CN1102502A - 真空断路器以及真空管和用在其中的电触头 - Google Patents

Abstract

一种高强度的高可靠性的电极，和制造该电极的 方法，以及采用这一电极的真空管和采用这一真空管 的真空断路器。该真空断路器具有一固定电极和一 动电极，每个由一弧电极、一弧电极支撑件、以及一个 邻接该弧电极支撑件的线圈电极组成，弧电极、弧电 极支撑件和线圈电极用熔化，而不用连接来形成一整 体结构，特别是，弧电极支撑件和线圈电极用含Cr、 Ag、W、V和Zr中至少一种的占重量0.05—2.5％的 Cr合金制成。

Description

本发明涉及一种新型真空断路器、用在该真空断路器中的真空管、用在该真空管中的电触头，和制造该电触头的方法。

真空断路器中的电极结构包括一对固定电极和动电极。该固定电极和动电极的每一个包括一弧电极、一个用来支撑该弧电极的弧电极支撑件、与该弧电极支撑件邻接的线圈电极，和在线圈电极的端部上设置的电极棒。

该弧电极直接承受电弧，用来切断高电压及大电流。从这点考虑，要求弧电极满足这样一些基本条件，即大遮断容量、高耐压值、小接触电阻值（高导电性），高耐熔融性，小的触头腐蚀和小斩波电流值。但是满足全部这些特性是困难的，所以一般讲使用这样的弧电极材料，该材料根据使用的要求来满足其中重要的特征，而多少牺牲一些其他特征。作为一种生产用于遮断高电压和大电流的弧电极材料的方法的例子，参见在日本专利未审查公开No.96204/88中公开的一种把Cu渗透进Cr或Cr-Cu骨架（skeleton）中的方法。此外，一个类似的方法公开在日本专利公告说明书第21670/75号上。

另一方面，弧电极支撑件不仅用作对弧电极的加强件，而且通过采用适当的形状有助于建立垂直磁场，作为弧电极支撑件的材料，采用具有优异导电性的纯铜。

线圈电极也作为弧电极的加强件和弧电极支撑件，如在日本专利公告说明书No.17335/91中公开的，但它的主要作用是促使弧电极产生一垂直磁场，该磁场通过采用适当形状的线圈电极来得到，使在弧电极上产生的电弧被扩散到整个弧电极，起增加遮断的作用。线圈电极的材料是类似弧电极支撑件的纯铜。

由这样的弧电极、弧电极支撑件、线圈电极和电极棒构成的所述电极通过该弧电极材料的生产和机加工、弧电极支撑件、线圈电极材料和电极棒的机加工、以及各部件的组装和焊接步骤来制造。

用下列方式来制造弧电极。即用所谓的渗透法生产弧电极材料，在该方法中，首先将Cr、Cn、W、Co、Mo、W、V或Nb的粉末，或者其合金粉来制成具有预定组份和孔隙度的预定形状，进行烧结，然后使熔化的Cu或合金渗透到烧结件的骨架中，或者利用所谓的粉末冶金技术方法来生产弧电极材料，其中在渗透步骤之前的烧结步骤中调整密度到100%，由此生产的弧电极材料再经机加工成为预定的形状。

通过切削成预定的形状逐个地形成弧电极支撑件、线圈电极和电极棒，该预定形状有助于从纯Cu生成垂直磁场。

这些已经经过渗透和接续的机加工处理的部件被组装，在此之后被焊接从而形成包括一组电极的电极结构。根据该焊接方法，结合材料和可湿性良好的焊料被插在弧电极、弧电极支撑件、线圈电极和电极棒的相邻部位之间，在真空中升高温度，或在减少对焊接有影响的环境中升高温度。但在该焊接方法中，除机加工所需劳动和时间之外，在为焊接而组装时需要可观的劳动和时间来对齐这些部件，并且焊接的缺陷导致象电极破裂或脱落这样的事故。用这种常规方法得到的电极结构在整个电极特性的均匀性、可靠性和安全性上都是劣等的。

最近，已经从真空断路器的设计规程角度对遮断高电压和大电流做出努力。例如，通过提高断路速度来实现断路性能的改进。然而结果使两弧电极之间的接触力增加，在打开或闭合该电极的时候，在整个电极结构上强加了一个脉冲应力，随着时间的推移导致电极的变形。一般采用断路特性和耐熔融性优异的高强度弧电极材料作弧电极材料，而纯Cu用作弧电极支撑件、线圈电极和电极棒的材料、纯Cu的屈服强度很低，横截面上加凹槽以生成上述的垂直磁场，因为特别不能承受脉冲应力，所以将随着时间的推移出现电极变形。这种电极变形导致电极开/闭操作上的困难以及弧电极的熔融，弧电极的破裂或脱落，这些均可妨碍出现故障时的开/闭运动。

本发明的目的是提供一种真空断路器，该真空断路器具有高可靠性的电极，该电极随时间推移而出现的变形非常小;以及用于该真空断路器中的真空管，用于该真空管中的电触头，和用于制造该电触头的方法。

本发明属于真空断路器，该真空断路器包括一真空管，该真空管具有一固定电极和一可动电极，二者在一绝缘容器内;该真空断路器还包括导电端子，这些端子分别把固定电极和可动电极连接到真空管外，上述固定电极和动电极被设置在真空管内;和通过一绝缘棒驱动可动电极的开/闭装置，该绝缘棒连接到可动电极，固定电极和可动电极的每一个具有一弧电极，该弧电极由高熔点金属和高导电金属的合金制成，并且还具有一个弧电极支撑件，该弧电极支撑件支撑弧电极，并由高导电金属制成，弧电极和弧电极支撑件利用高导电金属的相互熔融整体制成。

