JP5240177B2

JP5240177B2 - 断路器

Info

Publication number: JP5240177B2
Application number: JP2009273569A
Authority: JP
Inventors: 克彦堀之内; 勝志中田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-12-01
Filing date: 2009-12-01
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2029-12-01
Also published as: JP2011119067A

Description

この発明は、小電流の遮断を行う機能を有する断路器に関する。

従来の断路器においては、可動電極を、軸方向に、金属部分、抵抗体および別の金属部分の三部分の棒状の連続体で構成し、可動電極に電流を導入する接触子を別の金属部に摺動接触させ、開極時に再点弧が発生する場合には、可動電極の先端側の金属部分にアークを点弧させて抵抗体を通じて電流が流れるようにしたので、再点弧により発生するサージを抑制することができる。また、可動電極の投入状態では、短絡電極にて金属部分と別の金属部分を電気的に接続することで抵抗体を短絡し、抵抗体が回路に挿入されないようにしている（例えば、特許文献１参照）。

特開平２―１６５５２６号公報

従来の断路器では、可動電極が軸方向に、金属部分、抵抗体および別の金属部分の三部分の棒状の連続体で構成され、上記連続体の外周部のそれぞれ異なる部分と摺動接触する接触子と短絡電極とが設けられていた。そのため、可動電極が長くなると共に、短絡電極を構成する部品とそれを収納する空間分だけ寸法が大きくなっていた。また、開閉極動作において、接触子に加えて短絡電極を可動電極と摺動させる必要があったため、摺動にともなう摩擦抵抗が高くなり、開閉操作力を大きくする必要があった。つまり、従来の断路器では、抵抗体にてサージを抑制するために装置が大形化するという問題があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、開閉極動作時のサージを抑制できる小形の断路器を得ることを目的としている。

この発明に係る断路器は、固定された接触子との摺動接触により電流が導入される可動電極を、固定電極に接離させることで電力回路を開閉路する断路器であって、上記可動電極は、開閉極動作の方向に中心軸を有して先端部で上記固定電極と接離する棒状の可動導体と、上記可動導体の側部の一部外周面を覆う筒状の抵抗体とを有している。上記筒状の抵抗体は、上記開閉極動作により、少なくとも上記可動電極が、上記可動電極と上記固定電極の間に印加されている電圧に対して絶縁が維持される位置から、上記固定電極に接触を開始する位置まで移動する間、上記接触子の摺動接触部と上記可動導体との間に挿入される。さらに、上記抵抗体は、上記可動電極が上記接触を開始する位置よりさらに上記固定電極側に移動した閉路状態では、上記摺動接触部と上記可動導体との間に挿入されないように配置されたものである。

この発明によれば、開閉極動作時のサージを抑制できる小形の断路器を得ることができる。

この発明の実施の形態１による断路器の内部の構造を示す部分断面図である。この発明の実施の形態１による断路器の消弧室の開路状態における主要部の断面図である。この発明の実施の形態１による断路器の消弧室の閉路状態における主要部の断面図である。この発明の実施の形態１による断路器の消弧室の可動電極の断面図である。この発明の実施の形態１による閉極動作中の可動電極と固定アーク電極との間にアークが発弧した時点の消弧室の状態を示す主要部の断面図である。この発明の実施の形態１による閉極動作中の可動電極が固定アーク電極に接触した時点の消弧室の状態を示す主要部の断面図である。この発明の実施の形態１による閉極動作中の可動電極が固定主電極に接触する直前の消弧室の状態を示す主要部の断面図である。この発明の実施の形態１による可動電極の変形例を示す断面図である。この発明の実施の形態２による可動電極の断面図である。この発明の実施の形態３による可動電極の断面図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による断路器の金属筐体１などの断面を取って内部構造を示す図である。金属筐体１の内部には、可動側電極装置２および固定側電極装置３が、それぞれ可動側端子４および固定側端子５を介して絶縁スペーサ６に固定されている。金属筐体１の外部に固定された操作装置７の操作力は、操作ロッド８にて可動側電極装置２へと伝達される。金属筐体１の内部は、絶縁ガス、例えば空気、ＳＦ６ガス、および窒素などが満たされている。図２は、図１の一点差線で囲まれた消弧室の主要部を示す断面図であり、開路状態となっている。また、図３は、閉路状態の上記主要部を示している。

