DE102005003812A1

DE102005003812A1 - Verfahren zur Herstellung eines Kontaktstückes, sowie Kontaktstück für eine Vakuumschaltkammer selbst

Info

Publication number: DE102005003812A1
Application number: DE200510003812
Authority: DE
Inventors: Dietmar Dr.-Ing. Gentsch; Günter Dipl.-Ing. Pilsinger
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: ABB Technology AG
Priority date: 2005-01-27
Filing date: 2005-01-27
Publication date: 2006-10-05
Also published as: CN101111914B; US20120312785A1; EP1844486A1; WO2006079495A1; US8302303B2; US20080163476A1; EP1844486B1; US8869393B2; CN101111914A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kontaktstückes für die Verwendung in einer Vakuumschaltkammer, insbesondere in einer Nieder-, Mittel- oder Hochspannungsvakuumschaltkammer, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, sowie ein Kontaktstück für eine Mittelspannungsvakuumschaltkammer selbst, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 12. Um hierbei Mehrschichtkontaktsysteme dahingehend zu verbessern, dass auch größere Schichtdicken Verwendung finden, die die elektrischen Eigenschaften verbessern, ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Kontaktstück aus mindestens zwei Schichten mit einer dazwischen eingelegten Lötfolie gebildet ist, welche in Sollposition zueinander in einem Vakuumofen miteinander verlötet werden. Die Zweischichtigkeit kann auch durch eine Pulveraufeinanderschichtung erhalten werden. Dazu wird in einer Pressform die Pulverschichtung gepresst und nachfolgend im Ofen zum fertigen Kontaktstückrohling gesintert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kontaktstückes insbesondere für die Verwendung in einer Niederspannungs- Mittelspannungs- und Hochspannungsvakuumschaltkammer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, sowie ein Kontaktstück für eine Vakuumschaltkammer selbst, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 12.
Schaltkammern, insbesondere Vakuumschaltkammern die in Niederspannungs-, Mittelspannungs-, Hochspannungs- und Generatorschaltgeräten verwendet werden, sind innerhalb des Kammergehäuses mit Kontaktstücken versehen, die den elektrischen Kontakt im geschlossenen Zustand der Anordnung herstellen und an denen beim Ausschalten sich ein Plasmabogen ausbildet, besonders unter Kurzschlussbedingungen (ein Lichtbogen, der in einer Vakuumatmosphäre brennt). In Vakuumschaltkammern dieser Art werden häufig sogenannte Radialmagneffeldkontaktsysteme verwendet. In diesen wird das Radialmagnetfeld über Spulensichelsegmente generiert, wobei die Sichelelemente durch in die Kontaktstückplatten eingebrachte Schlitze entstehen.
Der Vorteil dieser Radialmagneffeldkontaktsysteme beziehungsweise der darin verwendeten Kontaktstücke besteht darin, dass ein geringer Strombahnwiderstand vorliegt, wobei in der Gesamtanordnung bei diesem einfachen System eine hohe Kontaktdruckkraft eingebracht werden kann. Bekannt ist hierbei auch, dass die dabei verwendeten Radialmagnetfeldkontaktstücke in einer Zylinderscheibenform ausgebildet sind mit verrundeten Außenkanten. Dies dient zur Verbesserung der dielektrischen Eigenschaften.

Es ist Stand der Technik, Kontaktsysteme mit Kontaktstücken aus Mehrschichtsystemen einzusetzen. Mehrschichtkontaktstücke, bei denen der Querschnitt nach außen doppelt konisch ist sind ebenfalls bekannt. Somit wird eine an sich vorteilhafte Anordnung wie, sie beispielsweise aus der DE 3840192 A1 bekannt ist, aus einem Mehrschichtsystem aufgebaut, bei denen die abbrandfeste Kontaktschicht aus einem Standard – Kontaktwerkstoff beispielsweise CuCr 25 und die zweite Schicht vorzugsweise aus reinem Kupfer aufgebaut ist. Das reine Kupfer sorgt für eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit, währenddem die CuCr – Schicht die Abbrandfestigkeit im Kontaktstückbereich selbst gewährleistet.

Durch die beschriebene doppelt konische Ausbildung entsteht eine diskusähnliche Form, die besonders leicht bei Kontaktstücken mit großem Außendurchmesser herzustellen ist, und vorzugsweise in Hochstrom- bzw. Generatorschalteranordnungen Verwendung findet. So lässt sich außerdem der Schwerpunkt der einzelnen Kontaktstücksichel des Radialmagnetfeldkontaktstücks weiter in Richtung Achsmitte verschieben, wodurch die bei einer mechanischen Schalthandlung auftretende Kraft, ein geringeres Moment an der Übergangsstelle zum Kontaktstück bewirkt. Die daraus resultierenden mechanischen Spannungen werden durch diese Maßnahme zum einen vorteilhaft verringert und zum anderen wird eine höhere Lebensdauer bei häufigen mechanischen Schalthandlungen erreichbar.

