JP2014022342A - 開閉器 - Google Patents

Abstract

【課題】
電極表面の荒れを防止し、信頼性が高い開閉器を提供することを目的とする。
【解決手段】
上記の課題を解決するために、固定電極、及び、該固定電極と対向して配置されると共に固定電極に対して閉極または開極される可動電極、を各々備える複数の開閉部２、３を備え、複数の開閉部２、３は、開閉器に流れる電流の投入及び遮断を行い、複数の開閉部２、３は電気的に直列に接続されており、 更に複数の開閉部２、３は、一の開閉部３が閉極された後に、他の開閉部２が閉極される様に形成されることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、開閉器に関するものであり、特に複数の開閉部を直列に配置するものに関する。

新幹線などの高速鉄道では大電力を得るために交流電化方式を採用している。各変電所から電力を供給するため、異電源を区分するためのセクションが存在する。具体的な構成を図１１に示す。２つの電源Ｇ１、Ｇ２を区分するために中セクション１００が随所に配置される。中セクション１００の長さは約１ｋｍに設定されている。列車１０１が中セクション１００を通過する場合、先ず、区分開閉器ＶＳ１をＯＮして中セクション１００を充電しておく。列車１０１が中セクション１００を通過中に、区分開閉器ＶＳ１をＯＦＦ、区分開閉器ＶＳ２をＯＮして中セクション１００の充電電源をＧ１からＧ２に切り替える。この間の無電時間は０．０５〜０．３秒程度に抑制され、列車１０１は惰行することなく、高速状態を維持したまま中セクション１００を通過できる。なお、列車１０１が中セクション１００を通過した後、区分開閉器ＶＳ２をＯＦＦする。
ここで、上記の様な高速鉄道向けの開閉器とは異なるが、従来の開閉器として例えば特許文献１に記載されたものがある。該特許文献には、直流電源と負荷となるリアクトルに対して、複数の通電用の真空遮断器と、これらと並列に配置された遮断用の真空遮断器を有し、当該遮断用の真空遮断器は各々直列配置となる様に配置されている直流電流遮断用の直流遮断器が記載されている。該特許文献では、通電用の真空遮断器と遮断用の真空遮断器を分離して設けており、遮断用の真空遮断器は通電時には開極されており、通電用の真空遮断器を閉極して通電している。一方、遮断時には、遮断用の真空遮断器を投入し、その後通電用の真空遮断器を開極して遮断用の真空遮断器に転流させた後、直列に配置された遮断用の真空遮断器を順次開路し、該遮断用の真空遮断器と並列に設けられる抵抗とリアクトルの直列回路による所定の時定数に従う減衰を用いて、直流電流を最終的に零にする様にしている。

特開平５−８１９７３号公報

区分開閉器ＶＳ１、ＶＳ２に対し、上述の使用方法を行う場合、下記の問題がある。区分開閉器ＶＳ２は列車１０１が通過中にＯＮして負荷電流を投入する。一方、ＯＦＦする際には列車１０１は既に中セクション１００を通過しており、無負荷状態にてＯＦＦする。負荷電流の投入を繰り返すと先行放電によって開閉器内の電極表面が荒れた状態になる。負荷電流を遮断すれば、遮断時のアークによって電極表面が平滑化されるが、ＶＳ２の場合には負荷投入-無負荷遮断を繰り返すため、電極表面の荒れは徐々に進展し、耐電圧が低下する恐れがある。区分開閉器ＶＳ２の極間が閃絡すると、電源Ｇ１と電源Ｇ２が短絡し、重大事故となって列車の運行を妨げる。
一方、上記特許文献１によれば、そもそも電極表面の荒れを考慮していない。
そこで、本発明では電極表面の荒れを防止し、信頼性が高い開閉器を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る開閉器では、固定電極、及び、該固定電極と対向して配置されると共に前記固定電極に対して閉極または開極される可動電極、を各々備える複数の開閉部を備え、該複数の開閉部は、開閉器に流れる電流の投入及び遮断を行い、前記複数の開閉部は電気的に直列に接続されており、更に前記複数の開閉部は、一の開閉部が閉極された後に、他の開閉部が閉極される様に形成されることを特徴とする。

