DE2539013B2

DE2539013B2 - Material für Löschkammern

Info

Publication number: DE2539013B2
Application number: DE2539013A
Authority: DE
Inventors: Joseph Mohamed Khalid; Richard William Niccolls
Original assignee: Square D Co
Current assignee: Schneider Electric USA Inc
Priority date: 1973-05-29
Filing date: 1975-09-02
Publication date: 1980-09-11
Also published as: GB1476241A; FR2232058A1; IT1011885B; DE2539013C3; AU6882974A; DE2539013A1; FR2232058B1

Description

2 ZnO ■ 3 B₂O₃ ■ 3 y H₂O

aufweist und dasSilikonharz,daseinbasisches Monomeres gemäß der Strukturformel

CH₃-, -SiO

enthält, ist

5. Material für Lichtbogenkammern nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung wenigstens 40 Gewichts-% des Materials ausmacht.

6. Material für Löschkammern nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung wenigstens 50 Gewichts-% des Materials ausmacht.

7. Material für Löschkammern nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung etwa 65 Gewichts-% des Materials ausmacht.

Die Frfindung betrifft ein Material für Loschkamrnern.

Beispielsweise aus der »Siemens-Zeitschrift« 38. )hrg., April 1964, Heft 4. Seiten 225 bis 228 ist es bekannt als Material zur Lichtbogenlöschung bei Schaltern Schwefelhexafluorid (SFh) zu verwenden. Dieses Gas ist chemisch inaktiv, unbrennbar und ungiftig; <·% ist außerdem stark elektronegativ, d,h, seine Moleküle haben in hohem Maße die Fähigkeit langsame Elektronen einzufangen und an sich zu binden, was für eine rasche Lichtbogenlöschung wesentlich ist. Da SFa

gasförmig ist, muß dem Schalter ein Hochdruckbehälter zugeordnet werden, der bei Außentemperaturen unter ca. +13⁰C zu beheizen ist Die Herstellung von Lichtbogenlöschkammerteilen etc, oder von gasabgebenden Oberzügen auf solchen Teilen ist mit diesem

ι ο Material naturgemäß nicht möglich.

Aus der US-PS 38 81 165 ist es dagegen bekannt, Wolfraratrioxid (WO₃)J als Material für Löschkammern in der Weise zu verwenden, daß es entweder gebunden an einen keramischen Zement- oder einen anderen Träger in Gestalt eines Oberzuges auf Teile von Löschkammerwandungen aufgebracht oder aber einem Kunstharzbinder, wie Methylmethacrylat zu Löschkammerteilen verarbeitet wird. Unter der Eine ffkung der von dem Lichtbogen erzeugten Wärme wird dann gasförmiges Wolframtrioxyd freigesetzt, das eine hohe Elektronenaffinität aufweist und deshalb die Lichtbogenlöschung beschleunigt Mit Methylmethacrylat gebundenes Wolframtrioxyd ist aber ein Material, das sich durch einen verhältnismäßig hoher Anteil an Kohlen-

2ϊ Stoffatomen auszeichnet

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Material für Löschkammern zu schaffen, das dazu geeignet ist zu Lichtbogenschutzschilden, Lichtbogenlöschkammerteilen, Gehäusen elektrischer Geräte und dergleichen

jo verwendet oder in Gestalt von Oberzügen auf solchen Teilen eingesetzt zu werden und das sich durch noch verbesserte lichtbogenlöschende Eigenschaften auszeichnet Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Material für

r> Löschkammern erfindungsgemäß derart beschaffen, daß

a) es unter Lichtbogeneinwirkung elektronegatives Löschgas abgibt,

4(i b) es aus einer ungiftigen, eine Siede-, Sublimationsoder Zersetzungstemperatur von maximal 2000 Grad C aufweisenden Verbindung eines Elementes aus der Gruppe Silber, Platin, Gold, Tantal, Kupfer, Kobalt Rhenium, Bor, Palladium, Antimon, Tellur,

Zink und Selen, sowie einem Silikonharz als Binder

besteht,

c) dessen chemische Einzelelemente eine erste Ionisierungsspannung aufweisen, die gleich oder größer als die von Silber (7,54 e V) ist,

-)(i d) und von dessen Atomen maxifrdl 15% C-Atome sind.

