JP2854719B2

JP2854719B2 - 限流装置

Info

Publication number: JP2854719B2
Application number: JP7798691A
Authority: JP
Inventors: 功奥冨; 経世関; 敦史山本; 幹夫大川; 三孝本間
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1991-04-10
Filing date: 1991-04-10
Publication date: 1999-02-03
Anticipated expiration: 2014-02-03
Also published as: JPH04312737A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】［発明の目的］

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は電気機器に流れる過電流
を限流して保護する限流装置に関する。

【０００３】

【従来の技術】近年、電気設備の大容量化にともない、
短絡事故などで発生する過電流は増大する傾向にある。
このような場合、短絡容量を十分満足する大形遮断器を
用意することは不経済であるから、最近では従来からの
比較的小遮断容量の遮断器に直列に限流器を接続するこ
とによって、電流を制御し、大きな遮断容量を確保する
ことが行われている。

【０００４】従来の限流器は図２に示すように限流素子
１として例えばＦe,Ｆe-Ｃｏ合金のように常温で比較的
小さい比抵抗を持ち、かつ大きな抵抗の温度係数を持つ
材料を用い、この両端に接続用端子２、２を取付けると
共に絶縁被覆３をしたもので、遮断器に直列に接続し、
過電流が流れた場合に発生するジュール熱により抵抗を
増大させ、過電流を制限させるものである。Ｆe,Ｆe-Ｃ
ｏ合金の常温での比抵抗はそれぞれ１０μΩcm，６μΩ
cm程度でかなり低抵抗であるが、さらに大きな限流比を
得るには、固体間の抵抗変化のみでは十分な限流効果が
得られなかった。すなわち、Ｆｅの温度の増加に対する
比抵抗の増加は大きくはあるが、例えば、動作温度を80
0 ℃とした場合で、抵抗の増加は１０倍程度に過ぎな
い。

【０００５】従って、限流器の高性能化を図るために
は、例えば固体から液体、もしくは固体から気体の如き
相変態を利用し、大きな抵抗の変化率を得るようにする
か、または限流器の熱容量を増加させることなく常温に
おける抵抗を減少させ、通電容量を大きくするため、限
流材の断面積を増加して抵抗を下げると、限流器自体の
熱容量も増加するから過電流時のジュール熱による温度
上昇が小さくなり、十分な限流効果は得られないと言う
ことになる。

【０００６】大きい抵抗の変化率を得る他の方法とし
て、従来よりＰＴＣ抵抗体材料として用いられる代表的
なものに各種不純物を添加したＢａＴｉＯ₃セラミック
がある。それらは、その低抵抗状態における電気抵抗が
通常１０^ｏΩcm以上と大きく、またそのＰＴＣ現象が粒
界層に起因する機構によっているため、大電流用途に用
いることは困難である。

【０００７】他のＰＴＣ抵抗体材料として、酸化バナジ
ュウム系セラミックがある。

【０００８】ＣｒまたはＡｌを添加した酸化バナジュウ
ムＶ₂Ｏ₃においては、室温から200 ℃付近の温度領域
で金属〜絶縁体転移に起因する比抵抗のＰＴＣ特性が存
在するこが知られている。しかしながら、同材料は大形
の単結晶を得ることが困難である。また、その多結晶焼
結体は焼結性が低く、高密度のセラミックスを得ること
は困難で、ＰＴＣ倍率を得ることは困難であった。さら
に、低密度に起因する強度の低さのため大電流用途にも
適合しないものであった。

【０００９】ＢａＴｉＯ₃またはＶ₂Ｏ₃の粒子を焼き
固めて所定の大きさの塊状とした焼結体では、定常電流
から過電流に移行したとき電流の集中化が起こり、集中
したところが急激に過熱し、破断するという現象がよく
見られる。このような現象を呈すると、限流器用素子と
しての機能を期待することができない。

【００１０】以上説明したように、限流器として従来か
ら２、３の技術が開発され、いづれも実用に供されては
いるが、最近の機能拡大要求、信頼性向上要求に対し改
良が必要となっている。すなわち、上記したＦｅ，Ｆｅ
−ＣO 系限流素子では、経済性、作業性、低い定常時の
抵抗値など優れた特性のため、現在も多用されてはいる
が、限流比をいっそう大きく要求する分野への適用に
は、不向きである。

