JP5261198B2 - ガス遮断器 - Google Patents

Description

本発明はガス遮断器に係り、特に操作器のエネルギーを増大することなく遮断性能に影響する遮断部の平均遮断速度を向上できて高電圧仕様に好適なガス遮断器に関する。

高電圧仕様の変電所や開閉所などに設けられるガス遮断器は、ガス吹付手段により二重圧力方式と単一気圧方式（パッファ形）があるが、現在では小型化や保守を簡易化できるパッファ形ガス遮断器が主流となっている。

一般に、パッファ形ガス遮断器は、接地された金属製の容器内に固定及び可動接触子やその他の部品にて構成する遮断部を配置すると共に、絶縁性能や消弧性能の良好な六弗化硫黄（ＳＦ６）等の絶縁ガスが充填されている。

遮断部は、通電導体に連なる固定及び可動接触子と、遮断動作時に絶縁ガスを圧縮するパッファ装置を構成するパッファシリンダ及びピストンと、圧縮した絶縁ガスをアークに吹付けて消弧する絶縁ノズル等とを含んで構成している。

遮断部の可動接触子とパッファ装置を含む可動側全体は、操作器によって駆動され、遮断動作時には、可動接触子は固定接触子と電気的な接続を保ちつつ移動し（「ワイプ」と言う。）、これらの開離時にパッファ装置で圧縮した絶縁ガスを、絶縁ノズルから各接触子に発生したアークに吹付けて消弧させ、電流を遮断する。

ガス遮断器の主要性能の一つである進み小電流遮断性能は、可動接触子の移動速度（以下、「開極速度」と言う。）への依存が大きいため、従来から遮断性能を向上させるために、可動接触子の始動からフルストロークするまでの時間（これを「開極時間」という。）を短縮することに工夫がなされていた。

高電圧仕様のガス遮断器では、小型軽量化できるばねを用いた操作器を使用しており、ばねによる低操作エネルギーで遮断速度を確保することが行われている（特許文献１参照）。

特開２００７−８７８３６号公報

開極時間を短縮する主な方策には、遮断部の可動側の軽量化と操作器の駆動エネルギーの増大がある。しかし遮断部の可動側の軽量化には限界があり、また操作器を大型化して駆動エネルギーを大きくすると、経済的負担も大きくなる問題があった。

また、上記特許文献１の発明は、遮断初期に可動接触子に作用する駆動力を大きくすることにより、操作器を大型化することなく、開極時間を短縮しようとするものであるが、この従来技術によれば、遮断性能の向上が得られるものの大幅な性能向上は望めないことが判明した。

遮断性能は、接触子間にアークが生じ、それが吹き消される間の可動接触子の開極速度に依存しているから、この特定の期間の開極速度を大きくすることができれば、可動接触子のフルストロークに亘り、開極速度を大きくしなくても、所望の遮断性能が得られることになる。

つまり、遮断部が開極して接触子間にアークが発生してから、アークが吹き消された後の回復電圧がピーク値になる時点までの期間、可動接触子の開極速度の平均（以下、「平均遮断速度」と言う。）を向上させることにより、遮断性能向上させることができる。

本発明の目的は、経済的に製作でき、しかも遮断性能に優れたガス遮断器を提供することにある。

本発明のガス遮断器は、固定接触子を含む固定側と可動接触子とガス吹付手段を含む可動側からなる遮断部と、前記遮断部の可動側を駆動する操作器と、前記遮断部と前記操作器間を連結するリンク機構を含む駆動操作系とを備えたガス遮断器において、前記駆動操作系中に弾性体を介在して構成する。

好ましくは、前記弾性体には、前記リンク機構を構成する前記可動側に連なる第一のレバーと前記操作器に連なる第二のレバー間を連結して回転軸を兼ねるトーションバーを用いる。

また好ましくは、前記弾性体には、前記リンク機構と前記操作器間を連結する操作ロッド中に介在するコイルばねを用いて構成する。

また、前記弾性体から前記遮断部の可動側までの固有振動数が１５〜８５Ｈｚとなるように、前期弾性体のばね定数を設定する。

更に、前記遮断部の可動側の質量Ｍ（Ｋｇ）としたとき、前記弾性体のばね定数ｋ（Ｎ／ｍｍ）を、１０・Ｍ≦ｋ≦２８０・Ｍに設定する。

本発明のガス遮断器によれば、遮断部と操作器間を連結するリンク機構を含む駆動操作系中に弾性体を介在して構成したので、遮断部の可動側の質量や操作器に駆動エネルギーを変えないで、遮断部の電極間の開極時から電流遮断後の回復電圧がピーク値になる時間の平均遮断速度を上げることができるから、進み小電流遮断性能を向上させることができる。

