JP2010170876A - 回路遮断器 - Google Patents

Abstract

【課題】接点間に膠着するアークを高速に転流させて接点の摩耗の少ない回路遮断器を提供する。
【解決手段】固定電極側アークランナー導体８に突起３０を設けることにより、開極時に可動電極接点６１と固定電極接点２１間に発生するアーク１０を早期に可動電極６の先端部と突起３０間に転流させることができる。これにより、両接点の消耗を低減することができ、複数回遮断をおこなった後でも両接点間の接圧を保持できる回路遮断器を提供できる。
【選択図】図３

Description

この発明は、配線用遮断機や回路遮断機に関し、電極接点間に発生したアークを早期に転流させ、効率よく消弧室で限流、遮断する遮断器に関するものである。

従来の回路遮断器は、異常電流や短絡電流を検知すると、電磁石の吸引力によって可動電極を駆動し、固定電極からこれを引き離すことによって電路を開放し、負荷回路や電路の損傷を回避するためものであり、回路に定格電流を安定して流すことができる。
万一、回路に短絡等の異常事態が発生して回路遮断器の遮断機能が働くと、可動電極接点と固定電極接点間にアークが発生する。
発生したアークは、電極間に流れる電流が作る磁界によって駆動されて移動する。アークは固定電極側では、固定電極接点から固定電極側アークランナー導体に転流し、更に消弧室の内部に転流する。一方、可動電極側でも、アークは固定電極側ランナー導体を通って消弧室内部へと転流する。この転流の過程で、それぞれのアークランナー導体上を通る両アークスポット間の距離が次第に大きくなり、その間に発生しているアークが引き延ばされる。
そして、引き延ばされたアークは消弧室内のアークグリッドで分断されて消滅する（特許文献１）。

特開昭６２−３５４２６号公報（第７ページ左上）

しかし従来の遮断器は、開極動作中における可動電極と固定電極側アークランナー導体との距離が単調に大きくなる構造だったので、両接点間に生じたアークが可動電極の先端と固定側ランナー導体間へとスムーズに転流せずに接点間に膠着し、接点の消耗量が多かった。したがって複数回遮断後、両電極を閉じて復帰する場合に、両接点の接圧を確保して安定して電流を流すことが難しいという問題があった。

この発明に係る回路遮断器は、
絶縁容器に収納された、可動電極接点を有する可動電極と、可動電極接点と離合する固定電極接点を有する固定電極と、可動電極と固定電極間を開閉する開閉機構と、可動電極と固定電極の間を流れる電流を監視して開閉機構を制御する電流監視部と、開閉機構による開極時に可動電極接点と固定電極接点の間に発生するアークを消弧する消弧室と、固定電極に接続され、アークを消弧室に誘導する固定電極側アークランナー導体とを備えた回路遮断器において、
固定電極側アークランナー導体上に突出部を設け、
突出部は、開閉機構による開極動作中の所定の時点で、突出部と可動電極との最短距離が、両接点間の距離より小さくなるように配置されているものである。

この発明に係る回路遮断器は、
固定電極側アークランナー導体上に突出部を設け、
突出部は、開閉機構による開極動作中の所定の時点で、突出部と可動電極との最短距離が、両接点間の距離より小さくなるように配置されているものなので、
接点間に膠着するアークを、固定電極側アークランナー導体と可動電極先端近傍に高速に転流させることにより両接点の接点材の消耗量を低減し、複数回の遮断をしても接点の接圧を保持できる。

