JP4421331B2 - ガス遮断器 - Google Patents

Description

本発明は、電流遮断時に接触子間に発生するアークに消弧性ガスを吹付けて消弧すると共に、消弧に伴い発生した熱ガスを両接触子から離れる方向に誘導するように構成したガス遮断器に関するものであり、特に、熱ガスが流れる流路部分の絶縁耐力を向上するために構成を改良したガス遮断器に関するものである。

電力系統において電流開閉を行う遮断器として、接地された金属あるいは碍子等からなる密閉容器内に消弧媒体を充填し、電流遮断時において接触子間に発生するアークに消弧媒体を吹付けてアークを消弧し、電流を遮断するタイプのものが広く普及している。中でも、消弧媒体としてＳＦ₆ガスを使用し、電流開閉時においてＳＦ₆ガスをピストンにより機械的に圧縮することで、アークに吹付けるパッファ型ＳＦ₆ガス遮断器が主流となっている。

また、ＳＦ₆ガス以外にも、消弧媒体として空気を使用した空気遮断器、あるいは地球温暖化効果の高いＳＦ₆ガスの代わりに何らかの代替ガスを使用した様々なガス遮断器が提案されている。本明細書中においては、このように消弧媒体としてＳＦ₆ガス、空気、あるいはその他の各種の消弧性ガスを利用した遮断器全てを総称してガス遮断器と呼ぶこととする。

図１３は、このようなガス遮断器の断面構造図の一例であり、遮断動作途中の状態を示している。図１３中の各部品は、基本的に同軸円筒形状である。図１３に示すように、接地された金属容器であるタンク１内にはＳＦ₆ガスなどの消弧性ガス２が充填されている。また、タンク１内には、タンク１に対して軸方向に動作する可動接触部１０と、タンク１に対して定位置に固定された固定接触部２０が対向して配置されている。

そして、可動接触部１０および固定接触部２０には、円筒状の可動アーク接触子１１および可動アーク接触子１１内の中空部に挿入される棒状の固定アーク接触子２１がそれぞれ設けられている。両アーク接触子１１，２１は、通常運転時に接触導通状態にあり、遮断動作時に相対移動により開離するとともに両接触子１１，２１間の空間にアーク３を発生させるようになっている。

さらに、可動接触部１０側には、消弧性ガス２をガス流にしてアーク３に吹付けるガス流発生手段として、タンク１に対して定位置に固定されたピストン１２、ピストン１２に対して相対移動するシリンダ１３、ピストン１２によりシリンダ１３の内部に形成されるパッファ室１４、シリンダ１３の先端に固定されて可動アーク接触子１１を包囲する絶縁ノズル１５、などが設けられている。

また、可動接触部１０側および固定接触部２０側には、消弧性ガス２をアーク３に吹付けることにより発生した熱ガスをアーク接触子１１，２１から離れる方向に誘導するための熱ガス誘導手段として、金属製の中空ロッド１６と金属製の排気筒２２がそれぞれ設けられている。ここで、金属製の排気筒２２は、固定アーク接触子２１の背後に設置された円筒状部材であり、その内部には、アーク３から固定接触部２０側に流れる固定側の熱ガス流３０ａを通過させる熱ガス流路が形成されている。また、金属製の中空ロッド１６は、可動アーク接触子１１と軸方向に直線的に連続している円筒状部材であり、その内部には、アーク３から可動接触部１０側に流れる可動側の熱ガス流３０ｂを通過させる熱ガス流路が形成されている。

以上の構成を有するガス遮断器の遮断動作は、次の通りである。まず、可動接触部１０が、固定接触部２０から離れる方向である図の左方向に動作すると、タンク１に固定されているピストン１２がシリンダ１３の内部空間であるパッファ室１４を圧縮してパッファ室１４の圧力を上昇させる。その結果、パッファ室１４内に存在する消弧性ガス２が、高圧力のガス流となって絶縁ノズル１５に導かれ、アーク接触子１１，２１間に発生したアーク３に対して強力に吹付けられる。これにより、アーク接触子１１，２１間に発生した導電性のアーク３は消滅し電流は遮断される。

このような電流遮断時において、高温のアーク３に吹付けられた消弧性ガス２は、高温かつ低密度の熱ガスとなり、固定側の熱ガス流３０ａおよび可動側の熱ガス流３０ｂとして両アーク接触子１１，２１間の空間より遠ざかるように排出される。固定側の熱ガス流３０ａは排気筒２２内部に誘導され、排気筒２２内部である程度冷却された後、排気筒２２の終端部２３から固定接触部２０外部のタンク１内自由空間に放出される。この場合、排気筒２２とタンク１は、固定側の熱ガス流３０ａを誘導して冷却し、固定接触部２０側の絶縁耐力の低下を防止する熱ガス誘導システムを構成している。

また、可動側の熱ガス流３０ｂは、可動アーク接触子１１と連続的に設けられた中空ロッド１６に誘導され、その後、ピストン１２、シリンダ１３などに設けられたいくつかの排気孔を通過して、最終的に可動接触部１０外部のタンク１内自由空間に放出される。この場合、中空ロッド１６とタンク１は、可動側の熱ガス流３０ｂを誘導して冷却し、可動接触部１０側の絶縁耐力の低下を防止する熱ガス誘導システムを構成している。

なお、排気筒２２を通過する固定側の熱ガス流３０ａは、アーク３に吹付けられるガス流と同方向であるため、アーク３に吹付けられるガス流と逆方向の可動側の熱ガス流３０ｂより流量は多く、熱量も多い。このことから、固定側の熱ガス流３０ａは、可動側に比べてより積極的に冷却する必要があり、その結果、排気筒２２の径は中空ロッド１６に比べて格段に大きくなっている。

ところで、以上のようなガス遮断器は、近年、設置面積の省スペース化およびコストダウンを目的として小形化する傾向にある。一方、遮断器に使用する材料を低減することは、地球環境負荷低減に対しても効果が大きく、環境保全の面からもガス遮断器コンパクト化に対する社会的要望は強い。このような状況下において、ガス遮断器のコンパクト化は急速に進められており、それに伴い、タンク１および排気筒２２のサイズもますます小形化してゆく傾向にある。

