CN1082709C - 电触点磨损和温度指示剂 - Google Patents

Abstract

在负载(带电)下工作的电开关由于电弧和温度升高而遭腐蚀和磨损，使其功能降到低于允许的极限后，就需要更换电触点。将一些微量元素或混合物(18)插在表示磨损或腐蚀到需要更换触点的深度位置。当因磨损或腐蚀而外露时这些微量元素(18)被释放到触点周围的油或其它介质中，从而指示过渡磨损。或者一旦已达到预选温度，一些指示剂材料即从一个或多个开关组件表面释放入周围介质。

Description

电触点磨损和温度指示剂

发明领域

本发明总的涉及电气开关尤其涉及电触点组件和采用该触点组件的电气开关。

发明背景

在负载下工作的电气开关触点在正常工作期间一般都被腐蚀并且当产生过热时甚至会损坏。触点的腐蚀和过热可能引起开关工作失效或损坏，并在另一方面通常会降低或限制开关本身的有效寿命。因过热而腐蚀或损坏的程度是在工作期间存在各种条件的函数，如通过触点的电流值，触点上所加的电压，经受的最大工作温度，以及触点工作的苛刻程度(例如开关工作的时间和频率)。此外，电气触点的腐蚀或过热也可能指示其它开关组件的失效或失灵。

电气触点的腐蚀最通常是由开关断路时发生的电弧而引起的。当电触点相互远离时形成电弧，而且它们之间的电位使电子跨越该互联的间隔。在电弧中的电流保持到触点之间的间隔增加从而使阻抗增加到阻止电子跨越对应于给定电位的间隙为止。电流流过间隙产生热量，使温度提高到足以烧掉一些触点材料。当它的触点腐蚀到它们不能有效地接通电路时开关可能失效。

开关也可能由于接触面的高电阻而产生过热。触点或其它开关组件的过热引起的触点的物理特性的变化比引起的腐蚀要小，但在长期运行后也可能会引起触点的明显损坏，甚至使触点失效。其中，过热会使触点变脆和/或被过度碳化，可能导致在开关内的称为“跳火”的一类故障。

如果有腐蚀或过热发生，则电触点的有效寿命与腐蚀或过热的程度有关。一旦触点腐蚀到进一步使用会危及人员或机器的称为“临界点”的时候，触点的有效寿命即超过了。该临界点是指体积的度量，当例如腐蚀的结果使触点仅剩余预定的百分比时达到此点。

因为不能清除电弧和腐蚀，开关要设计成允许更换触点。一般，当触点被腐蚀到临界点或接近临界点时，更换已磨损的触点比更换整个开关便宜。因此，开关的用户们必须监视触点的腐蚀情况，以便确认正接近或已达到预定的临界点的时间。在临界点或在此点前更换已磨损的触点是很重要的，因为，使用超过临界点的触点会继续腐蚀并可能使开关失效。开关失效可能对设备具有负面的或灾难性的影响并对人员有危险。另一方面，在它们的有效寿命之前更换触点会增加材料和劳务成本。监视组件所处的温度同样有助于甚至在“跳火”之类故障发生前估计组件，诸如开关触点的工作效率和剩余的有效寿命。

电触点工作的基本环境有四种：(1)在空气中，(2)在惰性气体中，(3)在油下，和(4)在真空内。每一种环境对触点进行监视处理都存在一些问题。

空气环境的触点可用肉眼观察以监视磨损的程度，允许失效危险过大之前，相应于触点的寿命经常进行更换。惰性气体环境和真空环境的触点通常不能用肉眼观察，因为它们最经常被装在不透明的机壳或真空瓶内。油环境的触点用于中压和高压设备，包括由公共电力事业所用的断电器和变压器以及稳压器的加感抽头变压器。这些触点工作于装在封闭箱或舱内的油中以防易于接近这些触点。不管触点和其它组件工作的环境如何，它们均可在某些型式的机壳中工作。对于空气或油环境，这种机壳可通向大气，但对真空或惰性气体环境，则机壳必须被密封。监视密封的机壳特别困难。

