Kontaktmaterialien für den Einsatz in Leistungsschaltern

Das magische Dreieck

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Kompakte Leistungsschalter (Molded-Case Circuit Breaker/MCCB) stellen wichtige Schalt- und Schutzzentralen in den Knotenpunkten der elektrischen Energieversorgung dar. Sie bieten einen optimalen Schutz bei hoher Wiederverfügbarkeit und kontrollieren bzw. steuern durch ihre ausgereifte Mess- und Auslösetechnik perfekt den Energiefluss. Sie trennen den Stromkreis im Schadensfall innerhalb weniger Millisekunden und gewährleisten betriebsmäßige Schaltungen über eine lange Lebensdauer.

Dipl.-Ing. (FH) Franz Böder ist Mitarbeiter der Produktentwicklung Leistungs-schalter in der Division Industrieautomation bei Moeller GmbH in Bonn (www.moller.net)

Bei aller Langlebigkeit erfordern Leistungsschalter ständige Weiterentwicklungen: Zum einen auf Grund des gestiegenen Kurzschlussniveaus in den Energienetzen und zum anderen auf Grund veränderter Bedürfnisse der Anwender. Moeller bietet seit Jahrzehnten innovative Lösungen. Der Entwicklung der aktuellen Leistungsschalterreihe NZM mit Strömen bis 1600 A ging eine systematische Prüfung und Auswahl geeigneter Kontaktwerkstoffe voraus.
Bedeutung der Kontaktwerkstoffe
Als zentrales Problem in Schaltgeräten erweist sich die Beherrschung des Schaltlichtbogens. Eine Lösung lässt sich jedoch nur in einer in sich stimmigen Systemleistung finden, denn viele Elemente des Leistungsschalters wie Schloss, Auslöser, Kammergehäuse, Kontakt- und Löschsystem müssen unter Berücksich- tigung unterschiedlichster Wechselwirkungen perfekt aufeinander abgestimmt sein.
Ein konstruktives Konzept aus Schloss, Kammergehäuse sowie Kontakt- und Löschsystem als Kontaktapparat ermöglicht eine innovative Schalttechnik mit doppelunterbrechendem Schaltprinzip. Bei diesem System kommt den Kontaktauflagen eine entscheidende Bedeutung zu. Sie müssen die typischen Kontaktierungsaufgaben erfüllen und ebenso den beim Schalten auftretenden, enormen Beanspruchungen widerstehen. An den Kontaktauflagen konzentrieren sich die elektrischen und thermischen Energieumsätze im Stromkreis, die den Hauptanteil der Belastung im Gerät ausmachen. Entsprechend optimal müssen die Eigenschaften der Kontaktwerkstoffe ausgewählt sein.
Aufgaben der Kontaktmaterialien
Kontaktmaterialien in Schaltgeräten haben generell unterschiedliche Aufgaben zu erfüllen. Drei Hauptgruppen lassen sich unterscheiden in:
  • Strom führen – bei geringer, konstanter Erwärmung,
  • Strom schalten – ohne Verschweißungen
  • und hohe Schaltzahlen erreichen – durch geringen Abbrand.
Beim Entwicklungsprozess für die Leistungsschalterreihe NZM hat sich die Kontaktwerkstoff-Kombination Silberwolframkarbid (AgWC) und Silbergraphit (AgC) zur Erfüllung der spezifischen Anforderungen als besonders vorteilhaft erwiesen.
Die Erwärmung wird durch den elektrischen Widerstand bestimmt. Er hängt neben der Kontaktkraft vom Silberanteil ab. AgC besteht überwiegend, AgWC hauptsächlich aus Silber (Ag). Graphit (C) und Wolframkarbid (WC) sind nichtmetallische Stoffe mit geringerer Leitfähigkeit, die jedoch einen ausreichenden Silberüberschuss an der Kontaktoberfläche zulassen. Die Werkstoffkomponenten neigen nur wenig zum Oxidieren, da sie unter Betriebsbedingungen chemisch stabil sind. Dank Wolframkarbid bildet sich beispielsweise keine Wolframat-Fremdschicht. Ausschlaggebend ist die reduzierende Wirkung der sich abspaltenden C-Komponente.
Trotz Silberanreicherung an der Kontaktoberfläche ist die Verschweißneigung gering. Sind die Kontaktflächen infolge Vorbelastung punktuell verschweißt, brechen diese erwünschten Schwachstellen auf und ermöglichen ein einwandfreies Trennen der Kontakte. Das erklärt sich folgendermaßen: Beim Schalten im Silbergraphit-Kontakt geht im flüssigen Ag das eingelagerte C verschiedene chemische Bindungen ein – es bilden sich Verbrennungsgase. Die Gasbildung hinterlässt Hohlräume beim Erkalten und erzeugt ein Gefüge mit verringerter Materialfestigkeit. An der schlecht benetzbaren Oberfläche des AgWC-Kontakts bilden sich lediglich kleine Silberbereiche mit nur geringer Festigkeit.
Bei jedem Schaltvorgang setzt ein Lichtbogen an den Kontakten Energie um. Das führt zum Aufschmelzen und Verdampfen von Kontaktmaterial und macht sich schließlich als Materialverlust bemerkbar. Der Verlust hängt von der Stromstärke und der Dauer der Lichtbogeneinwirkung ab. Die Belastungsbreite reicht von üblichen Betriebsströmen bis zu sehr hohen Kurzschlussströmen. Letztere stellen die extremsten Belastungen dar.
Wolframkarbid zeigt auf Grund seines hohen Schmelzpunkts ein geringes Aufschmelzen und Verdampfen. Bei Belastung tritt somit zuerst Ag aus, es verdampft und kühlt das umgebende Wolframkarbid ab, was selbst verzögert abgetragen wird. Kehrseite dieser Temperaturbeständigkeit ist eine schlechte Beweglichkeit des Lichtbogens.
