JP2006179290A - 開閉装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 開閉装置の一対の接点間の耐電圧特性を向上させる。
【解決手段】 絶縁ガス１５が封入された絶縁容器２と、前記絶縁容器２の一方の開口部に気密に固定された固定側通電軸５と、この絶縁容器２内の前記固定側通電軸５端部に設けられた固定側接点４と、前記固定側接点４と対向して設けられた接離自在の可動側接点６と、前記可動側接点６を端部に設けるとともに、前記絶縁容器２の他方の開口部を気密のもと移動自在に移動する可動側通電軸７と、前記可動側通電軸７に連結された操作機構１７とを備え、前記絶縁容器２を複数層の絶縁層とし、これらの絶縁層の比誘電率を内側に向かうほど大きくしたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、接離自在の一対の接点間に絶縁ガスを封入した開閉装置に係り、特に接点間の耐電圧特性を向上し得る開閉装置に関する。

この種の開閉装置における断路器は、電力系統の回路を完全に開路する責務を有しているので、接離自在の一対の接点間は高い耐電圧特性を必要とする。

このため、従来、このような断路器には、絶縁耐力の優れたＳＦ_６ガスを封入したガス絶縁方式のものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。しかしながら、ＳＦ_６ガスは、地球温暖化係数が二酸化炭素に比べて２３９００倍と大きく、大気中に放出しないように厳重に管理しなくてはならない。更に、ＳＦ_６ガスがアークにより分解されると有害な物質が生成される。

このため、ＳＦ_６ガスに替わる絶縁ガスとして、優れた絶縁耐力を有するとともに、地球温暖化係数の小さいフッ化炭素系化合物からなる絶縁ガスを用いる技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。しかしながら、この絶縁ガスを用いても、大気中に放出しないように管理をするとともに、この絶縁ガスがアークにより分解されると有害な物質を生成することでは同様である。

また、上述のような絶縁ガス並みの優れた絶縁耐力が得られるものとして、真空絶縁方式が知られている（例えば、特許文献３参照。）。しかしながら、真空絶縁方式の断路器では、一対の接点を収納した真空容器の真空漏れや、真空容器内の部材に吸着されている気体分子の放出などによる真空圧力の変動があり、真空度の管理などが必要となり構造が複雑になっていた。

一方、接点のような電極間の耐電圧特性を向上させるため、一方の電極に絶縁被膜を設け、この絶縁被膜の比誘電率を他方の電極に向かうほど小さくするものが知られている（例えば、特許文献４参照。）。しかしながら、絶縁被膜を設けた一方の電極では電界強度の抑制が図れるものの、絶縁被覆を設けない他方の電極では電界強度を大きく低減することができなかった。このため、電極間の耐電圧特性を向上させることが困難であった。また、開閉装置に用いられる接離自在の一対の接点間では、互いを接触させる必要から絶縁被膜を設けることが困難であった。
特開平５−２２７６１９号公報（第２ページ、図７） 特開２００３−１６９４１０号公報（第３ページ、図１） 特開２００１−１７６３６４号公報（第４ページ、図１） 特開平１１−２６２１２０号公報（第５ページ、図１）

上記の従来の開閉装置においては、次のような問題がある。

接離自在の一対の接点間の耐電圧特性を向上させるため、優れた絶縁耐力を有するガス絶縁方式を用いると、絶縁ガスが地球温暖化に影響を及ぼすので、大気中に放出しないように管理をしなくてはならない。また、絶縁ガスなどを全く用いない真空絶縁方式では、開閉装置の構造が複雑になる。更に、比誘電率を変化させた絶縁被膜を接点に形成しようとしても、互いを接触させる必要から絶縁被膜を設けることが困難であった。

