JP5734714B2 - 消弧装置および気中開閉器 - Google Patents

Description

本発明は、互いが対向して配置される一対の固定電極の間に可動電極を抜き差しすることで発生するアークを消弧する消弧装置、および気中開閉器に関する。

配電用変電所には、落雷や短絡などの事故発生時に事故電流（短絡電流）を遮断して安全を保つために、遮断器が備えられている。かかる遮断器としては、油入遮断器（ＯＣＢ）、真空遮断器（ＶＣＢ）、磁気遮断器（ＭＢＢ）、気中遮断器（ＡＣＢ）、空気遮断器（ＡＢＢ）、ガス遮断器（ＧＣＢ）等が提案されている。特許文献１には、消弧性能を向上するために、アークによってアブレーションする被着部（消弧筒）を設けたガス遮断器について記載されている。

配電系統には、正常動作時の電路の負荷電流を開閉するために開閉器が備えられている。かかる開閉器としては、気中開閉器（ＡＳ）、真空開閉器（ＶＳ）、ガス開閉器（ＧＳ）等が提案されている。特許文献２には、一対の固定電極の先端に平行に、銅合金の丸棒からなる一対の補助電極を接続することで、接点開放時にアークが直ちに補助電極へ移行するように構成したガス開閉器について記載されている。なお、開閉器は正常動作時の電路の負荷電流を開閉するためのものであり、原則として、遮断器のように事故電流（短絡電流）を遮断することを目的としていない。

特許文献３には、遮断器や開閉器で用いられる電極について記載されている。

特開２００２−４２６１８号公報 特許３６７２０７０号公報 特公平６−５４６２６号公報

特許文献１に記載されるガス遮断器のように電極間にアークが発生する電力機器では、そのアークによって電極が溶損し雰囲気中に金属蒸気が放出されることが問題となる。金属蒸気が放出されると、雰囲気の絶縁状態が低下するため、アーク電流遮断性能が低下してしまう。また、金属蒸気が電極の接点部周辺に付着して、その後のアーク電流遮断性能に影響をおよぼすおそれもある。

特許文献３に記載されるような、導電性の高い銅部材の先端に耐熱合金としての銅-タングステン合金をろう付けした電極であれば、アークによる電極の溶損（金属蒸気の発生）を抑制する一定の効果を奏する。しかし、特許文献２の段落０００３に記載のように、この構造を可動電極に採用することは可能であるが、この構造を固定電極に採用することは困難である。

特許文献２では、一対の固定電極の先端に平行に銅合金の丸棒からなる一対の補助電極を接続することで、金属蒸気の発生を抑制可能としているが、物性的に銅はタングステンよりも耐熱性が劣る（概して、銅：融点１０８３℃、沸点２５７０℃、タングステン：融点３４１０℃、沸点５７００℃）。したがって、銅-タングステン合金（耐熱合金）を使用した場合のように、金属蒸気の発生の抑制を図れないおそれがある。

また、特許文献２では、固定電極の先端に平行に補助電極が接続されていて、補助電極のどの位置にでもアークが移行し得るので、アークの位置を限定できない。

また、特許文献２では、固定電極の先端に平行に補助電極を接続するので、レイアウト上の制約を生じる。特許文献２は、ガス開閉器であるため、消弧性ガスを発生させる消弧筒を必要としないため、固定子電極の先端に取り付けることができたが、気中開閉器では、引用文献２のような補助電極を取り付けるスペースはない。さらに、特許文献２ではガス開閉器であるため、絶縁ガスとしてＳＦ_６ガスを使用する。ＳＦ_６ガスは温室効果が高く（ＣＯ_２の２３９００倍）排出規制の対象にされているため、なるべくその使用を避けた構成が望まれている。なお、ガス開閉器は、通常、気中開閉器と比べるとコストが高くなる問題もある。

