[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine wartungsfreie Steckerisolation für ein Kabelsteckteil
gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1 und für ein Geräteanschlussteil gemäss Oberbegriff
des Anspruchs 5.
[0002] Derartige Steckerteile, resp. Steckergarnituren werden in Hochspannungs-Energieübertragungssystemen
von beispielsweise modernen Eisenbahnkompositionen und insbesondere in Hochgeschwindigkeitszügen
verwendet. Diese Eisenbahnkompositionen weisen mindestens zwei Triebwagen auf, deren
Haupttransformatoren jeweils über zwei gleichzeitig in Betrieb genommene Stromabnehmer
versorgt werden, um sicherzustellen, dass beim Abreissen des Schleifkontaktes zwischen
Schleifleiste und Fahrdraht keine Fahrstörungen auftreten. Die Verwendung mehrerer
elektrisch miteinander verbundener Haupttransformatoren macht es jedoch erforderlich,
dass die einzelnen Zugkomponenten Hochspannungskabel tragen und mit geeigneten Hochspannungs-Kupplungs-Systemen
ausgerüstet sind. Es versteht sich, dass diese Kupplungs-Systeme und deren Steckergarnituren
zu keinerlei Personengefährdung führen dürfen und strengsten Sicherheitsbestimmungen
genügen müssen.
[0003] Von den bekannten hochstromfesten Steckergarnituren für industrielle Anlagen, welche
bspw. mit einer Epoxydharzisolierung, einem abgeschirmten Giessharzgehäuse oder einer
EPDM-Ummantelung versehen sind, eignen sich solche mit einem Isolierkörper aus Silikonkautschuk
in besonderer Weise für den Einsatz auf Schienenfahrzeugen. Dieser elastische Isolierwerkstoff
weist eine für diese Anwendung vorteilhafte mechanische Flexibilität auf, um trotz
der Vibrationen und extremen Belastungen die erforderliche Schliesskraft beizubehalten,
Dieser Werkstoff ist darüberhinaus hydrophob und äusserst temperaturbeständig, hat
ein geringes Gewicht und eine hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit. Steckergarnituren
mit Isolierkörpern aus Silikonkautschuk werden deshalb in Hochspannungs-Kupplungen
von Hochgeschwindigkeitszügen bevorzugt eingesetzt, finden ihre Anwendung aber in
allen elektrischen Energieübertragungssystemen.
[0004] Diese Steckergarnituren umfassen grundsätzlich einen Geräteanschlussteil (Steckdose)
und einen Kabelsteckteil, wobei der Geräteanschlussteil in bekannten Ausführungsformen
kabelsteckteilseitig einen konusförmigen Isolierteil zur Aufnahme des Kabelsteckteils
aufweist. Dabei ist der Isolierteil des Kabelsteckteils geräteanschlussteilseitig
komplementär zum konusförmigen Isolierteil des Geräteanschlussteils geformt, so dass
im zusammengesteckten Zustand die beiden Isolierteile bündig aneinander liegen. In
dieser Ausführungsform weist das Isolierteil des Geräteanschlussteils einen nach aussen
ragenden Konus (Aussenkonus) mit einem harten Kunststoff-Mantel auf, während der aus
elastischem Silikonkautschuk gefertigte Isolierteil des Kabelsteckteils eine nach
innen zusammenlaufende konische Ausnehmung (Innenkonus) aufweist. Diese beiden Isolierteile
tragen in ihrem Innern einander zugeordnete Steckkontaktteile aus elektrisch leitendem
Material. Dabei weist der Aussenkonus in seinem Innern eine Kontaktbuchse auf, die
mit dem elektrisch leitenden Kabelstrang, insbesondere einem Hochspannungskabelstrang,
verbunden ist. Der in der Regel mit einem Innenkonus versehene Kabelsteckteil ist
entsprechend mit einem dazugehörigen Kontaktstecker ausgerüstet. Moderne Steckkontaktteile
weisen zusätzlich zur Verbesserung des elektrischen Kontaktes kraftschlüssig anliegende
Kontaktlamellen auf. Im folgenden soll der Einfachheit halber nur von dieser Art Steckeranordnungen
die Rede sein, ohne die vorliegende Erfindung jedoch darauf zu beschränken.
