JP2021026979A - ガス遮断器 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス遮断器のアーク電極間に発生するアークの継続時間を短縮し、アーク電極の溶損を軽減し、電極摺動疵及び金属粉の発生を抑制し、ガス遮断器の開路及び閉路の性能を向上させる。【解決手段】駆動側アーク電極集電子及び駆動側主電極を有する駆動側電極と、被駆動側アーク電極子及び被駆動側導体を有する被駆動側電極と、駆動側電極を軸方向に移動させる駆動部と、被駆動側アーク電極子と共通の中心軸を有するカム軸と、カムシリンダと、を備えたガス遮断器であって、カム軸は、駆動部による軸方向の運動を周方向の回転運動に変換し、かつ、当該回転運動を被駆動側アーク電極子の軸方向の運動に変換するものであり、被駆動側アーク電極子の軸方向の運動は、駆動側アーク電極集電子の運動と反対方向であり、カムシリンダは、被駆動側アーク電極子が周方向に回転する機構を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、ガス遮断器に関する。

ガス遮断器の開路と閉路との切替えをする際、高電圧ゆえに電極間におけるアークの発生は避けることができない。このアークは、開路性能だけでなく、電極の溶損というガス遮断器の信頼性に影響を及ぼす問題に関係するため、従来、アークが発生している時間の短縮や電極形状に関する様々な研究がなされてきた。

特許文献１には、ノズルと被駆動側アーク電極とを連結する双駆動機構を設けたガス遮断器であって、双駆動機構は、被駆動側主電極が固定された固定部材と、固定部材に固定された中空カムシャフトと、中空カムシャフトの内周を回転可能な中空カムシリンダと、中空カムシャフトの外周を摺動可能な第一スライダと、第一スライダとノズルを連結する連結部材と、第一スライダに保持された第一ピンと、中空カムシャフトの外周を摺動可能な第二スライダと、第二スライダに保持され、被駆動側アーク電極に連結された第二ピンを有し、中空カムシリンダは、第一ピンが貫通する第一螺旋溝と、第二ピンが貫通する第二螺旋溝を有し、第一螺旋溝と第二螺旋溝は逆巻であって、中空カムシャフトは、第一ピンが貫通する第一直線溝と、第二ピンが貫通する第二直線溝を有する構成が開示されている。

特開２０１７−１８８３６７号公報

特許文献１に記載のガス遮断器においては、双駆動機構により、駆動側アーク電極と被駆動側アーク電極とがそれぞれ反対方向に移動するように構成されている。しかしながら、開路操作においてこれらのアーク電極が離れる際には、これらのアーク電極の間にアークが発生する。そして、そのアークは、アーク電極間距離が十分に大きくなるまでの間、一か所に集中的に接続されることになる。このため、その一か所にだけアークによる熱が入り、アーク電極の接触面における部分的な溶損が大きくなり、その部分の変形量も大きくなる傾向がある。

また、この場合に、被駆動側アーク電極子が被駆動側アーク電極集電子の被駆動側アーク電極接触面で直線摺動するため、この接触が点接触になることが多く、金属粉の発生及び線状疵によって開路性能及び閉路性能が低下する場合があり、改善の余地があった。

本発明は、ガス遮断器のアーク電極間に発生するアークの継続時間を短縮し、アーク電極の溶損を軽減し、電極摺動疵及び金属粉の発生を抑制し、ガス遮断器の開路及び閉路の性能を向上させることを目的とする。

本発明のガス遮断器は、駆動側アーク電極集電子及び駆動側主電極を有する駆動側電極と、被駆動側アーク電極子及び被駆動側導体を有する被駆動側電極と、駆動側電極を軸方向に移動させる駆動部と、被駆動側アーク電極子と共通の中心軸を有するカム軸と、カムシリンダと、を備え、カム軸は、駆動部による軸方向の運動を周方向の回転運動に変換し、かつ、当該回転運動を被駆動側アーク電極子の軸方向の運動に変換するものであり、被駆動側アーク電極子の軸方向の運動は、駆動側アーク電極集電子の運動と反対方向であり、カムシリンダは、被駆動側アーク電極子が周方向に回転する機構を有する。

