DE102019134463B3

DE102019134463B3 - Hochfrequenz-Hochspannungs-Stromleiter-Vorrichtung

Info

Publication number: DE102019134463B3
Application number: DE102019134463.8A
Authority: DE
Inventors: Christian Wangler; Florian Maier; Roland Lodholz
Original assignee: Trumpf Huettinger GmbH and Co KG
Current assignee: Trumpf Huettinger GmbH and Co KG
Priority date: 2019-12-16
Filing date: 2019-12-16
Publication date: 2021-05-12
Anticipated expiration: 2039-12-17
Also published as: CN114830435B; WO2021122722A1; JP2023506868A; US20220320704A1; KR20220107067A; JP7385042B2; CN114830435A

Abstract

Hochfrequenz-Hochspannungs-Stromleiter-Vorrichtung (10) mit einem elektrischen Leiter (13, 14), ausgelegt zum Betrieb mit einer Hochfrequenz-Hochspannung gegenüber einer gasförmigen Umgebung (3) und/oder dem Massekörper (11, 12), wobei der Leiter (13, 14) an zumindest einer Stelle eine elektrisch leitende Kontakteinrichtung (15, 16) berührt, die an einer elektrisch isolierenden Halterung (17, 18) angeordnet ist, wobei an der elektrisch leitenden Kontakteinrichtung (15, 16) eine elektrisch leitende Feldverteilungsanordnung (19, 20) angeordnet ist, die elektrisch leitend mit der Kontakteinrichtung (15, 16) verbunden ist, und insbesondere zumindest teilweise im Inneren der Halterung (17, 18) angeordnet ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenz-Hochspannungs-Stromleiter-Vorrichtung mit einem elektrischen Leiter, der ausgelegt ist zum Betrieb mit einer Hochfrequenz-Hochspannung gegenüber einer gasförmigen Umgebung und/oder gegenüber einem Massekörper.
Aus der DE 696 213 78 T2 ist ein isolierender Abstandshalter bekannt, der zum Halten einer eine hohe Spannung führenden Einrichtung in einem geerdeten Metallbehälter geeignet ist, der ein isolierendes Gas enthält, wobei der Abstandshalter folgendes aufweist:

- ein isolierendes Teil, das einen zentral angeordneten Leiter fest an dem außen angeordneten Behälter befestigt, wenn der Abstandshalter an dem Behälter angebracht ist, und
- Abschirmelektroden, die aus einer Epoxidharzmasse bestehen und im Inneren des isolierenden Teils in der äußeren Nähe von dem Behälter bzw. in der inneren Nähe von dem Leiter oder nur in der äußeren Nähe von dem Behälter angeordnet sind, wobei die Abschirmelektroden aus einer Epoxidharzmasse hergestellt sind, so dass ihr volumetrischer spezifischer Widerstand zwischen dem äußeren Behälter und dem inneren Leiter in Richtung des Mittelpunktes zunimmt.

Aus der JP H02– 51 306 A ist es bekannt, die Leiter von Kabeln freizulegen und dann den leiter eines Kabels durch die Kabeleinführungsöffnung eines vorgeformten Verstärkungsisolators einzuführen. Beim Einführen des Kabels in den Verstärkungsisolator werden die Leiter durch ein Leiterverbindungsrohr festgezogen
In der Hochfrequenztechnik treten beim Einsatz von z.B. Leistungscombinern und Messeinrichtungen Schwierigkeiten auf, wenn sehr hohe Leistungen von ca. 10 kW und mehr generiert werden. Neben den Problemen mit den hohen Strömen um die 10 A und mehr kommen zusätzlich auch Probleme mit hohen Spitzenspannungen um die 1 kV und mehr hinzu.
