WO2011117914A1 - 真空バルブ及び該真空バルブを搭載したスイッチギヤ - Google Patents

真空バルブ及び該真空バルブを搭載したスイッチギヤ Download PDF

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森田歩
土屋賢治
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株式会社 日立製作所
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/60Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66Vacuum switches
    • H01H33/662Housings or protective screens
    • H01H33/66238Specific bellows details
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02BBOARDS, SUBSTATIONS OR SWITCHING ARRANGEMENTS FOR THE SUPPLY OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02B13/00Arrangement of switchgear in which switches are enclosed in, or structurally associated with, a casing, e.g. cubicle
    • H02B13/02Arrangement of switchgear in which switches are enclosed in, or structurally associated with, a casing, e.g. cubicle with metal casing
    • H02B13/035Gas-insulated switchgear
    • H02B13/0354Gas-insulated switchgear comprising a vacuum switch

Definitions

  • the present invention relates to a vacuum valve and a switchgear that generates a pressure difference between the pressure in the vacuum valve and the pressure around the vacuum valve.
  • the vacuum valve is a device that turns on / off current in a vacuum-insulated state with a focus on high vacuum insulation performance.
  • the vacuum valve has a bellows that can be expanded and contracted on the movable side in order to turn on and off the current while maintaining a high vacuum state in the valve, and realizes the operation on the movable side while being sealed by the bellows. ing. That is, a force corresponding to the pressure difference between the high vacuum state in the vacuum valve and the surroundings of the vacuum valve is applied to the bellows, and in order for the bellows to continue normal operation, It is required to keep the shape.
  • Patent Document 1 As a technique for preventing the above buckling deformation, there is one described in Patent Document 1, for example.
  • Patent Document 1 describes that a bellows in which the thickness of the central portion in the expansion / contraction direction is larger than the thickness of an adjacent portion is mounted on a vacuum switch tube.
  • Patent Document 1 In order to manufacture the structure described in Patent Document 1, it is necessary to create an adjacent portion by a thick portion and a thin portion, and then join and assemble them. May cause a pressure leak due to the pressure difference between the inside and outside of the bellows.
  • an object of the present invention is to provide a vacuum valve that has strength against buckling deformation and does not cause pressure leakage.
  • a vacuum valve for solving the problems of the present invention includes a fixed electrode and a movable electrode facing each other, a vacuum container containing the fixed electrode and the movable electrode, and having a vacuum inside, and a pleated structure.
  • a vacuum valve comprising a bellows that enables operation of the movable electrode while maintaining a vacuum inside the container, wherein the bellows has a portion having no pleats or a portion having a low pleat height. .
  • FIG. 1 is an axial sectional view of a vacuum valve according to Embodiment 1.
  • FIG. It is an axial sectional view of the vacuum valve of Example 2. It is a sectional side view of the gas insulation switchgear of Example 3.
  • the vacuum valve 1 includes a fixed electrode 4 and a movable electrode 5 which are contact electrodes facing each other, a fixed conductor 3 connected to the fixed electrode 4, and a movable electrode in a vacuum container whose inside is a vacuum. 5, a movable conductor 9 connected to 5, a bellows 2 that is disposed on the inner side of the vacuum vessel and enables the movable conductor 9 to operate while keeping the vacuum inside the vacuum vessel, and opening and closing of the electrodes An arc shield 6 is housed for preventing arcs generated from time to time between the electrodes from flying to the vacuum vessel.
  • the vacuum vessel itself is cylindrical and joined with ceramic insulating cylinders 7 and 8, and the ends are joined and sealed with metal end plates (fixed side end plate 10 and movable side end plate 11). Yes.
  • On the movable side the inside of the vacuum vessel must be sealed in a vacuum state, and the operation of the movable conductor 9 must be allowed.
  • the end opposite to the end joined to the bellows 2 is joined to the bellows 2, and the end opposite to the end joined to the movable end plate 11 is joined to the movable conductor 9. ing.
  • the movable electrode 5 connected to the movable conductor 9 can be operated and the opening / closing operation can be performed while keeping the inside of the vacuum vessel in a vacuum state.
  • the bellows 2 is formed of a cup-shaped metal member having a pleated side wall surface.
  • a flat portion that is not creased particularly at the center of the side wall surface of the bellows 2. Is provided.
  • a method for manufacturing the bellows 2 will be described.
  • a cup-shaped thin metal serving as the base of the bellows 2 is placed in a mold having a flared side surface, and a high-pressure liquid is injected into the cup.
  • a high-pressure liquid is injected into the cup.
  • pressure is applied to the cup-shaped thin metal from the inside, and the cup-shaped thin metal partially extends from its ductility to form a pleat on the side surface so as to correspond to the pleated mold.
  • Bellows 2 is completed.
  • the thickness of the extended portion is reduced, while the portion that did not extend remains the thickness of the side wall surface of the original cup-shaped metal. And thicken.
