CN1276613A

CN1276613A - 真空阀

Info

Publication number: CN1276613A
Application number: CN00120361.4A
Authority: CN
Inventors: 木村俊则; 小山健一; 古贺博美; 泽田敦
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-06-04
Filing date: 2000-06-02
Publication date: 2000-12-13
Anticipated expiration: 2020-06-02
Also published as: DE10027198A1; TW457505B; US6479778B1; DE10027198B4; CN1210743C

Abstract

本发明提供了一种真空阀,不管电弧在电极接触面的什么位置发生,它都能在电弧发生后马上强力磁驱动电弧,并提高断路性能。在风车形电极1中,具有由从中心部延伸至周缘部的多个螺旋状槽2划分的多个风车部4和由槽2分割、比风车部4厚度厚的周缘侧的接触部3,电流断路时,在通过一个电极的风车部流入电弧的电流产生且在相对于距电弧足部自电极的接触面0.5mm范围内作为电弧驱动力起作用的磁通密度中平行于上述接触面的分量,在上述接触面的任意位置上相对于每1KA电流为0.01泰斯拉。

Description

真空阀

本发明涉及真空阀，特别涉及其风车形电极。

图12是表示将一对触点气密地封入其内部处于高真空状态的真空容器中的真空阀的整体结构图。端板22a、22b安装在绝缘筒21的两端，构成内部处于高真空状态的真空容器23，固定侧电极1a和可动侧电极1b对置设置在真空容器23内，固定侧电极1a被固定在贯通一端板22a的固定电极棒24a的顶端，可动侧电极1b被固定在贯通另一端板22a的可动电极棒24b的顶端。

波纹管25被设置在可动电极棒24b和端板22b之间，波纹管25驱动与可动电极棒24b连接的控制器(图中未示出)，使可动电极棒24b轴向移动。并且，通过该可动电极棒24b的移动，固定侧电极1a与可动侧电极1b电连接或脱离。为了防止由于电极1a、1b间产生的电弧而扩散的金属蒸气付着在真空容器23的内壁上，通过护罩支架27将护罩26安装在绝缘筒21的内壁上。

在这样的真空阀中，电极1a、1b为相同的形状，即在各电极本身设有槽的风车形。通过槽的形成，限制了电极内的电流路径，沿大致圆周方向构成往复环状电路，通过产生的磁场驱动电弧并使其沿电极的圆周移动，从而防止了电弧的停滞，避免了电极的局部熔化，提高了断路性能。为了自电弧发生瞬时进行强力磁驱动，已知应采用使电弧移动面与接触面一致的结构。

图13、14是例如特开平4-368734号公报所公开的以前的真空阀的风车形电极的构造图，图13(a)，图14(a)是其俯视图，图13(b)，图14(b)是其侧视图。

图中，风车形电极1(固定侧电极1a或可动侧电极1b)安装在电极棒24(固定电极棒24a或可动侧电极24b)上。风车形电极1由辅助电极31和环状电极32一体构成。辅助电极31由设置在电极棒24端部的中心部33、多个臂34及接合部35构成，臂34呈风车状或大致卐状延伸设置在中心部33上并形成从中心部33向外周部的圆弧状，接合部35分别配设在多个臂34的顶端。环状电极32呈环状，其宽度与辅助电极31中臂34的宽度大致相等，环状电极32与多个接合部35接合。

在这样的结构中，若两风车形电极1(固定侧电极1a及可动侧电极1b)断开，在环状电极32的与对置电极的接触面发生电弧。在辅助电极31与环状电极32的接合部35，例如在图14(a)、(b)的A点处产生电弧的情况下，通过流经辅助电极31的臂34的电流I1的路径，在环状电极32的周向产生磁驱动力F，电弧在环状电极32的外周运动而旋转。

在不在接合部35的位置，例如在图14(a)、(b)的E点处产生电弧的情况下，通过从辅助电极31的臂34流入环状电极32的电流I2，沿环状电极32的周向产生磁驱动力。因此，电弧在环状电极32上作回转运动。

如上所述，在以前的两风车形电极1中，在环状电极32发生电弧，电弧发生之后被磁力驱动。结果，防止因从电弧发生后到磁力驱动的停滞所产生两风车形电极1局部温度的上升，从而提高了断路性能。

