JPS58181244A - 開閉器 - 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】 この発明は開閉器の容器内の圧力の抑制に関するもので
ある。なおこの発明でいう開閉器とは、とくに回路しゃ
断器、限流器、電磁開閉器などの容器、通常は小型容器
内でアークを生じるものを示している。

以下においては、回路しゃ断器を例に説明する。

第１図〜第８図は従来の回路しゃ断器を示す断面図で、
それぞれ異なった動作状態を示している。

（１）はカバー、（２）はペースで、カバー（１）とベ
ース（２）とで容器（３）を構成している。（４）は固
定接触子で、その固定導体（５）の一端に定接点（６）
を有し、他端は外部導体（図示せず）に接続されるよう
に端子部になっている。（７）は可動接触子で、その可
動導体（８）の一端に固定接点（６）に対向した可動接
点（９）を有している。（１０）は可動接触子装置、（
１１）は可動子腕でクロスバ−（２）に固定され各極間
時に開閉されるように構成されている。０３）は消弧室
で消弧板（１４）が側板（１ωにより保持されている。

０６）はトグルリンク機構で、上リンク（１７）と下リ
ンク叫よシ構成されている。上リンク（１ηの一端はフ
レドル（１ｇ）に、また他端は下リンク叫の一端にそれ
ぞれ軸■、　（２ｎにより連結されている。なお下リン
ク（１印の他端は上記可動接触子装［（１０）の可動子
腕（１１）に連結されている。■は起倒形操作ハンドル
、（２３）は作動ばねで、トグルリンク機＃　（１６）
の軸（２１）と上記操作ハンドル（塑との間に架張され
ている。（至）、内は、それぞれ熱動および電磁引きは
ずし機構で、作動時には、それぞれバイメタル圀）およ
び可動鉄心（５）によりトリップバー（至）を反時計方
向に回動させるようになっている。

■は一端が上記トリップパー例に係止され他端はフレド
ル（１９）と係止しているラッチである。

フレドル（１９）がラッチ（５））に係止した状態で操
作Ｉ・ンドルツを閉路位置に倒せばトグルリンク機構叫
が伸長して軸（２１）がフレドル（１俤に係止され可動
接点（９）は固定接点（６）に接合される。この状態が
第１図である。ついで操作ハンドル□□□を開路位置に
倒せばトグルリンク機構（１Ｂ）は屈曲して可動接点（
９）を固定接点（６）より開離させ、可動子腕（１１）
がフレドル軸（３Ｑ）に係止される。この状態が第２図
である。また前記第１図に示す閉路状態で回路に過電流
が流れると、熱動引きはずし機構（財）あるいは電磁引
きはずし機構（２５）が作動してフレドル（１ωとラッ
チ（２９）の係合が解除され、フレドル軸■を中心にフ
レドル（１ωが回転しストッパー軸（３１）に係止され
る。フレドル（１９）と上リンク（１７）の連結点が上
記作動ばね（２３）の作用線を越えるため、作動ばね（
支）のばね力によってトグルリンク機構α６）が屈曲し
てクロスバ−（１２によす各極連動して自動しゃ断を行
なう。この状態が第８図である。

つぎに回路しゃ断器が電流しゃ断時に発生するアークの
振舞いについて説明する。

いま、可動接点（９）と固定接点（６）とが接触してい
る場合においては、その電力は電源側より固定導体（５
）、固定接点（６）、可動接点（９）および可動導体（
８）を順次経由して負荷側へ供給される。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、前述
したように、可動接点（９）を固定接点（６）から開離
させる。この際、上記固定および可動接点（６）　、　
＋９１間にはアーク（（支）が発生し、固定および可動
接点（６）　、　＋９）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（６）からの可動接点（９
）の開離距離が増大するに従って上昇し、また、同時に
アーク（（支）が消弧板（回の方向へ磁気力によって引
き付けられ伸長するために、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を消弧し、
しゃ断が完結する。しかし、この注入された美大なアー
クエネルギーは最終的には熱エネルギーの形になり完全
に容器外に逃げ去るが、過イ度的には限られた容器内の
ガスの温度を上昇させ、延いてはガス圧力を急撤に上昇
させることになる。