可動電極９は、開閉極動作方向に中心軸を有する棒状をしており、操作装置７による操作ロッド８の回転動作を、ラック・アンド・オピニオンなどにより直線運動に変換させることによって、閉極動作時は図２の右方向に、開極動作時は図３の左方向に駆動される。閉路状態においては、可動電極９の先端部は、固定電極９を構成する固定アーク電極１１と固定主電極１２との両方に接触している。固定側シールド１３は、固定アーク電極１１と固定主電極１２を取り囲むように配置され、固定電極９側の電界集中を緩和する役割をもつ。電流は、棒状の可動電極９の側部にて摺動可能に接触している接触子１４から、可動電極９に導入される。この接触子１４は、図には示されていない断路器本体構造に固定されている。可動側シールド１５は、可動電極９と接触子１４を取り囲むように配置され、可動電極９側の電界集中を緩和する役割をもつ。

図４に、可動電極９の断面図を示す。可動電極９は、開閉極動作方向に中心軸を有する棒状の可動導体１６と、可動導体１６の側部の一部外周面を覆うように固着された中空円筒形状の抵抗体１７とを有しており、さらに抵抗体１７の外周面、つまり接触子１４の側の面に金属板１８が取り付けられている。抵抗体１７は、例えば、銅ニッケル合金、銅マンガン合金、およびニッケルクロム合金などの金属合金系の抵抗体、又はセラミクスと金属との焼結系の抵抗体などが用いられる。金属板１８の固定電極１０と反対側の端面は絶縁体１９に接し、金属板１８の固定電極１０側の端面は抵抗体１７に接しており、可動導体１６と金属板１８が直接接触しないように構成されている。金属板１８の接触子１４との摺動面は、抵抗体１７よりも摺動時の抗力が小さくなるように材料および表面粗さ設定されている。また、絶縁体１９も、抵抗体１７よりも摺動時の抗力が小さくなるように材料および表面粗さ設定されていると共に、絶縁体１９の上記中心軸方向の長さは接触子１４の摺動接触部１４ａ（接触面）の上記中心軸方向の長さよりも短くしてある。

抵抗体１７の上記中心軸の方向の位置は、図３に示すように、閉路状態で接触子１４が抵抗体１７に接触しないように配置されており、接触子１４は、直接、可動導体１６と接触する。従って、閉路状態においては、通電電流は、図３中に矢印で示すように、抵抗値が高い抵抗体１７を避けて接触子１４から可動導体１６の中心軸付近を固定主電極１２の方へ流れていく。また、開閉極動作の途中においては、金属板１８が接触子１４と直接的に接触し摺動するので、電流は、接触子１４から金属板１８を介して抵抗体１７へ流れ、さらに抵抗体１７から可動導体１６へと流れる。

次に、この発明の断路器の閉極動作について説明する。開路状態である図２の状態から、操作装置７によって可動電極９が図２の右方向に動作を開始し、接触子１４と抵抗体１７が接触するようになる。固定アーク電極１１と可動電極９の両極間の距離が、閉極動作が進むにつれて短くなることにより両極間に印加されている電圧に対して極間の絶縁が耐えることができなくなり、図５に示すように、可動電極９の先端部と固定電極９の固定アーク電極１１に間でアークが発弧する。さらに、アークの発弧に起因して、閉極動作時のサージ（以下、投入サージ）が断路器を接続している回路において発生する。断路器の開閉極動作時のサージは商用周波数の幾サイクルにわたって継続して発生する。投入サージは電力回路においては過電圧となり、サージ抑制手段を有しない断路器では極めて大きな過電圧が発生する場合があり、この過電圧により電力機器に絶縁上の問題が発生することがある（「電気協同研究第５７巻第３号」電気協同研究会編、平成１４年発刊、第２章、２―２項、参照）。この発明の断路器では、図５に示すように、アークが発弧する可動電極９の位置において、接触子１４の摺動接触部１４ａと可動導体１６との間に金属板１８が固着した抵抗体１７が挿入されるので、サージの電流が抵抗体１７を通して流れて減衰し、過電圧を抑制することができる。

閉極動作が進み、図６に示すように、可動導体１６の先端部が固定アーク電極１１と接触するようになると、もはやアークは発生しなくなるため投入サージも発生しない。可動導体１６の先端部の接触後、さらに閉極動作が進み、図７の状態になったときに、接触子１４が金属板１８から離れ始める。前述のように絶縁体１９の上記中心軸の方向の長さは接触子１４の接触面の上記中心軸方向の長さより短くなっているので、接触子１４は金属板１８と可動導体１６とに同時に接触できるので、電気的に絶縁状態になることはない。

さらに閉極動作が進み、可動電極９が固定主電極１２に接触するようになったとき、あるいは、可動電極９が固定主電極１２に接触する直前に、抵抗体１７と接触子１４とが離れ、接触子１４が、直接、可動導体１６に接触するようになり、図３に示すような閉路状態に到る。

