(57)【要約】  本発明は、真空ハウジング（４）を有する、中電圧回路遮断器用の真空インタラプタ装置に関し、前記真空ハウジング（４）内に一対の電気的接触子（２ａ，２ｂ）が同軸に配置されており、かつ、当該一対の電気的接触子（２ａ，２ｂ）は、円筒形の前記真空ハウジング（４）により同心に包囲されており、前記電気的接触子（２ａ，２ｂ）はＴＭＦ接触子型であり、各電気的接触子（２ａ，２ｂ）は、溝が設けられたカップ形コンタクト部（９ａ，９ｂ）をそれぞれ有し、前記各カップ形コンタクト部（９ａ；９ｂ）は、コンタクトシャフト（８ａ；８ｂ）の遠心端に取り付けられており、前記各カップ形コンタクト部（９ａ；９ｂ）は、当該カップ形コンタクト部（９ａ；９ｂ）の縁部（１１）に設けられたコンタクトリング（１０）により覆われている、真空インタラプタ装置において、前記各カップ形コンタクト部（９；９’’；９’’；９’’’’；９’’’’）に、前記コンタクトリング（１０）に向かって曲がった縦方向の内側曲げ部が設けられており、収斂したアーク柱にかかるローレンツ力を各内向き方向に変えるため、前記カップ形コンタクト部（９，９’，９’’，９’’’’，９’’’’）の底部分の外径は、当該カップ形コンタクト部（９；９’；９’’；９’’’’；９’’’’）の縁部領域（１１）の外径より大きいことを特徴とする、真空インタラプタ装置。
2015534247.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空ハウジング（４）を有する、中電圧回路遮断器用の真空インタラプタ装置であって、
前記真空ハウジング（４）内に一対の電気的接触子（２ａ，２ｂ）が同軸に配置されており、かつ、当該一対の電気的接触子（２ａ，２ｂ）は、円筒形の前記真空ハウジング（４）により同心に包囲されており、
前記電気的接触子（２ａ，２ｂ）はＴＭＦ接触子型であり、
各電気的接触子（２ａ，２ｂ）は、溝が設けられたカップ形コンタクト部（９ａ，９ｂ）をそれぞれ有し、
前記各カップ形コンタクト部（９ａ；９ｂ）は、コンタクトシャフト（８ａ；８ｂ）の遠心端に取り付けられており、
前記各カップ形コンタクト部（９ａ；９ｂ）は、当該カップ形コンタクト部（９ａ；９ｂ）の縁部（１１）に設けられたコンタクトリング（１０）により覆われている、真空インタラプタ装置において、
前記各カップ形コンタクト部（９；９’；９’’；９’’’’；９’’’’）に、前記コンタクトリング（１０）に向かって曲がった縦方向の内側曲げ部が設けられており、
収斂したアーク柱にかかるローレンツ力を各内向き方向に変えるため、前記カップ形コンタクト部（９，９’，９’’，９’’’’，９’’’’）の底部分の外径は、当該カップ形コンタクト部（９；９’；９’’；９’’’’；９’’’’）の縁部領域（１１）の外径より大きい
ことを特徴とする、真空インタラプタ装置。
【請求項２】
前記カップ形コンタクト部（９）の縦方向の内側曲げ部に、当該カップ形コンタクト部（９）の、内側に曲げられたフラットフランジ部分（１２）が設けられている、
請求項１記載の真空インタラプタ装置。
【請求項３】
前記カップ形コンタクト部（９’）の縦方向の内側曲げ部に凹溝（１３）が設けられており、
前記凹溝（１３）は、フランジ部分（１２）の内壁に設けられている、
請求項１記載の真空インタラプタ装置。
【請求項４】
前記カップ形コンタクト部（９”）の縦方向の内側曲げ部に凹溝（１４）が設けられており、
前記凹溝（１４）は、フランジ部分（１２）の外壁の縁部（１１）の領域に設けられている、
請求項１記載の真空インタラプタ装置。
【請求項５】
フランジ部分（１２）の内壁に、更に別の凹溝（１５）が、前記カップ形コンタクト部（９'''）の底部分に設けられている、
請求項４記載の真空インタラプタ装置。
【請求項６】
前記コンタクトリング（１０）の外径は、前記カップ形コンタクト部（９；９’；９’’；９’’’’；９’’’’）の底部分の外径に等しい、
請求項１記載の真空インタラプタ装置。
【請求項７】
前記各電気的接触子（２ａ；２ｂ）は、一重のカップ型ＴＭＦ接触子として形成されている、
請求項１記載の真空インタラプタ装置。
【請求項８】
前記各電気的接触子（２ａ；２ｂ）は、円板状の内部コンタクト部（１６）と、包囲するカップ形外部コンタクト部（９）とから成る二重ＴＭＦ接触子システムとして形成されている、
請求項１記載の真空インタラプタ装置。
【請求項９】
前記内部コンタクト部（１６）に、螺旋状の溝が設けられている、
