JP2014077173A

JP2014077173A - 開閉装置用通電部材およびその形成方法

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Publication number: JP2014077173A
Application number: JP2012225363A
Authority: JP
Inventors: Kayoko Aoki; 香代子青木; Hisashi Kusumori; 寿楠森; Masafumi Takei; 雅文武井; Hiroshi Furuta; 宏古田; Osamu Nakano; 修中野; Hidenori Ida; 英規伊田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-10-10
Filing date: 2012-10-10
Publication date: 2014-05-01

Abstract

【課題】開閉装置用の通電部材の基材の一部に低抵抗の金属の通電層を形成する際に生じる課題を解決する。
【解決手段】実施形態によれば、開閉装置に使用される開閉装置用通電部材は、導電性の基材からなり機械的強度を担う基材部１００ａと、基材部１００ａよりも導電率が高い内側表面材料からなり基材部１００ａ外表面に設けられた内側表面層１０１ａと、内側表面層１０１ａの外表面に設けられて内側表面層１０１ａを物理化学的に保護する導電性の外側表面材料からなる外側表面層１０２ａとを有する。内側表面層１０１ａはコールドスプレー法により形成されることでもよい。外側表面層１０２ａはコールドスプレー法または電気めっき法により形成されることでもよい。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、開閉装置に用いられる開閉装置用通電部材およびその形成方法に関する。

電力需要の増大に伴い、変電所や発電所で使用するガス絶縁開閉装置の大容量化が図られている。特に、大電流通電用部材には、低抵抗で通電容量の大きい銅または銅合金材料を使用してきた。しかし、銅、銅合金で構成された通電用部材は、アルミニウム、アルミニウム合金で構成するよりも重量が増し、通電部材の軽量化や、製造コストの削減を図ることが難しい。

また、従来のガス絶縁開閉装置内の電気接点部に用いる通電用部材は、接点部の接触抵抗による温度上昇の抑制を図るため、銅または銅合金、あるいはアルミニウムまたはアルミニウム合金基材の通電面に銀めっきが被覆されている。しかし、ガス遮断器などの電気接点部では、接触抵抗によるジュール熱や短時間アークの発生により銀めっきの消耗や融解が発生する場合がある。

以上のような課題に対して、通電用部材の通電部に銅などの低抵抗電気導体の板材をスピニング加工により被覆圧着する技術が知られている。また、基材に、異種金属を部分的にコーティングする方法としては、溶射、物理凝着（ＰＶＤ）、化学凝着（ＣＶＤ）などが検討されている。

また、従来からのガス絶縁開閉装置内のアーク接点は、高温のアーク熱による接点の消耗および溶着を低減するために、銅および銅よりも高融点であるタングステンやモリブデンからなるＣｕ―Ｗ、Ｃｕ―Ｍｏ合金材料と、銅、銅合金または鉄鋼などの基材とを、摩擦圧接、ろう付け、電子ビーム溶射等により接合させた材料を使用している。

特開平７−１１４８６３号公報特許第３８３９９３９号公報特開２００１−１３８０６９号公報

従来からのアルミニウム、アルミニウム合金、鉄鋼などの基材に異種金属を被覆圧接する技術では、製法により接合面で十分な密着力を確保できず、接合面に電気抵抗を生ずる場合があった。また、銀めっき、物理凝着（ＰＶＤ）、化学凝着（ＣＶＤ）は薄膜のコーティングは可能であるが、厚膜のコーティングには不向きである。溶射は、高温でコーティングを行うため、皮膜内部に空隙や酸化物を介在し、通電性を目的とした皮膜のコーティングには適さない。

一方、従来からの銅、銅合金、鉄鋼などの基材に高融点のＣｕ−Ｗ、Ｃｕ―Ｍｏ合金材料を摩擦圧接、ろう付け、電子ビーム溶接等で接合する場合は、製造のばらつきによって接合面の密着不良や接合面に亀裂等が発生する場合があった。

以上のような課題に対し、アルミニウム基材、アルミニウム合金基材または鉄鋼基材の一部に、異種金属材料をコーティングする方法として、コールドスプレー法がある。コールドスプレー法は、不活性ガスによりスプレー粒子を低温、かつ高速で基材表面にコーティングする方法で、比較的厚膜の高導電率、高融点の密着性の高いコーティング層を形成することができる。また、スプレーによるコーティングを行うため、摩擦圧接、ろう付け、電子ビーム溶接等のように基材形状が限定されない。

