CN1170216A - 真空断路器的包层端部密封件 - Google Patents

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Abstract

真空断路器(50)的包层端部密封件包括由至少二个包覆金属层构成的一个盘状底部(61,63)和包括金属层之一的从底部延伸的基本呈圆筒形的一个侧壁部分(62,64)。底部(61,63)提供强度和刚度,而侧壁部分(62,64)提供真空断路器(50)的绝缘管(12)和包层端部密封件(51,52)之间的应力隔离。侧壁(62,64)具有屈服强度低的薄部以减少将端部密封件焊在真空断路器绝缘管上时碎裂的风险。包层端部密封件(51,52)是通过将一包层板(70)制成杯形件,然后从圆筒形侧壁(64)除去金属外层(73)制成的。制成的包层端部密封件构成一个单件,可消除普通多件式端部密封件存在的问题。

Description

真空断路器的包层端部密封件
本发明涉及真空断路器，更具体来说，涉及这种断路器的包层端部密封件。
真空断路器一般用于中断高压交流电。这种断路器包括一个基本呈圆筒形的真空壳体，其包围着一对轴向对准的、可分离的、具有相对接触表面的触头组件。接触表面在闭合电路位置上相互抵接，可分离以断开电路。每个电极组件连接于一个载流接线头端子，其在真空壳体外延伸且连接于交流电路。
当触头分开至开路位置时，接触表面之间一般形成电弧。电弧持续直至电流中断。在产生电弧的过程中，被电弧蒸发的触头金属形成中性等离子体，当电流停止后冷凝回到触头上，也在放置在触头组件和真空壳体之间的蒸气护罩冷凝。
断路器的真空壳体一般包括一个陶瓷管形绝缘壳，每端有一金属端帽或密封件。真空断路器的电极穿过端帽进入真空壳体。至少一个端帽刚性地连接于电极，而且必须能够在断路器工作过程中承受较高的动力。因此，端部密封件必须具有足够高的强度和刚度。另外，由于端部密封件借助钎焊等连接在管状绝缘壳上，因而真空壳体必须能够承受由于绝缘管和金属端部密封件之间热膨胀差引起的应力。
为了提供能承受高动力的高强度和刚度，同时提供邻近于绝缘管的较低强度以便缓解热膨胀差引起的应力，普通真空断路器端部密封件包括连接在一起的不同金属件。例如，端部密封件可包括连接于低强度CuNi环形件的高强度不锈钢盘，上述环形件又连接于绝缘管。在这种结构中，高强度金属是通过钎焊等技术连接于低强度金属的。但是这种连接技术引起了增加产品成本的附加组装步骤和夹具装备。另外，普通的钎焊缝往往泄漏，在投入工作之前需要检验。为了修复有缺陷的焊缝，往往必须进行钎焊修复操作。在有些情形中，初次检验不能查出泄漏，而是在真空断路器已经装好之后才出现泄漏，这样，整个断路器就要报废。
因此需要一种可以容易地制造和装配的真空断路器端部密封件，这样就可以减少或消除零件因泄漏而报废。
按照本发明，提供一种真空断路器的作为一个整体构件的包层端部密封件，它具有一个盘状底部及从盘状底部延伸的圆筒形侧壁。底部包括两个共同提供高强度和刚度的金属包层，而侧壁最好包括一个强度较低的金属包层。侧壁的材料具有与钎焊填料及绝缘管的良好钎焊特性，并可以焊接在真空断路器绝缘管上，在钎焊接缝冷却收缩时不致使管裂开。侧壁的较低强度也提供了绝缘管和高刚度的包层端部密封件的底部之间的应力隔离。这种端部密封件是通过下式方式生产的，即，将包层板成形为一杯形件，在其外部具有高强度金属，而在其内部具有低强度金属，然后通过机加工等方式将高高强度金属从杯形件外侧壁除去。这样得到的端部密封件包括一个单件，它具有需要的底部和侧壁性质而无需在其间形成钎焊缝。
本发明的一个目的在于为真空断路器提供一种改进的端部密封件。
本发明的另一个目的在于提供一种用于真空断路器和其它真空管装置如电容调谐器或功率管的真空壳体，包括一绝缘管和连接于绝缘管端部的端部密封件。端部密封件包括至少有二层不同金属的基本呈盘状的底部和具有从底部延伸的上述金属层之一的基本呈圆筒形的侧壁。
