DE2723749B2 - Kontaktstücke für Vakuum-Trennschalter - Google Patents
Kontaktstücke für Vakuum-TrennschalterInfo
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Description
JO
Die Erfindung bezieht sich auf Kontaktstücke für Vakuum-Trennschalter, die in einem evakuierbaren
Vakuumgefäß zum Schließen und öffnen des von ihnen gebildeten Kontaktes relativ zueinander bewegbar
angeordnet sind, wobei zumindest eines dieser Kontaktstücke ein Kontaktelement aufweist, das aus einer
Kupfer und Aluminium enthaltenden Legierung unter Zumischung mindestens eines weiteren Metalles aus der
Gruppe Antimon, Wismut, Tellur, Selen, Magnesium und Blei hergestellt ist.
Für Vakuum-Trennschalter gelten im wesentlichen drei Forderungen: Der Trennschalter muß auch
Momentanströmen gewachsen sein, welche den Nennabschaltstrom erheblich überschreiten und muß auch bei
derartigen Momentanströmen schließen können, ohne daß hierbei die Kontaktstücke, beispielsweise durch
Verschweißen, beschädigt werden. Weiterhin soll der Trennschalter bei Betätigung den von ihm überwachten
>o Stromkreis schnell und vollständig abschalten. Schließlich
soll ein solcher Trennschalter sowohl Impuls-Scheitelspannungen als auch eine Dauerwechselspannung
aushalten können, ohne daß hierbei Schäden oder Abschaltentladungen auftreten. -,->
Durch die US-PS 34 97 652 und die äquivalente DE-OS 19 54 589 sind Kontaktstücke für Vakuum-Trennschalter
der eingangs genannten Art aus einer Kupfer-Aluminium-Wismut-Legierung bekannt. Ein mit
solchen Kontaktstücken versehener Vakuum-Trenn- ^o
schalter vermag bei Nennspannung hohe Induktionsströme zu unterbrechen und abzuschalten und gegen
solche Induktionsströme zu schließen, ohne daß es hierbei zu Kontaktverschweißungen käme. Ein mit
solchen Kontaktstacken versehener Vakuum-Trenn- μ schalter kann weiterhin bei vollständig geöffneten
Kontakten hohe Impuls-Scheitelspannungen von mindestens 95 kV und hohe Dauerspannungen von 36 kV
effektiv, 60 Hz ohne Gefahrdung aufnehmen. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß derartige, aus einer Kupfer-AIuminium-Wismut-Legierung
hergestellten Kontaktstücke nicht über eine ausreichende mechanische Festigkeit verfügen. Die Koniaktstücke eines solchen
Trennschalters müssen nämlich ohne Bruchgefährdung auch die mechanischen Belastungen aufnehmen können,
welche durch das wiederholte öffnen und Schließen der Kontakte bewirkt werden. Zu diesen mechanischen
Belastungen treten thermisch bedingte Spannungen, die durch das Anschweißen der Kontaktstücke an die
Kontakthalterungen verursacht sind Bei diesem Schweißvorgang werden die zu verbindenden Teile auf
600 bis 800° C erhitzt, wobei die eigentliche Schweißung
bei einer Temperatur von 400 bis 6000C stattfindet und
die anschließende Abkühlung die erwähnte thermische Vorspannung bewirkt Hinzu kommt, daß während der
Herstellung der Kontaktstücke diese wegen des Oberganges aus der y-Phase zur Λ+0-Phase zu einer
Versprödung neigen. Zur « +0-Phase gehören demnach die Grübkörnungeri der versprödenden y-Phase, die bis
zu 100 μΐη lang und breiter als 100 μπι werden können.
In den beiden genannten Vorveröffentlichungen ist auch darauf Bezug genommen, Kontaktstücke aus einer
Kupferlegierung zu erstellen, die Beryllium und Wismut enthält; separat sind derartige Koniaktstücke durch die
DE-OS 17 65 626 bekannt. Auch Kontaktstücke dieses Legierungstyps zeigen nicht die geforderten Festigkeitseigenschaften,
außerdem ist der sich ergebende Obergangswiderstand hoch.
