TW200834628A - Circuit breaker and opening and closing method thereof - Google Patents
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Description
200834628 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於斷路器及其開閉方法,特別是關於具備 開極手段(利用電磁反斥作用而將真空閥之操作軸朝開極 方向高速驅動)之斷路器及其開閉方法。 【先前技術】 利用電磁反斥作用而將真空閥之操作軸朝開極方向高 速驅動之開極手段’係由電磁反斥線圈以及與其呈對向配 置之環狀銅板所構成,藉由電容器放電等將開極手段之電 磁反斥線圈急速激磁,而利用線圈電流和銅板所產生之渦 電流兩者之電磁反斥力來使真空閥進行開極動作。 具備電磁反斥機構之斷路器,係包括直流斷路器和高 速斷路器。前者的斷路器,係將在電容器預先充電之電荷 反向(相對於系統電流)注入,藉此強制形成電流零點而 進行斷路。當直流系統發生短路事故時,依電阻及電感之 電路常數而決定之快速上昇的短路電流等的過電流會流過 ,因此要求斷路器之高速動作。 另一方面,高速斷路器,係使用於自家發電系統等, 其設置之目的在於:在電力系統停電時防止自家發電機之 電力流出、避免過負載所造成之電源一起破壞、能從停電 系統高速切換成健全系統以維持重要負載之繼續運轉等等 。該斷路器,也是要求當收到開極指令後在數ms以內進 行回應,因此須利用電磁反斥機構。 -5- 200834628 裝載該電磁反斥機構之斷路器,例如專利文獻1所示 ,係具備:真空閥、設於該真空閥的開閉方向之操作機構 、設於該操作機構的中途之電磁反斥機構,且進一步具備 可抑制電流斷路中途所產生之可動電極側軸的回跳之機構 〇 〔專利文獻1〕日本特開2000-299041號公報 【發明內容】 然而,上述習知的斷路器,在高速斷路時,所要求的 電磁反斥力,不僅必須獲得既定的開極速度,且必須大於 維持閉極狀態之永久磁鐵的吸引力,因此會造成電磁反斥 機構之大型化、以及電源容量之增加。又在真空閥和其操 作機構之間,係將電磁反斥機構、以及抑制電磁反斥機構 動作時所產生之可動電極側軸的回跳之機構,沿上下方向 串列配置,因此在藉由真空閥之操作機構來進行真空閥之 開閉操作時,必須使電磁反斥機構及可動電極側軸之回跳 抑制機構一起移動。 因此,真空閥之操作機構,例如採用電磁操作方式的 情形,必須加大其構件之永久磁鐵、激磁線圈等的容量, 而使真空閥之操作機構變得大型化。又真空閥之操作機構 之操作性可能也會變差。 本發明係有鑑於上述問題點而構成者’其目的係提供 一種操作性良好的斷路器及其開閉方法,既容易解除電磁 反斥機構之閉極狀態,且能以簡單的構造來抑制電流斷路 -6 - 200834628 中途所產生之可動電極側軸之回跳。 爲了達成上述目的,本發明之斷路器,係具 開閉真空閥之電磁鐵內之第1線圈、和該第1線 置於前述電磁鐵內之第2線圈、和該第2線圈串 反斥線圈;在利用電磁反斥作用進行高速開極動 將前述第2線圈和電磁反斥線圏同時激磁;或者 真空閥、電磁鐵及操作機構之斷路器;該電磁鐵 用電磁反斥作用而將前述真空閥的操作軸朝開極 之線圈、可動鐵芯、永久磁鐵所構成;該操作機 前述線圏激磁來進行前述真空閥之導通動作,藉 久磁鐵之吸引力來維持前述真空閥之閉極狀態, 通動作時的相反方向將前述線圈激磁而使前述真 開極動作;其特徵在於:在電磁鐵內,設置前述 第2線圈,該第2線圈,在利用電磁反斥作用進 極動作時,係和用於電磁反斥作用之電磁反斥線 激磁。 又,本發明之斷路器之開閉方法,係將第1 以進行真空閥之開閉,將第2線圈(和前述第1 設於電磁鐵內)和與其串聯之電磁反斥線圈,在 反斥作用進行高速開極動作時同時激磁;或者是 鐵之線圈(利用電磁反斥作用而將前述真空閥的 開極方向驅動)激磁以進行前述真空閥之導通動 電磁鐵之永久磁鐵之吸引力來維持前述真空閥之 ,朝與導通動作時的相反方向將前述線圈激磁而 備:用來 圈一起設 聯之電磁 作時,係 是具備: ,係由利 方向驅動 構,係將 由前述永 並朝與導 空閥進行 線圈以外 行高速開 圈冋時被 線圈激磁 線圈一起 利用電磁 ,將電磁 操作軸朝 作,藉由 閉極狀態 使前述真 200834628 空閥進行開極動作,此斷路器之開閉方法之特徵在於:第 2線圈(和前述線圈一起設置於前述電磁鐵內)和用於電 磁反斥作用之電磁反斥線圈,在利用電磁反斥作用進行高 速開極動作時係同時被激磁。 依據本發明,在藉由電磁反斥機構進行開極動作之同 時,係朝與導通動作時之相反方向將電磁鐵的線圈激磁, 因此可降低維持閉極狀態之永久磁鐵的吸引力而容易進行 閉極狀態之解除,且能以簡單的構造來抑制電流斷路中途 所產生之可動電極側軸之回跳,而能獲得操作性良好的斷 路器及其開閉方法。 【實施方式】 利用以下的構造可實現操作性良好的斷路器及其開閉 方法,既容易解除電磁反斥機構之閉極狀態,且能以簡單 的構造來抑制電流斷路中途所產生之可動電極側軸之回跳 〇 以下說明本發明的斷路器之實施形態。 