(57)【特許請求の範囲】
【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り、
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、キャパシタに前記一連のパルスを印加する手段、キャパシタに接続されてキャパシタの電荷を前記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、及び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前記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おり、
パルス発生手段は前記一連のパルスに単調増加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回路遮断器。
【請求項２】
トリップ信号発生手段は、前記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。
【請求項３】
回路遮断器は典型的な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。
【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。
【請求項５】
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１の回路遮断器。
【請求項６】
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前記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１の回路遮断器。
【請求項７】
回路遮断器は典型的な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、典型的な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６の回路遮断器。
【請求項８】
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７の回路遮断器。
【請求項９】
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１の回路遮断器。
【請求項１０】
パルス発生手段は一連のパルスに単調増加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。
【請求項１１】
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１０の回路遮断器。
【請求項１２】
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。
【請求項１３】
トリップ信号はさらに、所定の非線形関数に応じて前記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前記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前記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。
【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１３の回路遮断器。
【請求項１５】
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、
前記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り、
パルス発生手段は前記一連のパルスに単調増加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前記一連の非線形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ことを特徴とする装置。
【請求項１６】
出力信号発生手段は、前記一連の非線形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１５の検知装置。
【請求項１７】
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、キャパシタに前記一連の非線形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前記一連の非線形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前記一連の非線形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１６の検知装置。
【請求項１８】
前記一連の非線形パルスに単調増加関数を適用する前記手段は前記一連の非線形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１６の検知装置。
【請求項１９】
キャパシタに前記一連の非線形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１６の検知装置。
【請求項２０】
キャパシタに前記一連の非線形パルスを印加する手段はしきい値を越える前記一連の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１６の検知装置。
【請求項２１】
パルス発生手段は前記一連の非線形パルスに単調増加関数を適用して前記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。
【請求項２２】
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２１の検知装置。
【請求項２３】
パルス発生手段は前記一連の非線形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１５の検知装置。
【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】
米国特許第４，０８１，８５２号明細書に記載されたような従来型の回路遮断器は、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。また典型的な負荷にはアーク電流と同様な電流が流れて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典型的な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。典型的な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。この非線形関数は単調増加関数、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４，０８１，８５２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１５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２３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３９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７３により電流ｉm1が電流ｉ1と等しくなるため、電流ｉm1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８９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、本発明は典型的な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１０４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１０７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１１３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１１５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１０５、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３３、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１４９，１５１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１５７，１５９，１６１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７９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１６３，１６５，１６７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、この伝達関数は単調増加関数、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】
0003745029.tif 000002
従って、
【数２】
0003745029.tif 000003
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】
0003745029.tif 000004
そして、
【数４】
0003745029.tif 000005
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１８５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】
典型的な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２１３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１０５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２１９，２２１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２２９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２３′はアーク故障と同様な波形を発生させる一部の典型的な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典型的な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２０１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２１１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典型的な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
【図１】
0003745029.tif 000006
【図２】
0003745029.tif 000007
【図３】
0003745029.tif 000008
【図４】
0003745029.tif 000009
【図５】
0003745029.tif 000010
【図６】
0003745029.tif 000011
【図７】
0003745029.tif 000012
【図８】
0003745029.tif 000013