Вакуумная камера выключателя

Изобретение относится к вакуумной камере выключателя с изолирующей керамической стенкой, внутри которой в вакууме расположены движущиеся контактные элементы, которые окружены экраном, расположенным между контактным элементом и стенкой вакуумной камеры. В области экрана (4, 7) или других конструктивных частей внутри вакуумной камеры (10) выключателя нанесены, по меньшей мере, частично покрытия из тугоплавкого материла или огнеупорных металлов, состоящие из наночастиц. Технический результат - улучшение стойкости к обгоранию и диэлектрической прочности. 9 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к вакуумной камере выключателя с изолирующей, керамической стенкой, внутри которой расположены движущиеся в вакууме контактные элементы и концентрически окружены экраном между контактным элементом и стенкой камеры выключателя, согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.

Вакуумные камеры выключателя применяются в области низкого, среднего и высокого напряжения. Внутри вакуума находятся контактные элементы, коммутационный процесс сам происходит в атмосфере вакуума. При коммутационном процессе, в частности в условиях короткого замыкания, целью является по возможности быстрое гашение возникшей электрической дуги. Упомянутая электрическая дуга как таковая генерирует высокоэнергетический поток плазмы, вызванный процессами испарения внутри вакуумной камеры выключателя. Таким образом, после некоторого числа коммутационных процессов внутри на стенках из керамических материалов вакуумной камеры выключателя образуется небольшой металлический слой, в результате чего изоляционные свойства устройства уменьшаются, как правило, конструктивные элементы экрана, выполненные из тонкостенных металлических материалов, устанавливаются внутри вакуумной камеры выключателя, они расположены вблизи раствора контактов между контактными элементами и изоляцией.

Образующийся при коммутационном процессе металлический пар конденсируется на поверхности этих экранов. Далее также и другие высокоэнергетические излучения плазмы, которые также исходят из области контактов, воспринимаются экраном. Благодаря этому на внутренней стороне вакуумной камеры выключателя сохраняется функция керамической оболочки по изоляции от напряжения. К краям этих установленных конструктивных элементов экрана прикладывается, особенно в условиях испытания, высокая напряженность поля.

Струи плазмы, бомбардирующие экран, осуществляют его местный нагрев, так что он может начать плавиться и испаряться. Это может привести, во-первых, к повышению давления пара внутри вакуумной камеры выключателя во время коммутационного процесса и, во-вторых, вызвать противление экрана. Особые нагрузки испытывает экран при компактном устройстве вакуумной камеры выключателя при частом переключении токов короткого замыкания.

Однако применяемые обычно материалы для экранов в этой форме не отвечают требуемой жаростойкости, или частично соответствуют ей.

В связи с этим задачей изобретения является повышение диэлектрической стойкости краев и закруглений применяемых частичных компонентов, конструктивно получающихся внутри вакуумной камеры выключателя. В области контактных элементов должна улучшиться жаростойкость экрана.

Поставленная задача для вакуумной камеры соответствующего вида согласно изобретению решается с помощью отличительных признаков пункта 1 формулы изобретения.

Другие предпочтительные исполнения к этому приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Сутью изобретения при этом является то, чтобы экраны или упомянутые части экрана, которые лежат непосредственно против области контактной системы, снабдить особым тугоплавким покрытием. Подлежащая выбору толщина при этом наносимого тугоплавкого слоя при этом должна иметь такие размеры, чтобы энергия, генерируемая в виде излучения во время отключения тока короткого замыкания, абсорбировалась этим слоем и могла отводиться к несущему слою, без того, чтобы система экранирования, или другие конструктивные части, также имеющие покрытие, начинали сильно нагреваться и, таким образом, в последствии смогли прежде временно проплавиться.

Для экранов это означает, что они покрыты с этим материалом с высокой диэлектрической стойкостью в области имеющихся краев или закруглений. Это ведет к тому, что обуславливается высокая работа выхода электрона и/или механическая высокая твердость. Этот слой при этом может быть относительно тонким. Отсюда в другом предпочтительном варианте исполнения этот слой может наноситься с помощью химического покрытия, осаждения методом ионного распыления или газообразного напыления.

При размыкании контактных элементов возникает электрическая дуга с описанным выше эффектом. На имеющих покрытие краях и поверхностях существенно уменьшается индуцированная плазмой электроэрозионная обработка материала, в результате чего, во-первых, уменьшается припаивание экранов и ,в итоге, может предотвращаться проплавление экрана.

Кроме того, достигается повышение стойкости на пробой экранной системы. К краям этих установленных конструктивных элементов прилагаются при диэлектрических условиях испытаний очень высокие электрические поля напряженности. Дополнительно к названной жаростойкости должна повышаться диэлектрическая стойкость на краях и закруглениях экрана или других конструктивных компонентов.

Таким образом, края или закругления экранов должны быть покрыты материалом с высокой диэлектрической стойкостью. Она достигается за счет высокой работы выхода электронов и/или высокой механической твердости. Диэлектрическая стойкость системы или устройства, в частности на краях экрана, повышается. При этом еще следует признать, что на так называемом центральном экране расположена соответствующая краевая плата, которая направлена наружу и делает возможным управление экраном, т.е. соответствующее управление потенциалом в центре.

Слой на конструктивных элементах может быть при этом относительно тонким. Эти покрытия могут состоять из названных выше элементов, смесей и/или сплавов в упомянутой форме, например TiN, TiN+Аl₂О₃, TiCN, С, по меньшей мере, частично в алмазной структуре, или также в смеси с вольфрамом, покрытий из твердых металлов из WC, а также из металлокерамики.

