EP0238967A1 - Kontaktanordnung für Vakuumschalter mit axialem Magnetfeld und Verfahren zur Herstellung der zugehörigen Kontaktstücke - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf eine Kontaktanordnung für Vakuumschalter mit axialem Magnetfeld, deren Kontaktstücke scheibenförmige Kontaktkörper enthalten, wobei die Kontaktkörper auf Kontaktträger aufgelötet sind und Mittel zur Verminderung 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 Vielzahl spezieller Kontaktgeometrien vorgeschlagen, die den Schaltstrom in der Nähe der Kontaktkörper in azimutaler Richtung führen. Hierdurch wird während des Schaltens zwischen den Kontaktstücken ein axiales Magnetfeld erzeugt und so ein 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 Kontakt trägerböden, in scheibenförmigen Kontaktkörpern oder auch in Kontaktringen Wirbelströme induziert. Derartige Wirbelströme erzeugen Sekundär-Magnetfelder, welche das axiale Magnetfeld in der Amplitude schwächen und bezüglich seiner Phasenlage gegenüber dem durch den Schalter fließenden Strom verschieben. Die Phasenverschiebung des axialen Magnetfeldes bewirkt aber, daß während und nach dem Nulldurchgang des Stromes ein erhebliches axiales Restmagnetfeld erhalten bleibt. Dieses Magnetfeld verhindert das schnelle Abströmen der noch vorhandenen Ladungsträger aus dem Kontaktspalt und begünstigt ein unerwünschtes Wiederzünden des Lichtbogens.
- 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 vorhanden sind und der scheibenförmige Kontaktkörper zur Vermeidung von Wirbelströmen radial geschlitzt ist. Weiterhin ist aus der DE-OS 32 31 593 ein Aufbau eines Kontaktes aus azimutalen Stromleitern bekannt, die durch eine mehrfache, gleichsinnige Schlitzung eines Topfkontaktes 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 Magnetfeldausbildung dargestellt, wobei der Strom in der Kontaktscheibe 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 erforderlich sind, wobei in der Praxis durchweg von der Notwendigkeit solcher Schlitze ausgegangen wird.
- Nachteilig beim Stand der Technik ist, daß wegen der breiten radialen Schlitze in der dem Lichtbogen zugewandten 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 Kontaktscheibendurchmessers erfolgen, um die Stabilität des Kontaktkörpers zu erhalten. Wegen der fehlenden Schlitzung im zentralen Bereich der Kontaktscheiben bleiben die dort fließenden Winkelströme voll wirksam.
- Aufgabe der Erfindung ist es daher, Kontakte für Vakuumschalter mit axialem Magnetfeld zu schaffen, bei denen Wirbelströme und damit gekoppelte axiale Restmagnetfelder im Stromnulldurchgang weitgehend 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 Verfahren zur Herstellung der zugehörigen Kontaktstücke sind in den Ansprüchen 15 bis 17 angegeben.
- Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, in Axialfeld-Kontaktsystemen solche Kontaktkörper einzusetzen, welche die angestrebte Verminderung der Wirbelströme dadurch bewirken, daß mehrere Einzelelemente auf dem Kontaktträger derart angebracht sind, so daß sie durch die Stoßstellen Leitfähigkeitssprünge definieren. Vor teilhaft ist dabei, daß in der Kontaktfläche selbst an den Stoßstellen nur dünne Spalte vorhanden sind, die bis ins Zentrum der Scheibe durchlaufen können und die gegenüber den vorbekannten Schlitzen die gleiche oder sogar eine bessere Wirkung gewährleisten. Vorzugsweise ist die gesamte Kontaktscheibe aus mehreren gleichartigen kreissektorförmigen Scheibensegmenten zusammengesetzt, die auf dem Kontaktträger, der das Axialfeld erzeugt, aufgelötet sind. Durch eine Abschrägung der radial verlaufenden Kanten der Einzelelemente kann dabei rückseitig ein keilförmiger Querschnitt der radialen Stoßstellen gebildet sein.
