開閉装置
【課題】磁束センサ出力は可動子と永久磁石の距離が離れると出力が急激に減衰するため、動作開始直後の挙動しか把握できない。ヨークへ鎖交する磁束は小さいため、観測信号はノイズの影響を受け易い。駆動コイルに流れる電流は容易に観測できるが、センサ設置にコストがかかる。
【解決手段】電磁操作機構の駆動コイル２１に通電することによって可動鉄心２３を駆動し、該可動鉄心に連結された遮断器１０の可動接点１２を動作させるようにした開閉装置であって、上記駆動コイルに鎖交する磁束と同一の磁束が鎖交するように上記駆動コイルに近接して設けられた誘導コイル３０と、この誘導コイルに誘起された磁束変化に対応する信号を検知する信号検知手段４１と、この信号検知手段の出力信号に基づいて上記遮断器または上記電磁操作機構を含む駆動系の状態量を推定する状態量推定手段４２を備えるようにした。
【解決手段】電磁操作機構の駆動コイル２１に通電することによって可動鉄心２３を駆動し、該可動鉄心に連結された遮断器１０の可動接点１２を動作させるようにした開閉装置であって、上記駆動コイルに鎖交する磁束と同一の磁束が鎖交するように上記駆動コイルに近接して設けられた誘導コイル３０と、この誘導コイルに誘起された磁束変化に対応する信号を検知する信号検知手段４１と、この信号検知手段の出力信号に基づいて上記遮断器または上記電磁操作機構を含む駆動系の状態量を推定する状態量推定手段４２を備えるようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力の送配電及び受電設備などに用いられる、電磁操作式開閉装置あるいは電磁操作式開閉装置を搭載したスイッチギヤなどとして好ましく用いられる開閉装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電磁操作式開閉装置の状態を把握する一般的な手法は、電磁操作機構の磁気回路に設けた磁束センサの出力や駆動コイルの電流を観測し、その時間変化の特徴を捉えて遮断器の開閉動作状態を判断するものである。例えば特許文献１に開示されている電磁駆動装置（電磁操作機構）は、中央に励磁コイル（駆動コイル）が配置されている。励磁コイルは、円筒状の開口部を形成し、この内部で可動鉄心（可動子）が動く。可動鉄心は円筒状の開口部の寸法に合わせて適合化した円筒状のボルトと、これに取り付けたストッパ電極（可動子でヨークに接触する部分に相当）を備える。励磁コイルは軟磁性材料からなる内側のヨークで取り囲まれ、内側のヨークの一部は円筒状の開口部の中に延び、そこで内側の極を形成している。そして、外側のヨークの脚部に測定コイルを巻きつけ、磁束の形状の変化を測定コイルの接続部に生じる誘導電圧として取得し、該誘導電圧の値を所定の参照値と比較し、誘導電圧の最小値が所定の時間後及び所定の時間内に認識されないと、開閉装置の以後の動作を中止するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００８−５２５９５０号公報（第１５〜１６頁、図９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような従来の開閉装置においては、開閉動作の開始直後であれば、測定コイルを巻きつけたヨークに鎖交する磁束が急速に変化するため、誘導電圧の出力値は大きく、磁束変化を検出できる。しかし、可動子と測定コイルを巻きつけたヨークとの間に空隙ができると、空気の透磁率が小さいので測定コイルを巻きつけたヨークに鎖交する磁束が急激に減衰する。このため、誘導電圧はノイズに埋もれ、検知し難くなる。一方、駆動コイルに流れる電流は容易に観測できるが、電流センサの設置にコストがかかる。また、可動子の移動距離が長くなるにつれて可動子へ鎖交する磁束が小さくなるため、電流の変化を検知し難くなるという課題があった。
【０００５】
本発明は、上記のような従来技術の実状に鑑みてなされたものであり、簡素な構成で可動子の運動や、遮断器の状態を精度高く検知することができ、製造コストも安価にし得る開閉装置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】
【０００６】
この発明に係る開閉装置は、電磁操作機構の駆動コイルに通電することによって可動鉄心を駆動し、該可動鉄心に連結された遮断器の可動接点を動作させるようにした開閉装置であって、上記駆動コイルに鎖交する磁束と同一の磁束が鎖交するように上記駆動コイルに近接して設けられた誘導コイルと、この誘導コイルに誘起された磁束変化に対応する信号を検知する信号検知手段と、この信号検知手段の出力信号に基づいて上記遮断器または上記電磁操作機構を含む駆動系の状態量を推定する状態量推定手段を備えるようにしたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、誘導コイルを、駆動コイルに鎖交する磁束と実質的に同一の磁束が鎖交するように駆動コイルに近接して設けるようにしたので、誘導コイルで誘起される信号強度が高まり、開閉動作に伴う磁束の変化を精度よく検知できる。このため、状態量推定手段による接点損耗状態などの遮断器の状態を精度高く推定することができる。また、構成が簡素であり駆動コイルの電流を観測するための電流センサを使わないため、製作コストがアップすることもない。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る開閉装置の投入開始時の状態を概念的に示す要部構成図。
【図２】図１に示す開閉装置の投入完了時の状態を概念的に示す要部構成図。
【図３】図２に示す開閉装置の開極開始時の状態を概念的に示す要部構成図。
【図４】図３に示す開閉装置の開極完了時の状態を概念的に示す要部構成図。
【図５】図３に示す開閉装置の開極時について測定されたアクチュエータのストローク波形、駆動コイルに流れる電流波形、及び誘導コイルの出力波形を示す特性図。
【図６】図１に示す開閉装置の状態量監視装置の主要構成を示すブロック図。
【図７】図６に示す状態量推定手段の処理の流れを示すフロー図。
【図８】図７のａ「加速度抽出処理」によって得られた磁束変化の加速度波形を示す図。
【図９】図７のｂ「フィルタ処理」を行った後の磁束変化の加速度波形を示す図。
【図１０】図９に示すフィルタ処理後の加速度波形ｚ（ｊ）の累積和をとることによって得られた誘導コイル出力Ｘ（ｑ）の波形を示す図。
【図１１】フライホイールの作動時刻の演算に用いるフロー図。
【図１２】接点開離時刻の演算に用いるフロー図。
【図１３】ばね受けと開放ダンパとの接触時刻ｔｅの推定方法を説明する図。
【図１４】加速度ｚ（ｊ）の時間変化に対する、接点開離時刻ｔｄ、フライホイール作動時刻ｔｆ、及び開放ダンパ接触時刻ｔｅの対応を示す図。
【図１５】アクチュエータの動作開始時刻の推定方法を説明する図。
【図１６】減衰率γと接点開離時刻ｔｄに対する接点損耗量の関係を示すテーブルからなるマトリックス図。
【図１７】判定手段の処理を示すフロー図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１に係る開閉装置について図面を参照して説明する。図１〜図４は本発明の実施の形態１に係る開閉装置とその動作を概念的に示す要部構成図であり、図１は投入開始時の状態、図２は投入完了時の状態、図３は開極開始時の状態、図４は開極完了時の状態をそれぞれ示している。図において、実施の形態１に係る開閉装置としての電磁操作式開閉装置１００は、真空バルブ１１内に固定接点１２と可動接点１３を有する真空遮断器（以下、単に遮断器１０と云う）と、上記可動接点１３を開閉動作させる電磁駆動装置（以下、アクチュエータ２０と云う）と、アクチュエータ２０を制御する制御装置（図示省略）を備えている。
【００１０】
