一種具有控制真空電弧定向擴展運動功能的觸頭的製作方法
2023-05-29 06:36:51
專利名稱：一種具有控制真空電弧定向擴展運動功能的觸頭的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種真空開關所用的觸頭材料，特別涉及一種具有控制真空電弧定向擴展運動功能的觸頭。
背景技術：
觸頭是真空斷路器、接觸器、負荷開關等真空開關電器中的關鍵元件，承擔接通、斷開電弧電路和負載電路電流的任務，要求其具有在真空間隙中的高電壓承載能力、高的開斷能力以及低的截流值、熔焊趨向等性能。目前，真空開關電器中尚沒有要求和考慮到用觸頭特性來控制開關開斷過程中的電弧行為，使電弧在電極表面形成定向的擴展運動。真空電弧是真空開關關合和斷開電路過程中必然伴隨的現象，對其行為和過程的 控制是真空開關設計的核心，只有實現了電弧產生、運動和熄滅行為的可控，才能控制觸頭燒蝕程度和電路的成功開斷。目前，真空開關中採用磁場來控制觸頭表面的電弧行為，主要包括(I)用橫向磁場來驅使真空電弧在觸頭表面切向快速運動，減輕電弧對電極表面的燒蝕；(2)用縱向磁場來控制電極間隙空間的電弧壓力、空間密度和能量分布，延緩了電極表面形成電弧集聚燃燒，從而提高了開關的開斷能力。這類技術中，在電極間隙實現磁場的方法是將觸頭及其支撐底座加工成複雜的溝槽結構，使電極表面電流或電弧斑點按照一定方向運動。這個方法的弱點一是溝槽結構大幅度降低了觸頭系統的機械強度和觸頭的載流密度，也進而在一定程度上降低了開關的開斷電流能力；二是大幅度提高了生產加工成本。
發明內容
為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種具有控制真空電弧定向擴展運動功能的觸頭，不需將觸頭中加工成溝槽結構以產生橫向或縱向磁場，用改變觸頭自身顯微組織特性實現控制真空電弧的定向、擴展運動，從而實現提高真空開關的開斷容量，大幅度提高觸頭系統的機械強度和載流密度，顯著降低生產成本。為了達到上述目的，本發明採取的技術方案為一種具有控制真空電弧定向擴展運動功能的觸頭，在其中分布有易於發生電擊穿的第二相或第二相與銅基合金的混合材料，這些第二相或第二相與銅基合金的混合材料從觸頭中心開始形成連續排列區域，這些連續排列區域呈現出從觸頭中心的輻射狀、圓環狀或螺旋狀。上述觸頭由銅基合金材料作為基體，銅基合金材料的成份範圍包括銅鉻系合金為含有質量百分比1-70%鉻的銅合金；銅鎢系合金為含有質量百分比20-90%鎢的銅合金；銅鎢碳化鎢系合金為含有質量百分比0-50%鎢、質量百分比1-60%碳化鎢的銅合金；銅鉍系合金為含有質量百分比1-10%鉍的銅合金；銅鐵系合金為含有質量百分比1-50%鐵的銅合金；在銅基體中，還含有質量百分比為0-5%鋁、0-5%硒、0-5%碲；第二相的成份包括碳材料、稀土或稀土氧化物、碳化物、金屬氧化物、多元陶瓷相，第二相區域由上述第二相或其與銅基材料的混合物組成；在混合物中，第二相的質量比例為2-98%。第二相成份中的碳的存在形式可為碳纖維、碳布、石墨粉、碳黑粉或碳管粉末。第二相成份中的稀土或稀土氧化物包括置(La) >Jl(Ce)、資(Pr)、JL(Nd)、逝(Pm)、i(Sm)、能(Eu) ,IL(Gd)、籃(Tb) ,H(Dy),It(Ho)、籃(Er)、緩(Tm)、籃(Yb)、l(Lu、鈧(Sc)和釔(Y)或其氧化物。第二相區域由第二相或其與銅合金的混合物組成。第二相合金與銅基材料相比，具有更易產生電弧和穩定電弧的特性，使電弧能夠延著第二相區域快速擴展和定向運動。在其中分布有易於發生電擊穿的第二相或第二相與銅基合金的混合材料(第二相的功函數低於合金基體材料)，這些第二相或第二相與銅基合金的混合材料從觸頭中心開始形成一定寬度的連續排列區域，從而能夠誘導電弧沿著富第二相的區域進行定向的連續擴展運動。這些連續排列區域呈現出從觸頭中心的輻射狀、圓環狀或螺旋狀等。與橫向磁場的作用類似，這種第二相連續排列的區域可以為電弧提供連續定向連續擴展運動的通路， 從而能夠減輕觸頭表面的電弧燒蝕，提高開關的開斷能力。
