DE102013106727A1

DE102013106727A1 - Kontaktstift für Hochspannungs-Leistungsschalter, Verfahren zu seiner Herstellung und Hochspannungs-Leistungsschalter mit einem solchen Kontaktstift

Info

Publication number: DE102013106727A1
Application number: DE201310106727
Authority: DE
Inventors: Dirk Moog; Willy Kretz
Original assignee: Doduco GmbH and Co
Current assignee: Modison Metals Ltd In
Priority date: 2013-06-26
Filing date: 2013-06-26
Publication date: 2014-12-31
Anticipated expiration: 2033-06-27
Also published as: CN104252991B; CN104252991A; DE102013106727B4; CH708235B9; CH708235B1; CH708235A2

Abstract

Beschrieben wird ein Kontaktstift für Hochspannungs-Leistungsschalter mit einem durch Fließpressen hergestellten Mantel (1) aus Kupfer, welcher ein vorderes Ende (2), ein hinteres Ende (3) sowie an beiden Enden eine Öffnung (9, 10) hat, deren lichter Querschnitt am vorderen Ende (2) kleiner ist als am hinteren Ende (3) des Mantels (1), wobei die Wandstärke des Mantels (1) in einem am vorderen Ende (2) des Mantels (1) gelegenen Abschnitt (6) des Mantels (1) ohne Vergrößerung der äußeren Abmessungen des Mantels (1) größer ist als in einem mittleren Abschnitt (7) des Mantels (1), und mit einem am vorderen Ende des Mantels (1) befestigten Kontaktstück (4), welches aus einem Werkstoff besteht, der gegen die Einwirkung von Lichtbögen, welche beim Schalten des Hochspannungs-Leistungsschalters auftreten, widerstandsfähiger ist als Kupfer.

Description

Es ist bekannt, in Hochspannungs-Leistungsschaltern elektrische Kontaktanordnungen zu verwenden, welche aus einem rohrförmigen Kontaktstück und aus einem Kontaktstift bestehen, welcher bei geschlossenem Schalter mit einem Ende des rohrförmigen Kontaktstücks Kontakt macht. Bei einem Hochspannungs-Leistungsschalter kommt es darauf an, dass die Schaltvorgänge schnell erfolgen, damit ein Lichtbogen, der zwischen dem rohrförmigen Kontaktstück und dem Kontaktstift entsteht, beim Öffnen des Schalters möglichst rasch abreißt und beim Schließen des Schalters möglichst rasch durch das Auftreffen des Kontaktstifts auf das gegenüberliegende Kontaktstück gelöscht wird.
Es ist bekannt, den Kontaktstift aus einem Stift aus Kupfer herzustellen und diesen mit einer Kontaktspitze aus einem Kupfer-Wolfram-Verbundwerkstoff zu versehen, um den unter Lichtbogeneinwirkung auftretenden Abbrand der Kontaktspitze gering zu halten.
Die Geschwindigkeit, mit welcher ein Hochspannungs-Leistungsschalter geöffnet und geschlossen werden kann, wird zum Einen durch die träge Masse des zu beschleunigenden Kontaktstifts und zum Anderen durch die Randbedingung begrenzt, dass der Hochspannungs-Leistungsschalter prellfrei schalten soll. Je größer die träge Masse des zu beschleunigenden Kontaktstiftes ist, desto aufwendiger wird der Antrieb für den Kontaktstift.
Um kurze Schaltzeiten zu erreichen, ist es bekannt, die Masse des Kontaktstifts dadurch zu reduzieren, dass man den Kupferstift hohl ausbildet. Weil Kupfer ein relativ weiches Metall ist, kann die Masse des Kupferstifts durch eine hohle Ausbildung nicht so stark verringert werden, wie man es gerne möchte, weil der Kontaktstift sonst den mechanischen Belastungen, die beim Schaltvorgang auftreten, nicht mehr standhalten würde.
Um diesem Nachteil abzuhelfen, ist es bekannt, einen hohlen Kupferstift aus einer gehärteten Kupferlegierung herzustellen. Damit handelt man sich jedoch einen wesentlichen Nachteil ein. Schon geringe Mengen an härtenden Legierungsbestandteilen im Kupfer führen nämlich zu einer drastischen Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit gegenüber der elektrischen Leitfähigkeit von reinem Kupfer. Deshalb muss bei Verwendung einer gehärteten Kupferlegierung der Querschnitt des Kontaktstifts vergrößert werden, um dieselbe Stromtragfähigkeit wie bei einem Kontaktstift aus reinem Kupfer zu erzielen.
