JP4951597B2 - 遮断器 - Google Patents

Description

本発明は、遮断器に係り、特に、固定集電子に対し刃型の可動接触子を回動させて投入・遮断する構成の遮断器に関する。

一般に、気中遮断器は、１kＶ以下の低電圧回路で使用され、定格遮断電流が５０〜１２５ｋＡの大電流用遮断器である。従来の一般的な気中遮断器は、非特許文献１に記載されているとおり、固定集電子に対し刃型の可動接触子を回動させて投入・遮断する構成の開閉接触部、遮断時のアーク長を引き伸ばして限流させるための消弧装置、リンク機構を介して開閉接触部を駆動する投入操作用電磁石、遮断指令に伴って動作する引外し装置を含んで構成される。そして、変流器によって過電流が検出されると、静止形過電流引外し装置が動作し、引外し装置に開極指令を送って遮断するようになっている。

このような気中遮断器において、投入時に短絡電流が流れる場合があっても投入する責務がある。これは、気中遮断器の負荷側が誤って短絡状態になっている場合を想定した責務である。短絡電流を投入する際には、開閉接触部に開極方向の過大な電磁力が作用するため、投入操作用電磁石にはその電磁力を上回る操作力が要求される。投入操作用電磁石に、直接、上記の操作力を要求すると、電磁石は大型になってしまう。そこで、リンク機構に、トグル機構を採用し、投入動作が完了する直前に死点を通過するようにしておき、過大な電磁力に対応している。なお、気中遮断器の開極動作は、投入操作時に遮断バネを蓄勢しておき、ラッチ式の引外し機構によってこの蓄勢を解除して開極するようにしている。

電気工学ハンドブック、オーム社、著者 電気学会（２００１年）

しかしながら、従来の気中遮断器の場合、投入操作用電磁石の効率が悪い用い方である。すなわち、投入操作用電磁石にとっての負荷は遮断バネである。ところで、投入操作用電磁石は、投入動作が進むにつれてプランジャが固定鉄心に近づくため、磁気抵抗が減少して大きな吸引力を発生するようになる。これに対し、従来の気中遮断器の場合、投入動作が進むにつれてトグル機構が死点に近づくため、負荷力が減少して、逆に長いストロークが要求される。つまり、投入操作用電磁石の吸引力特性とは相反した負荷特性が要求されることから、電磁石のサイズアップ、電源容量の増強を余儀なくされるという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、投入操作用の電磁石のストロークの増加を抑制して、電磁石を小形化でき、電磁石の電源容量を低減することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の遮断器は、固定集電子と、前記固定集電子に対向させて投入・遮断方向に回動可能に支持軸に軸支された刃型の可動接触子と、該可動接触子に連結された絶縁ロッドに連結ピンを介して一端が連結された第１のレバーと、該第１のレバーの他端を支持する第１の回転軸と、前記可動接触子を駆動させる電磁石の直線運動を回転運動に変換するリンク機構に連結された第２の回転軸と、該第２の回転軸に支持された第２のレバーと、該第２のレバーの先端部に回転自由に、かつ前記第１のレバーに当接可能に軸支されたローラを備え、前記第２のレバーを投入方向に回動させて前記ローラを介して前記第１のレバーを投入方向に回動させ、前記絶縁ロッドを介して前記可動接触子を投入方向に駆動する構成とされ、前記ローラが前記第１のレバーに当接する作用点が、前記可動接触子の回動角が投入位置よりも設定角度前に前記第２の回転軸の軸心と前記ローラの軸心と整列する死点を越えた後、前記可動接触子が投入位置に近づくにつれて前記第１の回転軸の方向に移動するように構成してなることを特徴とする。

このように構成することにより、本発明によれば、投入用電磁石が駆動されると第２のレバーが遮断位置から投入位置の方向に回動し、投入動作が進むにつれて第１のレバーに接触するローラの作用点が、可動接触子の回動角が投入位置よりも設定角度前に第２の回転軸の軸心とローラの軸心と整列する死点を越えた後、第１の回転軸の軸心方向に移動する。これにより、第１のレバーを回動させるための力が作用する作用点から第１の回転軸の軸心までの距離である腕の長さ、つまり力の作用点の腕の長さが短くなるから、電磁石のストロークの増加を抑制することができる。その結果、電磁石を小形化でき、投入操作用の電磁石の電源容量を低減することができる。なお、第１のレバーを回動させる作用点の腕の長さが短くなると、その分だけ必要な駆動力が増加するが、前述したように、投入操作用の電磁石のプランジャが鉄心に近づくと電磁力が増加するのでカバーできる。

この場合、作用点を、第２のレバーの回動により描かれる第２の回転軸の軸心からローラの最外点の軌跡円の内側に移動させることにより、可動接触子を投入方向に回動させることができる。

