DE1640007B2 - Kontaktstueck fuer elektrische niederspannungs-wechselstromschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Kontaktstücke für elektrische Niederspannungs-Wechselstromschalter, aus einem ersten leitenden Werkstoff, der unter Bildung einer Vielzahl einzelner, senkrecht zur Kontaktfläche verlaufender, durchgehender Strompfade in einen zweiten Werkstoff eingebettet ist, dessen Schmelzpunkt unter dem des ersten Werkstoffes liegt. Bei derartigen Kontaktstücken wird der Lichtbogen ohne zusätzliche So Löscheinrichtungen nach dem Polaritätswechsel ausschließlich durch an der Kathode ablaufende physikalische Vorgänge gelöscht.

Es ist bekannt, bei Niederspannungs-Wechselstromschaltern geringer Ausschaltleistung ohne irgendwelche Löscheinrichtungen, wie magnetische Blasspulen, Löschkammern od. dgl., zu arbeiten, wobei der Schaltlichtbogen allein durch die physikalischen Vorgänge an den Elektroden zur Löschung gebracht wird. Diese bekannten Schalter sind allerdings nur für geringe Ausschaltstromstärken vorgesehen. Bei diesen Schaltern bestehen die Kontaktstücke im allgemeinen aus elektrisch gut leitfähigen, homogenen Werkstorfen, wie Kupfer und Silber, oder aus Verbundwerkstoffen, wie Silber/Kadmiumoxid und Silber/Nickel. Es werden auch Kupferkontaktglieder mit Silberüberzügen oder angelöteten bzw. angenieteten Kontaktstücken im Bereich der Kontaktstellen verwendet, um hierdurch einen möglichst geringen Übergangswiderstand zu erhalten.

Bei Doppelunterbrechung des Stromkreises mit derartigen Kontaktanordnungen sind bisher Schalter für 220/380 V und für Ausschaltstromstärken im Bereich von 40 bis 100 A je nach Nennstrom des Schalters hergestellt worden. Bei höheren Anschaltströmen werden die Schalter mit mehr als Zweifachunterbrechung ausgeführt, da man sonst keine sichere Löschung des Lichtbogens nach dem Strom-Nulldurchgang erzielen kann.

Bei höheren Stromstärken zeigen die bekannten Kontaktstücke und Kontaktwerkstoffe einen sehr hohen Materialverschleiß. Es hat daiier in der Vergangenheit nicht an Versuchen gtfehlt, diesen Materialvei schleiß bei der Schaltung größerer Ströme zu vermindern.

So ist es beispielsweise aus der DT-AS 10 40106 bekannt, Silberlegierungen mit Kadmium, Zink oder Quecksilber als Werkstoffe für solche Kontaktstücke zu verwenden. Aber auch diese Legierungen zeigen bei vielen technischen Anwendungsfällen einen sehr hohen Abbrand.

Weiterhin ist es aus der DTPS 7 58 108 bekannt, das Kleben und Verschweißen von Kontaktstücken der eingangs genannten Art zu erschweren, indem beide Kontaktstücke aus nebeneinander angeordneten abwechselnd einander folgenden Streifen aus gut leitenden und aus das Schweißen verhindernden Stoffen besteht. Als schweißhindernde Stoffe können dabei beispielsweise auch Drähte aus Wolfram, Molybdän oder Tantal verwendet werden, die senkrecht zur Kontaktoberfläche eingelagert werden und wegen ihres hohen Schmelzpunktes ein Verschweißen erschweren. Kontaktstücke solcher Art zeigen beim Auftreten von Lichtbogen bei der Kontakttrennung aber ebenfalls einen relativ hohen Materialverschleiß.

Das gleiche gilt für Kontaktstücke gemäß der US-PS 32 54 189 und der DT-PS 9 06 835, die aus Drähten bzw. Fasern eines hochschmelzenden Metalls, wie Wolfram oder Molybdän bestehen, eingebettet in eine Matrix aus einem gut leitenden Metall, wie Silber oder Kupfer. Die Drähte bzw. Fasern in diesen Kontaktstücken dienen lediglich zur mechanischen Festigkeitssteigerung, wodurch sie den mechanischen Verschleiß verringern und ein Abbröckeln von größeren Kontaktteilchen wesentlich verringern. Das Löschverhalten der Kontaktstücke wird durch diesen Werkstoff wenig beeinflußt.

