JP6214675B2

JP6214675B2 - 開閉装置

Info

Publication number: JP6214675B2
Application number: JP2015554583A
Authority: JP
Inventors: 和希高橋; 智子田辺; 涼上前
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2014-05-21
Publication date: 2017-10-18
Anticipated expiration: 2034-05-21
Also published as: WO2015098145A1; JPWO2015098145A1

Description

本発明は開閉装置に関し、特に電磁操作装置を用いた開閉装置に関する。

従来より、電力系統には、負荷側で短絡事故が発生した場合に短絡電流を遮断して電力系統に付随する機器などを保護するための開閉装置が設けられている。開閉装置には、開閉動作を電磁力によって行う電磁操作装置を備えたものがあり、たとえば電磁操作式真空遮断器が知られている。

電磁操作式真空遮断器は、たとえば主回路電流を開閉する真空バルブと、それを駆動させる電磁操作装置と、開極速度を増加させる開放ばねと、開極速度を増加させ、かつ短絡事故時に発生する接点間の電磁反発力を抑えるための接圧ばねと、電磁操作装置と真空バルブを連結する絶縁ロッドおよび連結棒とから構成されている。電磁操作装置を用いた開閉装置は、短絡事故などにより過電流が流れた場合、電磁操作装置により真空バルブの接点を開極し、過電流を遮断する性能が求められている。電磁操作装置は、過電流を検知したら直ちに開極動作を実施する必要がある。

電磁操作式真空遮断器の開極動作は上述のように電磁力とばね力を用いるが、真空バルブを閉じている状態（接点が接触している状態、いわゆる投入状態）が保持される機構に応じて以下の方法が知られている。

たとえば、投入状態が電磁操作装置における永久磁石の磁力のみにより保持される機構を備える開閉装置の場合には、開極コイル（駆動用コイル）に通電して永久磁石の磁束に起因した力を打ち消すことにより、開極動作する。

また、特開２００２−３４３２００号公報に記載の遮断器は、投入状態が接圧投入ばねの復元力で保持されている機構を備えており、電磁反発力と永久磁石により開極動作を行ことが記載されている。電磁反発力は、電磁反発コイルに通電することで発生される。

特開２００２−３４３２００号公報

しかしながら、投入状態が永久磁石の磁力のみにより保持されている機構を備える開閉装置の場合には、事故検知から開極動作が完了するまでの時間は開閉装置ごとにばらつきが生じるという問題がある。具体的には、たとえば永久磁石の性能は一般に個体差を有しており、また、各部材は寸法公差を有しているため、永久磁石のみで保持力を発生させる場合には該保持力（磁力）を開極コイルで打ち消すために必要な通電量が異なることになる。また、永久磁石の性能は温度特性を有しており、開極コイルの抵抗値も温度によって変動するため、永久磁石のみによる保持力を打ち消すために必要な開極コイルの通電量も環境温度に応じて変化することになる。この結果、該保持力を打ち消すまでの時間は、開閉装置間でばらつき（個体差）が生じたり、あるいは同一開閉装置においても環境温度の変動によりばらつきが生じることがある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものである。本発明の主たる目的は、事故検知から開極動作が完了するまでの時間に装置間でのばらつきが生じることを抑制することかつ開極時間を高速化できる開閉装置を提供することにある。

本発明に係る開閉装置は、固定電極と、固定電極に対して対向するように設けられている可動電極とが接触および乖離することにより、投入状態および開極状態とを切り替える開閉装置であって、固定子と、可動電極と連結されており、かつ、固定電極と可動電極とが対向する方向に沿って移動可能に設けられている可動子と、当該対向する方向において固定子と可動子との対向面に設けられている永久磁石と、通電されることにより、可動子に対し駆動方向に沿った電磁力を与えることができる駆動用コイルと、通電されることによって固定子および可動子に磁束を生じさせて、永久磁石起因の磁束で可動子の保持力に付与しない経路を通る磁束を、可動子に保持力を付与する経路に変更することができるように設けられている保持アシスト用コイルとを備え、投入状態において、永久磁石が発生される磁束と、通電されている保持アシスト用コイルとが発生させる磁束により可動子が保持されている。