本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、ライフサイクル中、消弧装置を大きくすることなく高いアーク電流遮断性能を維持することができ、安全性および環境性に優れた消弧装置、並びにこの消弧装置を利用した気中開閉器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の代表的な構成は、互いが対向して配置される一対の固定電極の間に可動電極を抜き差しすることで発生するアークを消弧する消弧装置であって、アークによりアブレーションする材料で形成され、一対の固定電極を収容する固定電極収容室およびこの固定電極収容室へと連続する狭まった通路でありその内部を可動電極が移動可能な細筒部を備える消弧筒と、固定電極収容室に収容された棒状の耐熱合金製のアークホーンであって、その根元が固定電極取付金具に固定され、先端が一対の固定電極よりも細筒部側に突出するアークホーンと、を有することを特徴とする。

かかる構成では、一対の固定電極から可動電極を引き抜く際には、発生したアークが固定電極から速やかに細筒部側に突出するアークホーンへと移行する。そのため、固定電極の溶損による金属蒸気の発生を抑制することができる。また、アークホーンは耐熱合金製であるため、アークホーンの溶損による金属蒸気の発生を抑制することができる。また、アークホーンは棒状であるため、アークの位置がその先端に限定され、安定的に良好な消弧性能を発揮させることができる。

また、棒状のアークホーンが固定電極収容室に収容（固定）される構成としたため（特許文献２のように固定電極の先端に平行に補助電極を接続するわけではないので）、レイアウト上でもある程度の融通をきかせることができる。さらに、アブレーションする材料で形成される消弧筒によりアークを消弧する構成を採用しているので、ＳＦ_６ガスを使用する必要がない。上記より、ライフサイクル中、消弧装置を大きくすることなく高いアーク電流遮断性能を維持することができ、安全性、環境性に優れたものとなる。

上記棒状のアークホーンが、上記一対の固定電極から上記可動電極を引き抜く際に可動電極が最後に離脱する側に配置されているとよい。可動電極が最後に離脱する側にアークが発生するためこちら側にアークホーンを配置することで、アークをより迅速且つ確実に固定電極からアークホーンへと移行させることができ、固定電極の溶損による金属蒸気の発生をより抑制することができる。

上記棒状のアークホーンが、タングステンを含んだ合金で形成されているとよい。タングステンは耐熱性が極めて高い金属であるため、アークホーンの材質としてタングステンを含んだ合金を採用することで良好な効果を得ることができる。

当該消弧装置を気中開閉器が備えるとよい。上記消弧装置をガス開閉器等の他の開閉器と比べコストがかからない構造である気中開閉器に備えつけることで、コストを抑えつつ高い消弧性能を実現することができる。

本発明によれば、ライフサイクル中、消弧装置を大きくすることなく高いアーク電流遮断性能を維持することができ、安全性および環境性に優れた消弧装置、並びにこの消弧装置を利用した気中開閉器を提供可能である。

本実施形態にかかる気中開閉器としてのセンサ内蔵自動開閉器が適用される長亘長の配電線路について説明する図である。 図１に示すセンサ内蔵自動開閉器の外観図である。 図２に示すセンサ内蔵自動開閉器に備えられる消弧装置を示す図である。 図３に示す消弧装置の消弧過程について説明する図である。 図３に示す消弧装置の消弧過程について説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、本実施形態にかかる気中開閉器としてのセンサ内蔵自動開閉器１１０が適用される長亘長の配電線路１００について説明する図である。図２は、センサ内蔵自動開閉器１１０の外観図である。図１に示すように、長亘長の配電線路１００では、遠方での短絡事故の短絡電流が小さくなる。そのため、変電所１０４の過電流継電器（ＯＣＲ）では、検出できないおそれがある。本実施形態では、センサ内蔵自動開閉器１１０に後述の消弧装置１２０を備え付けて短絡電流を遮断できるように改造し、これを長亘長の配電線路１００の中途に設置する。

図２に示すように、センサ内蔵自動開閉器１１０は、近隣に設置される制御子局１０８によって制御される。制御子局１０８は、制御所に設置された親局と通信してセンサ内蔵自動開閉器１１０を開閉したり、計測データを伝送したりすることが可能である。また、制御子局１０８には、各種設定を行うことができる。本実施形態では、変電所１０４の過電流継電器では検出できない短絡電流等（過電流継電器が検出可能な短絡電流等よりも小さいもの）を検出し、自動的にセンサ内蔵自動開閉器１１０が電路を遮断するように、制御子局１０８を設定する。

