EP4059035B1

EP4059035B1 - Vakuumleistungsschalter mit verschweissbar ausgestalteten kupferschaltkontakten

Info

Publication number: EP4059035B1
Application number: EP20816117.4A
Authority: EP
Inventors: Thomas Chyla
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2019-12-17
Filing date: 2020-11-17
Publication date: 2023-11-08
Anticipated expiration: 2040-11-17
Also published as: WO2021121832A1; CN114830280A; US20230017027A1; EP4059035A1; DE102019219879A1; EP4059035C0; DE102019219879B4

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Schaltkontaktanordnung für einen Vakuumleistungsschalter, wobei das Verfahren mindestens die Schritte umfasst: a) Bereitstellen zweier elektrischer Kontaktstücke aus Kupfer oder einer Kupferlegierung; b) Beschichten der elektrischen Kontaktstücke mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, wobei die Beschichtung der Kontaktstückes über ein Kaltgassprühverfahren erfolgt; c) Verschweißen der im Verfahrensschritt b) beschichteten Seite mit jeweils einen Stromübergangskontakt; und d) Anordnen der im Verfahrensschritt b) erhaltenen Einheiten innerhalb des Vakuumleistungsschalter. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine elektrische Schaltkontaktanordnung für einen Vakuumleistungsschalter mit den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kontaktstücken.
Die sichere und wartungsarme Kontrolle hoher Ströme oder hoher Spannungen ist heutzutage umso wichtiger, da im Zuge der Energiewende die Distanzen zwischen dem Ort der Erzeugung und dem Ort des Verbrauches der elektrischen Energie immer größer werden. Dadurch bedingt werden immer größere Strommengen über die bestehende Infrastruktur geleitet, welches sich im besonderen Maße auf die Störanfälligkeit des gesamten Systems auswirkt. Um dieser Situation gerecht zu werden, sind sicherere und wartungsärmere Einzelkomponenten eine Grundvoraussetzung.
Vakuum-Leistungsschalter zum Schalten mittlerer und hoher Spannungen gehören schon seit langem zum Stand der Technik. Diese Bauform ist robust und hat sich insbesondere für die Aufnahme hoher Ströme bewährt. Nachteilig hingegen ist jedoch, dass sich für die Schaltkontakte aufgrund der Aufnahme hoher Ausschaltströme und den damit verbundenen hohen Kräften des auftretenden Lichtbogenplasmas, sich nur bestimmte Materialen eignen. Aus diesen konstruktiven Randbedingungen ergeben sich gerade für diese, auf dem direkten Schaltweg des Stromes liegende Bauteile, eine nur sehr eingeschränkte Materialauswahl und dementsprechend nur eingeschränkte Herstellmöglichkeiten. So werden beispielsweise die Kontaktbolzen einer Vakuum-Schaltröhre aufgrund der thermischen und elektrischen Eigenschaften bevorzugt aus Kupfer oder Kupferlegierungen gefertigt, welche dann mechanisch nur sehr eingeschränkt über ein Verschrauben oder ein Verklemmen mit weiteren Bestandteilen des Vakuum-Leistungsschalters verbunden werden können. Diese rein mechanischen Befestigungsmöglichkeiten können umständlich und störanfällig sein.
Auch in der Patentliteratur werden unterschiedliche Ansätze zur Verbesserung des Aufbaus der elektrischen Kontakte von Vakuum-Leistungsschaltern behandelt.
