JPH0218515Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 この考案は回路しや断器に関するものであり、
特にしや断時における限流性能を向上させた回路
しや断器に関するものである。

第１図ａは一般的な回路しや断器を示す断面平
面図であり、第１図ｂは第１図ａの線ｂ−ｂにお
ける側断面図である。第１図ａ，ｂにおいて、
今、可動接点３０２と固定接点２０２とが閉成し
ていると、電流は固定導体２０１→固定接点２０
２→可動接点３０２→可動導体３０１の経路で流
れる。この状態において、短絡電流等の大電流が
この回路に流れると、操作機構部４が作動して可
動接点３０２を固定接点２０２から開離させる。
この時、固定接点２０２と可動接点３０２間には
アークＡが発生し、固定接点２０２と可動接点３
０２間にはアーク電圧が発生する。このアーク電
圧は、固定接点２０２からの可動接点３０２の開
離距離が増大するに従つて上昇する。また、同時
にアークＡが消弧板５の方向へ磁気力によつて引
き付けられ伸長するために、アーク電圧は更に上
昇する。このようにして、アーク電流は電流零点
を迎えてアークＡを消弧し、しや断が完結する。
このようなしや断動作中において、可動接点３０
２と固定接点２０２との間には、アークＡによつ
て短時間、すなわち数ミリ秒の内に大量のエネル
ギーが発生する。そのために、包持体１内の気体
の温度は上昇し、且つ圧力も急激に上昇するが、
この高温高圧の気体は排出口１０１から大気中に
放出される。

回路しや断器及びその内部構成部品は、そのし
や断に際して上記のような動作をするが、次に固
定接点２０２と可動接点３０２との動作について
特に説明する。一般にアーク抵抗Ｒは次のような
式で与えられる。

Ｒ＝ρｌ／Ｓ ただし、Ｒ：アーク抵抗（Ω） ρ：アーク抵抗率（Ω・cm） ｌ：アーク長さ（cm） Ｓ：アーク断面積（cm²） しかるに、一般に数KA以上の大電流で且つア
ーク長さｌが50mm以下の短いアークＡにおいて
は、アーク空間は表面にアークの足が存在するそ
の導体の金属粒子によつて占められてしまうもの
である。しかも、この金属粒子の放出は、導体表
面に直角方向に起こるものである。また、この放
出された金属粒子は、放出時においては導体の金
属の沸点近くの温度を有し、更にアーク空間に注
入されるや否や電気的エネルギーの注入を受けて
高温、高圧化されると共に導電性を帯び、アーク
空間の圧力分布に従つた方向に膨張しながら高速
度で導体から遠ざかる方向に流れ去るものであ
る。そして、アーク空間におけるアーク抵抗率ρ
及びアーク断面積Ｓは、この金属粒子の発生量と
その放出方向によつて定まる。従つて、アーク電
圧も、このような金属粒子の挙動によつて、決定
されているものである。次に、このような金属粒
子の挙動を第２図を用いて説明する。なおＸ面を
接点部材にて構成した場合にも金属粒子のふるま
いは以下の説明と何等変るところがない。

第２図において、一対の導体８，９は相対向す
る一対の金属製円柱状の一般的な導体であつて、
導体８は陽極であり、導体９は陰極である。また
導体８，９の夫々のＸ面は導体８，９が接触する
場合の接触面となる対向面であり、導体８，９の
夫々のＹ面は夫々の対向面であるＸ面以外の電気
的接触面である導体表面を示す。Ｘ面を接点部材
で構成しても以下金属粒子の振舞いは何ら変るこ
とはない。また図中一点鎖線で示す輪かくＺは導
体８，９間に発生するアークＡの外かくを示し、
更に、金属粒子ａ及び金属粒子ｂは、導体８，９
のＸ面及びＹ面から蒸発等により発したそれぞれ
の金属粒子を模式的に示したもので、その放出方
向は、それぞれ矢印ｍ及び矢印ｎによつて示した
各流線の方向である。

