JP6272324B2 - ガス遮断器 - Google Patents

Description

本発明は、ガス遮断器に関するものであり、特に電動で動作させて高電圧を遮断する電動駆動方式ガス遮断器に関する。

遮断器は速やかに事故電流を遮断することにより、電力系統の事故の波及を防止する役割を持つため、より信頼性の高い装置の開発が要請されている。ガス遮断器を操作する操作器として、操作ばねに蓄勢したばね力を解放することにより操作力を得るようにしたばね操作器と、空気圧や油圧を利用して操作力を得るようにした空気圧操作器や油圧操作器が、従来から知られている。

ばね操作器は低操作力、保守性、経済性に優れており、また空気圧操作器は取扱いが容易であると共に高い操作力が得られ、更に油圧操作器は低騒音で高い操作力が得られるという特徴がある。

しかしながら、ばね操作器による操作ではばねの弾性力が必ずしも一定でないこと、ばねの位置決め精度が低いこと、複雑で多くの部品から成り立つこと等から動作に対する信頼性について改善の余地がある。また、油圧や空気圧を利用する操作方式では、周囲の温度変化によっては作動流体の漏れるおそれがあり、更には部品の一つでも不具合や故障があると全体が動作しなくなる可能性もあり、取り扱いが困難であると言う側面もある。

ここで、上記の様な点を改善する方式として、電気の力により操作力を生み出す技術として例えば特許文献１に記載されたものがある。該特許文献１には、直線移動可能なコイルに電流を供給するアクチュエータ構造で、固定された円筒形状の永久磁石から発生する磁界の力との反発力を利用してコイルに繋がる絶縁ロッドを直線運動させる遮断器構成が記載されている。

特表２００７−５２３４７５号公報

特許文献１に記載されたアクチュエータでは可動軸と平行に配置された連結軸を有している。大駆動力向けの遮断器では連結軸が長くなるため、遮断動作終了時の急減速により連結軸に過大な曲げ応力が発生する、あるいは連結板が緩衝手段に衝突した際に連結軸が座屈する可能性がある。

連結軸の座屈を防止するためには連結軸の断面積を増加させればよいが、これにより連結軸の質量が増加するため、アクチュエータの加速性能が低下する可能性がある。そこで、本発明ではアクチュエータの可動部の座屈防止と軽量化を両立することで、信頼性を向上させたガス遮断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、本発明に係るガス遮断器は、固定接触子と、該固定接触子に対して接触及び開離する可動接触子と、前記固定接触子及び前記可動接触子を内部に有し、絶縁性ガスが封入されている金属容器と、前記可動接触子に接続され、永久磁石または磁性体の磁極を交互に反転させつつ前記可動接触子の動作軸と同軸上に連結した可動子と、該可動子に対向して配置されると共に巻き線を有する複数の磁極で構成された固定子を有する操作器を備えるガス遮断器において、前記固定子から遮断部側において前記可動子を接触支持するガイドを備え、前記ガイドは前記可動子に接触するローラおよび前記ローラを回転自在に保持するローラ支持部材により構成され、前記ローラは前記可動子を上下から支持し、前記ローラ支持部材は片持ちで前記ローラを回転自在に保持し、前記可動子を上下から支持するローラは対向配置され、前記ローラ支持部材は前記可動子の動作軸に対して点対称配置とすることを特徴とするガス遮断器。

本発明によればアクチュエータの可動部の座屈防止と軽量化を両立することで、信頼性を向上させるガス遮断器を提供することが可能になる。

実施例１に係るガス遮断器（閉極状態）の断面図である。 実施例１に係るガス遮断器（開極状態）の断面図である。 実施例１に係るアクチュエータの概略斜視図である。 図２の正面図である。 図３Aから巻線を除いた状態を示す図である。 実施例１に係るガス遮断器に適用するアクチュエータの断面構成の一例である。 実施例１に係るガス遮断器に適用するアクチュエータの断面構成の他の例である。 実施例１に係るガイドローラユニット構成の一例である。 実施例１に係るガイドローラユニット構成の他の例である。 本発明に係るガス遮断器の遮断特性を説明する図である。 実施例１に係るガイドローラユニットに可動子の緩衝部材を係止させる構成を説明する図である。 実施例１に係るガイドローラユニットに可動子の緩衝部材を係止させる構成を説明する図である。 実施例２に係るガス遮断器の構成を説明する図である。

