DE2135933A1 - Vakuumschalter - Google Patents

Description

Westinghouse 15.JuIi 1971

Electric Corporation

Pittsburgh 2135933

Mein Zeichen: VPA 71/8384 Sm/Un

Vakuumschalter

(Für diese Anmeldung wird die Priorität der entsprechenden USA-Patentanmeldung Serial-No. 64 362 vom 17. August 1970

Als Kontaktmaterial für Vakuumschalter mit Nenndaten von 15 kV und 6000 A oder mehr werden gegenwärtig in erster Linie Legierungen auf Kupferbasis verwendet. Ein Nachteil dieser Materialien ist eine so hohe Abbrandrate, daß nicht nur die Schaltstücke schwer (zuweilen explosionsartig) abgebrannt werden, sondern auch daß das Schaltstückmaterial über den Schalter verspritzt wird. Dies führt zu Stellen mit örtlich hoher Feldstärke, die einen Spannungszusammenbruch zwischen Elementen des Schalters verursachen können.

Zur Lösung des Problems des übermäßigen Abbrandes hat man bisher verschiedene abbrandfeste Stoffe, wie Wolfram, verwendet, die die gesamten Kontaktflächen im Schalter ununterbrochen bedecken. Schwer schmelzbare Stoffe wie Wolfram haben jedoch bei 15 kV eine kleinere Unterbrechungsfähigkeit als die von Kupferlegierungen. Um diesen Nachteil zu überwinden, wurden zusammengesetzte Schaltstücke verwendet, die aus Kupfer (oder Silber) in einem Gefüge aus Wolfram oder einem anderen schwer schmelzbaren Metall bestehen. Dieses Material hat zwar einen kleineren Abreißstrom als die üblichen schwer schmelzenden Metalle allein oder als Kupferlegierungen, es erreicht aber nicht die Schaltleistung oder spezifische Unterbrechungsfähigkeit von Kupferlegierungen. Die zusammengesetzten Schaltstücke sind daher für Ströme von wenigeres 6000 A begrenzt, während Kupferlegierungen Ströme von bis zu 50 000 A unterbrechen können. Ein Grund für die

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Unfähigkeit von Wolfram-Kupferkontakten, die Unterbrechungsfähigkeit von kupferlegierten Kontakten zu erreichen, besteht darin, daß die thermoionische Emission des schwerschmelzenden Metalles so hoch ist, daß der Lichtbogen wieder zündet, wenn die wiederkehrende Spannung an den geöffneten Schaltstücken auftritt.

Die bisher verwendeten Schaltstücke haben auch andere Probleme nicht vollständig lösen können. Zu diesen zählen starke Schweißbrücken zwischen den Schaltstücken oder die Wieder-. zündung eines Lichtbogens bei Umkehrung der Polarität der Spannung. Zur Lösung dieser Probleme wird in den US-Patenten 2 234 834 und 2 294 783 vorgeschlagen, die Schaltstücke aus Schichten eines schwer schmelzenden Metalles und eines gut leitenden Metalles zusammenzusetzen sowie Schaltstücke mit mehreren länglichen Streifen aus schwer schmelzendem Material zu versehen, die in ein Gefüge gut leitenden elektrischen Metalls eingebettet sind. Die Drähte aus schwer schmelzendem Metall verlaufen dabei im wesentlichen rechtwinkelig zur Kontaktfläche der Schaltstücke. Solche Schaltstückkonstruktionen ergeben jedoch keine ausreichende Bindung zwischen den Drähten und dem Gefüge des gut leitenden Materials. Es fehlt daher ein zufriedenstellender Wärmeaustausch beim Betrieb der Schaltstücke.

Andere bekannte Schaltstücke aus gut leitendem Metall, wie Kupfer, besitzen einen Überzug oder eine Schicht aus schwer schmelzendem Material, das die Kontaktfläche vollständig überdeckt. Solch ein Aufbau ist unbefriedigend für die meisten Vakuumschalter, weil sich der Überzug überhitzt und Elektronen emittiert, die bei einer Umkehrung der Polarität den Lichtbogen zwischen den Schaltstücken erneut zünden.

Die Erfindung betrifft einen Vakuumschalter mit einem Schalt·» stück aus elektrisch gut leitendem Material, vorzugsweise

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Kupfer, das mindestens im Bereich der Kontaktfläche mit einem weiteren Schaltstück mit einem schwer schmelzenden Material, insbesondere Wolfram, versehen ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird als Lösung für die genannten Probleme vorgeschlagen, daß das schwer schmelzende Material Ausnehmungen aufweist, so daß das gut leitende Material im Bereich der Kontaktfläche stellenweise zugänglich ist.

