DE102006027821A1 - Electrical switching contact - Google Patents
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Abstract
Der insbesondere für einen Vakuumleistungsschalter (2) vorgesehene elektrische Schaltkontakt (6a, b) weist eine Schaltkontaktfläche (16) auf, die aus einer duktilen metallischen Matrix, insbesondere Nickelmatrix (18), und darin eingelagerten Hartstoffpartikel, insbesondere CNT-Partikel (20), besteht. Eine derartige Schaltkontaktfläche (16) weist eine sehr gute thermische Leitfähigkeit bei einer hohen elektrische Leitfähigkeit und einer hohen mechanischen Belastbarkeit auf, so dass die Standzeit des Vakuumleistungsschalters (2) im Vergleich zu bisherigen Vakuumleistungsschaltern deutlich erhöht ist.The electrical switching contact (6a, b) provided in particular for a vacuum circuit breaker (2) has a switching contact surface (16) which consists of a ductile metallic matrix, in particular nickel matrix (18), and hard material particles embedded therein, in particular CNT particles (20), consists. Such a switch contact surface (16) has a very good thermal conductivity with a high electrical conductivity and a high mechanical strength, so that the service life of the vacuum circuit breaker (2) is significantly increased compared to previous vacuum circuit breakers.
Description
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schaltkontakt mit einer Schaltkontaktfläche, insbesondere für einen Vakuumleistungsschalter.The The invention relates to an electrical switching contact with a switching contact surface, in particular for one Vacuum circuit breaker.
Zum Schalten von elektrischen Strömen ist es erforderlich, elektrische Schaltkontakte miteinander zu verbinden oder zu trennen. Als Schalter können hierbei einfache Schalter für den Niedervoltbereich und für geringe Ströme beispielsweise in der Haustechnik vorgesehen sein. Als Schalter werden aber insbesondere auch so genannte Leistungsschalter zum Schalten von hohen Strömen bei hohen Spannungen eingesetzt. Hier werden beispielsweise so genannte Schütze zum Schalten von Anlagenkomponenten einer industriellen Anlage eingesetzt. Zum Schalten sehr hoher Ströme, insbesondere im Mittelspannungsbereich in der Größenordnung von etwa 33 kV kommen auch so genannte Vakuum-Leistungsschalter zum Einsatz, wie sie beispielsweise von der Firma Siemens mit der Produktreihe 3AH vertrieben werden. Bei einem derartigen Vakuum-Leistungsschalter sind die Schaltkontakte innerhalb einer Vakuumschaltröhre angeordnet, in der ein Vakuum von beispielsweise 10-9 bar eingestellt ist, um elektrische Überschläge zu vermeiden.For switching electrical currents, it is necessary to connect or disconnect electrical switch contacts. As a switch this simple switches for the low voltage range and for low currents may be provided, for example in domestic technology. As a switch but in particular so-called circuit breaker for switching high currents at high voltages are used. Here, for example, so-called contactors for switching system components of an industrial plant are used. For switching very high currents, in particular in the medium-voltage range of the order of about 33 kV, so-called vacuum circuit breakers are also used, such as those sold by the company Siemens with the product series 3AH. In such a vacuum circuit breaker, the switch contacts are arranged within a vacuum interrupter, in which a vacuum of, for example, 10 -9 bar is set to avoid electrical flashovers.
Leistungsschalter werden generell für die unterschiedlichsten Anforderungen eingesetzt – zum Schalten von Transformatoren, von Freileitungen und Kabeln über Kondensatoren, Drosseln und Motoren bis hin zu Filterkreisen und Lichtbogenöfen. Für lange Standzeiten müssen sie dabei ebenso geeignet sein wie für extrem hohe Schaltspielzahlen. Kleinen Kurzschlussleistungen in Verteilungsnetzen stehen hohe Ausschaltströme im Industriebereich gegenüber.breakers are generally for the most varied requirements used - for switching of transformers, overhead lines and cables via capacitors, Chokes and motors to filter circuits and electric arc furnaces. For long Lifetime must They are just as suitable as for extremely high numbers of operations. Small short circuit power in distribution networks are high breaking currents in the industrial sector across from.
