JP7175802B2 - 真空遮断器 - Google Patents

Description

本発明は、真空となる空間内で接触子を離間して電流を遮断する真空遮断器に関する。

従来、真空容器内に接離可能な一対の電極を設け、電流遮断時に電極間に発生したアークを真空中で消弧する真空遮断器が利用されている（特許文献１参照）。真空遮断器は、変電機器や受配電機器での高電圧大電流を遮断できるよう遮断性能を向上することが要求される。また、地球温暖化係数の大きな絶縁ガスを使うことなく運用できるクリーンな機器として真空遮断器のニーズがある。

特開２００３－９２０５０号公報

真空遮断器の電流遮断時における電極間の絶縁破壊（アークの発生）については、パッシェン曲線に基づいて説明できる。図１２は、パッシェン曲線のグラフである。図１２のパッシェン曲線のグラフでは、横軸を気圧×ギャップ長、縦軸を絶縁破壊電圧（絶縁強さ）とする。パッシェン曲線では、絶縁破壊電圧の極小値Ｖｍｉｎが得られる横軸のギャップ長×気圧をさらに小さくすると、絶縁破壊電圧は急激に立ち上がることがわかっている。

真空遮断器で扱う真空圧力下（例えば１０^－４Ｐａ以下程度）では、図１２のグラフにおいて、絶縁破壊電圧が極小値Ｖｍｉｎとなる横軸の値より小さい値での条件下で絶縁破壊が発生する。また、気圧が真空となって略一定なので、横軸の気圧×ギャップ長の値は、ギャップ長に応じて変化し、ギャップ長が大きくなる程、絶縁破壊電圧が小さくなる。従って、ギャップ長が小さくなる領域に比べて大きくなる領域の方が、絶縁破壊が発生し易い条件となる。

本発明者は、このようなギャップ長による絶縁破壊の発生条件について研究し、接点部に凹部を形成する電極を用いることを検討した。

ところで、真空遮断器における真空下の絶縁破壊は、大気中や高圧力下におけるガス雰囲気環境での気中絶縁破壊と異なる。ガス雰囲気環境下では、ガス分子と電圧によって加速された電子との衝突電離によって電子増倍が進み、電子雪崩となって絶縁破壊に至る。これに対し、真空遮断器で扱う真空圧力下では、ガス雰囲気が少ない条件であるため、電子がガス分子と衝突するために必要な平均自由工程が著しく長い、具体的には、陰極から出た電子が無衝突で電極に衝突する長さとなる。よって、絶縁破壊のきっかけとなるのは、最初に陰極から電界電子放出によって発生する電子である。

本発明者は、かかる電界電子放出による初期電子の発生を抑制することが、真空遮断器の絶縁性能向上において重要なポイントと捉えた。更に、本発明者は、様々な試行錯誤の結果、電界電子放出による初期電子発生の抑制と接点部の表面粗さとの関係性について鋭意研究し、この研究にて上述の凹部を形成した接点部での絶縁性能を向上できる発明を案出した。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、接点部での絶縁性能向上を図ることができる真空遮断器を提供することを目的とする。

本発明における一態様の真空遮断器は、真空容器の内部で接離可能に設けられて接触状態で通電し、離間状態で通電を遮断する可動接触子及び固定接触子を備えた真空遮断器であって、前記可動接触子及び前記固定接触子の電極部は、相互に対向する対向面が形成された接点部を備え、前記対向面の少なくとも一方は、前記接触状態で他方の前記対向面に接触する接触領域と、他方の前記対向面からの距離が前記接触領域よりも大きい凹部と備え、前記凹部の底部は、前記接触領域に比べて最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）が小さく形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、電流遮断時に各接触子の接点部は真空下にて離間するので、接点部間の距離が長い方、つまり、凹部の底部の方に電界を集中でき、接触領域に比べて凹部を放電し易い状態にすることができる。更に、凹部の表面粗さが小さくなる、言い換えると放電し易い領域の表面粗さが小さくなるので、電界電子放出による初期電子の発生を抑制でき、結果として接点部での絶縁性能向上を図ることができる。

