(57)【要約】  変圧器の突入電流を抑制し、より高感度の保護設定を可能にすることにより、一般的な配電網に接続された商業用及び工業用の電気設備におけるアークフラッシュの入射エネルギを大幅に低減する技術を開示する。また、これらの設備のエネルギ容量を増加させる技術を開示する。突入電流の減少は、制御スイッチングデバイス（ＣＳＤ）の使用によって達成される。遮断器を備え電流が供給される電気回路の内部におけるアークフラッシュを低下させる方法を開示する。この方法は、ＣＳＤを電気回路に備えるステップを備えている。ＣＳＤは、好ましくは最適な電気角で機械的な開閉動作を同期させるために、遮断器に開閉指令を送信するように構成されている。また、回路内部のアークフラッシュを低下させるためのＣＳＤを備える電気回路を開示する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
遮断器を備える電気回路の内部におけるアークフラッシュを低下させて、電流を供給する方法であって、
前記電気回路に制御スイッチングデバイス（ＣＳＤ）を備えるステップを含み、当該ＣＳＤは、前記電気回路に送られる突入電流を低減すべく前記遮断器の機械的な開閉動作を同期させるために、前記遮断器に対して開指令又は閉指令を送信するように構成されている、方法。
【請求項２】
前記突入電流を低減するための最適な電気角で前記電気回路の前記遮断器を閉じるように前記ＣＳＤを調整するステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記遮断器は、過電流保護継電器の下流に接続されており、
事故除去時間を短縮して入射エネルギのレベルを無害なレベルに低減するように、前記過電流保護継電器の感度を調整するステップをさらに含む請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記ＣＳＤは、変圧器の下流に接続されており、
前記突入電流を低減するための前記遮断器の最適な電気角を決定するために、前記変圧器の内部の残留磁束を算出するステップをさらに含む請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記変圧器の通電中に前記突入電流を低減する又は取り除くステップをさらに含む請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記電気回路は、ヒューズを備える配電系統を介して電流が供給されるものであり、
前記ヒューズは、前記遮断器の下流に接続されており、
前記電気回路に流れ得る前記突入電流の作用に基づいて前記ヒューズのサイズを適合させるステップをさらに含む請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記変圧器を、より大きな電力を有する他の変圧器に置き換えるとともに、前記ヒューズを同じ値に保ち、前記過電流保護継電器と前記ヒューズの適切な選択及び協調性を維持するステップをさらに含む請求項６に記載の方法。
【請求項８】
遮断器を備え、電流を供給する電気回路であって、
前記電気回路は制御スイッチングデバイス（ＣＳＤ）を備え、当該ＣＳＤは、前記電気回路に送られる突入電流を低減すべく前記遮断器の機械的な開閉動作を同期させるために、前記遮断器に対して開指令又は閉指令を送信するように構成されている、電気回路。
【請求項９】
前記ＣＳＤは、前記突入電流を低減するために最適な電気角で前記電気回路の前記遮断器を閉じるように調整されている請求項８に記載の電気回路。
【請求項１０】
前記遮断器は、過電流保護継電器の下流に接続されており、
前記過電流保護継電器は、事故除去時間を短縮して入射エネルギのレベルを無害なレベルに低減するように感度が調整されている請求項８又は９に記載の電気回路。
【請求項１１】
前記電気回路は、ヒューズを備える配電系統を介して電流が供給されるものであり、
前記ヒューズは、前記遮断器に接続されており、前記電気回路に流れ得る前記突入電流の作用に基づいて選択されたサイズを有している請求項８〜１０のいずれか１項に記載の電気回路。
【請求項１２】
