JP6951201B2 - 開閉器ユニット及びこれを用いた鉄道車両 - Google Patents

Description

本発明は、開閉器ユニット及びこれを用いた鉄道車両に関する。

鉄道車両には、負荷電流や事故電流から使用機器を保護するための開閉器ユニットが設置されている。開閉器ユニットにおいては、負荷電流や事故電流を感知すると、操作機構によって電極が開となり、電流が遮断される。

開閉器ユニットには、開閉器をエポキシ樹脂硬化物等のモールド樹脂で覆い、その後、硬化させた固体絶縁方式を採用したものがある。固体絶縁方式は、絶縁媒体に樹脂を用いることから、ガス絶縁や油絶縁で必要とされる絶縁媒体を密閉するタンクが不要となり、開閉器ユニットを小さくすることができる。また、固体絶縁方式は、絶縁媒体の漏洩対策が不要であり、絶縁媒体の漏洩に対する保守点検を省くこともできる。

開閉器ユニットは、開閉器を覆っているモールド樹脂硬化物の表面を、導電体で被覆した表面接地構造と、導電体で被覆していない表面非接地構造と、に分類される。表面接地構造とした場合、保守点検時における作業者の感電を防ぐことができる。

特許文献１には、金属容器と絶縁容器と封着部材とで構成された真空容器と、固定電極に対向配置された可動電極を支持する可動軸が絶縁部材を介して連結された操作機構の操作棒と、を含み、エポキシ樹脂等により形成されたモールド絶縁体の表面に導電部材を設けた構成を有し、導電部材は、アルミニウム、亜鉛等の金属溶射又は導電性塗料の塗布により形成したものであり、操作棒及び導電部材は、接地された構成を有する、複合絶縁スイッチギヤが開示されている。

特開２００５−１９７１２８号公報

鉄道車両は、屋外を走行するため、気温の変化が大きい。このため、鉄道車両に設置される開閉器ユニットには、熱ストレス対策が必要となる。

特許文献１に記載の複合絶縁スイッチギヤにおいては、モールド絶縁体と操作機構との間に隙間があり、金属製の封着部材、操作棒、ベローズ等が大気中に露出している。また、樹脂硬化物で形成されたモールド絶縁体の表面がすべて導電処理されているわけではなく、操作棒とモールド絶縁体の表面の導電部材とは、それぞれ別個に接地がなされている。このため、モールド絶縁体、導電部材の金属及び空気が接する三重点があり、熱ストレスを加えた際にこの三重点が起点となり、モールド絶縁体、導電部材等にクラックが発生するおそれがある。また、別個に接地を行うため、そのための回路部品が必要となり、製造コストの面からも改善の余地がある。

本発明の目的は、開閉器ユニットにおいて、三重点が生じない構造とし、熱ストレスが加わる場合であってもクラックの発生を抑制することにある。

本発明の開閉器ユニットは、固定電極と可動電極とを接離自在に配置した開閉器と、可動電極に接続された気中絶縁操作ロッドと、気中絶縁操作ロッドを駆動する電磁操作器と、開閉器を覆う絶縁ケースと、電磁操作器を覆う機構ケースと、ケーブルを接続するブッシングと、を備え、絶縁ケースの表面と機構ケースの表面とが電気的に接続され、これらの表面が接地電位となるように構成されている。

本発明によれば、開閉器ユニットにおいて、三重点が生じない構造とし、熱ストレスが加わる場合であってもクラックの発生を抑制することができる。

鉄道車両を連ねた列車の車両編成の例を示す模式構成図である。 図１の列車におけるき電回路を示す概略構成図である。 実施例の開閉器ユニットを示す平面図である。 図３の開閉器ユニットにケーブルが接続された状態を示す部分断面図である。 図４の開閉器ユニットを鉄道車両の屋根に設置した状態を示す上面図である。 図３の開閉器ユニットを示す側面図である。

以下、本発明を実施する上で好適となる例について図面を用いて説明する。尚、下記はあくまでも実施の例に過ぎず、発明の内容が下記具体的態様に限定されるものではない。本発明は、本明細書に記載した態様を含めて種々の態様に変形することが無論可能である。

