(57)【要約】【課題】全ての電流遮断領域に亘って優れた電流遮断性能を達成しつつ、駆動操作力を抑制することのできるガス遮断器を提供する。【解決手段】ガス遮断器のパッファ室６は、遮断しようとする電流が所定値超であるか以下であるかに応じて、遮断過程途中以降の容積が不変又は可変の何れかに切り替えられる。このパッファ室５は、シリンダ部７と浮動ピストン部８と弾性体１１とピストン止め１２とを備える。浮動ピストン部８は、シリンダ部７の側面に対して相対的に摺動可能となっており、弾性体１１は、浮動ピストン部８を一端面の方向に付勢している。ピストン止め１２は、シリンダ部７の側面に設けられ、弾性体１１の付勢力に抗してシリンダ部７の一端面から離反する浮動ピストン部８の相対的な離反上限を設定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
消弧性ガスが充填された密閉容器内に対向配置された第１のアーク接触子及び第２のアーク接触子を接触又は離反させることで電流の導通又は遮断を切り替えるガス遮断器であって、
前記遮断の過程で発生する前記第１のアーク接触子と前記第２のアーク接触子との間の空間に連通すると共に、当該空間に発生するアークプラズマに対して吹き付けられる前記消弧性ガスを収容したパッファ室を有し、
前記パッファ室は、
前記遮断しようとする電流が所定値超であるか以下であるかに応じて、遮断過程途中以降の容積が不変又は可変の何れかに切り替えられること、
を特徴とするガス遮断器。
【請求項２】
前記パッファ室は、
両端が有底の筒形状を有し、
このパッファ室の一端面と側面とからなり、前記第１のアーク接触子及び前記第２のアーク接触子の離間に伴って、前記パッファ室の他端面の方向に移動するシリンダ部と、
前記他端面からなり、前記シリンダ部の前記側面に対して相対的に摺動可能な浮動ピストン部と、
前記浮動ピストン部を前記一端面の方向に付勢する弾性体と、
前記シリンダ部の前記側面に設けられ、前記弾性体の付勢力に抗して前記シリンダ部の前記一端面から離反する前記浮動ピストン部の相対的な離反上限を設定するピストン止めと、
を備えること、
を特徴とする請求項１記載のガス遮断器。
【請求項３】
前記弾性体は、
遮断する前記電流が所定値以下の場合の前記パッファ室内の圧力に対しては長さを維持し、遮断する前記電流が所定値超の場合の前記パッファ室内の圧力に対しては収縮するように強度が設定されていること、
を特徴とする請求項２記載のガス遮断器。
【請求項４】
前記浮動ピストン部は、
前記遮断する前記電流が所定値以下の場合には不動であり、
前記遮断する前記電流が所定値超の場合には、前記ピストン止めが設定する前記離反上限まで移動すること、
を特徴とする請求項２又は３記載のガス遮断器。
【請求項５】
前記パッファ室の容積は、
前記遮断する前記電流が所定値以下の場合には縮小し、
前記遮断する前記電流が所定値超の場合には、前記ピストン止めにより一定となること、
を特徴とする請求項２乃至４の何れかに記載のガス遮断器。
【請求項６】
前記浮動ピストン部と前記シリンダ部の相対移動により前記パッファ室が最大且つ一定となったときの容積Ｖ（リットル）は、
Ｉｓ（ｋＡｒｍｓ）を定格遮断電流の実効値、Ｋ＝０．１８、及びＮ＝０．６としたとき、
０．８×Ｋ×（Ｉｓ）Ｎ＜Ｖ＜１．２×Ｋ×（Ｉｓ）Ｎであること、
を特徴とする請求項２乃至５の何れかに記載のガス遮断器。
【請求項７】
前記弾性体の付勢力を超える前記パッファ室内の圧力を発生させる前記電流の値は、
定格遮断電流の実効値に対する２０〜５０％であること、
を特徴とする請求項２乃至６の何れかに記載のガス遮断器。
【請求項８】
前記浮動ピストン部は、
前記離反後、前記弾性体の付勢力によって前記パッファ室の圧力低下を打ち消すように戻り、前記パッファ室の圧力低下速度を減少させること、
を特徴とする請求項２乃至７の何れかに記載のガス遮断器。
【請求項９】
前記浮動ピストン部に形成され、前記パッファ室内の圧力が前記密閉容器の充填圧力以下になったときに前記パッファ室へ前記消弧性ガスを供給する貫通孔及びバルブを更に備えること、
を特徴とする請求項２乃至８の何れかに記載のガス遮断器。
【請求項１０】
前記弾性体は、
圧縮気体が充填された可変体積容器であること、
を特徴とする請求項２乃至９の何れかに記載のガス遮断器。
【請求項１１】
前記消弧性ガスは、
六フッ化硫黄ガスよりも地球温暖化係数の小さいガスであること、
を特徴とする請求項１乃至１０の何れかに記載のガス遮断器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、気体中で電流の導通又は遮断を切り替えるガス遮断器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力系統において過大な事故電流を含む電流開閉のためにガス遮断器が広く使用されている。このガス遮断器は、接点を機械的に切り離すと共に、切り離しによって発生するアークプラズマを消弧性ガスの吹き付けによって消弧させるものである。
【０００３】