請求項８記載の真空インタラプタ装置。
【請求項１０】
電磁アクチュエータ（６）により動作させられる少なくとも１つの極部材（１）のための中電圧回路遮断器であって、
請求項１から９までのいずれか１項記載の少なくとも１つの真空インタラプタ装置を有することを特徴とする、中電圧回路遮断器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中電圧回路遮断器用の真空インタラプタ装置に関する。前記真空インタラプタ装置は真空ハウジングを有し、当該真空ハウジング内部には１対の電気的接触子が同軸に配置され、かつ、円筒形の当該真空ハウジングによって同心に包囲されている。前記電気的接触子はＴＭＦ接触子型に形成されており、各電気的接触子はそれぞれ、溝入りのカップ形コンタクト部を有する。このカップ形コンタクト部はコンタクトシャフトの遠心端に取り付けられ、当該カップ形コンタクト部の縁部に配置されたコンタクトリングによって覆われている。
【０００２】
真空インタラプタは通常、短絡電流故障が生じたときの高電流遮断用の中電圧回路遮断器において使用され、また、負荷電流の開閉用の中電圧回路遮断器においても使用される。高電流を遮断するためには、真空アークを収斂させ、これにより、非常に高い熱エネルギーが接触子に放出される。もし阻止されないと、このアークエネルギーによって接触子が局所的に大きく過熱し、これによって深刻な接触子侵食が生じ、電流の０点後に高い金属蒸気密度が生じて、このことにより電流遮断が非常に困難になるか、または実現できなくなる。
【０００３】
高い電流遮断性能を実現するためには、エネルギーを接触子表面全体にわたって拡散させることにより、真空アークにより生じる熱を制御しなければならない。現在、接触子の可能な限り大面積にわたって熱流を分散させるための真空アーク制御には、２つの標準的な手法が存在する。
【０００４】
一般的に、真空アーク制御を実現するためには、横磁界（ＴＭＦ）を生成することによって、ローレンツ力の作用により、収斂したアークを回転運動させるように駆動するか、または、軸方向磁界（ＡＭＦ）を生成することによって、荷電した粒子を磁束線の周囲に閉じ込め、低い電流密度で接触子表面全体にわたってアークを拡散させることにより当該アークを安定化させることができる。
【０００５】
本発明は、ＴＭＦ接触子型のカップ形電気的接触子を有する真空インタラプタ装置に関する。本発明はさらに、カップ形外部接触子を備えた二重ＴＭＦ接触子システムにも適用することができる。
【０００６】
本発明の背景技術
刊行物国際公開第 2006/002 560 号に、円筒形の真空ハウジング内に同心に配置された、対応する電気的接触子の対を含む、上述の構成の二重ＴＭＦ接触子システムが記載されている。各電気的接触子は１つの外部接触片から成り、この外部接触片は内部接触片に電気的に並列接続され、かつ、当該内部接触片に隣接して取り付けられている。両接触片は、相互に同軸に配置されている。外部接触片は、螺旋状のスリットが設けられた実質的に円板状の内部接触片を収容するために、鉢形になっている。このような特殊な電気的接触子構成により、遮断時に生じる電気アークは内部接触片対から外部接触片対へ完全または部分的に方向転換することができる。
【０００７】
従来のカップ形ＴＭＦ接触子システムの場合、アークは１対の接触子の各リング間に形成される。特に高電流のアーク点弧期間中、および、接触子のギャップ距離が大きい場合には、収斂したアークの根元は接触片の外側エッジに付着する。このようなシナリオでは、特定の接触子分離間隔になると、特に接触子分離間隔が８ｍｍを上回ると、アークは外側に曲がるか、またはアークジェットモードに変わる。このアークジェットモードは、他の標準的な螺旋形接触子でも観察される。したがって、直接的なアークシールド相互作用を回避するためには、接触子シールド距離を増大させる。カップ形接触片がこのシールドと相互作用するのを回避し、カップ形接触子の側部のスリットに溶融した金属が拡散するのを防止するため、理想的には、アークを回転させ、カップ形接触片の各リング間に留めなければならない。
【０００８】
本発明の課題は、カップ型ＴＭＦ真空インタラプタ装置においてアーク制御を改善するためにカップ形接触子の幾何学的条件を改善することである。
【０００９】
本発明の概要
本発明では、各カップ形コンタクト部に、コンタクトリングに向かって曲がった縦方向の内側曲げ部が設けられており、ローレンツ力をそれぞれの内側に向かう方向に変えるため、当該カップ形コンタクト部の底部分の外径は縁部分の外径より大きい。
