JP2017511568A - 回路遮断装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、長手方向軸（ＡＡ）に沿って延びる管状絶縁ケース（３、４）と、密閉チャンバ（２）を形成するように各々が封止領域（７）において管状絶縁ケース（３、４）の開放端に確実に固定された２つの導電キャップ（５１、５２）とを含む真空遮断器（１）に関する。この真空遮断器は、管状絶縁ケース（３、４）が、導電キャップ（５１，５２）を内包してその長手方向軸（ＡＡ）に沿ってキャップを越えて延びるように成形されることを特徴とする。【選択図】 図２ｂ

Description

本発明は、電流の遮断又は切り換えのために使用する回路遮断装置に関し、具体的には、高電圧及び中電圧用途のための真空遮断器に関する。

一般に、真空遮断器は、低圧が支配する消弧室（チャンバ）を含む。このチャンバは、通常は概ね管状の第１の中心部を構成するセラミック又はガラスセラミック製の１又は２以上のシリンダーで作製される、ハウジング又はボトルと呼ばれることもある絶縁ケースによって形成される。真空遮断器に使用される典型的なセラミックは、主にアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）及び最大約６％の低比率のシリカ（ＳｉＯ₂）から製造される。この絶縁ケースは、通常は金属製のキャップによってその端部を密封される。通常、この金属キャップは、活性ろう材を用いて、又は（単複の）セラミック部品の端面上における十分に制御された金属化ステップ後に、セラミックの絶縁ケースにろう付けされて真空気密ジョイントシールを形成する。

消弧室内には、一対の接点が配置される。これらの接点は、電流が流れる閉位置と、２つの接点が分離して電流を遮断する開位置との間で動くことができる。通常、一方の接点は不動であって、チャンバを密封するキャップの一方に確実に固定され、他方の接点は、チャンバ内で可動である。この可動接点をベローズが取り囲み、チャンバの内部が低圧を保つように機械的に密封して気密状態にする。

真空遮断器では、機械的強度、低空隙率、低脱ガス性、真空気密シール形成能力及び優れた高電圧耐性を理由に、絶縁ケースにセラミック又はガラスセラミックを使用することが理想的である。さらに、セラミック（又はガラスセラミック）は、汚染又はＯ₃腐食などの環境条件に対する高抵抗力も示す。

真空遮断器の内部設計（接点、シールド、絶縁シリンダーの形状、構造及び材料）に関しては、電流の切り換え又は遮断の際に接点が離れて十分な性能に達した時に真空遮断器の適切な誘電特性を保証するために多くの研究が行われてきた。

真空遮断器は、遮断器の開いた接点（端子）間に付与される高電圧に耐えるだけの十分に高い誘電強度も外部的に示さなければならない。特に動作電圧が中電圧又は高電圧の場合には、遮断器の周囲の自由空域が十分でない場合がある。定期的な高電圧試験（ＢＩＬ及び電力周波数試験）における誘電要件を満たすには、１つの選択肢は、ＳＦ₆又は油、さらには圧縮空気のような誘電性流体を含む密閉エンクロージャなどの誘電環境内に真空遮断器を配置することである。しかしながら、これらの解決策は、実装及び使用中の管理が面倒である。特に、絶縁ガスは、不変の屋内変電所での使用には適することができるが、厳しい環境条件に曝されると密閉エンクロージャの破損及びガスの漏れが生じることもある屋外の全車両ではそれほど適していない。

真空遮断器の適切な外部絶縁を保証する別の選択肢は、真空遮断器をシリコーンゴム、エポキシ又は他の好適なポリマーなどの好適な封入材料で成型又は被覆することによって実現することができる。真空遮断器の主要部品のセラミックと絶縁材料との間に結合剤を用いて適切な接着を行うことができる。しかしながら、一方で、（単複の）セラミック部品、金属キャップ及びポリマー被膜は、個々の異なる熱膨張係数を示し、これによって絶縁エンクロージャの亀裂又は破損が生じる恐れがある。その一方で、エポキシ及びその他のポリマーは耐久年数が短く、汚染又はＯ₃腐食などの厳しい環境条件に弱い。

