JP5353617B2

JP5353617B2 - 開閉装置

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Publication number: JP5353617B2
Application number: JP2009233364A
Authority: JP
Inventors: 昭彦丸山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-10-07
Filing date: 2009-10-07
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2029-10-07
Also published as: JP2011082021A

Description

この発明は、開閉装置の技術分野に属し、特にガス絶縁真空遮断器の開閉装置に関するものである。

従来より、開閉装置の電気接点を開閉するための操作装置には、電磁操作装置やばね操作装置、油圧操作装置等が用いられる。いずれの操作装置においても、経年変化や温度変動による開閉装置の操作力の変化や、可動部分の摩擦力の変化によって、開閉操作時の動作速度が変動することがある。また、遮断の繰り返しにより接点の電極面が損耗する場合があり、接触抵抗の変動や、接点の移動距離が変化することによって、開閉操作時の動作特性が変動することがある。

開閉装置を安定に運用するためには、動作速度変化がそれぞれの開閉装置に設定された許容範囲を逸脱したり、接点損耗量が基準値を上回ることが無いように、定期的な点検、調整が必要となる。

一方、開閉装置に異常検知機能として位置センサを取り付け、動作特性を常時計測し、異常時に限って点検を実施する方式も考案されている。異常検知機能として開閉装置に取り付けられる位置センサの例としては、磁気センサにより可動部分に固定された永久磁石が発生する磁束の変化を読み取り、位置情報に変換する装置や、光学式のセンサによって、可動部分の位置を読み取る装置（例えば、特許文献１参照）が考案されている。

特開２００７−１４９３６９号公報（第４−６頁、第１図）

ところで、このような位置センサを開閉装置に適用する場合、位置センサの設置スペースの確保が問題となる。

本発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、位置センサの設置スペースを抑制することができる開閉装置を提供することを目的としている。

ベローズの内面に設置した渦電流センサコイルにより、ベローズの圧縮量を検出することによって、可動接点のストロークを検出する。

本発明に係る開閉装置においては、位置センサの設置スペースを抑制することができる。

本発明の実施の形態１における開閉装置が閉極状態にある場合の断面図である。本発明の実施の形態１における開閉装置が開極状態にある場合の断面図である。本発明の実施の形態１における開閉装置が閉極状態にある場合のフィルム状のプリント基板（ＦｌｅｘｉｂｌｅＰｒｉｎｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ、以下ＦＰＣと略する）コイル周辺の断面図である。本発明の実施の形態１における開閉装置が開極状態にある場合のＦＰＣコイル周辺の断面図である。本発明の実施の形態１におけるＦＰＣコイルの構成の例である。本発明の実施の形態１におけるＦＰＣコイルの断面図である。本発明の実施の形態１におけるベローズの可動軸に垂直な面での断面図である。本発明の実施の形態１におけるベローズの可動軸に垂直な面での断面図である。本発明の実施の形態１における渦電流センサ及びベローズの回路図である。可動接点移動距離と渦電流センサのセンサ出力との関係の例を示すグラフである。本発明の実施の形態１におけるＦＰＣコイルの構成の別の例である。本発明の実施の形態２における巻き線コイルの形状の例である。本発明の実施の形態２におけるベローズの可動軸に垂直な面での断面図である。本発明の実施の形態３におけるベローズの可動軸に垂直な面での断面図である。本発明の実施の形態４における複数のＦＰＣコイルの構成の例である。本発明の実施の形態５におけるＦＰＣコイルの構成の例である。本発明の実施の形態５におけるガスタンクの可動軸の入り口周辺の拡大断面図である。

実施の形態１．
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態１について詳細に説明する。図１は本発明の実施の形態１における開閉装置が閉極状態にある場合の断面図である。本発明の実施の形態１における開閉装置は、図１に示すように、操作装置１と、その操作装置１によって駆動される駆動軸２と、閉極時に可動接点１２と固定接点１３に接触圧力を与える接圧ばね３と、可動軸８の入り口と主回路９の入り口とが設けられた箱状のガスタンク４と、接圧ばね３を介して駆動軸２と同軸となるように接続され、ガスタンク４の外部と内部に渡って設けられた可動軸８と、可動軸８の軸方向以外への動きを制限するガイド５と、ガスタンク４に設けられた可動軸８の入り口付近に備えられたベローズ６と、可動軸８の中央付近に取り付けられた絶縁ロッド７と、内部が真空である真空バルブ１０と、真空バルブ１０に設けられた可動軸８の入り口付近に備えられたベローズ６と、真空バルブ１０の内部に設けられ、可動軸８の一端に接続された可動接点１２と、真空バルブ１０の内部に設けられ、可動接点１２と対向する固定接点１３と、ベローズ６の内部に設けられたフィルム状のプリント基板（ＦｌｅｘｉｂｌｅＰｒｉｎｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ、以下ＦＰＣと略する）コイル２０から構成される。また、可動接点１２及び固定接点１３は、主回路９と接続されている。

