JP2012129057A - 真空バルブ - Google Patents

Abstract

【課題】真空バルブで使用される縦磁界電極においては、いかに電極構造を変えることで、開極時に発生する真空アークを効率良く拡散させて、遮断性能を上げるかが課題となるが、遮断性能がより向上した電極構造の真空バルブを得る。
【解決手段】コイル電極は、電極軸の径方向に設けられた通電腕と、この通電腕の先端から更に周方向に延設された円弧状コイル部と、この円弧状コイル部の先端に設けられ主電極の裏面に当接してこの主電極と導通する導通部とを有すると共に、主電極の表面部には、他方の主電極と接離可能な突出状接点を設け、この突出状接点を、通電腕と円弧状コイル部によって区画された区域において、電極軸の軸心を中心とし且つ通電腕の中央までの距離を半径とする円と円弧状コイル部が形成する円周角の中心線とが交わる交点を中心として形成され、且つ通電腕及び円弧状コイル部と内接する円と対応する位置に配置したものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、電力系統において、回路の開閉に用いられる真空遮断器の真空バルブに関するものである。

真空バルブの遮断性能を向上させるため縦磁界を利用する縦磁界電極は、例えば特許文献１、２に開示されている。特許文献１に記載されたものは、筒状絶縁物とフランジで形成された容器が真空に保たれ、その内部には、固定接点と可動接点が対向して配置されている。固定側の電極にコイル導体を備えるとともに、可動側の電極にもコイル導体を備えている。両コイル導体は、軸中心から半径方向に延びた腕の先端に、周方向に伸びるコイルを取り付けたものであり、このコイルに電流が周方向に流れることにより、アークに対して平行な磁界（縦磁界）が発生する。このようにしてアークに縦磁界を加えると、荷電粒子を径方向に拡散させることでアークを安定させ、その結果、電流密度を小さくして電極部の局所的な温度上昇を抑え、遮断能力を増大させることができる。
特許文献２に記載されたものは、低サージ材料から形成された突出部を備えた接点としている。この部分にアークを点弧させることで裁断電流が小さくなるため、サージ電圧が低い真空バルブとなる。
特許文献３に記載されたものは、接点がコイル分流腕部のコイル円弧部が連結されていない側面に接するかもしくは僅かに離れ、電極体の半径の１／２以上外側でかつ電極面板からははみ出さないようにし、しかも複数のものが電極体と同心上に配置され、この接点の最寄のコイル分流腕部と反対側に接点と僅かに離れて半径方向に直線状に伸びるスリットが電極体及び電極面板に設けられた真空バルブである。

特開昭５７−１９９１２６号公報 特開昭６３−４５７２２号公報 特開昭６３−１７４２３２号公報

このような真空バルブで使用される縦磁界電極においては、いかに電極構造を変えることで、開極時に発生する真空アークを効率良く拡散させて、遮断性能を上げるかが課題となる。この発明は、遮断性能がより向上する電極構造を提供することを目的としている。

この発明に係わる真空バルブは、真空容器内に、接離自在に設けられた一対の主電極、及びこの一対の主電極の背面部に設けられそれぞれ電極軸を有するコイル電極を収めた真空バルブであって、上記コイル電極は、上記電極軸の径方向に設けられた通電腕と、この通電腕の先端から更に周方向に延設された円弧状コイル部と、この円弧状コイル部の先端に設けられ上記主電極の裏面に当接してこの主電極と導通する導通部とを有すると共に、上記主電極の表面部には、他方の主電極と接離可能な突出状接点を設け、この突出状接点を、上記通電腕と円弧状コイル部によって区画された区域において、上記電極軸の軸心を中心とし且つ上記通電腕の中央までの距離を半径とする円と、上記円弧状コイル部が形成する円周角の中心線とが交わる交点を中心として形成され且つ上記通電腕及び上記円弧状コイル部とに内接する円と対応する位置に配置したものである。

