JP6246390B2 - 回路投入器及び回路投入システム - Google Patents

Description

本発明は電力送電網などで用いられる、充電されたコンデンサもしくは電源を他の回路に接続する回路投入器(閉路装置ともいう)及び回路投入システムに関する。

従来の技術として、充電されたコンデンサ等から成る回路において、一対の電極間の電圧が絶縁破壊電圧に達した時に、その電極間が短絡して閉路する自己放電形回路投入器の構成が開示されている（例えば特許文献１参照）。
また、真空容器内に配置した一対の電極の接触子を接触させることで電極間を導通状態にする構成が開示されている（例えば特許文献２参照）。
さらに、前記構成と同様に真空バルブを使用する回路投入器として、真空容器内に一対の主電極を対向配置し、その一方または両方の主電極に近接させて設けたトリガ電極に高電圧を印加することで、トリガ電極と主電極との間で微小放電を行わせ、これにより発生したプラズマを主電極に注入して主電極の間の絶縁を破壊してアークを発生させることで導通状態にするパルス形回路投入器の構成が開示されている（例えば特許文献３参照）。
また、電極材料が無酸素銅の場合の真空間隙の絶縁破壊特性を示したものがある（非特許文献１、本願添付図面の図６として引用）。また、電極材料が異なる場合の絶縁破壊電圧を示したものがある（非特許文献２、本願添付図面の図７として引用）。

特開平１１−８０４３号公報（第４〜５頁、図１〜３） 特開平８−２６４０８２号公報（第４〜５頁、図１〜４） 特開平１−１８６７８０号公報（第３〜４頁、図１〜２） 佐藤伸治、小山健一、「不平等電界真空ギャップの破壊電界における電極面積効果」、電気学会論文誌Ａ、１２４巻８号７５２頁、２００４年 Moscik-Grzesiak,H 他，"Estimation of properties of contact materials used in vacuum interrupters based on investigations of the microdischarge phenomenon"， IEEE Transaction on Components，Materials and Packaging-Part A，１８巻，３４４−３４７頁，１９９５年６月

特許文献１のような回路投入器の場合、予め所定の電圧で絶縁破壊するような距離を隔てて配置された２つの電極間に電圧を印加して放電させることで回路を閉路する投入器であり、またその可動側電極の操作装置も、前記放電による電極表面状態の変化によって変わる絶縁破壊電圧を所定の範囲内に抑えるために電圧印加前に電極間隔を微小に調整する目的で備えられたものであるため、予め充電したコンデンサやリアクトルなどから成る回路を閉路する目的に合致せず、また実現性の点で問題があった。
一方、真空間隔は電極の表面状態に鋭利な突起などの凹凸がない場合には一般的に２０ｋＶ／ｍｍという高い絶縁破壊電界特性を有することが知られており、真空バルブを用いた回路投入器の場合、真空の高い絶縁耐力を利用するため、空気やＳＦ_６ガスなどの絶縁ガスを利用した場合に比べて短い極間距離で高い印加電圧に耐えられるが、真空中の絶縁性能は電極の表面状態に強く依存することが知られており、例えば陰極の電極表面に鋭利な突起が生じると、その先端で電界の集中による電子放出が生じ、その電流密度が大きいため著しく高温となって電極が溶融蒸発し、極間の絶縁性能低下による絶縁破壊が発生して放電へ進展する。電極表面に鋭利な突起が生じる要因として、電極の接触時に生じる溶着部を解離時に無理に引きはがすことが挙げられる。
特許文献２のような回路投入器の場合、電極間に電圧が印加された状態で投入動作を行うと、主電極間の真空間隙の絶縁耐力が印加される電圧に耐えられなくなる時点でアークが生じ、その後主電極同士が接触する。この状態で次の投入動作に備えて主電極を開くと、溶着部が無理やり引きはがされることによって電極表面に突起が生じ、前述のメカニズムにより回路を開放する定常時の電極間の絶縁性能が著しく低下して、定常時に回路を良好に開路できなくなるという問題点があった。
また、特許文献３のようなパルス形回路投入器の場合は、主電極を接触させずに極間をアークで短絡して回路投入を行うため主電極表面に前述の突起は発生しないが、回路投入時にトリガ電極と主電極間を放電させるにはトリガ電極先端を高電界状態にする必要があり、必然的にトリガ電極径が小さくなる。そのため、投入動作時のトリガ電極消耗量が多く動作可能回数が少ないという問題点があった。また、トリガ電極と主電極間を放電させるためにトリガ電極に電圧を印加するパルス電源が必要であり、性能を長期間良好に維持するには、精密機器であるパルス電源を高頻度にメンテナンスする必要があった。

