(57)【要約】回路を閉じるために接触可能な、若しくは回路を遮断するためになんらかの適切な機構（８）によって互いに引き抜くことができる第１及び第２の電極（２、４）を有する回路遮断器を開示する。回路の遮断中にアークが生成される。回路遮断器は少なくともアーク点弧の際に電極の周りに大気圧以下のガス圧を提供するための手段（１２及び／又は４、１６）を有する。また、アークの作用によって融除される電極の近傍に配置されたシールド（１６）を有する。シールドの配置及び材料は、融除の際にアーク消孤を補助するためにガスを放出するように選ばれる。
2006505108.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気回路を閉じるために互いに接触可能な第１及び第２の電極と、
前記回路を遮断するために一方の電極を他方の電極から離すための引抜機構と、
少なくとも前記電極の近傍で前記回路の遮断中に前記電極間のアーク点弧の瞬間に大気圧以下のガス圧を与えるための手段と、
前記アークによる融除を受けるように前記電極に近接して配置されたシールドとを備え、
前記シールドの材料及び配置は、前記アークによる前記融除がアーク消弧ガスを放出させるようになっている回路遮断器。
【請求項２】
前記シールドは、アーク生成がその中で起こるキャビティを形成する請求項１に記載の回路遮断器。
【請求項３】
前記シールドがポリマー材料を備える請求項１又は２に記載の回路遮断器。
【請求項４】
前記シールドがＰＴＦＥを備えるいずれかの前記請求項に記載の回路遮断器。
【請求項５】
前記電気回路を遮断する過程で前記第１及び第２の電極の前記近傍からガスを引き抜くための手段を備え、それにより前記近傍の圧力を一時的に低下させるいずれかの前記請求項に記載の回路遮断器。
【請求項６】
ガスを引き抜くための前記手段がピストン／シリンダ配置を備える請求項５に記載の回路遮断器。
【請求項７】
前記ピストンが前記第１及び第２の電極の一方によって形成される請求項６に記載の回路遮断器。
【請求項８】
前記シリンダが前記シールドによって形成される請求項６又は７に記載の回路遮断器。
【請求項９】
前記電極と前記シールドとを含有する密閉箱を備え、該密閉箱が背景ガスを含有するいずれかの前記請求項に記載の回路遮断器。
【請求項１０】
前記背景ガス圧が準大気圧である請求項９に記載の回路遮断器。
【請求項１１】
前記背景ガスが窒素、アルゴン、二酸化炭素及び空気の少なくとも１つを備える請求項９又は１０に記載の回路遮断器。
【請求項１２】
前記背景ガスが６０ｋＰａ以下の圧力である請求項９から１１までのいずれかに記載の回路遮断器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回路遮断器に関する。
【背景技術】
【０００２】
回路遮断器は一般に、通常は互いに接触状態に維持され、それによって電気接触がなされる一対の電気接点を利用する。回路を、例えば障害状態の検知時に遮断するためには、一方の接点が他方の接点に対して移動して、２つの接点を分離する。接点が離れると、両接点間の電位勾配により、アークが生成される。高い電圧が必要とされる場合においては、回路遮断器への過度の損害及び他の付随する危険を防ぐために、このアークが消弧されるように構成をする必要がある。
【０００３】
アークを消弧するために、高圧（一般に６００ｋＰａ（６気圧）の範囲内）の六フッ化硫黄（ＳＦ６）からなる背景ガスで充填された密閉容器中に接点を配置することがよく知られている。ガスは加圧により増大する誘電特性によって選択され、それによりアーク生成が低減される。そのような回路遮断器は、たとえば商用電力供給路で使用される変電所及び開閉所において使用されている。
【０００４】
いくつかの例では、ガスの効果は、回路遮断器の可動式電極に連結されたピストンの「パッファ（ｐｕｆｆｅｒ）」配置によって、電極が離れるとガスの流れがそれらを通り越すように配置することによりさらに促進される。米国特許第４３３９６４１号（Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）はそのような配置を開示している。
【０００５】
同文献は、それによってアークをある程度閉じ込めることができる誘電材料で形成される、電極周りのシールド又はノズルの設備を示している。この構成要素の設計は、他の目的のうち、アーク消弧用のガス圧を最大にし、ノズル材料の融除を最小にするように意図されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
