JP5188176B2

JP5188176B2 - 接地開閉器

Info

Publication number: JP5188176B2
Application number: JP2007341063A
Authority: JP
Inventors: 慎一朗中内; 芳則清水
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-12-28
Filing date: 2007-12-28
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2027-12-28
Also published as: US8106326B2; CA2647861A1; US20090166168A1; CA2647861C; JP2009163946A

Description

本発明はガス絶縁開閉装置に組み込まれる接地開閉器に関する。

ガス絶縁開閉装置（ＧＩＳ）には、機器点検時の主回路の接地用として、或いは各種測定のための接地端子として利用するために接地開閉器が組み込まれる。主回路を接地する場合、一般的には接地側の可動接触子を接地開閉器の中心軸線に沿って移動させ、高圧側の固定側電極に挿入する。しかし、万が一、主回路に運転電圧が印加されている状態で誤動作により可動接触子が接地開閉器の軸方向に移動し、固定側電極に挿入してしまった場合にも確実に接地を取り、かつ電極間の溶着がなくその後に接地開閉器を開放出来る誤投入容量付の機能を求められる場合がある。すなわち、このような場合、誤って、運転電圧が印加されている状態において可動接触子を固定側電極に挿入しようとすると、電極間の絶縁破壊によりアークが発生し、周囲のガスが高熱となって急激にガス圧力が上昇する。急激に圧力上昇したガスは動作中の可動接触子への反力として作用する。可動接触子が動作を続け、固定側アーク接点と可動側アーク接点が接触すると、電極間に摩擦抵抗が発生し、可動接触子への更なる反力となる。特許文献１では、複数個配置した接触子片（固定側主接触子）のうち１つを中心軸線の方向に延伸し、その先端を集弧接触子片（固定側アーク接点）として構成している。

実開昭５０−４６９４７号公報

上記のように、可動側アーク接点と固定側アーク接点との間に発生するアークにより、周囲のガスは高熱となって膨張するが、アークが消弧された直後は高温になったガスが瞬時には冷却されず、急激に上昇したガスの圧力も瞬時には元通りに収束しない。この段階において、可動接触子はアークに起因する熱ガスによる反力と摩擦抵抗による反力の２つを同時に受けることになり、駆動機構の動作に対して大きな機械的負荷が生じるという問題がある。

特許文献１の第１図に示す構造においては、集弧接触子片の先端から主接点部に至るまでの間が一定の角度を有するテーパとなっているため、可動接触子が接触した直後、接触子同士の大きな摩擦抵抗により可動接触子は挿入方向へ持続的に大きな反力を受け続ける。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであって、主回路に運転電圧が印加されて、可動接触子が誤投入して固定側アーク接点と可動側アーク接点との間にアークが発生する場合においても、固定側アーク接点に可動側アーク接点が接触した直後の接点間の摩擦抵抗を軽減することにより、熱ガスによる反力と摩擦抵抗による反力の和を減少させ、駆動機構の機械的負荷を軽減し、ひいては誤投入動作の完遂に必要な駆動機構の操作エネルギーを低減することが可能な接地開閉器を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る接地開閉器は、絶縁ガスが封入されたタンク内において同一の中心軸線に沿って互いに対向するように配置された固定側電極および可動側電極と、この可動側電極に電気的に接続されると共に、前記中心軸線に沿って往復駆動可能な可動接触子と、この可動接触子における前記固定側電極の側の先端部に設けられた可動側アーク接点と、閉路状態では前記可動接触子と接触する固定側主接点をそれぞれ有し、前記固定側電極に電気的に接続されると共に、前記中心軸線を中心とする円周方向に沿って複数配置された固定接触子と、前記複数の固定接触子のうちの少なくとも一つに設けられ、前記固定接触子の先端部における前記固定側主接点の位置よりも前記可動側電極の側に設けられた固定側アーク接点と、前記可動接触子を前記中心軸線方向に往復駆動させるための駆動機構と、を備え、前記固定接触子における前記固定側アーク接点と前記固定側主接点との間に谷部を設け、前記可動側アーク接点が前記谷部と接触しない構成としたことを特徴とする。

