JP6237481B2

JP6237481B2 - 回路遮断器

Info

Publication number: JP6237481B2
Application number: JP2014119699A
Authority: JP
Inventors: 伸郎三好
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-06-10
Filing date: 2014-06-10
Publication date: 2017-11-29
Anticipated expiration: 2034-06-10
Also published as: KR20150141866A; CN105280448A; CN105280448B; CN204271019U; JP2015232969A; KR101753456B1

Description

この発明は、永久磁石によりアーク駆動力を高めることができる回路遮断器に関するものである。

直流電流は、零点を持たないことから、例えば、接点近傍に配置した絶縁材料にアークが触れることで発生する圧力勾配によるアーク駆動にて、アークをグリッド板に誘引し裁断することで該直流電流の遮断を行っている。また、その高電圧化にあたっては、グリッド板枚数の増加によるアーク電圧向上や、グリッド板側の磁気抵抗の低減による磁気駆動力アップが図られている。ただし、これらは、グリッド板にアークを到達させ得る充分大きな遮断電流（例えば、１００Ａ以上）であることが必要であり、それ以下の電流領域でのアーク駆動は、永久磁石を両接点の近傍の両側に異極性を対向して配置し、フレミングの法則を利用した永久磁石の磁力により、遮断時のアークを消弧装置のグリッド板側へ駆動することが一般的である。
また、永久磁石がアークによる高温に曝されるのを防ぐため、永久磁石を樹脂により覆うことも知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１１−１２９３８５号公報

上記のように従来の回路遮断器では、通常、回路遮断器の電源側から負荷側への一方向のアークに対してはグリッド板側へ駆動するが、負荷側から電源側への反対方向のアークに対してはグリッド板とは反対方向へ駆動する力が働いてしまう。高電圧を遮断するためには、必ずグリッド板側へ駆動させる必要があり、接続時の電流の流れる方向を指定する必要、すなわち、製品に極性指定が必要となる。
ところが、一般的に太陽光発電の集電箱に接続する直流用回路遮断器においては、太陽光発電パネル側で短絡事故が発生した場合、他の集電箱側から回り込む逆方向の電流が発生する。そのため、電源側と負荷側の接続が限定された、すなわち、永久磁石を両接点の近傍の両側に異極性を対向配置した回路遮断器では、逆電流となるためアークを消弧板とは逆方向に駆動してしまい、遮断不能に陥る可能性があるという問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、電源側と負荷側の接続を限定しない、直流用の回路遮断器を得るものである。

本発明の回路遮断器は、ベースと、このベース上に設けられ、固定接点を有する固定接触子と、該固定接点と接触および開離する可動接点を有する可動接触子と、可動接触子側にＵ字形の切り欠き部および切り欠き部の両側に側足部が形成され切り欠き部が両接点及び固定接触子を囲む複数のグリッド板を積層した消弧装置と、固定接点の両側の消弧装置に設けられ、同じ磁極が対向している一対の永久磁石と、永久磁石を挿入するための開口部がベース側に設けられ、永久磁石を覆う第１の絶縁部材と、固定接触子を覆う第２の絶縁部材とを備え、開口部は、第２の絶縁部材により覆われているものである。

