JPH01225031A - 事故電流限流装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、電力回路に於いて、事故時の短絡電流や過
負荷電流を所要の値に限流して、電磁力による機械的損
傷やジュール熱による熱的損傷の低減や、これらの損傷
によって起る２次的災害を防止する事故電流限流装置に
関するものである。

〔従来の技術〕

事故時の短絡電流を限流する装置として、従来よりパワ
ーヒユーズとそれに直列に接続した断路器による装置が
ある。

このパワーヒユーズは、１回の限流動作で銀エレメント
が溶断するために、繰り返し使用が出来ず、取り替えを
必要としていた。

更に、この欠点を解消する従来の技術として、限流部材
料に低融点金属である水銀（例えば特公昭３７−１０６
４３号公＠）、アルカリ金属（例えば特公昭４６−２５
４３２号公報）を用いた自己復旧式限流器と、それに直
列に接続した断路器や遮断器による装置がある。

この低融点金属による自己復旧式限流器は、短絡電流で
の自己ジュール熱によって、低融点金属を気化し、高温
、高気圧のプラズマに変化させて、限流作用を起させる
ために、絶縁部を要した高耐圧容器が必要となり、高電
圧化に対して難点があった。

また、使用される低融点金属材料では、人体に対して悪
影響を及ぼしたり、反応性の強いものもあり、その取扱
いには注意を要した。

一方、電力需要の増大と共に、常時通電電流である定格
電流も増大し、従来の前記ヒユーズでは、定格電流を増
大した設計をすると、限流作用が低下する欠点があった
。

そこで、通常、限流装置では、限流作用が低下しないよ
うに、次の対策が施される。

すなわち、通電部と限流部を区別し、通、型部に高速に
開閉する接点を利用したものや、通電導体を火薬により
高速に溶断するもの等がある。

また別の方法として、通電部と限流部を一体化して、通
電発熱をおさえるために、冷却フィンを別途配設したり
、冷却水を循環させる方法（特開昭５４−１３４３５４
号公報）等がある。

本発明は、上記の通電部と限流部を区別した方式を基準
としている。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、従来のヒユーズのように、取り替えを必要と
せず、繰り返し使用が出来るようにしたものを提供しよ
うとするものである。

また、従来の、自己復旧式ヒユーズと原理を異にし、絶
縁物の高耐圧容器内で、所要の限流効果を引き出せるよ
うにして、高電圧化を計り、また、使用する限流用材料
が人体に悪影響を与えないものを提供しようというもの
である。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記の課題を解決するために一対の電極を配し
た、絶縁物容器内で、前記電極間に高温状態で昇華する
物質、例えばカーボンやグラファイトの塊を、複数個電
気的に一列の直列に、または、−列の直列を複数個並列
に接触させてなる限流部材を配設すると共に、前記一対
の電極の一方または双方に、前記限流部材の複数のカー
ボン塊の相互の境界層に所定の接触圧を持たせたり、前
記限流部材への通電によって発生する昇華した気体圧力
により、前記複数のカーボン塊の相互の境界層に所要の
ギャップを維持するように、可動電極部材を設けた構成
としたものである。

〔作　用〕

一対の電極間に、高温状態で昇華する物質として、カー
ボン塊を、複数個電気的に直列にまたは直・並列に接触
させてなる限流部材を例にとり、繰り返し使用が可能な
限流作用を説明する。

カーボン塊を、複数個電気的に直列に接触させた、一部
分を第１図に模式的に示す。

Ａはカーボン塊で、図では、碁石形状で示すが、球形、
粉末、繊維状やその他どのような形状でも良い。Ｂは電
流分布を、Ｃはカーボン塊の相互の境界層を示す。

まず、低電流領域では、限流郡全体の抵抗値ｒ０はカー
ボン塊の個有抵抗値とその形状で決まる抵抗値Σｒ、と
カーボン塊相互の境界層での接触抵抗値Σｒ、との総和
で決まり、その値は（ｒ０＝Σｒ、　−１−Σｒｂ）は
高位の値を示す。

しかし、事故電流での大電流領域となると、電流め流れ
初めの初期は前記の小電流時と同じ程度の高位の値を示
すが、瞬間に、ジュール熱により、カーボン塊ば高温に
熱せられ、カーボン塊の抵抗温度係数が負であるため、
カーボン塊の総和抵抗（Σｒａ）は、急激に低下する。

このΣｒ１の低下は、この限流□装置と並列に接続した
通電用接点から、限流装置の電流を転流するために、非
常に重要な役割を果す。

次に、カーボン塊境界層の接触抵抗部は、ハネ等により
、接触圧が与えられており、所定の電流値以上になると
、微少間隙アークが発生し、その境界層の両端には、電
極点電位降下が発生する。

一般に、電極間アークの電位降下は第２図のように、陽
極点降下■３、陽光柱降下Ｖい陰極点降よって決まるが
、その電位の傾きは全般になだらかである。

一方、陽極点や陰極点の電位は電極の材質で決まり、そ
の電位の傾きは急峻である。そしてカーボン塊境界層に
発生した微少間隙アークにより、急峻な電位降下が電気
的に直列に多数発生する。

