JP5118741B2

JP5118741B2 - 遮断器

Info

Publication number: JP5118741B2
Application number: JP2010261886A
Authority: JP
Inventors: 正雄柴山; 孝弘阿部
Original assignee: 株式会社日幸電機製作所
Priority date: 2010-11-25
Filing date: 2010-11-25
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2030-11-25
Also published as: JP2012113962A

Description

本発明は、電源と負荷との間に挿入され、負荷側に所定値より大きい電流が流れた場合に給電を遮断する遮断器に関する。

遮断器は、製品として多くの種類が提供されているとともに、非特許文献１などでも紹介されている。図１と図２は本願の出願人が製造・販売している従来の遮断器の１つの構成を示す図である。図１は、ＯＮ状態（給電状態）の従来の遮断器を示している。図２は、ＯＦＦ状態（遮断状態）の従来の遮断器を示している。図１（Ａ）と図２（Ａ）は正面図、図１（Ｂ）と図２（Ｂ）はＡ−Ａ線でケースのみを切断したときの平面図、図１（Ｃ）と図２（Ｃ）はＢ−Ｂ線で切断したときの正面からみた断面図である。

遮断器９００は、固定接点１０、第１端子２０、可動接点３０、可動片４０、接続導体５０、電磁部６０、第２端子７０、引き外し部８０、鉄片８５、ハンドル９０、消弧部１００、ケース１１０を備える。固定接点１０と第１端子２０とは電気的に接続されている。例えば１つの導体の一端に固定接点１０を形成し、他端を第１端子２０としてもよい。可動接点３０は可動片４０の一端に形成され、固定接点１０と接続される位置である閉極位置と、固定接点１０から最も離れた位置であるトリップ位置の間を移動できる。図１は可動接点３０が閉極位置にあるときの図であり、図２は可動接点３０がトリップ位置にあるときの図である。接続導体５０は、可動片４０の状態にかかわらず一端が可動片４０と接触しており、他端は電磁部６０と接続している。電磁部６０は、コイル状に導線が巻かれた構造であり、電磁石として機能する。また、電磁部６０の接続導体５０と反対側は、第２端子７０に接続されている。

ＯＮ状態（可動接点３０が閉極位置）のときに第１端子２０から第２端子７０に流れる電流は電磁部６０を通るので、電流が所定値（遮断器の規格値）よりも大きくなる（過大電流が流れると）と電磁部６０で生じる磁界の強さも強くなる。鉄片８５は、電磁部６０の作る磁界の強さが強くなると電磁部６０に引き付けられる。鉄片８５が引き付けられたことをトリガとして、引き外し部８０が、可動片４０を動かし、可動接点３０をトリップ位置に移動させる。

一般的には、閉極位置からトリップ位置に移動するまでに３〜５ミリ秒かかる。一方、電源電圧が数十ボルトを越えると、可動接点３０が固定接点１０から離れる際には可動接点３０と固定接点１０との間にアークが発生し、可動接点３０がトリップ位置に移動した後も電流が流れた状態が続く。例えば、電源電圧が１００Ｖの場合、電流が遮断されるまでには、１０ｍ秒から数１０ｍ秒は必要である（１０ｍ秒から数１０ｍ秒はアークによって電流が流れた状態が続く）。

消弧部１００は、アークをできるだけ速く消滅させる機能を果たしており、規格値が大きい遮断器には備えられている。なお、消弧部１００の原理については、非特許文献２などに示されている。また、非特許文献２には、その他のアークを消滅させる方法（固定接点とトリップ位置の可動接点との距離は離す、接点を真空中や放電が発生しにくいガス中に配置する、アーク発生時に圧縮空気を吹き付ける、永久磁石を用いるなど）も示されている。

ハンドル９０は、人手で可動接点３０の位置を、閉極位置またはトリップ位置に移動させるための構成部である。ケース１１０は、上述の構成部を収納している。

中島廣一編著，「選び方・使い方遮断器・開閉器」，６．１各遮断器の特徴，オーム社，pp116〜118，平成17年11月. 日本プラントメンテナンス協会編，「遮断器・開閉器のメンテナンス」，２．４各種遮断器・開閉器の原理と特徴，日本プラントメンテナンス協会、pp32〜55，1997年3月.

