JPH06243763A - 直流遮断器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】真空バルブとコンデンサとを用いて構成され、
主回路の故障時に真空バルブを流れる電流と反対方向の
電流をコンデンサを放電させて流すことにより真空バル
ブを流れる電流に零点を作って遮断する直流遮断器にお
いて、真空バルブに与えた開極指令から開極までの時間
にばらつきがあっても、コンデンサの放電が常に遮断可
能な接点開離距離が得られた時点以降に、かつ遮断器の
アーク時間が長くならない時点に行われる遮断器の構成
を提供する。 【構成】真空バルブ１２の容器壁面にアーク光を容器外
部へ導出するための光透過窓１２Ａを設け、容器外部で
アーク光を検出してから、コンデンサ４と直列の，機械
的に閉極動作をして閉極指令から閉極までに時間おくれ
のある機械的スイッチ３に閉極指令を与えてコンデンサ
４を放電させる構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、真空バルブを用いた
直流遮断器に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気鉄道等の地絡、短絡事故保護に従来
用いられている。真空バルブを用いた直流遮断器は、図
４に示すように、真空バルブ２と並列にスイッチ３を介
してコンデンサ４を設け、このコンデンサ４から事故電
流と反対向きの電流（流転電流）を真空バルブ２に流し
込むことにより強制的に電流零点を作りだし、事故電流
を遮断している。

【０００３】この時、真空バルブ２の開極指令、コンデ
ンサ４の放電開始指令は時系列的な制御によっている。
すなわち、電流検出器６により、事故電流を検出して真
空バルブ２に開極指令を与え、開極の指令から開極まで
の遅れ時間を見込んでスイッチ３にコンデンサ４の放電
指令を与える。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このように、開極指令
から開極までの遅れ時間を見込んでコンデンサを放電さ
せる方式の時系列制御方式では、真空バルブの開極の遅
れ時間にばらつきがあったときに遮断不能が生じたり、
あるいはアークが発生している時間が長くなるために真
空バルブの接点が消耗し寿命が短くなる欠点がある。す
なわち開極の遅れ時間が小さい時には転流電流が流れだ
すまでの時間が長くなりアーク発生時間が長くなるため
接点の消耗が大きくなる。一方、開極の遅れ時間が大き
い時には転流電流が流れているにもかかわらず、接点が
開極していないため事故電流遮断にはいたらず、その後
接点が開極しても転流電流は減衰してしまい、事故電流
に零点をつくることができず遮断不能となる。

【０００５】この発明の目的は、上記従来技術の問題点
に対して、真空バルブの開極を確実に検出してコンデン
サに放電指令を与えることにより遮断不能、あるいは真
空バルブ接点の消耗の増加を抑えることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明においては、真空バルブを用いた直流遮断器
を、真空容器内に１対の接点を収容するとともに接点解
離時に発生するアーク光を真空容器外部へ導出するため
の光透過窓を該真空容器の壁面に備え直流電源および負
荷を結ぶ主回路に直列に挿入される真空バルブと、前記
光透過窓を通して外部へ導出されたアーク光を検出する
光検出器と、光検出器からの指令により機械的に閉極動
作をするスイッチを介して真空バルブと並列に接続さ
れ、スイッチの閉極により予め充電された電荷を放出し
て真空バルブを流れる電流を零値にもたらすコンデンサ
とを用いて構成する。

【０００７】ここで、かかる構成における真空バルブの
具体構成を、真空容器内に収容される１対の接点が、同
一軸線上に配され該軸線方向に相対移動する１対の棒状
接点導体の対向する各端面に該接点導体と同軸に対向し
て支持されるとともに該真空容器が該１対の接点を前記
接点導体と同軸に包囲する金属円筒を用いて構成され、
接点開離時に発生するアーク光を真空容器外部へ導出す
るための光透過窓が該金属円筒の周壁面に設けられたも
のとすれば好適である。

【０００８】そして、この具体構成では、さらに、１対
の接点が真空容器内で一方の端面開放の円筒状アークシ
ールドにより同軸に包囲されるとともに該アークシール
ド周壁面上の接点解離間隙位置と同じ軸方向の位置に開
口が形成され、かつアーク光を真空容器外部へ導出する
ための光透過窓が、真空容器を構成する金属円筒周壁面
上の該開口と半径方向に対向した位置に設けられたもの
とするのがよい。

