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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Lichtbogenkontaktstift.
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In
Hochspannungsleistungsschaltern sind häufig zusätzlich zu den Nennstromkontakten
so genannte Lichtbogenkontakte vorhanden, welche bei einem Ausschaltvorgang
nach den Nennstromkontakten trennen. Aufgrund der hohen Spannung
zwischen dem Lichtbogenkontaktstift und dem Gegenkontakt bildet
sich zwischen diesen beiden unmittelbar nach dem Trennen ein Lichtbogen
aus, welcher den Stromfluss weiter aufrechterhält. Der Lichtbogen wird dann
bspw. mit einem Löschgas,
etwa Schwefelhexfluorid (SF6), beblasen,
um den Lichtbogen zum Erlöschen
zu bringen und dadurch den Stromfluss zwischen dem Lichtbogenkontaktstift
und dem Lichtbogengegenkontakt zu unterbrechen. Erst danach ist der
Ausschaltvorgang beendet.
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Um
den hohen Temperaturen beim Ausschaltlichtbogen widerstehen zu können, weisen
die Kontaktstifte eine Kontaktspitze aus einem Abbrandfesten Material,
in der Regel Wolfram, auf. An die Wolframspitze schließt sich
Kupfer als Material mit geringem spezifischen Widerstand an. Die
Verbindung zwischen der Wolframspitze und dem Kupfer ist als Schweißverbindung
realisiert. Um das Kupfer mit dem Wolfram verschweißen zu können, ist
Letzteres mit Kupfer hintertränkt.
Das heißt
die Wolframspitze ist als Sinterkörper ausgebildet, in die flüssiges Kupfer
eindringen kann. Die Menge an Kupfer ist so gewählt, dass sie an der Schweißseite der
Spitze eine geschlossene Kupferschicht über dem Sinterkörper der
Kontaktspitze bildet. Diese Kupferschicht wird dann mit dem Kupfer
des Kon taktstiftes verschweißt. Auf
diese Weise kann ein sehr gut leitfähiger Kontaktstift mit einer
abbrandfesten Spitze realisiert werden. Die mechanische Festigkeit
eines derart hergestellten Kontaktstiftes wird durch die Schweißnaht, insbesondere
durch die Kupferschicht an der Schweißfläche der Kontaktspitze bestimmt.
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In
modernen Hochspannungsleistungsschaltern mit Löschkammern, in denen sich der
Lichtbogen ausbildet und in denen er mit dem Löschgas beblasen wird, werden
in der Regel sowohl der Lichtbogenkotaktstift als auch der Lichtbogengegenkontakt gegenläufig bewegt,
um so höhere
Kontaktgeschwindigkeiten zu realisieren. Dadurch steigen vor allem die
mechanischen Kräfte
an den Kontakten. Die höchsten
mechanischen Belastungen treten hierbei nicht beim Ausschalten,
sondern beim Einschalten auf. Beim Auftreffen des Lichtbogenkontaktstiftes
auf den eine Aufnahme für
den Lichtbogenkontaktstift bildenden Lichtbogengegenkontakt erfährt der
Lichtbogenkontaktstift neben den durch die hohen Stromstärken verursachten
Kräften
auch hohe mechanische Beanspruchungen durch Druck und Querkräfte. Je
höher die
Kontaktgeschwindigkeit wird, desto größer wird auch die mechanische
Beanspruchung des Lichtbogenkontaktstiftes. Wenn für höhere Kontaktgeschwindigkeiten
höhere
Festigkeiten des Lichtbogenkontaktstiftes erzielt werden sollen,
so wird dies durch eine Vergrößerung des
Durchmessers des Kontaktstiftes oder durch die Verwendung einer
Kupferlegierung mit höherer
Festigkeit beim Hintertränken
der Kontaktspitze realisiert.
