ES2297652T3 - Pastilla de contacto destinada a un contacto electrico movil de disyuntor, contacto electrico movil que posee una pastilla de ese tipo y disyuntor que comporta un contacto de ese tipo. - Google Patents
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Abstract
Pastilla de contacto (3) destinada a ser fijada a un contacto móvil (2) de disyuntor (1) de baja tensión destinado a soportar unas corrientes máximas de cortocircuito comprendidas entre 200 y 600 amperios por milímetro cuadrado de pastilla, constituida por una aleación de material conductor a base de plata (Ag) o de cobre (Cu), por una fracción de partículas refractarias como el carburo de tungsteno (CW), el tungsteno (W) o el nitruro de titanio (TiN) y por una fracción de fibras de carbono, caracterizada porque el porcentaje ponderal de fibras de carbono en la pastilla de contacto (3) es estrictamente inferior al 2% de la masa total de dicha pastilla de contacto, siendo las fibras de carbono unas fibras carbonizadas trituradas de longitud media inferior a 20 µm y que contienen al menos un 90% de carbono, menos de un 10% de nitrógeno, sensiblemente un 1% de oxígeno y menos de un 1% de hidrógeno.
Description
Pastilla de contacto destinada a un contacto
eléctrico móvil de disyuntor, contacto eléctrico móvil que posee una
pastilla de ese tipo y disyuntor que comporta un contacto de ese
tipo.
La invención se refiere a una pastilla de
contacto destinada a ser fijada a un contacto móvil de disyuntor de
baja tensión destinado a soportar unas corrientes máximas de
cortocircuito comprendidas entre 200 y 600 amperios por milímetro
cuadrado de pastilla. La pastilla está constituida por una aleación
de material conductor a base de plata o de cobre, por una fracción
de partículas refractarias como el carburo de tungsteno o el
tungsteno o el nitruro de titanio y por una fracción de fibras de
carbono.
La presencia de fallos eléctricos en el interior
de dispositivos de corte como disyuntores eléctricos provoca una
apertura brusca de sus contactos eléctricos. Dicha rápida apertura
está acompañada por lo general por arcos eléctricos que dan lugar a
tensiones importantes al nivel de dichos contactos, más
concretamente al nivel de sus superficies o zonas de contacto.
Con el fin de aumentar la longevidad de los
contactos eléctricos utilizados en ese tipo de dispositivos, se
conoce la modificación de la estructura de la superficie de contacto
de los contactos eléctricos. Algunas soluciones consisten en añadir
al nivel de la superficie o zona de contacto unos materiales
compuestos en forma de pastillas o de distintos grosores y de
distintos materiales.
Las pastillas son por lo general de una aleación
de plata o de cobre, y se realizan habitualmente por sinterizado de
un polvo compuesto por una aleación a base de plata, principalmente
de plata y tungsteno o de plata y níquel. Dichos materiales de
contacto presentan una conductibilidad eléctrica elevada, una
resistencia suficiente a la oxidación y buenas propiedades en lo que
respecta a la resistencia de contacto.
Sin embargo, los materiales de contacto
conocidos a base de plata muestran una tendencia indeseable a la
soldadura. Por otra parte, tienden a provocar la adherencia de las
superficies de contacto y/o una migración de materia entre los
elementos de contacto. Por último, su utilización se asocia por lo
general a un desgaste excesivo de los contactos.
Numerosas soluciones consisten en añadir al
polvo de aleación un material conductor como el grafito. Ese tipo
de materiales se utilizan habitualmente para realizar las pastillas
de contacto de los disyuntores. El grafito presente en la matriz
metálica permite reducir el riesgo de soldadura de los contactos. No
obstante, la presencia del grafito acarrea una mayor erosión
mecánica de la pastilla.
También puede aportarse carbono en forma de
fibras al polvo de aleación (documento US4699763). En ese caso, la
resistencia a la erosión mejora, pero dicha mejora se logra a cambio
de una alteración del comportamiento del contacto a la soldadura.
Las fibras de carbono se mezclan con el polvo metálico con un aporte
de plata tensoactiva, lubricante y disolvente por vía húmeda, y
después se efectúa un secado, una compresión y un sinterizado. El
inconveniente de este tipo de procedimiento es que implica
complicaciones inherentes a un proceso conducido en vía húmeda.
