WO2017050533A1 - Kontaktstück für einen vakuumschalter und elektrischer schalter - Google Patents

Kontaktstück für einen vakuumschalter und elektrischer schalter Download PDF

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WO2017050533A1
WO2017050533A1 PCT/EP2016/070541 EP2016070541W WO2017050533A1 WO 2017050533 A1 WO2017050533 A1 WO 2017050533A1 EP 2016070541 W EP2016070541 W EP 2016070541W WO 2017050533 A1 WO2017050533 A1 WO 2017050533A1
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layer
contact piece
vacuum switch
switch
contact
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PCT/EP2016/070541
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Werner Hartmann
Sylvio Kosse
Dirk Pohle
Carsten Schuh
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/02—Contacts characterised by the material thereof
    • H01H1/0203—Contacts characterised by the material thereof specially adapted for vacuum switches
    • H01H1/0206—Contacts characterised by the material thereof specially adapted for vacuum switches containing as major components Cu and Cr
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H11/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of electric switches
    • H01H11/04—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of electric switches of switch contacts
    • H01H11/041—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of electric switches of switch contacts by bonding of a contact marking face to a contact body portion
    • H01H11/045—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of electric switches of switch contacts by bonding of a contact marking face to a contact body portion with the help of an intermediate layer

Definitions

  • the invention relates to a contact piece for a vacuum switch and an electrical switch with such a contact piece.
  • Vacuum switches are also used in high-voltage and low-voltage applications.
  • Vacuum switches include a vacuum interrupter in which the contact system for opening and closing the circuit is located.
  • Contact systems typically have effective magnetic field components in the contact gap perpendicular to the current flow direction in the switching plasma. For example, these are so-called radial field (RMF) and transverse field contacts (TMF).
  • RMF radial field
  • TMF transverse field contacts
  • the arc can be magnetically driven via a transverse magnetic field (TMF), sometimes referred to as a radial field, so that the thermal stress on the contact surface is distributed over sufficiently large areas in time and space. Furthermore, by overlaying an axial magnetic field (AMF) which is axial with respect to the direction of current flow in the switching arc, the arc can be distributed diffusely over a large area over the contact surface.
  • TMF transverse magnetic field
  • AMF axial magnetic field
  • the material copper-chromium with a composition CuCrY, where Y indicates the Cr content in atomic percent has established itself as the best possible material as a contact material.
  • TMF contacts according to the spiral contact principle which, for example, in the
  • contact disks made of CuCr materials are used, which are structured in a spiral direction, so that an arc that was ignited at least slightly off-center of the contact is driven by the magnetic field forces in the direction of a spiral arm, and on this runs until it reaches its end.
  • the high demands on the contact material mean that, in spite of the high contact material costs, one-piece contact disks are used, which are usually processed by powder metallurgy processes such as sintering or vacuum arc welding. Remelting be made.
  • the invention is therefore based on the object to provide a contact piece for a vacuum switch, which on the one hand withstands the high thermal loads in the switching process, on the other hand, the arc optimally over the contact piece on the surface, which is directed to the arc is, leads.
  • Optimal in the sense of the present invention means that the arc runs on the contact piece with a high, uniform speed and with utilization of the entire contact piece surface.
  • Embodiments of the contact piece according to the invention are specified in subclaims.
  • the object is also achieved by the electric switch according to claim 14.
  • An advantageous embodiment of the electrical switch according to the invention is specified in a dependent claim.
  • the contact piece for a vacuum switch according to claim 1 comprises a first layer and a second layer, wherein the first layer is mechanically stable as a carrier layer, the second layer has a high current conductivity (o) and thermal capacity and the current conductivity of the second layer is greater than that Current conductivity of the first layer is.
  • the advantage here is that such a contact piece separates the two functions "mechanical strength" and "contact functional layer” by using different materials, which not only reduces costs, but also the respective function can be optimized separately. It also makes it possible to reduce the overall thickness of the contacts without compromising their functionality, which contributes to a further reduction in cost.
  • the current conductivity of the second layer is greater than 19 ⁇ 10 6 ⁇ -1 m -1 . This corresponds to about one third of the conductivity of pure copper. In a further embodiment, the current conductivity of the second layer is at least three times greater than the current conductivity of the first layer. The fact that the layers have a large difference in the current conductivity ensures that the current in the case of an arc mainly flows in the second layer, which is directed towards the arc.
  • the first layer consists of high-strength materials or composite materials such as ceramics, fiber-reinforced ceramics, carbides, tungsten, tantalum, steels or alloys. These materials ensure that in the closed state of the switch and in the course of the
  • the second layer consists of one of the materials of CuCr20 to CuCr70.
  • the second layer may be formed in a thickness of 1 to 3 mm.
  • the contact piece is designed substantially round as a disk. The contact piece can essentially have a constant thickness d and the second layer can decrease in thickness from the center to the edge.
  • the contact piece has outwardly extending slots starting from a center Z.
  • the second layer may have outwardly extending slots extending from the center, wherein the first layer is formed substantially round as a disk.
  • the first layer is interrupted in the center Z and inserted for better contacting a conductive material in this interruption.