Weiterhin ist es bekannt, als Träger für die Kontaktspitze anstelle eines Stifts aus Kupfer einen hohlen Kontaktstift aus Stahl zu verwenden. Auch in diesem Fall hat man jedoch den Nachteil, dass die elektrische Leitfähigkeit von Stahl viel kleiner ist als die von Kupfer.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, wie in Hochspannungs-Leistungsschaltern auf möglichst einfache und kostengünstige Weise der Aufwand für die Herstellung und den Antrieb des beweglichen Kontaktstiftes verringert werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Kontaktstift mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Kontaktstifts ist Gegenstand des Anspruchs 14. Ein erfindungsgemäßer Hochspannungs-Leistungsschalter ist Gegenstand des Anspruchs 17. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Kontaktstift für Hochspannungs-Leistungsschalter hat einen einstückig durch Vorwärts-Fließpressen hergestellten Mantel aus Kupfer, welcher ein vorderes Ende, ein hinteres Ende sowie an beiden Enden eine Öffnung hat, deren lichter Querschnitt am vorderen Ende kleiner ist als am hinteren Ende des Mantels, wobei in einem am vorderen Ende des Mantels gelegenen Abschnitt des Mantels die Wandstärke des Mantels ohne Vergrößerung der äußeren Abmessungen (Durchmesser) des Mantels größer ist als in einem mittleren Abschnitt des Mantels. Am vorderen Ende des Mantels ist ein Kontaktstück befestigt, welches aus einem Werkstoff besteht, der gegen die Einwirkung von Lichtbögen, welche beim Schalten eines Hochspannungs-Leistungsschalters auftreten, widerstandsfähiger ist als Kupfer.
Das hat wesentliche Vorteile:

– Infolge der geringeren Masse des beweglichen Kontaktstiftes kann die Leistungsfähigkeit des für ihn erforderlichen Antriebs verringert werden. Damit geht eine Verringerung des Aufwandes Hand in Hand, welcher für die Verwirklichung des Antriebs getrieben werden muss.
– Dadurch, dass der Mantel an seinem vorderem Ende eine größere Wandstärke aufweist als in seinem daran anschließenden mittleren Hauptabschnitt, bietet er dem daran zu befestigenden Kontaktstück eine hinreichend große Fläche für ein Verbinden mit dem Kontaktstück insbesondere durch Hartlöten oder Schweißen.
– Die lokale Vergrößerung der Masse durch Vergrößerung der Wandstärke am vorderen Ende des Mantels kann teilweise dadurch wettgemacht werden, dass der Kupferstift an seinem vorderen Ende eine Öffnung aufweist.
– Das Vorsehen einer Öffnung am vorderen Ende des Mantels erleichtert dessen Herstellung und ermöglicht eine rationelle und kostengünstige Herstellung durch Vorwärts-Fließpressen und die führt in weiterer Folge zu einem Produkt von hoher Maßhaltigkeit.
– Der erfindungsgemäße Kontaktstift ermöglicht auf einfache und preiswerte Weise eine Verkürzung der Dauer des Schaltvorgangs von Hochspannungs-Leistungsschaltern.
– Vorzugsweise hat der Mantel an seinem dem Kontaktstück abgewandten Ende einen Abschnitt mit größerem Durchmesser als auf seiner restlichen Länge. An diesem hinteren Abschnitt kann eine Anschlusseinrichtung für eine elektrische Zuleitung ausgebildet werden. Dadurch kann ohne weiteres erreicht werden, dass die erforderliche elektrische Zuleitung unmittelbar an dem hinteren Abschnitt des Mantels aus Kupfer endet, so dass ein geringer elektrischer Übergangswiderstand gewährleistet ist. Der hintere Abschnitt des Kupfermantels mit seinem größeren Außendurchmesser ergibt sich ohne weiteres beim Vorwärtsfließpressen, wenn dieses nicht über die volle Länge des Mantels erfolgt, so dass dafür kein gesonderter Arbeitsgang erforderlich ist.

Ein erfindungsgemäßer Kontaktstift kann besonders einfach und preiswert durch das Verfahren gemäß Anspruch 14 hergestellt werden. Dazu wird die Wandstärke eines zylindrischen Kupferrohrs auf einem überwiegenden Teil seiner Länge durch Vorwärts-Fließpressen verringert und anschließend ein Kontaktstück aus einem Werkstoff, der gegen die Einwirkung von Schaltlichtbögen widerstandsfähiger ist als Kupfer, z. B. durch Schweißen oder Hartlöten an der vorderen Endfläche des durch das Fließpressen umgeformten Kupferrohrs befestigt. An dem dem Kontaktstück abgewandten hinteren Ende des Kupferrohrs kann nach oder vor dem Anbringen des Kontaktstücks eine Anschlusseinrichtung für eine elektrische Zuleitung ausgebildet oder angebracht werden.
