JP2003115242A - 遮断器試験回路 - Google Patents

遮断器試験回路

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JP2003115242A
JP2003115242A JP2001307036A JP2001307036A JP2003115242A JP 2003115242 A JP2003115242 A JP 2003115242A JP 2001307036 A JP2001307036 A JP 2001307036A JP 2001307036 A JP2001307036 A JP 2001307036A JP 2003115242 A JP2003115242 A JP 2003115242A
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Kunio Yokokura
邦夫 横倉
Yoshimitsu Niwa
芳充 丹羽
Takumi Funabashi
匠 船橋
Kazuhiro Matsuo
和宏 松尾
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Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】直流遮断器の遮断性能を直接試験によらず、遮
断器設備を簡易化し、実際の遮断器の極間電圧と類似し
た遮断電圧を発生させて遮断器の試験を効率よく行う。 【解決手段】遮断器6に交流電流を供給する電流源回路
1と、電流源回路1からの交流電流を制御するスイッチ
14と、電流源回路1に並列に接続し、電流源回路1が
供給する交流電流と比較すると大電流で高周波かつ逆極
性の交流電流を供給する電流源回路2と、電流源回路2
からの交流電流を制御するスイッチ24と、スイッチ1
4、スイッチ24と遮断器6の間にあって遮断器6に供
給させる交流電流を制御するスイッチ7と、遮断器6に
並列に接続し、遮断器6に電圧を印加する電圧源回路3
と、電圧源回路3からの電圧を制御するスイッチ34
と、電圧源回路3に並列に接続し、コンデンサと抵抗を
直列に接続した回路からなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は直流遮断器の遮断性
能を検証する遮断器試験回路に関する。
【0002】
【従来の技術】電鉄等の直流電力系統で短絡事故や地絡
事故が発生すると大きな直流の事故電流が流れ、そのと
きの事故電流による電磁力や事故点に発生したアークに
より、直流電力系統に設置された機器や器具が大きな損
傷を受け、その復旧に多大な費用と時間が必要となる。
これを防止するために直流電力系統には直流遮断器が設
置され、直流の事故電流を短時間に遮断し、直流電力系
統に設置された機器や器具の損傷を極力なくすことが期
待されている。この目的のために、直流遮断器では、事
故電流の事故発生と共に増加する過程で遮断することが
求められ、最終的に達する事故電流値(推定短絡電流)
より小さな値で遮断しなければならない。例えば、推定
短絡電流が100kAの直流電力系統で、短絡発生時に
実際に直流遮断器で遮断した電流のピーク値が25kA
以下になることが求められる。真空遮断器は、最近では
サイリスタやGTOサイリスタ等のパワーエレクトロニ
クス素子を用いた半導体遮断器や真空バルブを用いた直
流真空遮断器などが開発されている。このように新たに
開発される遮断器では、実際の直流電力系統等に使用
し、万一事故が発生した時に流れる事故電流のピーク値
に達する前に遮断できることを試験することが求められ
る。
【0003】直流の事故電流遮断試験は、実際の直流回
路電圧にあわせ、さらに推定短絡電流が所定の100k
Aや150kAとなる試験電源を構築し、その回路に供
試すべき直流遮断器を設置し、遮断試験を行ってきた。
即ち、実際の条件とほとんど同じ回路を構成して試験を
行う、直接試験が行われてきた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】新たに開発する直流遮
断器の限界設計や信頼性を検証する上では、電圧・電圧
波形をパラメータとした試験が不可欠であるため、直接
試験ではそれに相応した試験設備が必要であり、設備が
