JP2007257902A - 電磁操作開閉装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡便安価に交流三相を一括で動作できる電磁操作開閉装置を得ることを目的としている。
【解決手段】開閉極時間測定装置50では、各相の閉極用コイル13に流れる電流を閉極電流計測器43U〜43Wから入力し、その開閉極時間予測手段64により入力された電流波形から各相の閉極予測時間を演算する。閉極タイミング調整回路53では、その閉極予測時間比較手段66により各相の閉極予想時間を比較し、その閉極タイミング制御手段67が、閉極予想時間が最長の相から順次各相の閉極指令スイッチ33U〜33Wにオン信号を出力し、三相一括動作が実現する。
【選択図】図1

Description

本発明は、固定鉄心とコイルと開閉器の可動接点に連結された可動鉄心とを備えた電磁操作器を駆動して三相交流線路の開閉を行う電磁操作開閉装置に関するものである。
この種の従来の開閉装置では、U相の真空容器内の遮断器を操作ロッド、駆動ロッドを介して操作器に連結し、V相の真空容器内の遮断器を操作ロッド、駆動ロッドを介して操作器に連結し、W相の遮断器を操作ロッド、駆動ロッドを介して操作器に連結し、各操作器による投入操作時に、電磁石から発生する電磁力を駆動ロッド、操作ロッドに付与して各遮断器を投入し、各操作器の開放操作時には引き外しばねに蓄積された弾性力を駆動ロッド、操作ロッドに付与して各遮断器を開放するとともに、各相の操作器から発生する操作力をリンク機構を介して他の二相に伝達し、三相各相の操作器を一括して投入または開放操作する(特許文献1参照)。
また、この種の他の従来の開閉装置では、マイクロプロセッサユニットから開閉指令を出して遮断器を開閉する。遮断器を遮断しようとしている回路(主回路)の電圧電流値を測定し、例えば、電流が0をクロスする点で電流を遮断するようにしている。三相それぞれが主回路の電流位相にあわせて個別に動作するようになっている(特許文献2参照)。
特開2005−190919号公報(段落0025〜0028、図1) USP5638296(第3欄第4〜11行、第8欄第57行〜第9欄第25行、第19欄第8行〜第20欄第56行、図3、図6A)
例えば、特許文献1に示すような開閉装置にあっては、
1.三相を連結するリンク構造が必要となり、遮断器が大きくなる、
2.大型の遮断器では、リンク構造が大型化し、高コストになる、
という問題点があった。
また、例えば、特許文献2に示すような開閉装置にあっては、
1.主回路電流の位相に合わせて電極を駆動するため、主回路の電圧・電流を精度良く観測する手段が必要であり、高コストになる、
2.従来から多用されている開閉装置は、そのほとんどが、三相を一括で動作できる開閉装置であるため、従来の周辺設備を流用できないことがあり、高コストになる、
という問題点があった。
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、簡便安価に交流三相を一括で動作できる電磁操作開閉装置を得ることを目的としている。
この発明に係る電磁操作開閉装置は、三相交流線路の各相毎に、開閉器およびこの開閉器を開閉駆動する電磁操作器を備え、電磁操作器は、固定鉄心とコイルと開閉器の可動接点に連結された可動鉄心とを備え、コイルに通電することにより可動鉄心を駆動して三相交流線路の開閉を行う電磁操作開閉装置において、
各相のコイルに通電するタイミングを各相毎に調整することにより、三相交流線路の各相開閉タイミングを所定の範囲内に収めるコイル通電タイミング調整手段を備えたものである。
この発明は、以上のように、各相のコイルに通電するタイミングを各相毎に調整し、三相交流線路の各相開閉タイミングを所定の範囲内に収めるコイル通電タイミング調整手段を備えたので、動作バラツキの抑制のために大型のリンク構造を必要とせず安価に三相一括動作ができる電磁操作開閉装置を得ることができる。また、機械的な三相一括動作を前提としている従来開閉装置との互換性の高い、安価な三相一括動作ができる電磁操作開閉装置を得ることができる。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1における電磁操作開閉装置としての真空遮断器の構成を示す図である。図1において、開閉器である真空バルブ3は、真空の収容器の中に開閉接点5が収容されている。開閉接点5は、図1の下方に配置された固定接点5aとこの固定接点5aに軸方向である図1の上下方向に所定の間隙を設けて対向配置された可動接点5bとを有している。可動接点5bには、駆動棒7が固着されており、可動接点5bと駆動棒7とで可動部6を構成している。この可動部6が、接圧バネ8およびバネ受け9を介して電磁操作電磁石10の可動鉄心16に連結されている。
