DE1765050B2

DE1765050B2 - Elektrische kontakt- oder elektrodenanordnung zur ortsfesten stabilisierung der lichtbogenfusspunkte und zur verringerung der abbrandverluste

Info

Publication number: DE1765050B2
Application number: DE19681765050
Authority: DE
Inventors: Adil Prof.' Dr. 3300 Braunschweig; Schmidt Heinz Dr.; Schröder Karl-Heinz Dipl.-Ing. Dr.; 6454 Großauheim Erk
Original assignee: Deutsche Gold und Silber Scheideanstalt
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 1968-03-26
Filing date: 1968-03-26
Publication date: 1976-08-05
Also published as: DE1765050A1

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Kontakt- oder Elektrodenanordnung mit Zonen aus unterschiedlichen Werkstoffen zur ortsfesten Stabilisierung eines zwischen den einzelnen Kontaktstücken, Elektroden oder sonstigen Schalterbauteilen brennenden Lichtbogens und zur gleichzeitigen Verringerung der Abbrandverluste.

Eine derartige Kontaktanordnung ist aus der DT-PS 58 108 bekannt. Bei elektrischen Kontaktvorrichtungen, die den Strom bei höheren Spannungen und Stromstärken schalten, entsteht beim öffnen der Kontaklstücke ein Lichtbogen, dessen Fußpunkte normalerweise ganz unregelmäßig über die Kontaktoberflächen wandern. Die dadurch bedingte thermische Aufheizung der Kontaktstücke über größere Bereiche der Kontaktoberflächen führt zu einem Verdampfen und Verspritzen des Kontaktmaterials im schmelzflüssigen Zustand und ist so für den sogenannten Abbrand der Kontaktstücke verantwortlich. Um einen geringen Abbrand zu erreichen, muß im allgemeinen die Verweilzeit der Lichtbogenfußpunkte auf den Kontaktstücken möglichst kurz gehalten werden.

Bei Niederspannungsschaltgeräten werden die beim öffnen der Schaltstücke entstehenden Lichtbögen zu ihrer Löschung meist mit Hilfe von eigenerregten Magnetfeldern zu Schleifen aufgeweitet und auf dem kürzesten Weg von den Kontaktstücken in sogenannte Löschkammern abgelenkt wo sie dann gelöscht werden. Bei dem sogenannten Magnetfeld-Mittelspannungsschaltgeräten arbeitet man vielfach noch mit zusätzlichen magnetischen Fremdfeldern, um eine raschere Ableitung und Löschung des Lichtbogens zu erreichen.

Es gibt in der Schaltgerätetechnik jedoch auch Fälle, in denen man bestrebt ist die Lichtbogenfußpunkte ortsfest an ihrer Entstehungsstelle zu stabilisieren. So gibt es beispielsweise Schaltgeräte, bei denen der Lichtbogen zwecks Erhöhung seiner Lichtbogenspan nung auf eine möglichst große Länge aufgeweitet werden soll. Man muß dann durch geeignete Maßnahmen dafür sorgen, daß die Fußpunkte des Lichtbogens nicht über die Kontaktoberfläche wandern und somit den Lichtbogen wieder verkürzen.

Andererseits ist man bei Niederspannungsschaltgeräten kleiner Leistung ohne zusätzliche Löscheinrichtung sowie bei Hochspannungsleistungsschaltern mit strö mendem Löschmittel vielfach bestrebt die Lichtbogen länge möglichst kurz zu halten, um eine übermäßige Energieentwicklung zu unterdrücken. Dementsprechend muß man verhindern, daß die Lichtbogenfuß punkte an solche Stellen der Kontaktstücke wandern, von denen aus dem Lichtbogen durch eigenerregte Magnetfelder die Möglichkeit zur Aufweitung gegeben wäre.

Auch bei Plasmabrennern ist man beispielsweise daran interessiert daß der Lichtbogen zwischen den beiden Elektroden ortsfest auf den beiden Elektrodenoberflächen verharrt und in ihrer Lage auf den Elektrodenoberflächen stabile Brennflecke gebildet werden.