  • a medium such as a gas around the vacuum valve enters the part that swells inside the vacuum valve, but the pressure of the medium is higher than the vacuum pressure inside the vacuum valve, and the folds that have already swelled further swell. Force is applied in the direction. Therefore, buckling tends to occur in the portion. Buckling is a plastic deformation, and once it occurs, the bellows 2 does not return to its original shape, and the movable conductor 9 cannot operate normally. Therefore, it becomes a big problem.
  • Such a buckling phenomenon is, for example, in a high voltage class with rated voltages of 72 kV, 145 kV, etc., and as a result of an increase in the distance between electrodes at the time of current interruption, This is more likely to occur when high-pressure air or high-pressure gas is sealed around the vacuum valve 1 in order to increase the dielectric strength.
  • the distance from the end of the central portion of the bellows 2 is increased and the force against the stress is reduced.
  • the pressure difference between the inside and outside of the vacuum valve 1 is increased. This is based on the fact that the stress applied to the bellows 2 itself increases. Therefore, although countermeasures against buckling are basically required under any conditions when a vacuum valve is applied, countermeasures against buckling are particularly important under these conditions.
  • a flat portion without folds is provided on the side wall surface of the bellows 2, and even if the medium around the vacuum valve 1 is pushed into the inside of the vacuum valve 1, the portion is not removed from the vacuum valve 1.
  • the rigidity against the inflating force is increased by being pushed to the inner side of the. Therefore, buckling is less likely to occur starting from this portion.
  • the pleated part of the strong part is also close to the part that is difficult to swell, so the rigidity is strong compared to the case where the part with strong rigidity is not around. Become.
  • the thickness of the fold-extended portion is reduced because the metal thickness is reduced, so that the rigidity is lowered, but the portion not extending the fold is relatively stronger.
  • the flat portion without folds is a portion where the folds do not extend continuously, and the metal is thicker and the relative rigidity is further increased.
  • the flat portion is strengthened by not being pleated, and the rigidity is also enhanced in terms of thickness, so that it has a considerable strength against buckling. Become.
  • a flat portion is provided near the center of the side surface portion. As described above, since buckling is likely to occur near the center, placing a portion that is highly rigid and difficult to buckle at such a position is more effective than placing it in other portions. Is.
  • Example 1 Although the case where the flat part which does not have a pleat was provided near the center of the side part of the bellows 2 was demonstrated, the bellows 22 in a present Example provides a part with a low pleat near the center of the side part of the bellows 22. ing.
  • a medium such as a gas around the vacuum valve is formed in a portion that swells on the inner side of the vacuum valve even at a low pleat portion. Since the pressure of the medium is higher than the vacuum pressure inside the vacuum valve, a force is applied in the direction of further expansion of the already expanded folds.
  • the pleats are formed in this embodiment, the extent of the pleats is small as compared with other parts where the height of the pleats is high, and the folds of the bellows 22 manufactured by the method described in the first embodiment are used.
  • the metal thickness of the portion having a low height is thicker than other portions having a high pleat height. Therefore, rigidity can be strengthened also by this.
  • a flat portion is provided near the center of the side surface portion. As described above, since buckling is likely to occur near the center, placing a portion that is highly rigid and difficult to buckle at such a position is more effective than placing it in other portions. Is.
  • the SF 6 gas-insulated switchgear 25 is connected to the bus valve 20 for supplying power to the switchgear, the cable head 21 for supplying power to the load side, and the vacuum valve 1 in addition to the vacuum valve 1 described above.
  • the disconnector 26 disposed on the bus 20 side and the cable head 21 side, the ground switch 23 disposed on the load side of the disconnector 26 and grounding the main circuit, and connected to the cable head 21 on the load side CT 24 for measuring the current flowing to the conductor, and each conductor from the bus 20 to the cable head 21 in FIG. 3 is insulated by a high-pressure SF 6 gas hermetically sealed.
  • the pressure difference between the vacuum valve 1 and the surrounding high-pressure SF 6 gas is larger than that in the case where the surrounding is at atmospheric pressure, and buckling is more likely to occur. Therefore, applying the above-described buckling countermeasure to the present embodiment is more effective than the case where the surroundings is atmospheric pressure.
  • the case where SF 6 gas is used as the high-pressure gas has been described as an example.
  • the invention is not limited to SF 6 gas, for example, against other atmospheric pressure such as high-pressure dry air. It goes without saying that all high-pressure gases are also included in the invention. That is, when the switch gear has a sealed structure and the pressure around the vacuum valve is higher than the atmospheric pressure, the pressure difference with the inside of the vacuum valve is larger than when the vacuum valve is around the atmospheric pressure, As a result, buckling is likely to occur, and it is more effective to mount the vacuum valve shown in each embodiment.
  • the voltage class when the rated voltage is an extraordinarily high voltage of, for example, 72 kV or more, the difference in the distance between the electrodes at the time of turning on and off becomes large, so that it is particularly suitable for a system that is likely to buckle.