In der Hochspannungstechnik müssen elektrische Bauteile neben hohen Strömen und Spannungen auch hohen elektrischen Feldstärken widerstehen können. Mit Hochspannung sind hier Spannungen gemeint, bei denen eine Ionisierung der gasförmigen Umgebung am elektrischen Leiter oder einer sie berührenden Kontakteinrichtung einsetzen würde. Diese Spannung kann nicht durch einen spezifischen Wert eingegrenzt werden, da sie sehr stark von der gasförmigen Umgebung abhängt, z.B. von Druck, Temperatur, Gaszusammensetzung, und außerdem von der Geometrie des elektrischen Leiters und der ihn berührenden elektrisch leitfähigen Vorrichtungen, insbesondere wenn diese so ausgestaltet sind, dass sie zu Felderhöhungen führen. Das können beispielsweise Spitzen, Ecken und/oder Kanten sein. Solche elektrisch leitfähigen Vorrichtungen mit Kanten kommen beispielsweise bei Befestigungsvorrichtungen des elektrischen Leiters vor. Bei hohen Feldstärken kann es zu Ionisierung kommen, insbesondere, wenn die hohe Feldstärke in gasförmiger Umgebung, beispielsweise Luft, auftritt. Dieses Phänomen ist seit langem bekannt und z.B. in wikipedia.org, Paschen-Gesetz (https://de.wikipe-dia.org/wiki/Paschen-Gesetz) oder Durchschlagfestigkeit (https://de.wikipe-dia.ora/wiki/Durchschlaasfestiakeit) beschrieben. Nach den von Paschen erforschten Gesetzmäßigkeiten entsteht eine Ionisierung z.B. in Umgebungsluft ab Feldstärken von typisch 3 kV/mm. Paschen legt dabei ein homogenes Feld zu Grunde. In der Realität hat man jedoch oftmals andere geometrische Gegebenheiten. Zum einen ist das Feld oft nicht homogen, da der elektrische Leiter mit einer hohen Spannung eine Form aufweist, die Ecken und Kanten haben kann. An diesen treten sehr hohe, oftmals nicht einfach bestimmbare Feldstärken auf. Zum anderen kann insbesondere bei einem hochfrequenten Feld bereits ein sehr starkes Feld auch gegen die Umgebung auftreten. Mit Hochfrequenz sind hier Frequenzen größer 1 MHz gemeint. Nicht nur, aber insbesondere bei solchen Frequenzen treten Ionisierungen an Leitern auf, auch wenn der nächste Bezugspotentialkörper, also elektrisch leitfähige Körper, der mit Bezugsmasse verbunden ist, sehr weit entfernt ist. Das hängt damit zusammen, dass sich bei solchen hochfrequenten Schwingungen Energie auch in der gasförmigen Umgebung ausbreiten kann, ohne dass diese ionisiert wird. So entsteht in der Umgebung ein Potential, das nahe an dem Massebezug liegt. Zu diesem Umgebungs-Potential können Entladungen entstehen.
Die freien Ionen können zu Überschlägen führen, was sehr unerwünscht ist. Sie können aber auch Isolatoren wie beispielsweise Teflon zersetzen. Diese Isolatoren können dabei ihre isolierenden Eigenschaften verändern und sogar verlieren. Auf diese Art und Weise wird die Isolationsstrecke verkürzt, wodurch Spannungsüberschläge entstehen können. Gerade bei einfachen Aufbauten, wie dem Übergang eines runden Rohrs auf einen flachen Isolator, kommt es in der gasförmigen Umgebung, insbesondere Luft, zu großen Überhöhungen der Feldstärke.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, solche Ionisierungen am elektrischen Leiter oder an an ihm angebrachten elektrisch leitenden Vorrichtungen zu vermeiden.
Beschreibung der Erfindung
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Hochfrequenz-Hochspannungs-Stromleiter-Vorrichtung nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen und in der Beschreibung offenbart. Offenbart ist eine Hochfrequenz-Hochspannungs-Stromleiter-Vorrichtung mit einem elektrischen Leiter, der ausgelegt ist zum Betrieb mit einer Hochfrequenz-Hochspannung gegenüber einer gasförmigen Umgebung und/oder einem Massekörper, wobei der Leiter an zumindest einer Stelle eine elektrisch leitende Kontakteinrichtung berührt, die an einer elektrisch isolierenden Halterung angeordnet ist, wobei an der elektrisch leitenden Kontakteinrichtung eine elektrisch leitende Feldverteilungsanordnung angeordnet ist, die elektrisch leitend mit der Kontakteinrichtung verbunden ist. Die Feldverteilungsanordnung kann zumindest teilweise im Inneren der Halterung angeordnet sein.
Der elektrische Leiter kann beabstandet zum Massekörper angeordnet sein.
Der elektrische Leiter kann zumindest abschnittsweise in einer gasförmigen Umgebung, insbesondere ohne Isolierung, angeordnet sein. Zumindest abschnittsweise kann der elektrische Leiter also mit seinem elektrisch leitenden Material einem Gas, insbesondere Luft, ausgesetzt sein.
Die elektrisch leitende Feldverteilungsanordnung kann zwischen dem Massekörper und der elektrisch leitenden Kontakteinrichtung angeordnet sein. So lassen sich die Feldstärken an der elektrisch leitenden Kontakteinrichtung verringern. So kann die Gefahr einer Ionisierung reduziert werden.
Die elektrisch leitende Feldverteilungsanordnung kann alternativ oder zusätzlich zwischen der gasförmigen Umgebung und der elektrisch leitenden Kontakteinrichtung angeordnet sein. So lassen sich die Feldstärken an der elektrisch leitenden Kontakteinrichtung verringern. So kann die Gefahr einer Ionisierung reduziert werden. Unter Hochfrequenz im Sinne der Erfindung werden Frequenzen ≥1 MHz und ≤ 500 MHz verstanden.
Unter Hochspannung im Sinne der Erfindung wird eine Spannung verstanden, die groß genug ist, an der Hochfrequenz-Hochspannungs-Stromleiter-Vorrichtung zu einer ionisierenden Feldstärke zu führen. Da wie oben erwähnt diese Spannung von sehr vielen Umgebungsvariablen abhängt, kann ein genauer Wert nicht angegeben werden. Man kann aber sagen, dass bei Spitzenspannungen ≥ 1 kV diese Phänomene mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit auftreten. Deswegen gilt eine Vorrichtung, die für eine solche Spannung ausgelegt ist und/oder bei der sich im Betrieb eine solch hohe Spannung ausbildet, als eine Hochspannungs-Stromleiter-Vorrichtung im Sinne dieser Offenbarung. Gemessen wird diese Hochspannung jeweils gegenüber einem Bezugspotential, zum Beispiel einer Erdung. Die Leistung und Stromstärke spielen für diese Erfindung eine untergeordnete Rolle.