So beschreibt beispielsweise die EP 0 203 367 A1 eine Kontaktanordnung für Vakuumschalter, mit zwei koaxial einander gegenüber angeordneten und in ihrer Achsrichtung relativ zueinander verschiebbaren Kontakten, die je aus einem - scheibenförmigen Kontaktstück mit Kontaktfläche und einer dahinter mit Abstand liegenden Scheibe aus elektrisch gut leitendem Material bestehen, welche letztere direkt mit dem zentralen Strom- zuführungsbolzen verbunden sind und durch ihre Formgebung mit kreisförmigen Aussparungen und Schlitzen radial und azimutal verlaufende Stromleiter und dadurch Mittel zur Erzeugung von axialen Magnetfeldern realisieren, wobei -der Strom vom Stromzuführungsbolzen über die Stromleiter der Scheibe zum Kontaktstück geführt wird, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) Die Schlitze laufen vom Umfang der Scheibe ausgehend tangential an die kreisförmigen Aussparungen, b) von den Schlitzen und den Aussparungen werden jeweils Stege zur Stromführung zwischen Scheibe und Kontaktstück begrenzt, c) die einander gegenüber angeordneten Kontakte sind azimutal derart orientiert, dass die kreisförmigen Aussparungen der beiden gegenüberliegenden Scheiben in Achsrichtung deckungsgleich sind, die zugehörigen tangentialen Schlitze dagegen nur am Außendurchmesser der Scheiben einander gegenüberstehen.
Des Weiteren offenbart die DE 3 347 550 A1 einen Verbundwerkstoff aus Chrom und Kupfer, insbesondere für elektrische Kontaktstücke in Vakuumschaltern für mittlere bis hohe Spannungen der Energietechnik, wobei der Werkstoff aus einem mit Kupfer oder Kupfer-Legierungen getränkten Chromgerüst besteht, wobei der Werkstoff Kohlenstoff enthält, der teilweise in Form von freiem Graphit und teilweise in gebundener Form von Metallcarbiden vorliegt, wozu das Chromgerüst zusätzlich einen Gehalt eines oder mehrerer der Metalle Nickel, Kobalt oder Eisen in einer Menge von 0,05 bis 2 Masseanteilen in % hat.
Die EP 1 831 903 B1 offenbart eine Vakuumschaltkammer mit einem ersten und einem zweiten Kontaktstück zum Schalten eines im geschlossenen Schaltzustand durch die Vakuumschaltkammer fließenden elektrischen Stromes und mit mindestens einem ein Arbeitsmedium beinhaltendem Wärmerohr zum Abführen von durch den elektrischen Strom in der Vakuumschaltkammer entstehender Wärme, wobei das Wärmerohr einen als Verdampfer bezeichneten Abschnitt und einen als Kondensator bezeichneten Abschnitt des Wärmerohres umfasst, wobei das Wärmerohr einen flexibel verformbaren Abschnitt aufweist.
Weiterhin beschreiben die EP 0521274 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Kontaktmaterials für Leistungsschalter, die GB 1214697 A beschreibt eine heterogene Metallverbindung als Kontaktmaterial für Vakuumröhrenschalter, die DE 102013204775 A1 beschreibt ein Verfahren zum Erzeugen eines Bauteils einer Vakuumschaltröhre mit einer Schicht eines Lotwerkstoffs, und die WO 2006/032522 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer abbrandfesten Beschichtung sowie eine entsprechende Schirmung für Vakuumschaltkammern.
Derartige aus dem Stand der Technik bekannte Lösungen zur Verbesserung der elektrischen und mechanischen Eigenschaften der elektrischen Kontakte von Vakuum-Leistungsschaltern können jedoch noch weiteres Verbesserungspotential bieten, insbesondere hinsichtlich der mechanischen und elektrischen Anbindung der Kontaktstücke an die weiteren Komponenten der Vakuum-Schaltkammer.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Es ist insbesondere die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, welche sich durch eine besonders vorteilhafte mechanische und elektrische Anbindung der elektrischen Kontaktstücke an den weiteren Aufbau einer Vakuumschaltkammer auszeichnet.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß zumindest zum Teil durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie durch eine elektrische Kontaktanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 7.
Die vorliegende Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Schaltkontaktanordnung für einen Vakuumleistungsschalter umfassend zwei miteinander kontaktierbare elektrische Kontaktstücke, wobei das Verfahren mindestens die Schritte umfasst:

