以下、図示した実施例に基づいて本発明の遮断器システムを説明する。なお、各実施例において、同一構成部品には同符号を使用する。
図1乃至図4に、本発明の遮断器システムの実施例1を示す。該図は、電動機30を用いた遮断器100についての例である。
図1に示す如く、本実施例の遮断器システムにおける電動機30を用いた遮断器100は、電動機30を駆動源とする操作器ユニット90と、固定及び可動接触子等から成る遮断部20と、電動機30と遮断部20を互いに接続する連結部2とで概略構成されている。
連結部2は、例えば、絶縁材や金属材を加工して製作され、電動機30は、電力変換器50で駆動される。電力変換器50は制御部60で制御され、電力変換器50と制御部60は信号線8で接続されている。制御部60は、信号線8を介して電動機30を任意の速度と力で動作させる指令を電力変換器50に命令できる。電力変換器50は、制御部60の指令に応じて、直流電力を任意の周波数と振幅の交流電力に変換し、電力線4を介して電動機30に交流電力を供給できる。電力線4の本数は、用途に応じて任意に決められ、本実施例では、3相交流電流を通じるため3本としている。
遮断部20と電動機30は、連結部2を介して互いの可動部品(例えば、遮断部20の絶縁ロッドとリニアモータの可動部)を連結している。このため、遮断部20は、電動機30の動作に応じて直線動作する。電動機30の動作中の電流波形は、電流の大きさを検出するプローブ6を介し、測定部である測定器40によって測定される。測定器40は、例えば、オシロスコープやデータロガーである。
測定器40が測定した電動機30の動作時の電流測定値は、信号線10を介して演算部70に伝達され、演算部70は、電流測定値を記録するための内部記録装置(図示せず)を有し、記録された測定値を後述する方式に従って分析計算することが可能である。
次に、上記のように構成した遮断器100の遮断時の動作について説明する。
通常、電力系統の状態が正常である場合、遮断部20には送電線を通じて電力系統の電流が流れている。一方、電力系統に異常が発生して事故電流が流れると、遮断器100は、事故電流を検出し、遮断部20の固定接触子と可動接触子を電気的に開放(開極)状態とするための動作を行う。この際、本実施例においては、電動機30が動作することで遮断部20が直線動作し、固定接触子と可動接触子が開極状態となる。
図2に、上述した遮断部20における固定接触子と可動接触子の開極動作位置Sと動作速度Vの変化を示す。
該図において、遮断部20は、開極動作時に投入位置Cから遮断位置Oに移動するが、電動機30への動作指令後、時刻TSにて遮断部20が遮断動作を開始する。遮断部20は、予め設定された距離まで移動すると時刻TOで開極位置SOに達する。開極位置SOから遮断位置Oまでは、事故電流による絶縁破壊が発生しない距離を保ちつつ移動し、時刻TEに遮断位置Oに到達したら、遮断動作を停止する。一方で、遮断部20の動作速度Vは、時刻TMで最高速度VTとなる。このため、遮断部20は、時刻TSから時刻TMまで加速動作となり、時刻TMから時刻TEまで減速動作となる。
次に、電流測定値を利用した電動機30における加速時間の推定方法について説明する。
図3に、遮断部20と電動機30の動作位置S及び動作速度Vが同期している場合の3相電流波形を示す。図中に示す横軸は時間を示し、I1、I2及びI3は、それぞれ相電流の波形を示す。
図1に示した演算部70は、数値データとして各相電流値I1、I2、I3の大きさと時間を内部記録装置に蓄積できる。演算部70は、各相電流値I1、I2、I3の絶対値を計算し、更に、各相電流絶対値の総和IAを計算する。本実施例では、3相電流のため、計算式はIA=|I1|+|I2|+|I3|となる。
ただし、各相電流絶対値の総和IAの計算方法は、上記した計算式に限らない。例えば、各相電流が平衡している場合、単純な総和は零となるため、ある相の電流値を他相の電流値の和の負数として算定することも可能である。また、任意の相数に対しても、各相電流絶対値の総和IAが各相電流の絶対値の総和となることは変わらない。
