專(zhuān)利名稱(chēng)：特定的復(fù)合材料作為電氣設(shè)備中的電弧消滅材料的用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種用作電弧消滅(electric arc extinction)的復(fù)合材料,該復(fù)合材料包含可以為氟化聚合物基質(zhì)的聚合物基質(zhì)以及特定的金屬氟化物填料。這些材料可以應(yīng)用于可能出現(xiàn)電弧的電氣設(shè)備中，所述電氣設(shè)備如開(kāi)關(guān)設(shè)備(switchgear),例如中壓或高壓開(kāi)關(guān)(switch)或者中壓或高壓開(kāi)關(guān)切斷器(switchdisconnector)。因此，本發(fā)明的一般領(lǐng)域?yàn)殡娀☆I(lǐng)域以及消滅電弧的手段。
背景技術(shù)：
電弧是通常在絕緣介質(zhì)中的可見(jiàn)電流，其產(chǎn)生于兩個(gè)彼此靠近的導(dǎo)電表面之間，條件是所述兩個(gè)表面之間存在足夠的電勢(shì)差。電流一般通過(guò)電流其所穿過(guò)的絕緣介質(zhì)的離子化而得到證實(shí)，并因此恰好構(gòu)成可能達(dá)到高溫如2000 (K)至10000K的溫度的等離子體。當(dāng)撞擊吋，電弧可以引起周?chē)氐姆纸猓约皠×业碾姶鸥蓴_，這可能已經(jīng)證實(shí)為電氣設(shè)備、特別是意在中斷電流的電氣設(shè)備(如斷路器(circuit breaker)、開(kāi)關(guān)或開(kāi)關(guān)切斷器)中的問(wèn)題。意在中斷電流的設(shè)備類(lèi)型基于分離觸頭的原理進(jìn)行工作。在所述觸頭被分開(kāi)后，電流在回路中經(jīng)由在所述分開(kāi)的觸頭末端之間形成的電弧持續(xù)流動(dòng)。為了中斷該電流并且也防止由此產(chǎn)生的電弧損壞設(shè)備，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種電弧消滅手段，實(shí)例例如有·通過(guò)在電弧形成區(qū)域中存在電弧滅弧氣體(extinction gas)進(jìn)行滅??；·通過(guò)在電弧形成區(qū)域中存在電弧滅弧液體進(jìn)行滅??；以及·通過(guò)將電弧形成區(qū)域置于真空下進(jìn)行滅弧。使用滅弧氣體進(jìn)行電弧消滅的原理在于所用氣體的固有性質(zhì)；優(yōu)選地，這些氣體需具有以下性質(zhì)·傳送電弧產(chǎn)生的熱能的能力，從而對(duì)外快速交換來(lái)自電弧核心的熱；·捕獲氣體中起導(dǎo)電作用的主要電子的能力；·可逆地分解其分子，從而使得設(shè)備中工作氣體的性質(zhì)保持恒定，由此避免在設(shè)備壽命期間用氣體重新裝填該設(shè)備的任何需要。電弧滅弧氣體的有效的候選氣體為六氟化硫SF6，其具有高的熱導(dǎo)率，并且構(gòu)成了真正的電子肼。這些性質(zhì)表明該氣體用于許多類(lèi)型的開(kāi)關(guān)設(shè)備中，特別是用于開(kāi)關(guān)切斷器類(lèi)型的設(shè)備中，其中圍繞電弧觸頭的氣體存儲(chǔ)在狹窄的室(cell)中(例如對(duì)于24kV的斷開(kāi)電壓(cutoff voltage)為375mm)。然而，該氣體存在對(duì)環(huán)境有害的缺點(diǎn)，這是因?yàn)樵摎怏w產(chǎn)生了可識(shí)別的溫室效應(yīng)。為了符合目前已生效的規(guī)定，因此這種氣體的使用必須非常嚴(yán)格地監(jiān)控，從其制備到其使用結(jié)束以及在該氣體的循環(huán)期間。