JP7466761B2 - 高速投入器、電力用変換装置およびスイッチギヤ - Google Patents

Description

本開示は、電気事故が発生した場合等に、事故電流を除去するために事故電路に投入される高速投入器、およびそれを用いる電力用変換装置並びにスイッチギヤに関する。

高電圧直流送電などに使用される電力用変換装置や無効電力補償装置（ＳＴＡＴｉｃ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ＣＯＭｐｅｎｓａｔｏｒ，ＳＴＡＴＣＯＭ）にはパワー半導体が用いられているが、素子の故障や誤動作により地絡や短絡などの電気事故が発生した際、いち早く事故電流を除去してシステムを保護する機器として高速投入器がある。また、高速投入器は、工場やビルなどに設置されているスイッチギヤにおいて、内部アーク事故に発展した際の機器保護としても使用される。

特に、保護対象の機器の内部で短絡事故によるアークが発生した場合、アークの発生時間が長いほど周囲は高温高圧となるため、筐体破損等の甚大な被害の危険性が高まる。そのような被害から機器を守るためには、電気事故を検知した場合に、いち早く事故電流を除去する必要がある。そのため、高速投入器には、電気事故の検知後可能な限り高速な投入動作が求められる。

特許文献１に記載された高速投入器は、固定接点片と、ピストン・シリンダ装置が結合された可動接点片とを備え、ガス発生器によりピストン・シリンダ装置を作用させて可動接点片を駆動することで、可動接点片の投入動作を高速化している。

特許第５２５４３４０号公報

特許文献１に記載された高速投入器は、固定接点片と可動接点片とが直接接触するまで事故電路は短絡されず、事故電流が除去されない。このような、事故電路の短絡用に設けられた電極同士を直接接触する必要がある構成の場合、投入完了（ここでは、事故電路の短絡用に設けられた電極間を導通させて事故電路を短絡させた状態をいう）までに数ｍｓ程度の時間を要するなど、高速化の余地がある。

本開示は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、事故電流をより高速に除去することができる高速投入器およびそれを用いる電力用変換装置並びにスイッチギヤを提供することを目的とする。

本開示にかかる高速投入器の一態様は、絶縁容器内に設けられる接続室と、導電性材料からなり、接続室内に、少なくとも投入動作前において電気的に離れて配置される第１の電極および第２の電極と、接続室に連通されており、荷電粒子および導電性粒子の少なくともいずれかを射出可能な射出器と、を備え、射出器は、投入動作が開始されると、接続室内に、荷電粒子および導電性粒子の少なくともいずれかを射出することを特徴とすることを特徴とする。

また、本開示にかかる電力用変換装置の一態様は、半導体スイッチと、半導体スイッチに並列に接続される電気エネルギー蓄積器とを有するパワーモジュールの直列回路と、
上述の高速投入器と、を備え、高速投入器は、パワー半導体回路の入力端子と出力端子の間に接続されることを特徴とする。

また、本開示にかかるスイッチギヤの一態様は、母線と、上述の高速投入器と、を備え、高速投入器は、母線に設けられることを特徴とする。

本開示によれば、上述したような特徴を備えているので、事故電流をより高速に除去することができる高速投入器およびそれを用いる電力用変換装置並びにスイッチギヤを提供することができる。

実施の形態１による高速投入器の例を示す断面図である。 実施の形態１による高速投入器の他の例を示す断面図である。 実施の形態１による高速投入器の投入動作の例を示す説明図である。 変形例１－１による高速投入器の例を示す断面図である。 変形例１－１による高速投入器の投入動作の例を示す説明図である。 変形例１－２による高速投入器の例を示す断面図である。 変形例１－２による高速投入器の投入動作の例を示す説明図である。 実施の形態２による高速投入器の例を示す断面図である。 実施の形態２による高速投入器の他の例を示す断面図である。 実施の形態２による高速投入器の投入動作により形成される放電路ＤＰの例を示す説明図である。 実施の形態２による高速投入器の投入動作により形成される放電路ＤＰの例を示す説明図である。 変形例２－１による高速投入器の例を示す断面図である。 変形例２－１による高速投入器の投入動作により形成される放電路ＤＰの例を示す説明図である。 実施の形態３による高速投入器の例を示す断面図である。 実施の形態３による高速投入器の投入動作の例を示す説明図である。 実施の形態３による高速投入器の他の例を示す断面図である。 実施の形態３による高速投入器の投入動作の他の例を示す説明図である。 実施の形態３による高速投入器の要部を示す説明図である。 変形例３－１による高速投入器の例を示す断面図である。 変形例３－２による高速投入器の例を示す断面図である。 実施の形態４による高速投入器の例を示す断面図である。 実施の形態５による電力用変換装置の回路の例を示す構成図である。 実施の形態６によるスイッチギヤの回路の例を示す模式図である。

実施の形態１．
以下、本開示にかかる実施の形態１による高速投入器について、図面を参照して説明する。図１は、実施の形態１による高速投入器１００の例を示す断面図である。なお、図１（ａ）は、ｚｘ平面での断面図であり、図１（ｂ）はｘｙ平面での断面図である。図１に示す高速投入器１００は、絶縁容器１内に設けられる接続室３と、接続室３内に配置される電極１１、１２と、接続室３に連通される射出器４とを備える。

接続室３は、絶縁性の空間であって、後述するように、投入動作時に電極１１、１２間に放電路ＤＰを形成するための空間である。以下、接続室３をアーク空間という場合がある。

電極１１、１２は、事故電流を流すための導電性材料からなる電極であり、電気事故を検知した際に導通されることで事故電流を短絡させる。以下、電極１１、１２を短絡用電極１１、１２という場合がある。短絡用電極１１、１２は、接続室３外部から挿入され、接続室３内で互いに離間して配置される。短絡用電極１１、１２は、通常状態、すなわち投入動作前の状態において、電気的に絶縁状態となるように互いに離間して配置されればよい。短絡用電極１１、１２は、例えば、互いに絶縁距離以上離れて配置される。本実施の形態において、短絡用電極１１、１２は、接続室３内に固定される。

射出器４は、接続室３内に、荷電粒子２１および導電性粒子２２の少なくともいずれかを射出可能な射出器であればよい。射出器４は、例えば、荷電粒子発生部８と、荷電粒子発生部８で発生した荷電粒子２１を接続室３に向けて射出するノズル６とを有する。

荷電粒子発生部８は、例えば、アーク（アークプラズマともいい、放電現象またはその際に生じる空間の絶縁破壊状態）を発生させるための電極８１、８２と、を含む。以下、電極８１、８２を点弧用電極８１、８２、または２つ併せてアーク電極対ともいう。点弧用電極８１、８２は、圧力室５外部から挿入され、互いに離間した位置に固定される。荷電粒子発生部８は、例えば、点弧用電極８１、８２に生じる電位差を利用して、アークを発生させる。通常、アーク発生時に生成されるガスは数万℃に達しており、ガス内部はプラズマ状態すなわち荷電粒子２１を含んだ状態であり、導電性を有している。荷電粒子発生部８は、例えば、事故電流が検出されると点弧用電極８１、８２に電圧が印加されるよう構成されており、その電圧印加によって点弧用電極８１、８２の間の空間に存在する気体分子が電離し、該空間に絶縁破壊を引き起こし、アークを発生させるものでもよい。以下、アーク発生時に生成されるガスを、導電性ガスまたは荷電粒子２１を含む気体という場合がある。

点弧用電極８１、８２の間にヒューズ８３が取り付けられてもよい。ヒューズ８３は、ある電流値に達した際に自己発熱により溶断するものであればよい。ヒューズ８３は、例えば、金属ワイヤや金属ウールであってもよい。また、点弧用電極８１、８２間をヒューズ８３で接続する代わりに、点弧用電極８１、８２間を電気的に接続するように、点弧用電極８１、８２間の一部の空間を金属粉で満たしてもよい。ヒューズ８３または金属粉は、点弧用電極８１、８２間を一時的に導通させた後に消失することにより、アークの発生を促すことができる。

