JP2004164994A - 開閉器 - Google Patents
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Abstract
【課題】物理的吸着剤、水素吸蔵合金などの機能性材料を利用することで、良好な遮断性能を有しながらもコンパクトな開閉器を提供する。
【解決手段】電流遮断時においては、固定アーク接触子１１および可動アーク接触子２４の間にアーク３０が発生する。アーク部において高温のガス流３２ｆが発生し、これが蓄圧空間Ｓ１にとり込まれることにより、蓄圧空間Ｓ１の温度は急激に上昇する。蓄圧空間Ｓ１に配置された機能性材料４１の温度も上昇し、その臨界温度以上に達すると、機能性材料４１からＣＯ２ガス４２が排出されるため、固定ピストン２７による機械的に圧縮に加え、蓄圧空間Ｓ１の圧力はさらに急激に上昇する。この高い蓄圧空間Ｓ１の圧力により、もともと昇圧空間Ｓ１内に存在したＳＦ６ガスが、機能性材料から発生したＣＯ２ガス４２とともに強力にアーク３０に吹付けられる。
【選択図】 図１
【解決手段】電流遮断時においては、固定アーク接触子１１および可動アーク接触子２４の間にアーク３０が発生する。アーク部において高温のガス流３２ｆが発生し、これが蓄圧空間Ｓ１にとり込まれることにより、蓄圧空間Ｓ１の温度は急激に上昇する。蓄圧空間Ｓ１に配置された機能性材料４１の温度も上昇し、その臨界温度以上に達すると、機能性材料４１からＣＯ２ガス４２が排出されるため、固定ピストン２７による機械的に圧縮に加え、蓄圧空間Ｓ１の圧力はさらに急激に上昇する。この高い蓄圧空間Ｓ１の圧力により、もともと昇圧空間Ｓ１内に存在したＳＦ６ガスが、機能性材料から発生したＣＯ２ガス４２とともに強力にアーク３０に吹付けられる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、送配電線路において電流を遮断する機能を有する開閉器に係る。
【０００２】
【従来の技術】
電流遮断器能を有する開閉器には、使用目的や必要とされる機能に応じて、断路器、遮断器など様々なものが存在する。ここでは、７２ｋＶｋＶ以上の高電圧送電系統の保護用開閉器として、広く使用されているパッファ形ガス遮断器を例に取り従来の技術を説明する。
【０００３】
図７は従来のパッファ形ガス遮断器の一例を示す図であり、（ａ）は閉極状態を、（ｂ）は開極動作初期の状態を、（ｃ）は開極動作終了直後の状態を、（ｄ）は開極動作終了後電流零点に至った状態を示す断面図である。
【０００４】
この図７に示すように、消弧性のガスが充填された図示していない容器内には、固定接触子部１０として定義される第１接触子部、可動接触子部２０として定義される第２接触子部が対向配置されている。消弧性ガスとしては、アーク遮断性能および電気絶縁性能ともに優れたＳＦ６ガスが使用されることが通常である。なお、以下、可動接触子部２０の位置関係について、固定接触子部１０側の方向を前方、その反対側を後方と定義して説明する。
【０００５】
固定接触子部１０は、固定アーク接触子１１とその周囲に配置された固定通電接触子１２から構成されている。固定通電接触子１２には導体１３が固定されており、図示していないガス遮断器の口出し部に接続される。
【０００６】
一方、可動接触子部２０は、中空の操作ロッド２１とこの操作ロッド２１の周囲に配置されて前端部で操作ロッド２１に連結されたフランジ２２、フランジ２２の後方に連結されたパッファシリンダ２３、フランジ２２の前方に連結された中空かつ指状の可動アーク接触子２４とその周囲に配置された可動通電接触子２５、可動アーク接触子２４を包囲する絶縁性のノズル２６を備えている。
【０００７】
前記可動接触子部２０のパッファシリンダ２３内には固定ピストン２７が挿入され、この固定ピストン２７は図示しない容器に支持されたフランジ１４に固定されている。このフランジ１４には通電部２８が固定されており、その先端部においてパッファシリンダ２３と接触通電および摺動通電可能になっている。また、フランジ１４には導体２９が固定されており、図示していないガス遮断器の口出し部に接続されている。
【０００８】
以上のような可動接触子部２０のうち、操作ロッド２１は、図示していない駆動装置によってその軸方向に往復運動するように構成されており、その中程に、その中空部と充填ガス雰囲気空間とを連通する複数の連通穴２１ａを有している。また、可動アーク接触子２４と絶縁ノズル２６との間には、パッファシリンダ２３内部の圧縮空間Ｓ１で圧縮された消弧性ガスをガス流として、フランジ２２に設けられた連通穴２２ａを経て、アーク空間Ｓ２に導くための上流側ガス流路Ｓ３が形成されている。
【０００９】
さらに、固定ピストン２７は、円形平板状に形成されており、その内周面で操作ロッド２１の外周面に対して摺動すると共に、その外周面でパッファシリンダ２３の内周面に対して摺動するように構成されている。この場合、固定ピストン２７は、その後方に一体的に設けられて軸方向に伸びるピストン支持部２７ａによって図示していない容器内に固定されている。そして、このように固定された固定ピストン２７に対し、操作ロッド２１とパッファシリンダ２３が一体的に移動することにより、パッファシリンダ２３と固定ピストン２７が相対移動し、それによって、パッファシリンダ２３内部に形成される空間Ｓ１が圧縮されるようになっている。
【００１０】
以上のような構成を有する図７のパッファ形ガス遮断器の閉極時の通電状態について説明する。
図７（ａ）に示すように、可動接触子部２０の操作ロッド２１がパッファシリンダ２３と共に固定接触子部１０側に移動し、パッファシリンダ２３先端のフランジ２２に設けられた可動通電接触子２５が固定接触子部１０の固定通電接触子１２に、また、可動アーク接触子２４が固定アーク接触子１１に接触している。この状態で、電流は、ガス遮断器の片側の口出し部から導入され、例えば、導体１３側から入り、固定通電接触子１２、可動通電接触子２５、フランジ２２、パッファシリンダ２３、通電部２８、フランジ１４および導体２９を通って、ガス遮断器の反対側の口出し部から出ていく。
【００１１】
次に、開極動作について説明する。
まず、開極動作途中の初期状態においては、後方の操作ロッド２１が移動しており、この操作ロッド２１を含む可動接触子部２０が一体的に移動している。図７（ｂ）はこのような開極動作によって固定アーク接触子１１と可動アーク接触子２４が開離した後の状態を示しており、両アーク接触子１１、２４間のアーク空間Ｓ２には大電流アーク３０が発生している。ここで、パッファシリンダ２３内部の空間Ｓ１の圧力は、パッファシリンダ２３と固定ピストン２７との相対移動による機械的な圧縮作用によって昇圧されることになる。
【００１２】
この時、大電流アーク３０により、アーク空間Ｓ２は高温高圧の状態にある。例えば大電流アーク３０の電流が５０ｋＡの場合、その温度は容易に１００００Ｋ以上に達する。このため、アーク空間Ｓ２は圧縮空間Ｓ１より圧力が上昇し、操作ロッド２１の内部空間から連通穴２１ａを経て圧縮空間Ｓ１に至るガス流３２ａが生じる。すなわち、大電流アーク３０のエネルギーのうちの一部が圧縮空間に取り込まれる。
【００１３】
このように、開極動作が進むと、パッファシリンダ２３内部の蓄圧空間Ｓ１は機械的な圧縮作用に加えて、熱的作用により昇圧される。このように空間Ｓ１が十分に昇圧された状態で、図７（ｃ）に示すように開極動作がさらに進みノズル２５のスロート部Ｓ４が開口すると、可動アーク接触子２４と絶縁ノズル２６との間のガス流路から固定アーク接触子１１に向かって流れるガス流３２ｂが発生する。その一方で、可動アーク接触子２４の中空部から、操作ロッド２１に設けられた連通穴２１ａに向かって流れるガス流３２ｃも発生する。ただし、この段階ではアーク空間Ｓ２が径の大きな大電流アーク３０によりほぼ閉塞された状態にあるため、ガス流３２ｂ、３２ｃは弱い流れである。
【００１４】
さらに、図７（ｄ）に示すように電流零点に達すると、大電流アーク３０は減衰し、残留アークプラズマ３１となって、圧力、密度及び温度が減少する。これにより、ノズル２５のスロート部Ｓ４は十分に開口し、強力なガス流３２ｄ、３２ｅが発生し、これらの２方向のガス流によって、相乗的に強力に冷却されて消弧され、電流遮断が達成される。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