第1圖至第7圖以及第14圖係顯示本發明的斷路器 (轉流式直流斷路器)之一實施形態;第1圖係顯示本發 明的斷路器(轉流式直流斷路器)之一實施形態之左側視 圖;第2圖係第1圖所示之本發明的斷路器(轉流式直流 斷路器)之一實施形態的後視圖;第3圖係第1圖所示之 本發明的斷路器(轉流式直流斷路器)之一實施形態之右 側視圖;第4圖係第1圖所示之本發明的斷路器(轉流式 -8- 200834628 直流斷路器)之一實施形態之前視圖;第5圖係運用第1 圖所示之本發明的斷路器(轉流式直流斷路器)之一實施 形態之系統電路;第6圖係顯示第1圖所示之本發明的斷 路器(轉流式直流斷路器)之一實施形態在事故時的操作 之時序圖;第7圖係顯示第1圖所示之本發明的斷路器( 轉流式直流斷路器)之一實施形態在通常運轉時的操作之 時序圖。第14圖係顯示,使用本發明的斷路器(轉流式 直流斷路器)之一實施形態之開關設備(switchgear )之 左側截面圖。 〔實施例1〕 首先,使用第5圖至第7圖來說明本發明的斷路器( 轉流式直流斷路器)之一實施形態之使用方法及其運轉方 法。 第5圖中,符號1代表直流電源,在一般的直流饋電 電路是供應正極1500V的電壓。2代表電車等的負載,3 代表供電給負載之饋線,4代表連結負載2和直流電源1 之回線。本發明的斷路器之轉流式直流斷路器5,係插入 饋線3的中途,用來對直流電源1供應給負載2之電力進 行開關操作。 轉流式直流斷路器5,係由:第1主開關5 1、第2主 開關52、第1副開關53、第2副開關54計四個開關以及 控制裝置900所構成。在轉流式直流斷路器5,連接著第 1電容器55、第2電容器56及電抗器57。第1主開關51 -9- 200834628 和第2主開關52係串聯插入饋線3,第1主開關5 1是配 置於直流電源1側,第2主開關5 2是配置於負載2側。 第1副開關5 3和第1電容器5 5和電抗器5 7之串聯電路 ,係並聯於第1主開關5 1 ;第2副開關5 4和第2電容器 5 6之串聯電路,係並聯於第1電容器5 5。 設於饋線3之變流器5 8,係檢測出饋線3之通電電流 ,並將其電流値輸入過電流引開裝置5 9。過電流引開裝置 5 9具有自動斷路設定値,在流過饋線3之電流値到達該言受 定値以上的時點,輸出開極指令1 1。控制裝置9 0 0,收到 外部指令1 0或來自過電流引開裝置5 9之開極指令1 1後 ,對轉流式直流斷路器5送出開閉指令。 第1副開關5 3係和第1主開關5 1連動,當第1主開 關5 1開極後,延遲時間11 (例如2 m s ) —旦閉極後,再 進行開極。另一方面,第2副開關5 4係和第2主開關5 2 連動,在比第2主開關5 2進行開極的時間早12 (例如 2.5ms )之前開極。 當負載2運轉時,第1主開關5 1和第2主開關52閉 極,而對負載2施加直流1 5 00V。這時,使第1副開關53 開極,使第2副開關54閉極。第1電容器55和第2電容 器56,是以直流電源1側爲基準而充電成+2000V。 當負載2發生故障、或饋線3發生接地事故等時,依 電路常數而決定之非常大且上昇很快的事故電流會流過饋 線3。例如,在電路電阻1 5 m Ω、電路電感1 5 0 μΗ時,最 大到達電流爲 l〇〇kA,最大衝擊率(rush ratio )高達 -10- 200834628 1 OkA/ms。在發生這種事故電流的情形,爲了使對設備的 影響抑制在最小程度,必須將事故電流高速遮斷。首先, 用變流器5 8檢測出事故電流値,並輸入過電流引開裝置 59。只要將過電流引開裝置59之自動斷路設定値例如設 定成1 2000A,在事故電流値到達1 2000A的時點就會將開 極指令1 1發送至控制裝置900。根據來自控制裝置900之 指令,使第1主開關5 1開極。當第1主開關51開極時, 第1副開關53延遲時間tl後會閉極。藉此,可形成由第 1電容器55、第2電容器56、電抗器57、第1主開關51 、第1副開關53、第2副開關54所形成之LC諧振電路 ,用充電裝置50預先充電之第1電容器55和第2電容器 5 6會放電,而使與事故電流的方向相反之轉流電流注入第 1主開關51。當第1電容器55之靜電容量爲600μΡ、第2 電容器56之靜電容量爲1 200 μΡ時,反向的轉流電流値最 大爲40kA,只要在事故電流値到達40kA之前使第1副開 關5 3閉極,即可讓事故電流和轉流電流相抵銷。在通過 第1主開關5 1之電流成爲零的時點,完成第1主開關5 1 之斷路。當第1主開關5 1開極後,延遲時間t3而使第2 主開關52開極,只要將時間t3設定成符合t3>tl+t2的條 件,在第1副開關53閉極之前第2副開關54不會進行開 極.,因此第1電容器55和第2電容器56可同時放電,而 能對應於上述大電流値。又即使第1主開關5 1斷路後, 由於存在著第1副開關53和第2副開關54都是成爲閉極 狀態的期間,因此第1電容器5 5和第2電容器5 6可藉由 -11 - 200834628 直流電源1進行充電。