本例では、荷電粒子発生部８は、圧力室５内に収められている。圧力室５は、内部の圧力変動に耐えうる構造のものであれば特に限定されない。圧力室５は、例えば、絶縁材料で形成されてもよい。ノズル６は、射出器４において、荷電粒子発生部８が収められた空間としての圧力室５と射出口１０とをつなぐ部位であり、荷電粒子発生部８が発生した荷電粒子２１を射出口１０まで運ぶ。換言すると、ノズル６は、荷電粒子発生部８が収められた空間と接続室３とをつなぐ連通路を形成する。具体的には、ノズル６は、該空間に設けられる開口部９と、接続室３に連通される射出口１０とをつなぐ連通路を形成する。したがって、連通路７は接続室３に連通される。射出器４は、投入動作が開始されると、連通路７を介して接続室３内に荷電粒子２１を射出する。

接続室３には、射出器４と連通するための開口部３１が設けられている。図に示す例では、開口部３１内に射出器４ごと収められる形で、射出器４と接続室３とが連通されている。本実施の形態では、射出器４およびその射出口１０は、接続室３に対して固定される。したがって、射出器４は投入動作時に位置が変化しない。

図１に示す例では、ノズル６を構成する部材が圧力室５も構成しているが、圧力室５およびノズル６の構成はこれに限定されない。また、図１に示す例では、圧力室５の壁面の一部が、接続室３を封止する蓋２によって構成されているが、圧力室５の構成はこれに限定されない。

射出器４は、例えば、荷電粒子発生部８による荷電粒子２１の発生に伴う圧力室５内の圧力上昇を利用して、荷電粒子２１を射出してもよい。本例では、荷電粒子発生部８によるアーク発生時に生成される導電性ガスの発生に伴う圧力室５内の圧力上昇を利用して、射出口１０から導電性ガス（より具体的には、荷電粒子２１およびそれを含む高温ガス）を射出する。射出口１０から射出された導電性ガスは、そのまま接続室３内に流入する。このようにして、荷電粒子発生部８が発生した荷電粒子２１を接続室３内に射出する。

図２は、実施の形態１による高速投入器１００の他の例を示す断面図である。図２に示す例では、絶縁容器１内に、接続室３と圧力室５とが形成されるとともに、接続室３の開口部３１と圧力室５の開口部９とを連通する連通路７が形成されている。本例においては、連通路７を構成している絶縁容器１内の部位がノズル６とされる。また、接続室３の開口部３１が射出口１０とされる。その他の点は、図１に示す例と同様である。

次に、実施の形態１による高速投入器１００の投入動作について説明する。図３は、実施の形態１による高速投入器１００の投入動作の例を示す説明図である。図３に示す例では、高速投入器１００は、事故電流が検出されるなどにより投入動作が開始されると、まず射出器４の荷電粒子発生部８が、圧力室５内に荷電粒子２１を発生させる（図３（Ａ）参照）。高速投入器１００は、例えば、事故電流を検知すると点弧用電極８１、８２に電流が流れ、点弧用電極８１、８２間を接続していたヒューズ８３がジュール加熱して溶断することで、圧力室５内に、荷電粒子２１を発生してもよい。図中のＧ１は、圧力室５内に荷電粒子２１を含んだアークが発生した様子を表している。

アークの発生に伴い圧力室５内の圧力が上昇すると、連通路７を介して接続室３内に荷電粒子２１が放出される（図３（Ｂ）参照）。図中の白矢印は、アーク発生に伴い生成されるプラズマ化した導電性ガスＧ２（より具体的には、荷電粒子２１およびそれを含む高温ガス）が、圧力室５内の圧力上昇により射出口１０から放出される様子を示している。

接続室３内に流入した導電性ガスＧ２は、短絡用電極１１、１２間の空間にも流入し、該空間に絶縁破壊や空間導電率の上昇を引き起こす。その結果、該空間に放電路ＤＰが形成されて、短絡用電極１１、１２間が電気的に導通状態となり、高速投入器１００の投入動作は完了する（図３（Ｃ）参照）。図中の黒矢印は、事故電流が短絡される様子を示している。なお、回路構成によっては逆方向に事故電流が流れてもよい。

以上述べたように、本実施の形態による高速投入器によれば、投入動作時に接続室３内に点弧用電極８１、８２への電圧印加に伴い発生する荷電粒子２１を射出することにより短絡用電極１１、１２間の放電路ＤＰの形成を促す射出器４を備えているので、高速に短絡用電極同士を電気的に接続することができる。特に、上述した例によれば、荷電粒子２１発生時の圧力変動を利用して接続室３内に荷電粒子２１を射出するので、短絡用電極を機械的に駆動して直接接触させる方法と比べて、より高速に短絡用電極同士を電気的に接続することができる。このように、高速に事故電流を除去することができるので、外部回路でのアーク時間が短縮されて、故障の規模の縮小、機器全体の信頼性向上および防爆構造の簡素化が可能となる。
（変形例１－１）
図４は、実施の形態１の変形例１－１による高速投入器１０１の例を示す断面図である。図４に示す高速投入器１０１における射出器４は、図１に示す実施の形態１の高速投入器１００の例と比べて、連通路７に導電性粒子２２が格納されている点で異なる。本変形例の射出器４は、連通路７の内部に導電性粒子２２を格納する格納部２０を有する。なお、本変形例の射出器４の構成は、他の高速投入器（例えば図２に示した高速投入器２００）の射出器４にも適用可能である。

格納部２０は、例えば、連通路７内に、平常時において連通路７を塞ぐとともに一定の外力または熱が加わると外れるよう構成された仕切り１４を設けることにより形成されてもよい。仕切り１４は、例えば、平常時において連通路７を塞ぎつつ（閉状態としつつ）、一定の外力または熱が加わると、外れる、粉砕する、回転する、消失するなどして連通路７を開放するものであればよい。

本変形例において、荷電粒子発生部８は、外部制御（点弧用電極８１，８２への電圧印加）によって圧力室５の内圧を調整する圧力調整機構としても機能する。なお、本例における圧力調整機構は、荷電粒子発生部８以外であってもよい。一例として、圧力調整機構は、予め高圧状態に維持された圧力室５の開口部９に設けられる、機械式または電磁式の制御弁でもよい。このような機構であっても、外部制御（制御弁の駆動）による圧力室５内の圧力変動を利用して、格納部２０に対して接続室３方向への押圧を生じさせ、導電性粒子２２を接続室３内に射出できる。ここで、接続室３方向とは連通路７内において接続室３に向かう方向をいう。

格納部２０は、圧力室５内の圧力変動に応じて接続室３内に導電性粒子２２を射出可能な構成であれば特に限定されない。格納部２０に格納される導電性粒子２２は軽いものがより好ましく、例えば金属粒子が適している。これは、軽いほど加速が早く、高速で飛散しやすいためである。

次に、変形例１－１による高速投入器１０１の投入動作について説明する。図５は、変形例１－１による高速投入器１０１の投入動作の例を示す説明図である。図５に示す例では、高速投入器１０１は、投入動作が開始されると、まず射出器４の圧力調整機構としての荷電粒子発生部８が、圧力室５内にアークを発生させて、圧力室５内の圧力を上昇させる（図５（Ａ）参照）。このとき、圧力調整機構としては、格納部２０に対して接続室３方向に加圧（押圧）できればよく、荷電粒子２１は発生してもよいし、しなくてもよい。

アーク発生に伴い、格納部２０に対して接続室３方向に圧力が加わると、仕切り１４が開状態となり、格納部２０に格納されている導電性粒子２２が接続室３内に放出される（図５（Ｂ）参照）。図中の白矢印は、格納部２０に対して接続室３方向に圧力が加わることで、仕切り１４が開状態となって導電性粒子２２が押し出される様子を示している。また、図中の符号Ｇ３は、接続室３内に流入する、少なくとも導電性粒子２２を含む導電性ガスを表す。なお、導電性ガスＧ３は、さらに荷電粒子２１を含んでいてもよい。

接続室３内に流入した導電性ガスＧ２は、短絡用電極１１、１２間の空間にも流入し、該空間に絶縁破壊や空間導電率の上昇を引き起こす。その結果、該空間に放電路ＤＰが形成されて、短絡用電極１１、１２間が電気的に導通状態となり、高速投入器１００の投入動作は完了する（図５（Ｃ）参照）。図中の破線矢印は、事故電流が短絡される様子を示している。なお、他の点は上述した実施の形態１と同様である。