米国特許第８，１７８，８１２号には、加硫処理したエラストマの高圧注入を伴うインサート成型ステップによって外部絶縁を達成した真空遮断器が開示されている。この装置は、射出成型金型内に配置される前に、脆弱領域を覆う保護カバープレートを取り付けられる。具体的には、真空遮断器のキャップ上に、絶縁要素（セラミック部品）と導電要素（金属部品）との間の接合領域を越えて延びる、導電性の熱可塑性又は熱硬化性材料で作製されたカバープレートを取り付ける。カバープレートの形状は、機械的補強部として機能するようにさらに最適化される。この解決策はそれほどコンパクトでなく、真空遮断器を強固なエラストマエンクロージャで覆う前にカバープレートを仮組み立てする必要がある。さらに、損傷を受けやすいエラストマの使用という上述した欠点も示される。

よりコンパクトな解決策を提供するために、国際公開第２０１２／０４２２９４号には、少なくとも１つの接触端子に対して、又はこの対応する接点の金属エンドキャップから延び、一定の重複距離（約１２〜１８ｍｍ）だけセラミック部分を覆う電極に対して選択的外部封入を行った真空遮断器が開示されている。封入材料は、シリコーンゴムなどの固体絶縁物である。この解決策は、コンパクトであり、実装が容易であり、汎用性が高く低コストであるが、極端な大気条件に対するポリマーの耐性に関して上述した理由により、一部の屋外用途についてはそれほど効率的でない。

同様に、国際公開第２０１０／０００７６９号には、少なくとも１つのセラミックハウジング部分と金属ハウジング部品とを含むハウジングを有し、少なくとも１つのセラミックハウジング部分と金属ハウジング部品との間の遷移領域が絶縁材料によって覆われた真空切換管が開示されている。絶縁層は、ポリマー樹脂又は熱可塑性物質などの絶縁材料と、絶縁材料の絶縁特性に影響する添加剤とで作製される。特開２００３−０３１０９０号には、絶縁シリンダーと管の端部プレートとの接合部にゴム層を有する別の真空切換管の例が開示されている。これらの２つの真空切換遮断器の例は、国際公開第２０１２／０４２２９４号の解決策と同様に、ポリマー又はゴムの使用に起因して屋外大気条件に耐えられるようになっていない。

米国特許第８，１７８，８１２号明細書 国際公開第２０１２／０４２２９４号 国際公開第２０１０／０００７６９号 特開２００３−０３１０９０号公報

このため、面倒で信頼性の低いさらなる封入を伴わずに外部誘電強度を改善した真空遮断器が必要とされている。従って、本発明は、コンパクトで信頼性が高く、屋内場面でも、或いは大気及び環境条件が厳しい屋外場面でも使用できる真空遮断器を提供することを目的とする。

本発明の目的は、請求項１及び請求項１０に記載の真空遮断器である。

以下の非限定的な例としてのみ提供し添付図面に示す本発明の特定の実施形態についての説明から、本発明の他の利点及び特徴がさらに明らかになるであろう。

外部封入を伴わない従来の真空遮断器を示す図である。 図１ａに示す真空遮断器の断面図である。 図１ａに示す真空遮断器の断面図である。 本発明の第１の実施形態による真空遮断器を示す図である。 図２ａに示す真空遮断器の断面図である。 図２ａに示す真空遮断器の断面図である。 図２ａ〜図２ｃに示す真空遮断器の一部の拡大図である。 図２ａ〜図２ｃに示す真空遮断器の一部の拡大図である。 本発明の第１の実施形態の第１の変形例による真空遮断器を示す図である。 本発明の第１の実施形態の第１の変形例による真空遮断器を示す図である。 本発明の第１の実施形態の第２の変形例による真空遮断器を示す図である。 本発明の第１の実施形態の第２の変形例による真空遮断器を示す図である。 本発明の第２の実施形態による真空遮断器を示す図である。 図５ａに示す真空遮断器の断面図である。 図５ａに示す真空遮断器の断面図である。 本発明の第２の実施形態の変形例による真空遮断器を示す図である。 本発明の第２の実施形態の変形例による真空遮断器を示す図である。

