JP6870452B2 - 補強リングおよび真空インタラプタ - Google Patents

Description

本発明は、真空インタラプタの電極構造に関する。特に、真空インタラプタの接触子に備えられる補強リングに関する。

真空遮断器は、優れた電流遮断性能や、環境低負荷であること、２０年以上の寿命を有することという観点から、電力系統（例えば、定格８４ｋＶ以下）に広く普及している。加えて、近年問題となっている地球温暖化対策の背景より、真空遮断器の更なる高電圧系統への普及が期待されている。

真空遮断器の接点部品として使用される真空インタラプタ（Ｖａｃｃｕｍ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｒ）において、真空インタラプタの接点部分の直下には、円筒状の無酸素銅にスリットを入れた部品（以降、コイル部材と記載）が取り付けられる（例えば、特許文献１〜３）。コイル部材が必要な理由は、電流遮断性能を向上させる手法の一つである接点部分（電極）周辺の磁束密度を高くさせるためである。加えて、真空遮断器の１００００回の繰り返し開閉動作に対する機械的強度を満足させるためにコイル部材の内側にステンレス製の補強リングが併せて取り付けられる。真空遮断器の開閉性能を満足させるために、コイル部材、補強リングおよび接点板（電極）は、ろう付けにより固定される。

実公昭５９−００４５２０号公報 特開２００３−０８６０６７号公報 特開２００３−１５１４１３号公報

しかし、コイル部材、補強リングおよび接点板の３部品をろう付けすると、真空遮断器の電流遮断性能が低下するおそれがある。これは、通電電流が補強リングに分流することで、電極周辺の磁束密度が低下し、縦磁界電極構造の効果を充分に得ることができなくるためであると考えられる。

そこで、例えば、特許文献１では、補強リングを一枚板若しくは素管より成形加工することで補強リングの断面積を小さくし、補強リングに電流が流れにくくしている。しかしながら、補強リングの断面積を小さくすると、補強リングの補強効果が損なわれるおそれがある。

本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、補強リングの補強効果を損なうことなく、真空遮断器の電流遮断性能を向上することを目的としている。

上記目的を達成する本発明の補強リングの一態様は、真空インタラプタの接触子に備えられる補強リングであって、
前記接触子は、接点板と当該接点板を支持する筒状のコイル部材を備え、前記コイル部材には、当該コイル部材に流れる電流により該コイル部材の軸方向に沿う縦磁界が形成されるようにスリットが形成されており、
前記補強リングは、前記コイル部材の内側に備えられ、
前記補強リングの一端面は前記接点板とろう付けされ、前記補強リングの他端部は前記コイル部材とろう付けされており、前記補強リングの前記コイル部材とのろう付け部より前記接点板側に、前記補強リングの側壁を貫通する貫通穴が、前記補強リングの周に沿って複数形成された、ことを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の補強リングの他の態様は、上記補強リングにおいて、
前記貫通穴は、前記補強リングの軸方向に複数段形成され、当該軸方向に隣接する貫通穴は、該軸方向に重ならないように互い違いに配置された、ことを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の補強リングの他の態様は、上記補強リングにおいて、
前記補強リングの外径は、３０ｍｍ以上９０ｍｍ以下であり、
前記補強リングの高さは、１６ｍｍ以上４０ｍｍ以下である、ことを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の真空インタラプタは、上記いずれかの補強リングを固定電極および／または可動電極に備えている。

以上の発明によれば、真空遮断器の電流遮断性能が向上する。

本発明の実施形態に係る補強リングを備えた接触子の断面拡大図である。 コイル部材の斜視図である。 補強リングの斜視図である。 本発明の実施形態に係る真空インタラプタの概略を示す断面図である。 実施例１の補強リングの断面図である。 比較例１の補強リングの斜視図である。 実施例１の接触子を備えた真空インタラプタと比較例１の接触子を備えた真空インタラプタの電流遮断可能範囲を示す図である。 比較例２の補強リングの断面図である。 （ａ）実施例１の接触子の磁束密度分布を示す図、（ｂ）比較例２の接触子の磁束密度分布を示す図である。 （ａ）実施例１の補強リングの応力分布を示す図、（ｂ）比較例２の補強リングの応力分布を示す図である。

本発明の実施形態に係る補強リングおよび真空インタラプタについて、図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る補強リング１を備える接触子２の断面の一部を拡大した図である。接触子２は、接触子２本体であるカップ形の接触台３と、その端面に設けられた接点板４（電極）と、補強リング１を備える。なお、図１（および、後に詳述する図５）において、破線で囲んだ部分は、ろう付け箇所を示し、一点鎖線で囲んだ部分は、刳り貫き加工の対象範囲を示している。

