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Dokumentenidentifikation DE102006027821A1 27.12.2007
Titel Elektrischer Schaltkontakt
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Döbbeler, Arno, 91074 Herzogenaurach, DE;
Söntgen, Thomas, 47228 Duisburg, DE
DE-Anmeldedatum 16.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006027821
Offenlegungstag 27.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.12.2007
IPC-Hauptklasse H01H 1/02(2006.01)A, F, I, 20060616, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01H 33/664(2006.01)A, L, I, 20060616, B, H, DE   
Zusammenfassung Der insbesondere für einen Vakuumleistungsschalter (2) vorgesehene elektrische Schaltkontakt (6a, b) weist eine Schaltkontaktfläche (16) auf, die aus einer duktilen metallischen Matrix, insbesondere Nickelmatrix (18), und darin eingelagerten Hartstoffpartikel, insbesondere CNT-Partikel (20), besteht. Eine derartige Schaltkontaktfläche (16) weist eine sehr gute thermische Leitfähigkeit bei einer hohen elektrische Leitfähigkeit und einer hohen mechanischen Belastbarkeit auf, so dass die Standzeit des Vakuumleistungsschalters (2) im Vergleich zu bisherigen Vakuumleistungsschaltern deutlich erhöht ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schaltkontakt mit einer Schaltkontaktfläche, insbesondere für einen Vakuumleistungsschalter.

Zum Schalten von elektrischen Strömen ist es erforderlich, elektrische Schaltkontakte miteinander zu verbinden oder zu trennen. Als Schalter können hierbei einfache Schalter für den Niedervoltbereich und für geringe Ströme beispielsweise in der Haustechnik vorgesehen sein. Als Schalter werden aber insbesondere auch so genannte Leistungsschalter zum Schalten von hohen Strömen bei hohen Spannungen eingesetzt. Hier werden beispielsweise so genannte Schütze zum Schalten von Anlagenkomponenten einer industriellen Anlage eingesetzt. Zum Schalten sehr hoher Ströme, insbesondere im Mittelspannungsbereich in der Größenordnung von etwa 33 kV kommen auch so genannte Vakuum-Leistungsschalter zum Einsatz, wie sie beispielsweise von der Firma Siemens mit der Produktreihe 3AH vertrieben werden. Bei einem derartigen Vakuum-Leistungsschalter sind die Schaltkontakte innerhalb einer Vakuumschaltröhre angeordnet, in der ein Vakuum von beispielsweise 10-9 bar eingestellt ist, um elektrische Überschläge zu vermeiden.

Leistungsschalter werden generell für die unterschiedlichsten Anforderungen eingesetzt – zum Schalten von Transformatoren, von Freileitungen und Kabeln über Kondensatoren, Drosseln und Motoren bis hin zu Filterkreisen und Lichtbogenöfen. Für lange Standzeiten müssen sie dabei ebenso geeignet sein wie für extrem hohe Schaltspielzahlen. Kleinen Kurzschlussleistungen in Verteilungsnetzen stehen hohe Ausschaltströme im Industriebereich gegenüber.

So ist beispielsweise ein Leistungsschalter zum Schalten eines Lichtbogenofens in einem Elektrostahlwerk für eine Schaltspannung von etwa 33 kV und Schaltströmen in Höhe von 2.500 A sowie für beispielsweise 150 Schaltvorgänge/Tag ausgelegt. Bei einem auftretenden Kurzschluss muss der Schalter zudem kurzfristig hohen Kurzschlussströmen von etwa bis zu 30.000 A standhalten.

Aufgrund dieser hohen Ströme und Spannungen sind die Schaltkontakte und die Schalteinrichtung insgesamt aufgrund des beim Trennen der Schaltkontakte entstehenden Funkenblitzes und auch aufgrund des mechanischen Abriebs insbesondere thermisch stark belastet und unterliegen einem hohen Verschleiß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schaltleistung und die Standzeit und damit die Lebensdauer eines elektrischen Schaltkontakts zu erhöhen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen elektrischen Schaltkontakt, insbesondere für einen Leistungsschalter mit einer Vakuumschaltröhre, mit einer Schaltkontaktfläche, die eine duktile Matrix mit darin eingelagerten Hartstoffpartikeln aufweist und insbesondere aus dieser duktilen Matrix mit den Hartstoffpartikeln besteht, also keine weiteren Beschichtungen aufweist.

