CN1072797A - 真空断路器 - Google Patents

Abstract

一种真空断路器，包括一真空容器。这真空容器 包括一由陶瓷制造并在其两端有开口的绝缘管，和分 别密封这些开口的密封金属。在真空容器内，设置有 一对电极，使这些电极可彼此进行可拆卸式接触。构 成至少其中一个密封金属的材料成分，按重量百分比 计，则含25～55％的镍，0.02～1.0％的硅，其余成分 基本是铜，最好材料的组成还包括：按重量百分比计 总含量为0.02～1.5％的硅和锰和/或总含量为5％ 或更少的铁和钴。

Description

本发明是关于在电厂，变电站以及诸如此类的厂或站中所使用的可用作开关的真空断路器。

一般说来，真空断路器都带有一个由铝土陶瓷制园柱形绝缘容器，容器的两端开口都用密封金属密封，以使其内压力减少到低于1×10巴。在真空容器中，设有一对电极，使这两电极彼此可实现可折卸式接触。铝土陶瓷两端开口的表面带有一通过在其上涂烤（coatbaking）钼-锰粉或类似材料形成的金属层，以使这表面和密封金属之间能够分别进行钎焊。顺便一提，绝缘容器和密封金属之间的密封钎焊是在780℃～1000℃的温度下进行的。此外，在密封金属表面上涂有抗蚀层。

众所周知，这种真空断路器是要求高度可靠的。特别是，由于断路器的内部工作时，必须长时间保持在高度真空状态下，因此必须对密封部分非常注意。即，在绝缘容器和密封金属之间的联接处，热膨胀系数不同的两种材料要彼此接触。所以它们的热膨胀系数之间在比如780℃～1000℃的高温进行钎焊时产生的差别，会引起不可忽略的内部应力。因此，现在都把改善内部应力视作增加真空断路器可靠性的对策之一。

为了解决这问题，至今构成密封金属的材料是选自诸如在钎焊时其热膨胀系数具有接近铝土陶瓷的热膨胀系数的42Ni-Fe和17Co-29Ni-Fe合金之类的合金。

然而，上述普通的真空断路器仍有下述的不方便之处。

第一，断路器壳体上的防腐蚀措施，特别是密封金属表面的提高耐腐蚀性的处理应进一步改进。即，用作这种处理的材料是一种有机树脂或类似的涂膜。然而这种涂膜在质量、强度和敷层的性能方面均可能随时间变坏。所以，采用这样一种不稳定的抗腐蚀涂层的真空断路器难以确保所要求的长期工作可靠性。特别在化工厂或在靠近海面环境中，靠这种不稳定的抗腐蚀涂膜来防止氯气或氯离子的腐蚀，要实现真空断路器的长期可靠性几乎是不可能的。

第二，该密封金属是一种铁磁性物质，由于工作电流引起的铁损会导致温度的升高。而且，磁致伸缩振动会产生噪音。

本发明是根据上述情况提出的，因此，本发明的一个目的是提供一种耐腐蚀性能和电传输效率极佳，并可防止工作期间产生温升和可抑制噪音发生的真空断路器。

为了达到上述目的，本发明的特点之一是真空断路器包括：

一个分别包括一由陶瓷制造并在其两端设有开口的绝缘管和用于密封这两开口的密封金属的真空容器;和

一对设置在真空断路器内的电极，以使这些电极彼此可进行可折卸式接触;

至少构成其中一种密封金属的材料成份，按重量百分比计，为包括25%～55%的Ni（镍），0.02～1.0%的硅（Si）以及基本上是铜（Cu）的其余成份。

本发明的另一特点是，真空断路器包括：

一个包括一由陶瓷制造并在其两端设有开口的绝缘管和分别密封这两开口的密封金属的真空容器;和

一对设置在真空断路器内的电极，以使这些电极彼此可进行可拆卸式接触;