【００１１】また、上記したＢａＴｉＯ₃系素子では、
大きい限流比が得られる優位性を有する特徴があるもの
の、定常時の固有抵抗が高すぎること及びＢａＴｉＯ₃
粒子を焼き固めた焼結体は、過電流の集中化による破断
現象があり、さらに、ＰＴＣ現象を呈するメカニズムが
結晶粒界層にあるため、大電流を限流するのには致命的
な欠陥となり、好ましくない。

【００１２】一方、上記した酸化バナジウム系素子で
は、定常時の固有抵抗及びＰＴＣ現象が結晶粒自体にあ
るためＢａＴｉＯ₃系の持つ多くの欠点を軽減化する優
位性があるが、ＢａＴｉＯ₃と同様に限流特性を損なう
ことなく電流の集中化、破断を防止する技術の開発が必
要である。

【００１３】そこで、図３に示すように限流材として低
融点、高蒸気金属や合金を使用した限流器がある。即
ち、絶縁容器４内に電極５、６を開して限流材７を装着
し、限流器の定格を越えた過電流が流れると、限流材７
が蒸気圧が高くなったときに気化して限流作用を行い、
極めて大きな限流比を得ることができる。

【００１４】しかしながら、このような構造では限流動
作終了後に限流材７を限流部へ再充填し復旧させるのに
復旧の時間がまちまちであるのみならず、限流材の損失
も多く、また限流開始の応答時刻もばらつきが大きかっ
た。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】Ｖ₂Ｏ₃系、ＢａＴｉ
Ｏ₃系の焼結体を使用した限流器では、過電流通過時の
素子破断現象の発生、またＦｅ系、Ｆｅ−Ｃｏ系等固体
金属を使用した限流器では、限流比（過電流通過時と定
常時との抵抗の比率）不足の問題点がある。

【００１６】本発明はこれらに鑑み、従来の限流材より
も限流比が大きく、且つ、Ｖ₂Ｏ₃系セラミックのよう
な素子破断のない限流器を提供することである。

【００１７】［発明の構成］

【００１８】

【課題を解決するための手段】前記した破断現象の発生
を避けるため、限流抵抗体としてはセラミック系焼結体
を使用せず、定常状態でその一部が液状にある素材を使
用する。（ここで言う定常状態とは、電路に定格電流が
正常に流れ異常な温度の上昇を伴わない状態を指し、通
常では導体の温度は室温からほぼ１００℃程度以下の範
囲となるのが一般である。）即ち、本発明は定常状態で
少なくとも一部が液体を呈する金属又は／及び合金、化
合物よりなる限流抵抗体と、これを収納する狭室部と、
過電流時に気化した前記限流抵抗体蒸気を通過させ、且
つ、冷却後液状となった限流抵抗体を再び前記狭室部へ
戻すための通過孔を有する限流体蒸気収納室と少なくと
も前記狭室部と前記限流体蒸気収納室とを収納する気密
容器室と、前記過電流時の限流抵抗体の気化時の衝撃を
吸収するための緩衝部とで構成されている限流部よりな
る限流装置である。

【００１９】

【作用】本発明は定常状態の限流抵抗を常時収納する狭
室部と、過電流で気化した限流抵抗体を一時収納する限
流体蒸気収納室と、気化した時の衝撃を必要により吸収
する緩衝部とから構成されて、しかも前記限流抵抗体の
容積とこれを収納する狭室部の容積と限流抵抗体蒸気収
納室の容積の夫々の比率を所定値にすると共に、かつ限
流抵抗体は定常状態で、即ち定格電流が与えられている
状態では、少なくとも一部が液体の状態にある金属、合
金、化合物を選択しているため、過電流通過による温度
変化で、狭室部に収納されている限流抵抗体はジュール
発熱現象によって抵抗上昇及び気化等により狭室部での
抵抗は約１〜数桁急変する。

【００２０】即ち、この抵抗の変化は限流抵抗体の固相
液相→気相への相変化、又は液相→気相への相変化によ
るため、抵抗は昇温時には増加、降温時には減少を示す
ため過電流を自己抑制する。

