TWI421893B

TWI421893B - 斷路器

Info

Publication number: TWI421893B
Application number: TW99129384A
Authority: TW
Inventors: Tatsuro Kato; Toshiaki Rokunohe; Ryoichi Shinohara
Original assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-09-09
Filing date: 2010-09-01
Publication date: 2014-01-01
Also published as: JP5434406B2; CN102024610A; TW201120932A; KR20110027604A; KR101072518B1; JP2011060535A

Description

斷路器

本發明係關於一種斷路器，特別是關於變電所及開關所等所設置之開關裝置之斷路器。

構成氣體絕緣開關裝置之斷路器或遮斷器等之開關裝置中，開、關時高頻率之開關突波產生可能性高。特別是開關速度較慢之斷路器中，斷開動作中容易產生再點弧。

因斷路器的斷開動作中的再點弧所產生之突波，若從數MHz至數十MHz則頻率高，其產生頻率也相當高。再者，此種產生突波由於是頻率高的迅速過電壓，因此會產生斷路器的絕緣功能降低的問題。

用以抑制此絕緣功能降低的原因之突波產生，其對策之一，例如日本特許公開公報平成3-129615號(專利文獻1)中提案一種斷路器，在突波產生處的附近配置電阻體，使迅速突波電壓的峰值降低。

然而，專利文獻1的對策存有斷路器部分大型化的問題。為解決此問題，日本特許公開公報平成5-342952號(專利文獻2)則提案一種將電感線圈設於斷路器的固定接觸子部分，防止斷路器部分的大型化並使開關突波電壓的峰值降低之對策。

圖16表示專利文獻2之開關裝置之一實施例。此開關裝置具有的特徵係，串聯連接固定電極101且設置電感線圈102，而電感線圈102進一步連接遮蔽罩103。從此構成，可動接觸子104從鬱金香型接點(tulip contact)105分離後，電弧放電從遮蔽罩103經電感線圈102流至固定電極101。

藉此，可防止斷路器部分的大型化，且使開關突波電壓的峰值降低。又，在此構成係形成電感線圈102中只有在斷開動作時電流才流通之構造。因此，實現突波降低之電感的效果係僅在突波容易產生的斷開動作時作用。藉此，可有效地抑制高頻率的突波電壓。

然而，根據上述專利文獻2的構成，則成為遮蔽罩103曝露於電弧。結果，因為遮蔽罩103退化、侵蝕而可能導致有絕緣性降低之虞。

再者，根據專利文獻2的構成，遮蔽罩103係曝露於電弧，因此此部分施加高電壓。因此，遮蔽罩103和金屬容器之間，必須有一定的距離才能保持絕緣功能。結果，於金屬容器的小型化有其限制。

此外，根據專利文獻2的構成，為抑制由於曝露於電弧所產生的遮蔽罩103的退化、侵蝕，需要使用熔解少的高價的金屬材料製造遮蔽罩103。因此會產生製造成本累積的問題。

本發明之目的係，實現降低突波之電感的效果維持僅在突波容易產生的斷開動作時運作之效果，並解決上述發明的問題點。亦即，本發明之目的係維持斷路器的絕緣功能，同時實現金屬容器口徑更加縮小化及製造成本的降低。

【專利文獻1】日本專利特開平3-129615號

【專利文獻2】日本專利特開平5-342952號

為了達成上述目的，本發明之第1發明係：於以分別具有中心導體之絕緣間隔片所區分而封入絕緣性氣體之密封容器內，具備有於一方的絕緣間隔片之中心導體所安裝之固定側導體、前述固定側導體所連接之固定側接觸子、前述固定側接觸子的內側所安裝之電弧接觸子、包圍前述固定側接觸子而配置之固定側遮蔽罩、接觸前述固定側接觸子及前述電弧接觸子且同時比前述電弧接觸子的斷開先從前述固定側接觸子分離之可動子、使前述電弧接觸子追蹤前述可動子分離時的軸方向移動之彈簧與支撐框之追蹤元件，其特徵在於：於該電弧接觸子的電弧點弧部和該固定側導體之間具有電性串聯插入的電感，該追蹤元件係以彈簧，及可自由活動地支撐該彈簧而電性連接該電弧接觸子與該固定側接觸子之支撐框所構成，且配置於該固定側接觸子的內側，該電弧接觸子係以下列所構成：電弧點弧之該電弧點弧部；將導體捲成線圈狀、成為該電感之線圈部；電性接觸該固定側接觸子內所配置的該支撐框之接觸部；將該電弧點弧部、該線圈部、該接觸部支撐在線圈的捲線內部之支撐絕緣部。