本発明によれば、電極表面の荒れを防止し、信頼性が高い開閉器を提供することが可能になる。

実施例１に係る開閉器の背面図である。 実施例１に係る開閉器の側断面図である。 実施例１に係る開閉器における操作部の全体構造図である。 実施例１に係る開閉器における操作部の電磁石の断面図である。 実施例１に係る開閉器における２つの電磁石を駆動するための制御回路図である。 実施例１に係る開閉器における２つの真空バルブの動作タイミングの説明図である。 実施例２に係る開閉器の背面図である。 実施例２に係る開閉器の操作部の全体構造図である。 実施例２に係る開閉器の投入時のストローク特性を示す図である。 実施例３に係る開閉器の側断面図である。 区分開閉器の役割を説明するための図である。

以下、本発明を実施する上で好適となる実施例について図面を用いて説明する。尚、下記はあくまでも実施の例に過ぎず、発明の内容が下記具体的態様に限定されるものではない。本発明は、下記態様を含めて種々の態様に変形することが無論可能である。

実施例１に係る開閉器について図１ないし図６を用いて説明する。図１及び図２に示す様に、開閉器１は内部が真空の真空バルブ２、３と電磁石を有する操作器部を備えている（実施例中では、真空バルブ２と遮断用真空バルブ２、真空バルブ３と断路用真空バルブ３をそれぞれ等価なものとして呼ぶ）。
真空バルブ２、３の内部には固定電極と、固定電極と対向して配置されると共に固定電極に対して閉極または開極される可動電極の両電極からなる電極対４、５が収納されており、真空状態を維持したまま電極対４、５を開極または閉極（接離）することによって、回路の投入および遮断を実現する。遮断用真空バルブ２が電流の遮断機能を有し、断路用真空バルブ３が耐サージ機能を有する。真空バルブ２、３の上部には電源または負荷と接続するための導体６、７がそれぞれ固定されている。一方、真空バルブ２、３の下部は、可動側の電極に接続されると共に真空バルブ２、３を貫通して配置される可動導体８、９が、真空バルブの外部まで延びており、集電子１０、１１とそれぞれ電気的に接続される。集電子１０、１１は導体１２、１３に固定されており、また該導体１２、１３は連結導体１４にて接続される。すなわち、遮断用真空バルブ２と断路用真空バルブ３は連結導体１４を介して直列に接続されている。可動導体８は絶縁操作ロッド４６に連結され、該絶縁操作ロッド４６は、該絶縁操作ロッド４６及びシャフト４０に連結される接圧ばね４２に連結されている。一方、可動導体９は絶縁操作ロッド４７に連結され、該絶縁操作ロッド４７は、該絶縁操作ロッド４７及びシャフト４１に連結される接圧ばね４３に連結されている。そして、シャフト４１は電磁石２２に接続されている。
また、遮断用真空バルブ２と断路用真空バルブ３は、それぞれ周囲を絶縁物１５、１６に覆われており、該絶縁物１５、１６を介して、電磁石側の筐体１７に固定しており、高電圧に対する絶縁性能を確保している。
次に、遮断用真空バルブ２と断路用真空バルブ３の操作部について説明する。遮断用真空バルブ２と断路用真空バルブ３には、それぞれ個別の電磁石２１、２２が連結されている。図３に示す様に、筺体１７の内部では、その下部に電磁石２２が収納され、支持板４８を介して上部には、コンデンサ５０、５１及び制御基板５２が収納されている。コンデンサ５０、５１は各々が並列に制御基板５２に接続され、制御基板５２を介して電磁石２１、２２に接続される。電磁石２１の下部には遮断ばね４４が配置されており、該遮断ばね４４は後述する非磁性体ロッド３４の位置によって、蓄勢または開放される。同様に電磁石２２の下部にも遮断ばね４５が配置されており、該遮断ばね４５は電磁石２２が備える非磁性体ロッド３４の位置によって、蓄勢または開放される。
電磁石２１、２２の断面図を図４に示す。本実施例では電磁石２１、２２として同じものを使用しており、同様の構成となるため、纏めて説明する。電磁石２１、２２は、下部鉄板２３と、下部鉄板２３の外径側端部に当接しつつ、該下部鉄板２３の上方に設けられ、後述するコイル２９の外側を覆う様に配置される筒状の鋼管２４と、鋼管２４の上側に当接して鋼管２４及びコイル２９の上方に配置される永久磁石台２５と、永久磁石台２５外径側端部の上方に設けられる筒状の鋼管２６と、鋼管２６の上側に設けられ、鋼管２６に対する蓋状部材となる上部鉄板２７を積み重ねて構成し、内部には、鋼管２４の内径側に配置されるコイル２９と、コイル２９の更に内径側であって、下部平板２３の上側に配置される中央脚２８と、該中央脚２８の上側に配置されるＴ字型の可動鉄心３１と、前記永久磁石台２５の上側に配置される永久磁石３０が収納されている。Ｔ字型の可動鉄心３１は、中央脚２８の上方に配置されるプランジャ３２と、プランジャ３２の更に上側に配置される可動平板３３で構成され、永久磁石３０は、可動平板３３と永久磁石台２５により、上下から挟まれる様になっている。そして、可動鉄心３１及び中央脚２８の中心にはステンレスなどの非磁性体のロッド３４が高さ方向に貫通している。同ロッド３４は、電磁石２１、２２の下部側における外部でシャフト４０、４１にそれぞれ連結される。
図４では接点対が投入状態にある際の電磁石２１、２２の状態を示す。永久磁石３０が発生する磁束が、永久磁石３０―可動平板３３−プランジャ３２−中央脚２８−下部鉄板２３−鋼管２４−永久磁石台２５−永久磁石３０の経路で流れており、プランジャ３２−中央脚２８間および可動平板３３−永久磁石３０間に吸引力を発生させる。本図に示す状態は電磁石２１、２２が投入された状態を示しており、電極に接触力を与えるための接圧ばね４２、４３（図１記載）と電磁石２１、２２を開極させるための遮断ばね４４、４５（図３記載）が蓄勢された状態となっており、永久磁石３０の吸引力にてこの状態を保持している。
