JP2016100388A - 負荷時タップ切換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エアレーションの発生を抑制できる負荷時タップ切換装置を提供する。【解決手段】負荷時タップ切換装置は、真空バルブ１８、引出導体２２、油槽及び負圧低減機構を有する。真空バルブ１８は、固定電極２７と対の可動電極３１を一端部２８ａに有し、他端部２８ｂが外部に突出する可動軸２８を備えている。引出導体２２は、真空バルブ１８と対向するように可動軸２８の他端部２８ｂに固定された中継用端子部である。油槽は、絶縁油と共に真空バルブ１８及び引出導体２２を収容する。負圧低減機構は、真空バルブ１８の閉極動作によって引出導体２２が真空バルブ１８に近付くときの絶縁油の流動に伴う負圧の発生を低減する。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、負荷時タップ切換装置に関する。

負荷電流を遮断せずに変圧器のタップを切り換える例えば真空バルブ遮断方式の負荷時タップ切換装置が知られている。この種の負荷時タップ切換装置は、真空バルブの他、例えば平編線を接続するための中継用端子部として機能する引出導体などを備えている。

真空バルブは、固定電極と対の可動電極を一端部に有し他端部が外部に突出する可動軸を備えている。一方、引出導体は、真空バルブと対向するように可動軸の他端部に固定されている。また、真空バルブ及び引出導体は、絶縁油と共に油槽内に収容されている。

なお、引出導体は、通電時の熱を放散させるために比較的大きな体積を必要とする。さらに、引出導体は、タップ切換時の通電性能を確保するために、特に閉極動作時には、可動電極を有する可動軸と共に高速で駆動される。

特開平３−２３５３０８号公報 特開平３−８３３１０号公報 特開２００２−５０２６７号公報

ところで、真空バルブの閉極動作時には、可動軸と共に引出導体が真空バルブに高速で近付く動作によって、真空バルブと引出導体との間の絶縁油が急速に流出することに伴い、負圧が生じる場合がある。この際、絶縁油に溶け込んでいる気体が飽和状態になり、気泡として現れる、いわゆるエアレーションの発生を招く。

さらに、閉極動作完了後の急激な動作の停止に伴い、真空バルブと引出導体との間に絶縁油が流入して圧力が回復すると、絶縁油に生じた気泡が崩壊し、崩壊時のエネルギによって大きな衝撃が生じることになる。真空バルブの閉極動作の度に、エアレーションによる気泡の発生と崩壊が繰返されると、引出導体における真空バルブとの対向面や、真空バルブと引出導体との間の可動軸の周面などが壊食（浸食）する場合があり、壊食が進行すると壊食痕を発端として可動軸が折損するおそれもある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、エアレーションの発生を抑制することができる負荷時タップ切換装置を提供することである。

実施の形態の負荷時タップ切換装置は、真空バルブ、引出導体、油槽、及び負圧低減機構を有する。真空バルブは、固定電極と対の可動電極を一端部に有し他端部が外部に突出する可動軸を備えている。引出導体は、真空バルブと対向するように可動軸の他端部に固定された中継用端子部である。油槽は、絶縁油と共に真空バルブ及び引出導体を収容する。負圧低減機構は、真空バルブの閉極動作によって引出導体が真空バルブに近付くときの絶縁油の流動に伴う負圧の発生を低減する。

第１の実施形態に係る負荷時タップ切換装置を示す正面図。 図１の負荷時タップ切換装置が備える切換開閉器の構造を示す斜視図。 図２の切換開閉器が備える真空バルブ及び引出導体の周辺の構造を部分的に断面で示す正面図。 図３の真空バルブと引出導体との間に生じ得る壊食現象について説明するための図。 負圧低減機構を備える図３の引出導体の構造を示す斜視図。 比較例の引出導体の構造を示す斜視図。 図５の引出導体を適用したときの流体解析の結果を示す図。 図６の比較例の引出導体を適用したときの流体解析の結果を示す図。 図５の負圧低減機構とは一部構造が異なる他の負圧低減機構を備えた引出導体の構造を示す斜視図。 図９の引出導体を適用したときの流体解析の結果を示す図。 図３の真空バルブと引出導体との間に保護部材を配置した形態を示す図。 図３の引出導体の動作速度を制限する速度制限機構を真空バルブの周辺に設けた形態を概略的に示す斜視図。 図１２の速度制限機構としてダンパを適用したときの形態を示す図。 図１２の速度制限機構としてバネを適用したときの形態を示す図。