本発明によれば、固定側アーク接点と固定側主接点との間に谷部を設け、可動接触子の動作途中に可動側アーク接点が谷部に接触しない構造とすることにより、可動側アーク接点が固定側アーク接点に接触してから固定側主接点に接触するまでの間における可動接触子と固定接触子との間に生じる摩擦抵抗を減少させることができる。そのため、主回路に運転電圧が印加されて、可動接触子が誤投入して固定側アーク接点と可動側アーク接点との間にアークが発生する場合においても、可動側アーク接点が固定側アーク接点に接触してから固定側主接点に接触するまでの間、すなわち、アークが冷却されて周囲のガス圧力が減少するまでの間、熱ガスによる反力と摩擦抵抗による反力との和を減少させ、駆動機構の機械的負荷を軽減し、ひいては誤投入動作の完遂に必要な駆動機構の操作エネルギーを低減することができる。

以下に、本発明に係る接地開閉器の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１の接地開閉器の開路状態を示す断面図、図２は、図１の接地開閉器が開路状態から閉路状態に変位する途中において、固定側アーク接点と可動側アーク接点との間にアークが発生している様子を示す断面図、図３は、図１の接地開閉器が開路状態から閉路状態に変位する途中において、可動側アーク接点と固定側アーク接点とが接触している様子を示す断面図、図４は、図１の接地開閉器が閉路位置にある状態を示す断面図である。図１〜図４において、実施の形態１の接地開閉器は、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）ガスなどの電気的な絶縁性能及び消弧性能に優れた絶縁ガスが数気圧程度のガス圧力で封入されたタンク１ａおよびタンク１ｂに、それぞれ固定側電極１５、可動側電極８が収納され、互いに対向して同一の中心軸線上に配置されて構成されている。

回動軸５がタンク１ｂ内の絶縁ガスを気密した状態でタンク外に延伸（紙面に対して垂直方向）し、接地開閉器を動作させるための駆動機構（図示せず）に大気中で連結している。回動軸５を中心に回動するレバー２の一端がリンク３の一端にピン４ｂを介して連結している。可動接触子９の一端にはリンク３の他端がピン４ａを介して連結している。可動接触子９を支持する軸受６ａ、６ｂの間における可動側電極８上には可動側主接点７が設けられており、この可動側主接点７は可動接触子９と互いに摺動可能な関係となっており、可動接触子９と可動側電極８とを電気的に接続する。可動側電極８はタンク１ｂに固定され電気的に接続されており、可動接触子９と共に接地電位が保たれている。更に、可動接触子９は軸受６ａ、６ｂにより摺動関係を保つように支持されており、中心軸線に沿って往復動作可能とされている。

固定側電極１５は主回路に電気的に接続され、通常の場合、運転電圧が印加されている。固定接触子１６は、固定側電極１５の内部に中心軸線の円周方向（詳細には、中心軸線を中心とし、中心軸線に垂直な面内の円周方向）に沿って互いに等間隔で複数配列され、外部から電気的に遮蔽されている。固定接触子１６は一端が固定側電極１５に固定され、他端に可動接触子９と接離する固定側主接点１３が設けられている。更に、円周方向に配列する複数の固定接触子１６のうちのいずれか複数には、それぞれ、可動接触子９と接触する側の先端部に固定側アーク接点１１が設けられている。また、これらの複数の固定側アーク接点１１は円周方向に沿って互いに等間隔に設けられている。また、可動接触子９には、固定接触子１６と接触する側の先端部に可動側アーク接点１０が設けられている。固定側主接点１３と固定側アーク接点１１は二山の形状を成しており、間に谷部１２が設けられている。また、固定側アーク接点１１は固定側主接点１３よりも中心軸線に対して半径方向に遠い位置（中心軸からより離れる位置）となるように構成されている。更に、可動接触子９が固定側アーク接点１１に接触しているとき、谷部１２の底部は可動接触子９の外径よりも中心軸線に対して外側に位置し、谷部１２と可動接触子９との間に隙間が生じる構造となっている。円周方向に配列された固定接触子１６は、ガータスプリング１７により周囲から巻き付けられて可動接触子９に対する接触圧力を維持し、安定的な接地ないしは通電を可能としている。固定側アーク接点１１の近傍の固定側電極１５には、固定側アーク接点１１を覆うように耐弧シールド１４が設置され、万が一アークが当該部に飛散しても固定側電極１５の著しい損傷を抑制し、耐電圧性能が低下することのない構造としている。

