JPH01149330A - 避雷器内蔵型開閉器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電力系統の線路に設備する避雷器を内蔵した
開閉器に関するものである。

〔従来の技術〕

一般に電力系統は、電力の発生から消費までを−括した
系統で、すなわち発電所において発電し、これを送電線
によって送電し、さらに配電線を利用して方々の工場や
家庭に配電し、負荷機器に至るまでを一括した系統をい
う、送電線によって輸送された電力は送電電圧のままで
、いきなり需要家に供給することはできないから、それ
までには幾何か需要負荷に都合のよい電圧に逓降しなけ
ればならない。

網状に接続された電力系統においては、もし線路のどこ
かに事故が発生すると、その影響はたちまち全地域に波
及する。従って、たとえ事故が発生しても、その影響を
局部的に抑制して他への波及を未然に防ぐことが保守保
安上、また電力を不断に供給する上からも、極めて大切
である。

送電線路に発生する事故の種類は千種万様であるが、雷
撃に伴う異常電圧の発生と線路の短絡及び地絡によって
流れる過大電流である。これがために異常電圧に対して
は送電線に架空地線や埋設地線を設置して線路を保護し
、また発電所や変電所では線路の引込口または引出口の
付近に各種の避雷器を取付け、異常電圧波が襲来すると
一時的に接地してこれを大地に導き、電気施設の絶縁破
壊を防止するごとに努めている。また電線路が断線や接
触によって短絡または地絡して、故障位置に強大な電流
が流れて回路中の電気機器を焼損した場合などにその故
障を復旧したり、或いは定期的な保守点検を行うために
、線路の一定区間毎に開閉器を設けである。

避雷器は雷、その他の過渡的な異常に高い電圧が加わる
と通電状態になって安全に過剰の電荷を放電し、正常の
電圧では絶縁状態を維持する装置で、通常は受電設備の
母線（または引込口）に設備し、雷撃などによって発生
した送電線より侵入する雷サージや、開閉器類の開閉に
よって生ずる開閉サージから受変電設備の絶縁を保護す
るためのもので、一般にサージ電圧を放電する直列ギャ
ップとサージ電圧に引き続いて流れる放電電流（続流）
を阻止する特性要素とからなり、特性要素によって弁形
、弁抵抗形などの種類がある。

開閉器は、開閉装置の一種で、普通の使用状態、すなわ
ち定格を越えない電流（定格電流）において電流を切っ
たり入れたりする場合に使用するものである。通常、開
閉器にはサージ電圧の侵入を阻止すると同時に、復旧や
保守点検作業を行う際の安全確保のため避雷器が内蔵さ
れている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかして従来の避雷器内蔵型開閉器ｓｗは、第４図に示
すように、線路の一定区間毎に設備するが、線路５０の
開閉はスイッチ３１と二つの平面または曲面からなる接
点３２との接触・断絶により行うものが一般的である。

このような構造によれば、スイッチ３１を手動または自
動操作するにしろ、前述した如く開閉器は定格電流の範
囲で電流を切ったり入れたりするのに使用するものであ
るが、定格を這かに越える過大電流、すなわち線路の断
線や接触による短絡または地絡などの事故が発生した場
合には開閉器だけでは対処できない。そのため過大電流
の発生に対する措置としては、通常は遮断器（ブレーカ
）を用いる必要がある。遮断器は過大電流が流れる線路
を切るためのもので、そのほとんどがバネ機構によって
自動的に動作するようになっている。しかしながら、大
電流の流れを阻止するため′に開閉器と遮断器を併用す
ると構造が複雑かつ大型になる。開閉器や遮断器などの
装置は設備場所が限られているので、できるだけ取付ス
ペースを多く必要としないことが望ましい。

避雷器ａｒはスイッチ３１の上流側及び下流側において
線路５０と接地ｅの間にそれぞれ設けられ、直列ギャッ
プ３５と特性要素３６からなる。避雷器は、大電流に対
して電圧降下が少なく、常規電圧における続流がないこ
とを必要とする。すなわち、異常電圧の発生によって絶
縁破壊をすると、導電路が形成され、サージ電圧が消滅
した後もその導電路を通して続流が流れるのを速やかに
阻止する特性要素が望ましいが、現状ではそのような理
想的な特性要素がないため、正常電圧に戻っても電力供
給の支障時間が長引いていた。このことは、電力を不断
に供給する上で事故の収拾後に直ちに電力供給を開始し
なければならないことを加味すれば甚だ不具合なことで
ある。