以下、実施の形態を図面に基づき説明する。
図１、図２に示すように、本実施形態に係る負荷時タップ切換装置１０は、真空バルブ遮断方式の負荷時タップ切換装置（ＶＩ−ＬＴＣ：Vacuum Interrupter type on-Load Tap Changer）であって、送配電系統に接続される変圧器に組み込まれている。

図１に示すように、負荷時タップ切換装置１０は、切換開閉器１２、タップ選択器１１、油槽１５を主に備えている。油槽１５は、変圧器の筐体となるタンク内に設置されている。油槽１５内には絶縁油が充填されている。切換開閉器１２は、絶縁油と共に油槽１５内に収容されている。

タップ選択器１１は、タップ巻線と中性点との間に可動接触子を備えており、この可動接触子によってタップ巻線のタップを選択する。一方、図１に示すように、切換開閉器１２は、切換スイッチを備えており、タップ選択器１１にて選択された一対のタップ間に、抵抗を介した短絡状態を作り、切換スイッチによって負荷電流を流すタップの切換を行う。つまり、切換開閉器１２は、負荷電流を遮断することなく、電圧を切り換えることを可能とする。

具体的には、図２に示すように、切換開閉器１２は、タップを切り換えるための動力を蓄勢（弾性エネルギを蓄積）する蓄勢機構１６と、タップ切換時に通電部の循環電流を抑制する限流抵抗１７と、通電経路を変更する三相分の通電切換機構１４と、駆動軸１９と、を主に備えている。通電切換機構１４は、真空バルブ（ＶＣＢ：vacuum circuit breaker）１８や、上記した切換スイッチなどを備えている。

ここで、切換開閉器１２の通電切換機構１４は、通電経路を変更する際の切換方式として、個々の相毎（三相あるうちの一相毎）に２つの限流抵抗１７と３つの真空バルブ１８を用いる２抵抗３真空バルブ方式を適用している。２抵抗３真空バルブ方式は、切換時に流れる循環電流を限流抵抗１７が抑制し、真空バルブ１８が回路の遮断動作を行う。

つまり、真空バルブ１８は、主真空バルブと２つの抵抗真空バルブとで一組となる。また、切換スイッチは、２つの固定接点と可動接点とからなる。主真空バルブは、切換スイッチと直列に接続されている。抵抗真空バルブは、主真空バルブに並列に接続され、かつ限流抵抗１７と直列に接続されている。

これら３つの真空バルブの開閉動作について簡易的に説明すると、切換スイッチの切換動作前の状態として、主真空バルブが閉極状態、通電タップ側の抵抗真空バルブが閉極状態、非通電タップ側の抵抗真空バルブが開極状態にあるとする。この状態から、切換スイッチが切換動作を開始すると、切換動作の途中で非通電タップ側の抵抗真空バルブが閉極する。次に、主真空バルブが開極し、切換スイッチの切換動作が終わると、主真空バルブが閉極する。最後に切換動作前に通電していた抵抗真空バルブが開極する。

このような通電切換機構１４は、蓄勢機構１６から開放される弾性エネルギにより駆動軸１９が回転すると、図２、図３に示すように、この回転力が、カム２１に伝達されて真空バルブ１８を開閉動作させる。また、上記した切換スイッチは、カム２１の回転と連動して切換動作を行う。

次に、真空バルブ１８の周辺の構造及び真空バルブ１８の内部構造について図３に基づき説明する。なお、図３は、真空バルブ１８の中心軸から左側を断面で図示している。図３に示すように、真空バルブ１８の周辺には、銅製の引出導体２２、連結ロッド２３、圧縮バネ２４、駆動ボス２５、カムフロア３６、上記カム２１が設けられている。また、真空バルブ１８は、固定電極２７、可動軸２８、碍子２９、ベローズ（可とう管）３０を内部に備えている。

可動軸２８は、固定電極２７と対の可動電極３１を一端部２８ａに有し、他端部２８ｂが真空バルブ１８の本体内から外部に突出している。真空バルブ１８は、可動軸２８の一端部２８ａにおける可動電極３１と固定電極２７との接点部分３２が真空になるように、碍子２９と下部フランジ３３と上部フランジ３４とベローズ３０とによって密封構造を構成する。

引出導体２２には、平編線（フレキシブルケーブル）が接続される。引出導体２２は、この平編線を介して他の通電部と接続される中継用端子部（中継用のターミナル導体）である。図３に示すように、引出導体２２は、真空バルブ１８と対向するように可動軸２８の他端部２８ｂに固定されている。具体的には、可動軸２８の他端部２８ｂの周面には雄ねじが形成されている。一方、引出導体２２の中央部分には、可動軸固定用のねじ穴（雌ねじ）２２ａが形成されている。これにより、引出導体２２は、ねじ穴２２ａを介して、可動軸２８の他端部２８ｂと締結（固定）されている。

