(57)【要約】【課題】  雷サージが侵入しても、溶着を引き起こさない回路遮断器、およびこの回路遮断器を使用したＳＰＤ保護システムを得る。【解決手段】  筐体と、この筐体に収納され電路に流れる電流を開閉する開閉手段と、上記電流が落雷などで発生するサージ電流のときに応動する電流引き外し素子と、この電流引き外し素子の動作に基づいて上記開閉手段を動作させて上記電路を開路させるトグルリンク機構とを備え、上記サージ電流が該回路遮断器を通過する際、このサージ電流によって上記開閉手段を構成する固定接点と可動接点の間が発弧する前に、上記電流引き外し素子を動作させることで、上記電路を開路させるように構成させた回路遮断器を、母線に接続された負荷機器の入力側とアース間に配設されたＳＰＤの上位に、かつ、上記母線から分岐させた電路に設置した。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体と、この筐体に収納され電路に流れる電流を開閉する開閉手段と、上記電流が落雷などで発生するサージ電流のときに応動する電流引き外し素子と、この電流引き外し素子の動作に基づいて上記開閉手段を動作させて上記電路を開路させるトグルリンク機構とを備えた回路遮断器において、
上記サージ電流が該回路遮断器を通過する際、このサージ電流によって上記開閉手段を構成する固定接点と可動接点の間が発弧する前に、上記電流引き外し素子を動作させることで、上記電路を開路させるように構成されていることを特徴とする回路遮断器。
【請求項２】
請求項１の回路遮断器を、母線に接続された負荷機器の入力側とアース間に配設されたＳＰＤの上位に、かつ、上記母線から分岐させた電路に設置したことを特徴とするＳＰＤ保護システム。
【請求項３】
ＳＰＤに注入されるサージが、波頭長が１０マイクロ秒で、かつ、波尾長が３５０マイクロ秒であることを特徴とする請求項２記載のＳＰＤ保護システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＳＰＤ（Ｓｕｒｇｅ  Ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ  Ｄｅｖｉｃｅ、サージ保護装置）を配設した回路に設置する回路遮断器、およびこの回路遮断器を用いたＳＰＤ保護システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化の影響と思われる集中豪雨や雷の発生が増加する傾向にあり、また一方では、高度情報化社会の進展による電子化機器の普及などで、雷サージによる各種負荷機器の被害が増えていることに言を俟たない。そこで、この雷サージから負荷機器を保護するために、該負荷機器の入力側とアース（大地）間に、アレスタ、あるいはバリスタといったＳＰＤを配設することが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ところで、このＳＰＤも電路上においては、一つの「機器」と見なすこともでき、また広く普及するにつれ、その過電流保護も最近クローズアップされ始めた。こういった動向を背景に、ＳＰＤの短絡保護を担う過電流保護装置の設置が規格化され（詳細はＪＩＳ（日本工業規格）Ｃ−６０３６４−５−５３（建築電気設備−  第５−５３部：電気機器の選定及び施工−  断路、開閉及び制御）による）、これを受け、ＳＰＤの上位に回路遮断器を設置するケースが増えてきたことも、やはり周知の通りである（例えば、特許文献２または３参照）。
【０００４】
