JP7612893B2 - ガス遮断器 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、ガス遮断器に関する。

電力系統において電流開閉を行うガス遮断器は、消弧性ガスを充填する密閉容器内で、遮断過程において接触子を機械的に切り離し、接触子の切り離しによって生じる接触子間のアーク放電を消弧性ガスの吹き付けによって消弧する。ガス遮断器は、アーク放電によって熱せられたガスを接触子間から速やかに除去することで、接触子間の絶縁耐力の回復を図る。熱ガスの円滑な排気が滞ると、接触子間に熱ガスが残留して絶縁耐力および電流遮断性能が低下する可能性がある。

日本国特開２０１８－１１３１８９号公報

本発明が解決しようとする課題は、ガスを円滑に排気できるガス遮断器を提供することである。

実施形態のガス遮断器は、密閉容器と、対向接触子と、可動接触子と、絶縁ノズルと、蓄圧部と、排気チャンバと、操作ロッドと、を持つ。密閉容器には、消弧性ガスが充填されている。対向接触子は、密閉容器内に配置されている。可動接触子は、密閉容器内に配置されている。可動接触子は、閉極状態で対向接触子に接触する。可動接触子は、閉極状態から対向接触子に対して第１方向に変位することで、対向接触子から離間して対向接触子との間にアーク放電が発弧するアーク空間を形成する。絶縁ノズルは、可動接触子と一体に変位する。絶縁ノズルは、可動接触子が対向接触子から最も離間した完全開極状態で対向接触子およびアーク空間を囲む筒状に形成されている。絶縁ノズルは、第１方向とは反対側の第２方向の端部にノズル開口部を持つ。絶縁ノズルは、完全開極状態で対向接触子との間にアーク空間およびノズル開口部を連通させる第１排気流路を形成する。蓄圧部は、消弧性ガスを蓄圧する。蓄圧部は、消弧性ガスをアーク空間に放出してアーク放電に対して吹き付ける。排気チャンバは、筒状に形成されている。排気チャンバの内部空間は、第１方向に開放されて完全開極状態でノズル開口部に連通している。操作ロッドは、可動接触子に結合している。操作ロッドは、アーク空間に連通する内部空間を持つ。操作ロッドには、内外を連通する通気孔が形成されている。操作ロッドの内部空間は、アーク空間および通気孔を連通させる第２排気流路を形成する。第２排気流路は縮小部、縮小部の通気孔側に連なる最小部、および最小部の通気孔側に連なる拡大部を持つ。縮小部の流路断面積はアーク空間側から通気孔側に向かうに従い漸次縮小している。拡大部の流路断面積は通気孔に向かうに従い漸次拡大している。排気チャンバの地絡の生じやすさに応じて決定された第１排気流路のガス流量、および第２排気流路のガス流量の配分に基づいて、第１排気流路における最小流路断面積、および最小部の流路断面積の比が設定されている。最小部の流路断面積に対する第１排気流路における最小流路断面積の比の関数として、ガス流量の比を設定した。

第１の実施形態のガス遮断器を示す縦断面図。 図１に示すガス遮断器の一部を拡大して示す縦断面図。 第１の実施形態のガス遮断器の作用を示す図。 第１の実施形態に係るガス遮断器において、遮断動作時のアーク発生後のアーク空間におけるガス温度の変化を示す図。 第１の実施形態に係るガス遮断器における流路断面積および流量の関係を示す図。 第２の実施形態に係るガス遮断器の一部を拡大して示す縦断面図。 第３の実施形態に係るガス遮断器の一部を拡大して示す縦断面図。

以下、実施形態のガス遮断器およびガス遮断器の設計方法を、図面を参照して説明する。なお以下の説明では、同一または類似の機能を有する構成に同一の符号を付す。そして、それら構成の重複する説明は省略する場合がある。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態のガス遮断器を示す縦断面図である。なお、図１ではガス遮断器の完全開極状態を示しており、以下の各部材の配置に関する説明では、特に記載のない限り完全開極状態の配置を説明する。
図１に示すように、ガス遮断器１は、電力系統の電気回路を開閉する開閉装置である。ガス遮断器１は、消弧性ガスが充填された密閉容器２と、密閉容器２内に配置された対向ユニット３および可動ユニット４と、を備えている。消弧性ガスは、消弧性能および絶縁性能に優れたガスであり、例えば六フッ化硫黄（ＳＦ_６）ガスである。対向ユニット３および可動ユニット４は、密閉容器２に消弧性ガスとともに収納されている。

密閉容器２は、電気回路を流れる電流の遮断が行われる内部空間を有する。密閉容器２は、金属材料等により形成されている。密閉容器２は、接地されている。密閉容器２の内部には、一対の導体（一方の導体５のみ図示）が密閉容器２の外部から引き込まれている。

