DE3347893C2

DE3347893C2 - Zusammengesetztes Material mit lichtbogenlöschenden Eigenschaften

Info

Publication number: DE3347893C2
Application number: DE19833347893
Authority: DE
Inventors: Bruno Ing.(Grad.) Gengenbach; Hans-Peter Dipl.-Ing. Dr. Kehrer; Norbert Dipl.-Ing. Klink; Ursula Dipl.-Ing. Dr. Mayer; Carl-Ludwig Dipl.-Ing. Meyer; Roland Dipl.-Ing. Dr. Michal; Karl E. Dipl.-Ing. Dr. 7530 Pforzheim Saeger
Original assignee: Doduco GmbH and Co KG Dr Eugen Duerrwaechter
Current assignee: Doduco Solutions GmbH
Priority date: 1983-04-09
Filing date: 1983-04-09
Publication date: 1986-10-09
Also published as: DE3347893A1

Abstract

Es werden Materialien mit lichtbogenlöschenden Eigenschaften beschrieben, welche neben lichtbogenlöschenden Bestandteilen auch elektrisch leitende metallische Bestandteile in gezielt anisotroper Verteilung enthalten, und zwar in Gestalt von Schuppen oder von Fasern mit einer Vorzugsrichtung der Orientierung.

Description

dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Metall anisotrop in Gestalt eines Pulvers, das überwiegend aus Schuppen besteht, welche eine Vorzugsrichtung senkrecht zu jener Oberfläche des Formteils, auf welcher die Lichtbogenfußpunkte wandern sollen, aufweisen, in dem Material verteilt ist

2. Zusammengesetztes Material, das unter Lichtbogeneinwirkung Löschgas abgibt, welches in ein Bindemittel eingelagert

— ein elektrisch leitendes Metall, insbesondere Silber,

— ein unter Lichtbogeneinwirkung elektronegative Gase freisetzendes Pulver,

— und ein anorganisches Pulver mit einem höheren Schmelzpunkt als das elektronegative Gase freisetzende Pulver, insbesondere Siliziumdioxid enthält,

dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Metall anisotrop in Gestalt von Fasern, welche eine Vorzugsrichtung senkrecht zu jener Oberfläche des Formteils, auf welcher die Lichtbogenfußpunkte wandern sollen, aufweisen, in dem Material verteilt ist.

3. Material nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern in Gestalt eines Gewebes vorliegen.

Die Erfindung geht aus von einem Material gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, welches unter Lichtbogeneinwirkung Löschgase abgibt Ein solches Material ist aus der US-PS 40 11 426, aus der DE-OS 47 822 und aus der CH-PS 4 33 481 bekannt.

Die bekannten Materialien kennzeichnen sich im Gegensatz zu anderen lichtbogenlöschenden Materialien wesentlich dadurch, daß sie neben lichtbogenlöschenden Bestandteilen auch Bestandteile besitzen, die ihnen elektrische Leitfähigkeit verleihen. Dadurch wird erreicht, daß der zu löschende Lichtbogen unmittelbar zwischen Elektroden, die aus solchem Material, weiches unter Lichtbogeneinwirkung Löschgas abgibt, bestehen oder damit bestückt oder beschichtet sind, brennen kann. Die vorzügliche Löschwirkung dieser Materialien beruht darauf, daß die Lichtbogenlöschung hauptsächlich durch die in den Lichtbogenfußpunkten ablaufenden Vorgänge erfolgt.

An ein solches Material werden einander widerspre

chende Anforderungen gestellt:

Einerseits soll es lichtbogenlöschend wirken, wozu es elektronegative Gase freisetzende Bestandteile enthält wie z. B. Schwefel, Bariumsulfat Eiseiiammonsulfat Kalziumfluorid, Polytetrafluorethylen, CHjSF₅, Schwefelhexafluorid oder Selenhexafluorid, wobei letztere z. B. an Molekularsiebe oder andere Adsorptionssubstanzen gebunden oder durch Lichtbogeneinwirkung auf Schwefel, Fluor usw. enthaltende chemische Verbindüngen wie Polytetrafluoräthylen erzeugt werden können;

andererseits soll es elektrisch leitend sein, wozu es Pulver aus Silber oder Kupfer oder Nickel oder Eisen oder aus deren Legierungen enthält und soll einen möglichst geringen Abbrand (hohe Lichtbogenbeständigkeit) aufweisen.

