DE2045173C3 - Elektrisches Kontaktmaterial fur einen Vakuumschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Kontaktmaterial für einen Vakuumschalter, bestehend aus einem porenhaltigen Sintergerüst aus Wolframkarbid, dessen Poren zwischen 20 und 60 Gew.% Silber gefüllt sind, wobei im Gerüst ein Zusatz enthalten ist, der die Benetzung zwischen Sintergerüst und Füllmetall gewährleistet.

Ein derartiges elektrisches Kontaktmaterial ist aus dem Buch von H. Schreiner »Pulvermetallurgie jo elektrischer Kontakte«, Seiten 186-190 und Seiten 148/149, Springer-Verlag, Berlin/Göttingen/Heidelberg, 1964, bekannt. Aus der deutschen Auslegeschrift 10 74 120 sind Vakuumschalter bekannt, deren Kontakte aus dem feuerfesten Karbid von Wolfram oder r> Molybdän bestehen, wobei das Karbid mit Metallen niedrigeren Schmelzpunktes getränkt wird, beispielsweise mit Kupfer, Silber oder Nickel.

Die Lebensdauer derartiger Vakuumschalter ist vor allem beim Schalten von Strömen in induktionsbelasteten Stromkreisen dadurch gekennzeichnet, daß das imprägnierte Metall bei hohen Temperaturen des zwischen den getrennten Kontakten sich ausbildenden Lichtbogens leicht schmilzt und verdampft.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, <r> die Lebensdauer des bekannten Vakuumschalters durch geeignete Maßnahmen zu verlängern.

An der genannten Fundstelle im Buch von H. Schreiner findet sich zwar ein Hinweis, daß die Benetzung des Wolfram-Metallpulvers mit Tränk- v> metall durch fördernde Metallpulver verbessert würde. Jedoch bleibt offen, welche Metallpulver, in welchen Mengen, so eingesetzt werden können, daß das Benetzungsmittel die elektrischen Eigenschaften des Kontaktmaterials nicht nachteilig beeinflußt. Aus den »Berg- und Hüttenmännischen Monatsheften 94 (1949), Seiten 281-294, sind ZweistofTsysteme bekannt, bei denen Wolframkarbid entweder mit Kobalt oder Eisen oder Nickel durch Tränkung legierbar ist. Das Kobalt oder Nickel erfüllt hier die Funktion eines bo Bindemittels, indem es die Herstellung eines Sinterkörpers aus dem Karbidpulver ermöglicht. Auch in der deutschen Auslegeschrift 12 70 196 wird die Herstellung eines Sinterkörpers unter Verwendung von Kohlenstoff im Zusammenwirken mit Titankarbid beschrie- b^r> ben, bei dem als Bindemittel Silber oder Kupfer dienen. Als Kontaktmasse, die die Lebensdauer eines Vakuumschalters erheblich zu verlängern gestattete, sind die beschriebenen Massen jedoch nicht verwendbar.

Die Lösung der genannten Aufgabe ist dem gegenüber gekennzeichnet durch die Gesamtheit der Merkmal: daß der Zusatz aus 0,1 bis 5 Gew.% Nickel und 0,1 bis 1 Gew.% Kupfer und 0,1 bis 5 Gew.% Kobalt besteht, und daß weniger als 0,05 Gew.% freier Kohlenstoff in dem Material vorhanden sind.

Dadurch wird die Dichte der Kontaktmasse erhöht und der Gehalt an in Poren eingeschlossenem Restgas vermindert. Ferner wurde bei einem mit dem erfindungsgemäßen Kontaktmaterial ausgerüsteten Vakuumschalter festgestellt, daß er sich praktisch kaum noch abnutzt.

Nachstehend wird die Erfindung an dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel beschrieben.

