JP2011054369A - Arc electrode, gas-insulated switchgear - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、アーク電極およびこのアーク電極を備えたガス絶縁開閉装置に関する。 The present invention relates to an arc electrode and a gas insulated switchgear provided with the arc electrode.
一般に、大きな電流を遮断するガス絶縁開閉装置のアーク電極は、高温(数千K)のアークに曝されるため損耗が激しい。そこで、耐熱性を考慮して、このアーク電極をタングステンと銅の混合物、もしくは合金で形成してアークによる損耗を抑制している。しかしながら、電流の遮断条件によっては、上記のようなタングステンと銅の合金であってもアーク電極が損耗する。アーク電極が損耗すると、アーク電極の表面にクラックが発生し、表面層が脱落する。
そこで、アーク電極の表面に発生するクラックの横方向へ進展を抑制し、表面層の脱落を防止するため、アークに曝される部分に熱伝導性の高い部材を埋め込む方法(特許文献1参照)や、スリットを設ける方法(特許文献2参照)が提案されている。
In general, an arc electrode of a gas-insulated switchgear that interrupts a large current is subject to severe wear because it is exposed to a high-temperature (several thousand K) arc. Therefore, in consideration of heat resistance, the arc electrode is formed of a mixture of tungsten and copper or an alloy to suppress wear due to the arc. However, depending on the current interruption conditions, the arc electrode is worn even with the above-described tungsten-copper alloy. When the arc electrode is worn out, a crack is generated on the surface of the arc electrode, and the surface layer falls off.
Therefore, a method of embedding a member having high thermal conductivity in a portion exposed to the arc in order to suppress the lateral development of cracks generated on the surface of the arc electrode and prevent the surface layer from falling off (see Patent Document 1). In addition, a method of providing a slit (see Patent Document 2) has been proposed.
上述した方法では、クラックの横方向への進展を抑制し、アーク電極の表面層が大きく脱落することを抑制できる。しかし、クラックによる表面層の細かな脱落は防止できない。このためアーク電極の表面にクラックによる凹凸が発生する。アーク電極の表面に凹凸が発生すると、アークが発生する部位(アーク電極上の位置)が安定せず、アーク電極の性能(例えば、電流遮断性能)が低下する。
本発明はかかる従来の課題を解決するためになされたものであり、表面の凹凸に起因する性能の低下を抑制したアーク電極およびこのアーク電極を備えたガス絶縁開閉装置を提供することを目的とする。
In the above-described method, it is possible to suppress the lateral development of the crack and to prevent the surface layer of the arc electrode from being largely dropped. However, fine removal of the surface layer due to cracks cannot be prevented. For this reason, unevenness due to cracks occurs on the surface of the arc electrode. When irregularities occur on the surface of the arc electrode, the portion where the arc is generated (position on the arc electrode) is not stable, and the performance of the arc electrode (for example, current interruption performance) is reduced.
The present invention has been made to solve such a conventional problem, and an object of the present invention is to provide an arc electrode that suppresses a decrease in performance due to surface irregularities and a gas-insulated switchgear including the arc electrode. To do.
本発明の一実施形態に係るアーク電極は、電流切断時に発生するアークを消弧するガス絶縁開閉装置で用いられるアーク電極であって、タングステンおよび銅を含む領域と、その領域内に配置されたタングステンを含まない1以上の層とを有することを特徴とする。 An arc electrode according to an embodiment of the present invention is an arc electrode used in a gas-insulated switchgear that extinguishes an arc generated during current cutting, and is disposed in a region containing tungsten and copper. And one or more layers not containing tungsten.
上記構成では、タングステンおよび銅を含む領域と、その領域内に配置されたタングステンを含まない1以上の層とを有するので、アーク電極の表面の凹凸の発生を抑制できる。このため、電流遮断性能の低下を抑制できる。 In the said structure, since it has the area | region containing tungsten and copper, and 1 or more layers which do not contain tungsten arrange | positioned in the area | region, generation | occurrence | production of the unevenness | corrugation on the surface of an arc electrode can be suppressed. For this reason, the fall of an electric current interruption performance can be suppressed.
本発明の他の実施形態に係るアーク電極は、電流切断時に発生するアークを消弧するガス絶縁開閉装置で用いられるアーク電極であって、タングステン、銅および、銅よりも沸騰点が低い金属を含むことを特徴とする。
を特徴とする。
An arc electrode according to another embodiment of the present invention is an arc electrode used in a gas-insulated switchgear that extinguishes an arc generated during current cutting, and is made of tungsten, copper, and a metal having a boiling point lower than that of copper. It is characterized by including.