大型化し、試験の効率を向上させることもできない。本
発明は、遮断器設備を簡易化し、実際の遮断器の極間電
圧と類似した遮断電圧を発生させて遮断器の試験を効率
よく実現することができる遮断器試験回路を提供するこ
とを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明においては、第1のコンデンサと、第1のコン
デンサに直列的に接続された第1のリアクトルと、第1
のコンデンサに並列的に接続された第1のコンデンサ充
電電源とを有する第1の電流源回路と、第1の電流源回
路に直列的に接続された第1の開閉手段と、第2のコン
デンサと、第2のコンデンサに直列的に接続された第2
のリアクトルと、第2のコンデンサに並列的に接続され
た第2のコンデンサ充電電源とを有し、第1の電流源回
路に並列的に接続された第2の電流源回路と、第2の電
流源回路に直列的に接続された第2の開閉手段と第1の
開閉手段と第2の開閉手段の接続ラインの間に接続され
た第3の開閉手段と、第3の開閉手段に直列的に接続さ
れた供試開閉器と、第3のコンデンサと、第3のコンデ
ンサに直列的に接続された第3のリアクトルと、第3の
コンデンサに並列的に接続された第3のコンデンサ充電
電源とを有し、第4の開閉手段を介して供試開閉器に並
列的に接続された第1の電圧源回路と、第4のコンデン
サと、第4のコンデンサに直列的に接続された抵抗とを
有し、第1の電圧源回路に並列的に接続された回路とを
備え、第1の開閉手段、第2の開閉手段、第3の開閉手
段および第4の開閉手段の開閉のタイミングを制御して
供試開閉器に交流電流を供給することを特徴とする遮断
器試験回路を提供する。
【0006】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の第1の実施の形
態につき、図1の遮断器試験回路を参照して説明する。
第1の実施の形態の試験回路は、以下のように構成され
ている。電流源回路1は、コンデンサ11とリアクトル
12の直列回路で構成され、その一端は接地されてい
る。コンデンサ11には並列にコンデンサ11を充電す
るための充電電源13が接続されている。電流源回路1
のもう一端はスイッチ14に接続され、スイッチ14は
スイッチ24とスイッチ7に分岐接続されている。スイ
ッチ24のもう一端には電流源回路2が接続されてい
る。電流源回路2は、コンデンサ21とリアクトル22
の直列回路で構成され、もう一端は接地されている。コ
ンデンサ21には並列にコンデンサ21を充電するため
の充電電源23が接続されている。また、スイッチ7の
もう一端には遮断器6(供試開閉器)が接続されてい
る。また、遮断器6と並列にスイッチ34と電圧源回路
3、回路5が接続されている。遮断器6のもう一端は接
地されている。電圧源回路3は、コンデンサ31とリア
クトル32の直列回路で構成され、その一端は接地され
ている。コンデンサ31には並列にコンデンサ31を充
電するための充電電源33が接続されている。回路5
は、コンデンサ51、抵抗52の直列回路で構成され、
もう一端は接地されている。またコンデンサ11、コン
デンサ21、コンデンサ31は、各々充電電源13、2
3、33が接続されていて、図示しない高インピーダン
ス素子を介して充電される。
【0007】以上のように構成された第1の実施の形態
の試験回路の動作について図2を参照して説明する。最
初に、スイッチ14、スイッチ24およびスイッチ34
はOFF状態にし、スイッチ7と遮断器6はON状態に
する。また、コンデンサ11およびコンデンサ31は充
電電源13、33のより正充電し、コンデンサ21は充
電電源23により負充電しておく。この状態で時刻t1
でスイッチ14を投入すると、コンデンサ11に充電さ
れていた電荷がリアクトル12を介して、スイッチ1
4、スイッチ7、遮断器6、大地(あるいは接地母
線)、コンデンサ11の閉ループで放電する。このとき
の遮断器6に流れる電流I1は、図1で上から下の向き
に正弦波の電流I1が流れる。この電流I1の周波数f
1は
【数1】 となる。ここで、L1はリアクトル12の誘電容量、C
1はコンデンサ11の静電容量をあらわしている。遮断
器6に流れる電流Icbは、Icb=I1であり図2に
示すような波形となる。次に、時刻t2でスイッチ7を
開極させる。時刻t3で遮断器6が開極し、時刻t4で
