JP2004356109A - 真空開閉装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 信頼性の高い操作機構を備え、環境に調和した真空開閉装置を提供する。
【解決手段】 絶縁媒体を封入した絶縁容器の両端が金属部材22、23で気密に封着さ
れた真空バルブ20本体内に、前記一方の金属部材22を貫通して固着された固定電極2
4と、前記他方の金属端板23を貫通すると共にベローズ29を介して当該金属部材23
に固着され、前記固定電極24に対向するように設けられた可動電極26と、前記可動電
極26を、前記固定電極24の接点と接触している閉位置、開位置、断路位置の3位置に
連続的に直線移動させるとともに、前記可動電極26と直列配置された操作機構とを備え
てなることを特徴とする。
【選択図】 図1

Description

本発明は、SFガスを絶縁媒体として用いた真空開閉装置に係わり、特にSFガス
等の絶縁媒体の使用量を抑制した、環境に調和した真空開閉装置に関するものである。
従来の開閉装置について、22/33kV、66/77kVクラスの特高変電設備を例
にとって説明する。
このクラスの開閉装置は、建設費、用地の高騰と共に、充電部汚損、安全性、騒音等の
問題から、開閉装置の小形化や密閉化が要求され、ガス絶縁式開閉装置(GIS:Gas
Insulated Switchgear)や、キュービクル形ガス絶縁開閉装置(C
−GIS:Cubicletype GIS)が開発されてきている。
GISは、各電気機器をパイプ状の金属容器で覆い、絶縁媒体として高圧のSFガス
を封入し、小形化、密閉化したものである。
これに対して、C−GISは、GISに対して、より高い信頼性、安全性、保守・点検
の簡素化と同時に、狭い用地に短期間で建設でき、かつ周囲との環境に調和させる要請に
も対応すべく開発された開閉装置である。
これは、大気圧近傍の低圧力絶縁ガスを利用したキュービクル形の容器に、各電気機器
を一括して収納し、内部を構成単位毎に区分したものであり、他の閉鎖配電盤と同様の外
観である。
このように、最近では、SFガスを絶縁媒体として用いた開閉装置が、多数運転され
るようになってきている。
図6は、この種の代表的なキュービクル形ガス絶縁開閉装置の構成例を示す縦断面図で
ある。
図6において、外周を軟鋼板で気密に囲まれた箱体の1の内部は、SFガス2が密封
されており、受電室1a、遮断器室lb、および母線室1cにガス区分されている。
受電室1aには、ガス−気中の区分をしたケーブルヘッド3が箱体1の側面に取り付け
られ、避雷器4および検電がいし5が収納され、それぞれが接続導体7で接続されている
。なお、ケーブル9には、変流器8を貫通した電力用ケーブル9が接続されている。
また、遮断器室1bには、受電室1aとガス区分される下段の絶縁スペーサ10aを介
して、図示しない真空バルブを収納した遮断器11が収納され、この遮断器11は、接続
導体7を介して母線室1cとガス区分される上段の絶縁スペーサ10bに接続されている
遮断器11は、絶縁、消弧媒体として高真空が用いられている。また、断路器6は、絶
縁、消弧媒体としてSFガスが用いられている。
ところで、このような構成の開閉装置において、断路器6は、絶縁、消弧媒体としてS
ガスが用いられている。このSFガスは、空気と比較して約100倍の消弧性能と
約3倍の絶縁性能を持つことが知られている。そして、このSFガスは、通常の運転状
態では、無色、無臭、無味、不燃性の非常に安定した気体であり、しかも無毒である。
しかしながら、このSFガス中でアーク放電が発生すると、SFガスは、SOF
、S0、SO、SOF、HF、SiF等の分解生成物や分解ガスを発生する
。このSFガスの分解生成物や分解ガスは毒性が強いため、分解したガスを回収する場
合には、特別な処理や管理が必要となる。
事故電流等の遮断は遮断器11で行なうことから、分解生成物や分解ガスの発生はない
