DE2324317A1

DE2324317A1 - Elektrode fuer vakuum-leistungsschalter oder vakuum-funkenstrecken

Info

Publication number: DE2324317A1
Application number: DE19732324317
Authority: DE
Inventors: Allan John Wood
Original assignee: English Electric Co Ltd
Current assignee: English Electric Co Ltd
Priority date: 1972-05-18
Filing date: 1973-05-14
Publication date: 1973-11-29
Also published as: GB1388283A; DE2324317C2

Description

The English Electric Company Limited, London, England.

Elektrode für Vakuum-LeistungsschaIter oder Vakuum-Funkenstrecken

Gegenstand des Hauptpatentes Nr. 1 640 O39 ist eine Elektrode für Vakuum-Leistungsschalter oder Vakuum-Funkenstrecken. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung und Abwandlung der im Hauptpatent beschriebenen Elektrode.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektrode für Vakuumschalter zu schaffen, die günstige Eigenschaften im Hinblick auf eine Verhinderung des Anschweißens besitzt.

Die Erfindung betrifft auch einen mit derartigen Elektroden ausgestatteten Vakuumschalter.

Die Erfindung geht aus von einer Elektrode gemäß der deutschen Patentschrift 1 640 039 und ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Matrixmetall benutzt wird, das aus Chrom mit einem Gehalt von 0,5 Gewichtsprozent bis 13,5 Gewichtsprozent Kohlenstoff oesteht oder aus Eisen mit einem Kohlenstoffgehalt von 1 Gewichtsprozent bis 2 Gewichtsprozent, wobei ein Füllmetall benutzt wird, welches aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht.

Wenn als Matrixmetall Chrom benutzt wird, dann liegt der bevorzugte Bereich des Kohlenstoffgehaltes zwischen 1 und 3 Gewichtsprozent des Matrixmetalls.

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Vorzugsweise besteht das Matrixmetall aus einer Metallmatrix, deren Partikel gesintert sind, wobei die Metallpartikel nicht größer als 250/um sind. Das Füll m etall kann zwischen 10 und 40 Volumenprozent der gefüllten Matrix aufweisen. Das Füllmetall kann aus einer Kupferlegierung und Silber bestehen.

Kupferlegierungen, die als Füllmetall geeignet sind, enthalten außerdem Zirkonium, Tantal oder Titan und zwar nur in geringen Anteilen. Die Kupferlegierung kann z.B. aus 99,7 Gewichtsprozent Kupfer und 0,3 Gewichtsprozent Zirkonium bestehen.

Die Hinzufügung von Kohlenstoff zu dem Matrixmetall in den angegebenen Mengen führt zu einer Kohlenstoffausscheidung in den Korngrenzen, wodurch "schwache Verbindungen" eingeführt werden, die in dem betreffenden Metall und in dem kompakt gesinterten Endprodukt bestehen bleiben. Da das Aufbrechen einer Schweißverbindung durch Aufreißen des Matrixmaterials eingeleitet wird und nicht durch Aufreißen des streckbaren Füllmetalls, verbessert das Vorhandensein von Kohlenstoff die Antischweißeigenschaften der Elektroden beträchtlich.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt eines Leistungsschalters mit gemäß der Erfindung ausgebildeten Elektroden,

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht eines Lichtbogenabschnitts eines Kontakts des Vakuumschalters nach Fig.l in starker Vergrößerung.

Gemäß Fig.l weist der Vakuumschalter ein Paar von Endplatten 11,12 auf, die vakuumdicht mit Zylindern 15,14 aus Isolierstoff verbunden sind. Die Zylinder 13,14 sind mit einem Flansch 15 verbunden, der zwischen den Zylindern eingefügt ist und eine Abschirmung 16 im wesentlichen zylindrischer Gestalt trägt.

