JP5677145B2 - 直流遮断器 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、直流遮断器に関する。

一般に、電気鉄道用き電回路のような直流回路に、直流遮断器が設けられている。直流遮断器は、直列に接続された主遮断器及び副遮断器を有している。副遮断器は直流回路の直流電源の電源側に設けられ、主遮断器は直流回路の負荷側に設けられている。直流遮断器は、事故電流や通電電流などを遮断するものである。

主遮断器には、事故電流遮断時に系統に蓄えられたエネルギを吸収するエネルギ吸収素子と転流回路とが並列に接続されている。転流回路は、直列に接続された転流コンデンサ、転流リアクトル及び転流スイッチを有している。

直流回路に流れる電流を遮断する場合は、主遮断器を開極（ＯＦＦ）し、転流スイッチを閉じて（ＯＮして）転流コンデンサが放電し、主遮断器に流れる電流（直流回路に流れる電流）と逆方向の転流電流を通電する。これにより、主遮断器に流れる電流を０にして遮断することができる。主遮断器に流れる電流が０となると、主遮断器に並列に接続されたエネルギ吸収素子を電流が流れるため、電流は減衰される。
一方、副遮断器は、転流スイッチを閉じた後に開極（ＯＦＦ）し、電源側から負荷側に流れる電流が減衰し０となると、遮断が完了する。

主遮断器は、主真空バルブと、主真空バルブの中に密封された開閉電極とを含んだ主遮断部を有している。副遮断器は、副真空バルブと、副真空バルブの中に密封された開閉電極とを含んだ副遮断部を有している。主真空バルブ及び副真空バルブは、隣合って設けられている。

主遮断器は、事故電流遮断の場合は高速開極機構により、また、負荷電流遮断や無負荷開極の際は主遮断器通常操作機構により、開極される（ＯＦＦ）。副遮断器は、副遮断器通常操作機構により、開極（ＯＦＦ）／閉極（ＯＮ）される。

特許第４３５７５０５号公報

ところで、上記直流遮断器において、事故が発生した際の遮断電流は、隣合う主真空バルブ及び副真空バルブの中の開閉電極に真空アーク放電を生起させることになる。このため、主真空バルブの中の開閉電極での真空アーク放電と、副真空バルブの中の開閉電極での真空アーク放電と、の両方から、大きな電磁力が発生することになる。

これにより、主遮断器、副遮断器、これらを支える構造物等は、上記の電磁力に耐えられる機械的強度を有する必要がある。
さらに、主真空バルブの中の開閉電極での真空アーク放電から発生する電磁力が副真空バルブの中の開閉電極での真空アーク放電に働き、また、副真空バルブの中の開閉電極での真空アーク放電から発生する電磁力が主真空バルブの中の開閉電極での真空アーク放電に働くことになる。必要な遮断性能を得るため、主遮断器及び副遮断器の開閉電極のサイズを大きくする必要がある。

この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、主遮断器及び副遮断器間に作用する電磁力を低減することができ、主遮断部及び副遮断部のサイズの大型化を抑制することができる直流遮断器を提供することにある。

一実施形態に係る直流遮断器は、
軸方向に沿った真空アーク放電を遮断可能な主遮断部を有した主遮断器と、
前記軸方向に沿った真空アーク放電を遮断可能な副遮断部を有し、前記主遮断器に直列に接続された副遮断器と、
前記主遮断器に並列に接続された転流回路と、
前記主遮断器に並列に接続されたエネルギ吸収素子と、を備え、
前記主遮断部と、前記副遮断部とは、前記軸方向に完全にずれて位置していることを特徴としている。

図１は、一実施形態に係る直流遮断器を含む電気鉄道用き電回路を示す概略構成図である。 図２は、上記直流遮断器を示すブロック図である。 図３は、上記実施形態に係る実施例１の直流遮断器の一部を示す側面図である。 図４は、上記実施形態に係る実施例３の直流遮断器の一部を示す側面図である。 図５は、上記実施形態に係る実施例４の直流遮断器の一部を示す上面図である。 図６は、上記実施形態に係る実施例５の直流遮断器の一部を示す上面図である。 図７は、上記実施形態に係る実施例６の直流遮断器の一部を示す上面図である。 図８は、上記実施形態に係る直流遮断器の動作を説明するための図であり、時間に対する直流遮断器を流れる電流の値の変化をグラフで示した図である。