一方、特許文献１にも開示されているように、雷サージをＳＰＤを介してアースへ放電する際、継続時間の長い放電電流が発生するが、ＳＰＤの上位に回路遮断器を設置した場合、当然、この回路遮断器にも放電電流が流れ続けることになる。そのため、この放電電流によって、該回路遮断器の固定接点から可動接点が浮き上がり、両接点の間でアークが発生（これを一般に発弧と呼ぶ）し、この発弧をきっかけとした両接点間の溶着発生が懸念される。そこで、回路遮断器に具備した警報および補助スイッチと該回路遮断器の機構との連動のタイミングに工夫を凝らし、警報スイッチからは出力が得られるが、補助スイッチからは出力が得られないことで、その回路遮断器の溶着発生という事態を報知させることが開示されている（例えば、特許文献４参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１６６０７９号公報（第３頁左欄第８行〜第１１行、図１）
【特許文献２】特開２００２−１０１５０５号公報（第４頁左欄第１０行〜第１２行、図１）
【特許文献３】特開２００５−２３７１５７号公報（第４頁第２０行〜第３０行、図１）
【特許文献４】特開平１１−６７０４８号公報（第５頁左欄第１行〜第３２行、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
回路遮断器の溶着に対しては、特許文献４を始め、各メーカーより様々な対策・方策が練られていることは周知の通りであるが、その多くは、この特許文献４のように、溶着発生の事後対策（溶着時、該回路遮断器の起倒形ハンドルがＯＦＦ位置を表示させない、いわゆるアイソレーション機能の具現化も含む）、あるいは、起倒形ハンドルの操作によるその解除（溶着剥離）に重点を置いていた。したがって、ＳＰＤを保護するにあたって、そのＳＰＤの設置箇所を鑑みた場合、これらの対策では自ずと限界があった。すなわち、ＳＰＤの設置箇所は広範囲に亘っており、例えば、山頂の無人中継局では、前述した起倒形ハンドルの操作は現実的な対応とは言い難く、また一方で、いくら溶着発生の報知手段を充実させたとしても、回路遮断器の交換など、そのメンテナンスに係わる経済的損失も無視できない。つまり、ＳＰＤを保護する回路遮断器にあっては、発弧による溶着が防止できることが求められていた。
【０００７】
この溶着防止の実現に向け、実験・評価を進める中で、発明者たちは以下に記述する内容を発見した。すなわち、溶着に至る過程において、過大な負荷電流に応じて該回路遮断器の電流引き外し素子は必ず動作するものと思われていたが、こと雷サージ電流に関して言えば、エネルギーが大きい割には、その継続時間が短いことが災いして、電流引き外し素子が応動しない領域がある、ということである。一般に、回路遮断器の電流引き外し素子の動作には、数ミリ秒掛かることから、特に、短絡時の限流を意図した回路遮断器では、その動作を待っていたのでは、到底、限流が成し得ないため、固定接点が具設される固定接触子と可動接点が具設される可動接触子の間に発生する電磁反発力を利用して、電流引き外し素子の動作を待たずに、可動接点を固定接点から浮き上がらせ、高速開極することが知られている。一方、この限流構造を有する回路遮断器においては、商用周波数成分における使用条件下では、
可動接点が浮き上がる電流値（Ａ）＞電流引き外し素子が動作する電流値（Ｂ）
となるようＢが設定されることになるが、これはあくまで、電磁反発力を生じさせるような大きな電流では、必ず電流引き外し素子も応動する、ということが大前提であることは言うまでもない。
【０００８】
ところが、雷サージ電流のような時間幅の短い場合では、前述したように、
可動接点が浮き上がる電流値（Ａ）＜電流引き外し素子が動作する電流値（Ｂ）
という具合に逆転現象を起こすことが判明し、この浮き上がりによる発弧を経て、電流引き外し素子が応動しないことに伴う再閉極が、両接点間における溶着の可能性を高めてしまっている。ここで、問題となるのは、電流引き外し素子が応動しない、ということであり、特許文献４に代表されるように、この応動を拠り所として、溶着を報知する限りにおいては、ＳＰＤ保護用としては相応しくない、と言わざるを得ない。つまり、溶着が認知されないままでの使用継続は、ＳＰＤの保護はもちろんのこと、該回路遮断器とアース間における短絡や地絡事故での遮断という、回路遮断器本来の機能喪失に繋がり、火災や感電などの重大事故に波及する恐れがあった。