本発明の一実施例のガス遮断器を示す概略縦断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は図１のリンク機構の動作説明図である。 図１のリンク機構の拡大斜視図である。 本発明の他の実施例のガス遮断器を示す概略縦断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は図５のリンク機構の動作説明図である。 図５のリンク機構の拡大斜視図である。 本発明の他の実施例のガス遮断器を示す概略縦断面図である。 ２サイクル遮断のガス遮断器の遮断部の遮断特性図である。 トーションバーから遮断部の可動側までの固有振動数と平均遮断速度比の関係図である。 遮断部の可動側の質量とトーションバーのばね定数の関係図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

本発明の図１から図３に示すガス遮断器は、円筒形の接地容器１に絶縁性ガスが規定の圧力で封入され、接地容器１の下面に操作器１０を取り付けている。接地容器１からブッシングが固定側（上流側）と可動側（下流側）にそれぞれ一つずつ樹立し、変電所や開閉所の中の送配電線をブッシングの内部の導体に接続している。

遮断部ＳＤは、固定接触子２等の固定側と、可動接触子３、絶縁ロッド４、ガス吹付手段である絶縁ノズル５Ａとパッファとパッファピストンからなるパッファ装置５Ｂ等の可動側から概略構成されている。

遮断部ＳＤの可動側には、絶縁ロッド４等を介してリンク機構ＬＭが連結され、更にこのリンク機構ＬＭは接地容器１の外部の操作器１０と操作ロッド９で連結し、遮断部の可動側と操作器間で駆動操作系が構成されている。

ガス遮断器の遮断部ＳＤと操作器１０間の駆動操作系に有しているリンク機構ＬＭは、図２（ａ）の電流投入状態、及び図２（ｂ）の電流遮断状態、更に図３に拡大して示すように、第一のレバー６と第二のレバー７を有している。 二つのレバー６と７は、リンク比変換レバーとして作用する。第二のレバー７のもう一方側は操作ロッド９に連結されている。これら、リンク機構ＬＭにおける第一のレバー６と第二のレバー７の連結は、通常鋼材製の回転軸によって行うが、本発明では遮断部の平均遮断速度を上げるため、この部分に弾性体であって、しかも回転軸の機能も兼ねることのできて軽量で蓄積エネルギーの大きなトーションバー８によって行っている。

このように構成したガス遮断器では、電力系統に接続して使用しているとき、落雷等で電力系統に事故が発生すると、遮断部の可動側を動作させるため、操作器１０を起動して操作ロッド９を下方に移動させる。

操作ロッド９が下方に移動するとき、リンク機構ＬＭ中にあるトーションバー８はねじられて回転エネルギーを蓄えており、或る時点を過ぎたときにトーションバー８と共に第一のレバー６と第二のレバー７が時計回りに回転し、可動接触子３が固定接触子２から離れ、ガス吹付手段５から吹付けられる圧縮した絶縁ガスによりアークを吹き消し、電流を遮断する。

上記した本発明の駆動操作系では、リンク機構ＬＭ中にトーションバー８を介在させているので、操作器１０の動作開始直後はトーションバー８に駆動力が畜勢されるために初期の開極速度が遅くなるが、図８に示す如く遮断部の電極間の開極時から電流遮断後の回復電圧がピーク値になる時間ｔＡ中の平均遮断速度は速くすることができる。これについて図８を用いて、以下に具体的に説明する。

時間ｔＡ中の平均遮断速度は、遮断部の遮断特性でトーションバーがある場合の特性線ＳＡと、トーションバーがない場合の特性線ＳＮを示しているようになる。ここで、操作器１０から駆動エネルギーが加えられたときに可動側からかかる抗力（ワイプ時の摩擦力＋可動部を加速するために必要な力＋可動部の摩擦力）をＲＦ、トーションバー８に加わるばね力をＳＦで示す。また、縦軸は平均開極速度（ｍ／ｓ）および抗力ＲＦ、ばね力ＳＦの力の強さ、横軸は可動接触子が動き始めてからフルストロークするまでの時間（ｍｓ）を示す。尚、図８は４０ｍｓでフルストロークする２サイクル遮断のガス遮断器の例を示している。