為了解決該問(wèn)題，已經(jīng)使用一些氣體代替六氟化硫SF6 ;它們包括環(huán)境空氣、氮?dú)釴2和ニ氧化碳。但是由于它們的滅弧能力比六氟化硫SF6差，因此包括這些氣體(特別是環(huán)境空氣)的室必須具有更大的體積(例如，對(duì)于24kV切斷電壓，室的寬度為600mm至700mm)。如上所述，電弧消滅可以用液體、特別是油來(lái)確保。從結(jié)構(gòu)角度來(lái)考慮，弧觸頭(arcing contact)(在弧觸頭分離期間會(huì)在其中形成電弧)包含在置于金屬槽或其他模式的油中，它們可以通過(guò)鼓吹蒸發(fā)的油而噴霧。在電弧作用期間，油分解成氣體(主要是氫和乙炔)，并且因此用于該分解的弧的能量導(dǎo)致介質(zhì)的冷卻。然而，此類(lèi)中斷技術(shù)在所需求的替換廢油的常規(guī)操作方面存在較大的缺陷，因?yàn)槠渫ㄟ^(guò)電弧的分解是不可逆的。進(jìn)ー步地，氫的形成必須被非常小心地監(jiān)控，因?yàn)樵跉渑c氧接觸時(shí)可能會(huì)形成爆炸性混合物。最后，在兩個(gè)弧觸頭之間產(chǎn)生的電弧的消滅可以通過(guò)在觸頭之間產(chǎn)生真空環(huán)境而確保；真空是非常好的絕緣體。然而此類(lèi)滅弧技術(shù)在實(shí)施時(shí)是復(fù)雜的，因?yàn)檫@需要將真空瓶串聯(lián)置于包括所述弧觸頭的室中。因此，本發(fā)明意在開(kāi)發(fā)除了氣體型電弧消滅手段之外的新的電弧消滅手段，其可以改進(jìn)開(kāi)關(guān)設(shè)備、特別是中壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的滅弧性能。本發(fā)明的ー個(gè)目的在于開(kāi)發(fā)ー種新的電弧消滅手段，該手段不適用六氟化硫SF6作為滅弧氣體。因此，本發(fā)明人意外地發(fā)現(xiàn)與使用包含如氟化鎂或氟化鋇等無(wú)機(jī)填料的復(fù)合材料相比，通過(guò)使用含有特定無(wú)機(jī)填料的復(fù)合材料可以在電弧消滅方面獲得更好的結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明提供了一種復(fù)合材料在電氣設(shè)備中作為電弧消滅材料的用途，所述復(fù)合材料包括聚合物基質(zhì)和至少ー種選自氟化鈰CeF3和/或CeF4、氟化鑭LaF3、及其混合物的金屬氟化物填料。這些材料在開(kāi)關(guān)設(shè)備、特別是中壓開(kāi)關(guān)設(shè)備(即，常規(guī)在IkV至數(shù)十千伏的電壓、例如在IkV至52kV范圍的電壓下工作的設(shè)備)中提供了出色的結(jié)果。根據(jù)本發(fā)明使用的材料有利的包括氟化聚合物基質(zhì)(fluorinated polymericmatrix),即包含氟原子的聚合物。適于本發(fā)明的氟化聚合物可以為聚四氟こ烯(縮寫(xiě)為PTFE)、四氟こ烯-四氟丙烯共聚物(縮寫(xiě)為FEP)或四氟こ烯-全氟化的こ烯基醚(perfluorinated vinyl ether)共聚物(縮寫(xiě)為PFA)。如上所述選自氟化鈰CeF3和/或CeF4、氟化鑭LaF3及其混合物的金屬氟化物型填料可以分散在如上述所定義的聚合物基質(zhì)中，其用量可以為2%至35重量％，以所述復(fù)合材料的總重計(jì)，例如5重量％，以所述復(fù)合材料的總重計(jì)。從功能角度來(lái)看，在與電弧接觸時(shí)，上文定義的材料釋放出絕緣的電負(fù)性原子，在此實(shí)例中為氟原子，該原子吸收相當(dāng)于其釋放所需能量的部分電弧能量，并因此有助于弧的消滅。由于其功效問(wèn)題，這些材料可以用于如下氣體環(huán)境中該氣體環(huán)境包括效率低于六氟化硫SF6但是對(duì)環(huán)境破壞更小的滅弧氣體，如ニ氧化碳，C02。根據(jù)本發(fā)明可以使用的具體材料為、
