JP2014067512A - 真空遮断装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】真空遮断装置の閉極時には、一方の接点対Bの可動接点2が一方の接点対Bの固定接点3に接触した後に、他方の接点対Aの可動接点2が他方の接点対Aの固定接点3に接触するという順番になるように、さらに真空遮断装置の開極時には、他方の接点対Aの可動接点2が他方の接点対Aの固定接点3から開離するタイミングが、一方の接点対Bの可動接点2が一方の接点対Bの固定接点3から開離するタイミングより前にならないように、一方の接点対Bおよび他方の接点対Aのそれぞれの可動接点2が、開閉機構23によって駆動される。
【選択図】図1
Description
以下この発明の実施の形態1を図1〜図5により説明する。
図1において、真空遮断装置はタンク20と、該タンク20内の中央部に設置された真空バルブ1と、タンク20の外部に設けられた開閉機構23および図示していないブッシングを主要部品とし、ブッシングの中心導体25と真空バルブ1、可とう導体16で電路を構成し、前記開閉機構で真空バルブ1内の2組の対をなす固定接点3と可動接点2をそれぞれ開閉することにより電流を入り切りする。
そこで、固定接点3と支持部材15との間には固定電極棒7を介して所定長の距離を設けて、アークが支持部材15に移行しないようにした。また、アークが固定接点3から固定電極棒7に移行しないように固定接点3を固定電極棒7より大径にした。
なお、以後、2組の対をなす固定接点3および可動接点2のうち、図示左側の組の固定接点3と可動接点2を「接点対A」、図示右側の組の固定接点3と可動接点2を「接点対B」と記す。
2組の固定接点3と可動接点2とを囲む位置に各組毎にアークシールド11を設ける。アークシールド11は、電流遮断時に接点から発生する金属蒸気が絶縁筒10の内面に付着するのを防止し、沿面耐圧の低下を防止する。2つのアークシールド11,11は個別に設け、別々の電位となることができるようにする。
タンク27の中は絶縁性ガスであるSF6ガス、空気、窒素ガス等を封入する。
図2(1)は開閉機構23の動作を可動電極棒6に伝えるためのリンク機構24の構造を示す。接点対A、Bの動作の説明のため、図1から接点対A、Bの固定接点3と可動接点2だけを抽出して示した。
開閉機構23によって駆動するシャフト30は直線状の継手A27と接続され、該継手A27はくの字状の継手B28に接続される。継手A27および継手B28は回転軸29によって支持され、シャフト30の動きを伝える。継手B28はロッド31に接続され、ロッド31の動きは可動電極棒6を駆動する。右側の(接点対B側の)ロッド31にはスライダ32が設けられ、継手B28の端の連結部33がスライダ32内を接点対Bの開閉方向に所定長滑ってからロッド31を動かすことができるようになっている。
開閉機構23によってシャフト30が図示上方向に動くと、この動きは継手A27、継手B28によって連結部33に伝わり、連結部33が、図中の矢印方向に動く。右側の接点対B側のロッド31は、連結部33がスライダ32内を前記所定長滑った後に動き始めるので、右側の接点対Bは左側の接点対Aより遅れて接点を閉じることができる。接点が閉じた後には、図示していないラッチ機構によって可動電極棒6を接点閉成位置に保持し、接点が閉じた状態を維持する。
接点対Aに対応する左側の連結部33の速度VA、および接点対Bに対応する右側の連結部33の速度VBは、対応する継手B28のそれぞれの長さa(接点対Aに対応する左側の継手B28の回動軸29−連結部33間の長さ)、b(接点対Bに対応する右側の継手B28の回動軸29−連結部33間の長さ)を違った長さにすることで変えることができる。
前記のように構成された真空遮断装置の遮断性能および耐電圧性能について、従来の真空遮断装置と対比させて説明する。
進み小電流遮断試験ではアーク持続時間(以下「アーク時間」と記す)を変えて試験を行うことが規定されているが、この図はアーク時間が0msの場合を示している。アーク時間0msの場合は、アーク時間が0msより長い場合に比べて接点間電界が高くなるため厳しい試験条件であり、進み小電流遮断性能を説明するのに適していると考えられる。