操作装置１には不図示の制御装置が接続されており、制御装置は外部からの指令に応じて操作装置１を制御し、開閉装置を開極状態から閉極状態へ、又は、閉極状態から開極状態へ、移行させる。

操作装置１の内部には、駆動軸２を軸方向に駆動する駆動機構、例えば、コイルの電磁力で駆動軸２を駆動する電磁操作機構、ばね力で駆動軸２を駆動するばね機構、または、油圧にて駆動軸２を駆動する油圧機構などが備えられている。

駆動軸２には、接圧ばね３を介して可動軸８、絶縁ロッド７、及び、可動接点１２が接続されており、可動軸８、絶縁ロッド７、及び、可動接点１２は、駆動軸２の駆動とともに、軸方向へストロークするようになっている。

開閉装置が閉極状態にある場合、操作装置１に接続されている駆動軸２が、可動接点１２に向かう方向に押し込まれ、可動接点１２と固定接点１３は接触した状態を保持している。また、このとき接圧ばね６は、所定量だけ圧縮された状態となっており、接圧ばね６の反発力によって、可動接点１２は固定接点１３に押し付けられている。この状態において、可動接点１２及び固定接点１３には主回路９を通して電流が流れる。

図２は本発明の実施の形態１における開閉装置が開極状態にある場合の断面図である。操作装置１の駆動軸２が操作装置１側へ引き込まれることにより、まず、接圧ばね３が伸張する。接圧ばね３は所定量までしか伸張できないように構成されているため、その所定量まで伸張した時点で、絶縁ロッド７、可動軸８、及び、可動接点１２が操作装置１側へ移動しはじめる。これにより、真空バルブ１０の内部の固定接点１３と可動接点１２は、所定の間隔だけ離れて静止する。

ガスタンク４には、主回路９を絶縁するための絶縁ガスが封入され、外気と気密を保って隔離されている。ベローズ６は、ガスタンク４の気密を保つために、ガスタンク４の可動軸８の貫通部に設けられたものであり、可動軸８のストロークに伴って伸縮する。

主回路９には、例えば、６．６ｋＶ以上の高電圧が印加されることがあるため、主回路９、及び真空バルブ１０は絶縁ガスが封入されたガスタンク４に収納され、タンク壁面などの接地電位との絶縁が確保されている。

図３は、本発明の実施の形態１における開閉装置が閉極状態にある場合のＦＰＣコイル２０周辺の断面図である。ベローズ６の内側には、ベローズ６の径方向への変位を制限するためのガイド５が設置されている。また、ベローズ６の内側には、ＦＰＣコイル２０がベローズ６と対向して設置されている。

ベローズ６の一端は、ガスタンク４に接続され、その反対側の一端は、可動軸８に接続している。ベローズ６が可動軸８の動きに伴って伸縮することにより、ガスタンク４の気密が保たれる。ベローズ６の材料には、伸縮の繰り返しによる耐久性を向上させるために、一般的にはステンレスやインコネルなどの材料で構成される。

ベローズ６は、可動軸８の軸方向に対しては、伸縮可能に構成されているが、可動軸８の軸方向と垂直な方向に対して大きく変位すると、接合部やベローズ自体の破損などによって気密が破れる可能性がある。このため、樹脂などの非金属で構成されたガイド５によって、可動軸８の軸方向に垂直な方向への動きを制限している。

図４は、本発明の実施の形態１における開閉装置が開極状態にある場合のＦＰＣコイル２０周辺の断面図である。可動接点１２の操作装置１側への移動に伴って、ベローズ６が圧縮され、ＦＰＣコイル２０と正対するベローズ６の山／谷の数が増える。図４に示すように、開閉装置が開極状態にある場合に、ＦＰＣコイル２０と正対するベローズ６の山／谷の数が最大になる。

図５は、本発明の実施の形態１におけるＦＰＣコイル２０の構成の例である。ＦＰＣコイル２０は、図５のように、変形可能なフィルム状のプリント基板に４つのコイルパターンを印刷したものである。