対向ユニット３および可動ユニット４は、電気回路の一部を構成している。対向ユニット３は、一方の導体５に導通した対向接触子部２０を備えている。可動ユニット４は、他方の導体（不図示）に導通した可動接触子部４０を備えている。ガス遮断器１は、対向接触子部２０および可動接触子部４０を互いに接触または離間させることで、電気回路の開閉し、電流を導通または遮断する。以下の説明では、対向接触子部２０および可動接触子部４０が互いに接触した状態を閉極状態といい、対向接触子部２０および可動接触子部４０が互いに離間した状態を開極状態という。また、閉極状態のうち平常時に適用される状態を特に投入状態という。また、開極状態のうち、電流の遮断動作が完了した状態を特に完全開極状態という。また、投入状態から完全開極状態に向けて対向接触子部２０および可動接触子部４０を互いに離間させる過程を開極過程という。

対向ユニット３および可動ユニット４は、それぞれ複数の円筒状または円柱状の部材により形成されている。円筒状または円柱状の各部材は、共通軸線Ｏと同軸に配置されている。対向ユニット３および可動ユニット４は、共通軸線Ｏの軸方向で対向するように配置されている。なお、以下の説明では、共通軸線Ｏの軸方向を単に軸方向と称する。また、共通軸線Ｏ回りを周回する方向を周方向と称する。また、共通軸線Ｏに直交する方向を径方向と称する。本実施形態では、軸方向は水平方向に平行であり、軸方向に沿う１方向を前方（第２方向）と定義し、その反対方向を後方（第１方向）と定義する。

対向ユニット３は、可動ユニット４の前方に配置されている。対向ユニット３は、密閉容器２に対して固定的に配置されている。対向ユニット３は、排気チャンバ１０と、サポート１５と、対向接触子部２０と、を備えている。

排気チャンバ１０は、互いに導通する内筒１１および外筒１３を有する。内筒１１および外筒１３は、それぞれ金属材料等により円筒状に形成されている。内筒１１および外筒１３は、上述した一方の導体５に導通している。

内筒１１は、周壁部１１ａと、閉塞部１１ｂと、を備える。周壁部１１ａは、一定の内径および一定の外径で軸方向に延びている。閉塞部１１ｂは、周壁部１１ａの前端部を閉塞している。閉塞部１１ｂは、周壁部１１ａの前端部から径方向の内側に張り出している。これにより、内筒１１は、後方に開口した有底筒状に形成されている。ただし、閉塞部１１ｂに貫通孔が形成されていてもよい。

内筒１１の周壁部１１ａには、径方向に貫通する貫通孔１２が形成されている。貫通孔１２は、周方向および軸方向に間隔をあけて複数設けられている。貫通孔１２は、内筒１１の内外を連通させている。

外筒１３は、内筒１１を囲うように形成されている。外筒１３の前端部は、内筒１１の前端部の外周面に全周にわたって密接している。外筒１３は、後方に開口している。これにより、外筒１３と内筒１１との間の空間は、前端で閉塞されているとともに、後方に開放されている。外筒１３は、後半部１３ａと、前半部１３ｂと、を備える。

後半部１３ａは、外筒１３の後端部から前方に延びている。後半部１３ａは、外筒１３の後端部から前方に向かうに従い漸次拡径している。換言すると、後半部１３ａの内径は、外筒１３の前端部から後方に向かうに従い漸次増大している。

前半部１３ｂは、後半部１３ａよりも前方に配置されている。前半部１３ｂは、外筒１３の前端部から後方に延びている。前半部１３ｂの後端部は、後半部１３ａの前端部に接続している。前半部１３ｂは、一定の内径および一定の外径で軸方向に延びている。前半部１３ｂは、周方向の全体にわたって内筒１１の外周面に対して径方向に間隔をあけている。前半部１３ｂは、径方向の外側から見て内筒１１に形成された全ての貫通孔１２に重なっている。前半部１３ｂには、導体５が結合している。

サポート１５は、金属材料等により形成されている。外筒１３の内周面から径方向の内側に突出している。サポート１５は、外筒１３における後半部１３ａと前半部１３ｂとの境界部に結合している。サポート１５は、外筒１３に導通している。サポート１５は、内筒１１の周壁部１１ａを貫通している。サポート１５には、内筒１１の内側で後述する対向アーク接触子２６が結合している。

対向接触子部２０は、対向通電接触子２１と、対向アーク接触子２６（対向接触子）と、を備えている。
対向通電接触子２１は、金属材料により、円筒状に形成されている。対向通電接触子２１は、内筒１１の後端部に結合している。対向通電接触子２１は、排気チャンバ１０よりも後方に突出している。対向通電接触子２１は、後方に開口している。対向通電接触子２１の後端部は、径方向の内側に向かって膨出している。対向通電接触子２１は、排気チャンバ１０に導通している。

対向アーク接触子２６は、金属材料により、円柱状に形成されている。対向アーク接触子２６は、対向通電接触子２１の内側に配置されている。対向アーク接触子２６は、サポート１５に結合している。対向アーク接触子２６は、サポート１５との結合部から後方に延びている。対向アーク接触子２６の後端面は、半球面状に形成されて丸みを帯びている。対向アーク接触子２６は、サポート１５を介して排気チャンバ１０に導通している。

