説明

電気接点

【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。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
【特許文献1】特開平9−171746号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
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。
【0006】
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。
【課題を解決するための手段】
【0007】
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。
【0008】
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。
【0009】
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。
【発明の効果】
【0010】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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,Cr32,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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【実施例1】
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
炭化物がSiC以外のTiC,WC,Cr32,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。
【0042】
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2】
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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3】
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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4】
【0053】
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。
【0054】
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。
【0055】
【表1】

【0056】
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。
【0057】
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。
【0058】
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。
【0059】
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。
【0060】
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。
【0061】
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。
【0062】
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。
【0063】
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,Cr32,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5】
【0064】
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。
【0065】
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。
【0066】
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。
【0067】
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。
【0068】
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。
【0069】
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。
【0070】
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。
【0071】
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。
【図面の簡単な説明】
【0072】
【図1】本発明の第1実施例に係わる電極の構造を表す図。
【図2】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。
【図3】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。
【図4】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】
【0073】
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。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
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。
【請求項2】
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。
【請求項3】
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。
【請求項4】
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。
【請求項5】
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。
【請求項6】
前記炭化物は、SiC,TiC,WC,Cr32,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。
【請求項7】
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。
【請求項8】
前記炭化物は、SiC,TiC,WC,Cr32,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。
【請求項9】
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。
【請求項10】
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。
【請求項11】
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。
【請求項12】
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。
【請求項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。
【請求項14】
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。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2007−59107(P2007−59107A)
【公開日】平成19年3月8日(2007.3.8)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−240546(P2005−240546)
【出願日】平成17年8月23日(2005.8.23)
【出願人】(000005108)株式会社日立製作所 (27,607)
【Fターム(参考)】