が、変電所内の母線切替えや線路切替えを断路器6で行なう。
従って、断路器6は、ループ電流の遮断責務が要求される。このループ電流は、定格電
流に近い電流値となり、その際断路器6で分解生成物や分解ガスを発生する。そして、こ
のような断路器のガスを回収する場合、吸着材を通して回収する等、取扱いに苦慮してい
る。
また、SFガスは、地球温暖化の原因となる温室効果ガスであり、温室効果係数が二
酸化炭素の24000倍である。そのため、1997年12月に京都で開催された“第3
回気候変動に関する国際連合枠組み条約締約国会議(COP3)”において、SFガス
も削減対象ガスとして加えられ、排出の抑制と削減についての対応が要求されてきている
。このように環境の面からも、断路器の絶縁、消弧媒体としてSFガスを使用しないこ
とが望ましい。
そこで、断路器の絶縁媒体を真空とした真空断路器が考えられるが、開閉装置としての
価格が高くなるという問題点がある。
一方、このような課題を解決するために、次のようなものが知られている(例えば、特
許文献1参照。)。
これは、十字型の真空バルブの両端に固定電極と接地電極を設け、これと直交すると位
置を支点とした通電軸および可動電極を設けたものである。
しかしながら、真空バルブの構成が複雑なことから、部品点数が多くなり、真空バルブ
の価格が非常に高くなる。また、構成が複雑なことから、真空バルブの組立てが容易では
ないため、信頼性の高い真空バルブが得られない。さらに、可動軸はベローズを介して円
周方向に移動することから、ベローズには過大な曲げ方向の荷重が加わり、強度的な長期
信頼性に欠ける問題がある。
また、接離自在の一対の接点を有する真空バルブ内に接地電極を設けたものが知られて
いる(例えば、特許文献2参照。)。
しかしながら、両接点を開閉したり、更には接地電極との開閉をしたりする操作機構が
開示されていない。操作機構は、両接点と接地電極との開閉を行わなくてはならないので
複雑となる問題がある。
特開平9−153320号公報 (図1) 実開昭55−164735号公報(第1図)
従来の真空開閉装置においては、真空バルブの構成が複雑なことから、信頼性の高い真
空バルブが得られない問題がある。また、操作機構も複雑となる問題がある。このことか
ら、SFガスを使用しない開閉装置の実現が困難になっている。
本発明の目的は、構成が簡単で信頼性の高い真空バルブと、閉位置、開位置、断路位置
の3位置、またはさらに接地位置を含めた4位置を開閉する信頼性の高い操作機構とを備
えた、環境に調和した真空開閉装置を提供することにある。
上記の目的を達成するために、請求項1の発明の真空開閉装置は、絶縁媒体を封入した
絶縁容器の両端が金属部材で気密に封着された真空バルブ本体内に、前記一方の金属部材
を貫通して金属部材に固着された固定電極と、前記他方の金属端板を貫通すると共にベロ
ーズを介して当該金属部材に固着され、前記固定電極に対向するように設けられた可動電
極と、前記可動電極を、前記固定電極の接点と接触している閉位置、開位置、断路位置の
3位置に連続的に直線移動させるとともに、前記可動電極と直列配置された操作機構とを
備えてなることを特徴とする。
また、請求項2の発明の真空開閉装置は、絶縁媒体を封入した絶縁容器の両端が金属部
材で気密に封着された真空バルブ本体内に、前記一方の金属部材を貫通して金属部材に固
着された固定電極と、前記他方の金属部材を貫通すると共にベローズを介して当該金属部
材に固着され、前記固定電極に対向するように設けられた可動電極と、前記可動電極の反
固定電極側に設けられた接地電極と、前記接地電極と前記両端の金属部材との間にそれぞ
れ配置され、前記絶縁容器を構成する二つの絶縁筒と、前記可動電極を、前記固定電極の
接点と接触している閉位置、開位置、断路位置、および前記接地電極と接触している接地
位置の4位置に連続的に直線移動させるとともに、前記可動電極と直列配置された操作機
