JP4467887B2 - 接続可能な電流制限器を有する開閉装置の作動方法および付属装置 - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、接続可能な電流制限器を有する開閉装置を作動させるための請求項１の前文（おいて前の記載）に記載する方法に関するものである。本発明において開閉装置とは、遮断器又は接触器、場合によっては半導体スイッチ等をも意味するものである。更に本発明はこの方法を実施するための請求項６の前文に記載する装置に関するものである。
【０００２】
開閉装置は、短絡の際の電気回路網および負荷を、十分に高い開閉電圧の急速なビルドアップにより保護し、それによって短絡電流は制限され、短時間後に遮断される。電流制限を高めるため、開閉装置と分離した電流制限器、いわゆるリミッタ、との直列回路により、利用される開閉電圧を高めることができる。従来の技術によれば、リミッタはそのため主電流回路に接続され、その結果リミッタは正規作動中も短絡中も絶えず負荷電流を流されている。
【０００３】
制限器に対してはさまざまな技術的解決策が存在する。開閉アークを発生する通常の機械的な開閉器とならんで、ＰＴＣリミッタが電流制限のために使用され、このＰＴＣリミッタにおいては開閉の際に電圧ビルドアップがリミッタ材料の電気抵抗の上昇によって、また高いアーク電圧を有する気体放電によって発生される。
【０００４】
ＰＴＣリミッタは機械的な開閉器に対して開閉電圧のビルドアップが非常に速いという利点を有する。欠点は電気的な常温抵抗が比較的高いことであり、そのため、たとえば電動機始動電流によるＰＴＣ材料の許容し得ない加熱を避けるため、またリミッタの意図しない応動を防ぐため、定格作動中に定格電流が制限されなければならない。公知の市販製品（ＡＢＢ ＰＲＯＬＩＭ）では、特に開閉装置としての遮断器と主電流回路内のＰＴＣリミッタとが電気的に直列に接続される。
【０００５】
定格電流問題の他の可能な解決策はヨーロッパ特許第0 657 062 B1号明細書に記載されており、この解決策では、開閉の場合に先ず短時間電流を流される副電流路中にリミッタが接続されている。副電流路はアークガイドレールおよび消弧室から形成され、開閉接点からガイドレールへのアーク転流により投入される。
【０００６】
しかしながら、遮断器とリミッタとの通常の直列回路にくらべて、副電流路中にリミッタを接続する際、場合によっては生ずる開閉アークの復帰転流の際に開閉失敗の危険がある。このような復帰転流の際に、開閉アークまたはアーク発端は副電流路から主電流路、たとえば開閉接点に移動し、それによってリミッタは確かに無電流になるが、一般にその瞬時抵抗値は維持される。従って開閉室へのアーク転流の新たな試みの際に、付加的にリミッタ開閉電圧が越えられなければならず、それによって転流過程が場合によっては困難となり転流過程が失敗する可能性がある。
【０００７】
以上のことから出発して本発明の課題は、副電流路に電流制限器を有する開閉装置を作動させるための方法であって、復帰転流による開閉失敗が排除され得る方法を提供することである。さらに本発明の課題は付属の装置を提供することにある。
【０００８】
この課題は本発明によれば請求項１の方法により解決される。付属の装置は請求項６にあげられている。従属請求項は本発明による方法および付属の装置の有利な実施形態を含んでいる。特に、装置に関する請求項には特にＰＴＣリミッタとして構成された電流制限器や遮断器として構成された開閉装置の有利な構成があげられている。
【０００９】
本発明により特に、特に遮断器および副電流路内のリミッタから成る組み合わせの機能的信頼性が実現される。しかし本発明は他の開閉装置および電流制限器にも応用可能である。
【００１０】
本発明の他の詳細および利点は請求項と関連して実施例の以下の図面による説明から明らかになる。
【００１１】
図において等しい部分または等しい作用をする部分は同符号を有する。主として、個々にまたは組み合わせて、遮断器の副電流路中のＰＴＣリミッタの開閉失敗の問題を回避し得る２つの本発明による手段が説明される。
【００１２】
図１は、たとえばヨーロッパ特許第0 657 062 B1号明細書に示されているような遮断器の副電流路にリミッタが配置されたものを概要図で示す。
【００１３】
