JP2023074076A - 回路遮断器 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のヒューズ素子を備える回路遮断器であって、従来に比べて高い信頼性を備える回路遮断器を提供する。【解決手段】回路遮断器１００は、不導体片２１１を有する第１のヒューズ素子２１ａと、前記第１のヒューズ素子２１ａに対し並列に接続され、かつ互いに直列に接続される第２のヒューズ素子２１ｂおよびスイッチ２２ａと、を備え、前記不導体片２１１の燃焼により発生するガスＧＡＳの圧力によって前記スイッチ２２ａが投入されるよう構成する。【選択図】図１

Description

本開示は、回路における地絡事故または短絡事故の際に流れる事故電流を遮断して回路を保護する、回路遮断器に関する。

一例として直流配電系統では、地絡事故または短絡事故の際に流れる事故電流を遮断する回路遮断器として、事故電流を高速で遮断するヒューズが用いられる。ヒューズを用いた回路遮断器の課題は、事故電流の遮断動作に伴いヒューズ内の金属導体が溶断するため、遮断動作が１回限りということである。

特許文献１には、主ヒューズと予備ヒューズとが並列に配置され、予備ヒューズには電極間に不導体片と抵抗体とが設けられたダブルヒューズカットアウトスイッチについて開示されている。事故電流が発生した際、主ヒューズ内の金属導体が事故電流によって溶断し、予備ヒューズの方に電流が移行すると、予備ヒューズ内の抵抗体の発熱により不導体片が燃焼する。これにより、ダブルヒューズカットアウトスイッチは、予備ヒューズに再閉路させる移行素子として機能し、複数回（この場合は２回）の遮断動作を可能とする。

実公昭５３－０３１９３６号公報

特許文献１に開示されているダブルヒューズカットアウトスイッチは、予備ヒューズ内の抵抗体の抵抗値を大きくすることで、事故電流発生前は主ヒューズに電流が流れ、予備ヒューズに電流が流れないようにしている。しかし、抵抗体の抵抗値が大きいと、事故電流が発生しても抵抗体が燃焼しない可能性があり、予備ヒューズに再閉路させることができなくなる可能性がある。少なくとも、事故電流が発生してから予備ヒューズに再閉路させるまでの時間が抵抗体の抵抗値に依存するため、時間を制御しづらく、動作の信頼性が課題となる。

本開示は、上述の課題を解決するためになされたもので、従来に比べて高い信頼性を備える回路遮断器を提供することを目的とする。

本開示に係る回路遮断器は、不導体片を有する第１のヒューズ素子と、前記第１のヒューズ素子に対し並列に接続され、かつ互いに直列に接続される第２のヒューズ素子およびスイッチと、を備え、前記不導体片の燃焼により発生するガスの圧力によって前記スイッチが投入されるよう構成する。

本開示によれば、回路遮断器は、第１のヒューズ素子内の不導体片の燃焼により発生するガスの圧力によってスイッチが投入され、第２のヒューズ素子に再閉路させるため、従来に比べて高い信頼性を備えることができる。

実施の形態１から３における回路遮断器の構成図の一例である。 実施の形態１から３における回路遮断器の動作を説明する構成図の一例である。 実施の形態１から３における回路遮断器の構成図の別の一例である。 実施の形態１から３における回路遮断器の動作を説明する構成図の別の一例である。 実施の形態１から３における限流ユニットの斜視図の一例である。 実施の形態１から３における限流ユニットの斜視図の別の一例である。 実施の形態１における事故電流発生前のヒューズユニットの断面図の一例である。 実施の形態１における事故電流発生後のヒューズユニットの断面図の一例である。 実施の形態１におけるスイッチ投入時のヒューズユニットの断面図の一例である。 実施の形態２における事故電流発生前のヒューズユニットの断面図の一例である。 実施の形態２における事故電流発生後のヒューズユニットの断面図の一例である。 実施の形態３における事故電流発生前のヒューズユニットの断面図の一例である。

以下、図面を参照しながら本開示の実施の形態における回路遮断器１００について説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１における回路遮断器１００の構成図の一例である。図１に示すように、回路遮断器１００は、開閉器１と、限流ユニット２とを備える。

