DE2202924C3

DE2202924C3 - Vacuum switch

Info

Publication number: DE2202924C3
Application number: DE2202924A
Authority: DE
Inventors: Hans Bettge; Gerhard Dr. Peche
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-01-21
Filing date: 1972-01-21
Publication date: 1979-04-19
Also published as: US3819897A; GB1388700A; AU475976B2; AU4948972A; CA979959A; DE2202924B2; DE2202924A1; JPS4882365A

Description

Die Erfindung betrifft einen Vakuumschalter mit Kuntaktstficken aus einem porösen abbranclfesten Körper aus Wolfmm oder Molybdän, dessen Poren mit einer Legierung gefüllt sind, die Is Hauptbestandteil Kupfer und als Nebenbestan-Itcil ein Verschweißungen minderndes Metall wie Wismut oder'"•"ellur enthält.The invention relates to a vacuum switch with Kuntaktstficken made of a porous burn-off Body made of Wolfmm or Molybdenum, the pores of which are filled with an alloy, which is the main component Copper and, as a secondary itcil, a weld Contains mitigating metal such as bismuth or '"•" ellurium.

An den Kontaktwerkstoff von Vakuumschaltern werden eine Reihe von Forderungen gestellt: Die Koniaktslücke sollen lichtbogenbeständig sein, um den Konlaktabbrand im Betrieb des Vakuumschalters gering zu halten. Für Abschaltströme von beispielsweise J kA bei 6,6 kV ist eine hohe elektrische Leitfähigkeit der Kontaktstücke einerseits und eine hohe Spannungsfestigkeit andererseits notwendig. Weiterhin müssen Verschweißungen der Kontaktstücke untereinander weitgehend vermieden werden; so sollen die statischen Schweißkräfte nach Kurzschlußbelastungen bis 13 kA kleiner als 300 N sein. Schließlich ist der Abreißstrom beim Trennen der KontaktstUcke so klein wie möglich zu halten und darf nur einige wenige Ampere betragen.A number of requirements are placed on the contact material of vacuum switches: The Koniaktslücke should be arc-resistant in order to prevent Konlaktabbrand during operation of the vacuum switch to keep it low. A high electrical conductivity is required for cut-off currents of, for example, J kA at 6.6 kV the contact pieces on the one hand and a high dielectric strength on the other. Continue to have to Welding of the contact pieces to one another is largely avoided; so should the static Welding forces after short-circuit loads up to 13 kA must be less than 300 N. Finally is the chopping current When separating the contact pieces to be kept as small as possible and may only be a few amperes.

Um die geschilderten, teilweise widersprüchlichen Forderungen zu erfüllen, sind Kontaktwerkstoffe unterschiedlicher Zusammensetzung bekanntgeworden, die jedoch alle nicht voll befriedigen. Als noch am besten geeignet hat sich ein Kontaktmaterial erwiesen, das aus einem Sinterkörper aus abbrandfestem Metall wie Wolfram oder Molybdän besteht, welcher mit einer Metallegierung gefüllt ist, die neben einem Metall hoher elektrischer Leitfähigkeit als Hauptbestandteil einen als Antischweißzusatz wirkenden Nebenbestandteil hat (man vergleiche beispielsweise die deutsche Patentschrift 1081 950 und die deutsche Offenlegungsschrift 19 60 769). Dabei ist das Metall hoher elektrischer Leitfähigkeit insbesondere Kupfer und der Antischweißzusatz insbesondere Wismut.To the described, partly contradicting To meet requirements, contact materials of different compositions have become known, However, none of them fully satisfy. A contact material has proven to be the most suitable, which consists of a sintered body made of erosion-resistant metal such as tungsten or molybdenum, which is connected to a Metal alloy is filled, which in addition to a metal of high electrical conductivity as a main component as a Has an anti-perspiration additive acting secondary component (compare, for example, the German patent specification 1081 950 and the German Offenlegungsschrift 19 60 769). The metal of high electrical conductivity is especially copper and the anti-welding additive is especially bismuth.