アクチュエータ２０は、駆動コイル２１（２１Ａ、２１Ｂ）と、駆動コイル２１の中心部空間２１ａに軸方向に連なる挿通孔２２ａを有する固定鉄心からなるヨーク２２（２２Ａ、２２Ｂ）と、駆動コイル２１の中心部を軸方向に移動可能に配設され軸方向の一端部（図の左側）が挿通孔２２ａからヨーク２２の外方に突出された可動鉄心からなる可動子２３と、ヨーク２２における上記可動子２３が突出された側の端部に固着され、遮断器の閉極時に可動子２３の突出された一端部を吸着して閉極状態を保持する板状の永久磁石２４とを備えている。ヨーク２２は、駆動コイル２１の外周部に磁路を形成する第１ヨーク２２Ａと、第１ヨーク２２Ａの一端部側に固着され、中心部に上記挿通孔２２ａが形成され永久磁石２４を保持している第２ヨーク２２Ｂを用いて構成されている。
【００１１】
駆動コイル２１は、中心軸方向における永久磁石２４に近い位置に設置された閉極用の第１の駆動コイル２１Ａと、この第１の駆動コイル２１Ａに対して永久磁石２４とは軸方向の反対側に設置された開極用の第２の駆動コイル２１Ｂからなっている。可動子２３と可動接点１３とは軸２５を用いて連結されている。また、電磁操作機構は上記アクチュエータ２０及び軸２５と、可動子２３の開極方向の移動端部に設けられた固定板５１、一端がこの固定板５１に係合され他端が軸２５を図の左方向に付勢するように設けられた開放ばね５２、軸２５と可動接点１３との間にばね受け５３を介して設けられ、閉極時に可動接点１３を固定接点１２に所定の圧力で常時押圧するように作用する接圧ばね５４、衝撃を吸収する開放ダンパ５５、及び閉極ダンパ５６などから構成されている。
【００１２】
この発明の典型的な特徴部分の一つである誘導コイル３０は、駆動コイル２１、特にこの例では永久磁石２４側に配設された閉極用の駆動コイル２１Ａに鎖交する磁束と実質的に同一の磁束が鎖交するように、中心軸方向における第１の駆動コイル２１Ａと同一のボビンに巻回することで駆動コイル２１Ａに近接され、かつ上記永久磁石２４に近い側に寄せて設置されている。そして、該誘導コイル３０に誘起された磁束変化に対応する信号から遮断器１０及び、またはアクチュエータ２０を含む駆動系の状態を検出する状態量監視装置４０が設けられている。なお状態量は、この例では可動子２３の移動開始時刻、可動子２３の移動速度、接点開離時刻、後述するフライホイール回路の作動時刻、ばね受け５３と開放ダンパ５５との接触時刻、遮断器１０の接点の損耗状態、等を含むものであるが、これらのみに限定されるものではない。
【００１３】
上記状態量監視装置４０は、特に限定されるものではないが、例えば中央処理装置（ＣＰＵ）、入出力装置、記憶手段、表示手段、報知手段など一般的なコンピュータと同様に構成され、以下詳述する各種の演算、アラームなどの処理を行うことができるものである。より具体的には後述する図６に示すように、誘導コイル３０に誘起された磁束変化に対応する信号を検知する信号検知手段４１、状態量推定手段４２、及び判定手段４３などを備えている。なお、上記状態量監視装置４０は図示していない上記制御装置の付加機能として構成することもできる。
【００１４】
次に、上記のように構成された実施の形態１の動作について、まず、アクチュエータ２０の動作原理を含む電磁操作式開閉装置１００の動作を説明する。遮断器１０が開極状態にあるとき、アクチュエータは図１の状態となっている。このとき、アクチュエータ２０の可動子２３は永久磁石２４が生じる矢印で示す磁束Ａによって、紙面右側方向へ力を受けるが、その力は接圧ばね５４及び開放ばね５２の反発力よりも小さいので、可動子２３は動かない。
【００１５】
上記のような状態において遮断器１０を閉極する場合、第１の駆動コイル２１Ａに永久磁石２４の磁束と同じ向きに磁束Ｂが発生するように電流を流す。可動子２３は接圧ばね５４及び開放ばね５２の反発力に打勝って第１ヨーク２２Ａへと電磁吸引され、可動子２３と可動接点１３は紙面右側へと移動する。そして、可動接点１３が固定接点１２に当接した後、可動子２３は閉極ダンパ５６に当接するまで図の右方に移動し、接圧ばね５４及び開放ばね５２を圧縮した状態で可動子２３が永久磁石２４に吸着し、図２に示すように、永久磁石２４がつくる磁力Ａ１によって第１の駆動コイル２１Ａへの電流を遮断した後も閉極状態を保持する。
【００１６】
次に、投入状態から開極するときのアクチュエータ２０の動作について説明する。図３は、遮断器１０が投入状態であるときのアクチュエータ状態を表している。回路を開極するとき、外部電源からアクチュエータ２０の第２の駆動コイル２１Ｂに、永久磁石２４がつくる可動子２３と第２ヨーク２２Ａとの吸着状態を維持する磁束Ａ１を打ち消す方向の磁束Ｃが生じるように電流を流し、接圧ばね５４と開放ばね５２のエネルギーで可動子２３と可動接点１３を紙面左側へ動かす。そして、図４に示すように開放ばね５２の反発力で開極状態を保持する。
【００１７】
遮断器１０を連続で開閉する場合、通電する第１の駆動コイル２１Ａ、第２の駆動コイル２１Ｂを即座に切り替えなければならない。駆動コイル２１を切り替えるためには、駆動コイルに流れる電流を減衰させる必要がある。そのため、抵抗、ダイオード、コイルで構成されたフライホイール回路（図示せず）が外部電源と駆動コイル２１とを接続する回路と並列に接続される。電流をフライホイール回路に流すことで、駆動コイルに流れる電流を減衰させることができる。
【００１８】
以降、電磁操作式開閉装置１００が投入状態から開極動作する場合を例に状態量監視装置４０の動作について詳細に説明する。
【００１９】
アクチュエータ２０は、容量Ｃのコンデンサを駆動電源とする電気回路で表現される。駆動電源に蓄えられた電荷をＱ、回路中の抵抗成分をＲ、時刻ｔ（ｔ∈Ｒ）における第２の駆動コイル２１Ｂに流れる電流をＩ（ｔ）、投入位置からの可動子２３の変位（距離）をｒ（ｔ）とするとき、回路方程式は（１−１）式および（１−２）式で表す。
【００２０】
【数１】
【００２１】
【数２】
【００２２】
変位ｒ（ｔ）は、誘導コイル３０に鎖交する磁束φ（ｔ）で生じる電磁力Ｆｍａｇ、接圧ばねの荷重Ｆｓｐｒｉｎｇ、摩擦力Ｆｆｒｉｃが可動子２３に作用することによって生じる。これらの動作を次の（１−３）式で表す。
【００２３】
【数３】
Ｍ：可動子の質量
【００２４】
上記（１−１）〜（１−３）式に示した方程式からなる連立方程式を解くと、時間変化する電磁場を考慮した可動子の運動状態を表現できる。
【００２５】
誘導コイル３０は、ここでは、第１の駆動コイル２１Ａの外周に巻きつけられている。時刻ｔ（ｔ∈Ｒ）における誘導コイル３０の出力電圧をｘ（ｔ）、誘導コイル３０の巻き数をNとするとき、誘導コイル３０の出力電圧ｘ（ｔ）を（２）式のように定義する。
【００２６】
【数４】
【００２７】
上記（２）式は、誘導コイルの出力が連立方程式で得る変位ｒ（ｔ）および電流Ｉ（ｔ）で決まることを表している。ゆえに誘導コイルの出力信号は、時間変化する電磁場における可動子の運動を把握するための情報として有効である。
【００２８】
図５の特性図は、遮断器１０の開極時について測定されたアクチュエータ２０のストローク波形（変位）、第２の駆動コイル２１Ｂに流れる電流波形、及び誘導コイル３０の出力波形を共通の時間軸で相対的に示している。この図より、アクチュエータ２０の変位や第２の駆動コイル２１Ｂの電流波形よりも誘導コイル３０の出力波形の方が、可動子２３の運動で生じる特徴に対応した変化が顕著に現れていることが分かる。これは、永久磁石２４から誘導コイル３０までの距離を近付けたことにより、投入直後及び開極直後の磁束変化が大きく、状態量推定のために必要十分な信号強度が得られることによるものである。誘導コイル３０を巻く位置は、図１に例示するように開極時に通電しない側の駆動コイルである第１の駆動コイル２１Ａの、永久磁石２４に近い側の縁に設置することが好ましい。なお、巻き方としては図１のように第１の駆動コイル２１Ａに隣接させる方法の他、例えば第１の駆動コイル２１Ａの外周部に巻回しても良い。
【００２９】
