JP4470228B2 - 真空スイッチ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、遮断器に用いられるいわゆる真空スイッチの構造の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
母線からの受電電流を遮断する遮断器の１種に、１０^-6Ｔｏｒｒ程度の高真空に維持された真空容器の内部に、主回路を遮断する接点部を収納し、高真空中での高い絶縁耐力と良好なアーク消弧作用とを利用して、安定に遮断するようにした真空遮断器がある。この真空遮断器の主構成要素である、真空容器と接点部を収納した部分を通常真空スイッチ又は真空バルブ等と呼ばれている。以下、ここで言う真空スイッチとは上記のもののことを言う。
【０００４】
図１１は、特公昭５９−１０５２２８号公報に開示された真空スイッチ（単極スイッチ）の要部の構成を示す横断面図である。図において、１０は金属製もしくは絶縁物性の円筒型の真空容器であり、その両端面を蓋板１１１、１１２が塞いでいる。
【０００５】
容器１０の内部には固定電極軸２、可動電極軸４が設けられ、これら電極軸の先端には固定電極１、可動電極３が設けられている。又、固定電極１と可動電極３の両方を包むようにアークシールド５が設けられ、このアークシールド５を蓋板１１１、１１２に固定するための絶縁筒６３、６４が備えられ、容器１０の外部には絶縁筒６１、６２、フランジ７、８、及びベローズ９が配置されている。
【０００６】
同図において、アークシールド５、絶縁筒６１〜６４、フランジ７、８及びベローズ９によって第１の真空空間Ａが構成されている。また蓋板１１１、１１２と容器１０、アークシールド５、絶縁筒６３と６４によって第２の真空空間Ｂが構成されている。２つの真空空間Ａ，Ｂは十分真空度が高ければ互いに空間的に繋がっていても繋がっていなくてもよい。
【０００７】
次に動作について説明する。
可動電極軸４に図示しない外部操作力が与えられることにより可動電極３が固定電極１に対して接離され、固定電極軸２、可動電極軸４を流れる主回路電流の投入、遮断が行われる。又、前記の第２の真空空間Ｂの高い絶縁耐力を利用してアークシールド５と容器１０の距離（図示ｄ）を小さくすることが出来る。
ところでこのような真空スイッチの実際の用途はほとんど３相交流なので、この真空スイッチを例えば３台使用する。１００は寸法Ｘ離れて隣接して配置された同型の真空スイッチである。
【０００８】
しかし、この場合、３相全体の機器寸法は、基本的に１つの真空スイッチの寸法（直径）によつて決まってしまい小型化には限界がある。
このような着想から、従来１つの真空空間に例えば３組の電極を封入して、３極真空スイッチを構成する提案がなされている。図１２、１３は特公昭５４−２５２２７号公報に開示されたこの種３極真空スイッチの縦、横断面図である。
図において、１〜６、８〜１１は図１１と同じもしくは相当部分なのでその詳細な説明は省略する。図には固定電極１と可動電極３の組が３組記載されているが説明の都合上、符号はその１組のみに付加している。
【０００９】
図において、１６は真空スイッチを図示しない遮断器の筐体に取付けるための支持棒、１７は可動電極棒４を操作するための操作軸、２４は操作軸１７の動きを可動電極棒４に伝えるためのセラミック円板からなる支持板である。１８は固定電極軸２の出力リード線、２１は可動電極軸４の出力リード線である。
図１２、１３の３極スイッチについて、その動作を問題点を含めて図により説明する。
【００１０】
可動電極３を駆動するためには図１３の操作軸１７を駆動するのだが、必要な駆動力は図１１の電極軸４に必要な駆動力の３倍よりはるかに大きい力が必要である。その理由は、図１３の場合操作軸１７と支持板２４が図１１の場合に比して増加しているが、極めて高速に瞬間的に駆動するときの駆動力は摩擦にほとんど関係せず被駆動質量に比例するからである。
【００１１】
又、外形的にも操作軸１７や支持板２４のために全体の寸法が図１１のものの３倍よりはるかに大きくなる。
【００１２】
又、３個のスイッチの配列が真空容器１０の体積を最小にしたいという配慮から、正３角形になるように配置されているが、実際の配電盤では３相ラインＵ，Ｖ，Ｗを横一文字に配置するのが点検性も良く、三角形配置では配線が輻輳してメンテナンス性が低下する。