上述した実施の形態１の例では、圧力室５で発生した導電性ガスＧ２を連通路７を介して接続室３内に放出する。この際、流路とされる壁面からの放熱や射出時の断熱膨張等による冷却により電離状態の気体分子の再結合が進んで導電率が低下し、供給できる荷電粒子２１が減少することによって、上述した効果（短絡用電極１１、１２間での放電路ＤＰの形成、ひいては事故電流の短絡）が十分に得られない場合がある。そこで、本変形例では、連通路７に導電性粒子２２を収めることで、より確実に上述した効果が得られるようにしている。

連通路７に導電性粒子２２を格納する効果は主に二つあり、１つ目の効果は、電圧が印加された短絡用電極１１、１２の間に導電性粒子２２を混入すると、導電性粒子２２の帯電電荷や突起により局所的な電界の偏歪を引き起して絶縁破壊を誘発しやすくなることである。導電性粒子２２を接続室３内に流入させることにより、空間の絶縁耐力を意図的に低下させ、放電路ＤＰの形成を促進することができる。２つ目の効果は、圧力室５内でアーク発弧により高温ガスを発生させる場合において、発生した高温ガスに導電性粒子２２を混合させると、化学反応が起きてより発熱することで、より高い電離度を持った導電性ガスを生成・流入できることである。

以上述べたように、本変形例による高速投入器によれば、射出器４が、投入動作時に接続室３内に導電性粒子２２を射出して短絡用電極１１、１２間の放電路ＤＰの形成を促す機構を備えているので、高速かつより確実に放電路ＤＰを形成することができ、短絡用電極同士を電気的に接続することができる。

なお、導電性粒子２２を格納しない場合においても、仕切り１４を備えることで圧力室５の圧力調整が容易になり、その圧力室５内の圧力変動を利用して接続室３内に荷電粒子２１を射出することで、高速かつより確実に短絡用電極同士を電気的に接続することができる。
（変形例１－２）
図６は、実施の形態１の変形例１－２による高速投入器１０２の例を示す断面図である。図６に示す高速投入器１０２では、連通路７に固定される一対の弁座１５と、弁座１５に囲まれた領域に挿入される封止体１６とを備える点が変形例１－１と異なる。

弁座１５は、連通路７に固定されており、連通路７内を移動する封止体１６を受け止める部材である。封止体１６は、連通路７内を移動可能であって、弁座１５に支持されることで連通路７を封止する部材である。封止体１６は、例えば、格納部２０を形成する連通路７の内径よりも小さく、かつ弁座１５によって連通路７の内側に形成される流路径より大きい球体であってもよい。弁座１５は、封止体１６と協働して連通路７を封止できるものであればよく、例えば、連通路７の内壁に設けられた突起や、導電性粒子２２よりも大きく封止体１６よりも小さい穴を有する仕切りであってもよい。なお、封止体１６と弁座１５の具体的な構成は、接続室３と圧力室５の間の圧力差によって連通路７を塞ぐことができるものであれば、特に限定されない。

図６では、格納部２０の出口（接続室３側の境界）および入口（圧力室５側の境界）にそれぞれ弁座１５が設けられる例を示したが、例えば、格納部２０の出口にのみ弁座１５を設けてもよい。その場合において、格納部２０の入口には仕切り１４を設けることも可能である。少なくとも格納部２０の出口またはそれよりも接続室側に弁座１５を設けることで、導電性粒子２２を射出後に連通路７を封止することができる。以下、格納部２０の出口またはそれよりも接続室３側の領域に設けられる弁座１５を接続室側の弁座１５ともいい、格納部２０の入口またはそれよりも圧力室５側の領域に設けられる弁座１５を圧力室側の弁座１５ともいう。封止体１６は、通常状態においては、圧力室側の弁座１５に支えられる等により格納部２０の入口またはそれよりも圧力室５側の領域に配置されるものとする。

また、弁座１５とともに上述した仕切り１４を設けることも可能である。例えば、封止体１６から見て弁座１５の外側や、連通路７における荷電粒子２１の流路から見て弁座１５の上流側にそれぞれ仕切り１４を設けてもよい。なお、弁座１５と仕切り１４の両方を備える場合における両者の位置関係は特に限定されず、例えば、弁座の外側であっても内側であってもよいし、または弁座に対して下流側であっても上流側であってもよく、設ける仕切り１４の開閉構造に応じて定めればよい。すなわち、仕切り１４は、投入動作時の導電性ガスＧ２および導電性粒子２２の放出を妨げずに開状態となるように設置されればよい。弁座１５と仕切り１４の両方を備える構成によれば、投入動作前は仕切り１４で導電性粒子２２を堰き止めつつ、投入動作時に仕切り１４が開状態となり荷電粒子２１等が放出された後、再び連通路７を封止することができる。

図７は、変形例１－２による高速投入器１０２の投入動作の例を示す説明図である。図７に示す例では、高速投入器１０２は、投入動作が開始されると、まず射出器４の圧力調整機構としての荷電粒子発生部８が、圧力室５内にアークを発生させて、圧力室５内の圧力を上昇させる（図７（Ａ）参照）。本例においても、圧力調整機構としては、格納部２０に対して接続室３方向に加圧（押圧）できればよく、荷電粒子２１は発生してもよいし、しなくてもよい。

アーク発生に伴い、格納部２０に対して接続室３方向に圧力が加わると、封止体１６が移動を開始するとともに、格納部２０に格納されている導電性粒子２２が接続室３内に放出される（図７（Ｂ）参照）。図中の白矢印は、格納部２０に対して接続室３方向に圧力が加わることで、封止体１６および導電性粒子２２が押し出される様子を示している。また、図中の符号Ｇ３は、接続室３内に流入する、少なくとも導電性粒子２２を含む導電性ガスを表す。なお、導電性ガスＧ３は、さらに荷電粒子２１を含んでいてもよい。

接続室３内に流入した導電性ガスＧ３は、短絡用電極１１、１２間の空間にも流入し、該空間に絶縁破壊や空間導電率の上昇を引き起こす。その結果、該空間に放電路ＤＰが形成されて、短絡用電極１１、１２間が電気的に導通状態となる（図７（Ｃ）参照）。図中の破線矢印は、事故電流が短絡される様子を示している。

さらに本変形例では、図７（Ｃ）において、放電路ＤＰの形成に十分な量の導電性粒子２２が放出された後、封止体１６が接続室側の弁座１５により堰き止められる。そして、封止体１６は、接続室側の弁座１５に押圧される形で連通路７を封止する。

本変形例によれば、導電性粒子２２を接続室３内に放出した後に封止体１６が連通路７を封止するので、変形例１－１の効果に加えて、接続室３に流入した導電性粒子２２または導電性粒子２２を含む導電性ガスＧ３の逆流を防止できる。

なお、導電性粒子２２を格納しない場合においても、弁座１５と封止体１６の組である弁構造を備えてもよく、その場合は圧力室５の圧力調整が可能となることに加えて、接続室３に流入したガスの逆流を防ぐことができる。これらは、仕切り１４を含む開閉式の仕切りの効果ともいえる。

また、上述した実施の形態１では、射出器４およびその射出口１０を、事故電流の短絡回路の電流方向（例えば、図１のｘ軸方向）における短絡用電極１１、１２の間の位置に、かつ該電流方向と垂直な方向（例えば、図１のｙｚ平面に沿う方向。ｙ軸方向またはｚ軸方向など）を向くように配置する例を示したが、射出口１０の位置および向きはこれに限定されない。例えば、射出器４および射出口１０は、連通路７によって形成される流体の射出口１０からの流路の延長線上に、短絡用電極１１、１２の間の空間が位置するように配置されてもよい。このとき、射出口１０は、該電流方向と平行な方向や、該電流方向に対して斜めの方向を向いてもよい。
実施の形態２．
次いで、射出器を短絡用電極の内部に組み込んだ実施の形態２による高速投入器について、図面を参照して説明する。図８は、実施の形態２による高速投入器２００の例を示す断面図である。図８に示す高速投入器２００は、実施の形態１と同様、絶縁容器１内に設けられる接続室３と、接続室３内に配置される電極１１、１２と、接続室３内に連通される射出器４とを備える。本実施の形態では、高速投入器２００が、さらに、導電性材料からなり、少なくとも投入動作前において電極１１および電極１２と電気的に離れて配置される電極１３を有する点が実施の形態１と異なる。