電磁操作電磁石10は、閉極用コイル13、開極用コイル14、可動鉄心16を有する。駆動用電磁コイルとしての閉極用コイル13および開極用コイル14は、円環状に巻回されており、軸方向に所定の間隔を設けて配置されている。強磁性材料で形成された可動鉄心16が、閉極用コイル13および開極用コイル14の軸方向の各中心部に軸方向に配置されている。なお、可動鉄心16の外周部に円筒状の永久磁石17が装着されている。
駆動電源装置20は、閉極用コンデンサ23、開極用コンデンサ24を有する。なお、これら閉極用、開極用コンデンサ23、24を充電するための装置は、この図1では図示を省略している。
駆動電源装置20の閉極用コンデンサ23と閉極用コイル13とを接続する接続線25には閉極指令スイッチ33U、33V、33Wが設けられ、駆動電源装置20の開極用コンデンサ24と開極用コイル14とを接続する接続線26には開極指令スイッチ34U、34V、34Wが設けられている。駆動電源装置20の閉極用コンデンサ23と閉極用コイル13とを接続する接続線27には閉極電流計測器43U、43V、43Wが設けられ、駆動電源装置20の開極用コンデンサ24と開極用コイル14とを接続する接続線28には開極電流計測器44U、44V、44Wが設けられている。
閉極電流計測器43U〜43W、開極電流計測器44U〜44Wには開閉極時間測定装置50が接続されている。閉極指令スイッチ33U〜33Wは、閉極タイミング調整回路53上に構成されており、この閉極タイミング調整回路53は、開閉極時間測定装置50から情報を受け取っている。開極指令スイッチ34U〜34Wは、開極タイミング調整回路54上に構成されており、この開極タイミング調整回路54は、開閉極時間測定装置50から情報を受け取っている。
本願発明では、閉極電流計測器43U、43V、43W、開極電流計測器44U、44V、44W、開閉極時間測定装置50、閉極タイミング調整回路53、および開極タイミング調整回路54によりコイル通電タイミング調整手段を構成する。
次に、本願のコイル通電タイミング調整の前提となる、真空遮断器の開閉動作について説明する。なお、ここでは、相区別は不要であるので、相別符号は省略している。
図1において、駆動電源装置20の閉極用コンデンサ23および開極用コンデンサ24は、図示省略の充電装置により、常時所定の電圧に充電されている。図1に示す可動接点5bが開極した状態において、閉極指令スイッチ33を閉じると閉極用コンデンサ23に充電されている電荷が閉極用コイル13に供給される。すると、閉極用コイル13を流れる電流により可動鉄心16が軸方向で図1の下方に駆動され、接圧ばね8および駆動棒7を介して可動接点5bを固定接点5aに接触させて閉極する。このとき、可動接点5bが固定接点5aに接触した後、さらに接圧バネ8が圧縮され接点間の接触圧力が、圧縮された接圧バネ8により確保された状態になり、可動鉄心16の周囲に装着された永久磁石17の磁束によりこの状態を維持され、閉極状態となる。
この閉極状態において、開極指令スイッチ34を閉じて開極指令を与えると、開極用コンデンサ24に充電されている電荷が開極用コイル14に供給され、開極用コイル14を流れる電流により可動鉄心16が軸方向で図1の上方に駆動される。可動鉄心16が上方に移動を開始するとき、最初は圧縮されている接圧バネ8が伸びるだけで、可動接点5bおよび真空バルブ3側の駆動棒7は移動しない。この後、さらに可動鉄心16が上方へ移動すると可動接点5b、駆動棒7、接圧バネ8、バネ受け9および可動鉄心16が一体となって上方へ移動し、可動接点5bが固定接点5aから開離し、この状態を可動鉄心16の周囲に装着された永久磁石17の磁束により維持され、開極状態となる。
次に、真空遮断器の三相一括動作を可能にする、この発明の実施の形態1の主要部である、開閉極時間測定装置50および閉極、開極タイミング調整回路53、54について説明する。
