JP2016021293A - ガス遮断器 - Google Patents

Abstract

【課題】操作部の信頼性向上と小型化を両立させたガス遮断器を提供する。【解決手段】遮断部ケース１内に対向配置された一対の接触子と、前記一対の接触子の少なくとも一方を遮断及び投入動作方向に駆動する操作部１００を有するガス遮断器であって、操作部１００は、接触子と連結する可動子１４１と、可動子１４１を挟んで配される固定子１３１を有し、可動子１４１は、複数の永久磁石又は磁性体の磁極を交互に反転させつつ前記接触子の動作軸と同軸上に配置して構成し、固定子１３１は、可動子１４１に対向して可動子１４１と同軸上に複数配置されると共にそれぞれが巻き線１３６を有する磁極で構成され、固定子１３１は操作部ケース１１０内に嵌合され、操作部ケース１１０は遮断部ケース１に固定される。【選択図】図２

Description

本発明はガス遮断器に関するもので、特に電動で動作させて高電圧を遮断する電動駆動方式ガス遮断器に関するものである。

遮断器は速やかに事故電流を遮断することにより、電力系統の事故の波及を防止する役割を持つため、信頼性の確保が重要である。ガス遮断器を操作する操作器として、操作ばねに蓄勢したばね力を解放することにより操作力を得るようにしたばね操作器と、空気圧や油圧を利用して操作力を得るようにした空気圧操作器や油圧操作器が従来から知られている。

ばね操作器は低操作力、保守性、経済性に優れており、また空気圧操作器は取扱いが容易であると共に高い操作力が得られ、更に油圧操作器は低騒音で高い操作力が得られるという特徴がある。

しかしながら、ばね操作器による操作ではばねの弾性力が必ずしも一定でないこと、ばねの位置決め精度は必ずしも高くないこと、複雑で多くの部品から成り立つこと等から動作に対する信頼性について改善の余地がある。また、油圧や空気圧を利用する操作方式では、周囲の温度変化によっては作動流体が漏れるおそれがあり、更には部品の一部に不具合や故障があると全体が動作しなくなる可能性もあり、取り扱いが容易ではないという側面もある。

ここで、上記の様な点を改善する方式の一例として、電気の力により操作力を生み出す技術として例えば特許文献１に記載されたものがある。特許文献１には、直線移動可能なコイルに電流を供給するアクチュエータ構造で、円筒形状の永久磁石から成る固定子から発生する磁界の力との反発力を利用して、コイルから成る可動子を固定子と相対運動させ、可動子に繋がる絶縁ロッドを直線運動させる遮断器構成が記載されている。

特開２０１３−２２９２４７号公報

特許文献１に記載されたアクチュエータでは、可動方向に複数並べられた永久磁石を固定支持する円板が両端に設けられていて、該円板が可動時に永久磁石に加わる推力に比例した反力を支持している。

しかしながら、円板には推力によって、円板が面外方向に変形する方向の外力が加わることとなるため、十分な剛性を得るためには円板を厚肉化する必要がある。その結果、アクチュエータが大型化する可能性がある。

さらに、特許文献１に記載されたアクチュエータでは、固定子を固定することで、固定子と可動子間の相対運動を可動子につながる絶縁ロッドの直線運動に変換している。そのため、速やかに事故電流を遮断する遮断動作を行うためには、固定子を強固に固定することが課題である。

上記問題を解決するために、本発明に係るガス遮断器は、遮断部ケース内に対向配置された一対の接触子と、前記一対の接触子の少なくとも一方を遮断及び投入動作方向に駆動する操作部を有するガス遮断器であって、前記操作部は、前記接触子と連結する可動子と、前記可動子を挟んで配される固定子を有し、前記可動子は、複数の永久磁石又は磁性体の磁極を交互に反転させつつ前記接触子の動作軸と同軸上に配置して構成し、前記固定子は、前記可動子に対向して前記可動子と同軸上に複数配置されると共にそれぞれが巻き線を有する磁極で構成され、前記固定子は操作部ケース内に嵌合され、前記操作部ケースは前記遮断部ケースに固定されることを特徴とする。

本発明によれば、操作部のケースとアクチュエータの固定子を一体化して支持し遮断部ケースに連結固定することで、操作部の信頼性向上と小型化を両立させたガス遮断器を提供できる。