このような導体８，９から放出された金属粒子
ａ，ｂは、アーク空間のエネルギーによつて導体
金属の沸点温度である約3000℃程度から、導電性
を帯びる温度、すなわち8000℃以上、または更に
高温の20000℃程度にまで昇温され、その昇温の
過程でアーク空間からエネルギーを奪い去り、ア
ーク空間の温度を下げ、その結果アーク抵抗Ｒを
増大させる。なお、アーク空間から金属粒子ａ，
ｂが奪い去るエネルギー量は、金属粒子の昇温の
程度が大きい程大きく、その昇温の程度は、導体
８，９から発した金属粒子ａ，ｂのアーク空間に
おける位置及び放出経路によつて定まる。

さらに導体８，９から発した金属粒子ａ，ｂの
経路は、アーク空間の圧力分布によつて決まる。
そのアーク空間の圧力は、電流自身のピンチ力と
金属粒子ａ，ｂの熱膨張とのかね合いによつて決
定される。ピンチ力は電流の密度によつてほぼ決
定される量であり、これは即ち導体８，９上のア
ークＡの足の大きさによつて決定される。一般に
は金属粒子ａ，ｂはピンチ力によつて決定された
空間を、熱膨張しながら飛行すると考えてもよ
い。また導体８，９上におけるアークＡの足に制
限を加えない場合には、金属粒子ａは片側の導体
９から他の導体８に一方的にペーパー・ジエツト
して吹き付けることが知られている。このように
片側の導体９から他の導体８に向けて、金属粒子
ａが一方的に吹き付ける際には、アークＡの陽光
柱に注入される金属粒子ａは、ほぼ片側導体９か
らのみ供給されるのである。第２図では一例とし
て陰極から陽極へ強く吹き付けが行なわれている
ものを示したが、この逆方向の吹き付けの場合も
ある。

次に、上記の事情を説明する。第２図におい
て、何らかの理由で導体９から導体８に向けて一
方的に吹き付けが生起しているとする。導体９の
対向面であるＸ面から発する金属粒子ａは、導体
界面に直角に、即ち陽光柱に向かつて飛行しよう
とする。この時、導体９のＸ面を発した金属粒子
ａはピンチ力によつて生じた圧力によつて陽光柱
に注入される。他方の導体８のＸ面を発した金属
粒子ａは陽光柱の中の粒子の流れに押されてＸ面
の外角方向に排出され陽光柱に入りきらず瞬時に
系外に逃げ去ることになる。このように導体８か
ら発せられるものと導体９から発せられるものと
で金属粒子ａの動きが第２図中の矢印ｍ，m′の
流線に示したように異なるのは前述した如く導体
界面におけるピンチ力により生じる圧力に差があ
ることによるものである。こうして、導体９の一
方向からの吹き付けは、吹き付けられる側の導体
８を熱し、導体８の表面上のアークの足（陽極
点・陰極点）をその正面のＸ面からそれ以外の面
へと拡大させる。このために導体８の導体界面上
の電流密度は低下し、且つアークの圧力も低下す
る。従つて、ますます導体９からの一方向の吹き
付けを強めることになる。このように生じたそれ
ぞれの導体８，９を発した金属の粒子ａの飛行経
路の差は、アーク空間から奪き去るエネルギー量
の差となる。従つて、導体９のＸ面を発した金属
粒子ａは、陽光柱から充分にエネルギーを吸収し
得るが、導体８のＸ面を発した金属粒子ａは充分
にエネルギーを吸収し得ず、有効にアークＡを冷
却しないままに系外に放出されてしまう。また導
体８，９のＹ面から発する金属粒子ｂは、図中の
矢印ｎに流線に示すように、アークＡから充分な
熱を奪わないばかりか、アーク断面積Ｓを増大さ
せ、且つアークＡのアーク抵抗Ｒを低下させるこ
とになる。

このように、一方の導体９からの吹き付けがあ
る場合には、陽光柱の金属粒子ａによる冷却の効
率が悪くなり、また両方の導体８，９の対向面以
外の面であるＹ面から発生する金属粒子ｂが陽光
柱冷却に何ら寄与せず、しかもアーク断面積Ｓを
増大させることにより、アーク抵抗Ｒも低下す
る。従つて、一方の導体から他方の導体へ一方的
な金属粒子の吹き付けが存在すると、アーク電圧
を上昇させる上では不利であり、したがつてしや
断器時の限流性能を向上させ得ない。