a) Bereitstellen zweier elektrischer Kontaktstücke aus Kupfer oder einer Kupferlegierung;
b) Beschichten jeweils mindestens einer Seite der elektrischen Kontaktstücke mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, wobei die Beschichtung der Kontaktstückes über ein Kaltgassprühverfahren erfolgt und mindestens eine beschichtete Seite der Kontaktseite der beiden Kontaktstücke gegenüberliegt;
c) Verschweißen der im Verfahrensschritt b) mit Aluminium beschichteten Seite der Kontaktstücke mit jeweils einen Stromübergangskontakt;
d) Anordnen der im Verfahrensschritt b) erhaltenen Einheiten aus Kontaktstück und Stromübergangskontakt innerhalb des Vakuumleistungsschalter.

Überraschenderweise wurde gefunden, dass eine mechanische Anbindung der Kontaktstücke über eine Schicht aus kaltgasgesprühtem Aluminium an die weiteren Bauteile von VakuumSchaltkammern zu besonders langlebigen und wartungsarmen Vakuum-Schaltkammern führt. Die bisher aus dem Stand der Technik bekannten Verklemmungen oder Verschraubungen sind somit überflüssig und vorteilhafterweise ergeben sich durch die Anbindung über Verschweißen elektrisch homogenere Kontaktstellen zwischen Kontaktstück und Stromableiter. Das Abführen hoher Spannungen oder hoher Ströme erfolgt in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung über eine homogene Anbindung des Kontaktstück an den Stromableiter, so dass die auftretenden elektrischen und magnetischen Felder homogen abgeleitet werden können. Dies ist in aus dem Stand der Technik bekannten Ausgestaltungen schwieriger, in denen die Kontaktstücke nicht symmetrisch an die Stromableiter angebunden sind. Dadurch kann sich immer eine Vorzugsrichtung in der Ableitung der Ströme ergeben, welches zu einem erhöhten Verschleiß bestimmter Bereiche des Kontaktstückes führen kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die kaltgasgesprühte Aluminiumschicht sehr dicht ist, so dass auch im Betrieb das Vakuum der Vakuum-Schaltröhre über lange Standzeiten garantiert werden kann. Die Anbindung des Kontaktstückes über ein Verschweißen mit dem Stromableiter ist mechanisch im hohen Maße belastbar, so dass die ausfallsicheren Standzeiten der Vakuum-Schaltröhre verlängert werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Schaltkontaktanordnung für einen Vakuumleistungsschalter umfassend zwei miteinander kontaktierbare elektrische Kontaktstücke. Vakuumschaltröhren bestehen in der Regel aus einem zylinderförmigen, evakuierten, isolierenden Keramikgehäuse, in welchen sich zwei Schaltkontakte befinden. Einer der beiden Schaltkontakte ist fest, wohingegen der andere Schaltkontakt beweglich angeordnet ist. Die Enden des Keramikgehäuses sind an den Stirnflächen metallisiert und mit metallischen Flanschen verlötet. Um die Bewegung des beweglichen Kontakts von außen ins Innere der Vakuumkammer zu übertragen, ist dieser über einen Metallfaltenbalg mit dem Gehäuse verbunden. Damit sich während eines Schaltvorgangs kein verdampfendes Kontaktmaterial auf der inneren Oberfläche der Keramik anlagern und so die Isolation schwächen kann, ist im Bereich der Kontakte ein Metalldampfschirm aus Kupfer oder Edelstahl angebracht. Je nach Ausführungsvariante kann der Metalldampfschirm potentialfrei oder mit einem der Kontakte verbunden sein. Der Metallfaltenbalg kann ebenfalls zum Schutz mit einer Kappe versehen sein. Um dielektrische Probleme am Übergang von der Keramik zum metallischen Endflansch zu vermeiden, können entsprechende Abschirmungen integriert sein. Die beiden Kontaktstücke bilden Teile der Schaltkontaktanordnung und können sich je nach Abstand der beiden Kontaktstücke kontaktieren oder nicht. Zu der Schaltkontaktanordnung können auch noch die Stromableiter gezählt werden, welche die durch die Kontaktstücke geleiteten Ströme weiterleiten.
Im Verfahrensschritt a) erfolgt das Bereitstellen zweier elektrischer Kontaktstücke aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Die elektrischen Kontaktstücke bestehen dabei ganz aus Kupfer oder können auch Kupferlegierungen umfassen. Als geeignet haben sich beispielsweise auch Legierungen aus Kupfer und Chrom mit einem Chromanteil von beispielsweise 25-50% erwiesen. Erfindungsgemäß ist es prinzipiell möglich, dass nur ein Kontaktstück mit der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung ausgerüstet wird. Es hat sich aber als deutlich effizienter erwiesen, dass beide Kontaktstücke der Vakuum-Schaltröhre erfindungsgemäß mit einer Aluminiumbeschichtung ausgerüstet werden. Die Kontaktstücke können dabei jedwede Geometrie aufweisen. Als besonders günstig haben sich aber zylindrische Geometrien herausgestellt, die jeweils zwei Stirnseiten und eine Mantelfläche aufweisen. Die eine Stirnseite ist im Betrieb der Vakuum-Schaltröhre für die mechanische und elektrische Kontaktierung des anderen Kontaktstückes verantwortlich, wohingegen die andere Stirnseite des Kontaktstücks dann erfindungsgemäß mit einer Aluminiumbeschichtung ausgerüstet und an die Stromableiter geschweißt wird.
