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Elektrische Kontakt- oder Blektrodenanordnung zur ortsfesten Stabilisierung
der Lichtbogenfußpunkte und zur Verringerung der Abbrandverluste. Die Erfindung
betrifft elektrische Kontakt- oder Elektrodenanordnungen, bei denen die Fußpunkte
der zwischen den Oberflächen zweier Kontaktstücke bzw. Elektroden brennenden Lichtbögen
ohne aufwendige Zusatzeinrichtungen ortsfest stabilisiert werden. Gleichzeitig werden
die Abbrandverluste b'ei den erfindungsgemäßen Kontakt- bzw. Elektrodenanordnungen
verringert.
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Bei elektrischen Kontaktvorrichtungen, die den Strom bei höheren Spannungen
und Stromstärken schalten, entsteht beim ÖffLen der Kontaktstücke ein Lichtbogen,
dessen Fußpunkte normalerweise ganz unregelmäßig über die Kontaktoberflächen wandern.
Die dadurch bedingte thermische Aufheizung der Kontaktstücke über größere Bereiche
der Kontaktoberflächen führt zu einem Verdampfen und Verspritzen des Kontaktmaterials
im schmelzflüssigen Zustand und ist so für den sogenannten Abbrand der Kontaktstücke
verantwortlich, Um einen geringen Abbrand zu erreichen, muß im allgemeinen die Verweilzeit
der Lichtbogenfußpunkte auf den Kontaktstücken möglichst kurz gehalten werden.
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Bei Niederspannungsschaltgeräten werden die beim Öffnen der Schaltstücke
entstehenden Lichtbögen zu ihrer Löschung meist mit Hilfe von eigenerregten Magnetfeldern
zu Schleifen aufgeweitet und auf dem kürzesten Weg von den Kontaktstücken
in sogenannte Löschkammern abgel'enktg wo sie dann gelöscht werden. Bei
den sogenannten
'blagnetfeld-Mittelspannungsschaltgeräten arbeitet
man vielfach noch mit zusätzlichen magnetischen Fremdfeldern, um eine raschere Ableitung
und Löschung des Lichtbogens zu erreichen.
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Es gibt in der Schaltgerätetechnik jedoch auch Fälle, in denen man
bestrebt ist, die hichtbogenfußpunkte ortsfest an ihrer Entstehungsstelle zu stabilisieren.
So gibt es beispielsweise Schaltgeräte, bei denen der Lichtbogen zwecks Erhöhung
seiner Lichtbogenspannung auf eine möglichst große hänge aufgeweitet werden
soll. Man muß dann durch geeignete Maßnahmen dafür sorgen, daß die Fußpunkte des
Lichtbogens nicht über die Kontaktoberfläche wandern und somit den Lichtbogen wieder
verkürzen.
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Andererseits ist man bei Niederspannungsschaltgeräten kleiner Leistung
ohne zusätzliche Löscheinrichtung, sowie bei Hochspannungsleistungsschaltern
mit strömendem höschmittel.vielfach bestrebt, die hichtbogenlänge möglichst kurz
$u halten, um eine übermäßige,Energieentwicklung zu unterdrücken. Dementsprechend
muß man verhindern, daß die Lichtbogenfußpunkte an solche Stellen der Kontaktstücke
wandern, von denen aus dem Lichtbogen durch eigenerregte Magnetfelder die Möglichkeit
zur Aufweitung gegeben wäre.
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Auch bei Plasmabrennern ist man beispielsweise daran interessiert,
daß der Lichtbogen zwischen den beiden Elektroden ortsfest auf den beiden Elektrodenoberflächen
verharrt und in ihrer Lage auf den Elektrodenoberflächen stabile Brennflecke
gebildet werden.
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Die Erfindung hat daher die Aufgabe, die Fußpunkte eines zwischen
Kontaktstücken, Elektroden oder sonstigen Schalterbauteilen brennenden Lichtbogens
in ihrer Lage auf den Oberflächen dieser Bauteile ohne aufwendige Zusatzeinrichtungen
ortsfest zu stabilisieren.