しかしながら、排気筒２２を単純に小形化した場合には、アーク接触子１１，２１間で発生した固定側の熱ガス流３０aを冷却するためのボリュームが必然的に小さくなるが、その一方で、固定側の熱ガス流３０ａが排気筒２２の終端部２３に到達するまでの時間、すなわち排気筒２２内部で熱ガス流３０ａの冷却に費やされる時間も短くなる。このため、排気筒２２の終端部２３より排出される熱ガス流３０ａは、長期にわたって高温状態に保持され易くなる。

一方、電流遮断後には、電力系統回路の過渡現象により発生する過渡回復電圧が排気筒２２に印加されるため、排気筒２２は高電位となるが、タンク１が小形化した場合、接地電位であるタンク１と排気筒２２との距離は必然的に小さくなるため、排気筒２２の終端部２３における電界強度はより高くなる傾向にある。

以上の点をまとめると、従来のガス遮断器を小形化した場合、電流遮断後において排気筒２２の終端部２３の電界強度が高くなると同時に、排出される熱ガス流３０ａの温度も高温状態に保持され易い。ここで、一般に、圧力を一定とした場合、電界が高い程、絶縁破壊が発生し易く、また、ガス温度が高い程、絶縁破壊が発生し易い。つまり、ガス遮断器の小形化を進めた場合、排気筒２２の終端部２３の絶縁耐力が低下し、終端部２３とタンク１との間で絶縁破壊の事故（以後、本現象を「地絡」と称す）が発生し易くなる。

なお、以上の説明においては、ガス遮断器を小形化した場合の固定接触部２０側での絶縁耐力の低下について説明したが、このような絶縁耐力の低下現象は、可動接触部１０側でも同様に発生する現象である。すなわち、ガス遮断器の小形化を進めると、可動接触部１０に設けられた熱ガス排気部とタンク１間の絶縁耐力が、全く同様の理由で低下し易く、可動接触部１０においても地絡が発生し易くなる。

さらに、前述した通り、地球温暖化効果の高いＳＦ₆ガスの代わりに何らかの代替ガスを消弧媒体として適用したガス遮断器も近年提案されているが、一般に提案されている代替ガスの絶縁耐力は、ＳＦ₆ガスよりも低いことが知られている（例えば、非特許文献１参照）。したがって、環境に配慮した代替ガス遮断器を構築した場合、上記のような絶縁耐力の低下とそれに起因する地絡現象の発生を回避することがより困難となり、結果的にタンクの大形化をまねくことが懸念されている。

また、図１３においては、接地された金属容器を使用したガス遮断器を例に挙げて説明したが、碍子などの絶縁物により密閉されたガス遮断器も存在する。このようなガス遮断器においては、接地タンクへの地絡は生じないが、碍子やそれに付随する部品が、大電流を遮断した際に発生する非常に高温のガス流に曝されると、変質、溶損などの不具合が生じ、やはり熱ガスを速やかに冷却する必要性があった。

なお、図１３においては、最も一般的なガス遮断器として、接触部の一方が固定されており、一方が駆動されるタイプを例として従来技術を説明したが、近年、両側の接触部が同時に相対駆動するタイプのガス遮断器も提案されている。このようなガス遮断器においても、上記のような絶縁耐力の低下とそれに起因する地絡現象の発生という問題点は全く同様に存在する。

従来、以上のような問題点を解決するための１つの手法として、排気筒２２の内周面に凹凸を形成することが提案されている（特許文献１参照）。図１４および図１５にそのような排気筒２２の構成を示す。図１４は、凹凸としてリング状のひだ４１を連続的に形成した場合、図１５は、らせん溝４２を形成した場合の例である。特許文献１においては、このような構成とすることにより、凹凸を形成した排気筒２２内部を熱ガスが流れる場合、密度が大きく粘性の大きいガスが内周面の凹凸に集中的にからみつくため、排気筒２２の内周面近傍には密度が大きいガス、すなわち、絶縁耐力の高いガスが流れることとなり、この部分の絶縁耐力の低下を防止できるという作用が記載されている。

特開平８−１２４４６４号公報 電気学会技術報告第８４１号「ＳＦ6の地球環境負荷とＳＦ6混合・代替ガス絶縁」２００１年５月２５日

ところで、上記の特許文献１において記載されている作用は、ガス流路の凹凸面がガス流に与える影響についての極めて定性的な解釈に基くものにすぎない。この特許文献１において、凹凸の具体的な配置や寸法形状、排気筒２２の寸法形状との関係、などの具体的な構成は不明確であり、したがって、どのような具体的な構成によって十分な作用が得られるかについては記載されていない。すなわち、排気筒２２の内周面に単純に凹凸を設けるだけでは、排気筒２２の内周面近傍に絶縁耐力の高いガスのみを流してこの部分の絶縁耐力の低下を十分に防止することは困難である。

また、特許文献１においては、排気筒２２が高電界部分であることには言及しているものの、この排気筒２２の周辺を流れる熱ガス流の温度・密度だけを考慮しているにすぎず、排気筒２２周辺の具体的な電界構成については何ら考慮されていないため、この点からも、絶縁耐力の低下を十分に防止することは困難である。すなわち、絶縁耐力は、熱ガスの温度・密度と、熱ガスが流れる部分の電界強度とによって決定される。例えば、同一の圧力および印加電圧という条件下で考えた場合、温度が高いガスが低電界強度の部分に存在する場合よりも、温度が低いガスが高電界強度の部分に存在する場合の方が絶縁耐力は逆に低くなる可能性がある。つまり、排気筒２２と密閉容器からなる熱ガス誘導システム全体の絶縁耐力向上を目的とした場合、熱ガス流の温度・密度だけを考慮するのでは不十分で、電界構成も併せて考慮する必要がある。そのため、この点からも、特許文献１に記載の技術では、必ずしも絶縁耐力の向上を図れない場合があった。

また、特許文献１に記載の技術では、図１３に示す可動接触部１０側を流れる熱ガス流については何ら考慮していないため、可動接触部１０側における絶縁耐力の低下を防止することはできなかい。