Unter Masse wird ein elektrisches Bezugspotential, zum Beispiel eine Erdung, verstanden. Die Hochspannung kann sich gegenüber diesem Bezugspotential ausbilden. Die Hochspannung kann sich auch gegenüber der gasförmigen Umgebung ausbilden, wie oben schon erläutert wurde. Der Massekörper kann eine beliebige geometrische Form aufweisen. Insbesondere kann der Massekörper als Platte ausgebildet sein. Der Massekörper kann eine ebene Fläche parallel zur Erstreckungsrichtung des elektrischen Leiters aufweisen. Insbesondere kann sich der Leiter parallel zu einer Ebene, z.B. mäanderförmig, erstrecken und die ebene Fläche des Massekörpers kann parallel zu dieser Ebene angeordnet sein.
Die Halterung kann ausgebildet sein zur Halterung der Feldverteilungsanordnung. Die Halterung kann insbesondere zusätzlich ausgebildet sein zur Halterung des elektrischen Leiters. Sie kann alternativ oder zusätzlich zur Halterung der elektrisch leitenden Kontakteinrichtung dienen. Die Halterung kann alternativ oder zusätzlich einen vorgegebenen Abstand des Leiters zum Massekörper, insbesondere zur Masseplatte, sicherstellen.
Die Kontakteinrichtung kann eine insbesondere metallische Beschichtung, insbesondere an ihrer Oberfläche und/oder der zum elektrischen Leiter ausgerichteten Seite, aufweisen. Die Kontakteinrichtung kann aus Kupfer ausgebildet sein. Die Kontakteinrichtung kann als gedruckte Leiterbahn ausgebildet sein.
Die Feldverteilungsanordnung kann zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, planar ausgebildet sein. Auf diese Art und Weise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders platzsparend aufgebaut werden.
Die Feldverteilungsanordnung kann eine Kante und/oder Spitze mit einer Dicke ≤ 0,25 mm, insbesondere einer Dicke von 35 µm, aufweisen. Auf diese Weise kann die Vorrichtung sehr platzsparend aufgebaut werden. Die Kante und/oder Spitze kann bevorzugt vollständig im Inneren der elektrisch isolierenden Halterung angeordnet sein. An der Kante und/oder Spitze kann sich eine sehr hohe Feldstärke von 2 kV/mm oder größer ausbilden. Wenn die Kante und/oder Spitze im Inneren der elektrisch isolierenden Halterung angeordnet ist, kann die elektrisch isolierende Halterung so ausgelegt werden, dass eine solch hohe Feldstärke zu keinen Überschlägen führt.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auf platzsparende, stabile und kostengünstige sowie zuverlässige Art und Weise und außerdem einfach produzierbar ein Hochfrequenz-Hochspannung führender elektrischer Leiter in der Nähe eines oder mehrerer Massekörper angeordnet werden.
Die Kontakteinrichtung kann zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, planar ausgebildet sein. Somit kann die Vorrichtung besonders platzsparend aufgebaut werden.
Die Kontakteinrichtung kann eine Kante und/oder Spitze mit einer Dicke von ≤0,2 mm, insbesondere ≤0,1 mm, insbesondere ≤0,05 mm, insbesondere von 35 µm, aufweisen. Somit kann die Vorrichtung sehr platzsparend aufgebaut werden. Insbesondere, wenn die Abmessungen der Feldverteilungsanordnung gleich groß oder größer als die der Kontakteinrichtung gestaltet und/oder in der Draufsicht überlappend zur Kontakteinrichtung angeordnet sind, kann die Vorrichtung so ausgebildet sein, dass sich an der Kante und/oder Spitze der Kontakteinrichtung Felder ausbilden, die kleiner als die Ionisierungsfeldstärke, insbesondere bei gasförmiger Umgebung, insbesondere Luft, kleiner als 3 kV/mm, sind. Auf diese Art und Weise kann die Gefahr eines Überschlags an der Kante und/oder der Spitze der Kontakteinrichtung sogar bei einer sehr dünnen Kante und/oder Spitze reduziert werden.
Die Halterung kann zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, planar ausgebildet sein. Auf diese Art und Weise kann die Vorrichtung besonders platzsparend aufgebaut werden.
Die Halterung kann zwei elektrisch isolierende Halterungsteile aufweisen. Die Halterungsteile können beide planar ausgebildet sein. Die Halterungsteile können die gleiche Dicke aufweisen. Die Halterungsteile können die Feldverteilungsanordnung, insbesondere ohne Einschlüsse von Gasen, insbesondere ohne Lufteinschlüsse, zwischen sich einschließen. Die Halterung kann durch Zusammenpressen der Halterungsteile hergestellt und/oder ausgebildet sein.
