DE3610242A1 - Kontaktanordnung fuer vakuumschalter mit axialem magnetfeld und verfahren zur herstellung der zugehoerigen kontaktstuecke - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kontaktanordnung für Vakuumschalter mit axialem Magnetfeld, deren Kon­ taktstücke scheibenförmige Kontaktkörper enthalten, wo­ bei die Kontaktkörper auf Kontaktträger aufgelötet sind und Mittel zur Verhinderung von Wirbelströmen aufweisen. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf Verfahren zur Herstellung der zugehörigen Kontaktstücke.

Mit der zunehmenden Verbreitung des Vakuumschaltprinzips im Mittelspannungsbereich wird die Beherrschung höherer Ausschaltströme gefordert. Auch Ströme oberhalb von 40 kA sollen sicher abgeschaltet werden, wobei zugleich angestrebt wird, die Außenabmessungen der Schaltröhre beizubehalten oder zu verkleinern. Es wurde eine Viel­ zahl spezieller Kontaktgeometrien vorgeschlagen, die den Schaltstrom in der Nähe der Kontaktkörper in azimu­ taler Richtung führen. Hierdurch wird während des Schal­ tens zwischen den Kontaktstücken ein axiales Magnetfeld erzeugt, welches einen über die gesamte Kontaktfläche gleichmäßig diffus verteilten Schaltlichtbogen bewirkt.

Bei derartigen Kontaktkonfigurationen mit axialem Magnetfeld tritt generell folgendes Problem auf: Durch die zeitliche Änderung des Stromes in der azimutalen Stromlaufbahn werden in geschlossenen, ringförmigen Kontaktträgerböden, in scheibenförmigen Kontaktkörpern oder auch in Kontaktringen Wirbelströme induziert. Der­ artige Wirbelströme erzeugen Sekundär-Magnetfelder, welche das axiale Magnetfeld in seiner Amplitude schwä­ chen und bezüglich seiner Phasenlage gegenüber dem durch den Schalter fließenden Strom verschieben. Die Phasen­ verschiebung des axialen Magnetfeldes bewirkt aber, daß während und nach dem Nulldurchgang des Stromes ein er­ hebliches axiales Restmagnetfeld erhalten bleibt. Dieses Magnetfeld verhindert das schnelle Abströmen der noch vorhandenen Ladungsträger aus dem Kontaktspalt und be­ günstigt ein unerwünschtes Wiederzünden des Licht­ bogens.

Vom Stand der Technik sind verschiedene Lösungen zur Vermeidung von Wirbelströmen bei Vakuumschaltern mit axialem Magnetfeld bekannt. Beispielsweise ist in der DE-PS 24 43 141 eine Kontaktanordnung beschrieben, bei der vier hakenförmig radial und azimutal verlaufende Stromleiter zur Erzeugung des axialen Magnetfeldes vor­ handen sind und der scheibenförmige Kontaktkörper zur Vermeidung von Wirbelströmen radial geschlitzt ist. Wei­ terhin ist aus der DE-OS 32 31 593 ein Aufbau eines Kon­ taktes aus azimutalen Stromleitern bekannt, die durch eine mehrfache, gleichsinnige Schlitzung eines Topf­ kontaktes gebildet werden, auf den eine mit radialen Schlitzen versehene Kontaktscheibe als Kontaktkörper aufgelötet ist. Darüber hinaus wird in der EP-A-00 55 008 der Verlauf von Stromleitern zur Magnet­ feldausbildung dargestellt, wobei der Strom in der Kon­ taktscheibe vielfach mäanderhaft in der Lichtbogenebene verläuft und der Kontaktkörper durch breite Schlitze in mehrere Teile unterteilt ist.

In der Fachliteratur (beispielsweise "IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems" (1980), Seite 2079 bis 2085) wird ausgeführt, unter welchen Voraussetzungen Schlitze zur Wirbelstromvermeidung in der dem Lichtbogen ausgesetzten Kontaktscheibe benötigt werden, wobei in der Praxis durchweg von der Notwendigkeit der Schlitze ausgegangen wird.

