DE1808810A1 - Contact material for high performance vacuum switches - Google Patents
Contact material for high performance vacuum switchesInfo
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Description
Kontaktwerkstoff für Vakiiumschalter hoher Leistung" Die Erfindung bezieht sich auf einen Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter hoher Leistung, Vakuumschalter für mittlere und hohe Spannungen haben in den letzten Jahren zunehmende Bedeutung erlangt. Sie zeichnen sich gegenüber Schaltern mit Gasen oder Flüssigkeiten als Isolier- und liöschmedien durch ein geringeres Volumen, durch eine einfache mechanische Konstruktion, eine sehr kurze Erholungszeit nach einer Kurzschlußabschaltung und eine lange Lebensdauer aus. Contact material for high-performance vacuum switches "The invention refers to a contact material for high performance vacuum switches, vacuum switches for medium and high voltages have become increasingly important in recent years attained. They stand out as compared to switches with gases or liquids Isolation and extinguishing media due to a smaller volume, due to a simple mechanical Construction, a very short recovery time after a short circuit shutdown and a long service life.
Für die gute Funktion eines Vakuumschalters ist aber der Kontaktwerkstoff entscheidend. An ihn werden höhere Anforderungen gestellt als an Kontaktwerkstoffe, von Schaltern, die in Luft oder in 41 arbeiten, Zu den üblichen Forderungen nach niedrigem, konstanten Kontaktwiderstand, nach kleiner Abbrandrate im Lichtbogen und geringer Neigung zum Verschweißen bei Stromfluß tritt bei Kontaktwerkstoffen für Vakuumschalter als'weitere Bedingung noch hinzu, daß die Kontaktstückoberflächen bei örtlichem Aufschmelzen keine Gase abgeben dürfen, weil dadurch das Arbeitsvakuum verschlechtert werden würde und der Schalter nicht mehr imstande wäre, Kurzschlußströme zu unterbrechen. In Schaltern für höhere Stromstärken ist es weiterhin wichtig, daß die als Elektroden wirkenden Kontaktstücke genügend Metalldampf liefern, damit der Bogen bis zum Stromnulldurchgang brennt.However, the contact material is essential for a vacuum switch to function properly decisive. Higher demands are placed on him than on contact materials, of switches that work in air or in 41, To the usual demands after low, constant contact resistance, after smaller Burn rate in the arc and low tendency to weld with current flow occurs with contact materials for vacuum switches as a further condition that the contact piece surfaces in the case of local melting, no gases are allowed to emit, because this reduces the working vacuum would be deteriorated and the switch would no longer be able to handle short-circuit currents to interrupt. In switches for higher currents, it is still important that the contact pieces acting as electrodes supply enough metal vapor so that the arc burns to zero current.
Je nach Schaltleistung haben diese Forderungen unterschiedliches Gewicht und bestimmen den Kontaktwerkstoff.Depending on the switching capacity, these requirements have different weight and determine the contact material.
Bis zu einigen Tausend Ampare eignet sich z.B. massives Wolfram; in sehr reiner Form kann es u.U. Kurzschlußströme bis 15 000 A abschalten.Solid tungsten, for example, is suitable up to a few thousand amperes; in In its very pure form, it can switch off short-circuit currents of up to 15,000 A.
Bei höheren Strömen setzt eine fur den Vakuumlichtbogen spezifische Erscheinung - das Abreißen des Lichtbogens -("current chopping") der Verwendung reinen Wolframs Grenzen.At higher currents, a specific one for the vacuum arc sets in Appearance - the breaking of the electric arc - ("current chopping") of use pure tungsten limits.
Infolge der geringen Verdampfung dieses hochschmelzenden Metalles verarmt die Entladungsstrecke schon vor dem Stromnulldurchgang des Wechselstrombogens soweit an Ladungsträgern, daß der Bogen bei ca. 10 A plötzlich abreißt. In induktiven Lastkreisen von ittelspannungsnetzen entstehen dadurch Spannungsspitzen bis 100 000 V, die Schäden in den Anlagen bewirken können.As a result of the low level of evaporation of this refractory metal the discharge path becomes impoverished before the alternating current arc crosses zero so far on charge carriers that the arc suddenly breaks at approx. 10 A. In inductive Load circuits of medium voltage networks arise thereby voltage peaks up to 100,000 V, which can cause damage to the systems.
