Beschreibung

Es ist bekannt, in Hochspannungs-Leistungsschaltern elektrische Kontaktanordnungen zu verwenden, welche aus einem rohrförmigen Kontaktstück und aus einem Kontaktstift bestehen, welcher bei geschlossenem Schalter mit einem Ende des rohr- förmigen Kontaktstücks Kontakt macht. Bei einem Hochspannungs-Leistungsschalter kommt es darauf an, dass die Schaltvorgänge schnell erfolgen, damit ein Lichtbogen, der zwischen dem rohrförmigen Kontaktstück und dem Kontaktstift entsteht, beim Öffnen des Schalters möglichst rasch abreißt und beim Schließen des Schalters möglichst rasch durch das Auftreffen des Kontaktstifts auf das gegenüberliegende Kontaktstück gelöscht wird. Es ist bekannt, den Kontaktstift aus einem Stift aus Kupfer herzustellen und diesen mit einer Kontaktspitze aus einem Kupfer-Wolfram-Verbundwerkstoff zu versehen, um den unter Lichtbogeneinwirkung auftretenden Abbrand der Kontaktspitze gering zu halten.

Die Geschwindigkeit, mit welcher ein Hochspannungs-Leistungsschalter geöffnet und geschlossen werden kann, wird zum Einen durch die träge Masse des zu beschleunigenden Kontaktstifts und zum Anderen durch die Randbedingung begrenzt, dass der Hochspannungs-Leistungsschalter prelifrei schalten soll. Je größer die träge Masse des zu beschleunigenden Kontaktstiftes ist, desto aufwendiger wird der Antrieb für den Kontaktstift.

Um kurze Schaltzeiten zu erreichen, ist es bekannt, die Masse des Kontaktstifts dadurch zu reduzieren, dass man den Kupferstift hohl ausbildet. Weil Kupfer ein rela- tiv weiches Metall ist, kann die Masse des Kupferstifts durch eine hohle Ausbildung nicht so stark verringert werden, wie man es gerne möchte, weil der Kontaktstift sonst den mechanischen Belastungen, die beim Schaltvorgang auftreten, nicht mehr standhalten würde. Um diesem Nachteil abzuhelfen, ist es bekannt, einen hohlen Kupferstift aus einer gehärteten Kupferlegierung herzusteilen. Damit handelt man sich jedoch einen wesentlichen Nachteil ein. Schon geringe Mengen an härtenden Legierungsbestandteilen im Kupfer führen nämlich zu einer drastischen Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit gegenüber der elektrischen Leitfähigkeit von reinem Kupfer. Deshalb muss bei Verwendung einer gehärteten Kupferlegierung der Querschnitt des Kontaktstifts vergrößert werden, um dieselbe Stromtragfähigkeit wie bei einem Kontaktstift aus reinem Kupfer zu erzielen.

Weiterhin ist es bekannt, als Träger für die Kontaktspitze anstelle eines Stifts aus Kupfer einen hohlen Kontaktstift aus Stahl zu verwenden. Auch in diesem Fall hat man jedoch den Nachteil, dass die elektrische Leitfähigkeit von Stahl viel kleiner ist als die von Kupfer. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, wie in Hochspannungs-Leistungsschaltern auf möglichst einfache Weise der Aufwand für den Antrieb des beweglichen Kontaktstiftes verringert werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Kontaktstift mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Ein Verfahren zum Hersteilen eines erfindungsgemäßen Kontaktstifts ist Gegenstand des Anspruchs 17, Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein erfindungsgemäßer Hochspannungs-Leistungsschalter ist Gegenstand des Anspruchs 25.

Der Kontaktstift für Hochspannungs-Leistungsschalter hat einen Mantel aus Kupfer, welcher am einen Ende durch eine Endwand aus Kupfer abgeschlossen ist, einen festen Kern, welcher von der Endwand ausgehend in dem Mantel steckt, ihn stützt und aus einem Material besteht, welches eine geringere Dichte als Kupfer hat, und eine Kontaktspitze, welche außen an der Endwand befestigt ist und aus einem Kupfer oder Silber enthaltenden Verbundwerkstoff besteht, welcher gegen die Einwirkung von Lichtbögen, welche beim Schalten des Hochspannungs-Leistungsschalters auftreten, widerstandsfähiger ist als Kupfer.

