JP3636461B2 - 電流制限開閉器 - Google Patents

Description

この発明は、電流端子と接点とを備え、この接点のうちの１つは固定接点であり、他の１つは可動接点であり、さらに予め定められた電流値を越えたときこの可動接点を開極する付属の駆動装置を備えた電流制限開閉器に関する。
配電回路網では短絡事故の際そこに流れる電流をできるだけ良好に制限して、導体及び負荷の損傷を阻止する必要がある。さもないと、このような損傷は充分に過大寸法にすることによってしか防ぐことができない。従来の機械的低圧開閉器は遮断のために必要な機械的エネルギーをばね蓄積器から得ている。場合によっては短絡電流の自己磁界により付加的に助勢することも行われる。このような開閉器における開極速度は、一方では複雑な機械的構造により、他方ではばねエネルギーの限界により制限される。これによりこのような開閉器の電流制限作用は制約されている。
国際特許出願公開第91/12643号明細書及びヨーロッパ特許出願公開第0487920号明細書により、特にいわゆる冷導体或いはPTC（正の温度係数）効果を利用した開閉器の前置機器としての電流制限装置が公知である。これにおいては主としてカーボンを充填したポリエチレンの層からなり、PTC効果を持つ大電流抵抗が使用される。PTC効果を保証するために、保護要素として使用されるこの種の大電流抵抗においては、ポリマー抵抗体がその底面で電極に接続され、導電性ポリマー層の抵抗体の電極及び底面に垂直に圧力を加える加圧装置が設けられている。
この発明の課題は、これに対して、これとは異なる物理的原理に従って作動する電流制限開閉器を提示することにある。
この課題は、この発明によれば、２つの電流端子と、 電流端子の一方に結合された固定接点と、電流端子の他 方に結合された可動接点と、固定接点と可動接点との間 に配置された抵抗体とを備え、予め定められた電流値を 超えたとき、抵抗体での電流の強さに応じた放電が固定 接点と可動接点との間に封入されたガスを加熱し、可動 接点を移動させる圧力波を発生させることによって解決される。このような駆動装置により熱的方法で充分な遮断エネルギーを生み出すことが可能となる。
この発明においては接点が密閉された絶縁物ケース内に配置され、そして接点間に円板状の抵抗体が配置される。特に絶縁物ケース内において抵抗体と可動接点との間に膨張空間が設けられるのが好ましい。抵抗体はその場合例えばポリエチレンをベースとした黒鉛を含むプラスチックからなるか、箔或いはフェルト状の強靱性にされている多数の炭素繊維から構成される。
従って公知技術とは異なり、この発明においては、接点の開極に必要な機械的遮断エネルギーは熱電的に生み出される。このため短絡時に発生する電流の強い放電が先ず閉じ込められているガス分量を加熱する。このとき生じた圧力波は可動ピストンに当たり、このピストンをして機械的な接点開極動作を行わせる。
特にこの発明においては、金属に比して著しく高い電気抵抗を持つ大面積の抵抗体を使用することにより、一方では電流密度を面状に広がらせて電極の局所的な溶融が防止される。他方ではこれによりガス空間の均一な加熱が促進される。
この発明による開閉器は低電圧範囲の配電回路網において使用される。この場合、事故時特に短絡の際に、回路網の上位の分岐部分が切り離されなければならない。事故の場所並びにまた回路網の範囲における損傷を制限もしくは回避するために、この遮断はできるだけ速やかに、特に最初の半波内で行われることが望ましい。遮断が充分速やかに検出されずもしくは適当な手段で行われないときには、しばしば短絡電流の制限も要求される。短絡電流の制限はさらに、遮断の際回路網や負荷における誘導性の負荷部分に基づいて生ずる電圧ピークの振幅の制限になり、従ってこのような過電圧によって起こり得る絶縁欠陥に基づくその後の損傷の危険を防止する。その場合特に建屋設備において、しかしまた他の場合でも、必要なコンポーネントに対する要求が高度となり、それ故このコンポーネントは高い選択性を持たなければならない。
これにより従来技術が著しく改善される。この従来技術には、特に、低電圧回路網における短絡時に電流制限或いは電流遮断を行わせるような方法が相当する。この目的のために最も普及した手段は電力遮断器であるが、しかしながらこの電力遮断器は零点遮断器として常に少なくとも１半波の間電流を流すので、ただそれだけでは電流制限及び高速遮断には適していない。電力遮断器においては可動質量が比較的大きいので高速遮断をコスト的にみあう形では達成することができない。大電流用高速遮断器は、電極系の可動質量をミリセカンド範囲の短時間で数ミリメートルの距離動かすために、非常に大きい加速力を必要とする。これは従来のばね蓄勢器では一般的に不可能であり、それ相当の出力の駆動機構が必要となる。