電磁石２１、２２の動作について説明すると、電磁石２１、２２を投入動作させる場合には、永久磁石３０の発生する磁束と同方向になるようにコイル２９を励磁する。一方、開極させる場合には、投入時とは逆方向に励磁し、永久磁石３０の作る磁束をキャンセルして、接圧ばね４２、４３および遮断ばね４４、４５の力にて動作させる。
ここで、コイル２９の励磁にはコンデンサ５０、５１の充電エネルギーを利用する。制御基板５２の回路構成を図５に示す。コンデンサ５０、５１は、ダイオード６６を介して充電回路６１に対して並列に接続しておき、各々が他方に対して独立して放電できるようにしておく。コンデンサ５０、５１は、投入時、開極時の励磁方向を変換するための回路６２、６３を介して、コイル２９に接続される。各コンデンサ５０、５１と回路６２、６３の間には、主スイッチ６４、６５が設けられており、主スイッチ６４を閉じると、コンデンサ５１、回路６２、電磁石２１のコイル２９は閉回路を形成し、コンデンサ５１は放電を開始するが、コンデンサ５０はダイオード６６が設けられているために、放電しない。逆に、主スイッチ６５を閉じると、コンデンサ５０、回路６３、電磁石２２のコイル２９は閉回路を形成し、コンデンサ５０は放電を開始するが、コンデンサ５１はダイオード６６が設けられているために、放電しない。この様に主スイッチ６４、６５の開閉切り替えを通じて、各電磁石２１、２２のそれぞれのコイル２９に、コンデンサ充電エネルギーを放電するタイミング、即ち遮断用真空バルブ２と断路用真空バルブ３の開閉タイミングを制御することが出来る。
具体的には図６の様にタイミングを設定する。即ち、投入（ＯＮ）時には、断路用真空バルブ３を遮断用真空バルブ２よりも先に投入（閉極）し、遮断用真空バルブ２を後に投入する。両真空バルブ内の接点対は直列に配置されているので、実際に電源と負荷が接続されるのは、後に投入される遮断用真空バルブ２の投入時である。一方、遮断（ＯＦＦ）時には、遮断用真空バルブ２が開極動作を開始した後に、断路用真空バルブ３が開極動作を開始する様にする。
次に、本発明の効果について説明する。図１１に示す区分開閉器ＶＳ１、ＶＳ２には、一般に真空スイッチが用いられるが、上述の使用方法の場合、ＶＳ２については負荷投入-無負荷遮断を繰り返すため、電極表面の荒れは徐々に進展し、耐電圧が低下する恐れがあった。これに対し、本実施例に係る開閉器１によれば、断路用真空バルブ３は常に無負荷状態にて投入・遮断することになり、電極表面の荒れは遮断用真空バルブ２だけに限定され、断路用真空バルブ３の絶縁性能については初期の状態を維持できる。尚、遮断用真空バルブ２の電極対には、特願２０１２−０５９６３２に示す様に、接触面に低サージ材料であるＡｇ−Ｗ−Ｃ系材料を配置することで遮断性能を向上させることが可能になり、電極表面の荒れが生じる箇所を特定（集約）した上で、当該箇所に電極表面の荒れが生じにくい材料を配置するのがより好ましい。区分開閉器における極間閃絡は異電源を短絡させる重大事故となるため、本実施例で説明する開閉器によって絶縁信頼性を向上させることの意義は大きい。なお、電極表面の荒れについては、特に負荷投入の影響が大きいため、開極動作については断路器が先に開極を開始し、遮断器が最後に開極を開始する様なタイミングとせずに、投入動作時のみ動作タイミングをずらしてもよい。
また、投入動作における断路用真空バルブ３の先行放電を回避するためには、動作時間を１０ｍｓ以上ずらして直列接続されている遮断用真空バルブ２の極間距離を十分確保していることが望ましい。ここで、１０ｍｓ以上としたのは５０Ｈｚの半サイクルの時間を少なくとも一度経過することを指し、係る期間を経過することで電圧ピークを少なくとも一度超えることになる。一般化する上では交流周波数の半サイクル以上、即ち交流周波数Ｘ［Ｈｚ］の電源に対して、動作時間を（１×１０³）／（２×Ｘ）［ｍｓ］以上ずらせば良い。一方、遮断に対しては、遮断時にアークが１サイクル点弧していることを想定すると、断路用真空バルブ３は遮断用真空バルブ２よりも２０ｍｓ以上遅れて開極するのが望ましい。ここで、２０ｍｓ以上としたのは５０Ｈｚの一サイクルの時間を少なくとも一度経過することを指し、係る期間を経過することで電圧の零点を通過し、交流電流を遮断し得ると考えられるためである。一般化する上では交流周波数の一サイクル以上、即ち交流周波数Ｘ［Ｈｚ］の電源に対して、動作時間を（１×１０³）／Ｘ［ｍｓ］以上ずらせば良い。
また、本実施例では電磁石２１、２２を操作部に用いた場合を説明しているが、１）投入（閉極）時において、断路用真空バルブ３を遮断用真空バルブ２よりも先に投入（閉極）し、遮断用真空バルブ２を後に投入することや、２）開極時については断路用真空バルブ３が先に開極を開始し、遮断用真空バルブ２が最後に開極を開始すること、の一方または両方を実現することは、電磁石に限られるものではなく、電動ばね操作部や空気操作などでも、同様の効果を達成できるのは勿論のことである。
本実施例によれば、複数の開閉部が電気的に直列に接続されており、更に該複数の開閉部について、一の開閉部となる断路用真空バルブ３が閉極された後に、他の開閉部となる遮断用真空バルブ２が閉極される様に形成したので、一方の真空バルブ（上記の動作においては断路用真空バルブ３）は、常に無負荷状態で投入するため、電極表面の荒れを防止し、絶縁性能を損なうことなく、信頼性の高い開閉器を供給できる。