Landscapes

  • High-Tension Arc-Extinguishing Switches Without Spraying Means (AREA)
  • Gas-Insulated Switchgears (AREA)

Abstract

 本発明の課題は、座屈変形に対する強度を有し、かつ圧力漏れが生じない真空バルブを提供することにある。 互いに対向して接点電極を構成する固定電極4及び可動電極5と、当該固定電極4及び可動電極5を内包して、その内部が真空状態である真空容器と、真空容器の内外の境界を構成して、ひだ構造による弾性力を用いて、真空容器の内部の真空圧力を維持しながら可動電極5の投入・遮断等の動作を可能にするベローズ2とを備える真空バルブ1であって、ベローズ2はひだがない部位またはひだの高さが低い部位を有することを特徴とする真空バルブ1。

Description

真空バルブ及び該真空バルブを搭載したスイッチギヤ
 本発明は真空バルブ及び真空バルブ内の圧力と該真空バルブ周囲の圧力とに圧力差が生じるスイッチギヤに関する。
 真空バルブは、真空の高い絶縁性能に着目し、真空絶縁された状態で電流の投入・遮断等を行う装置である。そして、真空バルブはバルブ内の高真空状態を維持した状態で電流の投入・遮断等を行うべく、可動側に伸縮可能なベローズを配置し、該ベローズにより密閉したまま可動側の動作を実現している。即ち、ベローズには真空バルブ内の高真空状態と真空バルブの周囲の圧力差に相当する力が印加されることになり、ベローズが正常に動作を続けるには、該圧力差相当の力に対して形状を維持し続けることが要求される。
 しかし、例えば定格電圧にして72kVや145kVもの高電圧になった場合には、遮断に必要な電極間距離も長くなるため、可動側電極の移動距離も長くなり、ベローズ自体もそれに合わせて長くなることになる。この様な場合、ベローズの中央近傍には大きな力が印加され、中央近傍が「く」の字型に変形する座屈変形が生じる可能性がある。座屈変形が一度ベローズに生じてしまうと、ベローズの伸縮運動が制限され、電流の投入・遮断動作に影響を与えることとなる。
 ここで、上記の座屈変形を防止する技術として例えば特許文献1に記載されたものがある。
 特許文献1には、伸縮方向の中央部の肉厚が隣接する部分の肉厚より厚くされたベローズを真空スイッチ管に搭載することについて記載されている。
特開昭60-65955号公報
 しかしながら、特許文献1に記載された構造を製作するには肉厚が厚い部分と肉厚が薄い部分とで隣接する部分をそれぞれ作成した後に、それらを接合して組立なければならず、接合部分においてはベローズの内外の圧力差による圧力漏れを生ずる恐れがある。
 そこで本発明では、座屈変形に対する強度を有し、かつ圧力漏れが生じない真空バルブを提供することを目的とする。
  本発明の課題を解決するための真空バルブは、互いに対向する固定電極及び可動電極と、該固定電極及び可動電極を内包し、内部が真空である真空容器と、ひだ構造を有し、前記真空容器の内部の真空を維持しながら前記可動電極の動作を可能にするベローズとを備える真空バルブであって、前記ベローズはひだがない部位またはひだの高さが低い部位を有することを特徴とする。
 上記した本発明に係る真空バルブによれば、座屈変形に対する強度を有し、かつ圧力漏れが生じない効果を得られる。
実施例1の真空バルブの軸方向断面図である。 実施例2の真空バルブの軸方向断面図である。 実施例3のガス絶縁スイッチギヤの側断面図である。
 以下、本発明の実施例について説明する。
 本実施例について図1を用いて説明する。本実施例に係る真空バルブ1は、内部が真空である真空容器の中に、互いに対向する接点電極である固定電極4及び可動電極5と、固定電極4に接続する固定導体3と、可動電極5に接続する可動導体9と、真空容器の内部側に配置され、該真空容器内の真空を保ったまま可動導体9の動作を可能にする可撓性部材であるベローズ2と、電極の開閉時に電極間を中心として発生するアークが真空容器に飛び火するのを防止するアークシールド6とを収納している。そして真空容器自体は、円筒状でセラミックス製の絶縁筒7,8を結合し、端部を金属製の端板(固定側端板10及び可動側端板11)と接合させて封止している。可動側については、真空容器内を真空状態に封止しなければならないことに加えて、可動導体9の動作を許容しなければならないことから、上記した可動側端板11のうち、絶縁筒8と接合する端部と逆側の端部をベローズ2に接合させており、該ベローズ2は可動側端板11と接合する側の端部とは逆側の端部を可動導体9に接合させている。これにより、真空容器の内部を真空状態に保ったまま、可動導体9に接続される可動電極5を動作させ、開閉動作を行うことが可能となる。
