JP6733879B2 - 母線端アーク遮断器 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本願の主題は、同一出願人により２０１２年４月２０日に出願された「Passive Arc Management System with a Flue Chamber」と題する米国特許出願第１３／４５２１４５号明細書、２０１３年７月１７日に出願された「Internal Arc Management and Ventilation for Electrical Equipment」と題する国際出願ＰＣＴ／ＵＳ１３／５０７９７号明細書、２０１４年９月３０日に出願された「Passive Arc Protection for Main Breaker Line Side Power Conductors」と題する米国特許出願第１４／５０１９４６号明細書、本願と同時に出願された「Method for Treating Internal Arcs」と題する米国特許出願第１４／５８５５１８号明細書、および本願と同時に出願された「PanelboardPower Bus with Arc Transfer for Passive Arc Control」と題する米国特許出願第１４／５８５７０３号明細書と関連しており（それぞれ、Docket Nos. CRC-0266、CRC-0275、CRC-0299、CRC-0301及びCRC-0304）、それらの内容はすべて参照により本明細書に援用される。

本発明は、一般に、配電設備におけるアーク放電の衝撃を制御および制限するための方法およびシステムに関し、より詳細には、そのような配電機器において導電体間に発生するアークを消弧するための方法よびシステムに関する。

アーク放電またはアーク故障とは、常態では非導電性の気体（通常は空気）を介した放電のことをいう。そのようなアーク放電は、低電圧配電設備において、典型的には隣接母線間や母線とアースの間などの異なる電位を有する露出導体間で発生しうる。アークは、１つの導体から別の導体へエアギャップを飛び越えるとき、極度の高温ガス、蒸発金属／重合体、および他の有害な副生成物を生成することがある。アークは、存続するためには導電体との接触を維持する必要があるが、アークの形状は伸展し障害物に巻き付いて、エアギャップ中で最も抵抗が少ない経路を辿ることができる。

予想外かつ／または制御不能なアーク放電の危険性はよく知られており、例えば、アーク・フラッシュおよびアーク爆発（以後「アーク爆発」と簡略化する）により生じうる作業環境での器機への損害および作業員への被害などが挙げられる。アーク放電を制御する技術は本分野で既に知られており、例えば、受動的なアーク制御技術および能動的なアーク制御技術などがある。能動的なアーク制御技術では、通常、何らかの形の検知機構およびスイッチ機構を用いることでアーク電流を制御している。能動的技術における問題は、コストが高いこと、ブレーカが落ちてしまい煩わしいこと、速度、および検知できないシステム故障などである。受動的技術では、アーク爆発のエネルギーおよびアーク爆発ガスの封じ込めや器機キャビネット外部へ誘導通気などが行われうる。別の受動的なアーク制御技術では、爆発に対する耐久性を向上させるためにキャビネット構造体の補強を行うこともある。いずれの上記受動的方法を用いてもアーク放電事象の存続を制限することはできない。

したがって、配電設備においてアークにより生じる被害、特に配電設備における２つの母線間または母線とアースの間などの露出導体間のアークにより生じる被害を制御および制限するための改良された方法が必要とされている。

本明細書に開示される実施形態は、配電設備において、２つ以上の母線間または母線とアースの間などの露出導電体間に発生するアークによって生じる被害を制御および制限するための方法およびシステムに関する。上記方法およびシステムは、電流源から離れる方向にアークを押し進める、という電磁気力の傾向を利用するものである。この現象により、２つの平行な導電体間に発生するアークは、導電体の終端部すなわち電流源とは逆側の端部に向かって進まざるを得ない。このとき、アーク遮断装置またはアーク遮断器は導電体の終端部に設置され、したがって、アークは導電体の終端部に向かって進みつつアーク遮断器に進入する。アーク遮断器内では、アークの形状は、アークを伸展および伸長させるように設計された幾何形状に一致させられ、これによりアークの電流および温度は、アークがもはや持続できず最終的には消弧してしまうポイントまで減衰する。

いくつかの実施例では、アーク遮断器は、アーク用進入口と導電体の終端部に嵌まる排出ポートとを有する筐体を備えている。筐体は、筐体の進入口を包含するアーク通過ゾーンと、排出ポートを包含するアーク遮断ゾーンの２つのゾーンにおおまかに分けられる。

アーク通過ゾーンは、アークを受け取り、そのアークが、筐体内で本質的に妨げられることなく、導電体の終端部に向かって進むための成形路を形成するように設計されている。アークを成形するためのアーク通過ゾーン内に、非導電性母線に似た非導電性絶縁相バリアを配置してもよい。絶縁相バリアは、平行な導電体間から略等距離となるように、筐体の長手方向軸線に沿ってアーク遮断ゾーン内まで延在させてもよい。相バリアの終端部は、導電体の終端部と実質的に同一面で終端するか、または導電体の終端部を所定の長さだけ越えて終端するが、相バリアの幅は、両側ともに所定量だけ導電体の幅よりも小さい。アーク通過ゾーンにおいて、相バリアの両側部に隣接し、相バリアに沿って長手方向に延在して相バリアの両側にＣ字形状通路を画定する略Ｃ字形状のチャネル部材を設けてもよい。これにより、アーク遮断器に進入するアークは、側部通路において弓形状または蛇行形状を呈すことになるため、アークは伸展し、その電圧は上昇する。電圧が上昇するとアーク電流は弱まり、アークにより発生する全エネルギー量が減少する結果となる。筐体の進入口に、円錐に似た形状の収束装置を配置して、アークのアーク遮断器への流入を促進してもよい。また、筐体の進入口付近に逆流防止弁を装着することにより、アークから生成した高温ガスが進入口を通って逆流することを防止してもよい。