- Im Rahmen der Erfindung werden unterschiedliche Herstellungsverfahren für die Kontaktstücke vorgeschlagen: Beispielsweise lassen sich die einzelnen Segmente durch spanende oder spanlose Formung fertigen. Durch ein besonders angepaßtes Lichtbogenumschmelzverfahren von CuCr-Kontaktmaterial und nachfolgender Umformung lassen sich aus kreiszylindrischen Rohlingen Segmente mit kreissektorförmigen Querschnitt herstellen. Dabei können im einzelnen Segment zusätzliche Leitfähigkeitssprünge durch ringartig angeordnete, chromhaltige Adern erreicht werden. Derartige Adern bewirken in Ergänzung zum keilförmigen Stoß zwischen den einzelnen Segmenten eine weitere Verringerung der Wirbelströme. Es ist aber auch möglich, die konzentrischen Chromadern im Rohling derart auszunutzen, daß sie nach dem Auftrennen in Kreissektorsegmente zusammen mit den Segmentkanten im Einzelelement trapezartige Ringabschnitte bilden.
- Durch Hinzufügen von Eisen (Fe) bzw. Aluminium (Al) als weitere Komponenten zum Kontaktmaterial lassen sich auch gezielt Entmischungen von Fe bzw. Al zum Rand des Rohlinges hin erzeugen, die bei den aus den Einzelelementen zusammengesetzten Scheiben ebenfalls Leitfähig keitssprünge bewirken. Dafür können CuCr-Rohlinge auch speziell in einem Eisenrohr durch Vorwärtsfließpressen umgeformt werden, so daß eine Eisenhaut am Umfang des Halbzeuges für die kreissektorförmigen Segmente erzeugt wird. Weiterhin kann der CuCr-Rohling vor der Umformung gezielt mit elektrisch schlecht leitfähigen Werkstoffen (beispielsweise Fe, Ni, Co, Ti) beschichtet werden, so daß verstärkte Leitfähigkeitssprünge zwischen den Segmenten entstehen.
- Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen
- FIG 1 eine Kontaktanordnung für ein Vakuumschaltgerät mit axialem Magnetfeld in Schnittdarstellung,
- FIG 2 eine Draufsicht auf einen segmentierten Kontaktkörper zur Verwendung bei FIG 1,
- FIG 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in FIG 2,
- FIG 4 einen Querschnitt eines zylinderförmigen Rohlings aus Kupfer-Chrom-Schmelzwerkstoff,
- FIG 5 ein daraus mit sechs kreissegmentartigen Einzelelementen gefertigten Kontaktkörper und
- FIG 6 ein aus dem Rohling gemäß FIG 4 durch Umformen hergestelltes kreissegmentartiges Einzelelement.
- In FIG 1 besteht ein Kontaktstück 1 eines Vakuumschalters aus einem topfartigen Kontaktträger 2 mit schräg umlaufender Schlitzung 3. Das Gegenkontaktstück 1′ weist in dem entsprechenden Kontaktträger 2′ eine gegenüber der Schlitzung 3 gleichsinnige Schlitzung 3′ in Achsrichtung auf, so daß durch den Stromfluß ein axiales Magnetfeld entsteht. 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 leitendem Material, beibeispielsweise Chrom/Nickel-Stahl in Doppel-T-Form, eingefügt.
- Auf dieser Anordnung befindet sich beispielsweise eine Kontaktscheibe 10 bzw. 10′ aus geeignetem Kontaktmaterial, beispielsweise einem CuCr-Werkstoff mit 50 % Cr. Beim Stand der Technik besteht der Kontaktkörper üblicherweise aus einer Scheibe, in die vom Umfang ausgehend, radial soweit wie möglich zum Mittelpunkt verlaufend Schlitze eingebracht sind. Das Zentrum der Scheibe 10 kann nicht geschlitzt werden, um eine hinreichende Stabilität des gesamten Kontaktstückes zu gewährleisten.
