JP2002216594A

JP2002216594A - 開閉装置の操作機構

Info

Publication number: JP2002216594A
Application number: JP2001010983A
Authority: JP
Inventors: Ayumi Morita; 歩森田; Yasuaki Suzuki; 安昭鈴木; Masahito Yabu; 雅人薮; Toru Tanimizu; 徹谷水; Ekizo Shibata; 易蔵柴田; Takashi Kadowaki; 孝志門脇
Original assignee: Hitachi Engineering and Services Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Engineering and Services Co Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 2001-01-19
Filing date: 2001-01-19
Publication date: 2002-08-02

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の電磁石を用いた開閉装置の操作機構は、
開閉装置の大容量化に伴って電磁石サイズおよびコンデ
ンサの静電容量が大きくなると、動作時間が遅くなって
効率が悪いという問題があった。【解決手段】コンデンサ電源を用いた電磁石により可動
接点を駆動する開閉装置の操作機構において、複数のコ
ンデンサを並列接続して充電し、該コンデンサを直列接
続に変換して前記電磁石のコイルに通電することを特徴
とする開閉装置の操作機構。【効果】コンデンサの充電電圧および充電エネルギーを
変えることなく等価的に回路の静電容量を小さくできる
ため、電磁石に対するエネルギーの高速注入が可能にな
り、高効率な操作機構を実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電磁石を利用した
開閉装置の操作機構に関するもので、特に安価で効率の
よい電磁石およびコンデンサ電源の使用方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】開閉装置の操作機構には、電動バネ操作
機構，油圧式および空気圧式操作機構などがある。通常
これらの操作機構は、部品数が多く、リンク機構が複雑
になるために比較的高い製造コストが伴う。リンク機構
を簡素化する手法の一つに電磁石を利用した操作機構が
あり、例えば特開平５−２３４４７５号公報に記載され
た真空接触器では電磁石を投入動作に使用し、投入動作
と同時に蓄勢された開極バネを解放して接点を開離す
る。また、特表平１０−５０５９４０号に記載された操
作機構では、投入動作用および遮断動作用の２個のコイ
ルを貫通するプランジャを設けて、投入・遮断の両方の
動作を電磁石で行っている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来のコンデンサを電
源とする電磁石を用いた操作機構（電磁操作機構）には
下記の問題があった。

【０００４】開閉装置の駆動力は定格遮断電流によって
異なり、例えば真空遮断器では、定格遮断電流１２.５
ｋＡの機器では約２,０００Ｎ，定格遮断電流４０ｋＡ
の機器では約１０,０００Ｎの駆動力を必要とする。従
来の電磁操作機構では、必要駆動力に合わせて電磁石の
サイズおよびコンデンサの静電容量を決めていた。それ
ゆえ、定格遮断電流が大きな機器になると、電磁石サイ
ズの拡大によってコイルのインダクタンスＬが増加し、
さらに大きな充電エネルギーを必要とするためコンデン
サの静電容量も増加する。開閉装置の動作時間は、コイ
ルのインダクタンスＬとコンデンサの静電容量によって
決まり、定格遮断電流が大きくなるほど動作時間が遅く
なる。動作時間とは、指令を受けてから動作完了までの
時間である。電磁操作機構では、コイル電流の立ち上が
りが遅くなると、動作開始までに消費するエネルギー
（ジュール損など）が増加するため効率が悪い。動作時
間を短縮する方法の一つに、コイルインダクタンスＬが
増加した分、コンデンサの静電容量を減少させる手法が
ある。しかし、コンデンサの充電エネルギーを確保する
ためには充電電圧を上げなければならず、定格別の充電
回路および高耐電圧コンデンサを用意する必要があり、
コストアップにつながる。

