JP2016012418A

JP2016012418A - 真空バルブ

Info

Publication number: JP2016012418A
Application number: JP2014132349A
Authority: JP
Inventors: 貴和原田; Takakazu Harada
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-06-27
Filing date: 2014-06-27
Publication date: 2016-01-21
Anticipated expiration: 2034-06-27
Also published as: JP6381317B2

Abstract

【課題】電流遮断開始時にアークの発弧が風車の根本で開始されるとアーク停滞時間が長くなる。遮断容量の大容量化のためには、羽の根本部分のアーク駆動力を向上させる必要がある。また、風車電極の背面にただ磁性体を配置するだけでは、磁界の向きを制御できず、羽の先端から次の羽へ移行するときにアークを効率よく加速することができず、駆動速度が上がりにくくなるという弊害があった。
【解決手段】真空容器の一方の端部に固設された固定側電極棒、他方の端部に進退自在に設けられた可動側電極棒、及び円弧状の風車羽を有し固定側電極棒及び可動側電極棒の対向端部に、接離可能に配置された固定側風車形電極及び可動側風車形電極を備えた真空バルブであって、少なくとも固定側風車形電極及び可動側風車形電極の一方の風車形電極において、少なくとも１枚の風車形電極の付け根部に、断面が凹状の磁性体が装着されているものである。
【選択図】図３

Description

この発明は、電極を流れる電流により発生する磁界によって、アークを駆動するようにした風車形電極を備えた真空バルブに関するものである。

従来の真空バルブは、例えば特許文献１（特開２００１−５２５７６）で開示されているような構造を有している。
ここに開示された真空バルブは、図６に示すように遮断器固定側端子１１と遮断器可動側端子１２の間に配置されている。図６において、ガラスやアルミナセラミックス等からなる絶縁容器１の両端開口部には、開口部をそれぞれ覆うように固定側端板２、可動側端板３が固着され、内部には、高真空に排気された真空容器と、この真空容器の両端部に絶縁容器１と同軸上に設けられた固定側電極棒４、可動側電極棒５と、各電極棒の対向する端部に設けられた固定側風車電極６、可動側風車電極７を備え、可動側電極棒５には、例えば薄いステンレスで蛇腹状に製作されたベローズ９を配置することにより、真空気密を保持しつつ一方の電極棒を軸方向へ移動させることにより、両電極（即ち固定側電極、可動側電極）を接触又は離隔して通電又は遮断を行なうものである。また、固定側風車電極６と可動側風車電極７間で発生するアークによって絶縁容器１内部の汚損やベローズ９を保護するため、真空容器内側にはアークシールド８やベローズカバー１０が装備されている。

図７は、このような真空バルブにおける風車電極の構造と電極内に流れる電流経路Ａ及びその電流によって生じる電磁力Ｆを説明する構造図である。
固定側風車電極６と可動側風車電極７では、向きが逆方向であるが同形状に電極自身に溝を設けた風車形をなしている。電流遮断時には、電極間にアークが発生するが、電流が十数ＫＡを超えるとアークは、アーク柱３０を形成することが知られている。図７に示すように、風車形電極では、電極に設けられた溝により電流経路Ａのように電流が流れ、この電流によってアーク柱３０に対し横方向の磁界Ｂが発生する。この発生した磁界によりアーク柱３０に電磁力Ｆが加わり、アークを円周方向に駆動させる。これにより、アークによる電極の局部溶解を避け、遮断性能の向上を図っている。

図８は、風車形電極の背面に磁性体を配置した構造図である。
この構造の真空バルブは、例えば特許文献３（特開昭６１−１５３９１２）で開示されており、図８に示すように、遮断容量をより増大させるために風車電極背面に磁性体２０を配置したものである。
このように風車電極背面に磁性体２０を配置することによってアークによって発生する磁界を増大させる構造も提案されている。

特開２００１−５２５７６号公報特開昭６０−７４３２０号公報特開昭６１−１５３９１２号公報

図９は、電極背面に磁性体を持たない従来の真空バルブに採用された風車形電極において、電極上のアーク柱の位置によって変化する電磁力の大きさと方向を示す説明図である（図は可動側風車電極７のみ示す）。
図中の各矢印は、固定側電極棒４から可動側電極棒５に電流が流れた場合（図では示していないが）のアーク柱３０に加わる電磁力４０で、矢印の向き、長さが電磁力の向き、大きさを表す。

