JPH08336231A - 回路遮断器 - Google Patents

回路遮断器

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JPH08336231A
JPH08336231A JP8157570A JP15757096A JPH08336231A JP H08336231 A JPH08336231 A JP H08336231A JP 8157570 A JP8157570 A JP 8157570A JP 15757096 A JP15757096 A JP 15757096A JP H08336231 A JPH08336231 A JP H08336231A
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    • H02H3/33—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to difference between voltages or between currents; responsive to phase angle between voltages or between currents involving comparison of the voltage or current values at corresponding points in different conductors of a single system, e.g. of currents in go and return conductors using summation current transformers

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 アーク電流のステップ状増加及びアークが反
復的に発生する現象に応答する低コストのアナログアー
ク故障検知器を提供する。 【解決手段】 振幅がアーク電流のステップ状に増加す
る振幅に比例するパルスを全波整流した後、電流パルス
に変換し、キャパシタに印加する。キャパシタの電荷
は、その電圧がパルスの累積し時間減衰する振幅を表わ
すように並列の抵抗により継続的に調整する。ありふれ
た負荷が発生するパルスよりも僅かに大きい電流を、そ
れらのパルスから差し引くことによって、望ましくない
トリップが生じる可能性を減少させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はアーク故障に応答す
る装置及びかかる装置を組み込んだ回路遮断器に係わ
り、さらに詳細には、好ましくはアナログ回路を利用す
るかかる装置に係わる。
【０００２】
【従来の技術】従来型回路遮断器は、過電流及び短絡状
態に応答して被保護回路の電流を遮断する。回路遮断器
には大地電流から人間及び装置を保護するものもある。
最近、アーク故障に対する保護への関心が高まってい
る。アーク故障は、例えば隣接する裸の導体間、破損し
た導体の露出端部間、不良接続箇所、及び導体が近接状
態にある他の状況下で起こる。
【０００３】交流系統におけるアーク故障は、アーク電
流により生じる磁気反発力が導体を離隔させてアークを
消すため、断続的である。その後、機械的な力により導
体が再び接触するため、次のアークが生じる。
【０００４】アーク故障は普通、高抵抗を有するため、
アーク電流は典型的な回路遮断器の瞬時保護或いは磁気
トリップ保護のしきい値よりも低い。また、アーク故障
が断続的に発生するため、発生する電流の平均ＲＭＳ値
は回路遮断器の熱動保護のためのしきい値よりも低い。
それでもなお、アークにより損傷が生じたり可燃性物質
の近くでアークが生じると火災が発生することがある。
またありふれた負荷のなかにはアーク電流と同様な電流
が流れ、そのため望ましくないトリップが発生すること
があるため、従来型回路遮断器のピックアップ電流値を
ただ単に低くするのは実際的でない。
【０００５】アーク電流を他の断続的電流から判別しよ
うとする試みに多くの関心が向けられている。アーク電
流はアーク発生時にステップ状増加を示すことが分かっ
ている。しかしながら、典型的な負荷にも、装置に電源
を投入すると同様なステップ状増加を示す電流が流れる
ものが多々ある。このような負荷により発生する電流の
ステップ状増加は多くの場合単一事象であるが、アーク
故障では一連のステップ状増加が生じる。故障検知器に
は、これらのステップ状増加の数をカウントして所定時
間内に発生するステップ状増加が所定数を越えるとトリ
ップ信号を発生させるものがある。しかしながら、点弧
角の位相が実質的に遅れるとき電流がステップ状増加を
示すソリッドステート調光スイッチのような負荷もあ
る。
【０００６】アーク故障は大量の高周波数ノイズを発生
させ、その高周波数成分には静止期間があることも分か
っている。回路遮断器の中にはかかる特徴に注目してア
ーク故障を他の現象から判別するものもある。電流波形
のかかる詳細な特徴に基づいてアーク故障を検知する回
路遮断器は波形分析のためにマイクロプロセッサを用い