- Aus FIG 2 ist ersichtlich, daß der Kontaktkörper 10 aus sechs gleichartigen Einzelelementen 11 besteht, welche jeweils eine kreissektorförmige Grundfläche mit radialen Kanten 12 und 13 und Kreissegmentumfang 14 haben, wobei die Kanten 12 und 13 einen Mittelpunktswinkel von 60 ° einschließen. Die sechs Einzelelemente 11 sind derart zusammengefügt, daß sie insgesamt eine Kreisscheibe bilden, wobei zwei Kanten 12 und 13 jeweils parallel verlaufen und radiale Stoßstellen 25 bilden. Die Scheibe ist zweckmäßigerweise azimutal derart orientiert und auf dem geschlitzten Kontaktträger 2 aufgelötet, daß die radialen Stoßstellen 25 der Schlitzung 3 bzw. 3′ entsprechend zugeordnet sind.
- Die einzelnen Segmente 11 können durch spanende oder spanlose Formung hergestellt werden. Die Segmente 11 sind an den radial verlaufenden Kanten 12 und 13 gemäß FIG 3 vorteilhafterweise abgeschrägt, wobei die Schrägung jeder Kante 13 und 15 zur Senkrechten zwischen 5 und 45°, beispielsweise bei 15°, liegen kann. Durch das Zusammenfügen zweier Segmente 11 mit entsprechenden Abschrägungen entsteht dadurch ein zur Kontaktrückseite offener Keil von beispielsweise etwa 30°. Der Keilwinkel α zwischen zwei benachbarten Segmenten 11, kann zwischen 10 und 90° liegen. Es sind auch Keilformen mit Halbrund- oder Viereckprofil möglich.
- Beim Auflöten der Segmente 11 auf den Kontaktträger 1 bzw. den Stützkörper 5 gemäß FIG 1 füllt das Lot, das zum Auflöten der Segmente benötigt wird, die Trennfugen zwischen den Segmenten 11 nicht aus. Es ist zwar auf der Oberfläche des Kontaktkörpers 10 eine durchgehende Fläche gebildet, aber gleichzeitig durch die rückseitigen Keile 15 ein hinreichender Leitfähigkeitssprung gewährleistet.
- Durch besondere Herstellungsverfahren der Kreissegmente lassen sich die Leitfähigkeitsprünge an den Stoßstellen noch verstärken, was anhand FIG 4 bis FIG 6 erläutert wird:
- Bei Verwendung von CuCr-Schmelzwerkstoffen kann ein zylinderförmiger Rohling 100 im Lichtbogen-Umschmelzverfahren hergestellt werden. Das metallographisches Querschnittsbild eines solchen Rohlings 100 zeigt, daß konzentrische Chromadern 105 bis 107 vorliegen, die im Normalfall zur Herstellung möglichst homogenen Kontaktwerkstoffen eher unerwünscht sind. Die Chromadern 105 bis 107 sind in den Figuren 4 bis 6 durch Strichlierung dargestellt. Sie ergeben sich aber in der Praxis weniger deutlich und auch ungleichmäßig.
- Durch Auftrennen in Segmente mit kreissektorförmigen Querschnitt und Zusammensetzen der Segmente zu einer Kreisscheibe lassen sich solche Kontaktkörper 110 fertigen, bei denen im Einzelelement 111 jeweils sich radial verjüngende trapezartige Ringbereiche vorlieliegen, die von den konzentrischen Chromadern 105 bis 107 einerseits und den radialen Stoßfugen 125 der Segmentkanten 112 und 113 andererseits begrenzt werden. Eine solche Struktur kann in optimaler Weise zur Lokalisierung der induzierten Ströme IR und damit Kompensierung der unerwünschten Wirbelströme dienen.
