JP7031083B1 - 直流遮断器 - Google Patents

Abstract

直流遮断器では、遮断時間の短縮および接点の損耗量低減による高寿命化などのために、遮断時に接点間で発生したアークを素早くアークランナーに転流させることが有効である。しかし、定格以下の小電流領域から短絡電流の大電流領域まで全域で高速に転流させることは困難であった。このため、固定側アークランナー（１２）を、固定接点（１）周囲を覆う形状とすることで、小電流から大電流領域まで高速にアークを転流させることができ、遮断性能を向上させることができる。

Description

本願は、直流遮断器に関するものである。

直流遮断器では、固定接点を有する固定子、固定子に対して接離自在な可動接点を有する可動子、接点間に発生したアークを接点から移行させるアークランナー、アークを消弧する消弧室を有し、アークランナーは固定子と可動子との近傍にそれぞれ配置されている。

このような構成により、電流遮断時に接点開離により接点間で発生したアークは、接点上からアークランナーへ転流し、アークランナーを走行することで消弧室まで駆動され、消弧室内のグリッドに進入して分断されることで、直流回路の電源電圧以上のアーク電圧が発生することに対し限流遮断が行われる。

直流遮断器では、遮断時に接点間で発弧したアークを素早くアークランナーに転流させ、消弧室へと駆動させることで、遮断時間の短縮および接点の損耗量低減による高寿命化などが図られる。そのため、固定側アークランナーに突起を設けることで、発弧したアークを早期に接点からアークランナーに転流させる構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０－１７０８７６号公報

しかしながら、上述のアークランナー構造はアークが接点からアークランナーへ転流しにくい定格電流以下の小電流領域に対しては効果が見込めるが、アーク径が大きく駆動力が大きい定格電流以上の大電流領域の転流については転流先の形状による転流時間短縮の効果が小さく、アークランナー形状により小電流から大電流までの全域で転流及び走行性能を向上させることは難しいという課題があった。

本願は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、転流時間を短縮することで高い遮断性能を得ることができるアークランナーを備えた直流遮断器を提供することを目的とする。

本願に開示される直流遮断器は、固定接点を有する固定子、固定接点に対して接離自在な可動接点を有する可動子、および固定接点と可動接点近傍に配置され、固定接点と可動接点の開極時に発生するアークを消弧室に駆動させる固定側アークランナーを備え、固定接点は、固定側アークランナーに接続される端面と、端面に隣接する側面とを有し、端面と、側面の長手方向の一部を覆うように固定側アークランナーが形成されていることを特徴とする。

本願に開示される直流遮断器によれば、発弧したアークに対して偏倚磁束が発生することで固定側アークランナー方向への駆動力が強まり、転流時間を短縮することで高い遮断性能を得ることができる。

直流遮断器の構成全体の概略を示す断面図である。 直流遮断器の遮断過程におけるアークの動きを示した断面図である。 実施の形態１に係る固定子および固定側アークランナーの斜視図である。 図３の固定子および固定側アークランナーのＡ－Ａ断面図である。 実施の形態１に係る固定子および固定側アークランナーを接点当接面側から見た正面図である。 実施の形態２に係る固定子および固定側アークランナーの断面図である。 実施の形態３に係る固定子および固定側アークランナーの断面図である。 実施の形態４に係る固定子および固定側アークランナーの斜視図である。 実施の形態５に係る固定子および固定側アークランナーの斜視図である。 図９の固定子および固定側アークランナーのＡ－Ａ断面図である。

以下、本願に係る直流遮断器の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、同一内容および相当部については同一符号を配し、その詳しい説明は省略する。以降の実施形態も同様に、同一符号を付した構成について重複した説明は省略する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１である直流遮断器の構成全体の概略を示す断面図、図２は直流遮断器の遮断過程におけるアークの動きを示した断面図、図３は直流遮断器の固定子および固定側アークランナーを示す斜視図、図４は、図３のＡ－Ａ断面図である。