【００１３】
図１３では主回路入出力がフレキシブルなリ−ド線１８、２１になっていて、真空容器１０をこのリ−ド線で支えることはできない（可動電極側からの押力に抗しなければならない）ので、真空容器１０を固定保持するために支持棒１６が別に必要で更に大型化する原因となっている。ところでリ−ド線１８、２１を廃して、図１１と同様に固定電極棒２によって保持する３極スイッチも特開平４−３３７２１９号公報に開示されている。しかしながら、この場合、固定電極棒２が３本あるのでこれを接続すべき遮断器筐体側の相手電極の位置誤差、角度誤差があると、３本の固定電極棒２の間にストレスがかかることとなり、真空容器１０はこのストレ
スに耐える頑丈なものとする必要が新たに生じるため、３極一体化による小型化のねらいがかならずしも達成されない、などという問題があった。
【００１４】
以上の説明は極数が３極である場合について説明したが、多極（Ｎ極）にした場合もこれらの問題点は全く変わりが無い。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
以上に説明したように、（１）従来の真空スイッチは一体化したメリットが生まれるほど小型化されない。（２）別に必要な部品を要する要因を有するなどの問題があった。
【００１６】
この発明は、上記のような問題点を解決し、小型で部品点数の少ない真空スイッチを得ることを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この発明による多極真空スイッチは、単一の真空室を有する真空容器の壁面を貫通して配置された複数の絶縁ブッシング、この絶縁ブッシングのそれぞれを貫通して固定された同数の固定電極棒、前記真空容器の内部で前記複数の固定電極棒それぞれの先端に１つずつ設けられた固定電極、この複数の固定電極のそれぞれに接離する同数の可動電極、この複数の可動電極のそれぞれを保持し前記真空容器の外部から前記壁面を貫通して真空を保持しつつ前記可動電極を駆動する同数の可動電極棒、前記真空容器の内部に設けられ前記それぞれの固定電極とこの固定電極に接離する可動電極とを包むように設置した同数のアークシールドとを有するものである。
【００１８】
各電極毎に引き出された複数の可動電極棒は外部からの操作力を単極スイッチの３倍に維持する作用がある。
【００１９】
又、 真空容器は金属製で、アークシールドをケースから絶縁して固定する支持絶縁物を有し、この支持絶縁物は少なくとも片側に電界緩和シールドを有するものである。
電界緩和シールドを有する支持絶縁物は多極真空スイッチの絶縁耐圧を向上する。
【００２０】
又、アークシールドを絶縁して固定する支持絶縁物を兼ねる複合ブッシングを用いるとともに、この複合ブッシングをほぼ直線上に並べたものである。絶縁ブッシングは電極棒の保持とアークシールドの保持をかねるので構造を簡素にする作用がある。一直線上に配置された固定電極棒は、外部から接続する主回路配線が輻輳することが無いように作用する。
【００２１】
又、アークシールドを円筒状でこの円筒内部にこの円筒の内周を取り巻く環状の突起を有する絶縁物で構成したものである。突起は電極から発生した金属蒸気がアークシールド内面に拡散するのを防止し、形成されたシールドを真空容器から絶縁する作用がある。
【００２２】
又、アークシールドは前記絶縁ブッシングと一体に形成されているものである。
絶縁ブッシングと一体に形成されたアークシールドは構造を簡素化する作用がある。
【００２３】
又、絶縁ブッシングには、固定電極棒を揺動可能に支持するフレキシブルフランジを有し、固定電極棒はこのフレキシブルフランジに固定されているものである。
フレキシブルフランジは、固定電極軸に位置寸法上の裕度を与え、複数の固定電極軸によつて固定される時、固定電極軸間の位置／角度誤差によつて真空容器に加わる変形ストレスを緩和する作用がある。
【００２４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．本発明の実施の形態１による多極真空スイッチを図に基づいて説明する。なお、説明の都合上３極である場合を例として説明する。図１は実施の形態１による多極真空スイッチの側断面図、図２は外観斜視図である。高真空に保たれた金属製の容器の半分１０ａに、ブッシング６ａとベロ−ズ９を介して母線側導体である可動電極棒４がそれぞれ３個ずつ取付けられ、３組の可動側電流入出力部を構成している。
