JP2016012388A - ガス絶縁開閉機器 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス絶縁開閉機器の開閉動作時において、可動子と接触子の摺動により生じる金属異物の発生を低減することで絶縁信頼性を向上したガス絶縁開閉機器を提供する。【解決手段】消弧性ガスを封入した金属容器１内に可動部と固定部とを対向して配置し、可動部は可動子８と可動側接触子５ｂで構成し、固定部は固定側接触子５ａで構成する。可動子８は開閉動作時に可動子８が可動側接触子５ｂ及び固定側接触子５ａと通電しつつ摺動する摺動通電部８ｂと、閉極状態において可動側接触子５ｂ及び固定側接触子５ａと通電接触する固定通電部８ａで構成する。固定通電部８ａに第一の材料により皮膜を形成し、摺動通電部８ｂに第一の材料よりも大きな電気抵抗率を有する第二の材料により皮膜を形成する。【選択図】図１

Description

本発明は変電所や開閉所等に適用されるガス絶縁開閉機器に関する。

ガス絶縁開閉装置（以下、ＧＩＳという。）は、絶縁性ガスを充填した密閉構造により高い信頼性、安全性を確保しながらコンパクトな構造を達成できるため広く普及している。ＧＩＳを構成する断路器や遮断器などの開閉部は、電流開閉時に電流を流しながら摺動する摺動通電の状態と、電流が流れていないときに摺動する状態が存在する。

この摺動部で実際に接触している部分は、可動子と可動側接触子及び固定側接触子であり、通常は母材である無酸素銅に銀めっきをして接触抵抗を低減させている。このように導電率が高い材質を接触部に使用すると、通電による接触部のジュール熱による温度上昇を抑制可能である。

しかしながら、開閉時には可動子と接触子が擦れて接触することになり、この部分から摩耗により金属異物（摩耗粉）が発生する。銀同士の摩擦係数は比較的小さいので、銀は導電性と耐磨耗性を両立させるには優れた材質である。電流を流さないで摺動させる場合は、このような金属めっきにより表面の凹凸を減らして滑らかにすることや、摩擦係数の低いめっき材質を適用することにより、摩耗量を極力抑えてきた。

特にＧＩＳ内で使用している絶縁ガスであるＳＦ₆ガスは電界依存性が強く、金属異物が存在すると絶縁耐力を大きく低下させるため、インパルス過電圧侵入時もしくは運転中であっても絶縁破壊の危険性が出てくるため、異物発生を極力低減させる必要がある。

開閉動作時には接触部からの摩耗粉を全く発生させないようにすることは困難であるが、できるだけ摩耗粉が生じにくいガス絶縁開閉装置が提案されている。例えば、特許文献１に記載のガス絶縁開閉機器は摺動面に接着性の良い銀の表面層を形成し、摺動に対する摩耗粉が生じにくい構造とするものである。

特許文献２には、複数の材料により構成される可動通電接触子を有するガス遮断器が開示されている。可動通電接触子の固定通電部及び摺動通電する部分は導電率の高い無酸素銅を、アーク放電が点弧するアークコンタクト部分は銅タングステン合金で構成しており、アークに曝されても溶融（消耗）の少ない材料を用いることで電極消耗が少ない信頼性の高いガス遮断器を構成している。

特開２００１−６４６８ 特開２０００−３１１５３５

上述のように接触部へ金属めっきを施すことで摩耗量の低減がなされてきたが、電流を流しながら摺動通電させる場合には、電流を流さない摺動に比べると桁違いに摩耗による異物発生量が多くなるため、摺動通電時の摩耗量を低減させる必要があった。

本発明のガス絶縁開閉装置は、消弧性ガスを封入した金属容器内に可動部と固定部とを有し、前記可動部は可動子と可動側接触子を有し、前記可動子は前記固定部に設けられた固定側接触子と接離可能に対向配置して構成する。前記可動子は、開閉動作時に前記可動子が前記可動側接触子及び前記固定側接触子と通電しつつ摺動する摺動通電部と、閉極状態において前記可動子が前記可動側接触子及び前記固定側接触子と通電接触する固定通電部を有する。前記固定通電部に第一の材料により皮膜を形成する。前記摺動通電部に、前記第一の材料よりも大きな電気抵抗率を有する第二の材料により皮膜を形成する。

上記のように固定通電部は低抵抗接触で、摺動通電部は高抵抗接触とすることで、電流開閉時の電極摩耗量が少なくなり、発生する金属異物量が低減することにより、この異物に起因する絶縁性能低下を低減させることが可能となる。

本発明の一実施例であるガス絶縁開閉装置の閉極時の状態を示した断面図である。 本発明の一実施例であるガス絶縁開閉装置の開極時の状態を示した断面図である。 可動子摺動時の通電電流を変化させたときの銀めっきの摩耗量を示す説明図である。 可動子の材質の違いによる摺動通電時の摩耗量を示す説明図である。 本発明に係るガス絶縁開閉装置の開極動作と電流波形の関連を示す図である。 本発明に係るガス絶縁開閉装置の可動子構成の一例を示す説明図である。 本発明に係るガス絶縁開閉装置の可動子構成の一例を示す断面図である。 本発明に係るガス絶縁開閉装置の別の可動子構成を示す断面図である。 可動子の摺動通電時の電気的摩耗現象の説明図である。