【０００９】あるいは、１対の接点が真空容器内で一方
の端面開放の円筒状アークシールドにより同軸に包囲さ
れるとともにアーク光を真空容器外部へ導出するための
光透過窓が、真空容器を構成する金属円筒周壁面上の，
前記円筒状アークシールドの開放端面の軸方向位置近傍
に設けられたものとするのもよい。また、前記構成の直
流遮断器において、アーク光を検出する光検出器を、光
検出器の受光部が空隙を介して光透過窓と対向にするよ
うに配置すれば好適である。

【００１０】あるいは、アーク光を検出する光検出器へ
のアーク光の導入を、光ファイバあるいは蛍光ファイバ
を介して行い、光検出器の設置位置に自由度をもたせる
ようにすればさらに好適である。

【００１１】

【作用】このように、本発明では、直流遮断器を構成す
る真空バルブを、その真空容器の壁面に、該真空容器内
に収容された接点の開離時に発生するアーク光を容器外
部へ導出する光透過窓に備えたものとしたので、アーク
光検出後に、コンデンサ放電のための閉極指令をスイッ
チに出すようにすることにより、従来のように、真空バ
ルブの開極前にコンデンサが放電して開極後にはもはや
電流零点を作るこことができなくなったり、あるいは辛
うじて電流零点を作ることができてもその位置が電流遮
断の不可能な接点開離距離の範囲内にあったりするよう
なことがなくなり、また、アーク光検出後のコンデンサ
放電のための閉極指令は、スイッチが機械的に閉極動作
をするスイッチであり、閉極指令後閉極までに時間おく
れがあること、真空バルブは小さい開離距離で電流遮断
能力を持ち、かつ開極後遮断可能な解離距離に到達する
までの時間は、前記機械的に閉極動作をする通常の機械
的スイッチの閉極時間（閉極指令から閉極までの時間）
よりも、閉極時間のばらつきを見込んでも十分小さいの
で、スイッチへの閉極指令の発令時点は特に時間制御を
行うことなく（従って遮断器を複雑化することなく）、
アーク光検出時点と同時刻として地絡電流あるいは短絡
電流を確実にかつアーク時間が長くなることなく遮断す
ることができる。

【００１２】そして、上記構成の直流遮断器における真
空バルブを、真空容器内に収容される１対の接点が、同
一軸線上に配され該軸線方向に相対移動する１対の棒状
接点導体の対向する各端面に該接点導体と同軸に対向し
て支持されるとともに該真空容器が該１対の接点を前記
接点導体と同軸に包囲する金属円筒を用いて構成され、
接点開離時に発生するアーク光を真空容器外部へ導出す
るための光透過窓が該金属円筒の周壁面に設けられたも
のとすれば、光透過窓を金属円筒に取り付けることがで
きるので，光透過窓を例えば耐熱性の高い，透明な石英
ガラスで構成し、この光透過窓をまず石英ガラスと熱膨
張係数が近似した金属からなる窓枠に溶着し、この窓枠
を金属円筒に溶接して真空封止を行うごとき真空封止構
造が容易に可能になる。

【００１３】さらに、このように，光透過窓が金属円筒
に取り付けられる真空バルブを、１対の接点が真空容器
内で一方の端面開放の円筒状アークシールドにより同軸
に包囲されるとともに該アークシールド周壁面上の接点
開離間隙位置と同じ軸方向の位置に開口が形成され、か
つアーク光を真空容器外部へ導出するための光透過窓
が、真空容器を構成する金属円筒周壁面上の該開口と半
径方向に対向した位置に設けられたものとすれば、真空
容器から外部へ導出されるアーク光の強度が最大とな
る。一方、光透過窓をアークシールドの開口と半径方向
に対向した位置に設けると、接点からの金属蒸気により
汚染されやすくなり、遮断を重ねることにより光の透過
度が低下する。しかし、光透過窓を透過した光の強度
は、これを検出できるレベル以上であれば微弱ではあっ
ても確実に遮断器の開極を検出できるので、実際には接
点が消耗の許容限界に到達しても光透過窓はまだ使用限
界に到達しない。一方、アークシールドに開口を設ける
とアークシールドの機能が低下することになるが、開口
の大きさは実用上、機能低下を無視できる程度に小さく
形成してもアーク光の検出は可能である。

【００１４】一方、光透過窓をアークシールド開放端面
の軸方向位置近傍に設けると、光透過窓を透過しようと
するアーク光の強度は小さくなるが、同時に光透過窓が
汚染されにくくなるので、透過した光の強度は小さいな
がらもほぼ安定し、常に確実に遮断器の開極を検出する
ことができる。また、アークシールドに開口がないの
で、アークシールドの性能が不変に保たれる。

