JP2022543875A - 直列接続された２つの断路器ユニットを備えた開閉装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つの接点を移動するための少なくとも１つの駆動ユニット（６）を有する２つの直列接続された断路器ユニット（４）、および、これら断路器ユニット（４）にそれぞれ並列に接続された２つの制御コンデンサを備えた開閉装置に関する。本発明は、少なくとも１つの制御コンデンサ（１０）が静電容量を変化させるための機械的に移動可能な構成要素を有し、これら構成要素のうちの少なくとも１つが駆動ユニット（６）と機械的に連結されていることを特徴とする。

Description

本発明は、請求項１の前文に記載の、直列接続された２つの断路器ユニットを備えた開閉装置に関する。

複数の断路器ユニットの直列接続すなわちシリーズ接続は、エネルギー供給装置において多様に使用されている。例えば、一つの用途では、開閉装置が、シリーズ接続された（直列接続と同義）真空開閉バルブの形態の複数の断路器ユニットで構成され、高電圧用途においてこの直列接続により耐電圧性が向上する。しかし、最終的には、複数の断路器ユニットを直列に接続することは、本質的にその接続の耐電圧性を個々のバルブに比べて高めるのに役立つ。この場合の技術的な課題は、直列接続された個々の断路器ユニットの電圧分担を、どの断路器ユニットにもその耐電圧性を超える負荷がかからないように、確実に制御することである。

個々の断路器ユニット間の電圧分担を確実にするために、各断路器ユニットに並列にさらに制御コンデンサ（Steuerkondensator）が接続される。断路がすでに行われた後に断路器ユニットに流れるいわゆる続流（Nachstrom）に応じて、２つ以上の断路器ユニット間の電圧分布は、制御コンデンサを設置した場合に計算上のまたは統計的なケースから変化する。上述した続流は、例えば、真空バルブ内の金属蒸気または開閉路内の残留電荷キャリアによって引き起こされる。したがって、開閉プロセス中の断路器ユニット間の電圧分担は静的ではなく、動的である。

しかしながら、開閉プロセス中の電圧分布のこの動特性により次のことが生じる。すなわち、たとえ短時間であっても、複数の断路器ユニットのなかの１つがその定格電圧、すなわち、いわゆる耐電圧性が許容する電圧、よりも高い電圧を克服しなければならないこと、を上述の制御コンデンサは防ぐことができない。従って、複数の断路器ユニットを直列接続する場合には、特に真空バルブの場合には、個々の断路器ユニットの耐電圧性に関して大きな余裕が保証されるように設計しなければならない。特定の定格電圧が必要な場合には、公称よりも高い定格電圧を有する２つの断路器ユニットを直列接続するか、それより低い定格電圧の断路器ユニットを３つ以上直列接続する必要がある。いずれの場合も、開閉プロセス中のこの動的な電圧分布によって必要とされる直列接続の合計定格電圧を達成するためのコストは、個々の構成要素の定格電圧を単純に合わせた場合よりも高くなる。これにより、所定の定格電圧に対する断路器ユニットへのより高い設備投資が必要である。

本発明の課題は、直列接続された２つ以上の断路器ユニットを備えた開閉装置であって、複数の同一構成要素を使用した従来技術と比較してより高い耐電圧性を有する開閉装置を提供することにある。

この課題は、直列接続された２つの断路器ユニットを備えた、請求項１の特徴を有する開閉装置により解決される。

請求項１に記載の開閉装置は、少なくとも１つの接点を移動させるための少なくとも１つの駆動ユニットを有する少なくとも２つの直列接続された断路器ユニット、および、これらの断路器ユニットにそれぞれ並列接続された２つの制御コンデンサを備えている。この開閉装置の特徴は、少なくとも１つの制御コンデンサが、静電容量を変化させるための機械的に移動可能な複数の構成要素を有し、これらの構成要素の少なくとも１つが駆動ユニットと機械的に連結されていることにある。