この発明によれば、固定接点から見て左右２個の磁石が同極性となるよう磁石を配置することで、電源側と負荷側の接続を限定しない直流用の回路遮断器を得ることができる。

本発明の実施の形態１における回路遮断器を示す平面図である。図１におけるＸ−Ｘ線に沿った断面図である。本発明の実施の形態１における回路遮断器の消弧装置を示す斜視図である。図３の消弧装置において正接続の磁力線を説明するための説明図である。図３の消弧装置の平面図で正接続時に可動接触子が開離直後のアークを説明するための説明図である。図３の消弧装置をクロスバー側から見た正面図で正接続時に可動接触子が開離途中のアークを説明するための説明図である。図６の消弧装置の平面図で正接続時に可動接触子が開離途中のアークを説明するための説明図である。図７におけるＹ−Ｙ線に沿った断面図で正接続時に可動接触子が開離途中のアークを説明するための説明図である。図３の消弧装置をクロスバー側から見た正面図で正接続時に可動接触子が開離状態のアークを示す説明図である。図９の消弧装置の平面図で正接続時に可動接触子が開離状態のアークを示す説明図である。図１０におけるＺ１−Ｚ１線に沿った断面図で正接続時に可動接触子が開離状態のアークを示す説明図である。図３の消弧装置において逆接続時の磁力線を説明するための説明図である。図３の消弧装置をクロスバー側から見た正面図で逆接続時に可動接触子が開離状態のアークを示す説明図である。図９の消弧装置の平面図で逆接続時に可動接触子が開離状態のアークを示す説明図である。図１４におけるＺ２−Ｚ２線に沿った断面図で正接続時に可動接触子が開離状態のアークを示す説明図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における回路遮断器を示す平面図、図２は図１におけるＸ−Ｘ線に沿った断面図、図３は実施の形態１における消弧装置を示す斜視図、図４は図３の消弧装置において正接続時の磁力線を説明するための説明図、図５は図３の消弧装置の平面図で正接続時に可動接触子が開離直後のアークを説明するための説明図、図６は図３の消弧装置をクロスバー側から見た正面図で正接続時に可動接触子が開離途中のアークを説明するための説明図、図７は図６の消弧装置の平面図で正接続時に可動接触子が開離途中のアークを説明するための説明図、図８は図６におけるＹ−Ｙ線に沿った断面図で正接続時に可動接触子が開離途中のアークを説明するための説明図、図９は図３の消弧装置をクロスバー側から見た正面図で逆接続時に可動接触子が開離状態のアークを示す説明図、図１０は図９の消弧装置の平面図で可動接触子が開離状態のアークを示す説明図、図１１は図１０におけるＺ１−Ｚ１線に沿った断面図で可動接触子が開離状態のアークを示す説明図である。

図１、図２に示すように、回路遮断器１０１は、絶縁材料で形成されたベース１１とカバー１２とからなる筐体１０を用いて構成される。ベース１１上には、極数分の回路遮断ユニット２０が互いに間隔をおいて配列され、回路遮断ユニット２０の上部には、周知のトグルリンク機構を有する開閉機構部３０が配置される。カバー１２は、ベース１１上の各極の回路遮断ユニット２０と、開閉機構部３０を覆い、開閉機構部３０の操作ハンドル３１はカバー１２のハンドル用窓孔１２ａから突出している。

各極の回路遮断ユニット２０は、互いに同じに構成され、クロスバー３２は、各極の回路遮断ユニット２０に共通して、各極の回路遮断ユニット２０に直交するように、ベース１１上に配置される。このクロスバー３２は、開閉機構部３０により、その軸心を中心として回動され、各極の回路遮断ユニット２０における各可動接触子２３がそれぞれ取り付けられる。クロスバー３２がその軸心を中心として回動したときに、各極の回路遮断ユニット２０の各可動接触子２３が同時に回動され、この可動接触子２３の回動により、可動接点２２が固定接点２１に接触および開離する。開閉機構部３０は、周知のトグルリンク機構からなり、引き外し装置４０により駆動される周知のトリップバー３３を備えている。

各極の回路遮断ユニット２０は、ベース１１に設けられた電源側端子２４と、この電源側端子２４より延設され、固定接点２１を有する固定接触子２７と、この固定接点２１と接触および開離する可動接点２２と、この可動接点２２が一端に設けられ、クロスバー３２により回動自由に保持されている可動接触子２３と、この可動接触子２３に可動接触子ホルダー２６を介して接続された引き外し装置４０と、引き外し装置４０より延設された負荷側端子２５と、可動接触子２３側にＵ字形の切り欠き５１ａおよび切り欠き５１ａの両側に側足部５１ｂ１、５１ｂ２が形成され、この切り欠き５１ｂ１、５１ｂ２が両接点２１、２２及び固定接触子２７を囲む複数のグリッド板５１を積層した消弧装置５０と、を有する。

