JP2006120373A - 真空遮断器，真空バルブ及び電極とその製法 - Google Patents

Abstract

【課題】
低サージ・耐溶着性能の良い真空遮断用電極、それを用いた真空遮断器を提供する。
【解決手段】
本発明の特徴は、銀を２４〜６７重量％、銅を５〜２０重量％、残部の主成分としてタングステンカーバイドを含み、前記銀と銅の合計重量のうち、銅の占める重量の割合が
２８％未満である電気接点を用いた真空遮断用電極と、それを用いた真空バルブ、または真空遮断器にある。また、前記の電気接点を焼結法により作製する方法にある。
【選択図】図１

Description

本発明は、真空遮断器，真空開閉器，真空スイッチギア等に用いられる新規な真空バルブ、更にそれに用いられる電極及びその製造方法に関する。

真空遮断器に設置される真空バルブ内の電極に求められる要件の一つに、裁断電流値が小さいことが挙げられる。これは、真空バルブを誘導性回路に用いて電流を遮断すると、異常サージ電圧が発生して負荷機器の絶縁破壊などを引き起こす恐れがあるためで、異常サージ電圧を抑制するために裁断電流値を小さくする必要がある。

裁断電流値の小さい低サージ型の電極としては、例えばＡｇ−ＷＣ系電極などが挙げられ、おもに溶浸法により製造される。

特開２００２−５０２５３号公報

しかしながら、これらの低サージ型電極はＡｇを含むために高価で、硬質なＷＣを含むために機械加工が困難で製造コストが大きく、さらには溶浸法で製造された緻密体の電極は耐溶着性能が不十分である。したがって、安価で、十分な耐溶着性を有する真空遮断器用低サージ型電極の開発が望まれる。

本発明の目的は、製造コストや原料が安価で、耐溶着性に優れる真空遮断器用低サージ型電極を提供することにある。

本発明の真空バルブ用電極は、ＡｇとＣｕからなる高導電性金属と、ＷＣからなる耐火性成分とで構成され、Ａｇを２４〜６７重量％、Ｃｕを５〜２０重量％含み、ＡｇとＣｕの合計量に対するＣｕの割合が２８重量％未満である電気接点を有する。高導電性金属にＡｇとＣｕからなる高導電性金属を用いることにより、良好な通電性能を確保することができる。耐火性成分にＷＣを用いると、それ自体が電子を放出するとともに、通電時に電気抵抗体の役目をしてジュール熱でＡｇを揮散させるため、Ａｇ蒸気の発生を促し、裁断電流値を小さくする（低サージ化する）ことができる。

さらに、構成成分であるＡｇ，Ｃｕ，ＷＣが上記の含有量であることにより、優れた通電性能を維持しつつ、焼結法により比較的緻密な接点部材が得られ、十分な低サージ性を確保することができる。

本発明の真空バルブ用電極の製造方法は、高導電性金属からなる粉末と、耐火性成分からなる粉末との混合粉末を、加圧成形した後、ＡｇとＣｕの共晶点以下で加熱焼結するものである。共晶点はＡｕ−Ｃｕの場合７８０℃である。共晶点以上で加熱焼結すると、溶融して成形体の形状を維持できなくなり、また、構成成分の比重差で、電極成分の不均一化が生ずるためである。

なお、真空バルブ用電極の電気接点には、発生したアークを移動させるための曲線形状を持つスリット溝が設けられ、羽根型に分離された形状を有する。このスリット溝は、スリット溝を形成して羽根型を形作ることのできる金型に、電気接点を構成する原料粉末を充填して加圧成形することで、簡単に短時間で得ることができる。また、加圧成形により得られた羽根型の成形体を、構成成分であるＡｇとＣｕの共晶点以下の温度で焼結することにより、前述のスリット溝を持つ羽根型の形状を保ったままで電気接点を得ることができる。これにより、機械加工による溝切り工程が不要となり、加工時間が大幅に短縮できる。

また、本発明の真空バルブ用電極の製造方法は、耐火性成分からなる粉末の粒径が150μｍ以下、高導電性金属からなる粉末の粒径が６０μｍ以下の原料粉末を用いるものである。この粒径以下の原料粉末を用いることで、十分な成形性及び焼結性を有し、安定した通電性能，耐溶着性および低サージ性能が得られるとともに、成形体の収縮率が大きくなり、比較的緻密で健全な電気接点が得られる。原料粉末の流動性が悪く、型充填が困難な場合には、適当なバインダーを添加し、スプレードライ法などにより造粒して顆粒状にしてもよい。