開閉器１は、限流ユニット２内の第１のヒューズ素子２１ａと電気的に接続され、回路の開閉を行う。

限流ユニット２は、第１のヒューズ素子２１ａと、第２のヒューズ素子２１ｂと、スイッチ２２ａとを備える。

第１のヒューズ素子２１ａは、不導体片２１１を有する。不導体片２１１については、後に図７から図９を用いて説明する。

第２のヒューズ素子２１ｂは、第１のヒューズ素子２１ａに対し並列に接続される。すなわち、端子２３ａと端子３３ａとが接続される。図１に示すように、２つのヒューズ素子で構成される場合には、第２のヒューズ素子２１ｂは、第１のヒューズ素子２１ａと同じ構成としてもよいし、第１のヒューズ素子２１ａと異なる構成としてもよい。すなわち、第２のヒューズ素子２１ｂは、不導体片２１１を有していてもよいし、有していなくてもよい。第２のヒューズ素子２１ｂが不導体片２１１を必要とするか否かは、スイッチ２２ｂに第２のヒューズ素子２１ｂとは別のヒューズ素子が接続されるか否かによって決まる。

スイッチ２２ａは、第２のヒューズ素子２１ｂに対し直列に接続される。すなわち、端子３４ａと端子２５ａとが接続される。スイッチ２２ａは、第２のヒューズ素子２１ｂと共に、第１のヒューズ素子２１ａに対し並列に接続される。事故電流が発生した場合、不導体片２１１の燃焼により発生するガスの圧力によってスイッチ２２ａが投入される。スイッチ２２ａが投入される原理については、後に図７から図９を用いて説明する。

図２は、実施の形態１における回路遮断器１００の動作を説明する構成図の一例であり、図１における回路遮断器１００の動作を説明する構成図に相当する。図２（ａ）は、事故電流発生前の回路遮断器１００の動作を説明する構成図である。図２（ｂ）は、事故電流発生後にスイッチ２２ａが投入された時の回路遮断器１００の動作を説明する構成図である。

図２（ａ）に示すように、事故電流発生前は電流ＣＵＲが開閉器１と第１のヒューズ素子２１ａとを流れる。

事故電流が発生すると、第１のヒューズ素子２１ａが過電流を検知し、第１のヒューズ素子２１ａ内の導体薄板部２１５が破断することで、事故電流が遮断される。同時に、図示しない手段により、開閉器１が開極されてＯＦＦ状態となる。

第１のヒューズ素子２１ａの遮断動作からある程度の時間が経過すると、図２（ｂ）に示すように、スイッチ２２ａが投入される。スイッチ２２ａが投入されると、図示しない手段により、開閉器１が閉極されてＯＮ状態となる。これにより、電流ＣＵＲが開閉器１と第２のヒューズ素子２１ｂとを流れる。

なお、必ずしも開閉器１が制御される必要は無い。特に、開閉器１が開極される理由として、スイッチ２２ａが投入された時に事故電流が第２のヒューズ素子２１ｂを流れるのを確実に防ぐことが挙げられる。しかし、後に図７から図９を用いて説明するように、第１のヒューズ素子２１ａの遮断動作からある程度の時間が経過してからスイッチ２２ａが投入される。すなわち、事故電流から回復するまでの時間が確保される。以降、開閉器１の動作については言及しない。

図１に示す回路遮断器１００は、複数のヒューズ素子を備える最小構成であるが、第１のヒューズ素子２１ａの遮断動作後にスイッチ２２ａが投入され、第２のヒューズ素子２１ｂが再閉路される構成であれば、図１に限定されない。

図３は、実施の形態１における回路遮断器１００の構成図の別の一例である。図３に示すように、回路遮断器１００は、開閉器１と、限流ユニット２とを備える。図３における開閉器１は、図１における開閉器１と同じであるため、説明を省略する。