これによ多回路しゃ断器内部の絶縁劣化、回路しゃ断器
外部への放出火花量の増大による電源短絡事故や回路し
ゃ断器本体の破壊等を招くおそれがあった。

つぎにこの発明を創作する基になったアークのエネルギ
ー消費のメカニズムに関して述べる。

第４図は、接触子（４）　、　（７）間にアークが生じ
た図である。図中ＴはアークＡから接触子に伝導して逃
げる熱エネルギーの流れ、ｍはアーク空間から逃げる金
属粒子のエネルギーの流れ、Ｒはアーク空間から逃げる
光によるエネルギーの流れをそれぞれ示している。第４
図において、アークＡに注入されたエネルギーは、上記
の三つのエネルギーの流れ、Ｔ、ｍ、Ｈによって概ね消
費されてしまう。この内、電極への熱の逃げＴは微小で
あり、大半のエネルギーはｍとＲにて持ち去られてしま
う。さて、従来、アークＡのエネルギーの消費のメカニ
ズムにおいては、図中のｍが圧倒的であり、Ｒのエネル
ギーはほとんど無視されていたが、発明者等の最近の研
究により、Ｒのエネルギー、すなわち光によるエネルギ
ーの消費がアークＡに注入されたエネルギーの約７０１
にも達する程美大であることが解明されるに至った。

すなわちアークＡに注入されたエネルギーの消費はつぎ
のように解析できる。

ＰＷ　＝Ｖ−１＝ＰＫ＋Ｐｔｈ＋ＰＲ ２ ＰＫ＝ｉｍマ＋ｍ・Ｃｐ＠Ｔ 但し、 ＰＷ：瞬時注入エネルギー ■　＝アーク電圧 ■　；電圧 Ｖ−Ｉ　：アークに注入される瞬時電気エネルギーＰＫ
：金属粒子が持ち去る瞬時エネルギー消費量 ”ｍｙ”：ｍρ金属粒子が速度Ｖで飛び去る時持ち去る
瞬時エネルギー消費量 ｍ−Ｃｐ−Ｔ：定圧比熱Ｃｐのガス（金属粒子のガス）
が温度Ｔにて逃げた時に持ち去る瞬時エネルギー消費量 Ｐｔｈ　：アーク空間から、接触子へ熱伝導にて逃げ去
る瞬時エネルギー消費量 ＰＲ二光によシ、アークから直接放射される瞬時エネル
ギー消費量 上記の消費量は接触子形状やアーク長によって変化する
が、１０〜２０目のアークに対してはそれぞれＰＫ＝１
０〜２０チ、Ｐｔｈ＝　５チ、ＰＲ＝７５〜８５％であ
る。

つぎにアークＡを容器に閉じ込めた時の状況を第６図に
示す。アークＡを容器（３）に閉じ込めると、容器（３
）内空間は、金属粒子が充満しかつ高温の状態となる。

とくに、アーク陽光柱Ａの周辺ガス空間Ｑ（図中斜線で
示した空間Ｑ）は、上記の状態が強い。さて、アークＡ
を発した光は、アーク陽光柱Ａから放出され、容器（３
）の壁に照射され反射する。反射された光は散乱され、
再度、金属粒子の充満した高温空間を通過し、再度、壁
面に照射される。このような過程を光量が零になるまで
繰シ返すのである。この間の、光の経路を図中Ｒａ→Ｒ
ｌ）−＋Ｒ（−ｈＲｄにて示している。

上記の過程において、アークＡから発した光の消費はつ
ぎの２点である。

（１）壁面での吸収 （２）アーク空間および周辺（高温）ガス空間による吸
収、すなわちガス空間による吸収 またアークから発する光は、　２０００人以外の遠紫外
から、１μｍ以上の遠赤外までのすべての波長領域に渡
り、連続スペクトルおよび線スペクトルからなる。一般
の容器壁面は、たとえ表面が黒色をしておっても、　４
０００λ〜５５００λ程度の範囲においてのみ、光の吸
収能力を有するのみで、その他の範囲においては、一部
を吸収するにとどまシはとんど反射してしまうものであ
る。ところが、アーク空間および周辺高温ガス空間での
吸収はつぎのようになる。