【００２５】
又、同じく金属製の真空容器の半分１０ｂにフランジ１１とブッシング６ｂを介して負荷側導体である固定電極棒２がそれぞれ３個取付けられ３組の固定側電流入力部を構成している。真空容器１０ａ、１０ｂは内部を真空とした時も大気圧による変形が許容できる範囲に入る程度に強固に作られている。可動電極棒４の先端には可動電極３が、固定電極棒２の先端には固定電極１が固着され、３組の遮断部を構成している。
【００２６】
おのおのの遮断部を包むような位置に、遮断時に発生する金属蒸気を周囲に飛散させないためのアークシールド５がアークシールド支持絶縁物６ｃによって保持されている。アークシールド支持絶縁物６ｃの両端には応力緩和部材２０が取付けられている。
アークシールド５は安定した電流遮断を行うため、浮遊電位に保たれている。
【００２７】
可動電極棒４と可動電極３は図示しない外部操作機構により操作力が加わるとベローズ９の伸縮により軸長方向に変位して電極が開閉する。３つの固定電極棒２は図２に示すように一直線上に互いに平行になるように配置されている。
従って外部の母線を固定電極２や可動電極４に接続するとき電線が交差するなどの輻輳状態は発生しない。アークシールド５の直径は従来の図１１のものと同じで、アークシールド５の表面間の距離は、従来の図１１に記載の寸法ｄの３倍程度にしておく。
【００２８】
以上により、各電極棒間の距離は図１１の単極スイッチを並べるのに比して、少なくとも図１１の表面間距離Ｘ程度は小さくなり、２極以上の場合、容器全体の寸法は単極スイッチを必要数並べたものより確実に小さくなる。
【００２９】
ベローズ９は可撓性を有するように適当な厚さのステンレス合金で製作する。
同様にフランジ１１も若干の可撓性を有するように製作しても良い。
最初に説明したように、３極は一例であって、２極または４極以上としても良い。また、３つの部分が必ず同一の寸法のものでなければならぬということはなく、異なる電流容量のものを組み合わせても良い。
【００３０】
図３に図１の多極真空スイッチの変形例を示す。図１のものに比してアークシールド５を保持するためのアークシールド支持絶縁物６ｃを真空容器の１０ａ側、即ち、可動電極棒４の側に固着してもよい。
なお、３つの極を図では直線状に並べたが、外部配線が輻輳しない範囲でこれらを例えば図１の紙面に向かって前後方向にずらせて配置することによつて、各アークシールド５間の図１の紙面に向かつて左右方向の見かけの間隔を更に短くすることも可能である。
【００３１】
実施の形態２．
図４に実施の形態２の多極真空スイッチの断面図を示す。図４のものは実施の形態１の図１のものを更に改良したものである。図１のアークシールド支持絶縁物６ｃとその両端の応力緩和部材２０との接合部の周囲に電界緩和シールド１３ａ，１３ｂが取付けられている。その他のものは図１と同様であるので詳細な説明を省略する。電界緩和シールド１３ａ，１３ｂの効果について説明する前に、まずアークシールド支持部材の素材であるセラミックと金属のろう付け接合個所における一般的な問題点について説明する。
【００３２】
セラミックに金属をロー付けするとろう材が溶融して、セラミック側の接合表面にあらかじめ塗布してあるメタライズ材となじみ合い、冷却するとこれらがなじみあった状態で固化しセラミックと金属とが固着する。しかし、ろう材が低粘度となったときに、ろう材はメタライズ材の範囲に拡散し、ろう材の先端が極めて薄い鋭利な先端形状となって固着する。この先端の尖った形状のため小さな電位に対しても高い電界を示す。
【００３３】
又、この接合部は真空、導体、固体絶縁物の３つが接合するトリプルジャンクションであるため、もともと先端の電界が高くなりやすいということもある。このため、ろう材の先端を起点としてセラミック沿面で絶縁破壊が発生する確率が高い。
図４の電界緩和シールド１３ａ，１３ｂはアークシールド支持絶縁物６ｃと応力緩和部材２０との接合部に接することなく一定距離離れた周囲に配置され、且つ、電界緩和シールド１３ａ，１３ｂの先端はアークシールド支持絶縁物６ｃの側面位置まで延びている。
【００３４】