本発明によれば、ガス遮断器のアーク電極間に発生するアークの継続時間を短縮し、アーク電極の溶損を軽減し、電極摺動疵及び金属粉の発生を抑制し、ガス遮断器の開路及び閉路の性能を向上させることができる。

実施例のガス遮断器の閉路状態を示す要部断面図である。 実施例のガス遮断器の開路状態を示す要部断面図である。 図１の閉路状態の双駆動機３１を示す部分拡大断面図である。 図２の開路状態の双駆動機３２を示す部分拡大断面図である。 図３のＡ−Ａ矢視図である。 図４のＢ−Ｂ矢視図である。 カムシリンダを示す側面図である。 図７Ａのカムシリンダの全体を示す展開図である。 従来の双駆動機による開路動作におけるアークの形状を示す模式図である。 本発明の双駆動機による開路動作におけるアークの形状を示す模式図である。

本発明は、高電圧電力系統の回路に使用するガス遮断器に関する。このガス遮断器は、開路（遮断）及び閉路（通電）の際に、駆動側電極と被駆動側電極とを互いに反対方向に移動させる双駆動機を備えている。

以下、本発明の実施形態に係るガス遮断器について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明は、実施例に関するものであり、本発明の内容を具体的に示しているが、本発明の内容を限定するものではなく、本発明は、実施例を変更した種々の実施形態とすることが可能である。

図１は、実施例のガス遮断器の閉路状態を示す要部断面図である。

本図に示すガス遮断器１００は、主電極接触面６とアーク電極接触面３との接触及び分離をすることにより、高電圧回路の開閉を行う装置である。

ガス遮断器１００は、駆動部３６と、被駆動部３５と、これらを収納するタンク２６と、で構成されている。タンク２６の内部は、絶縁ガスが充填されている。

駆動部３６は、操作レバー２５と、絶縁ロッド２４と、連結ロッド２２と、駆動側アーク電極集電子２と、駆動側導体２３と、駆動側主電極５と、ノズル７と、を含む。連結ロッド２２は、駆動側導体２３の穴に挿入され、この穴の内壁面に摺動するように構成されている。駆動側主電極５は、駆動側導体２３の内壁面に摺動するように設置されている。駆動側アーク電極集電子２、駆動側主電極５、ノズル７及び連結ロッド２２は、固定的に一体に接続されている。駆動側アーク電極集電子２、駆動側主電極５、ノズル７及び連結ロッド２２は、絶縁ロッド２４を介して操作レバー２５の回転運動が伝達され、軸方向に移動する。

駆動側アーク電極集電子２及び駆動側主電極５は、駆動側電極を構成する。

なお、本明細書において、「軸方向」とは、棒状の被駆動側アーク電極子１及び略円筒形状の連結ロッド２２の長手方向をいう。

被駆動部３５は、被駆動側導体４と、これに内蔵される双駆動機３１の要部と、を含む。

本図においては、被駆動側アーク電極子１と連結ロッド２２とがアーク電極接触面３において接触している。また、被駆動側導体４と駆動側主電極５とが主電極接触面６において接触している。

被駆動側アーク電極子１及び被駆動側導体４は、被駆動側電極を構成する。

駆動部３６は、操作レバー２５の回転力によって、本図のように接触している主電極接触面６及びアーク電極接触面３が分離する方向に動作するとともに、カップリング８を介して被駆動部３５に動力を伝達する。

駆動部３６は、閉路状態では、油圧やばねによる駆動源により、駆動側電極と被駆動側電極とを導通させる位置に設定され、通常時の電力系統の回路を構成する。

落雷などによる短絡電流を遮断する際には、操作レバー２５を開極方向に駆動し、絶縁ロッド２４を介して駆動側電極と被駆動側電極とを引き離す。その際、駆動側アーク電極集電子２と被駆動側アーク電極子１との間にアークが発生する。このアークは、消弧ガスを吹きつけることにより消弧し、電流を遮断する。