【００１５】そこで、光透過窓から導出されたアーク光
を検出する光検出器を、光検出器の受光部が光透過窓と
空隙を介して対向するように位置すると、少ない部品数
で光検出系を構成することができる。また、光検出器へ
のアーク光の導入を、光ファイバを介して行うようにす
れば、光検出器を任意の位置に設置することができ、遮
断器の高電圧部位からの絶縁の確保が容易かつ確実とな
る。

【００１６】さらに、光検出器へのアーク光の導入を、
蛍光ファイバを介して行うようにすれば、蛍光ファイバ
は、ファイバ中に混入される蛍光色素により、ファイバ
の長手方向と直角の方向に入射した光のエネルギーで色
素固有の波長の光を発生し、これをファイバの長手方向
に伝達する機能を有するので、検出感度が最大となる蛍
光ファイバと光検出器との組合わせにより、光透過窓の
使用寿命をさらに伸ばすことができる。

【００１７】

【実施例】図１に本発明による直流遮断器構成の一実施
例を示す。直流遮断器は、真空バルブ１２と、コンデン
サ４と、スイッチ３と、電流遮断器６と、検出制御回路
１６と、光検出器１７とを用いて構成される。真空バル
ブ１２は、金属円筒１２Ｂと，金属円筒１２Ｂの左方端
面を気密に閉鎖する絶縁物と、金属円筒１２Ｂの右方端
面に金属円筒１２Ｂと同軸に取り付けられ金属円筒１２
Ｂの軸方向に伸縮して１対の接点１２Ｅ中の可動側を棒
状の接点導体を介して軸方向に移動させる図示されない
ベローズとからなる真空容器と、１対の接点１２Ｅ中の
固定側の棒状接点導体に金属円筒１２Ｂと同軸に固定さ
れたアークシールド１２Ｃと、金属円筒１２Ｂの周壁面
に取り付けられた光透過窓１２Ａと、前記１対の接点１
２Ｅとを主要構成要素として構成される。アークシール
ド１２Ｃは円筒状に形成され、その閉鎖された左方端面
が１対の接点１２Ｅ中の固定側接点導体に固定され、右
方端面は開放されている。円筒状アークシールド１２Ｃ
の周壁の，接点開離間隙１２Ｆの軸方向位置と同位置に
は、開離間隙１２Ｆに発生したアーク光を真空バルブ１
２の外部へ導出するための開口１２Ｄが形成され、この
開口１２Ｄと半径方向に対向する金属円筒１２Ｂ周壁面
上に光透過窓１２Ａが設けられている。光透過窓１２Ａ
は耐熱性の高い，透明な石英ガラスを用いて集光レンズ
状に形成したものを、石英ガラスと熱膨張係数が近似し
た金属製窓枠に溶着して作られ、これを金属円筒１２に
溶接している。また、コンデンサ４は、直流遮断器が設
置される変電所の，例えば交流２００Ｖの電源から変圧
器１４，整流器１５を介して充電され、機械的に閉極動
作をするスイッチ３を介して真空バルブ１２と並列に接
続される。また、図の符号６は、負荷７側の接地事故あ
るいは短絡事故時に流れる電流を検出する電流検出器で
あり、電流検出器として変流器を用いる場合には、その
２次側に得られる電流変化率を、またホール素子を用い
る場合にホール素子から得られる電流を検出制御回路６
で検出して開極指令を真空バルブ１２へ出力する。この
開極指令により真空バルブ１２が開極し、接点の開離間
隙に発生したアーク光がアークシールド１２Ｃの開口１
２Ｄと光透過窓１２Ａとを通して光検出器１７で検出さ
れると、時間おくれなくスイッチ３へ閉極指令が与えら
れ、スイッチ３は一定範囲内のばらつきを有する時間お
くれをもって閉極する。この時間おくれは、ばらつきの
範囲内で最小となっても、真空バルブ１２の接点が開極
後電流遮断可能となる開離距離まで離れるに要する時間
と比べて十分大きく、必ず遮断可能な開離位置でコンデ
ンサ４からの放電電流により真空バルブ内の電流が零点
を通過しようとし、ここで遮断される。また、正常に製
作された機械的スイッチ３の閉極時間のばらつきの大き
さには限度があり、スイッチ３の閉極が最大限におくれ
たとしても、真空バルブの可動接点が遮断可能な位置に
達してからスイッチ３の閉極時点までの時間はさほど長
くはならず、故障電流は常に確実に、かつアーク時間が
さほど長くなることなく遮断される。なお、アーク光を
検出する光検出器は、例えば受光部を構成する発光ダイ
オードと、発光ダイオードからの電気出力を増幅する増
幅器とを用いて構成される。

