(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気系統をスパッタリング・アークによる故障から保護するための回路遮断器において、
電気系統を流れる電流を感知する電流感知手段と、
電流感知手段に応答して帯域幅の制限された電流変化率信号を発生させる手段と、
電流変化率信号がしきい値を越えると事象信号を発生させる事象信号発生手段と、
所定の時間インターバルにおける１より大きい所定個数の事象信号の発生に応答してトリップ信号を発生させるトリップ信号手段と、
トリップ信号に応答して電気系統を流れる電流を遮断する遮断手段とより成ることを特徴とする回路遮断器。
【請求項２】
トリップ信号手段は、所定の時間インターバルにおける２個の事象信号の発生に応答してトリップ信号を発生することを特徴とする請求項１の回路遮断器。
【請求項３】
トリップ信号手段は、１秒の時間インターバルにおける２個の事象信号の発生に応答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２の回路遮断器。
【請求項４】
トリップ信号手段は、事象信号の個数をカウントするカウンタを含むことを特徴とする請求項１の回路遮断器。
【請求項５】
事象信号発生手段は、電流変化率信号の帯域幅を制限する帯域幅制限手段を含むことを特徴とする請求項１の回路遮断器。
【請求項６】
トリップ信号手段は、事象信号の個数をカウントするカウンタと、所定の時間インターバルを与えるタイマーとを含むことを特徴とする請求項５の回路遮断器。
【請求項７】
カウンタは、所定の時間インターバルにおいて２個の事象信号が発生するとトリップ信号を発生させることを特徴とする請求項６の回路遮断器。
【請求項８】
タイマーは、ほぼ１秒の時間インターバルを発生させることを特徴とする請求項７の回路遮断器。
【請求項９】
電流感知手段は電流変化率信号発生手段を含み、帯域幅の制限された電流変化率信号を発生させる事象信号発生手段は２極ローパスフィルタを含むことを特徴とする請求項５の回路遮断器。
【請求項１０】
電流感知手段は、回路遮断器内の電気系統の電流を搬送する導体の一部の両端に接続されてその導体の一部の抵抗により電流を検出する抵抗手段と、検出した電流から帯域幅の制限された電流変化率信号を発生させる帯域幅制限手段とを含むことを特徴とする請求項５の回路遮断器。
【請求項１１】
帯域幅制限手段は、ローパスフィルタとそれに接続されたハイパスフィルタとより成ることを特徴とする請求項１０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、スパッタリング・アークによる故障のみならず落雷によるライン−中性ライン間の故障及び地絡故障に応答する回路遮断器に関し、さらに詳細には、スパッタリング・アークによる故障と、ある特定の負荷が被保護導体に接続されると生じる突入電流とを判別できるかかる回路遮断器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来型家庭用回路遮断器は、持続的な中位の過電流に応答して遅延トリップを行う熱動トリップ装置と、大きな過電流に瞬時に応答する磁気トリップ装置とを備えている。瞬時トリップが起きるためには、故障電流は所定の大きさ、例えば定格電流の１０倍になる必要があり、また遅延トリップを行わせるためには、過電流は所与の時間インターバルに亘って所定平均値を持続しなければならない。しかしながら、瞬時の磁気トリップに必要なピーク値にも達せずまた遅延トリップに必要な持続的な平均過電流も流れないが火災を発生させる危険性がある故障が存在する。これは断続的な或いはスパッタリング・アークによる故障である。このような故障は、例えば非常に接近しているが接触していない２本の導体の間にアークが発生することにより生じる。アークにより導体の銅を溶かすに十分な高温が発生する可能性があり、銅がとけてその滴により近くの燃えやすい材料に引火することがある。ワイヤーの抵抗が十分に高いためピーク電流が制限され、また交流電流が零を周期的に通過してアークを消すためその平均電流は低い。かくして、火災を発生させる危険性はあるが、従来型回路遮断器はこの故障にたいする応答能力を持たない。以上述べたことは、素線が比較的低い故障電流でとけることがある撚線の延長コードに特にあてはまる。
