释放灭弧气体的材料及使用 这种材料的高压气体开关 本发明涉及一种基于绝缘材料基体及埋入在该基体中的填充材料的电绝缘的并在电弧作用下释放灭弧气体的材料。同时本发明还涉及一种利用灭弧气体对其开关电弧吹弧的高压气体开关，其中在介电及热负荷高的区域上使用了这种材料。
通常在使用灭弧气体对开关电弧吹弧的高电压及中电压功率开关装置中，在介电及热负荷高的区域中使用了以聚四氟乙烯(PTFE)为基础的材料。这种材料在开关电弧作用下受到侵蚀并由此释放气体，最好是基于氟的气体，它能促使电弧的熄灭。通过在PTFE中附加粉末状的填充材料、如陶瓷材料可提高其耐烧损性能及由此减少灭弧气体的生成。
基于这些材料的构件通常是通过在典型为340及350℃之间的温度下使PTFE做的及在必要时设有填充材料粉末的压体烧结并根据专门适配的程序对烧结体进行后继冷却来制造，在该程序作用下保持PTFE地结晶度及由此保持构件的形状稳定度及尺寸稳定性。
在DE2319932C2中描述了一种高压气体开关，其中在开断时根部在两个可熔损触头上的开关电弧在基于PTFE做的绝缘材料喷口内部燃烧。在电弧热量及射线的影响下使PTFE热分解并由此使绝缘材料喷口窄位置处的横截面变大。由热分解时形成的气体形式氟化物通过喷口对开关电弧吹弧并极显著地促进其熄灭。由于喷口窄位置处横截面的可观增大，在开断一些严重断路后使开关的开断功率明显下降并必需随后更换喷口。
在DE2708030A1中描述了一种用于高压气体开关的绝缘喷口，它由基于电绝缘的且在电弧作用下释放灭弧气体的塑料如PTFE及埋入在该塑料中的粉末状填充材料如石墨、烟黑、二氧化钛、氟化钙或一种二氧化铝尤其是金刚砂组成的材料做成。
在这种绝缘材料喷口中填充材料充分地吸收了由开关电弧发出的并包含可见光谱如红外及紫外光的大部分区域的电磁射线。由此广泛地阻止了射线侵入绝缘材料喷口的内部。因此这种喷口的特点在于很小的烧损。但同时这种喷口仅能产生相对小的灭弧气体及蒸汽的份量。
本发明的任务在于：创建一种导言部分所述类型的材料，它在高于由电弧且首先由射线及热气体生成放出的能量的一个阈值时提供确定份额的灭弧气体，并同时提供一种设有这种材料的高压气体开关，它相对于现有技术中尺寸相当的开关具有较大开关功率的优点。
根据本发明的材料具有非线性的烧损性能。如果在该材料中由电弧通过射线或热气体生成释放的功率相对小时，其烧损保持很小并相应地实际上几乎没有灭弧气体从微小单元中释放出来。如果相反地由电弧放出大的能量，如在开关一次大短路电流时那样，则其中的微小单元从承受电弧的表面开始逐层地被破坏并视电弧强度及延续时间而定有选择超过正比地激发附加的灭弧气体。由于从微小单元中放出的灭弧气体不仅用于非常有效地熄灭电弧，而且同时对承受电弧作用的材料外表面进行冷却，因而即使在强电弧时也能保持相当小的材料烧损，并当电弧能量一旦降到一阈值以下时便停止烧损。
该非线性烧损特性将通过具有填充灭弧介质的微室的材料的微单元结构来达到，这些微室可由电弧引起的侵蚀机理破坏并由此激发被包封在微室内的用于生成灭弧气体的材料。因为这时各个微室的破坏逐层地由外向内进行，故当低于电弧能量的该阈值时，该侵蚀作用便陷于停顿。
该侵蚀机理主要可由下列电弧作用引起：
(a)在材料微室中具有的材料-例如通过内含的色素-吸收电弧射线。通常构成流体的该材料被蒸发或分解并提高了被照射微室中的压力。当高于由射线强度确定的一个阈值时，由于压力升高或温度升高使微室壁被破坏，并使作为灭弧气体的材料释放出来。
(b)射线的吸收主要发生在-例如含有色料的-微室壁中。这种吸收首先升高了微室壁的温度，由此使其软化并打开。
(c)释放在电弧区域中的反应颗粒将与被电弧加热了的气体一起移动到释放灭弧气体的材料上，并通过与微室壁的一种化学反应起到打开微室及释放产生灭弧气体的材料。
(d)在电弧形成时类似爆炸地产生的热气体的热冲击作用使微室壁破裂并使产生灭弧气体的材料释放出来。
(e)由强电流馈给的电弧通常伴随着爆炸形式形成的压力波，它使微室壁破坏，并使产生灭弧气体的材料冲击式地释放出来。