実施例２について図７ないし図９を用いて説明する。本実施例においては、遮断用真空バルブ２と断路用真空バルブ３を、共通のシャフト６０と共通の電磁石６１を用いて駆動している。尚、電磁石６１が一つになったに伴い、コンデンサ７０も一種類としている。図示していないが、コンデンサ７０が一種類となったに伴い、制御基板５２における回路構成も二重回路からダイオードや主スイッチを一種類に減らし、一重の回路と出来る。また電磁石は一種類となったため、シャフト６０が傾かない様に筺体１７の中央に配置している。それ以外の構成については、実施例１と同様であり、ここでの重複説明は省略する。
図９に投入動作時のストローク特性を示す。本実施例における開閉器５５では、電磁石６１のストローク長（正確には、シャフト６０における回転軸からのレバーの長さ比によって、真空バルブ側での移動距離に換算した値）ＳＭＡＧは、真空バルブ２の極間距離Ｓ１と接圧ばねの圧縮量Ｗ１の和、及び真空バルブ３の極間距離Ｓ２と接圧ばねの圧縮量Ｗ２の和に等しい。
即ち、断路用真空バルブ３の開極状態における極間距離（開閉部における可動電極及び固定電極の間の距離）を遮断用真空バルブ２の開極状態における極間距離よりも短く設定しておけば、断路用真空バルブ３の方が先に投入することになり、実施例１で説明したものと同様の効果を奏することが可能である。
本実施例によれば、更に電磁石やコンデンサ等の部品点数を減らすことができ、また制御回路も簡素化することができ、簡易な構成で実現することが出来る。