また、第１のレバーの延在方向に離して複数の作用ピンを設け、該作用ピンを前記作用点として設定することができる。これによれば、第１のレバーとローラとの摩擦力を軽減できる。さらに、複数の作用ピンの１つに、第１のレバーと絶縁ロッドを連結する連結ピンを用いることができる。

さらに、可動接触子が投入方向に回動されたときの第１の回転軸の回転により蓄勢される遮断ばねを備えることができ、この場合、前記電磁石は、投入操作用コイルと遮断操作用コイルを備えた両方向操作形の電磁石を用いることができる。

本発明によれば、投入操作用の電磁石のストロークの増加を抑制して、電磁石を小形化でき、電磁石の電源容量を低減することができる。

以下、本発明を実施形態に基づいて説明する。

図１に本発明の一実施形態の遮断器を側面から見た断面図を示し、図２に遮断器が投入された状態における主要部の構成図を示し、図３に遮断器が遮断された状態における主要部の構成図を示す。

図１に示すように、本実施形態は、本発明の遮断器を気中遮断器１に適用した例であり、気中遮断器１は閉鎖配電盤に収納可能な引き出し形に形成されている。気中遮断器１を構成する金属フレーム２の背面に固定された絶縁架台２aを貫通して、固定側フィーダ３と可動側フィーダ４が固定支持されている。固定側フィーダ３の外部端には断路クリップ５が取り付けられ、可動側フィーダ４の外部端には断路クリップ６が取り付けられ、それぞれ電源側母線７と負荷側母線８に挿脱可能に形成されている。なお、図示例では、１相分のみを表わしているが、３相の場合は同一構成のものを、紙面に直角な方向に３相分並べて、金属フレーム２内に収納されている
固定側フィーダ３の内部端に固定集電子１１が固定され、可動側フィーダ４の内部端には支持部材１２が固定され、この支持部材１２に設けられた支持軸１３に刃型の可動接触子１４に固定された腕部１５が回動可能に設けられている。これにより、可動接触子１４は固定集電子１１に対向させて、投入・遮断方向に回動可能に支持軸１３に軸支されている。なお、可動接触子１４は図示しないフレキシブル導体を介して可動側フィーダ４と電気的に接続されている。

可動接触子１４の腕部１５には、絶縁ロッド１６の一端が連結され、絶縁ロッド１６の他端は連結ピン１７を介して第１のレバー１８の一端に連結されている。第１のレバー１８の他端は、回転自由に軸支された第１の回転軸１９に支持されている。なお、絶縁ロッド１６と第１のレバー１８は、それぞれ一対の板状材を対向させて間隔を空けて形成され、連結ピン１７はそれら一対の板状材に渡して設けられている。

一方、可動接触子１４を駆動する電磁石２０は、投入用コイル２１、遮断用コイル２２、各コイルを囲むように形成した投入側固定鉄心２３と遮断用固定鉄心２４、投入用コイル２１と遮断用コイル２２の空心部に挿入配置されたプランジャ２５を有して形成されている。なお、投入側固定鉄心２３と遮断用固定鉄心２４の間には、ステンレス鋼板などの非磁性板２６が介装され、これにより一方のコイル磁束が他方に影響しないように磁気回路を遮断している。

電磁石２０のプランジャ２５の先端に連結部材２７の一端がピンで連結されている。連結部材２７の他端は、連結部材２８にピンで連結されている。連結部材２８の他端は、回転自由に軸支された第２の回転軸３０に固定されている。連結部材２７と連結部材２８により、プランジャ２５の直線運動を回転運動に変換するリンク機構が形成されている。第２の回転軸３０には、第２のレバー３１の一端が固定されている。第２のレバー３１の他端には、回転自由にローラ３３が取り付けられている。

ローラ３３の外周面は、第２のレバー３１の回動に応じて、絶縁ロッド１６と第１のレバー１８を連結する連結ピン１７又は第１のレバー１８に設けられた作用ピン３４に当接可能に設けられている。また、第１の回転軸１９には、遮断ばね３５が取り付けられ、遮断ばね３５は第１の回転軸１９が投入方向（反時計回り）に回転されたときに蓄勢されるようになっている。

このように構成される実施形態の詳細構成を、図２〜図４を参照しながら、動作とともに説明する。いま、気中遮断器１が図２に示す投入状態にあるとする。この状態では、第１の回転軸１９は遮断ばね３５によって時計回りの回転力、つまり遮断方向の力を受けている。したがって、第１のレバー１８に設けた作用ピン３４は、ローラ３３を介して第２の回転軸３０を反時計回りに回転させようとする。しかし、連結部材２７を介して連結しているプランジャ２５が引き下げられて投入用固定鉄心２３に衝突しているため、第２の回転軸３０の回転は抑止されて、図２の投入状態は安定に維持される。