本発明の基本的特徴は、真空遮断器の外部設計に関するが、明確性と完全性を期して最初にこのような遮断器について簡単に説明する。

本発明による真空遮断器１は、電子回路における切り換え及び／又は遮断を行うための回路遮断装置において使用するように設計される。本発明による真空遮断器１は、高電圧又は中電圧で動作するように構成されることが好ましい。

一般に、真空遮断器１は、制御された低圧の空気又は別の誘電性流体が支配する、すなわち真空の、密閉された消弧室（チャンバ）２を含む。チャンバ２は、管状の絶縁ケースによって定められる。図示の真空遮断器１では、管状の絶縁ケースが、セラミック又はガラスセラミック製の２つの絶縁シリンダー３、４によって形成されることが好ましい。

チャンバ２の各開放端は、導電キャップ５１、５２によって閉じられる。キャップ５１、５２は金属製であり、これらの各々は、基本的に遮断器１の長手方向軸ＡＡに垂直な基本的に直交する側壁６１、６２によってキャップの周囲に広がる平坦なベースプレートを含むことが好ましい。

導電キャップ５１、５２は、封止領域７において、その対応するセラミックシリンダー３、４に密封固定される。封止領域７は、それぞれのセラミックシリンダー３、４上のキャップ５１、５２の周壁６１、６２のろう付け部に対応する線に制限される。当然ながら、他のいずれかの周知技術を用いて、キャップ５１、５２をそれぞれのセラミックシリンダー３、４に効果的にシールすることもできる。

セラミックシリンダー３、４及びキャップ５１、５２によって囲まれたチャンバ２は、真空遮断器１の長手方向軸ＡＡに沿って互いに対して動くことができる一対の作用接点１０１、１０２を含む。各接点１０１、１０２は、長手方向電極１４１、１４２上に固定された、好適な材料で作製された接点パッド１２１、１２２を含む。

図示のように、第１の接点１０１は不動であって、電極１４１が結合された端部キャップの一方５１に、例えば溶接、ろう付け又は機械的組み立てによって確実に固定されることが好ましい。第２の接点１０２は、他方のキャップ５２を貫いて移動できるように、その電極１４２と共にチャンバ２の内部に取り付けられる。可動接点１０２の移動、及びチャンバ２内の制御された真空の維持を可能にするために、可動電極１４２と対応するキャップ５２との間に密封用の金属ベローズ１６を取り付けて、例えばその一端を可動電極１４２に溶接し、これによってチャンバ２のキャップ５２の開口部を密閉することができる。密封ベローズ１６の周囲には、電極１４２に結合された密封ベローズ１６の端部の高さに金属ベローズシールド１８を取り付けて、ベローズ１６を電流遮断過程中にアークによって生じる投射から保護することができる。

密閉チャンバ２は、アーク放電中に生じる可能性のある金属蒸気又はいずれかの投射から絶縁セラミックシリンダー３、４を保護するために、位置がどこであるかに関わらず接点パッド１２１、１２２の高さに位置する金属シールド２０をさらに含むことが好ましい。図示の実施形態では、金属シールド２０が、２つのセラミックシリンダー３、４間に保持され、ろう付け又は適切な密封を確実にする他のいずれかの好適な手段によってシリンダーに固定される。変形例では、例えば管状の絶縁ケースを一体構成で形成する場合、金属シールド２０がキャップ５１、５２の一方に固定される。

上述したような真空遮断器１を、例えば図１ａ〜図１ｃに示している。この真空遮断器は当業者に周知であり、ほんの一例として説明したものである。遮断器の内部部品（接点１０１、１０２、シリンダー３、４、キャップ５１、５２、シールド１８、２０）は、遮断器１の熱的特性及び誘電特性、並びに機械的強度を最適化するように設計されている。これらの内部設計の特徴は当業者に周知であり、さらに詳細には説明しない。