Im Verfahrensschritt b) erfolgt das Beschichten jeweils mindestens einer Seite der elektrischen Kontaktstücke mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, wobei die Beschichtung der Kontaktstückes über ein Kaltgassprühverfahren erfolgt und mindestens eine beschichtete Seite der Kontaktseite der beiden Kontaktstücke gegenüberliegt. Kaltgassprühen oder auch Kaltgasspritzen ist eine Beschichtungsmethode für Metalle, bei der ein pulverförmiger Metallwerkstoff, Metalllegierungen mit hohen Geschwindigkeiten auf ein Substrat aufgebracht wird. Aufgrund der hohen kinetischen Energie des Pulvers verbindet sich dieses mit Substrat. Das Gas kann vorzugsweise Stickstoff sein und dieses wird durch hohen Druck und mittels einer Düse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt. Ein Aufheizen des Gasstrahls kann die Strömungsgeschwindigkeit des Gases erhöhen und somit auch die Partikelgeschwindigkeit vergrößern. Die damit ebenfalls verbundene Erwärmung der Partikel kann deren Verformung beim Aufprall bewirken. Die Gastemperatur liegt beim Kaltgasspritzen jedoch deutlich unterhalb der Schmelztemperatur der eingesetzten Pulver, so dass ein Schmelzen der Metallpartikel im Gasstrahl nicht stattfindet. Überraschenderweise kann diese Technik auch bei dem Aufbau von Vakuum-Schaltröhre eingesetzt werden und es lassen sich mittels dieser Technik Schichten erstellen, die den extremen Belastungen durch die auftretenden Ströme und Spannungen standhalten können. Zusätzlich war nicht vorherzusehen, dass sich die über diese Beschichtungstechnik herstellbar Beschichtungen auch für den Einsatz im Vakuum eignen. Die Kombination aus elektrischer Belastung und Umgebungsbedingungen schienen a priori für den Einsatz dieser Technik ungeeignet. Mittels Kaltgassprühens wird insofern mindestens die Rückseite des oder der Schaltkontakte beschichtet, wobei die Rückseite diejenige Seite meint, welche keinen direkten Kontakt zum anderen Schaltkontakte aufweist. Die Rückseite des Schaltkontakte ist mit dem Stromübergangskontakt verbunden, welcher den Schaltkontakt elektrisch mit den weiteren Bestandteilen des elektrischen Netzes verbindet.
Zur Beschichtung können sich beispielsweise Pulver aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen eignen, welche eine enge Partikelgrößenverteilung aufweisen. So haben sich beispielsweise Aluminiumpulver mit einer monodispersen Größenverteilung um einen D50 Wert zwischen 10 und 250 µm als besonders geeignet herausgestellt (gemessen mittels dynamischer Lichtstreuung). Diese Pulver können besonders mechanisch belastbare Schichten ausbilden und diese Schichten weisen zudem nur einen geringen Anteil an Lufteinschlüssen auf. Dies kann dazu beitragen, ein möglichst gutes Vakuum innerhalb der Vakuumröhre beizubehalten.
Im Verfahrensschritt c) erfolgt das Verschweißen der im Verfahrensschritt b) mit Aluminium beschichteten Seite der Kontaktstücke mit jeweils einen Stromübergangskontakt. Die mechanische und elektrische Anbindung der einzelnen Kontaktstücke an den jeweiligen Stromübergangskontakt erfolgt also nicht über eine Kupfer- sondern über die erfindungsgemäße mit einem Kaltgassprühverfahren aufgebrachte Aluminiumschicht. Ein direktes Verschweißen einer Kupferschicht oder einer Kupferlegierungs-Schicht mit dem Stromübergangskontakt, welcher üblicherweise auch aus Kupfer ausgebildet sein kann, ist technisch nicht möglich. Das Verschweißen der Aluminiumschicht mit dem Stromübergangskontakt kann dabei durch die aus dem Stand der Technik bekannten Schweißverfahren erfolgen.
