DE69433453T2

DE69433453T2 - Vakuumschalter und in diesem verwendeter elektrischer Kontakt

Info

Publication number: DE69433453T2
Application number: DE69433453T
Authority: DE
Inventors: Katsuhiko Hitachi-shi Komuro; Yoshitaka Hitachi-shi Kojima; Yukio Hitachi-Shi Kurosawa; Yoshio Hitachioota-shi Koguchi; Toru Hitachi-Shi Tanimizu; Yoshimi Hitachi-Shi Hakamata; Shunkichi Hitachi-shi Endo
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-07-14
Filing date: 1994-07-08
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2014-07-09
Also published as: EP0634766A2; JPH0729461A; KR100315732B1; JP2874522B2; DE69433453D1; EP0634766B1; CN1061165C; EP0634766A3; KR950004303A; CN1102502A; US5557083A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen neuartigen Vakuumtrennschalter, eine Vakuumschaltervorrichtung, die hier als Vakuumschalter bezeichnet wird, einen in diesem verwendeten elektrischen Kontakt und ein Verfahren zum Herstellen des elektrischen Kontakts.
Beschreibung des Stands der Technik
Eine Elektrodenstruktur in einem Vakuumtrennschalter verfügt über eine feste Elektrode und eine bewegliche Elektrode, die ein Paar bilden. Die feste und die bewegliche Elektrode verfügen jeweils über eine Bogenelektrode, ein Bogenelektrodetragelement zum Halten der Bogenelektrode, eine mit dem Bogenelektrodetragelement zusammenhängende Spulenelektrode und einen Elektrodestab, der in einem Endabschnitt der Spulenelektrode vorhanden ist.
Die Bogenelektrode ist direkt einem Bogen ausgesetzt, wenn eine hohe Spannung unterbrochen wird und ein großer Strom fließt. Angesichts dieser Tatsache muss die Bogenelektrode den Grundbedingungen eines großen Unterbrechungsvermögens, einer hohen Standhaltespannung, eines kleinen Kontaktwiderstands (hohe elektrische Leitfähigkeit), hoher Schmelzfestigkeit, geringer Kontakterosion und eines kleinen Stromzerhackungswerts genügen. Jedoch ist es schwierig, alle diese Eigenschaften zu erfüllen, so dass im Allgemeinen ein Material für die Bogenelektrode erforderlich ist, das besonders wichtigen Eigenschaften entsprechend dem Verwendungszweck genügt, während hinsichtlich der anderen Eigenschaften ein gewisser Verzicht erfolgt. Als Beispiel eines Verfahrens zum Herstellen eines Bogenelektrodenmaterials zum Unterbrechen einer hohen Spannung und eines großen Stroms ist in der japanischen Patentoffenlegung Nr. 96204/88 ein Verfahren zum Imprägnieren von Cu in ein Cr- oder Cr-Cu-Skelett offenbart. Ferner ist ein ähnliches Verfahren in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 21670/75 offenbart.
Das Dokument DE-A-25 36 153 das als nächstkommende bekannte Technik anzusehen ist, offenbart ein Verfahren zum Herstellen mehrschichtiger Kontakte für Vakuum-Leistungstrennschalter für mittlere Spannung. Ein Verbundkörper aus Metallpulvern wird im Vakuum mit sauerstofffreiem, flüssigem Kupfer imprägniert.
Andererseits dient das Bogenelektrodetragelement nicht nur als Verstärkungselement für die Bogenelektrode, sondern es zeigt auch den Effekt der Erzeugung eines vertikalen Magnetfelds, wenn eine geeignete Form desselben verwendet wird. Außerdem wird als Material für das Bogenelektrodetragelement reines Cu verwendet, das hinsichtlich der Leitfähigkeit hervorragend ist.
Die Spulenelektrode dient auch als Verstärkungselement für die Bogenelektrode und das Bogenelektrodetragelement, wie es in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 17335/91 offenbart ist, jedoch bestehen ihre Hauptfunktionen darin, dafür zu sorgen, dass die Bogenelektrode ein vertikales Magnetfeld erzeugt, das dadurch erzielt wird, dass für die Spulenelektrode eine geeignete Form verwendet wird, wodurch sich der an der Bogenelektrode erzeugte Bogen über die gesamte Bogenelektrode verteilen kann, um für erzwungenes Trennen zu sorgen. Das Material der Bogenelektrode ist reines Cu, wie das des Bogenelektrodetragelements.
Eine Elektrode mit einer derartigen Bogenelektrode, einem Bogenelektrodetragelement, einer Spulenelektrode und einem Elektrodestab wird durch die Schritte des Herstellens und Bearbeitens des Bogenelektrodenmaterials, des Bearbeitens des Bogenelektrodetragelements, des Spulenelektrodenmaterials und des Elektrodenstabs sowie durch Zusammenbauen und Verlöten der Komponenten hergestellt.
Die Bogenelektrode wird auf die folgende Weise hergestellt. Als Erstes wird ein Bogenelektrodenmaterial durch ein sogenanntes Einsickerverfahren hergestellt, bei dem ein Pulver aus Cr, Cu, W, Co, Mo, W, V oder Nb oder eine Legierung hiervon mit einer vorbestimmten Form mit einer vorbestimmten Zusammensetzung und Porosität geformt wird, gesintert wird und danach geschmolzenes Cu oder eine Legierung in das Skelett des Sinterkörpers imprägniert wird, oder wobei ein sogenanntes Pulvermetallurgieverfahren angewendet wird, wobei die Dichte im Sinterschritt vor dem Einsickerschritt auf 100 eingestellt wird. Das so hergestellte Bogenelektrodenmaterial wird dann durch Bearbeiten zu einer vorbestimmten Form geformt.
Das Bogenelektrode, die Spulenelektrode und der Elektrodenstab werden jeweils durch Spanabhebung in eine vorbestimmte Form ausgebildet, die die Erzeugung eines vertikalen Magnetfelds durch reines Cu erleichtert.
Die Komponenten, die auf diese Weise dem Einsickern und der anschließenden Bearbeitung unterzogen wurden, werden dann zusammengebaut und anschließend verlötet, um eine Elektrodenstruktur mit einer Reihe von Elektroden zu liefern. Gemäß dem Lötverfahren werden ein Verbindungsmaterial und ein Lot mit hervorragender Benetzungsfähigkeit zwischen benachbarte Teile betreffend die Bogenelektrode, das Bogenelektrodetragelement, die Spulenelektrode und den Elektrodenstab eingebracht, und die Temperatur wird im Vakuum oder einer reduzierenden Atmosphäre erhöht, um das Löten zu bewerkstelligen. Bei diesem Lötverfahren sind jedoch ziemlich Zeit und Arbeit zum Ausrichten der Komponenten bei ihrem Zusammenbau zum Verlöten erforderlich, zusätzlich zur Arbeit und Zeit, die zur Bearbeitung erforderlich sind, und ein Lötmangel führt zu einem Unfall wie einer Unterbrechung oder einem Ausfall der Elektroden. Die durch ein derartiges herkömmliches Verfahren erhaltene Elektrodenstruktur ist hinsichtlich der Gleichmäßigkeit, der Zuverlässigkeit und der Sicherheit der Elektrodeneigenschaften beeinträchtigt.
In jüngerer Zeit erfolgten unter dem Gesichtspunkt von Designspezifikationen für Vakuumtrennschalter Versuche, von hohen Spannungen und großen Strömen weg zu kommen. Als ein Beispiel wurde eine Verbesserung des Unterbrechungsvermögens durch Erhöhen der Unterbrechungsgeschwindigkeit erzielt. Im Ergebnis nimmt jedoch die Kontaktkraft zwischen Bogenelektroden zu, und beim Öffnen oder Schließen der Elektroden wirkt eine Stoßbelastung auf die gesamte Elektrodenstruktur, was im Verlauf der Zeit zu einer Verformung der Elektroden führt. Im Allgemeinen wird als Bogenelektrodenmaterial ein solches mit hoher Festigkeit mit hervorragenden Unterbrechungseigenschaften oder Schmelzfestigkeit verwendet, während für das Material des Bogenelektrodetragelements, der Spulenelektrode und des Elektrodenstabs reines Cu verwendet wird. Die Bruchfestigkeit oder Streckgrenze von reinem Cu ist sehr niedrig, und in einem Querschnitt wird eine Einschnürung angewandt, um ein vertikales Magnetfeld zu erzeugen, wie oben angegeben, so dass im Verlauf der Zeit eine Verformung der Elektroden auftritt, da sie insbesondere Stoßbelastungen nicht standhalten können. Eine derartige Verformung der Elektroden sorgt für einen Mangel beim Öffnungs-/Schließvorgang der Elektroden, für ein Verschmelzen der Bogenelektrode und eine Unterbrechung oder einen Ausfall derselben, was die Öffnungs-/Schließbewegung in einem Notfall behindern kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vakuumtrennachalter mit hoch zuverlässigen Elektroden, die im Verlauf der Zeit nur eine geringe Verformung zeigen, und einen Vakuumschalter zur Verwendung in diesem Vakuumtrennschalter, einen elektrischen Kontakt zur Verwendung im Vakuumschalter und ein Verfahren zum Herstellen des elektrischen Kontakts zu schaffen.
