JPS638695B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は直流しや断装置、特に直流電流に振動
電流を重畳させて電流零点を作る装置を備えた直
流しや断装置に関するものである。 一般に直流電流のしや断は交流電流のしや断に
比較して困難である。交流と違つて直流は電流が
零になる点（直流零点）を持たないからである。
電流零点を作るために直流しや断装置において、
直流回路内に設けた開閉器を開極する以前にコン
デンサを並列接続すること（開極前に予め接続し
ておくか、開極時に接続する）は良く知られてい
る。互いに並列に接続されたコンデンサと開閉器
は回路内に含まれるインダクタンス分とともに発
振回路を形成する。この発振回路によつて発生さ
れた電流を開閉器に流れている直流電流に重畳す
ると、人工的に電流零点を生じさせることができ
る。 コンデンサは開閉器に接続される前に予め所定
電位迄充電されてもよいし、されなくてもよい。
以下の説明では前者を予備充電方式、後者を無充
電方式と略称する。 予備充電方式は充電装置によつて事前にコンデ
ンサを充電しておき、開閉器を開放する以前に開
閉器に並列に接続する。コンデンサに充電されて
いた電荷は発振回路内の漂遊インダクタンスを通
して放電する。これはコンデンサとインダクタン
スのＬ−Ｃ直列共振回路に相当するので、回路条
件を適切に設定しておくと振動電流が発生する。
通常発振回路には純抵抗分が存在するため振動電
流の振幅は指数関数的に減少する。予備充電方式
においてコンデンサは開閉器の開放直前或いは直
後に開閉器に並列接続される。何れの場合でもし
や断時の電流傾斜は開閉器のしや断限界電流傾斜
を越えないように設計しなくてはならない。なお
電流傾斜は開閉器を流れる電流が電流零点を横切
る時の時間微分di／dtである。したがつて次式が成 り立つ。 di_p／dt（0.6〜0.7）E_c／L_p＜〔di／dt〕_nax ……(1) ここで i_p：振動電流 E_c：コンデンサの初期充電電圧 L_p：発振回路内のインダクタンス量 〔di／dt〕_nax：しや断装置のしや断限界電流傾斜 上式から明らかなように予備充電方式では最大
しや断電流を高めようとして初期充電電圧E_cを大
きくした場合（予備充電方式では最大しや断電流
はコンデンサの初期充電電圧E_cはほぼ比例する）
には電流傾斜が増大する。このためこの種装置で
は数ミリヘンリー（ｍＨ）以上のインダクタンス
量を持つインダクタンスをコンデンサに直列接続
し、上式におけるL_pを大きくして、電流傾斜を抑
えている。 他方無充電方式では開閉器の開放時にギヤツプ
或いは補助スイツチを介して転流用コンデンサを
開閉器に並列に接続する。開閉器を機械的に開放
したときに発生するアークは転流コンデンサ、回
路内に含まれる漂遊インダクタンス等によつて並
列分路され、Ｌ−Ｃ発振回路を形成する。この発
振回路によつて発生された電流は予備充電方式の
場合と同様に開閉器に流れている直流電流に重畳
され、その結果人工的に電流零点が生ずる。 この無充電方式においては、最大しや断可能電
流I_naxは近似的に次式で表わされる。 ここで U_a：アーク電圧 Ｃ：転流コンデンサのキヤパシタンス L_p：発振回路のインダクタンス量 したがつて無充電方式においては最大しや断可
能電流を大きくするためには、発振回路内のキヤ
パシタンスＣを大きくすることは難しいので、イ
ンダクタンス量L_pを小さくする必要があつた。 このため従来の装置は何れのアーク消弧方式を
採用するにしても発振回路のインダクタンス量を
極端に大きくする（数ｍＨ以上）か、逆に極めて
小さくする（数μH以下）しかなかつた。しかし
ながらインダクタンス量を大きくするにしても小
さくするにしても製作上種々の困難が伴なうか
ら、インダクタンス量が数μH〜１ｍＨの範囲で
よい直流しや断装置が望ましい。 さらにこれらの消弧方式においてはしや断時の
電流傾斜は理論上０にすることは不可能（最大電
流しや断時における電流傾斜を極小にできるが、
しが断電流が小さくなるにしたがつて電流傾斜は
増大する）に近い。 以上述べた消弧方式においては発生する振動電
流は時間の経過とともに振幅が減衰する。一方無
充電方式において負性アーク抵抗動性を有する開
閉器に転流コンデンサを並列に接続し、開閉器を
開放した時振幅が時間の経過とともに増大する発
散振動電流を発生させることが知られている。こ
の方式は、振動電流の振幅が徐々に増加するた
め、しや断時の電流傾斜を０にすることが可能で
あるが、しが断電流を大きくするために、先に述
べたようにコンデンサのキヤパシタンスを大きく