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Der Vakuumschalter ist mit zwei voneinander trennbaren Kontakten · 17,18 ausgestattet, und zwar einem festen Kontakt 18 und einem beweglichen Kontakt 17, welch letzterer durch eine nicht-dargestellte Betätigungseinrichtung von dem festen Kontakt 18 weg bzw. auf diesen hin bewegt werden kann. Der bewegliche Kontakt 17 ist mit seinem Schaft 21 in einem Lager 19 hin- und herbeweglich geführt und an dem Schaft 21 ist ein flexibler Leiter befestigt. An dem Kontaktschaft 21 und der Basisplatte 12 ist ein Balg 20 befestigt, der eine Bewegung des Kontaktes 17 ermöglicht.

Der Kontaktschaft 21 trägt einen Kontaktkopf 22. Letzterer ist in der Mitte mit einer Ausnehmung versehen, um eine flache Ringfläche 23 zu bilden, die mit einer ähnlichen Fläche 24 des Gegenkontaktes 18 zusammenwirkt, wenn die Kontakte in Berührung gebracht werden. Der feste Kontakt 18 weist einen Schaft 26 auf, der an der Basisplatte 11 befestigt ist und die andere Anschlußklemme für den Leistungsschalter bildet. Der feste Kontakt l8 weist außerdem einen Kontaktkopf 27 auf, der symmetrisch zu dem Kontaktkopf des beweglichen Kontaktes 17 ist.

Bei einer Vakuum-Funkenstrecke könnte die Ausbildung in gleicher Vase vorgenommen werden mit dem Unterschied, daß die Elektroden immer im Abstand zueinander liegen und nicht relativ zueinander bewegt werden müssen, jedoch kann trotzdem ein Lichtbogen zwischen den Flächen 23 und 24 gezogen werden.

Die Kontaktköpfe 22,27 sind dadurch hergestellt, daß kommerziell verfügbares Chrompulver (z.B. Pulver, welches in einem aluminothermischen Prozess gewonnen wurde) mit einer Partikelgröße von nicht mehr als 250/um zusammengeballt wird, nachdem zu diesem Pulver genügend Kohlenstoff hinzugefügt worden ist, um den Kohlenstoffgehalt in den bevorzugten Bereich zwischen 1 und 3 Gewichtsprozent zu bringen. Dann wird dieses Puder unter hohem Vakuum gesintert. Bei dem normalen alumino-thermischen Verfahren zur

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Herstellung kommerziell verfügbaren Chrompulvers tritt ein geringer Kohlenstoffanteil aus den Reaktionsmitteln in das Chrom ein und zwar gewöhnlich mit einem Gewichtsprozentanteil von weniger als \%, so daß es notwendig ist, Kohlenstoff hinzuzufügen, um den erforderlichen Kohlenstoffgehalt zu erlangen. Es ist auch ein Kohlenstoffreduktionsverfahren zur Erzeugung von Chrom üblich, bei welchem das Metall aus dem Oxyd durch Kohlenstoff in einem elektrischen Ofen reduziert wird. Kohlenstoff kann leicht dem Chrom zugefügt'·werden, um Chrompulver mit dem bevorzugten Anteil von 1 bis 3 Gewichtsprozent Kohlenstoff zu erhalten. Der Sinterkörper wird dann mit flüssigem Kupfer unter hohem Vakuum und hoher Temperatur ausgegossen.

Das Kupfer füllt 10 bis 40$ des Volumens der auszufüllenden Matrix aus, bestimmt durch die Porosität des Sinterkörpers und demgemäß entsprechend dem Kompaktheitsgrad des Sinterkörpers. Falls erforderlich, kann der gefüllte Sinterkörper durch normale spanabhebende Bearbeitung geformt werden. Das Chrompulver ergibt bei der Sinterung ein Matrixmetall niedriger Streckbarkeit, so daß der ausgefüllte Sinterkörper in gleicher Weise nur eine geringe Streckbarkeit bzw. Schmiedbarkeit besitzt.