また、連結ロッド２３の一端部２３ａの周面には、雄ねじが形成されている。可動軸２８の他端部２８ｂには、ねじ穴が形成されている。これにより、連結ロッド２３の一端部２３ａと可動軸２８の他端部２８ｂとは、引出導体２２のねじ穴２２ａ内で互いに締結されている。ここで、連結ロッド２３は、断面Ｌ字状の駆動ボス２５に設けられた所定のロッド挿通穴と圧縮バネ２４の内径部分とを共に挿通するように配置されている。

詳述すると、図３に示すように、連結ロッド２３の他端部に設けられたロッド頭部２３ｂと引出導体２２との間に駆動ボス２５を介して圧縮バネ２４を挟持するようにして、連結ロッド２３は、可動軸２８と締結されている。これにより、引出導体２２と固定された可動軸２８の一端部２８ａにある可動電極３１は、圧縮バネ２４の弾性力によって、固定電極２７側に（矢印Ｙ２方向に）付勢されている。

さらに、図３に示すように、駆動ボス２５の側面には、上述したカム２１のカム溝２１ａと係合するカムフロア３６が固定されている。したがって、図２、図３に示すように、通電切換機構１４の駆動軸１９の回転に連動するカム２１は、真空バルブ１８の開極動作時には、カムフロア３６を矢印Ｙ１方向に上昇させるように動作し、これに伴い、駆動ボス２５、連結ロッド２３、引出導体２２、及び可動軸２８が一体となって上昇し、可動軸２８の一端部２８ａにある可動電極３１は、固定電極２７側から離間するように動作する。

一方、真空バルブ１８の閉極動作時には、カム２１は、カムフロア３６を矢印Ｙ２方向に下降させるように動作し、これに伴い、駆動ボス２５、連結ロッド２３、引出導体２２、及び可動軸２８が一体となって下降し、可動軸２８の一端部２８ａにある可動電極３１は、固定電極２７側に接触するように動作する。

ここで、真空バルブ１８の閉極動作時に、真空バルブ１８と引出導体２２との間に生じ得る壊食現象について主に図４（ａ）〜図４（ｆ）に基づき説明する。前述したように、真空バルブ１８及び引出導体２２を含む切換開閉器１２は、絶縁油と共に油槽１５内に収容されている。このため、図３に示した真空状態の接点部分３２などを除き真空バルブ１８及び引出導体２２の周囲は、絶縁油で満たされている。

まず、図４（ａ）に示すように、真空バルブ１８の閉極動作の開始時、可動軸２８を介して引出導体２２は、動作速度Ｓ₁を大きく加速させながら真空バルブ１８側に近接する。この際、引出導体２２によって絶縁油が圧縮されることによって、比較的小さい流体（絶縁油）ｎの流れが生じる。つまり、絶縁油の流体速度Ｓ₂が小さいため、引出導体２２における真空バルブ１８との対向面２２ｅには、引出導体２２の動作方向とは逆向きの流体圧力が作用し正圧が生じる。

図４（ｂ）に示すように、閉極動作の進行に伴い、引出導体２２の動作速度Ｓ₁は減速するものの、絶縁油の流体速度Ｓ₂は慣性力によって維持される。このため、引出導体２２の動作速度Ｓ₁と絶縁油の流体速度Ｓ₂との相対的な速度の大小関係が逆転し、引出導体２２と真空バルブ１８との間には、流体ｎの流れ方向に沿った流体圧力が作用し負圧が生じる。

図４（ｃ）に示すように、閉極動作が完了すると、引出導体２２の動作速度Ｓ₁に対する相対的な流体速度Ｓ₂が最大となり、この際、引出導体２２と真空バルブ１８との間には、最大負圧が発生する。この場合、飽和蒸気圧以下まで圧力が低下すると、図４（ｄ）に示すように、絶縁油中に溶解している空気が気化して気泡ｐとなって現れるエアレーションが発生する。

閉極動作完了の後に、引出導体２２と真空バルブ１８との間に絶縁油が戻り圧力が回復して正圧になると、図４（ｅ）に示すように、気泡ｐに圧縮力が加わり、気泡ｐが崩壊することになる。この場合、図４（ｆ）に示すように、気泡の崩壊エネルギにより、引出導体２２における対向面２２ｅや、引出導体２２と真空バルブ１８との間における可動軸２８の周面２８ｃに、壊食痕ｋが生じる可能性がある。

