JP2004349078A

JP2004349078A - 遮断器

Info

Publication number: JP2004349078A
Application number: JP2003143751A
Authority: JP
Inventors: Katsushi Matsumura; 勝史松村; Hitoshi Ito; 仁志伊藤; Kaizo Okada; 快三岡田; Takeshi Hamamoto; 毅浜本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-05-21
Filing date: 2003-05-21
Publication date: 2004-12-09
Also published as: CN1574138A; CN1263055C

Abstract

【課題】亜鉛メッキ、ニッケルメッキ等が施された従来のグリッド板では、高温のアークによってメッキが溶融・蒸発し、溶融飛散物の接点への付着や機構部動作不良、或いは蒸発物によるアーク消弧時間延長や絶縁物の絶縁低下を引き起こしたり、また耐熱性を向上させた複合メッキでは高価であり、価格を抑制するため必要な部分にのみ複合メッキを施す等煩雑な処理が必要であった。
【解決手段】鋼板４１の表面にアルミニウムメッキ４２を施し、そのアルミニウムメッキ表面に酸化物４３、５３、或いは水和物６３を形成し、耐熱性、消弧・絶縁機能を高め、消弧時間を短縮し、グリッド板９の消耗を抑え、同時に遮断性能の向上を図ったものである。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電流を遮断した際、接点間に発生するアークを、磁性を有するグリッド板にて分断、消滅させて電流を遮断する遮断器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の遮断器における接点間に発生するアークを分断、消滅させるグリッド板としては、磁性を有する鋼板の表面に亜鉛メッキやニッケルメッキを施したものや、耐アーク性を向上させる目的でニッケルメッキ中にセラミック粒子を共析させた複合メッキを施したものがあった（例えば、特許文献１参照。）。
また、鋼板の表面に気化熱の大きい、例えばクロムメッキを施したものがあった（例えば、特許文献２参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−８２２０５号公報（第１図）
【特許文献２】
特開昭５４−５０９６７号公報（第１図、第２図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来の遮断器のグリッド板は防蝕、防錆のため鋼板の表面に亜鉛メッキやニッケルメッキを施したものを用いているが、そのメッキの融点が、例えば亜鉛メッキは約４２０℃、ニッケルメッキは約１４５０℃のようにそれほど高くなく、従って電流を遮断したときに生じる高温のアークにより、メッキが溶融・蒸発して溶融飛散物が機構部や接点に付着し、機構部動作不良や再通電後の接点異常温度上昇を引き起こしたり、蒸発物によるアーク消弧時間延長や絶縁物の絶縁耐力低下を引き起こす場合があった。また、クロムメッキは気化して大きな気化熱をアークから奪ってアークを冷却するが、気化したクロムにより同様の課題があった。
更にはアークによる高熱が鋼板に伝導し、鋼板が溶融・蒸発により消耗してしまうという課題があった。
【０００５】
また、鋼板の表面にセラミックを共析させた複合メッキを施すと、共析するセラミックの種類によっては２０００℃以上の融点を得られることもできるが、複合メッキは高価であり、コストを抑えるために必要な部位にのみ複合メッキ処理を施す等の煩雑な処理を行う必要がある等の課題があった。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、アークを分断、消滅させるグリッド板の消耗が少ない遮断器を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる遮断器は、開閉動作により接離する接点間に発生するアークを分断、消滅させる複数のグリッド板を、アルミニウムメッキされ、このアルミニウムメッキの表面にアルミニウムの酸化物が形成されている鋼板により構成したものである。
【０００８】
また、この発明に係わる遮断器は、開閉動作により接離する接点間に発生するアークを分断、消滅させる複数のグリッド板を、アルミニウムメッキを施した鋼板を水和処理したものにより構成したものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明を一般にノーフューズブレーカと称される回路遮断器に適用した実施の形態１の遮断器の部分断面図である。また、図２はこの遮断器に設けられた複数のグリッド板からなる消弧装置の一例を示す斜視図、図３はアークが発生したときのグリッド板に誘磁される磁束のかたよりを説明するための模式図で、図２の消弧装置を上から見たものである。
【００１０】