Anstelle von Chrom, das 5 bis 13,5 Gewichtsprozent Kohlenstoff enthält, kann die Metallmatrix auch aus Eisen bestehen, das ■Ι- bis 2 Gewichtsprozent Kohlenstoff enthält. Außerdem kann als Füllmetall eine Kupferlegierung benutzt werden und zwar eine Legierung von Kupfer mit einem anderen Metall guter elektrischer Leitfähigkeit, z.B. Silber.

Kupferlegierungen, die als Füllmetall geeignet sind, können auch Zirkonium, Tantel oder Titan enthalten, jedoch nur in sehr geringem Anteilen. Z.B. kann die Legierung 99,7$ Kupfer und 0,3$ Zirkonium enthalten (Gewichtsprozent). In Fig.2 ist eine typische Mikröstruktur des Kontaktmaterials dargestellt. Die Skala zeigt die Größenabmessung von 200 /um und alle Chrompartikel 30 (schraffiert

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dargestellt) sind miteinander verbunden und die Zwischenräume sind mit Kupfer Jl ausgefüllt.

Da die Chrompartikelgröße auf 250/um beschränkt ist, ist auch die maximale Größe der Ungleichheiten begrenzt; wenn derartige Kontakte unter Druck in einem Vakuumschalter zur Berührung gebracht werden, findet wahrscheinlich eine Mikrodeformation statt, die dadu führt, daß eine große Zahl von gut verteilten Kontaktpunkten erhalten wird. Es wird angenommen, daß dies dazu führt, daß ein geringer Übergangswiderstand erhalten wird, wobei eine gute Verteilung der ohmschen Verluste (I R Verluste)bei hohen Strömen unmittelbar vor der Funkenbildung bewirkt wird und eine geringe Neigung zur Verschweißung besteht.

Wenn derartige Vakuumschaltkontakte geöffnet werden (dies wird bei hoher Geschwindigkeit durch an sich bekannte Mittel bewirkt), dann ist es vorstellbar, daß eine hohe Wahrscheinlichkeit besteht, daß sich eine Vielzahl von kleinen Lichtbogen zwischen den Flächen 23 und 24 ausbildet, so daß eine gute Verteilung der Bogenenergie und demgemäß eine geringe und gleichmäßige Erosion gegeben ist.

Sogar nach der Lichtbogenbildung scheint die Größe der Ungleichförmigkeiten auf jene der maximalen Abmessungen der Partikel der Matrix begrenzt zu sein, so daß das lokale elektrische Feld und infolgedessen die Feldemission für eine gegebenen Kontakttrennung niedrig ist, und die Durchbruchspannung ist höher und mehr ausgeprägt als für Kontakte ähnlicher Gestalt, die hauptsächlich aus formänderungsfähigem Werkstoff hergestellt sind.

Außerdem wird, da der Siedepunkt des MatrixmaterMa unter

3000 C liegt, die Elektronenemissionsdichte, die einem Hochstromlichtbogen folgt, um mehrere Größenordnungen unter jene erniedrigt, die auftritt bei einer Wolfram-Matrix, bei der eine Oberflächenschmelzung einsetzt. Hierdurch wird eine beträchtliche Verbesse-

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rung der Wiederkehrspannungscharakteristik erhalten.

Versuche, die in Verbindung mit den erfindungsgemäß ausgebildeten Kontakten vorgenommen wurden, die aus einer Chrom-Kohlenstoffmatrix imprägniert mit 33> Volumenprozent Kupfer waren, haben gezeigt, dass Lichtbogen bis hinauf zu wenigstens 20 kA Spitzenstrom zufriedenstellend unterbrochen werden können, wobei nur eine niedrige und gleichförmige Kontakterosion auftritt und keine merkliche Verschweißung vor der Lichtbogenbildung.