構とを備えてなることを特徴とする。
本発明の真空開閉装置によれば、構成が簡単で信頼性の高い真空バルブと、閉位置、開
位置、断路位置の3位置、またはさらに接地位置を含めた4位置の開閉動作の操作力のロ
スが少なく、簡素で信頼性の高い操作機構とを備えた、環境に調和した真空開閉装置を提
供することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
先ず、図1は、実施例1に係る真空開閉装置における真空バルブの構成を示す縦断面図
である。
図1において、セラミックまたはガラスからなる絶縁円筒21の両端開口部を、固定側
端板22および可動側端板23でそれぞれ密封し、気密な容器を構成している。
固定側端板22には、固定電極24を接合した固定通電軸25を支持固定し、この固定
電極24と対向して可動電極26を可動通電軸27に固着している。この可動通電軸27
は、後述する操作機構に連結している。
また、固定電極24、および可動電極26が接触する側には、真空バルブ20の用途に
応じて種々の材料からなる接点28aおよび28bを、それぞれの電極に配設している。
一方、可動通電軸27と可動側蓋板23との間にはベローズ29を設け、可動電極26
が直線的に移動できるようにしている。
また、固定電極24と可動電極26の周囲には、アークシールド32を電気的に浮遊に
設けて、電流遮断時の金属蒸気による絶縁円筒21の汚損を防止するようにしている。
ここで、それぞれの接点28aおよび28bが接触している位置を閉位置とし、可動電
極26が移動し、それぞれの接点間のギャップ長がdの時の位置を開位置とする。さら
に、可動電極26が移動し、それぞれの接点間のギャップ長がdの時の位置を断路位置
としている。
次に、以上のように構成した真空バルブ20においては、図示しない真空開閉装置の制
御回路より、遮断器の開極指令があった場合には、可動電極26が移動して、接点28a
および28b間のギャップ長がdの位置(開位置)となる。
次に、真空開閉装置の制御回路より、断路器の開極(断路)の指令があった場合には、
さらに可動電極26が移動して、それぞれの接点28aおよび28b間のギャップ長がd
の位置(断路位置)となる。
このようにして、可動電極26に設けられた接点28bは、閉位置、開位置、断路位置
の3位置を連続的に直線移動する。
この場合、断路器の接点を真空容器内に収納しているため、ループ電流など定格電流に
近い電流を遮断しても、SFガスを用いていないので、分解ガスや分解生成物を発生す
ることがない。
すなわち、前述したように、断路器の絶縁、消弧媒体として、温室効果ガスであるSF
ガスを用いずに、高真空を用いているため、環境面からも、最近の市場のニーズに一致
している。
また、遮断器と断路器の接点を同一の真空容器内に収納し、かつ構成が簡単であるため
、真空バルブ20の量産化が可能となり、真空開閉装置の小形化や低価格化を図ることが
できる。
すなわち、接点の閉位置、開位置、断路位置の3位置を連続的に直線移動することによ
り、遮断器、断路器が構成されるため、一つの操作機構で、これらを動作させることが可
能となり、この点からも真空開閉装置の小形化や低価格化を図ることができる。
次に、図2は、実施例2に係る真空開閉装置における真空バルブの構成を示す縦断面図
である。図1と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分に
ついてのみ述べる。
すなわち、実施例2の真空バルブ20は、図2に示すように、前記可動電極26に接続
された可動通電軸27と対向する位置に接地電極35を設け、可動通電軸27と対向する
接地電極35の内径を、可動電極26の外径よりも小さくなるようにしている。
また、接地電極35と両端の金属端板22、23との間には、絶縁筒21、21をそれ
ぞれ配置し、可動電極26の接点28bが固定電極24の接点28aと接触している位置