【０００９】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、雷サージが侵入しても、溶着を引き起こさない回路遮断器を得るとともに、この回路遮断器を使用したＳＰＤ保護システムを、特にＳＰＤ使用者に提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係る回路遮断器は、筐体と、この筐体に収納され電路に流れる電流を開閉する開閉手段と、上記電流が落雷などで発生するサージ電流のときに応動する電流引き外し素子と、この電流引き外し素子の動作に基づいて上記開閉手段を動作させて上記電路を開路させるトグルリンク機構とを備え、上記サージ電流が該回路遮断器を通過する際、このサージ電流によって上記開閉手段を構成する固定接点と可動接点の間が発弧する前に、上記電流引き外し素子を動作させることで、上記電路を開路させるように構成させたものである。
【００１１】
また、この発明に係るＳＰＤ保護システムは、母線に接続された負荷機器の入力側とアース間に配設されたＳＰＤの上位に、かつ、上記母線から分岐させた電路に、前述した回路遮断器を設置したものである。
【発明の効果】
【００１２】
この発明は以上説明したように、ＳＰＤの過電流保護装置として回路遮断器が適用できることから、ＳＰＤ保護システムの信頼性が向上するとともに、コストパフォーマンスに優れた該システムを構築することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における回路遮断器の断面図、図２はこの回路遮断器を使用したＳＰＤ保護システムの構成図、図３および図４は、図２における雷サージ電流をＳＰＤに注入させたときの電流波形図であり、ぞれぞれ、図３は再閉極を、図４はトリップを示している。また、図５は、図３および図４における電流波形での試験結果を示すグラフである。
【００１４】
図１において、回路遮断器１０１は、カバー１とベース２により構成された筐体内に、遮断機構５１を備えており、この遮断機構５１は、図示しない電路に流れる負荷電流を開閉する開閉手段である、反発接触子３およびこの反発接触子３に接離する可動接触子４、過電流が流れたときに可動接触子４を反発接触子３から開離させるトグルリンク機構５２、電磁引き外し機構や熱動引き外し機構からなる電流引き外し素子５３、および消弧板５を有している。
【００１５】
反発接触子３には反発接点３ａ、可動接触子４には可動接点４ａが夫々対向して配設されており、これらの反発接点３ａ、可動接点４ａの近傍に消弧板５が配置されている。また、６は絶縁材から成るアームで、可動接触子４はアーム６に保持されており、軸７を中心としてアーム６とともに回動するようになっている。
【００１６】
８はアームに軸着されたピンで、このピン８にはトグルリンク機構５２の一部を構成する下部リンク９の下端部が結合している。下部リンク９の上端部はピン１０によって上部リンク１１の下端部と結合されており、上部リンク１１の上端部はピン１２によってクレドル１３に結合されている。クレドル１３は軸１４に回動自在に軸支されており、自由端において係止部１３ａを有している。なお、１５は起倒形ハンドル１６とピン１０との間に張設されたスプリングである。
【００１７】
電流引き外し素子５３は、電流リレー１７、バイメタル１８、トリップバー１９、ラッチ２０、係止レバー２１などにより構成されている。また、２２は電路の電源側に接続される電源側端子、２３はこの電源側端子２２と反発接触子３とを電気的に接続するシャント、２４は電路の負荷側（すなわち、後述するＳＰＤ側）に接続される負荷側端子である。なお、本実施の形態においては、限流構造、すなわち高速開極を意図した反発接触子３を使用しているが、必ずしも、この限流構造を有しておく必要はなく、可動接点４ａと対向する接点は、電源側端子２２から延設され、ベース２に直接固着される固定接触子に配設した固定接点であっても構わない。