アーク遮断ゾーンは、アークがもはや存続不可能となり消弧してしまうポイントまでアークを伸展および延在させるように設計されている。これは主に２段階で起こる。第１段階では、アークは、アーク通過ゾーンから受け取られ、筐体の中心部に向かって、相バリアの両側部のＣ字形状側部通路から離れる方向に転移する。これを達成するために、相バリアと同じ方向に延在する導電性アーク板を相バリアの終端部に取り付けて、アークを筐体の中心部まで移動させるための媒体を設けてもよい。第２段階では、アークは、もはや持続できずしたがって消弧してしまう程度まで伸展および伸長される。この伸展および伸長は、導電性アーク板の端部に取り付けられ、相バリアと同じ方向に延在する非導電性または絶縁相バリア延長部を設けることにより達成してもよい。アークは、相バリア延長部を貫通したり通り抜けたりすることはできないため、相バリア延長部を越えて発生または再発生しなくてはならず、したがってアークはさらに伸長することになる。あるいは、導電性アーク板の使用に代えて、相バリアにテーパ部を取り付けて、アークを、側部通路から離れて筐体の中心部に向かって転移させてもよい。そのようなテーパ部の幅は、相バリアから離れるにつれてテーパさせる、すなわち徐々に狭くすることができ、またいくつかの実施形態では、その厚さも相バリアから離れるにつれてテーパさせる、すなわち徐々に薄くすることができる。バリア延長部と同じ線上で筐体内に排出ポートを形成して、アークによって生成された膨張高温ガスを筐体から排出してもよい。

一般的動作では、導電体間に発生するアークは、電磁気力により、アーク遮断器の進入口を介してアーク遮断器のアーク通過ゾーンに送られる。アークは、いったんアーク遮断器内に入ると、アーク遮断ゾーンに達するまで、相バリアの側部に形成された側部通路に沿って誘導される。相バリアの両側に隣接するＣ字形状チャネル部材の存在により、側部通路内のアークは弓形状または蛇行形状を呈すことになる。したがって、側部通路に沿って進むアークは成形および伸展される。次いで、アーク遮断ゾーン内の導電性アーク板は、アークを、側部通路から筐体の中心部に転移させる。あるいは、相バリアに取り付けられたテーパ部によってアークを側部通路から筐体の中心部に転移させてもよい。その後アークは、膨張高温ガスおよび電磁気力によって、絶縁バリア延在部に向けて押し進められ、相バリアを越えて発生または伸長せざるを得なくなる。絶縁バリア延長部を越えて伸長するようになると、アークは、もはや持続できず、その後に消弧および消散してしまう程度まで伸展する。

いくつかの実施例では、アーク遮断器として、単一相アーク遮断器を用いることができ、その場合、単一の絶縁相バリアが２つの平行な導電体間または導電体とアースの間に配置された構成である。いくつかの実施例では、アーク遮断器として、多相アーク遮断器を用いてもよく、その場合、複数の絶縁相バリアがそれぞれ２つの平行な導電体間または導電体とアースの間に配置された構成である。

一態様においては、開示する実施形態は、一般に、配電設備用のアーク遮断装置に関する。アーク遮断装置は、特に、アーク通過ゾーンおよびアーク遮断ゾーンを有する筐体であって、アーク通過ゾーンは筐体への進入口を備え、アーク遮断ゾーンは筐体からの排出ポートを備えた、筐体を備える。アーク遮断装置は、アーク通過ゾーン内に配置され、筐体に沿ってアーク遮断ゾーン内まで長手方向に延在する絶縁相バリアであって、筐体は、絶縁相バリアの両側に絶縁相バリアとともに側部通路を形成する側壁を有する、絶縁相バリアをさらに備える。アーク遮断ゾーンにおいて、筐体に沿って長手方向に延在するアーク伸長器が絶縁相バリアに取り付けられている。アーク伸長器は、アークを、側部通路から離れて筐体の中心部に向かって転移するように構成されている。

別の態様においては、開示する実施形態は、一般に、配電設備用の母線集合体に関する。母線集合体は、特に、互いに離間し略平行であり、電流源から離れた方向に延在する終端部をそれぞれが有する複数の母線と、複数の母線のうちの少なくとも２つの母線の終端部に装着されたアーク遮断器とを備える。アーク遮断器は、アーク遮断器に沿って長手方向に延在するアーク通過ゾーンと、アーク遮断器に沿ってアーク通過ゾーンから長手方向に延在するアーク遮断ゾーンとを有する。アーク通過ゾーンは、複数の母線のうちの少なくとも２つの間で発生するアークを受け取り、そのアークをアーク遮断ゾーンに向けて誘導するように構成され、アーク遮断ゾーンは、そのアークを消弧し、そのアークから生じたガスおよび副生成物を排出するように構成されている。