を閉位置とし、接点28a、28b間のギャップ長がdの位置を接地位置としている。
これにより、閉位置、開位置、断路位置、接地位置の4位置を連続的に直線移動できる
ようにしている。
以上のように構成した真空バルブ20においては、真空開閉装置の点検時等に、図示し
ない真空開閉装置の制御回路より、断路状態から接地の指令があった場合には、可動電極
26が移動して、接点28a、28b間のギャップ長がdとなった位置(接地位置)で
接地される。
これにより、閉位置、開位置、断路位置、接地位置の4位置が連続的に直線移動する。
この場合、接地装置を真空バルブ20内に収納しているため、真空開閉装置の小形化を
図ることができる。
また、真空バルブ20の構成が簡単であるため、真空バルブ20の組立ても容易となり
、量産化が可能となる。
さらに、部品点数も少なくなるため、真空開閉装置の低価格化を図ることができる。
すなわち、接点の閉位置、開位置、断路位置、接地位置の4位置を連続的に直線移動す
ることにより、一つの操作機構でこれらを動作させることが可能となり、この点からも真
空開閉装置の小形化や低価格化を図ることができる。
次に、実施例3に係る真空開閉装置における真空バルブを図1、図3、図4を参照して
説明する。
前述した図1に示す真空バルブ20において、開位置の接点28a、28b間のギャッ
プ長をdとし、断路位置の接点28a、28b間のギャップ長をdとした場合、各ギ
ャップ長dとdとの関係が、d=(1.3〜2.6)・dとなるようにしている
以上のように構成した真空バルブ20においては、各ギャップ長d、dの関係を、
=(1.3〜2.6)・dとしていることにより、断路位置での接点間の絶縁破壊
確率が低下し、断路位置と開位置の絶縁の協調を図ることができる。
すなわち、一般に真空中の電極間の破壊電圧Vbとギャップ長dとの関係は、Vb=a
・dnで表わされ、このnの値は電極材料によって異なるが、概ね0.6となることが知
られている。
また、真空中の絶縁破壊の確率分布は、正規分布となり、この時の標準偏差σが破壊電
圧のばらつきを表わす。
ここで、図1に示した可動電極26に設けられた接点28bが開位置における絶縁性能
の裕度は、50%破壊電圧をV50とすると、V50に対して2σを目安としている。こ
れに対して、断路位置での絶縁性能の裕度は、信頼性や安全面を考慮しなければならない
ので、V50に対して3σの裕度を持たせることにする。3σは約0.1%の破壊確率と
なる。
接点28a、28b間の破壊電圧ばらつきσは、接点材料、表面状態、遮断電流等によ
って大きく異なるが、10〜23%と考えられている。
図3は、上述の破壊電圧とギャップ長との関係から、3σを与えるギャップ長と2σを
与えるギャップ長の比率(すなわち、dとdの比率)と破壊電圧のばらつき(標準偏
差)σとの関係の一例を示す特性図である。
標準偏差を10%とすると、ギャップ長の比率d/dは約1.3となり、標準偏差
を23%とすると、ギャップ長の比率d/dは約2.6となる。
上述したように、ギャップ長の比率dとdを1.3〜2.6としていることにより
、経済的で絶縁の信頼性の高い真空開閉装置を得ることができる。
一方、前述した図1に示す真空バルブ20において、固定電極24と可動電極26を包
囲するアークシールド32と固定電極24および可動電極26との間のギャップ長をd
とし、断路位置の接点28a、28b間のギャップ長をdとした場合、dとdとの
関係がd=(0.35〜0.8)・dとなるようにしている。
以上のように構成した真空バルブ20においては、各ギャップ長d、dの関係を、
=(0.35〜0.8)・dとしていることにより、絶縁面から見た場合のアーク
シールドの最適位置が決まり、可動電極および固定電極の電界強度を低減することができ
る。
すなわち、図4は上述のdとdの比と固定電極24の端部の電界強度E1との関係
の一例を示す特性図である。
図4において、縦軸の電界強度Ecは、固定電極24の材料を銅とした場合の破壊電界
