具有可焊接设计的铜开关触头的真空断路器的制作方法

1.本发明涉及一种用于制造用于真空断路器的电开关接触装置的方法，其中该方法至少包括以下步骤：a)提供两个由铜或铜合金制成的电接触件；b)用铝或铝合金涂覆电接触件，其中接触件的涂层通过冷气喷涂方法实现；c)将在方法步骤b)中涂覆的侧面分别与电流过渡触头焊接；和d)将在方法步骤b)中获得的单元布置在真空断路器内。此外，本发明还涉及一种用于真空断路器的电开关接触装置，其具有按照根据本发明的方法制造的接触件。


背景技术：

2.由于在能源转型的过程中，电能的产生地点和消耗地点之间的距离变得越来越大，因此对高电流或高电压的安全且低维护的控制目前变得更加重要。由此，越来越大的电流量被引导通过现有的基础设施，这对整个系统的易受干扰性产生特别大的影响。为了应对这种情况，更安全且更低维护的单个部件是一个基本要求。
3.用于通断中压和高压的真空断路器早已属于现有技术。这种结构形式是鲁棒的并且已经证明特别适用于高电流的吸收。然而相反不利的是，由于吸收高的关断电流和出现的电弧等离子体的与之关联的高的力量，仅特定的材料适合于开关触头。根据这些结构上的边界条件，恰恰对于这些处于电流的直接开关路径上的构件产生了仅非常有限的材料选择并且相应地仅产生了有限的制造可能性。因此，例如真空开关管的接触销基于热特性和电特性优选地由铜或铜合金制成，铜或铜合金于是仅能够非常受限地通过螺旋连接或夹紧连接与真空断路器的其他组成部分机械地连接。这些纯机械的紧固可能性可能是繁琐的并且容易发生故障。
4.在专利文献中还涉及用于改进真空断路器的电触头的结构的不同方法。
5.因此，例如ep 0 203 367 a1描述了一种用于真空开关的接触装置，其具有两个彼此同轴地相对布置的并且能够在其轴向方向上相对于彼此运动的触头，触头分别由具有接触面的盘形接触件和在接触件之后间隔开的、由导电性良好的材料制成的盘构成，导电性良好的材料直接与中央的馈电销连接并且通过其具有圆形的凹部和缝隙的造型实现径向和方位角地延伸的导电体并且由此实现用于产生轴向磁场的器件，其中，电流从馈电销经由盘的导电体被引导至接触件，其特征在于以下特征：a)缝隙从盘的圆周出发切向地延伸到圆形的留空部上，b)用于在盘和接触件之间引导电流的接片分别由缝隙和留空部限定，c)彼此相对布置的触头方位角地被定向为，使得两个相对置的盘的圆形的留空部在轴向方向上重合，相反地，相关联的切向的缝隙仅在盘的外径上彼此相对置。
6.此外，de 3 347 550 a1公开了一种由铬和铜构成的复合材料，特别是用于能量技术的中压至高压的真空开关中的电接触件，其中，该材料由浸渍有铜或铜合金的铬骨架构成，其中，该材料包含碳，该碳部分地以游离的石墨的形式并且部分地以金属碳化物的结合形式存在，为此，铬骨架附加地具有0.05％至2％质量份的量的金属镍、钴或铁中的一种或多种的含量。
7.ep 1 831 903 b1公开了一种真空开关室，该真空开关室具有第一接触件和第二接触件，第一接触件和第二接触件用于开关在接通的切换状态中流过真空开关室的电流，并且具有至少一个包含工作介质的热管，该热管用于导出在真空开关室中由电流产生的热量，其中，热管包括热管的被称为蒸发器的区段和被称为冷凝器的区段，其中，热管具有可柔性变形的区段。
8.然而，这种由现有技术已知的用于改进真空断路器的电触头的电和机械特性的解决方案还能够提供进一步的改进潜力，特别是在接触件与真空开关室的其他部件的机械和电连接方面。


技术实现要素：

9.本发明要解决的技术问题是，至少部分地克服由现有技术已知的缺点。本发明要解决的技术问题尤其是提供一种解决方案，其特征在于将电接触件特别有利地机械地和电地连接到真空开关室的另外的结构上。