これによってアークシールド支持絶縁物６ｃの先端付近の電界は緩和される。もっとも電界緩和シールド１３ａ，１３ｂの先端の電界は高くなるが、真空中の絶縁のほうがセラミック表面よりも絶縁性が良いので全体としては絶縁性能を向上できる。
【００３５】
実施の形態３．
図５に実施の形態３の多極真空スイッチの断面図を示す。図において１２は固定電極棒２を固定するブッシングがアークシールド５を保持する機能をも兼ね備えた複合ブッシングである。複合ブッシング１２とアークシールド５との間に、応力緩和部材２０が挿入されている。図５のものは図１、３のものより更に部品点数が減らされ組み立て工数が少なくてすむ。その他のものは図１、３と同じ構成部品が使用される。
【００３６】
図６に図５のものの変形例を示す。図６のものは図５のものに実施の形態３の図４で説明した電界緩和シールド１３ａを追加したものである。
【００３７】
実施の形態４．
実施の形態４の多極真空スイッチの断面図を図７に示す。図において１４はセラミックで作られたセラミックアークシールドである。セラミックアークシールド１４は円筒形で、固定電極１と可動電極３の周囲を包むとともに、その内部には固定電極１とフランジ１１との中間に相当する位置に凸部２１が設けられている。セラミックアークシールド１４はそれ自身がアークシールド支持絶縁物（図１の６Ｃ）の機能を兼ねているので、部品点数が減り、組立工程を更に低減することが出来る。セラミックアークシールド１４の凸部２１は、この凸部２１の部分の内径が小さくなっていることにより、電極のアークにより飛散する金属蒸気がここを通過して図の上方に拡散するのを防止する。このため、凸部２１の上／下間の絶縁が良好に保たれる。凸部２１は環状突起とも言う。
【００３８】
図８に図７の変形例を示す。図において１５はアークシールド一体型複合ブッシングである。アークシールド一体型複合ブッシング１５は図１のブッシング６ｂ、図７のセラミックアークシールド１４が一体になったもので図７より更に部品点数が減少する。
【００３９】
実施の形態５．
多極スイッチを取付ける遮断器の相手母線には、寸法・位置・角度の誤差に相当するものがある。図１０に説明の都合上、母線の上下方向の寸法誤差についてだけ示す。図において９２Ｕ、９２Ｖ、９２ＷはＵ，Ｖ，Ｗの母線端子、９１はこれら母線端子の本来あるべき高さの中心線である。図では端子９２Ｖは下方向にＺ１、端子９２Ｗは上方向にＺ２の寸法誤差があるものと仮定している。このような誤差のある母線端子に、誤差ゼロで製作された３極真空スイッチの固定端子２Ｕ、２Ｖ、２Ｗを取付けてボルト９０によって締め付けると、固定電極棒２Ｖには下方向の、２Ｗには上方向のストレスが加わって、ひどい場合にはろう付け部が破壊する。
【００４０】
実施の形態５の多極スイッチは上記のようなストレスを逃がす構造を持つものである。その構造を図９に示す。図９はスイッチの全体の構成を示さず、図８のフランジ１１に相当する部分のみを拡大して示している。
図において２２は波板状に成形したフレキシブルフランジであり、薄いステンレス板で製作され表面に設けた波型により中央部に取付けられた固定電極棒２の位置や角度が寸法でα程度移動可能になっている。このαとはこの多極スイッチを取付ける遮断器の相手母線の寸法・位置・角度の誤差に相当するものである。
【００４１】
この寸法余裕によって、多極スイッチの複数の固定電極を相手母線に取付けたとき、相手母線の誤差を吸収し、無用のストレスがブッシングや容器に係らないようにすることが出来る。また２ａは固定電極棒２を固定するためのネジ穴である。
【００４２】
３つの固定電極の全てを図９のようにしてもよいが、３つのうち、２つ、又は１つだけを図９のようにして他は他の図のような剛な構造にすることも可能で、且つ、それなりの効果は得られる。また、フレキシブルフランジ２２の形は図９に示すものだけでなく、フランジ２２の垂直部にも波形を設けるなど自由に選択することが出来る。
【００４３】
以上の説明は３極のものについて行ったが、最初に断ってあるとおり、３極は一例であって極数を増やして良いことは言うまでもない。その際、容器が大型化するので大気圧に対する強度を増すなど、多極化に対して当然配慮すべき設計事項を配慮すべきは当然である。
【００４４】
【発明の効果】
この発明のＮ極スイッチは、外部から操作可能なように、全ての可動電極棒をベローズを介して真空容器の壁を貫通して取付けたので、駆動力が単極真空スイッチの（Ｎ）倍ですむという効果が得られる。