Die Erfindung geht daher von der Aufgabe aus, Kontaktstücke für Vakuum-Trennschalter der eingangs
genannten Art zu schaffen, die nicht nur hohen Strombelastungen gewachsen und gegen Verschweißungen
der Kontakte gesichert sind, sondern außerdem noch hervorragende mechanische Festigkeitseigenschaften
aufweisen und bei niedrigem Übergangswiderstand eine hohe Belastungsspannung aufzunehmen
vermögen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Gesamtheit der Merkmale, daß die Kupfer-Aluminium-Legierung des
Kontaktelementes 4 bis 9,4 Gewichtsprozente Aluminium, 0,5 bis 3.5 Gewichtsprozente Beryllium und 0,1 bis
10 Gewichtsprozente mindestens eines Metalles aus der
Gruppe Antimon, Wismut, Tellur, Selen, Magnesium und Blei aufweist und die restlichen Gewichtsanteile aus
Kupfer bestehen.
Die Eigenschaften der Kupfer-Aluminium-Legierung lassen sich noch weiter verbessern, indem diese 1 bis 20
Gewichtsprozente Nickel und/oder 0,1 bis 5 Gewichtsprozent Eisen und/oder Kobalt aufweist.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit einem Vakuum-Trennschalter
darstellenden Zeichnungen erläutert. Es zeigt hierbei
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Vakuum-Trennschalter und
Fig.2 einen Schnitt durch eines der vergrößert
dargestellten Kontaktstückc des in Fig. I gezeigten Vakuum-Trennschalters.
In Fig. 1 ist ein Vakuumgefäß 10 eines Vakuum-Trennschalters
dargestellt, das stark evakuiert ist und sich aus einem aus Isolierwerkstoff, beispielsweise aus
Glas, bestehenden Gehäuse Il und aus einer dessen oberes Ende abdeckenden oberen metallischen Verschlußkappe
12 und einer dessen unteres Ende schließenden unteren metallischen Verschlußkappe 13
zusammensetzt.
Zwischen den Verschlußkappen 12 und 13 und dem
Gehäuse 11 sind Dichtungen 14 angeordnet, die das
Vakuumgefäß 10 dicht abschließen. Unter statischen Bedingungen ist im Inneren des Vakuumgefäßes 10 ein
Druck von 0,133 μbaΓ (10-* mm Quecksilbersäule)
gegeben; vorzugsweise sollte dieser Druck einen Wert zwischen 0,133 μbaΓ und 0,0133 nbar (ΙΟ-4 mm Quecksilbersäule
und 10-8mm Quecksilbersäule) aufweisen,
damit die mittlere freie Weglänge der Elektronen größer ist als die Länge der Durchbruchsspannungsbahnen
im Vakuumgefäß 10.
Eine rohrförmige Abschirmung 15, die an der oberen Verschlußkappe 12 befestigt und gegen die untere
Verschlußkappe 13 isoliert ist, verhindert das Kondensieren von vom Lichtbogen erzeugten Metalldämpfen
auf der inneren isolierenden Räche des Gehäuses 11. An der Abschirmung 15 schlagen sich die Metalldämpfe
nieder, bevor sie das Gehäuse 11 erreichen.
Zwei innerhalb des Vakuumgefäßes 10 angeordnete, voneinander trennbare Kontaktstücke 17 und 18 sind in
ihrer Einschaltstellung dargestellt. Das obere Kontaktstück 17 ist stationär ausgeführt und weist eine ais
elektrischer Leiter ausgeführte Stange 17a auf, die ihrerseits an der oberen Verschlußkappe 12 befestigt ist.
Das untere Kontaktstück 18 ist beweglich ausgeführt und weist eine in Vertikalrichtung bewegbare Schaltstange
18a auf. Durch eine nach unten gerichtete Bewegung des Kontaktstückes 18 werden die Kontakte
voneinander getrennt bzw. der Trennschalter geöffnet. Bei einer nach oben gerichteten Bewegung des
Kontaktstückes 18 werden die beiden Kontakte zusammengeführt und der Trennschalter eingeschaltet.
