JP2015079664A - 回路遮断器 - Google Patents

Abstract

【課題】アーク駆動用永久磁石の配置位置，およびその着磁方向を工夫することにより、主回路に流れる電流の方向に制約されることなく、小電流領域における電流を限流遮断できるように改良した回路遮断器を提供する。
【解決手段】固定接点２ａを備えた固定接触子２と、前記固定接点に対向する可動接点３ａを備えた可動接触子３と、該可動接触子３の開極移動経路に沿ってその前方に消弧グリッド１０を備えた回路遮断器において、固定接触子２，可動接触子３の少なくとも一方に対し、その接触子の接点位置に合わせて接点取付け面と反対側にアーク駆動用の永久磁石１４を配置し、該永久磁石１４はその着磁方向を前記接点の開極方向に向けて軸方向に着磁する。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流電源システムなどに適用する配線用遮断器，漏電遮断器を対象とする回路遮断器に関する。

周知のように、頭記の回路遮断器は、回路に短絡事故が発生して短絡電流が流れた際に、回路遮断器の電流検知装置が開閉機構をトリップ動作させて接点を開極し、可動接点，固定接点間に発生したアークをデアイオン式消弧室の消弧グリッドに駆動して電流を遮断するようにしている。

一方、交流回路では電流ゼロ点が周期的に存在するので比較的容易に電流を限流遮断することが可能であるが、直流回路では電流ゼロ点が存在しないために、直流回路に適用する回路遮断器では、接点間に発生したアークを前記消弧室の消弧グリッドに伸長駆動し、過渡的にアーク電圧を電源電圧以上に高めて電流を限流遮断させる技術が必要となる。

この場合に、短絡電流のような大電流領域では、アークに流れる電流とアーク電流自身の通電により生成する磁界との相互作用によるローレンツ力でアークを消弧グリッドに向けて電磁駆動させることができるので特に問題はないが、小電流領域の電流遮断ではアークを消弧グリッドに向けて誘導する前記のローレンツ力が小さくてアークを充分に伸長できず、このために限流遮断機能が不安定となる。

そこで、従来の回路遮断器では、可動接触子の開極経路を挟んでその両側に永久磁石を対向配置し、その永久磁石の磁界とアークに流れる電流との相互作用によるローレンツ力でアークを消弧グリッドに向けて強制駆動させるようにした方式の消弧装置が採用されている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。

次に、特許文献１に開示された回路遮断器（配線用遮断器）の構成、および永久磁石によるアークの伸長駆動動作を図５〜図７で説明する。
まず、図５，図６において、１は回路遮断器の本体ケース（モールド樹脂ケース）、２は電源側の主回路端子と一体化した固定接触子、２ａは固定接点、３は可動接触子、３ａは可動接点、４は可動接触子３のホルダ、５は前記ホルダ４に連繋した開閉機構、６は操作ハンドル、７は過電流引外し装置、８はトリップクロスバー、９は可動接触子３の開極移動経路に沿って電源側に配置した消弧室、１０は上下段に並べて消弧室９のケース側壁間に配置した磁性板からなるＵ字（もしくはＶ字）形状の消弧グリッド、１１は負荷側の主回路端子である。

また、前記消弧室９の入口側（接点側）には、可動接触子３の開極移動経路を挟んでその左右両側に一対の永久磁石１２を対向配置し、該永久磁石１２はアブレーション効果を有する細隙絶縁板を兼ねた樹脂製の磁石ホルダ１３に保持して消弧室９の内方に組み込まれている。ここで、前記永久磁石１２は図７（ｂ）のように、可動接触子３を挟んでＮ極とＳ極が対向するように着磁された板状の永久磁石である。

上記回路遮断器による電流遮断動作は特許文献１にも詳しく述べられており、主回路に過電流が流れると、固定接触子２と可動接触子３との間に働く電磁反発力により可動接触子３が開極方向に駆動されて可動接点３ａが固定接点２ａから開離し始めるとともに、過電流引外し装置７の動作により開閉機構５がトリップして可動接触子３を開極終端位置に向けて開極駆動する。

