DE102015207120A1

DE102015207120A1 - Lichtbogenkontakt für eine elektrische Schalteinrichtung und Schalteinrichtung mit hochabbrandfester Pinspitze

Info

Publication number: DE102015207120A1
Application number: DE102015207120.0A
Authority: DE
Inventors: Lutz-Rüdiger Jänicke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2015-04-20
Filing date: 2015-04-20
Publication date: 2016-10-20
Also published as: WO2016169736A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Lichtbogenkontakt (2) für eine elektrische Schalteinrichtung (1) mit einer Spitze (15), welche ein abbrandfestes erstes Material (13) aufweist und ein hochabbrandfestes zweites Material (14) umfasst sowie eine elektrische Schalteinrichtung (1) mit dem zuvor beschriebenen Lichtbogenkontakt (2). Die elektrische Schalteinrichtung (1) umfasst ferner einen tulpenförmigen zweiten Lichtbogenkontakt (3), ausgebildet in Form eines Lichtbogen-Rohrkontakts.

Description

Die Erfindung betrifft einen Lichtbogenkontakt für eine elektrische Schalteinrichtung mit einer Spitze, welche ein abbrandfestes erstes Material aufweist und eine elektrische Schalteinrichtung mit einem ersten und einem zweiten Lichtbogenkontakt.
Elektrische Schalteinrichtungen, insbesondere Hochspannungs-Leistungsschalter weisen neben Dauerstromkontakten auch Lichtbogenkontakte auf. Beim Schalten von hohen Strömen z. B. im kA Bereich treten Lichtbögen auf, welche elektrische Kontakte beschädigen können. Aus diesem Grund sind die elektrischen Schalteinrichtungen mit Lichtbogenkontakten ausgerüstet, welche beim Einschalten vor den Dauerstromkontakten kontaktiert werden und beim Ausschalten nach den Dauerstromkontakten getrennt werden. Dadurch wird sichergestellt, dass ein Lichtbogen zwischen den Lichtbogenkontakten entsteht, welcher z. B. bei einem Nullstromdurchgang gelöscht wird, und somit die Dauerstromkontakte nicht beschädigt.
Die Lichtbogenkontakte können in einer Anordnung verwendet werden, mit einer Schaltstrecke gefüllt mit einem Löschgas wie z. B. SF₆. Beim Schalten wird das Löschgas durch den Lichtbogen erwärmt und dehnt sich aus. Der dabei entstehende Druckaufbau lässt Löschgas in einen Heizgasraum strömen. Bei einem Nulldurchgang des Stromes erlischt der Lichtbogen, wobei Löschgas aus dem Heizgasraum zurück in die Schaltstrecke zwischen die Lichtbogenkontakte strömt. Dadurch wird das Erlöschen des Lichtbogens unterstützt und ein erneutes Zünden verhindert.
Beim Brennen des Lichtbogens werden die Lichtbogenkontakte stark beansprucht. Materialabbrand kann z. B. beim Schalten hochfrequenter Ströme zu einer dauerhaften Schädigung der Lichtbogenkontakte führen. Aus dem Stand der Technik, siehe z. B. EP 1 843 374 A2 , sind Lichtbogenkontakte aus einem Material mit geringem spezifischem Widerstand mit einer Spitze aus abbrandfestem Material bekannt. Innerhalb des Lichtbogenkontaktes ist ein Verstärkungselement aus einem im Vergleich zum Leitermaterial mechanisch festerem Material angeordnet. Dadurch wird eine ausreichende mechanische Stabilität gewährleistet, insbesondere beim Schalten mit hohen Geschwindigkeiten. Um einen hohen Abbrand an den Kontakten zu verhindern, wird in der Regel bei Hochspannungs-Leistungsschaltern mit hoher Geschwindigkeit geschaltet, insbesondere bei hochfrequenten Strömen. Dabei brennt der Lichtbogen nur kurz und eine starke Schädigung der Lichtbogenkontakte wird vermieden.
Für hohe Schaltgeschwindigkeiten, bei welchen Lichtbogenkontakte stark beschleunigt werden, müssen die Lichtbogenkontakte mechanisch sehr stabil sein. Bei der Bewegung der Lichtbogenkontakte kann es zu Pendelbewegungen senkrecht zur Bewegungsachse kommen, welche eine Beschädigung von Teilen der elektrischen Schalteinrichtung bewirken können. Um einen Druckaufbau des Löschgases und ein Strömen in den Heizgasraum und zurück zu ermöglichen, ist die Schaltstrecke zumindest teilweise von einer Isolierdüse umgeben. Ein bewegter Lichtbogenkontakt wird in einen Bereich einer Engstelle der Isolierdüse beim Einschalten eingeführt. Bei starker Pendelbewegung kann es zu einem mechanischen Kontakt zwischen Lichtbogenkontakt und Isolierdüse mit Materialabrieb kommen. In ungünstigen Fällen kann es auch zu einem Verkanten des bewegten Lichtbogenkontaktes in der Engstelle der Isolierdüse kommen. Dadurch kann sowohl die Isolierdüse als auch der Lichtbogenkontakt dauerhaft beschädigt werden.