スイッチ14を開極させる。しかし、各々のスイッチ
7、14のスイッチ極間はアークで橋絡するため電流は
継続して流れる。また、遮断器6の極間もアークで橋絡
するため電流は継続して流れる。次に時刻t5でスイッ
チ24を投入する。これにより、コンデンサ21に充電
されていた電荷がリアクトル22を介して、スイッチ2
4、スイッチ7、遮断器6、大地(あるいは接地母
線)、コンデンサ21の閉ループで放電する。このとき
の遮断器6に流れる電流I2は、図1で下から上の向き
に正弦波の電流が流れる。この電流I2の周波数f2は
【数2】 となる。ここで、L2はリアクトル22の誘電容量、C
2はコンデンサ21の静電容量をあらわしている。I1
<I2、f1<f2となるようにC1、L1、C2、L
2を設定し、電流I1とI2の合成となる電流Icbが
電流I1の零点より前の時点で電流零点を形成するよう
にさせる。この電流零点でスイッチ7および遮断器6の
電流が遮断される。
【0008】電流I1と電流I2の合成電流が零点に達
する前の時刻t6でスイッチ34を投入する。電流Ic
bは、電流I1と電流I2の合成電流が零点に達するの
より少し遅れた時刻t7で零点となり、スイッチ7およ
び遮断器6はこの電流零点で遮断される。このときコン
デンサ31の端子電圧は、放電電流として正弦波の半波
分が流れているので、当初の充電されていたときの電圧
とは極性が反転している。コンデンサ31の極性反転後
の電荷により回路5のコンデンサ51が抵抗52を介し
て充電される。このときの遮断器6の電圧Vcbの変化
の様子を図2に示す。図3には遮断器6の電流Icbと
極間電圧Vcbの変化の様子をシミュレーションで求め
た結果を示す。また図4には、実際の直流回路において
強制的に電流零点を形成して遮断したときの真空遮断器
の極間に現れる電圧波形例を示す。第1の実施の形態の
遮断器試験回路でよく似た電圧波形が得られることがわ
かる。このことから、本発明の遮断器試験回路で、実際
の直流回路で遮断したときの真空遮断器の極間に現れる
電圧と同じような電圧を得ることができることがわか
る。次に、本発明の第2の実施の形態について図5の遮
断試験回路を参照して説明する。図5は、図1の直流遮
断器試験回路に遮断器6と並列にスイッチ44と電圧源
回路を接続したものである。スイッチ44は、スイッチ
34と同じ動作をするものである。電圧源回路4は、コ
ンデンサ41とリアクトル42の直列回路で構成され、
その一端は接地されている。コンデンサ41には並列に
コンデンサ41を充電するための充電電源43が接続さ
れていて、図示しない高インピーダンス素子を介して充
電される。また、電圧源回路4の放電電流I4の周波数
f4は、電圧源回路3の放電電流I3の周波数f3とf
4<f3の関係となるように、コンデンサ41の静電容
量C4は、コンデンサ31の静電容量C3とC4>C3
の関係となるように設定されているので、電流Icbに
重畳される電流は主に電源回路3の放電電流I3とな
る。
【0009】この電圧源回路4は、図3に示す電圧波形
において、直流遮断した後に現れる正の電圧を発生させ
るための回路である。動作説明すると、直流遮断したと
き、コンデンサ31の端子電圧は、当初の充電されてい
たときの電圧とは極性が反転しており、コンデンサ31
の極性反転後の電荷により回路5のコンデンサ51が抵
抗52を介して充電される。その後、このコンデンサ5
1はコンデンサ41から電荷が供給されコンデンサ41
と同じ極性に充電されるので正の電圧が発生する。次
に、本発明の第3の実施の形態について図6を参照して
説明する。第3の実施の形態は、電圧源回路3のスイッ
チ34と第2の電圧源回路4のスイッチ44を図6に示
すようなサイリスタ35、45とダイオード36、46
の逆並列回路とする。このことにより、図2のタイムチ
ャートにおけるタイミングt6の制御性を向上させるこ
とができる。次に、本発明の第4の実施の形態について
図7を参照して説明する。第4の実施の形態は、図1の
電流源回路1を図6に示すような電流源回路8にしたも
のである。リアクトル12に変えて変圧器82を用い
る。コンデンサ81の一端は接地されていて、もう一端
は投入器としてスイッチ84が接続されている。またコ
ンデンサ81には並列にコンデンサを充電するための充
電電源83が接続されている。変圧器82によりコンデ
ンサ81からの電流を増幅することができる。
【0010】次に、本発明の第5の実施の形態について
説明する。第5の実施の形態では、図1のスイッチ24
を接点がCuWである気中ギャップスイッチとする。気中
ギャップスイッチにすることにより、放電時のアークに
よる接点の損傷を抑制することができる。次に、本発明
の第6の実施の形態について説明する。第6の実施の形
態は、図1のスイッチ24を消弧部が同軸状のスイッチ
にしたものである。図8に消弧部を同軸状にしたスイッ
チの一例を示す。中心軸状に真空バルブ85を配し、真
空バルブ85の固定軸側には同軸ケーブル86の芯線が
接続されている。同軸ケーブル86の芯線の周囲は絶縁
層および同軸導体が同軸状に配置されている。真空バル
ブ85の可動軸側には摺動子87が取り付けられてい
る。摺動子87は、真空バルブ85の外周に概ね同軸状
に配置された外側導体88と真空バルブ85の可動軸を
電気的に接続し、かつ真空バルブ85の可動軸が上下に
可動することを可能にしている。外側導体88は同軸ケ
ーブル86の同軸導体と接続されている。このような構
成では、真空バルブ85の可動軸が上下に運動すること
で、回路の接離ができ、回路に流れる電流は同軸ケーブ
ル86の芯線から真空バルブ85を介して、外側導体8
8から同軸ケーブル86の同軸導体に流れる。このよう
に電流を流すことにより、中心軸上を流れる電流による
磁束と外部導体88を流れる電流による磁束は互いに相
殺することにより、全体のインダクタンスを小さくする
ことができる。電流源回路1から流れる電流に電流源回
路2から流れる高周波電流が重畳して強制的な電流零点
を作るため、不必要なインダクタンスは極力小さくし、
試験できる高周波電流の周波数の範囲を広げることがで
きる。
【0011】次に、本発明の第7の実施の形態について
説明する。第7の実施の形態では、図9に示すようにス
イッチ24にダイオード25を直列接続する。ダイオー
ド25により電流源回路2から流れる電流を確実に半波
だけにすることができる。また、図1のスイッチ24の
代わりにサイリスタ26を用いてもよい。サイリスタ2
6にすることにより電流源回路2から流れる電流を確実
に半波だけにすることができるだけでなく、電流源回路
2から流れる電流のタイミングt5を高精度で制御でき
る。次に、本発明の第8の実施の形態について説明す
る。第8の実施の形態は、図10に示すように電流源回
路1の出力端と大地(接地母線)との間に非直線抵抗体
89を接続する。これにより、電流遮断によりリアクト
ル12に蓄えられた電磁エネルギーを吸収し、過電圧の
発生を防止することができる。また、非直線抵抗体89
と並列にコンデンサ90と抵抗91の直列回路を接続す
る。リアクトル12の電磁エネルギーを非直線抵抗体8
9だけで吸収するのではなく、コンデンサ90の静電エ
ネルギーとして吸収でき、過電圧の発生をより効果的に
抑制することができる。また、非直線抵抗体89と並列
に抵抗92とトリガー付ギャップ93の直列回路を接続
する。非直線抵抗体89にサージ電流が流れたことを検
知すると、トリガー付ギャップ93をトリガーさせリア
クトル12の電磁エネルギーを抵抗とトリガー付ギャッ
プ93の直列回路にもバイパスさせる。これにより非直
線抵抗体89のサージ耐量を軽減することができる。
【0012】次に、本発明の第9の実施の形態について
説明する。第9の実施の形態は、図11に示すように電
流源回路1とスイッチ14の直列回路を複数並列に接続
したものである。実際の直流電力系統では、整流素子に
ダイオードやサイリスタが使用されているため、事故電
流は脈動となる。スイッチ14a、14b、14cの投
入に時間差を設けることにより、図12に示すようなト
ータルの電流波形は脈動となり、実際の現象を模擬する
ことができる。並列に接続する回路の数を調整すること
で得ようとする脈動した電流波形を得ることができる。
また、図13に示すように、電圧源回路3のリアクトル
32と第2の電圧源回路4のリアクトル42を1つのリ
アクトル94としてもよい。これにより回路構成を簡素
化することができる。
【0013】
【発明の効果】本発明によれば、遮断器設備を簡易化
し、実際の遮断器の極間電圧と類似した遮断電圧を発生
させて遮断器の試験を効率よく実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態における直流遮断器