固定接点２１と可動接点２２とで、電路を開閉する開閉接点を構成する。可動接点２２が固定接点２１に接触すれば、両端子２４、２５の間の電気回路がオンとなり、また、可動接点２２が固定接点２１から開離すれば、両端子２４、２５間の電気回路がオフとなる。このとき可動接点２２と固定接点２１間に生ずるアークは消弧装置５０により消弧される。

図２、図３に示すように、消弧装置５０を構成する磁性鋼板からなる複数のグリッド板５１は、四角状の板の一辺に略Ｕ字形の切り欠き５１ａを設けた形状となっている。このグリッド板５１を複数枚用い、所定の間隔を持って絶縁性の材料からなる支持板５３ａ、５３ｂに挟持させることにより消弧装置５０は構成されている。この消弧装置５０は、グリッド板５１のＵ字形の切り欠き５１ａが固定接点２１、可動接点２２の方向に向くように設置され、このＵ字形の切り欠き５１ａにより形成される空間を可動接触子２３が回動する構成となっている。

固定接点２１の両側には、絶縁材料からなり内部に一対の永久磁石５４を保持する一対の磁石ホルダー５５が設けられている。一対の磁石ホルダー５５は、支持板５３ａに磁石ホルダー５５ａが保持され、支持板５３ｂに磁石ホルダー５５ｂが保持されている。また、一対の磁石ホルダー５５ａ、５５ｂは、それぞれ支持板５３ａ、５３ｂの最もベース１１側に設けられている。さらに、磁石ホルダー５５ａには、ベース１１側に永久磁石５４ａを挿入するための開口部５５ａ１が設けられ、磁石ホルダー５５ｂには、ベース１１側に永久磁石５４ｂを挿入するための開口部５５ｂ１が設けられている。

そして、一対の永久磁石５４ａ、５４ｂは、同極性が対向するように配置されている。本実施の形態では、図３に示すように、固定接点２１側がＮ極となっているが、これは、逆の固定接点２１側がＳ極でもかまわない。
また、磁石ホルダー５５は、磁石ホルダー５５のベース１１側の端面と、支持板５３ａ、５３ｂのベース１１側の端面は略面一になるように保持されている。さらに、磁石ホルダー５５の固定接点２１側の端面は、グリッド板５１の側足部５１ｂ１、５１ｂ２の固定接点２１側の端面より固定接点２１側に位置している。なお、磁石ホルダー５５の素材としては、熱に強い熱硬化樹脂が好適である。

さらに、固定接触子２７と消弧装置５０の間には、固定接点２１を露出させ、固定接触子２７を覆うように絶縁部材５６が設けられている。この絶縁部材５６は、磁石ホルダー５５の下部にある永久磁石５４の挿入用の開口部５５ａ１、５５ｂ１（図６に図示）を覆うので、永久磁石５４が直接アークにさらされることはない。なお、請求の範囲で述べている「第１の絶縁部材」とは、上述した磁石ホルダー５５のことであり、同じく請求の範囲で述べている「第２の絶縁部材」とは、上述した絶縁部材５６のことである。

次に回路遮断器１０１の遮断動作について説明する。
まず、電源側端子２４に直流電源が接続され、負荷側端子２５に負荷が接続された正接続時について説明する。
所定値以上の電流が遮断ユニット２０に流れると引き外し装置４０が回動しトリップバー３３を押すことにより、開閉機構部３０が駆動され可動接触子２３を回動させる。可動接触子２３の回動により可動接点２２が固定接点２１から開離する。可動接点２２が開離した際に発生するアークは固定接点２１と可動接点２２間の最短距離で維持しようとする。