Das hat wesentliche Vorteile:

- Der feste Kern, welcher von der Endwand ausgehend den Mantel ausfüllt, verleiht dem Kontaktstift eine Festigkeit, die ähnlich hoch ist wie die Festigkeit eines entsprechenden Kontaktstifts, der, von der Kontaktspitze abgesehen, massiv aus Kupfer besteht. Durch die geringere Dichte des Kerns wird jedoch die Masse des Kontaktstifts, verglichen mit einem entsprechenden Kontaktstift, der, abgesehen von der Kontaktspitze, aus reinem Kupfer besteht, deutlich herabgesetzt.

- Infolge der geringeren Masse des beweglichen Kontaktstiftes kann die Leistungsfähigkeit des für ihn erforderlichen Antriebs verringert werden. Damit geht eine Verringerung des Aufwandes Hand in Hand, welcher für die Verwirklichung des Antriebs getrieben werden muss. - Dadurch, dass der Kupiermantel von innen durch den Kern gestützt wird, kann er eine besonders kleine Wandstärke aufweisen, die nur durch die geforderte Stromtragfähigkeit begrenzt ist. Die für einen bestimmten Hochspannungs- Leistungsschalter geforderte mechanische Festigkeit des Kontaktstifts ist nicht entscheidend für die Bemessung der Wandstärke seines aus Kupfer bestehenden Mantels.

- Dadurch, dass der Kupfermantel an seinem einen Ende durch eine Endwand aus Kupfer abgeschlossen ist, kann die Kontaktspitze ohne Rücksicht auf das für den Kern gewählte Material vollflächig mit der Endwand aus Kupfer durch Schweißen oder Hartlöten verbunden werden.

- Der erfindungsgemäße Kontaktstift ermöglicht auf einfache und preiswerte Weise eine Verkürzung der Dauer des Schaltvorgangs von Hochspannungs- Leistungsschaltern.

- Vorzugsweise steht das der Kontaktspitze abgewandte Ende des Kupfermantels über den Kern über und ein überstehender Abschnitt des Mantels ist als Anschlusseinrichtung für eine elektrische Zuleitung ausgebildet. Dadurch wird si- chergestellt, dass die erforderliche elektrische Zuleitung unmittelbar an dem überstehenden Abschnitt des Mantels aus Kupfer endet, so dass ein geringer Übergangswiderstand gewährleistet ist.

Nach einem Verfahren gemäß Anspruch 17 kann ein solcher Kontaktstift einfach und preiswert hergestellt werden, wenn das Material für den Kern in ein Sackloch eingefüllt wird, welches koaxial in einem geraden Zylinder aus Kupfer angeordnet ist. Danach wird der Querschnitt des Zylinders auf einem überwiegenden Teil seiner Länge durch Fließpressen, insbesondere durch Vorwärts-Fließpressen, verringert und anschließend eine Kontaktspitze aus einem Kupfer oder Silber enthaltenden Verbund- Werkstoff, der gegen die Einwirkung von Schaltlichtbögen widerstandsfähiger ist als Kupfer, durch Schweißen oder Hartlöten an der aus Kupfer bestehenden Endwand des durch das Fließpressen umgeformten Zylinders befestigt. An dem der Kontaktspitze abgewandten Ende des Zylinders wird nach oder vor dem Anbringen der Kon- iaktspitze vorzugsweise eine Anschlusseinrichtung für eine elektrische Zuleitung ausgebildet.

Auch das hat wesentliche Vorteile:

- Dadurch, dass der Querschnitt des Kupferzylinders auf einem überwiegenden Teil seiner Länge durch Fließpressen, insbesondere durch Vorwärts- Fließpressen, verringert wird, entsteht ein fester Verbund zwischen dem Zylindermantel und dem eingefüllten Material, welches eine geringere Dichte als Kupfer hat.

- Das Material für den Kern kann nicht nur als ein Festkörper, dessen Abmessungen dem Sackloch im Kupferzylinder angepasst sind, in das Sackloch eingebracht werden, sondern auch als Schüttgut, denn dieses kann durch das Fließpressen so verdichtet werden, dass sich ein fester Verbund zwischen dem Kern- material und dem Kupfermantel ergibt.