一个变压器有两套绕组，分别称为原绕组和副绕组。加在原绕组上的电压(称为原绕组电压)将在副绕组中感应一电压(称为副绕组电压)。根据在变压器的原和副绕组中的匝数或线圈数关系，副绕组电压将高于或低于原绕组电压。在副绕组中带较大数量匝数的变压器将产生比原绕组电压更高的副绕组电压。在副绕组中无抽头的变压器则对每个原绕组电压将仅产生一个副绕组电压。许多变压器的实例在副绕组中有多个“抽头”或选择点，故可从一个变压器选择多个副绕组电压。一个在副绕组有多个抽头的变压器将允许有几个选择的副绕组电压，取决于选择哪个抽头。如果变压器在低于或高于原绕组匝数的点设抽头，则一个变压器可用来降低和增加电压。然而必须提供一种称为“线圈抽头选择器开关”或“加感抽头变换器”之类的装置以便在各种副绕组抽头间进行变换。

“加感抽头变换器”是一个机械装置，它根据所需输出电压，将电触点移向变压器或稳压器内不同的抽头。在一些设计中，当电流还在变压器或稳压器内流动时移动电触点，当它们从一个抽头位置移向下一位置时，产生许多电弧通过加感抽头变换器的触点。在另一些设计中，应用转换器开关在配电期间转换电流。这样，该转换开关使用一个大的牺牲触点执行通电和断电功能，并在此牺牲触点产生电弧。

为测定触点的磨损或腐蚀的程度而关闭和打开这些类型的设备需一笔大的费用，这笔费用包括清除，存入和处理大量的油，有时高达1000加仑油所需的费用。由于难以预定从一个维护周期到下一个维护周期腐蚀的速率，故经常过早地更换触点。观察触点的费用经常很大，以致于维护部门在每次观察期间都总是更换触点，甚至即使触点还可能剩有数目或更长时间的有效寿命。适当地使观察的时间与触点的有效寿命终点相匹配将会大大地节约成本。

先前用来监视电器设备性能企望克服由直接肉眼观察所需的精力和费用的缺点的一些方法包括如下：

1.溶解的气体分析(DGA)

在油环境中采用溶解的气体分析。在DGA中，抽取并分析在触点周围的油样以监测溶解的气体。溶解气体的存在指示可能在设备内正发生各种型式的问题。例如，在触点周围的油中存在溶解的乙炔指示变压器铁心失效。这种方法缺乏为确定更换触点的正确定时所必须的精度，因为存在气体既不直接与触点的腐蚀量有关，也不指示触点过热的程度。

2.红外线监测

红外线监测可用于空气、惰性气体、真空或油环境。在红外线监测中，使用红外线摄影机监测高压设备的温度。温度与电阻直接有关。当流过电器设备的电阻增加时，设备及其周围的温度也增加。在一般意义上说，该红外线摄影机测出温度增加并相应地向用户发生警报。然而，因为它不能测量腐蚀和不足够精确到可离开机壳内其它相邻组件单独地监视触点或其它组件的温度，故此系统还不够满意。

因此，需要提供一种电触点磨损和加热指示剂，它将自动地监测触点并向用户提供已到达临界点或一个或多个临界温度的指示。

发明概要

本发明涉及一种触点组件，它包括一种指示工作于油、空气、惰性气体或真空环境中的电触点的腐蚀和/或发热状态的装置。该组件包括一个已在触点中安装了一种包含腐蚀或温度指示剂的插入物的触点。该腐蚀指示剂作为一种插入物被安装在相应于触点临界点的深度位置上，进一步腐蚀超过此点时触点即不适于使用。当触点和插入物被腐蚀到临界点时，腐蚀指示剂即外露出来或释放到可被检测的周围环境中，或者除腐蚀指示剂外，也可将温度指示剂连到该触点上或埋在该触点或其它组件表面的凹槽或开口中。当组件达到一预选温度时，指示剂材料升华，作为组件温度指示剂。