損傷が生じた後の耐電圧性能として、ここでは再起電圧を下げることによって、接点間の平均電界が図3(1)の「溶着ありの場合の耐電圧」のレベルまで下がれば再点弧が生じないと仮定する。この場合の耐電圧性能は接点表面に損傷が無い場合の70%に低下している。
2組の接点対の両方に損傷が生じたとし、このため各々の接点間の電界が、図3(1)の「溶着ありの場合の耐電圧」よりも大きくなると放電が生じるとする。2組の接点対の分圧の計算には図4(3)の回路を用いた。C(A)は接点対Aの接点間の静電容量、C(B)は接点対Bの接点間の静電容量、C(ブッシング)は真空バルブ支持ブッシング22の静電容量である。
接点対Aに再起電圧が印加され、接点対Bと真空バルブ支持ブッシング22の下端(タンク20)は接地されている。接点対Aと接点対Bとは同時に開離し、同じ開極速度で開極する。この開極速度をV(m/s)と記し、以下ではこの速度を基準として開極速度を相対値で示す(例えば、0.8倍の開極速度を0.8V(m/s)と記す)。
なお、アークシールド11と接点との間の静電容量が接点対Aと接点対Bの電位分担に大きな影響を与えないようにするため、アークシールド11は接点対A側と接点対B側とで別々に設け、支持部材15とは絶縁されている形態を仮定した。
なお、耐電圧性能とは例えば放電確率0.1%となる電界のように、放電確率が低く試験を規定の回数行っても放電が生じない接点間の平均電界のことを指す。
進み小電流遮断試験での試験回数は規格で規定されており、この耐電圧性能より高い電界が印加されると規定の試験回数の内に再点弧が発生する確率が高くなる。
この結果、接点対Aには損傷があるが、接点対Bには損傷が無く清浄な状態となる。このため、接点対Bの表面には溶着部位の引き剥がしが生じておらず、微小な突起や微粒子の発生が抑制されるため耐電圧性能が高くなる。
接点対Aの耐電圧低下は70%に限らずもっと低くなる可能性もある。その場合はより早い時間に接点対Aでの放電が発生し、接点対Bに全電圧が印加されるが、清浄な接点対Bの接点間平均電界は耐電圧性能を上回ることが無く放電は発生しない。
図5(3)とは逆に清浄な接点対Bに高電圧H.Vを印加する場合は、接点対Bの耐電圧性能が高いため放電が発生しない。
逆に、接点対Aの開極速度を下げると、接点対Aの接点間電界が耐電圧性能を上回る時間が早くなるが、清浄な接点対Bでは放電が起こらないため効果は維持される。この場合は、接点対A側のベローズ8の負担が減るので接点対A側のベローズ8を小形化することが可能となる。
さらに、1つの開閉機構23とリンク機構24によって、
閉極時は、接点対Bの接触後に接点対Aが接触するように可動電極棒6,6を動作させ、開極時には接点対Aと接点対Bとが同時に開離するように可動電極棒6,6を動作させたため、
接点対Aには損傷があるが、接点対Bには損傷が無く清浄な状態となり、
進み小電流遮断試験、コンデンサバンク開閉試験において、
接点対Aで放電が生じても清浄な接点対Bでは放電が発生しないため、進み小電流遮断性能、コンデンサバンク開閉性能が高いという効果がある。
以下、本実施の形態2を図6〜8によって説明する。
図6は本実施の形態2による真空遮断装置の構造を示すもので、分圧コンデンサ34,34を設けることを特徴とする。この他の真空遮断装置の構造および開極閉極のタイミングは前述の実施の形態1と同じである。
分圧コンデンサ34,34は、2組の接点対A,Bの両方に対して設けられ、それらの一端が支持部材15を介して固定電極棒7と電気的につながり、他端がフランジ9を介して可動電極棒6と電気的につながるように設置される。分圧コンデンサ34,34は何れもその詳細構造は図示省略してあるが、何れも円柱形状のセラミックコンデンサを直列につなげたものを絶縁筒の中に固定して耐圧を確保するように構成されている。