このように、この実施の形態で示した断路器では、閉極動作の途中のアークが発生する可動電極９の位置において、抵抗体１７を回路に挿入できるので、投入サージを抑制することができる。尚、上記の説明では閉極動作時を取り上げて説明したが、開極動作時においても印加される電圧が交流の場合や、進み小電流遮断時のように変動する電圧が印加されるなどして、開極初期にはアークが発生せず、開極途中で発弧する場合や、開極途中で消弧した後に再発弧する場合においては、同様にサージを抑制することができる。

また、抵抗体１７を可動電極９の外周面を覆う筒状としたので、可動電極９を、上記中心軸の方向に、金属部分、抵抗体および別の金属部分の三部分の棒状の連続体で構成する必要が無く、抵抗体１７を設けることに伴う可動電極９の上記中心軸の方向の寸法が大形化することが無い。

さらに、閉路状態において抵抗体１７を短絡する短絡電極を別途設ける必要が無いので、小形で簡素な構造で抵抗体１７によるサージ抑制が可能となる。さらに、短絡電極と可動電極９との摺動接触を設ける必要がないので、上記摺動接触にともなう摩擦抵抗の増加に対応した操作装置７の開閉操作力の強化が不要となる。

以上より、開閉極動作時のサージを抑制できる小形の断路器を得られる効果がある。

また、抵抗体１７の接触子１４の側の面に金属板１８を固着させて、開閉極動作の途中では接触子１４と金属板１８とが摺動接触するようにしたので、接触子１４の摺動摩擦力（抗力）を小さくでき、開閉極動作を行う操作装置７の駆動力を小さく設定することができ、操作装置７を小形化できる。

さらに、絶縁体１９を設けることでも同様に、摺動摩擦を小さくできる。接触子１４と絶縁体１９が摺動する可動電極９の位置では、可動導体１６の先端部が固定アーク電極１１および固定主電極１２とも同時に摺動しており、特に、大きな開閉極動作力を必要とする。従って、絶縁体１９は、金属板１８と可動導体１６との直接的な接触を防止すると共に、操作装置７に求められる最大の駆動力を小さく設定でき、操作装置７を小形化できる。

また、閉路状態では、従来の断路器ように短絡電極にて抵抗体１７を短絡させる必要が無いので、接触子１４から可動導体１６を介して固定電極９へと、最小の接触点で電流を通電でき、サージ抑制のための抵抗体１７の設置に起因した放熱特性の低下が生じない。

尚、この実施の形態では、図２に示すように、開路状態において接触子１４は抵抗体１７と離れて可動導体１６と接触するように構成したが、開極状態においても接触子１４と抵抗体１７が接触するように抵抗体１７の長さを固定電極１０側に長くしても良い。

また、この実施の形態では、接触子１４の摺動による抗力を軽減するため、金属板１８および絶縁体１９を用いたが、例えば、金属合金系の抵抗体１７を用い、抵抗体の外周面側の表面に十分な仕上げ処理を施して、接触子１４との摺動による抗力を小さくできる場合は、図８に示すように、金属板１８および絶縁体１９を設けなくてもよい。

実施の形態２．
図９に、実施の形態２の可動電極９の断面図を示す。この実施の形態では、実施の形態１で示した抵抗体１７および金属板１８の円筒部分に、可動電極９の中心軸の方向に延びるスリット孔２０を設けている。その他の構成は実施の形態１と同様であるので、以下においては実施の形態１と異なる点について説明をおこなう。

閉路状態において、通電電流は、抵抗体１７をよけて可動導体１６に集中して流れる。従って、可動導体１６の抵抗体１７に覆われている細い部分の断面積に比べて通電電流が大きな断路器では、上記細い部分の温度が上昇することがある。さらに抵抗体１７は導体に比べて熱伝導率が低いので、上記細い部分の発熱を抵抗体１７の表面から十分に放熱できない可能性がある。そこで、この実施の形態では、スリット孔２０を抵抗体１７および金属板１８に設けることにより、可動導体１６の表面が直接、周囲ガスに接触するように構成することで、周囲ガスへの放熱を促進している。この放熱の促進により、大きな通電容量を、より細い可動電極９にて実現できるので、断路器の径方向の寸法を小形することが可能となる。

尚、このような可動電極９を用いた断路器においても、実施の形態１と同様の作用効果が得られる。

実施の形態３．
図１０に、実施の形態３の可動電極９の断面図示す。この実施の形態では、実施の形態１で示した可動導体１６の中心軸に沿って放熱穴２１を設けており、この放熱穴２１の部分は周辺ガスに満たされている。その他の構成は実施の形態１と同様であるので、以下においては実施の形態１と異なる点について説明をおこなう。

