JP2013517607A - 真空スイッチ管 - Google Patents

Abstract

中心平面（Ｓ）に対して対称に配置および構成された２つの絶縁筐体領域（９、１０）が筐体を有する真空スイッチ管を構成するために、２つの絶縁筐体（９、１０）のそれぞれが複数の絶縁筐体部（１１、１２、１３、１４、１５、１６）を備え、かつ真空スイッチ管の内側に延在するシールド素子（１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４、２５）が、隣り合う絶縁筐体部間、および絶縁筐体部と追加の隣接筐体部（６、８、１７）との間に配置され、前記シールド素子は、改善された誘電特性を有し、同時に材料節約構造を有する。本発明によれば、シールド素子（１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４、２５）の幾何学的寸法は、接続される電圧と、隣り合うシールド間の可能な臨界電界強度とに応じて決定される。

Description

本発明は、筐体を備える真空遮断器に関し、前記筐体は、中心平面に対して対称に形成および配置された２つの絶縁筐体領域を有し、前記２つの絶縁筐体のそれぞれが、複数の絶縁筐体部と、それぞれ隣り合う絶縁筐体部間、および絶縁筐体部と別の隣接筐体部それぞれとの間に配置された、真空遮断器の内側に延在するシールド素子と、を含む。

このような真空遮断器は、例えば特許文献１により知られている。特許文献１に開示されている真空遮断器は、中心平面に対してほぼ対称に形成および配置された２つの絶縁筐体領域を伴う筐体を有する。２つの絶縁筐体のそれぞれは、いずれの場合も２つのセラミック円筒の形をした複数の絶縁筐体部と、真空遮断器の内側へ延在するシールド素子と、を含み、これらシールド素子は、隣り合う絶縁筐体部間に、および絶縁筐体部とカバー部の形をした真空遮断器の他の筐体部との間に、配置されている。この場合、シールド素子は基本的に、絶縁筐体部の絶縁特性を維持するために、セラミック円筒の形をした絶縁筐体部を、真空遮断器の接点機構の切り替え動作の際に生じる金属蒸気に対して遮蔽するためのものである。

独国特許発明第１００２９７６３号明細書

本発明の目的は、改善された誘電特性を有すると同時に材料節約設計になっている、最初に述べたタイプの真空遮断器を設計することである。

こうした設計は、本発明によれば、最初に述べたタイプの真空遮断器の場合、各シールド素子の幾何学的寸法（geometric dimensions）が、隣り合うシールド間の印加電圧および可能な臨界電界強度に応じて決定されるということによって実現される。

隣り合うシールド間の印加電圧および可能な臨界電界強度に応じて大きさを決めることによって、必要とされる誘電特性が、最少量の必要材料消費で、まず第１に、過度に大きな寸法を有する必要のあるシールド素子を用いずに得られる。第２には、真空遮断器に印加される電圧に関する要件に適合する誘電特性が同時に得られ、真空遮断器の個々のシールド素子の間にフラッシュオーバーなどが起こることがない。本発明でいう幾何学的寸法とは、例えば、隣り合うシールド素子間の距離、軸方向範囲内のシールド素子と絶縁筐体部との間の距離、または一端で曲げられているシールド素子の曲率半径のことである。

本発明の有利な一構成において、真空遮断器の接点機構から最も遠く離して配置された絶縁筐体部に配置されているシールド素子は、絶縁筐体部からの距離ｓと、曲率半径がＲのシールド素子の各端部における互いの距離ｄ_ｓと、を有し、ここで、

によるｓ、ｄ_ｓおよびＲが、最も遠く離された絶縁部における最大電圧差ΔＵ_ｍａｘ、および臨界電界強度に準拠し、前記臨界電界強度は真空遮断器の電界計算から得られ、最大電圧差ΔＵ_ｍａｘは次式から得られる。

ここで、αは、電界計算による結合係数であり、
ε_ｒは、絶縁筐体部の数で決まる絶縁筐体部の誘電率である。

真空遮断器の接点機構から最も遠く離して配置されたこのようなシールド素子の構成は、一連の実験および計算において、各シールド素子間の距離およびシールド素子とセラミック部の間の距離と、曲率半径の設計との最適な幾何学的形態となったが、これは、真空遮断器に沿って軸方向に設定される電位分布、したがって絶縁耐力の故であり、この絶縁耐力は、遮断器の形状と、例えば真空遮断器が中に配置されている、切り替えデバイスの接地電位の筐体または接地された筐体などの外部状態への容量結合との両方に依存する。真空遮断器の一端に配置された絶縁筐体部と、それに配置されたシールド素子とは、最大電位差を有する。結合ベクトルαはこの場合、真空遮断器の両端間の電圧がどのように設定されるか、または具体的に、どのような比率で接点機構に最も近い絶縁筐体部の両端間の電圧降下が構成されるかを示す。

