CN101295610A

CN101295610A - 电路断路器及使用该电路断路器的spd保护系统

Info

Publication number: CN101295610A
Application number: CNA2007101631735A
Authority: CN
Inventors: 伏见征浩; 石井和宏
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-04-25
Filing date: 2007-10-16
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2027-10-16
Also published as: CN101295610B; JP2008270135A; JP4893450B2

Abstract

本发明得到一种即使雷涌侵入也不会引起熔接的电路断路器，以及使用该电路断路器的SPD保护系统。在本发明中，将电路断路器配置在SPD的上游、并且位于从上述母线中分支出的电路中，SPD配置于连接在母线上的负载设备的输入侧和接地之间，该电路断路器的构成为，具有：壳体；开关单元，其收容在该壳体内，使流过电路的电流通断；电流跳闸元件，其在上述电流是由雷电等产生的浪涌电流时进行随动；以及曲柄连杆机构，其基于该电流跳闸元件的动作使上述开关单元动作，而断开上述电路，在上述浪涌电流通过该电路断路器时，在该浪涌电流导致构成上述开关单元的固定接点和可动接点之间产生电弧之前，使上述电流跳闸元件动作，从而断开上述电路。

Description

电路断路器及使用该电路断路器的SPD保护系统

技术领域

本发明涉及一种设置在配设SPD(Surge Protective Device，浪涌保护装置)的电路上的电路断路器，以及使用该电路断路器的SPD保护系统。

背景技术

近些年来，被认为是地球温室化所影响的集中暴雨及雷电的发生处于增加的趋势。而另一方面，由于高度信息化社会的发展导致的电子装置的普及等，雷涌导致的各种负载设备的损坏增加。由此，已知为了保护负载设备不受该雷涌损坏，在该负载设备的输入侧和接地(大地)之间，配置称为避雷器(Arrester)或压敏电阻(Varistor)的SPD(例如参照专利文献1)。

此外，该SPD也可以认为是电路上的一个“装置”，随着SPD的广泛普及，对其的过流保护近来也开始受关注。以上述趋势为背景，负责SPD短路保护的过流保护装置的设置被标准化(详细内容参照JIS(日本工业标准)C-60364-5-53(建筑电气设备-第5-53部分：电气装置的选择及施工-断路、开关及控制)。由此，在SPD的上游设置电路断路器的情况逐渐增加(例如，参照专利文献2或3)。

另一方面，如专利文献1所公开的那样，在将雷涌经由SPD向接地放电时，产生持续时间较长的放电电流。但是，在电路断路器设置在SPD上游的情况下，放电电流当然也持续流过该电路断路器。因此，由于该放电电流，使该电路断路器的可动接点从固定接点上抬起，在两接点之间产生电弧(通常称此为发弧)，有可能由于该发弧而使两接点之间发生熔接。因此，公开了一种技术，其着重对电路断路器所具有的警报开关及辅助开关、与该电路断路器机构之间的连动定时进行设计，根据从警报开关可以得到输出，而从辅助开关无法得到输出，报告所谓的该电路断路器发生熔接的情况(例如，参照专利文献4)。

专利文献1：特开2000-166079号公报(第3页左栏第8行～第11行，图1)

专利文献2：特开2002-101505号公报(第4页左栏第10行～第12行，图1)

专利文献3：特开2005-237157号公报(第4页第20行～第30行，图1)

专利文献4：特开平11-67048号公报(第5页左栏第1行～第32行，图1)

发明内容

对于电路断路器的熔接，公知各制造商研究出以专利文献4为首的各种对策·方法。但是，其大多数如该专利文献4所示，把重点放在发生熔接的事后对策(也包括在熔接时，不使该电路断路器的起倒型手柄位于OFF位置，即所谓的隔离功能的具体化)，或通过操作起倒型手柄而解除该熔接(熔接剥离)。由此，在进行SPD保护时，在考虑该SPD的设置位置的情况下，上述对策自然地存在限制。即，在SPD的设置位置跨越很大范围，例如在山顶的无人中继站中，则上述起倒型手柄的操作难以作为现实的对策。另一方面，即使安装熔接发生的报告单元，也不能无视电路断路器的更换等与其维护相关的经济损失。即，对进行SPD保护的电路断路器，要求能够防止发弧导致的熔接。