本发明的另一个目的在于提供一种制造真空断路器整体端部密封件的方法，它包括以下步骤：提供一种包层板，该包层板具有覆盖于第二金属层的第一金属层；将包层板成形为一成形件，该成形件具有一个基本呈盘状的底部及一个从底部延伸的基本呈圆筒形的侧壁；以及从侧壁除去第二金属层。
附图简要说明如下：
图1表示典型的现有技术的真空断路器，它包括具有钎焊缝的多件式端部密封件。
图2是按照本发明的包括包层端部密封件的真空断路器的剖视图。
图3是本发明的包层端部密封件的端视图。
图4是图3所示包层端部密封件的侧剖图。
图5-7所示侧剖图表示生产本发明的包层端部密封件的各个阶段。
在各附图中相同的件号表示相同的零件，现参阅附图，图1表示典型的现有技术的真空断路器10。它包括一圆筒形绝缘管12和端部密封件14和16。电极组件20和22在由绝缘管12和端部密封件14和16形成的真空壳体中纵向对准。圆筒形蒸气护罩包围电极组件20和22，以防止金属蒸气聚积在绝缘管12上。支承凸缘25将蒸气护罩24固定在绝缘管12上。
电极组件20和22可相对作轴向移动以打开和闭合交流电路。装在电极组件20上的波纹管28密封由绝缘管12和端部密封件14和16形成的真空壳体内部，同时使电极组件20可从图1所示的闭合位置移向开路位置(未画出)。电极组件20包括连接于基本呈圆柱形的接线头端子31的电极触头30，接线头端子通过端部密封件14上的孔伸出真空壳体。触头蒸气护罩32装在接线头端子31上，以便使波纹管28免受金属蒸气影响。同样，电极组件22包括连接于穿过端部密封件16的基本呈圆柱形的接线头端子35的电极触头34。触头蒸气护罩36安装在接线头端子35上，以保护绝缘管12免受金属蒸气影响。接线头端子35通过焊接或钎焊牢固地密封在端部密封件16上。
每个端部密封件14和16包括两个通过钎焊连接在一起的金属件。端部密封件包括一个盘状件41和一个环状件42。同样，端部密封件16包括一个盘状件43和一个环状件44。每个盘状件41和43是用高强度、高刚度的金属如不锈钢制成的。盘状件的不锈钢可以承受通过接线头端子31和35传递的较高轴向载荷。盘状件41和43必须刚度好以防止挠曲，挠曲可使电极组件倾斜或偏离中心，而这又会导致进行电接触时电极的配合表面上不一致的压力。
环形件42和44分别钎焊在盘状件41和43上。环形件42和44也通过钎焊等连接在绝缘管12上。环形件42和44是由强度较低合金如含Cu 68％的CuNi制成。使用这种低强度合金是必要的，这是为了隔离应力，否则应力将从刚性的盘状件传递到绝缘管。在真空断路器装配过程中，将端部密封件连接于绝缘管的钎焊操作，可引起每个盘状件41和43的不锈钢膨胀得比绝缘管12的陶瓷的膨胀大得多。当冷却时，不锈钢的收缩又大于陶瓷，因而在每个构件中引起应力。通过采用由屈服强度较低的合金如CuNi制成的环形件，环形件会挠曲并缓解某些应力，从而防止陶瓷绝缘管12的可能碎裂。
因此，图1所示的现有技术的真空断路器需要由不同作用方式的不同材料制成的多件式端部密封件。为了防止电极组件的非需要的倾斜、轴向误对准和轴向移动，需要高强度，高刚度的材料如不锈钢，而为了防止陶瓷绝缘管碎裂则需要低强度的材料。这种多件式端部密封件的主要缺点是，它们必须借助钎焊等技术连接起来，这增加了制造成本并往往产生泄漏。
图2表示按照本发明的具有包层端部密封件51和52的真空断路器10。真空断路器10包括一个圆筒形绝缘管12，它与包层端部密封件51和52一起构成一个真空壳体50。绝缘管12通过凸缘25支承一个蒸气护罩24。绝缘管12最好由陶瓷材料如氧化铝、氧化锫或其它氧化物陶瓷制成。电极组件20包括波纹管28、电极触头30、接线头端子31和蒸气护罩32。电极组件22包括电极触头30、接线头端子35和蒸气护罩36。虽然图2所示的真空壳体50是真空断路器10的一部分，但显然这里所使用的术语“真空壳体”是想包括构成气密包封的任何具有陶瓷的被密封的构件直至金属密封件。这种密封的包封在工作中可保持负压、大气压或超大气压。
