JP3797629B2 - 限流型遮断器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、遮断器に係わり、特に送配電系統等の電路に配設されてこの電路に生じた短絡電流あるいは過負荷電流等の過電流を抑制するとともに、この過電流から電路を遮断する限流型遮断器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、送配電系統に流れる短絡電流あるいは過負荷電流等の過電流から送配電系統を保護するために、温度が上昇することにより抵抗値が増大する正の抵抗温度係数を有する素子(PTC(Positive Temperature Coefficient)サーミスタ、以下PTC素子という)を送配電系統の電路に用いることが提案されるようになった。このPTC素子を送配電系統の電路に用いると、例えば、この電路に定格電流以上の過電流が流れると、ジュール熱が発生してPTC素子の温度が上昇する。すると、このPTC素子は正の抵抗温度係数を有するため、PTC素子の温度が所定の所定の温度以上となると、抵抗値が急激に増大してこの電路に流れる過電流を抑制(限流)するようになる。一方、事故が復帰してPTC素子の温度が常温に戻ると、元の低抵抗値になるため、自動復帰してこの電路に給電が再開されることとなる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、PTC素子は所定の温度以上となると抵抗値が減少するNTC(Negative Temperature Coefficient)領域を有するため、PTC素子が異常に温度上昇すると逆に抵抗値が減少して大電流が流れ、PTC素子が破壊されるという問題があった。
また、定常時においてのPTC素子での電力損失を小さくするために常温での抵抗値を小さくしようとすると、PTC素子の断面積を大きくする必要があるが、PTC素子の断面積を大きくすると、定格電流以上の過電流が流れてもPTC素子の温度上昇率が低下するため、限流動作が遅くなり、応答性が悪化するという問題を生じる。
【0004】
さらに、限流動作した後に事故が回復すると、電路に所定の電流が流れるようにする必要があるが、PTC素子が温度上昇したままであると、抵抗値が大きいままであるため、PTC素子の温度が常温に戻るまで限流動作した状態が継続して回復動作が遅くなるという問題も生じる。
【0005】
本発明の目的は、上記の問題を解決するため、正の抵抗温度係数を有するPTC素子(セラミック素子)を常閉型接点とを組み合わせて用いることにより、当該PTC素子の異常な加熱を惹起することなく、かつ復帰動作が速くなるようにすることにある。
この目的を達成するため、本発明は、電路の電源側に所定の温度になると急激に抵抗値が増大する正の抵抗温度係数を有するPTC素子の一端側を接続し、同PTC素子の他端側を前記所定の温度より高い温度になると所定の距離だけ変位するように配置した形状記憶部材の変位によって開く常閉型接点を介して前記電路の負荷側に接続して、前記電路に定格以上の電流が流れたとき前記PTC素子が同電路に流れる過電流を抑制し前記常閉型接点が開いて前記過電流を遮断するようにした限流型遮断器において、前記PTC素子として、V 2 O 3 系セラミック又はV 2 O 3 ‐Cr 2 O 3 系セラミックをハニカム構造に形成した素子を採用したことを特徴とする限流型遮断器を提供するものである。
【0011】
【発明の効果】
本発明による限流型遮断器においては、PTC素子(セラミック素子)の常温での抵抗値は小さいため、電路に直接接続しても抵抗損失は小さく、定常時の電力損失は最小限にすることができ、電力損失をもたらすことなく電力系統を保護することができる。また、PTC素子が限流動作を開始すると常閉型接点が開動作するので、PTC素子の異常な温度上昇を防止でき、PTC素子の破壊を防止できて、この種の限流型遮断器の信頼性が向上する。また、本発明による限流型遮断器に採用したハニカム構造のV 2 O 3 系セラミック素子はBaTiO3系セラミックス素子と比較して抵抗が小さいため、断面積を小さくして小型にすることができて、この種の限流型遮断器の小型化が可能となる。