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Aus
US 6,211,478 B1 ist
zudem ein Lichtbogenkontaktstift bekannt, bei dem die abbrandfeste Kontaktspitze
durch Aufbringen eines abbrandfesten Materials auf einen Kupferstift
mittels Plasmaspritzen hergestellt wird. Eine derartige Kontakt spitze
erfordert hohen Aufwand in ihrer Realisierung. Im selben Dokument
ist auch eine Kontaktspitze beschrieben, die mit dem Kontaktstift
verschraubt ist. Gegenüber einer
Schraubverbindung stellt die Schweißverbindung als stoffschlüssige Verbindung
eine bessere elektrische Kontaktierung zwischen der Kontaktspitze
und dem Material des Stiftes dar.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Lichtbogenkontaktstift
zur Verfügung
zu stellen.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Lichtbogenkontaktstift nach Anspruch 1
gelöst.
Die abhängigen Ansprüche enthalten
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Ein
erfindungsgemäßer Lichtbogenkontaktstift
besteht aus einem Leitermaterial mit geringem spezifischen Widerstand
und weist eine Kontaktspitze aus einem abbrandfestem Material auf.
Zudem ist er mit einem sich bis in die Kontaktspitze erstreckenden
Verstärkungselement
aus einem im Vergleich zum Leitermaterial mechanisch festen Material
versehen. Dadurch kann mit einfachen Mitteln erreicht werden, dass
die mechanische Stabilität
des Kontaktstiftes gegenüber
einem Kontaktstift nach Stand der Technik erhöht wird, ohne dass seine elektrische Leitfähigkeit
wesentlich beeinträchtigt
wird. Die erhöhte
mechanische Stabilität
ermöglicht
ihrerseits erhöhte
Kontaktgeschwindigkeiten.
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In
einer ersten Ausgestaltung des Lichtbogenkontaktstiftes ist die
Kontaktspitze an das Leitermaterial angeschweißt und das Verstärkungselement,
bspw. eine Seele, erstreckt sich im Inneren des Kontaktstiftes bis
in die Kontaktspitze hinein. Auf diese Weise überbrückt das Verstärkungselement
die Schweißnaht
und kann so für
eine erhöhte
mechanische Festig keit im Bereich der Schweißnaht sorgen. Das Verstärkungselement
kann insbesondere mit der Kontaktspitze, in die es sich hinein erstreckt,
verschraubt, verpresst oder durch Verschrumpfung verbunden sein.
Im Unterschied zu der in
US
6,211,478 B1 bleibt die Kontaktspitze über die Schweißverbindung
stoffschlüssig
mit dem Leitermaterial verbunden. Das bspw. in die Kontaktspitze
eingeschraubte Verstärkungselement
dient also nicht zum Herstellen der Verbindung, sondern lediglich
zu deren Verstärkung.
Auf diese Weise kann die stoffschlüssige Verbindung zwischen der
Kontaktspitze und dem Leitermaterial gestärkt werden, ohne dass der elektrische Kontakt
zwischen beiden geschwächt
wird.
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Die
Erfindung lässt
sich insbesondere im Rahmen von Lichtbogenkontaktstiften realisieren,
in denen das Leitermaterial Kupfer umfasst, d.h. aus Kupfer oder
einer auf Kupfer basierenden Legierung hergestellt ist, in der das
abbrandfeste Material Wolfram umfasst, also aus Wolfram oder einer
auf Wolfram basierenden Legierung hergestellt ist, und in der das
mechanisch feste Material Stahl ist. Aufgrund seiner Biegefestigkeit
eignet sich Stahl besonders als Material für die Seele.
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In
einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lichtbogenkontaktstiftes
ist als Verstärkungselement
ein den Lichtbogenkontaktstift über
seine gesamte Länge
umgebender und mit der Kontaktspitze einstückig ausgebildeter Mantel vorhanden.
Diese Ausgestaltung ermöglicht
es, einen an der Kontaktspitze in der Regel ohnehin vorhandenen
zylinderförmigen
Bereich über
den gesamten Kontaktstift auszudehnen, so dass das gesamte Leitermaterial
vom Mantel umgeben ist. In dieser Ausgestaltung kann der gesamte
Lichtbogenkontaktstift einstückig,
d.h. ohne Schweißnaht
ausgebildet sein, was seine Fes tigkeit gegenüber einem unverstärkten geschweißten Lichtbogenkontaktstift
erhöht.