図３は、センサ内蔵自動開閉器１１０に備えられる消弧装置１２０を示す図である。図３（ａ）、（ｂ）はそれぞれ消弧装置１２０の構造について説明する図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ断面図に相当する。以下、かかる消弧装置１２０について具体的に説明する。

図３（ａ）、（ｂ）に示すようにセンサ内蔵自動開閉器１１０では、一対の固定電極１１２ａ、１１２ｂが互いに対向して配置されていて、その間に可動電極１１４が抜き差しされることで電路が開閉される。一対の固定電極１１２ａ、１１２ｂおよび可動電極１１４は、導電性（ＩＡＣＳ％）の高い銅部材で形成される。消弧装置１２０は、この抜き差しに伴い発生するアーク１０２（図４、図５参照）を消弧する。

消弧装置１２０は、消弧筒１２４およびアークホーン１２２を含んで構成される。消弧筒１２４は、アークによりアブレーションする材料（例えばナイロン６、ポリオキシメチレン等のポリアミド系合成樹脂）で形成される。消弧筒１２４は、一対の固定電極１１２ａ、１１２ｂおよびアークホーン１２２を収容する固定電極収容室１２６と、この固定電極収容室１２６へと連続する狭まった通路であって、その内部を可動電極１１４が移動する細筒部１２８とからなる。細筒部１２８は、可動電極１１４の挿入端１１４ａが出入り可能な開口部１２８ａを有する。なお、可動電極１１４の不図示の非挿入端は、周方向Ｒ１に回動可能に軸支（連結）される。

一対の固定電極１１２ａ、１１２ｂは固定電極用板ばね１３０ａ、１３０ｂとともに、固定電極収容室１２６の内部に進入した固定電極取付金具１３２に、その根元をボルト１３４、ナット１３６で締結される。固定電極用板ばね１３０ａ、１３０ｂは固定電極１１２ａ、１１２ｂの外側に配置され、可動電極１１４としっかりと接点を持つように固定電極１１２ａ、１１２ｂを内側（閉方向）へと押圧する。

アークホーン１２２は棒状の耐熱合金製の部材であって、ここではタングステンを含んだ合金で形成される。具体的には、アークホーン１２２は、銅-タングステン合金または銀-タングステン合金で形成するとよい。タングステンは耐熱性が極めて高い金属であるため、タングステンの含有率が高いほどアークホーン１２２の耐熱性が高まる。

アークホーン１２２はその根元が固定電極取付金具１３２に固定され、その先端が一対の固定電極１１２ａ、１１２ｂよりも細筒部１２８側に突出する。具体的には、一対の固定電極１１２ａ、１１２ｂよりも４〜５ｍｍ細筒部１２８側に突出させる。

図４、図５は、消弧装置１２０の消弧過程について説明する図である。図４（ａ１）、（ｂ１）、図５（ａ１）、図５（ｂ１）は、図３（ａ）に対応する図であり、図４（ａ２）、（ｂ２）、図５（ａ２）、図５（ｂ２）は、図３（ｂ）に対応する図である。

図４（ａ１）、（ａ２）は、一対の固定電極１１２ａ、１１２ｂから可動電極１１４を引き抜く際に、可動電極１１４が最後に離脱する直前の状態を示したものである。図４（ａ１）、（ａ２）に示すように、可動電極１１４の挿入端１１４ａの外周側が固定電極１１２ａ（または固定電極１１２ｂ）から最後に離脱する。この可動電極１１４が最後に離脱する側（外周側）に、上記アークホーン１２２が配置される。

図４（ｂ１）、（ｂ２）に示すように、図４（ａ１）、（ａ２）に示す状態から可動電極１１４を引き抜くと、一対の固定電極１１２ａ、１１２ｂと可動電極１１４との間にアーク１０２が発生する。詳細には、このアーク１０２は、一方の固定電極１１２ａ（または固定電極１１２ｂ）の先端と、可動電極１１４の挿入端１１４ａの外周側（最後に離脱する側）との間に発生する。すなわち、アーク１０２は、固定電極１１２ａ（または固定電極１１２ｂ）よりも細筒部１２８側に突出するアークホーン１２２に近接した位置で発生する。

