JP6989449B2 - ガス遮断器 - Google Patents

Description

本発明は、ガス遮断器に関する。

ガス遮断器は、短絡電流などの大電流を遮断するものである。その構成例としては、電流を断続する固定接触子と可動接触子とを接離可能に同軸上に配置し、絶縁ガスが充満された容器内に収納して構成されたものがある。

特に、固定接触子と可動接触子とが開極される際、それらの間にアークが発生する。このアークを速やかに吹き消すため、固定接触子と可動接触子の接離部の空間を包囲して筒状のノズルを設け、このノズル内に圧縮ガスを導いて固定接触子および可動接触子の接離部に吹き付け、これによりアークを吹き消すようにするパッファ式ガスしゃ断器が知られている（例えば、特許文献１）。

一般に、アークを吹き消すためのノズルの材料としては、絶縁性を有するフッ素樹脂が用いられている。しかし、極めて高温（例えば、２００００Ｋ）のアークにノズルが曝される。このため、アークエネルギーがフッ素樹脂の内部まで浸透し、フッ素樹脂等が分解し、ガス化する。これにより、ノズルの表面（表層部）や内部（奥部、すなわちノズルの表層部以外の大部分）にボイドが発生したり、ノズルの表面や内部が炭化したりすることがある。これにより、ノズルの内壁面が損耗し、吹き付けガスの流路面積が増大して吹き付け効果が低下することがある。また、ノズル表面や内部が炭化し、ノズルの絶縁性能が低下したりすることにより、ガス遮断器の電流遮断性能が低下することがある。なお、上記のようなフッ素樹脂等が分解してガス化する現象は、「アブレーション」と呼ばれるものである。

このような問題を解決するために、従来、ガス遮断器に用いるノズルを構成する樹脂材料に充填材を添加する技術が提案されている。

特許文献２には、光吸収性の高いカーボン、炭化ケイ素等を含む粉末をフッ素樹脂に添加して、その光反射について黒色濃度指数が所定の範囲となる耐アーク性材料が開示されている。

また、特許文献３には、充填材として黒色の粉末である二硫化モリブデンを添加したＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）ノズル材料が開示されている。

特許文献４には、四弗化エチレン樹脂の昇華によるノズルの消耗と、ア−クから放射される光エネルギーのノズルへの侵入とを防止すると共に、ノズルの部分ごとの熱膨脹率の違いによって生じる機械的損傷を防止することを目的として、ノズルのスロート部の近傍における無機充填材の充填量を少なくし、かつ、ノズルの上流側及び下流側における無機充填材の充填量を多くし、スロート部と上流側及び下流側との境界には、各々、無機充填材の充填量がノズルの軸方向の距離に応じてほぼ直線的に変化する領域が設けられているパッファ形ガス遮断器が開示されている。また、特許文献４には、無機充填材として、ノズルの上流側及び下流側には窒化ホウ素を用いるとともに、スロート部には窒化ホウ素よりも熱伝導率が低い酸化アルミニウムを用いる構成が記載されている。

実公昭６１−２５１４８号公報 特開昭６０−１０７２０３号公報 特開２００１−１８９１１８号公報 特開平７−２９６６８９号公報

ノズルのアブレーションにより発生したガスは、ノズルの周辺の圧力を上昇させる。これにより、強いガス流が生じて、アークの吹き消し作用を促進する。このため、フッ素樹脂のガス化は、遮断性能の向上に寄与していると考えられる。

特許文献２のように、アークに曝される部分に光吸収性の高いカーボン、炭化ケイ素等を含む粉末を充填材として添加したノズルでは、アークエネルギーを効率良く吸収することで、ノズルのアブレーションによるガス圧力上昇が大きくなる半面、導電性のカーボンや半導電性の炭化ケイ素を充填材することによって、ノズルの絶縁性能が低下するという課題があった。

特許文献２や特許文献３のように光吸収性の充填材を添加したノズルでも、特許文献４のように光反射性の高い窒化ホウ素や酸化アルミニウムを充填材として添加したノズルでも、ノズルのアークによる損耗は抑制されるものの、ノズルを構成するフッ素樹脂とともに、添加されている充填材もアークエネルギーに曝されて損耗するという課題があった。

本発明の目的は、ガス遮断器の耐久性及び遮断性能をともに向上させることにある。

本発明の代表的なものの一つを示せば、ガス遮断器を、電流を断続する第一の接触子と、前記第一の接触子と接離可能に対向して配置される第二の接触子と、前記第一及び第二の接触子との接離部を包囲して筒状のノズルと、を備えるガス遮断器であって、前記ガス遮断器が開極の際に前記第一の接触子と前記第二の接触子との間に発生するアークを消弧する機能を有し、前記ノズルは、マトリックス樹脂に二硫化タングステン（ＷＳ_２）が充填材として分散された成形材で構成されているようにする。