【０００５】本発明は上記課題を解決する手段として考
案したもので、その目的とするところは、コンデンサ電
源の効率的な使用方法を適用した安価で汎用性に富む開
閉装置の操作機構を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、コン
デンサ電源を用いた電磁石により可動接点を駆動する開
閉装置の操作機構において、複数のコンデンサを並列接
続して充電し、該コンデンサを直列接続に変換して前記
電磁石のコイルに通電することを特徴とする開閉装置の
操作機構である。

【０００７】また、本発明は、コンデンサ電源を用いた
電磁石により可動接点を駆動する開閉装置の操作機構に
おいて、複数のコンデンサを備え、前記各コンデンサ間
をスイッチｂを介して接続し、該スイッチｂの両側に充
電電源の陽極および陰極をそれぞれスイッチａを介して
接続し、前記スイッチａを入および前記スイッチｂを切
の状態で前記コンデンサを充電し、前記コンデンサの充
電が完了した時点で前記スイッチａを切および前記スイ
ッチｂを入の状態にすることを特徴とする開閉装置の操
作機構である。

【０００８】さらに、上記の操作機構において、前記ス
イッチａおよび前記スイッチｂが同時に入の状態になら
ないようにするものである。また、前記スイッチａおよ
び前記スイッチｂに、それぞれリレーのａ接点およびｂ
接点を用いたものである。

【０００９】また、本発明は、コンデンサ電源を用いた
電磁石により可動接点を駆動する開閉装置の操作機構に
おいて、複数の電磁石と複数のコンデンサを備え、前記
電磁石のコイルを直列接続し、前記コンデンサを並列接
続して充電し、前記コンデンサを直列接続に変換して前
記電磁石のコイルに通電することを特徴とする開閉装置
の操作機構である。

【００１０】すなわち、このように構成された開閉装置
の操作機構であると、コンデンサの充電電圧および充電
エネルギーを変えることなく等価的にコンデンサの静電
容量を小さくできるため、定格遮断電流が大きな機器に
対しても、動作時間を短縮でき、効率が向上する。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の実施例に関し、図１ない
し図１１を用いて説明する。（実施例１）本発明の第１の実施例について図１ないし
図５を用いて説明する。

【００１２】図４は、本発明の実施例である開閉装置の
操作機構を適用した三相真空遮断器２０の側断面図であ
る。ここでは三相真空遮断器を例に説明するが、単相真
空遮断器、あるいはガス遮断器などの他の開閉装置に本
発明を適用することも可能である。

【００１３】真空遮断器２０は、真空バルブ３０，操作
機構部４０，絶縁架台３１、および制御回路５１，電磁
石１０を収納する操作スペース５０で構成される。真空
バルブ３０は紙面奥行き方向に３相分並んだ状態で設置
してある。３つの真空バルブ３０は、操作機構部４０内
のシャフト４１を介して、単一の電磁石１０に連結す
る。

【００１４】真空バルブ３０は、上下の端板３２および
絶縁筒３３からなる真空容器によって、その内部を真空
状態に保つ。真空バルブ３０内に固定接点３７と可動接
点３８を配置し、その接離によって投入および遮断を実
現する。固定接点３７は、固定導体３５に固定してあ
り、固定側フィーダ３９と電気的に接続する。一方、可
動接点３８は、可動導体３６に固定し、フレキシブル導
体６１を介して可動側フィーダ６２に接続する。ベロー
ズ３４は、その両端を可動導体３６および端板３２に接
続する。ベローズ３４によって真空状態を維持したま
ま、固定接点３７と可動接点３８の接離が可能になる。

【００１５】真空バルブ３０と電磁石１０はシャフト４
１を介して連結し、電磁石１０の発生する駆動力を可動
導体３６に作用させる。可動導体３６は、絶縁ロッド６
３によって操作機構と電気的に絶縁し、シャフト４１に
固定したレバー４２に連結する。電磁石１０の可動鉄心
１は、接続部材９によってレバー４４と連結する。コイ
ル３を励磁すると、可動鉄心１は下方向に駆動され、す
なわち可動導体３４が上方向に移動し、投入動作が行わ
れる。

