JP2010061858A - ガス遮断器 - Google Patents

Abstract

【課題】アーク空間において速やかな冷却効果を得ることができ、信頼性の高い遮断性能を得ることができるガス遮断器を提供する。
【解決手段】絶縁ノズル２６の内側のスロート部（最小断面積部）Ｓ４に、凹部４１を形成する。電流零点において、アーク空間に２方向流３２ｆが発生すると、流れのよどみ点となるＳ５近傍でアークが絞られ、冷却が開始される。これに加えて、絶縁ノズル２６のスロート部に形成された凹部４１のエッジによって、２方向流３２ｆの流れが乱され、渦流４０が発生する。この渦流は、スロート部において、流れを中心軸の向きへ絞るように作用する（領域Ｓ６）。その結果、実質的には絶縁ノズル２６のスロート径を小さくしたのと同様の作用効果が得られる。これにより、よどみ点Ｓ５に加え、絞り部Ｓ６においても冷却が開始されるため、相乗的な冷却効果が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、送電系統や配電系統を保護するために、線路の地絡故障や線間短絡故障などによる電流を遮断するガス遮断器に係り、特に、アーク空間において、速やかな冷却効果を得ることができるように改良を施したガス遮断器に関するものである。

現在、６６ｋＶ以上の高電圧送電系統の保護用開閉器として、優れた遮断性能を有するパッファ形のガス遮断器が広く使用されている。また、駆動エネルギーの増加を抑制し、必要な遮断性能を達成するために、特許文献１又は特許文献２に示されたような熱的昇圧作用と機械圧縮による昇圧作用を併用した直列パッファ形のガス遮断器も提案されている。

図３は従来のガス遮断器の一例を示す図であり、（Ａ）は閉極状態、（Ｂ）は開極動作初期の状態、（Ｃ）は開極動作終了直後の状態、（Ｄ）は開極動作終了後、電流零点に至った状態を示す断面図である。この図３に示すように、消弧性のガスが充填された図示していない容器内には、固定接触子部１０として定義される第１接触子部、可動接触子部２０として定義される第２接触子部が対向配置されている。なお、以下、可動接触子部２０の位置関係について、固定接触子部１０側の方向を前方、その反対側を後方と定義して説明する。

固定接触子部１０は、固定アーク接触子１１とその周囲に配置された固定通電接触子１２から構成されている。一方、可動接触子部２０は、中空の操作ロッド２１と、この操作ロッド２１の周囲に配置されてその前端部で該操作ロッド２１に連結されたフランジ２２と、フランジ２２の後方に連結されたパッファシリンダ２３と、前記フランジ２２の前方に連結された中空かつ指状の可動アーク接触子２４と、その周囲に配置された可動通電接触子２５と、前記可動アーク接触子２４を包囲する絶縁性の絶縁カバー２８及び絶縁ノズル２６と、前記パッファシリンダ２３内に挿入された固定ピストン２７から構成されている。

以上のような構成を有する可動接触子部２０のうち、操作ロッド２１は、図示していない駆動装置によって、その軸方向に往復運動するように構成されており、その中程に、その中空部と充填ガス雰囲気空間とを連通する複数の連通穴２１ａを有している。また、可動アーク接触子２４と絶縁ノズル２６との間には、パッファシリンダ２３内部の圧縮空間Ｓ１で圧縮されたガスをガス流として、フランジ２２に設けられた連通穴２２ａを経て、アーク空間Ｓ２に導くための上流側ガス流路Ｓ３が形成されている。

さらに、固定ピストン２７は、円形平板状に形成されており、その内周面で操作ロッド２１の外周面に対して摺動すると共に、その外周面でパッファシリンダ２３の内周面に対して摺動するように構成されている。この場合、固定ピストン２７は、その後方に一体的に設けられて軸方向に伸びるピストン支持部２７ａによって、図示していない容器内に固定されている。そして、このように固定された固定ピストン２７に対し、操作ロッド２１とパッファシリンダ２３が一体的に移動することにより、パッファシリンダ２３と固定ピストン２７が相対移動し、それによって、パッファシリンダ２３内部に形成される空間Ｓ１が圧縮されるように構成されている。