Auch in dieser Ausgestaltung kann das Leitermaterial aus Kupfer
oder einer auf Kupfer basierenden Legierung und das abbrandfeste
Material aus Wolfram oder einer auf Wolfram bestehenden Legierung
bestehen.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Lichtbogenkontaktstift
kann die mechanische Festigkeit des Stiftes erhöht werden, ohne dessen Bauteildimensionen
zu ändern.
Dadurch brauchen wichtige Dimensionsgrößen für die Lichtbogenlöschung nicht
verändert
zu werden. Die Kontaktgeschwindigkeit kann erhöht werden, ohne die Löschkammern
zu vergrößern. Ein weiterer
Vorteil ist, dass die Masse des bewegten Lichtbogenkontaktstiftes
kaum verändert
wird und somit keine zusätzliche
Rückwirkung
auf die kinematische Kette entsteht.
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Weitere
Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel des
Erfindungsgemäßen Lichtbogenkontaktstiftes
in einem Schnitt durch seine Längsachse.
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2 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Lichtbogenkontaktstiftes
in einem Schnitt durch seine Längsachse.
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel
für einen
erfindungsgemäßen Lichtbogenkontaktstift 1 wird nachfolgend
mit Bezug auf 1 beschrieben. Der Lichtbogenkontaktstift 1 ist
aus einem zylinderförmigen
Stift 3 und einer ebenfalls zylinderförmigen Kontaktspitze 5 zusammengesetzt.
Die Kontaktspitze 5 ist mit dem zylinderförmigen Stift 3 verschweißt. Die Schweißnaht ist
in 1 mit der Bezugsziffer 4 bezeichnet.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
besteht der zylinderförmige
Stift 3 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, während die
Kontaktspitze 5 aus Wolfram oder einer Wolframlegierung
besteht, die mit Kupfer hintertränkt
ist. Hierzu weist die Kontaktspitze 5 einen gesinterten
zylinderförmigen
Wolframkörper 7 (oder
einen Sinterkörper
aus einer Wolframlegierung) auf. Der Wolframkörper 7 ist bis auf
seinen Spitzenabschnitt als Hohlkörper mit einer sich axial erstreckenden Öffnung 11 ausgebildet.
An den Spitzenabschnitt 9 schließt sich daher ein Mantelabschnitt 13 an,
welcher die Form eines Hohlzylinders aufweist.
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Die Öffnung 11 des
gesinterten Wolframkörpers 7 wird
mit flüssigem
Kupfer gefüllt,
wobei der Sinterkörper
mit Kupfer hintertränkt
wird. Beim Hintertränken
tritt flüssiges
Kupfer in Poren ein, die im gesinterten Wolframkörper 7 vorhanden sind.
Auf diese Weise erfolgt eine innige Verbindung des Kupfers mit dem
Wolframkörper.
Das Einfüllen
des Kupfers erfolgt bei stehendem Zylinder mit nach oben offener Öffnung 11.
Das Einfüllen
in die Öffnung 11 erfolgt
solange bis Kupfer in dem von Spitzenabschnitt 9 abgewandten
Bereich des Wolframkörpers 7 über die Öffnung 11 vorsteht.
Das überstehende
Kupfer 15 bildet die Kontaktfläche zum Verschweißen der
Kontaktspitze 5 mit dem ebenfalls aus Kupfer bestehenden
zylinderförmigen
Stift 3.
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Das
hintertränkte
Kupfer bietet beim Betreib des Lichtbogenkontaktstiftes den Vorteil,
dass das in die Hohlräume
des Sinterkörpers
eingedrungene Kupfer während
des Bestehens des Lichtbogens verdampft und so dem Wolfram Wärme entzieht.
Nachdem der Lichtbogen gelöscht
ist, kondensiert das Kupfer wieder und härtet aus, wobei es die zuvor
aufgenommene Wärme
wieder abgibt.
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Von
dem von der Kontaktspitze 5 abgewandten Ende 21 des
zylinderförmigen
Stiftes 3 ausgehend, erstreckt sich eine Stahlseele 17 durch
den gesamten zylinderförmigen
Stift 3 und teilweise durch die Kupferfüllung der Kontaktspitze 5.