六フッ化硫黄は効力の高い温室ガス（ＣＯ２よりも数桁効力が高い）として認識され、それゆえに、それを不要にするための公的推奨と重要な商業的報奨の両方が存在する。現在の活発な研究主題である１つの取り組みは代替の誘電ガスを探すことである。そのような研究は高圧の使用に基づいており、それはＳＦ６を使用する回路遮断器においては既知であった。文献で知られる選択肢は、他のより低害なガスと混合してＳＦ６をある割合で使用することであるが、明らかにＳＦ６を不要にする目的はそれによっては達成されていない。
【０００７】
アーク消孤に誘電ガスを利用せず、代わりに真空容器中に電極を有する高電圧回路遮断器が知られている。しかしながら、そのような装置においては、アークは一般に、電極の耐用年数を減少させ、望ましくない程度の電極自体の融除を引き起こすのに十分な温度を生じる。
【０００８】
低圧で動作する回路遮断器の一例は英国特許出願第２０８７６５１号（Ｗｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ他）によって提供されている。これは接点において低い電流密度を有する装置であり、低いガス圧が「接点の腐食を最小化するため」に役立つと思われる。接点周辺の環状シールドは熱い腐食材料を遮断するために役立つ。
【０００９】
実験において、本発明者らは、背景ガス圧を大気圧以下に減少させる場合にアーク消弧を促進できることを思いがけなく観察した。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様によれば、電気回路を閉じるために互いに接触可能な第１及び第２の電極と、前記回路を遮断するために一方の電極を他方の電極から離すための引抜機構と、少なくとも前記電極の近傍で前記回路の遮断中に前記電極間のアーク点弧の瞬間に大気圧以下のガス圧を与えるための手段と、前記アークによる融除を受けるように前記電極に近接して配置されたシールドとを備え、前記シールドの材料及び配置は、前記アークによる前記融除がアーク消弧ガスを放出させるようになっている回路遮断器がある。
【００１１】
疑いを避けるために、この文脈における大気圧は１０１３２５Ｐａである。
【００１２】
本発明によれば、低いガス圧が利用されるにもかかわらず、事実それによって有効な回路遮断器を構成できることを実験によって発見した。これは予想に反する。
【００１３】
シールドはアーク生成がその中で起こるキャビティを形成することができる。このようにして、所望の融除及びガスのアーク消弧効果を増大させることができる。キャビティ内の圧力はアークの効果によって一時的に増大し、アーク消弧をさらに改善することができる。
【００１４】
好ましくはシールドは電気絶縁材料を備える。
【００１５】
好ましくは電極及びシールドは、背景ガスをさらに含有する密閉箱中に含有される。従って、密閉箱中に適切なガス圧を与えることにより電極の近傍に準大気圧を与えることができる。
【００１６】
背景ガスはＳＦ６等の誘電ガスを備える必要はない。現時点における好ましいガスは窒素である。アルゴン、二酸化炭素及び空気は潜在的な代替物である。
【００１７】
密閉箱内の背景ガス圧は６０ｋＰａ以下であることが好ましい。３４ｋＰａ（５ｐｓｉ）がより好ましいと考えられている。７ｋＰａ（１ｐｓｉ）以下の圧力の効果は今日まで完全には研究されていないが、７ｋＰａ（１ｐｓｉ）以上の圧力が望ましいと現在考えられている。
【００１８】
電極の近傍に必要な圧力を与えるための代替又は追加の手段は、電気回路を遮断する過程でこの近傍からガスを引き抜くための手段を備える。従って、圧力はこの近傍で一時的に低下する。ガスを引き抜くためにピストン／シリンダ配置を使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の詳細な実施の形態について、例示のみを目的として、以下に添付の図面を参照して説明する。
【００２０】
図１及び図２に示すように、本発明の実施の形態に係る回路遮断器は、円筒状の可動式電極４に同軸に取り付けられた管状の固定電極２を備える。可動式電極４は固定電極２の滑り嵌め（ｓｌｉｄｉｎｇ  ｆｉｔ）である。図１は、純粋に概略的に示す付随電気回路６を遮断するために、固定電極から引き抜かれる可動式電極を示す。しかしながら（通常の動作条件下におけるように）回路遮断器が閉じられる場合、可動式電極は固定電極に接触して回路６を閉じる。より詳細には、本実施の形態では、可動式電極４の端部は固定電極２の内部に受容されて接触する。
【００２１】
可動式電極４は、概略的に示す引抜機構８に連結される。適切な機構は当技術分野でよく知られており、それらの機能は電極軸の方向に沿って可動式電極４を迅速に引き抜くことであるが、それらについては、標準タイプの油圧アクチュエータが使用できること、及び気圧又はソレノイド作動装置が可能な代替物であることを述べ、本明細書では詳細に説明しない。
