TWI445269B - A switch unit and a switching device equipped with a switch unit - Google Patents

A switch unit and a switching device equipped with a switch unit Download PDF

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TWI445269B
TWI445269B TW100140921A TW100140921A TWI445269B TW I445269 B TWI445269 B TW I445269B TW 100140921 A TW100140921 A TW 100140921A TW 100140921 A TW100140921 A TW 100140921A TW I445269 B TWI445269 B TW I445269B
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switch unit
switch
circuit breaker
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heat
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Miki Yamazaki
Kenji Tsuchiya
Ayumu Morita
Tomoaki Utsumi
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Hitachi Ltd
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Description

開關器單元及搭載開關器單元之開關裝置
本發明，是關於樹脂模鑄成型之開關器單元及搭載該開關器單元之開關裝置，特別是關於能夠提昇冷卻性能之開關器單元及搭載該開關器單元之開關裝置。
開關裝置做為受配電機器，其是配置在電力系統，受電來自於發電廠所送出的發電電力然後配電至負載側。開關裝置內流動著大電流，於使用時以電流的導通部為中心成為高溫，因此需要具備冷卻性能。
於此，具備冷卻性能的開關裝置是有專利文獻1記載的開關裝置。專利文獻1的技術是於包覆開關裝置的樹脂層設有樹脂製或金屬製的散熱片藉此提昇冷卻性能。
[先行技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2001-160342號公報
於此，專利文獻1所記載的開關裝置其散熱片的高度或間隔為一定，因此難以應對樹脂特性有效率執行冷卻。
於是，本發明就以提供一種能夠提昇冷卻性能之開關器單元及搭載該開關器單元之開關裝置為目的。
為了解決上述課題，本發明相關的開關器單元，其特徵為，具有活動電極及固定電極，該開關器單元是以樹脂鑄造一體成型，該樹脂具備樹脂散熱片，該樹脂散熱片的厚度在樹脂散熱片的長度方向具有坡度。
此外，本發明相關的開關裝置，其特徵為，具備上述開關器單元、母線、負載側電纜及操作上述開關器單元的操作器。
根據本發明相關的開關器單元或開關裝置時，是能夠提昇冷卻性能。
 [發明之最佳實施形態]
以下，針對本發明實施時的最佳實施例進行說明。另，下述終究只是實施例，理所當然並非對實施形態加以特定。
[實施例1]
針對實施例1使用第1圖至第4圖進行說明。
如第1圖所示，本實施例相關的開關器單元，主要是由：已經接地的金屬殼21，和，該金屬殼21所要連接的環氧樹脂等固體絕緣物2(樹脂)，及，利用該固體絕緣物2一體鑄造成型的真空閥26和接地斷路部27和母線用絕緣套管13和電纜用絕緣套管28所構成。
