JPH08500703A - 特に電力用開閉技術において保護要素として使用される可変大電流抵抗及びこの大電流抵抗を使用した回路装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電力開閉技術における保護要素として適用するため、抵抗材料としてカーボンを有し、その際他の導電体への接合領域をもつ境界面が存在する可変大電流抵抗が既に提案されている。この抵抗は押圧力を加えることにより接合領域において低抵抗に保たれる。従来公知の技術では電流熱によって抵抗は高抵抗状態に移る。この発明によれば可変大電流抵抗の押圧力は目的に合わせて制御可能であり、その際カーボン及び／又は煤を含む層（１１）が抵抗の低抵抗状態を設定するために所定の第一の値を持つ力により導体（１２、１３）に押圧され、短絡時に押圧力が充分短時間で第二の値に減少し、このとき接合領域（１５）における抵抗が少なくとも２桁上昇する。このような可変大電流抵抗（１０）は遮断器、電力用半導体装置、電磁接触器及び真空遮断器と関連して適用可能である。

Description

【発明の詳細な説明】 特に電力用開閉技術において保護要素として使用される可変大電流抵抗及びこの 大電流抵抗を使用した回路装置 この発明は、抵抗材料としてカーボンを使用し、カーボン及び／又は煤を含む 層の少なくとも一つの境界面に他の導電体との接合領域を備えた、特に電力用開 閉技術において保護要素として使用される可変大電流抵抗に関する。本発明は更 にこの大電流抵抗を使用した回路装置に関する。 低電圧配電において遮断器は安全上の理由から短絡時に予想される最大短絡電 流を遮断できるものでなければならない。この電流は母線の近くにおいては５０ ｋＡ或いはまた１００ｋＡにもなり得る。このような遮断容量を持つ遮断器は系 統周期の時間長に比較して短い時間内に接点を開き、短絡電流を充分に制限する ために高いアーク電圧を生み出すものでなければならない。 上記の遮断器は構造的に複雑で、従ってそれだけ高価である。遮断容量の小さ い比較的簡単な遮断器を予想される大きな短絡電流において使用するためには、 遮断器に対して短絡時の電流を制限して遮断する助けとなる機器或いは装置が必 要となる。 この目的のために従来いわゆる電流制限器が、例えば図１ａに示されるように 、遮断器に直列に接続される。なお一般に「制限器」とは、その接点が短絡時に 電流力により開かれる、開閉鎖錠装置を備えていない開閉器具と解される。そし てその際発生するアーク電圧は遮断器に作用して、短絡回路に流れる電流を制限 しかつ遮断する。 電流制限の他の方法は、遮断器に直列に、定格電流或いは許容過電流において は非常に低い値を持ち、ある電流閾値を超えると短時間で高抵抗となる抵抗を接 続することである。これにより短絡回路には電流を危険のない値に制限する付加 的な抵抗が挿入される。このような特性を持つ抵抗はＰＴＣ（正の温度係数を持 つ）抵抗或いは正特性サーミスタと呼ばれている。低電圧での応用としてこのよ うな抵抗を使用した回路構成が国際特許出願公開第９１／１２６４３号明細書に おいて提案されている。そこに記載された可変大電流抵抗は主として煤を充填し たポリエチレン膜からなり、ＰＴＣ効果を持つものである。ほぼ同じものとして 国際特許出願公開第９０／００８２５号明細書には低電圧用の保護装置が既に提 案されている。さらにヨーロッパ特許出願公開第０４８７９２０号明細書におい ては正の温度係数を持つ電気的に伝導性のポリマー組成物からなる少なくとも１ つの抵抗体を備えたＰＴＣ素子が詳細に記載されている。この素子においては各 抵抗体が２つの好ましくは並列な表面を持ち、その少なくとも１つの境界面が電 流をＰＴＣ素子に取り入れるための電極と接続されている。ＰＴＣ効果を保証す るために、この保護要素として使用される大電流用抵抗においてはポリマー抵抗 体がその基底面で電極に接続され、しかも少なくとも１つの面がその属する電極 といわゆる自由接触をなし、また導電性ポリマー層の抵抗体の電極及び基底面に 垂直方向に力を与える押圧装置が設けられている。 さらにまたＥＴＺ（Ａ）７３，１９９（５２）により柱状に配置されたカーボ ン板或いはリングからなる接合抵抗を圧力に関係して変化させることに基づくカ ーボンパイル形レギュレータが公知である。このカーボンパイル形レギュレータ により電圧或いは電流が制御されて、制御量の値が上がると電磁石の制御によっ て高い磁気力がカーボン板からなる柱状体の予圧に抗して作用する。抵抗値の変 化は３００倍も可能とされている。 これに対してこの発明の課題は、冒頭に記載した種類の大電流用抵抗を、保護 装置として必要な安全性をもって制限器として使用できるように改善することに ある。さらにこのような抵抗を備えた回路装置を提供することにある。 