限流ユニット２は、ヒューズユニット２０ａ，２０ｂ，２０ｃを備える。ヒューズユニット２０ａは、第１のヒューズ素子２１ａとスイッチ２２ａとを備える。ヒューズユニット２０ｂは、第２のヒューズ素子２１ｂとスイッチ２２ｂとを備える。ヒューズユニット２０ｃは、第３のヒューズ素子２１ｃとスイッチ２２ｃとを備える。

図３において、ヒューズユニット２０ａ，２０ｂ，２０ｃはいずれも同一の構成となっている。しかし、ヒューズユニット２０ｃにおいて、スイッチ２２ｃを備えていなくてもよい。また、図１とは異なり、第２のヒューズ素子２１ｂは、不導体片２１１を有する。但し、第３のヒューズ素子２１ｃは、不導体片２１１を有していても有していなくてもよい。以降、ヒューズユニット２０ａ，２０ｂ，２０ｃはいずれも同一の構成であるとし、第３のヒューズ素子２１ｃは不導体片２１１を有するものとして説明する。なお、限流ユニット２はヒューズユニットを２つ以上備えていればよく、数量は限定されない。

図４は、実施の形態１における回路遮断器１００の動作を説明する構成図の別の一例であり、図３における回路遮断器１００の動作を説明する構成図に相当する。図４（ａ）は、事故電流発生前の回路遮断器１００の動作を説明する構成図である。図４（ｂ）は、１回目の事故電流発生後にスイッチ２２ａが投入された時の回路遮断器１００の動作を説明する構成図である。図４（ｃ）は、２回目の事故電流発生後にスイッチ２２ｂが投入された時の回路遮断器１００の動作を説明する構成図である。

図４（ａ）に示すように、事故電流発生前は電流ＣＵＲが第１のヒューズ素子２１ａを流れる。

１回目の事故電流が発生すると、第１のヒューズ素子２１ａ内の導体薄板部２１５が破断することで、事故電流が遮断される。

第１のヒューズ素子２１ａの遮断動作からある程度の時間が経過すると、図４（ｂ）に示すように、スイッチ２２ａが投入される。スイッチ２２ａが投入されると、電流ＣＵＲが第２のヒューズ素子２１ｂを流れる。

２回目の事故電流が発生すると、第２のヒューズ素子２１ｂ内の導体薄板部２１５が破断することで、事故電流が遮断される。

第２のヒューズ素子２１ｂの遮断動作からある程度の時間が経過すると、図４（ｃ）に示すように、スイッチ２２ｂが投入される。スイッチ２２ｂが投入されると、電流ＣＵＲが第３のヒューズ素子２１ｃを流れる。

図５および図６は、実施の形態１における限流ユニット２の斜視図の一例である。限流ユニット２は、更に接続導体２６，２７を備える。接続導体２６は、端子２３ａ，２３ｂ，２３ｃを電気的に接続する。接続導体２７は、端子２５ａ，２４ｂを電気的に接続し、端子２５ｂ，２４ｃを電気的に接続する。なお、スイッチ２２ａ，２２ｂ，２２ｃは図５および図６に図示されていないが、それぞれヒューズユニット２０ａ，２０ｂ，２０ｃの内部に組み込まれている。

次に、図７から図９を用いて、スイッチ２２ａ，２２ｂ，２２ｃが投入される原理を説明する。以下、ヒューズユニット２０ａ，２０ｂ，２０ｃを区別せずに示す時は、ヒューズユニット２０と称する。第１のヒューズ素子２１ａと、第２のヒューズ素子２１ｂと、第３のヒューズ素子２１ｃとを区別せずに示す時は、ヒューズ素子２１と称する。スイッチ２２ａ，２２ｂ，２２ｃを区別せずに示す時は、スイッチ２２と称する。端子２３ａ，２３ｂ，２３ｃを区別せずに示す時は、端子２３と称する。端子２４ａ，２４ｂ，２４ｃを区別せずに示す時は、端子２４と称する。端子２５ａ，２５ｂ，２５ｃを区別せずに示す時は、端子２５と称する。

図７は、実施の形態１における事故電流発生前のヒューズユニット２０の断面図の一例である。ヒューズユニット２０は、ヒューズ素子２１と、スイッチ２２と、導体２８と、下部導体２９と、固定導体３０とにより構成される。

