Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen

Eduard Vinaricky (Hrsg.)

Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen

Grundlagen, Technologien, Prüfverfahren

3. Auflage

Unter Mitarbeit von K.-H. Schröder und J. Weiser

ISBN 978-3-642-45426-4 ISBN 978-3-642-45427-1 (eBook)DOI 10.1007/978-3-642-45427-1

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HerausgeberEduard VinarickyPforzheimDeutschland

V

Autorenverzeichnis

Baujan, Guenter, Dipl.-Ing., EATON Industries GmbH, Bonn

Behrens, Volker, Dr. rer. nat., DODUCO GmbH, Pforzheim

Berger, Frank, Prof. Dr.-Ing., TU Ilmenau, Ilmenau

Buresch, Isabell, Dr.-Ing., Wieland-Werke AG, Ulm

Faber, Manfred, Dipl.-Ing., PanTrac GmbH, Berlin

Ganz, Joachim, Dr. rer. nat., DODUCO GmbH, Pforzheim

Heber1, Jochen, Dr. rer. nat., Sur Tec Deutschland GmbH, Zwingenberg

Heinzel, Helmut, Dipl.-Ing., früher DODUCO GmbH, Pforzheim

Horn, Jochen, Dr. rer. nat., füher Tyco Electronics AMP GmbH, Bensheim

Imm, Reinhard, Dr. rer. nat., früher DODUCO GmbH, Pforzheim

Kriechel, Ralph, Dipl.-Ing., EATON Industries GmbH, Bonn

Lindmayer, Manfred, Prof. Dr.-Ing., früher TU Braunschweig

Linnemann, Hartmut, Dipl.-Ing., Miele u. Cie. GmbH. u. Co, Gütersloh

Maute, Uwe, Dipl.-Ing., ELEKTRA Tailfingen, Schaltgeräte GmbH.&Co.KG, Albstadt

Möller, Wolfgang, Dipl.-Ing., früher Marquardt GmbH, Rietheim-Weilheim

1 Während der Verfassung der Beiträge bei DODUCO GmbH, Pforzheim

VI

Saeger, Karl-Erdmann, Dr. rer. nat., früher DODUCO GmbH, Pforzheim

Schreiner, Günter, Dipl.-Ing. (FH), früher ABB STOTZ-KONTAKT GmbH, Heidelberg

Schröder, Karl-Heinz, Prof. Dr.-Ing., früher TU Darmstadt, FH Gelsenkirchen u. Degussa AG, Hanau

Schröther, Gerhard, Dipl.-Ing., früher Siemens AG, Amberg

Thar, Ralf, Dipl.-Ing., EATON Industries GmbH, Bonn

Vinaricky, Eduard, Dr. techn., früher DODUCO GmbH, Pforzheim

Weiser, Josef, Dr. rer. nat., früher Siemens AG, München

Wolf, Johann, Dr. techn., früher Siemens AG, Regensburg

Autorenverzeichnis

VII

Frühere Autoren, deren Beiträge überarbeitet wurden:

Bahrs, Willy, Dipl-Ing., früher Ringsdorff-Werke GmbH, BonnBaumeister, Rudolf, Dipl.-Ing., EATON Industries GmbH, BonnBolz, Jakob, früher EATON Industries GmbH, BonnBorchert, Lothar, Dr. phil., früher Siemens AG, MünchenGroßmann, Hermann, Dr. rer. nat., früher DODUCO KG., PforzheimGyöry, Imre, Prof. Dr. rer. nat., früher Fachhochschule Hagen und INOVAN, Birkenfeld,Harmsen, Ulf, Dipl.-Ing., früher DODUCO KG., PforzheimHuck, Manfred, Dipl-Phys., früher DODUCO KG., PforzheimKaminski, Jan, Dr.-Ing., Deutsches Patentamt MünchenKaspar, Franz, Dr. rer. nat., DODUCO KG., PforzheimKeil, Albert, Prof. Dr. phil. nat., früher TU Karlsruhe und INOVAN, BirkenfeldMayer, Ursula, Dr. rer. nat., früher DODUCO KG., PforzheimMerl, Wilhelm, Dipl.-Phys., früher DODUCO KG., PforzheimMeyer, Carl-Ludwig, Dipl.-Phys., früher DODUCO KG., PforzheimPopa, Heinz-Erich, Dr.-Ing., ABB STOTZ-KONTAKT GmbH, HeidelbergRieder, Werner, Prof. Dr. phil., früher TU WienSchneider Karl-Heinz, Dipl.-Ing., ELEKTRA Tailfingen, Schaltgeräte GmbH.&Co.KG, AlbstadtSchuler, Peter, Dr. rer. nat., früher DODUCO KG., PforzheimStreuli, Max, früher Gummi-Maag AG,Dübendorf, SchweizVermij, L., Dr., früher Holec Nederland BV, Utrecht, HollandWalczuk, Eugeniucz, Prof. Dr.-Ing., TU Lodz, Polen