さらに別の態様においては、開示する実施形態は、一般に、母線間に発生するアークを消弧する方法に関する。この方法は、特に、アーク遮断器内でアークを受け取ることであって、アークは少なくとも２つの母線間で発生し、各母線は互いに離間し略平行であり、各母線は電流源から離れた方向に延在する終端部を有し、アーク遮断器は母線の終端部に装着された、アークを受け取ることを含む。この方法は、アーク遮断器の少なくとも１つの側部通路内で、アークを弓形状と一致させることと、母線の終端部に向けて少なくとも１つの側部通路内のアークを移動させることも含む。この方法は、母線の終端部において、アーク遮断器の長手方向軸線に沿ってアークを中心部に集めることであって、この中心部に集めることは、アークを弓形状から膨張形状に変化させる、アークを中心部に集めることをさらに含む。次いで、アークが消弧するように、アークは、母線の終端部をはるかに越えて十分に伸長される。

開示される実施形態のいくつかの実施例に係る例示的アーク遮断器の斜視図である。 開示される実施形態のいくつかの実施例に係るアーク遮断器の長手方向断面図である。 開示される実施形態のいくつかの実施例に係るアーク遮断器の横方向断面図である。 開示される実施形態のいくつかの実施例に係るアーク遮断器のアーク遮断ゾーンの長手方向断面図である。 開示される実施形態のいくつかの実施例に係る逆流防止弁の斜視図である。 開示される実施形態のいくつかの実施例に係る別の例示的アーク遮断器（図６Ａ）および例示的相バリア（図６Ｂ）の長手方向断面図である。 開示される実施形態のいくつかの実施例に係るさらに別の例示的アーク遮断器の長手方向断面図である。 開示される実施形態のいくつかの実施例に係る、密閉された母線スタックの端部に装着された例示的アーク遮断器の図である。 開示される実施形態のいくつかの実施例に係る、アークを消弧する方法のフローチャートである。

開示する実施形態の上記利点および他の利点は、添付図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読むことにより明らかになるであろう。最初の問題として、開示する実施形態の態様を採用する実際の現実的な商業用途を発展させるにあたり、商用実施形態における開発者の最終目標を達成するためには、実装時に固有の判断を多く行わねばならないことが理解されるであろう。そのような実装時に固有の判断としては、限定はしないが、システム、ビジネス、ならびに政府に関連する制約、および他の制約に対する準拠が挙げられる。これは、具体的な実装方法や場所、および時間の移り変わりによっても変化しうる。開発者の取り組みは絶対的な意味で複雑かつ時間がかかるものかもしれないが、それでもなお、本開示の利益を享受する当業者にとって、そのような取り組みは日常的作業とはなり得ないはずである。

本明細書に開示および教示される実施形態は、多くのさまざまな修正および代替形態を許容するものであることも理解されたい。したがって、これに限らないが、「ａ」などの単数を表す語は、要素の数を限定する意図では使用されない。同様に、これらに限らないが、詳細な説明で用いられる「頂部」、「底部」、「左」、「右」、「上部」、「下部」、「下方」、「上方」、「側」などの任意の相対的な語は、添付図面に具体的に関連して明確さを示すために使用したものであり、発明の範囲の限定を意図したものではない。

図１に、配電設備において２つ以上の母線間または母線とアースの間に発生しうるアークを消弧させるための、開示する実施形態に係るアーク遮断器１００を示す。先に述べたように、アーク遮断器１００は、２つの平行な母線間に発生するアークの、電流源から離れて母線の終端部に向かって進む、という自然な傾向を利用するものである。よって、アーク遮断器１００は、アークを捕捉するために母線の終端部に設置され、アークを伸展および伸長するよう設計された幾何形状にアーク形状を一致させ、それによって、アークが存続不可能になるポイントまでアークの電流および温度を減衰させてもよい。

図１に見られるように、アーク遮断器１００は、アーク通過ゾーン１０４およびアーク遮断ゾーン１０６の２つのゾーンにおおまかに分けられる筐体１０２を備える。アーク通過ゾーン１０４は、アークが筐体１０２内で受け取られるところであり、アークの筐体１０２への進入を可能にする進入口１０８を備える。一方、アーク遮断ゾーン１０６は、アークが破壊されるところであり、アークガスおよびアーク副生成物を排出するための排出ポート１１０を備える。筐体１０２自体は、平行する母線１１２ａおよび１１２ｂの、電流源から離れた方向に延在する端部である終端部で、それら母線上に装着されるか、またはそうでなければ配置される。母線１１２ａ〜１１２ｂは、筐体１０２の長手方向軸線Ａ−Ａと略平行に伸びている。ここに示す例では、筐体１０２の設計は、典型的には単相／二導体システム用である２つの母線１１２ａ〜１１２ｂを想定したものだが、本明細書に開示される発明の概念は、単相／三導体システム、三層／三導体システム、三相／四導体システムなどの他の種類のシステムにも同等に適用可能であることに留意されたい。