本発明は、上記のような従来技術の課題を解消するために提案されたものであり、その目的は、詳細な冷却メカニズムの把握に基き、熱ガスを誘導する排気筒や中空ロッドの周辺を流れる熱ガス流の温度・密度に加えて、電界構成も考慮した上で、熱ガス流を効果的に冷却して熱ガス誘導システム全体の絶縁耐力を効率的に向上できる、具体的な構成を明確化して、それにより、小形でありながら信頼性の高いガス遮断器を提供することである。

本発明は、上記のような目的を達成するために、熱ガスを誘導する円筒状部材の内面に、熱ガスの進行方向と交差する方向に伸びる溝を、少なくとも４列以上設けることにより、円筒状部材の周辺を流れる熱ガス流の温度・密度に加えて電界構成も考慮した上で、熱ガス流を効果的に冷却して熱ガス誘導システム全体の絶縁耐力を効率的に向上できるようにしたものである。

本発明はまず、一定の基本的な構成を有するガス遮断器に関するものであり、このガス遮断器の基本的な構成は次の通りである。まず、密閉された容器内に消弧性ガスが充填されるとともに第１接触部および第２接触部が対向して配置されている。ここで、第１接触部および第２接触部に、第１アーク接触子および第２アーク接触子がそれぞれ設けられ、両接触子は、通常運転時に接触導通状態にあり、遮断動作時に相対移動により開離するとともに両接触子間の空間にアークを発生するように構成されている。また、第１接触部に、アークに対して消弧性ガスを吹付けるガス流発生手段が設けられている。さらに、第１接触部および第２接触部に、ガス流発生手段によって消弧性ガスをアークに吹付けることにより発生した熱ガスを両接触子から離れる方向に誘導するための熱ガス誘導手段がそれぞれ設けられている。

本発明は、このような基本的な構成を有するガス遮断器において、次のような特徴を有するものである。すなわち、前記第２接触部の前記熱ガス誘導手段は、金属製の排気筒であり、この排気筒はアークから排出される熱ガスが進行方向正面から前記容器内に排出されるように構成され、前記排気筒の内面には、各列が前記熱ガスの進行方向と交差する方向に伸び、かつ、互いに熱ガスの進行方向に連続して並べられた少なくとも４列以上の溝が設けられ、前記排気筒は、終端開口型の内筒と、この内筒の終端開口面および終端部近傍の外周面を覆うように配置された外筒を備え、前記熱ガスが、内筒の内部に形成される内側流路、および内筒と外筒との間に形成される外側流路を通過するように構成されており、前記内側流路および前記外側流路を形成する前記内筒および前記外筒の各流路壁面に、前記少なくとも４列以上の溝がそれぞれ設けられている。

この発明によれば、電界強度が比較的高くなり、かつ、高温の熱ガス流に直接的に曝される可能性が高い排気筒の終端部付近において、ガス温度を大幅に低減することができるため、同部分の絶縁耐力を向上することができる。したがって、排気筒の周辺を流れる熱ガス流の温度・密度に加えて、排気筒の電界構成も考慮した上で、これらの２種類の観点から熱ガス流を効果的に冷却して熱ガス誘導システム全体の絶縁耐力を効率的に向上できる。

以上のように、本発明によれば、詳細な冷却メカニズムの把握に基き、排気筒や中空ロッドの周辺を流れる熱ガス流の温度・密度に加えて、電界構成も考慮した上で、熱ガス流を効果的に冷却して熱ガス誘導システム全体の絶縁耐力を効率的に向上できる、具体的な構成が、「熱ガスを誘導する排気筒や中空ロッドの内面に、熱ガスの進行方向と交差する方向に伸びる溝を、少なくとも４列以上設ける」であることは明確である。本発明によれば、このような具体的な構成により、小形でありながら信頼性の高いガス遮断器を提供することができる。

以下には、本発明を適用したガス遮断器の実施形態について、図１〜図１２を参照して具体的に説明する。なお、説明の簡略化の観点から、前述した従来技術と同一部分には同一符号を付している。

［１．第１の実施形態］
［１−１．構成］
図１は、本発明の第１の実施形態に係るガス遮断器の排気筒周辺を示す模式的断面図であり、図１３に示した一般的なガス遮断器のうち、本発明により改良した固定接触部２０の排気筒１００の終端部１０１付近のみを拡大して示したものである。この図１は、電流遮断時の状態を示しており、より具体的には、熱ガス流３０ａが排気筒１００内を流れ、終端部１０１からタンク１内自由空間に排出される様子を示している。

本発明に従い、排気筒１００の内面には、熱ガス流３０ａの流れ方向（進行方向）と交差する方向に伸びる溝１１０が、互いに流れ方向に連続して並ぶ形で、少なくとも４列以上設けられている。溝１１０の形状は必ずしも一様である必要はないが、図１では、ピッチＰ、深さＨで、断面が２等辺三角形である溝１１０が一様に形成されている状態を示している。図１では、図面の簡略化の観点から、熱ガス流３０ａの流れ方向に対してほぼ垂直な方向に伸びるリング状の溝１１０が、隣接する溝同士が接触する形で流れ方向に連続的に並べられ、複数列の溝１１０全体が「じゃばら状」に形成されている状態を示している。

なお、溝１１０の形状は必ずしもリング状である必要はなく、スパイラル状に形成され、ターン（列）間が近接するように配置された溝、あるいはそれらの形状の一部分や任意の組合せとすることなども考えられる。すなわち、本発明における排気筒１００の構成において、必須である点は、熱ガス流の流れ方向に対して交差する方向に伸びる溝１１０を、少なくとも４列以上形成するということであり、これ以外の点については、適宜変更可能である。

図１に示す排気筒１００においては、さらに、溝ピッチＰが溝深さＨの１／４以上となるように、すなわち、式で記述すると、
Ｐ≧Ｈ／４
となるように形成されている。

さらに、熱ガス流の流れ方向において溝１１０を設けることができる範囲をＣとした場合に、溝の範囲Ｃと排気筒１００の終端部１０１との距離Ｌは、排気筒１００の内径Ｄの５％以上となるように、すなわち、式で記述すると、
Ｌ≧０．０５・Ｄ
となるように形成されている。

