JP2014011111A - ガス遮断器 - Google Patents

Abstract

【課題】遮断電流の大きさに応じてパッファ室の排気量を可変とすることで、パッファ室内の圧力と接点部の開極速度を確保して、中小電流でも大電流でも優れた遮断性能を発揮する。
【解決手段】パッファ室５は絶縁性ガス１６のガス流１２ｃを発生させる。ガス流１２ｃの下流側に可動ロッド２２に排気穴２２ａを設ける。排気穴２２ａは可動ロッド２２内を流れるガス流１２ｂを排気する。可動ロッド２２にはガス流１２ｂを受けて移動するフローガイド２１を配置する。フローガイド２１は移動により排気穴２２ａを開閉する。フローガイド２１の端部にはバネ２０を設置する。バネ２０はフローガイド２１が排気穴２２ａを閉塞する方向にフローガイド２１を付勢する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態はガス遮断器に関するものである。

電流遮断機能を有する開閉装置として、ガス絶縁開閉器が知られている。ガス絶縁開閉器には、その使用目的や必要とされる機能に応じて、負荷開閉器、断路器、遮断器など、様々な機器が存在する。例えば、７２ｋＶ以上の高電圧送電系統の保護用開閉器にはパッファ室を有するガス遮断器、いわゆるパッファ形ガス遮断器が広く使用されている。

パッファ室とは、パッファシリンダおよびパッファピストンからなる容積可変な空間であり、高圧のガス流を発生させるものである。一般的にガス遮断器は、通電時には固定接点部および可動接点部の接触状態を保つことで通電を行い、電流遮断時には可動接点部を固定接点部から開離させて両接点部間にアークプラズマを発生させる。このとき、パッファ室では、遮断動作の初期から中期にかけて、室内にアークプラズマの熱エネルギーを取り込み、パッファシリンダが可動接点部と連動することでパッファ室内に存在する絶縁性ガスを圧縮し、高圧のガス流を発生させる。そして、遮断動作の後半ではパッファ室は発生させたガス流をアークプラズマに吹き付け、アークプラズマを消弧する。

以上のようなガス遮断器の従来技術としては、遮断動作初期に生じた熱ガス流をパッファ室の圧縮エネルギーとして利用する方式（特許文献１）や、パッファ室を軸方向に２分割し、分割した空間のうちアークプラズマの放電領域に近い方の空間の容積を限定することで、大電流遮断時にアークプラズマへの高い吹付け圧力を獲得する方式（特許文献２）などが提案されている。

特公平７−９７４６６号公報 特公平７−１０９７４４号公報

パッファ形ガス遮断器の電流遮断過程において、高圧のガス流を吹き付けた以降は、パッファ室が高圧状態を維持することは望ましくない。なぜなら、遮断動作の終盤でもパッファ室が高圧状態だと、パッファシリンダの移動速度が遅くなり、パッファシリンダと連動する可動接点部の移動速度つまり接点部同士の開極速度が遅くなって、遮断性能が低下するからである。

このため、パッファ室は、ガス流の下流側に排気部を設けて、絶縁性ガスを吹き付けた後、排気部からパッファ室内の高圧ガスを排気するようになっている。特に大電流遮断時には、電流値が大きいほどアークプラズマの熱エネルギーが大きいので、それを取り込むパッファ室内のガス圧も大きくなる。その結果、パッファ室がガス流をアークプラズマに吹き付けた後も、パッファ室内のガス圧は下がり難い。したがって、大きな電流を遮断するガス遮断器では、ガス流をアークプラズマに吹き付けた後、パッファ室外部へ高圧ガスを多量に排気する必要があり、排気部の排気面積を大きく設定している。

しかし、中小電流遮断時のアークプラズマの熱エネルギーは、大電流遮断時のそれに比べて低いので、パッファ室内のガス圧は、大電流遮断時ほどは高くはならない。したがって、大電流遮断時に対応して排気部の排気面積を大きく設定した場合、パッファ室内のガス圧が所望の高さに達することが困難となって、アークプラズマに対するガス流の吹き付け力が弱まるおそれがある。