この真空遮断器は、いずれかのさらなる外部的な絶縁又は封入を伴わなければ、遮断器が高電圧サージによる応力を受けて接点１０１、１０２が開いた時に、遮断器の外部でキャップ５１、５２間に電気絶縁破壊が生じることがある。

このような絶縁破損を防ぐために、誘電性流体／ガスを含む密封ケースに遮断器を封入し、或いは遮断器の全部又は一部をシリコーンゴム又はエポキシのような好適なポリマーで被覆する（ポリマーに埋め込む）ことが知られている。上述したように、これらの解決策にはいくつかの欠点がある。

本発明によれば、管状絶縁ケースの外側部分を延長させて、真空遮断器の寸法及び部品を変更せずにキャップ５１、５２を取り囲んで内包する。これにより、真空遮断器の外部誘電性能が改善される。

一般に、本発明による真空遮断器１の絶縁管状ケースは、キャップ５１、５２を取り囲んで内包するように設計される。具体的には、管状絶縁ケースが、導電キャップ５１、５２の側壁６１、６２に沿って延びる。この結果、セラミック又はガラスセラミックが絶縁材料であることによってキャップ５１、５２間の外部絶縁距離が増し、従って遮断器の誘電性能が向上する。

図２ａ及び図２ｂに示す第１の実施形態では、管状絶縁ケースを形成するセラミックシリンダー３’、４’の各々が、それぞれのキャップ５１、５２を越えて、特にキャップの側壁６１、６２に沿って延びるように一体構成で作製されている。この結果、キャップ５１、５２は、シリンダー３’、４’によって完全に内包される（図２ｂ）。この第１の実施形態では、キャップ５１、５２の側壁６１、６２を取り囲むシリンダー３’、４’の延長部分３１、４１が、シリンダー３’、４’の残り部分よりも小さな厚みを有する。シリンダー３’、４’は、封止領域７に対応する内側フランジ３０、４０をさらに含み、内側フランジ３０、４０上には、キャップ５１、５２の壁部６１、６２がろう付け又は好適にシールされる。延長部分３１、３４は、このフランジ３０、４０から延びてキャップ５１、５２を取り囲むことができる。

図２ｄは、金属キャップ５１、５２とシリンダー３’、４’の延長部分３１、４１との間の間隙８の拡大図である。図２ｅに示す変形例では、金属キャップ５１、５２とシリンダー３’、４’の延長部分３１、４１との間の間隙８が、鋭った角部を抑制するとともに電場増強を低減するように好適な充填樹脂９で満たされている。この充填樹脂９は、エポキシ樹脂又はゴム（シリコーンゴム、ポリウレタン．．．）、或いは好適な半導体樹脂であることが好ましい。充填樹脂９は、電位線が良好に分布するように、金属充填樹脂又はセラミック（ミクロ又はナノ粉末）充填エポキシ（例えば、Ａｌ₂Ｏ₃充填エポキシ、ＴｉＯ₂充填エポキシ又はＳｉＯ₂充填エポキシ合成物）であることがさらに好ましい。

間隙８の底部の、内側フランジ３０、４０と延長部分３１、４１の内壁との間の角度として定められる角度８１は鋭利ではなく、むしろ図２ｄ及び図２ｅに示すように丸みを帯びることが好ましい。これは、電場増強を低減するためである。

図２ａ〜図２ｄに示す第１の実施形態では、シリンダー３’、４’が、その長さに沿って同じ外径を示す。図３ａ及び図３ｂに示す変形では、シリンダー３’、４’の各々が、封止領域７及びフランジ３０、４０の近傍に隆起部３３、４３を形成する外径が大きくなった部分を示す。これには、封止（ろう付け）領域７（金属−セラミックの縁部）に近い電位線をさらに発散させる効果がある。

図４ａ及び図４ｂに示す別の変形例では、キャップ５１、５２を取り囲んでいるシリンダー３’、４’の延長部分３１、４１が、シリンダー３’、４’の残り部分の厚みと基本的に等しい厚みを示す。これらの部分３１’、４１’は、シリンダー３’、４’の残り部分よりも大きな内径及び外径を有し、この結果、内側フランジ３０、４０及び封止領域７とは逆側のシリンダー３’、４’の外側部分に肩部３３’、４３’が形成されるようになる。この特定の変形例では、隆起部３３、３４によって得られる効果と同じ効果が示され、延長部分３１’、４１’にさらなる機械的強度がもたらされる。

