JP2008166085A - 遮断器及びその開閉方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
電磁反発機構による電流遮断途中時に生じる可動電極側軸の跳ね返りを回避した信頼性の高い遮断器を提供する。
【解決手段】
第１のコイル（真空バルブ）５１と、電磁反発作用によって前記第１のコイル５１の操作軸を開極方向へ駆動する開極手段を備えた遮断器５において、永久磁石３０６の吸引力によって第１のコイル５１を閉極状態に維持する電磁石３０１を有し、電磁反発作用による開極動作時に、電磁反発コイル１７０と電磁石３０１の第２のコイル３０５ｂを同時に励磁する。
【選択図】図１

Description

本発明は遮断器及びその開閉方法に係り、特に、電磁反発作用によって真空バルブの操作軸を開極方向へ高速で駆動させる開極手段を備えたものに好適な遮断器及びその開閉方法に関する。

電磁反発作用によって真空バルブの操作軸を開極方向へ高速駆動する開極手段は、電磁反発コイルおよびそれと対向して配置したリング状の銅板で構成され、コンデンサ放電などによって開極手段の電磁反発コイルを急速励磁し、コイル電流と銅板に発生する渦電流との電磁反発力を利用して真空バルブを開極動作させるものである。

電磁反発機構を備えた遮断器には、直流遮断器と高速遮断器がある。前者は、あらかじめコンデンサに充電しておいた電荷を系統電流と逆向きに注入し、強制的に電流ゼロ点を作って遮断するものである。直流系統にて短絡事故が発生すると、抵抗およびインダクタンスの回路定数で決定される立ち上がりの早い短絡電流などの過電流が流れるため、遮断器には高速動作が要求される。

一方、高速遮断器は、自家発電系統等に使用されるもので、電力系統停電時の自家発電機側からの電力流出の防止，過負荷に伴う電源共倒れの回避，停電系統から健全系統への高速切替えによる重要負荷の運転継続などを目的に導入される。同遮断器も開極指令を受けてから数ｍｓ以内での応答が要求されるため、電磁反発機構を利用している。

この電磁反発機構を搭載した遮断器としては、例えば特許文献１に示されているように、真空バルブと、この真空バルブの開閉方向に設けた操作機構と、この操作機構の途中に設けた電磁反発機構とを備え、更に電流遮断途中における可動電極側の軸の跳ね返りを低減させる機構を備えたものが知られている。

特開２０００−２９９０４１号公報

しかしながら、上述した従来の遮断器では、高速遮断時に、所定の開極速度を得るだけでなく、閉極状態を維持する永久磁石の吸引力を上回る電磁反発力が必要となるため、電磁反発機構の大型化、及び電源容量の増加を余儀なくされる。また、真空バルブとその操作機構との間に、電磁反発機構、及び電磁反発機構の作動時に生じる可動電極側の軸の跳ね返りを低減させる機構が上下方向に直列に配置されているため、真空バルブの操作機構によって、真空バルブを開閉操作する際には、電磁反発機構、及び可動電極側の軸の跳ね返り低減機構を共に移動させる必要がある。

このため、真空バルブの操作機構が、例えば電磁操作方式の場合、その構成部品である永久磁石，励磁コイル等の容量を大きくしなければならないので、真空バルブの操作機構が大型化する。また、真空バルブの操作機構の操作性も低下する可能性もある。

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的は、電磁反発機構による閉極状態の解除を容易にし、かつ電流遮断途中時に生じる可動電極側軸の跳ね返りを、簡易な構成で低減し得るとともに、操作性が良好な遮断器及びその開閉方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の遮断器は、真空バルブを開閉する電磁石内の第１のコイルと、該第１のコイルと共に前記電磁石内に設けられた第２のコイルと、この第２のコイルと直列に接続された電磁反発コイルとを備え、電磁反発作用による高速開極動作時に、前記第２のコイルと電磁反発コイルとを同時に励磁するか、若しくは真空バルブと、電磁反発作用によって前記真空バルブの操作軸を開極方向へ駆動するコイル，可動鉄心，永久磁石からなる電磁石と、前記コイルを励磁して前記真空バルブの投入動作を行い、前記永久磁石の吸引力によって前記真空バルブを閉極状態に維持し、投入動作時と逆方向に前記コイルを励磁して前記真空バルブを開極動作させる操作機構とを備えた遮断器において、前記コイルと共に電磁石内に、電磁反発作用による高速開極動作時に電磁反発作用のための電磁反発コイルと同時に励磁される第２のコイルが設けられていることを特徴とする。

また、本発明の遮断器の開閉方法は、第１のコイルを励磁することにより真空バルブを開閉し、前記第１のコイルと共に電磁石内に設けられた第２のコイルと直列に接続された電磁反発コイルとを、電磁反発作用による高速開極動作時に同時に励磁するか、若しくは、電磁反発作用によって真空バルブの操作軸を開極方向へ駆動する電磁石のコイルを励磁して前記真空バルブの投入動作を行い、電磁石の永久磁石の吸引力によって前記真空バルブを閉極状態に維持し、投入動作時と逆方向に前記コイルを励磁して前記真空バルブを開極動作させる遮断器の開閉方法において、前記コイルと共に前記電磁石内に設けられた第２のコイルと電磁反発作用のための電磁反発コイルとが、電磁反発作用による高速開極動作時に同時に励磁されることを特徴とする。

本発明によれば、電磁反発機構による開極動作と同時に、投入動作時と逆方向に電磁石のコイルを励磁するため、閉極状態を維持する永久磁石の吸引力が低減して閉極状態の解除を容易とし、かつ電流遮断途中に生じる可動電極側軸の跳ね返りを簡易な構成で低減し得ると共に、操作性が良好な遮断器及びその開閉商法を得ることができる。

電磁反発機構による閉極状態の解除を容易にし、かつ電流遮断途中時に生じる可動電極側軸の跳ね返りを、簡易な構成で低減し得るとともに、操作性が良好な遮断器及びその開閉方法を提供するという目的を、簡易な構成で実現した。

