JP5614721B2 - 真空遮断器用電極 - Google Patents

Description

本発明は真空遮断器用電極に係り、特に遮断性能やコンデンサ開閉特性を向上できる真空遮断器用電極に関する。

変電設備や配電設備等には、小型な構造で高電圧大電流の遮断を行うことのできる真空遮断器が使用されている。この種の真空遮断器は、真空状態を維持可能なセラミック製の円筒状の絶縁容器内に、固定側及び可動側の両電極を、同軸上に対向させて配置することによりバルブ本体を構成し、バルブ本体の近傍に設ける操作器によって、可動側の電極を開方向に移動させ、電流を遮断している。

近年の真空遮断器では、例えば特許文献１及び特許文献２等に記載されているように、固定側及び可動側の各電極はアーク発生時に縦磁界が生ずる構造である。そして、可動側の電極が移動する開極時に、両電極は離れて予め定めた間隙を維持し、開極した電極間に生ずるアークを、縦磁界により拡散させて大電流の遮断を可能にしている。

通常、図７に示す如く固定側や可動側の縦磁界形の電極１０は、導電棒１１の端部にカップ形接触材１２を固定し、カップ形接触材１２の端面にアーク発生部となる接触板１４を固着している。この縦磁界形の電極１０のカップ形接触材１２は、反導電棒１１側となる一端の外周面部分に軸線に対して傾斜させた複数のスリット１３を形成して電流の流れる複数の通路、所謂コイル部を有する構造としている。

このスリット１３を形成したカップ形接触材１２の使用により、縦磁界形の電極１０の可動側が開方向に移動したとき、コイル部に流れる電流で縦磁界を発生させ、この縦磁界を活用して接触板１４部分に点弧したアークを拡散させて電流を遮断する。

上記した縦磁界形の電極１０では、遮断時に生ずるアークで接触板１４の接触側面が高温になるため、接触板１４には従来から高温で溶融し難い耐アーク性が良く、かつ固定側及び可動側の両電極の接触時に良好な通電性能を確保できる導電率が高い材料が使用されている。この接触板１４の材料には、例えば銅（Ｃｕ）−クロム（Ｃｒ）焼結合金や、Ｃｕ−Ｃｒの主成分にモリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）やタンタル（Ｔａ）等の耐熱元素の粉末を添加した焼結合金を用いている。

ところが、電極１０の接触板１４にＣｕ−Ｃｒ合金材を用いるときには、高融点材であるＣｒ等の含有量を増加する必要があるが、Ｃｕ分の含有量の低下によって導電率が下がり、接触抵抗の増加や遮断性能の低下が懸念される。

このため、本発明者等は特願２０１０−１４３２４３号で、Ｍｏ粉とテルミットＣｒ粉を用いて焼結により微細なＣｒＭｏ合金組織にし、この組織と濡れ性が非常に良いＣｕを隙間に溶浸させて形成する材料を提案している。この材料を使用した真空遮断器用電極は、遮断性能の低下がなく、しかも接触抵抗の上昇を抑制することができる。

特開２００３−９２０５０号公報 特開２０１０−１１３８２１号公報

真空遮断器の電流遮断時において、電極部分での衝撃電圧（以下、「ＩＭＰ」と略称する。）特性をより詳しく検討してみると、次のような現象が判明している。即ち、電流遮断の際に可動側の電極が軸方向に移動して開離することで、固定側及び可動側の両電極間は離れて予め定めた間隙を維持する構造になっている。

電極の接触板部分におけるＩＭＰ特性を検討してみると、アーク発生時の接触板の外周部付近は、電界強度が高くなって電界集中を引き起してＩＭＰ耐電圧絶縁破壊が発生し易くなる。このため、縦磁界形の電極を使用する真空遮断器では、電極の接触板部分におけるＩＭＰ耐電圧の向上、及びより一層の遮断性能やコンデンサ開閉性能を向上することが望まれている。

ＣｒＭｏ合金組織中にＣｕを溶浸させた材料で接触板を形成し、Ｍｏ配合量を多くすると、電界による電子放出が増え、ＩＭＰによる放電が電界の高い部分でおこってしまい、ＩＭＰに対する耐電圧が低下する欠点が生じてくる。また、縦磁界形の電極の接触板を、高融点材のＣｒ等の含有量を増加させたＩＭＰ特性の良好なＣｕ−Ｃｒ合金材のみで形成すると、遮断性能が低下する。