Es ist für solche Schaltgeräte daher wichtig, die Fußpunkte eines zwischen Kontaktstücken, Elektroden oder sonstigen Schalterbauteilen brennenden Lichtbogens in ihrer Lage auf den Oberflächen dieser Bauteile ohne aufwendige Zusatzeinrichtungen ortsfest zu stabilisieren.

Es ist beispielsweise bekannt zur ortsfesten Stabilisierung des Lichtbogens zylindrische Kontaktstücke zu verwenden, die einen Kern aus einem elektrisch relativ schlecht leitendem Material und einem verhältnismäßig dicken Mantel aus einem elektrisch gut leitenden Material besitzen. Die Stirnflächen der Kontaktstücke sind dabei konvex gekrümmt, so daß die Kontaktgabe nur im Bereich des weniger gut leitenden Kerns erfolgt, während die Stromzuführung über den elektrisch gut leitenden Mantel verläuft Beim Trennen der Kontaktstücke wird der im Zentrum des Kerns entstehende Lichtbogen durch ein rotationssymmetrisches Magnetfeld ortsfest stabilisiert, das durch die ebenfalls rotationssymmetrisch im Mantel verlaufenden Stromlinien erzeugt wird. Bei dieser Anordnung müssen aber neben einem hohen Übergangswiderstand an der Berührungsstelle auch verhältnismäßig große Abmessungen sowohl des Mantels als auch des Kerns in Kauf

15

20

nen werden, um einerseits ein zuverläßlich sierendes Magnetfeld zu erzeugen und um

i eine für die Schaltleitung genügend große

ntaktfläche aus dem weniger gut leitendem Kemma-1 zur Verfügung zu haben. Auch kann bei dieser rjnnng bei einer zufälligen Zündung des Lichtboaußerhalb des Zentrums die Wanderung der btbogenfußpunkte auf der Kontaktstirnfläche nicht ' r aufgehalten werden.

i ist weiterhin aus der DTPS 9 7! 964 bekannt, bei " spannungsleistungsschaltern mit Schaltstift und ontakt in den aus Kupfer bestehenden Schaltstift ne homogene Stücke aus einem niedrigerschmeln Werkstoff einzusetzen, wie Aluminium oder

lium. Auch mit Kontaktstücken dieser Art ist eine

_bilisierung der Fußpunkte der Lichtbogen nicht öglich, und man erhält ebenfalls einen relativ hohen jaterialabbrand.

Aus der DT-PS 10 00486 sind hornförmige Schalt-.^Jontakte aus elektrisch gut leitendem Material, wie z. B. §J Kupfer, bekannt, die zur Ableitung der IJchtbogenfußf punkte Einlagerungen aus magnetischem Material f besitzen, insbesondere Eisen. Solche Schaltkontakte \ sind aufgrund ihrer Konstruktion nicht in der Lage, die f Lichtbogenfußpunkte ortsfest zu stabilisieren und * zeigen daher einen großen Abbrand.
% Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht

I* darin, die bekannten Kontaktanordnungen dahingehend eu verbessern, daß die Fußpunkte eines zwischen t Kontaktstücken, Elektroden oder sonstigen Schalter- ! bauteilen brennenden Lichtbogens in ihrer Lage auf ? Oberflächen dieser Bauteile ohne aufwendige Zusatz- \ einrichtungen ortsfest stabilisiert und gleichzeitig die f Abbrandverluste verringert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei den Schalterteilen bzw. Elektroden, auf denen der Lichtbogen brennt oder brennen kann, die Zonen aus unterschiedlichen Werkstoffen so angeordnet sind, daß Zonen aus einem elektrisch gut leitenden Werkstoff mit hohem Siedepunkt allseitig oder zumindest in der möglichen Laufrichtung des Lichtbogens durch Zonen eines Materials mit niedrigem Schmelzpunkt begrenzt werden, wobei das Verhältnis der Siedepunkte, gemessen in Celsiusgraden, größer als 1,25 sein muß. Die Stabilisierung des Lichtbogens ist dabei um so besser, je größer das Verhältnis der Siedepunkte ist. Vorzugsweise soll das Verhältnis der Siedepunkte größer als 2,0 sein.