图1表示根据本发明的电触头制造工艺的工艺图;

图2是用于一次生产三个电触头的模具的剖面图;

图3是表示各种触头形状和生产各种触头所用模具之间关系的剖面图;

图4具有一曲线图，它表示被熔解的Cr量与渗透温度之间的关系;

图5是一曲线图，它表示0.2%屈服强度和被熔解的合金元素量之间的关系;

图6是一曲线图，它表示0.2%屈服强度和电阻系数之间的关系;

图7是一曲线图，示出了电阻系数和合金元素;

图8是根据本发明的真空管的剖面图;

图9是用于真空管的电极的剖面图;

图10是用于真空管的电极的立体图;

图11是表示根据本发明的整个真空断路器结构的示意图;

图12是采用DC真空断路器的电路图;

图13由一剖面图和一前视图组成，表示根据本发明的真空管电极另一实施例的结构。

图14由一前视图和一剖面图组成，表示根据本发明的真空管电极又一实施例的结构。

最好是，弧电极用一种合金制成，该合金由Cr、W、Mo和Ta中的一种或一种混合物以及从Cu、Ag和Au中选出的一种高导电金属或者一种主要由这样的高导电金属组成的高导电合金来构成，并且弧电极支撑件由这样的高导电金属或合金制成。

更准确地讲，弧电极最好由这样一种合金来制成，该合金包含其总量为50-80%（重量）的Cr、W、Mo和Ta中的一种或多种以及20-50%（重量）的Cu、Ag或Au，弧电极支撑件最好由这样一种合金来制成，该合金包括不多于其总量的2.5%（重量）的Cu、Ag、W、V、Nb、Mo、Ta、Zr、Si、Be、Ti、Co和Fe中的一种或多种以及Cu、Ag或Au。

进一步讲，本发明中所用的弧电极由这样一种合金制成，该合金由冲有孔的高熔点金属和在其中渗透的高导电金属组成，该弧电极通过高导电金属的熔化与弧电极支撑件构成一整体。;本发明中所用的电极支撑件具有不低于10kg/mm²的0.2%的屈服强度和不高于2.8μΩcm的电阻系数。

在该固定电极和可动电极的至少一个中，弧电极支撑件设有一垂直磁场发生线圈，该线圈由高导电的金属制成。所述的线圈可以通过高导电金属的焊接或通过其熔化以及固化与电极支撑件构成一整体。该线圈是圆柱形状，它具有处于其外周表面上的切口或具有通常的 字形截面。

对三相提供三套真空管，并且最好是，这三套真空管并排地布置并整体安装在一个绝缘树脂圆筒内。

本发明也属于这样的真空管，该真空管具有在保持高真空度的绝缘容器内的一个固定电极和一个可动电极，所述电极的每个由弧电极和弧电极支撑件组成，弧电极由高熔点金属的混合物制成，弧电极支撑件支撑弧电极并由高导电金属制成，通过高导电金属的熔化使弧电极和弧电极支撑件相互构成一个整体。

在该真空管中所用的电极的结构和磁场发生线圈的结构同前述说明一样。

本发明进一步涉及一种电触头，其特征在于由高熔点金属和高导电金属的合金制成的弧电极和由高导电金属制成的弧电极支撑件通过高导电金属的熔化相互形成一整体。所述弧电极结构与上述相同。

本发明进一步涉及一种方法，即一种制造电触头的方法，该电触头具有弧电极和弧电极支撑件，弧电极用高熔点金属和高导电金属的合金制成，弧电极支撑件支撑该弧电极并由高导电金属制成，其特征在于通过把高导电金属放在具有高熔点金属的多孔烧结件上，然后熔化该高导电金属并使它渗透进多孔烧结件中来制成弧电极，以及通过把在所述渗透之后的高导电金属的厚度设置到作为电极支撑件所要求的厚度来制成弧电极支撑件。

本发明的方法可以包括热处理步骤，其中在通过高导电金属的渗透和固化形成弧电极和弧电极支撑件之后，它们保持在一所要求的温度上，来析出高导电金属中的过饱和溶解的金属或金属间化合物。

该电触头能用于真空管中的固定或可动电极。

根据本发明，弧电极支撑件具有由高导电金属制成的垂直磁场发生线圈，二者通过把在金属渗透进前述多孔烧结块之后留下的高导电金属熔化并固化到作为电极支撑件和垂直磁场发生线圈所要求的厚度及线圈之中来制成。

该真空断路器由弧电极、弧电极支撑件和电极棒组成，在需要之处还采用线圈电极。弧电极用高熔点金属和高导电金属的混合合金制成。作为成型金属可用熔点不低于约1，800℃的高熔点金属，象Cr、W、Mo或Ta，其溶解量最好相对高导电金属不大于3%。具体讲最好以纯铜作为弧电极支撑件、线圈电极和电极棒的材料，但由于其强度低，象纯铁或不锈钢这样的铁质材料也用来增强强度，借此防止电极变形。

该混合合金包含50-80%（重量），最好是55-65%（重量）的高熔点金属和20-50%（重量）的铜、Ag或Au，最好该合金这样被制备，即通过把高导电金属熔化并浸渍到高熔点金属的多孔烧结块或含有少量的，不大于10%（重量）的高导电金属的多孔烧结块里来制备。

在弧电极和弧电极支撑件的双层结构中，电极支撑件增强并支撑弧电极，其厚度最好是弧电极的一半，或大于弧电极，更好是等于或大于弧电极。可取的是该多孔烧结块具有50-70%的孔隙度。为增强其耐压特性，高熔点金属可包含相对于Cr的1到10%（重量）的Nb、V、Fe、Ti和Zr中的一种或多种。