また、溝１１０の列間を区切る隔壁先端部１１１の断面形状は、加工方法等により制約を受けるが、可能な限り鋭利に形成する。一般に、鋳造により成形する場合は鋭利に成形することが難しいが、その場合でも、隔壁先端部１１１の断面は、その半径が５ｍｍ以下となるように形成されている。

［１−２．作用］
以下には、上記のような構成を有する本実施形態のガス遮断器の作用を、数値解析によるシミュレーション、および実際のガス遮断器を用いた検証実験、を行った結果に基づいて解説する。

［１−２−１．基本的な作用］
図２は、図１に示すガス遮断器の数値解析として、２次元回転対称の形状でガス流解析を行った場合の解析結果の一例を示す解析グラフである。この図２は、解析条件として、消弧性ガス：ＳＦ₆ガス、遮断電流：交流５万Ａ、アーク点弧期間：２４ｍｓ、とした場合の解析結果であり、電流零点すなわちアークが２４ｍｓ間点弧し消滅した瞬間の様子を示している。図２の下辺が解析における回転軸であり、図２は、図１の上側半分に相当している。解析における排気筒１００のモデルは、溝数：４列以上、溝ピッチＰ：溝深さＨの１／４以上、としている。

この図２から、排気筒１００内面に設けた４列以上の溝１１０により熱ガス流が擾乱を受け、溝１１０内部の常温ガスと熱ガス流とが混合し、排気筒１００の表面近傍を中心に熱ガス流が徐々に冷却されていくことが分かる。特に、電界強度が比較的高くなり、かつ、高温の熱ガス流に直接的に曝される可能性が高い排気筒１００の終端部１０１付近においては、ガス温度が大幅に低減している。

従来多く採用されている図１３に示すような単純円筒形の排気筒２２の場合、排気筒２２の終端部２３が高温の熱ガス流に直接的に曝されやすいため、絶縁破壊が起こる可能性が高いが、図１に示すような４列以上の溝１１０を設けた本実施形態の排気筒１００によれば、排気筒１００の終端部１０１付近の熱ガス流を効果的に冷却することができるため、この部分の絶縁耐力を大幅に向上させることができる。

また、図２の解析グラフから分かるように、溝１１０から離れた排気筒１００中心部分の熱ガスは、溝１１０を設けた表面付近に比べると、依然として高温状態に保持され易い。しかしながら、電界強度が特に高いのは、主に排気筒１００の表面近傍であり、排気筒１００の中心部分の電界強度は、排気筒１００の表面近傍に比べると小さいため、表面近傍の熱ガスの絶縁耐力を回復させることで、排気筒を含む熱ガス誘導システム全体の絶縁耐力を著しく回復させることができる。

図３は、超高圧系統用の金属タンク形ＳＦ₆ガス遮断器を用いて、排気筒の終端部における絶縁耐力を実測した場合の実測結果の一例を示す実測グラフである。この図３においては、左から順に、「平常時」（電流遮断を行わない場合、すなわち熱ガス流が存在しない場合）の絶縁耐力、「溝付き排気筒」（を採用したガス遮断器において、電流遮断を行い、熱ガス流が存在する場合）の絶縁耐力、比較用として、従来の「単純円筒形排気筒」（を採用したガス遮断器において、電流遮断を行い、熱ガス流が存在する場合）の絶縁耐力、の実測結果をそれぞれ示している。

この図３において、「溝付き排気筒」として示す排気筒１００は、溝数：４列以上、溝ピッチＰ：溝深さＨの１／４以上、溝の範囲と排気筒終端部との距離Ｌ：排気筒内径Ｄの５％以上、となるよう構成されている。ただし、溝の形状はスパイラル状に形成した。また、遮断電流：交流５万Ａ、アーク点弧時間：２４ｍｓ、とし、全てのケースにおいて、ほぼ同一の熱ガス流が排気筒に流入しているとする。また、図３においては、「平常時」（熱ガス流が存在しない場合）の絶縁耐力を１００％とし、各値を相対値として示している。

この図３から、電流遮断時には熱ガス流が存在するために絶縁耐力が低下するが、単純円筒形の排気筒２２においては電流遮断を行わない場合の１％程度にまで大幅に低下するのに対し、図１に示す本発明に係る４列以上の溝付きの排気筒１００を採用した場合には、２５％までの低下に留まることが分かる。すなわち、図１に示す排気筒１００を使用することにより、電流遮断時における絶縁耐力が、従来の２５倍にまで向上していることが分かる。

なお、図２および図３に示した具体的な数値は、供試器の形状、遮断電流、消弧性ガスなどの種々の条件によって異なってくると予想されるが、その場合でも、図１に示すような４列以上の溝１１０を設けた排気筒１００を使用することにより、従来の単純な円筒状の排気筒２２を使用した場合に比べて、電流遮断時のガス遮断器の絶縁耐力を大幅に向上させることができることは明らかである。

以上より明らかとなった作用をまとめると次のようになる。すなわち、図１に示すような４列以上の溝１１０を設けた排気筒１００においては、排気筒１００内部を熱ガス流３０ａが流れる際、熱ガス流はその流路に突出する隔壁先端部１１１により擾乱を受ける。擾乱を受けた排気筒１００表面付近の熱ガス流のすぐ近傍には、溝１１０内部の常温ガスが存在するため、両者は激しく混合される。

これにより、溝１１０を設けた排気筒１００表面付近を中心に熱ガス流は、効果的に冷却され、その絶縁耐力が回復する。排気筒１００表面付近に比べると、排気筒１００中心部分の熱ガスは依然として高温状態に保持され易い。しかしながら、電界強度が特に高いのは、主に排気筒１００表面近傍であり、排気筒１００中心部分の電界強度は、排気筒１００表面近傍に比べると小さいため、排気筒１００表面近傍の熱ガスの絶縁耐力を回復させることで、熱ガス誘導システム全体の絶縁耐力を著しく回復させることができる。

ところで、図２において、排気筒１００表面付近の熱ガスは、その流れにしたがい徐々に冷却されていることが分かる。これは、図１４に示した従来のガス流のように、流れに沿って一様に冷却されているイメージとは大きく異なるものであり、有意な冷却効果を得るためには、排気筒１００表面に施す溝１００の数（列数）が極めて重要であることを示唆している。

