JP5020164B2 - 真空バルブ - Google Patents

Description

この発明は、風車形電極を備えた真空バルブに関し、特に、その風車形電極の改良に関するものである。

風車形電極を有する従来の真空バルブとして、例えば、図６に示すような技術が開示されている。図６（ａ）は真空バルブを示す全体構成であり、（ｂ）は（ａ）の可動電極部の斜視図である。絶縁筒２１の両端に端板２２ａ、２２ｂを取り付けて、内部を高真空状態にした真空容器２３が構成されており、真空容器２３内には、一方の端板２２ａを貫通した固定電極棒２４の先端に固着された固定電極２５と、他方の端板２２ｂを貫通した可動電極棒２６の先端に固着された可動電極２７とが対向配置されている。また、可動電極棒２６と端板２２ｂとの間にはベローズ２８が設けられている。

このような構成の真空バルブは、可動電極棒２６に接続された操作装置（図示せず）を駆動源として、可動電極棒２６を軸方向に移動させることにより、固定電極２５と可動電極２７とが電気的に接離する。両電極２５，２７間に点弧されたアークから拡散する金属蒸気が真空容器２３の内壁に付着することを防止するために、シールド２９が絶縁筒２１の内壁に装着されている。

可動電極２７は、図６（ｂ）に示すように、電極自身に溝を設け風車形に形成されている。すなわち、中心部に位置して溝３０によって分画されている風車部３１と、周縁部に位置して溝３０によって分割されており前記風車部３１より厚さが厚い複数の接触部３２とからなり、中央部で可動電極棒２６に接合されている。固定電極２５も同様である。
この構成により、溝３０によって電極内の電流経路が制限され、その電路によって生じる磁界により、アークの発弧直後から強い磁気駆動力をアークに作用させて、アークを駆動して電極の円周上を移動させることにより、アークの停滞を防止して電極の局部溶解を避け、遮断性能の向上を図っている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−５２５７６号公報（第４頁、図１）

真空バルブに求められる性能としては短絡遮断性能の他に短絡投入性能、短時間耐電流性能、通電性能（温度上昇試験で検証）などがある。上記の特許文献１に示すような、外周部が突出しているタイプの風車形電極は特に短絡遮断性能に優れている。しかし、短絡投入性能、短時間耐電流性能に関して、次のような電磁反発力の問題がある。これを図７により説明する。図７は、特許文献１に示された電極構造の電極平面図である。
通常、短絡投入試験や短時間耐電流試験の電流ピーク付近においては、固定電極と可動電極の接触点のほぼ一点を大電流が流れるようになるため、この接触点（以下、通電点と称す）において大きな電磁反発力が発生する。しかし、本電極では、図７（ａ）に丸印で示すような位置に通電点が生じる可能性があり、その場合、固定電極面とこれに対向配置された可動電極面とで電流パスＡが隣り合わせとなり、かつ、電流の向きが逆であるため電磁反発力が発生する。

この電磁反発力について実験及び磁界解析で検討した結果、下記の２点が判明した。
（１）固定電極と可動電極との間に発生する電磁反発力は、上記で述べた、通電点で発生する電磁反発力と電流パスによる電磁反発力との和に等しい。
（２）固定電極面と可動電極面との電流パスによって発生する電磁反発力は通電点の位置に依存し、図７（ｂ）に示す電極の凹部（風車部３１）に近い通電点４１の場合より、接触部３２の先端側の通電点４２の場合の方が大きい。このため、トータルの電磁反発力は先端側の通電点４２の場合は、凹部に近い通電点４１の場合の１．６倍になる。
通電の位置はばらつくため、電磁反発力による発弧抑制のためには接触部３２の先端側に通電点４２が生じてもいいように大きな接圧をかけておく必要がある。その結果、接圧バネの強化に伴い開閉機構の機械的強度も高めなければならず遮断器が大きくなるという問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、短絡遮断性能だけでなく短絡投入性能、短時間耐電流性能、通電性能に優れた風車形電極を備えた真空バルブを提供することを目的とする。