Bei dem aus der deutschen Patentschrift 10 81 9iiO bekannten Vakuumschalter haben die bei diesem Kontaktwerkstoff u. a. verwendeten Aluminiumverbindungen ungewöhnlich hohe Schmelzpunkte im Ver gleich zu ihren Bestandteilen und sind außerdem genügend spröde, um sich für Kontakte von Vakuumschaltern zu eignen. Die hohen Schmelzpunkte der intermetallischen Verbindungen sind dabei deshalb wichtig, weil ein Verschweißen der Lichtbogenelektroden vermieden werden kann. In the vacuum switch known from German patent 10 81 9iiO, the aluminum compounds used in this contact material, among other things, have unusually high melting points compared to their components and are also sufficiently brittle to be suitable for contacts of vacuum switches. The high melting points of the intermetallic compounds are important because welding of the arc electrodes can be avoided.

Es hat sich gezeigt, daß neben den mechanischen und elektrischen Eigenschaften des Kontaklmaterials dessen Gasgehalt von wesentlicher Bedeutung fjr dasIt has been shown that in addition to the mechanical and electrical properties of the contact material, its gas content is of essential importance for the Betricbsverhalten eines Vakuumschalters ist. Man hat sich deshalb bemüht, das Kontaktmaterial frei von sortierten Gasen und Oberflächen-Verunreinigungen zu halten. Anzustreben ist ein Gasgehalt von weniger als 20 ppm, d. h. weniger als 20 Gaspartikel auf eine MillionOperational behavior of a vacuum switch is. One has therefore endeavors to keep the contact material free of sorted gases and surface contaminants to keep. The aim is to achieve a gas content of less than 20 ppm, i.e. H. less than 20 gas particles per million Teilchen des Kontaktmaterials. Dieser Wert ist in der Praxis nur sehr schwierig und wenig zuverlässig zu erzielen. Insbesondere stört ein möglicher Restgasgehalt an Sauerstoff, der erst im Betrieb des Vakuumschalter aus dem Kontaktmaterial freigesetzt wird.Particles of contact material. In practice, this value is very difficult and not very reliable achieve. In particular, a possible residual gas content of oxygen, which is only released from the contact material when the vacuum switch is in operation, is a problem.

Um sämtliche Bedingungen eines Kontaktwerkstoffes für Vakuumschalter mit geringem Aufwand zu erfüllen, wird bei einem Vakuumschalter der eingangs erwähnten Art nach der Erfindung vorgeschlagen, daß den Kontaktstücken als zusätzlicher Bestandteil AlumiTo meet all conditions of a contact material for vacuum switches with little effort meet, it is proposed in a vacuum switch of the type mentioned according to the invention that the contact pieces as an additional component Alumi nium in einem Anteil bis zu 1 Gew.% hinzulcgicrt ist.nium is added in a proportion of up to 1% by weight.

Das /um Hauptbestandteil den Kontakten eines erfindungsgemäßcn Vakuumschalter hinzulegiertc Aluminium hat den wesentlichen Fortschritt, daß ein möglicher Restsauerstoff sicher gebunden wird undThe main component to be added to the contacts of a vacuum switch according to the invention Aluminum has made the essential progress that any residual oxygen is safely bound and

JO bleibt, da die· Bildungswärme und damit die innere Bindungsenergie von Aluminiumoxid selbst bei hohen Temperaturen noch sehr groß ist. Beispielsweise beträgt die entsprechende Bildungsenthalpie bei 2000°C noch 150 kcal/mol. Aufgrund dieser hohen BildungsenthalpieJO remains because the · warmth of formation and thus the inner one Binding energy of aluminum oxide is still very large even at high temperatures. For example, is the corresponding enthalpy of formation at 2000 ° C is still 150 kcal / mol. Because of this high enthalpy of formation wird auch unter Lichtbogenbeanspruchung während des Abschaltcns kein Sauerstoff befreit, sondern noch reduziert. Der ungebundene Gasgehalt läßt sich damit weit unter 20 ppm halten. Der l.egierungszusatz an Aluminium bewirkt darüber hinaus eine KornverklcineOxygen is not liberated during switch-off even under arcing stress, but rather still reduced. The unbound gas content can thus be kept well below 20 ppm. The 1st alloy addition to In addition, aluminum causes the grain to clink rung in der Legierung, die für eine gleichmäßige Verteilung des schwcißkraftminderndcn Nebenbestandteils sorgt. Im übrigen hat Aluminium als sauerstoffreduzierender Zusatz noch den besonderen Vorteil, daß es sich leicht im Hochvakuum und in Graphittiegelntion in the alloy necessary for uniform Distribution of the secondary constituent which reduces the sweating force. In addition, as an oxygen-reducing additive, aluminum has the particular advantage that it easily in a high vacuum and in graphite crucibles verarbeiten läßt.can be processed.