圖I是本發明的具有控制真空電弧定向擴展運動功能的觸頭結構的橫截面示意圖示例I。圖2是本發明的具有控制真空電弧定向擴展運動功能的觸頭結構的橫截面示意圖示例2。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。實施例一一種具有控制真空電弧定向擴展運動功能的觸頭，其銅基合金材料為含有質量百分比為47-52%鉻的銅鉻觸頭，第二相區域為含有質量百分比為1-3%碳、44-51%鉻的碳/銅鉻觸頭區域，第二相區域從中心開始呈徑向分布於銅鉻合金基體材料中，參照圖I所示，標號I指示的為觸頭材料基體，標號2指示的為第二相區域，觸頭材料基體整體如扇形，第二相的近矩形區域在橫截面上的寬度為O. 1-2_。實施例二一種具有控制真空電弧定向擴展運動功能的觸頭，其銅基合金材料為含有質量百分比為22-28%鉻的銅鉻觸頭，第二相區域為含有質量百分比為1-3%碳、19-27%鉻的碳/銅鉻觸頭區域，第二相區域從中心開始呈圓環形分布於銅鉻合金基體材料中，參照圖2所示，標號I指示的為觸頭材料基體，標號2指示的為第二相區域，第二相的圓環狀區域在橫截面上的寬度為O. l-2mm。實施例三一種具有控制真空電弧定向擴展運動功能的觸頭，其銅基合金材料為含有質量百分比為22-28%鉻的銅鉻觸頭，第二相區域為含有質量百分比為1-3%碳、19-27%鉻的碳/銅鉻觸頭區域，第二相區域從中心開始呈螺旋線狀，第二相的螺旋線在觸頭橫截面上的寬度為 O.l_2mm。
實施例四一種具有控制真空電弧定向擴展運動功能的觸頭，其銅基合金材料為含有質量百分比為47-52%鉻的銅鉻觸頭，第二相區域為含有質量百分比為2-5%碳、42-50%鉻的碳/銅鉻觸頭區域，第二相區域從中心開始呈圓環形分布於銅鉻合金基體材料中，第二相的圓環狀區域間具有寬度在橫截面上的寬度為O. 1-2_，每個相鄰圓環狀區域間具有寬度為O. I-2mm的類矩形通道。實施例五一種具有控制真空電弧定向擴展運動功能的觸頭，其銅基合金材料為含有質量百分比為47-52%鉻的銅鉻觸頭，第二相區域為含有質量百分比為1-10%氧化鈰、37-51%鉻的氧化鈰/銅鉻觸頭區域，第二相區域從中心開始呈徑向分布於銅鉻合金基體材料中，參照圖I所示，標號I指示的為觸頭材料基體，標號2指示的為第二相區域，整體如扇形，第二相的近矩形區域在橫截面上的寬度為O. 1-2_。
實施例六—種具有控制真空電弧定向擴展運動功能的觸頭，其銅基合金材料為含有質量百分比為22-28%鉻的銅鉻觸頭，第二相區域為含有質量百分比為2-5%的二氧化釷、17-26%鉻的二氧化釷/銅鉻觸頭區域，第二相區域從中心開始呈圓環形分布於銅鉻合金基體材料中，參照圖2所示，標號I指示的為觸頭材料基體，標號2指示的為第二相區域，第二相的圓環狀區域在橫截面上的寬度為O. l-2mm。實施例七一種具有控制真空電弧定向擴展運動功能的觸頭，其銅基合金材料為含有質量百分比為22-28%鉻的銅鉻觸頭，第二相區域為含有質量百分比為2-5%碳化矽、17-26%鉻的碳化矽/銅鉻觸頭區域，第二相區域從中心開始呈螺旋線狀，第二相的螺旋線在觸頭橫截面上的寬度為O. 1-2_。實施例八一種具有控制真空電弧定向擴展運動功能的觸頭，其銅基合金材料為含有質量百分比為47-52%鉻的銅鉻觸頭，第二相區域為含有質量百分比為1-10%氧化鑭、37-51%鉻的氧化鑭/銅鉻觸頭區域，第二相區域從中心開始呈圓環形分布於銅鉻合金基體材料中，第二相的圓環狀區域間具有寬度在橫截面上的寬度為O. 1-2_，每個相鄰圓環狀區域間具有寬度為O. I-2mm的類矩形通道。