しかし、コールドスプレー法は、粒子の堆積により皮膜が形成されるため、銅のコールドスプレー皮膜を部材にコーティングする際、皮膜表層の酸化や変色により接触抵抗が増加するのを防ぐための処理が必要である。また、アーク接点など高温のアーク熱が発生する箇所では、高温のアーク熱に耐えうる保護皮膜が必要となる。

そこで、本発明の実施形態は、開閉装置用の通電部材の基材の一部に低抵抗の金属の通電層を形成する際に生じる課題を解決することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の実施形態は、開閉装置に使用される開閉装置用通電部材であって、導電性の基材からなり機械的強度を担う基材部と、前記基材部よりも導電率が高い表面材料と、からなり、前記表面材料は、基材部外表面に設けられた内側表面層と、前記内側表面層の外表面に設けられて前記内側表面層を物理化学的に保護する導電性の外側表面材料からなる外側表面層と、を有することを特徴とする。

また、本発明の実施形態は、開閉装置に使用される開閉装置用通電部材の形成方法であって、導電性材料を用いて機械的強度部を担う基材部を形成する基材部形成ステップと、前記基材部形成ステップの後に、基材部の外表面にコールドスプレー法により前記基材部より導電率が高い内側表面層を形成する内側表面層形成ステップと、前記内側表面層形成ステップの後に、前記内側表面層の外表面に前記内側表面層を物理化学的に保護する導電性の外側表面層を形成する外側表面層形成ステップと、を有することを特徴とする。

本発明の実施形態は、開閉装置用の通電部材の基材の一部に低抵抗の金属の通電層を形成する際に生じる課題を解決することができる。

本発明の第１の実施形態に係る開閉装置用通電部材を使用したガス遮断器の一部を示す縦断面図である。本発明の第１の実施形態に係る開閉装置用通電部材を使用したガス遮断器における通電部材の構成を示す縦断面図である。本発明の第１の実施形態に係る開閉装置用通電部材の形成方法を示すフロー図である。本発明の第２の実施形態に係る開閉装置用通電部材を使用した可動部を示す縦断面図である。本発明の第３の実施形態に係る開閉装置用通電部材を使用したブッシングを示す縦断面図である。本発明の第３の実施形態に係る開閉装置用通電部材を使用したブッシングの端子の一部縦断面を示す斜視図である。本発明の第４の実施形態に係る開閉装置用通電部材を使用した固定アーク電極を示す縦断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態に係るガス絶縁開閉装置用の通電部材およびその形成方法について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る開閉装置用通電部材を使用したガス遮断器の一部を示す縦断面図である。消弧性ガスを充填させた容器（図示せず）内に、固定部３と可動部６とが対向して設けられている。固定部３は、固定アーク電極１および固定側フィンガー２を有する。可動部６は、可動側アーク電極４および円筒形の可動接触子５を有する。

このようなガス遮断器では、通電時には、固定側フィンガー２が可動接触子５の表面に接触することにより固定側フィンガー２と可動接触子５の電気的な導通が確保される。また、電流遮断時には、固定部３が図１の横方向（右方向）に移動し、固定側フィンガー２が可動接触子５の表面から離れることにより電流を遮断する。

固定側フィンガー２が可動接触子５から離れる際に、固定側フィンガー２が可動接触子５の表面を摺動する。

図２は、本発明の第１の実施形態に係る開閉装置用通電部材を使用したガス遮断器における通電部材の構成を示す縦断面図である。固定側フィンガー２が可動接触子５の表面を摺動する部分の可動接触子５の構成は、機械的強度を担う第１の基材部１００ａの外側表面に第１の内側表面層１０１ａが形成されている。また、第１の内側表面層１０１ａの外側表面にはさらに第１の外側表面層１０２ａが形成されている。

第１の基材部１００ａは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなっている。第１の内側表面層１０１ａは、アルミニウムやアルミニウム合金よりも低抵抗すなわち高い導電率の材料である銅または銅合金のコーティング層からなっている。また、第１の外側表面層１０２ａも、導電率の高い銀または銀合金からなっている。

