(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電気系統を過電流及びアーク故障から保護する回路遮断器であって、
電気系統に直列に接続した開離可能な接点と、
作動されると開離可能な接点を開くトリップ機構と、
電気系統の所定の過電流状態に応答してトリップ機構を作動させるバイメタルを含む過電流検出手段と、
バイメタル電流を表わすバイメタルにかかる電圧を感知する手段、及びアーク故障を示す所定の電流状態に応答してトリップ機構を作動させるアーク応答手段より成るアーク故障検知手段と
により構成される回路遮断器。
【請求項２】
アーク応答手段は、バイメタルにかかる電圧により表わされる電流のステップ状増加を検出する手段と、バイメタルにかかる電圧により表わされる電流のステップ状増加が所与の時間インターバル内に所定回数発生するのに応答しトリップ機構を作動させるトリガー手段とを含むことを特徴とする請求項１の回路遮断器。
【請求項３】
バイメタルにかかる電圧により表される電流のステップ状増加を検出する前記手段は、帯域幅を制限したｄｉ／ｄｔ信号を発生させるバンドパスフィルタ手段と、帯域幅制限ｄｉ／ｄｔ信号の大きさを所定のしきい値と比較する手段とより成り、トリガー手段が、帯域幅制限ｄｉ／ｄｔ信号の大きさがしきい値を越えるたびにカウントを増加させるカウント手段と、カウントが前記所定数に到達するとトリップ機構を作動させる作動信号を発生させる手段と、カウント手段の第１のカウント発生時に前記所与の時間インターバルを反復的に開始させ、前記所与の時間インターバルの終期においてカウント手段をリセットする手段とより成ることを特徴とする請求項２の回路遮断器。
【請求項４】
前記所定数は２であり、前記所与の時間インターバルは約１秒であることを特徴とする請求項３の回路遮断器。
【請求項５】
トリガー手段は、それを作動するための供給電圧を発生させる電源と、電源電圧が所定値以下のときカウント手段をリセットする手段とを含むことを特徴とする請求項３の回路遮断器。
【請求項６】
電気系統を保護する回路遮断器であって、
電気系統に直列に接続した開離可能な接点と、
作動されると開離可能な接点を開くトリップ機構と、
電気系統の所定の過電流状態に応答してトリップ機構を作動させるバイメタルを含む過電流検出手段と、
バイメタル電流を表わすバイメタルにかかる電圧を検知する手段、及び前記電圧に応答する手段より成る応答手段と
から構成される回路遮断器。
【請求項７】
バイメタル電流を表わすバイメタルにかかる電圧に応答する前記手段は、アーク故障を示す電流の所定状態に応答してトリップ機構を作動させるアーク応答手段より成ることを特徴とする請求項６の回路遮断器。
【請求項８】
バイメタル電流を表わすバイメタルにかかる電圧に応答する前記手段は、前記電流の大きさを示すメータより成ることを特徴とする請求項６の回路遮断器。
【請求項９】
バイメタル電流を表わすバイメタルにかかる電圧に応答する前記手段は、過電流指示手段より成ることを特徴とする請求項６の回路遮断器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は熱動−磁気トリップ機構を備えた回路遮断器に関し、さらに詳細には熱動−磁気トリップ機構のバイメタルを用いて、例えばアーク故障検出器、メータまたは過電流警報装置用の電流を感知する回路遮断器に係わる。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
通常、配電系統のアークに起因する故障では従来型回路遮断器はトリップされないことが分かっている。アーク故障は、裸の導体が故障電流により発生する磁力により断続的に接触と離脱を繰り返すことにより発生する。従って、アーク故障は電流がステップ状増加を繰り返すことによって識別できる。この故障は、高い抵抗を有し、断続的であるため低電流が流れるだけであり、そのため従来型回路遮断器がトリップされない。しかしながら、可燃材があると火事が発生することがある。
【０００３】
従来型トリップユニットの設定を下げてアーク故障に応答してトリップが生じるようにすると、同様な電流のステップ状増加を生ぜしめる多数のありふれた負荷により迷惑なトリップが許容できない回数発生することがある。
【０００４】
配電系統のアーク故障に応答するが、このような迷惑トリップに対しては感応しない回路遮断器の開発に多大な努力が傾注されている。その１つのアプローチは、特異なアーク特性を突き止めるべくアークにより生じる電流波形を分析することである。しかしながら、このような検出装置は高コストになりやすく、特に家庭用及び軽電商業用に常用する小型回路遮断器では特にそうである。
【０００５】