るものが多い。それらはまた、問題の高周波数成分を捕
捉するためかなり高品質のアナログ−デジタルコンバー
タを必要とする。従って、かかるアーク故障検知器は回
路遮断器のコストを著しく増加させ、典型的な住居用回
路遮断器の場合そのコストは何倍ともなることがある。
しかも、そのように精巧なアーク検知器付き回路遮断器
であっても、ある種のありふれた負荷と併用されると望
ましくないトリップ(nuisance tripping)を生じやす
い。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は、経
済上実用的なアーク故障保護機能を有する改良型回路遮
断器を提供することを目的とする。また、アーク故障に
高信頼度で応答し、またマイクロプロセッサやその関連
の高品質アーク電流コンバータを必要としない回路遮断
器を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記及び他の目的は、ア
ーク故障検知装置及びかかる装置を組み込んだ回路遮断
器であって、アーク故障を検知する簡単で低コストの回
路を備えたものに係わる本発明により達成される。この
回路は、アーク電流に付随する高周波数ノイズを分析す
る代わりにアークが発生するたびに現れる電流のステッ
プ状増加及びアークが反復的に発生する現象に応答す
る。さらに詳細には、その回路はステップ状に増加する
電流の累積し時間減衰する振幅に応答する。アークの発
生によりステップ状に増加する電流の振幅が大きければ
大きいほど、アーク電流の検出に必要なステップ状増加
の数は少なくてすむ。事実、アーク電流が充分に大きけ
れば、アークの存在を指示するのに単一のアークで充分
であろう。本発明の好ましい実施例は、望ましくないト
リップを減少させるために、例えば調光スイッチやバイ
メタル付きサーモスタットを備えた鉄のようなありふれ
た負荷に起こる電流のステップ状増加を越えるステップ
状増加にだけ応答する。
【０００９】詳説すると、本発明によるアナログ回路
は、好ましい実施例では小型回路遮断器によく見られる
熱動トリップユニットの感知手段を構成するバイメタル
を含む。負荷電流を指示する感知手段にかかる電圧は、
１個または２個以上のローパスフィルタと、１個または
２個以上のハイパスフィルタを組み合わせることによっ
て振幅が負荷電流のステップ状に増加する振幅に比例す
るパルスに変換される。これらのパルスは全波整流され
た後、フィルタ出力である非常に小さい振幅のパルス信
号に応答する回路によって電流パルスに変換される。こ
れらの電流パルスはキャパシタに印加され、このキャパ
シタが電流パルスを時間に関して積分する。キャパシタ
の電荷は、キャパシタの電圧がパルスの累積し時間減衰
する振幅を表わすように継続的に調整される。ありふれ
た負荷が発生するパルスよりも僅かに大きい電流を、電
流パルスをキャパシタに印加する前にそれらのパルスか
ら差し引くことによって、望ましくないトリップが生じ
る可能性を減少させる。また、キャパシタから或る電流
を差し引くことによって望ましくないトリップの可能性
をさらに減少させることも可能である。バイアス電流を
差し引く前か後に電流パルスに非線形伝達関数を適用す
ることによって、望ましくないトリップを回避しながら
アーク故障に対する応答性を向上させることができる。
この非線形関数は凸関数、即ち傾きが決して負になるこ
とがない関数であるのが好ましい。本発明の特定実施例
にもちいる非線形関数は二乗関数である。本発明のもう
１つの特徴として、レセプタクルのようは配線装置の故
障により発生することがあり得る高抵抗の線−アース故
障に応答することが分かっている地絡故障遮断器と共に
アーク故障検知器を用いるのが好ましい。アークにより
炭素化が生じると、アースへの回路が形成されて、望ま
しくないトリップを回避するため充分高い値にセットす
る必要のあるアーク故障検知器のしきい値よりも低いア
ーク電流値で地絡故障遮断器のトリップが生じる。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明を、米国特許第４，０８
１，８５２号明細書に記載されたような小型回路遮断器
に利用するものとして説明する。その回路遮断器は、バ
イメタルと磁気アーマチュアが持続性過電流及び短絡電
流にそれぞれ応答してばね駆動機構のラッチを外すこと
により接点を開く熱動−磁気トリップ装置を組み込んだ
ものである。米国特許第４，０８１，８５２号の回路遮
断器は地絡故障検知器を含むが、これを本発明の一部を
形成するアーク故障検知器と置換するか或いはそのアー
ク故障検知器に付加することが可能である。
【００１１】
【実施例】図１を参照して、回路遮断器３により保護さ
れる電気系統は、負荷９に電力を供給するよう接続され
た線導体５及び中性導体７を有する。回路遮断器３は開
離可能な接点１１を含み、これらの接点はばね駆動式の
トリップ機構１３によりトリップされると開離する。こ
のトリップ機構１３は従来型の熱動−磁気過電流装置１
５により作動される。この熱動−磁気過電流装置１５は
線導体５と直列接続のバイメタル１７を含む。持続性の
過電流によりバイメタル１７が加熱されるとバイメタル