次に、気中遮断器１の遮断時の動作について説明する。変流器３８によって過電流が検出されると、静止形過電流引外し装置３９が動作し、電磁石２０の遮断用コイル２２を励磁して遮断動作が開始する。遮断用コイル２２が励磁されると、プランジャ２５が上に引き上げられ、これにより第２の回転軸３０が時計回りに回転して、ローラ３３と作用ピン３４との作用点がローラ３３の外周面を移動する。その作用点が、第２の回転軸３０の軸心とローラ３３の軸心と作用ピン３４の軸心が整列する死点（以下、第２の回転軸３０の死点という。）を乗り超えると、第１のレバー１８が時計回りに回動を始める。そして、第２のレバー３１の回動に伴って上記の作用点が、ローラ３３の外周面上を移動するにつれて可動接触子１４の開極動作が始まる。さらに、第２のレバー３１が時計回りに回動すると、ローラ３３が連結ピン１７に当接する。そして、ローラ３３と連結ピン１７との作用点が、第２の回転軸３０の死点を乗り超えて、さらに第２のレバー３１が回動すると、可動接触子１４が遮断位置に至る。

このとき、可動接触子１４と固定集電子１１の遮断動作時に、それらの間にアークが発生するが、このアークは自分自身の電流が作る磁束によって消弧室４０内に押しやられ、アーク長が伸ばされてアーク電圧が上昇し、主回路電流は限流されながらゼロ点を迎えて消弧される。

次に、気中遮断器１の投入動作について図３、図４を参照して説明する。図３は、気中遮断器１が開極している状態を表している。投入動作によって、図４の（ａ）→（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）の順に開閉操作機構の状態が変化する。投入指令によって投入用コイル２１が励磁されると、プランジャ２５は下方向に吸引力を受ける。このとき、プランジャ２５と連結された第２の回転軸３０は、反時計回りに回転する。絶縁ロッド１６と第１のレバー１８とを連結した連結ピン１７とローラ３３が接触しているため、ローラ３３の動きに追従して、第１の回転軸１９は反時計回りに回転する。この結果、支持軸１３を支点に可動接触子１４が時計周りに回動され、図２の投入状態になる。

ここで、投入動作における本実施形態の特徴構成及び動作について説明する。電磁石２０にとっての負荷は、第１の回転軸１９に連結した遮断ばね３５である。ローラ３３で連結ピン１７を持ち上げる操作機構の場合、投入動作の初期段階では大きな駆動力が要求される。一方、最終段階、すなわち第２の回転軸３０の軸心とローラ３３の軸心と連結ピン１７の軸心が整列する死点（以下、第２の回転軸３０の死点という。）の近傍では、駆動力は小さくてもよいが、長いストロークが必要となる。本実施形態では、投入動作の初期段階ではローラ３３と連結ピン１７とを干渉させ、最終段階ではローラ３３を作用ピン３４の当接させるようにしている。つまり、投入動作が進むについて、ローラ３３は連結ピン１７よりも第１の回転軸１９に近い作用ピン３４と干渉するようにする。これにより、第１の回転軸１９からローラ３３の作用点までの距離と、第１の回転軸１９から遮断ばね３５の作用点までの距離の比が、投入動作の初期段階から投入動作が進むにつれて徐々に減少することになる。したがって、てこの原理により投入動作の初期段階における駆動力を低減して、かつ最終段階におけるストローク長も短縮できる。この結果、電磁石２０を小形化でき、駆動するための電源容量も低減できる。なお、本実施の形態では、連結ピン１７と作用ピン３４の２つのピンとローラ３３が当接する構成を示したが、作用ピン３４を複数設けて動作を滑らかにすると更によい。

ここで、大電流投入時に可動接触子１４に作用する電磁力に対しては、可動接触子１４と固定集電子１１が接触する直前に、作用ピン３４とローラ３３の作用点が上述した死点を通過するようにしておけばよい。つまり、投入直前に、可動接触子１４が支持軸１３に対して反時計回りの力を受けても、プランジャ２５は投入方向、すなわち動作させている方向と同じ向きの力を受けることになる。このため、可動接触子１４の投入速度が増加し、先行アークによる接触子損傷が低減される効果がある。

