JP5654394B2 - 回路遮断器 - Google Patents

Description

本発明は、回路遮断器に関し、特に電流の開閉を行う主接点と並列にコイル及びコンデンサを接続した共振回路により遮断性能を高めるようにした回路遮断器に関するものである。

図４は、従来の回路遮断器の構成を示す回路図である。この図４に示すように、遮断器１００は接点部１０１を有し、直流電源１２０と負荷１３０とからなる直流回路に挿入される。このような構成の遮断器では、遮断器の電圧を電源電圧以上に上げることで回路全体に流れる電流を零点まで減少させ、直流電流を遮断する。

図５は、図４に示す遮断器１００の遮断動作時における電流・電圧波形の一例である。ここで、実線は回路全体の電流、破線は接点部１０１に発生するアークＡの電圧（アーク電圧）の波形を示している。図５に示すように、図４に示す構成では、時刻ｔ１１で接点部１０１を開極して遮断動作を開始しても、遮断器の電圧が十分に上昇せず、回路全体に流れる電流（接点部１０１を流れる電流）をなかなか零点まで減少させることができない。このように、図４に示す構成では遮断性能が悪い、もしくは遮断不能となる。
そこで、遮断器の接点部と並列にコイル及びコンデンサを接続した共振回路により、遮断動作時に振動電流を発生させ、これを直流電流に重畳させることで接点部を流れる電流に零点を作り出し遮断する方法が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。

図６は、共振回路部を設けた遮断器の一般的な構成を示す図である。図６に示すように、遮断器１００は、接点部１０１と、接点部１０１に直列に接続される補助接点１０２と、接点部１０１に並列に接続されるコイル１０３とコンデンサ１０４とを直列接続した共振回路部とを有する。このような構成の遮断器１００では、接点開極時に接点部１０１にアークＡが発生し、そのアーク電圧の発生に伴い接点部１０１、コイル１０３及びコンデンサ１０４からなる閉ループ回路に振動電流が発生する。そして、この振動電流が接点部１０１に流れる直流電流に重畳されることで、接点部１０１に流れる電流が零点に到達し、アーク電圧が上昇してアークＡを介して通電されていた電流が遮断される。主接点１０１で電流零点を迎えた後は、コイル１０３及びコンデンサ１０４側の回路に直流電源１２０の電圧が印加され、コンデンサ１０４は電源電圧と同レベルまで充電される。この後、補助接点１０２が動作し、直流電源１２０から負荷１３０が完全に切り離される。

特開２００４−３９４１１号公報 特開平３−６７４２９号公報 特開昭５４−１３２７７６号公報

ところで、遮断動作時に発生する上記振動電流は、遮断器の共振回路部を構成するコンデンサの容量が大きいほど大きくなるため、当該コンデンサの容量が大きいほど、遮断性能は高くなるといえる。
例えば、図６に示す遮断器１００において、共振回路部のコイル１０３のインダクタンスを１０μＨ、コンデンサ１０４の容量を５．６μＦとした場合、数百Ｖの電源電圧で数十Ａ（例えば、５０Ａ）の直流電流を遮断しようとしたときの電流・電圧波形は図７に示すようになる。ここで、図７（ａ）の実線は回路全体の電流、（ａ）の破線はアーク電圧、（ｂ）は接点部１０１を流れる電流、（ｃ）は共振回路部を流れる電流である。この図７に示すように、時刻ｔ２１で接点部１０１を開極して遮断動作を開始しても、共振回路部に発生する振動電流が小さく、接点部１０１を流れる電流をなかなか零点まで到達させることができない。そのため、遮断動作開始から所望の遮断性能となる所定期間が経過した時点（矢印α）で、確実に電流遮断を完了とすることができない。