しかしながら、従来技術は印加されている電圧が高いときには電流を遮断するまでに要する時間が延び、更に電圧が高くなると遮断できない状態（電流をゼロにすることができず、流れ続ける状態）になるという課題がある。また、従来のアークを消滅させる方法では、遮断器が大きくなってしまう。永久磁石を用いると電流の極性が限定されるなどの問題がある。

本発明は、アークをより速く遮断でき、印加電圧が高いときであっても電流を遮断できる遮断器を提供することを目的とする。

本発明の遮断器は、第１端子、第２端子、固定接点、可動接点、トリップ手段、誘電体板を備える。第１端子と第２端子とが、外部と電気的に接続される。固定接点は、第１端子と電気的に接続されている。可動接点は、第２端子と電気的に接続され、固定接点と接続される位置である閉極位置と、固定接点から離れた位置であるトリップ位置との間を移動できる。トリップ手段は、可動接点が閉極位置のときに、第１端子と第２端子との間に所定値より大きい電流が流れた場合に、可動接点をトリップ位置に移動させる。誘電体板は、閉極位置とトリップ位置との間に可動接点の軌道に沿って配置され、可動接点の軌道側に突出した軌道の長さより短い幅の凸部を有する。

本発明の遮断器によれば、閉極位置とトリップ位置との間に可動接点の軌道に沿って凸部を有する誘電体板が配置されている。原理は解明できていないが、実験結果から可動接点の軌道の長さよりも短い幅の凸部にはアークが継続することを妨げる機能があると考えられる。したがって、本発明の遮断器は、アークをより速く遮断でき、印加電圧が高いときであっても電流を遮断できる。

ＯＮ状態（給電状態）の従来の遮断器を示す図。ＯＦＦ状態（遮断状態）の従来の遮断器を示す図。本発明の遮断器の構成例を示す図。凸部の効果を確認する実験を説明するための図。凸部の効果を確認する実験の結果を表形式で示す図。凸部の効果を確認する実験の結果をグラフで示す図。遮断時の第１端子と第２端子との間の電圧・電流の様子を示す図。凸部の位置を確認する実験を説明するための図。凸部の位置を確認する実験の結果を示す図。凸部の角のシャープさを確認する実験を説明するための図。凸部の幅を確認する実験を説明するための図。凸部の幅を確認する実験の結果を示す図。消弧部を具備したときの効果を確認する実験に用いた消弧部の構造を示す図。消弧部を具備したときの効果を確認する実験の結果を表形式で示す図。消弧部を具備したときの効果を確認する実験の結果をグラフで示す図。凸部と消弧部の両方を具備したときの効果を確認する実験を説明するための図。凸部と消弧部の両方を具備したときの効果を確認する実験の結果を表形式で示す図。凸部と消弧部の両方を具備したときの効果を確認する実験の結果をグラフで示す図。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。

図３に本発明の遮断器の構成例を示す。図３（Ａ）は正面図、図３（Ｂ）はＣ−Ｃ線での断面図である。本発明の遮断器２００は、第１端子２０、第２端子７０、固定接点１０、可動接点３０、トリップ手段１５０、誘電体板１６０、ケース２１０を備える。第１端子２０と第２端子７０とは、外部と電気的に接続される。固定接点１０は、第１端子２０と電気的に接続されている。可動接点３０は、第２端子７０と電気的に接続され、固定接点１０と接続される位置である閉極位置と、固定接点１０から離れた位置であるトリップ位置との間を移動できる。図３では、実線で示された可動接点３０が閉極位置を示しており、一点鎖線で示した可動接点３０がトリップ位置を示している。

