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Dokumentenidentifikation DE102004024094B4 13.04.2006
Titel Löschkammer mit Lichtbogenlöschplatten und Verfahren zur Herstellung einer Lichtbogenlöschplatte für eine derartige Löschkammer
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Haas, Wilfried, 91058 Erlangen, DE;
Hartmann, Werner, Dr., 91085 Weisendorf, DE
DE-Anmeldedatum 14.05.2004
DE-Aktenzeichen 102004024094
Offenlegungstag 08.12.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 13.04.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.04.2006
IPC-Hauptklasse H01H 9/34(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Löschkammer für Schaltgeräte mit Lichtbogenlöschplatten, die metallische und/oder nichtmetallische Materialien aufweisen. Daneben bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer Löschplatte für eine solche Löschkammer.

Umfeld vorliegender Erfindung ist die Stromunterbrechung in Energieverteilungsnetzen und zugehörige Anordnungen: Stromunterbrechende Geräte wie Leistungsschalter und Leitungsschutzschalter arbeiten meist mit einem Kontaktpaar, welches durch Trennung den Stromfluss unterbricht. Der bei der Kontakttrennung unter Stromfluss auftretende Lichtbogen verhindert jedoch die Stromunterbrechung bis zu seinem Verlöschen.

Bei vorgenannten Schaltgeräten sind üblicherweise Maßnahmen zur Verbesserung der Löschung solcher Lichtbögen vorgesehen, die insbesondere auch den durch den Schaltlichtbogen fließenden Durchlassstrom auf Werte begrenzen sollen. Insbesondere soll die Lichtbogenlöschung vereinfacht und sollen das Schaltgerät selbst sowie andere elektrische Anlagen vor den Auswirkungen des Stromflusses geschützt werden.

Die am weitesten verbreitete Lösung obigen Problems ist die Verwendung einer „Löschkammer" genannten Löscheinrichtung für den Lichtbogen. In dieser Löschkammer wird mit geeigneten Maßnahmen die Lichtbogenspannung soweit erhöht, dass der Stromfluss durch das Schaltgerät und nachgeschaltete Netze bzw. Anlagen begrenzt wird. Weiterhin wird die Lichtbogenspannung soweit erhöht, dass der Spannungsbedarf des Lichtbogens nicht mehr vom Netz gedeckt wird, wodurch ein früherer Löschzeitpunkt erreicht wird als dem natürlichen Stromnullldurchgang im Netz entspricht.

Nach dem Stand der Technik, z.B. der US 2002/0134758 A1, erfolgt die geforderte Erhöhung der Lichtbogenspannung dadurch, dass der Lichtbogen durch hydrodynamische und magnetische Kräfte in einen Stapel aus gegeneinander elektrisch isolierten metallischen Platten, den sogenannten Löschblechen, getrieben wird. Dadurch wird der Lichtbogen in eine entsprechende Anzahl von in Serie geschalteten Einzellichtbögen aufgespalten, deren Gesamtspannung deutlich über der eines Einzellichtbogens vergleichbarer Gesamtlänge liegt. Bei entsprechender Löschblechzahl wird so das geforderte Ziel – frühzeitige Löschung des Lichtbogens bei starker Begrenzung des Durchlassstromes – erreicht.

Um das Einlaufen des Lichtbogens in das Löschblechpaket zu erzwingen, sind zwei Maßnahmen notwendig:

  • – Verwendung elektrisch ausreichend leitfähiger Werkstoffe für die Löschbleche, um die für die Einzellichtbögen notwendigen Lichtbogenfußpunkte auf den Löschblechen zuzulassen; meist wird für die Löschbleche ein eisenbasierter Werkstoff, insbesondere magnetischer Stahl, eingesetzt und
  • – Verwendung von magnetischen Werkstoffen für die Löschbleche, um die antreibende Magnetkraft auf den Lichtbogen in das Löschblechpaket hinein soweit zu erhöhen, dass die rücktreibenden hydrodynamischen Kräfte (Staudruck; abströmende heiße Gase, erzeugt durch Verdampfung von Löschblechen und Wänden) überwunden werden.

