JP2014026854A - 真空開閉器及びそれを用いたスイッチギヤ - Google Patents

Abstract

【課題】
高電圧仕様に対応可能であることは勿論、アークシールドと電界緩和シールドを起点とした沿面放電を抑制し、絶縁耐力を十分に確保でき、信頼性の高いこと。
【解決手段】
本発明の真空開閉器は、上記課題を解決するために、固定電極と可動電極が収納される絶縁筒と、該絶縁筒内に固定電極と可動電極とを覆うように設けられたアークシールドと、前記絶縁筒の端部に接合された端板と、該端板の内側に接合された電界緩和シールドと、前記絶縁筒及び前記電界緩和シールドを外被する固体絶縁物とを備え、前記電界緩和シールドが前記アークシールドの径方向に対して外側に配置され、かつ、前記アークシールドの先端がストレートに形成されると共に、そのストレート部の先端は、前記アークシールド内側の曲率半径よりも外側の曲率半径が大きい曲面を有していることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は真空開閉器及びそれを用いたスイッチギヤに係り、特に、アークシールドと電界緩和シールドを備え、高電圧回路の電流を遮断するものに好適な真空開閉器及びそれを用いたスイッチギヤに関する。

一般に母線からの受電を各種の電気機器に配電する受配電装置（以下、スイッチギヤという）は、母線に接続する母線側導体と、負荷側に接続する負荷側導体と、母線側導体と負荷側導体とを接離する主回路開閉器と、負荷側導体を接地するための接地開閉器等とを備え、これらが金属容器内に収納されて構成されている。

この種のスイッチギヤとして、内部が真空の真空容器内で電流の投入及び遮断を行う真空開閉器を用いたスイッチギヤが提案されている。

このスイッチギヤに用いられる真空開閉器は、セラミックス製の絶縁筒の一方端及び他方端に、それぞれ金属容器及び端板を一体に接続して、セラミックス製の絶縁筒が真空状態となる絶縁収納室を形成し、この絶縁収納室内に、母線側導体に接続する固定電極と可動導体に接続する可動電極とからなる主回路開閉器が収納されている（例えば、特許文献１参照。）。

更に、主回路開閉器の固定電極と可動電極との周囲を覆うように、アークシールドがセラミックス製の絶縁筒に固定され、このアークシールドの金属容器側には、金属容器と対向するように金属容器側電界緩和シールドが配置され、アークシールドの金属端板側には、金属端板側電界緩和シールドが配置されている。

このように構成される従来のスイッチギヤの真空開閉器においては、主回路開閉器が開路されると、固定電極と可動電極の間にアークが発生し、両電極から金属蒸気が発生するが、アークシールドは、この金属蒸気の飛散を抑制し、セラミックス製の絶縁部材の内面の汚損を抑制して、所要の絶縁性能を維持する役目を有している。また、各電界緩和シールドは、各セラミックス製の絶縁筒と金属容器並びに金属端板との接合部の電界緩和と共に、固定電極と可動電極の開路時に発生する金属蒸気による汚損を抑制している。

更に、特許文献１では、アークシールドと電界緩和シールドの先端部を曲げ、セラミックス製の絶縁筒側から導体側へ順に曲率半径を小さくすることで、絶縁筒を介して発生する沿面放電を抑制するようにしている。

特開昭５６-１１８２２８号公報

しかしながら、上述した従来技術のスイッチギヤの真空開閉器では、アークシールドと電界緩和シールドの先端部を、セラミックス製の絶縁筒側から導体側へ順に曲率半径を小さくするように曲げているため、各シールド先端部の径方向の幅（図６のＤ２）が大きくなる。セラミックスの誘電率は真空の誘電率より高いので、真空中にあるシールドとセラミックスが近づくと等電位線が真空中で密になることから、シールド先端の電界が高くなり、絶縁耐力が十分に確保できなくなる恐れがある。

また、電界緩和シールドがアークシールドの径方向に対して外側に配置され、アークシールド先端の径方向の幅が広がると、アークシールドと電極ホルダとの距離を確保しなければならないことから、アークシールドをセラミックス製の絶縁筒に近づいた位置に配置しなければならない。このため、電界緩和シールドとアークシールドのギャップ（図６のＧ２）も短く（近づく）なってしまので、アークシールド先端の電界は高くなり、絶縁耐力が十分に確保できなくなる恐れがある。