この課題は、この発明によれば、公知の可変大電流抵抗において、押圧力が制 御可能であり、その際カーボン及び／又は煤を含む層が抵抗の低抵抗状態を設定 するために所定の第一の値を持つ力により他の導電体に押圧され、かつ短絡時に この押圧力が充分短時間に、接合領域における抵抗が少なくとも２桁だけ上昇す るような第二の値に減少可能であるようにすることにより解決される。この場合 流れる電流に相応して力を減少する具体的な手段を備えることが有利である。そ の場合特に保護要素として構成するために短絡時に所定の電流閾値、例えば定格 電流の１５倍を超えたとき系統周期に比して短い時間で接合領域における抵抗が 約１００倍に上昇し、従って確実に短絡電流を危険のない値に制限することがで きる。 この発明の範囲内において「抵抗」とは大電流抵抗における電圧降下と抵抗を 流れる電流の商と解される。外部に向かって有効な電圧降下はその場合平面状に 延ばされた抵抗体における電流分布及び微視的な面における電圧降下の直列接続 から生ずる。この電圧降下はこの発明による大電流抵抗においては煤及び／又は カーボン粒子内で或いは隣接した粒子の接触面において起こる。同様に特に接合 領域においては導電性の粒子間にガス放電も起こり得る。 本発明による押圧力の目的に合った制御及びその減少により、特にヨーロッパ 特許出願公開第０４８７９２０号明細書によるＰＴＣ素子に対する利点が生ずる 。そこに使用されている導電性にされたポリマー材はある温度以上、ポリエチレ ンに対しては約１２０℃で高抵抗となり、その際この公知の素子における加熱は 短絡電流により行われ、特に金属電極と導電性のポリエチレン体との間の面状接 触部がポリエチレン表面の加熱に貢献する。従ってこの公知の技術ではＰＴＣサ ーミスタ効果を、薄いポリエチレン層における抵抗ストロークで電流制限を行う ように設定されねばならない。 これに対して本発明においては、機械的に解離可能な接触部における電気抵抗 が接触力に関係し、しかも抵抗は接触力が減少するとともに確実に増加するとい う事実が利用される。有利なことにこの機械的に解離可能な接触部においては電 流密度は小さく保たれるので、高いエネルギー密度によって電極面が破壊される ということはない。その場合煤或いはカーボン層は、この物質の力に関係する抵 抗変化が大きいので解離可能な接触部の少なくとも１つの側に使用するのが有効 である。特に微粉末状の煤或いはカーボン層が接触層として有効である。この層 は例えば前述の機械的或いは熱的負荷から生じ得る。 ヨーロッパ特許出願公開第０４８７９２０号明細書においては専らＰＴＣ効果 を狙ったものであるが、これとは異なりこの発明においては正特性サーミスタ効 果を示さない層でも利用することができる。特にこれらの材料からなる白熱焼結 体或いは結合材として合成樹脂を加えた加圧体も使用できる。解離可能な接触表 面において充分に均一な電流分布を得るためには、これらの物体の抵抗は余りに 小さすぎてはならない。しかし抵抗は焼結或いは加圧体の組成により影響される 。好ましい抵抗値は０．１オームｃｍから１オームｃｍの間にある。 この発明によれば、正特性サーミスタのように遮断器と直列に低電圧配電用の 電流回路に接続される機能的に有効な保護要素が作られる。電力用半導体デバイ ス、電磁接触器或いは真空遮断器と組み合わせた使用もまた可能である。 この発明による大電流抵抗により、定格電流の１２乃至１５倍より小さい電流 に対しては保護要素の抵抗は非常に小さく、従って素子における損失電力が定格 電流において１つの電流路につき最高でも数ワットとすることができる。例えば 定格電流が２０Ａに対して抵抗は２ｍオームであるので、損失電力は２０Ａにお いて約８００ｍＷである。電流が定格電流の１５倍以上に上昇すると、抵抗は１ ００倍或いはそれ以上に大きくなる。これにより短絡電流は危険のない値に制限 される。一般に低電圧系統の場合にそうであるように、回路にインダクタンスが あると、電流は並列電流分路に転流されるので、この発明による大電流抵抗は大 きな損失電力によって損傷されることはない。その場合例えば並列電流分路に対 する定抵抗或いは電圧依存抵抗が問題になる。 それ自体公知の効果を利用するのに保護要素は金属電極と煤或いはカーボンを 含む導電性の層との間の少なくとも１つの接触面或いは２つの煤及び／又はカー ボンを含む層の間の少なくとも１つの接触面を備える。この場合電流の流れはこ の接触面を通る。定格電流或いは許容過電流において金属電極及び煤或いはカー ボンを含む層は接合抵抗を充分に小さくする力で圧縮されている。短絡時にある 電流閾値を超えると系統周期の時間に比して短い時間でこの力は減少して、接触 面の境界層における抵抗が所望の方向に上昇する。 カーボンパイル抵抗の場合のように、この発明による大電流抵抗においては数 個の前述の境界層を直列に接続することもできる。この煤及び／又はカーボンを 含む層は、煤もしくはカーボン粒子が結合材により結合されて収納された特に円 形或いは矩形状の板である。 