本発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、予め充電された回路を一方の電極を他方の電極に接近させる投入動作により閉路することが出来、投入動作により閉路した後も電極表面に極間の耐電圧性能を低下させる突起を生じさせず、パルス形回路投入器よりも動作回数が多く、かつトリガ電極及びパルス電源が不要な回路投入器及び回路投入システムを得ることを目的とする。

本発明に係る回路投入器は、真空容器内に対向配置された一対の電極の一方が他方の電極に対して進退可能に設けられた真空バルブと、所定時に前記電極の一方を前記電極の他方に向けて駆動させる操作装置とを備えた回路投入器であって、前記一対の電極間の離間距離ｄが、常にｄ＞０であり、かつ、回路投入完了状態における前記一対の電極間の離間距離ｄ１は、投入する回路の充電電圧Ｖによって前記一対の電極間の絶縁が破壊される距離ｄ２よりも短く、投入動作後に前記一対の電極間が前記一対の電極を構成し回路投入時に発生するアークの熱で蒸発して発生する電極金属の蒸着物によって橋絡する距離ｄ３よりも長くしたことを特徴とする。

本発明によれば、対向配置された一対の電極同士を接近させることで回路の充電電圧により極間の絶縁を破壊しアークを発生させて導通状態にするので、トリガ電極やパルス電源が必要なく、多数回動作とメンテナンス頻度抑制を両立することが出来る。また、放電開始後電極同士が接触しないため、電極位置を回路開放位置に戻す時に電極表面に電極溶着に起因する突起が生じず、定常時の極間絶縁性能を良好に保つことが出来る。

本発明の実施の形態１による回路投入器を概略的に示す構成図である。 図１に示す回路投入器を使用する直流電流遮断器の構成を概略的に示す回路図である。 図１に示す回路投入器の回路開放時及び回路投入時の状態を説明する図である。 ベローズの動作速度と動作可能回数との一般的な関係を概略的に示す図である。 図１に示す回路投入器の電極の構成図である。 非特許文献１に示された真空間隙の絶縁破壊電界における電極面積効果の特性を示す参考図である。 非特許文献２に示された電極材料の違いによる真空間隙の絶縁破壊電圧の特性を示す参考図である。 本発明の実施の形態２による回路投入器を概略的に示す構成図である。 本発明の実施の形態３による回路投入器を概略的に示す構成図である。 本発明の実施の形態４による回路投入システムを概略的に示す回路図である。 真空中の電極間距離と絶縁破壊電圧との一般的な関係を概略的に示す図である。 実施の形態４による回路投入システムを使用する直流電流遮断器の構成の一例を概略的に示す回路図である。 実施の形態４による回路投入システムにおける回路投入時に真空バルブに印加される電圧波形の変化の傾向を概略的に示した図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による回路投入器を概略的に示す構成図、図２は図１に示された回路投入器を使用する直流電流遮断器の構成を概略的に示す回路図である。図１において、回路投入器１００は、同軸に配設された固定側絶縁円筒１０ａ及び可動側絶縁円筒１０ｂの軸方向の外側端部を固定側端板１０ｃ及び可動側端板１０ｄでそれぞれ塞ぎ、中央部をアークシールド支持部１０ｅにより閉止して構成される真空容器１０内に、対向して配設された固定電極１２Ａ及び可動電極１２Ｂ、一端が固定電極１２Ａと接続され他端側が固定側端板１０ｃを気密に貫通しその貫通部で固定された固定通電軸１３Ａ、並びに一端部が可動電極１２Ｂと固着され他端部が真空容器１０の外部にベローズ１１を介して気密を保持して軸方向に移動可能に引き出された可動通電軸１３Ｂを有する真空バルブ１と、可動通電軸１３Ｂの他端部に絶縁ロッド２を介して接続され可動電極１２Ｂを軸方向に駆動する操作装置３を備えている。