が屈曲してラッチ１９を解放し、トリップ機構１３を作
動する。バイメタル１７を短絡電流が流れると、アーマ
チュア２１が磁気的に吸引され、ラッチ１９が解放され
てトリップ機構１３が作動される。
【００１２】回路遮断器３は、従来式の保護を与える熱
動−磁気過電流装置１５に加えて、アーク故障検知器２
３を組み込んでいる。このアーク故障検知器２３は、バ
イメタル１７にかかる電圧を感知するために接続された
一対のリード線２５，２７を有する。バイメタル１７の
抵抗は１例で約０．００２５オームのように既知である
ため、この電圧は線導体５を流れる電流を指示する。
【００１３】アーク故障検知器２３は、電気系統にアー
クが発生すると生じる電流のステップ状増加の大きさ
と、アークが生じるレートとの間の逆関係に応答するト
リップ回路である。このアーク故障検知器２３は、大き
さがアークの発生により生じる電流のステップ状増加に
比例するパルスを発生するパルス発生回路２９を含む。
このパルス発生回路はフィルタ３１を含み、このフィル
タは直列接続のキャパシタ３５と分路抵抗３７よりなる
第１のハイパスフィルタ３３、直列抵抗４１と分路キャ
パシタ４３よりなるローパスフィルタ３９、直列キャパ
シタ４７と分路抵抗４９よりなる第２のハイパスフィル
タ４５よりなる。電気系統は通常、可変の抵抗性プラス
誘導性のインピーダンスを有する。ローパスフィルタ３
９及びハイパスフィルタ３３，４５全体の時定数を電気
的システム応答よりも低い値に選択することにより、フ
ィルタ出力の振幅が電気的システムの立上がり時間とは
無関係に一定となるようにする。さらにフィルタ応答
を、電源周波数例えば６０ヘルツにおいて充分な減衰が
得られるように選択する必要がある。アーク故障により
発生する電流のステップ状増加に対するフィルタ３１の
応答は、大きさがアーク電流発生により生ずる電流のス
テップ状増加に比例するパルスである。これらのパルス
はアークが発生する時の半サイクルの極性を有する。半
サイクルごとに発生して零交差で消えるアーク電流につ
いては、これらのパルスはその極性が交番する。
【００１４】パルス発生回路２９はまた、フィルタ３１
からの双極性パルスを単極性パルス信号に変換する整流
回路５１を含む。パルスの整流に従来型のダイオードブ
リッジを使用できないのは、従来型整流器のダイオード
の電圧降下がバイメタル１７の両端間でアーク故障によ
り生じるミリボルト信号を越えるからである。加えて、
整流回路５１はフィルタ３１が発生する電圧パルスをそ
れに続くトリップ信号発生回路が必要とする電流パルス
へ変換する。
【００１５】整流回路５１はトランジスタ５５，５７に
より形成される差動増幅器５３を含む。これらのトラン
ジスタは抵抗５９，６１を介して定電流源６３に接続さ
れている。この定電流源はトランジスタ６５よりなる
が、このトランジスタには供給電圧バス７１により付勢
される抵抗６９とダイオード６７により一定のベースバ
イヤスが与えられる。トランジスタ７５，７７により形
成される電流ミラー７３は供給電圧バス７１とトランジ
スタ５５，５７のコレクタの間に接続されている。周知
のように、電流ミラー７３は電流ｉm1を電流ｉ1に等し
い値に維持するように作用する。フィルタ３１からの出
力が存在しないと、定電流源６５が供給する一定の電流
は電流ｉ1とｉ2の間に等しく分割される。電流ｉm1は電
流ｉ1に等しいためそれは電流ｉ2にも等しい。フィルタ
３１が線導体５の電流の正の半サイクルの間に発生する
アーク電流に応答して正のパルスを発生するときはいつ
も、トランジスタ５５がトランジスタ５７よりも大きく
オンとなるため、定電流源６５が供給する一定の電流の
うちより多くのものがそのトランジスタ５５を流れる。
従って、電流ｉ1は電流ｉ2よりも大きい。電流ミラー７
３により電流ｉm1が電流ｉ1と等しくなるため、電流ｉ
m1は電流ｉ2よりも大きく、電流ｉが電流ミラー７３と
トランジスタ５７の間のリード線８１上のノード７９か
ら流れ出る。
【００１６】リード線８１はＮＰＮトランジスタ８３の
エミッタとＰＮＰトランジスタ８５のエミッタに接続さ
れている。トランジスタ８３と８５のベースは複数のツ
ェナーダイオード８７よりなるはしご型回路により供給
電圧の半分の電圧によりバイアスされている。電流ｉが
ノード７９を流れ出ると、トランジスタ８５がオンとな
り電流ｉをリード線８９へ差し向ける。
【００１７】アーク電流が線導体５の電流の負の半サイ
クルで発生すると、フィルタ３１から負のパルスが出力
される。この負のパルスはトランジスタ５５よりもトラ
ンジスタ５７の方を強くオンにするため、電流ｉ2がｉ1
よりも大きくなる。従って、電流ｉm1は電流ｉ2よりも
小さく、電流ｉの方向が逆転してノード７９に流れ込む
ようになる。このためトランジスタ８５はオフとなり、
トランジスタ８３がオンになる。トランジスタ８３を流
れる負の電流ｉはトランジスタ９３と９５により形成さ
れるミラー回路９１による鏡像効果により、リード線８
９上に電流ｉを発生させる。かくして、フィルタ３１が
発生するパルスの極性に拘らず、リード線８９上に単極
性のパルスが現れる。