上文已对本发明的特点和技术优点作了相当广泛的概括，故可更好地理解下面的详细说明。下面说明构成本发明的权利要求书的主题的本发明的其它特点和优点。精通本技术的人们应当了解可容易地将所公开的发明构思和具体的实施例用作为实现本发明同一目的而修改或设计其它结构的基础。精通本技术的人们应当认识这种等同的结构并不脱离在所附权利要求书中即限定的本发明的精神和范围。

附图简述

包括在本说明书中并作为其一部分的相应附图图示了本发明的实施例，并与说明部分一起用于更清楚地解释本发明的原理，图中：

图1A为包含本发明的腐蚀指示剂和本发明的温度指示剂的组合电触点组件的透视图；

图1B为沿图1A的A-A线的局部剖面图，更详细地表示腐蚀指示剂的结构和装配。

图2A为内装本发明的腐蚀指示剂的牺牲触点的顶视图；

图2B为沿图2A的C-C线的局部剖面图，更详细地表示腐蚀指示剂的结构和装配；

图3A为内装本发明的腐蚀指示剂的转换开关牺牲触点组件的侧视图；

图3B为图3A所示的转换开关牺牲触点组件局部侧视图，表示触点腐蚀后微量材料的散发；

图4A为内装本发明的温度指示例的电触点的正视图；

图4B为图4A所示的电触点的侧视图；和

图4C为沿图4A的B-B线的局部剖面图，更详细地表示温度指示剂的结构和装配。

应注意的是这些附图所图示的仅为本发明的典型的实施例，因此不能被视为对本发明范围的限制，因为本发明允许有其它同样可行的实施例。

本发明的详述

相同的序号全部指相同的另件。

图1A和1B表示了一个具有一虽然可使用任何导电材料但最好由铜制成的底座11的组合触点组件10。组合触点组件10用于变压器所用的诸如线圈抽头选择器或加感抽头变换器之类的选择器开关。给每个副绕组抽头提供一个或多个组合触点组件10。按用户所需电压，用这些图中未示出的选择器开关的第二另件与组合触点组件10相接触。装有组合触点组件10的选择器开关经常在负载下在各抽头之间转换，产生电弧和腐蚀。加之，一旦组合触点组件10与该开关的第二另件相接合，它继续带电，使其易于过热。底座11上可设有一个或多个安装选择器开关的孔12。一个或多个牺牲触点端部13与底座11相连接并与底座11处于通电状态。在一个优先实施例中，牺牲触点端部13被铜焊到底座11上。组合触点组件和选择器开关的第二另件之间电接触的最初点是牺牲触点端部13。电路接通以后，该电接触点从牺牲触点端部13移开，然后保持在底座11中。牺牲触点端部13可以由不同于底座11的材料制成，因为当电路接通和断开时，牺牲触点端部13承受电弧。本发明的一个优先实施例是形成特别设计成抗电弧腐蚀的钨基材料制成的牺牲触点端部13。底座11不遭受电弧或腐蚀，但可能因过热而失效。

牺牲触点端部13设有一个或多个孔14。在牺牲触点端部13中形成的孔14要在牺牲触点端部13与底座11相连接时密封住孔14。即使可采用任何形状的孔14，但为便于制造，孔14最好为钻成的圆孔。孔14有一个可为平的，斜的或锥形的底部16，取决于在牺牲触点端部13中所采用的孔14的成形方法。在孔14成形后，将微量元素18插入孔14中，然后再将牺牲触点端部13与底座11相连接。

当使用组合触点组件10时，牺牲触点端部13因电弧而腐蚀。当牺牲触点端部13腐蚀到足够程度时，孔14被打开。

现参考图1B，表示沿图1A的A-A线的牺牲触点端部13的剖面图。表示底座11的局部视图。牺牲触点端部13有一前缘15，最好切成斜角。当开关关闭时，前缘15是牺牲触点端部13与选择器开关第二另件接触的最初部位，并且是当开关打开时，牺牲触点端部13离开相对触点的最后部位，照此，前缘15是牺牲触点端部13遭受因电弧而腐蚀最严重的表面。