まず、本発明に係る開閉器ユニットを適用した鉄道車両の車両編成例について説明する。

図１は、列車の車両編成の例を模式的に示したものである。

本図において、列車１００は、鉄道車両１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、１００ｅ、１００ｆ、１００ｇ、１００ｈの８両編成で構成されている。これらのうち、鉄道車両１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、１００ｅ、１００ｆの屋根７２上にはそれぞれ、高圧引き通しケーブルＲＣ１、ＲＣ２、ＲＣ３、ＲＣ４、ＲＣ５が配置されている。高圧引き通しケーブルＲＣ３、ＲＣ５には、パンタグラフＰＧ１、ＰＧ２が接続されている。パンタグラフＰＧ１、ＰＧ２は、図示しないき電線から電力を受電する。また、各高圧引き通しケーブルＲＣ１、ＲＣ２、ＲＣ３、ＲＣ４、ＲＣ５は、直線ジョイントＳＪ１、ＳＪ２、ＳＪ３、ＳＪ４で車両間を接続され、Ｔ分岐ジョイントＴＪ１、ＴＪ２で車両床下方向に分岐されている。

つぎに、鉄道車両のき電回路について説明する。

図２は、図１の列車におけるき電回路の概略を示したものである。

本図に示すように、列車１００において、鉄道車両１００ｂ（二両目）、鉄道車両１００ｄ（四両目）、鉄道車両１００ｆ（六両目）の床下（Ｂｏｔｔｏｍ）には、それぞれ、受電用真空遮断器ＶＣＢ１、ＶＣＢ２、ＶＣＢ３、及び、主変圧器Ｔｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３が設けられている。

また、鉄道車両１００ｂ（二両目）の高圧引き通しケーブルＲＣ１は、床下に設けられた受電用真空遮断器ＶＣＢ１の１次側に直接接続されている。そして、受電用真空遮断器ＶＣＢ１の２次側は、主変圧器Ｔｒ１の１次巻線に接続されている。主変圧器Ｔｒ１の２次巻線は、電動機に電力を供給し、３次巻線は、エアコンや照明などの補器へ電力を供給する。同様に、鉄道車両１００ｄ（四両目）及び鉄道車両１００ｆ（六両目）のＴ分岐ジョイントＴＪ１、ＴＪ２で分岐された高圧引き通しケーブルＲＣ３、ＲＣ５はそれぞれ、床下に設けられた受電用真空遮断器ＶＣＢ２、ＶＣＢ３の１次側に接続されている。受電用真空遮断器ＶＣＢ２、ＶＣＢ３の２次側はそれぞれ、主変圧器Ｔｒ２、Ｔｒ３の１次巻線に接続されている。主変圧器Ｔｒ２、Ｔｒ３の２次巻線は、それぞれの電動機に電力を供給し、３次巻線は、それぞれの補器へ電力を供給する。

なお、Ｔ分岐ジョイントＴＪ１と直線ジョイントＳＪ２とは、一体の開閉器ユニット７０ａを構成している。Ｔ分岐ジョイントＴＪ２と直線ジョイントＳＪ４とは、一体の開閉器ユニット７０ｂを構成している。

例えば、鉄道車両１００ｃ（三両目）の高圧引き通しケーブルＲＣ２で地絡故障Ｆａｕｌｔが発生した場合には、外部からの指令により開閉器ユニット７０ａを動作させ、直線ジョイントＳＪ２を自動で開放することにより、地絡故障Ｆａｕｌｔの影響を受ける主変圧器Ｔｒ１およびそれに接続された電動機を切り離す。このとき、地絡故障Ｆａｕｌｔの影響を受けない主変圧器Ｔｒ２、Ｔｒ３は接続されたままである。このため、これらに接続された電動機を用いて列車１００の運転を続行することができる。

本図においては、符号Ｆａｕｌｔで示す位置で地絡故障が生じた場合を例に説明しているため、故障の波及を防ぐべく、開閉器ユニット７０ａを動作させて直線ジョイントＳＪ２を開放している。この例に限らず、地絡故障の場所に応じて、もう１つの開閉器ユニット７０ｂを動作させ、直線ジョイントＳＪ４の切り離しを行うようにしてもよい。このような構造とすることにより、鉄道車両の屋根７２の上に作業者が登ることなく、不具合箇所を含む高電圧ケーブルと健全な高電圧ケーブルとを自動的に分離することができる。

つぎに、開閉器ユニットの詳細な構成について実施例を用いて説明する。

図３は、本実施例の開閉器ユニットを示す平面図である。

本図において、開閉器ユニット７０は、Ｔ分岐ジョイントと直線ジョイントとを一体化したものである。破線は内部構造を示している。

開閉器ユニット７０は、開閉器１と、固定側のブッシング１０Ａと、可動側のブッシング１０Ｂ、１０Ｃと、気中絶縁操作ロッド２０と、絶縁ケース２１と、電磁操作器３０と、を備えている。