以下、図面を参照しながら一実施形態に係る直流遮断器について詳細に説明する。この実施形態において、直流遮断器が、直流回路としての電気鉄道用き電回路に設けられている場合について説明する。

図１に示すように、電気鉄道用き電回路は、直流遮断器２０を備えている他、直流電源である電源２１、及び負荷２２を備えている。直流遮断器２０は、電源２１及び負荷２２とともに直列に接続されている。この実施形態において、負荷２２は、車両本体、パンタグラフ及び車輪等を有した電気車両である。直流遮断器２０は、架線２３等を介して負荷２２のパンタグラフに電気的に接続されている。電源２１は、レール２４等を介してレール２４に接した負荷２２の車輪に電気的に接続されている。

図２に示すように、直流遮断器２０は、主遮断器１２と、副遮断器１３と、エネルギ吸収素子１４と、転流回路１５と、高速開極機構３と、主遮断器１２用の通常操作機構４と、副遮断器１３用の通常操作機構５と、を備えている。

主遮断器１２及び副遮断器１３は、直列に接続されている。また、主遮断器１２は負荷２２側に接続され、副遮断器１３は電源２１側に接続されている。エネルギ吸収素子１４は、主遮断器１２に並列に接続されている。この実施形態において、エネルギ吸収素子１４は、抵抗で形成されている。転流回路１５は、転流スイッチ１６、転流コンデンサ１７及び転流リアクトル１８を有している。転流スイッチ１６、転流コンデンサ１７及び転流リアクトル１８は、直列に接続されている。転流コンデンサ１７は、図示しない充電装置により、所定の電圧に充電されている。

次に、この実施形態に係る実施例１乃至実施例の直流遮断器２０について説明する。
（実施例１）
図２及び図３に示すように、主遮断器１２は、主真空バルブ１と、主真空バルブ１の中に密封された固定電極及び可動電極とを有している。固定電極及び可動電極は、これらが対向した軸方向に沿って生起される真空アーク放電を遮断可能な主遮断部を形成している。この実施形態において、軸方向は第１方向Ｚである。

副遮断器１３は、副真空バルブ２と、副真空バルブ２の中に密封された固定電極及び可動電極とを有している。固定電極及び可動電極は、これらが対向した軸方向（第１方向Ｚ）に沿って生起される真空アーク放電を遮断可能な副遮断部を形成している。

主遮断器１２において、固定電極には第１接続導体３１が接続され、可動電極には第２接続導体３２が接続されている。副遮断器１３において、固定電極には第３接続導体３３が接続され、可動電極には第４接続導体３４が接続されている。第４接続導体３４は、可動電極に接続された第１導体３４ａと、第１導体３４ａに接続された第２導体３４ｂとを含んでいる。

第１乃至第４接続導体３１乃至３４は、剛性の高いものである。この実施形態において、第１接続導体３１、第３接続導体３３及び第２導体３４ｂは銅板で形成され、第２接続導体３２及び第１導体３４ａは、銅製のシャフトで形成されている。
第１接続導体３１には第１コネクタ６が接続され、第４接続導体３４（第２導体３４ｂ）には第２コネクタ７が接続されている。

この実施形態において、第１中継導体８及び第２中継導体９は、主遮断器１２に、エネルギ吸収素子１４及び転流回路１５の両方を並列に接続するためのものである。第１中継導体８は第１接続導体３１に接続され、第２中継導体９は第３接続導体３３に接続されている。

なお、第１中継導体８及び第２中継導体９は、主遮断器１２に、エネルギ吸収素子１４及び転流回路１５の一方を並列に接続するためのものであってもよい。この場合、エネルギ吸収素子１４及び転流回路１５の他方は、別の中継導体を用いて主遮断器１２に並列に接続されていてもよい。

高速開極機構３及び通常操作機構４は、第２接続導体３２を可動させることにより、主遮断器１２の可動電極を開極（ＯＦＦ）位置及び閉極（ＯＮ）位置に切替え可能である。通常操作機構５は、第４接続導体３４（第１導体３４ａ）を可動させることにより、副遮断器１３の可動電極を開極（ＯＦＦ）位置及び閉極（ＯＮ）位置に切替え可能である。

