JP2013246901A - ガス遮断器 - Google Patents

Abstract

【課題】電界放射により電子が放出した場合でも良好な進み小電流遮断性能を得る。
【解決手段】本実施形態では、固定アーク接触子１１および固定通電接触子１２を、可動アーク接触子２１および可動通電接触子２２と同心軸上に向かい合って配置する。可動アーク接触子２１および可動通電接触子２２は、操作機構と接続された操作ロッド２５により軸方向に駆動可能に構成する。操作ロッド２５により可動アーク接触子２１および可動通電接触子２２と一体となって駆動するパッファシリンダ２４と、固定されたパッファピストン３１とを備える。遮断時において、パッファシリンダ２４内の消弧性ガスを、可動アーク接触子２１と固定アーク接触子１１の間に発生するアークに吹き付ける。可動アーク接触子２１の先端部に、その先端部から電界放射された電子の移動方向を変化させる永久磁石４１を配設する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、金属容器内に封入されている絶縁ガスをアークに吹き付けて消弧するガス遮断器に関するものである。

現在７２ｋＶ以上の高電圧送電係統保護用の遮断器として、構造が単純で信頼性が高く、かつ優れた遮断性能を有するパッファ型ガス遮断器が広く使用されている。このガス遮断器では、可動接触子と直結したシリンダ（パッファシリンダとも称す）によって、消弧性と絶縁性に優れたＳＦ_６ガスなどの消弧ガスを圧縮して高圧にする。そして、可動接触子を包囲するノズル部にこの高圧の消弧ガスを流し、可動接触子と固定接触子間に発生するアークに吹き付け、アークを冷却し消滅させる。

事故電流遮断時のように数ｋＡオーダーの大電流アークの場合には、両アーク接触子間距離が十分開いて適切な流路が形成され、かつシリンダ内部に十分な吹きつけ圧力が蓄圧された後でなければ、電流零点を迎えてもアークが消弧されることはない。しかしながら、進み小電流遮断のような数百Ａ以下の小電流アークの場合には、両アーク接触子の開離直後であっても、電流零点を迎えれば簡単にアークが消弧される。

電流位相によっては、アーク時間（アーク接触子間のアークが継続する時間）は限りなく０に近くなり、アーク接触子開離直後にアークが消弧し、アーク接触子間距離が極めて小さい状態で系統からの回復電圧が印加される。この回復電圧により、アーク接触子間に絶縁破壊（再点弧）を引き起こすと、過渡的な過電圧が発生する場合がある。この過渡的な過電圧は、系統機器の信頼性を脅かすため、一般には、遮断器は再点弧を回避するに十分で速やかな絶縁回復特性を要求される。

特開平０５−２５０９６７号公報 特開２００３−１０９４７６号公報 特開２００１−１０１９５９号公報

アーク接触子間の絶縁破壊を回避するためには、特許文献１のようにアーク接触子先端の電界を緩和するか、特許文献２のようにアーク接触子の開極速度を向上し、アーク接触子間の速やかな絶縁回復を確保する必要がある。しかし、開極速度を向上させると遮断器の操作エネルギーが大きくなり、その機械的信頼性が低下する。

アーク接触子の再点弧は、固定のアーク接触子の先端曲率部と絶縁ノズルの最小断面積近傍が、近傍に位置するとき、または、近傍を通過したときに発生することが多い。このような位置関係にあるときは、先端曲率部と絶縁ノズルの最小断面積部に挟まれた微小な流路に高速ガス流が発生し、これにより先端曲率部のガス密度が低下し、過渡的な絶縁耐力を低下させることが知られている。このような問題に対しては、特許文献３のように、絶縁ノズルの最小断面積部の形状を工夫することにより、先端曲率部のガス密度の低下を抑制する技術がある。

