KR970006439B1

KR970006439B1 - 진공 차단 장치용 전기접점

Info

Publication number: KR970006439B1
Application number: KR1019880008691A
Authority: KR
Inventors: 죠셉 샌틀리 빈센트
Original assignee: 이턴 코오포레이션; 프랑크 엠 샤죠백
Priority date: 1987-07-13
Filing date: 1988-07-13
Publication date: 1997-04-28
Also published as: US4743718A; GB2208234B; GB2208234A; IN170712B; CN1023270C; JPS6436738A; CN1030999A; JP2530484B2; GB8816480D0; DE3822509A1; KR890002931A; CA1327131C; ZA884424B

Abstract

내용없음.

Description

진공 차단 장치용 전기접점

제1도는 진공차단기의 단면을 부분적으로 도시한 입면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 진공차단기 13 : 원통형 절연체부

15, 17 : 단부판부제 21 : 제1접점

27 : 제2접점

본 발명은 전기장치용 진공차단기 접점에 관한 것이다. 진공 차단기는 전기배선 및 모터 제어 시스템의 회로 보호장치로 응용될 수 있으며 또한 전기적인 결합이나 차단을 위해 외피내에 배치된 이동가능한 접점으로 밀폐되어진 외장을 구비한다. 이런 접점들이 폐전류 전달위치에서 서로 접촉할 때, 접점은 저저항값으로 대전류를 전달한다. 접점들이 분리되어 회로가 개방될 때 아크(arc)가 접점들 사이에 발생되고, 접점의 몇몇부분은 접점이 완전하게 개방되어 회로가 차단될 때, 아크(arc)의 소멸로 기화된다. 접점들은 쉽게 분리될 수 있다. 즉 접점들은 납땜에 대해 저항특성을 갖고 있기 때문에, 작동기계나 접점을 분리이동시키는데 과도한 힘을 필요치 않게 된다. 접점물질의 일부 기화는 아크(arc)를 유지하는데 필요하며, 접점들이 전류 전달 동작을 끝내고 접촉 저항을 발생할때까지는 접점의 부식은 방지될 수 있다.

접점 물질들은 전 진공차단기 장치가 작동할 때 매우 결정적인 면을 선택하여 가장 광범위하게 사용되는 접점 물질이 고전도성 물질 즉 구리나, 고 용융점 냉각물질인 크롬이나 텅스턴 같은 물질을 환합해서 사용한다. 다양한 야금술 제조과정으로 접점들이 제조방법이 공지되었다.

예컨대 Yamanaka씨 등에 허여된 미합중국 특허 제4,424,429호에는 60wt% 구리, 25wt% 비스무트 및 가공되지 않은 소량의 비스무트를 포함한 상기 접점물질들이 기재되어 있다. 이러한 문제가 60wt% 구리 또는 은; 25st% 크롬, 텅스텐, 몰리브덴, 코발트 또는 아연; 구리(m.p. 1,083℃), 보다 낮은 용융점을 갖는 15st%의 산화첨가물 또는 은(m.p. 961℃)을 포함하는 접점물질을 제공하므로서 해결되며, 비스무트 산화물(m.p. 820℃), 타륨 산화물(m.p. 300℃), 인듐 산화물(In m.p. 820℃), 안티몬 산화물(m.p. 300℃) 또는 텔루륨 산화물(m.p. 733℃) 및 선택적인 티타늄 복합물로부터 선택된 접점들을 제공하므로서 해결된다. 이들 구성요소들은 분말로 혼합되어, 압축되고, 비-산화기압상태에서 소결되며, 2시간동안 100℃에서 진공 혹은 고 순수수소 용광로에서 혼합된다. 이런 방법은 연속적인 회로망 형태내에서 정제된 일정한 비스무트층을 제공하여, 보다 개량된 진공차단기 접점이 될 수 있도록 한다.

본 발명의 목적은 고전류 차단, 저 접착 강도, 주어진 전압에서 저 절단전류, 저 부식특성 및 비스무트 구성물의 강한 접합을 나타내는 진공차단기 접점을 제공하는데 있다.