按照本发明，包层端部密封件51包括一个包层底部61和机加工的侧壁62，下文将加以详述。同样，包层端部密封件52包括一个包层底部63和机加工的侧壁64。包层端部密封件52的包层底部63牢固地通过钎焊等方式密封在电极组件22的接线头端子35上。机加工的侧壁64通过钎焊等方式连接在绝缘管12上。包层端部密封件51的侧壁61同样通过钎焊等方式连接在绝缘管12上。包层密封件51的包层底部61通过钎焊等方式密封于波纹管28，以便防止绝缘管12和端部密封件51和52形成的真空壳体50内、外部之间的泄漏。
如图2所示当电极组件20和22开、闭中相互接触时，相当大的轴向载荷通过接线头端子31和35传递到包层端部密封件51和52的包层底部61上。因此，包层底部61和63必须有足够的强度和刚度以防止端部密封件51和52的不合要求的挠曲。这种挠曲可能引起电极组件20和22相互倾斜，或变得轴向不对准，也可能使可移动的电极组件20将固定的电极组件22推向图2中的右方。如果电极组件倾斜或不对准，那么，不均匀的压力就会作用在触头的配合表面之间，从而在接触的区域中产生较高的电流密度。这种较高的电流密度产生较高的温度和较高的电阻。另外，包层底部63的显著挠曲可导致出现过早的触头腐蚀，这是由于可移动电极组件20向真空壳体中插入一个较大的距离的缘故。因而重要的是，包层端部密封件52的包层底部63要有足够的强度和刚度以防止不合要求的挠曲量。另一方面，包层端部密封件52的机加工侧壁64必须有足够的挠性，以便缓解包层端部密封件52和绝缘管12之间的应力，否则可能引起陶瓷绝缘管的碎裂。同样机加工侧壁62必须有足够的挠性以隔离包层端部密封件51和绝缘管12之间的应力，否则可使陶瓷绝缘管碎裂。
按照本发明，每个包层底部61和63最好包括一个较高强度和刚度金属如304不锈钢的外层和一个挠性较好的金属如含Cu 68％的CuNi的内层。内、外层最好都是非磁性的，以防止流过电极组件20和22的电流引起的在包层端部密封件中的感应加热。
按照本发明的一个推荐实施例，每个机加工侧壁62和64包括包层底部内层的一个延伸部，其热膨胀程度稍低于包层底部外层。例如，内层可以具有小于大约9.5×10-6英寸/英寸/°F的热膨胀系数，而外层可以具有大于10×10-6英寸/英寸/°F的热膨胀系数。因此，当通过钎焊等方式将机加工侧壁62和64连接在绝缘管12上时，将侧壁材料的热膨胀系数减小至与绝缘管的热膨胀系数更相容的水平，从而降低残留应力。但是，内、外层之间的热膨胀系数差不应大得在钎焊操作时引起包层底部的显著弯曲。另外，机加工侧壁62和64最好较薄以便产生足够的挠曲以减小在机加工侧壁和绝缘管界面上的应力，从而防止绝缘管的碎裂。
图3和4分别表示按照本发明的包层端部密封件52的端视图和剖视图。包层端部密封件52包括一个包层底部63和一个机加工侧壁64。包层底部63具有一个圆孔65，当真空壳体组装时使接线头端子35可穿过包层端部密封件52，如图2所示。如图4所示，机加工侧壁64包括一个在包层底部63的平面之外形成的基本呈圆筒形的金属壁。
图5-7表示按照本发明的包层端部密封件52的形成。如图5所示，提供一个包层条70，它包括一个粘结在较薄金属层72上的较厚金属层71。在生产包层条70时，要化学清洗构件金属片叠置并加以足够的压力以便使两金属片界面的原子点阵合并。然后对包层条进行热处理以引起电子扩散，并除去杂质以提高粘合强度。