一般的な回路遮断器の断面図である。 開極からの経過時間と接点間距離等の関係を示すグラフである。 この発明に係る回路遮断器の実施の形態１による可動電極、固定電極、消弧室およびその近傍の断面図である。 この発明に係る回路遮断器の実施の形態１による固定電極、固定電極接点及び固定電極側アークランナーの要部を示す斜視図である。 この発明に係る回路遮断器の実施の形態２による可動電極、固定電極、消弧室およびその近傍の断面図である。 この発明に係る回路遮断器の実施の形態２による接点と突起の近傍を示す斜視図である。 図５、Ａ−Ａ部分で切断した断面図である。 この発明に係る回路遮断器の実施の形態３による可動電極、固定電極、消弧室およびその近傍の断面図である。 この発明に係る回路遮断器の実施の形態３のバリエーションの一つである片持ちバネ構造を示す図である。 この発明に係る回路遮断器の実施の形態４による可動電極、固定電極、消弧室およびその近傍の断面図である。 この発明に係る回路遮断器の実施の形態４のバリエーションの一つである弦巻バネ構造を示す図である。 この発明に係る回路遮断器の実施の形態４のバリエーションの一つである板バネ構造体を示す図である。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１について詳細を説明する前に本発明が属する回路遮断器の一般構成を概説する。
図１は、一般的な回路遮断器の断面図である。
この回路遮断器１は、絶縁物からなる容器の中に、異常電流を検出する電流監視部、異常を検知した場合に回路の開極を指示するリレー部、開極指令を受けて可動電極２を固定電極３から引き離す開閉機構部、両電極間に発生したアーク電流を限流して消弧させる消弧室４などで構成されている。

異常電流が検知されて開閉機構が動作すると、可動電極２に設けられた接点が、固定電極３に設けられた接点から高速に離れるのであるが、両電極の開離と同時に両電極の接点間にアークが発生する。可動電極２が固定電極３から離れる過程で、最初は両電極の接点間に流れていたアーク電流が、固定電極３側では固定電極接点からアークランナー導体８上へ、可動電極２側では可動電極２の接点から可動電極２の先端部２ａ近傍へ転流し、その２点の間にアークが移動する。

図２のグラフＡは、開極開始後の可動電極２と固定電極３の接点間の最短距離の時間依存性を、グラフＢは、開極開始後の可動電極２の表面上のいずれかの点とアークランナー導体８表面上のいずれかの点の間の最短距離の時間依存性を概念的に表したものである。開離からＴ１時間経過した後にグラフＢの距離がグラフＡの距離より短くなる。この時点を本明細書中では転流時点と呼ぶ。転流時点を過ぎると、両電極の接点間に膠着していたアークが固定電極３側ではアークランナー導体８方向に、可動電極２側では同電極の先端２ａ方向に転流する。接点間の距離と、両電極間の最短距離の逆転によって電界強度も逆転するからである。

本発明は、固定電極側アークランナー導体に突起を設けることによりこの転流時点を早めることによって、接点間にアークが膠着する時間を短縮し、電極接点の消耗を低減しようとするものである。

この発明の実施の形態１を図２、図３、図４に基づいて説明する。
本発明による回路遮断器の基本構成は先述した一般的回路遮断器と同様である。
図３は本発明の実施の形態１による回路遮断器の可動電極２０、固定電極３０、消弧室４０およびその近傍の断面図である。
可動電極２０、固定電極３０、消弧室４０は、それぞれ、図１で説明した一般的回路遮断器１の可動電極２、固定電極３、消弧室４に相当する。
図示しないが、閉極している時の可動電極２０は、可動電極２０に設けられている可動電極接点２１が、固定電極３０に設けられている固定電極接点３１に押圧される位置にある。この時、可動電極２０と固定電極３０の電気的導通が確保されている。図３に示すように、固定電極側アークランナー導体８０（以下導体８０という）は、固定電極３０に電気的に接続され、消弧室の壁面に沿ってその内部へと延びている。可動電極側ランナー導体９は可動電極２０上のアークスポットを飛び移らせて、消弧室４０へ誘導するためのものである。
図４は、固定電極３０、固定電極接点３１及び導体８０の要部を示す斜視図である。
導体８０自体がくの字状に曲がっている部分が突出部８１であり、突出部８１上に更に突起８２を設けている。

短絡電流を感知して、図示しない電極開閉機構が開極動作を始めると、可動電極２０は図３に示すように、次第に破線で描かれた位置、太実線の位置、そして細実線の位置へと固定電極３０から離れていく。
可動電極接点２１が固定電極接点３１から離れると、まずこの２つの接点間にアーク１０が発生する。先述したように、突起８２のような突起を設けていない場合、可動電極２０と導体８０との最短距離の方が、両接点間の距離より短くなった時、両接点間に膠着していたアーク１０がアーク１１方向に矢印のように転流する。