Aus der deutschen Auslcgeschrift 12 36 630 ist an sich bereits ein Vakuumschalter bekannt, bei dem die wirksamen Bereiche der Kontaktstücke u. a. aus einer Legierung aus Aluminium und Blei, Aluminium undFrom the German Auslcgeschrift 12 36 630 is in itself a vacuum switch is already known in which the effective areas of the contact pieces, among others. from a Alloy of aluminum and lead, aluminum and Wismut, Aluminium und Indium oder Aluminium und Zinn bestehen. Das Aluminium ist dabei jedoch der Hauptbestandteil der Legierung. Bei diesem vorbekannte η Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter sollen hochwarmfeste Metalle wie Wolfram oder MolybdänBismuth, aluminum and indium or aluminum and Made of tin. However, the aluminum is the main component of the alloy. This previously known η contact material for vacuum switches should be highly heat-resistant metals such as tungsten or molybdenum ausdrücklich ausgeschlossen sein. Demgegenüber ist beim erfindungsgemäßen Vakuumschalter die Legierung mit dem zusätzlichen Bestandteil an Aluminium bis I Gew.% eine Tränklegierung zum Füllen eines porösen abbrandfesten Körpers, dessen Porenvolumen mit derbe expressly excluded. In contrast, in the vacuum switch according to the invention, the alloy with the additional component of aluminum is up to I wt.% An impregnating alloy for filling a porous, burn-resistant body, the pore volume of which with the Legierung aus Kupfer als Hauptbestandteil, aus dem Verschweißungen mindernden Metall als Nebenbestandteil und dem Aluminium gefüllt ist. Insbesondere ist das Verschweißungen mindernde Metall Wismut oder Tellur, wobei letzteres eine Konzentration von 03 bisAlloy made of copper as the main component, from which metal that reduces welds is a secondary component and the aluminum is filled. In particular is metal bismuth or tellurium that reduces welds, the latter having a concentration of 03 to 0,9 Gew.% haben kann.0.9 wt.% May have.

Anhand eines in den Figuren der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführiingsbeispiels soll die Erfindung nachstehend weiter erläutert werden. Es zeigtOn the basis of an exemplary embodiment shown schematically in the figures of the drawing, the Invention to be further explained below. It shows

Fig, I einen Längsschnitt eines vereinfacht dargestellten Vakuumschalter« und1 shows a longitudinal section of a vacuum switch, shown in a simplified manner, and

Fig.2 das feststehende Kontaktstück des Vakuumschalters der F ig. I.Fig. 2 the stationary contact piece of the vacuum switch the fig. I.

Der in F i g. I dargestellte, im Aufbau an sich bekannte Vakuumschalter hat ein vakuumdichtes Gehäuse, das im wesentlichen aus einem zylindrischen Isolierkörper 1 aus Glas oder Keramik mit zwei metallischen Endplalten 2 und .3 besteht. Innerhalb dieses Gehäuses sind zwei trennbare Kontaktstücke 4 und 5 einander gegenüberstehend angeordnet. Eines dieser Kontaktstücke ist an einem feststehenden, von der Endplatte 2 getragenen Leiter 6 befestigt, während das zweite Kontaktstück 5 an einem beweglichen Leiter 7 angebracht ist. Ein Metallbalg 8 dichtet den Vakuumschalter dort ab, wo der bewegliche Leiter 7 durch das vakuumdichte Gehäuse des Vakuumschalter hindurchtiitt.The in F i g. The vacuum switch shown in the structure is known per se and has a vacuum-tight one Housing, which consists essentially of a cylindrical insulating body 1 made of glass or ceramic with two metallic end plates 2 and 3. Two separable contact pieces 4 are located inside this housing and 5 arranged opposite one another. One of these contact pieces is on a fixed, of the end plate 2 carried conductor 6 attached, while the second contact piece 5 on a movable conductor 7 is attached. A metal bellows 8 seals the vacuum switch where the movable conductor 7 through the vacuum-tight housing of the vacuum switch.