この電位降下の極性は、電源電圧の極性と逆の電位とな
り、事故電流を限流し出す。

次に、カーボン塊境界層に発生した、微少間隙アークは
、カーボン層を高温で昇華させ、境界層の空間に、気化
圧力を発生し、固定電極の可動電極部材を動かし、境界
層に所要のギャップを形成し、前記陽光柱降下■、の増
大を計る。

この陽光柱降下ｖｂは、類ギヤツブではあるが、空間の
気化圧力が大きいために、所要の電位降下が期待される
。

この作用で、ますまず限流作用が増大する。

第３図に、上記の限流作用をまとめて示す。

図中Ｖは電源電圧、Ｒは回路インピーダンス、■は事故
電流、ｒ６は、限流部材の抵抗骨の総和、（ｖａ＋■、
＋ｖｃ）ｘｎは、電極点降下と陽光柱降下のｎ個直列時
の総和を示す。

事故電流発生の初期には、本限流装置と並列に、通電用
接点Ｓが接続されていて、そのときの事故電流ＩはＩ　
＝Ｖ／Ｒとなる。

第３図に図示されない別置の接点Ｓの駆動装置により接
点Ｓが開動作をすると、その時、前記限流装置が回路に
直列に挿入されたことになり、事故電流ＩはＩ　−（Ｖ
−（ｖａ＋ｖｂ　十ｖｃ）ｘｎ）／Ｒ＋ｒ。

に限流される。

次に繰り返し使用が可能な作用を説明する。

導電性があり、高温で昇華する物質として、カーボンが
ある。カーボン塊の境界層における主な電気的特性は （１）融着並びに酸化皮膜の形成がない。

（２）アークによって表面が消耗しても、比較的に平滑
を保っている。

（３）軽接触圧では接触抵抗が比較的大きい。

（４）他の金属に比較して、短間隙アークを発生するた
めに必要な最小放電電流Ｔ　ｍｉｎが、著しく小さい。

（電気工学ハンドブック、電気材料、接触開閉材料より
） である。

以上の特性で（１１の境界層で融着を起さないことが、
繰り返し使用の最大の作用であり、他の金属であれば、
融着を起し、固体化して、金属塊の境界層が形成されず
、繰り返し使用が出来ない。

また特性（２）では、アークによって、消耗しても、境
界層が清めらかなので、限流動作後の絶縁耐圧では、電
界の集中がないので、高電圧化が可能となる。

特性（３）は、本発明では、並列に通電接点を設けるこ
とにより、解決しようというものである。

特性（４）は、短間隙アークが、小電流時から発生し易
く、限流作用である電極降下が小電流時から発生しやす
い事になる。そこで本発明では、接触圧を加えて、所要
の限流開始時期を決められるようにしている。

〔実施例〕

第４図〜第６図に、本発明の実施例を示す。

１は電極で、端部の容器も兼ねている。２ば絶縁材より
なる筒状容器で、その内径空間部にカーボン塊が収納さ
れ、第４図には、碁石形状、第５図には球形状、第６図
には、粉末形状のものを示している。

３は、リング形状のカーボン電極で、電極１に焼ばめや
、ネジ止め等で固着されている。４はカーボン製の可動
電極で、その外径はカーボン電極３の内径より小さく、
クリアランスを形成するように設計されている。

カーボン可動電極部材４は、電流非通電時や、小電流時
には、カーボン塊に接触圧を持たせられ、大電流通電時
には、電極電位降下発生時に、昇華した気化圧で所要の
ギャップが形成されるように、第４図ではバネ６を使用
し、第５図では圧縮ガス９と○リング８を使用し、第６
図では圧縮ガス９とベローズ１１を使用した実施例を示
した。

以上の実施例で、容器や可動電極部材として第４図のバ
ネ６を適用し、カーボン塊を第５図の複数のカーボン球
形を適用したときの、実際の動作波形を第８図及び第９
図に示す。

実験での回路は、第７図に示すように、高圧コンデンサ
Ｃｖへ高圧ダイオードＤを通じて充電し、このＣｖの充
電電荷を供試器Ｓｐ（通電接点や断路接点を有せず、本
発明での限流部材のみを設定）へ投入器Ｓｔにより放電
し、直流の大電流を流す方式である。

測定は、供試器Ｓｐと直列に分流器ｓｈを接続して電流
ｉを、供試器Ｓｐと並列に、分圧器ＰＤを接続して、電
圧■を計っている。

また、波形処理計算機で時々刻々の抵抗値ｒ（＝ｖ／ｉ
）や、電圧、電流特性が出力されるようにしている。

その出力波形を第８図では時間に対するｖ、ｉ。

ｒの波形を、第９図ではそのときのｖ−ｉ特性を示す。

第８図において、高圧コンデンサＣｖへの充電電圧がＩ
Ｖ時の、直流大電流の限流波形を示す。

まず、大電流通電の初期時は、限流部材（供試器Ｓｐ）
の総抵抗ｒは、約２．９Ωで（第９図の原点からａ点ま
で）電流が上昇すると共に、抵抗ｒはジュール熱により
、抵抗温度係数が負であるために、急激に低下し０．２
５Ωまで低下する（第９図のａ点からｂ点まで）。