  • the contact piece additionally comprises a third layer, the third layer being arranged between the first layer and the second layer.
  • This layer can serve as a bonding agent between the first layer and the second layer, can improve the adaptation of the thermal expansion between the first and second layer and can also positively influence the magnetic field.
  • the third layer is formed 1 mm thick. In a further embodiment, the production of the
  • FAST Field Assisted Sintering Technology
  • SPS Spark Plasma Sintering
  • ESF Electro Sintering Forging
  • DDS Dielectric Discharge Sintering
  • ERW Electro Resistive Welding
  • the electrical switch according to claim 15 which receives a first inventive contact piece and a second contact piece according to the invention comprises, and in which the first and the second contact piece are each mounted on a support pin.
  • the first layer of the respective first and second contact piece is connected to the respective support pin.
  • FIGS. 1A and 1B a contact piece for a vacuum switch with first and second layer and a contact piece with an additional third layer;
  • Figures 2A and 2B contact piece for a vacuum switch with first and second layer and contact piece with interruption of the first
  • Figure 3A and 3B contact piece with first and second
  • Figure 4 Electric switch with a vacuum tube and a first and a second contact piece.
  • FIGS. 1A and 1B show a contact piece 100 for a vacuum switch 1000.
  • FIG. 1A shows this Contact piece 100 with a first layer 110 and a second layer 120.
  • the first layer 110 is designed to be mechanically stable as a carrier layer. This means that this layer can withstand the mechanical and thermo-mechanical stresses which act on the contact piece 100 during the opening and closing of the vacuum switch 1000 under the flow of current through the resulting arc.
  • the first layer 100 as a carrier layer ensures that the contact piece 100 is deformed as little as possible and does not break during the opening and closing of the electrical switch 1000 and during the burning of the arc.
  • the contact piece 100 further comprises a second layer 120, which has a high current conductivity o and thermal resistance.
  • the current conductivity of the second layer 120 is greater than the current conductivity of the first layer 110. This ensures that, during the burning of the arc, the electrical current in the contact piece 100 is guided as close as possible to the surface within the second layer 120.
  • the arc is formed on the second layer 120, the first layer 110 as a carrier layer is typically connected to a support pin.
  • the high thermal endurance of the first layer 120 ensures that irreversible deformations due to the high temperatures during arc burning are avoided.
  • the current conductivity o of the second layer 120 should be greater than 19 ⁇ 10 6 ⁇ -1 m -1 . This corresponds to about one third of the conductivity o of copper. To ensure that the current flow when burning an arc through the second
  • Layer 120 extends, the current conductivity of the second layer 120 is at least three times greater than the current conductivity of the first layer 110 formed. This is ensured by the choice of materials for the first layer 110 and the second layer 120.
  • the second layer 120 typically consists of materials of the class CuCrY with optionally additional doping elements, wherein Y indicates the Cr content in atomic percent.
  • Y indicates the Cr content in atomic percent.
  • the use of materials between CuCr20 to CuCr70 has been found. These materials have a current conductivity o which is greater than 19 ⁇ 10 6 ⁇ -1 m _1 .
  • the first layer 110 is typically made of high strength materials or composites such as ceramics, fiber reinforced ceramics, carbides, tungsten, tantalum, steels or alloys.
  • this ensures the mechanical stability of the first layer 110 as a carrier layer and, on the other hand, that the current conductivity of the second layer 120 is at least three times greater than the current conductivity of the first layer 110.
  • the second layer 120 is typically formed in a thickness of 1 to 3 mm.
  • the thickness of the first layer 110 as a carrier layer is typically selected to satisfy the mechanical strength conditions and thermo-mechanical constraints that act on the contact piece 100.
  • Contact pieces 100 for vacuum switch 1000 are typically formed as a disc. Thus, in Figures 1A and 1B, a diameter of such a disk is shown.
  • the contact piece 100 as a disk essentially has a constant thickness d. According to FIG. 1A, the thickness of the second layer 120 decreases from the center to the edge, and the thickness of the first layer 110 decreases correspondingly in opposite direction from the edge to the center. Such a course of first layer 110 and second layer 120 generates an advantageous magnetic field for driving the arc over the contact piece 100.
  • the contact piece 100 may have outgoing from the center outwardly extending slots, as shown for example in the Publication DE 19 624 920 AI are described. Likewise, it is possible that these slots do not relate to the first layer 110 as a carrier layer, but only the second layer 120 has outgoing slots extending from the center.
  • the contact piece 100 for a vacuum switch 1000 may additionally have a third layer 130, as shown in FIG. 1B.
  • the third layer 130 is arranged between the first layer 110 and the second layer 120. This arrangement of the third layer 130 may serve to improve the adhesion between the first layer 110 as a carrier layer and the second layer 120 as an upper functional layer.
  • the third layer 130 serves to adjust the thermal expansion between the first layer 110 and the second layer 120.
  • the material of the third layer 130 may be made of the class of materials CuCrY. However, depending on the material of the first and second layers used (conductivity, thermal expansion), compositions for this third layer 130 are in the range of
  • the third layer 130 is typically formed 1 mm thick.
