JP2009289646A - 直流遮断器 - Google Patents

Abstract

【課題】電流零点を発生させる外部回路を必要とせず、事故時に発生する大きな直流電流であっても遮断可能な直流遮断器を提供することである。
【解決手段】液体窒素が充填された極低温恒温槽１１の液体窒素中に遮断スイッチ１３と超電導部１４とを直列に接続して浸漬し、超電導部１４は、電流が臨界電流値未満のときは超電導状態を保ち臨界電流値以上のときは電流を限流する。開閉機構部１８は、極低温恒温槽１１の外部から遮断スイッチ１３の開閉操作を行い、その開閉機構部１８による遮断スイッチ１３の開操作時に、パッファ機構部１９は、遮断スイッチ１３の接点部にアークを吹き飛ばすための液体窒素の噴流を発生させる。遮断スイッチ１３に接続された主導体１６は極低温恒温槽１１からブッシング１７で引き出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流回路に流れる直流電流を遮断する直流遮断器に関する。

例えば、低圧の直流回路では、電流を遮断する機器として限流ヒューズやアークシュート型遮断器が使用されている。一方、直流の大電流を遮断するには直流遮断器が用いられている。

直流においては、交流のように電流零点が周期的に発生することがないため、電流遮断を容易にするには電流零点を何らかの手段で発生させる必要がある。一般的な直流遮断器では、交流用遮断器に電流零点を発生させるためのコンデンサなどの外部回路を追加した構成（コンデンサ型）となっている（例えば、特許文献１参照）。

また、本出願人は、液体窒素中に遮断スイッチを浸漬して接点を開いたときには、空気中で接点を開いたときよりアーク時間が大幅に短くなるという知見に基づき、液体窒素が充填された極低温恒温槽の液体窒素１２中に遮断スイッチを浸漬し、遮断スイッチに接続された主導体及び遮断スイッチに開閉指令を伝送する伝送線を極低温恒温槽からブッシングにて引き出すように構成した直流遮断器を発明し、特願２００８−２２３７３号にて出願した。
特開昭６３−３１０５２９号公報

しかし、特許文献１のようなコンデンサ型の直流遮断器は、回路構成が複雑となり装置が大型化する。一方、限流ヒューズは、電流遮断後の再投入ができない。また、アークシュート型の直流遮断器は、動作が遅く故障電流の限流機能を持たないため、電流遮断までの間に、回路に大電流が流れ続けてしまう。

本出願人の特願２００８−２２３７３号のものは、極低温恒温槽の液体窒素中に遮断スイッチを浸漬したので、遮断スイッチ開放時のアーク時間が短くなり直流の遮断性能が大幅に向上するという顕著な効果を有するが、事故電流が大きくなるにつれて遮断スイッチ開放時のアーク時間が長くなるので、大きな事故電流を遮断することが困難となる。

本発明の目的は、電流零点を発生させる外部回路を必要とせず、事故時に発生する大きな直流電流であっても遮断可能な直流遮断器を提供することである。

請求項１の発明に係わる直流遮断器は、液体窒素が充填された極低温恒温槽と、前記極低温恒温槽の液体窒素中に浸漬された遮断スイッチと、前記極低温恒温槽の液体窒素中に浸漬されて前記遮断スイッチと直列に接続され電流が臨界電流値未満のときは超電導状態を保ち臨界電流値以上のときは電流を限流する超電導部と、前記極低温恒温槽の外部から前記遮断スイッチの開閉操作を行う開閉機構部と、前記開閉機構部による前記遮断スイッチの開操作時に前記遮断スイッチの接点部にアークを吹き飛ばすための液体窒素の噴流を発生させるパッファ機構部と、前記遮断スイッチに接続された主導体を前記極低温恒温槽から引き出すブッシングとを備えたことを特徴とする。