Durch das zuvor beschriebene Verstärkungselement im Inneren des Lichtbogenkontaktes, welches von einem gut leitenden Material umgeben ist, wird der Lichtbogenkontakt mechanisch stabil, und insbesondere Pendelbewegungen werden beim Schalten vermieden oder zumindest stark verringert. Das gut leitende Material ist aber in der Regel mechanisch und thermisch nicht sehr stabil, was zu einem erhöhten Abbrand und Abrieb führen kann. Insbesondere bei Verwendung von Isolierdüsen mit einem Durchmesser der Engstelle in der Größenordnung des Durchmessers des Lichtbogenkontaktes, welche einen hohen Druckaufbau des Isoliergases gewährleisten und damit eine gute Löschung des Lichtbogens, kann das relativ weiche, gut leitende Material des Lichtbogenkontaktes leicht abgerieben werden, z. B. bei Kontakt mit der Isolierdüse. Eine Schädigung des Lichtbogenkontaktes ist die Folge.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Lichtbogenkontakt für eine elektrische Schalteinrichtung und eine Schalteinrichtung mit einem solchen Lichtbogenkontakt anzugeben, welche die zuvor beschriebenen Probleme lösen. Insbesondere ist es Aufgabe, einen Aufbau eines Lichtbogenkontaktes anzugeben, welcher eine hohe mechanische Stabilität aufweist und gute elektrische Kontakteigenschaften sowie eine geringe Tendenz zu Abrieb und Abbrand beim Schaltvorgang, insbesondere mit hoher Schaltgeschwindigkeit.
Die angegebene Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Lichtbogenkontakt für eine elektrische Schalteinrichtung gelöst, mit einer Spitze, welche ein abbrandfestes erstes Material aufweist und ein hochabbrandfestes zweites Material umfasst.
Das abbrandfeste erste Material weist eine hohe mechanische Stabilität auf und eine geringe Tendenz zum Abrieb, womit der Lichtbogenkontakt mechanisch stabil aufgebaut ist, mit hoher Lebensdauer bei Schaltvorgängen, insbesondere bei Schaltvorgängen mit hoher Schaltgeschwindigkeit. Das hochabbrandfeste zweite Material weist eine geringe Tendenz zu Abbrand auf und ergibt dadurch eine hohe Lebensdauer bei Schaltvorgängen in Verbindung mit Lichtbögen. Die guten elektrischen Kontakteigenschaften der Materialien ergeben einen guten elektrischen Lichtbogenkontakt. In einer Anordnung kann der Lichtbogen über das hochabbrandfeste zweite Material mit dem Lichtbogenkontakt in Kontakt stehen, wobei ein mechanischer und direkter elektrischer Kontakt des Lichtbogenkontakts mit einem weiteren Lichtbogenkontakt, z. B. in Tulpenform, über das abbrandfeste erste Material erfolgt. Somit werden die Vorteile beider Materialien optimal genutzt, wobei in der Summe der Lichtbogenkontakt eine lange Lebensdauer aufweist, z. B. durch die hohe mechanische Stabilität, geringem Abrieb beim Schalten, und durch die niedrige Tendenz zum Abbrand.
Die Spitze des Lichtbogenkontaktes kann pinförmig ausgebildet sein, wobei insbesondere der Lichtbogenkontakt die Form eines Kontaktstiftes mit einem Schaft aufweist. Eine Pinform ermöglicht einen guten Kontakt in Verbindung mit z. B. einem Lichtbogengegenkontakt in Tulpenform. Bei einer Pinform ist eine Spitze gut ausbildbar, insbesondere eine hervorstehende Spitze aus dem hochabbrandfesten zweiten Material eingebettet bzw. umschlossen von abbrandfestem erstem Material.
Der Schaft des Lichtbogenkontaktes kann aus Kupfer sein und/oder Kupfer umfassen. Kupfer weist eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf und ergibt eine gute elektrische Stromleitung zur bzw. von der Kontaktspitze weg.
Das abbrandfeste erste Material kann aus einer Wolframkupfer-Legierung sein und/oder eine Wolframkupfer-Legierung umfassen. Wolframkupfer hat eine gute mechanische Festigkeit bei gleichzeitig guten elektrischen Eigenschaften, wie z. B. hoher elektrischer Leitfähigkeit.
Das hochabbrandfeste zweite Material kann Graphit sein und/oder Graphit umfassen. Graphit ist sehr temperaturstabil und weist bei gleichzeitig sehr guten elektrischen Eigenschaften eine sehr hohe Abbrandfestigkeit auf. Graphit ist in verschiedenen Formen verwendbar, insbesondere in Form von gepresstem Pulver.