図５ａ〜図６ｂに、本発明による真空遮断器の第２の実施形態を示す。この特定の実施形態は、既存の標準的なセラミック又はガラスセラミック真空遮断器（すなわち、図１ａ〜図１ｃに示すような真空遮断器）に本発明の基本的原理を適用することを目的とするものである。

この第２の実施形態によれば、管状絶縁ケースが延長され、延長部分３５、４５をシリンダー３、４に固定することによってキャップ５１、５２を取り囲むようになる。この延長部分３５、４５は、基本的に管形状であり、セラミック又はガラスセラミック製である。延長部分３５、４５は、それぞれのシリンダー３、４の一部に重なり合い（図５ｂを参照）、キャップ５１、５２を完全に取り囲んでキャップ５１、５２の側壁６１、６２に沿って延びるように適合される。延長部分３５、４５は、いずれかの好適な手段によってそれぞれのシリンダー３、４にしっかりと固定又は接着される。接着材料は、セラミックの接着に適したエポキシ接着剤又は金属充填エポキシ接着剤とすることができる。（高誘電強度を必要とする）高電圧用途では、接着剤が、セラミックミクロ又はナノ粉末充填エポキシ（例えば、Ａｌ₂Ｏ₃充填エポキシ、ＴｉＯ₂充填エポキシ、又はＳｉＯ₂充填エポキシ合成物）などのポリマー合成接着剤であることが好ましい。これらのエポキシ充填合成物の利点は、誘電率ｅｒ（比誘電率）がエポキシよりも高い（エポキシではｅｒ〜３．５であるのに対し、これらの合成物ではｅｒ〜６）点である。

第１の実施形態と同様に、図６ａ及び図６ｂに示す変形例では、延長部分３５、４５の各々が、シリンダー３、４上にキャップ５１、５２がろう付けされた封止領域７の近傍に隆起部３３、４３を形成する厚い部分を示す。

同様に、金属キャップ５１、５２とシリンダー３、４の延長部分３５、４５との間の間隙は、第１の実施形態に関して上述したような好適な充填樹脂で満たすことができる。

従って、これまで外部誘電性能を保証するために封入される必要があった先行技術の真空遮断器に、その既存の設計を修正することなく、この第２の実施形態を適用することができる。

本発明は、以下の利点を提供する。
・真空遮断器の標準的な周知の設計に大きな変更を加える必要なく真空遮断器の外部絶縁性能及び誘電性能が改善され、特に真空遮断器の内部寸法及び設定を修正する必要がない。
・装置が扱いにくくなって屋外使用にとって実用的でないＳＦ₆、油又は圧縮空気のような外部封入媒体内に真空遮断器を封じ込める必要がない。
・厳しい大気条件において耐久年数が短いエポキシ、シリコーンゴム又は他のいずれか好適なポリマーのような固体絶縁物を用いて全体的又は部分的にさらに封入する必要がない。
・セラミック部品が良好な絶縁性をもたらし、環境条件、特にオゾン形成に対する良好な耐性を有し、遮断器全体の長寿命を保証する。

上記の実施形態は、一例として説明したものである。本発明における何らかの修正及び変形も、本発明の範囲に含まれるものとして解釈される。

Claims (13)

