JP5835733B2 - 開閉器動作監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力系統や配電系統の電路を開閉する開閉器の、開閉動作状態を監視するための開閉器動作監視装置に関する。

電力系統や配電系統の電路を開閉する開閉器は、さまざまな設備の運用を行う上で非常に重要な機器であり、ひとたび開閉器が動作異常により不要動作や不動作を発生させてしまうと、その影響する範囲は広範囲に亘るため、従来から開閉器動作異常を未然に防ぐ目的で、顧客納入後に定期点検が実施されている。

顧客納入後に実施される開閉器の定期点検では、開閉器を動作させてその動作特性を確認し、異常の有無を判定している。開閉器の開閉時間や開閉動作の速度変化で動作特性の良否を判定している。開閉時間の測定に対し開閉動作の速度変化測定では、ストローク全域の速度変化を確認するので、開閉器状態を判定できる情報が多くなり判定の高度化が図れるが、検出装置の構成が複雑になるという問題があり、この問題に対する対策として、次に示す文献などが報告されている。

例えば、特許文献１には、開閉器のストローク速度変化測定装置として、電磁操作器のケース上部から駆動ロッドに光パルス信号のスポット信号を照射し、その反射信号から操作機構のストローク速度を求め、異常の有無を判定する装置の記載がある。

また、例えば、特許文献２には、操作機構に取り付けられた被検出体の位置を、被検出体との距離に応じてＬＣ発振回路から出力される信号を検出し、位置を検出する装置の記載がある。

特許第４６８５６０９号公報（第４頁ー第６頁、図１−図６） 特開平９−８９９６４号公報（第５頁ー第６頁、図１−図６）

上記特許文献１の構成では、光の反射を用いた検出装置であり、反射面と受光面の汚損により反射光の減衰や散乱が起こるため、検出装置の点検・清掃が必須であり、検出部の点検・清掃が不要な装置が望まれていた。

また、上記特許文献２の構成では、ＬＣ発振回路を具備した位置検出装置を複数台配置する必要がある場合は、複数の測定系からの信号を処理する必要があるため装置セッティングが難しいことと、複数台装置を使用するためのコストの増大が課題であり、駆動軸に凹凸を設けて検出器を１つとした装置では凹凸の高さの差を所定の数値以上にしないと出力の変化を位置情報として検出できないことから、凸分だけ駆動軸を太くする必要があるため、装置の大型化と駆動エネルギーの増大が問題となっていた。

本発明は、上記のような実情に鑑みなされたものであり、点検・清掃が不要で、位置検出を行うために既存の操作機構へ簡単に取り付けることができ、操作機構が大型化しない開閉器動作監視装置を提供することを目的とする。

本発明に係る開閉器動作監視装置は、断面Ｕ字形状で、その底部が開閉器の駆動軸と連結された非磁性体からなる第一可動部と、上記第一可動部の底部と反対側の端部に一端が固定され他端が上記駆動軸の中心軸と同軸の端面を有する磁性体からなる第二可動部とを有し上記駆動軸と連動する可動部と、
上記駆動軸の中心軸と同軸な内側壁面を有する側部と上記中心軸と垂直な天井内壁面を有する天井部とを有する筒形状であり、上記内側壁面に上記第二可動部の他端の端面と対向する面を有し、上記天井内壁面側から下方に向けて所定の間隔で形成された複数の凸部を有し、上記可動部を覆うように配置した磁性体からなるシリンダと、
上記中心軸と同軸の外側面を有する棒状で、上記第一可動部内に挿入される磁性体からなる固定軸と、
上記シリンダ、第二可動部及び固定軸で形成される磁路の途中に配置された磁場発生源と上記磁路における磁束の変化を検出する磁束検出部とを備え、
上記駆動軸と共に上記第二可動部が上記シリンダ内の上記凸部及び上記凸部の間に位置する凹部に沿って移動する時に上記磁路に生じる磁束変化を、上記磁束検出部により検出することで、上記駆動軸の位置検出をするものである。