真空閥26，是在由固定側陶瓷絕緣筒29、活動側陶瓷絕緣筒30、固定側端板31及活動側端板32所連接構成的真空容器8內，配備有：固定側電極16、活動側電極17，和，與固定側電極16連接的固定側導體5，和，與活動側電極17連接的活動側導體6，及，保護陶瓷絕緣筒29、30避免陶瓷絕緣筒29、30受到電極開關時之電弧破壞的電弧屏蔽25。接著，固定側導體5是與電纜用絕緣套管中心導體15連接，構成為能夠將電力配電至負載側。電纜用絕緣套管中心導體15是針對固定側導體5配置在正交方向，電纜用絕緣套管中心導體15和固定側導體5所包夾之處導體集中，於使用時熱度容易上升。此外，於活動側是在維持著真空閥26內的真空狀態下，配置有可實現活動側導體6之活動的波紋管22。真空閥26是邊由連接在活動側端板32和活動側導體6的波紋管22維持著內部的真空邊使活動側電極17、活動側導體6能夠移動在軸方向藉此轉換接通暨切斷狀態。另外，在波紋管22和活動側導體6的連接部附近，設有波紋管屏蔽33保護波紋管22避免波紋管22受到開關時的電弧等破壞，同時也可緩和電界集中在波紋管22端部。活動側導體6，是和空氣絕緣及固體絕緣的真空閥26用操作桿12連接著，該真空閥用操作桿12連接在未圖示的操作器。於固定側陶瓷 絕緣筒29的周圍配置有要緩和電界集中在固定側端板31之連接部用的固定側電界緩和屏蔽34，於活動側陶瓷絕緣筒30的周圍配置有要緩和電界集中在活動側端板32之連接部用的活動側電界緩和屏蔽35。
接地斷路部27，是和母線用絕緣套管中心導體14連接著，具備：透過該中心導體連接於母線側的絕緣套管用固定電極3；做為接地電位的接地側固定電極(導件)19；及位於絕緣套管用固定電極3和接地側固定電極(導件)19的軸方向中間，透過撓性導體20形成和真空閥26側之活動側導體6電性連接的中間固定電極9，該接地斷路部27的內部為空氣絕緣。此外，該等各固定電極，內徑均相等，配置成直線狀。針對該等各固定電極，使接地斷路部活動導體4以直線狀移動在接地斷路部27內，就能夠使接地斷路部27轉換成位於關閉暨斷路暨接地的3個位置。接地斷路部活動導體4，是和空氣絕緣及固體絕緣的操作桿18連結著，利用未圖示的操作機構就能夠使接地斷路部活動導體4活動。接著，接地斷路部活動導體4當中，與上述各固定接點接觸的部位以彈簧接點10構成時，就能夠不妨礙到接地斷路部活動導體4的活動，並且能夠利用彈性力達到確實接觸。
母線用絕緣套管13，是以固體絕緣物2包覆著母線用絕緣套管中心導體14的周圍構成，此外，電纜用絕緣套管28，是以固體絕緣物2包覆著電纜用絕緣套管中心導體15的周圍構成。
真空閥用的操作桿12、接地斷路部用的操作桿18及固體絕緣物2的材料，考慮到絕緣特性及機械性強度，並且基於成型性較佳是使用環氧樹脂。此外，操作桿12、18及固體絕緣物2，是達到其本身之固體絕緣的同時，還達到周圍氣體的氣體絕緣。
接著，接地斷路部活動導體4、固定側導體5、活動側導體6、空氣部7及真空容器8是由固體絕緣物2一體模鑄成型，於包覆接地斷路部活動導體4、固定側導體5及活動側導體6之固體絕緣物2的外表面，設有與固體絕緣物2相同構件形成的散熱片1。如第1圖所示，最接近熱產生源的外表面為散熱片的最長厚度處1′，隨著遠離熱產生源，上述外表面之散熱片1的厚度d會逐漸(連續性)變短。於此，熱產生源相當於導體集中的部位(因成為電阻的導體其密度高)及電極彼此接觸的部位(因會產生接觸電阻)。再加上，由固體絕緣物2包覆著時氣密性會變高因此散熱性能也就會降低，更容易積蓄熱。另一方面，即使是上述熱產生源的周圍，當熱產生源的周圍被氣體包圍時，散熱性能變高因此即使發熱性高也難以成為熱的滯留場所。