JP2021533540A - 真空遮断器および高電圧開閉装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、真空チャンバ（６）を形成するリング状セラミック絶縁素子（４）を少なくとも１つ有するハウジング（３）、および、互いに移動可能に配置された２つの接触子を有する接触子システムを含む真空遮断器（２）に関する。本発明の特徴は、２つの電極（１４）と、これらの電極（１４）間に配置された誘電体材料（１６）とを備えた容量素子（１２）が設けられており、該容量素子（１２）が嵌め合い結合で前記絶縁素子（４）に取り付けられており、そのキャパシタンスが４００ｐＦと４０００ｐＦの間である、ことである。

Description

本発明は、請求項１の前文に記載の真空遮断器および請求項１４に記載の高電圧開閉装置に関する。

高電圧送電系統または超高電圧送電系統では、ガス遮断器または真空遮断器を使用して負荷電流および故障電流を遮断する。電圧要件を満たすために、特に定格電圧が３８０ｋＶを超える送電系統では、規格によって規定された性能データを順守するために複数の消弧室が直列に接続される。この直列接続における個々の消弧室の過負荷を回避するためには、電圧分担を制御することが必要である。一般に、この電圧は消弧室の個々の部分によってそれぞれ５０％分担される。この目的のために、従来技術によれば、個々の消弧室に制御要素が並列に接続される。このような制御要素は通常は、コンデンサ、または、直列接続されたコンデンサと抵抗器である。そのような制御要素は、追加の設置スペースを必要とし、さらに、絶縁して取り付けられなければならず、これは全体として高い技術的経費、したがってコストアップにつながる。

本発明の課題は、制御要素を備えるための技術的経費が従来技術よりも低い、高電圧用の真空遮断器および高電圧開閉装置を提供することにある。

この課題は、請求項１の特徴を有する真空遮断器および請求項１４の特徴を有する高電圧開閉装置において解決される。

請求項１に記載された本発明による真空遮断器は、真空チャンバを形成するリング状セラミック絶縁素子を少なくとも１つ有するハウジングを含む。さらに、この真空遮断器は、互いに移動可能に配置された２つの接触子を有する接触子システムを含む。この真空遮断器は、２つの電極とこれらの電極間に配置された誘電体材料とを有する容量素子が設けられていることが特徴であり、この場合、この容量素子は絶縁素子に嵌め合い結合で取り付けられており、そのキャパシタンスは４００ｐＦと４０００ｐＦの間である。

この場合、本発明による真空遮断器の従来技術に対する利点は、個々の消弧室への電圧分担のための制御要素が真空遮断器内に、厳密にいえば絶縁素子の表面上で、一体化されていることである。これにより、製造コストの節約および真空遮断器を供給するときの技術的労力の低減がなされ、組立コストが回避される。

本発明の一実施形態では、上記の容量素子すなわちコンデンサに加えて、更に１つの抵抗素子すなわち抵抗が少なくとも１つの絶縁素子に同様に一体化されて設けられている。これは、特に、抵抗素子と容量素子の直列接続に、ならびに、これら２つの素子への直列接続に使用することができる。

この場合、特に、容量素子の誘電体材料は絶縁素子の表面上に層状に被着されている。原理的には、この目的のために絶縁素子の内側表面および外側表面の両方が適しているが、抵抗素子を外側表面に取り付けることは、エポキシ樹脂マトリックスに埋め込まれた材料、例えば強誘電体材料、のより多くの選択が可能であるという利点を有する。なぜなら、内側表面に対しては材料のガス放出挙動についての非常に特殊な要求が課せられるからである。

この抵抗素子の抵抗値は、好ましくは、１００オームと１５００オームとの間、または、１０^８オームと１０^１５オームとの間である。

この場合、誘電体材料は、好ましくは、絶縁素子の表面上に層として被着され、この層は５μｍ〜１５０μｍまたは１ｍｍ〜５ｍｍの厚さを有する。これに付属する複数の電極は、開閉軸に沿った絶縁素子の長手方向に関して上側端面および下側端面に配置されている。この場合、これらの電極が複数の絶縁素子の間のろう付け箇所で一体化されていると有用である。これら電極はこれらの端面に容易に取り付けることができ、それらの電極間で誘電体材料を絶縁素子の外側表面に取り付け、接触させることができる。電極をろう付け箇所に一体化することは有用であるが、必ずしも必須ではない。ろう付け箇所自体も電極として機能することができる。