Bei die obengenannten Schrift DE 38 40 192 A1 beschriebenen Schrift sind die aufeinander gelegten Scheiben zuvor einzeln durch Stanzen geschlitzt. Dabei wird jedoch darauf geachtet, dass jede einzelne Scheibe nicht stärker (dicker) ist als deren gewählte Breite der Schlitze, die hineingestanzt sind.

Im Allgemeinen werden Mehrlagenkontaktstücke (Multilayerkontakte, genannt MLC) wie sie auch aus der EP 1111631 bekannt sind, in einem Verfahren hergestellt, in dem diese z.B. in einem inerten Tiegel (keramisch) nach dem Sinter- Schmelzverfahren zusammengebracht werden.

Davon ausgehend soll der Vorteil von Mehrschichtkontaktsystemen dahingehend verbessert werden, dass auch größere Schichtdicken Verwendung finden können, die die elektrischen Eigenschaften verbessern.

Die gestellte Aufgabe ist bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gegeben. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Im Hinblick auf ein Kontaktstück für einen Nieder-, Mittelspannungs- oder Hochspannungsvakuumschalter ist die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 11 gelöst.

Kern der Erfindung ist hierbei, dass, um größere Wandstärken oder Schichtdicken der aufeinander zu bringenden Schichten der Kontaktstücke zu erreichen, zwischen die zu verbindenden Schichten je eine Lötfolie gelegt und die gesamte Anordnung in einem Lötofen auf Löttemperatur erhitzt wird und andererseits kann die angestrebte Zweischichtigkeit (bzw. Mehrlagigkeit, > 2) durch ein Aufeinanderschichten mehrerer Pulverschichten erreicht werden. Dieses kann am Beispiel eines zweischichtigen Kontaktstückes durch ein Aufeinanderschichten von Kupferpulver und in der zweiten Schicht aus einer Mischung aus KupferChrompulver erreicht werden. Im letztgenannten Fall der Aufeinanderschichtung von Pulver, wird dieses in einer Pressform zu einem Pressling (dem Grünling) verpresst und anschließend zum fertigen Rohling im Ofen zum fertigen MLC Rohling gesintert.

Das dabei entstehende zweilagige MLC Kontaktstück besteht aus einer abbrandfesten Kontaktschicht aus CuCr und einer darunter liegenden insbesondere dickwandigen Kupferschicht als zweite Schicht mit einer sehr hohen Leitfähigkeit. Dabei entsteht ein extrem niedriger Strombahnwiderstand und auch eine gute Stromzuführung zu dem Kontaktaußenbereich auf dem im Falle eines Kurzschlussstromes der Lichtbogen bis zum darauf folgenden Stromnulldurchgang des Stromes beim Ausschalten brennt.

Gegenüber den übrigen MLC – Verfahren, bei denen ein integrierter Sinter- und Schmelzprozess erforderlich ist, ist dieses Herstellverfahren (der Verlötung von zwei Bauteilen zu einem MLC – Kontaktstück schnell und einfach und im Fall einer Mehrlagigkeit direkt über das Pulverschichtungsverfahren darüber hinaus auch erheblich wirtschaftlicher. Außerdem können große Schichtdicken gegenüber üblichen Verfahren erzielt und verwendet werden, so dass die oben genannten Vorteile geringer Strombahnwiderstände so wie einer deutlich höheren mechanischen Belastbarkeit und der Aufbringung hoher Schaltkräfte gewährleistet sind. Die Leitfähigkeit wird gegenüber dem MLC – Sinter- und Schmelzverfahren auch beim vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahren noch dadurch erhöht, dass durch die Wärmebehandlung des mehrlagigen Kontaktstückes die Ursprungsleitfähigkeit der eingesetzten Werkstoffe in den Schichten nahezu erhalten bleiben. Im Falle der Verbundlötung wird nur die Schmelztemperatur des Lotes erreicht. Durch Diffusion in der Lötzone erhöht sich nur in dieser schmalen Zone der Widerstand bzw. verringert sich die Leitfähigkeit geringfügig.

