JPH07123015B2 - 真空遮断器用電極及び真空遮断器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、大電流遮断特性に優れ、かつ高耐電圧性能
を有する真空遮断器用電極及び真空遮断器に関するもの
である。

〔従来の技術〕

真空遮断機用電極の満足すべき特性としては、（１）遮
断用量が大きいこと、（２）耐電圧が高いこと、（３）
接触抵抗が小さいこと（電気伝導が良いこと）、（４）
溶着を起こさないこと、（５）接点消耗量が少ないこ
と、（６）裁断電流値が小さいこと、等が挙げられる。

しかし、これらの特性を全て満足させることは困難であ
って、一般には用途に応じて特に重要な特性を重視し、
他の特性はある程度犠牲にした電極材料が使用されてい
るのが現状である。

従来、電極材料として種々の開発が行なわれている。Cu
−Bi,Cu−PbあるいはCu−Co−Bi,Cu−Co−Pb,Cu−Cr−B
r,Cu−Cr−Pb等の材料が開示されているが、これらの電
極材は低融点金属を含有するために、大電流遮断を繰り
返すと、電極材からPbあるいはBiが飛散、蒸発し、さい
断電流特性及び耐溶着性には有効である。しかし耐電圧
あるいは遮断性能は低下し、高電圧、大電流の遮断には
対応できない。

一方、高電圧、大電流遮断用電極材料としては、低融点
金属元素を含まない電極材料に比較して耐溶着性あるい
は電流裁断特性にやや劣るが、基本的にはCu−Cr系材料
が高電圧、大電流遮断用電極材料として開示され、実用
化されている。しかし、電極材料の製造方法あるいは遮
断中の電極材料からのガス放出等により特性のバラツキ
が大きく、また遮断特性に限界がある。そのため、電極
形状を工夫し、電極表面の電流経路を操作することで磁
場を発生させ、その力で大電流アークを強制遮断するこ
とで遮断特性を向上させている。また、Cu−Cr系を基本
とし、第３元素としてCo,Ta,Ti,W,FeV等を混合する電極
材料が開示され、実用化に選定使用されている（特開昭
62−264526号公報）。またCu、Cr及びＶを成分とした電
極材料に関する従来例として特開昭61−124542号公報、
特開昭61−147415号公報及び特開昭62−170120号公報が
挙げられる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、最近、真空遮断器は益々高電圧、大電流遮断の
要望が高まり、また真空遮断機の小型化に対しての要望
も高く、従来の電極材料では要求性能を充分に満足する
ことが困難であり、より優れた特性を持つ材料の開発が
望まれている。上記４つの従来文献（特許公開公報）に
開示された電極材料も、高耐電圧、大電流遮断および低
サージ化のすべての特性を満足させるようにとの技術的
課題をもって、Cu、Cr及びＶ等の各割合を規定するもの
でないため、特性にバラツキがあり、本発明で要求され
るような高い特性の電極材料としては充分とはいえない
問題があった。

本発明の目的は、上記のような従来の欠点を除去するた
めになされたもので、大電流特性に優れ、高耐圧特性を
有し、かつ、遮断特性のバラツキの少ない安定した真空
遮断器用電極材料及び真空遮断器を提供することにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明は、Cu:40〜80重量
％、Cr:10〜50重量％、V:0.5〜40重量％及び不可避的不
純物より成ることを特徴とする真空遮断器用電極であ
る。特にCrが20〜40重量％、Ｖが３〜10重量％及び残部
が実質的にCuからなるものがよい。ここで、前記Cu,Cr
及びＶは単体金属及び／又はこれらの合金として存在し
ているものがよい。

また本発明は、Cu:40〜80重量％、Cr:10〜50重量％、V:
0.5〜40重量％及び不可避的不純物より成り、ＶはCuマ
トリックス中に固溶限以上に添加され、該Cuマトリック
ス中にＶ単体、Cr−Ｖ合金又はCu−Cr−Ｖ合金として晶
出していることを特徴とする真空遮断器用電極である。
ここで、CrがCuマトリックス中に固溶限以上に添加さ
れ、該Cuマトリックス中にCr単体として晶出しているも
のがよい。又は、マトリックス中にCr及びＶが晶出した
組織を有するものがよい。また前記電極において、Bi,P
b,Te,Sb,Tl,Se,Ce,Ca及びAgの低融点金属が少なくとも
一種が15重量％以下含有されているものがよい。