Zur Verbesserung des Kontaktübergangs und des Schweißverhaltens von Schaltkontakten sind auch schon Kontaktstücke vorgeschlagen worden (US-PS 23 70 400), die eine laminare Struktur parallel zur Kontaktoberfläche besitzen, indem plättchenförmige Kupierteilchen in Kadmium eingebettet sind. Auch solche Kontaktstücke bringen keine wesentlichen Verbesserungen für das Löschverhalten und den Abbrand im Lichtbogen.

Es ist weiterhin vorgeschlagen worden (deutsche Anmeldung E 6277 VIIlb/21c), bei Hochspannungslei-

jtungsschaltern mit Schalt.stift und Ringkontakt zur Verminderung des Materialabbrandes im Lichtbogen in 4en aus Kupfer bestehenden Schaltstift einzelne fcomogene Stücke aus einem n.edrigerschmelzender Werkstoff einzusetzen, wie /Juminium oder Kadmium. Hierbei bilden sich aber im Lichtbogen größere Mengen und Volumina an schmelzflüssigen Phasen, die für eine sofortige Lichtbogenlöschung schädlich sind und zu einem relativ hohen Verschleiß an Kontaktmaterial führen.

Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Kontaktstücke der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß sie ohne zusätzliche Löscheinrichtungen die Ausschaltung eines wesentlich höheren Stromes gestatten, ohne daß hierbei ein gegenüber dem bekannten größerer Verschleiß des Kontaktwerkstoffes in Kauf genommen werden muß.

Diese Aufgabe wurde erfinaangsgemäß dadurch geiöst, daß man Kontaktstücke der eingangs genannten Art verwendet, wobei kennzeichnenderweise zur weitgehenden Vermeidung einer schmelzflüssigen Phase bei der Kontakttrennung die Strompfade aus in Form von Bündeln vorliegenden Einzeldrähten oder drahtähnlichen Gebilden aus dem ersten Werkstoff bestehen, der eine hohe Leitfähigkeit besitzt, unter Zwischenanordnung des zweiten, schlechter leitenden Werkstoffs, der die Einzeldrähte oder drahtähnlichen Gebilde aus dem ersten Werkstoff ummantelt, wobei die Siede- bzw. Sublimationstemperatur des zweiten Werkstoffs mindestens 10% unter der des ersten Werkstoffs liegen muß.

Der Erfindung liegt die durch systematische Untersuchungen gewonnene Erkenntnis zugrunde, daß die Löschung des Lichtbogens von der Höhe der Sofortverfestigungsspannung (UsF)je Unterbrechungsstelle stark abhängig ist, und diese wieder vom benutzten Kontaktwerkstoff. Dabei ergeben sich niedrige Werte dieser Spannung, wenn ein Kontaktwerkstoff verwendet wird, der beim Nulldurchgang noch ein großes Volumen schmelzflüssigen Materials besitzt. Demgegenüber zeigen Werkstoffe, bei denen das gesamte geschmolzene Material verdampft und nur ein sehr geringes Volumen beim Nulldurchgang im schmelzflüssigen Zustand vorliegt, sehr hohe Werte der Sofortverfestigungsspannung.

Unter der Sofortverfestigungsspannung wird bei Wechselstromschaltern der maximale Augenblickswert der Spannung verstanden, der an der sich vergrößernden Schaltstrecke unmittelbar nach dem Nulldurchgang des Stromes auftreten darf, ohne daß der Lichtbogen wieder zündet

Bei großem Volumen des schmelzflüssigen Kontaktwerkstoffes erfolgt die Abkühlung an der jeweiligen Kathode langsamer. Infolge der mit der Temperatur ansteigenden Sekundäremission wird die unter dem Einfluß der Einschwingspannung sich ausbildende Raumladungszone bei niedrigeren Spannungen bereits durchschlagen, so daß eine Wiederzündung des Lichtbogens möglich ist.

