JP2004039411A

JP2004039411A - 真空遮断器

Info

Publication number: JP2004039411A
Application number: JP2002194104A
Authority: JP
Inventors: Hideji Kikuchi; 菊地　秀二; Mitsutaka Honma; 本間　三孝; Hiroki Kagara; 加々良　弘樹; Kazumasa Sato; 佐藤　和征; Naoyuki Ishibashi; 石橋　尚之; Shiro Otake; 大竹　史郎
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-07-03
Filing date: 2002-07-03
Publication date: 2004-02-05

Abstract

【課題】転流装置を用いた真空遮断器において、遮断性能を安定化させ、信頼性の高い損失の小さな真空遮断器を提供する。
【解決手段】真空遮断器の真空バルブ１１に並列に転流装置２０が接続されている。転流装置２０はコンデンサ２１、リアクトル２２および転流電流始動用スイッチ２４が直列に接続され、更にこれと並列に工ネルギー吸収装置として非線形抵抗素子であるアレスタ２３が接続されて構成されている。コンデンサ容量を１０００μＦ以上でリアクトルを３μＨ以上とし、共振周波数を１０００Ｈｚ以上２０００Ｈｚ未満とし、且つコンデンサとリアクトルおよび転流電流始動用スイッチを投入した状態での直列の回路抵抗を２０ｍΩ以下とし、エネルギー吸収装置の動作電圧（１ｍＡ流れ始める電圧値）を系統の定格電圧の１．５倍〜２．５倍とした。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は真空遮断器に係り、特に電流遮断時に遮断電流に転流装置からの転流電流を重畳させて遮断するようにした遮断性能を安定化させた真空遮断器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年真空遮断器が多方面で使用されている。真空バルブを用いた真空遮断器の遮断では、電流が零にならなければ電流遮断ができない点がある。このため直流電流の場合では、真空バルブに並列に接続した転流装置により遮断電流に対して高周波電流を重畳し、強制的に電流零点を形成して電流を遮断する方式が行われている。
【０００３】
気中遮断器の場合では、接点を開いて電流を遮断する時、数干Ｖ以上の非常に高いアーク電圧になり、このアーク電圧の影響で電流が限流され遮断を行うことができる。この気中遮断器では、接点に消費されるエネルギー、つまり電流とアーク電圧の積は非常に大きく、従って遮断を行ったことによる接点の劣化が大きいことが知られている。
【０００４】
そのため、メンテナンスなどを頻繁に行う必要があり、さらに、気中でアークを出して遮断するため、遮断時には大きな遮断音が発生し、環境的な問題も出て来ている。このような気中遮断器に比べて真空遮断器を用いた場合では、アーク電圧は数十Ｖであり、接点間で消費するエネルギーは気中遮断器の百分の一程度に低減される。このため接点の損傷は少なく長寿命にすることができる。
【０００５】
さらに、互いに接離する接点が真空容器内に配置されているため、アークは真空容器内で処理される。これによって、アークの飛散による影響や、遮断時の遮断音も大幅に軽減でき、環境に適していると言える。これらの背景から直流を遮断する場合でも真空バルブを使用した真空遮断器が用いられる様になって来ている。
【０００６】
また、交流電流において高速に遮断を行う場合にも、前述の様な真空バルブに並列に接続した転流装置を用いる場合が出てきている。これにより、半導体式の遮断器（ＧＴＯ遮断器）に近い遮断時間での遮断を行わせることが可能で、半導体式に比べ真空遮断器は、定格電流通電時のエネルギーロスが低減でき省エネ化が図れる。
【０００７】
この様に真空遮断器は、直流電流を遮断する場合や、非常に高速で電流遮断を行う場合等に幅広く使用する様になってきた。このような使用の場合には、従来の交流で使用していた真空遮断器に対して、前述のように真空バルブに並列に転流装置を接続する必要がある。
【０００８】
ところで、転流装置を真空バルブに並列に接続した場合、転流装置からの重畳電流で電流零点を作ることから、電流零点での電流勾配が遮断性能に大きく影響する。また遮断状態時の真空バルブ電極間のアークは、プラズマ状態になっている。
【０００９】
電流遮断に向け電流が減衰して行くに従って、電極間のプラズマは減少し、理想的には電流零点でプラズマが電極間から全て拡散して電極間の環境が真空状態になれば、電流遮断後に電極間に加わる回復電圧に対して十分な絶縁耐力があるため確実に遮断が完了する。
【００１０】
真空遮断器ではこのプラズマの拡散速度が速く、高い電流勾配でも遮断が可能である。然しながら、電流勾配が大きすぎると電流零点で拡散できない残留プラズマが増加し、この結果、遮断に失敗する場合が出てくる恐れがある。この様に転流装置を用いる場合には、転流電流の電流勾配条件が重要であることが知られている。
【００１１】
一方、転流電流で電流零点を作り遮断する方式では、強制的に電流を遮断することから、回路のインダクタンス分に残留するエネルギーを放出する必要があり、エネルギー放出のため遮断する真空バルブと並列に非線型抵抗などのエネルギー吸収装置を接続する必要がある。
【００１２】
この種技術として、特開平３−６７４２９号公報に記載された車両搭載の直流高速遮断器が知られている。これによれば転流回路の振動周波数が２ｋＨｚ以上で、転流電流を５、０００Ａ以上とし、且つ転流インダクタンスを１μＨ以上とする事が示されている。