続いて、以上のような構成を有する図３に示した従来のガス遮断器の作用について説明する。すなわち、図３（Ｂ）に示すように、開極動作途中の初期状態においては、操作ロッド２１が後方に移動しており、それに伴って操作ロッド２１を含む可動接触子部２０が一体的に後方に移動している。図３（Ｂ）は、このような開極動作によって固定アーク接触子１１と可動アーク接触子２４が開離した後の状態を示しており、両アーク接触子１１、２４間のアーク空間Ｓ２には大電流アーク３０が発生している。

ここで、パッファシリンダ２３内部の圧縮空間Ｓ１の圧力は、パッファシリンダ２３と固定ピストン２７との相対移動による機械的な圧縮作用によって昇圧されることになる。またこの時、大電流アーク３０により、アーク空間Ｓ２は高温高圧の状態にある。例えば、大電流アーク３０の電流が５０ｋＡの場合、その温度は容易に１００００Ｋ以上に達する。このため、アーク空間Ｓ２は圧縮空間Ｓ１より圧力が上昇し、操作ロッド２１の内部空間から連通穴２１ａを経て圧縮空間Ｓ１に至るガス流３２ａが生じる。すなわち、大電流アーク３０のエネルギーの一部が圧縮空間Ｓ１に取り込まれることになる。

このように、開極動作が進むと、パッファシリンダ２３内部の圧縮空間Ｓ１は機械的な圧縮作用に加えて、熱的作用により昇圧される。このように圧縮空間Ｓ１が十分に昇圧された状態で、図３（Ｃ）に示すように開極動作がさらに進み、絶縁ノズル２６のスロート部（最小断面積部）Ｓ４が開口すると、絶縁カバー２８と絶縁ノズル２６との間のガス流路から固定アーク接触子１１に向かって流れるガス流３２ｂが発生する。

その一方で、可動アーク接触子２４の中空部から、操作ロッド２１に設けられた連通穴２１ａに向かって流れるガス流３２ｃも発生する。ただし、この段階ではアーク空間Ｓ２が径の大きな大電流アーク３０によりほぼ閉塞された状態にあるため、ガス流３２ｂ、３２ｃは弱い流れである。

さらに、図３（Ｄ）に示すように電流零点に達すると、大電流アーク３０は減衰し、残留アークプラズマ３１となって、圧力、密度及び温度が減少する。これにより、絶縁ノズル２６及び絶縁カバー２８のスロート部Ｓ４は十分に開口し、強力なガス流３２ｄ、３２ｅが発生し、このような２方向のガス流によって、アークは相乗的に強力に冷却されて消弧され、電流遮断が達成される。

この場合、アークは、特に流れのよどみ点領域Ｓ５において径を絞られ、その結果、遮断器アーク物性の過渡的変化の速度を表す指標として知られる“アーク時定数”が小さくなり、速やかな冷却を実現し、良好な熱的遮断性能を達成することができる。
特開２００５−２７６６１４号公報 特開２００７−２９４３５８号公報

上述したように、従来のガス遮断器においては、良好な熱的遮断性能を得るために、絶縁ノズル２６及び絶縁カバー２８のスロート部の径を小さくする必要があった。その一方で、ガス遮断器の信頼性の観点からは、アーク接触子の電気的寿命を確保するために、アーク接触子の径を大きくする必要があるという相反する要請があり、スロート部の径を大きくせざるを得なかった。

また、特に、駆動エネルギーを低減するために、熱的昇圧作用を積極的に利用した消弧室では、スロート部の径を大きくすることにより、パッファシリンダ２３の内部における圧力上昇がその上流側で低下し、さらに、熱的遮断性能の低下を招くという問題点があった。

本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、アーク空間において速やかな冷却効果を得ることができ、信頼性の高い遮断性能を得ることができるガス遮断器を提供することにある。

