专利名称：用于真空开关管的蒸气罩的制作方法
技术领域：
本发明涉及真空开关管，特别涉及用于真空开关管的蒸气罩。
真空开关管(VIs)通常用于遮断中压至高压交流电流。例如，在包括无功元件和负荷的中压至高压电路中，真空开关管可以遮断或切换高达几十千安的交流电流。开关管通常包括包围一对同轴对中可分离的接触装置的圆柱型真空密封壳，可分离的接触装置具有相对的触点表面。触点表面在闭合电路位置互相邻接，对于开路则分离。每个电极装置被连接到扩展到真空密封壳外侧并连接到交流电路的载流端柱。
当触点移开至开路位置而电流流过真空开关管时在触点表面间通常形成金属蒸气弧。燃弧直到电流切断才熄灭。在燃弧期间由触点产生的金属蒸气凝聚在触点上且也凝聚在置于触点装置和电流熄灭后的真空密封壳之间的蒸气罩上。
许多应用要求真空开关管承受功率-频率(AC)电压(通常＜100kVRMS)，或基本冲击电平(BIL)电压(通常＜200kV峰值)，该电压跨加于其断开触点上。电压承受能力通常指，对于触点间指定的分离距离和指定的施加电压(AC或BIL)波形，真空开关管不能可靠承受冷真空间隙内部击穿的施加电压的最高电平。许多应用也要求真空开关管承受暂态恢复电压以便中断高电流弧。
本发明提供真空开关管蒸气凝聚罩，它的形状允许真空开关管承受高峰值冲击或施加于断开位置的真空开关管触点的正弦波高压。在邻近断开触点的区域，形成蒸气罩以偏离由阴极上的高电场强度区域发射的电子轨迹。蒸气罩造成电子从阳极偏离到施于蒸气罩上的低电场散焦区，由此可使真空开关管承受高压。
本发明的目的是提供改进的真空开关管蒸气罩。
本发明的另一个目的是提供包括密封的真空密封壳、真空密封壳内侧可分离形成触点间隙的电极、及真空密封壳与电极之间的蒸气罩的真空开关管，其中蒸气罩包括邻近向间隙伸展的触点间隙的伸展部分。
本发明的另一个目的是为真空开关管提供蒸气罩，真空开关管包括具有端部和中部的大体圆柱体，及由大体圆柱体的中部向内径向伸展的环形凸体。
本发明的这些目的及其他目的可从下列描述更清楚看到。
图1是包括传统蒸气罩的真空开关管截面图。
图2是显示卷绕断开触点角等位线的传统真空开关管装置的部分截面图。
图3是图2传统真空开关管放大图，显示更多等位线，及起始于阴极触点角选择的磁力线，阴极触点角是增强的电场区域。在所示的结构中一些磁力线从阴极连回到相反的阳极角，而其他磁力线连到蒸气罩。
图4是根据本发明实施例包括蒸气罩的真空开关管的部分截面图。
图5是根据本发明另一实施例包括蒸气罩的真空开关管的部分截面图。
图6是根据本发明另一实施例包括蒸气罩的真空开关管的部分截面图。
图7是根据本发明另一实施例包括蒸气罩的真空开关管的部分截面图。
图8是类似图4所示的真空开关管放大图，显示等位线和从阴极到蒸气罩和从该罩到阳极的磁力线。
图1显示典型的现有技术真空开关管10，包括圆柱绝缘管12和端板14和16。电极装置20和22在由绝缘管12和端板14和16形成的真空密封壳中纵向对准。一个普通的圆柱蒸气罩24包围电极装置20和22以防止金属蒸气聚集到绝缘管12上。在本实施例中，支撑凸缘25将蒸气罩24固定在分离的绝缘管12的上半部和下半部。在所示的结构中，蒸气罩24与电极装置20和22电气隔离。
电极装置20和22相对于断开和闭合AC回路互相可轴向移动。固定在电极装置20上的波纹管28密封由绝缘管12和端板14和16形成的真空密封壳内部，而允许电极装置20从图1所示的闭合位置到断开位置(未示出)移动。电极装置20包括连接到普通圆柱端柱31的电极触点30，该圆柱端柱31通过端板14中的孔从真空密封壳伸出。帽型罩32固定在端柱31上以保持金属蒸气不接近波纹管28。同样，电极装置22包括连接到通过端板16伸展的普通圆柱端柱35的电极触点34。以包括另外的罩(未示出)以进一步阻止绝缘管12端区域出现金属蒸气，如现有技术所知的那样。
