JPWO2013171903A1 - 直流回路用回路遮断器及び直流回路用回路遮断装置 - Google Patents

Abstract

直流回路用回路遮断器の消弧装置における複数のグリッド板には、可動接触子側にＵ字形の切欠部と切欠部の両側の側足部が形成され、前記グリッド板間には、前記グリッド板の積層方向に隙間なく樹脂製の絶縁体が配置され、前記絶縁体には前記グリッド板のＵ字形の切欠部と対向するＵ字形の切欠部が形成されると共に、前記グリッド板の側足部における前記グリッド板の切欠部側側面が露出するよう形成されたものである。これにより、磁石を使用せず、アーク駆動力が小さい小電流領域のアーク電圧を上げることができ、高電圧の直流回路を遮断できる。

Description

本発明は、消弧装置の消弧板（グリッド板）間に樹脂を入れることで、アーク電圧を高めることができる直流回路用回路遮断器及び直流回路用回路遮断装置に関するものである。

交流電路用と直流電路用を共用化した回路遮断器は、これを直流電路に用いた場合、直流電流は電流零点を持たないことから、高い電圧を遮断することが交流電路に比べ困難である。通電電流が大電流領域（例えば、定格電流が１００Ａを超えるもの）の回路遮断器については、消弧板の枚数増加によるアーク電圧向上と、消弧板側の磁気抵抗低減による磁気駆動力のアップと、消弧性のガスを発生する絶縁部材をアーク周辺に配設しそのガスの圧力勾配により消弧板側へアークを駆動するガス駆動力とにより、永久磁石がなくても直流の定格電圧を上げ高電圧化を図ることができる。

しかし、通電電流が小電流領域（例えば、定格電流が１００Ａ以下）の回路遮断器では、電流が小さく前述の消弧板による磁気駆動力及びガスの圧力勾配によるガス駆動力が小さいので、永久磁石を両接点の近傍の両側に配置し、フレミングの法則を利用した永久磁石の磁力により、遮断時のアークを消弧装置のグリッド板側へ駆動することが一般的である（例えば、特許文献１参照）。一方、遮断時の限流性能向上を目的として、グリッド板と絶縁性板を交互に互いに離間された状態で支持されている消弧装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。

実開昭５８−１８８９１７号公報 特開昭５８−１８１２３５号公報

前述のように従来の回路遮断器では、直流電路の高電圧化を図る場合、小電流領域において電流が小さいことから、グリッド板への磁気駆動力が弱くなり、グリッド板が露出している部分までアークが到達しないので、アークに触れた絶縁部材から出る冷却ガスによるアーク電圧上昇分とアークに触れた絶縁部材による圧力勾配にて発生したアーク駆動力は期待できるが、グリッド板にてアークが分断され発生するアーク電圧上昇分が十分期待できない。そのため、直流電路における高電圧化は難しくなり、永久磁石に頼る必要があった。

本発明は、前述のような課題を解決するためになされたもので、小電流アークにおいて磁石を使用せず、高電圧の直流回路を遮断できる直流回路用回路遮断器及び直流回路用回路遮断装置を得ることを目的とするものである。

本発明の直流回路用回路遮断器は、筺体のベースと、このベース上に間隔をおいて配置された外部端子と、前記外部端子の一方に接続され固定接点を有する固定接触子と、前記固定接点と接離する可動接点を有し前記外部端子の他方に接続された可動接触子と、前記両接点及び前記固定接触子の近傍に設けられ、複数のグリッド板が積層され前記両接点間に発生したアークを消弧する消弧装置とを備え、前記グリッド板には、前記可動接触子側にＵ字形の切欠部と前記切欠部の両側の側足部が形成されている回路遮断器であって、前記消弧装置のグリッド板間には、前記グリッド板の積層方向に隙間なく樹脂製の絶縁体が配置され、前記絶縁体には前記グリッド板のＵ字形の切欠部と対向するＵ字形の切欠部が形成されると共に、前記グリッド板の側足部における前記グリッド板の切欠部側側面が露出するよう形成されたものである。