ガス遮断器としては、現在、パッファ型と呼ばれるタイプが広く普及しており（例えば、特許文献１参照。）、更に、近年では直列パッファ型と呼ばれる方式も数多く提案されている（例えば、特許文献２参照。）。パッファ型のガス遮断器は、７２ｋＶ以上の高電圧送電系統の保護用開閉器として広く使用され、直列パッファ型のガス遮断器は、電流遮断の際に必要な駆動操作力を低減し、機械的信頼性を高め、かつ低コストを実現することを目指したものである。
【０００４】
図８は、パッファ型のガス遮断器を示す断面図であり、図９は、直列パッファ型のガス遮断器を示す断面図である。尚、パッファ型及び直列パッファ型のガス遮断器は、中心軸を回転軸とした回転対称構造を有しており、図８及び９では、中心線の上側を投入状態、下側を遮断状態として示している。
【０００５】
まず、パッファ型のガス遮断器は、図８に示すように、消弧性ガスが充填された密閉容器（不図示）内に対向配置された対向アーク接触子３と可動アーク接触子４とを有している。対向アーク接触子３は、密閉容器内に固定され、可動アーク接触子４は、機械的な駆動力を受けて中心線方向に押し引きされる操作ロッド５の先端に設けられている。そのため、操作ロッド５の押し引きに伴って、対向アーク接触子３と可動アーク接触子４とは、接触又は離反が可能となっている。
【０００６】
操作ロッド５には、可動アーク接触子４の他に、パッファ室２０が取り付けられている。このパッファ室２０は、密閉容器内に固定されたピストン部２１と、操作ロッド５に取り付けられ、ピストン部２１に対して接近又は離反が可能なシリンダ部７とから構成されている。パッファ室２０には、小孔が形成されており、小孔によって可動アーク接触子４と対向アーク接触子３との間の空間とパッファ室２０の内部とは連通している。
【０００７】
また、ピストン部２１には、密閉容器内とパッファ室２０内とを連通させる貫通孔１３ａと、その貫通孔１３ａを開閉する吸気バルブ１３ｂとが設けられている。
【０００８】
このようなパッファ型のガス遮断器では、次のようにして電流遮断動作を実施する。すなわち、操作ロッド５の後退により、可動アーク接触子４と対向アーク接触子３とが離れる方向に相対的に移動を開始することで、投入状態から開極動作が始まる。開極動作が始まると、可動アーク接触子４と対向アーク接触子３との距離が離れ始め、可動アーク接触子４と対向アーク接触子３との間にアークプラズマ１５が発生する。
【０００９】
このとき、パッファ室２０の内部圧力が操作ロッド５の後退に伴って上昇するため、パッファ室２０内の消弧性ガスは高速で流出し、アークプラズマ１５に強力に吹き付けられる。アークプラズマ１５は、この消弧性ガスが強力に吹き付けられることにより、冷却されて導電性を失い、電流零点において消弧に至る。
【００１０】
パッファ型のガス遮断器において、パッファ室２０の内部圧力上昇の主な理由は、機械的圧縮によるものである。すなわち、操作ロッド５の後退に伴い、シリンダ部７がピストン部２１に接近する。このシリンダ部７の移動によって、パッファ室２０の体積は減少し、ボイルの法則に従い、パッファ室２０内部圧力は上昇する。
【００１１】
なお、電流遮断においては、高速閉路責務と呼ばれ、遮断動作直後に投入動作を行い、再度遮断動作を行う責務が存在する。この高速閉路責務を実行する場合、遮断後の投入動作時にパッファ室２０内に消弧性ガスを速やかに補充しなければ、２回目の遮断動作時に消弧性ガスの消弧に十分なガス流量が得られず、遮断性能が劣化してしまう。そのため、遮断動作後の投入動作に伴いパッファ室２０内の圧力が消弧性ガスの充填圧力よりも低くなる場合に限り、バルブ１３ｂが開放され、貫通孔１３ａからパッファ室２０内に消弧性ガスを補充している。
【００１２】
次に、直列パッファ型のガス遮断器について説明する。図９に示すように、このガス遮断器のパッファ室２０は、中心軸の延び方向に２分割されている。一室は、アークプラズマ１５の発生空間に近い熱パッファ室２０ａであり、もう一方は、熱パッファ室２０ａの後段に位置し、ピストン部２１を含んで形成されている圧縮パッファ室２０ｂである。
【００１３】
熱パッファ室２０ａと圧縮パッファ室２０ｂは、中心線に対して垂直な仕切り板２８によって区切られている。この仕切り板２８は、シリンダ部７に固定されている。そのため、熱パッファ室２０ａは、シリンダ部７の移動によっては容積不変であり、圧縮パッファ室２０ｂは、シリンダ部７の移動によって容積可変となる。
【００１４】
この仕切り板２８には、熱パッファ室２０ａと圧縮パッファ室２０ｂとを繋ぐ貫通孔２２が貫設されており、この貫通孔２２は、連通制御弁２３によって開閉される。連通制御弁２３は、逆止弁であり、圧縮パッファ室２０ｂの圧力が熱パッファ室２０ａの圧力よりも大きくなったときに貫通孔２２を開放し、また、熱パッファ室２０ａの圧力が圧縮パッファ室２０ｂに及ばないように、熱パッファ室２０ａから圧縮パッファ室２０ｂへのガス流を防止する。
【００１５】
さらに、ピストン部２１には、圧縮パッファ室２０ｂとガス遮断器外部とを繋ぐ２つの貫通孔２４、２６が貫設されている。貫通孔２４は、弾性体で付勢された排気弁２５によって開閉される。排気弁２５は、圧縮パッファ室２０ｂが所定以上となったときに、貫通孔２４を開放する。貫通孔２６は、吸気弁２７によって開閉され、圧縮パッファ室２０ｂが消弧ガスの充填気圧以下となったときに開放される。
