JPH0551130B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は、遮断器用電極に係り、特に大容量電
力用高耐電圧性を要する電極に好適な真空遮断器
用電極に関する。 〔従来の技術〕 真空遮断器は、10^-7torr程度の高真空を維持し
た容器（真空バルブ）内で接点電極の取り付けら
れた両接触子の開閉を行うものである。 高真空中の絶縁耐力は非常に高いので、開閉ス
トローク、すなわちギヤツプは他の型の遮断器に
比べ、極端に短かいのが特徴である。 真空遮断器の電極材料として具備すべき主要な
電気的性能は、(イ)耐電圧性が高いこと、(ロ)耐溶着
性が高いこと、(ハ)電流遮断性能が高いこと、(ニ)接
触抵抗が小さいこと、等である。 従来、それぞれの特性のより優れた電気材料を
追求して、研究が続けられてきた。 真空遮断器用電極材料としては、従来は溶解法
によつて作られるCuベースの合金、あるいは特
開昭54−73284号公報のような粉末冶金的に作ら
れるWC−Ag系や、特公昭45−35101号公報に開
示されているようなCr−Cu系溶浸合金が一般的
である。特に、後者のCr−Cu系溶浸合金は、低
融点金属を含まなくとも耐溶着性が優れることか
ら、現在では大容量用真空遮断器の電極に多く用
いられつつある。すなわち、上記のごとく、従来
材料においてはいずれのものも銅、もしくは銀を
含んだものであることがわかる。 従来から、多くの種類の電気接点材料には通電
性をよくするために銅や銀が含有され、同様に真
空遮断器電極も同じ思想で材料開発がなされてき
た。しかし、受変電設備が大容量化、あるいは高
耐電圧化の方向にある最近では、電極接点部にか
かる各種電気的能力に関してより性能改善が望ま
れている。とりわけ、耐電圧性の改良は、高耐電
圧真空遮断器を開発するうえでとりわけ重要であ
る。なお、耐電圧性が向上すれば、電極間隙を挟
ばめることができ、操作系統の一層の小型化も図
れる。 そこで、従来から銅や銀に各種高耐電圧元素
（例えば、コバルト、クロム、ジルコニウムなど）
を添加したものや、クロムをマトリクスとし銅を
溶浸させたような各種電極接点材料が開発されて
きた。 真空遮断器が米国GE社の研究により開発され
て以来約60年経過するが、その間、各種の接点材
料が見い出され、実用化もされてきたが、ほとん
どの材料、特に実用化に至つたものにおいては、
銅もしくは銀をベースとした材料であつた。この
ため、耐電圧性能に限界があつた。すなわち、銅
や銀は、もともと耐電圧性は高くない元素であ
り、これがマトリツクスであるということは、究
極的に性能は上がらないということである。これ
を改良すべく、クロム焼結マトリツクスを用いた
Cr−（10〜30）重量％Cu溶浸材料（特公昭45−
35101号公報）などは、中でも優れた材料という
ことができた。 〔発明が解決しようとする問題点〕 しかしながら、真空遮断器の大容量化あるいは
高耐電圧化のためには、現在の銅や銀を含む電極
材料では、耐電圧性を現状以上に向上させること
は困難であるという問題があつた。 本発明の目的は、遮断性能、耐溶着性、接触抵
抗を従来並みに維持したままで、優れた耐電圧性
を有する真空遮断器用電極を提供することにあ
る。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明の目的は、真空中で対向して設けられた
一対の電極の間隙を開閉させることにより前記電
極間の電流の遮断および通電を行う真空遮断器用
電極において、鉄、ニツケル、コバルトおよびク
ロムのうち少なくとも１種の金属とアルミニウム
との化合物からなるマトリツクス中に、クロム、
ジルコニウム、チタン、ニオブ、マンガン、モリ
ブデン、タンタルおよびシリコンのうち少なくと
も１種の金属からなる耐熱性金属粒子を均一に分
散して析出させた電極材料からなることを特徴と
する真空遮断器用電極を提供することにより達成
される。 〔作用〕 鉄、ニツケル、コバルトおよびクロムの少なく
とも１種の金属とアルミニウムとの化合物は、融
点が高く、導電性が良好であることのほかに、高
温で熱電子を放出しにくく、また蒸気圧が高くな
いので、放電を起こしにくい。 また、この化合物は、非常に硬い物質であつ
て、この化合物のみでは電接部の接触面積が大き
くならないが、前記化合物のマトリツクス全域に
均一に分散して析出させたクロム、ジルコニウ
ム、チタン、ニオブ、マンガン、モリブデン、タ
ンタルおよびシリコンのうち少なくとも１種の金
属からなる耐熱性金属粒子は、脆弱な物質粒子な
ので、真空遮断器電極の閉極時の衝撃力によつて
押しつぶされ、あるいは壁壊し、電接部分の間隙
を平均的に埋めつくし、接触面積を広げる。 また、上記耐熱性金属粒子は、脆弱な物質粒子
であることから、遮断時に電接部分がはがれやす
い。 〔実施例〕 上記目的に対し、本発明者らは、銅に代替でき