この場合に、短絡電流のような大電流領域の電流では、可動接触子３の開極動作に伴い固定接点２ａと可動接点３ａの間に発弧，伸長したアークａｒｃは、アーク自身の通電電流により発生して消弧グリッド（磁性板）１０を通る偏倚磁束との相互作用による電磁駆動力（ローレンツ力）、および遮断空間に発生したアークガスの圧力を受けて消弧室９に向け駆動され、消弧グリッド１０ａの間に押し込まれる。これにより、アークは上下段に並ぶ消弧グリッド１０の間に分断され、陰極，陽極電圧降下と冷却が加わって電流が限流遮断される。

一方、小電流領域の電流遮断では、前記したアーク電流とアーク電流自身の通電による磁界との間に作用するローレンツ力が小さく、このままではアークを消弧室９の消弧グリッド１０まで誘導できずに限流遮断機能が不安定になるが、図示構造のように可動接触子３の開極移動経路を挟んでその左右両側に対向する永久磁石１２を追加配置することにより、アークに作用する電磁駆動力（ローレンツ力）を増強してアークを消弧グリッド１０に向け伸長駆動し、アーク電圧を上げて電流を限流遮断することができる。

すなわち、図７（ａ），（ｂ）において、固定接点２ａ，可動接点３ａの間に発弧したアークａｒｃには、永久磁石１２の間に分布する磁力線φの作用により矢印方向にローレンツ力Ｆ（フレミング左手の法則）が加わり、これによりアークは消弧グリッド１０に向けて押込み駆動される。

特開２０１２−２４３６５９号公報

森合 浩，「直流高圧用ブレーカの遮断技術」，富士時報，富士電機株式会社，平成２４年３月発行，第８５巻 第２号，ｐ．１５８−１６３

ところで、先記した従来構造の回路遮断器は、例えば太陽光発電システム，無停電システムなどの直流電源システムに組み込まれた蓄電池の充放電回路のように、電流が双方向に流れる直流回路に適用するには次記のよう解決すべき課題がある。

すなわち、図５〜図７に示した従来の回路遮断器では、その消弧室９の内部に組み込んだ永久磁石１２により生成する外部磁界の向きは、回路電流が固定接触子２から可動接触子３に向けて流れている条件で、固定接点２ａと可動接点３ａとの間に発生したアークを消弧グリッド１０に向けて伸長駆動するように定めている。

このために、先記した直流電源システムにおける蓄電池の充放電回路のように、回路遮断器に流れる電流が図７とは逆に可動接触子３から固定接触子２に向けて流れる通電状態では、遮断動作時に固定接点と可動接点の間に発弧したアークが消弧室９と反対方向に向けて駆動され、このために消弧グリッド１０による消弧機能が発揮されなくなって限流遮断性が不安定になるほか、高温アークが開閉機構などの構造物に触れて破損を引き起こすおそれもある。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、遮断部に配置したアーク駆動用の永久磁石の配置，およびその着磁方向を工夫することにより、前記課題を解消して主回路に流れる直流電流の通電方向に制約されることなく、小電流領域における電流を限流遮断できるように改良した回路遮断器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によれば、固定接点を備えた固定接触子と、前記固定接点に対向する可動接点を備えた可動接触子と、該可動接触子の開極移動経路に沿って配置された消弧グリッドとを備えた回路遮断器において、
前記固定接触子，可動接触子の少なくとも一方に対し、その接触子の接点位置に合わせて接点取付け面と反対側にアーク駆動用の永久磁石を配置し、該永久磁石はその着磁方向が前記可動接点の開極方向となるように着磁する（請求項１）。

また、前記構成の実施態様として、固定接触子，および可動接触子の双方の接触子に対し、その接点の取付け面と反対側にそれぞれ永久磁石を配置する（請求項２）。

上記構成によれば、接点間に発生したアークはスパイラル状に伸長するので、小電流領域における電流を確実に限流遮断することができる。

本発明の実施例による回路遮断器の主要部構造、および小電流領域の電流遮断時におけるアークの挙動を模式的に表した図である。 図１における永久磁石の機能説明図であって、（ａ）は側方から見た永久磁石の磁界分布図、（ｂ）は永久磁石の放射状磁界によりアークに作用する周方向のローレンツ力を表す図である。 図１と通電方向が逆である小電流領域の電流遮断時におけるアークの挙動を模式的に表した図である。 永久磁石を固定接触子，および可動接触子の双方側に配置した実施例の磁界分布、および小電流領域の電流遮断時におけるアーク伸長の様子を模式的に表した図である。 従来における永久磁石を設けた回路遮断器の内部構造を表す側視図である。 図５の回路遮断器における内部機構の俯瞰図である。 図５における電流遮断部の構造、および小電流領域の電流遮断時におけるアークの挙動を模式的に表した図であって、（ａ）は側視図、（ｂ）は（ａ）の上面図である。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図４に示す実施例に基づいて説明する。なお、各実施例において、図７に対応する同一部材には同じ符号を付してその説明は省略する。