IX

Vorwort

Der sparsame Einsatz der Edelmetalle Gold, Silber oder Palladium usw., deren Preis hoch und spekulativen Einflüssen unterworfen ist, und die vielfach Basiswerkstoffe für elektri-sche Kontakte sind, sowie die Forderung nach umweltfreundlichen Werkstoffen und Ferti-gungsverfahren prägen nach wie vor die Entwicklung von Werkstoffen und Technologien für elektrische Kontakte. Obwohl elektronische Bauelemente viele Bereiche der Technik beherrschen, z.  B. auch in der Informationstechnik in großem Umfang Schaltaufgaben erfüllen müssen, sind insbesondere in der Energietechnik elektromechanische Schaltkon-takte weiterhin unverzichtbar. Daher besteht sowohl bei den Herstellern von Kontaktwerk-stoffen, den Entwicklern und Konstrukteuren von Schaltgeräten und elektromechanischen Bauelementen als auch bei Lehrenden und Studierenden verschiedener Fachrichtungen ein großes Interesse, sich in das umfangreiche Gebiet der elektrischen Kontakte einzu-arbeiten und auch das Wissen auf diesem Spezialgebiet ständig zu erweitern.

Eine Möglichkeit bot bisher das Buch „Elektrische Kontakte,Werkstoffe und Anwen-dungen“, das im Jahre 2002 als zweite Auflage im Springer-Verlag erschienen war, und das im deutschsprachlichen Raum als Standardwerk gilt. Leider ist dieses Buch seit einiger Zeit vergriffen, und es wurde von verschiedenen Seiten an den Herausgeber der Wunsch nach einer Neuauflage herangetragen. Die nunmehr vorliegende dritte Auflage stellt eine überarbeitete, teilweise neu gestaltete Fassung der vorherigen Auflage dar, die durch neue Erkenntnisse sowohl auf dem Gebiet der elektrischen Kontakte als auch auf dem der Schaltgeräte ergänzt wurde. Letzteres betrifft vor allem die Teile „Werkstoffe“, „Anwen-dungsbeispiele für elektrische Kontakte“ sowie „ Prüfverfahren“.

Im Teil 2 „Werkstoffe“ werden Neu- und Weiterentwicklungen von Kontaktwerkstoffen und -schichten beschrieben. Das neu aufgenommene Kapitel „Umweltaspekte“ gibt einen Überblick über den derzeitigen Stand der gesetzlichen Vorschriften und Verwendungsbe-schränkungen, die beim Einsatz von Werkstoffen beachtet werden müssen. Durch die fort-schreitende Miniaturisierung elektromechanischer Bauelemente gewinnt auch die Wahl des Kontaktträgerwerkstoffes immer mehr an Bedeutung. Aus diesem Grunde wurde das Kapitel „Kupfer und Kupferwerkstoffe“ deutlich erweitert.

X Vorwort

Im Teil 4 „Anwendungsbeispiele für elektrische Kontakte“ wurden die Abschnitte „Photovoltaik“ und „Windkraftanlagen“ im Hinblick auf die sich damit ergebenden ver-änderten Problemstellungen neu aufgenommen. Gerade diese Teilbereiche im Umfeld der erneuerbaren Energien stellen durch das Schalten von Gleichströmen bezüglich der Si-cherheit der allgemeinen Energieversorgung besonders hohe Anforderungen an die Kon-taktstücke in den jeweiligen Schaltgeräten.