【００１６】
このような直列パッファ型のガス遮断器では、次のようにして電流遮断動作を実施する。すなわち、大電流の遮断の際には、アークプラズマ１５が非常に高温であるため、周囲の消弧性ガスが熱せられ、この消弧性ガスの熱膨張や熱パッファ室２０ａ内への流入により、熱パッファ室２０ａは著しく昇圧される。この熱パッファ室２０ａの圧力は、アークプラズマ１５を消弧させるのに十分な消弧性ガスの吹き付け力を発生させる。以下、このアークプラズマ１５の熱による熱パッファ室２０ａの圧力上昇を自力昇圧作用と呼ぶ。
【００１７】
また、小電流の遮断の際には、アークプラズマ１５による自力昇圧作用は小さいため、この作用による熱パッファ室２０ａの圧力上昇は期待できない。このような場合には、圧縮パッファ室２０ｂの圧力の方が熱パッファ室２０ａの圧力よりも高くなる。そのため、連通制御弁２３が開き、シリンダ部７とピストン部２１とによる圧縮作用により圧縮パッファ室２０ｂから熱パッファ室２０ａへ消弧性ガスが流れ込み、これによって小電流遮断のための吹き付け圧力を確保する。
【００１８】
以上のように、直列パッファ型のガス遮断器においては、大電流の遮断時には自力昇圧作用を主に利用して電流遮断を行い、小電流の遮断時にはシリンダ部７とピストン部２１とによる機械的圧縮作用により電流遮断を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特公平７−１０９７４４号公報
【特許文献２】特公平７−９７４６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
以上に述べたパッファ型及び直列パッファ型のガス遮断器におけるアークプラズマ１５に対する消弧性ガスの必要吹き付け圧力の遮断電流依存性について図１０に示す。図１０に示すグラフでは、遮断しようとする電流値を横軸にとり、その電流を遮断するために必要な吹き付け圧力を縦軸にとったものである。実線は、電流遮断に必要な吹き付け圧力を示し、２点鎖線は、パッファ型のガス遮断器における機械的圧縮作用により実現しようとする吹き付け圧力を示し、１点鎖線は、直列パッファ型のガス遮断器における機械的圧縮作用により実現しようとする吹き付け圧力を示し、点線は、直列パッファ型のガス遮断器における自力昇圧作用により実現しようとする吹き付け圧力を示す。
【００２１】
実線で示されるように、アークプラズマ１５の消弧に必要な消弧性ガスの吹き付け圧力は、パッファ室２０、２０ａ、２０ｂの形状や消弧性ガスの種類、遮断までの点弧時間の条件などによって変わるが、定性的には単調増加の傾向にある。
【００２２】
従来のパッファ型のガス遮断器では、必要な吹き付け圧力の生成に対する自力昇圧作用の寄与度は小さく、多くは機械的圧縮作用に頼っている。そのため、２点鎖線で示すように、このパッファ型のガス遮断器は、最大の遮断電流、すなわちガス遮断器の定格遮断電流の遮断に必要な吹き付け圧力を機械的圧縮作用のみによって生み出すように設計されねばならない。
【００２３】
しかし、このような設計は、操作ロッド５の強力な駆動操作機構を必要とし、また遮断動作時の機械的振動が大きくなり、またコスト高となるといった問題が生じてしまう。その理由は、機械的圧縮によってパッファ室２０で生成される吹き付け圧力がピストン部２１に対して及ぼす力が駆動操作の反力として作用してしまうためである。この反力に打ち勝ってシリンダ部７を駆動させ、パッファ室２０の容積を減少させるには、強力な駆動操作機構を必要とする。
【００２４】
直列パッファ型のガス遮断器では、大電流遮断に必要な吹き付け圧力は、点線で示したように、遮断しようとする電流に応じて単調増加するアークプラズマ１５の熱による自力昇圧作用によって得られる。
【００２５】
一方、小電流遮断に必要な吹き付け圧力は、自力昇圧作用に期待できないために、一点鎖線で示す機械的圧縮作用によって補われる。但し、遮断しようとする電流が所定値以上となると、自力昇圧作用によって吹き付け圧力を確保できるために、排気弁２５を開けて貫通孔２４を開放することで、１点鎖線で示すように、機械的圧縮により生じる圧縮パッファ室２０ｂの圧力を外部へ逃がす。これによって、機械的圧縮によって生じる駆動操作の反力を無視できる程度に小さくすることができる。そのため、従来のパッファ型のガス遮断器で必要であった強力な駆動操作機構は必要でなくなる。
【００２６】
しかしながら、その一方で、直列パッファ型のガス遮断器は、仕切り板２８、連通制御弁２３、排気弁２５等を設ける必要が生じ、構造が複雑になる。また、その分だけ可動部分が重くなり、遮断時に必要な開極速度を得るための駆動力は、従来のパッファ型のガス遮断器よりも大きくなる傾向がある。このため、直列パッファ型のガス遮断器であっても従来のパッファ型と比べて必ずしも劇的な操作駆動力の低減が図れるわけではなかった。
【００２７】
また、直列パッファ型のガス遮断器は、従来のパッファ型の遮断器ではおおよそ問題にならなかった小中電流を遮断する際に十分な遮断性能を実現するのが困難であるという問題が明らかになった。