請求項２の発明に係わる直流遮断器は、請求項１の発明において、前記遮断スイッチの接点部は、先端がチューリップの花びら型をした筒状の可動電極と、前記可動電極の先端部と接触する固定電極とを有したチューリップ型接点で形成され、前記パッファ機構部は、前記可動電極が取り付けられたピストンと、前記ピストンが収納されたシリンダと、前記シリンダと前記ピストンとで形成される圧力室と前記可動電極の筒状空洞部とを連通させる連通穴と、前記シリンダ内で前記ピストンを往復運動させる駆動部とを備え、前記圧力室には気体が封入されており、前記可動電極を前記固定電極から切り離す際には、前記駆動部は前記圧力室の気体を圧縮する方向に前記ピストンを駆動し、前記圧力室の気体を前記筒状空洞部を通して前記極低温恒温槽の液体窒素に供給して前記極低温恒温槽の液体窒素に圧力を加え、前記可動電極の先端部から前記極低温恒温槽の液体窒素に噴流を発生させることを特徴とする。

請求項３の発明に係わる直流遮断器は、液体窒素が充填された極低温恒温槽と、前記極低温恒温槽の液体窒素中に浸漬された遮断スイッチと、前記極低温恒温槽の液体窒素中に浸漬されて前記遮断スイッチと直列に接続され電流が臨界電流値未満のときは超電導状態を保ち臨界電流値以上のときは電流を限流する超電導部と、前記極低温恒温槽の液体窒素中に浸漬され前記遮断スイッチの開閉操作を行う開閉機構部と、前記極低温恒温槽の液体窒素中に浸漬され前記開閉機構部による前記遮断スイッチの開操作時に前記遮断スイッチの接点部にアークを吹き飛ばすための液体窒素の噴流を発生させるパッファ機構部と、前記遮断スイッチに接続された主導体及び前記開閉機構部に前記遮断スイッチの開閉指令を伝送する伝送線を前記極低温恒温槽から引き出すブッシングとを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、超電導部は臨界電流値の事故電流が流れたときは事故電流を限流して遮断スイッチを流れる電流を抑制し、また、パッファ機構部は遮断スイッチの開操作時に遮断スイッチの接点部にアークを吹き飛ばすための液体窒素の噴流を発生させるので、事故時に発生する大きな直流電流であっても遮断可能となる。

また、パッファ機構部のシリンダとピストンとで形成される圧力室に気体が封入されているときは、可動電極を固定電極から切り離す際には、圧力室の気体を圧縮する方向にピストンを駆動するので、ピストンによる気体の圧縮後であっても圧縮気体により極低温恒温槽の液体窒素に圧力を加えることができるので、アークを吹き飛ばすための液体窒素の噴流を継続して供給できる。従って、効果的にアークを吹き飛ばすことができ、遮断性能を向上できる。

図１は本発明の実施の形態に係わる直流遮断器の実施例１の構成図であり、図２は本発明の実施の形態に係わる直流遮断器の実施例１の遮断スイッチの接点部の説明図である。図１に示すように、極低温恒温槽１１には液体窒素１２が充填され、極低温恒温槽１１の液体窒素１２中に遮断スイッチ１３及び超電導部１４が浸漬されている。遮断スイッチ１３の接点部は、図２に示すように、チューリップ型接点で構成されており、図２では遮断スイッチ１３が開いた状態を示している。接点部は、先端がチューリップの花びら型をした筒状の可動電極１５ａと、可動電極１５ａの先端部と接触する固定電極１５ｂとを有し、可動電極１５ａが可動して固定電極１５ｂに接触すると閉じた状態となる。

超電導部１４は、極低温恒温槽１１の液体窒素１２中で遮断スイッチ１３と直列に接続され、電流が臨界電流値未満のときは超電導状態を保ち、臨界電流値以上のときは電流を限流するものであり、事故時に発生する大電流を限流する。また、遮断スイッチ１３及び超電導部１４は主導体１６に接続され、主導体１６はブッシング１７を介して極低温恒温槽１１から引き出されている。

また、極低温恒温槽１１の外部には、遮断スイッチ１３を開閉操作するための開閉機構部１８が設けられ、開閉機構部１８はパッファ機構部１９を有している。パッファ機構部１９は、遮断スイッチ１３の開操作時に遮断スイッチ１３の接点部である電極１５ａ、１５ｂにアークを吹き飛ばすための液体窒素の噴流を発生させるものである。

図３は実施例１での遮断スイッチ１３が閉じている状態の開閉機構部１８の構成図、図４は実施例１での遮断スイッチ１３が開動作時の開閉機構部１８の構成図である。図３に示すように、開閉機構部１８は、可動電極１５ａが取り付けられたピストン２０をシリンダ２１に収納し、駆動部２５によりピストン２０を往復駆動するように構成されている。圧力室２２には空気または窒素の気体が封入されている。

