DE1948451A1 - Vakuum-Unterbrecher mit feuerfestes Metall enthaltenden Kontakten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft den Aufbau von Kontakten für einen Vakuum-Schaltunterbrecher und insbesondere betrifft sie eine Kontaktstruktur dieser Art, welche mechanisch stark ist und eine hohe Beständigkeit gegenüber Erosion durch Bogenentladung und gegenüber dem Verschweißen der Kontakte besitzt.

Zu den Kontaktmaterialien, die einen hohen Widerstand gegenüber der Erosion durch Lichtbogen besitzen, gehört beispielsweise ein Material, das eine Metallmatrix aus einem feuerfesten Metall umfaßt, in die ein Metall hoher Leitfähigkeit eingedrungen ist. Das feuerfeste Metall der Matrix ist typischerweise Wolfram oder Molybdän oder eine Verbindung davon

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und das Metall hoher Leitfähigkeit ist typischerweise Kupfer oder Silber. Wenn die Kontakte eines Schaltunterbrechers des Vakuumtyps aus einem solchen Material hergestellt werden, dann haben sie die Neigung, nach einem Schließvorgang miteinander zu verschweißen, insbesondere nach einem Schließvorgang, der unter Bedingungen mit einem hohen Lichtbogenstrom stattfindet. Ein Grund dafür besteht darin, daß die Oberflächen der Kontakte eines Vakuum-Unterbrechers besonders sauber gehalten werden und dies ist besonders förderlich für die Verschweißung unter den hohen Drücken und hohen örtlichen Temperaturen, wie sie vorhanden sind, wenn die Kontakte während einer Bogenentladung geschlossen werden.

Es sind Anstrengungen unternommen worden, um diese Verschweissungstendenz dadurch zu verringern, daß man den Gehalt des vorhandenen feuerfesten Metalls auf sehr hohe Werte erhöht hat, beispielsweise 90 Gew.%. Es wurde jedoch gefunden, daß dies nur geringfügige Verbesserungen in der Beständigkeit gegenüber VerschweiBung erzeugt.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Beständigkeit gegenüber Verschweißung von Kontakten aus einer Matrix aus feuerfestem Metall in einem Vakuum-Unterbrecher bedeutend zu verbessern. Dies soll geschehen ohne in bedeutungsvollem Maße die mechanische Festigkeit der Kontakte zu verschlechtern und die Brauchbarkeit der Kontakte zum Auflöten auf geeignete Unterlagen zu verringern.

In einer Ausgestaltungsform der Erfindung bestehen die Kontakte des Vakuum-Unterbrechers aus einer metallischen Matrix eines feuerfesten Metalls und die Poren der Matrix sind In₁It einer Legierung aus Kupfer und Wismut ausgefüllt, wobei der Anteil des Wismuts in der Legierung auf weniger als 2 Gew.% der Legierung beschränkt ist und vorzugsweise weniger als 1 % beträgt. Ein besseres Verständnis der Erfindung erhält man anhand der folgenden Beschreibung zusammen mit der Abbildung, welche eine AusfUhrungsform der Erfindung darstellt.

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Die Abbildung zeigt einen Schaltunterbrecher vom Vakuum-Typ, der eine dicht verschlossene Hülle 11 enthält, die auf einen

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Druck von IO TORR oder darunter evakuiert ist. Die Hülle 11 umfaßt ein rohrähnliches Gehäuse 12 aus isolierendem Material und ein Paar metallischer Endkappen 13 und 14, die in geeigneter Weise dicht an den entgegengesetzten Enden des Gehäuses angebracht sind.

In dem evakuierten Gehäuse 11 befindet sich ein Paar voneinander trennbarer scheibenförmiger Kontakte 17 und 18. Der Kontakt 17 ist ein stationärer Kontakt, der mit dem unteren Ende eines stationären leitfähigen Kontaktstabes 17a hartverlötet ist. Der Kontakt 18 ist ein beweglicher Kontakt, der an dem oberen Ende eines vertikal beweglichen leitfähigen Stabes 18a hartverlötet ist. Der bewegliche Kontaktstab 18a

ragt frei durch eine Öffnung in der unteren Endkappe 14 heraus und ein flexibler Metallbalg 20 ergibt eine geeignete Abdichtung hierzu, die eine Vertikalbewegung des Kontaktstabes 18a ohne Beeinträchtigung des Vakuums im Innern der Hülle 11 gestattet.

Alle inneren Teile des Unterbrechers sind im wesentlichen frei von Oberflächenverunreinigungen. Diese sauberen Oberflächen erhält man durch eine geeignete konventionelle Vakuumbehandlung, die eine Ausheizung des Unterbrechers während des Vorgangs der Evakuierung einschließt.