Für höhere Abschaltströme (um 20 000 A) setzt man deshalb andere Kontaktwerkstoffe ein, wie z.B. gasfreies Kupfer, dem zur Verhinderung des Bogenabreißens ein Metall mit hohem Dampfdruck und hohem Atomgewicht zugefügt wird.Therefore, other contact materials are used for higher cut-off currents (around 20,000 A) such as gas-free copper, which is a metal used to prevent the arc from tearing off is added with high vapor pressure and high atomic weight.
Die Legierung verdampft infolge ihrer verminderten Wärmeleitfahigkeit leichter und die schweren Metalldampfatome diffundieren langsam aus der Bogensäule in das Vakuum.The alloy evaporates due to its reduced thermal conductivity lighter and the heavy metal vapor atoms slowly diffuse out of the arc column into the vacuum.
Vorzugsweise setzt man dem Kupfer ein Metall zu, das bei niedrigen und mittleren Strömen gleichzeitig die Bogenbrennspannung und damit den Energieumsatz in der Bogensäule senkt.It is preferable to add a metal to the copper, which at low and mean currents, the arc voltage and thus the energy consumption at the same time lowers in the arch column.
Diese Eigenschaften des niedrigschmelzenden Eontaktwerkstoffes, die bei Strömen um 20 000 A erwünscht sind, begrenzen jedoch seine Verwendbarkeit bei Strömen über 40 000 A.These properties of the low-melting Eontaktwerkstoffes, the are desirable at currents around 20,000 A, but limit its usability Currents over 40,000 A.
Der Stoffverlust der Kontaktstücke wird zu groß und die Metalldampfkonzentration im Kontaktspalt wird so hoch, daß eine schnelle Wiederverfestigung der Schaltstrecke nicht mehr zu erreichen ist.The loss of material from the contact pieces becomes too great and the metal vapor concentration becomes too great in the contact gap is so high that a rapid re-solidification of the switching path can no longer be reached.
Beim Abschalten eines Eurzschlußstromes von 40 000 A können durch Einschwingvorgänge kurzzeitig Stromspitzen von 100 000 A auftreten. Der Energieumsatz im Vakuumbogen erreicht dadurch Werte in der Größenordnung von 10 Megawatt.When a circuit current of 40,000 A is switched off, Transient processes briefly occur with current peaks of 100,000 A. The energy expenditure in the vacuum arc this achieves values in the order of magnitude of 10 megawatts.
Der überwiegende Teil der Lichtbogenenergie wird auf ein um die Schaltstrecke konzentrisch angeordnetes Blech übertragen, auf dem der Metalldampf kondensieren soll.The major part of the arc energy is applied around the switching gap concentrically arranged sheet metal transferred on which the metal vapor should condense.
Die Energieübertragung erfolgt zum großen Teil durch Metalldampf und abgeschleuderte Schmelztröpfchen von den Kontaktstückoberflächen. Das Kondensationsblech erhitzt sich dabei auf eine Temperatur von mehreren Hundert Grad; sein Akkomodationskoeffizient nimmt dabei soweit ab, dass es praktisch unwirksam wird. Der Metalldampf kehrt in die Plasmasäule zurück und verhindert durch seine Konzentration eine Wiederverfestigung im Kontaktspalt. Der Vakuumschalter verliert auf diese Weise seinen Vorteil der schnellen Wiederverfestigung und der langen Lebensdauer.The energy transfer takes place largely through metal vapor and Melt droplets thrown off the contact piece surfaces. The condensation sheet heats up to a temperature of several hundred degrees; its coefficient of accommodation decreases so much that it is practically ineffective. The metal vapor returns in the plasma column and prevents reconsolidation through its concentration in the contact gap. The vacuum switch loses its advantage in this way fast reconsolidation and long service life.
