JPS5842687B2 - 静止形過電流保護装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は静止形過電流保護装置に関し、特に積分回路
に対する充電パルス電流の発生回路に関する。

第１図はこの発明の背景となる静止形過電流継電器の典
型的な例を示すブロック図である。

この例では、主回路として３相交流回路を示す。

したがって、主回路には、３相の電線１ａ、１ｂおよび
１Ｃが設けられ、この各線１ａないし１ｃには気中遮断
器２が介挿される。

そして、これら各線１ａないし１Ｃには、それぞれの線
に流れる電流を検出するための変流器３が個別的に設け
られる。

これら変流器３によって検出された電流は、それぞれ補
助変流器４に与えられる。

そして、その補助変流器４からのそれぞれの入力電流は
、たとえば全波整流回路等の整流回路５に与えられ直流
電流として取り出される。

この場合、取り出される直流電流は前記各線１ ａ ｔ
ｌ ｂ ｔ ｌ ｃのうち、各時点における絶対値の
最大の相の電流に応答する。

前記整流回路５からの最大入力電流に相関する直流電流
は、制御電源回路６および長限時信号回路７、短限時信
号回路８に、それぞれ分流される。

そして、制御電源回路６では、前記分流された直流電流
によって直流電圧をつくり、この第１図の２点錯線で囲
んで示される制衝回路の各々の要素の電源とする。

また、長限時信号回路７（短限時信号回路８も同様であ
るが本出願に関係ないため省略する）では、前記分流さ
れた直流電流に基づいて、長限時動作に必要な長限時信
号を脈流として導出する。

長限時信号は、ピーク値保持回路９およびピックアップ
回路１０に入力される。

そして、前記ピーク値保持回路９では、入力される最大
入力電流のピーク値に相当するレベルの直流電圧を発生
し、後続のパルス充電回路１１に与える。

また、前記ピックアップ回路１０では、前記長限時信号
回路７を経た最大入力電流に応じて、この最大入力電流
が定格電流の伺パーセントであるかによって、長限時動
作させるか否かを判断する。

したがって、このピックアップ回路１０では、最大入力
電流が前記定格電流を所定の比率だけオーバしているこ
とによって、時限回路を構成する積分回路１２を能動化
する。

前記パルス充電回路１１は、前記ピーク値保持回路９の
直流電圧に応じて、積分回路１２に対して充電パルス電
流を発生する。

また、前記積分回路１２は、たとえばコンデンサを含み
、その両端電圧ないし端子電圧は後続の比較回路１３に
よって所定電圧と比較される。

そして比較回路１３では、前記積分回路１２の端子電圧
が所定電圧を超えたことによって、引きはずしコイル１
５に電流を流すためのサイリスタ（ＳＣＲ）にトリガ電
圧を与えるべきＳＣＲトリガ回路１４に対して、トリガ
出力を出すように指令する。

したがって、このような構成の静止形過電流保護装置に
おいては、たとえば第２図に示すように、主回路の電流
すなわち最大入力電流が定格電流に対して１００パーセ
ントないし１２５パーセントに達したとき前記ピックア
ップ回路１０が作動する。

応じて、積分回路１２が能動化され、パルス充電回路１
１からの該最大入力電流に応じたエネルギを持つ充電パ
ルスによって、該積分回路１２が充電される。

そして、ある時間経過後積分回路１２の端子電圧が所定
電圧を超えたとき、前記引きはずしコイル１５が作動し
、前記主回路に設けられた気中遮断器２が引きはずされ
る。

このような静止形過電流継電器の詳細な動作はよく知ら
れているためその説明は省略する。

また、短限時動作、瞬時引きはずし動作についても省略
する。

一般に、このような静止形過電流継電器の長駆動作の時
限は、この第２図に示すように反限時特性である。

さらに、このような反限時特性は、保護対象機器のジュ
ール熱特性から考えて、入力電流の２乗×引きはずし動
作時間が一定（Ｉ２ｔ＝一定）であることが望ましい。

そして、このような長限時の静止形過電流継電器では、
その引きはすしまでの時限が長いため、積分コンデンサ
を充電する際に、連続電流ではなくパルス電流を用いる
。

この発明は、このようなパルス充電でＩ２を一一定の特
性を得るためのパルス充電回路に向けられるものである
。

それゆえに、この発明の主たる目的は、積分コンデンサ
を■２ｔ＝一定の電流パルスで充電するような静止形過
電流保護装置の新規な方式を提供することである。

この発明は、要約すれば、積分回路のコンデンサへの充
電電流をパルス電流で与え、そのパルスの幅を入力電流
に比例させ、そのパルス繰返し周波数ないし同期は入力
電流に関係なく一定とし、かつそのパルス電流値は入力
電流に比例させるようにした静止形過電流保護装置であ
る。