Auch das Verfahren hat wesentliche Vorteile:

– Durch das Vorwärtsfließpressen entsteht bei der Herstellung des Mantels kein Kupferabfall, woraus sich angesichts des hohen und weiter steigenden Preises von Kupfer ein Kostenvorteil ergibt.
– Die Herstellung des Kupfermantels durch Vorwärtsfließpressen geht schnell und rationell.
– Durch das Zusammenspiel der für das Fließpressen verwendeten Matrize mit dem Dorn, welcher die Innenwand des Mantels beim Fließpressen stützt, ergibt sich ohne weiteres ein Kupfermantel mit hoher Maßhaltigkeit.
– Durch das Zusammenspiel der für das Vorwärtsfließpressen verwendeten Matrize mit dem axial verschieblichen Dorn ergibt sich die Möglichkeit, beim Vorwärtsfließpressen im selben Arbeitsgang eine innere Oberfläche des Mantels zu erzeugen, deren lichte Weite über die Länge des Mantels nicht konstant ist, sondern in einem vorderen Abschnitt des Mantels gezielt eine kleinere lichtere Weite aufweist als im mittleren Hauptabschnitt des Mantels, wodurch sich am vorderen Ende eine größere Endfläche für das Anbringen eines Kontaktstückes, insbesondere durch Schweißen oder Hartlöten, ergibt.
– Dadurch, dass das Kupferrohr nicht auf voller Länge, sondern nur auf einem überwiegenden Teil seiner Länge durch das Vorwärts-Fließpressen umgeformt wird, bleibt das hintere Ende des Kupferrohrs mit seinem ursprünglichen Durchmesser und mit seiner ursprünglichen Wandstärke erhalten, die ohne weiteres ausreicht, um ein Innengewinde hineinzuschneiden, mit dessen Hilfe ein elektrischer Anschluss verwirklicht werden kann. Vom äußeren Umfang des dickwandigen hinteren Abschnitts des Kupfermantels kann ein Teil des Kupfers abgefräst werden, um zwei ebene, zueinander parallele Flächen zu bilden, welche eine Angriffsmöglichkeit für einen Schraubenschlüssel bieten.
– Durch das Vorwärtsfließpressen erhält der Mantel des Kontaktstiftes eine im Wesentlichen laminare Gefügestruktur, welche auch bei höheren Stromdichten und bei einer Erwärmung des Mantels dafür sorgt, dass keine Wärmespannungen auftreten, die zu einem Verbiegen des Kontaktstiftes führen.
– Für die Herstellung des Kontaktstiftes kann von einem standardmäßig verfügbaren rohrförmigen Kupferhalbzeug ausgegangen werden.

Soweit das Kontaktstück am vorderen Ende des Mantels unter Zwischenfügen eines Hartlots angelötet oder unter Zwischenfügen eines Schweißzusatzwerkstoffs angeschweißt wird, kann dieses in Form eines flachen Ringes vor dem Löt- bzw. Schweißvorgang zwischen dem Kontaktstück und der vorderen Endfläche des Mantels angeordnet werden. Wenn man vermeiden will, dass etwas von dem Hartlot bzw. von dem Schweißzusatzwerkstoff beim Löt- bzw. Schweißvorgang in die Öffnung in der vorderen Endfläche des Kupfermantels fließt, kann man diese Öffnung nachträglich durch einen passenden Stopfen verschließen. Der Stopfen muss nicht unbedingt am Löt- bzw. Schweißvorgang teilnehmen und kann deshalb z. B. auch aus einer Keramik wie z. B. Aluminiumoxid oder Magnesiumoxid bestehen, so dass er die Masse des Kontaktstiftes nicht wesentlich erhöht. Der Stopfen könnte auch aus einem Metall bestehen. Besteht er aus einem Leichtmetall wie Aluminium, erhöht er nur unwesentlich das Gewicht des Kontaktstiftes. Der Stopfen kann aber auch aus Kupfer bestehen. Das hätte den Vorteil, dass auf beiden Seiten der Verbindungszone ein und dasselbe gut leitende Kupfer vorliegt, was den Schweiß- oder Lötvorgang erleichtert und für einen niedrigen elektrischen Übergangswiderstand günstig ist.