［１−２−２．溝数による作用］
図４は、図２の排気筒１００表面において、熱ガス流路に沿って溝数を変化させた場合の熱ガス温度との関係を示す解析グラフである。この図４においては、縦軸に排気筒１００表面におけるガス温度、横軸にはガス流路に沿った溝列数をとっている。この図４から、熱ガス流路に沿って溝１１０の列数が増えるにしたがい、排気筒１００表面における熱ガス温度が低下していくことが分かる。

この場合、排気筒１００に設ける溝１１０の列数は、高温の熱ガス流と溝１１０部の常温ガスとを混合させるための「擾乱を発生させる機会の数」として考えることができるため、図４からも明らかなように、熱ガス流を冷却するためには、排気筒１００内面に設ける溝の列数Ｎは多ければ多いほど好ましい。しかしながら、現実的に排気筒１００のサイズには制約があるため、溝の列数Ｎを際限なしに増やすことは不可能である。これに対して、図４からは、少なくとも４列以上の溝を形成することにより、有意な熱ガス冷却効果が得られるものと判断できる。

［１−２−３．溝断面の寸法関係による作用］
前述したように、現実的に、排気筒１００のサイズには制約があるため、溝の列数Ｎだけでなく、溝を設けることができる範囲もまた現実的には制限がある。そこで、図１に示す溝１００を設けることができる範囲Ｃを一定として考えると、溝ピッチＰと溝の列数Ｎとの間には
Ｐ・Ｎ＝Ｃ
という関係がある。

すなわち、溝を設けることができる範囲Ｃを一定とした場合、溝ピッチＰを小さくして溝の列数Ｎを多くするケースと、溝ピッチＰを大きくして溝の列数Ｎを少なくするケース、という２つの方向性が考えられる。前述の通り、溝の列数Ｎは、熱ガス流３０ａと溝１１０部の常温ガスとを混合させるための「擾乱を発生させる機会の数」として考えることができるため、溝の列数Ｎは多いほど望ましい。

ここで、溝を設けることができる範囲Ｃを一定とした場合、上の式からも明らかなように、溝の列数Ｎを多くすると必然的に溝ピッチＰは小さくなる。溝ピッチＰが、溝深さＨに対して小さくなると、図５に示すように、溝断面形状はより鋭利な形となる。なお、図５は、溝ピッチＰと溝深さＨの関係を、Ｐ＝２Ｈ、Ｐ＝Ｈ、Ｐ＝Ｈ／２、Ｐ＝Ｈ／３、Ｐ＝Ｈ／４、としたそれぞれの場合における溝断面形状を示す説明図である。

前述した熱ガス流の冷却メカニズムから考えても明らかなように、溝断面形状が鋭利になると、溝の奥部の常温ガスが溝表面を流れる熱ガス流に対して作用し難くなるため、効果的な熱ガス流冷却が図られ難くなる。しかしながら、図５に示すように、溝ピッチＰを溝深さＨに対して少なくとも１／４以上確保すれば、溝内部の常温ガスを熱ガス流１１ａの冷却に有効に活用することができ、有意な熱ガス流冷却効果を得ることができる。溝の列数Ｎおよび溝ピッチＰは、各種の使用条件において最適な値を選択するべきであるが、一般的に、有意な熱ガス流の冷却効果を得るためには、上述の通り、少なくとも溝の列数Ｎは４以上、かつ、溝ピッチＰは溝深さＨの１／４以上を確保することが必要である。

［１−２−４．排気筒終端部における溝との寸法関係による作用］
ところで、本実施形態のように、排気筒１００内面に溝１１０を設けた場合、従来の単純な円筒形の排気筒２２に比べて、排気筒１００の終端部１０１の電界強度が高くなる可能性がある。前述した通り、同一の圧力下において、熱ガスに曝される部分の絶縁耐力は、熱ガスの温度と、その部分の電界強度とによって決定されるため、排気筒１００に溝１１０を設けたことにより熱ガス温度が低下しても、溝１１０を設けたことにより電界強度が高くなってしまうと、絶縁耐力としては逆に低下してしまう可能性がある。したがって、絶縁耐力の向上を図るためには、単に熱ガス流の冷却性だけでなく、溝１１０を設けた場合の電界構成についても十分に考慮する必要がある。

図６は、排気筒終端部における溝との寸法関係に応じた電界強度の変化を電界解析により求めた解析結果の一例を示す解析グラフである。この図６においては、横軸に、排気筒１００の終端部１０１から溝１１０が設けられている範囲Ｃまでの距離Ｌと、排気筒１００の筒内径Ｄとの比Ｌ／Ｄ（％）をとり、縦軸に、溝１１０を設けた場合の排気筒１００の終端部１０１における電界強度Ｅと、溝１１０を設けない場合における同部の電界強度Ｅ₀との比をとっている。

この図６から分かるように、排気筒１００内面に溝１１０を設けることにより、排気筒１００の終端部１１０の電界強度は上昇するが、距離Ｌと筒内径Ｄとの比を大きくすることにより、電界強度の上昇を抑えることができる。図６に示した曲線は、具体的な筒内径Ｄの値、タンク１との位置関係、などにより異なってくるが、この図６より、概ねＬをＤの５％以上とすることにより、排気筒１００の終端部１０１における電界強度の上昇は回避できると判断できる。

［１−２−５．作用の総括］
以上の作用を総括すれば、次のようになる。まず、排気筒１００の内面に、熱ガス流３０ａの流れ方向と交差する方向に伸びる溝１１０を、互いに流れ方向に連続して並ぶ形で少なくとも４列以上設け、かつ、溝ピッチＰを溝深さＨの少なくとも１／４以上とすることにより、熱ガス流を効果的に冷却することが可能である。さらに、排気筒１００の終端部１０１と溝が設けられている範囲Ｃとの距離Ｌを、排気筒内径Ｄの５％以上とすることにより、排気筒１００内面に溝を設けることによる排気筒１００の終端部１０１における電界強度の上昇を抑えることができる。したがって、このような溝１１０付きの排気筒１００を使用することにより、他に何ら特別な装置を必要とせずに、電流遮断時のガス遮断器の絶縁耐力を大幅に向上させることができる。