本発明に係る開閉器動作監視装置によれば、断面Ｕ字形状で、その底部が開閉器の駆動軸と連結された非磁性体からなる第一可動部と、上記第一可動部の底部と反対側の端部に一端が固定され他端が上記駆動軸の中心軸と同軸の端面を有する磁性体からなる第二可動部とを有し上記駆動軸と連動する可動部と、
上記駆動軸の中心軸と同軸な内側壁面を有する側部と上記中心軸と垂直な天井内壁面を有する天井部とを有する筒形状であり、上記内側壁面に上記第二可動部の他端の端面と対向する面を有し、上記天井内壁面側から下方に向けて所定の間隔で形成された複数の凸部を有し、上記可動部を覆うように配置した磁性体からなるシリンダと、
上記中心軸と同軸の外側面を有する棒状で、上記第一可動部内に挿入される磁性体からなる固定軸と、
上記シリンダ、第二可動部及び固定軸で形成される磁路の途中に配置された磁場発生源と上記磁路における磁束の変化を検出する磁束検出部とを備え、
上記駆動軸と共に上記第二可動部が上記シリンダ内の上記凸部及び上記凸部の間に位置する凹部に沿って移動する時に上記磁路に生じる磁束変化を、上記磁束検出部により検出することで、上記駆動軸の位置検出をするので、点検・清掃が不要で、位置検出を行うために既存の操作機構へ簡単に取り付けることができ、操作機構が大型化しない開閉器動作監視装置を提供することができる。

本発明に係る開閉器動作監視装置を適用する開閉器の概略構成を説明するための図である。 本発明に係る開閉器動作監視装置の実施の形態１を示す断面図である。 本発明に係る開閉器動作監視装置の実施の形態１における他の例を示す断面図である。 本発明に係る開閉器動作監視装置の実施の形態１における他の例を示す断面図である。 本発明に係る開閉器動作監視装置の実施の形態１における他の例を示す断面図である。 真空バルブの接点が接触した時点での概略構成を説明するための図である。 真空バルブの閉極完了状態での概略構成を説明するための図である。 閉極完了した状態の開閉器動作監視装置の断面構成を説明するための断面図である。 実施の形態１の開閉器動作監視装置の動作を示す図である。 摩擦異常時の開閉特性曲線である。 開閉器のスイッチ部分である真空バルブに真空不良が発生したときの開閉特性曲線である。 本発明に係る開閉器位置検出装置の実施の形態２を示す断面図である。 本発明に係る開閉器位置検出装置の実施の形態３を示す断面図である。 本発明に係る開閉器位置検出装置の実施の形態４を示す断面図である。

実施の形態１．
図１は、本発明に係る開閉器動作監視装置を適用する開閉器の概略構成を説明するための図である。図１において、開閉器は、固定接点２１ａと可動接点２１ｂが収納された真空バルブ２１、可動接点２１ｂに連結された絶縁ロッド２２、絶縁ロッド２２を加圧するためのワイプバネ２３、一端がワイプバネ２３に接続された駆動軸５を駆動し、ワイプバネ２３及び絶縁ロッド２２を介して固定接点２１ａと可動接点２１ｂとを開閉する開閉器操作機構２４を備えている。この図における開閉器の状態は、接点の開放動作が完了した状態である。また、主回路導体部は省略している。開閉器動作監視装置１は、駆動軸５の動きを測定できるよう、駆動軸５の他端側を覆うように配置している。

図２は、本発明に係る開閉器動作監視装置の実施の形態１を示す断面図である。
図２において、開閉器動作監視装置１は、内壁面４ａと底面４ｂとを有する筒形状で、その底部が開閉器の駆動軸５と連結された非磁性体からなる第一可動部４及び第一可動部４の底部と反対側の端部に一端が固定され他端が駆動軸５の中心軸と同軸な端面を有する磁性体からなる第二可動部３を有する可動部と、駆動軸５の中心軸と同軸な内側壁面２ａを有する側部２ｅと駆動軸５の中心軸と垂直な天井内壁面２ｄを有する天井部２ｆとを有する筒形状であり、内側壁面２ａに天井内壁面２ｄ側から下方に向けて所定間隔で形成された複数の凸部２ｂを有し、可動部を覆うように配置した磁性体からなるシリンダ２と、駆動軸５の中心軸と同軸な外側面６ａを有し、棒状で、第二可動部３に挿入される磁性体からなる固定軸６と、シリンダ２、第二可動部３及び固定軸６で形成される磁路１０の途中に配置された磁場発生源７と磁路１０に生じる磁束の変化を検出する磁束検出部８と、駆動軸５が貫通する孔９ａを有しシリンダ２を開閉器操作機構２４に固定する（図１参照）下蓋９を備え、
駆動軸５と共に第二可動部３がシリンダ２内の凸部２ｂと凸部２ｂの間に位置する凹部２ｃに沿って移動する時に磁路１０に生じる磁束の変化を、磁束検出部８により検出することで、駆動軸５の位置検出をするものである。
図２における開閉器の状態は開放が完了した状態であり、磁路１０は開極位置での磁路である。

