DE1081950B - Vakuumschalter - Google Patents
VakuumschalterInfo
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- H01H33/66—Vacuum switches
- H01H33/664—Contacts; Arc-extinguishing means, e.g. arcing rings
- H01H33/6643—Contacts; Arc-extinguishing means, e.g. arcing rings having disc-shaped contacts subdivided in petal-like segments, e.g. by helical grooves
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- H—ELECTRICITY
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf Vakuumschalter, die sich zur Unterbrechung von elektrischen Stromkreisen
mit induktiven Belastungen eignen, in welchen Ströme geringer Größe wie in der Hauptpatentanmeldung beschrieben
abgeschaltet werden müssen.
In der Hauptpatentanmeldung war erläutert worden, daß für Wechselströme geringer Größe unter
500 Ampere die Erscheinung eines sogenannten Abreißens des Stromes auftritt, wenn der Stromkreis
durch einen Vakuumschalter geöffnet wird. Bei diesen Stromstärken brennt ein Lichtbogen nicht bis zum
nächsten natürlichen Nulldurchgang, sondern wird vielmehr bei einer geringen Stromstärke unterbrochen
und fällt dann augenblicklich auf Null ab. Die Stromstärke, bei welcher dieser Stromabfall stattfindet, wird
»Abreißstrom« genannt. Bei den bisher bekannten Vakuumschaltern traten Abreißstromstärken zwischen
10 und 40 Ampere auf. Ein derartiger Abreißvorgang ist bei Vakuumschaltern in kapazitiven Stromkreisen
noch zulässig, erzeugt jedoch bei Stromkreisen mit induktiven Belastungen außerordentlich hohe Überspannungen
und muß mit Rücksicht auf diese Überspannungen vermieden werden.
Gemäß der Hauptpatentanmeldung werden in einem derartigen Vakuumschalter Drücke von 10 ~4 mm Hg
oder weniger aufrechterhalten, und es wird wenigstens eine Elektrode des Vakuumschalters aus einem Material
gefertigt, das einen Dampfdruck von wenigstens der Größe des magnetischen Druckes im Lichtbogen hat,
außerdem eine niedrige Wärmeleitfähigkeit besitzt, durch Sauerstoff nur schwer angreifbar ist und frei
von sorbierten Gasen und Verunreinigungen ist.
Ein Zweck der Erfindung besteht darin, einen Vakuumschalter zu schaffen, der sich für die Unterbrechung
niedriger Wechselströme in induktiven Stromkreisen eignet, bei dem ferner eiti geringer Abreißstrom
auftritt und dessen Elektroden hart und spröde sind, so daß ein Zusammenschweißen der Elektroden
und ein Splittern der Elektroden vermieden wird.
Gemäß der Erfindung sollen bei einem Vakuumschalter nach der Hauptpatentanmeldung die Elektroden
aus einer Verbindung Ton Metallen bestehen, wobei diese Metallverbindung einen Schmelzpunkt
über 800° C besitzen und aus Metallen bestehen soll, die in Luft stabil sind und sich zur Entfernung von
Fremdgasen oder gasförmigen Verunreinigungen leicht im Vakuum behandeln lassen. Dabei soll mindestens
eines dieser Metalle einen geringeren Dampfdruck als Cadmium haben und einen größeren Dampfdruck
als Lanthan. Bei einer bevorzugten Ausfiihrungsform der Erfindung soll die Metaliverbindung
auch ein Metall von geringer Austritfsarbeit enthalten.
Vakuums chatter
Zusatz zur Patentanmeldung G 27419VIIIb/21c
(AuslegEsdirift 1 074 120)
(AuslegEsdirift 1 074 120)
Anmelder:
General Electric Company,
Schenectady, N. Y. (V. St. A.)
Schenectady, N. Y. (V. St. A.)
Vertreter: Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,
München 23, Dunantstr. 6
München 23, Dunantstr. 6
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 24. Juli 1958
V. St. v. Amerika vom 24. Juli 1958
James Martin Lafferty, Schenectady, N. Y. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Vakuumschalters gemäß der Erfindung und
Fig. 2 eine Darstellung eines sinusförmigen Wechselstromverlaufs, welche zur Erläuterung der
Abreißvorgänge dient.