この結合材はこの発明を実現する場合において同時に押圧力を減少するための 手段とすることができる。従ってこの場合結合材は適切に選ばれなければならな い。押圧力を減少するために他の手段が使用される場合には、かかる結合材は５ ００℃以上の温度の場合にも素子が変質しないものがふさわしい。押圧力を減少 するための他の手段は電磁原理に基づくもの或いはまた圧電調整素子を利用する ものとすることができる。特に後者の場合外部で操作できる力により押圧力が適 宜に減少可能である。 この発明の詳細及び利点を図面による実施例の説明により明らかにする。 図面において、 図１は従来技術の２つの回路構成を、 図２は力を減少する目的で圧力を発生する第一の手段を備えた大電流抵抗の断面 及び２つの詳細部分図を、 図３は力を減少する第二の手段として電磁的に制御される装置を、 図４は力を減少する第三の手段として圧電調整素子を介して制御される装置を、 図５は図４による装置を動作させるのに必要な回路構成を、 図６は複数個の層を積層した大電流抵抗を、 図７は遮断器内に集積された大電流抵抗を、 図８は感度を上げるための大電流抵抗の回路例を示す。 図１ａ及び図１ｂにおいて１は遮断器、２はこの遮断器１のトリップ装置の磁 気コイルを示す。図１ａの回路構成では、例えば接点が短絡時に電流力によって 開かれるいわゆるアーク制限器３が直列接続されている。これとは異なり図１ｂ においては磁気コイル２を備えた遮断器１に正特性サーミスタ４が直列接続され 、さらにこれに抵抗５が並列接続されている。正特性サーミスタは冷温状態では 低い電気抵抗を、高温状熊で高い電気抵抗を示す（いわゆるＰＴＣ効果）。正特 性サーミスタはそこを流れる電流自体によって加熱され、その際ある温度を超え ると高抵抗になる。並列抵抗５はサーミスタの負担を軽減し短絡電流を制限する ためのものである。 電流制限器としての使用に関して、通常の正特性サーミスタもしくはＰＴＣ抵 抗は比較的低い電圧及び電流に対してだけ適している。導電性にされたポリマー 材よりなるＰＴＣ大電流抵抗はヨーロッパ特許出願公開第０４８７９２０号明細 書において提案されている。しかしながら熱可塑性のポリマー材を正特性サーミ スタとして使用する場合には、このような公知のＰＴＣ素子を電流制限器として 使用する際考慮されねばならない幾つかの特徴がある。即ち、 ・ポリマー層の表面を臨界温度に上げるために必要な電流熱は初期温度から臨界 温度までの温度ストロークに比例する。このことは初期温度が低いときには初期 温度が高いときよりも保護値が悪くなるということを意味する。 ・熱可塑性の正特性サーミスタは長年の使用経過の間に、特に温度が上がった際 、電極の強い押圧力を受けて変形し、従ってその動作特性が変化することがある 。 ・正特性サーミスタ効果、従って臨界温度以上の温度に加熱する際の抵抗ストロ ークはポリマーの組織に敏感に依存する。開閉後或いは負荷をかけることなく長 期間使用した後に抵抗ストロークが著しく変化し、これにより保護効果の大きさ が必ずしもすべての場合で予測可能ではない。 これらの欠点は以下の実施例において解消される。 図２において１１はカーボン及び／又は煤を含む層で、２つの金属板１２及び １３の間に圧入されてこれらの金属板とともに大電流抵抗１０を形成している。 例えばカーボン及び／又は煤を含む層１１は約１ｍｍの厚さと、１０ｃｍ² の面 積を持っている。詳細にはこの層１１は個々のカーボン或いは煤の粒子１０１か らなる多孔性の物質からなり、その多孔性の中空部分は結合材１０２で充填され ている。 上述の目的のための結合材としては、例えばポリエチレン、ポリエステルのよ うなポリマー材、或いはまたワックス、グリース、タール、ピッチ等が挙げられ る。 特に層１１と金属電極１２及び１３の境界面との間には接合領域１５が生じ、 その構造が抵抗特性の基準として関係する。部分断面Ａには通常の状態の境界面 と接合領域が示され、この場合抵抗は小さい。部分断面Ｂには短絡時が示されて いるが、この場合は抵抗が高くなる。 図２に示した、層１１並びに電極１２及び１３からなる大電流抵抗１０におい ては接合領域１５における電流が増大すると接合抵抗により損失熱が生じ、この 熱は煤もしくはカーボン粒子１０１の間の結合材１０２を適当に選択したとき前 記結合材をガス状分解生成物１０３に分解する。この分解生成物１０３は接合領 域もしくは境界層において、外的な押圧力によって生ずる圧力に対する対向圧を 発生させる。これによりその結果生ずる押圧力は減少し、抵抗は増大する。 以上の効果を一定のかつ理解し易い形で実現するために煤及び／又はカーボン を含む層と結合材とからなる抵抗体は適当な方法で作られなければならない。こ のためには煤及び／又は微粒子状カーボン粉末を先ずタール及びピッチを結合材 として付加して層を作り、この層を低い圧力の下で圧縮する。次いでこの層を１ ０００℃までの温度で加熱することにより電気的に伝導性で多孔性の層ができる 。