CN105917434A - 具有防电弧中心屏蔽件的真空断续器 - Google Patents

Abstract

所公开的概念涉及合金组合物、方法和由该合金组合物构成的防电弧屏蔽件。防电弧屏蔽件位于真空断续器室内，并展现在燃弧后对电弧损害的耐受性和耐高压的能力，同时提供对传统的用于制造防电弧屏蔽件的合金组合物的更低成本的替代。在某些实施例中，合金组合物包括铜和/或与铜化学兼容的元素和另一个成分，诸如但不限于铁、不锈钢、铌、钼、钒、碳化钨、碳化铬、碳化钒、铬、以及它们的合金和混合物。

Description

具有防电弧中心屏蔽件的真空断续器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年1月20日提交的美国专利申请No.14/158,928的优先权和利益，其在此通过引用而被包含。

技术领域

所公开的概念一般涉及真空断路器和其他类型的真空开关设备以及相关的组件，诸如真空断续器和防电弧屏蔽件。具体地，所公开的概念涉及用于构造在真空断续器室内采用的内部防电弧屏蔽件的新的合金组合物。

背景技术

真空断续器典型地用于中断高压交流(AC)电流。断续器包括通常圆柱型的真空密封外壳，该真空密封外壳包围具有相对的接触面的一对同轴排列的可分离的接触部件。接触面在闭合电路位置处彼此邻接，并被分开以断开电路。每一个电极组件连接到载流接线柱，该载流接线柱延伸到真空密封外壳的外侧并连接到AC电路。

通常，当接触头移开到断开电路位置时，在接触面之间形成电弧。燃弧持续到电流被中断。来自接触头的金属在燃弧期间通过电弧蒸发以形成中性等离子体，并在电流熄灭后凝结回接触头上和在接触部件与真空密封外壳之间放置的蒸汽屏蔽件上。

断续器的真空密封外壳通常包括陶瓷管状绝缘壳，并且金属端盖或密封盖覆盖每一端。真空断续器的电极穿过端盖延伸到真空密封外壳。至少一个端盖刚性地连接到电极，并且必须能够在断续器的工作期间承受相对高的动力。

真空断续器是真空类型开关设备的关键组件。对于用于使用横向磁场接触头的真空类型断路器的断续器，通常包括蒸汽屏蔽件，例如内部电弧屏蔽件或防电弧屏蔽件，该蒸汽屏蔽件可耐受严重的燃弧以限制电弧的向外散播，并在断开故障电流后保护断续器的耐高压性。

屏蔽件通常由铜、不锈钢、铜铬合金或其组合构成。在某些情况下，屏蔽件可由在燃弧区域的一种材料和可用于屏蔽件的其余部分的第二种材料构成。铜铬合金材料由于其在燃弧已经发生后对电弧损害的耐受性和耐高压的能力，因此可用于最高的故障电流额定值。通常，铜铬合金包括大约10％到25％重量的铬，其余是铜。

所公开的概念的目的是开发新的合金组合物，以用于构造在真空断续器中内部使用的防电弧屏蔽件，其中该组合物不同于传统的纯铬和铜合金。另一个目的是开发新的合金组合物，其中，与已知的铜铬组合物相比，铬的量被减少。再一个目的是在组合物中没有铬。获取铬很昂贵，因此，减少或消除铬的存在将提供对于传统的用于构造防电弧屏蔽件的材料更低成本的替代物。进一步地，认为使用除了纯铬和铜以外的材料或元素可导致在防电弧屏蔽件中表现更出众的性能的合金组合物。

发明内容

这些需求和其他需求可通过所公开的概念的实施例满足，这些实施例提供了组合物和由这些组合物构成的防电弧屏蔽件。

在一个方面，所公开的概念提供一种合金组合物，用于构造位于真空断续器室内的防电弧屏蔽件。该合金组合物包括：在固相线温度和液相线温度之间100℃或更高的熔化范围，900℃或更高的固相线温度，充分多相的微结构，以及在电弧熔化后快速冷却时形成充分光滑的表面的能力。