ベローズ１１の一端部（図１の上端部）はベローズカバー１１ａを介して可動通電軸１３Ｂの外周面に気密に固着され、ベローズ１１の他端部は可動側端板１０ｄの図における上面に気密に固着されている。可動側端板１０ｄにおける可動通電軸１３Ｂの挿通部分にはガイド部材１４が設置されており、可動通電軸１３Ｂが固定電極１２Ａの方向に円滑に進退できるように構成されている。可動通電軸１３Ｂにおける真空容器１０の外側に導出された部分には外部の回路と接続するための可動導体４が電気的機械的に固定されている。アークシールド支持部１０ｅには対向された固定電極１２Ａ及び可動電極１２Ｂの周りを包囲するように円筒状に形成されたアークシールド１５が取り付けられている。なお、対向する一対の電極である固定電極１２Ａと可動電極１２Ｂとの離間距離をｄとする。

図２の回路図は電力送電網で用いられ、事故時に送電網を流れる直流電流を遮断するための一般的な遮断器の構成である。図２において、遮断器５００は、ＤＣ電源５１によって充電されたコンデンサ５２、リアクトル５３及び回路投入器１００から成る充電回路、及び避雷器５４を、遮断部５５へ並列接続して成る構成である。
図２のように構成された遮断器５００は、図に示す遮断部５５を流れる直流電流Ｉを遮断する場合、回路投入器１００を投入することで、予め充電されたコンデンサ５２からリアクトル５３を通じて遮断部５５へ前記直流電流Ｉと逆向きの電流を流し、電流零点を形成する。
従って上述の直流電流を遮断する遮断器５００を構成する回路投入器１００は、定常時にはその極間に印加される電圧を絶縁することで前記充電回路を良好に開路し、遮断時には前記充電回路を閉路する性能を備える必要がある。

実施の形態１の回路投入器１００は前述の基本的な要求性能を満足すると共に、その代表的な特徴部分は、可動通電軸１３Ｂは、その一端部に固着された可動電極１２Ｂの位置を回路開放位置から投入位置まで動かすことが出来るが、回路開放位置から投入完了までの全ての過程で固定電極１２Ａと接触する（ｄ＝０となる）ことがない点にある。即ち、固定電極１２Ａと可動電極１２Ｂの電極間の離間距離ｄは、常にｄ＞０であり、かつ、回路投入完了状態における両電極間の離間距離ｄ１は、投入する回路の充電電圧Ｖによって両電極間の絶縁が破壊される距離ｄ２よりも短く、投入動作後に一対の電極間が前記一対の電極を構成しアーク電流値、電極径、形状、電極材料によって決まる回路投入時に発生するアークの熱で蒸発して発生する電極金属の蒸着物によって橋絡する距離ｄ３よりも長くなるように構成されている。以下、更に詳細に説明する。

図３は図１に示す回路投入器の回路開放時及び回路投入時の状態を説明する図であり、（ａ）が回路開放時、（ｂ）が回路投入時の状態である。図３（ａ）に示す回路開放時の固定電極１２Ａと可動電極１２Ｂとの距離ｄ０は、本回路投入器の極間に印加される電圧に対して十分耐え得る値に設定する。閉路する時には、図示しない制御装置から図３（ａ）に示す操作装置３に投入信号が発信され、可動電極１２Ｂは可動通電軸１３Ｂ及び絶縁ロッド２を介して操作装置３によって固定電極１２Ａに接近する。図３（ｂ）に示す回路投入時の固定電極１２Ａ及び可動電極１２Ｂの離間距離ｄ１は、固定電極１２Ａと可動電極１２Ｂの両電極間に印加される電圧に耐えることが出来ず、電極間の絶縁が破壊される距離ｄ２以下に設定する。こうすることで、電極間にアークＡが発生し、電極間が導通状態になり回路が投入される。

なお、回路投入器１００の動作速度はベローズ１１の機械的強度を考慮して決める必要がある。
図４はベローズの動作速度と動作可能回数との一般的な関係を概略的に示す図である。図において、縦軸はベローズの動作可能回数、横軸は動作速度を示している。図４に示すように、ベローズの動作速度を高めるほど動作可能回数が小さくなるので、回路投入器１００はその必要動作回数に対して限界となる動作速度以下の速度で投入するように構成することが望ましい。