[0005] Es hat sich nun gezeigt, dass sich die Steckerisolation dieser Steckerteile nach
dem Zusammenstecken nur sehr schwer wieder trennen lassen, insbesondere, weil sich
der elastische Silikonkautschuk reib- und formschlüssig an den Aussenkonus anlegt.
Dieses aussergewöhnliche Haftverhalten des elastischen Silikonkautschuks macht es
unumgänglich, dass die Führungsflächen der Steckergarnituren und insbesondere der
Konus aus elastischem Silikonkautschuk regelmässig eingefettet oder mit einem besonderen
Schmiermittel versehen werden müssen. Leider lässt sich nicht vermeiden, dass diese
Fette im Laufe der Zeit in den Silikonkautschuk hineindiffundieren und die erwünschte
Gleitwirkung nachlässt resp. wieder ganz verschwindet.
Darüberhinaus zeigt es sich, dass auch die metallischen Steckkontaktteile sich im
Laufe der Zeit aneinander festsetzen (sich gegenseitig anfressen) und deshalb nur
noch schwer voneinander getrennt werden können.
[0006] Bei der obenerwähnten Anwendung in Hochgeschwindigkeitszügen, aber auch in vielen
Gebieten der Elektrotechnik, werden diese Steckergarnituren selten getrennt, d.h.
können kaum nachgefettet werden, um den Reibwert zu mindern und sind deshalb allfällige
Entkupplungen immer mit zeitraubenden und schwierigen Manipulationen verbunden. Es
ist deshalb das Bestreben der modernen Eisenbahnindustrie, solche aufwendigen Manipuationen
zu eliminieren und insbesondere deren Ziel, das Kuppeln und Entkuppeln von einzelnen
Wagen, zu automatisieren.
[0007] Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine wartungsfreie Steckerisolation
für Hochspannungskabel zu schaffen, die sich insbesondere für das automatische Kuppeln
und Entkuppeln eignet. Insbesondere soll eine Steckerisolation für Kabelsteck- und
Geräteanschlussteile geschaffen werden, deren Isolationskörper aus Silkonkautschuk,
EPDM (Ethylen-Propylen-Terpolymer) oder ähnlichen Isolationswerkstoffen bestehen und
deren Führungsflächen auch nach längerer Kontaktzeit nicht aneinander haften und problemlos
wieder voneinander getrennt werden können.
[0008] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine Steckerisolation mit den Merkmalen
des Anspruchs 9 oder 10 gelöst und insbesondere durch einen Geräteanschlussteil und
einen Kabelsteckteil gemäss Anspruch 1 oder 5, von welchen Teilen mindestens eines
einen aus elastischem Silikonkautschuk, gefertigten Isolierkörper mit einer plasmapolymerisierte
Führungsfläche aufweist. Dabei werden Geräteanschluss- und Kabelsteckteile verwendet,
deren Aufbau und Anordnung im wesentlichen konventionellen Hochstromsteckern entspricht.
Diese weisen grundsätzlich einen aus elastischem Silikonkautschuk, EPDM oder ähnlichen
Isolationswerkstoffen gefertigten Isolationskörper auf, der in einem Gehäuse befestigt
ist und in seinem Innern eine mit dem Kabel verbundene Kontaktbuchse resp. Kontaktstift
aufweist. Bei bekannten Ausführungsformen ist der Aussenkonus des Geräteanschlussteils
mit einem Kunststoff- resp. Giessharzmantel versehen, der in den Innenkonus des Kabelsteckteils
eingeführt werden kann.