この発明の真空バルブによれば、開極当初のアークを速く、発弧位置から離れた箇所に動かすことで、電流ゼロ点での接点表面温度が下がり、また通電電流が増大しても接点表面の温度上昇が抑制され、真空アークが効率良く、拡散するので遮断性能に優れた電極を提供することができる。

この発明の実施の形態１における真空バルブの電極の一部材である接点を示す平面図である。 この発明の実施の形態１における真空バルブの電極を示す断面図である。 この発明の実施の形態１における真空バルブの電極のコイル導体に流れる電流の態様を示す断面図である。 この発明の実施の形態１における真空バルブの電極の一部材である接点上を動くアークの態様を示す平面図である。 この発明の実施の形態２における真空バルブの電極の一部材である接点を示す平面図である。 この発明の実施の形態３における真空バルブの電極の一部材である接点を示す平面図である。 この発明の実施の形態４における真空バルブの電極の一部材である接点を示す平面図である。 この発明の実施の形態５における真空バルブの接点を示す平面図である。 図８中のＸ−Ｘ線における断面図である。 この発明の実施の形態６における真空バルブの接点を示す平面図である。 従来の真空バルブの一例を示す正面断面図である。

以下、図面に基づいて、この発明の各実施の形態を説明する。
なお、各図間において、同一符号は同一あるいは相当部分を示す。

実施の形態１．
真空バルブに使用される縦磁界電極においては、これまで開極当初に発生するブリッジコラムアークを動かすという観点での検討はされていなかった。
横磁界（スパイラル）電極は、アークを回転させることで電流ゼロ点における接点表面温度を下げるという技術であるが、縦磁界電極は、縦方向(アークに平行な方向)の磁場を加えることでアークを拡散させるという技術であるため、開極当初のアークの動きは余り注目されてこなかったためである。

また、アークを回転させるスパイラル電極は二方向からアークを観測するが、縦磁界電極で二方向からアークを観測する例は少なく、発弧当初はアークが非常に明るいため、これまでの高速度カメラではハレーションを起こしてしまい観測できなかった。
今回、シャッター速度が短い高速度カメラを用いて、二方向から縦磁界電極の真空アークを観測することで、新たに縦磁界電極においても発弧当初のブリッジコラムアークが動きつつ、拡散することが新たに判明した。
更にはこの動きは発弧位置におけるローレンツ力によって、動作速度や移動距離が決まることがわかった。ローレンツ力は横方向の磁場によって決まるが、複数に分割された縦磁界電極の場合、発弧位置によっては固定側、可動側のあるコイル導体に電流が偏って流れるため、磁場分布が非平衡となり縦磁場よりも横磁場の影響を強くうけたためと考えられる。

実際に磁界解析を行い、横方向の磁場を計算したところ、コイル部中心の位置でローレンツ力が強くなる。また、コイル部の直上となる接点端部でもローレンツ力が強くなる場合があるが、ローレンツ力の向きから接点上を飛び出す方向となるため、逆にアーク電圧が上昇し、拡散アークとなるまでの時間がかかる。

すなわち、これまで検討されてこなかった縦磁界電極における開極当初の発弧箇所が重要な役割を果たすことになる。発弧位置を制御することで、発弧当初のアークを速く、発弧位置から離れた箇所に動かすことで、接点表面の温度上昇を防ぎ、アークを効率良く拡散させることができるので、遮断性能をあげることが可能となる。

図１は、この実施の形態１に係る真空バルブの電極の一部材である接点２を示す平面図で、図２はその断面図である。
この発明に係る真空バルブは、図１１に示した従来の真空バルブと同様に、真空容器内に、接離自在に設けられた一対の主電極（以下接点という）２、及びこの一対の接点２の背面部に設けられ、それぞれ電極軸（以下電極棒という）３、３ｄ、３ｅを有するコイル電極（以下コイル導体という）１で構成されている。なお、図１１中、１０は絶縁円筒、１１はベローズ、１２はシールド、１３dは固定側フランジ、１３eは可動側フランジである。

