DE2539013B2 - Material for extinguishing chambers - Google Patents
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
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- H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
- H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
- H01H33/70—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid
- H01H33/76—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid wherein arc-extinguishing gas is evolved from stationary parts; Selection of material therefor
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A62—LIFE-SAVING; FIRE-FIGHTING
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- A62C3/00—Fire prevention, containment or extinguishing specially adapted for particular objects or places
- A62C3/16—Fire prevention, containment or extinguishing specially adapted for particular objects or places in electrical installations, e.g. cableways
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Description
2 ZnO ■ 3 B2O3 ■ 3 y H2O2 ZnO ■ 3 B 2 O 3 ■ 3 y H 2 O
aufweist und dasSilikonharz,daseinbasisches Monomeres gemäß der Strukturformeland the silicone resin comprising the monobasic monomer according to the structural formula
CH3-, -SiOCH 3 -, -SiO
enthält, istcontains is
5. Material für Lichtbogenkammern nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung wenigstens 40 Gewichts-% des Materials ausmacht.5. Material for arc chambers according to claim 4, characterized in that the Compound constitutes at least 40% by weight of the material.
6. Material für Löschkammern nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung wenigstens 50 Gewichts-% des Materials ausmacht.6. Material for arcing chambers according to claim 4, characterized in that the connection is at least 50% by weight of the material matters.
7. Material für Löschkammern nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung etwa 65 Gewichts-% des Materials ausmacht.7. Material for arcing chambers according to claim 4, characterized in that the compound makes up about 65% by weight of the material.
Die Frfindung betrifft ein Material für Loschkamrnern.The discovery concerns a material for fire chambers.
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; <·% istFor example, from the "Siemens-Zeitschrift" 38th) edition, April 1964, issue 4. Pages 225 to 228, it is known to use sulfur hexafluoride (SFh) as a material for arc quenching in switches. This gas is chemically inactive, non-flammable and non-toxic; <·% Is 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 SFaalso strongly electronegative, i.e. its molecules have a high degree of slow ability Capturing electrons and binding them to yourself, what for rapid arc extinction is essential. Since 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 diesemis gaseous, a high-pressure container must be assigned to the switch, which is to be heated at outside temperatures below approx. +13 0 C
ι ο Material naturgemäß nicht möglich.ι ο Material naturally not possible.
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 anderenFrom US-PS 38 81 165, however, it is known to use tungsten oxide (WO 3 ) J as a material for arcing chambers in such a way that it is either bound to a ceramic cement or another 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 dannCarrier in the form of an upper cover applied to parts of extinguishing chamber walls or one Synthetic resin binder, such as methyl methacrylate, is processed into extinguishing chamber parts. Under the auspices of the heat generated by the arc is then used 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-Gaseous tungsten trioxide is released, which has a high Has electron affinity and therefore accelerates arc quenching. Tungsten trioxide bound with methyl methacrylate is, however, a material that can due to a relatively high proportion of coal
2ϊ Stoffatomen auszeichnet2ϊ atoms of matter
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Material für Löschkammern zu schaffen, das dazu geeignet ist zu Lichtbogenschutzschilden, Lichtbogenlöschkammerteilen, Gehäusen elektrischer Geräte und dergleichenThe object of the invention is therefore to create a material for arcing chambers that is suitable for Arc protection shields, arc chamber parts, housings for electrical devices and the like
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 fürjo used or in the form of overcoats on such Parts to be used and which is characterized by even better arc-extinguishing properties To solve this problem, the material for
r> Löschkammern erfindungsgemäß derart beschaffen, daßr> arcing chambers according to the invention such that
a) es unter Lichtbogeneinwirkung elektronegatives Löschgas abgibt,a) it emits electronegative extinguishing gas under the effect of an arc,
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,4 (i b) it from a non-toxic, boiling, sublimation or decomposition temperature of a maximum of 2000 Grade C compound of an element from the group of silver, platinum, gold, tantalum, copper, Cobalt rhenium, boron, palladium, antimony, tellurium,
besteht,consists,
c) dessen chemische Einzelelemente eine erste Ionisierungsspannung aufweisen, die gleich oder größer als die von Silber (7,54 e V) ist,c) the individual chemical elements of which have a first ionization voltage that is equal to or greater than than that of silver (7.54 e V),
-)(i d) und von dessen Atomen maxifrdl 15% C-Atome sind.-) (i d) and of its atoms a maximum of 15% carbon atoms are.