以下、本発明を実施する上で好適な実施例について図面を用いて説明する。尚、下記はあくまでも実施の例であって、発明の内容を下記具体的態様に限定することを意図する趣旨ではない。発明自体は、特許請求の範囲の記載を満たす範囲内で種々の態様に変形することが可能である。

実施例１について図１ないし図６を用いて説明する。図１Ａは本発明に係るガイドローラユニットを有するガス遮断器の閉極状態を示し、図１Ｂは開極状態を示す。該図に示す様に、本実施例のガス遮断器は、事故電流を遮断するための遮断部と、該遮断部を操作するための操作部とで構成される。

遮断部は内部にＳＦ₆ガスを充填させて密閉した金属容器１内に、金属容器１端部に設けられた絶縁支持スペーサ２に固定された固定側電極３と、可動側電極４と、可動側電極４に設けられる可動電極６及びノズル５と、操作部側に接続されると共に可動側電極４に接続される絶縁支持筒７と、可動側電極４に接続され主回路の一部を構成する主回路導体となる高電圧導体８とを有している。

この構成において、操作部からの駆動力を通じて可動電極６を移動させ、電気的に開閉することにより、電流の投入及び遮断が可能である。高電圧導体８の周囲には、高電圧導体８に流れる電流を検出するための電流検出器として働く変流器５１が設けられている。絶縁支持筒７内には操作部に接続される絶縁ロッド８１が配置されている。

操作部は密閉された金属容器１に隣接して設けられる操作器ケース６１内に、アクチュエータ１００を有しており、アクチュエータ１００は直線可動する可動子２３を有する。

可動子２３は、密閉された金属容器１を気密に保ったまま駆動できる様に設けられる直線シール部６２を通じて絶縁ロッド８１に連結されている。絶縁ロッド８１は可動電極６に連結されている。つまり、可動子２３の動作を通じて遮断部における可動電極６を動作させることが可能になる。

アクチュエータ１００は、操作器ケース６１に絶縁性ガスを封止した状態で設けられる密封端子９０を通じて電源ユニット７１と電気的に接続されている。電源ユニット７１は、制御ユニット７２と接続され、制御ユニット７２からの指令を受けることができる様に形成されている。制御ユニット７２には、変流器５１で検出した電流値が入力される。電源ユニット７１及び制御ユニット７２は、変流器５１で検出した電流値に応じて、後述するアクチュエータ１００の巻線４１に供給する電流量や位相を変化させる制御機構として働く。

可動子２３に対してアクチュエータ１００の遮断部側に遮断部側ガイドローラユニット５０１が、操作部側に操作部側ガイドローラユニット５０２が配置されている。これらのユニットはそのローラにより可動子２３を上下方向で挟んで支持するように構成されている。

図２ないし図５を用いてアクチュエータ１００の構造について説明する。固定子１４は、第一の磁極１１と、第一の磁極１１に対向して配置される第二の磁極１２と、第一の磁極と第二の磁極をつなぐ磁性体１３と、第一の磁極及び第二の磁極の内周に設けられる巻線４１とを２つ組み合わせて構成される。

アクチュエータ１００は、固定子１４の内部に、第一の磁極１１および第二の磁極１２に空隙を介して対向する位置に可動子２３を配置して構成している。可動子２３は、永久磁石２１及び永久磁石２１を挟み込んで支持する磁石固定部材２２から構成される。

永久磁石２１の着磁方向はＹ方向（図２中、上下方向）であり、隣り合う磁石毎に交互に着磁されている。磁石固定部材２２は非磁性の材料、例えば、非磁性のステンレス合金、アルミ合金、樹脂材料などが好ましいが、これに限定されるものではない。