线圈电极可用高导电材料的焊接或用与渗透进连同弧电极支撑件一起的多孔高熔点金属时的铸造技术一样的方法来生产。因此，弧电极、弧电极支撑件和线圈电极能被构成一整体结构，该结构在金相上是连续的。所以，可减少部件的制造步骤和焊接时用的组装步骤数量，并且因为不做连接，所以不再出现象焊接部局部发热以及由不当的焊接导致的弧电极破裂或脱落这样的普通问题。在用焊接形成线圈电极的情况中，可以使用其中扩散有陶瓷颗粒的一种混合材料。

根据本发明，弧电极、弧电极支撑件和线圈电极制成为一全相上连续的整体结构。在作为整体电极结构制造工艺的相同工艺中，可获得弧电极支撑件和线圈电极，因此允许使用这样的合金，该合金包括Au、Ag或Cu以及0.01到2.5%（重量）掺合在Au、Ag或Cu之中的Cr、Ag、W、V、Zr、Si、Mo、Ta、Be、Nb和Ti中的一种或多种。所以，弧电极支撑件和线圈电极的机械强度，尤其是屈服强度被极大地加强，而没有使其导电性严重恶化。结果足以阻止电极间接触压力的增加以及在打开电极时产生的冲击力，借此也能解决与此同时产生的变形问题。

因此，因为弧电极、弧电极支撑件和线圈电极不连接，而是作为一个整体结构成形的，该整体结构在金相上是连续的，所以在强度上得到加强，借此消除普通电极的缺陷，所以有可能提供具有较高可靠性和安全性的真空断路器。

根据本发明，Cr、W、Mo或Ta的粉末，或与Cu、Ag或Au粉末相混合的粉末，或者有预定组分的任何其它金属颗粒被成形为一预定的形状，使之具有一预定的孔隙度，然后被烧结获得一多孔烧结件。在此之后，一块纯Cu、Ag或Au或其合金被放在该烧结件上，然后被熔化，籍此使它渗透到多孔烧结件的微孔中。这时，正向性地利用烧结件构成元素的液相中的扩散使其进入渗透材料，从而实现上述内容中相同材料的熔合。在渗透完成之后所得到的锭料被加工成电极的预定形状。

在高导电金属的渗透中，能通过适当地设定渗透温度和设定时间来控制将要被熔进高导电金属的多孔烧结件构成金属的量。根据特别与弧电极支撑件和线圈电极相关的电阻系数和强度来设定该温度和时间。当然，也可以使用通过事先把合金元素增添到高导电金属上来获得的合金，这样该温度和时间由这二个因素来决定。因此，制成的电极的前述机械强度高，而电阻系数低因此其性能是优异的。

根据本发明所设计的电极结构能通过渗透和铸造技术在上述所期望的成形上的组合来获得。在这种情况中，上述的最终形状能用切割来获得。

真空断路器同隔离开关、接地开关、避雷器或电流互感器一同使用。它作为一种高压受电和变电设备，该设备可作为高层建筑物、饭店、高技术建筑、地下商场、石油联合企业、各种工厂、车站、医院、礼堂、地铁以及象供水和排水设施这样的公共设施中的电源。

下面通过实例来描述本发明，但应理解本发明不局限于此。

例1

图1（a）表示利用本发明的方法试验生产的整体电极结构的锭料截面。在同一图中，符号1代表弧电极，符号2代表弧电极支撑件，符号3代表用来渗透的Cu的供料头。

借助双筒混合器将5%（重量）的Cu粉和95%（重量）的Cr粉混合在一起，产生的混合物在1.5吨/cm²的模压下利用80mm直径的模具模制，从而获得有80mm直径和9mm厚度的模制后的产品。然后，模制后的产品在1，200℃的氢气环境下烧结30分钟。所得烧结件的孔隙度为65%。

图1（b）表示电极的制造工艺，如图中所示，在此利用一个石墨桶5，该石墨桶的内径为90mm，外直径为100mm，高度为100mm，带有放置在底部的厚度为10mm的100到325筛目的氧化铝（Al₂O₃）粉末4。标为6的上述烧结件被居中地放在桶5中的氧化铝粉末上，然后纯Cu件7与烧结件6同心地放置，该纯Cu件7具有80mm的直径和15mm的厚度，并作为弧电极支撑件和线圈电极部件。接着，Cu件8与部件7同心地放置，该Cu件8作为渗透供料和馈料头，它具有28mm的直径和25mm的长度。石墨桶5的内表面和两部件7、8的侧面之间的间隙以及在作为渗透材料和馈料头的部件8上面的间隙用Al₂O₃粉末9填充。

渗透按下述方式进行。该桶内的真空度为1×10^-5乇或低些，在1，200℃上保持90分钟。弧电极支撑件和线圈电极件7以及渗透Cu供料及馈料头8熔化，渗透材料被渗透进烧结件6的骨架中，接着在真空环境下使之冷却和固化而成形。图1（a）表示固化后从石墨桶中取出的坯料断面的外观。图1（c）表示对坯料切割加工之后获得的弧电极1和弧电极支撑件2。作为利用微观结构摄影的二者界面部分的观测结果，证明Cu已被渗透进Cr烧结件的孔隙中。

因此，从图1（a）和1（c）中还可看到利用本发明的方法能生产弧电极、弧电极支撑件和线圈电极的整体电极结构。弧电极和弧电极支撑件的厚度相同。进一步可看到，弧电极和弧电极支撑件之间的接面是完全连续的并在金相上是完整的一体，无需采用焊接或类似方式来连接。

图2表示这样的例子，在图1（b）中所示的模具被以三层加以采用，从而同时允许生产三个电极结构，同样的方式也能用于下面的例2。这种模具层数是不限于3个的。可采用所要求层数的模具来同时生产所要求数量的电极结构。