Eine weitere Erhöhung der Lichtbogenspannung wird nach dem Stand der Technik dadurch erreicht, dass das Löschblechpaket seitlich von einem geeigneten, nicht oder nur schwach leitfähigem Polymer (Duroplast, Thermoplast, Harz; evtl. auch faserverstärkt) begrenzt und ggf. gehaltert wird. Bei der durch die Lichtbogenbelastung dieser Wand erfolgenden Zersetzung dieses Werkstoffes werden Gase, insbesondere Wasserstoff, freigesetzt, die über ihre kühlende Wirkung sowie durch direkte Einflussnahme auf die plasmaphysikalischen Vorgänge im Lichtbogen (Wasserstoff) die Lichtbogenspannung zusätzlich heraufsetzen und so das Löschvermögen dieser Anordnung erhöhen.

Eine andere bekannte Möglichkeit, die spannungserhöhende Wirkung bei der Zersetzung von Polymeren zu nutzen, beruht darauf, die Löschbleche selbst aus leitfähigen Kunststoffen zu fertigen; dabei kommen sowohl selbstleitende Kunststoffe zum Einsatz als auch nichtselbstleitende Kunststoffe, welche durch Zugabe von leitfähigen Zusätzen leitfähig gemacht werden. Dadurch wird die Übernahme des Stroms in Form von Lichtbogen-Fußpunkten auf den Löschblechen ermöglicht, wobei der im unmittelbaren Fußpunktbereich liegende Kunststoff verdampft wird und dadurch die Lichtbogenspannung deutlich erhöht. Bekannt ist hier auch die Möglichkeit, magnetische Zusätze z.B. in Form von Nickel- oder Eisenpulver einzusetzen, um die antreibende Magnetkraft zu erhöhen. Vorteil dieser Methode ist die einfache und kostengünstige Fertigung. Die geringe mechanische Festigkeit der Platten sowie eine geringe Sättigungsfeldstärke aufgrund des hohen Polymeranteils sind jedoch gravierende Nachteile.

Eine weitere bekannte Möglichkeit besteht darin, anstelle des Löschblechpakets einen Polymerspalt zu verwenden, in den der Lichtbogen hineingetrieben wird. Hierzu wird auf die Dissertation Wachholz "Beitrag zur Gestaltung von Vollplast-Lichtbogenlöschkammern in Leistungsschaltern" (TU Chemnitz 1999). Durch Kühlung des Lichtbogens an den Wänden sowie der Durchmischung mit den dabei entstehenden Zersetzungsprodukten in Gasform wird die Lichtbogenspannung auf die geforderten Werte angehoben. Allerdings sind bei dieser Ausführungsform die antreibenden Kräfte im Allgemeinen zu klein, um den Lichtbogen ohne zusätzliche Hilfsmaßnahmen wie z.B. ein zusätzliches Magnetfeld in den Spalt zu treiben.