しかも高耐電圧、高融点系の物質を探索してみ
た。高耐電圧用元素としては、クロムの他に鉄族
元素（鉄、ニツケル、コバルト）が代表的であ
る。一般に、融点が高く、材質的に硬さの大なる
ものが高耐電圧性を有する。しかし、モリブデ
ン、タングステン、タンタルなどは、それ自身が
高温で熱電子放射率が高く、いわばフイラメント
材のようなもので、真空遮断器用電極としては絶
縁回復特性が悪く、大容量できないという難点が
ある。この例として、Cu−ＷやAg−ＷやAg−
WC系接点が知られるが、いずれも高耐電圧用あ
るいは大容量用としてはあまり用いられていな
い。 以上のような理由に対し、本発明者らは、高耐
電圧物質として、クロムの他に鉄族元素の金属間
化合物を取り上げてみた。本発明では、特によく
知られている高融点化合物の中から、NiAlや
Ni₃Alを第１例にして、高耐電圧接点材料への適
用を検討してみた。 すなわち、銅の代替としてNi₃Alなどを適用
し、例えばNi₃Al−Cr系の新規な電極材料を取り
上げてみた。 鉄、ニツケル、コバルトおよびクロムの少なく
とも１種の金属とアルミニウムとの化合物は、単
に融点が高いというだけでなく、化合物自体が導
電性が良好である。すなわち、電極としては高耐
電圧性の他に通電能力がなければならない。例え
ば、NiAl化合物においては、これ自体で約８〜
10IACS％の導電率を有するものである。本発明
者らの経験では、この程度の導電性があれば電極
接点として用いることが可能なことがわかつてい
る。例えば、特願昭57−47423号公報に開示した
ようなCo−Ag−Se系材料においても７〜
10IACS％であるが、その材料が汎用（7.2kV級）
真空遮断器として十分使いうることを確認してい
るからである。 以上がNiAl系などの金属間化合物が電極材料
として用いることができることの説明であるが、
真空遮断器用電極とするには、他に重要な諸性質
を満足させなければならない。中でも、耐溶着性
と接触抵抗の問題である。すなわち、NiAl化合
物が1638℃という高い融点を有するにしても、真
空遮断器用電極として用いた場合、遮断時に発生
するアークにより、短時間ではあるが約2000〜
2500℃にも達し、電接部分の溶着を皆無にするこ
とはできない。そこで、本発明ではNiAlなどの
マトリツクス全域に、クロム、チタン、ジルコニ
ウムなどの脆弱な物質粒子を分散配置しようとい
うものである。この構成は、前述した特公昭45−
35101号公報のCr−Cu系材料のクロムの役割と同
じと考えてよい。 クロムの役割は、溶着性の改善のみならず、接
触抵抗の低減化にも効いている。なぜならば、
NiAlやNi₃Al化合物は、前記したように非常に
硬い物質であることから、接触抵抗が大きいとい
う問題がみられた。しかし、このマトリツクス中
にクロムが均一に分散していると、このクロム粒
子が電接部において、緩衝材的な効果を発揮す
る。すなわち、硬い化合物マトリツクス中に分散
されているクロムなどの耐熱性粒子は、真空遮断
器用電極の閉極時の衝撃力によつて押しつぶさ
れ、あるいは壁壊し、電接部分の間隙を平均的に
埋めつくしてくれるため、接触面積を広げ、この
結果、接触抵抗を下げるという効果をもつようで
ある。 以上述べたように、耐電圧の高い化合物マトリ
ツクスに耐溶着性および接触抵抗低減能力を持た
せたクロムなどの耐熱性金属を分散させた材料
は、従来の銅、銀を含んだものに比べて優れた高
耐電圧性を有することがわかり、しかも他の真空
遮断器用電極としての諸性質も満足することがわ
かつた。 なお、Ni₃AlやNiAl化合物と似たような特性
を示すものとして、CrAl、CoAl、TiAl、FeAl、
VAl₃、Mo₃Alなども取り上げることができ、さ
らに耐熱性の分散粒子もクロムの他にニオブ、チ
タン、ジルコニウム、マンガン、モリブデン、タ
ンタル、シリコンなどを適用することが可能であ
る。 以下に、本発明の実施例の詳細について第１図
〜第７図により説明する。 第１実施例 Ni₃Al−Cr系の材料の場合は、基本的には真空
溶解法が適用できる。すなわち、NiとAlが化合
物組成となるように配合し、Crを所定量添加す
ればよい。NiとAlの方が親和力が大きいため、
通常の鋳込操作を行つた場合、Crを均一に分散
させるためには、1000〜1200℃高温で均質化焼鈍
を加える必要がある。 上記のごとく、真空溶解法によりNi₃Al−Cr系
材料を金型鋳造し、真空中で均質化焼鈍を行つた
のち、それらの合金から直径20mm、厚さ10mmの電
極を２こずつ採取した。 上記材料を、第３図に示すような真空バルブに
組み込み、各種遮断特性を調べた。第２図に示す
真空バルブは、組立式排気セツト型の真空バルブ
試験機で、絶縁筒１の両端に端子板２，３を取り
付けて気密構造を形成し、排気管１０から排気し
て高真空とするもので、その両端子板２，３を貫
通して両電極ホルド４，５が取り付けられ、一方
