Untersuchung des intrinsischen Ausschaltvermögens eines Modellvakuumschalters und der Wechselwirkungen mit der Prüfumgebung zur Optimierung von Kontaktwerkstoffen

In der Entwicklung von Kontaktwerkstoffen für die Anwendung in Vakuumschaltgeräten kann in der Regel kein kausaler Zusammenhang zwischen den Eigenschaften eines Werkstoffes und den Schalteigenschaften eines Schalters hergestellt werden. Die Komplexität der Stromunterbrechung im Vakuum, die Vielzahl der Einflussgrößen zwischen dem Kontaktwerkstoff und dem Schaltverhalten des Schalters sowie die oftmals widersprüchlichen Anforderungen an die Werkstoffeigenschaften verhindern für gewöhnlich die unmittelbare Rückführung einer Veränderung in den Schalteigenschaften auf ihre Ursache. Daher wird der Einfluss geringfügiger Veränderungen in der Herstellung von festphasengesinterten Verbundwerkstoffen, wie beispielsweise der Einfluss von Änderungen in der Werkstoff-Mikrostruktur oder der Chromproduktionscharge, noch immer kontrovers diskutiert.

In der vorliegenden Arbeit werden daher mögliche Einflüsse der Mikrostruktur und der Chromproduktionscharge festphasengesinterter CuCr-Verbundwerkstoffe auf das Ausschaltvermögen eines Modellschalters untersucht und bestmöglich isoliert.

Für einen möglichst direkten Zusammenhang zwischen dem Kontaktwerkstoff und dem Ausschaltvermögen wird auf Magnetfeldkontakte verzichtet, die wiederkehrende Spannung wird auf Werte unter 1 kV begrenzt. Die Komplexität der Stromunterbrechung und die Anzahl der beeinflussenden Parameter werden auf ein Minimum reduziert. Einflüsse aus der Prüfumgebung auf das Ausschaltvermögen werden systematisch ausgewertet, um Störgrößen zu identifizieren, ihren Einfluss zu limitieren und um relative Veränderungen des Ausschaltvermögens einordnen zu können. Die Untersuchung des Ausschaltvermögens der Kontaktwerkstoffe erfolgt schließlich in einer standardisierten und auf Reproduzierbarkeit optimierten Prüfumgebung.

Die Ergebnisse legen nahe, dass das Ausschaltvermögen der Kontaktwerkstoffe unter den gegebenen Versuchsbedingungen auf grundlegende Veränderungen in der Mikrostruktur und der Chromcharge nicht reagiert. Die auftretenden Wiederzündungsmechanismen sind unsensibel für die genannten Veränderungen der Kontaktwerkstoffe.

Zur Bewertung der Ergebnisse werden die Mikrostruktur der Werkstoffe nach den Kurzschlussunterbrechungen sowie die Entladungszustände der Schaltstrecke ausgewertet. Anhand der Wiederzündungszeitpunkte und des Reststromverhaltens der Schaltstrecke werden Rückschlüsse auf mögliche Wiederzündungsmechanismen gezogen. Der kritische Wiederzündungsmechanismus scheint nicht mit "Townsend-ähnlichen" Elektronenlawinen in Verbindung zu stehen, sondern mit oberflächenabhängigen Vorgängen in Zusammenhang mit "liquid protrusions" oder Metalltropfen.

In development of contact materials for vacuum switchgear a causal relationship between the properties of a material and the switching characteristics of a circuit breaker can generally not be established. The complexity of the current interruption in vacuum, the multitude of affecting parameters between the contact material and the switching behaviour of the switch and the often contradictory demands on the material properties usually prevent a direct traceability of a change in the switching properties to its cause. Therefore, the influence of minor changes in the manufacturing of solid phase sintered composites, such as the influence of changes in the material microstructure or the chromium production charge, is still a matter of controversy.

Hence, in the present work possible effects of the microstructure and the chromium production charge of solid phase sintered CuCr composites on the breaking capacity of a model switch are investigated and isolated in the best possible way.

In order to achieve the most direct relationship between the contact material and the breaking capacity, magnetic field contacts are intentionally not used, and the transient recovery voltage is limited to values below 1 kV. Thus, the complexity of the current interruption and the number of affecting parameters are reduced to a minimum. Effects from the test environment on the breaking capacity are explicitly taken into account in order to evaluate relative changes in the breaking capacity and to prevent misinterpretations. The investigation of the breaking capacity of the contact materials itself is carried out in a standardized test environment that has been optimized for best reproducibility of the test results.

The results indicate that the breaking capacity of the contact materials does not react to fundamental changes in the microstructure and the chromium production charge under the given test conditions. The occurring reignition mechanisms are insensitive to the material modifications mentioned above.

To evaluate the results the material microstructure after the short circuit interruptions as well as the arcing modes of the contact gap are analysed. Based on the reignition delay and the residual current behaviour of the contact gap, conclusions are drawn about possible reignition mechanisms. The critical reignition mechanism does not seem to be related to "Townsend-like" electron avalanches, but to surface-dependent processes associated with "liquid protrusions" or metal droplets.