この白熱された抵抗体は、次に２００℃以上、例えば３００℃の温度でガス状 の分解生成物に分解して圧力を発生するワックス或いはグリースで含浸される。 煤及び／又はカーボンを含む層は、しかしまた結合材としてそれ自体２００℃ 以上の温度で少なくとも部分的に分解するものが選ばれる場合には、白熱及びそ れに続く含浸を行うことなしにも作ることができる。このような結合材は例えば ポリエチレン、ポリエステル或いは合成樹脂である。 煤及び／又はカーボンを含む層１１は、また他の構成として、結合材及び場合 によってはまた付加的な煤或いはカーボン粒子と混ぜたフェルト化したカーボン 繊維からなることもできる。導電性、多孔性かつ非常に弾性のある層を実現する ためのこのようなカーボン繊維フェルトはそれ自体公知である。このフェルトは 或いはまた場合によっては紙或いは箔の硬度に構成することもできる。これを可 変抵抗の構造に適用するには、層の表面に付加的に煤或いはカーボンを非常に微 細にかつ均一に配分して入れることが必要である。 カーボン及び／又は煤を含む層１１と電極１２もしくは１３とを備えた前述の 可変大電流抵抗１０においては金属電極の表面はパターン化することもできる。 適当なパターンにより電流密度の制御が可能となる。特にカーボン及び／又は煤 を含む層はまた補完的な構造を持ち、その結果力が伝達されるようにすることも できる。 図２の実施例においては力の制御により抵抗の外部制御の他にある程度はそれ 自体従来技術として存在する自已制御も生ずる。かくして力の減少も適切にかつ 再現可能に行われる。その場合制限器の特性は大きな短絡電流が流れたときに、 接合抵抗の結果生ずる損失出力が表面を加熱し含浸物質が表面でガス状になるこ とによって起きることに注意しなければならない。以後の遮断に対しては含浸物 質がカーボン及び／又は煤を含む層の内部から補給されて表面を再び濡らすこと が重要である。 押圧力を減少させるために磁気力も利用される。適当に接続された大電流抵抗 においては充分大きな電流の際短絡電流自体によってヨーク・アンカー系を介し て磁気力が発生する。 図３では層１１と電極１２及び１３とを備えた図２の抵抗が電磁石を備えた絶 縁ケース２０に収納されている。絶縁ケース２０の他に２１は大電流抵抗１０を 載置するための絶縁板、２２は電磁石のアンカー、２３は電磁石のヨーク、２４ は空隙、２５はばね要素、２６は電流路である。大電流抵抗１０はアンカー２２ 及びヨーク２３とともにケース２０内に、ばね要素２５によりアンカーとヨーク との間に一定の空隙が設定可能でありかつばね力が両電極１２及び１３並びにカ ーボン及び／又は煤を含む層１１に伝えられるように組み込まれている。電流路 ２６と大電流抵抗１０を通る電流とは電気的には直列接続されている。 電気抵抗は両電極１２及び１３の各々の圧力に関係する接触抵抗によって、ば ね力が全部或いは部分的にアンカー２２とヨーク２３との間の磁気力によって補 償されることにより制御される。これにより接触抵抗は１０００倍まで高められ 、その際電気損失は著しく上昇し、結合材１０２が熱分解して分解生成物１０３ を作り、これによりアンカーの閉成運動を助成するガス力が、図２により原理的 に説明したように、作用する。これに伴い実効的な押圧力はさらに減少し、接触 抵抗はさらに上昇する。 この構成において特に有利なことは、電流制限器の応動電流を空隙の大きさに より所定の短絡電流値に調整できることである。アンカーとヨークとの間の磁気 力の電流の２乗に関係する力の結果である比較的鋭い応動電流が生ずる。従来公 知の技術とは異なり電流制限のメカニズムはこの場合損失電力（（Ｉ×Ｖ）ｄｔ ）ではなくて、瞬時電流（Ｉ）によって制御される。その場合制御は調整可能な 応動電流閾値を超えた電流上昇によって自動的に行われる。これにより長時間過 電流が継続することによるミストリップを同時に回避しながら速やかな応動が得 られる。 磁気的に生ずる力と結合材のガス圧により生ずる力とを組み合わせて押圧力を 減少するために働く対向力とする上述の方法とは別に、このようなシステムはま た磁気的にのみ働かせることもできる。この場合結合材は、発生した温度では分 解しないものが選ばれる。これはタール及びピッチが結合材として使用されると き数１００℃で熱処理することによって行われる。 図３は従来の技術と比較してこの出願による制限器の新しい原理を明らかにす ることができる。ヨーロッパ特許出願公開第０４８７９２９号明細書においては その図６及び７においてアンカーとヨークとよりなるシステムによって押圧力が 発生され、接触部が大きな力で押圧されるようにされている。これに対して前述 の実施例においては押圧力を減少する、従って接触力を弱めるように電磁的手段 が作用しており、これにより抵抗の上昇が行われる。 図２及び３で説明された実施例では電流制限抵抗の応動は自動的に短絡電流に よって行われる。