さらに、本発明の真空バルブ用電極の製造方法は、加圧成形時の圧力を１００〜６００ＭＰａ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。

本発明にかかわる真空バルブは、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、前記の本発明にかかわる電極を用いたものである。

また、本発明にかかわる真空遮断器は、前記の本発明にかかわる真空バルブと、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。

なお、本発明にかかわる真空バルブは、真空遮断器以外の真空開閉機器にも適用できる。

本発明による真空バルブ用電極は、ＡｇとＣｕからなる高導電性金属と、ＷＣからなる耐火性成分から構成され、それぞれの成分を所定の含有量とすることにより、十分な低サージ性を有するとともに、所望の接点部材の形状を焼結によって得ることができるため、低コストで安価である。また、焼結法によって得られた接点部材は、原料粒子間の結合強度が適当であり（適度に弱く）、耐溶着性能に優れる。

以下、本発明の実施例を説明する。

本発明に関する第１実施例として、高導電性金属がＡｇおよびＣｕ、耐火性成分がＷＣである電気接点を有する電極を作製した。図１は、作製した電極の構造を示す図である。図１において、１は電気接点、２はアー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、３はステンレス製の補強板、４は電極棒、５はろう材である。

電気接点１の作製方法は次のとおりである。用いた原料粉末の粒径は、耐火性成分の
ＷＣが約５μｍ、高導電性金属のＡｇが２μｍ、Ｃｕが６０μｍ以下である。組成は、
Ｃｕを５〜２０重量％の範囲で段階的に変え、ＡｇとＣｕの合計量に対するＣｕの割合が２８重量％未満となるようにＡｇを２４〜６７重量％の範囲とし、残部をＷＣとした。

まず、前記Ａｇ，Ｃｕ、及びＷＣの粉末を、所望の組成となるように混合した。次にこの混合粉を、スパイラル溝２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２５０ＭＰａの圧力で加圧成形した。成形体の相対密度はいずれも理論密度に対しおよそ６８％であった。これを６.７×１０^-3Ｐａ 以下の真空中で
７８０℃×１２０分間加熱し、表１のＮo.２〜６に示す電気接点１を作製した。得られた電気接点１の相対密度は、いずれも理論密度に対し９０〜９６％であった。

さらに、電極の作製方法は次の通りである。電極棒４を無酸素銅で、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、前記の方法で得られた電気接点１及び補強板３の中央孔と電極棒４の凸部とを、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７５０℃×８分間加熱し、図１に示す電極を作製した。この際、電気接点１は後加工なしでそのまま用いることができる。この電極は定格電圧７.２ｋＶ ，定格電流６００Ａ，定格遮断電流１２.５ｋＡ 用の真空バルブに用いることのできる電極である。なお、電気接点１の強度が十分であれば、補強板３は省いてもよい。

このように、本発明の製法で得られた電気接点は、成形過程で所望の形状が得られ、焼結後の機械加工が不要で、低コストで製造できる。

本発明に関する第２実施例として、実施例１で作製した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７.２ｋＶ ，定格電流６００Ａ，定格遮断電流
１２.５ｋＡとした。

図２は、本実施例に係わる真空バルブの構造を示す図である。図２において、１ａ，
１ｂはそれぞれ固定側電気接点，可動側電気接点、３ａ，３ｂは補強板、４ａ，４ｂはそれぞれ固定側電極棒，可動側電極棒で、これらをも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ールド８を介して可動側ホルダー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及び可動側ホルダー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ールド７が設けられ、また、可動側端板９ｂと可動側ホルダー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。可動側シールド８と可動側端板９ｂの間にはべローズ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ー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。

このように、実施例１で作製した電気接点１ａ，１ｂを有する電極６ａ，６ｂを用いて、本発明にかかわる図２に示す真空バルブを作製した。

本発明に関する第３実施例として、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１，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、支えレバー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を介してローラ２５を押し上げ、主レバー２６を回して電極間を閉じたあと、支えレバー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、引き外しレバー２８がプロップ２２の係合を外し、主レバー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。

本発明に関する第４実施例として、第１実施例で作製した表１に示す電極の遮断試験を行い、裁断電流値の測定と耐溶着性能評価を行った。なお、比較材として、ＡｇとＣｕの合計量に対するＣｕの割合が２８重量％を超えるもの（表１のＮo.７）、Ｃｕの含有量が５重量％未満のもの（表１のＮo.８）、及び従来の低サージ型電極材の一つである溶浸製法で作製された４０Ａｇ−６０ＷＣ接点部材（表１のＮo.１）も併せて試験した。