上記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、消弧性ガスが充填された密閉容器内に対向配置された固定接触子部及び可動接触子部を有し、前記固定接触子部及び可動接触子部は、それぞれ、第１アーク接触子及び第２アーク接触子を有し、前記第１アーク接触子及び第２アーク接触子は、通常運転時は接触導通状態にあり、開極動作時は相対移動しつつ開離すると共に、前記相対移動の方向を軸方向、前記軸方向に垂直な方向を径方向と定義した場合に、両接触子間の空間として定義されるアーク空間において概ね軸方向にアークを発生するよう構成され、開極動作時に消弧性ガスの圧力を高める昇圧手段と蓄圧空間を有するガス遮断器において、前記蓄圧空間から昇圧した消弧性ガスを前記アーク近傍に誘導する絶縁ノズルまたは絶縁フローガイドを備え、前記絶縁ノズルまたは前記絶縁フローガイドは、少なくとも最小断面積部近傍においては前記軸方向と同一方向の回転軸を中心とした回転対称形状とされ、前記絶縁ノズルまたは前記絶縁フローガイドの前記最小断面積部に凹部を設けたことを特徴とするものである。

上記のような構成を有する請求項１の発明によれば、絶縁ノズルまたは絶縁フローガイドのスロート部に凹部が設けられているため、この凹部のエッジによって、アーク空間に発生した２方向流の流れが乱され、渦流が発生する。この渦流は、スロート部において、流れを中心軸の向きへ絞るように作用するため、実質的には絶縁ノズルまたは絶縁フローガイドのスロート径を小さくしたのと同様に作用する。その結果、アーク空間に発生した２方向のガス流のよどみ点に加えて、この絞り部においても冷却が開始されるため、相乗的な冷却効果が得られる。

本発明によれば、アーク空間において速やかな冷却効果を得ることができ、信頼性の高い遮断性能を得ることができるガス遮断器を提供することができる。

以下、本発明に係るガス遮断器の実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。なお、図３に示した従来型と同一の部材には同一の符号を付して、説明は省略する。

（１）第１実施形態
（１−１）構成
本実施形態のガス遮断器においては、図１（Ａ）に示すように、絶縁ノズル２６の内側のスロート部（最小断面積部）Ｓ４に、凹部４１が設けられている。その他の構成は、図３に示した従来型と同様であるので説明は省略する。なお、図１（Ａ）は開極動作終了後、電流零点に至った時点の状態を示す断面図であり、図１（Ｂ）は、電流零点に至った時点の、アーク空間における同心軸上の温度分布を示した図である。

（１−２）作用
以上のような構成を有する本実施形態のガス遮断器における基本的な作用は、上記従来型と同一であるので、以下、本実施形態に特徴的な作用について詳述する。

すなわち、ガス遮断器の遮断動作が進み、図１（Ａ）に示すように電流零点に達すると、大電流アーク３０は減衰し、残留アークプラズマ３１となって、圧力、密度及び温度が減少する。これにより、絶縁ノズル２６のスロート部Ｓ４は十分に開口し、強力な２方向流３２ｆが発生するため、この２方向のガス流によって、アークは相乗的に強力に冷却されて消弧され、電流遮断が達成される。

ここで、一般論としてガス遮断器の消弧原理について説明する。一般に、プラズマは、熱伝導、対流、放射等により冷却されるが、ガス遮断器においては、ガス流による強制対流が重要な役割を果たしている。また、いわゆる対流以外に、解離や電子付着と行った原子、分子過程が発生し、冷却を加速している。

ところで、遮断器アーク物性の過渡的変化の速度を表す指標として“アーク時定数”なる量が知られている。この“アーク時定数”が小さいほど、アーク物性は急激に変化する。具体的には、温度や電子密度が急激に低下する。これは、絶縁回復が急速に行われることを意味する。遮断器の本質的責務は、系統から印加される電圧に対抗しつつ、急速にアークプラズマから絶縁状態に移行させることである。この意味で、できるだけ小さいアーク時定数を得ることが、高性能な遮断器を得ることとほぼ同意である。

この“アーク時定数”を小さくするためには、強力な冷却手段が必要であるが、同時にアーク径を小さくすることも有効であることが知られている。一般に、アーク時定数θは、アーク径をｒとすると、“θ∝ｒ²”となることが知られている。従って、アーク径を絞ることで、アーク時定数を小さくし、効率的な冷却を実現することができる。