10.根据本发明，上述技术问题的解决方案至少部分地通过具有权利要求1的特征的方法以及通过具有权利要求7的特征的电接触装置来实现。
11.因此，本发明涉及一种用于制造用于真空断路器的电开关接触装置的方法，该电开关接触装置包括两个能够彼此接触的电接触件，其中，该方法至少包括以下步骤：
12.a)提供由铜或铜合金制成的两个电接触件；
13.b)分别用铝或铝合金涂覆电接触件的至少一个侧面，其中，接触件的涂层通过冷气喷涂方法实现，并且至少一个涂覆的侧面与两个接触件的接触侧面相对置；
14.c)将接触件的在方法步骤b)中用铝涂覆的侧面分别与电流过渡触头焊接；
15.d)将在方法步骤b)中获得的由接触件和电流过渡触头构成的单元布置在真空断路器内。
16.出人意料地发现，接触件通过由冷气喷涂的铝形成的层机械连接到真空开关室的其他构件上，导致特别长寿命且低维护的真空开关室。因此，到目前为止由现有技术已知的夹紧连接或螺纹连接是多余的，并且有利地通过经由焊接的连接在接触件与电流导出体之间产生更电均匀的接触位置。在根据本发明的设计方案中，高电压或高电流的导出通过接触件到电流导出体的均匀连接来实现，从而可以均匀地导出出现的电场和磁场。这在由现有技术已知的设计方案中更困难，其中接触件不对称地连接到电流导出体上。由此总是能够在电流的导出中形成优先方向，该优先方向能够导致接触件的特定区域的磨损增加。另外的优点在于，冷气喷涂的铝涂层是非常致密的，从而即使在运行中也可以在长的使用寿命期间保证真空开关管的真空。接触件通过焊接与电流导出体的连接在机械上可以承受很大程度的负荷，从而可以延长真空开关管的可靠的使用寿命。
17.根据本发明的方法是用于制造用于真空断路器的电开关接触装置的方法，该电开关接触装置包括两个可彼此接触的电接触件。真空开关管通常由圆柱形的、抽空的、绝缘的陶瓷壳体构成，在该陶瓷壳体中存在两个开关触头。两个开关触头中的一个是固定的，而另一个开关触头可运动地进行布置。陶瓷壳体的端部在端面上被金属化并且与金属法兰焊接。为了将可动触头的运动从真空室的外部传递到内部，该可动触头通过金属波纹管与壳体连接。为了在开关过程期间没有蒸发的接触材料积聚在陶瓷的内表面上并且因此可能削
弱绝缘，在接触的区域中安装有由铜或不锈钢制成的金属蒸汽屏蔽罩。根据实施变型方案，金属蒸汽屏蔽罩可以是无电位的或与其中一个触头连接。为了进行保护，金属波纹管同样可以设有帽。为了避免在从陶瓷到金属端部法兰的过渡处的介电问题，可以集成相应的屏蔽罩。两个接触件形成开关接触装置的部件，并且可以根据两个接触件的间距彼此接触或彼此不接触。电流导出体也还可以属于开关接触装置，该电流导出体继续传导通过接触件传导的电流。
18.在方法步骤a)中，提供两个由铜或铜合金制成的电接触件。电接触件在此完全由铜构成或者也可以包括铜合金。例如，铬含量为例如25至50％的铜和铬的合金也被证明是合适的。根据本发明，原则上可能的是，仅一个接触件装备有根据本发明的铝合金。然而，已经证明明显更有效的是，根据本发明，真空开关管的两个接触件都装备有铝涂层。在此，接触件可以具有任何几何形状。然而，圆柱形的几何形状已经证明是特别有利的，圆柱形的几何形状分别具有两个端侧以及外壳面。一个端侧在真空开关管的运行时负责与另外的接触件的机械和电接触，而接触件的另一个端侧则根据本发明装备有铝涂层并且焊接到电流导出体上。