本発明によれば、事故検知から開極動作が完了するまでの時間に装置間でのばらつきが生じることを抑制することかつ開極時間を高速化できる開閉装置を提供することができる。

実施の形態１に係る開閉装置の投入状態を示す断面図である。実施の形態１に係る開閉装置の開極状態を示す断面図である。実施の形態１に係る開閉装置の接点タッチ時を示す断面図である。実施の形態１に係る開閉装置の電磁操作装置を説明するための図である。実施の形態１に係る開閉装置の電磁操作装置を説明するための図である。実施の形態１に係る開閉装置の電磁操作装置において、投入状態における磁束の経路を説明するための断面図である。実施の形態１に係る開閉装置の電磁操作装置において、永久磁石に起因する磁束の経路を説明するための断面図である。実施の形態１に係る開閉装置の開極動作を説明するためのグラフである。実施の形態１に係る開閉装置の開極動作を説明するためのフローチャートである。実施の形態１に係る開閉装置の保持力変動を説明するためのグラフである。実施の形態２に係る開閉装置の電磁操作装置を説明するための断面図である。実施の形態２に係る開閉装置の電磁操作装置において、投入状態における磁束の経路を説明するための断面図である。実施の形態２に係る開閉装置の電磁操作装置において、開極位置において投入動作時の磁束の経路を説明するための断面図である。実施の形態３に係る開閉装置の電磁操作装置を説明するための断面図である。実施の形態３に係る開閉装置の電磁操作装置を説明するための図である。実施の形態３に係る開閉装置の開極動作を説明するためのグラフである。実施の形態３に係る開閉装置の開極動作を説明するためのグラフである。実施の形態３に係る開閉装置の開極動作を説明するためのグラフである。実施の形態３に係る開閉装置の開極動作を説明するためのフローチャートである。実施の形態３に係る開閉装置の開極動作の変形例を説明するためのフローチャートである。実施の形態３に係る開閉装置の開極動作を説明するためのグラフである。実施の形態３に係る開閉装置の開極動作を説明するためのグラフである。実施の形態３に係る開閉装置の開極動作の他の変形例を説明するためのフローチャートである。実施の形態４に係る開閉装置の電磁操作装置を説明するための斜視図である。実施の形態４に係る開閉装置の電磁操作装置を説明するための側面図である。実施の形態４に係る開閉装置の電磁操作装置において、永久磁石に起因する磁束の経路を説明するための側面図である。実施の形態４に係る開閉装置の電磁操作装置において、投入状態における磁束の経路を説明するための断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
まず、図１〜図３を参照して、本実施の形態に係る開閉装置１００の構成について説明する。本実施の形態に係る開閉装置１００は、電磁操作装置２００により真空容器１内に設けられた接点の開閉動作（固定電極２と可動電極３の間の接離動作）を行う、いわゆる電磁操作式真空遮断器である。具体的には、開閉装置１００は、内部が真空となっている真空容器１を備え、真空容器１中には、固定電極２と、この固定電極２に対して接触および乖離可能に設けられている可動電極３とが収容されている（以下、固定電極２と可動電極３とが接触している状態を投入状態という。また、固定電極２と可動電極３とが対向する方向を開閉装置１００の軸方向という）。可動電極３は、固定電極２に対し、投入状態において接触することができ、また、開極状態において所定の間隔Ｌ（図２参照）を空けることができるように設けられている（以下、固定電極２と可動電極３とが間隔Ｌだけ乖離している状態を開極状態という）。真空容器１は、圧力容器４内に収納されている。固定電極２は、真空容器１内において可動電極３と接触する接触部を一方端とし、他方端が真空容器１および圧力容器４に対して固定されている。

可動電極３は絶縁ロッド５、接圧ばね受け６、接圧ばね７を介して電磁操作装置２００の連結棒８に連結されている。接圧ばね受け６は、絶縁ロッド５を介して可動電極３と接続されている。接圧ばね７は、その一方端が接圧ばね受け６に固定され、他方端が連結棒８に固定されている。接圧ばね７は、たとえばコイルばねとして構成されている。

さらに連結棒８の先には（可動電極３側とは反対側に位置する端部には）開放ばね受け９と、開放ばね１０と、可動子１１とが設けられている。開放ばね１０の一方端は開放ばね受け９に接続されている。開放ばね１０の他方端は、固定板２５と連結されている。固定板２５は、固定子１２と任意の手段で接続されて固定されており、開閉装置１００の開閉動作において固定板２５は動作せずに開放ばね受け９が動作し、開放ばね受けの動作に応じて開放ばね１０が伸縮する。開放ばね１０は、たとえばコイルばねとして構成されている。

可動子１１は、連結棒８に固定されている。可動子１１を構成する材料は、たとえば金属磁性体である。可動子１１は、可動子中央部１１ａと、開閉装置１００の軸方向において固定電極２に対して離れる方向（以下、開極方向という）において可動子中央部１１ａから当該軸方向に対して垂直な方向に伸びるように形成されている可動子側方部１１ｂとを有している。上記軸方向において、接圧ばね７と可動子１１と間には固定子１２が設けられている。固定子１２は、圧力容器４と接続され固定されている。また、上述のように、開放ばね受け９と可動子１１の間には固定板２５が設けられており、固定板２５は固定子１２と接続され固定されている。

つまり、可動電極３、絶縁ロッド５、接圧ばね受け６、接圧ばね７、連結棒８、開放ばね受け９、開放ばね１０、および可動子１１（以下、これらを総称して可動ユニットともいう）は、開閉装置１００の軸方向において、圧力容器４、固定子１２および固定板２５に対して相対的に、かつ一体として可動する構造となっている。

固定子１２は開閉装置１００の軸方向に垂直に形成されている領域（内壁１２ａ）を有し、当該内壁１２ａには連結棒８を通す穴が形成されている。内壁１２ａは、投入状態において連結棒８と接続されている可動子１１の可動子中央部１１ａと接触するように設けられている。さらに固定子１２は、当該内壁１２ａから開極方向に突出しているとともに、内壁１２ａおよび可動子１１の可動子側方部１１ｂと対向するように設けられている突出部１２ｂを有している。内壁１２ａと突出部１２ｂとで規定される固定子１２の内部は、可動子１１を収納可能に設けられている。また、固定子１２の当該内部には、保持アシスト用コイル１３および駆動用コイル１５が配置されている。

固定子１２を構成する材料は、たとえば金属磁性体である。固定子１２の内壁１２ａは、投入状態において可動子中央部１１ａの真空容器１側に位置する端部と接触するように設けられている。一方、固定子１２の突出部１２ｂは、可動子１１の可動子側方部１１ｂと接触しないように設けられている。

固定子１２において可動子１１の可動子側方部１１ｂと対向する面には、永久磁石１４が配置されている。当該対向する面において、永久磁石１４は、固定子１２に設けられている突出部１２ｂと同一平面を形成するように設けられているが、これは同一平面でなくともよい。

永久磁石１４が形成する磁束には、可動子１１に対し投入方向の力を付与しない経路を通る磁束（図７のＲ４参照）が含まれている。保持アシスト用コイル１３は、このような可動子１１に当該力を付与しない経路の磁束（図７のＲ４参照）を、当該力を可動子１１に付与する経路（図６のＲ２参照）に変更可能に設けられている。なお、詳細は後述する。