【００２１】しかも、限流抵抗体には定常状態でも必ず
液相が存在するような融点を持つよう組成を選択するた
め導体の端子（電極）とのなじみも良く、従って応答速
度が安定していると共に、冷却後の限流抵抗体が限流抵
抗体蒸気収納室から狭室部へ戻るのも容易にしている。

【００２２】更に、限流器に使う限流抵抗体の量、即ち
定常状態での容積を狭室部の容積よりも大で、所定値範
囲内としているので、安定した通電特性、限流特性を得
ると共に限流抵抗体蒸気収納室の容積を限流抵抗体の定
常状態での容積よりも大とし、かつ所定値範囲内として
いるので、過電流によって限流抵抗体のすべてが気化し
たとしてもそれを十分に収納することができる上に、蒸
気収納室の容積の上限を設けているので、気化した限流
抵抗体の蒸気が蒸気収納室内表面に吸着するなどによる
よる必要以上の損失を防止し、安定した通電特性と限流
特性が確保出来る。

【００２３】なお、必要により限流抵抗体の全抵抗（固
有抵抗ではない）よりも少なくとも１桁大きい外部抵抗
を前記狭室部と並列に設置すれば、狭室部からの限流抵
抗体の著しく急激な移動に基づく電流の急変現象のため
に発生するサージの大きさを抑制するのに有効である。

【００２４】このように本発明の限流抵抗材の組成範囲
では応答性、安定性と共に高い限流比を得ることができ
るがその一部に液相が存在する時には一層の安定性が得
られる。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。

【００２６】図１において限流器１４は円筒状とした例
えばアルミナ製の絶縁円筒３ａと絶縁蓋体３ｂとで囲ま
れた内部に銅製の導体４、４を配置し、前記導体４、４
の内部には限流体８を収納する狭室部７、限流抵抗体収
納室１０及び必要により設置される緩衝部１１を収納す
る気密容器室１２を設け、その内部は気密封着部１３に
よって減圧することが出来るようにしておく。

【００２７】ここで、狭室部７は定常状態で少なくとも
その一部に液相が存在する限流抵抗体８を満たし、且つ
過電流通過時にジュール発熱効果によって容易に且つ安
定して昇温し、容易に抵抗の増大が得られるよう狭くし
て電力端子１、２の間に設ける。

【００２８】また限流抵抗体収納室１０には過電流通過
によって爆発的に気化した限流抵抗８の蒸気を安全、確
実に限流体収納室１０へ導くための限流抵抗体通過孔９
を明けておき、冷却が始まった限流抵抗体８が少なくと
もその一部が液状である性質を利用し前記通過孔９を通
り元の狭室部７へ自己復帰することになる。

【００２９】限流器１４における電流経路は電力端子１
から導体４ａ、４ｂに接した限流抵抗体を通り導体５を
介し電力端子２へ導かれる。即ち、導体４ａ，４ｂと導
体５との間に介挿した絶縁物６によって形成された狭室
部７のなかに所定限流抵抗体８の一部または全部を存在
させておく。

【００３０】更に、限流器１４には過電流通過によって
限流抵抗体８が急激に気化した時に回路へ及ぼす障害を
抑制するために外部抵抗１５を設置する。外部抵抗１５
の抵抗値は外部負荷のインピーダンスに応じて選択され
るが、限流抵抗体８の抵抗値の１０倍以上を要する。

【００３１】このような構成において、ジュール発熱特
性の発揮による限流開始の応答性を安定して維持するた
めに、定常状態では狭室部７の中は常に完全に限流抵抗
体８で満たされている必要がある。そのためには限流抵
抗体の定常状態での容積は、狭室部の容積と同等かそれ
より大である必要がある。更に、限流抵抗体収納室１０
への付着、同通過孔９への付着などによる損失を考慮に
入れると十分大である必要がある。しかし、狭室部の容
積に比較した限流抵抗体の量が所定値以上に大きいと過
電流通過時の限流抵抗体の気化に要するエネルギーが相
対的に大となり、限流開始するまでの応答に遅れを生じ
る。そのため限流抵抗体の量は狭室部の容積の最大２５
倍以内とする事がよいことが実験的に判った。