若如同本發明般之構成，電弧於電弧接觸子被點弧，降低固定側遮蔽罩的部份曝露於電弧之虞。結果，降低固定側遮蔽罩退化、侵蝕之虞而可維持絕緣功能。

又，可使固定側遮蔽罩部電弧點弧之虞降低，防止於固定側遮蔽罩花費高電壓，因此即使固定側遮蔽罩和金屬容器之間的距離短也能維持絕緣功能。藉此可實現金屬容器的更加小型化。

又，可使固定側遮蔽罩的部份曝露於電弧之虞降低，因此可用低價的材料之鋁等構成固定側遮蔽罩。藉此可達到製造成本的降低。

此外，電弧於固定側遮蔽罩的部份不點弧，因此可用絕緣材料被覆固定側遮蔽罩。藉此可實現更加提高絕緣性。再者，可更加縮短固定側遮蔽罩至金屬容器的絕緣距離，可將金屬容器的直徑更加縮小化。

以下，參照圖式說明本發明之實施型態。

〔實施例1〕

圖1至圖3係表示本發明之一實施例之斷路器之剖面圖。圖1表示斷路器的剛斷開後狀態，圖2表示斷路器的閉合狀態，圖3表示斷路器的斷開狀態。圖4為圖1之斷路部之放大剖面圖。又，圖5(a)為斷路部之從可動側觀察固定側之正視圖，圖5(b)為斷路部之從固定側觀察可動側之正視圖。圖6為電弧接觸子之放大剖面圖。

實施例1之斷路器係以金屬的密閉容器1、可動子2、電弧接觸子3A、彈簧4、固定側接觸子5a、可動側接觸子5b、固定側遮蔽罩6a、可動側遮蔽罩6b、固定側導體7、可動側筒狀導體8、絕緣間隔片10a、10b、操作桿12、支撐框15A、高電壓導體17a、17b、中心導體18a、18b所構成。

密閉容器1係對向配置具有中心導體18a、18b之絕緣間隔片10a、10b而被區分，此密閉容器1內封入乾燥空氣或SF₆氣體等之絕緣媒介。又密閉容器1內，絕緣間隔片10a、10b之中心導體18a、18b所連接之高電壓導體17a、17b，係從密閉容器1以電性絕緣狀態被支撐。

於一方的絕緣間隔片10a之中心導體18a，在固定於其之固定側導體7安裝固定側接觸子5a並電性連接。此固定側接觸子5a係配置為前端內側和可動子2的外側相接。

於固定側接觸子5a，配置電場緩和用的固定側遮蔽罩6a，以包圍其外周部。此固定側遮蔽罩6a係以鋁等導電金屬做成，其周圍以環氧類的絕緣材料等施以被覆。

又，此固定側接觸子5a的內側，安裝有將支撐框15A及電弧接觸子3A支撐之彈簧4而構成追蹤元件，係可追蹤可動子2的斷開時的軸方向移動之構造。位於電弧接觸子3A的前端部之電弧點弧部21，係構成在斷開前僅和可動子2接觸而通電、在斷開狀態則從固定側接觸子5a的前端部突出。

於另一方的絕緣間隔片10b之中心導體18b，通過固定於其之可動側筒狀導體8而支撐可動側接觸子5b，使此可動側接觸子5b和固定側接觸子5a為對向。於可動側接觸子5b，配置電場緩和用的可動側遮蔽罩6b以包圍其外周部。此可動側遮蔽罩6b構成係與固定側遮蔽罩6a相同。

可動子2係將固定側接觸子5a和可動側接觸子5b之間，以可開、閉方式橋接。此可動子2係其軸線上進行開閉動作的方式，接觸連結絕緣操作桿12的一端側亦即自由端側。於此絕緣操作桿12的另一端側，連結一邊保持氣密一邊導出至密封容器1外之旋轉軸19。又，此旋轉軸19連結圖中未示之操作器。

實施例1中，為抑制高頻率突波的產生，電弧接觸子3A的一部以形成電感的線圈形狀所構成。此電弧接觸子的詳細示於圖6。如圖6所示，電弧接觸子3A係以電弧點弧之電弧點弧部21、捲曲形成線圈之線圈部22、電性接觸支撐框15A之接觸部23、將該等分別支撐在線圈的捲線內部之支撐絕緣部24所構成。

電弧點弧時，電流係通過電弧點弧部21、線圈部22、接觸部23流通於支撐框15A和固定側導體7，因此需要分別電性連接。曝露於電弧點弧部21的電弧之部分，係為抑制因電弧所成的侵蝕，以使用於銅添加鎢、鉻等之耐電弧性的合金為佳。