该组合物可包括第一成分和第二成分。第一成分可包括铜或与铜化学兼容的元素。第二成分可从包括铁、不锈钢、铌、钼、钒、铬合金、碳化物、以及它们的合金和混合物的组中选择。在某些实施例中，该组合物包括铜成分和铬铁合金。铬铁合金可由大约70重量百分比的铬和大约30重量百分比的铁构成。

第一成分可以是纯铜或铜合金，诸如但不限于白铜、铜锡合金、镍铜合金、含银铜、锡青铜和铝青铜。第一成分还可包括镍、银、金、钯、铂、钴、铑、铱、钌、以及它们的合金和混合物。

碳化物可从包括碳化钨、碳化铬、碳化钒、碳化钼、碳化铌、碳化钽、碳化钛、碳化锆、碳化铪、碳化硼、和碳化硅的组中选择。

在另一个方面，所公开的概念提供了一种由包括第一成分和第二成分的合金材料构成的防电弧屏蔽件。第一成分可包括铜或与铜化学兼容的元素。第二成分可从包括铁、不锈钢、铌、钼、钒、铬合金、碳化物、以及它们的合金和混合物的组中选择。防电弧屏蔽件是真空断续器的内部元件。

在某些实施例中，第一成分可包括纯铜或铜合金。在其他实施例中，第一成分可包括镍、银、金、钯、铂、钴、铑、铱、钌、以及它们的合金和混合物。

在再一个方面，所公开的概念提供了一种用于制备位于真空断续器中的防电弧屏蔽件的方法。该方法包括：获得第一成分，该第一成分从包括纯铜、铜合金、与铜化学兼容的元素、以及它们的混合物的组中选择；获得第二成分，该第二成分从包括铁、不锈钢、铌、钼、钒、铬合金、碳化物、以及它们的合金和混合物的组中选择；将第一成分和第二成分结合以形成混合物，使混合物形成选定形状；进行加工以形成防电弧屏蔽件。铬合金可以是铬铁合金，铬铁合金可以是预合金的铬铁粉末的形式。进一步地，混合物的形成可以通过从挤压、模制及其组合中选择的技术来进行。

附图说明

可以从以下结合附图阅读的优选实施例的描述中得到所公开的概念的全面理解，其中：

图1是根据所公开的概念的包括防电弧屏蔽件的真空断续器的剖视图。

具体实施方式

所公开的概念包括合金组合物、制备该组合物的方法和使用该组合物以制备在真空断续器中使用的防电弧屏蔽件的方法。真空断续器是真空开关设备，诸如真空断路器的关键内部组件。防电弧屏蔽件通常由铜、不锈钢或铜铬合金构造。特别地，铜铬合金是已知的由于其在燃弧已经发生后对严重燃弧的耐受性和保护断续器的耐高压的能力而随最高故障电流额定值使用的材料。优选的铜铬合金包括基于合金组合物的总重量的10到25重量百分比的铬，其余是铜。已知的铜铬合金的一个缺点是与其相关联的高成本。尤其是纯铬是昂贵的元素，因此，其在合金组合物中的存在可导致昂贵的材料。通过减少铬的量或者生产没有铬的材料，可以降低材料的成本。因此，该所公开的概念的目的是提供在形成防电弧屏蔽件中有用的合适的合金组合物。该合金组合物应当能够展示在燃弧后对电弧损害的耐受性和耐高压，并且提供对于传统的合金组合物更低成本的替代物。

图1示出了具有圆柱型绝缘管12的真空断续器10，该圆柱型绝缘管12与端部密封物51、52结合形成真空密封外壳50。绝缘管12借助于法兰25支持蒸汽屏蔽件24。防电弧蒸汽屏蔽件24包围第一电极部件20和第二电极部件22，以防止金属蒸汽聚集在绝缘管12上，并防止电弧碰撞绝缘管12。优选地，绝缘管12由陶瓷材料组成，诸如氧化铝、氧化锆或其他陶瓷氧化物，但也可以是玻璃。第一电极部件20和第二电极部件22各自径向地排列在真空密封外壳50内。第一电极部件20包括波纹管28、第一电极接触头30、第一接线柱31和第一蒸汽屏蔽件32。第二电极部件22包括第二电极接触头34、第二接线柱35和第二蒸汽屏蔽件36。尽管图1中所示的真空密封外壳50是真空断续器10的一部分，但应当理解，在此使用的术语“真空密封外壳”意在包括任何具有陶瓷-金属密封物的密封组件，其形成充分气密的外壳。这种密封外壳可在工作期间被维持在次大气压(sub-atmospheric pressure)、大气压或超大气压(super-atmosphericpressure)。