无论实现该熔接防止而进行实验·评估的过程中，发明者们发现下述内容。即，人们认为在达到熔接的过程中，该电路断路器的电流跳闸元件必然与过大的负载电流对应而进行动作，但对于上述雷涌而言，与其能量较大相比，其持续时间较短更具威胁，存在电流跳闸元件无法进行随动的区域。通常，由于电路断路器的电流跳闸元件的动作需要数毫秒，特别地，在用于短路时进行限流的电路断路器中，如果等待电流跳闸元件的动作，则最终会无法实现限流。在这里，已知一种方法，其利用设有固定接点的固定接触件和设有可动接点的可动接触件之间产生的电磁斥力，使可动接点从固定接点上抬起进行高速断路，而不等待电流跳闸元件的动作。另一方面，在具有该限流结构的电路断路器中，在商用频率成分的使用条件下，设定电流跳闸元件动作的电流值B，以使可动接点抬起的电流值(A)＞电流跳闸元件动作的电流值(B)。但是，这些始终是以在产生电磁斥力这样的大电流下，电流跳闸元件必然进行随动作为大前提的。

此外，在雷涌电流这样的时间幅度短的情况下，如上述所示，已知会出现反转现象，即可动接点抬起的电流值(A)＜电流跳闸元件动作的电流值(B)。通过由该抬起动作导致的发弧，伴随电流跳闸元件没有随动而再次闭合，会使两接点之间熔接的可能性变高。在这里，问题在于电流跳闸元件不随动，如专利文献4所代表的那样，仅是根据该随动而报告熔接，并不适合用于SPD保护。即，在没有识别出熔接的情况下继续使用，自然无法进行SPD保护，并关系到电路断路器原有功能的丧失，还有可能发生火灾或触电等重大事故，上述电路断路器的原有功能指在该电路断路器和接地之间的短路或接地事故中进行断路。

本发明就是为了解决上述问题而提出的，其目的在于，提供一种电路断路器，其即使在雷涌侵入时也不会引起熔接，同时还特别向SPD使用者提供一种使用该电路断路器的SPD保护系统。

本发明所涉及的电路断路器的构成为，具有：壳体；开关单元，其收容在该壳体内，使流过电路的电流通断；电流跳闸元件，其在上述电流是由于雷电等产生的浪涌电流时进行随动；以及曲柄连杆机构，其基于该电流跳闸元件的动作使上述开关单元动作，而断开上述电路，在上述浪涌电流通过该电路断路器时，在该浪涌电流导致构成上述开关单元的固定接点和可动接点之间产生电弧之前，通过使上述电流跳闸元件动作，而断开上述电路。

另外，本发明所涉及的SPD保护系统为，将前述电路断路器设置在SPD的上游，且位于从母线中分支出的电路中，该SPD配置于连接在上述母线上的负载设备的输入侧和接地之间。

发明的效果

本发明如上述说明所示，由于能够使用电路断路器作为SPD的过流保护装置，所以能够使SPD保护系统的可靠性提高，同时构筑性价比优秀的该系统。

附图说明

图1是本发明的实施方式1中的电路断路器的剖面图。

图2是本发明的实施方式1中的SPD保护系统的结构图。

图3是雷涌电流注入图2中的SPD时的电流波形图。

图4是雷涌电流注入图2中的SPD时的电流波形图。

图5是表示实验结果的曲线图。

具体实施方式

实施方式1

图1是本发明的实施方式1中的电路断路器的剖面图，图2是使用该电路断路器的SPD保护系统的结构图。图3及图4是雷涌电流注入图2中的SPD时的电流波形图，其中，图3表示再次闭合的情况，图4表示跳闸的情况。另外，图5是表示在图3及图4中的电流波形下获得的实验结果的曲线图。