Ein weiterer Vorteil eines Stopfens liegt darin, dass ein eventuell vorzusehendes Hartlot bzw. Schweißzusatzwerkstoff nicht in Form eines flachen Ringes vorgesehen werden muss, sondern auch in Form eines Pellets oder Plättchens vorgesehen werden kann, welches mittig zwischen dem Stopfen und dem anzuschweißenden oder anzulötenden Kontaktstück eingeklemmt wird und sich dann unter Druck und Wärmeentwicklung gleichmäßig über die gesamte Verbindungsfläche verteilen kann.
Als Schweißverfahren eignet sich insbesondere das Perkussionsschweißverfahren, das ist ein Kondensator-Impulsschweißverfahren, bei welchem die erforderliche Schweißenergie durch eine kurzzeitige elektronische Kondensatorentladung geliefert wird. Eine andere Möglichkeit, das Kontaktstück und den Kupfermantel miteinander zu verbinden, ist ein Reibschweißverfahren, bei welchem die miteinander zu verbindenden Teile dadurch miteinander verschweißen, dass sie relativ zueinander gedreht und dabei gegeneinander gedrückt werden, wodurch sie unter Wärmeerzeugung miteinander verschweißen. Bei diesem Verfahren kommt man jedenfalls ohne einen Stopfen aus.
Um einen Stopfen in die am vorderen Ende des Mantels vorgesehene Öffnung einsetzen zu können, ist diese Öffnung in Richtung auf das Kontaktstück z. B. konisch erweitert und wird durch einen dazu passend ausgebildeten konischen Stopfen verschlossen, der vor dem Schweiß- bzw. Lötvorgang nicht fest mit dem Kupfermantel verbunden werden muss, da er ohnehin durch die z. B. konische Ausbildung zwischen dem Mantel und dem Kontaktstück unverlierbar eingespannt wird.
Vorzugsweise vergrößert sich die lichte Weite des Mantels ausgehend vom vorderen Ende des Mantels in Richtung zum hinteren Ende des Mantels über einen kleineren Teil der Länge des Mantels und bleibt daran anschließend über den größten Teil der Länge des Mantels gleich. Das sorgt für eine hinreichend große Endfläche des Mantels, an welcher das Kontaktstück zu befestigen ist. Nur dann, wenn die am vorderen Ende des Mantels vorgesehene Öffnung nachträglich, nämlich nach dem Vorwärtsfließpressen, durch einen Stopfen wieder verschlossen werden soll, modifiziert man die lichte Weite des Mantels in einem an seinem vorderen Ende gelegenen Abschnitt dahingehend, dass sich die lichte Weite ausgehend von der Endfläche in Richtung zum hinteren Ende des Mantels zunächst verjüngt, sich dann in einem nachfolgenden Bereich auf einem Teil der Länge des Mantels vergrößert und dann über den größten Teil der Länge des Mantels gleich bleibt. Der Abschnitt, über den die lichte Weite des Mantels gleich bleibt, sollte sich über mehr als dessen halbe Länge erstrecken.
Was die Außenseite des Mantels anbelangt, so sollte dieser mit Ausnahme eines an seinem hinteren Ende gelegenen Abschnittes gleichbleibende Außenabmessungen haben, insbesondere zylindrisch sein und nur am hinteren Ende des Mantels empfiehlt es sich, einen Abschnitt mit größeren Außenabmessungen vorzusehen, um dort bequem einen elektrischen Anschluss verwirklichen zu können. Im Übrigen kann die Wandstärke des Mantel mit z. B. 1 mm bis 2 mm verhältnismäßig dünn sein.
Vorzugsweise ist der Mantel des Kontaktstiftes leer, um seine Massenträgheit gering zu halten. Bei besonderen Beanspruchungen ist es jedoch möglich, im Mantel einen festen Kern vorzusehen, welcher den Mantel von innen stützt. Dieser Kern sollte, wenn er massiv ist, eine geringere Dichte als Kupfer haben, insbesondere eine Dichte, welcher kleiner ist als 3 g/cm³. Besonders geeignete Materialien, für den Kern sind Leichtmetalle wie Aluminium und Magnesium, Leichtmetall-Legierungen, auch Metalloxide, insbesondere Aluminiumoxid oder Magnesiumoxid, ferner Keramiken, insbesondere Schaumkeramiken und – wenn die Einsatztemperatur es zulässt – Kunststoff. Es ist aber auch möglich, den Kupfermantel durch Einfügen eines Rohres z. B. aus Stahl zu stützen. Stahl hat zwar keine Dichte, die kleiner als 3 g/cm³ ist, da er jedoch als Rohr eingesetzt werden kann, kann seine mittlere Dichte unter Einschluss des verbleibenden Luftraums ebenfalls unter 3 g/cm³ gehalten werden.