分圧コンデンサ34,34の静電容量は、対応する接点対A,Bの接点2,3が開極距離だけ開いた時の当該接点間の静電容量より、例えば70倍と十分に大きくしてある。接点対Aと接点対Bとは同時に開離させて開極する。
このように開極速度が低減されると、開閉機構の小形化が可能となる。さらに、ベローズ8に対する負担も減ることになるため、ベローズ8の小形化に伴う真空バルブの小形化が可能となる。
以下、本実施の形態3を図9,10によって説明する。
前述の実施の形態1および2では開極の際に2つの接点対A,Bを同時に開離させたが、本実施の形態3では、開極時に接点対Aの方を接点対Bより遅らせて開極する。
以下の(1)〜(4)の4つの場合について検討する。
分圧コンデンサ34,34の静電容量は対応する接点2,3が開極距離だけ開いた時の静電容量より例えば70倍と十分に大きくしてある。開極速度は接点対Aも接点対BもVm/sとした。
図9(1)のように、接点対Aの開極直後から0.005sまで、再起電圧は上昇の途中であるが、ギャップ長が短いため接点対Aには高電界が印加され耐電圧性能を上回る。このため、接点対Aで放電が発生するが、接点対Bは清浄な状態にあるため、全電圧が接点対Bに印加されても耐電圧性能を上回ることが無く放電が発生しない。
ここで、接点対Aの接点材料を高耐圧、溶着引き外しに強い材料にすると、開極直後の高電界での放電が抑制される。この場合、接点対Bは図9(2)の「接点対Aが放電しない場合」の電界が印加され、ピーク値は抑制される。よって、接点対Bの開極距離を短くすることができる。
接点対Bが開極してから接点対Aが開極するまでの間は接点対Bだけに全電圧が印加するので、接点対Bの材料はこれに耐える材料とする必要がある。また、接点対Aを高耐圧材料とすると、高耐圧材料は遮断性能が低い傾向があるので、接点対Bで遮断性能も確保する必要がある。
接点対Aの分圧が60〜70%に増加するのでピーク電界は13.3に増える。この場合でも、接点対Aが放電しても接点対Bが高い耐電圧性能を維持しているため、全電圧が接点対Bに印加されても放電は生じない。
再起電圧が高くなったところで開極することになるため開極直後の接点間電界が大きくなる。このため接点対Aを高耐圧接点材料としても放電が生じてしまう可能性が高いが、前記の場合と同様に接点対Bは耐電圧性能が高いので放電は生じない。
再起電圧が高いところで接点対Aを開極すると、極間に高い電界が印加する時間が長くなるので放電による接点の損傷が大きくなる。そこで、再起電圧が低い、再起電圧の立ち上りから2ms程度までと、1サイクル後の電流零点前後の2ms程度の範囲で開極する方が望ましい。
図10に示すように、接点対Aがちょうど再起電圧0kVから開極するので、開極直後の高電界が発生せず、図10(1)に示すように耐電圧性能以下に納まっている。
接点対Aの耐電圧性能が損傷によってもっと下がった場合は、接点対Aで放電が発生するが、前記の場合と同様に接点対Bでは放電しない。
接点Aの分圧は50〜70%である。
実際には、開閉機構23の動作により接点が開離する時間のばらつきの幅Δtがあるので、再起電圧の立ち上りから1サイクル後の前記Δtの範囲で接点対Aが開極することになる。電磁アクチュエーターを使用すると前記Δtを小さくすることができる。
対Aに高耐圧接点を適用すると、接点対Aでの放電を抑制することができる。
以下、本実施の形態4を図11によって説明する。
前述の実施の形態2や実施の形態3では分圧コンデンサ34,34によって2つの接点対A,Bの分圧を均等化したが、本実施の形態4では、分圧コンデンサ34によって接点対Bの分圧を下げることで、接点対Aを耐圧用、接点対Bを遮断用と機能分別する。高耐圧材料は比較的遮断性能が低く、逆に遮断性能の高い材料は耐電圧性能が低い傾向があるので、本実施の形態4では機能分別することで耐電圧性能と遮断性能の両方を向上させる。
そこで、接点対Aを溶着引き外しの後でも高耐圧を維持する材料とし、他の実施の形態の接点の1.1倍の耐圧性能を溶着引き外しの後に持つとする。一方、接点対Bを遮断性能が良い材料とし、耐電圧性能は元の耐電圧性能の70%とした。