本発明の目的は、電流遮断性能やコンデンサ開閉性能も向上できる真空遮断器用電極を提供することにある。

本発明の真空遮断器用電極は、導電棒の端部に固定するカップ形接触材と、前記カップ形接触材の端面に固着されてアーク発生部となる接触板とにより構成され、かつ前記カップ形接触材の一端の外周面部分に、軸線に対して傾斜させた複数のスリットを設けた縦磁界形とする際に、前記接触板は、高電流遮断性能材料製の中央部材と、前記中央部材と相性が良くかつ高遮断性能である高耐電圧材料製であって前記中央部材の外側に配置して固着する外周部材とを用いて一体に構成したことを特徴としている。

好ましくは、前記中央部材は混合量がＭｏ＞ＣｒのＣｕ−Ｃｒ−Ｍｏ材で形成し、前記外周部材はＣｕ−Ｃｒ材で形成したことを特徴とし、また好ましくは、前記外周部材は焼結合金にて環状に形成し、前記中央部材は焼結合金にて円板状に形成したことを特徴としている。

更に好ましくは、前記中央部材は前記カップ形接触材側に円形銅板を固着したことを特徴とし、また前記外周部材は高耐電圧材料にて凹円板形に形成し、前記外周部材の凹部に高電流遮断性能材料製の前記中央部材を配置したことを特徴としている。

本発明の如く真空遮断器用電極を構成すれば、接触板は電極中央部に高電流遮断性能材料製の中央部材を用いて形成しているので、電流遮断性能やコンデンサ開閉性能も向上できるし、また接触板は電極外周部に高耐電圧材料製の外周部材を用いて形成しているので、ＩＭＰに対して従来のものよりも一層耐電圧を向上させることができる。更に、接触板を構成する外周部材及び中央部材の双方を、焼結合金を用いて形成すれば、容易に製作できて縦磁界形の電極を経済的に製作することがことができる。

本発明の一実施例である真空遮断器用電極を示す概略縦断面図である。 本発明の他の実施例である真空遮断器用電極を示す概略縦断面図である。 本発明の別の実施例である真空遮断器用電極を示す概略縦断面図である。 電極間の間隔が１２ｍｍのときのＣｕ−Ｃｒ材及びＣｕ−Ｃｒ−Ｍｏ材の衝撃電圧特性図である。 電極間の間隔が２０ｍｍのときのＣｕ−Ｃｒ材及びＣｕ−Ｃｒ−Ｍｏ材の衝撃電圧特性図である。 従来の真空遮断器用電極を示す側面図である。電極間の間隔を１２ｍｍのときのＣｕ−Ｃｒ材及びＣｕ−Ｃｒ−Ｍｏ材の衝撃電圧特性図である。

本発明の真空遮断器用電極は、一端の外周面部分に軸線に対して傾斜させた複数のスリットを形成したカップ形接触材と、前記カップ形接触材の端面に固着されてアーク発生部となる接触板とからなる縦磁界形の構造である。そして、接触板は、外周部に配置する高耐電圧材料製の外周部材と、この外周部材の内側に配置して固着する高電流遮断性能材料製の中央部材とを用いて一体にしている。
以下、本発明の真空遮断器用電極の各実施例を、従来と同一部分を同符号で示した図１から図６を用いて順に説明する。

図１に示す本発明の真空遮断器用電極は、固定側や可動側に縦磁界形の電極１０を用いている。電極１０は、導電棒１１の端部にカップ形接触材１２を固定しており、カップ形接触材１２の反導電棒１１側となる外周面部分に軸線に対して傾斜させた複数のスリット１３を形成して電流通路のコイル部を設けた従来と同様の構造である。

カップ形接触材１２のスリット１３を形成した端面部分に、接触板１４を固着しており、接触板１４面は他方側の電極の接触板と接触して電流を流すると共に、両電極が開極する電流遮断時にアーク発生部ともなる。

この接触板１４は、本発明により外周部分に配置される環状の外周部材２１と、中央部分に配置される円板形の中央部材２２の二つを組み合わせて一体に構成している。しかも、外周部材２１と中央部材２２の双方は、異なる特性を有する材料で作製している。即ち、外周部材２１はＩＭＰに対して耐電圧特性の良好な高耐電圧材料を用いて作製し、また中央部材２２は高電流遮断性能材料を用いて作製する。