【００１３】
しかし、この条件を地上の軌電回路に使用される直流高速真空遮断器に適用する場合には、大電流遮断時の電流勾配が大きくなり遮断できない場合が考えられる。
【００１４】
即ち、軌電用遮断器の場合、事故電流の検出電流値（気中遮断器の一般的名称では目盛値）が１２、０００Ａであり、定格の遮断電流、目盛値で遮断器が動作し電流が遮断するまでの期間での最大電流値、は２５，０００Ａとなる。これは事故電流の検出から遮断までの時間が数ｍｓあり、その電流上昇率が３×１０^６Ａ／ｓであるため遮断点での電流が大きな値となる。
【００１５】
この様な大電流を遮断する場合には、真空バルブの電極間のアーク形態が、ア一クに対して自己ピンチ力が働き集中してしまい、電極の極部的な損傷を引き起こす恐れがあるためで、１０，０００Ａ程度以下の拡散している状態に比べ、遮断できる電流勾配が小さくなる。
【００１６】
従って、１０，０００Ａ程度を越える大電流遮断の場合でも安定して電流を遮断するためには、転流電流が重畳して流れる電流の電流零点付近の電流勾配を低減する必要がある。
【００１７】
転流電流を重畳した電流の電流零点付近での電流勾配を小さくする手法としては、図３に示す回路が知られている。図３において、真空遮断器の真空バルブ１１に直列に過飽和リアクトル１５が接続され、この直列回路に並列に転流装置２０が接続されている。
【００１８】
転流装置２０はコンデンサ２１、リアクトル２２および転流電流始動用スイッチ２４が直列に接続され、この直列回路と並列に工ネルギー吸収装置としてのアレスタ２３が接続されている。コンデンサ２１は図示していない充電装置により充電された状態とする。
【００１９】
このように真空遮断器に流れる遮断電流と転流電流が重畳する部分に過飽和リアクトル１５を接続する方法である。この方法によれば真空バルブ１１の電流零点付近では過飽和リアクトル１５のリアクトル分が増加し、電流零点での電流勾配を小さくすることができる。
【００２０】
電流を遮断する場合、まず真空バルブ１１を開極し、その後に転流電流始動用スイッチ２４を投入する。これにより、コンデンサ２１に充電されていた電荷は、遮断電流と逆方向の転流電流となって真空バルブ１１に流れる。この重畳電流により電流零点を作り電流遮断を行う。
【００２１】
この時の電流波形を図４に示す。遮断電流と転流電流の重畳電流波形図（ａ）と、転流電流だけ流した場合の電流波形図（ｂ）を示す。重畳電流は電流零点付近で電流勾配が小さくなっている。転流電流だけを見ると電流ピーク付近のＡ部分が過飽和リアクトル１５の効果のある部分である。
【００２２】
しかし、転流装置２０側ではコンデンサ２１の放電を開始する転流電流始動用スイッチ２４に流れる転流電流の電流零点に対しては電流勾配を低減する効果は期待できない。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
この様な構成であると過飽和リアクトル１５を通常の電流を通電する部分に取付ける必要があることから、通常の電流を通電している時にも過飽和リアクトル１５による損失がある。
【００２４】
また、電流遮断による回路のリアクタンス分の残留エネルギーを放出するための工ネルギー吸収装置として非線形抵抗素子であるアレスタ２３を接続しているが、アレスタ２３の制限電圧は、この制限電圧が高すぎると回路で発生する電圧によりアレスタ以外の部分で放電を起こす可能性がある。また、制限電圧が低すぎるとアレスタ２３の動作頻度が増加し、アレスタ２３の寿命を低減してしまうことになる。
【００２５】
さらに、転流電流を流すためのコンデンサ２１は充電電圧を高くした方が同一の転流電流を流すためには容量を小さく出来るが、アレスタ２３ヘの分流などを考慮する必要がある。そして、充電電圧を低くするとコンデンサ２１の容量を増加させる必要があると共に、アレスタ２３の制限電圧がコンデンサ２１の両端に印加されるためコンデンサ２１の許容電圧によってはコンデンサ２１の劣化を早めることにつながる。
【００２６】
本発明は上記問題点に鑑みなされたもので、転流装置を用いた真空遮断器において、遮断性能を安定化させ、信頼性の高い損失の小さな真空遮断器を提供することを目的とするものである。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明による真空遮断器によれば、真空バルブに並列に転流装置を接続し、電流遮断時に遮断電流に転流装置から転流電流を重畳して電流零点を作り電流を遮断する真空遮断器において、前記転流装置をコンデンサとリアクトルおよび充電装置により充電されるコンデンサの充電された電荷を放電する転流電流始動用スイッチを直列に接続した回路に並列にエネルギー吸収素子を接続して構成し、前記転流装置のコンデンサ容量を１０００μＦ以上でリアクトルを３μＨ以上とし、共振周波数を１０００Ｈｚ以上２０００Ｈｚ未満とし、且つ転流装置のコンデンサとリアクトルおよび転流電流始動用スイッチを投入した状態での直列の回路抵抗を２０ｍΩ以下とし、エネルギー吸収装置の動作電圧（１ｍＡ流れ始める電圧値）を系統の定格電圧の１．５倍〜２．５倍とした事を特徴とする。
【００２８】
これにより転流装置の小型化を図ることができ、エネルギー吸収装置の寿命を延ばすことができ、また重畳電流の電流零点での電流勾配を２００Ａ／μｓ以下とすることができ安定した遮断を行わせることができる。
【００２９】