作製した電極を、実施例２で示した定格電圧７.２ｋＶ ，定格電流６００Ａ，定格遮断電流１２.５ｋＡ 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遮断試験を行った。

遮断試験の結果を、表１に示す。なお、裁断電流は最大値を示し、耐溶着性能についてはＮo.１の接点部材の場合を１として表した。従来の低サージ型電極材の一つである４０Ａｇ−６０ＷＣ接点部材（Ｎo.１）では裁断電流は２.１Ａ である。これに対し、本発明にかかわる接点部材（Ｎo.２〜６）では、いずれも４０Ａｇ−６０ＷＣ接点部材と比べて同等あるいは若干大きな裁断電流値を示すものの、実用上、問題のない範囲である。耐溶着性能を見ると、本発明材は４０Ａｇ−６０ＷＣ接点部材に比べて、全体的に優れた性能を有する。これは、本発明材が共晶点以下で焼結する製法であるため、原料粒子間の結合が適度に弱く、また、微細なＷＣが均一に分散するため溶着した際の引き離し力が小さいことによる。

なお、Ｎo.６はＣｕ量が多く、比較的緻密な焼結体であるため、４０Ａｇ−６０ＷＣ接点部材に比べて耐溶着性がやや劣るが、実用上、支障のない範囲である。

Ｃｕは焼結性を向上させる焼結助剤の役目をもち、Ｃｕ量が多いほど焼結体である接点部材は緻密になる。しかしながらＡｇとＣｕの合計量に対するＣｕの割合が２８重量％を超えると（Ｎo.７）、Ｃｕが多くＡｇ量が少ないためにＣｕがＡｇと合金化して単独の
Ａｇが不足し、その結果Ａｇ蒸気の発生が不足し、裁断電流値は大きくなり、低サージ性が得られないこととなった。また、Ｃｕの含有量が５重量％未満では（Ｎo.８）、Ｃｕが少なくＡｇ量が多いため緻密で健全な接点部材が得られず、低サージ性が見られず、強度も不足するため耐溶着性能試験での開極時に割れが生じた。

このように、本発明にかかわる電気接点を用いた電極は、実用上十分な低サージ性を示すとともに、従来の低サージ型電極よりも優れた耐溶着性能を有することが確認された。

本発明に関する第５実施例として、真空遮断器以外の真空開閉装置を作製した。図４は、実施例２で作製した真空バルブ１４を搭載した、路肩設置変圧器用の負荷開閉器である。

この負荷開閉器は、主回路開閉部に相当する真空バルブ１４が、真空封止された外側真空容器３２内に複数対収納されたものである。外側真空容器３２は、上部板材３３と下部板材３４及び側部板材３５を備え、各板材の周囲（縁）が互いに溶接によって接合されているとともに、設備本体とともに設置されている。

上部板材３３には、上部貫通孔３６が形成されており、各上部貫通孔３６の縁には環状の絶縁性上部ベース３７が各上部貫通孔３６を覆うように固定されている。そして、各上部ベース３７の中央に形成された円形空間部には、円柱状の可動側電極棒４ｂが往復動
（上下動）自在に挿入されている。すなわち、各上部貫通孔３６は上部ベース３７と可動側電極棒４ｂによって閉塞されている。

可動側電極棒４ｂの軸方向端部（上部側）は、外側真空容器３２の外部に設置される操作器（電磁操作器）に連結されるようになっている。また、上部板材３３の下部側には、各上部貫通孔３６の縁に沿って外側ベローズ３８が往復動（上下動）自在に配置されており、各外側ベローズ３８は、軸方向の一端側が上部板材３３の下部側に固定され、軸方向の他端側が各可動側電極棒４ｂの外周面に装着されている。すなわち、外側真空容器３２を密閉構造とするために、各上部貫通孔３６の縁には各可動側電極棒４ｂの軸方向に沿って外側ベローズ３８が配置されている。また、上部板材３３には排気管（図示省略）が連結され、この排気管を介して外側真空容器３２内が真空排気されるようになっている。