本発明は、上述した事柄に基づいてなされたもので、その目的とするところは、高電圧仕様に対応可能であることは勿論、アークシールドと電界緩和シールドを起点とした沿面放電を抑制し、絶縁耐力を十分に確保でき、信頼性の高い真空開閉器及びそれを用いたスイッチギヤを提供することにある。

本発明の真空開閉器は、上記目的を達成するために、固定電極と可動電極が収納される絶縁筒と、該絶縁筒内に固定電極と可動電極とを覆うように設けられたアークシールドと、前記絶縁筒の端部に接合された端板と、該端板の内側に接合された電界緩和シールドと、前記絶縁筒及び前記電界緩和シールドを外被する固体絶縁物とを備え、前記電界緩和シールドが前記アークシールドの径方向に対して外側に配置され、かつ、前記アークシールドの先端がストレートに形成されると共に、そのストレート部の先端は、前記アークシールド内側の曲率半径よりも外側の曲率半径が大きい曲面を有しているか、
或いは、前記電界緩和シールドが前記アークシールドの径方向に対して外側に配置され、かつ、前記電界緩和シールドの先端がストレートに形成されると共に、そのストレート部の先端は、前記電界緩和シールド内側の曲率半径よりも外側の曲率半径が大きい曲面を有していることを特徴とする。

また、本発明のスイッチギヤは、上記目的を達成するために、上記構成の真空開閉器と、接地断路部可動電極、母線側に配置される母線側固定電極、前記真空開閉器内の電極に電気的に接続される中間固定電極及び接地電位である接地側固定電極を有する接地断路部と、前記真空開閉器及び前記接地断路部を一体にモールドする固体絶縁物とを備え、前記接地断路部可動電極は、前記母線側固定電極、前記中間固定電極及び前記接地側固定電極に接触可能であり、かつ、前記接地断路部可動電極は、直線状に閉位置・断路位置・接地位置の３位置に変位することを特徴とする。

本発明によれば、高電圧仕様に対応可能であることは勿論、アークシールドと電界緩和シールドを起点とした沿面放電を抑制し、絶縁耐力を十分に確保でき、信頼性の高い真空開閉器及びそれを用いたスイッチギヤを得ることができる。

本発明の真空開閉器の実施例１であり、電圧・電流の投入状態を示す断面図である。 実施例１の真空開閉器を用いた本発明のスイッチギヤであり、電圧・電流の投入状態を示す断面図である。 実施例１の真空開閉器を用いた本発明のスイッチギヤであり、電圧・電流の断路状態を示す断面図である。 実施例１の真空開閉器を用いた本発明のスイッチギヤであり、電圧・電流の接地状態を示す断面図である。 本発明の真空開閉器の実施例１におけるアークシールドの先端部の構造を示す図である。 従来の真空開閉器におけるアークシールドの先端部の構造を示す図である。 本発明の真空開閉器と従来の真空開閉器の絶縁耐力を比較した図である。 本発明の真空開閉器の実施例１における電界緩和シールドと埋め込みシールドの構造を示す図である。 本発明の真空開閉器の実施例２であり、アークシールドの先端部の構造を示す図である。 本発明の真空開閉器の実施例３であり、アークシールドの先端部の構造を示す図である。

