JP5434406B2

JP5434406B2 - 断路器

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Publication number: JP5434406B2
Application number: JP2009207929A
Authority: JP
Inventors: 達朗加藤; 敏昭六戸; 亮一篠原
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-09-09
Filing date: 2009-09-09
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2029-09-09
Also published as: KR101072518B1; TWI421893B; TW201120932A; JP2011060535A; KR20110027604A; CN102024610A

Description

本発明は、変電所や開閉所等に設置される開閉装置、特にその断路器部分に関するものである。

ガス絶縁開閉装置を構成する断路器や遮断器などの開閉装置においては、開閉時に高周波の開閉サージが発生する可能性が高い。特に、開閉速度の比較的遅い断路器においては、開極動作中に再点弧が発生しやすい。この再点弧による発生サージは、数ＭＨｚから数十ＭＨｚと周波数が高く、その発生頻度も比較的高い。また、このような発生サージは周波数が高い急峻な過電圧であるために、断路器の絶縁性能低下の問題が生じる。

この絶縁性能低下の原因となるサージ発生を抑制するための方法の一つとして、例えば、サージが発生する箇所の近傍に抵抗体を配置して急峻なサージ電圧の波高値を低下させることが考えられている（特許文献１参照。）。

しかし、この方法では、断路器部分が大型化するという問題がある。この問題を解決するために、インダクタンスコイルを断路器の固定接触子部分に設け、断路器部分の大型化を防ぎつつ開閉サージ電圧の波高値を低下させる方法が考えられている（特許文献２参照。）。

図１６に、特許文献２に係る開閉装置の一実施例を示す。この開閉装置は、固定電極１０１に直列接続してインダクタンスコイル１０２を設け、インダクタンスコイル１０２はさらにシールド１０３に接続されているところに特徴がある。この構成から、可動コンタクト１０４がチューリップコンタクト１０５から開離した後は、アーク放電がシールド１０３からインダクタンスコイル１０２を経て固定電極１０１に流れることとなる。これにより断路器部分の大型化を防ぎつつ開閉サージ電圧の波高値を低下させることが可能となる。また、この構成では、インダクタンスコイル１０２には開極動作時にしか電流が流れない構造となっている。したがって、サージ低減を実現するインダクタンスの効果がサージが発生しやすい開極動作時にだけ働くようになっている。これにより効果的に高周波のサージ電圧を抑制することが可能となる。

特開平３−１２９６１５号公報特開平５−３４２９５２号公報

しかしながら、上記構成によれば、シールドがアークに曝されることとなる。その結果、シールドが劣化・消耗することで絶縁性の低下につながる恐れがある。

また、この構成によれば、シールドがアークに曝されるため、該シールドに高電圧がかかることとなる。このためシールドと金属容器との間に一定の距離をとらなければ絶縁性能を保つことができない。その結果、金属容器の小型化に限界がある。

さらに、この構成によれば、アークに曝されることによるシールドの劣化・消耗を抑えるため、シールドを溶融の少ない高価な金属材料を用いて製造する必要がある。このため製造コストがかさむという問題が生じる。

本発明の目的は、サージ低減を実現するインダクタンスの効果が、サージが発生しやすい開極動作時にだけ働くという効果を維持しつつ、上記発明の問題点を解決することである。すなわち、断路器の絶縁性能を維持するとともに、金属容器径のさらなる縮小化および製造コストの低減を実現することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、それぞれ中心導体を有する絶縁スペーサで区画されて絶縁性ガスを封入される密封容器内に、一方の絶縁スペーサの中心導体に取り付けられる固定側導体と、前記固定側導体に接続される固定側接触子と、前記固定側接触子の内側に取り付けられるアークコンタクトと、前記固定側接触子を包囲して配置した固定側シールドと、前記固定側接触子及び前記アークコンタクトに接触するとともに前記アークコンタクトとの開極に先行して前記固定側接触子から開離する可動子と、前記アークコンタクトを前記可動子の動作軸方向に追従させる追従手段とを備えた断路器において、前記アークコンタクトのアーク点弧部と前記固定側導体との間に電気的に直列に挿入されるインダクタンスを有し、前記追従手段は、バネと、前記バネを可動自在に支えて前記アークコンタクトと前記固定側接触子を電気的に接続する支持枠と、で構成して前記固定接触子の内側に配置し、前記アークコンタクトは、アークが点弧するアーク点弧部と、導体をコイル状に巻いた前記インダクタンスとなるコイル部と、前記固定側接触子内に配置される支持枠と電気的に接触する接触部と、前記アーク点弧部とコイル部と接触部とをコイルの巻線部で支持する支持絶縁部とで構成されることを特徴とするものである。