代替的に又は追加的に、これらの電極が絶縁素子の外側表面上に層状に又は巻きテープの形で配置されていることも好都合であり、その結果、その上に更に第２の層または第２の巻きテープの形で誘電体材料を配置することができ、絶縁体材料の外側表面上で複数の電極と誘電体材料との交互の層列内に容量素子が生成される。

誘電体材料としては基本的に、高い誘電率を有する材料、特に強誘電体材料が適しており、特にチタン酸塩、特に好ましくはチタン酸バリウムが適している。

本発明のさらなる実施形態は、先行する請求項のいずれか１項による真空遮断器を含み、さらにこれに直列に接続された別の遮断器ユニットを有する、高電圧開閉装置である。これは、基本的には従来技術から知られている高電圧開閉装置であるが、この直列接続された遮断器ユニットとして本発明による真空遮断器を少なくとも１つ含み、その結果、上述した高電圧開閉装置において対応する制御要素、特に容量性機能を有するコンデンサを省略することができる。２つの遮断器ユニットの一方は、好ましくは、上述した真空遮断器であり、第２の遮断器ユニットはガス絶縁遮断器である。ガス絶縁遮断器が使用される場合には、従来の制御要素をガス絶縁遮断器に並列に接続しなければならない。

本発明のさらなる実施形態およびさらなる特徴を以下の図面の説明から明らかにする。同じ名称であるが異なる実施形態における特徴には、同一の参照番号が付されている。これらは例示的で純粋に模式的な実施形態であり、保護範囲のいかなる制限も表さない。

並列に接続された制御要素を有する従来技術の高電圧開閉装置の等価回路図 直列に接続された２つの遮断器ユニットを有する高圧開閉設備であって、これらの遮断器ユニットは一体化された制御要素を備えている。 絶縁素子の表面上に一体化された抵抗性および容量性の制御要素を有する真空遮断器の断面である。 図３による真空遮断器のための容量素子および抵抗素子の配置の等価回路図である。 真空遮断器の下側および上側領域に制御要素を有する、図１による真空遮断器の断面図 図５による真空遮断器のための制御要素の等価回路図である。 図８の等価回路図による制御要素を有する図１の真空遮断器である。 図７による真空遮断器のための制御要素の等価回路図である。 図１による真空遮断器であって、容量素子は絶縁素子上に交互の層の形で被着されている。 図９の部分Ｘの層列の拡大断面図である。 図９の真空遮断器による制御要素の等価回路図である

図１には従来技術による２つの遮断器ユニット３２の直列接続が示されている。これらの遮断器ユニット３２はガス絶縁遮断器とすることができるが、もちろん真空遮断器とすることもできる。直列に接続された遮断器ユニット３２に制御要素３４が並列に接続され、この直列接続における個々の遮断器ユニット３２を過負荷から保護する。この目的のために、複数の抵抗器またはコンデンサが並列または直列接続で使用される。これにより、電圧は個々の遮断器ユニット３２間で分担され、過負荷が防止される。

図２は、真空遮断器２の形態の遮断器ユニット３２が別の遮断器ユニット３２と直列に接続されている実施形態を示している。この真空遮断器２は制御要素３４を有し、この制御要素は容量素子１２の形態で構成され、図３に基づいてより詳細に説明されるように、真空遮断器２に一体化されている。

図３はハウジング３を有する真空遮断器２の断面図を示し、このハウジング３は複数の絶縁素子４および１つの中央部に取り付けられた金属遮蔽部５を有する。この金属遮蔽部５は、接触子システム８を共に形成する接触子９及び１０が開閉軸２４に沿って移動可能に支承される位置にこの金属遮蔽部５が取り付けられるように、ハウジング３内に配置されている。

複数の絶縁素子４はほゞ円筒形に形成されており、これらもまた開閉軸２４に沿って互いに積み重ねられており、円筒軸でもある開閉軸２４に沿って円筒を形成している。個々の絶縁素子４はここでは互いに嵌め合い結合されており、ほとんどの場合、ろう付け接続が支配的である。接触子システム８を取り囲むハウジング３は真空チャンバ８を形成し、この真空チャンバは全体として大気に対して真空密に密封されている。