【００２８】
まず、第１に、機械的圧縮作用によって消弧性ガスをアークプラズマ１５に吹き付けるには、圧縮パッファ室２０ｂから熱パッファ室２０ａを経由して消弧性ガスを流出させる必要がある。しかし、貫通孔２２からアークプラズマ１５へと至る流路断面は、熱パッファ室２０ａで一旦大きく拡がるため、スムーズな消弧性ガスの流れが熱パッファ室２０ａで妨げられることになる。さらに、この熱パッファ室２０ａへ流れ込んだ消弧性ガスのエネルギーは、熱パッファ室２０ａの圧力を圧縮パッファ室２０ｂと同等の圧力にまで上昇されるために消費されてしまうため、アークプラズマ１５へ吹き付けられるガス量は、構造的にかなり少なくならざるを得ない。従って、主に機械的圧縮作用によってアークプラズマ１５を消弧させる小電流領域においては、直列パッファ型のガス遮断器の性能が従来のパッファ型と比べて劣ってしまう。
【００２９】
第２に、直列パッファ型のガス遮断器において、機械的圧縮を主に作用させることでアークプラズマ１５を消弧させるか、自力昇圧作用を主に作用させることでアークプラズマ１５を消弧させるかの切り替えは、連通制御弁２３が受動的に開閉することにより実現されている。従って、その切り替えがどちらつかずとなる中電流領域においては、連通制御弁２３の動作が不安定となり、遮断性能が極めて不安定となるおそれがある。
【００３０】
第３に、高速閉路責務を直列パッファ型のガス遮断器によって果たす場合には、大幅に遮断性能が劣化してしまうという課題も生じることとなった。すなわち、圧縮パッファ室２０ｂには、外部から消弧性ガスを吸気させるためのバルブ２７及び貫通孔２６が設けられているが、熱パッファ室２０ａには、直接的な吸気手段がない。そのため、連通制御弁２３と貫通孔２２を利用する必要があるが、一回電流を遮断した直後の熱パッファ室２０ａには、アークプラズマ１５により熱せられた消弧性ガスが充満しており高圧となっている。低温で密度の高い消弧性ガスで熱パッファ室２０ａ内を置換することができなければ、２回目の電流遮断では、高温で低密度の消弧性ガスをアークプラズマ１５へ吹き付けることになる。高温、低密度のガスは、消弧性能及び電気絶縁性能が低いため、直列パッファ型のガス遮断器は、高速閉路責務を果たす場合、従来のパッファ型のガス遮断器と比べて大幅に性能が劣ってしまう。
【００３１】
以上のように、従来のパッファ型のガス遮断器も直列パッファ型のガス遮断器も全ての電流遮断領域に亘って優れた電流遮断性能を達成しつつ、駆動操作力を抑制でき、機械的信頼性と低コスト化を実現することができなかった。
【００３２】
本発明の実施形態は、上記の課題を解消するために提案されたものであり、全ての電流遮断領域に亘って優れた電流遮断性能を達成しつつ、駆動操作力を抑制することのできるガス遮断器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
上記の目的を達成するために、実施形態のガス遮断器は、消弧性ガスが充填された密閉容器内に対向配置された第１のアーク接触子及び第２のアーク接触子を接触又は離反させることで電流の導通又は遮断を切り替えるものである。このガス遮断器は、前記遮断の過程で発生する前記第１のアーク接触子と前記第２のアーク接触子との間の空間に連通すると共に、当該空間に発生するアークプラズマに対して吹き付けられる消弧性ガスを収容したパッファ室を有する。
【００３４】
このパッファ室は、遮断しようとする電流が所定値超であるか以下であるかに応じて、遮断過程途中以降の容積が不変又は可変の何れかに切り替えられる。
【００３５】
例えば、このパッファ室は、シリンダ部と浮動ピストン部と弾性体とピストン止めとを備える。シリンダ部は、両端が有底の筒形状を有し、パッファ室の一端面と側面とからなり、第１のアーク接触子及び第２のアーク接触子の離間に伴って、パッファ室の他端面の方向に移動する。浮動ピストン部は、パッファ室の他端面からなり、シリンダ部の側面に対して相対的に摺動可能となっている。弾性体は、浮動ピストン部を一端面の方向に付勢する。ピストン止めは、シリンダ部の側面に設けられ、弾性体の付勢力に抗してシリンダ部の一端面から離反する浮動ピストン部の相対的な離反上限を設定する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本実施形態に係るガス遮断器の構成を示す断面図である。
【図２】弾性体が最も圧縮された状態を示す断面図である
【図３】本実施形態に係るガス遮断器が小電流を遮断する過程を示す断面図である。
【図４】本実施形態に係るガス遮断器が大電流を遮断する初期から中期を示す断面図である。
【図５】本実施形態に係るガス遮断器が大電流を遮断する後期を示す断面図である。
【図６】本実施形態に係るガス遮断器が大電流を遮断した完了後を示す断面図である。
【図７】本実施形態に係るガス遮断器における消弧性ガスの必要吹き付け圧力の遮断電流依存性について示したグラフである。
【図８】従来のパッファ型のガス遮断器を示す断面図である。
【図９】従来の直列パッファ型のガス遮断器を示す断面図である。