このように、数百Ｖの電源電圧で数十Ａの直流電流を遮断するには、コンデンサ１０４の容量が数μＦであると容量が小さすぎるため、遮断性能が悪い。数百Ｖの電源電圧で数十Ａの直流電流を遮断するには、数十μＦ〜数百μＦのコンデンサ容量が必要である。
共振回路部に流れる電流は、正負の向きを持つ振動電流であるため、共振回路部を構成するコンデンサとしては無極性のコンデンサを使用するのが一般的である。ところが、無極性コンデンサで比較的容量の大きなフィルムコンデンサなどでも、その容量はせいぜい数μＦ程度しかない。そのため、上述したように数十μＦ以上のコンデンサ容量を実現するためには、当該無極性コンデンサを複数個並列に接続しなければならず、共振回路部が大型化し、それに伴い回路遮断器全体が大型化してしまう。そのため、例えば、配電盤等で回路遮断器を複数台設置するような用途には適用が困難であった。
そこで、本発明は、共振回路部を構成するコンデンサ部の大容量化及び小型化により、小型で遮断性能の高い回路遮断器を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、本発明の回路遮断器は、直流電源と負荷との間の直流回路に挿入される主接点と、コイルとコンデンサ部とが直列に接続され、前記主接点に並列に接続される共振回路部と、を備え、前記主接点の開極時に、前記主接点のアーク電圧特性によって前記共振回路部に発生する振動電流を、前記主接点を流れる直流電流に重畳し、上記主接点に流れる電流に零点を発生させて電流遮断を行う回路遮断器であって、前記コンデンサ部は、有極性コンデンサとダイオードとを、前記有極性コンデンサの正極と前記ダイオードのカソードとが接続するように並列に接続した回路を２組有し、前記２組の回路を、前記有極性コンデンサの同一極同士が接続するように直列に接続した構成であることを特徴としている。

このように、コンデンサ部に、無極性コンデンサと比較して容量の大きい有極性コンデンサを用いるので、コンデンサを多数並列接続することなく、必要なコンデンサ容量を確保することができる。したがって、コンデンサ部の大容量化及びそれに伴う小型化を図ることができる。

さらに、コンデンサ部を、有極性コンデンサの正極と前記ダイオードのカソードとが接続するように並列に接続した回路２組により構成するので、このダイオードによるバイパス機能により、有極性コンデンサに逆方向の電流が流れないようにすることができる。すなわち、有極性コンデンサの逆電圧からの保護が可能となる。また、コンデンサ部を２個の有極性コンデンサの同一極同士を直列に接続した構成とするので、共振回路部全体で正負どちらの方向の電流でも流すことができる。すなわち、正負両方の通電方向をもつ振動電流に対応させることができる。
また、上記において、前記有極性コンデンサは、アルミ電解コンデンサであることを特徴としている。
このように、有極性コンデンサとして比較的安価なアルミ電解コンデンサを適用するので、低コストで回路遮断器を提供することができる。

本発明によれば、主接点と並列にコイル及びコンデンサ部を接続した共振回路により、遮断性能を高めた回路遮断器とすることができる。また、コンデンサ部に、一般的に使用される無極性コンデンサと比較して容量の大きい有極性コンデンサを用いるので、コンデンサ部の大容量化とそれに伴う小型化とを実現することができる。
したがって、回路遮断器全体の小型化が図れ、例えば、配電盤等で回路遮断器を複数台設置するような用途にも適用可能となる。

本発明に係る回路遮断器を適用した直流回路の構成を示す図である。 遮断動作時における電流・電圧波形の一例である。 本発明に係る回路遮断器の別の例を示す図である。 従来の回路遮断器（共振回路部なし）の構成を示す図である。 従来の回路遮断器の遮断動作時における電流・電圧波形の一例である。 従来の回路遮断器（共振回路部あり）の構成を示す図である。 従来の回路遮断器の遮断動作時における電流・電圧波形の一例である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（構成）
図１は、本発明に係る回路遮断器を適用した直流回路の構成を示す図である。
図中、符号１は直流回路であり、直流電源２０と負荷３０との間を結ぶ直流回路１に、回路遮断器（以下、単に遮断器と称す）１０が挿入されている。
遮断器１０は、接触子の開閉により電流を遮断／通電する主接点１１を備える。主接点１１には、回路の切り離しを行うための補助接点１２が直列に接続されており、これら主接点１１及び補助接点１２は図示しない開閉機構部によって開閉制御される。