図３は、本発明の第１の実施形態に係る開閉装置用通電部材の形成方法を示すフロー図である。

まず、導電性材料を用いて機械的強度部を担う第１の基材部１００ａを形成する（Ｓ０１）。

ステップＳ０１の後に、第１の基材部１００ａの外表面にコールドスプレー法により第１の内側表面層１０１ａを形成する（Ｓ０２）。

ステップＳ０２の後に、第１の内側表面層１０１ａの外表面に第１の外側表面層１０２ａを形成する（Ｓ０３）。

本実施形態においては、第１の基材部１００ａにアルミニウムまたはアルミニウム合金を用いることにより可動接触子５の軽量化を図ることができる。また、第１の内側表面層１０１ａに銅または銅合金を用いることにより可動接触子５の電気伝導性を確保している。この場合、全体が銅または銅合金の単一金属で形成される通常の可動接触子に比べて重量の低減効果がある膜厚として、第１の内側表面層１０１ａの厚さは、０．２ｍｍ程度ないし２５ｍｍ程度であることが望ましい。

また、第１の外側表面層１０２ａに銀または銀合金を用いることにより、可動接触子５の摺動抵抗を低減している。摺動試験を行った結果、摩耗量を考慮して、第１の外側表面層１０２ａの厚さは、１μｍ程度ないし２００μｍ程度が望ましい。

以上のように構成された本実施形態では、第１の基材部１００ａにアルミニウムまたはアルミニウム合金を用いることにより軽量化を図ることができ、また、銅または銅合金の単一材料による可動接触子に比べてコスト低減を図ることができる。

また、第１の内側表面層１０１ａに銅または銅合金を用いることによりアルミニウムまたはアルミニウム合金単一材料の場合に比べて可動接触子５の電気伝導性および熱伝導性を高めることができる。

また、コールドスプレー法により形成された第１の内側表面層１０１ａの上層に、銀または銀合金の第１の外側表面層１０２ａを形成して第１の内側表面層１０１ａを保護することにより、第１の内側表面層１０１ａの酸化・変色を低減することができる。

以上のように、本発明の実施形態は、開閉装置用の通電部材の基材の一部に低抵抗の金属の通電層を形成する際に生じる課題を解決することができる。

なお、本実施形態では、第１の外側表面層１０２ａをコールドスプレー法で形成しているが、これを電気めっき法とすることでもよく、この場合には、さらにコストを低減することができる。

［第２の実施形態］
図４は、本発明の第２の実施形態に係る開閉装置用通電部材を使用した可動部を示す縦断面図である。駆動部１２には、リンク機構１１が連結されている。リンク機構１１の駆動部１２との連結部と反対側には、可動ロッド１０が接続されている。可動ロッド１０は、駆動部１２により駆動されて図４に示される左右方向に動作する。

本実施形態による可動ロッド１０の第２の基材部１００ｂは、鉄または合金鋼からなっている。第２の基材部１００ｂの表面に第２の内側表面層１０１ｂが設けられている。第２の内側表面層１０１ｂの表面にはさらに第２の外側表面層１０２ｂが形成されている。

第２の内側表面層１０１ｂは、鉄または合金鋼よりも導電率の高い材料である銅または銅合金のコールドスプレー法で形成されたコーティング層からなっている。また、第２の外側表面層１０２ｂは、コールドスプレー法で形成されたさらに導電率の高い銀または銀合金からなっている。

第２の内側表面層１０１ｂの膜厚は、導体抵抗の低減により発熱抑制効果がある膜厚として０．２ｍｍ程度ないしは１５ｍｍ程度の範囲が望ましい。また、第２の外側表面層１０２ｂの膜厚としては、第１の実施形態と同様に摩耗量を考慮し１μｍ程度ないし２００μｍ程度の範囲が望ましい。

以上のように、電流遮断時に機械的衝撃が加わるピン結合部を有する可動ロッド１０の第２の基材部１００ｂに、鉄または合金鋼を使用することにより通電部材の機械的強度を増加させることができる。

また、第２の内側表面層１０１ｂに銅または銅合金を用いることによりアルミニウムまたはアルミニウム合金単一材料の場合に比べて可動接触子５の電気伝導性および熱伝導性を高めることができる点は第１の実施形態と同様である。

また、コールドスプレー法により形成された第２の内側表面層１０１ｂの上層に、銀または銀合金の第２の外側表面層１０２ｂを形成して第２の内側表面層１０１ｂを保護することにより、第２の内側表面層１０１ｂの酸化や変色を低減することができる点も、第１の実施形態と同様である。