Ferner ist es aus der CH-PS 4 33 481 bekannt elektrisch leitendes Metall anisotrop, nämlich schichtweise abwechselnd mit nichtmetallischen, elektronegative Gase abgebenden Elementen, in einem zusammengesetzten Material anzuordnen, das unter Lichtbogeneinfluß Löschgase abgibt. Das bekannte zusammengesetzte Material wird dadurch gebildet, daß metallische Platten und nichtmetallische Platten zusammengepackt und durch Stifte oder ein Klebmittel zusammengehalten werden. Bei diesem bekannten Material ist nachteilig, daß es eine stark ungleichmäßige Zusammensetzung hat, die für kleine Kontaktstücke bzw. Elektroden ungeeignet ist und daß es unter Lichtbogeneinwirkung ungleichmäßig abbrennen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Material der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß unter Beibehaltung einer möglichst gleichmäßigen Einlagerung des leitenden Metalls in das nichtleitende Material und einer hinreichenden elektrischen Leitfähigkeit der Anteil des elektrisch leitfähigen Metalls verringert und der Anteil der die Lichtbogenlöschung begünstigenden Bestandteile erhöht werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Material mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Quarzsand und Glaspulver sind Beispiele für die höher als die elektronegative Gase freisetzende Substanzen schmelzenden anorganischen Bestandteile des Materials; diese setzen unter Lichtbogeneinwirkung keine Löschgase frei, bewirken aber eine gewisse Strombegrenzung im Lichtbogen und eine Kühlung des Lichtbogens. Andere Beispiele für solche Substanzen sind Siliziumpulver, Aluminiumoxidpulver und Dolomitpulver.

so Als Bindemittel für die erfindungsgemäßen Materialien kommen in erster Linie Kunststoffe in Betracht, vor allem härtbare Ein- und Zweikomponentenharze (Duroplaste) wie Epoxidharze, Phenolharze, Harnstoffharze, Melaminharze und Silikonharze. Harze als Bindemittel haben den Vorteil, daß die erfindungsgemäßen Materialien als streichfähige, flüssige bis pastöse Zubereitungen hergestellt werden können, welche der Anwender nach Bedarf weiterverarbeitet, indem er aus diesen Zubereitungen durch Gießen und Aushärten lichtbogenlöschende Formkörper herstellt oder durch Aufstreichen auf Träger (z. B. auf metallische Löschbieche in Unterbrecherschaltern oder Sicherungen oder auf Gehäusewände von Löschkammern für Leistungsschalter) Bauteile mit lichtbogenlöschender Beschichtung herstellt.

Als Bindemittel eignen sich auch thermoplastische Kunststoffe, soweit sie Füllstoffe aufnehmen können. Beispiele dafür sind Polyamide, Polypropylen, Polyäthy-

lenterepbthalat und Polybutylenterephthalat Diese Bindemittel haben den Vorteil, daß sie die rationelle Herstellung von lichtbogenlöschenden Formkörpern durch Spritzgießen ermöglichen.

Es ist anzustreben, den Gehalt der kohlenstoffhaltigen organischen Bindemittel so niedrig wie möglich zu halten, um unter Lichtbogeneinwirkung möglichst wenig kohlenstoffreiche Zersetzungsprodukte und Ruß zu erhalten. Außerdem sollten möglichst solche Bindemittel gewählt werden, welche eine besonders hohe Lichtbogenfestigkeit aufweisen.

Außer organischen Bindemitteln kommen auch anorganische Bindemittel in Betracht, z. B. Wasserglas oder niedrig schmelzende Emails.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme kann bei gleichbleibender Leitfähigkeit der Gewichtsanteil des elektrisch leitenden Metalls verringert (und dadurch z. B. teures Edelmetall eingespart werden) bzw. bei gleichbleibendem Gewichtsanteil des elektrisch leitenden Materials erhöht werden. Das eingesparte elektrisch leitende Metall kann ersetzt werden durch eine lichtbogenlöschende Substanz, wodurch die lichtbogenlöschende Wirkung und Lebensdauer einer aus dem erfindungsgemäßen Material gefertigten Elektrode unmittelbar erhöht werden.

Durch die erfindungsgemäß vorgesehene anisotrope Verteilung des elektrisch leitenden Metalls ist es möglich, die Strompfade in einem aus dem Material hergestellten Formteil (Elektrode) gezielt so zu führen, daß die Strompfade von einer Stromanschlußstelle des Formteils bevorzugt zu jenem Oberflächenbereich des Formteils führen — und dort senkrecht zur Oberfläche des Formteils orientiert sind — auf welchem die Lichtbogenfußpunkte liegen oder — besser gesagt — wandern sollen. Strompfade zu anderen Oberflächenbereichen des Formteils sind überflüssig oder gar unerwünscht. Sie lassen sich durch eine gezielte anisotrope Verteilung des elektrisch leitenden Metalls verringern oder vermeiden und das führt zu einer Einsparung an elektrisch leitendem Metall zugunsten des Anteils der lichtbogenlöschenden Bestandteile des Materials. Besonders günstig erreicht man eine gezielt anisotrope Leitfähigkeit, wenn man das elektrisch leitende Metall in Gestalt von Fasern in das Material einbettet. Die dazu benötigten Techniken sind dem Fachmann auf dem Fachgebiet der Herstellung von Faserverbundwerkstoffen bekannt.

