JP2007012518A - ガス遮断器 - Google Patents

Abstract

【課題】 遮断部の固定接触子と可動接触子の開離時に発生するアークを回転させる磁界が強くなる位置に環状磁石を配置する。
【解決手段】 一方の通電部に接続された固定接触子と、他方の通電部に接続され、固定接触子と接離する可動接触子と、固定接触子と可動接触子の接触部周囲に所定容積のガス空間を形成し、一端側が固定接触子の支持部に支持された膨張室と、中心部に可動接触子が挿通する貫通口を有し、膨張室の他端側に設けられた絶縁ノズルと、固定接触子と可動接触子が開離したときに発生するアークに直交する磁界を与える固定接触子の接触部外周に固定側環状磁石を配置した。
【選択図】 図１

Description

この発明は、電気回路の遮断時に発生するアークに直交する磁界を与えて接触子端部の周囲を周回させるアーク磁気駆動形の熱パッファ消弧方式のガス遮断器に関するものである。

熱パッファ消弧方式で、遮断時に発生するアークに直交する磁界を与えて接触子端部の周囲を周回させるアーク磁気駆動形を併用した熱パッファ消弧方式のガス遮断器としては、例えば、特許文献１に開示されている。
特許文献１のガス遮断器の遮断部は、開極状態を示した特許文献１の第１図に示されているように、第１の端子板に固定された固定接触子と、第２の端子板に設けられた集電子に摺動接触して固定接触子と接離する可動接触子と、固定接触子と可動接触子の接触部周囲にガス貯留室を形成する固定外筒と、この固定外筒の端部に装着され、固定外筒側の内面が円錐状に形成され、中心部に可動接触子が挿通する貫通口を有する絶縁ノズルと、絶縁ノズルの外周に、軸方向に着磁された環状磁石を備えた構成である。環状磁石は固定接触子と可動接触子が開離したときに発生するアークに直交する磁界を与える。
この構成では、固定接触子と可動接触子が開離したときに発生したアークが、環状磁石による磁界により駆動されて接触子端部を周回して貯留室内ガスの加熱を促進し、加熱されたガスは、可動接触子の開離状態で絶縁ノズルの開口部から噴出してアークを消弧するものである。

この特許文献１の構成では、環状磁石がつくる磁界により接触子の開離時にアークが固定接触子端部を周回することにより、アークは引き伸ばされてガスが加熱され易くなり、小電流遮断時にも必要な消弧作用が得られるというものである。

特公平０７−１１１８５２号公報

特許文献１に開示された磁気駆動形のガス遮断器では、環状磁石が絶縁ノズルの外周に配置され、固定接触子の端部に対して離れた位置にあり、必要な磁界の強さを得るためには、強力な磁力を有する環状磁石が必要である。
しかし、磁石材料の磁力には限度があり、必要な磁界の強さを得るためには寸法を大きくする必要があるが、装着部分のスペースには限度があり、アーク発生部に所望の磁界の強さが与えられる環状磁石が使用できないという問題点があった。
また、所望の磁界の強さが得られないということは、接触子の開離時に発生するアークが接触子の端部に停滞し易く、接触子の損耗が早くなるという問題点もあった。

この発明は、上記問題点を解消するためになされたものであり、環状磁石を固定接触子と可動接触子の開離時に発生するアークの回転に必要な磁界の強さが与えられる位置に配置した構成とし、消弧性能の確保と接触子の損耗が少ない遮断部を備えたガス遮断器を提供することを目的とする。

この発明にかかるガス遮断器は、一方の通電部に接続された固定接触子と、他方の通電部に接続され、固定接触子と接離する可動接触子と、固定接触子と可動接触子の接触部周囲に所定容積のガス空間を形成し、一端側が固定接触子の支持部に支持された膨張室と、中心部に可動接触子が挿通する貫通口を有し、膨張室の他端側に設けられた絶縁ノズルと、固定接触子と可動接触子が開離したときに発生するアークに直交する磁界を与える固定接触子の接触部外周に配置された固定側環状磁石とからなる遮断部を備えたものである。