【００１８】
続いて、この回路遮断器１０１の動作を、図２に示すＳＰＤ１０２と絡めて説明する。起倒形ハンドル１６を紙面上、時計方向に操作することにより、この図１のように、上部リンク１１と下部リンク９が伸長され、アーム６が軸７を中心として時計方向の回動力を与えられることにより可動接点４ａが反発接点３ａに接触する。このとき、クレドル１３の係止部１３ａは係止レバー２１に係止しているので、上部リンク１１と下部リンク９の伸長状態が保持され、反発接点３ａと可動接点４ａは、その接触が保持されることになり、回路遮断器１０１はＯＮ状態となる。したがって、この回路遮断器１０１のＯＮにより、図２に示すＳＰＤ１０２が母線９８とアース９９の間に配設されることになり、母線９８に侵入する直撃雷あるいは誘導雷を、このＳＰＤ１０２を介してアース９９に逃がすことで、母線９８に接続された負荷機器１００が雷サージより保護されることになる。
【００１９】
特に直撃雷が侵入した場合には、再び図１に戻り、電流リレー１７が作動し、トリップバー１９を軸１９ａを中心として時計方向へ回動させ、ラッチ２０を軸２０ａを中心として反時計方向へ回動させる。このラッチ２０の回動により、係止レバー２１との係合が解除され、係止レバー２１は図示しないスプリングの付勢力により軸２１ａを中心として反時計方向に回動して、クレドル１３の係止部１３ａが係止レバー２１から外れる。すると、上部リンク１１と下部リンク９が座屈し、アーム６が軸７を中心として反時計方向の回動力を受けるので可動接点４ａは反発接点３ａから開離を開始する。なお、この開離より前に、反発接触子３と可動接触子４に流れる電流の方向が反対であることに伴う電磁反発力により、反発接触子３と可動接触子４はお互い離れ合う方向、すなわち、反発接触子３は軸３ｂを回動中心として時計方向に、可動接触子４は軸７を回動中心として反時計方向に、それぞれ動作する。この際に両接点間に発生するアークは、消弧板５によって速やかに消弧され、遮断、いわゆるトリップ動作が完了する。
【００２０】
以上、これまでの説明で明らかなように、「ＳＰＤ保護用の回路遮断器」といっても、これ用に何らかの細工、あるいは部材を追加している訳ではなく、あくまで周知の、しかも汎用の回路遮断器での対応を意図している。然るに、汎用の回路遮断器であっても、直撃雷の侵入時に、両接点間を溶着させることなく、いかにこの両接点を開離させたか、換言すれば、電流リレー１７を作動させるための電流値をどのようにして導き出したかを、以下に詳しく説明する。
【００２１】
まず、ＳＰＤに係わる雷サージ電流の波形は、ＪＩＳ  Ｃ−５３８１−１（低圧配電システムに接続するサージ保護デバイスの所要性能及び試験方法）およびこの解説にて、ＳＰＤの配設目的に応じて、このＳＰＤをクラスＩ（直撃雷を想定）およびクラスＩＩ（誘導雷を想定）に分類した上で、下記のように定めている。
クラスＩ    波頭長：１０マイクロ秒、波尾長：３５０マイクロ秒
クラスＩＩ  波頭長：  ８マイクロ秒、波尾長：  ２０マイクロ秒
よって、ここでは、より条件の厳しい（ピーク値が同じだとしても、波形で比較した場合、クラスＩはクラスＩＩの約３０倍のエネルギーＩ２ｔを有する）クラスＩに適用されるＳＰＤの保護を目的とした。また、回路遮断器としては、下記に示す汎用の２つの機種を選定した。
試料１：２５０ＡＦ、定格電流２２５Ａ、瞬時引き外し電流値３１５０Ａ
試料２：４００ＡＦ、定格電流４００Ａ、瞬時引き外し電流値４０００Ａ
（ＡＦ：アンペアフレーム）
さらに、溶着、および引き外し有無を確認するにあたり、前述の雷サージ電流に対し、負荷電流を重畳した（つまり、回路遮断器（試料１および２））の設置箇所は、図２（ロ）とした）。
【００２２】