Im Verfahrensschritt d) werden die im Verfahrensschritt b) erhaltenen Einheiten aus Kontaktstück und Stromübergangskontakt innerhalb des Vakuumleistungsschalter angeordnet. Nach dem Zusammenfügen von Kontaktstück und Stromübergangskontakt durch ein Schweißverfahren, können die Einheiten aus Kontaktstück und Stromübergangskontakt in die Vakuumkammer des Vakuum-Leistungsschalters eingebaut werden. Dazu können noch weitere Bestandteile des Vakuum-Leistungsschalters, wie beispielsweise ein Metall-Faltenbalg oder die Enddichtungen, in beliebiger Weise mit den Einheiten verbunden werden. Die geschweißte Verbindung kann sich nach dem Einbau dabei innerhalb oder auch außerhalb der Vakuumkammer befinden. Dies ergibt sich als Funktion der Geometrie des Kontaktstücks und des Stromübergangkontaktes.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens können im Verfahrensschritt b) zusätzlich zu der der Kontaktseite gegenüberliegenden Seite auch dazu angrenzende Bereiche der beiden Kontaktstücke über ein Kaltgassprühverfahren mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung beschichtet werden. Erfindungsgemäß werden die Kontaktstücke an der gewünschten Verbindungsstelle zum Stromableiter mit einer Aluminiumbeschichtung versehen. Neben der Beschichtung dieser Verbindungsstelle hat es sich als besonders geeignet herausgestellt, dass auch noch zusätzliche Flächen des Kontaktstücks mit einer Aluminiumbeschichtung versehen werden. Ein angrenzender Bereich, welcher sich dazu eignet, ist beispielsweise der Mantelbereich des Kontaktstückes. Ist das Kontaktstück beispielsweise zylindrisch geformt, so wird die Beschichtung einmal auf eine Stirnseite und zu mindestens noch auf einen Teil des dazu angrenzenden Zylindermantels aufgebracht. Diese Beschichtung kann zu verbesserten elektrischen Eigenschaften des Kontaktstückes beitragen. Des Weiteren kann diese Ausgestaltung eine gleichmäßigere Beschichtung der Stirnseite des Kontaktstückes ermöglichen.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens kann die Beschichtung der der Kontaktseite gegenüberliegenden Seite im Verfahrensschritt b) mit einer konstanten Schichtdicke erfolgen. Zum Erhalt möglichst gleichmäßiger mechanischer und elektrischer Eigenschaften der Verbindungsstelle zwischen Stromableiter und Kontaktstück hat sich eine Beschichtung des Kontaktstück mit einer konstanten Schichtdicke als besonders geeignet herausgestellt. Eine konstante Schichtdicke ist in den Fällen anzunehmen, in denen die Schichtdicke über die betrachtete Fläche, beispielsweise die Stirnseite, um weniger als 10 % variiert. Generell geeignete Schichtdickenbereiche zur verlässlichen Verbindung zwischen Stromableiter und Kontaktstück können zwischen 500 µm und beispielsweise 3 cm liegen.
Im Rahmen eines bevorzugten Aspektes des Verfahrens kann die kaltgasgesprühte Aluminiumbeschichtung nach dem Aufbringen mechanisch bearbeitet werden. Zum Erhalt einer möglichst reproduzierbaren Festigkeit im Rahmen des Schweißvorganges hat es sich als besonders geeignet herausgestellt, dass die aufgebrachte Aluminiumbeschichtung noch einem weiteren mechanischen Bearbeitungsschritt unterzogen wird. Dieser mechanische Bearbeitungsschritt kann beispielsweise das Glätten der Schicht durch einen Schleifprozess beinhalten. Es ist aber auch möglich, dass die Aluminiumschicht durch einen Abtragungsprozess etwas in der Dicke reduziert wird. Dazu können sich beispielsweise ein Abdrehen oder ein Läppen dieser Schicht eignen. Die Aluminiumbeschichtung kann aber auch beispielsweise durch einen Glättungsprozess eine besonders geeignete, geringe Oberflächenrauigkeit erhalten, welche zu einer verbesserten mechanischen Haftung im Rahmen des Schweißvorganges führt.
Innerhalb einer weiter bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens kann das Schweißverfahren im Verfahrensschritt c) ein Elektronenstrahlschweißverfahren sein. Das Verbinden der aufgebrachten Aluminiumschicht mit dem weiteren Stromübergangskontakt oder Stromableiter über ein Elektronenstrahlschweißverfahren hat sich bezüglich der mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Verbindung als besonders geeignet herausgestellt. Das Elektronenstrahlschweißverfahren kann insbesondere dazu führen, dass die Verbindung zwischen beiden Teilen besonders homogen ausgebildet wird, welches auch zu einer besonders homogenen Abführung der Ströme innerhalb der Vakuum-Schaltkammer beitragen kann. Des Weiteren können über die homogene Verbindung die auftretenden mechanischen Kräfte besonders vorteilhaft aufgenommen werden.
Innerhalb einer bevorzugten Charakteristik des Verfahrens kann die verschweißbare Fläche des Stromübergangskontakts partiell versilberte Kontaktflächen aufweisen. Zur Verbesserung der Stromleitung über die Einheit aus Stromableiter oder Stromübergangskontakt und Kontaktstück hat es sich als günstig erwiesen, dass der Stromübergangskontakt an der Kontaktfläche zur Aluminiumbeschichtung des Kontaktstückes Bereiche aufweist, welche versilbert sind. Die versilberten Flächen am Stromübergangskontakt können bevorzugt eine Größe von 5 % bis 25 % der gesamten Fläche des Stromübergangskontakts ausmachen.
