ABB VD4遮断器の動作機構の構造と原理
その VD4ABBの高電圧遮断器であるVD4は、世界中で100万台近く販売されています。その信頼性にもかかわらず、特に操作機構に不具合が発生することがあります。保守担当者はABBのマニュアルを頼りにしていますが、詳細なガイドはほとんどありません。著者は、廃棄されたVD4を解剖することで、実務に役立つ知見を提供しています。
VD4 機構は平面スクロール スプリングとメイン シャフトを特徴とし、位置維持と変換のための多段トリップを備え、カム レバーを介して出力します。
1.エネルギー貯蔵：
VD4 は安定した平面スクロール スプリングを使用しているため、従来のスプリングに比べて機構の効率が向上しています。
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図1：平面スクロールスプリング
図1に示すように、平面スクロールスプリングの一端はメインシャフトに固定され、他端はスプリングケースに取り付けられています。エネルギー蓄積時、渦巻スプリングのメインシャフト側は固定されており、エネルギー蓄積モータまたはエネルギー蓄積ロッカーがラチェット爪、チェーン、および大型ギアを介してスプリングケースを時計回り（機構の左側から見て、全体を通して同じ向き）に回転させ、スクロールスプリングに張力をかけます。
開閉操作に関しては、スクロールスプリングのシェル端が固定されており、トリップ機構が解除されると、スクロールスプリングの駆動によりメインシャフトが時計回りに回転し、蓄積されたエネルギーを出力します。
VD4は平面スクロールスプリングを採用しているため、スプリングの「非充電」状態と「蓄電」状態間の遷移は、ほとんどのスプリング作動機構とは異なります。スクロールスプリングシェル上のギャップ固定配置は、ディスク、主軸に固定された補助カム、そしてエネルギー貯蔵コネクティングロッドに取り付けられたローラーの協調によって促進されます。簡単に言えば、エネルギー貯蔵が完了すると、エネルギー貯蔵コネクティングロッドによって駆動されるローラーがディスクのノッチに係合します。その結果、エネルギー貯蔵コネクティングロッドが特定の角度まで回転し、対応するエネルギー貯蔵補助接点とエネルギー貯蔵機械式インジケータが「エネルギー貯蔵」状態に切り替わります。一方、遮断器の閉路プロセスでは、補助カムの最大半径がディスクのギャップを横切り、ローラーをディスクの外縁まで押し戻します。この動作により、エネルギー貯蔵コネクティングロッドが元の角度に戻り、エネルギー貯蔵補助接点とエネルギー貯蔵機械インジケータが「エネルギー非貯蔵」状態に戻ります。
図2: エネルギー貯蔵状態遷移の模式図
従来のVD4スイッチの場合、エネルギーを蓄えずに開位置にあると、平面スクロールスプリング内に相当量のエネルギーが蓄えられたままになる点に留意することが重要です。したがって、安全対策を講じる必要があります。
2. 旅行モジュール
VD4スイッチ操作機構のトリップモジュールは、洗練された独特なデザインを誇ります。一見複雑に見えますが、分解して分析すると、トリップモジュール全体は3つの基本的なトリップ構造に分解できます。
第一段階のトリップ構造は、大型扇形板の前部ローラーとブレーキディスクで構成され、特殊な「デテント＋ローラー」トリップ構造として機能します。第二段階は、大型扇形板と大型半軸で構成され、典型的な「半軸＋扇形板」トリップ構造を形成します。第三段階は、開放半軸、開放扇形板、閉鎖半軸、閉鎖扇形板で構成され、これらを合わせて2組の「半軸＋扇形板」トリップクランプの組み合わせを構成します。
図3: トリップモジュールの構造図
VD4スイッチ操作機構のトリップモジュールは、保持機能とトリップ機能の両方を備えています。これらの機能について詳しく見ていきましょう。
保持機能:
閉位置を例に挙げると、閉動作が完了すると、大型扇形プレートのフロントローラーがブレーキディスクの対応するスロットに収まります。このとき、大型ハーフシャフトは、開閉セクタープレートによって形成される挟み込み構造によってしっかりと固定されます。これにより、大型セクタープレートのフロントローラーが持ち上がるのを防ぎ、ブレーキディスクを効果的にロックし、メインシャフトを閉位置に維持します。