Die Halterung kann als bedruckte Leiterkarte ausgebildet sein. Eine Leiterkarte wird in der Leiterkartentechnik häufig als PCB (Abkürzung für Printed Circuit Board) bezeichnet. Die Kontakteinrichtung kann auf einer Außenseite, insbesondere Oberseite oder Unterseite, der Leiterkarte angeordnet sein.
Die Feldverteilungsanordnung kann in einer Innenlage der Leiterkarte, insbesondere frei von Einschlüssen von Gasen, insbesondere von Lufteinschlüssen, angeordnet sein. Die Kontakteinrichtung kann mit der Feldverteilungsanordnung mittels einer oder mehrerer Durchkontaktierungen elektrisch leitend verbunden sein. In der Leiterkartentechnik wird eine solche Durchkontaktierung auch „Via“ genannt. Vorteilhafterweise können mehrere Durchkontaktierungen in Form einer Matrix vorgesehen sein. Das ist vorteilhaft, weil einzelne Vias bei mechanischer Beanspruchung brechen können und so eine Redundanz geschaffen wird. Zudem wird die Kontaktfläche so zuverlässiger auf der Halterung gehalten. Die Matrix kann 50% oder mehr der Kontaktfläche bedecken.
Die Feldverteilungsanordnung kann in einer Feldverteilungsebene eine Feldverteilungsfläche aufweisen. Die Kontakteinrichtung kann in einer Kontaktebene eine Kontaktfläche aufweisen. Die Flächen können parallel beabstandet angeordnet sein. Insbesondere können sie in der Draufsicht, (senkrecht zu den Ebenen) überlappend angeordnet sein.
Die Feldverteilungsfläche kann eine Fläche aufweisen, die gleich groß oder größer ist als die Fläche der Kontaktfläche. Insbesondere kann sie eine zumindest um 10% größere Fläche aufweisen als die Kontaktfläche.
Die elektrisch leitende Feldverteilungsanordnung kann, insbesondere ohne Gas-z.B. Lufteinschlüsse, in die Halterung eingebettet sein. Durch diesen versiegelten, gasfreien Aufbau kann eine Spannungsfestigkeit ermöglicht werden, die mehr als zehnmal größer ist als die von den meisten gasförmigen Umgebungen, insbesondere die der Luft. Vor allen Dingen kann dadurch sichergestellt werden, dass sich der einzige Bereich von Feldstärken größer als 2 kV/mm innerhalb der Halterung befindet. Damit werden die Teile der Hochfrequenz-Hochspannungs-Stromleiter-Vorrichtung, die in der gasförmigen Umgebung zu Ionisierungen führen würden, in der Halterung isolierend frei von Gasen gehalten und können zu keiner Ionisierung führen. Gleichzeitig ist die Hochfrequenz-Hochspannungs-Stromleiter-Vorrichtung so ausgestaltet, dass die Feldverteilungsanordnung eine Feldüberhöhung am Leiter, insbesondere an den Stellen, an denen der Leiter der Halterung und/oder der Kontakteinrichtung nahe kommt oder diese berührt, verringert, insbesondere soweit verringert, dass es zu keinen Ionisierungen in der gasförmigen Umgebung kommt.
Die Feldverteilungsfläche kann größer sein als die Querschnittsfläche des elektrischen Leiters. Weiterhin kann die Feldverteilungsfläche in einer Draufsicht die zugeordnete Kontaktfläche überdecken, d.h. an allen Kanten die Kontaktfläche abdecken oder über diese überstehen. Zumindest kann die Feldverteilungsfläche aber an den Kanten senkrecht zu der Stromlaufrichtung in dem Leiter überstehen.
Der elektrische Leiter kann einen runden oder ovalen Querschnitt aufweisen. So wird das elektrische Feld an seiner Oberfläche klein genug gehalten. Damit kann verhindert werden, dass es an den Stellen, an denen keine Kontakteinrichtung mit Feldverteilungsanordnung vorgesehen ist, zu einer Ionisierung kommt.
Der elektrische Leiter kann als Rohr, insbesondere mit einem runden Querschnitt, ausgebildet sein. Bei einer solchen Ausgestaltung des elektrischen Leiters kann zur Kühlung ein Kühlmittel durch den elektrischen Leiter geströmt werden. Grundsätzlich wäre es jedoch auch denkbar, den elektrischen Leiter aus Vollmaterial auszubilden. Der elektrische Leiter kann aus Kupfer ausgebildet sein.