Verwendet man nun erfindungsgemäß ausgebildet Kontaktstücke, bei denen der elektrisch gut leitende Werkstoff unter Bildung einer Vielzahl einzelner Strompfade in einem zweiten Werkstoff geringerer Siede- bzw. Sublimationstemperatur eingebettet ist, so bildet der Lichtbogen Fußpunkte auf dem höher siedenden Werkstoff, weil dort die Emissionsbedingungen günstiger sind als beim Füllwerkstoff. Infolge der hohen Fußpunkttemperaturen verdampft der in der Umgebung der Fußpunkte befindliche niedersiedende Werkstoff, wobei die Dämpfe eine kühlende Wirkung auf den höher siedenden Werkstoff ausüben und die Lichtbogen-Fußpunkte einhüllen. Hierdurch wird eine Stabilisierung der Fußpunkte erreicht und gleichzeitig verhindert, daß ein größeres Volumen des gut leitenden Werkstoffes flüssig vird. Auf diese Weise wird die oben beschriebene Erhöhung der Sofortverfestigungsspannung erzielt, so daß mit den neuen Kontaktstücken wesentlich höhere Stromstärken ausgeschaltet werden

ίο können, als mit den bisher bekannten.

Zweckmäßig ist es, wenn der elektrisch gut leitende Werkstoff in den Kontaktstücken Strompfade etwa gleichbleibenden Querschnitts bildet, so daß eine weitgehend gleichmäßige Aufteilung des Stromes auf die Querschnittsfläche erfolgt. Dabei können vorteilhafterweise die ummantelten Drähte oder drahtähnlichen Gebilde auch zu einem Geflecht versponnen sein. Hierdurch ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau der Kontaktstücke.

Einen kompakten Aufbau und eine einfache Herstellung der Kontaktstücke kann man errreichen, wenn die zwischen und gegebenenfalls in dem elektrisch gut leitenden Werkstoff, beispielsweise in Hohldrähten befindlichen Räume vollständig, vorzugsweise durch unter Druck oder Vakuum eingebrachten niedersiedenden Werkstoff ausgefüllt werden. Derartig gefertigte Kontaktstücke können noch durch Ziehen, Walzen oder Strangpressen verdichtet oder verformt sein, wobei ihre Herstellung in Form eines Stranges erfolgt, von dem dann die einzelnen Kontaktstücke abgetrennt werden.

Als gut leitende Werkstoffe werden vorteilhafterweise Silber, Kupfer, Gold und deren Legierungen verwendet. Gegebenenfalls werden ihnen noch Zusätze zur Erniedrigung der Austrittsarbeit, wie Thorium oder Natrium zugegeben, wobei erfahrungsgemäß keine

störenden Rückstände gebildet werden, die nach häufigen Ausschaltungen irgendwelche Störungen bei der Kontaktgabe verursachen könnten.

Als niedrigsiedende Werkstoffe können Metalle, wie Zink, Kadmium oder Magnesium, bzw. Metall-Legierungen, wie Messing oder Wood'sches Metall, oder leichtgasende Kunststoffe, wie Polyureihan, Polymetahcrylsäureester, Polytetrafluoräthylen. Polyoxymethylen und Epoxidharze, Verwendung finden.

Die Erfindung wird an Hand der beigefügten Abbildungen näher erläutert:

A b b. 1 gibt ein bekanntes Kontaktstück aus einem homogenen Kontaktwerkstoff im Schnitt unmittelbar nach der Kontakttrennung w^;eder.

A b b. 2 zeigt ebenfalls ein bekanntes Kontaktstück aus einem heterogenen Kontaktwerkstoff, wie beispielsweise Silber/Kadmiumoxid im Schnitt unmittelbar nach der Kontakttrennung.
A b b. 3 gibt in schematischer Schnittdarstellung ein erfindungsgemäßes Kontaktstück ebenfalls unmittelbar nach einem Ausschaltvorgang wieder.

A b b. 4 zeigt in grafischer Darstellung die Abhängigkeit des Ausschaltstromes Ia von der Sofortverfestigungsspannung (Usf) der bekannten und erfindungsgemäßen Kontaktstücke.

A b b. 5 zeigt die praktische Ausführung einer Kontaktstückanordnung im Längsschnitt.

A b b. 6 und 7 geben Draufsichten auf Kontaktstücke nach A b b. 5 mit unterschiedlich geformten Einzeldrähten wieder.

Unter einem homogenen Kontaktwerkstoff versteh! man im folgenden alle reinen Metalle oder Legierungen, bei denen die Komponenten ineinander gelöst, d. h.

einphasig sind, während bei heterogenen Kontaktv/erkstoffen mindestens zwei Phasen nebeneinander vorliegen.