また、アーク接触子の先端曲率部が負極性の高電界になると電界放射により電子が放出される。放出された電子は、電気力線方向に力を受け、近傍に位置する絶縁ノズルの最小断面積部に負の表面電荷として蓄積される。その後、アーク接触子の先端曲率部が正極性の高電界となると負の表面電荷との間に非常に強い電界が発生し、絶縁破壊を引き起こす場合も考えられる。このような電界放射による電子の放出に起因する絶縁破壊に対しては、絶縁ノズルの形状を工夫する特許文献３の技術では、対応が不可能である。

本発明は、前記の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る。本発明の目的は、開極速度の向上を抑制しつつ、電界放射により電子が放出した場合でも良好な進み小電流遮断性能を得ることを可能としたガス遮断器を提供することにある。

本発明の実施形態のガス遮断器は、次の特徴を有する。
（１）消弧性ガスが充填された密閉容器内に、固定アーク接触子および固定通電接触子が、可動アーク接触子および可動通電接触子と同心軸上に向かい合って配置されている。
（２）前記可動アーク接触子および可動通電接触子は、操作機構と接続された操作ロッドにより軸方向に駆動可能に構成されている。
（３）前記操作ロッドにより前記可動アーク接触子および可動通電接触子と一体となって駆動するパッファシリンダと、固定されたパッファピストンとを備えている。
（４）遮断時において、前記パッファシリンダとパッファピストンによって圧縮したシリンダ内の消弧性ガスを、可動アーク接触子と固定アーク接触子の間に発生するアークに吹き付ける。
（５）前記可動アーク接触子の先端部に、可動アーク接触子の先端部から電界放射された電子の移動方向を変化させる磁界発生部材が配設されている。

前記磁界発生部材としては、可動アーク接触子の先端部近傍に埋設された永久磁石を用いることができる。また、永久磁石と可動アーク接触子先端部との間に磁路を形成してもよい。前記磁界発生部材として、可動アーク接触子の先端部に配置された通電コイルを使用することもできる。

第１実施形態のガス遮断器の遮断動作前の投入状態を示す断面図である。 第１実施形態のガス遮断器の遮断動作の進んだ状態を示す断面図である。 第１実施形態のガス遮断器におけるアーク接触し部分を示す拡大断面図であり、（ａ）は遮断動作の初期の状態、（ｂ）は遮断動作の進んだ状態、（ｃ）は遮断動作の完了した状態を示す。 第１実施形態における図３（ｃ）の拡大断面図である。 第２実施形態のガス遮断器を示す断面図である。 第３実施形態のガス遮断器を示す断面図である。

［１．第１の実施の形態］
［１−１．構成］
図１は本発明によるガス遮断器の第１実施形態を示す図である。図１に示すように、ＳＦ_６ガスやＣＯ_２ガスなどの消弧ガスが充填された容器（図示せず）内には、可動接触子部２０と固定接触子部１０が対向配置されている。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。

可動接触子部２０は、中空の操作ロッド２５と、この操作ロッド２５の周囲に配置されて前端部で操作ロッド２５に連結されたシリンダ２４を備えている。また、可動接触子部２０は、シリンダ２４内部に挿入された固定ピストン３１、シリンダ２４の前方に連結された中空かつ指状の可動アーク接触子２１、その周囲に配置された可動通電接触子２２、可動アーク接触子２１を包囲する絶縁ガイド３６及び絶縁ノズル２３を備えている。

固定接触子部１０は、サポート１４と、支持部１３に固定された固定アーク接触子１１、その周囲に配置されサポート１４に固定された固定通電接触子１２を備えている。

可動接触子部２０のうち、操作ロッド２５は、絶縁ロッド６を介して、図示していない駆動装置４によって、その軸方向に往復運動するように構成されている。絶縁ロッド２６はサポート３３によって、ピストン支持部３１ａの中心に往復可能に支持されている。

可動接触子部２０は、その中程に、中空部と充填ガス雰囲気空間とを連通する複数の開口部２５ａを有している。絶縁ガイド３６と絶縁ノズル２３との間には、シリンダ２４内で形成された圧縮ガスを、ガス流としてアーク空間に導くための上流側ガス流路が形成されている。シリンダ２４の前面には、シリンダ２４内部の圧縮ガスを、前記ガス流路に噴出するための開口部２４ａが設けられている。