図１において、ベース１とカバー２に覆われた内部に固定接点３を有する固定接触子４が取り付けられ、この固定接点３と対向して位置する可動接点５を有する可動接触子６が開閉機構部７に回動可能に取り付けられ、さらに開閉機構部７にはカバー２の開口部から突出する操作ハンドル８が係着されている。開閉機構部７はこの操作ハンドル８の開閉操作とともに、周知のバイメタル、電磁機構などの過電流や漏電を検出する手段（図示せず）が異常電流を検出した際に遮断動作を行うもので、よく知られているバネを有するトグルリンク機構により可動接触子６を高速で回動（可動接点５を固定接点３から開離）させる構成となっている。
【００１１】
鋼板の表面にアルミニウムメッキを施してなるグリッド板９は、図３に示すように四角状の板の一辺に略Ｕ字形の切り欠き１０を設けた形状となっている。このグリッド板９を複数枚用い、図２に示す通り所定の間隔を持って絶縁性の材料からなる支持板１１ａ、１１ｂに挟持させることにより消弧装置１２を構成している。この消弧装置１２は、グリッド板９のＵ字形の切り欠き１０が固定接点３、可動接点５の方向に向くように設置され、このＵ字形の切り欠き１０により形成される空間を可動接触子６が回動する構成となっている。アーク１３は、言うまでも無く固定接点３と可動接点５の間に発生する。
【００１２】
図４は、グリッド板９として使用されるアルミニウムメッキされ、このアルミニウムメッキの表面にアルミニウムの酸化物が形成されている鋼板の部分断面図であり、鋼板４１にアルミニウムメッキ４２が約４４μｍの厚さで施されている。アルミニウムメッキ４２の表面には、メッキ材であるアルミニウムが空気中で自然に酸化して生成される約５ｎｍの薄い酸化物（以下、自然酸化皮膜という）４３が形成されている。
【００１３】
次に動作について説明する。図１において、操作ハンドル８の遮断操作、または過電流や漏電を検出する手段（図示せず）からの遮断指令があると、開閉機構部７が遮断動作を行ない、開閉機構部７のトグルリンク機構の伸張、屈曲およびバネの伸張、圧縮に伴って、このトグルリンク機構に連動するように設けられた可動接触子６が反時計回りに高速で回動し、可動接触子６に固着された可動接点５が固定接触子４に固着された固定接点３から離れる。
【００１４】
このとき、固定接点３と可動接点５の間に発生するアーク１３は、図３に示すように磁性鋼板グリッド板９に誘磁された磁束１４のかたよりによって、複数のグリッド板９のＵ字形の切り欠き１０で形成される空間の奥（図３において上方）へ移動し、複数のグリッド板９間の短いアークに分断され、電圧降下を生じさせる。そして、アークを維持するための電圧が上昇し、電源電圧を維持できなくなってアークは消滅する。
【００１５】
このアーク１３がグリッド板９によって分断されるとき、グリッド板９はアーク１３による高温にさらされるが、鋼板４１に施されたアルミニウムメッキ４２の熱反射性が良好であり、またアルミニウムメッキ４２の表面に形成された自然酸化皮膜４３の融点は約２０５０℃と高く、更にメッキ材であるアルミニウムが高温で溶融する際に耐熱性の高い酸化物が形成され、従って鋼板４１はアーク１３の高温から保護される。
【００１６】
この実施の形態１によれば、アーク遮断時におけるグリッド板の消耗が少ない遮断器を提供することが出来る。
【００１７】
発明者らは、以上の効果を確認するため、実施の形態１に示す遮断器と従来から使用されている遮断器を用いて遮断試験を実施したので、その概要と結果について以下に述べる。
【００１８】
遮断器のサンプル．
グリッド板９は、幅約１５ｍｍ、長さ約２７ｍｍで略Ｕ字形の切り欠き１０を有し、板厚は１．６ｍｍのものを３枚、２．３ｍｍのものを４枚の計７枚とした。消弧装置１２は支持板１１ａ、１１ｂにより、上記の７枚のグリッド板を約２．３ｍｍの間隔で挟持している。グリッド板９は、日新製鋼（株）製のアルミニウムメッキ鋼板（商品名：アルスター鋼板）を用い、その断面は既に説明したとおり、図４の如くである。以上の消弧装置を試験サンプルの遮断器に組み込んだ。（以下、新形品１という）
【００１９】
また、比較例の消弧装置１２のサンプルとして、従来から使用されているものを使用したが、グリッド板９の形状、枚数および消弧装置１２の形状、グリッド板９の構成は新形品１と同一とし、グリッド板９の鋼板の表面には約１０μｍの厚さでニッケルメッキを施している。以上の消弧装置を新形品１と同一の試験サンプルの遮断器に組み込んだ。（以下、従来品という）
【００２０】
試験条件．
遮断する回路の電圧、電流として、ＡＣ５００Ｖ−１０ｋＡ、ＡＣ４４０Ｖ−１５ｋＡ、ＡＣ４００Ｖ−１８ｋＡ、ＡＣ２３０Ｖ−３５ｋＡの４ケースを行ない、遮断・投入のシーケンスは、Ｏ−ｔ−ＣＯ、但しｔは３分、とした。Ｏは遮断、Ｃは投入を意味し、即ち遮断後３分後に再投入し、引き続き猶予なく再遮断する。これは遮断器の遮断責務を確認する試験規格の１つである。
新形品１と従来品の比較を行うパラメータとして試験実施後のグリッド板９の全数の消耗量を計量し、試験前後におけるグリッド板９の消耗割合を求めた。
【００２１】
試験結果．
まず、新形品１および従来品とも、全ケースで遮断に伴うアークを分断、消滅させ、遮断に成功した。次にグリッド板９の消耗割合について表１に示す。
【００２２】
【表１】