【０００３】
スパッタリング・アーク故障については、アークが発生するためには十分に高い電圧が存在する必要があるため、このタイプの故障は交流電圧波形のピーク付近で発生し、電流がステップ状に増加するのが一般的である。
【０００４】
１９９３年６月２９日発行の米国特許第５，２４４，００６号（発明の名称：ELECTRONIC CIRCUIT BREAKER WITH PROTECTION AGAINST SPUTTERING ARC FAULTS AND GROUND FAULTS）は、被保護回路の電流変化率をモニターすることにより、ライン−中性ライン間故障により発生する正弦波形とスパッタリング・アーク故障により発生するステップ状波形との違いを利用する回路遮断器を開示している。電流変化率信号はその帯域幅が制限される。この帯域幅の選択により、過電流故障による正弦波形の過電流とスパッタリング・アーク故障に付随するステップ状電流とに対する回路遮断器の相対的感度が制御される。この回路遮断器はドーマント・オシレータ(dormant oscillator)型の地絡故障検出手段を含む。回路遮断器のスパッタリング・アーク故障検出手段は、中性ライン上の電流変化率感知コイルを地絡故障検出手段と共有する。
【０００５】
スパッタリング・アーク故障により生じる、「高い値への電流の急激な増加」という特徴のあるアーク波形はまた、ある種の電気器具或いは電気器具群のスイッチを同時に入れると発生する。例えば、アイロンのスイッチを電圧波形のピーク部分で入れると電流がステップ状に増加する。また、変圧器のない電源を備えたテレビ受像機のスイッチを交流波形のピーク部分で入れると大きな突入電流が発生することがある。これらの電気器具により発生する突入電流の大きさは一般的にスパッタリング・アーク故障によるものほど大きくはなく、従って上述の米国特許第５，２４４，００６号に開示される回路遮断器では帯域幅を制限した電流変化率信号のしきい値を適当にセットすると誤トリップ動作を回避できる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、回路遮断器が接続される導体に対する保護を改善するためにスパッタリング・アークによる波形を検出するためのしきい値を低くしてもスパッタリング・アーク故障とある種の電気器具による突入電流とを判別できることが望ましい。
【０００７】
この要望或いは他の要望については、電気器具によるかなりの大きさの突入電流の発生は単発事象であるが、ワイヤーに生じる故障はそれが遮断されるまで或いは故障領域に銅がなくなるまで大きなステップ状電流が流れ続けるということに着目した本願発明により充足される。従って、本発明によると、短い期間内に１より大きい所定個数の事象の発生が検出される場合にのみ応答してトリップを行うことにより、導体が保護されると共に誤トリップが防止される。電気器具による高い突入電流は単発事象であるため、本発明の好ましい実施例では第２の事象を検出するとトリップが起こる。所定の時間周期として選択される周期は１つのワイヤーの故障に起因する２つの事象を含む十分な長さをもつ必要があるが、複数の負荷が逐次的に投入されるような場合それらを含むほど長いものではない。
【０００８】
以下、添付図面を参照して本発明を実施例につき詳細に説明する。
【０００９】
【実施例】
本発明は、米国特許第４，０８１，８５２号明細書に記載されたような従来型家庭用回路遮断器に利用されるものとして説明する。この回路遮断器は熱動・磁気過電流トリップ機構と、地絡故障検出手段が、成型ハウジング内の並設コンパートメント内に取付けられたものである。地絡故障検出手段はプランジャーを有するトリップソレノイドを有し、このプランジャーは成型ハウジングの２つのコンパートメントを隔てる壁を貫通して熱動・磁気トリップ機構を作動することにより地絡故障に応答して回路遮断器をトリップする。