少なくとも１つの断路器ユニットの駆動をも行う駆動ユニットと制御コンデンサの可動構成要素とを連結することによって、直列接続された少なくとも２つの断路器ユニット間の電圧分布が動的に変化する実際の開閉プロセスの間に、その開閉プロセス中に両方の断路器ユニットに常にほぼ同一の電圧が印加されることが保証されるように、この制御コンデンサが影響を及ぼすことができる。このようにして、直列接続の場合に定格電圧、つまり、選択された断路器ユニットを最大限確実に作動させることができる電圧を、完全に利用することができる。開閉プロセス中に生じ得る動的な電圧分布に対して保たれる耐電圧安全裕度を、大幅に低減することができる。このことは、必要とされる最大の遮断電圧を実現するために、より少ない断路器ユニットを直列接続するか、あるいは、より低い定格電圧を有する断路器ユニットを直列接続すればよいという利点を有する。そのいずれも、それに対応して必要とされる定格電圧を保証するために、断路器ユニットの形態での設備投資を低減することができる。

この構成は、断路器ユニットとして真空開閉バルブを使用する場合に特に有用である。この場合、前述のように、２つ以上の真空開閉バルブを直列にすなわちシリーズに接続することができる。ただし、基本的には、真空開閉バルブをガスギャップ方式のものと直列に接続することもできる。

静電容量の動的な制御を保証するこの制御コンデンサは、駆動ユニットに機械的に連結された少なくとも１つの可動構成要素を有する。原理的には、これは１つまたは２つの電極に対して変位される誘電体であるが、電気接点を電極または誘電体に沿って変位させることも可能である。原理的には、固定された誘電体に対して複数の電極を変位させることもできる。これに対応した制御コンデンサの構成要素の上述の動きにより、このコンデンサに生じる静電容量を動的に変化させることができる。

ここで、機械的な連結という用語は、制御コンデンサが駆動ユニットと機械的に結合されていることを意味し、これは、２つのシステム間で力、インパルスまたは動作を伝達するために１つの機械的結合が存在することを意味する。これは、例えば、軸受またはヒンジのような可動結合を介して行われるが、材料結合もしくは摩擦結合のような固定結合、または、可動結合と固定結合との組合せにより行なうこともできる。

この機械的結合は、伝動要素、例えばギア、の導入をも意味する。この伝動要素は、制御コンデンサの対応する複数の構成要素の移動運動を制御するのに適している。開閉装置の、または、個々の断路器ユニットの駆動ユニットは、接点または接点システムの開または閉プロセスがこのために正確に最適化されるように形成されている。開閉装置の１つまたは複数の断路器ユニットを駆動する前記駆動ユニットが、同時に制御コンデンサの静電容量が動的に変化するように、そして、この動的に変化した静電容量によって断路器ユニット内の電圧ピークを均等にするように、制御コンデンサの対応する複数の構成要素を移動させるのに使用される場合には、この運動方式は、開閉接点の最適化された駆動ユニットのための場合とは異なる法則に従うことが必要となる。複数の断路器ユニット間の電圧差に影響を及ぼすために必要な制御コンデンサの静電容量の時間経緯は、実験的に決定することができる。この実験データに基づいて、制御静電容量の必要な変化、したがって、時間の経過に対応する変化すなわち変化速度、または、制御静電容量の変化運動方式を決定することができる。

これらの情報から、その伝動要素の伝動運動を計算することができ、これを用いて、それぞれの場合に正しい制御静電容量が存在するように、開閉プロセス中に制御コンデンサの複数の構成要素を相対的に移動させることができる。

この場合、可変の制御コンデンサの構成において、断路器ユニット用のコンデンサに関して幾つかの配置が可能である。有利な一実施形態では、断路器ユニットに絶縁ハウジングが設けられており、このハウジングは接地されていない。これはいわゆるライブタンク構造（Live-Tank-Bauweise）である。この場合、制御コンデンサは、接地されていない絶縁ハウジングの外側に配置され、断路器ユニットの接点に対して並列に接続されている。

