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Dokumentenidentifikation DE3842919C2 27.04.1995
Titel Schaltstück für einen Vakuumschalter
Anmelder Calor-Emag Elektrizitäts AG, 40878 Ratingen, DE
Erfinder Egli, Walter, Bäretswil, CH;
Gellert, Bernd, Dipl.-Math. Dipl.-Phys. Dr., Wettingen, CH;
Schade, Ekkehard, Dr., Baden, CH
Vertreter Rupprecht, K., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 61476 Kronberg
DE-Anmeldedatum 21.12.1988
DE-Aktenzeichen 3842919
Offenlegungstag 05.07.1990
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 27.04.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.04.1995
IPC-Hauptklasse H01H 1/02
IPC-Nebenklasse H01H 33/66   C23C 24/00   C23C 30/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Schaltstück für einen Vakuumschalter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Hiermit nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik Bezug, wie er in der DE 31 07 688 A1 beschrieben ist. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Schaltstücke für Vakuumschalter zu fertigen, die aus einem Kontaktträger aus elektrisch resp. wärmeleitendem Material, wie etwa Kupfer, bestehen und eine auf dem Kontaktträger aufgebrachte Schicht aus schlechtem elektrisch resp. wärmeleitendem Material aufweisen, wie etwa Legierungen aus Kupfer und Uran oder Kupfer und Chrom. Die zur Aufnahme des Lichtbogenfußpunktes vorgesehene Schicht kann hierbei aufgelötet oder plasmagespritzt werden, kann aber auch durch Oberflächenlegieren des Kontaktträgers gebildet werden. Üblicherweise weisen die Lichtbogenkontaktschichten Dicken von mehr als 5 min auf. Es hat sich nun gezeigt, daß bei solchermaßen ausgebildeten Schaltstücken das Schmelzverhalten der Lichtbogenkontaktschicht und die Abnahme der von der Lichtbogenkontaktschicht während der Brennphase eine Schaltlichtbogens gelieferten Dampfdichte nach Erlöschen des Lichtbogens im Stromnulldurchgang nicht optimal sind.

Aus der EP 0 234 246 A1 ist ein Schaltkontaktstück für Vakuumschalter bekannt geworden, bei dem eine Lichtbogenkontaktschicht vorgesehen ist, die Zusätze in Pulverform, als Granulat und dgl. enthält. Das Kontaktmaterial für den Kontaktkörper ist ein Kupfer-Chrom-Kontaktwerkstoff. Die Zusätze sollen allerdings leicht verdampfbar sein, damit eine hinreichend leitende Schaltstrecke beim Ausschaltvorgang erzeugt werden kann. Leicht verdampfbare Elemente sind dabei Se, Te, Pb, Bi, Ba, Ca, Ce, In, La, Li, Sb und/oder Sr bzw. Verbindungen hiervon.

Weiterhin ist es aus der CH 137 575 bekannt, wenigstens die Kontaktfläche eines der beiden Kontaktstücke eines Vakuumschalters aus einem Metall herzustellen, das mit dem Metall des Gegenkontaktes keine Legierungen bildet. Das eine Kontaktstück kann aus Kupfer, Silber oder dgl. und das andere Kontaktstück aus z. B. Wo, Ta, Mo, Cr oder dgl. hergestellt sein. Dabei können beide der Kontaktstücke aus Kupfer hergestellt sein, wobei das eine mit dem besonderen Überzug versehen ist. Die Stärke dieses Überzugs wird möglichst dünn gewählt, um einen raschen Wärmeaustausch zwischen der Kontaktfläche und mit dem Kontaktstück herbeizuführen.

Das Problem der Wärmeleitfähigkeit ist bereits auch in der DE-PS 5 81 561 angesprochen; danach sollen die Kontaktelemente eines Vakuumschalters aus gut wärmeleitendem Material hergestellt sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schaltstück für einen Vakuumschalter zu schaffen, welches ein gutes Schmelzverhalten aufweist und sich zugleich durch eine günstige Dampfdichte-Entwicklung auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1.