ここで、導体８０上に図３及び図４に示すように突起８２を設けると、可動電極２０と導体８０上に設けた突起８２間の距離が、可動電極接点２１と固定電極接点３１との距離より短くなった時、両接点間に膠着していたアーク１０がアーク１１方向に矢印のように転流する。
突起８２によって、それぞれの距離の大小関係の逆転を早め、かつ電界強度を増して、接点間に膠着するアークの転流を促進することができる。突起８２はＡｇＺｎＯ、ＡｇＮｉ等のいわゆる電気接点として使用可能な材料（ここでは電気接点材料と呼ぶことにする）で構成されている。これにより、可動電極２０の先端部と突起８２の消耗を低減できる。
図２を用いてアーク転流時の状況を具体的に説明する。グラフＡ、Ｂは先に説明した突起の無い状態での、時間の経過と、両接点間の距離（グラフＡ）の変化と可動電極２０と導体８０間の距離（グラフＢ）の変化の関係を示している。突起８２が無い状態では、両接点が開離し始めてからＴ１時間経過後に転流時点となるのに対して、突起８２を設けると、グラフＢは途中からグラフＢ’の軌跡を辿りＴ２時間後に転流時点Ｔ２を迎える。

突起の数は１個に限らない。また、アークの走行をよりスムーズにするために、突起８２の、導体８０上を前記アークのアークスポットが移動する方向の両端部は、端に近づくほど、次第に、滑らかに高さが低くなるように整形してある。電界集中によるアークの膠着を防止するためである。

可動電極２０が更に図３に示す細実線の位置まで移動すると、アークによる磁気駆動力を受ける可動電極２０側のアークスポットは、可動電極２０と電気的に接続されている可動電極側アークランナー導体９に飛び移る。同様に磁気駆動力を受けて、導体８０上のアークスポットも消弧室４０方向に進む。両アークスポットの間隔が広がることにより引き延ばされたアークは、アーク１４に示すようにアークグリッド４５を構成する複数の金属板によって分断、冷却されて限流し、次第に消弧する。
このように、本実施の形態によれば、接点間に膠着するアークを、固定電極側アークランナー導体８０と可動電極２０先端近傍に早期に転流させることにより両接点の接点材の蒸発による消耗量を低減することが可能となる。さらに、回路遮断器が接続されたラインや、これに接続された他の回路遮断器および負荷等への過電流による負担を軽減することができ、複数回の遮断に耐える構造となる。
また、突起８２に電気接点材料を使用しているのでアーク転流先である突起８２の消耗を緩和でき、複数回の遮断に更に良く耐える構造となる。
また、アークの転流を早めることにより、アークを早期にアークグリッド４５に到達させることができる。更に、早期にアークの限流を開始し、早期に電流を遮断できる。このように、限流性能を向上できればアークグリッド４５の体積を小さくすることができるので、同一容量の製品であれば省エネルギーで安全性の高い小型化した回路遮断器を提供できる。

可動電極２０先端部分もアークスポットが膠着しやすい場所であるため、この部分を上述の電気接点材料で構成することも有効であり、本実施の形態の一つのバリエーションである。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２を図２，図５、図６に基づいて説明する。
回路遮断器の基本構成、動作は実施の形態１と同様であるので異なる部分を中心に説明する。
図５はこの実施の形態による回路遮断器の可動電極２０、固定電極３０、消弧室４０およびその近傍の断面図である。
図６は導体８０と固定電極接点３１及び突起８３の近傍を示す斜視図である。
図７は可動電極２０と導体８０、突起８３をＡ−Ａ部分で切断した断面図である。

実施の形態１と、この実施の形態との違いは突起８３の位置と構造である。
図６に示すように、この実施の形態では、突起８３をアーク進行方向、接点の近傍に設けている。突起８３は導体８０の両側縁上に平行に２箇所ある。
図５に示すように、両電極が閉極している時、可動電極２０の可動電極接点２１より先端側に存在する部分の一部は、この二つの突起８３の間に挟まれていて、突起８３の固定電極接点３１側端部が、可動電極２０の先端部より、固定電極接点３１側に存在する。
異常電流あるいは短絡電流を検知して開閉機構が開極動作を開始すると、両接点は開離を始める。