前述したように、電極間に発生したアーク柱３０は、電流経路Ａを流れる電流によってアーク柱３０に対して横方向の磁界が加えられ矢印の４０ａから４０ｅ方向に電磁力が加わる。
この電磁力４０によってアーク柱３０は、羽の根本から先端方向に向かって３０ａから３０ｅのように駆動され、アーク柱３０が羽の先端部まで駆動されると隣の羽にアーク柱３０が移行する。これを繰り返すことにより、アーク柱３０は、風車電極上の外周部を加速しながら回転し、電流遮断時の遮断位相によって異なるがアーク時間の長い場合４〜６周回転する。
このようにアークを電極上で回転させることによってアークによる局部加熱を避け遮断性能を向上させる。

このような風車形電極構造では、遮断性能を向上させるためには、できるだけアーク柱の駆動速度を早くすることで電極の局部的な加熱を抑制する必要があるが、アーク柱が風車の根本付近(例えば３０ａ)にある場合、アークを駆動させる電磁力が比較的弱く、電磁力の方向も電極の外側へ向く半径方向成分が大きい。
このため、特に電流遮断開始時にアークの発弧が風車の根本で開始されるとアーク停滞時間が長くなる傾向にあった。また、アークが駆動され風車の１つの羽先端から次の羽へ移行した直後にかかる電磁力が外側方向へ向いているため、アークの周方向の回転速度の加速を阻害していた。このため、遮断容量の大容量化のためには、いかにして羽の根本部分のアーク駆動力を向上させるかが課題であった。

図１０は、電極背面に磁性体を持つ従来の真空バルブに採用された風車形電極において、電磁力の大きさと方向を示す説明図であり、図中の点線矢印の４０ａは、磁性体を持たない場合、実線矢印の４１ａは、磁性体を持つ場合の電磁力である。なお、電極に流れる電流の向きは図９と同じである。

このように電極の背面全体に磁性体２０を配置した場合では、アーク柱の位置にかかわらず発生する磁界が強くなるためアークに加わる電磁力は大きくなる。ところが、風車電極の背面にただ磁性体２０を配置するだけでは、磁界の向きを制御できず、風車の根本付近にアーク柱がある場合(図１０の３０ａ)では、電磁力４１ａの方向が、矢印の４０ａに比べ電極の外側方向に非常に大きくなってしまう。このため、アークが羽の根本から先端に駆動され、羽の先端から次の羽へ移行するときにアークを効率よく加速することができず、駆動速度が上がりにくくなるという弊害があった。また、アークの電極外部への吹き出しが大きく、シールドを損傷させる場合もあった。

この発明に係わる真空バルブは、真空容器の一方の端部に固設された固定側電極棒、他方の端部に進退自在に設けられた可動側電極棒、及び円弧状の風車羽を有し上記固定側電極棒及び上記可動側電極棒の対向端部に、接離可能に配置された固定側風車形電極及び可動側風車形電極を備えた真空バルブであって、少なくとも上記固定側風車形電極及び上記可動側風車形電極の一方の風車形電極において、少なくとも１枚の風車形電極の付け根部に、断面が凹状の磁性体が装着されているものである。

この発明の真空バルブよれば、風車電極によって発生する磁界が比較的弱い羽の根本部分の磁界を強くすることができ、電磁力の方向も円周方向に制御できるようになるため、電流遮断時にアークの発弧が、風車羽の根本で起こったとしても速やかにアークが駆動され、また、アークが風車羽を跨いで駆動されるときでも、アークが電極外側に振られることなく周方向に駆動され続けることが可能になることから、アークの駆動速度が向上し、電極の局部加熱をより低減することで遮断性能を向上させることが可能となる。