Vergrößert man den Abstand des Kondensationsschilds von der Plasmasäule, dann sinkt zwar die anfallende Energiedichte und damit die Temperatur, jedoch ist die Wirkung begrenzt und wird durch ein größeres Schaltervolumen erkauft. Legierte Kontaktwerkstoffe z.B. auf Kupferbasis, sind offensichtlich bei Abschaltstromstärken von rd. 50 000 A an ihrer Beistungsgrenze angelangt.If the distance between the condensation shield and the plasma column is increased, then the resulting energy density and thus the temperature will decrease, but it is the effect is limited and is bought at the expense of a larger switch volume. Alloyed Contact materials, e.g. copper-based, are evident at cut-off currents of around A 50,000 have reached their limit of employment.
Versuche mit Stromstärken bis 150 000 A haben nun überraschend gezeigt, daß der Stoffverlust von Kontaktstücken aus reinen Metallen und Begierungen bei einer kurz zeitigen Lichtbogenbelastung mit sehr hohen Beistungsdichten nicht durch ein normales Verdampfen erfolgt, sondern überwiegend durch ein Abschleudern von sehr kleinen Schmeiztöpfchen.Tests with currents up to 150,000 A have now surprisingly shown that the loss of substance from contact pieces made of pure metals and desires a short-term arc load with very high power densities normal evaporation takes place, but mainly by throwing off very small melting pots.
Das Verhältnis v9n Tröpfchengewicht zu Dampfgewicht liegt äe nach den Schaltbedingungen zwischen 9:1 und 2:1. Die Aufheizung des Kondensationsbleches kann also wesentlich vermindert werden, wenn man den Energietransport durch Schmelztröpfchen unterbindet.The ratio of droplet weight to vapor weight is less the switching conditions between 9: 1 and 2: 1. The heating of the condensation plate can therefore be significantly reduced if one considers the energy transport through melt droplets prevents.
Gemäß der Erfindung geschieht dies nun dadurch, daß die siedende Metallschmelze in einem Gerüst eines hochschmelzenden Metalles festgehalten wird. Der Stoffverlust der Elektroden sinkt dadurch im Mittel auf 25. Proz. der Abbrandrate des reinen Metalles. Als Gerüstmetall eignet sich Wolfram, jedoch auch andere hochschmelzende Metalle wie Molybdän, Tantal, Hafnium oder Niob sind verwendbar.According to the invention, this is now done in that the boiling metal melt is held in a framework of a refractory metal. The loss of substance of the electrodes sinks on average to 25 percent of the burn rate of the pure Metal. Tungsten is suitable as a framework metal, but other high-melting points are also suitable Metals such as molybdenum, tantalum, hafnium or niobium can be used.
Durch diese Maßnahme wird nicht nur die Lebensdauer der Kontaktstücke auf ein Mehrfaches verlängert, sondern auch die Wirksamkeit des Kondensationsschirmes erheblich verbessert und die Wiederverfestigung der Entladungsstrecke nach Erlöschen des Lichtbogens beschleunigt.This measure not only increases the service life of the contact pieces extended to a multiple, but also the effectiveness of the condensation screen Significantly improved and the reconsolidation of the discharge path after extinction of the arc accelerates.
Eine Voraussetzung hierzu ist å jedoch, daß das Gerüst des hochschmelzenden Werkstoffes selbst möglichst wenig Thermoelektronen emittiert und dadurch die Wiederverfestigung verzögert. Das Metall muß nicht nur gasfrei sein, sondern es darf auch keine Verunreinigungen enthalten, die eine Elektronenemission begünstigen. Es muß im besonderen frei sein von Thorium, seltenen Erden, Alkali-und Erdalkalimetall sowie von Kohlenstoff und Bor.A prerequisite for this is, however, that the structure of the high-melting point The material itself emits as few thermoelectrons as possible, and thereby re-solidification delayed. Not only must the metal be gas-free, but it must also not contain any impurities contain, which favor electron emission. It has to be in particular be free of thorium, rare earths, alkali and alkaline earth metals and carbon and boron.