【００２３】
表１から明らかなように新形品１は従来品に比べ、グリッド板９の消耗量が３％〜７％も少ないことが判明した。
【００２４】
アルミニウムメッキの融点は約６５０℃、ニッケルメッキの融点は約１４５０℃であり、ニッケルメッキの方が融点が高いにもかかわらずアルミニウムメッキを施した新形品１の方がグリッド板９の消耗量が少ないのは、図４に示したようにアルミニウムメッキ４２の表面に形成された自然酸化皮膜４３の融点が約２０５０℃とニッケルメッキより高く、またアルミニウムメッキ４２表面の熱反射性が良好であること、更にメッキ材であるアルミニウムが高温で溶融する際に耐熱性の高い酸化膜が形成され、鋼板４１の消耗量を抑制するためである。
以上の試験の結果からも実施の形態１の効果が確認された。
【００２５】
実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２による遮断器に用いられるグリッド板９の部分断面図である。図５において、鋼板５１にアルミニウムメッキ５２が約４４μｍの厚さで施されている。さらにアルミニウムメッキ５２の表面には陽極酸化処理によるアルミニウムの分厚い酸化物層（Ａｌ_２Ｏ_３）５３が１〜５０μｍ、好ましくは１〜３μｍの範囲内で所定の厚さ、例えば２μｍの厚さで形成されている。
この陽極酸化処理とは、電解質溶液中でアルミニウムを陽極に接続して電気を通し陰イオンの一部である酸素が陽極のアルミニウムの方に移動してそこで化学的に結合し、膜厚数μｍ〜数十μｍの酸化物層を形成するものである。一般にアルマイト処理とも言われている。
【００２６】
この酸化物層５３は、実施の形態１においてアルミニウムメッキの表面にメッキ材であるアルミニウムが空気中で自然に酸化して生成される約５ｎｍの薄い自然酸化皮膜４３に比べて厚く、絶縁性が極めて高いためグリッド板９間の電圧降下が増大し、遮断時に発生するアークを維持する電圧を増大させる。この電圧は容易に電源電圧を超えるため、消弧時間は短縮される。また、酸化物層５３は耐熱性も良好であり、アークの消弧時間の短縮と合わせて、鋼板５１の溶融が少なく、金属蒸気量を抑制し、遮断器各部の絶縁劣化を抑えることが出来る。
【００２７】
この実施の形態２によれば、アーク遮断時におけるグリッド板の消耗が極めて少ない遮断器を提供することが出来る。
【００２８】
なお上記の実施の形態２では、アルミニウムメッキ５２の表面のアルミニウム酸化物層５３を陽極酸化処理により構成する場合について説明したが、その他の酸化処理によっても同様の効果が期待できる。
【００２９】
実施の形態３．
図６は、この発明の実施の形態３による遮断器に用いられるグリッド板９の部分断面図である。図６において、鋼板６１にアルミニウムメッキ６２が約４４μｍの厚さで施されている。さらにアルミニウムメッキ６２の表面には酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）の水和物層（Ａｌ_２Ｏ_３・Ｈ_２Ｏ）６３が０．１〜５．０μｍ、好ましくは０．１〜１．０μｍの範囲内で所定の厚さ、例えば０．５μｍの厚さで形成されている。
【００３０】
この水和物層は、アルミニウムメッキを施した鋼板をトリエタノールアミンやアンモニア水を約０．３％添加した沸騰水中に浸漬するか、または加圧水蒸気で処理することにより得られる。
【００３１】
以上のグリッド板９により消弧装置１２を形成し、図１に示す遮断器に組み込む。このようにして得られた遮断器においては、遮断時に生じるアーク１３にグリッド板９がさらされると、アーク１３の高熱によって上記水和物層６３が脱水分解し、大きな吸熱反応を起こし、アークを冷却させる。また、水和している酸化アルミニウムは絶縁性も高く、アークの冷却と合わせて、アークの消弧時間を短縮する効果がある。更に、水和している酸化アルミニウムは耐熱性にも優れるため、アークの消弧時間の短縮と合わせて、鋼板６１の溶融が少なく、金属蒸気量を抑制し、遮断器各部の絶縁劣化を抑えることが出来る。
【００３２】
この実施の形態３によれば、アーク遮断時におけるアークの冷却効果が大きく、グリッド板の消耗が少ない遮断器を提供することが出来る。
【００３３】
発明者らは、以上の効果を確認するため、実施の形態３に示す遮断器を用いて遮断試験を実施したので、その概要と結果について以下に述べる。
【００３４】
遮断器のサンプル．
グリッド板９の形状、枚数、および消弧装置１２の形状、グリッド板９の構成は新形品１と同一とした。グリッド板９の表面には前述の方法等により酸化アルミニウムの水和物層（Ａｌ_２Ｏ_３・Ｈ_２Ｏ）６３を形成した。その断面は既に説明したとおり、図６の如くである。以上の消弧装置を新形品１と同一の試験サンプルの遮断器に組み込んだ。（以下、新形品２という）
【００３５】
試験条件．
試験条件は、実施の形態１において行った試験と同一とした。
【００３６】
試験結果．
まず、新形品２は全ケースで遮断に伴うアークを分断、消滅させ、遮断に成功した。次にグリッド板９の消耗割合について表２に示すが、比較しやすいように実施の形態１における試験結果も含めて示す。
【００３７】
【表２】

