CN100367424C - 用于电气设备的电弧接触元件、它的制造方法、接触组件以及相应的电气设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电弧接触元件(10，18)，其能够处于一个初始位置以及一个第二位置，其中，在该初始位置，它与另一电弧接触元件(18，10)接触，以及在该第二位置，它与所述另一电弧接触元件分开，以便中断电流。该具有创造性的元件包括嵌入在一个基体中的碳纤维，其中该基体由与石墨相关联的至少一种导电材料组成。

Description

用于电气设备的电弧接触元件、它的制造方法、接触组件以及相应的电气设备

本发明涉及一种用于中压或高压电气断开设备的电弧接触元件、用于该元件的制造方法、包括至少一个这种元件的接触组件、以及具有这种接触组件的电气断开设备。

对于本发明来说，中压或高压电气断开设备例如可以是断路器、断路开关、接触器、或者充电开关。中压或高压意味着高于大约1000伏的电压。

众所周知，这种断开设备包括接触组件，该接触组件设置有两个固定和移动部件，其每个都设置有一接触组件。这样，相对于固定部件，该移动部件可以在接触位置与分开或者断开位置之间被移动。

在移动部件在接触位置与分开位置之间移动期间，形成电弧，其一旦被断开就将消失。

移动部件也设置有一个绝缘喷嘴，用于限定出一个环状通道，通过该环状通道，在移动部件移动期间，绝缘气体被导向产生电弧的区域。

FR-A-2181699描述了一种上述类型的高压断路器。在这种断路器中，由石墨体外壳构成多个电弧接触元件，其中在它们的接触位置，由一种或者多种金属形成导电附加物。

EP-A-0665565也提出了一种用于断开设备的接触组件，其设置有一附加部件，该附加部件形成由石墨构成的磨损部件。

但是，上述第二种方案具有缺点在于：所使用的材料具有不足的机械强度。这样，在机械震动期间(尤其发生在闭合操作期间)，小的石墨颗粒可能会从接触组件上脱离。

因此，干扰了电弧切断，以及甚至可能减少绝缘强度。另外，石墨的易脆性使得很难在接触组件的磨损部件和其余部件之间建立连接。这也导致了成本较高的不同结构的元件，并且因此阻止了它们在工业水平上的实施。

EP-A-0205879也提出了利用嵌入在碳基体中的碳纤维来实现电弧接触部件。

但是，这种替换方案也具有以下缺点：即尤其是碳所固有的低的导热性和导电性。然后这会引起高的接触电阻，以及因而引起高的温度。

这种低的导电性对于断路器的正确操作也是有害的，因为存在电弧转变到平行于接触面(例如永久电流接触面)的风险。另外，在该文件所描述的实施方法中，碳纤维包括在石墨基体中，从工业观点上，这是复杂的，因此导致附加的制造成本。

最后，US-A-5599615描述了一种用于集成在电力设备中的电力部件，其包括设置在导电金属基体中的非金属纤维的配置。上述纤维具有一个轴向方向，并且相互平行。能够以碳的形式实现它们，同时形成基体的合适金属例如可以是铝或者铁，以及贵重金属。

有鉴于此，本发明目的在于提供一种电弧接触元件，与现有技术相比，这种电弧接触元件可以通过简单的方式实现，同时具有改进的总体能力，尤其在机械和电性能方面，从而增加了具有它的断开设备的寿命。

为此，它的目的是提供一种用于中压或高压断开设备的电弧接触元件，尤其是用于断路器的电弧接触元件，这种元件用于添加到固定和移动支撑体上，该固定或者移动支撑体属于该断开设备的接触组件，这种元件在操作中能够处于一个初始位置以及一个第二位置，在该初始位置，它与另一接触组件接触，以及在该第二位置，它与另一接触组件相分开，从而允许中断该设备中的电流，该接触组件包括嵌入在基体中的碳纤维，该基体包括至少一种导电材料，其特征在于，该基体也包括石墨形成的碳。