前記のようなパッファ形ガス遮断器のように、アークに消弧性ガスを吹付けてアークを消滅させ、電流遮断を行うタイプの開閉器においては、ガスの吹付け圧力、すなわち蓄圧空間Ｓ１の圧力の上昇により、ガス吹付け力が向上し、アークが消滅しやすくなり、電流遮断性能が向上することが知られている。さらに、アーク遮断が可能な期間を長く確保しようとすると、蓄圧空間内Ｓ１内に存在する吹付けガスの体積が、それに応じて多く必要となることが一般に知られている。
【００１６】
しかしながら、前述のパッファ形ガス遮断器においては、電流遮断性能を向上させるために高い吹付け圧力を得ようとすると、それだけ蓄圧空間の圧力を高く上昇させるための大きなエネルギーが必要となり、たとえば大きな機械的駆動力が必要となる。また、アーク遮断が可能な期間を長く確保しようとすると、蓄圧空間Ｓ１内のガス体積を多く確保する必要があり、そのガス体積を昇圧させるためにさらに大きなエネルギーが必要となっていた。これらをまとめると、開閉装置の電流遮断性能を向上させるためには、強い吹付け圧力を長い期間維持することが必要であり、そのためには大きなエネルギーにより、大きなガス体積を高い圧力に昇圧させる必要があり、これにより必然的に装置の大型化を招いた。
【００１７】
また、消弧性ガスとして広く使用されているＳＦ６ガスは地球温暖化係数が２３９００と非常に高いことが知られており、１９９７年１２月に開催された地球温暖化防止に関する京都会議（ＣＯＰ３）において温室効果ガスとして削減対象に指定された。しかしながら、ＳＦ６ガスは今のところ実用的に最も優れたアーク遮断媒体と認識されており、ＳＦ６に比べて地球温暖化係数が小さく環境にやさしい他の代替ガス、例えば空気、Ｎ２、ＣＯ２などをアーク遮断媒体として適用した場合、ＳＦ６と同等レベルのアーク遮断性能を得るためにはさらに強力な吹付け力が必要となり、さらに大型化が必要となることが問題となっていた。
【００１８】
一方、ゼオライトなどの物理的吸着剤、水素吸蔵合金、Ｌｉ４ＳｉＯ４、Ｌｉ２ＳｉＯ３、Ｌｉ２ＴｉＯ３、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＦｅＯ２、Ｌｉ２ＺｒＯ３などの材料は、ある臨界温度に応じて、それぞれに特有のガスを排出あるいは吸収することが知られている。図６にその特性の概念図を示す。一例として、Ｌｉ４ＳｉＯ４は一気圧の圧力においては、臨界温度である７２０℃以上の温度でＣＯ２ガスを放出し、同温度以下では逆にＣＯ２ガスを吸収する方向に反応が進むことが知られている。さらに、温度が高くなるほどＣＯ２ガス放出量は多くなることが知られている。
【００１９】
本発明は前記のような従来の開閉器における問題点を解決するために提案されたものであって、物理的吸着剤、水素吸蔵合金などの機能性材料が有する特性に着目することにより、良好な遮断性能を有しながらもコンパクトな開閉器を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、消弧性ガスが充填された密閉容器内に収納され、開閉器の投入時は接触導通状態にあり、開極動作時は相対移動しつつ開離するとともに両者間にアークを発生するアーク空間が形成されるように対向配置された第１接触子および第２接触子と、
前記消弧性ガスの蓄圧空間と、前記蓄圧空間から前記アーク空間に消弧性ガスを案内するガス流路とを有する開閉器において、
前記蓄圧空間に、温度に応じてガスを排出あるいは吸収することが可能な機能性材料を配置したことを特徴とする。
【００２１】
このような構成を有する請求項１の発明においては、電流遮断時にはアーク部で発生した高温のガス流が蓄圧空間にとり込まれ、蓄圧空間の温度が急激に上昇する。すると、蓄圧空間に配置された機能性材料の温度も上昇し、その臨界温度以上に達する。これにより機能性材料から消弧性ガスが排出されるため、従来の場合よりも高い吹付け圧力、および多量の吹付けガス量が得られる。
【００２２】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記機能性材料が、物理的吸着材、水素吸蔵合金、Ｌｉ４ＳｉＯ４、Ｌｉ２ＳｉＯ３、Ｌｉ２ＴｉＯ３、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＦｅＯ２、Ｌｉ２ＺｒＯ３、ＣａＣＯ３、ＭｇＣＯ３のいずれか１つあるいは混合材料であることを特徴とする。
【００２３】
ゼオライトなどのガスの物理的吸着材、水素吸蔵合金、Ｌｉ４ＳｉＯ４、Ｌｉ２ＳｉＯ３、Ｌｉ２ＴｉＯ３、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＦｅＯ２、Ｌｉ２ＺｒＯ３、ＣａＣＯ３、ＭｇＣＯ３などは、ある臨界温度を超えるとそれぞれの材料に特有のガスを放出し、逆に臨界温度以下においてはガスを吸収することが知られている。したがって、このような構成の請求項２の発明によれば、請求項１により得られる作用と同一の作用が得られる。
【００２４】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記消弧性ガスは、ＳＦ６ガスよりも地球温暖化係数が低いガスのうちの１種類の純粋ガス、または２種類以上の混合ガス、または少なくとも１種類以上のガスとＳＦ６ガスとの混合ガスであることを特徴とする。
このような構成の請求項３の発明では、消弧性ガスとして従来使用されているＳＦ６ガスよりも地球温暖化係数が低い純ガスあるいは混合ガスを使用するため、地球環境への負荷を従来よりも低減することができる。
【００２５】
請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記ＳＦ６ガスよりも地球温暖化係数が低いガスは、ＣＯ２、Ｎ２、Ｏ２、Ｈ２、Ｈｅ、Ａｒのいずれかであることを特徴とする。
【００２６】
このような構成を有する請求項４の発明においては、ＣＯ２、Ｎ２、Ｏ２、Ｈ２、Ｈｅ、Ａｒは、消弧ガスとして従来使用されているＳＦ６ガスよりも地球温暖化への影響が著しく小さいことに加え、オゾン層破壊への影響、人体への毒性がないため、地球環境への負荷を特に低減することが可能である。
【００２７】
請求項５の発明は、請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の発明において、前記機能性材料から発生されるガスは、その組成に前記消弧性ガスの少なくとも１種類と同じ元素を含むことを特徴とする。
【００２８】
一般に、開閉器の電流遮断直後は、機能性材料から放出されたガスが、もともと密閉容器に充填されていた消弧性ガスに加わった状態となっている。したがって、機能性材料から排出されるガスがもともとの充填消弧性ガスと異なる場合には、両者の混合ガスとなっている。したがって、この状態においては初期に設定された開閉器の特性とは異なっている。しかしながら、前記のような構成を有する請求項４の発明においては、前記機能性材料から発生されるガスが、その組成に前記消弧性ガスの少なくとも１種類と同じ元素を含むよう構成することにより、機能性材料からのガス放出後の開閉器の特性変化を低く抑えることができる。
【００２９】
請求項６の発明は、請求項５に記載の発明において、前記消弧性ガスがＣＯ２を含むガスであって、前記機能性材料が、Ｌｉ４ＳｉＯ４、Ｌｉ２ＳｉＯ３、Ｌｉ２ＴｉＯ３、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＦｅＯ２、Ｌｉ２ＺｒＯ３、ＣａＣＯ３、ＭｇＣＯ３のいずれか１つあるいは混合材料であることを特徴とする。
【００３０】
このような構成を有する請求項６の発明において使用されるＬｉ４ＳｉＯ４、Ｌｉ２ＳｉＯ３、Ｌｉ２ＴｉＯ３、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＦｅＯ２、Ｌｉ２ＺｒＯ３、ＣａＣＯ３、ＭｇＣＯ３などの材料は、その臨界温度を超えることによりＣＯ２ガスを発生させ、逆に臨界温度以下ではＣＯ２ガスを吸収する機能を有する。したがって、前記消弧性ガスがＣＯ２ガスの場合において、上記機能性材料からのガス放出後においても充填ガスはＣＯ２ガス単一であるため、開閉器の特性変化をさらに低く抑えることができる。
【００３１】
請求項７の発明は、請求項５に記載の発明において、前記消弧性ガスがＨ２を含むガスであって、前記機能性材料が水素吸蔵合金であることを特徴とする。
このような構成を有する請求項７の発明においては、前記消弧性ガスとしてＨ２を含むガスを採用し、前記機能性材料として水素吸蔵合金を使用したので、上記機能性材料からのガス放出後においても充填ガスはＨ２ガス単一であるため、開閉器の特性変化をさらに低く抑えることができる。