【図１０】従来のガス遮断器における消弧性ガスの必要吹き付け圧力の遮断電流依存性について示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、ガス遮断器の実施の形態について、図１乃至７を参照して具体的に説明する。尚、ガス遮断器は、中心軸を回転軸とした回転対称構造を有しており、各図においては、中心線より上側の断面のみを示している。
【００３８】
（構成）
図１は、本実施形態に係るガス遮断器を示す断面図であり、電流の導通状態を示している。このガス遮断器は、対向接触子１と可動接触子２、及び対向アーク接触子３と可動アーク接触子４とをそれぞれ対向配置させ、消弧性ガスが充填された密閉容器に収納している。
【００３９】
密閉容器は、例えば、金属製又は硝子製の容器である。消弧性ガスは、消弧性能及び絶縁性能に優れたガスであり、例えば六フッ化硫黄ガス（ＳＦ６ガス）が挙げられる。但し、ＳＦ６ガスは、二酸化炭素ガスの２３９００倍の地球温暖化効果を有すると言われており、環境保全の観点から、ＳＦ６ガスよりも地球温暖化係数の小さいガスを用いるようにしてもよい。この地球温暖化係数の小さいガスとしては、空気、二酸化炭素、酸素、窒素、またはそれらの混合ガス等が挙げられる。
【００４０】
対向接触子１と可動接触子２は、それぞれ端面が開口した円筒形状を有する導体であり、互いに開口を向かい合わせて同一軸上に配置されている。対向接触子１の開口縁は内部に膨出しており、この開口縁部分の内径と可動接触子２の外径とは一致する。対向接触子１と可動接触子２とは、相対的に移動が可能となっており、対向接触子１の開口に可動接触子２が差し込まれることで、対向接触子１の内面と可動接触子２の外面とが接触し、電流導通状態となる。
【００４１】
対向アーク接触子３は、円柱形状を有する導体であり、可動アーク接触子４は、先端が開口した円筒形状を有する導体である。可動アーク接触子４の先端は、ブラシ状に円周方向に分割されている場合もある。この対向アーク接触子３と可動アーク接触子４は、対向接触子１と可動接触子２の内部に同軸上に対向配置されており、可動アーク接触子４の開口は対向アーク接触子３を向く。
【００４２】
可動アーク接触子４の開口縁は内部に膨出しており、開口縁の内径は対向アーク接触子３の外径と一致するか、若干小さい。若干小さい場合は、開口縁部分の厚みが調節され可撓性を有している。この対向アーク接触子３と可動アーク接触子４は、相対的に移動が可能となっており、対向アーク接触子３が可動アーク接触子４に差し込まれることで、電流が導通状態となる。
【００４３】
対向接触子１と対向アーク接触子３は、密閉容器に固定され、可動接触子２と可動アーク接触子４は、操作ロッド５に固定支持されている。操作ロッド５は、円筒形状を有し、対向アーク接触子３や可動アーク接触子４と同軸上に配置されている。可動アーク接触子４と操作ロッド５は概略同径であり、可動アーク接触子４は、操作ロッド５の先端に立設している。
【００４４】
この操作ロッド５は、図示しない操作駆動機構によって軸方向に押し引きされる。可動接触子２と可動アーク接触子４は、この操作ロッド５の押し引きの程度に応じて、対向接触子２や対向アーク接触子３と接触し、又は離反する。
【００４５】
操作ロッド５の周囲には、操作ロッド５を内包するように容積可変のパッファ室６が形成されている。パッファ室６は、操作ロッド５と同心円状に配置されたドーナツ形状を有し両端面が有底の筒である。パッファ室６の内周面は、パッファ室６を貫いて配置される操作ロッド５の周面によって形成されている。更に、パッファ室６は、対向アーク接触子３側の端面である上底及び側壁を形成するシリンダ部７と、下底を形成する浮動ピストン部８とで構成されている。
【００４６】
シリンダ部７は、操作ロッド５に固定支持されており、操作ロッド５の押し引きに伴って軸方向に移動が可能となっている。シリンダ部７の上底には、可動アーク接触子４の周囲を囲むようにリング状の貫通孔６ａが貫設されており、貫通孔６ａは、アークプラズマ発生空間とパッファ室６の内部と連通させる。アークプラズマ発生空間は、可動アーク接触子４と対向アーク接触子３とが離間したときに発生する間の空間である。
【００４７】
また、シリンダ部７の上底表面には、可動アーク接触子４を一定の間隔を設けて囲んだ絶縁ノズル１４が立設されている。絶縁ノズル１４は、パッファ室６からアークプラズマ発生空間までのガス流路を形成している。
【００４８】
浮動ピストン部８は、弾性体１１を介して浮動支持されている。具体的には、浮動ピストン部８は、軸方向に延びるピストンロッド９を底面に有している。このピストンロッド９は、密閉容器内部に固定された板状部材であるピストン支え１０によって支持されている。ピストン支え１０には、軸方向に貫設された貫通孔を有し、ピストンロッド９は、その貫通孔内に摺動可能に支持されている。
【００４９】
弾性体１１は、ピストン支え１０の表面と浮動ピストン部８の底面との間に介在する。弾性体１１は、例えば圧縮コイルバネであり、端部がそれぞれピストン支え１０と浮動ピストン部８に固定されている。この弾性体１１は、浮動ピストン部８に対してシリンダ部７の上底方向に付勢力を与える。すなわち、浮動ピストン部８は、弾性体１１の付勢力又はこの付勢力に抗する力によって軸方向に移動可能となっている。