Dazu ist zu bemerken, daß es aus der DE-PS 8 33 386 grundsätzlich bekannt ist, insbesondere bei einem

*>*> sogenannten Hartgasschalter die gasabgebenden Schaltraumwandungen unter Verwendung von silicoorganischen Verbindungen insbesondere Silikonen aufzubauen, um wegen des geringeren Gehaltes an Kohlenstoff dieser Substanzen eine möglichst rußfrei

Mi erfolgende Oberflächenverdampfung des Materials zu erzielen. Als Füllstoffe, die unter Hitzeeinwirkung Gas abgeben, sind Harnstoff, Melaminharz oder niedrig molekulare kettenförmige Hetroverbindungen verwendet, in deren Ketten die Kohlenstoffatome über

h-» Stickstoffatome oder Sauerstoffatome miteinander verbunden sind. Die lichtbogenlöschenden Eigenschaften dieses Materials sind im Vergleich mit den eingangs genannten Materialien wesentlich geringer.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteranspröcnen,

Der Erfindung liegen folgende grundsätzliche Erwägungen zugrunde;

Die Lichtbogenunterbrechung erfordert die Herstellung von Bedingungen, welche eine die Ionisation übersteigende Rekombination fördern. Das Problem besteht darin, die grundsätzlichen Faktoren zu kennen, die den Ablauf dieser beiden Vorgänge, der Ionisation und der Rekombination, beherrschen.

Einer der Faktoren, der bei der Auswahl von Materialien mit lichtbogenlöschenden Eigenschaften beachtet werden muß, ist die erste Ionisierungsspanmmg (Ionisierungspotential) jedes der Materialbestandteile. Die erste Ionisierungsspannung eines Elementes ist der Energiebetrag, der notwenig ist, ein Elektron von einem neutralen Atom des Elementes weg ins Unendliche zu transportieren. Bei Silber beträgt die erste Ionisierungsspannung 7,54 eV, während die erste Ionisierungsspannung für Aluminium 538 eV beträgt Um die Bedeutpng einer Differenz von 1 eV zwischen den ersten lonisierungsspannungen zweier Elemente abschätzen zu können, ist zu bemerken, daß die Temperaturdifferenz zwischen zwei Teilchen mit einer Energiedifferenz von einem Elektronenvolt 7730⁰K beträgt

Ein weiterer Faktor, der bei der Wahl von Materialien mit lichtbogenlöschenden Eigenschaften beachtet werden muß, ist das Maß, in dem die entwickelten Gase elektro-negativ sind. Dieses ist nämlich seinerseits ein Maß für die Affinität eines Atoms eines Elementes für Elektronen. Wem: der Lichtbogenstrom sich Null nähert, ist es zweckmäßig, ein eleki-O-negatives Gas in der Lichtbogenlöschkammer zu haben, das dif sich abkühlenden und langsamer werdfr-den Elektronen einfängt Diese Elektronen würden nämlich sonst durch die ansteigende wiederkehrende Spannung beschleunigt werden und sodann eine weitere Ionisation und möglicherweise eine Rückzündung hervorrufen.

Dafür ist als zusätzlicher Faktor noch die Siede-, Sublimations- oder Zersetzungstemperatur von Bedeutung. Während der wenigen Mikrosekunden, die dem Nulldurchgang des Stromes in einem Wechselstromsystem vorhergehen und nachfolgen, nimmt die Lichtbogentemperatur rasch soweit ab, bis sie die Temperatur der Lichtbogenlöschkammerwandungen erreicht, die während des Löschvorgangs etwa auf der Siede-, Sublimations- oder Zersetzungstemperatur verharrt. Je tiefer die Siedetemperatur des Materials der Lichtbogenlöschkammerwandungen ist, umso höher ist die auftretende Rekombination der ionisierten Teilchen des Gases.