外周部材２１を作製する高耐電圧材料としては、Ｃｒを４０重量％以上で６０重量％以下の範囲を含み、しかもＣｒ粒子を微細分散組織にした耐熱材であるＣｕ−Ｃｒ材等が用いられる。その上、接触板１４でＩＭＰによる放電は、電界の高い外周部で発生するし、また電界の集中部分は接触板１４の直径寸法の８０％以上が目安となるから、これを考慮して外周部材２１を作製する。

また、中央部材２２を作製する高電流遮断性能材料には、例えば特願２０１０−１４３２４３号で提案した微細なＣｒＭｏ焼結合金組織にＣｕを溶浸させたＣｕ−Ｃｒ−Ｍｏ材等を使用する。このＣｕ−Ｃｒ−Ｍｏ材は、粉の混合比率Ｍｏ：Ｃｒ＝１：１から９：１で、混合量をＭｏ≧Ｃｒにして混合して諸製造工程により製造した焼結合金組織であって、粒径２０から１００μｍのＣｕ３０〜５０ｗｔ％と、粒径１〜５μｍのＣｒＭｏ微細組織が５０〜７０ｗｔ％（Ｍｏ＞Ｃｒ）であり、高電流遮断性能を有している。縦磁界形の電極１０は、通常接触板１４の直径寸法の８０％程度の範囲で、アークを分散させて消弧させるようにしているため、中央部材２２は接触板１４の直径寸法の７０〜８０％にして作製する。

なお、高電流遮断性能材料のＣｕ−Ｃｒ−Ｍｏ材には、これと相性が良くて耐電圧特性も良いステンレス鋼材（ＳＵＳ）や、Ｃｕ−Ｃｒ−低含有量Ｍｏを用いることができ、これらの材料で中央部材２２と外周部材２１をそれぞれ作製して組み合わせ、接触板１４を一体に構成すれば、望ましい特性にすることができる。また、中央部材２２と外周部材２１にそれぞれ用いるＣｕ−Ｃｒ−Ｍｏ材とＣｕ−Ｃｒ材の各性能でみると、遮断性能及びコンデンサ開閉性能でＣｕ−Ｃｒ−Ｍｏ材＞Ｃｕ−Ｃｒ材、ＩＭＰ耐電圧性能でＣｕ−Ｃｒ−Ｍｏ材＜Ｃｕ−Ｃｒ材である。

上記した外周部材２１を作製する高耐電圧材料のＣｕ−Ｃｒ材及び中央部材２２を作製する高電流遮断性能材料のＣｕ−Ｃｒ−Ｍｏ材の使用は、図５及び図６に示すＩＭＰ試験した結果に基づいて、各材料を用いている。

つまり、図５のギャップ１２ｍｍでＩＭＰ試験及び図６のギャップ２０ｍｍでＩＭＰ試験のいずれでも、白丸で示すＣｕ−Ｃｒ材は、ギャップ寸法が異なっても、著しく試験電圧を上げて印加回数を増加させるまでは閃絡せず、十分な耐電圧性能を有している。これに対して、黒丸で示すＣｕ−Ｃｒ−Ｍｏ材は、Ｃｕ−Ｃｒ材よりも遥かに低い試験電圧で印加回数も少ない段階で閃絡して耐電圧は低くなる。このことから、接触板１４の耐電圧を上げる必要のある部分に高耐電圧のＣｕ−Ｃｒ材を使用したものである。

接触板１４を製作する場合には、例えば焼結合金により環状に形成した外周部材２１と、同様に焼結合金により円板形に形成した中央部材２２の双方を組み合わせ、銀蝋付けにより一体に構成、或いは金型を用いてこの外円周部にＣｕ−Ｃｒ粉を入れ、中央部にＣｕ−Ｃｒ−Ｍｏ粉を入れ、プレス成形後に焼結して一体にすることで作製する。

縦磁界形の電極１０の場合、アーク発生時の接触板１４の外周面付近、特に接触板外径寸法の８０％以上の箇所で、上述したように電界強度が高くなって電界集中を引き起し、放電でアークの再点弧が生じ易くなるから、図１では外周部材２１の外側面を大きく面取りするように斜めに切り落とし、この部分での電界集中を緩和している。