高耐圧材料は遮断性能が低くなるので、遮断時は接点対Aで遮断失敗して、接点対Bで遮断することになる。このため、接点対Bの分圧は遮断の再起電圧に耐える比率とする必要がある。
高耐圧接点材料としては例えばCuW、CuCrにおいてCrの比率を50%以上としたり、CuCrに第3元素としてWなどの高耐圧材料を入れたものがあり、高遮断性能接点材にはCuCrにおいてCrの比率を30%以下にしたものがある。
前述の実施の形態4では、接点対Aに高耐圧接点材、接点対Bに高遮断性能接点材を適用し機能分別したが、本実施の形態5では接点対Aを高耐圧化に適した電極構造、接点対Bを遮断性能の高い電極構造として機能分別する事例であり、以下の組合わせがある。
長所は、縦磁界電極は後述のスパイラル電極に比べて低い開極速度、短い開極距離とすることができる。さらに接点対Aおよび接点対Bの接点2,3が平板である(図1(2)参照)ため耐電圧性能も高い。
短所は、コイル部5(図1(2)参照)の抵抗のため通電での発熱が大きい。コイル部5の抵抗を抑えようとすると磁界が弱くなって遮断性能が低下する。
長所は、平板電極の抵抗が小さいため、接点対Aの通電容量を増すことが可能である。
短所は、平板電極の遮断性能が低いため、接点対Aおよび接点対Bの両方を縦磁界電極とした場合よりも遮断性能が劣る。
長所は、縦磁界電極に比べて構造が簡単であるため製造が容易である。抵抗が小さいため、通電容量を増すことが可能である。
短所は、スパイラル電極での遮断のため、縦磁界電極に比べて開極速度を上げ、開極距離を増やす必要がある。
なお、分圧コンデンサを設けない場合でも、遮断装置に対する責務に応じた最適な電極構造の組合わせを選んで最適化すればよい。
以下、本実施の形態6を図12によって説明する。
前述の実施の形態1〜5では、固定電極棒7を支持部材15に固定し、さらに該支持部材15を真空バルブ支持ブッシング22に固定したため、閉極時の衝撃が吸収されにくく接点2,3の投入直後に接点2,3のチャタリングが発生しやすかった。そこで、本実施の形態6では閉極時の衝撃吸収構造体35を設ける。
衝撃吸収構造体としてバネを設けても良いが、前記の凹形構造は簡単で製造しやすいという長所がある。
特徴1:密封状態に保持された絶縁筒内に、前記絶縁筒の軸方向に対向して接離可能に配置された可動接点および固定接点と、前記可動接点に固着された可動電極棒をベローズとフランジを介して前記絶縁筒に取り付け、前記固定接点に固着された固定電極棒を支持部材を介して前記絶縁筒に取り付けた真空バルブを備えた真空遮断器に対して、前記真空バルブを2個直列に配置、または、1つの絶縁筒内に2組の接点対A,Bを直列に設け、その各々の可動電極棒にベローズを設け別々に開閉できる構造とし、さらに、1つの開閉機構によって、閉極時は、接点Bが接触後に接点Aが接触するように可動電極棒を動作させ、開極時は、開極時には接点Bが接点Aより後に乖離することがないように可動電極棒を動作させることを特徴とする真空遮断装置である。
この特徴により、接点Aだけに溶着引き外しが生じ、接点Bは清浄な状態が維持される。さらに、開極時に接点対Aと接点対Bとを同時に開離させる場合は、印加電圧を2組の接点で分圧するため、溶着引き外しが生じる接点対Aの電界が緩和される。
開極時に接点対Bを先に開離し接点対Aを後から開離させると、接点対Aは開極直後の分担電圧で高電界が発生し放電する可能性があるが、接点対Bは清浄な状態であるので耐電圧は高く放電しない。
この結果、進み小電流遮断試験性能、コンデンサバンク開閉試験性能が向上する。
また、開閉動作を1つの開閉機構によって行うため、部品点数が減り、製造、調整の信頼性が増す。
この特徴により、接点対Aがちょうど再起電圧0kVから開極するので、開極直後の高電界が発生しない。このため、接点対Aでの放電が抑制され進み小電流遮断試験での放電確率がさらに低下し信頼性が増す。
この特徴により、接点対Aと接点対Bとの分圧が均等となり、極間の電界は1/2に抑えられる。このため、開極速度を落とすことや開極距離を短くすることが可能となる。