固定接触子と可動接触子の接触部周囲に所定容積のガス空間を形成する膨張室を配置し、固定接触子と可動接触子とが開離したときに発生するアークに対し、直交する磁界を与える固定側環状磁石を固定接触子の接触部外周に配置したことにより、従来の絶縁ノズルの外周に環状磁石を配置する構成と比較すると、アーク発生部に強い磁界を与えることができ、固定接触子と可動接触子が開離したときに発生するアークは、固定側環状磁石がつくる強い磁界により、固定側接触子の先端部で周回する回転速度が早くなり、膨張室内部のガスを効率よく加熱し、接触子開離時の絶縁ノズル貫通口からのガス噴出量が多くなって良好な消弧性能が得られる。また、アークが早く周転することにより、固定接触子の端部で滞留することがなくなり、固定接触子および可動接触子の損耗が抑制される。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１の遮断器の遮断部の構成を示す断面図であり、固定接触子と可動接触子が開離した状態を示している。
この遮断部１０の構成は、遮断器の一方の端子（図示しない）に接続された固定接触子１１と、他方の端子に接続され、固定接触子１１と接離する可動接触子１２と、固定接触子１１と可動接触子１２の接触部周囲に所定容積のガス空間Ｇを形成し、一端側が固定接触子１１の支持部に支持された膨張室１３と、中心部に上記可動接触子１２が挿通する貫通口１４ａを有し、膨張室１３の他端側に設けられた絶縁ノズル１４と、固定接触子１１の接触部外周に配置され、固定接触子１１と可動接触子１２とが開離したときに発生するアークＡに対し、直交する磁界を与える固定側環状磁石１７を備えている。

図１のように固定接触子１１と可動接触子１２の開離時に発生するアークＡに対し、磁界を与える固定側環状磁石１７がアーク発生部に対して最も近い位置の固定接触子１１の接触部の外周に配置したことにより、従来の絶縁ノズルの外周に環状磁石を配置する構成と比較すると、アーク発生部に強い磁界を与えることができる。

固定接触子１１の接触部外周に配置された固定側環状磁石１７は、破線で示したように固定接触子１１の先端部に内径部から外径部に向う放射方向の強力な磁界を形成する。固定接触子１１と可動接触子１２が閉極状態から開離すると、固定接触子１１と可動接触子１２との間に発生したアークＡが、固定側環状磁石１７がつくる磁界により、固定接触子１１の端部を周回する駆動力が与えられて固定接触子１１の先端部を周回し、固定接触子１１と可動接触子１２の開離距離が大きくなるにしたがってアークＡが外周側へ引き伸ばされ、アークＡの熱エネルギーがガス空間Ｇのガスの加熱を促進する。
開離動作中で、可動接触子１２が絶縁ノズル１４の貫通口１４ａを閉塞している間は、ガス空間Ｇのガス圧力が上昇し、可動接触子１２がさらに開離して、可動接触子１２が絶縁ノズル１４の貫通口１４ａから抜け出すと、ガス空間Ｇ内の高圧になったガスが絶縁ノズル１４の貫通口１４ａから噴出し、アークＡが吹き消されて、開極動作が完了する。

膨張室１３の内容積は遮断容量が確保できる容積とし、固定接触子１１の先端部とこの先端部に対向する絶縁ノズル１４の内面との離隔距離Ｌは、固定接触子１１と可動接触子１２の開離時に発生するアークＡの熱エネルギーが、膨張室１３内のガスを効率よく加熱し、可動接触子１２が開離して絶縁ノズル１４の貫通口１４ａが開口したときには、加熱されたガスが勢いよく噴出されるように設定する必要がある。

