Контактный материал для вакуумных выключателей Советский патент 1980 года по МПК H01H1/02 H01H33/664 

(54) КОНТАКТНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ВАКУУМНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ

1

изобретение относится к электрическим коммутационным аппаратам, в частности к разрывным контактам и электродам сильноточных вакуумных выключателей.

Известны контактные материалы для вакуумных выключателей, изготовляемые из сплавов, содержащие в качестве основы токопроводящий металл (серебро, медь, алюминий и др.) и бериллий, обладающие повышенной электрической износостойкостью, механической прочностью, устойчивостью к свариванию 1.

Недостатком известных сплавов для контактов является рост удельного электросопротивлени по сравнению с его исходными компонентами.

Известен также сплав меди и бериллия, в котором бериллий добавляется для уменьшения свариваемости контактов в количестве 6-19 вес. % 2.

Недостатком известного материала контактов является значительно повышенное электросопротивление сплава медь-бериллий по сравнению с удельным электросопротивлением его отдельных компонентов, что происходит вследствие рассеяния электронов на искажениях решетки, вызванных наличием чужеродных атомов. Подобные недостатки проявляются для сплавов и при охлаждении контактов до криогенных температур.

Наиболее близок к предлагаемому контактный материал, выполненный из композита, содержащего материал с хорощей проводимостью (медь чистотой 99,99%) и материал, обладающий хорошими геттерурующими свойствами (например, бериллий) чистотой 99,5%. Весовое количество меди

,0 и геттера 90 и 10% 3.

Однако этот материал обладает достаточно большим удельным сопротивлением, поскольку бериллий данной чистоты незначительно изменяет свое удельное сопротивление при охлаждении до криогенных тем5 ператур. Кроме того, на удельное сопротивление материала отрицательное влияние оказывает изотропность бериллиевой составляющей в композите, поскольку бериллий обладает анизатропией электропроводности

2(j до 40% параллельно и перпендикулярно плоскости базиса.

Цель изобретения - уменьшение удельного сопротивления контакта при криогенных температурах.

Поставленная цель достигается тем, что в контактном материале для вакуумных выключателей, выполненном из композита, содержащего бериллий, равномерно распределенный в матрице токопроводящего металла с удельным сопротивлением при комнатной температуре, равным 0,016- 0,48 мкОм-м, бериллий выполнен в виде нитей чистотой не менее 99,95/о, причем нити расположены перпендикулярно поверхности контактирования, а количество бериллия в композите составляет 30-92 объемных %.

Такое формирование структуры композиции связано с анизотропией электрических свойств бериллия, удельное эиектросопротивление которого вдоль плоскости базиса в 1.4 раза ниже, чем вдоль оси С (перпендикулярно плоскости базиса).

Высокочастотный бериллий обладает рядом уникальных свойств по сравнению с другими высокочистыми металлами: высоким модулем нормальной упругости - 3-10 мН/м, высокой прочностью на растяжение - 400-550 мН/м и сжатие - 950-1050 мН/м, а его удельное электросопротивление в 6-10 раз ниже, чем у серебра, меди, алюминия и других металлов при температуре кипения жидкого азота.

Нижний предел чистоты бериллиевой составляющей в композите обусловлен элект рическими свойствами бериллия. При охлаждении бериллия чистотой. 99,95% до 77 К его удельное электросопротивление уменьшается в 50 раз:

К 50 f77 К °Нижний предел объемного содержания бериллия в композите обусловлен номинальным удельным электросопротивлением, а верхний - технологическими возможностями формирования композитного материала с прочной связью его составляющих.

Контактный материал, выполненный из композита, состоящего из высокочистого бериллия, прочно связанного металлом матрицы, например меди, имеет хорошие технологические свойства при соединении конструктивных элементов вакуумных выключателей пайкой и сваркой.

Композиты из высокочистого бериллия и токопроводящего металла, например меди, изготавливают одним из известных способов, например совместной экструзией стержней бериллия и металла матрицы, пропиткой бериллиевых стержней металлом матрицы и др.

Пример. Отливку из высокочистого бериллия подвергают программному измельчению зерна и формируют в стержни круглого или шестигранного сечения экструзией при 750-800°С. После экструзии поверхность стержней бериллия очищают от смазки и других загрязнений и помещают в медные трубки диаметром 6 мм и толщиной

стенки 0,5 мм (диаметр стержней бериллия - 5 мм). Из стержней бериллия в медной оболочке собирают заготовку и помещают в контейнер из нержавеющей стали, вакуумируют и заваривают. Диаметр контейнера составляет 32 мм, а толщина стенки - 1 мм. Экструзию заготовки в стержни проводят при 700-750°С. Оболочку из нержавеющей стали после экструзии удаляют механическим путем. Объемное содержание бериллия в композите регулируют толщиной

оболочки материала матрицы, которое может изменяться от 30 до 92%. При объемном содержании бериллия более 80% предпочтительно применяют шестигранные заготовки.

Удельное электросопротивление контактного материала с объемным содержанием бериллия 69% при комнатной температуре и при температуре жидкого азота (77 К) составляет 0,028 мкОм-м и 0,0008 мкОм«м соответственно. Полученный контактный материал при охлаждении до температуры кипения жидкого азота более чем в 20 раз превосходит по электропроводности высокочистую медь при комнатной температуре и в три раза при температуре жидкого азота. Предлагаемый контактный материал моi жет найти применение при разработке вакуумных выключателей на большие номинальные токи, контакты которых охлаждаются до криогенных температур. Столь малое электросопротивление контактного материала даже при охлаждении до температуры жидкого азота значительно упрощает и удешевляет изготовление и эксплуатацию вакуумных коммутационных устройств.

Использование жидкого азота для охлаждения электрических контактов имеет ряд преимуществ перед другими газами, такими как водород и гелий. Стоимость жидкого азота ничтожно мала по сравнению со стоимостью жидкого водорода и гелия. Кроме того, за одно и то же время для перевода единицы объема жидкого азота в газооб° разное состояние требуются затраты энергии в 70 раз меньше, чем для гелия.

Контактный материал может быть использован при разработке вакуумных коммутационных устройств на большие длительно

f пропускаемые номинальные токи.

Формула изобретения

Контактный материал для вакуумных выключателей, выполненный из композита, содержащего бериллий, равномерно распределенный в матрице токопроводящего металла с удельным сопротивлением при комнатной температуре, равным 0,016- 0,48 мкОм-м, отличающийся тем, что, с целью уменьшения удельного сопротивления контакта при охлаждении до криогенных температур, бериллий выполнен Б виде нитей

j 788204

чистотой не менее 99,95%, причем нити рас-1. Патент США № 3140373, кл. 200-144,

положены перпендикулярно поверхности1964.

контактирования, а количество бериллия2. Патент США № 3624325, кл. 200-144В,

в композите составляет 30-92 объемных %.1971.

Источники информации,3. Патент США № 3627963, кл. 200-116,

принятые во внимание при экспертизе. 1971.