以下、本発明の遮断器の実施の形態を説明する。

図１乃至図７、及び図１４は、本発明の遮断器である転流式直流遮断器の一実施の形態を示すもので、図１は本発明の遮断器である転流式直流遮断器の一実施の形態の左側面図、図２は図１に示す本発明の遮断器である転流式直流遮断器の一実施の形態の背面図、図３は図１に示す本発明の遮断器である転流式直流遮断器の一実施の形態の右側面図、図４は図１に示す本発明の遮断器である転流式直流遮断器の一実施の形態の正面図、図５は図１に示す本発明の遮断器である転流式直流遮断器の一実施の形態を適用したシステム回路図、図６は図１に示す本発明の遮断器である転流式直流遮断器の一実施の形態の事故時の操作を示すタイムチャート図、図７は図１に示す本発明の遮断器である転流式直流遮断器の一実施の形態の通常運転時の操作を示すタイムチャート図である。また、図１４は、本発明の遮断器である転流式直流遮断器の一実施の形態を用いたスイッチギヤの左側断面図を表す。

先ず、図５乃至図７を用いて、本発明の遮断器である転流式直流遮断器の一実施の形態の使用方法および運転方法について説明する。

図５において、符号１は直流電源であり、一般的な直流き電回路では正極１５００Ｖの電圧を供給する。２は電車などの負荷を示す。３は負荷に電気を供給するき電線であり、４は負荷２と直流電源１を結ぶ帰線を示す。本発明の遮断器である転流式直流遮断器５は、き電線３の途中に挿入され、直流電源１から負荷２へ供給される電力をスイッチングする。

転流式直流遮断器５は、第１の主スイッチ５１，第２の主スイッチ５２，第１の副スイッチ５３、および第２の副スイッチ５４の４つのスイッチと、制御装置９００で構成される。転流式直流遮断器５には、第１のコンデンサ５５，第２のコンデンサ５６、およびリアクトル５７が接続される。第１の主スイッチ５１と第２の主スイッチ５２はき電線３に直列して挿入され、第１の主スイッチ５１を直流電源１側、第２の主スイッチ５２を負荷２側にそれぞれ配置する。第１の副スイッチ５３と第１のコンデンサ５５とリアクトル
５７の直列回路は第１の主スイッチ５１に並列して接続し、第２の副スイッチ５４と第２のコンデンサ５６の直列回路は第１のコンデンサ５５に並列接続する。

き電線３に設けた変流器５８は、き電線３の通電電流を検出し、その電流値を過電流引外し装置５９に入力する。過電流引外し装置５９は自動遮断設定値を有し、き電線３を流れる電流値がその設定値以上に達した時点で開極指令１１を出力する。制御装置９００は外部指令１０または過電流引外し装置５９からの開極指令１１を受け、転流式直流遮断器５に開閉指令を与える。

第１の副スイッチ５３は第１の主スイッチ５１と連動し、第１の主スイッチ５１が開極した後、時間ｔ１（例えば２ｍｓ）遅れて一旦閉極し、その後開極する。一方、第２の副スイッチ５４は第２の主スイッチ５２と連動し、第２の主スイッチ５２が開極する時間
ｔ２（例えば２.５ｍｓ ）前に開極する。

負荷２を運転するときには、第１の主スイッチ５１と第２の主スイッチ５２を閉極し、負荷２に直流１５００Ｖを印加する。このとき、第１の副スイッチ５３は開極、第２の副スイッチ５４は閉極させておく。また、第１のコンデンサ５５と第２のコンデンサ５６は直流電源１側を基準として＋２０００Ｖに充電しておく。

負荷２の故障、あるいはき電線３にて地絡事故などが発生すると、き電線３には回路定数で決まる、非常に大きく、立ち上がりの早い事故電流が流れる。例えば、回路抵抗１５ｍΩ、回路インダクタンス１５０μＨのとき、最大到達電流は１００ｋＡ、最大突進率は１０ｋＡ／ｍｓに及ぶ。このような事故電流が発生した場合、設備への影響を最小限度に抑制するためには、高速に事故電流を遮断しなければならない。先ず、変流器５８で事故電流値を検出し、過電流引外し装置５９に入力する。過電流引外し装置５９の自動遮断設定値を例えば１２０００Ａに設定しておけば、事故電流値が１２０００Ａに達した時点で開極指令１１が制御装置９００に発信される。制御装置９００からの指令によって、第１の主スイッチ５１が開極する。第１の主スイッチ５１の開極により、第１の副スイッチ
５３が時間ｔ１遅れて閉極する。これにより、第１のコンデンサ５５，第２のコンデンサ５６，リアクトル５７，第１の主スイッチ５１，第１の副スイッチ５３，第２の副スイッチ５４からなるＬＣ共振回路が成立し、充電装置５０にてあらかじめ充電しておいた第１のコンデンサ５５と第２のコンデンサ５６が放電して、事故電流の方向と逆向きの転流電流が第１の主スイッチ５１に注入される。第１のコンデンサ５５の静電容量を６００μＦ、第２のコンデンサ５６の静電容量を１２００μＦとしたとき、逆向きの転流電流値は最大４０ｋＡとなるので、事故電流値が４０ｋＡに達する以前に第１の副スイッチ５３が閉極するようにすれば、事故電流と転流電流が相殺される。第１の主スイッチ５１を通過する電流がゼロになった時点で第１の主スイッチ５１が遮断完了する。第１の主スイッチ
５１が開極した後、時間ｔ３遅れて第２の主スイッチ５２が開極するが、時間ｔ３をｔ３＞ｔ１＋ｔ２の条件を満足するように設定しておけば、第１の副スイッチ５３が閉極する前に第２の副スイッチ５４が開極することは無いため、第１のコンデンサ５５と第２のコンデンサ５６を同時に放電でき、上記のような大電流に対応できる。なお、第１の主スイッチ５１が遮断完了しても、第１の副スイッチ５３と第２の副スイッチ５４はともに閉極状態になる期間が存在するため、第１のコンデンサ５５と第２のコンデンサ５６が直流電源１によって充電される。この充電電流は、充電電圧が上昇し、回路電流がゼロ付近、真空バルブの裁断電流値以下になった時点で遮断される。