前述した条件による実験結果を図３および４に示す。まず、図３では、雷サージ電流が流れた（イ）あと、負荷電流が一時的に流れていない期間が発生（ロ）し、以降、再び負荷電流が流れている（ハ）。つまり、雷サージ電流によって可動接点４ａが浮き上がった（ロ）ものの、電流引き外し素子５３が動作せず、両接点間が再閉極（ハ）してしまっている。したがって、浮き上がりによる発弧、さらには再閉極による溶着を起こした可能性が極めて高い（この実験結果が、「発明が解決しようとする課題」０００８で述べた内容の根拠である）。一方、図４では、雷サージ電流が流れた（イ）あとは、負荷電流が流れていない（ロ）、つまり、再閉極を起こしていない。したがって、可動接点４ａが浮き上がったあと、電流引き外し素子５３が応動して、可動接触子４を機械的に開極せしめたことがわかる。
【００２３】
この２つの実験結果、すなわち、接点浮き上がり（図３）と瞬時動作（図４）を、前述した２つの機種で行った、それぞれの最小のピーク値を、いわゆる回路遮断器の特性グラフにプロットしたのが図５である。この図からもわかるように、雷サージ電流通過時における接点浮き上がり電流値は、
試料１：８ｋＡ（ピーク値）
試料２：１４ｋＡ（ピーク値）
一方、雷サージ電流通過時における瞬時引き外し電流値は、
試料１：２５ｋＡ（ピーク値）
試料２：２８ｋＡ（ピーク値）
であった。この結果より、発明者たちは、以下の記述を見出した。すなわち、商用周波数成分での引き外しと雷サージ電流での引き外しでは、
試料１：２５ｋＡ／４４５０Ａ≒５．６２        （４４５０Ａはピーク値換算）
試料２：２８ｋＡ／５６６０Ａ≒４．９５        （５６６０Ａはピーク値換算）
という具合に約５倍の開きがある、という点である。
【００２４】
この「５倍」という結果に、発明者たちは大いに着目した。つまり、「発明が解決しようとする課題」０００８で述べた関係を、０００７で述べた関係に戻す、よりわかり易く述べると、
雷サージ電流で                    雷サージ電流で
可動接点が浮き上がる電流値（Ｃ）＞電流引き外し素子が動作する電流値（Ｄ）
とするには、前述した接点浮き上がり時の電流値を５で除した値でもって、商用周波数成分における瞬時引き外し電流値とすればよいことになる。これを具体的に数値化すると、
試料１：  ８ｋＡ／５＝１．６ｋＡ（実効値換算：１．１ｋＡ）
試料２：１４ｋＡ／５＝２．８ｋＡ（実効値換算：２．０ｋＡ）
となり、さらにこの値は定格電流に対しては、
試料１：１．１ｋＡ／２２５Ａ≒４．８９
試料２：２．０ｋＡ／４００Ａ＝５
となることから、瞬時引き外し電流値を定格電流の５倍に設定すれば、雷サージ電流通過時における両接点間の溶着を防止することが期待できる。
【００２５】
より現実的には裕度を考え、定格電流の４倍以下に設定しておくことが好ましい。つまり、汎用の回路遮断器の瞬時引き外し電流値が、それぞれ、
試料１：１４倍（３１５０Ａ／２２５Ａ）
試料２：１０倍（４０００Ａ／４００Ａ）
であることに対し、電流リレー１７の、例えばバネ定数を見直し４倍以下に変更するだけで、「ＳＰＤ保護用回路遮断器」として機能させることが可能となる。
【００２６】
ここで、瞬時引き外し電流値を下げることは、不要（トリップ）動作を招く恐れが高いことから、一般的には好まれない傾向にあるが、このＳＰＤ保護にあっては、図２で示したように、該回路遮断器をＳＰＤ専用で設置している（前出のＪＩＳ  Ｃ−６０３６４−５−５３の図５３Ａに相当）ことから、常時は負荷電流が流れないため、不要動作を心配する必要はない。また、言うまでもないが、本発明の本質である、「溶着防止のためのトリップ動作」を仮に行ったとしても、両接点が開極される前に、直撃雷（１０／３５０マイクロ秒）にしろ、誘導雷（８／２０マイクロ秒）にしろ、これら雷サージ電流がＳＰＤを介して問題なくアースに放電されるため、負荷機器に対する雷サージ保護に何ら支障を来たすことはない。
【００２７】