該充電電流會使充電電壓上昇,當 S路電流到達零附近、亦即真空閥的斷路電流値以下的時 點,會被遮斷。 3 '-方面’在通常運轉狀態下之轉流式直流斷路器5 之斷路動作’係根據外部指令1 〇。在收到外部指令1 〇之 開極指令時’第1主開關5 1和第2主開關52會同時開極 。這時’第2副開關5 4,會在比第2主開關5 2的開極時 間早t2的時間先開極,因此當第1副開關5 3閉極時,會 形成由第1電容器55、電抗器57、第1主開關51、第1 副開關5 3所構成之LC諧振電路。 預先充電之第1電容器55和第2電容器56中,僅第 1電容器5 5放電,與負載電流的方向反向之轉流電流會注 入第1主開關5 1。在此,負載電流之最大値是過電流引開 裝置59的設定値1 2000A以下。只要將僅第1電容器55 放電時之轉流電流最大値設定成1 4kA,即可抵銷最大負 載電流1 2000A,在第1主開關51的電流成爲零的時點, 完成第1主開關51之斷路。又第2主開關52之作用爲: 當斷路器開極後,使負載2和第1電容器5 5及第2電容 器56斷路,以防止負載側電路之電容器充電電壓所造成 之觸電事故。 接著,使用第1圖至第4圖以及第14圖來說明,前 述本發明之斷路器(轉流式直流斷路器)之一實施形態。 本發明的斷路器之轉流式直流斷路器5之一實施形態 ,係採用將2個電磁鐵予以機械連結的構造,來自動實現 -12- 200834628 出上述4個開關的動作時點。第1圖至第4圖中 示運轉狀態(第1主開關5 1及第2主開關52爲 )。關於4個開關,雖是顯示在內部具有1對接 閥,但也能採用空氣中開關等等。 第1主開關5 1之固定側饋線1 00和第2主誇 固定側饋線1 1 4,係連接於配置在轉流式直流斷 外部之母線1 000 (第14圖)。該母線係連接於 的一端。電抗器57之另一端連接於第1電容器 電容器56。第1主開關51之可動導體120,係 部1 0 1和可動側饋線1 20形成導通。可動側饋線 於直流電源1。第1主開關5 1之可動導體1 20和 關53之可動導體69,係經由導體102、103、可 104、導體105持續形成電連接的狀態。 在第1副開關5 3之固定導體1 0 8,係固定笔 和饋線107。饋線107連接於第2副開關54之 1〇9。另一方面,饋線1〇6,係在轉流式直流斷路 部連接於第1電容器5 5。此外,第2副開關5 4 體1 1 〇,係經由導體1 1 1、可撓性導體1 1 2、饋線 接於第2電容器56。第2主開關52之可動導體 透過集電部201和可動側饋線203形成導通。可 2〇3連接於負載2。藉由以上的電氣連接方法來 圖所示之系統電路。 接著’使用第1圖至第4圖來說明本發明的 轉流式直流斷路器5之一實施形態的機械構造。 ,都是顯 f閉極狀態 ;點之真空 辑關52之 路器5的 電抗器57 55及第2 透過集電 120連接 第1副開 撓性導體 『饋線106 固定導體 器5的外 之可動導 1 1 3而連 f 200 ,係 動側饋線 實現第5 斷路器之 -13- 200834628 第1主開關5 1之可動導體62,如第1圖所示 連結於構件6 4。操作桿6 5的一端固定於構件6 4, 固定於鉸鏈6 6。第1副開關5 3之可動導體6 9,係 件6 7而用銷5 3 4連結於鉸鏈6 6。亦即,第1主開丨 可動導體62和第2副開關53之可動導體69係互 動作。操作桿65,係貫穿銷1 50 (在上下部實施平 )。藉由銷150和固定於操作桿65之螺帽152,來 圏153、接觸壓力彈簧151、墊圏154。 在第1主開關5 1開極的狀態,藉由接觸壓力彈 使操作桿6 5之上部的六角部1 5 5和銷1 5 0卡合。 面,在第1主開關5 1進行閉極動作時,在第1主 之固定接點6 1和可動接點6 0接觸的時點,銷1 5 0 部1 5 5的卡合解除,進一步將接觸壓力彈簧1 5〗壓 接觸壓力彈簧1 5 1的荷重變成第1主開關5 1之接 觸力。 此外,操作桿65係貫穿開極手段之電磁反斥竊 和反斥板1 7 1。藉由電磁反斥線圈1 70之激磁,使 1 7 1流生渦電流,作用於電磁反斥線圈1 7 0的電流 板1 70的渦電流間之電磁反斥力,透過反斥板1 7 1 件64來承受,利用該反斥力使操作桿65朝第1圖 方移動。 第2主開關52之可動導體200,如第3圖所示 銷連結於構件202。操作桿204的一端固定於構件 操作桿204,係貫穿銷206 (在上下部實施平面加 :係用銷 另一端 :透過構 關5 1之 相連動 面加工 挾持墊 譯簧151 另一方 開關5 1 和六角 縮後, 點的接 I 圏 170 反斥板 和反斥 而由構 中的上 ,係用 202 〇 工而形 -14- 200834628 成抵接面)。藉由銷206和固定於操作桿204之螺帽208 ,來挾持墊圈210、接觸壓力彈簧212、墊圈214。在第2 主開關5 2開極的狀態,藉由接觸壓力彈簧2 1 2使操作桿 2 04之上部的六角部216和銷206卡合。另一方面,在第 2主開關5 2進行閉極動作時,在第2主開關5 2之固定接 點220和可動接點222接觸的時點,銷206和六角部216 的卡合解除,進一步將接觸壓力彈簧2 1 2壓縮後,接觸壓 力彈簧2 1 2的荷重變成第2主開關52之接點的接觸力。 