以下、図示した実施例に基づいて本発明の真空開閉器及びそれを用いたスイッチギヤについて説明する。なお、符号は、各実施例において同一部品には同符号を使用する。

図１に、本発明の真空開閉器の実施例１を、図２乃至図４に、実施例１の真空開閉器を用いたスイッチギヤを示す。

該図に示すように、本実施例に係るスイッチギヤは、接離自在の少なくとも一対の接点を有し、投入・遮断を切り替える真空開閉器１と、大気中に設けられ、投入・断路・接地の３位置を切り替えられる接地断路開閉器１０、接地断路開閉器１０の中間固定電極１３と真空開閉器１の可動側を接続するフレキシブル導体１５、真空開閉器１の可動側ホルダ７Ｂに機械的に接続された真空開閉器用操作ロッド２０、接地断路開閉器用可動電極１２に機械的に接続された接地断路開閉器用操作ロッド２１を有する開閉器部と、接地断路開閉器１０のブッシング側固定電極１１に接続された母線用ブッシング４０と、真空開閉器１の固定側に接続されたケーブル用ブッシング４２とから概略構成されており、真空開閉器１と接地断路開閉器１０のブッシング側固定電極１１と母線用ブッシング４０及びケーブル用ブッシング４２は固体絶縁物３０により一体に注型（モールド）されている。

また、開閉器部は、接地された金属容器３１によって周囲を覆われており、固体絶縁物３０の表面を接地電位にしなくても、作業者が安全であることを確保できるようになっている。母線用ブッシング４０は、表面が接地電位である固体絶縁母線８２と接続し、ケーブル用ブッシング４２は、表面が接地電位であるケーブル８０と接続されている。なお、６１はケーブル側埋め込みシールド、６６は母線側埋め込みシールドである。

また、接地断路開閉器１０は、直線状に３位置に変位させられる接地断路開閉器用可動電極１２と、接地断路開閉器用可動電極１２が閉位置において接地断路開閉器用可動電極１２を介して電気的に導通させられるブッシング側固定電極１１と中間固定電極１３、及び接地断路開閉器用可動電極１２が接地位置において接地断路開閉器用可動電極１２を介して中間固定電極１３と導通させられる接地側固定電極１４とを備えている。

一方、真空開閉器１は、固定側セラミックス絶縁筒２Ａ、可動側セラミックス絶縁筒２Ｂ、固定側端板３Ａ及び可動側端板３Ｂから構成される真空容器内に、固定側電極６Ａ、可動側電極６Ｂ、固定側電極６Ａと接続される固定側ホルダ７Ａ、可動側電極６Ｂと接続される可動側ホルダ７Ｂ及び固定側セラミックス絶縁筒２Ａ及び可動側セラミックス絶縁筒２Ｂをアークから保護するためのアークシールド５が配置されており、固定側ホルダ７Ａは、ケーブル用ブッシング４２の中心にあるケーブル側導体４３と接続され、負荷側へ電力を供給できるようになっている。

また、真空開閉器１は、可動側端板３Ｂと可動側ホルダ７Ｂに接続されたベローズ９によって、内部の真空を維持しながら可動側電極６Ｂ、可動側ホルダ７Ｂを軸方向に移動可能となっており、可動側電極６Ｂ及び可動側ホルダ７Ｂが、軸方向に移動することによって投入状態と遮断状態を切り替えている。また、ベローズ９と可動側電極６Ｂの接続部近傍には、開閉時のアーク等からベローズ９を保護するために、ベローズシールド８を設けており、併せてベローズ９の端部における電界の集中を緩和することもできる。

更に、固定側セラミックス絶縁筒２Ａの周囲には、固定側端板３Ａとの接続部における電界集中を緩和するための固定側電界緩和シールド４Ａが配置され、可動側セラミックス絶縁筒２Ｂの周囲には、可動側端板３Ｂとの接続部における電界集中を緩和するために可動側電界緩和シールド４Ｂがそれぞれ配置されている。

なお、真空開閉器用操作ロッド２０、接地断路開閉器用操作ロッド２１、固体絶縁物３０の材料としては、機械的強度と絶縁特性のいずれも良好で成形性のよいエポキシ樹脂が好適である。

接地断路開閉器１０は、母線用ブッシング４０の中心にある母線側導体４１を介して母線側に接続されるブッシング側固定電極１１と、接地電位とされている接地側固定電極１４と、それらの中間に位置し、フレキシブル導体１５を介して真空開閉器１側の可動側ホルダ７Ｂと電気的に接続される中間固定電極１３を備えており、内部は気中絶縁となっている。また、これらのブッシング側固定電極１１、中間固定電極１３、接地側固定電極１４は一直線上に配置され、内径をいずれも等しくしている。

