DE1640039B1

DE1640039B1 - Elektrode fuer vakuumschalter oder vakuumfunkenstrecken

Info

Publication number: DE1640039B1
Application number: DE19671640039
Authority: DE
Inventors: Alfred Alexander Robinson
Original assignee: English Electric Co Ltd
Current assignee: English Electric Co Ltd
Priority date: 1966-05-27
Filing date: 1967-05-26
Publication date: 1971-08-05
Also published as: NL163353C; BE714487A; GB1194674A; AT297833B; SE331756B; US3818163A; CH495618A; AU3701168A; NL6806077A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Elektrode für Vakuum- temperatur des .Matrixmetalls. .(z.JB. Chrom) wesent-

schalter oder Vakuumfunkenstrecken, bei welcher der ' -lieh unter-Jener-Temperarurliegtj^ei-deieme gefährdie Lichtbogenansatz- bzw. Kontaktfläche bildende liehe Elektronenemission auftritt, wird die Dichte der

Teil aus einer Matrix eines Metalls mit hohem-Schfn'elz- Elektronen in dein: Raum zwischen den Elektroden

punkt gebildet ist, deren Zwischenräume voll mit 5 im Stromnulldurchgang und kurz danach auf einem

einem Imprägnierungsmetall oder -legierung aus- Wert gehalten, bei dem eine Wiederzündung des Lichtgefüllt sind, das einen niedrigeren Schmelzpunkt und bogens mit Sicherheit verhindert wird,

eine größere elektrische Leitfähigkeit als das Matrix- Das Merkmal, daß das Matrixmetall nach der Er-

metall besitzt. findung mit dem Imprägnierungsmetall keine Legie-

Es ist bekannt, für Vakuumschalter gesinterte io rung außer einer Ausscheidungslegierung bildet, dient Wolframelektroden zu benutzen, deren durch die Sm- dazu, soweit als möglich die Haupteigenschäften der terung gebildeten Zwischenräume mit Kupfer,- aus- beiden, Metalle aufrechtzuerhalten. Es hat sieh nämgefüllt sind. Derartige Elektroden haben sich zur Ab- lieh gezeigt, daß bei einer Legierungsbildung selbst schaltung-von Strömen bis hinauf zu: Spitzenwerten geringerer Bestandteile eine sehr wesentliche Modifikavon 10 kA als zufriedenstellend erwiesen, wobei in 15 tion der Eigenschaften auftritt. Insbesondere wird beidiesem Bereich nur eine geringe Neigung zum An- spielsweise bei einer Legierungsbildung der spezifische haften besteht. Es hat sich jedoch gezeigt, daß der- elektrische Widerstand des Imprägnierungsmetalls erartige Elektroden und auch solche, bei denen für die höht. Außerdem wird der Matrixaufbau geschwächt, Matrix an Stelle von Wolfram Molybdän benutzt so daß in gewissen Fällen Kontaktteilchen unter Lichtwird, ungeeignet sind zur Unterbrechung von Strömen 20 bogenbeanspruchung ausbrechen können,
über 10 kA, was im wesentlichen durch die einsetzende Gemäß der Erfindung ausgebildete Elektroden erhebliche Elektronenemission bedingt ist. Diese Elek- konnten erf olgreich benutzt werden zur Untertronenemission ist bei den bekannten Elektroden, bei brechung von Strömen bis zu-3OkA.
denen die Matrix aus einem Metall mit sehr hohem Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung Schmelzpunkt besteht, daditreh bedingt, daß die Ober- 25 besteht das Imprägnierungsmetall in an sich bekannter flächentemperatur auf einen sehr hohen Wert an- Weise aus Kupfer oder. Silber bzw. einer Legierung steigen kann. dieser Metalle. Als besonders zweckmäßig hat sich

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Elektrö- ■ eine-Imprägnierungslegierüng an sich bekannter Zu-

den für Vakuum-Leistungsschalter und -Funken- -sammensetZung, bestehend aus 99,7 Gewichtsprozent

strecken zu schaffen, die für höhere Stromstärken ge- 30 Kupfer und 0,3 Gewichtsprozent Zirkon, erwiesen,

eignet sind und bei denen die Elektronenemission bei Nachstehend werden zwei Ausführungsbeispiele der

der Unterbrechung selbst dieser hohen Ströme so Erfindung an Hand derZeichnung^ besehrieben. Inder

niedrig ist,, daß,eine Wiederzündung des Lichtbogens Zeichnung zeigt - .