図７に示すように突起８３と可動電極２０との間の距離ｄは、可動電極２０が突起８３の高さ以上に開離して初めて増加する。
接点が圧接されている状態での、可動電極２０と導体８０との間の隙間の高さをｈ１、突起８３の高さの最大値をｈ２、可動電極２０と突起８３との間の距離をｄとするとき、ｄをｈ２−ｈ１より小となるように設定しておく。
図７では、説明の便宜上、断面四角形の可動電極２０と突起８３が描かれているが、それぞれの形状はどのような形でも良い。この場合、ｄおよびｈ１のそれぞれの値は、可動電極２０が突起８３に挟まれている部分での最小値として計算すればよい。
両接点が開離し、両接点間の距離がｈ２−ｈ１となると、可動電極２０の底面は、概ね導体８０から突起８３の高さｈ２まで離れる。この位置までは、可動電極２０と突起８３の間の距離はｄで一定なので、可動電極２０がこの位置を越えて開離するまでの間に必ず可動電極２０の先端近傍と突起８３の間の距離の方が両接点間の距離より小さくなる。
この時、接点間に膠着していたアークが可動電極２０と突起８３間に転流することになる。

図２、グラフＣはこの実施の形態における、突起８３と可動電極２０との間の距離の時間依存性を示すグラフである。
グラフＣでは、可動電極２０が突起８３の高さを越えて開離するまでの間、可動電極２０と突起８３の間の距離はｄとなり一定の値を取る。そして、可動電極２０が突起８３の高さを越えて開離すると、グラフＣは両接点間の距離の変化を示すグラフＡと概略平行となる。
このようにｄが一定の値を保つ間に、グラフＣとグラフＡが交差する（転流時点Ｔ３を迎える）ようにすれば良いことになる。

転流後のアークの動きは実施の形態１の場合と同様であって、アークは磁気駆動力を受けて消弧室４０へ向かうことになる。

この実施の形態でも固定電極側アークランナー導体８０は、くの字型の突出部８１を有している。また、突起８３を利用してアークの転流時点を早めるという基本的効果は実施の形態１と同じであるが、突出部８１と突起８３の２カ所でアークの転流を促進し、実施の形態１より早い時期にアークを転流させることができるので、接点間にアークが膠着する時間をより短縮することができる。
また、上の説明では突起８３を２個並列して設けた例を使用したが、突起８３はどちらか片方だけでも同じ効果がある。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３を図８、図９に基づいて説明する。
なお、図８は、この実施の形態による回路遮断器の可動電極２０、固定電極３０、消弧室４０およびその近傍の断面図である。
固定電極側アークランナー導体１８０（以下導体１８０という）には弾性も持たせてあり、裏面からバネ５１で付圧されて突出部１８１を形成している。
バネ５１によって付圧することにより、突出部１８１が形成されているので実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
この実施の形態３では、開極時に可動電極２０を導体１８０の突出部１８１に接触させることにより、アークの転流を確実なものとすることができる。
バネの形状は図８に示すようにアーチ状のものであって、両脚部を固定されたものであっても良いし、図９に示すような片持ちのバネでも良い。
導体１８０を支持でき、可動電極２０が導体１８０に接触したときの衝撃を吸収し、導体１８０を元の位置に復元できるものであれば良い。

実施の形態４．
この発明の実施の形態４を図１０、図１１、図１２に基づいて説明する。
図１０は、この実施の形態による回路遮断器の可動電極２０、固定電極３０、消弧室４０およびその近傍の断面図である。
固定電極側アークランナー導体２８０（以下導体２８０という）には弾性があり、先端部に突出部２８１を設けている。導体２８０の端部は、可撓性導体である網状のシャント１６で固定電極１３０に接続されている。導体２８０そのものの弾性で突出部２８１を突き出すことによって、実施の形態１と同様に接点間の距離と突出部２８１と可動電極２０間との距離の大小関係の転換を早めることができる。
可動電極２０の先端が導体２８０の先端に接触すると可撓性導体である網状のシャント１６が柔軟に曲がり、固定電極２０が接触後に開離すると導体２８０は元の位置に戻る。
図１１および図１２はこの実施の形態のバリエーションを示すものでる。
図１１では図１０の網状のシャント１６に代えて、弦巻バネ１７を使用している。弦巻バネ１６の太さは、流れる電流の容量に合わせて決定すればよい。
図１２では図１０の網状のシャント１６に代えて、断面積の大きな板バネを複数枚重ねた板バネ構造体１８を利用している。
これらの構造によれば、実施の形態１や実施の形態２と同様の効果がある。
また、実施の形態１と同様に導体２８０の突出部２８１や可動電極２０の先端近傍など、アークの膠着しやすい場所を電気接点材料とすることで各部の耐久性を向上できる。