接触台３は、コイル部材５と、コイル部材５の端部に設けられる接触子端板６を備え、接触子端板６には、リード棒（図示せず）が接続される。接点板４は、コイル部材５の接触子端板６が備えられていない端部に設けられ、コイル部材５に支持される。

図２に示すように、コイル部材５は、例えば、無酸素銅等により形成された円筒状の部材である。コイル部材５の一方の端面５ａには接点板４がろう付けされ、コイル部材５の他方の端面５ｂには接触子端板６がろう付けされる。

コイル部材５の外径Ｄは、例えば、φ４８ｍｍ以上φ１１０ｍｍ以下の範囲で選択される。コイル部材５の長さ（つぼ深さ）Ｌは、補強リング１の高さと同様であり、例えば、１６ｍｍ以上４０ｍｍ以下の範囲で設定される。コイル部材５の厚さ（接点板４と接している部分の厚さ）は、強度等を考慮して、例えば、５ｍｍ以上８ｍｍ以下の範囲で設定される。コイル部材５は、接触子端板６側の厚さが厚く形成されており、中央部において接点板４側の端部にいくにしたがって内径が大きくなるようにその厚さが次第に薄くなっている。

コイル部材５の全周面には、コイル部材５の軸線に対し角度（傾斜角）α傾斜する第１のスリット７、第２のスリット８が形成されている。傾斜角αは、例えば、６０°以上８０°以下に設定される。第１のスリット７は、コイル部材５の端面５ａからコイル部材５の軸方向中程あたりまで形成される。また、第２のスリット８は、コイル部材５の端面５ｂからコイル部材５の軸方向中程あたりまで形成される。コイル部材５の中心に対する各スリット７、８の開き角度（方位角β）は、一定であり、例えば、（５４０／ｓ）°以上（１４４０／ｓ）°以下の範囲で設定される（ｓは、スリットの総数）。

補強リング１は、図１に示すように、コイル部材５と同軸に設けられる。補強リング１は、例えば、ステンレスの材料により形成される。補強リング１の外径（具体的には、接点板４と接している部分（後に詳述するフランジ１ｆ部分）の外径）は、例えば、３０ｍｍ以上９０ｍｍ以下であり、補強リング１の高さは、例えば、１６ｍｍ以上４０ｍｍ以下である。補強リング１の一方の端面１ａには接点板４がろう付けされ、補強リング１の他方の端面１ｂには接触子端板６がろう付けされる。補強リング１の接点板４側の端部には、接点板４に設けられた突出部４ａが嵌合される嵌合溝１ｃが形成される。また、補強リング１の接触子端板６側の端部には、接触子端板６に設けられた突出部６ａが嵌合される嵌合溝１ｄが形成される。また、補強リング１の接触子端板６側の端部の外周部１ｅは、コイル部材５の内周部と接しており、この接触部分において補強リング１とコイル部材５がろう付けされる。

図３に示すように、補強リング１は、接点板４側の端部にフランジ１ｆが形成されている。また、補強リング１は、コイル部材５の内周部とろう付けされる外周部１ｅとフランジ１ｆとの間に側部１ｇを備える。側部１ｇは、外周部１ｅからフランジ１ｆにかけて、外径が小さくなるようにその厚さが薄く形成されている。側部１ｇには、補強リング１の側壁を貫通する貫通穴１ｈがあけられる。側部１ｇは、コイル部材５と補強リング１をろう付けする箇所（すなわち、外周部１ｅ）よりも、接点板４側に形成される。側部１ｇは、側部１ｇにおける抵抗値や強度等を考慮して、例えば、１．８ｍｍ以上４ｍｍ以下の厚さに形成される。なお、側部１ｇの最適な抵抗値は、コイル部材５の大きさに対応して定まることとなる。

図３では、貫通穴１ｈは、補強リング１の軸方向（すなわち、補強リング１の高さ方向）に２段形成されているが、貫通穴１ｈの補強リング１の軸方向の段数は、１段以上であればよい。また、同じ断面積分を刳り貫く場合、貫通穴１ｈの径は小さく、補強リング１の軸方向の段数は多い方が、かかる応力集中は小さくなる。また、補強リング１の軸方向の段と段の間は広い方が応力集中は小さくなる。また、補強リング１の軸方向で隣り合う段の貫通穴１ｈ同士は力がかかる方向においてできるだけ重ならないようにした方が強度は高くなるので好ましい。貫通穴１ｈは、例えば、最大穴径がφ１ｍｍ以上φ８ｍｍ以下のものが好ましく、穴数を４８等配〜１２等配とすることが好ましい。

図４に示すように、本発明の実施形態に係る補強リング１を備える接触子２ａ、２ｂを、真空容器９内に所定の間隔をあけて同軸上で対向配置して真空インタラプタ１０が構成される。