いま、アクチュエータ２０の制御装置（図示せず）から開極指令の信号を検知したとする。このとき、電磁操作式開閉装置１００の状態は図３の通りである。第２の駆動コイル２１Ｂを、永久磁石２４が作る磁界を打ち消すような方向に励磁する。すると、上述したように投入状態が保持されなくなり、可動子２３と可動接点１３が紙面左側へ移動する。状態量監視装置４０は、可動子２３の動きに応じて発生する誘導起電力を検知し、図示していない記憶手段に保存する。
【００３０】
図６は、図１に示す開閉装置である電磁操作式開閉装置１００の状態量監視装置４０の主要構成を示すブロック図である。信号検知手段４１は上記記憶手段に保存された誘導コイル３０の出力電圧をＡ／Ｄ変換し、ディジタル信号を生成する。状態量推定手段４２は、信号検知手段４１で生成したディジタル信号を１回微分し、可動子２３に鎖交する磁束の変化の加速度波形を求める。
【００３１】
図７は、状態量推定手段４２の処理の流れを示すフロー図である。状態量推定手段４２は、信号検知手段４１から誘導コイル３０の出力電圧を受け、磁束の変化の加速度信号を計算する。ノイズなどの不要な成分をフィルタで低減した後、接点開離時刻ｔｄ、接圧ばね受けが開放ダンパ５５と接触、即ち、開極終了とみなす時刻ｔｅ、アクチュエータ２０の可動子２３の移動開始時刻ｔａを計算し、それらを使って遮断性能の一つの指標である接点損耗量及び接点開離から７ｍｓ後における可動子の移動速度（７ｍｓ速度）を推定する。以下、状態量推定手段４２の動作について順を追って説明する。
【００３２】
（ａ）加速度抽出処理
ここで、信号検知手段４１でサンプリング間隔Δｔ、量子化間隔ΔＶでディジタル化された誘導コイル３０の出力電圧をｘ（ｊ）、ｊ＝０、１、２、…、 と定義する。このとき、誘導コイル３０の出力電圧ｘ（ｊ）の時間変化量ｙ（ｊ）を（３）式で定義する。
ｙ（ｊ）＝ｘ（ｊ＋１）−ｘ（ｊ） …（３）
（ｂ）フィルタ処理
上記ｙ（ｊ）に計測器内で発生するノイズ等が重畳している場合、フィルタ処理によって不要な成分を取り除く。ここでは、周波数領域において帯域制限を行う方法について説明する。まず、離散フーリエ変換の定義式を（４）式に示す。
【００３３】
【数５】
ここで、Ｊはデータ数、ｋは離散周波数間隔の整数倍を表す添え字（ｋ＝１，２，…，Ｊ−１）である。遮断周波数をｆｃとすると、ｆｃ Ｈｚ以上の周波数成分を取り除くには、
Ｙ（ｋｉ）＝０ とする。但し、ｋｉの範囲は、
【００３４】
【数６】
である。但し、Ｆｓはサンプリング周波数。
帯域制限した信号をＺ（ｋ）とすると、Ｚ（ｋ）を逆フーリエ変換することによって、フィルタ処理後の微分波形ｚ（ｊ）を得る。逆フーリエ変換の式を（５）式に示す。
【００３５】
【数７】
さらに、フィルタ処理後の加速度波形（微分波形）ｚ（ｊ）の累積和をとると、フィルタ処理後の誘導コイル３０の電圧波形を得る。フィルタ処理後の誘導コイル出力をＸ（ｑ）とすると、誘導コイル出力Ｘ（ｑ）は、（６）式によって表される。
【００３６】
【数８】
図８にフィルタ処理前の加速度波形、図９にフィルタ処理後の加速度波形を示す。また、図１０に上記（６）式の誘導コイル出力Ｘ（ｑ）の波形を示す。図８、９より、フィルタ処理によって磁束の加速度の変化が明確になっていることが明らかである。
【００３７】
（ｃ）接点開離時刻ｔｄの推定
接点開離時刻ｔｄの推定では、はじめにフライホイール回路の作動時刻ｔｆを算出する。フライホイール回路が作動すると、第２の駆動コイル２１Ｂに流れる電流が急速に減衰する。このため、誘導コイル３０に鎖交する磁束も急減衰する。従って、磁束変化の加速度は観測区間において最小値を取る。時刻ｔｆにおけるインデックスをｊｍｉｎ、時刻ｔｆでのｚ（ｊ）をＶｍｉｎとすると、フライホイール回路の作動時刻ｔｆの算出は、例えば図１１に例示するフロー図によってなされる。なお、この図１１及び次の図１２は、共に配列データから目的の条件に合うデータを抽出する極一般的な手法であるので、その説明を省略する。
【００３８】
図１２は、接点開離時刻ｔｄの算出のためのフロー図である。ここで、接点開離時刻ｔｄにおけるインデックスがｊｍａｘ、接点開離時刻ｔｄにおけるｚ（ｊ）がＶｌｍａｘである。可動子２３の運動エネルギーが接圧ばね５４の反発力よりも大きくなると、可動接点１３は固定接点１２から離れ、アクチュエータの可動子２３と連動して開極方向へ移動する。接点の質量が付加されるため、可動子２３の変位ｄｒ／ｄｔは小さいが、第２の駆動コイル２１Ｂに流れる電流の変化量ｄＩ／ｄｔは大きい。従って、誘導コイル３０へ鎖交する磁束が急激に増加する地点、即ち、ｚ（ｊ）の最初の極大値を取る時刻が、接点開離時刻ｔｄである。
ｊｍａｘ＝ａｒｇｍａｘ（ｘ（ｊ）｜ｊ∈Ｄ） …（７）
ｔｄ＝ｊｍａｘ・Δｔ …（８）
ここで、Ｄはｊｍａｘを含む任意のｊの集合である。
【００３９】
（ｄ）ばね受け５３と開放ダンパ５５との接触時刻ｔｅの算出
接点開離時刻ｔｄと同様に、ばね受け５３と開放ダンパ５５との接触時刻（開極終了とみなす時刻）ｔｅをｚ（ｊ）から算出する。ここでフライホイール回路は、ばね受け５３が開放ダンパ５５と接触した時刻よりも十分早い時刻に作動したものとする。
フライホイール回路が作動すると、第２の駆動コイル２１Ｂに流れる電流は急減衰する。第２の駆動コイル２１Ｂに流れる電流の変化量ｄＩ／ｄｔ が大きいため、ｚ（ｊ）は極小値を取る。フライホイール回路が作動した後は、第２の駆動コイル２１Ｂに流れる電流値が単調増加するため、ｚ（ｊ）は正定値ζで近似できる。
【００４０】
ζ＝ｍｅｄｉａｎ（ｚ（ｊ））、 ｊ∈Ｈ …（９）
ここで、ｍｅｄｉａｎ（ｐ）は配列ｐの中央値を表す。
ばね受け５３が開放ダンパ５５と接触すると、開放ダンパ５５の反発力により、可動子２３の変位の時間変化は緩やかになる。ｚ（ｊ）は、正の値から負の値へ変化する。このときのｚ（ｊ）は（１０）式のように直線で近似できる。
【００４１】
【数９】
但し、ｕ、υ∈Ｒ
ばね受け５３が開放ダンパ５５と接触した時刻ｔｅは、（９）式と（１０）式の交点として算出できるので、時刻ｔｅに対応するインデックスをｊｅとすると、
【００４２】
ｊｅ＝（ζ−υ）／ｕ …（１１）
より、
ｔｅ＝ｊｅ・Δｔ
となる。
図１３に（９）式による近似直線、（１０）式による近似直線、及び両近似直線の交点ｔｅを示す。以上のようにして求めた接点開離時刻ｔｄ、フライホイール回路の作動時刻ｔｆ、開放ダンパ接触時刻ｔｅとｚ（ｊ）との関係を図１４に示す。
【００４３】
（ｅ）アクチュエータの動作開始時刻ｔａの推定
アクチュエータの動作開始時刻ｔａは、第２の駆動コイル２１Ｂへ通電開始してから信号ｚ（ｊ）が最初の極小値をとるまでの区間（図１５のＡ領域）における変曲点として得られる。まず、アクチュエータが動き出す前の区間（図１５のＢ領域）のｚ（ｊ）の値を直線近似する。
η≒κｊ＋ρ、 η，κ，ρ∈Ｒ …（１２）
【００４４】
次に、アクチュエータが動き始め、可動子の移動速度が増加していく区間（図１５のＣ領域）のｚ（ｊ）の値を直線近似する。
θ≒ξｊ＋χ、 θ，ξ，χ∈Ｒ …（１３）
（１２）式と（１３）式の交点がｚ（ｊ）の最初の変曲点、即ち、アクチュエータの動作開始時刻ｔａとなるので、時刻ｔａに対応するインデックスをｊａとすると、
ｊａ＝（χ―ρ）／（κ―ξ） …（１４）
より、ｔａ＝ｊａ・Δｔ となる。
【００４５】
従って、アクチュエータの動作開始時の電圧値Ｖａは、
Ｖａ＝Ｘ（ｊａ） …（１５）
である。また、アクチュエータの動作開始時間ｔａからｍ秒後（ｔａ＋ｍ＜ｔｄ）の電圧値Ｖｍは、
Ｖｍ＝Ｘ（ｊｍ）、ｊｍ＝ｊａ＋［ｍ／Δｔ］ …（１６）
である。ここで、［ｗ］はｗを超えない最大の整数を表す。
（１５）式、（１６）式より、Ｖａに対するＶｍの減衰率γは、
γ＝Ｖｍ／Ｖａ …（１７）
と表される。
【００４６】
（ｆ）状態の推定（接点損耗量及び７ｍｓ速度の推定）