図２乃至図４に示すように、ブッシング側固定電極１１、中間固定電極１３、接地側固定電極１４に対して、接地断路開閉器用可動電極１２が接地断路開閉器１０内を移動することで、閉・断路・接地の３位置に切り替えることが可能となる。即ち、図２は、接地断路開閉器用可動電極１２がブッシング側固定電極１１と中間固定電極１３に接触している電流の投入状態を示し、図３は、接地断路開閉器用可動電極１２がブッシング側固定電極１１から離れ、中間固定電極１３と接触している断路状態を示し、図４は、接地断路開閉器用可動電極１２が中間固定電極１３と接地側固定電極１４に接触している接地状態を、それぞれ示している。

接地断路開閉器用可動電極１２は、図示しない操作機構に接地断路開閉器用操作ロッド２１で連結されている。また、接地断路開閉器用可動電極１２には、ばね接点１６を設けて、ブッシング側固定電極１１、中間固定電極１３、接地側固定電極１４と電気的接続を確保するようにしている。

そして、本実施例では、固定側電界緩和シールド４A及び可動側電界緩和シールド４Bを、アークシールド５の径方向に対して外側に配置し、かつ、アークシールド５の先端部をストレート（直線状）に形成すると共に、そのストレート部の先端は、アークシールド先端の内側曲率半径７０よりも外側曲率半径７１の方が大きい曲面を有しているものである。

この結果、図５に示す本実施例のように、アークシールド５の先端をストレートにすることで、シールド先端部の径方向の幅Ｄ１を図６に示す従来構造のシールド先端部の径方向の幅Ｄ２より小さくすることができ、アークシールド５と固定側セラミックス絶縁筒２Ａ（或いは可動側セラミックス絶縁筒２Ｂ）との距離Ｌ１を、図６に示す従来構造のアークシールド５Ｂと固定側セラミックス絶縁筒２Ａ（或いは可動側セラミックス絶縁筒２Ｂ）の距離Ｌ２より大きくすることができる。

つまり、図５に示す如く、真空中では、ギャップ放電９３より沿面放電９２による破壊形態のほうが低い耐電圧を示すため、電子側導体９１の放出が増えてギャップ放電９３が発生し易くなっても、真空開閉器１の耐電圧に及ぼす影響は小さい。そのため、アークシールド先端の内側曲率半径７０をできるだけ小さくし、アークシールド５と固定側電界緩和シールド４AのギャップＧ１及びアークシールド５と固定側セラミックス絶縁筒２Ａの距離Ｌ１を拡げることで、固定側セラミックス絶縁筒２Ａ側のアークシールド５の電界を下げて沿面放電を抑制するものである。

セラミックス絶縁筒の誘電率は、真空の誘電率より高いので、真空中にあるアークシールド５と固定側セラミックス絶縁筒２Ａ（或いは可動側セラミックス絶縁筒２Ｂ）の距離が広がる(大きくなる)と等電位線が真空中で密になり、アークシールド５の先端の電界が低くなる。

また、固定側電界緩和シールド４A（或いは可動側電界緩和シールド４Ｂ）とアークシールド５を近づけ、金属蒸気の影響を最小限にするためには、固定側電界緩和シールド４A（或いは可動側電界緩和シールド４Ｂ）を、アークシールド５の径方向に対して外側に配置する必要があるが、アークシールド５の先端をストレートにすることで、上述と同様な理由により、固定側電界緩和シールド４A（或いは可動側電界緩和シールド４Ｂ）とアークシールド５のギャップＧ１が、図６に示す従来構造の固定側電界緩和シールド４A（或いは可動側電界緩和シールド４Ｂ）とアークシールド５ＢのギャップＧ２より大きくなり、アークシールド５の先端の電界は低くなる。