し、インダクタンスのインダクタンス量を小さく
していた。 本発明の目的は、発散振動を利用して直流電流
のしや断を行うものにおいて、キヤパシタンスお
よびインダクタンス量が適切で、大きなしや断電
流が得られる実用的装置を提供することにある。 本発明者等は、発散振動形のしや断の実験、研
究中に発振周波数が3.5〜25kHz（しや断器の構造
により変化する）のとき、しや断電流が大きな値
を示し、その前後の発振周波数においては低下す
ることを見出した（従来、この種のしや断方式に
おいては、インダクタンスを小さくするほどしや
断電流が大きくなると信じられていた）。その理
由の理論的根拠は明確ではないが、上記発散振動
電流を利用する消弧方式においては、アーク電圧
の大きさが周期的に変化し、振動回路と共振した
とき発振振幅が増大し、しや断電流が大きくなる
ものと推定される。 本発明は上記知見に基づいてなされたもので、
その特徴とするところは直流電流をしや断するた
めに開閉器が機械的に開放される以前に無充電状
態でこの開閉器に並列に接続されるコンデンサ
と、この開閉器が機械的に開放された時この開閉
器およびコンデンサとともに所定周波数の振動電
流を流すように接続されるインダクタンスを備え
て構成する際に、この振動電流の振幅が徐々に増
大するとともにその周波数が3.5kHz〜25kHzの間
にあるようにこのコンデンサのキヤパシタンスお
よびインダクタンスのインダクタンス量を設定す
ることである。 以下本発明を図面に示した実施例に沿つて説明
する。第１図において、開閉器１０は直流電流を
しや断するため直流回路内に設けられている。こ
の開閉器１０は直流電流をしや断するため機械的
に開放されている間負性アーク抵抗特性を有す
る。この特性はアーク電流が減少するにつれてア
ーク電圧が増加するもので、顕著であることが望
ましいが、既存の交流用の空気しや断器、真空し
や断器、磁気しや断器などが好適である。一般に
これらのしや断器は正特性領域で用いられている
が、多少の構造的変更を加えることにより負性ア
ーク抵抗特性領域を広げることができる。開閉器
１０には転流用のコンデンサ１２と漂遊インダク
タンス１４との直列回路が、補助的な開閉器やギ
ヤツプ（図示しない）を介することなく直接に並
列接続されている。漂遊インダクタンス１４はコ
ンデンサ１２および配線の漂遊インダクタンスが
代表的なものである。 今図示されていない直流電源から供給されてい
る直流電流をＩ、コンデンサ１２の充放電電流
（振動電流）をi_pとして、直流電流しや断時に開
閉器１０に流れる電流ｉの電流波形を示すと、第
２図、第３図のようになる。開閉器１０が投入さ
れている状態では転流用のコンデンサ１２は開閉
器１０により短絡され、無充電状態にある。一方
開閉器１０には直流電流Ｉが流れている。開閉器
１０がしや断指令を受けて時点t₁（第２図、第３
図参照）で機械的に開極すると開閉器１０の極間
にアークが発生する。したがつて開閉器１０はこ
のアークが消弧する迄は未だ実質上電気的に接続
されていることになる。このアークの持つ負性ア
ーク抵抗特性とコンデンサ１２、漂遊インダクタ
ンス１４との相互作用により、時間の経過と共に
振幅が増大する発散振動電流i_pが発生する。 この振動電流i_pは開閉器１０に流れている直流
電流Ｉに重畳される。このため開閉器１０に流れ
るアーク電流ｉは第３図に示すように電流零点を
生じ、交流しや断の場合と同様にして時点t₂で開
閉器１０のアークが消弧される。 さらに本発明では振動電流の振幅を時間の経過
とともに増大させる結果、しや断すべき直流電流
の大きさに関係なくdi／dt０（di／dtは電流傾斜）の 状態でしや断することができる。そのため空気し
や断器を利用した予備充電方式では直流電流に重
畳する振動電流の周波数が１（ｋHz）以上になる
と確実にしや断できないにも拘らず、本発明にお
いては５〜６（ｋHz）以上でも容易にしや断する
ことができるのである。（上記従来装置において
は振動電流の振幅は時間の経過とともに減衰する
ため第１回目の電流零点で消弧しないとだんだん
消弧しにくくなる。このため振動電流の初期振幅
を極力大きく設定する必要があり、その結果di／dt が大きくなる。一方、このdi／dtは周波数に比例す るので振動電流の周波数を低く抑えていた。アー
ク消弧後直流電流Ｉはコンデンサ１２に流入し、
図示されていない直流電源の電圧以上にコンデン
サ１２を充電する。コンデンサ１２が直流電圧以
上に充電されると、直流電流Ｉは減衰、消滅す
る。その結果直流電流を最終的にしや断したこと
になる。 本発明においては振動電流i_pの周波数は下限周