 ここで、ベローズ2は側壁面がひだ状となるコップ状の金属製部材により形成されているが、本実施例におけるベローズ2では、特にベローズ2の側壁面の中央部にひだがない平坦な部分を設けている。
 ベローズ2の製造方法について説明する。ベローズ2の基となるコップ状の薄い金属を、側面部がひだ状の型の内部に収め、コップの内部に高圧の液体を注入する。これにより、コップ状の薄い金属には内側から圧力が加わり、ひだ状の型に対応する様に、コップ状の薄い金属はその延性から部分的に延び、側面部にひだが形成されることで、ベローズ2が出来上がる。
 係る製造方法により製造されたベローズ2は、延びた部分の厚さが薄くなり、一方延びなかった部分は元のコップ状の金属の側壁面の厚さのままであるため、延びた部分と比較して厚くなる。
 座屈について説明する。真空バルブを用いる場合、バルブの内部とその周囲との圧力差は大きくなり、ベローズ2にはその圧力差に相当する応力が加わる。よって、ベローズ2が固定されている端部から中央部に向うにつれて、応力に抗することが出来なくなり、「く」の字型に変形し易くなる。これが座屈と呼ばれる現象である。ひだには真空バルブの内部側に膨らんでいる部分と、真空バルブの周囲側に膨らんでいる部分とが存在するが、これらのうち座屈の原因となり易いのは真空バルブの内部側に膨らんでいる部分である。真空バルブの内部側に膨らんでいる部分には、真空バルブの周囲の気体等の媒体が入り込むが、その媒体の圧力は真空バルブの内部の真空圧力よりも高く、既に膨らんでいるひだがさらに膨らむ方向に力が加わる。よって、該部分において座屈は生じやすくなる。座屈は塑性変形であり、一度生じてしまうと元の形にベローズ2が戻ることはなく、可動導体9の動作を正常に行うことが出来なくなる。よって大きな問題となる。係る座屈現象は、例えば定格電圧が72kV,145kV等の高電圧クラスになり、電流遮断時の電極間距離が長くなる結果、投入時におけるベローズ2長が長くなる場合や、真空バルブ1の周囲の絶縁耐力を上げるべく、真空バルブ1の周囲に高圧空気や高圧ガスを封入した場合に、一層生じやすくなる。前者の場合は、ベローズ2のうち中央部の端部からの距離が大きくなり、応力に抗する力が下がることに基づき、後者の場合には真空バルブ1の内外の圧力差が大きくなるため、ベローズ2に加わる応力自体が大きくなることに基づくものである。故に、座屈への対策は真空バルブを適用する場合には基本的にいずれの条件下でも必要ではあるものの、これらの条件の下では特に座屈に対する対策が重要となる。
 上記の他にも、本実施例のようにベローズ2が真空容器の内部側に配置される場合には、座屈の対策が必要となる。これはベローズ2が真空容器の外部側に配置される場合、真空バルブ1の外圧が膨らんでいる部分を潰し、ベローズ2を復元する方向に反力を与えるのに対して、ベローズ2が真空容器の内部側に配置される場合、真空バルブ1の内圧が膨らんでいる部分を潰し、ベローズ2を座屈させる方向に力を加えることによる。よって、ベローズ2が真空容器の内部側に配置される場合、座屈は生じ易くなり、この場合にも座屈対策が重要となる。
 本実施例では、ベローズ2の側壁面にひだがない平坦な部分を設けており、該部分においては真空バルブ1の周囲の媒体が真空バルブ1の内部側に押し込んでも、該部分が真空バルブ1の内部側に押されるに留まり、膨らんでいく力に対する剛性は強くなる。故に、該部分を起点として座屈は生じにくい。また、該平坦な部分自体の剛性が強くなることに加えて、剛性が強い部分のひだ部分も膨らみにくい部分が近くにあるため、剛性が強い部分が周囲にない場合と比較して剛性が強くなる。
 また、本実施例ではひだが延びた部分については金属の厚さが薄くなるため、剛性が低下するが、ひだが延びていない部分については相対的に剛性が強くなる。ひだがない平坦な部分は、ひだが延びていない部分が連続的に続いている部分であり、金属の厚さは厚く相対的な剛性はさらに強くなる。即ち、この平坦な部分は、ひだがないことによる剛性の強化が図られている他、厚みの上でも、剛性が強化されていることになり、座屈に対してかなりの強度を有するようになる。