It is characterized by.
上記構成では、タングステン、銅および、銅よりも沸騰点が低い金属を含むため、アーク電極の表面の凹凸の発生を抑制できる。このため、電流遮断性能の低下を抑制できる。 In the said structure, since the metal whose boiling point is lower than copper, copper, and copper is included, generation | occurrence | production of the unevenness | corrugation on the surface of an arc electrode can be suppressed. For this reason, the fall of an electric current interruption performance can be suppressed.
本発明の他の実施形態に係るアーク電極は、電流切断時に発生するアークを消弧するガス絶縁開閉装置で用いられるアーク電極であって、タングステンおよび銅を含む領域と、その領域内に配置された銅よりも沸騰点が低い金属とを有することを特徴とする。 An arc electrode according to another embodiment of the present invention is an arc electrode used in a gas-insulated switchgear that extinguishes an arc generated during current cutting, and is disposed in a region containing tungsten and copper. And a metal having a boiling point lower than that of copper.
上記構成では、タングステンおよび銅を含む領域と、その領域内に配置された銅よりも沸騰点が低い金属とを有するため、アーク電極の表面の凹凸の発生を抑制できる。このため、電流遮断性能の低下を抑制できる。 In the said structure, since it has the area | region containing tungsten and copper and the metal whose boiling point is lower than the copper arrange | positioned in the area | region, generation | occurrence | production of the unevenness | corrugation on the surface of an arc electrode can be suppressed. For this reason, the fall of an electric current interruption performance can be suppressed.
前記金属を、粒子状または層状に配置してもよい。 The metal may be arranged in the form of particles or layers.
前記金属の蒸発熱は、銅よりも低いことが好ましい。 The heat of vaporization of the metal is preferably lower than that of copper.
本発明によれば、表面の凹凸に起因する性能の低下を抑制したアーク電極およびこのアーク電極を備えたガス絶縁開閉装置を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the arc electrode which suppressed the performance fall resulting from the unevenness | corrugation of the surface, and the gas insulated switchgear provided with this arc electrode can be provided.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る絶縁ガス開閉装置100の構成を示した図である。
ガス絶縁開閉装置100は、接地容器1、固定電極2(アーク電極)、可動電極3(アーク電極)、絶縁物4、駆動装置5、接地導体6、接地線7を具備する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an insulating
The gas insulated
接地容器1は、絶縁ガス7が封入された密閉容器である。この接地容器の内部には、固定電極2と可動電極3が対向して配置されている。固定電極2は、絶縁物4を介して接地電位を有する接地容器1に支持固定されている。また、可動電極3は、絶縁物4を介して接地容器1に支持されると共に、駆動装置5が備える駆動ロッド(図示せず)に接続されている。駆動装置5は、駆動ロッド(図示せず)により、可動電極3を上下方向に駆動する。可動電極3が上下に駆動されることで、可動電極3と固定電極2とが電気的に接触または非接触状態となる。接地導体6は、絶縁物4を介して接地容器1に支持される。接地導体6の一端は、可動電極3に接続され、他端は、接地線7を介して接地される。
The
駆動装置5により可動電極3を駆動して、固定電極2と可動電極3を接触状態から非接触状態とすると、固定電極2と可動電極3の間にアークが発生する。この第1の実施形態に係るガス絶縁開閉装置100では、絶縁ガスをアークへ吹き付けて、該アークを消弧する。
When the movable electrode 3 is driven by the
図2Aは、固定電極2の構成を示す断面図である。ここでは、図2Aを参照して、固定電極2の構成について説明する。第1の実施形態に係る固定電極2は、タングステン(W)粒子12(粒径数十μm)および銅(Cu)13の粒子(粒径数十μm)で形成される。図2Aに示すように、固定電極2はタングステン粒子12および銅13を含む領域と、その領域内に配置されたタングステン粒子12を含まない1以上の銅層14とを有する