ここで、固定接触子１１の先端部と、この先端部に対向する絶縁ノズル１４の内面との離隔距離Ｌと、絶縁ノズル１４の貫通口１４ａの断面積Ｓｚに対するガス空間Ｇのガスが貫通口１４ａから噴出する通路となる部分の断面積Ｓｇの断面積比Ｓｇ／Ｓｚとの関係を説明する。
絶縁ノズル１４の貫通口１４ａ内径をＤとし、固定接触子１１の先端部と絶縁ノズル１４の固定接触子１１の先端部に対向する内面との離隔距離をＬとすると、絶縁ノズル１４の噴出口１４ａの貫通口１４ａの断面積Ｓｚは（式１）で与えられ、ガス空間Ｇ内のガスが噴出口１４ａから噴出する通路となる噴出通路断面積Ｓｇは、（式２）で与えられる。
Ｓｚ＝（π／４）×Ｄ^２・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（式１）
Ｓｇ＝π×Ｄ×Ｌ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（式２）
絶縁ノズル１４の噴出口１４ａの断面積Ｓｚとガス空間Ｇ内のガスが噴出口１４ａから噴出する通路となる噴出通路断面積Ｓｇの関係を求めると（式３）の関係となる。
Ｓｇ／Ｓｚ＝（π×Ｄ×Ｌ）／｛（π／４）×Ｄ^２｝
＝Ｌ／（Ｄ／４）・・・・・・・・・・・・・・・・・（式３）
（式３）を固定接触子１１の先端部と絶縁ノズル１４の固定接触子１１の先端部に対向する内面との離隔距離Ｌを求めるように変形すると（式４）のようになる。
Ｌ＝（Ｄ／４）×（Ｓｇ／Ｓｚ）・・・・・・・・・・・・・・・（式４）

図２は膨張室１３のガス空間Ｇの容積を定格遮断容量が得られる容量とし、その場合の離隔距離Ｌを変化させて、絶縁ノズル１４の貫通口１４ａの断面積Ｓｚに対するガス空間Ｇのガスが貫通口１４ａから噴出する通路となる断面積Ｓｇの断面積比Ｓｇ／Ｓｚを変化させて遮断容量の関係を調査した結果である。
図２は縦軸を遮断容量とし、横軸を固定接触子１１の先端部と、これに対向する絶縁ノズル１４の内面との離隔距離Ｌとし、Ｌを絶縁ノズルの貫通口１４ａの内径Ｄに対する倍率で表現した目盛りと、絶縁ノズル１４の貫通口１４ａの断面積Ｓｚに対するガス空間Ｇのガスが絶縁ノズル１４の貫通口から噴出する通路となる部分の断面積Ｓｇの断面積比Ｓｇ／Ｓｚとした目盛りを並記している。

この結果、絶縁ノズル１４の貫通口１４ａの断面積Ｓｚに対するガス空間Ｇのガスが貫通口１４ａから噴出する通路となる部分の断面積Ｓｇの断面積比Ｓｇ／Ｓｚが２倍程度になると定格遮断容量が得られる結果となっている。
断面積比Ｓｇ／Ｓｚが２倍となるのは、上記（式４）から、離隔距離Ｌを絶縁ノズル１４の貫通口１４ａの内径Ｄの少なくとも１／２とすることで確保されることを示している。

以上のように、図１の遮断部１０は、膨張室１３の内容積を遮断容量に適する容積とし、固定側環状磁石１７を固定接触子１１の先端部の外周に配置し、固定接触子１１の先端部と、これに対向する絶縁ノズル１４の内面との離隔距離Ｌは、貫通口１４ａの内径Ｄの少なくとも１／２または加熱されたガスが噴出する噴出通路断面積Ｓｇを貫通口１４ａの断面積Ｓｚに対して少なくとも２倍とすることで、固定接触子１１と可動接触子１２の開離時に発生したアークＡは、固定側環状磁石１７による固定側接触子１１の先端部の磁界により、固定側接触子１１の先端部を周回して膨張室１３内のガスが効率良く加熱されて圧力が上昇し、開極時の貫通口１４ａからガス噴出量が適度に多くなって良好な消弧性能が得られる。
また、アークが回転することにより、固定接触子１１および可動接触子１２の損耗が抑制される。

実施の形態２．
実施の形態１では、遮断部１０の固定接触子１１の接触部外周に固定側環状磁石１７を配置した構成としたが、この実施の形態２は、可動接触子１２の先端接触部の内部にも軸方向に着磁された可動側磁石１８を埋設した構成である。その構成を図３に示す。
図３の遮断部２０は、可動接触子１２の先端接触部の内部に可動側磁石１８を埋設した以外は、実施の形態１の図１と同一であるので、構成の具体的な説明は省略する。