【００３８】
表２から明らかなように新形品２は、水和処理をしていない新形品１よりもさらに１％〜３％グリッド板９の消耗が少ないことが判明した。これは、アルミニウムメッキ表面の水和物層によるアークの冷却効果、および水和物層の耐熱性、絶縁性が良好であるため、水和処理をしていない場合よりも一層鋼板の消耗を抑制するためである。
以上の試験結果からも実施の形態３の効果が確認された。
【００３９】
実施の形態３では、アルミニウムメッキを施した鋼板を水和処理した場合について説明したが、アルミニウムメッキの表面に、例えば陽極酸化処理によるアルミニウムの分厚い酸化物層を形成し、その酸化物層の表層部を水和処理したグリッド板でも適用可能である。この場合、鋼板表面にアルミニウムメッキ層があり、その表面に酸化物層があって、更にその表面に水和物層が形成されるため、水和物層のアーク冷却効果、耐熱性、絶縁性に加え、酸化物層の耐熱性、絶縁性の効果もあり、より以上の効果を得ることができる。
【００４０】
ところで、上記説明ではこの発明の遮断器の接点数は単極である場合について述べたが、多極の遮断器であっても同様に適用できることは言うまでもない。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、アーク遮断時におけるグリッド板の消耗が少ない遮断器を提供することが出来る。即ち、従来の遮断器と同じ大きさ、遮断定格の場合を考えると長寿命化が期待でき、同じ大きさ、寿命の場合を考えると遮断容量の大きい遮断器を提供することが出来る。更に、同じ寿命、遮断容量の場合を考えると小型化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る遮断器の部分断面図である。
【図２】図１の遮断器に用いられる消弧装置の一例を示す斜視図である。
【図３】図２の消弧装置を構成するグリッド板の働きを示す模式図である。
【図４】本発明の実施の形態１のグリッド板の部分断面図である。
【図５】本発明の実施の形態２のグリッド板の部分断面図である。
【図６】本発明の実施の形態３のグリッド板の部分断面図である。
【符号の説明】
１ベース、２カバー、３固定接点、４固定接触子、５可動接点、６可動接触子、７開閉機構部、８操作ハンドル、９グリッド板、１０Ｕ字形切り欠き、１１ａ支持板、１１ｂ支持板、１２消弧装置、１３アーク、１４磁束、４１鋼板、４２アルミニウムメッキ、４３自然酸化皮膜であるアルミニウム酸化物、５１鋼板、５２アルミニウムメッキ、５３アルミニウム酸化物、６１鋼板、６２アルミニウムメッキ、６３アルミニウム水和物。

Claims

開閉動作により接離する第１の接点と第２の接点、前記第１の接点と前記第２の接点の間に発生するアークを分断させて消滅させる複数のグリッド板を有した遮断器において、前記グリッド板を、アルミニウムメッキされ、このアルミニウムメッキの表面にアルミニウムの酸化物が形成されている鋼板により構成したことを特徴とする遮断器。
上記酸化物を陽極酸化処理により形成したことを特徴とする請求項１に記載の遮断器。
上記酸化物を水和処理したことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の遮断器。
開閉動作により接離する第１の接点と第２の接点、前記第１の接点と前記第２の接点の間に発生するアークを分断させて消滅させる複数のグリッド板を有した遮断器において、前記グリッド板を、アルミニウムメッキを施した鋼板を水和処理したものにより構成したことを特徴とする遮断器。