JP2010073690A - 改良型消弧機構を有する回路遮断器 - Google Patents

Abstract

【課題】消弧性能を高め、製造コストを削減した消弧機構を有する回路遮断器を提供する。
【解決手段】回路遮断器２０の消弧機構は、チャンバ４４内に配置されるアブレーション装置５０を含み、当該アブレーション装置５０の端部には、固定接点２２を受ける開口部を備え、可動接触アーム２６は、溝内で閉位置から開位置へと移動する。異常な動作状態が検知されると、当該回路遮断器２０がトリップし、当該可動接触アーム２６が移動し、これにより発生したプラズマアークは当該アブレーション装置５０から材料を蒸発させて加圧ガスを発生させ、このガスがプラズマアークを冷却消弧する。
【選択図】図１

Description

本発明は回路遮断器に関し、特にアブレーションによる消弧機構を有する回路遮断器に関する。

回路遮断器は、望ましくない電気的状態が検知された場合に電気回路への電流の流れを制御することを目的とした、幅広い用途で使用される。回路遮断器は、典型的に３つの主要なサブアセンブリ、すなわち動作機構、トリップユニット、及び遮断器を含む。トリップユニットと動作機構とは、望ましくない状態が検知されると協働して遮断器を作動する。

遮断器は一般的に、可動接点を備える可動接触アームを有する。固定接点は、接触アームが閉位置にある時に可動接点と接触するように配置される。一般にアークシュートと呼ばれるアセンブリは、可動接点の通路の近傍に位置する。アークシュートは、可動接点の通路に沿って離間された複数枚の薄い鋼板からなる。典型的には、鋼板は除去された部分を有しており、除去部分によってアークシュート内に形成されたスロット内を可動接点が移動できるようになっている。アークシュートの性能要件により、多くの鋼板は典型的に熱硬化性側板として組み立てる必要があり、これはコストと時間を要する工程である。

異常な動作状態が検知されると、遮断器が作動して可動接点が固定接点から分離され、離隔される。この分離工程中、接点間にプラズマアークが形成され、電流はアークが消えるまで回路遮断器を通って流れ続ける。一般に、回路遮断器は、接点が分離するとプラズマアークをアークシュート内に移動させるように設計される。アークシュートはエネルギを吸収し、アークを引き伸ばし、アーク抵抗を高めて最終的にはアークを消滅させる。しかし、この工程中に、蒸発した金属が発生し、プラズマアークからの高温ガスと共に回路遮断器から排出される。

従って、現在の回路遮断器システムは意図した目的には適しているものの、性能を高め、製造コストを削減する回路遮断器の消弧機構がこの分野では必要とされている。

チャンバを有する回路遮断器が提供される。アブレーション装置がチャンバ内に配置される。アブレーション装置は端部に第１の開口部を有し、側面に沿って複数の排気口を有する。閉位置と開位置との間を移動可能な接触アームは、チャンバ内に配置される。可動接点は接触アームに結合され、可動接点は接触アームが閉位置にあり、開位置にあり、かつ閉位置と開位置との中間位置にある場合に複数の排気口の近傍に位置する。固定接点はアブレーション装置の第１の開口部内に位置し、固定接点は、接触アームが閉位置にある場合に可動接点が固定接点と電気的に接触するように配置される。

別の実施形態では、回路遮断器には固定接点を設ける。可動接点を有する接触アームは、接触アームが閉位置にある場合に可動接点が固定接点と接触するように配置されており、可動接点と固定接点とは、接触アームが開位置にある場合に第１の間隔だけ分離される。固定接点の周囲に配置された第１の開口部を有するアブレーション部材が備えられる。アブレーション部材は第２の側面から延びる複数の排気口を有する第１の側面に沿って延びる溝を有し、可動接点は接触アームが閉位置から開位置へと移動すると溝内に位置する。排気溝は複数の排気口と流体連通するように配置され、排気溝は負荷端子の近傍に端部を有する。

