JP2006140073A - 電極および電気接点とその製法 - Google Patents

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Abstract

【課題】
耐溶着性能の良い真空遮断器用電極、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、高導電性金属と低融点金属の合金中に、耐火性金属の粒子が分散した電気接点、特に、Sn,Te,Biのうちの少なくとも1種とCuとを含む合金中に、
Cr粒子が分散していることを特徴とする電気接点を用いた真空遮断器用電極と、それを用いた真空バルブ、又は真空遮断器にある。また、前記の電気接点を作製する方法にある。
【選択図】図1

Description

本発明は、真空遮断器,真空開閉器等に用いられる新規な真空バルブ用電気接点、並びにその他の電気接点とその製法に関する。
真空遮断器等の受配電機器には小型化が求められ、そのためには真空バルブ内の電気接点の溶着を抑制し、真空遮断器の操作力を小さくして操作器を小型化することが必要である。そのための手段として、電気接点成分に低融点金属を加え、電極材料を脆化させて、溶着した電極同士を引き離すための力を低減している。
特願2002−22657 特願2003−371369
電気接点成分に低融点金属を直接添加する方法では、材料組織内に低融点金属が単体で存在する。そのため、通電時のジュール熱や電流遮断時のアーク熱により、低融点金属が揮散して真空バルブ内の真空度を低下させ、耐電圧性能が低下したり、遮断性能が不安定になるという不具合が生じている。
また、上記電気接点は焼結法や溶浸法で製造されるが、製造過程の加熱工程で低融点金属が揮散し、製造装置を汚染する等、周辺環境への影響が危惧される。
そこで、低融点金属の揮散等による電極性能の低下がなく、耐溶着性能に優れ、溶着した場合にも引き離し力が小さい電気接点とその製法を提供することが求められている。
本発明の電気接点は、高導電性金属と低融点金属を含む合金のマトリックス(母相)中に、耐火性金属の粉末が分散した組織をなすものである。
本発明の電気接点における高導電性金属はCu、低融点金属はSn,Te,Biのうちの1種、耐火性金属はCrであり、高導電性金属と低融点金属の合金は、0.5 〜3重量%の低融点金属と残部のほとんどを占める高導電性金属の合金である。
本発明の電極は、円盤形状を有し、円盤の円中心に形成された中心孔と、中心孔に対して非接触で円中心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ものである。また、この円盤形状の電極は、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ものである。
本発明の電気接点の製法は、高導電性金属と低融点金属を含む合金の粉末と、耐火性金属の粉末とを混合して混合粉末とし、この混合粉末を加圧成形した後に焼結するものである。
特に電気接点の製法において、高導電性金属と低融点金属を含む合金の粉末は粒径が
104μm以下で、耐火性金属の粉末は粒径が75μm以下とすることが好ましい。
さらに本発明の電気接点の製法において、混合粉末の加圧成形圧力は120〜500
MPaで、焼結は真空中または不活性雰囲気中で、高導電性金属と低融点金属の合金の融点以下の温度で行うことが好ましい。
また、電気接点の製法は、高導電性金属と低融点金属を含む合金の粉末と、耐火性金属の粉末とを混合して混合粉末とし、この混合粉末を加圧成形した成形体に、高導電性金属と低融点金属の合金を溶融含浸するもの、または、高導電性金属と低融点金属と耐火性金属を溶融後、凝固させるものでもよい。
本発明の真空バルブ用電極は、円盤状部材と、この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、円盤状部材が本発明の電気接点であるものである。
本発明の真空バルブは、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た真空バルブで、固定側電極及び可動側電極の少なくとも一方が本発明の真空バルブ用電極であるものである。
本発明の真空遮断器は、本発明に関わる真空バルブと、この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真空遮断器である。
本発明の電気接点は、高導電性金属と低融点金属を含む合金のマトリックス中に、耐火性金属の粉末が分散した組織をなすものである。これにより、低融点金属が単体で存在することがないため、電極性能の低下がなく、耐溶着性能に優れ、溶着した場合にも引き離し力が小さくなる。
特に、高導電性金属はCu、低融点金属はSn,Te,Biのうちの1種、耐火性金属はCrであり、高導電性金属と低融点金属の合金は、0.5 〜3重量%の低融点金属と実質的に残部を占める高導電性金属の合金が好ましい。これにより、低融点金属の環境への影響が小さく、優れた通電性能と耐電圧性能を維持することができる。
本発明の電極は、円盤形状を有し、円盤の円中心に形成された中心孔と、中心孔に対して非接触で円中心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もので、スリット溝によって分離された羽根型の平面形状をなす。これにより、電極中心にアークが発生するのを防ぐとともに、スリット溝によってアークを外周方向へ駆動し、アーク停滞による遮断不能を防止することができる。
本発明の電気接点の製法は、高導電性金属と低融点金属を含む合金の粉末と、耐火性金属の粉末とを混合して混合粉末とし、この混合粉末を加圧成形した後に焼結するものである。焼結法で製造することにより、最終形状のニアネット成形が可能となり、後加工が不要で、安価な電気接点を得ることができる。また、高導電性金属と低融点金属を含む合金の粉末の粒径を104μm以下、耐火性金属の粉末の粒径を75μm以下とすることで、成形性に優れ、均一な組織の電気接点が得られる。なお、高導電性金属と低融点金属を含む合金の粉末は、アトマイズ法などによって得ることができる。また、上記範囲の粒子が95%以上含まれていれば、実用上問題の少ない均一な電気接点を得ることが可能である。
また、電気接点の製法では、混合粉末の加圧成形圧力は120〜500MPaで、焼結は真空中または不活性雰囲気中で、高導電性金属と低融点金属の合金の融点以下の温度で行うことが好ましい。成形圧力が120MPaより低いと、成形体のハンドリングが困難で、500MPaより高いと、原料粉末が金型に凝着しやすく、生産性が低下する。また、融点以下の温度で焼結することにより、最終形状を保ったままニアネット焼結できる。
また、電気接点の製法は、高導電性金属と低融点金属を含む合金の粉末と、耐火性金属の粉末とを混合して混合粉末とし、この混合粉末を加圧成形した成形体に、高導電性金属と低融点金属の合金を溶融含浸するものでもよい。これにより、気孔の少ない緻密な電気接点が得られ、遮断性能が安定する。さらに、高導電性金属と低融点金属と耐火性金属を溶融後、凝固させても、同様に緻密な電気接点が得られる。
本発明の真空バルブ用電極は、円盤状部材と、この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、円盤状部材が本発明の電気接点であるものである。これにより、所望の性能を有する電極が得られる。