如图1所示的传统真空开关管具有小于最优电压承受能力。影响电压承受能力的内部条件和参数通常可由微观或宏观分类。在微观水平，由于BIL对AC的电压击穿机理不同，但是对于两种类型波形，击穿时最重要的两个通常微观影响是电子发射和微粒子产生。任何一个这些影响单独或两个结合和反应可引起击穿，如《高压真空绝缘》这本书解释的那样基本概念和技术实践，R.V.Latham编辑，纽约Academic出版社(1995)。
一个BIL击穿机理是非爆炸场发射。在这种情况中，电子束由受本地高电场支配的阴极表面上的微观特征产生。如果该电子束照射到阳极上的小点，阳极上的该点迅速被高热磁通熔化。微粒子也可阳极热点或阴极发射点拉出。感应的微粒子击穿可由冲击激发、分离触发、或通过电子束微粒子蒸发引起。更快速的BIL击穿可由阴极上微观场爆炸性电子发射引起。随后的爆炸的等离子体称为阴极闪烁。该爆炸发射也可由表面上充电相异粒子周围的高场引发。击穿可由单个阴极闪烁引起，或当阳极点中增加的功率密度造成阳极闪烁时被触发。
在宏观水平，触点之间发生击穿的电压受触点和蒸气凝聚罩的几何形状影响。对于给定的内部几何形状，有限元分析计算可精确地确定贯穿真空开关管的宏观稳态电场。对于传统电气漂浮蒸气罩，等位线卷绕断开位置的两个触点的角。在它们面临结构的周边，两个触点经历增强的电场强度。特别地，BIL击穿由电子束发射或来自负偏触点或阴极闪烁激发，这种发射优选产生于最高几何电场强度区。
图2是带有典型的现有技术的漂浮蒸气罩的真空开关管轴对称截面图。传统的蒸气罩24特征在于其平坦或触点间隙G区中的固定内径面。等位线41卷绕开触点的角。在面临触点角21和23附近结构的周边阴极20和阳极22电极装置经历增强电场强度。特别地，BIL击穿由电子束发射或来自负偏电极装置20闪烁激发，这种发射优选产生于最高几何电场强度21区。虽然这里指“阳极”或“阴极”触点，可以理解为仅仅为了解释方便而使用的元件识别，对于施于真空开关管的电压的交替极性，阳极和阴极的功能作用在两个触点间交替。
但是，击穿中涉及阳极的情况下，BIL击穿水平不仅取决于阴极20上的几何电场强度的最高幅值，而且也取决于电子束或阴极闪烁如何通过辐射阳极22存储能量。在现有的技术中，可能除速度分布尾部中最高能量电子外，大部分电子从阴极微发射集到阳极紧随电场线，该电场线垂直于等位线41。
图3显示了图2传统设计的更多的等位线41，所示磁力线44起自阴极触点21的角。标制电场方向的磁力线44垂直于等位线41。由阴极触点20的高电场部分21发射的电子束能跟随连回到紧密聚焦点中相反触点22的磁力线44。这在最高电场强度23区容易在阳极上产生热点。因此，击穿可能出现在比预期电场强度低的阴极20上。
图3也显示从更多面临罩24的阴极触点20的角部分21，电场线向罩24上大面积发散。如果电子束从角21的这部分发射，它将撞击隔离罩，且通过大约只有一半的施加电压加速，因为本实施例中该罩电气上漂浮。因此，在罩24上它仅产生每单位面积小热荷。
依据本发明，对于给定直径和指定间隙的触点，如果设计蒸气罩从相反触点折射起自高电场强度的触点边缘至罩上的散焦区上，可以获得较高的承受电压。通过产生离开间隙和朝向罩的磁力线的较大边缘的罩，本发明提供具有隔开高电场强度如阴极触点角上电场强度的增强能力的真空开关管。它转向和散焦从高强度触点角上发射区离开的电子束。
如这里使用的，术语“触点间隙”指当触点处于完全断开位置形成的间隙。通常调节连接的外部切换机构(未示出)的冲程来设定全间隙G，通常约为6-24毫米，取决于真空开关管的尺寸和用途。
图4显示与电极装置50和52结合使用的本发明真空开关管蒸气罩的一个实施例，盘型触点51和53处于完全断开位置以形成触点间隙G。真空开关管包括绝缘管12和端板14和16。可动电极装置52包括波纹管罩56。基本上为圆柱形的蒸气罩60更合适地包括径向向内弯曲的端部61和62，和朝向蒸气罩60中部的伸展的导电环形凸块64。蒸气罩60连到凸缘65，该凸缘通常连到用真空密封铜焊方法的绝缘管12的两个部分，如现有技术所知的那样。或者，蒸气罩60的一端电气连接到一个电极装置。