【００１０】
図１に示す本発明の好ましい実施例である回路遮断器１は、スパッタリング・アーク検出手段３と地絡故障検出手段５を結合したものである。回路遮断器１は、負荷１３への給電を行うライン導体９と中性導体１１とを含む。本発明の回路遮断器１は、負荷１３へ流れる典型的な過電流と落雷によるライン−中性導体間の故障からの保護機能を有すると共に、ライン導体９と中性導体１１の間のスパッタリング・アークによる故障１５、ライン導体とアースの間の故障１７、中性導体とアースの間の故障１９に対しても保護を与える。上述したように、スパッタリング・アーク故障１５はライン導体と中性導体の露出部分が、例えば絶縁材が摩滅するか剥がれるなどして接触すると生じる。
【００１１】
電気系統７における故障は回路遮断器１の変流器２１，２３より成る電流センサにより検出される。変流器２１，２３はトロイドコイルである。ライン導体９及び中性導体１１はトロイドコイル２１の開口部を貫通して変流器の一次巻線を形成する。変流器２３はトロイドコイルの開口を貫通する、中性導体１１より成る１つの一次巻線を有する。変流器２１の二次巻線２５及び変流器２３の二次巻線２７は共に集積回路２９に接続されている。
【００１２】
変流器２１はライン導体と中性導体間の故障を検出する。電気系統７においてライン導体とアースの間に故障が存在しない場合、変流器の一次巻線を形成するライン導体９と中性導体１１を流れる電流は同じ大きさであるが方向が反対であるため二次巻線２５に電流は誘導されない。ライン導体９が地絡すると、大きな電流がこの導体を流れるが、中性導体１１には電流がほとんど流れないため、二次巻線２５にはかなりの大きさの電流が誘導される。この信号は直流阻止キャパシタ３１を介してＩＣ２９のＮＥＧＧＦＩとＰＯＳＧＦＩ入力に加えられ、このためＩＣの後述する演算増幅器のオフセットは変流器２１に印加されない。抵抗３３は直列接続のキャパシタ３１と変流器２１の二次巻線２５により生じる共振を臨界的に減衰させる。ＩＣ入力に接続されたキャパシタ３５はノイズを抑圧する。フィードバック抵抗３７はＩＣ２９の演算増幅器の利得をセットする。
【００１３】
後でさらに詳しく説明するが、変流器２１の二次巻線２５を流れる電流がライン導体とアースの間の故障を検出するため設定されたしきい値を越えると、ＩＣ２９のＯＲ出力が高レベルとなり、ＳＣＲ３９を導通させる。ＳＣＲ３９が導通すると電流が流れてトリップソレノイド４１を付勢するが、この電流はライン導体と中性導体から得られる。この電流はダイオード４３により半波整流されている。ＳＣＲ３９は金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）４５によりサージ電圧から保護されており、またキャパシタ４７によりゲートに加わるノイズから保護されている。トリップソレノイド４１が付勢されると、米国特許第４，０８１，８５２号明細書に記載されるトリップ機構４９が作動されて、少なくともライン導体９の、好ましくはライン導体９と中性導体１１の接点５１が開く。
【００１４】
ダイオード４３はまた、ＩＣ２９のシャントレギュレータへ直流電力を供給する。ＩＣ２９へ流れる電流はトリップソレノイド４１を作動するには不十分なものである。ＩＣ２９の電源としては、フィルタキャパシタ５３と一対の抵抗５５，５７があり、これらが電源の電圧レベルを決定する。この直流電力はＩＣ２９のＶＰＯＳ入力へ送られる。ＶＮＥＧピンは中性導体のためのアースに接続されている。バイパスキャパシタ５９によりＶＰＯＳ入力には交流は存在しない。同様に、別のバイパスキャパシタ６１によりＰＯＳＧＦＩ入力にも交流が存在しない。
【００１５】