望ましくない電気的状態を検知するステップを含む回路遮断器の動作方法も提供される。望ましくない電気的状態の検知に応動して、可動接点が固定接点から分離される。可動接点が固定接点から分離されるとそれに応動してガスが溶発される。可動接点が固定接点から分離されると発生するアークは、溶発ガスで冷却される。アブレーションガスは、固定接点の近傍に位置する第１の排気口から排出する。

本発明の特徴、態様及び利点は、添付図面を参照した以下の詳細な説明によってより明らかとなる。全図面において、同じ要素には同じ符号を付す。
例示的実施形態による開位置にある回路遮断器の側面平面図である。 図１の回路遮断器の部分側面平面図である。 閉位置にある図１の回路遮断器の側面平面図である。 図３の回路遮断器の部分側面平面図である。 図１の接触アーム構造及びアブレーション装置の部分斜視図である。 図１のアブレーション装置の断面斜視図である。 本発明の実施形態であるアブレーション装置を有する回路遮断器および一般的な標準型回路遮断器のテスト結果を示すグラフである。

図１から５に示すように、回路遮断器２０は、回路への電流の流れを制御するために使用される配電装置である。回路遮断器２０は一般に、例えば短絡などの異常な動作条件で開くように構成されている。「遮断」とも呼ばれるこのような異常な動作条件で開かれると、回路遮断器２０内の固定接点２２と可動接点２４とが分離する。接点２２、２４が分離するとプラズマアークが発生し、電流の流れが停止する前に冷却し、消弧する必要がある。

固定接点２２からの可動接点２４の分離を補助するため、回路遮断器２０は、図２及び図３に示すように電源から負荷（図示せず）へと電流が流れる閉状態と、図１及び図２に示すように電力の流れが遮断される開位置との間を移動するように配置された１つ又は複数の接触アーム２６を含む。接触アーム２６は、回路遮断器２０を電源に電気的に接続する「スタブ」又は入力端子２８に電気的に結合される。接触アーム２６はさらに、例えば開路スイッチ又はハンドル３４を用いてオペレータによって作動されると、接触アーム２６を閉位置から開位置に移動させるばね（図示せず）及びリンク機構３２などの構成部品を含む機構３０にも結合される。機構３０はラッチ３８を介してトリップアセンブリ３６に結合される。トリップアセンブリ３６は、磁石４０などの部材、又は例えばバイメタル装置（図示せず）などの感熱装置を含む。トリップアセンブリは、望ましくない異常な動作状態に応動してラッチ３８を解放し、機構３０が接触アーム２６を閉位置から開位置へと移動させる。負荷端子４２は接触アーム２６に電気的に接続され、回路遮断器２０を電気回路に接続する。

代替として、機構３０を電子トリップユニット（図示せず）に結合してもよい。電子トリップユニットは典型的に、回路遮断器２０の動作を制御するためにコンピュータ命令を実行するプロセッサを有するコントローラを含む。一組の変流器（図示せず）は、回路遮断器２０を通って電気回路に流れる電流のレベルを示す信号を電子トリップユニットに供給する。

接触アーム２６は、アークチャンバとも呼ばれる密閉型チャンバ４４内を移動する。本明細書でより詳細に記載されるように、チャンバ４４は電流遮断中に発生するガスを含む。これらのガスは排気溝４６内に流入し、排気溝は、負荷端子４２の近傍で回路遮断器２０からガスを排出する。排気溝の端部４８は、イオン化され、蒸発金属を含むことがあるガスを負荷端子４２から離れるように誘導し、ガスと負荷端子４２に接続された導電体との間での電気アークの形成を防止する。

