DE102008060971B3

DE102008060971B3 - Kontaktteil für Hochspannungsschalter

Info

Publication number: DE102008060971B3
Application number: DE200810060971
Authority: DE
Inventors: Thorsten Dr. Maldener; Volker Dr. Behrens; Thomas Honig
Original assignee: AMI Doduco GmbH
Current assignee: Doduco Contacts and Refining GmbH
Priority date: 2008-12-06
Filing date: 2008-12-06
Publication date: 2010-07-08
Anticipated expiration: 2028-12-07
Also published as: WO2010063369A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kontaktteil für Hochspannungsschalter, mit einem metallischen Grundkörper (2), und einem Kontaktelement (3) aus einem lichtbogenresistenten Material, wobei das Kontaktelement (3) auf dem Grundkörper (2) befestigt ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Grundkörper (2) in einem an das Kontaktelement (3) anschließenden Abschnitt mit einer Schutzschicht (4) bedeckt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kontaktteil für Hochspannungsschalter mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen, wie es aus Erk, A. et al., Grundlagen der Schaltgerätetechnik, Berlin, Springerverlag, 1979, Seiten 148–149 bekannt ist.
Derartige Kontaktteile haben üblicherweise die Form eines Stifts, der zum Schließen eines Kontakts in eine so genannte Kontakttulpe gesteckt werden kann. Solche Kontaktteile haben einen metallischen Grundkörper, der üblicherweise aus Kupfer besteht, und ein auf den Grundkörper aufgeschweißtes Kontaktelement aus einem lichtbogenresistenten, also abbrandresistenten, Verbundwerkstoff, der zur Ausbildung einer guten elektrischen Leitfähigkeit eine Kupferphase und zur Erhöhung der Temperaturbeständigkeit eine Refraktärmetallphase enthält.
Beim Öffnen eines Hochspannungsschalters entstehen Lichtbögen, die auf das Kontaktelement einwirken und einen erheblichen Abbrand bewirken können. Um diesen Abbrand möglichst zu reduzieren und dennoch eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit auszubilden haben sich insbesondere Kontaktelemente aus Kupfer und Wolfram oder Kupfer und Molybdän bewährt.
Es ist bekannt, derartige Kontaktelemente herzustellen, indem zunächst aus einem abbrandresistenten Kupfer-Wolfram Verbundwerkstoff ein geeignet geformter Block, üblicherweise ein Zylinder, hergestellt wird. Dieser Block wird anschließend aufgebohrt und ein so entstandenes Sackloch mit Kupfer ausgegossen, damit eine ausreichend hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit des Kontaktelements erricht wird. Das so gebildete Kontaktelement wird anschließend auf einen metallischen Grundkörper aufgeschweißt und so das Kontaktteil fertig gestellt. Ein auf dieser Weise hergestellter Kontaktstift hat in der Regel eine Länge von etwa 20 bis 30 cm, wobei typischerweise 3 bis 4 cm dieser Länge auf das abbrandfeste Kontaktelement entfallen.
Aufgabe der Erfindung ist es einen Weg aufzuzeigen, wie mit geringerem Aufwand Kontaktteile für Hochspannungsschalter gefertigt werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Kontaktteil mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einem erfindungsgemäßen Kontaktteil ist der Grundkörper in einem an das Kontaktelement anschließenden Abschnitt mit einer abbrandresistenten Schutzschicht bedeckt und so vor Lichtbogeneinwirkung geschützt. Deshalb kann der Grundkörper schon in einem geringeren Abstand von dem vorderen Ende des abbrandresistenten Kontaktteils beginnen als dies bei herkömmlichen Kontaktstiften der Fall ist. Vorteilhaft kann deshalb ein kürzeres, kleineres Kontaktteil verwendet werden. Auf diese Weise können Materialkosten eingespart werden.
Das lichtbogenresistente Material des Kontaktelements ist bevorzugt ein Verbundwerkstoff, insbesondere ein Verbundwerkstoff, der mindestens eine Refraktärmetallphase enthält.
Das Kontaktelement ist bevorzugt stoffschlüssig mit dem Grundkörper verbunden, beispielsweise mit diesem verschweißt.