Durch die Erfindung ist ein elektrischer Kontakt geschaffen, wie er im Anspruch 1 dargelegt ist. Durch die Erfindung sind auch ein Vakuumschalter, wie er im Anspruch 6 dargelegt ist, und ein Vakuumtrennschalter oder Vakuumstromunterbrecher, wie er im Anspruch 7 dargelegt ist, geschaffen. Es ist auch ein Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Kontakts geschaffen, das im Anspruch 9 dargelegt ist.
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Prozessdiagramm, das einen Prozess zum Herstellen eines elektrischen Kontakts zeigt, der außerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegt;
2 ist eine Schnittansicht eines Formwerkzeugs zur Verwendung beim gleichzeitigen Herstellen dreier elektrischer Kontakte, wobei diese Kontakte außerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen;
3 ist eine Schnittansicht, die Beziehungen zwischen Formen verschiedener Elektroden und Formwerkzeugen zum Herstellen derselben zeigen (die 3(a), (b) und (c) liegen außerhalb des Schutzumfangs der Erfindung);
4 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Menge an gelöstem Cr und einziger Temperaturen zeigt;
5 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der 0,2-%-Streckgrenze und der Menge gelöster Legierungselemente zeigt;
6 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der 0,2-%-Streckgrenze und dem spezifischen Widerstand zeigt;
7 ist ein Diagramm, das den spezifischen Widerstand und Legierungselemente zeigt;
8 ist eine Schnittansicht eines Vakuumschalters, der außerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegt;
9 ist eine Schnittansicht von Elektroden für den Vakuumschalter der 8;
10 ist eine perspektivische Ansicht der Elektroden für den Vakuumschalter der 8;
11 ist eine Ansicht, die die Konstruktion eines gesamten erfindungsgemäßen Vakuumtrennschalters zeigt;
12 ist ein Schaltbild unter Verwendung eines Gleichspannungs-Vakuumtrennschalters;
13 besteht aus einer Schnittansicht und einer Vorderansicht, die den Aufbau eines anderen Beispiels von Vakuumschalter-Elektroden zeigen, die außerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen; und
14 besteht aus einer Schnittansicht und einer Vorderansicht, die den Aufbau eines weiteren Beispiels von Vakuumschalter-Elektroden zeigen, die außerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Vorzugsweise wird die Elektrode aus einer Legierung hergestellt, die Cr, W, Mo oder Ta oder ein Gemisch hiervon und ein elektrisch hochleitendes Metall enthält, das aus Cu, Ag und Au oder einer elektrisch hochleitenden Legierung, die hauptsächlich aus derartigen elektrisch hochleitenden Metallen besteht, ausgewählt ist, und das Bogenelektrodetragelement wird aus einem derartigen elektrisch hochleitenden Metall oder einer Legierung hergestellt.
Genauer gesagt, wird die Bogenelektrode vorzugsweise aus einer Legierung hergestellt, die als Gesamtmenge eines oder mehrerer der Elemente Cr, W, Mo und Ta 50–80 Gew.-% und 20–50 Gew.-% an Cu, Ag oder Au enthält, und das Bogenelektrodetragelement wird vorzugsweise aus einer Legierung hergestellt, die als Gesamtmenge eines oder mehrerer der Elemente Cr, Ag, W, V, Nb, Mo, Ta, Zr, Si, Be, Ti, Co und Fe nicht mehr als 2,5 Gew.-% sowie Cu, Ag oder Au enthält.
Ferner wird die bei der Erfindung verwendete Bogenelektrode aus einer Legierung hergestellt, die aus einem durchbrochenen, hochschmelzenden Metall und einem darin imprägnierten elektrisch hochleitenden Metall besteht, wobei sie dadurch einstückig mit dem Bogenelektrodetragelement hergestellt wird, dass das elektrisch hochleitende Metall geschmolzen wird.
Das bei der Erfindung verwendete Elektrodetragelement verfügt über eine 0,2-%-Streckgrenze von nicht unter 10 kg/m² und einem spezifischen Widerstand nicht über 2,8 μΩcm.
Bei der festen und/oder der beweglichen Elektrode ist das Bogenelektrodetragelement mit einer Spule zum Erzeugen eines vertikalen Magnetfelds versehen, die aus einem elektrisch hochleitenden Metall besteht. Die genannte Spule kann durch Löten oder Aufschmelzen und Erstarren des elektrisch hochleitenden Metalls einstückig mit dem Elektrodetragelement hergestellt werden. Die fragliche Spule liegt mit Zylinderform mit einem Schlitz in ihrer Umfangsfläche vor, oder sie verfügt über einen im Wesentlichen Hakenkreuz- oder sonnenradförmigen Querschnitt.
Der Vakuumschalter ist in drei Sätzen für drei Phasen vorhanden, und vorzugsweise sind derartige drei Sätze von Vakuumschaltern nebeneinander angeordnet und integral innerhalb eines isolierenden Harzzylinders montiert.
Die Konstruktion der Elektroden und diejenige der das Magnetfeld erzeugenden Spule, wie sie beide bei diesem Vakuumschalter verwendet werden, sind dieselben wie die gemäß der vorstehenden Beschreibung.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann über einen Wärmebehandlungsschritt verfügen, bei dem die Bogenelektrode und das Bogenelektrodetragelement, nachdem sie durch Einsickern und Erstarren des elektrisch hochleitenden Metalls hergestellt werden, auf einer gewünschten Temperatur gehalten werden, um übersättigt gelöstes Metall oder eine intermetallische Verbindung im elektrisch hochleitenden Metall auszufällen.
Der elektrische Kontakt kann für die feste oder die bewegliche Elektrode des Vakuumschalters verwendet werden.
Gemäß der Erfindung verfügt das Bogenelektrodetragelement über eine ein vertikales Magnetfeld erzeugende Spule aus einem elektrisch hochleitenden Metall, und beide können dadurch hergestellt werden, dass das elektrisch hochleitende Metall, wie es nach seinem Imprägnieren in den vorstehend genannten Sinterkörper verblieb, zur Dicke und Spulenform geformt wird, wie sie für das Elektrodetragelement und die Spule zum Erzeugen des vertikalen Magnetfelds erforderlich sind.
Der Vakuumtrennschalter verfügt über die Bogenelektrode, das Bogenelektrodetragelement und einen Elektroden Stab, und wo erforderlich, wird auch eine Spulenelektrode verwendet. Die Bogenelektrode besteht aus einer Verbundlegierung aus einem hochschmelzenden Metall und einem elektrisch hochleitenden Metall. Als ersteres Metall wird ein hochschmelzendes Metall verwendet, das nicht unter 1800°C schmilzt, wie z. B. Cr, W, Mo oder Ta, und die gelöste Menge desselben ist vorzugsweise nicht größer als 3% bezogen auf das elektrisch hochleitende Metall. Reines Cu ist als Material für das Bogenelektrodetragelement, die Spulenelektrode und den Elektroden Stab besonders bevorzugt, aber da seine Festigkeit niedrig ist, wird zur Verstärkung auch ein Eisenmaterial wie reines Eisen der rostfreier Stahl verwendet, um dadurch eine Verformung der Elektroden zu verhindern.
Die zusammengesetzte Legierung enthält 50–80 Gew.-%, insbesondere 55–65 Gew.-%, des hochschmelzenden Metalls sowie 20–50 Gew.-% an Cu, Ag oder Au, und vorzugsweise wird sie durch Schmelzen und Imprägnieren des elektrisch hochleitenden Metalls in einen porösen Sinterkörper aus dem hochschmelzenden Metall oder einen porösen Sinterkörper, der eine kleine Menge, nicht über 10 Gew.-%, eines elektrisch hochleitenden Metalls enthält, hergestellt.
Bei der Zweischichtstruktur der Bogenelektrode und des Bogenelektrodetragelements verstärkt das Elektrodetragelement die Bogenelektrode und hält sie, und seine Dicke beträgt vorzugsweise die Hälfte oder mehr derjenigen der Bogenelektrode, wobei die Dicke vorzugsweise gleich groß oder größer ist. Es ist bevorzugt, dass der poröse Sinterkörper eine Porosität von 50–70% aufweist. Das hochschmelzende Metall kann eines oder mehrere der Elemente Nb, V, Fe, Ti und Cr mit einer Menge von 1 bis 10 Gew.-% bezogen auf Cr enthalten, um seine Spannungsstandhaltecharakteristik zu verbessern.
Die Spulenelektrode kann dadurch hergestellt werden, dass ein elektrisch hochleitendes Metall verlötet wird, oder durch dasselbe Verfahren wie der Gießtechnik beim Imprägnieren in ein poröses, hochschmelzendes Metall, gemeinsam mit dem Bogenelektrodetragelement. Demgemäß können die Bogenelektrode, das Bogenelektrodetragelement und die Spulenelektrode als integrale Struktur aufgebaut werden, die durchgehend metallografisch ist. Demgemäß ist die Anzahl der Bearbeitungsschritte für die Komponenten sowie diejenige der Zusammenbauschritte zum Verlöten verringert, und da kein Bondvorgang ausgeführt wird, existieren keine herkömmlichen Probleme mehr, wie eine örtliche Erzeugung verlöteter Teile und eine Unterbrechung oder einen Ausfall der Bogenelektrode, wie durch fehlerhaftes Verlöten verursacht. Im Fall des Herstellens der Spulenelektrode durch Löten ist es möglich, ein Verbundmaterial zu verwenden, in dem Keramikteilchen dispergiert sind.