  • FIG. 2A shows another spatial distribution between the first layer 110 as the carrier layer and the second layer 120. Again, the thickness of the second layer 120 in the center is greater than at the edge of the contact piece 100th
  • FIG. 2B shows a contact piece 100 which has an interruption of the first layer 110.
  • a conductive material 140 is inserted in this interruption of the first layer 110 in the center Z of the contact piece 100.
  • This can be, for example, copper.
  • the conductive material 140 ensures that when connecting the contact piece 100 on a support bolt, the flow of current to the contact piece 100 can take place optimally.
  • the conductive material 140 in FIG the interruption (centric insert) may consist of the same material as the second layer 120.
  • FIGS. 3A and 3B likewise show a contact piece 100 according to the invention consisting of a first layer 110 as a carrier layer and a second layer 120.
  • the second layer 120 may be made of CuCr40.
  • FIG. 3B shows an additional third layer 130, which is formed, for example, from copper.
  • the second layer 120 may be, for example, CuCr40 and have a thickness of 1.5 mm, the third layer 130 formed of copper may have a thickness of 1 mm.
  • FIG. 4 shows an electrical switch 1000 comprising a vacuum interrupter 500.
  • a first contact piece 100 and a second contact piece 101 are arranged inside the vacuum interrupter 500.
  • the first contact piece 100 is arranged on a support bolt 510, which is stationary in the vacuum interrupter 500.
  • the second contact piece 101 is mounted on a second support bolt 520, which can be moved via a drive 530. This movement is directed so that the contact piece 101 can be moved to the contact piece 100 and thereby the contact can be closed.
  • the contacts 100; 101 separated from each other as shown in Figure 4.
  • the contact pieces 100; 101 are each with the first layer 110 as a support layer with the support pin 510; 520 connected.
  • the contact pieces 100; 101 by means of a solder joint on the respective support pin 510; 520 be attached.
  • the contact pieces 100 of the first layer 110 according to the invention as a carrier layer and second layer 120 with high current conductivity, various known ones occur Procedure in question.
  • these are the plating of sheet-like starting materials, the back-casting of, for example, stamped carrier disks with contact material such as CuCr, Injection Molding (IM) corresponding liquid or powder starting materials with optional subsequent heat and / or pressure treatment such as sintering, Field Assisted Sintering Technology (FAST) - method (such as Spark Plasma Sintering (SPS), Electro Sintering Forging (ESF), Dielectric Discharge Sintering (DDS) or Electro Resistive Welding (ERW)), Hot / Cold Isostatic
  • FAST Field Assisted Sintering Technology
  • the described CuCr-based materials are conceivable, as well as materials based on carbides optionally mixed with copper and / or silver, such as tungsten carbide silver (WC-AgX with X-typically at 30 until 50%) .
  • Tungsten can but also be replaced by another refractive metal such as molybdenum or tantalum.

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  • Contacts (AREA)
  • High-Tension Arc-Extinguishing Switches Without Spraying Means (AREA)

Abstract

Es wird ein Kontaktstück für einen Vakuumschalter offenbart, wobei das Kontaktstück eine erste Schicht und eine zweite Schicht umfasst. Die erste Schicht ist als Trägerschicht mechanisch stabil ausgebildet, die zweite Schicht weist eine hohe Stromleitfähigkeit (σ) und thermische Belastbarkeit auf, und die Stromleitfähigkeit der zweiten Schicht ist größer als die Stromleitfähigkeit der ersten Schicht.

Description

Kontaktstück für einen Vakuumschalter und elektrischer Schalter
Die Erfindung betrifft ein Kontaktstück für einen Vakuum- Schalter und einen elektrischen Schalter mit solch einem Kontaktstück .
Vakuumschalter werden neben dem Mittelspannungsbereich auch in Anwendungen im Hochspannungs- bzw. Niederspannungsbereich eingesetzt. Vakuumschalter umfassen eine Vakuumschaltröhre, in der sich das KontaktSystem zum Öffnen und Schließen des Stromkreises befindet. Kontaktsysteme haben typischerweise im Kontaktspalt wirksame Magnetfeldkomponenten senkrecht zur Stromflussrichtung im Schaltplasma. Beispielsweise sind dies sogenannte Radialfeld- (RMF) bzw. Transversalfeld-Kontakte (TMF) .
Typischerweise wird bei Schaltkontakten für Vakuumschaltröhren im Nieder-, Mittel- und Hochspannungsbereich beim Öffnen der Kontakte unter Strombelastung ein Lichtbogen gezündet, der im Plasma des Metalldampfes brennt, welcher bei der Wechselwirkung des Plasmas mit den Kontaktoberflächen entsteht. Dieser Lichtbogen brennt bis zum folgenden Stromnulldurchgang (in Wechselstromnetzen) , wo er aufgrund der raschen Wieder- Verfestigung der Schaltstrecke verlöscht, so dass nachfolgend der elektrische Schalter nicht nur mechanisch, sondern auch elektrisch geöffnet ist.