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Es ist beispielsweise bekannt, zur ortsfesten Stabilisierung
des
Lichtbogens zylindrische Kontaktstücke $u verwenden,
die einen
Kern aus einem elektrisch relativ schlecht leitenden
Material und einen verhältnismäßig dicken Mantel aus einem elektrisch gut leitenden
Material besitzen. Die Stirnflächen der Kontaktstücke sind dabei konvex gekrümmt,
so daß die Kontaktgabe nur im Bereich des weniger gut leitenden Kerns erfolgt, während
die Stromzuführung über den elektrisch gutleitenden Mantel verläuft. Beim Trennen
der Kontaktstücke wird der im Zentrum des Kerns entstehende Lichtbogen durch
ein rotationssymmetrisches Magnetfeld ortsfest stabilisiert, das durch die ebenfalls
rotationssymmetrisch im Mantel verlaufenden.Stromlinien erzeugt wird. Diese Anordnung
hat aber neben einem hohen Übergangswiderstand an der Berührungsstelle den weiteren
Nachteil, daß sowohl der Mantel als auch der Kern verhältnismäßig groß dimensioniert
sein müssen, um einerseits ein zuverlässlich stabilisierendes Magnetfeld zu erzeugen,
und um andererseits eine für die Schaltleitung genügend große Kontaktfläche aus
dem weniger gut leitenden Kernmaterial zur Verfügung zu haben. Auch kann bei dieser
Anordnung bei einer zufälligen Zündung des Lichtbogens, außerhalb des Zentrums die
Wanderung der Lichtbogenfußpunkte auf der Kontaktstirnfläche nicht mehr aufgehalten
werden.
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Es wurde nunmehr gefunden, daß die Fußpunkte eines zwischen Kontaktstücken,
Elektroden oder sonstigen Schalterbauteilen brennenden Lichtbogens in ihrer Lage
auf Oberflächen dieser Bauteile . ohne aufwendige Zusatzeinrichtungen ortsfest stabilisiert
und gleichzeitig die Abbrandverluste verringert werden können, wenn bei diesen Bauteilen
Zonen aus einem elektrisch gut leitenden Werkstoff mit hohem Siedepunkt durch Zonen
eines Materials mit niedrigerem Siedepunkt allseitig oder zumindest in der möglichen
Laufrichtung des-Lichtbogens begrenzt werden, wobei. das Verhältnis der Siedepunkte,
gemessen in Celsiusgraden, größer als 1,25, vorzugsweise größer als 2,0 sein muB.
Die Stabilisierung des Lichtbogens ist dabei umao besser, je größer das Verhältnis
der Siedepunkte ist.
Bei Materialien, die unterhalb des Siedepunktes
sublimieren oder sich zersetzen, ist die Sublimations- bzw. Zersetzungstemperatur
für das Verhältnis und damit für die Stabilisierung ausschlaggebend, bei Legierungen
und Verbundwerkstoffen der Siede- bzw. Sublimationspunkt der am niedrigsten siedenden
Legierungs- bzw. Verbundwerkstoffkomponenten.