別の実施形態では、例えば、ガス絶縁遮断器または断路器ユニットのためのいわゆるデッドタンク構造（Dead-Tank-Bauweise）の場合には、これらの断路器ユニットのハウジングは接地されている。この場合、円筒状の誘電体が断路器ユニットのハウジングとその中に配置された真空開閉バルブとの間で開閉軸線に沿って移動可能に支承されるように、制御コンデンサを断路器ユニット全体の一部として形成することも有効である。

本発明の別の実施形態およびさらなる特徴を以下の図面を参照してより詳細に説明する。これらは純粋に模式的な構成であり、保護範囲の制限を表すものではない。

この場合には２つの断路器ユニットが直列接続された開閉装置の回路図であり、それぞれの断路器ユニットに１つの可変制御コンデンサが並列接続されている。 並列接続された可変制御コンデンサを有するライブタンク方式の断路器ユニット。 デッドタンク構成の断路器ユニットであり、接地されたハウジング内に真空バルブが配置され、そのハウジング内で誘電体が移動可能に支承されている。

図１に、開閉装置が基本的に電気的にどのように接続されているかを説明する回路の模式図を示す。このために、２つの断路器ユニット４が直列すなわちシリーズに接続され、次に各断路器ユニット４に１つの可変制御コンデンサ１０が並列に接続されている。これらの断路器ユニット４およびこれらの制御コンデンサ１０の全体の回路をこの開閉装置２は示している。これらの断路器ユニット４は、図２および３に示すように、真空開閉バルブ１２の形態で形成されることが好ましい。しかし、基本的には、真空開閉バルブ１２をガスギャップ方式の断路器ユニットと直列に接続することもできる。

図２および図３には、それぞれ、開閉装置２の一部のみが示されている、すなわち、制御コンデンサが並列に接続された１つの断路器ユニット４のみが示されている。図２による断路器ユニット４は、いわゆるライブタンク方式の真空開閉バルブ１２である。この場合、この真空バルブ１２は絶縁ハウジング２０内に埋め込まれており、この絶縁ハウジング２０は電流経路を周囲から絶縁し、したがって、接地されていない。真空開閉バルブ１２の複数の構成要素の表現は、図２では非常に模式的に示されている。この真空開閉バルブは接点８を有し、この接点は移動可能に支承されており、ここでは詳しくは述べられていない対向接点に向かって開閉軸線２４に沿って並進的に移動可能である。この目的のために駆動ユニット６が設けられており、これにより、開閉軸線２４に沿った並進的な移動２７が実現される。また、駆動ユニット６はギアの形態の伝動要素１８を介して制御コンデンサ１０と機械的に連結されている。図２による実施形態では、制御コンデンサ１０は円筒状に形成されており、外側円筒壁は電極１６を示し、別の電極１６′も同様に円筒状で、この円筒の中心部に配置されている。さらに、１つの誘電体１４が設けられており、これは第１の電極１６と第２の電極１６′との間の円筒状の中間空間内で、同様に縦方向の円筒軸に沿って並進的に移動可能に支承されている。電極１６、１６′および誘電体１４は制御コンデンサ１０の構成要素であり、この場合、誘電体１４は伝動要素１８を介して駆動ユニットと機械的に結合されており、すなわち、駆動ユニットと機械的に連結されている。駆動ユニット６の運動によって接点８が閉じられると、同時に矢印２８に沿って誘電体１４の移動が行われる。

この場合、図２は、誘電体１４が矢印２８に沿って移動する例示的な表現である。原理的には、例えば、電極１６′または電極１６を駆動ユニット６により、伝動要素１８を介して移動可能に支承することもできるであろう。誘電体１４（または制御コンデンサ１０の別の構成要素）の並進移動により、開閉プロセス中に電極１６、１６′間または制御コンデンサ１０の両接点３０間に存在する静電容量が変化する。これは、開閉プロセス中に断路器ユニット４または真空開閉バルブ１２に対してこの断路器ユニット４と並列に存在する静電容量が、開閉プロセス中に経時的に可変であることを意味している。