例示的実施形態では、アブレーション装置５０はチャンバ４４内に配置される。アブレーション装置５０は、高温で気化してチャンバ４４を加圧するガスを生成する材料からなる。従って、アブレーション装置は、（例えばデュポン社製のＤｅｌｒｉｎ(R)などの）ポリオキシメチレン、（例えばＢａｋｅｌｉｔｅ Ｈｙｌａｍ社製のＨｙｌａｍ(R)などの）フェノール・繊維複合材料、（例えばデュポン社製のＴｅｆｌｏｎ(R)などの）エポキシ又はポリテトラフルオロエチレン）を含むがこれらに限定されないポリマーでよい。

図５及び図６に示すように、アブレーション装置５０は側壁５２を含む。アブレーション装置５０は明解にするために断面で示され、アブレーション装置５０はさらに付加的な側壁５２も含むことを理解されたい。側壁５２は共同で溝５４の側面を形成し、回路遮断器２０が閉位置から開位置へと移行する間に、溝５４の中を接触アーム２６と可動接点２４とが移動する。端壁５６は溝５４の一端に沿って位置する。固定接点２２に適合するサイズの開口部５８が端壁５６内に配設される。アブレーション装置５０がチャンバ４４内に位置する場合は、端壁５６は導体６２の上表面６０上に支持され、固定接点２２は開口部５８内にある。導体６２は固定接点を入力端子２８と電気的に接続する。

アブレーション装置はさらに複数の排気口６４を含む。例示的実施形態では、複数の排気口６４は、第１の排気口６６と、第２の排気口６８と、第３の排気口７０とを含む。排気口６４はアブレーションガスとアークガスの両方のガスがチャンバ４４から排気溝４６へと流入するための通路を形成する。第１の排気口６６は、固定接点２２の上表面７４と縁部７８からそれぞれ第１の間隔７２と径方向の空隙７６を隔てて位置する。さらに第１の排気口６６は幅８０を有する。例示的実施形態では、第１の間隔７２は１ミリメートルから５ミリメートルであり、好ましくは１ミリメートルである。径方向の空隙７６は１ミリメートルから２ミリメートルであり、好ましくは２ミリメートルである。幅８０は２ミリメートルと４ミリメートルの間であり、好ましくは４ミリメートルである。例示的実施形態では、第２の排気口６８と第３の排気口７０とは、第１の排気口６６と同サイズであるか、それよりも大きい。一実施形態では、第３の排気口７０もまた第２の排気口６８よりも大きい。

一実施形態では、アブレーション装置５０は、複数の排気口６４の入口に内表面８６を含む。内表面８６は、軸が接触アーム２６の回転中心軸と同軸に位置する円筒形表面でよい。別の実施形態では、接触アーム２６が閉位置から開位置へと移動すると、可動接点２４と内表面８６との径方向の空隙が増大するように、内表面８６の軸は接触アーム２６の回転中心軸から偏依する。

例示的実施形態では、内表面８６と複数の排気口６４との間の移行部には半径８８が含まれる。さらに、複数の排気口６４のそれぞれの側面は、湾曲面９０を含んでもよい。半径８８と湾曲面９０とは、溝５４から排気溝４６へのガスの流れを促進し、ガスの流れが狭窄されることを防止するように構成される。溝５４から排気溝４６へのガスの流れを促進することによって、チャンバ４４内の圧力を所望のレベルに制御できる。後述のように、それによってプラズマアークを消弧する際に遮断性能が最大限になり、しかもハウジング８４が損傷するリスクが最小限になるという利点が得られる。

アブレーション装置５０によって発生するガスは、プラズマアークに対する冷却及び収縮効果をもたらす。これは、アーク抵抗を高め、プラズマアークの消弧を補助することで利点をもたらす。それに加え、排気溝４６を経て排出されるガスも低温になり、周囲の機器への影響が軽減される。一般に、発生するアブレーションガスが多いほど、プラズマは迅速に冷却され、消弧される。しかし、アブレーションガスの量が多いほど、チャンバ４４内の圧力は高まる。この圧力によって、回路遮断器２０のハウジング８４に応力が加えられる。従って、アブレーション装置５０の有利な作用はハウジング８４の強度と平衡をとる必要があり、さもなければハウジング８４が損傷することがある。その結果、複数の排気口６４の位置と構成は、電流遮断中の回路遮断器２０の性能に影響を及ぼす。第４のパラメータである、回路遮断器が開位置にある場合の固定接点２２と可動接点２４との間の間隔８２も、回路遮断器２０の性能に影響を及ぼす。一般に、間隔８２が大きいほどアークは長くなり、アーク抵抗は大きくなり、遮断性能は向上する。例示的実施形態では、間隔８２は２０ミリメートルである。