強度である。
ギャップ長の比率d/dが0.5以下になると、固定電極24とアークシールド3
2間のギャップ長で決まるため、電極端部の電界強度はギャップ長の比率d/dが小
さくなるほど高くなる。
ギャップ長の比率d/dが0.35の時に、固定電極24の端部の電界強度が破壊
電界強度に達している。
ギャップ長の比率d/dが0.8以上になると、固定電極24の端部の電界強度は
電極間で決まるので、それ程低くならない。
また、ギャップ長の比率d/dが大きくなると、真空バルブ20の径が大きくなる
ので、ギャップ長の比率d/dはなるべく小さい方が価格面からは望ましい。
従って、ギャップ長の比率dとdの比を0.35〜0.8としていることにより、
真空バルブ20の外径を抑えて、絶縁特性の優れた真空バルブ20を得ることができる。
次に、実施例4に係る真空開閉装置における真空バルブを図2、図3を参照して説明す
る。
前述した図2に示す真空バルブ20において、開位置の接点28a、28b間のギャッ
プ長をdとし、可動電極26に設けられた可動通電軸27と接地電極35との間のギャ
ップ長をdとした場合、各ギャップ長dとdの関係が、d=(1.3〜1.8)
・dとなるようにしている。
以上のように構成した真空バルブ20においては、各ギャップ長d、dの関係を、
=(1.3〜1.8)・dとしていることにより、可動側接点28bの開位置での
接点間の絶縁と接地装置の絶縁の協調を図れ、信頼性を向上することができる。
すなわち、接地位置での絶縁性能の裕度は、断路位置と同様に50%破壊電圧をV50
とすると、V50に対して3σの裕度が必要になる。そして、開位置での絶縁性能の裕度
は、V50に対して2σを目安としている。接地電極35は、電流遮断の責務がないので
、電極表面の損傷は比較的少ない。
本発明者等が、接地電極35と可動通電軸27の破壊電圧のばらつきを求める試験を行
なったところ、標準偏差で表わすと10〜18%であった。
図3に示した3σを与えるギャップ長と2σを与えるギャップ長の比率(すなわち、d
/d)と破壊電圧のばらつき(標準偏差)との関係から、ギャップ長の比率d/d
が1.3〜1.8となる。
これにより、接地電極35と可動通電軸27との間の絶縁が断路位置の絶縁と協調がと
れ、経済的で信頼性の高い真空開閉装置を得ることができる。
次に、実施例5に係る真空開閉装置における真空バルブを操作する操作機構を図5を参
照して説明する。
図5は、実施例1に係る真空開閉装置における操作機構の構成を示す縦断面図であり、
図1の真空バルブに対応する。図5(a)、(b)、(c)は、それぞれ閉位置、開位置
、断路位置での構成を示している。
図5において、操作機構50は、2組の機構部60、70を直列に配置して構成してい
る。
ここで、真空バルブ20に近い側から、遮断機構部60、断路機構部70とする。
すなわち、遮断機構部60の可動軸61は、絶縁棒36を介して真空バルブ20の可動
通電軸27と連結しており、断路機構部70の可動軸71は、遮断機構部60のフレーム
62とネジ部71aで係合している。そして、係合長さSが、(d−d)以上となる
ようにしている。
また、操作機構50は、図5から明らかなように、可動通電軸27の軸上であって、直
線的に配置されている。そして、閉位置、開位置、断路位置の3位置が形成される。
一方、図2に対応する真空バルブの操作機構50は、断路機構部70のネジ部71aと
遮断機構部60のフレーム62との係合長さSが、(d−d)以上となるようにして
いる。
そして、接地位置を含めた4位置が形成される。
上述したように、操作機構50を可動通電軸27の軸上に配置しているので、操作力を
直接、可動通電軸27に伝達することができ、操作力のロスが少なく、簡素で信頼性が高
い操作機構を備えた真空開閉装置を実現することができる。