Die Halterung ist als mehrlagige Leiterkarte ausgebildet. Die hochfrequenten Felder können im Leiterkartenmaterial zu Erwärmung führen. Diese Erwärmung kann das Leiterkartenmaterial verändern, insbesondere seine Isoliereigenschaften verändern. Um die Gefahr einer negativen Veränderung zu reduzieren kann insbesondere die Halterung aus FR4-Material oder einem verlustärmeren Material ausgebildet sein. Verlustarmes Material bedeutet, dass das Material einen kleinen Verlustwinkel tan 5 (Dissipation Factor) hat. FR4 hat einen Dissipation Factor von 0,017 und kleiner (https://en.wikipedia.ora/wiki/FR-4). Bereits Leiterkarten mit einem Dissipation Factor von 0,03 und kleiner können elektrische Feldstärken in sich binden und dadurch die elektrischen Felder in der angrenzenden gasförmigen Umgebung, insbesondere Luft, auf ein akzeptables Niveau von ca. 1,1 kV/mm reduzieren. Die Halterung, insbesondere die Leiterkarte, dient quasi als Fänger des elektrischen Feldes. Man kann auch sagen das die Halterung, insbesondere die Leiterkarte, als elektrische-Felder-Unschädlichkeitsvorrichtung dient.
Zwischen der Halterung und dem Massekörper kann ein Isolator angeordnet sein. Dieser Isolator kann beispielsweise aus PTFE ausgebildet sein. Insbesondere kann der Isolator aus einem Material ausgebildet sein, das für Hochfrequenzfelder verlustärmer ist als das Material der Halterung, insbesondere der Leiterkarte. Insbesondere kann der Isolator ein niedrigeres ε_r aufweisen als die Halterung.
Der Isolator kann im Bereich der Kontaktfläche eine Ausnehmung aufweisen, die von dem Isolator überbrückt ist. Unter einer Ausnehmung wird dabei ein materialfreier Bereich verstanden. Im Bereich der Ausnehmung kann lediglich Gas, insbesondere Luft, vorhanden sein. Insbesondere kann die Ausnehmung ein Hohlraum oder eine Vertiefung sein. Der Hohlraum bzw. die Vertiefung kann mit Gas, insbesondere mit Luft, gefüllt sein. Die Ausnehmung kann eine Ausnehmungsfläche aufweisen, die in einer Ausnehmungsebene liegt, die parallel zu der Kontaktebene und/oder der Feldverteilungsebene liegt. Die Ausnehmung kann beispielsweise zylinderförmig oder quaderförmig sein. Die Ausnehmungsfläche kann gleich oder größer als eine über ihr liegende Kontaktfläche und/oder Feldverteilungsfläche sein und/oder diese überlappen.
Es können zwei Massekörper vorgesehen sein und der elektrische Leiter kann zwischen den Massekörpern angeordnet sein, wobei der elektrische Leiter an gegenüberliegenden Stellen jeweils eine Kontakteinrichtung an einer Halterung berührt. Die Massekörper können als Platten ausgebildet sein. Die einander zugewandten Seiten der Massekörper können parallel sein. Insbesondere kann der elektrische Leiter zwischen zwei parallelen Seiten von zwei Massekörpern angeordnet sein. Der elektrische Leiter kann zwischen zwei Massekörpern und Isolatoren eingeklemmt sein und so mechanisch befestigt werden. Insbesondere kann der Leiter zwischen den Massekörpern sowie insbesondere zusätzlich zwischen den Isolatoren sowie insbesondere zusätzlich zwischen den Halterungen sowie insbesondere zusätzlich zwischen den Kontakteinrichtungen eingeklemmt und so gehalten sein. Insbesondere kann ein Leiter aber auch durch Schrauben, Schweißen, Kleben, Löten, Nieten, Anbinden oder andere Befestigungsmöglichkeiten an der Halterung und/oder Kontakteinrichtung befestigt werden.
Die Halterung kann mehrere Kontakteinrichtungen aufweisen, die den elektrischen Leiter an unterschiedlichen Stellen berühren, wobei jeder Kontakteinrichtung eine damit elektrisch verbundene Feldverteilungsanordnung zugeordnet ist.
Zwei elektrische Leiter können in unterschiedlichen Ebenen der Vorrichtung angeordnet sein, die jeweils mit einem Leistungsanschluss für Hochfrequenzleistung verbunden sind. Die Leiter können an ihrem zweiten Anschluss elektrisch verbunden sein und mit einem Koppelanschluss für ein gekoppeltes Leistungssignal verbunden sein. Eine solche Ausgestaltung der Vorrichtung kann insbesondere als Koppler (Combiner) verwendet werden, nämlich zum Koppeln/Kombinieren von zwei hochfrequenten Leistungssignalen.
Der oder die Leiter können als so genannte Impedanz kontrollierte Leitung ausgelegt sein. Das bedeutet, dass er oder sie für die Frequenz, bei der sie betrieben werden, eine vorgegebene Leitungsimpedanz aufweisen, z.B. 25 Ω, 50 Ω, 100 Ω.
Zwischen den Leistungsanschlüssen kann ein Ausgleichswiderstand, vorzugsweise mit einem Widerstandswert von der doppelten Leitungsimpedanz z.B. 50 Ω, 100 Ω, 200 Ω, geschaltet sein.
Zwischen mehreren Leistungsanschlüssen kann jeweils ein Ausgleichswiderstand von je einem Leistungsanschluss zu einem Sternpunkt, vorzugsweise mit einem Widerstandswert von der Leitungsimpedanz z.B. 25 Ω, 50 Ω, 100 Ω, geschaltet sein.