変圧器をさらに備える請求項８〜１１のいずれか１項に記載の電気回路。
【請求項１３】
前記変圧器は、前記過電流保護継電器の上流に接続されている請求項１２に記載の電気回路。
【請求項１４】
前記変圧器は、前記ヒューズを同じ値に保ち、前記過電流保護継電器と前記ヒューズの適切な選択及び協調性を維持するように適合された電力を有している請求項１３に記載の電気回路。
【請求項１５】
電気回路に送られる突入電流を低減するための最適な電気角で前記電気回路の回路遮断器を閉じることにより電力変圧器の通電を制御する制御スイッチングデバイスの使用。
【請求項１６】
制御スイッチングデバイスを備える電気回路のエネルギ容量を増加させる制御スイッチングデバイスの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本特許出願は、２０１３年１２月８日に米国特許商標庁に出願された「制御スイッチングデバイス及びその使用方法」と題する米国特許出願番号６１／９１３，３５１及び６１／９１３，３６２の双方の優先権を主張する。
発明の分野
本発明は、電気工学の分野に属する。本発明は、特に、商業用及び工業用の電気システムにおけるアークフラッシュの発生を低下させ、その突入電流を抑制するための装置及び方法に関する。より具体的には、本発明は、制御スイッチングデバイス（ＣＳＤｓ）及びその使用方法に関する。また、本発明は、設備の電気容量を増大させることができる。
【背景技術】
【０００２】
大規模な産業用及び商業用の施設における変圧器には、公称電流の１５倍の大きな突入電流が流れ得る。この現象のため、突入電流を除去する安全マージンが必要となる。突入電流が流れると、保護継電器を精度よく設定できなくなり、高い入射エネルギが発生し、しばしばアークフラッシュを発生させることになるためである。
【０００３】
アークフラッシュは、大規模な産業施設における人身傷害や死亡事故の主な原因の一つである。必要な安全マージン及び突入電流の影響は、配電系統に接続された変圧器のサイズも規制する。
【０００４】
図１は、一般的な商業用／産業用の電気配線を示す。配電系統１は、商業用又は工業用の設備に電力を供給する。ヒューズ２は、供給電力によって値が定められており、変圧器のサイズを限定したり、変圧器の突入電流を除去するためにできるだけ小さく寸法決めされたりしていることが多い。回路遮断器３は、需要者が所有する機器である。回路遮断器３は、メンテナンス又は安全上の理由から設備を分離することができ、需要者が所有する機器を過電流から保護する。メインの電力変圧器４は、配電網の電圧を低下させて、設備５への電気負荷６の供給値を低下させる。保護装置による突入電力の除去が十分な速さで行われないため、多くの場合、障害が検出されたときであっても、アークフラッシュ７がなお発生してしまう。保護継電器８は、過負荷、短絡及び他の電気的障害を検出し、このようなことが発生した場合に回路遮断器３を作動させる。
【０００５】
商業用又は産業用の設備において、図２に示す突入電流は、主として、メインの変圧器４に流れる電流が制御不能となることによって引き起こされる。変圧器の磁気コア内に、前回の通電オフに起因する残留磁束が存在すると、変圧器に流れる電流が制御不能となって突入電流が大きくなり、変圧器での磁気飽和の原因となる。現時点では、高レベルの突入電流を考慮して保護継電器８を設定しなければならず、その結果、これら装置は下流の設備５の障害に対して感度が低い。保護感度が低いため、障害の検出精度が低く、アークフラッシュを効果的に回避及び緩和することができない。さらに、突入電流が公称電流の１５倍まで上昇し得るため、配電系統における変圧器への通電の影響によって設備の電力容量が制限される。
【０００６】
電流が導体間の空気中を流れるとアークフラッシュが発生する。アークフラッシュは、銅、鋼又はアルミニウムなどの筐体材料の気化成分によって生成される強い光、熱、音及びアーク爆発を放出する。電力系統で発生するアークフラッシュに起因する災害は、安全上の問題の中でも大きい問題であり、コストのかかる問題の１つである。
【０００７】