第一电极部件20和第二电极部件22各自能够相对于彼此轴向地移动以断开和闭合AC电路。安装在第一电极部件20上的波纹管28密封由绝缘管12和端部密封物51、52形成的真空密封外壳的内部，并且允许第一电极部件20从如图1所示的闭合位置移动到断开电路位置(未示出)。第一电极接触头30连接到通常圆柱型的第一接线柱31，该第一接线柱31穿过在端部密封物51的洞延伸到真空密封外壳50的外面。第一蒸汽屏蔽件32被安装在第一接线柱31上，以便使金属蒸汽远离波纹管28。同样，第二电极接触头34连接到通常圆柱型的第二接线柱35，该第二接线柱35延伸穿过端部密封物52。第二蒸汽屏蔽件36被安装在第二接线柱35上，以保护绝缘管12免受金属蒸汽。通过诸如但不限于焊接或钎焊的方式，第二接线柱35刚性且密闭地密封到端部密封物52。

优选地，所述第一电极接触头30和第二电极接触头34分别由例如铜铬合金的合金组合物组成。

根据所公开的概念的某些实施例，用于制造防电弧屏蔽件的合适的合金组合物展示以下特征或属性的一个或多个：

(i)熔化范围或间隔，其中固相和液相同时存在，例如浆料，并且其中熔化范围或间隔在固相线温度与液相线温度之间等于或大于100℃；

(ii)固相线温度等于或大于900℃；

(iii)充分多相的微结构，具有至少两个相；以及

(iv)能够在电弧熔化后快速冷却时形成充分光滑的表面。

所公开的概念涉及具有第一成分和第二成分的合金组合物。在某些实施例中，第一成分是铜，包括纯铜、铜合金或其混合物。在某些实施例中，代替或附加地，第一成分可包括任何相容元素。例如，任何与铜化学兼容的元素。也就是说，可用作铜的替代物的元素。合适的兼容元素包括但不限于镍、银、金、钯、铂、钴、铑、铱、钌、以及它们的合金和混合物。第二成分可包括铁、不锈钢、铌、钼、钒、铬、碳化物、以及它们的合金和混合物。碳化物可包括碳化钨、碳化铬、碳化钒、碳化钼、碳化铌、碳化钽、碳化钛、碳化锆、碳化铪、碳化硼和碳化硅。在某些实施例中，第二成分是铬合金。

适合在所公开的概念中使用的合金组合物的非限制性示例包括铜成分，另一成分是诸如铁、不锈钢、铌、钼、钒、铬、它们的合金或混合物、碳化物。在所公开的概念的某些实施例中，合金组合物包括铜-铁、铜-不锈钢、铜-铌、铜-钼、铜-钒、铜-铬合金、铜-铬铁、铜-钒铁、铜-铌铁、铜-X碳化物，其中X代表钨、铬、钒、钽、钼、铌、硅、硼或任何常见的碳化物形成元素。进一步地，在某些实施例中，铜合金可包括白铜、铜-锡合金、镍-铜合金、含银铜、锡青铜和铝青铜。

所公开的概念涉及用于制造防电弧屏蔽件的合金组合物，该合金组合物包括除了纯铬以外的成分，因为使用纯铬可导致昂贵的材料。在某些实施例中，该组合物包括例如采用纯铜和/或铜合金形式的铜和铬合金，其中铬合金为铬铁合金。每个成分的量可以变化。铬铁合金可构成基于该组合物的总重量的大约5到大约60重量百分比。铜可构成剩余部分。铬铁成分是铬铁合金，其中铬和铁的量均可变化。铬可构成基于铬铁成分的总重量的大约70重量百分比，铁构成大约30重量百分比。