図２は、図１に示すガス遮断器の一部を拡大して示す縦断面図である。
図２に示すように、可動ユニット４は、操作ロッド３０と、シリンダ３４と、ピストン３７と、可動接触子部４０と、絶縁ノズル５０と、を備えている。

操作ロッド３０は、金属材料等により形成されている。操作ロッド３０は、後端部において絶縁ロッドを介して駆動装置（いずれも不図示）に接続され、密閉容器２および対向ユニット３に対して軸方向に変位可能になっている。操作ロッド３０は、図示しない他方の導体に導通している。操作ロッド３０は、円筒状に形成され、前方に開口している。操作ロッド３０には、径方向に貫通する通気孔３１が形成されている。通気孔３１は、軸方向の所定の位置で周方向に間隔をあけて並んでいる。通気孔３１は、共通軸線Ｏを中心として回転対称に配置されている。なお操作ロッド３０のうち通気孔３１よりも後方に位置する部分は中実に形成されていてもよい。操作ロッド３０の外周面には、径方向の外側に張り出した外フランジ３２が形成されている。外フランジ３２は、通気孔３１よりも前方に位置する。外フランジ３２は、周方向の全体にわたって連続して延びる円環状に形成されている。

シリンダ３４は、操作ロッド３０に対して固定的に配置されている。シリンダ３４は、操作ロッド３０に連動して、操作ロッド３０と一体に軸方向に変位する。シリンダ３４は、金属材料等により、円筒状に形成されている。シリンダ３４は、操作ロッド３０に導通している。シリンダ３４は、軸方向に沿って延在する周壁３４ａと、周壁３４ａから径方向の内側に張り出した第１フランジ３４ｂおよび第２フランジ３４ｃと、を備えている。周壁３４ａは、操作ロッド３０を径方向の外側から囲っている。第１フランジ３４ｂは、周壁３４ａの前端部から、径方向の内側に向かって張り出している。第１フランジ３４ｂは、円環板状に形成されている。第１フランジ３４ｂの内周縁は、操作ロッド３０の外周面に径方向で対向している。第１フランジ３４ｂは、操作ロッド３０の外フランジ３２よりも前方に位置する。第１フランジ３４ｂの内周部には、軸方向に貫通する排気孔３５が形成されている。排気孔３５は、共通軸線Ｏを中心として回転対称に形成されている。第２フランジ３４ｃは、第１フランジ３４ｂよりも後方に位置する。第２フランジ３４ｃの内周縁は、操作ロッド３０の外周面に径方向で対向している。第２フランジ３４ｃの内周縁は、操作ロッド３０の外フランジ３２の外周縁に径方向で対向している。第２フランジ３４ｃの内周縁の全体は、操作ロッド３０の外フランジ３２の外周縁に対して径方向に間隔をあけて延びている。

ピストン３７は、円環状に形成されている。ピストン３７は、操作ロッド３０と、シリンダ３４の周壁３４ａと、の間に配置されている。ピストン３７は、密閉容器２に対して固定的に配置されている。ピストン３７は、シリンダ３４の第２フランジ３４ｃよりも後方に位置する。ピストン３７は、操作ロッド３０の通気孔３１よりも前方に位置する。ピストン３７は、操作ロッド３０と、シリンダ３４の周壁３４ａと、の隙間を埋めるように配置されている。

シリンダ３４、ピストン３７および操作ロッド３０は、消弧性ガスを蓄圧する第１パッファ室７１および第２パッファ室７２（蓄圧部）を画成している。第１パッファ室７１は、シリンダ３４の第２フランジ３４ｃとピストン３７との間に形成されている。第２パッファ室７２は、シリンダ３４の第１フランジ３４ｂと第２フランジ３４ｃとの間に形成されている。第１パッファ室７１は、操作ロッド３０の変位に連動して容積可変である。第１パッファ室７１は、シリンダ３４および操作ロッド３０の後方の変位に伴って容積が減少することで、内部の消弧性ガスを昇圧する。第１パッファ室７１で昇圧した消弧性ガスは、第２フランジ３４ｃと操作ロッド３０の外周面（外フランジ３２）との間を通じて第２パッファ室７２に流入する。第２パッファ室７２の内部の消弧性ガスは、第１パッファ室７１からの消弧性ガスの流入に伴って昇圧する。第２パッファ室７２で昇圧した消弧性ガスは、排気孔３５を通じて第２パッファ室７２から放出される。