例2

图3表示渗透状态和渗透之后利用坯料所得到的电极形状。用于渗透的条件几乎和例1中相同。

在第2号中，所用的石墨桶5长度为150mm，所用弧电极支撑件和线圈电极部件11的长度为45mm，渗透保持时间设定为120分钟。其它条件同例1。从成品坯料可生产出如图3所示的（a）型和（b）型电极。在（a）型中，弧电极12、弧电极支撑件13和线圈电极14被构成一整体结构，电极棒15用焊接连接在16上。除了在中间设有用纯Cu形成的加强件17以外，（b）型与（a）型相同。加强件17被焊接在电极支撑件13和电极杆15上。

第3号与第2号所不同的是：弧电极支撑件和线圈电极19的形状是凹的，以及渗透是在排斥渗透Cu供料和供料头件g的状态下进行的。从第3号的坯料中可获得（a）型电极形状。

第4号与第2号所不同的是：采用长度为100mm的渗透Cu供料和馈给头件20，以及石墨桶5的长度变为200mm。从第4号的坯料可获得（c）型电极。（c）型电极使整体结构甚至不用焊接就包括电极棒22。从第4号的坯料上可利用切削加工生产出（c）型电极结构和（a）型和（b）型电极结构。

第5号与第4号所不同的是：穿过弧电极支撑件和线圈电极件23以及渗透Cu供料和馈料头24的中间把喇叭形的铁心插向烧结件26。铁心的熔点高于Cu，且其形状不受限制，从第5号的坯料生产出（d）型和（e）型电极。

（d）型电极的形状是铁心27插在（c）型电极中间，（e）型电极的形状是铁心插到（b）型电极的加强棒17位置。

测量有关坯料尺寸和其在渗透之前尺寸之间的变化。结果，就弧电极支撑件和线圈电极部件的尺寸而论，在渗透之前状态和渗透之后的坯料尺寸之间几乎识别不出任何差别。另一方面，就馈料头来讲，渗透之后的坯料尺寸相对于渗透前的25mm减少到10mm。因此，完成本发明的第一条件是要获得弧电极支撑件和线圈电极部件以及渗透Cu或Cu合金供料及馈料头部件的复式结构。

为了获得所要求的坯料尺寸，重要的是合理地控制坯料的冷却速度，在这种情况下，对于坯料顶部而不是对坯料侧面有必要增加冷却速度。

完成本发明的第二条件是使用比热大的并不与熔化Cu产生反应的陶瓷颗粒，如氧化铝（Al₂O₃）作为蓄热材料，它可增加坯料顶部的冷却速度。在这种情况下，如果陶瓷颗粒太大或太小，熔化金属会在陶瓷颗粒之间流出，导致模具不能实现其功能。最优的颗粒直径是从20到325筛目的范围。出于蓄热目的，有必要使陶瓷颗粒的厚度为所要求的坯料直径的三分之二。

例3

表1表示了在变化的渗透温度下在例2中第2号渗透状态的坯料中Cr量的分析结果，以及在以烧结件6和弧电极支撑件和线圈电极部件11的各种组分中获得的每个坯料组分的分析结果。就渗透Cu供料和馈给头件8的组分来讲，不做变化。

关于第6到第8号，表示了通过改变Cr-5Cu的烧结件6的Cu渗透温度以及在这些温度上保持120分钟所获坯料中的Cr成分。可以看到，在1，250℃的渗透温度上坯料组分是含有1.65%Cr的Cu合金。

第9、10、14、15、16和18号表示有关利用Cu-Ag、Cu-Zr、Cu-Si和Cu-Be合金作为渗透材料，同时利用同样的Cr-5Cu组分的烧结件6所获得的坯料的元素分析结果。可以看到，每一个坯料是含约0.6%Cr的三元Cu合金。

第11、12、13和17号表示了下列元素分析结果，该分析结果是关于坯料的，这些坯料采用Cr-5Cu烧结件6，并分别进一步包含V、Nb、V-Nb和W作为附加成分，并利用同样的纯Cu成分的部件7.8米获得。可以看到每个坯料为含有不多于0.02%的V、Nb或W及约1.0%Cr的Cu合金。

表2表示测量以普通法（用Ni基焊料在800℃的真空中）焊接的在弧电极（59%（重量）的Cr-41%（重量）的Cu）和纯Cu间的结合部的电阻和强度所得的结果（对比例1），在800℃退火后的纯Cu电阻值（对比例2）以及对在第6至18号中所获坯料的电阻及强度测量结果。利用安斯乐（Amsler）电压试测仪根据四端点电阻测量法实施电阻测量。

利用常规方法（对比例1）得到的焊接部分的接合面强度从22到12kg/mm²变化强烈，在强度12kg/mm²的试件上发现焊接部分有缺陷。包括接合部分的4.82μΩcm的电阻值约比纯铜（对比例2）高三到四倍。另外，第6号呈现出稳定的24到25kg/mm²的接面强度。并且证明其试件无缺陷，在本发明的实施例中，不可能测试包括接合面的电阻值。在比较例1的弧电极中，接合材料是纯铜，而根据本发明的第6号使用含有约0.62%Cr的Cu合金作为接合材料;不过，电阻系数值1.95μΩcm低于对比例1，因为无接合面。从这点上讲，可以看到根据现有技术的焊接接合面的阻值具有很大的。