図３のように遮断部２０を構成すると、固定接触子１１と可動接触子１２が開離したときに発生するアークＡにさらに強い磁界を与えることができ、アークＡは可動接触子１２の先端部を周回する回転力が与えられて高速で回転し、特定点に滞留することがなくなり可動接触子１２の損耗も抑制することができる。

実施の形態３．
実施の形態１の遮断部１０および実施の形態２の遮断部２０では、固定接触子１１接触部の外周に配置した固定側環状磁石１７は軸方向に着磁した場合であったが、実施の形態３は、実施の形態１の固定側環状磁石を径方向に着磁した構成である。図４に実施の形態３の遮断部３０の構成を示す。
図４の構成は、固定接触子１１の外周先端部に径方向に着磁した固定側環状磁石３７を配置した以外は、実施の形態１の図１と同一であるので具体的な説明は省略する。

固定接触子１１の先端部外周に径方向に着磁した固定側環状磁石３７を配置すると、図４に示すように、固定側環状磁石３７による磁界は、内径側から外径部に向かって分布するので、磁極からでる磁束の１／２が必ず固定側接触子１１の先端部に分布するので、軸方向に着磁した場合に比較して固定接触子１１の先端部の磁界が強くすることができる。
遮断時の動作およびアークの挙動については、実施の形態１と同一であり、同様の効果が得られる。

実施の形態４．
実施の形態１〜実施の形態４では、膨張室１３の形状を円筒形とした場合を示したが、固定側接触子１１の先端部に固定側環状磁石１７または固定側環状磁石３７を配置しているので、膨張室１３内ガス空間Ｇの支持側は、絶縁ノズル１４に対して遠く、アークＡによって加熱されないので、消弧作用にあまり寄与しない。
実施の形態４は、膨張室の形状を固定接触子１１の先端部の周囲の容積を大きくしてアークＡにより加熱され易くした実施の形態である。図５は実施の形態４の遮断部４０の構成図である。
図５の遮断部４０の構成は、固定接触子１１、可動接触子１２、絶縁ノズル１４、固定側環状磁石１７は、実施の形態１の図１と同一である。
この構成では、膨張室４３を固定接触子１１の先端部と絶縁ノズル１４の固定接触子１１の先端部と対向する内面との間のガス空間ＧのアークＡにより加熱される部分（図中の間隔の広いハッチングを施した部分）の容積が大きくなるように形成している。

この図５の構成では、絶縁ノズル１４の固定接触子１１に対向する内面にアブレーション材４９も添着している。このアブレーション材４９は、発生したアークＡにより加熱されると消弧性ガスのフッ素を放出するものであり、例えばフッ素系ポリマーで構成されているものであり、アークＡを発生する部分の内壁にアブレーション材を添着することで消弧性能の向上に寄与する。

膨張室４３内部のガス空間Ｇの全ガス空間容積をＶｏとし、固定接触子１１の先端部と絶縁ノズル１４の固定接触子１１の先端部と対向する内面との間のアーク発生部ガス空間容積をＶｇとし、Ｖｏに対するＶｇの容積比Ｖｇ／Ｖｏを変化させて遮断部４０の遮断容量を調査した結果、図６に示すようになっている。その結果は、膨張室４３内の全ガス空間容積Ｖｏに対してアークＡが発生するガス空間容積Ｖｇを６０％以上となるようにガス空間を形成することで、ガス空間Ｇが効率よく遮断容量の向上に寄与することを示すものである。

この構成においても、固定側環状磁石１７に換え、実施の形態３で使用した径方向に着磁された固定側環状磁石３７を使用すると、固定側接触子１１の先端部の磁界が強くなってアークＡの周回が早くなり、膨張室４３内のガスが加熱され易くなる。