至少构成其中一种密封金属的材料成份，按重量百分比计，则包含25%～55%的镍，0.02%～1%的硅，铁和钴的总含量为5%或更少，以及基本上是铜的其余成份。

本发明还有另外一个特点是，真空断路器包括：

一个包含一由陶瓷制造并在其两端设有开口的绝缘管和分别密封这些开口的密封金属的真空容器，和

一对设置在真空断路器内的电极，以使这些电极彼此可进行可拆卸式接触;

至少构成其中一种密封金属的材料成份，按重量百分比计，则包含25%～55%的镍，0.02%～1%的硅，硅和锰的总含量为0.02%～1.5%，以及基本上是铜的其余成分。

本发明还有另外一个特点是，真空断路器包括：

一个包括由陶瓷制造并在其两端设有开口的绝缘管，和分别密封这些开口的密封金属的真空容器，和

一对设置在真空断路器内的电极，以使这些电极可彼此进行可拆卸式接触;

至少构成其中一种密封金属的材料成份，按重量百分比计，则包含25%～55%的镍，0.02～1%的硅，总计占0.02～1.5%的硅和锰，总共占5%或更少的铁和钴，以及基本上是铜的其余成份。

按照本发明的密封材料最重要的一点是，该材料具有极佳的耐腐蚀性，并由非磁性物质组成。由于这些特点，非磁性铜一镍合金被选作该密封材料。众所周知，铜-镍合金一般都有比42Ni-Fe或17Co-29Ni-Fe合金较大的热膨胀系数。但是，铜-镍合金在高温下具有比铁基合金小的变形应力。所以，铜-镍合金的塑性变形本身可吸收钎焊时由其热膨胀所产生的应力。

其次，鉴于它的钎焊性能和可加工性，将考虑包括在铜-镍合金中的成份。

一般说来，硅和锰被用作去氧剂。但是，这些成份也起着决定真空断路器的密封性和可靠性的重要作用。

也就是说，硅和锰对密封合金均具有去氧化效果，以及对它的可加工性、钎焊性能和工作可靠性都有很大影响。

如上所述，按照本发明的真空断路器，工作时必须使真空容器保持在高度真空状态下。因此，对密封材料既要求一稳定的钎焊状态又要求可能的除氧作用。

这样就要考虑锰和硅的除氧能力。如果氧含量仅仅通过添加锰去控制，则就需要使该成份高于1.5%重量百分比。然而，如果以这样高的含量添加锰的话，则一旦承受冷轧之类的冷加工时，该合金很可能产生裂纹。

在这种情况下，如果将锰的含量限制在1.5%重量百分比或更少时，并以高于0.02%重量百分比的含量添加硅作为辅助除氧剂，就可能实现稳定的冷加工以及达到可允许的氧含量。然而，冷加工也受加入过量硅的影响。所以，最好是以总共1.5%或低于1.5%的重量百分比，去控制硅和锰的添加量。

由于硅比锰活泼，如果硅的添加量超过1.0%的重量百分比，则在铜-镍合金的表面就会发生部分氧化。所以，在真空气氢下进行钎焊工序时就难以实现理想的钎焊。因此，有必要将硅的添加的重量百分比限制到1.0%或更少。

相反，如果锰或硅的添加量过少，则由于仍然保留在合金内的氧的反应，在钎焊部分就会产生包含粗大组织的针孔的不完全结构。结果，就很可能在热或冷加工期间产生裂纹。所以，为了防止这些裂纹，必需至少添加总含量为0.02%重量百分比的硅和锰。然而，仅仅添加0.02%重量百分比的锰，就会导致脱氧不充分从而引起针孔或结构的不稳定性。因此，必需再将至少0.02%重量百分比的硅添加到该密封合金。

由于上述原因，在限制硅和锰的总添加量在0.02～1.5%重量百分比的同时，最好将硅的加入量控制在0.02～1.0%的重量百分比范围内。

此外，我们发现，将铁和钴添加到铜-镍合金可进一步增强它的抗腐蚀性能，从而战胜例如存在比较大含量的氯气之类的反应气体的恶劣环境。但是，如果铁的添加量超过5%重量百分比，则这种抗腐蚀性能就会降低。另一方面，如果钴添加得过量，铜-镍合金往往会被铁磁化。