Bei diesem Vorgang werden die Kontaktoberflächen einer sehr hohen thermischen Belastung ausgesetzt, wodurch die Kontakte aufschmelzen und teilweise verdampfen. Bei thermischer Überlastung der Kontakte wird so viel Metalldampf erzeugt, dass der Lichtbogen nicht mehr im Stromnulldurchgang verlöscht, sondern weiterbrennt. In so einer Situation versagt das Schaltgerät. Zur Sicherstellung, dass eine vorgegebene Maximalbelastung des Kontaktsystems nicht überschritten wird, und mit sehr hoher Sicherheit im ersten Stromdurchgang der den Lichtbogen treibenden Stromhalbwelle dieser verlöscht, sind verschiedene Maßnahmen bekannt.
Der Lichtbogen kann über ein transversales (manchmal auch als radiales Feld bezeichnetes) Magnetfeld (TMF) magnetisch angetrieben werden, so dass sich die thermische Belastung der Kontaktoberfläche zeitlich und räumlich über ausreichend große Bereiche verteilt. Des Weiteren kann durch die Überlagerung eines in Bezug auf die Stromflussrichtung im Schaltlichtbogen axialen Magnetfeldes (AMF) der Lichtbogen diffus und großflächig über die Kontaktoberfläche verteilt werden.
Für beide Prinzipien hat sich als Kontaktwerkstoff der Werkstoff Kupfer-Chrom mit einer Zusammensetzung CuCrY, wobei Y den Cr-Anteil in Atomprozent angibt, als bestmöglicher Werkstoff durchgesetzt. Insbesondere bei TMF-Kontakten nach dem Spiralkontaktprinzip, welches beispielsweise in der
DE 196 24 920 AI beschrieben wird, werden Kontaktscheiben aus CuCr-Werkstoffen eingesetzt, die in spiralförmiger Richtung strukturiert sind, so dass ein Lichtbogen, der mindestens leicht außermittig des Kontakts gezündet wurde, von den mag- netischen Feldkräften in Richtung eines Spiralarmes getrieben wird und auf diesem läuft, bis er dessen Ende erreicht.
Die hohen Anforderungen an den Kontaktwerkstoff wie beispielsweise hohe Reinheit, geringe Porosität, möglichst fein- kristalline Struktur sowie hohe Festigkeit, führen dazu, dass trotz der hohen Kontaktwerkstoffkosten einstückige Kontaktscheiben eingesetzt werden, welche meist über pulvermetallurgische Prozesse wie beispielsweise Sintern oder durch Vakuum- lichtbogen-Umschmelzen hergestellt werden.
Die hohen mechanischen Anforderungen an ein solches Kontaktstück im Betrieb erfordern dabei eine ausreichende mechani- sehe Stabilität, so dass die Dicke der Kontaktscheiben typischerweise im Bereich von 6 bis 8 mm liegt. Dadurch steigen sowohl die Material- als auch die Bearbeitungskosten zur Herstellung der Spiralkontaktstruktur, so dass diese Kontakt- Scheiben einen erheblichen Beitrag zu den Kosten einer Vakuumschaltröhre liefern. Zudem fließt ein erheblicher Teil des den Lichtbogen antreibenden Stroms in dem dem Lichtbogen abgewandten Teil des Spiralarmes, wodurch die antreibende Magnetfeldkomponente und damit auch das Ausschaltvermögen des Kontaktes verringert werden. Typischerweise wird dazu zur Kompensation das Kontaktstück wiederum vergrößert, was die Kosten weiter erhöht.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Kontakt- stück für einen Vakuumschalter zur Verfügung zu stellen, welches zum einen den hohen thermischen Belastungen im Schalt- prozess standhält, zum anderen aber den Lichtbogen optimal über das Kontaktstück an der Oberfläche, die zum Lichtbogen gerichtet ist, führt. Optimal im Sinne der vorliegenden Er- findung bedeutet, dass der Lichtbogen auf dem Kontaktstück mit einer hohen, gleichmäßigen Geschwindigkeit und unter Ausnutzung der gesamten KontaktStückoberfläche läuft.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kontaktstück für einen Vakuumschalter gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kontaktstückes sind in Unteransprüchen angegeben. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ebenso durch den elektrischen Schalter gemäß Anspruch 14 gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektrischen Schalters ist in einem Unteranspruch angegeben.
Das Kontaktstück für einen Vakuumschalter gemäß Anspruch 1 umfasst eine erste Schicht und eine zweite Schicht, wobei die erste Schicht als Trägerschicht mechanisch stabil ausgebildet ist, die zweite Schicht eine hohe Stromleitfähigkeit (o) und thermische Belastbarkeit aufweist und die Stromleitfähigkeit der zweiten Schicht größer als die Stromleitfähigkeit der ersten Schicht ist. Vorteilhaft hierbei ist, dass solch ein Kontaktstück die beiden Funktionen „mechanische Belastbarkeit" und „Kontaktfunktionsschicht" durch Verwendung unterschiedlicher Werkstoffe trennt, wodurch nicht nur die Kosten gesenkt werden, sondern auch die jeweilige Funktion separat optimiert werden kann. Ebenso ist es dadurch möglich, die Gesamtdicke der Kontakte zu verringern, ohne deren Funktionalität zu beeinträchtigen, was zu einer weiteren Verringerung der Kosten beiträgt.