可動接触子部４０は、可動アーク接触子４１（可動接触子）と、可動通電接触子４６と、を備えている。
可動アーク接触子４１は、金属材料により円筒状に形成されている。可動アーク接触子４１は、操作ロッド３０に導通している。可動アーク接触子４１の両端は、軸方向に開口している。可動アーク接触子４１の後端縁は、操作ロッド３０の前端縁に全周にわたって結合している。可動アーク接触子４１は、操作ロッド３０を前方に延長するように設けられている。本実施形態では、可動アーク接触子４１は、操作ロッド３０と一体に形成されている。ただし、可動アーク接触子４１は、操作ロッド３０とは別体に設けられて操作ロッド３０の前端部に結合していてもよい。可動アーク接触子４１の内部空間は、操作ロッド３０の内部空間に連通している。可動アーク接触子４１の前端部は、径方向の内側に向かって膨出している。可動アーク接触子４１の前端部の内径は、対向アーク接触子２６の外径と略一致している。可動アーク接触子４１および操作ロッド３０の内径は、可動アーク接触子４１の前端部を除き、通気孔３１よりも前方部分で一定である。

なお、可動アーク接触子４１には、図示しない複数のスリットが形成されている。複数のスリットは、可動アーク接触子４１の前端縁から後方に切り込まれている。複数のスリットは、周方向に略等間隔に形成されている。これにより、可動アーク接触子４１は、隣り合うスリット間に設けられたフィンガーを複数備えている。フィンガーは、板ばね状に形成され、径方向に撓み変形可能となっている。

可動アーク接触子４１は、操作ロッド３０に連動して、軸方向に変位する。対向アーク接触子２６および可動アーク接触子４１は、操作ロッド３０の変位に伴って軸方向に互いに接離可能に設けられている。対向アーク接触子２６および可動アーク接触子４１は、閉極状態で互いに接触するとともに、開極状態で互いに離間する。対向アーク接触子２６および可動アーク接触子４１は、対向アーク接触子２６が可動アーク接触子４１の開口に挿入されることで、互いに接触して導通する。開極過程では、対向アーク接触子２６および可動アーク接触子４１が互いに離間して、対向アーク接触子２６および可動アーク接触子４１の間にアーク放電が発弧するアーク空間７６が形成される。可動アーク接触子４１の内部空間は、可動アーク接触子４１の前端部の開口を通じてアーク空間７６に連通する。これにより、可動アーク接触子４１の内部空間は、操作ロッド３０の内部空間とアーク空間７６とを連通させている。可動アーク接触子４１および操作ロッド３０それぞれの内部空間は、アーク空間７６のガスを排気するガス排気流路の一部として、アーク空間７６に連通する可動側ガス流路９０（第２排気流路）となる。

可動通電接触子４６は、金属材料により、円筒状に形成されている。可動通電接触子４６は、可動アーク接触子４１を囲うように配置されている。可動通電接触子４６は、シリンダ３４の第１フランジ３４ｂから前方に突出している。可動通電接触子４６は、シリンダ３４に導通している。可動通電接触子４６の前端部は、前方に開口している。可動通電接触子４６の外径は、対向通電接触子２１の後端部の内径に一致している。

可動通電接触子４６は、シリンダ３４を介して操作ロッド３０に対して固定されている。可動通電接触子４６は、操作ロッド３０に連動して、操作ロッド３０と一体に軸方向に変位する。対向通電接触子２１および可動通電接触子４６は、操作ロッド３０の変位に伴って軸方向に互いに接離可能に設けられている。対向通電接触子２１および可動通電接触子４６は、投入状態で互いに接触するとともに、開極状態で互いに離間する。対向通電接触子２１および可動通電接触子４６は、可動通電接触子４６が対向通電接触子２１の開口に挿入されることで、互いに接触して導通する。対向通電接触子２１および可動通電接触子４６は、開極過程において対向アーク接触子２６および可動アーク接触子４１よりも早く互いに離間する。

絶縁ノズル５０は、絶縁材料により、円筒状に形成されている。絶縁ノズル５０は、可動アーク接触子４１と可動通電接触子４６との間において、シリンダ３４の第１フランジ３４ｂから前方に突出している。絶縁ノズル５０は、可動アーク接触子４１および可動通電接触子４６よりも前方に突出している。つまり、絶縁ノズル５０の前端縁は、可動アーク接触子４１の前端縁、および可動通電接触子４６の前端縁よりも前方に位置している。絶縁ノズル５０は、前端部にノズル開口部５１を備える。ノズル開口部５１は、排気チャンバ１０の内側で前方に開口し、内筒１１の内部空間に連通している。絶縁ノズル５０の後端縁は、シリンダ３４の第１フランジ３４ｂに全周にわたって密接している。絶縁ノズル５０の後端開口は、排気孔３５に直接連通している。

絶縁ノズル５０の内周面は、スロート部５２と、上流側案内部５３と、下流側案内部５４と、を備えている。
スロート部５２は、絶縁ノズル５０において内径が最小の部分を含む。スロート部５２は、絶縁ノズル５０における軸方向の中途部に設けられている。スロート部５２は、可動アーク接触子４１よりも前方に位置する。スロート部５２は、閉極状態で対向アーク接触子２６を囲む。スロート部５２は、開極状態でアーク空間７６を径方向の外側から画成し、アーク放電を囲む。スロート部５２は、完全開極状態で対向アーク接触子２６よりも後方に位置する。