【００３２】
請求項８の発明は、請求項１から請求項７のいずれか１つに記載の発明において、前記機能性材料の色が白色あるいは透明色でないことを特徴とする。
一般に、機能性材料の温度が上昇する過程としては、昇圧空間に流れ込む高温ガスからの熱伝達に加え、アークおよびそれに伴う高圧ガスからの輻射吸収によるものが考えられる。同一条件下においては、一般的に白色あるいは透明色でない物質の方が、輻射吸収による熱移動率が高いことが知られている。したがって、このような構成を有する請求項６の発明において、前記機能性材料の色を白色または透明色以外とすることにより、輻射吸収による機能性材料への熱移動が効率的に行われ、速やかに材料温度が上昇し、電流遮断に対するガス放出の応答性が向上する。
【００３３】
請求項９の発明は、請求項１から請求項８のいずれか１つに記載の発明において、前記機能性材料から発生されるガスは、前記消弧性ガスと混合された際の絶縁耐圧が、両者の分圧和から決定される絶縁耐圧よりも高くなるものであることを特徴とする。
【００３４】
通常、電流遮断直後は、機能性材料から放出されたガスが、もともと密閉容器に充填されていた消弧性ガスに加わった状態となっている。したがって、機能性材料から排出されるガスがもともとの充填消弧性ガスと異なる場合には、両者の混合ガスとなっている。ところで、混合ガスの絶縁特性については負の相乗効果、および正の相乗効果があることが知られている。ある２種のガスを混合させた場合、それぞれのガスの分圧和から決定される絶縁耐圧よりも混合ガスとしての絶縁耐圧が低くなる場合を負の相乗効果、高くなる場合を正の相乗効果という。
【００３５】
したがって、前記のような構成を有する請求項９の発明においては、前記機能性材料から発生されるガスと、もともと密閉容器に充填されている消弧性ガスとを、両者が混合された際に正の相乗効果を示すような組み合わせとすることにより、遮断性能の向上効果に加え、同時に良好な絶縁性能も得ることができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下には、本発明における開閉器の複数の実施の形態について、図１ないし図５を参照して具体的に説明する。なお、図７に従来技術の開閉器と同一の部分については、同一の符号を付し、説明は省略する。
【００３７】
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態は、本発明をパッファ形ガス遮断器に適用したものであって、図１は、その電流遮断時の状態を示す。すなわち、電流遮断器能を有する開閉器には、使用目的、必要とされる機能に応じて、断路器、遮断器など様々なものが存在する。ここでは、一例として７２ｋＶ以上の高電圧送電系統の保護用開閉器として、広く使用されているパッファ形ガス遮断器を取り上げて解説する。
【００３８】
このパッファ形ガス遮断器の基本的な構造は、図７において説明した従来のパッファ形ガス遮断器と同様である。密閉容器内に充填されている消弧性ガス４３は、ここでは現在広く使用されているＳＦ６ガスとする。このパッファ形ガス遮断器における蓄圧空間Ｓ１内には円筒状の機能性材料４１が配置されている。すなわち、蓄圧空間Ｓ１を構成するパッファシリンダ２３の内面に沿って円筒状の機能性材料４１が配設され、アーク部３０と蓄圧空間Ｓ１はフランジ２２に設けた連通穴２２ａおよび中空状操作ロッド２１に設けた連通穴２２ｂにより連通されている。この機能性材料４１としては、様々な種類が考えられるが、本実施の形態では、一例として、約７００℃の臨界温度以上でＣＯ２ガスを排出するＬｉ４ＳｉＯ４を使用する。
【００３９】
このような構成を有する第１の実施の形態において、パッファ形ガス遮断器としての基本的な動作は、従来の技術において説明したものと同様である。
一方、電流遮断時においては、固定アーク接触子１１および可動アーク接触子２４の間にアーク３０が発生する。通常、アーク温度は１００００Ｋ以上まで容易に達する。したがって、アーク部において高温のガス流３２ｆが発生し、これが蓄圧空間Ｓ１にとり込まれることにより、蓄圧空間Ｓ１の温度は急激に上昇する。すると、蓄圧空間Ｓ１に配置された機能性材料４１の温度も上昇し、その臨界温度以上に達する。これにより機能性材料４１からＣＯ２ガス４２が排出されるため、固定ピストン２７による機械的に圧縮に加え、蓄圧空間Ｓ１の圧力はさらに急激に上昇する。こうした高い蓄圧空間Ｓ１の圧力により、もともと昇圧空間Ｓ１内に存在したＳＦ６ガスが、機能性材料から発生したＣＯ２ガス４２とともに強力にアーク３０に吹付けられるため、極めて良好なアーク遮断が実現される。
【００４０】
この場合、本実施の形態においては、機能性材料４１が円筒状をなし、しかもパッファシリンダ２３の内面全域にわたって配設されているため、連通穴２２ａおよび２２ｂによりアークからの熱エネルギーが容易に昇圧空間Ｓ１へととり込まれ、さらにアークからの高温のガス流２２ｂは蓄圧空間Ｓ１内において機能性材料４１にほぼ垂直に衝突するため、機能性材料４１への熱伝達が良好に行われ、速やかかつ大量にＣＯ２ガスの排出が行われる。
【００４１】
しかも、電流の遮断直後は、機能性材料４１から排出されたＣＯ２ガスが、もともと充填されていたＳＦ６ガスに加わった状態となっている。したがって、密閉容器圧力は初期の圧力よりも上昇しており、また、密閉容器内のガスはＳＦ６ガスとＣＯ２の混合ガスとなっているため、この状態においては初期に設定された開閉器の性能とは異なった状態となっている。しかしながら、その後、蓄圧空間の温度は速やかに低下するため、機能性材料４１の温度もその臨界温度以下にまで低下する。そのため、機能性材料４１は電流遮断時に放出したＣＯ２ガスを今度は吸収するよう機能する。したがって、機能性材料４１がＣＯ２ガスを吸収し終わった段階では、当該遮断器の特性は初期に設定されたものに完全に復された状態となる。
【００４２】
電流遮断直後においては密閉容器内のガスはＳＦ６ガスとＣＯ２の混合ガスとなっている。混合ガスの絶縁特性については負の相乗効果、および正の相乗効果があることが知られているが、ＳＦ６ガスとＣＯ２ガスの混合ガスの絶縁耐力は、図２に示すようにそれぞれのガスの分圧和から決定される絶縁耐圧よりも混合ガスとしての絶縁耐圧の方が高くなる、いわゆる正の相乗効果を示すことが知られている。したがって、ＳＦ６ガスとＣＯ２ガスのような正の相乗効果を有するガスを組み合わせることにより、機能性材料のガス排出による遮断性能の向上効果だけでなく、同時に良好な絶縁性能も得ることができる。
【００４３】
一般的に遮断電流値が大きくなると、それだけアークは消弧しにくくなり、電流を遮断するためにはさらに高い吹付け圧力および多量の吹付けガス量が必要となる。一方、遮断電流が大きいほどアーク部においてより高温のガスが生成されるため、蓄圧空間の温度は上昇する。したがって、本構成によると、電流を遮断しにくい大電流遮断時には、蓄圧空間に設置した機能性材料はそれだけ多くの消弧性ガスを放出し、より高い吹付け圧力、および多量の吹付けガス量が得られ、大電流遮断時においても良好な遮断性能を得ることができる。これにより、良好な遮断性能を有しながらもコンパクトな開閉器を提供することができる。
【００４４】
（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態を示す電流遮断時における開閉器である。この開閉器の概ねの構造は、図１において説明した第１の実施の形態を示すパッファ形ガス遮断器と同様であるが、本実施の形態においては、蓄圧空間Ｓ１に固定ピストンは存在せず、パッファシリンダ２３の操作機構側（可動アーク接触子２４や可動通電接触子２５と反対側）の開口部が操作ロッド２１に固定されたフランジ２２ｃによって塞がれ、蓄圧空間Ｓ１が閉じた空間を形成している。また、この蓄圧空間Ｓ１との内部とアーク部３０とは、フランジ２２に設けた連通穴２２ａおよび中空状操作ロッド２１に設けた連通穴２２ｂにより連通されている。また、密閉容器内に充填されている消弧性ガス４４は、ここではＣＯ２ガスとする。
【００４５】
前記蓄圧空間Ｓ１の内部には、カーボンを含まない顔料により黒に着色された円筒状の機能性材料４６が蓄圧空間Ｓ１内に配置されている。この機能性材料としては、様々な種類が考えられるが、ここでは一例として、約７００℃の臨界温度以上でＣＯ２ガスを排出するＬｉ４ＳｉＯ４を使用する。着色された機能性材料４６と金属製のパッファシリンダ２３は断熱材４５によりしきられており、両者は熱的に絶縁されている。
【００４６】