ブッシング１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃはいずれも、絶縁ケース２１から突き出た形状を有している。

開閉器１は、固定電極３と、固定電極３に対する接触又は開離をする可動電極５と、固定電極３及び可動電極５の周囲を覆うアークシールド６と、アークシールド６を支持し開閉器１の外側容器の一部を構成する円筒形状のセラミック絶縁筒７と、ベローズ２と、を含む。言い換えると、開閉器１は、固定電極３と可動電極５とを接離自在に配置した構成を有する。

セラミック絶縁筒７は、セラミック絶縁筒７Ａとセラミック絶縁筒７Ｂとから構成されている。アークシールド６は、フランジ部を有する。このフランジ部は、セラミック絶縁筒７Ａとセラミック絶縁筒７Ｂとの間に挟まれている。これにより、アークシールド６は固定されている。セラミック絶縁筒７の両端部は、端板で覆われている。これにより、セラミック絶縁筒７の内部は、真空状態に維持されている。

開閉器１の固定電極３は、開閉器１の外に引き出された固定導体を介して、ブッシング導体１２Ａと電気的に接続されている。また、可動電極５は、開閉器１の外に引き出された可動導体を介してブッシング導体１２Ｂ、１２Ｃと電気的に接続されている。そして、可動電極５は、気中絶縁操作ロッド２０によって、固定電極３との接離が制御される。気中絶縁操作ロッド２０は、電磁操作器３０に接続され、駆動されるようになっている。電磁操作器３０は、機構ケース８２に収納されている。機構ケース８２は、金属製である。なお、機構ケース８２が樹脂などの絶縁物で形成されている場合は、後述の絶縁ケース２１の金属層２２と同様に、機構ケース８２の表面に金属層を設けることが望ましい。

ブッシング導体１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃと絶縁ケース２１を構成する絶縁物とが組み合わされることにより、ブッシング１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃが形成されている。この構成により、固定側のブッシング１０Ａを可動側のブッシング１０Ｂ、１０Ｃから切り離すことができる。ベローズ２は、可動導体と可動側の端板との間に配置されている。この構造により、開閉器１の真空状態を維持したまま、可動導体を移動することができるようになっている。

なお、開閉器ユニット７０は、ステー８３Ａ、８３Ｂ、８３Ｃを介してベース８１に固定されている。

絶縁ケース２１は、開閉器ユニット７０の外殻をなすものであり、エポキシ樹脂硬化物などで形成されている。絶縁ケース２１は、開閉器１、固定側のブッシング導体１２Ａ、可動側のブッシング導体１２Ｂ、１２Ｃ等をモールドした構造を有している。気中絶縁操作ロッド２０の周囲は、所定の周囲空間を有する状態で、絶縁ケース２１により覆われている。気中絶縁操作ロッド２０の周囲空間は、絶縁ケース２１と封止手段によって封止されている。その内部である周囲空間には、乾燥空気やＳＦ_６ガスなどの絶縁ガスが封入されている。なお、封止手段としては、直線シールやベローズが適用されている。

絶縁ケース２１と機構ケース８２とは、それぞれが有するフランジ８５ａ、８５ｂにより接続されている。

絶縁ケース２１の表面には、連続した金属層２２（図中、太線で表している。）が形成されている。金属層２２は、ブッシング１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃの根元に該当する部位（ケーブルヘッドの端部が接する部分（ブッシング１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃがケーブルに接する部分））まで達している。これにより、絶縁ケース２１の表面（金属層２２）は、ケーブルが接続された状態で、ケーブルの接地部分と電気的に接続されるようになる。言い換えると、ケーブルが接続された状態では、絶縁ケース２１の露出した表面全体が金属層２２で覆われた構成となることが望ましい。

また、金属層２２は、フランジ８５ａの機構ケース８２との接続面の全部又は少なくとも一部をも覆っている。これにより、金属層２２で覆われた絶縁ケース２１の表面及び金属製の機構ケース８２はすべて、電気的に接続される。この部分を接地すれば、高電圧となる露出面がなくなるため、作業者の安全を確保することができる。

金属層２２は、亜鉛を溶射することにより形成されている。なお、金属層２２を形成するために用いる金属は、導電性を有するものであればよく、亜鉛に限定されるものではない。当該金属は、アルミニウム合金でもよいし、亜鉛・アルミニウム合金、アルミニウム・マグネシウム合金等であってもよい。

