JP3828866B2 - 開閉装置の接点消耗を減少させる方法と装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、開閉装置、特に遮断器の接点消耗を減少させる方法に関する。本発明はまたその方法を実施する装置に関する。
【０００２】
交流により制御され、かつ電磁操作される、主接点と称される主接点装置によって三相系統を開閉する開閉装置では、適切な管理により接点消耗を減少させ、それにより開閉装置の動作寿命を延すべく努力している。そこで、所謂同期開閉効果を回避することで３相の主接点の均等な消耗を達成し、その結果動作寿命を延長できる。そのため、開閉装置コイルの付属回路ないしコンデンサ付き遮断器コイルが既に提案されている。更に、所謂開閉装置の自動同期を回避することで接点消耗の均一化をかなり向上させられる。そのため、例えば所定の方法による開閉指令を、開閉位相の均等分配が行われるように遅延させている。
【０００３】
自動同期効果と例えば製造誤差に伴う機械的同期効果を均等化するため、開閉時点の適切な選択で最も激しく消耗した主接点装置の消耗を軽減させ得る。この結果、他の両主接点装置に一層大きな負荷がかかり、上述の均等化が図れる。
【０００４】
本発明の課題は、特に開閉同期に伴い生ずる主接点の不均等な消耗を減少させると共に、開閉装置の三相主接点装置全体の総合的な消耗を減少させ得る、開閉装置、特に遮断器の接点消耗を減少させる方法を提供することである。他の課題は、その方法を実施するのに特に適した装置を提供することである。
【０００５】
方法に関する上記課題は、本発明によれば、請求項１に記載の構成により解決される。その際、開閉装置では、投入指令の受信後、該指令は実際に最も激しく消耗した主接点のための好ましい位相角又は指令角に達する迄遅延される。その際、指令角又は投入指令角は、主接点を電磁操作する制御電圧又はコイル電圧の位相角に関する所定の時点である。投入指令角は、開閉装置の主接点に結合されたソレノイドのコイル電圧又は制御電圧の送出と、各主接点の接点素子の接触との間に上記入指令角に関連して生ずる接点閉成時間を考慮して定められる。
【０００６】
本発明は、以下の考え方から出発する。即ち各半周期内に、三相主接点全体として開閉過程中の任意の時点又は等しく分散した任意の指令角より若干少ない合計の消耗を静的手段内に生ずる、系統電圧の３つの好ましい時点又は指令角が存在する。その際、開始した開閉過程が、各々の好ましい時点又は指令角に静的手段内で、他の両主接点に対し少ない消耗量を示す主接点を、好ましい時点又は指令角に正確に整合させる。好ましい時点又は指令角と主接点との間のこの関係は一対一に対応し、各主接点又は各主接点装置には好ましい指令角が正確に与えられる。その際、好ましい指令角には２つの本質的な特性、即ち一つはある特定の主接点の最少消耗量であり、他の一つは只一つの主接点に与えられた好ましい指令角を全ての主接点に対し選択する際、静的手段内で得られる消耗量は任意の他の指令角におけるものより小さいという事実である。
【０００７】
遅延は、例えば不連続に実現される遅延部やマイクロコントローラにより実現できる。３つの好ましい指令角又は時点は系統電圧の各半波に存在するので、遅延は最大１８０゜であり、それは系統周波数が５０Ｈｚの場合、１０ｍｓの遅延時間に相当する。かくして、一方では開閉同期の回避が保証される。他方では三相主接点又は三相主接点装置全てにおける累積接点消耗の減少が達成される。
【０００８】
３つの主接点の実際の消耗は、好ましくは開離過程中の時間間隔測定により決するとよい。この場合、主接点の電磁操作用に設けたソレノイドの開離と主接点の開離との時間間隔を検知する。ソレノイドの開離は対応する電磁コイルの特性電圧パルスで検出できる。主接点の開離も電圧パルスの中で起る。電圧パルスの高さは少なくとも発生するアークの陽極―陰極間電圧に相当する。この種の時間間隔測定は、例えば独国特許出願公開第１９６０３３１０号、同第１９６０３３１９号明細書に記載されている。この測定は、主接点の消耗が主として接点コーティングの厚さの減少、従って行程短縮に現れるという認識を利用する。
【０００９】
装置に関する上述の課題は、本発明により請求項５に記載の構成により解決される。好ましい構成はそれに従属する従属請求項に記載している。
【００１０】
本発明の装置は、開閉装置の各主接点の消耗量を判定すべく複数の評価装置を含む。各装置は主接点及びソレノイドの各電圧を参照して時間間隔を測定する。開閉装置のソレノイド用のコイル電圧又は制御電圧の位相角である三相系統の３相に係る指令角は、望ましくはメモリ装置内にテーブルとして用意される。