【００２２】
電極は、本実施の形態においては金属管として形成される密閉箱１２中に収容される。密閉箱は、その性質及び目的を以下で述べる、回路遮断器の使用前に導入される背景ガスを電極の周りに維持するために役立つ。引抜機構８は、この実施の形態では密閉箱１２の外側に配置され、可動式電極４は、引抜機構８に到達するために、シールグランド１４（それによってこの領域中のガスの通過が妨げられる）を通じて密閉箱から突出する。
【００２３】
また、密閉箱１２内に配置され、電極２及び４の近傍にあるのは、絶縁シールド１６である。本実施の形態においては、シールドは、その内部に可動式電極４が延びる環状の本体である。接点遮断器が閉じられると、可動式電極４はシールド１６の外部に突出して固定電極２に接触する。
【００２４】
他の材料を使用することができるが、本発明者らは絶縁シールド１６にポリマー材料を推奨する。現時点における好ましい材料はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）である。シールドは一方の電極、本実施例においては可動式電極４を部分的に囲み、その周りに密接して位置する「密接シールド」と呼ばれるタイプである。
【００２５】
電極及びシールドの特定の配置及び構成は単に一例として提示されるものであり、他の実施の形態においては異なることがある。
【００２６】
本例示的な実施の形態の背景ガスは２５ｋｐａ（３．７ｐｓｉ）の圧力の窒素（Ｎ２）である。実験において、図示する回路遮断器は高い誘電特性を有する背景ガス（例えばＳＦ６）の欠如にもかかわらず良好に動作すること、及びそのガスが低圧であるという事実を発見した。これは予想に反する。この良好な性能はシールドと準大気圧の背景ガスとの両方の存在によるものであると本発明者らによって考えられている。本発明者らは、図示する回路遮断器において、背景ガス圧を大気圧以下に低下させることにより、融除促進アーク消弧が増大されることを発見した。
【００２７】
本発明の性能についての特定の説明を参照することにより本発明を限定する意図はないが、低背景ガス圧の効果は、従来の高圧で動作する装置で生成されるアークと比較して、回路の遮断時に生成されるプラズマアークをより幅広く広がらせることであり、それによりシールド１６の融除を増大させると考えられる。シールドはアークの存在下でガス形態に融除する材料を備える。例示的な実施の形態においては、ＰＴＦＥシールドはアーク誘導融除が可能であり、反応において優れたアーク消弧特性を有するフッ素及びフッ化物を生成することが知られている。化学反応は四フッ化炭素（ＣＦ４）及びＣ２Ｆ６を含むガスを生成する。その生成工程はＰＴＦＥモノマーの昇華及びそれらの解離を含み、それらの工程はそれ自体吸熱性である。本発明者らは、アークの電流及び持続時間、並びにシールドから融除される質量に基づいて、アークのエネルギーのおおよそ３０％が実験例においてシールド材料の融除に費やされ、アーク消弧を補助することを算出した。融除された材料はまた、アーク消弧ガスの「化学パフ」を与える。その効果は、背景ガスとしてのＳＦ６の必要なしに効果的なアーク消弧を与えることである。アーク点弧に続いて、両電極の領域中の圧力は、アークによって生成される熱及び融除生成物によって一時的に増大し、この増大した圧力もまたアーク消弧を補助すると考えられている。融除生成物はシールド１６の開放端から排出され得る。
【００２８】
シールドのアーク誘導融除によって生成されるガスのいくつかはそれら自体環境上望ましくないが、アーク融除によって生成される少なくともいくつかの化学種は再結合して環境上脅威でない材料を残すと考えられる。すなわち、アーク消弧に必要な化学種は少なくとも一部は一時的にのみ生成される。アーク消弧に続いて、化学的な再結合時間スケールによって生じる適切な遅延とともに、化学的に反応性のフッ素／フッ化物は再結合して、環境上の脅威を形成するハロゲンガスのように容易に分散することのない固体フッ化物を形成する。
【００２９】
融除誘導アーク消弧のための準大気圧のガス圧の必要性を尊重すると共にガス圧による誘電回復性能を増大するために、図示する実施の形態は「逆パッファ」原理を利用する。シールド１６内の可動式電極４のピストン動作を使用して、電極４の引抜時に、シールド１６内のキャビティ内の圧力を低下させる。これは（融除促進加圧を含む）熱回復のために融除を最大限に活用させることを可能にし、その後の良好な誘電耐性のために十分なガス圧を与える。
【００３０】
特許請求の範囲を裏付ける、準大気圧動作及びＳＦ６以外のガスの効率に関するテスト結果を提供する。図３は範囲６ｋＰａ〜５８０ｋＰａ（０．８〜８４ｐｓｉ）の様々なガス圧に対する、ピーク値２０ｋＡの交流障害電流を遮断するために必要な接点間の最短ギャップ長を示し、水平軸の目盛は対数である。５つの異なるガスＳＦ６、Ｎ２、空気、ＣＯ２及びＡｒについて結果が与えられる。