また、産業の発展と共に需要負荷が増大すれば、電源の
開発、施設の増強によって電力系統は次第に規模を拡大
し、かつ複雑化する。電気事業者が良質の電気を豊富、
低廉に供給できるためには、この電力系統全体が常に合
理的かつ経済的に運用されなければならず、負荷に供給
される電気の総合コストを最小にすることが肝要である
。

従って本発明の目的は、以上の点を鑑みて、電力系統の
線路の復旧または保守点検作業を実施するに当たって線
路の一定区間を任意に切り離すことができる開閉器とし
ての本来の機能はもちろんのこと、線路に大電流が発生
しても瞬時にその大電流を遮断する作用も有し、併せて
雷などの異常電圧に対しては過剰の電荷を放電して電気
機器をサージ電圧から防護すると共に、サージ電圧消滅
後の続流を効果的に遮断するようにした避雷器内蔵型開
閉器を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

前記目的は、避雷器内蔵型開閉器において、開閉器の接
点の代わりに接点間に限流作用を有する超電導線を接続
し、当該超電導線を超電導体から絶縁体に移行させるた
めの手段を設け、超電導線の上流側及び下流側に取付け
られた避雷器の構成要素を限流作用を有する超電導線で
構成したことを特徴とする避雷器内蔵型開閉器により達
成される。

本発明の開閉器は避雷器を内蔵したものであり、開閉器
に限流作用を有する超電導線を使用し、かつ当該超Ｔ！
ｌ導線を超電導体から絶縁体に移行させるための手段を
設けたことにより、線路に故障電流が流れていない平常
時は開閉器の超電導線が超電導体であり、損失なく送電
することができ、線路の点検や復旧作業などの時に移行
手段を操作して任意の区間の電流を積極的に遮断する開
閉器本来の機能だけでなく、大電流が線路に流れて予め
設定した超電導線の超電導状態における臨界電流を越え
ると、超電導線が超電導体ではなく絶縁体に瞬時に移行
し、大電流を遮断する遮断器の機能も併有している。ま
た、開閉器の超電導線の上流側及び下流側に設けられた
避雷器においても、その特性要素に限流作用を有する超
電導線を使用したから、線路が正常電圧である平常時は
超電導線が超電導体ではあるが、直列ギャップにより避
雷器としては絶縁状態を維持し、雷撃などによる異常電
圧に対しては直列ギャップで放電し、引き続いて流れる
放電電流が超電導線の臨界電流を越えると、超電導線は
超電導体ではなく絶縁体に瞬時に移行し、速やかに続流
を遮断する。すなわち、本発明の開閉器はこれに内蔵し
た避雷器の特性要素も共に限流作用を存する超電導線の
超電導体と絶縁体の両方の特性を専ら利用するものであ
る。

本発明の開閉器は、超電導線の超電導体と絶縁体の両方
の特性を利用するものであるが、その両特性を活かすべ
く任意に超電導線を超電導体から絶縁体に移行させて電
流を遮断するための移行手段を有する。移行手段として
は超電導線を超電導体から絶縁体に移行させることがで
きる限り特に制限はなく、たとえば超電導線のもつ臨界
温度以上に超電導線の温度を上げる温度上昇手段、臨界
電流以上の電流を超電導線に流す電流付与手段、或いは
臨界磁界以上の磁界を超電導線に加える磁界付与手段な
どが列挙される。これらはいずれも超電導線のもつ゛超
電導状態の維持要件である臨界温度、臨界電流、臨界磁
界を超過させ、超電導線の超電導体から絶縁体への移行
による限流作用を積極的に現出させるための手段である
。