【００１６】投入動作では、接圧バネ４３と開極バネ４
５の蓄勢を同時に行う。接圧バネ４３は投入時の接点に
接触圧力を与えるためのバネであり、開極バネ４５は遮
断動作を行うためのバネである。接圧バネ４３は絶縁ロ
ッド６３内に収納されている。一方、開極バネ４５は、
操作機構部４０の天板４６と接続部材９に固定された板
４７とで挟持する。なお、投入動作完了時には、シャフ
ト４１が別途設けたラッチ機構（図示せず）によって回
転しない状態とする。投入状態では接圧バネ４３および
開極バネ４５はともに圧縮された状態のままとなり、ラ
ッチ機構との係合を外すと、両バネの蓄勢エネルギーに
よって開極動作が行われる。

【００１７】電磁石１０の構造を図５に示す。コイル３
の中心軸上を貫通する可動鉄心１は、非磁性の接続部材
９によってシャフト４１に固定したレバー４４と連結す
る。固定鉄心２は、いずれも磁性体である鋼管２ａ，凸
型鋼材２ｂ、およびリング状の鋼板２ｃで構成する。凸
型鋼材２ｂおよびリング状の鋼板２ｃは、図示するよう
に鋼管２ａの両端からねじ込む要領で取り付けてもよい
し、あるいは溶接にて固定してもよい。ここで、鋼材２
ｂは凸型形状としたが、勿論単純な平板でも構わない。
ただし、プランジャ５の端面と固定鉄心２のギャップＸ
をコイル３の中央付近に設けると、漏れ磁束が低減され
ることが分かっており、凸型鋼材を用いた方が効率は優
れる。また、凸型鋼材２ｂは、一体物で製作してもよい
し、あるいは２枚の鋼板を接続して構成してもよい。コ
イル３は、絶縁物あるいは非磁性体金属（アルミ，銅な
ど）で製作されたボビン３ａと、巻線３ｂで構成する。
リング状の鋼板２ｃは比較的深めに鋼管２ａにねじ込ん
であり、鋼管２ａの端部には非磁性部材で製作したふた
７を固定する。可動鉄心１の端部に固定した非磁性の接
続部材８は、ふた７を貫通する。接続部材８・９，ふた
７、および凸型鋼材２ｂによって、可動鉄心１の軸ずれ
を防止する。

【００１８】後述する電源回路８０によってコイル３を
通電すると、電磁石１０の鉄心内には磁束Φが流れ、可
動鉄心１と凸型鋼材２ｂ間に吸引力Ｆが作用する。この
吸引力Ｆによって、可動鉄心１は下方向に移動、すなわ
ち可動導体３６が上方向に駆動され、投入動作が行われ
る。

【００１９】次に、電源回路８０について、図１ないし
図３、および図１１を用いて説明する。図１はコンデン
サＣ１，Ｃ２，Ｃ３の充電中の状態、図２は充電が完了
した状態、図３はコイル３に通電した状態、図１１は各
種スイッチのタイミングを示すタイムチャートである。
ここでは、３つのコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３を用いた
例について説明するが、２つ、あるいは４つ以上のコン
デンサを用いた場合にも適用できる。