Eine vorteilhafte erste Ausgestaltung der Erfindung ist dann, wenn als erstes, gut wärmeleitendes Material beispielsweise Kupfer und als zweites, schlechter wärmeleitendes Material, wie z. B. Cr, Co, Fe, Nb, Zr, Mo, W verwendet wird, welches dem ersten Material in Form von Körnern zugesetzt ist, gekennzeichnet durch die Merkmale des Anspruches 2.

Eine weitere Ausgestaltung eines die gleichen Materialien enthaltenden Schaltstückes ist den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 3 zu entnehmen.

Zwar ist aus der US-PS 3 360 348 ein Schaltstück für einen Schalter bekannt geworden, der dadurch hergestellt wird, daß Pulvermaterial in einer Kolbenzylinderanordnung gepreßt und danach mit Kupfer imprägniert wird. Dabei ist der Kupfergehalt auf der der Lichtbogenfläche entgegengesetzten Seite des Kontaktstückes größer als im lichtbogenbenachbarten Bereich, was sich einfach aus der Herstellung des Kontaktstückes durch Pressen, Sintern und anschließendem Imprägnieren mit Kupfer ergibt.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist dem Anspruch 3 zu entnehmen.

Die Dicke der Lichtbogenkontaktschicht ist durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 4 und 5 näher definiert. An sich bekannt ist die Dickenbemessung aus den Druckschriften EP 0 234 246 A1 und DD-PS 1 59 123.

Zusätzlich zu den genannten Druckschriften sind auch in der DE 35 41 584 A1 und der DE 30 50 651 A1 Hinweise auf Materialien, die in die Lichtbogenkontaktschicht eingebracht werden, enthalten.

Beim erfindungsgemäßen Schaltstück ist die Wärmeleitung nahe der Oberfläche, auf der der Lichtbogen brennt, behindert. Zugleich aber wird durch geeignete Ausgestaltung und Dimensionierung der Lichtbogenkontaktschicht erreicht, daß die praktisch beliebig große Wärmeleitung des Kontaktträgers die Aufheizung und die Abkühlung der Oberfläche erheblich beeinflußt. Hierdurch wird das Schaltstück an der Oberfläche nur bis zu einer geringen Tiefe und für eine geringe Zeit aufgeschmolzen. Zudem fällt die Dichte des vom Schaltlichtbogen aus dem Material der Lichtbogenkontaktschicht gebildeten Dampfes nach Erlöschen des Lichtbogens im Stromnulldurchgang rasch ab.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Aufsicht auf einen axial geführten Schnitt durch ein im wesentlichen zylindersymmetrisch ausgebildetes Schaltstück nach der Erfindung,

Fig. 2 die funktionelle Abhängigkeit der Zeit T, in der die bei einem Schaltvorgang durch den Schaltlichtbogen gebildete Dampfdichte, gerechnet ab dem Stromnulldurchgang, unter einem Grenzwert von beispielsweise 3 · 10¹&sup5; Teilchen pro cm³ gefallen ist, von der Dicke der Lichtbogenkontaktschicht für unterschiedliche Materialzusammensetzungen,

Fig. 3 einen vergrößert dargestellten Ausschnitt aus Fig. 1, bei dem eine Lichtbogenkontaktschicht dargestellt ist, welche gebildet wird von unterschiedlich ausgerichteten und geformten Körnern eines vergleichsweise schlecht wärmeleitenden Materials und einem demgegenüber gut wärmeleitenden, die Körner einbettenden Material, und

Fig. 4 einen vergrößert dargestellten Ausschnitt aus Fig. 1, bei dem eine Lichtbogenkontaktschicht dargestellt ist, welche gebildet wird von Körnern aus einem vergleichsweise schlecht wärmeleitenden Material und einem demgegenüber gut wärmeleitenden Material, in das die Körner mit von oben nach unten abnehmender Konzentration eingebettet sind.