状態量推定手段４２は、上記のような方法で算出した各パラメータを使って、接点損耗量及び７ｍｓ速度を推定する。接点損耗量は、少なくとも１つのパラメータを要素にもつ表を参照して推定する。接点損耗量の推定値ω＾は、例えば図１６のマトリックス図のように、実測された過去の統計データに基づいて予めメモリに蓄積しておいた接点開離時刻ｔｄ及び電圧の減衰率γの値を要素にもつテーブルから、算出した接点開離時刻ｔｄ及び電圧の減衰率γを参照して接点損耗量（ｍｍ）を得る。接点開離時刻ｔｄと電圧の減衰率γの値が対応表になければ、線形または多項式曲線で内挿を行って接点損耗量を推定してもよい。
【００４７】
７ｍｓ速度は、接点開離時刻ｔｄ、開放ダンパ接触時刻ｔｅ、開極ストロークＬ（既知）、接圧ばねの長さＳ（既知）を用いて推定する。但し、接圧ばねの長さＳは初期値とし、実際のばね長は接点損耗量の推定値ω＾を差し引いた値Ｓ−ω＾であるとする。７ｍｓ速度の推定値をυ７とすると、υ７は次の（１８）式のように定義される。
【００４８】
【数１０】
ここで、αは接点損耗量で決まる係数である。なお、係数αは予め記憶手段に記録されている値を利用してもよいし信号を検知した都度、データから算出してもよい。また、状態量推定手段４２は監視したい状態量に合わせて算出するパラメータを変更しても良い。
【００４９】
判定手段４３は、状態量推定手段４２で得た状態量の推定値と、予め規定された閾値とを比較して、状態量の推定値がそれぞれ正常範囲に含まれているか否かを評価する。図１７に状態量を評価するフロー図を示す。何れかの状態量の推定値が正常範囲に含まれなかった場合、判定手段４３は正常範囲の上限または下限と状態量推定値との差分を計算し、異常を検出した状態量とその値と、正常範囲からの逸脱具合とを、例えば何れも図示省略しているディスプレイ上に表示する一方、ランプ、ブザー、あるいは電子メールなどの一つまたは複数の報知手段によって管理者に通知する。
【００５０】
上記のように実施の形態１は、アクチュエータ２０の駆動コイル２１に通電することによって可動子２３を駆動し、該可動子２３に連結された遮断器１０の可動接点１３を動作させるようにした開閉装置であって、駆動コイル２１を構成する第１の駆動コイル２１Ａに鎖交する磁束と同一の磁束が鎖交するように該第１の駆動コイル２１Ａに近接して設けられた誘導コイル３０と、この誘導コイル３０に誘起された信号に基づいて、遮断器１０またはアクチュエータ２０を含む駆動系の状態を推定する状態量推定手段４２を備えるようにしたものであり、該構成によれば、検知用の誘導コイル３０の実装が容易であり、製造コストも安価に抑えることができる。
【００５１】
また、誘導コイル３０を、閉極状態を保持する永久磁石２４に近い位置に設置するようにしたので、誘起される信号の強度が高まり、信号検知手段４１における検知精度が高まる。とりわけ、駆動コイル２１が中心軸方向における永久磁石２４に近い位置に設置された閉極用の第１の駆動コイル２１Ａと、この第１の駆動コイル２１Ａに対して永久磁石２４とは反対側に設置された開極用の第２の駆動コイル２１Ｂから構成されているものにおいて、誘導コイル３０を第１の駆動コイル２１Ａと同一のボビンに巻回するなど、第１の駆動コイル２１Ａに近接させて設置したことにより、誘起される信号の強度が一層高まり、検知精度も高まる。
【００５２】
また、誘導コイル３０の出力波形及び磁束の時間変化の加速度情報を使って状態量を推定するようにしたので、電磁操作式開閉装置の動作状態を精度よく検知及び監視することができる。
また、状態量監視装置４０は、磁束変化の加速度波形から例えば、接点開離時刻、アクチュエータ２０の動作開始時刻、開極完了時刻等の特徴点を抽出するようにしたので、可動子２３の挙動を容易に把握することができる。
また、状態量推定手段４２は、磁束変化の加速度情報から求めた特徴点の少なくとも１つを要素にもつテーブルから状態量を推定するようにしたので、演算が容易である。
【００５３】
また、判定手段４３は、状態量推定手段４２で推定した状態量が、遮断器動作の正常範囲に含まれているか否かを判定し、異常を認めた場合は、正常範囲からの逸脱度合いと共に表示ないしは報知されるので、異常の状態を具体的に知ることができ、推定結果の評価が容易になる。
また、磁束の時間変化を観察するための電流センサが不要になるため、製作コストを低減することができる。
さらに、システムの運転を止めることなく機器の状態を監視することができるので、定期的なメンテナンスの負担を低減することができる。
【００５４】
なお、上記実施の形態１では、駆動コイル２１が閉極用の第１の駆動コイル２１Ａと、開極用の第２の駆動コイル２１Ｂから構成されたものを例示したが、これに限定されるものではない。また、図１〜図４は、電磁操作式開閉装置１００の動作原理を説明するものに過ぎず、遮断器１０の遮断方式、アクチュエータ２０の構成、遮断器１０に対する連動機構等、図示されたものあるいは方式に限定されないことは言うまでもない。
【符号の説明】
【００５５】
１００ 電磁操作式開閉装置、 １０ 遮断器、 １１ 真空バルブ、 １２ 固定接点、 １３ 可動接点、 ２０ アクチュエータ、 ２１（２１Ａ、２１Ｂ） 駆動コイル、 ２１ａ 中心部空間、 ２２（２２Ａ、２２Ｂ） ヨーク、 ２２ａ 挿通孔、 ２３ 可動子（可動鉄心）、 ２４ 永久磁石、 ２５ 軸、 ５１ 固定板、 ５２ 開放ばね、 ５３ ばね受け、 ５４ 接圧ばね、 ５５ 開放ダンパ、 ５６ 閉極ダンパ、 ３０ 誘導コイル、 ４０ 状態量監視装置、 ４１ 信号検知手段、 ４２ 状態量推定手段、 ４３ 判定手段。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力の送配電及び受電設備などに用いられる、電磁操作式開閉装置あるいは電磁操作式開閉装置を搭載したスイッチギヤなどとして好ましく用いられる開閉装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電磁操作式開閉装置の状態を把握する一般的な手法は、電磁操作機構の磁気回路に設けた磁束センサの出力や駆動コイルの電流を観測し、その時間変化の特徴を捉えて遮断器の開閉動作状態を判断するものである。例えば特許文献１に開示されている電磁駆動装置（電磁操作機構）は、中央に励磁コイル（駆動コイル）が配置されている。励磁コイルは、円筒状の開口部を形成し、この内部で可動鉄心（可動子）が動く。可動鉄心は円筒状の開口部の寸法に合わせて適合化した円筒状のボルトと、これに取り付けたストッパ電極（可動子でヨークに接触する部分に相当）を備える。励磁コイルは軟磁性材料からなる内側のヨークで取り囲まれ、内側のヨークの一部は円筒状の開口部の中に延び、そこで内側の極を形成している。そして、外側のヨークの脚部に測定コイルを巻きつけ、磁束の形状の変化を測定コイルの接続部に生じる誘導電圧として取得し、該誘導電圧の値を所定の参照値と比較し、誘導電圧の最小値が所定の時間後及び所定の時間内に認識されないと、開閉装置の以後の動作を中止するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００８−５２５９５０号公報（第１５〜１６頁、図９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような従来の開閉装置においては、開閉動作の開始直後であれば、測定コイルを巻きつけたヨークに鎖交する磁束が急速に変化するため、誘導電圧の出力値は大きく、磁束変化を検出できる。しかし、可動子と測定コイルを巻きつけたヨークとの間に空隙ができると、空気の透磁率が小さいので測定コイルを巻きつけたヨークに鎖交する磁束が急激に減衰する。このため、誘導電圧はノイズに埋もれ、検知し難くなる。一方、駆動コイルに流れる電流は容易に観測できるが、電流センサの設置にコストがかかる。また、可動子の移動距離が長くなるにつれて可動子へ鎖交する磁束が小さくなるため、電流の変化を検知し難くなるという課題があった。
【０００５】