另一方面，就对比例2中的纯Cu而论，它的4到5kg/mm²的屈服强度相对于其22到23kg/mm²的最大强度值是很低的。可以看到如果使用这样的纯Cu作为弧电极支撑件或线圈电极的材料的话，将会在冲击负载作用下随时间的推移而出现变形。第7至18号的电阻值是退火纯Cu电阻值的约1.5到2.0倍大，第7至18号是每个含有Cr或Ag、V、Nb、Zr、Si、W或Be的Cu合金，上述电阻值不大于根据现有技术的焊接交接面的电阻值的一半。虽然第7到18号的最大强度，即22至25kg/mm²与纯Cu的情况差别不太大，但是0.2%屈服强度值，即10到14kg/mm²是纯Cu的2倍，因此表示出强度上的改善。

如前面那样来设置的话，本发明的弧电极支撑件、线圈电极和电极棒甚至在反复作用的在电极的开闭时强加在上述部件的冲击负载下也不会变形，上述部件分别由含有Cr或Ag、V、Nb、Zr、Si、W和Be之任一种的Cu合金制成，借此，有可能防止由于变形导致的熔接问题并因此可改善可靠性和安全性。

表2

图4表示了渗透温度和从多孔Cr烧结件熔解进渗透材料的Cr量之间的关系，如图中所示，熔解进渗透材料的Cr量可通过提高渗透温度来增加。进一步讲，通过适当地调整渗透温度能获得所要求的Cr量。

图5是一曲线图，表示出Cu中合金元素成分和0.2%屈服强度之间的关系。从该图中可明显看到，通过单独增加Cu-Cr合金中Cr的成分，及通过增加Cu-Cr一其它元素合金中的Cr及另外元素的成分增强屈服强度。与仅含有Cr的Cu合金相比，那些含有Cr和另外元素的合金既使在相同的总成分上也呈现出较高的强度。如果Ag、Zr、Si、Be以及每种Nb、V和W的成分分别设置在0.1%、0.1%、0.1%、0.05%和0.01%或更高的话，将会得到10kg/mm²或更高的屈服强度。

图6是一曲线图，该曲线图表示作为电阻系数函数的0.2%屈服强度。如图中所示，随着进入Cu中的合金元素总量的增加，不仅强度得到改善，而且还增加了电阻系数，从而可以发现，为抑制电阻系数的增加并使强度得以改善，要添加除Cr以外的其它元素。尤其是除Si以外的其它元素电阻系数低，并提供高强度，最好0.2%屈服强度被设定在10kg/mm²或更大，电阻系数设定在1.9到2.8μΩcm。

图7是一曲线图，它表示Cr、Si、Be、Zr、Ag、Nb、V和W的量和电阻系数之间的关系。增添合金元素会增加电阻系数，但通过使电极支撑件和线圈电极的电阻系数尽可能低，能保持电流通过状态下的电极温度不升高，并且因为必须降低电路断路时所产生的穿过电极棒的电弧热量，所以必须使热导率高，使得有可能维持高导热率。在该例中，可获得所要求的电阻系数作为图中的近似值，在使用Cr作为弧电极的情况下，可期望的是，根据渗透的Cr量，把Si、Be、Zr、Ag和每种Nb、V和W的成分上限分别设定在0.5%、0.5%、1.5%、2.5%和0.1%。电阻系数的最佳值不高于3.0μΩcm。

例4

图8是使用本发明的弧电极的真空管剖面图。在该图中，在绝缘筒35的上下开口处分别设有一对上下端板38a、38b，该绝缘筒以绝缘材料制成，从而构成界定一真空室的真空箱。构成固定电极30a一部分的固定导电棒34a从上端板38a的中部向下悬挂着，垂直磁场发生线圈33a和弧电极31a被装到固定导电棒34a上。另外，构成动电极30b一部分的动导电棒34b被垂直可动地安装到刚好位于固定电极30a下方的下端板38b的中部，垂直磁场发生线圈33b和弧电极31b在形状和尺寸上分别同线圈33a和弧电极31a相同，线圈33b和弧电极31b被安装到动导电棒34b上，使在动电极30b侧的弧电极31b运动进而与在固定电极30a侧的弧电极31a接触和分开。在围绕动导电棒34b安放的下端板38b内配置有一用于伸缩的金属波纹管37，并且覆盖住棒34b。一个金属筒屏蔽件36围绕两个弧电极安置，并用绝缘筒35来保持就位。如此构成该屏蔽件36，使之不损害绝缘筒1的绝缘性能。

此外，弧电极31a和31b分别整体地固定到弧电极支撑件32a、32b上，它们可以通过前面的渗透来获得。这些整体结构被焊接到各自的垂直磁场发生线圈33a和33b上，同时用纯铁制成的加强件39a和39b来增强强度。作为加强件39a和39b的材料，可采用奥氏体不锈钢。作为绝缘筒35的材料，可采用烧结玻璃或陶瓷材料。绝缘筒35通过合金板被焊接到金属端板38a和38b上，该合金板的热膨胀系数接近玻璃和陶瓷材料的热膨胀系数，如可伐合金，上述绝缘筒35维持10^-6mmHg或少些的高真空。

固定导电棒34a被连接到端子上，并作为电流通路。一个用于排气的排气管（未示出）被装到上端板38a上，使之与一真空泵相连。设有一吸气机，用于吸取在真空容器内部出现气体时的很少量的气体以保持真空。屏蔽件36用于沉积以冷却在主电极表面上的金属蒸气，该蒸气是由电弧产生的。沉淀金属实现了相应于吸气机功能的真空保持功能。

图9是表示电极细节的剖面图。固定电极和动电极二者在结构上几乎相同。弧电极31利用Cu渗透与例1中所示的电极支撑件整体制造。这个整体结构可被切削加工成图中的式样。非磁体的奥氏体不锈钢制的加强板40被焊接到以32标示的电极支撑件上。一个类似的极也被焊接到线圈电极33上。由纯铜制的线圈电极33被焊接到导电棒34和弧电极上，所用的焊料熔点低于上面所用的焊料。