トーションバー８がある場合、ＲＦ＞ＳＦの時点ではトーションバー８に操作器１０から加えられた駆動エネルギーが蓄勢され、ＲＦ＝ＳＦの時点でエネルギーの畜勢が終了し、ＲＦ＜ＳＦの時点で畜勢されたエネルギーが放出される。その後も、トーションバー８はエネルギーの畜勢と放出を暫く繰り返す。

即ち、遮断部の電極間の開極時点Ｏと、電流遮断後に印加される回復電圧がピークになる時点Ｐでみると、特性線ＳＮで速度が緩やかに上昇しているのに対して、特性線ＳＡでは弾性体であるトーションバー８に蓄えられたエネルギーがあるため、開極時点Ｏを過ぎると速度は急激に上昇する。このため、トーションバー８を用いて特性線ＳＡのようにすると、遮断部の平均遮断速度が向上し、遮断特性も良好にできる。

また、本発明のガス遮断器のように、遮断部ＳＤの可動側と操作器１０間の駆動操作系に弾性体を介在させる場合には、弾性体であるトーションバー８のばね定数を遮断部可動側までの質量との関係で適切に選択することによって、遮断初期にトーションバー８に蓄勢されたエネルギーを開極時点Ｏに一致させて放勢することができるようになる。トーションバー８のばね定数とトーションバー８から可動接触子までの可動部の質量とは、この部分の固有振動数と関係しているので、トーションバー８から可動接触子までの固有振動数をある特定の範囲にすれば、以下に説明するように平均遮断速度をより一層早くすることができる。

図９（ａ）及び図９（ｂ）に、トーションバー８から遮断部ＳＤの可動側までの固有振動数とトーションバー８があるときの平均遮断速度とないときの平均遮断速度の比の関係を示しており、開極速度が速い典型的な２サイクル遮断のガス遮断器の場合が図９（ａ）で、開極速度が遅い典型的な３サイクル遮断のガス遮断器の場合が図９（ｂ）である。

これらの図では、固定及び可動接触子間の接触長さ（ワイプ長）が１０ｍｍのときの平均遮断速度の特性線Ｗ１０と、ワイプ長が５０ｍｍのときの平均遮断速度の特性線Ｗ５０を示している。なお、Ａ０およびＢ０はワイプ長が１０ｍｍや５０ｍｍで、トーションバー８がないときの平均遮断速度比の値（１．０）を示している。また、Ａ及びＢの直線は、上記のトーションバー８がないときの平均遮断速度に１．２を乗じた（２割高くした）値を比較線としてそれぞれ示している。

図９（ａ）に示す特性線Ｗ１０とＷ５０で、比較線Ａ、Ｂを超える範囲を求めると、駆動操作系中のトーションバー８から先の遮断部の可動側の固有振動数ｆ（Ｈｚ）は、それぞれ２７Ｈｚ＜ｆ＜８５Ｈｚと１８Ｈｚ＜ｆ＜５５Ｈｚの範囲となった。また、図９（ｂ）では、特性線Ｗ１０のみが比較線Ａを超え、この遮断部の可動側の固有振動数ｆは、１５Ｈｚ＜ｆ＜５２Ｈｚの範囲になった。

上記した固有振動数ｆの範囲の和集合を取ると、１５Ｈｚ〜８５Ｈｚとなった。このことから、固有振動数ｆ＝１５Ｈｚ〜８５Ｈｚの範囲に、トーションバー８より先の遮断部ＳＤの可動側までの固有振動数を設定すると、平均遮断速度を一層速くすることができる。特に、上記した固有振動数は２０Ｈｚ〜６０Ｈｚの範囲に設定すると、平均遮断速度を４割以上速くすることができる。この範囲は、図９（ａ）の特性線Ｗ１０、Ｗ５０のピーク値がそれぞれ４０Ｈｚ付近、また図９（ｂ）の特性線Ｗ１０のピーク値が３０Ｈｚ付近にあることからも予想できる。