そのため、図５（ａ１）、（ａ２）に示すように、アーク１０２は迅速且つ確実に固定電極１１２ａからアークホーン１２２へと移行する。アークホーン１２２はタングステンを含んだ合金（耐熱合金）で形成されているので、アークホーン１２２にアーク１０２が移行しても、アークホーン１２２の溶融による金属蒸気の発生を抑制することができる。

なお、アークホーン１２２を針状に形成すれば、その先端にアーク１０２をより移行しやすくすることができる。しかし、アークホーン１２２を針状に形成すると、アーク１０２による溶損を防ぐための耐熱性を確保するのが難しく、アーク１０２による溶損の低減という根本的な目的を果たせなくなるおそれがある。そのため、アークホーン１２２は上記のように棒状に形成すべきであり、アークホーン１２２の太さはアーク１０２の強度（電流）に応じて決定するとよい。

棒状のアークホーン１２２はその先端の表面積が小さいので、アークホーン１２２の先端にアーク１０２の位置が限定される。よって、アーク１０２が様々な位置に移行することはない。アークホーン１２２の先端と可動電極１１４との間のアーク１０２は可動電極１１４を引き抜くほど長くなり、そのアーク１０２が存在する細筒部１２８にはアブレーションにより発生したガスが高い圧力で吹き付けられる（進入する）。これより、図５（ｂ１）、（ｂ２）に示すように、安定的に、迅速且つ確実に、アーク１０２を消弧することが可能となる。

上述した消弧装置１２０によれば、ライフサイクル中、消弧装置を大きくすることなく高いアーク電流遮断性能を維持することができる。なお、この消弧装置１２０では、アークホーン１２２を固定電極収容室１２６に固定する構成としたため、レイアウト上でもある程度の融通をきかせることができる。この消弧装置１２０では、アブレーションする材料で形成される消弧筒１２４によりアーク１０２を消弧する構成を採用し、ＳＦ_６ガスを使用していないので、環境性にも優れたものとなる。また、この消弧装置１２０を、ガス開閉器等の他の開閉器と比べコストがかからない構造である気中開閉器（センサ内蔵自動開閉器１１０）に備えつけることで、コストを抑えつつ高い消弧性能を実現することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、互いが対向して配置される一対の固定電極の間に可動電極を抜き差しすることで発生するアークを消弧する消弧装置、および気中開閉器として利用することができる。

１００…配電線路、１０２…アーク、１０４…変電所、１０８…制御子局、１１０…センサ内蔵自動開閉器、１１２ａ、１１２ｂ…固定電極、１１４…可動電極、１１４ａ…挿入端、１２０…消弧装置、１２２…アークホーン、１２４…消弧筒、１２６…固定電極収容室、１２８…細筒部、１２８ａ…開口部、１３０ａ、１３０ｂ…固定電極用板ばね、１３２…固定電極取付金具、１３４…ボルト、１３６…ナット

Claims (4)

1. 互いが対向して配置される一対の固定電極の間に可動電極を抜き差しすることで発生するアークを消弧する消弧装置であって、
   前記アークによりアブレーションする材料で形成され、前記一対の固定電極を収容する固定電極収容室および該固定電極収容室へと連続する狭まった通路でありその内部を前記可動電極が移動可能な細筒部を備える消弧筒と、
   前記固定電極収容室に収容された棒状の耐熱合金製のアークホーンであって、その根元が固定電極取付金具に固定され、先端が前記一対の固定電極よりも前記細筒部側に突出するアークホーンと、
   を有することを特徴とする消弧装置。
2. 前記棒状のアークホーンが、前記一対の固定電極から前記可動電極を引き抜く際に該可動電極が最後に離脱する側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の消弧装置。
3. 前記棒状のアークホーンが、タングステンを含んだ合金で形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の消弧装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の消弧装置を備えることを特徴とする気中開閉器。

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