(57)【要約】セラミック真空チャンバと、互いに対向した導電性のエンドキャップとを有しシールド状態に封止された真空遮断器が、与えられている。一方のエンドキャップは、固定接点に電気的に接続され、他方のエンドキャップは、可動接点に電気艇に接続されている。この可動接点は、電気回路を開閉するように、固定接点に対して駆動可能である。真空チャンバのセラミック壁に接続され、かつ固定接点と可動接点とから分離された真空チャンバ内のフローティングシールドが、絶縁され、浮遊電位を有している。真空チャンバの外面のセラミック壁の一部は、半導電性材料でコーテングされており、導電性の電圧スクリーンが、真空チャンバの外面の一部を囲み、真空チャンバの導電性の各エンドキャップに電気的に接続されている。前記チャンバと接続された両スクリーンとは、モールド成形された誘電体のハウジングに封止されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体のエンキャップと、
セラミックハウジングと、このセラミックハウジングをシールしているエンドキャップと、前記セラミックハウジング内のフローティングシールドと、このフローティングシールドとカップリングされ、前記セラミックハウジングに一体的な露出リングとを有し、この誘電体のエンキャップ中にモールド成形された真空チャンバと、
この真空チャンバのセラミックハウジングの部分に配置され、前記露出リングと接触している半導電性材料と、
前記エンドキャップに接続された電圧スクリーンとを具備し、この電圧スクリーンは、前記半導電性の材料の部分をオーバーラップしている真空遮断器。
【請求項２】
前記誘電体のエンキャップは、この真空遮断器を実質的に封止している請求項１の真空遮断器。
【請求項３】
前記誘電体のエンキャップは、エポキシ等で形成されている請求項１の真空遮断器。
【請求項４】
前記電圧スクリーンは、孔が形成された金属シートを有している請求項１の真空遮断器。
【請求項５】
前記電圧スクリーンは、メッシュ状の金属部材を有している請求項１の真空遮断器。
【請求項６】
前記電圧スクリーンは、ほぼ皿形状である請求項１の真空遮断器。
【請求項７】
第２のエンドキャップと、
この第２のエンドキャップに接続され、前記半導電性材料の第２の部分をオーバーラップしている第２の電圧スクリーンとをさらに具備している請求項１の真空遮断器。
【請求項８】
前記両電圧スクリーンは、前記真空チャンバを実質的に囲んでいる請求項７の真空遮断器。
【請求項９】
前記両電圧スクリーンは、互いにミラーイメージ配置である請求項７の真空遮断器。
【請求項１０】
シールド状態に封止された真空遮断器内の電界歪みを少なくするためのシステムであって、
真空チャンバと、
シールドエンキャップ内に配置された前記真空チャンバの外部に与えられた半導電性材料と、
前記真空チャンバの第１の端部に電気的に接続され、前記半導電性材料の第１の部分を囲むように前記シールドエンキャップ内に配置された第１の電圧スクリーンと、
前記真空チャンバの第２の端部に電気的に接続され、前記半導電性材料の第２の部分を囲むように前記シールドエンキャップ内に配置された第２の電圧スクリーンとを具備するシステム。
【請求項１１】
前記第１の電圧スクリーンと前記第２の電圧スクリーンとは、孔が形成された金属シートを有している請求項１０のシステム。
【請求項１２】
前記第１の電圧スクリーンと第２の電圧スクリーンとは、メッシュ状の金属部材を有している請求項１０のシステム。
【請求項１３】
前記第１の電圧スクリーンと第２の電圧スクリーンとは、ほぼ皿形状である請求項１０のシステム。
【請求項１４】
前記第１の電圧スクリーンと第２の電圧スクリーンとは、互いにミラーイメージ配置である請求項１０のシステム。
【請求項１５】
前記第１の電圧スクリーンと第２の電圧スクリーンとは、前記真空チャンバの外面を実質的に囲んでいる請求項１０のシステム。
【請求項１６】
シールド状態に封止された真空遮断器内の電界歪みを少なくさせるための方法であって、
第１の導電性のエンドキャップと、第２の導電性のエンドキャップと、真空チャンバの外面に配置された露出リングとを有する真空チャンバを与えることと、
前記真空チャンバの外面に第１の半導電性材料を配置し、前記露出リングを接触させることと、