なお、第一可動部４は筒形状に限られるものではなく、Ｕ字型部材等、断面がＵ字形状のものであればよい。

図２において、磁場発生源７を起磁力として、シリンダ２の凸部２ｂ、第二可動部３、固定軸６を経由する磁路１０が形成される。このときの磁路１０を通る磁束は、経由する各部の磁気抵抗により大きさが決まる。磁性体で構成された第二可動部３は、第一可動部４を介して駆動軸５と連結されているので、駆動軸５が上下運動すると、第二可動部３も駆動軸５と連動して上下に移動する。このとき、シリンダ２内部に図２に示したような凹凸構造を設けておくことで、第二可動部３が凹部２ｃを通過するときと凸部２ｂを通過するときで磁気抵抗が変化するので、磁気抵抗の変化による磁束の変化を磁束検出部８で検出することにより駆動軸５の位置検出を行う。
磁束検出部８としては、ホール素子やサーチコイルなどの手段がある。

凸部２ｂ及び凹部２ｃと対向する第二可動部３の端面の面積が、凸部２ｂ及び凹部２ｃの面積より大きいと、磁束の変化が出にくくなり位置検出ができなくなることがあるので、図３に示すように、第二可動部３の端面の面積を凸部２ｂ及び凹部２ｃの面積より小さくするのがよい。

また、図４に示すように、凸部２ｂ及び凹部２ｃを鋸歯形状部にすることによって第二可動部３の端面と鋸歯形状部との距離がリニアに変化するので、磁気抵抗もリニアに変化し、第二可動部３の位置の検出精度が向上する。

また、図５に示すように、凸部２ｂ及び凹部２ｃと対向する第二可動部３の端面の形状を山形部にすることによって、第二可動部３の山形部と凸部２ｂ及び凹部２ｃとの距離がリニアに変化するので、磁気抵抗もリニアに変化し、第二可動部３の位置の検出精度が向上する。

図６は、真空バルブの接点が接触した時点での概略構成を説明するための図である。図１の状態から図６の状態への移行に際し、開閉器操作機構２４で生成した力により駆動軸５が図の中で左方向に移動すると、ワイプバネ２３を介して絶縁ロッド２２に力が加えられ、真空バルブ２１の可動接点２１ｂが左方向に移動し、固定接点２１ａに可動接点２１ｂが接触した状態となる。

図７は、真空バルブの閉極完了状態での概略構成を説明するための図である。真空バルブ２１の可動接点２１ｂは、主回路に電流が流れることで生じる電磁反発に打ち勝つ力で押さえて保持する必要があるので、図７に示すように、可動接点２１ｂが固定接点２１ａに接した後、さらにワイプバネ２３を所定の距離押し込む。

図８は、閉極完了した状態の開閉器動作監視装置の断面構成を説明するための断面図である。図２に示した状態から、駆動軸５が閉極操作により下方向へ移動すると、駆動軸５と連動して第二可動部３と第一可動部４も下方に移動する。これにより開閉器の閉極が完了し、図８に示すように、閉極位置での磁路１１が構成される。

図９は、本実施の形態１の開閉器動作監視装置の動作を示す図である。図９の左に示す図はシリンダ２内側壁面の凸部２ｂと凹部２ｃと第二可動部３の部分に特化して拡大して示した図であり、右に示す図は第二可動部３が矢印に示したようにシリンダ２の内側壁面２ａの凸部２ｂ及び凹部２ｃに沿って移動するときの磁気抵抗の変化を示した図である。第二可動部３が下に移動しているときを例にとり、以下にその動作を説明する。