因此，最好将铁和钴的总添加量控制在5%或更少重量百分比。

最后，要考虑铜-镍合金中的主要成份镍的比例。

抗腐蚀性能随镍的增加而增强。按照我们的研究，对类似条件的自然环境的充分抗腐蚀性需要至少将镍的含量增加到25%的重量百分比。然而，如果镍的添加量超过55%的重量百分比时，铜-镍合金在低温范围内往往会被铁磁化。

因此，最好将镍的比例控制在25%～55%的重量百分比范围内。

本发明的这些和其它目的，特点和优点，通过以下结合附图对一个最佳实施例的说明会使人一目了然。

图1是实现本发明真空断路器的一个实施例的垂直截面图;

图2A和图2B分别是构成图1实施例和其它对比例中所使用的每种密封金属材料的成份比例。

图3A和图3B是用于比较分别由图2A和2B所示的、按照本发明的发明例子和对比例子之间的耐腐蚀性能和密封性的数据。

图4是对分别示于图2A和2B中的密封金属材料的温升、噪音和总评价的结果。

后面将参考各附图详细描述本发明的实施例。

图1示出了一真空断路器的结构。在该图中，由铝土陶瓷制成的绝缘管1有两个端面开口。其中一个开口是用一固定侧密封金属2a密封的，另一开口用一可动侧密封金属2b密封。以此方式，真空容器3被构造得使其内压力可减少到1×10巴以下。在真空容器3内，分别设置有固定联接端5和一可动联接端7。固定端5作为第一电流通道被固定到一固定轴4。另一方面，可动端7作为第二电流通道被固定到一可动轴6。顺便说说，可动端7被设计得使它可在轴6或轴4的轴线方向与固定端5实现随意接触。而且，波纹管8其一端固定到可动轴6的一端部，而其另一端固定到可动侧密封金属2b。波纹管8被设计得使它的运动可将真空容器3的内压力控制在一恒定值。此外，在真空容器3中设置有一金属屏蔽9以将静止和可动的联接端5和7包围起来。设置金属屏蔽9的目的是吸收或捕集联接端5和7接触或脱离时在其间产生的金属蒸气。以此方式可避免由于金属蒸气粘附到绝缘管1的内壁，而引起的绝缘电阻的下降。

而且，至少密封金属2a，2b之一包含有25～55%（重量百分比）的镍，总含量为0.02～1.5%（重量百分比）的硅和锰，5%或5%以下（重量百分比）的铁，以及基本为铜的其余成分。在这种情况下，密封金属2a，2b就不需要上述耐腐蚀用的传统涂膜。

由于密封金属2a，2b包含有上述这样一种比例的各个成份，所以它有比普通的42Ni-Fe或类似合金较大的热膨胀系数。因此，密封金属和构成绝缘管1的铝土陶瓷之间的膨胀差在高温下就变得相对大。然而，铜-镍密封金属在高温下通常都表现出比这样一种铁基密封合金较小的变形应力。所以，这种铜-镍密封金属的塑性变形本身可以吸收在500～1000℃的温度下将密封金属钎焊到绝缘管1的各端开口时由它的热膨胀所引起的应力。因此，密封金属2a、2b能比42Ni-Fe和17Co-29Ni-Fe合金的密封金属呈现更优良的特性。

接着，描述为生产这些密封金属的各种合金不同性能的测试方法。

（1）耐腐蚀

对每个试件喷上中性盐水720小时以后，观察其外观。试件的尺寸约为50毫米×50毫米×1毫米。

（2）特殊气氛下的耐腐蚀

进行比中性盐水喷雾测试更加速的所谓CASS试验（铜-加速的醋酸盐喷雾试验）。即，CASS试验是一种在酸性气氛中的盐水喷雾试验。评价这一性质采用的是一个数值，这个数值是通过将由于腐蚀引起的合金减少量转换成一平均减少的厚度所获得的。