Eine andere Möglichkeit der Einsparung an elektrisch leitendem Metall durch dessen anisotrope Verteilung besteht darin, das elektrisch leitende Metall in Gestalt eines überwiegend schuppenförmigen Pulvers vorzusehen. Diese Möglichkeit ist vor allem dann von Bedeutung, wenn als Bindemittel ein härtbares Kunstharz verwendet wird. Trägt man das noch nicht ausgehärtete, noch flüssige oder pastösc Material als Beschichtung auf einen Träger auf oder füllt man es zur Bildung von Formkörpern in eine Form ein, dann bildet sich eine bevorzugte Orientierung der schuppenförmigen Metallpulverteilchen aus dergestalt, daß die Schuppen bevorzugt parallel zueinander liegen. Dadurch wird die Überlappung benachbarter Schuppen und mit ihr die Ausbildung von Strompfaden in eben dieser Vorzugsrichtung begünstigt.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern aus dem elektrisch leitenden Metall in Gestalt eines Gewebes in das Material eingebettet sind, welches den Durchtritt der freigesetzten lichtbogenlöschenden Gase erlaubt; dies hat den Vorteil, daß die mechanische Festigkeit des Materials erhöht wird

Nachfolgend werden noch einige Ausführungsbeispiele angegeben:

Die in den Beispielen verwendeten pulverigen Substanzen weisen Korngrößen zwischen ca. 1 μΐη und ca. 100 μπι, vorzugsweise 5 μπι bis 30 μιη auf.

Beispiel t

Das Material besteht aus 25Gew.-% Nickelfasern von ca. 10 μπι Durchmesser, 20Gew.-% Kalziumfluoridpulver, 20Gew.-% Bariumsulfatpulver, 10Gew.-% Dolomitpulver und 10Gew.-% fein gemahlenem Quarzsand sowie 15 Gew.-% eines härtbaren Melaminharzes. Zunächst werden in die noch flüssige Harzgrundlage die pulverigen Füllstoffe eingerührt und anschließend die gebündelten Nickelfasern in eine langgestreckte Form eingelegt und mit der die pulverigen Füll- stoffe enthaltenden Harzmischung Übergossen. Nach dem Aushärten des Harzes werden die Formkörper beschnitten. Sie eignen sich als lichtbogenlöschende Elektroden in Sciialtgeräten.

Beispiel 2

Das Material mit lichtbogenlöschenden Eigenschaften enthält 30Gew.-% fein gemahlenen Quarzsand, 2OGew.-^u/o Silber als Pulver von überwiegend plätt chenförmiger Struktur, welches aus dendritischem Sil berpulver durch Mahlen in einer Kugelmühle gewonnen wurde, 25 Gew.-% Polytetrafluoräthylenpulver, 5 Gew.-% Schwefelpulver und 20 Gew.-% eines Zweikomponenten-Epoxidharzes. Der Quarzsand, das SiI- berpulver, das PTFE-Pulver und das Schwefelpulver werden in die noch flüssige Epoxidharzzubereitung eingerührt, die Mischung in Formen gegossen und bei erhöhter Temperatur ausgehärtet. Die so entstandenen Formkörper eignen sich als lichtbogenlöschende Elek troden in Schaltgeräten und Sicherungen.

Beispiel 3

Das Material mit der im Beispiel 1 genannten Zusammensetzung wird dadurch hergestellt, daß die Füllstoffe in eine noch keine härtende Komponente beinhaltende Epoxidharzgrundlage eingerührt werden. Die entstehende streichfähige Paste und der Härter werden getrennt abgefüllt dem Anwender geliefert, und erst von diesem vor Gebrauch gemischt. Das Material eignet sich zum Beschichten von Löschkammerbauteilen und von Lichtbogenhörnern in Überspannungsschutzvorrichtungen, Blitzschutzvorrichtungen oder in Bahnstrom-Phasentrennern, welche man zur Lichtbogenlöss schung zwischen benachbarten Fahrdrahtenden für elektrische Schienenfahrzeuge verwendet.

Claims

Patentansprüche:

1. Zusammengesetztes Material, das unter Lichtbogeneinwirkung Löschgas abgibt, welches in ein Bindemittel eingelager.

— ein elektrisch leitendes Metall, insbesondere Silber

— ein unter Lichtbogeneinwirkung elektronegative Gase freisetzendes Pulver,

— und ein anorganisches Pulver mit einem höheren Schmelzpunkt als das elektronegative Gase freisetzende Pulver, insbesondere Siliziumdioxid enthält