JP7105986B2 - 電気機械式アクチュエータおよび高電圧(hv)スイッチ - Google Patents

電気機械式アクチュエータおよび高電圧(hv)スイッチ Download PDF

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Description

本発明は高電圧スイッチに関し、特に、第1の領域から第2の領域内へと機械的な動きを伝達するための電気機械式アクチュエータであって、第1の領域および第2の領域は互いにガルバニック分離されている、電気機械式アクチュエータに関する。
高電圧の接続および遮断に関しては、より低電圧の環境で生成された制御信号を、低電圧環境を高電圧によって危険にさらすことなく、HV環境にあるスイッチングデバイスを作動させる機械的な動きに変換しなければならない、という問題が存在する。特に、両環境間で安全なガルバニック分離が確保されなければならない。
従来の高電圧スイッチのコンタクトは、セラミック製のボトルなどの絶縁環境エンクロージャ(environmental enclosure)内に位置している。これらのコンタクトのうちの1つは、エンクロージャ封止部を通って延在するシャフトによって接続された、エンクロージャ外部の機械的システムによって作動させることができる。この作動機構は通常はスイッチにおけるグラウンド接続を形成し、予防措置がとられなければ、電流がスイッチアセンブリから作動機構へとアーク放電し、故障または損傷を生じさせる可能性がある。これに対処するために、高架リクローザ(overhead re-closers)などの従来の高電圧スイッチは通常、作動機構をスイッチコンタクトに接続するために、長めのガラス繊維プルロッドを利用する。この絶縁性のガラス繊維ロッドは、空気で満たした空洞の中に延在する。しかしながら、この構成はかなりの量の物理的空間を占める。
この結果、欧州特許出願第2482301A1号明細書から、導体受入れ端と導体受入れ端の反対側の動作端とを有する管状ハウジングを備える電気的スイッチであって、管状ハウジングは導体受入れ端と動作端の中間に位置付けられたインターフェースを含む、電気的スイッチ、を提供することが知られている。動作端から導体受入れ端に向かって動作ロッドが延在し、導体受入れ端には固定コンタクトが電気的に結合している。
インターフェースおよび動作ロッドには可動コンタクトが電気的に結合しており、可動コンタクトは、固定コンタクトに接触する第1の位置と固定コンタクトから分離される第2の位置の間で移動可能である。管状ハウジング内のインターフェースと動作端の間には、インターフェースからの電圧が動作端へとアーク放電するのを防止するためのダイヤフラムが配設されており、ダイヤフラムは動作ロッドを受け入れるための貫通した孔を含み、ダイヤフラムは、第1の管状部分と、第1の管状部分の外径よりも小さい外径を有する第2の管状部分と、第1の管状部分と第2の管状部分の間にある肩部分と、を含み、第1の管状部分は管状ハウジングの内面と摩擦係合し、第2の管状部分は動作ロッドと摩擦係合し、第1の位置から第2の位置への動作ロッドの移動によって第2の管状部分が第1の管状部分に対して移動し、この移動によって肩部分が変形する。
しかしながら、この知られている構成には依然として、特定の条件下で電界が十分に管理されずに、絶縁材を損傷し得る放電が発生する可能性がある、という問題がある。また更に、単一のダイヤフラムでは、HV環境とLV環境の間に十分な電気絶縁が実現されない場合がある。
第1の領域から第2の領域内へと機械的な動きを伝達するための改善された電気機械式アクチュエータであって、第1の領域と第2の領域は互いにガルバニック分離されており、安全なガルバニック分離が確保され、長期にわたり安定的かつ堅牢であり、経済的に製作できる電気機械式アクチュエータが、依然として必要とされている。
この目的は独立請求項の主題によって解決される。本発明の有利な実施形態が、従属請求項の主題である。
本発明は、静電気散逸特性または静電気遮断特性を有する半導電性の層を有する少なくとも1つの表面上で、HV環境とLV(またはグラウンド)環境を分離する、エラストマーダイヤフラムユニットを提供する、という発想に基づいている。例えば、そのような半導電性の層として、カーボンブラックを含有するポリマーを使用してもよい。静電荷を低減するために必要な高抵抗の導電性を呈する任意の他の好適な材料も、当然ながら使用できる。