本実施の形態でも、短絡用電極１１、１２は、接続室３内において、互いに離間して配置、固定されている。電極１３は、投入動作時に短絡用電極１１，１２間の導通を補助する電極である。以下、電極１３を補助電極１３という。補助電極１３は、例えば、短絡回路の電流方向（図中のｘ軸方向）における短絡用電極１１、１２の間の位置に、かつ短絡用電極１１、１２の各々から離間して配置される。図中の例のように、短絡用電極１１、１２および補助電極１３は、それぞれ他の電極と対向する面を有していてもよい。

本実施の形態において、補助電極１３と射出器４とは結合されている。具体的には、補助電極１３は接続室３に連通される穴部１７を有し、射出器４は補助電極１３の穴部１７を介して接続室３内に荷電粒子２１等（荷電粒子２１および導電性粒子２２の少なくともいずれかを含む）を射出する。すなわち、穴部１７は、圧力室５と接続室３とをつなぐ連通路７の一部を構成する。

射出器４は、例えば、先端部に補助電極１３を有してもよい。例えば、射出器４は、先端部を導電性材料で形成することにより、補助電極１３としてもよい。ここで、先端部は、射出器４の射出口１０側の表面を構成する部位であり、特に、連通路７の接続室３側の開口を含む部位をいう。本例では、補助電極１３とされる先端部は、圧力室５の壁面を構成する絶縁容器１８に固定される。そして、絶縁容器１８は、蓋２に固定される。すなわち、射出器４は、接続室３に対して固定される。

図８に示す例では、補助電極１３は１つの穴部１７を有し、その穴部１７の接続室３側の開口が射出器４の射出口１０とされる。本例において、射出器４およびその射出口１０（穴部１７の接続室３側の開口）は、事故電流の短絡回路の電流方向（図中のｘ軸方向）における短絡用電極１１、１２の間の位置に、かつ該電流方向と垂直な方向を向くように配置される。なお、射出器４の位置および向きはこれに限定されず、例えば、射出器４および射出口１０を、連通路７によって形成される流体の射出口１０からの流路の延長線上に短絡用電極１１、１２の間の空間が位置するように配置してもよい。

穴部１７の数は特に限定されず、１つでもよいし、複数でもよい。図９は、実施の形態２による高速投入器２００の他の例を示す断面図である。図９に示す例では、補助電極１３は、２つの穴部１７を有し、射出器４は補助電極１３に設けられた２つの穴部１７を介して、接続室３内に荷電粒子２１等を射出する。

本例において、射出器４およびその射出口１０（穴部１７の接続室３側の開口）は、事故電流の短絡回路の電流方向（図中のｘ軸方向）における短絡用電極１１、１２の間の位置に、かつ各射出口１０が、導通対象とされる短絡用電極１１、１２のいずれかを向くように配置される。より具体的には、２つの射出口１０のうちの１つが、短絡用電極１１と補助電極１３の間の空間を向き、他の１つが短絡用電極１２と補助電極１３の間の空間に向くように配置される。ただし、各射出口１０の位置および向きはこれに限定されない。例えば、射出器４および射出口１０は、連通路７によって形成される流体の射出口１０からの流路の延長線上に、導通対象とされる短絡用電極１１および短絡用電極１２が位置するように配置されてもよい。このとき、いずれかの射出口１０が、電流方向と平行な方向や、該電流方向に対して斜めの方向を向いてもよい。

他の点については、実施の形態１と同様でよい。
本実施の形態による高速投入器２００の投入動作は、荷電粒子２１もしくは導電性粒子２２またはその両方を含む導電性ガス（Ｇ２、Ｇ３）が穴部１７より射出される点を除き、基本的に実施の形態１と同様である。

図１０および図１１は、実施の形態２による高速投入器２００の投入動作により形成される放電路ＤＰの例を示す説明図である。図１０は、図８に示す高速投入器２００の投入動作により形成される放電路ＤＰの例を示している。図１０に示すように、射出器４は、投入動作時に補助電極１３の穴部１７から接続室３内に荷電粒子２１等を含んだ導電性ガス（Ｇ２、Ｇ３）を射出する。これにより、短絡用電極１１、１２および補助電極１３間に放電路ＤＰが形成される。その結果、それら放電路ＤＰを介して短絡用電極１１、１２間を導通させることができ、事故電流が短絡される。

また、図１１は、図９に示す高速投入器２００の投入動作により形成される放電路ＤＰの例を示している。図１１に示すように、射出器４は、投入動作時に補助電極１３の穴部１７から接続室３内に荷電粒子２１等を含んだ導電性ガス（Ｇ２、Ｇ３）を射出する。これにより、少なくとも短絡用電極１１と補助電極１３の間および短絡用電極１２と補助電極１３の間に放電路ＤＰが形成される。その結果、補助電極１３を介して短絡用電極１１、１２間を導通させることができ、事故電流が短絡される。なお、本例でも短絡用電極１１と短絡用電極１２との間に放電路ＤＰが形成されうる。いずれの場合も、形成された放電路ＤＰを利用して事故電流が短絡されればよい。

以上述べたように、本実施の形態による高速投入器によれば、実施の形態１の効果に加えて、射出器４が、投入動作時に短絡用電極１１、１２間の導通を補助する補助電極１３の穴部１７から荷電粒子２１等を射出して、補助電極１３と協働して放電路の形成を促すので、さらに高速に短絡用電極同士を電気的に接続することができる。その結果、事故電流をさらに高速に除去することができるので、外部回路でのアーク時間が短縮されて、故障の規模の縮小、機器全体の信頼性向上および防爆構造の簡素化が可能となる。
（変形例２－１）
図１２は、実施の形態２の変形例２－１による高速投入器２０１の例を示す断面図である。図１２に示す高速投入器２０１は、射出器４の先端部が導電性材料で形成される点で図８、９に示す例と同様であるが、射出器４が補助電極１３ではなく短絡用電極１１，１２の一方と結合される点で、上記例と異なる。
（変形例２－２）
変形例２－２による高速投入器２０１は、絶縁容器１内に設けられる接続室３と、接続室３内に配置される電極１１、１２と、接続室３内に連通される射出器４とを備える。ただし、本変形例では、射出器４が、短絡用電極１１、１２のいずれ一方と結合されて接続室３内に連通される。

より具体的には、短絡用電極１１、１２のうちのいずれか一方（本例では、短絡用電極１２）に、射出器４と接続室３とを連通させる穴部１７が設けられる。したがって、射出器４は、その一方の電極の穴部１７を介して荷電粒子２１等を接続室３内に射出する。

射出器４は、例えば、先端部に短絡用電極１２とされる導電性部材を有し、その導電性部材が外部に引き回されるまたは引き回し電極と接続されることにより、短絡用電極１２と結合してもよい。また、射出器４は、例えば、短絡用電極１２の内部に収められることで結合してもよい。この場合、射出器４を導電性材料で覆うことで短絡用電極１２を形成している、ということも可能である。

図１２に示す例では、短絡用電極１２とされる導電性材料と点弧用電極８１，８２とが電気的に接続されないよう、圧力室５を絶縁材料（絶縁容器１８および蓋２）で囲む構成としている。本例では、圧力室５の壁面の少なくとも一部を構成する絶縁容器１８に、短絡用電極１２の穴部１７を介して接続室３と連通される開口部９が設けられている。

穴部１７を有する短絡用電極１２は、接続室３を形成している絶縁容器１および圧力室５の壁面を構成する絶縁容器１８に固定される。また、絶縁容器１８は、蓋２に固定される。すなわち、射出器４は、接続室３に対して固定される。なお、射出器４の構成としては、先端部に形成される導電性材料が接続室３外部まで引き回されている点以外は、上述した実施の形態２の例と同様でよい。