第１の実施の形態に係る真空遮断器を一部断面視した概略構成図である。 図２Ａは、第１の実施の形態における固定接触子の電極部を上方から見た説明図である。図２Ｂは、接点部における図２ＡのＡ－Ａ線の縦断面図である。 図３Ａ及び図３Ｂは、第２の実施の形態に係る電極部の図２Ａ及び図２Ｂと同様の説明図である。 図４Ａ及び図４Ｂは、第３の実施の形態に係る電極部の図２Ａ及び図２Ｂと同様の説明図である。 図５Ａ及び図５Ｂは、第４の実施の形態に係る電極部の図２Ａ及び図２Ｂと同様の説明図である。 第５の実施の形態に係る接点部の説明用断面図である。 第６の実施の形態に係る接点部の説明用断面図である。 図８Ａ及び図８Ｂは、第７の実施の形態に係る電極部の図２Ａ及び図２Ｂと同様の説明図である。 第８の実施の形態に係る接点部の説明用断面図である。 第９の実施の形態に係る接点部の説明用断面図である。 第１０の実施の形態に係る接点部の説明用断面図である。 パッシェン曲線のグラフである。

以下に、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、下記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができるものである。以下の図においては、説明の便宜上、一部の構成を省略することがある。

［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係る真空遮断器を一部断面視した概略構成図である。図１に示すように、真空遮断器１０は、真空容器１１と、真空容器１１の内部で接離可能に設けられた可動接触子１２及び固定接触子１４を備えている。真空遮断器１０では、可動接触子１２及び固定接触子１４が接触状態（図示省略）で通電（閉路）し、図１に示す離間状態で通電を遮断（開路）するものである。

真空容器１１は、セラミック等によって形成される絶縁筒１５と、絶縁筒１５の図１中上端側及び下端側を閉塞するように設けられた端板１６、１７とを備えている。上方の端板１６には、可動接触子１２が上下動可能に貫通して設けられている。下方の端板１７には、固定接触子１４が固定されている。

可動接触子１２は、可動側ロッド１９を備え、可動側ロッド１９は、ベローズ等の気密部材（不図示）を介して真空容器１１内の真空状態を保ちながら軸方向（上下方向）に移動可能に設けられる。可動側ロッド１９は、引張りばねとなる遮断ばね２０に接続されており、遮断ばね２０を引き伸ばした状態でラッチ等（不図示）を介して係止されつつ、可動接触子１２及び固定接触子１４が接触して通電される。この状態から、ラッチ等を動作させることで、遮断ばね２０の復元力で可動側ロッド１９を上方に移動させて固定接触子１４から可動接触子１２を離間動作して通電が遮断される。

固定接触子１４は、固定側ロッド２２を備え、固定側ロッド２２は、下方の端板１７に装着された固定ブロック２３を介して固定されている。

可動接触子１２は、可動側ロッド１９の一端部（図１中下端部）に電極部３０を備えている。固定接触子１４は、固定側ロッド２２の一端部（図１中上端部）に電極部４０を備えている。本実施の形態では、各電極部３０、４０は、上下対称となる向きに設けられて対向するように配置されている。各電極部３０、４０の外側には絶縁筒１５の内周面を保護するシールド２５が設けられている。

電極部３０、４０は、円柱状の外形をなす電極本体部３１、４１と、電極本体部３１、４１の端部にろう付け等によって連結された円板状の接点部３２、４２とを備えている。固定接触子１４の接点部４２にあっては上面が対向面４３として形成され、可動接触子１２の接点部３２の下面となる対向面３３と相互に対向するようになる。

電極本体部３１、４１には、その軸線に対して傾斜しつつ螺旋状に延びる傾斜スリット３４、４４が複数本（本実施の形態では６本）形成されている。傾斜スリット３４、４４は、電極本体部３１、４１の外周面から所定深さで形成されている。接点部３２、４２には、その外周縁に一端が形成されるスリット３５、４５が形成され、スリット３５、４５の一端と傾斜スリット３４、４４の上端とが連続するように形成される。

図２Ａは、第１の実施の形態における固定接触子の電極部を上方から見た図である。図２Ｂは、固定接触子の接点部における図２ＡのＡ－Ａ線の縦断面図である。図２Ａ及び図２Ｂに示すように、固定接触子１４における接点部４２の対向面４３には、その外周縁に沿う所定幅で円環状に形成される接触領域４７と、接触領域４７より面内中心側に形成される凹部４８とが形成される。かかる接触領域４７及び凹部４８の形成によって、対向面４３では、接触領域４７より凹部４８の方が可動接触子１２の対向面３３（図１参照）に対する距離が長くなる。また、対向面４３において、通電（閉路）時に可動接触子１２の対向面３３と接触する領域が接触領域４７となる。