这试验所需时间是720小时。

（3）温度特性

制备一个按照本发明采用这合金作为密封金属的真空断路器。然后，在7.2千伏下流过630安交流电流经3小时，用一热电偶测量该密封金属的温升。

（4）接通状态的噪音

在测量温度特性的同时，用听觉评价因磁致伸缩振动所产生的噪音。

（5）密封性

如上所述，必须非常认真地考虑铜-镍合金与诸如铝土陶瓷之类的陶瓷之间密封联接的密封性能或密封可靠性。特别是，钎焊部分必须保持密封，甚至在受到由打开和闭合操作所引起的冲击情况下也能保持密封。因此，我们以下述方法评价了密封性。

首先，以上述相同的方式制备一个真空断路器。然后在将绝缘容器的内压力控制到低于1×10^-4巴以后，将这真空断路器联接到一预定的开关装置，以在空载条件下重复进行开、合操作1000次。然后测量其内压力以评价每种密封金属的密封性能。

顺便说说，每一实例采用的真空断路器的数量是三个。

而且，实现了如下所述的为制备本发明实例和对比例所用的每种材料的典型方法。

添加铁和铜，并在5×10^-3巴的压力下与熔融的镍混合。接着将适量的锰和硅分别加到混合物中。冷却后，将获得的锭在约900℃～1000℃的温度下进行热锻，然后在同样的温度（900-1000℃）进行热轧，以此获得一轧制材料。之后，将这材料在室温下进行冷轧加工并在一足够的高温下进行退火以除去因冷轧产生的歪斜。重复这些过程直到材料的厚度达到所需值。

下面，参考图2到图4描述对本发明的实例和对比例的各自特性的评价。

为方便起见，每种合金的所有成份表被分成图2A和2B。

本发明的实例1-4和对比例1-2。

首先，为了考虑铜-镍合金的基本成份，分别制备了包含约0.1%重量百分比的硅和约0.3%重量百分比的锰的六种铜-镍合金。而且，按重量百分比计，这些合金分别包含有15%、25.3%、34.9%、44.0%、54.8%和70.3%的镍。顺便说说，这些镍的含量分别相当于对比例1，本发明实例1～4和对比例2。

图3A，3B和图4分别表示了上述这些试件的各自性能方面的评价结果。

有关基于中性盐水喷雾试验的耐腐蚀性，含有重量百分比15%镍的对比例1在它的整个表面变成了绿色。然而，从含有重量百分比25.3%或更多的镍的其它铜-镍合金，仅观察到几个绿色的腐蚀斑点。

接着，考虑包括有由上述每一试件形成的密封金属的各个断路器的操作性能。

正如从图4可很好理解的，从包括含有54.8%或更少些重量百分比的镍的铜-镍密封金属的每个断路器工作时观测到其温升小，没有噪音发生。相反，对相应于含有70.3%重量百分比的镍的对比例2之断路器，可观测到由于合金的铁磁性造成的明显噪音和显著的温升。顺便说说，代表空载开关操作试验后的钎焊状态的密封性能在任何情况下都是合格的。

因此，从上述结果看，最好使用具有基本成分包括有25%～55%镍（重量百分比）、以及其余成份为铜的铜-镍合金。

本发明实例5-10与对比例3-9。

接着，考虑硅和锰的添加量。

在这种情况下，我们制备了包含有重量百分比45%的镍和含有重量百分比0～1.3%的硅和0-2.1%的锰，硅和锰的总含量的重量百分比为0～2.1%的基本成份的13种铜-镍合金试件。顺便提提，这些试件分别相应于发明实例5-10和对比例3～9。