図２は、長手方向軸線Ａ−Ａに沿うアーク遮断器１００の断面図であり、母線１１２ａ〜１１２ｂの終端部に装着された筐体１０２が示される。この図より、相バリア２００は、母線１１２ａ〜１１２ｂ間でそれら母線と略平行に長手方向に延在しうることがわかる。いくつかの実施形態では、相バリア２００は、平行な母線１１２ａ〜１１２ｂ間から略等距離になるよう配置された非導電性または絶縁性の母線１１２ａ〜１１２ｂに似せてもよい。相バリア２００は、筐体１０２の進入口１０８付近から延在しはじめ、通過ゾーン１０４を通り、母線１１２ａ〜１１２ｂの終端部付近で終端する。その端部には、長手方向軸線Ａ−Ａに沿って、導電性アーク板２０２を相バリア２００に取り付けてもよい。また、導電性アーク板２０２には、長手方向軸線Ａ−Ａに沿って非導電性バリア延長部２０４を取り付けてもよい。

相バリア２００と各母線１１２ａ〜１１２ｂの間および各母線１１２ａ〜１１２ｂと筐体１０２の間にそれぞれ１つずつ、環状母線支持体２０６をいくつか備えることもできる。これらの非導電性母線支持体２０６は、母線１１２ａ〜１１２ｂを相バリア２００から離間した位置に維持し、また、ボルト（図示せず）により母線支持体２０６が貫かれるとき、筐体１０２、母線１１２ａ〜１１２ｂ、および相バリア２００を所定の位置に保持し、それらが互いに電気的に絶縁された状態になるように設計されている。同様に、筐体１０２への進入口において、相バリア２００に支持ブロック２０８を取り付けることにより、相バリア２００の端部が母線１１２ａ〜１１２ｂから離間した位置に支持および保持されることを促進してもよい。いくつかの実施形態では、支持ブロック２０８は、相バリア２００に取り付けられた別部品としてもよいし、また別の実施形態では、相バリア２００の一体部分として形成してもよい。

図３Ａおよび図３Ｂに、アーク遮断器１００の横方向または横断方向断面図を示す。これらの図に見られるように、相バリア２００は、相バリア２００の両側にある母線支持体２０６により母線１１２ａ〜１１２ｂから離間している。また、相バリア２００の幅は、両側部ともに所定の長さ「Ｗ」だけ、母線１１２ａ〜１１２ｂの幅よりも小さい（図３Ａ参照）。略「Ｃ」字形状をしたチャネル部材３００ａおよび３００ｂが、筐体１０２の側壁３０１ａおよび３０１ｂから相バリア２００に向かってそれぞれ延在または突出している。チャネル部材３００ａ〜３００ｂは、母線１１２ａ〜１１２ｂ間で相バリア２００の両側をブラケット支持しており、また相バリア２００の長さに沿って延在している。各Ｃ字形状チャネル部材３００ａ〜３００ｂは、相バリア２００と対向するか、または相バリア２００に向かって開口しており、所定の長さ「Ｘ」および「Ｙ」だけ、相バリア２００から離間している（図３Ｂ参照）。Ｃ字形状チャネル部材３００ａ〜３００ｂにより、相バリア２００の両側において相バリア２００の長さに沿うＣ字形状通路３０２ａおよび３０２ｂが画定される。いくつかの実施形態では、各Ｃ字形状チャネル部材３００ａ〜３００ｂに、所定の長さ「Ｚ」だけ、相バリア２００と重なるオフセット部３０３を設けて、母線１１２ａ〜１１２ｂ間に直接的な見通し経路が一切形成されないようにしてもよい。いくつかの実施形態では、所定の長さＷ、Ｘ、Ｙ、Ｚは、それぞれ、約２１ｍｍ、約５ｍｍ、約７．１５ｍｍ、約６．５ｍｍとしてもよい。当然のことながら、開示する実施形態の範囲を逸脱しない限りにおいて他の測定値を用いてもよい。

アーク遮断器１００の母線１１２ａ〜１１２ｂ間に直接的な見通し経路がないことで、アーク遮断器１００に進入するか、またはそうでなければアーク遮断器１００内で発生するアーク３０４の形状は、Ｃ字形状側部通路３０２ａ〜３０２ｂ内の弓形状または蛇行形状と一致せざるを得ない。この弓形状または蛇行形状によって、アーク遮断器１００内で、アーク３０４を伸展させその電圧を上昇させる屈曲がアーク３０４の真ん中につくられる。電圧が上昇することでアーク電流は減少し、結果としてアークにより発生する総エネルギーは減少する。次いでアーク３０４は、図４に示されるように、電磁気力によって、側部通路３０２ａ〜３０２ｂの一方に沿って母線１１２ａ〜１１２ｂの終端部に向けて送られ、そこでアーク３０４はアーク遮断器１００のアーク遮断ゾーン１０６に進入する。

図４に見られるように、アーク遮断ゾーン１０６では、アーク３０４は、アーク遮断器１００の側部に沿う側部通路３０２ａ〜３０２ｂからアーク遮断器１００の中央に転移される。この転移時、アーク遮断器１００の長手方向軸線Ａ−Ａ上または長手方向軸線Ａ−Ａ沿いにアークが形成されるにつれて、アーク３０４の弓形状または蛇行形状は失われ、むしろ***または膨張したような形状を呈するようになる。いくつかの実施形態では、上記転移は、相バリア２００の端部に取り付けられた上述の導線性アーク板２０２を介して達成される。導線性アーク板２０２の存在により、アーク遮断器１００の側部の側部通路３０２ａ〜３０２ｂよりも基本的に短くかつ最も抵抗が少ない経路が母線１１２ａ〜１１２ｂ間に形成される。したがって、側部通路内に存在するアーク３０４は、３０４’で示されるように、アーク板２０２側に自然と移動するようになる。この導電性板２０２の幅および厚さは、相バリア２００とほぼ同じであってもよい。いくつかの実施形態では、導電性板２０２は、相バリア２００から排出ポート１１０まで延在させてもよいし、またはその延在長は約３０ｍｍであってもよい。