このような構成を有する第２の実施の形態の基本的な作用は、第１の実施の形態と同一であるが、本実施の形態においてはピストンによる機械的な圧縮を行わないので、機械的駆動力を非常に小さくすることが可能で、大幅な小形化、低コスト化が図られる。機械的な圧力上昇手段を用いなくても、電流遮断時に機能性材料４６より排出されるＣＯ２ガス４２により、電流を遮断するのに十分な吹付けガス圧力、吹付けガス量を確保することができる。
【００４７】
特に、本実施の形態では、断熱材４５により機能性材料４６と金属性のパッファシリンダ２３は熱的に絶縁されているため、同境界面における熱移動を抑制することができる。このため、高温ガスから注入される熱量が効率的に機能性素子の温度上昇に利用され、電流遮断に対するガス放出の応答性が向上する。
【００４８】
一方、機能性材料４６の温度が上昇する過程としては、蓄圧空間Ｓ１に流れ込む高温ガス３２ｆからの熱伝達に加え、アーク３０およびそれに伴う高圧ガス３２ｆからの輻射吸収によるものが考えられる。本実施の形態における機能性材料４６は黒色に着色されているため、輻射吸収による機能性材料への熱移動が効率的に行われ、速やかに材料温度が上昇し、電流遮断に対するガス放出の応答性がさらに向上する。黒着色している顔料はカーボンを含まないため、たとえ機能性材料４６が熱分解し消弧性ガスに混入した場合においても電気絶縁性能に悪影響をおよぼさない。
【００４９】
更に、機能性材料４６より排出されるガス４２はＣＯ２ガスであり、もともと密閉容器に充填されていたガス４４と同一ガスである。したがって電流遮断時に機能性材料からの排出ガスが加わっても、容器内はいぜんＣＯ２ガスのままである。このため、電流遮断後の開閉器の特性変化は低く抑えられる。
【００５０】
ＣＯ２ガスは、従来消弧性ガスとして広く使用されているＳＦ６ガスと比較して、地球温暖化係数が２３９００分の１と極めて小さく、さらにオゾン層破壊への影響、および毒性も無いため、地球環境への負荷を著しく低減することができる。ＣＯ２自体のアーク遮断性能はＳＦ６ガスと比較すると劣るが、機能性材料４６から発生するガス４２により高い吹付けガス圧力および十分なガス流量が得られるため、良好なアーク遮断が実現できる。
【００５１】
これにより、良好な遮断性能を有しながらもコンパクトな開閉器を提供することができる。さらに、地球環境への負荷を低減したコンパクトかつ高性能な開閉器を提供することができる。
【００５２】
（第３の実施の形態）
図４は、本発明の第３の実施の形態を示す電流遮断時における開閉器である。この開閉器の概ねの構造は、図３において説明した第２の実施の形態を示す開閉器と同様であるが、機能性材料の配置構造が前記第２の実施の形態と異なる。すなわち、本実施の形態においては、図４（ｂ）の断面図に示すように、棒状の機能性材料４７を昇圧空間Ｓ１内に操作ロッド２１の軸方向と平行に多数本配置した構造となっている。
【００５３】
このような構成を有する本形態においては、図３に示すような単純円筒形の機能性材料と比べて、その表面積を大幅に増やすことが可能である。このため、高温のガス流３２ｆからの熱伝達が効率的に行われ、機能性材料４７の温度が急激に上昇する。したがって、電流遮断に対するガス放出の応答性が向上する。これにより、良好な遮断性能を有しながらもコンパクトな開閉器を提供することができる。
【００５４】
なお、本実施の形態においては、機能性材料の表面積を増やすことが本質的な問題であり、これを実現する構成は、棒形状にする以外にも多々存在するもので、機能性材料の表面に凹凸や溝を形成したり、機能性材料自体を網状やフィン状に形成することも可能である。
【００５５】
（第４の実施の形態）
図５は、本発明の第４の実施の形態を示す電流遮断時における開閉器である。この開閉器の基本的な構造は図７において説明した従来のパッファ形ガス遮断器と同様である。本実施の形態においては、絶縁ノズル２６の内部に第２の蓄圧空間Ｓ５が形成され、同空間内に機能性材料４１が配置されている。この場合、機能性材料４１より発生する消弧性ガス４２はアーク３０に対して垂直に吹付けられるように、第２の蓄圧空間Ｓ５の開口部は、絶縁ノズル２６の内面に配置されている。
【００５６】
このような構成を有する本実施の形態の基本的な作用は、第１の実施の形態と同一である。それに加え、本実施の形態においては、機能性材料４１がアーク３０近傍に配置されているため、蓄圧空間Ｓ１に配置するときよりもより高温に曝される。さらにアーク３０までの流路長も短いため、電流遮断に対するガス放出の応答性が各段に向上する。
【００５７】
特に、アーク遮断においては、アーク径を細くしぼるほど、その遮断性能が向上することが定性的に知られている。本実施の形態においては、機能性材料４１より発生する消弧性ガス４２が、アーク３０に対して垂直に吹付けられるため、当該部分でアーク径が著しく絞られ優れたアーク遮断性能が実現される。これにより、良好な遮断性能を有しながらもコンパクトな開閉器を提供することができる。
【００５８】
（他の実施の形態）
本発明は前記のような実施の形態に限定されるものではなく、次のような他の実施の形態も包含するものである。
【００５９】
（１） 第４の実施の形態は、前記第１から第３の実施の形態のように、第１の蓄圧空間Ｓ１の内部に機能性材料を配置したものと組み合わせることも可能であり、第１、第２の蓄圧空間の両方に機能性材料を配置することにより、より優れた遮断性能を得ることもできる。
【００６０】
（２） 図示の実施の形態は、第１、第２の接触子部のうち一方を固定接触子部とし、他方を可動接触子部としたが、対向する両方の接触子部を互いに接離するように駆動することで、電流の投入・遮断を行う開閉器についても、本発明を適用することができる。
【００６１】
（３） 図示の実施の形態のように蓄圧空間を可動接触子部側に設ける以外に、固定接触子部側に設けたり、両方の接触子部に設けることも可能である。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、温度に応じてガスを排出あるいは吸収することが可能な機能性材料を効果的に利用することにより、良好な遮断性能を有しながらもコンパクトな開閉器を提供することができる。さらに、地球環境への負荷を低減したコンパクトかつ高性能な開閉器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に対応するパッファ形ガス遮断器の電流遮断時の状態を示す縦断面図。
【図２】ＳＦ６ガスとＣＯ２の混合ガスの絶縁特性図。
【図３】本発明の第２の実施の形態に対応する開閉器の電流遮断時の状態を示す従断面図。
【図４】本発明の第３の実施の形態に対応する開閉器の電流遮断時の状態を示す図であって、（ａ）はその縦断面図、（ｂ）は（ａ）の面Ａにおける断面図。
【図５】本発明の第４の実施の形態に対応する開閉器の電流遮断時の状態を示す縦断面図。
【図６】温度に応じてガスを排出あるいは吸収することが可能な機能性材料の特性図。
【図７】従来の開閉器の例としてのパッファ形遮断器を示す縦断面図であって、（ａ）は閉極状態、（ｂ）は開極動作初期の状態、（ｃ）は開極動作終了直後の状態、（ｄ）は開極動作終了後電流零点に至った状態を示す。
【符号の説明】
１０：固定接触子部（第１接触子部）
１１：固定アーク接触子
１２：固定通電接触子
１３：導体
１４：フランジ
２０：可動接触子部（第２接触子部）
２１：操作ロッド
２１ａ，２１ｂ：連通穴
２２，２２ｃ：フランジ
２２ａ：連通穴
２３：パッファシリンダ
２４：可動アーク接触子
２５：可動通電接触子
２６：絶縁ノズル
２７：固定ピストン
２７ａ：支持部
２８：通電部
２９：導体
３０：アーク
３１：残留アークプラズマ
３２ａ〜３２ｈ：ガス流
４１：機能性素子
４２：発生ガス
４３：充填ＳＦ６ガス
４４：充填ＣＯ２ガス
４５：断熱材
４６：着色機能性素子
４７：棒状機能性素子
Ｓ１：圧縮（蓄圧）空間または第１蓄圧室
Ｓ２：アーク空間
Ｓ３：上流側ガス流路
Ｓ４：スロート部
Ｓ５：第２の蓄圧空間
【発明の属する技術分野】
本発明は、送配電線路において電流を遮断する機能を有する開閉器に係る。
【０００２】
【従来の技術】
電流遮断器能を有する開閉器には、使用目的や必要とされる機能に応じて、断路器、遮断器など様々なものが存在する。ここでは、７２ｋＶｋＶ以上の高電圧送電系統の保護用開閉器として、広く使用されているパッファ形ガス遮断器を例に取り従来の技術を説明する。
【０００３】