特に、本発明は、第1の領域から第2の領域内へと機械的な動きを伝達するための電気機械式アクチュエータであって、第1の領域と第2の領域は互いにガルバニック分離されており、本体と、上記第1の領域内に配置されている電気機械式駆動機構に接続されるようになっている、第1の作動部と、上記第2の領域内に配置されている電気機械式作動機構を作動させるための、第2の作動部と、を有する電気絶縁ロッドを備える、アクチュエータ、を提供する。上記電気絶縁ロッドを少なくとも部分的に包囲する電気絶縁カバーが設けられている。本発明によれば、上記電気絶縁本体と上記カバーの間に配置されており、少なくとも上記第1の領域と上記第2の領域をガルバニック分離するための1つの可撓性の膜体を有する、エラストマーダイヤフラムユニットは、膜体の少なくとも一方の表面が、半導電性層でコーティングされている。
この構成は、HV環境をLV(またはグラウンド)環境から安全に分離し、静電荷の蓄積による絶縁材の加熱および損傷の発生を回避する、という利点を有する。また更に、アクチュエータはスペース要件が小さく、十分に確立された標準的な製造技法を用いて経済的に製造できる。
本発明の有利な実施形態によれば、カバーは、上記ダイヤフラムユニットとは別個の部品として形成されている、電気絶縁管を備える。このことにより、特定のスイッチのハウジングに嵌合するように管を修正するだけで、アクチュエータを複数の異なるスイッチのタイプに組み込むことが可能になる。
有利には、ダイヤフラムユニットは、封止するように電気絶縁ロッドの上記本体に配置されている、内側スリーブを備える。この内側スリーブはしたがって、いかなる電流がロッドに沿ってHV環境から出ることも安全に回避する。
ロッドの移動中に内側スリーブがロッドに対して移動せず、これにより膜体のみが偏向しロッドとダイヤフラムユニットの間の接合面において損耗が生じ得ないようにするのを保証するために、ロッドの本体は、長手軸を有する本質的に円筒形の細長い形状を有し、この本体は、上記内側スリーブを本体に固定するための、少なくとも1つの固定用突出部を備える。
特に、本体は、内側スリーブがストッパ突出部間に保持されるように、内側スリーブの長手寸法に対応する上記長手軸に沿って離間された、2つのリング形状のストッパ突出部を備えてもよい。このことにより、特に安全な機械的固定が可能になり、電気的な沿面距離も向上する。
本発明の有利な実施形態によれば、ダイヤフラムユニットは、封止するように上記カバーに配置されている、少なくとも1つの外側スリーブを備える。この外側スリーブにより、カバーにおける確実な機械的固定が可能になり、このカバーは、HVスイッチのハウジングにしっかりと取り付けることができる。
有利には、ダイヤフラムユニットは膜体の2つの表面が半導電性材料でコーティングされている。このことにより、ダイヤフラムユニットのHV側およびLV側での効果的な電界管理が可能になる。
電気絶縁の安全性を更に高めるために、ダイヤフラムユニットは、1つの膜体を備え得るだけでなく、ロッドの長手軸に沿って離間された第1の膜体および第2の膜体も備える。絶縁性能を更に高めるために、第1の膜体および第2の膜体は互いの間に区画(compartment:小室)を形成することができ、上記区画には電気絶縁流体が充填される。電気絶縁流体は例えば、誘電性オイルを含む。当然ながら、任意の他の好適な材料、例えばシリコンゲルまたは絶縁粉末を採用してもよい。
有利には、ダイヤフラムユニットは、上記絶縁流体を充填するための少なくとも1つの注入口を備える。この注入口は例えば、第1の膜体と第2の膜体の間の区画に接続されているリードスルー(lead through)を有する、オイル充填スクリューを備える。
第1の膜体と第2の膜体の間の区画内での過圧力の有害な蓄積を回避するために、ダイヤフラムユニットは、流体の圧力補償を可能にするための少なくとも1つの通気要素を備え得る。
本発明によれば、第1の膜体および第2の膜体は、1つの共通の内側スリーブおよび/または1つの共通の外側スリーブと一体に形成されてもよい。しかしながら、ダイヤフラムユニットの製造を容易にするために、内側スリーブおよび外側スリーブの少なくとも一方を、2つの部分に分離してもよい。特に、ダイヤフラムユニットは、封止するように上記カバーに配置されている、第1の外側スリーブおよび第2の外側スリーブを備えてもよく、第1の外側スリーブは第1の膜体に接続されており、第2の外側スリーブは第2の膜体に接続されている。