为了本发明之目的，该导电材料具有低于200μΩ.Cm的电阻。

对于本发明的电弧接触元件来说，碳纤维提供了良好的强度以及满意的弹性。另外，由于上述基体，电弧接触元件具有满意的导热和导电性。

对于本发明的接触组件来说，石墨基体提供了低的摩擦。另外，这种基体扮演了填充剂的角色，例如它阻止了大量导电材料的存在，大量导电材料的存在会导致它被蒸发的严重风险。

这样，这种基体能够使导电材料保持在石墨芯中。这样，即使这种材料处于液态或者蒸发状态，它也被保持在这些墨芯中，使得有很少的机会被抽出(pump out)。

应当注意，通过仅仅利用作为连接到碳纤维结构的基体的导电材料，可以设计出操作断路开关接触组件。

为此，根据具有很少缝隙的致密编织(braiding)，来设置这些纤维，使得满意地保持导电材料，以防熔化它。

最终的应用尤其适合断路开关，因为尤其与断路器所经历的相比，它们受制于相对适中的温度升高。

本发明的积极特征在于：碳纤维包括根据三维编织所设置的长纤维。

为了本发明目的，这种长纤维之长度与直径的比率为高于100，更可能为1000，甚至更可能为10000。该措施可以进一步改进接触组件的机械强度，同时对于电弧接触元件的机械性能来说，提供满意的一致性。

根据本发明的另一特征，导电材料的重量占有接触元件之重量的10％到50％之间，优选地为20％到40％。

根据本发明的另一特征，纤维的重量占有电弧接触元件之重量的1％到90％之间，优选地，在30％到80％之间。

根据本发明的另一特征，导电材料是铜。但是，也可以使用银、镍、锡或者甚至铝，不管是纯的还是合金的。

根据本发明另一个积极特征，这些碳纤维的直径在0.1到50微米之间，优选地，在2到15微米之间。

根据本发明的一个特征，电弧接触元件大约由碳纤维和基体组成，该基体由至少一种导电材料组成。为了本发明目的，这意味着接触元件的少于3％由任何其它材料组成。

本发明的目的也在于提供一种上述电弧接触元件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

设置碳纤维的排列；

使用具有至少一种导电材料的基体渗入这些碳纤维。

根据本发明一个积极特征，首先，使用碳来部分地渗入碳纤维，使得形成具有内置空间的基本碳基体，然后，使用导电材料填充内置空间，使得使用导电材料形成辅助基体。

本发明的目的也在于提供一种用于中压或高压电气断路的接触组件，尤其是用于包括固定接触部件和移动接触部件的断路器，每个部件设置有一个电弧接触元件，这两个接触元件能够呈现第一相互接触位置和它们相互分开的第二相互断开位置，其特征在于：至少一个电弧接触元件是正如上述的电弧接触元件。

最后，本发明的目的也在于提供一种中压和高压电气断开设备，尤其是由断开室组成的断路器，断开室设置有接触组件，特征在于，该接触组件是正如上述的接触组件。

参考附图，下面将描述本发明，这些附图被提供仅仅作为非限定的例子，其中：

图1是显示根据本发明的属于电气断开设备的断开室的纵截面图；

图2是显示属于图1断开设备的电弧接触元件之制造方法的第一步骤的示意图；

图3和图4是显示该制造方法之两个随后步骤的显微视图。

图1显示了属于中压或高压电气断开设备(没有示出，例如可以是一个断路器)的断开室2。按常用方式来设置该断开室，从而随后将简明地说明该断开室2。

由绝缘圆筒状外壳4限定出室2，并且利用例如SF6的气体，填充该室2。该室首先由参考数字6整体上表示的固定接触部件组成。众所周知，该部件6包括一个支撑体8，其上装配有电弧接触元件10。

例如，通过任何机械方法(例如螺纹连接或者销连接)，或者甚至通过任何焊接方法(没有或者具有填充物金属)，而来提供支撑体8和接触元件之间的连接。电气上连接到电插座(没有示出)的接触部件6也设置有永久电流接触面12。

断开室2也包括移动接触部件，其整体上以参考数字14表示。其包括一个支撑体16，其上添加有移动接触元件18。

与发生在支撑体8与元件10之间的上述连接类似，提供支撑体16与接触元件18之间的连接。

同时连接到另一电插座(没有示出)的该移动部件14设置有永久电流接触面20。后者支撑一个绝缘喷嘴22，其中绝缘喷嘴22限定出一个环状通道24。

在常用操作期间，移动部件14可以在接触位置(显示在图1的左边，其中元件10和18相互接触)与断开位置(显示在图1的右边，其中所述两个元件10和18相互分开)之间移动。

当移动部件14从其接触位置移动到断开位置时，在两个接触元件10和18之间形成电弧，同时绝缘气体经由环状通道24被导向该电弧的区域25。

图2到图4显示了设置到电力设备上的电弧接触元件10或18的三个制造步骤，其中电气设备的断开室2如图1所示。

首先，如图2所示，必须设置碳纤维26，使得形成三维编织(braiding)，其整体上以参考数字28表示。

所述编织28的此形成步骤是现有技术中已知的。例如，在1998年5月出版的“DUNOD参考系统”论文集的题目为“工业材料的实践”的著作中，描述了所述编织28的形成。