保持アシスト用コイル１３および駆動用コイル１５は、開閉装置１００の軸方向に沿った方向において、それぞれ可動子１１に対して電磁力を付与することができるように設けられている。保持アシスト用コイル１３は駆動用コイル１５よりも真空容器１側に設けられている。なお、保持アシスト用コイル１３と駆動用コイル１５との位置関係は、これに限られず、たとえば駆動用コイル１５が保持アシスト用コイル１３よりも真空容器１側に設けられていてもよい。なお、保持アシスト用コイル１３の電源はＤＣ電源であって出力電圧が１００Ｖ以上２００Ｖ以下程度であってもよい。ただし、保持アシスト用コイル１３のＤＣ電源の出力電圧が２００Ｖ以上であっても、本実施の形態に係る開閉装置１００と同様の作用効果を奏することができる。

永久磁石１４により可動子１１に付与される保持力は、後述する投入状態における接圧ばね７のばね荷重と開放ばね１０のばね荷重との合計値よりも小さい。つまり、永久磁石１４単体では投入状態を保持できない。一方で、保持アシスト用コイル１３および永久磁石１４は、保持アシスト用コイル１３を通電させたときに、投入状態における接圧ばね７および開放ばね１０の各ばね荷重の合計値以上の力を可動子１１に付与可能に設けられている。保持アシスト用コイル１３および駆動用コイル１５は、投入状態において可動子１１の可動子中央部１１ａの周囲を囲うように設けられている。

図１〜図３は開閉装置１００が単相の場合を示しているが、３相の場合は３つの真空容器１が所定の間隔を設けて並列に配列する。

図４を参照して、駆動用コイル１５は、駆動用操作基板１６と接続されている。駆動用操作基板１６には投入用コンデンサ１７が接続されている。図５を参照して、保持アシスト用コイル１３は、通電されたときに可動子中央部１１ａおよび固定子１２において永久磁石１４よりも下部に位置する領域内に磁束が生じるように設けられている。保持アシスト用コイル１３は、電源１８と、スイッチ１９と、可変抵抗２０とが直列に配置された保持用操作基板と接続されている。

次に、図１〜図８を参照して、本実施の形態に係る開閉装置１００の動作について説明する。

まず、図１には、投入状態にある開閉装置１００を示す。投入状態においては、真空容器１内において固定電極２と可動電極３とが接触しており、かつ、可動子１１の可動子中央部１１ａの端部が、それぞれ固定子１２の内壁１２ａに接触している。このとき、接圧ばね７は圧縮して固定電極２に可動電極３を押し付ける荷重を発生させている。また、開放ばね１０は開放ばね受け９によって押し付けられて圧縮している。つまり、投入状態において、可動子１１には、接圧ばね７のばね荷重と開放ばね１０のばね荷重とが加えられている。このとき、これらの荷重は、開極方向に可動子１１を動かすように作用している。言い換えると、投入状態における可動子１１には、開極方向に上記荷重相当の力が常に印加されている。

一方で、可動子１１には投入状態を保持するための力が付与されている。保持力は、保持アシスト用コイル１３と永久磁石１４とが可動子１１および固定子１２において生じさせる磁束により、可動子１１に対して投入方向に付与されているものである。具体的には、図５を参照して、投入状態では保持用操作基板におけるスイッチ１９は閉じており、保持アシスト用コイル１３が通電されている。このとき、図６を参照して、保持アシスト用コイル１３は、可動子１１に対して保持力を付与するように通電されている。つまり、可動子１１および固定子１２には保持アシスト用コイル１３に起因した磁束と永久磁石１４に起因した磁束が生じており、これらの磁束により可動子１１は上記保持力を受けて固定子１２と当接した状態を維持している。言い換えると、保持アシスト用コイル１３と永久磁石１４とは、投入状態における接圧ばね７のばね荷重と開放ばね１０のばね荷重との合計値以上の力を可動子１１に付与している。

図６を参照して、投入状態において可動子１１および固定子１２内に形成される磁束は、主に３つの経路を有しており、１つ目の経路（Ｒ１）は永久磁石１４から可動子１１の可動子側方部１１ｂおよび固定子１２の突出部１２ｂを経て永久磁石１４に戻るループである。２つ目の経路（Ｒ２）は永久磁石１４から可動子１１の可動子中央部１１ａを通り、固定子１２において保持アシスト用コイル１３および駆動用コイル１５の囲う領域を通って永久磁石１４に戻るループである。３つ目の経路（Ｒ３）は、可動子１１の可動子中央部１１ａを通って固定子１２において保持アシスト用コイル１３および駆動用コイル１５を囲う領域を通るループであり、可動子１１の可動子側方部１１ｂを通らず、永久磁石１４と駆動用コイル１５との間に位置する固定子１２を通るループである。

ここで、保持アシスト用コイル１３に起因した磁束と永久磁石１４に起因した磁束について説明する。図７を参照して、保持アシスト用コイル１３が通電されていない状態において、永久磁石１４に起因する磁束には、上述した経路Ｒ１および経路Ｒ２の他に経路Ｒ１に対して対称的に形成される経路Ｒ４が含まれている。経路Ｒ４は、永久磁石１４から可動子１１の可動子側方部１１ｂと可動子中央部１１ａを通り、固定子１２を経て永久磁石１４に戻るループである。この場合、経路Ｒ１および経路Ｒ２の磁束は可動子１１に対して保持力を与えることができるが、経路Ｒ４の磁束は、開閉装置１００の軸方向に対して垂直方向に通過するため、可動子１１に対して保持力を付与しない。そのため、永久磁石１４が形成する磁束において、経路Ｒ４の磁束は有効に利用することができない。

