DD155218A1

DD155218A1 - Verfahren zur herstellung eines materials zur hartgaslichtbogenloeschung

Info

Publication number: DD155218A1
Application number: DD22593780A
Authority: DD
Inventors: Kurt Kutschera; Edgar Puppel
Original assignee: Kurt Kutschera; Edgar Puppel
Priority date: 1980-12-10
Filing date: 1980-12-10
Publication date: 1982-05-19

Abstract

Die erfindungsgemaesse Loesung soll es ermoeglichen, mit dem Verfahren ein lichtbogenloeschendes Material auf oekonomische Art und Weise mit hoher Qualitaet herzustellen, das eine hohe Lebensdauer, Funktionssicherheit und Loeschwirkung aufweist. Aufgabe ist es, ein Verfahren zu schaffen, mit dem das lichtbogenloeschende Material bei hoher Gasabgabe, insbesondere Wasserstoff, eine sehr geringe Verrussung der Oberflaeche nach der Loeschung des Lichtbogens bewirkt und eine hohe thermische Bestaendigkeit und grosses Waermeleitvermoegen aufweist. Erreicht wird dies, indem aus verfuegbaren thermoplastischen Materialien zweckentsprechende ausgewaehlt werden und in ihre Oberflaeche bzw. in die oberflaechennahen Bereiche auf physikalischem Wege unter spezifischer Temperatur und Druckanwendung ein anorganisches Peroxid (BaO tief 2) als Oxydationsmittel eingelagert wird. Anwendungsgebiete sind Nieder- und Mittelspannungsanlagen, wo die Loeschung von Lichtboegen in Kammern, Spalt oder Ringflaechen und/oder anderen geometrischen Anordnungen erforderlich wird.

Description

Kurt Kutschera Berlin, den 03.12.80

Edgar Puppe1 EV 17/80 - Ri/Sl.

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Titel der Erfindung

Verfahren zur Herstellung eines Materials zur Hartgaslichtbogenlöschungρ

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Materials, das bei der Löschung von Lichtbogen in Kammern, Spalt-oder Ringflachen und/oder anderen geometrischen Anordnungen in Nieder- oder Mittelspannungsanlagen eingesetzt werden kann.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zur Unterstützung der Lichtbogenlöschung wird die Brenn-.strecke des Lichtbogens mit Materialien, vorzugsweise Thermoplasten, ausgekleidet, d'ie während der Brenndauer des Lichtbogens an der Oberfläche so erhitzt werden, daß die chemischen Bindungen aufgebrochen werden und Gas an die Umgebung abgegeben wird, das durch seine gegenüber dem Lichtbogen geringere Temperatur kühlend wirkt, als auch" zur Deionisation der Löschstrecke beiträgt und durch die konstruktive Anordnung" der Strömungsrichtung eine Blaswirkung in die gewünschte Richtung ausübte Es sind sehr viele organische Stoffe und Mischungen bekannt, die bei Aufheizung durch einen Lichtbogen Gas abspalten» So

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wird ζ· B. Polymethylmetacrylat in den Lasttrennschaltern eingesetzt*

Die meisten Thermoplaste sind von der Menge des abzugebenden Gases durchaus geeignet, eine Löschwirkung auszuüben.

In der DE-OS 21 07 337 werden Thermoplaste wie Polyäthylen, Polytetrafluoräthylen, Acetalharz und Oellulosepolymere als gasabgebende Löschmaterialien empfohlen. Daß auch Duroplaste eingesetzt werden, ist z· B₀ aus der DE-AS 18 17 bekannt, wobei ein Gießharz auf Epoxidharzbasis vorgesehen ist« . . . ;

Als weitere Voraussetzung für ein geeignetes Löschmaterial ist eine hohe thermische Beständigkeit gegen kurzzeitige Einwirkung hoher Temperaturen, ein gutes Wärmeleitvermögen und ein hoher Oberflächenwiderstand erforderliche Bei der Hinzuziehung dieser weiteren Kriterien ergibt sich eine Eignungsklassifizierung, die je nach Konstruktion der Löschkammer quantitative Vor- und Nachteile ausweist, aber eine grundsätzliche Eignung verschiedener Thermo- und Duroplaste beinhaltet_o

