JP2013164994A - ガス遮断器 - Google Patents

Abstract

【課題】消弧室の小型化を可能とし、高い遮断性能を有するガス遮断器を提供する。
【解決手段】第１のアーク接触子１及び第２のアーク接触子２が、消弧性ガスが充填された密閉容器内に対向配置され、同軸状に向かい合わされて導通されている。第１のアーク接触子２と第２のアーク接触子２を相対的に開離させて電流を遮断する。遮断過程で発生するアーク８に対して、少なくとも一部にアークと垂直方向の成分を持つ磁界１０を発生せしめる。非磁性体のアークランナ５が第１のアーク接触子１の先端前方部に位置する。非磁性体のアークランナ支え６が第１のアーク接触子１を取り囲むように配置され、アークランナ５を支持して第１のアーク接触子１と導通させる。アークランナ支え６には螺旋状の溝６ａが設けられ、この溝６ａによって磁界１０が発生する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、気体中で電流の開閉を行うガス遮断器に関する。

現在、電力系統においては、絶縁媒体及び消弧媒体としてＳＦ_６ガスを使用したガス遮断器等の開閉器が広く用いられている。この中には、アークに磁界を印加して回転させ、その攪拌効果などによりガス遮断器としての消弧性能を高めたものが提案されている。このようなガス遮断器は、機械的にガスを圧縮することなく高圧ガスを得ることができる。あるいは、機械的に得られる高圧ガスをさらに高圧化する手段やアークの熱エネルギーを利用して得られる高圧ガスをさらに高圧化する手段としても用いることができる。

このような従来の磁気駆動アーク回転形のガス遮断器の一例を、図１０に示す。消弧性ガスが充填された図示しない密閉された圧力容器内において、昇圧室４内に固定された第１のアーク接触子１と、可動の第２のアーク接触子２が対向配置されている。第１のアーク接触子１および第２のアーク接触子２は、通常運転時は接触して導通されている。

第１のアーク接触子１の先端前方にはアークランナ５が設置されている。アークランナ５はアークランナ支え６によって支持され、第１のアーク接触子１と導通されている。アークランナ支え６の外側には電磁コイル７が配置されている。電流は、アークランナ支え６、アークランナ５を介して電磁コイル７に流れ、磁界が発生する。

一方、第２のアーク接触子２が駆動されて第１のアーク接触子１から開離する。図１０に点線で示すように、第２のアーク接触子２と第１のアーク接触子１との間にはアーク８が発生する。第２のアーク接触子２はさらに駆動され、アークランナ５を通過する。ここでアーク８の一端は第１のアーク接触子１からアークランナ５へと移り、アーク８はアークランナ５と第２のアーク接触子２との間で発生する。

アーク８には電磁コイル７によって発生した磁界が印加される。アーク８は電磁力によって駆動され、回転する。回転によってアーク８の熱は昇圧室４内部に拡散される。昇圧室４の圧力は上昇し、ガス流が絶縁ノズル３を通って圧力容器内に噴出して行く。この際にアーク８はガス流が吹き付けられて冷却され、消弧する。

特許第３１３２２２６号公報 特開２００７−１４１６７９号公報

このようなガス遮断器は、遮断すべき電流自体を、電磁コイルを励磁するための電流として使用している。そのため、遮断すべき電流が進み電流のような小電流の際は、発生する磁界も比例して小さくなり、アークの回転効率も低下する可能性がある。また、電磁コイルを設置するスペースが必要となるため、ガス遮断器の消弧室が大型化してしまうという問題がある。さらに、圧縮室からアークへのガス吹付け時に、電磁コイルがガスの流れを妨害し、効果的にガス吹付けが行われない可能性もある。

小電流域での磁界低下を防ぐ方法のひとつとして、電磁コイルの代わりに永久磁石を使用することも可能である。しかしながら、永久磁石は一般的に熱に弱く、アークからある程度の距離を保って配置する必要がある。距離が遠くなるとアークに印加される磁界が弱くなり、アークを効果的に回転できない可能性がある。また、電磁コイルと同様に、永久磁石によって消弧室が大型化し、ガス吹付けが阻害されてしまう可能性がある。