FIG. 2A is a cross-sectional view showing the configuration of the
固定電極2は、以下の手順で作成する。
1.タングステン粒子12を含む領域を形成する。
2.銅の薄板をこの形成した領域の周面上に配置する。
3.1および2の手順を必要に応じて繰り返す。
The
1. A region including the
2. A copper thin plate is placed on the peripheral surface of the formed region.
3. Repeat steps 1 and 2 as necessary.
上記のように、タングステン粒子12を含む領域上に銅の薄板を配置する動作を繰り返した後、焼結粉末冶金法により圧縮成形し焼き固めて形成する。なお、図2Aでは、タングステン粒子12を含む領域の周面上の一部分に銅の薄板を配置しているが、タングステン粒子12を含む領域の周面全体に銅の薄板を配置してもよい。
As described above, after repeating the operation of disposing the copper thin plate on the region containing the
タングステン(W)は、融点が約3700Kと非常に高い。そこで、この第1の実施形態では、粒径数十μmのタングステン粒子12(粒径数十μm)と銅13の粒子(粒径数十μm)とを圧縮成形し焼き固める焼結粉末冶金法を用いて固定電極2を形成している。
Tungsten (W) has a very high melting point of about 3700K. Therefore, in the first embodiment, a sintered powder metallurgy method in which tungsten particles 12 (particle size of several tens of μm) having a particle size of several tens of μm and
なお、銅の薄板の代わりに樹脂等を、タングステン粒子12を含む領域上に配置してもよい。銅13が溶融する温度で焼結すれば、樹脂は、溶融した銅13に置き換わり、図2Aに示すように、タングステン粒子12が存在しない銅層14が形成される。また、台金11は、アークに曝されないので、耐熱性を考慮する必要がない。このため、台金11は、電気伝導性の高い鉄(Fe)や銅(Cu)で形成される。
A resin or the like may be disposed on the region including the
粉末冶金法以外にも、鋳型にタングステン粒子12を詰めた後、溶融した銅を流し込んで固定電極2を形成するようにしてもよい。また、タングステンと銅との両方を溶融させて固定電極2を形成してもよい。
In addition to the powder metallurgy method, the fixed
図2Bは、アーク放電後(電流遮断後)の固定電極2を示す断面図である。ここでは、図2Bを参照して、この第1の実施形態に係る固定電極2の損耗について説明する。駆動装置5により可動電極3を駆動して、固定電極2と可動電極3が電気的に接触している状態から、固定電極2と可動電極3が電気的に接触していない状態、つまり、固定電極2、可動電極3を流れる電流を遮断する。
FIG. 2B is a cross-sectional view showing the fixed
すると、固定電極2と可動電極3に間に、アークが発生する。固定電極2のアークに曝された部分では、表層のタングステン粒子12が蒸発・溶融する。また、タングステンよりも沸騰点の低い銅13は、タングステン粒子12より内部まで蒸発・溶融する。このため、固定電極2のアークに曝される部分では、表面に凹凸が形成される。固定電極2の蒸発や溶融が進むにつれて、表面に形成される凹凸は大きくなる。
Then, an arc is generated between the fixed
しかしながら、固定電極2の蒸発や溶融が銅層14まで進むと、この銅層14の外側(表面側)に残留していたタングステン粒子12が脱落する。このため、固定電極2の表面に形成されていた凹凸が平坦化され、表面に形成される凹凸が大きくなるのを抑制できる。
However, when evaporation or melting of the fixed
上述のように、この第1の実施形態に係る固定電極2は、電極表面に凹凸が形成されるのを効果的に抑制できるので、この凹凸に起因するアーク電極の性能(例えば、電流遮断性能)の低下を抑制できる。なお、上記説明では、固定電極2について説明したが、可動電極3にも同様の構成を採用すれば、固定電極2と同様の効果を得ることができる。
As described above, since the fixed
(第2の実施形態)
図3Aは、第2の実施形態に係る絶縁ガス開閉装置200の固定電極2A(アーク電極)を示した断面図である。ここでは、図3Aを参照して、固定電極2Aの構成について説明する。なお、図2Aで説明した構成要素と同一の構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。また、第2の実施形態に係る絶縁ガス開閉装置200の構成は、図1で説明した絶縁ガス開閉装置100と同様の構成であるため重複した説明を省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 3A is a cross-sectional view showing a fixed