Das in Fig. 1 dargestellte Schaltstück ist zum Einbau in einen Vakuumschalter für mittlere Spannungen bestimmt. Es weist einen stempelförmigen Kontaktträger 1 aus einem gut wärmeleitenden Material, wie etwa Kupfer, auf. Auf seiner in Fig. 1 im wesentlichen nach oben gerichteten und nach Einbau in den Vakuumschalter einem entsprechend aufgebauten Gegenstück gegenüberstehenden Oberfläche befindet sich eine Lichtbogenkontaktschicht 2 aus einem Material geringer Wärmeleitfähigkeit. Eine solche Schicht kann aus einem oder mehreren hochschmelzenden Metallen, wie etwa Chrom, Kobalt, Eisen, Niob, Zirkonium, Molybdän, Uran oder Wolfram bestehen, kann aber auch von einer Legierung eines oder mehrerer dieser und gegebenenfalls weiterer hochschmelzender Metalle mit einem gut wärmeleitenden Metall, wie Kupfer, gebildet sein, kann aber auch hochtemperaturbeständige Isolierstoffteilchen, etwa auf der Grundlage einer Keramik, enthalten, welche in eine Matrix aus einem gut wärmeleitenden Material, wie etwa Kupfer, eingebettet sind.

Von großer Bedeutung ist es, der Lichtbogenkontaktschicht 2 eine bestimmte Dicke zu geben, um so eine rasche Abnahme der bei einem Schaltvorgang vom Lichtbogen aus den Lichtbogenkontaktschichten 2 der beiden Schaltstücke herausgedampften Teilchen und damit eine Erhöhung der Spannungsfestigkeit der Schaltstücke nach dem Erlöschen des Lichtbogens im Stromnulldurchgang zu bewirken. Dieser Sachverhalt ist in Fig. 2 dargestellt. In dieser Figur bedeuten 1 die Dicke der Lichtbogenkontaktschicht 2 in Millimetern, T die Zeit in Millisekunden, nach dem Stromnulldurchgang innerhalb der die Dichte des vom Lichtbogen bei einem Schaltvorgang aus den Lichtbogenkontaktschichten gebildeten Dampfes unter einen Grenzwert von beispielsweise 3·10¹&sup5; Teilchen pro cm³, bei dem ein Wiederzünden aufgrund eines Paschendurchschlags gerade ausgeschlossen ist, gefallen ist und die Parameter I-V Materialzusammensetzung der beteiligten Lichtbogenkontaktschichten. Diese Materialzusammensetzungen sind:

I 100% Chrom

II je 50% Chrom und Kupfer

III 25% Chrom und 75% Kupfer

IV 100% Kupfer

V ein Material, dessen Wärmeleitfähigkeit sich von einem kleinsten Wert an der Oberfläche annähernd kontinuierlich zum Wärmeleitfähigkeitswert des Kontaktträgers hin vergrößert, wie beispielsweise ein Chrom und Kupfer enthaltendes Material, dessen Chromanteil an der Oberfläche von 10 % auf 0% im Kontaktträger abnimmt und dessen Kupferanteil von 90% an der Oberfläche auf 100% im Kontaktträger zunimmt.

Ein mit einer Lichtbogenkontaktschicht gemäß dem Parameter V ausgeführtes Schaltstück weist einen besonders ausgeprägten Wärmeleitfähigkeitsgradienten ins Innere des Schaltstücks auf. Dies ist durch Pfeile in den Fig. 1, 3 und 4 angedeutet.