Para encontrar un compromiso aceptable entre el
comportamiento del material a la erosión y su comportamiento
antisoldadura, se propone según el documento DE4111683 mezclar
partículas de grafito con fibras de carbono, incorporándose dicha
mezcla al polvo metálico. Dicho aporte híbrido de carbono en la
matriz metálica permite obtener unos comportamientos del material a
la erosión y a la soldadura intermedios entre los que habría
mostrado con un aporte de partículas de grafito solas o con un
aporte de fibras de carbono solas, pero resulta que, bajo fuertes
solicitaciones y, en particular, bajo altas corrientes de
cortocircuito, las partículas de grafito, debido a su perfecta
estructura cristalina, muestran una tendencia a ser expulsadas de la
superficie del material. Dicha expulsión deteriora la superficie
del material de tal forma que las fibras de carbono también son a
su vez expulsadas de la misma. Ello provoca un enriquecimiento de la
superficie en plata y por lo tanto una alteración de las cualidades
inicialmente pretendidas por el aporte de grafito.
En el documento EP0171339 se describe un
procedimiento de fabricación de contactos eléctricos por
impregnación de un sustrato de fibras de carbono mediante un metal
líquido a presión, y después por hilatura en caliente de la mezcla
obtenida de esa forma. Se constata que los contactos resultantes
muestran una propensión excesiva a la soldadura.
En el documento EP0729162 se describe un
procedimiento de fabricación de contactos eléctricos a base de polvo
de un metal buen conductor eléctrico como la plata y de fibras de
carbono trituradas de una longitud media inferior a 20 \mum. En
aplicaciones corrientes de corte, se constata que la superficie de
contacto conserva, tras un corte bajo una corriente de
cortocircuito, su estructura fina, homogénea e isótropa de residuos
de fibras de longitud variable y de una orientación cualquiera en
la matriz de plata. Las proporciones ponderales de residuos de
fibra de carbono trituradas están comprendidas entre un 2 y un 5%
con el polvo de plata. En el caso de disyuntores limitadores
utilizados para aplicaciones en las que el arco no se estanca mucho
en los contactos, el material obtenido de ese modo muestra una
resistencia de contacto reducida después del corte, buenas
cualidades antisoldadura y una resistencia a la erosión aceptable.
Sin embargo, la utilización de ese material encuentra sus límites
en aplicaciones en las que hay una presencia de disyuntores
selectivos en los que aparece en las pastillas una corriente de
defecto, al valor supuesto de cortocircuito; es decir, varias
decenas de kiloamperios. La resistencia a la erosión de las
pastillas de contacto descritas anteriormente ya no es suficiente y
se observan microsoldaduras en el momento del paso de una corriente
de varias decenas de kiloamperios durante 1 segundo sin apertura del
aparato.
Por otra parte, cuando el tamaño de este tipo de
disyuntor se miniaturiza y cuando la añadidura de elementos
filtrantes reduce de forma drástica las manifestaciones exteriores,
la elección óptima de material de contacto es aún más estricta. De
hecho, una energía de corte similar a la liberada en los disyuntores
clásicos debe absorberse en un volumen miniaturizado y prácticamente
cerrado, lo que provoca un depósito importante de contaminantes en
los contactos. Dicho depósito está constituido en particular por
acero fundido resultante de la ablación de las aletas de la cámara
de extinción de arco.
La invención pretende, por lo tanto, remediar
los inconvenientes del estado de la técnica, de forma que propone
una pastilla de contacto que tenga poca resistencia de contacto tras
el corte, una alta resistencia a la erosión y buenas propiedades
antisoldadura.
Una pastilla de contacto según la invención
comprende un porcentaje ponderal de fibras de carbono en la pastilla
estrictamente inferior al 2% de la masa total de dicha pastilla de
contacto.
El porcentaje ponderal de fibras de carbono en
la pastilla de contacto está comprendido entre el 0,5% y el 1,9% de
la masa total de dicha pastilla de contacto.
Ventajosamente, las fibras de carbono son unas
fibras trituradas de longitud inferior a 20 \mum.
Preferentemente, las fibras de carbono están
constituidas por fibras carbonizadas que contienen al menos un 90%
de carbono, menos de un 10% de nitrógeno, sensiblemente un 1% de
oxígeno y menos de un 1% de hidrógeno.
Según un modo de desarrollo de la invención, la
pastilla de contacto está compuesta por un 79% de la aleación de
plata, por un 20% de carburo de tungsteno (CW) y por un 1% de fibra
de carbono.
Un contacto móvil de disyuntor según un modo de
desarrollo de la invención comprende un dedo de contacto móvil unido
a una pastilla de contacto como la antes definida, estando la
pastilla unida al dedo de contacto móvil por medio de una fina capa
de material conductor a base de aleación de plata.
Un disyuntor según un modo de desarrollo de la
invención comprende una cámara de corte que comporta unos medios de
filtración destinados a atenuar unas manifestaciones exteriores de
los gases presentes en la cámara de corte en el momento de las
aperturas, y comprende un mecanismo de apertura que actúa sobre al
menos un contacto móvil como el antes definido y colocado enfrente
de un contacto fijo, estando dichos contactos colocados en la cámara
de corte.
