JPH1031942A - 真空遮断器用接点材料およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】真空遮断器の接点として使用した場合に再点弧
発生頻度を低減でき、遮断特性を大幅に改善でき、遮断
性能が安定した真空遮断器を量産することが可能な真空
遮断器用接点材料およびその製造方法を提供する。 【解決手段】耐弧成分としてのクロム相と高導電成分と
しての銅相とから成る真空遮断器用接点材料であり、上
記クロム相中の酸素含有量が２００〜１０００ｐｐｍで
あることを特徴とする。またクロム相に含有される酸素
成分が酸化クロムとして存在することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は真空遮断器用接点材
料およびその製造方法に係り、特に真空遮断器の接点
（接触子）として使用した場合に再点弧発生頻度を低減
でき遮断特性を大幅に改善することが可能な真空遮断器
用接点材料およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】遮断器は平常状態の電路を開閉したり、
接地事故や短絡事故などの異常時に，故障状態を検知す
る過電流継電器などと組み合わされて、自動的に瞬時に
電路を遮断するために、電力設備，変電所内機器，高速
鉄道車輌等に広く使用されている。特に真空遮断器は、
１０^-4Ｐａ程度の高真空に維持した容器（真空バルブ）
内に対向配置した１対の接点部材を開閉することによ
り、電路の開閉を行うものである。

【０００３】図１は一般的な真空遮断器の構造例を示す
断面図である。図１において接点の開閉動作が行われる
遮断室１は、絶縁材料から成り略円筒状に形成された絶
縁容器２と，この絶縁容器２の上下端に封止金属３ａ，
３ｂを介して設けた金属製の蓋体４ａ，４ｂとによって
区画形成され真空気密に構成されている。遮断室１内に
は軸方向に対向するように１対の導電棒５，６が配置さ
れ、その各導電棒５，６の対向する端部に、一対の電極
７，８が取付けられている。図においては上部側の電極
７を固定電極とする一方、下部側の電極８を可動電極と
している。また可動電極８の導電棒６には、伸縮自在の
ベローズ９が装着されており、遮断室１内を真空気密に
保持した状態で、可動電極８の軸方向における往復動を
可能にしている。このベローズ９の上部には金属製のア
ークシールド１０が設けられており、このアークシール
ド１０によってベローズ９がアーク蒸気によって覆われ
ることを防止している。

【０００４】また遮断室１内には、対向する一対の電極
７，８を覆うように金属製のアークシールド１１が配設
されており、このアークシールド１１によって絶縁容器
２がアーク蒸気によって覆われることが防止される。

【０００５】また図２に拡大して示すように、電極８は
導電棒６の端部に形成されるろう付け部１２に加熱接合
により固定されるか、または、かしめ加工によって圧着
接続される。接点部材１３ａは電極８の端面中央部にろ
う材１４を介して一体に固着されている。なお、図２に
示す固定側接点部材１３ｂも同様に、固定電極７の端面
にろう材を介して一体に接合されている。

【０００６】上記構成の真空遮断器によれば、１０^-7To
rr程度の高真空雰囲気において接点の開閉を行い負荷電
流を遮断するものであり、高真空中における高い絶縁耐
力を利用できるため、対向する接点部材の開閉ストロー
クを短くできる特徴を有している。また真空遮断器は油
入遮断器，磁気遮断器，空気・ガス遮断器などの他の遮
断器と比較して、小型軽量化が可能であり、メンテナン
スフリーであること、環境との調和性が良いなどの優れ
た特徴を有しているため、近年、その適応範囲の拡大が
期待される傾向にある。