このとき、通電電流が大電流領域（例えば、定格電流が１００Ａを超えるもの）では、アークによりグリッド板５１に誘磁され、複数のグリッド板５１のＵ字形の切り欠き５１ａを通過する磁束が、複数のグリッド板５１のＵ字形の切り欠き５１ａで形成される空間の奥（図４において電源側端子２４の方向）へアークを磁気駆動する。また、アークの高熱により絶縁部材５６から消弧性のガスが発生し、その圧力勾配によるガス駆動力によってもアークはグリッド板５１側へ駆動される。グリッド板５１側へ移動したアークは、複数のグリッド板５１によりグリッド板５１間の短いアークに分断され、電圧降下が生じ、アークを維持するためのアーク電圧が上昇する。そして、このアーク電圧が電源電圧より高い電圧となるとアークは消滅することとなる。

一方、通電電流が小電流領域（例えば、定格電流が１００Ａ以下）では、アークによる磁気駆動力および消弧性のガスの圧力勾配によるガス駆動力が弱いので、両接点２１、２２間の空間をアークが流れ続けることとなる。このため、消弧装置５０の近傍に設けられた永久磁石５４の磁力によりアーク駆動力を補助する。
以下に、通電電流が小電流領域における永久磁石５４によるアーク駆動力について説明する。

一対の永久磁石５４ａ、５４ｂは、図３に示すように固定接点２１の両側に支持板５３ａ、５３ｂの最もベース１１側に磁石ホルダー５５によりそれぞれ保持されている。そして、永久磁石５４ａ、５４ｂの磁極は、固定接点２１側が共に同極となるように配置されている。すなわち、図４に示すように、永久磁石５４ａ、５４ｂのＮ極から出た磁力線Ａ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２は、一旦、固定接点２１側の方に出たのち電源側端子２４から遠ざかる方向に向かい永久磁石５４ａ、５４ｂのＳ極に戻るルートの磁力線Ａ１、Ｂ１と、固定接点２１側の方に出たのち電源側端子２４側を通って永久磁石５４ａ、５４ｂのＳ極に戻るルートの磁力線Ａ２、Ｂ２の２ルートを通る磁力線となる。

正接続では、アーク電流は固定接点２１から可動接点２２へ流れているので、磁力線Ａ１と磁力線Ｂ２は、それぞれ各磁力線に垂直にＮ極とＳ極の境界へアークを吸引し、磁力線Ａ２と磁力線Ｂ１は、それぞれ各磁力線に垂直にＮ極とＳ極の境界から遠ざけるようにアークを反発する。
その結果、磁力線Ｂ１はアークを反発し磁力線Ａ１の方へ駆動し、磁力線Ａ１に吸引されたアークは側足５１ｂ１側へ駆動される。また、磁力線Ａ２はアークを反発し磁力線Ｂ２の方へ駆動し、磁力線Ｂ２に吸引されたアークは側足５１ｂ２側へ駆動される。

一方、可動接点２２の開離時の初期には、図５に示すように、可動接触子２３は、クロスバー３２の回動中心３２Ｃを回転中心として回動するため、固定接点２１と可動接点２２の開離距離は、回転中心３２Ｃ側が短くなる。
アークは、両接点間の最短距離を通ろうとするので、両接点２２、２３間の回動中心３２Ｃ側に集中する。すなわち、アークは、図５の紙面上、固定接点２１の右端から可動接点２２に向かうこととなり、対向する一対の永久磁石５４ａ、５４ｂの中間線Ｃ１より電源側端子２４の反対側に位置するので、固定接点２１から出たアークは、線Ｌ１に沿って磁石５４ａ側に駆動された後、線Ｌ２に沿って可動接点２２に至る。

図６〜８に示すように、可動接点２２の開離がさらに進み、可動接点２２がクロスバー３２の回動中心に対応する位置まで開離したとき、可動接触子２３の回動中心３２Ｃは、固定接点２１よりカバー１２側（図８の紙面上上側）にあるので、可動接点２２は、接点の閉成時よりも電源側端子２４側に位置することとなる。そうすると、固定接点から出たアークは、図７、図８に示すように、一対の永久磁石５４ａ、５４ｂの中心線Ｃ２より電源側端子２４側に位置するので、可動接点２２に入るアークは、線Ｍに沿って回動中心３２Ｃ側に出て永久磁石５４ａ側に駆動され、磁石ホルダー５５ａにぶつかった後、可動接点２２に到達する経路を通る。