また本発明による真空遮断器によれば、真空バルブに並列に転流装置を接続し、電流遮断時に遮断電流に転流装置から転流電流を重畳して電流零点を作り電流を遮断する真空遮断器において、前記転流装置をコンデンサとリアクトルおよび充電装置により充電されるコンデンサの充電された電荷を放電する転流電流始動用スイッチを直列に接続した回路に並列にエネルギー吸収素子を接続して構成して成り、前記転流装置のコンデンサ充電電圧をエネルギー吸収素子の動作電圧より低くし、且つ系統の定格電圧より高くした事を特徴とする。
【００３０】
これにより、コンデンサの寿命劣化を低減でき、安定した遮断を行わせることができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図１に示す。図１において、真空遮断器の真空バルブ１１に並列に転流装置２０が接続されている。転流装置２０はコンデンサ２１、リアクトル２２および転流電流始動用スイッチ２４が直列に接続され、更にこれと並列に工ネルギー吸収装置として非線形抵抗素子であるアレスタ２３が接続されて構成されている。コンデンサ２１は図示していない充電装置により充電される。
【００３２】
電流を遮断する場合、まず真空バルブ１１を開極し、その後に転流電流始動用スイッチ２４を投入する。これにより、コンデンサ２１に充電されていた電荷は、遮断電流と逆方向の転流電流となって真空バルブ１１に流れる。この重畳電流により電流零点を作り電流遮断を行う。
【００３３】
ここで転流電流の周波数と電流勾配の関係を図２に示す。大電流遮断領域である２０ｋＡ遮断において共振周波数を２ｋＨｚ未満にする事により電流勾配を２００Ａ／μｓ以下に抑えることができる。またコンデンサ２１の容量は１，０００μＦ以上でリアクトル２２を３ｍＨ以上とするのが転流装置２０の縮小化の点からも適切である。
【００３４】
本発明での実施例としてコンデンサ容量１，２００μＦ、リアクトルを１５μＨとした。これによって、推定短絡電流５０ｋＡ、直流電流の上昇率を３×１０^６Ａ／ｓ、目盛値１２，０００Ａの条件で、転流電流と遮断電流の重畳電流の電流零点での電流勾配を２００Ａ／μｓ以下とすることができ、問題無く遮断をする事ができた。
【００３５】
転流装置２０に浮遊のインダクタンス分以外にリアクトル２２を挿入する事により、製造状態による浮遊のインダクタンス分の変動による影響を無くす事ができ、安定した性能の転流装置を製造する事ができる。
【００３６】
また、転流電流の共振周波数を１ｋＨｚより小さくするためにはコンデンサ２１およびリアクトル２２を大きくする必要があることから、転流装置２０が大型化し得策ではない。
【００３７】
さらにコンデンサ２１とリアクトル２２および転流電流開始用スイッチ２４の投入状態での回路抵抗を２０ｍΩするのが良く、本発明の実施例として１０ｍΩとした。これにより転流電流の減衰を低減できた。その結果、直流電流を逆方向に１３，２００Ａ流した条件でも問題無く遮断する事ができた。
【００３８】
また、エネルギー吸収素子に使用しているアレスタ２３の制限電圧（アレスタに１ｍＡ流れる電圧値）を、系統の定格電圧の１．５〜２．５倍の範囲に設定する。本発明の実施例では系統の定格電圧１，５００Ｖに対してアレスタの制限電圧を２，５００Ｖとした。
【００３９】
これにより遮断時のアレスタの最大発生電圧を４，０００Ｖ以下に制限でき、アレスタ以外の部分での絶縁破壊など無く問題無い遮断をする事ができた。アレスタ２３の制限電圧を系統の定格電圧の１．５倍以上にする事により、小電流開閉などの条件ではアレスタの動作は無くアレスタの寿命を伸ばすことができる。
そして、制限電圧の最大を２．５倍以下にすることにより、アレスタ以外の部分の絶縁破壊もなく安定した遮断をすることができる。
【００４０】
転流装置２０のコンデンサ２１の充電電圧は、前述のアレスタ２３の制限電圧より低く、且つ系統の定格電圧以上とすることにより、安定した転流電流を遮断器の真空バルブ１１に重畳することができ、コンデンサ２１の寿命劣化を低減することができる。
【００４１】
本発明の実施例では系統の定格電圧１，５００Ｖ、アレスタの制限電圧２．５００Ｖに対してコンデンサ２１の充電電圧を２，３００Ｖとした。これにより、転流電流のアレスタ２３側への分流も無く安定した転流電流を真空バルブ１１に重畳することができた。
【００４２】
尚、使用した真空バルブ１１の接点材料は、導電成分としてＣｕまたはＡｇを使用し、耐弧成分としてＣｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉおよびその炭化物の少なくても一種を含む合金からなる材料を使用した。
【００４３】
このような接点材料構成であれば、高蒸気圧材などが含有されている材料に比べ、遮断電流の単位電荷量あたりの接点からの中性金属蒸気および金属プラズマの発生量を小さくでき、また遮断電流の電流勾配が従来より大きな条件でも遮断が可能であった。そのため、転流電流の電流周波数を高くでき、小さな転流装置にすることができる利点がある。
【００４４】
本発明の実施例として接点材料としてＣｕＣｒ合金を使用した。これにより、高い遮断性能を得ることができた。
【００４５】
【発明の効果】
本発明の真空遮断器によれば、転流装置の転流電流を安定化させ、遮断性能を安定化できると供に、小形化が可能である。さらに転流装置の劣化を低減でき長寿命化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す回路図。
【図２】転流電流の周波数と電流勾配の関係を示す説明図。
【図３】従来の真空遮断器を示す回路図。
【図４】（ａ）、（ｂ）　図３の真空遮断器における重畳電流波形図と転流電流波形図。
【符号の説明】
１１・・・真空バルブ
１５・・・過飽和リアクトル
２０・・・転流装置
２１・・・コンデンサ
２２・・・リアクトル
２３・・・アレスタ
２４・・・転流電流始動スイッチ