【００１１】
位相比較器は実際に最も激しい消耗を生じた主接点に関する指令角又は位相角を、実際に検出されたソレノイドの制御電圧と比較した結果に基づき、開閉過程を開始させるパルスを発生する。その際、発生したパルスのパルス列は、望ましくは系統電圧の半周期に相当する。ソレノイドに制御電圧又はコイル電圧を付与するため、位相比較器により発生されたパルスを、位相比較器の出力側に設けたマルチバイブレータ、好適には双安定マルチバイブレータが開閉器に投入指令として伝送する。連続的に検出された制御電圧の位相角を識別すべく、位相比較器を、三相系統のある１相が接続された開閉装置の相出力端に接続するとよい。
【００１２】
本発明により達成される利点は、特に遅延、即ち交流で制御される電磁操作型開閉装置、特に遮断器の投入過程の目的に適う作用によって、その特別な特性の利用の下に、一方では同期効果を回避し、他方では主接点の消耗を全体として減少させ得ることにある。その際、主接点により開閉すべき主電流回路の変更も開閉装置の変更も共に回避できる。
【００１３】
次に図面を参照して本発明の実施の形態についてより詳細に説明する。全ての図において互いに対応する部分には同一符号を付している。
【００１４】
図１は、主接点Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３として示す３つの主接点装置を備えた遮断器を開閉装置１として示す。主接点Ｋ１〜Ｋ３の非可動接点素子Ｋ１ａ、Ｋ２ａ、Ｋ３ａは一端が三相系統Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｎの相端子２に、他端が負荷３に接続されている。主接点Ｋ１〜Ｋ３の可動接点素子Ｋ１ｂ、Ｋ２ｂ、Ｋ３ｂはソレノイド４を持つ共通の電磁装置で操作される。主接点Ｋ１〜Ｋ３が機械的に結合したソレノイド４は、制御線５を経て一方で相導体Ｌ３の相端子２、他方で中性線Ｎの端子２に接続されている。制御線５内にソレノイド４を制御、即ち操作すべく、従って開閉装置１のソレノイド４を開閉すべく開閉器６を設けている。
【００１５】
各主接点Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３に各接点の消耗を検知する評価装置Ａ_L3、Ａ_L2、Ａ_L1が設けられている。各評価装置Ａ_L3、Ａ_L2、Ａ_L1に測定線７を経て各主接点Ｋ１〜Ｋ３の電圧Ｕ₁、Ｕ₂、Ｕ₃が入力されると共に、測定線８を経てソレノイド４の制御電圧又はコイル電圧Ｕ_Sが入力される。この電圧Ｕ₁、Ｕ₂、Ｕ₃及びＵ_Sを参照し、各評価装置Ａ_L3、Ａ_L2、Ａ_L1は時間間隔測定を実行し、主接点Ｋ１〜Ｋ３の実際の消耗値Δｍ₁、Δｍ₂、Δｍ₃、即ち、主接点Ｋ１〜Ｋ３の残存している接点コーティングの厚さを判定する。
【００１６】
かくして検知された実際の消耗値Δｍ₁、Δｍ₂、Δｍ₃から関数演算部９で所定の関数式、例えば、所謂マックスインデクス関数（max-index-function）により最大消耗量を有する主接点Ｋ１又はＫ２、Ｋ３が判定される。３つの投入指令角Ψ_K1、Ψ_K2、Ψ_K3を表として保存するメモリ装置１０から、次の開閉過程のための標準的な指令角Ψ_Kνが取出され、位相比較器１１に送出される。
【００１７】
位相比較器１１は、コイル電圧又は制御電圧Ｕ_Sの位相角Ψを好ましい指令角Ψ_Kνと連続的に比較し、一致したとき短いパルスＳを出力する。このパルスＳは、例えば約１００μＳの時間幅である。
【００１８】
位相比較器１１は、制御線１２を経て三相系統の中性線Ｎの端子２及び一つの相端子２、実施の形態では相Ｌ３の相端子２に接続されている。その際、位相比較器１１はコイル電圧Ｕ_Sの極性を考慮せずに処理し、その結果、系統電圧周期の半分の周期間隔でパルスＳを出力する。パルスＳは双安定マルチバイブレータ１３の一方の入力端Ｅ１に入力され、他方の入力端Ｅ２に外部開閉指令、即ち外部投入指令ＥＳが入力される。出力端が開閉器６に接続された双安定マルチバイブレータ１３は、入力端Ｅ１に入力されたパルスＳにより入力端Ｅ２に入力された開閉指令ＥＳを出力し、遅延なしの開閉器６を経て投入過程を開始させる。
【００１９】
電磁操作型の開閉装置又は遮断器１の開閉実態に応字好ましい指令角Ψ_Kνの導出について、次に図２〜６を参照して詳細に説明する。ここでは、例として測定により検証した３７ｋＷ遮断器の投入過程について説明する。