動作中、回路遮断器２０は閉位置にあり、電流は入力端子２８から接触アーム２６を通って流れ、負荷端子４２を経て流出する。例えば電気的故障などの所定の状態が検知されると、トリップアセンブリ３６がラッチ３８を解放して、機構３０が接触アーム２６を閉位置から開位置へと移動させる。可動接点２４が固定接点２２から分離され始めると、接点２２、２４の間にプラズマアークが形成される。プラズマアークの特性の１つは、電流が入力端子２８から負荷端子４２へと流れ続けることが可能になることである。例えば短絡などの異常な状態の場合、回路遮断器２０を流れる電流は、通常の動作状態の何倍ものレベルになることがある。従って、下流の配線と機器の損傷を避けるため、プラズマアークを消弧して下流を流れる電流の量を最小限にすることが望まれる。

接点２２、２４が分離すると、プラズマアークはアブレーション装置５０から材料を蒸発させる。接点２２、２４が分離すると先ず、接点２２、２４の最も近傍の側壁５２の端部５６からの材料が蒸発する。側壁５２及び表面８６からの材料が蒸発してガスを生成し、これがアークを冷却し、さらに接触アーム２６が開位置の方向に移動し続けるので、アークのサイズを収縮させようとする。例示的実施形態では、アブレーションガスの多くが側壁５２によって生成される。さらに、アブレーション装置５０からの材料の蒸発は、チャンバ４４内の圧力を上昇させることを理解されたい。ガスは通常、高圧領域から低圧領域へと流れるので、生成されたガスは複数の排気口６４を通って排気溝５４内に流入する。

前述のとおり、複数の排気口６４のサイズと位置は、回路遮断器２０の遮断性能に影響を及ぼす。この性能の判断基準の１つは、単位がｋＡ^２秒である「通過エネルギ（ｌｅｔ−ｔｈｒｏｕｇｈ ｅｎｅｒｇｙ）」と一般に言われる測定基準である。通過エネルギは、例えば短絡などの異常な状態の場合に、回路遮断器２０の下流で受け取られるエネルギの量を示す。

図７を参照すると、標準型のアークシュートを取り外し、アブレーション装置５０と交換して、本明細書に開示される本発明の実施形態により修正された市販の回路遮断器を使用して、一連のテストが回路遮断器２０で実施された。対照として、２５５ボルト、６ｋＡ二乗平均平方根（ＲＭＳ）の短絡状態で、アークシュートを有する標準型の回路遮断器をテストし、通過エネルギを測定した。標準型の回路遮断器の通過エネルギはバー９２で示されるように２１８ｋＡ^２秒であった。次いで、標準型の回路遮断器の間隔８２を１３ミリメートルから２０ミリメートルに増大したサンプルが準備された。その結果、バー９４で示すように通過エネルギは１８３ｋＡ^２秒まで低下した。

間隔８２を２０ミリメートルに保ったまま、アブレーション装置５０で一連のテストが実施され、第１の間隔７２は５ミリメートルから１ミリメートルに変更された。これらのテストでは、通過エネルギは、５ミリメートルの間隔７２を有するアブレーション装置の場合には１７１ｋＡ^２秒で始まり、バー９６で示されるように１ミリメートルの間隔７２を有するアブレーション装置５０の場合は１３６ｋＡ^２秒まで徐々に低下した。通過エネルギが低減することに加えて、１ミリメートルの間隔７２を有するサンプルは、第１の排気口６６を固定接点２２の近傍に配置することでガス圧を迅速に逃がすことができたため、アブレーション装置５０からの材料の蒸発により生ずる圧力の応力の兆候は少なかった。