試験回路を示す図。
【図2】本発明の第1の実施の形態における直流遮断器
試験回路のタイムチャートと遮断器の電流波形および電
圧波形を示す図。
【図3】本発明の第1の実施の形態における直流遮断器
試験回路の遮断器の電流波形および電圧波形をシミュレ
ーションした図。
【図4】実際の直流回路において遮断したときの真空遮
断器の電圧波形を示す図。
【図5】本発明の第2の実施の形態における直流遮断器
試験回路を示す図。
【図6】本発明の第3の実施の形態における電圧源回路
を示す図。
【図7】本発明の第4の実施の形態における電流源回路
1を示す図。
【図8】本発明の第6の実施の形態における同軸型スイ
ッチを示す図。
【図9】本発明の第7の実施の形態におけるスイッチ8
を示す図。
【図10】本発明の第8の実施の形態における直流遮断
器試験回路を示す図。
【図11】本発明の第9の実施の形態における電流源回
路1を示す図。
【図12】本発明の第9の実施の形態における電流波形
を示す図。
【図13】本発明における簡素化された電圧源回路を示
す図。
【符号の説明】
1、2、8・・・電流源回路 3、4・・・電圧源回路 5・・・回路 6・・・遮断器 7、 14、24、84・・・スイッチ 11、21、31、41、51、81、90・・・コンデ
ンサ 12、22、32、42、94・・・リアクトル 13、23、33、43・・・充電電源 25、35、45・・・ダイオード 26、34、44・・・サイリスタ 52、91、92・・・抵抗 82・・・変圧器 85・・・真空バルブ 86・・・同軸ケーブル 87・・・摺動子 88・・・同軸導体 89・・・非直線抵抗体 93・・・トリガー付ギャップ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 船橋 匠 東京都府中市東芝町1番地 株式会社東芝 府中事業所内 (72)発明者 松尾 和宏 東京都府中市東芝町1番地 株式会社東芝 府中事業所内 Fターム(参考) 5G027 AA22

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1のコンデンサと、該第1のコンデンサ
    に直列的に接続された第1のリアクトルと、前記第1の
    コンデンサに並列的に接続された第1のコンデンサ充電
    電源とを有する第1の電流源回路と、該第1の電流源回
    路に直列的に接続された第1の開閉手段と、第2のコン
    デンサと、該第2のコンデンサに直列的に接続された第
    2のリアクトルと、前記第2のコンデンサに並列的に接
    続された第2のコンデンサ充電電源とを有し、前記第1
    の電流源回路に並列的に接続された第2の電流源回路
    と、該第2の電流源回路に直列的に接続された第2の開
    閉手段と、前記第1の開閉手段と前記第2の開閉手段の
    接続ラインの間に接続された第3の開閉手段と、該第3
    の開閉手段に直列的に接続された供試開閉器と、第3の
    コンデンサと、該第3のコンデンサに直列的に接続され
    た第3のリアクトルと、前記第3のコンデンサに並列的
    に接続された第3のコンデンサ充電電源とを有し、第4
    の開閉手段を介して前記供試開閉器に並列的に接続され
    た第1の電圧源回路と、第4のコンデンサと、該第4の
    コンデンサに直列的に接続された抵抗とを有し、前記第
    1の電圧源回路に並列的に接続された回路とを備え、前
    記第1の開閉手段、前記第2の開閉手段、前記第3の開
    閉手段および前記第4の開閉手段の開閉のタイミングを
    制御して前記供試開閉器に交流電流を供給することを特
    徴とする遮断器試験回路。
  2. 【請求項2】前記第4の開閉手段として、半導体素子を
    用いたことを特徴とする請求項1記載の遮断器試験回
    路。
  3. 【請求項3】前記第4の開閉手段は、前記第2の開閉手
    段を投入したときから前記供試開閉器の電流が零点に達
    するまでの間に投入されることを特徴とする請求項1又
    は請求項2記載の遮断器試験回路。
  4. 【請求項4】前記第3の開閉手段と前記供試開閉器がO
    Nのときに前記第1の開閉手段をONにし、前記第3の
    開閉手段、前記供試開閉器、前記第1の開閉手段の順に
    OFFにしてから前記第2の開閉手段をONにし、前記
    第2の開閉手段をONにしたときから前記供試開閉器の
    電流が零点に達するまでの間に前記第4の開閉手段を投
    入することを特徴とする請求項1又は請求項2記載の遮
    断器試験回路。
  5. 【請求項5】第1のコンデンサと、該第1のコンデンサ
    に直列的に接続された第1のリアクトルと、前記第1の
    コンデンサに並列的に接続された第1のコンデンサ充電
    電源とを有する第1の電流源回路と、該第1の電流源回
    路に直列的に接続された第1の開閉手段と、第2のコン
    デンサと、該第2のコンデンサに直列的に接続された第
    2のリアクトルと、前記第2のコンデンサに並列的に接
    続された第2のコンデンサ充電電源とを有し、前記第1
    の電流源回路に並列的に接続された第2の電流源回路
    と、該第2の電流源回路に直列的に接続された第2の開
    閉手段と、前記第1の開閉手段と前記第2の開閉手段の
    接続ラインの間に接続された第3の開閉手段と、該第3
    の開閉手段に直列的に接続された供試開閉器と、第3の
    コンデンサと、該第3のコンデンサに直列的に接続され
    た第3のリアクトルと、前記第3のコンデンサに並列的
    に接続された第3のコンデンサ充電電源とを有し、第4
    の開閉手段を介して前記供試開閉器に並列的に接続され
    た第1の電圧源回路と、第4のコンデンサと、該第4の
    コンデンサに直列的に接続された抵抗とを有し、前記第
    1の電圧源回路に並列的に接続された回路と、第5のコ
    ンデンサと、該第5のコンデンサに直列的に接続された
    第4のリアクトルと、前記第5のコンデンサに並列的に
    接続した第5のコンデンサ充電電源とを有し、第5の開
    閉手段を介して前記第1の電圧源回路に並列的に接続さ
    れた第2の電圧源回路と、前記第1の開閉手段、前記第
    2の開閉手段、前記第3の開閉手段、前記第4の開閉手
    段および前記第5の開閉手段の開閉のタイミングを制御
    して前記供試開閉器に交流電流を供給することを特徴と
    する遮断器試験回路。
  6. 【請求項6】前記第4の開閉手段および前記第5の開閉
    手段として、半導体素子を用いたことを特徴とする請求
    項5記載の遮断器試験回路。
  7. 【請求項7】前記第4の開閉手段および前記第5の開閉
    手段は、前記第2の開閉手段を投入したときから前記供
    試開閉器の電流が零点に達するまでの間に投入されるこ
    とを特徴とする請求項5又は請求項6記載の遮断器試験
    回路。
  8. 【請求項8】前記第3の開閉手段と前記供試開閉器がO
    Nのときに前記第1の開閉手段をONにし、前記第3の
    開閉手段、前記供試開閉器、前記第1の開閉手段の順に
    OFFにしてから前記第2の開閉手段をONにし、前記
    第2の開閉手段をONにしたときから前記供試開閉器の
    電流が零点に達するまでの間に前記第4の開閉手段およ
    び前記第5の開閉手段を投入することを特徴とする請求
    項5又は請求項6記載の遮断器試験回路。
  9. 【請求項9】前記第1の電流源回路が第1のコンデンサ
    と開閉手段と変圧器とを有することを特徴とする請求項
    1乃至請求項8のいずれかに記載の遮断器試験回路。
  10. 【請求項10】前記第2の開閉手段として、接点がCu
    Wである気中ギャップスイッチ、消弧部が同軸状である
    スイッチ、サイリスタ又はダイオードを直列に接続した
    スイッチを用いたことを特徴とする請求項1乃至請求項
    9のいずれかに記載の遮断器試験回路。
  11. 【請求項11】前記第1の電流源回路に並列的に接続さ
    れたエネルギー吸収回路を設けたことを特徴とする請求
    項1乃至請求項10のいずれかに記載の遮断器試験回
    路。
  12. 【請求項12】前記第1の電流源回路と前記第1の開閉
    手段の直列回路を複数並列に接続したことを特徴とする
    請求項1乃至請求項11のいずれかに記載の遮断器試験
    回路。
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