【００５０】
シリンダ部７の内側面から操作ロッド５の表面までの距離は、シリンダ部７の対向アーク接触子３側において、浮動ピストン部８の内周側面から外周側面までの幅と等しい。すなわち、シリンダ部７の対向アーク接触子３側において、浮動ピストン部８の外側面とシリンダ部７の内側面とは、相対的に摺動可能に当接している。
【００５１】
一方、浮動ピストン部８の底面よりもピストン支え１０側において、シリンダ部８の内側面から操作ロッド５の表面までの距離は、浮動ピストン部８の内周側面から外周側面までの幅よりも短い。すなわち、シリンダ部７の内側面には、浮動ピストン部８の底面よりもピストン支え１０側において内部側に段部が設けられており、この段部は、浮動ピストン部８のピストン止め１２となっている。
【００５２】
また、浮動ピストン部８には、貫通孔１３ａが形成されており、この貫通孔１３ａは、バルブ１３ｂによって開閉される。バルブ１３ｂは、パッファ室６の圧力が密閉容器内に充填される消弧性ガスの充填気圧よりも低い場合に、貫通孔１３ａを開放する逆止弁である。
【００５３】
以上のようなガス遮断器において、パッファ室６の容積について更に詳細に説明する。後述するように、パッファ室６の圧力が浮動ピストン部８に及ぼす力が弾性体１１の付勢力を上回ると、浮動ピストン部８は、ピストン支え１０の方向に後退し、ピストン止め１２に当接する。
【００５４】
このとき、浮動ピストン部８のシリンダ部７に対する相対的な離反は抑止され、パッファ室６の容積は最大且つ一定となる。このときのパッファ室６の容積Ｖ［リットル］は、以下のように設定される。換言すると、ピストン止め１２の形成位置は、以下の容積Ｖを満たすように定められる。
【００５５】
０．８×Ｋ×（Ｉｓ）Ｎ＜Ｖ＜１．２×Ｋ×（Ｉｓ）Ｎ
Ｉｓは、このガス遮断器が遮断しようとする最大の遮断電流値、すなわち定格遮断電流の実効値［ｋＡｒｍｓ］であり、係数Ｋ及びＮは、遮断データからの経験値として、Ｋ＝０．１８、Ｎ＝０．６である。
【００５６】
また、図２は、弾性体１１が最も圧縮された状態を示す断面図であるが、弾性体１１が最も圧縮されて長さＬとなったとき、この弾性体１１に過大な機械的負荷がかからないように、シリンダ部７の完全遮断位置とピストン止め１２との相対的な位置は設定される。
【００５７】
尚、シリンダ部７の完全遮断位置とは、定格遮断電流を完全に遮断可能な位置までシリンダ部７が移動したときの位置である。弾性体１１の最も圧縮された状態では、シリンダ部７が完全遮断位置に移動し、依然としてパッファ室６内の圧力が高いため、浮動ピストン部８が弾性体１１の付勢力に抗してピストン止め１２に圧着している状態である。
【００５８】
また、後述するように、このような構成のガス遮断器は、遮断しようとする電流に応じて機械的圧縮作用を主とした電流遮断動作と自力昇圧作用を主とした電流遮断動作とに切り替わることとなるが、その閾値電流Ｉｃは、定格遮断電流の実効値Ｉｓに対して２０〜５０％の範囲となるように定められる。すなわち、弾性体１１は、０．２×Ｉｓ＜Ｉｃ＜０．５×Ｉｓとなるように強度が定められる。
【００５９】
（作用）
このようなガス遮断器の電流遮断過程について小電流を遮断する過程と大電流を遮断する過程に分けて詳細に説明する。
【００６０】
図３は、ガス遮断器が小電流を遮断する過程を示す断面図である。図３に示すように、閾値電流Ｉｃ以下の小電流を遮断しようとする場合、ガス遮断器は、まず、駆動操作機構によって操作ロッド５を後退させる。
【００６１】
この操作ロッド５の後退に伴って、対向接触子１と可動接触子２、及び対向アーク接触子３と可動アーク接触子４とは、それぞれ離反を開始する。対向アーク接触子３と可動アーク接触子４とが離れると、この対向アーク接触子３と可動アーク接触子４との間の空間にアークプラズマ１５が発生する。
【００６２】
さらに、操作ロッド５の後退に伴って、シリンダ部７による浮動ピストン部８への接近が開始され、パッファ室６の機械的圧縮が開始される。そのため、パッファ室６の容積Ｖは減少し、ボイルの法則に従ってパッファ室６の圧力Ｐは上昇する。
【００６３】
このとき、閾値電流Ｉｃ以下の電流によって発生するアークプラズマ１５の熱エネルギーはそれほど大きくないため、アークプラズマ１５により熱せられた消弧性ガスによるパッファ室６の自力昇圧作用は小さい。従って、パッファ室６内の圧力Ｐが浮動ピストン部８を押し下げる力Ｆａと弾性体１１の付勢力Ｆｂとは釣り合い、弾性体１１は長さを維持し、浮動ピストン部８は不動である。
【００６４】
また、パッファ室６内の圧力Ｐが浮動ピストン部８に及ぼす力Ｆａは、シリンダ部７に対する駆動反力となるが、自力昇圧作用が小さいために、その圧力Ｐは比較的小さく、操作ロッド５を後退させるために大きな駆動力は必要ない。
【００６５】
図４乃至６は、ガス遮断器が大電流を遮断する過程を示す断面図である。図４は、大電流遮断の初期から中期を示す断面図であり、図５は、大電流遮断の後期を示す断面図であり、図６は、大電流遮断完了後を示す断面図である。