図１、図２において、コイル導体１は、電極棒３から直交する方向、すなわち電極棒３の径方向に配設された複数の通電腕（以下コイル腕という）１ａと、このコイル腕の先端から更に周方向に弧状に延設された円弧状コイル部１ｂと、この円弧状コイル部１ｂの先端に設けられ接点２の裏面に当接してこの接点と導通する導通部（以下通電面という）１ｃなどにより構成されている。
接点２は、突出状接点（接点突出部）２ａを有し、この突出状接点２ａは、接点２の表面部に他方の接点２と接離可能な状態で設けられ、その配置位置は、コイル腕１ａと円弧状コイル部１ｂによって区画された区域において、コイル導体１における弧となる円弧状コイル部１ｂの円周角中心線Ｓ１と、電極棒３から径方向（放射状）に延びるコイル腕１ａの中心（中央）Ｓ２と電極棒３の軸心Ｃとの距離を半径Ｒとする円Ｅ１との交点Ｓ３を中心として、コイル導体１の内周（コイル腕１ａ及び円弧状コイル部１ｂ）と接する距離を半径ｒとした円Ｅ２の直上となる対応位置である。
さらに、コイル導体１の内部には、接点２の裏面に当接してコイル導体１の底面と接点２とを結合する補強部材４が収納されている。

補強部材４は、円板の下に丸棒が接続された構造からなり、補強部材４に電流が流れることで、コイル導体１に流れる電流が低減して、磁場を低下させることを防ぐため、導電率が低く、強度が高い材料で形成され、コイル導体１に設けられた円形の穴４ａによって位置決めされる。電極棒３は、円柱状の金属棒で、コイル導体１と接続される。

図３は、この実施の形態１に係る電極において、コイル導体１及び接点２を流れる電流と接点上で発弧したアーク５に働くローレンツ力の態様を説明するための図で、図４は接点表面における発弧位置からのアークの態様を説明する図である。
図３に示すように、電流は電極棒３ｅ、コイル導体（コイル腕１ａ、円弧状コイル部１ｂ、通電面１ｃ）１、接点２の順に流れる。突出状接点２ａの突出面でアーク５が発弧した場合は、対向する各電極における接点２の表面上をコの字形に電流が流れることになり、接点上を流れる電流による磁場によってアーク５は図３で示した向きにローレンツ力が働き、その方向に動く。

電流経路として、コの字が最長となるのは中央部で発弧した場合であるが、この場合は4箇所の通電部から均等に電流が流れるため、各々打ち消しあい中央で発弧した場合、ローレンツ力はゼロとなってしまう。すなわち、発弧位置はなるべく中央から離れた位置でありつつも、コの字の影響も強く受ける箇所とすることが望ましい。
また、コイル導体１は、通電経路となり、その直上の磁場が弱くなるため発弧位置としては適さない。
よって最適な発弧位置としては、中心からなるべく離れた位置でありつつも、コの字経路が最長となり、コイル導体１の直上では無い箇所、すなわち、電極棒３の軸心Ｃを中心とし且つコイル腕１ａの中央（中心）Ｓ２までの距離を半径Ｒとする円Ｅ１と、円弧状コイル部１ｂが形成する円周角の中心線Ｓ１とが交わる交点Ｓ３を中心として形成され且つコイル腕１ａ及び円弧状コイル部１ｂとに内接する円Ｅ２（半径ｒ）の中心が望ましいが、一点で発弧する形状とすると数回発弧させた場合に溶融してしまうため、上記の円Ｅ２の内部で発弧させる構造が望ましい。

接点２の表面上におけるアーク５の動きを示したのが図４で、発弧したアーク５は接点２の表面上を動きつつ拡散していく。
なお、一対の接点（主電極）２及びコイル導体（コイル電極）１は、図３に示すように同じ形状になされている。