波数fL（3.5kHz）と上限周波数fH（25KHz）との
間に設定される。この発振回路の周波数はしや断
器の諸定数を考慮して決められる。コンデンサの
キヤパシタンスは経済的および構造上から制限さ
れるので、振動回路内のインダクタンス量を適当
に設定するのが実用的である。例えば、コンデン
サのキヤパシタンスを４（μF）としたとき、イン
ダクタンス量は10（μH）〜500（μH）の範囲で設
定すれば良く、比較的に容易に実施できる値とな
る。 本発明においては電流零点での電流傾斜di／dtは ほぼ０であるから、第４図に示すように開閉器１
０を流れる電流の最小値部分は電流零線に接する
と考えてよい。したがつて時間t₃からt₂までは開
閉器１０に流れる電流は減少し、最後に電流零点
に到達する。 第５図〜第７図は振動電流の周波数と最大しや
断可能電流I_naxとの関係を示すグラフで、５〜
10kHz附近では大きく、その両側領域では急激に
最大しや断可能電流が減少していることは明らか
であろう。 第５図〜第７図はキヤパシタンスを４（μF）、
８（μF）、12（μF）に変えたときの３種のしや断装
置Ａ，Ｂ，Ｃのしや断特性を示す。なお、第１表
〜第３表は、第５図〜第７図に対応する実験数値
を示す。

【表】

【表】

【表】

【表】 第８図はキヤパシタンスＣをパラメータとし、
振動回路内のインダクタンス量を変えてしや断可
能電流を調べた結果を示すグラフである。第４表
は、第８図に対応する実験数値を示す。

【表】 キヤパシタンスは４（μF）、８（μF）、12（μF）
の３条件に設定した。第８図から振動回路内のイ
ンダクタンス量が500（μH）を越すとキヤパシタ
ンスを３倍に増大してもしや断可能電流は大差な
く、キヤパシタンス増大の効果がなくなることは
明らかであろう。これよりキヤパシタンスを増大
することによりしや断可能電流の向上を期待する
には振動電流のインダクタンス量を500（μH）以
下に設定しなければならないことは明らかであろ
う。 さらにキヤパシタンスが４（μF）および８（μF）
ではインダクタンス量が60（μH）、40（μH）にそ
れぞれ最適値があり、しや断可能電流が急激に増
大することがわかる。逆にこれらの共振点をはず
れると極端にしや断性能が低下する。したがつて
最高のしや断性能をうるためには振動回路内のイ
ンダクタンス量を正確に最適値に調整、設定する
ことが望ましい。本発明者らの実験によればキヤ
パシタンス量が４〜12（μF）の範囲に対し振動回
路のインダクタンス量を10〜100（μH）の範囲に
設定したとき、最も高いしや断電流を示した。 また本発明においては少なくとも開閉器１０を
開く瞬間にはコンデンサ１２が開閉器１０に並列
接続されていなければならない。もし開閉器１０
が開かれ、その極間にアーク電圧が発生してから
コンデンサ１２が接続されると、振幅の大きな振
動電流が急激に発生し電流傾斜di／dtが大きくなり、 高いしや断電流は期待できない。このために第１
図に示した実施例においては開閉器１０に対し、
コンデンサ１２は補助スイツチやギヤツプを介す
ることなく、直接に接続されている。しかしなが
らコンデンサ１２は補助スイツチを介して間接的
に接続されてもよい。その場合には開閉器１０が
機械的に開放するまでに補助スイツチを投入して
おかねばならない。 本発明のごとく開閉器１０が開放する迄にコン
デンサ１２を接続するとたとえ何らかの原因で接
続時点が多少遅れても開放直後は一般にアーク電
圧は低いので電流傾斜も低く保たれる。 上記したようにコンデンサのキヤパシタンスを
一定とした場合、最大しや断可能電流は振動回路
のインダクタンス量により変化する。それ故にも
し漂遊インダクタンスのみでは不足する場合には
別にインダクタンスを挿入してもよい。このイン
ダクタンスはインダクタンスコイルでもよいし、
配線を長くしてその漂遊インダクタンスを利用し
てもよい。 第９図、第１０図は本発明の他の実施例を示す
もので、空気しや断部のしや断部１６を開閉器と
して利用している。このしや断部１６には漂遊イ
ンダクタンス２０、転流用のコンデンサ１８、イ
ンダクタンスコイル２２からなる直列回路が並列
接続されている。漂遊インダクタンス２０はしや
断部１６、コンデンサ１８、インダクタンスコイ
ル２２間を接続する導線２４，２５，２６，２
７，２８の有する漂遊インダクタンスである。イ
ンダクタンスコイル２２の配置個所はしや断部１
６の低圧側とコンデンサ１８間であるが、しや断
部１６の高圧側とコンデンサ１８間でもよいし、
或いはコンデンサ１８の両側にそれぞれ設けても