一般に従来の回路しや断器に使用されている固
定接触子及び可動接触子は第２図のモデルの導体
と同様に対向面の表面積が大きく、従つて生じた
アークの足の大きさの制限が加わらないだけでな
く対向面以外にもその側面等に露出面を有するの
で、第２図において説明したように、両接触子面
に生じるアークの足（陽極点又は陰極点）の位置
及び大きさに別段に制限が加えられていないた
め、第２図について説明した機構で一方の接触子
から他方の接触子に対して金属粒子ａの一方的な
吹き付けが行なわれ、このためアーク断面積Ｓが
大きくなり、上述のようにしや断時の限流性能を
向上させ得ない欠点があつた。

また従来の回路しや断器に使用されている他の
接触子の例では、接点の近傍へ導体の溶融を防ぐ
ために、接点の近傍の導体面の一部を絶縁物１
０′で覆つたものがあつた。第３図ａはそのよう
な接触子２を示す側面図であり、第３図ｂは第３
図ａのものの平面図であり、第３図ｃは第３図ｂ
の断面ｃ−ｃにおける断面図である。その例では
導体の先端の方の部分は絶縁物１０′で覆われて
いない。

このような構成の一対の導体を用いて第４図の
ように回路しや断器を構成したものでは、その一
対の固定接触子２と可動接触子３間に第４図ａ及
び第４図ｂに示すようなアークＡが生じる。この
アークＡにおいては第４図ａ及びｂから明らかな
ように、アークの足、すなわち陽極点、陰極点の
位置が導体の先端の方に向つて大きく拡がつてお
り、第２図において説明したのと同様の理由によ
つて、しや断時の限流性能を向上させ得ない欠点
があつた。更に第５図に示すように一対の接点の
うち一方のもののみに、その接触面の周辺部分を
覆う絶縁物の板状体８１をもつ被覆を付した場合
についてその表面の状態を調べて見たがこの例で
は、絶縁物１０′に包囲された方の接点をもつ導
体９のＸ面からは、その流れ方向が狭く制限され
た金属粒子ａがアーク陽光柱部に注入されるが、
絶縁物１０′で被覆されていない方の接点をもつ
導体８のＸ面からの金属粒子においてはそのアー
クの足、すなわちその陽極点、陰極点は制限され
ることなく導体導表上一杯に拡がり、又さらに接
点の側面であるＹ面にまで拡がることによつて電
流密度が減少する。従つてピンチ力は弱まり、金
属粒子がアーク外へ逃げる点は、第２図と同様で
ある。このため結局、アーク陽光柱部の様相は、
たとえ一方の導体の近傍に絶縁物を設けても、結
局一方向からの金属粒子の吹き付け現象となり、
従つて相方の導体ともアークの足の大きさを制限
しない場合と同一の様子を示し、アーク電圧も別
段大きな上昇をせず、限流性能は向上しない。

以上説明したように、アーク電圧を上昇させる
為には、アークの足に生じた金属粒子を両極とも
に、陽光柱に有効に注入させることが必要であ
り、また金属粒子を陽光柱へ注入する力は、アー
クの足に生じたピンチ力による圧力である。さ
て、ピンチ力は接触子上のアークの足の大きさ、
あるいは、電流密度によつて大きく変化するもの
である以上、これを制御することは可能である。
例えば、従来の接触子は、少くとも片方のＸ面の
面積が大きく、アークの足の大きさを有効な程度
に制限することにはなつていなかつた。しかしこ
のような絶縁物を使用しない接触子においても、
それぞれの両接触子の対向するＸ面を充分小さく
すれば、ある程度Ｘ面上での電流の密度が上昇し
てピンチ力が増すとともに、それぞれの金属粒子
は従来と異なつてある程度両方から陽光柱に注入
され、それによりアーク電圧は従来よりも上昇す
る。