また、パッファ機構部１９は、可動電極１５ａを筒状空洞部２３に形成し、シリンダ２１とピストン２０とで形成される圧力室２２から連通穴２４を通って可動電極１５ａの筒状空洞部２３に連通するように構成されている。そして、ピストン２０が駆動部２５により駆動され、シリンダ２１内で往復運動したとき、可動電極１５ａの先端部から液体窒素１２ａを固定電極１５ｂに吹き付ける。

図３に示すように、遮断スイッチ１３が閉じている状態では、駆動部２５によりピストン２０に取り付けられた可動電極１５ａが固定電極１５ｂに接触する位置に保持されている。この状態では、圧力室２２には空気または窒素の気体が封入されていることから、可動電極１５ａの筒状空洞部２３には気体と液体窒素１２ａとが入っている。

この状態で、可動電極１５ａを固定電極１５ｂから切り離す際には、図４に示すように、駆動部２５により、矢印Ａ方向（上方向）にピストン２０を駆動する。これにより、ピストン２０はシリンダ２１内で圧力室２２の気体が圧縮する方向に動く。このため、矢印Ｂ１のように、圧力室２２の気体が連通穴２４を通って可動電極１５ａの筒状空洞部２３に入り、矢印Ｂ２のように筒状空洞部２３内の液体窒素１２ａに圧力を加えて押し下げる。これにより、矢印Ｃのように、可動電極１５ａの先端部から極低温恒温槽１１の液体窒素１２に噴流を発生させる。

このように、遮断スイッチ１３の開放時には、圧力室２２の加圧された気体が筒状空洞部２３内の界面で液体窒素１２ａを押し、液体窒素１２に流れを作り可動電極１５ａと固定電極１５ｂとの間のアークに吹き付ける。

また、圧力室２２は連通穴２４により筒状空洞部２３と連通し、筒状空洞部２３内の界面で液体窒素１２ａと接するので、圧力室２２の気体が極低温恒温槽１１の液体窒素１２中に入り込むことはない。遮断スイッチ１３の投入時には連通穴２４を通して筒状空洞部２３から圧力室２２に気体が入るため、液体窒素１２が逆流して圧力室２２に入ることもなく、繰り返し使用が可能である。

次に、図５は遮断スイッチ１３の開動作時の特性図であり、ピストン２０のストロークＳ、圧力室２２の圧力Ｐ、遮断スイッチ１３の電流Ｉ、電極１５ａ、１５ｂ間の電圧Ｖを示している。いま、ピストン２０のストロークＳが最大である時間ｔを０［ｍｓ］とする。時間ｔが−１０［ｍｓ］以前において、遮断スイッチ１３の電極１５ａ、１５ｂは閉じており電流Ｉが流れている。この状態で、ｔ＝−１０［ｍｓ］の時点で遮断が開始されたとする。ｔ＝−１０［ｍｓ］以降においてピストン２０のストロークＳが増加し、これに伴って圧力室２２の圧力Ｐも大きくなり、遮断スイッチ１３の電流Ｉは減少し、電極１５ａ、１５ｂ間の電圧Ｖは上昇する。

時点（ｔ＝１［ｍｓ］近傍）でピストン２０のストロークＳが最大となり、圧力室２２の圧力Ｐも最大となる。そして、それ以降の時点（ｔ＝１７［ｍｓ］近傍）まで圧力室２２の圧力Ｐは徐々に減少する。これは、圧力室２２には気体が封入されているためである。これにより、気体の圧力がピークを迎えた後でも約１７[ｍｓ］の間は、可動電極１５ａの筒状空洞部２３内の液体窒素１２ａを加圧するので、可動電極１５ａの先端部から固定電極１５ｂへの液体窒素１２に噴流を発生させる。従って、可動電極１５ａと固定電極１５ｂとの間のアークを約１７[ｍｓ］の間継続して吹き飛ばすことができるので遮断性能が向上する。

ここで、電流を遮断した際に発生するアークの温度は、数千度に達するため、アークと電極１５ａ、１５ｂとが接触する時間が長いと電極１５ａ、１５ｂが溶融するなどの弊害があるため、アークが発生している時間に相当するアーク時間は短いことが望ましい。また、直流配電において、事故時には過大な短絡電流が流れることが予想され、短い時間での過大な短絡電流の遮断が要求されている。