本発明の実施形態は、上記の課題を解消するために提案されたものであり、消弧室の小型化を可能とし、さらに高い遮断性能を有するガス遮断器を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、実施形態のガス遮断器は、消弧性ガスが充填された密閉容器内に対向配置された第１のアーク接触子及び第２のアーク接触子を、同軸状に向かい合わせて導通させ、第１のアーク接触子と第２のアーク接触子を相対的に開離させて電流を遮断する。遮断過程で発生するアークに対して、少なくとも一部にアークと垂直方向の成分を持つ磁界を発生させる。ガス遮断器は、第１のアーク接触子の先端前方部に位置する非磁性体のアークランナを備えている。さらに、第１のアーク接触子を取り囲むように配置され、アークランナを支持して第１のアーク接触子と導通させる非磁性体のアークランナ支えを備えている。アークランナ支えには螺旋状の溝が設けられている。この螺旋状の溝によって、アークに対して垂直方向の成分を少なくとも一部に持つ磁界が発生する。

第１の実施形態に係るガス遮断器を示す一部断面図である。 （ａ）は第１のアーク接触子の正面を示す図であり、（ｂ）は第１のアーク接触子の周面を示す図である。 （ａ）はアークランナ支えの正面を示す図であり、（ｂ）はアークランナ支えの周面を示す図である。 アークランナ支えに電流が流れた際に発生する磁力線を模式的に示した一部断面図である。 ガス遮断器の電流遮断動作時の状態を示す一部断面図である。 （ａ）は第２の実施形態に係るガス遮断器の、第１のアーク接触子の正面を示す図であり、（ｂ）は第１のアーク接触子の周面を示す図である。 第３の実施形態に係るガス遮断器の、第２のアーク接触子の周面を示す図である。 アーク空間に発生する磁力線の状態を模式的に示す一部断面図である。 第４の実施形態に係るガス遮断器の、第２のアーク接触子の周面を示す図である。 従来のガス遮断器を示す一部断面図である。

以下、ガス遮断器の複数の実施形態について、図１から図９を参照して具体的に説明する。尚、図１０を参照して説明したガス遮断器と同一の構成については同一符号を付して詳細な説明を省略する。

［１．第１の実施形態］
［１−１．構成］
本実施形態のガス遮断器において、図１に示すように、第１のアーク接触子１は、取り付け部１ａによって昇圧室４の奥側壁面に固定され、固定側のアーク接触子として機能する。第１のアーク接触子１はさらに、図示しない主回路に接続されている。

第１のアーク接触子１は中空円筒の部材であり、取り付け部１ａから、絶縁ノズル３が設けられた昇圧室４の入口側壁面に向かって延びる。第１のアーク接触子１の先端は内側に膨出している。図２（ａ）および（ｂ）に示すように、第１のアーク接触子１の周面には複数の直線溝１ｂが長手軸方向に等間隔で形成されている。この直線溝１ｂはすり割り等で形成される。
なお、第１のアーク接触子１は、小径の接触子を等間隔に円周上に配列して構成しても良い。

第２のアーク接触子２は、図１に示すように、第１のアーク接触子１と同軸上に位置し、本実施形態のガス遮断器において可動側のアーク接触子として機能する。第２のアーク接触子２は、不図示の駆動装置により駆動され、昇圧室４の入口側壁面中央に設けられた絶縁ノズル３を挿通して第１のアーク接触子１に接離する。

第２のアーク接触子２は中実の円筒部材である。その外径は、第１のアーク接触子１先端の膨出部の内径よりも若干大きく作られている。第１のアーク接触子１と第２のアーク接触子２が接触する際は、第１のアーク接触子１は溝１ｂによって弾性力が働き、先端膨出部の内径が拡張して第２のアーク接触子２の外周を包み込むようにして、両接触子１，２は接触する。

第１のアーク接触子１を取り囲むように中空円筒のアークランナ支え６が配置されている。アークランナ支え６の基端部は、第１のアーク接触子１の外側で取り付け部１ａに固定されている。アークランナ支え６の先端部は、第１のアーク接触子１の先端部よりも昇圧室４の入口側壁面寄りに位置する。