·包含PTFE基質(zhì)和占復(fù)合材料總重的5重量％的CeF3的復(fù)合材料；·包含PTFE基質(zhì)和占復(fù)合材料總重的5重量％的CeF4的復(fù)合材料；·包含PTFE基質(zhì)和占復(fù)合材料總重的5重量％的LaF3的復(fù)合材料。根據(jù)本發(fā)明特別有利的材料為包含三氟化鈰CeF3或四氟化鈰CeF4作為金屬氟化物填料的材料，所述填料還具有吸收從電弧中散發(fā)的紫外輻射的能力，所述三氟化鈰或所述四氟化鈰CeF4可以與PTFE、FEP或PFA —起聯(lián)用。除了上文所述的填料之外，在第一實(shí)施方案中，該材料可以包含一種或多種吸收紫外輻射(下文縮寫(xiě)為UV)的填料，如氮化硼B(yǎng)N、ニ氧化硅SiO2、氧化鋁A1203、Co0A1203、ニ氧化鈦TiO2、硫化鑰MoS2、三氟化鈰CeF3、四氟化鈰CeF4 (其能夠轉(zhuǎn)化為CeF3,并釋放出氟氣F2)、及其混合物。
根據(jù)第二實(shí)施方案，上述定義的復(fù)合材料還可以與另ー種復(fù)合材料聯(lián)合使用，該另ー種復(fù)合材料包含聚合物基質(zhì)(如由氟化聚合物形成的聚合物基質(zhì))和至少ー種吸收紫外輻射的填料(如包含氮化硼B(yǎng)N、ニ氧化硅SiO2、氧化鋁Al2O3XoOAl2O3、ニ氧化鈦TiO2、硫化鑰MoS2、三氟化鈰CeF3、四氟化鈰CeF4、及其混合物的填料)。因此，在該第二實(shí)施方案中，在其所使用的電氣設(shè)備中，這兩種材料可以是以不同的部分的形式存在，例如·由如下的復(fù)合材料形成的部分該復(fù)合材料包含聚合物基質(zhì)(例如氟化聚合物基質(zhì))和至少ー種選自氟化鋪CeF3和/或CeF4、氟化鑭LaF3及其混合物的金屬氟化物填料，該部分位于例如電弧的底部，形式為例如圍繞設(shè)備的ー個(gè)弧觸頭的墊圈(washer)；·由如下的復(fù)合材料形成的部分該復(fù)合材料包含聚合物基質(zhì)(例如氟化聚合物基質(zhì))和至少ー種吸收紫外輻射的填料，該部分位于例如電弧路徑上。還使用吸收UV的填料的優(yōu)勢(shì)在于其可以吸收從電弧發(fā)出的紫外輻射，并且因此可以促進(jìn)其消滅。上述材料可以用于中壓或高壓電氣設(shè)備，具體地，用于開(kāi)關(guān)設(shè)備如斷路器、開(kāi)關(guān)或開(kāi)關(guān)切斷器。具體地，上述材料適合用于開(kāi)關(guān)設(shè)備單元中，該開(kāi)關(guān)設(shè)備單元還包括除了六氟化硫SF6之外的滅弧氣體，例如包括ニ氧化碳CO2、氮?dú)釴2或其混合物的開(kāi)關(guān)設(shè)備。因此，在第二個(gè)方面，本發(fā)明提供了ー種電氣設(shè)備，其包括至少ー個(gè)第一弧觸頭和至少ー個(gè)第二弧觸頭、以及作為電弧消滅手段的至少ー種如上定義的材料，其中在所述第一弧觸頭和第二弧觸頭分開(kāi)期間于它們之間產(chǎn)生電弧，所述材料還任選包括如下定義的一種或多種吸收紫外輻射的填料或者該材料任選與另一種復(fù)合材料聯(lián)合使用，該另ー種復(fù)合材料包括聚合物基質(zhì)(例如氟化聚合物形式的基質(zhì))和至少ー種如上所定義的吸收紫外輻射的填料。所述包含金屬氟化物型填料的復(fù)合材料可以置于弧的底部，即，圍繞至少ー個(gè)所述弧觸頭，例如，以圍繞上述設(shè)備的至少ー個(gè)電弧觸頭的墊圈的形式，或者位于電弧路徑上的帯狀物形式。上述設(shè)備可以為開(kāi)關(guān)設(shè)備，如斷路器、開(kāi)關(guān)或開(kāi)關(guān)切斷器，所述設(shè)備可以為中壓設(shè)備。該設(shè)備可以包括滅弧氣體，例如選自ニ氧化碳、氮?dú)饧捌浠旌衔锏臏缁怏w。有利地，該滅弧氣體不含六氟化硫，sf6。下面參考具體的實(shí)施例以非限制性方式描述本發(fā)明。附圖