ここで、凹部４８の内部における底部４８ａ（図２Ａで網点を付した領域）は、接触領域４７より最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）が小さく滑らかな面として形成されている。一例を挙げると、底部４８ａの最大表面粗さＲｍａｘが０．２５μｍ、接触領域４７の最大表面粗さＲｍａｘが８μｍに形成される。

接点部４２におけるスリット４５は、複数本（本実施の形態では６本）形成され、接点部４２外周縁の一端から内方となる凹部４８の底部４８ａに延出している。そして、スリット４５の他端（内方端）は、接触領域４７と凹部４８との境界より内方となる底部４８ａに位置するように形成される。なお、図示省略したが、可動接触子１２における接点部３２においては、対向面３３に凹部が形成されていないものの、スリット３５がスリット４５と同様の形状をなしている。スリット３５、４５及び傾斜スリット３４、４４によって、電極部３０、４０の通電路がコイル状となって縦磁界（図１中上下方向に平行な方向の磁界）が発生し、遮断特性を向上できるようになる。

なお、本実施の形態では、可動接触子１２における接点部３２の対向面３３は、スリット３５の形成領域以外は平坦な面として形成され、対向面３３全体が接触領域とされる。

真空遮断器１０において、可動接触子１２及び固定接触子１４が接触する通電状態では、固定接触子１４の接触領域４７と、これに対向する位置の可動接触子１２の対向面３３とが接触する。一方、遮断状態において、可動接触子１２の対向面３３と、固定接触子１４における接触領域４７及び凹部４８の底部４８ａとは所定距離離れた非接触状態で対向することとなる。

真空遮断器１０にて通電状態から電流を遮断すべく、固定接触子１４及び可動接触子１２の各接点部３２、４２が離間されると、各接点部３２、４２の間にアークが発生する。

電流遮断時の各接点部３２、４２にて、相互に接触する対向面３３と接触領域４７とが離間された直後には、対向面３３と接触領域４７との離間距離に対し、対向面３３と凹部４８の底部４８ａとの離間距離の方が大きくなる。上述のパッシェン曲線（図１２参照）の説明に基づき、対向面３３に対して離間距離が大きい凹部４８の底部４８ａの方が放電し易い状態となり、アークが選択的に発生する。つまり、接触領域４７でアークが発生することを抑制し、凹部４８の底部４８ａで安定して絶縁破壊可能な状態にすることができる。

また、凹部４８の底部４８ａにおける表面粗さを小さくしたので、絶縁破壊が発生する部位の表面粗さを小さくでき、底部４８ａにて、上述した電界電子放出による初期電子の発生を抑制することができる。これにより、絶縁破壊のきっかけが生じ難くなり、絶縁破壊電圧を高い値に保持して対向面３３と凹部４８の底部４８ａとの間の絶縁性能を向上でき、ひいては、真空遮断器１０の遮断性能を向上することができる。

ここで、電流遮断時にあっては、縦磁界を発生させるためのスリット３５、４５におけるエッヂ部分にマクロな電界集中が発生する。固定接触子１４のスリット４５は、凹部４８の底部４８ａと接触領域４７との両方に形成されるので、より放電し易い底部４８ａ内に位置するスリット４５のエッヂ部分で電界集中して絶縁破壊するようになる。これにより、接触領域４７での絶縁破壊を防止して凹部４８にて安定して絶縁破壊が可能となり、絶縁性能（絶縁破壊電圧）を向上させることができる。

このような第１の実施の形態によれば、底部４８ａの最大表面粗さＲｍａｘを小さく設定することで、到達耐電界強度を上昇することができる。かかる到達耐電界強度は、電極材料、到達真空度、コンディショニングの有無、加工条件によって大きく異なるものの、底部４８ａの最大表面粗さＲｍａｘの変化（例えば、２．５μｍと０．８μｍ）で約１．７倍程度上昇可能となる。