本発明による真空開閉装置における真空バルブの実施例1を示す縦断面図。 本発明による真空開閉装置における真空バルブの実施例2を示す縦断面図。 同実施例1および実施例2における作用をそれぞれ説明するための特性図。 同実施例1および実施例2における作用をそれぞれ説明するための特性図。 本発明による真空開閉装置における真空バルブの実施例5を示す縦断面図。 従来の代表的なキュービクル形ガス絶縁開閉装置の構成例を示す縦断面図。
符号の説明
1 開閉装置の箱体
1a 受電室
1b 遮断器室
1c 母線室
2 SF6ガス
3 ケーブルヘッド
4 避雷器
5 検電がいし
6 断路器
7 接続導体
8 変流器
9 ケーブル
10a、10b スペーサ
11 遮断器
12 接続母線
13 操作機構
14a、14b 制御箱
20 真空バルブ
21 絶縁円筒
22 固定側蓋板
23 可動側蓋板
24 固定電極
25 固定通電軸
26 可動電極
27 可動通電軸
28a 固定測接点
28b 可動側接点
29 ベローズ
32 アークシールド
35 接地電極
36 絶縁棒
50 操作機構
60 遮断機構部
61、71 可動軸
62 フレーム
70 断路機構部
71a ネジ部

Claims (5)

  1. 絶縁媒体を封入した絶縁容器の両端が金属部材で気密に封着された真空バルブ本体内に

    前記一方の金属部材を貫通して金属部材に固着された固定電極と、
    前記他方の金属端板を貫通すると共にベローズを介して当該金属部材に固着され、前記固
    定電極に対向するように設けられた可動電極と、
    前記可動電極を、前記固定電極の接点と接触している閉位置、開位置、断路位置の3位置
    に連続的に直線移動させるとともに、前記可動電極と直列配置された操作機構とを備えて
    なることを特徴とする真空開閉装置。
  2. 絶縁媒体を封入した絶縁容器の両端が金属部材で気密に封着された真空バルブ本体内に

    前記一方の金属部材を貫通して金属部材に固着された固定電極と、
    前記他方の金属部材を貫通すると共にベローズを介して当該金属部材に固着され、前記固
    定電極に対向するように設けられた可動電極と、
    前記可動電極の反固定電極側に設けられた接地電極と、
    前記接地電極と前記両端の金属部材との間にそれぞれ配置され、前記絶縁容器を構成する
    二つの絶縁筒と、
    前記可動電極を、前記固定電極の接点と接触している閉位置、開位置、断路位置、および
    前記接地電極と接触している接地位置の4位置に連続的に直線移動させるとともに、前記
    可動電極と直列配置された操作機構とを備えてなることを特徴とする真空開閉装置。
  3. 前記請求項1または請求項2に記載の真空開閉装置において、
    前記開位置の接点間のギャップ長をdとし、前記断路位置の可動電極と前記固定電極間
    のギャップ長をdした場合、
    前記各ギャップ長d、dの関係が、
    =(1.3〜2.6)・d
    となるようにしたことを特徴とする真空開閉装置。
  4. 前記請求項1または請求項2に記載の真空開閉装置において、
    前記固定電極と前記可動電極を包囲するようにアークシールドを設け、
    前記アークシールドと前記固定電極および可動電極の間のそれぞれのギャップ長をd
    し、前記断路位置の接点間のギャップ長をdとした場合、
    前記各ギャップ長d、dの関係が、
    =(0.35〜0.8)・d
    となるようにしたことを特徴とする真空開閉装置。
  5. 前記請求項2に記載の真空開閉装置において、
    前記可動電極に固着された通電軸とこれに対向する接地電極との間のギャップ長をd
    し、前記開位置の接点間のギャップ長をdとした場合、
    前記各ギャップ長d、dの関係が、
    =(1.3〜1.8)・d
    となるようにしたことを特徴とする真空開閉装置。
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