更に、本実施例では、アークシールド５先端のストレート部の先端に形成されている曲面は、固定側セラミックス絶縁筒２Ａ（或いは可動側セラミックス絶縁筒２Ｂ）側のアークシールド先端の外側曲率半径７１の方が、アークシールド先端の内側曲率半径７０よりも大きくなっているので、固定側セラミックス絶縁筒２Ａ（或いは可動側セラミックス絶縁筒２Ｂ）に向かうセラミックス側電子９０の放出が減少し、沿面放電９２を抑制できる。また、耐電圧に余裕があるアークシールド先端の内側曲率半径７０を小さくすることで、アークシールド５と固定側電界緩和シールド４A（或いは可動側電界緩和シールド４Ｂ）の接近を最小限にすることができ、アークシールド５の先端の電界集中を抑制すると共に、アークシールド５を起点とした沿面放電９２が抑制でき、絶縁耐力を十分に確保できるので、信頼性が向上する。

図７に示すように、本発明の構成（シールドストレート、曲率半径変更）とすることにより、従来の絶縁耐力を１とすると、それと比較して２倍向上していることが分かる。

また、本実施例では、図８に示す様に、固体絶縁物３０内に固定側電界緩和シールド４A（或いは可動側電界緩和シールド４Ｂ）より電極軸方向に張り出した真空開閉器固定側埋め込みシールド５０Ａ（或いは真空開閉器可動側埋め込みシールド５０Ｂ）を設けることで、固定側電界緩和シールド４A（或いは可動側電界緩和シールド４Ｂ）先端付近の等電位線が下方に移動し、その間隔が広がるため、固定側電界緩和シールド４A（或いは可動側電界緩和シールド４Ｂ）先端の電界が緩和でき、固定側電界緩和シールド４A（或いは可動側電界緩和シールド４Ｂ）を起点とした沿面放電が抑制でき、絶縁耐力を十分に確保できる。

図７に示すように、図８の構成（シールドストレート、曲率半径変更、埋込シールド）とすることにより、従来の絶縁耐力を１とすると、それと比較して３倍向上していることが分かる。

このように本実施例の構成とすることにより、真空開閉器のアークシールドの先端及び固定側電界緩和シールドと可動側電界緩和シールドの先端から固定側セラミックス絶縁筒と可動側セラミックス絶縁筒の方向への電子放出を少なくし、アークシールド及び固定側電界緩和シールドと可動側電界緩和シールドを起点とした沿面放電を抑制し、絶縁耐力を向上させることで、高電圧仕様に対応可能で、かつ、信頼性の高い真空開閉器及びそれを用いたスイッチギヤを提供することができる。

なお、上述した実施例では、アークシールド５の先端部をストレート（直線状）に形成すると共に、そのストレート部の先端が、アークシールド先端の内側曲率半径７０よりも外側曲率半径７１が大きい曲面を有しているものについて説明したが、固定側電界緩和シールド４Aと可動側電界緩和シールド４Ｂを、上記と同様に構成しても同様な効果を発揮することができる。

図９に、本発明の真空開閉器の実施例２を示す。なお、実施例１と重複する箇所については、ここでの説明を省略する。

該図に示す本実施例では、沿面放電９２の起点となるアークシールド５Ａの先端部以外を薄くしたものである。

このような本実施例とすることにより、実施例１と同様な効果が得られることは勿論、アークシールド５Ａの先端部以外を薄くすることで、軽量化が図れ、また、プレス加工などの製作が行い易い効果がある。

図１０に、本発明の真空開閉器の実施例３を示す。なお、実施例１と重複する箇所については、ここでの説明を省略する。

該図に示す本実施例では、アークシールド５を、その先端が固定側電界緩和シールド４Ａ（或いは可動側電界緩和シールド４Ｂ）の径方向に対して内側に位置させると共に、この固定側電界緩和シールド４Ａ（或いは可動側電界緩和シールド４Ｂ）の先端に対し、電極軸方向で端板側に張り出すように、固定側セラミックス絶縁筒２Ａ（或いは可動側セラミックス絶縁筒２Ｂ）内に配置したものである。