Der Teil 4 „Prüfverfahren“ wurde u. a. durch die völlig neuen Kapitel „ Störlichtbogen“ sowie „Simulation“ ergänzt. Mit Hilfe der Simulation lassen sich u. a. dynamische Prozesse, die z. B. bei Schaltvorgängen und insbesondere im Umfeld elektrischer Kontakte ablaufen, analysieren, Dadurch wird es möglich, z. B. die Zeiten, die üblicherweise für die Neuent-wicklung von Schaltgeräten benötigt werden, zu verringern und gleichzeitig das Volumen des Kontaktmaterials, das für eine zuverlässige Kontaktgabe und Schaltfunktion erforder-lich ist, zu minimieren.

Um den bisherigen Umfang des Buches durch Aufnahme zusätzlicher Abschnitte nicht übermäßig anwachsen zu lassen, wurden einige Bereiche des bisherigen Inhaltes in kürze-rer Form dargestellt oder, sofern sie weniger bedeutsame Randgebiete behandelten, weg-gelassen.

Das umfangreiche Stoffvolumen, das sich über sehr unterschiedliche Fachgebiete er-streckt, kann von einem Verfasser allein nicht tiefgehend genug wiedergegeben werden. Daher war der Herausgeber sehr froh, in Prof. Dr.-Ing. Karl-Heinz Schröder und Dr. rer. nat. Josef Weiser zwei herausragende Fachleute gefunden zu haben, die ihn bei den Arbei-ten unterstützten und durch ihre eigenen Beiträge sowie durch ergänzende Hinweise den Inhalt bereicherten.

Die einzelnen Beiträge geben die Darstellung der Autoren zum jeweils bearbeiteten Fachgebiet wieder. Damit für den Leser der Zusammenhang zwischen den verschiedenen Abschnitten deutlich wird und Wiederholungen weitgehend vermieden werden, hat der Herausgeber die von den verschiedenen Autoren verfassten Abschnitte aufeinander ab-gestimmt. Allen Verfassern sei an dieser Stelle für ihr Verständnis gedankt.

Der Herausgeber dankt besonders der Geschäftsleitung der Firma DODUCO für die finanzielle Unterstützung bei den umfangreichen Arbeiten für dieses Buch und die Mög-lichkeit, jederzeit auf Einrichtungen in den Laboratorien und verschiedene Kommu-nikationsmittel zurückgreifen zu können. Daneben hat das Unternehmen bereitwillig Fachkräfte und firmeninternes Wissen für die Ausarbeitung von Beiträgen freigestellt. Auch anderen Unternehmen, die ähnliches geleistet haben, sei hiermit ausdrücklich ge-dankt.

In gleicher Weise gebührt Dank dem Förderverein „Kontakte und Schalter e.V.“, der dieses Projekt ebenfalls finanziell unterstützt hat. Eine Reihe von Mitgliedern des Förder-vereins hat darüberhinaus durch Fachartikel zum Gelingen des Buches beigetragen.

XI

Die gegebenen Hinweise und Empfehlungen für die Verwendung elektrischer Kontakte beruhen auf Er-fahrungswerten. Die dargestellten Ergebnisse der verschiedenen Schaltprüfungen entbinden niemanden von seiner Sorgfaltspflicht, beim Einsatz oder Wechsel eines Kontaktwerkstoffes in einem Schaltgerät oder Bauelement die nach einschlägigen Vorschriften erforderlichen Prüfungen durchzuführen

Vorwort

Schließlich sei noch den Mitarbeitern des Springer-Verlages, Berlin und Heidelberg für die gute Zusammenarbeit und die große Sorgfalt bei der Planung, Gestaltung und Druck-legung dieses Buches gedankt.