Der feste Kern, welcher von der Endwand ausgehend den Mantel ausfüllt, verleiht dem Kontaktstift eine Festigkeit, die ähnlich hoch ist wie die Festigkeit eines entsprechenden Kontaktstifts, der, von der Kontaktspitze abgesehen, massiv aus Kupfer besteht. Durch die geringere Dichte des Kerns wird jedoch die Masse des Kontaktstifts, verglichen mit einem entsprechenden Kontaktstift, der, abgesehen von der Kontaktspitze, aus reinem Kupfer besteht, deutlich herabgesetzt.
Wenn der Kupfermantel von innen durch einen Kern gestützt wird, kann er eine besonders kleine Wandstärke aufweisen, die nur durch die geforderte Stromtragfähigkeit begrenzt ist. Die für einen bestimmten Hochspannungs-Leistungsschalter geforderte mechanische Festigkeit des Kontaktstifts ist nicht entscheidend für die Bemessung der Wandstärke seines aus Kupfer bestehenden Mantels.
Sofern im Kupfermantel im Einzelfall ein Kern vorgesehen ist – dieser kann z. B. in den Mantel eingepresst sein – dann erstreckt er sich vorzugsweise nicht bis zum hinteren Ende des Mantels. Das hat den Vorteil, dass im Innenraum des hinteren Abschnitts des Mantels noch ein Freiraum vorhanden ist, der für das Ausbilden einer elektrischen Anschlusseinrichtung genutzt werden kann.
Als Materialien für das Kontaktstück kommen insbesondere Verbundwerkstoffe wie Kupfer-Wolfram, Silber-Wolfram, Silber-Wolfram-Karbid und Silber-Molybdän in Frage, wobei Kupfer-Wolfram bevorzugt ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele für die Herstellung eines erfindungsgemäßen Kontaktstiftes sind in den beigefügten Zeichnungen dargestellt.
1 zeigt einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Kontaktstiftes,
2 zeigt einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines Kontaktstiftes,
3 zeigt einen Längsschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel eines Kontaktstiftes,
4 zeigt in den Darstellungen A bis D einen Vorgang des Vorwärts-Fließpressens eines Kupferrohrs zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kupfermantels zu vier verschiedenen Zeitpunkten des Fließpressvorgangs, und
5 zeigt eine längsgeschnittene Ansicht eines so hergestellten Kupfermantels.
1 zeigt einen Kupfermantel 1 mit einem vorderen Ende 2 und einem hinteren Ende 3 und mit einem am vorderen Ende angebrachten Kontaktstück 4 aus einem Material, welches gegen die Einwirkung von Lichtbögen widerstandsfähiger ist als Kupfer.
Von außen betrachtet ist der Kontaktstift mit Ausnahme eines abgerundeten Randes an der Spitze des Kontaktstückes 4 und mit Ausnahme eines Abschnittes 5 am hinteren Ende des Kupfermantels 1, welcher einen größeren Außendurchmesser hat als der Mantel 1 im Übrigen, zylindrisch ausgebildet. Der Abschnitt 5 am hinteren Ende 3 des Kupfermantels ist deshalb mit einem größeren Außendurchmesser versehen, um hier genügend Material für die Ausbildung eines elektrischen Anschlusses zu haben, z. B. um ein Innengewinde oder ein Außengewinde in den Abschnitt 5 einzuschneiden, welches zum Anschließen einer elektrischen Zuleitung dienen kann. Ein Abschnitt 6, der am vorderen Ende 2 des Kupfermantels 1 liegt, zeigt einen verringerten Innendurchmesser. Im mittleren Abschnitt 7 des Kupfermantels 1, dem Hauptabschnitt, welcher sich vom hinteren Abschnitt 5 bis zum vorderen Abschnitt 6 über den größten Teil der Länge des Kupfermantels 1 erstreckt, liegt ein gleichbleibender Innendurchmesser vor. Derselbe Innendurchmesser liegt auch im hinteren Abschnitt 5 vor. Im vorderen Abschnitt 6 des Kupfermantels 1 ist der Innendurchmesser in der Verbindungszone 8 zwischen dem Kupfermantel 1 und dem Kontaktstück 4 wesentlich kleiner als im mittleren Abschnitt 7. Ausgehend von der Verbindungszone 8 zwischen dem vorderen Ende des Kupfermantels 1 und dem Kontaktstück 4 verjüngt sich der Innenraum des Kupfermantels 1, beginnend an der Öffnung 9, zunächst auf einem Teil der Länge des Abschnitts 6 und erweitert sich dann bis auf den Durchmesser des mittleren Abschnitts 7. Auf diese Weise lässt sich eine mechanisch stabile Verbindung zwischen dem Kupfermantel 1 und dem Kontaktstück 4 erreichen. Am Übergang vom sich verjüngenden Abschnitt des Innenraums zum sich erweiternden Abschnitt des Innenraums des Kupfermantels 1 hat der Innenraum auf diese Weise eine Taille 11.
Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel darin, dass in den – ausgehend von der Verbindungszone 8 – sich in Richtung zum hinteren Ende 3 erstreckenden, sich verjüngenden Abschnitt des Innenraums des Kupfermantels 1 ein Stopfen 10 passend eingesetzt ist. Wenn beim Verbinden des Kontaktstückes 4 mit dem Kupfermantel 1 durch Schweißen oder Hartlöten ein Schweißzusatzwerkstoff oder ein Hartlot verwendet wird, verhindert der Stopfen 10 einen Verlust des Hartlotes bzw. des Schweißzusatzwerkstoffs in den Innenraum des Kupfermantels hinein.
Das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel darin, dass in den mittleren Abschnitt 7 des Kupfermantels 1 ein zylindrischer Kern 12 eingefügt ist, welcher in der Taille 1 am Stopfen 10 endet und – wenn nötig – die mechanische Stabilität des Kontaktstifts erhöht bzw. einen dünneren Kupfermantel 1 ermöglicht. Die Dichte des Kerns 12 soll viel kleiner als die Dichte des Kupfers sein. Wird für den Kern 12 Aluminium oder Magnesium oder eine Leichtmetall-Legierung von Aluminium und/oder Magnesium eingesetzt, kann der Kern 11 auch zur Stromtragfähigkeit des Kontaktstiftes beitragen. Wenn an der Erhöhung der Stromtragfähigkeit des Kontaktstifts kein Bedarf besteht, kann der Kern 11 auch aus einem nicht leitenden Material bestehen z. B. aus einer Schaumkeramik.
Ein Kupfermantel 1, wie er in den 1 bis 3 dargestellt ist, kann durch ein in den 4a bis 4d schematisch dargestelltes Vorwärts-Fließpressverfahren hergestellt werden. Dazu geht man von einem vorzugsweise zylindrischen Kupferrohr 14 aus, welches in eine Matrize 15 eingeführt wird, welche einen Abschnitt 16 mit einem größeren Durchmesser hat, welcher dem Außendurchmesser des Kupferrohrs 14 entspricht und einen Abschnitt 17 mit einem geringeren Durchmesser hat, zwischen denen ein Übergangsbereich 18 ausgebildet ist. Der Durchmesser des Abschnitts 17 bestimmt den Außendurchmesser, auf den das Kupferrohr 14 durch Vorwärts-Fließpressen umgeformt wird. Der Übergangsbereich ist annähernd konisch mit einem stetigen Verlauf ausgebildet. Ein Stempel 19 drückt auf das hintere Ende des Kupferrohrs 14, um dieses vorwärts durch die Matrize 15 zu pressen. Ein zylindrischer Dorn 20, welcher in der Vorwärts-Pressrichtung 21 sowie in der Gegenrichtung verschiebbar ist, stützt die innere Umfangswand des Kupferrohrs 14 während des Vorwärts-Fließpressens. Der Dorn 20 hat eine sich verjüngende Spitze 22, welche rotationssymmetrisch zur Längsachse des Dorns 21 und des Kupferrohres 14 verläuft und konisch ausgebildet sein kann, aber nicht konisch ausgebildet sein muss. Die Lage der sich verjüngenden Spitze 22 relativ zum Übergangsbereich 18 der Matrize 15 bestimmt den Ringquerschnitt, durch welchen das Kupfer des Kupferrohrs 14 beim Vorwärts-Fließpressen hindurchfließen muss.