在该例中使用的弧电极支撑件32用纯铜渗透来制成。考虑所要求的强度和电阻来决定对支撑件32的Cr量，上述Cr量随前述的渗透温度而不同。通过经热处理的化合物的沉积有可能降低电阻而不破坏强度。在该例中，通过在纯铜渗透之后使之冷却到900℃，然后从该温度慢慢地以三小时以上的时限冷却到700°到800℃，并进一步以二小时以上的时限慢慢冷却到600°到700℃来完成Cr的沉积。

图10是一示意图，它表示在该例中弧电极部分和线圈电极33之间的连接状态。当动导电棒34轴向移动时，动电极30b与固定电极30a电接触或分开，由此在两电极间产生的弧电流49产生金属蒸气。

金属蒸气附着到中间的屏蔽件36上，同时被圆筒状线圈电极33的轴向磁场扩散，然后被熄灭。虽然在这个例子中圆筒状线圈电极33被装在固定电极30a和动电极30b的每个上，但至少应在一侧上设置。

装在主电极41背面上的圆筒状线圈电极33由一圆筒部分42构成，该圆筒总分在一端有底部43，在相对一端有一开口。加强件39由高电阻件，如铁或不锈钢制成，并被配置在底部43和主电极41之间。在主电极侧，圆筒状部分42的开口端面上形成两个凸耳46和47，主电极41与凸耳46和47电连接。该凸耳可在主电极上形成。在一个凸耳46和另一凸耳47之间的半弧形圆筒状部分42上，构成弧形的切口50和51，用来提供两个弧形的电流通路52、53。电流通路52、53的一端，例如输入端54被接到凸耳46和47上，而其另一端，如输出端55穿过底部43被连到导电棒34上。在圆筒状部分42的输入和输出端54、55之间形成倾斜切口56，它在这两个端部54、55是相互间交搭的。每个倾斜切口56的一端与一弧形切口端相通，而其另一端由在一切口端和相对的开口端面45的该部分之间的部分上切削而成。因此，输入端54和输出端55通过倾斜切口56在电气上相互被分开。在输出端55上形成一切口58，该切口伸续到靠近位于底部43的导电棒的位置，从而来防止在轴向磁场H作用下涡流的产生。

其次，当动电极30b移动离开固定电极30a来断开电流时，在两电极之间形成弧电流49。如箭头所指，弧电流从凸耳46和47流出，然后经输入端54和电流通路52、53，再经底部43流到输出端55，并流进导电棒34。

经电流通路52、53和交搭的输入和输出端54、55流通的电流，经上述电流路线形成一圈。由这样一圈电流产生的轴向磁场H被均匀地施加到主电极的整个表面上，在整个主电极表面均匀地扩散弧电流49，借此不仅能改善遮断性能，而且能有效地利用主电极的整个表面，因此能大大减小真空断路器的尺寸。

图11是本发明的真空断路器的结构图，表示出真空管59和用于真空管的操作机构。

该电路断路器是一种小尺寸10的轻型结构，其中操作机构被配置在前部和三套三相组合式抗漏电环氧树脂筒60上。

每相端子是水平抽出式的，由一环氧树脂筒和真空管支撑板水平支撑。该真空管通过绝缘操作棒61由操作机构实现开闭。

该操作机构是电磁操作型的可机械脱扣的机构，是一种简单、小型和轻型结构。因为开/闭行程短以及可动部分的质量小，所以仅感受到轻微的冲击。在其主体的前侧，布置有手动连接式的二次端子、开/闭指示器、指示出操作次数的仪表，手动跳闸钮、手动合闸装置、拉出装置和联锁杆。

（a）闭合状态

该状态代表断路器的闭合状态，其中电流经上端子62、主电极30、电流集电器63和下端子64流动。主电极之间的接触力借助于接触弹簧65来保证，该弹簧被装在绝缘操作棒61上。

所述接触力、快断弹簧的偏置力和由短路电流感应的电磁力由支撑杆66和支撑件67来保证。根据开路条件中闭合线圈的激励，可动铁心68经碰撞杆69向上推滚筒70，使主杆71转向闭合位置，然后，该状态由支撑杆66保持。

（b）可跳闸状态

随着电极分断运动，可动的主电极向下运动，依固定和可动主电极的分开形成电弧。

通过在真空中电弧和高介电强度之间的剧烈扩散作用，电弧在短时间内被熄灭。

当激励跳闸线圈72时，跳闸杆73与支撑件67脱开，主杆71由快断弹簧的作用转动来打开主电极。该操作不论闭合运动是否完成而完全独立地完成。因此，这是机械跳闸操作。

（c）打开状态

在主电极打开之后，在复位弹簧74的作用下，连杆回复到原始状态，同时支撑件67呈啮合状态，如果在该状态下激励闭合线圈75，则会获得闭合状态（a）。标号76代表排气管。

利用真空的高介电强度和电弧的高速扩散作用，真空断路器在高度真空中表现出高遮断性能。另外，在打开或闭合一空载电动机或变压器的情况下，在电流过零之前则切断电流，导致产生所谓的斩截电流，有时出现操作过电压，该电压正比于所述电流和冲击阻抗的积。所以，当用真空电路断路器直接开闭3kv变压器或3kv或6kv的旋转电机时，必须连接一个冲击吸收器到电路上，来抑制冲击电压，并以此来保护设备。作为冲击吸收器通常使用一电容器，根据负载的冲击波耐压值也可采用ZnO非线性电阻。

