JP2005135778A

JP2005135778A - 電気接点とその製造法及び真空バルブ用電極とそれを用いた真空バルブ並びに真空遮断器

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Publication number: JP2005135778A
Application number: JP2003371369A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Kikuchi; 菊池　　茂; Noboru Baba; 馬場　　昇; Akira Nishijima; 陽西島; Toshimasa Fukai; 利眞深井
Original assignee: Hitachi Ltd; Japan AE Power Systems Corp
Current assignee: Hitachi Ltd; Japan AE Power Systems Corp
Priority date: 2003-10-31
Filing date: 2003-10-31
Publication date: 2005-05-26
Also published as: CN1612275A; EP1528581B1; CN100388403C; DE602004008854T2; US20050092714A1; EP1528581A1; DE602004008854D1

Abstract

【課題】
本発明の目的は、遮断性能、耐電圧特性及び耐溶着性のいずれも優れた特性を有する電気接点とその製造法及び真空バルブ用電極とそれを用いた真空バルブ並びに真空遮断器を提供することにある。
【解決手段】
本発明は、Cr及びCuを主とし、Te 0.05〜0.5重量％、酸素100〜3000ppm、Al 7.5〜900ppm及びSi15〜750ppmを含む焼結合金からなることを特徴とする電気接点にある。
【選択図】図１

Description

本発明は、新規な電気接点とその製造法及び真空バルブ用電極とそれを用いた真空バルブ並びに真空遮断器に関する。

真空遮断器に設置される真空バルブ用電極として、例えば特許文献1及び２には、耐火性金属のCr粉末と、高導電性金属のCu粉末との混合粉末を加圧成型した後、Cuの融点以下の温度で焼結する焼結Cr-Cu複合金属が記載されている。また、特許文献３には、耐火性金属のCr粉末と、高導電性金属のCu粉末と、低融点金属のTe等との混合粉末を加圧成型した後、Cuの融点以下の温度で仮焼結し、次いでこの仮焼結体に高導電性金属のCuを溶浸させる電極材料が記載されている。

特開2002-245908号公報特開平7-278703号公報特開平9-274835号公報

真空遮断器に設置される真空バルブ用電極に求められる要件には、遮断性能、耐電圧特性及び耐溶着性などがある。しかし、特許文献1及び２に記載の単一の電極材料でこれらすべての要件を満たすことは困難で、真空遮断器の用途、容量などによって用いる材料を使い分けている。

又、真空遮断器の用途に合った電極性能を得るために、特許文献３に示すように、Cr-Cu複合金属に第３元素を添加するなどの方法がとられるが、遮断性能、耐電圧特性及び耐溶着性のいずれも満たすことは困難で、更に、添加元素の分散状態などの制御が困難で、遮断性能のばらつきが生じやすい。

本発明の目的は、遮断性能、耐電圧特性及び耐溶着性のいずれも優れた特性を有する電気接点とその製造法及び真空バルブ用電極とそれを用いた真空バルブ並びに真空遮断器を提供することにある。

本発明は、Cr及びCuを主とし、Te 0.05〜0.5重量％、酸素100〜3000ppm、Al 7.5〜900ppm及びSi15〜750ppmを含む焼結合金からなることを特徴とする電気接点にある。

本発明に係る電気接点は、Crを15〜30重量％及びCuを70〜85重量％有することが好ましい。

本発明に係る電気接点は、酸素400〜1200ppm、Al 50〜400ppm及びSi50〜400ppmを含むことが好ましく、より酸素400〜1000ppm、Al 80〜300ppm及びSi70〜300ppmを含むことが好ましい。

本発明に係る電気接点は、円盤状を有し、該円盤状の円中心に形成された中心孔と、該中心孔に対して非接触で円中心部から外周部に向かって形成された複数本の貫通したスリット溝とを有すること、又前記円盤状は、前記スリット溝によって分離された羽根型の平面形状を有することが好ましい。