[0009] Erfindungsgemäss ist die Führungsfläche des Kabelsteckteils, d.h. die Oberfläche
des aus elastischem Silikonkautschuk, EPDM oder einem ählichen Isolationswerkstoff
gefertigten Innenkonus plasmapolymerisiert. Mit Hilfe des Plasmapolymerisationsverfahrens
wird die Führungsfläche so vernetzt, dass deren Reibkoeffizient und Haftfähigkeit
in hohem Masse reduziert wird. Dies führt zu einer gleitfähigen und nichthaftenden
Oberfläche, deren vorteilhafte Eigenschaften überraschenderweise auch nach längerem
Gebrauch - in einer Testserie wurden mit erfindungsgemäss behandelten Isolationskörpern
über 10'000 Kupplungen vorgenommen, ohne dabei Veränderungen im Gleitverhalten feststellen
zu können - erhalten bleiben.
[0010] In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemässen Steckerisolation sind auch
die Steckkontaktteile in geeigneter Weise behandelt. Dabei hat sich gezeigt, dass
eine Silber-Graphit-Komposit-Beschichtung die obengenannten Anforderungen erfüllen
kann.
[0011] Das Beschichtungsverfahren ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung und soll
hier nicht näher erläutert werden. Es versteht sich aber, dass der Fachmann auf dem
Gebiet der Plasmapolymerisation funktionelle Beschichtungen mit den gewünschten Oberflächeneigenschaften,
insbesondere Dehäsivschichten, ohne erfinderisches Dazutun aufbringen kann. Bei der
vorliegenden Erfindung wurde in einer Ausführungsform ein Isolationskörper aus elastischem
Silikonkautschuk mit modifiziertem Quarz, d.h. mit einer bekannten siliziumorganischen
Verbindung beschichtet. Dadurch liess sich der Haftreibungskoeffizient, der bei elastischem
Silikonkautschuk satt über 1 liegt, auf einen Wert von ca. 0.2 reduzieren. Bei dieser
Beschichtungstechnik zeigt sich überraschenderweise, dass die quarzharte, hochvernetzte
Oberfläche auf dem elastischen Silikonkautschuk bei wiederholter Deformation ihre
Gleiteigenschaften beibehält. Dies führt zu der gewünschten Langzeit-Trennfähigkeit.
[0012] In einer anderen Ausführungsform weist das aus elastischem Silikonkautschuk gefertigte
Isolationsteil des Geräteanschlussteils einen plasmapolymerisierten Aussenkonus auf.
[0013] Die Vorteile der erfindungsgemässen Steckerisolation sind dem Fachmann unmittelbar
erkennbar und sind im wesentlichen in den wartungsfreien und nichthaftenden Führungsflächen
zu sehen. Die Führungsflächen brauchen grundsätzlich nicht mehr gefettet zu werden.
Insbesondere kann mit den erfindungsgemässen Isolierteilen die Funktionsfähigkeit
der Steckverbindung unabhängig von einer regelmässigen Wartung gewährleistet werden,
d.h. werden die Steckerverbindungen bedienungsfreundlicher und betriebssicherer. Die
durch die erfindungsgemässe Steckerisolation erzielte Langzeit-Trennfähigkeit, eignet
sich diese damit besonders auch für das automatische Kuppeln und Entkuppeln von Hochspannungskupplungen,
wie sie bei Hochgeschwindigkeitszügen zum Einsatz kommen.
[0014] Im folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und mit Hilfe der
Figuren näher erläutert werden. Dabei zeigt:
Fig. 1: einen Querschnitt durch ein Geräteanschlussteil;
Fig. 2: einen Querschnitt durch ein Kabelsteckteil;
Fig. 3: einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Geräteanschlussteils;
Fig. 4: einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Kabelsteckteils.
[0015] Bei dem in Figur 1 dargestellten Geräteanschlussteil ist der Isolierkörper 1 aus
einem elektrisch isolierenden Giessharz gefertigt. Dieser Körper ist kabelsteckteilseitig
als Aussenkonus 6 geformt. Zentral in diesem Aussenkonus 6 ist eine metallische Kontaktbuchse
12 eingebettet, die mit den Kabellitzen 5 eines elektrisch leitenden Kabelstrangs
verbunden ist. Der Isolierkörper 1 ist in einem Gehäuse 3 befestigt und kann mit Ablenkresp.