In Fig. 1 ist mit 10 der gesamte Vakuumschalter bezeichnet, der ein Gehäuse Il enthält, das eine
zylindrische Form besitzen kann und aus einem geeigneten Isoliermaterial besteht. Das Gehäuse 11 ist an
seiner Oberseite und seiner Unterseite mit metallischen. Kappen 12 und 13 verschlossen. Mit 14 sind geeignete
Hochvakuumdichtungen bezeichnet.
Innerhalb des Schalters befinden sich zwei voneinander trennbare Kontakte oder Lichtbogenelektroden
15 und 16, die in Fig. i in der geschlossenen Lage dargestellt sind. Der obere Kontakt IS ist der feste
Kontakt, der mechanisch und elektrisch mit einem Stab 17 verbunden ist, welcher seinerseits an der
oberen Kappe 12 befestigt ist. Der untere Kontakt 16 sitzt auf einem Stab 18 und ist mitteis eines Metallbalgs
20 oder eines gleichwertigen vakuumdichten Bauelementes, welches eine Bewegung des Kontaktes 16
nach oben und unten zuläßt, an der unteren Kappe 13 befestigt. Bei bestimmten Arten von Unterbrechern,
beispielsweise bei Vaküümschmelzsicheningen und
Lichtbogenunterbrechern, braucht die Elektrode 16 nicht beweglich ausgeführt zu werden, sondern wird
in einem festen Abstand gegenüber der Elektrode 15
009 510/242
im Gehäuse 11 angebracht. Der zu unterbrechende Stromkreis wird zwischen die Anschlußklemmen 21
und 22 angeschlossen. Zwischen die beiden Elektroden einerseits und das Schaltergehäuse 11 andererseits ist
noch eine beispielsweise aus Metall bestehende zylindrische Trennwand 23 eingebaut, die zur Verhinderung
des Ansetzens eines Lichtbogens am unteren Ende 24 eingerollt ist und die einen metallischen
Niederschlag auf der Innenseite der Gehäusewand 11 verhindern soll.
In diesem Vakuumschalter muß mindestens ein Druck von 10~4 mm Hg herrschen, vorzugsweise wird
jedoch ein Druck von 10~s bis 10-8mmHg gewählt.
Dieser niedrige Druck ist erforderlich, um den bei der Öffnung der Elektroden 15 und 16 entstehenden
Lichtbogen beim ersten Nulldurchgang zu löschen. Dieser Lichtbogen darf kein ionisierbares Gas innerhalb
des Schalters vorfinden. Eine solche Ionisation läßt sich dadurch verhindern, daß die möglichen
Überschlagswege zwischen den Elektroden 15 und 16 oder zwischen ihren Trägern klein gegenüber der mittleren
freien Weglänge ist, welche die Elektronen zwischen zwei Zusammenstößen mit Gasmolekülen in
dem Vakuumraum durchlaufen. Diese Bedingung läßt sich nur unterhalb eines Druckes von ΙΟ"4 mm Hg
und vorzugsweise unterhalb eines Druckes von 10-5HimHg erfüllen.
In Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf des zu unterbrechenden Stromes für eine Halbwelle dargestellt.
Die Kontakte 15 und 16 mögen im Zeitpunkt B der Halbwelle A voneinander getrennt werden. In diesem
Zeitpunkt beginnt dann der Lichtbogen zu brennen. Der Lichtbogen wird ausschließlich durch die auf den
Oberflächen der Kontakte 15 und 16 erzeugten Metalldämpfe unterhalten. Die Endpunkte des Lichtbogens
werden der Kathodenfleck und der Anodenfleck genannt. Die stärkste Metallverdampfung findet an der
Kathode, d. h. an der negativen Elektrode, statt. Bei einer Unterbrechung des Wechselstromes in einem beliebigen
Zeitpunkt kann natürlich jede der beiden Elektroden zur Kathode werden. In Fig. 2 verläuft
der Strom nach Beginn des Lichtbogens weiterhin nach der Halbwellenkurve A und erreicht für hohe
Stromstärken, d. h. für Ströme über 500 Ampere, seinen natürlichen Nullpunkt längs der punktiert gezeichneten
Kurve. In diesem Zeitpunkt erlöscht der Lichtbogen, und die erzeugten Metallionen zwischen
den Elektroden diffundieren schnell nach den kalten Wänden 12, 13 und 23, wo sie sich niederschlagen.