牺牲触点端部13被设计成有一临界点19。临界点19是因已发生的腐蚀程度，已使牺牲触点端部13不可再使用的那一点。当牺牲触点端部13接近其有效寿命的终点时，底部16和前缘15之间的距离减小。当牺牲触点端部13达到其有效寿命的终点及前缘15腐蚀到临界点19时底部16腐蚀并且孔14被打开。

采用组合触点组件10的选择器开关，加感抽头变换器，或线圈抽头选择器可安装在一些形成的容器或机壳内，未在图中示出。为安全起见，空气-环境的触点一般安装在机壳内，若将机壳打开即可用肉眼观察腐蚀的情况。惰性气体环境的触点必须要装在内装情性气体的一些形式的密封的机壳中。如果用户要用新供应的惰性气体加注入机壳时，可以打开这些机壳。如果机壳设计合适，气体可高于或低于大气压。工作于真空的触点必须安装在保持真空的密封的机壳内。工作于油中的触点是不必从处于密封的环境中，但机壳必须设计得足以保持一定油量。

当孔14被打开时，微量元素18与组合触点组件10周围的环境相通并扩散入其中。当油适应于组合触点组件10工作环境的检测装置检测到存在微量元素18时即指示要更换牺牲触点端部13或组合触点组件10。

微量元素18最好由硫酸镁组成。扩散入组合触点组件10周围的油、空气、惰性气体或真空之中的微量元素18可用现有的分光光度计的色谱技术或用电化学传感顺进行检测。运些检测微量元素18的装置可以类似于DGA试验的方法远距离应用，其中，用上述的或其它相当的检测存在微量元素18的技术对组合触点组件10周围的机壳内的介质周期性地采样和试验。另一方面，可将电化学传感器装在机壳内，基本上与机壳内的介质连续接触，可远距离或就地将合适的检测器有效地与该传感器相连以发出存在微量元素18的检测信号。

在由牺牲触点端部13被接通电路后，通过使底座11移为电流流经它而不是流经该牺牲触点的位置而保持该回路。在此种结构中，底座11会受到过热。

为此，组合触点组件10的底座11可设有一个或多个凹槽。虽然可采用任何形状的凹槽，但为便于制造，此凹槽最好钻成圆孔。本发明的一个优先实施例是提供一主凹槽22和一副凹槽23。主凹槽22和副凹槽23内所装的是可用类似或相当于检测微量元素18的方式检测的指示剂材料24。指示剂材料24也可放在由铆接或别的方法装于底座11上的单独的容器中。

指示剂材料24最好为陶瓷一基底的并要按在预选的被检测温度使凹槽22和23内原状的基本上全部材料将由固相转换为液相的要求进行配方或选择。一旦变成液相，指示剂材料24将扩散入附近的周围环境。当由适应于组合触点组件10工作环境的检测装置检测到存在指示剂材料24时，即指示要更换或关闭组合触点组件10。

按本发明的一个实施例，主凹槽22内充填熔点为200°F的指示剂材料24，而副凹槽23内充填熔点为350°F的指示剂材料24。这样，检测到存在来自主凹槽22的指示剂材料24将指示组合触点组件10的底座11已达到预选的工作温度200°F。接着或同时检测到来自副凹槽23的指示剂材料24将指示组合触点组件10的底座11也已达到预选的工作温度350°F。若需要，可通过选择较高或较低熔点的不同指示剂材料24来选择附加的和另外的温度。也可设置附加的或几个凹槽21，或者组合接触组件10的底座11可包括数对主凹槽22和副凹槽23。指示剂材料也可放入随后装于底座11的容器中。