この発明の実施の形態１における真空バルブの風車形電極を示す構造図である。この発明の実施の形態１における真空バルブの磁性体を示す構造図である。この発明の実施の形態１における真空バルブの電極に生じる電磁力を示す説明図である。図２で示した、この発明の実施の形態１における真空バルブの磁性体の補足説明図である。この発明の実施の形態２における真空バルブを示す構造図である。この発明の実施の形態２における真空バルブの電極に生じる電磁力を示す説明図で、（ａ）は図４を固定側から見たときの遮断器端子と風車電極、磁性体の位置関係を示す説明図、（ｂ）はその要部拡大図である。従来の真空バルブの構造図である（特許文献１）。従来の真空バルブの風車電極の構造、電流経路及び発生する電磁力の説明図である。従来の真空バルブの磁性体を持つ風車電極の構造図である（特許文献３）。従来の真空バルブの磁性体を持たない風車電極において、アークの位置に対する電磁力の方向と大きさを示す説明図である。従来の真空バルブの磁性体を持つ風車電極において、アークの位置に対する電磁力の方向と大きさを示す説明図である。

以下、図面に基づいて、この発明の各実施の形態を説明する。
なお、各図間において、同一符号は同一あるいは相当部分を示す。

実施の形態１．
図１〜図３に基づいて実施の形態１を説明する。
図１は、この発明の実施の形態１における真空バルブの風車形電極を示す構造図、図２は、真空バルブの磁性体を示す構造図、図３は、真空バルブの電極に生じる電磁力を示す説明図である。
実施の形態１において、風車形電極の真空バルブへの組み込みは、背景技術（段落０００２）で説明したように、固定側風車電極６と可動側風車電極７を対向させたときに風車の向きが一致するように、固定側と可動側の風車の溝の向きを逆方向に形成した一対の風車形電極を用いる。その際、風車の溝の向きは固定側、可動側どちらの向きであっても構わないが、以降の説明では、可動側風車電極７として説明する。なお、電極部以外の真空バルブの構造は、背景技術（段落０００２）で説明した図６と同等であるため説明は省略する。

図１において、可動側風車電極７は、円盤状をした接点材料からなり、後述の可動側電極棒５が接合される円形の中心部７０を有している。そして、中心部７０側から電極周縁に向かって渦巻き状に伸びる複数（図では４個の）の風車電極溝７１が形成され、複数の区分に区画され、風車形に形成されている。風車電極溝７１は、電極の表面から裏面まで切れ込んでいる。なお、風車電極溝７１の数は４個に限定されるものではない。

可動側風車電極７の材料は、主に遮断性、耐圧性、耐溶着性に優れたものが望まれ、Ｃｕマトリックス中にＣｒ粒子を分散させたＣｕ−Ｃｒ合金が用いられる。耐アーク成分であるＣｒの含有量は２０〜６０ｗｔ％の範囲とするのが好ましい。
その理由は、２０ｗｔ％未満ではアークによる損傷を受けやすく耐溶着性が低下し、６０ｗｔ％を超えると加工性や耐熱衝撃性が低下するためである。また、Ｃｕ−Ｃｒ合金の密度比は高い導電率や熱伝導性を得るために９５％以上が好ましい。

また、Ｃｕ−Ｃｒ合金の耐圧性や遮断性能を改善するために、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｗ、Ｔａ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉの元素を１種以上添加してもよい。また、耐溶着性を確保するために接触子材料中にＢｉ、Ｔｅ、Ｓｅ、Ｓｂの低融点成分を添加してもよい。
低融点成分の含有量は０．０１〜５ｗｔ％が好ましい。その理由は、０．０１ｗｔ％以下では耐溶着性の改善効果を得ることができず、５ｗｔ％以上では耐圧性能の低下を招くためである。

可動側電極棒５は、純Ｃｕ又は導電率が４０％ＩＡＣＳ以上を示すＣｕ合金を用いる。導電率が４０％ＩＡＣＳ未満だと、熱伝導性が劣るので遮断性能を向上する効果が得られない。
Ｃｕ合金は、例えばＣｕ中にＡｇ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｎｉが１種又は２種以上添加されたもの等が挙げられる。

磁性体２０は、例えば鉄、コバルト、ニッケル等からなる強磁性体であり、その形状は、図２に示すように断面が凹状で、台座部２４とこの台座部の両側から立ち上がり立設された一対の立設部（外側立設部２１と内側立設部２２）とによって構成されている。そして、固定側と可動側の電極が対向する側に向くように、すなわち立設部の両上端面は、他方の電極に対向するよう配置され且つ台座部２４が例えばロウ付けなどにより風車電極の付け根部（風車羽の根本付近）に固着されている。なお、立設部（外側立設部２１と内側立設部２２）の両上端面を、他方の電極に対向する側に向けるのは、アークの駆動経路側を立設部側とすることで、磁性体２０がアークに触れないようにするためである。