また、ハニカム構造であるので、冷却効率が向上し、この素子に大電流が流れて温度上昇しても早期に冷却されて復帰動作が速くなり、この種の限流型遮断器の復帰性が向上する。PTC素子としてV 2 O 3- Cr 2 O 3 系セラミックをハニカム構造に形成した素子を採用した場合には、定格電流以上の過電流が流れても、NTC(負の抵抗温度係数)領域に至るまでに温度上昇をすることがないため、温度上昇に基づく素子の破壊を防止することができる。また、過電流が流れると確実にその抵抗値が増大するので、限流動作の応答性が向上し、この種の限流型遮断器の応答性が向上する。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下に、図に基づいて本発明の限流型遮断器の実施の形態を説明する。図1は本発明の限流型遮断器を送配電系統の電路に直接接続して、この電路に流れる過電流を抑制(限流)するとともに過電流から電路を遮断する場合の一例を示す図である。図1に示すように、この限流型遮断器は、所定の温度になるとその抵抗値が急激に増大する正の抵抗温度係数を有するセラミックス素子(PTC(Positive Temperature Coefficient)サーミスタ、以下、PTC素子という)10と、形状記憶合金製ばね21と、通常のばね材からなる圧縮ばね22と、可動接点41と固定接点42からなる接点40から構成している。
【0018】
そして、PTC素子10の一端に設けた電極10aを電路の電源側に接続し、PTC素子10の他端に設けた電極10bを接点40の固定接点42の一端を電路の電源側に接続し、固定接点42の他端を電路の負荷側に接続する。また、PTC素子10の表面から内部に形成した円筒状の穴11内に円筒体20を配設する。この円筒体20内に形状記憶合金製ばね21と通常のばね材からなる圧縮ばね22とを配設し、圧縮ばね22の端部に接点40の可動接点41を接続して、この可動接点41が固定接点42に接触した状態になるように配設している。
【0019】
PTC素子10としては、その比抵抗が急激に増大する温度(一般的には相転移温度という)が80℃〜200℃程度のもので、常温での抵抗値が小さくかつ相転移温度になると急激に抵抗値が増大するものを用いることが好ましい。ここで、PTC素子としては、一般的には、チタン酸バリウム(BaTiO3)系セラミックスを用いることが知られているが、表1に示すように、V2O3系セラミックスBaTiO3系セラミックスより、室温抵抗率、抵抗上昇、機械的強度等の点でPTC素子として優れた特性を有することが明らかとなったので、本発明においてはPTC素子として、V2O3系セラミックス、特にV2O3−Cr2O3セラミックスを用いる。
【0020】
【表1】
【0021】
このV2O3−Cr2O3系セラミックスからなるPTC素子10は、図2に示すように、その内部に蜂の巣のように多くの空隙11aを有するハニカム構造に形成したものを使用する。このようにハニカム構造に形成したV2O3−Cr2O3セラミックスからなるPTC素子10は、図3の温度−比抵抗特性に示すように、130℃程度で相転移するPTC素子が得られる。
【0022】
また、形状記憶ばね21としては、例えばNi−Ti合金からなる形状記憶合金を圧縮コイルばね形状に形状記憶して、荷重を一定のままPTC素子10の相転移温度(例えば130℃程度)より高い温度(例えば150℃程度)まで加熱すると収縮し、相転移温度より低温に冷却すると所定の距離だけ伸長するものを用いている。そして、形状記憶ばね21を一定の荷重で押圧するとともに、可動接点41が一定の荷重で押圧して固定接点42に接触するように通常ばね22が伸びた状態となるように配設している。そのため、この状態で形状記憶ばね21がPTC素子10の相転移温度より高い温度(例えば150℃程度)まで加熱されると、形状記憶ばね21は所定の距離だけ収縮して、可動接点41は固定接点42より離接することとなる。
【0023】