Bei der Bewertung, ob ein Stoff als Material für die Löschung von Lichtbogen geeignet ist, muß jedoch vorrangig berücksichtigt werden, daß die Strecke zwischen den Elektroden sofort nach der Löschung des Lichtbogens ihre elektrische Isolierfähigkeit behalten muß· Die Thermoplaste geben aber bei der Berührung mit dem Lichtbogen nicht nur Gas ab, sondern der Kohlenstoff im Polymergerüst wird freigesetzt und schlägt sich in der Löschkammer als Ruß niedere Diese abgelagerte Kußschicht verringert die Isolierfähigkeit so stark, daß die Menge des als P-uß freigesetzten Kohlenstoffes neben der Gasabgabe zum entscheidenden Merkmal der Einsatzmöglichkeit¹ eines Stoffes., als Schaltkammermaterial wird»

Es ergibt sich die Forderung nach einem geringen C-Gehalt des Stoffes« Da andererseits Wasserstoff durch seine hohe Wärmeleitfähigkeit, seine Dissoziationstemperatur um 45OO K am besten als freizusetzendes Löschgas geeignet ist, wird ein hoher H-Gehalt des Stoffes gefordert·

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Aus diesen Forderungen ist aus den Strukturformeln der Polymere eine Vorauswahl möglich, die dann im praktischen Test bestätigt werden muß· In diesem Zusammenhang wird in der DE-OS 17 90 272 Polyoxymethylen als besonders geeignet empfohlene Aus seiner Struktur /-0H₂-Oj/ ist das günstige Verhältnis der Η-Atome zu den C-Atomen erkennbar, wobei hinzukommt, daß die gleichen Anteile G und 0 bewirken, daß ein Großteil der freigesetzten G-Atome als für den Löschvorgang unschädliches GO₂-GaS abgeblasen , werden. Es hat sich deshalb als Löschmaterial im Bereich mittlerer und hoher Spannungen durchgesetzt, obwohl seine thermische Leitfähigkeit und seine thermische Beständigkeit ungünstiger sind als die anderer Materialien, die aber wegen ihrer Rußbildung nicht eingesetzt werden können»

Um die Wirkung der eingesetzten Polymere zu erhöhen, werden ihnen bei der Verarbeitung anorganische Stoffe zugemischt« So beschreibt DE-AS 14 63 067 den Zusatz kleiner Mengen Molybdänsulf id und DE-OS 2f? 39 013 schlägt die Beimengung von hydratisiertem Zinkborat vor* Auch sind andere Beimengungen, wie Tonerdehydrat, Bortrioxid bzw. Borsäure und Melamin bekannt geworden«

Molybdänsulfid erzeugt nach der Darlegung in DE-AS 14 63 067, wenn es im dispergierten Zustand dem polymeren Grundmaterial beigegeben wird, einen Schwergasanteil, dessen Löschwirkung zusätzlich genutzt wird. Das Dispergieren dieses Zusatzstoffes muß zu einem Zeitpunkt erfolgen, in dem das Grundmaterial noch als Monomeres vorliegt. Das erfordert, die Verarbeitungstechnik nur für diesen Anwendungszweck einzurichten, da ein nachträgliches Dispergieren in fertige Polymerteile nicht möglich ist. Was die Wirkungen angeht, so ist der Anteil von 0,1 bis 0,5 % Molybdän nur wenig an der Gesamtgasbildung beteiligt» Zur Lösung der Problematik Rußbildung oder Wärmeleitung bzw. thermische Beständigkeit werden keine wesentliche Aussagen gemacht. Auch die Beimengung von hydratisiertem Zinkborat nach DE-OS 25 39 013 ergibt einen Stoff, der zu seiner Herstellung einer gesonderten Technologie bedarf·