Otras ventajas y características se desprenderán
con mayor claridad de la descripción siguiente de un modo particular
de realización de la invención, ofrecido a modo de ejemplo no
limitativo y representado en el dibujo adjunto, en el que:
La fig. 1 representa una vista seccionada de un
disyuntor que comporta un contacto móvil que posee una pastilla de
contacto según un modo de realización de la invención.
Según el modo de realización preferente de la
invención, la pastilla de contacto 3 está destinada a ser fijada a
un contacto móvil 2 de disyuntor de baja tensión 1 destinado a
soportar corrientes de cortocircuito de varios kiloamperios.
Expresando la densidad de corriente eléctrica en amperios por unidad
de superficie de pastilla, una pastilla de contacto 3 según la
invención está destinada a soportar unas corrientes máximas de
cortocircuito comprendidas entre 200 y 600 amperios por milímetro
cuadrado de pastilla.
Los efectos originados por el paso de dichas
altas corrientes de cortocircuito se hacen sentir aún más cuando la
energía de corte se absorbe en una cámara de corte 10 que tiene un
volumen interno miniaturizado y prácticamente cerrado o estanco.
La pastilla de contacto 3 está compuesta por un
material conductor como la plata (Ag) o el cobre (Cu) en el que se
inserta una fracción de fibras de carbono y una fracción de
partículas refractarias como por ejemplo el carburo de tungsteno
(WC), el tungsteno (W) o el nitruro de titanio (TiN). Dichas
partículas refractarias poseen un diámetro medio de 1 a 10
micrones.
Las fibras de carbono están constituidas por
fibras carbonizadas que contienen al menos un 90% de carbono, menos
de un 10% de nitrógeno, sensiblemente un 1% de oxígeno y menos de un
1% de hidrógeno.
En el modo de realización que nos ocupa, se
escogen unas fibras de carbono de longitud media L1 comprendida
entre aproximadamente 100 \mum y 800 \mum y de un diámetro
comprendido entre 4 y 20 \mum. Dichas fibras sufren un
tratamiento mecánico en frío y en seco en un triturador mecánico.
Las condiciones de intensidad y de duración del triturado permiten
obtener unas fibras cuya longitud se reparte estadísticamente
alrededor de un valor medio muy inferior al valor medio inicial. Se
obtienen así a partir de las fibras iniciales unos residuos
triturados que tienen una longitud media inferior a 20 \mum. Las
fibras trituradas se añaden seguidamente al material conductor que
contiene las fracciones refractarias. La mezcla de polvo de material
conductor en las fibras de carbono trituradas se efectúa por vía
seca en un mezclador mecánico hasta obtener una mezcla homogénea.
Dicha mezcla sufre seguidamente una compresión unitaria y un
sinterizado de manera que se obtiene una estructura de material
isótropa.
Un procedimiento de fabricación de este tipo se
describe con detalle en el documento
EP-B-0729162, cuya descripción se
incorpora como referencia al presente documento en lo que respecta a
dichos puntos.
Con el objetivo de resistir las tensiones
específicas observadas en los disyuntores selectivos capaces de
soportar unas corrientes en las condiciones antes descritas, es
necesario aumentar la resistencia a la erosión de la pastilla
obtenida de ese modo. Para hacerlo, el porcentaje ponderal de fibras
de carbono en la pastilla es estrictamente inferior al 2%, y está
comprendido preferentemente entre el 0,5% y el 1,9% de la masa total
de la pastilla.
En un ejemplo de aplicación de la invención, un
compromiso ideal en la elección de las proporciones de los
materiales para este tipo de aplicación consiste en utilizar una
pastilla que comprenda un 79% de plata (Ag), un 20% de carburo de
tungsteno (CW) y un 1% de fibras trituradas de carbono.
Finalmente, ese material que tiene una
estructura homogénea apropiada muestra una resistencia de contacto
reducida y estable tras el corte, así como una buena resistencia a
la erosión en cortocircuito de varias decenas de kiloamperios. Por
otra parte, ese material desarrolla unas características
antisoldadura frente a las bolas de acero presentes en el entorno
en el momento del corte, sobre todo en la columna de arco eléctrico.
Un fenómeno explosivo debido a la degradación de la fibra de
carbono explica las características antiadhesivas de dicho material
frente a bolas de acero en fusión.