【００１８】叙上のように、アーク故障と錯覚すること
のある電流のステップ状増加が反復する負荷が存在す
る。従って、本発明はありふれた負荷により発生するも
のよりも大きい電流のステップ状増加にだけ応答する。
これは、リード線８９上に現れる単極性パルスから定電
流源９７が発生する基準電流ｉＲを減算することにより
可能となる。定電流源９７はトランジスタ９９よりな
り、このトランジスタのベースにはダイオード１０１と
供給電圧バス７１に接続された抵抗１０３とにより一定
のバイアスが印加される。電流パルスｉが基準電流ｉR
により表されるしきい値を越える部分はトランジスタ１
０４を介してアースに流れるが、この電流部分がトラン
ジスタ１０９と１１１により形成される電流ミラー１０
７を介してキャパシタ１０５を充電する。パルス電流ｉ
の振幅が基準電流ｉＲを越えない場合電流ミラー１０７
には電流が流れないため、キャパシタ１０５上の電荷は
何の影響も受けない。
【００１９】キャパシタ１０５にかかる電圧は、ツェナ
ーダイオード８７により供給電圧パス７１の電圧の約半
分にセットされた基準電圧とコンパレータ１１５により
比較される。キャパシタ１０５は電流パルスが基準電圧
ｉRを越える量を時間に関して積分し、その間抵抗１１
３がキャパシタから電荷を継続的に放電することによっ
て蓄積される電荷量を調整する。キャパシタ１０５と抵
抗１１３の値は、パルスの累積し時間減衰する振幅の所
望の関数を与えるように選択される。特に磁気力により
導体が離隔してアークが消える場合アーク電流の発生に
より生じるパルスはランダムであるが、アークの発生は
反復的であるため時間の経過と共に一連のパルスが発生
する。従って、アーク電流の振幅が小さい場合、振幅が
大きい場合に必要とされるものよりも数多くのパルスが
キャパシタのしきい電圧に到達するのに必要となる。事
実、ただ１つのパルスであっても振幅が充分大きければ
コンパレータ１１５に出力が発生する。コンパレータ１
１５の出力は抵抗１１７，１１９を介してＳＣＲ１２１
のゲートにターンオン電圧を印加する。ＳＣＲ１２１が
オンになるとトリップコイル１２３が付勢され、これに
よりトリップ機構１１３のラッチ１９が解放されて接点
１１が開く。ＳＣＲを電圧サージから保護するためバリ
スタ１２５を使用するが、ＳＣＲのゲートはキャパシタ
１２７によりノイズから保護される。アーク故障検知器
２３の電流はコイル１２３を介して中性導体から供給さ
れ、ダイオード１２９により半波整流された後、フィル
タ１３１によりフィルタリングを施されて供給電圧バス
７１上に直流の供給電圧を発生させる。キャパシタ１０
５、抵抗１１３、コンパレータ１１５はＳＣＲ１２１を
オンにするトリップ信号発生器１１６を形成する。
【００２０】図２−５は図１の回路の特定の点に現れる
波形を示す。図２は典型的なアーク電流の波形１３３を
示す。図示のように、アークが発生すると電流が１３５
においてステップ状に増加する。アーク電流は零レベル
に近付くと消滅する。そして負の半サイクルの電圧がア
ーク発生に充分な振幅になるまで零レベルを維持し、そ
の後１３７において電流は負の方向にステップ状に増加
する。電流により発生する磁気力によって導体が離隔す
ると、それに続く半サイクルの間アークは発生しない
が、その後数サイクル経過すると導体が再びアーク電流
を再発生させるに充分な程度まで接近する。これらの現
象はランダムに起こるため、電流のステップ状増加の極
性もランダムである。アーク電流波形にはある程度の高
周波数ノイズ１３９が重畳されることが分かっている。
この高周波数成分こそ多くのアーク故障検知器が注目す
るものであるが、本発明の検知回路は電流のステップ状
増加にのみ応答する。
【００２１】図３はフィルタ３１が出力するパルス波形
を示す。図示のように、これらのパルス１４１は単極性
ではない。図４は整流回路５１の出力のリード線８９上
に現れる単極性のパルス１４３を示す。この図４はまた
基準電流ｉRを越えるパルス１４３の部分だけが積分作
用を有するキャパシタ１０５に印加されることを示して
いる。図５はキャパシタ１０５上の電圧Ｖcを示す。図
示のように、パルスが印加されるたびにキャパシタに電
荷が注入され、その電圧が上昇する。パルスとパルスの
間では、電荷が抵抗１１３により放電するため電圧が減
衰する。パルスの振幅が充分に大きく、また周波数が充
分に高ければ、キャパシタ１０５の電圧はコンパレータ
１１５に印加される基準電圧で表わされるトリップ電圧
Ｖtへ到達して、ＳＣＲ１２１を点弧し、回路遮断器を
トリップする。
【００２２】図６及び７は本発明の別の実施例を示す。
図において同一構成成分は同一の参照番号を付し、図１
の回路と同様な構成成分については同じ参照番号にプラ
イム符号を付加した。図６及び７の回路と図１の回路の
大きな違いは、本発明の第２の実施例は基準電流を減算
する前に電流パルスを二乗することである。図６及び７
のアーク故障検知器２３′は図１の検知器と同様、バイ
メタル１７の両端間の電圧を線導体を流れる電流を指示
するものとして利用する。パルス発生回路２９′はフィ
ルタ３１を含むが、このフィルタはハイパスフィルタ３
３、ローパスフィルタ３９及び第２のハイパスフィルタ