【００２０】電源回路８０の構成素子について説明す
る。符号Ｖは直流電源を表す。電源Ｖには、交流電源と
整流回路を組み合わせたものを用いてもよい。スイッチ
ＳＷ１は充電スイッチであり、抵抗Ｒｆは充電電流の制
限抵抗である。３つのコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３は、
スイッチｂ１１・ｂ２１を介して直列に接続する。ま
た、スイッチｂ１１の両端には、スイッチａ１１・ａ１
２を介して電源Ｖの陽極・陰極を接続する。同様に、ス
イッチｂ２１の両端には、スイッチａ２１・ａ２２を介
して電源Ｖの陽極・陰極を接続する。コンデンサＣ１，
Ｃ２，Ｃ３の充電が完了し、投入指令を受けると、放電
スイッチＳＷ２がＯＮされ、電磁石１０のコイル３に通
電する。コイル３と並列に接続した抵抗Ｒｓおよびダイ
オードＤは、コイル３の過電圧保護回路である。投入動
作完了時に、コイル電流Ｉｃを放電スイッチＳＷ２で遮
断すると、コイル３の巻線３ｂにはコイルのインダクタ
ンスＬとコイル電流Ｉｃで決まる電圧Ｌ（ｄＩｃ／ｄ
ｔ）が発生する。この電圧によって巻線３ｂの絶縁被覆
が破壊する可能性があるため、コイル３に蓄えられたエ
ネルギーを保護回路で消費する。

【００２１】次に、電源回路８０の動作について説明す
る。

【００２２】真空遮断器２０の投入動作が完了すると、
コンデンサＣ１,Ｃ２,Ｃ３の充電を開始する。スイッチ
ｂ１１・ｂ２１をＯＦＦし、その後スイッチａ１１・ａ
１２・ａ２１・ａ２２をＯＮして、コンデンサＣ１，Ｃ
２，Ｃ３を直列接続から並列接続に変換する。その後、
充電スイッチＳＷ１をＯＮして充電を開始する（図１の
状態）。

【００２３】充電電圧が所定の値に達して充電が完了す
ると、充電スイッチＳＷ１をＯＦＦして充電電流を遮断
する。その後、スイッチａ１１・ａ１２・ａ２１・ａ２
２をＯＦＦし、スイッチｂ１１・ｂ２１をＯＮして、コ
ンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３を直列接続した状態に戻す
（図２の状態）。

【００２４】開極指令は、真空遮断器２０が投入状態で
あれば、コンデンサのＣ１，Ｃ２，Ｃ３の充電の状況に
関わらず受け付け、開極動作を実施する。

【００２５】コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３の充電が完了
した状態でのみ、投入指令を受け付けるよう別途インタ
ロックを設けてある。投入指令が入ると、放電スイッチ
ＳＷ２がＯＮされ、コイル３に通電する(図３の状態)。
放電スイッチＳＷ２のＯＦＦタイミングは、別途設けた
タイマー回路で予め真空遮断器２０の投入時間に即して
設定しておく。コイル電流Ｉｃは放電スイッチＳＷ２で
遮断し、その後スイッチｂ１１・ｂ２１をＯＦＦ、スイ
ッチａ１１・ａ１２・ａ２１・ａ２２をＯＮ、さらに充
電スイッチＳＷ１をＯＮして、再び充電を開始する(図
１の状態に戻る)。

【００２６】次に、本実施例の効果について説明する。

【００２７】複数のコンデンサを並列充電し、直列接続
に変換して放電させることによって、静電容量の小さい
コンデンサを高電圧充電したものと等価になる。コンデ
ンサを並列接続したままで放電する従来方式と比べて、
充電エネルギーを高速注入できる。高速にコイル電流Ｉ
ｃが立ち上がると、コイル電流Ｉｃの通電開始から動作
開始までの時間が短縮でき、その間消費するジュール損
などを低減され効率が向上する。

【００２８】また、コンデンサＣ１,Ｃ２,Ｃ３の充電電
流、およびコイル電流Ｉｃは、それぞれ充電スイッチＳ
Ｗ１，放電スイッチＳＷ２で投入・遮断する。それゆ
え、スイッチａ１１・ａ１２・ａ２１・ａ２２、および
スイッチｂ１１・ｂ２１は通電容量だけを備えればよ
く、通常のリレー接点で十分である。本実施例では、各
コンデンサ間にリレーを配置し、リレーＲｙ１のａ接点
をスイッチａ１１・ａ１２、ｂ接点をスイッチｂ１１と
した。同様に、リレーＲｙ２のａ接点をスイッチａ２１
・ａ２２、ｂ接点をスイッチｂ２１として用いている。
リレーのａ接点，ｂ接点を利用すれば、図４のタイムチ
ャートに示したＯＮ・ＯＦＦのタイミングは自動的に実
現され、時間遅れ用のタイマー回路、あるいは同時にＯ
Ｎさせないためのインタロックなどが不要となり、安価
で故障しにくい回路となる。（実施例２）本発明の第２の実施例について図６ないし
図１０を用いて説明する。