しかしながら、アーク空間全体にわたりアーク径を絞ることは容易ではない。しかし、アーク空間の一部でアークを絞ることは可能である。この場合でも、アーク時定数はやはり小さくなることが知られている。径の絞られた部分が冷却チャネルとなり、急速に冷却がなされ、この部分がトリガとなり、周囲に冷却領域が拡がっていくことにより、遮断が成し遂げられるものと考えられる。

上述した従来型では、図３（Ｄ）に示したように、電流零点において、アーク空間に２方向のガス流３２ｄ、３２ｅ（図１の２方向流３２ｆに相当）が発生すると、流れのよどみ点となるＳ５近傍でアークが絞られ、冷却が開始された。これに加えて、本実施形態においては、絶縁ノズル２６のスロート部に凹部４１が設けられているため、この凹部４１のエッジによって、２方向流３２ｆの流れが乱され、渦流４０が発生する。スロート部においては流速が非常に大きくなるため、流れのレイノズル数は大きく、渦が発生しやすい状況にあるためである。この渦流は、スロート部において、アークを中心軸の向きへ絞るように作用する（図１の領域Ｓ６）。その結果、実質的には絶縁ノズル２６のスロート径を小さくしたのと同様の作用効果が得られる。

このように本実施形態においては、よどみ点Ｓ５に加え、絞り部Ｓ６においても冷却が開始されるため、相乗的な冷却効果が得られる。このことは、図１（Ｂ）からも明らかなように、同心軸上の温度分布は、よどみ点Ｓ５と絞り部Ｓ６の２箇所で低下し始め、アーク接触子間のコンダクタンスを効果的に低下させることができる。

（１−３）効果
上述したように、本実施形態によれば、吹き付け圧力とガス流が一定であれば、従来型と比べて遮断性能を大幅に向上させることができる。また、アーク接触子の寿命を確保するため、接触子径、すなわちスロート部の径を大きく構成した場合であっても、熱的遮断性能を低下させることなく、信頼性の高いガス遮断器を実現することが可能となる。

（２）第２実施形態
（２−１）構成
本実施形態は上記第１実施形態の変形例であって、絶縁ノズル２６の内部、スロート部（最小断面積部）Ｓ４に第１の凹部４１が設けられているだけでなく、さらに、可動アーク接触子２４の先端部と絶縁カバー２８（請求項の絶縁フローガイドに相当）の先端部間の間隔“Ｌ”を大きくすることにより、第２の凹部４２が形成されている。その他の構成は、図３に示した従来型と同様であるので説明は省略する。なお、図２（Ａ）は開極動作終了後、電流零点に至った時点での状態を示す断面図であり、図２（Ｂ）は、電流零点に至った時点における、アーク空間における同心軸上の温度分布を示した図である。

（２−２）作用・効果
以上のような構成を有する本実施形態のガス遮断器によれば、上記第１実施形態による作用効果と同様の作用効果に加え、第２の凹部４２においても渦流が発生し、流れが絞られるため（第２の絞り部Ｓ７）、３箇所において冷却が開始されるため、相乗的な冷却効果が得られる。したがって、遮断性能をさらに向上させることができる。

（３）他の実施形態
本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、他にも多種多様な形態で実施可能である。例えば、絶縁ノズル２６において、凹部を複数個所、軸方向に配列することも可能である。また、上記第１実施形態においては、絶縁ノズル２６内側のスロート部（最小断面積部）Ｓ４に凹部４１が形成されているが、絶縁カバー２８内側のスロート部に凹部を形成しても良い。

また、本発明を熱的昇圧作用と機械圧縮による昇圧作用を併用したいわゆる直列パッファ形のガス遮断器に適用することも可能である。さらに、ＳＦ₆ガス以外の消弧性ガスを適用したガス遮断器にも適用可能である。