Neben letzterem Stand der Technik ist aus der DE 298 06 207 U1 eine gasisolierte Schaltanlage bekannt, bei der neben metallischen Gehäuseteilen auch Kunststoffgehäuseteile verwendet werden, wobei das metallische Gehäuse aus einem offenporigen Metallgewebe bestehen kann, in das Kunststoff eingebracht ist.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Löschkammer mit Löschblechen zu schaffen und ein zugehöriges Verfahren zur Herstellung der Löschbleche anzugeben.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Ein Verfahren zur Herstellung der bei der erfindungsgemäßen Löschkammer verwendeten Löschbleche ist im Patentanspruch 6 angegeben. Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Gemäß der Erfindung werden Löschbleche als Platten aus porösem, elektrisch gut leitfähigem magnetischen Werkstoff gebildet, wobei die Poren mit einem Polymer gefüllt sind. Derartige Löschplatten werden als Metallmatrix hergestellt, wobei die Poren mit einem Polymer gefüllt werden. Vorzugsweise werden dabei offenporige Sinterwerkstoffe aus magnetischem Werkstoff, aus Kostengründen vorzugsweise aus Stahl, eingesetzt, die durch Flüssigphasen-Heißtränken oder Kalttränken mit anschließender Polymerisationsphase oder Aushärtung durch Abkühlen, z.B. bei Einsatz von Thermoplasten, mit dem Polymer gefüllt werden. Dabei ist – entgegengesetzt zum Stand der Technik – die Matrix aus einem festen metallischen Gitter, während der Füller ein mechanisch weitaus weniger stabiles Polymer ist. Auch metallische Netze aus magnetischem Werkstoff sowie daraus hergestellte, gegebenenfalls kaltverschweißte Stapel aus Netzen und ähnliche Lösungen entsprechen dem Erfindungsgedanken einer solchen offenporigen metallischen Matrix. Ebenso können Kombinationen verschiedener Metalle mit unterschiedlichen Eigenschaften, wie z.B. Kupfer in Kombination mit Eisen oder Nickel, eingesetzt werden, um das Gesamtsystem zu optimieren.

Besonders vorteilhaft bei der Erfindung ist, dass das den Wasserstoff enthaltende Polymer – ähnlich der in der US 2002/0134758 A1 beschriebenen Problemlösung – sehr nahe an den Fußpunkten des Lichtbogens ist und daher größten Einfluss auf die Lichtbogenspannung hat, jedoch durch die Metallmatrix mechanisch erheblich fester gebunden ist und nicht durch Partikelerosion bzw. Plattenbruch verloren geht. Dadurch können Polymere mit hohem Wasserstoffgehalt eingesetzt werden, was andernfalls aus mechanischen Gründen nicht möglich ist. Dadurch ist ein besonders schneller und hoher Bogenspannungsaufbau in kompakter Geometrie möglich, wodurch das Schaltvermögen insbesondere bei höheren Spannungen besonders stark positiv beeinflusst wird.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen

1 eine Löschkammer gemäß dem Stand der Technik mit ferromagnetischen Löschblechen in schematischer Schnittdarstellung,

2 eine neue Ausführung einer Löschkammer mit einem erfindungsgemäßen Löschblechpaket und

3 einen Ausschnitt aus 2 zur Verdeutlichung eines einzelnen Löschbleches.

In 1 ist ein Kontaktsystem 1 dargestellt, das einen Festkontakt 2 und einen Bewegkontakt 3 aufweist. Der Festkontakt 2 ist mit einer Stromzuführung 4 verbunden.

Bei geöffneten Kontakten 2, 3 bildet sich ein Lichtbogen LB im Kontaktsystem aus. Oberhalb des Bewegkontaktes ist eine Lichtbogenlaufschiene 5 vorhanden, die zu einer Löschkammer führt. Der Lichtbogen LB kann au die Lichtbogenlaufschiene 5 kommutieren und bildet sich als Lichtbogen LB' aus. Durch ein Eigenmagnetfeld wird er im Allgemeinen in eine Löschkammer mit einem Löschblechpaket 10 gedrängt, wo er zum Verlöschen kommt.

Das Löschblechpaket 10 ist durch seitliche Kunststoffwände 6 elektrisch isoliert gehaltert. Die einzelnen Löschbleche 11a, ..., 11n sind im Abstand angeordnet, so dass in die Zwischenräume der Lichtbogen eindringen kann.

Soweit ist eine Löschkammer vom Stand der Technik bekannt. Die einzelnen Löschbleche 11a, ..., 11n sind aus ferromagnetischem Material gebildet.

In der 2 ist eine Löschkammer entsprechend 1 dargestellt, bei der ein anderes Löschblechpaket 20 vorhanden ist. Das Löschblechpaket 20 besteht wiederum aus einzelnen Löschblechen 21a, ..., 21n.