본 발명의 목적에 따라 진공차단장치에 사용하기 위해 밀집소결된 진공차단기 접점에 있어서, 상기 접점은 50 내지 75중량% 구리 입자중에 과밀하게 분리된 2.5 내지 1.5중량 % 비스무트를 구비하고 접점의 나머지 부분은 균일하게 분산되어 결합하는 회로망에서 구리, 비스무트 및 크롬으로 에워싸여진 산화크롬(Cr₂O₃, CrO₃)의 혼합물과 크롬을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게도 구리 입자 크기는 약 300[㎛]이하이다.

진공차단기 접점을 제조하는 방법에 있어서, (1)(a) 50 내지 75중량% 구리, (b) 15 내지 30중량% 크롬, (c) 2.5 내지 15중량% 비스무트, 및 (d) 0.5 내지 7.5중량% 크롬 산화물로 이루어진 혼합물을 제공하는 단계와; (2) 접점고형물질을 형성하기 위해 혼합물을 냉각 강압시키는 단계와; (3) 크롬을 산화시켜서 밀집접점을 생성하기 위해 수증기를 포함하는 유동가스 상태에 고형물질을 소결시키는 단계와; (4) 소결된 접점을 냉각하는 단계; 로 이루어진 것을 특징으로 한다.

바람직하게도 가스는 수소가스이고, 수증기는 수소가스내에 존재한다.

접점은 일정량의 크롬을 차단기 접점은 저이슬점을 가진 가스와 온도에서 분말로 가압된 혼합물을 소결하므로 형성되는데 이러한 저 이슬점은 크롬의 몇몇 부수적인 산화물을 형성하여 그 산화된 형태에서 Cr₂O₃를 유지한다. 이러한 것은 크롬산화물의 총 농축도를 증가시킨 반면에, 잉여크롬 및 또 다른 주 구성물을 측수된 형태로 유지시킬 수 있다. 이러한 가스는 크롬을 부분 산화시키며 구리 및 비스무트를 환원시킨다. 크롬의 부분 산화라는 것은 벌크 크롬의 일부분이 소결온도에서 산화될 수 있다는 것을 의미한다.

이러한 결과로 소결된 접점은 10wt％ 내지 25wt％ 크롬과 4wt％ 내지 15wt％의 CrO₃를 가진 대부분의 Cr₂O₃를 가진 산화크롬으로 정렬된 구리, 높게 분산된 버스무트를 포함한다.

구리-비스무트-크롬 매트릭스 구성물과 혼합하고 셀류물러구조물을 에워싸면서 결합하는 중간입자의 크롬 산화물 형성은 구리 입자의 성장을 저해시키고 산화결합한 입자대 입자를 응용시켜 분말 혼합물의 밀집을 촉진하며, 매트릭스내에 세분하게 분산된 비스무트를 제거한다.

본 발명의 차단기에서, 다량의 조정 가능한 비스무트양과 크롬 산화물을 함유하는 이용가능한 접점은 낮은 절단전류를 포함하고, 2[mm] 내지 4[mm] 갭의 진공상태에서 유전체 강도를 10% 내지 35% 증가시키며, 고전압 및 고 전류에서 낮은 고장율을 가진다.

진공차단기(11)는 절연체부(13)의 대향단부(13)에 밀봉된 단부판부재(15,17)를 가진 원통형 절연체부(13)를 구비한다. 고정 접점 집합체(19)는 단부판(15)를 통해서 장착되며, 접점 집합체의 유도성 지지부에 대해 단자단부에 배치된 두 접점(21,27)중 제1접점(21)을 갖는다. 또 다른 접점 집합체(23)는 단부판(17)을 통해서 이동가능하게 장착되며, 상기 접점 집합체의 단부에 배치된 제2접점(27)을 운동하게 벨로우(bellow)부재(25)를 구비한다. 따라서, 두 접점(21,27)은 서로 접촉하는 폐회로나 서로 이격된 개방회로에서 접촉하도록 이동된다. 복수의 증기 차폐부(29)는 접촉부에 대한 밀봉된 외피, 아킹 영역, 및 벨로우(25)내에 제공된다. 여러 차폐부는 절연 외장 및 벨로우 상에서 아킹(arcing)물질의 직접적인 퇴적을 방지한다.

진공차단기(11)의 절연체부(13)에는 펌프수단과 혹은 절연체부(13)에 장착된 펌프수단을 통하여 포트(port)수단(33)이 제공되고, 차단기(11)의 내부 기압은 진공장치가 되도록 한다. 이하에 도시된 바와 같이 관과 같은 부재로된 포트수단(33)은 차단되거나 또는 진공장치는 장치의 진공조건을 유지하기 위해 밀봉된다.