ＦＰＣコイル２０の形状は長方形であり、その長手方向の長さは、ガイド５の円周長とほぼ同様である。

図６は、本発明の実施の形態１におけるＦＰＣコイル２０の断面図である。ＦＰＣコイル２０は、ベースフィルム２１の両面にコイル状にプリントパターン２２をプリントし、さらにその表面をカバーフィルム２３で保護したものであり、厚さは、例えば、０．３〜０．５ｍｍ程度である。

図７は本発明の実施の形態１におけるベローズ６の可動軸８に垂直な面での（図３のＡ-Ａ線における）断面図である。図８は本発明の実施の形態１におけるベローズ６の可動軸８に垂直な面での断面図であり、磁束の発生の様子を示している。ガイド５は断面が円形に形成されており、さらに、ＦＰＣコイル２０が、ガイド５の外周部に巻かれるように、ベローズ６と対向して貼り付けられる。

図９は、渦電流センサ３０及びベローズ６の回路図である。図９に示すように、ＦＰＣコイル２０には励振回路３１が接続されて周波数ｆの高周波信号が印加される。高周波信号が印加されたＦＰＣコイル２０は、図８中の矢印が示すような、周波数ｆで変動する磁束を外部に発生させる。

そして、この磁束が、近接するベローズ６の内側の表面に渦電流を発生させる。ベローズ６は高抵抗の材料で構成されるため、ＦＰＣコイル２０とベローズ６が接近するとベローズ表面での渦電流による損失が増大し、ＦＰＣコイル２０に印加される高周波信号の周波数や振幅が変動する。

図７にも示したように、一般に、ベローズはその断面が円形である。そこで、ベローズの内面とコイルとが対向する面積を少しでも大きくしてセンサ感度を向上させるためには、コイルの形状もベローズの断面の円形に沿うようにするのがよい。本実施の形態１では変形可能なフィルム状のＦＰＣコイル２０を用いているため、図７に示すように、ＦＰＣコイル２０がベローズ６の断面の円形に沿うように、ＦＰＣコイル２０の形状を変形できる。

ベローズ６が圧縮されると、等価的にベローズ６とＦＰＣコイル２０の距離が接近したことになるため、ベローズ６の圧縮量に対応して、ＦＰＣコイル２０に印加されている高周波信号の周波数、振幅が変動する。検波回路３２及び信号変換回路３３が、ベローズ６の圧縮による信号の変動を電圧に変換することにより、可動接点１２の位置情報を出力することが可能となる。

図４に示すように、ベローズ６は開極時において最も圧縮された状態になる。そこで、ベローズ６が最も圧縮された状態のベローズの長さをＤ０、開極時のオーバーストロークによるベローズ６とＦＰＣコイル２０の衝突を避けるために余裕幅をｘ０、取り付けに必要な余裕幅をｘ１、としたとき、ＦＰＣコイル２０の軸方向の長さｄは、例えば、

とすればよい。

この場合、開極時にはベローズ６の全山数ｎがＦＰＣコイル２０に正対しているが、図３に示すように、閉極時にはベローズ６の全山数ｎの一部しかＦＰＣコイル２０に正対しない。すなわち、閉極時のベローズ６の長さをＤ１とすると、閉極時にＦＰＣコイル２０が正対する山数ｍは、

となる。

したがって、この状態では、渦電流センサ３０のセンサ出力は、概ね位置変動に応じて増加する。

図１０は、可動接点移動距離と渦電流センサのセンサ出力との関係の例を示すグラフである。図１０において、横軸は可動接点移動距離を、縦軸は渦電流センサ３０のセンサ出力を、それぞれ示す。ＦＰＣコイル２０に正対するベローズ６の山谷の数がストロークに対して十分大きくない場合は、図１０に示すように、ベローズ６の蛇腹状の構造の影響により、ｍ−ｎだけ周期的な変動が無視できない大きさで現れる。

その対策として、ＦＰＣコイル２０に印刷される４つのコイルパターンを、図５のように、ｓ／４ずつ傾け、全体でｓだけ傾けて印刷することにより、図１０のような周期変動成分を低減して、より直線的な出力が得られる。ここで、

である。

なお、渦電流センサ３０は、ＦＰＣコイル２０をガスタンク４と外気を封止するベローズ６内部に設置し、励振回路３１、検波回路３２及び信号変換回路３３は、ガスタンク４外部の自由な位置に配置が可能である。励振回路３１、検波回路３２及び信号変換回路３３をガスタンク４外部に設置する場合は、例えば、ガイド５にガスタンク４の内外を貫く溝を設けて、その溝に配線を這わせてガスタンク４外部の励振回路３１、検波回路３２及び信号変換回路３３と、ガスタンク４内部のＦＰＣコイル２０とを接続する。