本発明に係わる直流回路用回路遮断器によれば、前記絶縁体を追加することで、磁石を使用せず、アーク駆動力が小さい小電流領域のアーク電圧を上げることができ、高電圧の直流回路を遮断できる。本発明の上記以外の目的、特徴、観点及び効果は、図面を参照する以下の本発明の詳細な説明から、さらに明らかになるであろう。

本発明の実施の形態１における直流回路用回路遮断器の全体構成を示す縦断面図である。 図１の消弧装置を示す拡大斜視図である。 図１の消弧装置を示す拡大側面断面図である。 図２から可動接触子を取り除いた消弧装置を示す拡大斜視図である。 図４から絶縁部材を取り除いた消弧装置を示す拡大斜視図である。 実施の形態１におけるグリッド板を示す拡大図である。 実施の形態１における絶縁体を示す拡大図である。 実施の形態１におけるアークの磁気駆動を説明する図である。 本発明の実施の形態２における絶縁体を示す拡大図である。 実施の形態１，２の外部結線図である。 実施の形態３の外部結線図である。 実施の形態４の外部結線図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における直流回路用回路遮断器の全体構成を示す縦断面図である。図１に示すように、回路遮断器１０１は、絶縁材料で形成されたベース１１とカバー１２とからなる筐体１０を用いて構成される。ベース１１上には、（１又は複数）極数分の回路遮断ユニット２０が互いに間隔をおいて配列される。回路遮断ユニット２０の上部には、周知のトグルリンク機構を有する開閉機構部３０が配置される。カバー１２は、ベース１１上の各極の回路遮断ユニット２０と、開閉機構部３０を覆い、開閉機構部３０の操作ハンドル３１はカバー１２のハンドル用窓孔１２ａから突出している。

各極の回路遮断ユニット２０は、互いに同じに構成され、クロスバー３２は、各極の回路遮断ユニット２０に共通して、各極の回路遮断ユニット２０に直交するように、ベース１１上に配置される。このクロスバー３２は、開閉機構部３０により、その軸心を中心として回動され、各極の回路遮断ユニット２０における各可動接触子２３がそれぞれ取り付けられる。クロスバー３２がその軸心を中心として回動したときに、各極の回路遮断ユニット２０の各可動接触子２３が同時に回動され、この可動接触子２３の回動により、可動接点２２が固定接点２１と接離する。開閉機構部３０は、周知のトグルリンク機構からなり、引き外し装置４０により駆動される周知のトリップバー３３を備えている。

各極の回路遮断ユニット２０は、ベース１１に設けられた電源側端子（外部端子）２４と、この電源側端子２４より延設された固定接触子２７に設けられた固定接点２１と、この固定接点２１と接離する可動接点２２と、この可動接点２２が一端に設けられ、クロスバー３２により回動自由に保持されている可動接触子２３と、この可動接触子２３に可動接触子ホルダー２６を介して接続された引き外し装置４０と、引き外し装置４０より延設された負荷側端子（外部端子）２５と、固定接触子２７及び両接点２１，２２の近傍に設けられ、両接点２１，２２間に発生したアークを消弧する消弧装置５０と、を有する。固定接点２１と可動接点２２とで、電路を開閉する開閉接点を構成する。可動接点２２が固定接点２１に接触すれば、端子２４、２５の間の電気回路がオンとなり、また、可動接点２２が固定接点２１から開離すれば、両端子２４、２５間の電気回路がオフとなる。このとき可動接点２２と固定接点２１間に生ずるアークは消弧装置５０により消弧される。

図２は図１の消弧装置を示す拡大斜視図である。図３は図１の消弧装置を示す拡大側面断面図である。図４は図２から可動接触子を取り除いた消弧装置を示す拡大斜視図である。図５は図４から絶縁部材を取り除いた消弧装置を示す拡大斜視図である。図６はグリッド板を示す拡大図で、（ａ）は正面図、（ｂ）はその側面図である。図７は絶縁体を示す拡大図で、（ａ）は正面図、（ｂ）はその側面図である。