Bei völlig geöffnetem Trennschalter weisen die Kontakte einen freien Abstand von 20 mm auf.
Die Schaltstange 18a ist durch eine Öffnung in der unteren Verschlußkappe 13 geführt, die durch einen
flexiblen Metallbalg 20 abgedichtet ist Der Metallbalg 20 ist mit seinem einen Ende fest und luftdicht mit einer
Metallabschirmung 21 und mit seinem anderen Ende ebenfalls fest und dicht mit dem Rande der in die untere
Verschlußkappe 13 eingearbeiteten öffnung verbunden.
In F i g. 2 ist im vergrößerten Maßstabe und abgebrochen eine Ausbildung des untet en Kontaktstükkes
18- dargestellt; diesem entsprechend ist das Kontaktstück 17 ausgeführt Das Kontaktstück 18
besteht aus einer scheibenarti<5en Grundplatte 22, die
auf das obere Ende der Schaltstange 18a gelötet ist. In
eine Aussparung der Grundplatte 22 ist vermittels einer Lötverbindung 24 ein Kontaktelement 23 eingesetzt
und dort befestigt Dieses Kontaktelement 23 ist auf das Kontaktstück des oberen Kontaktes 17 derart ausgerichtet,
daß die Kontaktflächen bei geschlossenem Vakuum-Trennschalter einander berühren.
Das Kontaktelement 23 besteht aus einer Kupfer-Aluminium-Berylüum-Legierung,
die mindestens ein Metall der Gruppe Wismut, Tellur, Selen, Antimon,
Magnesium und Blei aufweist, und die weiterhin Nickel, Eisen und/oder Kobalt enthalten kann. Eine derartige
Legierung kann wie folgt hergestellt werden: Die Legierungsstoffe Kupfer, Aluminium und Beryllium
werden geschmolzen und in einem Vakuum von !3,3 nbar (lO'mm Quecksilbersäule) sowie bei einer
Temperatur von 12000C im flüssigen Zustande miteinander
vermischt. Unter einer Argon-Schutzatmosphäre wird sodann erschmolzenes Wismut zugesetzt und
zugemischt. Anschließend wird auf normale Temperatur abgekühlt, so daO eine feste Legierung entsteht. Die
Dosierung der Bestandteile der Legierung ist dem Patentanspruch 1 zu entnehmen. Werden zusätzlich
Nickel, Eisen und/oder Kobalt in die Legierung eingeführt, so erfolgt die Herstellung der Legierung in
analoger Weise, und die Dosierungen richten sich nach den Ansprüchen 2 und/oder 3.
Die gemäß der Erfindung erlangten Vorteile lassen sich aus den folgenden Tabellen erkennen, in denen
charakteristische Werte sowohl nach den Lehren dor Erfindung erstellter Legierungen als auch solche
bekannter Legierungen zusammengestellt sind.
In der Tabelle 1 sind mechanische bzw. elektrische
Eigenschaften von fünf Ausführungsbeispiele darstellenden und zwei bekannten Legierungen sowie deren
Zusammensetzung zusammengestellt Die Ausführungsbeispiele 1 bis 5 weisen gegenüber den bekannten
Legierungen 1 und 2 günstigere Härtewerte und bessere Dehnungswerte in Verbindung mit gesteigerter Zugfestigkeit
auf, wobei gleichzeitig die Spannungsfestigkeit um bis zu 30% gesteigert ist Unter Spannungsfestigkeit
wird hierbei die Spannung verstanden, bei der die Lichtbogenbildung zwischen v· yei Elektroden einsetzt,
von denen die positive Elektrode 'is polierte Nickelnadel
und die negative Elektrode als im Abstande von 0,5 mm vor deren Spitze vorgesehenes, ebenfalls
poliertes Kontaktelement aus der jeweils untersuchten L.-'gierung ausgeführt sind.