【００１０】
本発明の解決手段により、カップ型電気的接触子とシールドとが損傷するのを防止することができる。このことによって信頼性が向上し、真空インタラプタの寿命全体にわたって電流遮断性能を増大させることができる。本発明において提案した幾何学的条件は、二重ＴＭＦ接触子システムの外部接触片にも、また、従来の一重のカップ形ＴＭＦ接触子にも用いることができる。
【００１１】
科学的試験の結果によれば、収斂したアークが外側に曲がること、および、場合によってアークがアークジェットモードに転換し得ることは、最初はＴＭＦ駆動力すなわちローレンツ力に起因するものである。カップ形外部接触子のローレンツ力の分布は通常、ある程度までは外向きになっている。したがって、ローレンツ力の作用を受けて回転するアークも、このローレンツ力自体の作用により外側へ押し出される。
【００１２】
この作用を阻止するためには、ローレンツ力分布の方向を内向きに変えるように、または少なくとも、回転するアークの速度ベクトルに沿うように、接触子の幾何学的条件を変更することができる。本発明ではこのことを実現するために、接触子内の縦方向の電流路を変えることができる。というのもこのようにすると、磁界の方向が、ローレンツ力の向きをより内向きにするように変化するからである。
【００１３】
ローレンツ力の方向に想定通りの影響を及ぼすためには、接触面リングに向かって内側に曲がった縦方向曲げ部をカップ形外部接触子に設けた構成を提案する。この影響は、回転するアークを外部コンタクトリング間に保持し、これとシールドとの間に生じ得る相互作用を防止し、溶融拡散をスリットに縮減するというものである。この特殊な構成の他の利点として、シールドと接触子との間の距離が縮小するという利点もある。このことによりオーバーサイジングを回避することができ、よりコンパクトな構成と、材料削減とを実現することができる。
【００１４】
原則的には、ローレンツ力の方向は外部カップの曲げにより強い影響を受け、内側に曲げると、ローレンツ力の方向を所望の通りに大きく変化させることができる。この点により、本発明の内側曲げは、アークを外部リング間に保持するのに最良であり、かつ、アークがシールドと相互作用する確率を低減するのに最良である、ローレンツ力の方向に対する解決手段となる。
【００１５】
ＴＭＦローレンツ力の方向を内向きにするという要求を満たす本発明の具体的な実施形態は、幾つか存在する。以下、接触子構成の有利な実施形態について説明する。この有利な実施形態は、どのＴＭＦカップ型接触子構成においても使用することができる。
【００１６】
第１の有利な実施形態では、カップ形コンタクト部のフラットフランジ部分を内側に曲げることにより、カップ形コンタクト部の縦方向内側曲げ部が設けられている。このフラットフランジ部分の壁厚は一定である。コンタクトリングは、カップ形コンタクト部の、フラットフランジ部分の遠心端により形成された縁部に設けられている。
【００１７】
第２の有利な実施形態では、カップ形コンタクト部に凹溝が設けられており、これは、フラットフランジ部分の内壁に設けられている。
【００１８】
第３の有利な実施形態では、フラットフランジ部分の外壁の縁部の領域に設けられた凹溝が、カップ形コンタクト部に設けられている。フラットフランジ部分の内壁に別の凹溝を更に設けることも可能であり、この別の凹溝は有利には、カップ形コンタクト部の底部分の領域に設けられる。
【００１９】
以下説明する有利な実施形態は、一重のカップ型ＴＭＦ接触子を対象としているが、本発明は、円板状の内部接触片をカップ形の外部接触片により包囲したものを基本構成とする二重ＴＭＦ接触子システムにも適用することができる。これらの接触子システムでは、有利には螺旋状の溝が設けられるカップ形接触片は、好適には、螺旋状の溝付の内部接触片に対応する。
【００２０】
添付の図面を参酌しながら発明の詳細な説明を読めば、本発明の上記対象および他の対象が明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】真空インタラプタ装置を有する中電圧回路遮断器の縦断面図である。
【図２】相対応する電気的接触子の一部と、当該電気的接触子間に生じる真空アークとを示す概略的な側面図である。
【図３】図２に示した電気的接触子の斜視図である。
【図４】第１の実施形態のカップ形コンタクト部の第１の実施形態の一部側面図である。