本発明は1つまたは2つの膜体に言及して詳細に説明されているが、更に高品質の電気絶縁をもたらす3つ以上の膜体を設けてもよいことが、当業者には明らかである。単一の膜体のみの代わりに複数の膜体を使用することには、より可撓性の高いより薄い膜体を使用できるという利点もある。
本発明は、先行する請求項に記載の電気機械式アクチュエータを備える真空遮断器などの高電圧スイッチであって、第1の領域は低電圧(LV)環境またはグラウンドであり、第2の領域は高電圧(HV)環境である、高電圧スイッチと共に、有利に使用できる。特に、カバーは、膜体が効果的にHV環境を封止するように、上記HV環境を封入するエンクロージャに取り付けられる。
また更に、本発明の有利な実施形態によれば、高電圧スイッチは、電気絶縁エンクロージャ内に封入されている第1のHV電気コンタクトおよび第2のHV電気コンタクトを備え、上記エンクロージャは絶縁流体を充填した区画によって包囲されており、上記絶縁流体の圧力は上記区画内に設けられた少なくとも1つの空気リザーバによって制御される。絶縁流体はオイルであってもよいが、より有利には電気絶縁ゲルである。少なくとも1つの空気リザーバを設けることによって圧力を制限することができるが、このことは高温下で重要である。また更に、そのような圧力制限装置は低温条件下でも有利であるが、その理由は、この場合いかなるオイル、ゲル、または他の絶縁充填材も収縮し、この体積減少を補償するように空気リザーバが拡張できるからである。このことにより、規定されていないエアポケットの形成を回避できる。更に、圧力制限装置の少なくとも一部を半導電性材料で製作してもよく、このことにより電界分布が改善される。
本発明は、例えば真空遮断器などの高電圧スイッチと共に、特に42kV用途に対して、有利に使用される。以下で使用する用語「高電圧」は、約1kVを超える電圧に関連することが意図されている。特に、高電圧という用語は、送電に関する一般的な公称電圧範囲、すなわち、中電圧、MV、(約3kVから約72kV)、高電圧、HV、(約72kVから約245kV)、および更に特別高圧(現状では約500kVまで)を含むことが意図されている。当然ながら将来的にはより高い電圧も考慮され得る。これらの電圧は直流(DC)電圧であっても交流(AC)電圧であってもよい。以下では、用語「高圧ケーブル」は、約1kVを超える電圧で約1Aを超える電流を流すのに適したケーブルを意味することが意図されている。
これに応じて、用語「高電圧スイッチ」は、高電圧設備および/または高圧ケーブルの接続および遮断に適したデバイスを意味することが意図されている。本発明は、機械的な動きを、1kV未満の電圧に関連するいわゆる「低電圧」、LV環境からHV環境へと、安全に伝達するための手段を提供する。当然ながら、LV環境の代わりに、最初の環境はグラウンド電位であってもよい。
添付の図面は明細書に組み込まれて明細書の一部を形成しており、本発明のいくつかの実施形態を例示している。これらの図面はその説明と併せて、本発明の原理を説明する役割を果たす。図面は単に本発明を製作および使用する方法の好ましい例および代替の例を説明することを目的としたものであり、本発明を図示され記載された実施形態のみに限定するものと見なされるべきではない。また更に、実施形態のいくつかの態様は-個々にまたは様々な組み合わせで-本発明による解決法を形成し得る。以下に記載する実施形態はしたがって、単独でまたはそれらを任意に組み合わせて検討することができる。同様の参照符号が同様の要素を指す以下の添付の図面に示されているような、本発明の様々な実施形態の、以下のより具体的な説明から、更なる特徴および利点が明らかになるであろう。
第1の実施形態に係る高電圧スイッチの概略図である。 図1の詳細図である。 取り付けられたコネクタを有さない図1に示す高電圧スイッチの概略図である。 更なる実施形態に係る高電圧スイッチの概略図である。
ここで本発明について、図を参照し、まずはじめに図1を参照してより詳細に説明する。
図1は、本発明の第1の有利な実施形態に係る高電圧スイッチ100の、有利な実施形態を示す。高電圧(HV)側では、第1の電気コンタクト102を第2の電気コンタクト104に接続することができる。図1では、これらの2つのコンタクトを遮断された状態で示す。電気接続を閉じるために、電気コンタクト102を、矢印120の示す方向へと電気コンタクト104に向けて移動させねばならない。本発明によれば、このことはアクチュエータ106によって行われる。第1の電気コンタクト102および第2の電気コンタクト104は、ボトルとも呼ばれる真空ケース103内に収容してもよい。