So ist beispielsweise ein Leistungsschalter zum Schalten eines Lichtbogenofens in einem Elektrostahlwerk für eine Schaltspannung von etwa 33 kV und Schaltströmen in Höhe von 2.500 A sowie für beispielsweise 150 Schaltvorgänge/Tag ausgelegt. Bei einem auftretenden Kurzschluss muss der Schalter zudem kurzfristig hohen Kurzschlussströmen von etwa bis zu 30.000 A standhalten.So For example, is a circuit breaker for switching an arc furnace in an electric steelworks for a switching voltage of about 33 kV and switching currents in the amount of 2,500 A and for example 150 switching operations / day designed. In the event of a short circuit, the switch must short-term high short-circuit currents of up to 30,000 A withstand.
Aufgrund dieser hohen Ströme und Spannungen sind die Schaltkontakte und die Schalteinrichtung insgesamt aufgrund des beim Trennen der Schaltkontakte entstehenden Funkenblitzes und auch aufgrund des mechanischen Abriebs insbesondere thermisch stark belastet und unterliegen einem hohen Verschleiß.by virtue of these high currents and voltages are the switching contacts and the switching device altogether due to the resulting when disconnecting the switch contacts Sparkle and also due to mechanical abrasion in particular thermally heavily loaded and subject to high wear.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schaltleistung und die Standzeit und damit die Lebensdauer eines elektrischen Schaltkontakts zu erhöhen.Of the Invention is based on the object, the switching capacity and the Service life and thus the life of an electrical switch contact to increase.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen elektrischen Schaltkontakt, insbesondere für einen Leistungsschalter mit einer Vakuumschaltröhre, mit einer Schaltkontaktfläche, die eine duktile Matrix mit darin eingelagerten Hartstoffpartikeln aufweist und insbesondere aus dieser duktilen Matrix mit den Hartstoffpartikeln besteht, also keine weiteren Beschichtungen aufweist.The The object is achieved by an electrical switching contact, in particular for a circuit breaker with a vacuum interrupter, with a switch contact surface, the one ductile matrix with embedded particles of hard material and in particular from this ductile matrix with the hard material particles exists, so has no further coatings.
Unter duktile Matrix wird hierbei ein vergleichsweise weicher metallischer Grundwerkstoff verstanden, der insbesondere eine Vickers-Härte von maximal etwa 180-230 HVo1 aufweist. Die Härtebestimmung nach Vickers ist der Norm nach DIN EN ISO 6507 zu entnehmen. Die eingelagerten Hartstoffpartikel weisen demgegenüber eine deutlich höhere Härte auf, z.B. eine um mehr als den Faktor 2 größere Härte als der Grundwerkstoff.Ductile matrix is here understood to mean a comparatively soft metallic base material, which in particular has a Vickers hardness of not more than about 180-230 HV o1 . The hardness determination according to Vickers is to be taken from the standard according to DIN EN ISO 6507. By contrast, the embedded hard material particles have a significantly higher hardness, eg a hardness which is more than a factor of 2 greater than that of the base material.
Durch die Kombination eines duktilen Werkstoffes mit darin eingelagerten Hartstoffpartikeln werden die Bauteile mit einer Beschichtung versehen, die den extremen Belastungen standhält. Durch die Duktilität besteht im Vergleich zu einer durchgehenden harten und spröden Beschichtung eine deutlich geringere Gefahr, dass im Laufe des Betriebs die Beschichtung beschädigt und Risse und Mikrorisse auftreten. Zugleich wird durch die eingelagerten Hartstoffpartikel eine sehr hohe Abriebfestigkeit und damit eine quasi sehr hohe Oberflächenhärte erhalten, so dass selbst bei hohen mechanischen Belastungen und hohen Abriebkräften eine lange Lebensdauer erreicht wird. Darüber hinaus erhöht eine derartige Beschichtung die thermische Beständigkeit der Kontaktelemente, so dass sie den hohen Temperaturen bei einem häufig auftretenden Schaltlichtbogen standhalten.By the combination of a ductile material with embedded therein Hard material particles are provided with a coating on the components withstand the extreme loads. Through the ductility Compared to a continuous hard and brittle coating a significantly lower risk of damage to the coating during operation and Cracks and microcracks occur. At the same time is by the stored Hard material particles a very high abrasion resistance and thus a obtained very high surface hardness, so that even with high mechanical loads and high abrasion forces a long life is achieved. In addition, one increases such coating the thermal resistance of the contact elements, allowing them to withstand the high temperatures of a frequently occurring switching arc withstand.