的簡(jiǎn)要說(shuō)明圖I為根據(jù)第一實(shí)施方案的開(kāi)關(guān)設(shè)備的示意圖。圖2為圖I中的開(kāi)關(guān)設(shè)備的詳細(xì)視圖。圖3為根據(jù)第二實(shí)施方案的開(kāi)關(guān)設(shè)備的示意圖。
具體實(shí)施例方式圖I顯示了絕緣腔1，在其邊緣具有兩個(gè)沿直徑相対的靜觸頭3，5，并且含有動(dòng)觸 頭7，其沿中心繞軸A以與絕緣腔I同心的方式安裝。動(dòng)觸頭7為桿形式，其長(zhǎng)度比絕緣腔I的內(nèi)徑略短，具有可以同時(shí)與靜觸頭3，5的末端11接觸的末端9，靜觸頭3，5穿透進(jìn)入絕緣腔I內(nèi)部。輸入電流通過(guò)第一靜觸頭3處的第一箭頭13表示；輸出電流通過(guò)離開(kāi)與第一靜觸頭沿直徑相對(duì)的另一靜觸頭5處的第二箭頭15表示。墊圈(圖I中未示出)圍繞各靜觸頭3，5的末端11設(shè)置；其由根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合材料形成，即包含聚合物基質(zhì)(有利的為氟化聚合物基質(zhì))和一種或多種選自以下類(lèi)型的金屬氟化物型填料氟化鈰CeF3和/或CeF4、氟化鑭LaF3、及其混合物。墊圈位于絕緣腔I的內(nèi)壁處，使得各觸頭3，5的末端11可穿透進(jìn)入絕緣腔I的內(nèi)部。各墊圈可以被由復(fù)合材料形成的帯狀物圍繞，所述復(fù)合材料包含聚合物基質(zhì)(有利的為氟化聚合物基質(zhì))和ー種或多種吸收紫外輻射的填料(例如，氮化硼B(yǎng)N、ニ氧化硅SiO2、氧化鋁A1203、CoOAl2O3、ニ氧化鈦TiO2、硫化鑰MoS2、三氟化鈰CeF3、四氟化鈰CeF4及其混合物)，所述帶狀物為環(huán)狀弧的形式，抵接齊平(flush against)絕緣腔I的內(nèi)表面；其的一端包圍盤(pán)(disk)。該帶狀物的形狀相應(yīng)于動(dòng)觸頭7的末端9中的ー個(gè)的運(yùn)動(dòng)(movement),該動(dòng)觸頭7以圍繞中心軸A可旋轉(zhuǎn)的方式安裝。應(yīng)當(dāng)理解，另ー末端9也可以設(shè)置有墊圈。絕緣腔和動(dòng)觸頭之間的空間被氣體如ニ氧化碳，CO2占據(jù)。當(dāng)動(dòng)觸頭開(kāi)始旋轉(zhuǎn)(引起動(dòng)觸頭和靜觸頭各末端的機(jī)械分離)時(shí)，在靜觸頭3，5的末端11和動(dòng)觸頭7的末端9之間產(chǎn)生電弧。由于電弧，位于弧底部的各墊圈部分地升華，由此釋放出高電負(fù)性的絕緣元素(特別地，氟原子)，其吸收存在于構(gòu)成電弧的等離子體中的離子(如來(lái)自接頭材料(contact materials)和周?chē)鷼怏w中的離子)，這有助于冷卻等離子體并因此使電弧衰減。由于其結(jié)構(gòu)，上述帯狀物可以吸收從等離子體發(fā)出的紫外輻射的一部分(并因此吸收其能量的一部分)，并且因此有助干與墊圈材料一起消滅電弧。在ニ氧化碳?xì)怏wCO2存在下的測(cè)試證實(shí)了電流安培數(shù)方面的有效性。因此，例如使用Fluokit開(kāi)關(guān)型電氣設(shè)備，其包括填充有5重量％的三氟化鈰CeF3的PTFE保護(hù)帶狀物，可以在12kV、l. 3bar的CO2相對(duì)壓カ下中斷630A的電流，平均燃弧時(shí)間(arc time)為7. 