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Die Erfindung beruht auf der durch neuere Untersuchungen gewonnenen
Erkenntnis, daß die Lichtbögen ihre Fußpunkte vorzugsweise auf dem höhersiedenden
Werkstoff ausbilden, da dort die Emissionsbedingungen günstiger sind als auf dem
niedrigersiedenden Material. Infolge der hohen Fußpunkttemperaturen verdampft der
in der Umgebung der Fußpunkte sich befindende niedersiedende Werkstoff,, wobei die
Dämpfe eine kühlende Wirkung auf den höher siedenden Werkstoff ausüben und die Lichtbogenfußpunkte
einhüllen. Man erhält so um den Lichtbogen einen Schlauch bzw. eine Wand aus nichtionisiertem
Dampf, der den Lichtbogen an der Wanderung auf den Kontaktoberflächen hindert. Hierdurch
wird eine ortsfeste Stabilisierung der Fußpunkte -erreicht, die sich auch durch
verhältnismäßig starke magnetische Felder nur schwer ablenken lassen. Die erfindungsgemäße
Anordnung von Zonen aus höher- und niedrigersiedenden Werkstoffen hat weiterhin
den überraschenden Vorteil, daß in vielen Fällen der Abbrand gegenüber den bisher
benutzten Kontaktstücken verringert wird. Die Lichtbogenfußpunkte setzen sich auf
dem Material mit dem höheren Siedepunkt fest und werden durch das Verdampfen des
äiedrigersiedenden Werkstoffe
ortsfest stabilisiert und in ihrer Wanderung
behindert. Somit können die Lichtbogenfußpunkte nicht mehr regellos über die Oberflächen
der Kontaktstücke wandern und bei ihrer Wanderung Kontaktmaterial, wie zum Beispiel
Kupfer oder Silber, in schmelsflüssigen Zustand verspritzen, was weitaus
an meisten zum Abbremverlust der Kontaktstücke beiträgt. Das bei den erfindungsgemäßen
Kontaktstücken von den Lichtbogenfußpunkten nicht berührte und damit im schmelzflüssigen
Zustand nichtverspritzte niedrigersiedende Kontaktmäterial kann dadurch weiterhin
aufgeheizt und verdampft werden, so daß mit geringeren Haterialverluet
wesentlich
mehr'Energie aus den Lichtbögen aufgenommen werden
kann. Je stärker die Lichtbogenfußpunkte in ihrer Wanderung behindert werden, desto
geringer ist daher auch der Abbrand.
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Vorzugsweise sind die erfindungsgemäßen Kontaktstücke, Elektroden
oder sonstige Schalterbauteile, auf denen ein Lichtbogen brennen kann oder soll,
abwechselnd aus mehreren Zonen eines höhersiedenden und eines niedrigersiedenden.Werkstoffs
aufgebaut, wobei bei ringförmiger Ausbildung der Zonen diese konzentrisch zueinander
angeordnet sein müssen. Diese vorzugsweise Anordnung hat den Vorteil, daß auch Lichtbögen
stabilisiert werden, die nicht im Zentrum der Kontaktstücke entstehen, und auch
Lichtbogenfußpunkte@ an einer weiteren Wanderung gehindert werden, die gelegentlich
eine Zone aus niedrigersiedendem Werkstoff überspringen. Die Stelle, auf der die
Lichtbogenfußpunkte ortsfest stabilisiert werden sollen, muß naturgemäß stets aus
dem höhersiedenden Material. bestehen.
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Für die einzelnen Zonen eines Kontaktstückes können natürlich auch
mehrere höher- und niedrigersiedende Werkstoffe verwendet werden. Erfindungsgemäß
können beispielsweise die in Tabelle 1 angeführten Werkstoffkombinationen Anwendung
finden
| Tabclle 1 |
| Werkstoffkombination Siedepunkte Quotient |
| Wolfram - Eisen 5500 /eä. 3000 1,83 |
| " - Nickel " / 2800 1,96 |
| " - Zinn " / 2690 2,04 |
| " - Kupfer " / 2595 2,12 |
| " - Aluminium " / 2447 2t24 |
| " .- Silber " / 2180 2,52 |
| " - Blei " / 1751 3,14 |
| " - Zink " ./ 907 6,06 |
| Ilolybdän - Eisen 4800 /ca. 3000 1,60 |
| " - Iti " % 2800. 1,72 |
| " - Sn " / . 2690 - 1,78 |
| - Cu " j 2595 1,85 |
| " - A1 " / 2447 1,96 |