しかして超電導線の材料としては、金属系またはセラミ
ックス系超電導材料がある。金属系超電導材料としては
、ニオブ、チタン、ジルコニウム、バナジウム、タンタ
ルなどで、セラミックス系超電導材料またはその原料の
混合物としては、特に制限はないが、希土類元素の酸化
物を含有するセラミックス材料であることが好ましい、
かかる材料としては、既存の材料を供すればよいが、た
とえば材料の成分としてバリウム・イットリウム・銅・
酸素、バリウム・ランタン・銅・酸素、ストロンチウム
・ランタン・銅・酸素、バリウム・スカンジウム・銅・
酸素、またはカルシウム・ランタン・銅・酸素を組成と
するセラミックスなどがあり、好ましくはセラミックス
材料で主流になりつつあるイツトリウム系であるバリウ
ム・イットリウム・銅・酸素の組成からなる材料である
。さらにこのイツトリウム系超電導材料を使用する場合
にその好ましい配合比はＢａ：　Ｙ　：Ｃｕ：　Ｏ＝２
　：１：３：６〜７である。

超電導線はその超電導体と絶縁体の両方の特性を活用す
るものであるが、セラミックス材料は本来は優秀な絶縁
体である故、より望ましい絶縁状態による常規電流また
は大電流及び続演の遮断を得るにはセラミックス系超電
導材料からなる超電導線であることが好ましい。また超
電導線の製法は、上記金属系またはセラミックス系超電
導材料を使用し、常套手段で行えばよい。

〔実施例〕

以下、本発明の避雷器内蔵型開閉器を実施例に基づいて
説明する。

第１図はその一実施例の概略回路を示す。図に示す開閉
器ＳＷは、線路５０の一定区間毎に設備されるもので、
線路５０に取付けられた超電導線Ｇを代表として通常は
この超電導線Ｇの他に、超電導線Ｇが限流作用を行った
時に線路５０を断路すると共に電流Ｉの逆流を防止する
ための機構を有する。

この機構は図か′らも明らかなように、超電導線Ｇの下
流側に接続された分流抵抗器ｒ、分流抵抗器ｒに直列接
続されたコイル１、コイル１内に挿入されその励磁・消
磁に伴って変位する鉄棒２、鉄棒２の端部に取付けられ
たコイルバネ３、及び鉄棒２の変位に従って線路５０を
開閉するスイッチ４により構成されている。超電導線Ｇ
の上流側及び下流側において線路５０と接地Ｅの間に避
雷器ＡＲがそれぞれ取付けられている。各避雷器ＡＲは
直列ギャップ５と、超電導線ｇと、超電導線ｇに直列接
続された抵抗器Ｒとで構成されている。この抵抗器Ｒは
直列ギャップ５での放電時の放電電流を調整するための
ものである。

開閉器ＳＷの超電導線Ｇ及び避雷器ＡＲの超電導線ｇは
その超電導材料のもつ臨界温度により異なるが、超電導
状態を維持するために、たとえば冷却材を入れである冷
却槽６内に一緒に収容されて常時冷却されている。

また、開閉器ＳＷの超電導線Ｇを超電導体から絶縁体に
積極的に移行させる手段として温度上昇手段が設けられ
ている。温度上昇手段は図からも明らかなように、冷却
槽６内で超電導線Ｇに対して一定間隔を置いて配置され
たヒータ７、電源８及びスイッチ９からなるヒータ回路
により構成されている。スイッチ９は送電系統の線路の
如く大容量高電圧のものは危険な直接手動による操作を
避けて、操作部を開閉器ＳＷから離して設置し、機械的
または電気的に遠方から制御できるようにしておくこと
が妥当である。

開閉器ＳＷに使用する超電導線Ｇの一例を第２図及び第
３図に示す、ここに示す超電導線Ｇはセラミックス系超
電導材料からなるもので、セラミックス材料からなる超
電導体（または絶縁体）１１の周囲には線引によって得
られた金属薄層１２が形成されている。超電導線Ｇはこ
のままの状態では送電系統の線路に接続するにしろ取扱
い難いので、両端には端子１３が接合部１４にて取付け
られている。

端子１３は金属薄層１２と同一材料（すなわち銅、銀、
アルミニウム、ニッケルなど）、または別の良電導材料
（たとえば黄銅など）からなるもので、端子１３はオー
ミツ”り接続、ボルト接続、圧縮接続などにより取付け
てもよいし、或いは超電導線Ｇに一体成形するなどその
他の態様であっても構わない、なお、避雷器ＡＲの特性
要素として使用する超電導線ｇも上記超電導線Ｇと同様
にセラミックス系超電導材料からなり、その構造もほぼ
同一であることが好ましい。