在上述以前的真空阀的风车形电极1中，在相邻的接合部35、35之间，例如图15的E1产生电弧的情况下，除经过臂34a流至电弧的电流I2之外，经过臂34b的电流I3也流至电弧。由于电流I3会产生妨碍电弧回转方向的力F3，因此，从电弧发生后到磁驱动的时间变长，从而产生断路性能下降的问题。

本发明是鉴于这样的问题而提出的，其目的是提供一种真空阀，在电弧产生于固定侧电极和可动侧电极的接触面任何地方的情况下，它都能从电弧发生后强力磁力驱动电弧，并能提高断路性能。

涉及第一方案的真空阀的特征是，设有可接触脱离地配置在真空容器内的一对风车形电极，在上述风车形电极上从中心部至周缘部形成有多个螺旋状槽，上述风车形电极在其中心部具有由上述槽划分的多个风车部，在上述风车形电极的周缘部具有由上述槽分割的、比上述风车部厚度厚的多个接触部，在上述一对风车形电极接通时，上述接触部互相接触，当上述一对风车形电极被断开时，在由经由上述风车部流入在上述接触部产生的电弧的电流所产生的作为对电弧驱动力起作用的磁通密度中，求得在通过一个电极的风车部流入电弧的电流发生的、相对于距电弧足部的自电极的接触面起0.5mm的范围内、作为电弧驱动力起作用的磁通密度中平行上述接触面的分量，在上述接触面的任意位置上相对于每1KA电流为0.01泰斯拉。

在第一方案真空阀的风车形电极中，具有被从中心部延伸至周缘部的多个螺旋状槽划分的多个风车部和由多个槽分割、比风车部的厚度厚的多个接触部，并且，电流断路时，经由上述风车部流入在接触部任意位置上产生的电弧的电流产生的、在相对于距电弧足部触点表面起0.5mm的范围内作为电弧驱动力起作用的磁通密度中平行于触点平面的分量，相对于每1KA电流为0.01泰斯拉(100高斯)以上。因此，能缩短从电弧发生至开始回转的时间，能够获得高断路性能。

涉及第二方案的真空阀的特征是，在第一方案中，在风车形电极的外径为D、接触部的内径为Di的情况下，Di≥0.4D。

在第二方案真空阀的风车形电极中，满足Di≥0.4D(D：风车形电极的外径，Di：接触部的内径)，对电弧足部驱动有贡献的磁通密度能达到每1KA电流0.01泰斯拉以上。

涉及第三方案真空阀的特征是，在第一或第二方案中，风车部和接触部的厚度差(h)为5mm以下。

在第三方案真空阀的风车形电极中，从接触部的风车部的突出高度为5mm以下，对电弧足部驱动有贡献的磁通密度能达到每1KA电流0.01泰斯拉以上。

涉及第四方案的真空阀的特征是，在第一至第三方案的任一个中，在各风车形电极被连接在一对电极棒上且所述电极棒中接合部直径为d而接触部内径为Di的情况下，d≤0.6Di。

在第四方案真空阀的风车形电极中，满足d≤0.6Di(d：电极棒的接合部的直径，Di：接触部的内径)，对电弧足部驱动有贡献的磁通密度能达到每1KA电流0.01泰斯拉以上。

