JP4759987B2 - 電極および電気接点とその製法 - Google Patents

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。

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 (13)

1. Ｓｎ，Ｔｅ，Ｂｉから選ばれる少なくとも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粒子が分散しており、
   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。
2. Ｓｎ，Ｔｅ，Ｂｉから選ばれる少なくとも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粒子が分散しており、
   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。
3. 請求項１または請求項２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。
4. 請求項３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。
5. Ｓｎ，Ｔｅ，Ｂｉから選ばれる少なくとも１種を０.５〜３重量％含み、残部の主成分がＣｕである合金の粉末と、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。
6. Ｓｎ，Ｔｅ，Ｂｉから選ばれる少なくとも１種とＣｕとを含む合金の粉末を６０〜８５重量％と、Ｃｒ粉末を１５〜４０重量％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。
7. 請求項５または請求項６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。
8. 請求項５または請求項６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電気接点の製造方法。
9. 請求項５または請求項６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。
10. 請求項５ないし９のいずれかに記載の電気接点の製造方法であって、前記合金の粉末が、アトマイズ法で得られることを特徴とする電気接点の製造方法。
11. 請求項１または請求項２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。
12. 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１１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。
13. 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１１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。

Images