長さしの一様な組成・温度を有するガス空間に波長λの
光を照射した時ガス空間による光の吸収量は、次のよう
に算定できる。

Ｉａ　＝　Ａｅ・ｎ・ＬＩｌｎ　　　　　　　　−・−
（１）Ｉｔ　　：ガスによる吸収エネルギー Ａｃ：吸収確率 目ｎ：照射する光エネルギー ｎ　；粒子密度 Ｌ　：光が通過する光路長 但し、（１）式は、特定波長λに対する吸収エネルギー
量を示す。Ａｅは特定波長λに対する吸収確率であり、
波長λ、ガス温度、粒子の種類の関数である。

（１）式について、量子力学の教えに従えば、吸収係数
Ａｅは、連続争線スペクトルともに、光を発する光源ガ
スと同一状態のガス（すなわち、粒子の種類、温度が同
一）が最も大きな値を有することになる。すなわち、ア
ーク空間から発する光は、アーク空間およびその周辺ガ
ス空間が最も多く吸収するわけである。

（１）式において、光の吸収エネルギーｔＩａは、光路
長りに比例する。第５図に示すように、アーク空間から
の光が壁面に反射されると、（１）式中のしは、その反
射回数倍だけ増大することになシ、アーク空間の高温部
で吸収される光エネルギー量が増大することになる。

これは、アーク人の発する光のエネルギーが結局、容器
（３）内のガスに吸収され、これによってガスの温度が
上昇し、ガスの圧力が上昇することを意味している。

そこでこの発明の前提としては、アークに注入されたエ
ネルギーの約７０％にも達する光のエネルギーを効果的
に吸収するために１％定の材料を使用するもので、開閉
器の容器内で、アークの光のエネルギーを受ける特定位
置に、アークの発する光を効果的に吸収する繊維、網お
よび見掛は気孔率８５％以上の高多孔質材料のうちの１
種もしくは２種以上を選択的に配置することによって、
容器内の光を多量に吸収させてガス空間の温度を低下さ
せ、それにより圧力を低下させるものである。

上記繊維としては、無機系、金属、複合材、織材および
不織布などのうちから選択されるが、高温アークにさら
される空間に設置する関係上、熱的強度のあるものが必
要である。

また、網としては、無機系、金属および複合材などのほ
か、細線金網を多層に重ねたものや編素線などもその選
択の対象となシ得るものである。

この網の場合も、熱的強度のあるものが必要である。

上記繊維および網の材料のうち、無機系ではセラミック
、カーボン、アスベストなどが好適であシ、金属ではＦ
ｅ、Ｃｕが最適であり、Ｚｎ、Ｎｌなどにメッキを施し
たものも適用可能である。

多孔質素材は、一般には固体構造内に多数の細孔を持つ
材料で、金属、無機系、有機質などの多くの範囲におけ
る材料に存在するもので、材質と細孔との関係において
、一つは固体粒子相互の接点で焼結固化したもの、他の
一つは孔が主体で孔を形成する隔壁が固体物質であるも
のに区別されている。なおこの発明で素材とは、形状に
とられれない、形状加工前のもとの材料をいう。

さらに細かく分類すると粒子間の隙間が細孔として存在
するもの、粒子間の隙間と粒子内の孔の細孔を共有する
もの、発泡性の孔を内部に包含するものなどに分けるこ
とができる。また通気性・通水性のあるものと、気孔が
内部に独立し通気性のないものとに大別することもでき
る。

上記の細孔の形状は非常に複雑で、大きくは開孔と閉孔
に類別され、その構造は、細孔容積または気孔率、細孔
径および細孔径分布、比表面積などで表示する。

気孔率は多孔質素材に含まれる開孔と閉孔のすべての細
孔容積の割合を素材の全容積（カサ容積）に対する空隙
比、すなわち百分率で示したものを真の気孔率とし、測
定方法は液体または気体による置換法および吸収法など
によるが、簡便法として、ＪＩＳＲ２６１４の耐火断熱
レンガの比重および気孔率の測定方法に定義されるとお
り、つぎのように計算される。