トリップ手段１５０は、可動片４０、引き外し機構１４５、ハンドル９０で構成される。トリップ手段１５０は、可動接点３０が閉極位置のときに、第１端子２０と第２端子７０との間に所定値より大きい電流が流れた場合に、可動接点３０をトリップ位置に移動させる。例えば、図１と図２で説明した遮断器９００の場合は、接続導体５０、電磁部６０、引き外し部８０、鉄片８５が引き外し機構１４５に該当する。なお、図１と図２で説明した遮断器９００は完全電磁式のトリップ手段であるが、熱動電磁式や電子式（非特許文献１参照）などのトリップ手段でもよい。

誘電体板１６０は、閉極位置とトリップ位置との間に可動接点３０の軌道（図３の矢印）に沿って配置され、軌道側に突出した軌道の長さより短い幅の凸部１６５を有する。誘電体板１６０は、例えば、図３に示すように可動接点３０の軌道を挟むように両側に配置すればよい。また、凸部は、図３では片方の誘電体板１６０に対して１つ形成されている（言い換えると、軌道方向に１つの凸部１６５が形成されている）だけだが、２つ以上形成してもよい。ケース２１０は、これらの構成部を収納する。

遮断器２００は、閉極位置とトリップ位置との間に可動接点３０の軌道に沿って軌道の長さより短い幅の凸部１６５を有する誘電体板１６０が配置されている。原理については明確ではないが、後述する実験結果から、凸部１６５にはアークが継続することを妨げる機能があると考えられる。したがって、遮断器２００は、アークをより速く遮断でき、印加電圧が高いときであっても電流を遮断できる。

さらに、図３では点線で示している消弧部１００も備えてもよい。誘電体板１６０を図３に示すように消弧部１００の側面に配置すれば、遮断器全体の大きさを大きくすることなく誘電体板１６０と消弧部１００の両方を備えることも可能である。なお、凸部１６５も消弧部１００もアークを消滅させる機能を有する点で共通するが、後述する実験結果のとおり、消弧部１００は主に電流が大きい場合にもアークをより速く遮断でき、凸部は主に電源電圧が高い場合でもアークをより速く遮断できる性質を有している。したがって、凸部と消弧部の両方を具備した場合には、両方のアークを消滅させる効果を利用できるので、電流が大きい場合でも電圧が高い場合でも、より速くアークを消滅させることができる。

［実験］
凸部の効果を確認する実験
実験では、まず図１と図２で説明した従来の遮断器の消弧部１００を取り除き、形状の異なる複数種類の誘電体板１６０を可動接点３０の軌道に沿って配置した。そして、それぞれの場合について、電源電圧を変化させて、トリップ手段が動作し始めてから電流が切れるまでの時間を測定した。図４は、凸部の効果を確認する実験を説明するための図であって、図３（Ａ）のＣ−Ｃ線と同じ位置での断面を示す図である。図４（Ａ）は凸部１６５がない誘電体板１６０の場合、図４（Ｂ）は凸部１６５が誘電体板１６０ごとに１つ形成された場合、図４（Ｃ）は凸部１６５が誘電体板１６０ごとに２つ形成された場合を示している。なお、この実験では、トリップ手段が動作開始する電流を１３Ａとした。

Ａ１、Ａ２、Ａ３は、凸部１６５がない誘電体板１６０同士の間隔Ｄ１をかえたものである（図４（Ａ）参照）。Ａ１はＤ１＝５．２ｍｍ、Ａ２はＤ１＝７．２ｍｍ、Ａ３はＤ１＝１１．２ｍｍとした場合である。Ｂは、凸部１６５が誘電体板１６０ごとに１つ形成されたものであり（図４（Ｂ）参照）、誘電体板１６０同士の間隔Ｄ１＝７．２ｍｍ、凸部１６５同士の間隔Ｄ２＝５．２ｍｍとした場合である。また、凸部１６５の幅Ｌ２は１ｍｍであり、凸部１６５は固定接点とトリップ位置の可動接点３０とのほぼ真ん中に位置している。Ｃは、凸部１６５が誘電体板１６０ごとに２つ形成されたものであり（図４（Ｃ）参照）、誘電体板１６０同士の間隔Ｄ１＝７．２ｍｍ、凸部１６５同士の間隔Ｄ２＝５．２ｍｍとした場合である。各凸部１６５の幅Ｌ２は１ｍｍであり、同一の誘電体板１６０上の凸部１６５同士の隙間も１ｍｍである。そして、凸部１６５は固定接点とトリップ位置の可動接点３０とを結ぶ線の垂直二等分線についてほぼ対称に形成されている。なお、Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ｂ、Ｃともに、固定接点１０とトリップ位置の可動接点３０との距離Ｌ１は１１．６ｍｍである。