第二可動部３がシリンダ２の凸部２ｂ上側に接近するにしたがって、第二可動部３と凸部２ｂの上端との空間距離が短くなるため、右図に示すように磁気抵抗が小さくなる。さらに第二可動部３が下方へ下がると凸部２ｂに重なり、第二可動部３と凸部２ｂとの対向する面積が変化しない領域では右図に示すように磁気抵抗がほぼ一定となる領域になる。さらに第二可動部３が下方へ下がると、第二可動部３は凸部２ｂの上端から離れていくので、第二可動部３と凸部２ｂの上端との空間距離が長くなり、右図に示すように磁気抵抗が大きくなる。このような、磁束の変化に着目して駆動軸５の速度変化を磁束変化に置き換えて磁束検出部８で駆動軸５の位置検出を行う。

このように、駆動軸５の位置検出を行うことができると、操作指令からの時間経過に対応した駆動軸５の位置検出を行うことができるので、開閉器操作機構２４の動作特性監視が可能になる。この開閉動作毎に検出した位置情報を基にして、正常状態との比較で所定の変化量が検出されたときに不具合の判定をすることができ、また、運用開始してからの開閉操作時に検出した動作特性結果の推移から、将来の動作特性を推定することで余寿命予測につなげることができる。

また、開閉器の動作監視を行うことで、操作機構摺動部の摩擦力増大による開閉特性の変化や、真空バルブ２１の真空度低下を検出することができるようになる。

図１０は、摩擦異常時の開閉特性曲線である。開閉器操作機構２４の駆動軸５が摺動する部分や軸受け部などの摩擦力が増大し摩擦異常が発生すると、開極動作、閉極動作共に遅くなる。横軸を時間、縦軸を開閉器操作機構２４の駆動軸５の位置とする。正常時は実線で示した動作特性になる。摩擦異常が発生すると、開極、閉極とも指令後の動き出すタイミングが遅くなり、開極速度、閉極速度共に正常時に比べると遅くなる。

図１１は、開閉器のスイッチ部分である真空バルブに真空不良が発生したときの開閉特性曲線である。真空不良が発生したときの動作特性について説明する。真空不良が発生すると真空バルブ２１の自閉力を喪失することになる。これは正常時に閉極方向へ働いていた力が無くなるのと同等なので、開極動作は速くなり、閉極動作は遅くなる。図８に示したように、閉極位置にある開閉器に切指令を与えると、破線に示すように動き始めのタイミングが早くなり、開極速度は正常時に比べると負荷が減少したのと同じであるので早くなる。それに対し、開極位置からの閉極動作については、閉極指令後の動き出しは正常時よりも遅くなり、閉極速度も正常時に比べると遅くなる。

このように、開閉特性を監視することで、故障部位の特定につなげることができるので、故障発生後や異常検出後に適切で迅速な対応を取ることができ、被害拡大を最小限に抑えることができるようになる。

本実施の形態１によれば、シリンダ２が可動部を密閉する構造であるで、シリンダ２内部の構成部品が汚損されることがなく点検・清掃が不要になり、駆動軸５への接続も容易な開閉器動作監視装置が得られる。

また、駆動軸５の移動距離は真空バルブ２１の固定接点２１ａと可動接点２１ｂの極間距離とワイプバネ２３の縮み代を足し合わせたものとなり、駆動軸５への締結部品である第二可動部３と第一可動部４の大きさは、駆動軸５の移動距離と同程度の大きさの部品となるので、開閉器操作機構２４の大型化を招かない開閉器動作監視装置が得られる。

実施の形態２．
図１２は、本発明に係る開閉器位置検出装置の実施の形態２を示す断面図である。図１２において、上記実施の形態１と同一符号は同一部分または相当部分を示す。図１２に示したように、本実施の形態２では、シリンダ２を凸部２ｂ、凹部２ｃ及びその他の部分２ｇ，２ｈに分割して個別の部品を形成し、各部品をつなぎ合わせた構造とする。

