JP5095614B2 - スイッチまたは回路遮断器のような電気的保護装置の真空カートリッジ - Google Patents

Description

本発明は、２枚のエンドプレートによって閉鎖された実質的に円筒形状のエンクロージャと、少なくとも一方の接点が、可動接点であり、作動機構部に接続され、電流の流れを可能にさせる接点の閉成位置と、接点が切り離され接点間の電圧に耐える位置との間に摺動的に取り付けられている、エンクロージャの内部で軸方向に延在する２個の接点と、少なくとも一方の接点の周りに配置された少なくとも１個の導電性シールドとを備える、断路器、スイッチまたは回路遮断器のような電気的保護装置の真空カートリッジに関係する。

最も一般的に使用されているシールド設計では、接点は、絶縁部品を金属突起から保護し、危険な誘電体の集中を防ぐために等電位線を案内する機能を有する単一のシールドによって取り囲まれている。このシールドは２個の接点を取り囲み、２個の接点の電位の中間に位置している。よって、理論的には、電位は２個の接点の間に、カートリッジの内部にも外側にも均一に分布している。

シールドと接点との間の距離は、シールドと接点との間の相互作用が接点間の相互作用より小さくなるように選択されている。これは、接点とシールドとの間の電界が接点間に存在する電界と比べて小さくなるようにする。接点とシールドとの間のフラッシュオーバーの危険性はこのようにして回避されている。

接点とシールドとの間のフラッシュオーバーは極めて危険であり、その理由は、このようなフラッシュオーバーが発生するとき、シールドは一時的に接点の電位（シールド上の電位の２倍）に達し、外側での電位の分布が外部絶縁体の長さの５０％への電位の１００％の分布によって非平衡になるからである。この状況は、爆発および引火の危険性を生じる外部フラッシュオーバーへと悪化することがあり得る。文献ＤＥ１００２９７６３は、高電圧に耐えるように設計されたカートリッジについて記載していることでも知られている。これらのカートリッジは、いくつかのセラミックを備え、シールドは、三重点を誘電的に保護し、金属化を防止するために、２つの連続するセラミックの間の接合部に設置されるように設計されている。本実施形態では、シールドは、接点間の距離に対応する最適距離で接点を取り囲む。

このタイプのカートリッジの欠点は、大きい径を呈するという点にある。さらに、印加電圧が高くなると、接点間の距離およびセラミックの長さをより大きくしなければならない。接点とシールドとの間のフラッシュオーバーを避けるために、シールドの径もまた増大されるべきである。

しかし、シールドの径の増大は、スイッチギヤユニットのコストおよび電気的挙動の点で不利である。

実際に、セラミックの径はシールドの径と比例し、余分なコストを生じる。その上、外部絶縁体がカートリッジの周りに設けられるならば、外側エンクロージャの径もまたカートリッジの径に伴って増大し、追加コストをさらに生じる。

最後に、シールディングを備える３相スイッチにおいてカートリッジを使用する場合、相間に所与の距離がある相間の相互作用は、カートリッジの径が大きくなるほど大きくなり、電気的挙動を悪化させる。

本発明は、上記の問題を解決し、カートリッジのサイズと、その結果、カートリッジのコストとが実質的に削減され、カートリッジの電気的挙動が改善される、簡単な設計の真空カートリッジを提案する。

本目的のため、本発明の目的は、２個の接点の間に介挿されている中間電位シールドと呼ばれる１個のシールドと、前記中間電位シールドと接点の一方との間に介挿されている部分シールドと呼ばれる少なくとも１個のシールドとを備える少なくとも２個のシールドを備え、前記中間電位シールドと接点との間の距離が、接点のエッジに存在する電界が接点から部分シールドへ（または、電圧の極性に依存して、逆に部分シールドから接点へ）達するように選択されていることを特徴とする、真空カートリッジを提供することである。

本発明の特有の実施形態によれば、前記カートリッジは、１個の中間電位シールドと、第１の部分シールドおよび第２の部分シールドとそれぞれが呼ばれる２個の部分シールドとを備え、２個の部分シールドが中間電位シールドと２個の接点の１つ１つとの間に介挿されている、３個のシールドを備える。

特有の特長によれば、前記カートリッジは３個のシールドを備え、絶縁エンクロージャは端と端をつないで設置された４個のセラミック部品を備え、３個のシールドが２個の接合用セラミック部品の間の３個の接合部に１つずつ設置されている。