包层条70的外层71的厚度最宜在大约0.050至大约0.065英寸，最好为大约0.060至大约0.062英寸。外层71最好由较高强度和刚度的金属如不锈钢、碳钢、钼钢或镍铁合金构成。金属外层71最好具有大于大约70ksi的屈服强度，例如在大约70至大约80ksi之间。金属外层71的模数最好大于大约27×106psi，例如在大约27.6×106psi至大约29×106psi之间。特别推荐的外层是由厚度大约为0.062英寸的304L不锈钢构成的。
包层条70的内层72的厚度宜在大约0.028至大约0.032英寸之间，最好在大约0.029至大约0.031英寸之间。内层72最好由合金如68％CuNi、科瓦尔铝合金、蒙乃尔合金、NiFe或80镍铜合金构成。当将包层端部密封件钎焊在陶瓷绝缘管上时，为了提供足够的挠性，要选择内层72的成分和厚度。金属内层72的屈服强度最好小于大约28ksi，例如在大约25至28ksi之间。金属内层的模数最好为大约22×106psi。特别推荐的内层72的材料是厚度大约为0.030英寸的68％CuNi。
如图6所示，包层条70通过冲压等方式形成杯形。在这个阶段中，杯形的侧壁包括一个已成形的外层部分73和一个已成形的内层部分74。
然后，通过适当的方法如机加工从成形的内层74上除去成形的多层73。所得到的零件包括一个基本呈盘状的包层底部63和一个机加工的侧壁64，如图7所示。该零件最好经过机加工以形成圆滑的角部。可在包层底部63的中心冲出一个孔以形成一个包层端部密封件，如图3和4所示。
下面的实例是为了说明本发明的各个方面，而并不是对本发明范围的限定。
                    实例
如图5所示的一块5×5英寸的包层板，它包括一个0.062英寸厚的304L不锈钢的外层，该外层粘合在0.030英寸厚的68％CuNi的内层上，经冲压和去毛刺制成图6所示的杯形，其直径大约为3.90英寸，侧壁高度大约为0.44英寸。在包层底部的中心冲一个1.13英寸直径的孔。然而用膨胀芯轴卡紧侧壁内径或中心孔，通过车削加工掉不锈钢外层的成形侧壁部分，直至从侧壁除去所有的不锈钢并露出CuNi。如图7所示，在不锈钢的角部加工出大约0.04英寸的半径。
本发明的包层端部密封件具有超过图1所示普通钎焊端部密封件的若干优点，例如，包层端部密封件可以略去钎焊修复操作，而该操作在现有技术结构中为密封金属焊缝处的泄漏是必须进行的。即使经过泄漏检测，在装配完真空壳体之后，普通的焊缝往往仍然泄漏，这将导致整个组件的报废。本发明的包层端部密封件也消除了因金属构件之间的误对准造成的报废。另外，包层端部密封件包括的零件数少，不再需要组装多个零件的对准夹具。另外，为了防止外部击穿，本发明的包层端部密封件提供了较高电压的绝缘，这是由于它可以设置带有半径的外角部而不是普通结构中的悬伸的唇边。当作用在打开的真空断路器上的电压太高，绝缘管外的空气的绝缘强度不足以抵抗电压时，外部击穿出现，引起金属端部之间的电弧。现有技术的多件式端部密封件带有尖锐的角部，这会引起电场集中，更容易出现这种外部击穿。本发明的包层端部密封件由于提供了带有半径的角部，因而可避免这种外部击穿。
虽然已结合某些实施例对本发明进行了描述，但是各种适应、修改和变化对于本专业技术人员来说是显而易见的，这样的适应、修改和变化应包括在权利要求书所限定的本发明的范围内。

Claims (24)

1.一种真空壳体(50)，它包括：
一个绝缘管(12)；以及
连接在绝缘管(12)两端上的端部密封件(51，52)，其中至少一个端部密封件包括一个基本呈盘状的底部，该底部包括第一(62，64)和第二(61，63)共同延伸的包层金属层(62，64)，其中一层从基本呈盘状的底部延伸并连接于绝缘管(12)的端部。
2.根据权利要求1所述的真空壳体，其特征在于：绝缘管(12)是由从氧化铝和氧化锆构成的一组中选择的氧化物陶瓷材料制成的。
3.根据权利要求1所述的真空壳体(50)，其特征在于：从基本呈盘状的底部延伸的金属层(62，64)包括一个基本呈圆筒形的侧壁。
