DE2539013A1 - Material mit lichtbogenloeschenden eigenschaften fuer lichtbogenloescheinrichtungen elektrischer schalter u.dgl. - Google Patents

Description

• Material mit lichtbogenlöschenden Eiqenschaften für Lichtbogenlöscheinrichtungen elektrischer Schalter u. dgl.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Material zu schaffen, das gute lichtbogenlöschende Eigenschaften aufweist und dazu geeignet ist, zu Lichtbogenschutzschilden, Lichtbogenlöschkammerteilen, Gehäusen elektrischer Geräte u. dgl. verwendet zu werden, und das sich dazu eignet, in Gestalt von Überzügen zur Bildung von aber zugsflächenbereichen auf Teilen eingesetzt zu erden, die ganz oder teilweise eine Lichtbogenlöschkammer begrenzen, in welcher trennbare Kontakte eines elektrischen Stromkreisunterbrechungsgerätes angeordnet sind.
• Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Material gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß jeder seiner Bestandteile eine erste Ionisieingsspannung,die gleich oder grösser als jene von Silber (7,54 eV) ist, aufweist, daß seine atomare Kohlenstoffkonzentration 15 e oder weniger beträgt und daß seine Zersetzungsprodukte elektro-negativ sind.
• Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
• Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
• Die Lichtbogenunterbrechung erfordert die Herstellung von Bedingungen, welche eine die Ionisation überste-igende Rekombination fordern. Das Problem besteht deshalb darin, die grundsatzlichen Faktoren zu kennen, die den Ahlauf dieser beiden Vorgänge, der Ionisation und der Rekombination, beherrschen.
• Einer der Faktoren,der bei der Auswahl von Materialien mit lichtbogenlöschenden Eigenschaften beachtet werden muß, ist die erste Ionisierungsspannung (Ionisierungspotential) jedes der Materialbestandteile. Die erste Ionisierungsspannung eines Elementes ist der Energiebetrag, der notwendig ist, ein Elektron von einem neutralen Atom des Elementes weg ins Unendliche zu transportieren. Bei Silber beträgt die erste Ionisierungsspannung 7,54 eV, während die erste Ionisierungsspannung für Aluminium 5,98 eo beträgt. Um die Bedeutung einer Differenz von 1 eV zwischen den ersten Ionisierungsspannungen zweier Elemente ahschätzen zu können, ist zu bedenken, daß die Temperaturdifferenz zwischen zwei Teilchen mit einer Energiedifferenz von einem Elektronenvolt 7.7300C beträgt.
• Ein weiterer Faktor, der bei der Wahl von Materialien mit lichtbogenlös chenden Eigenschaften be achtet werden muß, ist das Maß, in dem die Zersetzungsprodukte elektro-negativ sind. Dieses ist nämlich seinerseits ein Maß für die Affinität eines Atoms eines Elementes für Elektronen.' Wenn der tichtbogenstrom sich Null nähert, ist es zweckmäßig, ein elektro-negatives Gas in der Lichtbogenlöschkammer zu haben, das die sich abkühlenden und langsamer werdenden Elektronen einfängt. Diese Elektronen. würden nämlich sonst durch die ansteigende wiederkehrende Spannung beschleunigt werden und sodann eine weitere Ionisation und möglicherweise eine Rückzündung hervorrufen.
• Darüber hinaus ist bei der Wahl von Materialien mit lichtbogenlöschenden Eigenschaften als zusätzlicher Faktor noch die Siede-, Suhlimations- oder Zersetzungstemperatur zu berücksichtigen. Während der wenigen Mikrosekunden, die dem Nulldurchgang des Stromes in einem Wechselstromsystem vorhergehen und nachfolgen, nimmt die Lichtbogentemperatur rasch soweit ab, bis sie die Temperatur der Lichtbogenlöschkammerwandungen erreicht, die als eine Konstanttemperatur-Senke wirken.
• Je höher die Siedetemperatur des Materials der Lichtbogenlöschkammerwandungen ist, umso geringer ist die auftretende Rekombination, Endotherme Prozesse entwickeln ihre Wirksamkeit insbesondere beim Strom Null, teilweise durch Unterbrechung des Lichtbogens, wobei ein Nachstrom nach dem Lichtbogen fließt. Unter dieser Bedingung kann die Energie, die in einem endothermen Prozess absorbiert wird, welcher in bescheidenem Rahmen in der Lichtbogenlöschkammer abläuft, sich etwa der Energie annähern, die durch den dem Lichtbogen nachfolgenden Nachstrom in die Lichtbogenlöschkammer eingebracht wird. Dieser Effekt, der durch eine günstig, zweckentsprechend liegende Siedetemperatur unterstützt wird, trägt wesentlich zum Erfolg der Lichtbogenlöschung hei.
