CS230840B1

CS230840B1 - Method of manufacturing contacts for vacuum circuit breaker

Info

Publication number: CS230840B1
Application number: CS826108A
Authority: CS
Inventors: Antonin Hix
Original assignee: Antonin Hix
Priority date: 1982-08-20
Filing date: 1982-08-20
Publication date: 1984-08-13
Also published as: CS610882A1

Abstract

Účelem vynálezu je odstraněni některých nežádoucích vlastností dosud známých materiálů pro kontakty vakuových vypínačů, zvláště poměrně vysoké hodnoty studené elektronové emise a náročné technologie jejich výroby. Uvedeného účelu se dosáhne impregnací slitinou na bázi mědi obsahu 0,1 až 5 váhových procent niklu a 0,05 až 2 váhové procenta křemíku.The purpose of the invention is to eliminate some undesirable properties of previously known materials for vacuum circuit breaker contacts, in particular the relatively high value of cold electron emission and the demanding technology of their production. The stated purpose is achieved by impregnation with a copper-based alloy containing 0.1 to 5 weight percent nickel and 0.05 to 2 weight percent silicon.

Description

Vynález se týká vakuových vypínačů, jejichž kontakty jsou vytvořeny na bázi impregnovaného sintrovaného porézního téžkotavitelného kovu, zejména wolframu.The invention relates to vacuum circuit-breakers whose contacts are based on an impregnated sintered porous non-fusible metal, in particular tungsten.

Výkonové vékuové vypínače jsou velmi progresivní prvky ve vypínačové technice, které svými vlastnostmi značné předčí klasické vzduchové nebo máloolejové vypínače. Princip i konstrukční uspořádání vakuových vypínačů jsou dostatečné známé z technické i patentové literatury. Jejich správná funkce je véak ovlivňována řadou podmínek: kromé dostatečného stupně vakua uvnitř baňky jsou to předevěím vlastnosti materiálu vlastních kontaktů, které celkové technické hodnoty vakuových vypínačů nejvíce ovlivňují. Požadavky na tento materiál jsou velmi náročné a často protichůdné: kromě základního požadavku, aby getrovací schopnosti materiálu rozprášeného v průběhu vlastního vypínacího procesu převažovaly nad uvolňováním plynů, nesmí docházet ke sváření kontaktů ani při maximálních vypínaných proudech a kontakty musí mít dobrou tepelnou i elektrickou vodivost.Power circuit-breakers are very progressive elements in circuit-breaker technology, which by their characteristics considerably outperform conventional air or low-oil circuit-breakers. Both the principle and the design of the vacuum circuit breakers are sufficiently known from the technical and patent literature. However, their proper function is influenced by a number of conditions: besides a sufficient degree of vacuum inside the flask, it is primarily the properties of the material of the actual contacts that most affect the overall technical values of the vacuum circuit breakers. The requirements for this material are very demanding and often contradictory: in addition to the basic requirement that the getter capability of the material dispersed during the shutdown process outweighs the release of gases, there must be no welding of the contacts even at maximum breaking currents.

Tlak kovových par, které vzniknou odpařením materiálu v katodové skvrně při vlastním vypínacím procesu, musí mít takovou hodnotu, aby jejich ionizací se vytvořilo dostatečně vodivé médium přenášející proud a nedocházelo k předčasnému přerušení proudu před jeho přirozeným zánikem v proudové nule; naproti tomu eroze kontaktů vakuovým obloukem musí být co nejmenší, aby byla zaručena dostatečné životnost. Kontakty také nesmí týt náchylné k přeskokům při namáhání vysokým napětím a nesmí ani vykazovat podstatnější emisi elektronů, Která by zhoršovala izolační vlastnosti vakuových vypínačů. Po ekonomické stránce je důležité, aby kontakty bylo možné vyrobit co možná jednoduchými a energeticky nenáročnými technologickými postupy.The metal vapor pressure generated by the evaporation of the material in the cathode spot during the actual shutdown process must be of such value that their ionization creates a sufficiently conductive current-carrying medium and prevents premature interruption of the current before its natural dissipation at current zero; on the other hand, the vacuum erosion of the contacts must be kept to a minimum in order to guarantee a sufficient service life. Also, the contacts must not be susceptible to high-voltage jumps and must not exhibit any significant emission of electrons that would impair the insulating properties of the vacuum circuit breakers. From an economic point of view, it is important that the contacts can be made as simple and energy-efficient as possible.