- Das Umformen des mit dem Kernmaterial gefüllten Kupferzylinders durch Fließpressen erzeugt keinen Kupferabfall. Nach dem Fließpressen ist allenfalls noch eine geringe Nacharbeit an dem durch das Fließpressen gebildeten Formtei! erforderlich, z. B. eine Glättung der Oberfläche und/oder das Entfernen einer passivierenden Deckschicht an der Endwand aus Kupfer, um diese für das Anbringen der Kontaktspitze vorzubereiten, und gegebenenfalls das Ausbilden einer Anschlusseinrichtung für eine elektrische Zuleitung. Letzteres kann einfach dadurch geschehen, dass in ein über den Kern überstehendes Ende des Kupfermantels ein Innengewinde geschnitten wird, in welches eine mit einem Außengewinde versehene elektrische Zuleitung oder ein Kupplungsteil einer elektrischen Zuleitung gedreht werden kann.

Dadurch, dass der mit dem Kemmaterial gefüllte Kupferzylinder nicht auf voller Länge, sondern nur auf einem überwiegenden Teil seiner Länge durch Fließpressen umgeformt wird, verbleibt am offenen Ende des Kupferzylinders vorzugsweise ein über den Kern überstehender Abschnitt des Mantels in einer größeren Wandstärke als in dem durch das Fließpressen umgeformten Abschnitt. In den dickwandigeren, vorzugsweise überstehenden Abschnitt des Mantels kann ohne weiteres ein Innengewinde geschnitten werden und vom äußeren Umfang des dickwandigeren Abschnitts kann ein Teil des Kupfers abgefräst werden, um zwei ebene, zueinander parallele Flächen zu bilden, welche eine Angriffsmöglichkeit für einen Schraubenschlüssel bieten.

- Das Fließpressen kann kostengünstig bei Raumtemperatur durchgeführt werden.

Für den Kern wird vorzugsweise ein Material mit einer Dichte kleiner als 5 g/cm ³ gewählt. In diesen Bereich fallen die Leichtmetalle, von welchen vor allem Aluminium mit einer Dichte von 2,7 g/cm ³ , Titan mit einer Dichte von 4,51 g/cm ³ , Magnesium mit einer Dichte von 1 ,74 g/cm ³ und deren Legierungen in Betracht kommen. Besonders bevorzugt sind Materialien mit einer Dichte kleiner als 3 g/cm ³ , also nicht mehr als ein Drittel der Dichte von Kupfer. Damit lässt sich für einen massiven Kontaktstift gemäß der Erfindung eine Masse erreichen, die wesentlich kleiner ist als bei Verwendung eines Stifts, welcher aus reinem Kupfer besteht.

Die Verwendung eines Leichtmetalls oder einer Leichtmetall-Legierung für den Kern hat den weiteren Vorteil, dass dieser zur Stromleitung beitragen kann. Zwar überziehen sich Leichtmetalle wie Aluminium und Titan leicht mit einer Oxidhaut, welche den Stromübergang vom Kupfer auf das Leichtmetall erschwert, wenn jedoch der Kern zusammen mit dem ihn umgebenden Kupfermantel umgeformt wird, wie es beim Fließpressen der Fall ist, kann die Oxidhaut auf dem Kern aufreißen und der Kern zumindestens stellenweise kalt mit dem Kupfermantel verschweißen, so dass ein Stromübergang vom Kupfermantel in den Kern und umgekehrt vom Kern in den Kupfermantel ohne weiteres möglich ist. Das ist ein Vorteil der Anwendung des Fließpressens für die Herstellung des festen Verbunds zwischen dem Kupfermantel und einem Kern aus einem Leichtmetall.

Der Kern muss aber nicht aus einem Metall bestehen, sondern kann z. B. auch aus einem Metalloxid oder aus einem Metalloid bestehen. Als Metalloxide kommen vor allem Aluminiumoxid und Magnesiumoxid in Frage, als Metalloid z. B. Grafit. Die Metalloxide bzw. Metalloide können als vorgeformter Körper oder als Pulver in das Sackloch des Kupferzylinders eingebracht werden. Wird ein Metalloxid oder Metalloid als Pulver eingebracht, wird dieses durch Fließpressen des gefüllten Kupferzylinders verdichtet und bildet mit dem fließgepressten Kupferzylinder einen Verbundkörper.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, einen keramischen Kern vorzusehen, insbe- sondere einen Kern aus einer Schaumkeramik. Letztere hat den Vorteil, dass sie eine besonders niedrige Dichte mit einer hohen Festigkeit vereint.