また、前述した通り、溝１１０の列間を区切る隔壁先端部１１１において熱ガス流に擾乱を発生させることは、本発明による作用を得るために極めて重要な点である。熱ガス流に対してより効果的に擾乱を与えるためには、熱ガス流の流路に突出する隔壁先端部１１１の形状は、図１４および図１５に示すような滑らかな円弧形状ではなく、できるだけ鋭利である必要がある。隔壁先端部１１１の形状は、加工方法にも依存し、例えば、溝１１０を鋳造により成形した場合には、一般的に溝間の先端部を鋭利に成形することは困難であるが、その場合でも、溝間の先端部の断面半径はできるだけ小さくすることが望ましい。具体的には、隔壁先端部１１１の断面が、半径５ｍｍ以下となるように形成すれば、熱ガス流の冷却作用を大幅に損ねることは回避できる。

［１−３．効果］
以上説明したように、第１の実施形態によれば、排気筒に熱ガス流の流れ方向と交差する溝を少なくとも４列以上設けるだけで、他に何ら特別な装置を必要とせずに、電流遮断時に発生する熱ガスを効果的に冷却することができる。特に、電界強度が比較的高くなり、かつ、高温の熱ガス流に直接的に曝される可能性が高い排気筒の終端部付近において、ガス温度を大幅に低減することができるため、同部分の絶縁耐力を向上することができる。したがって、排気筒の周辺を流れる熱ガス流の温度・密度に加えて、排気筒の電界構成も考慮した上で、これらの２種類の観点から熱ガス流を効果的に冷却して、固定接触部における熱ガス誘導システム全体の絶縁耐力を効率的に向上できるため、小形でありながら信頼性の高いガス遮断器を提供することができる。

［１−４．溝形状の変形例］
なお、第１の実施形態においては、排気筒１００に、断面形状が一様に２等辺三角形である溝１１０を設けた場合について説明したが、溝の具体的な形状は自由に選択可能である。図７〜図９は、溝の形状の異なる変形例をそれぞれ示す模式的断面図である。

ここで、図７に示す溝７１０の断面形状は、２辺の長さが異なる三角形であり、列間を区切る隔壁先端部７１１は、熱ガス流３０ａに対向する斜め方向に向いている。また、図８に示す溝８１０の断面形状は、コ字状であり、溝８１０全体は、スパイラル状に形成され、ターン（列）間が近接するように配置されている。また、図９に示す溝９１０の断面形状は、平行四辺形であり、列間を区切る隔壁先端部９１１は、熱ガス流３０ａに対向する斜め方向に向いている。

なお、前記第１の実施形態と同様に、図７〜図９に示すいずれの変形例においても、効果的な熱ガス流冷却を行うために、溝は、熱ガス流の流れ方向と交差する方向に伸びるように、かつ、少なくとも４列以上形成されており、また、溝ピッチＰは溝深さＨの少なくとも１／４以上となるように構成されている。

このような図７〜図９に示す各変形例においても、前記第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

［２．第２の実施形態］
図１０は、本発明の第２の実施形態に係るガス遮断器の排気筒周辺を示す模式的断面図であり、第１の実施形態における排気筒１００の溝１１０の表面にグレーまたは黒色の着色層１００１を付加したものである。具体的な着色方法は、塗料などによる物理的なコーティング、あるいは鉄の場合は燐酸塩皮膜処理などを初めとする各種の化学的表面処理などがあげられる。なお、排気筒１００の内面に、熱ガス流３０ａの流れ方向と交差する方向に伸びる溝１１０が、少なくとも４列以上設けられている点や、溝ピッチＰが溝深さＨの少なくとも１／４以上とされている点等、他の構成は、第１の実施形態と同様である。

以上のような構成を有する第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の作用に加えて、さらに、溝１１０の表面にグレーまたは黒色の着色層１００１を付加したことにより、熱ガス流からの輻射によるエネルギー損失が大きくなり、熱ガス流をより健著に冷却できる、という作用が得られる。以下には、この作用についてより詳細に説明する。

まず、大電流を遮断した際の熱ガス流は非常に高温となり、数１０００Ｋ程度にまで達する。この場合、熱ガスからは輻射の形でもエネルギーが放出される。図１３に示すような従来の単純な円筒状の排気筒２２の場合は、排気筒の内側壁面に到達した輻射エネルギーの多くが、当該壁面で反射され再び熱ガス流に戻される。このため、熱ガス流からの輻射によるエネルギー損失は少ない。

本発明における排気筒１００は、内面に溝が施されていることが特徴であるが、溝部に入射した輻射光は同部で反射を繰り返し、最終的に溝内部へと吸収されやすいこと、さらに、溝を施すことにより排気筒内面の表面積が大きくなることなどからも、本発明における排気筒は従来の単純円筒形排気筒に比べて輻射エネルギーの吸収効率が本質的に高くなる。これに加え、本実施形態においては、排気筒１００の内面が着色層１００１によりグレーまたは黒色に着色されているため、輻射エネルギーの吸収効率をさらに顕著に高めることができる。このため、熱ガス流からの輻射によるエネルギー損失が大きくなり、熱ガス流はより顕著に冷却される。

したがって、第２の実施形態によれば、前記第１の実施形態の効果に加えて、さらに、溝１１０の表面に設けた着色層１００１により、熱ガス流の輻射によるエネルギー損失を増大して熱ガス流をより顕著に冷却することができるため、固定接触部における熱ガス誘導システム全体の絶縁耐力をより効率的に向上することができる、という効果が得られる。

［３．第３の実施形態］
図１１は、本発明の第３の実施形態に係るガス遮断器の排気筒周辺を示す模式的断面図であり、第１の実施形態における排気筒１００に代えて、終端開口型の内筒１１０１とこの内筒１１０１の終端開口面および終端部近傍の外周面を覆うように配置された外筒１１０２を設けたものである。