また、断面が凹状の磁性体２０は、その両立設部のうち、円弧状の風車羽（風車形電極の）の外周側に位置する外側立設部２１は、内側立設部２２よりも風車形電極の先端部方向に変位させて配置されており、台座部２４において、外側立設部２１の中心部と内側立設部２２の中心部とを、電極棒の径方向に結ぶ中心線Ｈ_Ｙ（磁性体２０の中心線）と直交する方向Ｈ_Ｘが、風車形電極の先端部方向を向くよう配置されている。なお、２３は磁性体２０の側端面（電極棒径方向の）である。

このように磁性体２０を配置すると、風車羽に電流（電流経路Ａ）が流れたときに発生する磁束は、断面が凹状の磁性体２０を通り外側立設部２１から出た磁束は、内側立設部２２に戻るように発生し、アーク柱に加わる電磁力４２ａの大きさを大きくする。

また、磁性体２０を上述のように配置することで、磁性体２０を配置した付近におけるアーク柱に加わる電磁力４２ａの大きさを大きくするだけでなく向きを風車羽の先端部を向く周方向に制御することが可能となり、アークの駆動速度を向上させ電極の局部加熱をより低減することで遮断性能を向上させることが可能となる。
また、アークが電極部の外側へ吹き出すこともなくなるためシールド部を損傷させることをなくすことが可能となる。

因みに、磁性体２０を、この実施の形態１とは異なる通常の状態で設置した場合（断面凹状で単純形状の磁性体を採用、図３Ａ中、点線で示した２１ａ、２２ａ参照）は、風車羽に電流（電流経路Ａ）が流れた時に生じる電磁力が外側（４０ａ）を向き、アークを駆
動させたい向き、すなわちアークを風車羽の先端部方向（電磁力４２ａ〜４２ｅ）に向くよう駆動させる制御ができないが、段落００２１で説明したように、中心線Ｈ_Ｙと直交する方向Ｈ_Ｘを、アークを駆動させたい方向に向ける（風車羽の先端方向）ことで、アークの駆動方向の制御が可能となる。

この実施の形態１における風車形電極のアークの駆動特性について、真空チャンバ内に電極をセットし遮断時のアーク挙動を高速度カメラで撮影するという手法で研究を行ない、風車形電極におけるアークの駆動特性について調べた結果、風車羽の幅をＷ、磁性体の幅をＤとした場合、Ｗ／２≦Ｄ≦２Ｗのとき最もアークの駆動速度を向上させアークの電極外側への吹き出しが抑制できることが確認された。

また、磁性体２０の配置位置に関しては、図３に示すように、磁性体２０の厚みをＴとしたとき、風車電極の最外径となる外周位置７２から磁性体の厚みＴ分だけ内径側に変位した風車電極の外周位置、すなわち風車電極の外周部７３と、隣接する風車電極の先端部７４との間に形成される外周幅７５との幅内に、磁性体２０の外側立設部２１を配置するとよい。
磁性体２０を、このように配置することで電極最外径を大きくすることなく遮断性能に優れた真空バルブ用風車電極を構成することが可能となる。すなわち、磁性体２０が風車電極の最外径より突き出ると、電界的な弱点となって耐電圧性能の低下を招く恐れがあるが、これを防ぐことができる。

実施の形態２．
図４〜図５に基づいて実施の形態２を説明する。
図４は、この発明の実施の形態２における真空バルブを示す構造図、図５は、この発明の実施の形態２における真空バルブの電極に生じる電磁力を示す説明図で、（ａ）は図４を固定側から見たときの遮断器端子と風車電極、磁性体の位置関係を示す説明図、（ｂ）はその要部を拡大して示した説明図である。

図４のように、遮断器固定側端子１１と遮断器可動側端子１２の間に真空バルブを配置するような遮断器の場合、電流遮断時に電極間に発生するアーク柱３０は、遮断器端子を流れる電流Ｉによって生じる電磁力Ｆ（図５（ｂ）のｆ１参照）の影響も受ける。
図４では、遮断器固定側端子１１から真空バルブを通って遮断器可動側端子１２に電流Ｉが流れることで紙面に対して奥から手前方向に磁界が発生しアーク柱３０が端子とは反対方向にＦという電磁力が加わる。また、流れる電流Ｉが逆の場合も発生する磁界の方向が逆になるため電磁力Ｆの方向は同じ方向になる。