図２〜図７の実施の形態１に示すように、消弧装置５０を構成する磁性鋼板からなる複数のグリッド板５１及び最上段のグリッド板５２は、四角状板の一辺（可動接触子側）に略Ｕ字形の切欠部５１ａ，５２ａを設けた形状となっており、その切欠部５１ａ，５２ａの両側に側足部５１ｂが形成される。このグリッド板５１の複数枚と最上段のグリッド板５２の１枚を用い、所定の間隔を持って積層し、絶縁性の材料からなる支持板５３ａ，５３ｂに挟持させることにより消弧装置５０は構成されている。この消弧装置５０は、グリッド板５１及び最上段のグリッド板５２のＵ字形の切欠部５１ａ，５２ａが固定接点２１、可動接点２２の方向に向くように設置され、このＵ字形の切欠部５１ａにより形成される空間５０ａを可動接触子２３が回動する構成となっている。なお、最上段のグリッド板５２には、アークが可動接触子２３から転流し易いように折り曲げ部５２ｂが設けられている。

両接点２１，２２及び消弧装置５０の近傍には、電源側端子２４を覆い、アークに触れたときに消弧性のガスを発生する樹脂（例えば、ポリアミド樹脂）からなる絶縁部材５５が設けられている。さらに、図３に示すように、消弧装置５０における複数のグリッド板５１及び最上段のグリッド板５２の間には樹脂製の絶縁体５４（例えば、ポリアミド樹脂又はポリアセタール樹脂）が、グリッド板の積層方向に隙間なく配置されており、グリッド板５１の側足部５１ｂにおけるクロスバー３２側の先端面５１ｄも絶縁体５４の曲げ部５４ｂで覆われている。一方、グリッド板５１の側足部５１ｂにおける空間５０ａ側（切欠部５１ａ側）の側面５１ｃは絶縁体５４で覆われておらず、アークに側足部５１ｂの側面５１ｂが触れるように露出している。また、この絶縁体５４は、図４〜７に示すように、グリッド板５１にあるＵ字形の切欠部５１ａと対向するＵ字形の切欠部５４ａが形成されており、繋ぎ部５４ｃにより１部品で構成されている。なお、グリッド板５１及び最上段のグリッド板５２の間のすべてに絶縁体５４を配置する必要はなく、必要なアーク電圧に応じて配置する枚数を変更すればよい。また、絶縁体５４には、その切欠部５４ａの反可動接触子側に、切欠部５４ａを延長しアークをグリッド板５１，５２の奥へ磁気駆動して誘導する切欠路５４ｄが形成されている。

次に回路遮断器１０１の遮断動作について説明する。所定値以上の電流が回路遮断ユニット２０に流れると、引き外し装置４０が回動し、トリップバー３３を押すことにより、開閉機構部３０が駆動され、可動接触子２３を回動させる。可動接触子２３の回動により固定接点２１から可動接点２２が開離する。可動接点２２が開離した際、流れる電流によるアークは、固定接点２１と可動接点２２間の最短距離で維持しようとする。

このとき、直流の通電電流が大電流領域（例えば、定格電流が１００Ａを超えるもの）では、グリッド板５１に誘磁され、複数のグリッド板５１のＵ字形の切欠部５１ａを通過する磁束が、複数のグリッド板５１のＵ字形の切欠部５１ａで形成される空間の奥（図３において電源側端子２４の方向）へアークを磁気駆動する。また、アークの高熱により絶縁部材５５から発生する消弧性ガスでの圧力勾配にてアークは消弧板５１側へ駆動される。その後、消弧板５１側へ移動したアークは、複数のグリッド板５１により短いアークに分断され、その分断にて得られた陰極降下電圧によりアーク電圧が上昇する。このアーク電圧が電源電圧より高くなることでアークは消滅し、遮断が完了する。

一方、直流の通電電流が小電流領域（例えば、定格電流が１００Ａ以下）では、アークによる磁気駆動力及び消弧性ガスの圧力勾配によるガス駆動力が弱くなるため、遮断できず、両接点２１，２２間の空間をアークが流れ続けようとする。一方、実施の形態１では、アークが樹脂に触れることで発生する冷却ガスによるアーク電圧上昇を利用するように、複数のグリッド板５１及び最上段のグリッド板５２の間に樹脂製の絶縁体５４を配置した。その形状は両接点２１と２２の間で発生したアークを、早い段階で消弧するために、グリッド板５１の側足部５１ｂの側面５１ｃをアークに触れやすいよう露出させている。これによりアークがグリッド板５１，５２に触れることで発生する陰極降下電圧を利用し、アーク電圧を上昇させる構成となっている。