アクチュエータ１００の内部には、永久磁石２１と、第一の磁極１１及び第二の磁極１２との間隔を保つため、機械的な部品を取り付ける。例えば、リニアガイド、ローラベアリング、カムフォロア、スラストベアリングなどが好ましいが、永久磁石２１と、第一の磁極１１および第二の磁極１２との間隔を保つことができれば、これらに限定されるものでもない。

一般的に永久磁石２１と第一の磁極１１及び第二の磁極１２の間には吸引力（Ｙ方向の力）が発生する。しかし、本構成においては、永久磁石２１と第一の磁極１１に発生する吸引力と、永久磁石２１と第二の磁極１２に発生する吸引力とが互いに逆方向になるため力が相殺され吸引力が小さくなる。そのため、可動子２３を保持するための機構が簡素化でき、可動子２３を含む可動体の質量を低減できる。可動体の質量を低減できるため、高加速度駆動や高応答駆動を実現することが可能になる。

固定子１４と永久磁石２１が相対的にＺ方向（図２中、左右方向）に駆動するため、固定子１４を固定することにより永久磁石２１を含む可動子２３がＺ方向へ移動する。

駆動に際しては、巻線４１に電流を流すことにより、磁界が発生し、固定子１４と永久磁石２１の相対位置に応じた推力を発生することが可能になる。また、固定子１４と永久磁石２１の位置関係と、注入する電流の位相や大きさを制御することにより、推力の大きさ、及び方向の調整が可能になる。

可動子２３の動作制御は、開極指令および閉極指令が制御ユニット７２に入力された場合に応じて、電源ユニット７１からアクチュエータ１００における電流を通電し、電気信号をアクチュエータ１００での可動子２３の駆動力に変換することで行う。

図２は上記したアクチュエータ１００の一単位の構成の斜視図を示している。該図に示す様に、第一の磁極と、第二の磁極とをＹ方向に二つ並べた構成をしており、二つの可動子が固定子を貫く構成をしている。

可動子を構成する各々の永久磁石２１を挟み込むように巻線４１がＹ方向に配置され、可動子の外側を上下に配置した第一と第二の磁極とともに第一の磁極と第二の磁極をつなぐ断面形状Ｈ型の磁性体１３が覆っている。Ｈ型の中央の横方向の部分（図中、Ｙ方向で中間付近に設けられたＸ方向に固定子をつなぐ部分）は、この場合、第三の磁極として働く。磁性体１３はこれら３つの磁極を接続する。

このようにＹ方向に可動子を並べて配置し、第一の磁極と第二の磁極をつなぐＹ方向中間部の磁性体１３を共通化することでアクチュエータを小型にできる。本発明の実施例では一例として二つの可動子をＹ方向に並べた構成について説明したが、可動子の個数および方向については本構成に限定されるものではない。

図３Aは、図２に示したアクチュエータの正面図である。図３Bは、図３Aにおいて第一の磁極、第二の磁極および、それらを繋ぐ磁性体の関係を理解容易な様に巻線４１を省略した図である。

両図からわかるように、巻線４１は第一の磁極１１と第二の磁極１２各々に巻かれ、永久磁石２１を挟み込むように配置される。巻線４１と永久磁石２１が対向して配置されるため、巻線４１で発生した磁束が効率よく永久磁石２１に作用する。よって、アクチュエータ１００小型軽量化できる。

さらに第一の磁極１１、第二の磁極１２、第一の磁極と第二の磁極を繋ぐ磁性体１３により磁気回路が閉じており、磁気回路の経路を短くすることが可能になる。これにより大きな推力を発生することが可能になる。また、永久磁石２１の周りが磁性体で覆われるため外部への漏れ磁束を低減でき、周囲の機器への影響を低減できる。

図４および図５に基づき、Ｙ方向に可動子を二つ並べた他の構成について説明する。Ｙ方向に並べた二つの可動子２３ａと可動子２３ｂとを可動子連結部品２４で連結し、二つの可動子が一体で動作するように構成している。