涉及第五方案的真空阀的特征是，在第一至第四方案的任一个中，用含Cr重量％为20～60的Cu-Cr系材料形成上述风车形电极。

在第五方案真空阀的风车形电极中，用断路性能高、含Cr重量％为20～60的Cu-Cr系材料形成风车形电极，能发挥高断路能力。

下面，根据表示实施例的图面具体说明本发明。

图1是表示根据本发明实施例1的真空阀中风车形电极构造的斜视图。

图2是表示根据本发明实施例1的真空阀中风车形电极构造的俯视图。

图3是沿图2中A-A′线的截面图。

图4是表示产生的磁通密度B与电弧达到开始高速回转的时间t的关系图。

图5是表示产生的磁通密度B与电流断路能力I_P关系的视图。

图6是表示Di/D(Di：接触部的内径、D：电极的外径)与电流断路能力I_P的关系图。

图7是表示接触部与风车部的厚度差(接触部的突出高度)h和电流断路能力I_P的关系的图。

图8是表示d/Di(d：接合孔的直径、Di：接触部的内径)与电流断路能力I_P的关系图。

图9是表示根据本发明实施例2的真空阀中风车形电极构造的截面图。

图10是表示根据本发明实施例3的真空阀中风车形电极构造的俯视图。

图11是沿图10中A-A′线的截面图。

图12是表示真空阀的整体构成的图。

图13是表示现有的真空阀中风车形电极构造的示意图。

图14是用于说明现有的真空阀的风车形电极的动作的示意图。

图15是用于说明现有真空阀的风车形电极中问题点的示意图。

图16是表示磁通密度相对于离开电极表面的距离间依赖关系的视图。

实施例1

图1是表示根据本发明实施例1的真空阀的风车形电极构造的斜视图，图2是其俯视图，图3是沿图2的A-A′线的截面图。

图中，6是固定侧或可动侧的铜制电极棒，固定侧或可动侧的风车形电极(以下只称为电极)1固定在电极棒6上。电极1形成扁平的圆筒状，其上设置贯通其中央的圆形接合孔7，以将细的电极棒6的前端部6a插入该接合孔7的中途的方式，将电极1固定在电极棒6上。于是，通过电极棒6从外部将电流导入真空容器(图中未示)内的电极1中。

电极1由含Cr重量％为20～60的Cu-Cr系的触点材料形成。含Cr重量％为20～60的Cu-Cr系的触点材料具有优良的断路性能，由于采用这种材料，达到提高断路性能的目的。

从电极1的中心部至周缘部从表面到背面切制有4个大致螺旋状的槽2，电极1由位于电极周缘部且由槽2分割出的厚度厚的四个接触部3和位于电极中心部且由槽2分割出的四个厚度薄的风车部4构成。于是，当固定侧的电极棒6和可动侧的电极棒接近时，接触部3，3互相接触。

在电极1的背面设有为增强机械强度的不锈钢的加强板5。不锈钢间隔套管8位于电极棒6的肩部和加强板5之间，靠钎焊将这些电极棒6、加强板5及间隔套管8固定在一起。间隔套管8是为确保电极1和电极棒6的接合部的强度而设置的，为了将电流的流动限制在接合部(接合孔7)的直径以内，间隔套管8用比电极棒6的材料铜阻抗大的不锈钢制造。

在这样的结构中，电极1的外径为D，接触部3的内径为Di，电极1的高度为H，接触部3与风车部4的厚度差(接触部3的突出高度)为h，接合孔7的直径为d。

下面说明操作。当真空阀通电时，固定侧电极1的接触部3与可动侧的电极1的接触部3接触，电流断路时，其两个电极1、1的接触部3、3分离，在各接触部3、3上产生电弧。该电弧在接触部3上的任意位置产生，在图2中作为例子表示出2处电弧9、9′。

流经电极棒6的电流I1通过被固定在接合孔7的前端6a流至电极1，流过与产生电弧9的接触部3对应的风车部4，再向接触部3的电弧9流动。该电流的流动由图2中的电流I2表示。通过该电流I2的径向分量电弧9承受径向驱动力，因电流I2的周向分量电弧9承受周向驱动力。

结果，例如，电弧9朝电弧9′所处位置的方向移动，另一方面，电弧9′向图2的顺时针方向的相邻接触部3移动。因此，电弧在接触部3上产生之后驱动力马上动作，电弧随之开始回转，之后，连续进行这一运动，在电弧发生过程中，电弧实质上在接触部3上回转运动。

变化各部件的尺寸(具体指上述D、Di、H、h、d)，制作多个电极1，测量有关这些各个电极1中产生的电弧开始高速回转的时间t和电流断路能力I_P，同时计算各电极1产生磁通密度。用3维涡流解析软件Eddy-TM(株式会社フオトン)来计算磁通密度。在作为对电弧驱动力作用的磁通密度中，求出经由一个电极的风车部流入电弧的电流而发生、并在相对于距电弧足部的自电极接触面起0.5mm范围内作为电弧驱动力作用的磁通密度中平行于上述接触面的分量。电极和电弧的导电率为5.0×10⁷Ω^-1m^-1。计算结果、磁通密度因接触面上的位置而不同，在离电极中心最近的位置(图2中9的位置)处最小，在前端部(图2中9′的位置)处最大。用高速度照相机检查电弧的驱动性能。图4示出了每1KA电流的磁通密度B和此时的上述时间t的关系，该磁通密度由电流I1和电流I2在电弧的足部发生，在相对于触点表面0.5mm范围内作为电弧驱动力来作用的。在此，磁通密度是由沿注视的电弧足部接近侧的电极流动的电流所产生的值，在接触面上磁通密度变为最小，表示在接近电极中心位置的值。图5示出了磁通密度B和此时的上述电流断路能力I_P的关系。