【００１８】図２は、光透過窓の金属円筒周壁面上の位
置に関する第２の実施例を示すもので、光透過窓１２Ａ
は金属円筒１２Ｂの，アークシールド１２Ｃの開放され
た右方端面とほぼ同じ軸方向の位置に設けられている。
この場合には、アークシールド１２Ｃにはアーク光を通
すための開口は設けられず、アーク光は真空容器内を照
らしかつ反射しながらその一部が光透過窓１２Ａを通し
て光検出器１７に到達する。従って、光検出器１７に到
達する光量は少ないものの、光透過窓１２Ａの金属蒸気
による汚染も少ないので、遮断を重ねても光量が比較的
安定して光検出器１７に到達し、光透過窓１２Ａは接点
寿命と同等以上の長期間、必要とする光透過機能を保有
する。

【００１９】図３はアーク光検出方法のいくつかの実施
例を示す。同図（ａ）はその第１の実施例を示すもの
で、光検出器１７は、その受光部が光透過窓１２Ａと必
要な絶縁間隔をもって対向するように配置されている。
光検出器１７は、その必要とする機能から、小形に形成
することができるので、直流遮断器の一部品として直流
遮断器本体に絶縁物を介して剛に一体化することがで
き、光検出系を大きくすることなく直流遮断器を構成す
ることができる。なお、この実施例では光検出器１７
は、スイッチ３（図１）に与える閉極指令信号値までの
増幅機能を持たず、次段の閉極指令回路１８が閉極指令
を出力する。

【００２０】同図（ｂ）はアーク光検出方法の第２の実
施例を示す。アーク光の光検出器１７への導入は、絶縁
性を有する光ファイバ１９を介して行われるので、光検
出器１７の取付け位置を任意に選ぶことができ、光検出
器１７の直流遮断器高電位部からの絶縁を常に確実に確
保することができる。同図（ｃ）はアーク光検出方法の
第３の実施例を示す。アーク光の光検出器１７への導入
は、蛍光ファイバ２０を介して行われる。蛍光ファイバ
は絶縁性を有するファイバ材中に蛍光色素を混入させた
もので、ファイバの長手方向と直角の方向に入射した光
のエネルギーを吸収して蛍光色素固有の波長の光をファ
イバの長手方向に伝達する機能を有する。蛍光ファイバ
は直径が通常数十μｍオーダのものであるから、これを
図のように複数本、光透過窓１２Ａを覆うように真空容
器に巻き付けることにより、アーク光を蛍光ファイバ固
有の波長の光に変換して光検出器１７に導入することが
できる。従って光検出器１７の感度が最大となる受光素
子と蛍光ファイバとの組合わせを用いることにより、光
透過窓１２Ａの使用寿命をさらに伸ばすことができる。

【００２１】

【発明の効果】本発明では、真空バルブを用いた直流遮
断器を以上のように構成したので、直流遮断器が保護す
べき主回路の故障時に真空バルブに流れる電流と反対方
向に真空バルブに電流を流すためのコンデンサの放電
が、必ず真空バルブ内接点の開離後に、かつ接点間距離
が電流遮断可能距離到達後に行われ、故障電流遮断が常
に確実に、かつアーク時間が長くなることなく可能とな
り、直流遮断器の性能信頼性が向上した。

【００２２】また、真空バルブの真空容器を金属円筒を
用いて構成し、光透過窓を金属円筒の周壁面に取り付け
るようにしたので、光透過窓を用いた真空封止構造が簡
易かつ封止機能の確実なものとなり、真空バルブの真空
保持に対する信頼性の低下を防止することができた。さ
らに、アーク光を真空バルブ外部へ導出するために、ア
ークシールド周壁面上の接点開離間隙と同じ軸方向の位
置に開口を設け、これと半径方向に対向する金属円筒周
壁面上の位置に光透過窓を設けたので、常に強い光が光
透過窓を透過しようとし、一方、透過した光の強度は検
出に必要な最低限のレベル以上のものであればよいこと
から、光透過窓の使用寿命は実際上接点寿命と同等以上
となり、遮断器は接点寿命期間中遮断性能信頼性を保有
することができる。

【００２３】また、光透過窓を金属円筒周壁面上で円筒
状アークシールドの開放端面の軸方向位置近傍に設けて
も、光透過窓を透過うようとする光の強度は小さいもの
の、光透過窓の汚染も進まないことから、遮断器の遮断
性能信頼性を接点寿命期間中保有することができる。そ
して、光透過窓を透過した光を検出する光検出器を、そ
の受光部が空隙を介して光透過窓と対向するように設け
ることにより、少ない部品数で直流遮断器を構成するこ
とができる。