この特徴により、接点対Aに高耐圧接点材料を、接点対Bに高遮断性能接点材を、それぞれ適用することで、進み小電流遮断性能と大電流遮断性能の両方を高くすることができる。
この特徴により、縦磁界電極は耐電圧性能と遮断性能は優れているが、コイル部の抵抗のため通電での発熱が大きいという欠点がある。スパイラル電極や平板電極は通電での発熱には優れているが遮断性能が劣るという欠点がある。そこで、遮断装置に求められる責務に応じて組合せを選んで最適化する。
前記特徴4のように、分圧コンデンサを設けて、接点対Bの分圧を下げることで、接点対Aを耐圧用、接点対Bを遮断用と機能分別した上で電極構造を選ぶと、進み小電流遮断性能と大電流遮断性能の両方を最大限に高くすることができる。
この特徴により、アーク時間が0.5サイクル以上の長い遮断責務においては、金属蒸気の発生量が多いため、一時的に電極周囲の耐電圧が低下してアークが電極以外に移行する危険がある。その場合でも、アークが支持部に移行しないため、遮断性能が高いという効果がある。
この特徴により、支持部材に衝撃吸収構造を設けて投入直後のチャタリングを抑制し、接点表面の損傷を防止することで、耐圧を維持する。この結果として、進み小電流遮断性能が高くなる。
この特徴により、1台の開閉機構によって2つの可動電極を開閉するので、部品点数の削減、小形化が可能となる。
なお、図1,2,6,12の各図において、CL1は可動接点2,固定接点3,コイル5,可動電極棒6,固定電極棒7,ベローズ8,アークシールド11,絶縁ロッド12,ロッド31の共通の中心線、CL2は固定電極棒7,電界緩和シールド14,支持部材15,真空バルブ支持ブッシング22の共通の中心線である。また、図1〜12の各図中、同一符合は同一または相当部分を示す。
4 縦磁界電極、 5 コイル、 6 可動電極棒、
7 固定電極棒、 8 ベローズ、 9 フランジ、
10 絶縁筒、 11 アークシールド、 12 絶縁ロッド、
13 タンク側ベローズ、14 電界緩和シールド、 15 支持部材、
16 可とう導体、 17 ガイド、 18 ブロックS、
19 支持用絶縁体、 20 タンク、 21 蓋、
22 真空バルブ支持ブッシング、 23 開閉機構、
24 リンク機構、 25 ブッシングの中心導体、
25B ブッシング、 26 割り端子、 27 継手A、
28 継手B、 29 回転軸、 30 シャフト、
31 ロッド、 32 スライダ、 33 連結部、
34 分圧コンデンサ、35 衝撃吸収構造体、 36 穴、
CL1,CL2 中心線。
Claims (17)
- それぞれ真空空間内で開閉する2組の接点対A,Bを有する真空遮断装置において、前記真空遮断装置の閉極時には、一方の前記接点対Bの可動接点が前記一方の接点対Bの固定接点に接触した後に、他方の前記接点対Aの可動接点が前記他方の接点対Aの固定接点に接触するという順番になるように、さらに前記真空遮断装置の開極時には、前記他方の接点対Aの前記可動接点が前記他方の接点対Aの前記固定接点から開離するタイミングが、前記一方の接点対Bの前記可動接点が前記一方の接点対Bの前記固定接点から開離するタイミングより前にならないように、前記一方の接点対Bおよび前記他方の接点対Aのそれぞれの前記可動接点が、開閉機構によって駆動されることを特徴とする真空遮断装置。
- それぞれ真空空間内で開閉する2組の接点対A,Bを有する真空遮断装置において、前記真空遮断装置の閉極時には、一方の前記接点対Bはその可動接点がその固定接点に接触した後に、他方の前記接点対Aの可動接点が前記接点対Aの固定接点に接触し、前記真空遮断装置の開極時には、前記一方の接点対Bの前記可動接点の前記一方の接点対Bの前記固定接点からの開離と、前記他方の接点対Aの前記可動接点の前記他方の接点対Aの前記固定接点からの開離とが同時に行われるように、前記一方の接点対Bおよび前記他方の接点対Aのそれぞれの前記可動接点が、開閉機構によって駆動されることを特徴とする真空遮断装置。