なお、閉路状態の双駆動機３１については、図３を用いて後述する。

図２は、実施例のガス遮断器の開路状態を示す要部断面図である。

本図においては、図１において接触していた主電極接触面６及びアーク電極接触面３が分離して止まっている状態を示している。すなわち、本図においては、開路状態の双駆動機３２を含むガス遮断器１００を示している。主電極接触面６及びアーク電極接触面３の接触及び分離は、駆動部３６と被駆動部３５の範囲で行う。アークは、被駆動側アーク電極子１と連結ロッド２２との接触面であるアーク電極接触面３が離れる際に発生する。

図３は、図１を部分的に拡大した図であり、閉路状態の双駆動機３１を示す断面図である。

図３に示すように、双駆動機３１は、ノズル７と、カップリング８と、駆動ロッド９と、スライダ１１と、スライダローラ１２と、駆動カムボール１３と、カム軸１４と、ケース１０と、被駆動カムボール１７と、カムシリンダ１８と、螺旋状の電極子回転カム溝１９と、を含む。

被駆動側アーク電極子１は、中空の被駆動側アーク電極集電子２０に挿入されている。被駆動側アーク電極子１は、軸方向に設けられた穴５１と、摺動部５３と、を有する。被駆動側アーク電極子１は、被駆動側アーク電極集電子２０の被駆動側アーク電極接触面２１に接触した状態で軸方向に摺動する。

ノズル７は、駆動側主電極５に固定されている。駆動ロッド９は、カップリング８を介してノズル７に固定されている。駆動ロッド９は、カップリング８と一体で軸方向に平行移動する。ケース１０は、被駆動側導体４に固定されて双駆動機３１全体を支持している。スライダ１１は、駆動ロッド９に固定されている。スライダ１１は、スライダローラ１２を有し、ケース１０の外壁面を軸方向に移動可能に設置されている。また、スライダ１１は、駆動カムボール１３を有する。

カムシリンダ１８は、ケース１０の内側に固定されている。カムシリンダ１８は、電極子回転カム溝１９を有する。

被駆動カムボール１７は、被駆動側アーク電極子１と一体で動くように設置されている。

カム軸１４は、駆動カム溝１５と、被駆動カム溝１６と、を有する。被駆動カムボール１７は、被駆動カム溝１６にはめ込まれ、被駆動カム溝１６に沿って移動するように構成されている。駆動カム溝１５と被駆動カム溝１６とは、同じ方向に回転した場合には、軸方向には駆動カムボール１３と被駆動カムボール１７とが互いに反対方向に移動するように形成されている。

駆動カムボール１３は、駆動カム溝１５に沿って通過するため、駆動カムボール１３の平行移動に伴い、カム軸１４が回転する。言い換えると、駆動カム溝１５は、駆動カムボール１３の平行移動をカム軸１４の回転に変換する。このため、駆動カム溝１５は、駆動カムボール１３の平行移動に対して、駆動カムボール１３が滑らかに移動を開始できるように、その両端部においてはカム軸１４の軸方向に対して略平行に形成されていることが望ましい。ここで、「略平行」とは、駆動カム溝１５がカム軸１４の軸方向に対して、例えば５度以下、望ましくは３度以下で形成されていることをいう。駆動カム溝１５は、少なくとも被駆動側アーク電極子１から最も遠い端部においては、カム軸１４の軸方向に対して略平行に形成されていることが望ましい。

駆動カム溝１５の両端部は、直線部分を含むことが望ましい。駆動カム溝１５の中間部分は、螺旋状としてある。駆動カム溝１５の両端部と中間部分との間は、展開した形状がコサインカーブであることが望ましい。

これにより、駆動カムボール１３が移動を開始した後駆動カム溝１５の中間部分を通過する際には、カム軸１４が回転するように、駆動カム溝１５の壁面に駆動カムボール１３からの力が作用するようになる。