Das abbrandfeste erste Material der Spitze kann in Form einer Hülse ausgebildet sein, welche mit dem hochabbrandfesten zweiten Material befüllt ist. Eine Hülse kann als Hohlzylinder ausgebildet sein, welcher sich einfach und langzeitstabil mit Material befüllen lässt. Dadurch ist bei Verwendung eines Lichtbogengegenkontakts in Tulpenform ein elektrischer und mechanischer, direkter Kontakt des Lichtbogenkontaktes mit dem Lichtbogengegenkontakt nur über das abbrandfeste erste Material möglich. Beim Schalten erfolgt eine geringere mechanische Abnutzung durch die Wechselwirkung der Kontakte untereinander als bei direktem Kontakt des Gegenkontaktes mit dem hochabbrandfesten zweiten Material.
Die Hülse aus dem abbrandfesten ersten Material kann die Form eines rotationssymmetrischen Hohlzylinders aufweisen, welcher insbesondere formschlüssig einen rotationssymmetrischen zylinderförmigen Presskörper und/oder Einsatz aus dem hochabbrandfesten zweiten Material umfasst. Der Presskörper und/oder Einsatz aus dem hochabbrandfesten zweiten Material kann als abgeflachte Spitze aus der Hülse aus dem abbrandfesten ersten Material herausragen. Durch das Herausragen ist ein kürzerer Abstand der Spitze aus hochabbrandfestem zweitem Material als der Abstand der Hülse aus abbrandfestem erstem Material gegenüber dem insbesondere tulpenförmigen Lichtbogengegenkontakt gegeben. Dadurch brennt der Lichtbogen zwischen der Spitze aus hochabbrandfestem zweitem Material und dem insbesondere tulpenförmigen Lichtbogengegenkontakt. Da das zweite Material hochabbrandfest ist, findet kein bzw. nur ein geringer Abbrand an der Spitze statt und die Spitze ist langzeitstabiler, insbesondere bei häufigem Schalten verglichen mit einer Spitze vollständig umhüllt allein mit einem abbrandfesten ersten Material, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Die Hülse, befüllt mit dem hochabbrandfesten zweiten Material kann auf den Schaft des Lichtbogenkontaktes gepresst sein, insbesondere mit direktem elektrischen und/oder mechanischen Kontakt des hochabbrandfesten zweiten Materials mit dem Material des Schaftes. Ein umlaufender Spalt zwischen Hülse und Schaft kann verschweißt oder verlötet sein. Der beschrieben Aufbau ergibt einen mechanisch stabilen und elektrisch gut leitenden Lichtbogenkontakt.
Der Bereich der Spitze mit hochabbrandfestem zweitem Material kann einen geringeren Durchmesser aufweisen als der Bereich der Spitze mit abbrandfestem erstem Material. Dadurch ist es einfach, eine Spitze aus dem zweiten Material aus einer Umhüllung mit erstem Material herausragen zu lassen, wobei der Aufbau einfach herstellbar ist. Alternativ kann z. B. die gesamte Fläche zum Lichtbogengegenkontakt weisend aus dem zweiten Material bestehen, z. B. als eine Art Beschichtung. Das erste Material kann als Ummantelung im Bereich darunter um einen insbesondere zylinderförmigen Körper aus dem zweiten Material ausgebildet sein, wobei ein Aufbau ausgebildet wird mit einem pilzförmigen zweiten Material und einer Ummantelung des Pilzschafts mit dem ersten Material.
Eine erfindungsgemäße elektrische Schalteinrichtung umfasst einen ersten und einen zweiten Lichtbogenkontakt, mit einem ersten Lichtbogenkontakt wie zuvor beschrieben, und mit einem zweiten Lichtbogenkontakt, insbesondere ausgebildet als tulpenförmiger Lichtbogen-Rohrkontakt. Insbesondere ein zuvor beschriebener Lichtbogenkontakt mit Spitze in Verbindung mit einem tulpenförmigen Lichtbogen-Rohrkontakt ergibt einen guten elektrischen Kontakt, welcher einfach und sicher trenn- oder schließbar ist, mit einer hohen mechanischen und elektrischen Stabilität.
Die elektrische Schalteinrichtung kann als ein Hochspannungs-Leistungsschalter ausgebildet sein. Bei Hochspannungs-Leistungsschaltern sind die zuvor beschriebenen Probleme stark ausgeprägt, wobei die Verwendung des zuvor beschriebenen Lichtbogenkontaktes zu einer erhöhten Lebensdauer und verringertem Verschleiß des Kontaktes führt.
Der Bereich der Spitze kann mit hochabbrandfestem zweitem Material im Wesentlichen komplementär der Form des tulpenförmigen Lichtbogen-Rohrkontaktes ausgebildet sein. Insbesondere kann die Spitze mit einer Form ausgebildet sein, welche bei einem elektrischen Kontaktieren des ersten und des zweiten Lichtbogenkontaktes einen direkten mechanischen Kontakt zwischen dem hochabbrandfesten zweiten Material der Spitze und dem tulpenförmigen Lichtbogen-Rohrkontakt als Gegenkontakt zum Lichtbogenkontakt mit Spitze verhindert. Ohne direkten mechanischen Kontakt erfolgt kein Abrieb und/oder keine Deformation des hochabbrandfesten zweiten Materials von bzw. auf der Spitze.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen elektrischen Schalteinrichtung nach Anspruch 11 sind analog den zuvor beschriebenen Vorteilen des Lichtbogenkontaktes für eine elektrische Schalteinrichtung nach Anspruch 1 und umgekehrt.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch in den Zeichnungen gezeigt und nachfolgend näher beschrieben.