一方、遮断動作は、投入動作とは逆に、図４の（ｄ）→（ｃ）→（ｂ）→（ａ）の順に状態が変化する。電磁石２０の遮断用コイル２２を励磁して、プランジャ２５を上方向に駆動する。第１の回転軸１９には、常に遮断ばね３５が作用しているため、電磁石２０に要求される駆動力は、ローラ３３と連結ピン１７の作用点が死点を越える程度でよい。このため、遮断用コイル２２は投入用コイル２１に比べて、小形で済む。投入操作、開極操作を双方向駆動の電磁石２０で実現することによって、操作機構を簡素化でき、その結果メンテナンスも容易となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、投入用コイル２１が励磁されると第２のレバー３１が遮断位置から投入位置の方向に回動し、投入動作が進むにつれて第１のレバー１８の連結ピン１７に当接するローラ３３の作用点が、可動接触子１４の回動角が投入位置よりも設定角度前に、第２の回転軸３０の軸心とローラ３３の軸心と整列する死点を越えた後、第１の回転軸１９の軸心方向に移動する。これにより、第１のレバー１８を回動させるための力が作用する作用点から第１の回転軸１９の軸心までの距離である腕の長さ、つまり力の作用点の腕の長さが短くなるから、電磁石２０のストロークの増加を抑制することができる。その結果、電磁石を小形化でき、投入操作用の電磁石の電源容量を低減することができる。

なお、第１のレバー１８を回動させる作用点の腕の長さが短くなると、その分だけ必要な駆動力が増加するが、投入用コイル２１に励磁によりプランジャ２５が投入側固定鉄心２３に近づくと電磁力が増加するのでカバーできる。

この場合、作用点を、第２のレバー３１の回動により描かれる第２の回転軸３０の軸心からローラ３３の最外点の軌跡円の内側に移動させることが好ましい。これにより、実質的に、第２の回転軸３０のストロークを長くすることなく、可動接触子１４を投入方向に回動させることができる。

また、第１のレバー１８の延在方向に離して連結ピン１７と作用ピン３４を設け、それらのピンを作用点としていることから、第１のレバー１８とローラ３３との摩擦力を軽減できる。なお、本発明は、第１のレバー１８とローラ３３の作用点をピンにより設定することなく、例えば、第１のレバー１８の側面にローラ３３を当接させるようにして、作用点を設定することができる。

本発明の実施の形態の気中遮断器の側面から見た断面図である。 本実施形態の投入状態における操作機構の構成図である。 本実施形態の遮断状態における操作機構の構成図である。 本実施形態の特徴である投入動作における操作機構の状態変化を説明する図である。

符号の説明

１ 気中遮断器
２ 金属フレーム
２a 絶縁架台
３ 固定側フィーダ
４ 可動側フィーダ
１１ 固定集電子
１２ 支持部材
１３ 支持軸
１４ 可動接触子
１５ 腕部
１６ 絶縁ロッド
１７ 連結ピン
１８ 第１のレバー
１９ 第１の回転軸
２０ 電磁石
２１ 投入用コイル
２２ 遮断用コイル
２５ プランジャ
２７、２８ 連結部材
３０ 第２の回転軸
３１ 第２のレバー
３３ ローラ
３４ 作用ピン
３５ 遮断ばね

Claims (5)

1. 固定集電子と、前記固定集電子に対向させて投入・遮断方向に回動可能に支持軸に軸支された刃型の可動接触子と、該可動接触子に連結された絶縁ロッドに連結ピンを介して一端が連結された第１のレバーと、該第１のレバーの他端を支持する第１の回転軸と、前記可動接触子を駆動させる電磁石の直線運動を回転運動に変換するリンク機構に連結された第２の回転軸と、該第２の回転軸に支持された第２のレバーと、該第２のレバーの先端部に回転自由に、かつ前記第１のレバーに当接可能に軸支されたローラを備え、前記第２のレバーを投入方向に回動させて前記ローラを介して前記第１のレバーを投入方向に回動させ、前記絶縁ロッドを介して前記可動接触子を投入方向に駆動する構成とされ、
   前記ローラが前記第１のレバーに当接する作用点が、前記可動接触子の回動角が投入位置よりも設定角度前に前記第２の回転軸の軸心と前記ローラの軸心と整列する死点を越えた後、前記可動接触子が投入位置に近づくにつれて前記第１の回転軸の方向に移動するように構成してなる遮断器。
2. 請求項１に記載の遮断器において、
   前記作用点は、前記第２のレバーの回動により描かれる前記第２の回転軸の中心から前記ローラの最外点の軌跡円の内側に設定されてなることを特徴とする遮断器。
3. 請求項１又は２に記載の遮断器において、
   前記第１のレバーの延在方向に離して複数の作用ピンを設け、該作用ピンを前記作用点として設定してなることを特徴とする遮断器。
4. 請求項３に記載の遮断器において、
   前記複数の作用ピンは、前記連結ピンを含むことを特徴とする遮断器。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の遮断器において、
   前記可動接触子が投入方向に回動されたときの前記第１の回転軸の回転により蓄勢される遮断ばねを備え、
   前記電磁石は、投入操作用コイルと遮断操作用コイルを備えた両方向操作形の電磁石であることを特徴とする遮断器。

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