진공차단기 접점(21,27)은 간단한 디스크(disc)같은 부품이지만, 보다 통상적으로 이러한 접점들은 복잡한 형태를 하고 있는데, 이런 접점들은 접점을 작동하여 주위에 형성된 아아크를 유지시키고 국부적인 가열을 최소로 하여 회로 아크 구동력을 형성하기 위해 나선형으로 지향되는 아암을 구비한다. 통상적인 접점은 몇몇 정확한 구조물로 이루어진 디스크 형태로 제조된다. 강도를 더하기 위해 접점을 금속 디스크로 지지시킬 수 있다.

접점들은 동일하게 조성물을 혼합하여 형성하고, 혼합물을 적절한 압력금형속에 배치하여, 약 54.545㎏의 평형 압착기로 냉연 모올딩하고 50% 내지 65%의 다공성, 저밀도, 생형(green) 고형물질상태로 밀집시키거나 또는 알약같은 형태로 형성한다. 고형물질은 낮은 이슬점, 바람직하게는 수소가스를 갖는 균혈된 암모니아, 수소가스 혹은 그와 같은 가스의 유동속에서 약 750℃에서 1000℃까지 소결된다.

온도 대 이슬점을 도시하는 금속 대 금속 산화물 평형표로부터 알 수 있듯이, 특성 가스상태에서 크로 및 티타늄은 특정온도에서 산화되고, 반면에 구리 및 비스무트와 같은 다른 물질은 환원된다. 이와 같은 소결 방법에서 사용되는 가스는 -34℃에서 -50℃의 낮은 이슬점을 갖고 적어도 0.006체적% 수증기를 포함하지만 일반적으로 0.006체적%에서 0.03체적% 수증기를 포함한다. 현재의 소량의 수증기는 부분산화 효과를 약간의 벌크 크롬에 제공해서, 형성되거나 존재하는 Cr₂O₃혹은 CrO₃의 환원을 방지한다. 그러나 크롬의 잔류량 및 구리나 비스무트와 같은 다른 주요한 구성물은 소결단계가 끝난후에도 환원형태이다. 현 소량의 구성물중 은 및 철은 환원되나, 티타늄은 거의 대부분 산화된다. 가스상태에서 0.03체적% 이상의 수증기 양은 많은 양의 유전 효과를 제공하기 위해 총 7.5중량%의 Cr₂O₃를 제공한다.

산화크롬분말(Cr₂O₃)첨가제가 벌크 Cr 산화물 및 분자 첨가물을 위해 시드(seed)물질을 제공하는 것이 필요하다. 압축에 사용되거나 혹은 사용되지 않는 경우라도, 소결후에 형성된 접점은 90%에서 95%의 밀도를 갖는다. 또한 접점은 고압력으로 압축되고, 낮은 이슬점과 같은 유사한 가스상태에서 약 98%달하는 고밀도를 제공하도록 두번 소결 된다.

본 발명에 따라 형성된 진동차단기 접점들은 주어진 전압에서 고 전류차단, 낮은 접착강도 및 낮은 부식성과 같은 매우 바람직한 특성을 갖도록 고전력 전기시험에 의하여 도시된 혼합물질을 포함한다. 이러한 특성이 얻어지는 종래 조성물질 은(Ag), 철(Fe), 티타늄(Ti)등 성분을 갖고 구리(Cu),크롬(Cr), 비스무트(Bi) 및 산화크롬(Cr₂O₃)을 구비하는 다중-조성 접점을 제공한다. 공칭존재(nominapresent)는 불순물 레벨 즉 조성물의 중량차는 대략적으로 0.5%내지 2% 이상의 소량의 조성물의 구성성분에 존재한다는 것을 의미한다. 적절한 최종 Cr₂O₃+CrO₃를 얻기 위하여 Cr₂O₃와 같은 모든 산화물을 첨가하는 것보다 소량의 시드(seed) Cr₂O₃를 첨가해서, 부분적으로 벌크 Cr을 산화시키는 것이 최선의 방법으로 나타났다.

분말 혼합물 및 고형 물질의 일실시예가 표 1에 제공되있는데, 이런 표 1은 구성성분, 수용되는 구성성분의 % 중량% 및 고형물질내에 존재하는 % 구성비 등을 제시한다.