実施例１に係るガス遮断器（閉極状態）の断面図である。 実施例１に係る操作部の一例の断面図である。 実施例１に係るガス遮断器（開極状態）の断面図である。 実施例１に係るアクチュエータの概略斜視図である。 図４の正面図である。 図５から巻線を除いた状態を示す図である。 実施例１に係るガス遮断器に適用するアクチュエータの断面構成の一例である。 図７に示すＳｅｃ1―Ｓｅｃ１の断面構成の一例である。 図７に示すＳｅｃ1―Ｓｅｃ１の断面構成の他の例である。 図７に示すＳｅｃ1―Ｓｅｃ１の断面構成の他の例である。 本発明に係るガス遮断器の遮断特性を説明する図である。 実施例２に係る操作部の断面図である 実施例３に係るガス遮断器の断面図である。

以下、本発明を実施する上で好適な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であって、発明の内容を下記具体的態様に限定することを意図する趣旨ではない。発明自体は、特許請求の範囲の記載を満たす範囲内で種々の態様に変形することが可能である。

実施例１について図１から図１１を用いて説明する。図１は本発明に係る操作部構造を有するガス遮断器の閉極状態を示し、図２は図１の操作部の詳細図、図３は本発明に係る操作部構造を有するガス遮断器の開極状態を示す。これらの図に示すように、本実施例のガス遮断器は、事故電流を遮断するための遮断部と、該遮断部の側部には遮断部を操作するための操作部で構成される。

遮断部は、金属容器の遮断部ケース１を架台９上に設置している。遮断部ケース１はＳＦ₆ガスを充填させて密閉され、遮断部ケース１の端部に設けられた絶縁支持スペーサー２に固定された固定側電極３と、可動側電極４と、可動側電極４に設けられる可動電極６及びノズル５と、操作部側に接続されると共に可動側電極４に接続される絶縁支持筒７と、可動側電極４に接続され主回路の一部を構成する主回路導体となる高電圧導体８とを有している。

この構成において、操作部からの駆動力を通じて可動電極６をＺ方向（図１、２中横方向）に移動させ、電気的に開閉することにより、電流の投入及び遮断が可能である。高電圧導体８の周囲には、高電圧導体８に流れる電流を検出するための電流検出器として働く変流器５１が設けられている。絶縁支持筒７内には操作部に接続される絶縁ロッド８１が配置されている。絶縁ロッド８１は、密閉された遮断部ケース１を気密に保ったまま駆動できる様に設けられた直線シール部８２を通じて、遮断部に隣接して設けられた操作部１００内に延伸されている。

操作部１００は、操作部ケース１１０内にアクチュエータ１３０を有し、遮断部ケース１に隣接して設けられている。アクチュエータ１３０は、絶縁ロッド８１に連結され直線可動する可動子１４１と、該可動子１４１に対向して配置される固定子ユニット１３５で構成される。

操作部ケース１１０は、固定子ユニット１３５を嵌合したハウジング１１１および、継手１１４とカバー１１７とで構成される。いずれの部材も外側に突き出したフランジを有しており、ハウジング１１１、継手１１４およびカバー１１７間はＺ方向（図２中横方向）からボルト締めして固定される。さらに、継手１１４と遮断部ケース１の間をボルト締めすることで、操作部ケース１１０は遮断部ケース１に固定される。

また、固定子ユニット１３５は、操作部ケース内に設けた支持部材１２１とカバー１１７とで、Ｚ方向からボルト締めして固定される。

アクチュエータ１３０は、操作部ケース１１０に設けられる密封端子１６３を通じて電源ユニット１６１と電気的に接続されている。電源ユニット１６１は、制御ユニット１６２と接続され、制御ユニット１６２からの指令を受けることができる様に形成されている。制御ユニット１６２には、変流器５１で検出した電流値が入力される。電源ユニット１６１及び制御ユニット１６２は、変流器５１で検出した電流値に応じて、アクチュエータ１３０の後述する巻線１３６に供給する電流量や位相を変化させる制御機構として働く。

アクチュエータ１３０を構成する可動子および固定子について、図４ないし図７を用いて説明する。図４はアクチュエータ１３０の概略斜視図、図５は固定子１３１の正面図、図６は図５から巻線を除いた状態を示す図、図７はアクチュエータ１３０の断面構成の一例を示す。