後者の目的の技術的解決は、従来は、例えば電気的に点火される化学的駆動剤を備えた火薬式の駆動装置並びにいわゆるトムソン式駆動装置であった。しかしながら両方法はシステムに内在する欠点により広くは使用されなかった。
このような欠点はこの発明による電流制限遮断器において既に除かれている。勿論この場合純粋に受動構成要素として動作範囲が限定されているので、その都度の適用範囲に適合させるためにそれだけ大きな多様性が必要とされる。短絡早期検出と結合された能動的な高速遮断は機能態様の受動的特性のより不可能である。
この発明の異なる構成によれば、開閉器を適当に設計することにより双安定性の電流制限器が作られる。このような本発明による開閉器は閉極状態で鎖錠可能であり、適当な蓄勢器により、高負荷範囲において予想される最大電流以上の応動閾値に設定可能である。鎖錠状態においては接触抵抗は非常に小さく、定格電流損失は無視することができる。これによりこの電流制限器の固有応動閾値は予想される短絡電流の大きさの範囲にある。鎖錠が解除されている状態においては接触抵抗、従って遮断接点の範囲におけるエネルギーの消費は上昇する。同様にその場合固有応動閾値は定格電流範囲の値に低下する。
鎖錠解除は電子式の短絡早期検出装置により行われるのが好ましい。この装置の作動は、鎖錠されている状態で蓄勢されている第二の蓄勢器を使用し、この蓄勢器を鎖錠解除された状態で電流制限器の可動電極を機械的に開くように構成することにより行うのが良好である。電流制限器を機械的に閉極しかつ鎖錠する際にこの第二の蓄勢器は自動的に蓄勢される。
作動パラメーターを適当に設定することによりこの発明による電流制限器は、電流を制限するだけでなく、完全に断路する、即ち常閉接点としても作動させることすらできる。この場合、第二の鎖錠装置を設け、この鎖錠装置が高速遮断器として作動する電流制限器を開極状態で鎖錠するようにするのが特に有利である。電流制限器はこれにより、電流遮断が行われた後自動的に再び閉極された状態に移行することが阻止される。これにより真の双安定性動作特性が得られる。
この発明による電流制限開閉器においてはRLC素子を備えた受動回路により、電流遮断の際電流半波の間に有害な過電圧ピークが生じないようにすることができる。このためには例えばツェナーダイオード、バリスタ、過電圧避雷器等の電圧制限要素も設けられる。
この発明のその他の詳細及び長所は、図面に基づく実施例をその他の従属請求項との関連において以下に説明することにより明らかにされる。
図１は低電圧に適用される熱電式の開閉器を、
図２乃至図４は双安定性の電流制限器として構成するためのこのような開閉器の３つの実施例をそれぞれ概略的に示し、
図５は有効な遮断特性を示すための電流時間のダイヤグラムを示す。
各図において同一もしくは同一作用をする部分は同じ符号で示されている。
図において絶縁ケースは１で示され、このケースは例えば軸Ｉを中心とする回転対称の中空円筒を形成している。中空円筒の絶縁ケース１はフランジ６によって密閉されている。
絶縁ケース１には軸Ｉに対して回転対称に固定接点２が嵌め込まれ、これは軸方向に電流端子2aを備えている。これと距離を隔てて可動接点３が絶縁ケース１の長手方向に可動的に嵌め込まれ、この電流端子3aも同様に軸Ｉの方向に設けられている。固定接点２と可動接点３との間には円板状の抵抗体４が配置され、これは固定接点の表面上に空間がなく密接するように配置されている。抵抗体４の外郭はこのため絶縁ケース１にぴったりと嵌め込まれている。
抵抗体４の固定接点２の反対側の表面と可動接点３との間には、可変の中間空間を形成する隔離面８が設けられている。さらに絶縁ケース１の壁には膨張空間９が設けられている。
可動接点３はその電流端子3aと共にばね体５によって抵抗体４の隔離面８の方向に押しつけられている。ばね体５はその場合機械的な初期圧を決めており、その初期圧を越えると可動接点３が水平方向に移動する。この移動は絶縁ケース１の内面の環状リング10によって制限されており、一方では可動接点３の環状突起状3bを、また他方では絶縁ケース１の内面の環状リング10を適当な寸法とすることにより適当なストロークｄが与えられる。