Gemäß der Erfindung werden die Bogenelektrode, das Bogenelektrodetragelement und die Spulenelektrode demgemäß als metallografisch durchgehende, integrale Struktur ausgebildet, und im selben Prozess wie dem zum Herstellen der integralen Elektroden Struktur werden das Bogenelektrodetragelement und die Spulenelektrode erhalten, was die Verwendung einer Legierung ermöglicht, die Au, Ag oder Cu und eines oder mehrere der Elemente Cr, Ag, W, V, Zr, Si, Mo, Ta, Be, Nb und Ti, die mit einer Menge von 0,01 bis 2,5 Gew.-% in Au, Ag oder Cu eingebaut sind, erlaubt. Daher kann die mechanische Festigkeit, insbesondere die Streckgrenze, des Bogenelektrodetragelements und der Spulenelektrode stark verbessert werden, ohne dass eine große Beeinträchtigung ihrer elektrischen Leitfähigkeit vorläge. Im Ergebnis kann ausreichende Beständigkeit selbst bei einer Zunahme des Kontaktdrucks zwischen den Elektroden und einer beim Öffnen oder Elektroden erzeugten Schlagkraft erzielt werden, wodurch das Problem der Verformung im Verlauf der Zeit ebenfalls gelöst werden kann.
Demgemäß werden, da nämlich die Bogenelektrode, das Bogenelektrodetragelement und die Spulenelektrode nicht verbunden werden, sondern sie als integrale Struktur hergestellt werden, die metallografisch durchgehend ist und da ihre Stabilität verbessert ist, die bei der herkömmlichen Elektrode vorhandenen Nachteile beseitigt, und demgemäß ist es möglich, einen Vakuumtrennschalter mit höherer Zuverlässigkeit und Sicherheit zu schaffen.
Gemäß der Erfindung wird ein Pulver von Cr, W, Mo oder Ta oder ein Gemisch hiervon mit Cu-, Ag- oder Au-Pulver oder irgendwelchen anderen Metallteilchen mit einer vorbestimmten Zusammensetzung zu einer vorbestimmten Form ausgebildet, um über vorbestimmte Porosität zu verfügen, und dann erfolgt ein Sintern, um einen porösen Sinterkörper zu erhalten. Danach wird ein Block aus reinem Cu, Ag oder Au, oder einer Legierung hiervon, auf den Sinterkörper gebracht und dann geschmolzen, so dass ein Einsickern in die Poren des porösen Sinterkörpers erfolgen kann. Dabei wird eine Flüssigphasendiffusion der Bestandteile des Sinterkörpers in das Einsickerungsmaterial zwingend genutzt, um für eine Legierungsbildung desselben Materials mit dem vorstehend genannten Gehalt zu sorgen. Der nach Abschluss des Einsickerns erhaltene Barren wird zu einer vorbestimmten Form einer Elektrode bearbeitet.
Bei Einsickern des elektrisch hochleitenden Metalls kann die Menge der den porösen Sinterkörper bildenden Metalle, die sich im elektrisch hochleitenden Metall lösen soll, dadurch geeignet kontrolliert werden, dass die Einsickertemperatur und die Reaktionszeit geeignet eingestellt werden. Diese Temperatur und Zeit werden unter Berücksichtigung des spezifischen Widerstands und der Festigkeit, insbesondere hinsichtlich des Bogenelektrodetragelements und der Spulenelektrode, eingestellt. Selbstverständlich ist es auch möglich, eine Legierung zu verwenden, die dadurch erhalten wird, dass Legierungselemente vorab zum elektrisch hochleitenden Metall hinzugefügt werden, so dass die fragliche Temperatur und Zeit unter Berücksichtigung beider Faktoren festgelegt werden. Demgemäß verfügt die sich ergebende Elektrode über hohe mechanische Festigkeit und niedrigen spezifischen Widerstand, und sie ist daher hinsichtlich ihrer Funktion hervorragend.
Eine gewünschte Elektrodenstruktur gemäß der Erfindung kann durch die Kombination der Einsickerungs- und der Gießtechnik für eine gewünschte Form, wie oben angegeben, erzielt werden. In diesem Fall kann die oben genannte endgültige Form durch Spanabheben erhalten werden.
Der Vakuumtrennschalter wird gemeinsam mit einem Trennschalter, einem Erdungsschalter, einem Blitzableiter oder einem Stromtransformator verwendet. Er wird als Hochspannungs-Empfangs- und Transformationsanlage verwendet, wie sie als Spannungsquelle in hohen Gebäuden, Hotels, intelligenten Gebäuden, unterirdischen Märkten, Ölverarbeitungskomplexen, verschiedenen Fabriken, Bahnhöfen, Krankenhäusern, Hallen, Untergrundbahnen und öffentlichen Anlagen wie Wasserversorgungs- und Abwasseranlagen wesentlich ist.
Die Erfindung wird nachfolgend mittels Arbeitsbeispielen beschrieben, jedoch ist zu beachten, dass die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist.
Beispiel 1 (außerhalb des Schutzumfangs der Erfindung)
Die 1(a) zeigt einen Barrenabschnitt einer integralen Elektrodenstruktur, wie sie versuchsweise durch ein Verfahren außerhalb des Schutzumfangs der Erfindung hergestellt wurde. In dieser Figur bezeichnet die Bezugszahl 1 eine Bogenelektrode, die Zahl 2 bezeichnet ein Bogenelektrodetragelement und die Zahl 3 bezeichnet einen Zuführkopf für die zu imprägnierendes Cu.
5 Gew.-% Cu-Pulver und 95 Gew.-% Cr-Pulver wurden durch einen Doppelzylindermischer miteinander vermischt und das sich ergebende Gemisch wurde bei einem Formungsdruck von 1,5 t/cm² unter Verwendung eines Formwerkzeugs mit einem Durchmesser von 80 mm geformt, um ein Formerzeugnis mit einem Durchmesser von 80 mm und einer Dicke von 9 mm zu erhalten. Das Formerzeugnis wurde dann in einer Wasserstoffatmosphäre auf 1200°C für 30 Minuten gesintert. Die Porosität des sich ergebenden Sinterkörpers betrug 65%.
Die 1(b) veranschaulicht einen Elektroden-Herstellprozess außerhalb des Schutzumfangs der Erfindung. Wie es dort dargestellt ist, wird ein Graphitbehälter 5 mit einem Innendurchmesser von 90 mm, einem Außendurchmesser von 100 mm und einer Höhe von 100 mm verwendet, auf dessen Boden Aluminiumoxid(Al2O3)pulver 4 von 100 bis 325 Mesh mit einer Dicke von ungefähr 10 mm platziert ist. Der obige, mit 6 gekennzeichnete Sinterkörper wird zentral auf das Aluminiumpulver im Behälter 5 gelegt, und ein Stück 7 aus reinem Cu mit einem Durchmesser von 80 mm und einer Dicke von 15 mm, das als Bogenelektrodetragelement und als Spulenelektrodenelement dient, wird dann konzentrisch zum Sinterkörper 6 platziert. Als Nächstes werden ein Stück 8 aus Cu als einziger Materialversorgung und ein Zufuhrkopfelement mit einem Durchmesser von 28 mm und einer Länge von 25 mm konzentrisch zum Stück 7 platziert. Der Raum zwischen der Innenfläche des Graphitbehälters 5 und den Seitenflächen der zwei Stücke 7, 8 sowie der Raum über dem als einziges Material dienenden Stück 8 und dem Zuführkopf werden mit Al₂O₃-Pulver 9 gefüllt.
Das Einsickern wird auf die folgende Weise ausgeführt. Der Behälter wird in einem Vakuum von 1 × 10^–5 Torr oder darunter für 90 Minuten bei 1200°C gehalten. Das Bogenelektrodetragelement und das Spulenelektrodenelement 7 sowie die Einsicker-Cu-Versorgung und das Zuführkopfelement 8 schmelzen, und das Einsickermaterial sickert in das Skelett des Sinterkörpers 6 ein, gefolgt von einem Abkühlen und Erstarren in Vakuumatmosphäre. Die 1(a) zeigt das Aussehen eines Querschnitts des Barrens, der nach dem Erstarren dem Graphitbehälter entnommen wurde. Die 1(c) (ebenfalls außerhalb des Schutzumfangs der Erfindung) zeigt eine Bogenelektrode 1 und ein Bogenelektrodetragelement 2, die beide nach Spanabhebearbeiten am Barren erhalten wurden. Im Ergebnis einer Betrachtung eines Grenzflächenabschnitts der beiden unter Verwendung einer Mikrostrukturfotografie zeigte es sich, dass Cu in die Poren des Cr-Sinterkörpers eingesickert war.
So ist es auch aus den 1(a) und 1(c) erkennbar, dass eine integrale Elektrodenstruktur aus einer Bogenelektrode, einem Bogenelektrodetragelement und einer Spulenelektrode hergestellt werden kann. Die Bogenelektrode und das Bogenelektrodetragelement weisen dieselbe Dicke auf. Ferner ist es erkennbar, dass die Grenzfläche zwischen der Bogenelektrodetragelement und dem Bogenelektrodetragelement vollständig durchgehend und integral metallografisch ist, so dass kein Verbinden durch Löten oder dergleichen erforderlich ist.