Dabei zeigen die
1 einen Schnitt durch eine elektrische Schalteinrichtung 1 mit Dauerstromkontakten 6, 7 und mit Lichtbogenkontakten 2, 3, und
2 einen erfindungsgemäßen Lichtbogenkontakt 2 mit einer Spitze 15, umfassend eine Hülse 13 aus einem abbrandfesten ersten Material und einem Presskörper bzw. Einsatz 14 aus einem hochabbrandfesten zweiten Material.
Voneinander abweichende, funktionsgleiche Details der in den 1 und 2 gezeigten Konstruktionen sind untereinander kombinierbar bzw. austauschbar.
Die 1 zeigt eine elektrische Schalteinrichtung 1 in Schnittdarstellung mit einem ersten und einem zweiten Dauerstromkontakt 6, 7, und mit einem ersten und einem zweiten Lichtbogenkontakt 2, 3 in einem Isolierstoffgehäuse 10. Zwischen den Kontakten 2, 3, 6, 7 ist eine Isolierdüse 5 angeordnet, welche die Schaltstrecke zwischen den Lichtbogenkontakten 2, 3 gegen die Dauerstromkontakte 6, 7 isoliert.
Beim Schalten, Trennen oder Schließen bzw. Zusammenbringen der Kontakte 2, 3, 6, 7, entsteht ein Lichtbogen 4. Die Lichtbogenkontakte 2, 3 sind ausgelegt, einen Lichtbogen 4 zu tragen. Dauerstromkontakte 6, 7 sind ausgelegt, bei hohen Strömen einen geringen Kontaktwiderstand aufzuweisen, und können durch einen starken und/oder lange anhaltenden Lichtbogen dauerhaft beschädigt werden. Eine dauerhafte Beschädigung von Kontakten durch Lichtbögen 4 erfolgt z. B. durch Abbrand von Material an den Kontakten. Die Materialien von Lichtbogenkontakten 2, 3 sind ausgelegt, einem Abbrand so weit wie möglich zu widerstehen, wobei Materialien für Dauerstromkontakte 6, 7 ausgelegt sind, einen hohen dauerhaften Stromfluss mit geringen elektrischen Verlusten zu gewährleisten. Die Materialien der Dauerstromkontakte 6, 7 sind in der Regel nicht hochabbrandfest.
Die Isolierdüse 5 isoliert elektrisch die Schaltstrecke zwischen den Lichtbogenkontakten 2, 3 gegenüber den Dauerstromkontakten 6, 7. Ferner erfolgt eine gasdichte Trennung der Schaltstrecke zwischen den Lichtbogenkontakten 2, 3 von der äußeren Umgebung der Schaltstrecke zwischen den Lichtbogenkontakten 2, 3, d. h. eine gasdichte Trennung der Schaltstrecke zwischen den Lichtbogenkontakten 2, 3 von der Schaltstrecke zwischen den Dauerstromkontakten 6, 7.
Die Isolierdüse 5 kann mechanisch fest auf einer Seite, z. B. der Seite des Dauerstromkontakts 7 und des Lichtbogenkontakts 3 befestigt sein. Eine Befestigung kann z. B. über einen Flansch 11, Gewinde und/oder Befestigungsmittel wie z. B. Schauben erfolgen. Durch die unbewegliche, mechanische Befestigung wird eine Relativbewegung zwischen Isolierdüse 5 und Dauerstromkontakt 7 unterbunden. Auf der gegenüberliegenden Seite, z. B. der Seite des Dauerstromkontakts 6 und des Lichtbogenkontakts 2 ist die Isolierdüse 5 beweglich in dem Dauerstromkontakt 6 gelagert. Bei Ausführung des Dauerstromkontakts 6 als Hohlrohr, wie im Ausführungsbeispiel in der 1 dargestellt ist, und mit rotationssymmetrischer Isolierdüse 5 mit Außenumfang im Wesentlichen gleich dem Innenumfang des Hohlrohres des Dauerstromkontakts 6, ist die Isolierdüse beweglich im Hohlrohr des Dauerstromkontakts 6 gelagert. Eine Dichtung zwischen Isolierdüse 5 und Dauerstromkontakt 6 sorgt für einen gasdichten Formschluss zwischen Isolierdüse 5 und Dauerstromkontakt 6.
Bei einem elektrischen Schließen der Schalteinrichtung 1 wird in einem ersten Schritt der elektrische Kontakt zwischen den zwei Lichtbogenkontakten 2, 3 geschlossen. Die Kontakte 2, 3 werden aufeinander zubewegt bzw. ein Lichtbogenkontakt 2 wird auf einen feststehenden, insbesondere mit der Isolierdüse 5 fest, d. h. unbeweglich verbundenen Lichtbogenkontakt 3 zubewegt oder der Lichtbogenkontakt 3, der insbesondere mit der Isolierdüse 5 fest verbunden ist, wird auf einen feststehenden Lichtbogenkontakt 2 zubewegt. Alternativ können auch beide Lichtbogenkontakte 2, 3 bewegt werden, wobei die Isolierdüse 5 z. B. mit dem Lichtbogenkontakt 3 mit bewegt wird. Bei einem definierten Abstand, abhängig von der zwischen den Kontakten angelegten Spannung und einem Isoliergas, mit welchem der Raum in der Isolierdüse 5 befüllt ist, zündet ein Lichtbogen 4.