次に動作について図１〜図５を参照して説明する。図５−１は接地開閉器が開路状態から閉路状態に変位する途中において、固定側アーク接点と可動側アーク接点との間にアークが発生している様子を示す図２の要部断面図、図５−２は接地開閉器が開路状態から閉路状態に変位する途中において、可動側アーク接点と固定側アーク接点が接触している様子を示す図３の要部断面図、図５−３は可動側アーク接点が固定側アーク接点の先端と固定側主接点との間に位置している状態を示す要部断面図、図５−４は接地開閉器が閉路位置にある状態を示す図４の要部断面図である。図１において、可動側電極８は接地電位であり、固定側電極１５には運転電圧が印加されている。まず、駆動機構から回動軸５を通じて駆動力を受けたレバー２が反時計回りに回動し、リンク３を介して可動接触子９が接地開閉器の中心軸線に沿って固定側電極１５の方向へ移動する。

図２及び図５−１に示すように、接地電位である可動接触子９が、運転電圧が印加されている固定側電極１５へ向かって動作を続けると、固定側アーク接点１１に接触する幾分前において、電極間の距離が縮まったことによる電気的な絶縁破壊が生じ、アーク２１が可動側アーク接点１０と固定側アーク接点１１或いは耐弧シールド１４との間に発生する。このアーク２１が周囲のガスを熱することで瞬時にアーク周辺のガス圧力が上昇する。
特に、可動接触子９が固定側アーク接点１１に接触する幾分前においては、固定側電極１５の内部ガス空間が可動接触子９によって半ば閉塞された状態となり、外部へのガスの流路が狭くなっている。その状態においてアーク２１が発生すると、前記固定側電極１５内のガス圧力は急激に上昇する。そして、急激なガス圧力の上昇は可動接触子９の挿入動作に対する反力となる。

さらに、図５−２に示すように、可動接触子９が挿入方向に直線運動を続けると、可動側アーク接点１０と固定側アーク接点１１とが中心軸線に対して０度よりも大きい任意の接触角度を成して接触し、アーク２１は消滅する。アークが消滅した後、固定側電極１５内のガス圧力が直ちに定常状態に回復することはなく、可動接触子９への反力は減衰しながらもしばらくの間持続する。可動側アーク接点１０は、ガ−タスプリング１７に巻き付けられた固定接触子１６の固定側アーク接点１１を中心とした部分を半径方向に押し広げて更に挿入される。

図５−３に示すように、可動側アーク接点１０の先端部が固定側アーク接点の谷部１２に到達すると、可動接触子９は固定側アーク接点１１に完全に挿入されて、それ以上押し広げることなく、可動接触子９の側面への接触圧力に比例する摩擦抵抗のみが反力として作用する。そのため、固定接触子１６のアーク接点が谷部１２を有さない一定の角度のテーパ形状と比較して、アーク接点を摺動している間の挿入方向の反力が小さくなる。

図５−４では、接地開閉器が閉路状態にあり、固定側主接点１３と可動接触子９とが接触している。また、上述のように、固定側アーク接点１１は固定側主接点１３よりも中心軸線に対して半径方向に遠い位置となるように構成したので、固定側アーク接点１１は可動接触子９と接触していない状態であり、通電時の接触抵抗値が安定する。

