-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines gradierten Vakuumschaltkontaktes für eine Vakuumschaltröhre, einen Werkstoffrohling und einen Vakuumschaltkontakt.
-
Vakuumschaltröhren werden in der Energietechnik für Mittel- und Hochspannungs-Schaltanlagen verwendet. Die Kontaktsysteme der Vakuumschaltröhren bestehen aus einem Kontaktträger und einer darauf aufgelöteten Kontaktscheibe bei Platten-Kontakten, Axialmagnetfeld-Kontakten und Spiralkontakten oder einer aufgelöteten Kontaktringscheibe bei Topfkontakten. Üblicherweise werden Kupfer oder Kupferlegierungen als Kontaktträgermaterial verwendet.
-
Für die Kontaktscheiben oder Kontaktscheibenringe werden Werkstoffverbunde aus verschiedenen Materialien verwendet, wie beispielsweise Kupfer-Chrom CuCr oder Wolfram-Kupfer WCu oder Wolfram-Kohlenstoff-Kupfer WCCu, Wolfram-Silber WAg oder Wolfram-Kohlenstoff-Silber WCAg.
-
Herkömmlicherweise erfolgt eine Herstellung der Kontaktscheiben, der Kontaktstücke oder der Kontaktscheibenringe mit Hilfe pulvermetallurgischer oder lichtbogenschmelztechnischer Verfahren. Die für die Schalteigenschaften der Kontaktscheiben und Kontaktscheibenringe erforderlichen Oberflächenstrukturen, wie beispielsweise Schlitze, werden anschließend mittels spangebender Verfahren erzeugt, beispielsweise durch Fräsen.
-
Aufgrund der Herstellungsverfahren haben die Kontaktoberflächen in radialer und axialer Richtung eine einheitliche Zusammensetzung, beispielsweise eine einheitliche und homogene Chromkonzentration im Bereich von 25% bis 50% in einer Kupfermatrix.
-
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren anzugeben, mit dem Vakuumschaltkontakte für Vakuumschaltröhren derart hergestellt werden können, dass diese eine hohe Leitfähigkeit und eine geringe Verschweißneigung aufweisen.
-
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Herstellen eines gradierten Vakuumschaltkontaktes für eine Vakuumschaltröhre gelöst, mit den Schritten eines Erzeugens eines Hohlzylinders aus einer chromreichen Kupferlegierung mit einer zylindrischen Einsatzöffnung; eines Einsetzen eines Einsatzzylinders aus einer chromarmen Kupferlegierung in die Einsatzöffnung; und eines Massivumformens des Verbundes aus dem Hohlzylinders und dem Einsatzzylinder zum Erzeugen eines gestreckten Zylinders. Anschließend wird der Schaltkontakt durch eine spanende Bearbeitung des gestreckten Zylinders in die Kontaktform gebracht, beispielsweise mittels Sägen von Scheiben, Drehen oder Fräsen.
