JP2007059107A

JP2007059107A - 電気接点

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Publication number: JP2007059107A
Application number: JP2005240546A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Kikuchi; 茂菊池; Ayumi Morita; 歩森田; Masahito Kobayashi; 将人小林; Satoru Kajiwara; 悟梶原; Noboru Baba; 昇馬場
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-08-23
Filing date: 2005-08-23
Publication date: 2007-03-08

Abstract

【課題】遮断性能と低サージ性能を兼ね備え、かつ、多数回遮断による性能劣化の小さい電気接点と、それを用いた真空バルブおよび真空遮断器を提供する。
【解決手段】電気接点は、炭化物を１〜３０重量％含み、残部がＣｕであることを特徴とし、またはＣｒとＣｕと炭化物とからなり、Ｃｒと炭化物との重量比が１：１.５〜５０の範囲にあることを特徴とし、電極は、風車型であり、それを用いた真空バルブおよび真空遮断器とする。
【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真空バルブ用電気接点に関する。

真空遮断器，真空開閉器等に内蔵される真空バルブには、一対の開閉可能な電気接点が設けられる。電気接点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。

特許文献１に記載されるように、裁断電流値が小さく、低サージ性能を有する電気接点として、例えばＣｏ−Ａｇ−Ｓｅ系などが挙げられる。

特開平９−１７１７４６号公報

真空遮断器には、多数回の遮断を行った後も必要とされる諸特性を維持することが求められるが、大電流における遮断性能と低サージ性能とを兼ね備えた電気接点では、多数回遮断により、特に、低サージ性能の低下が生ずることが懸念されている。

本発明の目的は、遮断性能と低サージ性能を兼ね備え、かつ、多数回遮断による性能劣化の小さい、電気接点を提供することにある。

本発明の電気接点は、炭化物を１〜３０重量％含み、残部がＣｕであることを特徴とする。

また、本発明の電気接点は、ＣｒとＣｕと炭化物とからなり、Ｃｒと炭化物との重量比が１：１.５〜５０の範囲にあることを特徴とする。この場合、炭化物を１〜３０重量％含むことが好ましい。

また、本発明の電気接点は、ＣｒとＣｕと炭化物とからなり、Ｃｒが０.０２〜２０重量％と、炭化物が１〜３０重量％とであって、Ｃｒより炭化物を多く含み、残部がＣｕであることを特徴とする。

本発明により、遮断性能と低サージ性能を兼ね備え、かつ、多数回遮断による性能劣化の小さい、電気接点を提供することができる。

本形態で記載する電気接点は、Ｃｕと炭化物からなるものであり、特に、炭化物を１〜３０重量％含み、残部がＣｕである。

このような電気接点は、電流遮断時における炭化物の昇華現象によって、交流電流を遮断する際に残存する電流である裁断電流を小さくするとともに、アーク駆動を促進し、優れた遮断性能を発揮することができる。裁断電流を例えば３Ａ以下のように小さくすることにより、サージ電圧を小さくすることができ、絶縁破壊を抑制できる。

この炭化物は、電流遮断後の冷却過程において、固相と気相とで相変化を起こすので、速やかに固体に戻り、例えば、４０回以上、好ましくは５０〜１００回のように多数回の遮断を繰り返しても、裁断電流低減効果を持続できる。

また、この炭化物が、分解して炭化物のガス成分となり、サージ電圧をゼロ付近へ遅らせることにより、例えば、２０ＫＡ以上の大電流を遮断することができ、遮断性能と低サージ性能とを兼ね備えることができる。

また、本形態で記載する電気接点は、ＣｒとＣｕと炭化物とからなり、Ｃｒと炭化物との重量比が１：１.５〜５０の範囲にあり、炭化物を１〜３０重量％含む。

さらに、本形態で記載する電気接点は、ＣｒとＣｕと炭化物とからなり、Ｃｒが0.02〜２０重量％と炭化物が１〜３０重量％とであって、Ｃｒより炭化物を多く含み、残部が
Ｃｕである。

なお、Ｃｒの代替材料としてはＣｏが、Ｃｕの代替材料としてはＡｇが、考えられる。

このような電気接点は、耐電圧性能を向上させることができる。但し、昇華により分解した炭化物成分がＣｒと化合物を生成し、遮断を繰り返すと炭化物の量が減少するため、Ｃｒと炭化物との重量比は１：１.５〜５０の範囲とすることが望ましく、これにより、裁断電流低減効果を持続できる。

また、炭化物の量は、１〜３０重量％であることが望ましい。炭化物の量がこれより少ないと裁断電流低減効果が得られず、これより多いと電気接点の材料密度が低下し、所望の遮断性能が得られなくなる。