【０００７】上記真空遮断器に組み込まれる接点部材と
しては、高頻度にわたる接点の開閉時に発生するアーク
によって溶着しないように耐アーク性（耐弧性），耐電
圧性や耐溶着性が必須の要求特性となる一方、低接触抵
抗性を維持するために高い導電特性を有することが必須
の要件とされる。この耐弧性と高導電性とを共に満たす
具体的な接点構成材料としては、例えば、Ａｇ系，Ａｇ
−Ｃｕ系材料，Ａｇ−ＣｄＯ系材料，３０％Ｃｕ−Ｗ系
材料，５０％Ｃｕ−Ｃｒ系材料などが使用されている。
特にＣｕ−Ｗ系接点材料は導電性に優れている一方、Ｃ
ｕ−Ｃｒ系接点材料は耐電圧特性に優れているため、特
に高出力用電気機器の接点材料として普及している。

【０００８】このＣｕ−Ｃｒ系接点材料は、高い導電性
を有する銅（Ｃｕ）と、高融点を有し耐弧性および耐圧
性に優れたクロム（Ｃｒ）とを主体にして構成されてお
り、高耐圧性と大電流遮断性とを両立させた接点材料で
ある。しかしながら、この接点材料を他の適用分野まで
拡大するためには、上記の高遮断性，耐電圧性，耐溶着
性などの特性を、より一層向上させることが必要となっ
ている。

【０００９】従来から接点材料の特性を向上させるひと
つの方法として、接点材料に含有される不純物ガス成分
を可及的に低減することが望ましいと考えられており、
この不純物ガス成分を除去することにより接点材料の高
耐圧化が図られ、再点弧現象を低減できるとされてき
た。すなわち、接点部材には高純度化が要求されてお
り、特にアークの不安定化や遮断性能の劣化の原因とな
る酸素などのガス状不純物成分や、Ｎａ，Ｋ，Ｂａ等の
ように仕事関係が小さく、電子放射によって耐圧性能を
劣化させるような金属不純物の含有量を可及的に低減す
ることが大きな技術的課題になっていた。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ように不純物量を低減した接点材料を含めて現在までに
得られているＣｕ−Ｃｒ系接点材料は、いずれも遮断性
能および再点弧発生頻度において広い分野に適用できる
程に十分な特性が得られていないのが現状である。

【００１１】これらのＣｕ−Ｃｒ系接点材料は、真空遮
断器の接点（接触子）を構成する材料として、今後も使
用の拡大が予想されている。しかも、真空遮断器の小型
化に対する技術的要求も高まり、より一層の再点弧発生
頻度の低減や耐圧性，大電流遮断性および耐溶着性の向
上が求められている。

【００１２】本発明は上記問題点を解決するためにされ
たものであり、真空遮断器の接点として使用した場合
に、再点弧発生頻度を低減し、大電流遮断性，耐圧性お
よび耐溶着性を大幅に改善でき、遮断性能が安定した真
空遮断器を量産することが可能な真空遮断器用接点材料
およびその製造方法を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明者らは、従来ならば接点材料の導電性や遮断
特性を悪化させると考えられていた各種の成分につい
て、その添加量や材料中における存在形態が接点材料の
特性に及ぼす影響について再度研究を行った結果、以下
のような知見を得た。

【００１４】すなわち、銅粉末と所定量の酸素を含有す
るクロム粉末とを使用して接点材料を形成し、含有した
酸素成分を酸化クロム等の化合物として接点材料中に存
在させることにより、接点材料の融点を高めて耐アーク
性を向上させることができ、接点材料としての遮断特性
を大幅に改善できることが判明した。また接点材料の沸
点も高くなるので接点開閉時に発生する金属蒸気量が減
少し、過剰なアークが抑制される。この結果、接点材料
の遮断特性が向上し、接点特性そのものが安定するた
め、再点弧発生頻度を大幅に低減させることが可能とな
るという知見が得られた。本発明は上記知見に基づいて
完成されたものである。

【００１５】すなわち、本発明に係る真空遮断器用接点
材料は、耐弧成分としてのクロム相と高導電成分として
の銅相とから成る真空遮断器用接点材料であり、上記ク
ロム相中の酸素含有量が２００〜１０００ｐｐｍである
ことを特徴とする。またクロム相に含有される酸素成分
が酸化クロムとして存在することを特徴とする。さらに
耐弧成分としてのクロムの含有量が２０〜８０重量％で
あることを特徴とする。