また、トーションバー８から遮断部の可動側までの固有振動数とトーションバーのばね定数の関係を表す式は、下記に示すようになる。
ｋ＝Ｍ・（２・π・ｆ）^２
ただし、ｋはトーションバー８のばね定数（Ｎ／ｍ）、Ｍは遮断部の可動側の質量（Ｋｇ）である。従って、固有振動数ｆが１５Ｈｚ〜８５Ｈｚであるとき、上式のｋは単位を（Ｎ／ｍｍ）とすると以下に示すようになる。
１０・Ｍ≦ｋ≦２８０・Ｍ

そして、図１０に上記固有振動数ｆが、１５Ｈｚ又は８５Ｈｚであるとき、これと遮断部の可動側の質量とばね定数の関係を特性線Ｆ１５とＦ８５で示している。なお、遮断部の可動側の質量は、弾性体であるトーションバー８から先の駆動操作系の質量も含まれている。

特性線Ｆ１５とＦ８５間である図１０の斜線部の範囲内に、ばね定数があるときに、図８に示す時間ｔＡ中の平均遮断速度が速くなるため、遮断部の進み小電流遮断性能が向上する。一般に遮断部ＳＤの可動側の質量は、３Ｋｇ〜５０Ｋｇ程度と考えられているため、上述の１０・Ｍ≦ｋ≦２８０・Ｍを満足するばね定数とすることにより、平均遮断速度を２割以上速くすることができる。

以上のように、駆動操作系中のトーションバー８から遮断部の可動側までの固有振動数とトーションバー８のばね定数を設定すると、遮断部の可動側の質量と操作器１０の駆動エネルギーを変えなくとも、時間ｔＡ中の平均遮断速度を速くし、進み小電流遮断性能を向上させることができる。また、トーションバー８は回転軸も兼ねているため、本実施例のガス遮断器において、部品点数を増やすことなく容易に平均遮断速度を向上させることができる。

本発明によるガス遮断器の他の実施例を図４から図６に示しており、図１と同様の部分は同符号で示している。この実施例では、ガス遮断器の操作器１０を接地容器１の側面に設けた例であり、このためリンク機構ＬＭ中のトーションバー８は、接地容器１を貫通している。このトーションバー８は、回転軸を兼ねているため、貫通部の壁面に固定する回転シール１１を用いている。

以上のような構成においても実施例１と同様な効果を達成できるし、更に駆動操作系中のトーションバー８から遮断部の可動側までの固有振動数とトーションバー８のばね定数を上述のように設定すると、ｔＡ中の平均遮断速度を速くし、進み小電流遮断性能を向上させることができる。また、回転シール１１を用いることにより、外部からのゴミ等の侵入を防ぐこともでき、高い気密性を保持することができる。

本発明によるガス遮断器の他の実施例を図７に示しており、この例でも図１と同様の部分は同符号で示している。本実施例では、接地容器１の外部で駆動操作系中の操作ロッド９と操作器１０間を連結するため、弾性体であるコイルばね１２を設けたものである。

この構成とすれば、接地容器１内部の構造を変更することなしに、駆動操作系中にコイルばね１２を介在させたり、また固有振動数ｆやばね定数の値を設定したりして、上記した各実施例と同様な効果を達成することができる。

ＳＤ…遮断部、ＬＭ…リンク機構、１…接地容器、２…固定接触子、３…可動接触子、４…絶縁ロッド、５…ガス吹付手段、６…第一のレバー、７…第二のレバー、８…トーションバー、９…操作ロッド、１０…操作器、１２…コイルばね。

Claims (3)

1. 固定接触子を含む固定側と可動接触子とガス吹付手段を含む可動側からなる遮断部と、前記遮断部の可動側を駆動する操作器と、前記遮断部と前記操作器間を連結するリンク機構を含む駆動操作系とを備えたガス遮断器において、前記駆動操作系中に弾性体を介在し、前記弾性体は、前記リンク機構を構成する前記遮断部の可動側に連なる第一のレバーと前記操作器に連なる第二のレバー間を連結する回転軸を兼ねるトーションバーを用いて構成したことを特徴とするガス遮断器。
2. 請求項１において、前記弾性体から前記遮断部の可動側までの固有振動数を１５〜８５Ｈｚとしたことを特徴とするガス遮断器。
3. 請求項１において、前記弾性体のばね定数の値ｋ（Ｎ／ｍｍ）は、前記遮断部の可動側の質量Ｍ（Ｋｇ）としたときに１０・Ｍ≦ｋ≦２８０・Ｍであることを特徴とするガス遮断器。

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