JP2008140732A

JP2008140732A - 大電流遮断器

Info

Publication number: JP2008140732A
Application number: JP2006328169A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Uragami; 敏之浦上
Original assignee: Osaka Titanium Technologies Co Ltd
Current assignee: Osaka Titanium Technologies Co Ltd
Priority date: 2006-12-05
Filing date: 2006-12-05
Publication date: 2008-06-19

Abstract

【課題】接触部での局部的な発熱、溶損トラブルを、簡単な手段で効果的に回避できる大電流遮断器を提供する。
【解決手段】固定電極１０に対して可動電極２０を接離可能に対向配置する。可動電極２０の面接点２５を、固定電極１０の面接点１２に金属スプリング２３により押圧する。面接点１２，２５の一方の表面を他方の表面に向かって凸の曲面とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属溶解炉などの大電流が消費される設備に使用される大電流遮断器に関し、更に詳しくは、固定電極に対して接離自在に対向配置された可動電極の面接点を、固定電極の面接点に数トンというような大圧力で強制的に圧接させる面接点押圧式の大電流遮断器に関する。

金属溶解炉などでは数万Ａの大電流が消費される。ここに使用される電流遮断器としては、固定電極に対して接離自在に対向配置された可動電極と固定電極の面接点同士を金属スプリングにより強制的に押し付け合う面接点押圧式のものが一般的である（特許文献１参照）。

特開平１０─２４１５１１号公報

数万Ａの設備に面接点押圧方式の大電流遮断器が使用されるのは、ナイフ方式では必要な圧力が得られず、平面に棒あるいは板を押し付ける方式では、大電流を通じるために複数の接点が必要となり、装置が複雑化すると共に接点を並列化することに伴うトラブルが予想されるからである。

面接点強制押圧式の大電流遮断器では、固定電極及び可動電極は導電性と発熱抑制のために、水冷銅で構成されるのが一般的である。接触圧力は、接触面での接触抵抗を小さくするために、接触面積にもよるが数トンというような大圧力となる。すなわち、接触圧力を大きくするにつれて接触抵抗が小さくなるが、実際は図２に示すように、両者の関係は途中で飽和し、経験的には接触圧力が２．５ｋｇ／ｍｍ²以上で接触抵抗が一定となり、そのときの許容電流は８０〜１００Ａ／ｍｍ²となる。このため、例えば直流４万Ａの場合、安全上の余裕を考慮すれば、必要接触圧力は２．５〜３ｋｇ／ｍｍ²、必要接触面積は５００〜１０００ｍｍ²となり、押圧力は最大で３トン程度となる。

しかしながら、実際の大電流遮断器では、このような大圧力を付加しても、面接点での接触が均一にならず、局部的に発熱、溶損するトラブルが多発している。すなわち、銅製の固定電極及び可動電極を強制的に水冷し、しかも面接点での接触面積を大きくするために接点を面出しして鏡面研磨し、その上で前述したような理論的に余裕のある大圧力を付加しているにもかかわらず、接触部での局部的な発熱、溶損トラブルが避けられないのである。

本発明の目的は、接触部での局部的な発熱、溶損トラブルを、簡単な手段で効果的に回避できる大電流遮断器を提供することにある。

上記目的を達成するために、大電流遮断器における固定電極及び可動電極の接点面積を大きくすることが考えられる。しかし、接点面積を大きくした場合は、それに応じて加圧力を大きくする必要があり、その結果、設備が大型化し、現実的な対策とは言えない。接点面積を大きくしたからといって接触部での局部的な発熱、溶損トラブルが防止される保証はなく、むしろ接点面積が大きくなった分、均一接触が困難となって局部的な発熱、溶損トラブルの増加が懸念される。

このような事情を総合的に考慮して、本発明者は接点面積を大きくすることなく現状の装置規模のままで局部的な発熱、溶損トラブルを防止することを企画し、そのために電極材料である銅の弾性変形に着目した。すなわち、電極材料である銅は比較的柔らかい金属であり、大きな力を付加した場合は塑性変形して形状は回復しないが、僅かな変形の場合は弾性変形し形状は回復する。そして本発明者は、この銅の物理的特性を生かして、固定電極及び可動電極の一方の面接点を逆に非平坦面、すなわち凸面とする方向に、発想を転換した。

すなわち、大電流遮断器の接触部に要求される接触面積、加圧力の場合、接点が平坦面であると、局部的な発熱、溶損トラブルが避けられない。これは、接触面の一部に加圧が不足する部分が生じ、接点同士が全域で均一に密着しないことを意味する。これに対し、接点を凸面とすれば、少なくとも接触面の中心部では荷重が集中し、確実な圧接密着状態が得られる。そればかりか、前述した接点の弾性変形のため、中心部から更に広い周辺領域にかけても荷重が集中し、その結果として接触面の広い領域で必要な密着状態が確保され、接触部での局部的な発熱、溶損トラブルを防止できることが判明した。