４５より成る。図１に関連して説明したように、これら
フィルタの時定数はアーク故障により生ずる電流のステ
ップ状増加に対するフィルタ３１の応答が大きさがアー
ク電流の発生により生じるステップ状増加に比例するパ
ルスとなるように選択される。再び、これらのパルスは
アークが発生する半サイクルの極性を有する。
【００２３】パルス発生回路２９′はまたフィルタ３１
が出力する双極性パルスを単極性パルス信号へ変換する
整流回路５１′を含む。この整流回路５１′はトランジ
スタ５５，５７により形成される差動増幅器５３′を有
し、これらのトランジスタのエミッタが抵抗１４５で接
続されている。これらのエミッタはまたトランジスタ１
４９，１５１により形成される定電流源１４７にも接続
され、それらの共通ベースは抵抗１５５を介して付勢さ
れるトランジスタ１５３により駆動される。
【００２４】整流回路５１′はまたトランジスタ１５
７，１５９，１６１より成る電流ミラー７３′を含む。
図１に関連して説明したように電流ミラー７３′は電流
ｉm1が電流ｉ1に等しい状態を継続するようにする。ア
ーク発生によりフィルタ回路３１が差動増幅器５３′へ
正のパルスを印加すると、トランジスタ５５がトランジ
スタ５７よりも大きく導通する。このため抵抗１４５に
電流が流れ、電流ｉ2が減少する。かくして、ノード７
９から電流ｉが流れ出る。この電流パルスは正のパルス
であり、トランジスタ８５をオンにしてリード線８９上
にパルスを発生させる。
【００２５】フィルタ３１が差動増幅器５３′に負のパ
ルスを印加すると、ノード７９の電流ｉの極性が逆転
し、トランジスタ８３がオンとなる。トランジスタ１６
３，１６５，１６７により形成される電流ミラー９１′
はリード線８９上に正極性のパルスを発生させる。
【００２６】回路１６９はリード線８９上に発生する単
極性パルスに対して所定の伝達関数を適用する。好まし
くは、この伝達関数は凸関数、即ち傾きが決して負にな
ることのない関数である。本発明の実施例では、この回
路１６９はリード線８９上のパルスを二乗する二乗回路
である。
【００２７】この回路１６９はリード線８９とアースの
間に接続された一対のトランジスタ１７１，１７３を含
む。リード線８９はまたトランジスタ１７５のベースに
接続され、そのエミッタを接地するトランジスタ１７７
のベースに接続してある。リード線８９上のパルスはト
ランジスタ１７１，１７３を通過してそれぞれ電圧降下
Ｖ1及びＶ2を発生させる。トランジスタ１７７，１７５
のエミッタ−ベース電圧Ｖ3及びＶ4の和は電圧Ｖ1及び
Ｖ2の和に等しい。ベース駆動電圧が抵抗１８３を介し
て電源バス７１に接続されたトランジスタ１８１により
固定されたトランジスタ１７９より成る定電流源は、ト
ランジスタ１７５を介して一定の電流を引き出す。トラ
ンジスタ１７５が高利得で、そのベースを介して引き出
される電流は無視できるため、電圧Ｖ4は定電流源によ
り引き出されるバイアス電流ｉbにより固定される。周
知のように、電圧Ｖ1乃至Ｖ4はそれぞれのトランジスタ
を流れる電流の対数の関数である。従って、下記の関係
が成り立つ。
【００２８】
【数１】 従って、
【数２】 ｉ1とｉ2は共にｉin（リード線８９上の電流パルス）に
等しいため、
【数３】 そして、
【数４】 二乗されたパルスは入力トランジスタ１８７と一対の出
力トランジスタ１８９、１９１を有する電流ミラー１８
５により増幅されるため、二乗されたパルスには２デシ
ベルの利得が与えられる。
【００２９】ありふれた負荷が原因の望ましくないトリ
ップを阻止するために、トランジスタ１９３の一定のベ
ース駆動電流が抵抗１９７を介して付勢されるトランジ
スタ１９５より供給される定電流源９７′により、増幅
された二乗パルス信号から基準電流ｉrが差し引かれ
る。その結果、しきい電流ｉRを越えるパルスがリード
線１９９上に得られる。
【００３０】図７を参照して、クリッピングを施され
た、リード線１９９上のこれらのパルスはトリップ信号
発生回路１１６′に印加される。トリップ信号発生回路
１１６′は積分キャパシタ１０５を含む。このキャパシ
タ１０５は抵抗１１３′を介して電源リード線７１によ
り充電される。その回路が最初にオンになると、急速充
電回路２０３が最初にキャパシタ１０５を完全充電状態
にする。この急速充電回路２０３は一対のトランジスタ
２０５，２０７を電源リード線７１とキャパシタ１０５
との間に並列に接続したものである。これらのトランジ
スタをオンにするベース駆動電流はキャパシタ２１１を
介して与えられる。抵抗２０９は充電電流の一部を分岐
することにより、トランジスタ２０５及び２０７をオン
にするに必要なｄｖ／ｄｔの最小レベルを決定する。キ
ャパシタ２１１が完全充電状態になると、トランジスタ
２０５，２０７がオフになり、それに続いてキャパシタ
１０５が抵抗１１３′を介して放電する。
【００３１】トリップ信号発生回路１１６′のキャパシ
タ１０５はリード線１９９上のクリッピングされたパル
スを積分する。パルスが現れるたびにトランジスタ２１
３がオンになり、トランジスタ２１５をオンにする結
果、トランジスタ２１７がオンになり、キャパシタ１０