Ein neuer Lichtbogen entsteht jedoch nicht, wenn sich die Spannung zwischen den Kontakthälften 15 und 16
wieder aufbaut, da der Vakuumraum zwischen den Kontakten eine genügende Durchschlagsfeldstärke besitzt.
Wenn jedoch der zu unterbrechende Strom verhältnismäßig niedrig ist, d. h. unter 500 Ampere liegt,
findet bei einer noch endlichen Stromstärke, die in Fig. 2 mit I0 bezeichnet ist und zum Zeitpunkt Null
auftreten möge, ein plötzliches Abreißen des Lichtbogenstromes statt. Dieser ruft außerordentlich hohe
Überspannungen an den induktiven Bestandteilen des Stromkreises hervor und kann die Isolation dieser Bestandteile
daher durchschlagen.
In der Hauptpatentanmeldung ist erläutert, daß ein derartiges Abreißen eines Stromes in einem Vakuumschalter
davon herrührt, daß der sogenannte magnetische Druck in einem Lichtbogen, der den Lichtbogen
zusammenzuziehen bestrebt ist, dem Dampfdruck der Metalldämpfe im Lichtbogen überwiegt.
Zur Vermeidung eines solchen unstabilen Zustandes wird in der Hauptpatentanmeldung vorgeschlagen, für
die Lichtbogenelektroden ein Material hohen Dampfdruckes zu verwenden, so daß der entstehende Dampfdruck
dem magnetischen Druck entgegenwirken kann. Die in der Hauptpatentanmeldung genannten Kontaktmaterialien
eignen sich auch dazu, den Abreißstrom zu vermindern. Einige dieser Materialien sind
jedoch, sofern sie in reiner Form verwendet werden, verhältnismäßig weich und haben niedrige Schmelzpunkte.
Sie können daher auch leicht erodiert werden, und die beiden Elektroden können sich unter den
Lichtbogentemperaturen verschmelzen. Gewisse Materialien mit niedrigem Schmelzpunkt können auch
schon eine Verschweißung zeigen, bevor der Lichtbogen gezogen wird.
Gemäß der Erfindung soll wenigstens eine der Elektroden
15 und 16 aus einer Verbindung von Metallen bestehen, wobei wenigstens das eine Metall einen
Dampfdruck besitzen soll, der niedriger ist als derjenige von Cadmium und höher ist als derjenige von
Lanthan. Diese Verbindungen von Metallen sollen ferner Schmelzpunkte von höher als 800° C besitzen,
ihre Bestandteile sollen in Luft stabil sein und sollen durch Schmelzen im Vakuum in reiner Form erhalten
werden können.
Die Forderung, daß jeder der Bestandteile der Verbindung in Luft stabil sein soll, ist gleichbedeutend
mit der Forderung, daß bei Einwirkung von atmosphärischer Luft auf das Metall während längerer
Zeit bei Zimmertemperatur keine andere Reaktion stattfinden soll als die Bildung eines dünnen Oxydüberzuges
von der Dicke einiger Moleküle. Solche Oxydüberzüge werden bei den meisten Metallen gebildet,
und zwar auch bei denjenigen, die als in Luft sehr stabil gelten. Die Forderung, daß die metallischen
Bestandteile dieser Verbindungen sich im Vakuum schmelzen lassen sollen, bedeutet lediglich, daß das Material
einen solchen Dampfdruck besitzen soll, daß vor dem Schmelzen im Vakuum keine Verdampfung oder
Sublimation stattfinden soll. Ferner soll das Material mit den Gefäßwänden nicht so stark reagieren, daß es
für das Schmelzen im Vakuum ungeeignet ist.