Die 2 zeigt ein Beispiel (außerhalb des Schutzumfangs der Erfindung), bei dem das in der 1(b) dargestellte Formwerkzeug in drei Stufen verwendet wird, um die gleichzeitige Herstellung dreier Elektrodenstrukturen zu ermöglichen. Dasselbe Verfahren ist auch beim unten folgenden Beispiel 2 anwendbar. Für die Anzahl derartiger Formungsstufen besteht keine Beschränkung auf drei. Es kann eine gewünschte Anzahl von Formungsstufen verwendet werden, um die gewünschte Anzahl von Elektrodenstrukturen gleichzeitig herzustellen.
Beispiel 2
Die 3 zeigt Einsickerzustände und Elektrodenformen, wie sie unter Verwendung von Barren nach dem Einsickern erhalten werden. Die Einsickerbedingungen sind beinahe dieselben wie beim Beispiel 1.
Bei einer Nr. 2 hatte der verwendete Graphitbehälter eine Länge von 150 mm, die Länge des verwendeten Bogenelektrodetragelements und Spulenelektrodenelements 11 betrug 45 mm, und die Einsicker-Verweilzeit wurde auf 120 Minuten eingestellt. Andere Bedingungen waren dieselben wie beim Beispiel 1. Aus dem sich ergebenden Barren wurden Elektroden vom Typ (a) und vom Typ (b), wie in der 3 dargestellt, hergestellt. Die Typen (a) und (b) lie gen außerhalb des Schutzumfangs der Erfindung. Beim Typ (a) sind eine Bogenelektrode 12, ein Bogenelektrodetragelement 13 und eine Spulenelektrode 14 als integrale Struktur ausgebildet, und ein Elektrodenstab 15 wurde bei 16 durch Löten befestigt. Der Typ (b) ist derselbe wie der Typ (a), jedoch mit der Ausnahme, dass im Zentrum ein Verstärkungselement 17 aus reinem Cu vorhanden ist. Das Verstärkungselement 17 ist sowohl mit dem Elektrodetragelement 13 als auch dem Elektrodenstab 15 verlötet.
Die Nr. 3 ist dahingehend von der Nr. 2 verschieden, dass die Form eines Bogenelektrodetragelements und eines Spulenelektrodenelements 19 konkav ist und das Einsickern in einem Ausschlusszustand hinsichtlich der Einsicker-Cu-Versorgung und des Zufuhrkopfelements 8 ausgeführt wurde. Aus dem Barren der Nr. 3 wurde die Elektrodenform vom Typ (a) erhalten.
Die Nr. 4 ist von der Nr. 2 dahingehend verschieden, dass eine Einsicker-Cu-Versorgung und ein Zufuhrkopfelement 20 mit einer Länge von 100 mm verwendet wurden und die Länge des Graphitbehälters 5 auf 200 mm geändert wurde. Aus dem Barren der Nr. 4 wurde eine Elektrode vom Typ (c) hergestellt. Eine Elektrode vom Typ (c) erlaubt eine integrale Elektrodenstruktur mit einem Elektrodenstab 22 auch ohne Löten. Aus dem Barren der Nr. 4 kann nicht nur eine Elektrode vom Typ (c) hergestellt werden, sondern durch Spahnabhebearbeiten können auch Elektrodenstrukturen vom Typ (a) und vom Typ (b) hergestellt werden.
Die Nr. 5 unterscheidet sich von der Nr. 4 dahingehend, dass zum Sinterkörper 26 hin durch das Zentrum eines Bogenelektrodetragelements und Spulenelektrodenelements 23 und das der Einsicker-Cu-Versorgung und des Zufuhrkopfelements 24 ein trompetenförmiger Eisenkern eingesetzt ist. Der Schmelzpunkt des Eisenkerns ist höher als der von Cu, und hinsichtlich seiner Form existiert keine Einschränkung. Aus dem Barren Nr. 5 wurden Elektroden vom Typ (d) und vom Typ (e) hergestellt. Der Typ (e) liegt außerhalb des Schutzumfangs der Erfindung.
Die Elektrode vom Typ (d) verfügt über eine Form mit einem Eisenkern 27, der in das Zentrum der Elektrode vom Typ (c) eingeführt ist, und die Elektrode vom Typ (e) ist von einer Form, bei der ein Eisenkern an Stelle der Verstärkungsstabs 17 bei einer Elektrode vom Typ (b) eingeführt ist.
Es erfolgten Messungen zu Änderungen zwischen den Abmessungen der Barren und den Abmessungen vor dem Einsickern. Im Ergebnis wurde hinsichtlich der Abmessungen des Bogenelektrodetragelements und des Spulenelektrodenelements kaum ein Unterschied zwischen den Zuständen vor dem Einsickern und den Barrenabmessungen nach dem Einsickern erkannt. Andererseits war hinsichtlich der Zufuhrkopfelemente die Barrengröße nach dem Einsickern auf 10 mm bezogen auf 25 mm vor demselben verringert. So besteht die erste Bedingung zum Bewerkstelligen der Erfindung im Erhalten einer Doppelstruktur aus dem Bogenelektrodetragelement und dem Spulenelektrodenelement und dem Einsickern der Cu- oder Cu-Legierungs-Versorgung und des Zufuhrkopfelements.
Um eine gewünschte Barrengröße zu erhalten, ist es wesentlich, die Abkühlgeschwindigkeit des Barrens geeignet zu kontollieren. In diesem Fall ist es erforderlich, die Abkühlgeschwindigkeit für die Oberseite des Barrens statt derjenigen für die Seitenfläche desselben zu erhöhen.
Die zweite Bedingung zum Bewerkstelligen der Erfindung besteht in der Verwendung von Keramikteilchen mit großer spezifischer Wärme, die nicht mit geschmolzenem Cu reagieren, z. B. Aluminiumoxid (Al₂O₃), als Wärmespeichermaterial, das die Abkühlgeschwindigkeit für die Barrenoberseite erhöht. Wenn dabei der Durchmesser der Keramikteilchen zu groß oder zu klein ist, fließt das geschmolzene Metall zwischen ihnen aus, was dazu führt, dass das Formwerkzeug seine Funktion nicht erfüllt. Ein optimaler Teilchendurchmesser liegt im Bereich von 20 bis 325 Mesh. Für Wärmespeicherzwecke ist es erforderlich, dass Keramikteilchen mit einer Dicke verwendet werden, die zwei Dritteln eines gewünschten Barrendurchmessers entspricht.
Beispiel 3
Die Tabelle 1 zeigt Analyseergebnisse zur Cr-Menge in einem Barren bei variierenden Einsickertemperaturen für den Einsickerzustand der Nr. 2 beim Beispiel 2 sowie Analyseergebnisse zur Zusammensetzung jedes Barrens, wie bei verschiedenen Zusammensetzungen des Sinterkörpers 6 sowie des Bogenelektrodetragelements und Spulenelektrodenelements 11 erhalten. Hinsichtlich der Zusammensetzung der Einsicker-Cu-Versorgung und des Zufuhrkopfelements 8 erfolgte keine Änderung.
Hinsichtlich der Nr. 6 bis zur Nr. 8 sind Cr-Gehalte in Barren dargestellt, die dadurch erhalten wurden, dass die Cu-Einsickertemperatur für Cr-5Cu beim Sinterkörper 6 variiert wurde und diese Temperaturen für 120 Minuten aufrechterhalten wurden. Es ist erkennbar, dass die Barrenzusammensetzung bei einer Einsickertemperatur von 1250°C eine Cu-Legierung ist, die 1,65 Cr enthält.
Die Nr. 9, 10, 14, 15, 16 und 18 zeigen Elementaranalyseergebnisse hinsichtlich Barren, die unter Verwendung von Cu-Ag-, Cu-Zr-, Cu-Si- und Cu-Be-Legierungen als Einsickermaterialien erhalten wurden, während dieselbe Cr-5Cu-Zusammensetzung des Sinterkörpers 6 verwendet wurde. Es ist erkennbar, dass jeder Barren eine ternäre Cu-Legierung ist, die ungefähr 0,6% Cr enthält.
Die Nr. 11, 12, 13 und 17 zeigen Elementaranalyseergebnisse hinsichtlich Barren, die unter Verwendung von Sinterkörpern 6 aus Cr-Cu erhalten wurden, die ferner V, Nb, V-Nb bzw. W als Zusatzkomponenten enthielten, wobei dieselbe Zusammensetzung aus reinem Cu für die Elemente 7, 8 verwendet wurde. Es ist erkennbar, dass jeder Barren eine Cu-Legierung ist, die nicht mehr als 0,02 V, Nb oder W und ungefähr 1,0% Cr enthält.