図４において、複数の固定子１４は固定板３０に固定されることで各部の変形を防止している。また、図５においては、各固定子１４の間にスペーサ部材３１を配置しており、それらをボルトまたは接着剤により接合することで各部の変形を防止する。

上記のように構成した本実施例に係るガス遮断器は、図１Aの閉極状態から図１Bの開極状態に移行して電流を遮断する。その際、遮断部で発生したアークに消弧性能を有するＳＦ₆ガスを吹き付けることでアークプラズマを消滅させ、電流を遮断する。

図６にガイドローラユニット５００の構成を示す。本実施例では永久磁石２１に対向して非磁性体からなるローラ５０４を配置しているが、磁石固定部材２２に対向させて配置してもよい。

ローラ５０４はピン５０５に回転自在に支持される。ピン５０５は長さ方向の略半分でローラ５０４を回転支持するとともに、他方の略半分がレバー５０３に支持されている。

ピン５０５のローラ５０４端部側にはピンの抜け止め５０６が設けられている。このように構成することにより、可動子２３の遮断、投入動作にともない、可動子２３とローラ５０４が当接し、ローラ５０４が回転する。

可動子２３において、永久磁石２１が磁石固定部材２２に対して接着剤などにより固定される場合がある。このときローラ５０４を支持するピン５０５が剛であると，永久磁石２１と磁石固定部材２２との間のせん断応力が大きくなりすぎて接着部の信頼性が低下する可能性があるため、ピン５０５をレバー５０３による片持ち支持とすることが好適である。

特に、可動子２３の動作軸に対してレバー５０３を点対称配置とすることにより，動作時の可動子２３の傾斜に対して，上下に配置されたローラ５０４の追従性を高めることができると共に、ガイドを構成する部品点数を抑えることができる。なお、動作を安定させるために必要であれば、レバー５０３に対しローラを複数個設けることも可能である。

また、図示は省略するが、レバーを可動子２３の上下中央に対向して設け、レバー両端にローラを設けて可動子２３を保持する構成も可能である。上記同様、設けるローラの個数は限定されず、レバーの両側に複数個ずつ設けることも可能である。

一方、永久磁石２１と磁石固定部材２２とを機械的嵌合などにより締結する場合にはピン５０５の両端をレバー５０３で支持する両持ち支持とするのが好適である（図７参照）。これにより可動子２３の軸直角方向荷重が大きな場合にもガイドの信頼性を保つことができる。

図８に遮断動作時の可動側電極４の変位、遮断電流、極間電圧及び極間耐電圧を時系列に示す。図８に示した遮断する電流波形は図１に示した電流検出用の変流器５１により検出可能であり、検出した電流波形を制御ユニット７２に入力することで最適な動作を実現することが可能である。遮断電流に依存して動作を制御する場合の例を下記にて説明する。

初めに通常遮断動作（普通モード）について説明する。図８において、図中の符号Ｓは、遮断部の動作を示しており、普通モードでは太線Ｓ１に従って投入位置“Ｃ”から遮断位置“Ｏ”に移動する。遮断部の可動電極４は予め設定された摺動距離Ｗ１まで移動した時刻ｔ１で電極の開極位置になる。

符号Ｉは変流器５１により検出された遮断電流波形であり、開極後の時刻ｔ２で電流ゼロ点を迎えることで電流が遮断される。符号Ｖは極間の電圧波形であり、電流が遮断される時刻ｔ２以降で極間に現れる。普通モードにおいて、遮断後は極間の電圧Ｖ１より極間の耐電圧Ｖ２が下回ることはない。すなわち、この場合の動作が基準となる。

次に小電流を遮断する場合（小電流モード）の動作について説明する。この場合、送電系統での進相負荷遮断が対象となり、電流値は数十〜数百アンペア以下の小電流となる。電流が小さいため、遮断は容易であり、開極時刻ｔ１以降に最初に現れる時刻ｔ２のゼロ点で電流は遮断される。ここで、進相負荷を遮断する場合、負荷側に電源電圧波高値相当の電圧が残留するため、極間には電源電圧の２倍高い電圧が印加される。一方で遮断部極間の耐電圧Ｖ２も時間とともに増大する。