Der in der Zeichnung im Querschnitt dargestellte Vakuumschalter 10 weist ein stark evakuiertes Gehäuse 11 mit zylindrischer Seitenwandung 12 aus Isolationsmaterial, beispielsweise Glas, Keramik o. dgl. und zwei trennbaren Kontakten 13 und 14 auf, die in dem Gehsuse angeordnet sind. Der Kontakt 13 ist stationär und an einer Seite an einer stationären Elektrode 15 befestigt, deren anderes Ende durch einen Metalldeckel oder eine Platte 16 am oberen Stirnabschnitt der zylindrischen Seitenwandung hindurchragt. Zwischen dem Randabschnitt des Deckels und der angrenzenden Stirnseite der zylindrischen Wandung ist eine Vakuumdichtung 17 vorgesehen. Der Teil des Deckels 16, durch den die stationäre Elektrode 15 geführt ist, ist vakuumdicht abgedichtet, beispielsweise durch Verschweißen. Das oberste, außerhalb des Vakuumschalters befind liehe Ende der Elektrode 15 ist über eine elektrische Leitung mit einer Wechselspannungsquelle (nicht dargestellt) verbunden.

Der andere Kontakt 14 ist beweglich und fest an einem Ende einer beweglichen Elektrode 18 befestigt, deren anderes Ende mit einer nicht dargestellten Wechselrpannungslast verbunden ist. Außerhalb des Gehäuses ist eine nicht dargestellte Vorrichtung vorgesehen, die die Elektrode 18 zum Öffnen und Schließen der Kontakte 13,14 axial verschiebt. Ähnlich wie bereits oben beschrieben, dichtet eine Vakuumdichtung 19 die Randabschnitte der unteren Stirnseite der zylindrischen Wandung 12 an einem eigenen Deckel oder einer Platte 20 ab. Die Platte weist eine Öffnung 21 auf, durch die das äußere Ende der bewegbaren Elektrode 18 aus dem Gehäuse 11 hinausragt. Zur Abdichtung der Öffnung 21, durch die die Elektrode sich erstreckt, ist ein flexibler Metallball 22 am einen Ende am Randabschnitt der Öffnung 21 und am anderen Ende an der bewegbaren Elektrode 18 über eine Abdichtkappe 23 dicht befestigt.

Erfindungsgemäße Vakuumschalter bauen nicht auf die Ausbildung höherer Metalldruckdämpfe zur Aufrechterhaltung eines elektrischen Bogens 25, der zwischen den Kontakten 13 und 14 sich bei deren Auseinanderfahren ausbildet. Wenn die Kontakte öffnen, wird jedoch etwas Metalldampf zwischen den getrennten Kontakten erzeugt werden, was auf die Zusammensetzung des nachstehend erklärten Kontaktmaterials zurückzuführen ist. Diese Metalldämpfe möchten in das um den Bogen herum befindliche Vakuum diffundieren und werden damit ausgelöscht, ileichzeitig können sich die Dämpfe leicht auf der Balgoberfläche niederschlagen und damit die Arbeitsbedingungen des Balges beeinträchtigen. Hier verhin-

dert die kappenfÖrmige Dichtung die Ablagerung von Dämpfen auf der Balgoberfläche, da sie dichtend angeordnet ist.

Andererseits werden sich die Dämpfe aui den Innenflächen der Seitenwandung 12 des Gehäuses niederschlagen wollen, wodurch die Spannungsfestigkeit in axialer Richtung der Seitenwand herabgesetzt wird. Um dies zu vermeiden, ist ein Zylinderschutz 24 um die Kontakte herum angeordnet, um die Kontakte 13, 14 von den Innenflächen der Seitenwand zu trennen. Somit wird dieser Schutz als Hinderung für die Metalldampfteilchen dienen, die in Richtung auf die Gehäusewand sich bewegen und sie daran hindern, sich auf der Wand niederzuschlagen.

In der Zeichnung sind die Kontakte in der Offen-Stellung wiedergegeben. Beim Schließen der Kontakte muß die bewegliche Elektrode 18 mit dem Kontakt 14 lediglich durch die nicht dargestellte Arbeitsvorrichtung nach oben geschoben werden. Der Balg verlängert sich dann und sorgt dafür, daß auch beim Schließen 2n der Kontakte das Vakuum im Gehäuse nicht verlorengeht. Beim Trennen des Kontaktes 14 vom Kontakt 13 wird die Elektrode 18 nach unten bewegt. Der Balg zieht sich dann zusammen und ein elektrischer Bogen 25 mit sehr hoher Energie bildet sich dann aus und wird 2> zwischen den getrennten Kontakten nach außen gezogen.