これに対し、図６を参照して、保持アシスト用コイル１３は、通電されることにより、永久磁石１４が形成する経路Ｒ４の磁束と反対方向に伸びる経路Ｒ３の磁束を形成することができるように設けられている。具体的には、保持アシスト用コイル１３は、保持アシスト用コイル１３と永久磁石１４との間に形成されている固定子１２において、永久磁石１４が形成する経路Ｒ４の磁束の方向と反対の方向に伸びる経路Ｒ３を形成することができるように設けられている。つまり、投入状態において、可動子１１、固定子１２、および保持アシスト用コイル１３は、保持アシスト用コイル１３に通電しているときに生じる磁束経路を可動子１１および固定子１２内に形成可能に設けられている。この結果、可動子１１に対して保持力に寄与しない経路Ｒ４に永久磁石１４起因の磁束は流れなくなり、永久磁石１４に起因した磁束は全て可動子１１に対する保持力に寄与することができる経路Ｒ１または経路Ｒ２を通るように変更することができる。これにより、可動子１１に対してより強い保持力を付与することができる。または、永久磁石１４を小型化することもできる。

図２に開極状態にある開閉装置１００を示している。本実施の形態において、開極状態は、投入状態にある開閉装置１００の保持アシスト用コイル１３の通電を停止することにより実現される。具体的には、保持アシスト用コイル１３の通電を停止することにより、可動子１１および固定子１２内に形成されている磁束は図７に示す状態となる。この結果、可動子１１に付与される保持力は投入状態における接圧ばね７のばね荷重と開放ばね１０のばね荷重との合計値よりも小さくなり、投入状態を保持できない。これにより、可動子１１は開極方向に移動する。具体的には、接圧ばね７は、圧縮されていたときに貯えていた力を開放するように可動子１１を開極方向に押しながら伸長して、接圧ばね７がその構造上規定された最大長まで伸長する。また、開放ばね１０は、荷重を開放するように開極方向に開放ばね受け９を押しながら伸長する。接圧ばね７が最大長まで伸長した後には、可動ユニット全体が開極方向に移動する。可動ユニットは、可動子１１が固定板２５と当接するまで移動し、これらが当接したときに、固定電極２と可動電極３とが間隔Ｌだけ離れた開極状態に至る。開極状態において可動子中央部１１ａと固定子内壁１２ａとは、間隔Ｌと距離ｌとの和である間隔Ｌ＋ｌだけ乖離している。距離ｌが接圧ばね７の圧縮量に相当する。

図８は、開極動作時における可動子１１に対する保持力と、可動子１１の移動距離（ストローク）の時間変化を示したグラフである。図８の第１の縦軸は可動子１１に付与される保持力を示し、第２の縦軸は可動子１１のストロークについて投入状態を基準（原点）として示している。横軸は短絡事故等を検知してからの時間の経過を示す。図８では、グラフＧ１が保持力を示し、グラフＧ２がストロークを示す。短絡事故等を検知すると開極動作を指示する信号が図５に示すスイッチ１９に送られ、スイッチ１９が開く。スイッチ１９が開くまでは、グラフＧ１が示すように、可動子１１には投入状態における接圧ばね７のばね荷重と開放ばね１０のばね荷重との合計値Ｂ以上である保持力Ａが付与されている。スイッチ１９が開くと、保持アシスト用コイル１３の通電が停止されるため、可動子１１に付与される保持力は瞬時に保持力Ａから保持力Ｃに低減する。これにより、可動子１１は、グラフＧ２が示すように、スイッチ１９が開くと瞬時に接圧ばね７および開放ばね１０の荷重が開放されることにより開極方向に動き出す。

また、可動子１１が永久磁石１４から与えられる保持力は、可動子１１と固定子１２との間隔が拡がるにつれて（ストロークが長くなるにつれて）低下する。そのため、保持アシスト用コイル１３の通電が停止されてから短時間で固定電極２と可動電極３とが所定の間隔Ｌだけ離れるまで移動することができ、図２に示す開極状態に至ることができる。

図９に、開閉装置１００が開極状態に至るまでのフローチャートを示す。図９に示すように、短絡事故が発生しこれを検知した後に保持アシスト用コイル１３への通電を停止することにより、可動子１１に付与される保持力が接圧ばね７のばね荷重と開放ばね１０のばね荷重との合計値Ｂ未満となるため、可動子１１が動作を開始して開極完了に至る。

開極状態から再び投入状態とするには、駆動用コイル１５を用いて投入動作を実施する。具体的には、可動子１１の可動子中央部１１ａおよび連結棒８に対して投入方向に電磁力を付与することができるように駆動用コイル１５に所定の電流量を通電させる。これにより可動子１１および連結棒８を投入方向に移動させることができる。可動子１１および連結棒８が投入方向に移動すると、接圧ばね７および開放ばね１０は蓄勢される。

図３を参照して、固定電極２と可動電極３とが接触したときには、可動子１１と固定子１２とは距離ｌだけ離れている。そこから可動子１１は、可動子中央部１１ａが固定子１２の内壁１２ａと当接するまで投入方向に距離ｌだけ移動することにより、接圧ばね７は蓄勢される。図３に示すように、可動子中央部１１ａと固定子１２の内壁１２ａとが当接した後には、保持アシスト用コイル１３を通電させるとともに、駆動用コイル１５の通電を停止すればよい。これにより、投入状態において可動電極３には投入方向への荷重が常に付与されていることになる。なお、保持アシスト用コイル１３を通電させるタイミングは、駆動用コイル１５により投入状態が形成された後に限られるものではなく、投入状態の直前であってもよい。