図９〜１１に示すように、可動接点２２の開離がさらに進み、可動接点２２が完全に開離したとき、固定接点から出たアークは、線Ｐに沿って永久磁石５４ａの磁力により永久磁石５４ａの方に駆動され、磁石ホルダー５５ａにぶつかる。アークは、磁石ホルダー５５ａにぶつかった後、永久磁石５４ａより電源側端子２４側にくると磁力線の向きが反転するので、側足５１ｂ２側に駆動されることとなる。そして、その後永久磁石５４ｂの磁力線に駆動されて磁石ホルダー５５ｂにぶつかった後、可動接点２２に至る。

そして、上記のようにアークは、引き延ばされて、アークを維持するためのアーク電圧が上昇するとともに、グリッド板５１の側足５１ｂにより短いアークに分断され、電圧降下が生じアーク電圧が上昇することとなり、アーク電圧が電源電圧より高い電圧となるとアークは消滅する。

また、磁石ホルダー５５は熱硬化樹脂などの絶縁材料で形成されているので、アークの熱に対しても容易に蒸発することなく耐久性があるが、アークが当たるとやはりガスが発生することとなる。そして、このガスが、アークを冷却するため、アークを維持するための電圧であるアーク電圧を上昇させる効果を奏し、遮断に寄与することとなる。さらに、永久磁石５４ａ、５４ｂの磁力により、アークが永久磁石５４ａ側に引き延ばされるのに加え、磁石ホルダー５５から発生したガスによっても、アークが回動中心３２Ｃ側に引き延ばされ、アーク電圧を上昇させることとなり、遮断に寄与する。

また、図５に示すように、磁石ホルダー５５ａ、５５ｂの固定接点２１側の端面５５ａ２、５５ｂ２が、側足部５１ｂ１、５１ｂ２の固定接点２１側の端部より固定接点側にあるので、アークは、側足部５１ｂ１、５１ｂ２に当たる前に、磁石ホルダー５５ａ、５５ｂに当たり磁石ホルダー５５ａ、５５ｂから発生するガスにより冷却され易くなる。

また、磁石ホルダー５５における可動接触子２３の回動軸である回動中心３２Ｃ側の端面が、磁石ホルダー５５の直近に設けられたグリッド板５１の側足５１ｂの回動中心３２Ｃ側の端部より回動中心３２Ｃ側にあるので、可動接点２２の開離時の初期に、アークが、側足部５１ｂ１、５１ｂ２に当たる前に、磁石ホルダー５５ａ、５５ｂに当たり磁石ホルダー５５ａ、５５ｂから発生するガスにより冷却され易くなる。

次に、電源側端子２４に負荷が接続され、負荷側端子２５に直流電源が接続された逆接続状態における遮断について説明する。
通電電流が大電流領域（例えば、定格電流が１００Ａを超えるもの）の遮断については、前述の正接続時と同様であるので、説明は省略する。
図１２は図３の消弧装置において逆接続時の磁力線を説明するための説明図、図１３は図３の消弧装置をクロスバー側から見た正面図で逆接続時に可動接触子が開離状態のアークを示す説明図、図１４は図９の消弧装置の平面図で逆接続時に可動接触子が開離状態のアークを示す説明図、図１５は図１４におけるＺ２−Ｚ２線に沿った断面図で可動接触子が開離状態のアークを示す説明図である。

通電電流が小電流領域（例えば、定格電流が１００Ａ以下）では、図１２に示すように、永久磁石５４ａ、５４ｂのＮ極から出た磁力線Ａ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２は、一旦、固定接点２１側の方に出たのち電源側端子２４から遠ざかる方向に向かい永久磁石５４ａ、５４ｂのＳ極に戻るルートの磁力線Ａ１、Ｂ１と、固定接点２１側の方に出たのち電源側端子２４側を通って永久磁石５４ａ、５４ｂのＳ極に戻るルートの磁力線Ａ２、Ｂ２の２ルートを通る磁力線となる。