アークランナ支え６は、非磁性体の導電性金属材料から構成される。図３（ａ）および（ｂ）に示すように、アークランナ支え６の外周面には複数の溝６ａが形成されている。複数の溝６ａは、アークランナ支え６の長手方向中心軸に沿って、基端部から先端へ向けて外周面を巻回して降りるように形成され、一つ一つが螺旋状となっている。中空円筒のアークランナ支え６を長手方向に展開した場合には、溝６ａは、長手方向中心軸に対して所定角度傾いた所定幅の斜線溝が等ピッチで切削された形状となっている。

アークランナ支え６の先端には、所定の厚みを有する円環状のアークランナ５が取り付けられている。具体的には、アークランナ５の円環外周部分がアークランナ支え６の先端に取り付けられ、内周部分が内側に延びるように配置されている。アークランナ５は、アークランナ支え６と同様に、非磁性体の導電性金属材料から構成される。アークランナ５は、第１のアーク接触子１よりも昇圧室４の入口側壁面寄りに、すなわち第１のアーク接触子１の先端前方に位置する。そのため、アークランナ５はアークランナ支え６と共に第１のアーク接触子１を内包する形となっている。

第１のアーク接触子１、第２のアーク接触子２、アークランナ支え６、及びアークランナ５は、これらの長手方向中心軸が昇圧室４の長手方向中心軸と同軸となるように配置されている。

［１−２．作用］
通常運転時は、図１に示すように、第１のアーク接触子１と第２のアーク接触子２は接触している。電流は主回路より取付け部１ａを介して第１のアーク接触子１、第２のアーク接触子２へと導通される。さらに、電流は取り付け部１ａを介してアークランナ支え６及びアークランナ５にも導通される。アークランナ支え６に電流が流れると、表皮効果により表面での電流密度が高くなる。すなわち、電流はアークランナ支え６の外周の、溝６ａを除いた部分の螺旋形状の表面に沿って流れる。これによって、アークランナ支え６自体が電磁コイルとして機能することとなり、アークランナ支え６から磁界が発生する。図４にその磁界の状態を示しているが、磁界の磁力線１０はアークランナ支え６の内部を、アークランナ支え６の長手方向中心軸に略平行に延び、その途中において一部がアークランナ５表面を通過する。この際、アークランナ５は非磁性体であるので磁力線１０はアークランナ５表面に対して垂直とはならず、径方向に大きく広がることとなる。さらに磁力線１０は略垂直に曲がってアークランナ支え６の長手方向中心軸に沿って延びる。

このような状態で、電流遮断動作は実施される。すなわち、第２のアーク接触子２が駆動装置によって駆動され、第１のアーク接触子１と離れる方向に移動する。第１のアーク接触子１と第２のアーク接触子２が開離すると、図５において点線で示すように、アーク８が第１のアーク接触子１と第２のアーク接触子２との間で点弧する。

電流遮断動作が進み、接触子間距離がさらに大きくなると、アーク８に揺れが生じる。また、第２のアーク接触子２が第１のアーク接触子１の先端前方に位置するアークランナ５を通過すると、アークランナ支え６において発生した磁界による電磁力及びアーク８自身によって発せられる電磁力等が作用して、アーク８はアークランナ５上へと移る。図５において実線で示すように、このアーク８は、アークランナ５表面から略垂直に立ち上がり、昇圧室４の長手方向中心軸に略平行に流れて第２のアーク接触子２に至る。このアーク８に対して、アークランナ支え６によって生じた磁界の径方向成分が垂直方向に作用し、これによって回転方向にローレンツ力が発生する。

このローレンツ力によってアーク８は回転し、アーク８の熱が昇圧室４内部に拡散される。昇圧室４の圧力は上昇し、ガス流が絶縁ノズル３を通って圧力容器内に噴出して行く。このガス流がアーク８に吹き付けられることにより、アーク８は冷却されて消弧される。

［１−３．効果］
本実施形態において、アークランナ５を支持する非磁性体のアークランナ支え６に螺旋状の溝６ａを設けた。この溝６ａを設けることによってアークランナ支え６に支持されたアークランナ５の表面上で径方向成分を持つ磁界が生じる。この磁界の径方向成分が、アーク８に垂直方向に作用することによって、アーク８をアークランナ５上において回転させることができる。このように、アークランナ支え６自体を電磁コイルとして機能させる構造により、電磁コイル又は永久磁石を別途設置する必要がなくなり、消弧室の小型化を達成できる。また、電磁コイルや永久磁石のようにガス吹付けを妨げる可能性のあるものを省くことができるため、十分な消弧性能を確保できる。さらに、アークランナ支え６自体が電磁コイルとして機能することにより、磁界とアーク８との距離が近くなり、小電流時でも磁界をアークに十分作用させることができる。これにより、遮断性能の高いガス遮断器を得ることができる。