また、図１２では、射出器４およびその射出口１０が、事故電流の短絡回路の電流方向（図中のｚ軸方向）と平行な方向を向くように配置される例を示しているが、射出口１０の位置および向きはこれに限定されない。例えば、射出器４および射出口１０は、連通路７によって形成される流体の射出口１０からの流路の延長線上に、投入動作時の導通対象である他方の短絡用電極（短絡用電極１１）が位置するように配置してもよい。

なお、本変形例においても、穴部１７の数は特に限定されず、１つでもよいし、複数でもよい。

図１３は、実施の形態２の変形例２－１による高速投入器２０１の投入動作により形成される放電路ＤＰの例を示す説明図である。図１３に示すように、射出器４は、投入動作時に短絡用電極１１、１２の一方が有する穴部１７から接続室３内に荷電粒子２１等を含んだ導電性ガス（Ｇ２、Ｇ３）を射出する。これにより、短絡用電極１１、１２間に放電路ＤＰが形成される。その結果、放電路ＤＰを介して短絡用電極１１、１２間を導通させることができ、事故電流が短絡される。なお、回路構成によっては逆方向に事故電流が流れてもよい。

以上述べたように、本変形例による高速投入器によれば、実施の形態１の効果に加えて、射出器４が短絡用電極の一方に設けられる穴部１７を介して荷電粒子２１等を射出して、他方の短絡用電極との導通を補助するので、高速投入器を大型化させることなく、実施の形態２と同様の効果を得ることができる。

本変形例において、短絡用電極１１、１２の先端形状は、図示のように、射出器４と結合される側（本例では、穴部１７を有する短絡用電極１２）を凸形状とし、その対向側（短絡用電極１１）を凹形状としてもよい。これにより、射出器４から放出される荷電粒子２１等を効率よく、短絡用電極１１、１２間の空間に行き渡らせることができる。

なお、本実施の形態およびその変形例においても、射出器４は、荷電粒子発生部８に代えて、他の圧力調整機構を備えることができ、また、射出器４は、さらに格納部２０や開閉式の仕切り（仕切り１４や弁座１５および封止体１６の組）を備えることができる。これらを備えた場合の効果は、実施の形態１の場合と同様である。
実施の形態３．
実施の形態１および実施の形態２では、いずれの電極も接続室３内に固定されて配置されていた。実施の形態３では、可動式の電極を利用した高速投入器について、図面を参照して説明する。図１４は、実施の形態３による高速投入器３００の例を示す断面図である。図１４に示す高速投入器３００は、実施の形態２において図８および図９に示したような補助電極１３を備えた高速投入器２００と比べて、補助電極１３が可動電極とされる点で異なる。

図１４に示す高速投入器３００は、絶縁容器１内に設けられる接続室３と、接続室３内に配置される電極１１、１２と、少なくとも投入動作前において電極１１および電極１２と電気的に離れて配置される補助電極１３と、補助電極１３に結合される射出器４とを備える。

短絡用電極１１、１２は、接続室３内において電気的に離れて配置、固定されている。補助電極１３は、それら短絡用電極１１および１２と電気的に接離可能に配置される。以下、補助電極１３を可動電極といい、該可動電極に対して短絡用電極１１および１２を導通対象の電極または導通対象とされる電極対という場合がある。

本実施の形態においても、補助電極１３は、射出器４と接続室３とを連通させる穴部１７を有する。射出器４は、補助電極１３の穴部１７を介して接続室３内に荷電粒子２１等を射出する。

可動電極とされる補助電極１３は、例えば、並進移動可能な電極である。補助電極１３は、電気事故を検知した際に短絡用電極１１、１２の間に投入される。そして、補助電極１３が短絡用電極１１、１２の両方に直接接触する等により、短絡用電極１１、１２間を導通させる。補助電極１３は、投入動作前の状態において短絡用電極１１、１２の両方に対して絶縁距離以上離間して配置される。さらに、補助電極１３は、投入動作によって短絡用電極１１、１２の両方と直接接触できる位置に配置されるのが好ましい。図中の符号１９Ａは、投入動作前の状態において補助電極１３を、上記のような位置に保持する保持部材である。なお、保持部材１９Ａは、投入動作時（例えば、移動を開始した後）の補助電極１３の動きを阻害せず、また投入完了後（例えば、所定位置まで移動を終えた後）の補助電極１３の逆方向の移動を阻害できるよう構成されるのが好ましい。

本例では、射出器４（図の例では、特に、圧力室５の壁面の一部を構成する絶縁容器１８）および補助電極１３は、蓋２に固定されていない。このため、射出器４および補助電極１３は移動可能である。図の例では、絶縁容器１８および補助電極１３は、圧力室５内の圧力上昇により、点弧用電極８１、８２の延伸方向（図中のｚ軸方向）に沿って移動する。これは、可動電極の移動が射出器４によって駆動されることを意味する。換言すると、可動電極の推進力が射出器４より与えられる。より具体的には、射出器４における荷電粒子２１等の射出動作に用いる圧力変動（押圧）を利用して可動電極が駆動される。本実施の形態において、射出器４（より具体的には圧力室５）は、投入動作が開始されると荷電粒子２１等を接続室３内に射出するだけでなく、可動電極（補助電極１３）を導通対象とされる電極（本例の場合、短絡用電極１１および１２の両方）またはそれらの間の空間に近づく方向に移動させる。なお、図中の例では、固定電極である点弧用電極８１、８２を射出器４（より具体的には圧力室５）の内壁に触れる程度に近い位置に配置することで、点弧用電極８１、８２の延伸方向に沿う方向に可動電極である補助電極１３およびその土台とした絶縁容器１８を移動させている。このように、射出器４に結合された可動電極およびそれと結合している部位（以下、これらを移動部位という）と、固定されている部位（以下、固定部位という）とを沿わせて配置等することで移動部位の方向を制御するのが好ましい。なお、移動部位の方向の制御方法の他の例としては、固定部位である点弧用電極８１、８２を移動部位である圧力室５の内壁に沿わせて配置する以外に、移動部位である圧力室５の外壁を、固定部位である絶縁容器１の内壁（より具体的には、接続室３の開口部３１の内壁）に沿わせて配置するなどが挙げられる。

可動電極の移動は、導通対象とされる電極に接触するまで行われてもよい。なお、必ずしも物理的に接触するまで行われなくてもよく、例えば、可動電極と導通対象の各電極との間の距離が絶縁距離未満となるまでや、可動電極と導通対象の各電極との間に放電路ＤＰが形成されるまで、近づけるなども可能である。射出器４による荷電粒子２１等の射出は、例えば、可動電極と導通対象とされる電極対とが接触されるより前または可動電極と導通対象の各電極との間の距離が絶縁距離未満となるより前から行われる。

次に、実施の形態３による高速投入器３００の投入動作について説明する。図１５は、実施の形態３による高速投入器３００の投入動作の例を示す説明図である。図１５に示すように、平常時では、短絡用電極１１、１２および補助電極１３は互いに切り離されている。高速投入器３００は、事故電流を検知して投入動作が開始されると、まず射出器４が、圧力室５内に荷電粒子２１を発生させる（図１５（Ａ）参照）。射出器４は、荷電粒子２１とともにアークを発生してもよい。

荷電粒子２１およびアークの発生に伴い圧力室５内の圧力が上昇すると、射出器４が、補助電極１３の穴部１７を介して接続室３内に荷電粒子２１を含んだ導電性ガスＧ２を射出する（図１５（Ｂ）白矢印参照）。また、このような導電性ガスＧ２の射出動作と並行して、圧力室５内の圧力が一定以上上昇すると、補助電極１３を含む射出器４が図中のｚ軸方向に移動する（図１５（Ｂ）白矢印参照）。図中の白矢印は、アークの発生に伴い生成されるプラズマ化した導電性ガスＧ２（より具体的には、荷電粒子２１を含む高温ガス）が、圧力室５内の圧力上昇により穴部１７から放出される様子、および射出器４による補助電極１３の移動の様子を示している。本例では、補助電極１３が導通対象である電極対（短絡用電極１１および短絡用電極１２）にともに近づく方向に移動するとともに、射出器４が移動中の補助電極１３の穴部１７を介して導電性ガスＧ２を接続室３内に流入させる。