In A b b. 1 ist das Kontaktstück 1 aus einem bekannten homogenen Werkstoff, wie beispielsweise Kupfer oder Silber hergestellt, bei dem unmittelbar nach dem Ausschaltvorgang im Bereich der Kontaktfläche 2 eine diese umgebende Schmelzzone 3 entsteht, die ein verhältnismäßig großes Volumen aufweist.

Ein Teil des im Bereich der Kontaktstelle befindlichen Werkstoffes ist während der Ausschaltung verdampft, so daß sich die Vertiefung 4 in dem Kontaktstück ausbildet.

Das in A b b. 2 wiedergegebene, ebenfalls dem Stand der Technik zugehörige Kontaktstück 5 besteht aus einem heterogenen Werkstoff, beispielsweise Silber/ Nickel oder Silber/Kadmiumoxid. Im Bereich der Kontaktstelle ist während des Ausschaltvorganges ein Teil des Materials verdampft, so daß sich die Vertiefung 6 ausgebildet hat, die lediglich von einer sehr schmalen *> Schmelzzone 7 umgeben ist.

Das erfindungsgemäße Kontaktstück nach A b b. 3 besteht aus Einzeldrähten 8 aus gut leitendem Werkstoff relativ hoher Schmelztemperatur, die etwa parallel zueinander verlaufen und allseitig von einem zweiten Werkstoff 9 mit mindestens 10 Prozent tieferliegender Siede- bzw. Sublimationstemperatur eingehüllt sind, wobei der Werkstoff 9 ein Metall, ein halb- oder nichtleitender Werkstoff sein kann. Die in A b b. 3 wiedergegebene Kontaktfläche zeigt im Bereich des Werkstoffes 9 Vertiefungen 10 und über diese Vertiefungen vorstehende Kontaktflächen 11 der Drähte 8. Bei der in der A b b. 3 wiedergegebenen Darstellung des Kontaktstückes unmittelbar nach Beendigung des Schaltvorganges sind praktisch in dem iüedersiedenden Werkstoff keine Schrnelzzonen vorhanden, da das gesamte Material unter Bildung der Vertiefungen 10 während des Ausschaltvorganges verdampft wurde und hierdurch eine Kühlung der auf den Drahtenden 11 sich ausbildenden Lichtbogen-Fußpunkte bewirkte, unter gleichzeitiger Abkühlung auch des vom Lichtbogen erhitzten Kontaktwerkstoffes 8.

Das unterschiedliche Verhalten de·- bekannten und erfindungsgemäßen Kontaktstücke hinsichtlich der meßbaren Sofortverfestigungsspannung (Usf) in Abhängigkeit von der Ausschaltstromstärke (Ia) zeigt A b b. 4. An der Kurve 12 ist die Sofortverfestigungsspannung der erfindungsgemäßen Kontaktstücke wiedergegeben, in Kurve 13 die der bekannten, aus einem homogenen Kontaktwerkstoff bestehenden Kontaktstücke. Es ist eindeutig erkennbar, daß der Verlauf 12 der Sofortverfestigungsspannung für die erfindungsgemäßen Kontaktstücke bei Strömen größer als etwa 100 A wesentlich höher liegt als der Verlauf 13 für die bekannten Kontaktstücke aus einem homogenen Werkstoff.

Während bei den bekannten Kontaktstücken mit homogenem Werkstoff die Sofortverfestigungsspannung mit zunehmender Ausschaltstromstärke auf Werte unter 150 V sinkt, bleiben die Werte für die erfindungsgemäßen Kontaktstücke in der Größenordnung von über 250 V, womit sich eindeutig ergibt, daß sich bei Stromstärken über 200 A Ausschaltstrom eine wesentliche Verbesserung durch die erfindungsgemäßen Kontaktstücke erzielen läßt.