| " - Aß " / 2180 2,20 |
| " - Pb " / 1751 2,74 |
| " - Zn 907 5930 |
| Graphit - Ni 3830 / . 2800 1937 |
| - Cu " / 2595 1,48' |
| " - Aß " / 2180 1,76 |
| Eisen - Aß ea. 3000 / 2180 - 1,38 |
| " - Pb " / 1751 1,71 |
| Nickel - Ag 2800 /. 2180 . 1,29 |
| " - Pb " / 1751 1,60 |
| Kupfer - Pb 2595 / 1751 - 1,48 |
| - Cd " / 765 3940 |
| Aluminium- Pb 2447 / 1751 1,40 |
| - Zn " / 907 2,70 |
| Silber - Pb 2180 / ,1751 1,25 |
| .-u - Zn _ n 907 2940 |
| " - Cd " / 765 2,86 |
| (Die hier angegebenen Siedepunkte sind entnommen aus D'Ans-Lax |
| "Taschenbuch für Chemiker und Physiker", 3. Auflage.19679 |
| Springer-Verlag, der Siedepunkt des Graphits aus Römpp "Chemie-. |
| lexikon", Stichwort " Graphit", 6. Auflage 1966, Franokh'sehe |
| Verlagshandlung.) .. |
Neben den reinen
Metallen können natürlich auch Legierungen,
wie
beispielsweise Messing,
Bronze oder Kupfer-Nickellegierungen
und heterogene-Werkstoffeg
wie beispielsweise Silberkadmiumoxid
oder
Silber-Nickel oder auch anorganische Verbindungen,
wie beispiels-
weise
rietalloxide
oder -fluoride
als höher- oder niedrigersiedende
Komponenten Verwendung
finden. Auch hochmolekulare organische
Stoffe sind als niedrigersiedende
Komponenten geeignet. -
Eine besonders starke ortsfeste Stabilisierung der-Zichtbogenfußpunkte
und ein
besonders günstiges Abbrandverhalten
erreicht mang
wenn Werkstoffkombinationen verwendet
werden, bei.
denen auch der
Schmelzpunkt
der höhersiedenden
Komponente höher liegt als der
Siedepunkt des
niedrigersiedenden
Werkstoffs. Besonders geeignet
für
die erfindungsgemäßen
Kontakt- und Elektrodenanordnungen sind daher
die in Tabelle 2 angeführten
Kombinationen
| Tatfelle 2 |
| Werkstoffkombination Schmelzpunkt/Siedepunkt |
| W -Eisen 3390 l ca. 3000 |
| r' - Ni " / 2800 |
| " - Sn " / 2690 |
| " - Cu / 2595 |
| " - AI " / 2447 |
| rr - Ag " / 2180 |
| " - Pb " / 1751 |
| " - Zn / 907 |
| Mo - Cu 2620 / 2595 |
| - Al l 2447 |
| " - Ag " / 2180 |
| rr - Pb " / 1751" |
| " - Zn / 907 |
| Graphit - Ni 3800 / 2800 |
| - au l 2595 |
| et - " 'G%180 |
| Cu - Cd 1083 / 765 |
| AS - Zn 961 / 907 |
| " - Cd " . / 765 |
(Die hier angegebenen Schmelzpunkte
sind entnommen aus D'Ans-Lax
"Taschenbuch für Chemiker und
Physiker", 3. Auflage
1967, Springer-Verlag.)
Die
Auswahl der zu kombinierenden Werkstoffe kann natürlich nicht nur nach den unterschiedlichen
Siedepunkten .getroffen werden, sondern es spielen für deren Verwendung auch noch
andere Eigenschaften eine Rolle, wie z. B. die elektrische und thermische Zeitfähigkeit
oder die Verachweißfestigkeit.
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Die folgenden Beispiele und Abbildungen sollen den Erfindungsgegenstand
näher erläutern Abb. 1 zeigt schematisch den erfindungsgemäßen Aufbau von zwei sich
stirnseitig gegenüberstehenden Schal@kontaktstücken (11 und 12) in einem Niederspannungsschalter
zum Schalten von Strömen bis 100 A nach dem Öffnungsvorgang. Der Schalter ist so
konstruiert, daß die Kontaktätücke (11 und 12) nur auf einen kurzen Abstand getrennt
werden können, um
durch eine nur kurze Lichtbogenlänge eine übermäßige Energieentwicklung
zu vermeiden. Die beiden zylinderförmigen Kontaktstücke (11 und 12) besitzen jeweils
einen Kern (13) aus einem hochsiedenden Werkstoff und einen Mantel (14) aus einem
niedrigersiedenden Werkstoff. Beim Öffnen der Kontaktstücke (11 und 12) entsteht
ein Lichtbogen (15), dessen Fußpunkte (16 und 17) sich auf dem Kern (13) aus-. bilden
und durch das niedrigersiedende Material (14) ortsfest stabilisiert werden. . Abb,
2 zeigt einen Querschnitt durch das Kontaktstück (11), gemäß der Linie II - II in
Abb. 1, mit dem Kern und dem Mantel (14).