Als Hartstoffpartikel werden vorzugsweise sogenannte Carbonnanotubes (CNT Kohlenstoffnanoröhren) eingesetzt. Derartige CNT-Partikel sind an sich bekannte, röhrenförmige Gebilde aus Kohlenstoff im nanoskaligen Bereich. Die einzelnen Röhren weisen beispielsweise einen Durchmesser im Bereich von 1 bis 50 nm auf. Die Röhren können hierbei unterschiedliche Längen bis zu mehreren Millimetern erreichen. Als CNT-Partikel werden Agglomerate aus derartigen Nanoröhrchen verstanden. Es hat sich gezeigt, dass derartige CNT-Partikel für den Anwendungsfall von elektrisch, thermisch und mechanisch hoch belasteten Schaltkontaktelementen hervorragend geeignet sind und dadurch die Lebensdauer des Schaltkontakts im Vergleich zum bisherigen Schaltkontakt erheblich vergrößern kann. Diese positive Wirkung der CNT-Partikel beruht auf deren sehr guten mechanischen Eigenschaften (hohe Härte), der sehr guten thermischen Leitfähigkeit sowie auch der sehr hohen elektrischen Leitfähigkeit.When Hard material particles are preferably so-called carbon nanotubes (CNT carbon nanotubes) used. Such CNT particles are known per se, tubular structures made of carbon in the nanoscale range. The individual tubes point for example, a diameter in the range of 1 to 50 nm. The tubes can different lengths reach up to several millimeters. As CNT particles are agglomerates from such nanotubes Understood. It has been shown that such CNT particles for the application of electrically, thermally and mechanically highly loaded switching contact elements are extremely suitable and thus the life of the switch contact Can significantly increase compared to the previous switching contact. This positive effect of CNT particles is based on their very good mechanical properties (high hardness), the very good thermal conductivity as well as the very high electrical conductivity.
CNT-Partikel bzw. CNT-Tubes sind in unterschiedlichen Modifikationen erhältlich. Bevorzugt werden CNT-Partikel eingesetzt, deren thermische Leitfähigkeit > 1500 W/mK, insbesondere > 2000 W/mK ist und deren elektrische Leitfähigkeit gleichzeitig > 103 S/cm und insbesondere > 104 S/cm liegt. Die thermische Leitfähigkeit kann hierbei auch > 6000 W/mK betragen. Aufgrund dieser hervorragenden thermischen und elektrischen Eigenschaften haben Schaltkontakte mit einer derartigen Schaltkontaktfläche im Vergleich zu herkömmlichen Schaltkontakten einen geringeren thermischen und elektrischen Widerstand.CNT particles or CNT tubes are in various modifications available. Preference is given to using CNT particles whose thermal conductivity is> 1500 W / mK, in particular> 2000 W / mK and whose electrical conductivity is simultaneously> 10 3 S / cm and in particular> 10 4 S / cm. The thermal conductivity can also be> 6000 W / mK. Due to these excellent thermal and electrical properties have switching contacts with such a switch contact surface in comparison to conventional switch contacts a lower thermal and electrical resistance.
Der Anteil der Hartstoffpartikel an der Schaltkontaktfläche liegt zweckdienlicherweise in einem Bereich zwischen 10 Vol.% und 40 Vol.%, um eine möglichst hohe Widerstandsfähigkeit der Schaltkontaktfläche bei ausreichender Duktilität zu erreichen.Of the Proportion of hard particles on the switch contact surface is expediently in a range between 10% by volume and 40% by volume, one as possible high resistance the switching contact surface with sufficient ductility to reach.