真空容器９は、セラミックまたはガラス等からなる絶縁筒の両端を金属からなる端板１１ａ、１１ｂで塞いで構成される。一方の接触子２ａは、固定ロッド１２の端部に固定され、固定電極として真空容器９内に備えられる。他方の接触子２ｂは、可動ロッド１３の端部に固定され、可動電極として真空容器９内に備えられる。可動ロッド１３の外周部であって端板１ｂ内部にはベローズ１４が設けられており、真空容器９の真空を保った状態で可動ロッド１３が軸方向に移動可能となっている。また、接触子２ａ、２ｂの周りにはシールド１５が備えられる。

接触子２において、分流による磁束密度の低下は、コイル部材５に流れる電流と補強リング１に流れる電流の比によって決まる。つまり、磁束密度の低下を抑制するためには、補強リング１（主として、側部１ｇ）の導電率を下げればよい。

図３に示すように、補強リング１の側面に等配で貫通穴１ｈがあいていることで、通電方向に対する補強リング１の断面積は部分的に小さくなる。物体の電気抵抗Ｒは、抵抗率をρ、物体の長さＬ、通電面積をＳとして、式（１）で表される。
Ｒ＝ρ×（Ｌ／Ｓ） ［Ω］ …（１）
したがって、補強リング１の大きさ（Ｌ）、材質（ρ）は変更しない場合、補強リング１の側部１ｇに貫通穴１ｈを形成することで、側部１ｇの断面積Ｓが小さくなる。その結果、補強リング１の電気抵抗Ｒが高くなることで、コイル部材５に多くの電流が流れ、接触子２における磁束密度が高くなると考えられる。

表１は、図５に示すような実施例１の補強リング１Ａを備えた接触子（以後、実施例１の接触子という）と、図６に示すような比較例１の補強リング１６を備えた接触子（以後、比較例１の接触子という）との磁束密度の比を示している。

図５に示すように、実施例１の補強リング１Ａは、側部１ｇにφ８ｍｍの貫通穴１ｈを２４個あけたものである。貫通穴１ｈは、補強リング１Ａの周方向に等間隔に１２個、補強リング１Ａの軸方向に２段並んで形成されており、各段の貫通穴１ｈは、補強リング１Ａの軸方向で重ならないように互い違いとなるように配置されている。

図６に示すように、比較例１の補強リング１６は、実施例１の補強リング１Ａと同じサイズで、側部１６ｇに貫通穴があいていない補強リングである。比較例１の補強リング１６は、貫通穴以外は、実施例１の補強リング１Ａと同様の構成であり、接点板４とろう付けされる端面１６ａ、接触子端板６とろう付けされる端面１６ｂ、コイル部材５とろう付けされる外周部１６ｅ、フランジ１６ｆ、側部１６ｇ等を備えている。

表１に示すように、比較例１の接触子の磁束密度を１００とした場合、実施例１の接触子の磁束密度は１０８となり、貫通穴１ｈをあけることにより、接触子に形成される磁束密度が向上することがわかる。これは、貫通穴１ｈをあけることで、側部１ｇにおける導電率が低下し、分流による磁束密度の低下が抑制されているためであると考えられる。また、図７に示すように、実施例１の接触子を備えた真空インタラプタと、比較例１の接触子を備えた真空インタラプタの遮断試験を行ったところ、実施例１の接触子を備えた真空インタラプタの遮断可能範囲が広くなった。

表２は、実施例１の接触子と、図８に示すような比較例２の補強リング１７を備えた接触子（以後、比較例２の接触子という）との磁束密度の比を示している。表２において、比較例２の値は、実施例１の接触子を１００とした場合の値を示している。

図８に示すように、比較例２の補強リング１７は、実施例１の補強リング１Ａと同じサイズで、実施例１の補強リング１Ａの側部１ｇの体積と同じ値となるように側部１７ｇの厚さを薄くした補強リングである。比較例２の補強リング１７は、貫通穴以外は、実施例１の補強リング１Ａと同様の構成であり、接点板４とろう付けされる端面１７ａ、接触子端板６とろう付けされる端面１７ｂ、コイル部材５とろう付けされる外周部１７ｅ、フランジ１７ｆ、側部１７ｇ等を備えている。

表２に示すように、最大磁束密度は、実施例１の接触子の方が高くなった。磁束密度は、高いほど電流遮断性能が向上すると考えられるので、実施例１の接触子の方が電流遮断性能が高いものと考えられる。一方、最大応力は、比較例２の接触子の方がわずかに小さくなった。応力は小さいほどよいので、応力に関しては比較例２の接触子の方が優れていると考えられる。しかしながら、実施例１の接触子と同程度の磁束密度となるようにさらに薄肉化をした場合、応力も大きく（脆く）なるので、機器に適用できなくなるおそれがある。