第1主開關51之操作桿65及第2主開關52之操作 桿204,如第1圖及第3圖所示,係藉由在操作器外殼 3 00內和第1主開關51及第2主開關52形成並列設置之 電磁鐵3 0 1所驅動。電磁鐵3 0 1之軸3 02,係透過構件 303連結於主軸500的一方之槓桿501。在主軸500之另 方槓桿5 03及499分別連結著:朝第1主開關51側延伸 之絕緣桿502和朝第2主開關52側延伸之絕緣桿5 04。絕 緣桿5 02,係藉由副軸5 1 0卡合於銷1 5 0 ;絕緣桿5 04,係 藉由副軸512卡合於銷206。亦即,電磁鐵301的吸引力 ,如第1圖及第3圖所示,係透過主軸5 0 0和設於其之槓 桿5 0 1、5 0 3、4 9 9以及副軸5 1 0、5 1 2和設於其之槓桿5 1 3 、5 14,傳達至第1主開關5 1之操作桿65及第2主開關 52之操作桿204。爲了導通第1主開關51、第2主開關 5 2 ’只女將_磁鐵3 0 1內之弟1線圈3 0 5 a激磁,而將柱 塞3 04朝圖中的下方驅動即可。 第1副開關5 3,如上述般係和第丨主開關5 !連動驅 -15- 200834628 動,爲了實現第6圖及第7圖所記載之操作時點,如第1 圖所示設有連結構件5 3 0和槓桿5 3 1。連結構件5 3 0和槓 桿5 3 1係藉由銷5 3 3互相連結。連結構件5 3 0之另一端連 接於副軸5 1 0之槓桿5 1 3。另一方面,槓桿5 3 1能以軸 5 3 2爲支點進行旋轉。 在第1主開關5 1開極的情形,操作桿65朝第1圖中 的上方移動而使第1副開關53 —旦閉極,同時槓桿53 1 朝逆時針方向旋轉,而使槓桿531和設於鉸鏈66之銷534 卡合後,將第1副開關5 3之可動導體69再度朝開極方向 (下方)拉回。由於鉸鏈66之讓銷5 3 4貫穿的孔形成長 圓形,不管操作桿65的位置如何,都能使可動導體69朝 開極方向(下方)移動。符號70代表用來對第1副開關 5 3施加接觸力之彈簧。 在第2副開關54側也是,如第3圖所示,設有連結 構件540和槓桿541。當第2主開關52開極時,槓桿531 會以軸542爲中心朝順時針方向旋轉,使銷5 4 3 (設於和 第2副開關54的可動導體1 10連結之構件544 )和槓桿 541卡合,而使可動導體1 10朝開極方向(下方)移動。 符號71代表用來對第2副開關54施加接觸力之彈簧。連 結構件5 3 0、540之長度可變,藉由該構件可調整主開關 和副開關之開閉時點。 第4圖中,符號5 5 5代表:以和主軸5 00連動的方式 設於操作器外殼3 00內之跳脫彈簧。符號5 90代表用來對 第1線圈3 05a供應激磁能量之電容器,符號591代表電 -16- 200834628 磁鐵3 0 1之控制電路。以2點鏈線表示的部分,代表用來 對電磁反斥線圏170供應激磁能量之控制裝置900,係由 電容器902、控制基板903等所構成。 接著說明電磁鐵3 0 1的構造。第1線圈3 0 5 a和第2 線圏3 05b,係設於同一個線圈架901。在第1線圏3 05 a、 第2線圈3 0 5 b之上面、外周面、下面配置固定鐵芯90 3、 904、905,在上面的固定鐵芯903上裝載永久磁鐵306。 電磁鐵301的可動鐵芯,係由圓形的可動平板906和柱塞 3 04所構成,並被軸3 02和螺帽907所挾持。在電磁鐵 301導通時,柱塞304和中央腳908接觸。 在此,說明本發明的斷路器之轉流式直流斷路器5之 一實施形態之動作。 (通常之導通、開極動作) 在導通動作時,將電磁鐵301之第1線圈3 05a激磁 ,使柱塞3 04發生吸引力。該吸引力,係透過主軸5 00、 副軸5 1 0、5 12而傳到第1主開關5 1之操作桿65及第2 主開關52之操作桿204,將可動導體62、200向下驅動而 使第1主開關5 1及第2主開關5 2閉極。在導通動作時, 各主開關5 1、5 2之接觸壓力彈簧1 5 1、2 1 2及設於操作器 外殻3 00內之跳脫彈簧5 5 5被彈壓,以對第1主開關51 及第2主開關52之開極動作預作準備。 這時,第1副開關53,隨著銷5 3 4和鉸鏈66的卡合 而成爲開極狀態,另一方面,第2副開關54,係解除槓桿 -17- 200834628 541和銷543的卡合而成爲閉極狀態。當導通動作完成時 ’解除電磁鐵3 1 0之激磁。被彈壓之接觸壓力彈簧1 5 i、 2 1 2及跳脫彈簧5 5 5的反彈力,係藉由電磁鐵3 〇丨內部之 永久磁鐵3 06的吸引力而保持住。這時,永久磁鐵3 06之 磁通’主要是發生在永久磁鐵3 06-可動平板906-柱塞 3 04-中央腳 90 8 -固定鐵芯90 5-固定鐵芯 904-固定鐵芯 903 -永久磁鐵3 06的路徑。 在第1主開關51及第2主開關52之通常的開極動作 ’係朝與上述導通動作時之相反方向將第1線圏3 0 5 a激 磁。藉由第1線圈3 05 a之反向激磁,將流過柱塞3 04和 中央腳90 8間之磁通抵銷,而使電磁鐵301之吸引力降低 。