いくつかの実施形態では、相バリア２００自体を所定の長さだけ（例えば１５ｍｍ）、母線１１２ａ〜１１２ｂを過ぎた後も延在させて、転移アーク３０４’が母線１１２ａ〜１１２ｂより先へ確実に運ばれるようにしてもよい。転移アーク３０４’は、最初のアーク３０４の結果物として生成されアーク遮断器１００内部から得られる膨張高温ガスおよび電磁気力によって、導電性アーク板２０２から離れ、排出ポート１１０において導電性アーク板２０２に取り付けられた非導電性バリア延長部２０４に向かって押し進められる。アーク板２０２と同様に、非導電性バリア延長部２０４の幅および厚さは、相バリア２００とほぼ同じにすることができ、いくつかの実施形態では、非導電性バリア延長部２０４の延在長は約１５ｍｍとすることもできる。バリア延長部２０４は導電性ではないため、転移アーク３０４’は、３０４’’で示されるように、バリア延長部２０４よりも先で発生、再発生、またはそうでなければバリア延長部２０４よりも先まで伸長せざるを得ない。その場合、伸長アーク３０４’’は、母線１１２ａ〜１１２ｂを越えて非常に遠くまで伸展するので、もはやそれ以上持続することができずに消弧および消散する。その後、アークガスや他のアーク副生成物があれば、それらは排出ポート１１０を介して排出される。

いくつかの実施形態では、バリア延長部２０４とアーク板２０２は、ボルトもしくはねじ４００または他の締結機構を用いて、相バリア２００に固定することができる。同様に、冒頭で言及した「内部アークの処理方法（Method for Treating Internal Arcs）」と題する米国特許出願第１４／５８５５１８号明細書（特願２０１５‐２４０６０８号明細書に対応）に記載されるように、いくつかの実施形態では、排出ポート１１０にエネルギー吸収フィルタを配置して、導電性が失われ再発火不可能になる温度まで（例えば２０００°Ｆ（約１０９０℃）まで）アークガスおよび副生成物を冷却してもよい。

いくつかの実施形態では、アーク遮断器の進入口に弁を設けて、アーク遮断器１００内に存在するアークガスおよび他のアーク副生成物が、進入口１０８を通って逆流することを防止してもよい。この様子は図５Ａおよび図５Ｂに示される。これら図では、筐体１０２に装着された逆流防止弁５００ａおよび５００ｂを確認することができる（上側の母線は弁が見えやすいように図では取り除かれている）。逆流防止弁５００ａ〜５００ｂとしては、開示した実施形態の範囲を逸脱しない限りにおいて任意の適した一方向非導電性弁を用いることができる。ここに示す例では、各逆流防止弁５００ａ〜５００ｂは、固定部５０２および可動部５０４を画定するように、「Ｂ」で示される線に沿って角度をもって曲げられた柔軟性のある長方形のフラップと似ている。固定部５０２は、筐体１０２に固定して取り付けられる一方、可動部５０４は、両かぎ矢印「Ｃ」で示されるように、自由揺動状態を維持している。可動部５０４には相バリア２００を収容するスロット５０６が設けられている。弁は、相バリア２００の支持ブロック２０８に隣接して筐体１０２に適切に装着された場合、可動部５０４の角度に応じて支持ブロック２０８の両側に開口部５０８ａおよび５０８ｂを画定し、ここから、筐体の外側で発生したアークに由来するどんなアークガスも副生成物も筐体に進入可能となる。逆に、既に筐体内にアークガスおよびアーク副生成物が存在する場合、可動部５０４は自動的に開口部５０８ａ〜５０８を閉じるように構成されている。

いくつかの実施形態では、アーク遮断器の両側のＣ字形状通路から遮断器の中央へのアークの転位は、導電性アーク板の使用に代えて、アーク遮断ゾーンにおいて相バリアの一部をテーパさせることにより達成することもできる。これらの実施形態の例を図６Ａに示す。図６Ａには、母線１１２ａ〜１１２ｂの終端部に装着された筐体６０２を有するアーク遮断器６００が示される。前述した実施形態と同様、相バリア６０４は、母線１１２ａ〜１１２ｂ間において、それら母線に略平行かつそれら母線から略等距離となるように長手方向に延在する。この部分は、アーク通過ゾーンを構成しており、Ｃ字形状チャネル部材によって形成されるＣ字形状側部通路（図６では見えない）を備えることもできる。それらＣ字形状チャネル部材は、図３Ａおよび図３Ｂにおけるその同等物と類似しており、相バリア６０４の側壁から延在している。ここでもやはり、相バリア６０４は筐体６０２の進入口６０６から延在しはじめるが、母線１１２ａ〜１１２ｂの終端部を過ぎて、アーク遮断ゾーンに入り、排出ポート６０８に至るまで延在する。筐体６０２において、排出ポート６０８の手前に、漏斗形状をした内部開口６１０を形成して、どのアークガスおよびアーク副生成物も排出ポート６０８へ送られるようにしてもよい。同様に、筐体６０２への進入口６０６の手前に円錐に似た形状の収束装置６１２を配置して、アークガスおよびアーク副生成物の、筐体６０２への進入を促進してもよい。上記説明した逆流防止弁（図５Ａおよび図５Ｂ参照）も筐体６０２の進入口に設けて、アークガスおよびアーク副生成物の、進入口６０６を介した逆流を防止してもよい。ここでもやはり、環状母線支持体２０６を用いて、相バリア６０４を母線１１２ａ〜１１２ｂから離間した位置に維持することができる。

