JP2006512037A - アーク故障検出回路遮断器システム - Google Patents

Abstract

アーク故障検出回路遮断器システム（２０）は、直流または交流で動作する、保護電気回路（２２）とともに動作することができる。通常は閉じているライン回路遮断器（２６）は電気的入力および電気的出力を有し、電気配線（２４）は電気的出力を被保護素子入力に接続する。このシステムは、電気配線（２４）内の電流の時間変化率を検出する検出器（２４）を備える。起動素子交流電圧源（３６）は交流出力を有する。回路遮断器起動素子（３２）は、検出器（２４）に応答して動作することができる。回路遮断器起動素子（３２）は、電気配線（２４）と交流出力との間に電気的に接続される。回路遮断器起動素子（３２）は通常は開いているスイッチであり、そのスイッチは、検出器（２４）が許容される最大変化率値を超える電流時間変化率を検出する場合に、電気配線（２４）と交流出力との間を接続するために閉じられる。

Description

本発明は、回路ブレーカ（遮断器）システム、より詳細には、保護されるＤＣまたはＡＣ電気回路中のアークの発生に応答するアーク故障検出回路遮断器システムに関する。
本特許出願は、優先権が主張され、その開示が参照により本明細書に援用される、２０００年６月６日に出願された特許出願第０９／５８５，６００号、現在、米国特許第６，５３２，１４０号の一部継続出願である。
発明の背景
航空機の電気システムは通常、回路遮断器により高電流と電気短絡から保護されている。これらの回路遮断器は、予め設定された値を超える電流が装置を通過した場合に、保護される電気回路から電力を除去するように設計されている。これらの高電流は、電気装置の一部で生じる故障、または導体が通常接地電位である航空機の構造と電気接触することができる配線の絶縁部分に損傷が生じる場合等の多くの理由で発生する。

回路遮断器機構の性質により、回路遮断器のトリッピング（開放）は 「瞬間的」ではない。幾つかのタイプの回路遮断器は、指定されたトリップ電流の２倍で４０秒まで電流を供給し続けることが許容されている。定格電流の５倍のオーバーロードは、トリップが行われなければならない３秒前まで流れることが許容されている。このトリップ遅延は、これらの装置が回路遮断器内で検出素子として機能するバイメタル板を加熱するための過電流に依存するため生じる。

これらの要求に適合する回路遮断器は、長年航空機で使用されてきた。通常の動作状態下および通常の故障状態下では、これら回路遮断器は申し分なく動作する。しかしながら、トリッピング遅延が生命および財産を保護する回路遮断器の能力に多大な影響を与える幾つかの故障状態が存在する。例えば、或るタイプの配線の故障は、グラウンドへの直接的な事実上ゼロ抵抗の電気接続を意味する「完全短絡」ではない接地故障があり得る。或るタイプの配線絶縁体におけるアークは、電気的に故障したとき生じ、材料を絶縁体から導体へ局部的に変化させてしまう。アークの生じたワイヤは抵抗を介してグラウンドに短絡され、抵抗は電流リミッタの役目を果たし、回路遮断器がトリップされるまでの或る時間だけ電流がワイヤを通って故障箇所へ流れることが可能になる。トリップが生じるまで、高電流が流れることによって他のワイヤを損傷し、アークが他のワイヤに生じ、電源まで故障させる可能性がある。この故障が連続する連鎖反応を開始し、それにより即座に航空機の安全性に影響が生じる。