【００３２】更に本限流器１０は上記した応答性のみで
なく、繰り返し安定して動作させる必要がある。そのた
めには限流抵抗体の定常状態での容積と気化した限流抵
抗体を収納する限流抵抗体収納室１０との容積の比率が
重要となる。

【００３３】限流抵抗体収納室の容積が小さすぎる場合
には、収納室１０の破壊を招き、大きすぎる場合には収
納室１０内面への必要以上の付着による限流抵抗体の損
失を考慮に入れなければならず、さらに狭室部７へ自己
復帰するまでの時間を長く要することもあり、過電流の
通過が短時間内に繰り返される場合、狭室部内での限流
抵抗体の不足の現象を起こす。従ってこれらを考慮した
とき、限流抵抗体の定常状態での容積の１〜５００倍の
範囲に選定することが必要である。しかし前記限流抵抗
体の定常状態での容積が狭室部の容積の１〜２０倍の範
囲に選定すべき事と同時に、限流抵抗体の定常状態での
容積と狭室部の容積と収納室の容積とを選定すべきで
あ。

【００３４】このような構成になしたとき、限流抵抗体
が定常状態で少なくとも一部が液体状態にあることは、
定常状態で導体４、４との間の接触を安定にするため及
び気化した限流抵抗体が収納室から狭室部へ戻るときの
動作をスムーズにおこなわさせることの両面から有効で
あるのみならず、定常状態で狭室部のなかに存在する限
流抵抗体の存在状態を好ましい状態即ちポアのない均質
な状態とする。すなわち過電流が限流抵抗体に投入され
たとき限流抵抗体部にポアなど不均一な部分が存在する
と過電流は局部に集中する傾向を示し限流抵抗材の爆発
的気化の原因になるなど応答性のばらつきになる。

【００３５】以下、更に本発明の構成を種々に変えた場
合の夫々の機能その評価等に付いて幾つかの実施例（表
１、３に示す）に基づき説明する。

【００３６】１、限流抵抗体の組成を種々に変えた場合実施例１〜３比較例１〜２（表１参照のこと）の場合図１において、外径１８０mm，内径１１５mm，純度９２
％のＡｌ₂Ｏ₃製の絶縁円筒３に内接するようＣｕ製の
導体４ａ、４ｂ、５を配置する。導体４ａ、４ｂ、と５
は内径７mmの円柱室を持つ外径１８０mm厚さ７mmのＡl
Ｎ製の絶縁物６によって仕切られ上述の内径７mmの円柱
室が狭室部７を形成し、狭室部の容積の１２倍の容積
（実施例１〜２）に相当する限流抵抗体８を挿入する。
４mmの径を有する限流抵抗体通気孔９を持つ外形５２mm
で内径３３mmのタングステン製の限流抵抗体蒸気収納室
１０を配置しその内容積を限流抵抗体８の容積の１５０
倍となるよう作製した。

【００３７】これら限流抵抗体蒸気収納室１０は内部が
あらかじめ少なくとも１０^-2tor に減圧された導体４
ａ、４ｂとで作る空間の気密容器室に収納されている。

【００３８】前記絶縁容器３、３の両端に厚さ３２mmの
Ａｌ₂Ｏ₃製の絶縁蓋体３、３を配置する。更に、絶縁
蓋体３には中心部に貫通するよう電力端子１が導体４
ａ、４ｂと導通するよう配置され同じく絶縁蓋体３ａに
は導体５と同通するよう電力端子２が配置され外部電力
を限流器１４に導いている。更に限流器１４にはＣｒ₃
Ｃ₂−２％カーボンよりなる外部抵抗１５を配した。

【００３９】このような構成としたときの限流器に限流
抵抗体の組成を変えたときの限流器の応答性、安定性、
限流比の評価の結果を表１及び表２に示す。

【００４０】

【表１】

【００４１】

【表２】

【００４２】使用した限流抵抗体の組成がＧａ−Ｉｎ系
のときにはＩｎ量が１〜６５％（実施例１〜３）、Ｇａ
−Ｓｎ系のときにはＳｎ量が０、５〜３０％（実施例４
〜５）の範囲において第１表における応答性で比較的速
やかな特性を示し且つ安定性と大きな限流比を得る。こ
れに対してＩｎが多い８５％の場合（比較例１）および
Ｓｎが多い６０％の場合（比較例１）およびＳｎが多い
６０％の場合（比較例−３）では合金全体の溶融点が高
めのため応答までの時間が長い傾向にあるともに過電流
印加後に定格電流を与えたとき、流れる定格電流を与え
たとき、流れる定格電流値が限流器によってばらつき
（変動の幅）が大きい傾向にあった。