另一方面，線圈部22及接觸部23係突波產生時需要流動電流，因此由導電性佳的金屬材料所構成，例如銅、鋁或該等之合金。又，支撐絕緣部24為支撐上述各因子而以FRP材料或環氧樹脂等強度夠的絕緣材所構成。

以下，對實施例1的動作進行說明。圖2表示斷路器的閉合狀態，圖3表示斷路器的斷開狀態。又，圖1表示斷路器的剛斷開後狀態。

在圖2所示的閉合狀態，可動子2係與電弧接觸子3A及固定側接觸子5a相接。此情形時，固定側導體7和可動側筒狀導體8之間，通過固定側接觸子5a、可動子2及可動側接觸子5b流通電流。於電弧接觸子3A的線圈部22則幾乎不流通系統電流，故因電感造成的損失非常少。

對此，圖1所示的剛斷開後的狀態下，如以下所示，在固定側接觸子5a不流通電流，而通過電弧接觸子3A流通電流。斷開動作下，可動子2從圖2的閉合狀態，對應操作桿12順時針旋轉，向絕緣間隔片10b的方向滑動。

此時，電弧接觸子3A係沿著支撐框15A而藉由彈簧4被推出，藉此向金屬的密閉容器1的絕緣間隔片10b方向，以與可動子2一體的狀態移動。若可動子2進一步移動，固定側接觸子5a和可動子2的接觸分離，可動子2形成僅接觸電弧接觸子3A之狀態。

若可動子2進一步往絕緣間隔片10b方向移動，電弧接觸子3A係因支撐框15A的端部而卡止。若可動子2再進一步移動，如圖1所示，電弧接觸子3A和可動子2的接觸分離而形成電弧點弧之狀態。

圖4中表示可動子2的左端變換位置至固定側遮蔽罩6a的右端之狀態。此狀態下，電弧點弧部21和可動子2的前端之間隙d係設定為比可動子2和固定側遮蔽罩6a之間隙D還小。

若為此種尺寸關係，電弧產生於小的間隙d，而固定側遮蔽罩6a和可動子2之間則不產生。因此，電弧電流專從電弧點弧部21流至線圈部22，故藉由線圈部22的電感，抑制產生電弧的原因之突波電壓的峰值。

從圖1的狀態若進一步可動子2往絕緣間隔片10b方向移動，電弧接觸子3A和可動子2之間的絕緣距離相當寬廣時，形成不產生放電的狀態而遮斷電流。藉此形成圖3所示的斷開狀態。

圖7為使用沒有電感的一般的電弧接觸子之情形所產生的再點弧突波波形之一範例之示意圖。縱軸表示電壓(p.u.)，橫軸表示經過時間(ns)。此圖係表示在突波產生時會產生數MHz以上的高頻率電壓。產生的電壓的峰值係依電路條件決定，最大會有運轉電壓的約2.5倍的電壓產生之情形。

圖8表示運用實施例1之電弧接觸子之情形所產生的突波波形。縱軸表示電壓(p.u.)，橫軸表示經過時間(ns)。圖8係表示運用本發明之電弧以外，以和圖7相同電路條件所產生的突波波形。

若比較於圖8和圖7分別所示之突波波形，藉由電弧接觸子具有的電感的效果，圖8的波形是形成平穩。亦即，可知由於突波的波峰的振動波形衰減，可抑制斷路器的斷開動作時產生之過電壓、防止絕緣功能的降低。

圖9表示對電路阻抗之突波電壓的關係。縱軸表示突波電壓(p.u.)，橫軸表示阻抗(Ω)。從此圖9可知，若使阻抗為200Ω以上，突波電壓可為2p.u.以下。另，2 p.u.係意指對地電壓的峰值為運轉電壓的2倍。亦即，由於使電弧接觸子所運用的電感的阻抗高，因此可降低突波電壓。

如以上所述，實施例1之斷路器係將電弧接觸子3A的一部以形成電感的線圈形狀所構成，而於電弧接觸子3A形成僅有斷開動作時電流流通之構造。藉此，實現突波降低之電感的效果，係只在突波容易產生的斷開動作時運作。因此，可有效地抑制高頻率的突波電壓。