-
Die chromreiche Kupferlegierung weist beispielsweise einen Chromanteil von über 15, 20, 25, 30 oder 40 Gewichtsprozent auf. Die chromarme Kupferlegierung weist einen niedrigeren Chromanteil als die chromreiche Kupferlegierung auf, beispielsweise einen Chromanteil von unter 15 oder 20 Gewichtsprozent. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass auf einfache Weise ein Vakuumschaltkontakt hergestellt werden kann, der aufgrund der niedrigen Chromkonzentration in der Mitte ein höheres Schaltvermögen aufweist, während in den Außenbereichen die Verschweißneigung des Vakuumschaltkontaktes reduziert ist. Durch die so erzeugten gradierten Vakuumschaltkontakte kann eine Funktion der Vakuumschaltröhre sichergestellt werden.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens beträgt der Durchmesser der Einsatzöffnung 26% bis 50% des Durchmessers des Hohlzylinders. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass ein besonders hohes Schaltvermögen und gleichzeitig eine geringe Verschweißneigung realisiert werden kann.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens umfasst die chromarme Kupferlegierung weniger als 15% Chrom. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass sich ein besonders hohes Schaltvermögen in der Mitte des Vakuumschaltkontaktes realisiert werden kann.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens umfasst die chromreiche Kupferlegierung mehr als 15% Chrom. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Verschweißneigung besonders effizient verringert werden kann.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird der Holzylinder vor einem Einsetzen des Einsatzzylinders erwärmt. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass sich der Hohlzylinder ausdehnt, so dass der Einsatzzylinder leicht eingesetzt werden kann.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird der Einsatzzylinder vor einem Einsetzen in den Hohlzylinder abgekühlt. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass sich der Einsatzzylinder zusammenzieht, so dass dieser leicht in den Hohlzylinder eingesetzt werden kann.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird das Massivumformen mittels Rundhämmern, Pilgern oder Kaliberwalzen durchgeführt. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass sich der Verbund aus Hohlzylinder und Einsatzzylinder auf einfache Weise in die Form eines gestreckten Zylinders bringen lässt.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird der Hohlzylinder durch mechanische Verdichtung eines Metallpulvers in einem Formwerkzeug hergestellt. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass bezüglich der geforderten Kontaktwerkstoffeigenschaften eine hohe Werkstoffgüte realisiert wird.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird der Hohlzylinder durch Vakuumumschmelzen hergestellt. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass der Hohlzylinder mit einer hohen Reinheit und Leitfähigkeit hergestellt wird.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens weist der Hohlzylinder eine homogene Zusammensetzung auf. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass der Vakuumschaltkontakt eine hohe Güte aufweist.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens erstreckt sich die Einsatzöffnung über die gesamte Länge des Hohlzylinders. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass aus dem gestreckten Zylinder eine hohe Zahl von Vakuumschaltkontakten erzeugt werden kann.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird der Einsatzzylinder durch Vakuumumschmelzen hergestellt. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass der Einsatzzylinder mit einer hohen Reinheit und Leitfähigkeit hergestellt wird.
-
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe durch einen Werkstoffrohling zum Herstellen eines gradierten Vakuumschaltkontaktes gelöst, mit einem Hohlzylinder aus einer chromreichen Kupferlegierung mit einer zylindrischen Einsatzöffnung; und einem Einsatzzylinder aus einer chromarmen Kupferlegierung, der in die Einsatzöffnung eingesetzt ist. Dadurch wird beispielsweise ebenfalls der technische Vorteil erreicht, dass der entstehende Vakuumschaltkontakt aufgrund der niedrigen Chromkonzentration in der Mitte ein höheres Schaltvermögen aufweist, während in den Außenbereichen die Verschweißneigung des Vakuumschaltkontaktes reduziert werden kann.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Werkstoffrohlings weist der Werkstoffrohling eine Länge von 40 cm und einen Durchmesser von 5 cm auf. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass der Werkstoffrohling auf einfache Weise bearbeitet werden kann.
-
Gemäß einem dritten Aspekt wird die Aufgabe durch einen kreisförmigen Vakuumschaltkontakt für eine Vakuumschaltröhre gelöst, mit einer Außenhülle aus einer chromreichen Kupferlegierung und einem Zentrum aus einer chromarmen Kupferlegierung aus einem Werkstoffrohling nach dem zweiten Aspekt. Dadurch wird beispielsweise ebenfalls der technische Vorteil erreicht, dass der entstehende Vakuumschaltkontakt aufgrund der niedrigen Chromkonzentration in der Mitte ein höheres Schaltvermögen aufweist, während in den Außenbereichen die Verschweißneigung des Vakuumschaltkontaktes reduziert werden kann.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
-
Es zeigen:
-
1 eine Querschnittsansicht einer Vakuumschaltröhre;
-
2 eine Ansicht eines Werkstoffrohlings; und
-
3 ein Blockdiagramm eines Verfahrens.