本発明は、上記のような従来技術の実状に鑑みてなされたものであり、簡素な構成で可動子の運動や、遮断器の状態を精度高く検知することができ、製造コストも安価にし得る開閉装置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】
【０００６】
この発明に係る開閉装置は、電磁操作機構の駆動コイルに通電することによって可動鉄心を駆動し、該可動鉄心に連結された遮断器の可動接点を動作させるようにした開閉装置であって、上記駆動コイルに鎖交する磁束と同一の磁束が鎖交するように上記駆動コイルに近接して設けられた誘導コイルと、この誘導コイルに誘起された磁束変化に対応する信号を検知する信号検知手段と、この信号検知手段の出力信号に基づいて上記遮断器または上記電磁操作機構を含む駆動系の状態量を推定する状態量推定手段を備えるようにしたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、誘導コイルを、駆動コイルに鎖交する磁束と実質的に同一の磁束が鎖交するように駆動コイルに近接して設けるようにしたので、誘導コイルで誘起される信号強度が高まり、開閉動作に伴う磁束の変化を精度よく検知できる。このため、状態量推定手段による接点損耗状態などの遮断器の状態を精度高く推定することができる。また、構成が簡素であり駆動コイルの電流を観測するための電流センサを使わないため、製作コストがアップすることもない。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る開閉装置の投入開始時の状態を概念的に示す要部構成図。
【図２】図１に示す開閉装置の投入完了時の状態を概念的に示す要部構成図。
【図３】図２に示す開閉装置の開極開始時の状態を概念的に示す要部構成図。
【図４】図３に示す開閉装置の開極完了時の状態を概念的に示す要部構成図。
【図５】図３に示す開閉装置の開極時について測定されたアクチュエータのストローク波形、駆動コイルに流れる電流波形、及び誘導コイルの出力波形を示す特性図。
【図６】図１に示す開閉装置の状態量監視装置の主要構成を示すブロック図。
【図７】図６に示す状態量推定手段の処理の流れを示すフロー図。
【図８】図７のａ「加速度抽出処理」によって得られた磁束変化の加速度波形を示す図。
【図９】図７のｂ「フィルタ処理」を行った後の磁束変化の加速度波形を示す図。
【図１０】図９に示すフィルタ処理後の加速度波形ｚ（ｊ）の累積和をとることによって得られた誘導コイル出力Ｘ（ｑ）の波形を示す図。
【図１１】フライホイールの作動時刻の演算に用いるフロー図。
【図１２】接点開離時刻の演算に用いるフロー図。
【図１３】ばね受けと開放ダンパとの接触時刻ｔｅの推定方法を説明する図。
【図１４】加速度ｚ（ｊ）の時間変化に対する、接点開離時刻ｔｄ、フライホイール作動時刻ｔｆ、及び開放ダンパ接触時刻ｔｅの対応を示す図。
【図１５】アクチュエータの動作開始時刻の推定方法を説明する図。
【図１６】減衰率γと接点開離時刻ｔｄに対する接点損耗量の関係を示すテーブルからなるマトリックス図。
【図１７】判定手段の処理を示すフロー図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１に係る開閉装置について図面を参照して説明する。図１〜図４は本発明の実施の形態１に係る開閉装置とその動作を概念的に示す要部構成図であり、図１は投入開始時の状態、図２は投入完了時の状態、図３は開極開始時の状態、図４は開極完了時の状態をそれぞれ示している。図において、実施の形態１に係る開閉装置としての電磁操作式開閉装置１００は、真空バルブ１１内に固定接点１２と可動接点１３を有する真空遮断器（以下、単に遮断器１０と云う）と、上記可動接点１３を開閉動作させる電磁駆動装置（以下、アクチュエータ２０と云う）と、アクチュエータ２０を制御する制御装置（図示省略）を備えている。
【００１０】
アクチュエータ２０は、駆動コイル２１（２１Ａ、２１Ｂ）と、駆動コイル２１の中心部空間２１ａに軸方向に連なる挿通孔２２ａを有する固定鉄心からなるヨーク２２（２２Ａ、２２Ｂ）と、駆動コイル２１の中心部を軸方向に移動可能に配設され軸方向の一端部（図の左側）が挿通孔２２ａからヨーク２２の外方に突出された可動鉄心からなる可動子２３と、ヨーク２２における上記可動子２３が突出された側の端部に固着され、遮断器の閉極時に可動子２３の突出された一端部を吸着して閉極状態を保持する板状の永久磁石２４とを備えている。ヨーク２２は、駆動コイル２１の外周部に磁路を形成する第１ヨーク２２Ａと、第１ヨーク２２Ａの一端部側に固着され、中心部に上記挿通孔２２ａが形成され永久磁石２４を保持している第２ヨーク２２Ｂを用いて構成されている。
【００１１】
駆動コイル２１は、中心軸方向における永久磁石２４に近い位置に設置された閉極用の第１の駆動コイル２１Ａと、この第１の駆動コイル２１Ａに対して永久磁石２４とは軸方向の反対側に設置された開極用の第２の駆動コイル２１Ｂからなっている。可動子２３と可動接点１３とは軸２５を用いて連結されている。また、電磁操作機構は上記アクチュエータ２０及び軸２５と、可動子２３の開極方向の移動端部に設けられた固定板５１、一端がこの固定板５１に係合され他端が軸２５を図の左方向に付勢するように設けられた開放ばね５２、軸２５と可動接点１３との間にばね受け５３を介して設けられ、閉極時に可動接点１３を固定接点１２に所定の圧力で常時押圧するように作用する接圧ばね５４、衝撃を吸収する開放ダンパ５５、及び閉極ダンパ５６などから構成されている。
【００１２】
この発明の典型的な特徴部分の一つである誘導コイル３０は、駆動コイル２１、特にこの例では永久磁石２４側に配設された閉極用の駆動コイル２１Ａに鎖交する磁束と実質的に同一の磁束が鎖交するように、中心軸方向における第１の駆動コイル２１Ａと同一のボビンに巻回することで駆動コイル２１Ａに近接され、かつ上記永久磁石２４に近い側に寄せて設置されている。そして、該誘導コイル３０に誘起された磁束変化に対応する信号から遮断器１０及び、またはアクチュエータ２０を含む駆動系の状態を検出する状態量監視装置４０が設けられている。なお状態量は、この例では可動子２３の移動開始時刻、可動子２３の移動速度、接点開離時刻、後述するフライホイール回路の作動時刻、ばね受け５３と開放ダンパ５５との接触時刻、遮断器１０の接点の損耗状態、等を含むものであるが、これらのみに限定されるものではない。
【００１３】
上記状態量監視装置４０は、特に限定されるものではないが、例えば中央処理装置（ＣＰＵ）、入出力装置、記憶手段、表示手段、報知手段など一般的なコンピュータと同様に構成され、以下詳述する各種の演算、アラームなどの処理を行うことができるものである。より具体的には後述する図６に示すように、誘導コイル３０に誘起された磁束変化に対応する信号を検知する信号検知手段４１、状態量推定手段４２、及び判定手段４３などを備えている。なお、上記状態量監視装置４０は図示していない上記制御装置の付加機能として構成することもできる。
【００１４】
次に、上記のように構成された実施の形態１の動作について、まず、アクチュエータ２０の動作原理を含む電磁操作式開閉装置１００の動作を説明する。遮断器１０が開極状態にあるとき、アクチュエータは図１の状態となっている。このとき、アクチュエータ２０の可動子２３は永久磁石２４が生じる矢印で示す磁束Ａによって、紙面右側方向へ力を受けるが、その力は接圧ばね５４及び開放ばね５２の反発力よりも小さいので、可動子２３は動かない。
【００１５】
上記のような状態において遮断器１０を閉極する場合、第１の駆動コイル２１Ａに永久磁石２４の磁束と同じ向きに磁束Ｂが発生するように電流を流す。可動子２３は接圧ばね５４及び開放ばね５２の反発力に打勝って第１ヨーク２２Ａへと電磁吸引され、可動子２３と可動接点１３は紙面右側へと移動する。そして、可動接点１３が固定接点１２に当接した後、可動子２３は閉極ダンパ５６に当接するまで図の右方に移動し、接圧ばね５４及び開放ばね５２を圧縮した状態で可動子２３が永久磁石２４に吸着し、図２に示すように、永久磁石２４がつくる磁力Ａ１によって第１の駆動コイル２１Ａへの電流を遮断した後も閉極状態を保持する。