Dazu ist zu bemerken, daß es aus der DE-PS 8 33 386 grundsätzlich bekannt ist, insbesondere bei einemIt should be noted that it is known in principle from DE-PS 8 33 386, especially in one
*>*> 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*> *> so-called hard gas switch, the gas-emitting switch room walls using organic silicon compounds, in particular silicones build up in order to be as free of soot as possible because of the lower carbon content of these substances
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 Wed to achieve surface evaporation of the material. Urea, melamine resin or low molecular chain hetero compounds are used as fillers that release gas under the action of heat, in whose chains the carbon atoms are above
h-» Stickstoffatome oder Sauerstoffatome miteinander verbunden sind. Die lichtbogenlöschenden Eigenschaften dieses Materials sind im Vergleich mit den eingangs genannten Materialien wesentlich geringer.h- »nitrogen atoms or oxygen atoms with each other are connected. The arc-extinguishing properties of this material are in comparison with those at the beginning materials mentioned are significantly lower.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteranspröcnen,Further refinements of the invention are the subject matter of subclaims,
Der Erfindung liegen folgende grundsätzliche Erwägungen zugrunde;The invention is based on the following fundamental considerations underlying;
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.The arc interruption requires manufacture of conditions which promote recombination exceeding ionization. The problem consists in knowing the basic factors that determine the course of these two processes, ionization and recombination.
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 beträgtOne of the factors to consider when selecting materials with arc extinguishing properties is the initial ionization voltage (ionization potential) of each of the constituent materials. The first ionization voltage of an element is the amount of energy that is necessary to transport an electron away from a neutral atom of the element into infinity. The first ionization voltage for silver is 7.54 eV, while the first ionization voltage for aluminum is 538 eV Energy difference of one electron volt is 7730 0 K.
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.Another factor to consider when choosing materials with arc extinguishing properties must is the extent to which the evolved gases are electro-negative. This is in turn a Measure of the affinity of an atom of an element for electrons. Whom: the arc current is zero approaching, it is advisable to put an eleki-O-negative gas in the arc quenching chamber, the difference between cooling and slowing down the electrons captures These electrons would otherwise be accelerated by the increasing, recurring voltage and then cause further ionization and possibly flashback.
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.For this, the boiling, sublimation or decomposition temperature is an additional factor. During the few microseconds that the current passes through zero in an AC system before and after, the arc temperature decreases rapidly until it reaches the temperature of the arc quenching chamber walls, which during the quenching process on the boiling point, Sublimation or decomposition temperature persists. The lower the boiling temperature of the material of the arc extinguishing chamber walls is, the higher the recombination of the ionized particles of the gas that occurs.
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.Endothermic processes develop their effectiveness especially with zero electricity. The energy that is in one endothermic process is absorbed, which to a modest extent in the arc extinguishing chamber expires, can approximate the energy that by the wake of the electric arc in the Arc extinguishing chamber is introduced. This effect, through a favorable, appropriately If the boiling point is supported, it contributes significantly to the success of the arc extinguishing.
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 derWhen an arc-extinguishing material decomposes to release free carbon, it can this carbon can be oxidized to carbon dioxide. The process is exothermic; the timing its process is bad because the exothermic formation of carbon dioxide takes place just when the
ίοίο
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.The arc current approaches zero and the temperature drops as the recombination of ions and dissociated molecules begin. Deposits of free carbon can also cause knee walkways and dielectric defects. However, restricting the arc-extinguishing materials to those τα that do not contain any carbon would mean limiting the choice of materials too narrowly. It has been found that the number of carbon atoms as a percentage of the total number of atoms of an arc extinguishing material should not exceed a value of about 15%. It has also been found that hydrogen is a useful component of the gas medium surrounding an arc, especially when the special application makes it necessary to force the arc to move through a transverse magnetic field.