ヒューズ素子２１は、不導体片２１１と、ピストン２１２と、ロッド２１３と、バネ２１４と、導体薄板部２１５とにより構成される。不導体片２１１は、例えば火薬である。

スイッチ２２は、可動導体２２１と、固定接点２２２と、可動接点２２３と、シャント２２４と、絶縁体２２５と、第１のバネ２２６と、第２のバネ２２７とにより構成される。第１のバネ２２６は、例えば引外しバネである。第２のバネ２２７は、例えば閉極バネである。

図７に示すように、ロッド２１３は、可動導体２２１を介して可動接点２２３と間接的に接続される。ピストン２１２は、不導体片２１１とロッド２１３との間に設置される。

また、固定接点２２２は、固定導体３０と導体２８とを介してヒューズ素子２１の導体薄板部２１５と電気的に接続される。可動接点２２３は、可動導体２２１とシャント２２４と下部導体２９とを介して端子２５と電気的に接続される。更に、図３に示すように、端子２５ａは第２のヒューズ素子２１ｂと電気的に接続され、端子２５ｂは第３のヒューズ素子２１ｃと電気的に接続される。よって、スイッチ２２ａにおける可動接点２２３は、第２のヒューズ素子２１ｂと電気的に接続され、スイッチ２２ｂにおける可動接点２２３は、第３のヒューズ素子２１ｃと電気的に接続される。

絶縁体２２５は、固定接点２２２と可動接点２２３との間に設置される。絶縁体２２５は、単に固定接点２２２と可動接点２２３との間に設置されるだけでなく、可動導体２２１と係合されていてもよい。第１のバネ２２６は、絶縁体２２５に接続され、固定接点２２２と可動接点２２３との間から絶縁体２２５を引き抜くために設けられる。第１のバネ２２６は、絶縁体２２５を引き抜く方向に設けられる。第１のバネ２２６の伸縮方向は、固定接点２２２と可動接点２２３とが向かい合う方向に対して垂直方向である。第２のバネ２２７は、一方がヒューズ素子２１の筐体に接続され、他方が可動導体２２１を介して可動接点２２３と間接的に接続される。第２のバネ２２７は、固定接点２２２と可動接点２２３とを引き寄せるために設けられる。第２のバネ２２７の伸縮方向は、固定接点２２２と可動接点２２３とが向かい合う方向である。

図７に示すように、事故電流発生前には、電流ＣＵＲが導体２８の端子２３と導体薄板部２１５と導体２８の端子２４とを流れる。

図８は、実施の形態１における事故電流発生後のヒューズユニット２０の断面図の一例である。

事故電流が発生すると、ヒューズ素子２１内の図示しない過電流検知器からの電気信号によって、不導体片２１１が燃焼する。この電気信号は、例えば不導体片２１１を燃焼させるのに十分な電圧信号である。不導体片２１１の燃焼により発生するガスＧＡＳの圧力によって、ピストン２１２が図面下方に移動する。下方に移動したピストン２１２は導体薄板部２１５を破断し、導体２８を流れていた事故電流は遮断される。ピストン２１２は更に下方に移動し、ピストン２１２の底面がロッド２１３に接触すると、ロッド２１３を押し下げる。ロッド２１３は、可動導体２２１を押し下げる。可動接点２２３は可動導体２２１と接続されているため、可動接点２２３は固定接点２２２に対し離れるよう移動する。これにより、第１のバネ２２６としての引外しバネのバネ力により、絶縁体２２５が引き抜かれる。すなわち、絶縁体２２５は図面右方に引き抜かれる。絶縁体２２５が可動導体２２１と係合されている場合は、可動導体２２１が下方に移動することで、絶縁体２２５と可動導体２２１との係合が解除され、第１のバネ２２６のバネ力により、絶縁体２２５が引き抜かれる。

