JP2021064441A - 断路器およびガス絶縁開閉装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】スパイラル電極の開口部端における電解集中を防止する構造を有する断路器およびガス絶縁開閉装置を提供する。【解決手段】本発明の断路器は、絶縁性のガスが密閉された密閉容器と、密閉容器の内部に対向して配置された一対のアーク接触子と、を有し、一対のアーク接触子の一方には、アーク接触子の軸の周りに回転する方向に設けられたスパイラル溝(2)を有するスパイラル電極(1)が設けられ、スパイラル電極(1)のスパイラル溝(2)の端部(3)が閉じた構成を有しており、スパイラル電極(1)の入口部の断面積(4)が、スパイラル電極(1)の出口部の断面積(5)よりも大きいことを特徴とする。【選択図】図1A
Description
本発明は、断路器およびガス絶縁開閉装置に関する。
高電圧大容量の電力系統を設備として有する高電圧発電所や変電所等の施設では、これらの設備の保護を目的として、ガス絶縁開閉装置が配置されている。近年、都市部の地下変電所への適用や経済性の向上が求められており、機器のコンパクト化が必要となっている。一般にガス絶縁開閉装置では、断路器の開極時に発生するアーク放電によって通電用の主接触子、もしくはシールドが損傷するのを抑制するためにアーク放電路を制御することを目的としたアーク電極が配置されている。断路器固定側にはアーク電極を、可動側には可動子にアーク電極を夫々配置し、固定子と可動子のアーク電極間を電気的に接続した構造が知られている。
遮断性能を向上してアーク放電を短時間で効率良く遮断させる方法として、磁界を発生させて電磁力を利用する方法が知られており、永久磁石を利用した構造、アーク駆動用のスパイラル電極を利用した構造が挙げられる。
特許文献1に記載の永久磁石を利用した方法は、アーク電極内部に永久磁石を配置し、またアーク電極先端部にアークの回転を容易にする滑らかで連続した環状のアーク走行部を設け、開極時に発生するアークを、アーク走行部に点弧させると共に、アークを永久磁石によって回転運動させて電流遮断性能を向上させる構成を有する。
一方、特許文献2に記載のスパイラル電極を利用した方法では、固定側と可動側のアーク電極先端に、アーク走行部として略円盤電極にスパイラル状の溝を切った電極(スパイラル電極)を配置し、アーク電流が電極に沿って通電することによって、磁気駆動によりアークを回転運動させて電流遮断性能を向上させる構成を有する。これらのガス絶縁開閉器は、操作器の小型軽量化が図れ、また、操作器の操作力低減によって機器の信頼性にも優れる。
しかしながら、従来の電磁力によるアーク駆動方式のガス絶縁開閉器にあっては、スパイラル電極におけるスパイラル上の溝には開口部があり、開口部端で電界が集中して極間耐電圧が低下する恐れがある。この電界集中により、電流遮断直後の過渡回復電圧に耐圧せずに再点弧を繰り返してアーク時間および電極溶損量が増加する課題がある。
本発明は、上記事情に鑑み、スパイラル電極の開口部端における電解集中を防止する構造を有する断路器およびガス絶縁開閉装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するための本発明の断路器の一態様は、絶縁性のガスが密閉された密閉容器と、密閉容器の内部に対向して配置された一対のアーク接触子と、を有し、一対のアーク接触子の一方には、アーク接触子の軸の周りに回転する方向に設けられたスパイラル溝を有するスパイラル電極が設けられ、スパイラル電極のスパイラル溝の端部が閉じた構成を有しており、スパイラル電極の入口部の断面積が、スパイラル電極の出口部の断面積よりも大きいことを特徴とする。
また、本発明のガス絶縁開閉器の一態様は、上述した本発明の断路器を備えたことを特徴とする。
本発明のより具体的な構成は、特許請求の範囲に記載される。
本発明によれば、スパイラル電極の開口部端における電解集中を防止する構造を有する断路器およびガス絶縁開閉装置を提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
まず始めに、本発明の断路器を構成するスパイラル電極について説明する。図1Aは実施例1の可動側スパイラル電極の平面図であり、図1Bは実施例1の可動側スパイラル電極の断面図である。図1Aおよび図1Bに示すように、可動側スパイラル電極1は、耐アーク性を有する金属により構成されており、スパイラル溝2が中心から外周部に向かって反時計回りに2方向(2a,2b)に設けられている。