Unter duktile Matrix wird hierbei ein vergleichsweise weicher metallischer Grundwerkstoff verstanden, der insbesondere eine Vickers-Härte von maximal etwa 180-230 HVo1 aufweist. Die Härtebestimmung nach Vickers ist der Norm nach DIN EN ISO 6507 zu entnehmen. Die eingelagerten Hartstoffpartikel weisen demgegenüber eine deutlich höhere Härte auf, z.B. eine um mehr als den Faktor 2 größere Härte als der Grundwerkstoff.

Durch die Kombination eines duktilen Werkstoffes mit darin eingelagerten Hartstoffpartikeln werden die Bauteile mit einer Beschichtung versehen, die den extremen Belastungen standhält. Durch die Duktilität besteht im Vergleich zu einer durchgehenden harten und spröden Beschichtung eine deutlich geringere Gefahr, dass im Laufe des Betriebs die Beschichtung beschädigt und Risse und Mikrorisse auftreten. Zugleich wird durch die eingelagerten Hartstoffpartikel eine sehr hohe Abriebfestigkeit und damit eine quasi sehr hohe Oberflächenhärte erhalten, so dass selbst bei hohen mechanischen Belastungen und hohen Abriebkräften eine lange Lebensdauer erreicht wird. Darüber hinaus erhöht eine derartige Beschichtung die thermische Beständigkeit der Kontaktelemente, so dass sie den hohen Temperaturen bei einem häufig auftretenden Schaltlichtbogen standhalten.

Als Hartstoffpartikel werden vorzugsweise sogenannte Carbonnanotubes (CNT Kohlenstoffnanoröhren) eingesetzt. Derartige CNT-Partikel sind an sich bekannte, röhrenförmige Gebilde aus Kohlenstoff im nanoskaligen Bereich. Die einzelnen Röhren weisen beispielsweise einen Durchmesser im Bereich von 1 bis 50 nm auf. Die Röhren können hierbei unterschiedliche Längen bis zu mehreren Millimetern erreichen. Als CNT-Partikel werden Agglomerate aus derartigen Nanoröhrchen verstanden. Es hat sich gezeigt, dass derartige CNT-Partikel für den Anwendungsfall von elektrisch, thermisch und mechanisch hoch belasteten Schaltkontaktelementen hervorragend geeignet sind und dadurch die Lebensdauer des Schaltkontakts im Vergleich zum bisherigen Schaltkontakt erheblich vergrößern kann. Diese positive Wirkung der CNT-Partikel beruht auf deren sehr guten mechanischen Eigenschaften (hohe Härte), der sehr guten thermischen Leitfähigkeit sowie auch der sehr hohen elektrischen Leitfähigkeit.

CNT-Partikel bzw. CNT-Tubes sind in unterschiedlichen Modifikationen erhältlich. Bevorzugt werden CNT-Partikel eingesetzt, deren thermische Leitfähigkeit > 1500 W/mK, insbesondere > 2000 W/mK ist und deren elektrische Leitfähigkeit gleichzeitig > 103 S/cm und insbesondere > 104 S/cm liegt. Die thermische Leitfähigkeit kann hierbei auch > 6000 W/mK betragen. Aufgrund dieser hervorragenden thermischen und elektrischen Eigenschaften haben Schaltkontakte mit einer derartigen Schaltkontaktfläche im Vergleich zu herkömmlichen Schaltkontakten einen geringeren thermischen und elektrischen Widerstand.

Der Anteil der Hartstoffpartikel an der Schaltkontaktfläche liegt zweckdienlicherweise in einem Bereich zwischen 10 Vol.% und 40 Vol.%, um eine möglichst hohe Widerstandsfähigkeit der Schaltkontaktfläche bei ausreichender Duktilität zu erreichen.

Vorzugsweise haben die Hartstoffpartikel eine Größe im nanoskaligen Bereich oder im Mikrometerbereich und insbesondere im Bereich zwischen 2 nm und 50 &mgr;m. Derartige Hartstoffpartikel lassen sich besonders gut in die duktile Matrix einbetten.

Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung ist die Schaltkontaktfläche auf einem Träger beispielsweise aus Kupfer als Beschichtung aufgebracht. Die Dicke der Beschichtung liegt hierbei bevorzugt in einem Bereich zwischen 10-200 &mgr;m.

Bevorzugt wird als metallischer Grundwerkstoff für die duktile Matrix Reinnickel oder eine Nickellegierung mit hohem Nickel-Anteil beispielsweise über 90% eingesetzt. Die Kombination einer Nickelmatrix mit darin homogen verteilt eingebetteten CNT-Partikeln hat sich als besonders geeignet herausgestellt.

Anstelle der Nickelmatrix wird in einer alternativen Ausgestaltung eine Matrix bestehend aus einer Bronzelegierung eingesetzt.

Um eine qualitativ hochwertige, gut und dauerhaft haltende Schaltkontaktfläche auszubilden, ist diese mittels einer elektrolytischen galvanischen Abscheidung aufgebracht. Hierzu wird vorzugsweise der zu beschichtende (CU-) Träger als Anode in den Elektrolyt eingetaucht und als Kathode wird eine Nickel-Kathode eingesetzt. In den Elektrolyten werden ergänzend auch die CNT-Partikel eingebracht, die mit den Nickel-Ionen zur Anode wandern und auf dem Träger gemeinsam mit den Nickel-Ionen abgeschieden werden, so dass sich eine homogene gleichmäßige Verteilung der CNT-Partikel in der Nickel-Matrix einstellt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin gelöst durch einen Vakuumleistungsschalter gemäß Anspruch 8 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 9. Die im Hinblick auf den elektrischen Schaltkontakt aufgeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf den Vakuumleistungsschalter und das Verfahren zu übertragen. Ein Vakuumleistungsschalter kann insbesondere auch als Vakuumschaltröhre bezeichnet werden bzw. diese als Bestandteil umfassen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt in einer schematischen Schnitt-Darstellung einen Vakuumleistungsschalter mit einer Vakuumschaltröhre.

Der Vakuumleistungsschalter 2 umfasst ein Isoliergehäuse 4, in dem zwei Schaltkontakte 6a, 6b angeordnet sind. Jeder der Schaltkontakte 6a, 6b umfasst einen zylindrischen Stab 8, an dem endseitig jeweils eine geschlitzte Trägerplatte 10 ausgeformt ist. Der Stab 8 und die Trägerplatte 10 bilden jeweils eine einstückige Einheit aus einem leitfähigen Werkstoff, insbesondere aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Der obere Schaltkontakt 6a ist als fester Schaltkontakt mit einer stirnseitigen, metallischen Kontaktplatte 12 verbunden, die das Isoliergehäuse 4 nach oben verschließt und die zur Kontaktierung mit einer elektrischen Zu- oder Ableitung vorgesehen ist. Der untere Schaltkontakt 6b ist als ein beweglicher Schaltkontakt Stab 8 durch das Isoliergehäuse 4 hindurchgeführt. Die Durchtrittsstelle durch das Isoliergehäuse 4 ist über einen üblicherweise metallischen Dichtbalg 14 abgedichtet. Der nach Außen tretende Stab 8 des unteren Schaltkontakts 6b dient ebenfalls zur Kontaktierung mit einer elektrischen Ab- bzw. Zuleitung.

Die Trägerplatten 10 sind innerhalb des Isoliergehäuses 4 in einer eine Lichtbogenkammer 11 bildenden Auswölbung angeordnet. Innerhalb des Isoliergehäuses 4 ist ein Vakuum von bis zu 10-9 bar eingestellt. Das Isoliergehäuse 4 ist zur Aufrechterhaltung dieses Unterdrucks bzw. Vakuums geeignet zur Umgebung hin abgedichtet. Die Trägerplatten 10 tragen an den einander zugewandten Seiten jeweils eine eine Schaltkontaktfläche 16 bildende Beschichtung. Diese umfasst im Ausführungsbeispiel eine Nickelmatrix 18, vorzugsweise bestehend aus Reinstnickel (Nickelanteil größer 99%) und in der Nickelmatrix 18 eingebetteten CNT-Partikeln 20. Der Anteil der CNT-Partikel 20 in der Schaltkontaktfläche 16 liegt etwa zwischen 10 und 40 Vol.%. Ihre Größe liegt vorzugsweise zwischen 2 nm und 50 &mgr;m. Die Schichtdicke d der Schaltkontaktfläche 16 liegt vorzugsweise zwischen 10 und 200 &mgr;m.