さらに、グリッド板５１，５２の間には絶縁体５４が、グリッド板の積層方向に隙間なく配置されているため、グリッド板５１，５２の数を減らすことなく、必要とするグリッド板５１，５２の数を確保することができ、アーク電圧を上昇させる構成となっている。さらにまた、グリッド板５１，５２と絶縁体５４との間に隙間があっては、ガスが電源側端子２４の方向に抜けてしまい圧力上昇が十分期待できないことを回避できる。ガス圧力を上げて、アークの径を絞ることで、アーク抵抗を上昇させ、電流を絞り遮断し易くする。次に絶縁体５４の曲げ部５４ｂの作用について説明する。図８はアークの磁気駆動を説明する図で、（ａ）は絶縁体５４の曲げ部５４ｂがない場合、（ｂ）は絶縁体５４の曲げ部５４ｂがある場合である。曲げ部５４ｂが絶縁体５４に無かったとすると、図８（ａ）に示すように、アーク５６はグリッド板５１の側足部５１ｂの先端面５１ｄに触れてしまう場合がある。そうすると、アーク５６の回りにできる磁束は、５６ａのようになり、片側の側足部５１ｂだけを通る磁束となる。そのためアーク５６をグリッド板５１の奥の方（紙面上左側）に駆動することができず、側足部５１ｂの先端面５１ｄの付近に留まってしまう。

一方、曲げ部５４ｂにより側足部５１ｂの先端面５１ｄを覆っていると、アークは曲げ部５４ｂから発生するガスにより駆動され、側足部５１ｂの側面５１ｃ側に駆動される。そうすると、図８（ｂ）に示すように、アーク５６の回りにできる磁束は、５６ｂのようになり、両側の側足部５１ｂを通る磁束によりアーク５６をグリッド板５１の奥の方（紙面上左側、矢印Ａの方向）に駆動することができる。

次に、回路遮断装置１０２を直流電路に結線する場合における直流電源６０及び負荷６１の接続について説明する。実施の形態１，２における外部結線図を示す図１０ように、回路遮断装置１０２が、２極品の場合は、直流電源６０を電源側端子２４ａ，２４ｂに、負荷６１を負荷側端子２５ａ，２５ｂに接続して、直列接続するだけでよい。なお、図１０では、直流電源６０の正側を電源側端子２４ａに、直流電源６０の負側を電源側端子２４ｂに接続しているが、逆でもかまわない。

実施の形態１によれば、消弧装置のグリッド板間には、グリッド板の積層方向に隙間なく樹脂製の絶縁体が配置され、前記絶縁体にはグリッド板のＵ字形の切欠部と対向するＵ字形の切欠部が形成されると共に、前記グリッド板の側足部における前記グリッド板の切欠部側側面が露出するよう形成されたので、磁石を使用せず、アーク駆動力が小さい小電流領域のアーク電圧を上げることができ、高電圧直流回路を遮断することができる。

また、絶縁体には、曲げ部５４ｂを設けグリッド板の側足部の先端面を覆ったので、アークを効率的にグリッド板の奥の方に駆動でき、アーク駆動力が小さい小電流領域のアーク電圧を上げることができ、高電圧直流回路を遮断することができる。また、絶縁体５４の曲げ部５４ｂは、グリッド板間へ絶縁体５４を挿入する際に絶縁体５４の位置決めができ組み立て作業が容易になる。

実施の形態２．
図９は実施の形態２における絶縁体を示す拡大図で、（ａ）は正面図、（ｂ）はその側面図である。絶縁体５４は、特大電流遮断時（数ｋＡを超える電流）に発生する溶融物を外へ排出させるため、実施の形態１で設けていた繋ぎ部５４ａを排除した絶縁体５４で構成している。つまり、絶縁体５４の切欠部５４ａを延長しアークを誘導する切欠路５４ｄは、絶縁体５４の反可動接触子側まで達して、アーク電流を遮断するときに発生する溶融物や圧力を排出するように形成されている。これにより特大電流領域，大電流領域、小電流領域のすべての性能を満足する直流回路用回路遮断器を得ることができる。