Der Lichtbogen 4 erhitzt in seiner Umgebung das Isoliergas, z. B. FS₆, welches sich ausdehnen und den Druck in der Isolierdüse 5 erhöhen kann. Isoliergas kann über einen Kanal 9 in einen Heizgasraum 8 gedrückt werden. Dies wird unterstützt durch die Bewegung des Lichtbogenkontaktes 2 in einer Engstelle der Isolierdüse 5, insbesondere bei einer komplementären Form und im Wesentlichen gleichem Durchmesser des Lichtbogenkontaktes 2 und der Engstelle. Ein Gasfluss in Richtung der Seite der Isolierdüse 5 Richtung des ersten Lichtbogenkontakts 2 wird unterbunden oder zumindest gehemmt. Der Gasfluss durch den Kanal 9 in den Heizgasraum 8 kann den Gasdruck im Heizgasraum 8 erhöhen.
Bei einer elektrischen Schwingung durch den Nullpunkt des Stromes kann der Lichtbogen zwischen den Lichtbogenkontakten 2, 3 kurzzeitig erlöschen, unterstützt durch ein Ausblasen des Lichtbogens durch aus dem Heizgasraum 8 zurückströmendes Isoliergas. Es kann jedoch auch eine erneute Zündung des Lichtbogens erfolgen. Die zwei Lichtbogenkontakte 2, 3 werden elektrisch und mechanisch in Kontakt gebracht, und darauf folgend werden die Dauerstromkontakte 6, 7 kontaktiert, d. h. elektrisch und mechanisch miteinander verbunden.
Ein Öffnen der elektrischen Schalteinrichtung 1 wird in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt. Die Dauerstromkontakte 6, 7 werden in einem ersten Schritt getrennt. Dabei verbleiben die Lichtbogenkontakte 2, 3 mechanisch und elektrisch verbunden. Erst in einem darauffolgenden Schritt werden die Lichtbogenkontakte 2, 3 voneinander getrennt. Dabei zündet ein Lichtbogen 4, welcher in seiner Umgebung Isoliergas erhitzt. Das Isoliergas, welches erwärmt wird, dehnt sich aus und erhöht den Druck in der Isolierdüse 5. Isoliergas wird über den Kanal 9 in den Heizgasraum 8 gedrückt, unterstützt durch den Lichtbogenkontakt 2 in der Engstelle der Isolierdüse 5. Der Gasfluss in Richtung der Seite der Isolierdüse 5 Richtung des ersten Lichtbogenkontakts 2 ist unterbunden oder zumindest gehemmt, solange sich ein Teil des ersten Lichtbogenkontakts 2 in der Engstelle befindet. Der Gasfluss durch den Kanal 9 in den Heizgasraum 8 erhöht den Gasdruck im Heizgasraum 8.
Bei weiterer Bewegung des ersten Lichtbogenkontakts 2 weg vom zweiten Lichtbogenkontakt 3 entfernt sich der ersten Lichtbogenkontakts 2 aus der Engstelle der Isolierdüse 5 und gibt die Engstelle für den Gasfluss frei.
Zurückströmendes Isoliergas aus dem Heizgasraum 8 bewirkt ein Ausblasen des Lichtbogens 4. Der Austausch von Isoliergas in der Schaltstrecke verhindert ein erneutes Zünden des Lichtbogens bei zunehmendem Abstand der Lichtbogenkontakte 2, 3. Die zwei Lichtbogenkontakte 2, 3 sind nach einem zweiten Schritt, welcher zeitlich auf einen ersten Schritt folgt, der die Trennung der Dauerstromkontakte 6, 7 umfasst, elektrisch und mechanisch voneinander getrennt. Damit ist ein Stromfluss über die elektrische Schalteinrichtung 1 unterbunden bzw. getrennt.
Der Aufbau der elektrischen Schalteinrichtung 1 ermöglicht ein Kontaktieren und/oder Trennen der Dauerstromkontaktstücke 6, 7 ohne Schädigung durch Lichtbögen. Im Wesentlichen werden nur die Lichtbogenkontakte 2, 3 durch Lichtbögen 4 in Form von Abbrand belastet. Dabei kann ein Abbrand bzw. Verdampfen und/oder Verbrennen von Material die Kontakte 2, 3 dauerhaft schädigen. Die Leitfähigkeit kann durch Ablagerungen und Veränderung der Oberfläche der Lichtbogenkontakte 2, 3 herabgesetzt werden, z. B. durch Änderung der Form oder chemische Reaktionen wie Oxidation. Insbesondere die Spitze 15 des Lichtbogenkontaktes 2 wird durch den Lichtbogen 4 stark beansprucht. Bei einem Lichtbogenkontakt 3 z. B. in Tulpenform, wie in 1 dargestellt ist, kann sich der Lichtbogen 4 räumlich über die Tulpenstücke bewegen bzw. verteilen. Dadurch kann die Belastung und Schädigung des zweiten Lichtbogenkontaktes 3 reduziert sein.