すなわち、中小電流遮断時にはパッファ室の排気量が大きいと、パッファ室内のガス圧が高くならず、遮断性能が低下する可能性がある。また、大電流遮断時にはパッファ室の排気量が小さいと、接点部の開極速度が遅くなって、やはり遮断性能が低下するおそれがある。そこで従来から、大電流でも中小電流でも優れた遮断性能を発揮することができるガス遮断器の開発が待たれていた。

本実施形態のガス遮断器は、このような課題を解決するためになされたものである。本実施形態のガス遮断器の目的は、遮断電流の大きさに応じてパッファ室の排気量を可変とすることで、パッファ室内の圧力と接点部の開極速度を確保して、中小電流でも大電流でも優れた遮断性能を発揮することができるガス遮断器を提供することにある。

上記目的を達成するために、本実施形態のガス遮断器は、絶縁性ガスを充填した密閉容器内に一対の接点部を対向して配置し、前記絶縁性ガスのガス流を発生させる容積可変なるパッファ室を有し、通電時には両接点部の接触状態を保つことで通電を行い、電流遮断時には両接点部を開離させて両接点部間にアークプラズマを発生させ、前記パッファ室にて発生した前記ガス流を前記アークプラズマに吹き付けて消弧するように構成されたガス遮断器において、
（１）前記ガス流を前記アークプラズマの発生空間から排気するための排気部と、
（２）前記ガス流を受けて移動するように配置し、その移動により前記排気部を開閉するフローガイドと、
（３）前記フローガイドが前記排気部を閉塞する方向に前記フローガイドに付勢力を与えるバネ、
が設けられたことを特徴とするものである。

第１の実施形態の遮断動作初期を示す断面図。 第１の実施形態の大電流遮断時の遮断動作中期を示す断面図。 第１の実施形態の中小電流遮断時の遮断動作中期を示す断面図。 第２の実施形態の遮断動作初期を示す断面図。 第２の実施形態の大電流遮断時の遮断動作中期を示す断面図。 第２の実施形態の中小電流遮断時の遮断動作中期を示す断面図。 第３の実施形態の遮断動作初期を示す断面図。 第３の実施形態の大電流遮断時の遮断動作中期を示す断面図。 第３の実施形態の中小電流遮断時の遮断動作中期を示す断面図。

（第1の実施形態）
第１の実施形態について、図１〜図３を用いて説明する。図１は遮断動作初期で開極直後の状態を示す。図２及び図３は遮断動作中期を示し、図２は大電流遮断時であり、図３は中小電流遮断時である。なお、下記の図に示した各部品は基本的に同軸円筒形状であると考えてよい。また、下記の実施形態はいずれもパッファ室を有するガス遮断器である。

（構成）
図１〜図３に示すように、ガス遮断器には、接地された金属あるいは碍子等からなる密閉容器１５が設けられている。密閉容器１５内には絶縁性ガス１６が充填されている。近年普及しているガス遮断器では絶縁性ガス１６として、六フッ化硫黄ガス（以下、ＳＦ６ガス）が用いられることが多い。ＳＦ６ガスはアークを消滅させる消弧性能ならびに電気絶縁性能に優れており、特に高電圧送電系統に用いられる電流の開閉装置に広く使用されている。

密閉容器１５内には中空の可動アーク接触子１および中実の固定アーク接触子２が対向して配置されている。可動アーク接触子１は中空の可動ロッド２２の先端に一体的に取り付けられている。可動ロッド２２には図示しない駆動装置が連結されている。可動ロッド２２は駆動装置から駆動力を受けて図面の左右方向に移動する。