Des Weiteren erfindungsgemäß ist ein elektrische Schaltkontaktanordnung für einen Vakuumleistungsschalter, wobei die elektrische Schaltkontaktanordnung zwei gegenüberliegende Kontaktstücke aus jeweils mindestens einen zweilagigen metallischen Verbundwerkstoff mit einer Lage aus Kupfer und einer Lage aus Aluminium oder deren Legierungen umfasst, wobei die jeweils zueinander ausgerichteten Oberflächen der Kontaktstücke die Kupferlagen und die jeweils davon abgewandten Flächen der Kontaktstücke die Aluminiumlagen aufweisen, wobei eines oder beide Schaltkontaktstücke der elektrischen Schaltkontaktanordnung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten werden und die Kontaktstücke mit jeweils einem Stromübergangskontakt des Vakuumleistungsschalter verschweißt sind. Die elektrische Schaltkontaktanordnung für einen Vakuumleistungsschalter weist demzufolge zwei Kontaktstücke auf, wobei die Kontaktstücke jeweils einzeln eine Schicht aufweisen, welche mittels eines Kaltgassprühverfahrens aufgebracht wurden. Diese weitere Schicht aus Aluminium haftet sehr gut auf Kupfer und wird mit dem weiteren Stromableiter über ein Schweißverfahren verschweißt. Durch diese Ausgestaltung entfallen die üblicherweise durchgeführten Maßnahmen zur Verbindung von Kontaktstück und Stromableiter, wie beispielsweise ein Verschrauben oder ein Verklemmen. Es wird eine homogene Haftung zwischen Kontaktstück und Stromableiter erhalten, welche insbesondere auch dazu führt, dass die auftretenden elektrischen Ströme beim Schalten homogen und gleichmäßig durch das Kontaktstück und den Stromableiter abgeführt werden. Für die weiteren Vorteile der erfindungsgemäßen Schaltkontaktanordnung wird explizit auch auf die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der elektrischen Schaltkontaktanordnung kann die Schichtdicke der Aluminiumbeschichtung auf der der Kontaktseite gegenüberliegenden Seite und/oder der Mantelfläche größer oder gleich 1 mm und kleiner oder gleich 20 mm betragen. Diese Schichtdicken der Aluminiumbeschichtung haben sich für eine mechanisch dauerhafte und elektrisch vorteilhafte Anbindung des Kontaktstückes an den Stromableiter bewährt. Es ergibt sich ein wartungsarmer Vakuumleistungsschalter, dessen elektrische Leistungsfähigkeit durch die eingebrachte Aluminiumschicht nur unwesentlich reduziert ist. Kleinere Schichtdicken können nachteilig sein, da sich in diesem Fall keine ausreichende Schichtdicke für ein Verschweißen einstellt. Größere Schichtdicken können nachteilig sein, da in diesem Fall die elektrischen Eigenschaften der Einheit aus Kontaktstück und Stromableiter deutlich verringert werden.
Innerhalb einer bevorzugten Ausführungsform der elektrischen Schaltkontaktanordnung kann die Schichtdicke der Aluminiumbeschichtung auf der Kontaktseite gegenüberliegenden Seite größer oder gleich 2,5 mm und kleiner oder gleich 20 mm und die Beschichtung auf der Mantelfläche größer oder gleich 1 mm und kleiner oder gleich 7,5 mm betragen. Zum Erhalt einer möglichst gleichmäßigen Beschichtung hat es sich als günstig herausgestellt, dass sowohl die Stirnseite wie auch die Mantelfläche des Kontaktstückes beschichtet werden. Dabei ist es insbesondere günstig, dass die Schichtdicke auf der Mantelschicht des Kontaktstück nicht dieselbe Dicke erreicht wie die Beschichtung auf der Stirnfläche. Dieser Unterschied in den Dicken kann zu einer besonders günstigen Ableitung auftretender Ströme im Bereich der Einheit aus Kontaktstück und Stromleiter oder Stromübergangskontakt beitragen.
Nach einem weiter bevorzugten Aspekt der elektrischen Schaltkontaktanordnung kann das Dickenverhältnis zwischen Kupfer- und Aluminiumschicht des Kontaktstückes, ausgedrückt als Quotient aus der Dicke (Kupfer)/Dicke(Aluminium), größer oder gleich 4 und kleiner oder gleich 15 betragen. Zum Erhalt eines möglichst leistungsfähigen Schalters hat es sich als günstig herausgestellt, oben angegebene Bereiche der Relation zwischen Dicke des Kontaktstückes und Dicke der aufgebrachten Aluminiumschicht einzuhalten. Durch diese Relation wird die elektrische Leistungsfähigkeit im Wesentlichen nicht reduziert und es werden verbesserte mechanische Eigenschaften der Einheit aus Kontaktstück und Stromableiter erhalten.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale der Schalteranordnung wird auf die Beschreibung der Schalteranordnung, die Figuren und die Beschreibung der Figuren verwiesen, und umgekehrt.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren und den zugehörigen Beispielen. In den Figuren zeigen die:

Fig. 1 eine schematische Übersicht über die Baugruppen eines Vakuumleistungsschalter aus dem Stand der Technik in einer Aufsicht;
Fig. 2 eine schematische Übersicht über die Baugruppen eines Vakuumleistungsschalter aus dem Stand der Technik im Querschnitt;
Fig. 3 eine schematische Übersicht über die Baugruppen eines erfindungsgemäßen Vakuumleistungsschalters im Querschnitt;
Fig. 4 eine schematische Übersicht über zwei Kontaktstücke mit jeweils einer Aluminiumbeschichtung auf der Stirnseite und partiell auf der Mantelfläche;
Fig. 5 eine schematische Übersicht über eine Kontaktanordnung aus zwei erfindungsgemäßen Einheiten aus Kontaktstück und Stromableiter im Querschnitt.

Die Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Vakuum-Leistungsschalters 1. Der Vakuum-Leistungsschalter 1 weist zwei Kontaktstücke 4, 5 auf, von denen eines der Kontaktstücke beweglich und eines der Kontaktstücke feststehend angeordnet ist. Neben weiteren Baugruppen weist der Vakuum-Leistungsschaltern 1 noch einen Metalldampfschirm 2 und einen äußeren Isolator 3 auf. Das Kontaktstück 4 ist über den Stromableiter 6 mit dem weiteren elektrischen Netz verbunden. Das Kontaktstück 5 ist mit dem Stromableiter 7 mit dem weiteren elektrischen Netz verbunden. Die Kontaktstücke 4, 5 können beispielsweise über eine Klemmverbindung oder eine Verschraubung jeweils mit dem entsprechenden Stromableiter 6, 7 verbunden sein.
Die Figur 2 zeigt schematisch ebenfalls den Aufbau eines Vakuum-Leistungsschalters 1. Der Vakuum-Leistungsschalter 1 weist zwei Kontaktstücke 4, 5 auf, von denen in diesem Beispiel das Kontaktstück 4 beweglich und das Kontaktstück 5 feststehend angeordnet ist. Neben weiteren Baugruppen kann der Vakuum-Leistungsschalter 1 noch einen Metalldampfschirm 2, einen Metallfaltenbalg 8, eine Schutzkappe 9 für den Metallfaltenbalg 8 und einen äußeren Isolator 3 aufweisen. Das Kontaktstück 4 ist über den Stromableiter 7 mit dem weiteren elektrischen Netz verbunden. Das Kontaktstück 5 ist mit dem Stromableiter 6 mit dem weiteren elektrischen Netz verbunden. Die Kontaktstücke 4, 5 können beispielsweise über eine Klemmverbindung oder eine Verschraubung jeweils mit dem entsprechenden Stromableiter 6, 7 verbunden sein.
Die Figur 3 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Vakuum-Leistungsschalters 1. Der Vakuum-Leistungsschalter 1 umfasst zwei Kontaktstücke 4, 5, von denen in diesem Beispiel das Kontaktstück 4 beweglich und das Kontaktstück 5 feststehend angeordnet ist. Neben weiteren Baugruppen kann der Vakuum-Leistungsschalter 1 noch einen Metalldampfschirm 2, einen Metallfaltenbalg 8, eine Schutzkappe 9 für den Metallfaltenbalg 8 und einen äußeren Isolator 3 aufweisen. Das Kontaktstück 4 ist über den Stromableiter 7 mit dem weiteren elektrischen Netz verbunden. Das Kontaktstück 5 ist mit dem Stromableiter 6 mit dem weiteren elektrischen Netz verbunden. Die Kontaktstücke 4, 5 weisen an ihren Stirnseiten oder -flächen jeweils eine kaltgasgesprühte Aluminiumschicht 10 auf. Über diese kaltgasgesprühte Aluminiumschicht 10 wurde das jeweilige Kontaktstück 4, 5 dem entsprechenden Stromableiter oder Stromübergangskontakt 6, 7 über eine Schweißverbindung 11 mechanisch verbunden. Es ergibt sich eine mechanisch äußerst stabile Einheit, welche deutlich weniger mechanischen Störungen und Fehlern ausgesetzt ist. Zudem ergeben sich durch die Abmessungen der Kontaktstücke 4,5 im Verhältnis zur Dicke der Aluminiumbeschichtung 10 sehr gute elektrische Eigenschaften für die Einheit aus Kontaktstück 4, 5 und Stromableiter 6,7. In dieser Ausgestaltung befindet sich die geschweißten Verbindungsstellen 11 innerhalb der Vakuumkammer. Es ist auch möglich, eine der Schweißstellen 11 innerhalb und eine der Schweißstellen 11 außerhalb der Vakuumkammer anzuordnen.
Die Figur 4 zeigt schematisch erfindungsgemäße Kontaktstücke 4, 5 mit jeweils einer kaltgasgesprühte Aluminiumschicht 10. Die Beschichtung erfolgte gleichmäßig, wobei hier zu erkennen ist, dass sowohl die Stirnseite als auch die Mantelschicht der Kontakte beschichtet wurde. Diese Beschichtung kann zu besonders günstigen elektrischen und mechanischen Eigenschaften des Vakuum-Leistungsschalters 1 beitragen.
Die Figur 5 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung für die Anbindung der Kontaktstücke 4,5 und die Stromableiter 6,7. In dieser Figur sind jeweils die kaltgasgesprühte Aluminiumschichten 10 und die Schweißverbindungen 11 zu den Stromableiter dargestellt. In dieser Ausgestaltung befinden sich die geschweißten Verbindungsstellen 11 außerhalb der Vakuumkammer.