第2の実施形態に係る固定電極2Aは、タングステン粒子12、銅13および銅よりも沸騰点の低い金属(以下、低沸騰点金属と称する)との混合物13Aから形成される。固定電極2Aの形成には、第1の実施形態と同様に粉末冶金法等により形成できる。なお、この第2の実施形態では、電気伝導率を考慮して、銅に対する低沸騰点金属の含有量を約10重量%としている。なお、電気伝導率は低くなるが、混合物13Aを銅との混合物とせず、低沸騰点金属のみとしてもよい。
The fixed
図3Bは、アーク放電後(電流遮断後)の固定電極2Aを示す断面図である。ここでは、図3Bを参照して、この第2の実施形態に係る固定電極2Aの損耗について説明する。図2Bでの説明と同様に、固定電極2Aを流れる電流を遮断すると、固定電極2Aにアークが発生する。固定電極2Aのアークに曝された部分では、表層のタングステン粒子12が蒸発・溶融する。また、タングステンよりも沸騰点の低い混合物13Aも蒸発・溶融する。
FIG. 3B is a cross-sectional view showing fixed
ここで混合物13Aに含まれる低沸騰点金属は、沸騰点が銅よりも低い。このため、蒸発する際に発生するガス量が銅のみの場合に比べて多くなる。そして、この発生した多量のガスが、表面側に残留しているタングステン粒子12を吹き飛ばして脱落させる。このため、表層の凹凸が大きくなるのを抑制でき、この凹凸に起因するアーク電極の性能低下を抑制できる。また、混合物13Aに含まれる低沸騰点金属が気化することにより、固定電極2Aの温度上昇を低減できる。
Here, the low boiling point metal contained in the
図4は、金属元素の特性(融点、融解熱、沸騰点、蒸発熱)を示した図である。この第2の実施形態では、低沸騰点金属として、図4に示した沸騰点および蒸発熱が銅よりも低い金属を用いることが好ましい。このうち、沸騰点が1000K程度と低いCs(セシウム)、Hg(水銀)、K(カリウム)、Rb(ルビジウム)、Sb(アンチモン)は、低沸騰点金属として特に好ましい。 FIG. 4 is a diagram showing the characteristics (melting point, heat of fusion, boiling point, heat of evaporation) of the metal element. In the second embodiment, it is preferable to use a metal having a boiling point and evaporation heat shown in FIG. 4 lower than that of copper as the low boiling point metal. Among these, Cs (cesium), Hg (mercury), K (potassium), Rb (rubidium), and Sb (antimony) having a boiling point as low as about 1000 K are particularly preferable as low boiling point metals.
上述のように、この第2の実施形態に係る固定電極2Aは、電極表面に凹凸が形成されるのを効果的に抑制できる。このため、凹凸に起因するアーク電極の性能低下を抑制できる。また、混合物13Aに含まれる低沸騰点金属が気化することにより、固定電極2Aの温度上昇を低減できる。なお、上記説明では、固定電極2Aについて説明したが、可動電極にも同様の構成を採用すれば、固定電極2Aと同様の効果を得ることができる。
As described above, the fixed
(第3の実施形態)
図5Aは、第3の実施形態に係る絶縁ガス開閉装置300の固定電極2B(アーク電極)を示した断面図である。ここでは、図5Aを参照して、固定電極2Bの構成について説明する。なお、図2Aで説明した構成要素と同一の構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。また、第3の実施形態に係る絶縁ガス開閉装置300の構成は、図1で説明した絶縁ガス開閉装置100と同様の構成であるため重複した説明を省略する。
(Third embodiment)
FIG. 5A is a cross-sectional view showing a fixed
第3の実施形態に係る固定電極2Bは、タングステン粒子12および銅13を含む領域と、その領域内に配置された銅13よりも沸騰点が低い金属からなる粒子15(以下、低沸騰点金属粒子15と称する)を有する。粒子15の大きさ(直径)は、タングステン粒子12よりも十分大きいことが好ましい(電極の大きさ(最大φ50程度)を考慮すると、0.1mmから1mm程度が好ましい)。固定電極2Bの形成には、第1の実施形態と同様に粉末冶金法等により形成できる。低沸騰点金属粒子15の材料は、第2の実施形態と同様にCs(セシウム)、Hg(水銀)、K(カリウム)、Rb(ルビジウム)、Sb(アンチモン)を用いるのが好ましい。なお、Hgは、常温で液体であるため、他の金属との合金(アマルガム)とすると取り扱いに便利である。
The fixed
図5Bは、アーク放電後(電流遮断後)の固定電極2Bを示す断面図である。図5Bに示すように、第2の実施形態に係る固定電極2Aと同様に、この第3の実施形態に係る固定電極2Bにおいても、低沸騰点金属粒子15が蒸発する際に発生するガスが、表面側に残留しているタングステン粒子12を吹き飛ばして脱落させる。このため、表層の凹凸が大きくなるのを抑制でき、この凹凸に起因するアーク電極の性能低下を抑制できる。また、低沸騰点金属粒子15が気化することにより、固定電極2Bの温度が上昇することを抑制できる。
FIG. 5B is a cross-sectional view showing the fixed
(第4の実施形態)