しかし、それだけではＸ面以外、即ちＹ面のア
ークの足の拡大は阻止できず、Ｙ面へとアークの
足が拡大した分だけＸ面の電流密度は減少し、金
属粒子の注入圧力は低下する。したがつて従来の
接触子の場合、金属粒子による陽光柱の冷却効果
が最大限に発揮されているものではなかつた。

さらに従来の接触子の大きな欠点は、Ｙ面への
アークの足の拡大のために一般にこのＹ面に設け
られることの多い導体との接合部に直接アークの
足が拡大しやすく、この熱によつて融点の低い接
合部材が溶融し、接点脱落を起す危険性があつた
点である。

この考案の目的は、高いアーク電圧を有し且
つ、しや断時の限流性能がよく、しかも接点の脱
落のおそれのない回路しや断器を得ることにあ
る。

この考案の回路しや断器では回路しや断器の一
方の接点の電気的接触面の一部を残して、その周
辺の空間に張り出した導体の接点近傍の部分を導
体を形成する材料よりも高抵抗率を有する高抵抗
材料の物質（以下高抵抗材料と称する）からなる
圧力反射体（板状の圧力反射板及びテーピング、
コーテイングの被覆物）の背後に覆いかくし、そ
れによつて金属粒子を強制的にアーク空間に注入
するようにしたことを特徴とするものであり、且
つ電磁反発力によつて電極を高速度で開離させる
ようにしたものである。

ここで上記の高抵抗材料としては例えば有機あ
るいは無機絶縁物、又は、銅ニツケル、銅マンガ
ン、マンガニン、鉄炭素、鉄ニツケル、あるいは
鉄クロム等の高抵抗金属が使用できる。又温度上
昇に対して抵抗が急激に増加する鉄の使用も可能
である。

以下この考案の原理を図面に基づいて説明す
る。第６図ａはこの考案に至る回路しや断器の一
実施例を示す平断面図であり、第６図ｂは第６図
ａの線Ｂ−Ｂにおける側断面図である。第６
図ａ，ｂにおいて、包囲体１は絶縁体により構成
され、開閉装置の外枠を形成するもので排出口１
０１を備えている。固定接触子２は包囲体１に固
定され且つＵ字状に折曲げられた固定導体２０１
と、固定導体２０１の一端部に取付けられた固定
接点２０２とから構成されている。可動接触子３
は固定接触子２に対して開閉するもので、固定導
体２０１に対して開閉動作をする可動導体３０１
と、固定接点２０２に相対して可動導体３０１の
一端部に取付けられた可動接点３０２とから構成
されており、可動導体３０２は可とう導体３０３
を介して外部導体（図示せず）に接続され、且つ
中間部は軸３０４によつて可動子枠３０５の一端
部に回動可能に支持されている。可動子枠３０５
の他端部にはクロスバー３０６が紙面に垂直方向
に貫通挿入されており、各相の可動子枠３０５を
回動可能に支持している。操作機構部４は可動接
触子３を開閉操作するものであり、それは可動導
体３０１の中間部に軸３０４によつて一端部が回
動可能に取付けられた下部リンク４０１と、下部
リンク４０１の他端部に軸４０２によつて回動可
能に取付けられた上部リンク４０３と、上部リン
ク４０３の他端部に軸（図示せず）によつて回動
可能に取付けられた操作ハンドル４０４と、軸３
０４に施され両端部が夫々可動導体３０１と可動
子枠３０５とに係合したひねりばね４０５とから
構成されている。消揆面５は可動接点３０２が固
定接点２０２から開離する時に生じるアークを消
弧するもので、一対の側板５０１，５０２によつ
て保持されている。圧力反射体６，７は夫々前記
の高抵抗材料で構成され、夫々固定接点２０２、
可動接点３０２を突出させて、且つ互いにアーク
Ａに対向するように夫々固定導体２０１、可動導
体３０１に取付けられている。