In einer Ausgestaltung ist die Stromleitfähigkeit der zweiten Schicht größer als 19 ·106 Ω-1 m-1. Dies entspricht ungefähr einem Drittel der Leitfähigkeit von reinem Kupfer. In einer weiteren Ausgestaltung ist die Stromleitfähigkeit der zweiten Schicht mindestens dreimal größer als die Stromleitfähigkeit der ersten Schicht. Dadurch, dass die Schichten einen großen Unterschied in der Stromleitfähigkeit aufweisen, wird sichergestellt, dass der Strom im Falle eines Lichtbo- gens hauptsächlich in der zweiten Schicht, die zum Lichtbogen gerichtet ist, fließt.
In einer Ausgestaltung besteht die erste Schicht aus hochfesten Werkstoffen oder Verbundwerkstoffen wie Keramiken, faser- verstärkte Keramiken, Karbiden, Wolfram, Tantal, Stählen oder Legierungen. Diese Materialien stellen sicher, dass die im geschlossenen Zustand des Schalters und im Verlauf des
Schaltvorgangs durch Erwärmung auftretenden thermomechani- schen Spannungen das Kontaktstück nicht zu sehr dehnen bzw. deformieren. Ebenso wird die Bruchfestigkeit des Kontaktstückes durch solche Materialien erhöht.
In einer weiteren Ausgestaltung besteht die zweite Schicht aus einem der Materialien von CuCr20 bis CuCr70. Die zweite Schicht kann in einer Dicke von 1 bis 3 mm ausgebildet sein. In einer weiteren Ausgestaltung ist das Kontaktstück im Wesentlichen rund als Scheibe ausgebildet. Das Kontaktstück kann im Wesentlichen eine konstante Dicke d aufweisen und die zweite Schicht kann in ihrer Dicke vom Zentrum zum Rand ab- nehmen .
In einer weiteren Ausgestaltung weist das Kontaktstück von einem Zentrum Z ausgehende nach außen verlaufende Schlitze auf. Ebenso kann lediglich die zweite Schicht vom Zentrum ausgehende nach außen verlaufende Schlitze aufweisen, wobei die erste Schicht im Wesentlichen rund als Scheibe ausgebildet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung ist im Zentrum Z die erste Schicht unterbrochen und zur besseren Kontaktierung ein leitendes Material in dieser Unterbrechung eingefügt.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Kontaktstück zusätzlich eine dritte Schicht, wobei die dritte Schicht zwi- sehen der ersten Schicht und der zweiten Schicht angeordnet ist. Diese Schicht kann als Haftvermittler zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht dienen, kann die Anpassung der thermischen Ausdehnung zwischen erster und zweiter Schicht verbessern und kann ebenfalls positiv das Magnetfeld beeinflussen.
In einer Ausgestaltung ist die dritte Schicht 1 mm dick ausgebildet . In einer weiteren Ausgestaltung kommt zur Herstellung des
Kontaktstücks ein Field Assisted Sintering Technology (FAST) - Verfahren wie Spark Plasma Sintering (SPS) , Electro Sintering Forging (ESF) , Dielectric Discharge Sintering (DDS) oder Electro Resistive Welding (ERW) zum Einsatz.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ebenso durch den elektrischen Schalter gemäß Anspruch 15 gelöst, der ein erstes er- findungsgemäßes Kontaktstück und ein zweites erfindungsgemäßes Kontaktstück umfasst, und bei dem das erste und das zweite Kontaktstück jeweils auf einem Tragbolzen montiert sind. In einer Ausgestaltung ist die erste Schicht des jeweiligen ersten und zweiten Kontaktstücks mit dem jeweiligen Tragbolzen verbunden .
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie sie erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die in Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden .
Dabei zeigen: Figur 1A und 1B Kontaktstück für einen Vakuumschalter mit erster und zweiter Schicht sowie Kontaktstück mit einer zusätzlichen dritten Schicht;
Figur 2A und 2B Kontaktstück für einen Vakuumschalter mit erster und zweiter Schicht sowie Kontaktstück mit Unterbrechung der ersten
Schicht und leitendem Material;
Figur 3A und 3B Kontaktstück mit erster und zweiter
Schicht sowie Kontaktstück mit zusätzlicher dritten Schicht; und
Figur 4 Elektrischer Schalter mit einer Vakuumröhre und einem ersten und einem zweiten Kontaktstück .
In den Figuren 1A und 1B ist ein Kontaktstück 100 für einen Vakuumschalter 1000 dargestellt. Dabei zeigt Figur 1A das Kontaktstück 100 mit einer ersten Schicht 110 und einer zweiten Schicht 120. Die erste Schicht 110 ist als Trägerschicht mechanisch stabil ausgebildet. Dies bedeutet, dass diese Schicht die mechanischen und thermomechanischen Spannungen, die beim Öffnen und Schließen des Vakuumschalters 1000 unter Stromfluss durch den entstehenden Lichtbogen auf das Kontaktstück 100 wirken, widerstehen kann. Die erste Schicht 100 als Trägerschicht stellt sicher, dass das Kontaktstück 100 möglichst wenig verformt wird und nicht bricht während des Öff- nens und Schließens des elektrischen Schalters 1000 und während des Brennens des Lichtbogens.