本発明の構成によれば、アークコンタクトにアークが点弧され、シールド部がアークに曝されるおそれが低減する。その結果、シールドが劣化・消耗するおそれが低減し絶縁性能の維持が可能となる。

また、シールド部にアークが点弧するおそれを低減させ、シールドに高電圧がかかるのを防ぐことができるため、シールドと金属容器の間の距離が短くても絶縁性能を維持することが可能となる。これによって金属容器１のさらなる小型化が実現可能となる。

また、シールド部がアークに曝されるおそれが低減するため、シールドを安価な材料であるアルミニウム等で構成することが可能となる。これによって製造コストの低減が可能となる。

さらに、シールド部にアークを点弧しないため、シールドを絶縁材料で被覆することが可能となる。これによって更なる絶縁性の向上を実現することが可能となる。また、シールド部から金属容器までの絶縁距離をさらに短くすることが可能となり、金属容器の径を更に縮小化することが可能となる。

図１は本発明の一実施例である断路器の開極直後の状態を示す断面図である。図２は本発明の一実施例である断路器の閉極状態を示す断面図である。図３は本発明の一実施例である断路器の開極状態を示す断面図である。図４は図１の断路部における拡大断面図である。図５は図１の断路部における正面図である。図５（ａ）は固定側を可動側から見た正面図であり、図５（ｂ）は可動側を固定側から見た正面図である。図６は第１の実施形態に用いられるアークコンタクトの拡大断面図である。図７は発生する再点弧サージ波形の一例を示す図である。図８は実施例１に係るアークコンタクトを適用した場合に発生するサージ波形を示す図である。図９は回路インピーダンスに対するサージ電圧の関係を示す図である。図１０は本発明におけるアークコンタクト部の電位とシールド部の電位の比較を示す図である。図１１は電極被覆の有無による絶縁破壊電圧の比較を示す図である。図１２は本発明に係る断路器の第２の実施形態を示す図である。図１３は本発明に係る断路器の第３の実施形態を示す図である。図１４は本発明に係る断路器の第４の実施形態を示す図である。図１５は第４の実施形態に用いられるアークコンタクトの拡大断面図である。図１６はシールドに直列にインダクタンスコイルを設けた従来の断路器の断路部構造の断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１乃至図３は本発明の一実施例である断路器を示す断面図である。図１は断路器の開極直後の状態を示し、図２は断路器の閉極状態を示し、図３は断路器の開極状態を示す。図４は図１の断路部における拡大断面図である。また、図５（ａ）は断路部の固定側を可動側から見た正面図であり、図５（ｂ）は断路部の可動側を固定側から見た正面図である。図６はアークコンタクトの拡大断面図である。

実施例１の断路器は、金属容器１、可動子２、アークコンタクト３Ａ、バネ４、固定側接触子５ａ、可動側接触子５ｂ、固定側シールド６ａ、可動側シールド６ｂ、固定側導体７、可動側筒状導体８、絶縁スペーサ１０ａ、１０ｂ、操作ロッド１２、支持枠１５Ａ、高電圧導体１７ａ、１７ｂ、中心導体１８ａ、１８ｂで構成される。

密閉容器１には、乾燥空気、ＳＦ６ガスなどの絶縁媒体が封入されている。また、密閉容器１内には、絶縁スペーサ１０ａ、１０ｂによって密閉容器１から電気的に絶縁した状態で高電圧導体１７ａ、１７ｂが支持されている。