Mit einer derartigen Schaltkontaktfläche 16 ist insgesamt ein hochbelastbarer Schaltkontakt 6a, 6b ausgebildet, der insbesondere für den Einsatz in dem gezeigten Vakuumleistungsschalter 2 optimiert und geeignet ist um hohe Standzeiten zu erreichen. Maßgebend hierfür ist die geringe Verschleißanfälligkeit der Schaltkontaktfläche 16 durch die Einlagerung der harten CNT-Partikel 20 in der Nickelmatrix 18. Gleichzeitig ist durch die gewählte Kombination der Nickelmatrix 18 und der CNT-Partikel 20, insbesondere aufgrund der sehr hohen thermischen- sowie elektrischen Leitfähigkeit der CNT-Partikel 20, eine sehr gute thermische und elektrische Leitfähigkeit der Schaltkontaktfläche 16 erzielt.

Beim Betätigen des Vakuumleistungsschalters 2, also beim Zusammenfügen der beiden Schaltkontaktflächen 16 und insbesondere beim Trennen der beiden Schaltkontaktflächen 16 entsteht aufgrund der Schaltspannung, die beispielsweise im Bereich einer Mittelspannung bis etwa 33 kV liegt, ein Lichtbogen. Gleichzeitig werden mit dem Vakuumleistungsschalter 2 Ströme von beispielsweise 2500 A mehrmals am Tag geschaltet. Die entstehenden Lichtbögen führen daher zu einer sehr hohen thermischen Belastung. Aufgrund der sehr guten thermischen Leitfähigkeit kann diese thermische Belastung sehr gut abgeleitet werden, so dass die Schaltkontaktfläche 16 sich nur moderat erwärmt. Es ist also kein Verbacken oder Verschmelzen der Schaltkontaktflächen 16 zu befürchten. Auch ist kein Anstieg des elektrischen Übergangswiderstands aufgrund eines übermäßigen Temperaturanstiegs zu befürchten, der zu einer zusätzlichen Erwärmung aufgrund eines hohen Widerstandwertes führen würde. Gleichzeitig wird die geringe Erwärmung unterstützt durch die hohe elektrische Leitfähigkeit der CNT-Partikel 20. Schließlich ist die Schaltkontaktfläche 16 darüber hinausgehend auch mechanisch sehr robust und weist auf der einen Seite eine sehr hohe Oberflächenhärte aufgrund der eingelagerten CNT-Partikel 20 auf und ist zugleich aufgrund der Nickelmatrix 18 auch ausreichend duktil, um einem Sprödbruch vorzubeugen.


Anspruch[de]
Elektrischer Schaltkontakt (6a, 6b) insbesondere für einen Vakuumleistungsschalter (2), mit einer Schaltkontaktfläche (16), dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltkontaktfläche (16) eine duktile metallische Matrix (18) mit darin eingelagerten Hartstoffpartikeln (20) aufweist. Schaltkontakt (6a, 6b) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Hartstoffpartikel CNT-Partikel (20) verwendet sind. Elektrischer Schaltkontakt (6a, 6b) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltkontaktfläche (16) etwa 10-40 Vol.% an Hartstoffpartikeln (20) aufweist. Schaltkontakt (6a, 6b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffpartikel (20) eine Größe im Bereich zwischen 2 nm und 50 &mgr;m aufweisen. Schaltkontakt (6a, 6b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltkontaktfläche (16) auf einem Träger (10) aufgebracht ist und eine Schichtdicke (d) zwischen etwa 10 &mgr;m und 200 &mgr;m aufweist. Schaltkontakt (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die duktile Matrix (18) aus Nickel oder einer Bronzelegierung besteht. Schaltkontakt (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltkontaktfläche (16) mittels einer galvanischen Abscheidung aufgebracht ist. Vakuumleistungsschalter (2) mit einem Schaltkontakt (6a, 6b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Schaltkontakt (6a, 6b) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Schaltkontaktfläche (16) mittels einer galvanischen Abscheidung aufgebracht ist.






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