図4は、上述した各相電流絶対値の総和IAの波形を示す。
該図の各相電流絶対値の総和IAの波形が示すように、各相電流絶対値の総和IAは、時刻TSと時刻TM及び時刻TEにおいて、大きさが零に近づいている。このため、時刻TSと時刻TMの時刻差分を演算部70で計算することで、電動機30及び遮断部20の加速動作中の時間である加速時間を算定することが可能である。
本実施例においては、予め設定している任意の閾値ITと上述した各相電流絶対値の総和IAを比較し、この各相電流絶対値の総和IAが閾値ITを第1に上回った点を時刻T1とし、各相電流絶対値の総和IAが閾値ITを第2に上回った点を時刻T2とする。閾値ITは、0〜最大電流値IMの範囲で任意である。時刻T1と時刻T2の差分を、演算部70で計算することで加速時間が決定できる。
本実施例における異常判定方法について、以下に説明する。
先ず、上述した演算部70において、信号線10を通じて入力された各相電流値に対し、上記の計算式(IA=|I1|+|I2|+|I3|)を用いて加速時間を算定する。ここで算定された加速時間と、演算部70に予め設定した判定値(閾値)とを演算部70で比較し、加速時間が判定値を逸脱した場合(加速時間が判定値より大きい場合又は加速時間が判定値より小さい場合)に、遮断器100の動作が異常であると判定する。
ここで、上述した判定値は、電動機30を用いた遮断器100の構成における加速時間の平均値を中心値TCとして、同構成の加速時間のばらつきTDとの差と和によって算定される。即ち、判定値の上限THは、TH=TC+TDとなる。また、判定値の下限TLは、TL=TC−TDとなる。
なお、加速時間の中心値TC及び加速時間のばらつきTDは、操作器ユニット90に対する負荷が変動しない限り一定であり、同一条件において動作試験を繰り返すことで、実験結果の分析から得ることが可能である。
本実施例での演算部70は、異常を判定した場合、表示や音声によって異常状態を報知したり、或いは表示や音声によって外部に情報を報知する機能をもった機器に、異常状態の判定結果を出力する機能を有する。更に、演算部70は、異常判定の結果を内部記録装置の容量内に収まる限り、任意に蓄積し続けることが可能である。また、演算部70に記録された情報はいつでも自由に出力することが可能である。
このような本実施例の構成とすることにより、電動機30を用いた遮断器100の導入時や運用時にその健全性を診断することが可能であり、遮断器100が組み込まれるシステム全体の動作信頼性を改善することが可能である。また、異常判定データの履歴から、機器の故障要因や劣化具合を検討することができ、メンテンナンスの簡素化や頻度の減少による運用コストの低下に効果がある。
従って、本実施例によれば、遮断器100の導入時や運用時に遮断器の健全性を診断し、診断データから遮断器100の構成要素の異常を報知できる。
なお、本実施例で説明した示した異常判定は、遮断部20の遮断時の動作に関して述べたが、遮断部20の投入時の動作に関しても同様の方法で適用可能であることは言うまでもない。
図5及び図6に、本発明の遮断器システムの実施例2を示す。
該図に示す本実施例の遮断器システムにおける電動機30を用いた遮断器200は、その構成は実施例1と略同様なので、ここでの詳細説明は省略する。
該図に示す本実施例では、実施例1に示した電動機30を用いた遮断器100と略同様な構成であるが、図1に示した操作器ユニット90において、電動機30と電力変換器50の間に測定部である電流検出器80を設け、この電流検出器80で検出した各相電流の大きさを制御部60に伝達する信号経路82を有している。制御部60には、信号線10を介して演算器70が接続される。つまり、電流検出器80は、制御部60を介して演算部70に接続されている。
そして、演算部70と制御部60では、各相電流測定値などの情報信号の少なくとも一方を入出力可能であり、演算部70では入力された情報信号の少なくとも一方から電動機30を用いた遮断器200の異常判定が可能である。