實施例九一種具有控制真空電弧定向擴展運動功能的觸頭，其銅基合金材料為含有質量百分比為20-80%鎢的銅鎢觸頭，第二相區域為含有質量百分比為1-10%氧化鈰、10-79%鎢的氧化鈰/銅鎢觸頭區域，第二相區域從中心開始呈徑向分布於銅鉻合金基體材料中，如圖I所示，標號I指示的為觸頭材料基體，標號2指示的為第二相區域，第二相的近矩形區域在橫截面上的寬度為O. l-2mm。實施例十一種具有控制真空電弧定向擴展運動功能的觸頭，其銅基合金材料為含有質量百分比為20-80%碳化鎢的銅碳化鎢觸頭，第二相區域為含有質量百分比為2-5%的二氧化釷、15-78%碳化鎢的二氧化釷/銅碳化鎢觸頭區域，第二相區域從中心開始呈圓環形分布於銅鉻合金基體材料中，如圖2所示，標號I指示的為觸頭材料基體，標號2指示的為第二相區域，第二相的圓環狀區域在橫截面上的寬度為O. 1-2_。實施例i^一—種具有控制真空電弧定向擴展運動功能的觸頭，其銅基合金材料為含有質量百分比為22-28%鉻的銅鉻觸頭，第二相區域為純碳的區域，第二相區域從中心開始呈螺旋線狀，第二相的螺旋線在觸頭橫截面上的寬度為O. 1-0. 5mm。實施例十二一種具有控制真空電弧定向擴展運動功能的觸頭，其銅基合金材料為含有質量百分比為47-52%鉻的銅鉻觸頭，第二相區域為純氧化鑭區，第二相區域從中心開始呈圓環形分布於銅鉻合金基體材料中，第二相的圓環狀區域間具有寬度在橫截面上的寬度為O. 每個相鄰圓環狀區域間具有寬度為O. I-3mm的類矩形通道。 實施例十三一種具有控制真空電弧定向擴展運動功能的觸頭，其銅基合金材料為含有質量百分比為20-80%鎢的銅鎢觸頭，第二相區域為純氧化釷區，第二相區域從中心開始呈圓環形分布於銅鉻合金基體材料中，第二相的圓環狀區域間具有寬度在橫截面上的寬度為O. 每個相鄰圓環狀區域間具有寬度為O. I-2mm的類矩形通道。實施例十四一種圓柱形的具有控制真空電弧定向擴展運動功能的觸頭材料，其銅基合金材料為含有質量百分比為47-52%鉻的銅鉻觸頭，第二相區域為含有質量百分比為1-10%氧化鈰、20-30%鉻的氧化鈰/銅鉻觸頭區域，第二相區域從中心開始呈徑向分布於銅鉻合金基體材料中，如圖I所示，標號I指示的為觸頭材料基體，標號2指示的為第二相區域，第二相的近矩形區域在橫截面上的寬度為O. 1-2_。實施例十五一種圓柱形的具有控制真空電弧定向擴展運動功能的觸頭材料，其銅基合金材料為含有質量百分比為47-52%鉻的銅鉻觸頭，第二相區域為含有質量百分比為1-10%氧化鑭、20-30%鎢的氧化鑭/銅鎢觸頭區域，第二相區域從中心開始呈徑向分布於銅鉻合金基體材料中，如圖I所示，標號I指示的為觸頭材料基體，標號2指示的為第二相區域，第二相的近矩形區域在橫截面上的寬度為O. 5-2_。實施例十六一種圓柱形的具有控制真空電弧定向擴展運動功能的觸頭材料，其銅基合金材料為含有質量百分比為47-52%鉻的銅鉻觸頭，第二相區域為含有質量百分比為2-5%氧化釷、20-30%碳化鎢的氧化鈰/銅碳化鎢觸頭區域，第二相區域從中心開始呈徑向分布於銅鉻合金基體材料中，如圖I所示，標號I指示的為觸頭材料基體，標號2指示的為第二相區域，第二相的近矩形區域在橫截面上的寬度為O. 1-1_。
權利要求
1.一種具有控制真空電弧定向擴展運動功能的觸頭，其特徵在於，在其中分布有易於發生電擊穿的第二相或第二相與銅基合金的混合材料，這些第二相或第二相與銅基合金的混合材料從觸頭中心開始形成連續排列區域，這些連續排列區域呈現出從觸頭中心的輻射狀、圓環狀或螺旋狀。