Indem ein kürzeres Kontaktelement verwendet wird, reduziert sich der elektrische Widerstand des Kontaktteils und seine thermische Leitfähigkeit erhöht sich, da der metallische Grundkörper, der beispielsweise aus Kupfer, Stahl oder Aluminium bestehen kann, eine wesentlich höhere Leitfähigkeit als der lichtbogenresistente und somit abbrandresistente Verbundwerkstoff des Kontaktelements hat. Vorteilhaft ist es deshalb bei einem erfindungsgemäßen Kontaktteil nicht mehr notwendig, das Kontaktelement aufzubohren und mit Kupfer zu füllen. Für ein erfindungsgemäßes Kontaktteil kann deshalb vorteilhaft ein Kontaktelement verwendet werden, das massiv aus dem Verbundwerkstoff gefertigt ist. Auf diese Weise kann ein aufwendiger Fertigungsschritt eingespart werden.
Die abbrandresistente Schutzschicht eines erfindungsgemäßen Kontaktteils kann prinzipiell aus nur einer einzigen Phase bestehen. Bevorzugt enthält die Schutzschicht jedoch eine hochtemperaturstabile Phase und eine Kupferphase. Auf diese Weise lässt sich vorteilhaft eine gute elektrische Leitfähigkeit der Schutzschicht mit einem Schutz vor Lichtbogeneinwirkung verbinden. Unter einer hochtemperaturstabilen Phase wird dabei eine Phase verstanden, die Temperaturen von mindestens 2.000°C, vorzugsweise mindestens 2.500°C Stand hält.
Die hochtemperaturstabile Phase kann beispielsweise von Keramikkörnern gebildet werden, die sich bei einer Phasenumwandlungstemperatur zersetzen oder sublimieren. Beispielsweise kann Magnesiumoxid als hochtemperaturstabile Phase verwendet werden. Die hochtemperaturstabile Phase kann auch aus Refraktärmetall, vorzugsweise aus Wolfram und/oder Molybdän, oder Rhenium bestehen. Möglich ist es auch, dass die Schutzschicht mehrere hochtemperaturstabile Phasen, beispielsweise Körner aus keramischen Material und Körner aus Refraktärmetall, enthält. Bevorzugt besteht die Schutzschicht zu mindestens 15 Volumenprozent, besonderes bevorzugt zu mindestens 20 Volumenprozent, insbesondere zu mindestens 30 Volumenprozent, beispielsweise zu mindestens 40 Volumenprozent, aus einer hochtemperaturstabilen Phase. Falls die Schutzschicht mehrere hochtemperaturstabile Phasen enthält, sind diese Angaben so zu verstehen, dass die Volumenanteile aller hochtempe raturstabilen Phasen insgesamt bevorzugt mindestens 30 Volumenprozent, insbesondere mindestens 40 Volumenprozent, ausmachen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Schutzschicht eine Dicke von mindestens 0,1 μm, vorzugsweise mindestens 10 μm, insbesondere mindestens 50 μm, hat. Insbesondere können auch dickere Schutzschichten mit einer Dicke von mehr als 0,1 mm, insbesondere mehr als 0,3 mm, beispielsweise mehr als 0,5 mm verwendet werden. Auf diese Weise kann ein zuverlässiger Schutz des Grundkörpers erreicht werden. Bevorzugt ist, dass die Schutzschicht eine Dicke von höchstens 3 mm, besonders bevorzugt höchstens 2 mm, insbesondere höchstens 1 mm, hat, um unnötigen Materialaufwand zu vermeiden.
Die Schutzschicht eines erfindungsgemäßen Kontaktteils wird bevorzugt durch Kaltgasspritzen aufgebracht. Möglich ist es beispielsweise auch, die Schutzschicht mit einem auf Schlicker basierenden Beschichtungsverfahren wie beispielsweise Siebdruck oder Foliengießen aufzutragen. Die Schutzschicht kann beispielsweise auch mittels PVD aufgebracht werden. Bevorzugt bedeckt die Schutzschicht ganz oder teilweise auch das Kontaktelement. Die Fertigung vereinfacht sich nämlich, wenn die Schutzschicht erst aufgebracht wird, nachdem das Kontaktelement an dem Grundkörper angebracht wurde. Bei Aufbringen der Schutzschicht wird dann in der Regel auch das Kontaktelement zumindest teilweise bedeckt.