よいことは明らかである。架台３０の上に空気し
や断器の本体、インダクタンスコイル２２、転流
コンデンサ１８として働く油入コンデンサをそれ
ぞれ固定し、これらに設けられた端子３２，３
４，３６，３８，４０，４４間をブスバーのよう
な導線２４，２５，２６，２７，２８により電気
的に接続している。 インダクタンスコイル２２として働く空心リア
クトルは導線を絶縁筒に巻回したもので、タツプ
４６を設け振動回路内のインダクタンス量L_pを調
整する。この実施例では空心リアクトルを使用し
ているため、配線の漂遊インダクタンスを利用す
るものに比し装置を小形化できる。支持碍子４８
は空心リアクトルを架台３０上に支持している。
しや断部１６は下部ブラケツト５０および上部ブ
ラケツト５２間に支持されている。空気しや断器
のしや断部１６を作動するため送気碍管５４を通
して空気タンク５６内に蓄えられた圧縮空気が送
られる。断路部５８はしや断部１６と直列に設け
られ、しや断部の開放後レバー６０によつて開か
れる。 電磁弁６２は空気タンク５６内の空気を制御
し、しや断部１６および断路部５８の開閉を制御
する。先に説明したように本発明を実用化する場
合、しや断性能を向上するには振動回路内のイン
ダクタンス量を正確に最適値に設定することが望
ましい。このためこの実施例では空心リアクトル
にインダクタンス調整用のタツプ４６を設け、し
や断装置の据付および配線を完了した時点で漂遊
インダクタンス量を実測し、適切なタツプを選定
することにより、振動回路内のインダクタンス量
L_pを正確に最適値に設定する。 また配線が不安定であるとしや断部１６の操作
時の振動あるいは風圧などによつて、配線の位置
がずれインダクタンス量が不安定になり、その結
果しや断性能が不安定になる。これは本実施例の
ごとく導線２４〜２８に銅製ブスバーを用いて動
かないように固定するか或いは配線用導線に張力
を加えてたわまないようにすることにより解消す
る。 さらに第１０図においてはタツプ付空心リアク
トルを用いているが、その代りに鉄心入りリアク
トルを使うこともできる。この場合にはインダク
タンス量を可変とする手段としてタツプ切換の他
に鉄心の形状や位置を変えてもよい。 しや断部１６がしや断を完了すると、直流電流
は転流コンデンサ１８に流入する。一般に直流し
や断装置は数メガジールの大エネルギーを処理し
なければならない。第１図、第９図、第１０図で
はこのエネルギーは総て転流用のコンデンサ１
２，１８等で吸収することとなり、大容量のコン
デンサを必要とし経済的ではない。これを解決す
るためには非直線抵抗をコンデンサ１２，１８に
並列に接続すればよい。 以上述べたように本発明は時間の経過とともに
振幅が増大する発散振動電流を利用して直流電流
のしや断を行ない、しかもその振動電流の周波数
を3.5kHz〜25kHzの範囲で設定するので、しや断
可能電流も高くなる。その結果、発振回路内のキ
ヤパシタンスおよびインダクタンス量も実施の容
易な値にすることが可能である。振動回路内のイ
ンダクタンス量を比較的実施が容易な数μH〜１
ｍＨ程度のインダクタンスにすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す結線図、第２
図は第１図における振動電流i_pの一波形図、第３
図は第１図においてしや断時に開閉器に流れる電
流ｉの一波形図、第４図はしや断時の状態説明
図、第５図〜第７図は本発明における振動電流の
周波数と最大しや断可能電流との関係を示すグラ
フ、第８図は振動回路のインダクタンス量と最大
しや断可能電流との関係を示すグラフ、第９図は
本発明の他の一実施例を示す結線図、第１０図は
第９図に示した装置の一構造例を示す概略図であ
る。 １０……開閉器、１２……コンデンサ、１４…
…インダクタンス。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 直流電流をしや断するため機械的に開かれて
   いる間は負性アーク抵抗特性を示す開閉器と、前
   記開閉器が機械的に開放される以前に無充電状態
   で前記開閉器に電気的に並列関係に接続されるコ
   ンデンサと、前記開閉器が機械的に開放された時
   前記開閉器およびコンデンサとともに振幅が徐々
   に増大する所定周波数の振動電流を発生するよう
   に前記コンデンサに接続されるインダクタンスを
   備えたものにおいて、前記振動電流の周波数は
   3.5kHz〜25kHzの間にあるように前記コンデンサ
   のキヤパシタンスおよびインダクタンスのインダ
   クタンス量を設定したことを特徴とする直流しや
   断装置。