本出願人の所有になる米国特許第５，２２４，００６号は帯域幅を制限したｄｉ／ｄｔ信号を用いてアーク故障を検知する回路遮断器を開示している。このｄｉ／ｄｔ信号は、ドーマントオシレータ型地絡故障検出器と共用する感知コイルによって発生される。特願平６−５３０３６号は、負荷によりよく生じことがある電流の過渡現象は単一事象であるがアーク故障は反復性を有するとの認識に基づいて、アーク故障をかかる電流過渡現象から判別する能力を改良したものである。従って、この特許出願は約１秒の間に電流が２回増加を繰り返すとトリップが生じるアーク故障対応の回路遮断器を開示している。この特許出願はまた、ｄｉ／ｄｔ信号を発生するため検出コイルの使用だけでなく、負荷電流を運ぶワイヤの一部の抵抗を用いて電流を検出することを示唆している。適当な長さのワイヤに充分な大きさの信号を発生させるため、ワイヤのゲージを減少させる必要があった。しかしながら、小ゲージのワイヤは典型的な短絡電流を保持できないものであった。
【０００６】
典型的な熱動−磁気回路遮断器は、持続性の過電流に応答して加熱されると屈曲してばね作動トリップ機構をラッチ状態から離脱させるバイメタルを備えている。磁気トリップは、バイメタルを流れる電流によりアーマチャが磁気的に誘引されるため、短絡電流に応答してトリップ機構を非ラッチ状態にする。
【０００７】
現在、熱動−磁気トリップ機構を有する回路遮断器を流れる電流を測定するための簡単な方法は存在しない。この電流を容易に測定できることにより、負荷電流をただ単に正確に求めるか、或いは、例えばアーク故障検出器または過負荷警報装置のような電流に応答する装置に利用すると有利である。
【０００８】
従って、回路遮断器を流れる電流を測定するための簡単で、低コストの手段を備えた熱動−磁気トリップ機能を有する改良型回路遮断器に対する要望が存在する。
【０００９】
また、信頼性が高く、低コストのアーク故障保護が可能な改良型回路遮断器に対する要望が存在する。
【００１０】
さらに、アーク故障の検出に用いるｄｉ／ｄｔ信号を発生するためのコイルを必要とせず、しかも典型的な短絡電流に耐え得る改良型回路遮断器に対する要望が存在する。
【００１１】
さらに、アーク故障検出器が必要とするスペースが最小であるかかる回路遮断器に対する要望が存在する。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記及び他の要望は、バイメタルが交流電気系統にその両端を直列に接続され、
バイメタルを流れる所定の磁気／時間特性の電流に応答して開離可能な接点がトリップして開放し、バイメタルの両端に接続した応答手段がバイメタルを流れる電気系統の電流を表わすバイメタルにかかる電圧に応答する、トリップ機構を備えた回路遮断器に関する本発明により充足される。この応答手段は、例えばバイメタルを流れる電流を読取るように構成されたメータ、所定の電流状態に到達すると補助信号を発生させる装置、または遮断器をトリップさせるアーク故障検出器のような装置を含むことができる。
【００１３】
もう１つの特徴として、本発明は過電流とアーク故障の両方から電気系統を保護する回路遮断器を提供し、そのアーク故障検出器は、過電流検出器のバイメタルにかかる電圧を検出する手段と、アーク故障を示すバイメタルにかかる電圧の所定の状態に応答してトリップ機構を作動させるアーク応答手段とを含む。さらに詳説すると、このアーク応答手段はバイメタルにかかる電圧、従ってバイメタルを流れる電流のステップ状増加を検出する手段と、バイメタルにかかる電圧のステップ状増加が所与の時間インターバルの間所定回数に到達するのに応答してトリップ機構を作動する手段とを含む。バイメタルにかかる電圧のステップ状増加を検出する手段は、好ましくはバンドパスフィルタであり、このフィルタはしきい値と比較される帯域幅を制限したｄｉ／ｄｔ信号を発生させる。カウンタが帯域幅制限ｄｉ／ｄｔ信号の大きさがしきい値を越えるたびにカウントを行い、所定のカウントに到達するとトリップ信号が発生される。このトリップ信号は、好ましくは約１秒の時間インターバルの間カウントが２になると発生される。
【００１４】
以下、添付図面を参照して本発明を詳細に説明する。
【００１５】
【実施例】
本発明は、米国特許第４，０８１，８５２号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アーマチャより成る熱動−磁気トリップ機構を組み込んでおり、このバイメタルとアーマチャはそれぞれ持続性過電流及び短絡電流に応答してばね作動機構をラッチ状態から離脱させることにより接点を開放する。この米国特許の回路遮断器は地絡故障検出器を含むが、これは本願発明に利用できるアーク故障検出器と置き換えるか或いはそれに付加することができる。