4a zeigt den Zustand vor dem Beginn des Fließpress-Vorgangs. Der Fließpress-Vorgang beginnt damit, dass sowohl das Kupferrohr 14 als auch der Dorn 20 synchron vorgeschoben werden. Dabei verengt sich der Ringspalt zwischen der Spitze 22 des Dorns 20 und dem Übergangsbereich 18 der Matrize 15 stetig. Ab dem Zeitpunkt, zu welchem die Weite des Ringspaltes kleiner wird als die Wandstärke des ursprünglichen Kupferrohrs 14 – siehe 4B – beginnt die Wandstärke des durch den Fließpress-Vorgang entstehenden Kupfermantels 1 kleiner zu werden, bis der Ringspalt zwischen der Spitze 22 des Dorns 20 und dem Übergangsbereich 18 der Matrize 15 seine geringste Weite erreicht. Dieser Zustand ist in 4C dargestellt. Von da an bleibt die Wandstärke des entstehenden Kupfermantels 1 gleich, siehe 4D.
Wie lang der Übergangsbereich zwischen der engsten Stelle des Innenraums des Kupfermantels 1 – an der Taille 11 – und der größten Weite des Innenraums des Kupfermantels 1 ist, hängt von der Relativgeschwindigkeit des Dorns 20 relativ zum Stempel 19 ab. Je langsamer sich der Dorn 20 gegenüber dem Stempel 19 bewegt, desto länger ist der sich in Richtung zum hinteren Ende 3 des Kupfermantels 1 erweiternde Übergangsbereich im Kupfermantel 1.
Der sich von der Verbindungszone 8 bis in die engste Stelle der Taille 11 erstreckende Abschnitt des Innenraums, kann dadurch zustande kommen, dass der Fluss des Kupfers entlang der Wand der Matrize 13 etwas stärker gehemmt wird als entlang des Dorns 18, wodurch der äußere Rand des vorderen Endes des Kupfermantels 1 gegenüber dessen inneren Rand etwas zurück bleibt. Die sich daraus ergebende Gestalt des Innenraums von der engsten Stelle der Taille 21 bis zur Verbindungszone 8 kann vorteilhafterweise durch einen Stopfen 12 verschlossen werden und ist in den 4C und 4D – nur um das Prinzip zu zeigen – übertrieben dargestellt.
Spätestens wenn der Stempel 19 die Übergangszone 18 der Matrize 15 erreicht, wird der Vorwärts-Fließpressvorgang beendet, der Dorn 20 wird bei stehenbleibendem Stempel 19 zurückgezogen, danach wird der Stempel 19 zurückgezogen und der Kupfermantel 1 aus der Matrize 13 herausgezogen. Der auf diese Weise hergestellte Kupfermantel ist in 5 dargestellt. Die Darstellung ist als prinzipielle nicht als maßstäbliche Darstellung zu verstehen.
Anschließend wird an das vordere Ende 2 des Kupfermantels 1 ein Kontaktstück 4 angeschweißt oder hart angelötet.
Bezugszeichenliste

1: Kupfermantel
2: vorderes Ende des Kupfermantels
3: hinteres Ende des Kupfermantels
4: Kontaktstück
5: hinterer Abschnitt des Kupfermantels
6: vorderer Abschnitt des Kupfermantels
7: mittlerer Abschnitt des Kupfermantels
8: Verbindungszone
9: vordere Öffnung
10: hintere Öffnung
11: Taille im vorderen Abschnitt 6
12: Stopfen
13: Kern
14: Kupferrohr
15: Matrize
16: Abschnitt der Matrize mit größerem Durchmesser
17: Abschnitt der Matrize mit kleinerem Durchmesser
18: Übergangsabschnitt der Matrize
19: Stempel
20: Dorn
21: Pressrichtung
22: Spitze des Dorns

Claims

Kontaktstift für Hochspannungs-Leistungsschalter mit einem durch Fließpressen hergestellten Mantel (1) aus Kupfer, welcher ein vorderes Ende (2), ein hinteres Ende (3) sowie an beiden Enden eine Öffnung (9, 10) hat, deren lichter Querschnitt am vorderen Ende (2) kleiner ist als am hinteren Ende (3) des Mantels (1), wobei die Wandstärke des Mantels (1) in einem am vorderen Ende (2) des Mantels (1) gelegenen Abschnitt (6) des Mantels (1) ohne Vergrößerung der äußeren Abmessungen des Mantels (1) größer ist als in einem mittleren Abschnitt (7) des Mantels (1), und mit einem am vorderen Ende des Mantels (1) befestigten Kontaktstück (4), welches aus einem Werkstoff besteht, der gegen die Einwirkung von Lichtbögen, welche beim Schalten des Hochspannungs-Leistungsschalters auftreten, widerstandsfähiger ist als Kupfer.
Kontaktstift nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (9) am vorderen Ende (2) des Mantels (1) durch einen Stopfen (12) verschlossen ist.