Erfindungsgemäß wird für den ersten Lichtbogenkontakt 2 insbesondere mit Spitze 15, wie er schematisch in 1 dargestellt ist und in 2 im Detail gezeigt wird, ein Aufbau beschrieben, welcher eine Verringerung bzw. Vermeidung von Abbrand bzw. Schädigung bewirkt bei gleichzeitig hoher mechanischer Stabilität, insbesondere im Bereich eines mechanischen Kontakts mit anderen Bauteilen. Dies erfolgt durch Einsatz von hochabbrandresistenten bzw. hochabbrandfesten Materialien 14 an der Spitze 15 im Bereich des Kontaktes mit einem Lichtbogen 4. Nachteil sehr- bzw. hoch-abbrandfester Materialien wie z. B. Kohlenstoff, insbesondere in Form von Graphit ist eine geringe mechanische Stabilität, insbesondere Abriebfestigkeit. In einem Bereich des Lichtbogenkontakts 2, welcher in mechanischen Kontakt mit dem Lichtbogenkontakt 3 gebracht wird, wird ein mechanisch stabiles, weniger abbrandfestes Material 13 verwendet. Das Material 13 ist abbrandfest, jedoch nicht hochabbrandfest. Dafür ist das Material 13 im Vergleich zu hochabbrandfesten Materialien mechanisch stabiler.
Der Lichtbogenkontakt 2 weist einen Kontaktstift mit einem Schaft 12 auf, welcher z. B. für hohe Ströme ausgelegt ist und einen geringen ohmschen Widerstand aufweist, bei hoher mechanischer Stabilität. Der Schaft 12 kann insbesondere aus Stahl und/oder Kupfer aufgebaut sein oder Stahl und/oder Kupfer umfassen. An der Spitze des Schafts 12 ist eine Hülse 13 aus abbrandfestem Material angeordnet, welche einen zur Spitze 15 hin offenen Hohlraum aufweist. Die Hülse 13 kann formschlüssig zum Schaft 12 aufgepresst sein. Der Hohlraum im Inneren der Hülse 13 ist mit dem hochabbrandfesten Material 14 befüllt, welches aus der Öffnung hervorragt und eine hervorstehende Spitze 15 bildet. Diese Spitze 15 kann z. B. abgeflacht oder abgerundet sein. Zum Schaft 12 hin ist ein guter mechanischer und elektrischer Kontakt zwischen hochabbrandfestem Material 14 und Schaftmaterial 12 durch einen formschlüssigen Kontakt beider Materialien gegeben.
Durch den Kontaktstift mit einem Schaft 12, einer Hülse 13 aus abbrandfestem ersten Material, und einem Presskörper bzw. Einsatz 14 in der Hülse 13 aus hochabbrandfestem zweiten Material, welches als Spitze 15 aus der Hülse 13 in entgegengesetzter Richtung zum Schaft 12 herausragt, wird ein pinförmiger ersten Lichtbogenkontakt 2 gebildet. Durchmesser und Länge der Spitze, gebildet aus der Hülse 13 und dem Presskörper 14, sind so dimensioniert, dass bei Einschalten der elektrische Schalteinrichtung 1 ein Vorüberschlag zwischen Spitze 15 und dem zweiten Lichtbogenkontakt 3 stattfindet. Der zweite Lichtbogenkontakt 3 kann insbesondere als tulpenförmiger Rohrkontakt ausgebildet sein. Dabei ist der Innendurchmesser des Rohrkontakts im Wesentlichen gleich dem Außendurchmesser der Hülse 13. Bei mechanischem Kontakt des ersten und des zweiten Lichtbogenkontakts 2, 3 stehen im Wesentlichen nur der insbesondere tulpenförmige Rohrkontakt und die Hülse 13 und/oder der Schaft 12 des ersten Lichtbogenkontakts 2 mit dem zweiten Lichtbogenkontakt 3 in direktem mechanischen Kontakt. Ein direkter mechanischer Kontakt des zweiten Lichtbogenkontakts 3 mit dem hochabbrandfesten zweiten Material 14 besteht nicht.