また、コイルパターンは周方向に４分割されており、隣り合うコイルパターンでは互いに逆向きに電流が流れるように構成されている。これにより、コイルパターンが発生する磁束の軸方向への染み出しを抑制することができる。磁束の軸方向への染み出しを抑制できれば、渦電流センサ３０の精度が向上する。

以上、本発明の実施の形態１では、ベローズ内のスペースを有効活用することができ、センサ配置のために新たに確保しなければならないスペースを抑制することができる。この効果は以下の実施の形態でも同様である。

また、ＦＰＣコイル２０は、ガイド５の外周に固定するだけであるので、取り付けが容易である。

また、渦電流センサ３０はＦＰＣコイル２０と、励振回路３１、検波回路３２、信号変換回路３３のみで構成されるため、低コストにセンサを設定できる。

また、磁束の軸方向への染み出しは渦電流センサ３０の位置感度を悪化させるため、コイルを分割して、隣り合うコイルは互いに逆向きに電流が流れるように構成することにより、磁束の軸方向への染み出しを抑制し、渦電流センサ３０の位置感度を向上させることができる。

また、コイルパターンを傾斜させることにより、ベローズの山谷構造の影響がセンサ出力に現れるのを抑制したため、直線性の良いセンサが得られる。

なお、図５では４つのコイルパターンをｓだけ傾けたが、別の傾け方をしてもよい。図１１は、本発明の実施の形態１におけるＦＰＣコイルの構成の別の例である。例えば、図１１のように隣り合うコイルパターン同士反対方向へ交互にｓずつ傾斜させても、ベローズの山谷構造の影響がセンサ出力に現れるのを抑制でき、直線性の良いセンサ出力が得られる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２を説明する。実施の形態２における開閉装置の構成は、実施の形態１における開閉装置の構成と基本的に同様であり、ＦＰＣコイル２０を巻き線コイル２５に置き換えた点で相違する。

図１２は、本発明の実施の形態２における巻き線コイルの形状の例である。実施の形態２で用いる巻き線コイル２５は、ガイド５の外周部の曲率に合わせた鞍型形状のコイルである。図１３は、この発明を実施するための実施の形態２を示す位置検出装置の可動軸に垂直な面の断面図である。

通常、実施の形態１で用いたようなＦＰＣコイルでは、基板への印刷精度などの問題から巻き数を多く取れない場合が多い。そこで実施の形態２は、感度を向上させるために、巻き線コイル２５によって、巻き数を増大させ、感度を向上させたものである。

このように、巻き線コイル２５を適用することによってコイル巻き数を増大させることにより、渦電流センサ３０の感度が上昇する。

また、渦電流センサ３０の感度上昇により、コイルを小型化でき、設置が容易になる。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３を説明する。実施の形態３における開閉装置の構成は、実施の形態１における開閉装置の構成と基本的に同様であり、ＦＰＣコイル２０を複数の巻き線コイル２５に置き換えた点で相違する。

図１４は、本発明の実施の形態３を示す位置検出装置の可動軸に垂直な面での断面図である。実施の形態３においては、巻き線コイル２５をガイド５の周方向に４個設置する。隣り合う巻き線コイル２５同士を互いに逆向きに電流が流れるように接続することにより、巻き線コイル２５が発生する磁束の、磁束の軸方向への染み出しを抑制し、コイルを直列に接続することにより感度を上昇させた。

このように、巻き線コイル２５の数を増やして直列に接続する事により、渦電流センサ３０の感度が向上する。

また、隣り合う巻き線コイル２５同士を互いに逆向きに電流が流れるように接続することにより、渦電流センサ３０の感度が上昇する。

実施の形態４．
次に、本発明の実施の形態４を説明する。実施の形態４における開閉装置の構成は、実施の形態１における開閉装置の構成と基本的に同様であり、ＦＰＣコイル２０を複数のＦＰＣコイル２６に置き換えた点で相違する。

図１５は、本発明の実施の形態４における複数のＦＰＣコイル２６の構成の例である。コイルパターンが印刷された４つのＦＰＣコイル２６ａ、２６ｂ、２６ｃ及び２６ｄを図１５中において上から順番に１つ当たりｓ／４ずつずらして配置したものである。これによりＦＰＣコイル２６ａとＦＰＣコイル２６ｄは合計ｓだけずれることになる。また、隣り合うＦＰＣコイル同士は互いに逆向きに電流が流れるように接続してある。

