CN1041140C - 真空管及制造方法，具有真空管的真空断路器及制造方法 - Google Patents

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Abstract

每个固定侧电极构件和可动侧电极构件包含一弧电极、一弧电极支承元件、一管形电极元件和一电极杆。在弧电极和弧电极支承元件、管形电极和电极杆之间的连接部分中的至少一个基体部分是按照金属结构学根据固相扩散整体形成的。电阻率和强度的分散性小，电极结构具有大的竖直磁场，可以实现优异的电弧扩散效果。可以得到紧凑和高效能的真空管或紧凑和高效能的真空断路器。

Description

真空管及制造方法,具有真空管的真空断路器及制造方法
本发明涉及一种真空管及其制造方法以及具有真空管的真空断路器及真空断路器的制造方法。
特别是，本发明涉及一种具有可靠性高的电极结构的真空管及用于制造该真空管的方法，及具有高可靠性电极的真空断路器及该真空断路器的制造方法，以便提供高压并能进行开断大电流的真空断路器。
一个常规的高压并能开断大电流的真空断路器包含：在一容器中的一个真空管，其具有一对固定侧电极构件和可动侧电极构件，该容器处在绝缘和高真空状态；导体连接端，其在真空管的外侧连接到固定侧电极构件和可动侧的电极构件；以及开闭装置，用于经过一个连接到可动侧的电极构件上的绝缘元件驱动可动侧的电极结构。电极结构包含固定侧的电极构件和可动侧的电极构件。
上述的每一种固定侧电极构件和可动侧电极构件共同分别包含4个电极构件的组成元件。这4个电极构件组成元件包含：一个弧电极元件、一个弧电极支承元件，用于支承弧电极元件、一管形(coil)电极元件，其连接到弧电极支承元件并用于控制驱散遍及弧电极元件上的电弧、以及一电极杆，设在管形电极元件的端部。
此外，在上述电极结构中，实际使用中可以附加一个加强元件，用于增加电极结构的强度。上述弧电极元件直接暴露于电弧，以便开闭和开断高电压和大电流。
作为一个弧电极元件需具备如下特性。这些特性例如是大的遮断容量、高的耐压数值、小的接触电阻(优异的导电性)、优异的耐熔特性，小的接触损耗和小的遮断电流。
在常规的电极结构中，电极构件通过这样一种方法制造，即形成铬、铜、钨、钴、钼、钒、铌中的一种或多种成分的粉末或者它们的一种或多种合金粉末，并按照预定的成分、形状和空间容积进行烧结，在此之后，将熔化的铜或铜合金渗入到烧结体的骨架中(下文称之为“渗入法”)。
为了改进在上述各种特性中的耐压值，根据一种热等静压(下文缩写为“HIP”)工艺制造弧电极元件的方法例如公开在6780/1993号日本专利公开文件中。在该HIP工艺中，除了空位率可能减少以外，在渗入过程之前的烧结过程中密度增加。
根据上述热等静压(HIP)工艺制造的弧电极元件具有较高的耐压能力，以及由于与根据渗入熔化的铜合金熔融金属制造的弧电极元件相比较，每个产品变小，更进一步改善耐压数值的分布。
在常规的电极结构制造技术中，不管是根据渗入法或根据热等静压(HIP)法的弧电极元件的制造方法，用于组成电极构件的4个电极构件的组成元件是按照每个元件制造的，并且进行机加工，在此之后，4个组成元件进行焊接加工，然后制出电极结构。
用于组成电极构件的上述4个组成元件是弧电极元件；弧电极支承元件，用于支承弧电极元件；管形电极元件，其连接到弧电极支承元件上；以及电极杆，其装在管形电极元件的端部。
利用下述方法实施焊接过程，在弧电极元件和用于支承弧电极元件的弧电极支承元件、连接到弧电极支承元件的管形电极元件以及装在管形电极元件的顶部的电极杆之间，插入一种连接材料和具有浸润(wetting)特性的焊接件，在真空中或者在稀薄气体的环境中，进行焊接过程。
在根据该焊接过程构成的电极结构中，要花很长时间对各个组成元件进行机加工过程，以及在为了焊接对组成元件的组装的过程中，要花很长时间进行各个组成元件的定中过程。
此外，在上述情况下，由于焊接失败引起产生事故，使电极构件的组成元件破坏和脱落。对于将要生产高电压和大电流的真空断路器的制造业，由于在连接部分中的焊接件的电阻高于电极构件的电阻，将会产生局部发热的问题是人们渴望解决的。
此外，近来已经尝试改进遮断性能改进的手段和改进真空断路器的开闭速度。当真空断路器的开闭速度很高时，在开闭电极构件组成元件的过程中，对电极组成元件会产生大的冲击应力，因此，在电极构件组成元件之中可能产生变形。
由于上述原因，在常规的焊接中，还使在电极构件组成元件的连接部分中产生强度问题，关于加大连接强度的问题是渴望解决的。
在高压和大电流的真空断路器中，要求弧电极元件的直径必须大于100毫米。
然而，根据焊接加工利用常规方法制造各个电极构件组成元件，由于焊接不良使弧电极元件的强度不足的原因，从生产率方面来看，实际上难于制造超过上述100毫米直径的弧电极元件。
此外，在弧电极元件和用于支承弧电极元件的弧电极支承元件处，为了驱散在开闭电极结构的过程中在整个电极结构上产生的电弧以及为了改进电极构件组成元件的寿命，在电极构件的侧面部分处形成若干槽，以便产生平行于电极结构的中心轴线的磁场(竖直磁场)。
上述具有若干槽的电极结构的构成利用了电流沿金属表面流动的现象。由于电流流经各槽的非实体部分，环绕电流产生螺旋形磁场，因此产生上述竖直磁场。
此外，为了有效地在电极结构中产生竖直磁场，朝着弧电极元件和弧电极支承元件的侧面部分连续延伸的上述各槽是特别有效的。
然而，在根据常规焊接加工制造的电极结构中，当槽的形成跨过焊接的界面时，在产生电弧的过程中，电弧远达到在槽的底部上形成的焊接面，然后在焊接部分处温度升高，产生的问题是焊接元件被熔化。