接続室３内に流入した導電性ガスＧ２は、短絡用電極１１と短絡用電極１２の間だけでなく、短絡用電極１１と補助電極１３との間および短絡用電極１２と補助電極１３との間の空間にも流入し、該空間に絶縁破壊や空間導電率の上昇を引き起こす。その結果、該空間に放電路ＤＰが形成されて、補助電極１３を介して短絡用電極１１、１２間が電気的に導通状態となる（図１５（Ｂ）破線矢印参照）。図中の破線矢印は、これら空間に形成された放電路ＤＰにより事故電流が短絡される様子を示している。これにより、補助電極１３が短絡用電極１１、１２に接触する前に短絡され、いち早く事故電流をバイパスすることが可能となる。

しばらくして、補助電極１３が短絡用電極１１、１２に接触することで、確実に短絡回路が形成され、高速投入器３００の動作は完了する（図１５（Ｃ）参照）。図中の破線矢印は、短絡用電極１１、１２の直接接触により事故電流が短絡される様子を示している。なお、回路構成によっては逆方向に事故電流が流れてもよい。

また、図１６は、実施の形態３による高速投入器３００の他の例を示す断面図である。図１６に示す高速投入器３００は、実施の形態２の変形例２－１として図１２に示した短絡用電極の一方に射出器４を結合した高速投入器２０１と比べて、その短絡用電極が可動電極とされる点で異なる。図１６に示す高速投入器３００は、絶縁容器１内に設けられる接続室３と、接続室３内に配置される電極１１、１２と、その電極１１、１２のいずれか一方と結合された状態で接続室３内に連通される射出器４とを備える。

本例においても、短絡用電極１１、１２のうちのいずれか一方（本例では、短絡用電極１２）に、射出器４と接続室３とを連通させる穴部１７が設けられる。したがって、射出器４は、その一方の電極の穴部１７を介して荷電粒子２１等を接続室３内に射出する。

射出器４は、例えば、先端部に導電性材料で形成される電極（図中の１２Ｂ）を有し、その電極が、短絡用電極１２として外部に引き回されている電極（図中の１２Ａ）に対して導通状態を維持したまま移動可能に接続されることにより、短絡用電極１２と結合してもよい。また、射出器４は、例えば、導電性の先端部（図中の１２Ｂ）が、短絡用電極１２として外部に引き回されている電極（図中の１２Ａ）の内部に導通状態を維持したまま移動可能な態様で収められることで、短絡用電極１２と結合してもよい。導通状態を
維持したまま電極を移動させる方法としては、既存の技術を利用可能である。

なお、本例において、射出器４と結合される短絡用電極１２を構成する上記の導電性部材のうち、絶縁容器１に固定され、外部に引き回されている部位（図中の１２Ａ）を短絡用電極１２の主電極とみなし、その主電極に対して導通状態を維持したまま移動可能に配置される部位（図中の１２Ｂ）を、可動式の補助電極１３とみなすことも可能である。以下では、射出器４と結合される短絡用電極１２を構成する部位のうち、絶縁容器１に固定され、外部に引き回されている部位を、主電極１２Ａまたは固定電極１２Ａといい、その固定電極でもある主電極１２Ａに対して導通状態を維持したまま移動可能に配置される部位を、補助電極１２Ｂまたは可動電極１２Ｂといい、両者を併せたものを、短絡用電極１２または可動式の短絡用電極１２という。

本実施の形態において、短絡用電極１２に含まれる可動電極としての補助電極１２Ｂは、例えば、並進移動可能な電極である。補助電極１２Ｂは、電気事故を検知した際に、主電極１２Ａと接続状態を維持したまま、他方の短絡用電極１１に近づく方向に投入される。そして、補助電極１２Ｂが該短絡用電極１１と直接接触する等により、短絡用電極１１、１２間を導通させる。短絡用電極１２を構成する主電極１２Ａおよび可動電極１２Ｂはともに、投入動作前の状態において導通対象である短絡用電極１１に対して絶縁距離以上離間して配置される。さらに、そのうちの補助電極１２Ｂは、投入動作によって導通対象である短絡用電極１１と直接接触できる位置に配置されるのが好ましい。

図中の符号１９Ｂは、投入動作前の状態において補助電極１２Ｂを、主電極１２Ａとの導通状態を維持しつつ上記のような位置に保持するための保持部材である。なお、保持部材１９Ｂは、主電極１２Ａとの接続状態を維持したまま、投入動作後（例えば、移動を開始した後）の補助電極１２Ｂの動きを阻害せず、また投入完了後（例えば、所定位置まで移動を終えた後）の可動電極１２Ｂの逆方向の移動を阻害できるよう構成されるのが好ましい。なお、可動電極１２Ｂ側に、所定位置まで移動したときに保持部材１９Ｂと嵌合する切りかけ等を設けてもよい。

本例でも、射出器４（図の例では、特に圧力室５の壁面の一部を構成する絶縁容器１８）および補助電極１２Ｂは、蓋２に固定されていない。このため、射出器４および補助電極１２Ｂは、移動可能である。図の例では、絶縁容器１８および補助電極１２Ｂは、圧力室５内の圧力上昇により、点弧用電極８１、８２の延伸方向（図中のｚ軸方向）に沿って移動する。本実施の形態において、射出器４（より具体的には圧力室５）は、投入動作が開始されると荷電粒子２１等を接続室３内に射出するだけでなく、可動電極（補助電極１２Ｂ）を導通対象とされる電極（短絡用電極１１）に近づく方向に移動させる。他の点については、図１４に示す例と同様である。

次に、本例による高速投入器３００の投入動作について説明する。図１７は、図１６に示す高速投入器３００の投入動作の他の例を示す説明図である。図１７に示すように、本例においても、平常時では、短絡用電極１１、短絡用電極１２の主電極１２Ａおよび補助電極１２Ｂは、互いに切り離されている。高速投入器３００は、事故電流を検知して投入動作が開始されると、まず射出器４が、圧力室５内に荷電粒子２１を発生させる（図１５（Ａ）参照）。射出器４は、荷電粒子２１とともにアークを発生してもよい。

アークおよび荷電粒子２１の発生に伴い圧力室５内の圧力が上昇すると、射出器４が、補助電極１２Ｂの穴部１７を介して接続室３内に荷電粒子２１を含んだ導電性ガスＧ２を射出する（図１７（Ｂ）白矢印参照）。また、このような導電性ガスＧ２の射出動作と並行して、圧力室５内の圧力が一定以上上昇すると、補助電極１２Ｂを含む射出器４が図中のｚ軸方向に移動する（図１７（Ｂ）白矢印参照）。図中の白矢印は、アーク発生に伴い生成されるプラズマ化した導電性ガスＧ２（より具体的には、荷電粒子２１を含む高温ガス）が、圧力室５内の圧力上昇により穴部１７から放出される様子、および射出器４による補助電極１２Ｂの移動の様子を示している。本例では、短絡用電極１２の補助電極１２Ｂが導通対象である短絡用電極１１に近づく方向に移動するとともに、射出器４が移動中の補助電極１２Ｂの穴部１７を介して導電性ガスＧ２を接続室３内に流入させる。

接続室３内に流入した導電性ガスＧ２は、特に短絡用電極１１と補助電極１２Ｂの間の空間に流入し、該空間に絶縁破壊や空間導電率の上昇を引き起こす。その結果、短絡用電極１１と補助電極１２Ｂの間に放電路ＤＰが形成されて、補助電極１２Ｂを介して短絡用電極１１、１２間が電気的に導通状態となる（図１７（Ｂ）破線矢印参照）。図中の破線矢印は、放電路ＤＰにより事故電流が短絡される様子を示している。これにより、補助電極１２Ｂが短絡用電極１１に直接接触する前に短絡され、いち早く事故電流をバイパスすることが可能となる。

しばらくして、補助電極１２Ｂが短絡用電極１１に接触することで、確実に短絡回路が形成され、高速投入器３００の動作は完了する（図１７（Ｃ）参照）。図中の破線矢印は、短絡用電極１１と補助電極１２Ｂの直接接触により事故電流が短絡される様子を示している。なお、回路構成によっては逆方向に事故電流が流れてもよい。