図２の実施例では抵抗が電流制限値に上昇を開始する瞬間は、 抵抗１０の表面温度が含浸物質もしくは結合材の分解温度に上昇したことによっ て与えられる。図３の実施例では、この瞬間は磁気力が電流の２乗に比例して上 昇することで押圧力の大部分を補償し或いはまた過補償することによって定まる 。 能動的な電気的制御により抵抗変化の時点は目的に合わせて制御される。この ために特に圧電調整素子を使用するのが適当である。図４では抵抗層１１と電極 １２及び１３とを備えた抵抗１０が絶縁ケース３０内に収納されている。３１は 上側の電極１３の絶縁板で、３２は圧電伸縮体としての圧電調整素子、３３はそ の受け部３４及び調整ねじ３５とともに接触力を生み出すための板ばねである。 図３と同様に能動要素は大電流抵抗１０の上に載置されている。即ち、絶縁板３ １の上には圧電伸縮体３２が配置され、この圧電伸縮体はケースに対して板ばね ３３を介して支持されている。給電部は図４には示されていない。圧電伸縮体３ ２はいわゆるピエゾ横効果、即ち約１ｋＶの電圧を印加したときその長さが約０ ．５乃至１％短くなることを利用するものである。 大電流抵抗の抵抗値の変化は圧電伸縮体３２を充分高い電圧で制御することに よって行われる。境界面もしくは抵抗の接合領域における接触力は圧電伸縮体３ ２の短縮に比例し、使用されたばね要素３３のばね定数に応じて減少する。例え ば適当なばね定数で圧電伸縮体３２が５０μｍだけ縮小すると接触力は１５００ Ｎから５００Ｎに減少する。 圧電気により操作される図４による大電流抵抗は電流センサ４５、評価及び制 御モジュール４４及び高圧パルス装置４３と接続されて使用される。この回路は 図５に示されている。電流センサ４５で電流回路中の瞬時値が検出され、評価及 び制御モジュール４４で瞬時電流が例えば予め設定された電流閾値と比較される 。瞬時電流が予め設定された電流閾値を超えると、制御信号が形成され、これに より高圧パルス回路４３に図４の圧電伸縮体３２に対して数ｍｓの高圧パルスが 形成される。圧電伸縮体３２の短縮により高圧抵抗の接触力が減少し、これによ りその抵抗が１０００倍まで上昇する。それ故電流回路の電流が制限される。 図４の圧電伸縮体と板ばねの構成の代わりに平均的なばね定数を持った他のば ね構成による力伝達機構も構成できる。特に圧電伸縮体を備えた構成は、その質 量重心がパルス動作の間ほぼ静止しており、使用されている力伝達要素がパルス 期間の間ばね力に抗して作用する反力を得ないようにされている。この反力は秒 範囲で、急激な負荷の際には硬直に反応するが継続負荷の際には降伏挙動を示す 特殊な可塑性の中間体によって吸収される。これにより、本来の大電流抵抗１０ における材料の損耗の際圧電伸縮体３２の力的な位置決めを再び作り出す自動的 なフォローアップ装置が実現される。 上述の種々の原理に従って制御される大電流抵抗は特に遮断器と接続されて使 用される。このめには主として図１ｂによる回路構成が実現される。この回路に おいては可変大電流抵抗に遮断器が電気的に直列に接続され、短絡電流によって トリップされて電流回路を最終的に遮断する。可変大電流抵抗の抵抗値の上昇に よって短絡電流の上昇は急激に制限され、破壊電流の振幅は直列接続された遮断 器に対して非臨界的な値に制限される。 可変大電流抵抗の熱的過負荷を回避するために、電流負担を軽減するため一定 の抵抗或いは一定の応動電圧を持った第二の電流路を並列接続することもできる 。このことは、その蓄積エネルギーが短絡時に可変大電流抵抗を損傷するような インダクタンスが回路にある場合に特に有意義である。 さらに複数個の可変大電流抵抗を電流制限のための要素として接続し、すべて の直列接続された要素が動作する際に数１０００Ｖの中電圧が達成されるように することもまた有意義である。この場合１０００Ｖ以上の電圧範囲においても電 流制限が行える。 特別な構成として電気的に直列に接続された保護要素を絶縁材、例えばセラミ ックからなるケースに集積することもできる。そしてその場合電気的及び熱的絶 縁のために要素は絶縁液、例えば油で取り囲まれ、これにより電気的損失を熱的 にケース壁に逃がすことができる。外部電極１２及び１３、煤及び／又はカーボ ンを含む層１１並びに中間電極はその場合機械的に直列に接続され、所定の圧力 の接触力により圧縮されている。絶縁冷却液への中間電極の熱伝導を改善するた め中間電極の部分面はこの液体と接触される。保護要素を短絡時に過負荷から守 るために抵抗を備えた第二の電流路が並列接続される。この抵抗は絶縁ケースの 外におかれる。しかしながらこの抵抗は、中間電極の各々が例えば抵抗として形 成された並列抵抗と電気的に接触し、接触部が抵抗帯の全長にわたって均一に分 配されるように、絶縁ケース内に集積することもできる。これにより保護要素の １つが応動した際電流が並列接続された抵抗部分に転流して、なお継続して流れ ている電流の流れがすべての保護要素を確実に作動させる。 