［第３の実施形態］
図５は、本発明の第３の実施形態に係る開閉装置用通電部材を使用したブッシングを示す縦断面図である。ブッシング２０は、銅または銅合金、あるいはアルミニウムまたはアルミニウム合金の円筒状の導体２２、導体２２に接続され導体２２の上部を除いて導体２２を収納するように径方向外側を囲む碍管２１、導体２２の上部に接続されている端子２３を有する。

図６は、本発明の第３の実施形態に係る開閉装置用通電部材を使用したブッシングの端子の一部縦断面を示す斜視図である。端子２３は、第３の基材部１００ｃ、その外側を覆う第３の内側表面層１０１ｃ、およびさらに第３の内側表面層１０１ｃの表面を覆う第３の外側表面層１０２ｃを有する。

第３の基材部１００ｃは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなっている。第３の内側表面層１０１ｃはアルミニウムまたはアルミニウム合金よりも導電率の高い材料である銅または銅合金のコールドスプレー法で形成されたコーティング層からなっている。また、第３の外側表面層１０２ｃは、スズまたはスズ合金のコールドスプレー法で形成されたコーティング層からなっている。なお、第３の外側表面層１０２ｃは、銀めっき法により銀のコーティングにより形成されることでもよい。

この場合、第３の内側表面層１０１ｃの厚さは、全体がアルミニウムまたはアルミニウム合金の単一材料の場合に比べて抵抗の低減効果があり、かつ、銅または銅合金の単一材料に比べて重量の低減効果のある厚さとして、０．２ｍｍ程度ないし２５ｍｍ程度であることが望ましい。

また、第３の外側表面層１０２ｃの膜厚としては、従来の端子についての接触面に被覆した銀めっきの摩耗量に基づき、１μｍ程度ないし５０μｍ程度の範囲が望ましい。

以上のような本実施形態においては、アルミニウムまたはアルミニウム合金の第３の基材部１００ｃに、導電率および熱伝導率の高い厚膜の銅または銅合金の第３の内側表面層１０１ｃが形成されるため、アルミニウムまたはアルミニウム合金の単一材料の端子に比べて通電性を確保できる。

また、銅または銅合金の第３の内側表面層１０１ｃの表面に硫化しにくいスズまたはスズ合金の第３の外側表面層１０２ｃを形成することにより、硫黄分が多い大気中においても硫化による接触抵抗増加を低減することができる。

アルミニウムと銅の異種金属接合面が大気中にさらされると、異種金属接合面に浸透した雨水が電解液となってアルミニウムと銅との電位差によりアルミニウムが腐食する。

端子２３について、アルミニウムまたはアルミニウム合金の第３の基材部１００ｃの表面全体に銅または銅合金の第３の内側表面層１０１ｃを形成し雨水の浸入を防ぎ、さらに第３の内側表面層１０１ｃの表面に第３の外側表面層１０２ｃを設けて異種金属接合面が大気中に露出しない構造とすることでアルミニウムまたはアルミニウム合金の第３の基材部１００ｃの腐食を低減することができる。

［第４の実施形態］
図７は、本発明の第４の実施形態に係る開閉装置用通電部材を使用した固定アーク電極を示す縦断面図である。本実施形態の固定アーク電極３０は、第４の基材部１００ｄ、その外側を覆う第４の内側表面層１０１ｄ、およびさらに第４の内側表面層１０１ｄの表面を覆う第４の外側表面層１０２ｄを有する。

第４の基材部１００ｄは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなっている。第４の内側表面層１０１ｄはアルミニウムまたはアルミニウム合金よりも導電率の高い材料である銅または銅合金のコールドスプレー法で形成されたコーティング層からなっている。また、第４の外側表面層１０２ｄは、銅―タングステン合金のコールドスプレー法で形成されたコーティング層からなっている。

この場合、第４の内側表面層１０１ｄの厚さは、導体抵抗の低減により発熱抑制効果が得られる膜厚として、１ｍｍ程度ないし１５ｍｍ程度であることが望ましい。

また、第４の外側表面層１０２ｄの膜厚としては、アーク熱の熱伝導を考慮して１ｍｍ程度ないし２０ｍｍ程度の範囲が望ましい。

以上のような本実施形態においては、固定アーク電極３０は、電流開閉時に固定アーク電極３０と可動側アーク電極４（図１における固定アーク電極１および可動側アーク電極４の関係を参照）の極間に高温のアークが発生しても、高融点の銅―タングステン合金材料である第４の外側表面層１０２ｄが、銅または銅合金の第４の内側表面層１０１ｄの表面に形成されているので、接点の融解や消耗を低減することができる。