図１において、電流制限する遮断器２０は少なくとも２つの接点２２および２３を含んでおり、そのうち少なくとも１つは可動に構成され、熱的および磁気的又はそのいずれか一方の構成のトリップ装置２５、２６により引外し可能なラッチング機構２４を介して開いたり閉じたりすることができる。各接点２２および２３に、消弧室の前室領域２８、即ち消弧室に対しその前方に配置された領域、を囲み図１中には示されていないアークを消すため多数の消弧板２９を有する消弧室２１に開口するアーク走行レール２７および２７´が対応付けられている。アーク足点の点弧の後にアークはアーク走行レール２７および２７´の上を消弧板２９を有する消弧室２１内に移動し、そこで電流制限および消弧のために充分な大きさのアーク電圧が立ち上げられる。
【００１４】
非常に高い短絡電流、たとえばＩ_K＝５０ないし１００ｋＡ、の際にはアーク電圧上昇が、開閉器の通過電流を危険のない値に制限するためにはもはや充分でない。それは開閉装置の損傷に通じ得る。この望ましくない結果を回避するため、図１において遮断器２０の前に副電流路中にリミッタ１が接続されている。
【００１５】
リミッタ１は電流制限要素であり、ヨーロッパ特許第0 657 062 B1号に相応して主電流路には接続されておらず、アーク走行レール２７への導体と共に開閉装置２０内の副電流路を形成する。転流電流Ｉ_komに対する副電流路は、図１中で開閉すべき電流Ｉに対する主電流路への並列な電流枝路として定義されている。この副電流路には、アークが足点の点弧によりこの走行レール上で開始するときに、電流が流される。
【００１６】
図１によるリミッタ１はＰＴＣリミッタとして有利に構成されている。この種のＰＴＣリミッタ１が図２に概要を示されている。それは２つの平らな電極１０から成っており、それらの間に適切な材料から成る抵抗体５が力Ｋを印加されて挟まれている。抵抗体５は表面２および３を有し、電極１０は表面１１を有する。電流制限のためのこのようなＰＴＣリミッタの機能はヨーロッパ特許第0 657 062 B1号明細書に詳細に説明されている。
【００１７】
図３から、面電極１０が、滑らかな表面１１の代わりに、たとえばリブ幅ｂおよびリブ高さｈを有する長方形構造を備えた溝体１５を有することが分かる。リブ幅ｂは０．１ｍｍと１ｍｍとの間、またリブ高さｈも同じく０．１ｍｍと１ｍｍとの間とすることができる。特にリブ幅ｂおよびリブ高さｈは同じオーダー、好ましくは０．３ｍｍと０．６ｍｍとの間の大きさを有する。抵抗体５は両側の表面２および３に相補性の溝体７を有する。溝体７および１５を介して抵抗体５と面電極１０とは分離しないように互いに結合されている。
【００１８】
図３と異なる構成では、溝体７または１５は面電極の表面に対して傾斜角度を有するようにすることもできる。溝体の構成はＰＴＣリミッタ１の機能に影響を有する。
【００１９】
図４には、ヨーロッパ特許第0 717 676 B1号明細書に詳細に説明されているように、電極１０における溝体１５およびＰＴＣ抵抗体５の相補性の表面溝体７を有するＰＴＣリミッタ１の開閉オシログラムが示されている。ＰＴＣリミッタ１が短絡回路を遮断した際のリミッタ抵抗Ｒの時間的経過が曲線１７からわかる。リミッタ抵抗は短絡電流の開始によりその初期値Ｒ０≒４ｍΩから始まって軽く上昇する。約３００μｓの後にリミッタ抵抗は約８ｍΩの第１の平坦値Ｐに到達する。短絡電流がさらに上昇して短絡開始から５００μｓの後に５ｋＡの値に到達する間に、抵抗曲線はこの時点で急峻な上昇に移行し、約３００μｓにわたって１００ｍΩよりもはるかに高い抵抗値にとどまる。短絡開始から約９００μｓの後にリミッタ抵抗は再び約１５ｍΩの低抵抗値に復帰低下し、また続いてその出発値に低下する。
【００２０】
図１による遮断器および電流制限器から成る装置の特性と図２ないし４による電流制限器としてのＰＴＣリミッタ１の構成の特性とを結ぶことにより、副電流路から主電流路へのアーク復帰転流の際にリミッタ１を数１００μｓの時間範囲内に、電流軽減により高抵抗の即ち開かれた状態から、低抵抗の状態へ復帰させることが達成される。主電流路から副電流路への開閉アークの新たな転流の際の付加的な電圧需要は、量的に瞬時電流とリミッタの復帰抵抗との積により与えられる。
【００２１】