基於上述觀點，相當於導體集中的部位，並且周圍由固體絕緣物2包覆著的部位之電纜用絕緣套管中心導體15及真空閥26所包夾的散熱片，該散熱片的厚度就形成為較大，隨著遠離該部，散熱片的厚度就變薄。此外，相當於電極彼此接觸的部位，並且周圍由固體絕緣物2包覆著的部位之彈簧接點10和絕緣套管用固定電極3的周圍所設置的散熱片，該散熱片厚度就形成為較大，隨著遠離該部，散熱片的厚度就變薄。本說明書中，對於成為熱產生源，並且由由固體絕緣物2包覆著的部位是稱為熱積蓄處。母線用絕緣套管13及電纜用絕緣套管28的周圍就相當於熱積蓄處。
其次，針對本實施例相關的開關器單元使用時的狀態進行說明。當開關器單元連接在電力系統時，開關器單元內就會從母線供應有電力，再加上接地斷路部27位於關閉位置，真空開關器也接通時，就會從電力系統側經由母線通過母線用絕緣套管中心導體14→絕緣套管用固定電極3→彈簧接點10→接地斷路部活動導體4→彈簧接點10→中間固定電極9→撓性導體20→活動側導體6→活動側電極17→固定側電極16→固定側導體5→電纜用絕緣套管中心導體15經由電纜使電力送至負載側。於該形態時，在上述各電流導通部就會產生有電阻值所對應的焦耳熱。當如開關裝置轉印有高電壓時，因發熱量會變得非常大，所以考慮到散熱性是機器製作上不可欠缺的必需事項。
通電時各部所產生的焦耳熱，是在透過彈簧接點10之絕緣套管用固定電極3和接地斷路部活動導體4的接點部位，及，活動側電極17和固定側電極16的接觸部位變大，此外，在該等部位的附近，特別是在固定側導體5和真空容器端部所固定的部位附近散熱出來的熱會造就局部性容易停滯的環境。另外，開關器內部的各導體即接地斷路部活動導體4和固定側導體5及活動側導體6的導體溫度會上升，因此溫度上升就會促進熱電子放出導致絕緣性能降低。為了防止溫度上升，其對策為抑制發熱本身，具體而言，是加大接地斷路部活動導體4和固定側導體5及活動側導體6使電流密度下降，或者於開關部加大對電極16、17的接觸壓，藉此降低接觸電阻。但是，前者會造成裝置全體大型化，後者利用操作機構因需要大的驅動力所以會造成每個回路的容量變大，結果上述任一對策都可能導致裝置大型化。
於是，透過降低電阻來降低發熱量並不是抑制溫度上升的有效對策，而是要提昇散熱性能。要提昇散熱性能時，有鑑於通電時之開關器各部所產生的焦耳熱，是以電極彼此的接點及導體為中心發熱，因此以該等發熱部位附近為中心進行散熱將會更有效率。然而，如本實施例相關的開關器單元所示，當開關器單元以固體絕緣物2一體模鑄成型時，若將該固體絕緣物2的外表面全體為冷卻用的散熱片形狀時，則固體絕緣物2的外表面和收納有開關器單元之開關裝置盤的溫度差低的部位，即散熱性能提昇需求性少的部位都會一律安裝有冷卻用的散熱片。
特別是，在設置固體絕緣物製的散熱片時，由於其熱傳導率比金屬小，所以在固體絕緣物製的散熱片內會有溫度分佈產生，熱不會傳至遠離發熱部位的處所，即使於該處所設置散熱片其對提昇散熱性能的幫助小。全體設有散熱片會造成開關器單元全體的重量增大，因此並非不加思索地設置散熱片，而是以散熱片能夠配置在充分有助於提昇散熱性能的位置為考量來決定散熱片的形狀及其安裝位置為佳。
於是，本實施例相關的開關器單元中，電纜用絕緣套管中心導體15及真空閥26所包夾的散熱片，該散熱片的厚度是形成為較大，隨著遠離該部，該散熱片的厚度就變薄。此外，針對彈簧接點10和絕緣套管用固定電極3的周圍所設置的散熱片也是形成為該散熱片的厚度較大，隨著遠離該部，該散熱片的厚度也就變薄。