このような超電導ｍＧを主体として構成された開閉器Ｓ
Ｗでは、平常時には超電導線Ｇは超電導体であり、電気
抵抗がＯであるためジュール熱の発生がなく、従って伝
送損失が全くない。また平常時は、分流抵抗器ｒによっ
て線路５０から分流された電流がコイル１を流れること
により、コイル１が励磁されて鉄棒２がコイルバネ３の
付勢力に勝って矢印口の方向に変位し、スイッチ４が閉
じた状態にある。温度上昇手段では、平常時にはヒータ
７に通電する必要がないのでスイッチ９を開いてヒータ
回路を開回路状態にしておく、さらに避雷器ＡＲは正常
電圧時には超電導線ｇは超電導体であり、電気抵抗が全
くないが、直列ギャップ５にて放電が発生することはな
く、絶縁状態にある。

かかる構造の開閉器ＳＷにおいて、開閉器本来の機能と
して、保守・管理上の点検作業や事故後の復旧作業に当
たって作業従事者を電撃から保護するために作業の行わ
れる区間の線路に流れる電流を遮断して当該区間を切り
離すには、開回路状態にあるヒータ回路のスイッチ９を
閉じてヒータ７に通電する。ヒータ７は冷却槽６内の冷
却材を徐々に加熱し、冷却材の温度上昇に伴って超電導
線Ｇ自体の温度も上昇し、やがて超電導線Ｇのもつ臨界
温度に達し、超電導線Ｇの超電導相が破壊する。これに
より、超電導線Ｇは超電導体からセラミックス材料の本
来の特性である絶縁体に移行し、線路５０に流れる電流
■を遮断する。この超電導線Ｇの限流作用による電流■
の遮断と同時に、分流抵抗器ｒには電流が流れなくなり
、コイル１が消磁されて鉄棒２がコイルバネ３の復元力
によって矢印イの方向に変位し、スイッチ４が開いて線
路５０を断路する。これにより、当該開閉器ＳＷを取付
けである区間を完全に切り離すので、作業従事者は電撃
の危険性もなく安心して作業を遂行することができるわ
けである。この線路５０の断路により、線路５０の電流
■の逆流を防ぐこともできる。最も超電導線Ｇは限流作
用後は絶縁体になっているので電流逆流の可能性は極め
て少ないが、万一の時の処置となる。

また、何らかの原因により線路５０に短絡や地絡などの
異常が発生して大電流が線路５０を通して超電導線Ｇに
流れると、すなわち電流が超電導線Ｇの臨界電流に達す
れば、超電導線Ｇは瞬時に超電導体から絶縁体に移行し
、過大電流を速やかに遮断する。この時、前述したよう
にスイッチ４が開いて線路５０を断路する。

次に雷撃などによって異常に高い電圧が線路５０に加わ
ると、高電圧が侵入してきた側の避雷器ＡＲでは、直列
ギャップ５にて放電して通電状態になり、サージ電圧に
引き続いて放電電流が超電導線ｇ及び抵抗器Ｒを通って
接地已に流れる。しかしながら、放電電流が超電導線ｇ
の臨界電流に達すると、超電導線ｇは瞬時に超電導体か
ら絶縁体に移行し、続流を速やかに遮断する。サージ電
圧消滅後は、直ちに線路５０を通じての送電が開始され
る。

上記実施例では開閉器ＳＷの超電導線Ｇの移行手段とし
て温度上昇手段を採用したが、前述した如くこの他に電
流付与手段や磁界付与手段などでもよく、それぞれ常套
手段によって開閉器ＳＷに内蔵し、電流付与手段では超
電導線Ｇに臨界電流以上の電流を流し、磁界付与手段で
は超電導ｆａＧに臨界磁界以上の磁界を加えればよい。

これにより超電導線Ｇの超電導状態を維持する上で不可
欠な要件である臨界電流と臨界磁界を先の臨界温度と同
様に超過させ、超電導線Ｇを超電導体から絶縁体に移行
させて、電流を任意に遮断することができる。但し、磁
界の場合は超電導特性上、超電導線Ｇは高磁界を加えた
瞬間は超電導体から絶縁体に移行するが、直ぐに超電導
体に復帰するため、最初に高磁界を加えた時に線路５０
を機械的または電気的に断路する付加機構を併用するこ
とが望ましい。