在(a)及(b)下面所列的侵蚀机理取决于释放灭弧气体的材料在电弧的直接射线场中的布置。在具有一个绝缘材料喷口及一个作为受电弧加热压力气体的存储器的、并通过一个热通道与灭弧区相连通的热容积的高压气体开关中使用该种材料时，它优先适用于热通道及喷口扩散器。
在(c)-(e)下面所述的侵蚀机理也可能出现在这样的释放灭弧气体的材料中，该材料被布置在电弧直接射线场(视场)的外部。在具有一个绝缘喷口及一个热容积的高压气体开关中使用该材料时，该材料可用作位于电弧视场外部的热容积的衬里。在开关过程中由电弧加热在灭弧区中产生的并被导入到热容积中的热气体流接着在热容积中通过微室的打开释放出新鲜的灭弧气体，由此就有大份额的高质量灭弧气体可供灭弧使用。
对于填充微室适用的材料具有灭弧性能或在电弧作用下可形成灭弧气体。其优选材料是基于氮、氧、氢、碳和/或具有尽可能高密度及尽可能小的碳成份的硫的流体或气体形式的氟化合物。过氟化物流体由于其氟含量大特别优先被采用。当流体氟化物具有的沸点大于100℃时，特别有利。也可用爆炸性或炸药材料如NH4NO3来取代氟化物，该材料被粘附在一种适合的基体材料中，如PTFE中。
出于制造技术的原因，这种填充材料应被作为粉末，它的颗粒在埋入绝缘材料基体中之前绝大多数被构成颗粒尺寸至多为1mm的微囊。作为微囊载体用的绝缘材料基体最好是由一种成型混合物、尤其是基于一种环氧树脂、聚酯树脂、丙烯树脂或聚氨基甲酸树脂的混合物硬化构成的。也可以取代在基体中混入主要包含微囊的粉末，通过使粉末颗粒烧结或粘接在基体中来构成该材料。
典型尺寸为5至100μm的微囊的室壁主要是由聚合物、陶瓷或玻璃构成的。特别适合的材料是基于三聚氰胺-甲醛树脂、丙烯树脂或聚氨基甲酸树脂的聚合物。
为了改善密度，可在绝缘材料主体中混合附加的填充材料，例如石墨粉末。通过在绝缘材料基体和/或在填充材料中加入长时间稳定性的色料(寿命＞20年)可以调节材料的烧损特性。作为色料在材料中加入0.01至1重量百分比的MOS2被证明是适宜的。
在高压气体开关中，由微室中放出的灭弧气体用于当超出一个介电临界值时在电流过零点前后的相位上使由开关电弧加热了的灭弧气体的密度得到稳定以及部分地补偿流出的灭弧气体份额。由此在基本上不变的灭弧室尺寸的情况下可达到更高的开关功率。
对此的先决条件是，该材料至少部分地用于灭弧气体流的引导并设置在灭弧气体引导的位置上，在这位置上材料将遭受到电弧的辐射及电弧气体的热作用。特具优点的是，将该材料用作设在开关绝缘材料喷口窄位置上游和/或下游的气流引导部分的衬里。具有附加优点的是，也将该材料设置在开关实际灭弧区的外部，并将其用作设在喷口窄位置上游的、存储电弧加热的灭弧气体之容积的衬里。
以下将借助附图来详细说明本发明的一个优选实施例及由此可实现的其它优点。附图为：
图1：设有一个可更换绝缘喷口的高压气体开关的灭弧室，该喷口是由根据本发明的释放灭弧气体的材料、由PTFE或由现有技术中的另一材料做成的，该喷口的内部通过一热通道与接收灭弧气体的热容积相连通；
图2：一个曲线图，它表示图1中所示的高压气体开关的热容积中建立的压力P[bar]与开断次数的关系；及
图3：一个曲线图，它表示图1中所示高压气体开关的绝缘材料喷口烧损与测量点距喷口通向热通道的端部的距离X[mm]之间的关系，其中喷口烧损用对初始状态的管状窄位置处的直径加宽量d[mm]来度量。
图1中所示的灭弧室设置在一个额定电压典型为10至40KV的中电压功率断路器的未示出的外壳中，外壳中充有一种绝缘的灭弧气体，如4至6巴压力的SF6。灭弧室包括两个各经由电流端子1及2与一个电流源相连接的开关触头3和4。触头3是固定地设置的并在未示出的关断状态时与沿轴5移动的开关触头4相接触。灭弧室的壁6包围着一个构成环形的热容积7，它的内表面以基本上圆柱形的绝缘子8为界，而其下方以绝缘喷口9的自由端面为界。绝缘子8的自由端面及绝缘喷口9的自由端面之间限定了一个环空通道10。在图1所示的断开过程中该通道10与灭弧区及热容积7相连通，该灭弧区在开断时接纳燃烧在开关触头3、4之间的开关电弧。绝缘喷口9具有一个轴向定向的孔。该孔构成一个管状的窄位置12，其长度为L及直径为D，并在窄位置12的下游扩宽成一个导向膨胀室13的扩散器。