実施の形態２．
図５は、実施の形態２に係る真空バルブの電極の一部材である接点を示す平面図である。
この実施の形態２に係る接点２は、コイル導体１における弧となる部分（円弧状コイル部１ｂ）の円周角中心Ｓ１と、電極棒３から径方向（放射状）に延びるコイル腕１ａの中心Ｓ２と電極中心Ｃとの距離を半径Ｒとする円Ｅ１との交点Ｓ３を中心として、コイル導体1の内周（コイル腕及び円弧状コイル部）と接する距離を半径ｒとした円Ｅ２の直上に突出状接点２ａが設けられている。
この実施の形態２では、実施の形態１と比較して突出状接点２ａの面積が広くなり接触抵抗が低減するので、通常の真空バルブが閉状態において温度上昇を抑えられる。

実施の形態３．
図６は、実施の形態３に係る真空バルブの電極の一部材である接点を示す平面図である。
この実施の形態３に係る接点２には、通電面１ｃの電極棒３側となる端部から突出状接点２ａの中心側となる端部までのスリット２ｂが設けられている。
すなわち、スリット２ｂは、突出状接点内側周面の外接箇所から、隣接する通電面１ｃの方向に向かって延び接点２の外周縁部（コイル腕１ａと通電面１ｃの境目と対応する外周部）に達する１筋のスリットであり、このスリット２ｂと、隣接する通電面１ｃ、円弧状コイル部１ｂ、コイル腕１ａとによって通電路が形成されている。
この実施の形態３は、通電面１ｃから突出状接点２ａまでの通電経路が定まるため、漏れ電流が無くなり、より効率的にローレンツ力が働くようになり、発弧したアークをより素早く、発弧位置から離れた箇所に移動させることができるので、電流ゼロ点での接点表面温度が下がり、遮断性能が良い真空バルブができる。

実施の形態４．
図７は、実施の形態４に係る真空バルブの電極の一部材である接点を示す平面図である。
この実施の形態４に係る接点２には、実施の形態３から更にコイル先端側の通電面１ｃ端部から、突出状接点２ａの接点外周側となる端部までのスリット２ｃを設ける。
すなわち、この実施の形態４では、２筋のスリットが設けられ、２筋のスリット２ｂ、２ｃは、突出状接点周面の２箇所の外接箇所から、隣接する通電面１ｃの方向に向かって平行して延び接点２の外周縁部（通電面１ｃの両側）に達する状態で設けられ、この２筋のスリット２ｂ、２ｃと、隣接する通電面１ｃ、円弧状コイル部１ｂ、コイル腕１ａとによって通電路が形成されている。
この実施の形態４では、通電面１ｃから突出状接点２ａまでの通電経路が実施の形態３より明確に定まるため、漏れ電流が無くなり、より効率的にローレンツ力が働くようになり、アークを速く、発弧位置から離れた箇所に移動させることができる。

実施の形態５．
図８は、実施の形態５に係る真空バルブの電極の一部材である接点を示す平面図である。
図９は、この実施の形態５に係る真空バルブの電極の一部材である接点を示す断面である。
図８、図９に示す実施の形態５に係る接点２には、通電面１ｃの電極棒３側となる端部から突出状接点２ａの中心側となる端部までの溝２ｄが接点２のコイル導体１側の背面に設けられている。
すなわち、実施の形態３のスリット２ｂの対応位置に、１筋の溝状スリット２ｄを設けたものである。
この実施の形態５では、通電面１ｃから突出状接点２ａまでの通電経路が定まるため、漏れ電流が無くなり、より効率的にローレンツ力が働くようになり、発弧したアークをより素早く、発弧位置から離れた箇所に移動させることができるので、電流ゼロ点での接点表面温度が下がり、遮断性能が良い真空バルブができ、また接点裏であるため、接点上のスリットを無くしたことでスリットを設けた場合よりも接点表面の電界が下がるので、より定格電圧が高い真空バルブにも適用することができる。