Feldsteuerelektroden 4 versehen sein. Die besondere Dimensionierung und Gestaltung
des Geräteanschlussteils liegt im Bereich des fachmännischen Könnens und ist nicht
Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
[0016] Figur 2 zeigt ein mit dem Geräteanschlussteil gemäss Figur 1 zusammensteckbares Kabelsteckteil.
Dieses weist einen mit einem Innenkonus 8 versehenen Silikonkörper 2 auf, dessen Konusfläche
komplementär zur Konusfläche des Aussenkonus 6 des Geräteanschlussteils gestaltet
ist.
[0017] Zentral in diesem Silikonkörper 2 ist ein Kontaktstift 11 angeordnet, der so dimensioniert
ist, dass dieser in Kontakt mit der Kontaktbuchse 12 des Geräteanschlussteils gebracht
werden kann. Dieser Kontaktstift 11 ist wiederum mit Kabellitzen 5 eines Elektrokabels
verbunden. Es versteht sich, dass auch dieser Silikonkörper 2 mit Ablenkresp. Feldsteuerelektroden
4 versehen sein kann. Erfindungsgemäss ist die Oberfläche dieses Innenkonus 8 plasmapolymerisiert
und weist damit eine plasmapolymerisierte Schicht 9 auf. Dies erlaubt, dass die beiden
konusförmigen Isolierteile 6 (Figur 1) und 8 (Figur 2) mit ihren Führungsflächen 10
deckungsgleich aufeinander geschoben werden können und eine jederzeit lösbare Trennfuge
bilden. Diese plasmapolymerisierte Schicht 9 auf dem Innenkonus 8 weist einen Haftreibungskoeffizienten
von ca. 0.2 auf und erlaubt damit das einfache Gleiten der beiden Führungsflächen
aufeinander und insbesondere das Trennen von Geräteanschlussteil und Kabelsteckteil
dieser Steckerisolation. Zu demselben Zweck weisen die im Innern der Isolierkörper
1, 2 eingebetteten Kontaktsteckerteile 11, 12 in einer bevorzugten Ausführungsform
eine Silber-Graphit-Komposit-Beschichtung auf.
[0018] Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Geräteanschlussteils dessen Isolierkörper
1 aus Giessharz gefertigt ist, jedoch mit einem Innenkonus 13 versehen ist. Im Innern
des Isolierkörpers 1 liegt wiederum eine Kontaktbuchse 12, die mit Kabellitzen 5 eines
Kabelstrangs verbunden ist. Die Kontaktbuchse 12 ist so geformt, dass sie einen Kontaktstift
11 des dazugehörigen Kabelsteckteils aufnehmen kann. Ein dazugehöriges Kabelsteckteil
ist in Figur 4 dargestellt und weist einen aus Silikonkautschuk gefertigten Isolierkörper
2 auf. Dieser Silikonkörper ist ebenfalls konisch geformt, sodass dessen Konusfläche
10 mit der Innenkonusfläche 13 des Geräteanschlussteils gemäss Figur 3 fluchtet. Erfindungsgemäss
ist mindestens diese konische Führungsfläche 10 plasmapolymerisiert resp. mit einer
plasmapolymerisierten Schicht 9 versehen. In analoger Weise liegt ein Kabelstrang
axial in diesem Isolierteil und sind dessen Kabellitzen 5 mit einem Kontaktstift 11
verbunden. Dieser metallische Kontaktstift 11 kann in bevorzugten Ausführungsformen
mit Kontaktlamellen 14 ausgerüstet sein. Vorzugsweise sind auch bei dieser in den
Figuren 3 und 4 dargestellten weiteren Ausführungsformen die Kontaktsteckerteile mit
einer Silber-Graphit-Komposit-Beschichtung versehen, um zu verhindern, dass sich diese
metallischen Teile gegenseitig festsetzen.