19.在方法步骤b)中，分别用铝或铝合金涂覆电接触件的至少一个侧面，其中，接触件的涂层通过冷气喷涂方法实现，并且至少一个涂覆的侧面与两个接触件的接触侧面相对置。冷气喷涂或冷气喷洒是一种用于金属的涂覆方法，其中粉末状的金属材料、金属合金以高速施加到基材上。由于粉末的高动能，其与基材结合。气体优选地可以是氮气，并且氮气通过高的压力并且借助喷嘴加速到超音速。气体射流的加热可以提高气体的流动速度并且因此也可以提高颗粒速度。同样与此相关联的颗粒加热可以引起其在撞击时的变形。然而，在冷气喷涂时，气体温度明显低于所用粉末的熔化温度，使得金属颗粒在气体射流中不发生熔化。令人惊讶的是，这种技术也可以用于真空开关管的构造中，并且可以借助这种技术产生能够承受由出现的电流和电压引起的极端负荷的层。附加地，无法预见的是，可通过该涂覆技术制造的涂层也适用于真空中的使用。电负荷和环境条件的结合先验地不适合这种技术的使用。就此而言，借助冷气喷涂至少涂覆一个或多个开关触头的背侧，其中，背侧是指不具有与另外的开关触头的直接接触的一侧。开关触头的背侧与电流过渡触头连接，该电流过渡触头将开关触头与电网的其他组成部分电连接。
20.具有窄的颗粒大小分布的、由铝或铝合金制成的粉末例如可以适合于涂覆。因此，例如，具有在10与250μm之间的d50值(借助动态光散射测量)周围的单分散大小分布的铝粉末被证明是特别合适的。这些粉末可以形成特别能够承受机械负荷的层，并且这些层此外仅具有很小比例的空气夹杂物。这可以有助于在真空管内保持尽可能好的真空。
21.在方法步骤c)中，将接触件的在方法步骤b)中涂覆有铝的侧面分别与电流过渡触头焊接。因此，各个接触件与相应的电流过渡触头的机械和电连接不是通过铜层而是通过根据本发明的以冷气喷涂方法施加的铝层进行。铜层或铜合金层与电流过渡触头的直接焊接在技术上是不可能的，该电流过渡触头通常也可以由铜构成。在此，铝层与电流过渡触头的焊接可以通过由现有技术已知的焊接方法进行。
22.在方法步骤d)中，将在方法步骤b)中获得的由接触件和电流过渡触头构成的单元布置在真空断路器内。在通过焊接方法将接触件和电流过渡触头连接在一起之后，可以将由接触件和电流过渡触头构成的单元安装到真空断路器的真空室中。此外，真空断路器的
其他组成部分、例如金属波纹管或端部密封件可以以任何方式与单元连接。在此，在安装之后，焊接连接可以位于真空室的内部或外部。这作为接触件和电流过渡触头的几何形状的功能产生。
23.在该方法的优选的实施方式中，在方法步骤b)中，除了与接触侧面相对置的侧面之外，也可以通过冷气喷涂方法用铝或铝合金涂覆两个接触件的与该侧面邻接的区域。根据本发明，接触件在与电流导出体的期望连接位置处设有铝涂层。除了该连接位置的涂层之外，已经证明特别合适的是，接触件的附加的表面也设置有铝涂层。适合于此的邻接区域例如是接触件的外壳区域。如果接触件例如被圆柱形地构型，则涂层一次地施加到端侧上并且至少还施加到与其邻接的圆柱外壳的一部分上。该涂层可以有助于改善接触件的电性能。此外，该设计方案能够实现接触件的端侧的更均匀的涂层。
24.在该方法的另外优选的设计方案中，在方法步骤b)中，可以以恒定的层厚度对与接触侧面相对置的侧面进行涂覆。为了获得在电流导出体和接触件之间的连接位置的尽可能均匀的机械和电特性，已经证明以恒定的层厚度涂覆接触件是特别合适的。在层厚度在所考虑的表面(例如端侧)上变化小于10％的情况下，假定层厚度恒定。用于电流导出体与接触件之间的可靠连接的通常合适的层厚度范围可以在500μm与例如3cm之间。