Das Kontaktstück 100 umfasst weiter eine zweite Schicht 120, die eine hohe Stromleitfähigkeit o und thermische Belastbar- keit aufweist. Die Stromleitfähigkeit der zweiten Schicht 120 ist größer als die Stromleitfähigkeit der ersten Schicht 110. Dies stellt sicher, dass während des Brennens des Lichtbogens der elektrische Strom im Kontaktstück 100 möglichst nah an der Oberfläche innerhalb der zweiten Schicht 120 geführt wird. Der Lichtbogen entsteht an der zweiten Schicht 120, die erste Schicht 110 als Trägerschicht ist typischerweise mit einem Tragbolzen verbunden. Die hohe thermische Belastbarkeit der ersten Schicht 120 stellt sicher, dass irreversible Verformungen bedingt durch die hohen Temperaturen beim Brennen des Lichtbogens vermieden werden.
Die Stromleitfähigkeit o der zweiten Schicht 120 soll größer als 19 ·106 Ω-1 m-1 sein. Dies entspricht ungefähr einem Drittel der Leitfähigkeit o von Kupfer. Um sicherzustellen, dass der Stromfluss beim Brennen eines Lichtbogens durch die zweite
Schicht 120 verläuft, ist die Stromleitfähigkeit der zweiten Schicht 120 mindestens dreimal größer als die Stromleitfähigkeit der ersten Schicht 110 ausgebildet. Dies wird durch die Wahl der Materialien für die erste Schicht 110 und die zweite Schicht 120 sichergestellt. Die zweite Schicht 120 besteht typischerweise aus Materialien der Klasse CuCrY mit ggf. zusätzlichen Dotierelementen, wobei Y den Cr-Anteil in Atomprozent angibt. Vorteilhaft hat sich die Verwendung von Materialien zwischen CuCr20 bis CuCr70 herausgestellt. Diese Materialien haben eine Stromleitfähigkeit o, die größer als 19 ·106 Ω-1 m_1 beträgt.
Die erste Schicht 110 soll typischerweise aus hochfesten Werkstoffen oder Verbundwerkstoffen wie Keramiken, faserver- stärkte Keramiken, Karbiden, Wolfram, Tantal, Stählen oder Legierungen bestehen.
Dadurch wird zum einen die mechanische Stabilität der ersten Schicht 110 als Trägerschicht sichergestellt, zum anderen, dass die Stromleitfähigkeit der zweiten Schicht 120 mindestens dreimal größer als die Stromleitfähigkeit der ersten Schicht 110 ausgebildet ist.
Die zweite Schicht 120 ist typischerweise in einer Dicke von 1 bis 3 mm ausgebildet. Die Dicke der ersten Schicht 110 als Trägerschicht wird typischerweise so gewählt, dass die mechanischen Festigkeitsbedingungen und thermomechanischen Randbedingungen, die auf das Kontaktstück 100 wirken, erfüllt sind. Kontaktstücke 100 für Vakuumschalter 1000 sind typischerweise als Scheibe ausgebildet. Somit ist in den Figuren 1A und 1B ein Durchmesser solch einer Scheibe dargestellt. Das Kontaktstück 100 als Scheibe weist im Wesentlichen eine konstante Dicke d auf. Entsprechend der Figur 1A nimmt die Dicke der zweiten Schicht 120 vom Zentrum zum Rand ab, entsprechend gegenläufig nimmt die Dicke der ersten Schicht 110 vom Rand zum Zentrum hinab. Ein solcher Verlauf von erster Schicht 110 und zweiter Schicht 120 erzeugt ein vorteilhaftes Magnetfeld zum Antreiben des Lichtbogens über dem Kontaktstück 100.
Das Kontaktstück 100 kann vom Zentrum ausgehende nach außen verlaufende Schlitze aufweisen, wie sie beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 19 624 920 AI beschrieben sind. Ebenso ist es möglich, dass diese Schlitze sich nicht auf die erste Schicht 110 als Trägerschicht beziehen, sondern lediglich die zweite Schicht 120 vom Zentrum ausgehend nach außen verlau- fende Schlitze aufweist.
Das Kontaktstück 100 für einen Vakuumschalter 1000 kann zusätzlich eine dritte Schicht 130 aufweisen, wie dies in der Figur 1B dargestellt ist. Dabei ist die dritte Schicht 130 zwischen der ersten Schicht 110 und der zweiten Schicht 120 angeordnet. Diese Anordnung der dritten Schicht 130 kann der Verbesserung der Haftung zwischen der ersten Schicht 110 als Trägerschicht und der zweiten Schicht 120 als oberer Funktionsschicht dienen. Ebenso dient die dritte Schicht 130 der Anpassung der thermischen Ausdehnung zwischen der ersten Schicht 110 und der zweiten Schicht 120. Das Material der dritten Schicht 130 kann aus der Klasse der Materialien CuCrY bestehen. Je nach verwendetem Material der ersten und zweiten Schicht (Leitfähigkeit, thermische Dehnung) sind jedoch für diese dritte Schicht 130 Zusammensetzungen im Bereich von
CuCrO bis CuCr75 sinnvoll. Die dritte Schicht 130 ist typischerweise 1 mm dick ausgebildet.