また本発明は、固定電極と、この固定電極に接離自在に
設けられた可動電極と、前記両電極を真空下で内包する
絶縁ケースとを備えた真空遮断器において、固定電極及
び可動電極はCu:40〜80重量％、Cr:10〜50重量％、V:0.
5〜40重量％及び不可避的不純物より成る電極で形成さ
れていることを特徴とする真空遮断器である。

なお、これら電極材料の製造法は、真空溶解法あるいは
金属粉末焼結法又は溶浸法において製造することができ
るが、金属粉末焼結法あるいは溶浸法後にホットプレス
（HP）、冷間静水加圧（CIP）、熱間静水圧加圧（HIP）
などのような強制圧縮・高温加熱法も有効である。ま
た、プラズマ照射法においても本発明の電極材料は得る
ことができる。Cr量が20％以上のときはＶとの混合粉末
からなる焼結によってスケルトンを作り、その空孔にCu
を溶浸させる方法、それ以下のときは溶解によって製造
するのがよい。

〔作用〕

通常は高耐電圧、大電流遮断、低サージ化は互いに相反
する性質を持つことが知られているように、従来は両者
の特性を同時に高度に満足させるような電極はなかっ
た。ところが、本発明によれば、Cu,Cr,V量比を適宜選
ぶことによって広範囲の電極特性を引き出すことができ
る。

従来のCu−Cr系電極材料の主成分であるCuは融点がそれ
ほど高くないために、繰返しの遮断アーク熱によって面
荒れをするものであった。従って、電界集中の原因とな
る無数の突起物が形成され、耐電圧特性を劣化させてし
まう。

更にCu中にＶを固溶させた電界材料は、Cuに比べ、1.5
倍以上の融点を有し、またＶがCu中に固溶してもそれ自
体の導伝性はあまり低下しない。このために、アーク熱
による接点溶着を防ぐことができるばかりでなく、電接
面の荒れを少なくし、常に滑らかな面を維持させること
ができる。従って電界集中の原因となる突起物の発生も
少ないために大電流遮断特性が高く、Cr−Cu系電極材料
に比較して1.8倍以上の特性を有する。また添加するＶ
元素は導電性を有するために絶縁回復特性が良く、大電
流遮断性能も優れるという大きなメリットも有する。

一方、固溶限以上に添加されたＶ元素は、同時に添加さ
れるCr元素と同様にCuマトリックス中に晶出し、晶出さ
れたＶ元素はＶ元素単体で晶出分散するか、あるいはCr
−Ｖ合金、Cu−Cr−Ｖ合金として存在する。このマトリ
ックス中に晶出されたＶ単体あるいはCr−Ｖ合金,Cu−C
r−Ｖ合金は、また別に晶出したCr単体と共存して、そ
の相互作用により耐電圧特性を向上させる。

また、本発明による電極材料はＶを添加することにより
従来のCu−Cr系電極材料に比較して、大電流遮断特性及
び耐電特性のバラツキが非常に小さく安定した特性を有
する特徴を有する。ここで、Cuが40〜80重量％、Crが10
〜50重量％で、Ｖが0.5〜40重量％のものが、全体的に
良好な特性を示す。

〔実施例〕

第１図は各種電極材料の遮断特性試験に用いた真空バル
ブの構造を示す。この真空バルブは、筒状のセラミック
ス製絶縁ケース１とステンレス製端子板2,3によって容
器が構成され、その内部は10^-6〜10^-8torr代の高真空に
保たれている。この容器内部には本発明に係る電極材料
で形成された一対の電極、すなわち固定電極４と、ベロ
ーズを介して動けるようにした可動電極５が設けられて
いる。さらに円筒状のシールド６は、電極構造部材が遮
断アークにより蒸発、飛散した場合、それらが絶縁ケー
ス１の内壁に付着することを防止する役目を持つ。本発
明の両電極4,5は直径20mmに加工され、それについて、
以下の各評価試験を行なった。

各種電気的性能試験において、耐電圧試験方法は、交流
300Aを10回遮断後、インパルス電圧を5kVステップで増
加しながら印加し、電極間が絶縁破壊に至る放電電圧値
を測定することである。

遮断性能試験は、直径20mmの電極において、交流電流を
500Aステップで増加しながら遮断し、遮断が不能となる
限界電流値を求めることである。さらに、裁断電流試験
は、交流２〜8Aの小電流を遮断した場合に発生する裁断
電流を100回測定し、その最大値と平均値を求めるよう
にした。