Schließlich besteht auch die Möglichkeit, einen Kern aus einem Kunststoff vorzusehen. Vorzugsweise sollte es sich dabei um einen vernetzten Kunststoff handein, z. B. um ein Epoxidharz oder um ein Silikonharz. Der Kunststoff wird vorzugsweise erst dann in den zunächst noch hohlen Kontaktstift eingefüllt, wenn der Hohlraum bereits seine endgültige Form hat. Zweckmäßigerweise werden die Bestandteile des Kunststoffs miteinander vermischt und dann unverzüglich in den Hohlraum des Kontaktstifts gegossen, um dann darin abzubinden, d. h. zu vernetzen.

Grundsätzlich könnte ein patentgemäßer Kontaktstift auch so hergestellt werden, dass zunächst ein Kupferrohr mit einem Kern, dessen Dichte kleiner ist als die Dichte von Kupfer, in passender Länge hergestellt und durch Fließpressen umgeformt wird. Dieses Kupferrohr kann dann am einen Ende mit einer Kupferscheibe verschlossen werden, indem sie mit dem Ende des Kupferrohrs verschweißt oder hart verlötet wird. Vorzugsweise ist die Kupferscheibe als ein abgestufter Deckel ausgebildet, der ein Stück weit in das Kupferrohr eintaucht, bis er am Rand des Kupferrohrs anschlägt. Damit das möglich ist, wird zuvor eine entsprechende Menge des Kernmaterials aus dem Kupferrohr entfernt. Auf den Deckel kann zuvor oder anschließend, vorzugsweise anschließend, eine Kontaktspitze aus einem Material aufgeschweißt werden, welches eine größere Abbrandfestigkeit als Kupfer hat. Am gegenüberliegenden Ende des Kupferrohrs kann eine Kappe aus Kupfer durch Schweißen oder Löten befestigt werden, die mit einer Anschlusseinrichtung für eine elektrische Zuleitung ausgestattet sein kann. Günstiger ist es jedoch, das Verfahren gemäß Anspruch 17 anzuwenden.

Das Sackloch, in welches gemäß Anspruch 17 das Material für den Kern eingefüllt werden soll, kann in den geraden Zylinder aus Kupfer gefräst werden. Vorzugsweise wird bereits das Sackloch in dem Zylinder durch Fließpressen, und zwar vorzugswei- se durch Rückwärts-Fließpressen, hergestellt. Das hat den Vorteil, dass auch beim Herstellen des Sacklochs kein Kupferabfall entsteht. Auch in diesem Fall erfolgt das Fließpressen bevorzugt bei Raumtemperatur. Als Zylinder aus Kupfer wird vorzugsweise ein gerader Kreiszylinder verwendet. Es ist aber auch möglich, anstelle eines Kreiszylinders einen Zylinder zu verwenden, dessen Grundfläche ein Vieleck, insbesondere regelmäßiges Vieleck ist, vorzugsweise mit einer geradzahligen Anzahl von Ecken. Vorzugsweise hat das Vieleck wenigstens sechs Ecken.

Wird als Zylinder ein Kreiszylinder gewählt, wird darin zweckmäßigerweise auch ein zylindrisches Sackloch gebildet. Wird ein Zylinder verwendet, dessen Grundfläche ein regelmäßiges Vieleck ist, dann hat auch das Sackloch zweckmäßigerweise einen Querschnitt in Gestalt eines entsprechenden regelmäßigen Vielecks, so dass der Zylinder in Umfangsrichtung eine im Wesentlichen gleichbleibende Wandstärke hat.

Der Verbundwerkstoff, aus welchem die Kontaktspitze gebildet ist, wird zweckmäßigerweise aus der Gruppe der Werkstoffe Kupfer-Wolfram, Silber-Wolfram, Silber- Wolfram-Karbid und Silber-Molybdän ausgewählt, wobei Kupfer-Wolfram bevorzugt ist, z. B. ein Verbundwerkstoff aus Kupfer mit 60 Gew.-% bis 85 Gew.-% Wolfram.

Im Hinblick darauf, dass am hinteren Ende des Kontaktstifts zweckmäßigerweise eine Anschlusseinrichtung für eine elektrische Zuleitung ausgebildet sein soll, wird es bevorzugt, dass der auf dem Kern liegende Abschnitt des Kupfermantels eine kleine- re Wandstärke aufweist als der überstehende Abschnitt des Kupfermantels. Vorzugsweise beträgt die Wandstärke des auf dem Kern liegenden Abschnitts des Mantels nur 1 mm bis 2 mm, insbesondere nur ca. 1 mm.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für die Herstellung eines erfindungsgemäßen Kontaktstiftes ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt.