［２．第２の実施形態］
第２の実施形態は、第１のアーク接触子１に変更を加えたものである。基本構成は第１の実施形態と同様であり、同一構成については詳細な説明を省略する。第１の実施形態では、第１のアーク接触子１の外周面に直線溝１ｂが形成されていた。本実施形態では、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１のアーク接触子１の外周面に複数の螺旋状の溝１ｃが形成されている。複数の溝１ｃは、第１のアーク接触子１の基端部から先端へむけて外周面を巻回して降りるように形成され、一つ一つが螺旋状となっている。中空円筒の第１のアーク接触子１を長手方向に展開してみた場合、溝１ｃは、長手方向中心軸に対して所定角度傾いた所定幅の斜線溝が等ピッチで切削された形状となっている。

第１のアーク接触子１に電流が流れると、表皮効果により表面での電流密度が高くなる。すなわち、電流は第１のアーク接触子１の外周の、溝１ｃを除いた部分の螺旋形状の表面に沿って流れる。これによって第１のアーク接触子１自体が電磁コイルとして機能することとなり、第１のアーク接触子１から磁界が発生する。すなわち、第１のアーク接触子１から発せられる磁界の磁力線は第１のアーク接触子１の内部で、第１のアーク接触子１の長手方向中心軸に略平行に伸び、その途中において一部が第１のアーク接触子１の膨出した先端表面を通過して径方向に広がる。さらに磁力線は略垂直に曲がって第１のアーク接触子１の長手方向中心軸に沿って延びる。

この、第１のアーク接触子１から発せられる磁界の径方向成分が、第１のアーク接触子１と第２のアーク接触子２との間のアーク８に垂直方向に作用し、回転方向にローレンツ力を発生させる。これにより、アーク８は第１の実施形態と同様に回転し、消弧される。

このように第１のアーク接触子１に螺旋状の溝１ｃを形成する構成は、第１の実施形態のアークランナ支え６に溝６ａを設ける構成に追加する形としても良い。この場合は、アーク８に対して垂直方向に作用する磁界を強化することができる。あるいは、アークランナ５及びアークランナ支え６の設置を省略して、第１のアーク接触子１に螺旋状の溝１ｃを設けるのみとしてもよい。その場合は、消弧室の更なる小型化が可能となる。

なお、第１の実施形態で述べたように、第１のアーク接触子１は小径の接触子を等間隔で円周状に配列することで構成することもできる。この場合は、それぞれの接触子を螺旋状に成型して配置することで、同様の効果を得ることができる。

［３．第３の実施形態］
第３の実施形態は、第２のアーク接触子２に変更を加えたものとなっている。基本構成は第１の実施形態と同様であり、同一構成については詳細な説明を省略する。本実施形態では、図７に示すように、中実円筒の第２のアーク接触子２の周面に複数の溝２ａが切削等により形成されている。複数の溝２ａは、第２のアーク接触子２の先端近傍から基端部まで外周面を巻回して降りるように形成され、一つ一つが螺旋状となっている。中実円筒の第２のアーク接触子２を、表面近くを切り込んで長手方向に展開したみた場合に、溝２ａは、長手方向中心軸に対して所定角度傾いた所定幅の斜線溝が等ピッチで切削された形状となっている。

第２のアーク接触子２に電流が流れると、表皮効果により表面での電流密度が高くなる。すなわち電流は、第２のアーク接触子２の外周の、溝２ａを除いた部分の螺旋形状の表面に沿って流れる。これによって第２のアーク接触子２自体が電磁コイルとして機能することとなり、第２のアーク接触子２から磁界が発生する。この磁界には、中実円筒の第２のアーク接触子２の長手方向中心軸に沿った成分が含まれるが、これはアークランナ５と第２のアーク接触子２との間で発生するアーク８に略平行な磁界成分である。この第２のアーク接触子２により生じる磁界とアークランナ支え６により生じる磁界とは方向と向きが一致する。すなわち、本実施形態の構造により、アーク８に略平行な磁界が強化されることになる。