개략적으로 12% 내지 15%의 중량을 가진 비스무트의 최종량을 갖는 접점은 약 7KA에서 9KA 범위내에 있는 전류를 차단해서 저 접점 부식작용으로 결합되며 명확한 진공차단 접점 특성을 제공을 수 있다는 것이 실험을 통해서 증명되었다. 구리 및 베스무트(크롬의 산화물 혹은 산화크롬 m.p 2.435℃)이상의 용융점 갖는 최소한 0.5 중량% CrO의 양으로 최소한 0.006체적% 물을 포함하는 수소가스에서 소결되는 동안 Cr의 산화물 및 최종량이 벌크상태에서 CrO및 CrO같은 크롬의 5중량 % 산화물의 형성, 소결된 접점, 및 교체용해의 매트릭스를 통해서 비스무트의 분산을 할 수 있다.

50중량%에서 75중량% 구리 및 2.5중량%에서 1.5중량% Bi의 범위 CrO.CrO및 그들의 매트릭스로부터 선택된 크롬의 감소 및 산화크롬의 증가로 소결을 통해서 유지한다. 비스무트는 구리-크롬-비스무트 매트릭스내에서 소량의 구리 입자들로 동일하게 세분되어 분산되고 채워진다. 크롬의 산화물은 중간에 분산되고 일정하게 분배된 셀류로스망내에 매트릭스를 결합시키는데 효과적이다. 예비 소결된 매트릭스내에서 7.5중량% CrO이상을 사용함으로써 장치에 대한 어려운 입자 문제 즉 매트릭스 획일성, 접점의 홈 등이 발생하고 많은 유전 효과를 제공한다.

양호한 실시예에서는 소량의 은, 철, 티타늄을 포함하고 구리, 크롬, 비스무트, 및 산화크롬을 이용하므로서 만족스런 접점이 이루어질 수 하도록 한다. 그러나, 소결된 구리-크롬-Bi-CrO/CrO접점에 있어서, 비스무트가 2.5% 내지 15% 바람직하게는 5% 중량 이상의 범위에서 예비 소결된 매트릭스 내에 존재하는 것이 중요하다. Cu 및 Cr의 예비 소결된 분말의 입자 크기는 약 37 내지 150[㎛]범위이고, Bi 및 CrO의 예비 소결된 분말의 입자 크기는 약 1 내지 25[㎛] 범위이다.

공칭 3cm 직경을 갖는 Cu-Cr-Bi-CrO/CrO접점의 절연 강도는 4m의 갭에서 약 50KV의 방전단락을 방지하기에 충분한 것으로 입증되었다. 보다 낮은 갭은 절연강도를 감소시키고, 2m의 갭은 개략적으로 25KV의 낮은 방전 단락율을 가지고 있지만, 4m 갭은 7KV 내지 9KV 범위에 있는 전류를 차단하는데 사용되는 공치 갭이다.

상기에 기술되어진 것은 전류차단 전압이 5KV 내지 7KV의 중간전압에서 높은 진공차단장치용 접점물질이다.

게다가 납땜강도 및 고전류에 대한 부식강도는 낮다. 이와 같은 형상은 4개의 주요 구성물질 즉 구리, 크롬, 비스무트 및 산화크롬을 사용해서 행하여지며, 바람직한 실시예에서 은 및 철, 티타늄이 혼합물의 공칭 양에 추가된다. 접점 혼합물에 비스무트를 포함시켜 접점이 낮은 절단 특성을 나타내도록 하고, 크롬 산화물을 포함시키면 소결된 접점을 강하게 되고, 구리양의 증가가 저지되어 실질적으로 구리의 총량이 직경-300[㎛] 및 바람직하게는 직경 -250[㎛]의 85%를 유지해서, 아킹동안 비스무트 기화를 재 압력하도록 일정하게 분산된 비스무트를 분리하는데 도움이 되어 진공절연 강도의 개선을 제공한다.

본 발명의 다음예를 참조하여 더욱 상세히 설명된다.

[예]

도면에는 직경 3cm(1.2inch) 접점(21,27)을 갖는 진공차단기가 구성되어 있다. 접점용 소결 분말 혼합물은 38[㎛] 대 150[㎛] 입자크기의 60 중량% 구리 분말, 38[㎛] 대 150[㎛] 입자크기의 24 중량% 구리분말, 1[㎛] 대 25[㎛] 입자크기의 13 중량% Bi, 1[㎛] 대 25[㎛]의 1중량% CrO분말 및 1[㎛] 대 25[㎛] 입자크기의 2 중량% 분말을 포함한다. 제어 표본과 같이, 접점은 CrO혹은 Ag 분말 없이도 만들어진다.