図２では、制御コンデンサ１０は円筒状に形成されている。ここで、制御コンデンサの構造は基本的に変更可能である。平板状のコンデンサと誘電体とを有する平板状コンデンサの形態での構造も有効である。

従来技術では、図１による制御コンデンサは固定静電容量を有する。最大で２４５ｋＶの真空開閉バルブの性能クラスに適合する一般的な静電容量は３００ｐＦから２０００ｐＦの間である。真空開閉バルブ１２または断路器ユニット４の一般的な開閉挙動が判っていれば、開閉プロセス中にその都度印加される電圧を測定することができる。これは、固定静電容量の制御コンデンサを使用した場合に、開閉挙動中にいつでも時刻ｔに発生する電圧である。制御コンデンサ１０の静電容量を変化させることにより、図１～図３で説明したように、断路器ユニット４に印加される電圧に対して開閉プロセス中に時間関数として影響を及ぼすことができる。このためには、制御コンデンサの静電容量が開閉プロセス中にリニアには変化しないことが必要な場合があり、これは、誘電体１４の移動のための望ましい運動を調整するように、伝動要素１８を形成しなければならないことを意味する。これは、ギア構造から分かっている適切な対策で達成できる。これにより、開閉プロセス中に、図１による複数の断路器ユニット４に常にほぼ一定、かつ、同一の高電圧が印加されるように、静電容量の正確な変化を調整することができる。

この電圧を決定することができ、さらに、それに影響を及ぼすこともできる場合には、図２による装置に関して説明したように、図１による直列回路の予め決められた定格電圧に対して、断路器ユニット４の耐電圧性を規定する公称電圧に非常に近い電圧になるように、それぞれの断路器ユニット４を選択することができる。したがって、個々の断路器ユニット４の定格電圧が予め定められている場合に、例えば、特定の電圧クラスの特定の真空開閉バルブ１２の定格電圧が予め定められている場合に、この直列接続により、可変制御コンデンサ１０がない場合よりも高い耐電圧性が達成される。つまり、開閉装置全体としての特定の耐電圧性を提供するために、各々がより低い耐電圧性を有する複数の断路器ユニット４または真空開閉バルブ１２を使用することができ、これにより、開閉装置２の全体的な設備投資コストを大幅に低減することができる。

図３は、図１による並列回路の代替構成、すなわち、断路器ユニットおよび制御コンデンサ１０の代替構成を示す。図２の断路器ユニット４と制御コンデンサ１０との並列接続とは異なり、図３では、断路器ユニットがハウジング２２内に配置されている、いわゆるデッドタンク構造の断路器ユニットが示されており、真空開閉バルブ１２はハウジング２２内に配置されている。図２の絶縁ハウジング２０との違いは、図３のハウジング２２は接地されていることである。これは、開閉プロセス中に真空バルブ１２の外面とハウジング２２との間に電界が存在していることを意味する。この電界は、真空バルブ１２とハウジング２２との間に誘電体１４を挿入すると、影響を受ける。この場合、ハウジング１６と真空バルブ１２のケーシング３１の両方が電極１６として作用する。この誘電体が開閉プロセス中に伝動要素１８を介して、すなわち、ギアにより、ケーシング３１とハウジング２２との間で、図２に関連して既に説明したものと類似の方法で移動されると、静電容量の変化が生じる。

図３による説明では、制御コンデンサ１０は、このように、ハウジング２０、真空開閉バルブ１２のケーシング３１、および、誘電体１４によって形成されている。ここでもまた、誘電体１４は開閉プロセス中に接点８とともに駆動ユニット６によって駆動される。接点８の移動と誘電体１４の移動に関する運動学的な連結は、既に図２で説明したように、伝動要素１８により保証される。このように、ここでも開閉プロセス中の静電容量の変化は、接点８の駆動と機械的に連結させることができるが、動的に見ればこれとは独立に行うことができる。