在該吸引力低於彈簧反彈力的時點,第1主開關5 1及 第2主開關52之開極動作開始進行。在該電磁操作機構 之開極動作,基本上是藉由接觸壓力彈簧1 5 1、2 1 2及跳 脫彈簧5 5 5的反彈力來達成。亦即,第1線圏3 05a之反 向激磁,只要產生能將永久磁鐵發生之磁通抵銷之能量即 可 〇 (事故時之高速斷路操作) 事故時之高速斷路操作,係將電磁反斥線圈1 70激磁 ,使反斥板171產生電磁反斥力。該電磁反斥力由構件64 承受,和構件64連結之操作桿65使接觸壓力彈簧1 5 1進 一步撓曲而向上移動,使第1主開關51成爲開極狀態, 第1副開關53成爲閉極狀態。在這時點,主軸5 00和副 -18- 200834628 軸5 1 0不動作,第2主開關5 2、第2副開關 維持不變。 電磁鐵3 0 1之第2線圈3 0 5 b,係串聯於電 170,因此電磁反斥線圈170和第2線圈3 05b 。第2線圈3 05b之激磁方向,只要設定成^ 3〇5a之開極動作時的激磁方向(反向激磁)相 銷永久磁鐵3 06的磁通,而減低電磁鐵3 0 1的 電磁鐵301的吸引力低於接觸壓力彈簧15 1、 彈簧5 5 5的反彈力之時點,柱塞3 0 4會向上移 此動作,第2主開關52及第2副開關54會進 在此,使用第8圖至第10圖來說明本發 之轉流式直流斷路器之一實施形態之控制方法 顯示導通操作時,第9圖係顯示通常的開極操 圖係顯示事故時之斷路操作時之控制電路的動 。通常的導通操作及開極操作,係由控制基板 。導通操作,係將2個接點934、935導通而 將開關915導通,將電容器5 90之充電電荷 301內之第1線圈305a (第8圖)。另一方面 開極動作,4個接點930、931、932、933動作 ,將開關9 1 5導通,朝與導通動作相反的方向 305a激磁(第9圖)。第8圖及第9圖中之帶 ,係代表激磁電流的流動方向。 事故時之局速斷路操作,係使開關9 1 4導 於控制裝置900之電容器902之充電電荷,供 5 4的狀態也 :磁反斥線圏 同時被激磁 ®第1線圈 同,即可抵 吸引力。在 2 1 2及跳脫 動。因應於 行開極。 明的斷路器 。第8圖係 作時,第1 0 作之說明圖 5 9 1來控制 形成電路, 送到電磁鐵 ,在通常的 而形成電路 將第1線圏 箭頭的曲線 通’將配置 給電磁反斥 -19- 200834628 線圏170及電磁鐵301內之第2線圈3 0 5b而進行激磁( 第1 0圖)。 然而,由於第1線圈3 05a和第2線圈3 05b是形成雙 重繞線構造,當一方激磁時,另一方的線圈會產生感應電 壓(電磁感應)。高速斷路操作用之第2線圈3 05b,爲了 進行高速動作必須減低電感,其匝數爲1 0匝左右。另一 方面,通常的開閉操作所使用之第1線圏3 05a,基於減低 電容器5 90、開關91 5的負載等的目的,其匝數設定成 2 00〜4 00匝左右。由於感應電壓和匝數成比例,在將第1 線圈激磁時第2線圈之感應電壓雖沒有問題(通常之導通 、開極操作時),但相反的,亦即在高速斷路操作時,在 第1線圈3 05 a會產生kV級的感應電壓。 在本實施例,關於第1線圈3 05 a之感應電壓對策, 係設置突波電壓抑制裝置954。突波電壓抑制裝置954, 係和第1線圈3 0 5 a並聯,而在第1線圈3 0 5 a和突波電壓 抑制裝置954之間流過循環電流。突波電壓抑制裝置954 雖可使用氧化鋅變阻器(ZNR ),但考慮到多數次操作之 耐久性時,較佳爲如第8圖至第1 0圖所示採用保護電阻 952和二極體950的構造。如第10圖所示,在高速斷路操 作時,由於通過突波電壓抑制裝置954會流過感應電流I ,第1線圈3 0 5 a所產生之感應電壓會降低。雖然保護電 阻9 5 2越小感應電壓越低,但反而會使電磁鐵3 0 1之釋放 時間變長。爲了符合電路的絕緣規格,較佳爲儘量加大電 阻値。 -20- 200834628 在本實施例的情形,邊將接觸壓力彈簧1 5 1、2 1 2及 跳脫彈簧5 5 5彈壓邊驅動之導通操作時’相較於基本上是 利用上述彈力之開極操作’須要更大的操作能量。如先前 所述,本實施例之電磁鐵3 0 1的情形,在開極操作時,只 須將電磁鐵3 0 1內之永久磁鐵3 0 6的磁通抵銷即可。因此 ,將二極體950如第8圖至第10圖所示般配置,以避免 對要求較大能量之導通動作產生影響。另一方面,對於操 作能量小之通常的開極操作’可朝突波電壓抑制裝置954 側分流。亦即,該突波電壓抑制裝置9 5 4,對於開極操作 能量小之本實施例的電磁鐵3 0 1特別有效。 再者,本控制裝置係採用以下的設計。在轉流式直流 斷路器5剛導通後就發生接地事故的情形,必須迅速進入 開極操作(引開自由操作)。不同於持續存在有電流零點 之交流系統,在直流系統的情形,當開極動作慢而使事故 電流高於轉流電流時,會發生無法斷路的狀態。 在導通操作,若在第1主開關5 1及第2主開關52的 接點接觸之瞬間發生接地事故,設於饋線3之變流器5 8 會檢測出事故電流,經由過電流引開裝置5 9、控制裝置 9 00將開閉指令輸入轉流式直流斷路器5。