Eine solchermaßen wirkende Lichtbogenkontaktschicht läßt sich durch unterschiedliche Formung und Ausrichtung von Körnern eines Materials geringer Wärmeleitfähigkeit in einem Material höherer Wärmeleitfähigkeit erreichen. Dies ist aus Fig. 3 ersichtlich. Bei der dort dargestellten Ausführungsform des Schaltstücks nach der Erfindung sind in der Lichtbogenkontaktschicht 2 jeweils längs einer Achse oder Ebene erstreckte Körner 3, 4 aus einem gegenüber Kupfer oder Aluminium höherschmelzenden und schlechter wärmeleitenden Material, wie beispielsweise Cr oder W, enthalten. An der Oberfläche des Schaltstücks befindliche Körner 4 sind annähernd parallel zur Oberfläche angeordnet, während im Innern der Lichtbogenkontaktschicht 2 liegende Körner 3 mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche des Schaltstücks stärker gegen die Oberfläche geneigt sind.

Eine wie zuvor beschrieben wirkende Lichtbogenkontaktschicht läßt sich auch durch unterschiedliche Konzentration von Materialien geringer Wärmeleitfähigkeit in einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit erreichen. Dies ist aus Fig. 4 ersichtlich. Bei der dort dargestellten Ausführungsform des Schaltstücks nach der Erfindung sind in der Lichtbogenkontaktschicht überwiegend gleichförmig ausgebildete und angeordnete Körner 5, 6 aus einem gegenüber Kupfer oder Aluminium höherschmelzenden und schlechter wärmeleitendem Material, wie beispielsweise Chrom oder Wolfram, enthalten. An der Oberfläche des Schaltstücks befindliche Körner 5 weisen hierbei die höchste Teilchendichte auf. Die Teilchendichte nimmt nach innen nahezu kontinuierlich gegen Null ab.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Zeit T, in der die Dampfdichte nach dem Stromnulldurchgang unter einen vorgegebenen Grenzwert gefallen ist, dann minimal ist, wenn die Dicke 1 der Lichtbogenkontaktschicht 2 ca. 0,3-0,7 mm beträgt. Darüber hinaus ist aus dieser Figur auch ersichtlich, daß der Wert des Minimums ganz beträchtlich unter dem entsprechenden Wert eines Schaltstücks liegt, bei dem eine übliche Lichtbogenkontaktschicht von 5-8 mm Dicke eingesetzt ist. Bei einer Lichtbogenkontaktschicht aus jeweils 50% Kupfer und Chrom beträgt bei einer Schichtdicke von 0,5-0,6 mm die Zeit T nur ca. 2 ms, bei einer entsprechend zusammengesetzten Schicht, jedoch mit einer Schichtdicke von ca. 5 mm, mehr als 2,5 ms.

Ein Vakuumschalter mit Schaltstücken, deren Lichtbogenkontaktschichten eine Dicke aufweisen, bei der die vorstehend definierte Zeit T minimal ist, weist daher ein erheblich besseres Abschaltvermögen auf als ein Schalter mit herkömmlich ausgebildeten Schaltstücken. Dies ist im wesentlichen dadurch bedingt, daß Aufheizung und Abkühlung der oberflächennahen und vom Schaltlichtbogen aufgeschmolzenen Bereiche beeinflußt sind durch den Kontaktträger und unter der Wirkung eines ins Innere des Schaltstückes gerichteten Gradienten der Wärmeleitung stehen. Der Kontaktträger beeinflußt Aufheizung und Abkühlung der oberflächennahen Bereiche ersichtlich auch dann noch erheblich, wenn gemäß Fig. 2 die Dicke der Lichtbogenkontaktschicht größer 0,3 mm und kleiner 2 mm ist. Schalter mit Schaltstücken, deren Lichtbogenkontaktschichten derart bemessen sind, zeichnen sich daher ebenfalls durch eine schnelle Wiederverfestigung der Schaltstrecke und somit durch ein gutes Löschvermögen aus. Besonders hervorzuheben sind Lichtbogenkontaktschichten, die aus dem Material V bestehen.

Derartige Lichtbogenkontaktschichten weisen auch noch bei größeren Schichtdicken eine vergleichsweise gringe Zeit T zur Wiederverfestigung der Schaltstrecke auf.