Die elektrischen Leiter können jeweils eine Länge von λ/4 der hochfrequenten Leistung aufweisen. Dabei ist λ die Wellenlänge der sich durch die Hochfrequenz ausbildenden elektromagnetischen Welle. So kann die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise als so genannter Wilkinsoncombiner ausgebildet werden. Mit einem solchen Combiner können zwei phasengleiche Leistungssignale zu einem gekoppelten Signal doppelter Leistung gekoppelt werden.
An der Kontakteinrichtung kann eine Fixiereinheit vorgesehen sein, die ausgelegt ist, ein Verrutschen des Leiters zu verhindern. Somit kann sichergestellt werden, dass der elektrische Leiter stets die Kontakteinrichtung berührt.
Alternativ oder zusätzlich kann die Halterung und/oder die Kontakteinrichtung eine Formung aufweisen, die den Leiter aufnimmt und ein Verrutschen verhindert.
Die Kontaktfläche und/oder die Feldverteilungsfläche können rechteckförmig sein, insbesondere mit abgerundeten Ecken. Dadurch kann eine besonders gute Anpassung an den über sie geführten Leiter erfolgen.
Der elektrische Leiter kontaktiert vorzugsweise ausschließlich die Kontaktflächen der Leiterkarte und ist ansonsten von der gasförmigen Umgebung, insbesondere von Luft, umgeben. Die Maße Abstand Leiter zum Massekörper, Isolatordicke, Abstand Isolator-Feldverteilungsanordnung und/oder Dicke der Halterung (Leiterkarte) werden vorzugsweise so gewählt, dass der Wellenwiderstand das 1,414 (Wurzel-2)-fache der Leitungsimpedanz, also z.B. 70,7 Ω, beträgt. Die Maße werden weiter vorzugsweise so gewählt dass die elektrischen Felder in der gasförmigen Umgebung kleiner, insbesondere deutlich kleiner, als 2 kV/mm sind. Die Leiterstruktur innerhalb der Leiterkarte ist vorzugsweise so gewählt, dass sich der einzige Bereich von Feldstärken größer als 2 kV/mm in einer Innenlage der Leiterkarte befindet. Vorzugsweise werden Leiterkarten verwendet, die einen Verlustwinkel kleiner gleich 0,005 und eine hohe Spannungsfestigkeit im Bereich von mehr als 20 kV/mm, insbesondere von 31,2 kV/mm aufweisen.
Um hohe elektrische Felder zu vermeiden, ist vorzugsweise die Feldverteilungsanordnung zumindest teilweise in der Halterung an einer Stelle angeordnet, an der der Abstand zum Massekörper bzw. zu isolierenden Materialien am geringsten ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, sowie aus den Ansprüchen. Die dort gezeigten Merkmale sind nicht notwendig maßstäblich zu verstehen und derart dargestellt, dass die erfindungsgemäßen Besonderheiten deutlich sichtbar gemacht werden können.
Es zeigen:

1 Eine teilweise Querschnittsdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine perspektivische teilweise Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
3 eine Darstellung zur Erläuterung der Kontaktierung auf einer Halterung;
4 eine Darstellung zur Erläuterung der Durchkontaktierung;
5 eine perspektivische teilweise Darstellung einer als Combiner ausgebildeten Vorrichtung.
6 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen weiteren Vorrichtung in Form einer Messeinrichtung.

1 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Teils einer Hochfrequenz-Hochspannungs-Stromleitervorrichtung 10 in einer gasförmigen Umgebung 3. Beabstandet zu den Massekörpern 11, 12 ist ein elektrischer Leiter 13 angeordnet, der im gezeigten Ausführungsbeispiel als kreisrundes Rohr ausgebildet ist. Der elektrische Leiter 13 ist zum Betrieb mit einer Hochfrequenz-Hochspannung ausgebildet, wobei die Hochspannung zwischen dem elektrischen Leiter 13 und einem der Massekörper 11, 12, insbesondere beiden Massekörpern 11, 12, vorliegt.
Der elektrische Leiter 13 berührt an gegenüber liegenden Stellen jeweils eine elektrisch leitende Kontakteinrichtung 15, 16, die jeweils an einer elektrisch isolierenden Halterung 17, 18 angeordnet sind. Zwischen jeweils einem Massekörper 11, 12 und jeweils einer elektrisch leitenden Kontakteinrichtung 15, 16 ist jeweils eine elektrisch leitende Feldverteilungsanordnung 19, 20 vorgesehen, die elektrisch leitend mit jeweils einer der Kontakteinrichtungen 15, 16 verbunden ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Feldverteilungsanordnungen 19, 20 im Inneren der Halterungen 17, 18 angeordnet.
Zwischen den Halterungen 17, 18 und den Massekörpern 11, 12 sind elektrisch isolierende Isolatoren 21, 22 angeordnet, die beispielsweise aus PTFE ausgebildet sein können. Im Bereich der Kontakteinrichtungen 15, 16 weisen die Isolatoren 21, 22 jeweils eine Ausnehmung 23, 24 auf die von jeweils einer Halterung 17, 18 überbrückt sind. Die Ausnehmungen 23, 24 können insbesondere als gasförmige Umgebung 3 ausgebildet und insbesondere mit Luft gefüllt sein.