先ず、図2に、開閉極時間測定装置50の内部構成を示す。なお、この開閉極時間測定装置50は、本願出願人が先に出願し国際公開(WO2005/111641A1)された技術を利用したもので、以下、その概要を説明する。
図2において、開閉極時間測定装置50は、AD変換器61、メモリ62、変曲点探索手段63および開閉極時間予測手段64を備えている。
接続線27に流れる閉極用コイル13の電流が閉極電流計測器43U〜43Wにより、また、接続線28に流れる開極用コイル14の電流が開極電流計測器44U〜44Wにより検出され、それぞれAD変換器61でデジタル信号に変換され一旦メモリ62に記憶される。そして、開極または閉極動作時の電流波形上の変曲点を変曲点探索手段63で求め、この変曲点情報から開閉極時間予測手段64により真空遮断器の開極時間および閉極時間を相毎に演算する。これらの開極時間、閉極時間の演算結果は、後段で説明する開極、閉極タイミング調整回路54、53に出力される。
ここで、図3により、開極動作時を例にとり、開極用コイル14に流れる電流波形から開極時間を求める要領を説明する。図3において、開極用コイル14に流れる電流Jの波形は、可動鉄心16の移動開始点(Act1)の時間tsにおいて最大値imaxとなり、この時間tsに次いで、時間tpにおいて変曲点P、時間tqにおいて最小点Qを有する。時間tp,tqは、開極用コイル14が励磁された瞬間を時間軸の零点(基準点)にして表している。
可動鉄心16のストロークは、図3のストロークstに示すように変化し、時間tsにおいて可動鉄心16が移動を開始し(図3の点Act1)、接点移動開始時間であり開極開始時間である時間(変曲点Pが発生する時間)tpにおいて可動接点5bが固定接点5aから開離を開始し(図3の開極開始点Act2)、以後可動鉄心16および可動接点5bが一体となって移動し、最小点Qに対応する時間(最小点Qが発生する時間)tqにおいて全ストロークを移動し可動鉄心16および可動接点5bが停止するとともに開極が完了する(図3の開極完了点Act3)。すなわち、時間tqが接点移動完了時間であり、開極完了時間である。従って、開極用コイル14に通電を開始した時点を起算点とした開極時間は、tqとして求められる。
なお、この開閉極時間測定装置50による開極時間、閉極時間の演算測定は、例えば、開極時間については、当該演算対象である開極動作の直前の閉極動作におけるコイル電流波形に基づき求めるようにし、閉極時間については、当該演算対象である閉極動作の直前の開極動作におけるコイル電流波形に基づき求めるようにすれば、真空遮断器の開閉機構の経時変化を考慮した正確な開閉極時間を常に求めることができる。また、一定の開閉動作回数を経る毎にこの開閉極時間の演算測定を行い、その間では、直前の測定値を使用するようにしてもよい。
次に、閉極時を例にとり、三相一括動作を実現する閉極タイミング調整回路53について図4を参照して説明する。図4において、開閉極時間測定装置50に接続された閉極タイミング調整回路53は、メモリ65、閉極予測時間比較手段66、閉極タイミング制御手段67および接点信号出力手段68を備えている。開閉極時間測定装置50から入力された、U、V、W各相の閉極時間は、閉極予測時間比較手段66で、その長短が比較され結果がメモリ65に書き込まれる。
閉極タイミング制御手段67は、真空遮断器としての閉極動作指令が出されると、最初に、閉極予測時間が最長の相、例えば、V相を特定する信号を接点信号出力手段68に送り、接点信号出力手段68は、それを受けて、V相の閉極指令スイッチ33Vにオン信号を出力し、これにより、閉極用コンデンサ23からV相の閉極用コイル13に電流が流れ、V相の閉極動作が開始される。
閉極タイミング制御手段67は、次に、閉極予測時間が最長のV相の予測時間と、次に長い相、例えば、W相の予測時間との差に相当する遅延時間を経て、W相を特定する信号を接点信号出力手段68に送り、接点信号出力手段68は、それを受けて、W相の閉極指令スイッチ33Wにオン信号を出力し、これにより、閉極用コンデンサ23からW相の閉極用コイル13に電流が流れ、W相の閉極動作が開始される。
更に、閉極タイミング制御手段67は、閉極予測時間が最長のV相の予測時間と、最短の相、例えば、U相の予測時間との差に相当する遅延時間を経て、U相を特定する信号を接点信号出力手段68に送り、接点信号出力手段68は、それを受けて、U相の閉極指令スイッチ33Uにオン信号を出力し、これにより、閉極用コンデンサ23からU相の閉極用コイル13に電流が流れ、U相の閉極動作が開始される。