次いで、径方向の空隙７６を１ミリメートルから２ミリメートルに変更し、一方、第１の排気口６６の幅８０を２ミリメートルから４ミリメートルに変更して一連のテストが実施された。これらのテストでは、間隔７２は１ミリメートルにとどめられ、排気口の間隔８２は２０ミリメートルにとどめられた。これらのテストでは、排気口の幅を広げ、径方向の空隙７６も広げた場合は、通過エネルギが低減した。２ミリメートルの径方向の空隙７６と４ミリメートルの排気口の幅８０とを組み合わせた場合は、通過エネルギはバー９８で表わされるように８４ｋＡ^２秒まで低減した。従って、適切なサイズ及び配置の第１の排気口６６を有するアブレーション装置５０を使用した結果、通過エネルギは市販の回路遮断器よりも約６２％低減した。ガスの流れが増大すると性能が向上するように思われるかもしれないが、アブレーションガスにより発生する圧力はアークのサイズも収縮するので、この向上には限界があることを理解されたい。従って、複数の排気口６４を除去すると、アークを収縮し、冷却するにはガス圧が不十分であるため、性能に悪影響を及ぼすものと考えられる。

アブレーション装置５０を有する回路遮断器２０は、１つ又は複数の利点を含むことができる。典型的なアークシュートアセンブリの代わりにアブレーション装置を使用することによって、回路遮断器を製造するために必要な構成部品の数と労力とを大幅に削減することができる。アブレーション装置から蒸発したガスは、回路遮断器の排気口から排出されるガスを冷却することもでき、それによって周囲の環境や機器への損傷や影響の可能性を低下させることができる。さらに、チャンバからのガスの流れを制御するための複数の排気口を有するアブレーション装置は通過エネルギを低減することができる。

例示的実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能であり、同等物の置き換えも可能であることは理解されよう。また、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、本発明の教示に適する特別な状況又は構成要素に修正できる。従って、本発明は、発明を実施するための最良の形態として開示された特定の実施形態に制限されることなく、特許請求の範囲内のあらゆる実施形態を含む。図面の簡単な説明では、本発明の例示的実施形態を開示しており、特定の用語を使用したが、特に明記しない限り、一般的に説明する意味で使用しただけであり、限定する目的ではなく、本発明の範囲を制限するものではない。また、「第１」、「第２」などの用語は、順番や重要性を表しているのではなく、１つの構成要素を区別するために使用している。さらに、数詞が無いものは量を限定しているものではなく、参照項目が少なくとも１つ存在していることを示している。

２０ 回路遮断器
２２ 固定接点
２４ 可動接点
２６ 接触アーム
２８ 入力端子
３０ 機構
３２ リンク機構
３４ ハンドル
３６ トリップアセンブリ
３８ ラッチ
４０ 磁石
４２ 負荷端子
４４ チャンバ
４６ 排気溝
４８ 排気溝の端部
５０ アブレーション装置
５２ 側壁
５４ 溝
５６ 端壁
５８ 開口部
６０ 上表面
６２ 導体
６４ 複数の排気口
６６ 第１の排気口
６８ 第２の排気口
７０ 第３の排気口
７２ 第１の間隔
７４ 固定接点の上表面
７６ 径方向の空隙
７８ 固定接点の縁部
８０ 幅
８２ 間隔（第３−固定接点と可動接点の間）
８４ ハウジング
８６ 内表面
８８ 半径
９０ 湾曲面
９２ バー−標準の通過エネルギ
９４ バー−２０ミリメートルの間隔８２
９６ バー−１ミリメートルの間隔７２
９８ バー−２ミリメートルの径方向の空隙と４ミリメートルの幅

Claims (10)