また、主接点１１には、コイル１３とコンデンサ部１４とを直列に接続した共振回路部が並列に接続されている。ここで、コンデンサ部１４は、２個の有極性コンデンサ１５ａ，１５ｂと２個のダイオード１６ａ，１６ｂとで構成される。上記有極性コンデンサ１５ａ，１５ｂとしては、アルミ電解コンデンサを用いる。なお、以下の説明において、アルミ電解コンデンサ１５ａ，１５ｂを総括して説明する場合には、単にアルミ電解コンデンサ１５と略記する。また同様に、ダイオード１６ａ，１６ｂを総括して説明する場合には、ダイオード１６と略記する。

このコンデンサ部１４は、アルミ電解コンデンサ１５とダイオード１６とを、アルミ電解コンデンサ１５の正極とダイオード１６のカソードとが接続するように並列に接続した回路を２組有する構成となっており、この２組の回路は、アルミ電解コンデンサ１５の負極同士が接続するように直列に接続されている。
アルミ電解コンデンサ１５は有極性のコンデンサであるため、一方向にしか通電することができない。そこで、本実施形態では、アルミ電解コンデンサ１５ａ及び１５ｂの負極同士を接続することで、共振回路部を正負両方の電流が通電可能となるように構成する。なお、この図１においては、直流電源２０の高電位に接続されている側（コイル１３側）から低電位に接続されている側（負荷３０側）に流れる方向を正とする。

また、本実施形態では、各アルミ電解コンデンサ１５に、当該アルミ電解コンデンサ１５が通電することができない方向の電流を通電可能なダイオード１６を並列に接続する。すなわち、アルミ電解コンデンサ１５の正極にダイオード１６のカソードを接続する。これにより、ダイオード１６のバイパス機能によって、アルミ電解コンデンサ１５の逆電圧からの保護が可能となる。

以上の構成により、遮断器１０は、定常状態で主接点１１を閉極することで、負荷電流を主接点１１に通電させる。一方、事故電流や負荷電流を遮断する際には、主接点１１を開極する。このとき、主接点１１にアークＡが発生し、アーク電圧が発生する。ここで、アークＡの電圧特性は、電流が増加するとアーク電圧が低下する負特性である。アークＡと共振回路部（コイル１３及びコンデンサ部１４）とで構成される閉ループ回路に発生する振動電流は、主接点１１に流れる直流電流に重畳され、これにより主接点１１に流れる電流に零点を作り出し遮断することができる。

上記振動電流は正負両方の通電方向をもつ電流である。共振回路部を電流が正の方向に流れる場合には、実線矢印Ｉａに示すように、コイル１３→アルミ電解コンデンサ１５ａ→ダイオード１６ｂの経路で電流が流れる。一方、共振回路部を電流が負の方向に流れる場合には、破線矢印Ｉｂに示すように、アルミ電解コンデンサ１５ｂ→ダイオード１６ａ→コイル１３の経路で電流が流れる。
このように、共振回路部を流れる電流の通電方向によってダイオード１６ａ又は１６ｂでバイパスすることで、アルミ電解コンデンサ１５に逆方向の電流が流れないようにし、共振回路部全体では正負どちらの電流も流すことができるようにしている。

（動作）
次に、本実施形態の動作について説明する。
定常状態では、主接点１１及び補助接点１２が閉極されており、直流回路１には、直流電源２０と負荷３０とで決まる直流電流が流れる。この定常状態において、何らかの原因により負荷３０で短絡事故が発生すると、直流回路１には定常状態で流れる電流に比べて非常に大きな短絡電流が流れる。すると、図示しない電流検知部が過電流を検知し、図示しない開閉機構部を駆動して短絡電流を遮断するための動作を開始する。以下、この電流遮断動作手順について、図２を参照しながら説明する。