-
1 zeigt eine Querschnittsansicht einer Vakuumschaltröhre 200. Die Vakuumschaltröhre 200 dient zum Schalten hoher Ströme, beispielsweise im Bereich der Energieverteilung von Stromnetzen.
-
Zu diesem Zweck umfasst die Vakuumschaltröhre 200 einen festsitzenden Vakuumschaltkontakt 201 und einen beweglichen Vakuumschaltkontakt 203, die sich im Inneren der Vakuumschaltröhre 200 in einem Vakuum befinden. Der festsitzende Vakuumschaltkontakt 201 und der bewegliche Vakuumschaltkontakt 203 können gegenseitig in Kontakt gebracht werden oder voneinander getrennt werden. Sind die beiden Vakuumschaltkontakte 201 und 203 in Kontakt befindet sich die Vakuumschaltröhre in leitendem Zustand. Wird der bewegliche Vakuumschaltkontakt 203 entlang seiner Längsachse zurückgezogen, trennen sich die beiden Vakuumschaltkontakte 201 und 203. Aufgrund hoher Ströme können sich die Vakuumschaltkontakte 201 und 203 erwärmen, so dass diese gegenseitig verschweißen und nicht mehr getrennt werden können. Die stromführenden Leiter werden an den Anschlussbolzen 205 und 207 befestigt.
-
2 zeigt eine Ansicht eines Werkstoffrohlings 100. Der Werkstoffrohling 100 dient zum Herstellen eines gradierten Vakuumschaltkontaktes 201, 203. Der Werkstoffrohling 100 umfasst einen Hohlzylinder 101 aus einer chromreichen Kupferlegierung mit einer zylindrischen Einsatzöffnung 103 und einen Einsatzzylinder 105 aus einer chromarmen Kupferlegierung, der in die Einsatzöffnung 103 eingesetzt ist.
-
Der Hohlzylinder 101 ist durch ein pulvermetallurgisches Verfahren oder durch Vakuumumschmelzen in einer homogenen Werkstoffzusammensetzung und hoher Werkstoffgüte hergestellt, beispielsweise auf Basis von 40% Cr in einer Cu-Matrix – CuCr40. Der Einsatzzylinder 105 bildet einen Kern aus einem chromarmen Material. Der Hohlzylinder 101 bildet einen Kontaktwerkstoffkörper, dessen zentrale Einsatzöffnung 103 sich über die gesamte Länge erstreckt. Der Durchmesser der Einsatzöffnung 103 liegt beispielsweise bei 25% bis 50% des Außendurchmessers des Hohlzylinders 101. Der Hohlzylinder 101 wird mit dem Einsatzzylinder 105 gefüllt, der durch Vakuumschmelzen einer CuCr-Legierung mit niedriger Chromkonzentration erzeugt wird. Die Chromkonzentration des Einsatzzylinders 105 beträgt beispielsweise 5% bis 15%.
-
Als chromreicher äußerer Hohlzylinder 101 wird vorzugsweise ein gebohrter Körper aus pulvermetallurgisch hergestelltem, im Vakuum umgeschmolzenen Material verwendet, da dieser bezüglich der geforderten Kontaktwerkstoffeigenschaften die höchste Werkstoffgüte aufweist. Da der Kontaktwerkstoff des Hohlzylinders 101 jedoch bei der neuen Kontaktform im Außenbereich des Kontaktes nicht mehr so stark wie bei herkömmlichen Kontakten aus räumlich homogenen Werkstoffen belastet wird, ist es ebenfalls möglich, über Sinterverfahren hergestellte pulvermetallurgische Hohlzylinder 101 einzusetzen. Der Einsatzzylinder 105 als zentrischer Füllkörper wird durch ein im Vakuum umgeschmolzene Material hergestellt.