開示した実施形態によれば、相バリア６０４は、導電性アーク板の使用に代えて、導電性アーク板が存在するはずだった場所に相バリアの終端部６１６に向かって延在する非導電性テーパ部６１４を備えてもよい。図６Ｂに見られるように、テーパ部６１４は、相バリア６０４の、線「Ｍ」で示される幅を狭めたものであり、その幅は終端部６１６に近づくにつれて徐々に狭まっていく。いくつかの実施形態では、相バリア６０４の、線「Ｎ」で示されるテーパ部６１４の厚さも終端部６１６に近づくにつれて減少する。したがって、その厚さは、終端部６１６に近づくにつれて徐々に薄くなっていく。テーパ部６１４は、アーク遮断器６００の側部にある側部通路からアーク遮断器６００の長手方向軸線に向かう任意のアークの転位を促進するという限りにおいて、上記した導電性アーク板と本質的に同じ機能を果たす。アークは非導電性テーパ部６１４では発生することはできないため、テーパ部６１４を超えて延在するしかなく、もはや持続できない程度までプロセスにおいて伸展することになる。相バリア支持ブロック６１８は、この図で示されるように相バリア６０４の一体部分として形成してもよいし、別の実施形態では、相バリア６０４に取り付けられうる別部品として設けてもよい。

前述の実施形態では、本明細書に開示する発明の概念が容易に理解できるよう、単相システムと関連させてアーク遮断器を説明した。引き続き図７には、多層システムにおいて使用可能なアーク遮断器７００の例を示す。アーク遮断器７００は、この例では複数の母線７１２ａ、７１２ｂ、および７１２ｃの終端部を収容できる筐体７０２を有すること以外においては、上記したアーク遮断器６００と類似する。同様に、複数の母線７１２ａ〜７１２ｃの間において長手方向にそれぞれ延在する相バリア７０４ａおよび７０４ｂが、それら母線と略平行かつそれら母線から略等距離となるように存在している。これらの実施形態の相バリア７０４ａ〜７０４ｂは図６における相バリア６０４と似ているが、相バリア６０４に代えて図２における相バリア２００（および導電性アーク板２０２）を用いることも当然可能である。各相バリア７０４ａ〜７０４ｂは、筐体への進入口（この図では見えない）付近から母線７１２ａ〜７１２ｃの終端部を過ぎて（すなわちアーク遮断ゾーン内へ入り）、各々の排出ポート７０８ａおよび７０８ｂに至るまで延在している。相バリア６０４の場合と同様に、この実施形態の相バリア７０４ａ〜７０４ｂは、相バリア７０４ａ〜７０４ｂの終端部７１６ａおよび７１６ｂに近づくにつれて、相バリア７０４ａ〜７０４ｂの幅を狭めたテーパ部７１４ａおよび７１４ｂを備えている。同様に、相バリア７０４ａ〜７０４ｂの厚さも薄くしてもよい。筐体７０２において、各排出ポート７０８ａ〜７０８ｂの手前に漏斗形状の内部開口７１０ａおよび７１０ｂを形成して、どのアークガスおよびアーク副生成物も排出ポートに送られるようにしてもよい。内部開口７１０ａ〜７１０ｂにより、筐体７０２内のどのアーク（破線参照）もテーパ部７１６ａ〜７１６ｂに送ることが容易になり、したがって、アークは、母線７１２ａ〜７１２ｃの終端部を越えてあまりにも遠くまで伸展するようになり、もはやアークは持続することができず、続いて消弧および消散する。

各相バリア７０４ａ〜７０４ｂの両側に、側壁７２０ａおよび７２０ｂ（ここでは側壁７２０ａのみが示される）から延在または突出する互いに対向するＣ字形状チャネル部材７１８ａおよび７１８ｂを設けて、相バリア７０４ａ〜７０４ｂの両側に沿って長手方向に延在するＣ字形状通路を画定してもよい。環状母線支持体７２２を用いて、相バリア７０４ａ〜７０４ｂを母線７１２ａ〜７１２ｃから離間した位置に維持してもよいし、ボルト７２４または他の締結機構で環状支持体７２２を貫いて、筐体７１２、母線７１２ａ〜７１２ｃ、および相バリア７０４ａ〜７０４ｂを所定の位置に保持してもよい。ボルト７２４または他の締結機構により装着ブラケット７２６も締結して、筐体７０２を配電盤に固定してもよい（図８参照）。いくつかの実施形態では、排出ポート７０８ａ〜７０８ｂ間で筐体７０２の外側にスリット７２８を設けて排出ポート７０８ａ〜７０８ｂ付近の外部表面積を増加させ、排出ポート７０８ａ〜７０８ｂから排出されるアークガスおよびアーク副生成物の冷却状態を向上させることもできる。

