(57)【要約】【課題】保護機器を磁気シールドしなくても、高磁場環境下においても正常動作する低圧配電系統の配線保護機器や負荷の制御と保護を行う制御保護機器を有する、簡単な保護装置を提供する。【解決手段】１６０ガウス以上の高磁場環境における低圧配電系統保護装置において、配電線路に高磁場適用ヒューズ４、高磁場適用開閉器５及び高磁場適用サーマルリレー６を設け、上記高磁場適用ヒューズ４は絶縁性の筒内に銀リボンないし単一の金属からなるエレメントを張り、周りを消弧砂で満充填した構成とし、上記高磁場適用開閉器５はソリッドステートコンタクタとし、上記高磁場適用サーマルリレー６はバイメタル以外の可動部を非磁性体とした構成とした。【選択図】図１
2005204400.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１３０ガウス以上の高磁場環境における低圧配電系統保護装置において、過負荷電流保護機能を担う機器として配電線路に高磁場適用開閉器及び高磁場適用サーマルリレーを設け、上記高磁場適用開閉器はソリッドステートコンタクタとし、上記高磁場適用サーマルリレーはバイメタル以外の可動部を非磁性体とした構成としたことを特徴とする、高磁場環境における低圧配電系統保護装置。
【請求項２】
１６０ガウス以上の高磁場環境における低圧配電系統保護装置において、短絡電流保護機能を担う機器として配電線路に高磁場適用ヒューズを設け、上記高磁場適用ヒューズは絶縁性の筒内に銀リボンないし単一の金属からなるエレメントを張り、周りを消弧砂で満充填した構成としたことを特徴とする、高磁場環境における低圧配電系統保護装置。
【請求項３】
１６０ガウス以上の高磁場環境における低圧配電系統保護装置において、配電線路に高磁場適用ヒューズ、高磁場適用開閉器及び高磁場適用サーマルリレーを設け、上記高磁場適用ヒューズは絶縁性の筒内に銀リボンないし単一の金属からなるエレメントを張り、周りを消弧砂で満充填した構成とし、上記高磁場適用開閉器はソリッドステートコンタクタとし、上記高磁場適用サーマルリレーはバイメタル以外の可動部を非磁性体とした構成としたことを特徴とする、高磁場環境における低圧配電系統保護装置。
【請求項４】
１６０ガウス以上の高磁場環境における低圧配電系統の保護機器の選定方法において、配電線路に高磁場適用ヒューズ、高磁場適用開閉器及び高磁場適用サーマルリレーを選定し、上記高磁場適用ヒューズは絶縁性の筒内に銀リボンないし単一の金属からなるエレメントを張り、周りを消弧砂で満充填した構成とし、上記高磁場適用開閉器はソリッドステートコンタクタとし、上記高磁場適用サーマルリレーはバイメタル以外の可動部を非磁性体としたことを特徴とする、高磁場環境における低圧配電系統の保護機器の選定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高磁場環境においても正常に作動する低圧配電系統保護装置及び低圧配電系統保護機器の選定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
核融合実験炉ではプラズマを閉じ込めるために強力な磁場を必要とするため、漏れ磁場が生じることとなり、周囲機器に影響を与える。この実験炉におけるクライオスタット外壁部の漏れ磁場は、２０００ガウス以上に達しているが、このような場所においても測定機器等のための低圧配電線路を設ける必要がある。
一方、通常の低圧配電系統では電源から負荷までの間に、配線を保護するための保護機器と、負荷の制御と保護を行う制御保護機器が設置されている。
【０００３】
この単純化した低圧配電系統を図３に示す。現在、わが国では配線を保護する保護機器としては配線用遮断器（ＭＣＣＢ：Molded Case Circuit Breaker）が一般的である。ＭＣＣＢは事故時の短絡電流や過負荷電流から電線が溶断したり焼損したりすることを防ぐため過電流を自動的に検出し遮断する機能を持つ。負荷の制御には電磁接触器（ＭＣ：MagneticContactor）が一般的に用いられており、これは電磁石の励磁により接点を開閉し電路の開閉を行う装置であって、負荷の制御が目的のため、短絡電流は遮断できず、遮断可能電流は過負荷領域までである。負荷としてモータを使う場合は、過負荷によるモータの焼損を防ぐために、ＭＣにサーマルリレー（ＴＨＲ：ThermalRelay）を組み合わせた電磁開閉器（ＭＳ：Magnetic Switch）を使うのが一般的である。ＴＨＲはバイメタルを用いた熱動形過負荷検出リレーであり、過負荷電流が流れた場合にＭＣの励磁をオフして電路を開にしモータの焼損を防ぐものである。