Bei Silbergraphit entsteht auf Grund des hohen Silberanteils und dem eingelagerten Graphit ein hoher Abbrand. Die Gasbildung dieses Materials erfolgt unter starker Blaswirkung, demzufolge oft flüssiges Silber verspritzt. Im Vergleich zu Wolframkarbid läuft der Lichtbogenfußpunkt auf reinem Silber gut.
Widersprüchliche Eigenschaften
Die Analysen der Kontaktwerkstoffe verdeutlichen, dass sich die Eigenschaften Verschweißresistenz, Erwärmung und Abbrand gegenseitig negativ beeinflussen. Trotz der Vielzahl der Werkstoffe und der noch größeren Anzahl von Kombinationsmöglichkeiten lassen sich praxisbezogene Orientierungshilfen herleiten:
  • Je geringer die Erwärmung bedingt durch ein Maximum an reinem Silber, desto schlechter die Verschweißresistenz und oft auch die Abbrandfestigkeit.
  • Je besser die Verschweißresistenz, bedingt durch ein Maximum an Materialverlust, desto schlechter ist die Abbrandfestigkeit und oft auch die Erwärmung.
  • Je geringer der Abbrand bedingt durch hochtemperaturfeste Materialien, desto schlechter erweist sich in der Regel die Erwärmung und die Verschweißsicherheit.
Weitere Auswirkungen der Kontaktmaterialien
Wann sich nach einem Schaltvorgang die Schaltstrecke wieder verfestigt, hängt neben weiteren Parametern vor allem vom Kontaktmaterial ab. Das ungünstige Verhalten der eingesetzten Materialien lässt sich jedoch durch eine günstige konstruktive Auslegung kompensieren. Der Abbrand kondensiert an den Kammerwänden als Belag. Im Gerät führen diese Verschmutzungen zu einer verringerten Kriechstromfestigkeit, die jedoch bei der Auslegung der Kriechstrecken berücksichtigt werden kann. Entsprechend der Moeller-internen Forderung nach umweltfreundlichen Produkten zeigen alle beschriebenen Stoffe keine gesundheitsschädigenden Eigenschaften.
Die gesamte technische Entwicklung besteht vereinfacht dargestellt aus Konstruktion, Prüfung und Fertigung. Diese Schritte stehen in gegenseitiger Abhängigkeit; eine Geräteentwicklung ist deshalb zugleich immer auch eine Prozessentwicklung. Folglich werden die gestiegenen Anforderungen in der Fertigung gleichermaßen bei den Einzelkomponenten und bei den Baugruppen beachtet. Dabei gilt es notwendige Anpassungen vorzunehmen, wenn die vom Hersteller angebotenen standardisierten Materialien nicht ausreichen. Dieser Umstand trifft vermehrt auch auf Kontaktmaterialien zu. In diesem Bereich sind Neuentwicklungen jedoch eher selten und aufwendig und daher nur langfristig zu erzielen. Entscheidende Entwicklungen nimmt zumeist die Industrie vor, begleitet von einzelnen Untersuchungen im wissenschaftlichen Bereich.
Entwicklung und Qualitätssicherung
Nach einer getroffenen Vorauswahl finden in Versuchen die ersten Prüfungen an den Prototypen statt, um frühzeitig korrigierend eingreifen zu können. Die Feinabstimmung erfolgt dann schrittweise von der 0-Serie bis zur Serienreife. Gerade in dieser Phase ist eine enge Zusammenarbeit mit dem Kontaktmaterialhersteller wichtig.
Umfangreiche Prüfungen finden entsprechend den internationalen Vorschriften und nach unternehmensinternen, verschärften Vorgaben statt. Für den Qualitätsanspruch bei Moeller reicht das bloße Erfüllen der Norm nicht aus. Erfahrungen aus über fünfzig Jahren sind als Know-how in Prüfhandbüchern gebündelt, die für einen hohen Sicherheitsstandard und hohe Zuverlässigkeit sorgen. Auch bei Kontaktmaterialien verfügt Moeller über einen ausführlichen Prüfkatalog, der vorrangig erschwerte Verschweißsicherheitsprüfungen umfasst. So ist beispielsweise nachzuweisen, dass beim Schaltverhalten in Grenzbereichen kein Verschweißen auftritt. Den praktischen Kundennutzen bilden der Personenschutz und die Absicherung gegen Brand durch ein sicheres Abschalten gefährdeter Stromkreise.
Dem diffizilen Material entsprechend gilt es, die Qualitätssicherung zu gestalten. Anhand der festgestellten technischen Eigenschaften werden Spezifikationen neben anderen notwendigen Voraussetzungen verbindlich in technischen Lieferbedingungen festgeschrieben. Auch in der Produktion werden kontinuierlich fertigungsbegleitende Qualitätsprüfungen durchgeführt. Das garantiert zu jeder Zeit den Erhalt eines hohen Qualitätsniveaus.
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PRAXIS PLUS
Die Bedeutung leistungsfähiger Kontaktwerkstoffe bei Leistungsschaltern ist offensichtlich. Ihre Haupteigenschaften sind Beständigkeit gegen Erwärmung und Abbrand sowie die Verschweißresistenz. Obwohl sich diese Anforderungen in der Regel widersprechen, lässt sich – in der richtigen Kombination und in Abstimmung mit dem konstruktiven Umfeld – allen Erfordernissen ausgewogen entsprechen. Bei den Leistungsschaltern NZM von Moeller kommen die Kontaktwerkstoffe Silberwolframkarbid und Silbergraphit zum Einsatz, mit denen auch die Materialwidersprüche beherrschbar sind und überaus günstige Eigenschaften erzielt werden können. Bei Moeller wird neben den internationalen Vorschriften auch nach Moeller-internen Vorgaben geprüft, was der zusätzlichen Sicherheit und Zuverlässigkeit dient.