Endotherme Prozesse entwickeln ihre Wirksamkeit insbesondere beim Strom Null. Die Energie, die in einem endothermen Prozeß absorbiert wird, welcher in bescheidenem Rahmen in der Lichtbogenlöschkammer abläuft, kann sich etwa der Energie annähern, die durch den dem Lichtbogen nachfolgenden Nachstrom in die Lichtbogenlöschkammer eingebracht wird. Dieser Effekt, der durch eine günstige, zweckentsprechend liegende Siedetemperatur unterstützt wird, trägt wesentlich zum Erfolg der Lichtbogenlöschung bei.

Wenn ein lichtbogenlöschendes Material sich unter Freisetzung von freiem Kohlenstoff zersetzt, kann dieser Kohlenstoff zu Kohlendioxid oxidiert werden. Der Prozeß ist exotherm; die zeitliche Abstimmung seines Ablaufes ist schlecht, weil die exotherme Bildung von Kohlendioxid gerade dann stattfindet, wenn der

ίο

Ljehtbogenstrom sich Null nähert und dje Temperatur abfällt, sowie die Rekombination von Ionen und dissoziierten Molekülen einzusetzen beginnen. Ablagerungen von freien Kohlenstoffen können außerdem Kn'eehwege und dielektrische Fehler hervorrufen. Die lichtbogenlöschenden Materialien aber auf solche τα beschränken, die keinen Kohlenstoff enthalten, würde eine zu enge Begrenzung der Materialwahl bedeuten. Es wurde gefunden, daß die Zahl der Kohlenstoffatonie als Prozentzahl der Gesamtzahl der Atome eines lichtbogenlöschenden Materials einen Wert von etwa 15% nicht überschreiten sollte. Auch hat sich herausgestellt, daß Wasserstoff eine zweckmäßige Komponente des einen Lichtbogens umgebenden Gasmediums ist, insbesondere dann, wenn der spezielle Einsatzfall es notwendig macht, den Lichtbogen durch ein querverlaufendes Magnetfeld zwangsweise zu bewegen.

Ein endothermer Zersetzungsprozeß entspricht einem exothermen Prozeß bei der Bildung. Es ist deshalb zweckmäßig, Materialien zu wählen, deren Formelaufbau derart ist, daß die Wahrscheinlichkeit der Neubildung nach der Zersetzung klein ist Aluminiumoxid (Al₂O₃) und Boroxid (B₂O₃) sind Materialien mit einem solchen Formelaufbau. Aluminiumoxid ist aber als lichtbogenlöschendes Material deshalb unerwünscht, weil die Ionisierungsspannung von Aluminium niedrig ist und die Siedetemperatur von Aluminiumoxid zu hoch liegt In dieser Hinsicht geht die Erfindung einen gänzlich unterschiedlichen Weg zu dem Stand der Technik, wie er beispielsweise durch die US-PS 27 68 264 und 30 71666 gegeben ist, die beide Aluminiumoxid als ein gutes lichtbogenlöschendes Material empfehlen.

Die erste Ionisierungsspannung jedes der Bestandtei-Ie eines geeigneten neuen funkenlöschenden Materials muß demgemäß größer oder gleich 7,54 eV sein, was der ersten Ionisierungsspannung von Silber entspricht. Die Atomkonzentration von Kohlenstoff in dem Material sollte nicht höher als etwa 15% sein. Die Siede-, Sublimations- oder Zersetzungstemps;ratur des Materials sollte so tief als dies im Hinblick auf die Verträglichkeit mit den anderen Anforderungen möglich ist, liegen, vorzugsweise von 2000° C. Die Zersetzung des Materials soll in einem stark endothermen Prozeß geschehen; je endothermer, desto besser. Die Zersetzungsprodukte des Materials sollen so elektronegativ, wie dies im Hinblick auf die Verträglichkeit mit den anderen Anforderungen möglich ist, sein. Das Material soll darüber hinaus einen solchen Formelaufbau aufweisen, daß die Rückbildungsgeschwindigkeit nach der Zersetzung in der Nähe des Nulldurchganges des Wechselstromes verschwindend klein ist, wie dies für 3₂O₃ oder HjBOj gilt. Das Material sollte darüber hinaus ungiftig, nicht korrosiv, unbrennbar, leicht zu bearbeiten und einzusetzen, sowie unter normalen Betriebsbedingungen abmessungsmäßig und chemisch stabil sein. Schließlich soll es eine für ein elektrisch isolierendes Material gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen, die vorzugsweise größer als 0,001 Kalorien pro Sekunde pro Quadratzentimeter pro Grad Celsius pro Zentimeter ist,