【００６６】
図４に示すように、閾値電流Ｉｃを上回る電流を遮断するとき、まず、駆動操作機構によって操作ロッド５を後退させる。
【００６７】
この操作ロッド５の後退に伴って、対向接触子１と可動接触子２、及び対向アーク接触子３と可動アーク接触子４とは、それぞれ離反を開始する。対向アーク接触子３と可動アーク接触子４とが離れると、この対向アーク接触子３と可動アーク接触子４との間の空間にアークプラズマ１５が発生する。
【００６８】
大電流により発生したアークプラズマ１５は、周囲の消弧性ガスを熱膨張させる。この高温高圧の消弧性ガスは、パッファ室６内に流入する。そのため、パッファ室６内では自力昇圧作用が生じ、パッファ室６内の圧力Ｐは高まる。そして、パッファ室６内の圧力Ｐがピストン部８に及ぼす力Ｆａが弾性体１１の付勢力Ｆｂを超えると、ピストン部８は、シリンダ部７の内側面を摺動しつつ、シリンダ部７の上底部分から相対的に離れるように、ピストン支え１０の方向に後退する。
【００６９】
次に、図５は、電流遮断の後期を示しているが、後退したピストン部８は、ピストン止め１２に当接し、シリンダ部７との相対的な移動が停止する。このとき、パッファ室６の体積Ｖは一定となり、その後、自力昇圧作用によるパッファ室６内の圧力Ｐの上昇が続く。
【００７０】
ピストン部８がピストン止め１２に当接することにより、一定となったパッファ室６の体積Ｖは、いわゆる直列パッファ型のガス遮断器における熱パッファ室２０ａの体積に相当する。従って、自力昇圧作用だけで大電流遮断に必要な吹き付け圧力及び吹き付けガス流量が過不足なく得られる。
【００７１】
この大電流遮断においては、ピストン部８はシリンダ部７の内部に設けられたピストン止め１２に当接しているだけであり、パッファ室６内部の圧力Ｐが駆動操作の反力として作用することはない。操作ロッド５に掛かる駆動反力は、たかだか、開極動作に伴い弾性体１１を圧縮する力Ｆｂのみとなる。すなわち、大電流の遮断においては、直列パッファ型のガス遮断器が有する連通制御弁２３を閉じたまま、熱パッファ室２０ａの自力昇圧作用だけで消弧性ガスの吹き付けを行っている状態となんら相違がない。
【００７２】
そして、図６は、大電流遮断完了後を示しているが、パッファ室６内の圧力Ｐが浮動ピストン部８に及ぼす力Ｆａが下がり、弾性体１１の付勢力Ｆｂを下回ると、浮動ピストン部８は、パッファ室６の圧力低下を打ち消すように元の箇所に戻っていく。そのため、パッファ室６の圧力低下速度は減少する。すなわち、浮動ピストン部８が完全に元の箇所に戻るまでは、対向アーク接触子３と可動アーク接触子４との間の空間へのパッファ室６からの消弧性ガスの吹き付けは継続される。
【００７３】
さらに、高速閉路責務よる再投入動作時には、バルブ１３ｂを開け、貫通孔１３ａを開放する。これにより、従来のパッファ型のガス遮断器のように、パッファ室６内が低温で密度の高い消弧性ガスに置換され、２回目の電流遮断が可能となる。
【００７４】
図７は、以上のようなガス遮断器における遮断電流依存性について示したグラフである。図７に示すグラフでは、遮断しようとする電流値を横軸にとり、その電流を遮断するために必要な吹き付け圧力を縦軸にとったものである。実線は、電流遮断に必要な吹き付け圧力を示し、１点鎖線は、このガス遮断器における機械的圧縮作用により実現しようとする吹き付け圧力を示し、点線は、自力昇圧作用により実現しようとする吹き付け圧力を示す。
【００７５】
図７に示すように、閾値電流Ｉｃ以下の小電流の場合には、自力昇圧作用は期待できないため、弾性体１１の付勢力により浮動ピストン部８を不動とし、機械的圧縮により必要な吹き付け圧力を得ている。そもそも電流遮断に必要な吹き付け圧力は、大電流遮断時と比べて小さいので、パッファ室６内を比較的小さな圧力Ｐに昇圧できればよい。そのため、駆動操作の反力もそれほど大きくはなく、強力な操作駆動力も必要ない。
【００７６】
閾値電流Ｉｃ超の大電流の場合には、自力昇圧作用が期待できるため、浮動ピストン部８をシリンダ部７に設けられたピストン止め１２に留め置き、パッファ室６を不変とし、自力昇圧作用によって必要な吹き付け圧力を得る。パッファ室６内の圧力Ｐは極めて高くなるが、浮動ピストン部８がシリンダ部７と係合しているために、この圧力Ｐが駆動操作の反力として作用することはない。従って、大電流遮断における駆動力は、弾性体１１の圧縮が可能であれば十分であるため、強力な駆動操作機構は必要ない。
【００７７】
このように、いずれの電流遮断領域においても、遮断しようとする電流に応じて機械的圧縮もしくは自力昇圧作用が自動的に選択され、電流遮断に必要な吹き付け圧力が過不足なく得られるとともに、強力な駆動操作機構も必要としなくなる。
【００７８】