５からパルスの大きさ及び持続時間に比例する電荷が放
出される。パルスが次々に現れるとキャパシタ１０５の
電圧が減少するが、抵抗１１３′はキャパシタ１０５へ
充電電流を継続的に供給する。これらのパラメータは、
基準電流を越える二乗パルスの大きさを累積しそれを時
間減衰させた量の所定の関数が得られるように選択され
る。キャパシタ１０５の電圧がトランジスタ２１９，２
２１により形成されるコンパレータ１１５′の基準電圧
（＋１３ボルトの供給電圧からこれら２つのトランジス
タのダイオード降下を差し引いたもの）を越えるとトラ
ンジスタ２１９，２２１がオンになる。これにより一対
のトランジスタ２２３，２２５がオンになり、トランジ
スタ２１５を完全導通状態にラッチしてトランジスタ２
２９を介してリード線２２７上に正のトリップ信号を発
生させる。このトリップ信号によりＳＣＲ１２１がオン
となり、トリップコイル１２３を付勢する。
【００３２】好ましくは、スパッタリングアーク故障検
知器２３′をそれぞれ人間の保護及び装置の保護に用い
られる地絡故障回路２３１または大地漏洩電流保護回路
（図示せず）のような大地電流検知回路と共に用いる。
好ましくは、地絡故障遮断回路２３１は米国特許第５，
２２４，００６号に示すようなドーマント発振機タイプ
のものである。かかるドーマント発振機タイプの地絡故
障遮断回路は２つのピックアップコイルを有する。第
１，のコイル２３３は線導体５及びつ中性導体７が共に
貫通するトロイダルコイルである。中性導体７だけが第
２のトロイダルコイル２３５を貫通する。
【００３３】地絡故障検知回路２３１のような１大地電
流検知回路はアーク故障検知器と組み合わせて用いると
特に有用である。叙上のように、アーク故障検知器２
３′はアーク故障と同様な波形を発生させる一部のあり
ふれた負荷が原因の望ましくないトリップを発生させ易
い。従って、アーク故障検知器が応答する電流のステッ
プ状増加の大きさを、同様なステップ状増加を発生する
可能性のあるありふれた負荷に対する応答を回避するに
充分な高さにセットする必要がある。レセプタクルのよ
うな配線装置の不良接続により生じるようなアーク状態
が原因の炭素化により、アーク電流がアーク故障検知器
の応答レベル以下でも地絡故障遮断回路がトリップを発
生させることを本発明者等は発見している。かくして、
地絡故障遮断回路２３１はアーク故障に対して保護を与
えることになる。地絡故障遮断回路２３１が発生するト
リップ信号はリード線２３７を介してＳＣＲ１２１をオ
ンにし、トリップソレノイド１２３を付勢する。
【００３４】地絡故障検知回路２３１とアーク故障検知
器２３′は単一の集積回路チップ（図示せず）上に組み
込むことが可能である。アーク故障検知器２３′の構成
成分の一部については、チップとは別の個別部品により
構成して回路を種々の用途に対して容易に仕様変更でき
るようにする。例えば、入力フィルタ３１を個別部品に
より構成することによってアーク故障検知器の感度を調
整可能にする。加えて、キャパシタ１０５と充電抵抗２
０１も個別部品にしてパルスの振幅とアークレートとの
間に所望の逆関係が得られるように選択できるようにす
る。これに関連して、最初にキャパシタ１０５を充電す
る回路２０３の一部である抵抗２０９及びキャパシタ２
１１もチップとは別の選択可能な構成成分にできる。ま
た、しきい回路９７′の抵抗を個別部品にしてしきいレ
ベルを調整できるようにすると望ましい。
【００３５】図８はアーク電流の発生により生じるパル
スの振幅とトリップ信号発生に必要なパルスの数との間
の逆関係を示す。図８から分かるように、これらのパル
スの振幅はトリップ信号を発生させるためにはｉRで表
わされるしきい値を越える必要がある。一方、この例で
は、単一のステップ状増加であっても電流が約９０アン
ペアあれば回路遮断器がトリップされる。
【００３６】アークが発生する半サイクルの数と半サイ
クルの総数との幾つかの比を表わす軌跡Ａ−Ｄを図８に
示す。例えば、軌跡Ａはアークが半サイクルごとに発生
して０交差ごとに消滅する応答曲線を示す。軌跡Ｂはア
ークが３つの半サイクルにつき一回発生する例を示す
が、軌跡Ｃはアークが７つの半サイクルにつき一回発生
するデューティーサイクルであり、軌跡線Ｄはアークが
１５の半サイクルにつき一回発生するデューティーサイ
クルを示す。
【００３７】叙上のように、本発明は配電系統のありふ
れた負荷の歪んだ電流波形からアーク故障を判別するた
めの簡単で低コストの検知器を提供する。この簡単な回
路はアークの発生によりステップ状に増加する電流振幅
と反復性のパルスが生じる時間インターバルの関数であ
る可変の応答を与える。
【００３８】本発明の特定実施例を詳細に説明したが、
当業者にとっては本明細書の記載全体から種々の変形例
及び設計変更が想到されることが明らかであろう。従っ
て、図示説明した特定の構成は例示に過ぎず、本発明の
技術的範囲を限定するものではなく、この技術的範囲は
頭書した特許請求の範囲及びその均等物の全範囲を与え
られるべきである。
【００３９】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による回路遮断器の概略図。