Vorzugsweise haben die Hartstoffpartikel eine Größe im nanoskaligen Bereich oder im Mikrometerbereich und insbesondere im Bereich zwischen 2 nm und 50 μm. Derartige Hartstoffpartikel lassen sich besonders gut in die duktile Matrix einbetten.Preferably the hard particles have a size in the nanoscale range or in the micrometer range and in particular in the range between 2 nm and 50 μm. Such hard particles are particularly well in the ductile Embed matrix.
Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung ist die Schaltkontaktfläche auf einem Träger beispielsweise aus Kupfer als Beschichtung aufgebracht. Die Dicke der Beschichtung liegt hierbei bevorzugt in einem Bereich zwischen 10-200 μm.According to one expedient development is the switch contact surface a carrier for example, applied from copper as a coating. The fat The coating is preferably in a range between 10-200 μm.
Bevorzugt wird als metallischer Grundwerkstoff für die duktile Matrix Reinnickel oder eine Nickellegierung mit hohem Nickel-Anteil beispielsweise über 90% eingesetzt. Die Kombination einer Nickelmatrix mit darin homogen verteilt eingebetteten CNT-Partikeln hat sich als besonders geeignet herausgestellt.Prefers is used as a metallic base material for the ductile matrix pure nickel or a nickel alloy with a high nickel content, for example over 90% used. The combination of a nickel matrix with homogeneous therein Distributed embedded CNT particles has proved particularly suitable exposed.
Anstelle der Nickelmatrix wird in einer alternativen Ausgestaltung eine Matrix bestehend aus einer Bronzelegierung eingesetzt.Instead of The nickel matrix becomes a matrix in an alternative embodiment used consisting of a bronze alloy.
Um eine qualitativ hochwertige, gut und dauerhaft haltende Schaltkontaktfläche auszubilden, ist diese mittels einer elektrolytischen galvanischen Abscheidung aufgebracht. Hierzu wird vorzugsweise der zu beschichtende (CU-) Träger als Anode in den Elektrolyt eingetaucht und als Kathode wird eine Nickel-Kathode eingesetzt. In den Elektrolyten werden ergänzend auch die CNT-Partikel eingebracht, die mit den Nickel-Ionen zur Anode wandern und auf dem Träger gemeinsam mit den Ni ckel-Ionen abgeschieden werden, so dass sich eine homogene gleichmäßige Verteilung der CNT-Partikel in der Nickel-Matrix einstellt.Around to form a high-quality, good and durable switch contact surface, this is by means of an electrolytic electrodeposition applied. For this purpose, the (CU-) to be coated is preferably carrier immersed as an anode in the electrolyte and a cathode is a Nickel cathode used. In the electrolytes are also complementary introduced the CNT particles, which with the nickel ions to the anode hike and on the carrier be deposited together with the Ni ckel ions, so that a homogeneous uniform distribution the CNT particle in the nickel matrix sets.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin gelöst durch einen Vakuumleistungsschalter gemäß Anspruch 8 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 9. Die im Hinblick auf den elektrischen Schaltkontakt aufgeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf den Vakuumleistungsschalter und das Verfahren zu übertragen. Ein Vakuumleistungsschalter kann insbesondere auch als Vakuumschaltröhre bezeichnet werden bzw. diese als Bestandteil umfassen.The Task is still according to the invention solved by a vacuum circuit breaker according to claim 8 and by a Method according to claim 9. The advantages listed with regard to the electrical switching contact and preferred embodiments are analogous to the vacuum circuit breaker and to transfer the procedure. A vacuum circuit breaker may also be referred to as a vacuum interrupter or include as part of it.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt in einer schematischen Schnitt-Darstellung einen Vakuumleistungsschalter mit einer Vakuumschaltröhre.One embodiment The invention will be explained in more detail with reference to the drawing. The only figure shows in a schematic sectional view of a vacuum circuit breaker with a vacuum interrupter.
Der
Vakuumleistungsschalter
Die
Trägerplatten
Mit
einer derartigen Schaltkontaktfläche
Beim
Betätigen
des Vakuumleistungsschalters
Claims (9)
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