炭化物は、昇華点または分解点が１９００℃以上であることが好ましく、具体的には、ＳｉＣ，ＴｉＣ，ＷＣ，Ｃｒ₃Ｃ₂，Ｂｅ₂Ｃ，Ｂ₄Ｃ，ＺｒＣ，ＨｆＣ，ＮｂＣ，ＴａＣ，ＴｈＣ，ＶＣのうちの１種からなることが好ましい。また、炭化物として、これらの少なくとも２種以上を用いても良い。

これにより、電流遮断時に生ずるアークによって炭化物が昇華し、裁断電流を小さくすることができる。

また、Ｃｕには、Ｐｂを０.２〜１重量％含んでもよい。これにより、電気接点の耐溶着性を向上させることができる。

本形態で記載した電気接点を用いた電極は、円盤形状を有し、円盤形状の中心に形成された中心孔と、中心孔に対して非接触で前記中心孔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。なお、スリット溝によって分離されることによって、羽根型の平面形状を形成する。

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。

また、本形態で記載した電気接点を用いた電極は、円盤状部材と、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するものである。これにより、所望の性能を有する電極が得られる。

本形態に関わる真空バルブは、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が、本形態で記載した電気接点を用いた電極からなるものである。

さらに、本形態に関わる真空遮断器は、少なくとも一方に本形態で記載した電気接点を用いた一対の固定側電極及び可動側電極を、真空容器内に備えた真空バルブと、真空バルブ内に形成された固定側電極及び可動側電極の各々に真空バルブ外で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、優れた遮断性能と低サージ性能と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。

電気接点の製造方法は、Ｃｕおよび炭化物、またはＣｕ，炭化物およびＣｒの粉末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。

また、Ｃｕ，炭化物およびＣｒの粉末の粒径は７５μｍ以下で混合粉末を１２０〜500ＭＰａの成形圧力で加圧成形するものである。

さらに、真空中または不活性雰囲気中において、Ｃｕの融点以下の温度で焼結するものである。これは炭化物が分解しない温度でもある。

特に、Ｃｕおよび炭化物、またはＣｕ，炭化物およびＣｒの粉末を混合した混合粉末を、加圧成形した後に焼結するもので、焼結は真空中または不活性雰囲気中において、Ｃｕの融点以下の温度でなされることが望ましい。

これにより、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、原料粉末の粒径を７５μｍ以下とすることで、成形性に優れ、均一な組織が得られ、混合粉末の成形圧力は１２０〜５００ＭＰａが望ましい。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、成型圧力が５００ＭＰａより高いと、原料粉末が金型に凝着しやすく、金型寿命が短縮するとともに生産性が低下する。

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。

Ｃｕのマトリックス中にＳｉＣ粒子が分散する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（スリット溝）、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の製造方法は次のとおりである。まず、粒径７５μｍ以下のＣｒ粉末とSiC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。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７３％であった。これを真空中で、９００〜１０５０℃の温度で２時間加熱して焼結し、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、およそ９４％であった。

さらに、電極の製造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、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℃の温度で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。

炭化物がＳｉＣ以外のＴｉＣ，ＷＣ，Ｃｒ₃Ｃ₂，Ｂｅ₂Ｃ，Ｂ₄Ｃ，ＺｒＣ，ＨｆＣ，
ＮｂＣ，ＴａＣ，ＴｈＣ，ＶＣのうちの１種である場合にも、前記の方法によって電気接点１を作製することができる。尚、これら炭化物を複合して用いても良い。

炭化物としては、特に、ＳｉＣが好ましい。また、ＴｉＣ，ＷＣも好ましく、これらは裁断電流が７Ａ程度と上昇するものの、アーク加熱による表面変形が小さいという利点がある。

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できる。

このように、実施例１で作製した電気接点を図２に示す電気接点１ａ，１ｂに用いて、本発明に係わ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３は、本形態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。

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、接点組成及び電極径と遮断試験結果を示すもので、Ｎo.１〜Ｎo.５が本形態材、Ｎo.６〜Ｎo.９が比較材である。

ＳｉＣの含有量が１〜３０重量％の範囲では（Ｎo.１〜Ｎo.３）、ＳｉＣの昇華によって、裁断電流値は比較的小さく、１（ｋＡ）の電流を１００回遮断した後も裁断電流値が大幅に劣化することはなく、低サージ性が維持できる。