由于上述理由，在常规的电极结构中，仅在弧电极支承元件的侧面部分形成槽。然而，在这种电极结构中，为了产生完全竖直的磁场，必须使电极结构本身加大，这是制造小尺寸的电极结构的一个障碍。
本发明的一个目的是提供一种真空管及其制造方法，以及具有真空管的真空断路器及该真空断路器的制造方法，其中根据采用金属结构学整体制造电极结构，没有采用焊接件可以形成小尺寸和长寿命的真空管，或者根据采用金属结构学整体制造电极结构而没有采用焊接件，可以形成小尺寸和长寿命的真空断路器。
为了达到上述目的，在本发明中，真空管包含：一真空容器，用于形成真空室，一固定侧电极构件，其装在真空容器中、以及一可动侧电极构件，其装在真空容器中；以及真空断路器包含：一绝缘容器、一真空管，其包含固定侧电极构件和可动侧电极构件、各导体连接端，它们处在真空管外侧连接到固定侧电极构件和可动侧电极构件、一绝缘元件，其连接到可动侧电极构件、以及一个开闭装置，其用于经过绝缘元件驱动可动侧电极构件。
为了实现上述目的，在本发明中，在真空管或在真空断路器中包含：一弧电极元件、一弧电极支承元件、一管形电极元件和一供电元件、至少一个连接基体部分，其在弧电极元件和弧电极支承元件、管形电极元件和供电元件之间的连接部分中，其按照金属结构学根据固相扩散整体形成。
按照一种希望的上述电极结构，弧电极元件包含至少一种金属成分，该成分是由按重量计包含30-80％的一种或多种金属成分铬、钨、钼、钴和铁的组中选择的。
此外，最好由至少一种金属成分中以及由至少一种金属合金成分中选择弧电极元件成分，该金属成分是由按重量计包含0.5-5％的钒、铌、锆、钛、钽和硅中的一种或多种形成的组中选择的，该金属合金成分是由按重量计包含20-70％的铜、银和金中的一种或多种形成的组中选择的。
最好由至少一种金属成分选择弧电极支承元件、管形电极元件和供电元件中的每一种元件的成分，该金属成分是由按重量计包含少于1％的铬、钒、锆、硅、钨和铍中的一种或多种形成的组中选择的，元件的其余成分是由至少一种金属成分的合金中选择的，该金属成分是由铜、银和金中的一种或多种形成的组中选择的。
在用于真空管或真空断路器的上述电极结构中，弧电极元件和弧电极支承元件中的每一种元件具有若干用于产生竖直磁场的槽，该若干槽朝着弧电极元件和弧电极支承元件的侧面部分连续延伸。
弧电极元件和弧电极支承元件，管形电极元件和供电元件之间的连接部分中的至少一个基体部分按照金属结构学根据固相扩散法整体形成，借此可以进一步改善真空管或真空断路器的性能。
此外，在上述用于真空管或真空断路器的电极结构中，在弧电极元件和弧电极支承元件、管形电极元件和供电元件之间的至少一个连接部分是根据热等静压(HIP)工艺整体制造的。
在上述真空管或真空断路器的制造方法中，在低于合金熔点温度的热等静压(HIP)工艺的加热温度下进行加热，该合金包含至少一种金属成分，该金属成分是由构成一成块元件的铜、银和金中的一种或多种形成的组中选择的，并且希望整体形成金属基体部分。
在上述真空管或真空断路器的制造方法中，希望还包含用于向金属容器中掺入各种金属粉末以及用于通过对金属容器的内部部分进行加热和脱气形成严密密封的方法。这种方法一般称为“壳封(canning)”法。
在用于真空断路器的真空管的电极结构中，介于弧电极元件和弧电极支承元件、管形电极元件和供电元件之间基体部分的至少一个连接部分是根据热等静压(HIP)工艺整体形成的。
作为构成电极构件的4个电极构件组成元件是作为单个元件的弧电极元件和连接到该弧电极元件的另三个元件。4个组成元件包含作为单个组成元件的弧电极元件和作为另三个组成元件的弧电极支承元件、管形电极元件和供电元件。
相应地，至少两个电极组成元件、即作为单个组成元件的弧电极元件和至少由上述3个电极构件组成元件中选择的一个元件可以按金属结构学方式彼此连接而没有采用焊接。
在上述情况下，连接部分的强度上升成为一个问题，然而，当基体部分(铜合金)利用金属结构学根据固相扩散法整体形成时，那么将完全达到很强的强度，并且在使用过程中在连接部分处不会产生由发热现象带来的问题。
在本发明中，按照金属结构学构成或按照金属结构学根据固相扩散法整体构成的含意如下所述。
即如图7或图8所示，在弧电极元件和三个组成元件中一个元件包含的上述基体部分的连接部分中，基体部分(在本例中为纯铜)的结晶体(结晶体以棱柱形的单结晶体逐个地生长)连续到连接部分，并且所示状态为连接的边界部分不清楚。
在基体部分按照金属结构学根据固相扩散工艺整体形成的情况下，散布在基体部分中的、具有高熔点的金属例如铬的形状的特征是保持它作为原料粉末时的形状。
即由于通过粉碎作业等使原料粉末的颗粒直径很小，很多颗粒形状为角形。在采用固相扩散工艺的情况下，烧结温度低。由于具有高熔点温度的金属例如铬很难反应，因此，遗留的金属颗粒形状保持角形。
此外，基体部分的连接部分可以按照金属结构学根据用于熔化和灌注基体部分的连接方法整体形成。然而，在上述情况下，由于在高温下进行加工，一部分的具有高熔点的金属例如铬产生反应，因此颗粒形状变成圆形。参照图2和图3解释上述差别。
图2是表示本发明利用HIP工艺形成的连接部分的金属结构的照片。图3是表示根据常规的渗入法形成的连接部分的金属结构的照片。在这些图中，密实的彩色部分表示铬颗粒，稍白的基质部分表示铜合金。
在具有高熔点的部分金属反应的情况下，由于该成分例如铬扩散到铜合金中，基体部分的导电性变低。当用在电极结构的电极材料中，由于承受高电压和流有大电流，导电性的轻微降低就与能量损耗的发生相关。因此，降低导电性是所不希望的。