駆動カム溝１５の両端部の直線部分の長さは、アーク電極接触面３が離れる際に当該直線部分から曲線部分（例えば上記のコサインカーブの部分）に変わるように設定されていることが望ましい。言い換えると、駆動カムボール１３が直線部分から曲線部分に移行する際に、被駆動側アーク電極子１と駆動側アーク電極集電子２とが離れるように構成されていることが望ましい。これにより、アーク電極接触面３が離れる際に、被駆動側アーク電極子１が回転するようになる。

被駆動カムボール１７は、被駆動カム溝１６に沿って移動するため、カム軸１４の回転に伴い、被駆動カムボール１７がカム軸１４の進行方向と反対の方向に移動する。これに伴い、被駆動側アーク電極子１が被駆動カムボール１７とともに回転しながらカム軸１４の進行方向と反対の方向に移動する。

本図においては、駆動カムボール１３が駆動カム溝１５の図中左端に位置する。一方、被駆動カムボール１７は、被駆動カム溝１６の図中右端に位置する。

図４は、図２を部分的に拡大した図であり、開路状態の双駆動機３２を示す断面図である。

図４においては、駆動カムボール１３が駆動カム溝１５の図中右端に位置する。一方、被駆動カムボール１７は、被駆動カム溝１６の図中左端に位置する。

このような各部の移動の結果として、図３に示すように接触していた被駆動側アーク電極子１と駆動側アーク電極集電子２とが図４に示すように分離される。

図５は、図３のＡ−Ａ矢視図である。

図５に示すように、被駆動側アーク電極子１は、穴５１及び摺動部５３を有する。

穴５１には、カム軸１４が摺動可能に挿入されている。被駆動側アーク電極子１とカム軸１４とは、共通の中心軸を有する。摺動部５３には、電極子回転ローラ軸２８が固定されている。電極子回転ローラ軸２８の両端部には、電極子回転ローラ２７が設置されている。

また、穴５１の内壁には、被駆動カムボール１７が被駆動側アーク電極子１と一体で動くように設置されている。被駆動カムボール１７は、カム軸１４の被駆動カム溝１６に沿って移動するように、はめ込まれている。摺動部５３は、肉厚となっているため、被駆動カムボール１７は、穴５１の内壁の一部である摺動部５３の内壁に設置することが望ましい。

摺動部５３は、カムシリンダ１８の内面に摺動可能に設置されている。電極子回転ローラ２７は、カムシリンダ１８の電極子回転カム溝１９に沿って移動するように、はめ込まれている。

カム軸１４が本図に示すように回転すると、被駆動カムボール１７が被駆動カム溝１６に案内され、かつ、電極子回転ローラ２７が電極子回転カム溝１９に案内され、被駆動側アーク電極子１がカム軸１４と同じ方向に回転しながら図中左方に移動する。これに伴い、カム軸１４が穴５１の内部に入り込む。

被駆動カムボール１７が滑らかに移動を開始できるように、被駆動カム溝１６の両端部は、カム軸１４の周方向に対して略平行に形成されていることが望ましい。被駆動カム溝１６の中間部分は、螺旋状としてある。これにより、被駆動カムボール１７が移動を開始した後被駆動カム溝１６の中間部分を通過する際には、被駆動側アーク電極子１が図中左方に移動するように、被駆動カムボール１７に被駆動カム溝１６の壁面からの力が作用するようになる。

被駆動カム溝１６の両端部は、展開した形状がコサインカーブであることが望ましい。

なお、本明細書において、「周方向」とは、棒状の被駆動側アーク電極子１及びカム軸１４の長手方向を中心軸（ｚ軸）とする円筒座標の周方向（θ軸）をいう。

図６は、図４のＢ−Ｂ矢視図である。

図６においては、被駆動カムボール１７が被駆動カム溝１６の図中左端に達している。電極子回転ローラ２７も、電極子回転カム溝１９の図中左端に達している。

このように、図５に示す操作により、被駆動側アーク電極子１が回転しながら図中左方に移動し、被駆動側アーク電極子１と図３に示す駆動側アーク電極集電子２とが分離され、回路が切断される。そして、図６に示す操作により、被駆動側アーク電極子１と図４に示す駆動側アーク電極集電子２とが接触し、回路が接続される。