図４は、保護協調シミュレーションに使用される単線結線図（single line diagram）を示す。この例では、公共の電力系統１８が公共のバス１９に電力を供給する。電力需要者側のバス２１は、ヒューズ２０を介して公共のバスに接続されている。
【０００８】
需要者側において、変圧器２４は、２５ｋＶから６００Ｖへと電圧レベルを変化させる。回路遮断器２３は、需要者側の電気負荷２５を分離するために手動操作でき又は過電流継電器２２により作動させることもできる。
【０００９】
図５に、時間及び電流で表される保護協調曲線のグラフを示す。図５に示すように、電力需要者側の過電流保護継電器２８は、変圧器に流れる突入電流２９が最悪となるケースを回避できるように設定されなければならない。同図において、継電器は、連続して１８０Ａの電流を流すことができる。ＣＳＤを使用しないため、突入電流が非常に高くなる可能性がある（変圧器の最大負荷電流の１５倍まで）。このため、過電流保護継電器２８の瞬間電流は、１４００Ａに設定されている。
【００１０】
図７は、保護協調シミュレーションに使用される単一結線図を示す。このシミュレーションにおける設定は：Ｌｅｖｅｌ  Ｆ；ＡＦＢ＝９．９１ｆｔである。この設定と図７に示した単一結線図を使用すると、事故除去時間（fault clearing time：ＦＣＴ）は、２０サイクル（正確にはＦＣＴ＝２０．３３９サイクル）まで上昇し、５２ｃａｌ／ｃｍ２の入射エネルギ（ＩＥ）が発生する（正確なＩＥ＝５２．４０ｃａｌ／ｃｍ２  ａｔ  １８"）。Ｉｂｆは、５８．３２ｋＡである。この例では、公共電力系統３４、公共電力バス３５、需要者側のバス３６、変圧器３８、過電流保護継電器３７及び需要者側の電気負荷３９といった図４に示した要素を使用した。こういったエネルギは、付近の作業者にとって致命的となり得る。１平方センチメートルあたり４０カロリー以上のレベルでの作業は、アークフラッシュに起因する爆発の危険があるため、常に避けるべきである。この例では、電力系統３４、電力バス３５、需要者側のバス３６、変圧器３８、過電流保護継電器３７及び需要者側の電気負荷３９といった図４に示した要素を使用した。また、図５には、トランス熱限界２７及びヒューズ特性２６が例示されている。
【００１１】
図９は、図４に例示する保護協調曲線を示す。ここでは、５ＭＶＡの変圧器の例に代えて、８ＭＶＡの変圧器２４を利用している。この例において、過電流保護継電器５０でも、連続して１８０Ａの電流を流すことができる。しかし、より大きな変圧器に流れるより大きな突入電流を回避するために、過電流保護継電器５０の瞬間電流は、２２８０Ａに設定されている。図９は、過電流保護継電器５０の設定により、当該電器５０の特性と公共のヒューズの特性４８との間に十分なクリアランスが存在しないことが示されている。このため、このような大きい変圧器の接続は、公共施設では受け入れられないであろう。図９もまた、トランス熱限界４９を例示する。
【００１２】
制御スイッチングデバイス又はＣＳＤｓは、高電圧変電所で長年使用されている。今までは、ＣＳＤの価格が高かったが、最近の技術開発により、中電圧アプリケーション用のより手頃な価格のＣＳＤの設計が可能となった。
【００１３】
このように、変圧器に流れる突入電流を抑制し、かつ、より高感度の保護設定を可能にして、一般的な配電網に接続されている商業用及び工業用の電気設備でアークフラッシュの入射エネルギを大幅に減少させるための新しい技術が必要とされている。
【００１４】
電気設備のエネルギ容量を増加させるための新たな技術に対する必要性も存在する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、突入電流を抑制することにより、商業用及び工業用の電気設備におけるアークフラッシュの発生を低下させる技術に関連する。また、本発明は、設備の電気容量の増加を可能にする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、第一に、回路遮断機を備える電気回路により制御され、電流が供給される電力需要者側の電気負荷５内におけるアークフラッシュを低下させる方法に関する。その方法は、前記電気回路に送られる突入電流を低減すべく前記遮断器の機械的な開閉動作を同期させるために、前記遮断器に対して開く指令又は閉じる指令を送信するように構成された制御スイッチングデバイス（ＣＳＤ）を備える前記電気回路を提供するステップを含む。