そこで、本実施形態の負荷時タップ切換装置１０は、図５に示すように、引出導体２２に負圧低減機構３５が設けられている。負圧低減機構３５は、真空バルブ１８の閉極動作によって引出導体２２が真空バルブ１８に近付くときの絶縁油の流動に伴う負圧の発生を低減する。

具体的には、図５に示すように、矩形状の引出導体２２における中央の可動軸固定用のねじ穴２２ａとこのねじ穴２２ａを両側から挟む位置に穿孔された一対の平編線取付穴２２ｂとの間に、それぞれ一対の油抜き用の貫通穴２２ｃ、２２ｄが、負圧低減機構３５として引出導体２２に形成されている。油抜き用の貫通穴２２ｃ、２２ｄは、可動軸２８の軸方向に沿って引出導体２２を貫通するように穿孔されている。

油抜き用の貫通穴２２ｃ、２２ｄは、真空バルブ１８の閉極動作時において、引出導体２２が真空バルブ１８に近付く際に絶縁油を圧縮せずに円滑に通過させることができるため、引出導体２２と真空バルブ１８との間に負圧が生じることを抑制できる。これにより、絶縁油中でのエアレーション（気泡）の発生を抑えることができるので、引出導体２２の対向面２２ｅや可動軸２８の周面２８ｃが壊食されることなどを回避することが可能となる。

ここで、図７は、油抜き用の貫通穴２２ｃ、２２ｄを有する図５の引出導体２２を適用して、真空バルブ１８を閉極動作させたときの絶縁油の圧力分布を表す流体解析の結果を示している。一方、図８は、油抜き用の貫通穴のない図６に示す比較例の引出導体６２を適用して、真空バルブ１８を閉極動作させたときの絶縁油の圧力分布を表す流体解析の結果を示している。

図７及び図８では、その中央の領域に可動軸固定用のねじ穴２２ａの配置部分２２ｆが表されており、色が濃い程、負圧の値が大きいことを示している。つまり、図７、図８に示す流体解析の結果から、油抜き用の貫通穴２２ｃ、２２ｄを有する引出導体２２は、比較例の引出導体６２と比べて、負圧の発生が低減されており（負圧の値が約１１％小さく）、これによりエアレーションの発生を抑えることが可能となる。

図９は、負圧低減機構３５を備えた引出導体４２を示している。引出導体４２の負圧低減機構４５は、上述した油抜き用の貫通穴２２ｃ、２２ｄに加え、引出導体４２の真空バルブ１８との対向面２２ｅ上における可動軸２８の周囲に設けられたテーパ部４６をさらに含んで構成されている。テーパ部４６は、可動軸２８の外縁部分（最大負圧が発生する部分）が真空バルブ１８側に隆起するように傾斜を与えている。このテーパ部４６は、真空バルブ１８の閉極動作時に当該テーパ部４６と接触する流体（絶縁油）を可動軸２８の外縁側から放射状に分散させることで負圧の発生を抑制する。

テーパ部４６の角度（対向面２２ｅにおける平坦な表面との間の傾斜角度）は、例えば３０°であり、少なくとも２０°以上、４５°以下の範囲に収まっていること望ましい。テーパ部４６の角度が２０°未満であったり、４５°を超えていたりすると、真空バルブ１８の閉極動作時にテーパ部４６と接触する流体（絶縁油）を適切に分散することが難しくなる。

図１０は、負圧低減機構４５を有する図９の引出導体４２を適用して、真空バルブ１８を閉極動作させたときの絶縁油の圧力分布を表す流体解析の結果を示している。この流体解析の結果からわかるように、図９に示す引出導体４２は、図６に示す比較例の引出導体６２と比べて、負圧の発生が低減されており（負圧の値が約２１％小さくなっており）、壊食などが生じるリスクが低減される。

また、図１１は、上記した負圧低減機構を設けることに加えて、弾性を有する保護部材としてＯリング４７をさらに配置した形態を例示している。Ｏリング４７は、可動軸２８における真空バルブ１８と引出導体２２との間の周面（雄ねじの部分）２８ｃを保護している。

Ｏリング４７は、真空バルブ１８の閉極動作時に、仮に気泡が発生して崩壊したとしても、気泡崩壊時に生じる衝撃から可動軸２８の周面をガードすることができるので、可動軸２８の損傷を防ぐことが可能となる。

