JP2015185467A - ガス遮断器 - Google Patents
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Abstract
Description
(A)吹付けガスの温度
従来のガス遮断器の電流遮断時においては、高温吹付けガス15aは、アーク放電7からの熱排ガス14によって加熱されているので、必然的に高温状態となっている。このため、アーク放電7の冷却効率が低くなって、遮断性能が低下するおそれがあった。
また、高温化した高温吹付けガス15aをアーク放電7に吹付けることで、アーク放電7周辺の温度はさらに上昇する。その結果、アーク電極2、4や絶縁ノズル8が高熱にさらされて劣化し易くなり、メンテナンスを頻繁に行う必要が生じた。これは耐久性の向上とメンテナンスの低減化を求める使用者のニーズと逆行するものである。
さらに、パッファ室16内の圧力を自力昇圧作用も利用して昇圧させるので、熱排ガス14をパッファ室16内に取り込む必要があるが、この熱排ガス14の取り込みには、ある程度の時間が掛かる。そのため、電流遮断が完了するまでの時間が長くなることがある。ガス遮断器は電力系統における過大な事故電流を速やかに遮断するための機器なので、ガス遮断器の基本機能からみて電流遮断が完了するまでの時間を短縮化することが常に要請されている。
また、ガス遮断器のコストを低減するには可動部の操作機構における駆動操作エネルギーを低減させることが重要である。ガス遮断器において駆動操作エネルギーを低減するためには、可動部の軽量化を図る必要である。
さらに、自力昇圧作用を利用するパッファ形ガス遮断器では、遮断電流の大きさや交流電流の位相条件によってアーク熱の熱エネルギーが変わると、吹付け力が左右されてしまう。つまり、アーク熱を消弧性ガス1の昇圧に利用するが故に、アーク熱自体が消弧性能に影響を与えることになる。その結果、遮断電流の大きさや交流電流の位相条件が変化すると、それに伴って吹付け力も変化することになり、常に安定した流れとなる高温吹付けガス15aを確保できるとは限らなかった。
(2)前記開閉部は、前記アーク電極と前記トリガー電極との隙間部分、もしくは、前記絶縁ノズルと前記トリガー電極との隙間部分、あるいは両方の隙間部分から構成される。
(構成)
本発明に係る第1の実施形態について図1〜図3を用いてその構成を説明する。なお、第1の実施形態の主要構成は図7に示した従来のガス遮断器と類似しているため、図7に示した従来のガス遮断器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。図1の(a)−(e)も、図7と同様、中心線を回転軸とした回転対称形状を示しており、(a)は通電状態、(b)は電流遮断動作の前半の状態、(c)、(d)は電流遮断動作の後半の状態、(e)は電流遮断動作完了後の状態である。
第1の実施形態では、図示していない密閉容器内のガス圧力は通常運転時においていずれの部分でも消弧性ガス1の充気圧力となっている。第1の実施形態では、対向アーク電極2に代えて固定アーク電極35aが設けられ、この固定アーク電極35aに対向して固定アーク電極35bが配置されている。アーク電極35a、35bは電気的に通電可能であり、電流遮断時には両電極35a、35b間にアーク放電7が発生しアーク放電7の熱により熱排ガス14を生成するようになっている。
固定アーク電極35a、35bの内側には、固定アーク電極35a、35bより径の小さなロッド形状のトリガー電極34が、固定アーク電極35a、35bに接しながらこれら電極35a、35b間を、中心線方向に移動するように配置されている。ただし、トリガー電極34が、固定アーク電極35b、可動通電電極5および端子18bと常に電気的に接続されているのであれば、トリガー電極34と固定アーク電極35bとは必ずしも接触している必要はない。
蓄圧室42は昇圧ガスを溜めておく蓄圧空間である。昇圧ガスとは、消弧性ガス1を昇圧させたものであり、昇圧手段である昇圧室シリンダ41と可動ピストン38(後述)によって生成される。蓄圧室42は、蓄圧室シリンダ43、昇圧室シリンダ41、固定アーク電極35b、絶縁ノズル81、フランジ部22に囲まれるようにして形成されている。フランジ部22には蓄圧室シリンダ43および昇圧室シリンダ41が一体的に取り付けられている。