これらのタイプの事象は航空機配線システムにおいてかなり頻繁に生じるので、標準的な回路遮断器よりも迅速にアーク故障を検出し、保護される電気回路から電力を除去することができると同時に、スイッチが閉じるときに生じる場合があるアークのように、アークが通常の動作において生じる場合にはトリッピングを生じない装置が必要とされている。これは、ＤＣ電気回路、ならびに低周波数のＡＣおよび一般的にＡＣの電気回路を保護するために特に必要に迫られている。さらに、その装置は、空間的な制約、コストが低いこと、および航空機電気系統の通常の動作条件に対しては「無反応(invisibility)」などの他の要件も満たさなければならない。本発明はこの要求を満たし、さらに関連する利点も提供するものである。
発明の概要
本発明は、アーク故障検出回路遮断器システムと、それを使用するための方法とを提供する。そのアーク故障検出回路遮断器システムは、直流（ＤＣ）および交流（ＡＣ）の保護すべき電気回路を保護するのに適している。そのアーク故障検出回路遮断器システムは、従来の回路遮断器が応答するような過大な電流と、アーク故障（「スパーク」と呼ばれることもある）との両方に応答するが、スイッチが閉じるときに生じるような、短く、通常生じるアークの結果としては、トリップを生じない。これらの過電流およびアーク故障応答機能を一体にして、１つのアーク故障検出回路遮断器素子を構成し、その素子は、通常の動作環境下では保護される電気回路が正常に機能できるようにするが、危険なアーク故障が生じるときには確実に応答する。それは、現時点で従来の回路遮断器が用いられる環境において用いることができるが、アーク故障検出のさらなる機能を追加する。そのアーク故障検出回路遮断器システムは非常に信頼性が高いが、アーク検出回路が故障する場合には、安全状態の方に作動する。そのシステムは軽量かつ小型であり、従来の回路遮断器と同じようにしてパッケージング化することができ、しかも比較的安価である。そのシステムは、保護される電気回路の通常の動作に影響を及ぼさない。

本発明によれば、アーク故障検出回路遮断器システムは保護される電気回路とともに動作することができる。その保護される電気回路には、直流（ＤＣ）デバイス、あるいは約２００ヘルツ（Ｈｚ）以下の周波数を有する低周波数の交流（ＡＣ）デバイスのような交流（ＡＣ）デバイスを用いることができる。そのアーク故障検出回路遮断器システムは、通常は閉じているライン回路遮断器を備える。このライン回路遮断器は、アーク故障が発生する際にその電流が遮断されることになる、保護される電気回路と、電気配線によって直列に接続される。保護される電気回路および電気配線のうちの少なくとも一方の電流の時間変化率を検出する検出器が存在する。起動素子交流電圧源は、起動素子交流出力周波数の起動素子交流出力を有する。保護される電気回路が被保護回路周波数を有する交流デバイスである場合、起動素子交流出力周波数は、被保護回路周波数の少なくとも２倍の周波数である。回路遮断器起動素子が検出器に応答して動作することができる。回路遮断器起動素子は、電気配線と起動素子交流出力との間に電気的に接続される。回路遮断器起動素子は通常は開いているスイッチであり、そのスイッチは、検出器が許容される最大変化率値を超える電流時間変化率を検出する場合に、電気配線と交流出力との間を接続するために閉じる。

検出器には、保護される電気回路内の磁束を検出する検出器を用いることができる。その検出器は変圧器（トランス）を備えることが好ましい。変圧器では、出力および入力コイルの巻数の比の選択に融通性があるので、出力電圧を上げて、検出器の感度を高めることができる。

別の形態では、検出器は、保護される電気回路に直列に接続されるワイヤ、そのワイヤを覆うシールド、およびワイヤの長さに沿って延在する２つの場所の間のシールドの電圧をモニタする電圧モニタを含む。その検出器は、保護される電気回路の一部を形成する電気配線を包囲する導電性シールド（たとえば編組銅線）を含むことができる。この構造はさらに、透磁性のチューブ（管）内に収容されることができる。この構成は直流を処理するための、自然に備わった空隙（エアギャップ）を有するとともに、低いインダクタンスを与え、通常の回路変動に対する感度を下げて、誤ったトリガを誘発することのないようにする。インダクタンスおよび感度が低いことにより、この検出器の形態は、高ＤＣ電流回路の場合に特に有用になる。

第３のタイプの小さい磁気的に効率のよい検出器は、容易に飽和するニッケルベースの磁気材料のフェライトポットコアを使用して構成されてもよい。この小さいサイズの検出器は、容易に検出器を回路遮断器パッケージへ組み込ませることができる。２０〜３０アンペアの連続的な電流は、小さい抵抗損失で処理されることができる。

起動素子交流電圧源には、単相電圧源、二相電圧源あるいは三相電圧源を用いることができる。電圧源の相当たり少なくとも１つの回路遮断器起動素子が存在することが好ましい。

別の実施形態では、２つの回路遮断器起動素子が起動素子交流電圧源に接続される。その回路遮断器システムはさらに、検出器の出力を２つの回路遮断器起動素子に交互に供給する交流（交互）ゲート回路を備える。