根据固相扩散工艺整体形成的基体部分可以采用多于两个电极构件组成元件的方式，该组成元件是由包含弧电极元件和另三个组成元件的4个电极构件组成元件中选出的。然而，从考虑与制造电极结构的成本的关系方面出发，可以通过焊接形成部分的连接部分。
此外，通过根据热等静压(HIP)工艺整体制造电极结构，可以使得弧电极元件的材料具有任何组分梯度率，然而，上述事实按先有技术制造是不可能的。
因此，由于在电极结构中的每种材料的热膨胀系数的差别产生的热应力可以减轻，并且在电极结构的使用过程中的热应力引起的事故可以被限制。
在电极结构的使用过程中，由于总是流过电流，要使电能损耗尽可能地小，最好采用具有小电阻的材料，纯铜由于其熔点低于电弧温度，纯铜易于被熔化和在实际使用过程中熔断。
在电阻尽可能不增加的范围内，作为用于改进耐熔特性的成分，该金属成分包含铬、钨、钼、钒、铌、锆、钽、钛、钴以及硅中的一种或多种，这在过去是常用的。与在常规电极结构中使用的同样方式使用这些金属。
这些金属为具有熔点超过1800℃的高熔点金属，并且将由铬、钨、钼、钒、铌、锆、钽、钛、钴和硅等形成的组中的单纯物质或者将由上述组中两种以上的选择成分的合金用于添加到构成基体部分的铜等成分中去。
最好，使其总量按重量计占20-70％。对于要求具有高的遮断速度和高强度的真空断路器，相应于电极结构的所需特性希望能增加或减少所含的总量。
添加一种成分以上的总含量，所含范围为按重量计为0.2-5％，所含成分是由钒、铌、锆、钽、钛和硅中的一种或多种成分形成的组中选择的，此外作为导电材料，最好采用由总量按重量计占30-80％的铜、银和金各成分中的一种或多种形成的组中选择的一种以上的合金粉末。
这些元素可以形成具有高熔点的与铜等成分形成的金属间化合物，并被添加以改进抗熔特性和遮断特性。相应于对电极结构的特性要求，通过调节这些成分的种类和数量加以利用。
在弧电极元件中，在电极结构开断的过程中产生电弧，该电弧一般是由集中通过电流的部分产生的。
当异物例如磨损的粉末覆盖在电极结构上时，在固定侧电极构件和可动侧电极构件的最近距离部分最先产生电弧。这一部分最先开始损坏、这就带来使电极结构的整个寿命缩短的问题。
为了防止上述不足，过去施加一平行于电极轴线的磁场，以便由整个电极构件的表面均匀产生电弧。其被称为竖直磁场并且将管形电极元件装在电极构件的附近，以便产生竖直磁场。
图4A和4B表示常规的电极结构的示意图。图4A是电极结构的水平横断面视图，该水平横断面是沿图4B中的线B  B′所取的。通过焊接工艺将弧电极元件经过焊接面92连接到弧电极支承元件上。
图4B是取自管形电极元件91的上侧的视图。沿着管形电极元件91平行于4个被分开的弧电极表面流有电流并产生竖直磁场。4个分开的电流从弧电极支承元件94和焊接面95流到弧电极元件。如上所述，通过形成各槽，产生有效的竖直磁场。
如图4A和4B所示，在根据常规焊接工艺形成的电极结构中的各个槽仅由焊接面92到一较下部分(在图4A中即到A-A所示的直线)才形成。即在这种情况下，电极结构并没有从弧电极元件延伸到弧电极支承元件的槽。
因为，由于各槽到达焊接面，在根据常规的焊接工艺形成的电极结构中，在断开电极结构的过程中产生的电弧到达槽的底部的焊接部分，然后该焊接件被熔坏。
此外，根据本发明通过采用固相扩散工艺，在没有采用焊接工艺的整体的电极结构中，各槽形成到电极构件表面，不会发生焊接件的熔坏。
由上述各方面可以看出，最理想的情况是根据固相扩散法整体形成由弧电极元件和弧电极支承元件、管形电极元件和电极杆组成的各电极构件元件。
根据本发明，如图5所示，从弧电极元件31的表面和弧电极支承元件的侧部延伸形成若干槽50。在图5中，该电极结构还包含管形电极33和电极杆34。
通过形成延伸到电极构件表面的若干槽50，与各槽没有到达电极构件的表面的电极结构相比较，使在电极结构中产生的竖直磁场的强度变大，因此，在本发明中，电弧的扩散特性可以改进。
相应地，电极结构的寿命的提高和耐压的改进都可以实现，因此，可以实现电极结构可靠性的改进。
图5表示了一个杯形的电极结构，其中弧电极元件31以环形形状构成。然而，对于一般圆形电极结构，例如在图13中所示，在该圆形电极结构中，可以形成与图5所示相似的螺旋形槽，那么就可以达到与上述相同的效果。
进而，在具有相同性能的真空断路器的情况下，与根据常规的焊接法制造的电极结构相比较，可以得到紧凑的电极结构，因此能够得到紧凑的真空断路器。
上述效果能够达到首先在于，根据通过HIP工艺的整体形成方法，包含铜、银和金各成分中的一种或多种成分的合金的弧电极元件和弧电极支承元件的基体部分按照金属结构学以整体结构方式形成。
此外，根据HIP工艺整体制造电极结构，需要采用的加热温度低于基体部分的熔点。
在加热温度高于熔点的情况下，由于在弧电极元件中的铬等成分扩散到弧电极支承元件，因而导致导电性下降，这是不理想的。
按照在电极结构制造中进行HIP工艺操作的方法，在金属容器内加入金属粉末，通过加热和使金属容器的内部脱气以及密封金属容器，因而在烧结体的几乎所有的残留气体可以除去。
残留气体的存在是不利的，因为当在烧结体中的残留气体在真空断路器使用过程中会从电极结构中释放出来，使真空断路器工作在较低的真空度之下。
总之，根据本发明，伴随焊接的机械加工工序和组装工序可以减少，此外由于焊接失败使电极元件破坏和脱落可以被防止。
此外，根据弧电极支承元件和管形电极元件在强度方面的改进，伴随电极变形的熔化危害可以被防止，因此，可以得到具有高可靠性和高安全性的真空管或具有高可靠性和高安全性的真空断路器。
图1是具有本发明的真空管的整个真空断路器的一个实施例的示意图。
图2是表示根据本发明得到的电极结构的金属结构的照片。
图3是表示根据常规的方法(渗入法)得到的电极结构的金属结构的照片。