今、操作ハンドル４０４を時計方向に回動する
と、第７図に示すように可動接点３０２と固定接
点２０２とが閉成する。この状態においては、電
流は固定導体２０１→固定接点２０２→可動接点
３０２→可動導体３０１へと、電源側から負荷側
に流れる。この閉回路において短絡電流等の大電
流が流れると、固定導体２０１のＵ字状の折曲げ
部分と可動導体３０１とに流れる逆方向の平行電
流のため、固定導体２０１と可動導体３０１とは
電磁反発して、可動接点３０２が固定接点２０２
から開離しアークＡが発生する。この様子を第８
図に示す。続いて電磁引外し装置（図示せず）が
動作して操作機構部４を駆動し、可動導体３０１
は完全に開離される。この際アークＡが消弧に至
る過程は従来装置とほぼ同様であるが、可動接点
３０２の固定接点２０２からの開離時の両接点間
における接点粒子等の挙動については従来装置と
異なるので次に説明する。即ち、固定接点２０２
と可動接点３０２間に発生するアークＡにおいて
は第９図において示すように、圧力反射体６，７
によつて金属粒子が反射され、アーク空間が高圧
なり、その結果アークが効果的に冷却され消弧さ
れる。

第９図は第６図の回路しや断器における金属粒
子の挙動に模式的説明図である。なおＸ面を接点
部材にて構成した場合にも金属粒子のふるまいは
以下の説明と何等変るところがない。第９図にお
いて、一対の導体８，９は第２図と同一形状に構
成されており、且つ圧力反射体６，７が導体８，
９の夫々の対向面であるＸ面を突出させるよう
に、且つアークＡに対向して導体８，９に取付け
てある。勿論Ｘ面を接点部材で構成しても以下金
属粒子の振舞いは全く同一である。すなわち、空
間Ｑ，Ｑにおける圧力値は、アークＡ自身の空間
の圧力値以上にはなり得ないが、しかし少くと
も、圧力反射体６，７が設けられていない場合に
比べて、圧倒的に高い値を示す。従つて、圧力反
射体６，７によつて生じた相当に高い圧力をもつ
周辺空間Ｑ，Ｑは、アークＡの空間の拡がりを抑
制する力を与え、アークＡを狭い空間に「しぼり
込む」ことになる。これはすなわち、対向面であ
るＸ面より発した金属粒子ａ，ｃ等の流線ｍ，
m′，ｏ，o′をアーク空間にしぼり込み閉じ込める
こになる。よつて、Ｘ面より発した金属粒子ａ，
ｃは有効にアーク空間に注入される。その結果、
有効に注入された大量の金属粒子ａ，ｃは、アー
ク空間から従来装置とは比較にならない大量のエ
ネルギーを奪い去るため、アーク空間を著しく冷
却する。従つて、抵抗率ρすなわちアーク抵抗Ｒ
は著しく上昇させてアーク電圧をきわめて大きく
上昇させる。

更に、この圧力反射体６，７を、例えば、第６
図に示すように、固定接点２０２と可動接点３０
２の接触面、すなわち、第９図に示す対向面であ
るＸ面の周辺近くに設置するならば導体表面であ
るＹ面にまでアークＡが移動することを防ぎ、ア
ークＡの足の大きさをも制限することになる。こ
のため、金属粒子ａ，ｃの発生をＸ面に集中させ
得ると共に、アーク断面積Ｓも縮小し得て、金属
粒子ａ，ｃのアーク空間への有効な注入を一層促
進することができる。従つて、アーク空間の冷
却、アーク抵抗率ρの上昇及びアーク抵抗Ｒの上
昇を一層促進して、アーク電圧を一層上昇させる
ことができる。

第１０図及び第１１図はこの考案に係る回路し
や断器における圧力反射体の一実施例を示す斜視
図である。第１０図及び第１１図において、溝６
０１，７０１は固定接点２０２、可動接点３０２
から消弧板５の方向に固定導体２０１、可動接点
３０１が露出するように圧力反射体６，７に設け
られたものである。即ち、溝６０１，７０１を設
けることによつて、アークＡは溝６０１，７０１
内を消弧板５方向に走り、アークＡが消弧板５に
直接触れて効果的に消弧される。なお、この溝６
０１，７０１はいずれか一方のみあれば良いこと
は言うまでもない。