Bei Materialien, die unterhalb des Siedepunktes sublimieren oder sich zersetzen, ist die Sublimations- bzw. Zersetzungstemperatur für das Verhältnis und damit für die Stabilisierung ausschlaggebend, bei Legierungen und Verbundwerkstoffen der Siede- bzw. Sublimationspunkt der am niedrigsten siedenden Legierungs- bzw. Verbundwerkstoffkomponenten.

Die Erfindung beruht auf der durch neuere Untersuchungen gewonnenen Erkenntnis, daß die Lichtbogen ihre Fußpunkte vorzugsweise auf dem höhersiedenden

Tabelle 1

Werkstoff ausbilden da dort die Emissionsbedingungen günstiger sind als auf dem niedrigersiedenden Material. Infolge der hohen FuBpunkttemperaturen verdampft der in der Umgebung der Fußpunkte sich befindende niedersiedende Werkstoff, wobei die Dämpfe sine kühlende Wirkung auf den höhersiedenden Werkstoff ausüben und die Lichtbogenfußpunkte einhüllen. Man erhält so um den Lichtbogen einen Schlauch bzw. eine Wand aus nichtionisiertem Dampf, der den Lichtbogen an der Wanderung auf den Kontaktoberflächen hindert Hierdurch wird eine ortsfeste Stabilisierung der Fußpunkte erreicht, die sich auch durch verhältnismäßig starke magnetische Felder nur schwer ablenken lassen.

Die erfindungsgemäße Anordnung von Zonen aus höher- und niedrigersiedenden Werkstoffen hat weiterhin den überraschenden Vorteil, daß in vielen Fällen der Abbrand gegenüber den bisher benutzten Kontaktstükken verringert wird. Die Lichtbogenfußpunkte setzen sich auf dem Material mit dem höheren Siedepunkt fest und werden durch das Verdampfen des niedrigersiedenden Werkstoffs ortsfest stabilisiert und in ihrer Wanderung behindert Somit können die Lichtbogenfußpunkte nicht mehr regellos über die Oberflächen der Kontaktstücke wandern und bei ihrer Wanderung Kontaktmaterial, wie zum Beispiel Kupfer oder Silber, im schmelzflüssigen Zustand verspritzen, was weitaus am meisten zum Abbrandverlust der Kontaktstücke beiträgt. Das bei den erfindungsgemäßen Kontaktstükken von den Lichtbogenfußpunkten nicht berührte und damit im schmelzflüssigen Zustand nicht verspritzte niedrigersiedende Kontaktmaterial kann dadurch weiterhin aufgeheizt und verdampft werden, so daß mit geringerem Materialverlust wesentlich mehr Energie aus den Lichtbogen aufgenommen werden kann. Je stärker die Lichtbogenfußpunkte in ihrer Wanderung behindert werden, desto geringer ist daher auch der Abbrand.

Vorzugsweise sind die erfindungsgemäßen Kontaktstücke, Elektroden oder sonstige Schalterbauteile, auf denen ein Lichtbogen brennen kann oder soll, abwechselnd aus mehreren Zonen eines höhersiedenden und eines niedrigersiedenden Werkstoffs aufgebaut, wobei bei ringförmiger Ausbildung der Zonen diese konzentrisch zueinander angeordnet sein müssen. Diese vorzugsweise Anordnung hat den Vorteil, daß auch Lichtbogen stabilisiert werden, die nicht im Zentrum der Kontaktstücke entstehen, und auch Lichtbogenfußpunkte an einer weiteren Wanderung gehindert werden, die gelegentlich eine Zone aus niedrigersiedendem Werkstoff überspringen. Die Stelle, auf der die Lichtbogenfußpunkte ortsfest stabilisiert werden sollen, muß naturgemäß stets aus dem höhersiedenden Material bestehen.

