DE2723822A1 - Vakuum-trennschalter - Google Patents

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Vakuum-Trenns ehalt er

Diese Erfindung befaßt sich mit einem Vakuum-Trennschalter. Diese Erfindung befaßt sich insbesondere aber mit einer Kontaktkonstruktion für einen derartigen Vakuum-Trennschalter ο

Ein Vakuum-Trennschalter muß im wesentlich die drei nachstehend angeführten Grundanforderungen erfüllen:- Der Trennschalter muß erstens die gegenüber dem Nennabschaltstrom beträchtlich stärkeren Augenblicksströme aushalten können und gegen diese Augenblicksströme schließen können, ohne daß dabei seine Kontakte beschädigt werden, beispielsweise ohne Verschweißen der Kontakte. Der Trennschalter muß zweitens den Stromkreis richtig und vollständig abschalten können. Schließlich muß der Trennschalter drittens noch in der Lage sein, bei Nennwerten eine Impuls-Scheitelspannung und eine Dauer-Wechselspannung auszuhalten, ohne daß es dabei zu Schäden kommt und ohne daß dabei Abschaltentladungen aufkommen.

Mit U.S.-Patent Nr„ 3^97652 ist vorgeschlagen worden, daß die Kontakte eine Vakuum-Trennschalters aus einer Kupfer-Aluminium-Wismut-Legierung hergestellt werden. Ein Vakuum-Trennschalter, dessen Kontakte aus dieser Legierung bestehen, kann bei Nennspannung starke Induktionsströme abschalten, kann ohne Verschweißung der Kontakte mit diesen Strömen belastet werden und gegen diese Ströme schalten und schließen, kann schließlich, wenn seine Kontakte vollständig geöffnet sind, Impuls-Scheitelspannungen von mindesten 95 kV und kontinuierliche 60-Herz-Effektivspannungen von

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mindestens 36 kV aushalten. Demgegenüber haben die aus der mit dem U.S.-Patent beschriebenen Kupfer-Aluminium-Wismut -Legierung bestehenden Kontakte der Vakuum-Trennschalter eine mechanische Festigkeit, die nicht gut genug ist.

Die Kontakte eines Trennschalters müssen ohne Bruch die Belastungen aushalten können, die durch das wiederholte Schließen der Kontakte hervorgerufen werden. Dies gilt ganz besonders für die thermischen Spannungen, die während des Anschweißens der Kontakte an die Kontakthalterungen in den Kontakten herbeigeführt werden. Beim Schweißen erfolgt normalerweise eine Erwärmung auf 600 bis 800 C, kommt es zu einem Verschmelzen bei einer Temperatur von 400 - 600 , woraufhin dann ein AbkühlVorgang folgt. Während der Herstellung des Vakuum-Trennschalters neigen die Kontakte wegen des eutektischen Überganges aus der ^'-Phase in die Ä+/)-Phase zur Versprödung. Zur**' +/J Phase gehören grobe Ausscheidungen der Versprödungs-

V-Phase, die eine Länge von 1000/U und eine Breite von mehr als 100 M jeweils haben kenne/».

Ziel dieser Erfindung ist somit die Schaffung eines Vakuum-Trennschalters, der im Hinblick auf seine mechanische Festigkeit derart ausgelegt ist, daß seine Kontakte Stöße, die von außen her übertragen werden, aushalten können,' desgleichen auch eine hohe Spannungsbelastung während des Abschaltvorganges, bei dem sich die Kontakte voneinander lösen.

Bei einem Ausfuhrungsbeispiel dieser Erfindung besteht der Vakuum-Trennschalter aus einem evakuierba-

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ren Behälter, in dem zwei Kontaktelemente angeordnet sind, die sich zur Herbeführung eines elektrischen Kontaktes oder zum Lösen des elektrischen Kontaktes relativ zueinander bewegen können. Der Kontaktbereich von mindestens einem dieser Kontaktelemente ist aus einer Legierung hergestellt, welche im wesentlichen Kupfer, Aluminium, Nickel enthält, desgleichen auch noch einen weiteren Legierungszusatz (Me), bei dem es sich um ein Metall oder mehrere Metalle handelt, welche aus Vismut, Tellur, Selen Antimon und Magnesium ausgewählt werden. Die Legierungsstoffe sind in der Legierung in den nachstehend angeführten Anteilen enthaltenj-

Aluminium zwischen 9 ,k<fa und

Nickel zwischen h,5% und 20$

weiterer Bestandteil (Me) zwischen 0,1% und 10%

Rest Kupfer»

In der Legierung dispersiert sind das Alphaphasen-Kupfer (Cu(W)) und das Gammaphasen-Kupfer (Cu(Y*)), die jeweils Nickel enthalten.