可動アーク接触子１は可動ロッド２２と一体的に移動することで、固定アーク接触子２と接離動作を行う。ガス遮断器の通常運転時では可動アーク接触子１の内部に固定アーク接触子２が挿入接触して、接触子１、２は通電状態にある。また、ガス遮断器の電流遮断時には可動アーク接触子１が水平方向に移動して固定アーク接触子２から開離する。接触子１、２が開離するとき、可動アーク接触子１および固定アーク接触子２間の空間には高温のアークプラズマ１７が発生する。アークプラズマ１７が発生する空間をアーク空間と呼ぶ。

可動アーク接触子１の外側には、この可動アーク接触子１と同軸にパッファシリンダ４が配置されている。パッファシリンダ４は可動アーク接触子１と連動するようになっている。パッファシリンダ４において固定アーク接触子２と対向する端面には開口部４ａが形成されている。パッファシリンダ４の開口部４ａを取り囲むようにして絶縁ノズル３が固定されている。

絶縁ノズル３は可動アーク接触子１および固定アーク接触子２を覆うように構成されている。絶縁ノズル３およびパッファシリンダ４は可動アーク接触子１に固定されている。このため、絶縁ノズル３およびパッファシリンダ４は可動アーク接触子１と一体的に移動するようになっている。パッファシリンダ４の内面および可動アーク接触子１の外面にはパッファピストン１９が摺動自在に設置されている。図示しないがパッファピストン１９の端部は密閉容器１５の内壁面に固定されている。

これらパッファシリンダ４とパッファピストン１９とからパッファ室５が構成される。パッファ室５は、可動アーク接触子１に連動するパッファシリンダ４の移動によって室内の容積が可変であり、通電動作時には容積が増大し、電流遮断時には容積が減少するようになっている。パッファ室５は、容積が増大するとき、アーク空間からパッファシリンダ４の開口部４ａを抜けて室内に流れ込む絶縁性ガス１６のガス流１２ａを発生させる（図１に図示）。

また、パッファ室５は、容積が減少するとき、内部に存在する絶縁性ガス１６を圧縮してパッファシリンダ４の開口部４ａからアーク空間へ流れ出る絶縁性ガス１６のガス流１２ｃを発生させる（図２、図３に図示）。パッファ室５から流れ出たガス流１２ｃは、アーク空間を通過して、ガス流１２ｂ、１２ｄに分かれる。

一方のガス流１２ｄは、アーク空間から固定アーク接触子２と絶縁ノズル３との間を抜けて密閉容器１５内の空間へ放散する。もう一方のガス流１２ｂは、アーク空間から可動アーク接触子１の先端部を抜けて可動ロッド２２内部に入り込み、可動ロッド２２内部を流れる。可動ロッド２２の中央部にはガス流１２ｂの排気部として排気穴２２ａが開口されている。つまり排気穴２２ａはパッファ室５から流れ出るガス流１２ｃの下流側に位置している。排気穴２２ａは可動ロッド２２の内部とパッファピストン１９の背面側の空間とを連通させる。

可動ロッド２２内の図中左端部にはバネ２０が固定されている。バネ２０の自由端部（図中の右端部）にはフローガイド２１が設置されている。フローガイド２１はバネ２０の弾性力を受けて固定アーク接触子２側の方向つまり図中の右方向に付勢される。フローガイド２１は可動ロッド２２の内壁面に摺動自在に配置されている。

フローガイド２１の右端部はアーク空間から可動ロッド２２内に流れ込んだガス流１２ｂを受けるようになっている。また、フローガイド２１は可動ロッド２２の排気穴２２ａを内側から閉塞可能であり、フローガイド２１が左右方向に移動することによって排気穴２２ａを開閉するようになっている。排気穴２２ａの排気面積はフローガイド２１の移動量によるが、フローガイド２１の移動量はガス流１２ｂのガス圧およびガス流量とバネ２０の付勢力とのバランスによって決まる。