絶縁スペーサ１０ａの中心導体１８ａには、固定側導体７を介して固定側接触子５ａが取り付けられている。この固定側接触子５ａは、その先端の内側が可動接触子２の外側と接するように配置される。この固定側接触子５ａの外周部には、電界緩和シールド６ａが配置されている。この電界緩和シールドは、アルミニウム等の導電金属で作られ、その周りにエポキシ系の絶縁材料等で被覆が施されている。また、この固定側接触子５ａの内側には、支持枠１５Ａおよびアークコンタクト３Ａを支持するバネ４が取り付けられている。アークコンタクト３Ａの先端部に位置するアーク点弧部２１は、開極直前において可動子２のみと接触し通電するよう、開極状態において固定側接触子５ａの先端部から突出するように構成される。

一方、絶縁スペーサ１０ｂの中心導体１８ｂには、可動側筒状導体８を介して可動側接触子５ｂが支持されている。この可動接触子５ｂの外周部には、電界緩和シールド６ｂが配置されている。この電界緩和シールドは、固定側の電界緩和シールド６ａと同様に構成される。可動子２は、固定側接触子５ａと可動側接触子５ｂ間を開閉可能に橋絡している。この可動子２は、その軸線上を開閉動作するように絶縁操作ロッド１２の一端側、つまり自由端側に接触連結されている。この絶縁操作ロッド１２の他端側には、気密を保持しながら密封容器１外に導出した回転軸１９が連結されている。また、この回転軸１９には図示しない操作器が連結されている。

実施例１においては、高周波サージの発生を抑制するために、アークコンタクト３Ａの一部をインダクタンスとなるコイル形状で構成している。このアークコンタクトの詳細を図６に示す。図６のアークコンタクトは、アークが点弧するアーク点弧部２１と、コイルを形成するコイル部２２と、支持枠１５Ａと電気的に接触する接触部２３と、これらそれぞれをコイルの巻き線内部で支持する支持絶縁部２４とで構成される。アーク点弧時には、電流は、アーク点弧部２１、コイル部２２、接触部２３を通じて支持枠１５Ａと固定側導体７に流れるため、それぞれが電気的に接続されている必要がある。

アーク点弧部２１のアークにさらされる部分は、アークによる消耗を抑えるため、銅にタングステン、クロムなどを添加した耐アーク性の合金を用いるのが好ましい。一方、コイル部２２や接触部２３は、サージ発生時に電流を流す必要があるため、例えば、銅、アルミニウム又はこれらの合金などの良導電性の金属材料で構成される。また、支持絶縁部２４は、上記各要素を支持するためにＦＲＰ材やエポキシ樹脂などの強度が十分な絶縁材で構成される。

以下、実施例１の動作について説明する。図２は断路器の閉極状態を示し、図３は断路器の開極状態を示している。また、図１は断路器の開極直後の状態を示している。

図２に示す閉極状態では、可動子２がアークコンタクト３Ａおよび固定側接触子５ａと接している。この場合、固定側導体７と可動側筒状導体８の間には、固定側接触子５ａ、可動子２、および可動側接触子５ｂを介して電流が流れる。アークコンタクト３Ａのコイル部２２には系統電流は殆ど流れないので、インダクタンスによるロスは非常に少ない。

一方、図１に示す開極直後の状態では、以下に示すように、固定側接触子５ａには電流が流れず、アークコンタクト３Ａを介して電流が流れる。開極動作では、可動子２が図２の閉極状態から、操作ロッド１２が時計回りに回転するのに応じて、絶縁スペーサ１０ｂ方向に摺動する。このとき、アークコンタクト３Ａは、支持枠１５Ａ沿いにバネ４により押し出されることで、金属容器１の絶縁スペーサ１０ｂ方向に可動子２と一体になって移動する。可動子２がさらに移動すると、固定側接触子５ａと可動子２の接触が外れ、可動子２がアークコンタクト３Ａのみと接触する状態となる。

さらに可動子２が絶縁スペーサ１０ｂ方向に移動すると、アークコンタクト３Ａは、支持枠１５Ａの端部で係止する。さらに可動子２が移動すると、図１に示すようにアークコンタクト３Ａと可動子２の接触が外れてアークが点弧する状態となる。