尚、弾性体１１の強度は、閾値電流Ｉｃが定格遮断電流の実効値Ｉｓの２０〜５０％の範囲になるように設計されるが、この設計によって駆動操作力の低減と全電流領域に渡る良好な遮断性能とを適正に両立させることができる。すなわち、閾値電流Ｉｃを高めにすることは、その分だけ弾性体１１の付勢力が強くなるように設計することに相当し、従来のパッファ型のガス遮断器に近づくことを意味する。従って、必要となる駆動操作力が従来のパッファ型のガス遮断器並みに大きくなってしまう。一方、閾値電流Ｉｃを低めにすることは、弾性体１１の付勢力を弱くするように設計することに相当し，この場合、アークプラズマ１５の熱による自力昇圧作用だけで遮断に必要な圧力が得られず、なおかつ機械的圧縮も不十分な、遮断不能の電流領域が生じてしまう。
【００７９】
（効果）
以上のように、本実施形態のガス遮断器では、パッファ室６は、遮断しようとする電流が所定値超であるか以下であるかに応じて、遮断過程途中以降の容積が不変又は可変の何れかに切り替えられるようにした。
【００８０】
例えば、このパッファ室６は、シリンダ部７と浮動ピストン部８と弾性体１１とピストン止め１２とを備える。シリンダ部７は、両端が有底の筒形状を有し、一端面と側面とからなり、対向アーク接触子３及び可動アーク接触子４の離間に伴って、他端面の方向に移動する。浮動ピストン部８は、他端面からなり、シリンダ部７の側面に対して相対的に摺動可能となっている。弾性体１１は、浮動ピストン部８を一端面の方向に付勢する。ピストン止め１２は、シリンダ部７の側面に設けられ、弾性体１１の付勢力に抗してシリンダ部７の一端面から離反する浮動ピストン部８の相対的な離反上限を設定する。
【００８１】
これにより、従来のパッファ型及び直列パッファ型のガス遮断器における全ての欠点を同時に解決することができる。すなわち、大電流遮断は自力昇圧作用を主体に行われるため、従来のパッファ型のガス遮断器に比べて大幅に操作駆動力を低減することができる。従って、機械的信頼性を向上し、同時に低コスト化を実現することができる。
【００８２】
一方、直列パッファ型のガス遮断器に比べると、構造がシンプルであり、なおかつ仕切り板２８や連通制御弁２３などの部品が不要なので可動部重量が増大することなく、低駆動操作力でも遮断時に必要な開極速度を得ることができる。
【００８３】
また、小電流の遮断過程は、基本的に従来パッファと同等の形態であるので、十分な遮断性能が得られる。さらに、自力昇圧作用を主に利用する大電流領域の遮断と、機械的圧縮を主に利用する小電流領域の遮断を、一つのパッファ室６で実現し、直列パッファのような不安定な動作が懸念される逆支弁構造を採用しなくてすむので、中間の遮断電流領域においても安定した性能を得ることができる。
【００８４】
また、バルブ１３及び貫通孔１３ｂを設けておくことで、従来のパッファ型のガス遮断器と同様に投入動作時に消弧性ガスを速やかにパッファ室６内に供給でき、直列パッファの熱パッファ室２０ａのような閉じた空間がないため、高速再閉路責務を果たす場合においても十分な遮断性能を得ることができる。
【００８５】
従って、このガス遮断器は、全ての電流遮断領域に渡って優れた電流遮断性能を達成し、なおかつ、高速再閉路責務においても安定した遮断性能を達成し、同時に駆動操作力を抑制し，機械的信頼性と低コストを同時に満足することができる。
【００８６】
［その他の実施の形態］
本明細書においては、本発明に係る複数の実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。具体的には、第１乃至第３の実施形態を全て又はいずれかを組み合わせたものも包含される。以上のような実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【００８７】
例えば、本発明は、対向アーク接触子３を可動アーク接触子４と反対側へ駆動し、相対的開極速度を向上させようとするいわゆるデュアルモーション機構を用いたタイプのガス遮断器にも適用可能である。
【００８８】
また、弾性体１１としては、圧縮コイルバネの他、圧縮気体を充填した可変体積容器とすることもできる。圧縮コイルバネを用いる場合、浮動ピストン部８を付勢する力を大きくする必要が生じると、大きな弾性係数を得るために線径が太くて重いバネを使わざるを得ず、圧縮コイルバネの質量による動作ロスが生じ、パッファ室６の圧力Ｐに応じた浮動ピストン部８の速やかな応答動作が困難となる。しかし、圧縮気体を充填した可変体積容器であれば、気体はバネに比べてはるかに質量が小さいため、圧縮コイルバネに比べて応答動作を速くすることができる。
【符号の説明】
【００８９】
１  対向接触子
２  可動接触子
３  対向アーク接触子
４  可動アーク接触子
５  操作ロッド
６  パッファ室
６ａ  貫通孔
７  シリンダ部
８  浮動ピストン部
９  ピストンロッド
１０  ピストン支え
１１  弾性体
１２  ピストン止め
１３ａ  貫通孔
１３ｂ  バルブ
【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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【図９】
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【図１０】
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