本実施例の可動側スパイラル電極1の特徴は、スパイラル溝終端部3は開口せず、さらに、スパイラル入口部断面積4がスパイラル出口部断面積5より大きくなるように、スパイラル溝2が設けられている。このスパイラル溝2の向きは、中心から外周部に向かっていればよく、時計回りに設けてもよい。また、スパイラル入口部断面積4がスパイラル出口部断面積5より大きいようであれば、スパイラル溝の数に制限は無い。アークが可動側スパイラル電極1の外周部で着弧してアーク磁気駆動力を高めるように、スパイラル溝は、可動側スパイラル電極1の断面を見た時に、凹型の形状としている。
図2は図1Aの可動側スパイラル電極にアークが着弧した際に流れる電流を図示した平面図である。図2に示すように、アークが点弧箇所6に着弧した際には、点弧箇所6から中心部に向かってスパイラルの順方向に流れる順方向電流7と、点弧箇所6から中心部に向かってスパイラルの逆方向に流れる逆方向電流8がそれぞれ流れる。アークの磁気駆動力を高めるためには、順方向電流7を逆方向電流8より大きくする必要がある。順方向電流7と逆方向電流8の値は、点弧箇所6から中心までの抵抗値で決まる。本発明によれば、スパイラル入口部断面積4がスパイラル出口部断面積5より十分に大きくなるようにスパイラル溝2が設けられており、順方向電流7が逆方向電流8よりも大きくなるため、磁気駆動力を確保できる。
図3Aは実施例1の固定側スパイラル電極の正面図であり、図3Bは実施例1の固定側スパイラル電極の断面図である。固定側スパイラル電極9は、可動側スパイラル電極1と同様に、耐アーク性を有する金属により構成されており、スパイラル溝2が中心から外周部に向かって時計回りに2方向(2a,2b)に設けられている。
固定側スパイラル電極のスパイラル溝の数は、少なくとも一つ以上あればよい。固定側スパイラル電極9におけるスパイラル溝2の方向は、可動側スパイラル電極1に設けたスパイラル溝2に対して反対方向にすればよい。たとえば、可動側スパイラル電極1のスパイラル溝2の方向が反時計回りであれば固定側スパイラル電極9のスパイラル溝2の方向は時計回りであり、その反対に、可動側スパイラル電極1のスパイラル溝2の方向が時計回りであれば固定側スパイラル電極9のスパイラル溝2の方向は反時計回りである。
固定側スパイラル電極9の断面は、可動側スパイラル電極1と同様に、アークが外周部で点弧するように凹型としている。図3Aに示すように、固定側スパイラル電極9はスパイラル溝開口部10を有しているため、点弧箇所6にアークが着孤しても、点弧箇所6から中心方向に向かう逆方向電流8のみが固定側スパイラル電極9には流れるため、磁気駆動力が高い。
しかしながら、固定側スパイラル電極9はスパイラル溝開口部10を有するため、スパイラル開口部端において電界が集中し、耐圧が低下する。本発明によれば、可動側スパイラル電極1はスパイラル溝を開口せずに、スパイラル入口部断面積4がスパイラル出口部断面積5より十分に大きくなるようにスパイラル溝2を設けて順方向電流7が逆方向電流8より大きくなるため、磁気駆動力を確保しつつ電界集中を緩和して耐電圧を高めることができる。
図1では、スパイラル電極1のスパイラル溝2を2重巻としているが、3重巻以上であっても良いが、2重巻がスパイラル電極1の厚みが大きくなり過ぎず、好ましい。
スパイラル電極1の入口部の断面積4は、出口部の断面積5の3倍以上であることが好ましい。このような構成とすることで、十分な磁気駆動力を得ることができる。
図4は実施例1の断路器の断面模式図である。図4に示すように、断路器100は、密閉容器12を有する。密閉容器12内は、絶縁スペーサ13によってガス区画が形成され、このガス区画内には絶縁性ガスが満たされている。絶縁性ガスとしては、絶縁性の高いSF6などの負性ガス、乾燥空気、窒素、二酸化炭素、負性ガスを含んだSF6/N2混合ガス、負性ガスを含まないN2/O2混合ガスなどが絶縁性ガスとして封入されている。
絶縁スペーサ13の中心部には埋め込み導体14が設けられている。密閉容器12から電気的に絶縁した状態で所定の絶縁距離を隔てて対向配置した高電圧導体15、16の対向部に、それぞれ電界緩和用シールド17、18を設けられている。
高電圧導体16側に配置した可動子19は、図示しない外部操作器によって絶縁操作ロッド20を介してその軸線上を移動可能に構成されている。また、高電圧導体15の内部には固定側主接触子21が、高電圧導体16側の電界緩和用シールド18内部には可動側主接触子22が配置され、この固定側主接触子21と可動側主接触子22によって、可動子19は常時、高電圧導体16と電気的な接続状態を保持している。