如上述，電流導通時於電流導通部位會產生焦耳熱。接著，該產生的焦耳熱會傳至周圍的媒體，從周圍的媒體放熱至外部。於此，對於電纜用絕緣套管中心導體15及真空閥26所包夾的固體絕緣物2，是會傳達有電纜用絕緣套管中心導體15和真空閥26內之導體雙方所產生的熱，因此就需要有更高的散熱性能。本實施例中，電纜用絕緣套管中心導體15及真空閥26所包夾的散熱片，該散熱片的厚度是形成為較大，隨著遠離該部，該散熱片的厚度就變薄。將熱積蓄部位的該部其散熱片的厚度形成為較大，是能夠使散熱性能提昇。另一方面，隨著遠離熱積蓄部位的該部，導體的密集度會逐漸降低，畢竟在發熱部位附近就會消失的同時，因固體絕緣物製的散熱片其熱傳導率小，所以來自於熱積蓄部位的熱也就難以傳達，因此從該兩觀點來看其散熱性能提昇的需求性就變小。於是，為了避免大型化，隨著遠離熱積蓄部位的該部，散熱片1的厚度是形成為逐漸變薄。
同樣地，針對彈簧接點10和絕緣套管用固定電極3的周圍所設置的固體絕緣物2，也是包覆著絕緣套管用固定電極3、接地斷路部活動導體4，及，彈簧接點10和絕緣套管用固定電極3的接點部位，使該部位成為熱積蓄部位。因此針對設置在該部位的散熱片1，是將該散熱片1的厚度形成為較大，隨著遠離該部，散熱片1的厚度就變薄。
如此一來，能夠提昇冷卻性能的同時，也可避免需求以上的大型化。
接著，針對散熱片的最佳設計條件進行說明。通常，樹脂外皮的散熱片1的形狀如第2圖所示由厚度(d)、高度(1)、板厚(t)、散熱片間隔(b)所形成，因此就需要適當決定該等的幾何形狀參數。基本上因散熱片1是擴大往周圍傳熱的傳熱面使表面的熱密度降低，所以傳熱面積愈大性能就愈佳。但是，過度擴大表面積，反而會造成表面的熱傳達率降低，及至散熱片1前端為止的傳熱效率降低。即，散熱片1為最有效的狀況，是在散熱面全體成為和熱源相同溫度時。基於此，金屬其熱傳導率大難以產生明確的溫度分佈，但固體絕緣物2其熱傳導率小容易產生明顯的溫度分佈，因此散熱片1的厚度不形成為一律相同，而是將散熱片1形成為具有坡度(在散熱片的長度方向具有坡度)使散熱片1能夠執行有效冷卻。
散熱片的效率是指相對於「散熱片之全表面等於熱源之溫度時的散熱量」之「實際的散熱量」的比率，也可解釋為有效運作之表面積的比率。散熱片的效率，是使用雙曲線正切函數(tanh)表示如下述。
[數1]
例如：當發熱至長度100mm、厚度1mm的鋁板(熱傳導率0.17W/mm℃)一端時，若平均傳熱係數為10×10-6 W/mm2 ℃，則散熱片效率為73%。因此，使用(1)式就能夠決定出最佳的散熱片厚度。
當為固體絕緣物2製之散熱片1的形態時，散熱片的厚度和散熱片效率的關係如第3圖所示。當為固體絕緣物2製之散熱片1時，為了確保絕緣耐力而在散熱片前端設有R3以上的R加工時，散熱片板厚t的限制就為10mm以上。於是第3圖就使用散熱片板厚t=10mm，和，自然空氣冷卻假定的平均傳熱係數10×10-6 W/mm2 ℃，和，樹脂的熱傳導率0.6×10-3 W/mm℃代入上述(1)式，算出散熱片的效率。結果當散熱片的厚度d=5mm以下時散熱片效率為100%，但樹脂散熱片的成型是使用金屬模進行成型，因此考慮到在散熱片前端和散熱片之溝槽底的角部要分別形成有R3的R加工來製作散熱面時就需要有10mm以上的厚度。於是，散熱片的厚度d=10mm時使用自然空氣冷卻之散熱片的最佳散熱片間隔b(以相同體積，使熱電阻成為最小之散熱片間隔)採下式就可概算出來(參考文獻：伊藤謹司、國峰尚樹、用於解決問題的電子設備的熱對策設計、日刊工業新聞)。
第4圖中圖示著溫度上升(△T)範圍內之最佳樹脂散熱片間隔和樹脂散熱片高度的關係。溫度上升(△T)小、散熱片高度愈大則散熱片間隔就需愈大。散熱片的間隔若太小則熱阻力會變大，因此自然空氣冷卻時就需要有5mm以上的間隔。樹脂模鑄構造全體為散熱片構造時，散熱片高度就成為300mm，樹脂內部的容許溫度上升△T=20℃時之適當的散熱片間隔為10mm。因此，考慮到設計條件(絕緣性能)時的最佳樹脂散熱片形狀就是厚度d=10mm、板厚t=10mm、散熱片間隔b=10mm。