• Wenn ein lichtbogenlöschendes Material sich unter Freisetzung von freiem Kohlenstoff zersetzt, kann dieser Kohlenstoff zu Kohlendioxid oxidiert werden. Der Prozeß ist exotherm; die zeitliche Abstimmung seines Ablaufes ist schlecht, weil die exotherme Bildung von Kohlendioxid gerade dann stattfindet, wenn der Lichtbogenstrom sich Null nähert und die Temperatur abfällt, sowie die Rekombination von Ionen und dissoziierten Molekülen einzusetzen heginnen. Ablagerungen freien Kohlenstoffes können außerdem Kriechwege und dielektrische Fehler hervorrufen. Die lichtbogenlöschenden Materialien aber auf solche zu beschränken, äie keinen Kohlenstoff enthalten, würde eine zu enge Begrenzung der Materialwahl bedeuten. Auch hat sich herausgestellt, daß Wasserstoff eine zweckmäßige Komponente des einen Lichtbogen umgebenden Gasmediums ist, insbesondere dann, wenn der spezielle Einsatzfall es notwendig macht, den Lichtbogen durch ein querverlaufendes Magnetfeld zwangsweise zu bewegen, abgesehen davon, daß Kohlenstoff und Wasserstoff im allgemeinen gemeinsam auftreten. Auch wurde gefunden, daß die Zahl der Kohlenstoffatome als Prozentzahl der Gesamtzahl der Atome eines lichtbogenlöschenden Materials einen Wert von etwa 15 % Prozent nicht überschreiten sollte.
• Ein endothermer Zersetzungsprozeß entspricht einem exothermen Prozeß bei der Bildung. Es ist deshalb zweckmäßig, Dlaterialen zu wählen, deren Formelaufbau derart ist, daß die Wahrscheinlichkeit der Neubildung nach der Zersetzung klein ist. Aluminiumoxid (A1203) und Boroxid (B203) sind Materialien mit einem solchen Formelaufbau, weil die Wahrscheinlichkeit sehr klein ist, daß zwei Aluminium- oder Boratome gleichzeitig mit drei Sauerstoffatomen oder mit einem Sauerstoffmolekül oder -atom zusammenstoßen. Aluminiumoxid ist aber als lichtbogenlöschendes Material deshalb unerwünscht, weil die Ionisierungsspannung von Aluminium niedrig ist und die Siedetemperatur von Aluminiumoxid zu hoch liegt. In dieser Hinsicht geht die Erfindung einen gänzlich unterschiedlichen Weg zu dem Stand der Technik, wie er beispielsweise durch die US-PSen 2 768 264 und 3 071 666 gegeben ist, die beide Aluminiumoxid als ein gutes lichtbogenlöschendes Material empfehlen.
• Die erste Ionisierungsspannung jedes der Bestandteile eines geeigneten neuen funkenlöschenden Materials muß demgemäß größer oder gleich 7,54 eV sein, was der ersten Ionisierungsspannung von Silber entspricht. Die Atomkonzentration von Kohlenstoff in dem Material sollte nicht höher als etwa 15 9 sein. Die Siedersublimations- oder Zersetzunmstemsera-&t 14s tteriales sollte so tief als dies im Hinblick auf die Verträglichkeit mit den anderen Anforderungen möglich ist, liegen, vorzugsweise unterhalb von 2.0000C. Die Zersetzung des Materials soll in einem stark endothermen Prozeß geschehen; je endothermer, desto besser. Die Zersetzungsprodukte des Materials sollen so elektro-negativ, wie dies im Hinblick auf die Verträglichkeit mit den anderen Anforderungen möglich ist, sein. Das Material soll darüber hinaus einen solchen Formelaufbau aufweisen, daß die Riic]xbildungsgeschwindigkeit nach der Zersetzung in der Nähe des Nulldurchganges des Wechselstromes verschwindend klein ist, wie dies für B203 oder H3B03 gilt. Das Material sollte darüber hinaus ungiftig, nicht korrosiv, unbrennbar, leicht zu bearbeiten und einzusetzen, sowie unter normalen Betriebsbedingungen abmessungsmaßig und chemisch stabil sein.
• Schließlich soll es eine für ein elektrisch isolierendes Material gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen, die vorzugsweise größer als 0,001 Kalorien pro Sekunde pro Quadratzentimeter pro Grad Celsius pro Zentimeter ist.