Die die Verunreinigung von Kontaktflächen kennzeichnenden Werte für die Ausführungsbeispiele 1 und 2
sowie die bekannten Legierungen 1 und 2 der Tabelle 1 sind in einer Tabelle 2 zusammengestellt. Der
Übergangswiderstand wurde vermittels eines Platin-Meßfühlers mit einer Auflagekraft von 4,9 mN auf der
Kontaktfläche gemessen. Der Mittelwert wurde durch hundert Messungen an unterschiedlichen Stellen der
Kontaktfläche ermittelt. Als Verunreinigungsbereiche sind Oberflächenbereiche betrachtet, deren Übergangswiderstand
gegen oo geht. Der Tabelle 2 ist zu entnehmen, daß sich zwar in jedem Falle unmittelbar
nach dem Polieren ein geringer Übergangswiderstand ergibt, im Betriebe jedoch bilden sich jedoch bei den
beiden Ausführungsbeispiele darstellenden Legierungen nicht nur weniger Verunreinigungen, auch der
Mittelwert des Übergangswiderstandes der verbleibenden Bereiche erweist sich als wesentlich günstiger als
der der beiden vorbekannten Legierungen.
Die Tabelle 3 soll Aufschluß über die Auswirkungen des Anteils an Aluminium geben. Weist eine Legierung
wie die Kontrollegierung 3 der Tabelle 3 einen geringeren Anteil an Aluminium auf, so sinkt die
Spannungsbelastbarkeit unter Zunahme der Streuung derselben ab. Gleichzeitig wird die Korngröße des
erhaltenen Gefüges in unerwünschter Weise gesteigert. Überschreitet dagegen der Aluminiumanteil einer
Legierung 9,4 Gewichtsprozente, so treten infolge einer Steigerung der Härte der Legierung Schwierigkeiten
bei der Verarbeitung derselben auf.
Beryllium sollte in der Legierung mit 0,5 bis 3,5 Gewichtsprozenten vertreten sein. Bei einem 0,5
Gewichtsprozente unterschreitenden Beryllium-Anteil sinkt die Spannungsfestigkeit der Legierung stark ab,
wie dies Tabelle 4 erkennen läßt. Sie zeigt gleichzeitig, daß bei einem 33 Gewichtsprozente überschreitenden
Beryllium-Anteil die Härte in unerwünschtem Maße ansteigt und damit die Verarbeitung der Legierung
erschwert wird. Weiterhin erweisen sich solche Legierungen in der Herstellung als schwieriger, da
gesundheitsschädliche Berylliumdämpfe freiwerden könnten. Wird einer Legierung aus Kupfer, Aluminium,
Beryllium und Wismut oder einem vergleichbaren
Metall Nickel zugesetzt, wie dies bei den Ausführungsbeispielen 2 der Tabellen I und 2 der Fall ist, so wird die
Spannungsfestigkeit der Legierung erhöht, und die sich bildenden Verunreinigungen der Kontaktfläche verringert. Bei einem Zusatz von Nickel mit weniger als einem
Gewichtsprozent wird die Verunreinigungsfestigkeit noch nicht erhöht, beim Einsatz von mehr als 20
Gewichtsprozenten Nickel jedoch wird die elektrische Leitfähigkeit verringert, und es entstehen Ausseigerun
gen. Beim Zusatz von Eisen und/oder Kobalt entsprechend den Ausführungsbeispielen 3 bis 5 der Tabelle 2
werden sowohl die Spannlingsfestigkeit als auch die Härte- und Dehnungseigenschaften verbessert sowie
die sich ergebende Gefügestruktur verfeinert. Werden
der Legierung Eisen und/oder Kobalt mit weniger als 0.1 Gewichtsprozent zugegeben, dann sind sowohl der
Einfluß auf das Gefüge sowie die Erhöhung der Spannungsfestigkeit sehr gering. Bei Zusätzen von mehr
als 5 Gewichtsprozenten jedoch tendiert die Legierung zu Ausseigerungen.