別の特長によれば、中間電位シールドはカートリッジのエンクロージャの一体的な部分を形成する。

別の特長によれば、接点間の距離に対する割合で表現された中間電位シールドと接点との間の距離は２５％から４０％に収まる。

上記の距離は実質的に３１％であることが有利である。

別の特長によれば、１個以上の部分シールドの高さは、Ｓが接点間の距離であるときに、０からＳ／３に収まる値で、１個以上の部分シールドが取り囲む１個以上の接点の高さを超え、或いは、状況によっては、１個以上の部分シールドが取り囲む１個以上の部分シールドの高さを上回る。

別の特長によれば、１個以上の部分シールドの高さは、実質的にＳ／４に等しい値で、１個以上の部分シールドが取り囲む１個以上の接点の高さを上回る。

少なくとも１個のシールドは円筒形状であることが有利である。

別の実施形態によれば、前記カートリッジは、接点の少なくとも一方と上述の前記部分シールドの１つ１つとの間に介挿されている少なくとも１個の他の部分シールドを備え、中間電位シールドと接点との間の距離は、接点のエッジにおける電界が接点を直接的に取り囲む部分シールドの方へ向けられるように選択されている。

別の特徴によれば、カートリッジは、中間電位シールドと２個の接点の１つ１つとの間に介挿されている第１の部分シールドおよび第２の部分シールドと呼ばれる２個の部分シールドと、第１の部分シールドおよび第２の部分シールドと２個の接点との間にそれぞれ介挿されている第３の部分シールドおよび第４の部分シールドと呼ばれる２個の他の部分シールドとを備える。

特有の特長によれば、シールドと接点は、一方が他方を取り囲む２個のシールドの間の電位差δＵが接点と接点を取り囲むシールドとの間の電位差と実質的に同じであるように相対容量を生じさせる。

この電位差δＵは全電圧の１５％から３５％に収まることが有利である。

好ましくは、この電位差δＵは実質的に全電圧の２５％である。

特有の特長によれば、カートリッジはＮ個のシールドを備え、この電位差δＵは、Ｕトータルが接点間の電圧であるとき、Ｕトータル／（Ｎ＋１）という比に対して、すなわち、接点間で一様に分布する電圧に対して４０％より多く変化しない。

本発明のその他の利点および特長は、例示の目的のためだけに示された添付図面を参照する以下の詳細な説明からより明瞭に理解できる。

図１、３、４および５において、真空カートリッジＡは、故障の場合、または、電気回路の意図的な開成動作が実行されるときに、電気回路の遮断を実行するため、特に中間電圧電気回路遮断器内に一体化されるように設計されていることがわかる。

この真空カートリッジＡは、それ自体として知られているように、２枚のエンドプレートによって閉鎖され、静止アーク放電接点１および可動アーク放電接点２からなる２個のアーク放電接点が内側に収容されている円筒型エンクロージャＥを備える。可動接点２は、作動ロッドを用いて、操作機器（図示せず）へ機械的に接続され、前記作動ロッドは一方の端によって前記操作機器へ接続され、反対側の端によって可動アーク放電接点へ確実に固定されている。操作機器は、エンクロージャ内部で上記ロッドおよび可動接点を、装置の通常運転に対応する接点の閉成位置と、保護されるべき電気回路に故障が発生した後、または、電気回路の意図的な開成動作が実行されるときの開成位置または接点分離位置とからなる２つの位置の間で平行移動させることが可能である。

図１において、円筒型エンクロージャは単一のセラミック４を備え、カートリッジは接点１、２の周りに置かれている３個のシールド８、９、１０を備え、シールド８、９、１０は全てがカートリッジの内側に配置されている。これらのシールドは、中間電位シールド９、すなわち、５０％シールドと呼ばれ、２個の接点１、２を取り囲むシールドを備える。接点１および２がそれぞれ１００％の電圧および１０％の電圧を有するならば、シールドの電位は接点の２つの電位の中央の５０％である。これらのシールドは、それぞれに７５％の第１のシールド８および２５％の第２のシールド１０と呼ばれる部分シールド８、１０と呼ばれる２個のシールドをさらに備える。本発明によれば、これらの部分シールド８、１０は、中間電位シールド９と接点８、１０との間に介挿され、前記部分シールドの全長の一部分の上に中間電位シールド９が重ねられている。

図３に示されている実施形態によれば、円筒型エンクロージャＥは、端と端をつないで配置された第１の部分、第２の部分、第３の部分および第４の部分と呼ばれる４個の円筒型セラミック部分４、５、６、７を備える。