 さらに、本実施例では、平坦な部分を側面部の中央付近に設けている。座屈は前述したように、中央付近において生じやすいものであることから、係る位置において剛性が強く、座屈が生じにくい部分を配置することは他の部分に配置することと比較して一層効果的である。
 本実施例について図2を用いて説明する。実施例1とはベローズ22の構成が相違する。実施例1では、ベローズ2の側面部の中央付近にひだがない平坦な部分を設ける場合について説明したが、本実施例におけるベローズ22はベローズ22の側面部の中央付近にひだが低い部分を設けている。
 本実施例では、実施例1とは異なり、ひだは設けているため、ひだの低い部分であっても真空バルブの内部側に膨らんでいる部分には、真空バルブの周囲の気体等の媒体が入り込むこととなり、その媒体の圧力は真空バルブの内部の真空圧力よりも高いため、既に膨らんでいるひだがさらに膨らむ方向に力が加わる。
 しかしながら、ひだの高さは他の部分と比較して低いので、平坦な場合程の剛性の強化は期待できないものの、他のひだの高さが高い部分と比較して、その剛性は強化される。よって、本実施例においても座屈は生じにくくなる。
 また、本実施例ではひだは形成されているものの、ひだの延びの程度はひだの高さが高い他の部位と比較して小さく、実施例1で述べた方法により製造したベローズ22のひだの高さが低い部分の金属厚さは、ひだの高さが高い他の部位と比較すると厚くなる。よって、これによっても剛性を強化することが出来る。
 さらに、本実施例においても実施例1と同様に、平坦な部分を側面部の中央付近に設けている。座屈は前述したように、中央付近において生じやすいものであることから、係る位置において剛性が強く、座屈が生じにくい部分を配置することは他の部分に配置することと比較して一層効果的である。
 上記各実施例では真空バルブ1についてのみを言及したが、これをスイッチギヤに搭載したものも発明に含まれる。即ち、上記の真空バルブ1に加えて、該真空バルブ1への電力を供給する母線と、該真空バルブ1からの電力を負荷側に供給するケーブルを含むスイッチギヤ自体も本発明の対象となる。以下、図3を用いて本実施例に係るガス絶縁スイッチギヤについて説明する。本実施例では、具体例として、上記の真空バルブ1をSF6ガス絶縁スイッチギヤ25に搭載したものを示している。本実施例に係るSF6ガス絶縁スイッチギヤ25は、上記した真空バルブ1の他、スイッチギヤに電力を供給する母線20と、負荷側に電力を供給するケーブルヘッド21と、真空バルブ1に対して、母線20側とケーブルヘッド21側にそれぞれ配置される断路器26と、断路器26の負荷側に配置されて主回路を接地する接地開閉器23と、ケーブルヘッド21に接続されて負荷側へ流れる電流を測定するCT24とから概略構成されており、図3内の母線20からケーブルヘッド21に至る各導体は、密閉して封入された高圧のSF6ガスによって絶縁されている。
 この場合、真空バルブ1内と周囲の高圧のSF6ガスとの圧力差は周囲が大気圧の場合と比較して大きく、座屈は一層生じ易くなる。よって、本実施例に上記した座屈対策を施すことは、周囲が大気圧の場合と比較して一層効果的である。
 本実施例では高圧ガスとしてSF6ガスを用いる場合について、例として説明したが、SF6ガスに発明が限定されるものでないことは言うまでもなく、例えば高圧の乾燥空気等の他の大気圧に対しての高圧ガスも発明に含まれることは言うまでもない。即ち、スイッチギヤが密閉構造であり真空バルブの周囲が、大気圧より大きい圧力となっている場合には真空バルブ内部との圧力差は真空バルブの周囲が大気圧の場合と比較して大きく、結果として座屈も生じ易くなるため、各実施例で示した真空バルブを搭載することは一層効果的である。
 他にも、電圧クラスとしては定格電圧で例えば72kV以上の特別高圧の場合には投入・遮断時の電極間距離の差が大きくなるため、座屈が生じ易い系には特に好適となる。
1 真空バルブ
2,22 ベローズ
3 固定導体
4 固定電極
5 可動電極
6 アークシールド
7,8 絶縁筒
9 可動導体
10 固定側端板
11 可動側端板
15 スイッチギヤ
20 母線
21 ケーブルヘッド
23 接地開閉器
24 CT
25 SF6ガス絶縁スイッチギヤ
26 断路器