nach einem Nulldurchgang mit Sicherheit 'verhindert" Fig. 1 einen Vakuumschalter mit erfindungsgemäß

wird. 35 ausgebildeten Elektroden,

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer F i g. 2 eine schematische Ansicht eines Teils der als

Elektrode der eingangs genannten Art gelöst durch Lichtbogenansatzftäche dienenden Kontaktoberfläche

ein Matrixmetall, dessen Schmelzpunkt. wesentlich in stark vergrößerter Form.

höher liegt als der von Kupfer, jedoch niedriger als der Gemäß F i g. 1 weist der Vakuumschalter zwei

von Molybdän, dessen Siedepunkt nicht wesentlich 4° Stirnplatten 11, M2 auf, die vakuumdicht ein zylin-

höher hegt als 3000⁰C, und das mit dem Imprägnie- drisches Gehäuse 13,14 aus Isoliermaterial auf beiden

rungsmetall keine andere Legierung bildet außer einer ^ Seiten abschließen. Zwischen den Teilen 13 und, 14 des

Ausscheidungslegierung. zylindrischen Gehäuses ist ein Flansch 15 eingefügt,

Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß die der einen inneren Abschirmzylinder 16 trägt.
Elektronenemission: von der Oberflächentemperatur'.45 "" Der. Vakuumschalter weist .einevon einem Schaft 21 !der Elektrode abhängt, die gegenüber der anderen -getragene bewegliche Elektrode 17 und eine von einem Elektrode kurz nach dem Stromnulldurchgäng negativ ' Schaft 26 getragene feste Elektrode 18 auf. Der Schaft wird, d. h. jener Elektrode, die vor dem Nulldurchgang 21 ist in einer Führungsbuchse 19 verschiebbar und Anode war und nunmehr Kathode wird. Durch die trägt vakuumdicht einen Balg,20, der mit der Stirnerfindungsgemäße Ausbildung der Matrix aus" einem" '5° plätte 12 Verbunden ist. Die Elektrode 17 weist einen Metall mit mäßig hohem Schmelzpunkt, z. B. aus in der Mitte mit einer Ausnehmung versehenen Kon-Chrom oder Kobalt, mit einem Siedepunkt von nicht taktkopf 22 auf, der eine ringförmige Kontaktfläche 23

wesentlich mehr als 3000⁰C wird die-Oberflächen.-. besitzt, die- mit einer- ähnlichen—Stir-nr-ingfläche 24

temperatur automatisch auf einen Wert begrenzt, bei des Kopfes 27 der festen Elektrode 17 zusammenwirkt,

dem die Elektronenemission nicht so groß ist, daß eine 55. Die Kontaktköpfe 22,-27 sind dadurch hergestellt,

Wiederzündung des Lichtbogens nach dem Strom- daß Chrompuder mit einer Partikelgröße von nicht

durchgang erfolgen kann. Diese automatische Begren- mehr als 250 Mikron zusammengeballt und dann unter

zung der Temperatur ist eine Folge der Verdampfung einem hohen Vakuum gesintert wird. In den gesinterten

des Matrixmetalls in kleinen Bereichen der Oberfläche, Körper (Matrix) wird dann Kupfer unter hohem Va-

die eine so hohe Temperatur erhalten. In diesen heißen 60 kuum bei hohen'Temperaturen eingebaut, wobei das

Punkten wird die Dampferzeugung bis zu einem Punkt Kupfer volumenmäßig, einen. Anteil von 10 bis 30 °/o

fortschreiten, bei dem der Wärmeverlust aus der Ver- ausmacht, je nach Porosität des Sinterkörpers. Wenn

dampf ung des Metalls den Wärmezugang vom Licht- notwendig, kann der so hergestellte Körper durch nor-

bogen her ausgleicht, so daß die Temperatur der male spanabhebende Bearbeitung formgebend be-

heißen Punkte in der Nähe der Siedepunkte des Me- 65 arbeitet werden.

tails mit mäßig hohem Schmelzpunkt gehalten wird, An Stelle von Chrom kann der Sinterkörper aus

und zwar unabhängig von dem Vorhandensein höherer Kobalt bestehen. Die folgende Beschreibung bezieht

Temperaturen im Lichtbogen selbst. Da die Siede- sich auf ein Ausführungsbeispielmit Chrom undKupf er.

In F i g. 2 ist eine typische MikroStruktur dargestellt. Die Skala zeigt die Größenabmessung von 200 Mikron. Alle Chrompartikeln 30 (schraffiert dargestellt) sind miteinander verbunden, und die Zwischenräume sind mit Kupfer 31 ausgefüllt.

