如氧化铝陶瓷构成的多个结构元件通过相应的接合方法接合成整体的绝缘体装置1。通过多个传统的结构元件的接合可以实现分区段，这又产生更高的击穿场强和因此极大的电压升高。在此，绝缘体装置1在其轴向方向上的长度尤其由绝缘体装置1的击穿场强或者说最大的可绝缘电压确定。

在图2中示出结构元件2，结构元件2既具有基础区域4又具有阻挡区域6。基础区域4在此具有轴向的长度尺寸8，该长度尺寸8大于阻挡区域6的轴向的长度尺寸12。每两个基础区域4通过阻挡区域6彼此隔开。轴向的尺寸分别沿旋转轴线10描述。为清楚起见，在图3中示出图2中的相同的绝缘用的结构元件2的三维图。在图4和图5中分别示出由存在于开关室26中的电流感应产生的电场的等位线16的等位线分布。在此仅示出结构元件2的横剖面的右半部分。对称轴线10位于左侧的外边缘处，在按照图4和图5的示图的中间存在基础区域4和阻挡区域6的剖面。在此，图4和图5划分为分别在图左侧的位于结构元件内部的区域18和结构元件外部的区域22以及表示结构元件的材料的剖面的区域20。

从对称轴线10开始显示均匀的电场，电场通过等位线16描绘。区域18中的场的均匀性通过等位线16之间的相对均等的距离表明。相反，在结构元件2外部的区域22中，等位线分布极其不同，在此存在具有高等位线密度的具备强电场的区域和具有散开的等位线16的具备较弱电场的区域。引人注目的是，在阻挡区域6中几乎不存在等位线16，这意味着，在阻挡区域6中具备最弱的或在理想情况下不存在的电场。这又导致，绝缘用的结构元件、即陶瓷的绝缘体的电气上的分区段由阻挡区域6产生。因此，基础区域4如同另外的、下级的绝缘用的结构元件那样发挥作用，这些下级的绝缘用的结构元件与相邻的基础区域电气隔开、更准确地说由阻挡区域6隔开。

在图5中示出与图4类似的示图，其中，此处在阻挡区域6中也几乎不存在等位线，并且因此实现基础区域之间的所描述的分区段。但图5还示出屏蔽元件14，这些屏蔽元件14也称为屏蔽板14并且实现对等位线16的有针对性和优化的转向。相应的屏蔽元件14也在图1中相应示出。屏蔽元件14优选设计为锚固在结构元件2中的阻挡区域6中。

等位线16或如此示出的电场16在结构元件2的阻挡区域6中的减少通过如下方式实现，阻挡区域6的材料具有的相对介电常数是基础区域4的相对介电常数的至少两倍高。以此方式，电场实际上被从阻挡区域6挤出。这又实现将结构元件2电气上分为多个基础区域4。这又对击穿场强产生类似于多个结构元件相互接合的作用，例如在图1中用附图标记2‘示出结构元件。原则上不应当致力于将多个结构元件2接合成绝缘体装置1，因为这涉及高成本的工序，这些工序需要质量保证和较高的技术耗费，以便确保真空密封性或气密性。因此，通过所述的结构元件2的布置方式和分为多个基础区域4以及多个阻挡区域6的区段划分，可以仅由一个绝缘用的结构元件2构造开关设备3或通常高压或中压设备3的整个绝缘体装置1。这在技术上是否足够取决于需要的总的击穿场强或最大程度施加的电压。例如，72kv的高压开关设备可以通过具有80mm或更少的沿轴向定向的长度尺寸的结构元件2实现。为此，通过所述的传统技术必须将两个至三个结构元件通过接合方法相互接合。总而言之，绝缘体装置1要尽可能包括仅一个结构元件2，但在电压非常高的高压设备中也可以将两个或多个结构元件2接合成绝缘体装置1，其中，这具有的总的长度尺寸明显小于按照现有技术以传统方式装备的不具有所述分区的多个结构元件的长度尺寸。

在绝缘体结构的制造中的另外的优点在于，在结构元件2的制造中，用于基础区域4的材料和用于阻挡区域6的材料可以被交替地引入压模中，并且可以已经被压制并且烧结成该结构。也就是说，通过传统的工作步骤通过将多种材料交替地引入相应的模具中可以产生一个分区段的结构元件2，该结构元件2具有的击穿场强和强度根据传统的手段只能借助通过耗费的钎焊方法或接合方法相互连接的多个结构元件获得。以此方式可以明显降低绝缘体装置的制造成本并且可以减小所要求的长度尺寸和因此开关设备的安装空间以及开关设备的外部尺寸。