本発明の別の有利な構成では、三接合点を遮蔽するために各シールド素子は、前記シールド素子が絶縁筐体部から距離δで絶縁筐体部に接続されるポイントの領域で、真空遮断器の内側に半径方向に延在し、δは次式の関係で決定される。

ここで、ε_ｒは、絶縁筐体部の誘電率である。
Ｌ_Ｓは、比例に基づくシールドの長さである。
Ｌ_ｋは、絶縁筐体部の長さである。

シールド素子と絶縁筐体部との間の接続ポイントの領域におけるこのような構成を考えると、三接合点内の電界の最適な負の制御が実現する。本発明でいう三接合とは、この場合、絶縁筐体部とシールド素子と真空とが互いに隣接する真空遮断器の任意の接続領域のことである。

本発明を、例示的な一実施形態を用い、添付の図面を参照して、より詳細に説明する。図面において、一つの図が、本発明にかかる真空遮断器の例示的な一実施形態を示す。

本発明にかかる真空遮断器の例示的な一実施形態を示す。

同図は、接点機構が固定接点２を固定接点接続ピン３、移動接点４および移動接点接続ピン５とともに備える、真空遮断器１を示す。固定接点接続ピン３は、開閉装置（図示せず）の電流伝導部に接続するために、カバー部の形の金属筐体部６を真空気密に貫いて真空遮断器の中から外へ通され、同様に移動接点接続ピン５は、第２のカバー部の形の金属筐体部８をベローズ７によって真空気密に、かつ移動可能に貫いて真空遮断器１の中から外へ通される。移動接点４および固定接点２を有する接点機構は、真空遮断器を経由して伝導される電流を切り替えるまたは遮断するためのものであり、接点機構を切替えるまたは遮断する駆動装置（図示せず）の駆動の動きは、移動接点接続ピン５を介して取り入れることができる。真空遮断器は、第１の絶縁筐体領域９、および第２の絶縁筐体領域１０を有し、第１の絶縁筐体領域９は、セラミック円筒の形をした絶縁筐体部１１、１２および１３で構築され、かつ第２の絶縁筐体領域１０は、同様にセラミック円筒の形をした絶縁筐体部１４、１５および１６で構築され、さらに金属チャンバの形をした別の絶縁筐体部１７が、第１の絶縁筐体領域９と第２の絶縁筐体領域１０との間に配置される。中心平面Ｓに対して真空遮断器１は、その筐体に関してほぼ対称形である。真空遮断器の内側へ延在するシールド素子１８〜２５は、隣り合う絶縁筐体部間に、ならびに金属筐体部６，８とそれぞれの隣接絶縁筐体部との間に、いずれの場合も配置される。シールド素子１８〜２５は、以下でより詳細に説明するように、それらの幾何学的寸法が、隣り合うシールド間の印加電圧、および可能な臨界電界強度に応じて決定されるように構成される。

同図に示された、固定接点と移動接点とが互いに間隔を置いて離れている接続解除された接点機構の場合、電位分布が真空遮断器の両端間に設定され、この電位分布は、真空遮断器の形状と、例えば、開閉装置（図示せず）の接地電位の筐体または接地された筐体である外部状態への容量結合との両方に依存する。この電位分布は、真空遮断器の絶縁耐力に関して重要である。したがって、電位分布によりまた、隣り合うシールド素子間の各電位差が異なることになり、それぞれ最も遠く離された絶縁筐体部にあるシールド素子が、最大の電位差を有する。

シミュレーションおよび電界計算により、接点機構に最も近く配置されたシールド素子の総印加電圧との関係が次式となる。
Ｕ_ｓ＝α・Ｕ
ここで、αは、電界計算により得られる結合係数であり、例えば４つの絶縁筐体部を有する真空遮断器では、外部状態にもよるが、０．３の値を想定することができる。

ｎ番目と（ｎ−１）番目のシールド素子（ｎ＝２、３、．．．Ｎ）の間の電位差について、おおよそ次式の関係が、

接点機構から最も遠く離して配置されたシールド素子（ｎ＝Ｎ）における最大電圧が次式になるという結果とともに、実験的に得られる。

例えば、４つの絶縁筐体部を有し、結合係数α＝０．３である真空遮断器の場合では、最大電圧差について以下が得られる。
ΔＵ_ｍａｘ＝０．４・Ｕ

言い換えると、接点機構から最も遠く離して配置された絶縁筐体部の両端間に生じる、したがって前記絶縁筐体部に配置されたシールド素子間に生じる最大電圧差は、接続解除された接点機構の場合では、４つの絶縁部とα＝０．３の外部状態から得られる結合係数とを有する真空遮断器内で、真空遮断器の両端間に印加される総電圧の約４０％になる。