図８に、第１のアーク接触子１と第２のアーク接触子２との間のアーク空間１１に発生する磁力線１０の様子を模式的に示している。大電流での遮断動作時は、第１のアーク接触子１と第２のアーク接触子２とが開離してアーク８が揺れるとともに、アーク８自身によって発せられる電磁力によってアーク８の著しい偏歪、中心軸からの逸脱、局在化などが引き起こされ、遮断性能の低下や部材損傷の可能性がある。本構成によれば、第２のアーク接触子２からも軸方向磁界を与えることにより、アーク空間１１での軸方向磁界、すなわちアーク８に平行な磁界を強化することができる。このアーク８に平行な磁界がアーク８を捕獲することにより、アーク８の電磁力による著しい偏歪や中心軸からの逸脱を防ぐことができる。これによって、ガス遮断器の各部材、特に絶縁ノズル３のスロートの局所的な損傷、高温ガス流の局在化を回避することができる。
［４．第４の実施形態］
第３の実施形態では、中実円筒の第２のアーク接触子２の周面に螺旋状の溝２ａを形成していたが、図９に示すように、第２のアーク接触子２を中空円筒とし、その周面に螺旋状の溝２ａを形成することも可能である。本実施形態においても、第３の実施形態と同様に、アーク空間１１での軸方向磁界、すなわちアーク８に平行な磁界が強化される。このアーク８に平行な磁界がアーク８を捕獲することにより、アーク８の電磁力による著しい偏歪や中心軸からの逸脱を防き、第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。

１ 第１のアーク接触子
１ａ 取り付け部
１ｂ 溝
２ 第２のアーク接触子
３ 絶縁ノズル
４ 昇圧室
５ アークランナ
６ アークランナ支え
６ｂ 溝
７ 永久磁石
８ アーク
１０ 磁力線
１１ アーク空間

Claims (6)

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第１のアーク接触子及び第２のアーク接触子を同軸状に向かい合わせて導通させるとともに、前記第１のアーク接触子と前記第２のアーク接触子を相対的に開離させて電流を遮断し、遮断過程で発生するアークに対して、垂直方向の成分を少なくとも一部に持つ磁界を発生させるガス遮断器であって、
   前記第１のアーク接触子の先端前方部に位置する非磁性体のアークランナと、
   前記第１のアーク接触子を取り囲むように配置され、前記アークランナを支持して前記第１のアーク接触子と導通させる非磁性体のアークランナ支えと、を備え、
   前記アークランナ支えには螺旋状の溝が設けられ、当該螺旋状の溝によってアークと垂直方向の成分を少なくとも一部に持つ磁界が発生することを特徴とするガス遮断器。
2. 前記アークランナ支えの螺旋状の溝は、前記アークランナ支えの中心軸に沿って当該アークランナ支えの一端から他端に向かって延びるように形成されていることを特徴とする請求項１記載のガス遮断器。
3. 前記第１のアーク接触子に螺旋状の溝が設けられ、当該螺旋状の溝によって少なくとも一部にアークと垂直方向の成分を持つ磁界が発生することを特徴とする請求項１又は２に記載のガス遮断器。
4. 消弧性ガスが充填された密閉容器内に対向配置された第１のアーク接触子及び第２のアーク接触子を同軸状に向かい合わせて導通させるとともに、前記第１のアーク接触子と前記第２のアーク接触子を相対的に開離させて電流を遮断し、遮断過程で発生するアークに対して、少なくとも一部にアークと垂直方向の成分を持つ磁界を発生せしめるガス遮断器であって、
   前記第１のアーク接触子には螺旋状の溝が設けられ、当該螺旋状の溝によって少なくとも一部にアークと垂直方向の成分を持つ磁界が発生することを特徴とするガス遮断器。
5. 前記第２のアーク接触子は中実の円筒状であり、前記第２のアーク接触子に螺旋状の溝が設けられ、当該螺旋状の溝によって少なくとも一部にアークと平行な磁界が発生することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のガス遮断器。
6. 前記第２のアーク接触子は中空の円筒状であり、前記第２のアーク接触子には螺旋状の溝が設けられ、当該螺旋状の溝によって少なくとも一部にアークと平行な磁界が発生することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のガス遮断器。

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