Auch wenn die Mehrlagigkeit durch die Pulverschichtung und Verpressen der Pulver zum Grünling und durch Sintern der Rohling hergestellt wird, bleiben der Widerstand sehr gering und somit die Leitfähigkeit auf einem hohen Niveau.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass mehrere Schichten (größer zwei) Scheiben oder Platten mit dem Kontaktstück beim Prozess verlötet, bzw. beim Pulverschichten hergestellt werden können. Gegenüber dem üblichen Multilayerkontakt – Verfahren, MLC Verfahren, wird durch diese Form der Lötung (oder auch Pulverschichtung) gegenüber dem Sinter – und Wärmebehandlungsprozess (Temperung) der Strombahnwiderstand jedoch deutlich geringer erhöht, so dass die Mehrfachanordnung von Scheiben keine nachteilige Beeinflussung der Leitfähigkeit mit sich führt.

Im übrigen hat sich herausgestellt, dass der so hergestellte Übergang, der durch die zwischen die Platten eingelegte Lötfolie und dem anschließenden Temperieren im Lötofen entsteht, nicht nur eine grenzflächenschlüssige Lötverbindung als solche ergibt, sondern dass durch die gesamte Wärmebehandlung im Lötofen das Lot auch über eine entsprechende mikroskopische Eindringtiefe in die Grenzoberflächen der Materialien eindringt. Dadurch gleichen sich festkörperphysikalisch die Fermienergien und die Valenzbänder im Grenzflächenbereich potential – bzw. störungsfrei aneinander an, so dass es dort nicht zu Metall – Metalloxydstörstellen kommt, was bei einem Sinter- Schmelzprozess deutlich häufiger auftritt.

Im übrigen können durch diese hohe mechanische Beanspruchbarkeit in Verbindung mit der erzielten Abbrandfestigkeit auch hohe Ein-und Ausschaltgeschwindigkeiten gefahren werden, insbesondere bei Kontaktstücken, die einen relativ großem Aussendurchmesser beispielsweise für die Verwendung in Hochspannungs-, Hochstrom- und Generatorvakuumschaltkammern aufweisen.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass als abbrandfester Werkstoff CuCr 25 verwendet wird.

Eine weitere Alternative besteht in der Verwendung von CuW. Eine weitere besteht in der Verwendung von CuCrW sowie alternativ WCAg oder auch andere. Grundsätzlich gilt hierbei, dass die obere Schicht mit der darunter liegenden mindestens einer weiteren Schicht z.B. einer Kupferschicht auf die erfindungsgemäße Weise verlötet oder über eine Pulverschichtung hergestellt wird. In allen diesen verwendeten Legierungen trifft die oben ausgeführte festkörperphysikalische Eigenschaft zu, dass bei dieser Art des Lötvorganges bzw. Sinterprozesses des MLC Kontaktrohlings der Strombahnwiderstand durch eine potentialdiskontinuitätsfreie Übergangszone niedrig gehalten wird.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass in einem Teil der verwendeten Kontaktstückschichten Schlitze eingebracht sind beziehungsweise eingebracht werden.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die so miteinander verbundenen Schichten so ausgebildet sind, dass sie im fertig bearbeiteten Zustand des Kontaktstückes eine doppelt konische diskusähnliche Form ergeben. Dies hat den Vorteil, der mit den oben ausgeführten dielektrischen Eigenschaften beschrieben wurde, und somit auch bei der Ausschaltung hoher Ströme insbesondere im Randbereich ein Verlöschen des Ausschaltlichtbogens begünstigen.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die der abbrandfesten Schicht nachfolgende mindestens eine weitere Schicht im Durchmesser kleiner ist beziehungsweise bei einer Mehrzahl sukzessive kleiner werden.

Weiterhin ist ausgestaltet, dass die einzelnen Schichten pulvermetallurgisch als gepresste Grünlinge vorliegen und im Lötvorgang gleichzeitig gesintert werden.

Das Kontaktstück gemäß Anspruch 1ff. stellt ein Kontaktstück für eine Mittelspannungsanlage insbesondere für eine Vakuumschaltkammer im Nieder-, Mittelspannungs- und Hochspannungsbereich nach dem oben dargestellten Verfahren dar.