本発明の大電流遮断器は、かかる知見を基礎として完成されたものであり、固定電極と、固定電極に対して接離自在に対向配置された可動電極と、可動電極を固定電極と面接触する接触状態と離反状態とに切り替える切り替え機構と、接触状態のときに可動電極に接触圧力を付加する弾性押圧部材とを具備する大電流遮断器において、固定電極及び可動電極の少なくとも一方の面接点を他方の電極に向かって凸の曲面に形成したものである。

本発明の大電流遮断器においては、固定電極及び可動電極の少なくとも一方の面接点が他方の電極に向かって凸の曲面に形成されているので、電極材料の弾性変形による接触面の変形により接触面の広い領域で確実な接触が可能となる。

凸の曲面は両電極の一方又は両方のいずれに付与してもよいが、基本は一方の電極の面接点を曲面に形成し、他方の電極の面接点は従来どおり平坦面とすることである。これは、片方曲面の方が両方曲面より接触管理が容易なこと、加工コストが安くなることなどが理由である。

凸の曲面においてはその曲率が重要である。曲率半径が小さ過ぎる場合、すなわち凸面の突き出し方が急峻な場合は、接触面の中心部に大きな荷重が付加されるが、その広がりが小さく、実質的な接触面積が小さくなる。反対に曲率半径が大き過ぎる場合、すなわち凸面の突き出し方が緩慢な場合は、実質的な接触面積は大きくなるが、荷重集中が不足する。このため、電極を構成する材料の機械的特性、加圧力、接点面積等に応じて過不足のない曲率を選択する必要があり、両側凸面、片側凸面によっても曲率を大きく変える必要がある。基本的には、両側凸面の場合は、片側凸面の場合よりも、適正半径は大幅に小さくなる。

固定電極及び可動電極は、電気伝導性及び熱伝導性の点から水冷銅が好ましい。銅は必ずしも純銅という意味ではなく銅合金を含む。接点間に接触圧力を付加する弾性押圧部材は、荷重確保の容易さ、耐熱性等の点から金属スプリングが好ましい。

本発明の大電流遮断器は、面接点強制押圧式の大電流遮断器において、固定電極及び可動電極の少なくとも一方の面接点を他方の電極に向かって凸の曲面に形成するという簡単な手法で、接触部での局部的な発熱、溶損トラブルを効果的に防止することができ、電極の補修コストを大幅に低減することができる。また、対策にかかるコストも少なく、この面からもコスト低減を図ることができる。

以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示す大電流遮断器の構成図である。

本実施形態の大電流遮断器は、金属溶解炉等に使用される数万Ａレベルの大電流の遮断に使用される面接点強制押圧式の遮断器である。この遮断器は、垂直方向で対向配置された固定電極１０及び可動電極２０を備えている。

上側の固定電極１０は、縦向きの固定フレーム３０に水平な支持腕３１により下向きに片支持された厚板からなる電極本体１１と、電極本体１１の下面に脱着可能に保持された円盤状の面接点１２とを有している。電極本体１１は面接点１２と共に水冷銅からなり、支持腕３１とは電気的に絶縁されている。この固定電極１０は、後述するスプリングによる押圧力の調節のために、上下方向での位置調節が可能である。

可動電極２０は、固定電極１０の下側に上向きに配置されており、中心軸方向に昇降自在である。詳しく説明すると、可動電極２０は、昇降自在な垂直軸からなる第１支持体２１と、第１支持体２１に摺動自在に外嵌した垂直な筒状の第２支持体２２と、第１支持体２１に対して第２支持体２２を上方へ弾性的に押圧するための金属スプリング２３とを備えている。

第１支持体２１は、下方の中折れ式のレバーからなる切り替え機構４０により昇降駆動される。すなわち、図１は第１支持体２１が下降した状態であり、切り替え機構４０は「く」の字に折れ曲がっている。この切り替え機構４０は、図示されないアクチュェータにより図示の折れ曲がり状態と真直状態とに切り替え駆動され、これにより第１支持体２１を下限の退避位置と上限の押圧位置とに切り替え駆動する。

第２支持体２２は、前記固定フレーム３０に水平な支持腕３２により支持された垂直な筒状ガイド３３により昇降自在に支持されており、上部に水平な盤状の電極本体２４を支持している。電極本体２４は、固定電極１０の面接点１２に対向する円盤状の面接点２５を、上面に脱着可能に保持している。電極本体２４及び面接点２５は水冷銅からなり、固定フレーム３０の筒状ガイド３３と支持腕３２との間で電気的に絶縁されている。そして、固定電極１０における面接点１２の下面は平坦面であるのに対し、可動電極２０における面接点２５の上面は上に凸、すなわち面接点１２に向かって凸の曲面に形成されている。また、平坦面である面接点１２は、凸面である面接点２５より若干大径に設計されている。