Kontaktstift nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die am vorderen Ende (2) des Mantels (1) vorgesehene Öffnung (9) in Richtung auf das Kontaktstück (4) erweitert und durch einen dazu passend ausgebildeten Stopfen (12) verschlossen ist.
Kontaktstift nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die lichte Weite des Mantels (1) ausgehend vom vorderen Ende (2) des Mantels (1) in Richtung zum hinteren Ende (3) des Mantels (1) über einen Teil der Länge des Mantels (1) vergrößert und dann gleich bleibt.
Kontaktstift nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die lichte Weite des Mantels (1) ausgehend vom vorderen Ende (2) des Mantels (1) in Richtung zum hinteren Ende (3) des Mantels (1) zunächst konisch verjüngt und sich in einem nachfolgenden Abschnitt (7) auf einem Teil der Länge des Mantels (1) vergrößert und dann gleich bleibt.
Kontaktstift nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die lichte Weite des Mantels (1) über mehr als dessen halbe Länge gleich bleibt.
Kontaktstift nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (1) mit Ausnahme eines an seinem hinteren Ende (3) gelegenen Abschnitts (5) gleichbleibende Außenabmessungen hat, insbesondere zylindrisch ist, wohingegen der am hinteren Ende (3) gelegene Abschnitt (5) größere Außenabmessungen hat.
Kontaktstift nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sein Kupfermantel (1) leer ist.
Kontaktstift nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Mantel (1) ein fester Kern (13) vorgesehen ist, welcher eine geringere Dichte als Kupfer hat und insbesondere kleiner als 3 g/cm³ ist.
Kontaktstift nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Kerns (13) aus folgender Gruppe ausgewählt ist: Leichtmetall; Leichtmetalllegierung; Metalloxid, insbesondere Aluminiumoxid oder Magnesiumoxid; Keramik; Schaumkeramik; Kunststoff.
Kontaktstift nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktstück (4) aus einem Verbundwerkstoff gebildet ist, der aus der Gruppe der Werkstoffe Kupfer-Wolfram, Silber-Wolfram, Silber-Wolfram-Karbid und Silber-Molybdän ausgewählt ist, wobei Kupfer-Wolfram bevorzugt ist.
Kontaktstift nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Kontaktstück (4) abgewandte hintere Abschnitt (5) des Mantels (1) über den Kern (13) übersteht.
Kontaktstift nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des mittleren Abschnitts (7) des Mantels (1) 1 mm bis 2 mm beträgt.
Verfahren zum Herstellen eines Kontaktstifts nach einem der vorstehenden Ansprüche durch a) Vorwärtsfließpressen eines Rohrs (14) aus Kupfer durch eine sich im Querschnitt verengende Matrize (15), wobei die Innenwand des Rohrs (14) durch einen koaxial angeordneten Dorn (20) gestützt wird, der einen Abschnitt, dessen Durchmesser kleiner ist als der kleinste Innendurchmesser der Matrize (15) und daran anschließend einen sich in Pressrichtung (21) verjüngenden Abschnitt aufweist, wobei der Dorn (20) in der Matrize (15) längs verschieblich ist und zum Erzeugen eines sich über die Länge des Mantels (1) ändernden Innendurchmessers des Mantels (1) während des Fließpressens in der Matrize (15) längs verschoben wird, b) ggfs. Einfügen eines Stopfens (12) in das vordere Ende des Mantels (1), und c) Befestigen des Kontaktstücks (4) am vorderen Ende des Mantels (1).
Verfahren nach Anspruch 14 in Verbindung mit Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein fester Kern (13) in den Mantel (1) eingefügt wird, dessen Querschnitt dem lichten Querschnitt des Mantels (1) eng angepasst ist.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorwärts-Fließpressen bei Raumtemperatur durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der lichte Querschnitt der Matrize (15), der Dorn (20) und das Kupferrohr (14) rotationssymmetrisch in Bezug auf die Fließpressrichtung (21) ausgebildet sind, insbesondere kreiszylindrisch.
Hochspannungs-Leistungsschalter mit einer Kontaktanordnung, welche ein rohrförmiges Kontaktstück und einen beweglichen Kontaktstift aufweist, und mit einem Antrieb, welcher zum Schließen des Leistungsschalters den Kontaktstift in Kontakt mit dem Kontaktstück bringt und den Kontaktstift zum Öffnen des Leistungsschalters vom Kontaktstück trennt, gekennzeichnet durch einen Kontaktstift mit den Merkmalen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13.