上流側案内部５３は、絶縁ノズル５０における後端部とスロート部５２との間に設けられている。上流側案内部５３は、可動アーク接触子４１を囲んでいる。上流側案内部５３は、可動アーク接触子４１の外周面および前端面に対向している。上流側案内部５３は、全長にわたって可動アーク接触子４１に対して間隔をあけている。上流側案内部５３は、可動アーク接触子４１の外周面と協働して、排気孔３５を通じて第２パッファ室７２に連通する接続空間７７を画成している。接続空間７７は、アーク空間７６に直接連通している。接続空間７７は、第２パッファ室７２から放出された消弧性ガスをアーク空間７６へ誘導してアーク放電に吹き付ける。

下流側案内部５４は、絶縁ノズル５０における前端部とスロート部５２との間に設けられている。下流側案内部５４は、前方に向かうに従い内径が漸次増大するように延びている。下流側案内部５４は、完全開極状態で対向アーク接触子２６における後端部を囲んでいる。下流側案内部５４と対向アーク接触子２６との間の空間は、アーク空間７６に直接連通している。下流側案内部５４と対向アーク接触子２６との間の空間は、アーク空間７６のガスを排気するガス排気流路の一部として、対向側ガス流路８０（第１排気流路）となる。

完全開極状態において、下流側案内部５４は、対向アーク接触子２６との間に、流路断面積が極小となる極小部８１と、極小部８１から下流側のノズル開口部５１まで流路断面積が漸次拡大する対向側拡大部８２と、を形成する。これら極小部８１および対向側拡大部８２は、対向側ガス流路８０の一部である。極小部８１は、下流側案内部５４の中途部と対向アーク接触子２６の外周面の後端縁との間に形成されている。なお、流路断面積は、共通軸線Ｏに直交する断面上で規定される。

フローガイド６０は、操作ロッド３０の内部空間に配置されている。フローガイド６０は、共通軸線Ｏを中心とする回転体形状に形成されている。フローガイド６０の外径は、軸方向に沿って変化する。フローガイド６０は、前方に先細るように形成されている。フローガイド６０の外径は、後方に向かうに従い漸次増大している。フローガイド６０の前端は、通気孔３１よりも前方に位置している。フローガイド６０の後端は、通気孔３１よりも後方に位置し、操作ロッド３０の内側を閉塞している。すなわち、フローガイド６０は、通気孔３１よりも後方から前方にわたる領域に配置されている。フローガイド６０は、可動側ガス流路９０の流路断面積を軸方向の位置に応じて変化させる。なお、フローガイド６０は、アーク放電により熱せられた高温のガス（熱ガス）に対する耐熱性を有する材料で形成されていることが好ましい。

フローガイド６０は、操作ロッド３０の内面との間に、下流側に向かって流路断面積が漸次縮小する縮小部９１と、流路断面積が最小となる最小部９２と、下流側に向かって流路断面積が漸次拡大する拡大部９３と、を形成する。これら縮小部９１、最小部９２および拡大部９３は、可動側ガス流路９０の一部である。縮小部９１は、フローガイド６０の前端から通気孔３１の前端縁にわたる範囲に形成されている。拡大部９３は、通気孔３１の前端縁から後端縁にわたる範囲に形成されている。拡大部９３は、軸方向において縮小部９１よりも大きく形成されている。ただし、拡大部９３は、軸方向において縮小部９１以下の大きさに形成されていてもよい。最小部９２は、縮小部９１と拡大部９３との間であり、フローガイド６０における中途部と通気孔３１の前端縁との間に形成されている。ただし、最小部９２は、通気孔３１の前端縁よりも前方に形成されていてもよい。

続いて、ガス遮断器１の遮断動作について説明する。
投入状態では、可動通電接触子４６が対向通電接触子２１の内側に挿入されて接触し、対向アーク接触子２６が可動アーク接触子４１の内側に挿入されて接触している。これにより、対向ユニット３と可動ユニット４とが導通する。

ガス遮断器１は、電流を遮断する場合、操作ロッド３０を後方に変位させ、対向接触子部２０および可動接触子部４０を互いに離間させる。操作ロッド３０を後方に変位させると、可動アーク接触子４１、可動通電接触子４６、絶縁ノズル５０およびシリンダ３４が操作ロッド３０に連動して後方に変位する。シリンダ３４が後方に変位すると、第１パッファ室７１の容積が減少し、第１パッファ室７１の内部の消弧性ガスが昇圧される。第１パッファ室７１で昇圧した消弧性ガスは、第２パッファ室７２に流入する。これにより、第２パッファ室７２の内部の消弧性ガスが昇圧される。

投入状態から操作ロッド３０を後方に変位させると、対向通電接触子２１と可動通電接触子４６とが離間する。この状態では、対向アーク接触子２６と可動アーク接触子４１とが互いに接触しているので、対向ユニット３と可動ユニット４とが導通している。