図６にはさらに、定格電流が大きい場合に適用するため、構造的に接触力を上 げることなく複数個の保護要素を電気的に並列接続した構成が示されている。個 々には１０、１０’、１０''はそれぞれカーボン及び／又は煤を含む層１１、１ １’、１１''及びそれらの金属電極１２、１２’、１２''並びに１３、１３’、 １３''を備えた大電流抵抗で、絶縁板６１並びに６１’を介して互いに積層され て、それぞれ１つの外部端子とでコンパクトな構成ユニットを形成している。な お多数の並列接続された保護要素には図６に示された絶縁中間層６１、６１’を 、同様にカーボン及び／又は煤を含む層１１、１１’に応じてカーボン及び／又 は煤を含む層で交換することができる。 このように保護要素を電気的に並列接続することにより、通常必要な比較的大 きな押圧力である１乃至２ｋＮの大きさの押圧力を電流を負担する断面を増大す るにもかかわらずこれに比例して大きくする必要がない。つまり、この場合には 保護要素は電気的には並列に、押圧力に対しては機械的に直列に接続されている 。それ故構造的構成、例えば絶縁樹脂ケースにおいて支持される押圧力が機械的 な 過負荷を招来することも、またその構造を材料の質、量ともに高くして構成しな ければならないことも回避される。 特に付加的な絶縁ケースを使用する際には気密容器として保護ガス、例えば水 素或いは窒素を充満して使用することが有意義である。ガス圧はその場合１或い は数気圧とすることができる。このガス充満によりアークの形成を制御するパラ メータを得ることができる。さらにこれにより耐爆性が補償される。 通常この発明による大電流可変抵抗は開閉要素と直列に接続されている。遮断 器との直列接続の代わりにこの発明による大電流可変抵抗は、図７に示されるよ うに、遮断器内に集積することもできる。 図７においては電流制限遮断器７１は少なくとも２つの接点７２及び７３を有 し、この中の１つは可動接点として形成され、これは熱的及び／又は磁気的なト リップ装置７５もしくは７６により操作される鎖錠装置により開かれたり閉じた りされる。各接点７２及び７３にはそれぞれアークのガイドホーン７７及び７８ が取り付けられている。アーク足点で発生したアークはこのガイドホーン上を走 って消弧板７９を備えた消弧室に入り、ここで電流制限及び消弧に充分な高い電 圧が形成される。しかしながら短絡電流が非常に大きい、例えばＩＫ＝５０〜１ ００ｋＡのような場合にはアーク電圧が上昇しても、遮断器を流れる電流を危険 のない値に制限し、開閉機器の損傷或いは破壊を回避するのには充分ではない。 非常に大きい短絡電流の場合に対して遮断器７１は前述の大電流抵抗１０を備 えている。この電流制限要素はしかしこの場合主電流路に挿入されているのでは なく、アークのガイドホーン７７へのリードとともに並列電流路を形成している 。そしてこの電流路にはアークがその足点で燃焼することによってこのガイドホ ーン７７に取りついたときに電流が流れる。同様な回路構成において可変大電流 抵抗１０は第一のガイドホーン７７に接続する代わりに第二のガイドホーン７８ に接続することもできる。 可変大電流抵抗１０をこのように配置することの特に有利な点は、周囲温度が 高いときの起動電流或いは過電流のようなすべての定格運転条件において電気回 路が何ら影響を受けることなく、特に電流制限要素による遮断ミスが回避される ことである。さらに副次的効果としてその機能上重要な成形部品の加熱、熱的過 負荷による材料の脆弱化のような経年劣化並びに電流制限要素における電気的損 失が回避される。 それ故電流制限要素の寸法決めは、保護すべき遮断器の定格電流範囲ではなく 、アークがガイドホーンに確実に転流すること及び急速に抵抗が増加することに 合わせてなされている。 遮断器の接続とは別にこの発明による可変大電流抵抗は開閉装置としての電力 用半導体装置と組み合わせて使用することもできる。この場合大電流抵抗を適当 に寸法決めすることにより短絡時における通電電流及び電流熱パルスを、電力用 半導体装置が損傷されない程度に制限することができる。大電流抵抗はその場合 半導体ヒューズの替わりをする。 この発明による可変大電流抵抗はまた開閉要素としての電磁接触器或いは真空 遮断器と接続して使用することもできる。この場合も大電流抵抗を適当に寸法決 めすることにより電磁接触器或いは真空遮断器の接点の損耗を回避することを考 慮できる。これにより接点の溶着のない保護が保証される。 上述の可変大電流抵抗は、定格電流運転時に一部の電流のみが大電流抵抗を流 れ、他の一部の電流が並列電流分路を介して導かれるようにすることによって、 なおその感度を上げることができる。その場合適当な開閉手段によってこの並列 電流分路がオン・オフされる。図８にこの例を示す。 図８において、図１ａの遮断器１に相当する遮断器接点８０は開閉鎖錠装置８ ４及び熱的及び磁気的トリップ装置８５及び８６とともに示されている。