In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann ein Teil des Nickels durch Eisen ersetz werden, das in einem Anteil von 0,1% bis 5% in der Gesamtlegierung enthalten ist.

Diese Erfindung wird nachstehend nun anhand der in Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele (des in Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles) näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:-

Fig. 1 Einen Schnitt durch den Trennschalter. Fig. 2 Einen vergrößert wiedergegebenen Schnitt

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durch eines der Kontaktelemente des mit Fig, I wiedergegebenen Trennschalters.

Wie aus Fig. 1 zu erkennen ist, gehört zu dem Trennschalter ein Vakuumgefäß 10, das stark evakuiert ist und sich zusmmansetzt aus einem aus Isolierwerkstoff bestehenden, beispielsweise aus Glas, Gehäuse 11 sowie aus den metallischen Verschlußkappen 12 und 13 für das obere Ende und für das untere Ende des Gehäuses 11. Die jeweils zwischen der Verschlußkappe 12 und dem Gehäuse 11 sowie zwischen der Verschlußkappe 13 und dem Gehäuse angeordneten Dichtungen 14 machen das Vakuumgefäß 10 vakuumdicht» Unter statischen Bedingungen ist im Inneren des Vakuumgefäßes 10 ein normaler Druck von weniger als 10 mm Quecksilbersäule gegeben - dieser Druck sollte vorzugsweise einen

-h -8

Wert von 10 bis 10 mm Quecksilbersäule haben,damit der Hauptweg für die Elektronen größer ist als die Spannungsunterbrechungsbahiien im Vakuumgefäß.

Eine rohrförmige Abschirmung 15, die an der Verschlußkappe 12 befestigt und vorzugsweise gegen die Verschlußkappe 13 isoliert ist, verhindert, daß sich die vom Lichtbogen erzeugten Metalldämpfe kondensierend auf den isolierenden Flächen des Gehäuses 11 niederschlagen können. Von der Abschirmung werden die Metalldämpfe, noch bevor sie das Gehäuse 11 erreichen, in bekannter Weise aufgefangen.

Die beiden innerhalb des Vakuumgefäßes 10 angeordneten Kontaktelemente 17 und 18, die voneinander ge trennt werden können, sind in der eingeschalteten Position dargestellt. Der obere Kontakt 17 ist als

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stationärer Kontakt an der als elektrischer Leiter ausgeführten Stange 17«*. angebracht, die ihrerseits wiederum an der oberen Verschlußkappe 12 befestigt ist. Das untere Kontaktelement 18 ist als beweglicher Kontakt derart an einer als elektrischer Leiter ausgeführten Stange I8a^ befestigt, daß es in Vertikalrichtung bewegt werden kann. Durch eine nach unten gerichtete Bewegung des Kontaktes 18 werden die Kontakte voneinander getrennt, wird der Trennschalter geöffnet. Demgegenüber werden bei einer nach oben gerichteten Bewegung des Kontaktes 18 die beiden Kontaktelemente wieder zusammengebracht, wird der Trennschalter wieder eingeschaltet. Für den Zustand der völligen Kontakt trennung ist eine Kontaktabstandslänge von 20 mm typisch.

Die Schaltstange l8a_ ist durch eine Öffnung in der unteren Verschlußkappe 13 hinausgeführt. Sin ringsum die Schaltstange I8a_ angeordneter flexibler Metallbalg 20 sorgt dafür, daß während der Vertikalbewegung der Schaltstange das Vakuum in dem Vakuumgefäß 10 erhalten bleibt. Der Balg 20 ist mit seinem einen Ende dicht und fest mit einer Metallabschirmung 21 verbunden und mit seinem anderen Ende als eine dichte Verbindung ringsum die eingearbeitete Öffnung an der unteren Verschlußkappe 13 angebracht.

Fig. 2 zeigt nun für das untere Kontaktelement 18 eine mögliche Form der Konstruktion, wobei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen wird, daß das Kontaktelement 17 in ähnlicher Weise konstruiert werden kann. Das Kontaktelement 18 besteht aus einer i

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scheibenartigen Grundplatte 22, die auf das obere Ende der Schaltstange I8a_ gelötet ist. In eine Aussparung der Grundplatte 22 ist ein Kontaktelement 23 über die Lötverbindung 2k eingesetzt und dort befestigt. Dieses Kontaktelement ist auf das andere Kontaktelement ausgerichtet. Es sind gerade die Kontaktflächen der Kontaktelemente 17 und 18, die sich bei geschlossenem Schalter einander berühren.