【００２０】
図２は投入指令角Ψ_Kと閉成時間ｔ_Sとの関係を示すグラフである。この図は制御電圧又はコイル電圧Ｕ_Sの入力から主接点Ｋ１〜Ｋ３の接点素子Ｋ１ａ〜Ｋ３ｂの接触迄の時間経過を示す。ここで投入指令角Ψ_Kは、正弦波状の制御電圧又はコイル電圧Ｕ_Sの位相位置に関する位相角である。この図から、投入指令角Ψ_Kに依存する閉成時間ｔ_Sは一定でなく、１０ｍｓ超の幅で変動することが分る。これは、５０Ｈｚの系統周波数では１８０゜超の角度Ψ_Kに相当する。
【００２１】
ｎ∈Ｎとして、Ψ_K≒ｎ×１８０゜では、閉成時間ｔ_Sは最短である。これに基づき、そこでは専ら誘導性ソレノイド４の投入の際、最大の過渡的な直流電流成分を生じ、それが全体として大きな初期駆動力を引き起す結果となる。一定の投入指令角Ψ_Kでは統計的な意味での変動を殆ど生じない。従って、指令角Ψ_Kの認識において閉成時間ｔ_S、即ち主接点Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３の閉成時点は非常に正確に決定できる。その際、３つの主接点Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３の閉成時間ｔ_Sは全て一定であるが、各系統電圧に関する閉成角は３つの主接点Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３において三相系統の位相ずれに基づき開閉過程の際互いに１２０゜ずれる。
【００２２】
図３は、投入指令角Ψ_Kと閉成速度ｖ_S、即ち全ての主接点Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３が当接する速度との関係を示す。このことから閉成時間ｔ_Sと同様に、閉成速度ｖ_Sも投入指令角Ψ_Kに関連する。しかし、閉成時間ｔ_Sとは逆に閉成速度ｖ_Sの経過は各遮断器又は開閉装置１の構造状態にもかなり関係し、一般的に有効な表現を実用的に行えない。そこで、測定した標準偏差に応じて得た誤差帯域に基づき生ずる統計的分散の一定投入指令角Ψ_Kにおける閉成速度ｖ_Sが検知される。それにも係らず３つの主接点Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３の全ての閉成速度ｖ_Sは唯一のグラフに反映されるようにほぼ等しくなる。
【００２３】
図４は、所謂投入時チャタリングの３つの主接点Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３全ての投入指令角Ψ_Kと開離時間ｔ_abとの関係を示す。ここで開離時間ｔ_abとは、主接点Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３の最初の接触後、新たに互いに開離する迄の累積時間である。この場合、消耗のため標準的なアークが主接点Ｋ１〜Ｋ３の接点素子Ｋ１ａ〜Ｋ３ｂ間に生ずる。
【００２４】
図３と図４のグラフの比較から、閉成時間ｔ_Sと開離時間ｔ_abの間の明瞭な関係が明らである。それによると速い閉成速度ｖ_Sが比較的長い開離時間ｔ_abをも引き起す。従って、弾性的な衝突とばね−質量系に対する簡単な考察から、３つの主接点Ｋ１〜Ｋ３の全てに対する同一閉成速度ｖ_Sでの多くの開閉に関し、平均的にほぼ同一の開離時間ｔ_abから出発する。このことは、式
ｔ_ab＝Ｃ・ν_S（Ψ_K）
によって表現できる。ここで、Ｃは開閉装置に固有の定数である。
【００２５】
閉成速度ｖ_S、即ち開離時間ｔ_abに対して、付加的に消耗に関し主接点Ｋ１〜Ｋ３の投入チャタリングによる開離時に流れる電流ｉの大きさも重要な意味を持つ。その際、消耗はアーク電流ｉの時間に関する積分値に比例することから出発できる。その際、アーク電流ｉは通常、接点固有の定数ｋの指数関数として式
【数１】

と表現できる。ここで、Δｍは接点消耗、Ｃ′及びｋは特に主接点Ｋ１〜Ｋ３の特性、例えばその幾何学的形状及び材料に関する定数である。
【００２６】