図７は従来のパッファ形ガス遮断器の一例を示す図であり、（ａ）は閉極状態を、（ｂ）は開極動作初期の状態を、（ｃ）は開極動作終了直後の状態を、（ｄ）は開極動作終了後電流零点に至った状態を示す断面図である。
【０００４】
この図７に示すように、消弧性のガスが充填された図示していない容器内には、固定接触子部１０として定義される第１接触子部、可動接触子部２０として定義される第２接触子部が対向配置されている。消弧性ガスとしては、アーク遮断性能および電気絶縁性能ともに優れたＳＦ６ガスが使用されることが通常である。なお、以下、可動接触子部２０の位置関係について、固定接触子部１０側の方向を前方、その反対側を後方と定義して説明する。
【０００５】
固定接触子部１０は、固定アーク接触子１１とその周囲に配置された固定通電接触子１２から構成されている。固定通電接触子１２には導体１３が固定されており、図示していないガス遮断器の口出し部に接続される。
【０００６】
一方、可動接触子部２０は、中空の操作ロッド２１とこの操作ロッド２１の周囲に配置されて前端部で操作ロッド２１に連結されたフランジ２２、フランジ２２の後方に連結されたパッファシリンダ２３、フランジ２２の前方に連結された中空かつ指状の可動アーク接触子２４とその周囲に配置された可動通電接触子２５、可動アーク接触子２４を包囲する絶縁性のノズル２６を備えている。
【０００７】
前記可動接触子部２０のパッファシリンダ２３内には固定ピストン２７が挿入され、この固定ピストン２７は図示しない容器に支持されたフランジ１４に固定されている。このフランジ１４には通電部２８が固定されており、その先端部においてパッファシリンダ２３と接触通電および摺動通電可能になっている。また、フランジ１４には導体２９が固定されており、図示していないガス遮断器の口出し部に接続されている。
【０００８】
以上のような可動接触子部２０のうち、操作ロッド２１は、図示していない駆動装置によってその軸方向に往復運動するように構成されており、その中程に、その中空部と充填ガス雰囲気空間とを連通する複数の連通穴２１ａを有している。また、可動アーク接触子２４と絶縁ノズル２６との間には、パッファシリンダ２３内部の圧縮空間Ｓ１で圧縮された消弧性ガスをガス流として、フランジ２２に設けられた連通穴２２ａを経て、アーク空間Ｓ２に導くための上流側ガス流路Ｓ３が形成されている。
【０００９】
さらに、固定ピストン２７は、円形平板状に形成されており、その内周面で操作ロッド２１の外周面に対して摺動すると共に、その外周面でパッファシリンダ２３の内周面に対して摺動するように構成されている。この場合、固定ピストン２７は、その後方に一体的に設けられて軸方向に伸びるピストン支持部２７ａによって図示していない容器内に固定されている。そして、このように固定された固定ピストン２７に対し、操作ロッド２１とパッファシリンダ２３が一体的に移動することにより、パッファシリンダ２３と固定ピストン２７が相対移動し、それによって、パッファシリンダ２３内部に形成される空間Ｓ１が圧縮されるようになっている。
【００１０】
以上のような構成を有する図７のパッファ形ガス遮断器の閉極時の通電状態について説明する。
図７（ａ）に示すように、可動接触子部２０の操作ロッド２１がパッファシリンダ２３と共に固定接触子部１０側に移動し、パッファシリンダ２３先端のフランジ２２に設けられた可動通電接触子２５が固定接触子部１０の固定通電接触子１２に、また、可動アーク接触子２４が固定アーク接触子１１に接触している。この状態で、電流は、ガス遮断器の片側の口出し部から導入され、例えば、導体１３側から入り、固定通電接触子１２、可動通電接触子２５、フランジ２２、パッファシリンダ２３、通電部２８、フランジ１４および導体２９を通って、ガス遮断器の反対側の口出し部から出ていく。
【００１１】
次に、開極動作について説明する。
まず、開極動作途中の初期状態においては、後方の操作ロッド２１が移動しており、この操作ロッド２１を含む可動接触子部２０が一体的に移動している。図７（ｂ）はこのような開極動作によって固定アーク接触子１１と可動アーク接触子２４が開離した後の状態を示しており、両アーク接触子１１、２４間のアーク空間Ｓ２には大電流アーク３０が発生している。ここで、パッファシリンダ２３内部の空間Ｓ１の圧力は、パッファシリンダ２３と固定ピストン２７との相対移動による機械的な圧縮作用によって昇圧されることになる。
【００１２】
この時、大電流アーク３０により、アーク空間Ｓ２は高温高圧の状態にある。例えば大電流アーク３０の電流が５０ｋＡの場合、その温度は容易に１００００Ｋ以上に達する。このため、アーク空間Ｓ２は圧縮空間Ｓ１より圧力が上昇し、操作ロッド２１の内部空間から連通穴２１ａを経て圧縮空間Ｓ１に至るガス流３２ａが生じる。すなわち、大電流アーク３０のエネルギーのうちの一部が圧縮空間に取り込まれる。
【００１３】
このように、開極動作が進むと、パッファシリンダ２３内部の蓄圧空間Ｓ１は機械的な圧縮作用に加えて、熱的作用により昇圧される。このように空間Ｓ１が十分に昇圧された状態で、図７（ｃ）に示すように開極動作がさらに進みノズル２５のスロート部Ｓ４が開口すると、可動アーク接触子２４と絶縁ノズル２６との間のガス流路から固定アーク接触子１１に向かって流れるガス流３２ｂが発生する。その一方で、可動アーク接触子２４の中空部から、操作ロッド２１に設けられた連通穴２１ａに向かって流れるガス流３２ｃも発生する。ただし、この段階ではアーク空間Ｓ２が径の大きな大電流アーク３０によりほぼ閉塞された状態にあるため、ガス流３２ｂ、３２ｃは弱い流れである。
【００１４】
さらに、図７（ｄ）に示すように電流零点に達すると、大電流アーク３０は減衰し、残留アークプラズマ３１となって、圧力、密度及び温度が減少する。これにより、ノズル２５のスロート部Ｓ４は十分に開口し、強力なガス流３２ｄ、３２ｅが発生し、これらの２方向のガス流によって、相乗的に強力に冷却されて消弧され、電流遮断が達成される。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
前記のようなパッファ形ガス遮断器のように、アークに消弧性ガスを吹付けてアークを消滅させ、電流遮断を行うタイプの開閉器においては、ガスの吹付け圧力、すなわち蓄圧空間Ｓ１の圧力の上昇により、ガス吹付け力が向上し、アークが消滅しやすくなり、電流遮断性能が向上することが知られている。さらに、アーク遮断が可能な期間を長く確保しようとすると、蓄圧空間内Ｓ１内に存在する吹付けガスの体積が、それに応じて多く必要となることが一般に知られている。
【００１６】
しかしながら、前述のパッファ形ガス遮断器においては、電流遮断性能を向上させるために高い吹付け圧力を得ようとすると、それだけ蓄圧空間の圧力を高く上昇させるための大きなエネルギーが必要となり、たとえば大きな機械的駆動力が必要となる。また、アーク遮断が可能な期間を長く確保しようとすると、蓄圧空間Ｓ１内のガス体積を多く確保する必要があり、そのガス体積を昇圧させるためにさらに大きなエネルギーが必要となっていた。これらをまとめると、開閉装置の電流遮断性能を向上させるためには、強い吹付け圧力を長い期間維持することが必要であり、そのためには大きなエネルギーにより、大きなガス体積を高い圧力に昇圧させる必要があり、これにより必然的に装置の大型化を招いた。
【００１７】
また、消弧性ガスとして広く使用されているＳＦ６ガスは地球温暖化係数が２３９００と非常に高いことが知られており、１９９７年１２月に開催された地球温暖化防止に関する京都会議（ＣＯＰ３）において温室効果ガスとして削減対象に指定された。しかしながら、ＳＦ６ガスは今のところ実用的に最も優れたアーク遮断媒体と認識されており、ＳＦ６に比べて地球温暖化係数が小さく環境にやさしい他の代替ガス、例えば空気、Ｎ２、ＣＯ２などをアーク遮断媒体として適用した場合、ＳＦ６と同等レベルのアーク遮断性能を得るためにはさらに強力な吹付け力が必要となり、さらに大型化が必要となることが問題となっていた。
【００１８】
一方、ゼオライトなどの物理的吸着剤、水素吸蔵合金、Ｌｉ４ＳｉＯ４、Ｌｉ２ＳｉＯ３、Ｌｉ２ＴｉＯ３、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＦｅＯ２、Ｌｉ２ＺｒＯ３などの材料は、ある臨界温度に応じて、それぞれに特有のガスを排出あるいは吸収することが知られている。図６にその特性の概念図を示す。一例として、Ｌｉ４ＳｉＯ４は一気圧の圧力においては、臨界温度である７２０℃以上の温度でＣＯ２ガスを放出し、同温度以下では逆にＣＯ２ガスを吸収する方向に反応が進むことが知られている。さらに、温度が高くなるほどＣＯ２ガス放出量は多くなることが知られている。