以上のように、本実施の形態に係る開閉装置１００において、保持アシスト用コイル１３は、可動子１１および固定子１２内に生じる磁束の経路を変更することができるように設けられている。具体的には、永久磁石１４に起因する磁束のうち、投入状態を保持する力を可動子１１に付与しない経路Ｒ４を通る磁束を、保持力を可動子１１に付与する経路１および経路Ｒ２に変更することができるように設けられている。そのため、永久磁石１４に起因する磁束を高効率で利用でき、永久磁石１４の小型化を実現することができる。

さらに、本実施の形態に係る開閉装置１００は、保持アシスト用コイル１３に起因した磁束と永久磁石１４に起因した磁束とにより、可動子１１に対して投入状態を保持可能とする十分な保持力を付与することできるように設けられている。言い換えれば、開閉装置１００は、永久磁石１４に起因した磁束のみ（磁力のみ）では、可動子１１に対して投入状態を保持可能とする十分な保持力を付与することができないように設けられている。そのため、開極動作を保持アシスト用コイル１３の通電を停止することにより瞬時に開始することができ、さらに可動ユニットの開極動作を妨げる部材（たとえば開極動作によって蓄勢されるようなばね部材）等を備えていないため、短時間で開極状態に到達することができる。これに対し、投入状態が永久磁石の磁力のみにより保持されている機構を備える従来の開閉装置では、永久磁石の磁束に起因した力（磁力）を駆動用コイルにより励磁された磁束により打ち消すまで開極動作が開始されない。そのため、永久磁石の磁束に起因した力（磁力）を打ち消すために要する時間の分だけ開極動作が遅くなるという問題があった。本実施の形態に係る開閉装置１００は、上述のように開極動作を保持アシスト用コイル１３の通電を停止することにより瞬時に開始することができ、さらに可動ユニットの開極動作を妨げる部材（たとえば開極動作によって蓄勢されるようなばね部材）等を備えていないため、所定の接点間隔に達するまでの開極動作を高速に実施することができる。

さらに、本実施の形態に係る開閉装置１００において、事故検知から可動子１１が動き出すまでの時間は事故検知から保持アシスト用コイル１３の通電を停止するまでの時間とすることができるため、当該時間のばらつきを抑制することができる。具体的には、たとえば永久磁石１４の性能は一般に個体差を有しており、また、各部材は寸法公差を有しているため、永久磁石１４のみで保持力を発生させる場合にはこれらの要因によって可動子１１に対する保持力も変動する。さらにこの場合、永久磁石１４は温度特性を有するため、環境温度の変化によっても該保持力（磁力）は変動する。そのため、磁力を打ち消して可動子１１が動き出すまでの時間は、開閉装置間でばらつきが生じたり、あるいは同一開閉装置においても環境温度の変動によりばらつきが生じることがある。

図１０を参照して、これに対して本実施の形態に係る開閉装置１００は、永久磁石１４による保持力ＣがたとえばＣ１以上Ｃ２以下の範囲で変動しても、これらが接圧ばね７のばね荷重と開放ばね１０のばね荷重との合計値Ｂ未満である限りにおいて、保持アシスト用コイル１３を通電することにより保持アシスト用コイル１３と永久磁石１４とにより可動子１１に付与される保持力Ａを上記合計値Ｂ以上とすることができる。この場合、たとえば保持アシスト用コイル１３の通電量を一定とすれば保持力ＡはＡ１以上Ａ２以下の範囲で変動するが、保持アシスト用コイル１３の通電を停止することにより、可動子１１に付与される保持力を上記合計値Ｂ未満のＣ１以上Ｃ２以下に瞬時に低減させることができる。このため、永久磁石１４の保持力Ｃにばらつきが生じている場合であっても、可動子１１の動き出すまでの時間が変動することを抑制することができる。また、可変抵抗２０の抵抗値を制御して保持アシスト用コイル１３の通電電流値を制御することにより、保持力Ｃの変動分を吸収して可動子１１に対して一定の保持力Ａを付与することもできる。なお、図１０の縦軸は可動子１１に付与される保持力を示し、横軸は短絡事故等を検知してからの時間の経過を示している。

（実施の形態２）
次に、図１１〜図１３を参照して、実施の形態２に係る開閉装置１００について説明する。実施の形態２に係る開閉装置１００は、基本的には実施の形態１に係る開閉装置と同様の構成を備えるが、開閉装置１００の軸方向において、保持アシスト用コイル１３と駆動用コイル１５との間を隔てる固定子隔壁部１２ｃが形成されている点で異なる。言い換えれば、実施の形態２における保持アシスト用コイル１３は開閉装置１００の軸方向において固定子１２と固定子隔壁部１２ｃとで挟まれるように配置されており、また、駆動用コイル１５は固定子隔壁部１２ｃと固定子１２とで挟まれるように配置されている。

実施の形態２に係る開閉装置１００には、投入状態において図１２に示すような磁束が形成される。具体的には、実施の形態１に係る開閉装置１００と同様に、経路Ｒ１、経路Ｒ２および経路Ｒ３を通る磁束が形成されているが、さらに経路Ｒ５を通る磁束が形成されている。経路Ｒ５は、可動子１１の可動子中央部１１ａと、開閉装置１００の軸方向において保持アシスト用コイル１３を挟むように配置されている固定子１２および固定子隔壁部１２ｃと、該軸方向に垂直な方向において保持アシスト用コイル１３を挟んで可動子中央部１１ａと対向する領域に位置する固定子１２とを通るように形成されている。この場合においても、経路Ｒ３の磁束は、永久磁石１４に起因した磁束であって、上記軸方向に垂直な方向において経路Ｒ１と線対称に生じる経路Ｒ４（図７参照）の磁束に起因した力を打ち消すことができ、かつ、可動子１１に対して保持力を付与することができる。よって、実施の形態２に係る開閉装置１００は、実施の形態１に係る開閉装置１００と同様の効果を奏することができる。