1. 回路遮断器（２０）であって、
   チャンバ（４４）と、
   前記チャンバ（４４）内のアブレーション装置（５０）であって、端部に第１の開口部（５８）と、側面に沿った複数の排気口（６４）とを有する前記アブレーション装置（５０）と、
   前記チャンバ（４４）内にあり、閉位置と開位置との間を移動可能な接触アーム（２６）と、
   前記接触アーム（２６）に結合され、前記複数の排気口（６４）の近傍にある可動接点（２４）と、
   前記アブレーション装置（５０）の第１の開口部（５８）内に位置する固定接点（２２）とを備える回路遮断器。
2. 前記アブレーション装置（５０）は前記接触アーム（２６）の近傍に溝（５４）を含み、前記複数の排気口（６４）は前記溝（５４）から溝の開口側の反対側に延在する、請求項１に記載の回路遮断器。
3. 前記複数の排気口（６４）は、前記固定接点（２２）に密接して配置された第１の排気口（６６）を含み、前記第１の排気口（６６）は、前記固定接点（２２）の上表面（７４）からの第１の間隔（７２）と、前記固定接点（２２）の縁部（７８）からの第２の間隔（７６）とを隔てて位置し、前記第１の排気口（６６）はさらに、関連する幅（８０）を有する、請求項２に記載の回路遮断器。
4. 前記第１の間隔（７２）は約１ミリメートルから約５ミリメートルであり、前記第２の間隔（７６）は１ミリメートルから２ミリメートルであり、前記幅（８０）は２ミリメートルから４ミリメートルである、請求項３に記載の回路遮断器。
5. 前記第１の間隔（７２）は１ミリメートルであり、前記第２の間隔（７６）は２ミリメートルであり、前記幅（８０）は４ミリメートルである、請求項４に記載の回路遮断器。
6. 回路遮断器であって、
   固定接点（２２）と、
   可動接点（２４）が結合された接触アーム（２６）であって、前記接触アーム（２６）が閉位置にある場合に前記可動接点（２４）が前記固定接点（２２）と接触するように配置され、前記可動接点（２４）と前記固定接点（２２）とは、前記接触アームが開位置にある場合に第１の間隔（８２）によって分離される接触アーム（２６）と、
   前記固定接点（２２）の周囲に配置された第１の開口部（５８）を有するアブレーション部材（５０）であって、前記アブレーション部材（５０）は第１の側面（５２）から延在する溝（５４）を有し、前記溝（５４）は第２の側面から延在する複数の排気口（６４）を有し、前記接触アーム（２６）が前記閉位置から前記開位置に移動すると、前記可動接点（２４）は前記溝（５４）内に位置する構成のアブレーション部材（５０）と、
   前記複数の排気口（６４）と流体連通し、負荷端子（４２）の近傍に端部（４８）を有する排気溝（４６）とを備える回路遮断器。
7. 前記排気溝（４６）は前記溝（５４）とは反対側にあり、前記複数の排気口（６４）は前記固定接点（２２）の近傍に位置する第１の排気口（６６）を含む、請求項６に記載の回路遮断器。
8. 前記第１の排気口（６６）は、前記固定接点（２２）の上面（７４）及び前記第１の排気口（６６）からの第１の間隔（７２）を隔てて位置し、
   前記固定接点（２２）の縁部（７８）と前記第１の排気口（６６）との間に径方向の空隙（７６）が位置し、
   前記第１の排気口（６６）はさらに第１の幅（８０）を有する、請求項７に記載の回路遮断器。
9. 前記第１の間隔（７２）は２０ミリメートル以上であり、前記径方向の空隙（７６）は２ミリメートルであり、前記幅（８０）は４ミリメートルである、請求項８に記載の回路遮断器。
10. 前記アブレーション部材（５０）は、ポリオキシメチレン、フェノール・繊維複合材料、エポキシ及びポリテトラフルオロエチレンの群から選択された材料からなる、請求項９に記載の回路遮断器。

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