図５（ｂ）において、アーク柱３０が図の上側にある風車電極の場合は、端子によって生じる電磁力ｆ１と風車電極によって生じる電磁力ｆ２（４２ａ）の向きが逆向きとなり、駆動力が減少するため磁性体２０の設置数を増やして駆動力をカバーする必要がある。
他方、アーク柱３０が図の下側にある風車電極の場合は、端子によって生じる電磁力ｆ１と風車電極によって生じる電磁力ｆ２の向きが同じ向きとなり、電磁力が足し合わされることになるので、磁性体２０をなくしても駆動力が得られることになる。

上述のように遮断器に真空バルブを取り付けたとき一定方向に電磁力が加わる場合には、図５のように電流遮断時に風車電極によって発生する電磁力が遮断器端子によって発生する電磁力と同じ方向になる側の風車羽に取り付ける磁性体の数を減らし、打消しあう側の風車羽に取り付ける磁性体の数を増やすとよい。
このように風車形電極に取り付ける断面が凹状の磁性体２０の設置数を、電流Ｉが遮断器の両端子から真空バルブを流れる際に生じる電磁力の向きに応じて設定されていることで、風車電極の上を駆動されるアーク柱が遮断器端子によって発生する磁界によって減速
されるのを抑制し、遮断性能の良い真空バルブを提供することが可能となる。

ここで、各電磁力の符号について説明する。
電磁力４０は、「磁性体なし」におけるアーク柱に加わる電磁力、
電磁力４０ａ〜４０ｅは、電流経路Ａの電流による電磁力、
電磁力４１は、「磁性体あり」におけるアーク柱に加わる電磁力、
電磁力４２ａは、この発明の風車電極におけるアーク柱に加わる電磁力である。

なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１：絶縁容器、２：固定側端板、３：可動側端板、４：固定側電極棒、
５：可動側電極棒、６：固定側風車電極、７：可動側風車電極、
８：アークシールド、９：ベローズ、１０：ベローズカバー、
１１：遮断器固定側端子、１２：遮断器可動側端子、Ａ：電流経路、
２０：磁性体、２１：外側立設部、２２：内側立設部、２４：台座部、
２３：磁性体の側端面、３０：アーク柱、
４０：電磁力、４０ａ〜４０ｅ：電磁力、４１：電磁力、４２ａ：電磁力、
７１：風車電極溝、
７２：外周位置（最外径となる外周位置）、
７３：外周位置（内径側に変位した風車電極の外周位置）、
７４：隣接風車電極の先端部、
７５：磁性体配置の外周幅（磁性体配置位置）。

Claims

真空容器の一方の端部に固設された固定側電極棒、他方の端部に進退自在に設けられた可動側電極棒、及び円弧状の風車羽を有し上記固定側電極棒及び上記可動側電極棒の対向端部に、接離可能に配置された固定側風車形電極及び可動側風車形電極を備えた真空バルブであって、
少なくとも固定側風車形電極及び可動側風車形電極の一方の電極において、少なくとも１枚の風車形電極の付け根部に、断面が凹状の磁性体が装着されていることを特徴とする真空バルブ。
上記磁性体は、台座部とこの台座部の両側に立設された立設部とによって構成され、上記立設部の両上端面は、他方の電極に対向するよう配置されていることを特徴とする請求項１に記載の真空バルブ。
上記磁性体の両立設部のうち、
上記風車羽の外周側に位置する外側立設部は、内側立設部よりも上記風車形電極の先端部方向に変位させて配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の真空バルブ。
上記磁性体は、上記風車羽の幅をＷ、厚みをＤとしたときに、
Ｗ／２≦Ｄ≦２Ｗに設定されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の真空バルブ。
上記磁性体は、磁性体の肉厚をＴとしたときに、
風車電極の最外径となる外周位置から上記磁性体の肉厚分Ｔだけ内径側に変位した風車電極の外周位置と、隣接する風車電極先端部との間に形成される外周幅内に、上記磁性体が配置されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の真空バルブ。
上記風車形電極に取り付ける上記磁性体の設置数は、
遮断器の電流が真空バルブを流れる際に生じる電磁力の向きに応じて設定されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の真空バルブ。