Der Verbundwerkstoff des Kontaktelements eines erfindungsgemäßen Kontaktteils besteht bevorzugt zu mindestens 20 Volumenprozent, insbesondere zu mindestens 30 Volumenprozent, aus Refraktärmetall. Bevorzugt enthält der Verbundwerkstoff als weitere Phase eine Kupferphase. Besonders bevorzugt ist, dass der Verbundwerkstoff zu 50 bis 95 Volumenprozent aus Refraktärmetall besteht. Die Refraktärmetallphase des Verbundwerkstoffs kann beispielsweise von Wolfram- und/oder Molybdänkörnern gebildet sein. Besonders bevorzugt für die Refraktärmetallphase ist Wolfram.
Der Grundkörper eines erfindungsgemäßen Kontaktteils ist bevorzugt ein Stift. Dieser Stift ist bevorzugt ein Rohr, kann jedoch auch massiv ausgebildet sein. Ein Hohl stift, also ein Rohr, hat dabei den Vorteil einer Material- und Gewichtseinsparung. Das Rohr kann auch geschlitzt sein, beispielsweise um eine Kontakttulpe zu bilden.
Der Grundkörper kann beispielsweise aus Stahl, Kupfer, Kupferlegierungen, insbesondere Messing, oder einem Leichtmetall bestehen. Unter einem Leichtmetall ist ein Metall oder eine Metalllegierung mit einer Dichte von weniger 4,5 g/cm³ zu verstehen. Als Leichtmetall sind insbesondere Aluminium und Aluminiumlegierungen bevorzugt. Grundkörper aus Leichtmetall sind insbesondere bei Verwendung massiver Grundkörper vorteilhaft.
Wenn der Grundkörper ein Rohr ist, sind Kupfer und Kupferlegierungen wegen einer hohen elektrischen Leitfähigkeit vorteilhaft. Der Grundkörper kann beispielsweise zu mindestens 60 Gewichtsprozent, insbesondere zu mindestens 75 Gewichtsprozent, oder auch zu mindestens 90 Gewichtsprozent aus Kupfer, bestehen.
Auf den Grundkörper eines erfindungsgemäßen Kontaktteils, der bevorzugt ein Stift ist, wird vorzugsweise ein Stift- oder plattenförmiges Kontaktelement aufgeschweißt, so dass sich ein stiftförmiges Kontaktteil ergibt. Bei einem als Rohr ausgebildeten Grundkörper kann das Kontaktelement beispielsweise auch ein Ring sein. Bevorzugt hat das Kontaktelement senkrecht zu seiner Verbindungsfläche mit dem Grundkörper eine Ausdehnung, die mindestens das Fünffache, vorzugsweise mindestens das Zehnfache, der Dicke der Schutzschicht beträgt. In der Regel hat das Kontaktelement senkrecht zu seiner Verbindungsfläche mit dem Grundkörper eine Ausdehnung von einigen Millimetern, beispielsweise 3 bis 10 mm.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung an Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Gleiche und einander entsprechende Teile sind dabei mit übereinstimmenden Bezugszahlen bezeichnet. Es zeigen:
1: ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kontaktteils in einer schematischen Seitenansicht;
2: eine schematische Schnittsansicht zu 1 entlang der Schnittlinie AA;
3: eine schematische Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels.
Bei dem in den 1 und 2 dargestellten Kontaktteil 1 handelt es sich um einen Kontaktstift mit einem Grundkörper 2 aus Aluminium oder Stahl, der an seinem vorderen Ende ein abbrandfestes Kontaktelement 3 trägt. Das Kontaktelement 3 ist massiv aus einem Verbundwerkstoff gefertigt, der eine Kupferphase und eine Refraktärmetallphase, nämlich eine Wolframphase, enthält. Das Kontaktelement 3 ist auf den Grundkörper 2 aufgeschweißt.
In einem an das Kontaktelement 3 angrenzenden Abschnitt ist der Grundkörper 2 mit einer abbrandresistenten Schutzschicht 4 bedeckt. Diese Schutzschicht 4 hat bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Dicke von etwa 0,5 mm bis 1 mm und besteht zu 45 bis 65 Volumenprozent aus einer hochtemperaturstabilen Phase, beispielsweise Wolfram, und im Übrigen aus einer Kupferphase.