一方、下部板材３４には下部貫通孔３９が形成されており、各下部貫通孔３９の縁には絶縁性ブッシング４０が各下部貫通孔３９を覆うように固定されている。各絶縁性ブッシング４０の底部には、環状の絶縁性下部ベース４１が固定されている。そして、各下部ベース４１の中央の円形空間部には、円柱状の固定側電極棒４ａが挿入されている。すなわち、下部板材３４に形成された下部貫通孔３９は、それぞれ絶縁性ブッシング４０，下部ベース４１、及び固定側電極棒４ａによって閉塞されている。そして、固定側電極棒４ａの軸方向の一端側（下部側）は、外側真空容器３２の外部に配置されたケーブル(配電線)に連結されるようになっている。

外側真空容器３２の内部には、負荷開閉器の主回路開閉部に相当する真空バルブ１４が収納されており、各可動側電極棒４ｂは、２つの湾曲部を有するフレキシブル導体（可撓性導体）４２を介して互いに連結されている。このフレキシブル導体４２は、軸方向において２つの湾曲部を有する導電性板材としての銅板とステンレス板を交互に複数枚積層して構成されている。フレキシブル導体４２には貫通孔４３が形成されており、各貫通孔
４３に各可動側電極棒４ｂを挿入して互いに連結される。

以上のように、実施例２で作製した本実施例に係わる真空バルブは、路肩設置変圧器用の負荷開閉器にも適用可能であり、これ以外の真空絶縁スイッチギアなどの各種真空開閉装置にも適用できる。

本発明の第１実施例に係わる電極の構造を表す図。 本発明の第２実施例に係わる真空バルブの構造を表す図。 本発明の第３実施例に係わる真空遮断器の構造を表す図。 本発明の第５実施例に係わる路肩設置変圧器用負荷開閉器の構造を表す図。

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、４，４ａ，４ｂ…電極棒、５…ろう材、６ａ…固定側電極、６ｂ…可動側電極、７…シールド、８…可動側シールド、９ａ…固定側端板、９ｂ…可動側端板、１０…ベローズ、１１…ガイド、１２…可動側ホルダー、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…支えレバー、２２…プロップ、２３…プランジャ、２４…ノッキングロッド、２５…ローラ、２６…主レバー、２７…引き外しコイル、２８…引き外しレバー、２９…リセットバネ、３０…投入コイル、３１…排気筒、３２…外側真空容器、３３…上部板材、３４…下部板材、３５…側部板材、３６…上部貫通孔、３７…上部ベース、３８…外側ベローズ、３９…下部貫通孔、４０…絶縁性ブッシング、４１…下部ベース、４２…フレキシブル導体、４３…フレキシブル導体貫通孔。

Claims (8)

1. 銀と、銅と、タングステンカーバイドを含む電気接点を用いた真空バルブ用電極であって、
   前記電気接点は銀を２４〜６７重量％、銅を５〜２０重量％含み、残部の主成分としてタングステンカーバイドを含み、前記銀と銅の合計重量のうち、銅の占める重量の割合が２８％未満であることを特徴とする真空バルブ用電極。
2. 請求項１に記載された真空バルブ用電極であって、前記電気接点は銀，銅及びタングステンカーバイド粉末の焼結体であることを特徴とする真空バルブ用電極。
3. 銀と、銅と、タングステンカーバイドを含む電気接点を用いた真空バルブ用電極の製造方法であって、
   少なくとも銀粉末と、銅粉末と、タングステンカーバイド粉末とを混合し、前記混合粉末を加圧成形し、前記混合粉末の加圧成形体を銀と銅の共晶点以下で加熱焼結することを特徴とする真空バルブ用電極の製造方法。
4. 請求項３に記載の真空バルブ用電極の製造方法であって、
   前記銀および銅の粉末の粒径は１５０μｍ以下、前記高導電性金属からなる粉末の粒径は６０μｍ以下であることを特徴とする真空バルブ用電極の製造方法。
5. 請求項３に記載の真空バルブ用電極の製造方法であって、
   前記加圧成形は、スリット溝を形成して羽根型を形作る金型に前記混合粉末を充填して加圧成形することを特徴とする真空バルブ用電極の製造方法。
6. 請求項３に記載の真空バルブ用電極の製造方法であって、前記加圧成形時の圧力が100ＭＰａ〜６００ＭＰａであることを特徴とする真空バルブ用電極の製造方法。
7. 真空容器内に一対の固定側電極及び可動側電極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１に記載の真空バルブ用電極であることを特徴とする真空バルブ。
8. 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接続され、前記真空バルブ外に設けられた導体端子と、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、前記真空バルブは請求項７に記載の真空バルブであることを特徴とする真空遮断器。

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