即ち、本実施例では、電流検出器80が遮断器200の遮断及び投入指令時に電動機30に供給される電流の大きさを測定し、演算部70は入力された電流の情報信号の少なくとも一方から電動機30の動作状態における電流値に応じて求められた加速動作中の加速時間を計算すると共に、この加速時間と予め設定した判定値とを演算部70で比較し、演算部70では、加速時間が予め設定した判定値を逸脱した場合(加速時間が判定値より大きい場合又は加速時間が判定値より小さい場合)には、遮断器200の動作が異常と判定するものである。
一般的な電動機の電流制御においては、制御器の指令によって電流が定まり、電流の検出値を制御器に帰還させ、電流の帰還値によって次の指令を決定する方式が用いられている。つまり、本実施例で説明した演算部70を除く構成は広く用いられており、そのような構成に演算部70を接続することで、異常判定機能を有した操作器ユニット92が簡易に実現できる。
また、制御部60において、電動機30の電流をトルク或いは推力に寄与するq軸電流成分と、それに直交するd軸電流成分に分離して制御するベクトル制御が用いられる場合、q軸電流成分の絶対値IQAと各相電流の絶対値の総和IAは、図6に示すように、時刻TS、時刻TM、時刻TEでは、零に近づく点において同様な波形となる。このため、実施例1と同様に、閾値ITとの比較により、絶対値IQAから加速時間を算定し、異常判定が可能である。
このような本実施例の構成によれば、実施例1と同様な効果が得られることは勿論、演算部70以外は既存の構成を採用しているので、新規に測定器や電流検出器を付加する必要がないため、異常判定機能を有した遮断器200を実施例1に比べて安価に構成可能である。更に、q軸電流成分の絶対値IQAを利用することで、演算部70による各相電流の計算に必要な計算負荷を低減できるため有用である。
図7に、本発明の遮断器システムの実施例2を示す。
該図に示す本実施例の遮断器システムにおける電動機30を用いた遮断器300は、その構成は実施例1と略同様なので、ここでの詳細説明は省略する。
該図に示す本実施例では、実施例1に示した電動機30を用いた遮断器100と略同様な構成であるが、図1に示した操作器ユニット90において、電動機30と電力変換器50の間に電流検出器80を設け、この電流検出器80で検出した各相電流の大きさを、信号経路84を介して、制御部60と演算部70に伝達する構成である。つまり、電流検出器80は制御部60と演算部70に別々に接続され、電流検出器80で検出した各相電流の大きさは、信号経路84を介して、制御部60と演算部70に独立して伝達される構成である。
そして、演算部70と制御部60では、各相電流測定値などの情報信号の少なくとも一方を入出力可能であり、演算部70では入力された情報信号の少なくとも一方から電動機30を用いた遮断器300の異常判定が可能である。
即ち、本実施例では、電流検出器80が遮断器300の遮断及び投入指令時に電動機30に供給される電流の大きさを測定し、演算部70は入力された電流の情報信号の少なくとも一方から電動機30の動作状態における電流値に応じて求められた加速動作中の加速時間を計算すると共に、この加速時間と予め設定した判定値とを演算部70で比較し、演算部70では、加速時間が予め設定した判定値を逸脱した場合(加速時間が判定値より大きい場合又は加速時間が判定値より小さい場合)には、遮断器300の動作が異常と判定するものである。
このような本実施例の構成によれば、実施例1と同様な効果が得られることは勿論、操作器ユニット94の運用時に、制御部60が故障した場合であっても、演算部70が独立しているため、電流検出器80で検出した各相電流の大きさから異常判定が可能である。これにより、電動機30を用いた遮断器300の動作信頼性が向上する。また、このような構成であれば、言うまでもなく制御部60の故障についても、電流の異常指令が発生することから、同様な方式で加速時間を算定し、異常判定が可能である。
図8に、本発明の遮断器システムの実施例4として、電動機30を用いた遮断器400における電動機30と遮断部20の連結構成の詳細を示す。
該図に示す本実施例は、電動機30としてリニアモータを用いた例である。