【００１６】
次に、投入状態から開極するときのアクチュエータ２０の動作について説明する。図３は、遮断器１０が投入状態であるときのアクチュエータ状態を表している。回路を開極するとき、外部電源からアクチュエータ２０の第２の駆動コイル２１Ｂに、永久磁石２４がつくる可動子２３と第２ヨーク２２Ａとの吸着状態を維持する磁束Ａ１を打ち消す方向の磁束Ｃが生じるように電流を流し、接圧ばね５４と開放ばね５２のエネルギーで可動子２３と可動接点１３を紙面左側へ動かす。そして、図４に示すように開放ばね５２の反発力で開極状態を保持する。
【００１７】
遮断器１０を連続で開閉する場合、通電する第１の駆動コイル２１Ａ、第２の駆動コイル２１Ｂを即座に切り替えなければならない。駆動コイル２１を切り替えるためには、駆動コイルに流れる電流を減衰させる必要がある。そのため、抵抗、ダイオード、コイルで構成されたフライホイール回路（図示せず）が外部電源と駆動コイル２１とを接続する回路と並列に接続される。電流をフライホイール回路に流すことで、駆動コイルに流れる電流を減衰させることができる。
【００１８】
以降、電磁操作式開閉装置１００が投入状態から開極動作する場合を例に状態量監視装置４０の動作について詳細に説明する。
【００１９】
アクチュエータ２０は、容量Ｃのコンデンサを駆動電源とする電気回路で表現される。駆動電源に蓄えられた電荷をＱ、回路中の抵抗成分をＲ、時刻ｔ（ｔ∈Ｒ）における第２の駆動コイル２１Ｂに流れる電流をＩ（ｔ）、投入位置からの可動子２３の変位（距離）をｒ（ｔ）とするとき、回路方程式は（１−１）式および（１−２）式で表す。
【００２０】
【数１】
【００２１】
【数２】
【００２２】
変位ｒ（ｔ）は、誘導コイル３０に鎖交する磁束φ（ｔ）で生じる電磁力Ｆｍａｇ、接圧ばねの荷重Ｆｓｐｒｉｎｇ、摩擦力Ｆｆｒｉｃが可動子２３に作用することによって生じる。これらの動作を次の（１−３）式で表す。
【００２３】
【数３】
Ｍ：可動子の質量
【００２４】
上記（１−１）〜（１−３）式に示した方程式からなる連立方程式を解くと、時間変化する電磁場を考慮した可動子の運動状態を表現できる。
【００２５】
誘導コイル３０は、ここでは、第１の駆動コイル２１Ａの外周に巻きつけられている。時刻ｔ（ｔ∈Ｒ）における誘導コイル３０の出力電圧をｘ（ｔ）、誘導コイル３０の巻き数をNとするとき、誘導コイル３０の出力電圧ｘ（ｔ）を（２）式のように定義する。
【００２６】
【数４】
【００２７】
上記（２）式は、誘導コイルの出力が連立方程式で得る変位ｒ（ｔ）および電流Ｉ（ｔ）で決まることを表している。ゆえに誘導コイルの出力信号は、時間変化する電磁場における可動子の運動を把握するための情報として有効である。
【００２８】
図５の特性図は、遮断器１０の開極時について測定されたアクチュエータ２０のストローク波形（変位）、第２の駆動コイル２１Ｂに流れる電流波形、及び誘導コイル３０の出力波形を共通の時間軸で相対的に示している。この図より、アクチュエータ２０の変位や第２の駆動コイル２１Ｂの電流波形よりも誘導コイル３０の出力波形の方が、可動子２３の運動で生じる特徴に対応した変化が顕著に現れていることが分かる。これは、永久磁石２４から誘導コイル３０までの距離を近付けたことにより、投入直後及び開極直後の磁束変化が大きく、状態量推定のために必要十分な信号強度が得られることによるものである。誘導コイル３０を巻く位置は、図１に例示するように開極時に通電しない側の駆動コイルである第１の駆動コイル２１Ａの、永久磁石２４に近い側の縁に設置することが好ましい。なお、巻き方としては図１のように第１の駆動コイル２１Ａに隣接させる方法の他、例えば第１の駆動コイル２１Ａの外周部に巻回しても良い。
【００２９】
いま、アクチュエータ２０の制御装置（図示せず）から開極指令の信号を検知したとする。このとき、電磁操作式開閉装置１００の状態は図３の通りである。第２の駆動コイル２１Ｂを、永久磁石２４が作る磁界を打ち消すような方向に励磁する。すると、上述したように投入状態が保持されなくなり、可動子２３と可動接点１３が紙面左側へ移動する。状態量監視装置４０は、可動子２３の動きに応じて発生する誘導起電力を検知し、図示していない記憶手段に保存する。
【００３０】
図６は、図１に示す開閉装置である電磁操作式開閉装置１００の状態量監視装置４０の主要構成を示すブロック図である。信号検知手段４１は上記記憶手段に保存された誘導コイル３０の出力電圧をＡ／Ｄ変換し、ディジタル信号を生成する。状態量推定手段４２は、信号検知手段４１で生成したディジタル信号を１回微分し、可動子２３に鎖交する磁束の変化の加速度波形を求める。
【００３１】
図７は、状態量推定手段４２の処理の流れを示すフロー図である。状態量推定手段４２は、信号検知手段４１から誘導コイル３０の出力電圧を受け、磁束の変化の加速度信号を計算する。ノイズなどの不要な成分をフィルタで低減した後、接点開離時刻ｔｄ、接圧ばね受けが開放ダンパ５５と接触、即ち、開極終了とみなす時刻ｔｅ、アクチュエータ２０の可動子２３の移動開始時刻ｔａを計算し、それらを使って遮断性能の一つの指標である接点損耗量及び接点開離から７ｍｓ後における可動子の移動速度（７ｍｓ速度）を推定する。以下、状態量推定手段４２の動作について順を追って説明する。
【００３２】
（ａ）加速度抽出処理
ここで、信号検知手段４１でサンプリング間隔Δｔ、量子化間隔ΔＶでディジタル化された誘導コイル３０の出力電圧をｘ（ｊ）、ｊ＝０、１、２、…、 と定義する。このとき、誘導コイル３０の出力電圧ｘ（ｊ）の時間変化量ｙ（ｊ）を（３）式で定義する。
ｙ（ｊ）＝ｘ（ｊ＋１）−ｘ（ｊ） …（３）
（ｂ）フィルタ処理
上記ｙ（ｊ）に計測器内で発生するノイズ等が重畳している場合、フィルタ処理によって不要な成分を取り除く。ここでは、周波数領域において帯域制限を行う方法について説明する。まず、離散フーリエ変換の定義式を（４）式に示す。
【００３３】
【数５】
ここで、Ｊはデータ数、ｋは離散周波数間隔の整数倍を表す添え字（ｋ＝１，２，…，Ｊ−１）である。遮断周波数をｆｃとすると、ｆｃ Ｈｚ以上の周波数成分を取り除くには、
Ｙ（ｋｉ）＝０ とする。但し、ｋｉの範囲は、
【００３４】
【数６】
である。但し、Ｆｓはサンプリング周波数。
帯域制限した信号をＺ（ｋ）とすると、Ｚ（ｋ）を逆フーリエ変換することによって、フィルタ処理後の微分波形ｚ（ｊ）を得る。逆フーリエ変換の式を（５）式に示す。
【００３５】
【数７】
さらに、フィルタ処理後の加速度波形（微分波形）ｚ（ｊ）の累積和をとると、フィルタ処理後の誘導コイル３０の電圧波形を得る。フィルタ処理後の誘導コイル出力をＸ（ｑ）とすると、誘導コイル出力Ｘ（ｑ）は、（６）式によって表される。
【００３６】
【数８】
図８にフィルタ処理前の加速度波形、図９にフィルタ処理後の加速度波形を示す。また、図１０に上記（６）式の誘導コイル出力Ｘ（ｑ）の波形を示す。図８、９より、フィルタ処理によって磁束の加速度の変化が明確になっていることが明らかである。
【００３７】
（ｃ）接点開離時刻ｔｄの推定
接点開離時刻ｔｄの推定では、はじめにフライホイール回路の作動時刻ｔｆを算出する。フライホイール回路が作動すると、第２の駆動コイル２１Ｂに流れる電流が急速に減衰する。このため、誘導コイル３０に鎖交する磁束も急減衰する。従って、磁束変化の加速度は観測区間において最小値を取る。時刻ｔｆにおけるインデックスをｊｍｉｎ、時刻ｔｆでのｚ（ｊ）をＶｍｉｎとすると、フライホイール回路の作動時刻ｔｆの算出は、例えば図１１に例示するフロー図によってなされる。なお、この図１１及び次の図１２は、共に配列データから目的の条件に合うデータを抽出する極一般的な手法であるので、その説明を省略する。