実施の形態５．
実施の形態４では、膨張室４３内の全ガス空間容積Ｖｏに対するアークＡが発生する部分の空間容積Ｖｇを６０％以上とする構成としたが、固定接触子１１の支持部周囲の空間はアークＡの消弧に寄与していない。実施の形態５は、膨張室４３内のガス空間Ｇの全容積がアークＡの消弧作用に寄与するようにしたものである。
図７は実施の形態５の遮断部５０の構成図である。
図７の遮断部５０の構成は、可動接触子１２、絶縁ノズル１４、固定側環状磁石１７、膨張室４３は、実施の形態４の図５と同一である。
この構成では、固定接触子５１の構成を実施の形態４の図５の固定接触子１１の支持部の近くに、固定接触子５１の内径部と外径部との間をガスが自由に流通できるように流通口５１ａを設けたものである。その他の構成は実施の形態４の図５と同一であり、詳細な構造説明は省略する。

この図７の構成では、固定接触子５１と可動接触子１２の開離時のアークＡにより、周囲のガスが加熱されて圧力が上昇した場合に、高圧になったガスが固定接触子５１の内径部から固定接触子５１の外周に流出して、固定接触子５１の外周部の圧力も上昇し、可動接触子１２がさらに開離して絶縁ノズル１４の貫通口１４ａから抜けると、固定接触子５１先端部周囲の高圧になったガスとともに、膨張室４３の固定接触子５１の支持部外周のガスも絶縁ノズル１４の貫通口１４ａから噴出することになり、実質的にガス空間の容積を大きくした場合と同様の効果を奏する。
したがって、必要とするガス空間の容積を確保する場合に、固定接触子５１の外周部も消弧に寄与するガス空間として利用できるので、膨張室４３の容積を縮小することができる。

この構成においても、固定側環状磁石１７に換え、実施の形態３で使用した径方向に着磁された固定側環状磁石３７を使用すると、固定側接触子５１の先端部の磁界が強くなってアークＡの周回が早くなり、膨張室４３内のガスが加熱され易くなる。

実施の形態６．
実施の形態１〜実施の形態５では、膨張室内のガス空間を一定の容積に設定しているので、遮断電流が小電流から大電流まで広範囲に対応する必要があり、大電流を対象に設定すると、小電流遮断時のアークエネルギーが不足する場合があり、中電流を対象に設定すると、大電流遮断時に膨張室内容積が不足して膨張室内ガス圧力が高くなりすぎることが懸念される。
この実施の形態６では、膨張室内のガス空間容積を、中程度以下の電流の遮断時に消弧能力が高くなるように設定し、大電流域の遮断には所定の圧力で膨張室内ガスが膨張室外部に放出するように構成したものである。
図８は実施の形態６の遮断部６０の構成図である。
図８の遮断部６０の構成は、可動接触子１２、絶縁ノズル１４、固定側環状磁石１７、膨張室４３は、実施の形態４の図５と同一である。

この構成では、固定接触子６１の構成を実施の形態４の図５の固定接触子１１の内径部が膨張室４３の外部に開放した構成とし、その部分に加圧ガス放出弁６９を設けたものである。加圧ガス放出弁６９は、弁座６９ａと、この弁座６９ａを所定の圧力で押し付ける押圧ばね６９ｂと、弁座６９ａ、押圧ばね６９ｂを支持する支持部材６９ｃで構成され、膨張室内のガスが所定の圧力を越えると弁座６９ａが開放して膨張室４３内ガスを放出し、所定の圧力以下になると閉止するように構成されている。

加圧ガス放出弁６９は、膨張室４３内ガス圧力が例えば２．５ＭＰａとなったときに弁座６９ａが開放するように設定し、膨張室４３内圧力が２．５ＭＰａよりも低くなったときに閉じるように設定しておくと、大電流遮断時で膨張室４３内の圧力が２．５ＭＰａを越えたときに高圧力のガスは放出され、設定圧力以下になったときに閉じて、膨張室４３内圧力が２．５ＭＰａに抑えられる構成となる。

この構成において、膨張室４３内のガス空間Ｇの容積を中電流領域の電流遮断に対して適正な膨張室４３内のガス空間容積に設定しておくことで、中電流以下の領域と大電流領域の全領域において遮断性能が向上した遮断部を有する遮断器が構成できる。

この構成においても、固定側環状磁石１７に換え、実施の形態３で使用した径方向に着磁された固定側環状磁石３７を使用すると、固定側接触子６１の先端部の磁界が強くなってアークＡの周回が早くなり、膨張室４３内のガスが加熱され易くなる。