4.根据权利要求3所述的真空壳体(50)，其特征在于：端部密封件的基本呈圆筒形的侧壁由底部的第一金属层(62，64)的延伸部构成。
5.根据权利要求4所述的真空壳体(50)，其特征在于：第一金属层(62，64)的屈服强度小于第二金属层(61，63)的屈服强度。
6.根据权利要求4所述的真空壳体(50)，其特征在于：第一金属层(62，64)的模数小于第二金属层(61，63)的模数。
7.根据权利要求4所述的真空壳体(50)，其特征在于：第一金属层的厚度小于第二金属层(61，63)的厚度。
8.根据权利要求4所述的真空壳体(50)，其特征在于：端部密封件(51，52)通过钎焊连接在绝缘管(12)的端部上。
9.根据权利要求4所述的真空壳体(50)，其特征在于：第一金属层(62，64)由镍合金构成，第二金属层(61，63)从不锈钢、碳钢和钼钢构成的一组中选择。
10.根据权利要求4所述的真空壳体(50)，其特征在于：侧壁沿着基本垂直于由基本呈盘状的底部所限定的平面的方向从该底部形成。
11.根据权利要求1 0所述的真空壳体(50)，其特征在于：第二金属层(61，63)从所述侧壁除去。
12.真空壳体(50)的包层端部密封件，它包括：
一个包括包覆在第二金属层(62，64)上的第一金属层(62，64)的基本呈盘状的底部；以及
一个从所述底部延伸且包括第一金属层(62，64)的延伸部的基本呈圆筒形的侧壁部分。
13.根据权利要求12所述的包层端部密封件(51，52)，其特征在于：第一金属层(62，64)的屈服强度小于第二金属层(61，63)的屈服强度。
14.根据权利要求12所述的包层端部密封件(51，52)，其特征在于：第一金属层(62，64)的模数小于第二金属层(61，63)的模数。
15.根据权利要求12所述的包层端部密封件(51，52)，其特征在于：第一金属层(62，64)的热膨胀系数稍小于第二金属层(61，63)的热膨胀系数。
16.根据权利要求12所述的包层端部密封件(51，52)，其特征在于：第一金属层(62，64)由镍合金构成，第二金属层(61，63)是从由不锈钢、碳钢和钼钢构成的一组中选择的。
17.根据权利要求12所述的包层端部密封件(51，52)，其特征在于：侧壁部分是沿垂直于由基本呈盘状的底部限定的平面的方向从所述底部形成的。
18.根据权利要求17所述的包层端部密封件(51，52)，其特征在于：侧壁部分经过机加工。
19.一种制造真空壳体(50)的包层端部密封件(51，52)的方法，该方法包括以下步骤：
置备一个包括包覆在第二金属层(72)上的第一金属层(71)的包层板(70)；
使包层板(70)形成一个成形件，该成形件具有一个基本呈盘状的底部是一个从所述底部延伸的基本呈圆筒形的侧壁部分(74)；以及
从侧壁部分(74)除去至少一部分第二金属层(73)。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于：包层板(70)是通过冲压形成所述成形件的。
21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于：从侧壁部分(74)除去整个第二金属层(73)。
22.根据权利要求19所述的方法，其特征在于：第二金属层(73)是通过机加工从侧壁部分(74)除去的。
23.根据权利要求19所述的方法，其特征在于：当包层板(70)形成所述成形件时，所述基本呈圆筒形的侧壁部分包括一个第二金属外层(73)。
24.根据权利要求19所述的方法，其特征在于：还包括基本在所述底部的中心形成一个孔(65)，以便真空断路器的电极穿过。
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