现再回到图2A和2B，表示牺牲触点的另一实施例。牺牲触点60被用于高压开关来接通和切断电路，并因此而遭受电弧和腐蚀。牺牲触点60上设有一个或多个孔61。虽然可用任何形状的孔61，而为便于制造，孔60最好为钻成的圆孔。孔61有一个可为平的，斜的或锥形的底部62，完全取决于在牺牲触点60中即采用的孔61的成形方法。孔61成形后，将微量元素18插入孔61中，然后用塞63将孔61密封。

当用牺牲触点60来接通和切断电路时，发生腐蚀。当牺牲触点60腐蚀到足够程度时，孔61被打开。

现参考图2B，表示沿图2A的C-C线的牺牲触点60的到面图。牺牲触点60设计成具有一临界点64。当牺牲触点60接近有效寿命的终点时，底部62和周围材料之间的距离减小。当牺牲触点60达到其有效寿命的终点时，腐蚀到临界点64，底部62腐蚀和孔61打开。

现再加到图3A和3B，表示如牺牲触点组件30那样的图作为转换器开关的牺牲触点的另一实施例，牺牲触点组件30有一可由铜，黄铜或任何其它导电材料制造的底座31。一个或多个牺牲触点端部33连接于底座31。牺牲触点端部33上设有一个或多个孔34。在牺牲触点端部33上形成的孔34要使孔34在牺牲触点端部33与底座31相连接时被封住。虽然可用任何形状的孔34，但孔最好为钻成的圆孔。孔34有一个可为平的或斜的底部36，取决于在牺牲触点端部33中所采用的孔34的成形方法。孔34成形后，将微量元素18插入孔34中，然后，再将牺牲触点端部33与底座31相连接。牺牲触点端部33上还设有一前缘35和一临界点39。

当用牺牲触点组件30接通和切断电路时，牺牲触点端部33因电弧而腐蚀。当牺牲触点端部33被腐蚀到足够程度时，孔34被打开。

现参考图3B，表示牺牲触点组件30的局部视图。牺牲触点端部33的前缘35已腐蚀到临界点39以外，腐蚀底部36并打开孔34。结果，微量元素18已扩散入牺牲触点组件30周围的环境中。

现参考图4A至4C，表示触点50。触点50适用于换向开关。换向开关是高压开关的一部分，它在工作期间连续负载，因此会遭受过热而不会产生电弧和腐蚀。尽管图中未表示，但在工作中，牺牲触点组件30或牺牲触点60可由已知的方法有效地和通电地与诸如触点50之类的接触元件相连接。触点50上设有一个或多个凹槽。虽然可用任何形状的凹槽，但为便于制造，凹槽最好钻成圆孔。本发明的优先实施例将提供一主凹槽52和一副凹槽53，当触点50被用于组合触点组件10所用的油、惰性气体、空气或真空环境时，主凹槽52和副凹槽53内所装的是可用如前所述的类似或相当于检测微量元素18的方式检测指示剂材料54。指示剂材料54也可放在由铆接或别的方法装于触点50上的单独的容器中。

指示剂材料54最好为陶瓷一基底的，并要按在所选的被监测温度使凹槽52和53内所装的基本上全部材料将由固相转换成液相的要求进行配方或选择。因此，触点50最好装在油中以易于由触点50扩散指示剂材料54。一旦成为液相，指示剂材料54将扩散入附近的油环境中。根据所选的适当指示剂材料54和检测装置，可使用其它工作环境。当用适应于触点50工作环境的检测方法检测到存在指示剂材料54时，即指示要更换或关闭触点50在其中工作的开关。

按本发明的一个实施例，主凹槽52内充填熔点为200°F的指示剂材料54，而副凹槽53内充填熔点为350°F的指示剂材料56。这样，检测到存在来自主凹槽52的指示剂材料54将指示触点50已达到预选的工作温度200°F。接着或同时检测来自副凹槽53的指示剂材料54同样将指示触点50也达到预选的工作温度350°F。若需要，可通过选择较高或较低熔点的不同指示剂材料54来预选附加的和另外的温度。也可设置附加的或几个凹槽。指示剂材料也可放入装于触点50的容器中。