图4A是表示常规的电极结构的示意横断面图。
图4B是表示常规的电极结构的上部示意图。
图5是表示本发明的电极结构的一个实施例的示意图，其中用于产生竖直磁场的若干槽从弧电极元件和弧电极支承元件连续延伸。
图6是表示根据本发明在HIP工艺之后得到的、包含按重量计60％的铬、35％的铜、5％的铌的压块的金属结构的照片。
图7是表示根据本发明在HIP工艺以后得到的、包含铜-铬-铌压块和铜粉末压块的一个压块的接触界面附近的金属结构的照片。
图8是表示根据本发明在HIP工艺以后得到的一包含铜-铬-钽压块和铜粉末压块的一个分层的压块的接触界面附近的金属结构照片。
图9是表示根据本发明在HIP工艺以后得到的按重量计包含45％的铜、50％的铬、5％的锆的压块的金属结构的照片。
图10是表示根据本发明在HIP工艺之后得到的、按重量计包含45％的铜、50％的铬、5％的锆的压块和一纯铜杆的接触界面附近的金属结构的照片。
图11是表示根据本发明的HIP工艺加工状态和电极结构的形状的视图。
图12是本发明的真空管的一个实施例的横断面视图。
图13是本发明的电极结构的一个实施例的横断面视图。
图14是表示本发明中的磁通密度和电弧电压之间相互关系的曲线图。
下面解释本发明的各种不同的实施例。
实施例1
利用V形搅拌器将颗粒尺寸为44～150微米的铬粉末、颗粒尺寸为44～150微米的铜粉末以及颗粒尺寸为44～90微米的铌粉末进行混合，并得到按重量比计含60％的铬、35％的铜、5％的铌的混合粉末。
将上述混合粉末充满一金属压模，并且利用一液压机在大约3000千克/平方厘米的压力之下成型，因此得到一直径为60毫米、厚度为10毫米的压块。由对整体密度的测量结果判断这个压块的疏松度为23-28％。
此外，仅利用颗粒尺寸为44～150微米的铜粉末在大约2500千克/平方厘米的压力下成型，得到直径为60毫米、厚度为50毫米的压块。这个压块的疏松度为22-27％。
将根据上述工艺得到的铬-铜-铌压块和铜粉末压块通过紧密附着方式填到一软钢容器中，并且在真空密封之后，进行HIP工艺加工。
下面介绍软钢容器的各种情况、真空密封工艺和HIP工艺。利用厚度3毫米的软钢容器在大约600-700℃下进行加热。进行真空排气和脱气，进行脱气使真空度一直到小于5×105乇，其后进行真空密封工艺。
对于铬-铜-铌压块和铜粉末压块的紧密附着面的净化要予以充分地注意。
图6表示经过HIP工艺加工的铬-铜-铌的混合压块的金属组织结构的观察结果。图7表示经过HIP工艺加工的铬-铜-铌混合压块和铜粉末压块的界面的金属组织结构的观察结果。
在这些图中，与图2和图3相类似，深色颗粒表示铬颗粒、稍白的基质表示铜合金。上面的事实能够以相似方式在后述照片中适用。
如图6和图7所示，在经过HIP工艺加工的铬-铜-铌混合的压块和铜粉末压块中，没有观察到海绵状孔，并且进一步通过固相扩散，得到近于理想的100％密度。
进而，如图7所示，在铬-铜-铌混合的压块和铜粉末压块的连接部分，形成铜基体部分，以便按照金属结构学构成整体结构，换句话说，在铜基体部分中，结晶的颗粒没有任何不连续的边界部分。
此外，为了增加在铜粉末压块中的强度，在这种情况下，即总含量按重量计为0.8％的、由铬、银、钨、钒、铌、钼、钽、锆、硅、铍、钴、钛、铁各成分中的一种或多种成分的粉末被添加到铬-铜-铌混合的压块中，证实可以得到与上述相同效果。
实施例2
利用V形搅拌器将颗粒尺寸为44～150微米的铬粉末、颗粒大小为44～150微米的铜粉末和颗粒尺寸为44微米～90微米的钽粉末进行混合。然后得到按重量比为含有40％的铬、55％的铜、5％的钽；含有35％铬、61％铜、4％钽；含30％铬、67％铜、3％钽；含25％铬、73％铜、2％钽；含20％铬、79％铜、1％钽；含15％铬、84％铜、1％钽的各种混合粉末。
接着利用直径60毫米的金属压模，首先得到厚度为0.5毫米的含40％铬、55％铜、5％钽的混合粉末。接着形成并分层的厚度为0.5毫米的含35％铬、61％铜、4％钽的混合粉末。
因此，得到直径为60毫米、厚度为4.5毫米的分9层成分的压块，然后作为最后一层形成铜粉末压块。
此外，与上述的分层的压块分开，仅对铜粉末在加压工艺下加压，得到直径60毫米、厚度40毫米铜粉末压块。
通过将分层的压块的铜表面和铜粉末压块相接触，按照实施例1的条件进行壳封处理。在其后，在1000℃的温度下和2000千克/平方厘米的压力下进行HIP工艺加工。
图8表示含15％铬、84％铜、1％钽的分层压块和铜粉末压块的接触部分的金属组织结构观察的结果。该分层的压块和铜粉末压块是经HIP工艺加工的。
如图8所示，各个成分的分层表面或铜表面接触表面，通过固相扩散烧结而不断地进行反应，并且形成铜基体部分，按照金属结构学构成整体结构，另外看不到边界部分。
实施例3
利用V形搅拌器将颗粒尺寸为44-150微米的铬粉末、颗粒尺寸为44-150微米的铜粉末和颗粒尺寸为44-90微米的锆粉末进行混合，然后得到按重量计含50％铬、45％铜、5％锆的混合粉末。
利用加压工艺在大约3000千克/平方厘米的压力下进行混合的粉末的成型，得到直径60毫米、厚度为20毫米的压块。这个压块的疏松度为23-25％的整体密度。
通过将因此而得到的含50％铬、45％铜、5％锆的压块与纯铜的直径60毫米、长度30毫米的杆相接触，两者都被插入到一软钢容器中，在真空密封工艺之后，进行HIP工艺处理。真空密封的条件和HIP工艺条件与实施例1相似。
图9表示经过HIP工艺处理的、含50％铬、45％铜、5％锆的压块的接触部分的金属组织结构观察的结果。