In Figur 2A ist eine andere räumliche Verteilung zwischen der ersten Schicht 110 als Trägerschicht und der zweiten Schicht 120 dargestellt. Auch hier ist die Dicke der zweiten Schicht 120 im Zentrum größer als am Rand des Kontaktstückes 100.
In Figur 2B ist ein Kontaktstück 100 dargestellt, welches ei- ne Unterbrechung der ersten Schicht 110 aufweist. In dieser Unterbrechung der ersten Schicht 110 im Zentrum Z des Kontaktstückes 100 ist ein leitendes Material 140 eingefügt. Dies kann beispielsweise Kupfer sein. Das leitende Material 140 stellt sicher, dass bei der Anbindung des Kontaktstückes 100 auf einem Tragbolzen der Stromfluss auf das Kontaktstück 100 optimal stattfinden kann. Das leitende Material 140 in der Unterbrechung (zentrischer Einsatz) kann aus dem gleichen Material wie die zweite Schicht 120 bestehen.
Die Figuren 3A und 3B zeigen ebenso ein erfindungsgemäßes Kontaktstück 100 bestehend aus einer ersten Schicht 110 als Trägerschicht und einer zweiten Schicht 120. Beispielsweise kann in der Figur 3A die zweite Schicht 120 aus CuCr40 gefertigt sein . In der Figur 3B ist eine zusätzliche dritte Schicht 130 dargestellt, die beispielsweise aus Kupfer gebildet ist. Die zweite Schicht 120 kann beispielsweise CuCr40 sein und eine Dicke von 1,5 mm aufweisen, die dritte Schicht 130, gebildet aus Kupfer, kann eine Dicke von 1 mm aufweisen.
In der Figur 4 ist ein elektrischer Schalter 1000 dargestellt, der eine Vakuumschaltröhre 500 umfasst. Zum Schalten eines elektrischen Stroms sind ein erstes Kontaktstück 100 und ein zweites Kontaktstück 101 innerhalb der Vakuumschalt- röhre 500 angeordnet. Das erste Kontaktstück 100 ist auf einem Tragbolzen 510 angeordnet, der ortsfest in der Vakuumschaltröhre 500 ist. Das zweite Kontaktstück 101 ist auf einem zweiten Tragbolzen 520 montiert, der über einen Antrieb 530 bewegt werden kann. Diese Bewegung ist so gerichtet, dass das Kontaktstück 101 auf das Kontaktstück 100 hinzu bewegt werden kann und dadurch der Kontakt geschlossen werden kann. Zum Öffnen des elektrischen Schalters 1000 werden die Kontakte 100; 101 voneinander getrennt, wie es in der Figur 4 dargestellt ist. Die Kontaktstücke 100; 101 sind jeweils mit der ersten Schicht 110 als Tragschicht mit dem Tragbolzen 510; 520 verbunden. Beispielsweise können die Kontaktstücke 100; 101 mittels einer Lötverbindung auf dem jeweiligen Tragbolzen 510; 520 angebracht sein. Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kontaktstücke 100 aus erster Schicht 110 als Trägerschicht und zweiter Schicht 120 mit hoher Stromleitfähigkeit kommen verschiedene bekannte Verfahren in Frage. Beispielsweise sind dies das Plattieren blechförmiger Ausgangswerkstoffe, das Hintergießen von beispielsweise gestanzten Trägerscheiben mit Kontaktmaterial wie CuCr, Injection Moulding (IM) entsprechender flüssiger oder pulverförmiger Ausgangswerkstoffe mit gegebenenfalls nachfolgender Wärme und/oder Druckbehandlung wie beispielsweise Sintern, Field Assisted Sintering Technology (FAST) - Verfahren (wie beispielsweise Spark Plasma Sintering (SPS) , Electro Sintering Forging (ESF) , Dielectric Discharge Sintering (DDS) oder Electro Resistive Welding (ERW) ) , Hot/Cold Isostatic
Pressing (HIP, CIP) , SPS-Verfahren um Funktionsschichten wie CuCr auf Trägermaterial aufzubringen und weitere Verfahren.
Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kontaktstücks 100 sind besonders die Field Assisted Sintering Technology (FAST) - Verfahren geeignet, die eine Stoffschlüssige Verbindung zwischen erster Schicht 110 und zweiter Schicht 120 und gegebenenfalls der dritten Schicht 130 ermöglichen. Durch kurze Prozesszeiten wird bei einem fein-gekörnten Ausgangsmaterial verhindert, dass während der Prozessierung ein Kornwachstum stattfindet und die Schichten besonders homogen ausgebildet sind .
Für die Formgebung des Kontaktstückes können ebenfalls be- kannte Verfahren wie das Fräsen, Bohren oder Sägen, Stanzen, Laser-, Elektronen- oder Wasserstrahlschneiden, elektrochemisches Bearbeiten, Precision Electrochemical Machining (PEM) verwendet werden. Ebenso ist es möglich, die endkonturnahe Herstellung mittels SPS-, Sinter-, IM-Teil oder mit ver- gleichbaren Verfahren durchzuführen.