本実施の形態２によれば、シリンダ２を単純構造の部品に分割することによって、シリンダ２の製作が容易に行え、また、加工機の制約を受け難いものとすることができる。

実施の形態３．
図１３は、本発明に係る開閉器位置検出装置の実施の形態３を示す断面図である。図１３において、上記実施の形態１と同一符号は同一部分または相当部分を示す。図１３に示したように、本実施の形態３では、固定軸６を凹凸構造としたものである。固定軸６にシリンダ２の凸部２ｂ及び凹部２ｃと一致する位置に凸部６ｂ及び凹部６ｃが位置するように構成している。

本実施の形態３によれば、磁気抵抗の変化をより大きくすることができる。

実施の形態４．
図１４は、本発明に係る開閉器位置検出装置の実施の形態４を示す断面図である。図１４において、上記実施の形態１及び３と同一符号は同一部分または相当部分を示す。図１４に示したように、本実施の形態４では、固定軸６を凸部６ｂと凹部６ｃに分割して部品を形成し、各部品をつなぎ合わせた構造とする。

本実施の形態４によれば、凹凸構造の固定軸６を単純構造の部品に分割することによって、固定軸６の製作が容易に行え、また、加工機の制約を受け難いものとすることができる。

なお、上記実施の形態１ないし４において、シリンダ２、固定軸６及び第二可動部３の材料として、磁性鋼板を積層して使用することによって渦電流損を減らすことができる。

また、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

本発明に係る開閉器位置検出装置は、電力系統や配電系統の電路を開閉する開閉器の動作監視に有効に利用することができる。

１ 開閉器動作監視装置、２ シリンダ、２ａ 内側壁面、２ｂ，６ｂ 凸部、
２ｃ，６ｃ 凹部、２ｄ 天井内壁面、２ｅ 側部、２ｆ 天井部、
２ｇ，２ｈ その他の部分、３ 第二可動部、４ 第一可動部、４ａ 内壁面、
４ｂ 底面、５ 駆動軸、６ 固定軸、６ａ 外側面、７ 磁場発生源、
８ 磁束検出部、９ 下蓋、１０，１１ 磁路、２１ 真空バルブ、２１ａ 固定接点、２１ｂ 可動接点、２２ 絶縁ロッド、２３ ワイプバネ、２４ 開閉器操作機構。

Claims (5)

1. 断面Ｕ字形状で、その底部が開閉器の駆動軸と連結された非磁性体からなる第一可動部と、上記第一可動部の底部と反対側の端部に一端が固定され他端が上記駆動軸の中心軸と同軸の端面を有する磁性体からなる第二可動部とを有し上記駆動軸と連動する可動部と、
   上記駆動軸の中心軸と同軸な内側壁面を有する側部と上記中心軸と垂直な天井内壁面を有する天井部とを有する筒形状であり、上記内側壁面に上記第二可動部の他端の端面と対向する面を有し、上記天井内壁面側から下方に向けて所定の間隔で形成された複数の凸部を有し、上記可動部を覆うように配置した磁性体からなるシリンダと、
   上記中心軸と同軸の外側面を有する棒状で、上記第一可動部内に挿入される磁性体からなる固定軸と、
   上記シリンダ、第二可動部及び固定軸で形成される磁路の途中に配置された磁場発生源と上記磁路における磁束の変化を検出する磁束検出部とを備え、
   上記駆動軸と共に上記第二可動部が上記シリンダ内の上記凸部及び上記凸部の間に位置する凹部に沿って移動する時に上記磁路に生じる磁束変化を、上記磁束検出部により検出することで、上記駆動軸の位置検出をすることを特徴とする開閉器動作監視装置。
2. 上記シリンダは、上記凸部と上記凹部と上記凸部及び凹部を除くその他の部分とを個別に形成した部品を積み重ねて固定し形成されたことを特徴とする請求項１に記載の開閉器動作監視装置。
3. 上記シリンダ、固定軸及び第二可動部は、上記磁性体である磁性鋼板で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の開閉器動作監視装置。
4. 上記固定軸の外側面に上記シリンダの凸部及び凹部に対向する凸部及び凹部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の開閉器動作監視装置。
5. 上記固定軸は、上記凸部と上記凹部とを個別に形成した部品を積み重ねて固定し形成されたことを特徴とする請求項４に記載の開閉器動作監視装置。

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