Für die einzelnen Zonen eines Kontaktstückes können natürlich auch mehrere höher- und niedrigersiedende Werkstoffe verwendet werden. So können beispielsweise die in Tabelle 1 angeführten Werkstoffkombinationen Anwendung finden.

Werkstoffkombination

Siedepunkte in °C

Quotient

Wolfram — Eisen
Wolfram - Nickel
Wolfram — Zinn
Wolfram — Kupfer
Wolfram — Aluminium

5500/ca. 3000
5500/ 2800
5500/ 2690
5500/ 2595
5500/ 2447

1,83
1,96
2,04
2,12
2,24

Fortsetzung

Werkstoffkombination

Siedepunkte in "C

Quotient

Wolfram — Silber
Wolfram - Blei
Wolfram — Zink

Molybdän — Eisen
Molybdän — Ni
Molybdän - Sn
Molybdän — Cu
Molybdän - Al
Molybdän — Ag
Molybdän — Pb
Molybdän - Zn

Graphit — Ni
Graphit — Cu
Graphit — Ag

Eisen — Ag
Eisen - Pb

Nickel — Ag
Nickel - Pb

Kupfer - Pb
Kupfer - Cd

Aluminium — Pb
Aluminium — Zn

Silber - Pb
Silber - Zn
Silber - Cd

5500/	2180
5500/	1751
5500/	907
4800/ca.	3000
4800/	2800
4800/	2690
4800/	2595
4800/	2447
4800/	2180
4800/	1751
4800/	907
3830/	2800
3830/	2595
3830/	2180
ca. 3000/	2180
3000/	1751
2800/	2180
2800/	1751
2595/	1751
2595/	765
2447/	1751
2447/	907
2180'	1751
2180/	907
2180/	765

2,52 3,14 6,06

1.60 1.72 1.78 1.85 1,96 2.20 2,74 5,30

1,37 1,48 1,76

138 1,71

13 1,60

1,48 3,40

1,40 2,70

1.25 2,40 2,86

(Die hier angegebenen Siedepunkte sind entnommen aus D'A η s - L a χ, »Taschenbuch für Chemiker und Physiker«, 3. Auflage 1967, Springer-Verlag, der Siedepunkt des Graphits aus R ö m ρ ρ, »Chcmiclexikon«, Stichwort »Graphit«, 6. Auflage 1966, Franckh'sche Verlagshandlung.)

Neben den reinen Metallen können natürlich auch Legierungen, wie beispielsweise Messing, Bronze oder Kupfer-Nickellegierungen und heterogene Werkstoffe, wie beispielsweise Silberkadmiumoxid oder Silber-Nikkei oder auch anorganische Verbindungen, wie beispielsweise Metalloxide oder -fluoride als höher- oder niedrigersiedende Komponenten Verwendung finden. Auch hochmolekulare organische Stoffe sind als niedrigersiedende Komponenten geeignet

Eine besonders starke ortsfeste Stabilisierung der Lichtbogenfußpunkte und ein besonders günstiges Abbrandverhalten erreicht man, wenn Werkstoffkombinationen verwendet werden, bei denen auch der Schmelzpunkt der höhersiedenden Komponente höher Regt als der Siedepunkt des niedrigersiedenden Werkstoffs. Besonders geeignet für die erfindungsgemäßen Kontakt- und Elektrodenanordnungen sind daher die in Tabelle 2 angeführten Kombinationen:

Tabelle 2

Werkstoffkombmation

Schmelzpunkt/Siedepunkt in" C

Mo-Cu	2620 / 2595
Mo-Al	2620/2447
Mo-Ag	2620 / 2180
Mo-Pb	2620 /1751
Mo-Zn	2620/907
Graphit-Ni	3800/2800
Graphit-Cu	3800/2595
Graphit-Ag	3800/2180
Cu-Cd	1083/765
Ag-Zn	961 /907
Ag-Cd	961/765

Werkstoffkombination	Schmelzpunkt/Siedepunkt
	in^eC
W-Eisen	3390/ca. 3000
W-Ni	3390/2800
W-Sn	3390/2690
W-Cu	3390/2595
W-Al	3390/2447
W-Ag	3390/2180
W-Pb	3390/1751
W-Zn	3390/907

(Die hier angegebenen Schmelzpunkte sind entnommen aus D¹AnS-LaX, »Taschenbuch für Chemiker und Physiker«, Auflage 1967. Springer-Verlag.)