- Alternativ zu FIG 5 lassen sich durch eine Umformung des kreiszylinderförmigen Rohlings 100 zu einem Halbzeug mit kreissektorförmigen Querschnitt Einzelsegmente 211 mit ringartig angeordneten, chromhaltigen Adern 205 bis 207 herstellen, was in FIG 6 angedeutet ist. Sechs Einzelsegmente 211 bilden den gesamten scheibenförmigen Kontaktkörper 210. Insbesondere durch den Ring 205 am Umfang des Segmentes 211 kann somit zusammen mit einem ggfs. keilförmigen Stoß 225 zwischen den Einzelsegmenten 211 die Ausbildung von Wirbelströmen hinreichend reduziert werden.
- Auch bei stumpfen Stoß zwischen Einzelsegmenten, d.h. ohne keilförmigen Spalt, können bereits die Wirbelströme erheblich reduziert werden, da die beim Schaltvorgang überschmolzenen Stoßkanten durch Erstarrungsschwindung Risse zeigen. Diese erwünschte Rißbildung baut außerdem Schrumpfspannungen in der Kontaktscheibe ab, die anderenfalls zu Verwerfungen in der Kontaktfläche führen können. Als zusätzlicher Vorteil speziell eines umgeformten Kontaktmaterials ergibt sich, daß aufgrund der Verformung des Werkstoff-Rohlings in Achsrichtung in dem aus den Einzelsegmenten 211 zusammengesetzten Kontaktkörper 210 axial ausgerichtete Cr-Dendrite vorhanden sind, die eine besonders hohe Abbrandfestigkeit und damit eine erhöhte thermische Belastbarkeit im Schaltlichtbogen sicherstellen.
- Durch Zusatz von Eisen (Fe) und/oder Aluminium (Al) zur CrCu-Legierung läßt sich beim Lichtbogenumschmelzen sogar eine gezielte Entmischung von Fe bzw. Al am Rand des Rohlings erreichen. Diese Zone wirkt nach der Umformung des Rohlinges zum Halbzeug mit kreissektorförmigen Querschnitt für die Einzelsegmente ähnlich wie eine Chrom-Ader, bewirkt aber in viel stärkerem Maße einen elektrischen Leitfähigkeitssprung. Insbesondere solche Segmente können stumpf aneinander gesetzt und mit dem Kontaktträger 2 und Stützkörper 5 verlötet werden.
- Speziell bei letzterer Ausführungsform kann also wegen der wesentlich schlechteren Leitfähigkeit des Eisens oder des Aluminiums auf die Keilform an der Kontaktkörperrückseite gemäß FIG 3 verzichtet werden.
- In einem abgewandelten Herstellungsverfahren kann ein CuCr-Rohling in einem Eisenrohr durch Vollvorwärtsfließpressen zu kreissektorförmigem Halbzeug umgeformt werden. Die daraus abgetrennten Segmente haben herstellungsbedingt eine schlecht leitfähige Eisenhaut, welche ebenfalls im Sinne obiger Ausführungen vorteilhaft als Leitfähigkeitssprung genutzt werden können. Die gleiche Wirkung kann durch Beschichtung der Rohlinge bzw. Halbzeug mit schlecht leitfähigen Materialien, beispielsweise Eisen (Fe), Nickel (Ni), Kobalt (Co) oder Titan (Ti) erzielt werden. Letzteres kann bei Segmenten ohne Umformung gemäß FIG 5 oder auch bei Segmenten mit Umformung gemäß FIG 6 erfolgen.
- Die Erfindung wurde vorstehend an einem CuCr-Basiswerkstoff mit einem Massengehalt von 30 bis 60 % Chrom als Kontaktmaterial beschrieben. Auch mit aus anderen Werkstoff-Systemen, beispielsweise auf CuW- oder CuMo-Basis, sind Kontakte gemäß der Erfindung herstellbar.
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