Der neue Vakuumschalter ist demnach mit Schaltstücken ausgerüstet, die aus einem Metallkörper mit einem hohen Koeffizienten elektrischer Leitfähigkeit bestehen, wobei die Kontaktflächen der Schaltstücke mit einer dünnen Schicht aus schwer schmelzendem Material versehen sind, das ungefähr 60 bis 95 % der freien Kontaktfläche bedeckt. Die Schicht ist diskontinuierlich in bezug auf die Oberfläche des Schaltstückkörpers. Dadurch entstehen mit Abstand voneinander liegende Stellen zwischen der Schicht und dem Schaltstückkörper, wo der Schaltstückkörper dem zugehörigen Gegenschaltstück ausgesetzt ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen:

Figur 1 zeigt die Darstellung eines Vakuumschalters gemäß der Erfindung im ganzen.

Figur 2 ist eine Draufsicht auf die Schaltstücke des Schalters.

Die Figuren 2 bis 5 sind Draufsichten auf andere Ausführungsformen von Schaltstücken, und die Figuren 6 bis 9 sind Querschnitte durch die verschiedenen Ebenen der Figuren 2 bis 5.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung: Obgleich der Schalter nach der Erfindung als Vakuumschalter

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beschrieben wird, der eine spezielle Bauweise aufweist, kann die Erfindung auch in anderen Vakuumschaltern verwendet werden. Sie kommt auch für Gasentladungsröhren o.dgl. in Frage.

In Fig. 1 ist ein Vakuumschalter als Ganzes mit 10 bezeichnet. Er umfaSt ein fest.stehendes Schaltstück 12 mit einem feststehenden Schaft 14. Ein bewegliches Schaltstück 16, das mit dem Schaltstück 12 zusammenwirken kann, ist auf einem Schaft 18 befestigt, Die Schaltstücke sind in einem Gehäuse 20 eingeschlossen, das eine evakuierbare Kammer 22 bildet.

Der in Fig. 1 dargestellte spezielle Schalter 10 besitzt einen r Kondensationsschirm 24, der aus einem Metall wie Kupfer besteht und die Aufgabe hat, Metalldämpfe aufzufangen, die von den Schaltstücken 12 und 16 bei der Unterbrechung des Stromkreises ausgehen. Eine Anzahl von BefestigungsvorSprüngen 26 sind mit Abstand voneinander am Schirm 24 angebracht. Die Vorsprünge sind Bestandteil eines ringförmigen Flansches 28. Der Außenrand des Flansches ist mit dem Gehäuse 20 hermetisch dicht verbunden, das aus oberen und unteren Gehäuseteilen 30 und 32 zusammengesetzt ist. Das obere Ende des Gehäuses 20 ist mit einer Endplatte 34 verschlossen, während am unteren Ende eine Endplatte 36 angebracht ist. Der Schaft 14 des feststehenden Schaltstückes 12 ist an der oberen Endplatte 34 in üblicher Weise z.B. durch Hartlöten befestigt. Der Schaft 18 des beweglichen Schaltstückes 16 erstreckt sich durch eine Öffnung 38 in der unteren Endplatte 36. Ein flexibler gewellter Metallbalg 40 dichtet den Spalt zwischen der Endplatte " 36 und dem Schaft 18.

Die Schaltstücke 12 und 16 bestehen aus einem Hauptkörper aus Metall, das einen hohen Koeffizienten der Wärmeleitfähigkeit und eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweist. Bevorzugte Metalle sind Kupfer, Silber, Gold und Legierungen davon.

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Andere Metalle geringerer elektrischer Leitfähigkeit sind nicht so günstig. Sie können aber dennoch für Anwendungen bei geringen Strömen verwendet werden. Hierbei handelt es sich um Nickel, Eisen und Chrom. Das gut leitende Metall, z.B. Kupfer, kann von 0,01 bis 2 % Wismut enthalten, um seine Eigenschaften im Vakuum zu verbessern. Andere geringere Zusätze zum Kupfer werden in der USA-Patentschrift 3 246 979 behandelt. Die Legierung ist vorzugsweise im Vakuum geschmolzen und sorgfältig entgast, bevor sie zu einem Schaltstück verformt wird.

Wie in den Figuren 2 bis 9 im einzelnen gezeigt ist, ist jedes Schaltstück 12 und 16 mit einer dünnen Auflage aus schwer schmelzendem Material überzogen. Die Auflage besteht aus mit Abstand voneinander angeordneten Teilen, so daß eine unterbrochene Abdeckung entsteht, zwischen denen Teile des Hauptkörpers zugänglich sind. In Figur 2 ist zum Beispiel das Schaltstück 16 mit mehreren mit Abstand voneinander angeordneten Streifen 42 aus schwer schmelzbarem Material versehen, so daß Oberflächenstreifen I6a zwischen diesen Streifen zugänglich sind.