固定ピストン３１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２５の外周面に対して摺動すると共に、その外周面でシリンダ２４の内周面に対して摺動するように構成されている。固定ピストン３１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３１ａにより支持されている。このピストン支持部３１ａは通電サポート３４によって支持されている。

本実施形態では、図１に示すように、アーク接触子１１内部に永久磁石４１が設けられている。永久磁石４１は中心軸方向に磁化され、アーク接触子１１の先端曲率部１１ａ近傍において、図４に示すごとく、電界方向３７と直交する成分を有する磁束密度場４２を発生するように構成されている。

［１−２．作用］
本実施形態において、図１の遮断動作前の状態において遮断指令が発せられると、遮断動作が開始する。遮断動作の初期段階として進み小電流遮断動作が開始すると、後方の操作ロッド２５が移動し、この操作ロッド２５を含む可動接触子部２０が一体的に移動する。これにより、固定された固定ピストン３１に対し、操作ロッド２５とシリンダ２４が一体的に移動することになり、シリンダ２４と固定ピストン３１が相対移動し、シリンダ２４内部に形成される機械的圧縮空間が圧縮される。

図２に示すように遮断動作が進行し、固定アーク接触子１１と可動アーク接触子２１が開離すると、両アーク接触子間のアーク空間にはアーク４０が発生する（図３の（ａ）参照）。さらに、遮断動作が進行すると、アーク４０は可動アーク接触子２１から絶縁ノズル２３に転弧する（図３の（ｂ）参照）。さらに、遮断動作が進み、絶縁ノズル２３と固定アーク接触子１１の間にガス流が発生し、電流零点を迎えるとアークが消弧され電流が遮断される（図３の（ｃ）参照）。

この場合、本実施形態によれば、進み小電流遮断時に、両アーク接触子が開離し、図４に示すごとく、アーク接触子１１の先端曲率部１１ａが絶縁ノズル２３の最小断面積部２３ａ近傍を通過するときにおいて、アーク接触子１１の先端曲率部から電子が電界放射される。この電界放射された電子が、電界３７の向きに移動するときに、永久磁石４１による磁界４２が電子に作用することで、電子の移動方向が変化する。これは、Ｅ×Ｂドリフト効果と呼ばれ、電界３７および磁界４２のいずれにも直交する４３の向きに力を受ける。したがって、電界放射された電子は４３の向きに力を受け、らせん状の軌跡を描く。

このため、電子は最小断面積部２３ａに到達する前に、ガス中の実効的な移動距離が増し、ガスにトラップされ、表面電荷の形成が抑制される。したがって、アーク接触子１１に逆の電界が印加されても、表面電荷による電界増強効果は抑制され、すなわち、絶縁耐力の低下が抑制され、開極速度を上昇しなくとも、再点弧を回避することができる。

［１−３．効果］
本実施形態によれば、進み小電流遮断時に、アーク接触子の先端曲率部が絶縁ノズルの最小断面積部近傍を通過するときに、先端曲率部から電界放射された電子に永久磁石による磁界が作用することで、電子はらせん状の軌跡を描く。その結果、電子は最小断面積部に到達する前に、ガス中の実効的な移動距離が増し、ガスにトラップされ、最小断面積部における表面電荷の形成が抑制される。

このように本実施形態では、アーク接触子に逆の電界が印加されても、表面電荷による電界増強効果は抑制されるので、開極速度を抑制しても速やかな絶縁回復が得られ、良好な進み小電流遮断性能が得られる。

［２．第２の実施の形態］
［２−１．構成］
本発明によるガス遮断器の第２実施形態を、図５により説明する。

本実施形態の基本構成は、第１実施形態と同様であって、永久磁石４１の配設位置が異なる点が特徴である。すなわち、本実施形態では、アーク接触子１１の内部における先端曲率部１１ａから遠方に永久磁石４１を設けている。また、永久磁石４１と先端曲率部１１ａの間には、高透磁率材料から成る磁路４４を形成している。