Wie erwähnt, kann der Chrom-Kohlenstoffgehalt des Kontaktmaterials durch Eisen mit dem erforderlichen Kohlenstoffgehalt ersetzt werden. Die Haupteigenschaften eines solchen Matrix-Materials sind die folgenden:

(a) Es ist in der Lage, durch das Imprägnierungsmetall während des Einfließvorganges benetzt zu werden,

(b) der Schmelzpunkt liegt höher als der von Kupfer und er liegt vorzugsweise über 1200⁰C, so daß das Matrixmaterial durch den Einfließvorgang nicht geschmolzen werden kann,

(c) der Schmelzpunkt liegt niedriger als jener von Molybdän,

(d) der Siedepunkt liegt nicht wesentlich höher als 3000⁰C,

(e) das Matrixmaterial hat eine geringe Streckfähigkeit im Vergleich zu Kupfer.

Wie erwähnt,kann der Kupferanteil des Kontaktmaterials durch eine geeignete Kupferlegierung ersetzt werden, z.B. durch eine Legierung, bestehend aus Kupfer und Silber.

Die Haupteigenschaften eines solchen Imprägniermaterials sind die folgenden:

(1) es besitzt eine hohe elektrische Leitfähigkeit im Vergleich zu jener des Matrixmetalls,

(2) der Schmelzpunkt liegt unter dem Schmelzpunkt des Matrixmetalls und ist geringer als 1 200⁰C,

(3) der Siedepunkt liegt nicht wesentlich höher als jener des Matrixmaterials, vorzugsweise liegt der Siedepunkt jedoch darunter,

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(4) das Imprägniermaterial besitzt eine hohe Streckfähigkeit im Vergleich mit dem Matrixmaterial,

(5) das Imprägniermaterial besitzt eine niedrige Viskosität im Schmelzflussigen Zustand, wodurch die Imprägnierung erleichtert wird.

Die Zugabe von Kohlenstoff in das Matrixmetall in den angegebenen Mengen führt zu einer Kohlenstoffausfällung an den Korngrenzen, wodurch "schwache Verbindungen" gebildet werden, die in dem Metall und in dem Sinterkörper bestehen bleiben. Da das Aufbrechen einer Schweißstelle durch Aufbrechen des Matrixmetalls eingeleitet wird und nicht durch Aufbrechen des Imprägniermetalls, welches eine viel größere Streckbarkeit besitzt, wird durch das Vorhandensein von Kohlenstoff die An^tischweißeigenschaft der Elektroden beträchtlich verbessert.

•A Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche :

1./Elektrode für einen Vakuum-Leistungsschalter oder eine Vakuum-Funkens tr ecke nach Patent Nr. 1 640 Oj59, dadurch gekennzeichnet ,· daß sie ein Matrixmetall aus Chrom mit einem Gewichtsanteil von 0,5$ Ms 13,5$ Kohlenstoff oder eine Matrix aus Eisen mit 1 bis 2 Gewichtsprozent Kohlenstoff aufweist und daß die Matrix mit Metall imprägniert ist, welches aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht.

2. Elektrode nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß als Matrixmetall Chrom vorgesehen ist und der Bereich des Kohlenstoffgehaltes zwischen 1 und 3 Gewichtsprozent des Matrixmetalls beträgt.

3. Elektrode nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmetall aus Matrixmetallpartikeln besteht, die gesintert sind, wobei die Metallpartikel eine Größe von nicht mehr als 25O /um besitzen.

4. Elektrode nach den Ansprüchen 1 bis j5, dadurch gekennzei chnet , daß das Imprägniermetall 10 bis 40 Volumenprozent der imprägnierten Matrix beträgt.

5. Elektrode nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Imprägniermetall aus einer Legierung von Kupfer und Silber besteht.

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6. Elektrode nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Imprägniermetall aus einer Legierung von Kupfer und einem Metall besteht, das aus der Gruppe von Zirkonium, Tantal und Titan ausgewählt ist.

7. Elektrode nach den Ansprüchen 1 bis 4, . dadurch gekennzeichnet, daß das Imprägniermetall aus einer Legierung von 99,7 Gewichtsprozent Kupfer und 0,3 Gewichtsprozent Zirkonium besteht.

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