ついで、上述のように構成した限流型遮断器の動作を説明する。電路Lに定格電流以下の電流が流れる定常時においては、形状記憶ばね21は伸びた状態にあるため、可動接点41と固定接点42とは接触した状態にある。一方、PTC素子10の常温での比抵抗は図3に示すように小さいため、図示しない電源より供給される電流はPTC素子10の電極10aからPTC素子10内を通り、電極10b、固定接点を通って負荷側に流れる。このとき、PTC素子10の抵抗値は小さいため、PTC素子10内を流れる電流により生じる電力損失は小さい。
【0024】
ここで、何らかの理由によりこの限流型遮断器の下流側の電路で事故が生じて、定格電流以上の過電流Iが電路に流れると、PTC素子10はジュール熱により発熱して温度が上昇する。PTC素子10の温度が上昇して、その温度が130℃を超すとPTC素子10の比抵抗が図3に示すように増大し、その抵抗値が急激に増大して、PTC素子10内を流れていた電流は限流される。一方、PTC素子10の温度が上昇すると、PTC素子10の穴11内に配設された形状記憶ばね21の温度が150℃程度になると形状記憶ばね21は収縮する。すると、形状記憶ばね21に圧縮ばね22を介して接続された可動接点41は固定接点42より離接し、電路は遮断されるようになる。
【0025】
このとき、PTC素子10は上述の表1に示すように、室温抵抗率に対する抵抗上昇が2〜3桁であるので、急激にその抵抗値が増大して限流動作を行うとともに、電路が遮断されるため、PTC素子10は負の抵抗温度係数(NTC(Negative Temperature Coefficient))領域に至るまでに温度上昇することがなくなり、定格電流以上の過電流によりPTC素子10が破壊されることがなくなる。
このようにしてPTC素子10が限流動作し、接点40の可動接点41と固定接点42が離接した後、PTC素子10は図2に示すような空隙10aを有するハニカム構造となっているので、この空隙10aを介してPTC素子10は冷却されて、急速に放熱して室温の抵抗値に戻り、形状記憶ばね21は伸長して接点40の可動接点41と固定接点42とが接触して復帰することとなる。
【0026】
上述のように構成した本実施の形態においては、PTC素子10として室温での抵抗値が小さいV2O3−Cr2O3セラミックスを用いているため、このPTC素子10を電路に直接接続しても抵抗損失は小さくなる。そのため、定常時の電力損失を最小限にすることができ、電力損失を伴うことなく過電流を防止することができるようになる。また、PTC素子10が限流動作を開始すると接点40の可動接点41が固定接点42より離接して開動作するようになるので、PTC素子10の異常温度上昇を防止でき、PTC素子10の破壊を防止できるようになって、この種の限流型遮断器の信頼性が向上する。
【0027】
また、短絡事故等が発生して事故点にアークが発生しても短時間で消弧して自動復帰できるようになるので、送配電系統の保守が容易になり、保守性が向上する。また、PTC素子10に形状記憶部材21を接続し、この形状記憶部材21に弾性体22を介して可動接点41を接続するだけの構成であるので、この種の限流型遮断器の構成が簡単となり、小型、安価に製造できるようになる。
【0028】
また、形状記憶部材21として圧縮ばね形状に形状記憶させた形状記憶ばね21を用いているので、PTC素子10が相転移温度まで温度上昇すると、確実に形状記憶ばね21が収縮動作をし、接点40の可動接点41が固定接点42より確実に離接して電路を遮断するので、この限流型遮断器を用いた送配電系統の信頼性が向上する。
【0029】
また、弾性体22としてばね材よりなる圧縮ばね22を用いているので、形状記憶部材21をPTC素子10に一定の押圧力で押圧するとともに、常温時には接点40の可動接点41を固定接点42に一定の押圧力で押圧するので、接点40の開閉動作が常に安定して行われることとなり、事故が発生すると確実に電路を遮断できるようになるとともに事故が復帰すると自動的に、かつ確実に電路に投入できるようになって、保守性が向上する。
【0030】