一般地，所公开的概念的合金组合物经受已知的粉末冶金、挤压、锻造和铸造工艺中的一个或多个，以便形成防电弧屏蔽件。传统的粉末冶金技术包括但不限于压制和烧结、挤压(例如，粘结剂辅助挤压)、粉末注射成型和粉末锻造。挤压包括热挤压或冷挤压、锻造包括热锻造或冷成型。铸造包括真空感应熔化、砂型铸造和其他传统的铸造方法。

根据所公开的概念的某些实施例，铜成分和铬铁成分均可采用干燥的形式，例如粉末。在这些实施例中，通过将铜粉末和铬铁粉末混合在一起来制备组合物。铬铁粉末构成预合金的铬铁粉末。铜和铬铁合金的量以及铬和铁的量可以在上述规定的重量范围内。铜粉末和铬铁粉末可以雾化形成、化学还原形成、电解形成、研磨、或者通过任何其他已知的粉末产生工艺形成。粉末形态可以是球形、针状或不规则的。铜-铬铁粉末混合物被压制成形并烧结。成形和烧结可根据本领域已知的传统的成形和烧结设备和工艺来进行。成形并烧结的物品形成防电弧屏蔽件。可选地，对成形并烧结的物品进行加工可以是完成屏蔽件的形式所必需的。

在制造用于真空断路器的防电弧屏蔽件的优选方法中，制造的步骤包括：将铜-铬铁混合物倒入模腔内，轻敲以使粉末平坦，施加大约80,000到大约150,000磅每平方英寸(psi)的压力以形成屏蔽件，在还原炉或真空炉内以大约950℃到1100℃的温度烧结屏蔽件大约0.5小时到大约10小时，加工并形成中空的屏蔽件。

在优选方法中，步骤包括：最初预制铜或铜合金的圆柱形壳体容器或管状容器，倒入铜-铬铁粉末，通过轻敲或压制来平坦化，以大约125℃到大约400℃的温度对包含粉末的容器进行除气，通过焊接容器的顶盖或焊接顶部来密封容器，通过端口和密封物排气，以大约400℃到大约900℃的温度热挤压容器，除去容器，加工屏蔽件。在该方法的另一种形式中，在大约700℃到大约1080℃的温度范围内，在大约10,000psi到大约30,000psi之间，热等静压容器大约0.25小时到大约6小时。