以上述べたように、本実施の形態による高速投入器によれば、実施の形態２の効果に加えて、射出器４を可動電極と結合することにより、荷電粒子２１等の射出による短絡用電極間または短絡用電極と可動電極間に放電路ＤＰの形成を促しつつ、可動電極と主電極との直接接触を補助することができるので、より高速かつ確実に短絡用電極同士を電気的に接続することができる。その結果、事故電流をより高速かつ確実に除去することができるので、より安全に外部回路でのアーク時間が短縮されて、故障の規模の縮小、機器全体の信頼性向上および防爆構造の簡素化が可能となる。

さらに、可動電極と射出器４とを組み合わせることで、射出器４用に別途接続室３内に開口等を設ける必要がなく、高速投入器を小型化できる。特に、短絡用電極の一方に射出器４を組み込むことで、短絡用電極とは別に可動電極（図１４に示したような別に垂直方向を向く可動電極等）を設ける必要がなく、スペースを縮小できる。

図１８は、実施の形態３による高速投入器２００の要部を示す説明図である。短絡用電極１１、１２とは別に、可動電極（補助電極１３）を備える場合すなわち可動電極を接地せず浮遊電極とする場合において、投入動作前の電極の位置関係を次のようにしてもよい。すなわち、固定の短絡用電極同士の最短距離を第１の電極間距離４１とし、一方の固定の短絡用電極と可動電極の最短距離を第２の電極間距離４２とし、他方の固定の短絡用電極と可動電極の最短距離を第３の電極間距離４３とした場合に、第２の電極間距離４２および第３の電極間距離４３の少なくとも一方が第１の電極間距離４１以下であってもよい。このようにすれば、固定の短絡用電極１１、１２間のみを絶縁破壊させる場合に比べて、可動電極を介して固定の短絡用電極間を導通させる場合の絶縁距離を短縮できるため、投入に要する時間を短縮できる。一例として、第１の電極間距離４１に対して第２の電極間距離４２と第３の電極間距離４３の和が等しくなるように絶縁距離を設定すれば、第２および第３の電極間距離（４２、４３）は、実質的に第１の電極間距離４１の半分にでき、可動電極の投入距離を半分にできる。

なお、このような電極間距離の関係は、例えば、図８、９に示すような、実施の形態２による高速投入器２００において固定の補助電極１３を有する構成においても適用可能である。すなわち、電極の位置関係を次のようにしてもよい。すなわち、固定の短絡用電極同士の最短距離を第１の電極間距離４１とし、一方の固定の短絡用電極と固定の補助電極の最短距離を第２の電極間距離４２とし、他方の固定の短絡用電極と固定の補助電極の最短距離を第３の電極間距離４３とした場合に、第２の電極間距離４２および第３の電極間距離４３の少なくとも一方が第１の電極間距離４１以下であってもよい。このような場合においても、固定の短絡用電極１１、１２間のみを絶縁破壊させる場合に比べて、固定の補助電極を介して固定の短絡用電極間を導通させる場合の絶縁距離を短縮できるため、投入に要する時間を短縮できる。
（変形例３－１）
図１９は、実施の形態３の変形例３－１による高速投入器３０１の例を示す断面図である。図１９に示す高速投入器３０１は、図１４に示す実施の形態３の高速投入器３００の例に対して、連通路７に導電性粒子２２が格納されている点で異なる。換言すると、射出器４が、連通路７の内部に導電性粒子２２を格納する格納部２０を有している。

格納部２０は、変形例１－１で示したものと同様でよい。なお、可動電極に結合される射出器４においては、格納部２０に格納される導電性粒子２２が、可動電極の重量よりも十分軽いものがより好ましい。導電性粒子２２は、例えば金属粒子が適している。

その他の射出器４の構成等についても、変形例１－１と同様でよい。例えば、本変形例において、荷電粒子発生部８は、外部制御（点弧用電極８１，８２への電圧印加）によって圧力室５の内圧を調整する圧力調整機構としても機能する。なお、本例において圧力調整機構は、荷電粒子発生部８以外であってもよい。

以上述べたように、本変形例による高速投入器によれば、実施の形態３の効果に加えて、射出器４が、投入動作時に接続室３内に導電性粒子２２を射出して短絡用電極１１、１２間の放電路ＤＰの形成を促すことができるので、より確実に放電路ＤＰを形成することができる。
（変形例３－２）
図２０は、実施の形態３の変形例３－２による高速投入器３０２の例を示す断面図である。図２０に示す高速投入器３０２では、格納部２０の構成として、連通路７に固定される一対の弁座１５と、弁座１５に囲まれた領域に挿入される封止体１６とを備える点が変形例３－１と異なる。

弁座１５および封止体１６を含む射出器４の構成は、上述した変形例１－２と同様でよい。例えば、本変形例においても弁座１５と仕切り１４を組み合わせることも可能である。

上述した実施の形態３の例および変形例３－１の例では、荷電粒子２１等が放出された後も、接続室３と圧力室５とは連通している状態である。圧力室５から放出された導電性ガスＧ２は穴部１７を通して出入りできるため、圧力室５内の圧力が低下しすぎると、可動電極（補助電極１３、補助電極１２Ｂ）を導通対象の電極に押し当てる接圧が低下するおそれがある。

そこで、本変形例では、変形例１－２と同様に、連通路７（本変形例では、穴部１７を含む）に封止体１６を挿入して連通路７を封止できるようにしている。これにより、投入動作時に荷電粒子２１等が放出された後に、連通路７を封止することができる。また、仕切り１４を設ける場合においても、仕切り１４が破れた後でも、接続室３と圧力室５の間の圧力差によって連通路７を塞ぐことができるので、圧力室５内の過度な圧力低下を防止することができる。すなわち、可動電極の推進力として射出器４内の圧力を用いる場合に、圧力の低下を防止できる。

以上述べたように、本変形例による高速投入器によれば、上述した変形例３－１の効果に加えて、射出器４が、投入完了後に、可動電極の推進力であり導通対象の電極との接圧でもある圧力の低下を防止できる機構を備えているので、高速かつより確実に短絡回路（より具体的には、短絡用電極１１、１２間）を導通させることができる。

なお、変形例３－１および変形例３－２による構成は、図１４に示す実施の形態３の高速投入器３００の例以外の高速投入器（例えば、図１５に示す高速投入器３００）にも適用可能である。
実施の形態４．
実施の形態４による高速投入器は、基本的には実施の形態３の他の例（図１６）と同様の構成を備え、さらに摺動部９９を備える。図２１は、実施の形態４による高速投入器３０３の例を示す断面図である。
高速投入器３０３では、主電極１２Aと補助電極１２Bを電気的に接続する摺動部９９を設けた構成である。摺動部９９は、例えば、導電性材料からなるリング状のスプリングを補助電極１２Bに巻きつけることで実現できる。補助電極１２Bが短絡用電極１１の方向に駆動される際、スプリングが伸縮することによって補助電極１２Bが紙面左右へ位置ずれするのを防ぐことができる。また、短絡用電極１２Aと補助電極１２Bの間に摺動部９９を挿入することで、隙間ができにくくなる。このため、接触面の電気抵抗を低減し、短絡用電極１１、１２Aを確実に導通させることができる。
実施の形態５．
次に、上述した高速投入器の適用例について説明する。図２２は、実施の形態５による電力用変換装置１０００の回路の例を示す構成図である。ここでは、電力用変換装置１０００に適用される高速投入器として実施の形態１に示した高速投入器１００を用いて説明するが、高速投入器は、上述のいずれの実施の形態および変形例による高速投入器にも適用可能である。図２２に示す例は、交流電力と直流電力を相互変換する電力用変換装置１０００のパワーモジュール回路５０である。図中のパワーモジュール回路５０に接続されている端子Ａ、Ｂは、電力用変換装置１０００の上位系統に接続される。パワーモジュール回路５０は、半導体スイッチ５１と、半導体スイッチ５１に並列に接続される電気エネルギー蓄積器５２とを備え、さらに、半導体スイッチ５１に並列して高速投入器１００を接続している。図中の例では、高速投入器１００は、所定のパワーモジュール回路５０の入力端子と、出力端子の間に接続されている。

半導体スイッチ５１としては一般的にＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒｅ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）やサイリスタなどが使用される。また、電気エネルギー蓄積器としてはコンデンサが使用される。