以下、電動機30としてリニアモータを用いた例の電動機30と遮断部20の連結構成の詳細について説明する。
図8に示す如く、電動機(リニアモータ)30は、可動子ユニット32と固定子ユニット34で構成され、可動子ユニット32は、静磁場を発生する界磁である永久磁石を内蔵し、固定子ユニット34は、磁性体で構成された磁束の経路と電力変換器50から供給される交流電力を通電するためのコイルを内蔵している。
本実施例の電動機(リニアモータ)30において、可動子ユニット32は、固定子ユニット34の作る磁界の影響を受けて動作し、可動子ユニット32と固定子ユニット34は相対的に直線運動するものであり、この時の電動機(リニアモータ)30の駆動方向はZ方向である。
また、固定子ユニット34には、可動子ユニット32の相対的な位置の変化を検出する位置センサ86(実施例1の測定器40に相当)が備えられ、可動子ユニット32には、可動子に作用する力を計測する推力センサ88(実施例1の測定器40に相当)が備えられている。位置センサ86及び推力センサ88の検出情報は、図1に示す演算部70及び制御部60に伝達される。
一方、遮断部20は、内部にSF6ガスを充填させた密閉金属容器26内に、密閉金属容器26と相対的に固定された固定側電極24と、この固定側電極24と対向配置された可動側電極22と、固定側電極24と接触する可動側接触子28とを備えており、固定側電極24と可動側電極22とは、可動側接触子28を介して電力系統に接続された高電圧導体150から交流電力が通電される。
電動機(リニアモータ)30と遮断部20とを接続する連結部2は、密閉金属容器26に設けられた直線シール21を通過して、可動子ユニット32と可動側接触子28に固定されている。直線シール21は、密閉金属容器26内のSF6ガスを容器外に漏洩することを防止するため、可動子ユニット32が連結部2を通して、可動側接触子28をZ方向へ動作させる際も密閉金属容器26の密閉性は保たれる。
次に、本実施例における加速時間の算定方法について説明する。
電動機(リニアモータ)30が動作した際、位置センサ86の検出情報である遮断部20の動作位置S(図2参照)からは、動作距離全体にわたる時間差分をとることで、動作速度Vを計算することができる。更に、動作速度Vの時間差分をとることで、動作加速度Aを計算することができる。動作加速度Aの動作時間に対する絶対値は、図4に示すような波形となる。このため、動作加速度Aと任意の閾値ATと比較することで、加速時間を得ることができる。
また、電動機(リニアモータ)30が動作した際、推力センサ88の検出情報である動作力Fからは、可動部質量Mを可動子ユニット32と、可動子ユニット32に固定された部品の質量の総和とすると、動作力Fを可動部質量Mで除することにより、動作加速度Aを計算することができる。動作加速度Aの動作時間に対する絶対値は、図4に示すような波形となる。このため、動作加速度Aと任意の閾値ATと比較することで、加速時間を得ることができる。
なお、本実施例における異常判定方法は、実施例1で説明した内容と略同様である。
このような本実施例の構成によれば、電動機30がリニアモータであるため、遮断部20と動作方向が同一となり、回転モータを電動機30として扱う場合と比べて、回転並進変換が不要となるため、連結部2の機構が簡単である。また、機構が単純になり部品点数が減少するため、遮断器全体の信頼性とメンテナンス性が向上する。
また、様々なセンサから加速時間を得ることができるため、仮に一つのセンサに動作不良が発生した場合であっても、他のセンサを利用した異常判定が可能になるため、故障に対するシステムの冗長性が向上する。
上述した実施例では、電動機30がリニアモータである例について説明したが、電動機30が、回転運動を直線運動に変換する回転並進交換機構であっても構わない。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。即ち、上記した実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。