양표본들이 약 반시간 동안에 균일하게 혼합되어 적당한 접점 형틀속에 배치되고, 냉각 이소탁틱 생형60% 다공성 고형물질 구조를 형성하도록 압축시켜 분말 혼합물과 같은 구성성분을 갖도록 한다. 각각의 고형물질 표본들은 접점 구성성분을 갖도록 한다. 각각의 고형물질 표본들은 접점표본을 형성하도록 -30℃ 이슬점을 갖고 약 0.03 체적% 수증기를 함유하는 수소가스의 유동속에서 2시간동안 850℃ 용광로 속에서 소결된다. 이와 같은 가스는 부분적으로 크롬을 산화시키고 구리 및 비스무트 양을 환원시켜서 소량의 Cr이 CrO로 전환될 수 있도록 한다. 각각의 접점 표본들은 소결 과정 및 냉각 과정후 92% 밀도 상태에 이른다. 각 표본들의 결과치 및 초기, 최종 조성성분 뿐만 아니라 시험결과가 이하 표 2에 도시되어 있다.

구리 입도를 낮추어서 진공 절연 강도를 높이고자 할 때는 벌크 Cr로부터 CrO혼합물 및 CrO의 생성을 개선해야 한다. 은 함유물은 이들의 형성지경에 필요하지 않다.

아크 소멸 및 사진 현미경 판별 분석후, 본 발명 표본은 Bi 기화로 인한 접점 표면상에 소량의 위스커성장(whisker growth)을 나타내며, 또한 이러한 위스커 성장은 대조 표본상에서 더욱 명백히 나타나기 때문에 Bi가 다량으로 분포되어 발명표본 매트릭스내에 존재함을 알 수 있다. 사진 현미경 판별법에는 중간 입자가 결합하는 셀류울러 구조물에 분포되고, 균일하게 연속적으로 분포된 웨브 형태에 접점의 다른 구성부품을 에워싸면서 포함하는 산화크롬이 도시되어 있다.

표 2를 통해서 알 수 있듯이 본 발명의 표본은 대조 표본보다 우수하다.

Claims

진공차단장치에 사용하기 위해 밀집 소결된 진공차단기 접점에 있어서, 상기 접점은 50 내지 75중량% 구리 입자중에 과밀하게 분포된 2.5 내지 15중량% 비스무트를 구비하고, 접점의 나머지 부분은 균일하게 분산되어 결합하는 회로망에서 구리, 비스무트 및 크롬으로 에워싸여진 산화크롬(Cr₂O₃,CrO₃)의 혼합물과 크롬을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공차단기 접점.
제1항에 있어서, 구리입자 크기는 300[㎛]이하인 것을 특징으로 하는 진공차단기 접점.
제 1항에 있어서, 10 내지 25중량% 크롬과 4 내지 15중량% 산화크롬을 포함하고, 상기 Cr₂O₃은 구리-비스무트-크롬 구성물에 혼합되어 커다란 구리 입자 성장을 저해시키는 것을 특징으로 하는 진공차단기 접점.
진공차단기 접점을 제조하는 방법에 있어서, (A) (a) 50 내지 75중량% 구리, (b) 15 내지 30중량% 크롬, (c) 2.5 내지 15중량% 비스무트, 및 (d) 0.5 내지 7.5중량% 크롬 산화물로 이루어진 혼합물을 제공하는 단계와 : (B) 접점고형물질을 형성하기 위해 혼합물을 냉각 강압시키는 단계와 : (C) 크롬을 산화시켜서 밀집접점을 생성하기 위해 수증기를 포함하는 유동가스 상태에 고형물질을 소결시키는 단계와 : (D) 소결된 접점을 냉각하는 단계 : 로 이루어진 것을 특징으로 하는 방법.
제4항에 있어서, 혼합물은 1 내지 3% 중량의 산화크롬을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제4항에 있어서, 가스는 수소가스이고 수증기는 0.006체적% 이상에서 수소가스내에 존재하며, 소결은 750℃ 내지 1000℃에서 행하여지는 것을 특징으로 하는 방법.