Der Bogen enthält Metallteilchen, die von den Kontaktflächen verdampft sind und elektrisch leitfähig sind. Diese Metallteilchen bzw. -dämpfe diffundieren so schnell in das umgebende Vakuum, wodurch der Bogen beim nächsten Nulldurchgang des vom Bogen geführten Stromes ausgelöscht wird.

Einer, vorzugsweise auch beide Kontakte bestehen aus gesintertem Wolframkarbid mit Silber. Zweckmäßig j-, besteht das Kontaktmaterial aus 0,1 bis 5 % Nickel, 0,1 bis 1 % Kupfer, 0,1 bis 5 % Kobalt, 10 bis 60 % Silber, wobei weniger als 0,5 % freier Kohlenstoff vorhanden und der Rest Woiframkarbid ist. Alle Prozentangaben sind Gewichtsprozente.

Wolframkarbid hat eine geringe Austrittsarbeit, d. h. eine hohe Emissionsfahigkeit thermischer Elektronen und ist ein feuerfestes Material. Wolframkarbid ist bekanntlich schwer zu bearbeiten, so daß es sehr schwer ist, dem Kontakt die richtige Form zu geben. Nickel, Kupfer und Kobalt sind Metalle, die gewöhnlich als benetzbar bezeichnet werden und das Eindringen bzw. die Imprägnierung von Wolframkarbid mit Silber in alle Fugen und Hohlräume des gesinterten Wolframkarbids fordern. -,n

Zur Herstellung des Kontaktmaterials werden gepulvertes Wolframkarbid, Nickel, Kupfer und Kobalt vermischt und dann zur Bildung einer Legierung gesintert. Die sich ergebende gesinterte Legierung wird dann einem Unterdruck ausgesetzt und entweder in ge- y, schmolzenes Silber eingetaucht oder es wird jedenfalls mindestens der Teil der Legierung, der als Kontaktfläche dienen soll, in das geschmolzene Silber eingetaucht. Das geschmolzene Silber gelangt dann in die Fugen und Öffnungen des Wolframkarbids. Die oben bo erwähnten benetzbaren Materialien unterstützen sehr weitgehend diesen Imprägnierungsvorgang. Eine Prüfung des Kontaktmaterials hat gezeigt, daß sich ein hohes Eindringen ergab, was nicht zuletzt durch die Tatsache verdeutlicht wird, daß ionisierbare Gase nur ^ in vernachlässigbarem Ausmaß aus den Wolframkarbidteilchen ausströmten, wsnn das Kontaktmaterial nachfolgend den hohen Temperaturen .des elektrischen Bogens im Vakuumschalter ausgesetzt wurde. Es wurden 30- bis 50mal Untersuchungen mit einem Abreißstrom von 10 A^ durchgeführt, bei dem an Elektroden mit Durchmessern zwischen 22 und 25 mm die nachteiligen Effekte des hohen Abreißstromes in den nachgeschalteten Schaltungen mit größter Wahrscheinlichkeit auftreten.

Kontaktmaterial mit 30 Gew.-% Silber hatte Abreißströme zwischen 1,1 A und 2 A. Andere Kontaktmaterialien mit 40 Gew.-% Silber zeigten Abreißstrom zwischen 1,9 A und 3,2 A; Wolframkarbidkontakte mit 55 Gew.-% Silber zeigten Abreißstrom zwischen 2,4 A und 4,2 A. Man sieht also, daß bei kleinerem Prozentgehalt an Silber auch die Abreißströme kleiner werden. Daher ist es erwünscht, die Silbermenge, die in das gesinterte Wolframkarbid eindringt, zu reduzieren, um damit gleichzeitig den Abreißstrom zu reduzieren; es hat sich jedoch ergeben, daß ein Kontaktmaterial mit solch niedrigem Silbergehalt so hart wird, daß es schwer wird, das Material zu bearbeiten. So stellte sich heraus, daß bei einem Silbergehalt von weniger als 10 % das gesinterte Wolframkarbid ohne Beschädigung des Bearbeitungswerkzeuges nicht bearbeitbar war. Andererseits zeigen Silbergehalte von etwa 60 Gew.-% den Nachteil, daß das Kontaktmaterial einen höheren Abreißstrom besitzt. Das rührt daher, daß es schwierig ist, den elektrischen Bogen zwischen den getrennten Kontakten aufrechtzuerhalten, und zwar wegen der niedrigeren Temperaturen und der kleineren Ströme. Ein derartig niedriger Temperaturanstieg ergibt sich auch aus der größeren Wärmeleitfähigkeit von Silber. Das in das gesinterte Wolframkarbid eingedrungene Silber dient außerdem zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit des Kontaktmaterials.