【００１７】
好ましくは、前記方法は、前記突入電流を低減するための最適な電気角で前記電気回路の前記遮断器を閉じるように前記ＣＳＤを調整するステップをさらに含む。前記遮断器は、過電流保護継電器の下流に接続されている。この場合、前記方法は、事故除去時間をより短縮し、入射エネルギのレベルを無害なレベルに低減するために、前記過電流保護継電器の感度を調整するステップをさらに含む。
【００１８】
前記制御スイッチングデバイスは、変圧器に接続されている。前記方法は、前記遮断器をスイッチオンする前記最適な電気角を算出するために、前記変圧器の内部の残留磁束を算出するステップをさらに含む。
【００１９】
前記方法は、前記変圧器に通電されている間に前記突入電流を低減する又は取り除くステップをさらに含む。
【００２０】
前記電気回路は、ヒューズを備える配電系統を介して電流が供給されるものである。前記ヒューズは、前記遮断器の下流に接続されている。前記方法は、より高い突入電流を維持するために、前記電気回路に流れ得る前記突入電流の作用に基づいて前記ヒューズのサイズを適合するステップをさらに含む。前記方法は、前記ヒューズを同じ値に保ち、前記過電流保護継電器と前記ヒューズとの間の適切な選択性及び協調を維持しながら、前記変圧器を、より大きな電力を有する他の変圧器に置き換えるステップをさらに含む。
【００２１】
本発明は、また、電流が供給され、遮断器を備える電気回路に関する。前記電気回路は、前記需要者側の電気負荷におけるアークフラッシュを低下させるべく前記遮断器の機械的な開閉動作を同期させるために、前記遮断器に対して開く指令又は閉じる指令を送信するように構成された制御スイッチングデバイス（ＣＳＤ）をさらに備える。
【００２２】
前記ＣＳＤは、前記突入電流を低減するために最適な電気角で前記電気回路の前記遮断器を閉じるように調整されている。
【００２３】
前記電気回路において、前記遮断器は、過電流保護継電器の下流に接続されている。前記過電流保護継電器は、事故除去時間をより短縮し、入射エネルギのレベルを無害なレベルに低減するように感度が調整されている。
【００２４】
前記電気回路は、ヒューズを備える配電系統を介して電流が供給されるものである。前記ヒューズは、前記遮断器に接続されている。前記ヒューズは、前記電気回路に流れ得る前記突入電流の作用に基づいて選択されたサイズを有している。前記電気回路は、変圧器を備え、前記変圧器は、前記公共施設によって制限された公称電力を有している。前記公共施設によって、前記ヒューズの最大アンペア数が定まる。前記過電流保護継電器は、前記ヒューズとの間の適切な協調及び選択性を維持するように設定されている。
【００２５】
本発明は、電気回路に送られる突入電流を低減するための最適な電気角で前記電気回路の回路遮断器を閉じることにより電力変圧器の通電を制御する制御スイッチングデバイス（ＣＳＤ）の使用に関する。
【００２６】
本明細書に開示された発明によれば、一般的な配電網に接続された商業用及び産業用の電気設備におけるアークフラッシュの入射エネルギを大幅に削減できる。本明細書に開示された発明によれば、変圧器の突入電流を制限することができ、より感度の高い保護設定を提供できる。
【００２７】
本発明によれば、また、これらの設備のエネルギ容量を増加させることができる。突入電流の減少は、ポイントオブウェーブ（Point on Wave：ＰＯＷ）コントローラとして知られている制御スイッチングデバイスの使用によって達成される。より好ましくは、突入電流の減少は、制御スイッチングデバイスを制御するように設計されたインテリジェントコントローラによって達成される。
【００２８】