進相負荷遮断の場合、極間電圧Ｖ１が耐電圧Ｖ２を上回ってしまうと極間で絶縁破壊が発生する。そこで、変流器５１により小電流モードと判定された場合には普通モードにおける動作特性Ｓ１よりも速い動作特性Ｓ２で駆動するようにアクチュエータ１００に入力する電流を制御する。これにより普通モードでの極間の耐電圧特性Ｖ２よりもＶ３のように耐電圧の回復特性を速めることができる。

次に、大電流を遮断する場合（大電流モード）の動作について説明する。この場合、アークエネルギによる遮断部での圧力上昇が大きく、操作部への反力も大きくなるため、普通モードにおける動作特性Ｓ１よりも遅い動作特性Ｓ３になる。

上記に示した何れの遮断モードにおいても遮断動作終盤で可動部電極を減速、停止させる必要がある。図１２において、電流遮断のそれぞれのモードにおける遮断動作終盤の動作特性をＳ１Ｏ、Ｓ２Ｏ、Ｓ３Ｏとする。アクチュエータ１００の巻き線に供給する電流量を制御することでアクチュエータおよび可動電極４を減速させるためのブレーキ力を発生させる。これにより、アクチュエータ１００の可動子２３に圧縮荷重が作用する。アクチュエータの高加減速を実現する軽量化のため、図４に示すように可動子２３を構成する磁石固定部材２２は永久磁石２１と同程度の厚さとしている。

遮断動作終盤では、可動子２３のアクチュエータ１００から遮断部側に突出した区間で制動による圧縮荷重を受けて磁石固定部材２２が面外方向に変形しようとするが、図１に示す遮断部側ガイドローラユニット５０１により変形が抑制されるために座屈せず、軽量且つ信頼性に優れたアクチュエータを実現できる。

また、図１に示す遮断動作終盤でアクチュエータ１００から操作部側に突出した可動子２３は操作部側ガイドローラユニット５０２に保持されるために、可動子２３の動作中における上下方向の振動が抑制され、アクチュエータ１００の駆動効率を向上させることができる。

なお、本実施例においては可動子に永久磁石を用いた場合を説明したが、その代わりに磁性体を配置して構成することも可能である。例えば、鉄やケイ素鋼板などでもよい。

図９に実施例１に係るガス遮断器の変形例を示す。図９Aに閉極状態を、図９Bに開極状態を示す。ガイドローラユニットは図７に示す構成を用いる。新たに緩衝用ばね３２１と板材３２２からなる緩衝部材を設ける。

すなわち、緩衝用ばね３２１の可動端側に取り付けられた板材３２２を操作部側の上下に設けられた操作部側ガイドローラユニット５０２に当接させ、圧縮コイルばねの固定端を操作器ケース６１に接続している。

図９Aにおいて、緩衝用ばね３２１は、ばねの自由長の状態でも、所定量を撓ませた状態の何れでもよく、遮断動作で可動子２３の先端が板材３２２に衝突した瞬間から緩衝用ばね３２１を撓ませることにより、ばねによる荷重が可動子２３に作用して遮断部の可動電極４を制動できる。

ただし、遮断動作が終了した図９Bにおいて開極状態を維持するためには、圧縮された緩衝用ばね３２１の荷重を機械的に保持する手段ないしはアクチュエータ１００の巻線４１に通電することが必要である。

このような構成においては、遮断動作の終盤でアクチュエータ１００から操作部側に突出した部分の可動子２３に圧縮荷重が作用する。また、板材３２がアクチュエータ１００に対して偏心している可能性があり、可動子２３に曲げ荷重が作用するおそれがある。このような場合においても、可動子２３に対向する操作部側ガイドローラ５０２により可動子２３の面外方向の変形が抑制されるため、可動子２３の信頼性を向上させることができる。なお、本実施例では圧縮コイルばねを緩衝部材としたが、皿ばねなど他の弾性部材であってもよい。