アクチュエータ106は、本体110を有する電気絶縁ロッド108と、電気機械式駆動機構(図には示されていない)に接続されるようになっている第1の作動部112と、HV領域(図には示されていない)内に配置されている電気機械式作動機構を作動させるための第2の作動部114と、を備える。第1の作動部112は、低電圧(LV)環境内に配置されているか、または、グラウンド(「アース側」とも呼ばれる)に接続されている。電気絶縁カバー116が、上記電気絶縁ロッド108を少なくとも部分的に包囲している。
アクチュエータ106は、上記電気絶縁本体110と上記カバー116の間に配置されており、上記第1の領域と上記第2の領域を電気的に分離するための可撓性の膜体122を有する、エラストマーダイヤフラムユニット118を備える。本発明によれば、ダイヤフラムユニット118は、膜体122の表面124、126の少なくとも一方が半導電性層でコーティングされている。このことにより、HV電界を最適に管理することができ、絶縁膜体材料の損傷を回避できる。
カバー116は丈夫な電気絶縁管で形成されている。このカバーの外側は、例えばシリコーンから製作される、可撓性の絶縁層128で覆われている。この絶縁層128を半導電性の外側層で覆ってもよい。電気コンタクト102、104の領域内のフラッシュオーバを短時間で放電するために、グラウンドに接続されるグラウンド接続コンタクト105が設けられる。
膜体122は可撓性であり、このためロッド108が長手方向120に沿って移動し再び戻ることが可能になり、これにより膜体122が偏向する。他方で、電気絶縁性を有する可撓性の膜体122によって、HV側とLV側(またはグラウンド)の間に効果的な電気絶縁がもたらされる。
図2はアクチュエータ106をより詳細に示す。この図から分かるように、ロッド108は、移動方向120に沿って延びる長手軸130を有する。ダイヤフラムユニット118を管形状のカバー116の内側に安全に固止するために、ダイヤフラムユニット118は外側スリーブ132を備える。また更に、電気絶縁ロッド108に機械的に接触するために、ダイヤフラムユニット118は、電気絶縁ロッド108の本体110を包囲する内側スリーブ134を備える。
ロッド108が移動するときに内側スリーブ134が本体110の外側表面に沿って摺動するのを回避するために、ロッド108の外周に沿って、2つのリング形状の固定用要素136、138が設けられている。このことにより、内側スリーブ134は長手方向両側で機械的に固定される。これらのリング形状の突出部136、138は当然ながら、ロッドの本体110の外周の一部のみを覆う固定用要素で置き換えることもできることが、当業者には明らかである。しかしながら、リング形状の解決法は、どのような電流に対しても沿面距離を大きくするので好ましい。
図2に示すように、シリコーン製カバー128には、電界制御を提供しファラデーケージとして作用する、半導電性層140を設けることもできる。グラウンド接続コンタクト105により、電気コンタクト102、104の領域内のフラッシュオーバの短時間での放電が可能になる。
本発明に係るアクチュエータ106をスイッチの残りの部分に固着するために、2つのキャップを設けることができる。特に、カバー116をスイッチ100に安全に固着するために、本質的に管状の形状でありテーパ領域144を有する外側キャップ142を、カバー116とシリコーン層128の間に挿入することができる。
更に、ダイヤフラムユニット118の外側スリーブ132をカバー116の内側に機械的に固定するために、カバー116と偏向した膜体122のために必要な自由空間の間に、管形状の内側キャップ146が挿入される。保持肩部148が外側スリーブ132と相互作用して、このスリーブ132を長手方向において固定する。
本発明によれば、膜体122の第1の表面124および第2の表面126は、HV電界を管理するための半導電性層で覆われている。