この発明の真空バルブは、真空容器内に接離可能に配置された１対の風車形電極を有する真空バルブにおいて、風車形電極は、電極棒と接合される円形の中心部と、中心部の外周にあって中心部の面より対向電極側に突出した突出部とを有し、中心部側から突出部の周縁に向かい渦巻き状に伸びる複数の溝によって突出部が複数の円弧部に分割されており、１対の風車形電極のうちの一方は、溝の幅を周縁に向かうにしたがって広く形成して、突出部の円弧部の周方向に伸びる先端部の長さが他方の風車形電極の先端部より短くなるようにしたものである。

この発明の真空バルブによれば、一対の風車形電極は、中心部とその外周の突出部とを有し、中心部側から周縁に向かい渦巻き状に伸びる複数の溝によって突出部が複数の円弧部に分割されており、一方の風車形電極は、溝の幅を周縁に向かうにしたがって広く形成したので、突出部の先端部で固定電極と可動電極が接触しなくなり、電磁反発力が抑制され、短絡遮断性能を維持したまま、短絡投入性能、短時間耐電流性能を高めることができる。したがって、電極径の小型化と、接圧低減が可能となり、結果として遮断器を小型化することができる。

実施の形態１．
図１及び図２は、この発明の実施の形態１による真空バルブの風車形電極の平面図である。図１と図２は、一方を固定電極、他方を可動電極として組み合わせて使用するものである。以下の説明では、図１を固定電極、図２を可動電極として説明する。図３は図１のIII−IIIから見た断面図である。また、真空バルブの全体の構成図は、背景技術の項で説明した図６と同等なので、図示及び説明は省略する。

図１において、風車形電極である固定電極１は、円盤状をした接点材料からなり、後述の電極棒が接合される円形の中心部２と、中心部２の外周を取り巻いて、中心部２の面より対向電極側に突出した突出部３とを有している。そして、中心部２側から突出部３の周縁に向かって渦巻き状に伸びる複数の（図では４個の）溝４が形成され、この溝４によって突出部３は複数（４個）の円弧部に分割されている。溝４は、電極の表面から裏面まで切れ込んでいる。なお、溝４の数は４個に限定しない。
図１に示す面が後述の図２に示す可動電極１１の面との対向面となり、突出部３は可動電極１１の突出部１３と互いに接触する構造になっている。

図３の側面断面図に示すように、固定電極１には、中央に貫通する接合穴５が設けられており、その接合穴５に、真空容器外から電流を導く電極棒６の細く絞られた先端部が挿入されて固着されている。固定電極１の背面には、機械的強度を補うための補強板７が設けられており、更に、電極棒６の肩部と補強板７との間にはステンレス製のスペーサ８が介在されて、ろう付けによって一体に固着されている。
なお、固定電極１の接点材料としては、Ｃｒを２０〜４０重量％含むＣｕ−Ｃｒ系の合金か、更に微量のＴｅを含むＣｕ−Ｃｒ−Ｔｅ系の合金が望ましい。また、補強板７はＳＵＳが機械強度、耐電圧性能、導電率の点で望ましい。

次に、図２によってもう一方の風車形電極である可動電極を説明する。
可動電極１１は、基本的には図１と同様であり、電極棒６と接合される円形の中心部１２と、中心部１２の外周を取り巻いて、対向電極側に突出した突出部１３とを有し、更に複数の渦巻き状の溝１４が形成されているが、溝部の形状が異なっている。
すなわち、溝１４は、中心部１２側から突出部１３の周縁に向かい渦巻き状に伸びる複数の（図では４個の）溝１４によって突出部１３が４個の円弧部に分割された形となっている。更に、円弧部の突出部１３の周方向に伸びる先端部（先端部Ｃ）の長さが短くなるように、すなわち、中心部１２に近づくように、突出部１３において溝１４の幅を周縁に向かうにしたがって大きくなるように形成している。なお、溝１４の渦巻き方向は、接触面側から見ると固定電極１とは反対方向になっている。