固定子１３１は、第一の磁極１３２と、該第一の磁極１３２に対向して配置される第二の磁極１３３と、第一の磁極と第二の磁極をつなぐ磁性体１３４と、第一の磁極及び第二の磁極の内周に設けられる巻線１３６で構成される。固定子１３１の内部には、第一の磁極１３２および第二の磁極１３３の間に空隙が設けられ、この空隙に永久磁石１４２が配置される。永久磁石１４２の着磁方向はＹ方向（図４ないし図６中の上下方向）に着磁され、隣り合う磁石毎に交互に着磁されている。

一般的に永久磁石１４２と第一の磁極１３２及び第二の磁極１３３の間には吸引力（Ｙ方向の力）が発生する。しかし、本構成においては、永久磁石１４２と第一の磁極１３２に発生する吸引力と、永久磁石１４２と第二の磁極１３３に発生する吸引力とが互いに逆方向になるため力が相殺され吸引力が小さくなる。そのため、可動子１４１を保持するための機構が簡素化でき、可動子１４１を含む可動体の質量を低減できる。可動体の質量を低減できるため、高加速度駆動や高応答駆動を実現することが可能になる。

駆動に際しては、巻線１３６に電流を流すことにより磁界が発生し、第一および第二の磁極を構成する固定子１３１と、永久磁石１４２を構成する可動子１４１にはＺ軸方向に電磁気力が発生する。この電磁気力を推力とした可動子１４１の直線運動によって遮断動作を行う。

なお、固定子１３１と可動子１４１に加わる電磁気力は相対する方向である。例えば可動子１４１に＋Ｚ方向の電磁気力が加わる場合、固定子１３１には−Ｚ方向の電磁気力が加わることとなる。そのため、電磁気力によって、複数の固定子１３１の各部の変形や、固定子１３１と可動子１４１間にずれが生じる可能性がある。

図７は、複数の固定子１３１から成る固定子ユニット１３５で構成されるアクチュエータ１３０の例を示している。Ｚ方向（図７中、横方向）に複数配置された固定子１３１の間にはスペーサー１３７が配置されて、固定子ユニット１３５が構成されている。固定子ユニット１３５の両端にガイドローラユニット１３８を配置し、ハウジング１１１を圧入などの方法で嵌合している。ガイドローラユニット１３８はそのローラにより可動子１４１を上下方向に挟んで支持するように構成される。

可動子１４１は、第一の磁極１３２および第二の磁極１３３の間に設けられた空隙に配置された永久磁石１４２と、該永久磁石１４２を挟みこんで支持する磁石固定部材１４３で構成される。永久磁石１４２と、固定子１３１の間隔は、固定子ユニット両端に配置したガイドローラユニット１３８によって保たれる。

次に、固定構造の組み上げ手順（１）〜（７）を図２および図７を用いて説明する。
（１）巻線１３６を巻きつけた固定子１３１をＺ方向に並べ、両端にガイドローラユニット１３８を設けて固定子ユニット１３５を形成する。（２）固定子ユニット１３５にハウジング１１１を圧入などの方法で嵌合する。（３）固定子ユニット１３５の反遮断部側端部に支持部材１２１をボルト１２０でＺ方向から締めつける。（４）次に、可動子１４１を固定子ユニット１３５に挿入する。（５）続いて、絶縁ロッド８１を可動子１４１に接続する。（６）ハウジング１１１と遮断部ケース１との間を継手１１４で固定する。継手１１４に設けたフランジ１１５にボルト１１６を通し遮断部ケース１に螺入するとともに、ハウジング１１１に設けたフランジ１１２からボルト１１３を通して継手１１４に締め付ける。（７）最後に、カバー１１７を取り付ける。カバーに設けたフランジ１１８にボルト１１９を通してカバー１１７をハウジング１１１に固定するとともに、カバーに設けた孔からボルト１２２を通して支持部材１２１に締め付けることで固定する。

以上のように、固定子ユニット１３５およびガイドローラユニット１３８をハウジング１１１で嵌合することによって、該固定子ユニット１３５を構成する固定子１３１とスペーサー１３７、およびガイドローラユニット１３８の間のずれを防止することができる。その結果、固定子の剛性が向上し、可動子と磁極の間のずれや、各磁性体間の変形などを抑制でき耐衝撃性や応答性が向上できる。