Nachteilig beim Stand der Technik ist, daß wegen der breiten radialen Schlitze in der dem Lichtbogen zuge­ wandten Kontaktoberfläche an deren Kanten bevorzugt Kathodenfußpunkte ansetzen, welche durch thermische Überhitzung zu Neuzündungen führen können. Darüber hinaus kann beim Stand der Technik die Schlitzung der Scheiben nur bis etwa einem Drittel des Kontaktschei­ bendurchmessers erfolgen, um die Stabilität des Kon­ taktkörpers zu erhalten. Wegen der fehlenden Schlitzung im zentralen Bereich der Kontaktstücke bleiben die dort fließenden Wirbelströme voll wirksam.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, Kontaktstücke für Vakuumschalter mit axialem Magnetfeld zu schaffen, bei denen Wirbelströme und damit gekoppelte axiale Rest­ magnetfelder im Stromnulldurchgang verhindert werden, ohne daß störende Schlitze auf der Kontaktfläche des Kontaktkörpers angebracht werden müssen.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Spezielle Ver­ fahren zur Herstellung derartiger Kontakte sind in den Ansprüchen 15 und 16 angegeben.

Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, in Axialfeld- Kontaktsystemen solche Kontaktkörper einzusetzen, die auf der Schaltfläche weitgehend glatt sind, die aber trotzdem Leitfähigkeitssprünge zur Unterdrückung von Wirbelströmen durch radiale Bereiche mit einer gegen­ über dem Kontaktmaterial deutlich geringeren elektri­ schen Leitfähigkeit bewirken. Dabei können vorzugsweise die radialen Bereiche durch Nuten auf der der Schalt­ seite des Kontaktstückes abgewandten Seite gebildet sein. Die radialen Bereiche können auch Diffusionszo­ nen eines die elektrische Leitfähigkeit des Kontakt­ materials mindernden Zusatzes sein. Dabei kann die Diffusion von den Nuten auf der der Schaltseite des Kontaktstückes abgewandten Seite ausgehen.

Vorteilhaft ist bei der Erfindung insbesondere, daß eine für den Lötvorgang der Kontaktscheibe auf den Kontaktstückträger ausreichende mechanische Stabilität gewährleistet ist. Durch die glatte Kontaktfläche des Kontaktkörpers werden die Schalteigenschaften des Kontaktstückes nicht verändert.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen.

Es zeigen

Fig. 1 eine Kontaktanordnung für ein Vakuumschaltge­ rät mit axialem Magnetfeld in Schnittdarstellung,

Fig. 2 bis Fig. 4 verschiedene Ausführungsformen der zugehörigen Kontaktkörper in perspektivischer Darstel­ lung und

Fig. 5 weitere Möglichkeiten der Querschnittsform für die Nuten auf der Unterseite der Kontaktkörper.

In Fig. 1 besteht ein Kontaktstück 1 eines Vakuumschal­ ters aus einem topfartigen Kontaktträger 2 mit schräg umlaufender der Schlitzung 3. Das Gegenkontaktstück 1′ weist in dem entsprechenden Kontaktträger 3′ eine gleichsinnige Schlitzung 3′ in Achsrichtung auf, so daß insgesamt aufgrund des Stromflusses ein axiales Magnet­ feld erzeugt wird. Zum Kontaktträger 2 bzw. 2′ ist ein Kontaktbolzen 4 bzw. 4′ aus Kupfer od.dgl. geführt. Im Kontaktträger 2 bzw. 2′ ist ein Stützkörper 5 bzw. 5′ aus elektrisch schlecht leitenden Material, beispiels­ weise Chrom/Nickel-Stahl in Doppel-T-Form, eingefügt.

Auf dieser Anordnung befindet sich jeweils ein schei­ benförmiger Kontaktkörper 10 bzw. 10′ aus geeignetem Kontaktmaterial, beispielsweise einem CuCr-Werkstoff mit 50% Cr. Beim Stand der Technik besteht das Kontakt­ körper üblicherweise aus einer Scheibe, in die vom Um­ fang ausgehend radial bis etwa zwei Drittel zum Mittel­ punkt Schlitze eingebracht sind. Das Zentrum der Scheibe kann dabei nicht geschlitzt werden, um eine hinreichende Stabilität zu gewährleisten.