如果对比例3不含有硅和锰，则合金中就存留大量的氧。这样，在热或冷加工中产生的大量裂纹就使我们不能继续制备该试件。虽然在仅含有少量锰的对比例4的冷加工中也可看到小裂纹，但它可产生最后试件。然而，这种情况在经过空载转换操作后，其内压力并不能满足可实际使用所要求的数值。

含有重量百分比0.02～1.0%硅，硅和锰的总含量为0.02～1.5%的发明实例5-10分别表现出良好的密封性能。

另一方面，在对比例5中，虽然硅和锰的总含量低于1.5%的重量百分比，但仅仅硅的含量相对地高（1.3%重量百分比）。在这种情况下，虽然在空载转换操作后的内压力回到大气压，但可完成钎焊工作。

反之，硅和锰的总含量高于1.5%重量百分比的对比例6-9在任何情况下，冷加工后均可观察到惊人的裂纹。因此，我们停止了对这些样品的制备。

因此，在硅和锰的总含量在0.02～1.5%重量百分比的条件下，最好将硅和锰的每一添加量控制在0.02～1.0%重量百分比的范围内。发明实例3，11，12和对比例10。

接着，考虑将铁添加到铜-镍合金的影响。

如上所述，在如用中性盐水喷雾试验所规定的这样一种气氛中，铜-镍合金一般都显示出一种良好的耐腐蚀性。然而，在CASS试验所规定的严厉气氛条件下，它表现出可转换成重量或厚度的腐蚀。

也就是说，如从发明实例3看到的，45Ni-Cu合金表现出约为50微米的腐蚀厚度。然而，如果在发明实例11另添加0.0%的铁，则其腐蚀厚度被减少到40微米。而且，如果在发明实例12中将铁的添加量增加到5%，则其腐蚀厚度会进一步减少到30微米。然而，如果在对比例10中过份地添加铁，则基腐蚀厚度会增加到90微米。

因此，最好将铁的添加量控制在5%或更少。

如同每次添加铁的相同影响可通过以相同含量的钴来代替一部分或全部铁来获得。

对于本领域的技术人员来说，均可能在接受本发明的教导以后，作出未脱离本发明范围的各种改型。

Claims (4)

1、一种真空断路器，它包括：

一个分别包括一由陶瓷制造并在其两端具有开口的绝缘管，以及用于分别密封所述开口的密封金属的真空容器；和

一对设置在所述真空断路器内的电极，以使这些电极彼此可进行拆卸式接触；

构成至少所述密封金属之一的材料成份包括25～55%(重量百分比)的镍，0.02～1.0%(重量百分比)的硅，以及基本是铜的其余成份。

2、一种真空断路器，它包括：

一个包括由一陶瓷制成并在其两端具有开口的绝缘管，和分别用于密封这些开口的密封金属的真空容器;和

一对设置在所述真空断路器内的电极，以使这些电极可彼此进行可拆卸式接触;

构成至少所述密封金属之一的材料成份，按重量百分比计，包含25～55%的镍，0.02～1.0%的硅，总含量为5%或更少的铁和钴，以及基本上是铜的其余含量。

3、一种真空断路器，它包括：

一个包括由陶瓷制造并在其两端有开口的绝缘管，和用于分别密封所述开口的密封金属的真空容器;和

一对设置在真空断路器内的电极，以使这些电极可彼此进行可拆卸式接触;

构成至少所述密封金属之一的材料成份，按重量百分比计，包含25-55%的镍，0.02-1.0%的硅，总含量为0.02-1.5%的硅和锰以及基本是铜的其余成份。

4、一种真空断路器，它包括：

一个包括一由陶瓷制成并在其两端有开口的绝缘管，和分别用于密封所述开口的密封金属的真空容器;和

一对设置在所述真空断路器内的电极，以使这些电极彼此进行可拆卸式接触;

构成至少其中一个所述密封金属的材料成份，按重量百分比计，包含25～55%的镍，0.02～1.0%的硅，总含量为0.02-1.5%的硅和锰总含量为5%或更少的铁和钴，以及基本上是铜的其余成份。

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