絶縁ケース２１は、エポキシ樹脂組成物で形成されている。絶縁ケース２１は、開閉器１、固定側のブッシング導体１２Ａ、可動側のブッシング導体１２Ｂ、１２Ｃ等をモールドし、硬化することにより作製した。モールド樹脂には、ナガセケムテックス製のエポキシ樹脂（型番はＸＮＲ４０３８）と、硬化剤（型番はＸＮＨ４０３８）とを用いた。モールド及び硬化の手順は、次のとおりである。

開閉器１等の部品を金型に配置した後、８０℃で３時間加熱した。エポキシ樹脂と硬化剤をそれぞれ６０℃で３時間加熱した後、混合し、混合物であるエポキシ樹脂組成物は真空混練機を用いて６０℃で３０分間脱泡混練した。

開閉器１等のモールドには、真空注型法を用いた。

脱泡済みのエポキシ樹脂組成物を開閉器１等の部品が配置され８０℃で３時間加熱された金型の中に流し込んだ。エポキシ樹脂組成物の硬化は、８０℃で８時間、１５０℃で１２時間の２段階とした。モールドした開閉器１等は、８０℃で８時間の一次硬化後に金型から外し、１５０℃に熱した恒温槽で１２時間の二次硬化を行った。１５０℃から室温に下がる際、収縮が原因による硬化物の割れを防ぐため、１５０℃から室温へは５時間かけて冷却した。

エポキシ樹脂硬化物である絶縁ケース２１の表面に亜鉛を溶射することにより、金属層２２を形成した。

図６は、図３の開閉器ユニット７０の側面を示したものである。

図６に示すように、開閉器１、固定側のブッシング導体１２Ａ、可動側のブッシング導体１２Ｂ、１２Ｃ、気中絶縁操作ロッド２０等は、ベース８１に対して略平行に設置されている。

本実施例によれば、絶縁ケース２１と機構ケース８２との接続部をエポキシ樹脂硬化物で覆うため、三重点が生じないという効果が得られる。そして、熱ストレスが加わる場合であっても、絶縁ケース２１のエポキシ樹脂硬化物や金属層２２にクラックが発生しないという効果が得られる。

図４は、図３の開閉器ユニット７０にケーブルが接続された状態を示したものである。ケーブルの接続部については、断面を表している。以下では、主として、図３と異なる部分について説明する。

図４に示すように、開閉器ユニット７０は、可動電極５の可動方向と鉄道車両の進行方向とが略一致するように、かつ、鉄道車両の屋根上と接するように設置されている。ブッシング１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃのそれぞれには、ケーブル４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃが接続されている。ブッシング１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃがケーブル４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃに接する部分と絶縁ケース２１の表面とは、電気的に接続されていることが望ましい。

ケーブル４２Ａは、鉄道車両の前方（図１及び図２の左方向）へ引き通されている。ケーブル４２Ｂは、鉄道車両の後方（図１及び図２の右方向）へ引き通されている。ケーブル４２Ｃは、床下の受電用真空遮断器を介して主変圧器に接続されている。言い換えると、開閉器ユニット７０は、ケーブル４２Ａとケーブル４２Ｂとを接続する直線ジョイントとしての機能を有し、かつ、ケーブル４２Ｃを分岐するＴ型ジョイントとしての機能を有する。なお、ケーブル４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃの表面は、高電圧とならないように接地されるようになっていることが望ましい。ケーブル４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃの表面が直接接地されていない場合には、ケーブル４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃの表面層の内側に接地層（例えば、導線の周囲に絶縁層を介して金属メッシュを巻き付けたもの）を設けることが望ましい。さらに、ケーブル４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃの接地された部位と金属層２２とは、電気的に接続されるようになっていることが望ましい。

各ケーブルのＴ型ケーブルヘッド４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃを接続するブッシング１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃは、進行方向に対して側方に配置され、かつ、開閉器１と略同一平面内に配置されている。これにより、前後方向に直線状に並ぶ絶縁ケース２１（開閉器１）及び機構ケース８２（電磁操作器３０）と干渉しないように、複数のケーブルを接続できる。このため、絶縁ケース２１（開閉器１）と機構ケース８２（電磁操作器３０）とを上下方向あるいは左右方向に並べた従来の構成に比べ、開閉器ユニット７０の全高および全幅を縮小し、進行方向から見たときの投影面積を縮小することができる。これにより、鉄道車両の屋根上に開閉器ユニット７０を設けても、それによる空気抵抗の増加を抑制することができる。