在此時點,由 於轉流式直流斷路器5處於導通操作中,控制電路成爲第 8圖的狀態。在此狀態,將電磁反斥線圈1 70及第2線圈 3〇5b激磁時,過大的感應電流會流過:第1線圈3 0 5 a-接 點93 5-接點93 3 -開關915_電容器590-接點93 0-接點934-第1線圈3 0 5 a之低阻抗電路,而使開極時間延遲,且可 -21 - 200834628 能會損傷開關9 1 5。因此’在本實施例之控制方式,係在 電磁反斥線圏1 7 0之激磁的同時,強制將開關9 1 5斷開而 遮斷上述低阻抗電路。因此,開關9 1 4及開關9 1 5係要求 高速回應性,特別是開關9 1 5要求高速斷路性能。於是, 在開關914是採用閘流器,在開關915是採用FET或 IGBT之半導體開關,藉此來實現上述要求。 其次,針對本發明的斷路器之轉流式直流斷路器5之 一實施形態的效果來作說明。 習知之斷路器,係具備:真空閥、設於真空閥的開閉 方向之操作機構、設於操作機構的中途之電磁反斥機構, 在操作機構內裝載永久磁鐵,利用該永久磁鐵的吸引力來 維持閉路狀態。在高速斷路操作時,必須在電磁鐵3 0 1的 可動部產生:超過永久磁鐵3 06的吸引力減去接觸壓力彈 簧15 1、212及跳脫彈簧5 5 5的反彈力之力量,亦即超過 維持真空閥的閉極狀態之剩餘力之電磁反斥力。這種斷路 器,在進行高速斷路時,所要求之電磁反斥力,不僅必須 獲得既定的開極速度,且必須大於維持閉極狀態之永久磁 鐵的吸引力,因此會造成電磁反斥機構之大型化、以及電 源容量之增加。再者,必須另外準備抑制電磁反斥之反彈 力所造成之可動電極側軸的回跳之機構,以防止再度導通 〇 在本實施例,在電磁反斥操作之同時將電磁鐵3 0 1反 向激磁,以解除永久磁鐵3 0 6之吸引,藉此使高速斷路動 作順利進行。其結果,可抑制可動電極側的軸之回跳,而 -22- 200834628 提供可避免再度導通之可靠性良好的斷路器。不同於 之導通、開極操作用之第1線圈3 02a,另外設置可確 速回應性之小電感的第2線圈3 02b並和電磁反斥線圈 串聯,藉此可實現激磁之同時性。 本實施例之電磁鐵3 0 1的情形,開極操作基本上 用接觸壓力彈簧1 5 1、2 1 2及跳脫彈簧5 5 5之彈壓力 此不僅可將產生吸引力之永久磁鐵3 06的磁通抵銷, 確保高速回應性。 由於第1線圈3 0 1 a和第2線圈3 0 1 b是形成雙重 ,將一方激磁時,可在另一方的線圈產生感應電壓。 通變化大之高速斷路操作時,匝數較多之第1線圈 所產生之感應電壓雖會造成問題,但藉由和該線圈並 突波電壓抑制裝置954可加以解決。突波電壓抑制 9 5 4係由保護電阻9 5 2和二極體9 5 0所構成,可確保 數次操作之耐久性。用保護電阻952和二極體95 0來 突波電壓抑制裝置954的情形,依以下方式來配置二 950。在僅需少量的操作能量之開極操作時,可容許 電流之朝突波電壓抑制裝置954之分流;而在要求大 作能量之導通操作時,則不進行分流。該突波電壓抑 置954,並不適用於導通操作、開極操作雙方都要求 量之電磁鐵。而特別適用於,本實施例之開極操作是 接觸壓力彈簧1 5 1、2 1 2及跳脫彈簧5 5 5之彈壓力的 〇 爲了實現導通操作後之高速斷路(引開自由操作 通常 保高 1 170 是利 ,因 且能 構造 在磁 301a 聯之 裝置 對多 構成 極體 激磁 的操 制裝 大能 利用 情形 ), -23- 200834628 在將電磁反斥線圈1 70激磁用之開關9 1 4導通的同時,將 第1線圈3〇2a之激磁開關915斷開。在開關914是採用 閘流器,在開關915是採用FET或IGBT之半導體開關, 以確保開關之高速回應性,特別是開關9 1 5之高速斷路性 〔實施例2〕 第11圖至第13圖係顯示本發明的斷路器之3相高速 斷路器6 0 0之一實施形態。第1 1圖係顯示本發明的斷路 器之3相高速斷路器600之右側截面圖,第丨2圖係後視 圖,第1 3圖係前視圖,都是顯示開極狀態。這些圖中, 和第1圖至第4圖的符號相同的符號,係代表同一部分。 這些圖中,3相的高速斷路器600,係具備在內部具 有可接觸分離的接點之真空閥601。真空閥601之固定電 極側之固定導體602,係和位於上部側之固定側饋線603 連接。另一方面,可動電極側之可動導體604,係透過集 電部650和可動側饋線606形成導通。 可動導體604連結於絕緣桿607之一端。絕緣桿607 之另一端固定於操作桿608。操作桿608貫穿銷609 (上 下部實施平面加工而形成抵接面)內。銷609在3相都是 卡合於單一主軸5〇0的一方槓桿5 03。藉由銷609和固定 於操作桿60 8之螺帽610,將墊圈61 1、接觸靡力彈簧612 、墊圈6 1 3予以挾持。在真空閥6 1 0開極的狀態下’藉由 接觸壓力彈簧612使操作桿601下部之六角部620和銷 •24- 200834628 6 0 9卡合。另一方面,在真空閥6 0 1之閉極動作,在真空 閥601之固定接點621和可動接點622接觸之時點,銷 609和六角部620之卡合解除,接觸壓力彈簧612之荷重 成爲接點之接觸力。 