図６は、本発明の実施の形態によるパッファ機構部１９の有無による遮断スイッチ１３のアーク時間と遮断電流との特性曲線を示すグラフである。特性曲線Ｃ０はパッファ機構部無しの場合の遮断スイッチ１３のアーク時間と遮断電流との特性曲線であり、特性曲線Ｃ１はパッファ機構部有りの場合の遮断スイッチ１３のアーク時間と遮断電流との特性曲線である。

パッファ機構部無しの場合は、遮断電流を増加していくと、遮断電流が８０［Ａ］以上では遮断できなくなり、パッファ機構部１９有りの場合は、遮断電流が２５０［Ａ］でも遮断できた。また、同じ遮断電流で比較すると、例えば遮断電流が８０［Ａ］で比較すると、パッファ機構部有りの場合のアーク時間は１０［ｍｓ］であり、パッファ機構部無しの場合のアーク時間は５０［ｍｓ］であり、パッファ機構部有りの場合には優れた性能を発揮している。

図７は本発明の実施の形態に係わる直流遮断器の実施例２の構成図である。この実施例２は、図１に示した実施例１に対し、開閉機構部１８を極低温恒温槽１１の液体窒素１２中に浸漬したものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図７に示すように、遮断スイッチ１３及び超電導部１４に加え、開閉機構部１８も極低温恒温槽１１の液体窒素１２中に浸漬されている。開閉機構部１８が極低温恒温槽１１の液体窒素１２中に浸漬されたことに伴いパッファ機構部１９も極低温恒温槽１１の液体窒素１２中に浸漬されている。そして、遮断スイッチ１３及び超電導部１４は主導体１６に接続され、主導体１６はブッシング１７を介して極低温恒温槽１１から引き出され、また、開閉機構部１８に遮断スイッチ１３の開閉指令を伝送する図示省略の伝送線もブッシング１７を介して極低温恒温槽１１から引き出されている。

図８は実施例２の開閉機構部１８の構成図であり、図８（ａ）は実施例２での遮断スイッチ１３が閉じている状態の開閉機構部１８の構成図、図８（ｂ）は実施例２での遮断スイッチ１３が開動作時の開閉機構部１８の構成図である。図８（ａ）に示すように、遮断スイッチ１３が閉じている状態では、駆動部２５によりピストン２０に取り付けられた可動電極１５ａが固定電極１５ｂに接触する位置に保持されている。この場合、開閉機構部１８が極低温恒温槽１１に浸漬されていることから、圧力室２２及び可動電極１５ａの筒状空洞部２３には液体窒素が入っている。

この状態で、可動電極１５ａを固定電極１５ｂから切り離す際には、図８（ｂ）に示すように、駆動部２５により、矢印Ａ方向（上方向）にピストン２０を駆動する。これにより、ピストン２０は圧力室２２内の液体窒素を押圧する方向に動くので、矢印Ｂ１のように、圧力室２２の液体窒素が連通穴２４を通って可動電極１５ａの筒状空洞部２３に入り、矢印Ｂ２のように筒状空洞部２３内の液体窒素を押圧して押し下げる。これにより、矢印Ｃのように、可動電極１５ａの先端部から極低温恒温槽１１の固定電極１５ｂに液体窒素１２の噴流を発生させる。

このように、遮断スイッチ１３の開放時には、圧力室２２の押圧された液体窒素が筒状空洞部２３内の液体窒素を押し、液体窒素１２に噴流を作り可動電極１５ａと固定電極１５ｂとの間のアークに吹き付ける。

このように、開閉機構部１８を極低温恒温槽１１の液体窒素１２中に浸漬した場合であっても、液体窒素１２に噴流を作り可動電極１５ａと固定電極１５ｂとの間のアークに吹き付けることができる。

本発明の実施の形態によれば、遮断スイッチ１３を液体窒素１２中に浸漬し遮断スイッチ１３にアークを吹き飛ばすためのパッファ機構部１９を設けたのでアーク時間が短くなり、遮断スイッチ１３と超電導部１４とを直列に接続して超電導部１４で故障電流を限流するので大きな故障電流でも遮断できる。また、直流の遮断性能を大幅に向上させたことに伴い、電流零点を発生させる外部回路が不要となるので機器構成の簡素化が可能となる。