【０００４】
これらの低圧配電系統の保護機器や負荷の制御と保護を行う制御保護機器は、上記核融合実験炉の周囲のような２０００ガウスという高磁場環境においては、動作に異常が現われ、使用に耐えないことを我々は実験により確認した。
実験によると配線用遮断器は約１６０ガウス以上、電磁接触器は約１３０ガウス以上で異常を示した。
【非特許文献１】「三菱ノーヒューズ遮断器  技術資料集」第６７頁、三菱電機株式会社作成、２００２年３月発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、このような、高磁場環境下で正常動作する低圧配電系統の保護機器や負荷の制御と保護を行う制御保護機器は存在しておらず、またこれに関する情報も知られていないのが現状である。また、低圧配電系統の各保護機器を磁気シールドすることも考えられるがコストの面で採用できないし、保護機器への磁気シールドのシミュレーションを行って、磁気シールドの可能性を検討してみたが、磁界を充分に下げることはできなかったため、他の手段を検討する必要に迫られた。
【０００６】
この発明は、これらの点に鑑みて為されたものであり、保護機器を磁気シールドしなくても、高磁場環境下においても正常動作する低圧配電系統の配線保護機器や負荷の制御と保護を行う制御保護機器を有する、簡単な保護装置及び保護方法を提供し、上記課題を解決しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明は、１３０ガウス以上の高磁場環境における低圧配電系統保護装置において、過負荷電流保護機能を担う機器として配電線路に高磁場適用開閉器及び高磁場適用サーマルリレーを設け、上記高磁場適用開閉器はソリッドステートコンタクタとし、上記高磁場適用サーマルリレーはバイメタル以外の可動部を非磁性体とした構成とした、高磁場環境における低圧配電系統保護装置である。
また、請求項２の発明は、１６０ガウス以上の高磁場環境における低圧配電系統保護装置において、短絡電流保護機能を担う機器として配電線路に高磁場適用ヒューズを設け、上記高磁場適用ヒューズは絶縁性の筒内に銀リボンないし単一の金属からなるエレメントを張り、周りを消弧砂で満充填した構成とした、高磁場環境における低圧配電系統保護装置である。
【０００８】
また、請求項３の発明は、１６０ガウス以上の高磁場環境における低圧配電系統保護装置において、配電線路に、短絡電流保護機能として高磁場適用ヒューズ、過負荷電流保護機能及び開閉機能として高磁場適用開閉器及び過負荷電流検出機能として高磁場適用サーマルリレー（ＴＨＲ）を使用して、これらを組み合わせたシステム構成とし、上記高磁場適用ヒューズは絶縁性の筒内に銀リボンないし単一の金属からなるエレメントを張り、周りを消弧砂で満充填した構成とし、上記高磁場適用開閉器はソリッドステートコンタクタ（ＳＳＣ）とし、上記高磁場適用サーマルリレーはバイメタル以外の可動部を非磁性体とした、高磁場環境における低圧配電系統保護装置である。
また、請求項４の発明は、１６０ガウス以上の高磁場環境における低圧配電系統の保護機器の選定方法において、配電線路に高磁場適用ヒューズ、高磁場適用開閉器及び高磁場適用サーマルリレー（ＴＨＲ）を選定し、上記高磁場適用ヒューズは絶縁性の筒内に銀リボンないし単一の金属からなるエレメントを張り、周りを消弧砂で満充填した構成とし、上記高磁場適用開閉器はソリッドステートコンタクタ（ＳＳＣ）とし、上記高磁場適用サーマルリレーはバイメタル以外の可動部を非磁性体とした、高磁場環境における低圧配電系統の保護機器の選定方法とした。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１乃至４の発明によれば、高磁場中であっても、磁気シールドをしなくても、低圧配電系統の保護が可能となった。また、この発明の保護装置又は方法では、どの向きの磁界にも、また、静磁界だけでなく変動磁界にも対応できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
低圧配電系統保護装置の各機器を、高磁場中で影響の受けないものに選定し又は改良した。
【実施例１】
【００１１】