【００４３】Ｉｎ、Ａｕ、Ｓｎの下限は特に応答性のば
らつき（変動幅）が大きい傾向にあった。

【００４４】Ｉｎ及びＳｎの下限は特に応答性のばらつ
き幅で決まりその量が夫々０、１％では安定性と限流比
は好ましい範囲にあるものの応答性が欠ける傾向にあっ
た（比較例２、比較例４）。

【００４５】Ｇａに対してＩｎ，Ｓｎを共存させる場合
には応答性および安定性（変動幅の縮小）の改善に寄与
すると共に同時に限流特性の向上（限流比を大きくとれ
る）が得られた（実施例６〜９）、０、１〜５％の範囲
のＡｇ、Ｚｎ，Ａｌを添加しても同等の効果が得られる
（実施例１０〜１４）。

【００４６】２、次に本発明の限流器の構造として、
限流抵抗体の容積（Ａ）と狭室部の容積（Ｂ）、更に限
流抵抗体蒸気収納室の容積（Ｃ）を変えた場合につい
て、その結果を示す表３（及びそれにつながる表４）に
基づいて説明する。

【００４７】

【表３】

【００４８】

【表４】

【００４９】限流抵抗体の容積（Ａ）と狭室部の容積
（Ｂ）との比（Ａ）／（Ｂ）を０、４（表３の比較例２
１）から５４（表３の比較例２２）まで変化させて限流
器としての応答性、安定性の評価を行いその結果を表３
（及び表４）に示した。

【００５０】狭室部７の容積に比較して限流抵抗体８の
容積が少ない場合即ち前記（Ａ）／（Ｂ）の比が小さい
場合過電流が印加されてから限流器が機能するまでの時
間にばらつきが見られると共に全く機能を示さないケー
スも見られた（比較例２１）。

【００５１】これに対し前記（Ａ）／（Ｂ）が１〜２５
（実施例２１〜２３）では安定した応答性を示した。一
方前記（Ａ）／（Ｂ）比が５４の場合（比較例２２）に
は応答性にばらつきが見られると共に応答までの感度が
悪いケースが見られた。

【００５２】更に（Ａ）／（Ｂ）比が０、４の比較例２
１では繰り返し使用する目安となる１０倍の過電流を印
加後所定定格電流を与えたときの定格電流の変動幅を３
台の限流器につき調査したときの最大と最小の値による
評価では一部に異常圧力による容器１０の破壊が見られ
て好ましくない。

【００５３】実施例２４〜２７、比較例２３〜２４の構
成の場合限流抵抗体８の容積（Ａ）と限流抵抗体蒸気収納室１０
の容積（Ｃ）との比（Ａ）／（Ｃ）を１／１２（比較例
２３）から１／２５００（比較例２４）まで変化させて
限流器としての応答性、安定性の評価を行いその結果を
表３（及び表４）に示した。

【００５４】限流器８の容積（Ａ）と限流抵抗体蒸気収
納室１０の容積（Ｃ）との比（Ａ）／（Ｃ）が比較的大
きい場合、応答性には問題無いものの安全性に難点が見
られ、評価したうちには過圧による気密容器１２の変
形、破壊が見られたが、（Ａ）／（Ｃ）比が１／１０〜
１／５００の範囲の限流器においては安定性に優れた特
性を発揮した（実施例２４〜２７）。

【００５５】即ち、定格電流の約１０倍の過電流を印加
後、直ちに定格電流を与えたときの定格電流の変動の範
囲が極めて小さく安定している。これに対し前記（Ａ）
／（Ｃ）比が１／２５００の場合では（比較例２４）、
過電流印加後の定格電流通電に対する対応が不能となり
限流器としての安定性に問題がある（比較例２４）。
なお、定常状態での導体が温度に比較し融点が著しく大
きいＳｂ，Ｔｅを限流抵抗体として使用した場合（比較
例２５〜２６）には上述した構成による限流器の限流抵
抗材としては好ましくないことが分かった。