地絡検出手段５はドーマント・オシレータ型である。変流器２３の二次巻線２７はＩＣ２９の演算増幅器の出力であるピンＧＡＭＰに結合キャパシタ６３を介して接続されている。中性導体が地絡される故障が発生すると、二次巻線２５と２７が変流器２１，２３を介して結合されることによりＩＣ２９の周りにフィードバックループが形成されてＩＣの演算増幅器が発振する。この発振周波数はキャパシタ６３とキャパシタ６５の値及び変流器２１，２３のパラメータを選定することによりセットすることが可能である。実施例の回路遮断器では、この周波数は約２０ＫＨｚである。発振の大きさが所定のしきい値を越えるとＳＣＲ３９が作動されて回路遮断器をトリップする。
【００１６】
本発明によると、変流器２３はスパッタリング・アーク故障の検出を行うための電流感知にも用いられる。スパッタリング・アーク故障の検出に必要な電流変化率信号（ｄｉ／ｄｔ）を発生させるには、変流器２３のコアとしてトリップを発生させるに必要な電流レベルにおいて飽和しないものを選ぶ。コアの適当な材料としては低いミューと高い磁束飽和レベルを有する鉄粉がある。かかるコアは発振周波数を僅かに増加させることによって中性導体の地絡を検出することができる。
【００１７】
変流器２３の二次巻線２７に発生する電流変化率信号はローパスフィルタ６７を通すことによりその帯域幅を制限する。これは２極のローパスフィルタであり、第１の極はキャパシタ６９と抵抗７１により、また第２の極はキャパシタ７３と抵抗７５により形成されている。実施例の回路遮断器のローパスフィルタ６７の電力半値点は約２ＫＨｚである。前述の米国特許に記載されているように、電流変化率信号を用いて過電流、ライン導体と中性導体の間の故障、スパッタリング・アーク故障の発生を指示させることが可能である。帯域幅を制限するローパスフィルタ６７のパラメータは、スパッタリング・アーク故障により生じる電流変化率信号のスパイクを減衰させ且つライン導体と中性導体の間の故障により発生する過電流の正弦波形とスパッタリング・アーク故障によるステップ状波形に対する回路遮断器の相対的感度を調整するように選択する。上述したように、本発明は所定の時間周期内に検出されるステップ状波形の数をカウントすることによってスパッタリング・アーク故障とある種の電気器具による突入電流とを判別する。
【００１８】
図２は、ＩＣ２９の回路図である。ＩＣチップ２９は上述した半波整流電源によりＶＰＯＳ及びＶＮＥＧピンを介して給電される電源８１を有する。演算増幅器８３は、コンパレータ８７，８９より成るウインドコンパレータ８５へ印加するため変流器２１の二次巻線上の信号を増幅する。コンパレータ８７は電源８１により供給される基準電圧によりバイアスされており、これがライン導体とアースの間の故障を検出するための正のしきい値となる。同様に、コンパレータ８９には負のしきい値となるバイアス電圧が印加される。演算増幅器８３の非反転入力には、電源電圧のほぼ中間点の大きさであるバイアス電圧が印加される。コンパレータ８７，８９の出力とＶＰＯＳの間にはプルアップ抵抗９１が接続されている。これらコンパレータの出力はＯＲ回路９３の反転入力にも接続され、このＯＲ回路の出力はＩＣ２９のＯＲピンを介してＳＣＲ３９のゲートに接続されている。コンパレータ８７，８９の出力は常態で高レベルであるためＳＣＲ３９はゲートされない。ライン導体とアースの間の故障が発生すると、変流器２１の二次巻線２５上の信号が、負荷電流の１つおきの半サイクルの間、コンパレータ８７，８９に印加されるしきい値を越える。地絡故障電流の正の半サイクルの間コンパレータ８７の出力は低レベルとなるため、ＯＲ回路９３の出力が高レベルとなってＳＣＲ３９をゲートし、トリップソレノイド４１を付勢する。負の半サイクルになると、コンパレータ８９はＣＲ３９を導通させる。
【００１９】
上述したように、中性導体の地絡故障の場合、変流器２３がＩＣ２９のＧＡＭＰピンに接続された結合キャパシタ６３を介して演算増幅器８３の出力に接続される。中性導体の地絡故障が発生すると必ず、演算増幅器８３の出力に接続された変流器２３と入力に接続された変流器２１との間にフィードバックループが完成する。この発振の大きさがウインドーコンパレータ８５のしきい値を越えると、ＯＲ９３を介してＳＣＲ３９がゲートされる。