【００１９】
本発明は前記のような従来の開閉器における問題点を解決するために提案されたものであって、物理的吸着剤、水素吸蔵合金などの機能性材料が有する特性に着目することにより、良好な遮断性能を有しながらもコンパクトな開閉器を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、消弧性ガスが充填された密閉容器内に収納され、開閉器の投入時は接触導通状態にあり、開極動作時は相対移動しつつ開離するとともに両者間にアークを発生するアーク空間が形成されるように対向配置された第１接触子および第２接触子と、
前記消弧性ガスの蓄圧空間と、前記蓄圧空間から前記アーク空間に消弧性ガスを案内するガス流路とを有する開閉器において、
前記蓄圧空間に、温度に応じてガスを排出あるいは吸収することが可能な機能性材料を配置したことを特徴とする。
【００２１】
このような構成を有する請求項１の発明においては、電流遮断時にはアーク部で発生した高温のガス流が蓄圧空間にとり込まれ、蓄圧空間の温度が急激に上昇する。すると、蓄圧空間に配置された機能性材料の温度も上昇し、その臨界温度以上に達する。これにより機能性材料から消弧性ガスが排出されるため、従来の場合よりも高い吹付け圧力、および多量の吹付けガス量が得られる。
【００２２】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記機能性材料が、物理的吸着材、水素吸蔵合金、Ｌｉ４ＳｉＯ４、Ｌｉ２ＳｉＯ３、Ｌｉ２ＴｉＯ３、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＦｅＯ２、Ｌｉ２ＺｒＯ３、ＣａＣＯ３、ＭｇＣＯ３のいずれか１つあるいは混合材料であることを特徴とする。
【００２３】
ゼオライトなどのガスの物理的吸着材、水素吸蔵合金、Ｌｉ４ＳｉＯ４、Ｌｉ２ＳｉＯ３、Ｌｉ２ＴｉＯ３、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＦｅＯ２、Ｌｉ２ＺｒＯ３、ＣａＣＯ３、ＭｇＣＯ３などは、ある臨界温度を超えるとそれぞれの材料に特有のガスを放出し、逆に臨界温度以下においてはガスを吸収することが知られている。したがって、このような構成の請求項２の発明によれば、請求項１により得られる作用と同一の作用が得られる。
【００２４】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記消弧性ガスは、ＳＦ６ガスよりも地球温暖化係数が低いガスのうちの１種類の純粋ガス、または２種類以上の混合ガス、または少なくとも１種類以上のガスとＳＦ６ガスとの混合ガスであることを特徴とする。
このような構成の請求項３の発明では、消弧性ガスとして従来使用されているＳＦ６ガスよりも地球温暖化係数が低い純ガスあるいは混合ガスを使用するため、地球環境への負荷を従来よりも低減することができる。
【００２５】
請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記ＳＦ６ガスよりも地球温暖化係数が低いガスは、ＣＯ２、Ｎ２、Ｏ２、Ｈ２、Ｈｅ、Ａｒのいずれかであることを特徴とする。
【００２６】
このような構成を有する請求項４の発明においては、ＣＯ２、Ｎ２、Ｏ２、Ｈ２、Ｈｅ、Ａｒは、消弧ガスとして従来使用されているＳＦ６ガスよりも地球温暖化への影響が著しく小さいことに加え、オゾン層破壊への影響、人体への毒性がないため、地球環境への負荷を特に低減することが可能である。
【００２７】
請求項５の発明は、請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の発明において、前記機能性材料から発生されるガスは、その組成に前記消弧性ガスの少なくとも１種類と同じ元素を含むことを特徴とする。
【００２８】
一般に、開閉器の電流遮断直後は、機能性材料から放出されたガスが、もともと密閉容器に充填されていた消弧性ガスに加わった状態となっている。したがって、機能性材料から排出されるガスがもともとの充填消弧性ガスと異なる場合には、両者の混合ガスとなっている。したがって、この状態においては初期に設定された開閉器の特性とは異なっている。しかしながら、前記のような構成を有する請求項４の発明においては、前記機能性材料から発生されるガスが、その組成に前記消弧性ガスの少なくとも１種類と同じ元素を含むよう構成することにより、機能性材料からのガス放出後の開閉器の特性変化を低く抑えることができる。
【００２９】
請求項６の発明は、請求項５に記載の発明において、前記消弧性ガスがＣＯ２を含むガスであって、前記機能性材料が、Ｌｉ４ＳｉＯ４、Ｌｉ２ＳｉＯ３、Ｌｉ２ＴｉＯ３、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＦｅＯ２、Ｌｉ２ＺｒＯ３、ＣａＣＯ３、ＭｇＣＯ３のいずれか１つあるいは混合材料であることを特徴とする。
【００３０】
このような構成を有する請求項６の発明において使用されるＬｉ４ＳｉＯ４、Ｌｉ２ＳｉＯ３、Ｌｉ２ＴｉＯ３、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＦｅＯ２、Ｌｉ２ＺｒＯ３、ＣａＣＯ３、ＭｇＣＯ３などの材料は、その臨界温度を超えることによりＣＯ２ガスを発生させ、逆に臨界温度以下ではＣＯ２ガスを吸収する機能を有する。したがって、前記消弧性ガスがＣＯ２ガスの場合において、上記機能性材料からのガス放出後においても充填ガスはＣＯ２ガス単一であるため、開閉器の特性変化をさらに低く抑えることができる。
【００３１】
請求項７の発明は、請求項５に記載の発明において、前記消弧性ガスがＨ２を含むガスであって、前記機能性材料が水素吸蔵合金であることを特徴とする。
このような構成を有する請求項７の発明においては、前記消弧性ガスとしてＨ２を含むガスを採用し、前記機能性材料として水素吸蔵合金を使用したので、上記機能性材料からのガス放出後においても充填ガスはＨ２ガス単一であるため、開閉器の特性変化をさらに低く抑えることができる。
【００３２】
請求項８の発明は、請求項１から請求項７のいずれか１つに記載の発明において、前記機能性材料の色が白色あるいは透明色でないことを特徴とする。
一般に、機能性材料の温度が上昇する過程としては、昇圧空間に流れ込む高温ガスからの熱伝達に加え、アークおよびそれに伴う高圧ガスからの輻射吸収によるものが考えられる。同一条件下においては、一般的に白色あるいは透明色でない物質の方が、輻射吸収による熱移動率が高いことが知られている。したがって、このような構成を有する請求項６の発明において、前記機能性材料の色を白色または透明色以外とすることにより、輻射吸収による機能性材料への熱移動が効率的に行われ、速やかに材料温度が上昇し、電流遮断に対するガス放出の応答性が向上する。
【００３３】
請求項９の発明は、請求項１から請求項８のいずれか１つに記載の発明において、前記機能性材料から発生されるガスは、前記消弧性ガスと混合された際の絶縁耐圧が、両者の分圧和から決定される絶縁耐圧よりも高くなるものであることを特徴とする。
【００３４】
通常、電流遮断直後は、機能性材料から放出されたガスが、もともと密閉容器に充填されていた消弧性ガスに加わった状態となっている。したがって、機能性材料から排出されるガスがもともとの充填消弧性ガスと異なる場合には、両者の混合ガスとなっている。ところで、混合ガスの絶縁特性については負の相乗効果、および正の相乗効果があることが知られている。ある２種のガスを混合させた場合、それぞれのガスの分圧和から決定される絶縁耐圧よりも混合ガスとしての絶縁耐圧が低くなる場合を負の相乗効果、高くなる場合を正の相乗効果という。
【００３５】
したがって、前記のような構成を有する請求項９の発明においては、前記機能性材料から発生されるガスと、もともと密閉容器に充填されている消弧性ガスとを、両者が混合された際に正の相乗効果を示すような組み合わせとすることにより、遮断性能の向上効果に加え、同時に良好な絶縁性能も得ることができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下には、本発明における開閉器の複数の実施の形態について、図１ないし図５を参照して具体的に説明する。なお、図７に従来技術の開閉器と同一の部分については、同一の符号を付し、説明は省略する。
【００３７】