Un contacto móvil 2 de disyuntor 1 que comprende
un dedo de contacto móvil que se desplaza con respecto a un
contacto fijo 4 del disyuntor posee una pastilla de contacto 3 como
la definida anteriormente. Dicha pastilla de contacto está unida al
dedo de contacto móvil por medio de una fina capa de material
conductor a base de plata o de una mezcla de cobre y de plata.
Dicha capa intermedia permite bloquear la propagación de las fisuras
en la zona de interfaz entre la pastilla de contacto 3 y el
dedo.
Un disyuntor 1 comprende un mecanismo de
apertura 6 que actúa sobre al menos un contacto móvil eléctrico 2
como el antes definido. Dicho al menos un contacto móvil 2 está
situado enfrente de un contacto fijo 4. Dicho contacto fijo está
constituido por una aleación, que comporta por lo general una matriz
metálica de plata en la que se inserta una fracción de partículas de
polvo de grafito. Dicha fracción de partículas constituye de un 3 a
un 5% de la masa de la aleación. La aleación también puede
comprender una determinada cantidad de elementos refractarios (W,
WC, Ni) comprendida entre el 2 y el 30% de la masa total. El
disyuntor 1 según un modo particular de realización está destinado a
aceptar unas corrientes nominales de 1600 amperios y unas corrientes
de corta duración de 42000 amperios durante un segundo. Las cámaras
de corte 10 comportan, por polo, cinco contactos móviles 2 asociados
a una placa de contactos fijos 4. Unos medios de filtración 5
colocados en las paredes de las cámaras de corte están destinados a
atenuar en gran medida las manifestaciones exteriores de los gases
presentes en dichas cámaras en el momento de la apertura de los
contactos. A modo de ejemplo no limitativo, los medios de filtrado 5
comprenden unos filtros que poseen características técnicas
específicas como las descritas en las patentes de la solicitante
(EP-A-1115132,
EP-A-1251533).
\vskip1.000000\baselineskip
Esta lista de referencias citadas por el
solicitante tiene por único objeto ayudar al lector y no forma parte
del documento de patente europea. Si bien se ha empleado el máximo
cuidado en su concepción, no pueden excluirse errores ni omisiones y
la Oficina Europea de Patentes declina toda responsabilidad en este
aspecto.
\newpage
- \bullet US4699763A [0007]
- \bullet EP0729162B [0026]
- \bullet DE4111683 [0008]
- \bullet EP1115132A [0031]
- \bullet EP0171339A [0009]
- \bullet EP1251533A [0031]
\bullet EP0729162A [0010].
Claims (5)
1. Pastilla de contacto (3) destinada a ser
fijada a un contacto móvil (2) de disyuntor (1) de baja tensión
destinado a soportar unas corrientes máximas de cortocircuito
comprendidas entre 200 y 600 amperios por milímetro cuadrado de
pastilla, constituida por una aleación de material conductor a base
de plata (Ag) o de cobre (Cu), por una fracción de partículas
refractarias como el carburo de tungsteno (CW), el tungsteno (W) o
el nitruro de titanio (TiN) y por una fracción de fibras de carbono,
caracterizada porque el porcentaje ponderal de fibras de
carbono en la pastilla de contacto (3) es estrictamente inferior al
2% de la masa total de dicha pastilla de contacto, siendo las fibras
de carbono unas fibras carbonizadas trituradas de longitud media
inferior a 20 \mum y que contienen al menos un 90% de carbono,
menos de un 10% de nitrógeno, sensiblemente un 1% de oxígeno y menos
de un 1% de hidrógeno.
2. Pastilla de contacto (3) según la
reivindicación 1, caracterizada porque el porcentaje ponderal
de fibras de carbono en la pastilla de contacto (3) está comprendido
entre un 0,5% y un 1,9% de la masa total de dicha pastilla de
contacto.
3. Pastilla de contacto (3) según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque está
compuesta por un 79% de plata, por un 20% de carburo de tungsteno
(CW) y por un 1% de fibra de carbono.
4. Contacto móvil (2) de disyuntor (1) que
comprende un dedo de contacto móvil, caracterizado porque una
pastilla de contacto según las reivindicaciones anteriores está
unida al dedo de contacto móvil por medio de una fina capa de
material conductor a base de plata o de una mezcla de cobre y de
plata.
5. Disyuntor (1) que comprende una cámara de
corte (10) que comporta unos medios de filtración (5) destinados a
atenuar unas manifestaciones exteriores de los gases presentes en la
cámara de corte en el momento de las aperturas, un mecanismo de
apertura (6) que actúa sobre al menos un contacto móvil (2),
caracterizado porque dicho contacto móvil (2) es un contacto
según la reivindicación 6 colocado enfrente de un contacto fijo (4),
estando dichos contactos situados en la cámara de corte.
Applications Claiming Priority (2)
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