Wie in Fig. 2 angedeutet, besteht das feststehende Kontaktstück 4 aus folgendem besonderen Werkstoff: Ein poröser Sinterkörper aus Wolfram mit etwa 50% Porenvolumen ist im Hochvakuum oder in einen reinen Wasserstoff gas mit einer Metall-Legierung (Tränklegierung) getränkt worden, die aus Kupfer mit 0,2 (iew.% Aluminium und O_nJ bis 0,9 Gew.% Wismut hergestellt ist. Der Bestandteil an Wismut hat dabei eine an sich bekannte schweillkraflreduzierende Wirkung, so daß das Kontaktstück 4 eine geringe SchweiOncigung hat. Zugleich ist aufgrund des Wisnuitanteils der Abreißstrom eines Vakuumschalter mit einem solchen Kontaktwerkstoff sehr klein. Durch den Zusatz von Aluminium wird der Rcstgasgchalt des Sinterkörpers und der Tränklegierung während des Tränkprozesses im Hochvakuum chemisch gebunden. Da die Bildungscnthalpie von Aluminiumoxid (AIjO₁) sehr groß ist, bleibt der Sauerstoff auch unter Lichtbogenbeanspruchung sicher gebunden. Außerdem treten durch das Aluminium innerhalb der Tränklegierung zusätzliche Korngrenzen auf, die einerseits die chemische Bindung eines Saucrstnffreslcs fördern und andererseits für eine noch gleichmäßigere Verteilung des Wismuts und damit einer weiteren Reduzierung der Schweißneigung sorgen.As indicated in Fig. 2, the fixed contact piece 4 consists of the following special material: A porous sintered body made of tungsten with about 50% pore volume has been soaked in a high vacuum or in a pure hydrogen gas with a metal alloy (impregnation alloy) made of copper % aluminum and O _n J iew 0.2 (. to 0.9 wt.% of bismuth is prepared. a part of bismuth this case has a known per se schweillkraflreduzierende effect, so that the contact piece 4 has a low SchweiOncigung. at the same time, due to Because of the addition of aluminum, the residual gas content of the sintered body and the impregnation alloy is chemically bound during the impregnation process in a high vacuum. Since the formation enthalpy of aluminum oxide (AIjO ₁ ) is very large, the oxygen remains securely bound even under arcing stress In addition, there are additional grain boundaries which, on the one hand, promote the chemical bonding of an oxygen freshness and, on the other hand, ensure an even more even distribution of the bismuth and thus a further reduction in the tendency to sweat.

Das bewegliche Kontaktstück 5 kann grundsätzlich aus dem gleichen beschriebenen Kontaktwerkstoff wie das feststehende Kortaktstück 4 bestellen. Es empfiehlt sich jedoch für das bewegliche Kontaktstück 5 einen Kontaktwerkstoff ohne Wismutgehalt zu verwenden, Wismut in der Tränklegierung setzt nämlich nicht nur die Schweiöneigung des Kontaktwerkstoffes herab, sondern erschwert damit auch die Lötfähigkeit der Kontaktstücke. Da man häufig das bewegliche Kontaktstück 5 am zugehörigen Leiter 7 mittels Hartlötung befestigen möchte, ist deshalb zweckmäßig das Kontaktstück 5 aus einem Wolfram-Sinterkörper mit einerThe movable contact piece 5 can basically be made of the same contact material as described order the fixed piece of cortex 4. It recommends However, to use a contact material without bismuth content for the movable contact piece 5, Bismuth in the impregnating alloy not only reduces the tendency to weld in the contact material, it also makes it more difficult for the contact pieces to be soldered. Since you often have the moving contact piece 5 would like to attach to the associated conductor 7 by means of brazing, the contact piece is therefore appropriate 5 from a tungsten sintered body with a

ίο Tränklegierung lediglich aus reinem Kupfer und einem Zusatz von etwa 0,2 Gew.% Aluminium hergestellt.ίο Impregnation alloy only made of pure copper and one Added about 0.2% by weight of aluminum.