まず、直流遮断器の構成について説明する。直流遮断器は、固定接点１と固定接点台金２により構成された固定子３と、固定接点１に対して接離自在な可動接点４と可動接点台金５より構成された可動子６とを有し、電流通電時において、可動子６が、投入アクチュエーター７により固定子方向へ移動し、接触することで、固定子３に接続された上部導体８と可動子６に接続された下部導体９とを介して電流を通電している。

電流遮断時において、事故電流が流れると、下部導体９に配置された検出器１０が事故電流を検知することで動作し、可動子６を保持していたラッチ１１を解除することで可動子６が固定子３から開離して開極動作が行われる。

電流遮断時に開極動作が行われると、固定接点１と可動接点４の間で、図２に示すアーク１６が発生する（以下、発弧と称す）。接点間で発生したアーク１６は、固定子３（固定接点１）の近傍に配置されている固定側アークランナー１２と可動子６（可動接点４）の近傍に配置されている可動側アークランナー１３にアーク１７で示すように移る（以下、転流と称す）。その後、固定側アークランナー１２と可動側アークランナー１３との間で発生しているアーク１７は、各アークランナーを流れる電流による電磁力、または発弧の際などに発生した導電性のホットガスの流れにより接点から離れる方向へ、アーク１８で示すように走行する。

アーク１８は、薄板状の磁性体からなるグリッド１４が多数配列された消弧室１５へ、アーク１９で示すように進入し、アーク１９がグリッド１４により分断されることでアーク電圧が上昇し、回路の電源電圧以上となることで限流遮断が行われる。このように、可動接点４の開離により発生したアーク１６は、固定側アークランナー１２へ転流し、接点と逆方向へ走行した後、グリッド１４へ進入し遮断される。

次に、図３、図４に示す固定側アークランナー１２の斜視図およびＡ－Ａ断面図を用いて、固定側アークランナー１２の構造について説明する。なお、図において固定側アークランナー１２および固定子３以外は省略しており、アークの様相も固定側のみ切り取って図示している。

図３、図４において、銀の合金からなる固定接点１と、銅からなる固定接点台金２と、鉄からなる固定側アークランナー１２とは、互いに接触するようにろう付け加工されて構成されている。固定接点１は、固定側アークランナー１２に接続される端面１ａ（以下、上面と呼ぶ）と、上面１ａに隣接する側面１ｂを有している。固定接点１の側面１ｂは、固定側アークランナー１２と対向しており、固定側アークランナー１２は、固定接点１の上面１ａおよび側面１ｂを覆うように形成されている。

次に、固定側アークランナー１２の動作と効果について説明する。アーク１６が発弧すると、主回路電流経路の自己磁場により、固定接点１から固定側アークランナー１２方向への電磁力が発生する。電磁力を受けたアーク１６は、固定接点１から固定側アークランナー１２側に伸長し、発弧点が固定接点１から固定側アークランナー１２へ転流する。

本構造では、自己磁場による電磁力だけでなく、磁性体である固定側アークランナー１２を固定接点１の周囲まで形成することで偏倚磁束を発生できるようにしている。より具体的には、固定側アークランナー１２を固定接点１の上部から固定接点１の側面１ｂを覆う形状とする、すなわち、固定側アークランナー１２により固定接点１の上部からコの字型で覆うことで、偏倚磁束を利用する構造としている。

図５に、固定側アークランナー１２を固定接点１の当接面側から見た図を示す。固定接点１と可動接点４との間で発弧したアーク１６による電流は、図５において、紙面の手前方向２０に向かって流れ、その電流に対して右ねじの方向に磁束２１が発生する。発生した磁束２１の近傍に磁性体（固定側アークランナー１２）が配置されると、磁束は透磁率の高い磁性体内を通過するようになり、本来電流に対して同心円状となる磁束に偏り（偏倚）が生じる。その結果、電流が流れているアークに固定側アークランナー１２方向の電磁力２２が発生し、素早いアークの伸長により転流時間を短縮することができる。