図５は図１に示す回路投入器の電極の構成図である。電極１２（固定電極１２Ａまたは可動電極１２Ｂ）は何れも、対向する相手側の電極１２に対面する部分でアークが発生するので、電極１２の表面には耐アーク消耗性を強化した放電電極層１２１を電極基体１２０に固着させて構成されている。電極基体１２０には通電軸１３（可動通電軸１３Ｂまたは固定通電軸１３Ａ）の端部が接続される。放電電極層１２１として好ましく用いることができる材料としては、例えば銅などの導電性の優れた金属材料とタングステンといった耐アーク消耗性の高い金属材料との合金などを挙げることができ、通電軸１３側の電極基体１２０の好適な材料としては、例えば銅などの導電性の優れた金属材料を挙げることができる。なお、図５に示す電極１２の全体を耐アーク消耗性に優れた材料で構成しても良い。

図６は非特許文献１に示された真空間隙の絶縁破壊電界における電極面積効果の特性を示す参考図である。図は電極材料が無酸素銅の場合の真空間隙の絶縁破壊特性を示しており、縦軸はワイブル分布の中央値である５０％絶縁破壊電界値（Ｅ５０）を示し、横軸は陰極における最大電界の９０％までの面積（Ｓ９０）を示している。
なお、図６に示されたプロットの形状は電極の形状の違いを表しており、同図は電極材料が無酸素銅の場合の真空間隙の絶縁破壊電界Ｅ５０は、電極の形状によらず、陰極における最大電界の９０％までの面積（Ｓ９０）が例えば２００ｍｍ^２から１０００ｍｍ^２の範囲では近似曲線で示すように、近似式 １４０×（Ｓ９０）^{−０．２２５} で示される特性に依存することを示している。なお、この特性は図１に示した平板状の電極でも、電極の一部が盛り上がり不平等な電界を形成する形状でも変わらない。
前述の固定電極１２Ａ及び可動電極１２Ｂの絶縁が両電極間の印加電圧によって破壊され回路が投入される瞬間の離間距離ｄ２は、例えば図６に示されるような真空間隙の絶縁破壊特性に基づく近似式などによって決めればよく、ｄ２を５ｍｍ以下に設定する場合は例えば両電極の間隙が５ｍｍの状態におけるＳ９０を１０００ｍｍ^２、最大電界部の電界を２９．６ｋＶ／ｍｍ以上にすればよい。

図７は非特許文献２に示された電極材料の違いによる真空間隙の絶縁破壊電圧の特性を示す参考図である。図における縦軸は絶縁破壊電圧、横軸は微小放電開始電圧を示している。図７に例示されるように、真空中の絶縁破壊電圧は電極材料によって多少変化することが知られている。例えば、タングステン７０％と銅３０％の合金Ｗ−Ｃｕ（３０）の絶縁破壊電圧の中央値は銅（Ｃｕ）よりわずかに高く、その差は１０％程度である。
このような公知の事実から、回路投入時に接近させる固定電極１２Ａ及び可動電極１２Ｂの間の離間距離ｄ１は以下の手順１）〜４）によって決めることが望ましい。

１）回路投入時に固定電極１２Ａ及び可動電極１２Ｂの間の絶縁を回路に充電された電圧Ｖによって破壊させる両者の離間距離ｄ２を決める。
２）離間距離ｄ２における陰極側電極の有効面積（Ｓ９０）が上記範囲内に収まり、かつ極間印加電圧による電極端部の最大電界値が上述の特性と材料による耐電圧性能の違いも考慮して求めた予想絶縁破壊電界値Ｅ５０を上回るように固定電極１２Ａと可動電極１２Ｂの形状を設計する。
３）離間距離ｄ１を少なくともｄ２よりも短い距離に設定する。
４）またこの時、離間距離ｄ１は絶縁破壊時に発生するアークの熱で蒸発した接点の金属が、消弧後に冷却して個体に戻る際に、電極間を物理的および電気的に橋絡する距離ｄ３よりも長い距離とする。電極間が前記蒸発金属によって橋絡される距離はアーク電流値、電極径、形状、電極材料によって異なるため、ｄ３はこれらパラメータによって決まる。