Beim erfindungsgemäOen Vakuumschalter kann die Abbrandfestigkeit der Kontaktstücke noch dadurch gesteigert werden, daß man die Tränklegierung einesIn the case of the vacuum switch according to the invention, the erosion resistance of the contact pieces can still be achieved as a result can be increased that one has the impregnation of a

ig Wolfram-Sinterkörpers zusätzlich mit Zinn bis zu 1 Gew.% legiert. Das Zinn führt zwar zu einer Mischkristallbildung mit Wismut, doch bleibt bei ungefähr gleicher Konzentration von Zinn und Wismut ungefähr 80% des Wismuts /iir Ausscheidung an den Korngrenztni und damit zur .Schweißkraftreduzierung verfügbar. Da der Zinngchitlt die TräiifCiegierung härter macht, wird erreicht, daß selbst bei starker Beanspruchung des Vakuumschalter die Tränklegierung aus dem Woiframsinierkörper nicht allmählich herausbrenn'..ig tungsten sintered body additionally alloyed with tin up to 1% by weight. The tin leads to one Mixed crystal formation with bismuth, but remains at approximately the same concentration of tin and bismuth about 80% of the bismuth / iir excretion at the Grain boundaries and thus for reducing the welding force available. Since the pewter resin makes the coating harder makes, it is achieved that even with heavy use of the vacuum switch, the impregnation from the Do not gradually burn out woiframsiners ..

_>5 Mit der Erfindung ist ein Kontaktstück für Vakuumschalter erzielt, durch die man alle Anforderungen an den Vakuumschalter bewältigen kann. Die vorteilhaften Eigenschaften eines Kontaktstückes aus Wolfram-Kupfer-Aluminium-Wismut beruhen dabei u.a. darauf, daß alle vier Metalle keine Mischkristalle miteinander bilden und so jede ihrer Wirkungen /ur Geltung kommen. Durch den Aluminiumzusatz beherrscht man nun auch die in einer Massenfertigung unvermeidliche Streuung des Gasgehaltes. Untersuchungen haben ergeben, daß der Sauerstoffgehalt eines Kontaktwerkstoff« der beschriebenen Zusammensetzung stets unter 10 Gaspartikcl pro Millionen Teilchen und damit weit unter der geforderten Mindestgrenze von 20 Gaspartikel pro Millionen Teilchen liegt._> 5 With the invention is a contact piece for vacuum switches achieved through which all the requirements for the vacuum switch can be met. The beneficial ones Properties of a contact piece made of tungsten-copper-aluminum-bismuth are based, among other things, on the fact that none of the four metals form mixed crystals with one another and so each of its effects comes into its own. With the addition of aluminum, you can now also master the inevitable dispersion of the gas content in mass production. Research has shown that the oxygen content of a contact material with the composition described is always below 10 gas particles per million particles and thus well below the required minimum limit of 20 gas particles per Million particles.

Die Kontaktslückc eines erfindungsgemäßen Vakuumschalters eignen sich besonders für Anwendungen in Mittclspannungs-Vakuumschaltröhre^ beispielsweise für elektrische Schütze. Die Abschaltstromstärke beträgt dabei weniger als 5 kA, wofür wolframhaltige Kontaktstücke bevorzugt sind.The Kontaktslückc of a vacuum switch according to the invention are particularly suitable for applications in medium-voltage vacuum interrupter, for example for electrical contactors. The breaking current is less than 5 kA, for which tungsten-containing contact pieces are preferred.

Hierzu I Matt ZeichnungenFor this I Matt drawings

Claims

Patent claims:

|. Vacuum switch with contact pieces made of a porous burn-resistant body aqs tungsten or molybdenum, the pores of which are filled with an alloy that contains copper as the main component and a weld-reducing metal such as bismuth or tellurium as a secondary component, characterized in that the contact pieces are made of aluminum as an additional component Share up to I wt.% Is added

2.Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktslücke aus einem Sintergerüst aus Wolfram mit etwa 50% Porenvolumen und einer dieses Porenvolumen ausfüllenden Legierung (Tränklegierung) aus Kupfer mit 0,5 bis 1 Gew.% Wismut und 0,2 bis 0,4 Gew.% Aluminium bestehen.2.Vacuum switch according to claim 1, characterized in that the contact gap consists of one Sintered framework made of tungsten with about 50% pore volume and one that fills this pore volume Alloy (impregnation alloy) made of copper with 0.5 to 1 wt.% Bismuth and 0.2 to 0.4 wt.% Aluminum exist.

3. Vakuumschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tränklegierung zusätzlich bis I Gew.% Zinn enthält.3. Vacuum switch according to claim 2, characterized in that the impregnation alloy in addition contains up to 1% by weight of tin.

4. Vakuumschalter nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nur eines der Kontaktstückc einen Legierungsbestandteil aus einem Verschweißungen mindernden Metall enthält.4. Vacuum switch according to one of claims I to 3, characterized in that only one of the Kontaktstückc contains an alloy component made from a weld-reducing metal.