In Fig. 2 ist der Kontaktkörper 10 mit seiner Schaltsei­ te 11 und seiner Rückseite 12 dargestellt. Es ist er­ sichtlich, daß sich durch radiale, von der Rückseite her eingefräste Nuten 15 Stege geringerer elektrischer Leitfähigkeit erzeugen lassen. Dabei kann der Keilwin­ kel α beispielsweise 10 bis 90° betragen. Die Keiltiefe wird so bemessen, daß die Scheibe 10 noch genügende mechanische Stabilität für den Lötvorgang auf dem Kon­ taktträger 2 bzw. 2′ und Stützkörper 5 bzw. 5′behält. Dabei ist der Kontaktkörper 10 zweckmäßigerweise azimu­ tal derart orientiert, daß die durch die Nuten 15 de­ finierten radialen Bereiche der Schlitzung 3 bzw. 3′ der Kontaktträger 2 bzw. 2′ gemäß Fig. 1 entsprechend zugeordnet sind.

Bei einer solchen Ausbildung eines Kontaktkörpers mit Nuten 15 läßt sich zeigen, daß sich eine begrenzte Wirk­ tiefe des elektrischen Stromes aufgrund des Skin-Effek­ tes ergibt und damit eine Unterdrückung unerwünschter Wirbelströme gewährleistet ist.

In Fig. 3 sind in einem Kontaktkörper 20 mit Schaltseite 21 und Rückseite 22 durch lokale Diffusion geeigneter Komponenten sternförmige Bereiche geringerer elektri­ scher Leitfähigkeit als die des Grundmaterials erzeugt. Als Komponenten für die Diffusionszonen haben sich speziell für einen CuCr-Kontaktwerkstoff beispielsweise Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), Titan (Ti) oder Aluminium (Al), also Komponenten die mit Kupfer einen Mischkristall bilden und damit die elektrische Leit­ fähigkeit wirksam herabsetzen, bewährt.

Zur Herstellung der sternförmigen Bereiche 25 werden zweckmäßigerweise die Diffusionszonen durch Masken be­ grenzt. Die Diffusion wird vorzugsweise von der Rück­ seite 22 des Kontaktstückes 20 her erfolgen. Sie kann aber auch von der Kontaktseite 21 durchgeführt werden, sofern die Kontakteigenschaften nicht verschlechtert werden. Die Diffusionstiefe erstreckt sich dabei bei­ spielsweise über die Hälfte der gesamten Dicke d der Scheibe 20; sie kann aber auch wie in Fig. 3 angedeutet über die gesamte Dicke d der Scheibe 20 erfolgen.

In Fig. 4 sind in einen Kontaktkörper 30 mit Schaltsei­ te 31 und Rückseite 32 vier radialsymmetrische Berei­ che 35 mit parallelen Begrenzungen durch Diffusion über die gesamte Dicke d des Kontaktstückes 30 erzeugt. Die Eindiffusion der Zusätze erfolgt linear von beiden Seiten mittels Masken. Dabei verläuft jede einzelne Diffusionszone 35 ausgehend vom Umfang des Kontakt­ stückes 30 soweit zum Mittelpunkt, beispielsweise bis etwa zwei Drittel des Scheibenradius, daß ein innerer Zentralbereich 36 hoher elektrischer Leitfähigkeit erhalten bleibt.

Das Belassen mit unverändertem Kontaktmaterial ent­ weder der Kontaktstücke 10 und 20 zur gesamten Schalt­ seite 11 bzw. 21 hin oder des Kontaktstückes 30 zum Zentralbereich 36 hin gewährleistet die gewünschte Lichtbogenverteilung beim Schaltvorgang.

In weiteren Ausführungsformen der Erfindung ist es auch möglich, ein Kontaktstück in der Kombination von Fig. 2 und Fig. 3 bzw. Fig. 4 aufzubauen. Dabei werden zuerst von der Rückseite her in das Kontaktstück Nuten eingebracht und von der Grundfläche der Nuten die Diffusion eines leitfähigkeitsmindernden Zusatzes bewirkt.

In Fig. 5 ist gezeigt, daß die Nuten 15 nach Fig. 2 in ihrem Querschnitt auch ein Halbrundprofil 16, ein Rechteckprofil 17 oder ein Trapezprofil 18 haben kön­ nen. Auch andere Formen sind denkbar. Dabei können die Nuten 16 bis 18 vorteilhaft Ausgangspunkt von Diffusionszonen 25 gemäß Fig. 3 sein.

