Circuit breaker

Japanese: 遮断器 - しゃだんき

A device that opens and closes an electric circuit. It is also called a circuit breaker. When an electric circuit is "opened," a high voltage is generated between the opening electrodes, making it difficult to interrupt the current. A circuit breaker is a switching device that can withstand this effect and interrupt the electric circuit current. Therefore, a circuit breaker is capable of interrupting not only normal load currents, but also large fault currents that flow during faults such as short circuits and ground faults. On the other hand, devices that can only interrupt small currents such as the load current are called load switches and are distinguished from circuit breakers.

A power system is made up of many devices, such as generators, transformers, and transmission lines. When you want to stop one of these devices, you cut off the current of the generator or transmission line you want to stop using a circuit breaker, and disconnect it from the power system. Also, when a fault such as a short circuit or ground fault occurs in the power system, a large fault current flows. If this is left unattended, not only will the damage to the faulty part increase, but healthy parts may also be damaged by the thermal and mechanical stress caused by the large current. Furthermore, if the fault is left unattended, the stability of the power system will be broken, and there is a risk of it developing into a major blackout. For the above reasons, it is necessary to disconnect the faulty part as quickly as possible using a circuit breaker. The faster the disconnection time is, the more stable the power system will be, so the disconnection time is gradually being shortened. For example, even large circuit breakers used for 150 to 500 kilovolts only have a current interruption time of about 30 to 60 milliseconds.

[Masami Okamura and Yoshifumi Oura]

Circuit Breaker Types

Opening and closing of an electric circuit is generally performed by the contact and separation of two conductors. However, when opening and closing at high voltage or current, an arc occurs between the conductors and does not disappear even if the conductors are separated. In other words, the current cannot be interrupted. For this reason, the circuit breaker must apply a strong cooling and deionizing effect to the generated arc to extinguish it. Circuit breakers can be classified as follows according to the method they use to extinguish the arc:

(1) Oil circuit breaker An arc is generated inside an insulating tube called an arc-extinguishing chamber, which is immersed in insulating oil. Inside the arc-extinguishing chamber, the oil breaks down due to the heat of the arc, generating hydrogen gas, but the arc is extinguished (the arc discharge is eliminated) by blowing fresh oil, pressurized by the gas generated in the sealed chamber, onto the arc, which has a strong cooling effect due to its high thermal conductivity.

(2) Air circuit breaker: This circuit breaker extinguishes the arc by blowing pressurized air at 15 to 30 atmospheres onto the arc that has occurred between the conductors.

(3) Gas circuit breaker: The arc is extinguished by spraying sulfur hexafluoride gas, which has good insulating properties, onto the arc.

(4) Vacuum circuit breaker: The two conductors to be separated are placed in a high vacuum chamber of about ^10-8 mm of mercury. Since a high vacuum has an extremely high dielectric strength, if the conductors are separated in this chamber, the arc is quickly extinguished.

(5) Magnetic circuit breaker: The generated arc is sent into a narrow gap in an insulating plate by the electromagnetic force of the arc itself, increasing the length of the arc and increasing the arc voltage by using the cooling effect caused by pressing the arc against the insulating wall, thereby extinguishing the arc.

Generally, these circuit breakers are used in high-voltage circuits; magnetic circuit breakers, vacuum circuit breakers, oil circuit breakers, etc. are often used for circuits of 6 kilovolts or less, while gas circuit breakers, air circuit breakers, vacuum circuit breakers, etc. are used for circuits of 60 kilovolts or more.

There are AC and DC power systems, and with AC the current reaches zero every half cycle, providing an opportunity to extinguish the arc at that moment. However, with DC the current never reaches zero, making it more difficult to interrupt. For this reason, circuit breakers with voltages of 3000 volts or less increase the arc voltage to reduce the current and interrupt it. Circuit breakers for high-voltage DC transmission use a method that overlaps reverse currents to create a current zero point and then uses an AC circuit breaker to interrupt the current ( Figure A ), as well as a method that sequentially inserts resistors to reduce the current.