図４の例では復帰抵抗は常温抵抗の約２ないし４倍である。約１０ｍΩの復帰抵抗において例えば５０Ｖの補助の転流電圧を越えないために、短絡の通過電流は５ｋＡを上回ってはならない。このことは、ＰＴＣリミッタ１の復帰抵抗が通過電流の高さおよび最大の転流電圧に関係して設計されていなければならないことを意味する。
【００２２】
図５には、副電流路にＰＴＣリミッタ１を有する遮断器２０が、図１と比較可能なように示されている。主な相違点は、ブリッジ接点２３、２３´を結ぶ開閉ブリッジ３２とそれぞれアークガイドレール３６、３６´および消弧板２９、２９´を有する二重室の消弧室２１、２１´、消弧室の前室領域２８、２８´とを備える遮断器２０の開閉部分３０の対称的な構成と、この対称的な開閉室配置へのリミッタの接続とである。機能部分の符号は図１中のそれとほぼ一致している。
【００２３】
図１におけると同様に、図５においても遮断器２０の副電流路への電流制限器の配置により、リミッタ１は開閉の場合にのみ電流負荷される。副電流路として開閉室電流路が用いられ、これは開閉ブリッジ３２の開路後に開閉ブリッジ３２から隣接するガイドレール３６、３６´へのアーク転流により投入される。
【００２４】
図５において電流制限器は固有のケース５０を有し、このケースは遮断器２０の開閉部分３０のケース上に載せられており、ラッチング機構２４を機械的に操作するための延長部５２を含んでいる。
【００２５】
リミッタ１が接続されていないときには、遮断器２０はその代わりに両アークガイドレール３６、３６´を結合するためのアークガイドレール結合部３９を含む。開閉ブリッジ３２は図５においては実線で閉位置を、破線で開位置を示されている。端子４７、４７´の１つから電流路は遮断器２０の駆動部４０に移行し、この駆動部は再び図１に相応してラッチング機構２４、過電流トリップ装置２５および短絡トリップ装置２６を含んでいる。それにより短絡トリップ装置２６の短絡の場合に遮断器２０の開閉ブリッジ３２が遅れなしに開くことができる。
【００２６】
リミッタ１の接続は両ガイドレール３６、３６´の結合個所において行われ、このガイドレールは開閉ブリッジ３２に対応付けられ、アークランレールとして用いられる。リミッタ１は、両開閉室においてアーク発端がブリッジ接点から隣のガイドレールへ転流されているときに始めて電流を流される。必要な同時のアーク転流により、付加の電圧需要はリミッタ１における電圧降下により両接点ギャップに分かれる。この分割効果は開閉ブリッジへのアーク復帰転流後にも主電流路から副電流路への新たな転流を容易にする。
【００２７】
別の効果としてダブルブレークは、副電流路から主電流路への開閉アークの復帰移動が、この復帰移動が両開閉室において行われるときにのみ可能であるようにする。
【００２８】
アーク復帰転流に対する特別な措置として、ガイドレール３６、３６´の形成により、それぞれの消弧室２１、２１´およびその付属する消弧室の前室領域２８、２８´からのアークプラズマの流れに対してほぼ遮蔽された領域３４、３４´が得られ、この領域が開閉装置２０の開位置におけるブリッジ接点２３、２３´を収容する。
【００２９】
図６には、開閉ブリッジ３２の開位置に対応付けられているガイドレール３６、３６´内に切り通し３８、３８´が設けられており、このことは詳細に図７の平面図から明らかになる。ガイドレール内の切り通し３８または３８´により、開閉ブリッジ３２が開位置で消弧板２９、２９´および消弧室の前室領域２８、２８´からのアークプラズマの流れに対して遮蔽され、開閉ブリッジ３２におけるアーク復帰点弧が回避される。それにより、リミッタ機能が消弧室の前室領域２８、２８´内のアーク復帰点弧の際に中断しないことが保証される。
【００３０】
前述のように、図６は開閉位置における開閉ブリッジを示し、この開位置においてはブリッジ接点２３、２３´と固定接点２２、２２´との間の間隔が固定接点へのガイドレール３６、３６´の間隔よりも明らかに大きい。それにより、アーク転流を支える電圧差が発生され、それがアークの復帰転流を困難にする。
【００３１】
ガイドレール３６、３６´の保護形状により、アークプラズマが消弧室２１、２１´または消弧室の前室領域２８、２８´から直接に開閉ブリッジ３２に流れ得ること、また開閉ブリッジ３２からガイドレール３６、３６´または固定接点２３、２３´へのフラッシオーバーを引き起こすことが阻止される。
【００３２】