【００３１】
注目すべき特徴は、
（ａ）ＳＦ６のガス圧への比較的小さい依存性
（ｂ）ｐ＜４８ｋＰａ（７ｐｓｉ）におけるＮ２の改善された遮断性能
（ｃ）ｐ＜４８ｋＰａ（７ｐｓｉ）におけるＮ２のＳＦ６と同様の性能
（ｄ）ｐ＜４８ｋＰａ（７ｐｓｉ）におけるＣＯ２及び空気のＮ２及びＳＦ６と同様の振る舞い
（ｅ）Ｎ２及びＣＯ２と同様な傾向を示すが、概して不十分なＡｒの性能。
【００３２】
４８ｋＰａ（７ｐｓｉ）以下でテストされたガスの同様の性能は、シールドの融除及び融除生成物のアーク加熱による加圧であると考えられる共通の特徴が支配的であることを暗示している。
【００３３】
テストに使用するＰＴＦＥシールドの約２５０回のテスト点弧後の計量は、（シリンダ及び可動式電極直径２．２ｃｍに対して）１回のアーク点弧当たり平均で０．１４グラムの重量の損失を示す。ＰＴＦＥ表壁の腐食は著しいが、過剰ではなく、最大２０ｋＡの障害電流での２５０回を越えるテストにおける性能劣化はごくわずかであった。
【００３４】
図４は３．７ｐｓｉの圧力の電流遮断に対する臨界ギャップ長のピーク交流電流の影響を調査するための実験結果を示す。これらは、臨界ギャップ長の基準によって判断されるように、低電流における遮断性能が２０ｋＡと同様にほぼ有効であるという傾向を示す。
【００３５】
テストはまた、純粋なＳＦ６及びＮ２と同様に振る舞う、Ｎ２とＳＦ６との混合比が８０：２０の混合物について行われた。それによると、現在の知識状態では、誘電強度の回復が改善されなければ、純粋なＮ２に優先してＮ２とＳＦ６との混合物を利用することに著しい優位点はないと思われる。
【００３６】
図３及び図４に示す臨界ギャップ長の実験結果は、図５に示す２０ｋＡピーク電流及び２５ｋＰａ（３．７ｐｓｉ）の圧力の様々なガスに対する、電流遮断のための臨界ギャップ長付近での電圧消弧ピークの大きさの測定によって裏付けられる。この図において、Ｚ軸上のラベルは次の通りである。
【００３７】
ＸＰ１＝第１の半サイクル消弧ピーク
ＸＰ２＝第２の半サイクル消弧ピーク
ＲＰ＝第２の半サイクル再点弧ピーク
及び括弧付きラベルは
（１）は１×半サイクル臨界点弧を示し、
（２）は２×半サイクル臨界前点弧を示す。
【００３８】
アーク点弧時における電極及びシールド近傍の準大気圧ガスの要請は、例えば、密閉箱１２中の背景ガスの雰囲気圧が大気圧以下でないならば、図示した「逆パッファ」配置によって、満足できることに留意すべきである。従って、背景ガス圧は大気圧（又はおそらくさらに高い）とすることができ、回路を遮断するために回路遮断器が作動する場合、電極の周りに一時的に生成される必要な準大気圧を伴う。
【００３９】
さらに、この近傍の圧力は、上記のようにアークの作用によって増大し、従ってアーク点孤に続いて一時的に増大する。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施の形態の軸平面内における簡略化した断面図である。
【図２】同じ実施形態の半径平面内における簡略化した断面図である。
【図３】回路遮断器中で使用される、いくつかの異なる背景ガスに対する臨界電極ギャップ（垂直軸）対ガス圧（水平軸）の関係を示す実験データのグラフである。
【図４】本発明を実施し、いくつかの異なる背景ガスを使用する回路遮断器中の臨界電極ギャップ（垂直軸）対ピーク交流電流（水平軸）を示す実験データのグラフである。
【図５】２５ｋＰａ（３．７ｐｓｉ）のガス圧及び２０ｋＡのピーク交流電流における、異なる背景ガスに対するアーク消弧及び再点弧のピーク電圧の大きさを示す実験データのグラフである。
【図１】
2006505108.tif 000003
【図２】
2006505108.tif 000004
【図３】
2006505108.tif 000005
【図４】
2006505108.tif 000006
【図５】
2006505108.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成17年6月23日(2005.6.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2006505108.tif 000008
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2006505108.tif 000009
【国際調査報告】
2006505108.tif 000010
2006505108.tif 000011
2006505108.tif 000012