この考案は上記のように構成され、固定導体２
０１をＵ字状に折曲げ且つ可動導体３０１を可動
子枠３０５に回動可能に保持しているため、短絡
電流等の大電流が流れると操作機構部４の作動を
待たずして、固定導体２０１及び可動導体３０１
を流れる電流によつて電磁反発し、可動導体２０
１を開離する。この開離によつてアークＡが発生
すれば、電磁反発力に加えて圧力反射体６，７の
効果によつて極めて速い速度で可動導体２０１は
開離し、アーク電圧の立上り開始時間も極めて早
く、且つアーク電圧の上昇も極めて大きくなるた
め、回路に流れる電流波高値を非常に小さくする
ことができる。

なお、消弧面５を磁性材で構成してアークＡを
吸引するようにし、アーク電圧を上昇させてもよ
く、また消弧板５を非磁性材でアークＡを分断
し、アーク電圧を上昇させるようにしてもよい。
即ち、磁性材で構成すればアークＡの冷却は良好
に行えるが、一方定格電流の大きい回路しや断器
では磁性材による渦電流によつて温度上昇が問題
となるが、非磁性材では問題とならない。

異方向に流れる電流によつて相互間に電磁反発
力が発生する固定及び可動接触子に圧力反射体を
設けこの圧力反射体の少なくとも一方に接点から
遠ざかる方向に導体の一部を接点の幅より狭く露
出させる溝を設けたことにより、接点間でアーク
が発生すると圧力反射体によつて金属粒子が反射
され、アーク空間の圧力が上昇するため、接点間
に開離力が発生することになり、両導体間の電磁
反発力とあいまつて可動接触子の開離スピードが
増大されるため、アーク電圧を著しく上昇させる
ことができ、極めて高い限流性能を得ることがで
きる。また、大電流時にはアークの足の径が大き
いため狭いアーク走行路への侵入が阻止され圧力
反射体によるアークの絞り込み作用が充分発揮さ
れ、しかもアークは絞り込まれた状態で溝内を移
行するため限流性能がより一層向上するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは一般的な回路しや断器を示す平面図
であり、第１図ｂは第１図ａの線ｂ−ｂにおける
断面図である。第２図は第１図の回路しや断器に
おける金属粒子の挙動の模式的説明図である。第
３図ａは従来の回路しや断器に使用されているあ
る接触子を示す側面図であり、第３図ｂは第３図
ａのものの平面図であり、第３図ｃは第３図ｂの
断面線ｃ−ｃにおける断面図である。第４図ａは
第３図に示す導体を用いた場合のアーク発生状態
を示す側面図であり、第４図ｂは第４図ａのもの
の正面図である。第５図は比較のための他の導体
構造における場合の金属粒子の挙動の模式的説明
図である。第６図ａはこの考案に至る回路しや断
器の一実施例を示す平面図であり、第６図ｂは第
６図ａの線Ｂ−Ｂにおける側断面図である。
第７図及び第８図はその動作説明図である。第９
図は第６図の回路しや断器における金属粒子の挙
動の模式的説明図である。第１０図及び第１１図
はこの考案に係る回路しや断器における圧力反射
体の一実施例を示す斜視図である。 図において、各図中同一部分には同一符号を付
しており、１……包囲体、２……固定接触子、２
０１……固定導体、２０２……固定接点、３……
可動接触子、３０１……可動導体、３０２……可
動接点、４……操作機構部、５……消弧板、６，
７……圧力反射体、６０１，７０１……溝であ
る。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 略Ｕ字状に折り曲げられ、一端部に固定接点が
   取り付けられ、且つ他端部に外部導体が接続され
   る導体を有する固定接触子、上記導体とほゞ平行
   に配設され、一端部に上記可動接点と接離する可
   動接点を有すると共に他端部が操作機構部に回動
   可能に支持された導体を有する可動接触子、上記
   両接触子の双方に設けられて、導体よりも抵抗率
   の高い材料で形成され、かつその接触子の接点の
   外周を取り囲むように導体上に配設された圧力反
   射体、及び少なくとも一方の圧力反射体に設けら
   れ、上記圧力反射体によつて絞り込まれたアーク
   を接点より離反移動させるようにこの接点から遠
   ざかる方向に上記導体の一部を接点の幅よりも狭
   く露出させる溝を備えてなる回路しや断器。