【００２９】図６は、本発明の実施例である開閉装置の
操作機構を適用した三相真空遮断器２０の側断面図であ
り、Ｂ相の位置で断面したものである。図７は、シャフ
ト４１周辺の構造を示す。本実施例は、複数の電磁石１
０を備えた開閉装置の操作機構である。ここでは３つの
電磁石１０ａ・１０ｂ・１０ｃを備えた場合について説
明するが、２つ、あるいは４つ以上の電磁石を備えて場
合にも適用できる。

【００３０】真空遮断器２０は、真空バルブ３０，操作
機構部４０，絶縁架台３１、および制御回路５１・電磁
石１０を収納する操作スペース５０で構成される。各真
空バルブおよび電磁石の構造は、実施例１で述べたもの
と同一であり、ここでは説明を省略する。真空バルブ３
０ａ・３０ｂ・３０ｃは、シャフト４１を介して電磁石
１０ａ・１０ｂ・１０ｃと連結される。電磁石１０ａ・
１０ｂ・１０ｃのコイル３は互いに直列接続し、電源回
路８０と接続する。

【００３１】電源回路８０を図８ないし図１０に示す。
図８はコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３の充電中の状態、図
９は充電が完了した状態、図１０はコイル３に通電した
状態を表す。電磁石のコイル３ａ・３ｂ・３ｃを直列接
続した部分を除いて、実施例１の電源回路と構成・動作
ともに同じであり、ここでは説明を省略する。なお、図
８ないし図１０では、コンデンサを３つ用いた場合の例
を示しているが、２つあるいは４つ以上用いても勿論構
わない。

【００３２】本実施例の効果について説明する。

【００３３】小容量から大容量までの真空遮断器２０の
シリーズ化を考える上で、部品の共用化はコストダウン
に対する影響が大きい。したがって、小容量の真空遮断
器２０を対象に電磁石１０のサイズ・コンデンサの静電
容量を決定し、大容量の真空遮断器２０は複数の電磁石
１０・複数のコンデンサＣで対応するのが賢明である。
複数対の電磁石１０とコンデンサＣを並列に稼動する方
法も考えられるが、各電磁石１０のコイル電流Ｉｃのば
らつきによってシャフト４１にねじれ力が作用したり、
あるいはそれに伴って動作不安定になる恐れがある。本
実施例の操作機構では、電磁石１０のコイル３を直列接
続し、コンデンサＣを直列接続の状態で放電するため、
各電磁石１０のコイル電流Ｉｃは一定となり安定に動作
する。また、回路全体のインダクタンスはコイル３のイ
ンダクタンスの個数倍、静電容量はコンデンサＣの個数
分の一となるため、放電周期Ｔ＝２π√ＬＣは、コイル
３およびコンデンサＣの個数に依らずほぼ一定となる。
つまり、大容量の真空遮断器になっても、動作時間は小
容量の真空遮断器と変わらず、効率が低下することはな
い。

【００３４】

【発明の効果】本発明の開閉装置の操作機構によれば、
コンデンサの充電電圧および充電エネルギーを変えるこ
となく等価的に回路の静電容量を小さくできるため、電
磁石に対する充電エネルギーの高速注入が可能になり、
高効率な操作機構を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例である操作機構の電源装置で、
コンデンサの充電状態を表す。