$5 Die Auswahl der zu kombinierenden Werkstoffe kann natürlich nicht nur nach den unterschiedlichen Siedepunkten getroffen werden, sondern es spielen für deren ' Verwendung auch noch andere Eigenschaften eine Rolle, wie z.B. die elektrische und thermische <6o Leitfähigkeit oder <?ie Verschweißfestigkeit

Die folgenden Beispiele und Abbildungen sollen den Effindungsgegenstand näher erläutern:

A b b. 1 zeigt schematisch den erfindungsgemäßen Aufbau von zwei sich stirnseitig gegenüberstehenden Schahkontaktstucken (11 und 12) in einein Niederspannungsschalter zum Schalten von Strömen bis 100 A nach dem Öffnungsvorgang. Der Schalter ist so konstruiert, daß die Kontaktstücke (11 und 12) nur auf einen kurzen

\bstand getrennt werden können, um durch eine nur kurze Lichtbogenlänge eine übermäßige Energieentwicklung zu vermeiden. Die beiden zylinderförmigen Kontaktstücke (11 und 12) besitzen jeweils einen Kern (13) aus einem hochsiedenden Werkstoff und einen Mantel (14) aus einem niedrigersiedenden Werkstoff. Beim öffnen der Kontaktstücke (U und 12) entsteht ein Lichtbogen (15), dessen Fußpunkte (16 und 17) sich auf dem Kern (13) ausbilden und durch das niedrigersiedende Material (14) ortsfest stabilisiert werden.

A b b. 2 zeigt einen Querschnitt durch das Kontaktstück (11), gemäß der Linie IHI in Abb. 1, mit dem Kern (13) und dem Mantel (14).

A b b. 3 zeigt schematisch eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltkontaktstücke nach A b b. 1. Die sich stirnseitig gegenüberstehenden Kontaktstücke (21 und 22) besitzen einen Kern (23) aus einem höhersiedenden Material, um den konzentrisch abwechselnd mehrere Zonen aus einem niedrigersiedenden (24, 26, 28) und höhersiedendem Werkstoff (25, 27) angeordnet sind. Beim öffnen der Kontaktstücke (21 und 22) entsteht ein Lichtbogen (29), dessen Fußpunkte (30, 31) sich auf dem Kern (23) ausbilden. Auch beim zufälligen Überspringen einer Zone mit niedrigerschmelzendem Material (24, 26) wird der Lichtbogen (29) an einer weiteren Wanderung gehindert.

A b b. 4 zeigt einen Querschnitt durch das Kontaktstück (21), gemäß der Linie IV-IV in A bb. 3, mit dem Kern (23) und den ringförmigen Zonen aus einem niedrigersiedenden (24, 26, 28) und höhersiedenden Werkstoff (25,27).

Abb.5 zeigt schematisch den erfindungsgemäßen Aufbau von zwei sich stirnseitig gegenüberstehenden Schaltkontaktstücken (41 und 42) mit Abbrandhörnem (43 und 44) aus einem Niederspannungs- oder Mittelspannungsschaltgerät (Schaltströme von 100 bis 100 000 A) nach dem Öffnungsvorgang. Um eine möglichst große Aufweitung der Lichtbogenschleife (45) zu erreichen, müssen die Fußpunkte (46 und 47) ortsfest stabilisiert werden, während die Bogensäule (45) durch das selbst- oder fremderregte Magnetfeld schnell ausgelenkt wird. Zu diesem Zweck werden die Kontaktstücke (41, 42) und die Abbrandhörner (43, 44) abwechselnd aus mehreren Lagen eines höher- (48) und niedrigersiedenden (49) Materials gebildet, wie auch Abb.6 im Querschnitt gemäß der Linie Vl-Vl und

ίο Abb.5zeigt.