接地開閉器が誤投入するときの固定側電極内のガス圧力上昇の変化について可動接触子９の変位―時間特性と共に説明する。図６は接地開閉器が開路状態から閉路状態へ変位する過程における、可動接触子９の位置及び固定側電極内のガス圧力と時間との関係を示すグラフである。図６に示すように、開路位置から閉路位置へ変位する途中において、アークが発生した後、固定側電極１５内のガス圧力は急激に上昇する。可動接触子９への熱ガスによる反力は固定側電極１５内のガス圧力上昇値に比例する。固定側電極１５内のガス圧力および熱ガスによる反力は、可動側アーク接点１０が固定側アーク接点１１に接触した時点でピークに達し、その後減衰する。ガス圧力の減衰はガス流路面積や固定側電極１５の容積などに依存し、固定側電極１５の側面や底面にガス抜き穴（図示せず）を設けて、排気口面積を調整している。可動側アーク接点１０が固定側主接点１３に接触する時点においては固定側電極１５内のガス圧力および可動接触子９への熱ガスによる反力がピーク時よりも大幅に減少している。この急激なガス圧力の上昇及び減衰が発生する時間はいずれも概ねｍｓｅｃのオーダである。また、可動接触子９の動作速度はおよそ数ｍ／ｓのオーダとし、アークが発生してから可動側アーク接点１０が固定側アーク接点１１に接触するまでの距離を数ｍｍから十数ｍｍ程度としてこの間のアーク時間を極力短くすると共に、アークが消滅した後、十分ガス圧力が低下した時点で可動側アーク接点１０が固定側主接点１３に接触するための寸法として、固定側アーク接点１１と固定側主接点１３との間隔も同じく数ｍｍから十数ｍｍ程度のオーダとしている。

以上のように、本実施の形態の接地開閉器は、主回路に運転電圧が印加されて、可動接触子９が誤投入したときの可動側アーク接点１０と固定側アーク接点１１との間のアーク２１に起因する熱ガスによる反力と、可動接触子９が固定接触子１６を押し広げて進むことによる挿入方向への反力との和を、固定接触子１６に谷部１２を設けることにより低減し、駆動機構への機械的負荷を小さくして操作エネルギーを低減するという効果がある。

また、固定側アーク接点１１を複数配置することが好ましい。これにより、アークに対する耐久性を向上することができる。

更に、複数の固定側アーク接点１１を前記円周方向に沿って互いに等間隔に配置することにより、可動接触子９が部品寸法のばらつきや組立誤差などにより偏心した場合においても可動接触子９がいずれかの固定側アーク接点と確実に接触することができる。

実施の形態２．
図７は、実施の形態２に係る接地開閉器を示す断面図であり、接地開閉器が開路状態から閉路状態に変位する途中において、可動側アーク接点１０と固定アーク電極１９との間にアークが発生している様子を示す断面図である。

本実施の形態の構成は、実施の形態１の構成に加えて、固定側電極１５の中心部に中心軸線方向に延伸する固定アーク電極１９を配置し、その先端に固定アーク電極１９のアーク接点１８を設置している。また、可動接触子９および可動側アーク接点１０には、固定アーク電極１９側に開口する穴２０が設けられており、この穴２０は可動接触子９の先端から中心軸線方向に沿って所定の深さまで形成されている。可動側アーク接点１０と可動接触子９は、その中心に穴２０を設けることにより、接地開閉器の閉路状態において、固定アーク電極１９のアーク接点１８および固定アーク電極１９と接触しない構造となっている。また、可動側アーク接点１０の先端において、固定アーク電極１９と対向する内側の曲率半径（例えば、図７のＢで示す部分の曲率半径）を固定側アーク接点１１と対向する外側の曲率半径（例えば、図７のＡで示す部分の曲率半径）よりも小さくし、固定アーク電極１９のアーク接点１８と対向する可動側アーク接点１０の電界が、固定側アーク接点１１と対向する可動側アーク接点１０の電界よりも大きくなるようにしている。なお、固定アーク電極のアーク接点１８と可動側アーク接点１０との間の電界を、固定側アーク接点１１と可動側アーク接点１０との間の電界よりも大きくするものであれば、可動接触子９の先端部、固定アーク電極１９の先端部の形状は図示例に限定されない。その他の構造は、実施の形態１と同様である。

次に、動作について説明する。アークが発生する直前までは、実施の形態１と同様である。可動側アーク接点１０と固定アーク電極１９のアーク接点１８との間にアーク２１が発生し、ガス圧力が上昇する。さらに可動接触子９が挿入方向へ直線運動を続けると、可動側アーク接点１０は固定側アーク接点１１に接触し、アーク２１は消滅する。その後の動作も実施の形態１と同様である。閉路状態において、固定アーク電極１９と固定側アーク接点１８は穴２０の中に収納される。