Der dargestellte Kontaktstift 1 ist 20 cm bis 30 cm lang und hat einen Durchmesser von 1,5 bis 2,5 cm. Das Kontaktelement 3 ist eine Platte mit einer Dicke von 0,5 cm bis 1 cm.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kontaktteils 1 in einem Längsschnitt dargestellt. Bei diesem Kontaktteil 1 handelt es sich ebenfalls um einen Kontaktstift, der an seinem vorderen Ende ein abbrandfestes Kontaktelement 3 aufweist, das auf den Grundkörper 2 aufgeschweißt ist. Der Unterschied zu dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel besteht im wesentlichen nur darin, dass der Grundkörper 2 ein Rohr ist. Der Grundkörper 2 besteht aus Kupfer. An seinem Ende trägt der Grundkörper 2 ein Anschlusselement 5.

1: Kontaktteil
2: Grundkörper
3: Kontaktelement
4: Schutzschicht
5: Anschlusselement

Claims

Kontaktteil für Hochspannungsschalter, mit einem metallischen Grundkörper (2), und einem Kontaktelement (3) aus einem lichtbogenresistenten Material wobei das Kontaktelement (3) auf dem Grundkörper (2) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) in einem an das Kontaktelement (3) anschließenden Abschnitt mit einer Schutzschicht (4) bedeckt ist.
Kontaktteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (4) eine hochtemperaturstabile Phase enthält.
Kontaktteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (4) eine Kupferphase enthält.
Kontaktteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (4) eine Refraktärkomponente enthält.
Kontaktteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (3) auf den Grundkörper (2) aufgeschweißt ist.
Kontaktteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (3) aus einem Verbundwerkstoff besteht, der mindestens eine Refraktärmetallphase enthält.
Kontaktteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Refraktärmetallphase des Kontaktelements (3) von Niob, Tantal, Wolfram- und/oder Molybdänkörnern gebildet ist.
Kontaktteil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff zu mindestens 20 Vol.%, insbesondere zu mindestens 30 Vol.%, aus Refraktärmetall besteht.
Kontaktteil nach einem Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff zu 50 Vol.% bis 95 Vol.% aus Refraktärmetall besteht.
Kontaktteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktteil (1) ein Stift ist.
Kontaktteil nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (3) massiv aus dem Verbundwerkstoff ist.
Kontaktteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (4) des Grundkörpers (2) eine Dicke von höchstens 3 mm, vorzugsweise höchstens 2 mm, insbesondere höchstens 1 mm, hat.
Kontaktteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (4) eine Dicke von mindestens 1 μm, vorzugsweise mindestens 10 μm, insbesondere mindestens 50 μm, hat.
Kontaktteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (4) ein keramisches Material enthält.
Kontaktteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (4) Refraktärmetall, vorzugsweise aus Niob, Tantal, Wolfram und/oder Molybdän, enthält.
Kontaktteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (4) zu mindestens 15 Vol.%, vorzugsweise zu mindestens 20 Vol.%, insbesondere zu mindestens 30 Vol.%, aus einer hochtemperaturstabilen Phase, vorzugsweise aus Refraktärmetall, besteht.
Kontaktteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (4) zu 50 Vol.% bis 95 Vol.%, bevorzugt 50 Vol.% bis 75 Vol.%, aus einer hochtemperaturstabilen Phase, vorzugsweise aus Refraktärmetall, besteht.
Kontaktteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (4) durch Kaltgasspritzen aufgebracht wurde.
Kontaktteil nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (4) durch ein PVD-Verfahren aufgebracht wurde.
Kontaktteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) ein Rohr ist.
Kontaktteil nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) massiv ist.
Kontaktteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) aus Stahl ist.
Kontaktteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) aus einem Leichtmetall ist.
Kontaktteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht.
Kontaktteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (3) senkrecht zu seiner Verbindungsfläche mit dem Grundkörper (2) eine Ausdehnung hat, die mindestens das Fünffache, vorzugsweise mindestens das Zehnfache, der Dicke der Schutzschicht (4) beträgt.
Kontaktteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (3) ein Stift oder eine Platte ist.
Kontaktteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (4) das Kontaktelement (3) zumindest teilweise bedeckt.