主遮断器１２の主遮断部と、副遮断器１３の副遮断部とは、軸方向（第１方向Ｚ）に添って互いにずれて位置している。この実施形態において、主遮断器１２の主遮断部と、副遮断器１３の副遮断部とは、軸方向（第１方向Ｚ）に直交した方向に延在した第３接続導体３３を挟んで上下に位置しているため、軸方向（第１方向Ｚ）に完全にずれて位置しているということができる。
なお、直流遮断器２０による、事故が発生した際の遮断電流１０の遮断方法については後述する。

（実施例２）
図２及び図３に示すように、主遮断器１２の可動電極は、スライドコンタクト又はフレキシブルコンタクトを介して第２接続導体３２に接続されている。同様に、副遮断器１３の可動電極も、スライドコンタクト又はフレキシブルコンタクトを介して第４接続導体３４（第１導体３４ａ）に接続されている。
上記した他、実施例２の直流遮断器２０は、上記実施例１の直流遮断器２０と同様に形成されている。

（実施例３）
図２及び図４に示すように、第１中継導体８及び第２中継導体９は、第１接続導体３１及び第２接続導体３２の間に位置し、互いに平行に延在している。エネルギ吸収素子１４に電流１１が流れる際、第１中継導体８に流れる電流１１の向きと、第２中継導体９に流れる電流１１の向きとは、反平行となる。
上記した他、実施例３の直流遮断器２０は、上記実施例２の直流遮断器２０と同様に形成されている。

（実施例４）
図２及び図５に示すように、第１コネクタ６は、軸方向（第１方向Ｚ）に直交した接続方向に接続可能である。同様に、第２コネクタ７も接続方向に接続可能である。この実施形態において、接続方向は第２方向Ｙである。

第１接続導体３１、第３接続導体３３、第２導体３４ｂ、第１中継導体８及び第２中継導体９は、接続方向（第２方向Ｙ）に平行に延在している。なお、第１中継導体８及び第２中継導体９のそれぞれのコネクタも、接続方向に接続可能である。

主遮断器１２（主真空バルブ１）及び副遮断器１３（副真空バルブ２）は、接続方向（第２方向Ｙ）及び軸方向（第１方向Ｚ）に直交した方向（第３方向Ｘ）にずれて位置している。
上記した他、実施例４の直流遮断器２０は、上記実施例３の直流遮断器２０と同様に形成されている。

（実施例５）
図２及び図６に示すように、主遮断器１２（主真空バルブ１）及び副遮断器１３（副真空バルブ２）は、接続方向（第２方向Ｙ）にずれて位置している。
上記した他、実施例５の直流遮断器２０は、上記実施例４の直流遮断器２０と同様に形成されている。

（実施例６）
図２及び図７に示すように、主遮断器１２（主真空バルブ１）及び副遮断器１３（副真空バルブ２）は、軸方向（第１方向Ｚ）に直交した方向において、第３方向Ｘ及び接続方向（第２方向Ｙ）から傾斜した方向にずれて位置している。

上記した他、実施例６の直流遮断器２０は、上記実施例４の直流遮断器２０と同様に形成されている。

次に、事故の発生により電気鉄道用き電回路に事故電流が発生した際に、この実施形態の直流遮断器２０を用いることにより、主遮断器１２及び副遮断器１３に流れる遮断電流１０を遮断する方法について説明する。
図１、図２、図３、図及び図８に示すように、電気鉄道用き電回路に過大な事故電流が流れた場合、タイミングｔ１において、図示しない制御部から高速開極機構３に制御信号が与えられることにより、高速開極機構３は主遮断器１２の可動電極を開極位置に切替えることができる。

その後、タイミングｔ２において、上記制御部から転流スイッチ１６に制御信号が与えられ、転流スイッチ１６はＯＮに切替えられる。転流コンデンサ１７は、放電を開始し、主遮断器１２に流れる電流（電気鉄道用き電回路に流れる電流）と逆方向の転流電流を通電する。これにより、その後のタイミングｔ３において、主遮断器１２に流れる第１電流（遮断電流）を０にして遮断することができる。主遮断器１２に流れる第１電流が０となると、主遮断器１２に並列に接続されたエネルギ吸収素子１４を電流１１が流れるため、電流は減衰されることとなる。