また、手順２）において、陰極側電極における端部の曲率を変えなければ表面の最大電界値はほぼ変わらないことを利用して、例えば電極の相手側の電極に対向する表面における外周端部を対向する相手側の電極の方向に盛り上げること、あるいは該外周端部よりも中心部を凹ませることで有効面積Ｓ９０を増大させることもできる。
電極形状の高電界部の面積Ｓ９０を増大させる利点は、固定電極１２Ａ及び可動電極１２Ｂの間の絶縁破壊電界値Ｅ５０を低下させ、最接近したときの両電極の離間距離ｄ１を大きくすることが出来る点である。
離間距離ｄ１が微小である場合、操作装置３と可動電極１２Ｂの間にある部品同士の接続部の緩みや工作誤差等による操作装置３の可動範囲のばらつきなどにより、投入動作時に設定した停止位置を超えて可動電極１２Ｂが固定電極１２Ａに向かって移動して電極同士が衝突する危険があるが、有効面積Ｓ９０を増大させて絶縁破壊電圧Ｅ５０を低下させれば、離間距離ｄ１が大きくなり、前記衝突の危険を減ずることが出来る。

上記のように構成にされた実施の形態１においては、固定電極１２Ａと可動電極１２Ｂの電極間の離間距離ｄは、回路開放位置から投入完了までの全ての過程で常にｄ＞０であり、かつ、回路投入完了状態における両電極間の離間距離ｄ１は、投入する回路の充電電圧Ｖによって両電極間の絶縁が破壊される距離ｄ２よりも短く、投入動作後に一対の電極間が金属の蒸着物によって橋絡する距離ｄ３よりも長くなるように構成されている。そのため、定常時には図２に示す充電回路を良好に開路し、遮断時には充電回路を閉路するという基本的な要求性能を満足することはもとより、必要動作回数で決まる限界動作速度により高速に動作出来、また上述の手順１）〜４）により決定した離間距離ｄ１まで固定電極１２Ａに対して可動電極１２Ｂを接近させることで極間の絶縁を破壊して回路を閉路状態に出来るので、トリガ電極やパルス電源が必要なく、多数回動作とメンテナンス頻度抑制を両立することが出来る。更に、放電開始後、固定電極１２Ａと可動電極１２Ｂとが接触しないため、定常の開路時に電極表面に電極溶着に起因する突起が生じず、回路投入器の極間絶縁性能を良好に保ち開路状態を維持することが出来る。そのため、装置の信頼性の向上を図ることができ、長寿命にすることもできるという顕著な効果を得ることができる。

実施の形態２．
図８は本発明の実施の形態２による回路投入器を概略的に示す構成図であり、可動電極１２Ｂを固定電極１２Ａに接近させて両者の間に発生するアークＡで回路を投入している状態を示している。図において、可動通電軸１３Ｂにおける、ガイド部材１４よりも操作装置３側に突出された部分の外周部には、外径がガイド部材１４の内径よりも大きく形成された移動規制部材１３１が固着されており、可動通電軸１３Ｂの固定電極１２Ａ方向への移動範囲が規制されている。その他の構成は実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

前記のように構成された実施の形態２においては、可動電極１２Ｂを固定電極１２Ａに接近させる回路投入動作時に固定電極１２Ａ及び可動電極１２Ｂの間が前述の方法により決定した離間距離ｄ１になると、可動通電軸１３Ｂに固定された移動規制部材１３１がガイド部材１４の図における下面に干渉し、可動通電軸１３Ｂの移動をすぐさま停止することが出来る。なお、ここでは可動通電軸１３Ｂに固定された移動規制部材１３１とガイド部材１４によって、可動通電軸１３Ｂの対向する固定電極１２Ａ方向への移動範囲を規制するようにしているが、移動規制部材は可動通電軸１３Ｂと真空容器１０との間の任意の位置に互いに干渉して可動通電軸１３Ｂの固定電極１２Ａ方向への移動範囲を規制するものであれば種々変形することが可能である。

前記のように、実施の形態２によれば、実施の形態１の効果に加えて、可動通電軸１３Ｂの所定部がガイド部材１４の内径よりも太く成形されているので、回路投入状態における固定電極１２Ａと可動電極１２Ｂとの離間距離ｄ１が微小な場合でも、より確実に両者の衝突を防ぐことが出来る。