Das Schließen des Unterbrechers wird dadurch bewirkt, daß der Kontaktstab 18a in einer Aufwärtsrichtung angetrieben wird, um den beweglichen Kontakt 18 zum Eingriff mit dem stationären Kontakt 17 zu bringen. Das Öffnen des Unterbrechers wird dadurch bewirkt, daß der bewegliche Kontakt 18 aus seiner geschlossenen Stellung nach unten in die in der Abbildung dargestellte Lage gebracht wird. Wenn die Kontakte während eines Öffnungsvorgangs getrennt werden, dann wird zwischen ihnen eine Bogenentladung gezogen. Unter der Annahme

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eines Wechselstroms hält diese Entladung bis zu einem natürlichen Nulldurchgang des Stroms an. Zu diesem Zeitpunkt verschwindet sie und wird am Wiederzünden durch die hohe/elektrische Stärke des Vakuums in der Hülle 11 verhindert. Ein geeigneter Metallschirm 21 in Röhrenform umgibt die Kontakte 17 und 18, um die durch den Lichtbogen erzeugten Metalldämpfe zu kondensieren und unterstützt daher den Unterbrechungsvorgang.

Der dargestellte Unterbrecher ist für die Verwendung bei solchen Anwendungen gedacHt, wo er häufig geöffnet und geschlossen wird. Um die durch solchen häufigen Betrieb erzeugte Erosion durch die Bogenentladung zu begrenzen, ist als Hauptkomponente in dem Material der Kontakte ein feuerfestes Metall wie Wolfram enthalten, das Wegen seines hohen Schmelz- und Siedepunktes eine geringere Tendenz zur Verdampfung als nichtfeuerfeste Metalle besitzt. Das Wolfram liegt in Form einer gesinterten Matrix mit porösem Charakter vor. Die Poren der Matrix sind mit der nachstehend zu beschreibenden Legierung auf Kupferbasis mit hoher Leitfähigkeit gefüllt.

Wenn die Kontakte beim Schließen in Eingriff miteinander getrieben werden, können sie leicht voneinander abprallen und ziehen beim Zurücktreiben in den vollen Eingriff eine Bogenentladung zwischen den Kontakten. Diese Bogenentladung neigt dazu, ein Verschweißen der Kontakte miteinander zu erzeugen. Die Kontakte eines Vakuum-Unterbrechers haben eine größere Tendenz zu einer solchen Verschweißung als die von Unterbrechern anderer Art, da ihre Oberflächen ausgesprochen sauber und frei von die Verschweißung hemmenden Schichten sind.

Bei gewissen Kontaktmaterialien, wie Wolfram-Kupfer, wird die Metallmatrix aus feuerfestem Metall dabei helfen, einer solchen Verschweissung zu widerstehen. Um eine möglichst große Beständigkeit gegenüber Verschweißung des feuerfesten Metalls zu erhalten, wurde vorgeschlagen, einen sehr hohen

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Anteil feuerfesten Metalls zu verwenden, d.h. 90 Gew.%. Es wurde jedoch gefunden, daß die Verbesserungen in der Beständigkeit gegen Verschweißen, die sich aus solchen hohen Wolframgehalten ergeben, geringfügig sind und daß manchmal sehr viel größere Verbesserungen erforderlich sind. Beispielsweise wurde gefunden, daß die Erhöhung des Wolframgehalts von 75 auf 90% in ähnlichen Kontaktsätzen die notwendige Kraft zur Aufbrechung der stärksten Verschweißungen von etwa 1200 kg auf etwa 450 kg verringerte. Dies ist jedoch eine Verringerung, die auch nicht annähernd groß genug ist, da eine maximale Verschweißungsstärke von weniger als etwa 50 kg gebraucht wird.

Um die gewünschte erhöhte Beständigkeit gegenüber Verschweissung zu erhalten, ist erfindungsgemäß die Wolframmatrix mit einer Legierung aus Kupfer und Wismut ausgefüllt, die weniger als 2 Gew.% Wismut in der Legierung enthält. Vorzugsweise wird ein Anteil von weniger als 1 Gew.% Wismut, d.h. 1/2 %, verwendet. Typischerweise werden bei Kontakten mit diesem Wolfram-Kupfer-Wismut Material überhaupt keine Verschweißungen ausgebildet und in den schlimmsten Fällen wurde nur etwa eine Kraft von etwa 10 kg zur Aufbrechung der Verschweißung benötigt. Dies steht in deutlichem Gegensatz zu den mehreren Hundert kg, die man bei den Wolfram-Kupferkontakten braucht, sogar bei denen mit sehr hohem Wolframgehalt.