【００１６】
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１は、負荷９に電力を供給する線導体５と中性導体７とを含む。回路遮断器３は、ばね作動トリップ機構１５によりトリップされて開放される開離可能な接点１１を含む。トリップ機構は従来型熱動−磁気過電流検出器１７により作動される。熱動−磁気過電流検出器１７は線導体５に直列に接続したバイメタル１９を含む。持続性の過電流が発生すると、バイメタル１９が加熱され屈曲状態となって、それによりラッチ２１が外れ、トリップ機構１５が作動される。バイメタル１９を短絡電流が流れると、アーマチャ２３が磁気的に誘引され、ラッチ２１が開放して、トリップ機構を作動させる。
【００１７】
回路遮断器３は、従来型保護を与える熱動−磁気過電流検出器１７とは別に、アーク故障検出器２５を備えている。このアーク故障検出器はバイメタル１９の両端にかかる電圧を感知するための１対のリード線２７，２９を有する。バイメタル１９の抵抗は既知であるから（例えば、約０．００２５オーム）、この電圧から線導体５を流れる電流が分かる。アーク故障検出器２５の残りの部分にはアーク応答回路３１が含まれる。アーク応答回路は、アーク故障を示す線導体５を流れる電流のステップ状増加を、電気器具のサーモスタット、調光スイッチ等のような種々の負荷により惹き起こされる過渡現象から判別する。この目的のため、アーク応答回路３１は、抵抗３７とシャントキャパシタ３９により構成されるローパスフィルタ３５及びキャパシタ４３と抵抗４５により構成されるハイパスフィルタ４１とより成るバンドパスフィルタ３３を含む。バンドパスフィルタ３３は帯域幅を制限されたｄｉ／ｄｔ信号を発生させ、この信号が集積回路チップ４７に構成されたウインドコンパレータに印加される。同様なウインドコンパレータは上述の米国特許第５，２２４，００６号に開示されている。集積回路チップ４７は、ソレノイド４８とダイオード４９を介して線導体５からの電流により給電される。この半波整流された電流は、フィルタ５１によりフィルタリングされることにより集積回路チップ４７のための２６ボルト電源となる。バンドパスフィルタ３３により発生される帯域幅制限ｄｉ／ｄｔ信号が正の半サイクルで正のしきい値を越えるか、或いは負の半サイクルで負のしきい値を越えると、集積回路チップ４７のＳＣＲ出力が高レベルとなる。集積回路チップ４７の増幅器の利得はフィードバック抵抗５３により設定され、キャパシタ５４が雑音排除性を与える。さらにキャパシタ５５により雑音排除性が強化される。キャパシタ５６は供給電圧の半分であるＣＯＭＮリード線上の交流信号をバイパスする。
【００１８】
上述したように、アーク故障検出器２５はさらに、この帯域幅制限ｄｉ／ｄｔ信号が所与の時間インターバル内にしきい値を越える回数をカウントすることによって、アーク故障と電気系統１の他の種類の異常状態を判別する。さらに詳しくは、アーク応答回路３１はこの帯域幅制限ｄｉ／ｄｔ信号が約１秒の間にしきい値を２度越えるとトリップ信号を発生させる。この機能遂行のため、アーク応答回路３１は、カウンタ５７とそのインターバルを設定するためのタイマー５９とを有する。カウンタ５７は、その半分が単安定回路６３として、もう半分がラッチ６５として構成されたＣＭＯＳデュアルマルチバイブレータより成る。このデュアルマルチバイブレータ６１は、抵抗６９，７１及びキャパシタ７３により形成される分圧器により発生される５ボルト電源６７により集積回路チップ４７用の２６ボルト電源から給電を受ける。この５ボルトの電源電圧はまた、回路が付勢されると逆リセット入力、反転Ｒ、を介して単安定回路６３のリセットを解除するが、キャパシタ７５と抵抗７４により瞬間的な遅延が導入されて回路が安定化する。単安定回路６３がリセットされると、そのＱ出力が低レベルとなりラッチ６５をリセット状態に保持する。
【００１９】
アーク故障が存在しないとき、プルアップ抵抗７６は単安定回路６３のＢトリガを５ボルトに保持する。帯域幅制限ｄｉ／ｄｔ信号が正または負のしきい値のいずれかを越え、集積回路チップ４７のＳＣＲ出力が高レベルとなると、レベルシフトを行うトランジスタ７７がオンになる。このため単安定回路６３のＢトリガが低レベルとなり、Ｑ出力が高レベルとなる。このため、ラッチ６５のリセットが解除される。しかしながら、ラッチ６５はそのＢトリガに印加されるパルスの負の端縁部に応答し、ラッチ６５はトランジスタ７５がオンになってこのパルス端縁部を発生させる時点では依然としてリセット状態にあるため、このラッチ６５は集積回路チップ４７のウインドコンパレータにより検出される第１のステップ状電流増加に応答しない。