本発明の実施例を図面により説明する。

図１は本発明の一実施例によるガス絶縁開閉装置（ＧＩＳ）としてのガス絶縁断路器であり、閉極状態を示している。この断路器は金属容器１内に高気圧ＳＦ₆ガスを代表とする絶縁性ガスを充填させて高い絶縁性能を確保することにより小形化と信頼性を両立している。

断路器の主要な機能は課電部と停電部の絶縁を確保することであり、接地電位である金属容器１内に絶縁スペーサ２ａ、２ｂで高電圧部を支持しつつ開閉動作を行う。

図１は閉極状態であり、電流通電状態である。つまり、導体３ａと導体３ｂ間は電気的に接続された状態であり、固定側シールド固定導体４ａ、固定側接触子５ａ、可動子８、可動側接触子５ｂ、可動側シールド固定導体４ｂを介して電流が流れる。

図２は開極状態であり、この場合は導体３ａ、３ｂ間は電気的に切断されており、電流が流れない状態である。この閉極から開極に移行する場合には、金属容器外の操作器（不図示）が操作レバー６を回転駆動し、可動子８を図１の位置から図２の位置に移動させる。

なお、高電圧部と金属容器１間の絶縁、及び、開極時の固定側と可動側の絶縁を確保するために固定側シールド７ａ及び可動側シールド７ｂが配置されている。

このような開極動作時には、可動子８は固定側接触子５ａ及び可動側接触子５ｂと擦れながら移動することになる。固定側接触子５ａは開極が始まってしばらくすると接触が外れるが、可動側接触子５ｂは開極動作が終了しても可動子と常に接触した状態のままである。

このように接触子と可動子が擦れることで電極が摩耗することになるため、可動子の母材としてよく使用される無酸素銅やアルミニウム合金に数十μｍから数百μｍの厚みの銀めっきが施され、表面を滑らかにするとともに摩擦力が低下するようにして摩耗量が少なくなるように構成される。

一方、閉極時には電流を流す場合に発熱を抑えるために、電気抵抗が低くなるような材質が求められる。このため、電気抵抗率の低い銀めっきは接触部によく使用され、従来は接触部である接触子と可動子表面に銀めっきを施すことが通常であった。

しかしながら、電流を流しながら摺動通電させる場合には、電流を流さない摺動に比べると桁違いに摩耗による異物発生量が多いことや、必ずしも電気抵抗の低い材質が摩耗量を低減させるとは限らないことがわかってきた。

図３に摺動時の通電電流を変化させたときの銀めっきの摩耗量を比較した図を示す。１０００Ａの通電電流における摺動時の銀めっきの磨耗量を１としたうえで、通電電流が０Ａ及び２０００Ａにおける銀めっきの磨耗量を示している。なお、０Ａにおける値は電流が流れていないときに摺動した場合の銀めっきの磨耗量を示す。これによれば、電流が流れていないときに比べて、電流が流れている場合は摩耗量が多くなることと、電流が増加すると摩耗量も大幅に増加することがわかる。

また、図４は材質の異なる銀めっきと錫めっきの接触部を摺動通電させた場合の摩耗量の比較である。より具体的には、可動子及び接触子ともに銀めっきを施した場合と、可動子に錫めっきを施し接触子に銀めっきを施した場合の摺動通電時の磨耗量の比較である。

図４から明らかなように銀−銀接触の場合に比べて、錫−銀接触は摩耗量が少ないことがわかる。このことは電流を流しながら摺動する場合は電気抵抗率が高い材質の摩耗量が少ないことを示している。

本発明では、上記に示した摺動通電する可動子部分（以下、摺動通電部８ｂという。）は固定通電する可動子部分（以下、固定通電部８ａという。）に比べて高い電気抵抗率となる材質で接触するようにしている。

例えば、図６の可動子８に示しているように、固定通電部８ａは母材である無酸素銅の表面に銀めっきを施してあり、摺動通電部８ｂは母材の無酸素銅の表面に錫めっきを施している。０℃の条件における銀の電気抵抗率は１．４７（Ω・ｍ）であり、同条件における錫の電気抵抗率は１１．５（Ω・ｍ）である。よって、錫のほうが銀に比べ約７．８倍電気抵抗率が高い。

この可動子のそれぞれの材質を施す範囲を説明するために、開極時の各タイミングでの開極動作の模式図を図５に示す。図５には電流波形も示しており、断路器の負荷電流やループ電流を遮断する状態を示している。

図５に示す（ａ）以前では断路器は閉極状態であり、接触子と可動子には固定通電部を通して５０Ｈｚの交流電流が流れている。（ａ）で開極指令が入ると、可動子が移動し始め、（ｂ）の時間で固定側接触子と可動子の物理的な接触が離れることになる。

このときの電流が比較的大きい場合は固定側接触子と可動子先端はアーク放電により電気的に通電し、状態（ｃ）に示すアーク放電が生じる。さらに時間が経過すると、アーク放電は消弧し電流が流れなくなる状態（ｄ）となり、最終的には可動子全体がシールド内に収納されて開極状態である状態（ｅ）となり、開極動作が終了する。