Die in den Legierungen vorgesehene Komponente bzw. die Komponenten aus der Gruppe Antimon,
Wismut, Tellur, Selen, Magnesium und Blei ergeben ausgezeichnete Werte der Versciiweißungsfestigkeit. In
Tabelle 5 sind für einige Beispiele die erreichten Werte der Spannlingsfestigkeit sowie Vcrschweil.limgsfestigkeil
angegeben, wobei letztere an tier für das Trennen
der Kontaktstückc erforderlichen Kraft ermessen ist. Als aus dieser Gruppe herrührende Legicrungskomponente
wird vorzugsweise Antimon vorgesehen.
Legierungen | laut Beschreibung | Beispiel | Heispiel | Beispiel | Bekannte | Legierungen | |
Beispiel | Beispiel | Nr. 3 | Nr. 4 | Nr. 5 | Legierung | Legierung | |
Nr. 1 | Nr. 2 | Nr. I | Nr. 2 | ||||
LegierungsstofTe | |||||||
(% Gewichtsanteile) | 7.5 | 7,5 | 7,5 | ||||
Al | 7.5 | 7.5 | 1.5 | 1.5 | 1,5 | 13 | |
Be | 1.5 | 1,5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | - | 5.4 |
Bi | 0.5 | 0.5 | - | - | - | 0,5 | 0.5 |
Ni | 9,0 | 2,0 | - | 1,5 | - | - | |
Fe | - | 1.0 | 0,5 | - | - | ||
Co | - | Rest | Rest | Rest | - | - | |
Cu | Rest | Rest | 190 | 195 | 203 | Rest | Rest |
Vickershärte HV | 187 | 197 | 310 | 280 | |||
(kp/mnr) | 10.7 | 11.0 | 11,2 | ||||
Dehnungsverhältnis (%) | 10.2 | 11.9 | -12.S | -13.2 | -13,1 | ||
-13,9 | -12.3 | 78-80 | 78-80 | 78-82 | 0,8 | 1.5 | |
Zugfestigkeit (lp/mrrr) | 78-82 | 78-79 | 8.758 | 9.570 | 8,440 | 20-24 | 70 |
Spezifische Leitfähigkeit | 10.324 | 7.772 | -8,874 | -9,454 | -9,106 | 8,120 | 17,400 |
(I/li cm · 104) | -10.382 | -7,888 | 65-68 | 65-68 | 65-68 | -9,280 | 20.880 |
Spannungsfestigkeit (kV) | 62-68 | 65-68 | 54-58 | 53-56 |
Tabelle 2 | Unmittelbar | Verunreinigung | Mittelwert des |
nach dem | Übergangswider- | ||
Polieren gege | standes außerhalb | ||
bener Übergangs | des Veninreinigungs- | ||
widerstand | berejches | ||
(U) | (%) | (U) | |
0,50 | 17 | 13,1 | |
Beispiel I | 0,50 | 2 | 1,77 |
Beispiel 2 | 0,50 | 79 | 72,0 |
Bekannte Legierung I | 0,50 | 88 | 233,0 |
Bekannte Legierung 2 | |||
7 | Bi | ewichlsanteile) | Be | Be | 27 23 | a | 749 | 8 | HV | HV | Spezifische | |
0,5 | Be | 0,5 | 1.5 | 0,5 Bi | (kp/mm2) | (kp/mm') | Leitfähigkeit | |||||
Tabelle 3 | Zusammensetzung | 0,5 | _ | 0,5 | 1.5 | 3,5 Sb | SpannungsTestig- Vickershärte | 170 | 95 | (I/U cm ■ I04) | ||
(% Gewichtsanteile) | 0.5 | 0,2 | 0,5 | 1,5 | 3,4 Te | keit | 196 | 105 | 10.614-11,020 | |||
Al | 0.5 | 0,5 | 0.5 | '.5 | 1,9 Se | (kV) | 210 | 114 | 10,556-10,730 | |||
2,0 | 1,5 | 0,5 | Cu | 2,8 Mg | 50-57 | 422 | 187 | 9,877-10,440 | ||||
Kontrolle 3 | 4,0 | Zusammensetzung | 2.5 | 0,5 | Rest | 1,8 Pb | 58-62 | 220 | 9.164- 9,640 | |||
Beispiel 4 | 9,4 | (% G | 3.5 | Rest | rzu 1 Blatt | 63-69 | Spannungsfeslig- Vickershärte | 271 | ||||