第１の電圧スクリーンを前記第１の導電性のエンドキャップに接続することと、
第２の電圧スクリーンを前記第２の導電性のエンドキャップに接続することと、
前記真空チャンバと前記両電圧スクリーンとを、モールド成形された誘電体の部材中に封止することと、
第２の半導電性材料を前記モールド成形された誘電体の部材の外面に配置することとを具備する方法。
【請求項１７】
前記第１の電圧スクリーンと前記第２の電圧スクリーンとは、孔が形成された金属シート、メッシュ状の金属部材等からなる請求項１６の方法。
【請求項１８】
前記第１の電圧スクリーンと第２の電圧スクリーンとは、ほぼ皿形状である請求項１６の方法。
【請求項１９】
前記第１の電圧スクリーンと第２の電圧スクリーンとは、前記真空チャンバと前記第１の半導電性材料とを実質的に囲む請求項１６の方法。
【請求項２０】
前記第１の電圧スクリーンと第２の電圧スクリーンとは、互いにミラーイメージ配置である請求項１６の方法。
【請求項２１】
前記第１の半導電性材料と前記第２の半導電性材料とは、同じである請求項１６の方法。
【請求項２２】
前記モールド成形された誘電体の部材は、エポキシ等で形成される請求項１６の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力配分システムのための電流遮断装置に関する。より詳細には、本発明は、シールドされた電力配分システムのためのエンキャップの真空遮断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、２００３年１０月１５日付けの米国特許出願Ｎｏ．１０/６８７，５２３の優先権を主張している。
これまで以上に、電気事業の電力配分システムは、空中（即ち、地上）での配分システムの美観に対する、Ｎｏｔ  Ｉｎ  Ｍｙ  Ｂａｃｋｙａｒｄ（ＮＩＭＢＹ）として知られた一般市民の抗議により、地下に設置されるようになっている。このようなＮＩＭＢＹの事態を和らげるために、支柱、ワイヤー、並びに支柱に装着されたスイッチ及び変圧器で以前は構成された電力配分システムは、導管又はダクトバンク(ductbanks)、地下室、ケーブル、並びに地表面又は地表面下のスイッチギヤ及び変圧器によって取って変えられ、さらに交換されてさえいる。地下システムは、ほとんど知られていないので、新しい運用並びにメンテナンスの課題をもたらしている。これら課題に対して、電気電子技術者協会（ＩＥＥＥ）や米国規格協会（ＡＮＳＩ）のような組織が、運用要因の安全性とシステムパフォーマンスとを保証するように、規格や規則を導入した。しかし、時には、要員の安全性はシステムパフォーマンスと相反することがある。前記規格の１つは、個々の地下配分システムのコンポーネントを、マルチプル・システムポイント（例えば、ケーブル接続部、変圧器、スイッチ）のところに接地（即ち、シールド）させることを推薦している。システムの操作者は、システムコンポーネント（若しくは、これらの密閉部材）を接地させることで、操作要員による危険電圧へのアクセスをなくすように求めている。
【０００３】
真空遮断開閉器は、リーク電流の信頼性の高い遮断と負荷開閉とのための電力配分システムに使用されることことが良く知られ、空気、オイル、並びにＳＦ６が充填された開閉器の効果的な代替品となっている。浸水の可能性が高い地下室若しくは開閉装置のような地下での用途に用いられているとき、真空遮断開閉器は、電気絶縁部材によって密閉、即ち封止されている。危険電圧から要員を保護するように浸水可能な真空遮断開閉器を接地するために、開閉器の外面全体は、導電性を帯びていなければならない。しかし、開閉器が接地されると、装置内の電界は歪み、開閉器の「ＯＦＦ」操作の間、開口ギャップの誘電体の耐圧機能を低下させる。このような電界歪みを小さくすることは、当業者によって今まで実現されなかった。
【０００４】