なお、嵌合する前に固定子１３１、スペーサー１３７とガイドローラユニット１３８の間を接着材塗布や溶接処理をしておくことで、補強の効果をさらに増強することができる。

以下に、ハウジング１１１で固定子ユニット１３５およびガイドローラユニット１３８を嵌合する具体的構成について図８ないし図１０を用いて説明する。図８は図７に示すＳｅｃ１―Ｓｅｃ１での断面構成の一例、図９ないし図１０は図７に示すＳｅｃ１―Ｓｅｃ１での断面構成の他の例である。

図８では、角を面取りして面取り部１３４ａを設けた断面四角形状の固定子１３１に、四角形状の空洞を設けたハウジング１１１で嵌合した構成を示している。また図９では、断面四角形状の固定子１３１に、四角形状の空洞の四隅に切欠部１１１ａを設けたハウジング１１１を嵌合した構成を示している。以上のように、固定子１３１とハウジング１１１内面の四隅に空隙を設けることで、嵌合組立時に、固定子１３１の四角形の凸部がハウジング１１１の内面に接触し損傷することを防止できる。

また、図１０では、断面円形状の固定子１３１に、円状の空洞を設けたハウジング１１１で嵌合する構成を示している。本構成をとることで、焼き嵌めや油圧嵌めなどの嵌合方法をとることができ、接触面圧の向上が期待できることから、より固定子を強固に支持できる。

上記のように構成した本実施例に係るガス遮断器は、図１の閉極状態から図３の開極状態に移行して電流を遮断する。その際、遮断部で発生したアークに消弧性能を有するＳＦ₆ガスを吹き付けることでアークプラズマを消滅させ、電流を遮断する。

図１１に遮断動作時の可動側電極４の変位、遮断電流、極間電圧及び極間耐電圧を時系列に示す。遮断器は主に３つの遮断モードで遮断動作するが、何れの遮断モードにおいても、遮断動作序盤で停止している可動電極を加速させ、遮断動作終盤で可動部電極を減速、停止させる必要がある。図１１において、図中の符号Ｓは遮断部の動作を示しており、投入位置“Ｃ”から遮断位置“Ｏ”に移動する。電流遮断の３つのモードにおける遮断動作序盤の動作特性をＳ１Ｃ、Ｓ２Ｃ、Ｓ３Ｃ、遮断動作終盤の動作特性をＳ１Ｏ、Ｓ２Ｏ、Ｓ３Ｏとする。

図１１に示した遮断する電流波形は、図１ないし図３に示した電流検出用の変流器５１により検出可能であり、検出した電流波形を制御ユニット１６２に入力することで最適な動作を実現することが可能である。遮断電流に依存して動作を制御する場合の例を下記にて説明する。

初めに通常遮断動作（普通モード）について説明する。図１１において、普通モードでは太線Ｓ１に従って投入位置“Ｃ”から遮断位置“Ｏ”に移動する。遮断部の可動電極４は予め設定された摺動距離Ｗ１まで移動した時刻ｔ１で電極の開極位置になる。

符号Ｉは変流器５１により検出された遮断電流波形であり、開極後の時刻ｔ２で電流ゼロ点を迎えることで電流が遮断される（Ｓ１Ｃ）。符号Ｖは極間の電圧波形であり、電流が遮断される時刻ｔ２以降で極間に現れる。普通モードにおいて、遮断後は極間の電圧Ｖ１より極間の耐電圧Ｖ２が下回ることはない（Ｓ１Ｏ）。すなわち、この場合の動作が基準となる。

次に小電流を遮断する場合（小電流モード）の動作について説明する。この場合、送電系統での進相負荷遮断が対象となり、電流値は数十〜数百アンペア以下の小電流となる。電流が小さいため、遮断は容易であり、開極時刻ｔ１以降に最初に現れる時刻ｔ２のゼロ点で電流は遮断される（Ｓ２Ｃ）。ここで、進相負荷を遮断する場合、負荷側に電源電圧波高値相当の電圧が残留するため、極間には電源電圧の２倍高い電圧が印加される。一方で遮断部極間の耐電圧Ｖ２も時間とともに増大する。