本発明によれば、ガス遮断器の耐久性及び遮断性能をともに向上させることができる。

本発明の一実施形態に係るガス遮断器の主要部を示す模式断面図である。 本発明の一実施形態に係るガス遮断器に用いるノズルの成分を示す模式図である。 ポリテトラフルオロエチレンの光分解を示す模式図である。 ポリテトラフルオロエチレンの熱分解を示す模式図である。

本発明は、ガス遮断器に係り、特に、耐久性と遮断性能向上とを両立させるアーク吹消ノズルの材料に関する。

以下、本発明のガス遮断器について、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るガス遮断器の主要部を示す模式断面図である。

本図に示すように、棒状の固定接触子１の先端部に対向させて、同軸上の離れた位置にリング状の可動接触子２が配置されている。可動接触子２は、中空に操作ロッド４の先端部に固定されている。そして、可動接触子２は、図示矢印３の軸方向に進退駆動されるようになっている。

操作ロッド４の外側には、操作ロッド４より大径のパッファシリンダ５が同軸に設けられている。パッファシリンダ５内には、パッファピストン６が摺動自在に挿入されている。パッファシリンダ５の可動接触子２側の端部には、壁部８が設けられている。操作ロッド４の外周面、壁部８を含むパッファシリンダ５の内壁面及びパッファピストン６の先端面に囲まれた領域は、パッファ室７となっている。壁部８には、貫通孔９が複数設けられている。固定接触子１の先端部と可動接触子２とは、円筒状のノズル１０により包囲されている。ノズル１０の一方の端部は、壁部８の外面にノズル押さえ１１を介して固定されている。可動接触子２の外壁面とノズル１０の内壁面との間には、空間が形成されている。この空間は、パッファ室７のガスが貫通孔９を介して出入りする場合の流路となる。

また、ノズル１０の内壁面の中央部には、縮径されたスロート部１２が形成されている。このスロート部１２の最小径は、固定接触子１が挿通可能に形成されている。また、固定接触子１の外側には、円筒状の通電用固定接触子１３が設置されている。通電用固定接触子１３は、ノズル１０の外周を包囲するように配置されている。

これらの構成部品は、図示していない容器内に収納され、その容器内に絶縁ガス（消弧性ガス）を封入してガス遮断器が構成されている。つまり、ガス遮断器は、絶縁ガスが充満された容器内に接離可能に配置された固定接触子１および可動接触子２と、固定接触子１と可動接触子２の接離部を包囲して設けられた筒状のノズル１０と、可動接触子２に連動して絶縁ガスを圧縮してノズル１０内に噴出するガス噴出機構であるパッファシリンダ５およびパッファピストン６と、を備えた構成を有している。ここで、絶縁ガスとしては、一般に、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）が用いられる。

つぎに、このような構成を有するガス遮断器の動作について説明する。

図１においては、固定接触子１と可動接触子２とが開極された状態を示している。

ガス遮断器の通電は、操作ロッド４を図示矢印３の右方向に駆動し、可動接触子２を固定接触子１の先端部に当接させて閉極することにより行われる。このとき、ノズル押さえ１１と通電用固定接触子１３とも接触し、こちらも電気的に接続される。何らかの原因によりガス遮断器に遮断指令が入力されると、操作ロッド４が図示矢印３の左方向に瞬時に駆動される。これにより、固定接触子１の先端部と可動接触子２とが離間し、これらの間にアーク１４が形成される。

このとき、パッファ室７内の絶縁ガスがパッファピストン６により圧縮され、圧縮された絶縁ガスが貫通孔９からノズル１０内に吹き出される。吹き出されたガスは、固定接触子１と可動接触子２との離間部に位置するスロート部１２に導かれ、アーク１４を吹き消して遮断する。

この遮断過程において、ノズル１０の内壁面は、２００００Ｋにも及ぶ超高温のアーク１４に曝される。このアークエネルギーにより、ノズル１０を構成するフッ素樹脂が蒸発し、アブレーションガスが発生する。このため、スロート部１２の近傍においては、ガス圧力が上昇する。この圧力上昇により、アーク１４が速やかに消弧され、遮断性能が向上する。

なお、本発明は、本図の構成に限定されるものではなく、例えば、パッファ室７を有しないガス遮断器にも適用可能である。

図２は、本実施形態のガス遮断器に用いるノズルの成分を示したものである。

ノズル材料に用いられるフッ素樹脂としては、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が挙げられる。通常、ポリテトラフルオロエチレンの成形材は、そのパウダーを原料として圧縮粉体成形法で製造される。