Das Verhältnis der Bestandteile der Metallverbindung ist ganzzahlig, und das auftretende Kristallgitter
ist ziemlich kompliziert, aber regulär. Die Eigenschaften der Verbindung hängen von der Art des
Kristallgitters ab. So haben z. B. bestimmte Verbindungen von Metallen, insbesondere diejenigen von
Metallen der Gruppen III und V des Periodischen Systems, ein Kristallgitter, bei welcher sich ein Energieband
vollständig mit Elektronen füllt, so daß die Verbindung Halbleitereigenschaften annimmt. Auf
diese Verbindungen ist hier deshalb hingewiesen, um die besonderen Eigenschaften, welche Verbindungen
von zwei Metallen besitzen können, hervorzuheben.
An Metallverbindungen haben sich für die Lichtbogenelektrbden
von Vakuumschaltern insbesondere die folgenden Verbindungen bewährt: Cu2Ce, Cu4La,
Al2Ce, Al2La, AlSb, Bi3Ce4, Bi2Mg3, SnCe2, SnLa2,
PbLa2 und MgSb.
Diese Metallverbindungen haben ungewöhnlich hohe Schmelzpunkte im Vergleich zu ihren Bestandteilen.
Außerdem sind sie genügend spröde, um sich als Kontakte in einem Vakuumschalter zu eignen.
Als Beispiel für die außergewöhnlich hohen Schmelzpunkte von Metallverbindungen sei Al2Ce erwähnt,
das einen Schmelzpunkt von etwa 1465° C besitzt, obwohl seine Bestandteile nur Schmelzpunkte
von 660 und 830° C besitzen. Auch die Verbindung Al2La besitzt einen Schmelzpunkt von etwa 1424° C,
5 6
obwohl ihre Bestandteile nur Schmelzpunkte von 660 wogen, um das stÖchiometrische Verhältnis für die her-
bzw. 812° C besitzen. Die Verbindung AlSb hat einen zustellende Verbindung zu gewinnen, und werden so-Schmelzpunkt
von etwa 1050° C, während ihre Be- dann von neuem geschmolzen und im Vakuum gestandteile
Schmelzpunkte von 660 bzw, 630° C haben. mischt und in die gewünschte Elektrodenform ge-Die
Verbindung Bi3 Ce4 hat einen Schmelzpunkt von 5 gössen. Es muß natürlich ein Standardmaß für okklu-1600°
C, während ihre Bestandteile Schmelzpunkte dierte und sorbierte Gase für einen Vakuumschalter
von 262 bzw. 830° C besitzen. Die Verbindung Bi2Mg3 geschaffen werden. Ein solches Standardmaß kann in
hat einen Schmelzpunkt von 823° C, obwohl ihre Be- der Forderung bestehen, daß die fertige Lichtbogenstandteile
Schmelzpunkte von 262 bzw. 650° C be- elektrode so rein sein soll, daß sie weniger als 10 ~6
sitzen. Die Verbindung Sn Ce2 hat einen Schmelzpunkt io der Atome aller Gase enthält. Diese Forderung läßt
von 1400° C, während ihre Bestandteile Schmelz- sich erfüllen, wenn die Kontakte in einer Vakuumprüfpunkte
von 232 bzw. 830° C besitzen. Die Verbindung kammer von einigen Litern Volumen und nach tiefer
SnLa2 hat einen Schmelzpunkt von 1420° C, während Erosion durch wiederholte Erzeugung eines Lichtihre
Bestandteile Schmelzpunkte von 232 bzw. 812° C bogens mit Netzspannung und einer Stromstärke von
besitzen. Die Verbindung Pb La2 hat einen Schmelz- 15 100 Ampere oder mehr innerhalb einiger Perioden
punkt von 1315° C, während ihre Bestandteile nach einem Lichtbogen keinen wesentlichen Druck-Schmelzpunkte
von 327 bzw. 812° C besitzen. Die anstieg liefern, und zwar selbst dann nicht, wenn der
Verbindung MgSb hat einen Schmelzpunkt von Anfangsdruck von der Größenordnung von
1828° C, während ihre Bestandteile Schmelzpunkte 10~5 mm Hg gewesen ist und wenn keine Getter oder
von 630 bzw. 650° C besitzen. Diese hohen Schmelz- 20 Pumpen verwendet werden. Da die wiederholte Erzeupunkte