このように、複数のＦＰＣコイル２６を用いることで、ベローズ６の山谷ピッチが異なる形状であっても、ＦＰＣコイルの配置方法の変更で対応が可能となる。これにより、複数の規格の異なる機種に対して、同じＦＰＣコイルで対応することができ、コストを低減する事ができる。

なお、実施の形態４において、ＦＰＣコイルは、ＦＰＣコイルに印刷されたコイルパターンとほぼ同じ形状の巻き線コイルに置き換えてもよい。

また、隣り合うＦＰＣコイル同士を互いに逆向きに電流が流れるように接続することにより、渦電流センサ３０の感度が上昇する。

実施の形態５．
次に、本発明の実施の形態５を説明する。実施の形態５における開閉装置の構成は、実施の形態１における開閉装置の構成と基本的に同様であり、ＦＰＣコイル２０をＦＰＣコイル２７に置き換えた点で相違する。

図１６は、本発明の実施の形態５におけるＦＰＣコイル２７の構成の例である。ＦＰＣコイル２７の形状は長方形であり、その長手方向の長さがガイド５の円周長とほぼ同様である。ＦＰＣコイル２７には、ＦＰＣコイル２７の淵のすぐ内側に沿って、単一のコイルパターンのみが印刷されている。

このようなコイルが作る磁束の分布は、図１７のようになり、軸方向に大きく染み出す事になるが、ベローズの山谷構造がセンサ出力に現れる事を緩和することが可能となり、直線的なセンサ出力を得ることができる。

なお、実施の形態５において、ＦＰＣコイルは、ＦＰＣコイルに印刷されたコイルパターンとほぼ同じ形状の巻き線コイルに置き換えてもよい。

また、従来の遮断器においては、操作装置と操作対象である可動接点の間に、接圧バネが挿入されている。遮断器の性能を左右するのは、可動接点の動作速度であるが、実際にはセンサ配置上の制約から、操作装置側の操作速度を計測することになる。このため、接圧ばねの上流に設置された駆動装置側の操作速度と、接圧ばねの下流に設置されている可動接点部は等しいという推定を行なって速度を算出していた。

しかし、実際には接圧ばねの振動があるために、上述のような従来の遮断器においては可動接点の動作速度は正確には計測できなかった。

一方、この発明に係る実施の形態１〜５に係る開閉装置においては、ガスタンク内のベローズ内部に渦電流センサのコイルを設置したので、可動軸の動作を測定でき、可動接点の動作を従来より直接的に測定することが可能となる。

また、上述のような従来の遮断器で３相一括駆動方式の操作装置の場合では、操作対象となる可動接点が３つある事に対して、操作装置側の操作速度しか測定していなかったため、個別の可動接点の動作速度を知る事ができなかった。

一方、この発明に係る実施の形態１〜５に係る開閉装置においては、ガスタンク内のベローズ内部に渦電流センサのコイルを設置したので、各相ごとに個別の可動接点の速度を測定することが可能となる。

１操作装置、２駆動軸、３接圧ばね、４ガスタンク、５ガイド、６ベローズ、７絶縁ロッド、８可動軸、９主回路、１０真空バルブ、１１ベローズ、１２可動接点、１３固定接点、２０フィルム状のプリント基板コイル、２１ベースフィルム、２２プリントパターン、２３カバーフィルム、２５巻き線コイル、２６複数のフィルム状のプリント基板コイル、２７フィルム状のプリント基板コイル、３０渦電流センサ、３１励振回路、３２検波回路、３３信号変換回路。

Claims

タンク内に備えられストロークにより接触／離間する固定接点及び可動接点と、
前記可動接点に連結して前記可動接点とともにストロークする可動軸と、
前記可動軸のストロークに伴って伸縮し前記タンクの気密を保持するベローズと、
前記ベローズの内部に設置されるコイルを有し、前記ベローズの圧縮量を検出する渦電流センサと、
を備えたことを特徴とする開閉装置。
前記渦電流センサは、複数のコイルを有し、隣り合うコイルは互いに逆向きに電流が流れるように構成された請求項１に記載の開閉装置。
前記渦電流センサのコイルは、前記可動軸のストローク方向に傾けて設置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の開閉装置。
前記渦電流センサのコイルは、プリント基板に印刷されたものであることを特徴とする１乃至３のいずれか１項に記載の開閉装置。
前記渦電流センサのコイルは、巻き線コイルであることを特徴とする１乃至３のいずれか１項に記載の開閉装置。