一方、通常の運転状態における転流式直流遮断器５の遮断動作は、外部指令１０による。外部指令１０により開極指令を受けたとき、第１の主スイッチ５１と第２の主スイッチ５２は同時に開極する。このとき、第２の副スイッチ５４は第２の主スイッチ５２が開極する前の時間ｔ２で先に開極しているので、第１の副スイッチ５３が閉極したときには、第１のコンデンサ５５，リアクトル５７，第１の主スイッチ５１，第１の副スイッチ５３からなるＬＣ共振回路が成立する。

予め充電しておいた第１のコンデンサ５５と第２のコンデンサ５６のうち、第１のコンデンサ５５のみが放電され、負荷電流の方向と逆向きの転流電流が第１の主スイッチ５１に注入される。ここで、負荷電流の最大値は過電流引外し装置５９の設定値１２０００Ａ以下である。第１のコンデンサ５５のみが放電した場合の転流電流最大値を１４ｋＡとすれば、最大負荷電流１２０００Ａを相殺でき、第１の主スイッチ５１の電流がゼロになった時点で第１の主スイッチ５１が遮断完了する。なお、第２の主スイッチ５２は、遮断器が開極した後に、負荷２と第１のコンデンサ５５および第２のコンデンサ５６とを断路する役割を果たし、負荷側回路におけるコンデンサ充電電圧による感電事故を防止できる。

次に、前述した本発明の遮断器である転流式直流遮断器の一実施の形態を、図１乃至図４、及び図１４を用いて説明する。

本発明の遮断器である転流式直流遮断器５の一実施の形態は、２つの電磁石と機械リンク構成によって、上記の４つのスイッチの動作タイミングを自動的に実現する。図１乃至図４においては、いずれも運転状態（第１の主スイッチ５１および第２のスイッチ５２が閉極状態）を表している。４つのスイッチは、いずれも内部に１対の接点を有する真空バルブで記載してあるが、気中スイッチなどにも転用可能である。

まず、本発明の遮断器である転流式直流遮断器５の一実施の形態の電気的接続について説明する。

第１の主スイッチ５１の固定側フィーダ１００と第２の主スイッチ５２の固定側フィーダ１１４は、転流式直流遮断器５の外部に配置した母線（図示しない）に接続されている。同母線はリアクトル５７の一端に接続している。リアクトル５７の他端は第１のコンデンサ５５および第２のコンデンサ５６に接続している。第１の主スイッチ５１の可動導体６２は、集電部１０１を介して可動側フィーダ１２０に導通している。可動側フィーダ
１２０は直流電源１に接続している。また、第１の主スイッチ５１の可動導体６２と第１の副スイッチ５３の可動導体６９は、導体１０２，１０３，フレキシブル導体１０４，導体１０５を介して、常時電気的に接続された状態となっている。

第１の副スイッチ５３の固定導体１０８には、フィーダ１０６とフィーダ１０７とが固定されている。フィーダ１０７は第２の副スイッチ５４の固定導体１０９に接続している。一方、フィーダ１０６は、転流式直流遮断器５の外部で第１のコンデンサ５５に接続している。また、第２の副スイッチ５４の可動導体１１０は、導体１１１，フレキシブル導体１１２，フィーダ１１３を介し、第２のコンデンサ５６に接続している。第２の主スイッチ５２の可動導体２００は、集電部２０１を介して可動側フィーダ２０３に導通している。可動側フィーダ２０３は負荷２に接続している。以上の電気的接続方法によって、図５に示したシステム回路が実現される。

次に、本発明の遮断器である転流式直流遮断器５の一実施の形態の機械的構造を図１乃至図４を用いて説明する。

第１の主スイッチ５１の可動導体６２は、図１に示すように部材６４にピン連結している。操作ロッド６５はその一端を部材６４に、他端をヒンジ６６に固定している。第１の副スイッチ５３の可動導体６９は、部材６７を介してヒンジ６６にピン５３４にて連結されている。すなわち、第１の主スイッチ５１の可動導体６２と第１の副スイッチ５３の可動導体６９は互いに連動して動作する。操作ロッド６５は、上下部に平面加工を施したピン１５０に貫通されている。ピン１５０と操作ロッド６５に固定したナット１５２によって、ワッシャ１５３，接圧ばね１５１，ワッシャ１５４を挟持した構成となっている。

第１の主スイッチ５１が開極した状態では、接圧ばね１５１によって操作ロッド６５の上部の六角部１５５とピン１５０が係合した状態になる。一方、第１の主スイッチ５１が閉極動作では、第１の主スイッチ５１の固定接点６１と可動接点６０が接触した時点でピン１５０と六角部１５５の係合が解除され、更に接圧ばね１５１が圧縮されると、接圧ばね１５１の荷重は第１の主スイッチ５１における接点の接触力となる。

また、操作ロッド６５は、開極手段を構成する電磁反発コイル１７０および反発板171を貫通している。電磁反発コイル１７０の励磁によって、反発板１７１に渦電流が発生し、電磁反発コイル１７０の電流と反発板１７１の渦電流間に作用する電磁反発力は、反発板１７１を介して、部材６４で受ける構成となっており、同反発力によって操作ロッド
６５は図１中上方向に移動する。

第２の主スイッチ５２の可動導体２００は、図３に示すように、部材２０２にピン連結されている。操作ロッド２０４はその一端を部材２０２に固定されている。操作ロッド
２０４は、上下部に平面加工された当接面を施したピン２０６を貫通している。ピン206と操作ロッド２０２に固定したナット２０８によって、ワッシャ２１０，接圧ばね２１２，ワッシャ２１４を挟持した構成となっている。第２の主スイッチ５２の開極状態では、接圧ばね２１２によって操作ロッド２０２上部の六角部２１６とピン２０６が係合した状態になる。一方、第２の主スイッチ５２の閉極動作では、第２の主スイッチ５２の固定接点２２０と可動接点２２２が接触した時点でピン２０６と六角部２１６の係合が解除され、更に接圧ばね２１２が圧縮されると、接圧ばね２１２の荷重は第２の主スイッチ５２における接点の接触力となる。