中間電位シールド９は２個の中央セラミック５、６の間に固定され、一方、それぞれ第１の部分シールド８および第２の部分シールド１０である２個の部分シールド８、１０は、それぞれ、一方の部分シールド８が第１のセラミック４と第２のセラミック５との間に固定され、もう一方の部分シールド１０は第３のセラミック６と第４のセラミック７との間に固定されている。第１の部分シールド８は静止接点１を取り囲み、第２の部分シールド１０は可動接点２を取り囲んでいる。

本発明によれば、中間電位シールド９と接点１、２との間の距離は、接点間よりむしろ接点とシールド８、１０との間でフラッシュオーバーを助長するように、接点のエッジにおける電界が前記接点を取り囲む部分シールド８、１０の方向へ向けられるような距離である。

図４では、別の実施形態によるカートリッジは、３個のシールド１１、１２、１３と、４個のセラミック４、５、６、７とを備え、中間電位シールド１２がカートリッジのエンクロージャの一部分を形成している。

図５では、別の実施形態によるカートリッジは、５個のシールドと単一のセラミックとを備える。

２個の部分シールド１４、１５および１７、１８は、中間電位シールド１６と各接点１、２との間に置かれ、シールド１４、１８はシールド１５、１７と部分的に重なり合っていることがわかる。

以下の表は、接点距離の関数として表現された中間電位シールドと接点との間の距離を示している。
Ｓは接点間の距離である。

接点と中間電位シールドとの間にシールドを取り付けることにより、中間電位シールドへの直接的なフラッシュオーバーが防止される。その結果、シールド中央に２倍の電位が現れなくなる。

この重大な危険が回避されるので、接点から接点に最も近いシールドへ向けられ、接点間には存在しなくなる電界を強化することが可能になる。このことは、１００％電位の接点と介在シールドとの間にフラッシュオーバーの危険性を高めるが、３個のシールドを有するカートリッジの場合の１００％電位を有する接点と約７５％の電位を有する介在シールドとの間のフラッシュオーバーのケースでは、介在シールドは１００％の電位に達し、中間電位シールドは容量結合によってこの電位変化に追従し、６７％の電位に達するにすぎない。

したがって、本発明によれば、接点の端における電界は、接点を取り囲む最も近いシールドの方へ向く（または、電圧の極性に応じて、接点を取り囲む最も近いシールドから発生する）。

４個以上のシールドからなるシールド構造の場合、シールドの端における電界は、シールドを取り囲む最も近いシールドの方へ向く（または、電圧の極性に応じて、シールドを取り囲む最も近いシールドから発生する）。

シールドおよび接点は、一方が他方を取り囲む２個のシールドの間、または、接点と接点を取り囲むシールドとの間の電位差ΔＵが殆ど同一であるように、シールドと接点との間に容量を有することにさらに注意すべきである。よって、３個のシールドを有するカートリッジの場合、電位差ΔＵは、許容範囲に入るには、１５％から３５％に収まるべきであり、全電圧の２５％に近い方が有利である。

したがって、Ｎ個のシールドを有するカートリッジの場合、この電位差δＵは、Ｕトータルが接点間の電圧であるとき、Ｕトータル／（Ｎ＋１）という比に対して４０％を超えて変化しない。

３個以上のシールドを有するカートリッジの場合、介在部分シールド８、１０は、Ｓが接点間の距離であるとき、０からＳ／３に収まる値Ｈで、有利には、Ｓ／４に近い高さで、取り囲んでいる接点を超過する。

さらに、中間電位シールド９と接点との間の距離ＳＥ１は、許容範囲に入るには、接点間の距離Ｓの２５％から４０％に収まり、好ましくは、３１％に等しい。

以下の表は、３個のシールド、５個のシールド、および、７個のシールドを有する構造に対するこれらの値を示している。
δＵ：一方が他方を取り囲む２個のシールド間、または、接点とシールドを取り囲むシールドとの間の電圧差（全電圧の割合で表現されている）。
Ｈ：接点に対するシールドの超過高さ、または、一方が他方を取り囲む２個のシールドの場合のシールドの超過高さの何れか。
ＳＥ１：接点と中間電位シールドとの間の距離。

この解決手法は、フラッシュオーバーの危険性を取り除く傾向がある従来技術による１つの解決手法より制約があるが、フラッシュオーバーの場合に生じる危険性は、従来技術と比べて本発明の場合に著しく低減されている。