Als Material für die zweite Schicht 120 sind die beschriebenen Materialien auf CuCr-Basis denkbar, ebenso aber auch Werkstoffe auf Karbid-Basis ggf. vermischt mit Kupfer und/oder Silber, wie beispielsweise Wolframkarbid-Silber (WC- AgX mit X-typischerweise bei 30 bis 50%) . Wolfram kann aber auch durch ein anderes refraktives Metall wie Molybdän oder Tantal ersetzt werden.
Die Funktionen „mechanische Belastbarkeit" und „Kontaktfunk- tionsschicht" werden durch die Verwendung unterschiedlicher Werkstoffe getrennt und dadurch werden Kosten gesenkt und zu sätzlich die Funktion eines Kontaktstückes 100 verbessert. Dadurch ist es auch möglich, die Gesamtdicke der Kontaktstücke 100 zu verringern, ohne deren Funktionalität zu beeinträchtigen, was zu einer weiteren Verringerung der Herstellungskosten beiträgt.

Claims

Patentansprüche
Kontaktstück (100) für einen Vakuumschalter (1000), wobei das Kontaktstück (100) eine erste Schicht (110) und eine zweite Schicht (120) umfasst,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die erste Schicht (110) als Trägerschicht mechanisch stabil ausgebildet ist,
die zweite Schicht (120) eine hohe Stromleitfähigkeit (o) und thermische Belastbarkeit aufweist, und
die Stromleitfähigkeit der zweiten Schicht (120) größer als die Stromleitfähigkeit der ersten Schicht (110) ist.
Kontaktstück (100) für einen Vakuumschalter (1000) gemäß Anspruch 1, bei dem die Stromleitfähigkeit der zweiten Schicht (120) größer als 19 ·106 Ω"1 m"1 ist.
Kontaktstück (100) für einen Vakuumschalter (1000) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Stromleitfähigkeit der zweiten Schicht (120) mindestens dreimal grö ßer als die Stromleitfähigkeit der ersten Schicht (110) ist . 4. Kontaktstück (100) für einen Vakuumschalter (1000) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die erste Schicht (110) aus hochfesten Werkstoffen oder Verbundwerkstoffen wie Keramiken, faserverstärkte Keramiken, Karbiden, Wolfram, Tantal, Stählen oder Legierungen besteht.
Kontaktstück (100) für einen Vakuumschalter (1000) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die zweite
Schicht (120) aus einem der Materialien von CuCr20 bis CuCr70 besteht.
Kontaktstück (100) für einen Vakuumschalter (1000) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die zweite Schicht (120) zwischen 1 bis 3 mm dick ausgebildet ist.
Kontaktstück (100) für einen Vakuumschalter (1000) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, welches im Wesentlichen rund als Scheibe ausgebildet ist.
Kontaktstück (100) für einen Vakuumschalter (1000) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Kontaktstück (100) im Wesentlichen eine konstante Dicke d aufweist und die zweite Schicht (120) in ihrer Dicke vom Zentrum zum Rand abnimmt.
Kontaktstück (100) für einen Vakuumschalter (1000) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, welches von einem Zentrum Z ausgehende nach außen verlaufende Schlitze aufweist.
Kontaktstück (100) für einen Vakuumschalter (1000) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei welchem lediglich die zweite Schicht (120) vom Zentrum ausgehende nach außen verlaufende Schlitze aufweist.
Kontaktstück (100) für einen Vakuumschalter (1000) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei welchem im Zentrum Z die erste Schicht (110) unterbrochen ist und zur besseren Kontaktierung ein leitendes Material (140) in dieser Unterbrechung eingefügt ist.
Kontaktstück (100) für einen Vakuumschalter (1000) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Kontaktstück (100) zusätzlich eine dritte Schicht (130) umfasst,
wobei die dritte Schicht (130) zwischen der ersten Schicht (110) und der zweiten Schicht (120) angeordnet ist .
Kontaktstück (100) für einen Vakuumschalter (1000) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die dritte Schicht (130) 1 mm dick ausgebildet ist.
14. Kontaktstück (100) für einen Vakuumschalter (1000) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem zur Herstellung des Kontaktstücks (100) ein Field Assisted Sintering Technology (FAST) - Verfahren wie Spark Plasma Sintering
(SPS) , Electro Sintering Forging (ESF) , Dielectric
Discharge Sintering (DDS) oder Electro Resistive Welding
(ERW) zum Einsatz kommt.
15. Elektrischer Schalter (1000) umfassend ein erstes Kontaktstück (100) und ein zweites Kontaktstück (101) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das erste und das zweite Kontaktstück (100; 101) jeweils auf einem Tragbolzen (510; 520) montiert sind.
16. Elektrischer Schalter (1000) gemäß Anspruch 14, bei dem die erste Schicht (110) des jeweiligen ersten und zweiten Kontaktstücks (100; 101) mit dem jeweiligen Tragbolzen (510; 520) verbunden ist.
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