Wenn die Kontakte 13, 14 der Elektroden 15, 18 getrennt worden sind, bildet sich ein elektrischer Bogen zwischen den getrennten Kontakten aus, so daß die Temperatur der Kontaktoberflächen so ansteigt, daß auf den Kontaktflächen Kathodenbrennflecke auftreten, aus denen thermische Ionen emittiert werden. Da wie bereits erwähnt das Wolframkarbid eine niedrige Austrittsarbeit hat, wird es bei den geringen Amplituden der durch den Bogen zwischen den getrennten Kontakten fließenden Ströme die Emission der thermischen Elektronen ausreichen, um kleinere Mengen von Silberdämpfen zu ionisieren, die zwischen den getrennten Kontakten auftreten. Daher wird der Bogen bei einem kleineren Abreißstrom zwischen den getrennten Kontakten so lange auftreten, bis die Abreißstromstärke auf Werte abgesunken ist, die in den nachgeschalteten Schaltungen keine nachteiligen Folgen hervorrufen. Daher werden Spannungsstöße in der Schaltung nicht auftreten und die Isolation der elektrischen Einrichtung wird nicht gefährdet.

Weiterhin werden keine Unebenheiten auf der Kontaktfläche während der Ausbildung des Bogens gebildet, da die Kontakte hauptsächlich aus hitzebeständigem Material, nämlich Wolframkarbid, bestehen. Damit wird die Spannungsfestigkeit zwischen den getrennten Kontakten erhalten bleiben, die sonst wegen der sich ausbildenden Unebenheiten in den Kontaktflächen abnahm. Obgleich einiges in das Kontaktmaterial eingedrungene Silber wegen der höheren Temperaturen des Bogens verdampft wird, verändert sich die niedrige Austrittsarbeit des Kontaktmaterials nicht, so daß die Zerhackerpegel nicht ansteigen.

Es wurden beispielsweise Unterbrechungsversuche für die erflndungsgemäßen Vakuumschalter mit 3,3 kV

Nennspannung und 200 A Nennstrom auf folgende Weise ausgeführt:

SO eine Minute ; SO eine

Minute

. _ Crt

wobei »S« Schließen,

»0« Öffnen und

»eine Minute« Ruhezeit bedeuten.

Wie sich hieraus ergibt, wurde der Test in zwei Zeitabschnitten ausgeführt. Während des ersten Abschnittes wurde der Unterbrechungsstrom zu 500 A gewählt und die Wiederholungszyklen von Schließen und Öffnen wurden zwanzigmal durchgeführt; während des zweiten Abschnittes wurde der Unterbrecherstrom zu 2000 A gewählt und die Wiederholungszyklen von Schließen und Öffnen wurden zehnmal durchgeführt. Dabei hat sich jedoch kein Anstieg des Abreißstromes ergeben. Das bedeutet, daß der erfindungsgemäße Vakuumschalter die Metalldampfdrucke nicht zur Herabsetzung der Abreißströme ausnutzt.

Der Test wurde weiterhin für eine doppelt ausgelegte Vakuumschaltanlage von 3,3 kV/6,6 kV und 400 A/ 200A ausgeführt, wobei der Unterbrecherstrom Amplituden von 4000 A betrug. Auch in diesem Fall führte der Test zu dem gleichen Ergebnis wie der vorstehend beschriebene.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Elektrisches Kontaktmaterial für einen Vakuumschalter, bestehend aus einem porenhaltigen Sintergerüst aus Wolframkarbid, dessen Poren zwischen 20 und 60 Gew.% Silber gefüllt sind, wobei im Gerüst ein Zusatz enthalten ist, der die Benetzung zwischen Sintergerüst und Füllmetall gewährleistet, gekennzeichnet durch die Gesamtheit der Merkmale: daß der Zusatz aus 0,1 bis 5 Gew.% Nickel und 0,1 bis I Gew.% Kupfer und 0,1 bis 5 Gew.% Kobalt besteht, und daß weniger als 0,05 Gew.% freier Kohlenstoff in dem Material vorhanden sind.