固定側アークランナー１２により固定接点１の側面１ｂを覆う形状にしているのは、より大きい磁束の偏倚を発生させ、電磁力を高めるための構造である。固定側アークランナー１２は、固定接点１の側面１ｂの少なくとも一部を覆っていればよいが、固定側アークランナー１２の固定接点１を覆う側面部分の長さは、接点下部より下げると発弧位置よりも低い箇所の磁束も固定側アークランナー１２を通過することとなり、固定側アークランナー１２の方向への電磁力が低下する。そのため、固定側アークランナー１２による固定接点１の側面部分の長さは、発弧位置程度となる接点中間位置までとするのが望ましい。

また、固定接点１の上部（上面１ａ）は、固定側アークランナー１２と接触するようにろう付けされている。接点間で発弧したアークは、固定側アークランナー１２に転流するが、固定接点１と固定側アークランナー１２間に段差および間隙があると、転流がスムーズに行われず、遮断性能の低下または遮断失敗を招く可能性がある。そのため、固定接点１の上部と固定側アークランナー１２を接触させることで、転流を促進させる構造としている。

また、固定側アークランナー１２の固定接点１の側面部の接点方向高さは、接点当接面と同一面か、接点当接面より低くすることが望ましい。固定側アークランナー１２の固定接点１の側面部を接点当接面より高くし、固定接点１よりも可動接点４に近い位置に配置すると、可動子６と固定子３の開極距離が接点間距離よりも短くなってしまい、耐電圧性能が劣ってしまうこと、及び閉極時に可動接点４が固定側アークランナー１２に接触してしまい通電不良となる可能性がある。

なお、固定接点１の接点当接面（可動接点４と離接する面）の高さは、固定接点１の下面（接点当接面と反対側の面）からの高さを意味する。また、固定側アークランナー１２において、固定接点１の側面１ｂを覆っている部位の高さは、固定接点１の下面を含む平面を基準面とし、この基準面からの接点方向（図４では左方向）の高さを意味する。

以上のように、本実施の形態によれば、固定接点１の端面（上面）と、その上面に隣接する側面を固定側アークランナー１２により覆うようにし、固定接点１の上部と固定側アークランナー１２を接続するようにした。これにより、発弧したアークに対して偏倚磁束が発生することで固定側アークランナー１２方向への電磁力を強め、駆動力が強まることにより、転流時間を短縮することで高い遮断性能を得ることができる。

実施の形態２．
実施の形態１では固定側アークランナー１２が固定接点１の背面を覆うようにはしていないが、実施の形態２では固定側アークランナー１２は、固定接点１の側面だけでなく接点背面まで覆う形状にした。なお、固定側アークランナー１２が接点背面を覆うこと以外は実施の形態１の直流遮断器の構造と同じである。図６は、この実施の形態２の固定側アークランナーを示す断面図である。図６に示すように、固定側アークランナー１２が接点背面まで覆っているため、高い電磁力向上効果が得られる。また、接点背面を覆うアークランナーは、アークに触れない位置に配置されているため、固定側アークランナー１２とは別部材で構成してもよい。

実施の形態３．
実施の形態３では固定接点台金２にスリット２３を設けるようにした。この構造により、自己磁場による電磁力が増加する。なお、スリット２３を設ける以外は実施の形態１及び２の直流遮断器の構造と同じである。

図７に本実施の形態の固定側アークランナー１２を側面から見た断面図を示す。固定接点台金２の接点裏後方部に、固定接点１の当接面と並行してスリット２３を形成した構造としている。なお、図７では、実施の形態２の固定側アークランナー１２にスリット２３を形成した例を示しているが、実施の形態１の固定側アークランナー１２にスリットを形成してもよい。

本構造のように、スリット２３を固定接点台金２の固定側アークランナー１２側の部位（図７では、固定接点台金２の上面）に形成したことで、固定接点１の近傍の電流経路がスリット２３を迂回した下からの経路２４となり、経路２４にて発生する磁束により接点間で発弧したアーク１６に対して固定側アークランナー１２方向への電磁力２５が発生する。これにより、アークの伸長が促進され、転流時間を短縮することができる。