Die Tabelle 2 zeigt Ergebnisse (Vergleichsbeispiel 1), die dadurch erhalten wurden, dass der elektrische Widerstand und die Festigkeit eines Verbindungsabschnitts durch Verlöten gemäß einem herkömmlichen Verfahren (unter Verwendung von Lo auf Ni-Basis im Vakuum bei 800°C) zwischen einer Bogenelektrode (59 Gew.-%–41 Gew.-%) und reinem Cu erhalten wurden, und sie zeigt den elektrischen Widerstand (Vergleichsbeispiel 2) von reinem, bei 800°C getempertem Kupfer sowie Messwerte zum elektrischen Widerstand und zur Festigkeit für die bei den Nr. 6 bis 18 erhaltenen Barren. Die Messung des elektrischen Widerstands wurde unter Verwendung eines Amsler-Spannungstesters gemäß einem Vierpunkte-Widerstandsmessverfahren ausgeführt.
Die Grenzflächenfestigkeit des gemäß dem herkömmlichen Verfahren verlöteten Abschnitts (Vergleichsbeispiel 1) variiert stark von 22 bis 12 kg/mm², und im Teststück ergab sich ein fehlerhaft gelöteter Teil mit einer Festigkeit von 12 kg/mm². Der elektrische Widerstand von 4,82 μΩcm, einschließlich des Grenzflächenteils, ist ungefähr drei bis viermal höher als der von reinem Kupfer (Vergleichsbeispiel 2). Andererseits zeigt die Nr. 6 eine stabile Grenzflächenfestigkeit von 24 bis 25 kg/mm², und es zeigte sich, dass das zugehörige Teststück keinen Fehler enthielt. Bei den Arbeitsbeispielen gemäß der Erfindung ist es möglich, einen elektrischen Widerstand einschließlich der Grenzfläche zu messen. Bei der Bogenelektrode des Vergleichsbeispiels 1 ist das passende Material reines Cu, während die Nr. 6 gemäß der Erfindung als passendes Material eine Cu-Legierung verwendet, die ungefähr 0,62 Cr enthält; dennoch ist der spezifische Widerstand von 1,95 μΩcm niedriger als der beim Vergleichsbeispiel 1, da keine Grenzfläche existiert. Aus diesem Grund ist es erkennbar, dass der Widerstandswert der gemäß dem Stand der Technik verlöteten Grenzfläche sehr hoch ist.
Andererseits ist beim reinen Cu beim Vergleichsbeispiel 2 die Streckgrenze mit 4 bis 5 kg/mm² sehr niedrig im Vergleich zum maximalen Festigkeitswert von 22 bis 23 kg/mm². Es ist erkennbar, wenn derartiges reines Cu als Material eines Bogenelektrodetragelements oder einer Spulenelektrode verwendet wird, bei einer Schlagbelastung im Verlauf der Zeit eine Verformung auftritt. Die elektrischen Widerstände der Nr. 7 bis 18, die Cu-Legierungen sind, die jeweils Cr oder Ag, V, Nb, Zr, Si, Wo oder Be enthalten, sind ungefähr 1,5 bis 2,0 mal so groß wie die von getempertem, reinem Cu, und sie sind nicht größer als ungefähr die Hälfte des elektrischen Widerstands der gemäß dem Stand der Technik verlöteten Grenzfläche. Obwohl die maximale Festigkeitswerte der Nr. 7 bis 18, die 22 bis 25 kg/mm² betragen, nicht allzu stark verschieden von denen von reinem Cu sind, sind ihre 0,2-%- Streckgrenzen, die 10 bis 14 kg/mm² betragen, doppelt so groß wie die von reinem Cu, was die Festigkeitsverbesserung zeigt.
Wie oben dargelegt, werden die Bogenelektrodetragelemente, die Spulenelektroden und die Elektrodenstäbe gemäß der Erfindung, die jeweils aus einer Cu-Legierung bestehen, die Cr oder eines der Elemente Ag, V, Nb, Zr, Si, W und Be enthält, selbst bei wiederholten Schlagbelastungen nicht verformt, wie sie im Verlauf der Zeit beim Öffnen und Schließen dern auf sie wirken, was es ermöglicht, Verschmelzungsstörungen zu verhindern, zu denen es durch Verformung kommt, wodurch die Zuverlässigkeit und Sicherheit verbessert werden können.
Tabelle 2
Die 4 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Einsickertemperatur und der Menge an in einem Einsickermaterial gelöstem Cr für einen porösen Cr-Sinterkörper zeigt. Wie hier dargestellt, kann die im Einsickermaterial gelöste Cr-Menge dadurch erhöht werden, dass die Einsickertemperatur erhöht wird. Ferner kann eine gewünschte Menge an Cr dadurch erhalten werden, dass die Einsickertemperatur eingestellt wird.
Die 5 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Gehalt an Legierungselementen an Cu und der 0,2-%-Streckgrenze zeigt. Aus derselben Figur ist es erkennbar, dass die Streckgrenze dadurch erhöht wird, dass der Gehalt von alleine Cr in einer Cu-Cr-Legierung erhöht wird, und auch durch Erhöhen des Gehalts von sowohl Cr als auch mindestens eines anderen Elements in Cu-Cr-Legierungen mit mindestens einem anderen Element. Im Vergleich mit einer Cu-Legierung, die alleine Cr enthält, zeigen solche mit sowohl Cr als auch anderen Elementen selbst beim selben Gesamtgehalt eine höhere Festigkeit. Wenn die Gehalte an Ag, Zr, Si, Be und jeweils Nb, V und W auf 0,1%, 0,1%, 0,1%, 0,05% und 0,01 oder höher eingestellt werden, wird eine Streckgrenze von 10 kg/mm² oder höher erzielt.
Die 6 ist ein Diagramm, das die 0,2-%-Streckgrenze über dem spezifischen Widerstand zeigt. Wie es dort dargestellt ist, wird mit einem Erhöhen der Gesamtmenge von Legierungselementen in Cu nicht nur die Festigkeit verbessert, sondern es nimmt auch der spezifische Widerstand zu, so dass es erkennbar ist, dass zum Unterdrücken einer Erhöhen des spezifischen Widerstands und zum Erzielen einer Verbesserung der Festigkeit mindestens ein anderes Element zusätzlich zu Cr zugesetzt werden sollte. Insbesondere führen andere Elemente als Si zu einem niedrigen spezifischen Widerstand und einer hohen Festigkeit. Vorzugsweise wird die 0,2-%-Streckgrenze auf 10 kg/mm² oder höher eingestellt, und der spezifische Widerstand wird auf 1,9 bis 2,8 μΩcm eingestellt.
Die 7 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen den Mengen an Cr, Si, Be, Zr, Ag, Nb, V und W und dem spezifischen Widerstand zeigt. Der spezifische Widerstand wird durch Zusetzen von Legierungselementen erhöht, wenn jedoch der spezifische Widerstand des Elektrodetragelements und der Spulenelektrode so niedrig wie möglich gemacht wird, kann die Elektrodentemperatur im Stromflusszustand niedrig gehalten werden, und da es erforderlich ist, über den Elektrodenstab die Wärme zu verringern, die durch den beim Trennen des Schaltkreises erzeugten Bogen erzeugt wird, ist es erforderlich, die Wärmeleitfähigkeit hoch zu machen, damit es möglich ist, die thermische Leitfähigkeit auf einem hohen Wert zu halten. Bei diesem Beispiel kann ein gewünschter spezifischer Widerstand als Näherungswert in der Figur erhalten werden. Wenn Cr als Bogenelektrode verwendet wird, ist es wünschenswert, dass die Obergrenzen der Gehalte von Si, Be, Zr, Ag und jeweils Nb, V und W auf 0,5%, 0,5%, 1,5%, 2,5% bzw. 0,1% eingestellt werden, wobei die Menge an eingesickertem Cr berücksichtigt wird. Ein bevorzugter Wert des spezifischen Widerstands liegt nicht höher als 3,0 μΩcm.
Beispiel 4 (außerhalb des Schutzumfangs der Erfindung)
Die 8 ist eine Seitenansicht eines Vakuumschalters unter Verwendung von Bogenelektroden, die außerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen. In dieser Figur ist ein Paar aus einer oberen und einer unteren Endplatte 38a, 38b vorhanden, die in einer oberen bzw. einer unteren Öffnung eines isolierenden Zylinders 25 vorhanden sind, der aus einem isolierenden Material besteht, um einen eine Vakuumkammer bildenden Vakuumbehälter zu schaffen. Von einem mittleren Teil der oberen Endplatte 38a steht ein fester, elektrisch leitender Stab 34a herunter, der einen Teil einer festen Elektrode 30a bildet, und an diesem festen, elektrisch leitenden Stab 34a sind eine Spule 33a zum Erzeugen eines vertikalen Magnetfelds und eine Bogenelektrode 31a befestigt. Andererseits ist ein beweglicher elektrisch leitender Stab 34b, der einen Teil einer beweglichen Elektrode 30b bildet, vertikal beweglich an einem mittleren Teil der unteren Endplatte 38b, mit Positionierung direkt unter der festen Elektrode 30a, montiert, und eine Spule 33b zum Erzeugen eines vertikalen Magnetfelds und eine Bogenelektrode 31b, die dieselbe Form und Größe wie die Spule 33a bzw. die Bogenelektrode 31a haben, sind auf solche Weise am beweglichen, elektrisch leitenden Stab 34b befestigt, dass sich die Bogenelektrode 31b seitens der beweglichen Elektrode 30b mit der Bogenelektrode 31a seitens der festen Elektrode 30a in Kontakt und von ihr weg bewegt. Innerhalb der unteren Endplatte 32b, mit Positionierung um den beweglichen, elektrisch leitenden Stab 34b herum, ist ein metallischer Balg 37 für Expansion und Kontraktion so angeordnet, dass er den Stab 34b bedeckt. Um beide Bogenelektroden herum ist ein Abschirmungselement 36 als Metallzylinder angeordnet, der durch den isolierenden Zylinder 35 platziert gehalten wird. Das Abschirmungselement 36 ist so ausgebildet, dass es die Isoliereigenschaften des isolierenden Zylinders 35 nicht beeinträchtigt.