以上で説明した閉極タイミング調整を遂行することにより、各相の閉極時間にバラツキが存在しても、各相の閉極タイミングは、所定の精度内に収まり、三相一括閉極動作が実現する。開極動作も、開極タイミング調整回路54により、以上と全く同様の要領で三相一括開極動作が実現する。
以上のように、この発明の実施の形態1における電磁操作開閉装置は、開閉極時間測定装置50で求めた各相の閉極、開極予想時間を基に、閉極、開極タイミングを各相毎に調整し、各相開閉タイミングを所定の範囲内に収める閉極、開極タイミング調整回路53、54を備えたので、動作バラツキの抑制のために大型のリンク構造を必要とせず安価に三相一括動作ができ、また、機械的な三相一括動作を前提としている従来開閉装置との互換性の高い、安価な三相一括動作のできる電磁操作開閉装置を得ることができる。
実施の形態2.
図5は、この発明の実施の形態2における電磁操作開閉装置の閉極タイミング調整回路53Aを例示したものである。ここでは、製品出荷時に、各相の閉極時間を測定しておき、これら測定値を基に、各相の閉極指令スイッチ33U〜33Wにオン信号を出力する相順および時間差を演算で求め、メモリ65Aに書き込んでおき、真空遮断器としての閉極動作指令が出される毎に、そのデータをメモリ65Aから読み出し、接点信号出力手段68Aから各相の閉極指令スイッチ33U〜33Wにオン信号を出力する。
各相の開閉極時間が、真空遮断器の開閉機構の経時変化に関わらず、ほとんど変化しないと仮定すれば、先の実施の形態1と同様に、三相一括動作が実現し、そのための構成が更に簡便安価となる利点がある。
一定の開閉回数を経る毎に、各相の開閉極時間を測定し、そのデータを基に、メモリ65Aの内容を更新するようにすれば、更に精度の高い三相一括動作が可能となる。
実施の形態3.
図1では、三相分の閉極用コイル13に共通の閉極用コンデンサ23を接続し、三相分の開極用コイル14に共通の開極用コンデンサ24を接続している。コンデンサに充電された電圧は、現実には、完全な定電圧源ではないので、先の実施の形態で説明したように、各相の閉極または開極のタイミングが一致するように、時間をずらして各相のコイルへ通電すると、通電開始時のコイルへの印加電圧が相によって異なり、この結果、印加電圧一定の条件で求めた開閉時間との間に差が生じることになる。
この実施の形態3では、この各相コイルへの印加電圧の差に基づく開閉極時間の差を補正して常に精度の高い三相一括動作を達成せんとするものである。
図6に概念図を示す。最初に(開閉極指令)スイッチが入る相をAおよび時刻をtA、次にスイッチが入る相をBおよび時刻をtB、最後にスイッチが入る相をCおよび時刻をtCとする。図6に示すように、スイッチが入る時刻によってコイル13、14に印加される初期電圧が異なる。実施の形態1または実施の形態2で示すような真空遮断器では、動作開始初期電圧で動作時間が変わってくるため、補正が必要となる。
図7に示すように、予め、動作開始初期電圧による閉極または開極時間の変化量を測定しておき、この値に基づいて、閉極タイミング調整回路53または開極タイミング調整回路54上の閉極指令スイッチ33または開極指令スイッチ34を閉じる時間を調節すれば、初期電圧の変化によらず真空遮断器の三相一括動作ができる。
この場合、予め測定されたデータから相順A、B、Cと印加電圧VA、VB、VC、およびそれぞれの印加電圧に対応して補正された開閉極時間を設定しておき、実際の運用時は、閉極用コンデンサ23および開極用コンデンサ24の電圧を測定し、設定された印加電圧になったタイミングでスイッチを入れるようにしてもよい。
また、予め測定されたデータに基づき相毎の印加電圧の変化量を考慮して補正した開閉極時間を使用して各相のスイッチにオン信号を出力する相順および時間差を演算で求め、メモリに書き込んでおき、先の実施の形態2に示したように、真空遮断器としての閉極動作指令が出される毎に、そのデータをメモリから読み出し、各相のスイッチにオン信号を出力するようにしてもよい。
以上のように、この実施の形態3では、電源となるコンデンサ23、24を三相共通に設けることで、各相のコイル13、14への印加電圧に差が生じても、真空遮断器として三相一括動作を実現することができる。
実施の形態4.