【００１６】また本発明に係る真空遮断器用接点材料の
製造方法は、高導電成分としての銅粉末と酸素を１００
〜２０００ｐｐｍ含有する耐弧成分としてのクロム粉末
とを混合して原料混合体を調製する工程と、この原料混
合体を成形して銅−クロム成形体を形成する工程と、こ
の銅−クロム成形体を加熱焼結して銅−クロム焼結体を
形成する工程とを備えることを特徴とする。また加熱焼
結して形成した銅−クロム焼結体に、さらに銅を溶浸せ
しめて構成してもよい。

【００１７】さらに酸素を１００〜２０００ｐｐｍ含有
する耐弧成分としてのクロム粉末を成形・焼結しクロム
の仮焼体を形成する工程と、得られたクロム仮焼体の空
孔部に高導電成分としての銅を溶浸せしめる工程とを備
える製造方法も採用できる。

【００１８】ここで耐弧成分としてのＣｒは、耐アーク
性および耐溶着性に優れ、接点の長寿命化を図るための
成分であり、原料混合体中に２０〜８０重量％の範囲で
含有される。含有量が２０ｗｔ％未満においては、耐弧
性が低下して接点の長寿命化が困難である。一方、含有
量が８０重量％を超える場合には、後述する高導電成分
としてのＣｕの含有量の相対的低下を招き、接触抵抗の
増大により接点としての通電機能が低下してしまう。

【００１９】また高導電成分としてのＣｕは高い導電率
を有し、接点の接触抵抗値を下げるために上記Ｃｒ成分
を除く残余成分として８０〜２０重量％（ｗｔ％）含有
される。Ｃｕ含有量が２０ｗｔ％未満の場合には導電性
が低下し接触抵抗が増大し接点材料としての機能が低下
する。一方、含有量が８０ｗｔ％を超える場合は、前記
耐弧成分の含有量が相対的に低下し接点開閉動作時に発
生するアーク（電弧）によって接点が溶着し易くなり耐
消耗性が低下してしまう。

【００２０】本発明に係るＣｕ−Ｃｒ系接点材料の原材
料となるＣｒ粉末としては、酸素を１００〜２０００ｐ
ｐｍ含有するクロム粉末を使用することが望ましい。上
記Ｃｒ粉中に含有される酸素成分は、後述するように接
点材料中において酸化クロムなどの化合物として存在
し、接点材料の遮断特性を向上させるとともに、再点弧
発生頻度を低減する効果を有する。上記Ｃｒ粉末の好適
な酸素含有量は、後述するＣｕ粉末との配合比や製造時
における酸化工程の有無によっても変化する。Ｃｒ粉末
中の酸素含有量が１００ｐｐｍ未満の場合には、上記遮
断特性および再点弧発生頻度の改善効果が不十分とな
る。一方、酸素含有量が２０００ｐｐｍを超える場合に
は、接点の遮断時にガスを発生したり、接点の導電率を
下げて遮断特性を悪化させてしまうため、Ｃｒ粉末中の
酸素含有量は１００〜２０００ｐｐｍとする。

【００２１】一方、上記Ｃｕ粉末としては、電解法によ
って製造されたＣｕ粉末やアトマイズ法で製造されたＣ
ｕ粉末を使用することができる。これらの製法で得られ
たＣｕ粉末は、純度が良好であり、一般に高純度材とし
ての特性が要求される接点部材には好適なＣｕ粉末材料
である。ここで使用するＣｕ粉末の平均粒径は、Ｃｒ粉
末の平均粒径の１／２０〜１／３の範囲であり、この粒
径範囲に調整することにより、Ｃｕ粉末とＣｒ粉末とが
均一に分散した原料混合体が得られ易くなる。すなわ
ち、混合操作後におけるＣｕ粉末の平均粒径がＣｒ粉末
の平均粒径の１／３を超えるように粗大となる場合に
は、Ｃｒ粉末表面にＣｕ粉末を均一に付着配置すること
が困難になる一方、１／２０未満の微細粉となる場合に
は、Ｃｕ粉末の再凝集が起こり易くなり、いずれにして
も各成分が均一に分散した状態が得られにくくなる。よ
り好ましい粒径比率は１／１０〜１／５の範囲である。