如在例如平成10年电气学会全国大会1501所展示的那样，在风车形电极中，电弧在接触部产生后1ms内慢慢地开始运动(停滞状态)，其后，速度急速增加(加速状态)，进而，喷出金属蒸气，同时高速回转(高速状态)。断路性能与达到以高速状态运动的时间有密切关系。从图4、5的结果可知：将每1KA电流产生的磁通密度为0.01泰斯拉(100高斯)以上的位置作为接触部来产生电弧，从而会大幅度缩短上述时间t，与此对应也会增加上述电流断路能力I_P。

如上所述，在本发明中，在接触部3产生电弧，在对该电弧的足部(从触点表面起0.5mm的范围)驱动有贡献的磁通密度中，由于从接近上述电弧足侧的电极产生的贡献为每1KA电流0.01泰斯拉以上，能缩短电弧产生至开始回转的时间，结果，能获得较高的断路性能。由于槽2一直设置到电极1的外周端部，不会象以前的风车形电极那样，电流从相邻的接触部流入而减小电弧的驱动力。

作为驱动力作用于电弧的磁通密度，在接近电极表面的地方大，随着离开距离增大而减小。图16表示由沿对置电极中一个电极流动的电流在离电极最近的位置处产生的磁通密度相对于与电极表面的垂直距离的依赖关系。而且，实际上使固定·可动电极对置时作用在电弧上的磁通密度大于一个电板产生的磁通密度，在电极间间隙处的磁通密度分布为在间隙中心处最小，呈向下凸的分布。断路时，由于固定·可动电极的间隙长度时时发生变化，因此，由流经两电极的电流在电弧足部发生的磁通密度也随时间而变化。在本发明中，从接近电弧足侧的电极的贡献为每1KA电流0.01泰忒斯拉以上，从而明确了必需的磁通密度。因而，由固定·可动两电极的产生的作用在电弧上的磁通密度有下列作用，即在产生电弧后的电极间间隙长度较短且最大，产生电发弧后马上强力驱动电弧，并使停滞时间变短。

下面，说明用于获得这样良好的断路能力的电极1中各部分的设计规格(具体是上述D、Di、h、d)。首先，满足Di≥0.4D。图6是从上述各部分尺寸不同的多个电极1的试验结果所求出的Di/D与电流断路能力I_P间关系的视图。通过使Di/D成为0.4以上，即Di≥0.4D，可大幅地提高电流断路能力。在满足该条件的场合下，对电弧足部(距离触点表面0.5mm的范围)的驱动起作用的磁通密度为每1KA电流0.01泰斯拉以上。

使H为5mm以下。图7是从上述各部分尺寸不同的多个电极1的试验结果所求出的h与电流断路能力I_P间关系的视图。通过使h为5mm以下，可大幅地提高电流断路能力。在满足该条件的场合下，对于电弧足部(距离触点表面0.5mm的范围)驱动起作用的磁通密度也为每1KA电流0.01泰斯拉以上。

另外，满足d≤0.6Di。图8是从上述各部分尺寸不同的多个电极1的试验结果所求出的d/Di与电流断路能力I_P间关系的视图。通过使d/Di为0.6以下，即d≤0.6Di，可大幅地提高电流断路能力。在满足该条件的场合下，对电弧足部(距离触点表面0.5mm的范围)驱动起作用的磁通密度也为每1KA电流0.01泰斯拉以上。

实施例2

图9是表示本发明实施例2的真空阀中风车形电极构造的截面图。图9中与图3采用相同标号、符号的部件表示同一或同样的部件。在实施例2中，电极1上没有设接合孔，电极棒5中直径变细的前端部为固定在直接电极1(加强板5)上的接合部10。该接合部10的直径d满足d≤0.6Di的条件。

电极1的其他形状(槽2、接触部3、风车部4的形状)与实施例1相同，使接触部3突出，以便对于距电弧足部的触点表面0.5mm范围内作为电弧驱动力起作用的磁通密度中平行于触点表面的分量，成为对于1KA电流为0.01泰斯拉以上。