Die Stahlseele 17 ist in ihrem vorderen Abschnitt 19 mit
dem Kupfer in der Öffnung 11 verschraubt.
Auf Grund ihrer Biegefestigkeit erhöht die Stahlseele 17 die
Festigkeit der Schweißverbindung,
ohne dass der Durchmesser des Lichtbogenkontaktstiftes 1 erhöht wird,
und ohne das höherfestes
Kupfermaterial Verwendung finden muss. Die erhöhte Festigkeit gegenüber Druck-
und Querkräften
im Lichtbogenkontaktstift 1 wird alleine durch die Seele 17 zur
Verfügung
gestellt.
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Anders
als in 1 dargestellt, kann die Stahlseele mittels anderer
formschlüssiger
Verbindungen, bspw. mittels Schrumpfen oder Quetschen, mit der Kupferfüllung der Öffnung 11 verbunden
werden.
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Ein
zweites Ausführungsbeispiel
für den
erfindungsgemäßen Lichtbogenkontaktstift
ist in 2 dargestellt. Der Lichtbogenkontaktstift 100 des
zweiten Ausführungsbeispiels
weist im Unterschied zum Lichtbogenkontaktstift 100 des
ersten Ausführungsbeispiels
keine Schweißnaht 4 auf.
Stattdessen ist der gesamte Lichtbogenkontaktstift von einem gesinterten
Wolframkörper 107 gebildet,
dessen Mantelabschnitt 113 gegenüber dem Wolframkörper 7 aus 1 in
Richtung der Längsachse
A so weit verlängert
ist, dass er sich über
die gesamte Länge
des Lichtbogenkontaktstiftes 100 erstreckt, und dessen Öffnung mit
Kupfer gefüllt.
Wie im ersten Ausführungsbeispiel
wird der gesinterte Wolframkörper beim
Füllen
der Öffnung 111 mit
Kupfer hintertränkt. Der
Spitzenabschnitt 109 des Wolframkörpers 107 entspricht
dem Spitzenabschnitt 9 des ersten Ausführungsbeispiels.
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Im
Grunde genommen besteht der Lichtbogenkontaktstift 100 vollständig aus
einer verlängerten
Kontaktspitze 105, wie sie im 1 mit der
Bezugsziffer 5 bezeichnet ist. Die erhöhte Festigkeit des vollständig aus
dem mit Kupfer gefüllten
Wolframkörper 107 bestehenden
Kontaktstiftes 100 ergibt sich aus der fehlenden Schweißnaht, welche
grundsätzlich
eine Schwäche
des Lichtbogenkontaktstift darstellt, sofern sie nicht mittels eines
Verstärkungselementes,
bspw. der im 1 dargestellten Stahlseele 17,
verstärkt
wird.
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Die
beschriebene Erfindung stellt Möglichkeiten
zur Verfügung,
Lichtbogenkontaktstifte insbesondere im Hinblick auf ihre Widerstandfähigkeit
gegenüber
mechanischen Querkräften
zu verbessern, ohne die Abmessungen des Kontaktstiftes zu erhöhen. Dies
ermöglicht
insbesondere das Ersetzen von Kontaktstiften in bestehenden Lichtbogenkontakten durch
erfindungsgemäße Kontaktstifte.
Außerdem werden
höhere
Kontaktgeschwindigkeiten möglich.
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- 1
- Lichtbogenkontaktstift
- 3
- zylinderförmiger Stift
- 4
- Schweißnaht
- 5
- Kontaktspitze
- 7
- Wolframkörper
- 9
- Spitzenabschnitt
- 11
- Öffnung
- 13
- Mantelabschnitt
- 15
- überstehendes
Kupfer
- 17
- Stahlseele
- 19
- vorderer
Abschnitt
- 21
- Ende
- 100
- Lichtbogenkontaktstift
- 107
- Wolframkörper
- 109
- Spitzenabschnitt
- 111
- Öffnung
- 113
- Mantelabschnitt
- A
- Längsachse