[0019] Zusammenfassend erweist sich die plasmapolymerisierte Oberfläche der aus Silikonkautschuk,
EPDM oder ähnlichen Isolationswerkstoffen gefertigten Isolierteile als erfindungswesentlich.
Moderne Plasmatechniken umfassen Verfahren, bei denen die Oberflächeneigenschaften
von Werkstücken durch Einwirkung einer kalten, d.h. einer bei Raumtemperatur vorgenommenen,
elektrischen Gasentladung, eines sogenannten Plasmas, modifiziert werden. Dazu zählen
alle Plasmaentladungen bei denen eine dünne Schicht eines Polymerisats abgeschieden
wird und bei denen die Oberfläche des Werkstücks zumindest gereinigt oder auch intensiv
aktiviert und verändert wird. Bei dieser Plasmatechnik und insbesondere bei der Plasmapolymerisation
wird im Prinzip eine elektrische Gasentladung in einem, mit einem geeigneten Monomer
begasten Unterdruckgefäss vorgenommen. Eine elektrische Spannungsquelle ist an zwei
innerhalb dieses Unterdruckgefässes angeordneten Elektroden angeschlossen. Mikroskopisch
gesehen, werden durch den Stromdurchgang die Moleküle im Gasraum zum Teil ionisiert.
Durch das zwischen den Elektroden liegende elektrische Feld werden die Ionen beschleunigt
und erreichen dabei Energien in der Grössenordnung von 10eV. Diese Energie genügt,
um chemische Bindungen aufzubrechen und Reaktionen in Gang zu setzen, die sonst erst
bei sehr hohen Temperaturen von beispielsweise ca. 12'000°C ablaufen würden. Für die
Modifikation der Werkstoffoberfläche wird in das Unterdruckgefäss resp. den Entladungskessel
mindestens ein reaktionsfähiges, gasförmiges Monomer eingebracht. Die Moleküle des
Monomers werden durch Stösse mit den energiereichen Elektronen der Gasentladung angeregt
und aktiviert, zu einem nennenswerten Teil auch fragmentiert. Damit stehen im Gasraum
angeregte Monomere und Fragmente für die Reaktion an der Oberfläche des Werkstücks
zur Verfügung. Diese Reaktionen sind die eigentliche Basis der Plasmapolymerisation.
Dabei ist der radikalische Reaktionspfad, der die Reaktionen und Schichtbildungen
auch mit Verbindungen gestattet, die, weil gesättigt, normalerweise nicht polymerisationsfähig
sind, von zentraler Bedeutung. Durch die verschiedenen Möglichkeiten von Wechselwirkungen
zwischen der Gasphase und den Oberflächen der Werkstoffe, sowie zwischen den elektrisch
neutralen, aber hochangeregten Molekülen, den freien Radikalen und das durch die Plasmaentladung
selbst erzeugte kurzwellige, ultraviolette Licht erweisen sich die unterschiedlichen
Reaktionsmechanismen als sehr komplex.
[0020] Neuere Untersuchungen dieser Mechanismen sind beispielsweise 1994 an der Bundesdeutschen
Fachtagung für Plasmatechnologie in Wuppertal vorgestellt worden. Grundsätzlich entsteht
bei diesem Oberflächenbehandlungsverfahren ein sehr kurzkettiges, jedoch hochvernetztes
Netzwerk mit sehr kurzen Zwischenketten. Regelmässig sich wiederholende Strukturen,
wesentliches Merkmal einer Polymerisation, fehlen fast vollständig. Die durch die
Plasmapolymerisation erzeugte Oberflächenschicht weist wegen des hohen Vernetzungsgrades
ganz neue Eigenschaften auf, die sich grundsätzlich von denen eines konventionell
aus dem gleichen Monomer hergestellten Polymers unterscheiden. Das erzeugte, hochvernetzte
Polymerisat ist praktisch stets ein Duromer, ist hart und sehr temperaturbeständig.