図１２は、速度制限機構５６を含む負圧低減機構５５を例示している。速度制限機構５６は、真空バルブ１８の閉極動作によって引出導体２２が真空バルブ１８に近付くときの引出導体２２の動作速度を制限（減速）する。速度制限機構５６は、ブレーキパッド５７を備えている。

ブレーキパッド５７は、駆動ボス２５に固定されており、真空バルブ１８の閉極動作時に例えば切換開閉器１２の筐体の内壁部分などと摺動させるようにすることで、駆動ボス２５や可動軸２８などと共に一体となって動作する引出導体２２の動作速度を制限する。これにより、真空バルブ１８と引出導体２２との間での絶縁油の急激な圧縮や流動を回避させることが可能となり、負圧が生じることに起因するエアレーションの発生を抑制できる。

図１３は、速度制限機構７６を含む負圧低減機構７５を示している。速度制限機構７６は、ゴムなどの弾性体によって構成されたダンパ７７を有している。このダンパ７７は、真空バルブ１８の閉極動作時に、駆動ボス２５に押されて弾性変形することによって、駆動ボス２５と共に一体となって動作する引出導体２２の動作速度を制限する。

また、図１４は、速度制限機構８６を含む負圧低減機構８５を例示している。速度制限機構８６は、真空バルブ１８と引出導体２２との間に介在させた圧縮バネ８７を有している。この圧縮バネ８７は、真空バルブ１８の閉極動作時に引出導体２２に押されて弾性変形することによって、引出導体２２の動作速度を制限する。

図１３、図１４に示す速度制限機構７６、８６を含む負圧低減機構７５、８５によっても、エアレーションの発生を抑制できるので、引出導体２２や可動軸２８の壊食などを防止することが可能となる。また、図１３、図１４に示すダンパ７７や圧縮バネ８７を適用することで、閉極動作を減速させ、一方、開極動作を、ダンパ７７や圧縮バネ８７の弾性力によって加速させることが可能なので、タップの切換操作に適した閉極動作及び開極動作を実現できる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。こ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共に、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。

１０…負荷時タップ切換装置、１５…油槽、１８…真空バルブ、２２，４２…引出導体…引出導体、２２ｃ，２２ｄ…油抜き用の貫通穴、２２ｅ…対向面、２７…固定電極、２８…可動軸、２８ａ…可動軸の一端部、２８ｂ…可動軸の他端部、２８ｃ…可動軸の周面、３１…可動電極、３５，４５，５５，７５，８５…負圧低減機構、４６…テーパ部、４７…Ｏリング、５６，７６，８６…速度制限機構、５７…ブレーキパッド、７７…ダンパ、８７…圧縮バネ。

Claims (9)

1. 固定電極と対の可動電極を一端部に有し他端部が外部に突出する可動軸を備えた真空バルブと、
   前記真空バルブと対向するように前記可動軸の前記他端部に固定された中継用端子部となる引出導体と、
   絶縁油と共に前記真空バルブ及び前記引出導体を収容する油槽と、
   前記真空バルブの閉極動作によって前記引出導体が前記真空バルブに近付くときの前記絶縁油の流動に伴う負圧の発生を低減する負圧低減機構と、
   を備える負荷時タップ切換装置。
2. 前記負圧低減機構は、前記可動軸の軸方向に沿って前記引出導体を貫通するように形成された油抜き用の貫通穴を含む、
   請求項１記載の負荷時タップ切換装置。
3. 前記負圧低減機構は、前記引出導体の前記真空バルブとの対向面上における前記可動軸の周囲に設けられたテーパ部を含む、
   請求項１又は２記載の負荷時タップ切換装置。
4. 前記可動軸における前記真空バルブと前記引出導体との間の周面を保護する保護部材をさらに備える、
   請求項１ないし３のいずれか１項に記載の負荷時タップ切換装置。
5. 前記保護部材は、弾性を有する請求項４記載の負荷時タップ切換装置。
6. 前記保護部材は、Ｏリングである請求項５記載の負荷時タップ切換装置。
7. 前記負圧低減機構は、前記真空バルブの閉極動作によって前記引出導体が前記真空バルブに近付くときの前記引出導体の動作速度を制限する速度制限機構を含む、
   請求項１ないし６のいずれか１項に記載の負荷時タップ切換装置。
8. 前記速度制限機構は、ダンパを有する請求項７記載の負荷時タップ切換装置。
9. 前記速度制限機構は、バネを有する請求項７記載の負荷時タップ切換装置。

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