第１の主スイッチ５１の操作ロッド６５、及び第２の主スイッチ５２の操作ロッド202は、図１及び図３に示すように、操作器ケース３００内において第１の主スイッチ５１、及び第２の主スイッチ５２に対して並設した電磁石３０１にて駆動される。電磁石３０１のシャフト３０２は、部材３０３を介してメインシャフト５００の一方のレバー５０１に連結されている。メインシャフト５００の他方のレバー５０３および４９９には、それぞれ第１の主スイッチ５１側に延びる絶縁ロッド５０２と第２の主スイッチ５２側に延びる絶縁ロッド５０４とが連結されている。絶縁ロッド５０２は、副シャフト５１０によってピン１５０に、絶縁ロッド５０４は、副シャフト５１２によってピン２０６にそれぞれ係合している。即ち、電磁石３０１の吸引力は、図１及び図３に示すように、メインシャフト５００とこれに設けたレバー５０１，５０３，４９９および副シャフト５１０，５１２とこれに設けたレバー５１３，５１４を介して、第１の主スイッチ５１における操作ロッド６５および第２の主スイッチ５２における操作ロッド２０４に伝達される。第１の主スイッチ５１，第２の主スイッチ５２を投入するには、電磁石３０１内の第１のコイル305aを励磁し、プランジャ３０４を図中下方向に駆動すればよい。

第１の副スイッチ５３は、上述のように第１の主スイッチ５１と連動して駆動されるが、図６および図７に記載した操作タイミングを実現するために、図１に示すように連結部材５３０とレバー５３１を設けてある。連結部材５３０とレバー５３１はピン５３３によって互いを連結されている。連結部材５３０の他端は副シャフト５１０のレバー５１３に接続される。一方、レバー５３１は軸５３２を支点に回転自在となっている。

第１の主スイッチ５１が開極する場合、操作ロッド６５が図１中上方向に移動して第１の副スイッチ５３が一旦閉極するが、同時にレバー５３１が反時計方向に回転し、レバー５３１とヒンジ６６に設けたピン５３４が係合して、第１の副スイッチ５３の可動導体
６９を再び開極方向（下方向）に引き戻す。ヒンジ６６においてピン５３４が貫通する穴を長円形状しているのは、操作ロッド６５の位置に関わらず、可動導体６９を開極方向
（下方向）に移動可能とするためである。なお、符号７０は、第１の副スイッチ５３に接触力を与えるためのばねである。

第２の副スイッチ５４側にも、図３に示すように、連結部材５４０とレバー５４１を設けてある。第２の主スイッチ５２が開極すると、レバー５４１が軸５４２を中心として時計方向に回転し、第２の副スイッチ５４の可動導体１１０と連結した部材５４４に設けたピン５４３とレバー５４１が係合して、可動導体１１０を開極方向（下方向）に移動させる。なお、符号７１は、第２の副スイッチ５４に接触力を与えるためのばねを示す。連結部材５３０，５４０はその長さを可変としており、同部材にて主スイッチと副スイッチの開閉タイミングを調整する。

図４において、符号５５５は、メインシャフト５００に連動するように操作器ケース
３００内に設けたトリップばね、符号５９０は第１のコイル３０５ａに励磁エネルギーを供給するコンデンサ、符号５９１は電磁石３０１の制御回路を表す。また、２点鎖線で表示された部分は、電磁反発コイル１７０に励磁エネルギーを供給するための制御装置900を表し、コンデンサ９０２，制御基板９０３などで構成される。

次に、電磁石３０１の構造について説明する。第１のコイル３０５ａと第２のコイル
３０５ｂは、同一のボビン９０１に設けてある。第１のコイル３０５ａ，第２の３０５ｂの上面，外周面，下面に固定鉄心９０３，９０４，９０５を配置し、上面の固定鉄心903には永久磁石３０６を載せてある。電磁石３０１の可動鉄心は円形の可動平板９０６とプランジャ３０４で構成され、シャフト３０２とナット９０７で挟持されている。電磁石
３０１の投入時は、プランジャ３０４と中央脚９０８が接触した状態になる。

ここで、本発明の遮断器である転流式直流遮断器５の一実施の形態の動作を説明する。

（通常の投入・開極操作）
投入動作では、電磁石３０１の第１のコイル３０５ａを励磁し、プランジャ３０４に吸引力を発生させる。この吸引力は、メインシャフト５００，副シャフト５１０，５１２を介して、第１の主スイッチ５１の操作ロッド６５および第２の主スイッチ５２の操作ロッド２０４に伝達されるので、可動導体６２，２００が下方向に駆動されて第１の主スイッチ５１および第２の主スイッチ５２が閉極する。投入動作では、各主スイッチ５１，５２の接圧ばね１５１，２１２及び操作器ケース３００内に設けたトリップばね５５５が蓄勢されて、第１の主スイッチ５１および第２の主スイッチ５２の開極動作に備えている。

このとき、第１の副スイッチ５３は、ピン５３４とヒンジ６６の係合に伴って開極状態となり、一方、第２の副スイッチ５４は、レバー５４１とピン５４３の係合が解消されて閉極状態となる。投入動作が完了すると、電磁石３０１の励磁を解除する。蓄勢された接圧ばね１５１，２１２、およびトリップばね５５５の反力は、電磁石３０１内部の永久磁石３０６の吸引力で保持されている。このとき、永久磁石３０６の磁束は、永久磁石306−可動平板９０６−プランジャ３０４−中央脚９０８−固定鉄心９０５−固定鉄心９０４−固定鉄心９０３−永久磁石３０６の経路で主に発生する。