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態は、本発明をパッファ形ガス遮断器に適用したものであって、図１は、その電流遮断時の状態を示す。すなわち、電流遮断器能を有する開閉器には、使用目的、必要とされる機能に応じて、断路器、遮断器など様々なものが存在する。ここでは、一例として７２ｋＶ以上の高電圧送電系統の保護用開閉器として、広く使用されているパッファ形ガス遮断器を取り上げて解説する。
【００３８】
このパッファ形ガス遮断器の基本的な構造は、図７において説明した従来のパッファ形ガス遮断器と同様である。密閉容器内に充填されている消弧性ガス４３は、ここでは現在広く使用されているＳＦ６ガスとする。このパッファ形ガス遮断器における蓄圧空間Ｓ１内には円筒状の機能性材料４１が配置されている。すなわち、蓄圧空間Ｓ１を構成するパッファシリンダ２３の内面に沿って円筒状の機能性材料４１が配設され、アーク部３０と蓄圧空間Ｓ１はフランジ２２に設けた連通穴２２ａおよび中空状操作ロッド２１に設けた連通穴２２ｂにより連通されている。この機能性材料４１としては、様々な種類が考えられるが、本実施の形態では、一例として、約７００℃の臨界温度以上でＣＯ２ガスを排出するＬｉ４ＳｉＯ４を使用する。
【００３９】
このような構成を有する第１の実施の形態において、パッファ形ガス遮断器としての基本的な動作は、従来の技術において説明したものと同様である。
一方、電流遮断時においては、固定アーク接触子１１および可動アーク接触子２４の間にアーク３０が発生する。通常、アーク温度は１００００Ｋ以上まで容易に達する。したがって、アーク部において高温のガス流３２ｆが発生し、これが蓄圧空間Ｓ１にとり込まれることにより、蓄圧空間Ｓ１の温度は急激に上昇する。すると、蓄圧空間Ｓ１に配置された機能性材料４１の温度も上昇し、その臨界温度以上に達する。これにより機能性材料４１からＣＯ２ガス４２が排出されるため、固定ピストン２７による機械的に圧縮に加え、蓄圧空間Ｓ１の圧力はさらに急激に上昇する。こうした高い蓄圧空間Ｓ１の圧力により、もともと昇圧空間Ｓ１内に存在したＳＦ６ガスが、機能性材料から発生したＣＯ２ガス４２とともに強力にアーク３０に吹付けられるため、極めて良好なアーク遮断が実現される。
【００４０】
この場合、本実施の形態においては、機能性材料４１が円筒状をなし、しかもパッファシリンダ２３の内面全域にわたって配設されているため、連通穴２２ａおよび２２ｂによりアークからの熱エネルギーが容易に昇圧空間Ｓ１へととり込まれ、さらにアークからの高温のガス流２２ｂは蓄圧空間Ｓ１内において機能性材料４１にほぼ垂直に衝突するため、機能性材料４１への熱伝達が良好に行われ、速やかかつ大量にＣＯ２ガスの排出が行われる。
【００４１】
しかも、電流の遮断直後は、機能性材料４１から排出されたＣＯ２ガスが、もともと充填されていたＳＦ６ガスに加わった状態となっている。したがって、密閉容器圧力は初期の圧力よりも上昇しており、また、密閉容器内のガスはＳＦ６ガスとＣＯ２の混合ガスとなっているため、この状態においては初期に設定された開閉器の性能とは異なった状態となっている。しかしながら、その後、蓄圧空間の温度は速やかに低下するため、機能性材料４１の温度もその臨界温度以下にまで低下する。そのため、機能性材料４１は電流遮断時に放出したＣＯ２ガスを今度は吸収するよう機能する。したがって、機能性材料４１がＣＯ２ガスを吸収し終わった段階では、当該遮断器の特性は初期に設定されたものに完全に復された状態となる。
【００４２】
電流遮断直後においては密閉容器内のガスはＳＦ６ガスとＣＯ２の混合ガスとなっている。混合ガスの絶縁特性については負の相乗効果、および正の相乗効果があることが知られているが、ＳＦ６ガスとＣＯ２ガスの混合ガスの絶縁耐力は、図２に示すようにそれぞれのガスの分圧和から決定される絶縁耐圧よりも混合ガスとしての絶縁耐圧の方が高くなる、いわゆる正の相乗効果を示すことが知られている。したがって、ＳＦ６ガスとＣＯ２ガスのような正の相乗効果を有するガスを組み合わせることにより、機能性材料のガス排出による遮断性能の向上効果だけでなく、同時に良好な絶縁性能も得ることができる。
【００４３】
一般的に遮断電流値が大きくなると、それだけアークは消弧しにくくなり、電流を遮断するためにはさらに高い吹付け圧力および多量の吹付けガス量が必要となる。一方、遮断電流が大きいほどアーク部においてより高温のガスが生成されるため、蓄圧空間の温度は上昇する。したがって、本構成によると、電流を遮断しにくい大電流遮断時には、蓄圧空間に設置した機能性材料はそれだけ多くの消弧性ガスを放出し、より高い吹付け圧力、および多量の吹付けガス量が得られ、大電流遮断時においても良好な遮断性能を得ることができる。これにより、良好な遮断性能を有しながらもコンパクトな開閉器を提供することができる。
【００４４】
（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態を示す電流遮断時における開閉器である。この開閉器の概ねの構造は、図１において説明した第１の実施の形態を示すパッファ形ガス遮断器と同様であるが、本実施の形態においては、蓄圧空間Ｓ１に固定ピストンは存在せず、パッファシリンダ２３の操作機構側（可動アーク接触子２４や可動通電接触子２５と反対側）の開口部が操作ロッド２１に固定されたフランジ２２ｃによって塞がれ、蓄圧空間Ｓ１が閉じた空間を形成している。また、この蓄圧空間Ｓ１との内部とアーク部３０とは、フランジ２２に設けた連通穴２２ａおよび中空状操作ロッド２１に設けた連通穴２２ｂにより連通されている。また、密閉容器内に充填されている消弧性ガス４４は、ここではＣＯ２ガスとする。
【００４５】
前記蓄圧空間Ｓ１の内部には、カーボンを含まない顔料により黒に着色された円筒状の機能性材料４６が蓄圧空間Ｓ１内に配置されている。この機能性材料としては、様々な種類が考えられるが、ここでは一例として、約７００℃の臨界温度以上でＣＯ２ガスを排出するＬｉ４ＳｉＯ４を使用する。着色された機能性材料４６と金属製のパッファシリンダ２３は断熱材４５によりしきられており、両者は熱的に絶縁されている。
【００４６】
このような構成を有する第２の実施の形態の基本的な作用は、第１の実施の形態と同一であるが、本実施の形態においてはピストンによる機械的な圧縮を行わないので、機械的駆動力を非常に小さくすることが可能で、大幅な小形化、低コスト化が図られる。機械的な圧力上昇手段を用いなくても、電流遮断時に機能性材料４６より排出されるＣＯ２ガス４２により、電流を遮断するのに十分な吹付けガス圧力、吹付けガス量を確保することができる。
【００４７】
特に、本実施の形態では、断熱材４５により機能性材料４６と金属性のパッファシリンダ２３は熱的に絶縁されているため、同境界面における熱移動を抑制することができる。このため、高温ガスから注入される熱量が効率的に機能性素子の温度上昇に利用され、電流遮断に対するガス放出の応答性が向上する。
【００４８】
一方、機能性材料４６の温度が上昇する過程としては、蓄圧空間Ｓ１に流れ込む高温ガス３２ｆからの熱伝達に加え、アーク３０およびそれに伴う高圧ガス３２ｆからの輻射吸収によるものが考えられる。本実施の形態における機能性材料４６は黒色に着色されているため、輻射吸収による機能性材料への熱移動が効率的に行われ、速やかに材料温度が上昇し、電流遮断に対するガス放出の応答性がさらに向上する。黒着色している顔料はカーボンを含まないため、たとえ機能性材料４６が熱分解し消弧性ガスに混入した場合においても電気絶縁性能に悪影響をおよぼさない。
【００４９】
更に、機能性材料４６より排出されるガス４２はＣＯ２ガスであり、もともと密閉容器に充填されていたガス４４と同一ガスである。したがって電流遮断時に機能性材料からの排出ガスが加わっても、容器内はいぜんＣＯ２ガスのままである。このため、電流遮断後の開閉器の特性変化は低く抑えられる。
【００５０】
ＣＯ２ガスは、従来消弧性ガスとして広く使用されているＳＦ６ガスと比較して、地球温暖化係数が２３９００分の１と極めて小さく、さらにオゾン層破壊への影響、および毒性も無いため、地球環境への負荷を著しく低減することができる。ＣＯ２自体のアーク遮断性能はＳＦ６ガスと比較すると劣るが、機能性材料４６から発生するガス４２により高い吹付けガス圧力および十分なガス流量が得られるため、良好なアーク遮断が実現できる。
【００５１】
これにより、良好な遮断性能を有しながらもコンパクトな開閉器を提供することができる。さらに、地球環境への負荷を低減したコンパクトかつ高性能な開閉器を提供することができる。