更に、本発明は、Cr及びCuを主とし、Te 0.05〜0.5重量％を有する混合粉末を加圧成型し、次いで焼結する電気接点の製造法において、Cr粉末は、酸素50〜2000ppm、Al 50〜3000ppm及びSi100〜2500ppmを含むことを特徴とする電気接点の製造法にある。

Cr 15〜30重量％、Cu 70〜85重量％及びTe 0.05〜0.5重量％を有すること、CrとCuとの合金粉末又はCr粉末の粒径が104μm以下、Cu粉末の粒径が61μm以下であること、又、混合粉末の加圧成形を圧力120〜500MPaで成形すること、焼結を圧力20〜60PaのAr中及びCuの融点以下で行うことが好ましい。

又、本発明におけるCrは、特定の含有量の酸素、Al及びSiを有し、一例としてテルミット法によって形成されることにより得られる。その結果、本発明におけるCr粉末は、酸素、Al及びSiを適度に含有し、Teの0.05〜0.5重量％の含有量との相互作用によって遮断性能、耐電圧性能及び耐溶着性能のいずれに対しても両立したばらつきが小さい真空バルブ用電極が得られることを見出し本発明がなされたものである。Crに酸素が50〜2000ppm含まれることにより、電流遮断時に酸素が放出され、ア-クの移動速度を高め、遮断を容易にする。また、Al及びSiがそれぞれ前述の含有量を有することにより、放出された酸素や他のガス成分を吸着し、遮断後の耐電圧特性を健全に保つことができる。

本発明の電気接点における組成の好ましい限定理由は次の通りである。Crの15〜30重量％と、Cuの70〜85重量％とを含むものであり、Crが15重量％より少ないと耐電圧性能及び耐溶着性がやや低下し、Crが30重量％より多くなると通電性能がやや低下する。

更に、酸素を100〜3000ppm、Alを7.5〜900ppm、Siを15〜750ppm含むことにより、電流遮断時に放出される酸素によりア-クの移動速度が高められ、遮断を容易にするとともに、遮断後には放出された酸素や他のガス成分がAl及びSiによって吸着され、耐電圧特性を保つことができる。従って、酸素、Al及びSiはいずれの下限及び上限内において相互に関係して優れた各種性能が得られるものである。

本発明は、0.05〜0.5重量％のTeを含むことにより、電極同士の溶着を防止することができ、Teは固定側電極と可動側電極のいずれか一方にのみ含まれても、十分に耐溶着性向上の効果を発揮することができる。但し、Teが0.05重量％よりも少ないと効果が小さく、0.5重量％よりも多いと電流遮断時にTeが揮散し、耐電圧特性が低下する。

前述のように、本発明の電気接点は焼結によって製造するのが最も好ましい。その場合に用いる原料粉末の粒径が、CrとCuとを有する合金粉末、及びCr粉末では104μm以下、Cu粉末では61μm以下が好ましい。これらの粒径をもつ原料粉末を用いることにより、CrとCuがほぼ均一に分散した組織をもつ電気接点が得られ、性能のばらつきが小さくなる。

本発明の焼結による製法においては、前述の混合粉末を、スリット溝によって分離された羽根型で中心孔を有する形状に加圧成形する際、成形圧力を120〜500MPaとし、成形体の相対密度を65〜75％とするものである。成形圧力がこれより小さいと成形密度が小さくなり成形体が崩れやすく、これより大きいと成形体と金型が凝着しやすくなり、金型寿命が低下するとともに、生産性が低下する。

また、成形体を焼結する際の雰囲気を圧力20〜60PaのAr中とし、焼結する温度をCuの融点以下とするものである。圧力20〜60PaのAr中で焼結することにより、Cuの表面酸化膜を除去するとともに、Cuの揮散を防ぎ、緻密な電気接点を得ることができる。焼結温度はCuの融点以下、好ましくは1050〜1070℃とすることで、成形体形状を保ったままの正確な形状の電気接点が得られ、後加工が不要になり生産コストを抑えることができる。