実施の形態１の遮断部の構成図である。 膨張室のガス空間Ｇの加熱されたガスが絶縁ノズルの貫通口から噴出する通路となる部分の断面積Ｓｇと絶縁ノズルの貫通口の断面積Ｓｚの断面積比Ｓｇ／Ｓｚを変化させたときの遮断容量の関係を示す図である。 実施の形態２の遮断部の構成図である。 実施の形態３の遮断部の構成図である。 実施の形態４の遮断部の構成図である。 膨張室４３内の全ガス空間容積Ｖｏと、アーク発生部のガス空間容積ＶｇとしたときのＶｏに対するＶｇの容積比Ｖｇ／Ｖｏを変化させたときの遮断容量の変化を示す図である。 実施の形態５の遮断部の構成図である。 実施の形態６の遮断部の構成図である。

符号の説明

１０ 遮断部、１１ 固定接触子、１２ 可動接触子、１３ 膨張室、
１４ 絶縁ノズル、１７ 固定側環状磁石、２０ 遮断部、２８ 可動側磁石、
３０ 遮断部、３７ 固定側環状磁石、４０ 遮断部、４３ 膨張室、
４９ アブレーション材、５０ 遮断部、５１ 固定接触子、５１ａ 流通口、
６０ 遮断部、６１ 固定接触子、６９ 加圧ガス放出弁。

Claims (9)

1. 一方の通電部に接続された固定接触子と、他方の通電部に接続され、上記固定接触子と接離する可動接触子と、上記固定接触子と上記可動接触子の接触部周囲に所定容積のガス空間を形成し、一端側が上記固定接触子の支持部に支持された膨張室と、中心部に上記可動接触子が挿通する貫通口を有し、上記膨張室の他端側に設けられた絶縁ノズルと、上記固定接触子と上記可動接触子が開離したときに発生するアークに直交する磁界を与える上記固定接触子の接触部外周に配置された固定側環状磁石とからなる遮断部を備えたことを特徴とするガス遮断器。
2. 一方の通電部に接続された固定接触子と、他方の通電部に接続され、上記固定接触子と接離する可動接触子と、上記固定接触子と上記可動接触子の接触部周囲に所定容積のガス空間を形成し、一端側が上記固定接触子の支持部に支持された膨張室と、中心部に上記可動接触子が挿通する貫通口を有し、上記膨張室の他端側に設けられた絶縁ノズルと、上記固定接触子と上記可動接触子が開離したときに発生するアークに直交する磁界を与える上記固定接触子の接触部外周に配置された固定側環状磁石と、上記可動接触子の接触部の内部に埋設され、軸方向に着磁された可動側磁石とを備えたことを特徴とするガス遮断器。
3. 上記固定側環状磁石は軸方向に着磁されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載のガス遮断器。
4. 上記固定側環状磁石は径方向に着磁されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載のガス遮断器。
5. 上記固定接触子の先端部と上記絶縁ノズルの上記固定接触子先端部に対向する内面との間の間隔は、上記可動接触子外径の１／２よりも広く設定されていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のガス遮断器。
6. 上記膨張室内の上記固定接触子先端部と、上記絶縁ノズルの上記固定接触子先端部に対向する内面との間のガス空間容積は、上記膨張室内全容積の少なくとも６０％が確保されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載のガス遮断器。
7. 上記絶縁ノズルの上記固定接触子に対向する内面に、アークが発生したときに消弧性ガスを放出するアブレーション材を添着したことを特徴とする請求項１〜請求項６いずれかに記載のガス遮断器。
8. 上記固定接触子の上記膨張室支持部近傍に、上記固定接触子の内径部と外径部にガスが流通する流通口を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載のガス遮断器。
9. 上記固定接触子の上記膨張室が支持された部分の内径部に、上記膨張室内のガスが所定の圧力を超えたときに、絶縁ガスを上記膨張室の外部に放出し、上記所定の圧力に低下したときに閉止する加熱ガス放出弁を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項８いずれかに記載のガス遮断器。

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