実施の形態３．
図９は本発明の実施の形態３による回路投入器を概略的に示す構成図であり、可動電極１２Ｂを固定電極１２Ａに接近させて両者の間に発生するアークＡで回路を投入している状態を示している。図において、可動通電軸１３Ｂの先端部には回路投入時に対向する相手側に衝突することによって離間距離ｄ１を確保するようにした絶縁物からなるストッパ１６が可動電極１２Ｂを貫通して突出するように取り付けられている。その他の構成は実施の形態１と同様である。

前記のように構成された実施の形態３においては、絶縁物からなるストッパ１６が可動通電軸１３Ｂの先端に可動電極１２Ｂを貫通して取り付けられ、可動電極１２Ｂを固定電極１２Ａに接近させる回路投入動作時に、固定電極１２Ａ及び可動電極１２Ｂの間が離間距離ｄ１になると、ストッパ２０が固定電極に衝突して、すぐさま可動電極１２Ｂの移動を停止することが出来る。このため上述した実施の形態１と同様の作用効果が得られる。また、実施の形態１の構成に加えてストッパ１６が追加されているので、固定電極１２Ａ及び可動電極１２Ｂの離間距離ｄ１が微小な場合でもより確実に両者の衝突を防ぐことが出来る。なお、ストッパ１６は固定側に取り付けても同様の効果を得ることが出来る。要するに、可動電極１２Ｂと可動通電軸１３Ｂで構成される移動子及び固定電極１２Ａと固定通電軸１３Ａで構成される固定子の少なくとも一方に設けられ、回路投入時に対向する相手側に衝突することによって離間距離ｄ１を確保することができるものであればよく、移動子及び固定子の双方に取り付け、あるいは固定電極１２Ａ及び可動電極１２Ｂの一方または双方に設けても良い。

ストッパ１６の材質は電極投入の衝撃力で変形や破壊しにくいものが適しており、例えばガラス繊維などの繊維を構成樹脂の中に入れて強度を向上させた複合材料ＦＲＰなどが望ましい。

実施の形態４．
図１０の回路図は本発明の実施の形態４による回路投入システム３００を概略的に示す回路図である。本実施の形態の回路投入システム３００は、実施の形態１から３に記載の回路投入器１００を第１の回路投入器としたときに、この第１の回路投入器に少なくとも一つの真空容器内に対向配置され両者の距離が固定された一対の電極を有する第２の回路投入器２００が直列に取り付けられている。

図１１は真空中の電極間距離に対する絶縁破壊電圧の特性を概略的に示す参考図である。同図は前記電極間距離が１０ mm以下の領域では電極間距離と絶縁破壊電圧が比例関係にあるが、それ以上の領域になると真空間隙の絶縁破壊電圧は電極間距離に比例せず、１００mmでほぼ限界値に到達する。

このような一般によく知られた事実から、回路投入器を使用する充電回路の充電電圧が、真空中の電極間距離１００ mmにおける絶縁破壊電圧に拮抗するほど高い場合、実施の形態1から３に記載の回路投入器では、定常時に前記充電回路を開路することが困難になる場合が生じ、また可能な場合でも、開路時の電極間距離の増大と前記真空間隙の絶縁破壊特性によって回路投入時に可動電極１２Ｂの移動距離が長くなり、回路投入時間が増大する可能性がある。

前記のように構成された実施の形態４の回路投入システム３００においては、前記回路投入システム開路時の絶縁破壊電圧を上昇させるため、電極間隔が固定された第２の回路投入器２００を実施の形態１から３に記載の回路投入器に取り付けるため、第２の回路投入器２００の電極形状、電極間の距離および電極材料によって決まる絶縁破壊電圧を、開路時に周囲の回路条件によって決まる印加電圧V1より高く設定すれば、回路投入システム３００の開路時の絶縁破壊電圧を任意の値に上昇、および調整することが出来る。

また、本実施の形態における回路投入システム３００によって充電回路を投入するには、第２の回路投入器２００の電極形状、電極間の距離および電極材料によって決まる絶縁破壊電圧を、回路投入器１００の動作およびその電極間を絶縁破壊させた時に周囲の回路条件によって決まる第２の回路投入器２００に印加される電圧V2より低く設定すればよく、回路投入器１００を動作させるだけで回路投入システム３００を導通状態に出来る。