実施例１ 第２図は本発明の実施例として20重量％Cr−10重量％Ｖ
−70重量％Cuの合金の真空溶解材の金属組織写真（100
倍）を示す。なお溶解温度は1600〜1800℃程度で行な
い、ＶがCu中に固溶する条件で行なった。分析結果から
Cuのマトリックス中には３〜４％のＶ及び微量のCrが固
溶し、固溶限以上のCrあるいはＶはCuマトリックス中に
晶出していることを確認した。

実施例２ 第３図及び第４図は本発明の実施例としてCrとＶの粉末
を用いて焼結した後、多孔質の焼結体にCuを溶浸させて
作製したCu−Cr−Ｖ合金の金属組織写真（100倍）を示
したものであり、第３図は48重量％Cr−48重量％Cu−４
重量％Ｖ合金、第４図は30重量％Cr−50重量％Cu−20重
量％Ｖ合金である。これはCr−Cu−Ｖ混合粉を成形、焼
結、Cu溶浸して得られた合金で、焼結温度1100℃程度、
Cu溶浸温度は1200℃程度で行なったものである。固溶限
以上のＶ及びCrがＶ単体、Cr単体、Cr−Ｖ合金、Cu−Cr
−Ｖ合金として晶出していることを確認した。

実施例３ 第５図は本発明の実施例としてプラズマ溶射法を用いて
得たCu−Cr−Ｖ合金の金属組織写真（100倍）を示した
ものである。これは、Cr−5Cu−10V混合粉をプラズマ溶
射により得た被膜の組織である。

比較例 第６図は比較例として従来のCu−Cr系合金電極材料の金
属組織写真を示す。５重量％Cu粉と95重量％Cr粉とを混
合し、密度引65％になるように仮焼結後、Cu溶湯を溶浸
させた60重量％Cr−40重量％Cu合金である。

第７図は第１図に示した真空バルブを用いて、Ｖ添加量
と遮断性能の試験結果を示したものである。比較材とし
ては、Cu−Crの二元合金からなる電極材料ではCr量40〜
60重量％の範囲で各種性能が非常に優れていることを確
認しているので、前記比較例として示したCr60重量％−
Cu40重量％材を採用し、本発明の電極材料中のCrとCuの
重量比も常に一定（60:40）とし、これに添加するＶ量
を種々変化させた場合の合金特性の変化について示す。
なお第７図の縦軸は従来品のCu−60重量％Cr合金の値を
１とした比率を示す。第７図から明らかなように本発明
Cr−Cu−Ｖ合金の遮断性能はＶ添加量の増加とともに向
上し、７〜10重量％Ｖでは従来品の1.9倍に達するが、
それ以上Ｖを添加すると徐々に遮断性能は低下し、15重
量％Ｖ合金以上では低下している。

第８図は同様にＶ添加量と耐電圧性能の試験結果を示し
たものである。なお、比較材としてのＶの替りにFeV（5
5重量％Ｖ合金）を用いた場合のFeV添加量と耐電圧特性
についても示した。なお、製造方法は実施例２と同様の
方法である。第８図から明らかなように純Ｖ添加電極の
場合、Ｖ量が0.5重量％以下では従来材（Cu−60重量％C
r合金）との差は見られないが、それ以上添加すれば、
Ｖ添加量とともに耐電圧性能は向上し、Ｖ添加量25〜30
重量％においては従来電極の1.8倍程度の耐電圧値を示
す。しかし、それ以上のＶ添加量では耐電圧特性に悪影
響は及ぼさないものの性能向上はあまり見うけられな
い。

一方、純Ｖに替りFeV（55重量％Ｖ合金）を添加した電
極の耐電圧特性は、FeV添加量10重量％で従来材の約1.4
倍程度に向上するが、それ以上のFeV添加量では耐電圧
特性の向上は見られなかった。FeVの状態で添加されて
いる電極は純Ｖの状態で添加されている本発明の電極よ
り耐電圧性能は低いことが解る。また、FeV添加量10〜3
0重量％材の試験後の接触面表面は従来材に比べ荒い状
態であった。また試験後の接触面電気導伝率（IACS％）
は試験前に比べて低下しており試験中のアーク熱により
FeVが分解し、特にFe元素がマトリックスのCuに固溶さ
れたものと推定される。