進相負荷遮断の場合、極間電圧Ｖ１が耐電圧Ｖ２を上回ってしまうと極間で絶縁破壊が発生する。そこで、変流器５１により小電流モードと判定された場合には普通モードにおける動作特性Ｓ１よりも速い動作特性Ｓ２で駆動するようにアクチュエータ１３０に入力する電流を制御する（Ｓ２Ｏ）。これにより普通モードでの極間の耐電圧特性Ｖ２よりもＶ３のように耐電圧の回復特性を速めることができる。

次に、大電流を遮断する場合（大電流モード）の動作について説明する。この場合、アークエネルギによる遮断部での圧力上昇が大きく、操作部への反力も大きくなるため、普通モードにおける動作特性Ｓ１よりも遅い動作特性Ｓ３になる（Ｓ３Ｃ、Ｓ３Ｏ）。

何れの遮断モードにおいても、遮断動作序盤はアクチュエータ１３０の巻線に電流を供給することで、可動子１４１および可動電極４を可動させるための加速力を発生させる。このとき、固定子１３１は加速力の反力を受けて、加速方向と反対の方向に荷重が作用する。

また、遮断動作終盤はアクチュエータ１３０の巻線に供給する電流量を制御することで可動子１４１および可動電極４を減速させるためのブレーキ力を発生させる。このときは、固定子１３１はブレーキ力の反力を受けて、減速方向と反対の方向に荷重が作用する。

このように加減速時の反力によって、固定子１３１には遮断動作の度に荷重が作用するが、固定子１３１をスペーサー１３７で挟みハウジング１１１で嵌合した図７の構成、およびハウジング１１１を遮断部ケースにボルト締め固定した図２の構成により固定子１３１の変形やずれが拘束されるため、遮断速度や動作特性の制御性を向上でき、結果として信頼性の高いガス遮断器を提供できる。

以下に、本発明に係るガス遮断器の第２の実施形態を図１２に基づいて説明する。図１２は本発明に係るガス遮断器の操作部の詳細図を示す。

実施例２においては、固定子ユニット１３５を構成する固定子１３１およびスペーサー１３７と、ガイドローラユニット１３８、そして支持部材１２１を貫くよう棒状支持部材２１２を設けている。該棒状支持部材２１２の両端にねじ加工し、ナット２１３で支持部材１２１からと、反対のガイドローラユニット１３８から締め付けることで、固定子ユニット１３５を固定子支持する。実施例１に比べ固定子ユニット１３５を嵌合する必要がないため、組立をより容易にすることができる。

以下に、本発明に係るガス遮断器の第３の実施形態を図１３に基づいて説明する。本発明に係るガス遮断器を示している。

実施例３においては、遮断部および操作部１００が共通のベース３０１に固定された構成としている。遮断部は、遮断部ケース１と架台９を通してベース３０１に固定され、操作部１００は、ベース３０１に設けた操作部連結板３０２と、操作部ケース１１０のカバー１１７とをボルト締めされて固定される。実施例１の構成では、操作部ケース１１０が遮断部ケース１に対して片持ち構造で固定されているのに比べ、本実施例の構成では、操作部ケース１１０が、遮断部ケース１と、ベース３０１の操作部連結板３０２の両端から挟みこまれて固定される。遮断動作時の荷重による操作部ケース１１０の変形を防ぐことができ、固定子１３１の固定構造が高剛性化する。その結果、遮断速度や動作特性の制御性を向上でき、結果として信頼性の高いガス遮断器を提供できる。

本発明は前記した実施形態に限定されるものではない。例えば、前記した実施形態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ない。

また、実施形態のある構成の一部を他の実施形態に置き換えることも可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。

例えば、可動子が一段に形成されている場合について説明したが、可動子はＹ方向に二段以上重ねた構成であってもよい。

また、可動子に永久磁石を用いた場合を説明したが、その代わりに磁性体を配置して構成することも可能である。例えば、鉄やケイ素鋼板などでもよい。

本実施例では遮断部と操作部のガス区画を別にしており、操作部の駆動は直線シール部８２を介して行っているが、遮断部と操作部を同一ガス区画として、同じ高気圧ＳＦ₆ガスで充填した状態でもよい。図１に示す様に、遮断部と操作部のガス区画が別区画の場合は、遮断部は高気圧ＳＦ₆ガスで充填されているが、操作部の操作部ケース１１０は外部（大気）と密閉される場合と密閉されない場合が存在する。