ここまでは、概略的に見ると、従来技術による従来の真空遮断器２である。本発明の真空遮断器２がこれと異なる点は、制御要素３４が絶縁素子４の表面２０、２１上に配置されており、少なくとも１つの容量素子１２が絶縁素子４の表面２０、２１に被着されていることである。この場合、絶縁素子の内側表面２１と外側表面２０とを明確に区別する必要はなく、多くの場合、容量素子１２を絶縁素子４の外側表面２０に被着することが有用である。

ここでは、複数の電極１４が設けられており、これらの電極は、好ましくは、開閉軸２４に沿って絶縁素子４の端面２５と２６との間に配置されている。この場合、これらの電極１４は、個々の絶縁素子４を接続する役割を果たすろう付け面２７の延長部とすることができる。これらの電極１４は絶縁素子４の端面２５及び２６を少し越えて軸線２４に対して半径方向に突出し、その結果、絶縁素子４の外側表面２０上で電極１４のこれらの突出した突出部の間に誘電体材料１６が配置され、この誘電体材料に電極１４が接触している。誘電体材料１６と接触するこれらの電極１４は、この誘電体材料と共に容量素子１２を形成する。

さらに、基本的に同一構造の複数の電極１４の間に抵抗材料１９が同様に配置され、これらの電極によって接触が行われると好都合である。これにより、電極と共に抵抗素子１８が形成される。図３に示す例では、最上部の絶縁素子４の外側表面２０に容量素子が配置され、この絶縁素子４の内側の抵抗素子の電極と同一の電極１４により接続されている。この結果、２つの制御要素３４が並列に接続される。図３の隣接する絶縁素子４上の別の抵抗素子１８と共に、図４による等価回路図が得られる。

容量素子１２に使用される材料、すなわち誘電体材料１６としては、所望のキャパシタンスを設定するために、高いε_ｒ、すなわち高い誘電率を有する材料を使用することが好ましい。強誘電性材料、特にチタン酸塩がこれに適しており、好適にはチタン酸バリウム（ε_ｒ＝１０００）が使用される。相応の４００ｐＦ〜４０００ｐＦのキャパシタンスを得るために、この誘電体材料は絶縁素子４上の誘電体材料１６の予め定められた層厚において所望のキャパシタンスをもたらす濃度のチタン酸バリウムを含有することができる。チタン酸バリウムをエポキシ樹脂マトリックス中に埋め込んだ誘電体材料が特に有利である。この場合、容量素子１２の誘電体材料１６の層厚は一般的には５μｍ〜１５０μｍまたは１ｍｍ〜５ｍｍである。

図５は図１による真空遮断器２を示しており、この場合には、制御要素３２の配置はハウジング３に対して対称的に、または、ハウジング３を基準にして絶縁素子４に関して対称的に分配されている。これにより、ハウジング３に沿った異なる絶縁素子４への的確な電圧分担が可能になる。これは、図６に等価回路図として示すように、容量素子１２と抵抗素子１８との直列接続である。

図７にも図１による真空遮断器２が示されており、この場合には、絶縁素子４の外側表面２０に容量素子１２と抵抗素子１８の両方が取り付けられている。この場合、誘電的に作用する材料１６が半径方向で内側に配置され、これに絶縁体（ここでは詳細には説明しない）が続き、次に抵抗材料１９が続く。誘電体材料１６および抵抗材料１９の両方は、図８の等価回路図に従って両方の電極１４に接続され、並列回路を形成する。既に説明したように、これに続く絶縁素子４に別の抵抗素子１８が被着され、それにより、等価回路図として図８に示すように、抵抗素子１８と容量素子１２との並列接続にさらにもう一つの抵抗素子１８が直列に接続されている。この回路もハウジング３の下部領域において、図５と同様に対称的に配置することができる。原則として、抵抗素子１８および容量素子１２のこの表示および配置は例示的な実施形態である。それらは他の全ての絶縁素子４上に配置することもできる。ここで、これは図３、図５、図７および図９にも等しく当てはまり、すべての制御要素３４は絶縁素子４の内側表面２１および外側表面２０の両方に取り付けることができる。