また、図１３を参照して、投入動作の際には、駆動用コイル１５が通電されることにより、駆動用コイル１５の周囲には経路Ｒ６の磁束が形成される。このとき、経路Ｒ６の磁束は磁気抵抗の小さい固定子１２および固定子隔壁部１２ｃを通ることができる。そのため、実施の形態１に係る開閉装置１００と比較して、駆動用コイル１５に通電させる電流値を低くしても、あるいは駆動用コイル１５の巻き数を少なくしても、投入動作を行うことができる。

（実施の形態３）
次に、図１４〜図１８を参照して、実施の形態３に係る開閉装置１００について説明する。実施の形態３に係る開閉装置１００は、基本的には実施の形態１に係る開閉装置と同様の構成を備えるが、図１４を参照して固定子１２の中空構造内に保持アシスト用コイル１３および駆動用コイル１５に加えてさらに開極用コイル２１を備えている点で異なる。図１５を参照して、開極用コイル２１は、開極用コンデンサ２２が接続されている駆動用操作基板１６に接続されている。

このようにすれば、図１６を参照して、たとえば永久磁石１４が、投入状態における接圧ばね７のばね荷重と開放ばね１０のばね荷重との合計値Ｂ以上の荷重（保持力Ｃ）を有するように設けることができる。図１６の縦軸は可動子１１に付与される保持力を示し、横軸は短絡事故等を検知してからの時間の経過を示す。この場合にも、実施の形態１に係る開閉装置１００と同様に、保持アシスト用コイル１３に起因した経路Ｒ３の磁束により永久磁石１４に起因した経路Ｒ４（図７参照）の磁束に起因した力を打ち消すことができる。その結果、永久磁石１４に起因する磁束を高効率で利用でき、永久磁石１４の小型化をすることができる。さらに、この場合、開極動作はたとえば以下に示す２段階を経て行うことができる。ここで、図１７は、事故検知してから一定時間経過後に開極用コイル２１が通電される場合の可動子１１に付与される保持力と、可動子１１のストローク、図１８は開極用コイル２１に通電される電流値の経時変化を示すグラフである。図１７の縦軸および横軸は図８と同様であり、図１８の縦軸は開極用コイル２１に通電されるコイル電流を示し、横軸は事故検知からの時間の経過を示す。図１７では、グラフＧ１が保持力を示し、グラフＧ２がストロークを示す。

図１７および図１８を参照して、グラフＧ１で示すように、まず事故検知後に保持アシスト用コイル１３の通電が停止されることにより、保持アシスト用コイル１３に起因した保持力が可動子１１に対して付与されなくなる。このとき、永久磁石１４は、単体で投入状態における接圧ばね７のばね荷重と開放ばね１０のばね荷重との合計値Ｂ以上の荷重（保持力Ｃ）を有しているため、保持アシスト用コイル１３の通電が停止した後も投入状態は維持される。

その後、駆動用操作基板１６が開極動作の指示を受けると、開極用コイル２１の通電が開始される。開極用コイル２１への通電電流値が増加して、開極用コイル２１に起因した磁束により永久磁石１４に起因した磁束が打ち消され、可動子１１に付与される保持力が投入状態における接圧ばね７のばね荷重と開放ばね１０のばね荷重との合計値Ｂ未満となると、図１７中のグラフＧ２で示すように、可動子１１は開極方向に移動を始める。

開極用コイル２１への通電は開極動作が完了するまで行われる。このときの開極用コイル２１に流れるコイル電流は図１８に示すように変化する。そして、固定電極２と可動電極３とが所定の間隔Ｌだけ離れて可動子１１が固定板２５と接触し、開閉装置１００は開極状態に至る。図１９に、実施の形態３に係る開閉装置１００が開局状態に至るまでのフローチャートを示す。図１９に示すように、短絡事故が発生しこれを検知した後に、まず保持アシスト用コイル１３への通電を停止する。その後、開極用コイル２１に通電することにより、可動子１１に付与される保持力が投入状態における接圧ばね７のばね荷重と開放ばね１０のばね荷重との合計値Ｂ未満となるため、可動子１１が動作を開始して開極完了に至る。

また、保持アシスト用コイル１３の通電を停止する前、または同時に開極用コイル２１を通電してもよい。図２０に、実施の形態３に係る開閉装置１００の開極動作において、保持アシスト用コイル１３の通電停止する前に開極用コイル２１の通電を開始する場合のフローチャートを示す。図２０に示すように、短絡事故が発生しこれを検知した後に、開極用コイル２１の通電を開始した後保持アシスト用コイル１３の通電停止してもよい。図２１は、事故検知すると同時に開極用コイル２１が通電される場合の可動子１１に付与される保持力と、可動子１１のストローク、図２２は開極用コイル２１に通電される電流値の経時変化を示すグラフである。つまり、図２１の縦軸および横軸は図８と同様であり、図２２の縦軸および横軸は図１８と同様である。図２１では、グラフＧ１が保持力を示し、グラフＧ２がストロークを示す。この場合、グラフＧ１で示すように、保持アシスト用コイル１３の通電が停止される前に、開極用コイル２１の通電が開始される。開極用コイル２１への通電電流値が増加して、開極用コイル２１に起因した磁束により永久磁石１４に起因した磁束が打ち消され、可動子１１に付与される保持力が上記合計値Ｂ未満となると、グラフＧ２で示すように、可動子１１は開極方向に移動を始める。このときの開極用コイル２１に流れるコイル電流は図２２に示すように変化する。その後、固定電極２と可動電極３とが所定の間隔Ｌだけ離れて可動子１１が固定板２５と接触し、開閉装置１００は開極状態に至る。また、図２３に保持アシスト用コイル１３の通電を停止すると同時に開極用コイル２１の通電を開始する場合のフローチャートを示す。図２３に示すように、短絡事故が発生しこれを検知した後に、保持アシスト用コイル１３の通電を停止すると同時に開極用コイル２１の通電を開始してもよい。上記事故検知時に開極用コイル２１の通電を開始すると同時に保持アシスト用コイルをＯＦＦすれば図２１に示す開極動作と比べて更に高速に開極動作が可能となる。