Das eigentliche Kontaktelement 23 besteht aus einer Kupfer-Aluminium-Nickel-Me-Legierung, wobei Me als zusätzlicher Legierungsstoff als mindestens ein Metall aus der Gruppe Wismut, Tellur, Selen, Antimon und Magnesium ausgewählt wird. Im Hinblick auf die Gesamtlegierung sind für die Legierungsstoffe die nachstehenden Gewichtsanteile gegeben:-

Aluminium 9,4% bis

Nickel 4,5% bis 20%

Me 0,1% bis 10%

Restlicher Legierungsanteil ist Kupfer.

Bei der Herstellung der Legierung wird wie folgt verfahren:- Die Legierungsstoffe Kupfer, Aluminium und Nickel werden als Schmelzen in einem Vakuum von 10 nun Quecksilbersäule bei einer Temperatur von rund 12OO°C miteinander vermischt, woraufhin dann in einer Argon-Schutzgasatmosphäre dem als Schmelze oder im Schmelzzustand vorliegenden Gemisch aus Kupfer, Aluminium und Nickel Me im Schmelzenzustand zugegeben. Damit sich das Gemisch abkühlen und die Legierung verfestigen kann, wird die Temperatur ab-

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gesenkt und verringert. Die so erhaltene Legierung weist in feinster Verteilung ausgefälltes Alphaphasen-Kupfer (Cufc*/)) und Gammaphasen-Kupfer (CuCy)) auf, die jeweils Nickel enthalten. Beispiel

In der nachstehend gegebenen Tabelle angeführt sind die Eigenschaften einer Legierung der vorbeschriebenen Art im Vergleich mit einer bekannten und mit der vorerwähnten amerikanischen Patentbeschreibung beschriebenen Legierung angeführt;-

Tabelle 1

	Legierungsbeispiel	Bekannte Legierung	CD
Legierung-s stoffe	Cu-13Al-9Ni-O.5Bi	Cu-13Al-O.5Bi	J8A8/1
Ausfällung	Ni enthaltendes CuW Ni enthaltendes Cu(^)	CuK) + Cu(^)
Art der Ausfällung	feine und gleichmä ßige Verteilung	kontinuierliche Phase
Größe der Ausfällung	* 1 /um	= 100/um
Länge der Ausfällunq	1 - 100/um	100 - 2000 /um
Spannungsbelastbar keit (kV) unmittel bar nach dem Gießen	66 - 68	48 - 58
Übergangswiders tand (A) vor der Silber- lötung	0.5	0.5
Verschmutzter Teil	28%	79#
Übergangskontakt- Mittelwert (&) ohne verschmutzten Teil	4	72

Bei den in Tabelle 1 angeführten Werten für die Spannungsbelastbarkeit handelte es sich um die Spannungen,bei denen die Lichtbogenbildung dann einsetzt, wenn zwischen einer positiven Elektrode - diese positive Elektrode in Form einer durch Polieren und Schwab-

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bein spiegelblank gemachten Nickelnadel - und einer negativen Elektrode - bei dieser negativen Elektrode handelt es sich um den Testkontakt, der ebenfalls spiegelblank gemacht worden ist - eine immer größer werdende Spannung aufgeschaltet wird. Der Abstand zwischen den Elektroden beträgt 0.5 nun.

Aus Tabelle 1 ist zu erkennen, daß das aus der zuvor beschriebenen Legierung hergestellte Kontaktelement- wegen des fein verteilten Nickelgefüges, das in der Cu(^)-Phase und Cu(Jf)-Phase enthalten ist, hervorragende und ausgezeichnete mechanische Eigenschaften hat. Die fein verteilte Körnung verursacht unmittelbar nach dem Gießen einen Abfall in der /statischen Spannungsbelastbarkeit und eine geringere Aufrauhung der negativen Elektrode nach Spannungsaufschaltung. Das hat zur Folge, daß auch die^Belastungsspannung des Trennschalters gegenüber früher in einem kleineren Bereich schwankt. _v