An den Kontakteinrichtungen 15, 16 können Fixiereinheiten 28, 29 vorgesehen sein, die ein Verrutschen des elektrischen Leiters 13 verhindern.
Die elektrisch leitenden Kontaktschichten 15, 16 sind mit den elektrisch leitenden Feldverteilungsanordnungen 19, 20 über Durchkontaktierungen 5, 6 verbunden.
Die Feldverteilungsanordnungen 19, 20 weisen Kanten 8, 9 auf, die sehr dünn sind. Die Kanten 8, 9 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel vollständig im Inneren der Halterungen 17, 18 angeordnet. An den Kanten 8, 9 kann sich eine hohe elektrische Feldstärke ausbilden.
Der elektrische Leiter 13 weist einen Durchmesser c auf. Der Durchmesser c ist vorzugsweise (deutlich) kleiner als die Breite b der Feldverteilungsanordnungen 19, 20. Die Breite b der Feldverteilungsanordnungen 19, 20 ist wiederum vorzugsweise (deutlich) kleiner als die Breite a der Ausnehmungen 23, 24.
Die 2 zeigt eine perspektivische Darstellung der Anordnung gemäß 1. Hier ist deutlich zu erkennen, dass der elektrische Leiter 13 ausschließlich durch die Halterungen 17, 18 in der Vorrichtung 10 gehalten ist und von den Halterungen 17, 18 lediglich die Kontakteinrichtungen 15, 16 berührt. Weiterhin ist zu erkennen, dass die Halterungen 17, 18 stegartig ausgebildet sind und die Ausnehmungen 23, 24 überbrücken. Außerdem ist zu erkennen, dass die Halterung 17 zwei Teile 17a, 17b aufweist. Die Halterung 18 kann entsprechend aufgebaut sein.
Die 3 zeigt zwei Teile 17a, 17b der Halterung 17. Beide Halterungsteile 17a, 17b sind elektrisch isolierend ausgebildet. Beide Halterungsteile 17a, 17b sind planar ausgebildet und weisen vorzugsweise die gleiche Dicke auf. Die Halterungsteile 17a, 17b können die Feldverteilungsanordnung 19 zwischen sich einschließen. Die Halterung 17 kann hergestellt sein durch Zusammenpressen der Halterungsteile 17a, 17b. Insbesondere können die Halterungsteile 17a, 17b Lagen einer mehrlagigen Leiterkarte sein. Die Feldverteilungsanordnung 19 kann in einer Innenlage der Leiterkarte angeordnet sein. Weiterhin ist zu erkennen, dass die Kontakteinrichtung 15 eine Kontaktfläche 25 aufweist. Die Durchkontaktierungen 5 können matrixförmig angeordnet sein. Entsprechend kann die Feldverteilungsanordnung 19 eine Feldverteilungsfläche 29 aufweisen. Die Feldverteilungsfläche 29 und die Kontaktfläche 25 können parallel und beabstandet zueinander angeordnet sein. Insbesondere können die Flächen 25, 29 überlappend angeordnet sein. Vorzugsweise ist dazu die Fläche 29 größer ausgebildet als die Fläche 25.
Die 4 zeigt eine Explosionsdarstellung der Halterung 17 mit den Halterungsteilen 17a, 17b. Hier ist zu erkennen, dass die Kontaktfläche 25 in einer Kontaktebene 35 und die Feldverteilungsfläche 29 in einer Feldverteilungsebene 39 angeordnet sind.
Die 5 zeigt die Vorrichtung 10 mit dem Massekörper 11 in einer Ausgestaltung als Combiner bzw. Koppler mit zwei Leistungsanschlüssen 26, 27 und einem Ausgangsanschluss 28. An den Leistungsanschlüssen 26, 27, die mit elektrischen Leitern 13, 14 verbunden sind, kann elektrische Leistung eingekoppelt werden. Die an den beiden Leistungsanschlüssen 26, 27 jeweils eingekoppelten Leistungen können 0° phasenverschoben sein und durch die Vorrichtung 10 zu einer gekoppelten Leistung gekoppelt werden und am Ausgangsanschluss 28 ausgegeben werden. Es ist zu erkennen, dass der Leiter 13 mäanderförmig angeordnet ist und an mehreren Stellen die Halterungen 17, 18 berührt. Entsprechend ist der Leiter 14 mäanderförmig angeordnet und berührt zugeordnete Halterungen ebenfalls nur stellenweise.
Der Massekörper 11 weist an gegenüber liegenden Seiten Isolatoren 21, 29 auf. Nicht gezeigt ist in der gezeigten Darstellung, dass die Vorrichtung 10 oben und unten jeweils einen weiteren Massekörper umfasst. Die übrigen Elemente der Vorrichtung 10 tragen dieselben Bezugsziffern wie in den vorherigen Darstellungen.