Another type of fault current interrupter is the fuse, which breaks the current by melting itself when excessive current passes through it. Its structure is much simpler and less expensive than a circuit breaker, but it has many drawbacks, such as the need to replace the fuse every time it breaks the current.

[Masami Okamura and Yoshifumi Oura]

No fuse breaker

A type of small magnetic circuit breaker called a no-fuse breaker or molded-case circuit breaker is often used for circuits with 600 volts AC or 250 volts DC or less ( Figure B ). A regular circuit breaker can interrupt fault current, but it does not have the function to detect when a fault current has flowed. For this reason, it is used in combination with a relay (also called a relay) that detects the occurrence of a fault. In contrast, a no-fuse breaker combines the functions of a circuit breaker and a relay, and the breaker itself detects and interrupts the fault current. A similar device is the earth leakage circuit breaker used in low-voltage circuits of 400 volts or less.

[Masami Okamura and Yoshifumi Oura]

Breaker capacity

A circuit breaker is a switch that can interrupt a fault current, but there is a limit to how much it can interrupt, which is determined at the time of design. In the case of a three-phase circuit, that limit (rated interrupting capacity) is expressed by the circuit voltage (rated voltage) and the short-circuit current (rated interrupting current) that it can interrupt, as shown in the following formula (not required for single-phase circuits).

A circuit breaker may also close an electric circuit where a short-circuit fault has already occurred. In this case, the short-circuit current flows at the same time as the circuit breaker is closed, so the circuit breaker must immediately interrupt the current. The time between the circuit breaker closing operation and the current interruption is extremely short (usually less than one second), so in many cases the closing operation is still ongoing. In other words, the closing operation and the interrupting operation are performed simultaneously, but in this case the interrupting operation takes priority, and the circuit breaker is designed to be safely performed and not to be closed again, even if the closing operation is continued. This function is called the free trip function, and is considered one of the important functions that a circuit breaker should have.

[Masami Okamura and Yoshifumi Oura]

[Reference item] | Fuses | Earth leakage circuit breakers

Circuit diagram of DC circuit breaker (Figure A)
©Shogakukan ">

Circuit diagram of DC circuit breaker (Figure A)

Structure and principle of no-fuse breaker (Fig. B)
©Shogakukan ">

Structure and principle of no-fuse breaker (Fig.…

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

電路を開閉する装置。サーキットブレーカーcircuit breakerともいう。電路の「開」操作の際には、開放電極間に高電圧が発生し電流遮断を困難にする作用がある。遮断器はその作用に耐え、電路電流遮断を可能とした開閉装置である。したがって、遮断器は通常の負荷電流と、短絡や地絡などの故障中に流れる大きな故障電流の遮断もできるようにしているものである。一方、負荷電流程度の小さい電流しか遮断できないものを負荷開閉器（負荷スイッチ）とよび、遮断器と区別している。

　電力系統は、発電機、変圧器、送電線などの多数の機器から構成されている。これらの一部を停止したいときは、停止したい発電機なり送電線なりの電流を遮断器により遮断し、電力系統から切り離すこととなる。また電力系統に短絡や地絡などの故障が発生すると、大きな故障電流が流れる。これを放置すると、故障した部分の被害が拡大されるばかりでなく、健全な部分も大電流による熱的、機械的なストレスによって損傷するおそれがある。さらに故障を放置しておくと電力系統の安定状態が破れ、大停電に発展するおそれも生ずる。以上のため、故障部分を遮断器によってできるだけ速やかに切り離す必要がある。切り離す時間が速ければ速いほど電力系統の安定性が増すので、遮断時間は逐次短縮されている。たとえば150キロ～500キロボルトに使用されている大型遮断器でも電流を遮断する時間は30ミリ～60ミリ秒程度になっている。

［岡村正巳・大浦好文］

遮断器の種類

電路の開閉は、一般に二つの導体の接触と乖離(かいり)によって行われる。ただし高電圧または大電流での開閉では、導体を乖離しても導体間にアークが発生し消滅しない。つまり電流を遮断できない。このため遮断器は、発生したアークに対して強力な冷却消イオン作用を働かせてアークの消滅を行わせる必要がある。遮断器は、アークを消滅させる方法によって次のように分類することができる。