これらの操作により、損失となり得る軸方向に垂直な力などを低減することができ、ガス遮断器の開路と閉路とを滑らかに繰り返すことができる。

図７Ａは、カムシリンダを示す側面図である。

図７Ｂは、図７Ａのカムシリンダの全体を示す展開図である。

図７Ａに示すように、電極子回転カム溝１９は、カムシリンダ１８の側面部に螺旋状に切り込まれた溝である。

図７Ｂに示すようにカムシリンダ１８を展開すると、電極子回転カム溝１９は、直線状に２本設けられている。なお、本図においては、電極子回転カム溝１９を直線状としているが、電極子回転カム溝１９の形状は、これに限定されるものではなく、展開した形状が曲線状であってもよい。本明細書において、「螺旋状」という用語は、展開した電極子回転カム溝１９の形状が直線状の場合及び曲線状の場合を含むものとする。

電極子回転ローラ２７が螺旋状の電極子回転カム溝１９に案内される構成とすることにより、開路動作において被駆動側アーク電極子１を回転させながら分離させることができるため、アークを抑制することができ、ガス遮断器の信頼性を高めることができる。

図５及び６に示すように、電極子回転ローラ軸２８の両端部に設置されている２個の電極子回転ローラ２７は、位相が互いに１８０度ずれている。図７Ａにおいては、２個の電極子回転ローラ２７はそれぞれ、始点及び終点に位置する場合、図中の表側と裏側とに位置する。したがって、この場合においては、２本の電極子回転カム溝１９は、図７Ｂのように配置する必要がある。

図８は、従来の双駆動機による開路動作におけるアークの形状を示す模式図である。

本図においては、被駆動側アーク電極子１と駆動側アーク電極集電子２とがそれぞれ、単に軸方向に移動し、分離される。この場合、アークの形状は、直線状アーク２９のようになる。なお、本図においては、直線状アーク２９を複数本として帯状に示しているが、実際のアークは、通常、一本の線状である。

このため、アーク電極接触面３が離れる際に発生するアークは、直線状アーク２９のように被駆動側アーク電極子１と駆動側アーク電極集電子２との最短経路を維持できるため、切れにくい。この場合、直線状アーク２９が存在する時間も長くなり、かつ、アーク電極接触面３の一か所に集中的にアークが接続されることになる。このため、その一か所にだけアークによる熱が入るため、アーク電極接触面３の溶損が大きくなり、アーク電極接触面３の部分的な変形量も大きくなる。

図９は、本発明の双駆動機による開路動作におけるアークの形状を示す模式図である。

本図においては、被駆動側アーク電極子１と駆動側アーク電極集電子２とがそれぞれ、軸方向に移動するだけではなく、被駆動側アーク電極子１が回転するため、ねじり線状アーク３０が生じる。これにより、アーク電極接触面３が離れる際に発生するアークの電流流路の長さを引き伸ばし、最短経路を維持できないようにすることができる。これにより、アークが発生している時間（アークの継続時間）を短縮することができる。

また、アークの電流流路が長くなるため、電流流路の表面積が増大し、ガス遮断器内に充填している絶縁ガスへのアークからの放熱効率を高くすることができる。これにより、アーク電極接触面３への入熱量を低減することができる。

また、回転により、アーク電極接触面３におけるアークの接続点を移動させることができるため、アークによるアーク電極接触面３への入熱を分散することができ、アーク電極接触面３の溶損を軽減することができる。なお、本図においては、ねじり線状アーク３０を複数本として帯状に示しているが、実際のアークは、図８と同様、通常、一本の線状である。

本実施例によれば、被駆動側アーク電極子１の移動範囲及び電極子回転カム溝１９の回転位置の設定が容易にできるため、電極分離のタイミングに回転を合わせられるという特有の利点がある。

なお、本実施例においては、駆動カム溝１５、被駆動カム溝１６及び電極子回転カム溝１９並びに駆動カムボール１３、被駆動カムボール１７及び電極子回転ローラ２７を用いて、それぞれのカム機構を構成しているが、本発明のカム機構は、これに限定されるものではなく、レール状の凸部とベアリングとの組み合わせ等によるものであってもよい。