在实施例2中，不需加工实施例1中的接合孔7，间隔套管8的作业。由于实施例2中产生的磁通密度与设有接合孔7的实施例1的情况下相同，与实施例1一样，能可靠地确保断路能力。这样，在实施例2中，具有能简化电极制造、同时获得高断路性能的效果。

实施例3

图10是表示本发明实施例3的真空阀中风车形电极构造的俯视图，图11是沿图10中A-A′线的截面图。在图10、11中与图2、图3采用相同标号、符号的部件表示同一或同样的部件。在实施例3中，螺旋形的槽2的数量为6个。

电极1的接触部3、风车部4的分割数量、划分数量分别只为6个，它们的基本形状与实施例1相同。使接触部3突出，以使对于距电弧足部的触点表面0.5mm范围内作为电弧驱动力起作用的磁通密度中平行于触点表面的分量，成为对于1KA电流为0.01泰斯拉以上。

使电弧在接触部3上产生并使对该电弧足部驱动有作用的磁通密度在每1KA电流0.01泰斯拉以上的情况下，与螺旋状槽2的数量无关，能缩短产生电弧达到开始回转的时间，其结果是可得到高断路能力。

如上所述，在第一方案的真空阀中，在风车形电极周缘的接触部产生电弧，对电弧作为驱动力起作用的磁通密度中，经由一个电极的风车部流入电弧的电流产生且对于距电弧足部中自电极的接触面起0.5mm范围内作为电弧驱动力起作用的磁通密度的平行上述接触面的分量在上述接触面的任意位置对于1KA电流都为0.01泰斯拉以上，能缩短电弧产生至开始回转的时间，其结果是具有可得到高断路能力的效果。

在第二方案的真空阀中，在设风车形电极的外径为D，接触部的内径为Di的情况下，由于满足Di≥0.4D，对电弧足部驱动起作用的磁通密度为每1KA电流为0.01泰斯拉以上，具有可得到高断路能力的效果。

在第三方案的真空阀中，由于使风车形电极的接触部的突出高度在5mm以下，对电弧足部驱动起作用的磁通密度为每1KA电流为0.01泰斯拉以上，从而具有可得到高断路能力的效果。

在第四方案的真空阀中，在电极棒的接合部的直径为d，接触部的内径为Di的场合，由于满足d≤0.6Di，因此，对电弧的足部驱动起作用的磁通密度为每1KA电流为0.01泰斯拉以上，从而具有可得到高断路能力的效果。

在第五方案的真空阀中，由于用断路性能高、含Cr为20～60wt％的Cu-Cr系材料制成风车形电极，因此，具有可得到高断路能力的效果。

Claims

1、一种真空阀，其特征在于：具有可接触脱离地配置在真空容器(21)内的一对风车形电极(1a、1b)，在上述风车形电极上从中心部至周缘部形成有多个螺旋状槽(2)，在上述风车形电极的中心部具有由上述槽(2)划分的多个风车部(4)，在上述风车形电极的周缘部具有由上述槽(2)分割的、比上述风车部厚度厚的多个接触部(3)，在上述一对风车形电极接通时，上述接触部互相接触，在上述一对风车形电极被断开时，在经由上述风车部流入在上述接触部产生的电弧的电流所产生的、作为对电弧的驱动力起作用的磁通密度中，经由一个电极的风车部流入电弧的电流发生的、在相对于距电弧足部的自电极接触面起0.5mm范围内作为对电弧驱动力作用的平行于磁通密度的上述接触面的分量，在上述接触面的任意位置上相对于每1KA电流为0.01泰斯拉。

2、如权利要求1所记载的真空阀，其特征在于：在风车形电极(1a、1b)的外径为D、接触部的内径为Di的场合，Di≥0.4D。

3、如权利要求1所记载的真空阀，其特征在于：风车部(4)和接触部(3)的厚度差(h)为5mm以下。

4、如权利要求1～3中任一个所记载的真空阀，其特征在于：在各风车形电极被接合在一对电极棒(6)上、该电极棒的接合部(7)的直径为d、接触部的内径为Di的情况下，d≤0.6Di。

5、如权利要求1～4中任一个所记载的真空阀，其特征在于：由含Cr重量％为20～60的Cu-Cr系材料形成上述风车形电极。