また開孔の容積の割合を素材の全容積（カサ容積）に対
する空隙比、すなわち百分率で示したものを見掛けの気
孔率とし、ＪＩＳＲ２２０５耐火レンガの見掛は気孔率
、吸収率および比重の測定方法に定義されるとおり、つ
ぎのようにして計算される。なお見掛は気孔率は有効気
孔率ともいう。

細孔径は細孔容積および比表面積の測定値より求められ
るが、原子やイオンの大きさに近いものから粒子間の界
面間隙まで数Ａ（オングストローム）から数■まで分布
するが、一般に、その分布の平均値として定義される。

多孔質素材では顕微鏡による方法や水銀圧入法で気孔の
形状、大きさおよびその分布を測定することができる。

一般には複雑な気孔の形状や分布の状態を正確に知るた
めには顕微鏡を用いるのが直接的で好ましい。

比表面積の測定は各種吸着ガス質の各温度における吸着
等混線を利用して求められるＢＥＴ法が多く用いられ、
とくに窒素ガスが多く用いられる。

つぎにこの発明の前提である、特定の材料による光のエ
ネルギーの吸収とそれによるガスの圧力低下の模様を、
無機質高多孔材料を例に説明する１第６図は無機質高多
孔素材を示した斜視図、第７図は第６図の部分拡大断面
図である。同図において、儲は無機質高多孔素材、（至
）は無機質物表面に通じる開孔を示している。開孔（３
４）の細孔径は数μから数置まで大小さまざまな分布を
示しているものである。

さて、この多孔素材（オ）に第７図ＯＲにて示すように
、光が入射した場合に光が開孔（財）に入射すると、光
は無機物の表面に当り、反射され、その細孔の内部で多
重反射され、ついには壁面にｌＯＯチ吸収されてしまう
。すなわち開孔（財）に入射した光は、無機物表面に直
接吸収され、細孔内で熱になるのである。

第８図は無機質高多孔材料をモデル容器内に入れたもの
において、その無機質高多孔材料の見掛けの気孔率を変
化させた時のモデル容器内圧力変化の曲線図を示してい
る。第８図で横軸は見掛けの気孔率、縦軸は容器内壁を
Ｃｕ、Ｆｅ、ＡＩなどの金属で構成した時の圧力をｌと
して規格化しである。

実験条件としては、−辺１０ｍの立方体の密閉容器内に
ＡｇＷ接点を１（ｌａ＋の定ギャップに設置しピークＩ
ＯＫムの正弦波電流のアークを８ｍ５（＜９秒）発生さ
せ、この時のエネルギーで生じる容器内圧力を測定して
いる。

上記実施例に使用した無機質高多孔材料とじては、コー
ジライト材質の陶磁器原料を可燃性もしくは発泡剤を加
えるなどの方法で成形し焼結して、多気孔にした多孔質
陶磁器で、平均細孔径範囲１０〜８００μ、多孔質素材
の見掛は気孔率２０チ。

８０チ、８５％、４０チ、４５チ、６０％、６０チ、７
０チ、８０チ、８６チのもので、５０冒Ｘ５０■Ｘ９．
の各種サンプルを使用しこれを容器壁面に配置し、容器
内面の表面積の５０チを覆うようにした。

細孔径としては、吸収される光の波長領域を若干越える
程度の平均細孔径とその細孔が表面に占める割合、すな
わち細孔の比表面積の多少が問題となる。また光の細孔
内吸収においては、細孔の深いものが効果があシ、連通
気孔が好ましい。開閉器でアークＡから発生する光は数
百λ〜１００００λ（１μｍ）に分布するので、これを
若干越える程度、すなわち数千λ〜数１０００μｍの平
均細孔径のものが適しており、表面に占める孔の面積が
、見掛は気孔率８５％以上となる高多孔質材料がアーク
人の発生する光の吸収に適している。とくに、細孔径上
限が１０００μｍ以下の範囲にあ如、細孔の比表面積が
大きい程効果がある。実験では平均細孔径５μ〜ｌｓｍ
でアークＡの発する光に対して、良好な吸収特性を示す
ことを確認した。まだ材質がガラスで、平均細孔径が６
μ、２０μのものがアークＡの発する光に対して良好に
光を吸収することが観測された。