また更に、電気絶縁を向上させるために、真空ケース103を電気絶縁流体、好ましくはゲル充填材149で取り囲んでもよい。(特に上昇した温度のもとで)ゲル149に生じる圧力を制御および制限するために、HVスイッチ100は、1つまたは複数の空気リザーバ151を備えた圧力制限装置を有する。ゲルとは対照的に、空気は圧縮可能であり、したがって圧力を平衡させることができる。
図3は、取り付けられた様々なコネクタを有さない、本発明に係るHVスイッチ100を示す。
図4は、本発明に係るアクチュエータ206の更なる有利な実施形態を示す。この実施形態によれば、ロッド208は、既出の図のロッド108と本質的に同じである。ロッド208は、本体210と、第1の作動部212と、第2の作動部214と、を有する。アクチュエータ206は、本質的に管状の電気絶縁部品として製作されているカバー216を更に備える。ロッド208の本体210は、ダイヤフラムユニット218の内側スリーブ234と係合する、2つの本質的にリング形状の突出部236、238を有する。
既出の実施形態とは異なり、ダイヤフラムユニット218は、第1の膜体250と第2の膜体252とを備える。これらの膜体250、252は図1から図3に示す膜体122よりも薄く、したがってより可撓性が高く、より容易に偏向し得る。
また更に、第1の膜体250および第2の膜体252は、互いの間に区画254を画成している。本発明によれば、この区画を電気絶縁流体、例えば誘電性オイルで充填することができる。オイルを充填するための注入口256が設けられており、注出口258が、危険な過圧力を回避するために区画254を通気する役割を果たし得る。
図4に示す本発明によれば、膜体250、252の各々は、カバー216に取り付けられているその別個の外側スリーブ260、262を有する。
また更に、HV電界の最適な管理を実現するために、膜体250、252のうちの少なくとも一方は、その表面のうちの少なくとも一方が半導電性層でコーティングされている。
図4に示す実施形態は、図1から図3の膜体122と比べてはるかに薄い壁を用いて膜体250および252を製作でき、この結果、これらをより容易に偏向させることができ、アクチュエータ206がロッド208を移動させるのに必要な力がより小さくなる、という利点を有する。区画254のオイル充填により、電気絶縁品質が大きく向上する。
100 HVスイッチ
102 第1のHV電気コンタクト
103 真空ケース
104 第2のHV電気コンタクト
105 グラウンド接続コンタクト
106、206 アクチュエータ
108、208 ロッド
110、210 本体
112、212 第1の作動部
114、214 第2の作動部
116、216 カバー
118、218 エラストマーダイヤフラムユニット
120 長手方向
122 可撓性の膜体
124 膜体の第1の表面
126 膜体の第2の表面
128 シリコーン層
130 軸
132 外側スリーブ
134、234 内側スリーブ
136、236 第1の突出部
138、238 第2の突出部
140 半導電性層
142 外側キャップ
144 テーパ領域
146 内側キャップ
148 保持肩部
149 ゲル充填材
151 空気リザーバ
250 第1の膜体
252 第2の膜体
254 区画
256 注入口
258 注出口
260 第1の外側スリーブ
262 第2の外側スリーブ

Claims (15)

  1. 第1の領域から第2の領域内へと機械的な動きを伝達するための電気機械式アクチュエータ(106、206)であって、前記第1の領域および前記第2の領域は互いにガルバニック分離されており、
    前記電気機械式アクチュエータ(106、206)は、
    - 本体(110、210)、前記第1の領域内に配置されている電気機械式駆動機構に接続されるようになっている第1の作動部(112、212)、および前記第2の領域内に配置されている電気機械式作動機構を作動させるための第2の作動部(114、214)を有する、電気絶縁ロッド(108、208)と、
    - 前記電気絶縁ロッド(108、208)を少なくとも部分的に包囲する電気絶縁カバー(116、216)と、
    - 電気絶縁性の前記本体(110、210)と前記電気絶縁カバー(116、216)の間に配置されており、前記第1の領域と前記第2の領域を電気的に分離するための少なくとも1つの可撓性の膜体(122;250、252)を有する、エラストマーダイヤフラムユニット(118、218)とを備え、
    前記膜体(122;250、252)は、前記第1の領域に位置する第1の表面(124)と、前記第2の領域に位置する第2の表面(126)と、を有し、