図５と図６は、凸部の効果を確認する実験の結果を示す図である。図５は実験結果を表形式で示したもの、図６は実験結果をグラフで示したものである。図５の空欄は測定できなかったこと（電流を遮断できなかったこと）を示している。また、図７は、遮断時の電圧・電流の様子を示すである。図７（Ａ）は電源電圧が１２５ＶのときのＡ１の遮断時の電圧・電流の様子、図７（Ｂ）は電源電圧が１２５ＶのときのＡ２の遮断時の電圧・電流の様子、図７（Ｃ）は電源電圧が１２５ＶのときのＢの遮断時の電圧・電流の様子を示している。図７の各図の上側が第１端子２０と第２端子７０との間の端子間電圧を示しており、下側が第１端子２０と第２端子７０との間に流れた電流を示している。固定接点１０と可動接点３０とが接触しているときは、第１端子２０と第２端子７０との間の抵抗はほぼ０Ωなので、端子間電圧は０Ｖである。固定接点１０と可動接点３０とが離れ始めると、第１端子２０と第２端子７０との間の抵抗が大きくなるため端子間電圧が大きくなり、電流が遮断された後は端子間電圧が電源電圧と同じになる。

図５と図６に示した実験結果から、ＢとＣが、アークをより速く遮断でき、印加電圧が高いときであっても電流を遮断できることが分かる。また、Ａ１、Ａ２、Ａ３の結果から、誘電体板１６０同士の間隔Ｄ１が狭い方が、印加電圧が高いときであっても電流を遮断できることが分かる。しかし、全体的に誘電体板１６０同士の間隔Ｄ１が狭いＡ１よりも、全体的には誘電体板同士の間隔が広いＢやＣの方が、アークをより速く遮断でき、印加電圧が高いときであっても電流を遮断できる。つまり、凸部１６５を有することで、アークをより速く遮断でき、印加電圧が高いときであっても電流を遮断できる。なお、ＢとＣの間には特に差はなかった。したがって、凸部１６５は１つ以上あればよく、数を特定する必要はないと考えられる。

凸部の位置を確認する実験
図８は、凸部の位置を確認する実験を説明するための図であって、図３（Ａ）のＣ−Ｃ線と同じ位置での断面を示す図である。この実験では、Ｌ１＝１１．６ｍｍ、Ｌ２＝３ｍｍ、Ｄ１＝７．２ｍｍ、Ｄ２＝５．２ｍｍである。そして、図中のＸの値をいくつか選択し、トリップ手段が動作し始めてから電流が切れるまでの時間を測定した。なお、この実験では、電源電圧を直流１２５Ｖ、トリップ手段が動作開始する電流を１３Ａとした。

図９は凸部の位置を確認する実験の結果を示す図である。例えば、Ｘ＝０．３ｍｍのときは３２ｍ秒、Ｘ＝４．３ｍｍのとき（固定接点と前記トリップ位置の可動接点との中間）は１８ｍ秒、Ｘ＝８．３ｍｍのときは３１ｍ秒である。この結果から、凸部１６５が１つの場合は、固定接点１０とトリップ位置の可動接点３０との真ん中に凸部１６５を形成すればよい。また、遮断器の特性を極性（第１端子と第２端子のどちらを陽極につなぐか）に依存させないためには、凸部１６５は、固定接点１０とトリップ位置の可動接点３０とを結ぶ線の垂直二等分線について対称に形成した方がよい。なお、ここでの「対称」には、設計上許容できる範囲も含まれる。