一方、転流スイッチ１６がＯＮに切替えられた後、上記制御部から通常操作機構５に制御信号が与えられることにより、通常操作機構５は副遮断器１３の可動電極を開極位置に切替えることができる。エネルギ吸収素子１４の作用により、副遮断器１３に流れる第２電流（遮断電流）は減衰するため、タイミングｔ４において、副遮断器１３に流れる第２電流を０にして遮断することができる。
上記のように、主遮断器１２及び副遮断器１３に流れる遮断電流１０の遮断が完了する。

以上のように構成された一実施形態に係る直流遮断器２０によれば、直流遮断器２０は、主遮断器１２と、副遮断器１３と、エネルギ吸収素子１４と、転流回路１５とを備えている。主遮断器１２は、軸方向に沿った真空アーク放電を遮断可能な主遮断部を有している。副遮断器１３は、軸方向に沿った真空アーク放電を遮断可能な副遮断部を有し、主遮断器１２に直列に接続されている。エネルギ吸収素子１４及び転流回路１５は、主遮断器１２に並列に接続されている。

（１）実施例１乃至実施例６において、主遮断器１２の主遮断部と、副遮断器１３の副遮断部とは、軸方向（第１方向Ｚ）に添って互いにずれて位置している。主遮断器１２の主遮断部と、副遮断器１３の副遮断部とは隣合って位置していないため、事故が発生した際に主遮断器１２から副遮断器１３に与える電磁力の影響を低減することができ、逆もまた同様に、副遮断器１３から主遮断器１２に与える電磁力の影響を低減することができる。

これにより、主遮断器１２や副遮断器１３等が破壊されたり、振動してしまったりすることを低減することができ、直流遮断器２０の安定した動作を確保することができる。しかも、直流遮断器２０の大幅な改造無しに、必要な機械的強度を低減することができる。

さらに、主遮断器１２からの電磁力が副遮断器１３での真空アーク放電に働くこと、及び副遮断器１３からの電磁力が主遮断器１２での真空アーク放電に働くこと、を低減することができる。このため、主遮断器１２及び副遮断器１３の固定電極及び可動電極のサイズの大型化を抑制することができる。

（２）実施例２乃至実施例６において、主遮断器１２の可動電極は、スライドコンタクト又はフレキシブルコンタクトを介して第２接続導体３２に接続されている。このため、
開極／閉極時等に、主遮断器１２から副遮断器１３に、及び副遮断器１３から主遮断器１２に、振動を伝わりにくくすることができる。そのため、必要な機械的強度を、一層、低減することができる。

（３）実施例３乃至実施例６において、第１中継導体８に流れる電流１１の向きと、第２中継導体９に流れる電流１１の向きとを、反平行とすることができる。第１中継導体８に流れる電流１１が生起する電磁力と、第２中継導体９に流れる電流１１が生起する電磁力とは、互いに相殺されるため、副遮断器１３に働く電磁力を一層低減することができる。

（４）実施例４では接続方向（第２方向Ｙ）の、実施例５では第３方向Ｘの、サイズを縮小することができるため、直流遮断器２０の小型化を図ることができる。

上記のことから、主遮断器１２及び副遮断器１３間に作用する電磁力を低減することができ、主遮断部及び副遮断部のサイズの大型化を抑制することができる直流遮断器２０を得ることができる。

なお、この発明は上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施例にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

例えば、主遮断器１２及び副遮断器１３は、軸方向に沿って位置していてもよい。
主遮断器１２及び副遮断器１３間の接続のため、第２接続導体３２に第３接続導体３３が接続されているが、これに限定されるものではなく、種々変形可能であり、例えば、第４接続導体３４に第１接続導体３１が接続されていてもよい。