電源となるコンデンサ23、24を三相共通に設けることによる問題点として、先の実施の形態3で取り上げた印加電圧の差によるもの以外に、コンデンサの静電容量の差によるものもあり、この実施の形態4では、この問題を取り上げる。
即ち、先の図6の時間経過を引用して説明すると、コンデンサの初期の静電容量を3Sとすると、相Aは、時刻tAからtBの間は3Sの静電容量、時刻tBからtCの間は、相Bと並列に接続されることになり、3S/2の静電容量、時刻tC以降は、相B、Cと並列に接続されることになり、Sの静電容量で駆動されることになる。
相Bは、時刻tBからtCの間は3S/2の静電容量、時刻tC以降はSの静電容量で駆動されることになる。相Cは、時刻tC以降、Sの静電容量で駆動されることになる。
実施の形態1または実施の形態2で示すような真空遮断器では、各相のコイルから見たときの電源であるコンデンサの静電容量で電流が変化し従って動作時間が変わってくるため、補正が必要となる。図8に示すように、予め、静電容量による閉極または開極時間の変化量を測定しておき、この値に基づいて、閉極タイミング調整回路53または開極タイミング調整回路54上の閉極指令スイッチ33または開極指令スイッチ34を閉じる時間を調節すれば、静電容量の変化によらず真空遮断器を三相一括動作できる。
以上のように、この実施の形態4では、電源となるコンデンサ23、24を三相共通に設けることで、各相のコイル13、14から見たコンデンサの静電容量に差が生じても、真空遮断器として三相一括動作を実現することができる。
実施の形態5.
図示は省略するが、閉極用コンデンサおよび開極用コンデンサとして、互いに同一の定格のコンデンサを各相毎に独立に設ける構成とし、同一の電圧に充電して使用するようにすれば、実施の形態3や4で説明した、印加電圧や静電容量の相毎の差に伴う開閉極時間の補正は不要となる。
なお、先の実施の形態1では、各相の開閉極時間を各相のコイルに流れる電流波形から求めるようにしたが、本願発明の適用上、開閉極時間の測定方法は、これに限らず、例えば、電極の動きを光学的に捉えて測定する方法等を採用してもよいことは勿論である。
また、この発明の各変形例において、コイル通電タイミング調整手段は、各相のコイルに流れる電流波形を測定する電流測定手段、およびこの電流測定手段で測定した電流波形から各相の開閉器の開極、閉極時間を演算する開閉極時間演算手段を備え、この開閉極時間演算手段で演算した各相の開閉器の開極、閉極時間を基に三相交流線路の各相開閉タイミングが所定の範囲内に収まるよう各相のコイルに通電するタイミングを各相毎に調整するようにしたので、各相の開閉極時間が簡便正確に求まり三相一括動作が確実に実現される。
また、コンデンサに充電した電圧を三相各相のコイルに印加して通電する場合、コンデンサを各相毎に設けたので、各相のコイルの電源条件を均等にすることができ、電源条件の差に伴う開閉極時間の補正が不要となる。
また、コンデンサに充電した電圧を三相各相のコイルに印加して通電し、かつコンデンサを各相共通のものとする場合、予め、コンデンサからコイルへの印加電圧と開極時間または閉極時間との関係を求めておき、開閉極時間演算手段は、上記関係に基づき、各相毎の通電開始時におけるコイルへの印加電圧値から開極時間または閉極時間を補正するようにしたので、三相一括動作が支障なく実現される。
また、コンデンサに充電した電圧を三相各相のコイルに印加して通電し、かつコンデンサを各相共通のものとする場合、予め、1相当たりのコンデンサの静電容量と開極時間または閉極時間との関係を求めておき、開閉極時間演算手段は、上記関係に基づき、各相毎の通電開始時おけるコンデンサの静電容量値から開極時間または閉極時間を補正するようにしたので、三相一括動作が支障なく実現される。