図４に可動子２の左端が固定側シールド６ａの右端まで変位した状態を示す。この状態では、アーク点弧部２１と可動子２の先端との間隙ｄが可動子２と固定側シールド６ａとの間隙Ｄよりも小さくなるように設定されている。このような寸法関係にしておけば、アークは小さい間隙ｄに生じ、固定側シールド６ａと可動子２の間に生ずることはない。したがって、アーク電流は専らアーク点弧部２１からコイル部２２に流れるので、コイル部２２のインダクタンスにより、アークに起因するサージ電圧の波高値は抑制される。

図１の状態からさらに可動子２が絶縁スペーサ１０ｂ方向に移動し、アークコンタクト３Ａと可動子２間の絶縁距離が十分に広がると、放電が発生しない状態となり電流が遮断される。これにより図３に示す開極状態となる。

図７はインダクタンスを有しない通常のアークコンタクトを使用した場合に発生する再点弧サージ波形の一例を示す図である。縦軸は電圧（ｐ．ｕ．）、横軸は経過時間（ｎｓ）を表す。この図は、サージ発生時に数ＭＨｚ以上の高周波電圧が発生していることを示している。発生する電圧のピーク値は回路条件に依存するが、最大で運転電圧の約２．５倍の電圧が発生する場合がある。

図８に、実施例１に係るアークコンタクトを適用した場合に発生するサージ波形を示す。縦軸は電圧（ｐ．ｕ．）、横軸は経過時間（ｎｓ）を表す。図８は、本発明のアークコンタクトを適用した以外は、図７と同じ回路条件で発生したサージ波形を示している。

図８と図７にそれぞれ示されたサージ波形を比較すると、アークコンタクトが有するインダクタンスの効果により、図８の波形は穏やかなものとなっている。つまり、サージの波頭の振動波形が減衰することで、断路器の開極動作時に発生する過電圧を抑制して絶縁性能の低下を防ぐことが可能であることが分かる。

図９は、回路インピーダンスに対するサージ電圧の関係を示している。縦軸はサージ電圧（ｐ．ｕ．）、横軸はインピーダンス（Ω）を表す。図９から分かるように、インピーダンスを７０Ω以上にすれば、サージ電圧を２ｐ．ｕ．以下にすることができ、インピーダンスを２００Ω以上にすれば、サージ電圧を１．５ｐ．ｕ．以下にすることができる。なお、２ｐ．ｕ．は対地電圧波高値が運転電圧の２倍であることを意味する。つまり、アークコンタクトに適用するインダクタンスのインピーダンスを高くすることでサージ電圧を低減させることが可能である。

以上述べたように、実施例１に係る断路器は、アークコンタクト３Ａの一部をインダクタンスとなるコイル形状で構成しており、アークコンタクト３Ａには開極動作時にしか電流が流れない構造となっている。これにより、サージ低減を実現するインダクタンスの効果が、サージが発生しやすい開極動作時にだけ働くようになっている。したがって、効果的に高周波のサージ電圧を抑制することが可能となる。

また、コイル形状をアークコンタクト３Ａに配置しているため、サージを抑制する機構を他に設ける場合に比べて、断路器を大型化することなくサージ低減効果を実現し、絶縁性能を確保することが可能となる。

さらに、本願の発明は、以下に述べる点においても前述の特開平５−３４２９５２号公報に係るシールドに直列にインダクタンスコイルを設ける発明（以下、従来例という。）と比べ有利な効果を奏する。

図１０は、本発明におけるアークコンタクト部の電位とシールド部の電位の比較を示す図である。縦軸はそれぞれの部位にかかる電位（ｐ．ｕ．）、横軸はインピーダンス（Ω）を表す。インピーダンスが１００Ωと仮定すると、アークコンタクト電位は約１．７５ｐ．ｕ．であるのに対し、シールド電位は約１．３ｐ．ｕ．となる。また、インピーダンスが２００Ωと仮定すると、アークコンタクト電位は約１．５ｐ．ｕ．であるのに対し、シールド電位は約１．２５ｐ．ｕ．となる。