この発明の上述の目的およびその他の目的と特徴は図面
を参照して行なう以下の詳細な説明から一層明らかとな
ろう。

第３図はこの発明の具体的な一実施例を示す電気回路図
である。

構成において、この第３図は特にパルス充電回路１１お
よび積分回路１２を詳細に示す。

そして、前記整流回路５かつしたがって長限時信号回路
７からの入力電流■（主回路電流の最大瞬時値に相関）
はピーク値保持回路９に与えられる。

ピーク値保持回路９では、この入力電流■に応じた電圧
Ｖｉｎを発生する。

この入力電圧Ｖ ｉ ｎは、パルス充電回路１１を構成
するトランジスタＴｒｌ、Ｔｒ２およびＴｒ４のそれぞ
れのベースに共通的に与えられる。

そして、このトランジスタＴｒ１のエミッタは抵抗Ｒ１
を介して電圧Ｖｓに接続され、かつそのコレクタは抵抗
Ｒ２を介しで接地電位に接続される。

さらに、このトランジスタＴｒｌのコレクタはＰＵＴ（
プログラマブルユニジャンクション トランジスタ）Ｓ
ｌのゲート電極に接続される。

また、前記トランジスタＴｒ２のエミッタ抵抗Ｒ３を介
して前記電源Ｖｓに接続され、そのコレクタは前記ＰＵ
Ｔ ８１のアノードに接続されるとともにコンデンサ
Ｃ１のプラス側に接続される。

このＰＵＴ ８１のカソードは接地される。

前記コンデンサＣ１のマイナス側は、トランジスタＴｒ
３のコレクタに接続されるとともに、ダイオードＤ１お
よび抵抗Ｒ５の直列接続回路を介して接地される。

前記トランジスタＴｒ３のエミッタは、抵抗Ｒ４を介し
て電源Ｖｓに接続され、かつそのベースには前記電源Ｖ
ｓが抵抗Ｒ６およびダイオードＤ２と抵抗Ｒ７とによっ
て分割された一定電圧が与えられる。

さらに、前記トランジスタＴｒ４のエミッタは抵抗Ｒ８
を介して電圧Ｖｓに接続され、そのコレクタはトランジ
スタＴｒ５のコレクタに接続される。

前記トランジスタＴｒ５のベースは前記ダイオードＤ１
と抵抗Ｒ５との直列接続点に接続され、そのエミッタに
接地される。

前記トランジスタＴｒ５のコレクタがこのパルス充電回
路１１の出力端となり、これが、ダイオードＤ３のアノ
ードに接続されるとともに比較回路１３の比較入力端に
接続される。

前記積分回路１２を構成するダイオードＤ３のカソード
は積分コンデンサＣ２の一方電極に接続される。

そしてこの積分コンデンサＣ２の他方電極は接地される
。

なお、前記比較回路１３は電源Ｖｓによって付勢されて
いる。

以上のような構成において以下に第４図の各部波形図と
ともにその動作を詳細に説明する。

ピーク値保持回路９からの電圧Ｖｉｎは前述のごとく入
力電流工に比例したものであり、その大きさは、次式（
１）に決められている。

Ｖｉｎ＝ｋＩ＋０．７ （Ｖ） ・・・・・・・
・・・・・・・・・・・（１）ここで、この入力電圧Ｖ
ｉｎが０．７Ｖプラスされているのは、トランジスタＴ
ｒｉ 、Ｔｒ２．Ｔｒ４のペニスエミッタ間の順方向電
圧降下を補償するためである。

したがって、トランジスタＴｒ１のエミッタ電流すなわ
ちコレクタ電流ＩＣＩは久慈２）で示される。

■ ＝に■／Ｒ１・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・（２１ したがって、抵抗Ｒ２の電圧降下すなわちＰＵＴＳｌの
バイアス電圧■ｆｃ２は次式（３）で与えられる。