【００３８】
図１２は、接点開離時刻ｔｄの算出のためのフロー図である。ここで、接点開離時刻ｔｄにおけるインデックスがｊｍａｘ、接点開離時刻ｔｄにおけるｚ（ｊ）がＶｌｍａｘである。可動子２３の運動エネルギーが接圧ばね５４の反発力よりも大きくなると、可動接点１３は固定接点１２から離れ、アクチュエータの可動子２３と連動して開極方向へ移動する。接点の質量が付加されるため、可動子２３の変位ｄｒ／ｄｔは小さいが、第２の駆動コイル２１Ｂに流れる電流の変化量ｄＩ／ｄｔは大きい。従って、誘導コイル３０へ鎖交する磁束が急激に増加する地点、即ち、ｚ（ｊ）の最初の極大値を取る時刻が、接点開離時刻ｔｄである。
ｊｍａｘ＝ａｒｇｍａｘ（ｘ（ｊ）｜ｊ∈Ｄ） …（７）
ｔｄ＝ｊｍａｘ・Δｔ …（８）
ここで、Ｄはｊｍａｘを含む任意のｊの集合である。
【００３９】
（ｄ）ばね受け５３と開放ダンパ５５との接触時刻ｔｅの算出
接点開離時刻ｔｄと同様に、ばね受け５３と開放ダンパ５５との接触時刻（開極終了とみなす時刻）ｔｅをｚ（ｊ）から算出する。ここでフライホイール回路は、ばね受け５３が開放ダンパ５５と接触した時刻よりも十分早い時刻に作動したものとする。
フライホイール回路が作動すると、第２の駆動コイル２１Ｂに流れる電流は急減衰する。第２の駆動コイル２１Ｂに流れる電流の変化量ｄＩ／ｄｔ が大きいため、ｚ（ｊ）は極小値を取る。フライホイール回路が作動した後は、第２の駆動コイル２１Ｂに流れる電流値が単調増加するため、ｚ（ｊ）は正定値ζで近似できる。
【００４０】
ζ＝ｍｅｄｉａｎ（ｚ（ｊ））、 ｊ∈Ｈ …（９）
ここで、ｍｅｄｉａｎ（ｐ）は配列ｐの中央値を表す。
ばね受け５３が開放ダンパ５５と接触すると、開放ダンパ５５の反発力により、可動子２３の変位の時間変化は緩やかになる。ｚ（ｊ）は、正の値から負の値へ変化する。このときのｚ（ｊ）は（１０）式のように直線で近似できる。
【００４１】
【数９】
但し、ｕ、υ∈Ｒ
ばね受け５３が開放ダンパ５５と接触した時刻ｔｅは、（９）式と（１０）式の交点として算出できるので、時刻ｔｅに対応するインデックスをｊｅとすると、
【００４２】
ｊｅ＝（ζ−υ）／ｕ …（１１）
より、
ｔｅ＝ｊｅ・Δｔ
となる。
図１３に（９）式による近似直線、（１０）式による近似直線、及び両近似直線の交点ｔｅを示す。以上のようにして求めた接点開離時刻ｔｄ、フライホイール回路の作動時刻ｔｆ、開放ダンパ接触時刻ｔｅとｚ（ｊ）との関係を図１４に示す。
【００４３】
（ｅ）アクチュエータの動作開始時刻ｔａの推定
アクチュエータの動作開始時刻ｔａは、第２の駆動コイル２１Ｂへ通電開始してから信号ｚ（ｊ）が最初の極小値をとるまでの区間（図１５のＡ領域）における変曲点として得られる。まず、アクチュエータが動き出す前の区間（図１５のＢ領域）のｚ（ｊ）の値を直線近似する。
η≒κｊ＋ρ、 η，κ，ρ∈Ｒ …（１２）
【００４４】
次に、アクチュエータが動き始め、可動子の移動速度が増加していく区間（図１５のＣ領域）のｚ（ｊ）の値を直線近似する。
θ≒ξｊ＋χ、 θ，ξ，χ∈Ｒ …（１３）
（１２）式と（１３）式の交点がｚ（ｊ）の最初の変曲点、即ち、アクチュエータの動作開始時刻ｔａとなるので、時刻ｔａに対応するインデックスをｊａとすると、
ｊａ＝（χ―ρ）／（κ―ξ） …（１４）
より、ｔａ＝ｊａ・Δｔ となる。
【００４５】
従って、アクチュエータの動作開始時の電圧値Ｖａは、
Ｖａ＝Ｘ（ｊａ） …（１５）
である。また、アクチュエータの動作開始時間ｔａからｍ秒後（ｔａ＋ｍ＜ｔｄ）の電圧値Ｖｍは、
Ｖｍ＝Ｘ（ｊｍ）、ｊｍ＝ｊａ＋［ｍ／Δｔ］ …（１６）
である。ここで、［ｗ］はｗを超えない最大の整数を表す。
（１５）式、（１６）式より、Ｖａに対するＶｍの減衰率γは、
γ＝Ｖｍ／Ｖａ …（１７）
と表される。
【００４６】
（ｆ）状態の推定（接点損耗量及び７ｍｓ速度の推定）
状態量推定手段４２は、上記のような方法で算出した各パラメータを使って、接点損耗量及び７ｍｓ速度を推定する。接点損耗量は、少なくとも１つのパラメータを要素にもつ表を参照して推定する。接点損耗量の推定値ω＾は、例えば図１６のマトリックス図のように、実測された過去の統計データに基づいて予めメモリに蓄積しておいた接点開離時刻ｔｄ及び電圧の減衰率γの値を要素にもつテーブルから、算出した接点開離時刻ｔｄ及び電圧の減衰率γを参照して接点損耗量（ｍｍ）を得る。接点開離時刻ｔｄと電圧の減衰率γの値が対応表になければ、線形または多項式曲線で内挿を行って接点損耗量を推定してもよい。
【００４７】
７ｍｓ速度は、接点開離時刻ｔｄ、開放ダンパ接触時刻ｔｅ、開極ストロークＬ（既知）、接圧ばねの長さＳ（既知）を用いて推定する。但し、接圧ばねの長さＳは初期値とし、実際のばね長は接点損耗量の推定値ω＾を差し引いた値Ｓ−ω＾であるとする。７ｍｓ速度の推定値をυ７とすると、υ７は次の（１８）式のように定義される。
【００４８】
【数１０】
ここで、αは接点損耗量で決まる係数である。なお、係数αは予め記憶手段に記録されている値を利用してもよいし信号を検知した都度、データから算出してもよい。また、状態量推定手段４２は監視したい状態量に合わせて算出するパラメータを変更しても良い。
【００４９】
判定手段４３は、状態量推定手段４２で得た状態量の推定値と、予め規定された閾値とを比較して、状態量の推定値がそれぞれ正常範囲に含まれているか否かを評価する。図１７に状態量を評価するフロー図を示す。何れかの状態量の推定値が正常範囲に含まれなかった場合、判定手段４３は正常範囲の上限または下限と状態量推定値との差分を計算し、異常を検出した状態量とその値と、正常範囲からの逸脱具合とを、例えば何れも図示省略しているディスプレイ上に表示する一方、ランプ、ブザー、あるいは電子メールなどの一つまたは複数の報知手段によって管理者に通知する。
【００５０】
上記のように実施の形態１は、アクチュエータ２０の駆動コイル２１に通電することによって可動子２３を駆動し、該可動子２３に連結された遮断器１０の可動接点１３を動作させるようにした開閉装置であって、駆動コイル２１を構成する第１の駆動コイル２１Ａに鎖交する磁束と同一の磁束が鎖交するように該第１の駆動コイル２１Ａに近接して設けられた誘導コイル３０と、この誘導コイル３０に誘起された信号に基づいて、遮断器１０またはアクチュエータ２０を含む駆動系の状態を推定する状態量推定手段４２を備えるようにしたものであり、該構成によれば、検知用の誘導コイル３０の実装が容易であり、製造コストも安価に抑えることができる。
【００５１】
また、誘導コイル３０を、閉極状態を保持する永久磁石２４に近い位置に設置するようにしたので、誘起される信号の強度が高まり、信号検知手段４１における検知精度が高まる。とりわけ、駆動コイル２１が中心軸方向における永久磁石２４に近い位置に設置された閉極用の第１の駆動コイル２１Ａと、この第１の駆動コイル２１Ａに対して永久磁石２４とは反対側に設置された開極用の第２の駆動コイル２１Ｂから構成されているものにおいて、誘導コイル３０を第１の駆動コイル２１Ａと同一のボビンに巻回するなど、第１の駆動コイル２１Ａに近接させて設置したことにより、誘起される信号の強度が一層高まり、検知精度も高まる。
【００５２】
また、誘導コイル３０の出力波形及び磁束の時間変化の加速度情報を使って状態量を推定するようにしたので、電磁操作式開閉装置の動作状態を精度よく検知及び監視することができる。
また、状態量監視装置４０は、磁束変化の加速度波形から例えば、接点開離時刻、アクチュエータ２０の動作開始時刻、開極完了時刻等の特徴点を抽出するようにしたので、可動子２３の挙動を容易に把握することができる。
また、状態量推定手段４２は、磁束変化の加速度情報から求めた特徴点の少なくとも１つを要素にもつテーブルから状態量を推定するようにしたので、演算が容易である。
【００５３】