再者，將線圈部22配置於電弧接觸子3A，因此和將抑制突波的機構設置於其他處的情況相比，不會使斷路器大型化而實現降低突波的效果，可確保絕緣功能。

此外，本案的發明在以下所述幾點中亦比前述專利文獻2之於遮蔽罩串聯設置電感線圈之發明(以下稱為習知例)更能達到有利的效果。

圖10係本發明之電弧接觸子電位和遮蔽電位之比較之示意圖。縱軸表示各部位所施加的電位(p.u.)，橫軸表示阻抗(Ω)。假設阻抗為100Ω，相對於電弧接觸子電位為約1.75p.u.，遮蔽電位為約1.3p.u.。又，假設阻抗為200Ω，相對於電弧接觸子電位為約1.5p.u.，遮蔽電位為約1.25p.u.。

亦即，和電弧產生之電弧接觸子3A的部份相比，固定側遮蔽罩6a的遮蔽電壓大幅下降。特別是再點弧時產生高頻率突波，因此電壓的下降顯著。電弧接觸子3A係存在於固定側遮蔽罩6a的內側，因此即使電弧接觸子的電位高，僅電感部份遮蔽電位變低。藉由確保其固定側遮蔽罩6a和對地間的絕緣功能，可滿足高電壓部和對地(接地)之間的絕緣功能。

另一方面，習知例中電弧係直接於遮蔽罩點弧，因此遮蔽電壓成為高頻率突波的產生電位。因此，需要充分確保遮蔽罩和對地間的絕緣功能。

根據以上說明，實施例1的斷路器和習知例相比，可降低於固定側遮蔽罩6a所耗電位而確保絕緣功能。又，可將從固定側遮蔽罩6a至金屬封閉容器1為止的絕緣距離縮短，而可縮小金屬密閉容器1的直徑。因此，和習知例相比，可達到金屬容器1的更加小型化。

又，實施例1之斷路器係於固定側遮蔽罩6a不點弧電弧，因此可用低價的導電材料之鋁等構成固定側遮蔽罩6a。另一方面，如習知例般於遮蔽罩使電弧點弧的情形時，無法用低價的導電材料之鋁等構成遮蔽罩，需要使用熔解少的高價金屬材料。因此，實施例1的斷路器和習知例相比，可降低製造成本。

此外，實施例1的斷路器係於固定側遮蔽罩6a不點弧電弧，因此可用絕緣元件被覆固定側遮蔽罩6a。另一方面，習知例的情形下，即使以絕緣元件被覆遮蔽罩，遮蔽罩仍曝露於電弧，因此被覆會熔解而短時間內失去被覆的效果。

圖11為根據電極被覆之有無所造成的絕緣破壞電壓之比較之示意圖。在此，被覆材料使用環氧類的絕緣材料，而施予厚度數百μm的絕緣被覆。從圖11可得知，有被覆的情形時，和沒有被覆的情形相比，絕緣破壞電壓上升約20%。亦即，於圖1的固定側遮蔽罩6a和可動側遮蔽罩6b具有絕緣被覆的情形時，和沒有絕緣被覆的情形相比，可使極間距離及對地間距離減少約20%。

實施例1的斷路器在此點和習知例相比，亦可實現絕緣性的提高。又，可將從固定側遮蔽罩6a至金屬封閉容器1為止的絕緣距離進一步縮短。因此，可將金屬密閉容器1的直徑進一步縮小。

〔實施例2〕

以下，基於圖12說明本發明之斷路器的第2實施型態。又，與圖1相同的元件則標示相同符號並省略說明。

圖12為實施例2的斷路器的固定側之放大剖面圖。此構成之特徵係，於電弧接觸子部不設置線圈，電弧接觸子3B和固定側導體7之間設置線圈彈簧16，而在此線圈彈簧16流通電流。亦即，其特徵係，突波產生時藉由於線圈彈簧16流動電流，使其作為降低突波效果之電感而發揮功能之構成。

此情形時，用以使電弧接觸子3B往軸方向可動之支撐框15B，係用絕緣材以構成不流通電流。而斷開動作時，固定側導體7和可動側筒狀導體8之間，在線圈彈簧16、電弧接觸子3B、可動子2、可動側接觸子5b會流通電流。藉此可降低所產生的突波。

實施例2的構成，係將電弧接觸子3B和線圈彈簧16分別作成個體，由於電弧接觸子和彈簧分別作成獨立個體，藉相互串聯連接而可製造。亦即，和如同實施例1般於電弧接觸子3A本身具有線圈部22的構成相比，實施例2的構成可容易製造。因此，實施例1的構成的效果外，還產生所謂製造成本的減少、製造工時的減少之效果。