绝缘喷口9中至少承受开关电弧作用的喷口区段14及在必要时绝缘子8中至少其与通道10交界的端面，以及热容积7的衬里15的一部分是由可释放灭弧气体的并具有微室形式结构的材料构成的，其中微室的绝大部分被具有灭弧特性的材料填充或包含在电弧作用下生成灭弧气体的材料。
这样一种材料例如可如下地制造：
用于制造该材料的原始成份为：
(a)一种沸点约为215℃的过氟化链烷，例如是一种流体的Fa·3M，明尼苏达矿业，它以商用名氟化物FC5312销售；
(b)一种三聚氰胺-甲醛树脂(MF)；
(c)一种树脂，例如由Fa·ciba-Geigy制作的并以商用名Araldit CY225销售的环氧树脂；
(d)一种硬化剂，例如由Fa·Ciba-Geigy制作并以商用名硬化剂HY925销售的硬化剂；及
(e)必要时的一种色料，例如粉末形式的二硫化钼。
由成份(a)及(b)通过适当的混合及喷射干燥工艺制作出一种包含微囊的、干燥的并具水处理能力的粉末。该微囊具有的粒度为6至10μm，并各具有一个MF外皮，其中携有氟化物流体。这两种原始成份的份额比例是这样确定的，即微囊具有约80至90重量百分比的流体及约10至20重量百分比的MF。
将100重量份额的成份(c)，80重量份额的成分(d)以及包括该粉末的180重量份额的填充材料彼此混合。所生成的混合物被抽真空并在真空中注入一铸模中，在4小时期间及约80℃情况下进行凝固，并在约16小时期间及140℃情况下被硬化成一种材料或一种实际上实用的成品构成，例如绝缘材料喷口。
这样制造出的绝缘喷口9被装入到图1所示的灭弧室中并在约25KA的短路电流的情况下使高压气体开关重复地开断。并用相同的灭弧室进行相应的开关，但该相同的灭弧室不使用由含微囊的材料作成的绝缘喷口9而采用由PETE及不含微囊的环氧做的相同几何尺寸的喷口。
在开关时，在通过绝缘材料喷口9的窄位置12燃烧的开关电弧11的作用下微囊的室壁破裂。过氧化物流体将从打开的微囊中喷出，并通过它的冷却作用、生成具有高压的新鲜灭弧气体以及氟碳的抗电作用在开关电弧热分解的情况下对电弧熄灭起到极为重要的作用。这时所产生的灭弧气体与存储在灭弧室中的灭弧气体一起，在大电流相位时在压力建立情况下首先存储到热容器7中，并然后在电流过零时用于吹灭开关电弧11。
由于由成份(c)及(d)构成的绝缘材料是透明的，因此开关电弧的射线在一定情况下可侵入绝缘材料喷口内若干微米的浓度。通过在原始成份混合时加入约0.01至0.1重量百分比的成分(e)将会使电弧射线侵入深度减小及由此使一个开关过程中的绝缘材料喷口9的烧损深度下降至十分之几微米。
在以下图2中表示具有由含微囊材料(B)组成的绝缘材料喷口9的高压气体开关的热容积中建立的压力与开关次数的关系。同时给出了具有根据现有技术由填充了Al2O3的环氧(A)作的绝缘喷口的高压气体开关的相应比较数据。明显可以看到，具有含微囊材料组成的绝缘材料喷口9的开关在多次开断后以其建立压力实质性的改善显得非常突出。
在图3中表示出在开断多次n后以直径加宽值d度量的烧损与测量点距喷口窄位置12通向热通道的端部的距离X之间的关系。明显地，在具有含微囊材料的高压气体开关上由于强烈的灭弧气体生成在喷口处于通道10区域中的端部(X＝0)上具有相当大的烧损。但由于窄位置12朝向扩散器的端部(X＝20＝L)具有相当小的烧损，故与现有技术相比，鉴于对高压气体开关的开关特性具有重要意义的窄位置的测量，这种喷口实际上在大大提高产生的压力的情况下具有相同的烧损性能。如果这个用以确定气流的喷口窄位置是由烧损特别小的一种材料，如氮化硼或氮化硅或氧化锆构成时，则将会在热容积7中建立特别良好压力的情况下同时获得特别小的烧损特性。