なお上記開閉器ＳＷには線路５０が断路状態にあること
を容易に視認できる付加機構を設けておくことが好まし
い。これは復旧作業など電気施設を運用する人を電撃の
危険性から防護する処置である。また開閉器ＳＷのスイ
ッチ４の開閉はコイル１とコイルバネ３とによる自動操
作ではなく手動操作可能にしてもよく、或いは全く異な
る機構であっても差し支えない。

〔発明の効果〕

以上説明した如く、本発明の避雷器内蔵型開閉器は開閉
器及び避雷器の構成要素に限流作用を有する超電導線を
使用し、かつ開閉器の超電導線を超電導体から絶縁体に
任意に移行させるための手段を設け、超電導線のもつ超
電導体と絶縁体の両方の特性を有効に利用することによ
り、点検や復旧作業など必要な時にいつでも移行手段に
よって超電導線を超電導体から絶縁体に移行させて電流
を遮断する開閉器本来の機能に加えて、異常時の過大電
流によっても超電導線が瞬時に超電導体から絶縁体に移
行するので、過大電流を速やかにかつ効果的に遮断する
遮断器としての機能も兼ね備えており、また避雷器によ
り、異常電圧の放電に引き続いて流れる放電電流で超電
導線が瞬時に超電導体から絶縁体に移行するので、続流
を速やかにかつ効果的に遮断することができると共に、
サージ電圧の消滅後に送電を直ちに再開でき、電力供給
の支障時間も短く、電力系統を合理的かつ経済的に運用
することを可能とする画期的なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の避雷器内蔵型開閉器の電力系統におけ
る線路に対する取付例を示す概略回路図、第２図は本発
明の開閉器及び避雷器の特性要素に使用する超電導線の
一実施例の平面図、第３図は第２図に示した超電導線の
側断面図、第４図は従来の避雷器内蔵型開閉器の電力系
統における線路に対する取付例を示す概略回路図である
。 ＳＷ　　　　：開閉器 ＡＲ：避雷器 Ｇ、　ｇ　“　　：超電導線 Ｒ，ｒ　　　　：砥抗器 Ｅ　　　　　：接地 ｌ　　　　　：コイル ２　　　　　：鉄棒 ３　　　　　：コイルバネ ４．９　　　　：スイッチ ５　　　　　　：直列ギャップ ６　　　　　：冷却槽 ７　　　　　　：ヒータ ８　　　　　：電源 ５０：線路 第２図 （ハ） 手続補正書帽発） 昭和６３年４月８　日

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）避雷器内蔵型開閉器において、開閉器の接点の代
   わりに接点間に限流作用を有する超電導線を接続し、当
   該超電導線を超電導体から絶縁体に移行させるための手
   段を設け、超電導線の上流側及び下流側に取付けられた
   避雷器の構成要素を限流作用を有する超電導線で構成し
   たことを特徴とする避雷器内蔵型開閉器。
2. （２）前記移行手段が超電導線のもつ臨界温度以上に当
   該超電導線の温度を上げる温度上昇手段であることを特
   徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の避雷器内蔵型
   開閉器。
3. （３）前記移行手段が超電導線のもつ臨界電流以上の電
   流を当該超電導線に流す電流付与手段であることを特徴
   とする特許請求の範囲第（１）項記載の避雷器内蔵型開
   閉器。
4. （４）前記移行手段が超電導線のもつ臨界磁界以上の磁
   界を当該超電導線に加える磁界付与手段であることを特
   徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の避雷器内蔵型
   開閉器。
5. （５）前記開閉器及び避雷器の超電導線がセラミックス
   系超電導材料からなることを特徴とする特許請求の範囲
   第（１）項〜第（４）項のいずれか一項記載の避雷器内
   蔵型開閉器。
6. （６）前記超電導線を構成するセラミックス系超電導材
   料の成分がバリウム・イットリウム・銅・酸素、バリウ
   ム・ランタン・銅・酸素、ストロンチウム・ランタン・
   銅・酸素、バリウム・スカンジウム・銅・酸素、または
   カルシウム・ランタン・銅・酸素であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第（５）項記載の避雷器内蔵型開閉器
   。