25.在该方法的优选方面的范围内，冷气喷涂的铝涂层可以在施加之后被机械加工。为了在焊接过程的范围内获得尽可能可再现的强度，已经证明特别合适的是，施加的铝涂层还经受另外的机械加工步骤。该机械加工步骤例如可以包括通过磨削工艺使层平滑。但也可能的是，铝层的厚度通过剥蚀工艺稍微减小。为此，例如该层的车削或研磨可以是合适的。然而，铝涂层也可以例如通过平滑工艺获得特别合适的低的表面粗糙度，这导致在焊接过程的范围内改进的机械粘附性。
26.在该方法的另外优选的设计方案中，方法步骤c)中的焊接方法可以是电子束焊接方法。通过电子束焊接方法将施加的铝涂层连接到另外的电流过渡触头或电流导出体已被证明在连接的机械和电气特性方面是特别合适的。电子束焊接方法尤其可以导致两个部分之间的连接特别均匀地形成，这也可以有助于特别均匀地导出真空开关室内的电流。此外，通过均匀连接可以特别有利地吸收出现的机械力。
27.在该方法的优选特征中，电流过渡触头的可焊接的表面可以具有部分镀银的接触面。为了改善通过由电流导出体或电流过渡触头和接触件构成的单元的电流传导，已经证明有利的是，电流过渡触头在与接触件的铝涂层的接触面上具有镀银的区域。电流过渡触头上的镀银的面积优选地可以为电流过渡触头的总面积的5％至25％的大小。
28.此外，根据本发明的是一种用于真空断路器的电开关接触装置，其中，该电开关接触装置包括两个相对置的接触件，这些接触件分别由至少一个两层金属复合材料制成，该两层金属复合材料具有一层铜和一层铝或其合金，其中，这些接触件的彼此相对取向的表面分别具有铜层，并且这些接触件的背向铜层的表面分别具有铝层，其中，按照根据本发明的方法获得电开关接触装置的一个或两个开关接触件，并且接触件分别与真空断路器的电流过渡触头焊接。因此，用于真空断路器的电开关接触装置具有两个接触件，其中，接触件分别单独地具有借助冷气喷涂方法施加的层。所述另外的铝层非常好地粘附在铜上，并且通过焊接方法与另外的电流导出体焊接。通过该设计方案取消了通常实施的用于连接接触件和电流导出体的措施、例如螺纹连接或夹紧连接。在接触件和电流导出体之间获得均匀
的粘附，该粘附尤其也导致，在开关时出现的电流均匀且均质地通过接触件和电流导出体导出。对于根据本发明的开关接触装置的其他优点，也明确地参考根据本发明的方法的优点。
29.在电开关接触装置的优选的设计方案中，铝涂层在与接触侧面相对置的侧面和/或外壳面上的层厚度可以大于或等于1mm并且小于或等于20mm。铝涂层的这些层厚度已被证明对于将接触件机械持久地且电有利地连接到电流导出体上是有效的。得到一种低维护的真空断路器，其电性能通过引入的铝层仅略微降低。较小的层厚度可能是不利的，因为在这种情况下，不会出现用于焊接的足够的层厚度。较大的层厚度可能是不利的，因为在这种情况下，由接触件和电流导出体构成的单元的电特性明显降低。
30.在电开关接触装置的优选的实施方式内，铝涂层在与接触侧面相对置的侧面上的层厚度可以大于或等于2.5mm且小于或等于20mm，并且在外壳面上的涂层可以大于或等于1mm且小于或等于7.5mm。为了获得尽可能均匀的涂层，已经证明有利的是，接触件的端侧以及外壳面都被涂覆。在此尤其有利的是，接触件的外壳层上的层厚度没有达到与端面上的涂层相同的厚度。厚度上的这种差异可以有助于特别有利地导出在由接触件和电流导出体或电流过渡触头构成的单元的区域中出现的电流。
31.根据电开关接触装置的另外优选的方面，接触件的铜层和铝层之间的厚度比(表示为厚度(铜)/厚度(铝)的商)可以大于或等于4并且小于或等于15。为了获得尽可能性能卓越的开关，已经证明有利的是，保持接触件的厚度与所施加的铝层的厚度之间的关系的上述范围。通过该关系基本上不降低电性能，并且获得由接触件和电流导出体构成的单元的改善的机械性能。
32.关于开关装置的其他优点和技术特征，参考开关装置的描述、附图和对附图的描述，反之亦然。