Die Bedeutung leistungsfähiger Kontaktwerkstoffe bei Leistungsschaltern ist offensichtlich. Ihre Haupteigenschaften sind Beständigkeit gegen Erwärmung und Abbrand sowie die Verschweißresistenz. Obwohl sich diese Anforderungen in der Regel widersprechen, lässt sich – in der richtigen Kombination und in Abstimmung mit dem konstruktiven Umfeld – allen Erfordernissen ausgewogen entsprechen. Bei den Leistungsschaltern NZM von Moeller kommen die Kontaktwerkstoffe Silberwolframkarbid und Silbergraphit zum Einsatz, mit denen auch die Materialwidersprüche beherrschbar sind und überaus günstige Eigenschaften erzielt werden können.
Die Technische Akademie Wuppertal veranstaltet vom 9. bis 10. Mai 2006 das Seminar „Schaltkontakte in der elektrischen Energietechnik“ (Seminar-Nr. 5112152806). Inhalt der Veranstaltung sind die Themen Werkstoffe, Verbindungstechnik, Prüftechniken, Zuverlässigkeit sowie konstruktive und wirtschaftliche Lösungen.

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Die Technische Akademie Wuppertal veranstaltet vom 9. bis 10. Mai 2006 das Seminar „Schaltkontakte in der elektrischen Energietechnik“ (Seminar-Nr. 5112152806). Inhalt der Veranstaltung sind die Themen Werkstoffe, Verbindungstechnik, Prüftechniken, Zuverlässigkeit sowie konstruktive und wirtschaftliche Lösungen:
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