【００２２】本発明に係る真空遮断器用接点材料は上記
Ｃｕ粉末およびＣｒ粉末を原材料として粉末冶金法や溶
浸法等によりＣｕ−Ｃｒ材料を調製し、得られたＣｕ−
Ｃｒ材料を所定形状に加工して製造される。

【００２３】粉末冶金法においては、耐弧成分としての
Ｃｒ粉末と高導電粉末としてのＣｕ粉とを、例えばボー
ルミルのような機械的混合機を使用して原料混合体を調
製する工程と、上記原料混合体をプレス成形機の金型に
充填し、６００〜１０００ＭＰａ程度の加圧力でプレス
成形し、所定形状のＣｕ−Ｃｒ成形体を形成する工程
と、得られた成形体を窒素ガスや不活性ガスなどの非酸
化性雰囲気中で温度９００〜１０５０℃で０．５〜３時
間加熱焼結する工程とから成る。

【００２４】また上記のように粉末冶金法によって調製
したＣｕ−Ｃｒ焼結体の空孔部にさらに銅を溶浸させる
ことにより、接点材料をさらに緻密化して導電性を向上
させることも有効である。

【００２５】一方、溶浸法は、多孔質のＣｒ仮焼体の空
孔中に溶融したＣｕを溶浸せしめてＣｕ−Ｃｒ合金材を
形成する方法である。

【００２６】上記製造方法により耐弧成分としてのＣｒ
相と高導電成分としてのＣｕ相とから成る接点材料が調
製される。

【００２７】ここで接点材料のＣｒ相に含有される酸素
量は２００〜１０００ｐｐｍの範囲に調整される。上記
酸素はＣｒ相中において酸化クロム（Ｃｒ₂ Ｏ₃ ）など
の化合物として存在し、接点材料の遮断特性の改善およ
び再点弧発生頻度の低減に有効である。すなわち、酸化
クロムの融点（１９９０℃）は金属クロムの融点（１８
６０℃）より高く、また酸化クロムの沸点（３０００
℃）も金属クロムの沸点（２６７２℃）よりも高くな
り、これらの高融点化合物を含有することにより、接点
材料自体の融点が上昇し、耐アーク性を向上させること
ができる。

【００２８】また、接点材料の沸点も上昇するため、接
点の開閉時に発生する金属蒸気量が低減されるため、過
剰なアーク発生を抑止することができる。その結果、接
点材料の遮断特性が向上し、接点特性が安定化するため
に再点弧発生頻度も低減される。

【００２９】ここでＣｒ相中の酸素含有量が２００ｐｐ
ｍ未満の場合には、上記遮断特性の改善効果および再点
弧発生頻度の低減効果が不十分となる。一方、酸化含有
量が１０００ｐｐｍを超える過剰量とした場合には、接
点の開閉時にガスが発生し易くなり、耐圧性が低下する
ともに、接点材料の導電率が低下し、接点の電気抵抗に
より発生するジュール熱によって接点温度が上昇し、成
分蒸気やガスを異常発生することにつながり、遮断特性
をむしろ悪化させてしまう。

【００３０】このように接点材料のＣｒ相中に所定量の
酸素を含有させることにより、真空遮断器の遮断特性も
改善でき、また遮断器の適用範囲を拡大するとともに、
信頼性を向上させることが可能となる。

【００３１】上記構成に係る真空遮断器用接点材料によ
れば、接点材料を構成するクロム相中に所定量の酸素を
含有しているため、真空遮断器の接点部材として使用し
た場合に大電流遮断性，耐電圧性，耐溶着性を大幅に改
善することができるとともに、再点弧現象の発生を効果
的に低減することができる。したがって、小型化した真
空遮断器においても、遮断性能が良好であり、耐久性お
よび信頼性が優れた真空遮断器を量産することができ
る。