Die Erfindung ist in Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.
Es zeigt.
1: Gesamtdarstellung einer Vakuumkammer.
2: Kontaktstück
1 zeigt als Gesamtdarstellung einer Vakuumschaltkammer gekennzeichnet und nachfolgend in der 2 detailliert gezeigt und beschrieben. 1 zeigt eine Vakuumschaltkammer, bestehend aus der bewegbaren Zuleitung 1, dem Vakuumschaltkammerdeckel 2, der die vakuumdichte Verbindung zwischen dem Isolator (Keramik) 6 und dem metallischen Balg 3 herstellt. Der Mittelschirm 4 steuert das elektrische Feld innerhalb und außerhalb der Vakuumschaltkammer und schützt den Isolator 6 vor Metalldampf. Im Zentrum der 2 sind die Kontaktstücke 5' und 5'' angeordnet, die vorteilhaft als MLC – Kontaktstück nach 2 ausgestaltet sind. Auf der Festkontaktseite ist Zuleitung 8 angeordnet, die elektrische Feldsteuerung übernimmt der Schirm 7.
2 zeigt die neuartige Kombination von zwei Schichten, nämlich einer abbrandfesten ersten Kontaktstückschicht 5', die zum Beispiel aus CuCr oder den oben alternativ genannten abbrandfesten Werkstoffen oder Werkstofflegierungen bestehen kann, und einer weiteren Kontaktstückschicht 5'', die zum Beispiel aus Kupfer, aus reinem oder legiertem Kupfer bestehen kann. Die Schicht 10 zeigt im Falle der Lötung von zwei oder mehreren Schichten die Lötzone, im Falle der Pulveraufeinanderschichtung auf die Grenzzone zwischen den zwei (oder mehr Schichten). Damit lässt sich ein Kontaktstück mit optimierten Eigenschaften herstellen was zum einen sowohl der Abbrandfestigkeit in besonderem Maße genügt, zum anderen aber auch einen niedrigen Strombahnwiderstand und eine hohe Leitfähigkeit gewährleitstet.
Bei der Verwendung oder der Erstellung dieser oben bereits beschriebenen Diskusform durch die Verwendung von doppelt konischen oder teilkonischen Schichten, die so zueinander gebracht werden, dass das Kontaktstück insgesamt doppelt konisch also mit abfallenden Flanken auf beiden Seiten ausgebildet ist, lassen sich auch neben den Schalteigenschaften besonders gute mechanische Eigenschaften erzielen. Das Kontaktstück wird durch ein Übereinanderschichten von zwei Schichten unter Zwischenfügen einer Lötfolie 10 gebildet, was in einem Lötofen sodann mit der Anordnung verlötet wird. Zum Beispiel kann auch durch Auflöten einer Trägerplatte aus Stahl die mechanische Festigkeit weiter gesteigert und zusätzlich eine B-Feld abschirmende Funktion erzielt werden.

1: bewegbare Zuleitung
2: Vakuumschaltkammerdeckel
3: Balg
4: Mittelschirm
5: Kontaktstücke
5': Kontaktstück
5'': Kontaktstück
6: Isolator
7: Schirm
8: Zuleitung
10: Schicht/Lötfolie

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kontaktstückes, für die Verwendung in einer Vakuumschaltkammer, insbesondere in einer Nieder-, Mittelspannungs- und Hochspannungsvakuumschaltkammer, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktstück aus mindestens 2 Schichten mit einer dazwischen eingelegten Lötfolie gebildet ist, welche in Sollposition zueinander in einem Lötofen miteinander verlötet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktstück aus mindestens 2 Schichten durch ein Übereinanderschichten von Pulvern in einer Form entsteht. Nach einem Pressvorgang liegt ein Pulverpressling vor, der sogenannte Grünling, der durch Sintern zum Mehrschichtkontaktrohling wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die abbrandfeste Kontaktstückschicht aus einer abbrandfesten Kupferhaltigen Legierung besteht und die darunterliegende zweite Kontakstückschicht aus einer gleichdicken oder dickwandigeren Kupferschicht besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere Kontaktstückschicht vorgesehen ist, die mit einer Lötfolie verlötet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als abbrandfester Werkstoff CuCr 25 verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als abbrandfester Werkstoff CuCrW verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als abbrandfester Werkstoff WCAg verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die obere Kontaktstückschicht Schlitze nach der Art eines Radialmagnetfeldkontaktes enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelne Schicht so ausgebildet und so miteinander verbunden sind, bzw. verbunden werden, dass sich im fertig verlöteten Zustand eine einfach- oder doppelt- konische diskusähnliche Form ergibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten von der abbrandfesten Schicht her nach unten sukzessive kleinere Durchmesser aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten vor dem Lötvorgang als pulvermetallurgische gepresste Grünlinge vorliegen, die zeitgleich mit dem Lötvorgang gesintert werden.
Kontaktstück für eine Vakuumschaltkammer, insbesondere für eine Mittelspannungsvakuumschaltkammer, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktstück (5) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Verfahrensansprüchen hergestellt ist.