図９には容量素子１２の代替的な実施例が示されている。ここでは、電極１４と誘電体材料１６の層が交互に絶縁素子４の外側表面２０の周りに半径方向に巻き付けられている。図９の部分Ｘの拡大図を図１０に示す。ここでは、電極１４および誘電体材料１６を有する外側表面２０上の層の順序を見ることができる。すなわち、誘電体材料１６はそれぞれ電極１４の形態の導電性電極材料の層に埋め込まれる。このようにして、制御要素３４の相応の所望のキャパシタンスを個々の層数によってより正確に設定することができる。これに対応する等価回路図を図１１に示す。ここでは、単に一例として、コンデンサすなわち容量素子１２が示されているに過ぎない。図９に示す真空遮断器も、必要に応じて、図３、図５および図７に示すように、任意の組み合わせで内側にも外側にもさらなる制御要素を備えることができる。

２ 真空遮断器
３ ハウジング
４ 絶縁素子
５ 金属遮蔽部
６ 真空チャンバ
８ 接触子システム
９ 可動接触子
１０ 固定接触子
１２ 容量素子
１４ 電極
１６ 誘電体材料
１８ 抵抗素子
１９ 抵抗材料
２０ 絶縁素子の外側表面
２１ 内側表面
２２ 誘電体材料の層
２４ 開閉軸
２５ 上側端面
２６ 下側端面
２７ ろう付け面
２８ 開閉装置
３２ 遮断器ユニット
３４ 制御要素
３６ アーク消弧室の直列接続

Claims (15)

1. 真空チャンバ（６）を形成するリング状セラミック絶縁素子（４）を少なくとも１つ有するハウジング（３）、および、互いに移動可能に配置された２つの接触子を有する接触子システムを含む真空遮断器（２）において、
   ２つの電極（１４）と、これらの電極（１４）間に配置された誘電体材料（１６）とを備えた容量素子（１２）が設けられ、前記容量素子（１２）が前記絶縁素子（４）に嵌め合い結合で取り付けられており、そのキャパシタンスが４００ｐＦと４０００ｐＦの間である、ことを特徴とする真空遮断器（２）。
2. 前記容量素子（１２）に加えて、抵抗素子（１８）が少なくとも１つの絶縁素子（４）上に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の真空遮断器。
3. 前記容量素子（１２）の少なくとも前記誘電体材料（１６）が前記絶縁素子（４）の表面（２０）に層状に被着されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の真空遮断器。
4. 前記容量素子（１２）が前記絶縁素子（４）の外側表面（２０、２１）に配置されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか1項に記載の真空遮断器。
5. 前記容量素子（１２）と前記抵抗素子（１８）が直列に接続されていることを特徴とする、請求項２〜４のいずれか1項に記載の真空遮断器。
6. 前記抵抗素子（１８）が前記絶縁素子（４）に嵌め合い結合で接続されていることを特徴とする、請求項２〜５のいずれか１項に記載の真空遮断器。
7. 前記抵抗素子の抵抗値が１００オームと１５００オームとの間、または、１０^８オームと１０^１５オームとの間であることを特徴とする、請求項２〜６のいずれか１項に記載の真空遮断器。
8. 前記誘電体材料（１６）が前記絶縁素子（４）の表面（２０、２１）上に層（２２）として被着され、前記層（２２）の厚さが５μｍ〜１５０μｍ、または、１ｍｍ〜５ｍｍであることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の真空遮断器。
9. 前記複数の電極（１４）は、これらの電極が開閉軸（２４）に沿った前記絶縁素子の長手方向に関して上側端面および下側端面に在るように、前記絶縁素子（４）上に配置されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の真空遮断器。
10. 前記複数の電極（１４）が前記複数の絶縁素子間のろう付け箇所で一体化されていることを特徴とする、請求項９に記載の真空遮断器。
11. 前記電極（１４）が前記絶縁素子（４）の前記外側表面（２０、２１）に層として被着されていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の真空遮断器。
12. 前記容量素子（１２）が前記絶縁素子（４）の前記外側表面（２０、２）上で前記電極（１４）、前記誘電体材料（１６）および前記電極（１４）の交互の層列として配置されていることを特徴とする、請求項１１に記載の真空遮断器。
13. 前記誘電体材料（１６）が強誘電体材料、特にチタン酸塩、特に好ましくはチタン酸バリウムを含むことを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の真空遮断器。
14. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載の真空遮断器（２）と、これに直列に接続された別の遮断器ユニット（３２）とを含む高電圧開閉装置（２８）。
15. 前記遮断器ユニット（３２）が真空遮断器（２）またはガス絶縁遮断器であることを特徴とする、請求項１４に記載の高電圧開閉装置。
    

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