在图1中，电路断路器101在由顶盖1和基座2构成的壳体内具有断路机构51。该断路机构51具有：推斥接触件3及可与该推斥接触件3接触/分离的可动接触件4，这些部件作为使流过未图示的电路的负载电流通断的开关单元；曲柄连杆机构(Toggle linkmechanism)52，其在流过过电流时，使可动接触件4与推斥接触件3分离；电流跳闸元件53，其由电磁跳闸机构和热动跳闸机构构成；以及消弧板5。

在推斥接触件3上配置推斥接点3a，并在可动接触件4上与该推斥接点3a正对地配置可动接点4a，在上述推斥接点3a、可动接点4a的附近配置消弧板5。另外，臂部6是由绝缘材料构成的臂部，可动接触件4保持在臂部6上，与臂部6一起以轴7为中心转动。

销钉8是轴合在臂部上的销钉，该销钉8与下部连杆9的下端部结合，该下部连杆9构成曲柄连杆机构52的一部分。下部连杆9的上端部经由销钉10而与上部连杆11的下端部结合，上部连杆11的上端部经由销钉12而与摇架(cradle)13结合。摇架13由轴14可自由转动地轴支撑，在自由端具有卡止部13a。另外，弹簧15是架设在起倒型手柄16和销钉10之间的弹簧。

电流跳闸元件53由电流继电器17、双金属片18、跳闸杆19、锁止件20、卡止杠杆21等构成。另外，电源侧端子22是连接在电路电源侧的端子。分流器23是电气连接该电源侧端子22和推斥接触件3的分流器。负载侧端子24是连接在电路负载侧(即后述的SPD侧)的端子。另外，在本实施方式中，使用限流构造、即实现高速断路的推斥接触件3，但并不是必须具有该限流构造。与可动接点4a相对的接点也可以是配置在从电源侧端子22延伸设置且直接固定在基座2上的固定接触件上的固定接点。

下面，结合图2所示的SPD 102说明该电路断路器101的动作。通过沿纸面向顺时针方向操作起倒型手柄16，如该图1所示，上部连杆11和下部连杆9伸长，向臂部6施加以轴7为中心的顺时针方向的转动力，从而使可动接点4a和推斥接点3a接触。此时，由于摇架13的卡止部13a卡止在卡止杠杆21上，所以上部连杆11和下部连杆9保持伸长状态。因此，推斥接点3a和可动接点4a保持接触，电路断路器101成为接通状态。由此，通过使该电路断路器101接通，而将图2所示的SPD 102配置在母线98和接地99之间。这样，侵入母线98的直击雷或感应雷经由该SPD 102而从接地99流走，从而保护与母线98连接的负载设备100不受雷涌损害。

特别是在直击雷侵入的情况下，再次返回图1，电流继电器17动作，使跳闸杆19以轴19a为中心沿顺时针方向转动，锁止件20以轴20a为中心沿逆时针方向转动。该锁止件20通过转动，解除与卡止杠杆21的卡合，卡止杠杆21通过未图示的弹簧的预紧力，以轴21a为中心沿逆时针方向转动，使摇架13的卡止部13a与卡止杠杆21分离。由此，上部连杆11和下部连杆9纵向弯折，由于臂部6受到以轴7为中心的逆时针方向的转动力，所以可动接点4a开始离开推斥接点3a。另外，在上述离开之前，由于流过推斥接触件3和可动接触件4的电流方向彼此相反而产生电磁斥力，通过该电磁斥力，使推斥接触件3和可动接触件4分别沿相互分离的方向动作，即推斥接触件3以轴3b为转动中心沿顺时针方向动作，可动接触件4以轴7为转动中心沿逆时针方向动作。此时，两接点之间发生的电弧由消弧板5迅速消弧，完成断路即所谓的跳闸动作。

以上，从上述说明中可知，即使称为“SPD保护用的电路断路器”，也并没有为了实现这种用途而追加某种设计或部件，而仅是使用公知甚至通用的电路断路器进行应对。下面，详细说明即使是在通用的电路断路器中，如何在直击雷侵入时，使上述两个接点分离，换句话说，将用于使电流继电器17工作的电流引出，而不使两接点之间发生熔接。