まず、アーク駆動用の永久磁石を固定接触子の背面側に配置した実施例１について、その電流遮断部の構造、および小電流領域での電流遮断時に固定接点と可動接点の間に発弧したアークの挙動を図１〜図４に基づいて説明する。

すなわち、図示実施例の電流遮断部における固定接触子２，可動接触子３，および消弧グリッド１０の配置は図７と同様であるが、固定接触子２に対してはその固定接点２ａの位置に合わせて固定接点２ａの取付け面と反対の背面側にアーク駆動用の永久磁石１４を配置しており、この永久磁石１４の着磁方向は図示のように可動接極子２と直交する方向、すなわち可動接点３ａの開極方向（開極した可動接点３ａと固定接点２ａを結ぶ方向）となるようにＮ極，Ｓ極が永久磁石１４の厚さ方向に着磁されている。

この永久磁石１４により形成される外部磁界は、図２（ａ）で示すようにＮ極からＳ極に向けて磁石の周域に磁力線φが放射状に分布している。そして、図１に示した可動接触子３の開極動作により固定接点２ａと可動接点３ａとの間にアークａｒｃ（アーク電流：Ｉ）が発弧すると、このアークには永久磁石１４の放射状磁界によるローレンツ力Ｆが作用し、図２（ｂ）で表すようにアークは周方向に駆動される。これにより、接点の開極動作進行（経時的に開極距離が拡大）につれて固定接点２ａと可動接点３ａの間に伸長したアークは、図１の図中に表すようにスパイラルループを描くように伸長するようになる。なお、このようにスパイラル状に伸長するアーク挙動の様子は、ハイスピードカメラの撮影によっても検証されている。

上記のように固定，可動接点間に発生したアークがスパイラル状に伸長すると、アークの実効長は固定，可動接点間の開極距離（直線距離）に対して２倍もしくはそれ以上に引き延ばされてアーク電圧が急激に上昇し、これにより小電流領域の電流が確実に限流遮断されるようになる。

なお、スパイラル状に伸長したアークのループ径はアーク電流と永久磁石による外部磁界の強度に関係し、この磁界強度が高いほどループ径も大きくなる。これにより、図１の消弧室内に配した細隙絶縁板１３にアークが接触し、そのアブレーション効果も加わってアークを早期に消弧できる。また、消弧室内に配した細隙絶縁板１３を取り外してスパイラル状に広がったアークのループが平面Ｕ字形の消弧グリッド１０の左右脚片部に直接触れるようにしてもよく、これにより小電流領域の電流遮断時でも消弧グリッド１０の作用によるアーク分断，冷却の消弧機能が期待できる。

一方、図１は直流の回路電流が固定接触子２から可動接触子３に向けて流れている場合の小電流領域の限流遮断について述べたが、主回路電流が可動接触子３から固定接触子２に向けて流れている場合でも同様であり、この通電方向に対応するアークの伸長，挙動を図３に示す。すなわち、図３のように、電流Ｉが可動接触子３から固定接触子２に向けて流れている場合に可動接触子３が開極すると、固定接点２ａと可動接点３ａの間に発生したアークは永久磁石１４の放射状磁界の作用により、図１と逆方向に回転駆動してスパイラル状に伸長されるようになるが、アークには図１で述べたと同様な限流効果が働いて小電流領域の電流を効果的に限流遮断することかできる。これにより、回路遮断器を先記した直流電源システムにおける蓄電池の充放電回路のように双方向に直流が通電される回路にも適用可能である。なお、本実施例では、永久磁石１４を固定接点２ａの裏側に配置したが、可動接点３ａの裏側に配置して可動接極子３に取り付けるようにしてもよい。

次に本発明の請求項２に対応する実施例２の構成，動作を図４で説明する。すなわち、この実施例２においては、先記した実施例１の構造に追加して可動接触子３の背面側にも永久磁石１５を配置している。なお、図示例では永久磁石１５を可動接触子３の開極終端位置に対応して本体ケース１の凹部に配置している。