6ms,而具有填充有5重量％的氟化鎂MgF2的PTFE保護(hù)帶狀物的相同測(cè)試引起特別高的平均燃弧時(shí)間(為13. 6ms)，證實(shí)了 CeF3比MgF2的效率更高。另ー方面，使用Fluokit開(kāi)關(guān)型電氣設(shè)備，其包括填充有5重量％的三氟化鈰CeF3的PTFE保護(hù)帶狀物，可以在24kV、lbar的CO2/氟代酮(fIuoroketone)相對(duì)壓カ下中斷645A的電流，平均燃弧時(shí)間為8. 9ms,而具有填充有5重量％的氟化鎂MgF2的PTFE保護(hù)帶狀物的測(cè)試在24kV、電流為320A時(shí)引起更高的燃弧時(shí)間(為9. 7ms)，再次證實(shí)了 CeF3比MgF2的效率更高。圖2顯示了由圖I中所述的墊圈和帶狀物形成的組件，帯狀物的附圖標(biāo)記為17，相關(guān)墊圈的附圖標(biāo)記為19。可以看出固定片21凸出進(jìn)入絕緣腔I的內(nèi)部，并且穿透進(jìn)入帶狀物17的腔23中?，F(xiàn)在參考圖3，可以看出電氣設(shè)備包括本發(fā)明的材料，所述設(shè)備包括兩個(gè)靜觸頭25，27，這兩個(gè)靜觸頭面對(duì)面，并且分開(kāi)預(yù)定的距離。墊圈29由類(lèi)似之前實(shí)施方案中針對(duì)墊圈所述的材料形成，并圍繞觸頭的ー末端設(shè)置，向內(nèi)彎曲的帯狀物31鄰接墊圈設(shè)置，所述 帯狀物由類(lèi)似于上述實(shí)施方案中針對(duì)帶狀物描述的材料形成。該帶狀物31的直徑等于動(dòng)觸頭33的長(zhǎng)度，動(dòng)觸頭33其本身圍繞旋轉(zhuǎn)軸B在中心安裝，置于第一靜觸頭27上或與其接觸。因此，可以沿中心移動(dòng)的觸頭能夠與第二靜觸頭25分開(kāi)，靜觸頭25的遠(yuǎn)端沿帯狀物31的內(nèi)壁移動(dòng)。當(dāng)動(dòng)觸頭33與靜觸頭25分離時(shí)，在動(dòng)觸頭的一末端和靜觸頭25的一末端之間產(chǎn)生電弧，該電弧的底部與墊圈29接觸，并圍繞所述帶狀物31運(yùn)動(dòng)，其中墊圈29和帯狀物31起到了降低所述電弧的消滅時(shí)間的作用。
權(quán)利要求
1.復(fù)合材料在電氣設(shè)備中作為電弧消滅材料的用途，所述復(fù)合材料包括聚合物基質(zhì)和至少ー種選自氟化鋪CeF3和/或CeF4、氟化鑭LaF3、及其混合物的金屬氟化物填料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的用途，其中所述聚合物基質(zhì)為氟化聚合物基質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的用途，其中所述氟化聚合物基質(zhì)選自聚四氟こ烯、四氟こ烯-四氟丙烯共聚物、或四氟こ烯-全氟化的こ烯基醚共聚物。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任ー項(xiàng)的用途，其中所述復(fù)合材料中包含的金屬氟化物填料的量在2重量％至35重量％的范圍，以所述復(fù)合材料的總重計(jì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任ー項(xiàng)的用途，其中所述金屬氟化物填料為三氟化鈰CeF3。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任ー項(xiàng)的用途，其中所述金屬氟化物填料為四氟化鈰CeF4。