図１はこの発明の低圧配電系統保護装置の概略構成を示し、電源と負荷が１対１に対応した単純な系統とした。この発明の特徴は、電源１から負荷２にいたる配電線路３に、特に短絡電流保護機能として高磁場適用ヒューズ４、過負荷電流保護機能及び開閉機能として高磁場適用開閉器５、及び、過負荷電流検出機能として高磁場適用サーマルリレー６を設けたことである。
【００１２】
この高磁場適用ヒューズ４の構造は、図２に示すように、セラミックス円筒４１内に銀リボンからなるヒューズエレメント４２をわたし、まわりを消弧用硅砂４３で満充填したものであり、上記セラミックス円筒４１の両端にキャップ４４、４４を被せ、各キャップの外側に端子４５、４５を設け、これらの各端子４５と上記ヒューズエレメント４２を電気的に接続したものである。そして過電流通電時にはヒューズエレメント４２が溶融、蒸発した金属蒸気が満充填の硅砂４３に衝突して通電路への拡散が阻止され、通電路が絶縁物化することで、電流遮断する。
【００１３】
このような消弧砂を充填し、エレメントを合金とした低圧配電系統用ヒューズは従来からあったが、低圧配電系統用では、消弧砂をそれほど充填しなくても十分にアークに対応することができ、また、従来、２０００ガウスという高磁場自体も存在しなかったため、高磁場の影響を受けにくいという知見が従来なく、高磁場に用いられたことがなかった。
【００１４】
本発明者は、高磁場における低圧配電系統保護装置として使用可能な機器を見出そうと、各種電気機器をスクリーニングする過程の中で、ヒューズエレメントの低圧配電系統における挙動、すなわち磁場のない通常の環境における挙動と、高磁場における挙動とが、まったく、相違していること、つまり、磁場のない低圧配電系統では、ヒューズエレメントはなんら影響を受けないのに対し、２０００ガウスの高磁場では、ヒューズエレメントは、電磁力により大きく振動することに気づき、この振動を抑制する手段として、消弧砂を満充填したヒューズエレメント構成を採用した。
【００１５】
また、この発明では、ヒューズエレメントを合金ではなく、銀リボンないし単一金属としたが、これは、合金エレメントヒューズの高磁場環境における特性試験を実施したところ、過負荷電流領域において、ヒューズに対する磁場の方向により溶断時間が大きく変化するという結果を得たためである。
このような合金エレメントヒューズを高磁場環境で使用する場合、ヒューズの磁場方向による溶断時間変化範囲の測定・評価が必要となり、ヒューズ選定が煩雑となる。したがって合金エレメントヒューズを高磁場環境で使用することには問題があり、過負荷電流、短絡電流のいずれに対しても速断性のある銀リボンないし単一金属を用いたエレメントのヒューズとした。
【００１６】
上記ヒューズとして、具体的には、日之出電機製作所製５００ＧＡ５０および５００ＧＢ１００を２０００ガウスの高磁場中で、試験した結果、磁場中で正常動作することを確認した。消弧砂の満充填は、磁場中でエレメントが受ける電磁力による振動を消弧砂で受ける構成となることから、単に遮断時の溶断時間特性のみならず、磁場中での繰り返し通電による機械的劣化に対しても一定の効果が期待できる。これ以外のヒューズについても単一金属又は銀リボンから成るヒューズエレメントの周りを硅砂で満充填した構造を持つ低圧限流ヒューズであれば同様に作用すると考えられる。また、さらにヒューズホルダーも非磁性材料を用いる。
【００１７】
上記高磁場適用開閉器５には、ソリッドステートコンタクタ（ＳＳＣ）を採用した。このソリッドステートコンタクタは、半導体として逆並列接続されたサイリスタを用いており、ＤＣ１２〜２４Ｖの制御信号でサイリスタを制御する、本来スイッチング素子であるため、異常電流を遮断して電気機器や電力系統を保護する機能の無い素子であるが、この発明では、このような単なるスイッチを、高磁場用サーマルリレーとともに使用することにより、高磁場用遮断器として使用した点に他の特徴がある。実際に２０００ガウスの高磁場中でＳＳＣの動作試験を実施した。試験に使用したＳＳＣは三菱電機製  ＵＳ−Ｋ２０ＳＳＴＥおよびその駆動ユニットＵＡ−ＳＨ１である。試験項目は、開閉特性、閉状態における電流零点での無通電時間、開状態における主回路漏れ電流、主回路電流波形である。
【００１８】
磁場の有無でＳＳＣの動作に違いは見られず、磁場中でも正常動作した。磁場中でのＳＳＣの動作確認試験は主回路電流が数アンペアと小電流で行ったが、原理的に半導体に磁場が影響するとは考えられず、磁場中でもＳＳＣは使用可能であるといえる。