可動子は上述のように動作するため、（ａ）〜（ｂ）の時間範囲において可動子が物理的に固定側接触子に接触している範囲は電気抵抗率の高い材質で構成し、また、（ａ）〜（ｄ）の時間範囲において可動子が可動側接触子と接触している範囲は電気抵抗率の高い材質で構成する。

また、（ｂ）〜（ｄ）までは固定側接触子と可動子先端はアーク放電が発生しているので、アーク放電による金属溶融を低減させるために、図６に示すように、可動子先端部８ｃを銅タングステン合金のような高融点材料にするのが好ましい。なお、アーク放電にさらされる可動子先端部８ｃは金属膜ではすぐに消耗してしまうため、銅タングステン合金を母材８ｄと銀ロウ付けなどによる接着により構成する。

図６のさらに詳細な構成を図７に示す。可動子母材８ｄである無酸素銅の表面に数十μｍ〜数百μｍの膜厚の電気抵抗率の低い銀めっきを固定通電部８ａに施し、その銀めっきの表面に数十μｍ〜数百μｍの膜厚の電気抵抗率の高い錫めっきを摺動通電部８ｂに施す。また、図８には母材の上に直接錫めっきを施した例も示しており、どちらも効果は同じである。

なお、ここで示した材質は一例であり、必ずしも無酸素銅、銀、錫、銅タングステン合金である必要はない。可動子母材８ｄとしては無酸素銅以外にアルミニウムやアルミニウム合金のような比較的電気抵抗率の低い金属材料を用いることが可能であり、摺動通電部８ｂは母材や固定通電部８ａに比べて電気抵抗率が高くなるように亜鉛、クロム、ニッケルなどの材質を使用しても摺動通電による摩耗量低減の効果がある。

以下、摺動通電部８ｂを高抵抗率の材質とすることで摺動通電時の摩耗量を低減できる理由を図９を用いて説明する。図９は接触子と可動子の接触摺動部で起こる摩耗現象をミクロ的視点で示したものである。

図９（ａ）は接触子と移動している可動子の接触点で瞬間的に電流が流れている様子であり、接触している点は非常に小さなスポットであるため、このスポットでは電流密度が極めて高い電流が流れる。極めて高い電流が流れると、そのジュール熱により図９（ｂ）に示すように接触部が高温となり金属が溶融して、可動子の移動とともに溶融金属が引き伸ばされる。さらに可動子が移動すると、この引き伸ばされた溶融金属が沸騰破壊して外部に飛散することになり、この飛散により可動子が摩耗することになる。

可動子の金属材料の電気抵抗率が低い場合は、ジュール熱の発生が少ないため金属溶融してから沸騰破壊までの時間が長く、溶融金属が長く引き伸ばされてしまい沸騰破壊する量が多くなる。

一方、金属材料の電気抵抗率が高い場合は、ジュール熱の発生が多いことから沸騰破壊までの時間が短くなり、溶融金属がすぐに沸騰するために沸騰破壊する量は少なくなる。このために、可動子の摺動通電部の電気抵抗が高いほうが摩耗量は少なくなる。

以上のように本発明の可動電極構造により、金属異物の発生が少なく絶縁信頼性の高い断路器を提供することができる。また、この可動電極構造は、遮断器、接地開閉器等のガス絶縁開閉機器に容易に適用することが可能であるので、金属異物の発生が少なく絶縁信頼性の高いガス絶縁開閉機器を提供することが可能である。

１ 金属容器
２ａ、２ｂ 絶縁スペーサ
３ａ、３ｂ 導体
４ａ 固定側シールド固定導体
４ｂ 可動側シールド固定導体
５ａ 固定側接触子
５ｂ 可動側接触子
６ 可動子操作レバー
７ａ 固定側シールド電極
７ｂ 可動側シールド電極
８ 可動子
８ａ 固定通電部
８ｂ 摺動通電部
８ｃ 可動子先端部
８ｄ 可動子母材

Claims (3)

1. 消弧性ガスを封入した金属容器内に可動部と固定部とを有し、前記可動部は可動子と可動側接触子を有し、前記可動子は前記固定部に設けられた固定側接触子と接離可能に対向配置されたガス絶縁開閉機器において、前記可動子は開閉動作時に前記可動子が前記可動側接触子及び前記固定側接触子と通電しつつ摺動する摺動通電部と、閉極状態において前記可動子が前記可動側接触子及び前記固定側接触子と通電接触する固定通電部を有し、前記固定通電部に第一の材料により皮膜を形成し、前記摺動通電部に、前記第一の材料よりも大きな電気抵抗率を有する第二の材料により皮膜を形成した、ガス絶縁開閉機器。
2. 前記第一の材料を銀とし、前記第二の材料は、錫、亜鉛、ニッケル又はクロムのうちの一種とする、請求項１記載のガス絶縁開閉機器。
3. 前記可動子の先端部分を銅タングステン合金により構成する、請求項１又は２記載のガス絶縁開閉機器。