A b b. 7 zeigt schetiiatisch die Schaltgliederanordnung in einem Niederspannungsschaltgerät mit einer erfindungsgemäßen Ausbildung der Löschbleche (51) in der Löschkammer. Das Schaltgerät besteht aus einem feststehenden (52) und einem beweglichen (53) Schaltglied, auf denen die Kontaktstücke (54 und 55) befestigt sind. Die Schaltglieder (52 und 53) laufen in den Abbrandhörnem (56 und 57) aus, zwischen denen sich die Löschbleche (51) der Löschkammer befinden. Die Lichtbögen (58) sollen bei der Durchwanderung der Löschkammer gebremst werden, damit sie diese nicht zu schnell durchlaufen und sich hinter den Löschblechen (51) wieder kurzschließen. Erfindungsgemäß werden daher die Löschbleche (51) abwechselnd aus mehreren Streifen eines höhersiedenden (59) und eines niedrigersiedenden (60) Werkstoffs zusammengesetzt, wobei die Streifen senkrecht zur Wanderungsrichtung der Lichtbögen (58) verlaufen und sie so in ihrer Wanderung behindern.

A b b. 8 zeigt einen Querschnitt gemäß der Linie VIlI-VlII in Abb. 7.

Die erfindungsgemäße Anordnung von Zonen aus höher- und niedrigersiedenden Materialien ist nicht nur anwendbar auf dem elektrischen Kontaktgebiet, sondem auch bei Elektroden in Plasmabrennern und bei sonstigen Geräten, in denen ein ortsfester Brennfleck benötigt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

«09532/399

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrische Kontakt- oder Elektrodenanordnung mit Zonen aus unterschiedlichen Werkstoffen S zur ortsfesten Stabilisierung eines zwischen den einzelnen Kontaktstücken, Elektroden oder sonstigen Schalterbauteilen brennenden Lichtbogens und zur gleichzeitigen Verringerung der Abbrandverluste, dadurch gekennzeichnet, daß bei den Schalterbauteilen bzw. Elektroden, auf denen der Lichtbogen brennt oder brennen kann, die Zonen aus unterschiedlichen Werkstoffen so angeordnet sind, daß Zonen aus einem elektrisch gut leitenden Werkstoff mit hohem Siedepunkt allseitig oder zumindest in der möglichen Laufrichtung des Lichtbogens durch Zonen eines Materials mit niedrigerem Siedepunkt begrenzt werden, wobei das Verhältnis der Siedepunkte, gemessen in Celsiusgraden, größer als 1,25 sein muß.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das Verhältnis der Siedepunkte größer als 2,0 ist

3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet daß mehrere Zonen aus einem Werkstoff mit höherem Siedepunkt (23, 25, 27) und einem Werkstoff mit niedrigerem Siedepunkt (24, 26, 28) abwechselnd nebeneinander angeordnet sind, wobei bei ringförmiger Ausbildung der Zonen diese konzentrisch zueinander liegen müssen (A b b. 3 bzw. 4).

4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß der Schmelzpunkt des höhersiedenden Werkstoffs höher liegt als der Siedepunkt des niedrigersiedenden Werkstoffs.

5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß bei Schaltgeräten mit Abbrandhörnern die Abbrandhörner (43, 44) senkrecht zur Laufrichtung des Lichtbogens (45) abwechselnd aus mehreren Zonen je eines Materials mit höherem (48) und niedrigerem Siedepunkt (49) bestehen (A b b. 5 bzw. 6).

6. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß die Löschbleche (51) in den Löschkammern der Schaltgeräte senkrecht zur Laufrichtung des Lichtbogens (58) abwechselnd aus mehreren Zonen je eines Materials mit höherem (60) und niedrigerem Siedepunkt (59) bestehen (A b b. 7 bzw. 8).

50