【００３２】また、従来の接点材料と比較して遮断性能
が向上し、また、再点弧現象を大幅に低減できるため、
遮断器の信頼性が向上するとともに、遮断器の適用範囲
を大幅に拡大することが可能となる。

【００３３】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施形態について、
以下の実施例を参照して説明する。

【００３４】実施例１〜５ 表１に示す量の酸素を含有し平均粒径が１００μｍであ
る耐弧成分としてのＣｒ粉と、平均粒径が５０μｍであ
る高導電成分としての電解Ｃｕ粉とを、表１に示す組成
比（重量比）となるようにそれぞれ秤量した。そしてボ
ールミルのポットに、混合用ボールとともに秤量したＣ
ｒ粉と電解Ｃｕ粉とを投入して、不活性ガス雰囲気中で
回転混合して原料混合体とした。次に、この原料混合体
を金型プレス機に充填し、８００ＭＰａの加圧力でプレ
ス成形してＣｕ−Ｃｒ成形体とした。さらに、このＣｕ
−Ｃｒ成形体を加熱炉に挿入し、窒素ガス雰囲気中にお
いて成形体を、５℃／min の昇温速度で温度１０５０℃
まで加熱し、３時間保持して焼成した後に炉冷し、加熱
炉から取り出した。

【００３５】次に取り出したＣｕ−Ｃｒ焼結体を所定の
接点形状に切削加工することにより、それぞれ実施例１
〜５に係る接点材料を多数調製した。

【００３６】従来例１ 酸素含有量が９０ｐｐｍと過少であるＣｒ粉末を用いた
以外は実施例１と同様な条件で原料混合体の調製、成
形、焼結を実施して従来例１に係る接点材料を多数調製
した。

【００３７】比較例１〜３ 酸素含有量が１５００ｐｐｍと過量であるＣｒ粉末を用
いた以外は実施例１と同様な条件で原料混合体の調製、
成形、焼結を実施して比較例１に係る接点材料を多数調
製した。また酸素含有量が９０ｐｐｍと過少であるＣｒ
粉末を用いた以外はそれぞれ実施例４〜５と同様な条件
で原料混合体の調製、成形、焼結を実施してそれぞれ比
較例２，３に係る接点材料を多数調製した。

【００３８】こうして調製した各実施例、従来例および
比較例に係る接点材料の遮断特性を評価するために、各
接点部材を真空バルブ内に組み込み、図１〜２に示すよ
うな真空遮断器をそれぞれ製造した。

【００３９】すなわち各実施例、従来例および比較例に
係る各接点部材１３ａ，１３ｂを図２に示すように、Ａ
ｇろう材１４を使用して、それぞれ電極７，８の端面中
央部に真空ろう付けした。一方、電極７，８を導電棒
５，６の端面にろう付け部１２を介して一体に接合し
た。さらに、各接点部材１３ａ，１３ｂをろう付け接合
した電極７，８を対向するように配置して図１に示すよ
うな真空遮断器をそれぞれ１０台ずつ組み立て、遮断特
性の良否を比較した。すなわち所定の電圧（６Ｋｖ）、
電流値（５００Ａ）の回路を２万回遮断したときの最低
再点弧電流および再点弧発生頻度のばらつき幅（最小値
〜最大値）を測定した。

【００４０】また、遮断性能は以下のように測定評価し
た。すなわち、接点表面をベーキング、電圧エージング
等によりクーリングして条件を一定にした後、７．２Ｋ
ｖ，５０Ｈｚで１ＫＡずつ電流を増加しながら遮断限界
時における電流の最大値を測定した。なお、各特性値
は、従来例１に係る接点材料を使用した場合の特性値を
基準値１．０として相対的に示している。各特性値を下
記表１に示す。