上記構造にて固定接点台金２に設けるスリット２３は、固定接点１の当接面に近づくほど効果が高く、固定接点台金２の下部付近までの深いスリット２３にするほど効果が高い。また、スリット２３の角度は、固定接点１の当接面と並行に設けるのが効果が高く望ましい。しかしそれ以外の、予め定めた角度に変更しても効果は得られる。さらに、接点開閉に耐えうる機械的強度と通電による温度上昇限界値とを考慮して、スリット２３の設ける位置を決定してもよく、定格違い等の他機種においては別の位置に設けてもよい。

また、実施の形態１及び２にて説明した固定側アークランナー１２の一部をスリット２３の後部に配置して強度確保を行ってもよい。当該構造とすることでより高い強度が得られるだけでなく、深いスリットを設けることで電磁力の効果がより高くなる。なお、この構造では、スリット２３が固定側アークランナー１２で一部塞がれるため、固定側アークランナー１２を経由して上部より接点方向に流れる電流経路が発生する。この場合、固定接点台金２の部材である銅と、固定側アークランナー１２の部材である鉄の導電率の違いにより、銅を通る下部経路の電流が支配的となるため、電磁力を著しく低下することなく強度確保を行っている。

実施の形態４．
実施の形態４では固定側アークランナー１２の側面にリブ２６を設けるようにした。図８は、本実施の形態の固定子および固定側アークランナーを示す斜視図である。図８に示すように、固定側アークランナー１２の側面に接点近傍から終端まで続くリブ２６を立てる構造としている。本構造とすることで、アーク駆動力が弱い定格電流値以下の小電流に対して、アークの転流と走行を促進する構造としている。なお、リブ２６を設ける以外は実施の形態１から３の直流遮断器の構造と同じである。

定格電流以下の小電流領域のアークは、大電流と比較して電流が小さいため、自己磁場および偏倚磁束による電磁力が低い。加えてアークによる接点及びアークランナーの溶発も少ないため、転流先空間の導電率が高まりにくい。これらのことからアーク駆動力が低く、転流および走行が難しいという課題がある。これに対し、小電流遮断のため、接点開極時に接点下部より空気を吹き付けるエアーパッファーを設け、強制的にアークを消弧室１５側に駆動させることで遮断を行う構造が利用できる。ただし、エアーパッファーを用いる構造は装置が大型化する傾向がある。

この実施の形態ではアークはエッジにて発弧しやすいという特徴を生かし、固定側アークランナー１２の側面に、リブ２６を立てる構造とし、加えてリブ２６を固定側アークランナー１２の終端まで設けることにより、転流性能向上だけでなく、走行性能向上とアーク伸長の促進により高いアーク電圧が得られることで小電流遮断性能を向上できる構造としている。この構造は、可動側アークランナー１３に設けても同様な効果を奏する。また、この実施の形態の直流遮断器では、エアーパッファーを適用した直流遮断器に比べ小型軽量化を図ることができる。

本構造においてリブ２６は固定側アークランナー１２と切削加工により一体形状としているが、別部材として製作したものをボルトあるいはリベット等による締結または溶接により構成してもよい。また、リブ２６は切削加工のみだけでなく、板金曲げ加工により構成してもよい。

固定側アークランナー１２と側面のリブ２６を別部材で形成すると、これらを結合させる部位（例えば、ねじ止めで固定するような場合には、ねじ止めの部位）とそうでない部位とで接触の度合いが異なる。電流は接触の度合いが強い結合部位に集中して流れるため、結合部位の形成位置によっては、結合部位を経由してきた電流がアークに接点方向の電磁力を与えることで、アークが接点側に逆流してしまう場合がある。それに対し、リブ２６を固定側アークランナー１２と一体に形成すれば、結合位置に電流の流れが集中することがなく、消弧室１５方向のアーク駆動力のみを得られることができるため、固定側アークランナー１２の側面のリブ２６は、固定側アークランナー１２と一体に形成するのがより好ましい。