１：被駆動側アーク電極子、２：駆動側アーク電極集電子、３：アーク電極接触面、４：被駆動側導体、５：駆動側主電極、６：主電極接触面、７：ノズル、８：カップリング、９：駆動ロッド、１０：ケース、１１：スライダ、１２：スライダローラ、１３：駆動カムボール、１４：カム軸、１５：駆動カム溝、１６：被駆動カム溝、１７：被駆動カムボール、１８：カムシリンダ、１９：電極子回転カム溝、２０：被駆動側アーク電極集電子、２１：被駆動側アーク電極接触面、２２：連結ロッド、２３：駆動側導体、２４：絶縁ロッド、２５：操作レバー、２６：タンク、２７：電極子回転ローラ、２８：電極子回転ローラ軸、２９：直線状アーク、３０：ねじり線状アーク、３１、３２：双駆動機、３５：被駆動部、３６：駆動部、５１：穴、５３：摺動部。

Claims (10)

1. 駆動側アーク電極集電子及び駆動側主電極を有する駆動側電極と、
   被駆動側アーク電極子及び被駆動側導体を有する被駆動側電極と、
   前記駆動側電極を軸方向に移動させる駆動部と、
   前記被駆動側アーク電極子と共通の中心軸を有するカム軸と、
   カムシリンダと、を備え、
   前記カム軸は、前記駆動部による前記軸方向の運動を周方向の回転運動に変換し、かつ、当該回転運動を前記被駆動側アーク電極子の前記軸方向の運動に変換するものであり、
   前記被駆動側アーク電極子の前記軸方向の前記運動は、前記駆動側アーク電極集電子の運動と反対方向であり、
   前記カムシリンダは、前記被駆動側アーク電極子が前記周方向に回転する機構を有する、ガス遮断器。
2. 前記カムシリンダは、電極子回転カム溝を有し、
   前記被駆動側アーク電極子は、電極子回転ローラを有し、
   前記電極子回転ローラが前記電極子回転カム溝に案内されることにより、前記被駆動側アーク電極子が前記周方向に回転するように構成されている、請求項１記載のガス遮断器。
3. 前記カム軸は、駆動カム溝と、被駆動カム溝と、を有し、
   前記駆動カム溝は、前記駆動部による前記軸方向の前記運動を前記周方向の前記回転運動に変換するものであり、
   前記被駆動カム溝は、前記カム軸の前記回転運動を前記被駆動側アーク電極子の前記軸方向の前記運動に変換するものである、請求項１記載のガス遮断器。
4. 前記駆動側電極と同じ方向に移動するスライダと、
   前記スライダに設置された駆動カムボールと、を更に備え、
   前記駆動カムボールは、前記駆動カム溝に案内される、請求項３記載のガス遮断器。
5. 前記駆動カム溝の端部のうち少なくとも前記被駆動側アーク電極子から最も遠い端部は、前記カム軸の前記軸方向に対して略平行に形成されている、請求項３記載のガス遮断器。
6. 前記駆動カム溝は、直線部分及び曲線部分を有し、
   前記駆動カムボールが前記直線部分から前記曲線部分に移行する部位に達した状態で、前記被駆動側アーク電極子と前記駆動側アーク電極集電子とが離れるように構成されている、請求項４記載のガス遮断器。
7. 前記電極子回転カム溝は、螺旋状である、請求項２記載のガス遮断器。
8. 前記被駆動側アーク電極子は、穴を有し、
   前記カム軸は、前記穴に挿入されている、請求項３記載のガス遮断器。
9. 前記穴には、被駆動カムボールが設けられ、
   前記被駆動カムボールは、前記被駆動カム溝に案内される、請求項８記載のガス遮断器。
10. 前記被駆動側アーク電極子は、摺動部を有し、
    前記被駆動カムボールは、前記穴の内壁の一部である前記摺動部の内壁に設置されている、請求項９記載のガス遮断器。

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