Schaltstücke nach der Erfindung und andere entsprechend beschaffene Bauteile, wie oberflächenbeschichtete Werkstücke, lassen sich durch Infiltrationsmethoden, Aufschmelzen der Oberfläche mittels Lasers, Lichtbogens oder Elektronenstrahls, Auflöten oder Plasmaspritzen herstellen. In den Fig. 5-9 sich nachfolgend Vorrichtungen angegeben, mit denen sich diese Schaltstücke in wirtschaftlicher Weise und unter Erzielung eines gleichmäßigen Aufbaus herstellen lassen.

In allen Figuren bezeichnet 1 den vorzugweise aus Kupfer bestehenden Kontaktträger des herzustellenden Schaltstücks und liegt auf diesem Kontaktträger zunächst eine beispielsweise 0,5 mm dicke Auflageschicht 7 auf, welche nach der Herstellung des Schaltstücks in der Lichtbogenkontaktschicht enthalten ist. Die Auflageschicht kann ein Blech, ein Sinterkörper sowie loses oder gepreßtes Pulver sein. Sie besteht aus dem in der Lichtbogenkontaktschicht enthaltenen Material geringer Wärmeleitfähigkeit.

Für die Herstellung der Lichtbogenkontaktschicht ist es möglich, den Tragkörper an der Oberfläche aufzuschmelzen und das Pulver unter der Wirkung der Schwerkraft auf den Tragkörper rieseln zu lassen, wo es dann laufend eingeschmolzen wird.


Anspruch[de]
  1. 1. Schaltstück für einen Vakuumschalter mit einem Kontaktträger (1) aus einem Material guter Wärmeleitfähigkeit und mit einer auf dem Kontaktträger (1) auf gebrachten Lichtbogenkontaktschicht (2) aus einem Material geringerer Wärmeleitfähigkeit, die eine Dicke aufweist, bei der Aufheizung und Abkühlung oberflächennaher und vom Schaltlichtbogen aufgeschmolzener Bereiche durch den Kontaktträger (1) derart beeinflußt sind, daß beim Brennen des Schaltlichtbogens ein von der Schaltstückoberfläche ins Innere des Schaltstückes hineingerichteter Gradient der Wärmeleitung gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtbogenkontaktschicht (2) aus einem Material besteht, dessen Wärmeleitfähigkeit von der Schaltstückoberfläche zum Kontaktträger (1) hin zunimmt.
  2. 2. Schaltstück, dessen Lichtbogenkontaktschicht (2) ein erstes gut wärmeleitendes Material, z. B. Cu sowie ein zweites, schlechter wärmeleitendes Material, z. B. Cr, Co, Fe, Nb, Zr, Mo, W, welches dem ersten Material in Form von Körnern (3, 4) zugesetzt ist, enthält, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der Körner (3, 4) mit dem schlechter wärmeleitenden Material von der Schaltstückoberfläche zum Kontaktträger (1) hin abnimmt.
  3. 3. Schaltstück, bei dem die Lichtbogenkontaktschicht (2) ein erstes gut wärmeleitendes Material, z. B. Cu sowie ein zweites, schlechter wärmeleitendes Material, z. B. Cr, Co, Fe, Nb, Zr, Mo, W, welches dem ersten Material in Form von Körnern (3, 4) zugesetzt ist, enthält, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Körner (3, 4) aus schlechter wärmeleitendem Material so in die Lichtbogenkontaktschicht (2) eingebettet sind, daß durch unterschiedliche Formgebung und Ausrichtung der Körner (3, 4) der Wärmeleitungsgrad erzielbar ist.
  4. 4. Schaltstück nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtbogenkontaktschicht (2) eine zwischen 0,3 und 2 mm liegende Dicke aufweist.
  5. 5. Schaltstück nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke zwischen 0,4 und 0,7 mm liegt.






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