すなわち、アークが発生するアークコンタクト部に比べてシールド部の電位は大きく低下することになる。特に再点弧時には高周波サージが発生するため電圧降下は顕著になる。アークコンタクト部はシールド部の内側に存在するため、アークコンタクト部の電位が高くても、インダクタンス分だけシールド電位は低くなる。そのシールド部と対地間の絶縁性能を確保することで高電圧部と対地（接地）との絶縁性能を満足することができる。

一方、従来例においてはアークが直接シールドに点弧するため、シールド電位が高周波サージの発生電位となる。したがって、シールドと対地間の絶縁性能を十分に確保する必要がある。

以上より、実施例１に係る断路器は、従来例に比べシールドにかかる電位を低減することが可能となり、絶縁性能が確保される。また、シールド部から金属容器までの絶縁距離を短くすることが可能となり、金属容器の径を縮小することが可能となる。このため、従来例と比べ金属容器１のさらなる小型化が可能となる。

また、実施例１に係る断路器は、シールドにアークを点弧しないためシールドを安価な導電材料であるアルミニウム等で構成することが可能になる。一方、シールドにアークを点弧させる従来例の場合は、安価な導電材料であるアルミニウム等でシールドを構成することはできず、溶融の少ない高価な金属材料を用いる必要がある。したがって、実施例１に係る断路器は、従来例と比べて製造コストを低減することが可能となる。

さらに、実施例１に係る断路器は、シールド部にアークを点弧しないため、シールド部を絶縁部材で被覆することが可能となる。一方、従来例の場合、シールド部を絶縁部材で被覆しても、シールドがアークに曝されるため被覆が溶けてしまい短期間に被覆の効果が失われる。

図１１は電極被覆の有無による絶縁破壊電圧の比較を示す図である。ここでは被覆材料としてエポキシ系の絶縁材料を用い、厚さ数百μｍの絶縁被覆を施している。図１１からわかるように被覆がある場合には被覆がない場合に比べて絶縁破壊電圧が約２０％上昇している。つまり、図１のシールド６ａ、６ｂに絶縁被覆がある場合には絶縁被覆がない場合と比べて極間距離および対地間距離を約２０％低減させることが可能である。

実施例１に係る断路器は、この点においても従来例と比べ絶縁性の向上を実現することが可能である。また、シールド部から金属容器までの絶縁距離を更に短くすることが可能となる。したがって金属容器の径を更に縮小することが可能となる。

以下に、本発明に係る断路器の第２の実施形態を図１２に基づいて説明する。なお、図１との同等物には同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図１２は、実施例２に係る断路器の固定側の拡大断面図である。この構成は、アークコンタクト部にコイルを設けず、アークコンタクト３Ｂと固定側導体７の間にコイルバネ１６を設け、このコイルバネ１６に電流が流れるような構成としたことを特徴とする。すなわち、サージ発生時にコイルバネ１６に電流を流すことにより、サージ低減効果となるインダクタンスとして機能させる構成を特徴とする。

この場合、アークコンタクト３Ｂを軸方向に可動させるための支持枠１５Ｂは電流が流れないように絶縁材で構成する。開極動作時において固定側導体７と可動側筒状導体８の間には、コイルバネ１６、アークコンタクト３Ｂ、可動子２、可動側接触子５ｂに電流が流れることになる。これにより発生するサージを低減することが可能となる。

実施例２に係る構成は、アークコンタクト３Ｂとコイルバネ１６をそれぞれ別個に作り、互いを直列につなぎ合わせることで製造することができる。すなわち、実施例２に係る構成は、アークコンタクト自体がコイル構造を有する実施例１の構成と比べて容易に製造することが可能となる。したがって、実施例１の構成の効果に加え、製造コストの削減、製造工数の削減という効果が生じる。

以下に、本発明に係る断路器の第３の実施形態を図１３に基づいて説明する。なお、図１との同等物には同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図１３に示す実施例３の構成は、実施例２の構成と比べると、支持枠１５Ｂを省いてアークコンタクト３Ｃがコイルバネ１６だけで支えられる構造となっているところに特徴がある。