【００２４】また、光検出器への光の導入を光ファイバ
あるいは蛍光ファイバを介して行うようにすることによ
り、光検出器の設置位置に自由度が生じ、光検出器の直
流遮断器高電位部からの光検出器の絶縁確保が容易かつ
確実となり、遮断器の信頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による直流遮断器構成の一実施例を示す
構成原理図

【図２】本発明における光透過窓の、真空バルブの真空
容器を構成する金属円筒周壁面上の位置の，図１と異な
る実施例を示す説明図

【図３】本発明における光透過窓を透過したアーク光の
光検出器による検出方法のいくつかの実施例を示すもの
であって、同図（ａ）はアーク光を空隙を介して受光す
る方法を示す図、同図（ｂ）はアーク光を光ファイバを
介して受光する方法を示す図，同図（ｃ）はアーク光を
蛍光ファイバを介して受光する方法を示す図

【図４】真空バルブを用いた真空遮断器の従来構成の一
例を示す構成原理図

【符号の説明】

２ 真空バルブ ３ スイッチ ４ コンデンサ１２ 真空バルブ １２Ａ 光透過窓 １２Ｂ 金属円筒 １２Ｃ アークシールド １２Ｄ 開口 １２Ｅ 接点（１対の） １２Ｆ 開離間隙 １７ 光検出器 １９ 光ファイバ ２０ 蛍光ファイバ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】真空容器内に１対の接点を収容するととも
   に接点解離時に発生するアーク光を真空容器外部へ導出
   するための光透過窓を該真空容器の壁面に備え直流電源
   および負荷を結ぶ主回路に直列に挿入される真空バルブ
   と、前記光透過窓を通して外部へ導出されたアーク光を
   検出する光検出器と、光検出器からの指令により機械的
   に閉極動作をするスイッチを介して真空バルブと並列に
   接続され、スイッチの閉極により予め充電された電荷を
   放出して真空バルブを流れる電流を零値にもたらすコン
   デンサとを備えたことを特徴とする直流遮断器。
2. 【請求項２】請求項第１項に記載の直流遮断器におい
   て、真空容器内に収容される１対の接点が、同一軸線上
   に配され該軸線方向に相対移動する１対の棒状接点導体
   の対向する各端面に該接点導体と同軸に対向して支持さ
   れるとともに該真空容器が該１対の接点を前記接点導体
   と同軸に包囲する金属円筒を用いて構成され、接点開離
   時に発生するアーク光を真空容器外部へ導出するための
   光透過窓が該金属円筒の周壁面に設けられることを特徴
   とする直流遮断器。
3. 【請求項３】請求項第２項に記載の直流遮断器におい
   て、１対の接点が真空容器内で一方の端面開放の円筒状
   アークシールドにより同軸に包囲されるとともに該アー
   クシールド周壁面上の接点解離間隙位置と同じ軸方向の
   位置に開口が形成され、かつアーク光を真空容器外部へ
   導出するための光透過窓が、真空容器を構成する金属円
   筒周壁面上の該開口と半径方向に対向した位置に設けら
   れることを特徴とする直流遮断器。
4. 【請求項４】請求項第２項に記載の直流遮断器におい
   て、１対の接点が真空容器内で一方の端面開放の円筒状
   アークシールドにより同軸に包囲されるとともにアーク
   光を真空容器外部へ導出するための光透過窓が、真空容
   器を構成する金属円筒周壁面上の，前記円筒状アークシ
   ールドの開放端面の軸方向位置近傍に設けられることを
   特徴とする直流遮断器。
5. 【請求項５】請求項第１項に記載の直流遮断器におい
   て、アーク光を検出する光検出器が該光検出器の受光部
   が空隙を介して光透過窓と対向するように配置されるこ
   とを特徴とする直流遮断器。
6. 【請求項６】請求項第１項に記載の直流遮断器におい
   て、アーク光を検出する検出器へのアーク光の導入が光
   ファイバを介して行われ、光検出器の設置位置に自由度
   をもたせたことを特徴とする直流遮断器。
7. 【請求項７】請求項第１項に記載の直流遮断器におい
   て、アーク光を検出する光検出器へのアーク光の導入が
   蛍光ファイバを介して行われ、光検出器の設置位置に自
   由度をもたせたことを特徴とする直流遮断器。