さらに操作ロッド３０を後方に変位させると、対向アーク接触子２６と可動アーク接触子４１とが離間し、閉極状態から開極状態に移行する。対向アーク接触子２６と可動アーク接触子４１とが離間すると、対向アーク接触子２６と可動アーク接触子４１との間で、アーク放電が発弧する。アーク放電が発弧すると、アーク空間７６の消弧性ガスが加熱されて高温の熱ガスとなり膨張する。膨張した消弧性ガスの一部は、接続空間７７を通って第２パッファ室７２に流入する。これにより、第２パッファ室７２の内部の消弧性ガスがさらに昇圧される。

遮断動作が進行すると、対向アーク接触子２６と可動アーク接触子４１との距離が開くとともに、電流が電流ゼロ点に向けて小さくなり、アーク放電が小さくなる。アーク放電が小さくなると、アーク空間７６から第２パッファ室７２への消弧性ガスの流入が停止し、電流ゼロ点付近のタイミングで、第２パッファ室７２の圧力が最大となる。このとき、アーク空間７６と第２パッファ室７２との差圧によって第２パッファ室７２から高圧の消弧性ガスが放出される。

図３は、第１の実施形態のガス遮断器の作用を示す図である。
図３に示すように、第２パッファ室７２から放出された消弧性ガスは、接続空間７７を通ってアーク放電に吹き付けられる。これにより、アーク放電が消弧に至り、電流が遮断される。そして、可動接触子部４０は、対向接触子部２０から最も離間した位置で完全開極状態に至り、遮断動作が完了する。

アーク放電に吹き付けられた消弧性ガスは、対向側ガス流路８０と可動側ガス流路９０とに分かれてアーク空間７６から排出される。対向側ガス流路８０に流入した消弧性ガスは、ノズル開口部５１から排出される。ノズル開口部５１から排出された消弧性ガスは、内筒１１の内部空間から貫通孔１２を通じて内筒１１と外筒１３との間の空間に至り、最終的には外筒１３の前端開口から密閉容器２内に排出される。可動側ガス流路９０に流入した消弧性ガスは、可動アーク接触子４１の前端開口から可動側ガス流路９０を経て、通気孔３１から密閉容器２内に排出される。

ここで、中小電流遮断過程または大電流遮断過程初期において、アーク空間７６の圧力上昇が比較的小さい場合には、アーク空間７６から可動側ガス流路９０に排出されたガス流は亜音速流れとなる。この場合、可動側ガス流路９０の縮小部９１はノズルとして作用し、ガス流は加速される。その後、ガス流は、最小部９２を通過する際には音速に達するとともに拡大部９３で通気孔３１に向けて拡散し、淀むことなく通気孔３１から密閉容器２内に排気される。その結果、アーク空間７６から可動側ガス流路９０を通じて熱ガスを速やかに排出することが可能となる。

また、大電流遮断過程において、アーク空間７６の圧力上昇が大きい場合には、操作ロッド３０内のガス流が超音速流れとなる場合がある。この場合、可動側ガス流路９０の縮小部９１はディフューザーとして作用し、ガス流を減速する。その後、ガス流は、最小部９２を通過する際には音速まで低下するとともに拡大部９３で通気孔３１に向けて拡散し、淀むことなく通気孔３１から密閉容器２内に排気される。その結果、操作ロッド３０内でチョークが発生しにくくなり、アーク空間７６から可動側ガス流路９０を通じて熱ガスを速やかに排出することが可能となる。

図４は、第１の実施形態に係るガス遮断器において、遮断動作時のアーク発生後のアーク空間におけるガス温度の変化を示す図である。図４に示す横軸は、アーク放電が発弧した時点を起点とした経過時間を表している。縦軸は、アーク空間７６におけるガス温度を表している。
図４に示すように、消弧性ガスをアーク放電に吹き付けて生じた熱ガスを、可動側ガス流路９０を通じてアーク空間７６から排出することで、アーク空間７６の温度を急激に低下させることができる。その結果、消弧に至るとともに、熱ガスがアーク空間７６から排出されたことで再点弧を抑制することができる。

ここで、本実施形態では、対向側ガス流路８０および可動側ガス流路９０のガス流量の配分に基づいて、対向側ガス流路８０および可動側ガス流路９０それぞれの流路断面積を設定している。対向側ガス流路８０の流量Ｑ１は、絶縁ノズル５０のノズル開口部５１よりも下流側における質量流量である。可動側ガス流路９０の流量Ｑ２は、操作ロッド３０の通気孔３１よりも下流側における質量流量である。対向側ガス流路８０の流路断面積Ｓ１（最小流路断面積）は、極小部８１（図２のＡ－Ａ断面で示す位置）における流路断面積である。可動側ガス流路９０の流路断面積Ｓ２は、最小部９２（図２のＢ－Ｂ断面で示す位置）における流路断面積である。