支持枠１５Ｂを省くことで実施例３に係るアークコンタクト３Ｃとコイルバネ１６をあわせた長さを実施例２に係るアークコンタクト３Ｂの長さとほぼ同じにすることができる。これによって実施例３に係る構成は実施例２に係る構成に比べ、アークコンタクト３Ｃ、固定側接触子５ａ、固定側シールド６ａそれぞれの長さを短くすることが可能となる。その結果、タンクの軸方向の長さを短くすることが可能となる。

また、支持枠１５Ｂを省くことで実施例２に係る構成に比べ部品点数の削減、製造工数の削減および製造コストの削減が可能となる。

さらに、実施例３の構成は、可動子２の先端部にアークコンタクト３Ｃが固定できるような窪みが設けられていてもよい。これにより、支持枠１５Ｂを省いてもアークコンタクト３Ｃと可動子２が接触している間はアークコンタクト３Ｃを可動子２の中心軸上に確実に移動させることが可能となる。なお、窪みの形状は、その角部の電界を緩和するため任意の曲率を有する形状であることが望ましい。

以下に、本発明に係る断路器の第４の実施形態を図１４に基づいて説明する。なお、図１との同等物には同一符号を付して詳細な説明を省略する。図１４の構成は、アークコンタクト３Ｄに磁性体を設けた構造となっているところに特徴がある。

図１５は、実施例４に係る断路器のアークコンタクト３Ｄの拡大断面図である。このアークコンタクトは、アーク点弧部２１、磁性体部２５、接触部２３、アーク点弧部２１と接触部２３つなぐ導体２６で構成されている。開閉時にアーク点弧部２１にアークが点弧したときには、アーク点弧部２１、導体２６、接触部２３を通して支持枠１５Ｃと固定側導体７に電流が流れる。

磁性体は導体２６の周りに円筒状に配置されており、導体２６にサージに伴う高周波電流が流れるときにそれを熱エネルギーに変換して高周波電流を低減する。磁性体は透磁率が高いほど高周波において磁気抵抗が大きくなり、通り抜けようとする磁束が熱エネルギーに変換されることにより高周波信号を低減する。

このような透磁率の高い材料としては鉄、フェライト、珪素鋼板などがあげられる。これらの材料をアークコンタクト部に配置することにより、実施例１乃至３で説明したようなインダクタンスと同等の効果が期待できる。

また、実施例４に係る構成は、磁性体２５を導体２６の周りに円筒状に配置することで容易に製造することができる。実施例４に係る構成は、実施例１乃至３の構成と比べて製造が容易であるという効果を奏する。また、製造工数の低減を図ることが可能である。

１金属容器
２可動子
３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄアークコンタクト
４バネ
５ａ固定側接触子
５ｂ可動側接触子
６ａ固定側シールド
６ｂ可動側シールド
７固定側導体
８可動側筒状導体
１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ支持枠
１６コイルバネ
２１アーク点弧部
２２コイル部
２３接触部
２４支持絶縁部

Claims

それぞれ中心導体を有する絶縁スペーサで区画されて絶縁性ガスを封入される密封容器内に、
一方の絶縁スペーサの中心導体に取り付けられる固定側導体と、
前記固定側導体に接続される固定側接触子と、
前記固定側接触子の内側に取り付けられるアークコンタクトと、
前記固定側接触子を包囲して配置した固定側シールドと、
前記固定側接触子及び前記アークコンタクトに接触するとともに前記アークコンタクトとの開極に先行して前記固定側接触子から開離する可動子と、
前記アークコンタクトを前記可動子の動作軸方向に追従させる追従手段とを備えた断路器において、
前記アークコンタクトのアーク点弧部と前記固定側導体との間に電気的に直列に挿入されるインダクタンスを有し、
前記追従手段は、バネと、前記バネを可動自在に支えて前記アークコンタクトと前記固定側接触子を電気的に接続する支持枠と、で構成して前記固定接触子の内側に配置し、
前記アークコンタクトは、アークが点弧するアーク点弧部と、導体をコイル状に巻いた前記インダクタンスとなるコイル部と、前記固定側接触子内に配置される支持枠と電気的に接触する接触部と、前記アーク点弧部とコイル部と接触部とをコイルの巻線部で支持する支持絶縁部とで構成されることを特徴とする断路器。