図6Aは、第4の実施形態に係る絶縁ガス開閉装置400の固定電極2C(アーク電極)を示した断面図である。ここでは、図6Aを参照して、固定電極2Cの構成について説明する。なお、図2Aで説明した構成要素と同一の構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。また、第4の実施形態に係る絶縁ガス開閉装置400の構成は、図1で説明した絶縁ガス開閉装置100と同様の構成であるため重複した説明を省略する。
(Fourth embodiment)
FIG. 6A is a cross-sectional view showing a fixed
第4の実施形態に係る固定電極2Cは、タングステン粒子12および銅13を含む領域と、その領域内に配置された銅13よりも沸騰点が低い金属からなる層16(以下、低沸騰点金属層16と称する)とを有する。固定電極2Cの形成には、第1の実施形態と同様に粉末冶金法等により形成できる。低沸騰点金属層16の材料は、第2の実施形態と同様にCs(セシウム)、Hg(水銀)、K(カリウム)、Rb(ルビジウム)、Sb(アンチモン)を用いるのが好ましい。なお、低沸騰点金属層16は、図2Aに示した銅層14と同じ配置としてもよい。
The fixed
図6Bは、アーク放電後(電流遮断後)の固定電極2Cを示す断面図である。図6Bに示すように、第2の実施形態に係る固定電極2Aと同様に、この第4の実施形態に係る固定電極2Cにおいても、低沸騰点金属層16が蒸発する際に発生するガスが、表面側に残留しているタングステン粒子12を吹き飛ばして脱落させる。このため、表層の凹凸が大きくなるのを抑制でき、この凹凸に起因するアーク電極の性能低下を抑制できる。また、低沸騰点金属層16が気化することにより、固定電極2Cの温度が上昇することを抑制できる。
FIG. 6B is a cross-sectional view showing fixed
1…接地容器、2…固定電極(アーク電極)、3…可動電極(アーク電極)、4…絶縁物、5…駆動装置、6…接地導体、7…接地線、11…台金、12…タングステン粒子、13…銅、14…銅層、15…低沸騰点金属粒子、16…低沸騰点金属層、100から400…ガス絶縁開閉装置。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
タングステンおよび銅を含む領域と、その領域内に配置された前記タングステンを含まない1以上の層とを有することを特徴とするアーク電極。 An arc electrode used in a gas-insulated switchgear that extinguishes an arc generated when current is cut off,
An arc electrode comprising: a region containing tungsten and copper; and one or more layers not containing tungsten disposed in the region.
タングステン、銅および銅よりも沸騰点が低い金属を含むことを特徴とするアーク電極。 An arc electrode used in a gas-insulated switchgear that extinguishes an arc generated when current is cut off,
An arc electrode comprising tungsten, copper and a metal having a boiling point lower than that of copper.
タングステンおよび銅を含む領域と、その領域内に配置された銅よりも沸騰点が低い金属とを有することを特徴とするアーク電極。 An arc electrode used in a gas-insulated switchgear that extinguishes an arc generated when current is cut off,
An arc electrode comprising: a region containing tungsten and copper; and a metal having a boiling point lower than that of copper disposed in the region.
前記容器内に対向して配置された固定電極および可動電極と、
前記可動電極を駆動する駆動部と、
を具備し、
前記固定電極または前記可動電極の少なくとも一方は、請求項1ないし6のいずれか1項記載のアーク電極であることを特徴とするガス絶縁開閉装置。 A container filled with insulating gas;
A fixed electrode and a movable electrode disposed opposite to each other in the container;
A drive unit for driving the movable electrode;
Comprising
7. The gas insulated switchgear according to claim 1, wherein at least one of the fixed electrode and the movable electrode is an arc electrode according to claim 1.
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US10115548B2 (en) | 2015-01-07 | 2018-10-30 | Mitsubishi Electric Corporation | Gas circuit breaker |
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2009
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