先に述べたように、開閉部とは、トリガー電極34の移動により蓄圧室42を閉塞状態あるいは開放状態とするものである。より詳しくは、電流遮断時の前半にはトリガー電極34がノズルスロート37および固定アーク電極35b内の流路を封止することにより閉塞部45が形成され、蓄圧室42を閉塞状態にさせる。このため、アーク放電7の熱によって生成される熱排ガス14は蓄圧室42内への流入が制限される。また、蓄圧室42内の昇圧ガスについては蓄圧室42からの流出も制限される。
トリガー電極34と可動通電電極5は、導電性金属材料からなる支持部21、可動ピストン38、駆動ロッド36、リンク31と共に一体的に設けられており、これらの部材から可動部が構成される。可動通電電極5には、必要な通電容量が確保できる範囲で、放熱穴49が設けられている。放熱穴49は、可動通電電極5と対向通電電極3の接触通電部分における発熱を放熱するためのものである。
トリガー電極34を囲むようにして絶縁ノズル81が配置されている。絶縁ノズル81は、図7に示した従来のガス遮断器の絶縁ノズル8と同じく、蓄圧室42からアーク放電7に向けて昇圧した消弧性ガス1を導くものである。ただし、絶縁ノズル81は、消弧性ガス1を、アーク放電7の周囲から中心に向かって、略垂直にアーク放電7へ吹付けるように構成されている。
昇圧室シリンダ41、駆動ロッド36、可動ピストン38、フランジ部22に囲まれた空間が、昇圧室40として定義される。昇圧室シリンダ41が昇圧室40の上面側に配置され、駆動ロッド36が昇圧室40の下面側に配置され、可動ピストン38が昇圧室40の左面側に配置され、フランジ部22が昇圧室40の右面側に配置される。
可動ピストン38の右側に昇圧室40が配置されるとして、可動ピストン38の左側、つまり昇圧室40よりもアーク放電7の発生空間寄りには、熱排ガス14を一時的に貯留させる熱排ガス貯留室44が配置されている。熱排ガス貯留室44は、昇圧室シリンダ41、固定アーク電極35b、トリガー電極34、可動ピストン38に囲まれた空間である。熱排ガス貯留室44における圧力は、可動ピストン38および昇圧室シリンダ41による消弧性ガス1の圧縮を補助する力として作用するように構成されている。
<遮断過程の前半…図1の(a)から(b)へ>
トリガー電極34が固定アーク電極35aと開離すると同時に、両者間にアーク放電7が発生する。アーク放電7から発生した熱排ガス14は、アーク放電7の発生と同時に、遅滞なくアーク放電7から遠ざかる方向に流れ、密閉容器内の空間へと速やかに排出される。
遮断過程の後半においては、可動ピストン38の移動に伴い昇圧室40の体積は相対的に小さくなり、可動ピストン38により圧縮された消弧性ガス1は大半が蓄圧室42内に貯留される。それと同時に、図3に示すように、可動ピストン38の外周面に設けたシール部材46が、連通穴39を塞ぐ。これにより、昇圧室40と蓄圧室42とは圧力的に切り離される。さらに、それと連動して、放圧部47が開放される。これにより、昇圧室40内の消弧性ガス1は放出圧縮ガス48として室外に放出され、昇圧室40内の圧力は密閉容器内へと放圧される。
昇圧室40の設けられた吸気バルブ13は、昇圧室40内の圧力が密閉容器内の充填圧力よりも低くなる際に限り、消弧性ガス1を昇圧室40内に吸気補充する。したがって、遮断過程終了後に、再び投入動作をした場合、昇圧室40には吸気穴12を通じて新鮮な消弧性ガス1が密閉容器内から供給される。
上記のような第1の実施形態の作用および効果は次の通りである。
(A)吹付けガスの低温化を図る
第1の実施形態はアーク熱による自力昇圧作用を利用していない点に特徴がある。アーク放電7に吹付けられる低温吹付けガス15bは、熱排ガス14による熱的な昇圧はなされておらず、可動ピストン38による機械的圧縮によってのみ圧力が高められたガスとすることができる。
本実施形態においては、低温吹付けガス15bを吹付けたことでアーク放電7周辺の温度が低温化することができる。そのため、電流遮断に伴う固定アーク電極35a、35bや絶縁ノズル81が高温環境にさらされた場合と比べて、これらの部材の劣化を著しく軽減することができ、部材の耐久性が向上する。したがって、固定アーク電極35a、35bおよび絶縁ノズル81のメンテナンス頻度を落とすことが可能となり、メンテナンスの負担を低減化することができる。