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任ー項(xiàng)的用途，其中所述復(fù)合材料選自以下材料 包含PTFE基質(zhì)和占復(fù)合材料總重的5重量％的CeF3的復(fù)合材料； 包含PTFE基質(zhì)和占復(fù)合材料總重的5重量％的CeF4的復(fù)合材料； 包含PTFE基質(zhì)和占復(fù)合材料總重的5重量％的LaF3的復(fù)合材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至6中任ー項(xiàng)的用途，其中所述復(fù)合材料還包含一種或多種吸收紫外輻射的填料。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至7中任ー項(xiàng)的用途，其中所述復(fù)合材料與另ー種復(fù)合材料聯(lián)合使用，所述另ー種復(fù)合材料包含聚合物基質(zhì)和至少ー種吸收紫外輻射的填料。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或權(quán)利要求9的用途，其中所述吸收紫外輻射的填料選自氮化硼B(yǎng)N、ニ氧化硅SiO2、氧化鋁A1203、CoOAl2O3、ニ氧化鈦Ti02、硫化鑰MoS2、三氟化鈰CeF3、四氟化鈰CeF4、及其混合物。
11.電氣設(shè)備，其包括至少ー個(gè)第一弧觸頭和至少ー個(gè)第二弧觸頭、以及作為電弧消滅材料的至少ー種復(fù)合材料，其中在所述第一弧觸頭和第二弧觸頭分開(kāi)期間于它們之間產(chǎn)生電弧，并且所述復(fù)合材料包括聚合物基質(zhì)和至少ー種選自氟化鈰CeF3和/或CeF4、氟化鑭LaF3、及其混合物的金屬氟化物填料。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的電氣設(shè)備,其中權(quán)利要求11設(shè)定的材料還包含一種或多種吸收紫外輻射的填料，或者權(quán)利要求11設(shè)定的材料與另ー種復(fù)合材料聯(lián)合使用，所述另ー種復(fù)合材料包含聚合物基質(zhì)和至少ー種吸收紫外輻射的填料。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或權(quán)利要求12的電氣設(shè)備，其為開(kāi)關(guān)設(shè)備。
14.根據(jù)權(quán)利要求11至13中任一項(xiàng)的電氣設(shè)備，其為斷路器、開(kāi)關(guān)或開(kāi)關(guān)切斷器。
15.根據(jù)權(quán)利要求11至14中任一項(xiàng)的電氣設(shè)備，包括滅弧氣體。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的電氣設(shè)備，其中所述滅弧氣體為ニ氧化碳、氮?dú)?、或其混合物?br> 17.根據(jù)權(quán)利要求15或權(quán)利要求16的電氣設(shè)備，其中所述滅弧氣體不含六氟化硫SF6。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種復(fù)合材料在電氣設(shè)備中作為電弧消滅材料的用途，所述復(fù)合材料包括聚合物基質(zhì)和至少一種選自氟化鈰CeF3和/或CeF4、氟化鑭LaF3、及其混合物的金屬氟化物填料。
文檔編號(hào)H01H33/78GK102696086SQ201080060413
公開(kāi)日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2010年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月3日
發(fā)明者D.皮科茲 申請(qǐng)人:施耐德電氣能源法國(guó)公司