２ Ｖ ＝Ｉ ＸＲ２＝−−ｋＩ ・・−・・・−
（３）Ｒ２ＣＩ Ｒ１ この第（３）式からも明らかなように、ＰＵＴＳｌのバ
イアス電圧ｈ２は入力電流Ｉに比例したものになること
がわかる。

次にコンデンサＣ１の充電電流を考えてみる。

このコンデンサＣ１の充電電流は、電源■ｓ−抵抗Ｒ３
−トランジスタＴｒ２のエミッターＴｒ２のコレクター
コンデンサＣ１−ダイオードＤ１−抵抗Ｒ５およびトラ
ンジスタＴｒ５を経て接地電位に流れ込む。

すなわち、抵抗Ｒ５に流れるコンデンサＣ１の充電電流
によって、この抵抗Ｒ５の両端が約０．７Ｖ（）ランジ
スタＴｒ５のベースエミッタ間の順方向電圧）を超える
と、このトランジスタＴｒ５がオンとなり、前記コンデ
ンサＣ１の充電電流がこのトランジスタＴｒ５のベース
−エミッタに流れる。

また、トランジスタＴｒ５がオンすることによって、前
記入力電圧Ｖｉｎによってオンされているトランジスタ
Ｔｒ４のエミッタ電流すなわちコレクタ電流ＩＣ’４は
このトランジスタＴｒ５に流れ込み積分回路１２方向に
は流れない。

ここで、トランジスタＴｒ５のベース−エミッタ間の電
圧降下を上述したとおり略０．７ Ｖとし、かつダイオ
ードｂ１の電圧降下を同じく略０．７ Ｖとすると、コ
ンデンサＣ１のマイナス側の電位は略１．４Ｖ （０，
７＋０．７ ）となる。

さて、この充電経路で充電する場合、初期条件としてコ
ンデンサＣ１のプラス側の電位をＯとし、このプラス側
の電位がＰＵＴＳｌのバイアス電圧■Ｒ２になる時間を
ｔｌとすると、抵抗Ｒ３の電圧降下はＶＲ３＝に■であ
るので、トランジスタＴｒ２のエミッタ電流かつしたが
ってコレクタ電流■ｃ２すなわち充電電流は次式−で示
される。

Ｉ ＝ ｋ Ｉ／ Ｒ３・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・（４）２ したがって、前記充電時間ｔ１は次式（５）で与えら０
６・ ８゜ ｋ工／Ｒ３・ｔｌ＝ｃ１・−・ｋＩ Ｉ Ｒ２・Ｒ３ ｔｌ＝ ・Ｃ１・・・・・・（５）１ この第（５）式からもわかるように、この充電時間ｔ１
は入力電流■にかかわらず一定となる。

この充電時間ｔ１は、後述のように、積分コンデンサＣ
２への充電パルス周期に相当する。

したがって、この第（５）式から、この充電パルス周期
すなわちパルス繰返し周波数が入力電流Ｉにかかわらず
一定となることがわかる。

そして、前記ＰＵＴＳ１はそのアノード側の電位がバイ
アス電圧■に−２と等しくなれば、そのアノード−カソ
ード間が導通する。

したがって、このコンデンサＣ１に充電を開始した後時
間ｔ１が経過するとこのＰＵＴＳｌがオンとなり、コン
デンサＣ１のプラス側は接地されることになる。

しかるに、このコンデンサＣ１のプラス側とマイナス側
には、このＰＵＴＳｌが導通状態になる直前では、次式
（６）で示す電位差がある。

２ ■ ＝−・ｋＩ−１，４（Ｖ）＝Ｖｉ□−１，４（Ｖ）
” Ｒ１，−１−０−０（６） そのため、このＰＵＴＳｌがオンとなった瞬間にこのコ
ンデンサＣ１のプラス側が接地電位すなわちＯ■に強制
されると、コンデンサＣ１のマイナス側は前記電位差を
保持するために先の１．４■から−（Ｖｆｉ□−１，４
）Ｖの負電位に変る。

ここで、電圧ｖｋ２は、先の第（３）式からもわかるよ
うに、入力電流Ｉによって変化するものであるが、一般
にこの入力電流■が定格電流に対して１００パーセント
程度のときでも少なくとも２■を超えるように決められ
ているため、このコンデンサＣ１のマイナス側の電位は
必ず負電位と１・なることがわかる。