ここで、図２は、図１に示す遮断器１０において、共振回路部のコイル１３のインダクタンスを１０μＨ、コンデンサ部１４の容量を３３．６μＦ（アルミ電解コンデンサ１５ａ，１５ｂの容量をそれぞれ３３．６μＦ）とした場合の遮断動作時における電流・電圧波形である。図２（ａ）の実線は回路全体の電流、（ａ）の破線はアーク電圧、（ｂ）は接点部１１を流れる電流、（ｃ）は共振回路部を流れる電流を示している。また、Ｉ₀は遮断電流、Ｖ₀は電源電圧である。

短絡電流を遮断する場合、先ず、図２の時刻ｔ１で、開閉機構部によって主接点１１が開極される。この接点開極時には、主接点１１にアークＡが発生し、それに伴い図２（ａ）の破線に示すようにアーク電圧が発生する。すると、主接点１１、コイル１３及びコンデンサ部１４からなる閉ループ回路に、コイル１３及びコンデンサ部１４によって決まる周波数をもつ振動電流が発生し（図２（ｃ））、この振動電流が主接点１１を流れる直流電流に重畳される（図２（ｂ））。

アーク電圧は時間の経過とともに緩やかに上昇し、このアーク電圧の上昇に伴い振動電流も増大する。すると、時刻ｔ２で、主接点１１を流れる電流が零点に到達し、これによりアーク電圧が上昇して、時刻ｔ３でアークＡを介して通電されていた電流が遮断され、電流遮断完了となる。
主接点１１で電流零点を迎えた後は、コイル１３及びコンデンサ１４側に直流電源２０の電圧が印加されるため、アルミ電解コンデンサ１５は電源電圧と同レベルまで充電される。その後、開閉機構部によって補助接点１２が開極されることで、直流電源２０から負荷３０が完全に切り離される。

このように、コイル１３及びコンデンサ部１４で構成される共振回路部により振動電流を発生させ、その振動電流を直流電流に重畳させることで主接点１１を流れる電流に零点を作り出して電流遮断を行う。このとき、共振回路部に、主接点１１を流れる電流を遮断動作開始時から所望の遮断性能を実現可能な期間内に零点に到達させることができる大きさの振動電流が発生するように、コンデンサ部１４の容量を設定する。

上記の例では、数百Ｖの電源電圧で例えば５０Ａの電流を効率良く遮断するために、コンデンサ容量を３３．６μＦとしている。本実施形態では、コンデンサ部１４を構成するコンデンサとして、アルミ電解コンデンサ１５を使用している。このような有極性コンデンサは静電容量が大きく、数十μＦ程度のコンデンサ容量は１個で実現可能である。本実施形態では、正負両方の通電方向をもつ振動電流に対応させるために、アルミ電解コンデンサ１５を２組設ける必要があるため、３３．６μＦのコンデンサ容量を実現するためには遮断器１０にアルミ電解コンデンサ１５を２個設けるだけでよい。

ところで、コイル１３及びコンデンサ部１４で構成される共振回路部には、上述したように正負両方の通電方向をもつ振動電流が流れるため、従来、共振回路部を構成するコンデンサには無極性コンデンサを使用していた。しかしながら、無極性コンデンサの中で比較的容量の大きなフィルムコンデンサでも静電容量は数μＦ程度である。図６に示す構成の遮断器１００において、共振回路部を構成するコンデンサ１０４に無極性コンデンサを使用し、当該コンデンサ１０４のコンデンサ容量を５．６μＦとした場合、遮断動作時の電流・電圧波形は図７に示すようになる。

この図７に示すように、時刻ｔ２１で接点部１０１を開極して遮断動作を開始しても、共振回路部に発生する振動電流が小さく、図２における遮断動作開始時（時刻ｔ１）から電流遮断完了時（時刻ｔ３）までの期間と同等の期間が経過した矢印αの時点では、接点部１０１を流れる電流を零点まで到達させることができない。このように、共振回路部を構成するコンデンサの容量が小さいと遮断性能が悪い。