第８図の特性曲線ａかられかるように、無機質高多孔材
料の気孔は光エネルギーを吸収し、開閉器内部の圧力を
低下させる効果があり、これは多孔質素材の見掛は気孔
率の増大とともに犬きくなシ、とくに気孔率が８５チ以
上から顕著になり、８５％までの範囲で効果が確認され
た。気孔率がさらに増大すれば、高多孔材料の厚さを一
層増加させることによシ対応させる必要がある。

ただし多孔質素材の見掛は気孔率と機械的強度の関係に
おいて、気孔率が大きくなると、もろくなったり熱伝導
性が低下し高熱によ如溶融し易く、また気孔率が小さい
場合には、開閉器内減圧の効果が薄い。したがって実用
的には多孔質素材の見掛は気孔率が４０〜７０チの範囲
の高多孔質材料が最適である。

第８図の特性傾向は無機質高多孔材料全般について言え
ることであって、これは光の吸収に関する以上の説明か
らも推察できるところである。

従来の開閉器には無機質材料が使用されているものがあ
るが、その使用目的は、とくに有機物容器のアーク人か
らの保護が主であって、その特性は耐アーク性、寿命、
熱伝導１機械的強度、絶縁性、炭化対策が求められてお
り、これらを満す無機質材料は必然的にち密化指向で構
成され、目的を異にするもので、その見掛は気孔率は２
０チ前後となっている。

高多孔質素材としては無機、金属、有機系などがあるが
、中でもＳ機系は、絶縁物でかつ高融点材料として特徴
づけられる。この２つの性質は、開閉器の容器内部に設
置する材料としては格好であシ、電気的に絶縁物なので
、しゃ断に対し悪影響を及ぼすことがなく、マた、高温
にさらされても、融けたり、ガスを出した如しないので
、圧力抑制材料としては最適である。

無機質多孔材料としては、多孔質の陶磁器、耐火物、ガ
ラス、セメント硬化体などがありいずれも開閉器内のガ
スの圧力の低下をさせるために使用できる。なお有機系
の多孔質材料では、耐熱性およびガス発生に問題があシ
、金属系の多孔質材料では、絶縁性、耐圧に問題がある
ので、それぞれ使用する場所が限定される。

ところで、各導体（５）　、　（８１の先端にそれぞれ
アークランナーを延設したものにおいては、アークラン
ナーを走行すべきアークＡが第１１図に示すようにアー
クランナー（１０１）、（１０２）からはずれることが
ある。この場合アークＡはアークランナー（１０１）、
（１０２）からはずれたまま広域にわたって光を発しな
がら移行し、このためアークＡの熱によって容器内の高
温高圧になる空間が多くなり、容器や操作機構部等の溶
融や破損を招来しやすいほか、絶縁耐圧の劣化の要因と
なっていた。

この発明は前述の特定の材料からなる側壁をアークラン
ナに密着して設けることによシ、上記欠点を除去しよう
とするものである。

以下、この発明の一実施例を図面にしたがって説明する
。

第９図はこの発明に係る開閉器を適用した回路しゃ断器
の一例を示すもので、第１図〜第８図と同一部所には同
一符号を付して説明を省略する。

同図において、（至）、（３１１９は固定および可動導
体（５）。

（８）の各先端にそれぞれ延設されたアークランナで、
これらアークランナ（至）、（至）の幅方向の両側面に
は、それぞれに対応して第１０図に示すように、側壁（
支）、（３８１がそれぞれ密着して設けられておシ、こ
れら側壁（９）、ｃ！ａを前述した見掛は気孔率８５％
以上の無機質高多孔材料で構成しである。