したがって、このようにコンデンサＣ１のプラス側電位
が電圧ｖＲ２に等しくなり、ＰＵＴ ８１．がオンに
なった瞬間には、ダイ第１−ドＤ１は逆バイアスされる
。

そのため、トランジスタＴｒ５はオフとなり、オンされ
ているトランジスタＴｒ４のエミッタ電流はダイオード
Ｄ３を通って積分コンデンサＣ２に充電される。

すなわちＰＵＴＳｌのアノード−カソード間が導通状態
にあるときのみ、積分回路１０の積分コンデンサＣ２が
充電されることになる。

一方、前記コンデンサＣ１を放電させるための電流は、
電源Ｖｓ−抵抗抵抗−４−トランジスタＴｒ３−コンデ
ンサ−ＰＵＴＳｌ−接地の経路で流れる。

すなわち、ＰＵＴ ８１には、この放電電流とトラン
ジスタＴｒ２のコレクタ電流とが流れるわけであるが、
この放電電流はＰＵＴＳｌの谷点電流（導通状態に入っ
たＰＵＴＳｌのアノード電流を減少させてくると非導通
状態に戻る電流値）を大幅に越えるように設定されてい
る。

そして、このコンデンサＣ１の一側端子が前述の略電圧
１．４ｖになると、トランジスタＴｒ３のコレクタ電流
はダイオードＤＩ、抵抗Ｒ５およびトランジスタＴｒ５
に流れ、コンデンサＣ１に流れなくなる。

したがって、ＰＵＴ Ｓｌに流れる電流は、トランジス
タＴｒ２のコレクタ電流のみとなるが、この電流は前述
のＰＵＴＳｌの谷点電流以下となるように設定されてい
るため、ＰＵＴ ８１は急速に非導通状態になる。

また、この放電電流は、トランジスタＴｒ３の一定バイ
アス（すなわち抵抗Ｒ６，Ｒ７およびＲ４の大きさ）に
よって決まる一定電流で、このときのトランジスタＴｒ
３のコレクタ電流をＩｃ３とし、コンデンサＣ１の一端
子側の電位が１．４Ｖに復帰する（ＰＵＴＳｌが非導通
状態になる）までの時間をｔ２とすると、この時間ｔ２
は次式（７）％式％ ） （７） この放電時間ｔ２は入力電流■に比例するものとなる。

すなわち、コンデンサＣ１の放電電流を一定電流とした
ため、入力電流Ｉが大きくなればその充電電荷は大きく
したがって放電時間ｔ２は長くなる。

したがって、トランジスタＴｒ５のオフ時間が長くなり
、積分コンデンサＣ２への充電パルス幅ｔ２が大きくな
る。

この第（７）式のようにして、充電パルス幅ｔ２が入力
電流Ｉに比例したものとなるわけである。

また、前記積分コンデンサＣ２への充電電流は、トラン
ジスタＴｒ４のエミッタ電流すなわちコレクタ電流ＩＣ
４であり次式（８）で示される。

Ｉ ＝に■／Ｒ８・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・（８）４ この第（８）式からもわかるように、積分コンデンサＣ
２への充電電流の大きさすなわちパルス電流の大きさは
入力電流Ｉに比例したものとなる。

以上の説明を要約してこの第４図の各波形で示す。

なお、この第４図では入力電流工が小さいときとこの入
力電流Ｉが大きいときとでは充電時間すなわちパルス繰
り返し周期ｔ１が若干ずれて示されるが、これは積分コ
ンデンサＣ２への充電パルス幅ｔ２の違いを明瞭に示す
ように誇張して描いたためである。

実際は、前記時間ｔ１は数十ミリ秒であり、時間ｔ２は
数十ないし数百マイクロ秒である。

したがって、この時間ｔ１は時間ｔ２に比べて極めて大
きく、この時間ｔ２をほとんど無視できる。

したがって、パルス繰返し周期ｔ１は一定となる。

上述のごとく、この実施例によれば、積分コンデンサＣ
２への充電パルス幅ｔ２を入力電流工に比例させ、かつ
繰り返し周期ｔ１を一定とし、さらにその電流の大きさ
を入力電流に比例させたため、■２ｔは常に一定となる
。