【００２０】
上述したように、変流器２３はスパッタリング・アーク故障の検出にも用いられる。二次巻線２７上に発生しローパスフィルタ６７により帯域幅を制限される電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）信号は、コンパレータ９９，１０１より成る第２のウインドコンパレータ９７へフォロア演算増幅器９５を介して印加される。コンパレータ９９，１０１は帯域幅を制限された電流変化率信号を電源８１によりセットされた正と負のしきい値と比較する。ＶＰＯＳに接続したプルアップ抵抗１０３は帯域幅を制限した電流変化率信号が所定の限界内にある時はコンパレータ９９，１０１の出力に高レベルの論理信号を維持する。スパッタリング・アーク故障を表わす電流波形が検出されると、ウインドコンパレータ９７の出力が低レベルとなる。ある種の電気器具は通常、それほど大きくはないが同じような波形を発生させる可能性があるため、ウインドコンパレータ９７の出力にカウンタ回路１０７を設ける。このカウンタ回路１０７はウインドコンパレータ９７のしきい値を越える事象の数をカウントする。本発明の好ましい実施例では、カウンタ回路１０７は所定の時間インターバル内で２つの事象が発生するとトリップ信号を発生させる。
【００２１】
カウンタ回路１０７はＤ型フリップフロップ１０９を有する。このフリップフロップ１０９はインバータ１１１を介してウインドコンパレータ９７の出力によりクロックされる。ウインドコンパレータ９７の出力はダイオード１１３を介してコンパレータ１１５の反転入力にも接続されている。このコンパレータ１１５はウインドコンパレータ９７の出力を電源８１により発生される正のしきい電圧と比較する。一般的には、この基準電圧は電源電圧の約４分の３の大きさである。コンパレータ１１５の出力はフリップフロップ１０９のデータ入力Ｄに印加される。図２の回路には用いられていない、フリップフロップ１０９の反転Ｑ出力はＣＬＫ入力にクロックパルスが印加されるとＤ端子信号の論理値になる。従って、フリップフロップの反転Ｑ出力はフリップフロップがクロックされるとＤ入力に印加された信号とは反対の論理状態になる。この反転ＱはＯＲ９３の反転入力に接続されている。
【００２２】
コンパレータ１１５の反転入力はＩＣ２９のＲＣピンを介してタイミングキャパシタ７７（図１）にも接続されている。キャパシタ７７のもう一方の側はＶＰＯＳに接続されている。常態では、キャパシタ７７は分路抵抗７９により放電されている。従って、コンパレータ１１５の出力は低レベルである。ウインドコンパレータ９７の出力が最初に低レベルとなってスパッタリング・アーク故障が発生したことを指示すると、フリップフロップ１０９はパルスの先縁部によりクロックされる。Ｄ入力はクロックパルスの印加時低レベルであるため、反転Ｑ出力は高レベルのままであり、ＯＲ９３を介してＳＣＲ３９にはゲート信号は印加されない。ウインドコンパレータ９７の出力が低レベルになると、キャパシタ７７はダイオード１１３を介してほぼＶＰＯＳの値まで急速に充電される。非反転入力の電圧が基準電圧を越えると、コンパレータ１１５の出力は高レベルとなる。スパッタリング・アークによる電流がそのピーク値に到達するにつれてウインドコンパレータ９７の出力が再び高レベルになると、キャパシタ７７は抵抗７９を介して放電を開始する。これらコンポーネントの値は、キャパシタ７７の電圧が、選択した時間インターバルの間、コンパレータ１１５に印加される基準電圧よりも高い状態を持続するように選択される。上述したように、時間インターバルの適当な値は約１秒である。ウインドコンパレータ９７の出力がタイマーがタイムアウトする前に低レベルとなった場合（スパッタリング・アーク故障を指示する）、フリップフロップ１０９のＤ入力がクロックされて高レベルになると、反転Ｑ出力が低レベルとなり、ＯＲ９３の出力が高レベルとなるため、ＳＣＲ３９がゲートされて導通しトリップソレノイド４１が付勢される。