图10表示经过HIP工艺处理的、含50％铬、45％铜、5％锆的压块与纯铜杆的接触界面的金属组织结构观察的结果。
如图9所示，铬-铜-锆压块和纯铜杆利用固相扩散烧结不断地进行反应。此外，如图10所示，在铬-铜-锆压块和纯铜杆的接触界面处，形成铜基体部分，以按照金属结构学构成与图8所示相似的整个结构。
此外，取代纯铜杆，在采用按重量计合金成分总量为0.9％的铜合金杆的情况下，已证实得到与上述相似的结果，该合金成分为铬、银、钨、钒、铌、钼、钽、锆、硅、铍、钴、钛和铁中的一种或多种。
在对铜添加上述成分的情况下，由于根据时效硬化处理，电极构件材料的硬度和强度被改进，在作用期间电极结构的变形被降低了。
然而，伴随着添加数量的增加，由于导电特性下降，因而希望尽可能降低添加数量。
根据本发明的上述实施例，如由图7、8和10所示，形成弧电极元件、弧电极支承元件、管形电极元件和电极杆(供电元件)，以构成整体结构。
因此，可以判断可以制造具有连接部分的电极结构，在该连接部分中，基体部分是按金属结构学整体构成的。
实施例4
表1表示关于在实施例1-3中实施的方法中在HIP工艺处理温度和HIP工艺处理压力之间的相互关系。
在表1中，○标志表示压块的高于98％的理论密度比，●标志表示理论的密度比小于97％，
Figure C9510430600251
标志表示理论的密度比大约为97-98％。
此外，△标志表示一种结构，其中基体部分，在接触界面处按照金属结构学整体形成的，▲标志表示一种结构，其中基体部分是不相连的， 标志表示一种结构，其中基体部分在接触界面处按照金属结构学局部地整体形成的。
                                    表1
如表1所示，在实施例1-3中，在HIP温度低于750℃及HIP压力低于1000千克/平方厘米时，压块的理论密度十分低。然而，在HIP温度高于800℃和HIP压力超过1000千克/平方厘米时，理论的密度变得高于98％。
此外，关于接触界面，可以看出，在接触界面上的基体部分是按照金属结构学在高于850℃的温度下和压力高于1100千克/平方厘米的情况下整体形成的。
实施例5
图11表示HIP工艺条件和根据利用HIP工艺得到的材料制造的电极结构形状。壳封条件和HIP工艺处理条件基本上与在实施例1中所示的相同。
在No 2，制备的纯铜杆2直径为80毫米、长度为120毫米，两个被混合的压块1a和1b，直径为80毫米、厚度为15毫米。两个被混合的压块1a和1b被填入到壳封容器4中，在壳封容器4装有脱模剂3。
HIP处理温度为1000℃并且保持时间为120分，其它的壳封条件等基本上与在实施例3中所示条件基本相同。通过利用HIP处理所得材料，因此制造(a)型和(b)型电极结构。
在(a)型电极结构中，制造的弧电极元件7、弧电极支承元件8和管形电极元件9构成一个整体结构，电极杆10利用焊接方法在连接部分11进行连接。
另外，在(b)型电极结构中，与(a)型电极结构相比较，在中心部分设有一个由纯铁构成的加强元件。加强元件12被钎焊到电极支承元件8和电极杆10上。
No 3与No 2相比较，使用的纯铜杆13长50毫米，电极结构的形成具有凹部。利用对No 3的材料的HIP处理，制造出(a)型和(b)型电极结构。
在No 4与No 2相比较，附加一纯铜杆16，直径为40毫米，长度为80毫米。利用HIP处理No 4的材料，制造出(c)型电极结构，没有使用焊接就能得到包括电极杆16的整体的电极结构。
利用HIP处理No 4的材料，除了(c)型电极结构以外，还能通过切削作业制造(a)型和(b)型电极结构。
No 5是实施例1和实施例3的综合。即在纯铜粉末形成的过程中，通过插入一锥体型铁芯20，制备压块19，将纯铜杆18装在压块19的上部并进行壳封处理。
关于铁芯20，铁芯20具有比铜为高的熔点，然而可以选择任何形状。
利用HIP处理No 5的材料，制造出(d)型和(e)型电极结构。(d)型电极结构具有铁芯20，其在(c)型电极结构的中心部分周围被浇铸。
对于(e)型电极结构，铁芯20取代(b)型电极结构中的加强元件12，铸在其中。
实施例6
表2表示：(1)在这样一种情况下，即弧电极元件(成分为按重量计61％铬、39％铜)和纯铜元件根据常规的焊接方法(条件：温度800℃、在真空中、镍系焊接材料)进行钎焊，连接部分(厚大约3微米)的电阻和强度测量结果(比较实例1)；(2)(在800℃温度下进行热处理的)纯铜的电阻和强度测量结果(比较实例2)；(3)经HIP处理的材料的电阻和强度测量结果，该材料是按照与实施例3的相同条件，通过HIP处理的No 6-No 15材料得到的。
通过4点系统电阻测量方法进行电阻测量，利用阿姆斯勒型(Armsler)拉伸试验机进行强度测量。
利用常规的焊接和连接方法得到的界面的强度具有很大的分散度：12-22千克/平方毫米，在测试板上观察焊接部分的破坏强度为12千克/平方毫米。
此外，包括界面部分的电阻是4.82微欧·厘米，与纯铜元件相比较，电阻值高约3-4倍(比较实例2)。
                          表2
    № 弧电极成分(wt％)                                  Cu合金成分(wt％)     电阻(μΩ·cm)         拉伸试验(kg/mm2)
Cr Ag V Nb Zr Si W Be σ0.1 (0.2％屈服) σ(最大)