第１の主スイッチ５１および第２の主スイッチ５２の通常の開極動作では、上述した投入動作時と逆方向に第１のコイル３０５ａを励磁する。第１のコイル３０５ａの逆励磁によって、プランジャ３０４と中央脚９０８間を流れる磁束がキャンセルされ、電磁石301の吸引力が低下する。同吸引力がばねの反力を下回った時点で第１の主スイッチ５１および第２の主スイッチ５２の開極動作が開始される。なお、この電磁操作機構では、開極動作は、基本的に接圧ばね１５１，２１２、およびトリップばね５５５のばね力によって達成される。すなわち、第１のコイル３０５ａの逆励磁は、永久磁石が発生する磁束をキャンセルするだけのわずかなエネルギーで済む。

（事故時の高速遮断操作）
事故時の高速遮断では、電磁反発コイル１７０を励磁し、反発板１７１に発生する電磁反発力を発生させる。同電磁反発力は部材６４で受け、部材６４と連結された操作ロッド６５が接圧ばね１５１を更にたわませながら上方向に移動し、第１の主スイッチ５１が開極状態、第１の副スイッチ５３が閉極状態になる。この時点では、メインシャフト５００、および副シャフト５１０は動作せず、第２の主スイッチ５２，第２の副スイッチ５４の状態も維持されたままである。

電磁石３０１の第２のコイル３０５ｂは、電磁反発コイル１７０と直列に接続されており、電磁反発コイル１７０と同時に第２のコイル３０５ｂが励磁される。第２のコイル
３０５ｂの励磁方向を、第１のコイル３０５ａの開極動作時の励磁方向（逆励磁）と同一に設定すれば、永久磁石３０６の磁束がキャンセルされるため、電磁石３０１の吸引力が減少する。電磁石３０１の吸引力が、接圧ばね１５１，２１２、およびトリップばね555の反力を下回った時点で、プランジャ３０４が上方向に移動する。この動作に応じて、第２の主スイッチ５２および第２の副スイッチも開極される。

ここで、図８乃至図１０を用いて本発明の遮断器である転流式直流遮断器の一実施の形態の制御方法について説明する。図８は投入操作時、図９は通常の開極操作時、および図１０は事故時の遮断操作時の制御回路の動作を説明する図面である。通常の投入操作および開極操作は制御基板５９１で制御する。投入操作では、２つの接点９３４，９３５を
ＯＮして回路を形成し、スイッチ９１５をＯＮして、コンデンサ５９０の充電電荷を電磁石３０１内の第１のコイル３０５ａに与える（図８）。一方、通常の開極動作では、４つの接点９３０，９３１，９３２，９３３を動作させて回路を形成し、スイッチ９１５を
ＯＮして、投入動作とは逆方向に第１のコイル３０５ａを励磁する（図９）。なお、図８および図９中の矢印付の曲線は、励磁電流の流れる方向を表す。

事故時の高速遮断操作では、制御装置９００に配置したコンデンサ９０２の充電電荷を、スイッチ９１４をＯＮして、電磁反発コイル１７０および電磁石３０１内の第２のコイル３０５ｂを励磁する（図１０）。

ところで、第１のコイル３０５ａと第２のコイルｂは２重巻線構造となっているため、一方を励磁すると、他方のコイルには誘導電圧が発生する（電磁誘導）。高速遮断操作用の第２のコイル３０５ｂは、高速動作が故にインダクタンスを小さくする必要があり、その巻数は１０ターン程度である。一方、通常の開閉操作に使用する第１のコイル３０５ａについては、コンデンサ５９０，スイッチ９１５の負担低減などを目的にコイル電流を低減する必要があり、その巻数は２００〜４００ターン程度に設定する。誘起電圧は巻数に比例するため、第１のコイルを励磁したときに第２のコイルに誘起される電圧は特に問題にならないが（通常の投入・開極操作時）、その逆、すなわち高速遮断操作では、第１のコイル３０５ａにｋＶオーダの電圧が誘起される。

本実施例では、第１のコイル３０５ａの誘起電圧対策として、サージ電圧抑制装置954を設けてある。サージ電圧抑制装置９５４は第１のコイル３０５ａと並列に設け、第１のコイル３０５ａとサージ電圧抑制装置９５４間に循環電流が流れるようにすればよい。サージ電圧抑制装置９５４には酸化亜鉛バリスタ（ＺＮＲ）を用いてもよいが、多数回操作に対する耐久性を考慮すると、図８乃至図１０に示した保護抵抗９５２とダイオード950で構成するのが望ましい。図１０に示すように、高速遮断操作では、サージ電圧抑制装置９５４を通じて誘導電流Ｉが流れるため、第１のコイル３０５ａに発生する誘起電圧は低減される。なお、保護抵抗９５２を小さくするほど誘起電圧は低減されるが、その一方で電磁石３０１の釈放時間が長くなる。回路の絶縁仕様を満足する上で、できるだけ抵抗値を大きくするのが望ましい。

本実施例の場合、接圧ばね１５１，２１２、およびトリップばね５５５を蓄勢しながら駆動する投入操作の方が、基本的に上記のばね力を利用する開極操作に比べて、大きな操作エネルギーを必要とする。先にも述べたように、本実施例の電磁石３０１の場合、開極操作では、電磁石３０１内の永久磁石３０６の磁束をキャンセルするだけでよい。このため、ダイオード９５０は、図８乃至図１０のように配置しておき、大きなエネルギーを必要とする投入動作には影響しないようにしている。一方、操作エネルギーの小さい通常の開極操作に対しては、ある程度サージ電圧抑制装置９５４側に分流してもよい。すなわち、このサージ電圧抑制装置９５４は、開極操作エネルギーが小さい本実施例の電磁石301に対して特に有効と言える。