本発明に係る真空バルブ用電極は、前述に記載の電気接点からなる円盤状部材と、該円盤状部材に接合された電極棒とを有することが好ましい。

又、円盤状部材は、アーク発生面の中心に中心孔を有し、電極棒が中心孔に挿入され接合され、電極棒のアーク発生側の面がアーク発生面より低く凹状に形成されていることが好ましい。円盤状部材の強度が不十分のときには円盤状部材と電極棒との間に補強部材が設けられる。電極棒は、円盤状部材に接する部分の直径が外部導体に接続される部分の直径より細い細径部を有することが好ましい。

本発明に係る真空バルブは、真空容器内に一対の固定側電極及び可動側電極とを備え、固定側電極及び可動側電極の少なくとも一方に、前述の真空バルブ用電極を用いたものである。また、本発明に係る真空遮断器は、前述の真空バルブと、真空バルブ内の固定側電極及び可動側電極の各々に真空バルブ外に接続された導体端子と、可動側電極を駆動する開閉手段とを備えたものである。

本発明によれば、遮断性能、耐電圧性能及び耐溶着性能のいずれも優れた特性を有する電気接点とその製造法及び真空バルブ電極とそれを用いた真空バルブ並びに真空遮断器を提供することができる。

以下、発明を実施するための最良の形態を実施例によって詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

図１は本発明に係る真空バルブ用電極の断面図である。(a)が電気接点の平面図、(b)が(a)のA-A断面図である。図１に示すように、電気接点１は、ア-クに駆動力を与えて停滞させないようにするためのスパイラル溝2及び中心孔50を有する羽根型の平面形状を有する円盤状部材からなるものである。そして、真空バルブ用電極は、その電気接点１、非磁性ステンレス鋼製の補強板3、電極棒4、ろう材5を有するものである。補強板3は必要に応じて設けられるもので、電気接点1の強度が十分であれば省いても良い。

電気接点１の作製方法は次の通りである。用いた原料粉末として、粒径63μm以下のテルミットCr粉末及び電解Cr粉末と、粒径60μm以下の電解Cu粉末とを用いた。テルミットCr粉末には、酸素が680ppm、Alが700ppm、Siが800ppm含まれている。電解Cr粉末には、酸素が4800ppm、Alが26ppm、Siが12ppm含まれている。後述する表１に示すように、電気接点１の組成は、Crを10〜40重量％の範囲で段階的に変え、残部をCuとした。また、Teを0.03〜1.0重量％添加したものも作製し、得られた焼結合金の酸素、Al及びSi量を測定した。

先ず、Cr粉末及びCu粉末を、所望の組成となるように混合した。次にこの混合粉を、貫通したスパイラル溝２及び中心孔50を形成して所望の電気接点形状を形作ることのできる金型に充填し、油圧プレスにより400MPaの圧力で加圧成形した。成形体の相対密度はいずれもおよそ71％であった。これを圧力40PaのAr中でCuの融点以下の1050℃×120分間加熱焼結し、電気接点１を作製した。得られた電気接点１の相対密度は、いずれも94〜97％であった。

さらに、真空バルブ用電極の作製方法は次の通りである。電極棒４は無酸素銅で、また、補強板３をSUS304であらかじめ機械加工により作製しておき、前述の焼結で得られた電気接点１の中心孔50及び補強板3の中心孔50に電極棒4の凸部を挿入し、ろう材5を介して嵌め合わせ、また電気接点１と補強板3との間にもろう材5を載置し、これを8.2×10^-４Ｐａ以下の真空中で970℃×10分間加熱し、図１に示す電極を作製した。この電極は定格電圧12kV、定格電流600A、定格遮断電流25kA用の真空バルブに用いられる電極である。なお、電気接点1の強度が十分であれば、補強板3は省くことができる。