の電極のホルダ４は、軸方向に摺動可能であり、
両電極ホルダの先端部には、補助電極材６，７が
設けられ、それぞれの補助電極材６，７には接点
電極８，９が固定され、その電極として上記の試
験材料を取り付けて開閉することにより、試験を
行う装置である。電気的性能試験としては、耐電
圧性試験、電流遮断性能試験、耐溶着性試験を行
つた。 耐電圧性試験は、交流電流300Aを10回遮断す
ることによつて接点電極表面をクリーニング後、
インパルス電圧を5kVステツプで印加し、放電す
る電圧を測定した。このときの接点電極間隙を
2.5mmとした。 電流遮断性能試験は、直径20mmの接点電極を用
い、遮断できる電流容量を調べるもので、0.5kV
ステツプで印加し、開極後１サイクル以内で電流
が零になる最大電流値である遮断限界電流値を求
めた。 耐溶着性試験は、接点電極に溶着を生じ開極不
能となつたものについてのみ、上記排気セツトよ
り取り外し、引張試験機により溶着力を測定し
た。 本発明のNi₃Al−Cr系材料のCr添加量と耐電圧
性および遮断性能との相関性に関する試験結果を
第１図および第２図に示す。 第１図では、Ni₃AlへのCrの添加量を増やすほ
ど耐電圧値が大幅に上昇し、Cr量が５％以上で
効果が現われ、30％でほぼ最大値に達し、それ以
上Crを添加しても耐電圧値は飽和して上昇幅は
小さくなるが、約60％までは高い耐電圧値を示
す。 第２図では、Ni₃AlへのCrの添加量を約60％ま
で増やすほど電流遮断性能は上昇するが、その上
昇幅は小さい。 本発明材と比較材について、その電気的性能試
験を行つた結果を、第１表に示す。

〔発明の効果〕

本発明の構成によれば、鉄、ニツケル、コバル
トおよびクロムの少なくとも１種の金属とアルミ
ニウムとの化合物は、融点が高く導電性が良好で
あることの他に、高温で熱電子を放出しにくく、
また蒸気圧が高くないので、放電を起こしにく
い。そのため、耐電圧性が向上する。 前記化合物のマトリツクス全域に、均一に分散
して析出した金属粒子は、脆弱な物質粒子なの
で、真空遮断器用電極の閉極時の衝撃力によつて
押しつぶされ、接触面積を広げるので接触抵抗が
増大せず、また上記耐熱性金属粒子は、脆弱な物
質粒子であることから、電流遮断時に電接部分が
はがれやすいので、遮断性能および耐溶着性が十
分確保できる。 本発明による電極を用いることによつて、真空
遮断器のより高耐電圧化が実現でき、また従来タ
イプの真空遮断器に適用する場合は、電極ギヤツ
プをさらにつめることが可能となり、超小型化も
達成される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるNi₃Alへのクロム添加量
と耐電圧値の相関性についての試験結果を示す図
であり、第２図は本発明材によるNi₃Alへのクロ
ム添加量と電流遮断性能との相関性についての試
験結果を示す図であり、第３図は本発明材料を接
点電極として組み込むための真空バルブ試験機の
概略構造を示す断面図であり、第４図ａおよび第
４図ｂはそれぞれ本発明によるNi₃Al−10Crおよ
びNi₃Al−30Crの金属組織を示す写真であり、第
５図ａおよび第５図ｂはそれぞれ本発明による
Ni₃Al−10ZrおよびNi₃Al−30Zrのの金属組織を
示す写真であり、第６図ａおよび第６図ｂはそれ
ぞれ本発明によるNi₃Al−10TiおよびNi₃Al−
30Tiの金属組織を示す写真であり、第７図ａお
よび第７図ｂはそれぞれ本発明によるNi₃Al−
10NbおよびNi₃Al−30Nbの金属組織を示す写真
である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 真空中で対向して設けられた一対の電極の間
   隙を開閉させることにより前記電極間の電流の遮
   断および通電を行う真空遮断器用電極において、 鉄、ニツケル、コバルトおよびクロムのうち少
   なくとも１種の金属とアルミニウムとの化合物か
   らなるマトリツクス中に、 クロム、ジルコニウム、チタン、ニオブ、マン
   ガン、モリブデン、タンタルおよびシリコンのう
   ち少なくとも１種の金属からなる耐熱性金属粒子
   を均一に分散して析出させた電極材料からなるこ
   とを特徴とする真空遮断器用電極。 ２ 前記耐熱性金属が前記マトリツクス中に５〜
   60重量％含まれることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載の真空遮断器用電極。 ３ 前記耐熱性金属がクロムであることを特徴と
   する特許請求の範囲第２項に記載の真空遮断器用
   電極。 ４ 前記化合物がNiAlおよびNi₃Alのいずれか
   からなることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   または第２項に記載の真空遮断器用電極。