今は逆接続のため、アーク電流は可動接点２２から固定接点２１へ流れているので、磁力線Ａ２と磁力線Ｂ１は、それぞれ各磁力線に垂直にＮ極とＳ極の境界へアークを吸引し、磁力線Ａ１と磁力線Ｂ２は、それぞれ各磁力線に垂直にＮ極とＳ極の境界から遠ざけるようにアークを反発する。
その結果、磁力線Ａ１はアークを反発し磁力線Ｂ１の方へ駆動し、磁力線Ｂ１に吸引されたアークは側足５１ｂ２側へ駆動される。また、磁力線Ｂ２はアークを反発し磁力線Ａ２の方へ駆動し、磁力線Ａ２に吸引されたアークは側足５１ｂ１側へ駆動される。

アークに対し磁力線が、逆接続時は図１３、図１４に示す面Ｃ３に対し、正接続時とは面対称の方向に駆動力を及ぼす。
すなわち、固定接点２１から出たアークは、線Ｑに沿って、永久磁石５４ｂの磁力により永久磁石５４ｂの方に駆動され、磁石ホルダー５５ｂにぶつかる。アークは、磁石ホルダー５５ｂにぶつかった後、永久磁石５４ｂより電源側端子２４側にくると磁力線の向きが反転するので、側足５１ｂ１側に駆動されることとなる。そして、その後永久磁石５４ａの磁力線に駆動されて磁石ホルダー５５ａにぶつかった後、可動接点２２に至る。

本実施の形態によれば、可動接触子２３側にＵ字形の切り欠き部および切り欠き５１ａの両側に側足５１ｂ１、５１ｂ２が形成され切り欠き５１ａが両接点２１、２２及び固定接触子２７を囲むように設けられた複数のグリッド板５１を積層した消弧装置５０と、固定接点２１の両側に設けられ、同じ磁極が対向している一対の永久磁石と、を備えたので、電源側と負荷側の接続を限定しない直流用の回路遮断器を得ることができる。

また、永久磁石５４を覆う磁石ホルダー５５は永久磁石５４を挿入するための開口部５５ａがベース１１側に設けられているので、開口部５５ａおよび永久磁石５４が、直接アークに曝される恐れが少ない。
さらに、固定接触子２７を覆う絶縁部材５６が固定接触子２７と消弧装置５０との間に設けられており、磁石ホルダー５５の開口部５５ａは絶縁部材５６により覆われているので、開口部５５ａおよび永久磁石５４が、直接アークに曝されることが防止される。

また、磁石ホルダー５５として熱硬化樹脂を用いれば、開閉回数が多くなっても磁石ホルダー５５がアークにより蒸発し永久磁石５４が直接アークに曝されることがなく、耐久性の向上が図れる。

また、永久磁石５４は、同じ磁極が対向するように配置されているので、永久磁石を用いた回路遮断器でありながら、直流電路だけでなく、交流電路にも用いることができる。

１０筐体、１１ベース、１２カバー、
２１固定接点、２２可動接点、２３可動接触子、
２４電源側端子、２５負荷側端子、２７固定接触子、
４０引き外し装置、５０消弧装置、５１グリッド板、
５４永久磁石、５５磁石ホルダー、５６絶縁部材、
１０１回路遮断器。

Claims

ベースと、このベース上に設けられ、固定接点を有する固定接触子と、該固定接点と接触および開離する可動接点を有する可動接触子と、前記可動接触子側にＵ字形の切り欠き部および前記切り欠き部の両側に側足部が形成され前記切り欠き部が前記両接点及び前記固定接触子を囲む複数のグリッド板からなる消弧装置と、前記固定接点の両側に設けられ、同じ磁極が対向している一対の永久磁石と、前記永久磁石を挿入するための開口部が前記ベース側に設けられ、前記永久磁石を覆う第１の絶縁部材と、前記固定接触子を覆う第２の絶縁部材と、を備え、
前記開口部は、前記第２の絶縁部材により覆われていることを特徴とする回路遮断器。
前記第１の絶縁部材は、熱硬化樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の回路遮断器。