実施例３について、図１０を用いて説明する。本実施例では実施例２で説明したものについて遮断用真空バルブ２と断路用真空バルブ３を高さ方向に配置したもので、設置面積の縮小化を狙ったものである。図１０は一見すると実施例１における図２と同様に見えるが、正面方向または背面方向から見ると、電磁石７０が一つで済み、かつ遮断用真空バルブ２及び断路用真空バルブ３の水平方向における占有面積は、一つ分であるため（高さ方向に両真空バルブを積み上げているため）、実際には約半分の占有面積となる。
この場合、上下方向に駆動するロッド７５の力を水平方向に代えるべく、操作部側リンク部７２をロッド７５に接続させ、操作部側リンク部７２に水平方向に動作するシャフト７１を接続し、シャフト７１における真空バルブ側には、シャフト７１を挟んで上下に枝分かれした開閉部側リンク部７４を設けている。開閉部側リンク部７４のシャフト７１とは他端側は、両真空バルブの可動導体に接続されている。
また、リンク部等の動力伝達機構については、ここで記載した態様に限られるものではなく、高さ方向に複数の開閉部を配置し、上記したいずれかのタイミングで開閉部を操作出来れば、実施例１及び２で説明した効果を得つつ、設置面積を縮小化出来る。
係るタイミングの実現策として、具体的には、実施例２と同様に、開極状態における断路用真空バルブ３の極間距離を、開極状態における遮断用真空バルブ２の極間距離よりも短く設定することが考えられ、これにより断路用真空バルブ３の方が先に投入することになり、実施例１と同様の効果が得られる。
尚、実施例１のみならず、実施例２及び本実施例についても、操作部には電磁石を設けなければならない訳ではないことは勿論である。
また、上記各実施例では開閉部に真空バルブを使用しているが、必ずしも真空バルブでなければならない訳ではない。真空バルブとすることで、小型かつ高信頼性の装置とすることが可能になる。

１ 開閉器
２ 遮断用真空バルブ
３ 断路用真空バルブ
２１、２２ 電磁石
４１ シャフト
４２、４３ 接圧ばね
４４、４５ 遮断ばね
５０、５１ コンデンサ
５２ 制御基板
６４、６５ 主スイッチ
ＳＭＡＧ 電磁石ストローク
Ｓ１、Ｓ２ 真空バルブの極間距離
Ｗ１、Ｗ２ 接圧ばねの圧縮量

Claims (10)