次に、カーボン塊に複数の電極点降下が発生し、また昇
華した気化圧力により、カーボン塊の境界層に所要の間
隙が形成され、電極点降下に陽光柱降下も加わり、限流
部材での端子間電圧■は大略一定となり、電流は大きく
限流され、抵抗値ｒは急激に増大するく第９図す点から
Ｃ点まで）。

そして抵抗値ｒの増大により電流ｉは、限流作用により
零値になり、高圧コンデンサＣｖの残留電荷が限流部材
（供試器Ｓｐ）に印加され続ける（第９図ｄ点）。

以上の動作により、限流と消弧作用が確実に行われたこ
とになる。以上の動作を約１分間隔で５回連続試験を行
い同一波形が得られ、繰り返し使用が可能であることが
実験によっても確認された。

第９図の電圧−電流特性で、原点からａ、ｂ点までは従
来のＺ　ｎ　ＯやＳｉＣと同じく、非線形特性を示して
おり、本発明の限流部材を素子と見做した場合、非線形
抵抗素子とも言えるであろう。また、ｂ点からＣ点まで
の限流作用は、従来の自己復旧式の限流装置と動作波形
は同じであるが、Ｃ点からｄ点までの消弧作用や、ｄ点
以後の断路作用は、本発明の特筆すべき作用であり、カ
ーボンの電気的特性であるア　−クによって表面が消耗
しても、平滑を保ち、しかも、可動電極部材を配設して
、昇華した気化圧により、所要のギャップを維持するよ
うにした効果が発揮されている。この限流部材に並列へ
の通電接点の配設の他に、直列に断路】　２ 接点の配設け、より安全性への確保を意味している。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、従来のパワーヒユー
ズのように、取り替えを必要とせず、繰り返し使用が可
能となり、従来の低融点金属（アルカリ金属や水銀）を
使用した、自己復旧式の限流装置のように、人体に有害
な物質を使用していないので、その生産過程での実用性
は大きく、また、その動作原理が金属を完全に気化する
のではなく、主に、電極点電位降下を利用しているので
絶縁層の大きい耐圧容器が使用されやすく、より高電圧
化が可能となった。また、カーボンの特性である電気導
電度を有し、高温で昇華するので、カーボン塊境界層で
融着を起さず、繰り返し使用が可能であり、小電流時や
非通電時に、カーボン塊に所要の接触圧を、大電流時に
、昇華した気化圧により、所要のギヤツブを接続するよ
うに、可動電極部材を配設したので、所要の限流開始時
期や限流値、消弧、断路性能が確保できるようになった
。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は、本発明の繰り返し使用が可能な、限
流作用の動作説明を示す図、第４図〜第６図は本発明の
実施例を示し具体的構造図、第７図は実施例の実際動作
の回路図、第８図はその動作波形、第９図は、第８図の
電圧、電流特性波形を示している。 なお、文中と図中は同一符号を示す。 １・・・電極 ２・・・筒状容器 ３・・・カーボン電極 ４・・・可動電極 ５・・・カーボン塊 ６・・・バ　ネ ７・・・絶縁シート ８・・・０リング ９・・・圧縮ガス １０・・・カーボン塊 １１・・・ベローズ １２・・・カーボン装置 第　　　３　　　図 第　　　７　　　図 第１図 第　　　２　　　図 第８図 第９図 第４図 ／　　　　２ ４・・・可動電極 第　　　５　　　図１　　　　　　５・・カーボン塊６
・・・ハ　ネ ■−「耳〒

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）絶縁材よりなる筒状容器と、この筒状容器の両端
   に設けた導電材よりなる電極と、前記筒状容器内に設け
   一方の電極から他方の電極に電気的に導通するように相
   互に接させて収納させた高温で昇華する物質を収納した
   ことを特徴とする事故電流限流装置
2. （２）高温で昇華する物質がカーボンである請求項１記
   載の事故電流限流装置
3. （３）高温で昇華する物質を一列に電気的に接させて筒
   状体に収納した請求項１又は２記載の事故電流限流装置
4. （４）高温で昇華する物質を一列に電気的に接させ、こ
   れを複数個並列に接続させて筒状容器に収納した請求項
   １、２又は３記載の事故電流限流装置
5. （５）一方を電極の内壁に接させ、他方を筒状容器の中
   空部に設けた高温で昇華する物質に接させた導電材より
   なる摺動体をそなえ、前記電極内壁と摺動体との間に弾
   性体を設けた請求項１、２、３又は４記載の事故電流限
   流装置
6. （６）弾性体がバネである請求項５記載の事故電流限流
   装置
7. （７）高温で昇華する物質がカーボン粒又はグラファイ
   ト粒である請求項１、２又は３記載の事故電流限流装置