在图4的实施例中，罩60最好由合适的真空兼容金属如不锈钢或铜的薄圆柱制成。在触点间隙G区，罩60内面光滑向内弯曲形成环形凸块64。伸展的环形凸块最好沿轴定位以便在间隙G区中最小半径位置与间隙G中间面重叠或几乎重叠。
图5显示了类似于图4的本发明的另一个实施例，其中蒸气罩中部70由厚圆柱材料制成，如美国专利No.4,553,007所描述，在此引作参考。端部71和72由较薄材料制成，如不锈钢。罩70内面环形凸块74用任何适当的方法如加工空白厚材料圆柱形成。对于高中断电流，美国专利No.4,553,007描述的材料类型的使用，对于如图5实施例所示的环形凸块和/或罩体，可能是所希望的，以便使罩更坚固。
除了金属，蒸气罩60和70可由如至少在环形凸块64和74区中涂覆导电材料层的陶瓷这样的绝缘材料制成。如果蒸气罩是完全的绝缘材料，在重复燃弧操作真空开关管装置后可在凸块上建立导电层，这样将在凸块表面上沉积凝聚金属的层。
图5所示的本发明实施例中，螺旋电极触点77和78采用触点后面的盘形罩55和56。一个螺旋触点结构的例子在美国专利No.5,444,201中描述，在此引作参考。对于在弧柱上提供方位驱动力的螺旋触点结构，只要选择的蒸气罩厚度和材料能够承受燃弧负荷，在电流中断操作期间圆柱蒸气罩上的燃弧冲击不会降低中断性能。这个弧-罩效应通过迫使弧变成更快发散能改善中断。对于本实施例，弧-罩效应通过弯曲从触点边缘朝向内伸展蒸气罩的磁力线来增强。
图4和5所示的触点具有圆柱结构，并具有外径R。如果两个触点具有不同的外径，R指两个中的较大者。本发明优选的蒸气罩包括具有比R大半径距离S1的内主柱面半径的基本为圆柱体部分，及具有比R大半径距离S2的内最小半径的径向向内伸展部分。如图4和5所示，距离S2小于距离S1。最小半径距离S2确定一个平面，该平面优选地与完全断开触点间隙G的中间面平行。更合适地，由最小半径距离S2确定的平面几乎与完全断开触点间隙G的中间面重叠。
在图4和5所示的实施例中，环形凸块64和74被适度地弯曲，并具有曲线C基本为常数的半径。环形凸块的替代实施例也是可能的。在图6所示的实施例中，环形凸块79径向向内伸展较大距离。在图7所示的实施例中，环形凸块80径向向内伸展中等距离。每个凸块64,74,79和80的长度L优选地是触点间隙G长度约0.2至约2.0倍。在特别优选实施例中，环形凸块有基本上为常数的曲线C半径且长度L基本等于触点间隙G长度。
利用有限元计算触点和蒸气罩区中的等位分布，通过几何参数分析已确定优选结构。为了优化如图4和5所示的环形凸块好处，最好距离S1比触点间隙G大于大约三分之一。环形凸块64和74最好从基本为圆柱体部分60和70朝触点伸展圆柱体部分60和70与触点之间的最短半径距离S1的约五分之一距离或更多些。蒸气罩环形凸块和触点外径R间的最短半径距离S2最好小于全触点间隙G的长度。更好地，最短半径距离S2为触点间隙G的长度的约十分之一到约一半。注意图4和5中的触点面具有由θ和S3确定的斜面齿形。对于S1和S2这里所述的优选半径距离对于S3≤R和0≤θ≤90°有效。
图8是显示根据本发明实施例真空开关管蒸气罩60等位线71的放大图，磁力线74和76在触点51和53的角57和58上有端点。来自阴极触点51的磁力线74向罩上的区转向，该区比阴极51的角57的发射区大得多。这样折射电子束或源自区57的阴极闪烁离开阳极53，抑制阳极热点或阳极闪烁的产生。同时，蒸气罩60上的环形凸块64的内表面最好离开触点角57和58足够远距离以便由于存在环形凸块64的角57和58上的任何另外电场强度不足以高到造成在爆炸电子发射中明显增加。这就允许真空开关管获得改进的高压承受能力。
本发明的蒸气罩的技术规范不取决于真空开关管中使用的特别触点形式。可被该蒸气罩采用的其他普通触点形式的例子是基本为圆柱或帽型触点装置，这样设计以便在触点间隙区产生大致沿轴或径向指定的电场。这些触点类型的例子在美国专利申请系列号No.08/488,401描述，在此引作参考。
根据本发明，真空开关管蒸气罩的形状和尺寸被控制，以便当电极处于标定的完全分离位置时减小真空开关管的基本冲击水平击穿。蒸气罩的伸展部分或环形凸块最好形成引导电子束从面向一个电极的角区到蒸气罩而离开另一个电极。伸展部分最好发散从一个电极指向蒸气罩的电子束，且减少由于来自电极的爆炸电子发射的击穿。