すなわち、ガス流１２ｂのガス圧およびガス流量が大きければ、フローガイド２１はガス流１２ｂに強く押されてバネ２０の付勢力に抗して大きく移動し、排気部２２ａを広く開放する。また、ガス流１２ｂのガス圧およびガス流量が小さければ、フローガイド２１を押し込むガス流１２ｂの力は弱くなる。したがって、バネ２０の付勢力を受けてフローガイド２１の移動量は短くなり、排気部２２ａの排気面積は小さくなる。

（遮断動作）
以上の構成を有するガス遮断器の遮断過程について説明する。ガス遮断器が遮断動作を開始すると、可動ロッド２２は図示しない駆動装置からの駆動力を受けて図１〜図３の左方向に移動する。可動ロッド２２に連動して可動アーク接触子１が固定アーク接触子２から離れる方向に移動する。図１〜図３中の点線矢印１３が電流遮断時の可動ロッド２２およびパッファシリンダ４の移動方向である。

遮断動作初期の時点では可動アーク接触子１と固定アーク接触子２とが開極した直後、固定アーク接触子２と可動アーク接触子１の間にアークプラズマ１７が発生する。アークプラズマ１７の熱エネルギーによって高熱のガス流１２ａが発生する（図１に図示）。ガス流１２ａはアークプラズマ１７が発生したアーク空間からパッファシリンダ４の開口部４ａを通ってパッファ室５内部に流れ込む。

ガス遮断器の遮断動作が進むにつれて、パッファ室５内部の容積が減って室内の絶縁性ガス１６を圧縮する。このような機械的な圧縮に加えて、開口部４ａからガス流１２ａが流入することで、パッファ室５内の絶縁性ガス１６はガス圧が急速に上昇する。そして、電流零点に近づくとき、パッファ室５内の絶縁性ガス１６は高圧のガス流１２ｃとなって開口部４ａからアーク空間へと流れ出る。ガス流１２ｃは絶縁ノズル３と可動アーク接触子１との間を通過してアークプラズマ１７へ高速に吹き付けられる。アークプラズマ１７はガス流１２ｃが吹き付けられることにより消滅し、電流を遮断する。

アークプラズマ１７に吹付けられたガス流１２ｃはアークプラズマ１７により高温となった後、ガス流１２ｂ、１２ｄに分かれてアーク空間から排気される。このうち、ガス流１２ｄは固定アーク接触子２と絶縁ノズル３との間を抜けて密閉容器１５内の空間へ放散する。一方、ガス流１２ｂは可動アーク接触子１の先端部から可動ロッド２２内部に流れ込み、可動ロッド２２の排気穴２２ａを抜け、パッファピストン１９の背面側へと流れていき、最終的には密閉容器１５内の空間へ放散する。

（作用効果）
第１の実施形態の作用効果は次の通りである。ガス遮断器が遮断動作を行うと、フローガイド２１は遮断動作による慣性力と排気されるガス流１２ｂを受けて、バネ２０の縮む向きに移動する。このとき、フローガイド２１の外周部が排気穴２２ａからずれて、排気穴２２ａを開放する。アークプラズマ１７へ吹き付けられるガス流１２ｃのガス圧や流量は、パッファシリンダ４の移動速度が同一であれば遮断電流値に依存し、アーク空間から排気されるガス流１２ｂ、１２ｄのガス圧や流量はガス流１２ｃのガス圧力や流量に比例する。

したがって、遮断電流値が大きければガス流１２ｂのガス圧や流量は大きくなり、反対に、遮断電流値が小さいとガス流１２ｂのガス圧や流量は小さくなる。すなわち、ガス流１２ｂのガス圧や流量は大電流遮断時の方が中小電流遮断時よりも大きくなる。このため、フローガイド２１の移動量は大電流遮断時の方が中小電流遮断時よりも長くなる。したがって、フローガイド２１の移動による排気穴２２ａの排気面積は大電流遮断時の方が中小電流遮断時よりも大きくなる。