これらの内筒１１０１と外筒１１０２は、熱ガスが、内筒１１０１の内部に形成される内側流路、および内筒１１０１と外筒１１０２との間に形成される外側流路を通過するように構成されている。また、外筒１１０２における内筒１１０１の終端開口面を覆う部分には、フローガイド１１０３が設けられている。そして、これらの内側流路および外側流路を形成する内筒１１０１および外筒１１０２の各流路壁面には、第１の実施形態と同様の、熱ガス流３０ａの流れ方向と交差する方向に伸びる溝１１０が、少なくとも４列以上設けられている。なお、溝ピッチＰが溝深さＨの少なくとも１／４以上とされている点等、他の構成は、第１の実施形態と同様である。

以上のような構成を有する第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の作用に加えて、さらに、実効的な熱ガス流路を長くすることができ、溝の列数Ｎを大幅に増大できるため、熱ガス流全体をより効率よく均一に冷却できるとともに、それによって、熱ガス自身の体積を収縮して排気筒内部の圧力上昇を抑制できるため、スムーズな熱ガスの排出が可能となる、という作用が得られる。以下には、この作用についてより詳細に説明する。

まず、前述の通り、熱ガス流路に設ける溝の列数Ｎは、熱ガス流と溝部の常温ガスとを混合させる擾乱を発生させる機会の数と考えることができるため、溝の列数Ｎはできる限り多いほうが望ましい。本実施形態によれば、排気筒を内筒１１０１と外筒１１０２という２つの円筒から構成することにより、排気筒体積当たりの実効的な熱ガス流路を長くすることができ、それに伴い、溝の列数Ｎも大幅に増大させることができる。

また、図１に示したような単一の円筒からなる排気筒１００の内面に溝を施した場合、前述の通り、熱ガス流は、溝１１０を設けた排気筒１００表面付近を中心として冷却され、流れの中心部分には依然として高温の熱ガスが残る傾向にある。これに対して、本実施形態によれば、内筒１１０１と外筒１１０２の間の狭い流路において、内筒１１０１外面および外筒１１０２内面の両側の溝から冷却作用を受けるため、第１の実施形態のような単一の排気筒１００に比べて、熱ガス流全体をより均一に冷却することができる。

ところで、熱ガス噴出方向に何らかの構造物がある場合などには、排気筒のガス流噴出部である終端部を何らかのカバーで覆い隠し、噴出方向を変化させることが必要な場合がある。しかしながら、このような場合、溝を設けた排気筒においては、単純な円筒形の排気筒に比べて熱ガス流が閉塞しやすく、タンク内自由空間へのスムーズな排気が困難となる。その結果、アーク接触子部に熱ガスが停滞し、同部での絶縁破壊が発生しやすくなる、あるいはアークが消滅しにくくなるという問題がある。これに対して、本実施形態によれば、内筒１１０１を外筒１１０２で覆い隠す形状ではあるが、熱ガス流が溝１１０により効果的に冷却されるため、熱ガス自身の体積が収縮し、排気筒内部の過剰な圧力上昇を抑制できるため、スムーズな熱ガスの排出が可能となる。

したがって、第３の実施形態によれば、前記第１の実施形態の効果に加えて、さらに、２つの円筒により熱ガス流路を構成することにより、実効的な熱ガス流路を長くして、熱ガス流全体をより効率よく均一に冷却できるとともに、スムーズな熱ガスの排出が可能となるため、固定接触部における熱ガス誘導システム全体の絶縁耐力をより効率的に向上することができる、という効果が得られる。

［４．第４の実施形態］
図１２は、本発明の第４の実施形態に係るガス遮断器を示す断面構造図であり、固定接触部２０側の溝付きの排気筒１００に加えて、可動接触部１０側の中空ロッド１２００にも溝１２１０を設けたものである。この溝１２１０は、第１の実施形態において排気筒１００に設けられた溝１１０と同様の構成を有する溝である。すなわち、中空ロッド１２００の内面に、熱ガス流３０ｂの流れ方向と交差する方向に伸びる溝１２１０が、少なくとも４列以上設けられており、溝ピッチＰが溝深さＨの少なくとも１／４以上とされている。

そして、可動アーク接触子１１および中空ロッド１２００の内部を通過した可動側の熱ガス流３０ｂは、ピストン１２、シリンダ１３などに設けられたいくつかの可動側排気孔１７を通過して、排気孔端部１８からタンク１内自由空間に放出されるようになっている。

以上のような構成を有する第４の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の作用に加えて、さらに、次のような作用が得られる。すなわち、中空ロッド１２００の内部を流れる可動側の熱ガス流３０ｂは、第１の実施形態における排気筒１００内部を流れる固定側の熱ガス流３０ａと全く同様のメカニズムにより、溝１２１０により効果的に冷却される。そのため、可動接触部１０側においても、可動側排気孔１７の排気孔端部１８周辺における熱ガスの絶縁性が回復し、この部分とタンク１間の絶縁耐力を著しく向上させることができる。

したがって、第４の実施形態によれば、前記第１の実施形態の効果に加えて、さらに、可動接触部における絶縁耐力も効率的に向上することができるため、小形でありながらより信頼性の高いガス遮断器を提供することができる、という効果が得られる。なお、固定接触部側の絶縁耐力が十分に確保されている場合等には、第４の実施形態の変形例として、固定接触部の排気筒に溝を設けず、可動接触部の中空ロッドにのみ溝を設けることも可能である。

［５．他の実施形態］
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で他にも多種多様な変形例が実施可能である。例えば、前述した変形例を適宜組合せることも可能である。

特に、前述した通り、本発明において排気筒や中空ロッドに設ける溝の具体的な形状等は、自由に選択可能であり、実施形態で示した以外にも、各種の形状が可能である。さらに、異なる形状の溝を組合せて設けることも可能である。すなわち、本発明において排気筒や中空ロッドに設ける溝は、各列が、熱ガスの進行方向と交差する方向に伸び、かつ、互いに熱ガスの進行方に連続して並べられた少なくとも４列以上の溝、である限り、その具体的な寸法形状は自由に選択可能であり、いずれの場合でも、前記実施形態と同様の優れた作用効果が得られるものである。

また、前記実施形態においては、接触部の一方が固定されており、一方が駆動されるタイプを例として説明したが、本発明は、両側の接触部が同時に相対駆動するタイプのガス遮断器にも同様に適用可能であり、同様に優れた作用効果が得られるものである。