図５は、第１の実施形態に係るガス遮断器における流路断面積および流量の関係を示す図である。図５に示す横軸は、可動側ガス流路９０の流路断面積Ｓ２に対する対向側ガス流路８０の流路断面積Ｓ１の比（Ｓ１／Ｓ２）を表している。縦軸は、対向側ガス流路８０の流量Ｑ１に対する可動側ガス流路９０の流量Ｑ２の比（Ｑ２／Ｑ１）を表している。
図５に示すように、流量比（Ｑ２／Ｑ１）は、面積比（Ｓ１／Ｓ２）の関数である。特に、対向側ガス流路８０および可動側ガス流路９０それぞれの圧力が流路断面積を規定する位置で互いに等しい場合、流路断面積をＳ１＝Ｓ２とすると、流量はＱ１＝Ｑ２となる。

ところで、排気チャンバ１０内に熱ガスが滞留すると、密閉容器２と排気チャンバ１０との間の絶縁性能が低下し、地絡が生じやすくなる。本実施形態では、対向側ガス流路８０および可動側ガス流路９０の流量配分を、対向ユニット３における地絡の生じやすさに応じて決定する。対向ユニット３における地絡は、電流値が大きくなるに従い生じやすくなる。また、対向ユニット３における地絡は、電流の周期が長くなるに従い生じやすくなる。本実施形態では、ガス遮断器１の仕様（電流値や交流周波数等）に基づいて流量比（Ｑ２／Ｑ１）を設定し、面積比（Ｓ１／Ｓ２）を決定する。

以上に説明したように、本実施形態のガス遮断器１によれば、操作ロッド３０内のガス流が超音速流れとなる場合、可動側ガス流路９０の縮小部９１をディフューザーとして作用させてガス流を減速することができる。このため、ガス流は、最小部９２を通過する際には音速まで低下するとともに拡大部９３で通気孔３１に向けて拡散し、淀むことなく通気孔３１から密閉容器２内に排気される。その結果、操作ロッド３０内でチョークが発生しにくくなり、アーク空間７６から可動側ガス流路９０を通じて熱ガスを速やかに排出することが可能となる。したがって、ガスを円滑に排気できるガス遮断器１を提供できる。

また、対向側ガス流路８０および可動側ガス流路９０に熱ガスを分配して流すことができるので、ガス遮断器１の各部が熱ガスにより損傷することを抑制できる。

さらに、対向側ガス流路８０の極小部８１における流路断面積Ｓ１、および可動側ガス流路９０の最小部９２における流路断面積Ｓ２の比は、対向側ガス流路８０のガス流量Ｑ１、および可動側ガス流路９０のガス流量Ｑ２の配分に基づいて設定されている。この構成によれば、排気チャンバ１０内に熱ガスが過度に流入することを抑制できる。したがって、排気チャンバ１０の地絡の発生を抑制できる。

また、ガス遮断器１は、操作ロッド３０の内面との間に縮小部９１、最小部９２および拡大部９３を形成するフローガイド６０を備える。この構成によれば、操作ロッド３０自体が簡素な形状となるため、操作ロッド３０が製造容易になる。

また、フローガイド６０は、軸方向において通気孔３１と同じ位置で後方に向かうに従い漸次拡径しているので、フローガイド６０に沿うガス流を通気孔３１に向けて案内することができる。したがって、ガスを円滑に排気できる。

（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態に係るガス遮断器の一部を拡大して示す縦断面図である。
図６に示す第２の実施形態に係るガス遮断器１Ａは、フローガイド６０に代えて、絞り部６１および閉塞部材６２を備える点で、第１の実施形態のガス遮断器１と異なる。なお、以下で説明する以外の構成は、第１の実施形態と同様である。

図６に示すように、本実施形態のガス遮断器１Ａは、絞り部６１により可動側ガス流路９０に縮小部９１、最小部９２および拡大部９３を形成している。絞り部６１は、操作ロッド３０の内面に形成されている。絞り部６１は、径方向の内側に突出し、周方向の全体にわたって一様に延びている。絞り部６１の内径は、軸方向に沿って変化する。絞り部６１は、いわゆるラバールノズル状に形成されている。絞り部６１の全体は、通気孔３１よりも前方に位置している。絞り部６１は、可動側ガス流路９０の流路断面積を軸方向の位置に応じて変化させる。なお、絞り部６１は、熱ガスに対する耐熱性を有する材料で形成されていることが好ましい。絞り部６１は、操作ロッド３０と一体に形成されていてもよいし、操作ロッド３０と別体に設けられていてもよい。

閉塞部材６２は、操作ロッド３０の内側を閉塞する。閉塞部材６２は、通気孔３１よりも後方に配置されている。閉塞部材６２は、前方に先細るように形成されている。閉塞部材６２の前端は、通気孔３１の後端よりも前方に位置している。ただし、閉塞部材６２の全体が通気孔３１よりも後方に配置されていてもよい。