首先，SPD所涉及的雷涌电流的波形，在JIS C-5381-1(连接在低压配电系统上的浪涌保护设备的必要性能及试验方法)及本说明中，与SPD的配置目的对应，将该SPD分类为I类(假定为直击雷)及II类(假定为感应雷)，如下述进行规定。

I类波头长度：10微秒波尾长度：350微秒

II类波头长度：8微秒波尾长度：20微秒

所以，在这里以适用于条件更苛刻(即使峰值相同，在比较波形的情况下，I类具有II类的大约30倍的能量I²t)的I类的SPD保护为目的。另外，作为电路断路器，选择下述这2种通用机型。

样机1：250AF、额定电流225A、瞬间跳闸电流值3150A

样机2：400AF、额定电流400A、瞬间跳闸电流值4000A

(AF：框架容量(Ampere Frame))

此外，在确认是否发生熔接及跳闸时，在上述的雷涌电流中叠加负载电流(即电路断路器(样机1或2)的设置位置为图2的(a)处)。

上述实验条件下的实验结果如图3及4所示。首先，在图3中，在雷涌电流流过(b)后，产生暂时没有负载电流流过的期间(a)，然后，再次流过负载电流(c)。即，由于雷涌电流而使可动接点4a抬起(a)，但由于电流跳闸元件53没有动作，两接点之间再次闭合(c)。由此，由于抬起而发弧，进而由于再次闭合而引起熔接的可能性非常高(本实验结果是“发明内容”第三段所述内容的根据)。另一方面，在图4中，在雷涌电流流过(b)后，没有负载电流流过(a)，即没有发生再次闭合。由此，可知在可动接点4a抬起后，电流跳闸元件53进行随动，使可动接触件4机械断路。

图5是将上述2种实验结果、即分别由上述2种机型进行接点抬起(图3)和瞬间动作(图4)后的最小峰值，描绘在所谓的电路断路器的特性曲线图中的图。由该图可知，在雷涌电流通过时的接点抬起电流值为：

样机1：8kA(峰值)

样机2：14kA(峰值)

另一方面，在雷涌电流通过时的瞬间跳闸电流值为：

样机1：25kA(峰值)

样机2：28kA(峰值)

根据这些结果，发明者们发现如下现象。即，如下式所示，在商用频率成分下的跳闸和在雷涌电流下的跳闸中，具有大约5倍的差距。

样机1：

(4450A为换算后的峰值)

样机2：

(5660A为换算后的峰值)

发明者们非常关注上述所谓的“5倍”的结果。即，使“发明内容”第三段中所述的关系返回至第二段中所述的关系，更简单的说，为了使：

雷涌电流下可动接点抬起的电流值(C)

＞电流跳闸元件动作的电流值(D)

只要将上述接点抬起时的电流值除以5之后的值作为商用频率成分下的瞬间跳闸电流值即可。如果将上述内容进行具体地数值化，则成为：

样机1：8kA/5＝1.6kA(换算为有效值：1.1kA)

样机2：14kA/5＝2.8kA(换算为有效值：2.0kA)，

由于这些值相对于额定电流成为：

样机1：

样机2：2.0kA/400A＝5，

所以如果将瞬间跳闸电流值设定为额定电流的5倍，则能够防止雷涌电流通过时的两接点之间的熔接。

优选更现实地考虑余量，而设定为小于或等于额定电流的4倍。即，相对于通用的电流断路器的瞬间跳闸电流值分别为：

样机1：14倍(3150A/225A)

样机2：10倍(4000A/400A)

只要通过将电流继电器17的例如弹簧常数重设为小于或等于原弹簧常数的4倍，即可作为“SPD保护用电路断路器”起作用。

在这里，由于降低瞬间跳闸电流值很有可能导致不必要的(断路)动作，所以通常并不优选，但由于在该SPD保护中，如图2所示，将该电路断路器设置为SPD专用(相当于上述JIS C-60364-5-53的图53A)，平时没有负载电流流过，所以不需要担心不必要的动作。另外，作为本发明的本质，即使暂时进行“用于防止熔接的跳闸动作”，由于在两接点断开之前，无论是直击雷(10/350微秒)还是感应雷(8/20微秒)，都可以将上述雷涌电流可靠地经由SPD向接地放电，所以不会对负载设备的雷涌保护产生任何障碍。由此，瞬间跳闸电流值的下限值也可以设定为例如额定电流的2倍左右。根据上述观点，通过将瞬间跳闸电流值设定为额定电流的2倍～5倍的范围内，能够防止在雷涌电流通过时的两接点之间的熔接。