ここまで、むき出しの状態の母線および母線スタックと関連させて、本明細書に開示するアーク遮断器を例示し説明してきた。図８に、例示的配電盤８００に取り付けられた本発明のアーク遮断器の例を示す。ここに示す配電盤８００は、米国シュナイダーエレクトリック社製のＩ‐Ｌｉｎｅ（商標）シリーズの配電盤のうちの１つと類似するものであってもよいが、本明細書に開示される発明の概念は、他の種類の配電盤にも同等に適用されることを理解されたい。図８の例では、配電盤８００は、並列する装着穴８０４が形成された装着基板８０２を有する。装着穴８０４により、１つまたは複数のサーキット・ブレーカ８０６が、サーキット・ブレーカ８０６に取り付けられた装着ブラケット８０８を介して装着基板８０２に装着される。サーキット・ブレーカ８０６は、水平方向に装着され、平行かつ離間した複数の母線をその内部に有する母線スタックを取り囲むハウジング８１０の一部をなす。空所充填材８１２を用いて、配電盤８００上のどの未使用サーキット・ブレーカ装着箇所も充填することにより、ハウジング８１０の完全性を維持してもよい。開示された実施形態によれば、配電盤８００のハウジング８１０の端部にアーク遮断器８１４を取り付けて、上述したように、ハウジング８１０内に発生しうるアークを消弧および分散させてもよい。ボルトまたは他の締結具８１６、およびフランジ板８１８を用いて、集合体を一体に固定してもよい。

上記説明に基づき、本明細書で開示されるアーク遮断器は、開示される実施形態の範囲から逸脱しない限りにおいて、多くのやり方で実施可能なことを理解できる。図９に、開示された実施形態に係る、アークを消弧するためのどの実施方法においても用いることができる一般的な指針をフローチャート９００として示す。

フローチャート９００に示すように、アークの消弧は、ステップ９０２において、アーク遮断器においてアークを受け取るか、またはそうでなければ、アーク遮断器内で２つの母線間にアークが発生することから始まる。アーク遮断器内のどの逆流防止弁も最初は開いており、アークおよびアーク副生成物のアーク遮断器への進入が許容される。しかしながら、ステップ９０４に示されるように、いったんアーク遮断器内にアークが進入すると、これらの逆流防止弁は、アークから生じる圧力により閉じざるを得ない。ステップ９０６において、アークの形状は伸展されるか、またはそうでなければアーク遮断器の側部通路内の弓形状または蛇行形状と一致させられる。次いで、ステップ９０８において、アークは、電磁気力により側部通路に沿って母線の終端部に向かって導かれる。ステップ９１０において、アークは、側部通路から遮断器の中心部へ転移し、そこで蛇行形状を失い、***または膨張したような形状を呈するようになる。次いで、アーク遮断器内のアークガスからの圧力により、アークは、もはや持続できない程度まで母線の終端部を越えるまで押し進められ、その後ステップ９１２で消失する。ステップ９１４では、アークから生じたアークガスおよびアーク副生成物がアーク遮断器から放出される。

本開示の特定の態様、実施、および用途を例示し説明したが、本開示は、本明細書に開示した厳密な構造および構成に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲に規定されるように、開示した実施形態の精神および範囲から逸脱しない限りにおいて、上記説明から種々の修正、変更、改変を行えることは明らかであることを理解されたい。

Claims (20)