単一の５０％シールドを用いる従来技術による２つの以下の制限事例が実際には認識される。

接点に対する中間電位シールドの距離が最大であるとき、接点のエッジにおける最大電界はシールドの存在による影響を受けない。したがって、この電界は値Ｅ１を有する。この状況は、５０％シールドが設けられていない状況と実に類似している。電界Ｅ１は、したがって、単一のシールドを有するカートリッジ内の２個の接点間に存在し得る最も弱い電界である。シールドが２個の接点へ接近するように移動させられるならば、電界は、互いに接近するこの移動による影響を受け、増加し始める。互いに接近するこの移動の最初に、接点面のエッジにおける電界は依然としてもう一方の接点の方を向いている。ＳＥが接点と５０％シールドとの間の距離であると仮定するならば、ＳＥ＞ＳＥ（スイッチング）の場合に、電界がもう一方の接点の方向へ向き、ＳＥ＜ＳＥ（スイッチング）の場合に、電界が５０％シールドの方向へ向くような電界の方向の推移を示すスイッチング距離と呼ばれる距離、すなわち、ＳＥスイッチングが見つけられる。

したがって、最小距離は、シールドとの相互作用を妨げるようにＳＥ（スイッチング）と等しい。

電界が今もなおちょうど接点の方を向き、シールドの方を向いていないならば、接点に対するシールドの距離が最小であるとき、接点のエッジにおける電界は、上記の値Ｅ１より高い値Ｅ２に達する。

したがって、本発明によれば、接点と介在シールドとの間のフラッシュオーバーの危険性の増大は、一般に認められている電界値Ｅ１およびＥ２を超過することなく許容される。この結果、電界は依然としてＥ１とＥ２との間に収まる。

図２は、接点間の距離の関数として、接点と中央シールドとの間の距離を表している。

曲線ａは、特に特許ＤＥ１００２９７６３における従来技術によって提案された接点とシールドとの間の距離を表している。曲線ｂは、従来技術により接点とシールドとの間の相互作用を防止することができる最小距離を表している。

曲線ｃは、本発明による３個のシールドを用いる構造において、曲線ａの場合と全く同様に接点のエッジに電界を生じさせる接点とシールドとの間の距離を表し、曲線ｄは、曲線ｂの場合と全く同様に接点のエッジに電界を生じさせる接点とシールドとの間の距離を表している。

図２においてわかることは、従来技術によれば、中間電位シールドと接点との間の距離は、曲線ａと曲線ｂとの間にあり、一方、本発明によれば、この距離は曲線ｃと曲線ｄとの間にあるということである。

５０％から７０％の利得が３個のシールドを備えるカートリッジの場合にシールドと接点との間の距離で得られることがわかる。

さらなる利得は、表に示されているように、図４および５に表されているような５個のシールドまたは７個のシールドを備える本発明によるカートリッジを用いて得られる。５個のシールドを有するカートリッジの場合、シールドと接点との間の距離は、Ｓが接点間の距離であるとき、実際には、０．１９×Ｓと０．２１×Ｓとの間に収まる。さらに大きな利得は、シールドと接点との間の距離が０．１４×Ｓと０．１６×Ｓとの間に収まる７個のシールドを備える本発明によるカートリッジを用いて得られる。

放射径がかなり縮小させられる簡単な設計の真空カートリッジが、このようにして、本発明を用いて実現されている。

これは、カートリッジのコスト、および、回路遮断器またはキュービクルのコストが縮径されたセラミックおよび縮径されたエンクロージャの使用によって削減されることを可能にする。

これは、さらに、金属メッキされた設備ユニットにおける相間の電気的相互作用が低減されるようにする。したがって、作動電圧サージが起きるときに、より良好な挙動が得られる。

本発明は、当然ながら、例示の目的のためだけに記載された実施形態に限定されない。本発明は、したがって、奇数個のシールドを備え、接点の電位に最も近い電位を有するシールドが中間電位シールドまたは他の部分シールドをある長さに亘って隠すように設置され、カートリッジが４個以上のシールドを備える場合に、この接点に関して、接点のエッジにおける電界が接点を取り囲む最も近いシールドの方へ向かい（または、電圧の極性に応じて、接点を取り囲む最も近いシールドから発生し）、（中間電位シールド以外の）部分シールドの端における電界が部分シールドを取り囲む最も近い部分シールドの方へ向かう（または、電圧の極性に応じて、部分シールドを取り囲む最も近い部分シールドから発生する）カートリッジのあらゆる実施形態に及ぶ。

それどころか、本発明は、本発明の精神に従って実行されるならば、記載された手段並びに記載された手段の組み合わせについての技術的な均等物の全てを包含する。

３個のシールドを備える本発明の第１の実施形態による真空カートリッジの軸方向断面図である。 中間電位シールドと接点との間の距離を接点間の距離に対して表しているグラフである。 ３個のシールドを備える本発明の第２の実施形態による真空カートリッジの軸方向断面図である。 ３個のシールドを備える本発明の別の実施形態による真空カートリッジの軸方向断面図である。 ５個のシールドを備える本発明の別の実施形態による真空カートリッジの軸方向断面図である。