上述の第２の回路投入器２００を実施の形態１から３に直列に接続した実施の形態４の回路投入システムにおける回路投入器１００および第２の回路投入器２００には、開路時に印加される直流電圧に対しては抵抗をそれぞれに対して並列に接続し、回路投入システム周辺で落雷が生じた時に印加される交流の過電圧に対してはコンデンサをそれぞれの回路投入器や複数の回路投入器にまたがるように並列に接続することで、回路投入器100が投入しない時にどれか一つの回路投入器の極間に意図しない過電圧が印加されて絶縁破壊しないような対策を講じることが望ましい。

図１２の回路図は一つの回路投入器１００と３つの第２の回路投入器２００から成る実施の形態４の回路投入システム３００を使用する直流遮断器の構成の一例を概略的に示す回路図であり、ＤＣ電源５１によって充電されたコンデンサ５２、リアクトル５３、及び回路投入システム３００、開路時印加電圧均等用コンデンサ５６および抵抗５８で構成される充電回路、及び避雷器５４を、遮断部５５へ並列接続して成る構成である。回路投入システム３００におけるインダクタンス成分５７は、各真空バルブとコンデンサを接続する配線に寄生するインダクタンス成分を表わしており、通常配線1m当たり約1μHのインダクタンスが寄生する。

なお、上記インダクタンス成分５７は、リアクトルなどのインダクタンス成分を有する回路素子の挿入によって任意の値に調整することも出来る。

図１３は、図１２の直流遮断器において遮断時に充電回路を回路投入システム３００で投入した時の回路投入器１００、および回路投入器１００の隣の第２の回路投入器２００の極間に印加される電圧波形を概略的に示している。
図(a)において、回路投入器１００が動作すると、図(b)のようにその隣の第２の回路投入器２００の極間には、もともと印加されていた電圧から回路投入器１００投入後に分担される電圧への移行過程で過電圧が印加される。これは、回路投入器１００の極間が導通状態になった後もそれと並列に接続されたコンデンサ５６の電荷が配線のインダクタンス成分５７によって瞬時に放電されないため、回路投入器１００の隣の第２の回路投入器２００には自身に並列に接続されたコンデンサの充電電圧と回路投入器１００に並列に接続されたコンデンサの充電電圧の合算電圧が印加されるためである。この過渡過電圧の大きさは、回路投入システム３００における回路投入器１００および２００の数や定常時印加電圧、コンデンサ５６の容量、配線のインダクタンス成分５７の値、コンデンサ５６の接続箇所を決めれば一意に決定される。
つまり、上述の電圧V1は開路時に第２の回路投入器２００と並列に接続される抵抗５８によって分担される電圧であり、また上述の電圧V2は前記回路投入器１００が導通状態になった直後に第２の回路投入器２００に印加される過電圧となることから、第２の回路投入器２００の電極形状、電極間の距離および電極材料は前述のV1およびV2を勘案して設定すればよい。

図１２の直流遮断器において、前述の方法で電極形状、電極間の距離および電極材料を決めた第２の回路投入器を使用した回路投入システム３００を適用すれば、遮断時に回路投入器１００を動作させると、その隣の第２の回路投入器２００が導通状態になり、その直後またその隣の第２の回路投入器に上述と同様の回路現象によって過電圧が印加されることで連鎖的に接続された全ての第２の回路投入器２００が導通状態になる。