Dadurch wird ein Abrieb des hochabbrandfesten zweiten Materials 14 verhindert, bei Kontaktierung des ersten Lichtbogenkontakts 2 mit dem zweiten Lichtbogenkontakt 3, wobei der zweite Lichtbogenkontakt 3 über den ersten Lichtbogenkontakt 2 gestülpt wird und dabei beide Kontakte aneinander reiben. Ein direkter Kontakt nur mit dem abbrandfesten Material der Hülse 13 und/oder dem Schaft 12 bewirkt einen geringen bis keinen Abrieb, da das Material des Schafts 12 und der Hülse 13 mechanisch sehr stabil sind. Für eine hohe mechanische Stabilität des Aufbaus und gute elektrische Leitungseigenschaften kann ein umlaufender Spalt zwischen Schaft 12 und insbesondere aufgepresster Hülse 13 verlötet oder verschweißt werden. Der Schaft 12, insbesondere ein zylinderförmig ausgebildeter Schaft 12, kann an der Verbindungsfläche zwischen Schaft 12 und Hülse 13 um die Stärke der Hülsenwandung verschlankt sein, d. h. Material kann umlaufend z. B. abgefräst sein. Eine um diesen Bereich des Schafts 12 gepresste oder anderweitig geformte Hülse 13 bildet eine formschlüssige Weiterführung des Schafts 12 in Richtung Spitze 15 mit gleichem Durchmesser bzw. Umfang wie der Schaft 12.
Das hochabbrandfeste Material 14, insbesondere Graphit kann in den hohlen Bereich der Hülse eingepresst werden, z. B. nach dem Verpressen der Hülse 13 auf den Schaft 12, oder als Einsatz eingesetzt werden, z. B. vor dem Aufpressen der Hülse 13 auf den Schaft 12. Das hochabbrandfeste zweite Material 14 wird derart in die Hülse 13 aus abbrandfestem ersten Material eingebracht, dass eine Spitze 14 aus der Hülse 13 herausragt. Dies bewirkt bei Schaltvorgängen ein Brennen des Lichtbogens 4 zwischen der Spitze 14 aus hochabbrandfestem Material 14 und dem zweiten Lichtbogenkontakt 3. Das hochabbrandfeste Material 14 bewirkt, dass sowohl bei Ein- als auch bei Aus-Schaltungen weniger bzw. kein Material vom Pin 2 abgebrannt wird. Besonders bei Einschaltungen wird so auch die Ablagerung von verdampftem Kontaktmaterial im dielektrisch hochbelasteten Bereich des Lichtbogenkontakts vermieden.
Durch einen reduzierten Durchmesser der Spitze 15 aus hochabbrandfestem zweiten Material 14 gegenüber dem Schaft 12 und/oder dem Hülsenaußendurchmesser wird ein mechanischer Abrieb an der Spitze 15 im Bereich des hochabbrandfesten zweiten Materials 14, d. h. des Presskörpers bzw. Einsatzes 14 verhindert, da ein mechanischer Kontakt mit dem insbesondere als tulpenförmigen Rohrkontakt ausgebildeten zweiten Lichtbogenkontakt 3 auf dem größeren Durchmesser bzw. Umfang der Hülse 13 und/oder des Schafts 12 des ersten Lichtbogenkontakts 2 stattfindet. Materialabnutzung an der Vorderkante des ersten Lichtbogenkontaktstücks 2, insbesondere der Kante der abbrandfesten Hülse 13, werden vermieden und Trippelpunkte bei Berührungen zwischen dem ersten Lichtbogenkontakt 2 und der Isolierdüse 5 werden durch die vorgezogene Pinspitze 15, welche nur geringem Verschleiß unterliegt, elektrisch abgeschirmt.
Durch den geringeren Abbrand an der Spitze 15 des ersten Lichtbogenkontakts 2 kann auf zusätzliche Getriebe, z. B. eingebaut in der Schaltkammer, verzichtet werden. Die Einschaltgeschwindigkeit kann reduziert und die Vorüberschlagszeit, und somit der Energieeintrag in die Lichtbogenkontakte 2 beim Einschalten kann erhöht werden. Dadurch ergibt sich ein vereinfachter, langzeitstabiler Aufbau der elektrischen Schalteinrichtung 1, mit guter elektrischer Leitfähigkeit im eingeschalteten Zustand.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele können untereinander und mit aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsbeispielen kombiniert werden. Das zweite Kontaktstück 7, insbesondere das Tulpenkontaktstück kann fest gegenüber der Isolierdüse 5 in der elektrischen Schalteinrichtung 1 verbaut sein, wobei das erste Kontaktstück 6 beweglich angeordnet ist. Alternativ können auch beide Kontaktstücke 6, 7 beweglich in der elektrischen Schalteinrichtung 1 angeordnet sein, insbesondere auch beweglich gegenüber der Isolierdüse 5. Die Isolierdüse 5 kann aus PTFE bestehen, oder alternativ oder zusätzlich andere Isoliermaterialien wie z. B. Plastik umfassen. Das Isoliergas kann aus SF₆, aus anderen Gasen oder Gasgemischen bestehen.