実施の形態６．
図１０は、実施の形態６に係る真空バルブの電極の一部材である接点を示す平面図である。
この実施の形態６に係る接点２には、実施の形態５から更にコイル先端側の通電面１ｃ端部から、突出部２ａの接点外周側となる端部までのスリット２ｅを接点２のコイル導体１側の背面に設ける。
すなわち、実施の形態４のスリット２ｂ、２ｃの対応位置に、２筋の溝状スリット２ｄ、２ｅを設けたものである。
実施の形態６では、通電面１ｃから突出状接点２ａまでの通電経路が実施の形態５よりさらに明確に定まるため、漏れ電流が無くなり、より効率的にローレンツ力が働くようになり、アークを速く、発弧位置から離れた箇所に移動させることができ、接点上のスリットを無くしたことで電界が低減するので、定格電圧が高い真空バルブとすることができる。

１ コイル導体（コイル電極）
１ａ コイル腕（通電腕）
１ｂ 円弧状コイル部
１ｃ 通電面（導通部）
２ 接点（主電極）
２ａ 突出状接点（突出面、接点突出部）
２ｂ スリット
２ｃ スリット
２ｄ 溝
２ｅ 溝
３ 電極棒（電極軸）
３ｄ 固定側電極棒
３ｅ 可動側電極棒
４ 補強部材
４ａ 円形の穴
５ アーク
１０ 絶縁円筒
１１ ベローズ
１２ シールド
１３d 固定側フランジ
１３e 可動側フランジ
Ｓ１ 円弧状コイル部の円周角中心線
Ｓ２ コイル腕１ａの中心（中央）
Ｅ１ 電極棒の軸心ＣとＳ２との距離を半径Ｒとする円
Ｓ３ Ｓ１とＥ１との交点
Ｅ２ コイル導体１の内周と接する距離を半径ｒとした円。

Claims (6)

1. 真空容器内に、接離自在に設けられた一対の主電極、及びこの一対の主電極の背面部に設けられそれぞれ電極軸を有するコイル電極を収めた真空バルブであって、
   上記コイル電極は、上記電極軸の径方向に設けられた通電腕と、この通電腕の先端から更に周方向に延設された円弧状コイル部と、この円弧状コイル部の先端に設けられ上記主電極の裏面に当接してこの主電極と導通する導通部とを有すると共に、上記主電極の表面部には、他方の主電極と接離可能な突出状接点を設け、
   この突出状接点を、上記通電腕と円弧状コイル部によって区画された区域において、上記電極軸の軸心を中心とし且つ上記通電腕の中央までの距離を半径とする円と、上記円弧状コイル部が形成する円周角の中心線とが交わる交点を中心として形成され且つ上記通電腕及び上記円弧状コイル部とに内接する円と対応する位置に配置したことを特徴とする真空バルブ。
2. 上記コイル電極は、複数の通電腕が独立して並列に配置されたことを特徴とする請求項１記載の真空バルブ。
3. 上記主電極に、上記突出状接点内側周面の外接箇所から、隣接する上記導通部の方向に向かって延び主電極外周縁部に達する１筋のスリットを設け、このスリットと、隣接する導通部、円弧状コイル部、通電腕とによって通電路を形成したことを特徴とする請求項２記載の真空バルブ。
4. 上記スリットは、上記突出状接点周面の２箇所の外接箇所から、隣接する上記導通部の方向に向かって平行して延び主電極外周縁部に達する２筋のスリットを設け、この２筋のスリットと、隣接する導通部、円弧状コイル部、通電腕とによって通電路を形成したことを特徴とする請求項２記載の真空バルブ。
5. 請求項３の１筋のスリット、又は請求項４の２筋のスリットを溝状にしたことを特徴とする請求項３又は請求項４記載の真空バルブ。
6. 一対の上記主電極は、同形状としたことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の真空バルブ。
   

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