JPH0612945A

JPH0612945A - 真空遮断器

Info

Publication number: JPH0612945A
Application number: JP16706892A
Authority: JP
Inventors: Toru Kamikawaji; 徹上川路
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-06-25
Filing date: 1992-06-25
Publication date: 1994-01-21

Abstract

(57)【要約】【目的】接点の損傷を軽減することにより、耐電圧性
能の低下をなくすと共に再点弧の発生を抑制し、信頼性
を向上させた真空遮断器を得る。【構成】真空容器内の一対の電極間に加わる最大電圧
における平均絶縁破壊距離をｄ、電極の投入時に流れる
突入電流の周波数をｆとしたとき、ｄ以下の電極間間隙
における平均投入速度をｖ＝（20／11）・ｆ・ｄ〜（20
／９）・ｆ・ｄになるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は真空遮断器に係り、特に
コンデンサバンクの開閉用に使用されるのに関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように真空遮断器に用いる真空バ
ルブは、高真空中で一対の電極を開離することにより、
真空の持つ優れた消弧性、絶縁性を利用して電流遮断を
行うものである。

【０００３】図４に代表的な真空バルブの構造図を示
す。図４において、例えばセラミックスより成る絶縁円
筒１の両端開口が、固定側端板２及び可動側端板３でそ
れぞれ密封されて気密な容器を構成している。固定側端
板２には固定電極４を接合した固定通電軸５が支持固定
され、この固定電極４と対向して可動電極６が図示しな
い操作機構に連結された可動通電軸７によって支持され
ている。また、固定および可動電極４，６が接触する部
分には、真空遮断器の用途に応じて種々の材料からなる
接点８がそれぞれの電極に配設されている。そして、可
動通電軸７と可動側端板３のベローズ９により気密に連
結することで、真空バルブ内の真空を保持しつつ図示し
ない操作機構の駆動力により可動通電軸７を動作するこ
とができる。さらに、電流遮断時に接点および電極から
飛散する金属蒸気や金属溶融片が絶縁円筒１の内面に付
着し、沿面の絶縁性能が低下するのを防止するためにシ
ールド10が設けられている。以上のような構成の真空バ
ルブを有する真空遮断器を用い、電力の力率改善等を目
的として設置されたコンデンサバンクの開閉を行ってい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような真空遮断器
では、遮断第１相の極間電圧が電源電圧の最大2.5 倍に
も達することがある。この時、直列リアクトルが接続さ
れていれば更にその値は高くなり、例えば６％の直列リ
アクトルの場合には、2.56倍に達することがある。

【０００５】また遮断器投入時に流れる突入電流の影響
について直列リアクトルＬが接続された力率改善用コン
デンサバンクの等価回路である図５により説明する。図
５において、電源電圧波高値をＥm とすると、突入電流
の最大波高値Ｉm は、

【０００６】

【数１】である。通常、直列リアクトルを設置したときはＬ₀は
無視できるので、Ｉm は次のようになる。

【０００７】

【数２】

【０００８】ここで、ｎはコンデンサバンク容量に対す
る直列リアクトルの容量比、ω₀は基本波の角速度であ
る。突入電流が最大となるのは、定常電流と過渡電流の
ピークが重なった時であるので、最大突入電流の倍数は
次のようになる。

【０００９】

【数３】また突入電流の周波数ｆは、

【００１０】

【数４】となる。ただし、ｆ₀は基本波周波数である。従って、
例えば直列リアクトル６％の時は、基本波に対し 4.1倍
の周波数、 5.1倍のピーク値の突入電流が流れることに
なる。

【００１１】この突入電流は、電極の投入動作時に接点
材料の耐電圧性能で決まるある電極（接点）間隙長にな
った瞬間以降にプレアーク（先行放電）として流れる。
そのアーク形態は、接点が幾何学的に接触するまでの短
い接点間間隙における集中アークとなり、高密度エネル
ギー注入による接点の溶融をもたらすことがある。その
ために接点は溶着し、その後の開極動作でこの部分が引
き剥がされ、大きな突起が形成されることもある。この
ような突起には電界が集中するため、接点間の絶縁性能
が低下してしまうことになる。

【００１２】このように、コンデンサ開閉においては、
突入電流により接点表面が損傷を受けて絶縁性能が低下
してしまうことに加え、遮断後の極間電圧も大きいため
に、真空遮断器にとって極めて過酷な条件となり、場合
によっては電流遮断後、再び絶縁破壊を起こす再点弧現
象が生ずることがある。