現時点では、突入電流が公称電流の１５倍まで上昇し得るため、保護設定を十分な感度で行うことができない。電気エネルギは、基本的には、系統電圧×経過時間×電流である。本発明では、低いレベルで保護設定できるため、保護感度を増加させ、保護が作動するまでの時間を短縮し、事故を分離することができる。したがって、事故で発生するエネルギを最小化でき、アークフラッシュのレベルを軽減できる。加えて、本発明によれば、設備の電気容量の増加できる。
【００２９】
新規であると確信する本発明の特徴は、添付の特許請求の範囲に具体的に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
上述した目的、他の目的並びに本発明の特徴及び利点は、添付図面を参照しつつ、以下の説明からより容易に明らかになるであろう。
【図１】配電システムに接続された一般的な商業用又は工業用の設備を示す図である（従来技術）。
【図２】突入電流の例を示す図である（従来技術）。
【図３】本発明の実施形態に係る制御スイッチングデバイスの実装を示す図である。
【図４】シミュレーションのために使用される単線結線図を示す図である（従来技術）。
【図５】ＣＳＤを備えていない５ＭＶＡの変圧器に関する保護協調グラフを示す図である（従来技術）。
【図６】本発明の実施形態に係るＣＳＤを備える高感度の保護設定がなされた５ＭＶＡの変圧器に関する保護協調グラフを示す図である。
【図７】ＣＳＤを備えていない５ＭＶＡの変圧器に関する入射エネルギ（ＩＥ）レベル及び事故除去時間を示す図である（従来技術）。
【図８】本発明の実施形態に係るＣＳＤを備える高感度の保護設定がなされた５ＭＶＡの変圧器に関するＩＥレベル及び事故除去時間を示す図である。
【図９】ＣＳＤを備えていない８ＭＶＡの変圧器に関する保護装置協調グラフを示す図である（従来技術）。
【図１０】本発明の実施形態に係るＣＳＤを備える高感度の保護設定がなされた８ＭＶＡの変圧器に関する保護装置協調グラフを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、新規な制御スイッチングデバイス及びその使用方法について説明する。本発明を特定の実施形態について説明するが、本明細書に記載の実施形態は単なる例示であり、本発明の範囲はこれに限定されるものではない。
【００３２】
本発明は、電力用変圧器が備えられ、一般的な配電網に接続された、商業用及び産業用の電気設備におけるアークフラッシュの入射エネルギを低下させる新しい技術及び方法を提供する。
【００３３】
「商業用及び産業用の電気設備」は、モータ、照明システム、冷暖房システム、自動生産ライン、電気炉などのあらゆる種類の電気機器を含むことができ、工業用又は商業用のあらゆる電気負荷を意味する。
【００３４】
「タイトな保護設定」は、突入電流を考慮して、障害が発生した場合、通常作動するよりも早く保護が作動するように保護設定することを意味する。突入電流が低減されるにつれて、保護の作動限界は低下する。
【００３５】
図３に示すように、本発明に係る電気回路は、ＣＳＤ１６を備えている。ＣＳＤ１６は、突入電流を低減させるための最適な電気角で回路遮断器１０を閉じ、電気負荷１３を構成する電気設備１２におけるアークフラッシュ１４を低下させて、電力変圧器１１の通電を制御する。電気設備１２の回路遮断器１０に指令を出すＣＳＤ１６を使用することにより、電力変圧器１１を備え、かつ、一般的な配電系統１７に接続されている商業用及び工業用の電気設備１２のエネルギ容量の増加も可能となる。
【００３６】
ＣＳＤ１６は、また、ポイントオブウェーブ（ＰＯＷ）コントローラとして知られている。ＣＳＤは、配電網上の電気信号との機械的な動作を同期させるために、開指令又は閉指令を回路遮断器に送信するインテリジェントコントローラである。スイッチング過渡現象を減少又は除去するために、機械的な動作が最適な電気角で望ましく選択される。
【００３７】
突入電流を最小にするために、ＣＳＤ１６は、変圧器１１内部の残留磁束を算出する。この情報に基づいて、ＣＳＤ１６は、回路遮断器１０を閉じる適切な電気角を選択する。
【００３８】
