DE2723749C3

DE2723749C3 - Kontaktstücke für Vakuum-Trennschalter

Info

Publication number: DE2723749C3
Application number: DE2723749A
Authority: DE
Inventors: Seishi Chiba; Tsutomu Kawasaki Okutomi; Hisashi Yoshino
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1976-05-28
Filing date: 1977-05-26
Publication date: 1980-07-24
Also published as: US4129760A; GB1520724A; DE2723749B2; JPS5640457B2; CA1082267A; JPS52155373A; DE2723749A1

Description

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.

For 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 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 Kontaktstucke für Vakuum-Trennschalter der eingangs genannten Art aus einer Kupfer-Aluminium·Wismut-Legierung bekannt. Ein mit solchen Kontaktstücken versehener Vakuum-Trennschalter 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 Kontaktstücken versehener Vakuum-Trennschalter kann weiterhin bei vollständig geöffneten Kontakten hohe Impuls-Scheitelspannungen von mindestens 95 kV und hohe Dauerspannungen von 36 kV effektiv, 60 Hz ohne Gefährdung aufnehmen. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß derartige, aus einer Kupfer-Aluminium-Wismut-Legierung hergestellten Kontaktstücke nicht ßber eine ausreichende mechanische Festigkeit verfügen. Die Kontaktstücke 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

ίο 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 üie anschließende Abkühlung die erwähnte thermische Vorspannung bewirkt Hinzu kommt, daß während der Herstellung der Kontaktstücke diese wegen des Oberganges aus der y-Phase zur α+0-Phase zu einer Versprödung neigen. Zur «+/?-Phase gehören demnach die Grobkörnungen der versprödenden y-Phase, die bis zu 100 μΓΠ lang und breiter als! 00 μΐπ 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 Kontaktstücke durch die DE-OS 17 65 626 bekannt Auch Kontaktstücke dieses Legierungstyps zeigen nicht die geforderten Festigkeitseigenschaften, außerdem ist der sich ergebende

jo 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 Verschwei-

)5 ßungen 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 <^;ίς 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

a-, 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 F i g. I einen Schnitt durch einen Vakuum-Trennschalter und

F i g. 2 einen Schnitt durch eines der vergrößert dargestellten Kontaktstücke des in F i g. 1 gezeigten Vakuum-Trennschalters.

μ 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 11 und aus einer dessen oberes Ende abdeckenden oberen metallischen Verbs schlußkappe 12 und einer dessen unteres Ende schließenden unteren metallischen Verschlußkappe 13 zusammensetzt.
Zwischen den Verschlußkappen 12 und 13 und dem

11 sind Pichtungen 14 angeordnet, die das Vakuumgefäß to dicht abschließen, Unter statischen Bedingungen ist im Inneren des Vakuumgefgßes 10 ein Druck von O,|33μbaΓ (10-* mm Quecksilbersäule) gegeben; vorzugsweise sollte dieser Druck einen Wert s zwischen 0,133 μbaΓ und 0,0133 nbar (10-* mm Quecksilbersäule und 10-* mm Quecksilbersäule) aufweisen, damit die mittlere freie Weglänge der Elektronen größer ist als die Länge der Durchbruchsspannungsbahnen im Vakuumgefäß 10, ι ο

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 Fläche 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 IS sind in ihrer Einschaltstellung dargestellt Das obere Kontaktstück 17 ist stationär ausgeführt und weist eine als 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 m> 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 n 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 Fig.2 ist im vergrößerten Maßstabe und abgebrochen eine Ausbildung des unteren Kontaktstükkes 18 dargestellt; diesem entsprechend ist das Kontaktstück 17 ausgeführt. Das Kontaktstück 18 besteht aus einer scheibenartigen Grundplatte 22, die v> auf das obere Ende der Schaltstange 18a gelötet ist. In eine Aussparung der Grundplatte 22 kt. vermittels einer Lötverbindung 24 ein Kontaktelement 23 eingesetzt und dort befestigt Dieses Kontaktelement 23 ist auf das Kontaktstück des oberen Kontaktes 17 derart ausge- >o richtet, daß die Kontaktflächen bei geschlossenem Vakuum-Trennschalter einander berühren.

Das KorUaktelement 23 besteht aus einer Kupfer-Aluminium-Beryllium-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 13,3 ω nbar (ΙΟ-⁵ 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 bs abgekühlt, so daß <sine feste Legierung entsteht Die Dosierung der Bestandteile der Legierung ist dem Patentanspruch t zu einnehmen. 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 der 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 zwei Elektroden einsetzt von denen die positive Elektrode als polierte Nickelnadel und die negative Elektrode als en Abstande von 0,5 mm vor deren Spitze vorgesehenes, ebenfalls poliertes Kontaktelement aus der jeweils untersuchten Legierung 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 vermitlels eines Platin-Meßfühlers mit einer Auflagekraft von 4,9 mN auf der Kontaktfläche gemessen. Der Mittelwert wurde durch hundert Messungen an unterschiedlichen Steilen der Kontaktfläche ermittelt Als Verunreinigungsbereiche sind Oberflächenbereiche betrachtet, deren Übergangswiderstand gegen 00 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 Kontroilegierung 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 GefUges 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 OJ bis 3,5 Gewichtsprozenten vertreten sein. Bei einem OJ Gewichtsprozente unterschreitenden Beryllium-Anteil sinkt die Spannungsfestigkeit der Legierung stark ab, wie dies Tabelle 4 erkennen läßt. Sie zeigt gleichzeitig, daß bei einem 3,5 Gewichtsprozente überschreitenden Beryllium-Anteil die Härte in unerwünschtem MaBe ansteigt und damit die Verarbeitung der Legierung erschwert wird. Weiterhin erweisen sich solche Legierungen in der Herstellung als schwieriger, da gesundheitsschädliche Berylliumdämpfe freiwerdert könnten. Wird einer Legierung aus Kupfer, Aluminium, Beryllium und Wismut oder einem vergleichbaren