【００５２】
（第３の実施の形態）
図４は、本発明の第３の実施の形態を示す電流遮断時における開閉器である。この開閉器の概ねの構造は、図３において説明した第２の実施の形態を示す開閉器と同様であるが、機能性材料の配置構造が前記第２の実施の形態と異なる。すなわち、本実施の形態においては、図４（ｂ）の断面図に示すように、棒状の機能性材料４７を昇圧空間Ｓ１内に操作ロッド２１の軸方向と平行に多数本配置した構造となっている。
【００５３】
このような構成を有する本形態においては、図３に示すような単純円筒形の機能性材料と比べて、その表面積を大幅に増やすことが可能である。このため、高温のガス流３２ｆからの熱伝達が効率的に行われ、機能性材料４７の温度が急激に上昇する。したがって、電流遮断に対するガス放出の応答性が向上する。これにより、良好な遮断性能を有しながらもコンパクトな開閉器を提供することができる。
【００５４】
なお、本実施の形態においては、機能性材料の表面積を増やすことが本質的な問題であり、これを実現する構成は、棒形状にする以外にも多々存在するもので、機能性材料の表面に凹凸や溝を形成したり、機能性材料自体を網状やフィン状に形成することも可能である。
【００５５】
（第４の実施の形態）
図５は、本発明の第４の実施の形態を示す電流遮断時における開閉器である。この開閉器の基本的な構造は図７において説明した従来のパッファ形ガス遮断器と同様である。本実施の形態においては、絶縁ノズル２６の内部に第２の蓄圧空間Ｓ５が形成され、同空間内に機能性材料４１が配置されている。この場合、機能性材料４１より発生する消弧性ガス４２はアーク３０に対して垂直に吹付けられるように、第２の蓄圧空間Ｓ５の開口部は、絶縁ノズル２６の内面に配置されている。
【００５６】
このような構成を有する本実施の形態の基本的な作用は、第１の実施の形態と同一である。それに加え、本実施の形態においては、機能性材料４１がアーク３０近傍に配置されているため、蓄圧空間Ｓ１に配置するときよりもより高温に曝される。さらにアーク３０までの流路長も短いため、電流遮断に対するガス放出の応答性が各段に向上する。
【００５７】
特に、アーク遮断においては、アーク径を細くしぼるほど、その遮断性能が向上することが定性的に知られている。本実施の形態においては、機能性材料４１より発生する消弧性ガス４２が、アーク３０に対して垂直に吹付けられるため、当該部分でアーク径が著しく絞られ優れたアーク遮断性能が実現される。これにより、良好な遮断性能を有しながらもコンパクトな開閉器を提供することができる。
【００５８】
（他の実施の形態）
本発明は前記のような実施の形態に限定されるものではなく、次のような他の実施の形態も包含するものである。
【００５９】
（１） 第４の実施の形態は、前記第１から第３の実施の形態のように、第１の蓄圧空間Ｓ１の内部に機能性材料を配置したものと組み合わせることも可能であり、第１、第２の蓄圧空間の両方に機能性材料を配置することにより、より優れた遮断性能を得ることもできる。
【００６０】
（２） 図示の実施の形態は、第１、第２の接触子部のうち一方を固定接触子部とし、他方を可動接触子部としたが、対向する両方の接触子部を互いに接離するように駆動することで、電流の投入・遮断を行う開閉器についても、本発明を適用することができる。
【００６１】
（３） 図示の実施の形態のように蓄圧空間を可動接触子部側に設ける以外に、固定接触子部側に設けたり、両方の接触子部に設けることも可能である。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、温度に応じてガスを排出あるいは吸収することが可能な機能性材料を効果的に利用することにより、良好な遮断性能を有しながらもコンパクトな開閉器を提供することができる。さらに、地球環境への負荷を低減したコンパクトかつ高性能な開閉器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に対応するパッファ形ガス遮断器の電流遮断時の状態を示す縦断面図。
【図２】ＳＦ６ガスとＣＯ２の混合ガスの絶縁特性図。
【図３】本発明の第２の実施の形態に対応する開閉器の電流遮断時の状態を示す従断面図。
【図４】本発明の第３の実施の形態に対応する開閉器の電流遮断時の状態を示す図であって、（ａ）はその縦断面図、（ｂ）は（ａ）の面Ａにおける断面図。
【図５】本発明の第４の実施の形態に対応する開閉器の電流遮断時の状態を示す縦断面図。
【図６】温度に応じてガスを排出あるいは吸収することが可能な機能性材料の特性図。
【図７】従来の開閉器の例としてのパッファ形遮断器を示す縦断面図であって、（ａ）は閉極状態、（ｂ）は開極動作初期の状態、（ｃ）は開極動作終了直後の状態、（ｄ）は開極動作終了後電流零点に至った状態を示す。
【符号の説明】
１０：固定接触子部（第１接触子部）
１１：固定アーク接触子
１２：固定通電接触子
１３：導体
１４：フランジ
２０：可動接触子部（第２接触子部）
２１：操作ロッド
２１ａ，２１ｂ：連通穴
２２，２２ｃ：フランジ
２２ａ：連通穴
２３：パッファシリンダ
２４：可動アーク接触子
２５：可動通電接触子
２６：絶縁ノズル
２７：固定ピストン
２７ａ：支持部
２８：通電部
２９：導体
３０：アーク
３１：残留アークプラズマ
３２ａ〜３２ｈ：ガス流
４１：機能性素子
４２：発生ガス
４３：充填ＳＦ６ガス
４４：充填ＣＯ２ガス
４５：断熱材
４６：着色機能性素子
４７：棒状機能性素子
Ｓ１：圧縮（蓄圧）空間または第１蓄圧室
Ｓ２：アーク空間
Ｓ３：上流側ガス流路
Ｓ４：スロート部
Ｓ５：第２の蓄圧空間
Claims (9)
- 消弧性ガスが充填された密閉容器内に収納され、開閉器の投入時は接触導通状態にあり、開極動作時は相対移動しつつ開離するとともに両者間にアークを発生するアーク空間が形成されるように対向配置された第１接触子および第２接触子と、
前記消弧性ガスの蓄圧空間と、前記蓄圧空間から前記アーク空間に消弧性ガスを案内するガス流路とを有する開閉器において、
前記蓄圧空間に、温度に応じてガスを排出あるいは吸収することが可能な機能性材料を配置したことを特徴とする開閉器。 - 前記機能性材料が、物理的吸着材、水素吸蔵合金、Ｌｉ４ＳｉＯ４、Ｌｉ２ＳｉＯ３、Ｌｉ２ＴｉＯ３、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＦｅＯ２、Ｌｉ２ＺｒＯ３、ＣａＣＯ３、ＭｇＣＯ３のいずれか１つあるいは混合材料であることを特徴とする請求項１に記載の開閉器。
- 前記消弧性ガスは、ＳＦ６ガスよりも地球温暖化係数が低いガスのうちの１種類の純粋ガス、または２種類以上の混合ガス、または少なくとも１種類以上のガスとＳＦ６ガスとの混合ガスであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の開閉器。
- 前記ＳＦ６ガスよりも地球温暖化係数が低いガスは、ＣＯ２、Ｎ２、Ｏ２、Ｈ２、Ｈｅ、Ａｒのいずれかであることを特徴とする請求項３に記載の開閉器。
- 前記機能性材料から発生されるガスは、その組成に前記消弧性ガスの少なくとも１種類と同じ元素を含むことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の開閉器。
- 前記消弧性ガスがＣＯ２を含むガスであって、前記機能性材料が、Ｌｉ４ＳｉＯ４、Ｌｉ２ＳｉＯ３、Ｌｉ２ＴｉＯ３、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＦｅＯ２、Ｌｉ２ＺｒＯ３、ＣａＣＯ３、ＭｇＣＯ３のいずれか１つあるいは混合材料であることを特徴とする請求項５に記載の開閉器。
- 前記消弧性ガスがＨ２を含むガスであって、前記機能性材料が水素吸蔵合金であることを特徴とする請求項５に記載の開閉器。
- 前記機能性材料の色が白色あるいは透明色でないことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１つに記載の開閉器。
- 前記機能性材料から発生されるガスは、前記消弧性ガスと混合された際の絶縁耐圧が、両者の分圧和から決定される絶縁耐圧よりも高くなるものであることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１つに記載の開閉器。
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