Die Erfindung wurde vorstehend am Basiswerkstoff CuCr als Kontaktmaterial beschrieben. Auch mit anderen Kontaktwerkstoff-Systemen sind Kontakte gemäß der Er­ findung herstellbar.

Claims (16)

1. Kontaktanordnung für Vakuumschalter mit axialem Magnetfeld, deren Kontaktstücke scheibenförmige Kon­ taktkörper enthalten, wobei die Kontaktkörper auf Kon­ taktträger aufgelötet sind und Mittel zur Verminderung von Wirbelströmen aufweisen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kontaktkörper (10, 20, 30) radiale Bereiche (15, 25, 35) aufweist, die eine gegenüber dem Grundmaterial deutlich geringere elektri­ sche Leitfähigkeit besitzen.

2. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Bereiche (15, 25, 35) schmal gegenüber den dazwischenliegenden Kreissegmenten aus Grundmaterial sind.

3. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest vier, vorzugsweise aber mehr als vier, radiale Bereiche kreissymmetrisch im Kontaktstück (10, 20, 30) ver­ teilt sind.

4. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Bereiche durch Nuten (15) auf der der Schaltfläche (11) des Kontaktstückes (10) abgewandten Seite (12) gebildet sind.

5. Kontaktanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten in ihrem Querschnitt ein Dreieck- (15), Viereck- (17, 18) oder Halbrundprofil (16) aufweisen.

6. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Bereiche (25, 35) Diffusionszonen von Zusätzen im Grundmaterial der Kontaktkörper sind, welche aufgrund von Misch­ kristallbildung die elektrische Leitfähigkeit des Grundmaterials mindern.

7. Kontaktanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusätze von der der Schaltseite (21) des Kontaktkörpers (20) gegen­ überliegenden Seite (22) ausgehend eindiffundiert sind und die Diffusionstiefe mindestens 50% der Dicke (d) des Kontaktkörpers (20) ist.

8. Kontaktanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Diffusions­ zonen (25) über die gesamte Dicke (d) des Kontaktkörpers (30) erstrecken.

9. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Bereiche (35) ausgehend vom Umfang des Kontaktkörpers (30) so weit verlaufen, daß ein Zentralbereich (36) hoher elektrischer Leitfähigkeit erhalten bleibt.

10. Kontaktanordnung nach Anspruch 4 und Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Bereiche durch Nuten (15) auf der der Schalt­ seite des Kontaktkörpers gegenüberliegenden Seite sowie das von diesen ausgehenden Diffusionszonen (25) gebildet sind.

11. Kontaktanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionszonen (25) ausgehend vom Boden der Nut (15) mindestens 50% der verbleibenden Dicke des Kontaktkörpers erreichen.

12. Kontaktanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionszonen über die gesamte verbleibende Dicke des Kontaktkörpers verlaufen.

13. Kontaktanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmaterial aus einem CuCr-Basiswerkstoff mit einem Cr-Massengehalt von 30 bis 60%, vorzugsweise 50%, besteht.

14. Kontaktanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der die elektrische Leitfähigkeit des Grundmaterials mindernde Zusatz eines der Elemente Fe, Ni, Co, Al, Ti, Zr, Sb, Sn, Si oder eine Kombination dieser Elemente ist.

15. Verfahren zum Herstellen von Kontaktstücken für eine Kontaktanordnung nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 6 bis 14, bei dem die radialen Bereiche verminderter elektrischer Leitfähigkeit im Kontaktkör­ per durch Diffusion von die elektrische Leitfähigkeit mindernden Zusätzen erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung defi­ nierter Diffusionszonen Masken verwendet werden.

16. Verfahren zum Herstellen von Kontaktstücken für eine Kontaktanordnung nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 10 bis 14, bei dem die radialen Bereiche verminderter elektrischer Leitfähigkeit im Kontaktkör­ per durch Diffusion von die elektrische Leitfähigkeit des Grundmaterials mindernden Zusätzen erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Diffusion die leitfähigkeitsmindernden Zusätze in Nuten auf der Rückseite der Kontaktkörper eingebracht werden.