【図５】第２の実施形態のカップ形コンタクト部の第２の実施形態の一部側面図である。
【図６】第３の実施形態のカップ形コンタクト部の第３の実施形態の一部側面図である。
【図７】第４の実施形態のカップ形コンタクト部の第４の実施形態の一部側面図である。
【図８】第５の実施形態のカップ形コンタクト部の第５の実施形態の一部側面図である。
【図９】図８に示したコンタクト部の斜視図である。
【００２２】
図面の詳細な説明
図１に示された中電圧回路遮断器は基本的に、真空インタラプタの絶縁極部材１内に、一対の電気的接触子２ａ，２ｂを同軸に配置したものから成る。固定の電気的接触子２ａは可動の電気的接触子２ｂに対応する。両電気的接触子２ａおよび２ｂはそれぞれ、相対応する外部電気的コネクタ３ａ，３ｂを有し、これらの外部電気的コネクタが、絶縁極部材１の真空ハウジング４内にて電力を遮断するための電気的スイッチを構成する。可動の電気的接触子２ｂは、ジャッキシャフト５を介して閉位置と開位置との間で可動となっている。ジャッキシャフト５は内部にて、電磁アクチュエータ６の機械エネルギーを、絶縁部分１内部の可動電気的接触子２ｂに結合するものである。電磁アクチュエータ６に可動に取り付けられたこの可動電気的接触子２ｂとの間の電気的接続を保証するため、当該可動電気的接触子２ｂと外部電気的コネクタ３ｂとの間にフレキシブル導体７が設けられている。
【００２３】
図２では、各電気的接触子２ａ，２ｂは溝付のカップ形構成を有しており、これらの接触子２ａ，２ｂはＴＭＦ接触子となっている。各コンタクト部９ａ，９ｂは、コンタクトシャフト８ａまたは８ｂの遠心端にそれぞれ取り付けられている。電流遮断時には、電気的接触子２ａ，２ｂの両カップ形コンタクト部９ａ，９ｂ間にアーク領域Ｘが位置する。
【００２４】
図３に示しているように、（一例として）カップ形コンタクト部９ａがコンタクトリング１０により覆われている。このコンタクトリング１０は、前記溝付カップ形コンタクト部９の縁部１１上に取り付けられている。
【００２５】
図４に、第１の有利な実施形態のカップ形コンタクト部９を示しており、同図を参照すると、縦方向の逆曲げフラットフランジ部分１２が設けられており、この縦方向の逆曲げフラットフランジ部分１２は、コンタクトリング１０の方向を向いている。ローレンツ力をそれぞれ逆方向に変えるために、カップ形コンタクト部９の底部分の外径は縁部分１１の外径より大きい。
【００２６】
図５に、第２の実施形態のカップ形コンタクト部９’を示しており、同図では、縦方向の逆曲げ部に凹溝１３が設けられている。この凹溝１３は、カップ形コンタクト部９’のフランジ部１２の内壁に設けられている。
【００２７】
図６の第３の実施形態のカップ形コンタクト部９″を参照すると、縦方向逆曲げ部に凹溝１４が設けられており、この凹溝１４は、フランジ部１２の縁部１１の領域の外壁に設けられている。
【００２８】
図７を参照すると、フランジ部１２の内壁に更に凹溝１５が追加されて、カップ形コンタクト部９''' の底領域に設けられている。更に、上述の実施形態についての説明と同様、フランジ部１２の外壁に別の凹溝１４が設けられている。
【００２９】
図８に、円板状の内部コンタクト部１６を溝付のカップ形外部コンタクト部９により包囲したものから成る二重ＴＭＦ接触子システムを示す。コンタクトリング１０の外径は、上述の実施形態でも設けられているカップ形コンタクト部９の底部分の外径と等しい。
【００３０】
図９に示しているように、円板状の内部コンタクト部１６にも螺旋状の溝が設けられており、この内部コンタクト部１６は、これを包囲するカップ形コンタクト部９内に挿入されている。
【００３１】
一般的に、真空インタラプタ内における高電流真空アークの挙動は、多数の異なる要因に依存し、特に、アークに沿って移動する駆動力に依存する。（横）磁界の場合、主な駆動力は、「誘導された磁界」ＢＴＭＦの作用と、アークに流れる電流の作用とを組み合わせたものにより生じる、上述のローレンス力となる。Ｂ磁界が比較的均一である場合、アークにかかる総力は、以下の式により求められる。
FTMF = l・I・BTMF = K・l・I2
同式中、ｌはギャップ距離であり、Ｉは、アークを介して流れる電流の総量である。ＢＴＭＦの値は異なることがあり、これは、たとえば接触子形状やギャップ距離等の具体的な幾何学的条件にも依存する。比例係数Ｋは磁束密度の強さに依存し、これは電流に依存する。
【００３２】