【００１３】この再点弧を抑制するために投入時におい
ては、遮断器の投入速度を速くし、プレアーク時間を極
力短くする事が考えられるが、そのためには操作エネル
ギーの増大が必要となり、遮断器の大形化をもたらすば
かりでなく、過度の衝撃荷重による接点の割れや離脱が
生じることもある。また、開極速度を上昇し接点間間隙
長も長くすることも有効であるが、これも操作エネルギ
ーの増大に伴い、遮断器としての全体構成が大形化する
ことになる。さらに（２）式からも分かるように、突入
電流は電源電圧に比例するので、電圧が比較的小さい期
間に投入するような位相制御も考えられるが、そのため
には付帯設備の設置が必要であったり、投入時間のばら
つきの補正に高度な制御技術を要したりすることを考慮
すると、あまり実用的ではない。

【００１４】本発明の目的は、投入速度の最適範囲を規
定することにより、接点の損傷を最小限におさえ、コン
デンサ開閉における再点弧を抑制できる真空遮断器を提
供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段および作用】上記目的を達
成するために本発明は、真空容器と、真空容器内に接離
自在に配設された一対の電極とを有し、一対の電極の接
離により通電または遮断を行う真空遮断器において、電
極間に加わる最大電圧における平均絶縁破壊距離をｄ、
電極の投入時に流れる突入電流の周波数をｆとしたと
き、ｄ以下の電極間間隙における平均投入速度ｖをｖ＝（20／11）・ｆ・ｄ〜（20／９）・ｆ・ｄにしたので、突入電流が比較的小さくなった瞬間に接触
するようになる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細
に説明する。なお、本発明の真空遮断器に用いる真空バ
ルブは従来のものと同様であるので説明を省略する。図
１は突入電流Ｉi と電極の投入ストローク曲線Ｓを示す
特性図であり、図２はその説明図である。

【００１７】本発明に際し、発明者らは銅クロム接点を
組み込んだ真空チェンバを用い、直列リアクトル６％の
コンデンサバンク開閉条件での投入速度と接点損傷の程
度、および再点弧発生確率との相関について研究を進め
た。ただし、投入時に電極間に印加される電圧は、遮断
器にとって最も過酷な条件になるように、実回路におけ
る交流印加電圧の最大値に等しい直流電圧を印加した。
その結果、投入時には、ある接点間間隙になったとき絶
縁破壊が生じてプレアークが点弧するため、投入速度と
プレアーク時間は反比例した。また接点の損傷の程度
は、接点が接触した瞬間の電流値が大きいほど顕著であ
り、また再点弧確率も高くなる傾向にあった。

【００１８】一方、接点の損傷および再点弧確率は、投
入の際のプレアーク期間のアークエネルギー量にはあま
り依存しなかった。この結果から、プレアークの時間が
短い方が必ずしも接点損傷が小さいとは言えず、再点弧
抑制のために接点損傷を最小にする最適プレアーク時間
があるこが分かった。

【００１９】このことを、真空遮断器の二つのストロー
ク曲線Ｓf （投入速度が速い場合）とＳs （投入速度が
遅い場合）について示した図２で説明する。まず、Ｓf
ではプレアーク時間が短く（Ｔf ）、アークエネルギー
量が小さいにもかかわらず、接点が電流ピーク値近傍で
接触しているため、接点損傷が大きくなる。またＳsで
は、長いプレアーク期間（Ｔs ）中に接点がわずかに溶
融することもあるが、電流値が小さくなる接点接触の瞬
間には熱は拡散し凝固しているため溶着は発生せず、接
点損傷は軽微なものとなる。

【００２０】なお、投入速度をＳf より更に速くし突入
電流の第１ピーク以前に接点が接触するようにした場
合、アークエネルギー量も接点接触瞬間の電流値は小さ
くなるために溶着引き剥がしによる大きな突起の形成は
無くなるが、上述のように機械的衝撃力によると考えら
れる接点表面の微細なクラックや、接点材料の部分的な
離脱のために、逆に再点弧発生確率は増大した。