Oxide, Boride, Borate, Silikate und die Ammonium-Komplexe der Elemente, deren erste lonisationsspannung gleich oder größer als die von Silber (7,54 eV) ist, sind im allgemeinen als lichtbogcnlöschende Materialien geeignet, was auch für ihre hydratisierten Formen gilt. Eine bevorzugte Auswahl solcher Elemente, deren erste lonisierungsspannung jeweils in Klammern

hinzugefügt ist, sind; Tantal (7,70 eV), Kupfer (7,72 eV), Kobalt (7,86 eV), Rhenium (7,87 eV), Eisen (7,90 eV), Wolfram (7,98 eV), Silizium (8,15 eV), Bor (8,29 eV), Palladium (8,30 eV), Antimon (8,64 eV), Tellur (9,01 eV), Zink (9,39 eV) und Selen (9,75 eV), Diese Substanzen können auch als Füllstoffe in geeigneten Harzen Verwendung finden, vorausgesetzt, daß die atomere Kohlenstoffkonzentration nicht die Nominalgrenze von 15% über&ohrertet Silikonharze sind durchaus geeignet Die Verwendung von Harzen wird dann zwingend, wenn das Füllmaterial nicht in seiner reinen Form verwendet werden kann. So kann z. B. reines Siliziumdioxid deshalb nicht verwendet werden, weil seine Siedetemperatur zu hoch liegt, während die Verwendung von reiner Borsäure deshalb unmöglich ist, weil sie wasserlöslich und deshalb abmessungsmäßig instabil ist; diese Materialien sind aber bei Verwendung in geeigneten Harzen durchaus brauchbar.

Beryllium (9,32 eV), Arsen (9,81 eV) und Quecksilber (10,43 eV) haben Ionisierungsspannungen, die höher als die von Silber Hegen; diese Elemente sind aber toxisch und deshalb unerwünscht Sulfate, Nitrate und Halogene sind ebenfalls unzweckmäßig, weil sie giftig sind.

Silber-, Platin- oder Goldoxide, -Borate und -Silikate mit oder ohne Ammoniumkomplexen wären an sich als lichtbogenlöschende Materialien geeignet, aber teuer.

Als besonders geeignetes Material mit lichtbogenlöschenden Eigenschaften hat sich ein Material erwiesen, das aus 55,8 Gewichts-%

2 ZnO · 3 B₂O₃

H₂O

und 44,2 Gewichts-% eines Dimethyl-Silikon-Harzes, das ein basisches Silikon-Harzes, das ein basisches Monomeres enthält, welches durch die folgende Strukturformel angegeben ist:

-CH,-,

SiO-l—CH₃-

zusammengesetzt ist

Claims

Patentansprüche:

1. Material für Löschkammern,

a) das unter Uchtbogeneinwirkung elektronegatives Löschgas abgibt,

b) das aus einer ungiftigen, eine Siede-, Sublimations- oder Zersetzungstemperatur von maximal 2000 Grad C aufweisenden Verbindung eines Elementes aus der Gruppe Silber, Platin, Gold, Tantal, Kupfer, Kobalt, Rhenium, Bor, Palladium, Antimon, Tellur, Zink und Selen, sowie einem Silikonharz als Binder besteht,

c) dessen chemische Einzelelemente eine erste Ionisierungsspanriung aufweisen, die gleich oder größer als die von Silber (7,54 e V) ist,

d) und von dessen Atomen maximal 15% C-Atome sind.

2. Material für Löschkammern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es einen solchen strukturellen Formelaufbau aufweist, daß die nach der endothermen Zersetzung auftretende exotherme Rückbildung vernachlässigbar ist

3. Material für Löschkammern nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 1/250 Joule pro Sekunde Quadratzentimeter pro ⁰C pro Zentimeter aufweist

4. Material für Lichtbogenkammern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung die Formel