２ 開閉装置
４ 断路器ユニット
６ 駆動ユニット
８ 接点
１０ 制御コンデンサ
１２ 真空開閉バルブ
１４ 誘電体
１６ 電極
１８ 伝動要素
２０ 絶縁ハウジング
２２ （接地された）ハウジング
２４ 開閉軸線
２６ 接触部
２７ 並進運動
２８ 誘電体の移動
３０ 接点
３１ 真空開閉バルブのケーシング

図３は、図１による並列回路の代替構成、すなわち、断路器ユニットおよび制御コンデンサ１０の代替構成を示す。図２の断路器ユニット４と制御コンデンサ１０との並列接続とは異なり、図３では、断路器ユニットがハウジング２２内に配置されている、いわゆるデッドタンク構造の断路器ユニットが示されており、真空開閉バルブ１２はハウジング２２内に配置されている。図２の絶縁ハウジング２０との違いは、図３のハウジング２２は接地されていることである。これは、開閉プロセス中に真空バルブ１２の外面とハウジング２２との間に電界が存在していることを意味する。この電界は、真空バルブ１２とハウジング２２との間に誘電体１４を挿入すると、影響を受ける。この場合、ハウジング２２と真空バルブ１２のケーシング３１の両方が電極１６として作用する。この誘電体が開閉プロセス中に伝動要素１８を介して、すなわち、ギアにより、ケーシング３１とハウジング２２との間で、図２に関連して既に説明したものと類似の方法で移動されると、静電容量の変化が生じる。

図３による説明では、制御コンデンサ１０は、このように、ハウジング２２、真空開閉バルブ１２のケーシング３１、および、誘電体１４によって形成されている。ここでもまた、誘電体１４は開閉プロセス中に接点８とともに駆動ユニット６によって駆動される。接点８の移動と誘電体１４の移動に関する運動学的な連結は、既に図２で説明したように、伝動要素１８により保証される。このように、ここでも開閉プロセス中の静電容量の変化は、接点８の駆動と機械的に連結させることができるが、動的に見ればこれとは独立に行うことができる。

Claims (8)

1. 直列接続された２つの断路器ユニット（４）と、少なくとも１つの接点を移動させるための少なくとも１つの駆動ユニット（６）と、前記断路器ユニット（４）にそれぞれ並列接続された２つの制御コンデンサと、を備えた開閉装置において、
   前記制御コンデンサ（１０）の少なくとも１つが、静電容量を変化させるための機械的に移動可能な複数の構成要素を有し、前記構成要素の少なくとも１つが前記駆動ユニット（６）と機械的に連結されていることを特徴とする開閉装置。
2. 前記断路器ユニット（４）の少なくとも１つが真空開閉バルブ（１２）であることを特徴とする、請求項１に記載の開閉装置。
3. 前記制御コンデンサ（１０）の少なくとも１つの移動可能な前記構成要素が、誘電体（１４）、電極（１６）または電気接点であることを特徴とする請求項１または２に記載の開閉装置。
4. 前記構成要素の移動運動を制御するのに適した伝動要素（１８）が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の開閉装置。
5. 前記断路器ユニットの少なくとも１つが、非接地絶縁ハウジング（２０）内に埋め込まれていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の開閉装置。
6. 前記制御コンデンサが、前記非接地絶縁ハウジング（２０）の外部に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の開閉装置。
7. 前記断路器ユニット（４）の少なくとも１つが、接地されたハウジング（２２）で囲まれていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の開閉装置。
8. 前記誘電体（１４）が円筒状であり、開閉軸線（２４）に沿って並進して変位可能となるように前記真空開閉バルブ（１２）と前記ハウジング（２２）との間に配置されていることを特徴とする請求項７に記載の開閉装置。
   

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