Bezugszeichen:

1: Vakuumleistungsschalter
2: Metalldampfschirm
3: Isolator
4: Bewegliches Kontaktstück
5: Feststehendes Kontaktstück
6: Stromableiter
7: Stromableiter
8: Metallfaltenbalg
9: Schutzkappe
10: Kaltgasgesprühte Aluminiumschicht
11: Schweißverbindung

Claims

Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Schaltkontaktanordnung für einen Vakuumleistungsschalter (1) umfassend zwei miteinander kontaktierbare elektrische Kontaktstücke (4, 5), wobei das Verfahren mindestens die Schritte umfasst:
a) Bereitstellen zweier elektrischer Kontaktstücke (4, 5) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung;

b) Beschichten jeweils mindestens einer Seite der elektrischen Kontaktstücke (4, 5) mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung (10), wobei die Beschichtung (10) der Kontaktstücke (4, 5) über ein Kaltgassprühverfahren erfolgt und mindestens eine beschichtete Seite (10) der Kontaktseite der beiden Kontaktstücke gegenüberliegt;

c) Verschweißen der im Verfahrensschritt b) mit Aluminium beschichteten Seite (10) der Kontaktstücke (4, 5) mit jeweils einem Stromübergangskontakt (6, 7);

d) Anordnen der im Verfahrensschritt b) erhaltenen Einheiten aus Kontaktstück (4, 5) und Stromübergangskontakt (6, 7) innerhalb des Vakuumleistungsschalters (1).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt b) zusätzlich zu der der Kontaktseite gegenüberliegenden Seite auch dazu angrenzende Bereiche der beiden Kontaktstücke über ein Kaltgassprühverfahren mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung (10) beschichtet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung der der Kontaktseite gegenüberliegenden Seite im Verfahrensschritt b) mit einer konstanten Schichtdicke erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kaltgasgesprühte Aluminiumbeschichtung (10) nach dem Aufbringen mechanisch bearbeitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schweißverfahren im Verfahrensschritt c) ein Elektronenstrahlschweißverfahren ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die verschweißbare Fläche des Stromübergangskontakts partiell versilberte Kontaktflächen aufweist.
Elektrische Schaltkontaktanordnung für einen Vakuumleistungsschalter (1), wobei die elektrische Schaltkontaktanordnung zwei gegenüberliegende Kontaktstücke (4, 5) aus jeweils mindestens einem zweilagigen metallischen Verbundwerkstoff mit einer Lage aus Kupfer und einer Lage aus Aluminium (10) oder deren Legierungen (10) umfasst, wobei die jeweils zueinander ausgerichteten Oberflächen der Kontaktstücke (4, 5) die Kupferlagen und die jeweils davon abgewandten Flächen der Kontaktstücke (4, 5) die Aluminiumlagen (10) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass eines oder beide Schaltkontaktstücke (4, 5) der elektrischen Schaltkontaktanordnung nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6 erhalten werden und die Kontaktstücke (4, 5) mit jeweils einem Stromübergangskontakt (6, 7) des Vakuumleistungsschalter (1) verschweißt sind.
Elektrische Schaltkontaktanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Aluminiumbeschichtung (10) auf der der Kontaktseite gegenüberliegenden Seite und/oder der Mantelfläche größer oder gleich 1 mm und kleiner oder gleich 20 mm beträgt.
Elektrische Schaltkontaktanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Aluminiumbeschichtung (10) auf der der Kontaktseite gegenüberliegenden Seite größer oder gleich 2,5 mm und kleiner oder gleich 20 mm und die Beschichtung auf der Mantelfläche größer oder gleich 1 mm und kleiner oder gleich 7,5 mm beträgt.
Elektrische Schaltkontaktanordnung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Dickenverhältnis zwischen Kupfer- und Aluminiumschicht (10) des Kontaktstückes (4, 5), ausgedrückt als Quotient aus der Dicke(Kupfer)/Dicke(Aluminium), größer oder gleich 4 und kleiner oder gleich 15 beträgt.