der Metallverbindungen eignen sich natürlich gung eines Lichtbogens eine starke Erosion hervorruft
besonders gut für Vakuumschalter. und einen erheblichen Teil des Kontaktmaterials ver-
Die hohen Schmelzpunkte der erwähnten inter- braucht, stellt dieser Versuch einen ausreichenden
metallischen Verbindungen sind dabei deshalb wich- Beweis für praktisch völlige Freiheit von okkludierten
tig, weil ein Verschweißen der Lichtbogenelektroden 25 und sorbierten Gasen dar. Schon bei Vorhandensein
vermieden werden kann, das mit Rücksicht auf die sehr geringer Gasmengen in dem Metall würde sich
hohen Temperaturen des Kathodenflecks im Licht- nämlich ein beträchtlicher Druckanstieg in der
bogen, welche 2500 bis 3500° K betragen können, Vakuumkammer zeigen. Nachdem die Elektroden in
wenn es sich um Stromstärken von mehreren hundert dieser Weise hergestellt und Probestücke von ihnen
Ampere bei 600 Volt handelt, dann leichter vermieden 30 in der geschilderten Weise geprüft worden sind,
werden kann. werden die Elektroden in einen Schalter nach Fig. 1
Ein weiterer unerwarteter Vorteil "der erwähnten eingebaut und der Schalter dann an eine' Vakuum-Metallverbindungen
ist ihre hohe Sprödigkeit. Wenn pumpe angeschlossen und entlüftet. Während der Evanämlich
ein Verschweißen von Elektroden aus ver- kuierung auf einen Druck von wenigstens ΙΟ"4 mm Hg
hältnismäßig duktilen Elementen, beispielsweise aus 35 wird der Schalter auf eine Temperatur von wenigstens
Wismut, auftritt, so· kann es vorkommen, daß diese 500° C erhitzt, um alle seine Bestandteile von auf
Schweißstelle bei der mechanischen Betätigung der ihrer Oberfläche adsorbierten Gasen zu befreien, so
unteren Schalterelektrode nicht zerstört wird. Die er- daß der genügend niedrige Betriebsdruck in dem
wähnten intermetallischen Verbindungen sind jedoch Schalter selbst bei hohen Temperaturen und nach
alle so spröde, daß eine etwa entstandene Schweißstelle 40 wiederholter Erzeugung eines Lichtbogens aufrechtbei
der Betätigung des unteren Schalterkontaktes so- erhalten bleibt. Zweckmäßiger weise wird der Schalter
fort zerbricht. Immerhin ist die Sprödigkeit der während etwa 10 Stunden auf einen Druck von
Intermetallverbindungen nicht so groß, daß die Kon- -■ 10-5mmHg entlüftet,
takte zersplittern. Sodann wird der Schalter abgeschmolzen und ist
takte zersplittern. Sodann wird der Schalter abgeschmolzen und ist
Für einen Vakuumschalter ist es außerdem noch 45 betriebsfertig. Man kann ihn somit dann zur Unternötig, daß die Lichtbogenelektroden von okkludierten brechung von niedrigen Strömen verwenden, wobei
und sorbierten Gasen frei sind. Um dies zu erreichen, nur ein geringer Abreißstrom auftritt,
müssen die Elektroden vor ihrem Einbau von allen Außer einem hohen Schmelzpunkt, einer geeigneten
müssen die Elektroden vor ihrem Einbau von allen Außer einem hohen Schmelzpunkt, einer geeigneten
sorbierten und okkludierten Gasen befreit werden. Bei Sprödigkeit und einer ausreichenden Dampfentwickden
bisher bekannten Vakuumschaltern hat man feuer- 50 lung an der Kathode ist es noch nötig, für eine ausfeste
Materialien für die Elektroden verwendet, da reichende Stabilität der Elektroden zu sorgen. Dies
diese bei Temperaturen von etwa 2000° C entgast geschieht dadurch, daß man ein Elektrodenmaterial