【００５６】したがって本発明限流器においては定常状
態での限流抵抗体の容積（Ａ）と狭室部の容積（Ｂ）と
の比率（Ａ）／（Ｂ）を１〜２５の範囲とし前記（Ａ）
と限流抵抗蒸気収納室の容積（Ｃ）との比率（Ａ）／
（Ｃ）を１／１０〜１／５００の範囲としこれらを同時
に満たすべきであることが分かった。

【００５７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば限流器にお
いて密閉する絶縁容器内に定常状態で少なくとも一部が
液体である限流抵抗体材料を狭室部に収納し、この狭室
部が過電流通過によって限流抵抗体の気化を促進する機
能を持つよう構成し、特に限流器に収納する限流抵抗体
の容積と狭室部の容積と限流抵抗体蒸気収納室の容積と
を夫々所定値に設定することによって限流抵抗体は過電
流によって限流抵抗体蒸気となって限流時の抵抗は定常
状態の１０〜数１０倍となって限流し、しかも前記した
各容積のバランスを配慮してあるので限流器としての優
れた応答性、安全性を同時に得られ、信頼性の高い限流
器が得られることとなった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による限流装置断面図、

【図２】従来の限流器の概略図、

【図３】更に従来の他の限流器の概略図である。

【符号の説明】

７狭室部８限流抵抗体１０限流体蒸気収納室１１緩衝部１２気密容器室

フロントページの続き (72)発明者大川幹夫東京都府中市東芝町１番地株式会社東芝府中工場内 (72)発明者本間三孝東京都府中市東芝町１番地株式会社東芝府中工場内 (56)参考文献特開昭50−18956（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−218731（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01H 87/00 H01H 85/048

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】定常状態で、少なくとも一部が液体を呈
する金属又は／及び合金、化合物よりなる限流抵抗体と
これを収納する狭室部と、過電流時に気化した前記限流
抵抗体蒸気を通過させ、かつ冷却後液状となった限流抵
抗体を再び前記狭室部へ戻すための通過孔を有する限流
体蒸気収納室と少なくとも前記狭室部と前記限流体蒸気
収納室とを収納する気密容器室と前記過電流時の限流抵
抗体の気化時の衝撃を吸収するための緩衝部とで構成さ
れた限流部を電極間に設けてなることを特徴とする限流
装置。
【請求項２】請求項１に記載の限流抵抗体の定常状態
での容積（Ａ）と狭室部の容積（Ｂ）との比率（Ａ）／
（Ｂ）が１〜２５であり、且つ、限流体抵抗体の定常状
態での容積（Ａ）と限流抵抗体蒸気収納室の容積（Ｃ）
との比率（Ａ）／（Ｃ）が１／１０〜１／５００である
ことを特徴とする限流装置。
【請求項３】請求項１に記載の限流抵抗体をＩｎが１
〜６５ｗｔ％又は／及びＳｎが０、５〜３０ｗｔ％、残
部がＧａからなるものとしたことを特徴とした限流装
置。
【請求項４】請求項１に記載の限流抵抗体をＩｎが１
５〜３０ｗｔ％又は／及びＳｎが０、５〜１５ｗｔ％残
部がＧａからなるものとしたことを特徴とする限流装
置。
【請求項５】請求項１に記載の限流抵抗体をＩｎが１
〜６５ｗｔ％又は／及びＳｎが０、５〜３０ｗｔ％且、
Ａｇ、Ｚｎ，Ａｌの少なくとも１つが０、１〜５ｗｔ％
残部がＧａからなるものとしたことを特徴とする限流装
置。
【請求項６】請求項１に記載の限流抵抗体をＩｎが１
５〜３０ｗｔ％又は／及びＳｎが０、５〜１５ｗｔ％、
且、Ａｇ、Ｚｎ，Ａｌの少なくとも１つが０、１〜５ｗ
ｔ％残部がＧａからなるものとしたことを特徴とする限
流装置。