図5は図4のガス絶縁開閉装置の主要部拡大図である。断路器固定側の固定側主接触子21の内側には、固定側スパイラル電極9を固定するためのロッド23と、その架台24が配置され、この架台24の後面にはばね25が配置されている。ロッド固定用の架台24は金属であり、固定側主接触子21の内周面と接触しているため電気的に接続されている。ロッド固定用の架台24には固定側スパイラル電極9がロッド23の先端に固定されており、固定側スパイラル電極9と対向するように可動子19先端部に可動側スパイラル電極1が取り付けられており、固定側スパイラル電極9と可動側スパイラル電極1がそれぞれ接触し電気的に接続されている。
ガス絶縁開閉器の閉極状態で、可動子19は先端部を電界緩和用シールド17内まで入り込ませて固定側主接触子21と接触する。閉極状態で、高電圧導体15、固定側主接触子21、可動子19、可動側主接触子22、高電圧導体16という電流通路が形成されている。
次に、上述した断路器の電流遮断動作について説明する。図4の閉極状態から図示しない外部操作器によって絶縁操作ロッド20を時計方向に回転して開極操作力を与えると、可動子19は右方の開極方向に移動することになる。先ず、図4に示した固定側主接触子21から可動子19が開離して、同接触部を介して流れていた電流通路は遮断される。しかし、閉極状態ではばね25を圧縮して付勢した状態にあるため、ロッド固定用の架台24、ロッド23、固定側スパイラル電極9、可動側スパイラル電極1は一体となって右方の開極方向に可動子19の動作に追従して移動する。このとき、固定側スパイラル電極9、可動側スパイラル電極1に接触しながら動作する。そのため、高電圧導体15、固定側主接触子21、ロッド固定用の架台24、ロッド23、固定側スパイラル電極9、可動側スパイラル電極1、可動子19、可動側主接触子22、高電圧導体16という電流通路が形成される。
図6は図5のガス絶縁開閉器の開極途中状態を示す図である。その後、図6に示すように、固定側主接触子21によりロッド固定用架台24は右方向への移動が停止する。このとき、固定側スパイラル電極9は電界緩和用シールド17の内側にあり、その後の可動子19の開極動作によって可動側スパイラル電極1と固定側スパイラル電極9が開極し、両者の電極間にアーク25が発生し、再点呼を繰り返しながら電流遮断が完了する。電流遮断時に高い回復電圧が印加された場合には、高電界箇所を起点とした再発呼、または、地絡などが生じ遮断が成立しない。
図6に示すように、固定側スパイラル電極9は電界緩和用シールド17の内側にあるため、図3に示した固定側スパイラル電極9のスパイラル溝開口部10における電界を低く抑えることができる。可動側スパイラル電極1は電界緩和用シールド18の外側にあるため、図1に示すようにスパイラル溝終端部(端部)3を開口しない構成として電極が鋭利となる部分をなくして電界を低減している。
図7は開極途中状態におけるアーク点弧時の電流、磁場、電磁力の関係を示す模式図である。図7では、固定側スパイラル電極9と可動側スパイラル電極1の断面図を用いて、開極途中状態におけるアーク点弧時の電流、磁場および電磁力の関係を図示し、アーク点弧時の磁気駆動の原理を詳細に説明する。図7中、軸Zは固定側スパイラル電極9と可動側スパイラル電極1の中心軸、軸Rは中心軸から径方向を向いた軸である。
実施例1では、固定側スパイラル電極9と可動側スパイラル電極1は中心を同一として対向した配置であり、固定側スパイラル電極9におけるスパイラル溝2の方向は、可動側スパイラル電極1に設けたスパイラル溝2に対して反対方向にする。例えば、可動側スパイラル電極1のスパイラル溝2の方向が反時計回りであれば固定側スパイラル電極9のスパイラル溝2の方向は時計回りであり、その反対に、可動側スパイラル電極1のスパイラル溝2の方向が時計回りであれば固定側スパイラル電極9のスパイラル溝2の方向は反時計回りである。
電流Iはロッド23から固定側スパイラル電極9を介して流れ、アーク25が固定側スパイラル電極9と可動側スパイラル電極1の間に発生し、電流Iは可動側スパイラル電極1を介して可動子19に向かって流れる。
図7に示すように、固定側スパイラル電極9と可動側スパイラル電極1にはスパイラル溝2があるため、固定側スパイラル電極9では中心軸より上部では紙面手前方向、中心軸より下部では紙面奥行き方向に向かって電流が流れ、可動側スパイラル電極1では中心軸より上部では紙面奥行き方向、中心軸より下部では紙面手前方向に向かって電流が流れる。そのため、中心軸に対して中心から径方向に向かう磁場が生成され、アークには磁気駆動力が働く。実際には、可動側スパイラル電極1にはスパイラル溝2に対して逆方向電流8も流れるが、順方向電流7が逆方向電流8より十分大きいと考え、図7では順方向電流7のみを図示した。