Ferner sind die Bogenelektroden 31a und 31b an Bogenelektrodetragelementen 32a bzw. 32b, die durch das oben genannten Einsickern erhalten wurden, integral befestigt, und diese integralen Konstruktionen sind mit der Spule 33a bzw. 33b zum Erzeugen eines vertikalen Magnetfelds verlötet, während sie durch Verstärkungselemente 39a und 39b aus reinem Eisen verstärkt sind. Als Material für die Verstärkungselemente 39a und 39b kann ein austenitischer rostfreier Stahl verwendet werden. Als Material des isolierenden Zylinders 35 wird Sinterglas oder ein Keramikmaterial verwendet. Der isolie rende Zylinder 35 wird mittels einer Legierungsplatte, deren Wärmeexpansionskoeffizient nahe bei dem von Glas oder eines Keramikmaterials, z. B. Kovar liegt, mit den metallischen Endplatten 38a und 38b verlötet, wobei ein Hochvakuum von 10^–6 mmHg oder weniger vorliegt.
Der feste, elektrisch leitende Stab 34a ist mit einem Anschluss verbunden, und er dient als elektrischer Strompfad. An der oberen Endplatte 38a ist eine Auslassleitung (nicht dargestellt) befestigt, und zum Abpumpen wird sie in Verbindung mit einer Vakuumpumpe gebracht. Es ist ein Getter vorhanden, um eine sehr kleine Gasmenge zu absorbieren, wenn sich eine solche im Inneren des Vakuumbehälters entwickelt, um dadurch das Vakuum aufrechtzuerhalten. Das Abschirmungselement 36 wirkt so, dass eine Abscheidung erfolgt, um den Metalldampf an der Hauptelektrodenfläche zu kühlen, der durch einen Bogen erzeugt wird. Das abgeschiedene Metall erfüllt eine Funktion zum Aufrechterhalten des Vakuums, entsprechend der Getterfunktion.
Die 9 ist eine Schnittansicht, die Einzelheiten einer Elektrode zeigt. Die 9 liegt außerhalb des Schutzumfangs der Erfindung. Sowohl die feste als auch die bewegliche Elektrode haben beinahe dieselbe Struktur. Eine Bogenelektrode 31 wird durch Einsickern von Cu mit dem beim Beispiel 1 angegebenen Elektrodetragelement integral gemacht. Diese integrale Struktur wird einer Spanabhebebearbeitung, wie in der Figur, unterzogen. An das mit 32 gekennzeichnete Elektrodetragelement wird eine Verstärkungsplatte 40 aus einem unmagnetischen, austenitischen rostfreien Stahl gelötet, und eine ähnliche Platte wird auch an eine Spulenelektrode 33 gelötet. Die Spulenelektrode 33, die aus reinem Kupfer besteht, wurde unter Verwendung eines Lots mit niedrigerem Schmelzpunkt als dem des oben verwendeten Lots mit sowohl dem elektrisch leitenden Stab 34 als auch der Bogenelektrode verlötet.
Das bei diesem Beispiel verwendete Bogenelektrodetragelement wurde durch Einsickern von reinem Kupfer hergestellt. Die Cr-Menge für das Tragelement 32, die, wie bereits angegeben, abhängig von der Einsickertemperatur differiert, wird unter Berücksichtigung der erforderlichen Festigkeit und des elektrischen Widerstands bestimmt. Durch Abscheiden einer Verbindung durch Wärmebehandlung ist es möglich, den elektrischen Widerstand ohne Beeinträchtigung der Festigkeit abzusenken. Bei diesem Beispiel wurde eine Cr-Abscheidung dadurch hergestellt, dass ein Abkühlen auf 900°C nach, dem Imprägnieren mit reinem Kupfer erfolgte, wobei dann langsam von dieser Temperatur über eine Periode von drei Stunden auf 700°C bis 800°C abgekühlt wur de, und weiter langsam über eine Periode von zwei Stunden auf eine Temperatur von 600° bis 700°C abgekühlt wurde.
Die 10 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Verbindungszustand zwischen dem Bogenelektrodenabschnitt und der Spulenelektrode 33 bei diesem Beispiel zeigt. Auch die 10 befindet sich außerhalb des Schutzumfangs der Erfindung. Wenn sich der bewegliche, elektrisch leitende Stab 34 axial bewegt, gelangt die bewegliche Elektrode 30b mit der festen Elektrode 30a in oder außer Kontakt zu dieser, woraufhin zwischen den beiden Elektroden ein Bogenstrom 49 erzeugt wird, wodurch Metalldampf entsteht.
Der Metalldampf haftet am dazwischen liegenden Abschirmungselement 36 an, und gleichzeitig wird er durch das axiale Magnetfeld der zylindrischen Spulenelektrode 33 verteilt und dann entfernt. Obwohl bei diesem Beispiel die zylindrische Spulenelektrode 33 sowohl in der festen Elektrode 30a als auch der beweglichen Elektrode 30b montiert ist, kann sie auf mindestens einer Seite vorhanden sein.
Die zylindrische Spulenelektrode 32, die an der Rückseite einer Hauptelektrode 41 befestigt ist, besteht aus einem zylindrischen Abschnitt 42 mit einem Boden 43 an einem Ende und einer Öffnung am entgegengesetzten Ende. Das Verstärkungselement 39 besteht aus einem Element mit hohem Widerstandsvermögen, z. B. Fe oder rostfreiem Stahl, und es ist zwischen dem Boden 43 und der Hauptelektrode 41 angeordnet. An einer Endfläche der Öffnung des zylindrischen Abschnitts 42 seitens der Hauptelektrode sind zwei Vorsprünge 46 und 47 ausgebildet, mit denen die Hauptelektrode 41 elektrisch verbunden ist. Die Vorsprünge können an der Hauptelektrode ausgebildet sein. Im halbbogenförmigen, zylindrischen Abschnitt 42 zwischen einem Vorsprung 46 und dem anderen Vorsprung 47 sind bogenförmige Schlitze 50 und 51 ausgebildet, um für zwei bogenförmige Strompfade 52 und 53 zu sorgen. Die einen Enden, z. B. die Eingangsenden 54, der Strompfade 52 und 53 sind mit den Vorsprüngen 46 und 47 verbunden, während die anderen Enden derselben, z. B. die Ausgangsenden 55, über den Bogen 43 mit dem elektrisch leitenden Stab 34 verbunden sind. Zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsende 54, 55 des zylindrischen Abschnitts 42, wo sich beide Enden überlappen, sind geneigte Schlitze 56 ausgebildet. Ein Ende jedes geneigten Schlitzes 56 steht mit einem bogenförmigen Schlitzende in Verbindung, während das andere Ende desselben dadurch gebildet ist, dass der Abschnitt zwischen dem einen Schlitz und dem Abschnitt der gegenüberstehenden offenen Endfläche 45 ausgeschnitten ist. Demgemäß sind das Eingangsende 54 und das Ausgangsende 55 durch die geneigten Schlitze 56 elektrisch voneinander getrennt. Im Ausgangsende 55 ist ein Schlitz 58 ausgebildet, der sich bis zur einer Position nahe dem Stab im Boden 43 nach oben erstreckt, um die Erzeugung eines Wirbelstroms in einem axialen Magnetfeld H zu verhindern.
Als Nächstes entsteht, wenn die bewegliche Elektrode 30b von der festen Elektrode 30a weg bewegt wird, um den Stromfluss zu unterbrechen, zwischen den beiden Elektroden ein Bogenstrom 49. Wie es durch Pfeile gekennzeichnet ist, fließt der Bogenstrom 49 von den Vorsprüngen 46 und 47 aus, dann durch das Eingangsende 54 und die Strompfade 52, 53, und weiter durch den Boden 43 ausgehend vom Ausgangsende 55, und er fließt in den elektrisch leitenden Stab 34.
Der durch die Strompfade 52, 53 und das Eingangsende 54 und das Ausgangsende 55, die einander überlappen, fließende elektrische Strom bildet durch den obigen elektrischen Strompfad eine Schleife. Das durch eine solche Schleife des elektrischen Stroms erzeugte axiale Magnetfeld H wirkt gleichmäßig auf die gesamte Fläche der Hauptelektrode, und der Bogenstrom 49 wird über die gesamte Fläche der Hauptelektrode gleichmäßig verteilt, wodurch nicht nur die Trennfunktion verbessert werden kann sondern auch die gesamte Fläche der Hauptelektrode effektiv genutzt werden kann, um so eine starke Verringerung der Größe des Vakuumtrennschalters zu ermöglichen.
Die 11 ist ein Konstruktionsdiagramm eines erfindungsgemäßen Vakuumtrennschalters, und sie zeigt einen Vakuumschalter 59 und eine Betätigungseinrichtung für diesen.