比较实例1比较实例2№  6№  7№  8№  9№  10№  11№  12№  13№  14№  15    61 Cr-39Cu-61Cr-39Cu″″″″″″″″″ 0.600.111.18 0.99 0.81 0.84 0.68 0.48 0.09 0.82      4.82(界面)1.731.902.162.501.992.082.102.182.211.821.97       4-54-59-1010-1111-139-1010-1110-1110-119-85-611-12      12-2222-2320-2122-2322-2322-2323-2424-2521-2220-2120-2123-25
通过与上述比较，No.6的界面强度为稳定的强度20-21千克/平方毫米，并且观察不到试验板的损坏。
与在比较实例1采用纯铜材料的弧电极元件的部分元件相比较，由于No 6的部分元件是包含按重量计约0.6％的铬的铜合金，并且不存在焊接和连接部分，因此电阻率是1.9微欧·厘米低于比较实施例1的相应数值，适用于在流有大电流的直空断路器中的电极结构。
此外，在比较实例2中的纯铜的强度最大值为22-23千克/平方毫米，但是0.2％的屈服应力值是非常低的数值4-5千克/平方毫米。因此，在这种纯铜被用作弧电极支承支件或管形电极元件的情况下，这种元件不能承受冲击负载，因此随时间推移该元件将变形。
此外，在No 7-15中电阻值方面，与经热处理的纯铜相比较，各电阻值约为1.5-2.0倍，No 7-15是铬或铜合金，包含金、钒、铌、锆、硅、钨、铍各成分中的一种或多种。
与常规技术的焊接和连接界面的电阻值相比较，上述数值约小于二分之一，因此，No 7-15能够充分用于实际的真空断路器的电极结构。
此外，No 7-15的强度最大值为20-25千克/平方毫米，基本上与纯铜的相应数值相同。但是除去No 14以外，0.2％的屈服应力值为9-13千克/平方毫米，因此将强度提高接近2倍。
如上所述，根据本发明对于弧电极支承元件、管形电极元件和电极杆，每一个都由铬或铜合金构成，其含金、钒、铌、锆、硅、钨、铍各成分中的一种或多种成分，因在电极结构开闭操作过程中重复产生冲击负载而不会产生变形，与变形相伴随的熔化危害可以被防止，因此电极结构的可靠性和安全性可以明显地改进。
此外，由于添加合金成分电阻率增加。然而，通过尽可能降低每个弧电极支承元件、管形电极元件和供电杆的电阻率，需要压低在供电过程中的电极温度以及在通过电极杆开断操作过程中产生电弧所产生的热量进行冷却，因此需要提高导热性。
最好使每个弧电极支承元件、管形电极元件和供电杆的电阻率小于2.5微欧·厘米。此外，最好使各个成分的含量做为上限值为含1.18％铬、1.0％银、1％钒、1％铌、0.8％锆、0.5％硅、0.1％钨、1.0％铍(重量比)。
实施例7
图12是表示采用本发明的弧电极元件的真空管的横断面图。一个用于形成真空室的真空容器构成有绝缘圆柱体35、上端板38a和下端板38b。上下端板38a和38b分别装在一个由绝缘器件形成的绝缘圆柱体35的上下开口部分。
一个固定的导电杆34a以固定方式装在上端板38a的中间部分并定位在固定侧电极构件30a的正上方。固定的导电杆34a形成为固定侧电极构件30a的一部分。
可动的导电杆34b以滑动方式装在下端板38b的中部，并位于可动侧电极构件30b的正下方。可动的导电杆34b构成为可动侧电极构件30b的一部分。
磁场发生螺管23b和弧电极元件31b装在可动的导电杆34b上，可动侧电极构件30b的弧电极元件31b实现与固定侧电极构件30a的弧电极元件31a的接触和分离。每个弧电极元件31a和31b的直径大于120毫米。
一金属波纹管37位于可动导电杆34b的周围。金属波纹管37的装设用于覆盖下端板38b的内表面并在其中伸缩。
金属板制的圆柱形屏蔽元件36利用绝缘的圆柱壳体35装在上方两个弧电极元件31a和31b的周围，并且这个屏蔽元件36其构成使得不受上方的绝缘圆柱壳体35的绝缘特性损坏的影响。
此外，上方弧电极元件31a和31b中的每一个整体固定到弧电极支承元件32a和32b上并分别利用纯铁构成的2个加强元件39a和39b钎焊到竖直磁场发生螺管33a和33b上，该支承元件32a和32b是根据HIP处理得到的。
加强元件39a和39b可以由奥氏体不锈钢构成。绝缘的圆柱形壳体35由玻璃或陶瓷烧结体构成。
利用一合金板将绝缘的圆柱壳体35钎接到上下金属端板38a和38b上，该合金例如柯伐合金板具有的热膨胀系数近于玻璃或陶瓷，使之维持在低于108毫米汞柱的高真空状态。
固定的导电杆34a连接到一连接端、成为电流的通道。一抽空管(图上未表示)装在上端板38a上，在抽真空操作时，连到真空泵上。
装一个吸气器，以便当在真空容器的内部产生很少量的气体时工作，使之保持真空。一屏蔽板36工作，以便粘附和冷却由电弧产生的主电极表面(固定侧电极构件30a的表面和可动侧电极构件30b的表面)的金属蒸汽，并且该粘附的金属工作，其有吸气器的功能，保持真空度。
图13是详细表示电极结构的横断面图。固定侧电极构件和可动侧电极构件基本上具有相同的结构。
根据在实施例4所示的HIP处理，弧电极元件31与电极支承元件32整体形成。通过在图中所示的切削作业，得到上述整体结构。
由奥氏体不锈钢构成的加强平板40利用焊接件42钎焊到弧电极支承元件32上，管形电极元件由纯铜构成，并利用焊接件41分别钎焊到导电杆34和电极结构上，该焊接件41比上述的焊接件42的熔化温度低。
在本实施例中，弧电极支承元件32由纯铜构成。加入到弧电极支承元件32中的铬、银、钒、锆、硅、钨和钒各成分中的一种或多种成分的数量如上所述，这一数量是根据所需的强度和所需的电阻确定的。
此外，通过根据金属间化合物的知识进行的热处理，能够作到使电阻小而又不降低强度。
实施例8