根据上述例子，以150kg压力和0.93m/sec的断路速度，可以遮断7.2kv，31.5kAo。

例5

图12是一电路图，它表示利用与例4相同的真空管遮断DC电路的主电路构形。在该图中，标号80代表DC电源，81代表DC负载，82为真空管，83为短路环，84为电磁推斥线圈，85为整流电容，86为整流电抗器，87为触发间隙，88为静态过电流脱扣机构，89为2nO非线性电阻。

在该例中可获以下特性。

（1）因为断路操作在空气中不形成电弧，所以不产生噪声，并达到杰出的预防事故效果。

（2）因为触头分断时间短（约1ms），可以遮断冲击比高于额定值的事故电流，并因此可使遮断电流最小。

（3）利用真空管可遮断高额电容放电流且燃弧时间很短（约0.5ms），因此有可能减小触头腐蚀。

（4）通过采用静态过电流脱扣机构，能高精度设定电流等级，并长期不变。

（5）通过采用弹簧式的电动弹簧操作装置，极大地减少操作电流，而且不再需要保持电流。

（6）因为所占面积为现有技术的约4分之一，所以可减少配电站空间。

例6

图13为一断面图，它表示另一种电极结构，其中（a）为正视图，（b）是沿（a）中线A-A剖开的剖面图。

在该例中，类似于例1，主电极92由作为表面是极的弧电极和弧电极支撑件组成，上述弧电极由多孔Cu-Cr烧结件构成，弧电极支撑件通过在其上用纯铜渗透来构成，并具有一垂直磁场发生线圈电极91，该电极被焊接到主电极92上。此外，由纯铁或不锈钢加强件96的焊接来实现增强。标号90代表导电棒。主电极92被焊在线圈电极91的凸起部95上。

例7

图14表示电极结构的另一例子，其中（a）是平面图，（b）是在（a）的B-B线剖开的剖面图。

从反侧看顺时针和反时针绕的螺旋式电极相互交搭。标号100指弧电极的接触部分，该部分能相互间接触和分开。标号101代表电弧导板。螺旋形凹槽102在接触部分100上有各自的端部，从而分开各电弧导板101。每个电弧导板在其末端103与电极外周边相接触。所要用的电弧导板的数量是可选择的。通过例如使用Cu-Cr合金的铜渗透，作为弧电极104和弧电极支撑部分105的整体结构来制造每个电极。凹槽102可用机加工形成。

尽管未示出，用于作为12.5KA或以下的短路电流的真空断路器上的电极结构，使用一种简单的平盘式无螺旋槽102的结构。该平的盘式结构有一接触部，一对应电弧导板的锥形部以及电极外周部，它们被作为一个整体来制成。

主电极通过焊接的电极棒被连接到电极端头，该端头设置在真空容器外面。

现在对在AC电路上开断12.5到50KA短路电流的操作进行说明。上述操作采用图14中所述的螺旋式电极。首先，当电极对开始相互分开时，从主电极的接触部上形成电弧。随着从触头分开点开始的时间推移，电极间的电弧从接触部100经电弧导板101移动到电弧导板末端103。这时，螺旋式电极结构的特性使得在电极空间中形成一径向磁场，因为磁场与起弧方向相正交，该磁场被称为横向磁场。电极上的电弧移动被这个横向磁场产生的驱动力所加速，由此防止电极的不均匀腐蚀。

根据本发明，如前所述，在一个真空断路器中，该断路器具有一固定电极和动电极，每个电极由一弧电极、一弧电极支撑件和邻接弧电极支撑件的线圈电极构成，弧电极和弧电极支撑件，最好是两者通过熔化，而不是通过焊接与线圈电极形成为一整体结构，弧电极支撑件和线圈电极由含有0.01-2.5%（重量）的Cr、Ag、V、Nb、Zr、Si、W和/或Be的Cu合金制成，使之有可能减少加工次数和部件焊接中所要求的组装步骤，并防止由不良焊接导致的电极破坏或脱落。此外，因为弧电极和线圈电极的强度被改善，所以有可能防止由电极变形引起的熔接问题。因此有可能提供高度可靠和安全的真空断路器，以及真空管和用于其上的电触头。

Claims (22)

1、一种真空断路器，包括：

具有一固定电极和动电极的真空管，固定电极和动电极位于一绝缘容器内；

把配置在真空管内的所述固定电极和动电极分别连接到所述真空管外侧的导电端子；及

通过一绝缘棒来驱动所述动电极的开/闭装置，上述绝缘棒被连接到动电极上；

所述的固定电极和所述的动电极各具有一弧电极，该弧电极用高熔点金属和高导电金属的合金来形成；还具有弧电极支撑件，该弧电极支撑件支撑所述弧电极，并由高导电金属形成，所述的弧电极和所述的弧电极支撑件利用高导电金属的熔化相互形成一整体结构。

2、根据权利要求1的真空断路器，其中所述的弧电极用一种合金形成、所述的合金由Cr、W、Mo和Ta中的一种或混合物，以及从Cu、Ag和Au所选的高导电金属或主要由所述高导电金属构成的高导电合金来构成，所述的弧电极支撑件由所述高导电金属或合金来构成。

3、根据权利要求2的真空断路器，其中所述弧电极由一种合金制成，该合金包含其总量占重量50-80%的Cr、W、Mo和Ta中的一种或多种和占重量的20-50%的Cu，所述的弧电极支撑件由一种合金制成，该合金由其总量不大于重量2.5%的Cr、Ag、W、V、Nb、Mo、Ta、Zr、Si、Be、Ti、Co和Fe中的一种或多种以及Cu、Ag或Au组成。

4、根据权利要求1到3任一个的真空断路器，其中所述弧电极由一种合金制成、该合金包括多孔的高熔点金属和被渗透在其中的高导电金属，并且所述弧电极和所述弧电极支撑件通过所述高导电金属的相互熔化构成一整体结构。