図２は、本実施例に係わる真空バルブの断面図である。本実施例では、実施例１で作製した真空バルブ用電極を搭載した真空バルブを作製した。真空バルブの仕様は、定格電圧12kV、定格電流600A、定格遮断電流25kAである。図２に示すように、実施例１で作製した真空バルブ用電極は、それぞれ固定側電気接点1a、可動側電気接点1b、補強板3a、3b、固定側電極棒4a、可動側電極棒4bを有し、これらによってそれぞれ固定側電極6a、可動側電極6bを構成する。可動側電極6bは、遮断時の金属蒸気等の飛散を防ぐ可動側シ-ルド８を介して可動側ホルダ-12にろう付け接合される。これらは、固定側端板9a、可動側端板9b、及び絶縁筒13によって高真空にろう付け封止され、固定側電極6a及び可動側ホルダ-12のネジ部をもって外部導体と接続される。絶縁筒13の内面には、遮断時の金属蒸気等の飛散を防ぐシ-ルド７が設けられ、また、可動側端板9bと可動側ホルダ-12の間には摺動部分を支えるためのガイド11が設けられる。可動側シ-ルド8と可動側端板9bの間にはべロ-ズ10が設けられ、真空バルブ内を真空に保ったまま可動側ホルダ-12を上下させ、固定側電極6aと可動側電極6bを開閉させることが出来る。

本実施例では、実施例２で作製した真空バルブを搭載した真空遮断器を作製した。図３は、本実施例に係わる真空バルブ14とその操作機構を示す真空遮断器の構成図である。

真空遮断器は、操作機構部を前面に配置し、背面に真空バルブ14を支持する３相一括型の３組のエポキシ筒15を配置した構造である。真空バルブ14は、絶縁操作ロッド16を介して、操作機構によって開閉される。

遮断器が閉路状態の場合、電流は上部端子17、電気接点1a、1b、集電子18、下部端子19を流れる。電極間の接触力は、絶縁操作ロッド16に装着された接触バネ20によって保たれている。電極間の接触力および短絡電流による電磁力は、支えレバ-21およびプロップ22で保持されている。投入コイル30を励磁すると開路状態からプランジャ23がノッキングロッド24を介してロ-ラ25を押し上げ、主レバ-26を回して電極間を閉じた後、支えレバ-21で保持している。

遮断器が引き外し自由状態では、引き外しコイル27が励磁され、引き外しレバ-28がプロップ22の係合を外し、主レバ-26が回って電極間が開かれる。

遮断器が開路状態では、電極間が開かれたあと、リセットバネ29によってリンクが復帰し、同時にプロップ22が係合する。この状態で投入コイル30を励磁すると閉路状態になる。なお、31は排気筒である。

本実施例では、実施例１で製作した真空バルブ用電極の遮断試験を行い、性能評価を行った。遮断試験は、作製した電極を実施例２で示した定格電圧12kV、定格電流600A、定格遮断電流25kAの真空バルブに搭載し、実施例３で示した真空遮断器に組み込んで行った。表１は遮断試験結果を示すものである。No.1〜11がテルミットCr粉末、No.12及び13が電解Cr粉末を用いたものである。

各種性能については、No.2の接点部材(20Cr-Cu)の場合を１として相対値によって表した。No.1〜11のテルミットCr粉末を用いたものについて以下説明する。