Эти обозначенные с помощью XY на приведенном ниже чертеже области состоят из этих перечисленных композиционных материалов, причем не исключено, что эти покрытия могут наноситься также в областях XXX и наоборот.

В другом предпочтительном варианте исполнения слой может быть образован наночастицами, которые на основе своей структуры могут иметь соответствующие оптимальные свойства.

Для покрытия поверхности конструктивного элемента применяются особо тугоплавкие или огнеупорные металлы, которые местным образом или даже полностью наносятся в форме наночастиц или в виде слоя, т.е. в виде закрытого слоя на носитель, здесь - конструктивную деталь экрана. К применяемым материалам принадлежат элементы: вольфрам, хром, молибден, ванадий, титан, тантал и углерод. В приведенном ниже чертеже для обозначенных XXX там областей для покрытия выбираются перечисленные выше элементы.

Далее покрытия могут состоять из смесей и/или сплавов в упомянутой форме, например TiN, TiN+Al₂O₃, TiCN, TiAlN, С в алмазной структуре, покрытия твердых металлов из вышеприведенных WC и металлокерамики. Эти обозначенные XY области в приведенном ниже чертеже состоят из этих перечисленных композиционных материалов.

Нанесение этих частиц или слоев может осуществляться химическим путем. Другими возможностями для нанесения слоя на конструктивную деталь являются: погружение /покрытие/ напыление или Physical-Vapour-Deposition (PVD-способ) или Chemical-Vapour-Deposition (CVD-способ) с помощью осаждения методом ионного распыления / нанесения испарением или с помощью поверхностных реакций.

Изобретение представлено одним примером осуществления и ниже описывается более подробно.

На чертеже показан продольное сечение вакуумной камеры 10 выключателя. Внутри вакуумной камеры выключателя расположены коммутационные контакты 5. Причем один контакт 8 расположен неподвижно, а другой 1 через гармошку 3 может перемещаться внутри вакуумной камеры выключателя. Выборочным образом может быть установлено два подвижных контакта, причем каждый контактный элемент соответственно приводится в движение и может отводиться с помощью металлической гармошки с шатуном. Оба электрических проводника 1, 8 электрически отделены друг от друга с помощью изолятора 6. Изображенная в этом устройстве закрывающая конструктивная часть 2 берет на себя соединение между изолятором и гармошкой на одной стороне и проводником 8 на другой.

Внутри вакуумной камеры 10 выключателя здесь в этом изображении сечения расположены экраны 4, 7, в основном здесь различим центральный экран 4, который размещен в области собственно вокруг места контакта. По изображенным выделенным краям, что называется в первую очередь, но не исключительно там, центральный экран покрыт соответствующим материалом XXX или композиционным материалом XY, в соответствие с названными выше материалами или элементами, сплавами и т.д.

При размыкании контактных элементов под нагрузкой возникает электрическая дуга с описанным выше эффектом. На покрытых краях и поверхностях существенно уменьшается индуцированная плазмой электроэрозия материала, вследствие чего, во-первых, уменьшается припаивание экранов и, в итоге, может предотвращаться проплавление экрана, и, во-вторых, повышается диэлектрическая стойкость системы или устройства, в частности на краях экрана. При этом можно видеть, что у так называемого центрального экрана 4 расположена соответствующая краевая плата, которая направлена наружу и делает возможным управление экраном, т.е. позволяет соответствующую настройку потенциала в центре.

1. Вакуумная камера выключателя с изолирующей керамической стенкой, внутри которой расположен движущийся в вакууме контактный элемент и концентрически окружен экраном между контактным элементом и стенкой камеры выключателя, отличающаяся тем, что в области экрана (4, 7) или других конструктивных элементов внутри вакуумной камеры (10) выключателя, по меньшей мере, частично нанесены покрытия из тугоплавкого материала или огнеупорных металлов, состоящие из наночастиц.

2. Вакуумная камера по п.1, отличающаяся тем, что тугоплавкий материал подлежащих нанесению слоев состоит из элементов: вольфрам, и/или хром, и/или молибден, и/или ванадий, и/или титан, и/или тантал, и/или углерод (материал XXX).

3. Вакуумная камера по п.2, отличающаяся тем, что покрытие наносится с помощью PVD- или CVD-способов, с помощью осаждения методом ионного распыления, или газообразного напыления, или химических реакций или с помощью техники напыления, или погружением, или покрытием кистью, или набрызгиванием на соответствующие части вакуумной камеры выключателя.

4. Вакуумная камера по п.1, отличающаяся тем, что наночастицы состоят из вольфрама, или молибдена, или тантала, или ванадия, или титана, или хрома, углерода.

5. Вакуумная камера по п.1, отличающаяся тем, что наночастицы состоят из сплава CuCr.

6. Вакуумная камера по п.1, отличающаяся тем, что наночастицы состоят из композиционного материала.

7. Вакуумная камера по п.6, отличающаяся тем, что композиционный материал состоит из CuCr с Cr>1%.

8. Вакуумная камера по п.6, отличающаяся тем, что композиционный материал состоит из WCu или MoCu.

9. Вакуумная камера по п.6, отличающаяся тем, что композиционный материал состоит из TiN, или TiN+Al₂O₃, или из TiCN, или из TiAlN.

10. Вакуумная камера по 6, отличающаяся тем, что композиционный материал состоит из WC.