本発明の実施の形態に係わる直流遮断器の実施例１の構成図。 本発明の実施の形態に係わる直流遮断器の実施例１の遮断スイッチの接点部の説明図。 本発明の実施の形態に係わる直流遮断器の実施例１での遮断スイッチが閉じている状態の開閉機構部の構成図。 本発明の実施の形態に係わる直流遮断器の実施例１での遮断スイッチが開動作時の開閉機構部の構成図。 本発明の実施の形態に係わる直流遮断器の実施例１での遮断スイッチの開動作時の特性図。 本発明の実施の形態によるパッファ機構部の有無による遮断スイッチのアーク時間と遮断電流との特性曲線を示すグラフ。 本発明の実施の形態に係わる直流遮断器の実施例２の構成図。 本発明の実施の形態に係わる直流遮断器の実施例２の開閉機構部の構成図。

符号の説明

１１…極低温恒温槽、１２…液体窒素、１３…遮断スイッチ、１４…超電導部、１５ａ…可動電極、１５ｂ…固定電極、１６…主導体、１７…ブッシング、１８…開閉機構部、１９…パッファ機構部、２０…ピストン、２１…シリンダ、２２…圧力室、２３…筒状空洞部、２４…連通穴、２５…駆動部

Claims (3)

1. 液体窒素が充填された極低温恒温槽と、
   前記極低温恒温槽の液体窒素中に浸漬された遮断スイッチと、
   前記極低温恒温槽の液体窒素中に浸漬されて前記遮断スイッチと直列に接続され電流が臨界電流値未満のときは超電導状態を保ち臨界電流値以上のときは電流を限流する超電導部と、
   前記極低温恒温槽の外部から前記遮断スイッチの開閉操作を行う開閉機構部と、
   前記開閉機構部による前記遮断スイッチの開操作時に前記遮断スイッチの接点部にアークを吹き飛ばすための液体窒素の噴流を発生させるパッファ機構部と、
   前記遮断スイッチに接続された主導体を前記極低温恒温槽から引き出すブッシングとを備えたことを特徴とする直流遮断器。
2. 前記遮断スイッチの接点部は、先端がチューリップの花びら型をした筒状の可動電極と、前記可動電極の先端部と接触する固定電極とを有したチューリップ型接点で形成され、
   前記パッファ機構部は、前記可動電極が取り付けられたピストンと、前記ピストンが収納されたシリンダと、前記シリンダと前記ピストンとで形成される圧力室と前記可動電極の筒状空洞部とを連通させる連通穴と、前記シリンダ内で前記ピストンを往復運動させる駆動部とを備え、前記圧力室には気体が封入されており、
   前記可動電極を前記固定電極から切り離す際には、前記駆動部は前記圧力室の気体を圧縮する方向に前記ピストンを駆動し、前記圧力室の気体を前記筒状空洞部を通して前記極低温恒温槽の液体窒素に供給して前記極低温恒温槽の液体窒素に圧力を加え、前記可動電極の先端部から前記極低温恒温槽の液体窒素に噴流を発生させることを特徴とする請求項１記載の直流遮断器。
3. 液体窒素が充填された極低温恒温槽と、
   前記極低温恒温槽の液体窒素中に浸漬された遮断スイッチと、
   前記極低温恒温槽の液体窒素中に浸漬されて前記遮断スイッチと直列に接続され電流が臨界電流値未満のときは超電導状態を保ち臨界電流値以上のときは電流を限流する超電導部と、
   前記極低温恒温槽の液体窒素中に浸漬され前記遮断スイッチの開閉操作を行う開閉機構部と、
   前記極低温恒温槽の液体窒素中に浸漬され前記開閉機構部による前記遮断スイッチの開操作時に前記遮断スイッチの接点部にアークを吹き飛ばすための液体窒素の噴流を発生させるパッファ機構部と、
   前記遮断スイッチに接続された主導体及び前記開閉機構部に前記遮断スイッチの開閉指令を伝送する伝送線を前記極低温恒温槽から引き出すブッシングとを備えたことを特徴とする直流遮断器。

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