Die Materialien des Schafts 12 können z. B. Wolfram oder andere gut leitende Stoffe umfassen, und Materialien des Schafts 12 sowie der Hülse 13 können aus mechanisch stabilen, gut leitenden Materialien bestehen oder diese umfassen, wie z. B. Eisen, Stahl, Aluminium, Kupfer sowie aus deren Legierungen bestehen. Die Hülse 13 kann auf den Schaft 12 unter anderem durch Pressen, Schraubung, insbesondere über ein Gewinde an der Hülse 13 und dem Schaft 12, durch Klebung, Schweißen und andere Methoden mechanisch stabil und gut leitend befestigt werden. Das hochabbrandfeste Material 14 kann als Körper in die Hülse 13 eingesetzt, formgepresst und/oder verklebt werden oder in einer formstabilen Matrix aus einem anderen Material integriert sein. Spalte insbesondere zwischen Hülse und Schaft 12, und/oder Einsatz 14 und Hülse 13 und/oder Einsatz 14 und Schaft 12, können insbesondere elektrisch gut leitend verschweißt, verlötet, verklebt, ausgegossen oder anderweitig befüllt sein. Der elektrische Lichtbogenkontakt 2 kann rotationssymmetrisch um eine Achse 17 als Zylinder und/oder abgerundeter Pin angeordnet sein, er kann alternativ oder zusätzlich pyramidale Formen, Kegel-, Quader- oder andere Formen aufweisen.
Bezugszeichenliste

1: elektrische Schalteinrichtung
2: erster Lichtbogenkontakt
3: zweiter Lichtbogenkontakt
4: Lichtbogen
5: Isolierdüse
6: erster Dauerstromkontakt
7: zweiter Dauerstromkontakt
8: Heizgasraum
9: Kanal
10: Isolierstoffgehäuse
11: Flansch
12: Kontaktstift mit einem Schaft
13: Hülse aus abbrandfestem ersten Material
14: Presskörper bzw. Einsatz aus hochabbrandfestem zweiten Material
15: Spitze
16: umlaufender Spalt zwischen Hülse und Schaft
17: Rotationsachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1843374 A2 [0004]

Claims

Lichtbogenkontakt (2) für eine elektrische Schalteinrichtung (1) mit einer Spitze (15), welche ein abbrandfestes erstes Material (13) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze (15) ein hochabbrandfestes zweites Material (14) umfasst.
Lichtbogenkontakt (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze (15) des Lichtbogenkontaktes (2) pinförmig ausgebildet ist, wobei insbesondere der Lichtbogenkontakt (2) die Form eines Kontaktstiftes mit einem Schaft (12) aufweist.
Lichtbogenkontakt (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (12) des Lichtbogenkontaktes (2) aus Kupfer ist und/oder Kupfer umfasst.
Lichtbogenkontakt (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das abbrandfeste erste Material (13) aus einer Wolframkupfer-Legierung ist und/oder eine Wolframkupfer-Legierung umfasst.
Lichtbogenkontakt (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das hochabbrandfeste zweite Material (14) Grafit ist und/oder Grafit umfasst.
Lichtbogenkontakt (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das abbrandfeste erste Material (13) der Spitze (15) in Form einer Hülse (13) ausgebildet ist, welche mit dem hochabbrandfesten zweiten Material (14) befüllt ist.
Lichtbogenkontakt (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (13) aus dem abbrandfesten ersten Material (13) die Form eines rotationssymmetrischen Hohlzylinders aufweist, welcher insbesondere formschlüssig einen rotationssymmetrischen zylinderförmigen Presskörper und/oder Einsatz aus dem hochabbrandfesten zweiten Material (14) umfasst.
Lichtbogenkontakt (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Presskörper und/oder Einsatz aus dem hochabbrandfesten zweiten Material (14) als abgeflachte Spitze (15) aus der Hülse aus dem abbrandfesten ersten Material (13) herausragt.
Lichtbogenkontakt (2) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (13), befüllt mit dem hochabbrandfesten zweiten Material (14) auf den Schaft (12) des Lichtbogenkontaktes (2) gepresst ist, insbesondere mit direktem elektrischem und/oder mechanischem Kontakt des hochabbrandfesten zweiten Materials (14) mit dem Material des Schaftes (12), und/oder ein umlaufender Spalt (16) zwischen Hülse (13) und Schaft (12) verschweißt oder verlötet ist.
Lichtbogenkontakt (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Spitze (15) mit hochabbrandfestem zweitem Material (14) einen geringeren Durchmesser aufweist als der Bereich der Spitze (15) mit abbrandfestem erstem Material (13).
Elektrische Schalteinrichtung (1) mit einem ersten und einem zweiten Lichtbogenkontakt (2, 3), dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lichtbogenkontakt (2) ein Lichtbogenkontakt nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist und der zweite Lichtbogenkontakt (3) insbesondere ein tulpenförmiger Lichtbogen-Rohrkontakt ist.
Elektrische Schalteinrichtung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schalteinrichtung (1) als ein Hochspannungs-Leistungsschalter ausgebildet ist.
Elektrische Schalteinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Spitze (15) mit hochabbrandfestem zweitem Material (14) im Wesentlichen komplementär der Form des tulpenförmigen Lichtbogen-Rohrkontaktes (3) ist, insbesondere ausgebildet bei einem elektrischen Kontaktieren des ersten und des zweiten Lichtbogenkontaktes (2, 3) einen direkten mechanischen Kontakt zwischen dem hochabbrandfesten zweiten Material (14) der Spitze (15) und dem tulpenförmigen Lichtbogen-Rohrkontakt (3) zu verhindern.