このため、有害な物質を生成しない絶縁ガスを用いて環境と調和させるとともに、高い耐電圧特性が得られる開閉装置が望まれていた。

本発明は上記問題を解決するためになされたもので、環境に調和した絶縁ガスを用いて、耐電圧特性を向上し得る開閉装置を得ることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の開閉装置は、絶縁ガスが封入された筒状の絶縁容器と、前記絶縁容器の一方の開口部に気密に固定された固定側通電軸と、この絶縁容器内の前記固定側通電軸端部に設けられた固定側接点と、前記固定側接点と対向して設けられた接離自在の可動側接点と、前記可動側接点を端部に設けるとともに、前記絶縁容器の他方の開口部を気密のもと移動自在に移動する可動側通電軸と、前記可動側通電軸の前記絶縁容器外に連結された操作機構とを備え、前記絶縁容器を複数層の絶縁層とし、これらの絶縁層の比誘電率を内側に向かうほど大きくしたことを特徴とする。

本発明によれば、開閉装置に用いる接離自在の一対の接点を、内側に向かうほど比誘電率を大きくした絶縁容器内に収納し、絶縁ガスを封入しているので、絶縁容器内面および接点のそれぞれの電界強度を抑制することができ、耐電圧特性を向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

先ず、本発明の実施例１に係る開閉装置を図１乃至図３を参照して説明する。図１は、本発明の実施例１に係る開閉装置の構成を示す断面図、図２は、本発明の実施例１に係る開閉装置の電界強度と比誘電率の関係を示す特性図、図３は、本発明の実施例１に係る開閉装置の電界強度と絶縁厚さの関係を示す特性図である。

図１に示すように、この種の開閉装置における断路器は、図示上段の主回路を開閉する開閉部１ａと図示下段の開閉部１ａを開閉操作する操作部１ｂとに分かれて構成されている。

開閉部１ａには、例えばエポキシ樹脂のような絶縁材料でモールドされた筒状の第１の絶縁容器２が設けられている。第１の絶縁容器２の一方端の開口部には、一方の電路となる上部導体３が気密に固定され、この上部導体３の略中央部に第１の絶縁容器２内の端部に固定側接点４を設けた固定側通電軸５が固定されている。また、固定側接点４と対向して、接離自在の可動側接点６が可動側通電軸７端部に設けられている。

可動側通電軸７は、第１の絶縁容器２の他方端の開口部に一側面が気密に固定された他方の電路となる下部導体８の略中央部を移動自在に貫通している。また、可動側通電軸７は、下部導体８を貫通する部分に設けられた接触子９により摺動接触され、更に、Ｏリング１０により気密が保たれるようになっている。また、可動側通電軸７が軸方向に移動できるように、ガイド筒１１が設けられている。

第１の絶縁容器２の絶縁層内部には、固定側接点４を包囲するように、固定側通電軸５と同電位の第１のシールド電極１２が埋め込まれている。また、可動側接点６を包囲するように、可動側通電軸７と同電位の第２のシールド電極１３が、第１のシールド電極１２と所定の距離で離隔されて埋め込まれている。

また、第１の絶縁容器２の内面には、例えばチタン酸バリウムのような高誘電率体の粉末をエポキシ樹脂のような絶縁材料に混合させて形成した絶縁層１４が設けられている。この絶縁層１４は、例えばチタン酸バリウムからなる高誘電体セラミックでもよい。これにより、この絶縁層１４の比誘電率を、第１の絶縁容器２よりも大きくすることができる。

絶縁層１４を設けた第１の絶縁容器２内には、乾燥空気、炭酸ガス、窒素ガスのような大気中に存在するいずれか一種の環境に調和した絶縁ガス１５が図示しない封入バルブから略大気圧で大気圧よりも高い圧力（正圧力）で封入されている。なお、この圧力は、第１の絶縁容器２の機械的強度を許容する範囲内で高くすれば、絶縁ガス１５自体の絶縁耐力が向上するので好ましい。

操作部１ｂには、例えばエポキシ樹脂のような絶縁材料でモールドした筒状の第２の絶縁容器１６が設けられ、その一方端の開口部が下部導体８の他側面に固定されている。また、他方端の開口部には、例えば電磁アクチュエータのような操作機構１７が取り付けられている。操作機構１７には、可動側通電軸７の軸方向に絶縁操作ロッド１８が連結され、接点４、６間の開閉が行われるようになっている。