15Cr-Cu(No.1)では、耐火性金属であるCrが15％と少ないために通電性能、遮断性能、耐電圧及び耐溶着性能がやや低下するが、実用上支障のない範囲である。20Cr-CuにTeを0.05〜0.5重量％添加すると(No.3及びNo.4)、耐電圧性能が若干低下するが、耐溶着性能が向上する。これは、添加したTeが焼結の進行を妨げ、材料強度が低下するため、溶着した際の引き離し力が低下するものである。なお、この際の耐電圧性能の低下は、実用上支障のない範囲である。25Cr-Cu(No.5)では、Cr量が増えることにより耐電圧性能が向上し、それに伴いア-クの切れが良くなり、遮断性能が若干向上する。また、耐溶着性能も向上する。30Cr-Cu(No.6)では、通電性能の低下により、遮断性能がやや低下するが、実用上支障のない範囲である。又、10Cr-Cu(No.7)では、Crが少ないために耐電圧性能がやや低下し、ア-クが持続しやすくなり、遮断性能が低下し、耐溶着性能も低下する。40Cr-Cu(No.8)では、Crが多いために焼結性が悪く、通電性能の低下及び酸素量が多いため遮断性能が低下する。

本発明は、上述のCr-Cu合金により高い耐溶着性能を高めるためにTeを加えるものである。Te添加量が0.03重量％(No.9)では0.05重量％(No.3)より耐溶着性能向上の効果が若干小さい。逆に、Te添加量が0.5重量％よりも多い0.7重量％(No.10)及び1.0重量％(No.11)では、酸素量が多くなると共にTeの揮散量が多くなり、耐電圧性能が低下し、それに伴い遮断性能も低下する。従って、Teの含有量は0.05〜0.5％とするものである。
又、No.12及び13が電解Cr粉末を用いたものにおいては、酸素量が極めて多いため、耐溶着性能が高いものの、遮断性能及び耐電圧性能のいずれも相対値で0.90以下の低いものであり、Teを添加したものにおいては更に低いものであった。

図４は、Cr量と、遮断性能、耐電圧性能及び耐溶着性能との関係を示す線図である。図４に示すように、テルミットCr粉末を用いたものは、Cr量が15％以上において相対値で0.95以上の高い耐電圧性能及び耐溶着性能が得られ、更に遮断性能はCr量が10〜30％で0.95以上の高い性能が得られる。しかし、電解Cr粉末を用いたものは、1.0以上の高い耐溶着性能が得られるものの、耐電圧性能及び耐溶着性能は0.86以下の低いものである。

図５は、Te量と耐溶着性能との関係を示す線図である。図5に示すように、テルミットCr粉末及び電解Cr粉末を用いたものは、いずれもTeを加えることによって相対値で1.0以上の高い耐溶着性能が得られる。

図６は、Te量と、遮断性能及び耐電圧性能との関係を示す線図である。遮断性能は、図６に示すように、テルミットCr粉末を用いたものは、Te量が0.5％まではTeの添加によって全く影響がなく、0.7％以上において相対値で0.95とやや低下するが、電解Cr粉末を用いたものは0.85以下と更に低下する。

耐電圧性能は、テルミットCr粉末を用いたものは、Te量が0.5％以下では相対値で0.95以上の高い性能が得られる。しかし、電解Cr粉末を用いたものは、Teの添加によって更に0.85以下と低くなることが明らかである。

以上のように、特定の含有量の酸素、Al及びSiを含み、Cr15〜30重量％及びTe0.05〜0.5重量％を有する本発明の真空バルブ用電極は、遮断性能、耐電圧性能及び耐溶着性能のいずれに対しても優れた特性が得られ、更に単一の電極材料でこれらの要件をいずれも満たすことができ、その電極を用いることによって遮断性能のばらつきが小さく、高性能を有するより信頼性及び安全性の高い真空バルブ及び真空遮断器を実現できる。

本発明に係る真空バルブ用電極の断面図。本発明に係る真空バルブの断面図。本発明に係る真空遮断器の断面図。 Cr量と、遮断性能、耐電圧性能及び耐溶着性能との関係を示す線図。 Te量と、耐溶着性能との関係を示す線図。 Te量と、遮断性能及び耐電圧性能との関係を示す線図。