しかしながら、帯域幅制限ｄｉ／ｄｔ信号がしきい値を２度越えて集積回路チップ４７のＳＣＲ出力が高レベルになると、トランジスタ７７のオンにより生じるパルスの前縁部がラッチ６５を切換える。これにより、ラッチ６５のＱ出力が高レベルとなり、ＳＣＲ７９をオンにする。ＳＣＲ７９がオンになるとソレノド４８が付勢される。このため、ラッチ２１がラッチ状態から離脱し、トリップ機構１５を作動して接点１１を開放する。電流が引き続きダイオード４９を流れてアーク応答回路３１を給電するが、この電流はソレノイド４８を付勢するには不十分である。しかしながら、ＳＣＲ７９がオン状態にあるため、充分な電流がソレノイド４８を流れそれにより作動される。ラッチ６５は引き続きＳＣＲ７９のゲートを付勢し、それにより、接点１１が開放されるまで線導体からの半波電流の半サイクルごとにＳＣＲがオンになる。ラッチからのゲート信号は抵抗８０に印加される。キャパシタ８１はＳＣＲをノイズから保護する。ＳＣＲ７９はまた、金属酸化物バリスタ８３により保護される。
【００２０】
タイマー５９は、抵抗８７を介して５ボルトの電源により充電されるキャパシタ８５を有する。キャパシタ８５と抵抗８７の間のノード８９は単安定回路６３のＲＣ入力に接続してある。第１のパルスが単安定回路６３のＢトリガに印加されると、キャパシタ８５はＲＣ入力に接続された内部抵抗を介して放電され、その後キャパシタ８５が充電を開始する。キャパシタ８５の電圧が高いしきい値に到達すると、単安定回路６３がリセットされてＱ出力が０になり、ラッチ６５をリセットする。もしこれが負荷電流の第２のステップ状増加の検出前に起こると、カウンタはリセットされる。上述したように、実施例の回路の時間インターバルは約１秒にセットされている。従って、帯域幅制限ｄｉ／ｄｔ信号がトリップを生ぜしめるには、１秒のインターバルの間に集積回路チップ４７上のウインドコンパレータにより設定されるしきい値を２度越える必要がある。これらのパラメータは反復性アーク故障を、サーモスタットのスイッチングや他のこのような負荷の応答のような単一事象から判別するように選択される。この時間インターバルは、このようなアーク故障でない事象が２度起こることによってトリップが生じる危険を最小限に抑えるようにその値より長くしない。
【００２１】
始動時の過渡現象をカウンタ５７がカウントしないようにするため、キャパシタ７５はアーク応答回路３１から電源が切り離されるとダイオード８９と抵抗９１を介して放電される。再び給電され、電源により発生する電圧がその作動値に近付くと、ツェナーダイオード９３が抵抗９１に電流を送り、ダイオード８９が逆バイアスとなってキャパシタ７５が充電可能となり、単安定回路６３のリセットが外される。単安定回路はまた、電源電圧がダイオード８９がもはや逆バイヤスとならない値（実施例の回路では約１３ボルト）に低下すると、リセットされる。
【００２２】
図２に示すように、バイメタル１９にかかる、負荷電流を表わす電圧は、他の応答装置９７が利用できるようにリード線９５でタップすることができる。応答装置の例として負荷電流を指示するメータ９９が含まれる。このメータ９９は回路遮断器３の一部である必要はない。その代わり、回路遮断器は外部のメータを一時的或いは永続的に接続する１対の端子１０１を備えるだけで充分である。他の種類の応答装置には、持続させるとトリップを生じさせる過電流状態を示す信号を発生するリレー１０３とライト１０５を含む警報手段が含まれる。再び、警報手段のような応答装置は回路遮断器３に組み込むか或いはその外部に設けて端子１０１と接続することができる。
【００２３】
本発明の特定の実施例を詳細に説明したが、当業者は本明細書の記載全体から鑑みて種々の変形例及び設計変更を想到できることが分かる。従って、開示した特定の構成は例示の目的をもつものに過ぎず、本願発明の技術的範囲を限定するものではなく、この範囲は頭書した特許請求の範囲及びその均等物の全幅を与えられるべきである。
【００２４】
【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】本発明の別の実施例の概略図。
【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
１５  トリップ機構
１７  熱動−磁気過電流検出器
１９  バイメタル
２１  ラッチ
２３  アーマチャ
２５  アーク故障検出器
３１  アーク応答回路
３３  バンドパスフィルタ
４７  集積回路チップ
５９  タイマー
６１  ＣＭＯＳデュアルマルチバイブレータ
６３  単安定回路
６５  ラッチ
【図１】
0003628783.tif 000002
【図２】
0003628783.tif 000003