本實施例相關的開關器單元中，散熱片1是形成為於散熱片的長度方向，其厚度具有坡度，因此其與厚度不具有坡度的形態相比是能夠提昇冷卻性能的同時，能夠防止不必要的大型化。
接著，上述厚度是在熱積蓄處變大，隨著離開該部，厚度就變薄，因此就可根據通電時產生的溫度條件執行適當的冷卻。
此外，本實施例相關的開關器單元中，是將斷路器和 接地開關器由固體絕緣物2一體模鑄成型，使絕緣特性提高的同時使構成為最佳化，因此可實現小型化。上述小型化的開關器單元，密閉性高，熱容易集中，因此並不針對發熱性的降低，而是對散熱性能提昇的需求大。本實施例中，是在相關的開關器單元的固體絕緣物2設有散熱片1，並設有坡度，因此就更加符合需求。再加上，因為能夠防止大型化，所以不會妨礙到小型化的實現。當然，在做為又附加有散熱性能的開關器單元時，是能夠達到非常的小型化。
再加上，當將相關的接地開關器於本實施例中為接地斷路部，使斷路功能也彙集時，除了上述優點以外還更加小型化。該更為小型化的開關器單元和本實施例相關的散熱片1理所當然兩者的搭配性更佳。
〔實施例2〕
針對實施例2使用第5圖進行說明。本實施例中，散熱片41的坡度是以階段性(不連續)增加或減少來取代實施例1所示的逐漸(連續性)減少。除此之外其他構成都是和實施例1相同，因此省略相同構成的重覆性說明。
如本實施例所示構成散熱片41時也可達到實施例1所說明的各種效果。兩實施例共同重要的事項，是樹脂散熱片的厚度非一成不變，而且具有坡度及為了要更有散熱效果是將熱積蓄部的散熱面厚度形成為最厚。
[實施例3]
針對實施例3使用第6圖進行說明。本實例相關的開關裝置，是由：連接在電力系統側接收電力的母線40；連接在母線40且具有開關器的開關器單元25；可將來自於開關器單元25的電力配電至負載側的電纜42；實施例1相關的開關器單元25和電纜42連結用的電纜接線盒45；開關器單元25內的開關器操作用的操作器43；及在過電流檢測時或打雷時保護機器的保護繼電器等收納用的控制機器室44所概略構成。
對於開關器單元25，並不限於實施例1所說明的形態，其包含上述各實施例所說明的任一內容可應用各式各樣的形態。此時，至少是以上述的各效果不會減少的狀況下將開關器單元25應用在開關裝置。
針對本實施例相關的開關裝置，是在開關器單元25，具備有其厚度於散熱片長度方向具有坡度的散熱用樹脂散熱片，所以開關裝置(盤)內主要之發熱性高的部位是開關器單元，因此以開關裝置全體來看時也能夠提昇冷卻性能。
此外，開關裝置內的主要部即開關器單元能夠小型化，因此更需強調的是開關裝置全體也能夠小型化。
1、41．．．散熱片
1′、41′．．．散熱片的最長厚度處
2．．．固體絕緣物(樹脂)
3．．．絕緣套管用固定電極
4．．．接地斷路部活動導體
5．．．固定側導體
6．．．活動側導體
7．．．空氣部
8．．．真空容器
9．．．中間固定電極
10．．．彈簧接點
12．．．真空閥用的操作桿
13．．．母線用絕緣套管
14．．．母線用絕緣套管中心導體
15．．．電纜用絕緣套管中心導體
16．．．固定側電極
17‧‧‧活動側電極
18‧‧‧接地斷路部用的操作桿
19‧‧‧接地側固定電極(導件)
20‧‧‧撓性導體
21‧‧‧金屬殼
22‧‧‧波紋管
25‧‧‧電弧屏蔽
26‧‧‧真空閥
27‧‧‧接地斷路部
28‧‧‧電纜用絕緣套管
29‧‧‧固定側陶瓷絕緣筒
30‧‧‧活動側陶瓷絕緣筒
31‧‧‧固定側端板
32‧‧‧活動側端板
33‧‧‧波紋管屏蔽
34‧‧‧固定側電界緩和屏蔽
35‧‧‧活動側電界緩和屏蔽
b‧‧‧散熱片間隔
d‧‧‧散熱片厚度
l‧‧‧散熱片高度
t‧‧‧散熱片板厚
第1圖為實施例1相關的開關器單元側剖面圖。
第2圖為表示實施例1相關的散熱片擷取圖。