Im Folgenden wird als Beispiel die Herstellung eines Kontaktwerkstoffes beschrieben, der in Vakuumschaltern Kurzschlußströme von mehr als 50 000 A abzuschalten vermag: Hochreines zonengeschmolzenes Wolfram wird als Pulver oder in Form kleiner Kugeln (# 0,1 mm) mit analysenreinem Kupfer- oder Silberpulver, das insbesondere keins der genannten emissionsfördernden Elemente enthalten darf, zu Rohlingen mit einer Raumerfüllung zwischen 40 und 70 Proz. vorverdichtet. Der Anteil des Wolframs sollte zwischen 70 und 98 Gew. Proz. betragen. Dieser Körper wird in einem Hochvakuum (p = 1016 Torr) induktiv auf eine Temperatur oberhalb des Kupfer- bzw. Silberschmelzpunkts erwärmt, wobei das flüssige Zusatzmaterial die Körner des Wolframgerüstes benetzt und aufgenommene Gase beim Abpumpen frei gibt. Anschließend wird der Körper durch indirekte oder direkte Explosionsverformung bzw. durch magnetodynamische Verformung im Vakuum zu einer Scheibe (d 10 cm, h 3 cm) mit einem Raumerfüllungsgrad von mehr als 99 % verdichtet, Auf die gleiche Weise können auch hochreine Kontaktwerkstoffe auf Mo-, Ta- und Nb-Basis hergestellt werden. Zr und Ti eignen sich wegen der hohen Affinität zu Gasen in geringerem Maße.The following example shows the manufacture of a contact material described to switch off short-circuit currents of more than 50,000 A in vacuum switches Capable of: Highly pure, zone-melted tungsten is made smaller as a powder or in the form of a smaller product Balls (# 0.1 mm) with analytically pure copper or silver powder, in particular may not contain any of the mentioned emission-promoting elements, to blanks with a space filling between 40 and 70 percent. The proportion of tungsten should be between 70 and 98 percent by weight. This body is in a high vacuum (p = 1016 Torr) inductively to a temperature above the copper or silver melting point heated, whereby the liquid additive material wets the grains of the tungsten framework and releases absorbed gases during pumping. Then the body is through indirect or direct explosion deformation or through magnetodynamic deformation in a vacuum to a disk (d 10 cm, h 3 cm) with a degree of space filling of more compressed as 99%, Highly pure can also be used in the same way Contact materials based on Mo, Ta and Nb are produced. Zr and Ti are suitable to a lesser extent because of their high affinity for gases.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19681808810 DE1808810A1 (en) | 1968-11-14 | 1968-11-14 | Contact material for high performance vacuum switches |
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DE19681808810 DE1808810A1 (en) | 1968-11-14 | 1968-11-14 | Contact material for high performance vacuum switches |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE1808810A1 true DE1808810A1 (en) | 1970-06-04 |
Family
ID=5713283
Family Applications (1)
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DE19681808810 Pending DE1808810A1 (en) | 1968-11-14 | 1968-11-14 | Contact material for high performance vacuum switches |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE1808810A1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3845543A (en) * | 1972-03-17 | 1974-11-05 | Sprecher & Schuh Ag | Method of producing a vacuum switch contact |
EP0110176A2 (en) * | 1982-11-01 | 1984-06-13 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Contact material for vacuum circuit breaker |
-
1968
- 1968-11-14 DE DE19681808810 patent/DE1808810A1/en active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3845543A (en) * | 1972-03-17 | 1974-11-05 | Sprecher & Schuh Ag | Method of producing a vacuum switch contact |
EP0110176A2 (en) * | 1982-11-01 | 1984-06-13 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Contact material for vacuum circuit breaker |
EP0110176A3 (en) * | 1982-11-01 | 1987-01-21 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Contact material for vacuum circuit breaker |
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