以上に説明した各実施の形態の構成はそれぞれに限定されるものではなく、例えば、実施の形態３及び４で説明した、弾性を有する固定電極側アークランナー導体の突出部に、更に突起を設ける等、各実施の形態で説明した構成要素を組み合わせても良いことは言うまでもない。

１ 回路遮断器、２０ 可動電極、２１ 可動電極接点、３０，１３０ 固定電極、
３１ 固定電極接点、８０，１８０，２８０ 固定電極側アークランナー導体、
８１，１８１，２８１ 突出部、８２，８３ 突起、
９ 可動電極側アークランナー導体、１０，１１，１２，１３，１４ アーク、
１６ シャント、１７ 弦巻バネ、１８ 板バネ構造体、４０ 消弧室、
４５ アークグリッド、５１，５２ バネ。

Claims (11)

1. 絶縁容器に収納された、可動電極接点を有する可動電極と、前記可動電極接点と離合する固定電極接点を有する固定電極と、前記可動電極と前記固定電極間を開閉する開閉機構と、前記可動電極と前記固定電極の間を流れる電流を監視して前記開閉機構を制御する電流監視部と、前記開閉機構による開極時に前記可動電極接点と前記固定電極接点の間に発生するアークを消弧する消弧室と、前記固定電極に接続され、前記アークを前記消弧室に誘導する固定電極側アークランナー導体とを備えた回路遮断器において、
   前記固定電極側アークランナー導体上に突出部を設け、
   前記突出部は、前記開閉機構による開極動作中の所定の時点で、前記突出部と前記可動電極との最短距離が、両接点間の距離より小さくなるように配置されていることを特徴とする回路遮断器。
2. 前記突出部上に更に突起を設けたことを特徴とする請求項１に記載の回路遮断器。
3. 前記突出部は、前記固定電極側アークランナー導体上を前記アークのアークスポットが移動する方向と平行に、前記固定電極側アークランナー導体の、前記可動電極側の面上に設けた突起であることを特徴とする請求項１に記載の回路遮断器。
4. 前記突起は、前記固定電極側アークランナー導体の縁上に設けたことを特徴とする請求項３に記載の回路遮断器。
5. 閉極時において、前記突起の前記固定電極接点側の端部が、前記可動電極の先端部より、前記固定電極接点側に存在し、
   前記突起と前記可動電極間の距離の最小値は、前記突起の高さの最大値から、前記可動電極のうち前記突起の前記固定電極接点側の端部より前記アーク走行方向側に存在する部分と前記固定電極側アークランナー導体との間の隙間の最小値を引いた値より小であることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の回路遮断器。
6. 前記突起の、前記固定電極側アークランナー導体上を前記アークのアークスポットが移動する方向の両端部は、前記突起の端に向けて滑らかに高さが低くなることを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれか１項に記載の回路遮断器。
7. 前記固定電極側アークランナー導体は弾性を有し、前記可動電極は開極動作中に前記突出部に接触することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回路遮断器。
8. 前記固定電極側アークランナー導体は裏面から弾性体で付圧されて前記突出部を形成することを特徴とする請求項７に記載の回路遮断器。
9. 前記固定電極と前記固定電極側アークランナー導体とは伸縮する電導体で接続されていることを特徴とする請求項７乃至請求項８のいずれか１項に記載の回路遮断器。
10. 前記突出部は電気接点材料からなる請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の回路遮断器。
11. 前記可動電極の先端部は電気接点材料からなる請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の回路遮断器。

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