また、動作確認試験を行ったＳＳＣ（ＵＳ−Ｋ２０ＳＳＴＥ）は小容量品のためサイリスタの冷却は自然空冷であるが、大容量のＳＳＣには通常冷却ファンが用いられている。磁場中では電磁現象を利用したファンの使用は適さないため、放熱フィンを大型化する等の対応が必要となる。さらに、圧電素子やペルチェ素子を用いて冷却することもできる。
【００１９】
上記高磁場適用サーマルリレー６は、従来のサーマルリレー（ＴＨＲ）を改良した改良型ＴＨＲを用いた。ＴＨＲは熱動形過電流継電器であり、モータの過負荷保護に用いられる。ＴＨＲでは過電流がある時間以上流れると、その発熱による温度上昇でバイメタルが湾曲し過電流を検出する。ＴＨＲは原理的に電磁的な作用を用いていないために磁場中でも正常動作が期待される。しかし、ＴＨＲ標準品では機構部に磁性体である鉄部品を可動部として使用しており、磁場中では鉄部品が磁化し互いに吸着することで動作に支障がでる恐れがある。  そこで、ＴＨＲの可動部の鉄部品に代えて、これを非磁性材料にし、改良型ＴＨＲとしたのである。
【００２０】
２０００ガウスの高磁場中で正常動作を確認した改良型ＴＨＲとしては、三菱電機製  ＴＨ−Ｎ２０の最も磁場の影響を受け易いと考えられる可動部の部材を非磁性材料に変更しただけで、対応可能であった。一般のバイメタルには、磁性体である鉄やニッケル合金が使われていて、ＴＨＲのバイメタルもそれが使われている。磁場中での使用を考えればバイメタルも非磁性体に変更すべきであるが、バイメタル材料の変更はＴＨＲの再設計が必要であり新機種の開発となってしまう。上記ＴＨ−Ｎ２０の構造上、磁性体であるバイメタルに磁場が働いても影響は少ないと考えられるため、敢えてバイメタル材料は変更しなかったが、この改良型ＴＨＲが磁場中でも正常動作したことから、ＴＨ−Ｎ２０はバイメタルの非磁性化をしなくても可動部の鉄部材を非磁性化することだけで高磁場中でも対応できることが明らかになった。
【００２１】
以上の機器の組み合せからなるシステムを構成し、評価試験を実施した。試験に使用した機器の組み合わせは以下の通りである。
・ 日之出電機製作所製ヒューズ５００ＧＡ５０Ａ
・ 三菱電機製ソリッドステートコンタクタＵＳ−Ｋ５０ＳＳＴＥ
（駆動ユニットＵＡ−ＳＨ１付）
・ 三菱電機製サーマルリレーＴＨ−Ｎ２０（改良型）
今回の組み合わせシステムにおいて、過負荷電流領域では主としてソリッドステートコンタクタにより遮断し、短絡電流領域ではヒューズにより遮断する保護分担としている。
組み合せ試験の条件は表１の通りとし、過負荷電流遮断試験および保護協調試験を実施した。
【００２２】
【表１】
2005204400.tif 000003
【００２３】
試験の結果、いずれの条件においても、サーマルリレー、ソリッドステートコンタクタの破損が発生することなく、異常電流を正常に遮断できることが確認できた。また磁場の有無および印加方向による顕著な遮断特性変化は確認されなかった。
組合せ試験の結果から、上記組合せシステムにより２０００ガウスの高磁場中での過負荷電流保護が可能である。
またヒューズ単体による２０００ガウスの高磁場中での遮断試験の結果、磁場の有無および印加方向による遮断特性の顕著な差は見られなかったことから、上記組み合わせシステムによる短絡電流保護についても可能であると考えられる。
またさらに、配電系統が複雑になり、電源から負荷への配線が分岐し、一つの電源に対して複数の負荷が対応するようになっても事情は変わらない。この場合は母線上位の保護装置（ヒューズ+ＳＳＣ+ＴＨＲ）があり、各分岐回路には下位の保護装置が必要になるが、通常の配電系統の保護装置と同様にそれぞれの保護装置間で時限保護協調を図ることは可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】この発明の実施の形態例の概略構成図である。
【図２】この発明の実施の形態例に使用したヒューズの断面図である。
【図３】従来の低圧配電系統保護装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００２５】
１    電源                          
２    モータ
３    配電線路                      
４    高磁場適用ヒューズ
５    高磁場適用開閉器              
６    高磁場適用サーマルリレー  
【図１】
2005204400.tif 000004
【図２】
2005204400.tif 000005
【図３】
2005204400.tif 000006