（Ａ）は、本発明に係るガス遮断器の第１実施形態における、開極動作終了後、電流零点に至った状態を示す要部拡大断面図、（Ｂ）は、電流零点に至った時点の、アーク空間における同心軸上の温度分布を示す図である。 （Ａ）は、本発明に係るガス遮断器の第２実施形態における、開極動作終了後、電流零点に至った状態を示す要部拡大断面図、（Ｂ）は、電流零点に至った時点の、アーク空間における同心軸上の温度分布を示す図である。 従来のガス遮断器の一例を示す図であり、（Ａ）は閉極状態を示す断面図、（Ｂ）は開極動作初期の状態を示す断面図、（Ｃ）は開極動作終了直後の状態を示す断面図、（Ｄ）は開極動作終了後電流零点に至った状態を示す断面図である。

符号の説明

１０…固定接触子部（第１接触子部）
１１…固定アーク接触子
１２…固定通電接触子
２０…可動接触子部（第２接触子部）
２１…操作ロッド
２１ａ…連通穴
２２…フランジ
２２ａ…連通穴
２３…パッファシリンダ
２４…可動アーク接触子
２５…可動通電接触子
２６…絶縁ノズル
２７…固定ピストン
２７ａ…支持部
２８…絶縁カバー
３０…大電流アーク
３１…残留アークプラズマ
３２ａ〜３２ｆ…ガス流
Ｓ１…圧縮空間
Ｓ２…アーク空間
Ｓ３…上流側ガス流路
Ｓ４…スロート部
Ｓ５…吹き付けのよどみ点
Ｓ６…第１の絞り部
Ｓ７…第２の絞り部
４０…渦流
４１…第１の凹部
４２…第２の凹部

Claims (3)

1. 消弧性ガスが充填された密閉容器内に対向配置された固定接触子部及び可動接触子部を有し、
   前記固定接触子部及び可動接触子部は、それぞれ、第１アーク接触子及び第２アーク接触子を有し、
   前記第１アーク接触子及び第２アーク接触子は、通常運転時は接触導通状態にあり、
   開極動作時は相対移動しつつ開離すると共に、前記相対移動の方向を軸方向、前記軸方向に垂直な方向を径方向と定義した場合に、両接触子間の空間として定義されるアーク空間において概ね軸方向にアークを発生するよう構成され、
   開極動作時に消弧性ガスの圧力を高める昇圧手段と蓄圧空間を有するガス遮断器において、
   前記蓄圧空間から昇圧した消弧性ガスを前記アーク近傍に誘導する絶縁ノズルまたは絶縁フローガイドを備え、
   前記絶縁ノズルまたは前記絶縁フローガイドは、少なくとも最小断面積部近傍においては前記軸方向と同一方向の回転軸を中心とした回転対称形状とされ、
   前記絶縁ノズルまたは前記絶縁フローガイドの前記最小断面積部に凹部を設けたことを特徴とするガス遮断器。
2. 消弧性ガスが充填された密閉容器内に対向配置された固定接触子部及び可動接触子部を有し、
   前記固定接触子部及び可動接触子部は、それぞれ、第１アーク接触子及び第２アーク接触子を有し、
   前記第１アーク接触子及び第２アーク接触子は、通常運転時は接触導通状態にあり、
   開極動作時は相対移動しつつ開離すると共に、前記相対移動の方向を軸方向、前記軸方向に垂直な方向を径方向と定義した場合に、両接触子間の空間として定義されるアーク空間において概ね軸方向にアークを発生するよう構成され、
   開極動作時に消弧性ガスの圧力を高める昇圧手段と蓄圧空間を有するガス遮断器において、
   前記蓄圧空間から昇圧した消弧性ガスを前記アーク近傍に誘導する絶縁ノズルと絶縁フローガイドを共に備え、
   前記絶縁フローガイドは、前記絶縁ノズルと前記第２アーク接触子の間に設置され、
   前記絶縁ノズルと前記絶縁フローガイドは、少なくとも最小断面積部近傍においては前記軸方向と同一方向の回転軸を中心とした回転対称形状とされ、
   前記絶縁ノズルの前記最小断面積部に第１の凹部を形成すると共に、前記絶縁フローガイドの先端部と前記第２アーク接触子の先端部の間隔をあけることにより第２の凹部を形成したことを特徴とするガス遮断器。
3. 前記絶縁ノズルに、前記軸方向に配列された複数の凹部を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガス遮断器。

Images