第3圖為表示散熱片的厚度d和散熱片的效率之相關關係圖。
第4圖為表示改變溫度時之散熱片的高度l和散熱片最佳間隔之關係圖。
第5圖為表示實施例2相關的散熱片擷取圖。
第6圖為表示實施例3相關的開關裝置圖。
1‧‧‧散熱片
1′‧‧‧散熱片的最長厚度處
2‧‧‧固體絕緣物(樹脂)
3‧‧‧絕緣套管用固定電極
4‧‧‧接地斷路部活動導體
5‧‧‧固定側導體
6‧‧‧活動側導體
7‧‧‧空氣部
8‧‧‧真空容器
9‧‧‧中間固定電極
10‧‧‧彈簧接點
12‧‧‧真空閥用操作桿
13‧‧‧母線用絕緣套管
14‧‧‧母線用絕緣套管中心導體
15‧‧‧電纜用絕緣套管中心導體
16‧‧‧固定側電極
17‧‧‧活動側電極
18‧‧‧接地斷路部用的操作桿
19‧‧‧接地側固定電極(導件)
20‧‧‧撓性導體
21‧‧‧金屬殼
22‧‧‧波紋管
25‧‧‧電弧屏蔽
26‧‧‧真空閥
27‧‧‧接地斷路部
28‧‧‧電纜用絕緣套管
29‧‧‧固定側陶瓷絕緣筒
30‧‧‧活動側陶瓷絕緣筒
31‧‧‧固定側端板
32‧‧‧活動側端板
33‧‧‧波紋管屏蔽
34‧‧‧固定側電界緩和屏蔽
35‧‧‧活動側電界緩和屏蔽

Claims (12)

  1. 一種開關器單元，具有：具活動電極及與該活動電極相向之固定電極的開關器；電性連接在上述活動電極或上述固定電極的一方，並與母線連接的母線用絕緣套管中心導體；及電性連接在上述活動電極或上述固定電極的另一方，並與電纜連接的電纜用絕緣套管中心導體，其特徵為：該開關器單元是以樹脂鑄造一體成型，該樹脂具備樹脂散熱片，該樹脂散熱片的厚度於該樹脂散熱片的長度方向具有坡度。
  2. 如申請專利範圍第1項所記載的開關器單元，其中，上述樹脂散熱片的厚度是在熱積蓄處的附近較厚，在發熱量小的部位附近較薄。
  3. 如申請專利範圍第2項所記載的開關器單元，其中，上述熱積蓄處為上述各絕緣套管導體的周圍，上述樹脂散熱片的厚度在該絕緣套管導體的周圍為最厚。
  4. 如申請專利範圍第1項所記載的開關器單元，其中，上述開關器具備有接通暨斷路功能的斷路器及可轉換接通暨接地的接地開關器。
  5. 如申請專利範圍第2項所記載的開關器單元，其 中，上述開關器具備有接通暨斷路功能的斷路器及可轉換接通暨接地的接地開關器。
  6. 如申請專利範圍第3項所記載的開關器單元，其中，上述開關器具備有接通暨斷路功能的斷路器及可轉換接通暨接地的接地開關器。
  7. 如申請專利範圍第4項所記載的開關器單元，其中，上述斷路器是上述活動電極及上述固定電極收納在內部真空之真空容器內的真空斷路器，上述接地開關器是除了接通暨接地之轉換以外還可轉換成斷路的接地斷路開關器。
  8. 如申請專利範圍第5項所記載的開關器單元，其中，上述斷路器是上述活動電極及上述固定電極收納在內部真空之真空容器內的真空斷路器，上述接地開關器是除了接通暨接地之轉換以外還可轉換成斷路的接地斷路開關器。
  9. 如申請專利範圍第6項所記載的開關器單元，其中，上述斷路器是上述活動電極及上述固定電極收納在內部真空之真空容器內的真空斷路器，上述接地開關器是除了接通暨接地之轉換以外還可轉 換成斷路的接地斷路開關器。
  10. 如申請專利範圍第1項至第9項任一項所記載的開關器單元，其中，上述散熱片的厚度具有連續性增加或減少的部位。
  11. 如申請專利範圍第1項至第9項任一項所記載的開關器單元，其中，上述散熱片的厚度具有階段性增加或減少的部位。
  12. 一種開關裝置，其特徵為，具備有申請專利範圍第1項至第11項任一項所記載的開關器單元，和母線、負載側電纜，及上述任一開關器單元操作用的操作器。
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