図４は、固定電極１と可動電極１１を合わせた状態を示しており、網掛け部が閉極時に両電極が接触する接触面１５である。なお、この接触面とは設計的な接触面であり接触可能なエリアであって、実際はこのエリア内のどこか（１点又は複数点）で接触することになる。
可動電極１１の溝１４の形状を、周縁部になるにつれて広くなるように形成したことにより、図に示すように、閉極時には、固定電極１と可動電極１１の両突出部３，１３の全てが接触面とはならずに、固定電極１の突出部３のうち、先端部（先端部Ｂ）では接触しない構造となっている。

次に動作について図４を参照しながら説明する。
短絡投入試験、短時間耐電流試験時において、両電極１，１１の接触面１５は図４に示すようになっているが、前述のように、電流ピークでは接触面のどこかのほぼ1点で大電流が通電する。この通電点が、電極の中心部に近い場合に比べて突出部の先端側（先端部Ｂ）に近い場合の方がトータルの電磁反発力は１．６倍になる。
そこで、本実施の形態では、図４に示すように、突出部の先端部Ｂでは接触しない構造としたので、従来の風車形電極に比べて、電磁反発力は抑制されることになる。

短絡遮断試験時には電極対１，１１は解離し、接触面１５上にアークが発生する。図４にアーク発生箇所を丸印で示す。アークは接触面１５上であれば任意の位置に発生し、図４では例えば１６ａ〜１６ｃを例として示している。電極棒６を流れる電流Ｉは接合穴５の接合部から電極１（又は１１）へ流れ込み、アーク１６ａが発生している接触面１５に対応した中心部２（又は１２）を流れ接触面１５（突出部）のアーク１６ａへ流入する。図４中では電流Ｉ_２として示している。電流Ｉ_２のうちの円周方向成分Ｉ_２θによってアーク１６ａは円周方向へ駆動力Ｆを受ける。このため、アークは発弧直後から強力な磁気駆動力を受ける。その結果例えばアーク１６ａはアーク１６ｂの位置の方に向かって高速に移動し、更に１６ｃを経て隣の突出部へ移る。この動作を連続的に行い実質的にはアーク発生中は突出部の上を回転運動することになる。この結果、アークは発弧直後から高速移動するため接点表面の温度が抑制され、金属蒸気の発生も抑制されるため、従来の風車形電極と同等の遮断性能が得られる。

通電性能を向上させ真空バルブの温度上昇を抑制するためには、固定電極と可動電極との接触面の接触抵抗を低く抑える必要がある。本実施の形態では、突出部先端の接触面積が減ることになるが、この分を補完するためは、突出部の内径を小さくすることで対処できる。
また、定格電圧が高くない場合は、突出部端部の面取りＲ（図５参照）を小さくして接触面積を増やすことも可能である。この場合は、真空バルブのコンディショニングで、印加電圧を高くすることや電流コンディショニングを適用するなどの方法で、定格を上げることが可能である。

なお、上記の説明では、図２の形状の電極を可動電極としたが、図２の電極を固定電極としても良く、また、図２の電極を固定電極，可動電極の両方に適用しても良い。

以上のように本発明の真空バルブによれば、真空容器内に接離可能に配置された１対の風車形電極を有する真空バルブにおいて、風車形電極は、電極棒と接合される円形の中心部と、中心部の外周にあって中心部の面より対向電極側に突出した突出部とを有し、中心部側から突出部の周縁に向かい渦巻き状に伸びる複数の溝によって突出部が複数の円弧部に分割されており、１対の風車形電極のうちの少なくとも一方は、溝の幅を周縁に向かうにしたがって広く形成して、突出部の円弧部の周方向に伸びる先端部の長さが短くなるようにしたので、突出部の先端部で固定電極と可動電極が接触しなくなり、電磁反発力が抑制され、短絡遮断性能を維持したまま、短絡投入性能、短時間耐電流性能を高めることができる。したがって、電極径の小型化と、接圧低減が可能となり、結果として遮断器を小型化することができる。