図７から、開閉ブリッジ３２が開運動の際にガイドレール３６、３６´の切り通し３８、３８´を通して導かれることが明らかになる。選ばれた幾何形状により、知られているように磁界が立ち上がり、この磁界によりアークは切り抜き縁部に移動され、分割される。開閉ブリッジ３２を動かすためのブリッジ保持体４５は同時に、ダブルブレークする遮断器２０の両開閉室の間を電気的に絶縁するために用いられる。
【００３３】
特に図５ないし７により説明された例では、遮断器がリミッタの接続可能性を有する個別開閉装置として想定されている。リミッタの接続個所はそのためにアークガイドレール結合部３９により結ばれている。遮断器とリミッタとの組み合わせの場合に、必要があれば遮断器のスイッチオン-スイッチオフ操作をするための機械的延長部５２が設けられる。
【００３４】
大電流用の遮断器では、遮断器にリミッタを取付ける代わりに、開閉器ケースの中にリミッタを組み込ませることができる。
【００３５】
実施例により、特に遮断器が本発明による開閉装置と適切な電流制限器との組み合わせに対して適していることが示された。しかし相応して接触器や半導体スイッチも開閉装置として使用可能である。しかし特にアークレスの開閉の際にはアーク開閉要素も必要である。
【００３６】
さらに本発明の実際的な具体化のために、開閉装置および電流制限器は有利にシステム技術的な手段と結ぶことができる。たとえば電流転流は可動のスライダーのような絶縁媒体、主電流回路／接点個所における遮蔽により改善することができる。シングルブレークおよびダブルブレーク又はそのいずれか一方の接点装置の応用が明らかにされた。その場合開閉接点は直線開運動または回転開運動でも実現することができる。図面により詳細に説明された電流制限器の補足または置換として、補助開閉室／接点個所を有するリミッタも固体リミッタも使用することができる。短絡早期認識のためには特別な高速トリップ装置、たとえばピエゾ素子、も副電流路への弱電力の切換のために使用することができる。
最後に電子的なトリップも可能である。
【００３７】
説明された装置においては、開閉状態や接点の寿命の監視及び接点の残存寿命の表示並びに短絡の合計によるリミッタ寿命の表示の通信も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】遮断器と遮断器の副電流路内の電流制限器とを組み合わせたものの構成図である。
【図２】ＰＴＣリミッタとして構成された電流制限器の断面図である。
【図３】図２によるＰＴＣリミッタの電極および抵抗体のプロフィルを示す側面図である。
【図４】図２および３の装置における抵抗と時間との関係を示すグラフである。
【図５】開閉ブリッジおよびリミッタを付加した対称に構成された遮断器の構成図である。
【図６】ダブルブレーク型の遮断器の開閉室を有するものの図５の部分構成図である。
【図７】切り通しを有する開閉室の外側ガイドレールの平面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１ 電流制限器
２、３ 表面
５ 抵抗体
７ 溝体
１０ 電極
１１ 電極表面
１５ 溝体
２０ 遮断器
１１ 電極表面
１７ 消弧室
２１、２１´ 消弧室
２２、２２´ 固定接点
２３、２３´ ブリッジ接点
２４ ラッチング機構
２５ トリップ装置
２６ トリップ装置
２７、２７´ アーク走行レール
２８、２８´ 消弧室の前室領域
２９、２９´ 消弧板
３０ 開閉部分
３２ 開閉ブリッジ
３４、３４´ 開閉装置の接点収容領域
３６、３６´ アークガイドレール
３８、３８´ 切り通し
３９ アークガイドレール結合部
４０ 駆動部
４５ 抵抗保持体
４７、４７′ 端子
５０ 電流制限器ケース
５２ 延長部

Claims (17)

1. 少なくとも１つの主電流路および対応する副電流路を有する開閉装置を作動させるための方法であって、前記開閉装置はアークに対する消弧装置（２１）を備え、通常より大きな電流負荷の際に、前記副電流路中に接続可能な電流制限器（１）により、非電流制限作動から電流制限作動に切換えられ、開閉電圧が立ち上げられる方法において、前記電流制限器（１）は電気的に前記消弧装置（２１）に直列に接続され、前記電流制限器（１）の復帰が前記副電流路から前記主電流路へのアークの復帰転流の際に行われ、その際電流制限作動から非電流制限作動への移行が、前記消弧装置（２１）へのアークの転流の際に前記電流制限器（１）の開閉電圧を越える電圧が当該電流制限器（１）に発生しないような時間内で行われる開閉装置の作動方法。