また、実施の形態３において、可動子１１に付与されている保持力Ｃは、投入状態の当初の保持力Ａよりも小さく、投入状態における接圧ばね７のばね荷重と開放ばね１０のばね荷重との合計値Ｂよりも大きい程度とすることができる。これは保持アシスト用コイル１３につながる可変抵抗２０の値を調整することで可能である。そのため、開極用コイル２１には、保持力Ｃと合計値Ｂとの差分の力を打ち消すのに必要な磁束を励磁させるのに必要分だけ通電させればよいため、従来の開閉装置において開極用コイルのみを用いて開極動作を行う場合と比べて高速開極や低電流動作が可能となる。

つまり、実施の形態３に係る開閉装置１００は、実施の形態１と２と同様に保持アシスト用コイル１３を用いることにより永久磁石１４に起因する磁束を高効率で利用でき、永久磁石１４の小型化をすることができる。さらに、実施の形態１と２に係る開閉装置１００と同様に、上述した寸法公差等によるばらつきを十分に吸収することができる。さらに、開極動作を２段階で行うことにより、低電流動作を可能とすることができる。また、たとえば、事故検知すると同時に保持アシスト用コイルの通電を停止するとともに開極用コイル２１を通電する場合には、従来の開閉装置において開極用コイルのみを用いて開極動作を行う場合と比べて短時間に開極動作を行うことができる。また、保持アシスト用コイル１３と永久磁石１４との間で可動子１１に対する保持力への寄与率を適宜調整することで（たとえば保持アシスト用コイル１３の電流値を可変抵抗２０で調整することで）、実施の形態１および実施の形態２に係る開閉装置１００と同様の使い方もすることができる。つまり、実施の形態３に係る電磁操作装置２００を備える開閉装置１００は、電磁操作装置の構造を変更することなく、停電時など電磁操作装置２００へ電圧・電流が供給されない場合に開極動作を行うように構成されることもでき、逆に電磁操作装置２００へ電圧・電流が供給されない場合にも投入状態を保持するように構成されることもできる。

なお、実施の形態３に係る開閉装置１００では、保持アシスト用コイル１３および駆動用コイル１５に加えて新たに開極用コイル２１を設けているが、たとえば駆動用コイル１５に投入動作時とは反対側の向きに電流を流すことで、駆動用コイル１５を開極用コイル２１として流用してもよい。

また、実施の形態３に係る開閉装置１００は、上述した以外にも任意方法で開極動作を行うことができる。たとえば開閉装置１００の点検時や開閉装置１００が配置されている回路系統の回路構成変更時など、当該回路に流されている電流が低電流である場合（たとえば短絡事故の規模が小さい場合）であって高速の開極動作は必要としない場合には、駆動用コイル１５や開極用コイル２１のみを用いて開極動作を行ってもよい。

（実施の形態４）
次に、図２４〜図２７を参照して、実施の形態４に係る開閉装置１００について説明する。図２４および図２５を参照して、実施の形態４に係る開閉装置１００は、基本的には実施の形態１に係る開閉装置と同様の構成を備えるが、追加固定子２３と永久磁石２４とをさらに備える点で異なる。

追加固定子２３は、開閉装置１００の軸方向において駆動用コイル１５よりも開極方向側に位置するとともに、固定子１２における一方の突出部１２ｂが設けられている領域から他方の１２ｂが設けられている領域まで延びるように形成されている。永久磁石２４は、可動子１１の可動子中央部１１ａと追加固定子２３とに挟まれるように設けられている。つまり、永久磁石２４は、可動子中央部１１ａと対向するように配置されている。

図２６を参照して、投入状態において電磁操作装置２００に形成される磁束は、基本的には実施の形態１と同様の経路を通るが、永久磁石２４に起因した磁束の経路Ｒ７がさらに形成されている。

経路Ｒ７は、図２６に示す側面に対して垂直な方向に（紙面に対して垂直な方向に）永久磁石２４から可動子１１の可動子中央部１１ａを通り、固定子１２、さらに追加固定子２３を通って永久磁石２４に至るループである。経路Ｒ７を通る磁束は、可動子１１に対して保持力を付与することができる。

このとき、保持アシスト用コイル１３は、永久磁石１４に起因した経路Ｒ４（図７参照）を通る磁束に加え、永久磁石２４に起因した経路Ｒ８（一部を図２７の点線として示す）を通る磁束に起因した力を打ち消すように通電されている。つまり、永久磁石２４は、経路Ｒ７および経路Ｒ８を通る磁束を発生させている。経路Ｒ８は、図２７に示す断面に対して垂直な方向に（紙面に対して垂直な方向に）永久磁石２４から可動子１１の可動子中央部１１ａを通り、当該断面上において永久磁石１４と駆動用コイル１５との間に位置する固定子１２を通り、当該断面から図２６に示す側面に至るまで固定子１２を通り、当該側面上において追加固定子２３を通って永久磁石２４に至るループである。経路Ｒ８を通る磁束は、経路Ｒ４を通る磁束と同様に可動子１１に対して保持力を付与しない。また、上記断面上において経路Ｒ４を通る磁束と同方向に走っているため、実施の形態１に係る開閉装置１００における保持アシスト用コイル１３と同様に構成された保持アシスト用コイル１３を通電させることにより、経路Ｒ４および経路Ｒ８を通る磁束に起因した力を打ち消すことができる。このようにすることにより、実施の形態１と同様の効果を奏することができるとともに、さらに永久磁石２４による保持力を可動子１１に対し付加することができる。