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Bei den hohen Füllstoffanteilen von 4-0 %, die erst die zusätzliche Löschung bewirken, ist die Herstellung gegenüber dem Grundmaterial auf Polymerbasis schon dadurch erheblich erschwert, weil die hohe Verarbeitungsviskosität die Nutzung der Maschinen und Ausrüstungen für die Verarbeitung der reinen Polymeren stark einschränkte Auch andere Beimengungen wie Tonerdehydrat nach DE-OS 21 07 337» Borsäure, Bortrioxid und Melamin erfordern jeweils spezifisch ausgelegte Verarbeitungsverfahren, an deren Ende ein auf den Anwendungszweck zugeschnittenes Produkt entsteht, das seine optimale Löschwirkung nur in einem eng begrenzten Leistungsbereich eines Lichtbogens erreichte In DE-OS 21 07 337 ist auch vorgesehen, eine Mischung von Tonerdehydrat und Melamin mit einem organischen Bindemittel auf die Oberfläche eines Substrats als "farbenartiges Beschichtungsmaterial" aufzutragen, wobei bei Berührung mit dem Lichtbogen das Bindemittel verdampft und Melamin und Tonerdehydrat der Kühlung und Löschung des Lichtbogens dienen· Damit sind die Einschränkungen dieser Verfahrenstechnik aufgezeigt, die darin bestehen, daß nach der Berührung mit dem Lichtbogen die löschenden Substanzen nicht, mehr vorhanden sind, das heißt, jeweils nur einem Löschvorgang zur Verfugung stehen.» Ein wesentlicher Beitrag zur Verhinderung der Verrußung durch die verdampfenden Olefinbindemittel ist nicht zu erwarten und auch nicht dargestellte

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen von lichtbogenlöschendem Material anzugeben, wonach solches Material, insbesondere auf polymerer Basis, auf ökonomische Art und Weise mit hoher Qualität hergestellt werden kann und eine hohe Lebensdauer, Funktionssicherheit und Löschwirkung aufweist," wie sie von modernen Löschkammersystemen in Schaltgeräten gefordert wird»

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Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem ein lichtbogenlöschendes Material hergestellt werden kann, das bei hoher Gasabgabe, insbesondere V/asserstoff, eine sehr geringe Verrußung der Oberfläche nach der Löschung des Lichtbogens bewirkt und eine hohe thermische Beständigkeit und großes Wärmeleitvermögen aufweist ο

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß aus der Menge verfügbarer thermoplastischer Materialien solche ausgewählt werden, die von ihren mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften und vom molekularen Aufbau her besonders geeignet erscheinen. Solche Polymere sind beispielsweise einige Polyolefine, wie Polyäthylen und Polypropylen, aber auch Polystyrol und Harnstoffderivate, In ihre Oberfläche bzw_o in die oberflächennahen Bereiche, insbesondere in die dem Lichtbogen zugewandten Oberflächenanteile, wird auf physikalischem Wege ein anorganisches Peroxid als Oxydationsmittel eingebracht, das bei der kurzzeitigen Erhitzung der Oberfläche durch den Lichtbogen Sauerstoff abspaltet, der sich mit dem aus dem Polymer austretenden Kohlenstoff zu COo verbindet. Dadurch wird eine Verrußung und die damit verbundene unzulässige Verminderung des Oberflächenwiderstandes verhindert bzw· auf zulässige Werte begrenzt· Bei der Auswahl wurde berücksichtigt, "daß die Oberfläche " während der gesamten Lebensdauer des Schaltgerätes Sauerstoff zur Verfügung zu"stellen in der Lage sein muß. In Bariumperoxid wurde ein Oxydationsmittel gefunden, das seinen Verlust an Sauerstoff durch die Lichtbogeneinwirkung nachfolgend aus dem Luftsäuerstoff teilweise wieder ausgleichen kann.

Erfindungsgemäß wird das Oxidationsmittel unter spezifischer Temperatur und Druckanwendung in die Oberfläche eingelagert. Das geschieht bei Thermoplasten durch eine Erwärmung der Oberfläche einschließlich der oberflächennahen

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Bereiche bis zur Erweichung, wobei gleichzeitig das auf diesen Oberflächenbereich vorher verteilte und in fester Form vorliegende Oxydationsmittel mittels Druck in die Oberfläche so eingelagert wird, daß es beim Abkühlen des Thermoplastes zum festen Bestandteil der Oberfläche einschließlich seines oberflächennahen Tiefenbereiches wird, ohne jedoch eine chemische Verbindung einzugehen. Vorteilhaft wird dadurch erreicht, daß selbst bei unerwartet hoher oder häufiger Lichtbogenleistungseinwirkung und dadurch bedingter oberflächlicher Abtragung die tieferen Bezirke an die Stelle des abgetragenen Materials treten und die Löschwirkung erhalten«

Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es gelungen, die den lichtbogenlöschenden Substanzen anhaftenden Mängel zu beseitigen bzwo erheblich zu mindern* Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Materials zur Hartgaslichtbogenlöschung besteht unter dem Aspekt, daß' es keinen Stoff und kein Mischpolymerisat gibt, der eine hohe Gasabgabe mit Bußfreiheit oder -arnnit nach der Lichtbogeneinwirkung verbindet und gleichzeitig die zusätzlichen thermischen, mechanischen und elektrischen Ansprüche erfüllt, darin, daß das Hemmnis für den Einsatz ansonsten sehr gut geeigneter Stoffe wegen Rußbildung ausgeräumt ist und günstigere Löschwirkungen bei Erfüllung aller übrigen Ansprüche erzielt werden© Es steht somit eine breitere Stoffpalette gasabgebender Materialien zur Verfügung. Dadurch wird eine Anpassung an die vorgesehenen Lichtbogenleistungen und -zeiten möglich. Damit kann letztlich günstiger konstruiert werden, wobei das Lichtbogenmaterial unterschiedliche geometrische Grundformen, wie Platte, Zylinder oder Rohr, aufweisen kann und sich neben der Materialeinsparung vor allem bei bewegten Löschsystemen die geringere Masse auch auf die Ausbildung des Antriebs vorteilhaft auswirkt«

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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, eine der erwarteten Lichtbogenleistung und -häufigkeit entsprechende Menge des anorganischen Oxydationsmittels einzulagern und in den oberflächennahen Bereichen zu verteilen, daß die für den jeweiligen Anwendungsfall passende Konzentration entsteht^ Erst dadurch wird im Zusammenwirken mit dem Polymer eine variable Herstellung optimal ausgelegter Lösöhmaterialien mögliche

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden_o

Für eine Plachlösc-hkammer werden Platten benötigt, die eine Löschung des Lichtbogens im Löschspalt unterstützen© Dazu wird Polyäthylenplattenmaterial wie folgt aufbereitet: Auf das Plattenmaterial wird einseitig Bariumperoxid als feingemahlenes Pulver gleichmäßig auf der Oberfläche verteilt. Auf die so vorbereitete Oberfläche wird eine auf ca«, 180° vorgeheizte Platte kurzzeitig aufgelegt und Druck auf die sich erweichende Polyäthylenoberfläche ausgeübt«

Die Tiefe des Einsenkens der vorgeheizten Metallplatte wird durch eine Auflage vorbestimmt, über die hinaus die Dicke der Poiyäthylenplatte nicht verringert werden kann. Die Temperatur der beheizten Platte wird so gewählt, daß die Polymeroberfläche aufgeweicht wird· Das auf der Oberfläche lagernde Bariumperoxid wird in die weiche Oberfläche eingedrückt, mechanisch verankert und bildet nach dem Abkühlen der Anordnung einen festen Bestandteil der Polyäthylenoberflache und wird erst mit dem Ab-; brennen von Oberflächenteilen durch den Lichtbogen wieder freigelegt· " .

Zur Beschleunigung des Verfahrens kann das Grundmaterial Polyäthylen bis auf 110 ⁰C vorgewärmt werden, was insbesondere bei der Herstellung größerer Stückzahlen von Flachkammermaterialien zu einem schnelleren technologischen Durchlauf führt.

Claims

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Anspruch

1. Verfahren zur Herstellung eines Materials zur Hartgaslichtbogenlöschung zur Löschung von Lichtbogen in elektrischen Schaltgeräten, gekennzeichnet dadurch, daß in eine thermisch erweichte Oberfläche bzw«, in oberflächennahe Bereiche eines Polymeren, insbesondere eines Thermoplastes, auf physikalischem Wege Oxydationsmittel eingelagert werdenο

2β Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß nur in die dem Lichtbogen zugewendete Seite des Polymeren das Oxydationsmittel eingebracht wird·

3ο Verfahren nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß als Polymer ein Thermoplast, z_o B₀ ein Polyolefin, eingesetzt wird. "

4-e Verfahren nach Punkt 1 bis 31 gekennzeichnet dadurch, daß als Oxydationsmittel BaOp angewendet wird_s das sich nach Sauerstoffabgabe zur löschung des Lichtbogens selbst regeneriert·

5« Verfahren nach Punkt 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß das Oxydationsmittel durch mechanischen Druck in die Oberfläche eingebracht wird und das druckerzeugende Mittel die Oberfläche gleichzeitig durch Erwärmung aufweichen kann·

Verfahren nach Punkt 1 bis ,5, gekennzeichnet dadurch, daß das Lichtbogenlöschmaterial unterschiedliche geometrische Grundformen wie Platte, Zylinder oder Rohr besitzt*