本発明の真空バルブは、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が本発明の真空バルブ用電極であるものである。また、本発明の真空遮断器は、本発明に関わる真空バルブと、この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。これにより、優れた電極性能と耐溶着性能を兼ね備えた真空遮断器、さらには各種真空開閉装置が得られる。
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。
高導電性金属のCuと低融点金属のTeとの合金をマトリックスとし、耐火性金属の
Crの粉末が分散した組織をなす電気接点を作製し、これを用いて電極を作製した。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、51は電極中央にアークを生じさせないようにするための凹部を形成する中央孔である。
電気接点1の作製方法は次のとおりである。まず、アトマイズ法で得られた粒径104μm以下のCu−Te合金粉末と、粒径75μm以下のCr粉末とを、後述する表1の接点組成となるような配合比でV型混合器により混合した。合金粉末の粒径は、本実施例ではほぼ全ての粒子がこの範囲の粒径となっていた。このCr粉末には、酸素が680ppm 、Alが700ppm 、Siが800ppm 含まれていた。次にこの混合粉末を、貫通したスパイラル溝2及び中央孔51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。成形体の密度は、およそ71%であった。これを真空中で、1050℃×2時間加熱して焼結し、電気接点1を作製した。尚、本実施例の合金の融点はおよそ1060〜1080℃であった。組成により、融点は高低の変化するものの、合金の融点以下の焼結であれば、求める電極を形成可能であった。得られた電気接点1の相対密度は、およそ95%であった。尚、上記の「密度」とは、「相対密度」を指し、(試料の密度/理論密度)×100で算出したものである。
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、前記の焼結で得られた電気接点1の中央孔51及び補強板3の中央孔に電極棒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7.2kV,定格電流600A,定格遮断電流20kA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は省いてもよい。
上記の方法以外に、Cu−Te合金粉末とCr粉末とを混合して加圧成形した成形体に、Cu−Te合金を溶融含浸して電気接点1を作製できる。また、所望の配合比のCuとTeとCrを溶融後、凝固させても作製できる。図2に、それぞれの製法による電極の組織の模式図を示す。
さらに、低融点金属がTe以外のSn,Biのうちのいずれかである場合にも、前記の方法によって比較的低い温度で溶解してCuと合金化させることができ、電気接点1を作製することができる。
実施例1で作製した電気接点を電極に用いて、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20kAである。
図3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3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を図3に示す電気接点1a,1bに用いて、本発明に関する真空バルブを作製した。
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4は、本発明に係る真空バルブ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。
実施例1で作製した電気接点を実施例2で示した定格電圧7.2kV ,定格電流600A,定格遮断電流20kAの真空バルブに用い、実施例3で示した真空遮断器に搭載して遮断試験を行った。表1は、接点組成と遮断試験結果を示すもので、No.1〜No.5が本発明材、No.6〜No.12が比較材である。なお、No.10〜No.12はTeをCuと合金化させずに、Te単体で添加したものである。
Figure 2006140073
各種性能については、No.2の電気接点の場合を1として相対的に表した。Crの組成が15〜40重量%の範囲では(No.1〜No.3)、Crが少ないと耐電圧性能が低下し、Crが多いと遮断性能が低下する傾向にあるが、実用上支障のない範囲である。マトリックスであるCu−Te合金中のTe量が0.5 〜3重量%のとき(No.1〜No.5)、優れた耐溶着性能と小さな溶着引き離し力が得られる。
尚、上記性能の判断は規格に定められているように、28kAの電流を遮断可能か否かで行った。No.2(基準材) の遮断性能は32kAであり、基準材に対する相対比0.9は28.8kA で可、0.8は25.6kAで不可とした。同様に、例えば必要な耐電圧性能は66kVであり、基準材No.2は73kV、0.9は66kVで可、0.8は58kVで不可と判断した。
なお、Te量が0.5 重量%では(No.4)耐溶着性能が基準材(No.2)に比べて低下し、溶着引き離し力が増加するが、支障のない範囲である。また、Crが15重量%の場合にも(No.1)、溶着引き離し力が増加するが支障はない。
これに対し、Crが15重量%より少ないと(No.6)、特に耐電圧性能の低下が著しく、溶着引き離し力が大きくなる。また、Crが40重量%より多いと(No.7)、遮断性能が低下し、遮断不能を引き起こす恐れがある。さらに、Cu−Te合金中のTe量が0.5 重量%より少ないと(No.8)、耐溶着性能が著しく低下するとともに溶着引き離し力が増大し、3重量%より多いと(No.9)、遮断性能や耐電圧性能が低下する。
No.10〜No.12のTe単体で添加した場合には、耐溶着性能が向上し、溶着引き離し力の低減が可能となるが、Te添加量が増すとともに遮断性能や耐電圧性能が低下する。
以上から、本発明にかかわる電気接点は、Teを単体で添加した場合のような遮断性能や耐電圧性能の低下がなく、優れた耐溶着性能を有し、溶着引き離し力を低減できる。
なお、耐電圧性能を低下させることなく耐溶着性が向上するのは、遮断時のアーク加熱によって合金が分解して低融点金属が融出するためである。Sn,Biとも融点が300℃以下であり、Teと同様に融出するため、低融点金属がTe以外のSn,Biのうちの1種である場合にも同様の効果が得られる。
実施例2で作製した真空バルブを、真空遮断器以外の真空開閉装置に搭載した。図5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で作製した本発明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1実施例に係わる電極の組織を説明する模式図。 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、51…中央孔。