现回到图4C，表示沿图4A的B-B线的触点50的剖面图。图示主凹槽52内充填有指示剂材料54。

显然，参考上述附图所说明的腐蚀和温度检测装置可用于与触点50电连接的组合触点组件10或牺牲触点组件30或牺牲触点60的组合中。

虽然，已对本发明及其优点作了详述，但应理解只要不脱离由所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围，在此再作各种变化、替代和更换。

Claims (18)

1.一种被构形成能在油环境中工作的电气触点组件，包括：

一个导电底座；

至少一个被安装于该底座并与其保持操作连接的牺牲触点端头；

用以指示所述至少一个牺牲触点端头何时被腐蚀到一预定腐蚀点的装置。

2.按权利要求1所述的电触点组件，其特征在于，所述至少一个牺牲触点端头限定至少一个孔穴，还包括包含在所述至少一个孔穴内的一微量元素。

3.按权利要求2所述的电触点组件，其特征在于，一所述用于指示所述至少一个牺牲触点端头何时被腐蚀到所述预定腐蚀的装置包括限定所述至少一个孔穴内的开口的结构，所述微量元素经该开口可以扩散。

4.按权利要求2或3所述的电触点组件，其特征在于，所述微量元素包括碳酸镁。

5.按权利要求1所述的电触点组件，其特征在于，至少一个牺牲触点端头包括一种抗电弧腐蚀材料。

6.按权利要求1所述的电触点组件，其特征在于，至少一个牺牲触点端头包括一种抗电弧腐蚀的钨基材料。

7.一种被构成能在油环境中工作的牺牲触点组件，包括：

一个导电底座；

至少一个连接于所述底座的牺牲触点端头；

用以指示所述至少一个牺牲触点端头何时被腐蚀到某一预定腐蚀点的装置。

8.按权利要求7所述的电触点组件，其特征在于，所述至少一个牺牲触点端头限定至少一个孔穴，还包括包含在所述至少一个孔穴内的一微量元素。

9.按权利要求8所述的电触点组件，其特征在于，所述用以指示所述至少一个牺牲触点端头何时被腐蚀到所述预定腐蚀点的装置包括限定所述至少一个孔穴内的开口的结构，所述微量元素经该开口可以扩散。

10.按权利要求8或9所述的稀牺组件，其特征在于，所述微量元素包括硫酸镁。

11.按权利要求7所述的牺牲触点组件，其特征在于，至少一个牺牲触点端头包括一种抗电弧腐蚀的钨基材料。

12.按权利要求7所述的电触点组件，其特征在于，所述至少一个牺牲触点端头包括一种抗电弧腐蚀的材料。

13.一种确定在油环境内工作并具有至少一个安装于一导电底座的牺牲触点端头何时需要维修的方法，包括：

在至少一个牺牲触点端头内限定一孔穴；

在所述至少一个孔穴孔提供一微量元素；

使所述至少一个牺牲触点腐蚀，直到在所述至少一个牺牲触点内形成一开口；

允许所述微量元素来自所述孔穴经所述开口扩散到所述油环境中；

监测所述油环境以确定一足够数量的微量元素何时已扩散到油环境中，从而指示所述电触点组件要求维修。

14.按权利要求13所述的方法，其特征在于，监测的步骤还包括利用溶解气体分析法(DGA)以鉴定一足够数量的微量元素何时已扩散到所述油环境中，从而指示所述电触点组件需要维修。

15.按权利要求13所述的方法，其特征在于，监测步骤还包括采用红外线监测法确定何时足够数量的微量元素已扩散到所述油环境中，以指示所述电触点组件需要维修。

16.按权利要求13所述的方法，其特征在于，所述微量元素包括硫酸镁。

17.按权利要求13所述的方法，其特征在于，所述至少一牺牲触点端头包括一种抗电弧腐蚀的材料。

18.按权利要求13所述的方法，其特征在于，所述至少一牺牲触点端头包括一种抗电弧腐蚀的钨基材料。

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