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Abb. 3 zeigt schematisch eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Schaltkontaktstücke nach Abb. 1. Die sich -stirnseitig gegenüberstehenden Kontaktstücke
(21 und 22) besitzen einen Kern (23) aus einem höhersiedenden Material, um den konzentrisch
abwechselnd mehrere Zonen aus einem niedrigersiedenden (24, 26, 28) und höhersiedendem
Werkstoff (25, 27) angeordnet sind. Bein Öffnen der Kontaktstücke (21 und 22) entsteht
ein Lichtbogen (29)t dessen
Fußpunkte (30, 31) sich auf dem Kern
(23) ausbilden. Auch beim zufälligen Überspringen einer Zone mit niedrigerschmelzendem
Material (24, 26) wird der Lichtbogen (29) an einer weiteren Wanderung gehindert.
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Abb. 4 zeigt einen Querschnitt durch das Kontaktstück (21), gemäß
der Linie IV - IV in Abb. 3, mit dem Kern (23) und den ringförmigen Zonen aus einem
niedrigersiedenden (24, 26,28) und höhersiedenden Werkstoff (25, 2?).
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Abb. 5 zeigt schematisch den erfindungsgemäßen Aufbau von zwei sich
stirnseitig gegenüberstehenden Schaltkontaktstücken (41 und 42) mit Abbrandhörnern
(43 und 44) aus einem Niederspannungs- oder Mittelspannungsschaltgerät (Schaltströme
von 100 -. 100 000 A) nach dem Öffnungsvorgang. Um eine möglichst große Aufweitung
der Lichtbogenschleife (45) zu erreichen, müssen die Fußpunkte (46 und 4?) ortsfest
stabilisiert werden, während die Bogensäule (45) durch das selbst- oder fremderregte
Magnetfeld schnell ausgelenkt wird. Zu diesem Zweck werden die Kontaktstücke (41,
42) und die Abbrandhörner (43, 44) abwech2-elnd aus mehreren Lagen eines höher-
(48) und niedrigersiedenden (4g) Materials gebildet, wie auch Abb. 6 im Querschnitt
gemäß der Linie VI - VI und Abb. 5 zeigt.
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Abb. ? zeigt schematisch die Schaltgliederanordnung in einem Niederspannungsschaltgerät
mit einer erfindungsgemäßen, Ausbildung der Löschbleche (51) in der Löschkammer.
Das Schaltgerät besteht aus einem feststehenden (52) und einem beweglichen (53)
Schaltglied, auf denen die Kontaktstücke (54 Und 55) befestigt sind. Die Schaltglieder
(52 und 53) laufen in den Abbrandhörnern (56 und 5?) aus, zwischen denen sich die
Löschbleche (51) der Löschkammer befinden.. Die Lichtbögen (58) sollen bei der Durchwanderung
der Löschkammer gebremst werden, damit sie diese nicht zu .schnell durchlaufen und
sich hinter den Löschblechen (51)
wieder kurzschließen. Erfindungsgemäß
werden daher die Löschbleche (51) abwechselnd aus mehreren Streifen eines höhersiedenden
(59) und eines niedrigersiedenden (60) Werkstoffs zusammengesetzt, wobei
die Streifen senkrecht zur Wanderungsrichtung der Lichtbögen (58) verlaufen und
sie so in ihrer Wanderung behindern.
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Abb. 8 zeigt einen Querschnitt gemäß der Linie YIII - jiTII in Abb.
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Die erfindungsgemäße Anordnung von Zonen aus höher- und niedriger-siedenden
Materialien ist nicht nur anwendbar auf des elektrischen Kontaktgebiet,
sondern auch bei Elektroden in glassßbrennern und bei sonstigen Geräten,
in denen ein ortsfester Brennfleck benötigt wird.