これに 分路電流Ｉ₁及びＩ₂が流れる２つの並列電流分路からなる電流路が電気的に直列 に接続されている。そして一方の並列電流分路には可変大電流抵抗１０が、他方 の並列電流分路には転流接点８２が接続され、この転流接点に定抵抗８３が直列 に接続されている。定抵抗８３の抵抗値は、可変大電流抵抗１０の低抵抗値にほ ぼ等しく、電流Ｉが並列電流分路にほぼ同じ大きさの分路電流Ｉ₁及びＩ₂に分か れるように設定される。その場合並列電流分路の損失電力は、可変大電流抵抗１ ０を備えた唯一の電流路の場合のほぼ半分の大きさである。 充分な大きさの過電流が流れると遮断器８０の磁気トリップ装置８６が作動し 、開閉鎖錠装置８４はその鎖錠を解除し、充分な磁気励磁で遮断器の接点８１及 び ８２に作用する。遮断器のアーク電圧によって電流Ｉ₂は低抵抗の並列電流分路 に転流する。電流が例えば２桁上がることによって可変大電流抵抗１０における 損失電力は４桁上昇し、これにより抵抗要素の接触面が急激に温度上昇し、結合 材の分解によって押圧力による有効接触力が減少する。 定格電流運転において全電流Ｉを分路電流Ｉ₁及びＩ₂に分流すること並びに短 絡時に全電流を可変大電流抵抗１０に重畳することにより上述の回路の定格電流 運転特性と短絡特性とを別々に設計することができる。これにより電流制限装置 は定格運転において鈍感に、短絡時において敏感に設定することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 イエーナー、ウイルフリート ドイツ連邦共和国 デー‐90482 ニユル ンベルク シユワンドルフアー シユトラ ーセ 29 (72)発明者 ポール、フリツツ ドイツ連邦共和国 デー‐91334 ヘムホ ーフエン アホルンヴエーク ８ (72)発明者 シユテーガー、ラインハルト ドイツ連邦共和国 デー‐92237 ズルツ バツハ ローゼンベルク ウンテレバツハ ガツセ 10 (72)発明者 フオーゲル、ゲルト ドイツ連邦共和国 デー‐92224 アンベ ルク オトマイルシユトラーセ 82

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．抵抗材料として少なくともカーボンを使用し、カーボン及び／又は煤を含む 層の少なくとも一つの境界面に他の導電体への接合領域を備えた、特に電力用開 閉技術において保護要素として使用される可変大電流抵抗において、押圧力が適 切に制御可能であり、その際カーボン及び／又は煤を含む層（１１）が抵抗の低 抵抗状態を設定するために所定の第一の値を持つ力により他の導電体（１２、１ ３）に押圧され、かつ短絡時にこの押圧力が充分短時間に、接合領域（１５）に おける抵抗が少なくとも２桁だけ上昇するような第二の値に減少可能であること を特徴とする可変大電流抵抗。 ２．流れる電流に応じて力を減少する手段（１０２、２１乃至２６、３１乃至３ ４）を備えることを特徴とする請求項１記載の可変大電流抵抗。 ３．保護要素として形成するために短絡時に所定の電流閾値、例えば定格電流の １５倍を超えたときに系統周期に比して短い時間で接合領域における抵抗が約１ ００乃至１０００倍に上昇し、従って確実に短絡電流を危険のない値に制限する ことを特徴とする請求項１又は２記載の可変大電流抵抗。 ４．接合領域（１５）が２つの煤及び／又はカーボンを含む層により制限されて いることを特徴とする請求項１記載の可変大電流抵抗。 ５．接合領域（１５）が少なくとも１つの金属電極（１２、１３）と煤及び／又 はカーボンを含む層（１１）により制限されていることを特徴とする請求項１記 載の可変大電流抵抗。 ６．カーボン及び／又は煤を含む層（１１）が少なくとも１００μｍ、好ましく は１ｍｍの厚さを持ち、２つの金属電極（１２、１３）の間に圧入されているこ とを特徴とする請求項１記載の可変大電流抵抗。 ７．少なくとも一方の金属電極の面がパターン化されていることを特徴とする請 求項５又は６記載の可変大電流抵抗。 ８．カーボン及び／又は煤を含む層（１１）がパターン化のための補完的な構造 を有しかつ力が伝達されることを特徴とする請求項７記載の可変大電流抵抗。 ９．カーボン及び／又は煤を含む層（１１）が少なくとも部分的にカーボン繊維 によって紙、箔或いはフェルト状の硬さに形成されていることを特徴とする請求 項６記載の可変大電流抵抗。 １０．カーボン及び／又は煤を含む層（１１）が結合材（１０２）を備えている ことを特徴とする請求項１記載の可変大電流抵抗。 １１．結合材（１０２）がポリマー材、例えばポリエチレン、ポリエステル等或 いはワックス、グリース、タール又はピッチであることを特徴とする請求項１０ 記載の可変大電流抵抗。 １２．層（１１）が煤及び微粒子状カーボン粉末（１０１）からタール及びピッ チを結合材（１０２）として添加することによってかつこの層を低圧力で加圧す ることによって作られ、その結果この層を１０００℃までの温度で白熱された後 に導電性の多孔性層が生じていることを特徴とする請求項１０記載の可変大電流 抵抗。 １３．所定の温度以上で分解生成物に分解する結合材（１０２）が使用されるこ とを特徴とする請求項１０記載の可変大電流抵抗。 １４．充分な大電流の際カーボン及び／又は煤を含む層（１１）と少なくとも１ つの他の導電体（１２、１３）、特に電極との間の圧力発生により力が減少され ることを特徴とする請求項１記載の可変大電流抵抗。 １５．接合領域（１５）において電力損失がカーボン及び／又は煤粒子との間の 結合材（１０２）をガス状分解生成物（１０３）に分解し、この分解ガスが押圧 力に反対方向の圧力を発生することを特徴とする請求項１２記載の可変大電流抵 抗。 １６．力を減少させる手段を備えた層（１１）を作るために白熱されたプレス体 が、２００℃以上の温度でガス状分解生成物（１０３）に分解して圧力を生ずる ワックス或いはグリースで含浸されることを特徴とする請求項２又は１２記載の 可変大電流抵抗。 １７．流れる電流に応じて力を減少させるための手段として電磁石装置（２２乃 至２４）が設けられていることを特徴とする請求項２記載の可変大電流抵抗。 １８．短絡電流自体によって励磁される電磁石のヨーク（２２）及びアンカー（ ２３）の間に電磁力が発生されることを特徴とする請求項１７記載の可変大電流 抵抗。 １９．力を減少させるための手段として電気的なアクチュエータ素子（３２）、 例えば小さいストロークで大きな力を発生させる圧電調整素子が設けられている ことを特徴とする請求項２記載の可変大電流抵抗。 ２０．例えば可調整の電流閾値を超えたとき圧電調整素子を制御する別々の制御 回路（４３乃至４５）により調整素子として形成された圧電伸縮体（３２）から 接合領域（１５）の間の力が減少されて、抵抗（１０）が高抵抗となることを特 徴とする請求項１９記載の可変大電流抵抗。 ２１．絶縁ケース（２０、３０）の中に保護ガス、例えば水素或いは窒素を充満 して密閉することを特徴とする請求項１又は１７乃至２０のいずれか１項に記載 の可変大電流抵抗。 ２２．複数個のカーボン及び／又は煤を含む層（１１、１１’、１１''）が機械 的に直列に、電気的に並列に接続されている層構成（６０）を備えることを特徴 とする上記の請求項のいずれか１項に記載の可変大電流抵抗。 ２３．短絡応動感度を高めるために分路電流（Ｉ₁）を並列電流分路から大電流 抵抗（１０）に転流するための手段（８２、８３）が設けられていることを特徴 とする上記の請求項いずれか１項に記載の可変大電流抵抗。 ２４．電流制限のための保護要素として複数個の大電流抵抗（１０）が直列接続 され、直列接続されたすべての要素が動作したとき数１０００Ｖの電圧が得られ 、これにより１０００Ｖ以上の高電圧範囲における電流制限が行われることを特 徴とする請求項１又は２乃至２３のいずれか１項に記載の可変大電流抵抗を使用 した回路装置。 ２５．複数個の大電流抵抗（１０）が保護要素として絶縁冷却ガスを有する共通 の絶縁ケースに配置され、かつ外部並列抵抗が設けられていることを特徴とする 請求項２４記載の回路装置。 ２６．複数個の大電流抵抗（１０）が保護要素として絶縁冷却ガスを有する共通 の絶縁ケースに配置され、かつ個々の保護要素に対する接触部を備えた並列抵抗 が設けられていることを特徴とする請求項２５記載の回路装置。 ２７．開閉要素として遮断器を備え、大電流抵抗（１０）と遮断器（７１）とが 共通のケース（７０）内に集積されていることを特徴とする請求項１又は２乃至 ２３のいずれか１項に記載の可変大電流抵抗を使用した回路装置。 ２８．可変大電流抵抗（１０）が遮断器（７１）の接点に対する並列電流分路に 配置されていることを特徴とする請求項２７記載の回路装置。 ２９．短絡時に電流接点（７２、７３）が開かれかつアークがアークガイドホー ン（７７、７８）の少なくとも１つに転流したときに初めて可変大電流抵抗（１ ０）に電流が流されることを特徴とする請求項２８記載の回路装置。 ３０．開閉要素として電力用半導体装置を備え、大電流抵抗（１０）を適当に寸 法決めすることによって短絡時における通電電流及び電流熱パルス（Ｉ² Ｔ値） が前記半導体装置が損傷されない程度に制限されることを特徴とする請求項又は ２乃至２３のいずれか１項に記載の可変大電流抵抗を使用した回路装置。 ３１．開閉要素として電磁接触器を備え、大電流抵抗（１０）を適当に寸法決め することによって短絡時における通電電流及び電流熱パルス（Ｉ² Ｔ値）が前記 電磁接触器の接点の損耗が回避される程度に制限されることを特徴とする請求項 １又は２乃至２３のいずれか１項に記載の可変大電流抵抗を使用した回路装置。 ３２．開閉要素として真空遮断器を備え、大電流抵抗（１０）を適当に寸法決め することによって真空遮断器が過負荷によって損傷されないことを特徴とする請 求項１又は２乃至２３のいずれか１項に記載の可変大電流抵抗を使用した回路装 置