Pforzheim, im Februar 2014 Eduard Vinaricky

XIII

Inhaltsverzeichnis

Teil I Grundlagen zur Physik und Technik elektrischer Kontakte

1 Ruhender Kontakt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3Eduard Vinaricky

2 Schaltender Kontakt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59Eduard Vinaricky, Josef Weiser und Karl-Heinz Schröder

3 Gleitender Kontakt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191Eduard Vinaricky und Manfred Faber

4 Spezielle Erscheinungen an elektrischen Kontakten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223Eduard Vinaricky und Isabell Buresch

Teil II Werkstoffe

5 Schmelztechnisch hergestellte Kontaktwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259Eduard Vinaricky und Karl E. Saeger

6 Pulvermetallurgisch hergestellte Kontaktwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285Eduard Vinaricky, Reinhard Imm und Volker Behrens

7 Gasarme Kontaktwerkstoffe für Vakuumschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333Karl E. Saeger und Eduard Vinaricky

8 Galvanisch hergestellte Kontaktwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343Jochen Heber

9 Kohle und Grafit (C) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361Manfred Faber

XIV Inhaltsverzeichnis

10 Elektrisch leitende Polymere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367Eduard Vinaricky

11 Kontaktträger- und Leiterwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373Eduard Vinaricky und Isabell Buresch

12 Umweltaspekte im Bereich der elektrischen Kontakte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443Volker Behrens

Teil III Technologien für die Herstellung von Kontaktteilen

13 Herstellung von Einzelkontakten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457Eduard Vinaricky

14 Herstellung von Halbzeugen für elektrische Kontakte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467Eduard Vinaricky, Isabell Buresch, Helmut Heinzel und Jochen Heber

15 Bestückungsverfahren für Einzelkontakte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501Helmut Heinzel und Eduard Vinaricky

16 Kohlebürsten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527Manfred Faber

Teil IV Anwendungsbeispiele für elektrische Kontakte

17 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535Eduard Vinaricky

18 Dauerhafte Verbindungen, Steckverbindungen und Gleitkontaktsysteme . . . 537Joachim Ganz, Isabell Buresch, Eduard Vinaricky und Jochen Horn

19 Schaltgeräte, elektromechanische Bauelemente und Sicherungen . . . . . . . . . . 603Manfred Lindmayer, Eduard Vinaricky, Frank Berger, Guenter Baujan, Ralph Kriechel, Johann Wolf, Günter Schreiner, Gerhard Schröther, Uwe Maute, Hartmut Linnemann, Ralf Thar, Josef Weiser, Wolfgang Möller und Karl-Heinz Schröder

20 Schaltgerätetechnik für den Einsatz in regenerativen Elektroenergieerzeugungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 815Frank Berger

XVInhaltsverzeichnis

Teil V Prüfverfahren für elektrische Kontakte

21 Korrosionsprüfungen für elektrische Kontakte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 845Eduard Vinaricky

22 Methoden der Oberflächenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 853Eduard Vinaricky

23 Prüfung von Kontaktschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 861Eduard Vinaricky und Joachim Ganz

24 Prüfverfahren für elektrische Kontakte in der Informationstechnik . . . . . . . 887Josef Weiser

25 Prüfverfahren für elektrische Kontakte in der Energietechnik . . . . . . . . . . . . 901Karl-Heinz Schröder

26 Ausfallursachen lichtbogenbeanspruchter Kontaktstücke . . . . . . . . . . . . . . . . 933Volker Behrens

27 Detektion von Störlichtbögen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 949Frank Berger

28 Modellbildung und Simulation bei elektrischen Kontakten . . . . . . . . . . . . . . . 969Frank Berger

Teil VI Einsatzbereiche elektrischer Schaltkontakte und ihre Zukunftsperspektiven

29 Anwendnungsbereiche für schaltende Kontake, Werkstoffbestückung und Technologische Gestaltung von Kontaktstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1001Eduard Vinaricky

30 Die Zukunft elektrischer Schaltkontakte unter dem Einfluss elektronischer Bauelemente in der Energietechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1015Karl-Heinz Schröder

Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1031

Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1041