実施の形態５．
実施の形態５では固定側アークランナー１２と固定接点１と固定接点台金２を一体構造とした。図９は本実施の形態の固定子および固定側アークランナーを示す斜視図、図１０は、図９の固定子および固定側アークランナーのＡ－Ａ断面図である。なお、一体構造とした以外は、実施の形態４の直流遮断器の構造と同じである。図９、図１０において、固定接点１、固定接点台金２及び固定側アークランナー１２を一体でろう付けし、その後固定接点１の上端面から固定側アークランナー１２にかけて切削加工２７を行うことで、固定接点１の上端面と固定側アークランナー１２の境界を滑らかにつなぐ構造としている。当該構造とすることで、ろう付け後に発生してしまう固定接点１と固定側アークランナー１２のつなぎ目である境界において、発弧した小電流アークが停滞及び膠着することを防ぎ、固定側アークランナー１２への転流を促進し、遮断性能を向上することができる。

また、図９、図１０に示すように、固定接点１の接触面の上側の部位に、固定側アークランナー１２に向かって傾斜する傾斜部１ｃを形成することで、傾斜部１ｃと固定接点１の切削面を揃えることができ、切削加工により、固定接点１の傾斜部１ｃと固定側アークランナー１２の境界を滑らかにつなぐことができる。

本構造では、接点とアークランナーのつなぎ目を、アークランナーの上端にかかるまで切削加工を行っているが、接点上面とアークランナーの下部の接合面付近のみを切削加工しても効果を奏する。

なお、図９，図１０では、実施の形態４の直流遮断器に適用した例を示したが、実施の形態１から３の直流遮断器に一体構造の構成を適用してもよい。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１：固定接点、２：固定接点台金、３：固定子、４：可動接点、５：可動接点台金、６：可動子、７：投入アクチュエーター、８：上部導体、９：下部導体、１０：検出器、１１：ラッチ、１２：固定側アークランナー、１３：可動側アークランナー、１４：グリッド、１５：消弧室、１６、１７、１８、１９：アーク、２３：スリット、２６：リブ。

Claims (9)

1. 固定接点を有する固定子、前記固定接点に対して接離自在な可動接点を有する可動子、および前記固定接点と前記可動接点近傍に配置され、前記固定接点と前記可動接点の開極時に発生するアークを消弧室に駆動させる固定側アークランナーを備え、前記固定接点は、前記固定側アークランナーに接続される端面と、前記端面に隣接する側面とを有し、前記端面と、前記側面の長手方向の一部を覆うように前記固定側アークランナーが形成されていることを特徴とする直流遮断器。
2. 前記固定側アークランナーの前記側面の長手方向長さは、前記固定接点の接点中間位置までとすることを特徴とする請求項１に記載の直流遮断器。
3. 固定接点を有する固定子、前記固定接点に対して接離自在な可動接点を有する可動子、および前記固定接点と前記可動接点近傍に配置され、前記固定接点と前記可動接点の開極時に発生するアークを消弧室に駆動させる固定側アークランナーを備え、前記固定接点は、前記固定側アークランナーに接続される端面と、前記端面に隣接する側面とを有し、前記固定接点の端面および側面を覆うように前記固定側アークランナーが形成され、前記固定接点の端面は前記固定側アークランナーの端面と境界が滑らかな形状となるように接触していることを特徴とする直流遮断器。
4. 前記固定接点の背面を覆うように前記固定側アークランナーが形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の直流遮断器。
5. 前記固定接点と接続され前記固定子を構成する固定接点台金の前記固定接点との接続部の後方に、スリットが形成され、前記スリットは、前記固定接点台金の前記固定側アークランナー側の部位に形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の直流遮断器。
6. 前記固定側アークランナーの側面部にリブが形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の直流遮断器。
7. 前記固定側アークランナーの側面部に形成されるリブは、前記固定側アークランナーと一体に形成されていることを特徴とする請求項６に記載の直流遮断器。
8. 前記固定側アークランナーと、前記固定接点と、前記固定接点と接続され前記固定子を構成する固定接点台金とが一体構造であり、前記固定接点における端面側に、前記固定側アークランナーに向かって傾斜する傾斜部を有していることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の直流遮断器。
9. 前記固定接点の接点当接面の高さは、前記固定側アークランナーにおいて、前記固定接点の側面を覆っている部位と同じか高いことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の直流遮断器。

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