Ｂｏｈｍｅらによる米国特許Ｎｏ．４，６１８，７４９は、エポキシ樹脂のような絶縁材料中に挿入された真空開閉装置を開示している。Ｂｏｈｍｅらによる開閉器は、また、要員の安全性のために接地され得る金属カバーを有している。開示されたこの開閉装置は、絶縁材料に一体的にモールド成形されておらず、スペースが、装置と絶縁材料との間に存在している。Ｂｏｈｅｍらは、特に開閉器の接点が開成している間の絶縁材料の破壊（例えば、コロナ効果）により、前記スペースが、容量放電(capacitive discharge)の影響を受けやすいことを認識している。絶縁材料に埋め込まれた制御電極は、絶縁材料に電圧ストレスを生じさせることによって、スペース内のコロナ効果を低減しようとする。Ｂｏｈｍｅらの装置が、なお、絶縁材料の破壊を受けるであろうことは当業者によって容易に理解される。さらに、開閉装置が、予め形成された絶縁ハウジング内に挿入されている場合、この装置は、費用が高く、また、製造が複雑である。
【０００５】
Ｔｈｏｍａｓ＆Ｂｅｔｔｓ  Ｅｌａｓｔｉｍｏｌｄ（登録商標）のＭＶＩ  Ｍｏｌｄｅｄ  Ｖａｃｕｕｍ  Ｆａｕｌｔ  Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｒは、モールド成形された絶縁ハウジングで真空開閉チャンバを直接封止することによって、上述したＢｏｈｍｅらの特許の欠点を克服しようとしている。電圧ストレスは、より高い破壊力を有する絶縁ハウジングに存在する。しかし、ＭＶＩ装置がシールドされているので、真空チャンバに近接した接地面の存在が、開口ギャップの耐圧機能を低減させる装置内に電界歪みを生じさせる。かくして、この装置は、最大の電位に操作されることが阻止される。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、従来技術の欠点を克服する装置を提供している。本発明のこれら並びに他の効果と本発明の更なる特徴とは、与えられた本発明の説明から明らかとなるであろう。
本発明は、シールド状態に封止された真空遮断器を提供している。セラミック真空チャンバは、互いに対向した導電性のエンドキャップを有している。一方のエンドキャップは、固定接点に電気的に接続され、一方、他方のエンドキャップは、可動接点に接続されている。この可動接点は、電気回路を開閉するように、固定接点と同軸方向に駆動可能である。真空チャンバのセラミック壁に接続され、かつ固定接点並びに可動接点から離間された、真空チャンバ内のフローティングシールドが、２つの接点並びに地面から絶縁され、浮遊電位を有している。真空チャンバの外側セラミックの一部は、半導電性材料でコーテングされている。導電性の電圧スクリーンは、真空チャンバの各導電性のエンドキャップに電気的に接続され、そして、チャンバと接続されたスクリーンとを有する真空遮断器の全体は、モールド成形された誘電体のハウジング中に封止されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図面において、図１は、例示的な真空遮断器(interrupter)１００の内部コンポーネントの構成の断面図を示している。この真空遮断器１００は、電気回路を開閉するために電力配分システムに用いられることができる。遮断器１００を流れる電流の流れは、真空チャンバ１１０によって遮断若しくは回復されることができる。この真空チャンバ１００は、ほぼ筒形状のセラミックハウジングと、真空チャンバをシールして中の真空を維持させる導電性の２つのエンドキャップとを有している。図１において、真空チャンバ１１０は、「固定」端部と「可動」端部とを有している。固定接点１２０が、真空チャンバ１１０の固定端部内に位置され、導電性の固定エンドキャップ１２５に接触している。可動接点１３０は、真空チャンバ１１０の可動端部内に位置され、前記固定接点１２０に同軸的に整合されている。この可動接点１３０は、エンドキャップ１３５に電気接触し、電流を流したり遮断したりするように、固定接点１２０に同軸的に係合若しくは非係合される。導電性の可動のエンドキャップ１３５は、真空チャンバ１１０のシールされた真空を維持した状態で、駆動ロッド１４０が、可動接点１３０を真空チャンバの軸に沿って前後に移動させることを可能にするような金属ベロー等であり得る。この駆動ロッド１４０は、ばねのような作動メカニズム１５０に接続された作動ハンドル１６０によって駆動されることができる。接触位置インジケータ１８０が、また、遮断器に含まれることができ、この結果、操作者は、接点が、開成位置若しくは閉成位置にあるかどうかを確認するために、遮断器を視覚的に検査することができる。
【０００８】