この最大電圧差と、電界計算から得られ、材料および表面積に依存しかつ１ｍｍ当たり２０ｋＶから５０ｋＶの間の典型的な値を前提とする臨界電界強度とは、シールド素子の丸くなった端部の曲率半径Ｒと、シールド素子から絶縁筐体部までの距離ｓと、隣り合うシールド素子の各端部間の距離ｄ_ｓとの間に次式の関係が維持されるように、最も遠く離された絶縁筐体部の上のシールド素子の幾何学的寸法を決定する際に考慮に入れる必要がある。

この場合、ε_ｒは、絶縁筐体部の誘電率である。

さらに、最小距離δが、いわゆる三接合点、すなわち絶縁筐体部と、金属筐体部またはシールド素子と、真空と、が互いに隣接する接続ポイントの領域内で維持される必要があり、この距離は、シールド素子が絶縁筐体部から離れて半径方向に延在する距離であり、次式の関係がこの距離δに対して満たされなければならない。

この場合、Ｌ_Ｓは、真空遮断器の軸方向にシールド素子がそれだけ延在するシールド長さであり、Ｌ_Ｋは絶縁筐体部の長さであり、図１に示された例示的な実施形態でシールド素子１９およびセラミック部１１を用いて図示されている。固定接点２および移動接点４を備える接点機構に最も近く配置されている各シールド素子の領域において、図１の例示的な実施形態では、シールド素子２０およびシールド素子２１は、上記の関係、および設定される電位差に基づいて著しく低くなり、シールド素子２０とシールド素子２１との間に必要な距離が小さくなるという結果になり、また、絶縁筐体部の絶縁特性を維持するために、固定接点２および移動接点４を備える接点機構の接続解除の切り替え動作中に生じる金属蒸気による蒸発から、絶縁筐体部１３の幾何学的シェーディング（geometric shading）を可能な限り効果的に遮蔽するための、これらシールド素子２０とシールド素子２１との間の軸方向での重なりが可能になる。

１ 真空遮断器
２ 固定接点
３ 固定接点接続ピン
４ 移動接点
５ 移動接点接続ピン
６ 金属カバー部
７ ベローズ
８ 金属カバー部
９ 第１の絶縁筐体領域
１０ 第２の絶縁筐体領域
１１〜１６ 絶縁筐体部
１７ 金属筐体部
１８〜２５ シールド素子
Ｓ 中心平面

Claims (3)

1. 筐体を備える真空遮断器（１）であって、前記筐体が、中心平面（Ｓ）に対して対称に形成および配置された２つの絶縁筐体領域（９、１０）を有し、前記２つの絶縁筐体（９、１０）のそれぞれが、複数の絶縁筐体部（１１、１２、１３、１４、１５、１６）と、それぞれ隣り合う絶縁筐体部間、および絶縁筐体部と別の隣接筐体部（６、８、１７）それぞれとの間に配置された、真空遮断器の内側に延在するシールド素子（１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４、２５）と、を含み、
   前記シールド素子（１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４、２５）の幾何学的寸法が、隣り合うシールド間の印加電圧および可能な臨界電界強度に応じて決定されることを特徴とする真空遮断器（１）。
2. 真空遮断器（１）の接点機構（２、４）から最も遠く離して配置された絶縁筐体部（１１、１２、１３、１４、１５、１６）に配置されているシールド素子（１８、１９、２４、２５）が、絶縁筐体部（１１、１２、１３、１４、１５、１６）からの距離ｓと、曲率半径がＲのシールド素子の各端部における互いの距離ｄ_ｓと、を有し、ここで、
   

   

   によるｓ、ｄ_ｓおよびＲが、前記最も遠く離された絶縁部における最大電圧差ΔＵ_ｍａｘ、および臨界電界強度に準拠し、前記臨界電界強度が真空遮断器（１）の電界計算から得られ、前記最大電圧差ΔＵ_ｍａｘが次式から得られ、
   

   

   ここで、αは、電界計算による結合係数であり、
   ε_ｒは、絶縁筐体部の数で決まる前記絶縁筐体部の誘電率であることを特徴とする請求項１に記載の真空遮断器（１）。
3. 三接合点を遮蔽するために各シールド素子（１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４、２５）が、前記シールド素子が前記絶縁筐体部（１１、１２、１３、１４、１５、１６）から距離δで前記絶縁筐体部（１１、１２、１３、１４、１５、１６）に接続されるポイントの領域において、前記真空遮断器（１）の内側に半径方向に延在し、δは次式の関係で決定され、
   

   

   ここで、ε_ｒは、前記絶縁筐体部（１１、１２、１３、１４、１５、１６）の誘電率であり、
   Ｌ_Ｓは、比例に基づくシールドの長さであり、
   Ｌ_Ｋは、前記絶縁筐体部の長さであることを特徴とする請求項１または２に記載の真空遮断器（１）。

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