更に、この制御方式では下記の工夫を施してある。転流式直流遮断器５が投入した直後に地絡事故が発生した場合、速やかに開極操作に移行しなければならない（引き外し自由操作）。常時電流ゼロ点が存在する交流系統と異なり、直流系統の場合、開極動作が遅れて事故電流が転流電流を上回ってしまうと遮断できない状態になってしまう。

投入操作にて、第１の主スイッチ５１および第２の主スイッチ５２の接点が接触した瞬間に地絡事故が発生すると、き電線３に設けた変流器５８が事故電流を検出し、過電流引外し装置５９，制御装置９００を介して転流式直流遮断器５に開閉指令が入力される。この時点では転流式直流遮断器５は投入操作中のため、制御回路は図８の状態になっている。この状態にて、電磁反発コイル１７０および第２のコイル３０５ｂを励磁すると、過大な誘導電流が、第１のコイル３０５ａ−接点９３５−接点９３３−スイッチ９１５−コンデンサ５９０−接点９３０−接点９３４−第１のコイル３０５ａの低インピーダンス回路に流れるため、開極時間の遅れとともに、スイッチ９１５が損傷する恐れがある。したがって、本実施例の制御方式では、電磁反発コイル１７０の励磁と同時に、強制的にスイッチ９１５をＯＦＦして上記の低インピーダンス回路を遮断する構成とした。このため、スイッチ９１４およびスイッチ９１５には高速応答性が要求され、特にスイッチ９１５には高速遮断性能が必要となる。スイッチ９１４にはサイリスタ、スイッチ９１５にはＦＥＴあるいはＩＧＢＴの半導体スイッチを適用して、上記を実現している。

次に、本発明の遮断器である転流式直流遮断器５の一実施の形態の効果について述べる。

従来の遮断器では、真空バルブと、真空バルブの開閉方向に設けた操作機構と、操作機構の途中に設けた電磁反発機構とを備え、操作機構内に永久磁石を搭載して、同永久磁石の吸引力にて閉路状態を維持する。高速遮断操作では、永久磁石３０６の吸引力から接圧ばね１５１，２１２およびトリップばね５５５の反力を差し引いた力、すなわち真空バルブの閉極状態を維持するための余剰力を超える電磁反発力を電磁石３０１の可動部に作用させなければならない。このような遮断器では、高速遮断時に、所定の開極速度を得るだけでなく、閉極状態を維持する永久磁石の吸引力を上回る電磁反発力が必要となるため、電磁反発機構の大型化、及び電源容量の増加が余儀なくされる。また、電磁反発の反力による可動電極側の軸の跳ね返りを低減させる機構を別途用意し、再投入を防止しなければならない。

本実施例では、電磁反発操作と同時に電磁石３０１を逆励磁し、永久磁石３０６の吸引を解除して、高速遮断動作を円滑に行えるようにした。この結果、可動電極側の軸の跳ね返りが低減され、再投入を回避した信頼性の高い遮断器を提供できるようになった。通常の投入・開極操作用の第１のコイル３０２ａとは別に、高速応答性を確保する小インダクタンスの第２のコイル３０２ｂを設け、電磁反発コイル１７０と直列に接続して励磁の同時性を実現した。

本実施例の電磁石３０１の場合、開極操作は、基本的に接圧ばね１５１，２１２とトリップばね５５５の蓄勢力を利用するため、吸引力を与える永久磁石３０６の磁束をキャンセルするだけでよく、高速応答性を確保するのに都合がよい。

第１のコイル３０１ａと第２のコイル３０２ｂを２重化構造としたため、一方を励磁すると他方のコイルに電圧が誘起される。磁束変化の大きい高速遮断操作時に、巻数の多い第１のコイル３０１ａに発生する誘導電圧が問題となるが、同コイルと並列に設けたサージ電圧抑制装置９５４によって解決できる。サージ電圧抑制装置９５４は保護抵抗９５２とダイオード９５０で構成し、多数回操作に対する耐久性を確保した。なお、保護抵抗
９５２とダイオード９５０でサージ電圧抑制装置９５４を構成する場合、ダイオード950は以下のように配置する。操作エネルギーがわずかで済む開極操作時に励磁電流のサージ電圧抑制装置９５４への分流を許容し、大きな操作エネルギーを必要とする投入操作時には分流しないようにする。このサージ電圧抑制装置９５４は、投入操作，開極操作の両方に大きな操作エネルギーを必要とする電磁石には適用できない。本実施例のように、開極操作に接圧ばね１５１，２１２とトリップばね５５５の蓄勢力を利用する場合に有効となる。

投入操作後の速やかな高速遮断（引き外し自由責務）を実現するために、電磁反発コイル１７０を励磁するスイッチ９１４をＯＮすると同時に、第１のコイル３０２ａの励磁スイッチ９１５をＯＦＦするようにした。スイッチ９１４にサイリスタ、スイッチ９１５にＦＥＴあるいはＩＧＢＴの半導体スイッチを適用し、スイッチの高速応答性、特にスイッチ９１５の高速遮断性能を確保した。

図１１乃至図１３は、本発明の遮断器である３相の高速遮断器６００の一実施の形態を示すもので、図１１は本発明の遮断器である３相の高速遮断器６００の右側断面図、図
１２は背面図、図１３は正面図であり、いずれも閉極状態を表している。これらの図において、図１乃至図４の符号と同符号のものは、同一部分である。

これらの図において、３相の高速遮断器６００は、内部に接離自在の接点を備えた真空バルブ６０１を備えている、真空バルブ６０１の固定電極側の固定導体６０２は、上部側に位置する固定側フィーダ６０３に接続されている。一方、可動電極側の可動導体６０４は、集電部６０５を介して、可動側フィーダ６０６に導通されている。