なお、事故電流が発生した際、過電流によってヒューズ素子２１内で生じる熱によって、不導体片２１１を燃焼させてもよい。

図９は、実施の形態１におけるスイッチ２２投入時のヒューズユニット２０の断面図の一例である。

図８において絶縁体２２５が引き抜かれた後、不導体片２１１の燃焼によって発生したガスＧＡＳは時間の経過とともに冷却され、圧力が低下する。圧力が低下すると、第２のバネ２２７としての閉極バネのバネ力により、可動導体２２１が上方に移動する。これに伴い、ロッド２１３とピストン２１２とが連動して上方に移動し、可動接点２２３が固定接点２２２と接続される方向に移動する。固定接点２２２と可動接点２２３とが電気的に接続されることで、スイッチ２２が投入される。

事故電流が発生してから事故電流が遮断されるまでに要する時間は、不導体片２１１が燃焼してから導体薄板部２１５が破断するまでの時間に相当し、最大で数ミリ秒程度である。一方、事故電流が遮断されてからスイッチ２２が投入されるまでに要する時間は、導体薄板部２１５が破断してから固定接点２２２と可動接点２２３とが接続されるまでの時間に相当し、数百ミリ秒から数秒程度である。これにより、事故電流から回復するまでの時間が確保される。また、電源電圧の設定値に依らず、同一の不導体片２１１を使用できるため、事故電流が発生した場合には確実にスイッチ２２が投入され、従来に比べて高い信頼性を備える。かつ、コントローラなどによるスイッチ２２の制御を不要とするため、従来に比べてコストの低減が図れる。

以上で説明した実施の形態１によれば、従来に比べて高い信頼性を備える。また、スイッチ２２を制御するコントローラを備える必要がないため、低コストを実現することができる。

実施の形態２．
以下、本実施の形態におけるスイッチ２２が投入される原理について、図１０および図１１を用いて説明する。なお、回路遮断器１００の構成および限流ユニット２の構成については、実施の形態１に示す構成と同じであるため、説明を省略する。

図１０は、実施の形態２における事故電流発生前のヒューズユニット２０の断面図の一例である。図１０において、図７と同じ構成要素には同じ符号を割り振る。これらについては、詳細な説明を省略する。これは、図１１についても同様である。

図１０に示すように、ヒューズ素子２１は、側面に排気孔２１６を備える。そして、不導体片２１１と対向するピストン２１２の面と排気孔２１６との距離ｓは、ロッド２１３と対向するピストン２１２の面とロッド２１３との距離ｔよりも短い。すなわち、ｓ＜ｔとなる。この理由については、図１１を用いて説明する。

図１１は、実施の形態２における事故電流発生後のヒューズユニット２０の断面図の一例である。

事故電流が発生すると、不導体片２１１の燃焼により発生するガスＧＡＳの圧力によって、ピストン２１２が図面下方に移動する。最終的に絶縁体２２５が引き抜かれた後にガスＧＡＳの圧力が低下する際、排気孔２１６からもガスＧＡＳが排出されるため、早くスイッチ２２が投入される。また、排気孔２１６の大きさによって、ガスＧＡＳの圧力の低下速度を調整することができる。

ここで、距離ｓが距離ｔ以上だと、ピストン２１２が下方に移動してもピストン２１２が排気孔２１６を塞いでしまう。そこで、距離ｓを距離ｔよりも短くする必要がある。

本実施の形態では、スイッチ２２投入時のヒューズユニット２０の断面図を省略しているが、実施の形態１において説明した原理と同じ原理でスイッチ２２が投入される。

以上で説明した実施の形態２によれば、ヒューズ素子２１が側面に排気孔２１６を備えるため、事故電流が遮断されてからスイッチ２２が投入されるまでの時間を調整することができる。

実施の形態３．
以下、本実施の形態におけるスイッチ２２が投入される原理について、図１２を用いて説明する。なお、回路遮断器１００の構成および限流ユニット２の構成については、実施の形態１に示す構成と同じであるため、説明を省略する。

図１２は、実施の形態３における事故電流発生前のヒューズユニット２０の断面図の一例である。図１２において、図１０と同じ構成要素には同じ符号を割り振る。これらについては、詳細な説明を省略する。

図１２に示すように、スイッチ３５内の固定導体３６が導体２８に接続されないため、スイッチ３５がヒューズ素子２１に対し取り外し可能なよう構成される。なお、導体２８と固定導体３６とは、別体として設けられる接続導体３７により電気的に接続される。この接続導体３７も、ヒューズ素子２１およびスイッチ３５に対し取り外し可能なよう構成される。