【００４１】

【表１】

【００４２】上記表１に示す結果から明らかなように、
Ｃｒ相中に酸素を所定の範囲内で含有する接点材料を組
み込んだ各実施例に対応する真空遮断器は、従来の接点
材料を使用した従来例および比較例に係る遮断器と比較
して再点弧発生頻度のばらつきが少なく、しかも最低再
点弧電流が高く、耐溶着性が大幅に改善されている。

【００４３】特に再点弧発生頻度のばらつき幅が極めて
小さく、アークの安定性および遮断性能のばらつきが少
なく、特性が安定した小型の真空遮断器を量産すること
が可能になる。

【００４４】

【発明の効果】以上説明の通り、本発明に係る真空遮断
器用接点材料によれば、接点材料を構成するクロム相中
に所定量の酸素を含有しているため、真空遮断器の接点
部材として使用した場合に大電流遮断性，耐電圧性，耐
溶着性を大幅に改善することができるとともに、再点弧
現象の発生を効果的に低減することができる。したがっ
て、小型化した真空遮断器においても、遮断性能が良好
であり、耐久性および信頼性が優れた真空遮断器を量産
することができる。

【００４５】また、従来の接点材料と比較して遮断性能
が向上し、また、再点弧現象を大幅に低減できるため、
遮断器の信頼性が向上するとともに、遮断器の適用範囲
を大幅に拡大することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る接点材料を適用する真空遮断器の
構造例を示す断面図。

【図２】図１に示す接点および電極部を拡大して示す断
面図。

【符号の説明】 １ 遮断室 ２ 絶縁容器 ３ａ，３ｂ 封止金属 ４ａ，４ｂ 蓋体 ５ 導電棒 ６ 導電棒 ７ 電極（固定電極） ８ 電極（可動電極） ９ ベローズ １０ アークシールド １１ アークシールド １２ ろう付け部 １３ａ，１３ｂ 接点部材 １４ ろう材（Ａｇろう材）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｈ 1/02 Ｂ２２Ｆ 3/14 １０１Ｂ (72)発明者 佐藤 純一 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内 (72)発明者 渡辺 憲治 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 耐弧成分としてのクロム相と高導電成分
   としての銅相とから成る真空遮断器用接点材料であり、
   上記クロム相中の酸素含有量が２００〜１０００ｐｐｍ
   であることを特徴とする真空遮断器用接点材料。
2. 【請求項２】 クロム相に含有される酸素成分が酸化ク
   ロムとして存在することを特徴とする請求項１記載の真
   空遮断器用接点材料。
3. 【請求項３】 耐弧成分としてのクロムの含有量が２０
   〜８０重量％であることを特徴とする請求項１記載の真
   空遮断器用接点材料。
4. 【請求項４】 高導電成分としての銅粉末と酸素を１０
   ０〜２０００ｐｐｍ含有する耐弧成分としてのクロム粉
   末とを混合して原料混合体を調製する工程と、この原料
   混合体を成形して銅−クロム成形体を形成する工程と、
   この銅−クロム成形体を加熱焼結して銅−クロム焼結体
   を形成する工程とを備えることを特徴とする真空遮断器
   用接点材料の製造方法。
5. 【請求項５】 加熱焼結して形成した銅−クロム焼結体
   に、さらに銅を溶浸せしめることを特徴とする請求項４
   記載の真空遮断器用接点材料の製造方法。
6. 【請求項６】 銅粉末の平均粒径が、クロム粉末の平均
   粒径の１／２０〜１／３であることを特徴とする請求項
   ４記載の真空遮断器用接点材料の製造方法。
7. 【請求項７】 酸素を１００〜２０００ｐｐｍ含有する
   耐弧成分としてのクロム粉末を成形・焼結しクロムの仮
   焼体を形成する工程と、得られたクロム仮焼体の空孔部
   に高導電成分としての銅を溶浸せしめる工程とを備える
   ことを特徴とする真空遮断器用接点材料の製造方法。
8. 【請求項８】 耐弧成分としてのクロム相と高導電成分
   としての銅相とから成りクロム相中の酸素含有量が２０
   ０〜１０００ｐｐｍである接点を有することを特徴とす
   る真空遮断器。