トリップ機能:
ここで、開動作を例にトリップ機能について考えてみましょう。機構が開指令を受信すると、開半軸が時計回りに一定角度回転します。この動きにより、開扇板は一時的な支点を失い、時計回りに回転します。これにより、開閉扇板によって形成される挟み込み状の支持構造が崩壊します。その結果、リターンスプリングの作用で大きな半軸が反時計回りに回転し、大きな扇板が解放されます。次に、大きな扇板はリターンスプリングの作用でフロントローラーを持ち上げ、ブレーキディスクを解放します。ブレーキディスクはスクロールスプリングの作用で時計回りに回転し、開動作を開始します。
開閉動作中、開閉位置の補助軸（図4参照）にあるコネクティングロッドが開閉セクタープレートを押し戻し、開閉ハーフシャフトに再係合させます。これにより、開閉セクタープレートによって形成されるクランプ状の支持構造が再構築され、大型ハーフシャフトが元の角度に戻ります。同時に、ブレーキディスクの両側にある補助ディスクが、メインシャフトとともに回転する大型扇形プレートの後部ローラーに作用します。これにより、大型扇形プレートの後部が上昇し、前部が下降し、前部ローラーがブレーキディスクに再びロックされる準備が整います。
図4：補助軸コネクティングロッドの開閉位置
補助シャフトコネクティングロッドは、VD4スイッチ機構の動作において重要な役割を果たします。補助シャフトコネクティングロッドは、開閉セクタープレートを連結し、それらの動きをスムーズにすることで、開閉位置間のスムーズな移行を保証します。
3. 出力モジュール
VD4操作機構の出力モジュールは、主軸の回転運動を遮断器の開閉に必要な直線運動に変換する重要な部品です。主軸に取り付けられた3つのカムディスクと、機構の底部に配置された3つのダブルアーム可動リンクで構成されています。
ダブルアーム可動リンクはレバーとして機能し、その支点は中央にあります。レバーの前端はメインシャフトのカムディスクによって影響を受け、後端は真空バブルの絶縁プルロッドと開放スプリングに接続されています。
閉動作中、カムディスクはメインシャフトと共に回転し、ダブルアーム可動リンクの前端にあるローラーを押し下げます。この動作によりリンクの後端が上昇し、絶縁プルロッドが押し上げられ、真空バブル内の動接点と静接点が閉じます。同時に、開動作用スプリングが圧縮され、次の開動作のためのエネルギーが蓄えられます。
一方、開路動作時には、カムディスクが逆方向に回転し、ダブルアーム可動リンクの前端にあるローラーが解放されます。これにより、開路スプリングが伸長し、動接点と静接点が分離され、回路が開路します。
4. ロック機能
VD4の操作機構には、安全性と信頼性を高める包括的なロック機能が搭載されています。それぞれのロック機能について詳しく見ていきましょう。
- ハンドカートが中間位置にあるときの閉鎖の禁止:
- 閉止ロック電磁石（Y1）が設置されている。
- リミットスイッチ（S8およびS9）は、投入ロック電磁石と並列に接続され、投入ロック回路を形成します。
- ハンドカートがテスト位置または作業位置にある場合、S8 または S9 のいずれかが閉鎖ロック回路に接続され、閉鎖ロック電磁石が充電され、閉鎖半軸の機械的ロックが解除されます。
- 遮断器の投入回路内の補助スイッチ（S2）は、投入ロック電磁石の可動鉄心に直列に接続され、投入コマンドを実行するための回路を準備します。上記のように、この措置は機械的ロックと電気的ロックを組み合わせた、総合的なロック方式です。
手押し式遮断器VD4電気制御配線図の閉回路における補助スイッチS2の重要性と機能について、詳細な説明が記載されています。要点を簡潔にまとめ、以下に説明します。
閉回路の補助スイッチS2
- 強化されたロックの信頼性:
- 補助スイッチS2は、閉鎖ロック電磁石Y1によって提供される機械的なロックと組み合わせて使用されます。
- この二重ロック機構により、回路ブレーカーのロック機能の信頼性が向上します。
- 過熱と損傷の防止:
- S2 が閉回路に含まれておらず、回路遮断器ハンドカートが中間位置にあるときに閉コマンドを受信すると、閉回路が通電されます。
- 投入ロック電磁石Y1のブロック作用により、投入半軸は回転できず、遮断器が投入されるのを防ぎます。