このような本実施例の構成とすることで、アークシールド５を起点とした放電は、ギャップ放電９３のみになるし、また、アークシールド５は、アークシールド先端の内側曲率半径７０よりもアークシールド先端の外側曲率半径７１を大きくしているので、固定側電界緩和シールド４Ａ（或いは可動側電界緩和シールド４Ｂ）側への電子９０の放出が少なくなり、ギャップ放電が抑制され、絶縁耐力がより高くなり信頼性が増す効果がある。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成を置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…真空開閉器、２Ａ…固定側セラミックス絶縁筒、２Ｂ…可動側セラミックス絶縁筒、３Ａ…固定側端板、３Ｂ…可動側端板、４Ａ…固定側電界緩和シールド、４Ｂ…可動側電界緩和シールド、５、５Ａ、５Ｂ…アークシールド、６Ａ…固定側電極、６Ｂ…可動側電極、７Ａ…固定側ホルダ、７Ｂ…可動側ホルダ、８…ベローズシールド、９…ベローズ、１０…接地断路開閉器、１１…ブッシング側固定電極、１２…接地断路開閉器用可動電極、１３…中間固定電極、１４…接地側固定電極、１５…フレキシブル導体、１６…ばね接点、２０…真空開閉器用操作ロッド、２１…接地断路開閉器用操作ロッド、３０…固体絶縁物、３１…金属容器、４０…母線用ブッシング、４１…母線側導体、４２…ケーブル用ブッシング、４３…ケーブル側導体、５０Ａ…真空開閉器固定側埋め込みシールド、５０Ｂ…真空開閉器可動側埋め込みシールド、６１…ケーブル側埋め込みシールド、６６…母線側埋め込みシールド、７０…アークシールド先端の内側曲率半径、７１…アークシールド先端の外側曲率半径、８０…ケーブル、８２…固体絶縁母線、９０…セラミックス側電子、９１…導体側電子、９２…沿面放電、９３…ギャップ放電。

Claims (6)

1. 固定電極と可動電極が収納される絶縁筒と、該絶縁筒内に固定電極と可動電極とを覆うように設けられたアークシールドと、前記絶縁筒の端部に接合された端板と、該端板の内側に接合された電界緩和シールドと、前記絶縁筒及び前記電界緩和シールドを外被する固体絶縁物とを備え、
   前記電界緩和シールドが前記アークシールドの径方向に対して外側に配置され、かつ、前記アークシールドの先端がストレートに形成されると共に、そのストレート部の先端は、前記アークシールド内側の曲率半径よりも外側の曲率半径が大きい曲面を有していることを特徴とする真空開閉器。
2. 固定電極と可動電極が収納される絶縁筒と、該絶縁筒内に固定電極と可動電極とを覆うように設けられたアークシールドと、前記絶縁筒の端部に接合された端板と、該端板の内側に接合された電界緩和シールドと、前記絶縁筒及び前記電界緩和シールドを外被する固体絶縁物とを備え、
   前記電界緩和シールドが前記アークシールドの径方向に対して外側に配置され、かつ、前記電界緩和シールドの先端がストレートに形成されると共に、そのストレート部の先端は、前記電界緩和シールド内側の曲率半径よりも外側の曲率半径が大きい曲面を有していることを特徴とする真空開閉器。
3. 請求項１又は２に記載の真空開閉器において、
   前記固体絶縁物内に、前記電界緩和シールド先端より電極軸方向に張り出した埋め込みシールドが配置されていることを特徴とする真空開閉器。
4. 請求項１又は３のいずれか１項に記載の真空開閉器において、
   前記アークシールドの先端部以外を薄く形成したことを特徴とする真空開閉器。
5. 請求項１、３又は４のいずれか1項に記載の真空開閉器において、
   前記アークシールドを、その先端が前記電界緩和シールドの径方向に対して内側に位置すると共に、前記電界緩和シールドの先端に対し、電極軸方向位置が電極軸方向で端板側に張り出すように絶縁筒内に設置されていることを特徴とする真空開閉器。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の真空開閉器と、接地断路部可動電極、母線側に配置される母線側固定電極、前記真空開閉器内の電極に電気的に接続される中間固定電極及び接地電位である接地側固定電極を有する接地断路部と、前記真空開閉器及び前記接地断路部を一体にモールドする固体絶縁物とを備え、
   前記接地断路部可動電極は、前記母線側固定電極、前記中間固定電極及び前記接地側固定電極に接触可能であり、かつ、前記接地断路部可動電極は、直線状に閉位置・断路位置・接地位置の３位置に変位することを特徴とするスイッチギヤ。

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