上記直流遮断器は、上記電気鉄道用き電回路に限らず、各種の直流回路に適用可能である。
本発明は、上記直流遮断器に限らず、各種の直流遮断器に適用可能である。

１…主真空バルブ、２…副真空バルブ、３…高速開極機構、４…通常操作機構、５…通常操作機構、６…第１コネクタ、７…第２コネクタ、８…第１中継導体、９…第２中継導体、１０…遮断電流、１１…電流、１２…主遮断器、１３…副遮断器、１４…エネルギ吸収素子、１５…転流回路、１６…転流スイッチ、１７…転流コンデンサ、１８…転流リアクトル、２０…直流遮断器、３１…第１接続導体、３２…第２接続導体、３３…第３接続導体、３４…第４接続導体、３４ａ…第１導体、３４ｂ…第２導体、Ｚ…第１方向、Ｙ…第２方向、Ｘ…第３方向。

Claims (6)

1. 軸方向に沿った真空アーク放電を遮断可能な主遮断部を有した主遮断器と、
   前記軸方向に沿った真空アーク放電を遮断可能な副遮断部を有し、前記主遮断器に直列に接続された副遮断器と、
   前記主遮断器に並列に接続された転流回路と、
   前記主遮断器に並列に接続されたエネルギ吸収素子と、を備え、
   前記主遮断部と、前記副遮断部とは、前記軸方向に完全にずれて位置していることを特徴とする直流遮断器。
2. 前記主遮断部を形成する固定電極に接続された第１接続導体と、
   前記主遮断部を形成する可動電極に接続された第２接続導体と、
   前記副遮断部を形成する固定電極に接続された第３接続導体と、
   前記副遮断部を形成する可動電極に接続された第４接続導体と、をさらに備え、
   前記第２接続導体に前記第３接続導体が接続され、又は前記第４接続導体に前記第１接続導体が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の直流遮断器。
3. 前記主遮断部を形成する固定電極に接続された第１接続導体と、
   前記主遮断部を形成する可動電極に接続された第２接続導体と、
   前記主遮断器に、前記転流回路を並列に接続するための、前記エネルギ吸収素子を並列に接続するための、又は前記転流回路及びエネルギ吸収素子の両方を並列に接続するための第１中継導体及び第２中継導体と、をさらに備え、
   前記第１中継導体及び第２中継導体は、前記第１接続導体及び第２接続導体の間に位置し、互いに平行に延在していることを特徴とする請求項１に記載の直流遮断器。
4. 前記主遮断部を形成する固定電極に接続された第１接続導体と、
   前記主遮断部を形成する可動電極に接続された第２接続導体と、
   前記副遮断部を形成する固定電極に接続された第３接続導体と、
   前記副遮断部を形成する可動電極に接続された第４接続導体と、
   前記第１接続導体又は第２接続導体に接続され、接続方向に接続可能な第１コネクタと、
   前記第３接続導体又は第４接続導体に接続され、前記接続方向に接続可能な第２コネクタと、をさらに備え、
   前記主遮断器及び副遮断器は、前記接続方向及び軸方向に直交した方向にずれて位置していることを特徴とする請求項１に記載の直流遮断器。
5. 前記主遮断部を形成する固定電極に接続された第１接続導体と、
   前記主遮断部を形成する可動電極に接続された第２接続導体と、
   前記副遮断部を形成する固定電極に接続された第３接続導体と、
   前記副遮断部を形成する可動電極に接続された第４接続導体と、
   前記第１接続導体又は第２接続導体に接続され、接続方向に接続可能な第１コネクタと、
   前記第３接続導体又は第４接続導体に接続され、前記接続方向に接続可能な第２コネクタと、をさらに備え、
   前記主遮断器及び副遮断器は、前記接続方向にずれて位置していることを特徴とする請求項１に記載の直流遮断器。
6. 前記主遮断部を形成する固定電極に接続された第１接続導体と、
   前記主遮断部を形成する可動電極に接続された第２接続導体と、
   前記副遮断部を形成する固定電極に接続された第３接続導体と、
   前記副遮断部を形成する可動電極に接続された第４接続導体と、
   前記第１接続導体又は第２接続導体に接続され、接続方向に接続可能な第１コネクタと、
   前記第３接続導体又は第４接続導体に接続され、前記接続方向に接続可能な第２コネクタと、をさらに備え、
   前記主遮断器及び副遮断器は、前記軸方向に直交した方向において、前記接続方向及び軸方向に直交した方向並びに前記接続方向、から傾斜した方向にずれて位置していることを特徴とする請求項１に記載の直流遮断器。

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