ところで、真空遮断器１０にあっては、保管や流通、施工時に、可動接触子１２の対向面３３に対して接触領域４７が接触或いは圧接したり、実運転前の試験時に各接触子１２、１４を繰り返し開閉したりする場合がある。この場合であっても、凹部４８の底部４８ａにあっては、可動接触子１２の接点部３２に対して非接触に保つことができ、最大表面粗さが小さい良好な表面状態を安定して確保でき、上述の絶縁性能を維持することができる。しかも、凹部４８の底部４８ａに比べて接触領域４７を粗い面とする関係性になり、実運転前の試験や運搬等を行ったとしても接触領域４７の方が粗くなる傾向が強くなるので、かかる関係性を維持し易くすることができる。

次に、本発明の前記以外の実施の形態について説明する。なお、以下の説明において、説明する実施の形態より前に記載された実施の形態と同一若しくは同等の構成部分については同一符号を用いる場合があり、説明を省略若しくは簡略にする場合がある。また、図３以降の図面にて、図２Ａと同様の網点が付された領域は、第１の実施の形態の底部４８ａと同様の最大表面粗さに形成される。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について図３を参照して説明する。図３Ａ及び図３Ｂは、第１の実施の形態に係る電極部の図２Ａ及び図２Ｂと同様の説明図である。図３Ａ及び図３Ｂに示すように、第２の実施の形態では、第１の実施の形態に対し、凹部４８の形状を変更している。

第２の実施の形態において、凹部４８は溝状に形成され、接点部４２の外周縁と同一中心となる１つの円（閉ループ）の軌跡に沿って形成されている。第２の実施の形態においても、スリット４５の他端（内方端）は、凹部４８の底部４８ａに位置するように形成される。なお、接点部４２の対向面４３にて、凹部４８の外側領域だけでなく内側領域も接触領域４７として形成されるようになる。第２の実施の形態においても、底部４８ａは、接触領域４７より最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）が小さく滑らかな面として形成されている。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について図４を参照して説明する。図４Ａ及び図４Ｂは、第３の実施の形態に係る電極部の図２Ａ及び図２Ｂと同様の説明図である。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、第３の実施の形態では、第２の実施の形態に対し、溝状の凹部４８を同心円上に二重に形成した点を変更している。第３の実施の形態においては、スリット４５の他端（内方端）は、二重の凹部４８のうち、内側の凹部４８の底部４８ａに位置するように形成される。

［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について図５を参照して説明する。図５Ａ及び図５Ｂは、第４の実施の形態に係る電極部の図２Ａ及び図２Ｂと同様の説明図である。図５Ａ及び図５Ｂに示すように、第４の実施の形態では、第２の実施の形態に対し、溝状の凹部４８を同心円上に三重に形成した点を変更している。第４の実施の形態においては、スリット４５の他端（内方端）は、三重の凹部４８のうち、最も外側の凹部４８の底部４８ａに位置するように形成される。第２～第４の実施の形態によれば、溝状に凹部４８を形成しても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができ、加工容易性や材質等を考慮して凹部４８の形成数を変更することで製造コストの削減効果と絶縁性能向上効果とがバランス良く得られるようになる。

［第５の実施の形態］
次に、本発明の第５の実施の形態について図６を参照して説明する。図６は、第５の実施の形態に係る接点部の説明用断面図である。図６に示すように、第５の実施の形態では、第１の実施の形態に対し、可動接触子１２の接点部３２においても、固定接触子１４の接点部４２における凹部４８と同様の凹部３８を形成している。図６では、平面視した場合の各凹部３８、４８の大きさ及び形状を同一としたが、これに限られず、各凹部３８、４８の大きさ、形状、形成位置が異なっていてもよい。

第５の実施の形態によれば、凹部３８、４８の底部３８ａ、４８ａ間の距離（ギャップ長）を長くすることができ、高電界でも安定した絶縁性能を維持することができる。

［第６の実施の形態］
次に、本発明の第６の実施の形態について図７を参照して説明する。図７は、第６の実施の形態に係る接点部の説明用断面図である。図７に示すように、第６の実施の形態では、第５の実施の形態に対し、可動接触子１２の接点部３２における凹部３８を変更している。

第６の実施の形態において、可動接触子１２の凹部３８は、第２の実施の形態の凹部４８と同様に円の軌跡に沿う溝状に形成されている。図７では、固定接触子１４の凹部４８より可動接触子１２の凹部３８の方が大きい形寸法に形成され、上下に重ならない位置に設定されている。第６の実施の形態によれば、絶縁破壊する部位が同じになり難くなって当該部位の自由度を確保することができる。