この発明の実施の形態1における電磁操作開閉装置の構成を示す図である。 図1の開閉極時間測定装置50の内部構成を示す図である。 コイルに流れる電流の波形から開極時間を求める要領を説明する図である。 図1の閉極タイミング調整回路53の内部構成を示す図である。 この発明の実施の形態2における電磁操作開閉装置の閉極タイミング調整回路53Aの内部構成を示す図である。 この発明の実施の形態3において、各相コイルへの印加電圧の変化を説明する図である。 この発明の実施の形態3において、コイルに印加される動作開始初期電圧と動作時間変化量の関係を示す図である。 この発明の実施の形態4において、コンデンサの静電容量と動作時間変化量の関係を示す図である。
符号の説明
3 真空バルブ、5 開閉接点、5a 固定接点、5b 可動接点、
10 電磁操作電磁石、13 閉極用コイル、14 開極用コイル、16 可動鉄心、
20 駆動電源装置、23 閉極用コンデンサ、24 開極用コンデンサ、
33 閉極指令スイッチ、34 開極指令スイッチ、43 閉極電流計測器、
44 開極電流計測器、50 開閉極時間測定装置、53 閉極タイミング調整回路、
54 開極タイミング調整回路。

Claims (5)

  1. 三相交流線路の各相毎に、開閉器およびこの開閉器を開閉駆動する電磁操作器を備え、上記電磁操作器は、固定鉄心とコイルと上記開閉器の可動接点に連結された可動鉄心とを備え、上記コイルに通電することにより上記可動鉄心を駆動して上記三相交流線路の開閉を行う電磁操作開閉装置において、
    上記各相のコイルに通電するタイミングを上記各相毎に調整することにより、上記三相交流線路の各相開閉タイミングを所定の範囲内に収めるコイル通電タイミング調整手段を備えたことを特徴とする電磁操作開閉装置。
  2. 上記コイル通電タイミング調整手段は、上記各相のコイルに流れる電流波形を測定する電流測定手段、およびこの電流測定手段で測定した上記電流波形から上記各相の開閉器の開極、閉極時間を演算する開閉極時間演算手段を備え、この開閉極時間演算手段で演算した上記各相の開閉器の開極、閉極時間を基に上記三相交流線路の各相開閉タイミングが上記所定の範囲内に収まるよう上記各相のコイルに通電するタイミングを上記各相毎に調整することを特徴とする請求項1記載の電磁操作開閉装置。
  3. コンデンサに充電した電圧を上記三相各相のコイルに印加して通電する場合、
    上記コンデンサを上記各相毎に設けたことを特徴とする請求項1または2に記載の電磁操作開閉装置。
  4. コンデンサに充電した電圧を上記三相各相のコイルに印加して通電し、かつ上記コンデンサを上記各相共通のものとする場合、
    予め、上記コンデンサからコイルへの印加電圧と上記開極時間または閉極時間との関係を求めておき、上記開閉極時間演算手段は、上記関係に基づき、上記各相毎の通電開始時における上記コイルへの印加電圧値から上記開極時間または閉極時間を補正するようにしたことを特徴とする請求項1または2に記載の電磁操作開閉装置。
  5. コンデンサに充電した電圧を上記三相各相のコイルに印加して通電し、かつ上記コンデンサを上記各相共通のものとする場合、
    予め、1相当たりの上記コンデンサの静電容量と上記開極時間または閉極時間との関係を求めておき、上記開閉極時間演算手段は、上記関係に基づき、上記各相毎の通電開始時おける上記コンデンサの静電容量値から上記開極時間または閉極時間を補正するようにしたことを特徴とする請求項1または2に記載の電磁操作開閉装置。
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