凸部の角のシャープさを確認する実験
図１０は、凸部の角のシャープさを確認する実験を説明するための図であって、図３（Ａ）のＣ−Ｃ線と同じ位置での断面を示す図である。図１０（Ａ）は凸部の角を９０度にした場合、図１０（Ｂ）は凸部に傾斜を持たせた場合を示している。Ｌ１＝１１．６ｍｍ、Ｄ１＝７．２ｍｍ、Ｄ２＝５．２ｍｍである。この実験では、電源電圧を直流１３８Ｖ、トリップ手段が動作開始する電流を１３Ａとした。

トリップ手段が動作し始めてから電流が切れるまでの時間は、図１０（Ａ）の場合は２３ｍ秒、図１０（Ｂ）の場合は８３秒であった。したがって、凸部１６５には傾斜を設けない方がよいことがわかる。別な表現を用いると、凸部は、可動電極の軌道と垂直な面と平行な面で形成すればよい。なお、ここでの「垂直」、「平行」とは、製造上許容する範囲を含む意味である。

凸部の幅を確認する実験
図１１は、凸部の幅を確認する実験を説明するための図であって、図３（Ａ）のＣ−Ｃ線と同じ位置での断面を示す図である。Ｌ１＝１１．６ｍｍ、Ｄ１＝７．２ｍｍ、Ｄ２＝５．２ｍｍであり、凸部１６５は固定接点１０とトリップ位置の可動接点３０との真ん中に形成している。この実験では、電源電圧を直流１３８Ｖ、トリップ手段が動作開始する電流を１３Ａとし、凸部１６５の幅Ｌ２を変えて、トリップ手段が動作し始めてから電流が切れるまでの時間を測定した。

図１２に、凸部の幅を確認する実験の結果を示す。トリップ手段が動作し始めてから電流が切れるまでの時間は、例えば、Ｌ２＝３ｍｍのとき８８ｍ秒、Ｌ２＝２ｍｍのとき４７ｍ秒、Ｌ２＝１ｍｍのとき２８ｍ秒であった。

この実験から、凸部１６５の幅を広くしない方がよいことは分かる。このことは、凸部１６５の幅をＬ１と同じになるまで広げた形状と等価な、凸部の効果を確認する実験のＡ１の特性が悪いことと整合している。

一方、狭くする方向の最適値を求めるには至っていない。ただし、一般的な機械加工などで製造する範囲では、凸部の幅は狭い方がよいと思われる。

消弧部を具備したときの効果を確認する実験
図１３に消弧部を具備したときの効果を確認する実験に用いた消弧部の構造を示す。図１３（Ａ）は消弧部の平面図、図１３（Ｂ）はＤ−Ｄ線での断面図である。消弧部１００’は４つの鉄板１０１とサポータ１０２で構成されている。サポータ１０２は紙などの絶縁体で形成されている。この実験では、誘電体板１６０がない状態で消弧部１００’を具備したときの効果を確認するために、電源電圧を６３Ｖとし、電流を変化させてトリップ手段が動作し始めてから電流が切れるまでの時間を測定した。

図１４と図１５は、消弧部を具備したときの効果を確認する実験の結果を示す図である。図１４は実験結果を表形式で示したもの、図１５は実験結果をグラフで示したものである。これらの図から分かるように、消弧部を具備することで電流が大きいときでも、トリップ手段が動作し始めてから電流が切れるまでの時間を短くできる。

凸部と消弧部の両方を具備したときの効果を確認する実験
図１６は、凸部と消弧部の両方を具備したときの効果を確認する実験を説明するための図であって、図３（Ａ）のＣ−Ｃ線と同じ位置での断面を示す図である。Ｌ１＝１１．６ｍｍ、Ｌ２＝３ｍｍ、Ｄ１＝７．２ｍｍ、Ｄ２＝５．２ｍｍであり、凸部１６５は固定接点１０とトリップ位置の可動接点３０との真ん中に形成している。この実験では、電流を９０Ａとし、電源電圧を変化させてトリップ手段が動作し始めてから電流が切れるまでの時間を測定した。