5、根据权利要求1到4任一个的真空断路器，其中高导电金属的垂直磁场发生线圈被装到所述固定电极和动电极中至少一个的所述弧电极支撑件上。

6、根据权利要求5的真空断路器，其中所述垂直磁场发生线圈利用所述高导电金属的焊接或熔化与所述弧电极支撑件形成一整体结构。

7、根据权利要求5或6的真空断路器，其中所述垂直磁场发生线圈是一圆筒形状，在其周边表面具有切口或具有大致上为

形的截面。

8、根据权利要求1到7中任一个的真空断路器，包括三套所述的真空管，所述三套真空管并排布置，并整体安装在一绝缘树脂筒内。

9、一种真空断路器，包括：

一具有一固定电极和动电极的真空管，该固定电极和动电极位于一绝缘容器内;

把配置在真空管内的所述固定电极和动电极分别连接到真空管外侧的导电端子;

通过一绝缘棒来驱动所述动电极的开/闭装置，上述绝缘棒被连接到动电极上;

所述固定电极和所述动电极各具有一弧电极，该弧电极用高熔点金属和高导电金属的合金制成，还具有一弧电极支撑件，该弧电极支撑件支撑所述的弧电极，并且用高导电金属制成，所述的弧电极和弧电极支撑件利用高导电金属的相互熔化构成一整体，所述弧电极支撑件具有不低于10kg/mm²的0.2%屈服强度和不高于2.8μΩcm的电阻系数。

10、在一保持高度真空的绝缘容器中具有一固定电极和一动电极的一种真空管，所述的电极每个由一弧电极和一弧电极支撑件组成，所述弧电极由高熔点金属和高导电金属的混合物制成、所述弧电极支撑件支撑所述弧电极，并由高导电金属制成，所述弧电极和所述弧电极支撑件和用高导电金属的相互熔化构成一整体。

11、根据权利要求10的真空管，其中高导电金属的垂直磁场发生线圈被安装在所述固定电极和动电极中至少之一的所述弧电极支撑件上。

12、根据权利要求10或11的真空管，其中所述垂直磁场发生线圈是圆筒形状的，在其周边表面上有切口或具有大致上为 形的横截面。

13、根据权利要求10的真空管，其中所述固定电极和所述动电极为导板式形状，其外周部被切口分开。

14、一种真空管，装在保持高度真空的绝缘容器里，具有一固定电极和一动电极，所述电极每个由一弧电极和一弧电极支撑件组成，上述弧电极用高熔点金属和高导电金属的混合物制成，上述弧电极支撑件支撑所述弧电极，并由高导电金属制成，所述弧电极和环电极支撑件用高导电金属的熔化相互构成一整体，所述的弧电极支撑件具有不低于10kg/mm²的0.2%屈服强度和不大于2.8μΩcm的电阻系数。

15、一种电触头，它由弧电极和弧电极支撑件组成，该弧电极用高熔点金属和高导电金属的合金制成，该弧电极支撑件支撑所述的弧电极，并由高导电金属制成，所述的弧电极和弧电极支撑件用高导电金属的熔化相互构成一整体。

16、根据权利要求15的电触头，其中所述弧电极由一种合金制成，该合金包括Cr、W、Mo和Ta的一种或多种，以及从Cu、Ag和Au中选出的高导电金属或主要由所述高导电金属组成的高导电合金，所述弧电极支撑件由所述高导电金属或合金制成。

17、根据权利要求16的电触头，其中所述弧电极由这样的合金制成，该合金包含其总量占重量50-80%的Cr、W、Mo和Ta的一种或多种，以及占重量20-50%的Cu、Ag或Au，所述的弧电极支撑件由这样的合金制成，该合金由其总量占重量2.5%的Cr、Ag、W、V、Nb、Mo、Ta、Zr、Si、Be、Ti、Co和Fe的一种或多种，以及为Cu、Ag或Au的平衡量组成。

18、一种电触头，它由弧电极和弧电极支撑件组成，该弧电极由高熔点金属和高导电金属的合金制成，弧电极支撑件支撑所述的弧电极，并由高导电金属制成，所述的弧电极和所述的弧电极支撑件用高导电金属的熔化相互构成一整体，所述弧电极支撑件具有不低于10kg/mm²的0.2%屈服强度和不高于2.8μΩcm的电阻系数。

19、一种制造电触头的方法，所述的电触头具有弧电极和弧电极支撑件，该弧电极由高熔点金属和高导电金属的合金制成，该弧电极支撑件支撑所述的弧电极，并且由高导电金属制成，该方法的特征在于，所述弧电极是这样形成的，即通过把高导电金属放在一具有高熔点金属的烧结件上，然后熔化该高导电金属，并使它被渗透进所述多孔烧结件，所述的弧电极支撑件这样形成，将渗透之后保留的高导电金属的厚度设定到作为电极支撑件所要求的厚度。

20、根据权利要求19的方法，包括热处理步骤，其中在所述弧电极和所述弧电极支撑件用高导电金属渗透和固化制成之后，它们被维持在所要求的温度上，从而沉积出在高导电金属中的超饱和熔解的金属或金属间混合物。

21、根据权利要求19或20的方法，其中所述电触头是在真空管中的固定电极或动电极。

22、根据权利要求19至21中任一个的方法，其中所述电触头还具有一垂直磁场发生线圈，该线圈被安装到所述弧电极支撑件上，并由高导电金属制成，所述的电触头通过使渗透到所述多孔烧结件后留下的高导电金属厚度和形状符合所述弧电极支撑件和所述垂直磁场发生线圈的形状来构成，接着采用熔化和固化成型。

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