- これにより、閉鎖電磁石への通電が長時間続くことになり、電磁石が過熱して焼損する可能性があります。
- 補助スイッチの役割:
- 回路に S2 を含めることにより、回路ブレーカーが正しい閉位置にある場合にのみ閉電磁石が通電されるようになります。
- これにより、不要な通電や電磁石への損傷の可能性が防止されます。
閉鎖インターロック機構
- 機械式ロック:
- 閉鎖インターロック機構は、遮断器インターロックプレート、インターロックレバー、およびロッキングレバーで構成される 4 リンク構造を採用した純粋な機械式システムです。
- この機構は、シャーシ車両のリードスクリューと遮断器の閉鎖半軸の間に確立されます。
- 機能性:
- 遮断器ハンドカートがテスト位置または作業位置にある場合、シャーシ内の遮断器インターロック プレートは水平になり、閉鎖ハーフ シャフトが自由に回転できるようになります。
- ハンドカートが中間位置にあるとき、インターロック プレートはリード スクリューによって持ち上げられ、ロック レバーが閉じるハーフ シャフトのプラスチック カムとかみ合い、回転がロックされます。
結論として、投入回路の補助スイッチS2と投入インターロック機構は、遮断器ハンドカートの安全で信頼性の高い動作を保証するために不可欠なコンポーネントです。これらは連携して、不正な投入操作や安全でない投入操作を防止し、機器を潜在的な損傷から保護します。
図6 閉鎖インターロック機構
この説明では、VD4ハンドカートのシャーシコンポーネントとその機能について、特に安全機構と操作上の制約に焦点を当てて詳細に説明しています。以下に要点をまとめ、解説します。
- シャーシの変形とメンテナンス:
- 調査の結果、シャーシの変形や詰まりにより機械式ロックが適切に解除されず、閉鎖コイルの焼損につながる可能性があることが明らかになりました。
- これを防ぐには、関連コンポーネントの定期的な検査とメンテナンスを実施し、シャーシが良好な動作状態であることを確認する必要があります。
- 遮断器が閉じているときに手押し車の動きをブロックする:
- VD4 スイッチは機械的なロック機構を使用して、回路ブレーカーが閉じているときにハンドカートが出入りできないようにします。
- これは、インターロックプレート上のロックフレームと B 相デュアルアーム移動リンクの前部ローラーとの連携によって実現されます。
- 遮断器が閉じているとき、前面のローラーが押し下げられ、ロックフレームとの間に小さな隙間が生じます。ハンドカートを動かそうとすると、リードスクリューがインターロックプレートに押し付けられ、インターロックプレートがリードスクリューに作用して動きがブロックされます。
- エネルギー貯蔵なしでスイッチを閉じるのをブロックする:
- 回路ブレーカーを閉じる前に、十分なエネルギーが蓄えられていることが重要です。
- エネルギー貯蔵がない、または不完全なエネルギー貯蔵の場合、閉鎖速度と力が低下し、閉鎖に失敗する可能性があります。
- VD4 スイッチは、エネルギー貯蔵ロック プレートと閉鎖扇形プレートの延長プレートとの連携により、エネルギー貯蔵がない場合には閉鎖をブロックします。
- エネルギーの蓄積が完了すると、エネルギー蓄積接続ロッドのローラーがディスクと噛み合い、回路遮断器が正常に閉じるようになります。
要約すると、VD4ハンドカートのシャーシコンポーネントには、回路遮断器が閉じているときに動作をブロックしたり、十分なエネルギー貯蔵がない状態で閉じるのを防止したりするなど、不適切な操作を防止するための安全機構が組み込まれています。これらのコンポーネントの定期的な保守と点検は、機器の安全で信頼性の高い動作を確保するために不可欠です。
図8 a エネルギーが蓄えられているときのエネルギー貯蔵ロックプレートの位置
改訂版テキスト:
図8(b)は、エネルギーが蓄積されていないときのエネルギー蓄積ロックアウトプレートの位置を示しています。
前述の機械式ロック機構を補完するため、VD4スイッチは、投入回路内でエネルギー貯蔵補助スイッチS1（図5参照）と直列に接続されています。この配置により、電気的ロック機能が強化され、投入電磁石の焼損リスクが低減されます。