Die 6 zeigt eine Darstellung einer erfindungsgemäßen weiteren Vorrichtung 10 in der Form einer Messeinrichtung. Der elektrische Leiter 13 ist zylinderförmig in den ebenfalls zylinderförmigen Isolator 21 eingepresst, vorzugsweise unter Vermeidung von Gasen zwischen Isolator 21 und Leiter 13. Der elektrische Leiter 13 ragt jedoch funktionsbedingt aus dem Isolator 21 heraus. Der Isolator 21 weist rund um den herausragenden Leiter 13 Überhöhungen aus, um ein Überschlagen von dem Leiter 13 zu dem Massekörper 11 zu verhindern. Der Massekörper 11 ist rohrförmig ausgestaltet und umschließt den zylinderförmigen Isolator 21 im unteren Bereich. Im Betrieb mit hoher Spannung größer 1 kV Spitzenspannung hat sich herausgestellt, dass es an dem elektrischen Leiter 13 im oberen Bereich, der sich in der gasförmigen Umgebung 3, nämlich Luft, befindet, zu Ionisierungen und Entladungen kommt. Eine Vergrößerung des Radius des elektrischen Leiters 13 hätte die Feldstärke reduziert. Aber der Radius des elektrischen Leiters 13 konnte funktionsbedingt nicht größer gestaltet werden. So wurde auch hier auf die erfindungsgemäße Lösung zurückgegriffen und eine scheibenförmige kreisrunde als Leiterkarte ausgebildete Halterung 17 vorgesehen. Die Halterung 17 ist aus zwei deckungsgleichen zusammengepressten Teilen 17a, 17b aufgebaut. Die Halterung 17 weist die in der Mitte eine Bohrung auf, die so ausgestaltet ist, dass sie mit festem Sitz auf den Leiter 13 montiert werden kann. Im Inneren der Bohrung befindet sich eine metallische Beschichtung als Kontakteinrichtung 15. Diese ist elektrisch kontaktiert mit einer Feldverteilungsanordnung 19, die im Innern der Halterung 17 angeordnet ist und gasfrei verpresst ist. Mit dieser Vorrichtung konnte das elektrische Feld an dem Leiter 13 in der gasförmigen Umgebung abgeschwächt werden und die hohen Feldstärken dort reduziert werden. Die hohen Feldstärke, die sich am äußeren Rand der Feldverteilungsanordnung 19 ausbildet, kann durch die vorzugsweise gasfreie Verpressung im Innern der Halterung 17 unschädlich gemacht werden.

Claims

Hochfrequenz-Hochspannungs-Stromleiter-Vorrichtung (10) mit einem elektrischen Leiter (13, 14), der ausgelegt ist zum Betrieb mit einer Hochfrequenz-Hochspannung gegenüber einer gasförmigen Umgebung (3) und/oder einem Massekörper (11, 12), wobei der Leiter (13, 14) an zumindest einer Stelle eine elektrisch leitende Kontakteinrichtung (15, 16) berührt, die an einer elektrisch isolierenden Halterung (17, 18) angeordnet ist, wobei an der elektrisch leitenden Kontakteinrichtung (15, 16) eine elektrisch leitende Feldverteilungsanordnung (19, 20) angeordnet ist, die elektrisch leitend mit der Kontakteinrichtung (15, 16) verbunden ist, und zumindest teilweise im Inneren der Halterung (17, 18) angeordnet ist, wobei die Halterung (17, 18) als mehrlagige Leiterkarte ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldverteilungsanordnung (19, 20) in einer Feldverteilungsebene (39) eine Feldverteilungsfläche (29) aufweist, dass die Kontakteinrichtung (15, 16) in einer Kontaktebene (35) eine Kontaktfläche (25) aufweist und dass die Flächen (25, 29) parallel beabstandet und überlappend angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldverteilungsfläche (29) eine Fläche aufweist, die gleich oder größer ist als die Kontaktfläche (25).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Feldverteilungsanordnung (19, 20) in der Halterung (17, 18) eingebettet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldverteilungsfläche (29) größer ist als die Querschnittsfläche des elektrischen Leiters (13, 14).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Halterung (17, 18) und dem Massekörper (11, 12) ein Isolator (21, 22) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator (21, 22) im Bereich der Kontaktfläche (25) eine Ausnehmung (23, 24) aufweist, die von der Halterung (17, 18) überbrückt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Masseblöcke (11, 12) vorgesehen sind und der elektrische Leiter (13, 14) zwischen den Masseblöcken (11, 12) angeordnet ist, wobei der elektrische Leiter (13, 14) an gegenüber liegenden Stellen jeweils eine Kontakteinrichtung (15, 16) an einer Halterung (17, 18) berührt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (17, 18) mehrere Kontakteinrichtungen (15, 16) aufweist, die den elektrischen Leiter (13, 14) an unterschiedlichen Stellen berühren, wobei jeder Kontakteinrichtung (15, 16) eine damit elektrisch verbundene Feldverteilungsanordnung (19, 20) zugeordnet ist.