1. 配電設備用のアーク遮断装置において、
   アーク通過ゾーンおよびアーク遮断ゾーンを有する筐体であって、前記アーク通過ゾーンが前記筐体への進入口を備え、前記アーク遮断ゾーンが前記筐体からの排出ポートを備えた、前記筐体と、
   前記アーク通過ゾーン内に配置され、前記筐体に沿って前記アーク遮断ゾーン内まで長手方向に延在する絶縁相バリアであって、前記筐体が側壁を有し、前記絶縁相バリアの両側に、前記絶縁相バリアとともに側部通路を形成する、前記絶縁相バリアと、
   前記アーク遮断ゾーンにおいて、前記絶縁相バリアに取り付けられ前記筐体に沿って長手方向に延在するアーク伸長器であって、アークを前記側部通路から離れて前記筐体の中心部に向かって転移するように構成されたアーク伸長器と、を備えたアーク遮断装置。
2. 前記アーク伸長器は、前記アーク遮断ゾーンにおいて、前記絶縁相バリアに取り付けられ前記筐体に沿って長手方向に延在する導電性アーク板を備えた、請求項１に記載のアーク遮断装置。
3. 前記アーク伸長器は、前記アーク遮断ゾーンにおいて、前記導電性アーク板に取り付けられ前記筐体に沿って長手方向に延在するバリア延長部をさらに備えた、請求項２に記載のアーク遮断装置。
4. 前記アーク伸長器は、前記アーク遮断ゾーンにおいて、前記筐体に沿って長手方向に延在するテーパ部を前記絶縁相バリアに備え、前記テーパ部の幅は、前記テーパ部が前記絶縁相バリアから離れる方向に伸びるにつれて徐々に狭まる、請求項１に記載のアーク遮断装置。
5. 前記筐体の両側壁から突出し、前記絶縁相バリアに隣接して前記筐体に沿って長手方向に延在し、前記絶縁相バリアの両側にある前記側部通路を略Ｃ字形状にする略Ｃ字形状チャネル部材をさらに備えた請求項１に記載のアーク遮断装置。
6. 前記筐体の前記進入口に配置され、アーク副生成物の前記筐体への進入を容易にするように構成された収束装置をさらに備えた請求項１に記載のアーク遮断装置。
7. 前記筐体の進入口付近に配置され、前記筐体内のアーク副生成物が前記筐体の進入口を通って逆流することを防ぐように動作可能な逆流防止弁をさらに備えた請求項１に記載のアーク遮断装置。
8. 配電設備用の母線集合体において、
   互いに離間し略平行であり、電流源から離れた方向に延在する終端部をそれぞれが有する複数の母線と、
   前記複数の母線のうちの少なくとも２つの母線の終端部に装着されたアーク遮断器とを備え、
   前記アーク遮断器は、前記アーク遮断器に沿って長手方向に延在するアーク通過ゾーンと、前記アーク遮断器に沿って前記アーク通過ゾーンから長手方向に延在するアーク遮断ゾーンとを有し、前記アーク通過ゾーンは、前記複数の母線のうちの少なくとも２つの間で発生するアークを受け取り、該アークを前記アーク遮断ゾーンに向けて誘導するように構成され、前記アーク遮断ゾーンは、前記アークを消弧し、前記アークから生じたガスおよび副生成物を排出するように構成された、母線集合体。
9. 前記母線と平行に前記アーク通過ゾーン内に配置され、前記アーク通過ゾーンに沿って前記アーク遮断ゾーン内まで長手方向に延在する少なくとも１つの相バリアをさらに備えた請求項８に記載の母線集合体。
10. 前記アーク遮断器の側壁から突出し、前記アーク通過ゾーンに沿って長手方向に延在し、前記アーク通過ゾーンに沿って長手方向に延在する前記相バリアとともにＣ字形状側部通路を画定する略Ｃ字形状チャネル部材をさらに備えた請求項９に記載の母線集合体。
11. 前記各相バリアに取り付けられ、前記アーク遮断ゾーンに沿って長手方向に延在する導電性アーク板をさらに備えた、請求項９に記載の母線集合体。
12. 前記導電性アーク板に取り付けられ、前記アーク遮断ゾーンに沿って長手方向に延在するバリア延長部をさらに備えた請求項１１に記載の母線集合体。
13. 前記各相バリアから前記アーク遮断ゾーンに沿って長手方向に延在するテーパ部をさらに備え、前記テーパ部の幅は、該テーパ部が前記相バリアから離れた方向に伸びるにつれて徐々に狭まる、請求項９に記載の母線集合体。
14. 前記アーク遮断器の中心部に沿って前記アーク遮断器に配置され、前記アーク遮断器からのアーク副生成物を排出するように構成された排出ポートをさらに備えた請求項８に記載の母線集合体。
15. 前記アーク遮断器の進入口に配置され、アークおよびアーク副生成物の前記アーク遮断器への進入を容易にするように構成された収束装置をさらに備えた請求項８に記載の母線集合体。
16. 前記アーク遮断器の進入口に配置され、前記アーク遮断器内の高温ガスが前記アーク遮断器の進入口を通って逆流することを防ぐように構成された逆流防止弁をさらに備えた請求項８に記載の母線集合体。
17. 母線間に発生するアークを消弧する方法において、
    アーク遮断器内でアークを受け取ることであって、前記アークは少なくとも２つの母線間で発生し、前記各母線は互いに離間し略平行であり、前記各母線は電流源から離れた方向に延在する終端部を有し、前記アーク遮断器は前記母線の終端部に装着された、前記アークを受け取ることと、
    前記アーク遮断器の少なくとも１つの側部通路内で、前記アークを弓形状と一致させることと、
    前記母線の終端部に向けて前記少なくとも１つの側部通路内の前記アークを移動させることと、
    前記母線の終端部において、前記アーク遮断器の長手方向軸線に沿って前記アークを中心部に集めることであって、前記中心部に集めることは、前記アークを前記弓形状から膨張形状に変化させる、前記アークを中心部に集めることと、
    前記アークが消弧するように、前記母線の終端部をはるかに越えて前記アークを十分に伸長させることと、を含む母線間に発生するアークを消弧する方法。
18. 前記アークを移動させることは、前記アーク遮断器の長さに沿って延在する相バリアに沿って前記アークを誘導することを含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記アークを中心部に集めることは、前記相バリアに取り付けられた導電性アーク板上の前記アークを、前記アーク遮断器の中心部に沿って転移させることを含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記アークを中心部に集めることは、前記相バリアから延在するテーパ部のまわりの前記アークを、前記アーク遮断器の長手方向軸線に沿って転移させることを含む、請求項１８に記載の方法。