【図２】図１の回路遮断器が応答する典型的なアーク電
流に関連する波形図。
【図３】図２に示すアーク電流に応答して図１の回路遮
断器が発生するパルス信号の波形図。
【図４】図３のパルスを図１の回路遮断器によりさらに
処理した後の波形図。
【図５】図１の回路の一部を形成するキャパシタ上に図
４のパルスにより発生される電圧を示す波形図。
【図６】本発明による回路遮断器の別の実施例を示す回
路図。
【図７】本発明による回路遮断器の別の実施例を示す回
路図。
【図８】図６及び７に示す回路遮断器の応答を示すグラ
フである。
【符号の説明】
３ 回路遮断器 ５ 線導体 ７ 中性導体 ９ 負荷 １１ 開離可能な接点 １３ トリップ機構 １７ バイメタル ２３ アーク故障検知器 ２９ パルス発生回路 ３１ フィルタ ５１ 整流回路 ５３ 差動増幅器 ７３ 電流ミラー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 390033020 Ｅａｔｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｃｌｅｖｅｌ ａｎｄ，Ｏｈｉｏ 44114，Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者 レイモンド ウオレン マッケンジー アメリカ合衆国 ペンシルベニア州 15227 ピッツバーグ シンシア ドライ ブ 3837

Claims (26)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 反復性で不定振幅を有するアーク電流が
    発生しやすい電気系統の電流を遮断する回路遮断器にお
    いて、 開いてアーク電流を含む電気系統の電流を遮断する開離
    可能な接点と、 トリップ手段とより成り、 トリップ手段は、 アーク電流が発生するたびに振幅がアーク電流の不定振
    幅の一次関数であるパルスを発生させることにより一連
    のパルスを発生させるパルス発生手段、 一連のパルスの累積し時間減衰させた振幅の関数として
    トリップ信号を発生させるトリップ信号発生手段、及び
    トリップ信号に応答して開離可能な接点を開く手段より
    成ることを特徴とする回路遮断器。
  2. 【請求項２】 トリップ信号発生手段は、一連のパルス
    の振幅がしきい値を越える量を累積し時間減衰させた結
    果得られる量の関数としてトリップ信号を発生させるこ
    とを特徴とする請求項１の回路遮断器。
  3. 【請求項３】 回路遮断器はありふれた負荷によるある
    特定の大きさの断続性負荷電流が発生しやすい電気系統
    に使用され、しきい値は断続性負荷電流のある特定の大
    きさよりも大きいアーク電流の振幅に相当することを特
    徴とする請求項２の回路遮断器。
  4. 【請求項４】 パルス発生手段は単極性のパルスを発生
    させる整流手段を含むことを特徴とする請求項３の回路
    遮断器。
  5. 【請求項５】 パルス発生手段は単極性のパルスを発生
    し、トリップ信号発生手段はキャパシタと、キャパシタ
    に一連のパルスを印加する手段と、キャパシタに接続さ
    れてキャパシタの電荷を一連のパルスとは反対方向に所
    定のレートで調整する調整手段と、キャパシタにかかる
    電圧が所定値に到達するとトリップ信号を発生させる出
    力手段とより成り、キャパシタと調整手段はキャパシタ
    にかかる電圧が一連のパルスの累積し時間減衰した振幅
    により決まるように選択されていることを特徴とする請
    求項１の回路遮断器。
  6. 【請求項６】 パルス発生手段は一連のパルスに凸関数
    を適用することにより非線形パルスを発生させ、この非
    線形パルスがトリップ信号発生手段によりキャパシタに
    印加されることを特徴とする請求項５の回路遮断器。
  7. 【請求項７】 キャパシタに一連のパルスを印加する手
    段はしきい値を越える非線形パルスの部分だけをキャパ
    シタに印加する手段より成ることを特徴とする請求項６
    の回路遮断器。
  8. 【請求項８】 キャパシタに一連のパルスを印加する手
    段はしきい値を越える一連のパルスの部分だけをキャパ
    シタに印加する手段より成ることを特徴とする請求項５
    の回路遮断器。
  9. 【請求項９】 回路遮断器はありふれた負荷によるある
    特定の大きさの断続性負荷電流が発生しやすい電気系統
    に使用され、しきい値を越える一連のパルスの部分だけ
    をキャパシタに印加する前記手段は、ありふれた負荷に
    よる断続性負荷電流のある特定の振幅よりも大きい、電
    気系統の電流の一次関数である基準電流を一連のパルス
    から差し引く手段より成ることを特徴とする請求項８の
    回路遮断器。
  10. 【請求項１０】 トリップ信号発生手段はさらに、所定
    レベルよりも大きいが断続性負荷電流のある特定の振幅
    よりも小さい大地電流に応答してトリップ信号を発生さ