用于制造屏蔽件的各种过程包括以下：

过程#1

1.将铜-铬铁混合物倒入模腔，并轻敲以使粉末平坦；

2.施加大约80,000到150,000psi的压力以制造屏蔽件预成型体；

3.在还原炉或真空炉内，在大约950℃到1100℃的温度范围内烧结大约0.5小时到大约10小时；以及

4.通过在中心钻孔来加工屏蔽件。

过程#2

1.与过程#1相同，除了压制期间在模具中使用辊心以形成中空管状预成型体；

2.在还原炉或真空炉内，在大约950℃到1100℃的温度范围内烧结大约0.5小时到大约10小时；以及

3.加工屏蔽件。

过程#3

1.与过程#1和过程#2相同，除了使用橡胶袋作为模具以及使用冷等静压以在大约60,000psi到120,000psi的范围内施加等静压力；

2.在还原炉或真空炉内，在大约950℃到1100℃的温度范围内烧结大约0.5小时到大约10小时；以及

3.加工屏蔽件。

过程#4

1.放置预制造的铜管或铜-铬铁管；

2.在管的内径上等离子体沉积、激光沉积、热喷涂或冷喷涂铜-铬铁层；以及

3.加工屏蔽件。

过程#5

1.放置可牺牲的或可重复使用的芯轴；

2.在芯轴的外径上等离子沉积、激光沉积、热喷涂或冷喷涂铜-铬铁层；

4.通过加工(或者如果是可牺牲的，则化学地)除去芯轴，或者如果是可重复使用的，则从沉积的材料中撤回芯轴；以及

3.加工屏蔽件。

过程#6

1.形成铜粉末、铁粉末和在干燥或离心分离时充分凝固的合适的载液剂(粘结剂)的浆料；

2.将浆料倒入中空管内；

3.旋转管以将浆料推向管的内径；

4.干燥旋转后的浆料；

5.从管中移出凝固的混合物；

7.烧结离心形成的圆柱形粉末混合物；以及

8.从圆柱形烧结的部件中加工屏蔽件。

过程#7

1.使用真空感应熔化或其他技术，熔化适当的铜和铬铁的混合物；

2.将熔化物倒入具有中心核的模具；

3.打破模具以移出铸件；以及

4.加工铸件以形成屏蔽件。

过程#8

1.使用真空感应熔化或其他技术，熔化适当的铜和铬铁的混合物；

2.将熔化物倒入具有离心浇铸机的模具内，并浇铸屏蔽件；以及

3.加工屏蔽件。

过程#9

1.通过粉末冶金烧结、粉末冶金渗透或浇铸，制备铜和铬铁的固体或圆柱形原坯；

2.将原坯加热到其可被挤出的温度；

3.例如使用挤压机将原坯挤成圆柱形状；以及

4.如果需要，则从挤出的圆柱形状中加工屏蔽件。

过程#10

1.将干的铜和铬铁粉末与合适的塑料粘合剂体系混合；

2.将粉末/粘结剂混合物加热到其可被成型的温度；

3.将粉末/粘结剂混合物挤成或粉末注射成型为圆柱形状；

4.通过溶剂法、热过程或其组合来移除塑料粘合剂体系，以使得粉末维持在其所形成的圆柱形状；

5.烧结圆柱形状；以及

6.如果需要，则加工屏蔽件。

示例

示例1

在一个实验中，通过混合36重量百分比(wt％)的高碳铬铁粉末与64wt％的铜粉末、压制到圆柱型模具中、烧结该部件、以及加工最终的屏蔽件形状来制造防电弧屏蔽件。高碳铬铁粉末的成分是67-71wt％的铬和8-9.5％的碳，剩余是铁。高碳铬铁粉末被研磨成-100目的大小。铜粉末是水雾化的纯铜，大小为-140目。部件的压制通过双重粉末压制实现。用于压制圆柱型部件的工具元件包括中空的圆柱型上凸模、中空的圆柱型下凸模、中空的圆柱型模体、和固体圆柱型芯棒。使用自动装粉靴将粉末注入圆柱型腔中。以45,000到116,000psi的压力执行压制。然后，以950℃到1050℃的温度将部件真空烧结6小时，并在车床上加工至最终形状。

示例2

在另一个实验中，通过混合60wt％的高碳铬铁粉末与40wt％的铜粉末、压制到圆柱型模具中、烧结该部件、加工最终的屏蔽件形状来制造防电弧屏蔽件。高碳铬铁粉末的成分是67-71wt％的铬和8-9.5％的碳，剩余是铁。高碳铬铁粉末被研磨成-100目的大小。铜粉末是水雾化纯铜，大小为-140目。部件的压制通过双重粉末压制实现。用于压制圆柱型部件的工具元件包括中空的圆柱型上凸模、中空的圆柱型下凸模、中空的圆柱型模体、和固体圆柱型芯棒。使用自动装粉靴将粉末注入圆柱型腔中。以60,000到160,000psi的压力执行压制。然后，以950℃到1050℃的温度将部件真空烧结6小时，并在车床上加工最终形状。

示例3

在另一个实验中，通过混合36wt％的低碳铬铁粉末与64wt％的铜粉末、压制到圆柱型模具中、烧结该部件、加工最终的屏蔽件形状来制造防电弧屏蔽件。低碳铬铁粉末的成分是70wt％的铬，剩余是铁。低碳铬铁粉末被研磨成-80目的大小。铜粉末是水雾化纯铜，大小为-140目。部件的压制通过双重粉末压制实现。用于压制圆柱型部件的工具元件包括中空的圆柱型上凸模、中空的圆柱型下凸模、中空的圆柱型模体和固体圆柱型芯棒。使用自动装粉靴将粉末注入圆柱型腔中。以43,000到119,000psi的压力执行压制。然后，以950℃到1050℃的温度将部件真空烧结6小时，并在车床上加工最终形状。