Beispiel 7 | 11.8 | ΛΙ | 4,0 | Bi | Rest | 65-72 | keil | 315 | Spezifische | |||
Kontrolle 4 | 7.5 | 0,5 | Rest | (kV) | Leitfähigkeit | |||||||
p Tabelle 4 | 7,5 | Zusammensetzung | 0.5 | 38-42 | Spannungs- | (1/tJ cm H)4) | ||||||
7,5 | (% Gewichtsanteile) | 0,5 | 45-51 | festigkeit | 10.324-10.440 | |||||||
t : | 7.5 | Al | 0.5 | 56-62 | (kV) | 9,628-10.150 | ||||||
Pi
P |
7,5 | 7,5 | 0.5 | Cu | 62-68 | 56-62 | 8,990- 9,640 | |||||
1 Kontrolle 5 | 7.5 | 7.5 | 0.5 | Rest | 64-69 | 61-63 | 10.324-10.382 | |||||
« Kontrolle 6 | 7,5 | 7.5 | 0,5 | Rest | 54-60 | 58-60 | 11.020-11.368 | |||||
ϊί Beispiel 8 | 7,5 | Rest | 48-58 | 56-60 | 9,976-10,150 | |||||||
] Beispiel 1 | 7,5 | Rest | 56-60 | 8,983- 9.802 | ||||||||
I Beispiel 9 | 7.5 | Rest | 56-60 | |||||||||
jj Beispiel 10 | Rest | Verschweißungs- | ||||||||||
I Kontrolle 7 | Rest | Cu | festigkeit | |||||||||
I Tabelle 5 | Rest | (N) | ||||||||||
!■: | Rest | 0-10 | ||||||||||
Ά | Rest | 49-78 | ||||||||||
;ϊ | Rest | 10-98 | ||||||||||
P Beispiel 8 | Rest | 49-98 | ||||||||||
'l Beispiel 11 | Hie | Rest | 49-147 | |||||||||
't Beispiel 12 | ZciehiHinuen | 10-29 | ||||||||||
| Beispiel 13 | ||||||||||||
} Beispiel 14 | ||||||||||||
% Beispiel 15 5 % |
||||||||||||
j
I } |
||||||||||||
Claims (3)
1. Kontaktstücke für Vakuum-Trennschalter, die
in einem evakuierbaren Vakuumgefäß zum Schlie-Ben und öffnen des von ihnen gebildeten Kontaktes
relativ zueinander bewegbar angeordnet sind, wobei zumindest eines dieser Kontaktstücke ein Kontaktelement
aufweist, das aus einer Kupfer und Aluminium enthaltenden Legierung unter Zumischung
mindestens eines weiteren Metalles aus der Gruppe Antimon, Wismut, Tellur, Selen, Magnesium
und Blei hergestellt ist, gekennzeichnet durch die Gesamtheit der folgenden Merkmale,
daß die Kupfer-Aluminium-Legierung des Kontaktelementes
(23) 4 bis 9,4 Gewichtsprozente Aluminium, 0,5 bis 3,5 Gewichtsprozente Beryllium und 0,1
bis 10 Gewichtsprozente mindestens eines Metalles aus der Gruppe Antimon, Wismut, Tellur, Selen,
Magnesium und blei aufweist und die restlichen Gewichtsanteile aus Kupfer bestehen.
2. Kontaktstücke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupfer-Aluminium-Legierung
1 bis 20 Gewichtsprozente Nickel aufweist.
3. Kontaktstücke nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupfer-Aluminium-Legierung
0,1 bis 5 Gewichtsprozente Eisen und/oder Kobalt aufweist.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OD | Request for examination | ||
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: KABUSHIKI KAISHA TOSHIBA, KAWASAKI, KANAGAWA, JP |
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8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |