【発明の詳細な説明】
ＰＴＣ（正温度係数抵抗率）要素及び消弧能力を備えた電流制限回路遮断器
発明の分野
本発明は、短絡条件の下で回路遮断器の動作から生じるアークを制限するため
に回路遮断器における正の温度係数抵抗率（ＰＴＣ）要素を備えた機械手段及び
機械要素の使用に関する。
発明の背景
回路遮断器は、住宅用及び産業用の用途では、短絡または地絡により生じた厳
しい過電流状態の下で電力線の電流遮断のために広く使用されている。厳しい過
電流条件中に電流の遮断過程に関連する問題の１つは、アークである。アークは
、電流遮断に使用される回路遮断器の接点間に生じるが、いくつかの理由で非常
に望ましくない。アークは、遮断器の接点を劣化させガス圧を形成する。回路遮
断器の接点が完全に開いた位置で接点にアークが残らないようにするためには、
開いた位置の接点間が大きな距離の回路遮断器が必要となる。
従来技術の装置は、アークの発生を制限するために多くの試みを行っている。
重負荷のスイッチギアでは、接点は、真空内又はＳＦ6の雰囲気内に封入をして
もよい。これら両方の試みは、非常に高価なものとなる。さらに、ＳＦ6は、温
室効果ガスとして確認されている。
アーク量を制限するために今まで使用された他の試みは、回路遮断器の主接点
と並列接続の抵抗を使用することである。この主接点の開放時に、電流は、その
分路抵抗を依然として流れることができ、これにより主接点におけるアーク量を
効果的に減少させる。この抵抗を流れる電流は、この抵抗が存在しない場合に主
接点を流れる短絡電流よりも少なく、この抵抗と直列接続された別の対の接点の
開放は、その分路抵抗が存在しない場合に生じるよりも少ないアークで達成する
ことができる。
タナカ（Tanaka）外は、抵抗を設けたUHV遮断器が絶縁ガスを封入するタンク
、主接点及びそのタンク内に配置された主接点に並列接続の抵抗ユニットを有す
る
回路遮断器を開示している。この主接点が閉じられる前に抵抗接点が閉じられ、
主接点が開かれた後に抵抗接点が開かれるようにする機構が設けられている。こ
の抵抗は、短絡条件中に高電流および高温度に耐えるような定格を有するもので
なければならない。
カリド（Khalid）は、電流制限接点が遮断器の主接点と直列な電流制限回路遮
断器を教示している。この電流制限接点を開放すると、その抵抗を通る高事故電
流が分路される。この抵抗は、正の抵抗温度係数（ＰＴＣ）抵抗率を備えた鉄線
抵抗である。この抵抗を流れる短絡電流は、この抵抗を加熱し、それにより、そ
の抵抗値を増大し、かつ、その短絡電流の増大を制限する。
ペキンス（Perkins）外は、（Ｖ，Ｃｒ）2Ｏ3における金属絶縁固体遷移を利
用するPTC抵抗を記載している。８０℃の遷移温度において、（Ｖ，Ｃｒ）2Ｏ3
を含むセラミック体の抵抗率は、２０℃における値の１００倍の値まで増大する
。上記の従来技術は、過電流保護のためのバイメタル片の代替物としての過電流
保護のためのPTC要素の使用を開示している。そのスイッチは、このスイッチ用
の駆動コイルにより分路されるＰＴＣ要素に接続されている。通常の動作状態中
では、電流は、このＰＴＣ抵抗を流れる。短絡状態中では、このＰＴＣ抵抗の急
速な加熱によりＰＴＣ抵抗の抵抗値及び電圧が増大し、この駆動コイルの電流を
変換し、このスイッチを引き外す。
ハンソン（Hansson）外（米国特許5,382,938）は、損傷なしに短絡電流に耐え
、それにより再使用を可能にするＰＴＣ要素を開示している。図１は、モータ２
５用の過電流保護装置としてのＰＴＣ要素２２の使用に関するハンソン（Hansso
n）‘938による開示を示す。このＰＴＣ要素は、スイッチ２３と直列に、かつ、
このスイッチ２３を動作させる励磁コイル２４と平並に接続されている。この回
路の過電流は、ＰＴＣ要素２２を加熱するので、ある温度で、その抵抗値はする
どく増大する。このＰＴＣ要素２２の電圧は、励磁コイル２４がスイッチ２３を
引き外すに充分なものである。ハンソン（Hansson）外（Wo 91/12643）は、PTC
要素を使用するモータ及び短絡保護用の更に複雑な発明を開示している。スイッ
チが、２つの並列接続の電流ブランチよりなる引き外し回路と直列接続されてい
る。これらの電流ブランチの１つは、そのスイッチの励磁コイルを有し、他
方のブランチは、２つのPTC抵抗を有している。過電流条件により、ＰＴＣ抵抗
の電圧が増大され、これにより、このスイッチ用の励磁コイルが駆動される。
チェン（Chen）(米国特許5,629,658)は、ＰＴＣ要素が二以上のスイッチと共
に使用されて短絡条件下で電流を制限し、それにより関連するアークを減少させ
る数個の装置を開示している。
PTC抵抗の１つの問題は、この抵抗の耐久性である。すなわち、これらの抵抗
は、短絡電流に伴う加熱に耐えるように設計されなければならない。これにより
、この加熱を制限する準備がされない限り、それらの使用は、高くつくことにな
る。
スイッチギアにおけるおけるアークを減少するために使用されたさらに他の試
みは、このアークを遮断するための機械的手段を使用を必要とする。ベルベル（
Belbel）外（米国特許4,562,323）は、電気絶縁性のスクリーンが接点の開放中
に接点間に挿入されるスイッチを開示している。そのスクリーンの移動制御は、
その接点の分離を生じさせるものとは別の推進手段により得られる。ベルベル（
Belbel）外（米国特許4,677,266）は、電流が増大するに従って遮断速度を順応
させる絶縁スクリーンを備えた他のスイッチを開示している。ブラコウスキー（
Brakowski）外（米国特許4,801,772）は、接点アームどうしが開くに従って、こ
れらの接点アーム間に絶縁楔が挿入される電流制限回路遮断器を開示している。
上記の従来技術の大部分は、産業用である。住宅用の場合は、その電圧及び負
荷が小さくても、市販の回路遮断器には、依然として、それらの作動に伴うアー
クの量がかなりある。本発明は、電流の遮断を達成してアーク、雑音を減少しガ
ス抜きを行う。本発明は、住宅用回路遮断器のコスト及び封入物の要件を減少し
普通のリレーの切り替え能力を増大させる。
更に、本発明は、地絡回路と回路遮断器との間の機械的な結合なしに、地絡が
検出された時の回路遮断器の動作を改善する。重負荷／高電圧装置の場合、本発
明は、ＳＦ6及び真空スイッチギアを空気遮断器で置換して上に列記した目的の
多くを達成する。
発明の要約
本発明の１つの態様では電力線と直列に回路遮断器のＰＴＣ要素を使用する。
過負荷中におけるＰＴＣ要素の電圧増加は、主接点の開放用のリレーコイルを駆
動するために使用される。短絡中のＰＴＣ要素に対する熱損傷を防止するために
、一以上の金属酸化物バリスタがＰＴＣ要素と並列になっている。これによりＰ
ＴＣ要素に発生する最大電圧（従って発熱量）が制限される。本発明の他の態様
は、ＰＴＣ要素を組み込んだ回路遮断器が地絡に応答可能なことである。地絡遮
断回路は、そのリレーコイルと同じコアに巻かれた引きはずしコイルを付勢ため
に使用される。他の実施の形態では、引き外しコイルは除去され、全線路電圧が
このリレーコイルに加えられる。
本発明の他の実施の態様では、電力線を短絡するために地絡検出回路によって
トリガされるスイッチ装置が使用される。その結果生じる短絡電流により、ＰＴ
Ｃ要素を備えた回路遮断器が作動される。
本発明の他の態様は、電流制限回路遮断器におけるＰＴＣ要素の使用である。
この電流制限回路遮断器は、低電圧、中電圧及び高電圧の切り換え装置で使用す
ることができる。この場合、二対の接点が電力線と直列に、かつ、互いに並列に
設けられている。主接点は、アークを遮断する絶縁楔を備えている。この絶縁楔
は，その短絡線電流により生じる磁気力により駆動される。主接点の開放時に、
電流は、ＰＴＣ要素を備えた副接点を流れ、この副接点の存在により主接点のア
ークは制限され、ＰＴＣ要素は、その副接点により遮断される必要のある電流を
制限する。他の実施の態様においては、副接点は除去され、本発明は、他の回路
遮断器と共に補助モジュールとして使用される。
以下に述べる本発明の詳細な記載をより良く理解し、かつ、当該技術に対する
寄与を理解するために、本発明の更に重要な特徴の例をかなり概括的に要約した
。後で記載しかつ本明細書に添付の請求項の主題を形成する本発明の追加の特徴
は、存在する。
図面の簡単な説明
本発明の詳細な理解のために、添付図面と共に本発明の好適な実施の態様の以
下の詳細な説明を参照する。添付図面において、同様な要素は、同様な数字を与
えられており、
図１（従来技術）は、モータ用の過電流保護装置としてのＰＴＣ要素の使用を
示す。
図２は、本発明によるＰＴＣ要素の使用を示す。
図３は、図１の発明を動作させるために使用することができる磁気リレーを示
す。
図４は、本発明が地絡に応答できるようにした１つの方法を示す。
図５は、本発明が地絡に応答するために使用することができる第２の方法を示
す。
図６は、地絡電流に応答するように短絡スイッチと関連づけたＰＴＣ遮断器の
使用を示す。
図７と図８は、アークを遮断するための楔機構を備えた電流制限ＰＴＣ回路遮
断器を示す。
図９は、アークを遮断するための楔機構を備えた電流制限ＰＴＣモジュールを
示す。
発明の詳細な説明
図１は、モータ２５用の過電流保護装置としてのＰＴＣ要素２２を使用する従
来装置を示す。このＰＴＣ要素は、スイッチ２３と直列に、かつ、このスイッチ
２３を動作させる励磁コイル２４と並列に接続されている。この回路の過電流は
、ＰＴＣ要素２２を加熱し、ある特定温度では、その抵抗は、急激に増大する。
ＰＴＣ要素２２の電圧は、励磁コイル２４がスイッチ２３を引きはずすに充分な
ものである。
図１の従来装置の１つの欠点は、ＰＴＣ要素の電圧を制限するものが存在しな
いということである。この問題は、図２に示した本発明の１つの実施の態様で克
服される。回路遮断器１００は、電力線９９と直列接続されている。回路遮断器
１００の内部には接点１０１がある。この接点と直列に、一以上のバリスタによ
り分路されるＰＴＣ要素１０３がある。このＰＴＣ要素は、導電性ポリマ、セラ
ミックＢａＴｉＯ3又は室温で0.1Ωｃｍよりも大きな抵抗率を備えた任意の他の
ＰＴＣ材料から作ることができる。図の複雑化を制限するために、１つのみのバ
リスタ１０５が示してある。このバリスタ１０５の目的は、ＰＴＣ要素の保護で
ある。このバリスタの定格電圧は、ＰＴＣ要素の定格電圧に等しいか又はこれよ
り小さくなければならない。換言すれば、バリスタのクランプ電圧は、ＰＴＣ要
素の遷移事故電圧に等しいか又は、これより小さいものでなければならない。そ
のＰＴＣ要素と一致した対を成す分離可能な接点１０１は、このＰＴＣ要素と並
列接続のコイルによって開くように駆動される。図３に示した磁気ラッチリレー
に似た機構がこのために使用することができる。
図３の磁気ラッチ装置は、適当な支持部１１１によりベース１１０に取り付け
た硬質の銅ブレード１１７を有している。この銅ブレード１１７の自由端は、移
動可能な接点１０１ａを有している。永久磁石１１３と引っ張りばね１１５によ
り通常の条件下では、接点は、閉じてられている。コイル１０７は、コア１２１
に巻かれている。短絡状態の下では、コイル１０７は、付勢され、そこに生じた
磁界は、接点１０１ａを固定接点１０１ｂから引き離し、回路を遮断する。図３
の装置の新規な特徴は、固定接点１０１ｂの可動接点１１７ｂを形成する硬質の
銅ブレードの本体１１７ａにより示されている。これらは、短絡状態中に部分１
１７ａと部分１１７ｂとの間に可動接点１０１ａを固定接点１０１ｂから無理に
引き離す反発力が存在するような逆電流ループを形成している。これらの接点が
ひとたび開かれると、永久磁石１１３は、その開いた位置において、これらの接
点をラッチし続けるように作用する。
図４に示した本発明の他の実施の態様は、地絡が生じる時に本発明の回路遮断
器が電流を如何にして遮断できるかを示す。当業者に公知のように、供給回路の
可電流保護装置を動作させるに必要な値よりも小さいある所定の値を地絡電流が
超えた時に負荷への電流を遮断するように地絡遮断回路は、設計されている。図
２の場合のように、接点１０１は、高圧線９９と直列である。中立線１２１も、
図４に示してある。地絡検出回路１２３は、回路遮断器の負荷側に存在する。地
絡検出回路１２３は、地絡事故の発生時に地絡回路板１２５に対して信号を送る
。この地絡回路板は、接点１０１を駆動することもできる引きはずしコイル１２
７を駆動する。引きはずしコイル１２７とリレーコイル１０７は、同一のコアに
巻くこともできる。リレーコイル１０７は、過負荷又は短絡が存在する時はいつ
も、回路遮断器を引きはずすように付勢される。引きはずしコイル１２７は、回
路に地絡が存在する時はいつも、回路遮断器を引きはずすように付勢される。
本発明の回路遮断器の他の実施の態様によれば、地絡遮断用の第２のコイルは
、
使用されなくなる。これは、図５に示してある。図４の実施の態様の場合のよう
に、接点は、高圧線９９に存在する。地絡検出回路１２３は、地絡事故の検出時
に地絡回路板１２５に対し信号を送る。この地絡回路板は、地絡の検出時に閉じ
るＳＣＲ１２９を有している。この効果は、リレーコイル１０７に対して全線路
電圧を加えて、それを駆動することである。このために、ＰＴＣ要素１０３とバ
リスタ１０５は、側路される。ダイオード１３０は、地絡の場合にＰＴＣ要素１
０３を流れる短絡電流が存在しないようにする。図５に示した本発明の実施の態
様は、切り替えを行うための１つのコイルのみしか存在しないという点で、図４
の実施の態様よりも機構的に簡単である。
図６に示した本発明の他の実施の態様では、図５におけるダイオード１２７が
存在しない。スイッチ１３１は、線路を大地に短絡して大きな短絡電流をその線
路に流す。回路遮断器は、短絡保護装置として動作し、その電流は、ＰＴＣ要素
１０３を加熱させコイル１０７に電圧を増大させ接点を作動させる。スイッチ１
３１は、図５の場合のように、ＳＣＲとすることができる。このシステムの利点
は、地絡検出回路と回路遮断器との間には接続が要求されないということである
。これにより地絡遮断（ＧＦＩ）製品を提供するような損失なしに費用効果のあ
る大量生産法を用いて「標準回路遮断器」の製造が可能となる。これによりＧＦ
Ｉ製品は、工場あるいは野外のいずれかに設置できる付属品として販売すること
ができよう。
上記の実施の態様は、小電流定格の住宅用途で使用するに特に適している。し
かし、大電流定格の産業用の回路遮断器の場合は、以下に記載する本発明の実施
の態様が特に有用である。
図７は、電流制限器である、ある種の回路遮断器の略図を示す。この回路遮断
器は、一対の主接点１４５ａ、１４５ｂと一対の副接点１４７ａ、１４７ｂを有
している。線路端子１４１は、第１の弾性コネクタ（「ピグテール」）により可
動磁気板１４９に接続されている。この可動磁気板１４９は、第２のピグテール
１５３により固定磁気板１５７に接続されている。固定磁気板１５７は、主接点
１４５ａの１つと副接点１４７ａの１つに接続されている。主接点１４５ａと副
接点１４７ａは、固定接点である。可動の主接点１４５ｂは、主ブレード１６９
及び
ピグテール１６５を介して負荷端子１４３に接続されている。可動の副接点１４
７ｂは、副ブレード１６８を介してＰＴＣ要素１６７に接続されている。この好
適な実施の態様では、ＰＴＣ要素１６７は、タングステンで作られている。この
ＰＴＣ要素の好適な形状は、図に示した曲がりくねった形状である。これにより
ＰＴＣ要素のインダクタンスが減少される。ＰＴＣ要素１６７は、負荷端子１４
３に接続されている。
可動磁気板１４９は、その動作を制御するためのばね１５９を備えており、主
接点１４５ａと主接点１４５ｂとの間に挿入できるように配置された絶縁楔１６
１に機械的に結合されている。この絶縁楔１６１は、なるべくならガラス充填ナ
イロンで作った方が良い。この好適な実施の態様では、図示しない従来の機構が
ブレード１６７と１６９を移動させ、主接点１４５ａ、１４５ｂと副接点１４７
ａ、１４７ｂを開くことができる。他の機構を使用することもできるが、これら
は、本発明の範囲内にあると考えられる。図面の簡単化を維持するために、これ
らの機構は、図示してない。
回路遮断器の動作は、短絡が生じた時に起こる物を考慮することにより最も良
く理解される。固定磁気板１５７と可動磁気板１４９は、逆電流ループを形成し
て互いに逆方向に電流を運ぶ。短絡状態中に、これにより可動磁気板１４９に強
力な反発力が生じ、主接点１４５ａ、１４５ｂの間に可動磁気板１４９が絶縁楔
１６１を移動させる。この絶縁楔１６１は、その主接点間のアークを消去する。
前記逆電流ループは、なるべく少なくとも５０００m/s2で絶縁楔１６１を加速で
きる駆動力を提供するように設計することが望ましい。主接点１４５ａ、１４５
ｂの間で迅速に駆動される絶縁楔１６１は、２ミリ秒よりも短い時間でアークを
消去させる。電流は、副接点１４７ａ、１４７ｂ及びＰＴＣ要素１６７を流れる
。このＰＴＣ要素の電圧降下は、主接点１４５ａ、１４５ｂの開放の瞬間には１
５ボルトよりも小さくなることが好ましい。
ＰＴＣ要素１６７の抵抗は、このＰＴＣ要素１６７がその電流により加熱され
るに従って、その室温値の少なくとも１０倍まで増加される。ＰＴＣ要素１６７
は、特に加熱に耐えるように設計されている。副接点は、次に開かれて回路を遮
断する。
通常の動作の下では、電流の大部分は、主接点を流れる。逆電流ループの電流
により生ずる磁力は、電気絶縁楔を駆動するに充分な程大きくはなく、主接点間
の接触力は、この電気絶縁楔によっては影響されない。ＰＴＣ要素として使用さ
れるタングステン線の冷間抵抗は、主接点の抵抗よりも少なくとも１０倍大きい
ので、電流は、ほとんどタングステン線を通しては分路されず、そのタングステ
ン線の温度は、低く保たれる。
図８に示した他の実施の態様は、逆電流ループを有していない。線路端子１８
１は、静止の主接点１８７ａと静止の副接点１８５ａに接続されている。可動の
主接点１８７ｂは、弾性コネクタ１９６により負荷端子１８３に接続され、可動
の副接点１８５ｂは、弾性コネクタ１９７によりＰＴＣ要素１９９に接続されて
いる。ＰＴＣ要素１９９は、負荷端子１８３に接続されている。
主接点間で駆動されるようにした絶縁楔１９３は、可動の磁気板１９１に機械
的に取り付けられている。この可動の磁気板１９１は、単に、電流運搬母線１９
５に接近して配置されている。この母線を流れる短絡電流は、充分に磁気板１９
１の運動を生じさせ、これにより絶縁楔１９３は、これらの主接点１８７ａ、１
８７ｂの間のアークを消去する。
上述のように、主遮断接点と副遮断接点の移動を生じさせる機構は、ここでは
記載しないが、種種の方法が使用できる。動作の順序が重要である。本発明の適
当な動作には、短絡遮断中に絶縁楔が主接点を開いた後に副接点が開くようにす
ることが必要である。
図７又は８の装置の一部は、電流制限モジュールとして使用することができる
。これは、図９に示してあるが、この図では、他の回路遮断器との直列使用が設
計されたようなモジュールが示してある。
このモジュールは、一対の主接点２１５ａ、２１５ｂを備えている。線路端子
２０１は、可動磁気板２０３に第１のピグテールにより接続されている。可動磁
気板２０３は、第２のピグテール２０７によって固定磁気板２０９に接続されて
いる。固定の磁気板２０９は、固定接点２１５ａとＰＴＣ要素２１９に接続され
ている。可動接点２１５ｂは、ブレード２１７とピグテール２２１を介して負荷
端子２２３に接続されている。この好適な実施の態様においては、ＰＴＣ要素２
１９は、タングステンで作られている。このＰＴＣ要素の好適な形状は、図に示
した曲がりくねった形状である。これにより、このＰＴＣ要素のインダクタンス
が減少される。ＰＴＣ要素２１９は、負荷端子２２３に接続されている。
可動磁気板２０３は、その動作を制御するためのばね２１１を備えていて、主
接点２１５ａ、２１５ｂの間に挿入できるように配置された絶縁楔２１３に機械
的に結合されている。この絶縁楔２１３は、なるべくガラス充填ナイロンで作る
ことが好ましい。この好適な実施の態様においては、絶縁楔２１３の挿入により
不図示の機構が可動ブレード２１７を移動させて主接点２１５ａ、２１５ｂを開
かせる。過電流を検出して可動接点を開かせるために、前記絶縁楔とは独立した
機構を有することもできる。この場合は、更に高価な装置となる。他の機構も又
使用することができるが、それらは、本発明の範囲内で考慮される。図面を簡単
にするために、これらの機構は図示していない。
図９に示したモジュールと図８の回路遮断器との動作の主な相違は、前者にお
いては副接点が欠如しているということである。図９の装置は、電流制限器とし
て作動し、完全な遮断は、図９の装置が付属品である遮断器により行われる。
図７ないし図９の装置の基本的な概念は、従来の装置で起こる短絡遮断中にア
ークとガス圧を発生する代わりに、遮断エネルギーの大部分をＰＴＣ要素の加熱
に変換することである。現存する中間電圧及び高電圧の回路遮断器では、ＳＦ6
又は真空は、アークの抑圧に使用される必要がある。本発明では、このアークは
、大いに減少されるので、ＳＦ6又は真空は、もはや不必要である。これにより
、同一機能を実行するように空気回路遮断器を形成することが可能となる。これ
によりコストは、かなり減少される。
本発明の幾つかの実施の態様を上に記載した。当業者には、本発明の意図から
逸脱せずに種々の変形および変更がなし得るということは明らかである。請求の
範囲は、本発明の主旨及び範囲に入るこれらの変形および変更をすべて含むこと
を意図している。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Current limiting circuit breaker with PTC (positive temperature coefficient resistivity) element and arc extinguishing ability
Field of the invention
The present invention is intended to limit the arc resulting from the operation of a circuit breaker under short circuit conditions.
Mechanical means with a positive temperature coefficient resistivity (PTC) element in the circuit breaker;
Related to the use of mechanical elements.
Background of the Invention
Circuit breakers should be used in residential and industrial applications due to short circuits or ground faults.
It is widely used for power line current interruption under severe overcurrent conditions. Severe overage
One of the problems associated with the current interruption process during current conditions is arcing. Arc is
Occurs between the contacts of a circuit breaker used for current interruption, but is very critical for several reasons.
Undesirable. The arc degrades the contacts of the circuit breaker and creates gas pressure. Circuit block
To avoid arcing at the contacts when the breaker contacts are fully open,
A circuit breaker with a large distance between the contacts in the open position is required.
Prior art devices have made many attempts to limit arcing.
For heavy duty switchgear, the contacts may be in vacuum or SF6In the atmosphere of
Is also good. Both of these attempts are very expensive. Furthermore, SF6Is warm
Confirmed as a room effect gas.
Another attempt that has been used to limit the amount of arc is the main contact of a circuit breaker.
And the use of resistors connected in parallel. When this main contact opens, the current
The shunt resistance can still flow, which reduces the amount of arc at the main contact.
Effectively reduce. The current flowing through this resistor will mainly be in the absence of this resistor.
Less than the short-circuit current flowing through the contacts, another pair of contacts connected in series with this resistor
Opening is achieved with less arc than would occur if the shunt resistance were not present
be able to.
Outside of Tanaka, a tank in which a UHV circuit breaker with resistance fills the insulating gas
, Having a resistance unit connected in parallel with the main contact and the main contact arranged in the tank
To
A circuit breaker is disclosed. Before this main contact is closed, the resistance contact is closed,
A mechanism is provided for opening the resistive contacts after the main contacts have been opened. This
Are rated to withstand high currents and temperatures during short-circuit conditions.
There must be.
Khalid has a current limiting contact with a current limiting circuit in series with the main contact of the circuit breaker.
Teaching a breaker. When this current limiting contact is opened, the high
The flow is shunted. This resistance is an iron wire with a positive temperature coefficient of resistance (PTC) resistivity
Resistance. The short-circuit current flowing through this resistor heats this resistor, thereby
And limits the increase of the short-circuit current.
Outside of Perkins, (V, Cr)TwoOThreeMetal transition
The PTC resistance to be used is described. At a transition temperature of 80 ° C., (V, Cr)TwoOThree
Increases to a value 100 times the value at 20 ° C.
. The prior art described above discloses overcurrent as an alternative to bimetallic pieces for overcurrent protection.
It discloses the use of PTC elements for protection. The switch is for this switch
Are connected to the PTC element which is shunted by the drive coil. During normal operation
Now, the current flows through this PTC resistor. During a short-circuit condition, the PTC resistance
The rapid heating increases the resistance value and voltage of the PTC resistor, and the current of this drive coil is
Convert and trip this switch.
Hansson et al. (US Patent 5,382,938) withstand short-circuit currents without damage
Discloses a PTC element thereby enabling reuse. FIG. 1 shows a motor 2
Hansso regarding the use of PTC element 22 as an overcurrent protection device for
n) Shows the disclosure under $ 938. This PTC element is connected in series with the switch 23 and
The excitation coil 24 for operating the switch 23 is connected in parallel. This time
The overcurrent in the path heats the PTC element 22 so that at some temperature its resistance value
How to increase. The voltage of this PTC element 22 is determined by the excitation coil 24
It is enough for tripping. Outside Hansson (Wo 91/12643), PTC
A more complex invention for a motor using elements and for short circuit protection is disclosed. Switch
Is connected in series with a trip circuit consisting of two parallel-connected current branches.
You. One of these current branches has the excitation coil of the switch and the other
The other branch has two PTC resistors. PTC resistance depends on overcurrent condition
, Thereby driving the exciting coil for this switch.
Chen (U.S. Pat. No. 5,629,658) discloses a PTC element with a switch having more than one PTC element.
Used to limit current under short circuit conditions, thereby reducing the associated arc
Several devices are disclosed.
One problem with PTC resistors is their durability. That is, these resistances
Must be designed to withstand the heating associated with the short-circuit current. This
Unless you are prepared to limit this heating, their use will be costly.
You.
Still other tests used to reduce arcing in switchgear
Only the use of mechanical means to interrupt this arc is required. Berber (
Belbel) (U.S. Pat. No. 4,562,323) shows an electrically insulating screen opening contacts
Discloses a switch inserted between the contacts. The movement control of the screen is
It is obtained by a different propulsion means than that which causes the separation of the contacts. Berber (
Belbel) et al. (US Patent 4,677,266) adapt cutoff speed as current increases
Another switch with an insulating screen is disclosed. Brakowski (
Brakowski et al. (US Pat. No. 4,801,772) disclose that as the contact arms open,
A current limiting circuit breaker in which an insulating wedge is inserted between these contact arms is disclosed.
Most of the above prior art is industrial. For residential use, the voltage and negative
Even with small loads, commercially available circuit breakers still have the arc associated with their operation.
There is a considerable amount of work. The present invention achieves current interruption to reduce arc, noise, and
Perform punching. The present invention reduces the cost and fill requirements of residential circuit breakers.
Increase the switching ability of ordinary relays.
In addition, the present invention provides a ground fault without mechanical coupling between the ground fault circuit and the circuit breaker.
Improve the operation of the circuit breaker when detected. In the case of heavy load / high voltage equipment,
Akira is SF6And replace the vacuum switchgear with an air circuit breaker for the purposes listed above.
Achieve more.
Summary of the Invention
One aspect of the invention uses the PTC element of the circuit breaker in series with the power line.
The voltage increase of the PTC element during overload drives the relay coil for opening the main contact.
Used to move. To prevent thermal damage to PTC elements during short circuit
, One or more metal oxide varistors are in parallel with the PTC element. This gives P
The maximum voltage (and thus the amount of heat generated) generated in the TC element is limited. Other aspects of the invention
Is that a circuit breaker incorporating a PTC element can respond to a ground fault. Ground fault shield
The disconnection circuit is used to energize the trip coil wound around the same core as the relay coil.
Used for In another embodiment, the trip coil is removed and the total line voltage is reduced.
Added to this relay coil.
In another embodiment of the present invention, a ground fault detection circuit is used to short-circuit the power line.
A triggered switching device is used. Due to the resulting short-circuit current, PT
The circuit breaker with the C element is activated.
Another aspect of the invention is the use of a PTC element in a current limiting circuit breaker.
This current limiting circuit breaker is used in low, medium and high voltage switching devices.
Can be In this case, the two pairs of contacts are in series with the power line and in parallel with each other.
Is provided. The main contact has an insulating wedge for interrupting the arc. This insulating wedge
Are driven by the magnetic force generated by the short-circuit current. When the main contact is opened,
Current flows through the sub-contact with the PTC element, and the presence of the sub-contact causes an
The PTC element limits the current that needs to be interrupted by its secondary contacts.
Restrict. In another embodiment, the sub-contacts are eliminated and the present invention relates to other circuits.
Used as auxiliary module with circuit breaker.
The following detailed description of the invention will be better understood, and
In order to understand the contribution, examples of more important features of the invention have been summarized quite generally.
. Additional features of the invention which will be described hereinafter and form the subject of the claims appended hereto.
Exists.
BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
For a detailed understanding of the present invention, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
See the detailed description below. In the accompanying drawings, like elements are given like numerals.
It has been
FIG. 1 (Prior Art) illustrates the use of a PTC element as an overcurrent protection device for a motor.
Show.
FIG. 2 illustrates the use of a PTC element according to the present invention.
FIG. 3 shows a magnetic relay that can be used to operate the invention of FIG.
You.
FIG. 4 illustrates one way in which the present invention can respond to a ground fault.
FIG. 5 illustrates a second method that the present invention can use to respond to a ground fault.
You.
FIG. 6 shows a PTC circuit breaker associated with a short-circuit switch to respond to a ground fault current.
Indicate use.
7 and 8 show a current limiting PTC circuit interrupter with a wedge mechanism for interrupting an arc.
Indicates a breaker.
FIG. 9 shows a current limiting PTC module having a wedge mechanism for interrupting an arc.
Show.
Detailed description of the invention
FIG. 1 shows a slave using a PTC element 22 as an overcurrent protection device for a motor 25.
The following shows the device. This PTC element is connected in series with switch 23 and
23 is connected in parallel with the exciting coil 24 for operating the same. The overcurrent in this circuit is
, Heating the PTC element 22 and at a certain temperature its resistance increases rapidly.
The voltage on the PTC element 22 is sufficient for the exciting coil 24 to trip the switch 23.
Things.
One disadvantage of the prior art device of FIG. 1 is that there is no one that limits the voltage of the PTC element.
That is. This problem is overcome in one embodiment of the present invention shown in FIG.
Be dressed. The circuit breaker 100 is connected to the power line 99 in series. Circuit breaker
Inside 100 is a contact 101. In series with this contact, one or more varistors
There is a PTC element 103 that is shunted. This PTC element is made of conductive polymer, ceramic
Mick BaTiOThreeOr any other with a resistivity greater than 0.1 Ωcm at room temperature
Can be made from PTC material. To limit the complexity of the diagram, only one
Lister 105 is shown. The purpose of this varistor 105 is to protect the PTC element.
is there. The rated voltage of this varistor is equal to or less than the rated voltage of the PTC element.
Must be smaller. In other words, the varistor clamp voltage must be
It must be equal to or less than the elementary transition fault voltage. So
A pair of separable contacts 101 that match the PTC element of
It is driven to open by a coil of column connection. Magnetic latch relay shown in FIG.
A mechanism similar to can be used for this.
The magnetic latch device of FIG. 3 is attached to the base 110 by a suitable support 111.
Hard copper blade 117. The free end of the copper blade 117 is
It has a movable contact 101a. By the permanent magnet 113 and the tension spring 115
Under normal conditions, the contacts are closed. The coil 107 has a core 121
It is wound. Under short-circuit conditions, coil 107 is energized and
The magnetic field pulls contact 101a away from fixed contact 101b, breaking the circuit. FIG.
The novel feature of the device is that the rigid contact forming the movable contact 117b of the fixed contact 101b is
This is indicated by the body 117a of the copper blade. These are part 1 during a short circuit condition.
Between the fixed contact 101b and the movable contact 101a
A reverse current loop is formed such that there is a repulsive force to separate. These contacts
Once opened, the permanent magnet 113, in its open position,
Acts to keep the point latched.
Another embodiment of the present invention shown in FIG. 4 is the circuit breaker of the present invention when a ground fault occurs.
Shows how the switch can interrupt the current. As is known to those skilled in the art,
The ground fault current is set to a certain value smaller than the value required to operate the current protection device.
The ground fault cutoff circuit is designed to cut off the current to the load when exceeded. Figure
As in 2, contact 101 is in series with high voltage line 99. The neutral line 121 also
It is shown in FIG. The ground fault detection circuit 123 exists on the load side of the circuit breaker. Earth
The ground detection circuit 123 sends a signal to the ground fault circuit board 125 when a ground fault occurs.
. This ground fault circuit board has a trip coil 12 which can also drive the contact 101.
7 is driven. The trip coil 127 and the relay coil 107 are on the same core.
You can also roll. The relay coil 107 is activated whenever an overload or short circuit exists.
Is also biased to trip the circuit breaker. The trip coil 127 is
Whenever there is a ground fault in the road, it is biased to trip the circuit breaker.
According to another embodiment of the circuit breaker of the present invention, the second coil for ground fault interruption is
,
No longer used. This is shown in FIG. As in the embodiment of FIG.
In addition, a contact is present on the high voltage line 99. The ground fault detection circuit 123 detects when a ground fault has been detected.
To the ground fault circuit board 125. This ground fault circuit board closes when a ground fault is detected.
SCR129. The effect is that the relay coil 107
Applying a voltage and driving it. For this purpose, the PTC element 103 and the
The lister 105 is bypassed. The diode 130 is a PTC element 1 in case of a ground fault.
03 so that there is no short-circuit current. Embodiment of the present invention shown in FIG.
FIG. 4 shows that there is only one coil for switching.
It is mechanically simpler than the embodiment.
In another embodiment of the invention shown in FIG. 6, the diode 127 in FIG.
not exist. The switch 131 short-circuits the line to the ground and outputs a large short-circuit current to the line.
Run down the road. The circuit breaker operates as a short-circuit protection device, and its current is
103 is heated, the voltage of the coil 107 is increased, and the contact is activated. Switch 1
31 can be an SCR, as in FIG. Advantages of this system
Means that no connection is required between the ground fault detection circuit and the circuit breaker
. This is cost effective without the loss of providing a ground fault interrupt (GFI) product.
It is possible to manufacture "standard circuit breakers" using mass production methods. This gives GF
I products must be sold as accessories that can be installed either in the factory or outdoors
I can do it.
The above embodiments are particularly suitable for use in low current rated residential applications. I
However, in the case of high-current rated industrial circuit breakers, the implementation of the invention described below
Is particularly useful.
FIG. 7 shows a schematic diagram of a type of circuit breaker that is a current limiter. This circuit interruption
The device has a pair of main contacts 145a and 145b and a pair of sub-contacts 147a and 147b.
are doing. Line terminal 141 is enabled by a first elastic connector ("pigtail")
It is connected to the moving magnetic plate 149. The movable magnetic plate 149 has a second pigtail.
153 is connected to the fixed magnetic plate 157. The fixed magnetic plate 157 has a main contact
145a and one of the sub-contacts 147a. Main contact 145a and sub
The contact 147a is a fixed contact. The movable main contact 145b is connected to the main blade 169.
as well as
It is connected to a load terminal 143 via a pigtail 165. Movable sub-contact 14
7b is connected to the PTC element 167 via the auxiliary blade 168. This good
In a preferred embodiment, PTC element 167 is made of tungsten. this
The preferred shape of the PTC element is the serpentine shape shown in the figures. This
The inductance of the PTC element is reduced. The PTC element 167 is connected to the load terminal 14.
3 is connected.
The movable magnetic plate 149 includes a spring 159 for controlling the operation thereof.
Insulating wedge 16 arranged to be inserted between contact 145a and main contact 145b
1 are mechanically coupled. This insulating wedge 161 is preferably a glass-filled
It is better to make it with iron. In this preferred embodiment, a conventional mechanism not shown
By moving the blades 167 and 169, the main contacts 145a and 145b and the sub-contact 147 are moved.
a, 147b can be opened. Other mechanisms can be used, but these
Is considered to be within the scope of the present invention. To keep the drawing simple,
These mechanisms are not shown.
Circuit breaker operation is best performed by considering what happens when a short circuit occurs.
Well understood. The fixed magnetic plate 157 and the movable magnetic plate 149 form a reverse current loop.
Carry currents in opposite directions. During a short circuit condition, the movable magnetic plate
A strong repulsive force is generated, and the movable magnetic plate 149 is insulated between the main contacts 145a and 145b.
161 is moved. This insulating wedge 161 eliminates the arc between its main contacts.
The reverse current loop is preferably at least 5000 m / sTwoTo accelerate the insulating wedge 161
It is desirable to design to provide a sufficient driving force. Main contacts 145a, 145
b, the insulating wedge 161 which is driven quickly, arcs in less than 2 milliseconds.
Let it be erased. Current flows through the sub-contacts 147a, 147b and the PTC element 167
. The voltage drop of the PTC element is 1 at the moment when the main contacts 145a and 145b are opened.
Preferably less than 5 volts.
The resistance of PTC element 167 is such that PTC element 167 is heated by its current.
As room temperature, it is increased to at least 10 times its room temperature value. PTC element 167
Are specifically designed to withstand heating. The secondary contact is then opened and interrupts the circuit.
Refuse.
Under normal operation, most of the current flows through the main contacts. Reverse current loop current
Is not large enough to drive the electrically insulating wedge,
Is not affected by this electrically insulating wedge. Used as PTC element
The cold resistance of the tungsten wire is at least 10 times greater than the resistance of the main contact
Current is hardly shunted through the tungsten wire and its tungsten
The wire temperature is kept low.
The alternative embodiment shown in FIG. 8 does not have a reverse current loop. Line terminal 18
1 is connected to a stationary main contact 187a and a stationary sub-contact 185a. Movable
The main contact 187b is connected to a load terminal 183 by an elastic connector 196, and is movable.
Are connected to the PTC element 199 by the elastic connector 197.
I have. The PTC element 199 is connected to the load terminal 183.
An insulating wedge 193 driven between main contacts is mechanically attached to the movable magnetic plate 191.
It is attached. This movable magnetic plate 191 is simply the current carrying bus 19
5 are located close to each other. The short-circuit current flowing through this bus is sufficient for the magnetic plate 19
1 so that the insulating wedge 193 causes these main contacts 187a, 1
The arc between 87b is extinguished.
As described above, the mechanism that causes the movement of the main breaking contact and the sub breaking contact is herein described.
Although not described, various methods can be used. The order of the operations is important. Applicability of the present invention
Proper operation is to ensure that the secondary contact opens after the insulating wedge opens the main contact during a short circuit break.
It is necessary to
Some of the devices of FIG. 7 or 8 can be used as a current limiting module
. This is shown in FIG. 9, where a series use with another circuit breaker is provided.
Modules as measured are shown.
This module includes a pair of main contacts 215a, 215b. Track terminal
201 is connected to the movable magnetic plate 203 by a first pigtail. Movable magnet
The air plate 203 is connected to the fixed magnetic plate 209 by a second pigtail 207.
I have. The fixed magnetic plate 209 is connected to the fixed contact 215a and the PTC element 219.
ing. The movable contact 215 b applies a load via the blade 217 and the pigtail 221.
Connected to terminal 223. In this preferred embodiment, the PTC element 2
19 is made of tungsten. The preferred shape of this PTC element is shown in the figure.
It has a meandering shape. Thereby, the inductance of this PTC element
Is reduced. The PTC element 219 is connected to the load terminal 223.
The movable magnetic plate 203 has a spring 211 for controlling the operation thereof, and
An insulating wedge 213 is provided for insertion between the contacts 215a, 215b.
Are combined. This insulating wedge 213 is preferably made of glass-filled nylon
Is preferred. In this preferred embodiment, the insertion of the insulating wedge 213
A mechanism (not shown) moves the movable blade 217 to open the main contacts 215a and 215b.
Let it go. Independent of the insulating wedge to detect overcurrent and open the movable contact
It can also have a mechanism. In this case, the device becomes more expensive. Other mechanisms also
Although they can be used, they are considered within the scope of the present invention. Easy drawing
These mechanisms are not shown in FIG.
The main difference between the operation of the module shown in FIG. 9 and the circuit breaker of FIG.
In other words, the sub-contact is missing. The device of FIG. 9 is a current limiter.
And complete interruption is provided by a circuit breaker to which the device of FIG. 9 is attached.
The basic concept of the device of FIGS. 7-9 is that
Instead of generating pressure and gas pressure, the majority of the breaking energy is used to heat the PTC element.
Is to convert to In existing medium and high voltage circuit breakers, SF6
Or a vacuum needs to be used for arc suppression. In the present invention, this arc is
, So greatly reduced, SF6Or a vacuum is no longer necessary. This
, It is possible to form a pneumatic circuit breaker to perform the same function. this
The cost is thereby significantly reduced.
Several embodiments of the present invention have been described above. For those skilled in the art,
Obviously, various modifications and changes can be made without departing from the invention. Billing
The scope includes all such modifications and changes that fall within the spirit and scope of the present invention.
Is intended.