前記真空チャンバ１１０は、また、ほぼ円筒形状の金属部材であるフローティングシールド１０５を有している。このフローティングシールド１０５は、前記固定接点１２０と可動接点１３０とから同軸方向に所定の距離離れたところで、露出リング(exposed ring)１１５によって真空チャンバ１１０内に支持されている。真空チャンバ１１０の前記セラミックハウジングは、露出リング１１５を挟持して前記２つの接点から所定の距離離れたところでフローティングシールド１０５を保持している、ほぼ円筒形状の２つのセラミック部分を有している。フローティングシールド１０５は、２つの接点から所定の距離離れたところに保持されているので、電気的に絶縁され、浮遊電位を有している。２つの接点の開閉操作の間、このフローティングシールド１０５は、アーク放電が生じた時に接点から放出される金属イオンが、セラミックハウジング中に集められるのを阻止し、この結果、遮断器１００の性能劣化を防止する。
【０００９】
前記導電性の２つのエンドキャップに電気的に接続された導電性のリードは、遮断器１００と整合する地下ケーブルのような、電力配分コンダクタのための接続手段としての役割を果たしている。真空遮断器１００が、浸水しがちな地下室若しくはスイッチギヤのように、湿った環境で信頼性が高くかつ安全に作動することを保証するように、遮断器は、エポキシのようなモールド成形された誘電体で封止されている。図１に示されているように、エンキャップ(encapsulation)１９０が、リード並びに真空チャンバ１１０のような遮断器の部分を囲むことができる。しかし、真空遮断器１００は、図２ないし４に示されているように完全に封止されていることが好ましい。操作者の安全性を確保するように、真空遮断器は、シールドされた配分システムに設置されたときに、接地電位である半導体層２００によりエンキャップ１９０の外面をコーテングすることによってシールド（即ち、接地）される。１つの好ましい半導体層２００は、ミシガン、ポートヒューロンのAcheson Colloids社によって製造されたエレクトロダッグ（Electrodag（登録商標））２１３である。このエレクトロダッグ２１３は、エポキシ、プラスチック、並びにセラミックに対して優れた接着性を有するエポキシ樹脂溶液中に微粉の黒鉛顔料を分散させたものである。
【００１０】
複数のブッシング１７０が、誘電体のエンキャップ１９０内に導電性のリードを封止することによって形成されている。図４に示されているように、変圧器（即ち、ＣＴ）のような電流検出装置２３０が、真空遮断器１００を駆動させるために、リーク電流等を検出するように、誘電体のエンキャップ中にモールド成形されることができる。この電流検出装置２３０は、電気回路に欠陥があるかどうかを確認する電気制御システム、若しくはリレー（図示されず）と接続することができ、また、作動レバー１６０を駆動させて可動接点１３０を固定接点１２０から非係合させて真空遮断器１００を通る電流を遮断するように、モーター、ソレノイド等を動作させることができる。前記２つの接点が、互いに非係合されたとき、電力配分システムの電圧レベルに応じて４ｋｖないし３４ｋｖであり得る電位差が、開口ギャップの所で接点間に生じる。真空遮断器１００の半導体の外層２００は、シールド配分システムに設置されているときに接地電位であるので、真空チャンバ１１０に近接した接地面は、開口ギャップの耐圧機能を著しく減じさせる深刻な電界歪みを真空遮断器１００内に生じさせる。図６には、シールド状態に封止された真空遮断器の有限要素解析が示されている。前記可動接点１３０が、固定接点１２０から非係合されたときに、開口ギャップが、これら接点間にできる。真空遮断器１００内の電界線３００は、接地電位に向かう傾向にあるような歪み分布を示している。
【００１１】
電界歪みを防止するように、電圧スクリーンが、前記真空チャンバ１１０に取着され、電圧ストレス(voltage stress)をエンキャップ中に生じさせるように、誘電体のエンキャップ１９０内に埋め込まれている。固定電圧スクリーン２１０（図４）が、導電性のエンドキャップ１２５に電気的に接続され、一方、可動電圧スクリーン２２０が、導電性の可動のエンドキャップ１３５に取着されている。例示的な一実施形態において、これら電圧スクリーンは、誘電体のエンキャップに対する取着を容易にするように、孔が形成された金属シート若しくはメッシュ状の金属スクリーンである皿形状の導電性部材であることが好ましい。