本図の左側には、ポリテトラフルオロエチレン粒子２１、及び光を吸収する充填材（光吸収性粒子）である二硫化タングステン粒子２２（ＷＳ_２）を混合した圧縮成形工程の前の状態を示す。一方、本図の右側には、圧縮成形工程の後の状態を示す。圧縮成形工程により作製された成形材は、マトリックス樹脂としてのポリテトラフルオロエチレン２５、並びにポリテトラフルオロエチレン２５に分散された二硫化タングステン粒子２２を含むものである。ここで、大きく変形するのは、比較的軟らかい樹脂であるポリテトラフルオロエチレン２５である。二硫化タングステン粒子２２は、硬い物質であり、ほとんど変形しない。

成形材を構成するポリテトラフルオロエチレンは、紫外領域から赤外領域にかけて光反射率は高いものの１００％ではなく、ある程度の量の光が透過する。このため、充填材を含まない場合は、前述のとおり、ノズルを構成するポリテトラフルオロエチレンにおいては、電流遮断の際に生じる強力なアーク光がその奥部まで透過するため、ノズルの表層部や奥部にボイドが発生したり、部分的に炭化したりすることがある。

本図の右側に示すように、成形材の下方から入射する光は、一部が二硫化タングステン粒子２２に吸収され熱エネルギーに変換される。結果として、成形材の表層部を透過し、成形材の奥部に到達する光は、少ない。よって、入射する光のうち、吸収された光は、成形材の表層部で熱に変換され、この熱により表層部のポリテトラフルオロエチレン２５が分解される。あるいは、アーク光のエネルギーで高温になった六フッ化硫黄ガスの熱により表層部のポリテトラフルオロエチレン２５が分解される。これらは熱分解である。一方、表層部においては、入射する光のエネルギーにより直接分解されるポリテトラフルオロエチレン２５もある。これは光分解である。

いずれにしても、ポリテトラフルオロエチレン２５の分解は、大部分が成形材の表層部で生じる。よって、充填材として二硫化タングステン粒子２２を含む成形材においては、光が奥部にまで到達し、ボイドや炭化を生じることが少なくなる。

このほか、フッ素樹脂としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）等を用いることができる。なお、ガス遮断器の長期信頼性の観点からは、フッ素樹脂を構成する元素として、塩素、酸素等が含まれない方がよい。

本発明によれば、ガス遮断器に用いられるノズルの損耗を抑制し、ノズルの形状を維持するとともに、ノズルのアブレーションによる圧力上昇の効率を高くし、ガス遮断器の耐久性及び遮断性能をともに向上させることができる。これに伴い、高品質のガス遮断器を提供することができる。

図３Ａは、ポリテトラフルオロエチレンの光分解について説明するための模式図である。

本図においては、ポリテトラフルオロエチレンの分子の一部を示している。

ポリテトラフルオロエチレンは、太陽光に含まれる３００ｎｍ程度の波長の紫外線ではほとんど劣化しないことが知られるが、約３００ｎｍ以下の更に短い波長のエネルギーが高い紫外線では化学結合が切断され、劣化する。このため、ノズル内部の光による劣化を防ぐためには、約３００ｎｍ以下の短い波長領域の紫外線の侵入を防ぐ必要がある。また、光が当たった部分の化学結合が切断されることから、ポリテトラフルオロエチレン分子の結合は、ランダムに切断されると考えられる。

図３Ｂは、ポリテトラフルオロエチレンの熱分解反応を示したものである。

本図においては、ポリテトラフルオロエチレンの分子の熱による分解過程を化学反応式で示している。この反応は、二段階に分けて考えられる。第一段階では、ポリマーがモノマーに分解される。この反応は、５００〜６００℃程度で生じると考えられる。

第一段階で生じたモノマーは、アークによる高温度の状態において、原子に分解されると考えられる（第二段階）。この反応は、３０００℃を超える温度で生じると考えられる。

アークの光エネルギーがノズルの構成要素に吸収された後、熱に変わることで、ノズルを構成するポリテトラフルオロエチレンが熱分解すると考えられる。

マトリックス樹脂であるポリテトラフルオロエチレンに光吸収性粒子を適度に分散させたノズルは、その表層部でアーク光を吸収することができる。これにより、ノズルの奥部へのアーク光の侵入を防ぐとともに、ノズル表面で吸収した光を熱に変換し、表層部のみを効率良く熱分解させることができ、アブレーションによるガス圧上昇を促進する。

光吸収性の充填材として、例えば、二硫化モリブデンのような黒色顔料を添加することにより、アーク光の特に約３００ｎｍ以下の紫外線成分を吸収することができる。これにより、ノズル内部への侵入を防ぎ、紫外光によるフッ素樹脂の分解を抑制することができる。同時に、ノズルの表層部で吸収した幅広い波長領域の光を熱に変換することにより、ノズルの表層部のみを効率良く熱分解し、アブレーションによるガス圧上昇への寄与を高めることができる。