図中、（支）は開放時初期に接点（６１、（９）に生じ
たアークを示し、（至）は磁場の駆動力によってアーク
ランナ（至）、（至）に転移してアークランナ（至）、
＠の先端部に移行したアークを示している。

ここで、無機質高多孔材料からなる（９）、　（３８）
をアークランナ（至）、（ホ）の幅方向の両側面に密着
することにより、アーク（支）１ｇａが生じるのはアー
クランナ（至）、（至）と上記側壁（９）、０１９に囲
まれた領域だけとなシ、アーク（支）、０９）は確実に
アークランナ（至）、（謹上を走行することになる。し
たがって、アーク（３２）。

（至）からの光エネルギーは無機質高多孔材料からなる
側壁（支）、（至）に吸収されて内圧が抑制され、しか
もアーク（支）、（３Ｉの広がりが抑制されるから、容
器（３）、可動接触子装置部およびリンク機構（１８な
どの溶融や破損のおそれが回避されるとともに、絶縁耐
圧の劣化なども有効に防止することが可能となる。

ところで、上記実施例では側壁（支）、（至）を見掛は
気孔率８５−以上の無機質高多孔材料で構成したもので
あるが、無機質以外の多孔質材料で構成してもよく、ま
た多孔質材料に代えて繊維もしくは網で構成することも
できるほか、繊維、網および上記特定の気孔率の多孔質
材料のうち、２種以上の複合材で構成することも可能で
ある。

上述のように、この発明はアークランナ幅方向両側面に
特定の材料からなる側壁を密着して配設することによシ
、容器の内圧を効果的に抑制できるとともに、しゃ断時
の容器や操作機構部などの溶融や損傷が回避され、さら
に絶縁耐圧の劣化なども防止することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第８図は従来の回路しゃ断器の断面図で、それ
ぞれ異なった動作状態を示す。第４図は接触子間にアー
クが発生した様子を示す説明図。 第６図は容器内の接触子間にアークが発生した様子を示
す説明図、第６図は無機質高多孔素材を示す斜視図、第
７図は第６図の部分拡大断面図、第８図はアークを発生
させたときの、見掛けの気孔率に対する容器内圧力変化
を示す曲線図、第９図はこの発明に係る開閉器を適用し
た回路し中断器の一例を示す断面図、第１０図は第９図
のＸ−Ｘ断面図、第１１図は従来のもののアーク逸脱状
態の説明図である。 （３）・・・容器、（４）　、　（７）・・・電気接触
子、（５）　、　（８）・・・導体ｔ（６）　、　（９
）・・・接点、（支）、（至）・・・アーク、（至）、
□□□・・・アークランナ、（（５）、（支）・・・側
壁。 なお、図中同一符号は同一もしくは相当部分を示す。 代理人葛野信−（外１名） （支） 第１図 第２図 Ｒ且＋１１ｎ抗ＪＬ庫Ｃ％） 第９図 第１０図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）、導体およびこれに固着された接点により構成さ
   れ、少なくとも一方にアークランナーを有し、開閉動作
   する少なくともｌ対の電気接触子と、これら電気接触子
   を収納する容器とを備え、上記電気接触子が開放動作す
   る際に生じるアークの光エネルギーを受ける側壁を上記
   アークランナーの幅方向両側面に密着して上記容器内に
   配設し、繊維。 網および見掛は気孔率が８５％以上の多孔質材料のうち
   の１種または２種以上の複合材で上記側壁を構成した開
   閉器。
2. （２）、上記側壁が無機質高多孔材料で構成され、この
   無機質高多孔材料は多孔質素材の見掛けの気孔率が４０
   チ〜７０％である特許請求の範囲第１項記載の開閉器。
3. （３）、上記無機質高多孔材料は多孔質の陶磁器、耐火
   物・管ガラス、およびセメント硬化体のうちから選択さ
   れている特許請求の範囲第２項記載の開閉器。
4. （４）、上記無機質高多孔材料はその平均細孔径が数千
   λ〜数１０００μｍである特許請求の範囲第２項または
   第８項に記載の開閉器。