In Figur 3 sind einzelne quadratische Flecke 44 aus schwer schmelzbarem Material auf der Oberfläche des Schaltstückes inselartig verteilt und mit Abstand voneinander angeordnet.

Eine andere Form der Erfindung ist in Figur 4 gezeigt. Sie umfaßt ein Netz 46 aus horizontal verlaufenden drahtähnlichen Teilen 48 und vertikal verlaufenden drahtähnlichen Teilen 50. Die Teile 48 und 50 bestehen aus schwer schmelzendem Material.

Noch eine andere Form der Erfindung ist in den Figuren 5 und 9 gezeigt. Danach besteht das eine der Schaltstücke 12 und 16, beispielsweise das Schaltstück 16, aus einem Grundkörper, der mit einem Überzug 52 versehen ist. Der Überzug weist mehrere, mit Abstand voneinander angeordnete Ausnehmungen 54 auf,

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durch die die Oberfläche des Grundkörpers freigelegt ist. Wie die Figur 9 zeigt, kann der Überzug 52 über den äußeren Umfang 8 des Schaltstückes 16 und über seine Oberfläche reichen. Der Abstand von jedem Punkt der freiliegenden Kupferfläche zum nächstgelegenen schwer schmelzenden Material sollte kleiner als 2,5 mm sein.

Die verschiedenen Auflagen, einschließlich der Streifen 42, der inseiförmigen Auflagen 44, des Netzes 46 und des Überzuges 52 bestehen aus schwer schmelzendem Material, insbesondere Chrom, Molybdän, Rhenium, Iridium, Wolfram und Legierungen davon. Andere geeignete schwer schmelzende Stoffe umfassen einige Karbide, Boride und Nitride, z.B. Tantalkarbid, Wolframkarbid, Borkarbid, Vanadiumkarbid, Wolframborid und Bornitrid und ähnliche schwer schmelzende Stoffe mit geringen Smissionsneigungen.

Die Überzüge aus schwer schmelzendem Material können in verschiedenen Verfahren aufgebracht werden. Als Beispiel werden genannt: Aufdampfen, chemisches Aufdampfen und Ionenzerstäubung. Die Streifen 42, die Auflagen 44 und der Überzug 52 sind vorzugsweise durch Verdampfen aufgebx*acht, wobei durch Masken auf den Schaltstücken dafür gesorgt ist, daß bestimmte gewünschte Flächen nicht mit dem schwer schmelzenden Material bedeckt werden. Wo solche Überzüge, z.B. die Überzüge 44 in Figur 3 durch Verdampfen aufgebracht werden, liegen sie oberhalb der Oberfläche des Grundkörpers 16, wie in Figur 7 gezeigt ist. Mithin steht der Überzug 44 aus der Oberfläche des Schaltstückes 16 vor. In ähnlicher Weise sind die freiliegenden Flächen des Schaltstückes 16 in Figur 9 im Rahmen der Ausnehmungen 54 gegenüber dem Überzug 52 zurückgesetzt, wie die Figuren 5 und 9 im einzelnen zeigen.

Die Streifen 42, die in den Figuren 2 und 6 gezeigt sind, können auch so aufgebracht werden, daß Blechstreifen des

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schwer schmelzenden Materials in der gewünschten Dicke hergestellt und dann durch Umgießen mit dem gut leitenden Material in der Form des Schaltstückes 16 befestigt werden. Auf diese Weise werden die Streifen 42 in die Fläche des Schaltstückes 16 eingebettet, wobei zugleich die zugänglichen Kontaktteile 16a zwischen den Streifen 42 entstehen.

Die Lagen des schwer schmelzenden Materials können noch in anderer Weise aufgebracht werden. Das Netz 46 (Figuren 4 und 8) umfaßt die horizontalen und vertikalen Teile 48 und 50, dicjin die Kontaktfläche des Schaltstückes 16 eingewalzt sind. Durch das Walzen werden Bereiche der horizontalen und vertikalen Streifen zum Teil in die Kontaktfläche eingedrückt.

Die verschiedenen Ausführungsformen der Überzüge gemäß der Erfindung, die Streifen 42, Auflagen 44, Netz 46 und Abdeckungen 52 haben eine geeignete Höhe, vorzugsweise bis zu 0,75 mm. Die Ausführungsformen der Schaltstücke 12 und 16 sind vorzugsweise gleich. Die Schaltstücke sollen in Vakuumatmosphäre bis zu einem absoluten Druck von 10" mm Quecksilbersäule oder weniger verwendet werden. Sie kommen für Ströme bis 10 000 A in Frage.