Claims (13)

1. ２枚のエンドプレートによって閉鎖された実質的に円筒形状のエンクロージャと、
   前記エンクロージャの内部で軸方向に延在する第１および第２の接点であって、可動接点である前記第１の接点が作動機構部に接続され、電流の流れを可能にさせる前記第１及び第２の接点の閉成位置と前記第１および第２の接点が切り離され前記第１および第２の接点間の電圧に耐える位置との間に摺動的に取り付けられている、第１および第２の接点と、
   前記第１および第２の接点の間に介挿されている中間電位シールドと、
   前記中間電位シールドと、前記第１の接点との間に介挿されている第１の部分シールドと、
   を備え、
   前記中間電位シールドおよび前記第１の部分シールドが前記第１および第２の接点の一方または他方と電気的に接続することなく前記エンクロージャの点に固定され、
   前記中間電位シールドと前記第１および第２の接点のそれぞれとの間の距離は、前記第１および第２の接点のエッジに存在する電界が前記第１および第２の接点から前記第１の部分シールドへ達する（または、電圧の極性に応じて、逆に前記第１の部分シールドから前記第１および第２の接点へ達する）ように選択され、
   Ｓを前記第１および第２の接点間の距離としたとき、前記第１および第２の接点間において、前記第１の部分シールドが取り囲んでいる前記第１の接点の端部から前記第１の部分シールドの端部までの前記エンクロージャの軸方向における距離が実質的にＳ／４に等しいように、前記第１の部分シールドは前記第１の接点の端部から飛び出ていることを特徴とする電気的保護装置の真空カートリッジ。
2. 前記中間電位シールドと、前記第２の接点との間に介挿されている第２の部分シールドを更に備えていることを特徴とする請求項１記載の真空カートリッジ。
3. 前記エンクロージャは、端と端をつないで設置された４個のセラミック部品を備え、前記中間電位シールド、前記第１の部分シールド、および前記第２の部分シールドが２個の接合用セラミック部品の間の３個の接合部に１つずつ設置されていることを特徴とする請求項２記載の真空カートリッジ。
4. 前記中間電位シールドは前記カートリッジの前記エンクロージャの一部分を形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の真空カートリッジ。
5. 前記中間電位シールドと前記第１および第２の接点のそれぞれとの間の距離ＳＥ１が前記第１および第２の接点間の距離の２５％から４０％に収まることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の真空カートリッジ。
6. 前記距離ＳＥ１が実質的に３１％であることを特徴とする請求項５記載の真空カートリッジ。
7. 少なくとも１個の前記シールドが円筒形状であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の真空カートリッジ。
8. 前記第１の接点と前記第１の部分シールドとの間に介挿されている第３の部分シールドを更に備え、前記中間電位シールドと前記第１および第２の接点との間の距離が、前記第１および第２の接点のエッジに存在する電界が前記第１の接点を直接的に取り囲む前記第３の部分シールドの方へ向けられるように選択されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の真空カートリッジ。
9. 前記第２の接点と前記第２の部分シールドとの間に介挿されている第４の部分シールドを更に備えることを特徴とする請求項８記載の真空カートリッジ。
10. 前記中間電位シールドと前記第１の部分シールドとの間の電位差δＵが前記第１の接点と前記第１の接点を取り囲む前記第１の部分シールドとの間の電位差と実質的に同じであるように、前記第１の部分シールドと前記第１の接点との間に相対容量を生じさせることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の真空カートリッジ。
11. 前記中間電位シールドと前記第１の部分シールドとの間の電位差δＵが前記第１の接点と前記第１の接点を取り囲む前記第１の部分シールドとの間の電位差と実質的に同じであるように、前記第１の部分シールドと前記第１の接点との間に相対容量を生じさせ、前記電位差δＵが全電圧の１５％から３５％に収まることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の真空カートリッジ。
12. 前記中間電位シールドと前記第１の部分シールドとの間の電位差δＵが前記第１の接点と前記第１の接点を取り囲む前記第１の部分シールドとの間の電位差と実質的に同じであるように、前記第１の部分シールドと前記第１の接点との間に相対容量を生じさせ、前記電位差δＵが実質的に全電圧の２５％であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の真空カートリッジ。
13. 前記シールドの個数をＮとしたとき、前記電位差δＵが、Ｕトータルが接点間の電圧であるとき、Ｕトータル／（Ｎ＋１）という比に対して４０％より多く変化しないことを特徴とする請求項１０に記載の真空カートリッジ。

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