さらに、形状記憶部材21をPTC素子10に設けた穴11内に配設しているので、PTC素子10が加熱されて温度上昇したり、あるいはPTC素子10が冷却されて温度低下すると、この熱が形状記憶部材21に効率よく熱伝導することとなり、PTC素子10が限流動作すると直ちに形状記憶部材21は収縮し、また、PTC素子10が通常動作すると直ちに形状記憶部材21は伸長するようになる。
【0031】
なお、上述の実施の形態においては、本発明の限流型遮断器の接点40を1つ設ける例について説明したが、図4に示すように、接点40、40a、40bの複数の接点を設けるようにしてもよい。この場合、接点40aの可動接点43は弾性体22に直接接続され、その固定接点44は電路に配設され、接点40bの可動接点45は弾性体22に直接接続され、その固定接点46は電路に配設される。このように複数の接点40、40a、40bを設けることにより、各接点40、40a、40bに印加される電圧は等分(この場合は3等分)されることとなるので、その開閉動作が容易となる。
【0032】
また、上述の実施の形態においては、本発明の限流型遮断器を電路に直接接続する例について説明したが、この限流型遮断器を柱上変圧器の一次端子に設置される高圧カットアウトのヒューズに変えて用いると効果的である。この場合、この高圧カットアウトに過電流が流れて遮断動作しても自動復帰する。そのため、従来の高圧カットアウトにおいて必須であったヒューズの取り替える作業が必要でなくなり、ランニングコストが低減するとともに保守性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の限流型遮断器を送配電系統の電路に直接接続する一例を示す図である。
【図2】 ハニカム構造に形成した本発明のPTC素子を示す図である。
【図3】 本発明のPTC素子の温度−比抵抗特性を示す図である。
【図4】 本発明の限流型遮断器に複数の接点を設けた例示す図である。
【符号の説明】
10…PTC素子(正の抵抗温度係数を有するセラミックス素子)、10a,10b…電極、20…円筒体、21…形状記憶部材(形状記憶ばね)、22…弾性体(圧縮ばね)、40…接点、41…可動接点、42…固定接点
Claims (5)
- 電路の電源側に所定の温度になると急激に抵抗値が増大する正の抵抗温度係数を有するPTC素子(セラミック素子)の一端側を接続し、同PTC素子の他端側を前記所定の温度より高い温度になると所定の距離だけ変位するように配置した形状記憶部材の変位によって開く常閉型接点を介して前記電路の負荷側に接続して、前記電路に定格以上の電流が流れたとき前記PTC素子が同電路に流れる過電流を抑制し前記常閉型接点が開いて前記過電流を遮断するようにした限流型遮断器において、
前記PTC素子として、V 2 O 3 系セラミックをハニカム構造に形成した素子を採用したことを特徴とする限流型遮断器。 - 電路の電源側に所定の温度になると急激に抵抗値が増大する正の抵抗温度係数を有するPTC素子(セラミック素子)の一端側を接続し、同PTC素子の他端側を前記所定の温度より高い温度になると所定の距離だけ変位するように配置した形状記憶部材の変位によって開く常閉型接点を介して前記電路の負荷側に接続して、前記電路に定格以上の電流が流れたとき前記PTC素子が同電路に流れる過電流を抑制し前記常閉型接点が開いて前記過電流を遮断するようにした限流型遮断器において、
前記PTC素子として、V 2 O 3 ‐Cr 2 O 3 系セラミックをハニカム構造に形成した素子を採用したことを特徴とする限流型遮断器。 - 前記形状記憶部材が、所定の荷重を付与されて前記所定の温度より高い温度に加熱されたとき収縮し、前記所定の温度より低い温度に冷却されたとき伸長する圧縮ばね形状の形状記憶ばねであることを特徴とする請求項1又は2に記載の限流型遮断器。
- 前記形状記憶部材の他端側を圧縮ばねの一端に係合させ同圧縮ばねの他端を前記常閉型接点の固定接点に接触する可動接点に係合させて、前記形状記憶部材に所定の荷重を付与したことを特徴とする請求項3に記載の限流型遮断器。
- 前記形状記憶部材と圧縮ばねを前記PTC素子の内部に配置したことを特徴とする請求項 4 に記載の限流型遮断器。
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