1. 長手方向軸（ＡＡ）に沿って延びる管状絶縁ケース（３’、４’）と、密閉チャンバ（２）を形成するように各々が封止領域（７）において前記管状絶縁ケース（３’、４’）の開放端に確実に固定された２つの導電キャップ（５１、５２）とを備えた真空遮断器（１）であって、前記管状絶縁ケース（３’、４’）は、基本的に前記封止領域（７）から前記長手方向軸（ＡＡ）に沿って延びる絶縁材料で作製された２つの延長部分（３１、４１）を含み、各延長部分（３１、４１）は、対応する導電キャップ（５１、５２）を内包して取り囲み、前記延長部分（３１、４１）は、前記管状絶縁ケース（３’、４’）と一体構成で形成される、
   ことを特徴とする真空遮断器（１）。
2. 前記管状絶縁ケース（３’、４’）及び前記延長部分（３１、４１）は、前記キャップ（５１、５２）が前記管状絶縁ケース（３’、４’）にそれぞれ封止された前記封止領域（７）の各々とは逆側の外側表面に隆起部（３３、４３）を示す、請求項１に記載の真空遮断器（１）。
3. 前記延長部分（３１、４１）は管状であり、前記管状絶縁ケース（３’、４’）と基本的に同じ厚みを有し、前記キャップ（５１、５２）が前記管状絶縁ケース（３’、４’）にそれぞれ封止された前記封止領域（７）の各々とは逆側の前記管状絶縁ケースの外側に肩部（３３’、４３’）が形成されるように、前記管状絶縁ケースよりも大きな内径及び外径を有する、請求項１に記載の真空遮断器（１）。
4. 前記導電キャップ（５１、５２）と前記管状絶縁ケースの前記延長部分との間に間隙（８）が存在する、請求項１から３のいずれかに記載の真空遮断器（１）。
5. 前記間隙（８）は、充填樹脂（９）で満たされる、請求項４に記載の真空遮断器（１）。
6. 前記充填樹脂（９）は、エポキシ樹脂、ゴム（シリコーンゴム、ポリウレタン．．．）、半導体樹脂、或いはセラミック又は金属充填エポキシ樹脂である、請求項５に記載の真空遮断器（１）。
7. 前記管状絶縁ケース（３’、４’）の各々は、前記封止領域（７）に対応する内側フランジ（３０、４０）をさらに含み、該内側フランジ（３０、４０）上に、前記キャップ５１、５２の壁部（６１、６２）がろう付け又は好適に封止され、前記内側フランジと前記延長部分（３１、４１）の前記壁部との間の角度（８１）は丸みを帯びる、請求項１から６のいずれかに記載の真空遮断器（１）。
8. 前記絶縁ケースは、セラミック又はガラスセラミック製である、請求項１から７のいずれかに記載の真空遮断器（１）。
9. 前記管状絶縁ケースは、互いに密封されて管状ケースを形成する２つのシリンダー（３’、４’）で作製される、請求項１から８のいずれかに記載の真空遮断器（１）。
10. 長手方向軸（ＡＡ）に沿って延びるセラミック又はガラスセラミック製の管状絶縁ケース（３、４）と、密閉チャンバ（２）を形成するように各々が封止領域（７）において前記管状絶縁ケース（３’、４’）の開放端に確実に固定された２つの導電キャップ（５１、５２）とを備えた真空遮断器（１）であって、該真空遮断器（１）は、セラミック又はガラスセラミック製の２つの延長部分（３１、４１；３５、４５）を含み、該２つの延長部分（３１、４１；３５、４５）は、前記絶縁ケースに確実に固定されて前記封止領域（７）の近傍で前記管状絶縁ケースの一部と重なり合い、前記２つの延長部分（３１、４１；３５、４５）は、基本的に前記封止領域（７）から前記長手方向軸（ＡＡ）に沿って延び、前記２つの延長部分（３１、４１；３５、４５）の各々は、対応する導電キャップ（５１、５２）を内包して取り囲む、
    ことを特徴とする真空遮断器（１）。
11. 前記導電キャップ（５１、５２）と前記管状絶縁ケースの前記延長部分との間に間隙（８）が存在する、請求項９に記載の真空遮断器（１）。
12. 前記間隙（８）は、充填樹脂（９）で満たされる、請求項１１に記載の真空遮断器（１）。
13. 前記充填樹脂（９）は、エポキシ樹脂、ゴム（シリコーンゴム、ポリウレタン．．．）、半導体樹脂、或いはセラミック又は金属充填エポキシ樹脂である、請求項１２に記載の真空遮断器（１）。

Images