2. アークが前記主電流路から前記副電流路へ転流することにより、前記主電流路がスイッチオフし前記副電流路がスイッチオンする請求項１記載の方法。
3. 前記開閉装置（２０）として開閉極あたり２つの領域（３４，３４´）を有するダブルブレーク遮断器が選ばれる請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記電流制限器としてＰＴＣリミッタ（１）が使用され、その非電流制限作動への復帰の際の復帰抵抗が通過電流および最大転流電圧に関係して選ばれる請求項１ないし３のいずれか１つに記載の方法。
5. 前記開閉装置（２０）の開閉状態及び開閉接点の特性の少なくともいずれかの監視並びに前記電流制限器の寿命の表示が行われる請求項１ないし４のいずれか１つに記載の方法。
6. 少なくとも１つの主電流路および対応する副電流路を有する開閉装置であって、前記副電流路中に接続可能であり通常より大きな電流負荷の際に非電流制限作動から電流制限作動に切換え開閉電圧を立ち上げる電流制限器と、固定接点及びブリッジ接点を含む開閉接点と、前記開閉接点に対応するアークガイドレールと、アークに対する消弧装置としての消弧室とを含む開閉装置の作動装置において、前記開閉装置（２０）の副電流路において前記消弧室（２１）に電気的に直列に配置されている電流制限器（１）としてＰＴＣリミッタが用いられ、このＰＴＣリミッタは２つの金属電極（１０）間に圧力をかけて配置された導電性のポリマーから成る抵抗体（５）を有し、前記金属電極（１０）及び前記抵抗体（５）は対向する表面にそれぞれ対応する溝体（１５、７）を有し、前記電流制限器（１）は前記開閉装置（２０）の前記２つのアークガイドレール（３６、３６´）の接続個所に接続され、前記アークガイドレール（３６、３６´）が前記ブリッジ接点（２３、２３´）を前記消弧室（２１、２１´）及び前記消弧室の前室領域（２８、２８´）からのアークプラズマの流れに対して遮蔽することによりアーク復帰転流を阻止するようにした開閉装置の作動装置。
7. 前記金属電極（１０）の前記溝体の深さが１／１０ｍｍと１ｍｍとの間である請求項６記載の装置。
8. 前記溝体の側面が電極表面（１１）に対して傾けられている請求項６記載の装置。
9. 前記電極の向かい合う溝体の側面が電極表面に対して円錐状に傾けられている請求項８記載の装置。
10. 前記開閉装置（２０）の前記ブリッジ接点（２３、２３´）を結ぶ開閉ブリッジ（３２）を備え、当該開閉ブリッジの開位置において、前記ブリッジ接点（２３、２３´）と前記固定接点（２２、２２´）との間の間隔が、前記アークガイドレール（３６、３６´）の前記固定接点（２２、２２´）に対する間隔よりも大きいように、前記開閉ブリッジ（３２）が構成されている請求項６記載の装置。
11. 前記消弧室（２１、２１´）または消弧室の前記前室領域（２８、２８´）から前記開閉ブリッジ（３２）へのアークプラズマの流れが阻止されるように、前記アークガイドレール（３６、３６´）を前記開閉ブリッジ（３２）のための遮蔽体として構成した請求項１０記載の装置。
12. 前記開閉ブリッジ（３２）を動かすためのブリッジ保持体（４５）を備え、当該ブリッジ保持体は前記開閉装置（２０）の前記両消弧室（２１、２１´）の間を電気的に絶縁するのに用いられる請求項１０又は１１記載の装置。
13. 前記開閉装置が前記電流制限器（１）に対する接続可能性を有する単独の開閉装置（２０）として構成されている請求項６ないし１２のいずれか１つに記載の装置。
14. 前記電流制限器（１）の前記開閉装置（２０）に対する接続個所が、前記アークガイドレールを結合するためのアークガイドレール結合部（３９）により接続されている請求項６〜１３のいずれか１つに記載の装置。
15. 前記電流制限器（１）が固有のケース（５０）内に配置されている請求項６〜１４のいずれか１つに記載の装置。
16. 前記電流制限器のケース（５０）が前記開閉装置のケースに取付け可能である請求項１５記載の装置。
17. 前記電流制限器（１）のケース（５０）内に前記開閉装置（２０）のスイッチオン／オフ操作をするための機械的な延長部（５２）が設けられている請求項１５又は１６記載の装置。

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