［第７の実施の形態］
次に、本発明の第７の実施の形態について図８を参照して説明する。図８Ａ及び図８Ｂは、第７の実施の形態に係る電極部の図２Ａ及び図２Ｂと同様の説明図である。図８Ａ及び図８Ｂに示すように、第７の実施の形態では、第１の実施の形態に対し、凹部４８の底部４８ａに段差を設けて２段の高さを有する形状に形成している。なお、かかる段差の段数は適宜増加させてもよい。

［第８の実施の形態］
次に、本発明の第８の実施の形態について図９を参照して説明する。図９は、第８の実施の形態に係る接点部の説明用断面図である。図９に示すように、第８の実施の形態では、第５の実施の形態に対し、両方の凹部３８、４８の底部３８ａ、４８ａに段差を設けて２段の高さを有する形状に形成している。

［第９の実施の形態］
次に、本発明の第９の実施の形態について図１０を参照して説明する。図１０は、第９の実施の形態に係る接点部の説明用断面図である。図１０に示すように、第９の実施の形態では、第６の実施の形態（図７参照）に対し、両方の凹部３８、４８の底部３８ａ、４８ａに段差を設けて２段の高さを有する形状に形成している。

［第１０の実施の形態］
次に、本発明の第１０の実施の形態について図１１を参照して説明する。図１１は、第１０の実施の形態に係る接点部の説明用断面図である。図１１に示すように、第１０の実施の形態では、第５の実施の形態（図６参照）に対し、可動接触子１２における凹部３８の底部３８ａに段差を設けて２段の高さを有する形状に形成している。固定接触子１４の凹部４８については、第１及び第５の実施の形態と同様に、段差を有しない形状に形成している。

第７～第１０の実施の形態のように、底部３８ａ、４８ａを２段の高さにすることによっても、ギャップ長となる底部３８ａ、４８ａ間の距離や、底部３８ａ、４８ａ及びこれに対向する対向面３３、４３間の距離を長くすることができ、高電界でも安定した絶縁性能を維持することができる。

なお、本発明は上記各実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状、向きなどについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

上記各実施の形態において、可動接触子１２の接点部３２と、固定接触子１４の接点部４２とで凹部３８、４８の形状、大きさ、形成位置、形成の有無が異なるものにあっては、各接点部３２、４２の形状等を逆にしてもよい。更に、平面視した場合の各凹部３８、４８の形状等は、円形及び円環状に限定されるものでなく、底部３８ａ、４８ａの最大表面粗さＲｍａｘが小さくなる限りにおいて、楕円形や多角形にする等、種々の変更が可能である。

また、スリット３５、４５は、上記各実施の形態と同様の縦磁界を発生する限りにおいて、延出方向に対し不連続に形成してもよい。但し、電流遮断時にマクロな電界集中を発生させるべく、スリット３５、４５の一部が凹部３８、４８の底部３８ａ、４８ａに形成されることが好ましい。

また、電極部３０、４０において、接点部３２、４２と電極本体部３１、４１とを別体として固定した構成としたが、これらを一体に形成してもよい。

１０ 真空遮断器
１１ 真空容器
１２ 可動接触子
１４ 固定接触子
３０ 電極部
３２ 接点部
３３ 対向面
３５ スリット
３７ 接触領域
３８ 凹部
３８ａ 底部
４０ 電極部
４２ 接点部
４３ 対向面
４５ スリット
４７ 接触領域
４８ 凹部
４８ａ 底部

Claims (3)

1. 真空容器の内部で接離可能に設けられて接触状態で通電し、離間状態で通電を遮断する可動接触子及び固定接触子を備えた真空遮断器であって、
   前記可動接触子及び前記固定接触子の電極部は、相互に対向する対向面が形成された接点部を備え、
   前記対向面の少なくとも一方は、前記接触状態で他方の前記対向面に接触する接触領域と、他方の前記対向面からの距離が前記接触領域よりも大きい凹部と備え、
   前記凹部の底部は、前記接触領域に比べて最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）が小さく形成されていることを特徴とする真空遮断器。
2. 前記接点部は、前記対向面に縦磁界を発生させるためのスリットを備えていることを特徴とする請求項１に記載の真空遮断器。
3. 前記スリットは、前記接点部の外縁から前記凹部の前記底部に延出していることを特徴とする請求項２に記載の真空遮断器。

Images