Die geöamte Oberfläche des Kontaktgrundkörpers, das mit dem schwer schmelzenden Material bedeckt ist, beträgt zwischen 60 und 95 %, vorzugsweise etwa 90 %. Sind größere Bereiche des Kupfers freiliegend, so kann es zum Verschweißen kommen. Andererseits muß genügend Kupfer freiliegen, damit so viel Kupferdampf entsteht, daß dei/gewünschte Strom geführt werden kann.

Der Vorteil der Schaltstückkonstruktion nach den Figuren 2 bis 9 besteht darin, daß die Schaltstückoberfläche sowohl Kupfer als auch ein Überzug aus schwer schmelzendem Material, wie Wolfram, umfaßt. Beide wirken bei der Trennung der Schalt-

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stücke zusammen. Das schwer schmelzende Material muß in geeigneter Weise mit dem Schaltstückkörper verbunden sein. Dadurch, daß freiliegende, zugängliche Teile des Schaltstückes vorhanden sind, wird bei der Schaltstücktrennung Kupferdampf gebildet, und die Überzüge verhindern zugleich einen zu starken Abbrand der Kupferflächen. Mithin wird durch die Anwesenheit des Kupfers der gewünschte Effekt der Metalldampfbildung bei Lichtbogeneinfluß in notwendigem Maße erreicht, während andererseits unerwünschte Ergebnisse verhindert werden, z.B. starke Verschweißung zwischen den Schaltstücken 12 und 16, die oft auftritt, wenn kein schwer schmelzendes Material vorhanden ist.

Eine geschlossene Oberfläche aus schwer schmelzendem Material hätte andererseits den Nachteil, daß sich örtliche Überhitzungen bilden wurden, die Elektronen emittieren. Dies führt bei einem Umkehren der Polarität zu einer Wiederzündung des Lichtbogens.

Wenn der Lichtbogen gelöscht ist, kondensiert der erzeugte Metalldampf schnell.auf dem Kondensationsschirm 24.

Der Vorteil eines, schwer schmelzenden Materials, wie Wolfram, besteht darin, daß ein hoher Schmelzpunkt und daher ein geringer Dampfdruck vorhanden ist. Dies bedeutet, daß der Dampfdruck niedriger ist als der des Grundmetalles des Schaltstückes 16, z.B. der von Kupfer. Schaltstücke nach der Erfindung haben eine Schaltleistung von 6000 bis 50 000 A, je nachdem, was für ein schwer schmelzendes Material verwendet wird. Dabei ergibt Wolfram die kleineren Werte und Chrom die höheren Werte.

Der Vakuumschalter gemäß der Erfindung beseitigt die Nachteile bekannter Schalter. Es wurde gezeigt, daß durch die

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Verwendung einer unterbrochenen, Ausnehmungen aufweisenden Abdeckung mit einzelnen Stellen schwer schmelzenden Materials und anderen Stellen mit niedrigerem Schmelzpunkt die zerstörerische Wirkung des Abbrandes des Schaltstückmaterials verringert werden kann. Mit einem unterbrochenen Überzug aus schwer schmelzendem Material auf den Schaltstücken überwindet man auch den Nachteil bekannter Konstruktionen, bei denen ein ununterbrochener Überzug auf der gesamten Schaltstückfläche zur thermoinisehen Elektronenbildung durch das Überzugsmaterial führte. Die Elektronen verursachen ihrerseits einen Spannungszusammenbruch und führten zur Wiederzündung des Lichtbogens bei Umkehrung der Polarität. Die Schaltstückkonstruktion gemäß der Erfindung vermeidet diese Schwierigkeiten und führt zu einer zufriedenstellenden Löschung des Lichtbogens zwischen den Schaltstücken.

9 Figuren
5 Ansprüche

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Claims (5)

YPA 71/8384 eansprüche

1., Vakuumschalter mit einem Schaltstück als elektrisch gut leitendem Material, vorzugsweise Kupfer, das mindestens im Bereich der Kontaktfläche mit einem weiteren Schaltstück mit einem schwer schmelzenden Material, insbesondere Wolfram, versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das schwer schmelzende Material Ausnehmungen aufweist, so daß das gut leitende Material im Bereich der Kontaktfläche stellenweise zugänglich ist.

2. Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

w daß die Ausnehmungen Bohrungen in einer geschlossenen Schicht aus schwer schmelzendem Material sind (Fig. 5, 9).

3. Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das schwer schmelzende Material in Form von Streifen in das gut leitende Material eingelassen ist (Fig. 2, 6).

4. Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das schwer schmelzende Material in Form von vorzugsweise rechteckigen Plättchen auf/das gut leitende Material aufgebracht ist (Fig. 3, 7).

5. Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das schwer schmelzende Material in Form eines Gitters über das gut leitende Material gelegt ist (Fig. 4, 8).

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