閉路状態において、通電電流は、抵抗体１７をよけて可動導体１６に集中して流れる。従って、可動導体１６の抵抗体１７に覆われている細い部分の断面積に比べて通電電流が大きな断路器では、上記細い部分の温度が上昇することがある。さらに抵抗体１７は導体に比べて熱伝導率が低いので、上記細い部分の発熱を抵抗体１７の表面から十分に放熱できない可能性がある。そこで、この実施の形態では、放熱穴２１の表面から周辺ガスへ放熱することにより、可動導体１６の抵抗体１７に覆われている細い部分の温度上昇を抑制できる。

また、実施の形態２で示した可動電極９に、放熱穴２１を設けても、上述と同様に可動導体１６の抵抗体１７に覆われている細い部分の温度上昇を抑制できる。

実施の形態４．
実施の形態４では、実施の形態１で示した抵抗体１７の抵抗値の大きさを、この発明の断路器が適用される電力回路のもつ特性インピーダンスＺ_０（別名、サージインピーダンス）と円周率πの積以上の値としている。その他の構成は実施の形態１と同様であるので、以下においては実施の形態１と異なる点について説明をおこなう。

上記電力回路の例としては、例えば、ガス絶縁開閉装置などの同軸状の母線部分、もしくは同軸ケーブルを接続しているような回路などが挙げられる。さらに、これら回路以外においても等価な特性インピーダンスが求められる場合においては、同様に扱える。

一般にサージの減衰時定数τはサージの周波数ｆに対して１/ｆが下限になっており、この１/ｆ以下の減衰時定数であれば十分な減衰が行われていると考えて良い（「電気エネルギー工学」コロナ社、初版第５刷、平成１６年１２月１０日発行、１４５項、参照）。一方、サージの発生する回路は概略ＬＲＣ直列共振回路に近似できると考えて良いので、そこから導かれる減衰時定数τはインダクタンスＬと抵抗値Ｒを用いて

と表される。
また、サージの周波数ｆは、上記インダクタンスＬとキャパシタンスＣを用いて

で表される。
ここで、πは円周率である。τ≦１/ｆであるには

を満たせばよいので、Ｒが満たす式は

であればよい。
ここで、特性インピーダンスＺ₀は

と表されるので、抵抗体１７の値は、

とすればよい。

以上のように抵抗体１７の抵抗値を決めることにより、サージを電力機器に害を与えない十分な程度まで減衰させる効果を得ることができる。

尚、実施の形態２または３で示した抵抗体１７の抵抗値を、電力回路のもつ特性インピーダンスＺ_０と円周率πの積以上の値としても、サージを電力機器に害を与えない十分な程度まで減衰させることができる。

１金属筐体、２可動側電極装置、３固定側電極装置、４可動側端子、５固定側端子、６絶縁スペーサ、７操作装置、８操作ロッド、９可動電極、１０固定電極、１１固定アーク電極、１２固定主電極、１３固定側シールド、１４接触子、１４ａ摺動接触部、１５可動側シールド、１６可動導体、１７抵抗体、１８金属板、１９絶縁体、２０スリット孔、２１放熱穴。

Claims

固定された接触子との摺動接触により電流が導入される可動電極を、固定電極に接離させることで電力回路を開閉路する断路器において、
上記可動電極は、
開閉極動作の方向に中心軸を有して先端部で上記固定電極と接離する棒状の可動導体と、上記可動導体の側部の一部外周面を覆う筒状の抵抗体とを有しており、
上記筒状の抵抗体は、
上記開閉極動作により、少なくとも上記可動電極が、上記可動電極と上記固定電極との間に印加されている電圧に対して絶縁が維持される位置から、上記固定電極に接触を開始する位置まで移動する間、上記接触子の摺動接触部と上記可動導体との間に挿入され、
且つ、上記可動電極が上記接触を開始する位置よりさらに上記固定電極側に移動した閉路状態では、上記摺動接触部と上記可動導体との間に挿入されないように配置されたこと特徴とする断路器。
筒状の抵抗体の接触子の側の面に、上記筒状の抵抗体と電気的に接続され且つ可動導体と直接接触しない金属板を有し、上記接触子は上記金属板と摺動接触することを特徴とする請求項１記載の断路器。
筒状の抵抗体は、可動導体の中心軸の方向に延びるスリット孔を有し、上記スリット孔に流入する周囲ガスが上記可動導体に直接接触することを特徴とする請求項１または２に記載の断路器。
可動電極は、中心軸に沿って設けられた放熱穴を有することを特徴とする請求項１または２に記載の断路器。
筒状の抵抗体の抵抗値は、電力回路の特性インピーダンスと円周率の積以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の断路器。