附图说明
33.本发明的主题的其他细节、特征和优点由从属权利要求以及由附图的以下描述和相关联的示例给出。附图中：
34.图1以俯视图示出了根据现有技术的真空断路器的组件的示意性概览图；
35.图2以横截面示出了根据现有技术的真空断路器的组件的示意性概览图；
36.图3以横截面示出了根据本发明的真空断路器的组件的示意性概览图；
37.图4示出了两个接触件的示意性概览图，两个接触件分别在端侧上并且部分地在外壳面上具有铝涂层；
38.图5以横截面示出了由两个根据本发明的单元构成的接触装置的示意性概览图，该单元由接触件和电流导出体构成。
具体实施方式
39.图1示意性示出真空断路器1的结构。真空断路器1具有两个接触件4、5，其中一个接触件可运动地进行布置，并且其中一个接触件固定地进行布置。除了其他组件之外，真空断路器1还具有金属蒸汽屏蔽罩2和外部绝缘体3。接触件4经由电流导出体6与另外的电网连接。接触件5利用电流导出体7与另外的电网连接。接触件4、5例如可以通过夹紧连接或螺
纹连接分别与相应的电流导出体6、7连接。
40.图2同样示意性示出了真空断路器1的结构。真空断路器1具有两个接触件4、5，其中，在该示例中，接触件4可运动地进行布置并且接触件5固定地进行布置。除了其他组件之外，真空断路器1还可以具有金属蒸汽屏蔽罩2、金属波纹管8、用于金属波纹管8的保护帽9和外部绝缘体3。接触件4经由电流导出体7与另外的电网连接。接触件5利用电流导出体6与另外的电网连接。接触件4、5例如可以通过夹紧连接或螺纹连接分别与相应的电流导出体6、7连接。
41.图3示意性示出了根据本发明的真空断路器1的结构。真空断路器1包括两个接触件4、5，其中，在该示例中，接触件4可运动地进行布置并且接触件5固定地进行布置。除了其他组件之外，真空断路器1还可以具有金属蒸汽屏蔽罩2、金属波纹管8、用于金属波纹管8的保护帽9和外部绝缘体3。接触件4经由电流导出体7与另外的电网连接。接触件5利用电流导出体6与另外的电网连接。接触件4、5在其端侧或端面上分别具有冷气喷涂的铝涂层10。通过该冷气喷涂的铝涂层10，相应的接触件4、5通过焊接连接11机械地连接到相应的电流导出体或电流过渡触头6、7。得到在机械上极其稳定的单元，其经受明显更少的机械干扰和故障。此外，通过接触件4、5的尺寸相对于铝涂层10的厚度得出由接触件4、5和电流导出体6、7构成的单元的非常好的电特性。在该设计方案中，焊接连接位置11位于真空室内部。也可以将焊接位置11中的一个布置在真空室内部，并且将焊接位置11中的一个布置在真空室外部。
42.图4示意性示出了根据本发明的接触件4、5，所述接触件分别具有冷气喷涂的铝涂层10。涂覆均匀地进行，其中在此可以看出，接触件的端侧以及外壳层都被涂覆。该涂层可以有助于真空断路器1的特别有利的电气和机械特性。
43.图5示意性示出了根据本发明的用于连接接触件4、5和电流导出体6、7的设计方案。在该图中分别示出了冷气喷涂的铝涂层10和到电流导出体的焊接连接11。在该设计方案中，焊接连接位置11位于真空室外部。
44.附图标记列表
[0045]1ꢀꢀꢀꢀ
真空断路器
[0046]2ꢀꢀꢀꢀ
金属蒸汽屏蔽罩
[0047]3ꢀꢀꢀꢀ
绝缘体
[0048]4ꢀꢀꢀꢀ
可运动的接触件
[0049]5ꢀꢀꢀꢀ
固定的接触件
[0050]6ꢀꢀꢀꢀ
电流导出体
[0051]7ꢀꢀꢀꢀ
电流导出体
[0052]8ꢀꢀꢀꢀ
金属波纹管
[0053]9ꢀꢀꢀꢀ
保护帽
[0054]
10
ꢀꢀꢀ
冷气喷涂的铝涂层
[0055]
11
ꢀꢀꢀ
焊接连接