実施の形態１〜実施の形態４に係る開閉装置１００において、第１の弾性部材および第２の弾性部材はそれぞればね部材として構成されているが、これに限られるものではない。第１の弾性部材および第２の弾性部材は、それぞれ任意の弾性体で構成されていればよい。

実施の形態１〜実施の形態４に係る開閉装置１００は、第１の弾性部材としての接圧ばね７と、第２の弾性部材としての開放ばね１０とを備えているが、第２の弾性部材は必ずしも必須の構成部材ではない。たとえば、開極速度を速める必要がない場合には、開閉装置１００は第２の弾性部材としての開放ばね１０を備えていなくてもよい。このようにしても、事故検知から開極動作が完了するまでの時間に装置間でのばらつきが生じることを抑制することができる。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、上述の実施の形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は上述の実施の形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むことが意図される。

本発明は、高速動作が必要とされる開閉装置に特に有利に適用される。

１真空容器、２固定電極、３可動電極、４圧力容器、５絶縁ロッド、７接圧ばね、８連結棒、９開放ばね受け、１０開放ばね、１１可動子、１１ａ可動子中央部、１１ｂ可動子側方部、１２固定子、１２ａ内壁、１２ｂ突出部、１２ｃ固定子隔壁部、１３保持アシスト用コイル、１４，２４永久磁石、１５駆動用コイル、１６駆動用操作基板、１７投入用コンデンサ、１８電源、１９スイッチ、２０可変抵抗、２１開極用コイル、２３追加固定子、２５固定板、１００開閉装置、２００電磁操作装置。

Claims

固定電極と、前記固定電極に対して対向するように設けられている可動電極とが接触および乖離することにより、投入状態および開極状態とを切り替える開閉装置であって、
固定子と、
前記可動電極と連結されており、かつ、前記固定電極と前記可動電極とが対向する方向に沿って前記固定子に対し相対的に移動可能に設けられている可動子と、
前記方向における前記固定子と前記可動子との対向面に設けられている永久磁石と、
通電されることにより、前記可動子に対し前記方向に沿った電磁力を与えることができる駆動用コイルと、
通電されることによって前記固定子および前記可動子の内部に磁束を生じさせる保持アシスト用コイルとを備え、
前記投入状態において、前記永久磁石が発生される磁束と、通電されている前記保持アシスト用コイルとが発生させる磁束とにより前記可動子に作用する力によって、前記可動子と前記固定子との相対的な位置関係が保持されている、開閉装置。
前記保持アシスト用コイルは、前記固定子に囲われているとともに、前記方向において前記永久磁石から離れた位置に設けられており、
前記保持アシスト用コイルは、前記永久磁石に起因する磁束のうち、前記可動子と前記固定子との相対的な位置関係を保持する力を前記可動子に付与しない経路を通る磁束を、前記保持する力を前記可動子に付与する経路に変更することができるように設けられている、請求項１に記載の開閉装置。
前記可動子と前記可動電極とは第１の弾性部材を介して連結されており、
投入状態において、前記第１の弾性部材は前記方向において圧縮されている、請求項１または請求項２に記載の開閉装置。
前記可動子に対して前記第１の弾性部材と反対側に位置する第２の弾性部材および固定部材をさらに備え、
前記第２の弾性部材の前記方向における一方端は前記可動子および前記第１の弾性部材と連結されており、
前記第２の弾性部材の前記方向における他方端は前記固定部材と連結されており、
前記固定部材は前記固定子に固定されており、
前記投入状態において、前記第１の弾性部材および前記第２の弾性部材は前記方向において圧縮されている、請求項３に記載の開閉装置。
前記保持アシスト用コイルと可変抵抗とが接続されており、前記保持アシスト用コイルの通電量は前記可変抵抗の抵抗値が調整されることにより制御される、請求項１または請求項２に記載の開閉装置。
前記永久磁石の磁力は、それだけでは前記可動子と前記固定子との相対的な位置関係を保持することができないように設けられている、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の開閉装置。
前記永久磁石の磁力は、それだけで前記可動子と前記固定子との相対的な位置関係を保持することができるように設けられている、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の開閉装置。
通電されることにより、前記可動子に対し前記方向に沿った電磁力を与えることができる開極用コイルをさらに備え、
前記開極状態は、前記保持アシスト用コイルの通電が遮断され、かつ、前記開極用コイルが通電されることにより実現される、請求項７に記載の開閉装置。
前記保持アシスト用コイルの通電を遮断した後に前記開極用コイルに通電することが可能な、請求項８に記載の開閉装置。
前記開極用コイルを通電した後に前記保持アシスト用コイルの通電を遮断することが可能な、請求項８に記載の開閉装置。
前記保持アシスト用コイルの通電を遮断すると同時に前記開極用コイルに通電することが可能な、請求項８に記載の開閉装置。
通電されることにより、前記可動子に対し前記方向に沿った電磁力を与えることができる開極用コイルと、
事故検知信号を受信する受信部とをさらに備え、
前記開極状態は、前記受信部に事故発生信号が受信された場合には前記保持アシスト用コイルの通電が遮断されるように構成されることにより実現され、
前記事故検知信号以外の開極信号を受けた場合には前記開極用コイルが通電されることにより実現される、請求項６に記載の開閉装置。