半導体スイッチ５１などの故障によりパワーモジュール回路５０に異常が発生した場合、高速投入器１００を投入して端子Ａ、Ｂを短絡することで、パワーモジュール回路５０の故障の影響が上位系統に波及するのを防止できる。さらに、パワーモジュール回路５０の個数に冗長性を持たせることで、故障したパワーモジュール回路５０を切り離しても電力用変換装置の運転を継続することが可能となる。

また、半導体スイッチ５１の故障時、アークを伴う場合がある。アークは高温かつ高圧を生じるため、アークの発生時間が長くなると電力用変換装置１０００内の部材の破損を招く可能性が高まる。そのため、高速投入器１００を投入して端子Ａ、Ｂを短絡することで故障した回路を上位系統から電気的に切り離すことができる。本実施の形態による電力用変換装置１０００によれば、より高速な投入動作が可能な高速投入器を備えているので、アークの発生時間を短縮でき、電力用変換装置の防爆性能も高めることができる。
実施の形態６．
次に、上述した高速投入器の他の適用例について説明する。図２３は、実施の形態６によるスイッチギヤ１００１の回路の例を示す模式図である。ここでは、スイッチギヤ１００１に適用される高速投入器として実施の形態１に示した高速投入器１００を用いて説明するが、高速投入器は、上述のいずれの実施の形態および変形例による高速投入器にも適用可能である。図２３に示す例では、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相からなる母線６０のそれぞれの相間Ｒ－Ｓ、Ｓ－Ｔに高速投入器１００が接続されている。

本例において、平常時では、高速投入器１００は開極状態である。相間にて短絡事故が発生すると、大気中に高温高圧のアークが発生する。アークによってスイッチギヤ１００１内部の圧力は急上昇するため、最悪の場合、スイッチギヤ１００１は甚大な損傷を受ける。そこで、相関に接続された高速投入器１００を投入することで、より高速に事故電流をバイパスできるようにする。これにより、スイッチギヤ１００１内部でのアーク事故時にアークの発生時間を抑制できる。結果として、相間の短絡事故時の影響を縮小でき、信頼性の高いスイッチギヤ１００１を提供できる。

１００、１０１、１０２、２００、２０１、３００、３０１、３０２、３０３ 高速投入器
１ 絶縁容器
２ 蓋
３ 接続室（アーク空間）
３１ 開口部
４ 射出器
５ 圧力室
６ ノズル
７ 連通路
８ 荷電粒子発生部
８１、８２ 点弧用電極
８３ ヒューズ
９ 開口部
１０ 射出口
１１、１２ 電極（短絡用電極）
１２Ａ 主電極
１２Ｂ 補助電極
１３ 補助電極
１４ 仕切り
１５ 弁座
１６ 封止体
１７ 穴部
１８ 絶縁容器
１９Ａ、１９Ｂ 保持部材
２０ 格納部
２１ 荷電粒子
２２ 導電性粒子
１０００ 電力用変換装置
５０ パワーモジュール回路
５１ 半導体スイッチ
５２ 電気エネルギー蓄積器
１００１ スイッチギヤ
６０ 母線
９９ 摺動部

Claims (19)

1. 絶縁容器内に設けられる接続室と、
   導電性材料からなり、前記接続室内に、少なくとも投入動作前において電気的に離れて配置される第１の電極および第２の電極と、
   前記接続室に連通されており、荷電粒子および導電性粒子の少なくともいずれかを射出可能な射出器と、を備え、
   前記投入動作が開始されると、前記射出器が、前記接続室内に前記荷電粒子および前記導電性粒子の少なくともいずれかを射出することを特徴とする高速投入器。
2. 前記射出器は、
   前記荷電粒子を発生させる荷電粒子発生部と、
   前記荷電粒子発生部が収められる空間と前記接続室とをつなぐ連通路を形成するノズルと、を有し、
   前記投入動作が開始されると、前記射出器が、前記連通路を介して前記接続室内に前記荷電粒子を射出する請求項１に記載の高速投入器。
3. 前記連通路に前記導電性粒子が格納されており、
   前記投入動作が開始されると、前記射出器が、前記接続室内に前記荷電粒子とともに前記導電性粒子を射出する請求項２に記載の高速投入器。
4. 前記射出器は、
   外部制御によって内圧が調整される圧力室と、
   前記圧力室と前記接続室とをつなぐ連通路を形成するノズルと、を有し、
   前記連通路に前記導電性粒子が格納されており、
   前記投入動作が開始されると、前記射出器が、前記連通路を介して前記接続室内に前記導電性粒子を射出する請求項１に記載の高速投入器。
5. 前記圧力室の内圧調整機構として、前記荷電粒子を発生させる荷電粒子発生部を有し、
   前記投入動作が開始されると、前記射出器が、前記接続室内に前記荷電粒子とともに前記導電性粒子を射出する請求項４に記載の高速投入器。
6. 前記荷電粒子発生部は、アークを発生させるアーク電極対を含み、
   前記アーク電極対に電流が流れることによって前記荷電粒子を発生させる請求項２に記載の高速投入器。
7. 前記連通路に開閉式の仕切りが設けられる請求項２に記載の高速投入器。
8. 前記開閉式の仕切りは、前記連通路内を移動可能な封止体と、前記連通路内において前記封止体を支持する弁座とを含む請求項７に記載の高速投入器。
9. 導電性材料からなり、少なくとも前記投入動作前において前記第１の電極および前記第２の電極と電気的に離れて配置される第３の電極を備え、
   前記第３の電極は、前記接続室に連通される穴部を有し、
   前記投入動作が開始されると、前記射出器が、前記穴部を介して前記接続室内に前記荷電粒子および前記導電性粒子の少なくともいずれかを射出する請求項１に記載の高速投入器。
10. 前記第１の電極と前記第２の電極の最短距離を第１の電極間距離とし、
    前記第１の電極と前記第３の電極の最短距離を第２の電極間距離とし、
    前記第２の電極と前記第３の電極の最短距離を第３の電極間距離とした場合に、
    前記投入動作前の状態において、前記第２の電極間距離および前記第３の電極間距離の少なくとも一方が前記第１の電極間距離以下である請求項９に記載の高速投入器。
11. 前記第１の電極および前記第２の電極のうちのいずれか一方の電極は、前記接続室に連通される穴部を有し、
    前記投入動作が開始されると、前記射出器が、前記穴部を介して前記接続室内に前記荷電粒子および前記導電性粒子の少なくともいずれかを射出する請求項１に記載の高速投入器。
12. 前記穴部を有する電極は、導通対象とされる電極と電気的に接離可能な可動電極であり、
    前記投入動作が開始されると、前記可動電極が前記導通対象とされる電極に近づく方向に移動するとともに、前記射出器が前記穴部を介して前記接続室内に前記荷電粒子および前記導電性粒子の少なくともいずれかを射出する請求項９に記載の高速投入器。
13. 前記可動電極の移動が、前記射出器によって駆動される請求項１２に記載の高速投入器。
14. 前記可動電極の移動は、前記導通対象とされる電極に接触するまで行われ、前記射出器による前記荷電粒子および前記導電性粒子の少なくともいずれかの前記射出は、前記接触に先だって行われる請求項１２に記載の高速投入器。
15. 前記投入動作が開始されると、前記可動電極が前記導通対象とされる電極に近づく方向に移動するとともに、前記射出器が前記穴部を介して前記接続室内に前記荷電粒子および前記導電性粒子を射出する請求項１２に記載の高速投入器。
16. 前記射出器は、前記穴部を有する電極の内部に収められる請求項９に記載の高速投入器。
17. 前記絶縁容器に固定され前記可動電極の外部に引き回されている固定電極と前記可動電極とを電気的に接続する摺動部を有する請求項１２に記載の高速投入器。
18. 半導体スイッチと、前記半導体スイッチに並列に接続される電気エネルギー蓄積器とを有するパワー半導体回路と、
    請求項１～１７のいずれか１項に記載の高速投入器と、を備え、
    前記高速投入器は、前記パワー半導体回路の入力端子と出力端子の間に接続されることを特徴とする電力用変換装置。
19. 母線と、
    請求項１～１７のいずれか１項に記載の高速投入器と、を備え、
    前記高速投入器は、前記母線に設けられることを特徴とするスイッチギヤ。