【図２】本発明の実施例である操作機構の電源装置で、
コンデンサの充電完了状態を表す。

【図３】本発明の実施例である操作機構の電源装置で、
コンデンサの放電状態を表す。

【図４】本発明の実施例である操作機構を用いた真空遮
断器の側断面図である。

【図５】本発明の実施例である操作機構を用いた電磁石
の断面図である。

【図６】本発明の第２の実施例である操作機構を用いた
真空遮断器の側断面図である。

【図７】本発明の第２の実施例である操作機構における
シャフト周辺の構造を示す。

【図８】本発明の第２の実施例である操作機構の電源装
置で、コンデンサの充電状態を表す。

【図９】本発明の第２の実施例である操作機構の電源装
置で、コンデンサの充電完了状態を表す。

【図１０】本発明の第２の実施例である操作機構の電源
装置で、コンデンサの放電状態を表す。

【図１１】本発明の実施例である操作機構の電源装置
で、各種スイッチのタイムチャートを表す。

【符号の説明】

１…可動鉄心、２…固定鉄心、２ａ…鋼管、２ｂ…凸型
鋼材、２ｃ…リング状の鋼板、３…コイル、６…円盤状
の鋼板、９…接続部材、１０…電磁石、２０…真空遮断
器、３０…真空バルブ、４３…接圧バネ、４５…開極バ
ネ、Ｆ…吸引力、ＳＷ１…充電スイッチ、ＳＷ２…放電
スイッチ、ａ・ｂ…スイッチ、Ｃ…コンデンサ、Ｒｙ…
リレー、Ｉｃ…コイル電流、Φ…磁束。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鈴木安昭茨城県日立市国分町一丁目１番１号株式会社日立製作所電機システム事業部内 (72)発明者薮雅人茨城県日立市国分町一丁目１番１号株式会社日立製作所電機システム事業部内 (72)発明者谷水徹茨城県日立市国分町一丁目１番１号株式会社日立製作所電機システム事業部内 (72)発明者柴田易蔵茨城県日立市国分町一丁目１番１号株式会社日立製作所電機システム事業部内 (72)発明者門脇孝志茨城県日立市幸町三丁目２番２号株式会社日立エンジニアリングサービス内Ｆターム(参考） 5G028 AA01 AA08 DB09 5G034 AD01 AD11 AE02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コンデンサ電源を用いた電磁石により可動
接点を駆動する開閉装置の操作機構において、複数のコ
ンデンサを並列接続して充電し、該コンデンサを直列接
続に変換して前記電磁石のコイルに通電することを特徴
とする開閉装置の操作機構。
【請求項２】コンデンサ電源を用いた電磁石により可動
接点を駆動する開閉装置の操作機構において、複数のコ
ンデンサを備え、前記各コンデンサ間をスイッチｂを介
して接続し、該スイッチｂの両側に充電電源の陽極およ
び陰極をそれぞれスイッチａを介して接続し、前記スイ
ッチａを入および前記スイッチｂを切の状態で前記コン
デンサを充電し、前記コンデンサの充電が完了した時点
で前記スイッチａを切および前記スイッチｂを入の状態
にすることを特徴とする開閉装置の操作機構。
【請求項３】前記スイッチａおよび前記スイッチｂが同
時に入の状態にならないことを特徴とする請求項２記載
の開閉装置の操作機構。
【請求項４】前記スイッチａおよび前記スイッチｂに、
リレーのａ接点およびｂ接点を用いることを特徴とする
請求項２又は請求項３記載の開閉装置の操作機構。
【請求項５】コンデンサ電源を用いた電磁石により可動
接点を駆動する開閉装置の操作機構において、複数の電
磁石と複数のコンデンサを備え、前記電磁石のコイルを
直列接続し、前記コンデンサを並列接続して充電し、前
記コンデンサを直列接続に変換して前記電磁石のコイル
に通電することを特徴とする開閉装置の操作機構。