Současný stav techniky v oboru materiálů pro kontakty vakuových vypínačů je popsán napříkld v publikaci H. Bettge: Konstruktion und Herstellung von vakuumschaltrohren Siemens-Energietechnik 3 (1981), str. 4 až 8, zvi. str. 7. Beiheft Vakuumschalttechnik fur Mittelsprannung.The state of the art in the field of materials for vacuum circuit breaker contacts is described, for example, in H. Bettge: Construction and Herstellung von Vacuumschaltrohren Siemens-Energietechnik 3 (1981), pp. 4-8, vol. p. 7. Beiheft Vakuumschalttechnik fur Mittelsprannung.

Kontakty na bázi čisté mědi nejsou v řadě požadavků vyhovující. Dosud nejlepší výsledky byly docíleny s materiály na principu sintrovaných porézních těžkotavitelných kovů, zvláště wolframu nebo chrómu, impregnovaných čistou mědí. Pevná kostra z těžko* tavitelného kovu dodává kontaktům potřebnou pevnost, tvrdost a odolnost proti sváření a erozi, naproti tomu měň, která vyplňuje prostory mezi jednotlivými sesintrovanými zrny téžkotavitelného kovu, vytváří ve vakuovém oblouku dostatečný tlak par a zlepšuje elektrickou a tepelnou vodivost kontaktu. I když tyto materiály dávají poměrně uspokojující výsledky, mají i několik nevýhod, které jejich aplikaci omezují.Pure copper contacts are not satisfactory in many requirements. The best results so far have been achieved with sintered porous refractory metals, especially tungsten or chrome, impregnated with pure copper. A solid refractory metal skeleton provides the contacts with the necessary strength, hardness and resistance to welding and erosion, while the currency that fills the spaces between the individual sintered grains of the non-fusible metal creates sufficient vapor pressure in the vacuum arc and improves electrical and thermal conductivity. Although these materials give relatively satisfactory results, they have several disadvantages that limit their application.

Především je to poměrně vysoké hodnota studené elektronové emise. Například u kontak2 tů s vypínacím povrchem 50 mm vzdálených navzájem 3,5 mm byl při napětí 25 kV naměřen emisní proud až ,0 mA. Tato hodnota již podstatně zhoršuje izolační vlastnosti vypnutého vypínače, takže v některých případech by za vypnutým vypínačem mohla vznikat i životu nebezpečná napětí. Emisní proud se často omezuje zvětšením pracovního zdvihu vypínače, nebot tím se sníží hodnota gradientu elektrického pole mezi kontakty; to ovšem klade zvýšené nároky na vlnovec, který umožnuje osový pohyb pohyblivého kontaktu, a tím se snižuje jeho životnost.Above all, it is a relatively high cold electron emission value. For example, for contacts with a tripping surface of 50 mm spaced 3.5 mm apart, an emission current of up to .0 mA was measured at 25 kV. This value already considerably deteriorates the insulating properties of the open circuit breaker, so that in some cases, even life-threatening voltages may occur behind the open circuit breaker. The emission current is often limited by increasing the working stroke of the circuit-breaker, since this reduces the electric field gradient between the contacts; this, however, places increased demands on the bellows, which allows the axial movement of the movable contact, thereby reducing its service life.

Obtíže vznikají i při kontrole a měření vyrobených vakuových vypínačů. Napříkld vplqjový vypínač, určený pro efektivní napětí 7,2 kV, se zkouší z bezpečnostních důvodů na napětí 25 kV. Při hodnotách dle výše uvedeného příkladu je přitom výkonové ztráta na kontaktech 250 W, tímse kontakty prudce ohřívají, což vede v některých připadech k lanovitému nárůstu emise a k elektrickému průrazu. Je zřejmé, že tato vlastnost dosud známých kontaktových materiálů silně omezuje jejich aplikaci pro vysoká napětí, prakticky na cca 15 kV eff.Difficulties also arise in the inspection and measurement of vacuum circuit breakers produced. For example, a voltage switch intended for an effective voltage of 7.2 kV is tested for safety reasons at 25 kV. At the values given in the example above, the power loss on the contacts is 250 W, which causes the contacts to heat up sharply, which in some cases leads to a rope-like increase in emission and electrical breakdown. Obviously, this property of the known contact materials severely limits their application at high voltages to practically about 15 kV eff.