1. 固定電極、及び、該固定電極と対向して配置されると共に前記固定電極に対して閉極または開極される可動電極、を各々備える複数の開閉部を備え、
   該複数の開閉部は、開閉器に流れる電流の投入及び遮断を行い、
   前記複数の開閉部は電気的に直列に接続されており、
   更に前記複数の開閉部は、一の開閉部が閉極された後に、他の開閉部が閉極される様に形成されることを特徴とする開閉器。
2. 請求項１に記載の開閉器であって、
   更に前記複数の開閉部は、前記他の開閉部が開極動作を開始した後に、前記一の開閉部が開極動作を開始する様に形成されることを特徴とする開閉器。
3. 請求項２に記載の開閉器であって、
   前記複数の開閉部は、前記他の開閉部が開極動作を開始した後に、該開閉器に付加される交流周波数の一サイクル以上の時間経過後に前記一の開閉部が開極動作を開始する様に形成されることを特徴とする開閉器。
4. 請求項１ないし３のいずれか一つに記載の開閉器であって、
   更に前記可動電極を操作する操作部を備えており、
   前記複数の開閉部は、前記操作部から生じる駆動力により、
   前記一の開閉部が閉極された後に、前記他の開閉部が閉極されるか、または、
   前記他の開閉部が開極動作を開始した後に、前記一の開閉部が開極動作を開始することを特徴とする開閉器。
5. 請求項４に記載の開閉器であって、
   前記操作部には前記可動電極を操作するための駆動力を生じさせる電磁石が備えてあり、
   前記複数の開閉部における前記可動電極は、前記電磁石から生じる駆動力により動作され、
   更に、前記電磁石が備える可動子と、
   電気エネルギを充電し、該充電したエネルギを放電することで前記可動子を操作させるコンデンサとを備え、
   前記電磁石は前記複数の開閉部毎に設けられ、前記電磁石と前記コンデンサの間には各々スイッチが設けられ、
   前記一の開閉部における前記可動電極を操作するための駆動力を生じさせる電磁石と前記コンデンサの間に設けられる前記スイッチがＯＮされた後に、前記他の開閉部における前記可動電極を操作するための駆動力を生じさせる電磁石と前記コンデンサの間に設けられる前記スイッチがＯＮされることで、前記一の開閉部が閉極された後に、前記他の開閉部が閉極される、または、
   前記他の開閉部における前記可動電極を操作するための駆動力を生じさせる電磁石と前記コンデンサの間に設けられる前記スイッチがＯＮされた後に、前記一の開閉部における前記可動電極を操作するための駆動力を生じさせる電磁石と前記コンデンサの間に設けられる前記スイッチがＯＮされることで、前記他の開閉部が開極動作を開始した後に、前記一の開閉部が開極動作を開始する様に形成されることを特徴とする開閉器。
6. 請求項４に記載の開閉器であって、
   前記操作部は一つであり、かつ前記操作部は操作力を前記可動電極側に伝達する可動部を有しており、
   更に前記開閉器は、前記可動部の動作に伴い、伸縮する第１のばね及び第２のばねを備え、
   該第１のばねは、前記一の開閉部における前記可動電極に前記操作部からの駆動力を伝達し、
   前記第２のばねは、前記他の開閉部における前記可動電極に前記操作部からの駆動力を伝達し、
   開極状態における前記一の開閉部における前記可動電極及び前記固定電極の間の距離は、開極状態における前記他の開閉部における前記可動電極及び前記固定電極の間の距離よりも小さいことを特徴とする開閉器。
7. 請求項６に記載の開閉器であって、
   前記一の開閉部、及び前記他の開閉部は高さ方向に並べて配置されていることを特徴とする開閉器。
8. 請求項１ないし７のいずれか一つに記載の開閉器であって、
   前記一の開閉部が閉極された後に、該開閉器に付加される交流周波数の半サイクル以上の時間経過後に前記他の開閉部が閉極される様に形成されることを特徴とする開閉器。
9. 請求項１ないし８のいずれか一つに記載の開閉器であって、
   前記一の開閉部は耐サージ機能を有する断路部であり、
   前記他の開閉部は電流の遮断機能を有する遮断部であることを特徴とする開閉器。
10. 請求項１ないし９のいずれか一つに記載の開閉器であって、
    前記複数の開閉部は、内部が真空の真空バルブ内に前記固定電極及び前記可動電極を収納していることを特徴とする開閉器。