werden konnten, ohne nennenswert zu verdampfen mit einer niedrigen Austrittsarbeit verwendet,
oder zu schmelzen. Bei Verwendung einer inter- Somit soll der eine Bestandteil der intermetallischen
oder zu schmelzen. Bei Verwendung einer inter- Somit soll der eine Bestandteil der intermetallischen
metallischen Verbindung für die Elektroden kann 55 Verbindung einen Dampfdruck zwischen demjenigen
man dies Verfahren jedoch natürlich nicht mehr an- von Lanthan und Cadmium besitzen und der andere
wenden. Es wurde jedoch gefunden, daß nach einer Bestandteil ein Metall mit einer Austrittsarbeit unter
einmaligen Befreiung von okkludierten und sor- 3,5 Elektronenvolt sein, beispielsweise Cer oder Lanbierten
Gasen man das Material ohne Gefahr unter than. Dieser Bestandteil muß natürlich ebenfalls in
atmosphärischem Druck oder höherem Druck mit Luft 60 Luft stabil sein und muß sich für die Behandlung im
oder anderen Gasen in Berührung bringen kann, ohne Vakuum eignen. Dementsprechend liefern die
daß man eine andere Verunreinigung befürchten muß Materialien Al2 Ce, Al2La, Bi3Ce4, SnCe2 und PbLa2
als die Entstehung eines Überzugs aus einer dünnen eine zusätzliche Sicherheit gegen das zu frühe Ver-Oxydschicht.
Eine solche Oxydschicht ist gewöhnlich löschen eines Wechselstromlichtbogens, da sie ein
nur einige Moleküldurchmesser dick. Die Elektroden 65 Material von geringer Austrittsarbeit, nämlich Cer
können so hergestellt werden, daß man zunächst die oder Lanthan, enthalten. Ferner eignen sich die Verokkludierten
und sorbierten Gase von den einzelnen bindungen Cu2 Ce und Cu4La wegen der geringen AusBestandteilen
der Verbindung beispielsweise durch trittsarbeit des Cers und Lanthans besonders gut für
wiederholtes Schmelzen in einem Lichtbogenofen ent- Lichtbogenelektroden, obwohl diese Verbindungen
fernt. Die Bestandteile werden dann sorgfältig ge- 7° einen tieferen Schmelzpunkt haben als reines Kupfer.
Claims (6)
1. Vakuumschalter näöh Patentanmeldung·
G 27419 VIIIb/21 c mit einem Druck von weniger;
als ICh* mm Hg, dadurdi gekennzeichnetj daß
wenigstens eine der Schalterelektroden aus einer
intermetallischen Verbindung mit einem Schmelzpunkt über 800® C besteh ts wobei wenigstens ein
Bestandteil dieser Verbindung ein Metall mit
einem größeren" Dampfdruck als demjenigen von
Lanthan und einem kleineren Dampfdruck als demjenigen von Cadmium ist und alle Bestandteile
dieser Verbindung in Luft stabil sind.
2. Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß ein anderer Bestandteil der intermetallischen Verbindung ein Metall mit einer
Austrittsarbeit von Weniger als 3,5 Elektronenvolt ist.
3. Vakuumschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Metall aus Cer besteht,
4. Vakuumschalter nach Anspruch 2, dadurch ge-·
kennzeichnet, daß dieses Metall aus Lanthan besteht.
5. Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode aus Al2 CeK
Al2La, AlSb, Bi3Ci4, Bi2Mg3, SnCe2, SnLa2,
PbLa2, MgSb, Sn2Ce, Sn4La, Cu2 Ce oder Cu4La
besteht.
6. Vakuumschalter nach einem der vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet) daß die Elektrode aus einem porösen feuerfesten Körper besteht, dessen Poren mit der intermetallischen Verbindung gefüllt sind.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
©009510/242 5.60
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