遮断器、変圧器、過電流保護継電器、ヒューズ、電気負荷、ＰＯＷ及びＣＳＤのような電気素子は、当該技術分野において公開されているものとすることができる。特に、米国特許番号ＵＳ６４３３９８０Ｂ１には、本明細書中で使用できるＣＳＤの主な機能が開示されている。また、米国特許番号ＵＳ７５７６９５７Ｂ２には、本明細書で使用できるＰＯＷの主な機能が開示されている。ＵＳ６４３３９８０Ｂ１及びＵＳ７５７６９５７Ｂ２の内容は、参照によって本明細書に組み込まれている。
【００３９】
配電網１７を保護するヒューズ９及び過電流保護継電器１５は、一般的には、変圧器１１が供給する突入電流と最大負荷容量との双方に応じて、定格化及び調整されている。その結果、突入電流が減少し、ヒューズ９及び過電流保護継電器１５のタイトな設定が可能となる。これにより、より速く事故を検出し、下流の入射エネルギのレベルを低減する一方、公共施設側の配電系統に悪影響を与えることなく設備のエネルギ容量を増加できる。
【００４０】
図６は、本発明の原理に従う電気回路を使用した保護協調に関する検討結果を示す。本実験では、ＣＳＤは、変圧器の突入電流を最小化するために使用される。その結果、保護継電器は、入射エネルギレベルを緩和するために、感度又は応答性を高めるべくパラメータ化３２されてもよい。例えば、約６００Ａに設定された瞬時ピックアップが示されている。ＣＳＤ１６を使用すると、このようなアンペア数で、突入電流３３の排除又は除去が可能となる。これに対し、図５に、ＣＳＤを使用しない場合の例を示す。ＣＳＤを使用しない場合、突入電流２９を除去するために必要なアンペア数がかなり増加し、約１４００Ａである。
【００４１】
図８に示すように、一般的に、よりタイトな保護設定（レベルＤ；ＡＦＢ＝５．８６ｆｔ）により、事故除去時間（ＦＣＴ＝５．９６０サイクル）が短くなり、入射エネルギ（ＩＥ）のレベルが１８．３ｃａｌ／ｃｍ２（１平方センチメートル当たりのカロリー）に低下する。この例では、公共施設の配電系統４０、公共施設のバス４１、ヒューズ４２、需要者側のバス４３、回路遮断器４５、変圧器４６及び需要者側の電気負荷４７といった図４と同一の構成要素を使用した。しかしながら、過電流保護継電器４４は、よりタイトな設定がなされている。また、図６には、図５のようなトランス熱限界３１及びヒューズ特性３０を示す。
【００４２】
図１０は、８ＭＶＡの電力変圧器を使用した保護協調グラフを示す。この検討では、電力変圧器が８ＭＶＡの容量を有していること及びＣＳＤが突入電流５５を最小化するように構成されていることを除いて、図４に示した電気設備と同様の設備を用いている。保護継電器の感度又は応答性が増加し、その結果、配電系統においてより大きな変圧器を使用することができるとともに、需要者側の保護継電器と公共施設のヒューズとの間の協調が可能となる。
【００４３】
図１０に示すように、５ＭＶＡの変圧器ではなく、公共ヒューズ５２と同じ値の８ＭＶＡの変圧器を設置することができるとともに、需要者側の保護継電器５４と公共保護装置又はヒューズ５２との選択幅及び協調性を十分に維持できる。図１０には、８ＭＶＡの変圧器のための新しいトランス熱限界５３を示す。
【００４４】
本発明の現時点での好ましい実施形態を本明細書で詳細に説明してきた。しかしながら、本発明の概念は、他の様々な方法で具体化し使用することができ、添付の特許請求の範囲は、従来技術によって制限される限りの範囲を除いて、他の実施形態を含むと解釈されることを意図していると理解されるであろう。
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図７】
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【図８】
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【図１】
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【図５】
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【図６】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
2017504293.tif 000013
2017504293.tif 000014