そして、絶縁層１４の比誘電率をε１、その絶縁厚さをｔ１とし、また、第１の絶縁容器２の比誘電率をε２、第１のシールド電極１２および第２のシールド電極１３から絶縁層１４までの第１の絶縁容器２の絶縁厚さをｔ２としたときの、それぞれの関係を説明する。ここで、両接点４、６を収納する絶縁容器は、絶縁層１４を内側絶縁層、第１の絶縁容器２を外側絶縁層とすることができる。

先ず、内側絶縁層となる絶縁層１４の比誘電率ε１と、外側絶縁層となる第１の絶縁容器２の比誘電率ε２との比は、ε１／ε２＝２〜３０としている。

これは、図２に示すように、比誘電率ε１／ε２の比が大きくなるほど、絶縁層１４表面の電界強度Ｅ１が低下する傾向を示すものの、ε１／ε２＝２以上から急激に電界強度Ｅ１が低下し、電界を抑制する効果が大きくなるためである。また、比誘電率の比がε１／ε２＝３０超過では、電界を抑制する効果があるものの、絶縁層１４を形成する絶縁材料に混合する高誘電率体の粉末の充填量が増加し、構造物としての機械的強度が低下するためである。

また、比誘電率の比ε１／ε２を大きくすると、上述のように絶縁層１４表面の電界を抑制する効果があるものの、固定側接点４および可動側接点６の電界強度Ｅ２は逆に上昇してしまう。これは、絶縁層１４で押し広げられた等電位線が固定側接点４および可動側接点６近傍で密集してくるためである。

一般的な両接点４、６においては、その端部の曲率半径が数ｍｍで形成されており、両接点４、６の電界強度Ｅ２は、比誘電率の比ε１／ε２＝１０の点で電界強度Ｅ１と等しくなる。このため、絶縁層１４と第１の絶縁容器２との比誘電率の比ε１／ε２＝１０の点が、絶縁層１４表面の電界強度Ｅ１と両接点４、６の電界強度Ｅ２との両者が抑制され、最適な比誘電率の比となる。

なお、第１の絶縁容器２の比誘電率は、一般のエポキシ樹脂では４前後であり、また、絶縁層１４に混合するチタン酸バリウムの比誘電率は、１０００以上であるので、比誘電率の比を上述のように設定することは容易にできる。

次に、内側絶縁層の絶縁層１４の絶縁厚さｔ１と、シールド電極１２、１３と絶縁層１４までの外側絶縁層の第１の絶縁容器２の絶縁厚さｔ２との比は、ｔ１／ｔ２＝０．１〜０．５としている。

これは、図３に示すように、絶縁厚さｔ１／ｔ２の比が大きくなるほど、絶縁層１４表面の電界強度Ｅ１が低下する傾向を示すものの、絶縁厚さの比ｔ１／ｔ２＝０．１以上から急激に電界強度Ｅ１が低下し、電界を抑制する効果が大きくでるためである。絶縁厚さの比ｔ１／ｔ２＝０．１未満では、絶縁層１４の絶縁厚さが薄くなりすぎて電界を抑制する効果が小さくなる。

また、絶縁厚さに比がｔ１／ｔ２＝０．５超過では、電界強度Ｅ１の低下が緩やかになる。更に、絶縁厚さの比ｔ１／ｔ２＝０．５超過では、両接点４、６と絶縁層１４間のギャップ長が狭くなり、両接点４、６の開閉時に発生する金属蒸気の拡散が充分に行われなくなるので好ましくない。

上記実施例１の開閉装置によれば、固定側接点４と可動側接点６とを第１の絶縁容器２内に収納し、この第１の絶縁容器２内面に、第１の絶縁容器２よりも比誘電率の大きい絶縁層１４を設けているので、絶縁層１４表面および両接点４、６の電界強度を抑制することができ、耐電圧特性を向上させることができる。

なお、上記実施例１では、第１および第２のシールド電極１２および１３を第１の絶縁容器２内に埋め込んで説明したが、この第１および第２のシールド電極１２および１３を埋め込まなくても、第１の絶縁容器２よりも絶縁層１４の比誘電率を大きくすれば、絶縁層１４内面および両接点４、６の電界強度を抑制することができる。