    前記ダイヤフラムユニット(118、218)は、前記膜体(122;250、252)の前記第1の表面(124)および前記第2の表面(126)が半導電性層でコーティングされている、
    電気機械式アクチュエータ。
  2. 前記カバー(116、216)は、前記ダイヤフラムユニット(118、218)とは別個の部品として形成されている電気絶縁管を備える、
    請求項1に記載の電気機械式アクチュエータ。
  3. 前記ダイヤフラムユニット(118、218)は、封止するように前記電気絶縁ロッド(108、208)の前記本体(110、210)に配置されている、内側スリーブ(134、234)を備える、
    請求項1または2に記載の電気機械式アクチュエータ。
  4. 前記本体(110、210)は、長手軸(130)を有する本質的に円筒形の細長い形状を有し、
    前記本体(110、210)は、前記内側スリーブ(134、234)を前記本体(110、210)に固定するための少なくとも1つの固定用突出部(136、138;236、238)を備える、
    請求項3に記載の電気機械式アクチュエータ。
  5. 前記本体(110、210)は、前記内側スリーブ(134、234)の長手寸法に対応する前記長手軸に沿って離間されている、2つのリング形状のストッパ突出部(136、138;236、238)を備え、
    前記内側スリーブは前記ストッパ突出部の間に保持されるようになっている、
    請求項4に記載の電気機械式アクチュエータ。
  6. 前記ダイヤフラムユニット(118、218)は、封止するように前記カバー(116、216)に配置されている少なくとも1つの外側スリーブ(132;260、262)を備える、
    請求項1から5のいずれか一項に記載の電気機械式アクチュエータ。
  7. 前記半導電性層は、カーボンブラックを含有するポリマーからなる、
    請求項1から6のいずれか一項に記載の電気機械式アクチュエータ。
  8. 前記ダイヤフラムユニット(218)は、前記電気絶縁ロッド(208)の長手軸に沿って離間された第1の膜体(250)および第2の膜体(252)を備える、
    請求項1から7のいずれか一項に記載の電気機械式アクチュエータ。
  9. 前記第1の膜体(250)および第2の膜体(252)は、互いの間に区画(254)を形成しており、前記区画(254)には電気絶縁流体が充填されている、
    請求項8に記載の電気機械式アクチュエータ。
  10. 前記ダイヤフラムユニット(218)は、前記電気絶縁流体を充填するための少なくとも1つの注入口(256)を備える、
    請求項9に記載の電気機械式アクチュエータ。
  11. 前記ダイヤフラムユニット(218)は、前記電気絶縁流体の圧力補償を可能にするための少なくとも1つの通気要素(258)を備える、
    請求項9または10に記載の電気機械式アクチュエータ。
  12. 前記ダイヤフラムユニット(218)は、封止するように前記カバー(216)に配置されている第1の外側スリーブ(260)および第2の外側スリーブ(262)を備え、
    前記第1の外側スリーブは前記第1の膜体に接続されており、前記第2の外側スリーブは前記第2の膜体に接続されている、
    請求項8から11からのいずれか一項に記載の電気機械式アクチュエータ。
  13. 請求項1から12のいずれか一項に記載の電気機械式アクチュエータ(100)を備え、
    前記第1の領域は低電圧(LV)環境またはグラウンドであり、
    前記第2の領域は高電圧(HV)環境である、高電圧スイッチ。
  14. 前記カバー(116、216)は、前記高電圧(HV)環境を封入するエンクロージャに取り付けられている、
    請求項13に記載の高電圧スイッチ。
  15. 電気絶縁エンクロージャ内に封入されている第1のHV電気コンタクトおよび第2のHV電気コンタクトを備え、
    前記電気絶縁エンクロージャは絶縁流体(149)を充填した区画によって包囲されており、
    前記絶縁流体(149)の圧力は前記区画内に設けられた少なくとも1つの空気リザーバ(151)によって制御される、
    請求項13または14に記載の高電圧スイッチ。
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