前述した通り、従来のガス遮断器では、アーク熱による自力昇圧作用を利用して、パッファ室16内の消弧性ガス1を、遮断に必要な高い吹付け圧力にまで昇圧させる場合は、ある程度の時間がかかってしまう。そのため、従来のアーク熱による自力昇圧作用を伴ったガス遮断器においては、電流遮断が完了するまでの時間が伸びる傾向にあった。
一般的に、駆動ストロークが完全遮断位置に近づくにつれて、昇圧室40および蓄圧室42内の圧縮ガスの圧力は高まり、同時に可動ピストン38に作用する圧縮反力は大きくなる。これに打ち勝つためには、それ相応の駆動力をもった駆動装置を設けなくてはならない。
繰り返し述べたように、本実施形態では、消弧性ガス1の吹付け圧力上昇にアーク熱による自力昇圧作用を一切利用していない。したがって、遮断電流条件に関係なく、常に同等の吹付けガス圧力およびガス流量を安定して得ることができる。このため、遮断電流の大きさによる性能の不安定性は全く生じることがない。
(構成)
第2の実施形態は第1の実施形態と基本構造は同一である。第2の実施形態の特徴的な構成は、図4に示す通り、絶縁ノズル81が二つに分割されており、固定アーク電極35b側にサブ絶縁ノズル50が設けられている点にある。このサブ絶縁ノズル50と絶縁ノズル81との隙間を通って低温吹付けガス15bが蓄圧空間42からアーク放電7へと導かれるようになっている。このとき、サブ絶縁ノズル50は、低温吹付けガス15bがアーク放電7の中腹へと吹付けられるように構成されている。
第2の実施形態では、固定アーク電極35b側にサブ絶縁ノズル50を設け、低温吹付けガス15bをアーク放電7の中腹へと吹付けるようにしたので、アーク放電7の左側に流れ込む熱排ガス14の持つ熱量と、アーク放電7の右側に流れ込む熱排ガス14の持つ熱量とバランスを取ることができる。
(構成)
第3の実施形態は第1あるいは第2の実施形態と基本構造は同一であるが、図1、2、3、4には図示されていない、可動部の駆動装置に関するものであり、駆動装置として、図6に示すような出力減衰型の特性を有するものを採用する。この駆動装置では、駆動力が遮断過程で減少するように構成されている。
0.5pu×全ストローク1pu=0.5 ・・・(式1)
(0.8pu+0.2pu)÷2×全ストローク1pu=0.5 ・・・(式2)
つまり、図5と図6は駆動力のストローク特性は異なるものの、駆動エネルギーとしては同一である。
一般的に駆動装置の大きさやコストは、駆動エネルギーに対して概ね単調増加の傾向を持つ。すなわち、図5と図6は駆動力の特性は異なるものの、駆動エネルギーとしては同一であるため、どちらも駆動装置の大きさやコストは、さほど大きな差はないといえる。
ここで、F:駆動出力、k:バネ定数、x:ストローク(pu)、L:完全開極位置(ストロークx=1pu)でのバネの圧縮長(pu)である。
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、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことが可能である。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。例えば、上記第2の実施形態では、固定アーク電極35b側にサブ絶縁ノズル50を設けて、絶縁ノズル8を二つに分割した構造について説明したが、分割数は必ずしも二つである必要はなく、三つもしくはそれ以上の部位に分割することも可能である。
2…対向アーク電極
3…対向通電電極
4…可動アーク電極
5…可動通電電極
6、36…駆動ロッド
7…アーク放電
8、81…絶縁ノズル
9…パッファシリンダ
11…固定ピストン
12…吸気穴
13…吸気バルブ
14…熱排ガス
15a…高温吹付けガス
15b…低温吹付けガス
16…パッファ室
17…スライドコンタクト
18a、18b…端子
19、31…リンク
20、32…リブ
21…支持部
22…フランジ部
33…排気穴
34…トリガー電極
35a、35b…固定アーク電極
36…駆動ロッド
37…ノズルスロート
38…可動ピストン
39…連通穴
40…昇圧室
41…昇圧室シリンダ
42…蓄圧室
43…蓄圧室シリンダ
44…熱排ガス貯留室
45…閉塞部
46…シール部材
47…放圧部
48…放出圧縮ガス
49…放熱穴
50…サブ絶縁ノズル
Claims (12)