2.根據權利要求I所述的觸頭，其特徵在於，觸頭由銅基合金材料作為基體，銅基合金材料的成份範圍包括銅鉻系合金為含有質量百分比1-70%鉻的銅合金；銅鎢系合金為含有質量百分比20-90%鎢的銅合金；銅鎢碳化鎢系合金為含有質量百分比0-50%鎢、質量百分比1-60%碳化鎢的銅合金；銅鉍系合金為含有質量百分比1-10%鉍的銅合金；銅鐵系合金為含有質量百分比1-50%鐵的銅合金；在銅基體中，還含有質量百分比為0-5%鋁、0-5%硒、0-5%碲；第二相的成份包括碳材料、稀土或稀土氧化物、碳化物、金屬氧化物、多元陶瓷相，第二相區域由上述第二相或其與銅基材料的混合物組成；在混合物中，第二相的質量比例為2-98%ο
3.根據權利要求I所述的觸頭，其特徵在於，第二相成份中的碳的存在形式可為碳纖維、碳布、石墨粉、碳黑粉或碳管粉末。
4.根據權利要求I所述的觸頭，其特徵在於，第二相成份中的稀土或稀土氧化物包括H(La) ,H(Ce)、I(Pr) ,IL(Nd)、i(Pm)、KSm)、籃(Eu)、IL(Gd)、臉(Tb)、I(Dy)、欽(Ho)、籃(Er)、H(Tm)、籃(Yb)、KLu、鈧(Sc)和乾(Y)或其氧化物。
5.根據權利要求2所述的觸頭，其特徵在於，其銅基材料為含有質量百分比為47-52%鉻的銅鉻觸頭，第二相區域為含有質量百分比為1-3%碳、44-51%鉻的碳/銅鉻觸頭區域，第二相區域從中心開始呈徑向分布於銅鉻合金基體材料中，第二相的近矩形區域在橫截面上的寬度為O. l-2mm。
6.根據權利要求2所述的觸頭，其特徵在於，其銅基材料為含有質量百分比為22-28%鉻的銅鉻觸頭，第二相區域為含有質量百分比為1-3%碳、19-27%鉻的碳/銅鉻觸頭區域，第二相區域從中心開始呈圓環形分布於銅鉻合金基體材料中，第二相的圓環狀區域在橫截面上的寬度為O. l-2mm。
7.根據權利要求2所述的觸頭，其特徵在於，其銅基材料為含有質量百分比為22-28%鉻的銅鉻觸頭，第二相區域為含有質量百分比為1-3%碳、19-27%鉻的碳/銅鉻觸頭區域，第二相區域從中心開始呈螺旋線狀，第二相的螺旋線在觸頭橫截面上的寬度為O. l-2mm。
8.根據權利要求2所述的觸頭，其特徵在於，其銅基材料為含有質量百分比為47-52%鉻的銅鉻觸頭，第二相區域為含有質量百分比為2-5%碳、42-50%鉻的碳/銅鉻觸頭區域，第二相區域從中心開始呈圓環形分布於銅鉻合金基體材料中，第二相的圓環狀區域間具有寬度在橫截面上的寬度為O. 1-2_，每個相鄰圓環狀區域間具有寬度為O. l-2mm的類矩形通道。
9.根據權利要求2所述的觸頭，其特徵在於，其銅基材料為含有質量百分比為20-80%碳化鎢的銅碳化鎢觸頭，第二相區域為含有質量百分比為2-5%的二氧化釷、15-78%碳化鎢的二氧化釷/銅碳化鎢觸頭區域，第二相區域從中心開始呈圓環形分布於銅鉻合金基體材料中，第二相的圓環狀區域在橫截面上的寬度為O. 1-2_。
10.根據權利要求2所述的觸頭，其特徵在於，其銅基材料為含有質量百分比為22-28%鉻的銅鉻觸頭，第二相區域為純碳的區域，第二相區域從中心開始呈螺旋線狀，第二相的螺旋線在觸頭橫截面上 的寬度為O. 1-0. 5mm。
全文摘要
一種具有控制真空電弧定向擴展運動功能的觸頭，在其中分布有易於發生電擊穿的第二相或第二相與銅基合金的混合材料，這些第二相或第二相與銅基合金的混合材料從觸頭中心開始形成連續排列區域，這些連續排列區域呈現出從觸頭中心的輻射狀、圓環狀或螺旋狀，從而能夠誘導電弧沿著富第二相的區域進行定向的連續擴展運動。這些連續排列區域呈現出從觸頭中心的輻射狀、圓環狀或螺旋狀等。與橫向磁場的作用類似，這種第二相連續排列的區域可以為電弧提供連續定向連續擴展運動的通路，從而能夠減輕觸頭表面的電弧燒蝕，提高開關的開斷能力。
文檔編號H01H1/025GK102881511SQ20121036092
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月21日 優先權日2012年9月21日
發明者王亞平, 王慧馨 申請人:西安交通大學, 遼寧金力源新材料有限公司