本実施の形態では、事故電流発生後のヒューズユニット２０の断面図を省略しているが、実施の形態１あるいは実施の形態２において説明した原理と同じ原理で事故電流が遮断される。また、本実施の形態では、スイッチ３５投入時のヒューズユニット２０の断面図を省略しているが、実施の形態１あるいは実施の形態２において説明した原理と同じ原理でスイッチ３５が投入される。

以上で説明した実施の形態３によれば、スイッチ３５がヒューズ素子２１に対し取り外し可能なよう構成されるため、例えば各構成要素の交換を容易に行うことができる。

本発明は、矛盾のない範囲内において、各実施の形態の内容を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形あるいは省略したりすることが可能である。

１ 開閉器、 ２ 限流ユニット、 ２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ ヒューズユニット、 ２１ ヒューズ素子、 ２１ａ 第１のヒューズ素子、 ２１ｂ 第２のヒューズ素子、 ２１ｃ 第３のヒューズ素子、 ２２，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，３５ スイッチ、 ２３，２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２４，２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２５，２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，３３ａ，３４ａ 端子、 ２６，２７，３７ 接続導体、 ２８ 導体、 ２９ 下部導体、 ３０，３６ 固定導体、 １００ 回路遮断器、 ２１１ 不導体片、 ２１２ ピストン、 ２１３ ロッド、 ２１４ バネ、 ２１５ 導体薄板部、 ２１６ 排気孔、 ２２１ 可動導体、 ２２２ 固定接点、 ２２３ 可動接点、 ２２４ シャント、 ２２５ 絶縁体、 ２２６ 第１のバネ、 ２２７ 第２のバネ、 ＣＵＲ 電流、 ＧＡＳ ガス、 ｓ，ｔ 距離。

Claims (7)

1. 不導体片を有する第１のヒューズ素子と、
   前記第１のヒューズ素子に対し並列に接続され、かつ互いに直列に接続される第２のヒューズ素子およびスイッチと、
   を備え、
   前記不導体片の燃焼により発生するガスの圧力によって前記スイッチが投入されるよう構成する回路遮断器。
2. 前記スイッチは、前記第１のヒューズ素子と電気的に接続される固定接点と、
   前記第２のヒューズ素子と電気的に接続される可動接点と、
   前記固定接点と前記可動接点との間に設置される絶縁体と、
   前記固定接点と前記可動接点との間から前記絶縁体を引き抜くために設けられた第１のバネと、
   一方が前記第１のヒューズ素子に接続され、他方が前記可動接点と間接的に接続され、前記固定接点と前記可動接点とを引き寄せるために設けられた第２のバネと、
   を備え、
   前記ガスの圧力によって、前記可動接点が前記固定接点に対し離れるよう移動し、前記第１のバネによって前記絶縁体が引き抜かれ、前記第２のバネによって前記固定接点と前記可動接点とが接続され、前記スイッチが投入されるよう構成する請求項１に記載の回路遮断器。
3. 前記第１のヒューズ素子は、前記可動接点と間接的に接続されるロッドと、
   前記不導体片と前記ロッドとの間に設置されるピストンと、
   を備え、
   前記ガスの圧力によって、前記ピストンと前記ロッドとが移動し、前記可動接点が前記固定接点に対し離れるよう移動する請求項２に記載の回路遮断器。
4. 前記第１のヒューズ素子は、側面に排気孔を備える請求項３に記載の回路遮断器。
5. 前記不導体片と対向する前記ピストンの面と前記排気孔との距離は、前記ロッドと対向する前記ピストンの面と前記ロッドとの距離よりも短い請求項４に記載の回路遮断器。
6. 前記第１のヒューズ素子と電気的に接続される開閉器を備える請求項１から５のいずれか１項に記載の回路遮断器。
7. 前記スイッチは、前記第１のヒューズ素子に対し取り外し可能なよう構成される請求項１から６のいずれか１項に記載の回路遮断器。

Images