以上に説明したように、本実施形態のガス遮断器１Ａによれば、第１の実施形態と同様の作用効果を奏する。また、可動側ガス流路９０に縮小部９１、最小部９２および拡大部９３を形成する絞り部６１を操作ロッド３０の内面に設けたので、操作ロッド３０の形状変更のみで上述した作用効果を奏するガス遮断器１Ａが得られる。

（第３の実施形態）
図７は、第３の実施形態に係るガス遮断器の一部を拡大して示す縦断面図である。
図７に示す第３の実施形態に係るガス遮断器１Ｂは、フローガイド６０に加えて、第２の実施形態の絞り部６１をさらに備える点で、第１の実施形態のガス遮断器１と異なる。なお、以下で説明する以外の構成は、第１の実施形態と同様である。

フローガイド６０の前端は、軸方向において絞り部６１の形成範囲内に位置する。フローガイド６０の前端は、軸方向において絞り部６１における内径が最も小さい狭小部と同じ位置にある。ただし、フローガイド６０の前端は、絞り部６１の狭小部よりも前方に位置していてもよい。フローガイド６０および絞り部６１は、縮小部９１、最小部９２、および拡大部９３を可動側ガス流路９０に形成する。例えば、縮小部９１が絞り部６１により形成され、拡大部９３がフローガイド６０および絞り部６１により協働して形成されている。

以上に説明したように、本実施形態のガス遮断器１Ｂによれば、第１の実施形態と同様の作用効果を奏する。

なお、上記実施形態では、排気チャンバ１０が内筒１１および外筒１３を有している。しかし、排気チャンバは、単一の筒体により形成されていてもよい。

また、消弧性ガスは、六フッ化硫黄ガスに限定されない。上記実施形態によれば、排気チャンバ１０の地絡の発生を抑制できるので、消弧性ガスとして、例えば空気や、二酸化炭素、酸素、窒素およびその混合ガス等を適用してもよい。

また、上記実施形態では、対向接触子部２０が密閉容器２に対して固定的に配置されているが、この構成に限定されない。対向接触子部は、可動接触子部の軸方向の変位に連動して、可動接触子の変位方向とは反対方向に変位するように形成されていてもよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、可動側ガス流路は縮小部、縮小部の通気孔側に連なる最小部、および最小部の通気孔側に連なる拡大部を持つ。縮小部の流路断面積はアーク空間側から通気孔側に向かうに従い漸次縮小する。拡大部の流路断面積は通気孔に向かうに従い漸次拡大する。このため、操作ロッド内でチョークが発生しにくくなり、アーク空間から可動側ガス流路を通じて熱ガスを速やかに排出することが可能となる。したがって、ガスを円滑に排気できるガス遮断器を提供できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

Claims (1)

1. 消弧性ガスが充填された密閉容器と、
   前記密閉容器内に配置された対向接触子と、
   前記密閉容器内に配置され、閉極状態で前記対向接触子に接触するとともに、前記閉極状態から前記対向接触子に対して第１方向に変位することで、前記対向接触子から離間して前記対向接触子との間にアーク放電が発弧するアーク空間を形成する可動接触子と、
   前記可動接触子と一体に変位するとともに、前記可動接触子が前記対向接触子から最も離間した完全開極状態で前記対向接触子および前記アーク空間を囲む筒状に形成されており、前記第１方向とは反対側の第２方向の端部にノズル開口部を有し、前記完全開極状態で前記対向接触子との間に前記アーク空間および前記ノズル開口部を連通させる第１排気流路を形成する絶縁ノズルと、
   前記消弧性ガスを蓄圧するとともに、前記消弧性ガスを前記アーク空間に放出して前記アーク放電に対して吹き付ける蓄圧部と、
   筒状に形成されており、内部空間が前記第１方向に開放されて前記完全開極状態で前記ノズル開口部に連通した排気チャンバと、
   前記可動接触子に結合し、前記アーク空間に連通する内部空間を有し、内外を連通する通気孔が形成され、前記内部空間が前記アーク空間および前記通気孔を連通させる第２排気流路を形成し、前記第２排気流路は縮小部、前記縮小部の前記通気孔側に連なる最小部、および前記最小部の前記通気孔側に連なる拡大部を有し、前記縮小部の流路断面積は前記アーク空間側から前記通気孔側に向かうに従い漸次縮小し、前記拡大部の流路断面積は前記通気孔に向かうに従い漸次拡大する、操作ロッドと、
   少なくとも一部が前記内部空間に配置され、前記操作ロッドの内面との間に前記拡大部を形成するフローガイドと、
   を備え、
   前記操作ロッドの内面は、前記縮小部、前記最小部および前記拡大部を形成する絞り部を有し、
   前記フローガイドにおける前記第２方向の端部は、前記第１方向および前記第２方向に平行な軸方向において前記絞り部における内径が最も小さい狭小部よりも前記第２方向に位置する、
   ガス遮断器。

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