(1)油遮断器　絶縁油中にある消弧室とよばれる絶縁筒の中にアークを発生させる。消弧室内はアーク熱により油が分解して水素ガスを発生するが、その高い熱電導率による強い冷却作用と、密閉室内の発生ガスにより加圧された新鮮な油をアークに吹き付けることによって消弧（アーク放電を消滅させること）させる。

(2)空気遮断器　15～30気圧の高圧空気を導体間に発生したアークに吹き付けて消弧させる。

(3)ガス遮断器　絶縁性能のよい六フッ化硫黄(いおう)ガスをアークに吹き付けて消弧させる。

(4)真空遮断器　10^-8ミリ水銀柱程度の高真空容器中に乖離すべき2導体を置く。高真空はきわめて高い絶縁耐力をもっているため、この中で導体を乖離させれば消弧は速やかに行われる。

(5)磁気遮断器　発生したアークをアーク自身の電磁力により絶縁板中の細隙(さいげき)に送り込み、アークの長さを増大させることや、絶縁壁に押し付けることによる冷却効果でアーク電圧を高めて消弧させる。

　一般にこれらの遮断器は高電圧電路に用いられるが、6キロボルト級の電路には、磁気遮断器、真空遮断器、油遮断器などが多く使用され、60キロボルト以上の電路には、ガス遮断器、空気遮断器、真空遮断器などが使用される。

　電力系統には交流系統と直流系統とがあり、交流は半周期ごとに電流が0となるので、その瞬間に消弧の機会がある。しかし、直流は電流が0となることがないので、遮断しにくくなる。このため電圧3000ボルト以下の遮断器ではアーク電圧を高めることにより電流を減少させて遮断している。高電圧直流送電用の遮断器では、逆電流を重ね合わせて電流零点をつくり、交流遮断器を利用して遮断する方法（図A）と、抵抗を逐次挿入して電流を絞っていく方法などが用いられている。

　故障電流遮断器としては、このほかにヒューズがある。これは過大電流の通過による発熱で自らが溶断して電流遮断するようになっている。遮断器に比較して構造はきわめて簡単であり安価でもあるが、電流遮断のつど、ヒューズの取り替えを要するなど欠点も多い。

［岡村正巳・大浦好文］

ノーヒューズブレーカー

交流600ボルト、直流250ボルト以下の回路には、ノーヒューズブレーカーまたは配線用遮断器とよばれる一種の小型磁気遮断器が多く使用される（図B）。一般の遮断器は、故障電流の遮断はできても、故障電流が流れたことを検出する機能はもっていない。このため、故障発生をみつける継電器（リレーともいう）と組み合わせて使用される。それに対し、ノーヒューズブレーカーは、遮断器と継電器の機能をあわせもったもので、ブレーカー自体が故障電流を検知して遮断する。これと類似したものに、400ボルト以下の低圧回路に使用される漏電遮断器がある。

［岡村正巳・大浦好文］

遮断器の容量

遮断器は故障電流の遮断が可能なスイッチであるが、遮断できる能力には限界があり、設計時に決定される。その能力（定格遮断容量）は、三相回路の場合回路電圧（定格電圧）と遮断可能な短絡電流（定格遮断電流）とで次式のように表される（単相回路ではは不用）。

　遮断器は、短絡故障がすでに発生している電路を閉操作する場合もある。このときは遮断器閉操作と同時に短絡電流が流れるため、遮断器はただちに電流遮断しなければならない。遮断器閉操作から電流遮断するまでの時間は、きわめて短時間（普通は1秒以内）であるため、まだ閉操作が継続中の場合が多い。すなわち閉操作と遮断操作が同時に行われるが、このときは遮断操作が優先され、投入操作を継続していても、遮断が安全に行われ、ふたたび投入されることのないように設計されている。この機能を引き外し自由機能とよび、遮断器が保有すべき重要な機能の一つとされている。

［岡村正巳・大浦好文］

[参照項目] | ヒューズ | 漏電遮断器

直流遮断器の回路図〔図A〕

ノーヒューズブレーカーの構造と原理〔図…

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例

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