【００４５】
又、真空容器を金属製とし、アークシールドをこの真空容器から絶縁して保持する支持絶縁物を設け、且つ、この支持絶縁物には電界緩和シールドを設けたので、耐電圧性が高く小型で強度の大きい多極真空スイッチとすることが出来る。
【００４６】
又、電極棒を一直線上に配列したので、外部から接続する母線が輻輳しないという効果が得られる。
又、アークシールドを絶縁物製の円筒とし、且つこの円筒の内周に環状の突起を設けたので、接点開閉時の金属蒸気による絶縁低下の少ない多極真空スイッチとすることが出来る。
【００４７】
又、絶縁ブッシングにフレキシブルフランジを設け、このフレキシブルフランジに固定電極棒を固定したので、多極真空スイッチを取付ける母線側の寸法誤差を吸収し、取付けによるストレスを受けない多極真空スイッチとすることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１の多極真空スイッチの断面図である。
【図２】 図１の多極真空スイッチの外観図である。
【図３】 図１の多極真空スイッチの変形例を示す断面図である。
【図４】 実施の形態２の多極真空スイッチの断面図である。
【図５】 実施の形態３の多極真空スイッチの断面図である。
【図６】 図５の多極真空スイッチの変形例を示す断面図である。
【図７】 実施の形態４の多極真空スイッチの断面図である。
【図８】 図７の多極真空スイッチの変形例の断面図である。
【図９】 実施の形態５の多極真空スイッチの断面図である。
【図１０】実施の形態５の課題の説明図である。
【図１１】 従来の単極真空スイッチの構造を説明する断面図である。
【図１２】 従来の３極真空スイッチの平面図である。
【図１３】 図１２の３極真空スイッチの断面図である。
【符号の説明】
１ 固定電極、 ２ 固定電極棒、
３ 可動電極、 ４ 可動電極棒、
５ アークシールド、 ６ａ，６ｂ ブッシング、
９ ベローズ、 １１ フランジ、
１０ａ，１０ｂ 真空容器、 １２ 複合ブッシング、
１３ａ，１３ｂ 電界緩和部材、 １４ セラミックシールド、
１５ アークシールド一体型複合ブッシング、
２０ 応力緩和部材、 ２１ 環状の突起、
２２ フレキシブルフランジ

Claims (4)

1. 単一の真空室を有する真空容器の壁面を貫通して配置された複数の絶縁ブッシング、この絶縁ブッシングのそれぞれを貫通して支持された固定電極棒、前記真空容器の内部で前記複数の固定電極棒それぞれの先端に１つずつ設けられた固定電極、この固定電極のそれぞれに接離する可動電極、この可動電極のそれぞれを保持し前記真空容器の外部から前記壁面を貫通して真空を保持しつつ前記可動電極を駆動する複数の可動電極棒、前記真空容器の内部に設けられ前記固定電極とこの固定電極に接離する可動電極とを包むように設置した複数のア−クシ−ルドとを有する真空スイッチにおいて、前記ア−クシ−ルドは前記絶縁ブッシングと一体に形成されていることを特徴とする真空スイッチ。
2. ア−クシ−ルドは絶縁物で構成された円筒形で、且つ、その内周には環状の突起が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の真空スイッチ。
3. 単一の真空室を有する真空容器の壁面を貫通して配置された絶縁ブッシング、この絶縁ブッシングを貫通して支持された固定電極棒、前記真空容器の内部で前記固定電極棒の先端に設けられた固定電極、この固定電極に接離する可動電極、この可動電極を保持し前記真空容器の外部から前記壁面を貫通して真空を保持しつつ前記可動電極を駆動する可動電極棒、前記真空容器の内部に設けられ前記固定電極とこの固定電極に接離する可動電極とを包むように設置したア−クシ−ルドとを有す真空スイッチにおいて、前記ア−クシ−ルドは前記絶縁ブッシングと一体に形成されていることを特徴とする真空スイッチ。
4. ア−クシ−ルドは絶縁物で構成された円筒形で、且つ、その内周には環状の突起が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の真空スイッチ。

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