操作部ケース１１０が密閉される場合、操作部ケース１１０のフランジ合わせ面間にＯリングなどのシール部材を挟みボルト締めすることで、内部のガスを密閉することができる。このとき、図１では遮断部と操作部の間に設けられている直線シール部８２は不要となる。

上記の構成をとることで、操作部ケース１１０内部は大気圧の乾燥空気や窒素、ＳＦ₆ガスが充填される。操作部が密閉されていると、外部環境の影響を受けにくく、湿度や雨水や昆虫などの混入など性能を低下させる要因を排除できるため、信頼性の高い操作部が提供できる。しかし、密閉された場合には内部を点検するたびに密閉された操作部ケース１１０を大気開放しなければならず点検作業が煩雑となる。このような内部点検の容易さを優先させるならば操作部ケース１１０を密閉される必要はない。

１ 遮断部ケース
２ 絶縁支持スペーサ
３ 固定側電極
４ 可動側電極
５ ノズル
６ 可動電極
７ 絶縁支持筒
８ 高電圧導体
９ 架台
５１ 変流器
８１ 絶縁ロッド
８２ 直線シール部
１００ 操作部
１１０ 操作部ケース
１１１ ハウジング
１１１ａ 切欠部
１１２ フランジ
１１３ ボルト
１１４ 継手
１１５ フランジ
１１６ ボルト
１１７ カバー
１１８ フランジ
１１９ ボルト
１２０ 支持部材締結ボルト
１２１ 支持部材
１２２ 固定子締結ボルト
１３０ アクチュエータ
１３１ 固定子
１３２ 第一の磁極部
１３３ 第二の磁極部
１３４ 磁性体
１３４ａ 面取り部
１３５ 固定子ユニット
１３６ 巻線
１３７ スペーサー
１３８ ガイドローラユニット
１４１ 可動子
１４２ 永久磁石
１４３ 磁石固定部材
１６１ 電源ユニット
１６２ 制御ユニット
１６３ 密封端子
２１１ 固定子ケース
２１２ 棒状支持部材
２１３ ナット
３０１ ベース
３０２ 操作部連結板

Claims (5)

1. 遮断部ケース内に対向配置された一対の接触子と、前記一対の接触子の少なくとも一方を遮断及び投入動作方向に駆動する操作部を有するガス遮断器であって、
   前記操作部は、前記接触子と連結する可動子と、前記可動子を挟んで配される固定子を有し、
   前記可動子は、複数の永久磁石又は磁性体の磁極を交互に反転させつつ前記接触子の動作軸と同軸上に配置して構成し、
   前記固定子は、前記可動子に対向して前記可動子と同軸上に複数配置されると共にそれぞれが巻き線を有する磁極で構成され、
   前記固定子は操作部ケース内に嵌合され、前記操作部ケースは前記遮断部ケースに固定されることを特徴とするガス遮断器。
2. 請求項１において、
   前記操作部ケースは、前記固定子を嵌合するハウジングと、前記ハウジングの一端と前記遮断部を連結固定する継手と、前記ハウジングの他端を閉じるカバーを有し、
   前記固定子と前記カバーとの間を支持部材で固定支持することを特徴とするガス遮断器。
3. 請求項２において、
   前記固定子は前記複数配置される磁極と、前記複数配置される磁極それぞれの間に挟まれたスペーサーとを有し、前記固定子の少なくとも一端には前記可動子を保持するガイドローラユニットが設けられることを特徴とするガス遮断器。
4. 請求項３において、
   前記複数の磁極と、前記ガイドローラユニットと、前記支持部材に貫通孔を通し、前記貫通孔に棒状支持部材を通して固定することを特徴とするガス遮断器。
5. 請求項１において、
   さらに、前記操作部ケースの前記遮断部ケースと反対側の端部に設けられた操作部連結板と、前記操作部連結板と前記遮断部ケースとを連結支持したベースとが設けられ、前記ベースは架台を有することを特徴とするガス遮断器。