以上のように、本発明に係る実施の形態２の接地開閉器においては、実施の形態１の効果に加えて、可動側アーク接点１０と固定側アーク電極１９のアーク接点１８との間の電界を大きくして、アークを可動側アーク接点１０と固定側アーク電極１９のアーク接点１８との間で発生させることにより、耐弧シールド１４或いは固定側アーク接点１１の近傍に位置する固定側主接点１３へのアーク２１の飛散をより確実に回避するという効果がある。

本発明は、ガス絶縁開閉装置に好適に利用することができる。

実施の形態１に係る接地開閉器の開路状態を示す断面図である。図１の接地開閉器が開路状態から閉路状態に変位する途中において、固定側アーク接点と可動側アーク接点との間にアークが発生している様子を示す断面図である。図１の接地開閉器が開路状態から閉路状態に変位する途中において、可動側アーク接点と固定側アーク接点が接触している様子を示す断面図である。図１の接地開閉器が閉路位置にある状態を示す断面図である。接地開閉器が開路状態から閉路状態に変位する途中において、固定側アーク接点と可動側アーク接点との間にアークが発生している様子を示す図２の要部断面図である。接地開閉器が開路状態から閉路状態に変位する途中において、可動側アーク接点と固定側アーク接点が接触している様子を示す図３の要部断面図である。可動側アーク接点が固定側アーク接点の先端と固定側主接点との間に位置している状態を示す要部断面図である。接地開閉器が閉路位置にある状態を示す図４の要部断面図である。本発明の実施の形態１または実施の形態２において、接地開閉器が開路状態から閉路状態へ動作する過程における、可動接触子の位置及び固定側電極内のガス圧力と時間の関係を示すグラフである。実施の形態２に係る接地開閉器を示す断面図で、開路状態から閉路状態に変位する途中において、固定アーク電極１９と可動側アーク接点１０との間にアークが発生している様子を示す断面図である。

符号の説明

１タンク
２レバー
３リンク
４ピン
５回動軸
６軸受
７可動側主接点
８可動側電極
９可動接触子
１０可動側アーク接点
１１固定側アーク接点
１２谷部
１３固定側主接点
１４耐弧シールド
１５固定側電極
１６固定接触子
１７ガータスプリング
１８固定アーク電極のアーク接点
１９固定アーク電極
２０穴
２１アーク

Claims

絶縁ガスが封入されたタンク内において同一の中心軸線に沿って互いに対向するように配置された固定側電極および可動側電極と、
この可動側電極に電気的に接続されると共に、前記中心軸線に沿って往復駆動可能な可動接触子と、
この可動接触子における前記固定側電極の側の先端部に設けられた可動側アーク接点と、
閉路状態では前記可動接触子と接触する固定側主接点をそれぞれ有し、前記固定側電極に電気的に接続されると共に、前記中心軸線を中心とする円周方向に沿って複数配置された固定接触子と、
前記複数の固定接触子のうちの少なくとも一つに設けられ、前記固定接触子の先端部における前記固定側主接点の位置よりも前記可動側電極の側に設けられた固定側アーク接点と、
前記可動接触子を前記中心軸線方向に往復駆動させるための駆動機構と、
を備え、
前記固定接触子における前記固定側アーク接点と前記固定側主接点との間に谷部を設け、前記可動側アーク接点が前記谷部と接触しない構成とし、前記固定側アーク接点の近傍の前記固定側電極には前記固定側アーク接点と非接触でかつ前記固定側アーク接点を覆うように耐弧シールドを設けたことを特徴とする接地開閉器。
前記固定側アーク接点を複数配置することを特徴とする請求項１に記載の接地開閉器。
前記複数の固定側アーク接点を、前記中心軸線を中心とする円周方向に沿って等間隔に配列することを特徴とする請求項２に記載の接地開閉器。
前記固定側電極の中心部に固定アーク電極を配置し、前記可動側アーク接点と前記固定アーク電極との間の電界が前記可動側アーク接点と前記固定側アーク接点との間の電界よりも大きくなるように前記固定アーク電極および前記可動接触子の先端部の形状を形成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の接地開閉器。