第９図は同様にＶ添加量と裁断電流性能の関係を示す。
第９図から明らかなようにＶ添加量５〜10重量％の範囲
で最も良い性能を示す傾向にある。

次に電極材料中のＶ添加量を５重量％及びCu添加量を95
重量％と一定にした場合のCr添加量と耐電圧性能の関係
を第10図に示す。第10図から明らかなようにCr添加量10
重量％以下では従来材とあまり差は見られないがそれ以
上添加すると耐電圧性能は向上し、Cr添加量40重量％で
従来材の1.5倍程度になることが解る。

また、図示しないが、上記組成の電極材料にBi,Pb,Te,S
b,Tl,Se,Ce,Ca及びAgの低融点金属を種々添加した遮断
器用材料においても、前記実施例の電極材料と同様ある
いはそれ以上に遮断性能及び耐電耐性能を向上させる効
果があることを確認している。しかし、種々の金属が15
重量％以上に添加した電極の特性は、接触面の面荒れの
ために遮断性能が低下した。特に、２〜７重量％が好ま
しいことを確認した。

〔発明の効果〕

本発明によれば、Cuを含有し、その他の成分として、Cr
及びＶと不可避的不純物だけを含有する電気材料である
ので、裁断性能及び遮断性能に優れ、かつ、高耐電圧性
能を有する真空遮断器用電極材料が保られる。そして、
上記性能の向上はCu,Cr,Vが単体金属として存在してい
るもの、合金として存在しているもの、それらが複合さ
れたものにも見られるので、用途に応じ各成分の割合を
適宜変更して、最適に対応させることができる。

また、本発明の電極材料を用いた真空遮断器は小型化の
要望に応じることができ、且つ高電圧、大電流遮断性能
を従来より向上することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は遮断性能試験に用いた真空遮断器の断面図、第
２図は20重量％Cr−10重量％Ｖ−90重量％Cuの真空溶解
材の金属組織写真（100倍）、第３図及び第４図は焼結
−Cu溶浸方法におけるCu−Cr−Ｖ合金材の金属組織写
真、第５図はプラズマ溶射法を用いた場合のCr−Cu−Ｖ
合金の金属組織写真、第６図は比較材として用いたCu−
60重量％Cr電極材の金属組織写真、第７図はＶ添加量と
遮断性能の関係図、第８図はＶ添加量と耐電圧性能の関
係図、第９図はＶ添加量と裁断性能の関係図、第10図は
Ｖ及びCuを一定とした場合のCr添加量と耐電圧の関係図
を示す。 １……絶縁ケース、４……固定電極、５……可動電極、
６……シールド。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Cu:40〜80重量％、Cr:10〜50重量％、V:0.
   5〜40重量％及び不可避的不純物より成ることを特徴と
   する真空遮断器用電極。
2. 【請求項２】請求項１において、前記Cu,Cr及びＶは単
   体金属及び／又はこれらの合金として存在していること
   を特徴とする真空遮断器用電極。
3. 【請求項３】Cu:40〜80重量％、Cr:10〜50重量％、V:0.
   5〜40重量％及び不可避的不純物より成り、ＶはCuマト
   リックス中に固溶限以上に添加され、該Cuマトリックス
   中にＶ単体、Cr−Ｖ合金又はCu−Cr−Ｖ合金として晶出
   していることを特徴とする真空遮断器用電極。
4. 【請求項４】請求項３において、CrがCuマトリックス中
   に固溶限以上に添加され、該Cuマトリックス中にCr単体
   として晶出している真空遮断器用電極。
5. 【請求項５】請求項３において、マトリックス中にCr及
   びＶが晶出した組織を有することを特徴とする真空遮断
   器用電極。
6. 【請求項６】請求項１〜５のいずれかにおいて、Bi,Pb,
   Te,Sb,Tl,Se,Ce,Ca及びAgの低融点金属が少なくとも一
   種が15重量％以下含有されている真空遮断器用電極。
7. 【請求項７】固定電極と、この固定電極に接離自在に設
   けられた可動電極と、前記両電極を真空下で内包する絶
   縁ケースと、を備えた真空遮断器において、固定電極及
   び可動電極はCu:40〜80重量％、Cr:10〜50重量％、V:0.
   5〜40重量％及び不可避的不純物より成る電極で形成さ
   れていることを特徴とする真空遮断器。