操作桿6 0 8,係和構成開極手段之電磁反斥線圏1 7 0 及反斥板1 7 1連通。藉由電磁反斥線圈1 7 0之激磁而在反 斥板1 7 1產生之電磁反斥力,和前述實施形態同樣的,由 絕緣桿6 0 7來承受,藉由該反斥力使操作桿6 0 8朝圖中之 下方移動。 操作桿60 8,係藉由操作器外殻3 00內之電磁鐵301 (和真空閥6 0 1並列設置)來驅動。電磁鐵3 0 1之軸3 0 2 ,係經由構件3 0 3連結於主軸5 0 0之另一方槓桿5 0 1。亦 即,電磁鐵301之吸引力,係經由主軸5 00傳到操作桿 60 8。爲了將真空閥601導通,只要將電磁鐵301內之第1 線圈3 05 a激磁,而將柱塞3 04朝圖中之下方驅動即可。 電磁鐵3 0 1的構造和之前的實施例相同。第1線圈 3 0 5 a和第2線圈3 0 5 b,係設於同一個線圈架9 0 1。在第1 線圈3 05 a、第2線圏3 0 5b之上面、外周面、下面配置固 定鐵芯903、904、905,在上面的固定鐵芯903上裝載永 久磁鐵3 0 6。電磁鐵3 0 1的可動鐵芯,係由圓形的可動平 板9 06和柱塞304所構成,並被軸3 02和螺帽907所挾持 。在電磁鐵301導通時,柱塞3 04和中央腳908接觸。 接著,說明上述本發明的斷路器之3相高速斷路器 600的一實施形態之動作。 -25- 200834628 在導通動作時,藉由第13圖所示之預先充電的電容 器5 90,將電磁鐵301之第1線圏3 05a激磁,使柱塞304 產生吸引力。該吸引力,係透過主軸500傳到操作桿608 ,將可動導體604向上驅動而使真空閥601閉極。在導通 動作的同時,接觸壓力彈簧6 1 2及跳脫彈簧5 5 5被彈壓, 以對開極動作預作準備。當導通動作完成後,將電磁鐵 3 〇 1之激磁解除。被彈壓之接觸壓力彈簧6 1 2及跳脫彈簧 5 5 5之反彈力,係藉由電磁鐵3 0 1內部之永久磁鐵3 0 6的 吸引力來保持。 在真空閥6 0 1之通常開極動作時,朝和導通動作時相 反的方向將第1線圏3 0 5 a激磁。藉由第1線圈3 0 5 a之反 向激磁,將永久磁鐵3 60產生的磁通抵銷,在電磁鐵301 的吸引力低於彈簧反彈力的時點,開始進行真空閥60 1之 開極動作。 電磁鐵3 0 1之第2線圈3 0 5 b和電磁反斥線圏1 7 0串 聯。在事故時之真空閥601的高速斷路,藉由電容器902 、控制基板903等所構成之控制裝置900 (第13圖),將 電磁反斥線圈1 70激磁。藉由反斥板1 7 1所產生之電磁反 斥力,操作桿608使接觸壓力彈簧612進一步撓曲而向下 移動,使真空閥601成爲開極狀態,這時,主軸5 00並未 移動。 在高速斷路動作,將電磁反斥線圏170和電磁鐵301 之第2線圈3 05b同時激磁。只要第2線圈3 0 5b之激磁方 向和通常開極動作中第1線圈3 0 5a之激磁方向(反向激 -26- 200834628 磁)相同,即可減少永久磁鐵3 0 6之吸引力。當接觸壓力 彈簧6 1 2及跳脫彈簧5 5 5之荷重和超過永久磁鐵3 0 6的吸 引力時,柱塞3 04開始向上移動。隨著此動作,高速斷路 器6 00之操作機構全體移往開極狀態。高速斷路器600之 控制方式和之前的實施例相同,如第8圖至第1 0圖所示 〇 在真空閥601之高速斷路中,必須在電磁鐵3〇1的可 動部產生:超過永久磁鐵3 06的吸引力減去接觸壓力彈簧 6 1 2及跳脫彈簧5 5 5的反彈力之力量,亦即超過維持真空 閥6 0 1的閉極狀態之剩餘力之電磁反斥力。當電磁反斥力 直接作用於電磁鐵可動部時,其反彈力可能造成接點再度 導通,因此在習知技術,必須另外設置回跳抑制機構。但 在本實施形態,由於在電磁反斥操作之同時,將電磁鐵 301逆向激磁以解除永久磁鐵3 06之吸引,因此和上述實 施形態相同,可抑制電磁反斥機構之電流斷路中所產生之 可動電極側軸之回跳,而能提供高可靠性之斷路器。 【圖式簡單說明】 第1圖係顯示本發明的斷路器(轉流式直流斷路器) 之一實施形態之左側視圖。 第2圖係第1圖所示之本發明的斷路器(轉流式直流 斷路器)之一實施形態的後視圖。 第3圖係第1圖所示之本發明的斷路器(轉流式直流 斷路器)之一實施形態之右側視圖。 -27- 200834628 第4圖係第1圖所示之本發明的斷路器(轉流式直流 斷路器)之一實施形態之前視圖。 第5圖係運用第1圖所示之本發明的斷路器(轉流式 直流斷路器)之一實施形態之系統電路。 第6圖係顯示第1圖所示之本發明的斷路器(轉流式 直流斷路器)之一實施形態在事故時的操作之時序圖。 第7圖係顯示第1圖所示之本發明的斷路器(轉流式 直流斷路器)之一實施形態在通常運轉時的操作之時序圖 〇 第8圖係顯示第1圖所示之本發明的斷路器(轉流式 直流斷路器)在導通操作時之線圈激磁方法之說明圖。 第9圖係顯示第1圖所示之本發明的斷路器(轉流式 直流斷路器)在通常的開極操作時之線圏激磁方法之說明 圖。 第1 0圖係顯示第1圖所示之本發明的斷路器(轉流 式直流斷路器)在高速斷路操作時之線圈激磁方法之說明 圖。 第1 1圖係顯示本發明的斷路器之3相高速斷路器之 右側截面圖。 