つまり、側部１７ｇの厚さを薄くすることにより側部１７ｇの導電率を下げることができるが、側部１７ｇの体積を同じ体積とした場合において、貫通穴１ｈを形成した実施例１の補強リング１Ａの方が、より電流遮断性能に優れた接触子（および、真空インタラプタ）を構成することができるものと考えられる。

図９は、実施例１の接触子と比較例２の接触子の磁束密度分布の解析結果を示す図である。解析ソフトは、ＭａｇＮｅｔ（株式会社アドバンストテクノロジー社：ソフト開発元Ｉｎｆｏｌｙｔｉｃａ社）を用い、電流値２０ｋＡで電極間が閉じた状態から電極間距離が１６ｍｍまで開いたときの磁束密度分布の解析結果を示している。図９に示すように、実施例１の接触子では、接触子内周部において、広い範囲にわたって磁束密度の高い部分が形成されており、電流遮断性能がより高くなっているものと考えられる。なお、図中の円は、接触子の外径を示している。

図１０は、実施例１の接触子と比較例２の接触子の応力分布の解析結果を示す図である。解析ソフトは、ＮＸ（株式会社計算力学研究センター社）を用い、図中右側（接点板４が配置される側）を固定し、図中左側（接触子端板６が配置される側）から１０００Ｎの力で押したときの応力分布の解析結果を示している。この応力分布は、真空インタラプタ１０において電極間が閉じるときに生じる応力を模擬したものである。なお、応力分布において、プラスの数値は伸びていく力を示し、マイナスの数値は縮んでいく力を示している。図１０に示すように、実施例１の接触子では、補強リング１Ａの軸方向に隣接した貫通穴１ｈの間に高い応力がかかっており、補強リング１Ａの端部（接触子端板６が配置される端部）における応力が比較例２の補強リング１７と比べて小さくなっている。つまり、比較例２の補強リング１７は、接触子端板６が配置される端部に応力が集中する傾向がある。このことより、側部１７ｇに貫通穴を刳り貫くのではなく、側部１７ｇの断面を薄くして側部１７ｇの断面積を小さくした補強リング１７は、ろう付け部分（外周部１７ｅ近傍）に応力が集中してそこを支点に亀裂が入るおそれがあると考えられる。

以上のような本発明の実施形態に係る補強リング１および真空インタラプタ１０によれば、真空インタラプタ１０の電流遮断性能を向上させることができる。特に、接触子２の機械強度を満足させるためのろう付け（接点板４と補強リング１のろう付けおよびコイル部材５と補強リング１のろう付け）を行ったまま、真空インタラプタ１０の電流遮断性能を向上させることができる。

また、本発明の実施形態に係る真空インタラプタ１０は、電流遮断性能に優れているので、高電圧系統の真空遮断器に好適に用いることができる。

以上、具体的な実施形態を示して本発明の補強リングおよび真空インタラプタについて説明したが、本発明の補強リングおよび真空インタラプタは、実施形態に限定されるものではなく、その特徴を損なわない範囲で適宜設計変更が可能であり、設計変更されたものも、本発明の技術的範囲に属する。

１、１Ａ…補強リング
１ａ、１ｂ…端面、１ｃ、１ｄ…嵌合溝、１ｅ…外周部、１ｆ…フランジ
１ｇ…側部、１ｈ…貫通穴
２、２ａ、２ｂ…接触子
３…接触台
４…接点板
５…コイル部材
５ａ、５ｂ…端面
６…接触子端板
７…第１のスリット
８…第２のスリット
９…真空容器
１０…真空インタラプタ
１１ａ、１１ｂ…端板
１２…固定ロッド
１３…可動ロッド
１４…ベローズ
１５…シールド

Claims (3)

1. 真空インタラプタの接触子に備えられる補強リングであって、
   前記接触子は、接点板と当該接点板を支持する筒状のコイル部材を備え、前記コイル部材には、当該コイル部材に流れる電流により該コイル部材の軸方向に沿う縦磁界が形成されるようにスリットが形成されており、
   前記補強リングは、前記コイル部材の内側に備えられ、
   前記補強リングの一端面は前記接点板とろう付けされ、前記補強リングの他端部は前記コイル部材とろう付けされており、
   前記補強リングの前記コイル部材とのろう付け部より前記接点板側に、前記補強リングの側壁を貫通する貫通穴が、前記補強リングの周に沿って複数形成され、
   前記貫通穴は、前記補強リングの軸方向に複数段形成され、当該軸方向に隣接する貫通穴は、該軸方向に重ならないように互い違いに配置された、ことを特徴とする補強リング。
2. 前記補強リングの外径は、３０ｍｍ以上９０ｍｍ以下であり、
   前記補強リングの高さは、１６ｍｍ以上４０ｍｍ以下である、ことを特徴とする請求項１に記載の補強リング。
3. 請求項１または２に記載の補強リングを固定電極および／または可動電極に備えた、真空インタラプタ。

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