Kontaktstücke aus heterogenen Werkstoffen besitzen ebenfalls günstigere Verschleiß- und Wiederverfestigungseigenschaften als solche aus homogenen Werkstoffen. Die meßbare Sofortverfestigungsspannung in Abhängigkeit von der Ausschaltstromstärke folgt zwar im wesentlichen der Kurve 12 in Abb.4. infolge der unregelmäßigen Verteilung der Werkstoffkomponenten bei den heterogenen Werkstoffen muß bei der Auswahl der Komponenten und ihrer Anteile aber immer ein Kompromiß geschlossen werden, damit die elektrische und thermische Leitfähigkeit zulässige Werte nicht unterschreitet. Bei der erfindungsgemäßen Ausführung der Kontaktstücke ist ein solcher Kompromiß nicht erforderlich. Für die elektrische und thermische Leitfähigkeit ist die drahtförmig ausgebildete Werkstoffkomponente maßgebend. Dagegen kann für die zweite, diese Drähte umhüllende Werksloffkomponente, ein Werkstoff benutzt werden, der bei tieferen Temperaturen als die Drahtkomponente sublimiert oder siedet, ohne Rücksicht auf seine elektrische oder thermische Leitfähigkeit. Diese Komponente kann sogar aus einem halb- oder nichtleitenden Werkstoff bestehen. Durch den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Aufbau des Kontaktwerkstoffes wird es möglich, Kontaktstücke mit optimalen Abbrand- und Wiederverfestigungseigenschaften herzustellen.

Die praktische Anordnung der Kontaktstücke in Kontaktstückträgern sowie die unterschiedliche Ausbildung der elektrisch gut leitenden Komponenten in Form von Drähten ergibt sich aus den A b b. 5 bis 7. Bei der Anordnung nach A b b. 5 ist in einem aus elektrisch gut leitendem Werkstoff bestehenden Kontaktstückträger 14 ein Kontaktstück 15 entsprechend A b b. 3 im Pressitz aufgenommen, w ubei als elektrisch gut leitende Strompfade die auch in A b b. 3 wiedergegebenen Drähte 8 dienen. Diese sind parallel zueinander angeordnet und der zwischen ihnen befindliche Hohlraum ist durch einen niedersiedenden anderen Werkstoff 9 ausgefüllt, wie es auch die Draufsicht nach A b b. 6 erkennen läßt

Die Drähte 8 können als Voll- oder auch al: Hohldrähte ausgebildet sein .ind auch einen Sechseck Querschnitt aufweisen, wie aus A b b. 7 zu ersehen ist Diese Ausführung von Drähten 14 mit sechseckförmi gem Querschnitt hat den Vorteil, daß eine relativ dichte Packung der Drähte erfolgen kann und hierdurcl geringere Mengen des anderen Werkstoffes zui Umhüllung der Drähte vorgesehen werden können. |( nach Wahl der Werkstoffe kann die Verwendung eine: geringen Volumens niedersiedenden Werkstoffe: durchaus zweckmäßig sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Kontaktstücke für elektrische Niederspannungs-Wechselstromschalter aus einem ersten lei- S tenden Werkstoff, der unter Bildung einer Vielzahl einzelner, senkrecht zur Kontaktfläche verlaufender, durchgehender Strompfade in einen zweiten Werkstoff eingebettet ist, dessen Schmelzpunkt unter dem des ersten Werkstoffes liegt, dadurch gekennzeichnet, daß zur weitgehenden Vermeidung einer schmelzflüsüigen Phase bei der Kontakttrenr.ung die Strompfade aus in Form von Bündeln vorliegenden Einzeldrähten (8) oder drahtähnlichen Gebilden aus dem ersten Werkstoff bestehen, der eine hohe Leitfähigkeit besitzt, unter Zwischenanordnung des zweiten schlechter leitenden Werkstoffes, der die Einzeldrähte (8) oder drahtähnlichen Gebilde aus dem ersten Werkstoff ummantelt, wobei die Siede- bzw. Sublimationstemperatur des zweiten Werkstoffes mindestens 10% unter der des ersten Werkstoffes liegen muß.

2. Kontaktstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strompfade etwa gleichbleibenden Querschnitt aufweisen.

3. Kontaktstück nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ummantelten Drähte (8) oder drahtähnlichen Gebilde zu einem Geflecht versponnen sind.

4. Kontaktstück nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für den ersten, elektrisch gut leitenden Werkstoff Silber, Kupfer, Gold und deren Legierungen verwendet werden.

5. Kontaktstück nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten elektrisch gut leitenden Werkstoff zur Erniedrigung der Austrittsarbeit Zusätze, wie Thorium oder Natrium, zugegeben sind.

6. Kontaktstück nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für den zweiten, niedrigsiedenden Werkstoff Metalle, wie Zink, Kadmium oder Magnesium bzw. Metallegierungen, wie Messing oder Wood'sches Metall, oder leicht gasende Kunststoffe, wie Polyurethan, Epoxidharz, Polymethylacrylsäureester, Polytetrafluoräthylen und Polyoxymethylen, vorgesehen sind.