Es wurde gefunden, daß die weniger als 2% Wismut enthaltenen Wolfram-Kupfer-Wismutkontakte eine höhere mechanische Festigkeit haben und nicht rissig werden oder zerbrechen, wenn sie dem beim Schließen auftretenden starken Aufprall ausgesetzt werden. Weiterhin war es möglich, diese Kontakte mit einer Kupfertragstange (17a oder 18a) ohne bedeutungsvolle Beeinträchtigung der Lötstelle durch das Wismut in dem Kontakt zu verlöten. Unter Verwendung einer konventionellen Hartlotlegierung aus Kupfer, Silber und Indium war es möglich, hartgelötete Verbindungen zwischen dem Kontakt und dem Kontaktstab

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zu erhalten, die eine viel größere Zugfestigkeit aufweisen , als irgendeine Verschweißung, die sich zwischen den Kontakten bilden könnte.

Es liegen gewisse Vorschläge im Stand der Technik vor (US Patent 2 975 255 und 3 305 324) für Wolfram-Kupfer-Wismutkontakte vor, die 5 bis 20% Wismut, bezogen auf das Gewicht der Legierung, enthalten. Der Hauptzweck der Verwendung dieser hohen Anteile von Wismut besteht jedoch darin, die Tendenz der Kontakte zur "Stromzerhackung" zu verringern. Die geringen erfindungsgemäß verwendeten Anteile von Wismut haben

k wenig oder gar keine Wirkung auf die "Stromzerhackung" . Diese spielt auch keine Rolle in der vorliegenden Anwendung, wo Wolfram-Kupfer, sogar ohne Wismut, vom Standpunkt der Stromzerhackung aus zufriedenstellend ist. Weiterhin wurde gefunden, daß bei Vorhandensein solcher hohen Anteile von Wismut in dem Kupfer der sich ergebende Kontakt mechanisch ziemlich schwach und spröde ist und dazu neigt, durch den gewöhnlich scharfen Aufprall beim Schließen Risse zu bekommen. Beispielsweise besteht die typische Aufprällfestigkeit von Kontakten mit 75% Wolfram, 25% (Cu-Bi), die 0,5% Wismut bezogen auf das Gewicht der Kupfer-Wismutlegierung enthalten, als zweimal so hoch befunden wie die typische Aufprallstärke von entsprechenden W-Cu-Bi-Kon takten, die 5% Wismut bezogen auf das Gewicht der Kuper-Wismutlegierung enthalten. Es wurde außerdem gefunden, daß bei Vorhandensein hoher Wismutanteile es ziemlich schwierig ist, eine gute hartgelötete Verbindung zwischea jedem Kontakt und seinem Tragstab herzustellen. Es wurde gefunden, daß dann die Hartlotverbindungen ziemlich schwach sind, was möglicherweise auf den Versprödungseffekt des Wismuts aus dem angrenzenden Kontakt zurückzuführen ist. Wie jedoch bereits oben ausgeführt, wurden diese Probleme dadurch erfindungsgemäß überwunden, daß weniger als 2 Gew.% Wismut bezogen auf die Kupfer-Wismutlegierung verwendet werden.

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Die Kontakte werden dadurch hergestellt, daß Partikel des feuerfesten Metalls in Wasserstoff gesintert werden und dann in einer Wasserstoffatmosphäre bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Kupfers etwa 650⁰C (etwa 22OO°F) eine im wesentlichen gasfreie Kupfer-Wismutlegierung in die gesinterte Masse eingesaugt wird. Das sich ergebende Gebilde wird dann abgekühlt und danach dadurch ausgegast, daß es auf eine Temperatur leicht oberhalb des Schmelzpunktes von Kupfer etwa 54O°C (etwa 2OOO°F) in einer Argonatmosphäre erhitzt wird.

Die Erfindung ist obenstehend im Zusammenhang mit einer bestimmten Ausführungsform beschrieben, der Fachmann wird jedoch leicht die verschiedenen Änderungen und Modifikationen erkennen, die ohne Abweichung von den breiteren Aspekten der Erfindung möglich' sind.

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Claims (1)

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- 8 Ansprüche

Vakuum-Unterbrecher mit einer Hochvakuum-Hülle und einem Kontaktpaar in der Hülle, die relativ zueinander in Eingriff gebracht und getrennt werden können, dadurch gekennze ichnet , daß jeder der Kontakte (17, 18) eine poröse Matrix eines feuerfesten Metalls und eine Legierung aus Kupfer und Wismut enthält, welche die Poren der Matrix füllt, wobei der Wismutanteil weniger als 2 Gew.% bezogen auf die Kupfer-Wismutlegierung beträgt.

Unterbrecher nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der Wismutanteil weniger als 1 Gew,% bezogen auf die Kupfer-Wismutlegierung beträgt.

Unterbrecher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichne t , daß das feuerfeste Metall Wolfram, Molybdän oder eine Verbindung derselben ist.

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