金属スプリング２３は、第１支持体２１の下端部とその上の第２支持体２２との間に、第１支持体２１を取り囲んで設けられている。この金属スプリング２３は、第１支持体２１が上方の押圧位置へ上昇した状態で、第２支持体２２を上方へ弾性的に押圧して、可動電極２０の面接点２５を固定電極１０の面接点１２に所定圧力で接触させる。

すなわち、第１支持体２１が上方の押圧位置へ上昇すると、可動電極２０の面接点２５は固定電極１０の面接点１２に当接し、金属スプリング２３は縮む。この反力により、可動電極２０の面接点２５は固定電極１０の面接点１２に所定圧力で弾性的に押し付けられるのである。押し付け力を調節するために、固定電極１０が上下方向で位置調節されることは、前述したとおりである。

次に、本実施形態の大電流遮断器の機能について説明する。

通電時は、中折れ式のレバーからなる切り替え機構４０が真直状態になり、可動電極２０おける第１支持体２１が上限の押圧位置に上昇する。その結果、可動電極２０の面接点２５は固定電極１０の面接点１２に当接し、金属スプリング２３は縮む。金属スプリング２３の収縮に伴う反力により、可動電極２０の面接点２５は固定電極１０の面接点１２に所定圧力で押し付けられる。その結果、ブスバー１３−電極本体１１−面接点１２−面接点２５−電極本体２４−ブスバー２６からなる経路を通して、例えば４万Ａという大電流が流れる。通電電流が４万Ａの場合、面接点２５の押し付け圧力は約３トンに達する。

このとき、接触部である面接点１２，２５間は、面接点２５が面接点１２に向かって凸の曲面となっているため、その凸面が面接点１２の平坦面に食い込む状態となる。この食い込みが弾性変形内で十分に生じるように、凸面の曲率半径は選択されている。これにより、凸面の中心部に対応する部分に荷重が集中し、更にその周囲でも、中心部から離れるにしたがって荷重が小さくなるものの、食い込み変形部では荷重集中が起こり、結果的に広い円形領域で高い密着性が確保される。このため、接触部での荷重分散による局部的な発熱、溶損トラブルが防止される。

通電量が４万Ａ、面接点２５（凸面）の面積が１０００ｍｍ²、接触圧力が３ｋｇ／ｍｍ²、押圧荷重３トンの条件で実験を行ったところ、面接点２５（凸面）の曲率半径は３０００ｍｍ以上７０００ｍｍ未満が適当であった。３０００ｍｍ未満の場合は荷重集中は十分であるが、実接触面積が不足し、７０００ｍｍ以上の場合は接触面積は問題ないが、荷重集中が不十分であった。

電流遮断時は、中折れ式のレバーからなる切り替え機構４０が真直状態から「く」の字の折れ曲がり状態に変化する。これにより、可動電極２０おける第１支持体２１、第２支持体２２、電極本体２４及び面接点２５が下がり、面接点２５が固定電極１０の面接点１２から離れる。すなわち、第１支持体２１が下がることにより、金属スプリング２３が伸び、第２支持体２２、電極本体２４及び面接点２５は上昇するが、その上昇量は第１支持体２１の下降量より十分に小さいので、可動電極２０の面接点２５は固定電極１０の面接点１２から離れる。これにより、前述した電流経路が遮断される。

本発明の一実施形態を示す大電流遮断器の構成図である。大電流接点における接触圧力と接触抵抗の関係を示すグラフである。

符号の説明

１０固定電極
１１電極本体
１２面接点
２０可動電極
２１第１支持体
２２第２支持体
２３金属スプリング（弾性押圧部材）
２４電極本体
２５面接点
３０固定フレーム
３１，３２支持腕
３３筒状ガイド
４０切り替え機構（レバー）

Claims

固定電極と、固定電極に対して接離自在に対向配置された可動電極と、可動電極を固定電極と面接触する接触状態と離反状態とに切り替える切り替え機構と、接触状態のときに可動電極に接触圧力を付加する弾性押圧部材とを具備する大電流遮断器において、固定電極及び可動電極の少なくとも一方の面接点を、他方の電極に向かって凸の曲面に形成したことを特徴とする大電流遮断器。
請求項１に記載の大電流遮断器において、固定電極及び可動電極のいずれか一方の面接点が凸の曲面である大電流遮断器。
請求項１に記載の大電流遮断器において、固定電極及び可動電極は水冷銅からなる大電流遮断器。
請求項１に記載の大電流遮断器において、弾性押圧部材は金属スプリングである大電流遮断器。