磁気駆動アークの場合には、大抵、約５ｍｍのギャップ距離に対して１つの延在するアーク柱が生じる。もちろん、このアーク柱もシールドと相互作用することができる。
【００３３】
特に高電流では、主アークモードはアーク柱ではなくなり、「アノードおよびカソードジェット真空アーク」となる。このようなアークは接触子のエッジに移動する傾向にあり、外部の領域内に向かう２つのジェットを形成する。
【００３４】
ここで問題となるのは、接触子エッジにおけるアークモードへの上述の移行がどのようにして生じるか、ということである。従来技術から、この２ジェットモードの発生は、プラズマ柱にキンク不安定性が存在することに起因すると想定されている。これは、プラズマ柱に生じる数多くの不安定性の１つである。
【００３５】
しかし、このキンク不安定性は、プラズマ柱が既に横方向に僅かに曲がっている場合に生じる。入力無しの磁束密度の特性に起因して、プラズマ柱が曲がると、この曲がりの内側における磁界が増加する。このことにより、曲がり方向を向いた「キンクの内側」における磁力が増大し、この磁力の増大により、曲がった柱が強制的に一層曲がることになる。
【００３６】
アーク柱が２つのＴＭＦ接触子間の内側にある場合、主に（ＴＭＦ）ローレンツ力に起因するアーク柱の動きが予測される。したがって、アークが接触子の内側にある間は、アークの回転運動を予測することができる。このことにより、最初はアークが僅かに曲がる可能性があるが、不安定性自体は完全に接触子のエッジにしか生じず、アークは外部へ吹き飛ばされる。
【００３７】
ＴＭＦ力は真空アークをエッジへ「押し退け」、場合によっては真空アークを外部へ吹き飛ばすこともある。このことから更に、ＴＭＦ磁界からの駆動力と、アーク不安定性を駆動する力との相対的な重要性を対比することもできる。この推定を用いて、キンク不安定性の力をＴＭＦ力と同等の大きさにするためにアークが有さなければならない曲率半径Ｒを求めることができる。
【００３８】
キンク不安定性力Ｆｋｉｎｋは、以下のように簡素化して表現することができる：
【数１】
2015534247.tif 000003
【００３９】
これと、数式（１）により求められるＴＭＦ磁界による力と比較すると、臨界的な曲率半径は以下の通りとなる。
【数２】
2015534247.tif 000004
【００４０】
この曲率は、実際の短絡電流には依存せず、前記比例係数Ｋにのみ依存する。
【００４１】
短絡電流ＩがＩ＝５０ｋＡであり、かつギャップ距離ｌがｌ＝１０ｍｍである場合、Ｂ磁界をＢＴＭＦ＝１．５Ｔに調整し、かつ、ＦＴＭＦ＝７５０Ｎの力を選択する。ここでは、Ｋの値はＫ＝ＢＴＭＦ／Ｉ＝３０ｍＴ／ｋＡである。上記のように与えられたパラメータでは、
Rcrit≒6.6mm
となる。
【００４２】
これはギャップ距離のオーダであり、外側へのアークの曲がりが駆動力に匹敵しない限りは、キンク力がアーク挙動を支配することがないと期待できる、ということになる。しかし、アークが接点エッジにおいて一旦確立されると、曲率はより顕著な大きさになり、キンク不安定性によりアークの曲げが強まって、最終的にはこのアークはアークジェットに転換する。
【００４３】
また、幾何学的条件に依存する比例係数Ｋ＝ＢＴＭＦ／Ｉを増大させることにより、キンク不安定性力の作用を相対的に低減することもできる。
【符号の説明】
【００４４】
１    極部材
２    電気的接触子
３    電気的コネクタ
４    真空ハウジング
５    ジャッキシャフト
６    電磁アクチュエータ
７    フレキシブル導体
８    コンタクトシャフト
９    カップ形コンタクト部
１０  コンタクトリング
１１  縁部
１２  フランジ部
１３  第１の凹溝
１４  第２の凹溝
１５  第３の凹溝
１６  内部コンタクト部
Ｘ    アーク領域
【図１】
2015534247.tif 000005
【図２】
2015534247.tif 000006
【図３】
2015534247.tif 000007
【図４】
2015534247.tif 000008
【図５】
2015534247.tif 000009
【図６】
2015534247.tif 000010
【図７】
2015534247.tif 000011
【図８】
2015534247.tif 000012
【図９】
2015534247.tif 000013
【国際調査報告】
2015534247.tif 000014
2015534247.tif 000015
2015534247.tif 000016