-
Durch vorheriges Anwärmen des Hohlzylinders 101 und Abkühlen des inneren Einsatzzylinders 105 können Presspassungen hergestellt werden. Der Verbund aus Hohlzylinder 101 und Einsatzzylinder 105 wird anschließend massivumgeformt. Dadurch entsteht ein gestreckter Zylinder in dem der ursprüngliche Hohlzylinder 101 mit dem gesteckten Kern des Einsatzzylinders 105 verschweißt ist. Das Massivumformen kann beispielsweise durch Rundhämmern, Pilgern oder Kaliberwalzen erfolgen. Der Kompositwerkstoff erhält durch den hohen Umformgrad das erwünschte zeilige Gefüge und kann mit weiteren Bearbeitungsmethoden, wie beispielsweise spanenden Verfahren, zu den geforderten Kontaktformen verarbeitet werden kann.
-
Der Werkstoffrohling 100 weist beispielsweise eine Länge von ungefähr 400 mm und einen Durchmesser von ungefähr 50 mm auf, so dass optimale Abmessungen für das Rundhämmern als Umformverfahren erreicht werden.
-
3 zeigt ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines gradierten Vakuumschaltkontaktes 201, 203 für eine Vakuumschaltröhre 200. Das Verfahren umfasst die Schritte eines Erzeugens S101 des Hohlzylinders 101 aus einer chromreichen Kupferlegierung mit der zylindrischen Einsatzöffnung 103. In Schritt S102 wird der Einsatzzylinder 105 aus einer chromarmen Kupferlegierung in die Einsatzöffnung 103 eingesetzt. Daraufhin findet in Schritt S103 ein Massivumformen des Verbundes aus dem Hohlzylinders 101 und dem Einsatzzylinders 105 statt, um einen gestreckten Zylinders zu erzeugen. Aus dem gestreckten Zylinder wird durch spanende Bearbeitung der Vakuumschaltkontakt 201, 203 mit der jeweiligen Kontaktform hergestellt, beispielsweise durch Sägen von Scheiben, Drehen oder Fräsen.
-
Dadurch ist die Chromkonzentration im Zentrum eines Axialmagnetfeldkontaktes niedrig, beispielsweise im Bereich von 5% bis 20%, während im Außenbereich die Chromkonzentration im Bereich von 25% bis 50% liegt, so dass eine Lichtbogenausbreitung unterdrückt und das Schaltvermögen verbessert wird.
-
Durch die Massivumformung des CuCr-Verbundwerkstoffs des Werkstoffrohlings 100 wird ein ideales Werkstoffgefüge erreicht. Die Chrom-Ausscheidungen in dem Hohlzylinder 101 und dem Einsatzzylinder 105 werden gestreckt. Die Verbindung der chromreichen Außenhülle mit dem chromarmen Zentrum entspricht einer perfekten Schweißverbindung mit sehr hoher Dichte und geringer Porosität. Der so erhaltene gestreckte Zylinder kann dann zusätzlich über weitere Bearbeitungsverfahren, wie beispielsweise Sägen, Bohren oder Fräsen, in die geforderte Endform gebracht werden.
-
Durch das Verfahren kann die Zusammensetzung des Vakuumschaltkontaktes in radialer Richtung gezielt verändert werden. Da das Verfahren lediglich einen zusätzlichen Bearbeitungsschritt durch Einbringen des Einsatzzylinders umfasst, kann dieses schnell und effizient durchgeführt werden. Zudem kann der gestreckte Zylinder über die Massivumformung variabel auf die benötigten Scheibendurchmesser angepasst werden, so dass eine spangebende Formgebung entfällt. Durch den Einsatz von Vakuumumschmelzverfahren kann eine hohe Werkstoffqualität erreicht werden. Nichtdestotrotz bleiben die Vorteile durch Gradierung des Werkstoffes erhalten.
-
Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten und gezeigten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren.
-
Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Ansprüche gegeben und wird durch die in der Beschreibung erläuterten oder den Figuren gezeigten Merkmale nicht beschränkt.