* ^f * Streuung der

Während der Herstellung des Trennschalters, ganz besonders aber während der Herstellung dear Legierungsbarrens und der dann folgenden Bearbeitung des Kontaktelementes werden diese Kontaktelement einer aus der Umgebung herrührenden Verschmutzung der Oberfläche unterworfen. Wird nun beispielsweise das Kontaktelement 23 unter Verwendung des Silberlötverfahrens bei einer Temperatur von 800°C auf die Grundplatte gelötet, wird das Kontaktelement dann auf 60 abgekühlt und aus der beim Schweißen verwendeten Wasserstoffatmosphäre herausgenommen und der Luft ausgesetzt, dann hat das normalerweise eine Verschmutzung der Oberfläche zur Folge. Im Zusammenhang mit Kontakt-

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elementen, die aus der zuvor beschriebenen Legierung hergestellt worden sind, ist jedoch festgestellt worden, daß die Veränderung im Übergangswiderstand zwischen dem vor dem Schweißen gegebenen Zustand und dem nach dem Schweißen gegebenen Zustand sehr gering ist_o Anders ausgedrückt:- die Kontaktflächen sind gegenüber den bisher bekannten Kontaktelementen nicht so starken Verschmutzung ausgesetzt.

Die Abschalteigenschaften und die Belastungsspannungseigenschaften werden durch die in der Legierung enthaltene Gasmenge stark beeinflußt, weil das Gas in den Behälter 11 entweicht und dort festgehalten wird. Je größer der Druck innerhalb des Trennschaltergehäuses, desto größer auch die Anzahl der Lichtbogenbil— düngenο Die Gasmenge und deren Einfluß auf die Funktion des Trennschalters wird mit Tabelle 2 behandelt und zwar für einen Trennschalter der beschriebenen Art im Vergleich mit einem bisher bekannten Trennschalter :-

Tabelle 2

Ausführungsbeispiel konventioneller dieser Erfindung Trennschalter

Menge des inneren Gases der Legierung

3 - k ppm

6 - 10 ppm

Menge des inneren Gases der Legierung einschließlich des absorbierten Gases

15 - 20 ppm

20 - kO ppm

Abbau des Vakuums sofort nach einem Absehaltvorgang bei 20 kA

kaum zu erkennen

—8
Abfall von 10~ mm

Quecksilbersäule auf 10~ mm Quecksilbersäule

Anzahl der Lichtbogenneuzündungen

keine

1 bis 2 mal wahrend 50 AbsehaItvorgangen

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Damit verändert sich das Betriebsverhalten eines Trennschalters, dessen Kontaktelemente aus der zuvor beschriebenen Legierung hergestellt sind, sein Betriebsverhalten während des Einschaltvorganges und des Abschaltvorganges nicht, so daß ein Dauerbetrieb gewährleistet ist. Hinzu kommt noch, daß sich die Viskosität des geschmolzenen Metalles während der Legierungsherstellung verringert, daß sich die Gasdiffusionsrate erhöht, daß schließlich das Kontaktelement nur einen geringen Gaseinschluß aufweist und damit aber auch einen hohen Entgasungszus tand.

Wie bereits erwähnt, sind in der Legierung 9_t4 io bis 15 i" Gewichtsanteile Aluminium enthalten« Wird der Aluminium-Anteil auf unter 9» 4 % Gewichtsanteile verringert, dann ist der Widerstand gegen ein Kontaktverschweißen nicht mehr gegebene Wird der Legierungsanteil Aluminium auf mehr als 15 °fo erhöht, so erweisen sich die Kontaktelemente als zu spröde.

Der Legierungsanteil Nickel beträgt in der Legierung 4,5 % bis 20 ?6 Gewichtsanteile. Bei weniger als 4,5 # Gewichtsanteilen Nickel wird die Vickershärte mit 3OO für praktische Anwendungszwecke zu groß. Darüber hinaus ist die Zugfestigkeit dann so klein , daß es wirtschaftlich schwierig wird, die Kontaktelemente aus der Legierung herzustellen.

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Bei einem Nickelanteil von mehr als 2O # Gewichtsanteilen wird die elektrische Leitfähigkeit der Kontaktelemente so klein, daß der Trennschalter eine zu geringe Strombelastbarkeit hat.

Schließlich sind in der Legierung auch noch 0,1 ^ Gwichtsanteile bis 10 °/ο Gewichtsanteile des zusätlichen Metalles Me enthalten. Weicht der in der Legierung enthaltene Anteil an Me von dem vorer wähnten Mengenbereich ab, dann hat dies zur Folge, daß die Kontaktverschweißungsfestigkeit nicht erzielt wird, daß weiterhin schließlich auch noch die Abschaltleistung verringert wird.