前記のように、実施の形態４の回路投入システムは、実施の形態１から３と同様の効果を得ることが可能である上、回路投入時に要する時間はほぼ変わらないまま、実施の形態１から３の一つの真空バルブから成る回路投入器では定常時に開路困難となる可能性がある高電圧の充電回路にも適用出来る利点がある。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態の一部または全部を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 真空バルブ、１０ 真空容器、１０ａ 固定側絶縁円筒、１０ｂ 可動側絶縁円筒、１０ｃ 固定側端板、１０ｄ 可動側端板、１０ｅ アークシールド支持部、１１ ベローズ、１１ａ ベローズカバー、１２ 電極、１２Ａ 固定電極、１２Ｂ 可動電極、１２０ 電極基体、１２１ 放電電極層、１３ 通電軸、１３Ａ 固定通電軸、１３Ｂ 可動通電軸、１３１ 移動規制部材、１４ ガイド部材、１５ アークシールド、１６ ストッパ、２ 絶縁ロッド、３ 操作装置、４ 可動導体、５１ ＤＣ電源、５２ コンデンサ、５３ リアクトル、５４ 避雷器、５５ 遮断部、５６ コンデンサ、５７ インダクタンス成分、５８ 抵抗、１００ 回路投入器（第１の回路投入器）、２００ 第２の回路投入器、３００ 回路投入システム、５００ 遮断器、Ａ アーク、ｄ 一対の電極間の離間距離。

Claims (9)

1. 真空容器内に対向配置された一対の電極の一方が他方の電極に対して進退可能に設けられた真空バルブと、所定時に前記電極の一方を前記電極の他方に向けて駆動させる操作装置とを備えた回路投入器であって、前記一対の電極間の離間距離ｄが、常にｄ＞０であり、かつ、回路投入完了状態における前記一対の電極間の離間距離ｄ１は、投入する回路の充電電圧Ｖによって前記一対の電極間の絶縁が破壊される距離ｄ２よりも短く、投入動作後に前記一対の電極間が前記一対の電極を構成し回路投入時に発生するアークの熱で蒸発して発生する電極金属の蒸着物によって橋絡する距離ｄ３よりも長くしたことを特徴とする回路投入器。
2. 前記距離ｄ２が、前記一対の電極の間に前記充電電圧Ｖが印加された時の陰極側の電極表面における最大電界値よりも、前記陰極側の電極表面積のうち前記最大電界値の９０％までの電界範囲の面積（Ｓ９０）に対して求められた近似式で決まるワイブル分布の中央値である５０％絶縁破壊電界値（Ｅ５０）の方が大きくなるように決められてなることを特徴とする請求項１記載の回路投入器。
3. 前記操作装置の操作距離を、前記一対の電極間の回路開放時における離間距離ｄ０よりも短くしたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の回路投入器。
4. 前記対向配置された一対の電極の内、陰極側の電極における対向面の表面形状を、対向する電極に向かって、その外周部が中央部よりも突出するように形成し、最大電界値の９０％までの面積（Ｓ９０）が増大するようにしたことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の回路投入器。
5. 一端部が前記対向配置された一対の電極の一方と固定され、他端部が前記真空容器に対してその外側に気密を保持して移動可能に引き出された可動通電軸と、この可動通電軸と前記真空容器との間に設けられ、前記可動通電軸の前記他方の電極方向への移動範囲を規制する移動規制部材を備えたことを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の回路投入器。
6. 一端部が前記対向配置された一対の電極の一方に固定され、他端部が前記真空容器に対してその外側に気密を保持して移動可能に引き出された可動通電軸を有する移動子と、一端部が前記一対の電極の他方に固定され、他端部が前記真空容器に対してその外側に引き出された通電軸を有する固定子と、前記移動子及び前記固定子の少なくとも一方に設けられ、回路投入時に対向する相手側に衝突することによって前記離間距離ｄ１を確保するようにした絶縁物からなるストッパと、を備えたことを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の回路投入器。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の回路投入器を第１の回路投入器として、前記第１の回路投入器に少なくとも一つ接続された第２の回路投入器を備えた回路投入システムであって、
   前記第２の回路投入器は少なくとも1つの真空容器内に対向配置され両者の距離が固定された一対の電極を有することを特徴とする回路投入システム。
8. 前記第２の回路投入器の絶縁破壊電圧は、開路状態において前記第２の回路投入器に印加される電圧より高く、前記第１の回路投入器が絶縁破壊された閉路状態において第２の回路投入器に印加される電圧より低く設定されたことを特徴とする請求項７記載の回路投入システム。
9. 前記第１の回路投入器および前記第２の回路投入器に抵抗がそれぞれ並列に接続されるとともに、コンデンサが前記第１の回路投入器および前記第２の回路投入器のそれぞれ、または複数にまたがるように並列に接続されたことを特徴とする請求項７または請求項８記載の回路投入システム。

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