Další nevýhoda těchto dosud známých kontaktových materiálů spočívá v tom, že lze jen s obtížemi docílit, aby při impregnaci porézního sintrovaného materiálu z těžkotavitelných kovů nedocházelo ke vzniku nedokonale nasycených míst (lunkrů), to jest míst, v nichž měň nevyplňuje stoprocentně prostory mezi sesintrovenými zrny těžkotavitelných kovů. Taková místa, která se jen obtížně zjištují, obsahují zbytkovou atmosféru plynů. V důsledku pracovní eroze kontaktů se tato místa postupně během života otevírají a uvolněné plyny zhoršují vakuum uvnitř baňky vakuového vypínače, v některých případech i nad hodnotu, které je nezbytná pro správnou funkci vypínače. Aby se těmto zjevům předešlo, je nutné používat při výrobě dosud známých kontaktových materiálů speciální energeticky i časově né ročné technologické postupy.A further disadvantage of these hitherto known contact materials is that it is difficult to achieve that impregnation of porous sintered material from heavy-duty metals does not give rise to imperfectly saturated lunkers, i.e. where the currency does not fill 100% of the spaces between the sintered grains. of refractory metals. Such locations, which are difficult to detect, contain a residual gas atmosphere. Due to the working erosion of the contacts, these points gradually open during life and the released gases deteriorate the vacuum inside the vacuum circuit breaker bulb, in some cases beyond what is necessary for the circuit breaker to function properly. In order to avoid these phenomena, it is necessary to use special energy and time-consuming annual technological processes in the production of known contact materials.

Uvedené nevýhody jsou dle vynálezu odstraněny tim, že jejich kontakty jsou vyrobeny způsobem dle vynálezu. Jeho podstata spočívá v tom, že kontakty na bázi porézního těZKOtavitelného kovu, zejména wolframu, se impregnují slitinou na bázi mědi o obsahu 0,1 až 5 hmotnostních procent niklu. Pokusy bylo zjištěno, že kontakty impregnované slitinou s uvedeným obsahem niklu vykazují pouze asi 10 % elektronové emise dosud známých kontaktů impregnovaných čistou mědí, za jinak stejných podmínek, přičemž ani malé příměsi jiných prvků k uvedené slitině tuto vlastnost niklu neomezují.According to the invention, these disadvantages are overcome by the fact that their contacts are produced by the method according to the invention. It is based on the fact that the contacts based on a porous meltable metal, in particular tungsten, are impregnated with a copper-based alloy containing 0.1 to 5 weight percent nickel. It has been found that contacts impregnated with an alloy with said nickel content show only about 10% of the electron emission of the prior art contacts impregnated with pure copper under otherwise identical conditions, and even small amounts of other elements to said alloy do not limit this nickel property.

Takto snížené hodnota elektronové emise již prakticky eliminuje výše uvedená omezení, která vznikají při použití dosud známých kontaktových materiálů. Další zlepšení je dle vynálezu docíleno tím, že impregnační slitina obsahuje kromě uvedeného obsahu niklu ještě 0,05 až 2 hmotnostních procent křemíku. Přídavek křemíku v uvedeném poměru značně usnadnňuje impregnační pochody, aniž by omezoval vlastnost niklu snižovat elektronovou emisi. Impregnaci je pak možno provádět v běžné peci s redukční vodíkovou atmosférou při teplotách 1 050 až 1 250 °C, tedy jen o málo převyšující bod tání impregnační slitiny. V důsledku zvýěené smáčivosti slitiny s uvedeným obsahem křemíku je pak bezpečně zabráněno vzniku nedokonale impregnovaných míst.Such reduced electron emission already virtually eliminates the above limitations that arise when using known contact materials. According to the invention, a further improvement is achieved in that the impregnating alloy contains, in addition to said nickel content, 0.05 to 2% by weight of silicon. The addition of silicon in this ratio greatly facilitates impregnation processes without compromising the electron emission reducing properties of nickel. The impregnation can then be carried out in a conventional furnace with a reducing hydrogen atmosphere at temperatures from 1050 to 1250 ° C, which is only slightly higher than the melting point of the impregnating alloy. Due to the increased wettability of the alloy with said silicon content, imperfectly impregnated spots are safely prevented.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

Method for producing contacts for a vacuum circuit breaker with contacts based on impregnated porous refractory metal, in particular tungsten, characterized in that the contacts of refractory metal, especially tungsten, are impregnated with a copper based alloy containing 0.1 to 5 weight percent nickel.

Method according to claim 1, characterized in that the impregnating alloy still contains 0.05 to 2% by weight of silicon.

3. The method for producing the contacts according to claim 1, wherein the impregnation is carried out in a furnace with a reducing hydrogen atmosphere at temperatures ranging from 1050 to 1250 ° C.