Dieser Trennschalter ist von kleiner, leichter Konstruktion, wobei vorne ein Betätigungsmechanismus angebracht ist, und drei Sätze dreiphasiger Epoxidzylinder 60 vom kombinierten Typ, die einem Kriechstrom entgegenwirken.
Jedes Phasenende ist vom horizontal herausgezogenen Typ, mit horizontale Halterung durch einen Epoxidharzzylinder und eine Vakuumschalter-Halteplatte. Der Vakuumschalter wird durch den Betätigungsmechanismus über einen isolierten Betätigungsstab 41 geöffnet und geschlossen.
Der Betätigungsmechanismus ist ein mechanische auslösbarer Mechanismus vom elektromagnetisch betriebenen Typ mit einer einfachen, kleinen und leichten Konstruktion. Es werden nur geringe Schläge hervorgerufen, da der Öffnungs-/Schließhub kurz ist und die Masse des beweglichen Teils klein ist. An der Vorderseite eines Körpers sind Sekundäranschlüsse vom Typ für wechselseitige Verbindung, eine Offen/Geschlossen-Anzeige, eine Messeinrichtung zum Anzeigen der Anzahl der Betätigungen, eine Handauslösetaste, eine Handschließvorrichtung, eine Herausziehvorrichtung und ein Verriegelungshebel angeordnet.
(a) Geschlossener Zustand
Dieser Zustand bildet einen geschlossenen Zustand des Trennschalters, in dem ein elektrischer Strom durch den oberen Anschluss 62, die Hauptelektrode 30, einen Stromsammler 63 und den unteren Anschluss 64 fließt. Für eine Kontaktkraft zwischen den Hauptelektroden wird durch eine Kontaktfeder 65 gesorgt, die am isolierten Betätigungsstab 61 befestigt ist.
Die genannte Kontaktkraft, die Vorbelastungskraft einer Schnellunterbrechungsfeder und eine durch einen Kurzschlussstrom induzierte elektromagnetische Kraft werden durch einen Haltehebel 66 und einen Bolzen 67 gewährleistet. Beim Aktivieren einer geschlossenen Spule in einem Zustand mit offenem Schaltkreis drückt ein Kolben 68 über einen Schlagstab 69 eine Rolle 70 nach oben, was dafür sorgt, dass ein Haupthebel 71 die Kontakte schließt, und dann wird dieser Zustand durch den Haltehebel 66 aufrechterhalten.
(b) Auslösbarer Zustand
Wenn die Elektrode eine Bewegung verleiht, wird die bewegliche Hauptelektrode nach unten bewegt, und beim Trennen der festen und der beweglichen Hauptelektrode wird ein Bogen erzeugt.
Der Bogen wird durch eine kräftige Diffusionswirkung zwischen ihm und der hohen dielektrischen Durchschlagfestigkeit im Vakuum gelöscht.
Wenn eine Auslösespule 72 aktiviert wird, gibt ein Auslösehebel 73 den Bolzen 67 frei, und der Haupthebel 71 wird durch die Schnelltrennfeder verdreht, um die Hauptelektroden zu öffnen. Dieser Vorgang wird völlig unabhängig davon ausgeführt, ob die Schließbewegung ausgeführt wird oder nicht. So ist dies ein mechanisch auslösbarer Vorgang.
(c) Offener Zustand
Nach dem Öffnen der Hauptelektroden kehren die Kopplungsstücke unter der Wirkung einer Rückstellfeder 74 in den ursprünglichen Zustand zurück, und gleichzeitig gelangt der Bolzen 67 in seinen Eingriffszustand. Wenn in diesem Zustand eine Schließspule 75 aktiviert wird, wird der geschlossene Zustand (a) erzielt. Die Zahl 76 kennzeichnet einen Auslasskanal.
Der Vakuumtrennschalter zeigt in Hochvakuum dadurch ein hohes Trennvermögen, dass die hohe dielektrische Durchschlagsfestigkeit des Vakuums und die Hochgeschwindigkeits-Diffusionswirkung des Bogens genutzt werden. Andererseits wird im Fall des Öffnens und Schließens eines lastfreien Motors oder Transformators ein elektrischer Strom unterbrochen bevor er den Wert null erreicht, was dazu führt, dass ein sogenannter Zerhackungsstrom erzeugt wird und manchmal ein Schaltspannungsstoß proportional zum Produkt aus dem genannten Strom und einer Stoßimpedanz erzeugt wird. Daher ist es, wenn ein 3 kV-Transformation oder eine sich drehende Maschine von 3 kV oder 6 kV direkt durch den Vakuumtrennschalter zu öffnen oder zu schließen ist, erforderlich, mit der Schaltung einen Spannungsstoßabsorber zu verbinden, um die Stoßspannung zu unterdrücken und dadurch die Maschine zu schützen. Als Stoßspannungsabsorber wird im Allgemeinen ein Kondensator verwendet, wobei auch ein nichtlinearer Widerstand aus ZnO abhängig von der Standhaltespannung der Last bei einer impulsförmigen Welle verwendbar ist.
Gemäß dem oben beschriebenen Beispiel ist es möglich, 31,5 kA bei 7,2 kV bei einem Druck 15 kg und einer Trenngeschwindigkeit von 0,93 m/Sek. zu trennen.
Beispiel 5
Die 12 ist ein Diagramm, das die Konfiguration eines Hauptstromkreises zum Unterbrechen einer Gleichspannungsschaltung unter Verwendung desselben Vakuumschalters wie beim Beispiel 4 zeigt. In dieser Figur bezeichnet die Zahl 80 eine Gleichspannungsquelle, die Zahl 81 bezeichnet eine Gleichspannungslast, 82 einen Vakuumschalter, 83 einen Kurzschlussring, 84 eine Spule für elektromagnetische Abstoßung, 85 einen Kommutationskondensator, 86 eine Kommutationsdrossel, 87 einen Auslösespalt, 88 einen Auslöser für statischen Überstrom und 89 einen nichtlinearen Widerstand aus ZnO.
Mit diesem Beispiel werden die folgenden Merkmale erzielt.

(1) Da der Schaltungstrennvorgang zu keinem in Luft erzeugten Bogen führt, werden keine Geräusche erzeugt, und es wird ein hervorragender Unfallverhinderungseffekt erzielt.
(2) Da eine kurze Kontakttrennzeit (ungefähr 1 ms) vorliegt, ist es möglich, einen Fehlerstrom mit einer Stromstoßrate über einem Nennwert zu trennen, wodurch es möglich ist, einen Trennstrom zu minimieren.
(3) Die Verwendung des Vakuumschalters erlaubt die Unterbrechung eines Kondensatorentladestroms hoher Frequenz, und die Bogenbildungszeit ist extrem kurz (ungefähr 0,5 ms), wodurch s möglich ist, Kontakterosion zu verringern.
(4) Durch Verwendung einer Auslöseeinrichtung für statischen Überstrom kann die Stromskala mit hoher Genauigkeit eingestellt werden, und es existiert keine Langzeitänderung.
(5) Durch Verwenden einer Motorfeder-Betriebsvorrichtung vom Federtyp wird der Betriebsstrom stark verringert, und es ist kein Haltestrom mehr erforderlich.
(6) Da die belegte Fläche ungefähr ein Viertel derjenigen beim Stand der Technik beträgt, ist es möglich, den Aufbauraum zu verringern.

Beispiel 6 (außerhalb des Schutzumfangs der Erfindung)
Die 13 ist eine Schnittansicht, die eine andere Elektroden Struktur zeigt, wobei (a) eine Vorderseite ist und (b) eine Schnittansicht entlang einer Linie A-A in (a) ist. Die 13 liegt außerhalb des Schutzumfangs der Erfindung.
Bei diesem Beispiel verfügt, wie beim Beispiel 1, eine Hauptelektrode 92 über eine Bogenelektrode als Oberflächenelektrode aus einem porösen Cu-Cr-Sinterkörper und ein Bogenelektrodetragelement, das daran durch Einsickern von reinem Kupfer ausgebildet wurde, wobei an die Hauptelektrode 92 eine ein vertikales Magnetfeld erzeugende Spulenelektrode 91 angelötet ist. Ferner ist eine Verstärkung durch Anlöten eines Verstärkungselements 96 aus reinem Eisen oder rostfreiem Stahl erfolgt. Die Zahl 90 kennzeichnet einen elektrisch leitenden Stab. Die Hauptelektrode 92 ist mit einem vorstehenden Abschnitt 95 mit der Spulenelektrode 91 verlötet.
Beispiel 7 (außerhalb des Schutzumfangs der Erfindung)
Die 14 veranschaulicht ein weiteres Beispiel einer Elektrodenstruktur, wobei (a) eine Draufsicht und (b) eine Schnittansicht entlang einer Linie B-B in (a) ist. Die 14 liegt außerhalb des Schutzumfangs der Erfindung.