実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２による真空バルブの風車形電極部を示す断面図である。図示以外の電極の平面構造は、実施の形態１と同等なので、図示及び説明は省略する。また、真空バルブの全体構成は図６と同等である。

、
実験及び磁界解析による検討の結果によって、短絡投入試験、短時間耐電流試験での電磁反発力を低減するもう一つの方法として、突出部の高さを高くする方法があることが分った。そこで、本実施の形態では、電極の寸法関係を以下のようにしたものである。

図５において、中心部１２の表面から突出部１３の対向電極側に突出した突出高さをｈ、中心部１２の厚さをｋ、突出部１３の全厚みをＨとする。
そして、ｈ＝４ｍｍ〜８ｍｍ、ｋ＝３ｍｍ〜７ｍｍ、Ｈ＝１５ｍｍ以下とした。
なお、上記寸法の電極が適用される真空バルブとしては、定格電流が２０ｋＡ〜４０ｋＡ程度のものを想定している。
上記寸法において、特に、突出高さｈが上記の範囲にあれば、電磁反発力を低減できることを、実験び磁界解析により検証した。例えば、突出高さを３ｍｍから５ｍｍに増やすと電磁反発力は１０％程度低下する。突出高さを高くすると遮断性能にかかわる磁気駆動力が低下するため遮断性能が若干低下するが、短絡投入性能、短時間耐電流性能が電極径を決めている場合には、結果的に電極径の低減、接圧の低減を達成することができる。
なお、この寸法は、固定電極と可動電極のいずれにも適用できる。

以上のように実施の形態２の真空バルブによれば、中心部の面から対向電極側に突出した突出部の突出高さを、４ｍｍ以上、８ｍｍ以下としたので、短絡遮断性能と、短絡投入性能、短時間耐電流性能をバランスさせることができるので、電極径の小型化と、接圧低減が可能となり、結果として遮断器を小型化することができる。

この発明の実施の形態１による真空バルブの風車形電極の一方の電極を示す平面である。 図１と対となる他方の風車形電極を示す平面である。 図１のIII−III断面図である。 この発明の実施の形態１による真空バルブの風車形電極の動作を説明する図である。 この発明の実施の形態２による真空バルブの風車形電極を示す断面図である。 従来の真空バルブを示す断面図及び要部拡大図である。 図６の真空バルブの動作を説明する図である。

符号の説明

１ 固定電極（風車形電極） ２ 中心部
３ 突出部 ４ 溝
５ 接合穴 ６ 電極棒
７ 補強板 ８ スペーサ
１１ 可動電極（風車形電極） １２ 中心部
１３ 突出部 １４ 溝
１５ 接触面 １６ａ〜１６ｃ アーク。

Claims (2)

1. 真空容器内に接離可能に配置された１対の風車形電極を有する真空バルブにおいて、
   前記風車形電極は、電極棒と接合される円形の中心部と、前記中心部の外周にあって前記中心部の面より対向電極側に突出した突出部とを有し、前記中心部側から前記突出部の周縁に向かい渦巻き状に伸びる複数の溝によって前記突出部が複数の円弧部に分割されており、
   前記１対の風車形電極のうちの一方は、前記溝の幅を前記周縁に向かうにしたがって広く形成して、前記突出部の前記円弧部の周方向に伸びる先端部の長さが他方の風車形電極の先端部より短くなるようにしたことを特徴とする真空バルブ。
2. 請求項１記載の真空バルブにおいて、前記中心部の面から前記対向電極側に突出した前記突出部の突出高さを、４ｍｍ以上、８ｍｍ以下としたことを特徴とする真空バルブ。

Images