Figur 1 zeigt in Schrägansicht einen massiven, kreiszylindrischen Kupferzylinder, von welchem das Verfahren zum Herstellen des Kontaktstiftes ausgeht. Figur 2 zeigt das Umformen des Kupferzylinders durch Rückwärts-Fließpressen.

Figur 3 zeigt einen durch das Rückwärts-Fließpressen gebildeten zylindrischen

Napf, in welchen ein Leichtmetallzylinder eingesetzt ist.

Figur 4 zeigt das Umformen des in Figur 3 dargestellten Napfes durch Vorwärts- Fließpressen.

Figur 5 zeigt in einer Seitenansicht den durch das Vorwärts-Fließpressen gemäß

Figur 4 hergestellten Kontaktstift-Rohling, an dessen vordere Endwand eine Kontaktspitze angeschweißt wird.

Figur 6 zeigt einen Längsschnitt durch den fertigen Kontaktstift. Figur 7 zeigt den fertigen Kontaktstift in einer Seitenansicht.

Ein Kupferzyiinder 1 wird in eine Matrize 2 mit zylindrischem Hohlraum 3 eingelegt und durch einen Stempel 4, der einen geringeren Durchmesser hat als der Kupferzylinder 1 , durch Rückwärts-Fließpressen zu einem länglichen zylindrischen Napf 5 umgeformt, siehe Figur 2. In diesen Napf 5 wird ein Leichtmetallzylinder 6 eingefügt, dessen Außendurchmesser im Wesentlichen mit dem Innendurchmesser des Napfes 5 übereinstimmt und dessen Länge kürzer ist als die innen gemessene Länge des Napfes 5, so dass der Mantel 5b des Napfes 5 ein Stück weit über das Ende 6a des Leichtmetallzylinders 6 übersteht, siehe Figur 3.

Der so vorbereitete Napf 5 wird in ein Presswerkzeug 7 eingeführt, welches einen Durchgang 8 mit einer im Querschnitt verminderten Werkzeugöffnung 9 hat, durch welche ein Stempel 10 den Napf 5, welcher den Leichtmetallzylinder 6 enthält, über einen Teil seiner Länge hindurchdrückt, siehe Figur 4. Durch dieses Vorwärts- Fließpressen entsteht ein Kontaktstift-Rohling 1 1 , der in seinem hinteren Abschnitt 1 1 a seinen ursprünglichen Durchmesser beibehalten hat und in seinem vorderen Abschnitt 1 1 b einen durch die im Querschnitt verminderte Werkzeugöffnung 9 bestimmten kleineren Durchmesser hat. Das Rückwärtsfließpressen und das Vor- wärtsfließpressen werden vorzugsweise kalt, d. h. bei Raumtemperatur, durchgeführt.

Der Kupfermantel 5b des Rohlings 1 1 ist am hinteren Ende offen und am vorderen Ende durch eine Endwand 5a geschlossen, die aus dem Boden des Napfes 5 gebildet ist.

An diesen Kontaktstift-Rohling 1 1 wird nun eine Kontaktspitze 12 angelötet, welche vorzugsweise aus einem Kupfer-Wolfram-Verbundwerkstoff besteht, siehe Figur 5, in welcher das Löten symbolisch durch ein Lötwerkzeug 14 angedeutet ist.

In einem letzten Schritt wird in diesen Kontaktstift-Rohling 11 von hinten her ein Innengewinde 13 eingeschnitten, nachdem erforderlichenfalls das hintere Ende des Kontaktstift-Rohlings 1 1 ein Stück weit aufgebohrt worden ist, siehe Figur 6. In das Innengewinde 13 kann eine mit entsprechenden Außengewinde versehene elektrische Anschlussleitung gedreht werden.

Bezugszahlen

1 Kupferzylinder

2 Matrize

3 zylindrischer Hohlraum

4 Stempel

5 Napf

5a Endwand

5b Kupfermantel

6 Leichtmetaiizylinder

7 Presswerkzeug

8 Durchgang

9 Werkzeugöffnung

10 Stempel

1 1 Kontaktstift-Rohling

1 1 a hinterer Abschnitt

1 1 b vorderer Abschnitt

12 Kontaktspitze

13 Innengewinde

14 Lötwerkzeug

15 fester Kern