图5是表示根据本发明制造弧电极结构的斜视图，该电极结构具有延伸到弧电极元件侧面部分的各个槽。
通过切削延伸到弧电极元件侧面部分的各槽，所产生的竖直磁场的强度可以加大。
在该图中，弧电极元件的形状不同于由于其构成带有一圆板的如图13所示的弧电极元件的形状。上述如图5中所示弧电极元件的形状称为杯形电极。即使在图13中所示的电极结构，通过向弧电极元件的上部形成各槽，也能增强所产生的竖直磁场。
在图14中，表示了在磁通密度和电弧电压之间的关系。利用恒定的磁场产生电弧电压的最小值，而该磁场是随电流变化的。开断电流的数值变大，那么为了降低电弧电压所需的磁通密度也变大。
在用于开断大电流的真空断路器中，需要具有大的竖真磁场。然而，通过形成延伸到电极结构侧面部分的各个槽，在与具有相同直径的弧电极元件比较的情况下，与常规电极结构相比较，可以得到大的竖直磁场。
即根据本发明的电极结构，能够得到具有相同性能的紧凑结构。
图1是表示本发明的真空断路器的整体结构的示意图。在这真空断路器中，操作机构装置配置在前部，三相组装式的三对用于支承真空管的防火的导向的环氧树脂圆筒60配置在后部，这种真空断路器的构成结构紧凑，重量轻。
每相的端部利用一环氧树脂圆柱体和真空管支承板沿水平方向支承，因此真空断路器构成水平抽出型。真空管的开闭利用操作机构装置通过操作杆61进行。
操作机构装置具有简单的结构，形成一个紧凑、轻便的电磁操作系统、机械吸引起动脱扣机构。在这种操作机构中，由于开闭行程小，可动部分的动作量变小，因而使振动冲击很小。
在主体前侧，除了手动操作系统的二次端子以外、在真空断路器中配置：开闭指示装置、操作次数计数器、手动型吸引起动按钮、手动跳闸装置、拖出装置和连锁杠杆等。
(a)闭合电路状态
介绍真空断路器的闭合电路状态。电流3经绝缘圆柱体59的上接线端62、主电极构件30a和30b，集流器63和下接线端64。在主电极构件30a和30b之间的接触力由装在操作杆61上的接触弹簧元件65保持。
主电极构件30a和30b的接触力、由快速切断弹簧元件所产生的力和磁力都利用支承杠杆66和顶杆67来维持。当跳闸线圈被激磁时，可动铁芯68由释开位置经过撞杆69向上推动联杆装置70。通过转动主杠杆71，一个触头闭合，可动铁芯68为支承杠杆66所保持。
(b)吸引一起动脱扣状态
根据断开和分离操作，可动侧电极构件30b朝着下方部分运动，由固定侧和可动侧电极构件30a和30b被断开和分离的瞬间开始产生电弧。
由于高绝缘和开断力和在真空中的强扩散的作用，使得电弧在很短时间被熄弧。当吸引起动线圈72被激磁时，该引出杠杆73取消对顶杆67的约束，主杠杆71由快速切断弹簧元件所转动，然后主电极构件30a和30b打开。这处操作是机械的吸引起动脱扣系统，与闭合电路操作是否存在无关。
(c)开路状态
在主电极构件30a和30b被断开之后，由复归弹簧元件74的作用，使连杆返回，同时使顶杆67约束。在这种状态下，跳闸线圈75被激磁，便到(a)的闭合电路状态。装有一抽空管76。
真空断路器操作在真空状态下断开电弧，它利用真空具有很高的绝缘耐受力并且根据电弧的高速扩散作用而有优异的遮断性能。
相反地，在空载的电动机或变压器被开闭的情况下，在电流到达零点之前，就进行开断操作。
然而，存在这样的情况，其中产生开断电流以及产生与该电流和浪涌阻抗的乘积成正比的开闭浪涌电压。
由于上述原因，当利用真空断路器直接开闭3千伏变压器和3千瓦或6千瓦旋转电机时，需要将一浪涌吸收器连接到电路上来限制浪涌电流，保护装设的电机。
作为浪涌吸收器，一般采用电容器，然而，根据负载的冲击波承受电压值，可以采用氧化锌非线性电阻片。
根据本发明，真空管或真空断路器具有一对电极构件：固定侧电极构件和可动侧电极构件，每个电极构件包含：弧电极元件、弧电极支承元件，用于支承弧电极元件，和管形电极元件，其连接到弧电极支承元件上。
由于弧电极元件、弧电极支承元件、管形电极元件、最好还有供电元件按照金属结构学根据HIP处理形成，以构成一整体结构，此外，由于弧电极支承元件和管形电极元件都由铜合金构成，按重量计含1.18-0.1％的合金成分，该成分为铬、银、钒、铌、锆、硅、钨和铍等各成分中的一种或多种成分。

Claims (22)

1.一种真空管，包含：
一真空容器，用于形成一真空室；
一固定侧电极构件，装在所述真空容器中；
一可动侧电极构件，装在所述真空容器中；
每个所述固定侧电极构件和所述可动侧电极构件分别包含：一弧电极元件、一弧电极支承元件，用于支承所述弧电极元件、一管形电极元件，其连接到所述弧电极支承元件以及一供电元件；
其特征在于，
在所述的弧电极元件和所述弧电极支承元件、所述管形电极元件以及所述供电元件之间的连接部分的至少一个基体部分是按照金属结构学根据固相扩散而整体构成的。
2.如权利要求1所述的真空管，其特征在于所述弧电极元件的直径大于120毫米。
3.如权利要求1所述的真空管，其特征在于，
所述弧电极元件包括重量百分比为80-30％的至少一种金属成分，该金属成分是从铬、钨、钼、钴和铁形成的组选择的。
4.如权利要求1所述的真空管，其特征在于，
所述弧电极元件包括重量百分比为20-70％的至少一种金属合金成分，所述金属合金成分是从铜、银和金组成的组选择的。
5.如权利要求1所述的真空管，其特征在于，
所述弧电极元件包括至少一种金属成分，该金属成分按重量计含0.5-5％，是由钒、铌、锆、钛、钽和硅各成分的一种或多种形成的组选择的。
6.如权利要求1所述的真空管，其特征在于，
每个所述弧电极支承元件、所述管形电极元件和所述供电元件至少包含一种金属成分，该金属成分按重量计小于1.0％，是由铬、钒、锆、硅、钨和铍各成分中的一种或多种成分形成的组选择的，
其余的部分包含至少有一种金属成分的合金，该成分是由铜、银和金各成分中的一种或多种形成的组选择的。
7.如权利要求1所述的真空管，其特征在于，
每个所述弧电极元件和所述弧电极支承元件具有若干槽，用于产生竖直磁场，
所述槽朝着所述弧电极元件和所述弧电极支承元件的侧面部分连续延伸。
8.一种制造真空管的方法，该真空管包含：
一真空容器，用于形成一真空室；
一固定侧电极构件，装在所述真空容器中；
一可动侧电极构件，装在所述真空容器中；
每个所述固定侧电极构件和所述可动侧电极构件分别包含：一弧电极元件、一弧电极支承元件，用于支承所述弧电极元件、一管形电极元件，其连接到所述弧电极支承元件以及一供电元件；
其特征在于，
在所述弧电极元件和所述弧电极支承元件、所述管形电极元件和所述供电元件之间的至少一个连接部分是利用热等静压法整体制造的。
9.如权利要求8所述的制造真空管的方法，其特征在于，
热等静压法的加热温度低于构成整体元件的合金的熔点，该合金至少包含一种金属成分，该成分是由铜、银和金各成分中的一种或多种形成的组选择的。
10.如权利要求8或9所述的制造真空管的方法，其特征在于，
该方法还包含：用于将各种金属粉末填入一容器以及通过加热进行严密密封及在所述容器内部进行脱气的步骤。
11.如权利要求8所述的制造真空管的方法，其特征在于，
所述弧电极元件由一个包括高熔点金属粉末和导电金属粉末的混合粉末形成体制成，所述高熔点金属粉末的熔点高于1800℃，所述导电金属粉末由从Cu、Ag和Au组成的组选出的至少一种金属元素形成；
将所述混合粉末形成体和所述弧电极支承元件插入一个金属容器；
在对所述混合粉末形成体和所述弧电极支承元件形成高温真空密封后，对所述混合粉末形成体和所述弧电极支承元件进行热等静压烧结；
按照金属结构学根据固相扩散而整体制成所述弧电极元件和所述弧电极支承元件。
12.如权利要求11所述的制造真空管的方法，其特征在于，所述高熔点金属粉末选自Cr、W、Mo、Co和Fe中的一种或多种元素，其重量百分比为80-30％，所述导电金属粉末选自Cu、Ag和Au中的多于一种的元素，其重量百分比为20-70％。
13.一种真空断路器，包含：
一绝缘容器；
一真空管，具有一固定侧电极构件和一可动侧电极构件；
导电连接端，它们在所述真空管外侧，连接到每个所述固定侧电极构件和所述可动侧电极构件；
一绝缘元件，连接到所述可动侧电极构件；以及
一开闭装置，用于经过所述绝缘元件驱动所述可动侧电极构件；
每个所述固定侧电极构件和所述可动侧电极构件分别包含：一弧电极元件、一弧电极支承元件，用于支承所述弧电极元件、一管形电极元件，其连接到所述弧电极支承元件、和一供电元件；
其特征在于，
在所述弧电极元件和所述弧电极支承元件、所述管形电极元件和所述供电元件之间的连接部分中的至少一个基体部分是按照金属结构学根据固相扩散整体形成的。
14.如权利要求13所述的真空断路器，其特征在于，
所述弧电极元件的直径大于120毫米。
15.如权利要求13所述的真空断路器，其特征在于，
所述弧电极元件包含重量百分比为80-30％的至少一种金属成分，该金属成分是从铬、钨、钼、钴和铁组成的组选择的。
16.如权利要求13所述的真空断路器，其特征在于，
所述弧电极元件包括重量百分比为20-70％的至少一种金属合金成分，所述金属合金成分是从铜、银和金组成的组选择的。
17.如权利要求13所述的真空断路器，其特征在于，
所述弧电极元件包含：至少一种金属成分或至少一种合金成分，该金属成分含量按重量计占0.5-5％，是由钒、铌、锆、钛、钽和硅各成分中的一种或多种形成的组选择的，该合金成分含量按重量计占30-70％，合金的金属成分是由铜、银、金各成分中的一种或多种形成的组选择的。
18.如权利要求13所述的真空断路器，其特征在于，
每个所述弧电极支承元件、所述管形电极元件和所述供电元件都包含至少一种金属成分，该金属成分含量按重量计小于1.0％，是由铬、钒、锆、硅、钨和铍各成分中的一种或多种成分形成的组选择的，
其余的部分包含一种合金，该合金至少由一种金属成分构成，该金属成分是由铜、银、金各成分中的一种或多种形成的组选择的。
19.如权利要求13所述的真空断路器，其特征在于，
每个所述弧电极元件和弧电极支承元件有若干槽，用于产生竖直磁场，
所述槽朝着所述弧电极元件和所述弧电极支承元件的侧面部分连续延伸。
20.一种制造真空断路器的方法，该真空断路器包含：
一绝缘容器；
一真空管，具有一固定侧电极构件和一可动侧电极构件；
导电连接端，它们在所述真空管外侧，连接到每个所述固定侧电极构件和所述可动侧电极构件；
一绝缘元件，连接到所述可动侧电极构件；以及
一开闭装置，用于经过所述绝缘元件驱动所述可动侧电极构件；
每个所述固定侧电极构件和所述可动侧电极构件分别包含：一弧电极元件、一弧电极支承元件，用于支承所述弧电极元件、一管形电极元件，其连接到所述弧电极支承元件和一供电元件；
其特征在于，
在所述弧电极元件和所述弧电极支承元件、所述管形电极元件和所述供电元件之间的至少一个连接部分是通过热等静压法整体制造的。
21.根据权利要求20所述的制造真空断路器的方法，其特征在于，
热等静压法的加热温度低于构成整体元件的合金的熔点，该合金包含至少一种金属成分，该成分是由铜、银、金各成分中的一种或多种形成的组选择的。
22.根据权利要求20或21所述的制造真空断路器的方法，其特征在于，
该方法还包括用于将各种金属粉末填入一容器和通过加热进行严密密封和对所述容器内部进行脱气的步骤。
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