    せる大地電流検知手段を含むことを特徴とする請求項９
    の回路遮断器。
  11. 【請求項１１】 パルス発生手段は、アーク電流に比例
    する電圧を発生する手段と、振幅がアーク電流の不定振
    幅の一次関数である電圧パルスを発生させるフィルタ手
    段と、電圧パルスを単極性の電流パルスに変換する手段
    とより成ることを特徴とする請求項５の回路遮断器。
  12. 【請求項１２】 パルス発生手段は一連のパルスに凸関
    数を適用して一連の非線形パルスを発生させる手段を含
    み、トリップ信号発生手段は非線形パルスの累積し時間
    減衰した振幅の関数としてトリップ信号発生させること
    を特徴とする請求項１の回路遮断器。
  13. 【請求項１３】 パルス発生手段は望ましくないトリッ
    プを発生させる非線形パルスから電気系統の電流の一次
    関数である基準電流を差し引く手段を含むことを特徴と
    する請求項１２の回路遮断器。
  14. 【請求項１４】 トリップ信号発生手段はさらに、所定
    レベルを越える大地電流に応答してトリップ信号を発生
    させる大地電流検知手段を含んで成ることを特徴とする
    請求項１の回路遮断器。
  15. 【請求項１５】 トリップ信号はさらに、所定の非線形
    関数に応じて一連のパルスの振幅を調整することにより
    振幅が調整された一連のパルスを発生させる手段を含
    み、トリップ信号発生手段は一連のパルスの累積し時間
    減衰し調整された振幅の関数としてトリップ信号を発生
    させることを特徴とする請求項１の回路遮断器。
  16. 【請求項１６】 トリップ信号発生手段はさらに所定レ
    ベルを越える大地電流に応答してトリップ信号を発生さ
    せる大地電流検知手段を含んで成ることを特徴とする請
    求項１５の回路遮断器。
  17. 【請求項１７】 電気系統に反復的に発生する不定振幅
    のアーク電流を検知する装置であって、 アーク電流が発生するたびに振幅がアーク電流の不定振
    幅に比例するパルスを発生させることにより一連のパル
    スを発生させるパルス発生手段と、 一連のパルスの累積し時間減衰した振幅の関数としてア
    ーク信号を発生させる出力信号発生手段とより成ること
    を特徴とする装置。
  18. 【請求項１８】 出力信号発生手段は、一連のパルスの
    振幅がしきい値を越える量を累積し時間減衰させた結果
    得られる量の関数としてアーク信号を発生させることを
    特徴とする請求項１７の検知装置。
  19. 【請求項１９】 パルス発生手段は単極性のパルスを発
    生し、出力信号発生手段はキャパシタと、キャパシタに
    一連のパルスを印加する手段と、キャパシタに接続され
    てキャパシタの電荷を一連のパルスとは反対方向に所定
    のレートで調整する調整手段と、キャパシタにかかる電
    圧が所定値に到達するとトリップ信号を発生させる出力
    手段とより成り、キャパシタと調整手段はキャパシタに
    かかる電圧が一連のパルスの累積し時間減衰した振幅に
    より決まるように選択されていることを特徴とする請求
    項１８の検知装置。
  20. 【請求項２０】 パルス発生手段は一連のパルスに凸関
    数を適用して一連の非線形パルスを発生させる手段より
    なり、これらの非線形パルスはキャパシタへ印加される
    ことを特徴とする請求項１８の検知装置。
  21. 【請求項２１】 一連のパルスに凸関数を適用する前記
    手段は一連のパルスを二乗して二乗したパルスをキャパ
    シタへ印加する手段よりなることを特徴とする請求項２
    ０の検知装置。
  22. 【請求項２２】 キャパシタに一連のパルスを印加する
    手段はしきい値を越える非線形パルスの部分だけをキャ
    パシタに印加する手段より成ることを特徴とする請求項
    ２０の検知装置。
  23. 【請求項２３】 キャパシタに一連のパルスを印加する
    手段はしきい値を越える一連のパルスの部分だけをキャ
    パシタに印加する手段より成ることを特徴とする請求項
    １９の検知装置。
  24. 【請求項２４】 パルス発生手段は一連のパルスに凸関
    数を適用して一連の非線形パルスを発生させる手段を含
    み、出力信号発生手段は非線形パルスの累積し時間減衰
    した振幅の関数としてトリップ信号発生させることを特
    徴とする請求項１７の検知装置。
  25. 【請求項２５】 パルス発生手段は望ましくないトリッ
    プを発生させる非線形パルスから電気系統の電流の一次
    関数である基準電流を差し引く手段を含むことを特徴と
    する請求項２４の検知装置。
  26. 【請求項２６】 パルス発生手段は一連のパルスに非線
    形関数を適用する手段を含むことを特徴とする請求項１
    ７の検知装置。
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