【００２１】以上の実験結果から、電極の投入に際し、
電極間間隙が接点材料で決まるある値（真空遮断器の電
極間に加わる最大電圧を印加した場合の平均絶縁破壊距
離）ｄ(mm)になるとプレアークが点弧して突入電流が流
れ始めるが、そのおよそ半周期後の比較的電流値が小さ
くなった瞬間に、接点が幾何学的に接触するようにすれ
ば、接点の損傷を最小にすることができることが判明し
た。そこで、突入電流の周波数をｆ(Hz)とすれば、その
半周期は１／（２ｆ）(sec) であるので、この期間に距
離ｄ(mm)を電極が移動するように投入速度ｖ(mm/sec)を
規定すれば良い。すなわち、

【００２２】

【数５】ｖ＝ｄ／［１／（２ｆ）］＝２ｄｆ（mm/sec） …… （５）となれば良い。このストローク曲線が図１のＳm であ
る。ただし、厳密にこの値を設定することは困難である
ので、ある程度の裕度を考慮してプレアーク点弧から接
点接触までの時間のばらつきの許容範囲を±10％とする
と、

【００２３】

【数６】ｖ＝(20/11) ・ｆ・ｄ〜(20/9)・ｆ・ｄ(mm/sec) …… （６）となり、図１では各々Ｓl およびＳu のストローク曲線
で表される。

【００２４】例えば、真空遮断器を用いて６％の直列リ
アクトルを挿入した定格電圧36kV、基本波周波数50Hzの
コンデンサバンクを開閉する場合、電極間に加わる最高
電圧は27kVであり、接点材料を銅クロムとすればこの電
圧で絶縁破壊を起こす平均距離はｄ＝1.2mm である。ま
た、この時の突入電流の周波数は、（４）式によりｆ＝
205Hz であるため、上式による遮断器の最適投入速度ｖ
は、ｖ＝４４７〜５４７（mm/sec）となる。

【００２５】このように真空遮断器によりコンデンサ開
閉を行う場合、その投入速度を（６）式のような値にす
ることにより突入電流が比較的小さくなった瞬間に接点
が接触するようになるので、接点の損傷を軽減すること
ができる。そのため、耐電圧性能が低下することが無
く、再点弧の発生が抑制された信頼性の高い真空遮断器
とすることができる。なお、ここでは投入時に電極間に
印加される電圧として、実回路における交流印加電圧の
最大値に等しい直流電圧を印加した条件をもとにした
が、実回路の交流電圧印加条件においては、（２）式か
らもわかるように突入電流値は印加電圧に比例するので
最大電圧を主に考慮すれば良く、とくに投入時の位相制
御を行う必要はない。また、本発明の他の実施例につい
て図３を参照して説明する。

【００２６】図３は、本発明による真空遮断器の投入速
度を極間間隙ｄ以下の範囲で一定とするのではなく、接
点が接触する直前に減速するようにしたものである。前
述のように投入速度が過大な場合は、接点表面に微細な
クラックが形成されたり接点材料が部分的に離脱するよ
うになるため、接点間の絶縁性能が低下し、再点弧発生
確率が増大するようになることがある。この実施例は、
突入電流が流れ初めてから半周期目の電流が比較的小さ
な時点で接点が幾何学的に接触するようにしているのは
上記の一実施例と同様であるが、操作機構部にダンバー
等を付設することにより、接点が接触する際の衝撃を緩
和し、絶縁性能を低下させるような接点表面のクラック
の形成や材料の離脱を防止するようにしたものである。
ただし、ここでは、煩雑になるのを避けるため、理想的
にプレアーク点弧後、１／２ｆで接点が接触する場合に
ついてのみ示した。

【００２７】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、コン
デンサ開閉において真空遮断器の投入速度を規定するこ
とによって、突入電流が比較的小さくなった瞬間に接点
が接触するようになり、その損傷を軽減することができ
る。そのため、耐電圧性能が低下することが無く、再点
弧の発生が抑制された信頼性の高い真空遮断器を得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す特性図。

【図２】「図１」を説明するための特性図。

【図３】本発明の他の実施例を示す特性図。

【図４】代表的な真空バルブの断面図。

【図５】リアクトル付きコンデンサバンクの等価回路を
示す図。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空容器と、この真空容器内に接離自在
に配設された一対の電極とを有し、この一対の電極の接
離により通電または遮断を行う真空遮断器において、前
記電極間に加わる最大電圧における平均絶縁破壊距離を
ｄ、前記電極の投入時に流れる突入電流の周波数をｆと
したとき、前記ｄ以下の電極間間隙における平均投入速
度ｖをｖ＝（20／11）・ｆ・ｄ〜（20／９）・ｆ・ｄにしたことを特徴とする真空遮断器。