図１７と図１８は、凸部と消弧部の両方を具備したときの効果を確認する実験の結果を示す図である。図１７は実験結果を表形式で示したもの、図１８は実験結果をグラフで示したものである。これらの図から分かるように、消弧部だけでなく、凸部も具備することで電源電圧が高いときでも、トリップ手段が動作し始めてから電流が切れるまでの時間を短くできる。

［予想される理由］
上述の実験だけでは、本発明の効果が得られる理由を特定することはできないが、以下に予想される理由を説明する。アークを速く消滅させる方法としては、
（１）高圧にし、障害物となる空気の分子の密度を高くする
（２）周りの空気ごと電子を吹き飛ばす
（３）消弧部を用いてアークの経路を長くする
などが知られている。

今回の実験では、凸部の効果を確認する実験で、凸部のない誘電体板１６０同士の間隔Ｄ１を最も狭くしたＡ１よりも、間隔Ｄ１は広いが凸部があるＢやＣの方が、電流が切れるまでの時間が短かった。したがって、高圧にしたこと（アークが発生する空間を小さくして、気圧が高くなるようにしたこと）で本発明の効果が得られたとは考えにくい。また、周りの空気を吹き飛ばしてはいない。したがって、凸部が障害物となってアークの流れを乱し、アークのエネルギー損失が大きくなっているから、アークが早く消滅するのではないかと予想される。

また、注目すべきは、凸部の位置を確認する実験と凸部の幅を確認する実験の結果だと思われる。アークは電子が陰極の接点から陽極の接点に飛ぶ現象であり、電子同士は反発するので、アークは直線的な経路で飛ぶのではなく、２つの接点の中間部分で広がっている。凸部の位置を確認する実験と凸部の幅を確認する実験の結果から、アークが最も広がっている２つの接点（固定接点とトリップ位置の可動接点）の中間部分に幅の狭い凸部を設けると、上記の予想される理由が効果的に作用し、アークを消滅させやすいのではないかと考えられる。

なお、上述の実験結果と理由の考察から、凸部の幅が可動接点の軌道の長さより短ければ少なくとも本発明の効果が得られ、２つの接点（固定接点とトリップ位置の可動接点）の中間部分に幅の狭い凸部を設けると最も効果的であると考えられる。

１０固定接点２０第１端子
３０可動接点４０可動片
５０接続導体６０電磁部
７０第２端子８０引き外し部
８５鉄片９０ハンドル
１００、１００’ 消弧部１０１鉄板
１０２サポータ１１０、２１０ケース
１４５引き外し機構１５０トリップ手段
１６０誘電体板１６５凸部
２００、９００遮断器

Claims

外部と電気的に接続する第１端子と第２端子と、
前記第１端子と電気的に接続された固定接点と、
前記第２端子と電気的に接続され、前記固定接点と接続される位置である閉極位置と、前記固定接点から離れた位置であるトリップ位置との間を移動できる可動接点と、
前記可動接点が閉極位置のときに、前記第１端子と前記第２端子との間に所定値より大きい電流が流れた場合に、前記可動接点をトリップ位置に移動させるトリップ手段と、
前記閉極位置と前記トリップ位置との間であって、前記可動接点の軌道に沿って配置され、前記軌道側に突出した前記軌道の長さの２５％より短い幅の凸部を有する誘電体板と、
を備える遮断器。
請求項１記載の遮断器であって、
前記凸部の幅は、前記軌道の長さの９％より広い
ことを特徴とする遮断器。
請求項１または２記載の遮断器であって、
前記誘電体板は、前記軌道をはさんだ両側にある
ことを特徴とする遮断器。
請求項１から３のいずれかに記載の遮断器であって、
前記凸部は、前記固定接点と前記トリップ位置の可動接点とを結ぶ線の垂直二等分線について対称に形成されている
ことを特徴とする遮断器。
請求項１から４のいずれかに記載の遮断器であって、
前記凸部は、前記軌道と垂直な面と平行な面で形成されている
ことを特徴とする遮断器。