また、判定手段４３は、状態量推定手段４２で推定した状態量が、遮断器動作の正常範囲に含まれているか否かを判定し、異常を認めた場合は、正常範囲からの逸脱度合いと共に表示ないしは報知されるので、異常の状態を具体的に知ることができ、推定結果の評価が容易になる。
また、磁束の時間変化を観察するための電流センサが不要になるため、製作コストを低減することができる。
さらに、システムの運転を止めることなく機器の状態を監視することができるので、定期的なメンテナンスの負担を低減することができる。
【００５４】
なお、上記実施の形態１では、駆動コイル２１が閉極用の第１の駆動コイル２１Ａと、開極用の第２の駆動コイル２１Ｂから構成されたものを例示したが、これに限定されるものではない。また、図１〜図４は、電磁操作式開閉装置１００の動作原理を説明するものに過ぎず、遮断器１０の遮断方式、アクチュエータ２０の構成、遮断器１０に対する連動機構等、図示されたものあるいは方式に限定されないことは言うまでもない。
【符号の説明】
【００５５】
１００ 電磁操作式開閉装置、 １０ 遮断器、 １１ 真空バルブ、 １２ 固定接点、 １３ 可動接点、 ２０ アクチュエータ、 ２１（２１Ａ、２１Ｂ） 駆動コイル、 ２１ａ 中心部空間、 ２２（２２Ａ、２２Ｂ） ヨーク、 ２２ａ 挿通孔、 ２３ 可動子（可動鉄心）、 ２４ 永久磁石、 ２５ 軸、 ５１ 固定板、 ５２ 開放ばね、 ５３ ばね受け、 ５４ 接圧ばね、 ５５ 開放ダンパ、 ５６ 閉極ダンパ、 ３０ 誘導コイル、 ４０ 状態量監視装置、 ４１ 信号検知手段、 ４２ 状態量推定手段、 ４３ 判定手段。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁操作機構の駆動コイルに通電することによって可動鉄心を駆動し、該可動鉄心に連結された遮断器の可動接点を動作させるようにした開閉装置であって、上記駆動コイルに鎖交する磁束と同一の磁束が鎖交するように上記駆動コイルに近接して設けられた誘導コイルと、この誘導コイルに誘起された磁束変化に対応する信号を検知する信号検知手段と、この信号検知手段の出力信号に基づいて上記遮断器または上記電磁操作機構を含む駆動系の状態量を推定する状態量推定手段を備えたことを特徴とする開閉装置。
【請求項２】
上記電磁操作機構は、上記駆動コイルの周りを囲み、該駆動コイルの中心部空間に軸方向に連なる挿通孔を有する固定鉄心からなるヨークと、上記駆動コイルの中心部を軸方向に移動可能に配設され軸方向の一端部が上記挿通孔から上記ヨークの外方に突出された可動鉄心と、上記ヨークにおける上記可動鉄心が突出された側の端部に固着され、上記遮断器の閉極時に上記可動鉄心の上記突出された一端部を吸着して閉極状態を保持する永久磁石とを備えてなり、上記誘導コイルは上記中心軸方向における上記永久磁石に近い位置に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の開閉装置。
【請求項３】
上記駆動コイルは、上記中心軸方向における上記永久磁石に近い位置に設置された第１の駆動コイルと、この第１の駆動コイルに対して上記永久磁石とは反対側に並設された第２の駆動コイルからなり、上記誘導コイルは上記第１の駆動コイルのボビンに巻回されていることを特徴とする請求項２に記載の開閉装置。
【請求項４】
上記状態量推定手段は、上記信号検知手段によって検知された信号から得られる磁束変化の加速度情報を用いて、上記可動子の接点損耗量を含む状態量を推定することを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の開閉装置。
【請求項５】
上記状態量推定手段は、上記加速度情報から、上記可動鉄心の動作開始時刻、上記遮断器の接点開離時刻、及び上記遮断器の開極完了時刻を含む特徴点を抽出することを特徴とする請求項４に記載の開閉装置。
【請求項６】
上記状態量推定手段は、上記加速度情報から抽出された特徴点の少なくとも１つを要素にもつテーブルから上記可動子の接点損耗量を含む状態量を推定することを特徴とする請求項５に記載の開閉装置。
【請求項７】
上記状態量推定手段で推定された状態量が、上記遮断器の動作の正常範囲に含まれているか否かを判定し、異常を検知した状態量に対応する情報を報知する判定手段を備えたことを特徴とする請求項１から請求項６の何れかに記載の開閉装置。
【請求項１】
電磁操作機構の駆動コイルに通電することによって可動鉄心を駆動し、該可動鉄心に連結された遮断器の可動接点を動作させるようにした開閉装置であって、上記駆動コイルに鎖交する磁束と同一の磁束が鎖交するように上記駆動コイルに近接して設けられた誘導コイルと、この誘導コイルに誘起された磁束変化に対応する信号を検知する信号検知手段と、この信号検知手段の出力信号に基づいて上記遮断器または上記電磁操作機構を含む駆動系の状態量を推定する状態量推定手段を備えたことを特徴とする開閉装置。
【請求項２】
上記電磁操作機構は、上記駆動コイルの周りを囲み、該駆動コイルの中心部空間に軸方向に連なる挿通孔を有する固定鉄心からなるヨークと、上記駆動コイルの中心部を軸方向に移動可能に配設され軸方向の一端部が上記挿通孔から上記ヨークの外方に突出された可動鉄心と、上記ヨークにおける上記可動鉄心が突出された側の端部に固着され、上記遮断器の閉極時に上記可動鉄心の上記突出された一端部を吸着して閉極状態を保持する永久磁石とを備えてなり、上記誘導コイルは上記中心軸方向における上記永久磁石に近い位置に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の開閉装置。
【請求項３】
上記駆動コイルは、上記中心軸方向における上記永久磁石に近い位置に設置された第１の駆動コイルと、この第１の駆動コイルに対して上記永久磁石とは反対側に並設された第２の駆動コイルからなり、上記誘導コイルは上記第１の駆動コイルのボビンに巻回されていることを特徴とする請求項２に記載の開閉装置。
【請求項４】
上記状態量推定手段は、上記信号検知手段によって検知された信号から得られる磁束変化の加速度情報を用いて、上記可動子の接点損耗量を含む状態量を推定することを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の開閉装置。
【請求項５】
上記状態量推定手段は、上記加速度情報から、上記可動鉄心の動作開始時刻、上記遮断器の接点開離時刻、及び上記遮断器の開極完了時刻を含む特徴点を抽出することを特徴とする請求項４に記載の開閉装置。
【請求項６】
上記状態量推定手段は、上記加速度情報から抽出された特徴点の少なくとも１つを要素にもつテーブルから上記可動子の接点損耗量を含む状態量を推定することを特徴とする請求項５に記載の開閉装置。
【請求項７】
上記状態量推定手段で推定された状態量が、上記遮断器の動作の正常範囲に含まれているか否かを判定し、異常を検知した状態量に対応する情報を報知する判定手段を備えたことを特徴とする請求項１から請求項６の何れかに記載の開閉装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
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【図１０】
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【公開番号】特開２０１２−１１３９６４（Ｐ２０１２−１１３９６４Ａ）
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６１９０７（Ｐ２０１０−２６１９０７）
【出願日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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