また、高融点の銅―タングステン合金材料の第４の外側表面層１０２ｄが受けたアーク熱とアーク電流は高導電性の銅または銅合金の第４の内側表面層１０１ｄに流れ拡散するため、アーク熱による接点の消耗を低減しアーク接点の耐久性を向上させることができる。

また、コールドスプレー法は、基材の材料に左右されずにコーティングが可能であるため、基材と銅―タングステン材料が平面接合である従来のアーク接点に対して接合面の密着性が向上するため、この点でもアーク接点の耐久性を向上させることができる。

さらに、第４の基材部１００ｄをアルミニウムまたはアルミニウム合金とすることにより、軽量化を図ることができる。

なお、第４の基材部１００ｄは、固定アーク電極３０の軽量化を図る目的からアルミニウムまたはアルミニウム合金としているが、構造的に強度を確保する観点からは鉄鋼材料としてもよい。

また、第４の外側表面層１０２ｄは、銅―タングステン合金のコールドスプレー法で形成されたコーティング層としているが、銅―モリブデン合金のコールドスプレー法で形成されたコーティング層としてもよい。

［その他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。

さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１・・・固定アーク電極、２・・・固定側フィンガー、３・・・固定部、４・・・可動側アーク電極、５・・・可動接触子、６・・・可動部、１０・・・可動ロッド、１１・・・リンク機構、１２・・・駆動部、２０・・・ブッシング、２１・・・碍管、２２・・・導体、２３・・・端子、３０・・・固定アーク電極、１００ａ・・・第１の基材部、１００ｂ・・・第２の基材部、１００ｃ・・・第３の基材部、１００ｄ・・・第４の基材部、１０１ａ・・・第１の内側表面層、１０１ｂ・・・第２の内側表面層、１０１ｃ・・・第３の内側表面層、１０１ｄ・・・第４の内側表面層、１０２ａ・・・第１の外側表面層、１０２ｂ・・・第２の外側表面層、１０２ｃ・・・第３の外側表面層、１０２ｄ・・・第４の外側表面層

Claims

開閉装置に使用される開閉装置用通電部材であって、
導電性の基材からなり機械的強度を担う基材部と、
前記基材部よりも導電率が高い表面材料と、からなり、
前記表面材料は、基材部外表面に設けられた内側表面層と、
前記内側表面層の外表面に設けられて前記内側表面層を物理化学的に保護する導電性の外側表面材料からなる外側表面層と、
を有することを特徴とする開閉装置用通電部材。
前記内側表面層はコールドスプレー法により形成されることを特徴とする請求項１に記載の開閉装置用通電部材。
前記外側表面層はコールドスプレー法により形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の開閉装置用通電部材。
前記外側表面層は電気めっき法により形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の開閉装置用通電部材。
前記基材は、アルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の開閉装置用通電部材。
前記基材は、鉄鋼を素材とすることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の開閉装置用通電部材。
前記内側表面材料は銅または銅合金であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の開閉装置用通電部材。
前記外側表面材料は銀または銀合金であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の開閉装置用通電部材。
前記外側表面材料はスズまたはスズ合金であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の開閉装置用通電部材。
前記内側表面層の厚さは０．２ｍｍ以上であり、前記外側表面層の厚さは１μｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の開閉装置用通電部材。
前記外側表面材料は銅タングステン合金または銅モリブデン合金であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の開閉装置用通電部材。
前記内側表面層の厚さは１ｍｍ以上であり、前記外側表面層の厚さは１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１１に記載の開閉装置用通電部材。
開閉装置に使用される開閉装置用通電部材の形成方法であって、
導電性材料を用いて機械的強度部を担う基材部を形成する基材部形成ステップと、
前記基材部形成ステップの後に、基材部の外表面にコールドスプレー法により前記基材部より導電率が高い内側表面層を形成する内側表面層形成ステップと、
前記内側表面層形成ステップの後に、前記内側表面層の外表面に前記内側表面層を物理化学的に保護する導電性の外側表面層を形成する外側表面層形成ステップと、
を有することを特徴とする開閉装置用通電部材の形成方法。
前記外側表面層形成ステップは、コールドスプレー法または電気めっき法によることを特徴とする請求項１３に記載の開閉装置用通電部材の形成方法。