Da die Chrompartikelgröße auf 250 Mikron beschränkt ist, ist auch die maximale Größe der Ungleichheiten begrenzt; wenn derartige Kontakte unter Druck in einem Vakuumschalter zur Berührung gebracht werden, findet wahrscheinlich eine Mikrodeformation statt, die dazu führt, daß eine größere Zahl von gut verteilten Kontaktpunkten erhalten wird. Es wird angenommen, daß dies dazu führt, daß ein geringer Übergangswiderstand erhalten wird, wo- = bei eine gute Verteilung der /²i?-Verluste bei hohen Strömen unmittelbar vor der Funkenbildung bewirkt wird und wobei eine geringe Neigung zur Verschweißung besteht.

Wenn derartige Vakuumschaltkontakte geöffnet werden (dies wird bei hoher Geschwindigkeit in an sich bekannter Weise bewirkt), dann entsteht wahrscheinlich eine Vielzahl von kleinen Lichtbogen zwischen den Oberflächen 23 und 24, so daß eine gute Verteilung der Bogenenergie und demgemäß eine geringe und gleichmäßige Erosion gegeben ist.

Sogar nach der Lichtbogenbildung scheint die Größe der Ungleichförmigkeiten auf jene der maximalen Abmessungen der Partikeln der Matrix begrenzt zu sein, so daß eine Feldemission für eine gegebene Kontakttrennung niedrig ist, und die Dürchbruchsspannung ist höher und mehr ausgeprägt als für Kontakte ähnlicher Gestalt, die hauptsächlich aus formänderungsfähigem Werkstoff hergestellt sind.

Versuche, die in Verbindung mit erfindungsgemäß ausgebildeten Kontakten vorgenommen wurden, die aus Chrom imprägniert mit 25 % Kupfer .(Volumprozent) waren, haben gezeigt, daß Lichtbogen von wenigstens 30 kA Spitzenwert zufriedenstellend unterbrochen werden können, wobei nur eine niedrige und gleichförmige Kontakterosion auftritt und keine merkliehe Verschweißung, bevor die Lichtbogenbildung einsetzt.

Die Haupteigenschaften des Imprägniermaterials sind:

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1. hohe elektrische Leitfähigkeit,

2. Schmelzpunkt unter 1200⁰C,

3. Siedepunkt nicht wesentlich höher als und vorzugsweise niedriger als jener des Matrixmaterials,

4. hohe Duktilität,

5. niedrige Viskosität im schmelzfiüssigen Zustand.

Die Schmelzpunkte und Siedepunkte der erwähnten Metalle liegen bei folgenden Werten:

Silber (Ag)

Kupfer (Cu)....
Kobalt(Co) ...
Chrom (Cr) ...
Molybdän (Mo)
Wolf ram (W)...

Schmelzpunkt
⁰C

960,8
1083
1492
1800
2625
3380

Siedepunkt
⁰C

2200
2570
3000
2665
4800
6000

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrode für Vakuumschalter oder Vakuumfunkenstrecken, bei welcher der die Lichtbogenansatz- bzw. Kontaktfläche bildende Teil aus einer Matrix eines Metalls mit hohem Schmelzpunkt gebildet ist, deren Zwischenräume voll mit einem Imprägnierungsmetall oder -legierung ausgefüllt sind, das einen niedrigeren Schmelzpunkt und eine größere elektrische Leitfähigkeit als das Matrixmetall besitzt, gekennzeichnet durch ein Matrixmetall, dessen Schmelzpunkt wesentlich höher liegt als der von Kupfer, jedoch niedriger als der von Molybdän, dessen Siedepunkt nicht wesentlich höher liegt als 3000⁰C, und das mit dem Imprägnierungsmetall keine andere Legierung bildet außer einer Ausscheidungslegierung.

2. Elektrode nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine gesinterte Metallmatrix, deren Teilchengröße in an sich bekannter Weise 250 ^m nicht überschreitet.

3. Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Imprägnierungsmetall in an sich bekannter Weise 10 bis 30 °/o des Volumens der imprägnierten Matrix einnimmt.

4. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Chrom oder Kobalt als Matrixmetall.

5. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Imprägnierungsmetall in an sich bekannter Weise Kupfer oder Silber ist.

6. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Imprägnierungslegierung aus Kupfer und Silber besteht.

7. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Imprägnierungslegierung aus Kupfer und Zirkon, Tantal oder Titan besteht.

8. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Imprägnierungslegierung in an sich bekannter Weise aus etwa 99,7 Gewichtsprozent Kupfer "und 0,3 Gewichtsprozent Zirkon besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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