電流端子3aは図においてその外側端にノッチ7aを備え、これはこれに対向するフック7bと係合する。これにより開極状態における可動接点の拘束手段が形成されている。
上述の開閉器は通常の配電回路網に挿入することができる。この場合電流は電流端子2a、固定接点２、抵抗体４を介して可動接点３に、そしてそこから電流端子3aを介してさらに回路網に流れる。短絡時に固定接点２及びそれに接触している円板状の抵抗体４を介して電流の強さに応じた放電が起こり、これが先ず封入されたガス空間を平面的に加熱する。それにより生じた圧力波は可動接点３をストッパまで移動させ、その際ノッチ7a及びフック7bを介して開極状態での鎖錠が行われる。
図１に示す単安定性の開閉器の応動閾値はそれ故ばね体５の押圧力によって決まる。従ってこの開閉器は自動的にトリガされるが、制御可能ではない。
これに対して図２において接点押圧ばね５は、固定部6a及び可動部6bを備えたケース蓋６の軸方向の可動部6bに固定されている。ばね受け部として作用する可動部6bは位置ａにおいて鎖錠機構11a及び11bにより鎖錠されているので、ばね５は付勢されており、閉極された状態のために必要な抵抗体４への可動接点３の押圧力を発生させている。同時に開極動作を加速するために設けられたばね12が付勢されている。鎖錠機構11を作動子13により解錠するとばね受け6bはばね５及び12によって軸方向にケース１から離れるように加速されるので、極めて短時間のうちに可動接点３と抵抗体４との間の押圧力が著しく低い値に落ちる。これにより接触抵抗が急激に上昇し、熱電式の駆動装置の応動閾値は開閉器の定格電流範囲内の値に落ちる。
図２による構成においては熱電式の駆動装置が作動し、開閉器は極めて短時間のうちに、即ち予想される短絡電流より遥かに低い値に電流を制限し、断路もしくは開放する。完全に開極した状態では鎖錠機構3a並びに7a及び7bが可動接点３を鎖錠し、これにより意図しないにもかかわらず開閉器が再び閉極するのを阻止する。作動子13はその場合例えば電子式の短絡検出装置により制御されて作動される。
図３に示す他の実施例においては開極ばね12が直接可動接点３に結合しており、従って直接的な機械的加速により開極を助勢している。これにより開極動作がさらに加速され、電流のより著しい制限が達成される。同じ効果は、開極ばね12が電極３でなく、案内部3b或いは可動接点３に機械的に連結された電流端子3aに設置されるときにも得られる。特に図３においては蓄勢器５は、同時に解錠作動子13により励振される圧電作動子14によって置き換えられている。圧電作動子14は制御されるとその長さを減少し、その結果可動接点３が開極ばね蓄勢器によって動かされる前に既に接点押圧力が減少される。
図４の実施例では圧電式作動子14が開極ばね12に対して並列に配置され、励振される際伸長する。これにより押圧ばね５の接点押圧力は短時間のうちに補償され、ばね作用を開極動作の初期段階で助勢する。
図５のダイヤグラムにこの発明による開閉器の開極特性を示す。曲線51は予想される短絡電流の時間経過を示す。曲線52は従来構成の非制御の制限要素による電流を示し、値Ａは固定的に設定された応動値を表す。曲線53はこの発明による双安定性の電流制限器もしくは高速開閉器による電流を示す。鎖錠された電流制限器の応動閾値Ｂは予想される短絡電流最大値の付近或いはその上にある。鎖錠解除された電流制限器の応動閾値Ｃは定格電流I_nennの範囲内にあるので、危険でない電流値において極めて早めの作動が行われる。この作動は短絡を早期に検出する電子装置及び鎖錠解除のための作動子13を介して行われる。
短絡を早期に検出する電子装置は電流零点後既に数マイクロ秒内に短絡を検出する。作動子13及び鎖錠機構11a及び11bの可動質量が小さいことにより極めて早目の電流制限及び開閉器の開極が行われるので、実際に生ずる電流は定格電流範囲内の無害な値に制限される。その場合選択性は短絡を早期に検出する装置の閾値の設定により得られ、それ故「双安定電流制限器」の個々の電気機械式開閉要素に対して広範囲に設定可能である。
図２乃至図４において鎖錠解除に使用される作動子13は電気機械式或いは電磁式の作動子として構成される。しかしまた鎖錠解除動作を加速するために、加速される質量の小さい圧電性或いは圧電歪み性素子として構成することもできる。さらに磁歪素子を備えた作動子が能動コンポーネントとして使用される。
電流制限器として作動する上述の双安定開閉器は電子式の短絡検出装置と組み合わせることもできることは明らかである。同様にこの組み合わせにおいて電流制限器は電流制限高速開閉器として作動できる。短絡検出装置の好適な回路は従来技術から公知である。