In der Darstellung gemäß 3 ist der genauere Aufbau einer einzelnen Löschplatte 21 gezeigt. Die Löschplatte wird durch ein polymergefülltes Metallmatrix-Löschblech gebildet. Dafür ist eine Metallmatrix 22 vorhanden, in der Poren mit einer Polymerfüllung 23 gebildet sind.

Als Grundmaterial für die Löschplatten 21 können offenporige Sinterwerkstoffe 22 aus magnetischem Material verwendet werden, deren Poren 23 mit einem geeigneten Polymer gefüllt sind. Als Grundmaterial für die Löschplatten 21a, 21b, ..., 21g kommen auch gewebte Netze oder Lochgitter in Frage. Insbesondere ist dabei das magnetische Material Stahl, dem gegebenenfalls weitere Metalle, wie Kupfer, in Kombination mit Eisen oder Nickel hinzugefügt sind.

Zur Herstellung der Löschplatten für die Löschkammer gemäß der 2 werden im Prinzip bekannte Verfahren der Metallurgie eingesetzt. Insbesondere wird aus dem metallischen Material eine Matrix mit einem festen metallischen Gitter hergestellt. In die Metallmatrix wird ein Polymer durch Flüssigphasentränken eingefüllt und erfolgt anschließend eine Polymerisation des flüssigen Polymers. Das Tränken kann ein Heißtränk- oder aber auch ein Kalttränk-Vorgang sein. Als Polymere werden solche Polymere verwendet, die einen hohen Wasserstoffgehalt haben. Besonders einfach erfolgt das Tränken, wenn als metallische Matrix bereits ein metallisches Netz oder ein metallisches Lochgitter verwendet wird. Dabei können in geeigneter Weise als metallische Matrix eine Mehrzahl von metallischen Netzen oder Lochgittern gestaltet werden. An den Rändern werden die einzelnen Netze durch Kaltverschweißung miteinander verbunden.


Anspruch[de]
  1. Löschkammer für Schaltgeräte mit Lichtbogenlöschplatten, die metallische und/oder nichtmetallische Materialien aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Löschplatten (21a, ..., 21n) aus porösem, elektrisch gut leitfähigem magnetischen Werkstoff bestehen, wobei die Poren mit einem Polymer gefüllt sind.
  2. Löschkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial, für die Löschplatten (21a, ..., 21g) offenporige Sinterwerkstoffe aus magnetischem Material sind, deren Poren mit dem Polymer gefüllt sind.
  3. Löschkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial für die Löschplatten (21a, ..., 21g) gewebte Netze und/oder oder Lochgitter (22) aus magnetischem Material sind, deren Poren (23) mit dem Polymer gefüllt sind.
  4. Löschkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Material Stahl ist.
  5. Löschkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Stahl andere Metalle mit definierten Eigenschaften, beispielsweise Kupfer in Kombination mit Eisen oder Nickel, zugefügt sind.
  6. Verfahren zur Herstellung einer Lichtbogenlöschplatte für eine Löschkammer nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 5, mit folgenden Maßnahmen,

    – aus dem metallischen Material wird eine Matrix mit einem festen metallischen Gitter hergestellt,

    – in die Matrix wird ein Polymer durch Flüssigphasentränken eingefüllt

    – anschließend erfolgt eine Aushärtung oder Polymerisation des flüssigen Polymers.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Tränken ein Heißtränken ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Tränken ein Kalttränken ist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Polymere mit hohem Wasserstoffgehalt verwendet werden.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass für die metallische Matrix Eisen-basierte magnetische Werkstoffe mit weiteren Legierungselementen, beispielsweise Kupfer in Kombination mit Eisen oder Nickel, verwendet werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Eisen-basierter magnetischer Werkstoff ein Stahl verwendet wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Matrix aus einem metallischen Netz gebildet wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Matrix aus einem metallischen Lochgitter gebildet wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Matrix aus einem Stapel metallischer Netze oder Lochgitter gebildet wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Netze im Randbereich durch Kaltverschweißung mechanisch miteinander verbunden werden.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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