そして、図示例では永久磁石１５の着磁方向を固定接触子２の背面側に配置した永久磁石１４と同極（図示例ではＮ極）が対向するように定めておき、接点の開極経路全域に放射状の外部磁界を形成するようにしている。

これにより、先記実施例１と比べて永久磁石１４と１５による放射状の磁界領域を拡大し、電流遮断時に可動接触子３の開極終端位置に至るまでアークをスパイラル状に回転駆動することができて電流の限流遮断機能をより一層高めることかできる。

なお、実施例１，実施例２において、永久磁石１４，１５としては、フェライト磁石，あるいはネオジム磁石を用いることができる。
以上述べたように、実施例１，実施例２の実施形態によれば、着磁方向が可動接点の開極方向となるように着磁して固定接極子２，ないし可動接触子３の接点取付け面と反対側に配置した永久磁石１４，１５により可動接点３ａの開極経路に形成された放射状の外部磁界φにより、電流遮断時の開極動作で固定接点２ａと可動接点３ａの間に発生したアークには周方向にローレンツ力Ｆ（図２（ｂ）参照）が作用する。

この場合に短絡電流のような大電流領域では、アーク自身の通電磁界により作用するローレンツ力を受けてアークは消弧室の消弧グリッドに向け伸長駆動されるが、小電流領域では前記永久磁石１４，１５の磁界によるローレンツ力Ｆがアーク自身の通電磁界により作用する駆動力より勝るため、アークはこの永久磁石１４，１５の放射状磁界φによるローレンツ力Ｆを受けて固定接点２ａと可動接点３ａとの間の開極経路に沿ってスパイラル状に伸長されるようになる。

そして、固定接点２ａと可動接点３ａの間に発生したアークがスパイラル状に伸長されると、そのアークの実効長は固定接点２ａと可動接点３ａとの間の開極距離（直線距離）の２倍ないしそれ以上に伸長する。これにより、アーク電圧が急激に上昇して電流を短時間で限流遮断できる。

また、この場合に回路遮断器に流れる主回路電流の向きが逆になっても、永久磁石１４，１５の放射状磁界φによってアークに作用するローレンツ力Ｆの向きが反転してアークをスパイラル状に伸長する駆動方向が逆向きになるものの、前記と同じようにスパイラル状に伸長されたアークの実効長が固定，可動接点間の開極距離以上に引き延ばされてアーク電圧が急激に上昇するので、主回路電流の通電方向に制約されることなく双方向に通電する小電流領域の電流を確実に限流遮断することができる。

しかも、永久磁石１４，１５は固定接触子２，可動接極子３の接点２ａ，３ａと反対の背面側に配置しているので、固定，可動接点間に発生したアークに直接曝されることがなく、これにより特許文献１，２のように永久磁石を絶縁物のホルダで覆ってアークから遮熱保護する必要なしに、永久磁石の過渡な温度上昇に起因する磁気特性劣化の防止が図れる。

なお、永久磁石は、実施例１（図１参照）のように固定接触子２，可動接触子３のいずれか一方側に配置するほか、実施例２（図４参照）のように固定接触子２，および可動接触子３の双方に永久磁石１４，１５を配置して実施することもでき、これにより永久磁石の磁界を可動接点３ａの開極経路全域に亙り有効に作用させて小電流領域の限流遮断機能をより一層高めることができる。

１ 回路遮断器の本体ケース
２ 固定接触子
２ａ 固定接点
３ 可動接触子
３ａ 可動接点
１０ 消弧グリッド
１４，１５ 永久磁石
ａｒｃ アーク
φ 永久磁石磁界の磁力線
Ｉ 電流
Ｆ ローレンツ力

Claims (2)

1. 固定接点を備えた固定接触子と、前記固定接点に対向する可動接点を備えた可動接触子と、該可動接触子の開極移動経路に沿って配置された消弧グリッドとを備えた回路遮断器において、
   前記固定接触子，可動接触子の少なくとも一方に対し、その接触子の接点位置に合わせて接点取付け面と反対側にアーク駆動用の永久磁石を配置し、該永久磁石はその着磁方向が前記可動接点の開極方向となるように着磁したことを特徴とする回路遮断器。
2. 請求項１に記載の回路遮断器において、固定接触子，および可動接触子の双方の接触子に対し、その接点の取付け面と反対側にそれぞれ永久磁石を配置したことを特徴とする回路遮断器。