Die Verschlechterung der Kontakteigenschaften für den Fall, daß im Hinblick auf die Legierungsbestandteile die angegebenen Mengen nicht eingehal ten werden, wird mit Tabelle 3 verdeutlicht, in der die Eigenschaften von drei nach dieser Erfin dung hergestellten Legierungen verglichen werden mit einer entsprechend der amerikanischen Beschrei bung hergestellten Legierung und mit zwei Kontroll-Legierungen, bei denen die Legierungsstoffβ und deren Anteile nicht in die angegebenen Mengenberei che fallen«Bei den in dieser Tabelle angegebenen Werte für die Belastungsspannungen und für den Übergangswiderstand handelt es sich um die Minimalwerte und Maximalwerte, die mit einem zehnmaligen Lastwechseln, Einschaltung und Ausschaltung, des Trennschalters erzielt wor den sind. Unter der Verschweißungsfestigkeit wird die Kraft verstanden, die zum Lösen und Trennen der Kontaktelemente aufgebracht werden mußte, nach dem diese mit dem Ziel einer Verschweißung mit einer Kraft von 100 kg und nachträglicher Aufschaltung einer Gleichspannung von 100 Volt zusammengebracht worden waren.

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Tabelle 3

Ausführungsbeispiel

Beispiel Beispiel Beispiel
3

Konventional

Kontroll-Beispiele

Kontrolle 1

Kontrolle 2

Legierungsbe-βtandteile

(% Gewichtsanteile)

	Al	13	.0	10	.6	14.	4	13	.0	3	.2	16	.4
	Ni	9	.0	9	.1	9.	0	-	-	9	.2	9	.0
Me	(Bi)	0	.5	0	.4	0.	3	0	.5	0	.4	0	.3

	Cu	Rest	Rest	Rest	Rest	Rest	Rest
7098	Belastungsspannung (kV)	66 - 68	58-60	64-68	54-58	45-50	57-60
■Ρ«· OO	Vickers-Härte (Hv)	270	270	270	310
/1200	Verschweißungsfestigkeit (kg)	0-10	0-20	1-20	0-5	20-50	10-20 ΐ
	Dehnung (%)	4.8	4.8	4.8	0.8
Zugfestigkeit (kg/mm )	65	65	65	22
elektrische Leitfähigkeit (<ji ICAS)	14	14	14	15

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Die vorerwähnten Beispiele stehen alle für eine Kupfer-Aluminium-Nickel-Me-Legierung. Es ist jedoch möglich, einen Teil des Nickels durch Eisen zu ersetzen. Das hat zur Folge, daß die Belastungsspannung und der Übergangswiderstand in engen Grenzen gehalten werden können. Die Legierung sollte das Eisen in Gewichtsanteilen von Ool % bis 5 % enthalten. Nickel und Eisen müssen zusammen 4.5 °fa bis 20 % Gewichtsanteile der Legierung ausmachen. Mit weniger als 0.1 $ Gewichtsanteilen Eisen werden die Eigenschaften einer guten Belastungsspannung und eines guten Übergangswiderstandes nicht erreicht. Enthält die Legierung mehr als 5 % Gewichtsanteile Eisen, dann ist die Legierung wegen Aufkommens von Seigerungen nur wenig von Nutzen.

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Claims (2)

1. Patentansprüche:-

   dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche metallische Legierungsstoff aus Nickel und mindestens einem Metall (Me) aus der Gruppe Wismut, Tellur, Selen, Antimon und Magnesium besteht; daß die Legierungsstoffe in den nachstehend angeführten Anteilen in der Legierung enthalten sind:-

   Aluminium zwischen 9 »4 % und 15 % Nickel zwischen k,5 % und 20 % Me zwischen 0,1 % und 10 %;

   daß schließlich in der Legierung Alphaphasen-Kupfer (Ou(oc)) und Gammaphasen-Kupfer (CuC*')), die jeweils Nickel enthalten, in feinster Verteilung vorliegen.
2. 2. Vakuum-Trennschalter nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des Nickels durch Eisen ersetzt wird, das in der Legierung in einem Anteil von 0,1 Ίο bis 5 # enthalten ist; daß schließlich der Gesamtanteil von Nickel und Eisen 4,5 # bis 20 i» Gewichtsanteile beträgt.

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   INSPECTED