〔實施例3〕

以下，基於圖13說明本發明之斷路器的第3實施型態。又，與圖1相同的元件則標示相同符號並省略說明。

圖13所示之實施例3的構成，和前述實施例2的構成相比，特徵係形成省略支撐框15B而電弧接觸子3C僅以線圈彈簧16支撐之構造。

由於省略支撐框15B，可將實施例3的電弧接觸子3C和線圈彈簧16合計的長度，幾乎與實施例2的電弧接觸子3B的長度相等。藉此，實施例3的構成和實施例2的構成相比，可將電弧接觸子3C、固定側接觸子5a、固定側遮蔽罩6a各自的長度縮短。結果，可縮短金屬密閉容器1的軸方向的長度。

再者，由於省略支撐框15B，和實施例2的構成相比，可達到元件數量的減少、製造工時的減少及製造成本的減少之效果。此外，實施例3的構成亦可於可動子2的前端部設置可固定電弧接觸子3C之凹處。藉此，即使省略支撐框15B，但於電弧接觸子3C和可動子2接觸間，可使電弧接觸子3C於可動子2的中心軸上確實移動。又，凹處的形狀為緩和其角部的電場，以具有任意的曲率之形狀為理想。

〔實施例4〕

以下，基於圖14說明本發明之斷路器的第4實施型態。又，與圖1相同的元件則標示相同符號並省略說明。圖14的構成，特徵係具有形成電弧接觸子3D設置磁性體之構造。

圖15為實施例4的斷路器的電弧接觸子3D之放大剖面圖。此電弧接觸子3D係以電弧點弧部21、磁性體部25、接觸部23、聯繫電弧點弧部21和接觸部23之導體26所構成。開閉時，於電弧點弧部21電弧點弧時，通過電弧點弧部21、導體26、接觸部 23而於支撐框15C和固定側導體7流通電流。

磁性體部25係於導體26的周圍配置為圓筒狀，導體26伴隨突波的高頻率電流流通時，將其變換為熱能而降低高頻率電流。磁性體部25透磁率越高則在高頻率中磁氣抗阻越大，藉由欲通過的磁通量變換為熱能量而降低高頻率信號。

磁性體部25所使用之透磁率高的材料，可列舉鐵、氧化磁鐵、矽鋼板等。藉由將該等材料配置於電弧接觸子3D的部份，可期待達到如實施例1至3所說明之電感同等的效果。

又，實施例4的構成，由於將磁性體部25於導体26的周圍配置為圓筒狀，所以可容易製造。實施例4的構成和實施例1至3的構成相比，可達到製造容易之效果。且，其可減少製造工程數。

1‧‧‧密閉容器

2‧‧‧可動子

3A、3B、3C、3D‧‧‧電弧接觸子

4‧‧‧彈簧

5a‧‧‧固定側接觸子

5b‧‧‧可動側接觸子

6a‧‧‧固定側遮蔽罩

6b‧‧‧可動側遮蔽罩

7‧‧‧固定側導體

8‧‧‧可動側筒狀導體

10a、10b‧‧‧絕緣間隔片

12‧‧‧操作桿

15A、15B、15C、15D‧‧‧支撐框

17a、17b‧‧‧高電壓導體

18a、18b‧‧‧中心導體

19‧‧‧旋轉軸

21‧‧‧電弧點弧部

22‧‧‧線圈部

23‧‧‧接觸部

24‧‧‧支撐絕緣部

圖1為表示本發明之一實施例之斷路器的斷開後狀態之剖面圖。

圖2為表示本發明之一實施例之斷路器的閉合狀態之剖面圖。

圖3為表示本發明之一實施例之斷路器的斷開狀態之剖面圖。

圖4為圖1之斷路部之放大剖面圖。

圖5(a)為圖1之斷路部之從可動側觀察固定側之正視圖，圖5(b)為圖1之斷路部之從固定側觀察可動側之正視圖。

圖6為第1實施型態所使用之電弧接觸子之放大剖面圖。

圖7為產生的再點弧突波波形之一範例之示意圖。

圖8為應用實施例1之電弧接觸子之情形所產生的突波波形之示意圖。

圖9為對電路之突波電壓的關係之示意圖。

圖10為本發明之電弧接觸子的電位和固定側的電位之比較之示意圖。

圖11為根據電極被覆之有無所造成的絕緣破壞電壓之比較之示意圖。

圖12為本發明之斷路器之第2實施例之示意圖。

圖13為本發明之斷路器之第3實施例之示意圖。

圖14為本發明之斷路器之第4實施例之示意圖。

圖15為第4實施型態所使用之電弧接觸子之放大剖面圖。

圖16為固定側串聯設置之習知斷路器的斷路部構造之剖面圖。