本発明は、光吸収性の充填材として二硫化タングステン（ＷＳ_２）を分散させたことを特徴とする。二硫化タングステンは二硫化モリブデンよりも、さらに耐熱性が高いことが知られている。また、二硫化タングステンは二硫化モリブデンよりも分子量が大きく、揮発性が低い。このため、高温のアークに曝された際の充填材の損耗も少なくなり、ノズルの耐久性が、さらに高くなる。

充填材として二硫化タングステンのみを用いることもできるが、二硫化モリブデンや他の黒色顔料やフッ素樹脂の光分解に寄与すると考えられる短波長の紫外線を吸収する紫外線吸収顔料、フッ素樹脂の光分解に寄与しない紫外領域から可視領域、赤外領域にかけての光を吸収する有色顔料と組み合わせて用いることも可能である。各々、複数の顔料を組み合わせることで、全波長領域の光を効率良く吸収することが可能となる。紫外線吸収顔料が表面で紫外線を吸収することで、ノズル内部の光分解を抑制するとともに、有色顔料が可視領域、赤外領域も含めた波長の光を吸収することで、表面のみを効率良く熱分解することができる。紫外線吸収顔料としては、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）といった無機顔料のほか、有機系の紫外線吸収材も用いることができる。また、有色顔料としては、群青、コバルトブルーといった無機顔料のほか、フタロシアニン顔料といった有機顔料を用いることができる。なお、黒色顔料としてはカーボンが良く知られるが、ノズルには高い絶縁性能が要求されることから、絶縁性の充填材の方がより好ましく用いることができる。

また、同時に、光を反射する充填材として、白色顔料と組み合わせて用いることも可能である。紫外領域から赤外領域にかけて幅広い波長領域の光を反射する白色顔料を好ましく用いることができる。例えば、窒化ホウ素（ＢＮ）のような白色顔料を添加することで、紫外線を反射することができる。これにより、ノズル内部の光による劣化を防ぐことが可能となる。他に、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などを好ましく用いることができる。

二硫化タングステンと組み合わせる光吸収性の充填材、あるいは光反射性の充填材として耐熱性が高いものを選ぶことによって、ノズルの耐熱性、耐久性をより高くすることができる。

なお、充填材は、絶縁物であることが望ましい。

光を吸収する充填材の粒径は、光の波長よりも十分に大きいほうが好ましく、平均粒径が１〜３０μｍのものを好ましく用いることができる。光を反射する充填材の粒径は、光の波長よりも十分に大きいほうが好ましく、平均粒径が１〜３０μｍのものを好ましく用いることができる。なお、粒径は、レーザー回折法により測定した。平均粒径は、個数基準のメジアン径Ｄ_５０を採用した。

なお、本発明は、上記の実施形態において例示したものに限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記の例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、上記の例の構成の一部を他の例の構成に置き換えることが可能であり、また、上記の例の構成に他の例の構成を加えることも可能である。また、それぞれの例に示す構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。本実施例では記載していないが、固定子と接触子は共に駆動する双駆動式のガス遮断器についても本発明は適用可能である。

１：固定接触子、２：可動接触子、４：操作ロッド、５：パッファシリンダ、６：パッファピストン、７：パッファ室、９：貫通孔、１０：ノズル、１１：通電用可動接触子、１２：スロート部、１３：通電用固定接触子。

Claims (7)

1. 電流を断続する第一の接触子と、
   前記第一の接触子と接離可能に対向して配置される第二の接触子と、
   前記第一及び第二の接触子との接離部を包囲して筒状のノズルと、を備えるガス遮断器であって、
   前記ガス遮断器が開極の際に前記第一の接触子と前記第二の接触子との間に発生するアークを消弧する機能を有し、
   前記ノズルは、マトリックス樹脂に二硫化タングステン（ＷＳ_２）が充填材として分散された成形材で構成されているガス遮断器。
2. 請求項１に記載のガス遮断器であって、
   前記マトリックス樹脂が絶縁物で構成されていることを特徴とするガス遮断器。
3. 請求項１または２に記載のガス遮断器であって、
   前記マトリックス樹脂がフッ素樹脂からなること特徴とするガス遮断器。
4. 請求項３に記載のガス遮断器であって、
   前記フッ素樹脂がポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）であることを特徴とするガス遮断器。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のガス遮断器であって、
   前記充填材として黒色顔料を添加することを特徴とするガス遮断器。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のガス遮断器であって、
   前記充填材として紫外線吸収剤を添加することを特徴とするガス遮断器。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載のガス遮断器であって、
   前記充填材の平均粒径が１〜３０μｍであることを特徴とするガス遮断器。

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