なお、前述したように、実験にあたり負荷電流を重畳させたため、該回路遮断器の配設箇所を図２の（ロ）としたが、実際のＳＰＤ保護システムで、この設置（ＪＩＳ  Ｃ−６０３６４−５−５３の図５３Ｂに相当）を行った場合、万が一、ＳＰＤが内部短絡などの故障を起こした際、回路遮断器がトリップすることで、ＳＰＤを交換するまで負荷機器には電力を供給させない、換言すると、常に負荷機器に対する雷サージ保護を優先させる、という使用目的では合致するものの、瞬時引き外し電流値を下げたことに伴う、例えば、負荷機器の始動突入電流での不要動作の可能性が極めて高くなる。そこで、例えば、図２の（ハ）に別の汎用の回路遮断器を設置し、ＳＰＤ保護用回路遮断器（イ）がトリップしたら、（ハ）の回路遮断器もトリップするようインターロックを架けておけば、電力供給の継続と雷サージ保護の両立が可能となって好ましい。いずれにしろ、このＳＰＤ保護用回路遮断器は、瞬時引き外し電流値を下げたことを鑑み、あくまで「ＳＰＤ」専用として使用したほうがよい。
【００２８】
このように、汎用の回路遮断器の瞬時引き外し電流値を下げるだけで、安価なＳＰＤ保護用回路遮断器を提供できるので、ＳＰＤ保護システムの対費用効果が改善される。また、この回路遮断器の溶着を防止できるので、該ＳＰＤ保護システムの信頼性の向上を図ることができる。なお、溶着を防止するためにトリップさせるという前提を鑑みた場合、該回路遮断器に警報スイッチを内蔵し、この出力接点を活用して、トリップの認知（雷サージ電流の通過）、さらには、この認知を踏まえた再投入作業を行うことが好ましい。また、前述した山頂の無人中継局など、トリップ時の対応が困難な場合は、例えば、該回路遮断器に電気操作装置を併設し、上述した出力接点を含めた、蓄電池によるＤＣ電源で再投入可能な制御回路を構成すればよい。さらにまた、警報スイッチの応動が、上述した雷サージ電流の通過、すなわち、接点浮き上がり以上の雷サージ電流のＳＰＤにおける処理を表していることで、例えば、この応動をカウントすれば、ＳＰＤの使用頻度がわかる、といった副次的効果も期待できる。
【００２９】
本発明の本質である、引き外し電流値の選定方法は、前述した通りであるが、この選定にあたっての一つの指針でもある「雷サージ電流通過時における瞬時引き外し電流値」は実験に因らず、例えば、該回路遮断器の許容Ｉ２ｔから推定することで導き出してもよい。すなわち、図５に示すように、各試料の商用周波数成分における動作ポイントである、
試料１：４０００Ａを２０ミリ秒で遮断
試料２：３１５０Ａを２０ミリ秒で遮断
から、許容Ｉ２ｔを算出（試料１−（イ）、試料２−（ロ））し、３５０マイクロ秒で交差する点での電流値、とする考え方である。実際に引き外しに至った２５ｋＡ（試料１）、および２８ｋＡ（試料２）とも、それぞれの許容Ｉ２ｔに近似していることからも、凡その目安を見極めるうえでも効果的である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】この発明の実施の形態１における回路遮断器の断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１におけるＳＰＤ保護システムの構成図である。
【図３】図２において雷サージ電流をＳＰＤに注入させたときの電流波形図である。
【図４】図２において雷サージ電流をＳＰＤに注入させたときの電流波形図である。
【図５】試験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３１】
１  カバー、２  ベース、３ａ  反発接点、４ａ  可動接点、１７  電流リレー、
５１  遮断機構、５２  トグルリンク機構、５３  電流引き外し素子、９８  母線、
９９  アース、１００  負荷機器、１０１  回路遮断器、１０２  ＳＰＤ。
【図１】
2008270135.tif 000003
【図２】
2008270135.tif 000004
【図３】
2008270135.tif 000005
【図４】
2008270135.tif 000006
【図５】
2008270135.tif 000007