接点素子Ｋ１ａ〜Ｋ３ｂの最初の接触がたとえ絶対的な時間的尺度上で殆ど同時に起るとしても、その都度の系統電圧における主接点Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３の電気的閉成角は必ずしも等しくはなく、三相系統では電圧が各々１２０゜ずれていることに基づきやはり各１２０゜ずれている。この関係は図５で明らかである。図５は、３６０゜に基準化した主接点Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３の閉成角を３つの投入指令角Ψ_Kの関数として示す。図５に示すグラフは、閉成時間ｔ_Sを用いて次の式で定式化できる。ここで、遮断器又はソレノイド４の駆動は外部導体又は相導体Ｌ３に関係し、かつ主接点Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３には正しく相回転をする三相電力系統が接続されているものとする。
【数２】

ここで、Ｔは通常２０ｍｓの系統電圧周期である。Ψ_Sは相導体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３のその都度の位相に対応する閉成角である。ｍｏｄ３６０゜におけるｍｏｄはｍｏｄ演算子であって、それは演算子の前の角度を３６０゜で割算したときの剰余の角度を与える。例えば、５４０゜＝１．５×３６０゜であり、３６０゜で割算すれば商１．５が与えられる。従って、０．５の余りの数値から１８０゜という割算剰余が与えられる。
【００２７】
以上のことから主接点Ｋ１〜Ｋ３の開離時間ｔ_abがほぼ等しいことが導かれたものとしても、開離時の通流電流は原理的に異なる。近似的には、開離時の主接点通流電流に対し次式が与えられる。即ち、
【数３】

ここで、Ｃ″は接続される負荷３及び系統電圧に関する定数である。
【００２８】
かくして、主接点Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３の消耗に２つのプロセスが関与することになる。即ち、一方で全主接点Ｋ１〜Ｋ３に対し各々同じ開離時間ｔ_ab、他方で全主接点Ｋ１〜Ｋ３に対し各々異なる大きさのアーク電流ｉが関与するということである。このことは、図６に示す、実験的に決定された、３つの主接点Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３の投入指令角Ψ_Kとその関数としての相対チャタリング負荷（relative Prellladung）Ｑとの関係グラフから明らかである。ここではチャタリング負荷Ｑとして、系統電流の実効値に関する実際のチャタリング負荷を示す。
【００２９】
図６に示す投入指令角Ψ_Kと相対チャタリング負荷Ｑの関係で、制御電圧Ｕ_Sは再び外部導体又は相導体Ｌ３に対しコヒーレントである。更に、３つの相対チャタリング負荷Ｑの平均値を×印でプロットした折れ線の形で示す。×印でプロットしたこの折れ線は、略Ψ_K＝５０゜とΨ_K＝８５゜の個所で各々最小値を示し、それはチャタリング負荷Ｑの平均的な値の個所にある。それ故、この最小値付近の領域が好適な投入指令角Ψ_Kの可能性のある領域ということになる。
【００３０】
このことから、好適な投入指令角は、相導体Ｌ１に対してはΨ_K＝５５゜、相導体Ｌ２に対してはΨ_K＝８０゜、相導体Ｌ３に対してはΨ_K＝６５゜である。その理由は、この投入指令角Ψ_Kに対応する主接点Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３の相対チャタリング負荷Ｑが各々局部的な最小値を持ち、３つの主接点Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３は全て平均値より小さいということにある。制御電圧又はコイル電圧Ｕ_Sが、例えば相導体又は外部導体Ｌ１に位相同期するように制御位相が変化させられると、好ましい投入指令角Ψ_Kもそれに対応して回転させるものとする。
【００３１】
従って全体として、交流で駆動される電磁操作型の遮断器１の投入過程が、固有の特性の応用下で、一方では開閉同期効果を回避し、他方では主接点Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３の消耗を全体として減少させるように行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 接点消耗を減少させるための装置を有する開閉装置の原理的回路図。
【図２】 投入指令角と閉成時間の関係を角度／時間のグラフとして示す図。
【図３】 投入指令角と閉成速度の関係を角度／速度のグラフとして示す図。
【図４】 投入指令角と開離時間の関係を角度／時間のグラフとして示す図。
【図５】 投入指令角と閉成角度の関係を角度／角度のグラフとして示す図。
【図６】 投入指令角と相対チャタリング負荷の関係を示す図。
【符号の説明】