可動導体６０４は絶縁ロッド６０７の一端に連結している。絶縁ロッド６０７の他端は操作ロッド６０８に固定されている。操作ロッド６０８は、上下部に平面加工された当接面を施したピン６０９内を貫通している。ピン６０９は３相とも単一のメインシャフト
５００の一方のレバー５０３に係合している。ピン６０９と操作ロッド６０８に固定したナット６１０によって、ワッシャ６１１，接圧ばね６１２，ワッシャ６１３を挟持している。真空バルブ６０１が開極した状態では、接圧ばね６１２によって操作ロッド６０８下部の六角部６２０とピン６０９が係合した状態になる。一方、真空バルブ６０１の閉極動作では、真空バルブ６０１の固定接点６２１と可動接点６２２が接触した時点でピン609と六角部６２０の係合が解除され、接圧ばね６１２の荷重は接点の接触力となる。

操作ロッド６０８は、開極手段を構成する電磁反発コイル１７０および反発板１７１を連通している。電磁反発コイル１７０の励磁によって反発板１７１に発生した電磁反発力は、前述した実施の形態と同様に、絶縁ロッド６０７で受ける構成となっており、同反発力によって操作ロッド６０８は図中下方向に移動する。

操作ロッド６０８は、操作器ケース３００内に真空バルブ６０１に対して並設した電磁石３０１にて駆動される。電磁石３０１のシャフト３０２は、部材３０３を介してメインシャフト５００の他方のレバー５０１に連結されている。すなわち、電磁石３０１の吸引力は、メインシャフト５００を介して操作ロッド６０８に伝達される。真空バルブ６０１を投入するには、電磁石３０１内の第１のコイル３０５ａを励磁し、プランジャ３０４を図中下方向に駆動すればよい。

電磁石３０１の構造は先の実施例と同様である。第１のコイル３０５ａと第２のコイル３０５ｂを同一のボビン９０１に設け、第１のコイル３０５ａ，第２の３０５ｂの上面，外周面，下面に固定鉄心９０３，９０４，９０５を配置し、上面の固定鉄心９０３には永久磁石３０６を載せてある。電磁石３０１の可動鉄心は円形の可動平板９０６とプランジャ３０４で構成され、シャフト３０２とナット９０７で挟持されている。電磁石３０１の投入時は、プランジャ３０４と中央脚９０８が接触した状態になる。

次に、上述した本発明の遮断器である３相の高速遮断器６００の一実施の形態の動作を説明する。

投入動作では、図１３に示す予め充電しておいたコンデンサ５９０によって、電磁石
３０１の第１のコイル３０５ａを励磁し、プランジャ３０４に吸引力を発生させる。同吸引力は、メインシャフト５００を介して、操作ロッド６０８に伝達され、可動導体６０４が上方向に駆動されて真空バルブ６０１が閉極する。投入動作と同時に、接圧ばね６１２およびトリップばね５５５が蓄勢され、開極動作に備える。投入動作が完了すると、電磁石３０１の励磁を解除する。蓄勢された接圧ばね６１２およびトリップばね５５５の反力は、電磁石３０１内部の永久磁石３０６の吸引力で保持される。

真空バルブ６０１の通常の開極動作では、投入動作時と逆方向に第１のコイル３０５ａを励磁する。第１のコイル３０５ａの逆励磁によって、永久磁石３０６が発生する磁束がキャンセルされ、電磁石３０１の吸引力がばねの反力を下回った時点で真空バルブ６０１の開極動作が開始される。

電磁石３０１の第２のコイル３０５ｂは、電磁反発コイル１７０と直列接続しておく。事故時の真空バルブ６０１の高速遮断では、コンデンサ９０２，制御基板９０３などで構成される制御装置９００（図１３）によって、電磁反発コイル１７０を励磁する。反発板１７１に発生する電磁反発力によって、操作ロッド６０８は接圧ばね６１２を更にたわませながら下方向に移動し、真空バルブ６０１は開極状態になる。このとき、メインシャフト５００は未だ移動していない。

高速遮断動作では、電磁反発コイル１７０と同時に電磁石３０１の第２のコイル305ｂを同時に励磁する。第２のコイル３０５ｂの励磁方向を、通常の開極動作における第１のコイル３０５ａの励磁方向（逆励磁方向）と同一にしておけば、永久磁石３０６の吸引力が減少する。接圧ばね６１２およびトリップばね５５５の荷重の和が永久磁石３０６の吸引力を超えると、プランジャ３０４が上方向に移動し始める。この動作に応じて、高速遮断器６００の操作機構全体が開極状態に移行する。なお、高速遮断器６００の制御方式は先の実施例と同一で、図８乃至図１０に示したとおりである。

真空バルブ６０１の高速遮断では、永久磁石３０６の吸引力から接圧ばね６１２およびトリップばね５５５の反力を差し引いた力、すなわち真空バルブ６０１の閉極状態を維持するための余剰力を超える電磁反発力を電磁石３０１の可動部に作用させなければならない。電磁反発力を直接電磁石可動部に作用させると、その反力によって接点が再投入される危険があるため、従来技術のように、跳ね返りを抑制する機構を別途設けなければならなかった。本実施の形態では、電磁反発操作と同時に電磁石３０１を逆励磁して永久磁石３０６の吸引を解除するため、前述した実施の形態と同様に、電磁反発機構による電流遮断途中時に生じる可動電極側軸の跳ね返りが抑制でき、信頼性の高い遮断器を提供することができる。

本発明の遮断器である転流式直流遮断器の一実施の形態の左側面図である。 図１に示す本発明の遮断器である転流式直流遮断器の一実施の形態の背面図である。 図１に示す本発明の遮断器である転流式直流遮断器の一実施の形態の右側面図である。 図１に示す本発明の遮断器である転流式直流遮断器の一実施の形態の正面図である。 図１に示す本発明の遮断器である転流式直流遮断器の一実施の形態を適用したシステム回路図である。 図１に示す本発明の遮断器である転流式直流遮断器の一実施の形態の事故時の操作を示すタイムチャート図である。 図１に示す本発明の遮断器である転流式直流遮断器の一実施の形態の通常運転時の操作を示すタイムチャート図である。 図１に示す本発明の遮断器である転流式直流遮断器の投入操作時のコイル励磁方法を説明する図である。 図１に示す本発明の遮断器である転流式直流遮断器の通常の開極操作時のコイル励磁方法を説明する図である。 図１に示す本発明の遮断器である転流式直流遮断器の高速遮断操作時のコイル励磁方法を説明する図である。 本発明の遮断器である３相の高速遮断器の右側断面図である。 図１１に示す本発明の遮断器である３相の高速遮断器の背面図である。 図１１に示す本発明の遮断器である３相の高速遮断器の正面図である。 図１に示す本発明の遮断器である転流式直流遮断器の一実施の形態を設置したスイッチギヤの左側断面図である。