【００２３】
スパッタリング・アーク故障検出手段３′は地絡故障検出手段とは無関係に用いることが可能である。この場合、中性導体１１でなくてライン導体９を変流器２３のコアに貫通させる。また、スパッタリング・アーク故障の検出を地絡故障の保護とは独立に行う場合、中性導体の抵抗によりスパッタリング・アーク故障の検出を行うことが可能である。図３は、スパッタリング・アーク故障検出手段３′をそのように設計変更した回路遮断器１の一部を示す。図示のように、中性導体１１の抵抗１１７が発生する電圧は抵抗１２１及びキャパシタ１２３よりなるローパスフィルタ１１９を介して送られる。このローパスフィルタの出力はその後キャパシタ１２７と抵抗１２９よりなるハイパスフィルタ２２５により微分される。ローパスフィルタ１１９の後にハイパスフィルタ２２５を接続したこの構成により、図１のコイル回路と同様な帯域幅を制限した電流変化率信号が得られる。もっともこの信号は図１の信号よりも低レベルである。図１の回路遮断器の場合のように、帯域幅を制限した電流変化率信号はフォロア増幅器９５の非反転入力に印加される。スパッタリング・アーク故障検出手段３′の残りの部分は図１に示したものと同様である。
【００２４】
スパッタリング・アーク故障に応答する回路遮断器１には他の実施例も考えられる。例えば、ウインドコンパレータ８５，９７の代わりに、単一のコンパレータとその前に接続した全波整流器を用いてもよい。また、スパッタリング・アーク故障の回数をカウントするための他のカウンタ回路を用いてもよい。高いピンカウントを有するがデジタルデバイスを用いないため恐らく雑音排除性の高い実施例は、記憶用キャパシタをさらに別のＲ−Ｃ回路及び簡単なゲート手段と共に用いる。記憶用キャパシタはレベル検出手段により充電され、そのキャパシタの端子はＲＣ遅延回路を介して２つのゲート入力のうちの一方に接続される。レベル検出手段の出力はまた第２のゲート入力へ直接加えられるため、ゲート出力を発生するにはレベル検出手段に２つの出力が必要である。
【００２５】
カウンタ回路のもう１つの可能性として、レベル検出手段からの入力に応答して一定幅の出力パルスを発生させる単安定マルチバイブレータがある。一定幅の出力パルスは積分された後そのレベルが検出され、第２の（或いは任意の他の所望の）パルスの発生と同時とトリップが発生する。
【００２６】
スパッタリング・アーク故障による第２のパルスの発生と共にトリップを行う本発明の改良型回路遮断器は、ワイヤーのアークと電気器具のスイッチ投入との間の判別を行うことができる。この改良により感知レベルをそうでない場合よりも著しく低いレベルにセットすることが可能となる。
【００２７】
本発明の特定の実施例につき詳細に説明したが、当業者にとっては本明細書の記載全体に照らして種々の変形例及び設計変更が想倒されるであろうことが理解される。従って、開示した特定の構成は例示の目的を有するものに過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、技術的範囲は頭書した特許請求の範囲及び任意のそして全ての均等物を含むものとして理解すべきである。
【００２８】
【図面の簡単な説明】
【図１】地絡故障検出回路と感知コイルを共有する本発明スパッタリング・アーク故障検出型回路遮断器の好ましい実施例の概略図。
【図２】図１の回路遮断器の一部を形成する集積回路の概略的な回路図。
【図３】図１の回路遮断器の一部の変形例を示す概略図。
【符号の説明】
１  回路遮断器
１５  スパッタリング・アーク故障
２１  感知コイル
２３  電流変化率センサ
４１  トリップソレノイド
【図１】
0003589692.tif 000002
【図２】
0003589692.tif 000003
【図３】
0003589692.tif 000004