１ 開閉装置、２ 相端子、３ 負荷、４ ソレノイド、５ 制御線、６ 開閉器、７、８ 測定線、９ 関数演算部、１０ メモリ装置、１１ 位相比較器、１２ 制御線、１３ 双安定マルチバイブレータ、Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３ 主接点、Ｋ１ａ、Ｋ２ａ、Ｋ３ａ 非可動接点素子、Ｋ１ｂ、Ｋ２ｂ、Ｋ３ｂ 可動接点素子、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｎ 相導体、Ａ_L3、Ａ_L2、Ａ_L1 評価装置

Claims (10)

1. 多相交流用の複数の主接点（Ｋ１〜Ｋ３）を電磁操作すべく送出する投入指令（ＥＳ）を、開閉過程の開始のために開閉装置（１）の主接点に結合した電磁装置（４）の制御電圧（Ｕ_S）の位相角（Ψ）に関し、最も消耗している主接点（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）に対応する指令角（Ψ_Kν）に達する迄遅延させる開閉装置の接点消耗を減少させる方法。
2. 各主接点（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）の消耗を、開放過程中の時間間隔測定により判定する請求項１記載の方法。
3. 前記時間間隔として、前記主接点（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）の電磁操作のために用いられる電磁装置（４）の操作時点と、前記主接点（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）の開離時点との間の時間間隔を検出する請求項２記載の方法。
4. 最も激しく消耗した主接点（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）に対する指令角（Ψ_Kν）と、前記電磁装置（４）の連続的に検出した制御電圧（Ｕ_S）の位相角（Ψ）とが一致したとき、開閉過程を開始させるパルス（Ｓ）を発生する請求項１から３の１項に記載の方法。
5. 開閉装置の各主接点（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）の消耗を判定するための複数の評価装置（Ａ_Ln）と、開閉装置（１）の電磁装置（４）用の制御電圧（Ｕ_S）の位相角（Ψ）に関する複数の指令角（Ψ_Kν）を記憶するメモリ装置（１０）と、
   最も激しい消耗を生じた主接点（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）に対応する指令角（Ψ_Kν）と、
   前記電磁装置（４）の検出された制御電圧（Ｕ_S）の位相角（Ψ）との比較結果に基づき開閉過程を開始させるパルス（Ｓ）を発生する位相比較器（１１）と
   を備えた請求項１から３の１項に記載の方法を実施する装置。
6. 前記位相比較器（１１）の出力側に接続され、前記位相比較器（１１）により発生されたパルス（Ｓ）に基づき前記電磁装置（４）の制御線（５）内に配置された開閉器（６）に投入指令を（ＥＳ）を送出するマルチバイブレータ（１３）を備えた請求項５記載の装置。
7. 前記位相比較器（１１）が、連続的に検出された制御電圧（Ｕ_S）の位相角（Ψ）を検査すべく三相系統の一つの相（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）に接続された、開閉装置（１）の相出力端（２）に接続された請求項５又は６記載の装置。
8. 各評価装置（Ａ_Ln）が、対応する主接点（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）の電圧（Ｕ_n）を検出する測定線（７）と、電磁装置（４）の制御電圧（Ｕ_S）を検出する測定線（８）に接続された請求項５から７の１項に記載の装置。
9. 最も激しく消耗した主接点（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）を検出すべく前記評価装置（Ａ_Ln）に接続された関数演算部（９）を備える請求項５から８の１項に記載の装置。
10. 前記位相比較器（１１）で発生されるパルス（Ｓ）のパルス周期が、系統電圧周期（Ｔ）の半分に相当する請求項５から８の１項に記載の装置。

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