符号の説明

１ 直流電源
２ 負荷
３ き電線
４ 帰線
５ 転流式直流遮断器
５０ 充電装置
５１ 第１の主スイッチ
５２ 第２の主スイッチ
５３ 第１の副スイッチ
５４ 第２の副スイッチ
５５ 第１のコンデンサ
５６ 第２のコンデンサ
５７ リアクトル
５８ 変流器
５９ 過電流引外し装置
１７０ 電磁反発コイル
１７１ 反発板
３００ 操作器ケース
３０１ 電磁石
３０４ プランジャ
３０５ａ 第１のコイル
３０５ｂ 第２のコイル
３０６ 永久磁石
６００ 高速遮断器
９００ 制御装置
９０１ ボビン
９１４，９１５ スイッチ
９５０ ダイオード
９５２ 保護抵抗
９５４ サージ電圧抑制装置

Claims (11)

1. 真空バルブを開閉する電磁石内の第１のコイルと、該第１のコイルと共に前記電磁石内に設けられた第２のコイルと、この第２のコイルと直列に接続された電磁反発コイルとを備え、電磁反発作用による高速開極動作時に、前記第２のコイルと電磁反発コイルとを同時に励磁することを特徴とする遮断器。
2. 真空バルブと、電磁反発作用によって前記真空バルブの操作軸を開極方向へ駆動するコイル，可動鉄心，永久磁石からなる電磁石と、前記コイルを励磁して前記真空バルブの投入動作を行い、前記永久磁石の吸引力によって前記真空バルブを閉極状態に維持し、投入動作時と逆方向に前記コイルを励磁して前記真空バルブを開極動作させる操作機構とを備えた遮断器において、
   前記コイルと共に前記電磁石内に、電磁反発作用による高速開極動作時に電磁反発作用のための電磁反発コイルと同時に励磁される第２のコイルが設けられていることを特徴とする遮断器。
3. 真空バルブと、電磁反発作用によって前記真空バルブの操作軸を開極方向へ駆動する高速開極手段を備えた遮断器において、
   第１のコイル，第２のコイル，可動鉄心，永久磁石で構成される電磁石を有し、前記第１のコイルを励磁して前記真空バルブの投入動作を行い、前記永久磁石の吸引力によって前記真空バルブを閉極状態に維持し、投入動作時と逆方向に前記第１のコイルを励磁して前記真空バルブを開極動作させる操作機構を備え、電磁反発作用による高速開極動作時に、電磁反発作用のための前記電磁反発コイルと前記第２のコイルとを同時に励磁することを特徴とする遮断器。
4. 真空バルブと、電磁反発作用によって前記真空バルブの操作軸を開極方向へ駆動する高速開極手段を備えた遮断器において、
   第１のコイルおよび第２のコイルを同軸上に配置し、前記第１のコイルおよび第２のコイルの中心軸上を移動する可動鉄心と、前記第１のコイルおよび第２のコイルの上面，下面、および外周面に設けた固定鉄心と、前記上面側の固定鉄心の上に配置された永久磁石を備えた電磁石を有し、前記可動鉄心は、前記永久磁石を挟んで前記上面側の固定鉄心に対向する面を備える円形平板と、前記第１のコイルおよび第２のコイルの内周面に対向する円筒面を備えるプランジャとで構成され、前記第１のコイルを励磁して前記真空バルブの投入動作を行い、前記永久磁石の吸引力によって前記真空バルブを閉極状態に維持し、投入動作時と逆方向に前記第１のコイルを励磁して前記真空バルブを開極動作させる操作機構を備え、電磁反発作用による高速開極動作時に、電磁反発作用のための前記電磁反発コイルと前記第２のコイルとを同時に励磁することを特徴とする遮断器。
5. 前記電磁反発コイルと前記第２のコイルとを直列接続することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の遮断器。
6. 前記第１のコイルおよび前記第２のコイルを単一のボビンに設け、前記第１のコイルの巻数が前記第２のコイルの巻数より多いことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の遮断器。
7. 前記電磁反発コイルを励磁するためのスイッチをサイリスタで構成し、第１のコイルを励磁するためのスイッチにＦＥＴあるいはＩＧＢＴを用いることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の遮断器。
8. 前記第１のコイルと並列に、酸化亜鉛バリスタ、あるいはダイオードと抵抗からなるサージ電圧抑制装置を接続したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の遮断器。
9. 第１のコイルを励磁することにより真空バルブを開閉し、前記第１のコイルと共に電磁石内に設けられた第２のコイルと直列に接続された電磁反発コイルとを、電磁反発作用による高速開極動作時に同時に励磁することを特徴とする遮断器の開閉方法。
10. 電磁反発作用によって真空バルブの操作軸を開極方向へ駆動する電磁石のコイルを励磁して前記真空バルブの投入動作を行い、電磁石の永久磁石の吸引力によって前記真空バルブを閉極状態に維持し、投入動作時と逆方向に前記コイルを励磁して前記真空バルブを開極動作させる遮断器の開閉方法において、
    前記コイルと共に前記電磁石内に設けられた第２のコイルと電磁反発作用のための電磁反発コイルとが、電磁反発作用による高速開極動作時に同時に励磁されることを特徴とする遮断器の開閉方法。
11. 前記電磁反発コイルを励磁するためのスイッチをＯＮするとともに、第１のコイルを励磁するためのスイッチをＯＦＦすることを特徴とする請求項９又は１０に記載の遮断器の開閉方法。

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