［２−２．作用及び効果］
本実施の形態においては、第１実施形態の作用効果に加えて、以下のような作用効果が得られる。熱に弱い永久磁石４１をアーク近傍のアーク接触子の先端曲率部１１ａから離すことで、磁力の低下あるいは脱磁を回避することができる。また、磁束は磁路４４を通じて、アーク接触子の先端曲率部１１ａに誘導することができる。このとき、永久磁石断面積より磁路断面積を小さくすることで、磁束密度を高め、強力なＥ×Ｂドリフト効果を得ることも可能となる。

［３．第３の実施の形態］
［３−１．構成］
本発明によるガス遮断器の第３実施形態を、図６により説明する。

本実施形態は永久磁石に代えて、通電するコイルによって発生する磁界を利用したものである。すなわち、本実施形態では、アーク接触子１１と先端曲率部１１ａの間をコイル４５で接続しており、先端曲率部１１ａに至る電流はコイル４５を通過するように構成されている。

［３−２．作用及び効果］
本実施形態においては、コイル４５を通過する電流により、磁界が発生し、Ｅ×Ｂドリフトが得られる。この場合、磁束の方向と電界の方向は連動するため、電流位相に関わらず常に一定の向きのＥ×Ｂドリフト効果が得られる。その結果、このコイル４５によって発生する磁界により、第１実施形態と同等の作用効果が得られる。

［４．他の実施形態］
本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、固定接触子部を可動接触子部と反対側へ駆動し、相対的開極速度を向上させようとするいわゆるデュアルモーション機構、アークエネルギーを用いて上流の蓄圧を得るいわゆる自力効果を用いたタイプのガス遮断器にも適用可能である。

また、図示の実施形態は、棒状あるいはブロック状の永久磁石をアーク接触子の内部に埋設したが、リング状の永久磁石をアーク接触子の表面に配設したり、あるいは表面近傍に埋設することも可能である。

本発明は前記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、前記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

４…操作機構部（図示せず）
１０…固定接触子部
１１…固定アーク接触子
１１ａ…先端曲率部
１２…固定通電接触子
１３…支持部
１４…サポート
２０…可動接触子部
２１…可動アーク接触子
２２…可動通電接触子
２３…絶縁ノズル
２３ａ…最小断面積部
２４…パッファシリンダ
２４ａ…開口部
２５…操作ロッド
２５ａ…開口部
２６…絶縁ロッド
３１…パッファピストン
３１ａ…ピストン支持部
３３…サポート
３４…通電サポート
３６…絶縁ガイド
３７…電界
４０…アーク
４１…永久磁石
４２…磁束
４３…電子の受ける力の向き
４４…磁路
４５…コイル

Claims (4)

1. 消弧性ガスが充填された密閉容器内に、固定アーク接触子および固定通電接触子が、可動アーク接触子および可動通電接触子と同心軸上に向かい合って配置され、
   前記可動アーク接触子および可動通電接触子は、操作機構と接続された操作ロッドにより軸方向に駆動可能に構成され、
   前記操作ロッドにより前記可動アーク接触子および可動通電接触子と一体となって駆動するパッファシリンダと、固定されたパッファピストンとを備え、
   遮断時において、前記パッファシリンダとパッファピストンによって圧縮したシリンダ内の消弧性ガスを、可動アーク接触子と固定アーク接触子の間に発生するアークに吹き付けるガス遮断器において、
   前記可動アーク接触子の先端部に、可動アーク接触子の先端部から電界放射された電子の移動方向を変化させる磁界発生部材を配設したことを特徴とするガス遮断器。
2. 前記磁界発生部材が、可動アーク接触子の先端部近傍に埋設された永久磁石であることを特徴とする請求項１に記載のガス遮断器。
3. 前記磁界発生部材が、可動アーク接触子の先端部から離れた位置に配設された永久磁石であり、この永久磁石と可動アーク接触子先端部との間に磁路が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のガス遮断器。
4. 前記磁界発生部材が、可動アーク接触子の先端部に配置された通電コイルであることを特徴とする請求項１に記載のガス遮断器。
   

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