以上の実施例では可動子が二段に形成されている場合について説明したが、可動子は一段でもよく、三段以上であってもよい。三段以上の場合には二段の場合と同じように、可動子連結部品を設ければよい。

以下に、本発明に係る断路器の第２の実施形態を図１０に基づいて説明する。なお、実施例１（図１）との同等物には同一符号を付して詳細な説明を省略する。

本実施例においては、遮断部と操作部とを同一ガス区画として、ＳＦ₆ガスを充填した構成としている。実施例１の直線シール６２を省き、金属容器１と操作器ケース６１の接続部に遮断部側ガイドローラユニット５０１を配置する。これにより実施例１の直線シール６２と可動子２３で生じる摩擦力を低減すると共に可動子２３の面外方向の曲げおよび座屈を防止することができる。

本実施例の操作器側遮断部側ガイドローラユニット５０１に設けるローラ５０４は可動子２３を上下から支持するように一対設けてもよく、複数個を対に設けてもよい。ローラ複数個を対に設けた場合，一対のローラ配置と比べてローラの分担荷重を小さくできるのでローラガイドの信頼性を向上させることができる。

１ 金属容器
２ 絶縁支持スペーサ
３ 固定側電極
４ 可動側電極
５ ノズル
６ 可動電極
７ 絶縁支持筒
８ 高電圧導体
１１ 第一の磁極
１２ 第二の磁極
１３ 磁性体
１４ 固定子
２１ 永久磁石
２２ 磁石固定部材
２３ 可動子
２４ 可動子連結部品
３０ 固定板
４１ 巻線
６１ 操作器ケース
６２ 直線シール部
７１ 電源ユニット
７２ 制御ユニット
８１ 絶縁ロッド
９０ 密封端子
１００ アクチュエータ
３２１ 緩衝用ばね
５００ ガイドローラユニット
５０１ 遮断部側ガイドローラユニット
５０２ 操作部側ガイドローラユニット
５０３ レバー
５０４ ローラ

Claims (3)

1. 固定接触子と、該固定接触子に対して接触及び開離する可動接触子と、前記固定接触子及び前記可動接触子を内部に有し、絶縁性ガスが封入されている金属容器と、前記可動接触子に接続され、永久磁石または磁性体の磁極を交互に反転させつつ前記可動接触子の動作軸と同軸上に連結した可動子と、該可動子に対向して配置されると共に巻き線を有する複数の磁極で構成された固定子を有する操作器を備えるガス遮断器において、
   前記固定子から遮断部側において前記可動子を接触支持するガイドを備え、
   前記ガイドは前記可動子に接触するローラおよび前記ローラを回転自在に保持するローラ支持部材により構成され、
   前記ローラは前記可動子を上下から支持し、前記ローラ支持部材は片持ちで前記ローラを回転自在に保持し、
   前記可動子を上下から支持するローラは対向配置され、
   前記ローラ支持部材は前記可動子の動作軸に対して点対称配置とすることを特徴とするガス遮断器。
2. 請求項１に記載のガス遮断器であって、前記ガイドは前記固定子から遮断部側の前記可動子の略中間に配されることを特徴とするガス遮断器。
3. 固定接触子と、該固定接触子に対して接触及び開離する可動接触子と、前記固定接触子及び前記可動接触子を内部に有し、絶縁性ガスが封入されている金属容器と、前記可動接触子に接続され、永久磁石または磁性体の磁極を交互に反転させつつ前記可動接触子の動作軸と同軸上に連結した可動子と、該可動子に対向して配置されると共に巻き線を有する複数の磁極で構成された固定子を有する操作器を備えるガス遮断器において、
   前記固定子から遮断部側において前記可動子を接触支持するガイドを備え、
   さらに、前記固定子から遮断部と反対の側において前記可動子を接触支持する別のガイドを備え、前記可動子の遮断動作の衝撃を吸収する緩衝部材を前記可動子の動作軸上に設け、閉極状態においては前記緩衝部材は前記別のガイドにより保持されることを特徴とするガス遮断器。

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