另外，如上述所示，在实验中为了叠加负载电流，而使该电路断路器的配置位置为图2的(a)。但是，在实际的SPD保护系统中，在进行这种设置(相当于JIS C-60364-5-53的图53B)的情况下，万一SPD产生内部短路等故障，则由于电路断路器跳闸，而在更换SPD之前无法向负载设备供给电力。换句话说，该电路断路器与始终优先进行对负载设备的雷涌保护这种使用目的一致，但随着瞬间跳闸电流值下降，极可能由于例如负载设备的启动冲击电流而发生不必要的动作。所以，优选架设连锁系统，例如在图2的(c)处设置其他的通用电路断路器，如果SPD保护用电路断路器(b)跳闸，则(c)处的电路断路器也跳闸，由此能够同时实现电力供给的继续进行和雷涌保护。总之，该SPD保护用电路断路器由于其瞬间跳闸电流值降低，最好仅作为“SPD”专用电路断路器使用。

这样，由于仅通过使通用电路断路器的瞬间跳闸电流值降低，就能够提供廉价的SPD保护用电路断路器，所以能够改善SPD保护系统的性价比。另外，由于能够防止该电路断路器的熔接，所以能够提高该SPD保护系统的可靠性。此外，在以为了防止熔接而进行跳闸为前提的情况下，优选在该电路断路器中内置警报开关，灵活运用其输出接点，进行跳闸识别(雷涌电流通过)，进而根据该识别进行再合闸操作。另外，在上述山顶的无人中继站等难以进行跳闸时的应对的情况下，例如只要在该电路断路器上同时设置电气操作装置，构成包括上述输出接点在内的可以利用由蓄电池形成的DC电源再次合闸的控制电路即可。此外，能够产生下述附带效果：由于警报开关的随动表示上述雷涌电流通过，即由SPD处理了大于或等于使接点抬起的雷涌电流，因此例如如果对该随动进行计数，则可知SPD的使用频率。

作为本发明的本质的跳闸电流值的选择方法如上述所示，但作为该选择时的一个指标的“雷涌电流通过时的瞬间跳闸电流”也可以不通过实验，而是通过例如根据该电路断路器的容许能量I²t进行推定而导出。即考虑下述方法，如图5所示，根据作为各样机的商用频率成分中的动作点：

样机1：3150A经过20毫秒断路

样机2：4000A经过20毫秒断路

计算容许能量I²t(样机1-(b)、样机2-(a))，将其与350微秒的交点处的电流值作为跳闸电流值。由于实际上产生跳闸的25kA(样机1)、及28kA(样机2)都与各自的容许能量I²t接近，所以也可以有效地确认大致的目标值。

Claims

1.一种电路断路器，其具有：

壳体；开关单元，其收容在该壳体内，使流过电路的电流通断；电流跳闸元件，其在上述电流是由雷电等产生的浪涌电流时进行随动；以及曲柄连杆机构，其基于该电流跳闸元件的动作使上述开关单元动作，而断开上述电路，

其特征在于，

在上述浪涌电流通过该电路断路器时，在该浪涌电流导致构成上述开关单元的固定接点和可动接点之间产生电弧之前，通过使上述电流跳闸元件动作，而断开上述电路。

2.一种SPD保护系统，其特征在于，

将权利要求1所述的电路断路器设置在SPD的上游，且位于从母线中分支出的电路中，该SPD配置于连接在上述母线上的负载设备的输入侧和接地之间。

3.根据权利要求2所述的SPD保护系统，其特征在于，

注入SPD的浪涌的波头长度为10微秒，且波尾长度为350微秒。

4.根据权利要求1所述的电路断路器，其特征在于，

作为上述电流跳闸元件动作条件的瞬间跳闸电流值，设定在电路断路器额定电流的2倍至5倍的范围内。