- それぞれ真空空間内で開閉する2組の接点対A,Bを有する真空遮断装置において、前記真空遮断装置の閉極時には、一方の前記接点対Bはその可動接点がその固定接点に接触した後に、他方の前記接点対Aの可動接点が前記接点対Aの固定接点に接触し、前記真空遮断装置の開極時には、前記一方の接点対Bの前記可動接点の前記一方の接点対Bの前記固定接点からの開離が、前記他方の接点対Aの前記可動接点の前記他方の接点対Aの前記固定接点からの開離より先に行われるように、前記一方の接点対Bおよび前記他方の接点対Aのそれぞれの前記可動接点が、開閉機構によって駆動されることを特徴とする真空遮断装置。
- 請求項3に記載の真空遮断装置において、前記開閉機構の動きを前記一方の接点対Bおよび前記他方の接点対Aの各前記可動接点に伝達するリンク機構を備え、前記他方の接点対Bの前記可動接点に可動電極棒を介して連結されているロッドに、前記一方の接点対Bおよび前記他方の接点対Aの各前記可動接点の動くタイミングをずらすスライダが設けられていることを特徴とする真空遮断装置。
- 請求項1〜4の何れか一に記載の真空遮断装置において、前記2組の接点対A,Bが、共通の真空容器内に配設されていることを特徴とする真空遮断装置。
- 請求項1〜4の何れか一に記載の真空遮断装置において、前記2組の接点対A,Bが、それぞれ個別の真空容器内に配設されていることを特徴とする真空遮断装置。
- 請求項1〜6の何れか一に記載の真空遮断装置において、前記2組の接点対A,Bの各前記可動接点が、共通の前記開閉機構により駆動されることを特徴とする真空遮断装置。
- 請求項1〜7の何れか一に記載の真空遮断装置において、前記他方の接点対Aの前記可動接点が前記他方の接点対Aの前記固定接点から開離する時間のばらつきの幅をΔtとすると、前記開極時に、再起電圧の立ち上がりから1サイクル後の前記Δtの範囲で前記他方の接点対Aの前記可動接点が前記他方の接点対Aの前記固定接点から開離することを特徴とする真空開閉装置。
- 請求項1〜8の何れか一に記載の真空遮断装置において、分圧コンデンサが設けられ、前記一方の接点対Bと前記他方の接点対Aとの分圧が前記分圧コンデンサによってほぼ均等であることを特徴とする真空遮断装置。
- 請求項1〜8の何れか一に記載の真空遮断装置において、分圧コンデンサが設けられ、前記分圧コンデンサにより前記一方の接点対Bの分圧を前記他方の接点対Aの分圧より下げることによって前記他方の接点対Bが遮断用の接点対とされ前記一方の接点対Aが耐圧用の接点対とされると共に、前記他方の接点対Bが高遮断性能接点材で形成され、前記一方の接点対Aが高耐圧接点材で形成されていることを特徴とする真空遮断装置。
- 請求項1〜10の何れか一に記載の真空遮断装置において、前記一方の接点対Bおよび前記他方の接点対Aの何れも平板電極であることを特徴とする真空遮断装置。
- 請求項1〜10の何れか一に記載の真空遮断装置において、前記一方の接点対Bおよび前記他方の接点対Aの何れも縦磁界電極であることを特徴とする真空遮断装置。
- 請求項1〜10の何れか一に記載の真空遮断装置において、前記一方の接点対Bおよび前記他方の接点対Aが平板電極と縦磁界電極との組み合わせであることを特徴とする真空遮断装置。
- 請求項1〜10の何れか一に記載の真空遮断装置において、前記一方の接点対Bおよび前記他方の接点対Aが平板電極とスパイラル電極との組み合わせであることを特徴とする真空遮断装置。
- 請求項1〜14の何れか一に記載の真空遮断装置において、前記固定接点を支持する支持部と前記固定接点とは、アークが前記固定接点から前記支持部に移行しないように固定電極棒を介して所定距離離間していることを特徴とする真空遮断装置。
- 請求項15に記載の真空遮断装置において、前記固定電極棒と前記支持部との間に、前記閉極時の衝撃を吸収する衝撃吸収構造体が設けられていることを特徴とする真空遮断装置。
- 請求項1〜16の何れか一に記載の真空遮断装置において、前記開閉機構が電磁アクチュエーターによって前記駆動をする開閉機構であることを特徴とする真空遮断装置。
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