接点部１０１を流れる電流を効果的に零点まで到達させるために、例えば５．６μＦのフィルムコンデンサを使ってコンデンサ部の静電容量を３３μＦ以上にするには、６個のコンデンサを並列接続する必要がある。この場合、コンデンサ部が大型化し、結果として回路遮断器全体が大型化してしまう。
これに対して、本実施形態では、共振回路部を構成するコンデンサ部に、無極性コンデンサと比べて静電容量が大きい有極性コンデンサを用いる。これにより、主接点１１を流れる電流を零点に到達させるのに十分必要な容量（数十μＦ〜数百μＦ）を、少ないコンデンサで実現することができる。すなわち、有極性コンデンサを使用することで、容量確保のためにコンデンサを多数並列接続する必要がなくなり、回路遮断器全体の小型化が図れる。

（効果）
このように、本実施形態では、主接点と並列に接続する共振回路部を構成するコンデンサ部分を、他の種類のコンデンサに比べ静電容量の高い有極性コンデンサで構成するので、コンデンサ部の大容量化、小型化を図ることができる。また、有極性コンデンサとして比較的安価なアルミ電解コンデンサを用いるので、低コストで回路遮断器を提供することができる。
さらに、有極性コンデンサで構成されるコンデンサ部を２個のアルミ電解コンデンサと２個のダイオードとで構成する。そして、アルミ電解コンデンサの正極とダイオードのカソードとが接続するように並列に接続した回路を２組作り、当該２組の回路を、アルミ電解コンデンサの負極同士が接続するように直列に接続する。

これにより、共振回路部を流れる電流の通電方向によってダイオードをバイパスさせることで、片方のアルミ電解コンデンサを逆電圧から保護しつつ、共振回路部全体では正負どちらの電流も流すことができるようになる。したがって、電流遮断動作時には、遮断器の主接点に流れる電流を効果的に零点に到達させることができる振動電流を適切に発生させることができ、遮断性能の高い回路遮断器とすることができる。
以上のように、小型で遮断性能の高い回路遮断器を提供することができる。その結果、例えば、配電盤等で回路遮断器を複数台設置するような用途にも適用可能となる。

（変形例）
なお、上記実施形態においては、アルミ電解コンデンサ１５の負極同士を直列に接続する場合について説明したが、図３に示すように、アルミ電解コンデンサ１５の正極同士を直列に接続することもできる。
この場合、共振回路部を電流が正の方向に流れる場合には、実線矢印Ｉａに示すように、コイル１３→ダイオード１６ｂ→アルミ電解コンデンサ１５ａの経路で電流が流れる。一方、共振回路部を電流が負の方向に流れる場合には、破線矢印Ｉｂに示すように、ダイオード１６ａ→アルミ電解コンデンサ１５ｂ→コイル１３の経路で電流が流れる。したがって、図３に示す回路構成でも、図１に示す回路構成の場合と同様の動作を実現することができる。
（応用例）
なお、上記実施形態においては、有極性コンデンサとしてアルミ電解コンデンサを用いる場合について説明したが、これに代えて小型で大容量のタンタル電解コンデンサ等を用いることもできる。

１…直流回路、１０…遮断器、１１…主接点、１２…補助接点、１３…コイル、１４…コンデンサ部、１５ａ，１５ｂ…アルミ電解コンデンサ（有極性コンデンサ）、１６ａ，１６ｂ…ダイオード、Ａ…アーク

Claims (2)

1. 直流電源と負荷との間の直流回路に挿入される主接点と、コイルとコンデンサ部とが直列に接続され、前記主接点に並列に接続される共振回路部と、を備え、前記主接点の開極時に、前記主接点のアーク電圧特性によって前記共振回路部に発生する振動電流を、前記主接点を流れる直流電流に重畳し、上記主接点に流れる電流に零点を発生させて電流遮断を行う回路遮断器であって、
   前記コンデンサ部は、有極性コンデンサとダイオードとを、前記有極性コンデンサの正極と前記ダイオードのカソードとが接続するように並列に接続した回路を２組有し、
   前記２組の回路を、前記有極性コンデンサの同一極同士が接続するように直列に接続した構成であることを特徴とする回路遮断器。
2. 前記有極性コンデンサは、アルミ電解コンデンサであることを特徴とする請求項１に記載の回路遮断器。

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