これに対し、ＳｉＣ量が１重量％未満の場合は（Ｎo.６）、裁断電流値が比較的大きく、低サージ効果が小さいとともに、最大遮断電流値も低下する。

また、ＳｉＣ量が３０重量％超の場合には（Ｎo.７）、低サージ効果は見られるものの、焼結性が低下して接点材料の密度低下が生じ、最大遮断電流値が低下する。

Ｃｒ量とＳｉＣ量の重量比が１：１.５〜５０の範囲では（Ｎo.４，Ｎo.５）、裁断電流値は小さく、１（ｋＡ）の電流を１００回遮断した後の裁断電流値の劣化も小さい。

これに対し、Ｃｒ量に対するＳｉＣ量が多く、重量比が１：１の場合には（Ｎo.８）、初期の裁断電流値は小さいものの、１００回遮断後の裁断電流値は大幅に劣化する。これは、電流遮断時に発生するアーク加熱により、Ｃｒと昇華したＳｉＣが反応して、裁断電流低減効果を有するＳｉＣ量が減少するためである。

なお、裁断電流低減効果を有するＳｉＣがない場合には（Ｎo.９）、最大遮断電流値は大きいものの、Ｎo.６と同様に裁断電流値が大きく、低サージ効果は見られない。

表１中、遮断電流が５Ａ以下であって、初期値から１００回遮断後の差異が、１.５Ａ以下、更には１.３Ａ以下であることが好ましいことがわかる。また、最大遮断電流も
２５ｋＡ以上、更には２８ｋＡ程度であることが好ましい。

以上から、本形態に記載した電気接点によって、優れた遮断性能と低サージ性能を兼ね備え、かつ、裁断電流低減効果の持続性に優れた電極性能を得ることができる。なお、炭化物がＳｉＣ以外のＴｉＣ，ＷＣ，Ｃｒ₃Ｃ₂，Ｂｅ₂Ｃ，Ｂ₄Ｃ，ＺｒＣ，ＨｆＣ，ＮｂＣ，ＴａＣ，ＴｈＣ，ＶＣのうちの１種である場合にも、ほぼ同様の効果が得られると考えられる。

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。

これにより、異常サージ電圧を吸収する機器を設置する必要がなくなるため、真空遮断器，路肩設置変圧器用負荷開閉器の小型化が実現できる。

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、５１…中央孔。

Claims

炭化物を１〜３０重量％含み、残部がＣｕであることを特徴とする電気接点。
ＣｒとＣｕと炭化物とからなり、Ｃｒと炭化物との重量比が１：１.５〜５０の範囲にあることを特徴とする電気接点。
前記炭化物を１〜３０重量％含むことを特徴とする請求項２に記載の電気接点。
ＣｒとＣｕと炭化物とからなり、Ｃｒが０.０２〜２０重量％と炭化物が１〜３０重量％とであって、Ｃｒより炭化物を多く含み、残部がＣｕであることを特徴とする電気接点。
前記炭化物は、昇華点または分解点が１９００℃以上であることを特徴とする請求項１に記載の電気接点。
前記炭化物は、ＳｉＣ，ＴｉＣ，ＷＣ，Ｃｒ₃Ｃ₂，Ｂｅ₂Ｃ，Ｂ₄Ｃ，ＺｒＣ，ＨｆＣ，ＮｂＣ，ＴａＣ，ＴｈＣ，ＶＣのうちの１種からなることを特徴とする請求項１に記載の電気接点。
前記炭化物は、昇華点または分解点が１９００℃以上であることを特徴とする請求項３に記載の電気接点。
前記炭化物は、ＳｉＣ，ＴｉＣ，ＷＣ，Ｃｒ₃Ｃ₂，Ｂｅ₂Ｃ，Ｂ₄Ｃ，ＺｒＣ，ＨｆＣ，ＮｂＣ，ＴａＣ，ＴｈＣ，ＶＣのうちの１種からなることを特徴とする請求項３に記載の電気接点。
前記Ｃｕは、Ｐｂを０.２〜１重量％含むことを特徴とする請求項１に記載の電気接点。
前記Ｃｕは、Ｐｂを０.２〜１重量％含むことを特徴とする請求項３に記載の電気接点。
円盤形状を有し、前記円盤形状の中心に形成された中心孔と、前記中心孔に対して非接触で前記中心孔から外周部に向かって形成された複数本のスリット溝とを有し、前記円盤形状が請求項１乃至３記載の電気接点からなることを特徴とする電極。
円盤状部材と、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電極棒とを有し、前記円盤状部材が請求項１乃至３に記載の電気接点からなることを特徴とする電極。
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１１に記載の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を備えた真空バルブと、前記真空バルブ内に形成された前記固定側電極及び可動側電極の各々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１３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。