実施の形態３．
図１１は実施の形態３における３極の直流回路用回路遮断装置を示す外部結線図である。図１０は、２極の直流回路用回路遮断装置の例であったが、実施の形態３では、実施の形態１，２と同じ回路遮断ユニット２０を３個用いて、３極の回路遮断装置１０３を構成したものである。なお、回路遮断ユニット２０については、実施の形態１，２と同様のため、説明を省略する。

図１１に示すように電源側端子２４ａに直流電路６０の正側/負側を、電源側端子２４ｃに直流電路６０の負側/正側をそれぞれ接続し、さらに、負荷側端子２５ａと電源側端子２４ｂを接続する。負荷６１は、負荷側端子２５ｂに正側/負側を、負荷側端子２５ｃに負側/正側を接続する。なお、３線式の交流電路に用いる場合には、各電源側端子２４ａ，２４ｂ，２４ｃに電源を、各負荷側端子２５ａ，２５ｂ，２５ｃに負荷を接続すればよい。回路遮断装置１０３に示すように３点切りとなる直列配線により、さらに高い電圧の直流電路に適用できる。

実施の形態４．
図１２は実施の形態４における４極の直流回路用回路遮断装置を示す外部結線図である。実施の形態４では、実施の形態１，２と同じ回路遮断ユニット２０を４個用いて、４極の回路遮断装置１０４を構成したものである。なお、回路遮断ユニット２０については、実施の形態１，２と同様のため、説明を省略する。

図１２に示すように、電源側端子２４ａに直流電路６０の正側/負側を、電源側端子２４ｄに直流電路６０の負側/正側をそれぞれ接続し、さらに、負荷側端子２５ａと電源側端子２４ｂを接続し、負荷側端子２５ｄと電源側端子２４ｃを接続する。負荷６１は、負荷側端子２５ｂに正側/負側を、負荷側端子２５ｃに負側/正側を接続する。なお、３相４線式の交流電路に用いる場合には、各電源側端子２４に電源を、各負荷側端子２５に負荷をそれぞれ接続する。回路遮断装置１０４を直流電路に適用する場合、図１２に示すように４点切りとなる直列配線により、さらに高い電圧の直流電路に適用できる。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

Claims (6)

1. 筺体のベースと、このベース上に間隔をおいて配置された外部端子と、前記外部端子の一方に接続され固定接点を有する固定接触子と、前記固定接点と接離する可動接点を有し前記外部端子の他方に接続された可動接触子と、前記両接点及び前記固定接触子の近傍に設けられ、複数のグリッド板が積層され前記両接点間に発生したアークを消弧する消弧装置とを備え、
   前記グリッド板には、前記可動接触子側にＵ字形の切欠部と前記切欠部の両側の側足部が形成されている回路遮断器であって、
   前記消弧装置のグリッド板間には、前記グリッド板の積層方向に隙間なく樹脂製の絶縁体が配置され、前記絶縁体には前記グリッド板のＵ字形の切欠部と対向するＵ字形の切欠部が形成されると共に、前記グリッド板の側足部における前記グリッド板の切欠部側側面が露出するよう形成されたことを特徴とする直流回路用回路遮断器。
2. 前記消弧装置のグリッド板間に配置された絶縁体には、前記グリッド板の側足部の先端面を被う曲げ部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の直流回路用回路遮断器。
3. 前記消弧装置のグリッド板間に配置された絶縁体には、前記絶縁体の切欠部の反可動接触子側に、前記絶縁体の切欠部を延長しアークを誘導する切欠路が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の直流回路用回路遮断器。
4. 前記絶縁体の切欠部を延長しアークを誘導する切欠路は、前記絶縁体の反可動接触子側まで達して、アーク電流を遮断するときに発生する溶融物や圧力を排出するように形成されている請求項３記載の直流回路用回路遮断器。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の直流回路用回路遮断器を３極設け、これらの直流回路用回路遮断器を直列に配線して回路電圧を遮断できるよう構成した直流回路用回路遮断装置
6. 請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の直流回路用回路遮断器を４極設け、これらの直流回路用回路遮断器を直列に配線して回路電圧を遮断できるよう構成した直流回路用回路遮断装置。

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