Diese Oberflächenschicht ist schon bei geringer Schichtdicke frei von Pinholes und
wegen der räumlichen Vernetzung mit nahezu keinem Lösemittel mehr auflösbar.
[0021] Mit dieser Plasmapolymerisationstechnik können praktisch alle organischen Verbindungen
zur Schichtbildung gebracht werden, wobei sich typischerweise Substanzen aus der Familie
der reinen Kohlenwasserstoffe, Silizium-Kohlenwasserstoffe, Metallorganika, usw. als
geeignet erweisen. Durch geeignete Wahl von Material aus solchen Familien sind die
Schichteigenschaften leicht steuerbar, z.B. in Richtung Silikon oder Quarz, in Richtung
"Teflon" oder auch zu metallhaltigen Schichten. Das Plasmapolymerisationsverfahren
ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung und soll hier nicht im Detail weiter
erläutert werden. Die für die vorliegende Erfindung besonders geeigneten plasmapolymerisierten
Oberflächen sind quarz-resp. teflonartig. Deren Erzeugung liegt im Bereich des normalen
Könnens des Fachmanns auf dem Gebiet der Plasmapolymerisation.
[0022] Es versteht sich, dass die erfindungsgemässe Steckerisolation ohne weiteres so dimensioniert
werden kann, dass sich diese auch für den Mittel- und Niederspannungsbereich oder
als Verbindungsmuffen eignet. Ausserdem können die Isolierteile der einzelnen Steckergarniturteile
auch mit nichtkonischen Führungsflächen, insbesondere mit zylindrischen oder gerippten
Flächen versehen sein, wobei es unerheblich ist, ob nur das Isolierteil des Kabelsteckteils,
oder auch dasjenige des Geräteanschlussteils aus Silikonkautschuk, EPDM oder ähnlichen
Isolationswerkstoffen gefertigt ist.
1. Kabelsteckteil für ein Hochspannungskabel (5) mit einem Isolierkörper (2) aus elastischem
Silikonkautschuk, EPDM oder einem ähnlichem Isolationswerkstoff, in welchem ein Steckkontaktteil
(11 oder 12) einbettbar ist und dessen geräteteilseitiger Teil zur Aufnahme eines
Geräteanschlussteils mit einer Führungsfläche (10) versehen ist, dadurch gekennzeichnet,
dass die Führungsfläche (10) plasmapolymerisiert ist.
2. Kabelsteckteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsfläche (10)
einen Haftreibungskoeffizienten von weniger als 0.2 aufweist.
3. Kabelsteckteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
geräteanschlussteilseitige Teil des Isolierkörpers (2) als Innenkonus (8) oder als
Aussenkonus (6) ausgebildet ist.
4. Kabelsteckteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der
Steckkontaktteil (11, 12) eine Silber-Graphit-Komposit-Beschichtung aufweist.
5. Geräteanschlussteil für ein Hochspannungskabel (5) mit einem Isolierkörper aus Silikonkautschuk,
EPDM oder ähnlichem Isolationswerkstoff, in welchem ein Steckkontaktteil einbettbar
ist und dessen kabelsteckseitiger Teil zur Aufnahme eines Kabelsteckteils mit einer
Führungsfläche versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsfläche plasmapolymerisiert
ist.
6. Geräteanschlussteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsfläche
einen Haftreibungsreibungskoeffizienten von weniger als 0.2 aufweist.
7. Geräteanschlussteil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der kabelsteckteilseitige
Teil des Isolierkörpers als Aussen- oder als Innenkonus ausgebildet ist.
8. Geräteanschlussteil nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
der Steckkontaktteil eine Silber-Graphit-Komposit-Beschichtung aufweist.
9. Steckerisolation für ein Kabelsteckteil gemäss Anspruch 1.
10. Steckerisolation für einen Geräteanschlussteil gemäss Anspruch 5.