为了示意目的，本发明的特别实施例已在上面描述，很明显在不脱离所附权利要求限定的范围条件下，本领域的技术人员可以对本发明细节做出许多变形。
权利要求
1.一种真空开关管，包括密封的真空密封壳；包括真空密封壳内侧可分离的以形成触点间隙的触点的电极装置；以及真空密封壳和触点之间的蒸气罩，蒸气罩包括邻近触点间隙的导电伸展部分，从真空密封壳向触点间隙伸展，其中当触点处于断开位置时蒸气罩至少与一个触点电气隔离。
2.根据权利要求1的真空开关管，其中蒸气罩同轴围绕触点且包括具有内主面圆柱半径的大体圆柱体部分，且伸展部分具有比主面圆柱半径小的内最小半径。
3.根据权利要求2的真空开关管，其中伸展部分的最小半径确定一个平面，该平面基本与触点间隙中间面平行。
4.根据权利要求3的真空开关管，其中由最小半径确定的平面基本与触点间隙的中间面重叠。
5.根据权利要求2的真空开关管，其中伸展部分确定一个凸块，该凸块从主圆柱半径到最小半径径向朝内伸展。
6.根据权利要求5的真空开关管，其中凸块至少部分弯曲。
7.根据权利要求6的真空开关管，其中凸块有一个基本为常数的曲率半径。
8.根据权利要求5的真空开关管，其中凸块长度为触点间隙长度的约0.2至约2倍。
9.根据权利要求5的真空开关管，其中凸块长度基本等于触点间隙长度。
10.根据权利要求2的真空开关管，其中至少一个触点为基本圆柱形且从伸展部分到触点的最短半径距离约等于或小于触点间隙长度。
11.根据权利要求10的真空开关管，其中从伸展部分到触点的最短半径距离为触点间隙长度的约0.25至约0.5倍。
12.根据权利要求10的真空开关管，其中伸展部分从基本为圆柱体部分朝触点伸展圆柱体部分与触点之间的最短半径距离的约五分之一或更多的距离，而触点与圆柱体部分最短半径距离比触点间隙长度长约三分之一。
13.根据权利要求2的真空开关管，另外包括至少一个从基本为圆柱体部分的至少一端径向朝内伸展的凸缘。
14.根据权利要求2的真空开关管，其中蒸气罩由单片材料制成。
15.根据权利要求2的真空开关管，其中蒸气罩的至少一端由不同于体部分的材料制成。
16.根据权利要求1的真空开关管，其中形成伸展部分以增加断开位置中触点的平均基本冲击水平电压承受能力。
17.根据权利要求1的真空开关管，其中形成伸展部分以使电子束从面临至少一个触点角区指向蒸气罩并离开另一个触点。
18.根据权利要求17的真空开关管，其中形成伸展部分以发散从面临至少一个触点角区指向蒸气罩的电子束。
19.一种用于真空开关管的蒸气罩，包括具有端部和中部的基本为圆柱的体；以及从基本为圆柱的体的中间部分径向朝内伸展的环形凸块。
20.根据权利要求19的蒸气罩，其中环形凸块基本处于基本为圆柱的体的中部。
21.根据权利要求19的蒸气罩，其中环形凸块被弯曲并有基本为常数的曲率半径。
22.根据权利要求19的蒸气罩，另外包括至少一个从基本为圆柱体的至少一端径向向内伸展的凸缘。
23.根据权利要求19的蒸气罩，其中蒸气罩由单片材料制成。
24.根据权利要求19的蒸气罩，其中至少一个端部由不同于主部的材料制成。
25.根据权利要求19的蒸气罩，其中环形凸块的内表面层可导电。
26.根据权利要求19的蒸气罩，其中环形凸块基本上整个厚度可导电。
全文摘要
提供的真空开关管(Ⅵ)具有两个燃弧触点,至少一个触点可轴向移动,以及一个被形成以允许真空开关管在断开位置承受高峰值冲击电压或施于冷触点的正弦波高压的金属蒸气凝聚罩。在包围断开触点的区中,形成蒸气罩折射电子轨迹,电子从沿面向负偏触点的边缘的高电场强度区发射出来。蒸气罩造成电子基本被偏离互触点边缘区并折射到罩上低电场强度的散焦区。
文档编号H01H33/662GK1217557SQ98124559
公开日1999年5月26日 申请日期1998年10月22日 优先权日1997年10月22日
发明者迈克尔·布鲁斯·舒尔曼 申请人:尹顿公司