符号の説明

1…電気接点、1a…固定側電気接点、1b…可動側電気接点、2…スパイラル溝、3、3a、3b…補強板、4…電極棒、4a…固定側電極棒、4b…可動側電極棒、5…ろう材、6a…固定側電極、6b…可動側電極、7…シ-ルド、8…可動側シ-ルド、9a…固定側端板、9b…可動側端板、10…ベロ-ズ、11…ガイド、12…可動側ホルダ-、13…絶縁筒、14…真空バルブ、15…エポキシ筒、16…絶縁操作ロッド、17…上部端子、18…集電子、19…下部端子、20…接触バネ、21…支えレバ-、22…プロップ、23…プランジャ、24…ノッキングロッド、25…ロ-ラ、26…主レバ-、27…引き外しコイル、28…引き外しレバ-、29…リセットバネ、30…投入コイル、31…排気筒、50…中心孔。

Claims

Cr及びCuを主とし、Te 0.05〜0.5重量％、酸素100〜3000ppm、Al 7.5〜900ppm及びSi 15〜750ppmを含む焼結合金からなることを特徴とする電気接点。
請求項１において、前記Crを15〜30重量％有することを特徴とする電気接点。
請求項１において、前記Cuを70〜85重量％有することを特徴とする電気接点。
請求項１において、前記合金が、酸素400〜1200ppm、Al 50〜400ppm及びSi 50〜400ppmを含むことを特徴とする電気接点。
請求項１において、円盤状を有し、該円盤状の円中心に形成された中心孔と、該中心孔に対して非接触で円中心部から外周部に向かって形成された複数本の貫通したスリット溝とを有することを特徴とする電気接点。
請求項１において、前記円盤状は、前記スリット溝によって分離された羽根型の平面形状を有することを特徴とする電気接点。
Cr及びCuを主とし、Te 0.05〜0.5重量％を有する混合粉末を加圧成型し、次いで焼結する電気接点の製造法において、前記Cr粉末は、酸素50〜2000ppm、Al 50〜3000ppm及びSi 100〜2500ppmを含むことを特徴とする電気接点の製造法。
請求項７において、前記Crが15〜30重量％及び前記Cuが70〜85重量％であることを特徴とする電気接点の製造法。
請求項８において、前記CrとCuとの合金粉末又はCr粉末は粒径が104μm以下、前記Cu粉末は粒径が61μm以下であることを特徴とする電気接点の製造法。
請求項７において、前記加圧成形圧力が120〜500MPaであることを特徴とする電気接点の製法。
請求項７において、前記焼結を、圧力20〜60Pa、Ar中及びCuの融点以下の温度で行うことを特徴とする電気接点の製法。
円盤状部材と、該円盤状部材のアーク発生面の反対面に一体に接合された電極棒とを有し、前記円盤状部材が請求項１に記載の電気接点よりなることを特徴とする真空バルブ用電極。
請求項１２において、前記円盤状部材と電極棒との間に、前記円盤状部材のアーク発生面の反対面に一体に接合された補強部材を有することを特徴とする真空バルブ用電極。
請求項１２において、前記円盤状部材は、アーク発生面の中心に中心孔を有し、前記電極棒が前記中心孔に挿入されて一体に接合され、前記電極棒のアーク発生側の面が前記アーク発生面より低く凹状に形成されていることを特徴とする真空バルブ用電極。
請求項１２において、前記電極棒は、前記円盤状部材に接する側の直径が外部導体に接続される部分の直径より細い細径部を有することを特徴とする真空バルブ用電極。
真空容器内に一対の固定側電極及び可動側電極とを備えた真空バルブにおいて、前記固定側電極及び可動側電極の少なくとも一方が請求項１２に記載の真空バルブ用電極からなることを特徴とする真空バルブ。
真空容器内に一対の固定側電極及び可動側電極とを備えた真空バルブと、該真空バルブ内の前記固定側電極及び可動側電極の各々に前記真空バルブ外に接続された導体端子と、前記可動側電極を駆動する開閉手段とを備えた真空遮断器において、前記真空バルブが請求項１６に記載の真空バルブからなることを特徴とする真空遮断器。