次に、本発明の実施例２に係る開閉装置を図４を参照して説明する。図４は、本発明の実施例２に係る開閉装置の開閉部を示す断面図である。なお、この実施例２が実施例１と異なる点は、絶縁層にヒダを設けたことである。図４において、実施例１と同様の構成部分においては、同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図４に示すように、第１の絶縁容器２内面には、この第１の絶縁容器２よりも比誘電率の大きな絶縁材料で形成された絶縁層１４が設けられている。そして、この絶縁層１４には、内面に突出した環状の複数のヒダ１４ａが設けられている。

上記実施例２の開閉装置によれば、実施例１の効果のほかに、絶縁層１４内面の沿面距離が増加するので、上部導体３と下部導体８間の耐電圧特性を向上させることができる。

なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。上記実施例では、異なる比誘電率の絶縁層を二層で説明したが、内側に向かうほど比誘電率を大きくした二層以上の複数層の絶縁容器にし、この絶縁容器内に接離自在の一対の接点を収納してもよい。このような絶縁容器は、例えば内径と外径とが異なる金型を用いた多段注型法により外側または内側から順次絶縁層を注型すれば形成することができる。また、絶縁容器の外周に汚損特性を向上させるため、接地層を設けてもよい。

本発明の実施例１に係る開閉装置の構成を示す断面図。 本発明の実施例１に係る開閉装置の電界強度と比誘電率の関係を示す特性図。 本発明の実施例１に係る開閉装置の電界強度と絶縁厚さの関係を示す特性図。 本発明の実施例２に係る開閉装置の開閉部を示す断面図。

符号の説明

１ａ 開閉部
１ｂ 操作部
２ 第１の絶縁容器
３ 上部導体
４ 固定側接点
５ 固定側通電軸
６ 可動側接点
７ 可動側通電軸
８ 下部導体
９ 接触子
１０ Ｏリング
１１ ガイド筒
１２ 第１のシールド電極
１３ 第２のシールド電極
１４ 絶縁層
１４ａ ヒダ
１５ 絶縁ガス
１６ 第２の絶縁容器
１７ 操作機構
１８ 絶縁操作ロッド

Claims (6)

1. 絶縁ガスが封入された筒状の絶縁容器と、
   前記絶縁容器の一方の開口部に気密に固定された固定側通電軸と、
   この絶縁容器内の前記固定側通電軸端部に設けられた固定側接点と、
   前記固定側接点と対向して設けられた接離自在の可動側接点と、
   前記可動側接点を端部に設けるとともに、前記絶縁容器の他方の開口部を気密のもと移動自在に移動する可動側通電軸と、
   前記可動側通電軸の前記絶縁容器外に連結された操作機構と
   を備え、前記絶縁容器を複数層の絶縁層とし、これらの絶縁層の比誘電率を内側に向かうほど大きくしたことを特徴とする開閉装置。
2. 前記絶縁容器を外側絶縁層と内側絶縁層との二層絶縁層とし、
   前記外側絶縁層内に、前記固定側接点を包囲するとともに、この固定側接点と同電位にした第１のシールド電極と、
   前記可動側接点を包囲するとともに、前記第１のシールド電極と離間され、且つ前記可動側接点と同電位にした第２のシールド電極とを埋め込んだことを特徴とする請求項１に記載の開閉装置。
3. 前記内側絶縁層の比誘電率をε１とし、前記外側絶縁層の比誘電率をε２としたとき、比誘電率の比を、ε１／ε２＝２〜３０としたことを特徴とする請求項２に記載の開閉装置。
4. 前記内側絶縁層の絶縁厚さをｔ１とし、前記第１のシールド電極および第２のシールド電極から前記内側絶縁層までの前記外側絶縁層の絶縁厚さをｔ２としたとき、絶縁厚さの比を、ｔ１／ｔ２＝０．１〜０．５としたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の開閉装置。
5. 前記内側絶縁層に内面に突出したヒダを設けたことを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載した開閉装置。
6. 前記絶縁ガスは、空気、炭酸ガス、窒素ガスのいずれか一種からなることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の開閉装置。

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