Metall Nickel zugesetzt, wie dies bei den Ausführungsbeispielen 2 der Tabellen 1 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 verfingert, und es entstehen Ausseigerungzn. Beim Zusatz von Eisen und/oder Kobalt entsprechend den Ausführungsbeispielen 3 bis 5 der Tabelle 2 werden sowohl die Spannungsfestigkeit 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 Verschweißungsfestigkeit. In Tabelle 5 sind für einige Beispiele die erreichten Werte der Spannungsfestigkeit sowie Verschweißungsfestigkeit angegeben, wobei letztere an der für das Trennen der Kontaktstücke erforderlichen Kraft ermessen ist. Als aus dieser Gruppe herrührende Legierungskomponente wird vorzugsweise Antimon vorgesehen.

Tabelle 1

	Legierungen	laut Beschreibung	Beispiel	Beispiel	Beispiel	Bekannte	Legierungen
	Beispiel	Beispiel	Nr. 3	Nr. 4	Nr. 5	Legierung	Legierung
	Nr. 1	Nr. 2				Nr. I	Nr. 2
Legierungsstoffe
(% 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/mm²)			10,7	11,0	11,2 t 7 I
Dehnungsverhältnis (%)	10,2	11,9	— 12,S		IJ,I	0,8	1,5
	— ί 3,9	— ΐ 2,3	78-80	78-80	78-82
Zugfestigkeit (kp/mm²)	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
(1/12 cm · ΙΟ⁴)	-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 nach dem Polieren gege bener Übergangs widerstand	Verunreinigung	Mittelwert des Übergangswider standes außerhalb des Verunreinigungs bereiches
(11)	(%)	(U)
040	17	13,1
040	2	1J7
040	79	72,0
040	88	233,0

Beispiel 1
Beispiel 2

Bekannte Legierung 1
Bekannte Legierung 2

Tabelle 3

Kon'f jlle Beispiel 4 Beispiel 7 Konirolle

Zusammensetzung	Bi	Be	Cu	Spannungsfestig-	Vickershärte	Spezifische
(Vo Gewichtsanteile)	0,5	1,5	Rest	keil	HV	Leitfähigkeit
Al	0,5	1,5	Rest	(kV)	(kp/mm²)	(IIV. cm · IU⁴)
2,0	0,5	1,5	Rest	50-57	170	10,614-11,020
4.0	0.5	1.5	Rest	58-62	196	10,556-10,730
9,4			63-69	210	9,877-10,440
11.8			65-72	422	9.164- 9.640

Tabelle 4

Zusammensetzung	Be	Bi	Cu	Spannt
(% Gewichtsanteile)	_	0,5	Rest	keit
ΛΙ	0.2	0,5	Rest	(kV)
7.5	0,5	0,5	Rest	38-42
7,5	1,5	0.5	Rest	45-51
7,5	2.5	0.5	Rest	56-62
7.5	3.5	0,5	Rest	62-68
7,5	4.0	0,5	Rest	64-69
7,5			54-60
7.5			48-58

Spannungsfestig- Vickershärte
HV

(kp/mm²)

Spezifische Leitfähigkeit

(1/12 cm ■ K)⁴)

Kontrolle Kontrolle Beispiel 8 Beispiel I Beispiel 9 Beispiel Kontrolle

95
105
114
187
220
271
315

10.324-10.440

9.628-10.150

8,990- 9.640

10,324-10.382

11.020-11.368

9.976-10.150

8.983- 9.802

TaiL-elle 5

Zusammensetzung (Vo Gewichtsanteile)

Al

Be

Spannungsfestigkeit

(kV)

Verschweißungsfestigkeit

(N)

Beispiel 8	7,5	0,5	0,5 Bi	Rest	56-62	0-10
Beispiel 11	7,5	0.5	3.5 Sb	Rest	61-63	49-78
Beispiel 12	7,5	0,5	3,4 Te	Rest	58-60	10-98
Beispiel 13	7,5	0,5	1,9 Se	Rest	56-60	49-98
Beispiel 14	7,5	0.5	2,8 Mg	Rest	56-60	49-147
Beispie! 15	7,5	0,5	1,8 Pb	Rest	56-60	10-29
			Hier/u 1 Hhitl	Zeichnungen

Claims

Patentansprüche?

1. Kontaktstacke für Vakuum-Trennsehalter, 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, 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. Kontaktstückc nach Ansprach !, 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