示例4

在另一个实验中，通过混合60wt％的低碳铬铁粉末与40wt％的铜粉末、压制到圆柱型模具中、烧结该部件、加工最终的屏蔽件形状来制造防电弧屏蔽件。低碳铬铁粉末的成分是70wt％的铬，剩余是铁。低碳铬铁粉末被研磨成-80目的大小。铜粉末是水雾化纯铜，大小为-140目。部件的压制通过双重粉末压制实现。用于压制圆柱型部件的工具元件包括中空的圆柱型上凸模、中空的圆柱型下凸模、中空的圆柱型模体和固体圆柱型芯棒。使用自动装粉靴将粉末注入圆柱型腔中。以50,000到112,000psi的压力执行压制。然后，以950℃到1050℃的温度将部件真空烧结6小时，并在车床上加工最终形状。

尽管示例系统、方法等已经通过描述示例进行了说明，并且这些示例已经相当详细地描述，但是，申请人并不意在将所附的权利要求限制或以任何方式限制到这样的细节。当然，为了描述在此描述的系统、方法等，不可能描述每一个能够想到的成分或方法的组合。因此，所公开的概念并不限于所示出并描述的特定细节、代表性的装置和说明性示例。因此，本申请意在包含各种变更、修改和变形，这都落入所附的权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种用于构造位于真空断续器(10)室内的防电弧屏蔽件(24)的合金组合物，所述合金组合物包括：

在固相线温度和液相线温度之间100℃或更高的熔化范围；

900℃或更高的固相线温度；

充分多相的微结构；以及

在电弧熔化后快速冷却时形成充分光滑的表面的能力。

2.如权利要求1所述的组合物，其中，所述组合物包括两个成分，其包括：

第一成分；以及

第二成分，所述第二成分从包括以下的组中选择：铁、不锈钢、铌、钼、钒、铬合金、碳化物、以及它们的合金和混合物。

3.如权利要求2所述的组合物，其中，所述第一成分从包括以下的组中选择：纯铜、铜合金、与铜化学兼容的元素、以及它们的混合物。

4.如权利要求3所述的组合物，其中，所述铜合金是白铜、铜锡合金、镍铜合金、含银铜、锡青铜和铝青铜。

5.如权利要求2所述的组合物，其中，所述碳化物从包括以下的组中选择：碳化钨、碳化铬、碳化钒、碳化钼、碳化铌、碳化钽、碳化钛、碳化锆、碳化铪、碳化硼和碳化硅。

6.如权利要求2所述的组合物，其中，所述铬合金是铬铁合金。

7.如权利要求6所述的组合物，其中，所述铬铁合金构成基于所述组合物的总重量的大约5到大约60重量百分比。

8.如权利要求6所述的组合物，其中，所述铬铁合金是预合金的粉末的形式。

9.如权利要求6所述的组合物，其中，所述铬铁合金由基于铬铁合金成分的总重量的大约70重量百分比的铬和大约30重量百分比的铁构成。

10.如权利要求3所述的组合物，其中，所述化学兼容的元素从包括以下的组中选择：镍、银、金、钯、铂、钴、铑、铱、钌、以及它们的合金和混合物。

11.一种由合金材料构成的防电弧屏蔽件(24)，所述合金材料包括：

第一成分，所述第一成分从包括以下的组中选择：纯铜、铜合金、与铜化学兼容的元素、以及它们的混合物；以及

第二成分，所述第二成分从包括以下的组中选择：铁、不锈钢、铌、钼、钒、铬合金、碳化物、以及它们的合金和混合物；

其中，所述防电弧屏蔽件(24)是真空断续器(10)的内部元件。

12.一种用于制备位于真空开关设备室内的防电弧屏蔽件(24)的方法，所述方法包括：

获得第一成分，所述第一成分从包括以下的组中选择：纯铜、铜合金、与铜化学兼容的元素、以及它们的混合物；

获得第二成分，所述第二成分从包括以下的组中选择：铁、不锈钢、铌、钼、钒、铬合金、碳化物、以及它们的合金和混合物；

将所述第一成分与所述第二成分结合以形成混合物；

使所述混合物形成选定形状；以及

进行加工以形成所述防电弧屏蔽件(24)。

13.如权利要求12所述的方法，其中，所述铬合金是铬铁合金。

14.如权利要求13所述的方法，其中，所述铬铁合金是预合金的铬铁粉末的形式。

15.如权利要求12所述的方法，其中，所述混合物的形成通过从包括挤压、模制及其组合的组中选择的技术进行。