【００１２】
互いに対向した２つの電圧スクリーンは、真空チャンバ１１０を実質的に囲んでいるが、中央部分を露出させたままである。図５に示されているように、真空チャンバ１１０の露出された中央部分は、フローティングシールド１０５を支持している露出リング１１５を有している。真空チャンバ１１０の露出された中央部分は、半導体の外層２００と同じ、若しくは異なり得る半導電性材料２４０でコーテングされている。この半導電性材料２４０は、導電性を有する、流体塗料、接着剤、エポキシ等であり得る。好ましい半導電性材料は、Ｐａｌｍｙｒａ ＷｉｓｃｏｎｓｉｎのＥｐｉｃ Ｒｅｓｉｎｓによって製造されたＥｐｉｃ Ｓ７０７６である。このＥｐｉｃ Ｓ７０７６（登録商標）は、手動若しくは自動の分配装置によって簡単に与えられ得る、炭素が充填された導電性のエポキシシステムである。
【００１３】
前記半導電性材料２４０は、前記固定電圧スクリーン２１０と可動電圧スクリーン２２０とによって囲まれたエリア中へと延びていることが好ましい。このようにして、各電圧スクリーンは、与えられた半導電性材料２４０の一部にオーバーラップしている。当業者は、半導電性材料とフローティングシールドとが、前記露出リング１１５によってリンクされているために、真空チャンバの外面の半導電性材料２４０が、真空遮断器１１０内のフローティングシールド１０５と同じ電位であると考えられることを理解するであろう。従って、前記２つの接点が分離されたとき、半導電性材料２４０は、フローティングシールド１０５の両端部での電圧ストレスをなくす。固定接点１２０と可動接点１３０とに電気的にカップリングされている電圧スクリーンは、半導体のコーテング２４０での電位を、真空チャンバ１１０の導電性のエンドキャップ間の差の５０％にする。これによって、バランスの良い電圧分布が得られる。
【００１４】
図７において、前記真空チャンバ１１０に与えられた固定電圧スクリーン２１０と、可動電圧スクリーン２２０と、半導電性材料２４０とを有する真空遮断器のための有限要素解析は、電界線３００が、開口ギャップの真空チャンバ内でほぼ対称的に分布されていることを示している。図８は、図７と同一の真空遮断器を示しているが、電圧極性は、逆になっている。図示されているように、電界線３００は、開口ギャップ内で対称的に分布されたままである。
【００１５】
本発明を実施するために発明者に知られた一番良い態様を含む本発明の好ましい実施形態が、説明されている。本分野の普通の熟練者が以上の説明を読めば、これら好ましい実施形態の変形例は、明らかであり得る。発明者は、熟練者が必要に応じてこのような変形例を使用することを期待し、また、発明者は、本発明が、詳細に説明された例以外で実施されることを意図している。従って、本発明は、適用法によって認められているように、添付された請求項に述べられた主題と同等の例並びに全ての変形例を含んでいる。さらに、全て可能な変形例での上記の部材の組み合わせは、この明細書に説明されていないか文脈に明らかに矛盾していない限り、本発明によって含まれている。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】電圧スクリーンなしの例示的なエンキャップ状の真空遮断器の断面図である。
【図２】電圧スクリーンを有する例示的なエンキャップ状の真空遮断器の正面図である。
【図３】図２のエンキャップ状の真空遮断器の側面図である。
【図４】両電圧スクリーンと電流検出装置とを示している、図２のエンキャップ状の真空遮断器の側断面図である。
【図５】真空チャンバに対する電圧スクリーンと半導体コーテングとを示す、図２のエンキャップ状の真空遮断器の側断面図である。
【図６】高圧試験の間の電圧歪み分布を示す電圧スクリーンがない、図２の封止された真空遮断器の有限要素解析である。
【図７】高圧試験の間の電圧歪み分布を示す電圧スクリーンを有した図２の封止された真空遮断器の有限要素解析である。
【図８】逆高圧試験の間の電圧歪み分布を示す電圧スクリーンを有した図２の封止された真空遮断器の有限要素解析である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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