• Oxide, Boride, Borate, Silikate und die Ammonium-Komplexe der Elemente, deren erste Ionisationsspannung gleich oder größer als die von Silber (7,54 eV) ist, sind im allgemeinen als lichtbogenlöschende Materialien geeignet, was auch für ihre hydratisierten Formen gilt. Eine bevorzugte Auswahl solcher Elemente, deren erste Ionisierungsspannung jeweils in Klammern hinzugefügt ist, sind: Tantal (7,70 eV), Kupfer (7,72 eV), Kobalt 7,86 eV), Rhenium (7,87 eV) Eisen (7,90 eV), Wolfram (7,98 eV), Silizium (8,15 eV), Bor (8,29 eV), Palladium (8,30eV), Antimon (8,64 eV), Tellur (9,01 eV), Zink (9,39 eV) und Selen (9,75 eV). Diese Substanzen können auch als Füllstoffe in geeigneten Harzen Verwendung finden, vorausgesetzt,daß die atomare Kohlenstoffkonzentration nicht die Nominalgrenze von 15 t überschreitet.
• Silikonharze sind durchaus geeignet. Die Verwendung von Harzen wird dann zwingend, wenn das Fiillmaterial nicht in seiner reinen Form verwendet werden kann. So kann z. B. reines Siliziumdioxid deshalb nicht verwendet werden, weil seine Siedetemperatur zu hoch liegt, während die Verwendung von reiner Borsäure deshalb unmöglich ist, weil sie wasserlöslich und deshalb abmessungsmäßig instabil ist; diese Materialien sind aber bei Verwendung in geeigneten Harzen durchaus brauchbar.
• Beryllium (9,32 eV), Arsen (9,81 eV) und Quecksilber (10,43 eV) haben Ionisierungsspannungen, die höher als die von Silber liegen; diese Elemente sind aber toxisch und deshalb unerwünscht. Sulfate, Phosphate, Nitrate und Ilalogene sind ebenfalls unzweckmäßig, weil sie giftig sind.
• Silber-tPlatin- und Goldoxide, -Borate und -Silikate mit oder ohne Ammoniumkomplexen wären an sich als lichtbogenlöschende Materialien geeignet, wenn sie nicht so teuer wären.
• Als besonderes geeignetes Material mit lichtbogenlöschenden Eigenschaften hat sich ein Material erwiesen, das aus 55,8 Gewichts-% Firebrake ZB und 44,2 Sylgard 182 zusammengesetzt ist. Firebrake ZB ist ein unter diesem Warenzeichen von der United States Borax and Chemical Corporation of Los Angeles, California, vertriebenes Material mit der Formel 2ZnO-3B203 32H20. Sylgard 182 ist die Warenbezeichnung eines von der Dow Corning Corporation of Midland and Michigan hergestellten Materials in Gestalt eines Dimethyl-Silikon-Haraes, das ein basisches Monomeres enthält, welches durch die folgende Strukturformel angegehen ist: -Patentansprüche-

Claims (10)

1. Patentansprüche 1. Material mit lichtbogenlöschenden Eigenschaften für Lichtbogenlöscheinrichtungen elektrischer Schalter u. dgl. dadurch gekennzeichnet, daß jedes seiner Bestandteile eine erste Ionisierungsspannung, die gleich oder größer als jene von Silber (7,54 eV) ist, aufweist, daß seine atomare Kohlenstoffkonzentration 15 % oder weniger beträgt und daß seine Zersetzungsprodukte elektro-negativ sind.
2. 2. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Siede-publimations- oder Zersetzungstemperatur 0 von etwa 2.000 C oder weniger aufweist.
3. 3. Material nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es einen solchen strukturellen Formelaufbau aufweist, daß die nach der Zersetzung auftretende Rückbildung vernachlaßigbar ist.
4. 4. Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß seine Zersetzung ein endothermer Prozeß ist.
5. 5. Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Warmeleitfähigkeit von wenigstens eintausendstel Kalorie pro Sekunde pro Quadratzentimeter pro OC pro Zentimeter aufweist.
6. 6. Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Füllstoff aus hydratisiertem Zinkborat in einem Dimethyl-Silikon-Ilarz aufweist.
7. 7. Material nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff die Formel 2ZnO:3B203-3-H20 aufweist und das Harz ein basisches Monomeres gemäß der Strukturformel ist.
8. 8. Material nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff wenigstens 40 Gewichts-% des Materials ausmacht.
9. 9. Material nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff wenigstens 50 Gewichts-% des Materials ausmacht.
10. 10. Material nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff etwa 65 % Gewichts-% des Materials ausmacht.