Claims (7)

  1.  互いに対向する固定電極及び可動電極と、該固定電極及び可動電極を内包し、内部が真空である真空容器と、ひだ構造を有し、前記真空容器の内部の真空を維持しながら前記可動電極の動作を可能にするベローズとを備える真空バルブであって、
     前記ベローズはひだがない部位またはひだの高さが低い部位を有することを特徴とする真空バルブ。
  2.  請求項1に記載の真空バルブであって、前記ベローズのひだがない部位またはひだの高さが低い部位の厚みは、前記ベローズにおけるひだの高さが高い部位の厚みと比較して厚いことを特徴とする真空バルブ。
  3.  請求項1又は2に記載の真空バルブであって、前記ベローズは前記真空容器の内部側に配置されることを特徴とする真空バルブ。
  4.  請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の真空バルブであって、前記ベローズのひだがない部位またはひだの高さが低い部位は、前記ベローズのうち真空容器の長手方向の中央付近に設けてあることを特徴とする真空バルブ。
  5.  請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の真空バルブであって、該真空バルブには72kV以上の電圧が印加されることを特徴とする真空バルブ。
  6.  請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の真空バルブと、該真空バルブに電力を供給する母線と、前記真空バルブから負荷側に電力を供給するケーブルとを備えるスイッチギヤ。
  7.  請求項6に記載のスイッチギヤであって、該スイッチギヤは内部が大気圧より大きい圧力のガスで密閉されていることを特徴とするスイッチギヤ。
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