Optimierung von Kontaktwerkstoffen für den Einsatz in Vakuumleistungsschaltern

Wie in vielen technischen Bereichen ist auch in der Energietechnik eine zunehmende Miniaturisierung und, damit einhergehend, eine stetige Erhöhung der Leistungsdichten zu beobachten. Die Kombination der in modernen Energieversorgungsnetzen an einen Schalter gestellten Anforderungen, wie beispielsweise gutes Abbrandverhalten, hohes Ausschaltvermögen, geringe Rückzündwahrscheinlichkeit sowie kleine Abreißströme variieren in Abhängigkeit der konkreten Anwendung und können mitunter sogar in Widerspruch stehen. Zur Optimierung eines Kontaktwerkstoffes für ein konkretes Anwendungsgebiet ist eine Steigerung des Materialbewusstseins erforderlich. So sind neben einer rein elektrotechnischen Beurteilung des Schaltverhaltens durch äußerlich erfassbare Messgrößen auch metallurgische Untersuchungen an den Schaltkontakten notwendig, die in der Regel mit der Zerstörung der keramischen Schaltkammer einhergehen.

Anstelle der Verwendung einer kommerziellen, hartverlöteten Vakuumröhre wurde daher ein auf CF-Komponenten basierender UHV-Rezipient entworfen, der einen zerstörungsfreien Kontaktwechsel mit anschließender metallurgischer Untersuchung erlaubt. So kann ein unmittelbarer Zusammenhang zwischen Ursache und Wirkung hergestellt werden.

In einem ersten Projektabschnitt wurde eine Modellkammer als Vakuumleistungsschalter für Versuchszwecke ausgelegt, konstruiert und in Betrieb genommen.

Durch eine Kombination aus Drehschieber- und Turbomolekularpumpe erreicht die Versuchskammer innerhalb einer Auspumpzeit von 2 Stunden Absolutdrücke im Bereich des UltraHochVakuums (UHV). Zur Bereitstellung einer möglichst realitätsnahen Kontakt-Öffnungsbewegung und gleichzeitig hoher Zuverlässigkeit wurde die Versuchskammer mit einem kommerziellen Federspeicherantrieb mit hohem Energieinhalt kombiniert.

In einem Folgeabschnitt wurde das Löschvermögen eins Standardmaterials unter den konkreten Testbedingungen des Modellschalters und des Prüfkreises ermittelt und statistisch abgesichert. Die Erkenntnisse zum Löschvermögen dieses Materials sollen im Anschluss als Referenz und Bezugsnormal für

Derzeit stehen metallurgische Aspekte wie

• Gasgehalt,
• Mikrostruktur und
• Morphologie

des Materials im Fokus. Aktuelle Ergebnisse legen mitunter erhebliche Einflüsse auf das Schaltverhalten nahe.

Das Projekt wird im Rahmen einer interdisziplinären Arbeitsgruppe bearbeitet. Die langfristige Zielsetzung besteht in der Schaffung eines Verständnisses für die grundlegenden Korrelationen zwischen den Eigenschaften des Kontaktmaterials und deren elektrotechnischen Auswirkungen auf die Schalteigenschaften. Die Steigerung des Ausschaltvermögens, eine der zentralen Anforderungen an Leistungsschalter, stellt ein unmittelbares Forschungsziel dar.