上記したように構成した縦磁界形の電極１０を使用すれば、接触板１４の中央部分を高電流遮断性能材料製の中央部材を用いたので、遮断性能及びコンデンサ開閉性能が向上できるし、また電界強度が高くなる外周部分に中央部材と相性が良く、かつ高遮断性能である高耐電圧材料製の外周部材を用いたので、より一層耐電圧を向上させることができる。

次に、本発明の他の例である真空遮断器用電極の実施例について、図２を用いて説明する。この縦磁界形の電極１０は、図１の例と同様に環状の外周部材２１と中央部材２２により接触板１４を一体に構成するものであるが、高電流遮断性能材料焼結合金を用いて作製する中央部材２２の厚さを変えている。

この図２では、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｍｏ材の如き焼結合金で高電流遮断性能材料製の中央部材２２の厚さを薄くし、その厚さ分の円形の銅板２３を用いている。中央部材２２に用いるＣｕ−Ｃｒ−Ｍｏ材は、導電抵抗が高いため薄く形成することが望ましく、電極の消耗を考慮すると厚さ１〜２ｍｍ程度にして使用することが実用的である。円形の銅板２３上に、焼結合金にて環状に形成した中央部材２２を配置して固着し、銅板２３側の面をカップ形接触材と固着したものであり、他の点は図１の構造と同様にしている。

このように構成すれば、上記した例と同様な効果を達成できるし、高価な焼結合金にて形成した中央部材２２を薄くできるため、経済的に電極１０を製作することができる利点がある。しかも、円形の銅板２３を組み合わせて用いているので、電極１０の通電性能が良好となる。

本発明の別の例である真空遮断器用電極の実施例を、図３を用いて説明する。この例では、縦磁界形の電極１０の接触板１４は、外周部材２１を高耐電圧材料にて凹円板形に形成し、この外周部材２１の円形の凹部に、高電流遮断性能材料の焼結合金を用いて作製する中央部材２２を配置し、一体に構成したものである。

焼結合金で外周部材２１と中央部材２２を形成して接触板１４を構成する場合、この双方を別々に作製して組み合わせて固着して製作することができる。また、金型内に高耐電圧材料の焼結合金粉を入れて凹円板形にプレス成形後、形成された凹部に高電流遮断性能材料の焼結合金分を配置して再度プレス成形した後、焼結を行って一体に製作することもできる。

この図３のように構成した電極１０であっても、上記した例と同様な効果を達成できる上、中央部材２２と中央部材２１の双方とも、焼結合金を用いて作製すれば、容易に接触板１４を製作することができる利点がある。

１０…電極、１１…導電棒、１２…カップ形接触材、１３…スリット、１４…接触板、２１…外周部材、２２…中央部材、２３…銅板。

Claims (5)

1. 導電棒の端部に固定するカップ形接触材と、前記カップ形接触材の端面に固着されてアーク発生部となる接触板とにより構成され、かつ前記カップ形接触材の一端の外周面部分に、軸線に対して傾斜させた複数のスリットを設けた縦磁界形の真空遮断器用電極において、前記接触板は、高電流遮断性能材料製の中央部材と、前記中央部材と相性が良くかつ高遮断性能である高耐電圧材料製であって前記中央部材の外側に配置して固着する外周部材とを用いて一体に構成したことを特徴とする真空遮断器用電極。
2. 請求項１において、前記中央部材は混合量がＭｏ＞ＣｒのＣｕ−Ｃｒ−Ｍｏ材で形成し、前記外周部材はＣｕ−Ｃｒ材で形成したことを特徴とする真空遮断器用電極。
3. 請求項１において、前記外周部材は焼結合金にて環状に形成し、前記中央部材は焼結合金にて円板状に形成したことを特徴とする真空遮断器用電極。
4. 請求項３において、前記中央部材は前記カップ形接触材側に円形銅板を固着したことを特徴とする真空遮断器用電極。
5. 請求項１において、前記外周部材は高耐電圧材料にて凹円板形に形成し、前記外周部材の凹部に良好な通電性能で高電流遮断性能材料製の前記中央部材を配置したことを特徴とする真空遮断器用電極。

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