図8Aは実施例2の可動側アーク接触子の平面図であり、図8Bは実施例2の可動側アーク接触子の断面図である。平板型可動側アーク接触子26では、図1に示すようなスパイラル溝2は設けていないため、アークの磁気駆動力はないが、溝部などにおける電界集中がなく耐電圧を高めることができる。固定側スパイラル電極9のみで十分に磁気駆動力を確保して遮断性能を高めることができる場合は、可動子19先端に図8に示す平板型可動側アーク接触子26を配置した構成により、磁気駆動力を確保しつつ極間耐電圧を高めることができる。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例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るものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また本発明は発光装置のみでなく、照度計や、光信号を電気信号に変換する受光装置にも適用できる。
1…可動側スパイラル電極、2…スパイラル溝、3…スパイラル溝終端部、4…スパイラル入口部断面積、5…スパイラル出口部断面積、6…点弧箇所、7…順方向電流、8…逆方向電流、9…固定側スパイラル電極、10…スパイラル溝開口部、11…スパイラル開口部端、12…密閉容器、13…絶縁スペーサ、14…埋め込み導体、15…高電圧導体、16…高電圧導体、17…電界緩和用シールド、
18…電界緩和用シールド、19…可動子、20…絶縁操作ロッド、21…固定側主接触子、22…可動側主接触子、23…ロッド、24…架台、25…アーク、26…平板型可動側アーク接触子、100…断路器。
18…電界緩和用シールド、19…可動子、20…絶縁操作ロッド、21…固定側主接触子、22…可動側主接触子、23…ロッド、24…架台、25…アーク、26…平板型可動側アーク接触子、100…断路器。
Claims (12)
- 絶縁性のガスが密閉された密閉容器と、
前記密閉容器の内部に対向して配置された一対のアーク接触子と、を有し、
前記一対のアーク接触子の一方には、前記アーク接触子の軸の周りに回転する方向に設けられたスパイラル溝を有するスパイラル電極が設けられ、
前記スパイラル電極の前記スパイラル溝の端部が閉じた構成を有しており、
前記スパイラル電極の入口部の断面積が、前記スパイラル電極の出口部の断面積よりも大きいことを特徴とする断路器。 - 前記一対のアーク接触子の他方には、前記スパイラル電極の前記スパイラル溝と反対方向に設けられたスパイラル溝を有する第2のスパイラル電極が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の断路器。
- 前記前記一対のアーク接触子の他方には、平板状電極が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の断路器。
- 前記スパイラル電極が、可動側主接触子のスパイラル電極を構成することを特徴とする請求項1に記載の断路器。
- 前記スパイラル電極の入口部の断面積が、前記スパイラル電極の出口部の断面積の3倍以上であることを特徴とする請求項1に記載の断路器。
- 前記スパイラル電極の前記スパイラル溝が2重巻であることを特徴とする請求項1に記載の断路器。
- 絶縁性のガスが密閉された密閉容器と、
前記密閉容器の内部に対向して配置された一対のアーク接触子と、を有し、
前記一対のアーク接触子の一方には、前記アーク接触子の軸の周りに回転する方向に設けられたスパイラル溝を有するスパイラル電極が設けられ、
前記スパイラル電極の前記スパイラル溝の端部が閉じた構成を有しており、
前記スパイラル電極の入口部の断面積が、前記スパイラル電極の出口部の断面積よりも大きいことを特徴とする断路器を備えたガス絶縁開閉装置。 - 前記一対のアーク接触子の他方には、前記スパイラル電極の前記スパイラル溝と反対方向に設けられたスパイラル溝を有する第2のスパイラル電極が設けられていることを特徴とする請求項7に記載のガス絶縁開閉装置。
- 前記前記一対のアーク接触子の他方には、平板状電極が設けられていることを特徴とする請求項7に記載のガス絶縁開閉装置。
- 前記スパイラル電極が、可動側主接触子のスパイラル電極を構成することを特徴とする請求項7に記載のガス絶縁開閉装置。
- 前記スパイラル電極の入口部の断面積が、前記スパイラル電極の出口部の断面積の3倍以上であることを特徴とする請求項7に記載のガス絶縁開閉装置。
- 前記スパイラル電極の前記スパイラル溝が2重巻であることを特徴とする請求項7に記載のガス絶縁開閉装置。
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