つまり、図２に示すように、大電流を遮断する場合には、フローガイド２１が長く移動して排気部２２ａを大きく開放して、ここから多量のガス流１２ｂを排気する。したがって、パッファ室５からガス流１２ｃをアークプラズマ１７へ吹き付けてこれを消弧した後、可動ロッド２２内を流れるガス流１２ｂを、排気穴２２ａから排気することができる。その結果、固定アーク接触子２から可動アーク接触子１をスムーズに開離させることができ、両接触子１、２を速やかに開極させて、優れた遮断性能を発揮することができる。

また、図３に示すように、中小電流を遮断する場合は、ガス流１２ｂのガス圧および流量が小さいのでフローガイド２１はバネ２０を強く押すことなく、排気穴２２ａを半分程度開放するにとどまり、ガス流１２ｂの排気量を抑えることができる。したがって、パッファ室５内に取り込むアークプラズマ１７の熱エネルギーが低いことでパッファ室５の圧力が高まるまでに時間がかかったとしても、パッファ室５の排気量が小さいので、パッファ室５内のガス圧を高圧に保つことが可能である。その結果、中小電流遮断時でアークプラズマ１７の熱エネルギーが低くても、パッファ室５からアークプラズマ１７へのガス流１２ｃの吹き付け力を確保することができ、優れた遮断性能を発揮することができる。

以上の第１の実施形態によれば、遮断電流の大きさに応じて排気穴２２ａの排気面積を変えることでパッファ室５の排気量を調整可能である。したがって、大電流遮断時には、排気穴２２ａの排気量を大きくしてアーク接触子１、２の開極速度を確保して、優れた遮断性能を維持することができる。また、中小電流遮断時には、排気穴２２ａの排気量を小さくしてパッファ室５からの吹き付け力を確保して、遮断性能を発揮することができる。このような第１の実施形態では、遮断電流の大きさに左右されることなく、広範囲の遮断電流を安定して遮断することが可能であり、信頼性の向上に寄与することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について、図４〜図６を用いて説明する。図４は遮断動作初期で開極直後の状態を示す。図５及び図６は遮断動作中期を示し、図５は大電流遮断時であり、図６は中小電流遮断時である。なお、第１の実施形態と同一の部材に関しては同一符号を付して説明は省略する。

（構成）
第２実施形態では、図４〜図６に示すように、パッファピストン１９において可動アーク接触子１の外面に接する部分を軸方向に伸ばして、閉塞板２３が一体的に設けられる。閉塞板２３は遮断動作初期の段階で、可動ロッド２２の排気穴２２ａを外側から閉塞するように構成されている。

（作用効果）
フローガイド２１は可動ロッド２２の内周面に図中の左右方向に摺動するため、設計上や組立上の誤差などを要因として、フローガイド２１の側縁部と可動ロッド２２の内周面との間に隙間が生じることがある。そこで、第２の実施形態では、パッファピストン１９に一体的に閉塞板２３を設けることにより、遮断動作初期の段階では可動ロッド２２の排気穴２２ａを閉塞して、フローガイド２１の側縁部と可動ロッド２２の内周面との間に隙間が生じることが防ぐことができる。このため、遮断動作初期の段階で、排気穴２２ａからガス流１２ｂがリークすることがない。したがって、パッファ室５からアーク空間へ流出するガス流１２ｃの力が弱まることがなく、アークプラズマ１７を確実に消弧することができる。

なお、遮断動作の中期以降は、パッファシリンダ４の移動により閉塞板２３は排気穴２２ａから外れる。そのため、大電流遮断時にせよ中小電流遮断時にせよ、閉塞板２３が排気穴２２ａからのガス流１２ｂの排気を阻害することがなく、適切な開口面積で排気穴２２ａが開いて、適量の排気量を確保することができる。このような第２の実施形態では、上記第１の実施形態と同様の作用効果を得ることに加えて、前段で述べたように遮断動作初期におけるガス流１２ｂのリークを防止して遮断性能をいっそう高めることができるといった作用効果が得ることができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態について、図７〜図９を用いて説明する。図７は遮断動作初期で開極直後の状態を示す。図８及び図９は遮断動作中期を示し、図８は大電流遮断時であり、図９は中小電流遮断時である。なお、第１及び第２の実施形態と同一の部材に関しては同一符号を付して説明は省略する。