Spiralförmige Elektroden mit Windungen in Uhrzeigerrichtung und Gegenuhrzeigerrichtung überlappen einander, wenn sie aus entgegengesetzten Seiten betrachtet werden. Die Zahl 100 kennzeichnet einen Kontaktabschnitt von Bogenelektroden, die miteinander in Kontakt treten und sich voneinander trennen können. Die Zahl 101 kennzeichnet eine Bogenführung. Spiralförmige Nuten 102 mit jeweiligen Abschlussenden im Kontaktabschnitt 100 unterteilen die Bogenführungen 101. Jede Bogenführung stehen an ihrem distalen Ende 103 mit dem Außenumfang der Elektrode in Kontakt. Die Elektroden sind jeweils als integrale Struktur aus einer Bogenelektrode 104 und einem Bogenelektrodetragabschnitt 105 durch Einsickern von Kupfer unter Verwendung z. B. einer Cu-Cr(Kupfer-Chrom)-Legierung ausgebildet. Die Nuten 102 können durch Bearbeiten hergestellt werden.
Obwohl es nicht dargestellt ist, wird eine Elektrodenkonstruktion in einem Vakuumtrennschalter für einen Kurzschlussstrom von 12,5 kA oder weniger als einfache Konstruktion, die einer flachen Platte ähnlich ist, ohne Spiralnuten 102 verwendet. Die Konstruktion, die einer flachen Platte ähnlich ist, verfügt über einen Kontaktabschnitt, einen der Bogenführung entsprechenden verjüngten Abschnitt und einen Außenumfangsabschnitt der Elektrode, die als integraler Körper ausgebildet sind.
Die Hauptelektrode ist über den angelöteten Elektrodenstab mit einem Elektrodenanschluss verbunden, der außerhalb des Vakuumbehälters vorhanden ist.
Nun wird die Beschreibung auf den Betrieb zum Unterbrechen eines Kurzschlussstroms von 12,5 bis 50 kA in einem Wechselspannungskreis unter Verwendung der in der 14 dargestellten spiralförmigen Elektroden gerichtet. Als Erstes wird, wenn ein Paar von Elektroden beginnt, sich voneinander zu trennen, ausgehend vom Kontaktabschnitt der Hauptelektroden ein Bogen erzeugt. Im Verlauf der Zeit verschiebt sich der Bogen zwischen den Elektroden ausgehend von diesem Kontakttrennpunkt vom Kontaktabschnitt 100 über die Bogenführungen 101 zu den distalen Enden 103 derselben. Dabei bewirkt die Charakteristik der spiralförmigen Elektrodenstruktur die Erzeugung eines radialen Magnetfelds im Elektrodenraum, das als laterales Magnetfeld bezeichnet wird, da es rechtwinklig zur Bogenrichtung verläuft. Die Verschiebung des Bogens auf der Elektrode wird durch einen Antriebseffekt beschleunigt, der durch dieses laterale Magnetfeld hervorgerufen wird, um dadurch eine ungleichmäßige Erosion der Elektrode zu verhindern.
Gemäß der Erfindung, wie sie oben dargelegt ist, sind in einem Vakuumtrennschalter mit einer festen Elektrode und einer beweglichen Elektrode mit jeweils einer Bogenelektrode, einem Bogenelektrodetragelement und einer mit diesem zusammenhängenden Spulenelektrode die Bogenelektrode und das Bogenelektrodetragelement, vorzugsweise diese beiden und die Spulenelektrode, durch Verschmelzen, nicht durch Verbinden, als integrale Konstruktion ausgebildet, und das Bogenelektrodetragelement und die Spulenelektrode bestehen aus einer Cu-Legierung, die 0,01–2,5 Gew.-% an Cr, Ag, V, Nb, Zr, Si, W und/oder Be enthält, so dass es möglich ist, die Anzahl der Bearbeitungs- und Zusammenbauschritte zu verringern, wie sie beim Verlöten von Komponenten erforderlich sind, und eine Unterbrechung oder einen Ausfall der Elektron, hervorgerufen durch schlechtes Verlöten, zu verhindern. Außerdem ist es möglich, da die Festigkeit der Bogen- und der Spulenelektrode verbessert sind, Verschmelzstörungen auf Grundlage von Elektrodenverformungen zu vermeiden. Demgemäß ist es möglich, einen Vakuumtrennschalter hoher Zuverlässigkeit und Sicherheit sowie einen Vakuumschalter und einen elektrischen Kontakt zur Verwendung in ihm zu schaffen.

Claims

Elektrischer Kontakt mit: einer Bogenelektrode (12), die durch eine Legierung aus einem hochschmelzenden und einem elektrisch hochleitenden Metall gebildet ist, einem Bogenelektrodentragelement (13), das die Bogenelektrode trägt und aus einem elektrisch hochleitenden Metall gebildet ist, und einem Elektrodenstab (22), der das Bogenelektrodentragelement trägt, wobei die Bogenelektrode (12) und das Bogenelektrodentragelement (13) durch Schmelzen des elektrisch hochleitenden Metalls integral miteinander ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenstab (22) integral mit dem Bogenelektrodentragelement (13) durch Schmelzen des elektrisch hochleitenden Metalls ausgebildet ist.
Elektrischer Kontakt nach Anspruch 1, wobei die Bogenelektrode aus einer Legierung gebildet ist, die Cr, W, Mo oder Ta, oder ein Gemisch daraus und ein elektrisch hochleitendes Metallelement, das aus Cu, Ag und Au ausgewählt ist, oder eine hoch elektrisch leitende Legierung, die hauptsächlich das hoch elektrisch leitende Metallelement umfaßt, aufweist, und das Bogenelektrodentragelement aus dem elektrisch hochleitenden Metall oder der Legierung gebildet ist.
Elektrischer Kontakt nach Anspruch 2, wobei die Bogenelektrode aus einer Legierung gebildet ist, die 50–80 Gew.-% im Gesamtbetrag von Cr, W, Mo oder Ta, oder mehreren davon und 20–50 Gew.-% von Cu, Ag oder Au beinhaltet, und das Bogenelektrodentragelement aus einer Legierung gebildet ist, die nicht mehr als 2,5 Gew.-% im Gesamtbetrag von Cr, Ag, W, V, Nb, Mo, Ta, Zr, Si, Be, Ti, Co oder Fe oder mehreren davon umfaßt, wobei der Ausgleich durch Cu, Ag oder Au gegeben ist.
Elektrischer Kontakt nach Anspruch 1, wobei das Bogenelektrodentragelement eine 0,2%-ige Bruchfestigkeit von nicht weniger als 10 kg/mm² und einen spezifischen Widerstand nicht höher als 2,8 μΩcm aufweist.
Elektrischer Kontakt nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Bogenelektrode aus einer Legierung gebildet ist, die ein hochschmelzendes Metall in durchbrochener Form und ein darin eingebrachtes elektrisch hochleitendes Metall aufweist.
Vakuumschalter mit einer unbeweglichen und einer beweglichen Elektrode, die im Gebrauch innerhalb eines isolierten Behälters in einem Hochvakuum gehalten werden, wobei die Elektroden jeweils einen elektrischen Kontakt nach einem der Ansprüche 1 bis 5 umfassen.
Vakuumstromunterbrecher mit: einem Vakuumschalter nach Anspruch 6 innerhalb eines isolierten Behälters; Leiterenden, die nach außerhalb des Vakuumschalters verlaufen und mit der innerhalb des Vakuumschalters angeordneten unbeweglichen bzw. beweglichen Elektrode verbunden sind; und einer Öffnungs-/Schließvorrichtung zum Steuern der beweglichen Elektrode mittels eines mit der beweglichen Elektrode verbundenen isolierten Stabs.
Vakuumstromunterbrecher nach Anspruch 7, mit dreien dieser Vakuumschalter, die Seite an Seite angeordnet und integral innerhalb eines isolierenden Harzzylinders angebracht sind.
Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Kontakts, der eine aus einer Legierung aus einem hochschmelzenden und einem elektrisch hochleitenden Metall gebildete Bogenelektrode (12), ein aus dem elektrisch hochleitenden Metall gebildetes Bogenelektrodentragelement (12) zum Tragen der Bogenelektrode und einen Elektrodenstab (22) zum Tragen des Bogenelektrodentragelements umfaßt, mit folgenden Schritten: Anordnen des elektrisch hochleitenden Metalls (11) auf einem porösen Sinter (16), der das hochschmelzende Metall aufweist, darauffolgendes Schmelzen des elektrisch hochleitenden Metalls (11) und Zulassen, daß es in den porösen Sinter (16) einsickert, dadurch gekennzeichnet, daß das Bogenelektrodentragelement (13) oberhalb des Sinters (16) dadurch gebildet wird, daß die Dicke des elektrisch hochleitenden Metalls, das nach dem Einsickern oberhalb des Sinters (16) zurückbleibt, so gewählt wird, daß sie der für das Elektrodentragelement benötigten Dicke entspricht, und der Elektrodenstab (22) aus dem elektrisch hochleitenden Metall integral mit dem Bogenelektrodentragelement (13) ausgebildet wird, indem das elektrisch hochleitende Metall geschmolzen wird.
Verfahren nach Anspruch 9 mit einem Hitzebehandlungsschritt, wobei nachdem die Bogenelektrode (12) und das Bogenelektrodentragelement (13) durch Einsickern und Aushärten des elektrisch hochleitenden Metalls gebildet wurden, sie auf einer bestimmten Temperatur gehalten werden, um supersaturiert gelöstes Metall oder zwischenmetallische Verbindungen in dem elektrisch hochleitenden Metall auszufällen.