Claims (15)

  1. 高導電性金属と低融点金属の合金中に、耐火性金属の粒子が分散した電気接点。
  2. Sn,Te,Biのうちの少なくとも1種とCuとを含む合金と、Cr粒子とを含む電気接点であって、前記合金中に前記Cr粒子が分散していることを特徴とする電気接点であることを特徴とする請求項1に記載の電気接点。
  3. 請求項2に記載された電気接点であって、
    前記合金中にSn,Te,Biを0.5 〜3重量%含み、残部の主成分がCuであることを特徴とする電気接点。
  4. 請求項2に記載された電気接点であって、
    前記合金を60〜85重量%、前記Cr粒子を15〜40重量%含むことを特徴とする電気接点。
  5. 請求項1ないし4のいずれかに記載された電気接点を用いた電極であって、
    前記電極は円盤形状を有し、該円盤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極。
  6. 請求項5に記載の電極であって、
    前記円盤形状は、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極。
  7. Sn,Te,Biのうちの少なくとも1種とCuとを含む合金の粉末と、Cr粉末とを混合し、該混合した粉末を加圧成形し、該加圧成形体を焼結することを特徴とする電気接点の製造方法。
  8. 請求項7に記載の電気接点の製造方法であって、前記合金の粉末のうち95%以上の粉末の粒径を104μm以下とし、前記Cr粉末のうち95%以上の粉末の粒径を75μm以下とすることを特徴とする電気接点の製造方法。
  9. 請求項7に記載の電気接点の製造方法であって、前記加圧成形の圧力を120〜500MPaとすることを特徴とする。
  10. 請求項7に記載の電気接点の製造方法であって、前記焼結を、真空中または不活性雰囲気中で、前記合金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造方法。
  11. Sn,Te,Biのうちの少なくとも1種とCuとを含む合金の粉末と、Cr粉末とを混合し、該混合した粉末を加圧成形し、前記合金を溶融含浸することを特徴とする電気接点の製造方法。
  12. Sn,Te,Biのうちの少なくとも1種と、Cuと、Crとを混合し、溶融し、凝固させて形成することを特徴とする電気接点の製造方法。
  13. 請求項1に記載の電気接点である円盤状部材と、該円盤状部材のアーク発生面の反対面に接合された電極棒とを有する真空バルブ用電極。
  14. 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であって、前記固定側電極及び可動側電極の少なくとも一方を請求項13に記載の真空バルブ用電極としたことを特徴とする真空バルブ。
  15. 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、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置された導体端子と、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であって、前記固定側電極及び可動側電極の少なくとも一方を請求項13に記載の真空バルブ用電極としたことを特徴とする真空遮断器。

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