第1 2圖係顯示第1 1圖所示之本發明的斷路器之3相 高速斷路器之後視圖。 第1 3圖係顯示第11圖所示之本發明的斷路器之3相 高速斷路器之前視圖。 第1 4圖係顯示’使用本發明的斷路器(轉流式直流 -28- 200834628 斷路器)之一實施形態之開關設備之左側截面圖。 【主要元件符號說明】 1 :直流電源 2 :負載 3 :饋線 4 :回線 5 :轉流式直流斷路器 50 :充電裝置 5 1 :第1主開關 52 :第2主開關 5 3 :第1副開關 54 :第2副開關 55 :第1電容器 56 :第2電容器 5 7 :電抗器 58 :變流器 59 :過電流引開裝置 170 :電磁反斥線圈 3 00 :操作器外殼 3 〇 1 :電磁鐵 3 0 4 :柱塞 3 0 5 a :第1線圈 3 05b :第2線圏 -29- 200834628 3 0 6 :永久磁鐵 600 :高速斷路器 900 :控制裝置 901 :線圈架 9 1 4、9 1 5 :開關 9 5 0 :二極體 952 :保護電阻 954 :突波電壓抑制裝置 -30-
Claims (1)
- 200834628 十、申請專利範圍 1 · 一種斷路器’係具備:真空閥、電磁鐵及操作機 構之斷路器; 該電磁鐵,係由利用電磁反斥作用而將前述真空閥的 操作軸朝開極方向驅動之第1線圈、可動鐵芯、永久磁鐵 所構成; 該操作機構,係將前述第1線圏激磁來進行前述真空 閥之導通動作,藉由前述永久磁鐵之吸引力來維持前述真 空閥之閉極狀態,並朝與導通動作時的相反方向將前述第 1線圈激磁而使前述真空閥進行開極動作;其特徵在於: 在前述電磁鐵內,設置前述第1線圏以及第2線圏, 該第2線圏,在利用電磁反斥作用進行高速開極動作時, 係和用於電磁反斥作用之電磁反斥線圈同時被激磁。 2 · —種斷路器,係具備:真空閥、以及利用電磁反 斥作用而將前述真空閥的操作軸朝開極方向驅動之高速開 極手段之斷路器;其特徵在於: 具有由第1線圈、第2線圈、可動鐵芯、永久磁鐵所 構成之電磁鐵; 並具備操作機構,其將前述第1線圈激磁來進行前述 真空閥之導通動作,藉由前述永久磁鐵之吸引力來維持前 述真空閥之閉極狀態,並朝與導通動作時的相反方向將前 述第1線圈激磁而使前述真空閥進行開極動作; 利用電磁反斥作用進行高速開極動作時,係將用於電 磁反斥作用之電磁反斥線圈和前述第2線圈同時激磁。 -31 - 200834628 3 · —種斷路器,係具備:真空閥、以及利用電磁反 斥作用而將前述真空閥的操作軸朝開極方向驅動之高速開 極手段之斷路器;其特徵在於: 具有電磁鐵,其將第1線圈及第2線圏配置於同軸上 ,並具備:移動於前述第1線圈及第2線圏的中心軸上之 可動鐵芯、設於前述第1線圈及第2線圈的上面、下面及 外周面之固定鐵芯、配置於前述上面側的固定鐵芯上之永 久磁鐵; 前述可動鐵芯係由圓形平板和柱塞所構成,該圓形平 板,係具有隔著前述永久磁鐵和前述上面側的固定鐵芯相 對向的面;該柱塞,係具有和前述第1線圈及第2線圈的 內周面相對向之圓筒面; 並具備操作機構,其將前述第1線圈激磁來進行前述 真空閥之導通動作,藉由前述永久磁鐵之吸引力來維持前 述真空閥之閉極狀態,並朝與導通動作時的相反方向將前 述第1線圈激磁而使前述真空閥進行開極動作; 利用電磁反斥作用進行高速開極動作時,係將用於電 磁反斥作用之電磁反斥線圈和前述第2線圈同時激磁。 4 ·如申請專利範圍第1項記載之斷路器,其中,將 前述電磁反斥線圏和前述第2線圈串聯。 5 ·如申請專利範圍第1項記載之斷路器,其中,前 述第1線圈及前述第2線圈設於單一的線圈架,前述第1 線圈的匝數比前述第2線圈的匝數更多。 6.如申請專利範圍第1項記載之斷路器,其中,用 -32- 200834628 來將前述電磁反斥線圏激磁之開關係由閘流器構成,用來 將第1線圈激磁之開關係使用FET或IGBT。 7.如申請專利範圍第1項記載之斷路器,其中,在 前述第1線圈並聯突波電壓抑制裝置,其係由氧化鋅變阻 器構成,或由二極體和電阻所構成。 8 . —種斷路器之開閉方法,其特徵在於: 係將第1線圈激磁以進行真空閥之開閉,將第2線圈 (和前述第1線圈一起設於電磁鐵內)和與其串聯之電磁 反斥線圈,在利用電磁反斥作用進行高速開極動作時同時 激磁。 9. 一種斷路器之開閉方法,係將電磁鐵之第1線圈 (利用電磁反斥作用而將真空閥的操作軸朝開極方向驅動 )激磁以進行前述真空閥之導通動作,藉由電磁鐵之永久 磁鐵之吸引力來維持前述真空閥之閉極狀態,朝與導通動 作時的相反方向將前述第1線圈激磁而使前述真空閥進行 開極動作之斷路器之開閉方法,其特徵在於: 與前述第1線圏一起設置於前述電磁鐵內之第2線圈 、和用於電磁反斥作用之電磁反斥線圈,在利用電磁反斥 作用進行高速開極動作時係同時被激磁。 10. 如申請專利範圍第8項記載之斷路器之開閉方法 ’其中,讓用來將前述電磁反斥線圏激磁之開關接通( ON ),並讓用來將第1線圈激磁之開關斷開(OFF )。 -33-
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