Vorteile der Verwendung von elastischen Kontakten in der neuen Generation von Vakuumschaltgeräten

Vakuumschalter auf Basis elastischer Kontakte

Ein Vakuumschalter, der Dämpfungselemente aus hochschmelzenden Metallen und eindringbare Eutektikale Legierungen verwendet, kann in Vakuum-Schaltgeräten eingesetzt werden, insbesondere in Systemen, die das Schalten von großen Strömen (z.B. Elektrolyseure für Wasserstoff- und Metallgewinnung) oder schnelles Schalten (z.B. Mittelspannungsgleichstrom) erfordern. Diese sind auch geeignet, um die Schaltleistung bestehender Systeme sofort zu erhöhen, wie zum Beispiel das sichere Erhöhen der unter Last betriebenen Spannungsschalter (OLTC) für Windturbinen-Transformator.

Durch die Verwendung elastischer Kontakte werden die Einschränkungen der Nennstromstärke aufgrund des quadratischen Anstiegs der Kompressionskräfte beseitigt. Folglich können neue Systeme kompakter und kostengünstiger gestaltet werden. Allerdings sind weitere Forschungen und die Einbeziehung dieser Erkenntnisse in Normen notwendig, um ihre Umsetzung zu ermöglichen.

Konzept elastischer Kontakte in Vakuumschaltern

Im Kern sind elastische Kontakte für Vakuumschalter ähnlich wie Drahtgitter-Dämpfer (Abbildung 1), die aus hochschmelzenden Metallen hergestellt und mit niederschmelzenden Legierungen imprägniert sind, die durch eine flüssige Phase Kontakt herstellen. Frühe Literatur bezeichnet sie als zusammengesetzte flüssigmetallische Kontakte, aber dieser Begriff ist nicht definitiv für diesen speziellen Kontakttyp, da die flüssige Phase nur als dünne Schicht an der Oberfläche des hochschmelzenden Drahts existiert.

Im Gegensatz dazu werden die wesentlichen Eigenschaften – Vibrationssicherheit und Kontakt über die gesamte sichtbare Fläche – dank den Eigenschaften des gestrickten Dämpfers erreicht. Das Design der elastischen Kontakte überwindet nicht nur die Einschränkungen traditioneller Kontaktmaterialien in Anwendungen mit hohem Druck und hohen Strömen, sondern gewährleistet auch die Stabilität und Zuverlässigkeit des Betriebs der Ausrüstung. Diese Innovation ist entscheidend, um die Effizienz und Sicherheit von Stromsystemen zu verbessern und bietet einen flexibleren und effizienteren Designansatz für zukünftige Elektrotechnikprojekte.

Durch die Verwendung elastischer Kontakte erreicht die Vakuumschalter-Technologie eine überlegene Leistung und Zuverlässigkeit, was es zu einem wesentlichen Fortschritt für moderne Stromsysteme macht. Weitere Untersuchungen und Standardisierung werden den Weg für eine breitere Anwendung und Integration dieser Technologie in verschiedenen Branchen ebnen.

Vorteile und Herausforderungen elastischer Kontakte in Vakuumschaltern

Diese elastischen Kontakte zeigen keinen träge bedingten Rückprall, können nicht verschweißen, haben kein konventionelles Kontaktwiderstands und, wie später gezeigt wird, sind sie nicht der elektromagnetischen Trennung ausgesetzt. Angesichts dieser bemerkenswerten Eigenschaften könnte man sich fragen, warum solche Materialien noch nicht weit verbreitet in der Elektrotechnik eingesetzt werden.

Haupt-Herausforderungen bei elastischen Kontaktmaterialien in Vakuumschaltern:

1. Fertigungstechnologie: Bis vor kurzem erforderte die Herstellung und Anwendung elastischer Kontaktmaterialien teure Ausrüstung, komplexe thermochemische Prozesse in Wasserstoffatmosphäre und speziell geschultes Personal. Ein wesentliches Problem war die schlechte Haftung von Gallium und seinen Legierungen an Wolfram und andere hochschmelzende Metalle.

2. Mangel an konsolidierten Informationen: Die Forschung zu diesen elastischen Kontakten wurde nicht in einer einzigen Quelle zusammengefasst, was sie für Fachleute weniger zugänglich macht.

3. Mangel an systematischer Forschung: Trotz ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften wurden systematische Studien, die Ingenieuren ermöglichen, diese Materialien effektiv anzuwenden, nicht durchgeführt.

Herstellungsprozess für elastische Kontakte

Die technologische Hürde wurde vom Autor im April 2024 durch die Entwicklung eines einfachen Verfahrens zur Herstellung und Anwendung elastischer Kontaktmaterialien (Patentanmeldung PCTIB2024/054125) adressiert. Dieses Verfahren ist einfacher und in den meisten Fällen wirtschaftlicher im Vergleich zu traditionellen starren Kontakten, die in Vakuum-Schaltgeräten verwendet werden.

Erforderliche Schritte:

1. Herstellung des Dämpfers: Der Dämpfer wird aus gestricktem Draht – typischerweise Wolfram, das früher in Glühbirnen-Filamenten verwendet wurde – oder rostfreiem Stahl hergestellt. In besonderen Fällen können Molybdän, Niob, Rhenium und deren Legierungen verwendet werden. Diese Dämpfer sind von Herstellern leicht verfügbar.

2. Löten: Die Dämpfer werden auf Leiterbahnen gelötet, ähnlich wie starre Kontakte angebracht werden.

3. Impregnation mit niederschmelzender Legierung: Die Dämpfer werden mit einer niederschmelzenden Legierung imprägniert, die unter Betriebsbedingungen flüssig bleibt. Häufig verwendet werden Eutektikale Legierungen von Gallium, Indium und Zinn, oft mit Zusätzen wie Silber, um den Schmelzpunkt zu senken.

Prüfung elastischer Kontakte in Vakuumschaltern

Zur Prüfung der Haltbarkeit wurden Schalttests an einem Vorserien-Vakuumschalter durchgeführt, der speziell für elastische Kontakte entwickelt wurde. Während dieser Tests wurden die Kontakte 200.000 Schaltzyklen bei 250A im AC4-Betriebsmodus durchlaufen, mit Strömen bis zu 600 Ampere und Spannungen bis zu 690 Volt. Überspannungstests zeigten, dass die Überspannungen 2-3 Mal niedriger waren als Standardnormen.

Diese bahnbrechende Methode verspricht, das Feld der Vakuumschalter zu revolutionieren, indem sie überlegene Leistung und Zuverlässigkeit bietet und gleichzeitig Kosten reduziert. Weitere Forschungen und Standardisierungsbemühungen sind notwendig, um diese Technologie in breitere Anwendungen innerhalb der Elektrotechnikindustrie zu integrieren. Durch die Bewältigung der Herausforderungen bei der Produktion und der Verbreitung von Wissen könnten diese innovativen elastischen Kontakte bald ein fester Bestandteil moderner Stromsysteme werden.