抵抗体４は導電体プラスチック、例えば導電性にされた公知のポリエチレンからなることができる。充填材として例えば黒鉛が挙げられる。抵抗体４は、適当な加工により箔状或いはフェルト状の強靱性にされた黒鉛繊維によって形成することもできる。
これとは異なり、一定の導電性の非有機物質も、従来使用された導電性有機物質、例えばカーボンを充填したポリエチレンの代わりに使用することができる。しかしまた抵抗体としては高ドープの半導体材料、例えば特に多結晶炭化ケイ素も挙げられる。
その他の実施例として、回転対称とは異なる空間形状、例えば平面状抵抗体を備えた矩形状の空間形状のものが可能である。或いはまた多数の抵抗体を直列に接続することもできる。さらに絶縁物ケース１のケース内部を換気するための手段を設けることもできる。

Claims (21)

1. ２つの電流端子（2a,3a）と、電流端子の 一方（2a）に結合された固定接点（２）と、電流端子の 他方（3a）に結合された可動接点（３）と、固定接点 （２）と可動接点（３）との間に配置された抵抗体 （４）とを備え、予め定められた電流値を超えたとき、 抵抗体（４）での電流の強さに応じた放電が固定接点 （２）と可動接点（３）との間に封入されたガスを加熱 し、可動接点（３）を移動させる圧力波を発生させることを特徴とする電流制限開閉器。
2. 抵抗体（４）がポリエチレンをベースとする黒鉛を含むプラスチックからなることを特徴とする請求項１記載の開閉器。
3. 抵抗体（４）が良導電性の非有機物質からなることを特徴とする請求項１記載の開閉器。
4. 固定接点（２）および可動接点（３）が密閉された絶縁ケース（１）内に配置され、固定接点 （２）と可動接点（３）との間に円板状の抵抗体（４）が設けられていることを特徴とする請求項１記載の開閉器。
5. 絶縁ケース（１）内において抵抗体（４）と可動接点（３）との間に膨張空間（９）が設けられていることを特徴とする請求項４記載の開閉器。
6. 抵抗体（４）が箔或いはフェルト状の強靱性にされている多数の炭素繊維によって形成されていることを特徴とする請求項５記載の開閉器。
7. 絶縁ケース（１）、固定接点（２）、可動 接点（３）及び抵抗体（４）がそれぞれ回転対称断面を備えていることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の開閉器。
8. 絶縁ケース（１）、固定接点（２）、可動 接点（３）及び抵抗体（４）が電流端子（2a、3a）に対して回転対称にかつ直線的に配置されていることを特徴とする請求項７記載の開閉器。
9. 可動接点（３）のばね力を調整する手段（５）が設けられていることを特徴とする請求項１乃至 ８の１つに記載の開閉器。
10. 可動接点のストロークを制限しかつ拘束する手段（５）が設けられていることを特徴とする請求項１乃至９の１つに記載の開閉器。
11. ケース内部を換気する手段が設けられて いることを特徴とする請求項１乃至10の１つに記載の開閉器。
12. 開閉器が双安定性に設計されていることを特徴とする請求項１乃至11の１つに記載の開閉器。
13. 閉極状態において開閉器を鎖錠するための手段（6b、11a、11b）が設けられていることを特徴とする請求項12記載の開閉器。
14. 開閉器を鎖錠するための手段（6b、11a、11b）に蓄勢器（５）が付設され、この蓄勢器が高負荷範囲で予想される電流を越える電流応動閾値に設定可能であることを特徴とする請求項13記載の開閉器。
15. 蓄勢器が押圧ばね（５）であることを特徴とする請求項14記載の開閉器。
16. 鎖錠解除が電子式の短絡検出装置により作動可能であることを特徴とする請求項13乃至15の１つに記載の開閉器。
17. 鎖錠解除する手段に第二の蓄勢器（12）が付設されていることを特徴とする請求項16記載の開閉器。
18. 鎖錠解除のために作動子（13、14）が設けられていることを特徴とする請求項17記載の開閉器。
19. 作動子が圧電作動子（14）であることを特徴とする請求項18記載の開閉器。
20. RLC素子を備えた受動的保護回路が設け られていることを特徴とする請求項12乃至19の１つに記載の開閉器。
21. 保護回路が電圧制限要素を備えていることを特徴とする請求項20記載の開閉器。

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