为了如以前所述的本发明之目的，利用长的碳纤维来实现三维编织28，以及在编织形成期间，通过纤维的断开或者分开，而破坏相当量的所述长纤维是不可避免的。因而，通过编织碳纤维所获得的材料由长的碳纤维和长度不足以用于本发明目的碳纤维组成。

一旦形成编织28，必须渗入组成它的碳纤维26。使用石墨形式的碳来渗入它们，使得形成基本上伸展在纤维26周围的基本基体(matrix)30。

应当注意，该渗入仅仅是部分的。这样，基本基体30定义了内置空间32，所述内置空间形成没有填充碳的自由区域(free zones)。

参考图3所说明的第二步骤也同样是已知的。这样，在参考图2步骤而在以前提及的上述著作中，特别说明了该第二步骤。

最后，如图4所示，必须使用类似铜的导电材料来渗入编织28和基本基体30。然后，这占据了起初在基本基体30中自由的内置空间32。

这样，这导致形成了辅助基体34，辅助基体34与基本基体30组合，其中基本基体30是渗入了碳纤维26的主基体30。

接触元件10或者18的制造方法的第三和最后步骤也同样是已知的。应当注意，在图3的步骤期间，形成基本基体30，使得内置空间32的容积允许铜基体34的重量占有所考虑的接触元件之重量的例如20％到40之间。

一旦已经实现主基体，必须形成接触元件10或者18。同样通过切削加工、车削加工、铣加工、电腐蚀等任何合适手段，以已知的方式实施此步骤(没有示出)。

Claims (12)

1.一种用于中压和高压电力断开设备的电弧接触元件(10，18)，该元件用于添加到一个固定支撑体(8)或一个移动支撑体(16)上，所述固定支撑体(8)和移动支撑体(6)属于所述断开设备的接触组件，所述元件(10，18)能够在操作期间处于一个初始位置以及一个第二位置，其中，在该初始位置，它与另一电弧接触元件(18，10)接触，以及在该第二位置，它与所述另一电弧接触元件分开，从而允许中断该设备中的电流，所述接触元件(10，18)包括嵌入在一个基体(30，24)中的碳纤维(26)，其中该基体(30，34)包括至少一种导电材料，其特征在于：所述包括至少一种导电材料的基体还包括石墨形式的碳。

2.根据权利要求1的电弧接触元件，其特征在于：所述碳纤维(26)包括根据三维编织(28)排列的长纤维。

3.根据上述权利要求任意一个的电弧接触元件，其特征在于：所述导电材料的重量占有所述接触元件之重量的10％到50％。

4.根据权利要求3的电弧接触元件，其特征在于：所述导电材料的重量占有所述接触元件之重量的20％到40％。

5.根据权利要求1的电弧接触元件，其特征在于：所述导电材料是铜。

6.根据权利要求1的电弧接触元件，其特征在于：所述碳纤维(26)的直径在0.1到50微米之间。

7.根据权利要求6的电弧接触元件，其特征在于：所述碳纤维(26)的直径在2到15微米之间。

8.根据权利要求1的电弧接触元件，其特征在于：所述元件包括碳纤维(26)和基体(30，34)，其中，所述基体(30，34)由至少一种导电材料组成。

9.一种根据上述权利要求任意之一的电弧接触元件(10，18)的制造方法，其特征在于包括以下步骤：

形成碳纤维(16)的排列(28)；以及

利用包括至少一种导电材料的基体(30，34)，来渗入这些碳纤维(26)，其中所述基体(30，34)还包括石墨形式的碳。

10.根据权利要求9的电弧接触元件的制造方法，其特征在于：首先利用石墨形式的碳部分地渗入所述碳纤维(26)，以形成具有内置空间(32)的基本碳基体(30)，然后，利用所述导电材料填充这些内置空间，以实现由该导电材料形成的辅助材料(34)。

11.一种用于中压和高压电力断开设备的接触组件，其包括一个固定接触部件(6)和一个移动接触部件(14)，每个部件(6，14)设置有一个电弧接触元件(10，18)，所述两个接触元件(10，18)能够呈现第一相互接触位置和它们彼此分开的第二相互断开位置，其特征在于：至少一个电弧接触元件(10，18)是根据上述权利要求1到8任意一个的电弧接触元件。

12.一种用于中压或高压电力断开设备，其包括设置有接触组件(10，18，22)的断开室(2)，其特征在于：所述接触组件是根据权利要求11所述的接触组件。

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