本発明の第１の実施形態に係るガス遮断器の排気筒周辺を示す模式的断面図。 図１に示すガス遮断器の数値解析として、２次元回転対称の形状でガス流解析を行った場合の解析結果の一例を示す解析グラフ。 超高圧系統用の金属タンク形ＳＦ₆ガス遮断器を用いて、排気筒の終端部における絶縁耐力を実測した場合の実測結果の一例を示す実測グラフ。 図２の排気筒表面において、熱ガス流路に沿って溝数を変化させた場合の熱ガス温度との関係を示す解析グラフ。 溝ピッチＰと溝深さＨの関係を変化させたそれぞれの場合における溝断面形状を示す説明図。 排気筒終端部における溝との寸法関係に応じた電界強度の変化を電界解析により求めた解析結果の一例を示す解析グラフ。 図１に示す排気筒の溝の形状を変えた１つの変形例を示す模式的断面図。 図１に示す排気筒の溝の形状を変えた別の変形例を示す模式的断面図。 図１に示す排気筒の溝の形状を変えた別の変形例を示す模式的断面図。 本発明の第２の実施形態に係るガス遮断器の排気筒周辺を示す模式的断面図。 本発明の第３の実施形態に係るガス遮断器の排気筒周辺を示す模式的断面図。 本発明の第４の実施形態に係るガス遮断器を示す断面構造図。 従来のガス遮断器の一例を示す断面構造図。 従来のガス遮断器の排気筒の一例を示す模式的断面図。 従来のガス遮断器の排気筒の別の一例を示す模式的断面図。

符号の説明

１…タンク
２…消弧性ガス
３…アーク
１０…可動接触部
１１…可動アーク接触子
１２…ピストン
１３…シリンダ
１４…パッファ室
１５…絶縁ノズル
１６…中空ロッド
１７…可動側排気孔
１８…排気孔端部
２０…固定接触部
２１…固定アーク接触子
２２…排気筒
２３…終端部
３０ａ，３０ｂ…熱ガス流
１００…（溝付き）排気筒
１０１…終端部
１１０，７１０，８１０，９１０，１２１０…溝
１１１…隔壁先端部
１１０１…内筒
１１０２…外筒
１１０３…フローガイド
１２００…（溝付き）中空ロッド

Claims (6)

1. 密閉された容器内に消弧性ガスが充填されるとともに第１接触部および第２接触部が対向して配置され、
   前記第１接触部および前記第２接触部に、第１アーク接触子および第２アーク接触子がそれぞれ設けられ、両接触子は、通常運転時に接触導通状態にあり、遮断動作時に相対移動により開離するとともに両接触子間の空間にアークを発生するように構成され、
   前記第１接触部に、前記アークに対して前記消弧性ガスを吹付けるガス流発生手段が設けられ、
   前記第１接触部および前記第２接触部に、前記ガス流発生手段によって消弧性ガスをアークに吹付けることにより発生した熱ガスを前記両接触子から離れる方向に誘導するための熱ガス誘導手段がそれぞれ設けられたガス遮断器において、
   前記第２接触部の前記熱ガス誘導手段は、金属製の排気筒であり、この排気筒はアークから排出される熱ガスが進行方向正面から前記容器内に排出されるように構成され、
   前記排気筒の内面には、各列が前記熱ガスの進行方向と交差する方向に伸び、かつ、互いに熱ガスの進行方向に連続して並べられた少なくとも４列以上の溝が設けられ、
   前記排気筒は、終端開口型の内筒と、この内筒の終端開口面および終端部近傍の外周面を覆うように配置された外筒を備え、前記熱ガスが、内筒の内部に形成される内側流路、および内筒と外筒との間に形成される外側流路を通過するように構成されており、
   前記内側流路および前記外側流路を形成する前記内筒および前記外筒の各流路壁面に、前記少なくとも４列以上の溝がそれぞれ設けられている、
   ことを特徴とするガス遮断器。
2. 密閉された容器内に消弧性ガスが充填されるとともに第１接触部および第２接触部が対向して配置され、
   前記第１接触部および前記第２接触部に、第１アーク接触子および第２アーク接触子がそれぞれ設けられ、両接触子は、通常運転時に接触導通状態にあり、遮断動作時に相対移動により開離するとともに両接触子間の空間にアークを発生するように構成され、
   前記第１接触部に、前記アークに対して前記消弧性ガスを吹付けるガス流発生手段が設けられ、
   前記第１接触部および前記第２接触部に、前記ガス流発生手段によって消弧性ガスをアークに吹付けることにより発生した熱ガスを前記両接触子から離れる方向に誘導するための熱ガス誘導手段がそれぞれ設けられたガス遮断器において、
   前記第２接触部の前記熱ガス誘導手段は、金属製の排気筒であり、
   前記排気筒は、終端開口型の内筒と、この内筒の終端開口面および終端部近傍の外周面を覆うように配置された外筒を備え、かつ、外筒内部には内筒の終端開口部に対応する位置にフローガイドを設け、内筒の内部に形成される内側流路を前記両接触子から離れる方向に流れてきた前記熱ガスが、前記フローガイドで進行方向を逆転して、内筒と外筒との間に形成される外側流路を通過し、前記容器内に排出されるように構成されており、
   前記内側流路および前記外側流路を形成する前記内筒および前記外筒の各流路壁面のそれぞれに、各列が前記熱ガスの進行方向と交差する方向に伸び、且つ、互いに熱ガスの進行方向に連続して並べられた少なくとも４列以上の溝が設けられている、
   ことを特徴とするガス遮断器。
3. 前記排気筒は、前記溝が設けられている範囲と前記終端開口面との最短距離が、終端開口面における内径の少なくとも５％以上となるように構成されている、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のガス遮断器。
4. 前記溝の列間を区切る隔壁先端部の断面が半径５ｍｍ以下である、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のガス遮断器。
5. 前記溝の溝ピッチが溝深さの１／４以上である、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のガス遮断器。
6. 前記消弧性ガスがＳＦ６ガスよりも地球温暖化係数が小さいものであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のガス遮断器。