すなわち、パルス繰り返し周期ｔ１は一定であり、単位
時間内の充電パルス個数をｆとすると、ｆ”、ｔである
。

従って、動作時間ｔの間に発生するパルス数をｎとする
と、前第（５）式より、この個数ｎは次式（９）で与え
られる。

Ｒｌｏｔ Ｒ２−Ｒ３，。

１°−°−°−−−−−−−−−−−°（９）ｎ ＝
ｆ ｔ ＝ また、パルス幅ｔ２は、第（７）式で示され、かつパル
ス電流は第（８）式で示される。

そのため、積分コンデンサＣ２が時間ｔで所定電圧Ｅに
なるとすると、 ｎｔ２・Ｉｏ４二Ｃ２・Ｅ となり、前記各
式より Ｒ１・ｔ Ｒ２・ｋＩ ＫＩ Ｘ −Ｘ −＝ Ｃ２Ｘ Ｅ Ｒ２−Ｒ３−ＣＩ Ｒ１−Ｉｃ３ Ｒ８ｌ２ｔ＝Ｒ３
°Ｒ８°Ｃ１°ＩＣ３・Ｃ２・Ｅ２ となり、■２ｔ＝一定となる。

さらに、前記コンデンサＣ１に各周期ｔ１ごとに充電さ
れた電荷は、結末的にはトランジスタＴｒ３の一定のコ
レクタ電流ＩＣａで全て放電されることになり、ＰＵＴ
Ｓｌのオンタイミングすなわちバイアス電圧■８□の多
少の変動にかかわらず長駆動作時間ｔは一定となる。

すなわち、たとえば何らかの原因（温度等）でこのバイ
アス電圧ＶＲ２が変動しても動作時間ｔが一定となり、
温度特性が極めて良好であることがわかる。

なお、上述の実施例は、ピックアップ回路の詳細は省略
し、かつこの発明の思想を具体的に説明するために単に
一つの具体例として示したもので、この発明はこのよう
な具体的な回路に限定されるものではないことはもちろ
んである。

以上のように、この発明によれば、静止形過電流保護装
置において、極めて安定にｌ２ｔ＝一定の特性を得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の背景となる静止形過電流継電器の一
例を示すブロック図である。 第２図はこの静止形過電流継電器の限時特性を示すグラ
フであり、横軸には定格電流に対する１００分率（パー
セント）、縦軸には引きはずし動作時間（１）を示す。 第３図はこの発明の一実施例を示す電気回路図である。 第４図はこの実施例を説明するための各部動作波形図で
ある。 図において、１ａ、１ｂ、１ｃは主回路の線路、５は整
流回路、９はピーク値保持回路、１１はパルス充電回路
、１２は積分回路、１３は比較回路、１５は引きはずし
コイル、ＴｒｌないしＴｒ５はトランジスタ、Ｒ１ない
しＲ８は抵抗、Ｃ１はコンデンサ、Ｃ２は積分コンデン
サ、ＳｌはＰＵＴを示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 主回路電流が予め定める値を越えたとき、成る時限
   を有して前記主回路電流を遮断すを過電流保護装置にお
   いて、 前記主回路電流の大きさに比例した電流で充電されるコ
   ンデンサと、 前記コンデンサの正極側端子電圧が前記主回路電流の大
   きさに比例した成るしきい値に達したことに応じて、前
   記コンデンサの正極側端子を接地し、前記コンデンサの
   負極側端子を接地電位に対して負電位にならしめる接地
   手段と、 前記コンデンサの正極側端子が接地された後、前記主回
   路電流の大きさとは関係のない一定の電流で前記コンデ
   ンサを放電し、前記コンデンサの充電期間中は導通し、
   放電期間中は非導通となる文イツチング素子を含むパル
   ス発振手段と、前記パルス発振手段に対して並列的に設
   けられ、前記主回路電流の大きさに比例した電流で充電
   される積分コンデンサと、 前記積分コンデンサの端子電圧が所定の値に達したこと
   に応じて、前記主回路を遮断する引外し手段とを備え、 前記積分コンデンサは前記主回路電流の大きさに比例し
   た幅およぶ振幅のパルス電流によって充電されることを
   特徴とする、静止形過電流保護装置。