- 消弧性ガスが充填された密閉容器内に一対のアーク電極が対向して配置され、前記アーク電極は電気的に通電可能であり、電流遮断時には両電極間にアーク放電が発生しうるように構成され、前記アーク放電に対し消弧性ガスを吹付けるために、前記消弧性ガスを昇圧させて昇圧ガスを生成する昇圧手段と、前記昇圧ガスを溜めておく蓄圧空間と、前記蓄圧空間から前記アーク放電に向けて前記昇圧ガスを導く絶縁ノズルとが設けられたガス遮断器において、
前記蓄圧空間を閉塞状態あるいは開放状態とするための開閉自在な開閉部と、
前記アーク電極間を移動自在に配置され、移動に伴ってアーク放電を発生させるトリガー電極とが設けられ、
前記開閉部は、前記アーク電極と前記トリガー電極との隙間部分、もしくは、前記絶縁ノズルと前記トリガー電極との隙間部分、あるいは両方の隙間部分から構成されたことを特徴とするガス遮断器。 - 前記開閉部は、電流遮断時の前半には閉塞状態となっており、前記アーク放電の熱によって生成される熱排ガスが前記蓄圧空間内へ流入することを制限、もしくは前記蓄圧空間内で昇圧中の前記消弧性ガスが流出することを制限し、
電流遮断時の後半には開放状態となって前記蓄圧空間内の前記昇圧ガスを前記アーク放電に導くように構成されたことを特徴とする請求項1に記載のガス遮断器。 - 前記昇圧ガスが、前記アーク放電の周囲から中央に向かうように、前記アーク放電に対し吹付けられるように構成されたことを特徴とする請求項1又は2に記載のガス遮断器。
- 前記一対のアーク電極は前記密閉容器内に固定されており、
前記一対のアーク電極の内側には前記アーク電極より径の小さなトリガー電極が前記アーク電極間を移動自在に配置され、
前記トリガー電極は前記アーク電極と電気的に接触することで通電状態を実現し、電流遮断時には当該トリガー電極と一方の前記アーク電極の間にアーク放電が発生し、前記アーク放電は最終的には前記トリガー電極から他方の前記アーク電極に転移するように構成されたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のガス遮断器。 - 前記昇圧手段はシリンダとピストンから構成され、その少なくともどちらかが可動することで前記シリンダ内部の前記消弧性ガスを圧縮し、前記昇圧ガスを生成するように構成され、
前記アーク放電から発生する熱排ガスの圧力が、前記ピストン又は前記シリンダによる前記消弧性ガスの圧縮反力として作用しないように構成されたことを特徴とする請求項3又は4に記載のガス遮断器。 - 前記アーク放電から発生する前記熱排ガスを一時的に貯留させるための熱排ガス貯留空間を設け、
前記熱排ガス貯留空間における圧力が、前記ピストン又は前記シリンダによる前記消弧性ガスの圧縮を補助する力として作用するように構成されたことを特徴とする請求項5に記載のガス遮断器。 - 電流遮断時の後半には、前記ピストンおよび前記シリンダによる前記消弧性ガスの圧縮空間と、前記消弧性ガスが溜められた前記蓄圧空間とが、圧力的に切り離されるように構成されたことを特徴とする請求項5又は6に記載のガス遮断器。
- 電流遮断時の後半には、前記圧縮空間の圧力が放圧されるように構成されたことを特徴とする請求項7に記載のガス遮断器。
- 前記消弧性ガスを機械的に圧縮するための駆動装置が設けられ、
前記駆動装置の駆動力が駆動ストロークとともに減少するように構成されたことを特徴とする請求項8に記載のガス遮断器。 - 前記アーク放電から発生する熱排ガスは、前記アーク放電の発生と同時に、遅滞なく前記アーク放電から遠ざかる方向に流れ、前記密閉容器内の空間へと速やかに排出されるように構成されたことを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載のガス遮断器。
- 前記絶縁ノズルは2つもしくはそれ以上の部位に分割されており、その分割された隙間を通って、前記昇圧ガスが前記蓄圧空間から前記アーク放電へと導かれ、
前記昇圧ガスが前記アーク放電の中腹へと吹付けられるように構成されたことを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載のガス遮断器。 - 前記絶縁ノズルは、前記密閉容器内に固定されていることを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載のガス遮断器。
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