Claims

真空バルブに並列に転流装置を接続し、電流遮断時に遮断電流に転流装置から転流電流を重畳して電流零点を作り電流を遮断する真空遮断器において、前記転流装置をコンデンサとリアクトルおよび充電装置により充電されるコンデンサの充電された電荷を放電する転流電流始動用スイッチを直列に接続した回路に並列にエネルギー吸収素子を接続して構成し、前記転流装置のコンデンサ容量を１０００μＦ以上でリアクトルを３μＨ以上とし、共振周波数を１０００Ｈｚ以上２０００Ｈｚ未満とし、且つ転流装置のコンデンサとリアクトルおよび転流電流始動用スイッチを投入した状態での直列の回路抵抗を２０ｍΩ以下とし、エネルギー吸収装置の動作電圧（１ｍＡ流れ始める電圧値）を系統の定格電圧の１．５倍〜２．５倍とした事を特徴とする真空遮断器。
エネルギー吸収装置が非線型抵抗素子である請求項１に記載の真空遮断器。
真空バルブに並列に転流装置を接続し、電流遮断時に遮断電流に転流装置から転流電流を重畳して電流零点を作り電流を遮断する真空遮断器において、前記転流装置をコンデンサとリアクトルおよび充電装置により充電されるコンデンサの充電された電荷を放電する転流電流始動用スイッチを直列に接続した回路に並列にエネルギー吸収素子を接続して構成して成り、前記転流装置のコンデンサ充電電圧をエネルギー吸収素子の動作電圧より低くし、且つ系統の定格電圧より高くした事を特徴とする真空遮断器。
真空バルブは、その接点材料が導電成分としてＣｕまたはＡｇを使用し、耐弧成分としてＣｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉおよびその炭化物の少なくても一種を含む合金からなる事を特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の真空遮断器。
真空バルブの接点材料がＣｕＣｒ合金である事を特徴とする請求項４に記載の真空遮断器。