（構成）
第３実施形態では、図７〜図９に示すように、フローガイド２１の先端部には、直方体状に切り欠かれた凹部２４が形成されている。

（作用効果）
第３の実施形態は、第１の実施形態の持つ作用効果に加えて、次のような独自の作用効果を持つ。すなわち、第３の実施形態においては、フローガイド２１の先端部中央に凹部２４を形成したので、ガス流１２ｂを受け取り易い。このため、ガス流１２ｂが発生する遮断動作の中期以降、バネ２０の圧縮効果を高めることが可能となる。

したがって、大電流遮断時にバネ２０の圧縮量を大きくすることができ、大電流遮断時と中小電流遮断時とで、フローガイド２１の移動量の差を大きくすることができる。これにより、大電流遮断時であれば、排気穴２２ａの排気面積が大きくなり排気量が増大して、接触子１、２同士をスムーズに開極させることができる。また、中小電流遮断時であれば、排気穴２２ａの排気面積が小さく排気量が減少して、パッファ室５からのガス流１２ｃの吹き付け力の低下を防ぐことができる。このような第３の実施形態によれば、広範囲の遮断電流をより安定して遮断することができるといった独自の作用効果を得ることができる。

（他の実施形態）
なお、上記の実施形態は、本明細書において一例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図するものではない。すなわち、バネやフローガイド、さらには排気部たる排気穴などの形状や材質、配置箇所や配置数などは適宜変更可能であって、様々な形態で実施可能である。例えば、フローガイドに形成される凹部の形状としては、可動ロッド内を流れるガス流が当たる面積を大きくすれば良いので、直方体状に限らず半円状に凹んでいてもよく、その数も複数としてフローガイドの表面全体に均一に設けるようにしてもよい。

また、排気部およびそれを開閉するフローガイドの配置箇所についても、可動アーク接触子を含む可動接点部に限定されるものではなく、固定接点側に設けるようにしてもよい。さらに発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うこともできる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…可動アーク接触子
２…固定アーク接触子
３…絶縁ノズル
４…パッファシリンダ
５…パッファ室
１２ａ…アーク空間からパッファ室へ向かうガス流
１２ｂ、１２ｄ…排気されるガス流
１２ｃ…パッファ室からアーク空間へ吹き付けられるガス流
１３…電流遮断時の可動ロッドおよびパッファシリンダの移動方向
１５…密閉容器
１６…絶縁性ガス
１７…アークプラズマ
１９…パッファピストン
２０…バネ
２１…フローガイド
２２…可動ロッド
２３…閉塞板
２４…凹部

Claims (3)

1. 絶縁性ガスを充填した密閉容器内に一対の接点部を対向して配置し、前記絶縁性ガスのガス流を発生させる容積可変なるパッファ室を有し、通電時には両接点部の接触状態を保つことで通電を行い、電流遮断時には両接点部を開離させて両接点部間にアークプラズマを発生させ、前記パッファ室にて発生した前記ガス流を前記アークプラズマに吹き付けて消弧するように構成されたガス遮断器において、
   前記ガス流を前記アークプラズマの発生空間から排気するための排気部と、
   前記ガス流を受けて移動するように配置し、その移動により前記排気部を開閉するフローガイドと、
   前記フローガイドが前記排気穴を閉塞する方向に前記フローガイドに付勢力を与えるバネ、が設けられたことを特徴とするガス遮断器。
2. 電流遮断時の初期に前記排気部を閉じる閉塞板が設けられたことを特徴とする請求項１に記載のガス遮断器。
3. 前記フローガイドにおいて前記ガス流を受ける部分に凹部が形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載のガス遮断器。

Images