なお、Ｔ型ケーブルヘッド４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃには、接続端と反対側に絶縁栓４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃが設けられている。これにより、Ｔ型ケーブルヘッド４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃの表面は、接地電位に保たれている。

図５は、図４の開閉器ユニット７０を鉄道車両の屋根に設置した状態を示す上面図である。

図５においては、開閉器ユニット７０が外装ケース８０に収納されている。開閉器ユニット７０は、ベース８１に固定した状態で、外装ケース８０に収納されている。さらに、開閉器ユニット７０は、外装ケース８０に収納された状態で、鉄道車両に装着されている。

外装ケース８０は、前方（列車の進行方向）に傾斜部を有し、開閉器ユニット７０の左右に平面部を有する。また、ケーブル４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃを機械的に支持している。これにより、開閉器ユニット７０を覆うとともに、ケーブル４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃの振動やぶれを抑制することができ、空気抵抗を小さくすることができる。また、ブッシング１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃに偏荷重が掛からないようにすることができる。

上述のとおり、開閉器ユニット７０は、従来構造に比べ全高および全幅を縮小したものであるため、これを覆う外装ケース８０も、全高および全幅を小さくでき、進行方向から見たときの投影面積を小さくできる。これにより、鉄道車両の屋根上の開閉器ユニット７０を外装ケース８０で覆った場合も、それによる空気抵抗の増加を抑制することができる。

以上で説明したように、本実施例においては、作業者の安全性を確保するべく、鉄道車両の屋根、Ｔ型ケーブルヘッド４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ及び開閉器ユニット７０の表面はいずれも、接地電位になっている。このため、開閉器ユニット７０又は外装ケース８０と鉄道車両の屋根との間で絶縁距離を確保する必要がなく、両者を近接配置してもよい。これにより、鉄道車両の屋根から開閉器ユニット７０又は外装ケース８０の最高部までの高さを抑えることができる。

更に具体的には、開閉器ユニット７０又は外装ケース８０を鉄道車両の屋根と接触させて配置することも可能になる。これにより、鉄道車両の屋根を従来よりも高くしたとしても、パンタグラフの位置を従来と同じ高さに留めることができる。

また、各ブッシング１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃは、可動電極５の可動方向に対して実質的に直角な方向に配置されている。これにより、Ｔ型ケーブルヘッド４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃを接続する際の作業性を向上させることができる。

１：開閉器、２：ベローズ、３：固定電極、５：可動電極、６：アークシールド、７：セラミック絶縁筒、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ：ブッシング、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ：ブッシング導体、２０：気中絶縁操作ロッド、２１：絶縁ケース、２２：金属層、３０：電磁操作器、４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ：Ｔ型ケーブルヘッド、４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ：絶縁栓、４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ：ケーブル、７０、７０ａ、７０ｂ：開閉器ユニット、７２：屋根、８０：外装ケース、８１：ベース、８２：機構ケース、８３Ａ、８３Ｂ、８３Ｃ：ステー、８５ａ、８５ｂ：フランジ。

Claims (7)

1. 固定電極と可動電極とを接離自在に配置した開閉器と、
   前記可動電極に接続された気中絶縁操作ロッドと、
   前記気中絶縁操作ロッドを駆動する電磁操作器と、
   前記開閉器を覆う絶縁ケースと、
   前記電磁操作器を覆う機構ケースと、
   ケーブルを接続するブッシングと、を備え、
   前記絶縁ケース及び前記機構ケースは、それぞれが有するフランジにより接続され、
   前記絶縁ケースの表面と前記機構ケースの表面とが電気的に接続され、これらの表面が接地電位となるように構成され、
   前記絶縁ケースの表面は、金属層で覆われ、
   前記絶縁ケースの前記機構ケースに接する面は、少なくとも一部が前記金属層で覆われている、開閉器ユニット。
2. 前記ケーブルが接続された状態では、前記絶縁ケースの露出した表面全体が前記金属層で覆われた構成となる、請求項１記載の開閉器ユニット。
3. 前記絶縁ケースは、エポキシ樹脂硬化物で形成されている、請求項１記載の開閉器ユニット。
4. 前記金属層は、前記ブッシングの根元に該当する部位まで達している、請求項１記載の開閉器ユニット。
5. 前記金属層は、亜鉛、アルミニウム、亜鉛・アルミニウム合金又はアルミニウム・マグネシウム合金で形成されている、請求項１記載の開閉器ユニット。
6. 前記機構ケースは、金属製である、請求項１記載の開閉器ユニット。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の開閉器ユニットを備えた、鉄道車両。

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