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.An endothermic decomposition process corresponds to an exothermic process during formation. It is therefore advisable to choose materials whose formula structure is such that the probability of new formation after decomposition is small. Aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and boron oxide (B 2 O 3 ) are materials with such a formula structure. However, aluminum oxide is undesirable as an arc-extinguishing material because the ionization voltage of aluminum is low and the boiling temperature of aluminum oxide is too high 264 and 30 71666, both of which recommend alumina as a good arc extinguishing material.
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,The first ionization voltage of each of the components of a suitable new spark-extinguishing material must accordingly be greater than or equal to 7.54 eV, which corresponds to the first ionization voltage of silver. The atomic concentration of carbon in the material should not be greater than about 15%. The boiling, sublimation or decomposition temperature of the material should be as low as possible with regard to compatibility with the other requirements, preferably of 2000 ° C. The decomposition of the material should take place in a strongly endothermic process; the more endothermic, the better. The decomposition products of the material should be as electronegative as possible with regard to compatibility with the other requirements. The material should also have a formula structure such that the rate of regression after decomposition is negligibly small in the vicinity of the zero crossing of the alternating current, as is the case for 3 2 O 3 or HjBOj. The material should also be non-toxic, non-corrosive, incombustible, easy to work and use, and dimensionally and chemically stable under normal operating conditions. Finally, it should have good thermal conductivity for an electrically insulating material, which is preferably greater than 0.001 calories per second per square centimeter per degree Celsius per centimeter,
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 KlammernOxides, borides, borates, silicates and the ammonium complexes of the elements, their first ionization voltage is equal to or greater than that of silver (7.54 eV) are generally considered to be arc-quenching materials suitable, as are their hydrated forms. A preferred selection of such elements, whose first ionization voltage in brackets
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.is added are; Tantalum (7.70 eV), copper (7.72 eV), Cobalt (7.86 eV), rhenium (7.87 eV), iron (7.90 eV), Tungsten (7.98 eV), silicon (8.15 eV), boron (8.29 eV), Palladium (8.30 eV), antimony (8.64 eV), tellurium (9.01 eV), zinc (9.39 eV) and selenium (9.75 eV), these substances can also be used as fillers in suitable resins, provided that the more atomic The carbon concentration does not exceed the nominal limit of 15%. Silicone resins are quite suitable The use of resins becomes mandatory when the filler material is not in its pure form can be used. So z. B. pure silicon dioxide should not be used because its Boiling temperature is too high, while the use of pure boric acid is impossible because it is water soluble and therefore dimensionally unstable; these materials are, however, when used in suitable resins are quite useful.
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.Beryllium (9.32 eV), arsenic (9.81 eV) and mercury (10.43 eV) have ionization voltages higher than that of Silber Hegen; however, these elements are toxic and therefore undesirable sulfates, nitrates and halogens are also unsuitable because they are toxic.
Silber-, Platin- oder Goldoxide, -Borate und -Silikate mit oder ohne Ammoniumkomplexen wären an sich als lichtbogenlöschende Materialien geeignet, aber teuer.Silver, platinum or gold oxides, borates and silicates with or without ammonium complexes would be suitable as arc extinguishing materials per se, but would be expensive.
Als besonders geeignetes Material mit lichtbogenlöschenden Eigenschaften hat sich ein Material erwiesen, das aus 55,8 Gewichts-%As a particularly suitable material with arc extinguishing Properties has been shown to be a material that consists of 55.8% by weight
2 ZnO · 3 B2O3 2 ZnO 3 B 2 O 3
H2OH 2 O
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:and 44.2% by weight of a dimethyl silicone resin, that is, a basic silicone resin containing a basic monomer which is represented by the following Structural formula is given:
-CH,-,-CH, -,
SiO-l—CH3- SiO-1 — CH 3 -
zusammengesetzt istis composed
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