回路遮断器起動（トリッピング）素子は、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）と、オプションで、ＳＣＲゲート回路内に抵抗とを備えることが好ましい。シリコン制御整流器は、検出器の検出器出力信号と電気通信する、シリコン制御整流器のゲートを有する。起動素子交流電圧源は、約４００＋／−２０Ｈｚ ＡＣ電力の起動素子交流出力周波数の出力信号を有することが好ましい。この周波数は、保護されるＤＣ電気回路、および２００Ｈｚ程度の電力周波数を有する、保護されるＡＣ電気回路で申し分なく動作することができる。保護される電気回路が約２００Ｈｚよりも大きな電力周波数を有する場合には、さらに高い起動素子交流出力周波数が必要とされ、具体的には、起動素子交流出力周波数は電力周波数の少なくとも２倍の周波数である。

１つの好ましい形態では、アーク故障検出回路遮断器システムが、直流電気信号を受信する被保護回路入力を有する、直流の保護される電気回路とともに動作することができる。アーク故障検出回路遮断器システムは、通常は閉じており、電気的入力および電気的出力を有するライン回路遮断器と、通常は閉じているライン回路遮断器の電気的出力を被保護素子入力に接続する電気配線と、電気配線内の電流の時間変化率を検出する検出器とを備える。起動素子交流電圧源が交流出力を有する。回路遮断器起動素子が、検出器に応答して動作することができる。回路遮断器起動素子は、電気配線と、起動素子交流電圧源の交流出力との間に電気的に接続される。回路遮断器起動素子は、通常は開いているスイッチであり、そのスイッチは、検出器が許容される最大変化率値を超える電流時間変化率を検出する場合に、電気配線と交流出力との間を接続するために閉じる。本明細書において説明する機構と互換性のある他の機構もこの実施形態とともに用いることができる。

別の好ましい形態では、アーク故障検出回路遮断器システムが、被保護回路周波数の交流電気信号を受信する被保護回路入力を有する、保護される電気回路とともに動作することができる。アーク故障検出回路遮断器システムは、通常は閉じており、電気的入力および電気的出力を有するライン回路遮断器と、通常は閉じているライン回路遮断器の電気的出力を被保護素子入力に接続する電気配線と、電気配線内の電流の時間変化率を検出する検出器と、被保護回路周波数の少なくとも２倍の周波数である起動素子交流出力周波数の起動素子交流出力を有する起動素子交流電圧源とを備える。回路遮断器起動素子が、検出器に応答して動作することができる。回路遮断器起動素子は、電気配線と交流出力との間に電気的に接続され、回路遮断器起動素子は、通常は開いているスイッチであり、そのスイッチは、検出器が許容される最大変化率値を超える電流時間変化率を検出する場合に、電気配線と交流出力との間を接続するために閉じる。

公称上同一の半導体装置であっても、通常、動作パラメータの変動または幅を有する。適切な直列の電流フィードバックが使用される場合、回路遮断器起動素子は外部回路に関してより等しく機能するように作ることが可能である。この実施形態では、インピーダンス（直列抵抗）はゲート駆動線に挿入される。直列抵抗はトリガ点の実効的なゲートの動的抵抗の数倍の値を有することが好ましい。このフィードバックは、検出器から印加されるさらに大きな駆動電圧に対して必要となる。より大きな値の直列抵抗は回路の感度を低下させる。

本発明のアーク故障検出回路遮断器システムは、従来過電流状態およびアーク状態の両者を検出し、いずれかのタイプの状況が発生したときに保護される電気回路の回路を遮断するように動作可能である。アーク状態の場合、システムは従来の回路遮断器よりも非常に迅速に回路を遮断する。したがって保護される電気回路に対しより良好な保護が提供できる。

アーク故障検出回路遮断器システムは、長い配線のハーネスの端部の初期アークのような通常の動作電流よりも小さい電流変化を検出するように動作可能である。この性能は、航空機の電気系統のような実用的な動作において重要である。

好ましい実施形態では、アーク故障検出回路遮断器システムは重量が軽く、比較的安価であり、それによって重量が重要な考慮事項である航空機の用途で多数の回路を保護するために使用することができる。このシステムはまた、サイズが小さく、それによって新しい回路で使用してもよく、またはスペースの制限を超過せずに既存の回路にレトロフィットしてもよい。小さい寸法であることにより、そのシステムは従来のライン回路遮断器とほぼ同一のパッケージサイズにパッケージ化することができる。本発明のアーク故障回路遮断器システムは、回路遮断器の置換が可能でなければ、既存の回路遮断器に対する追加の補充として構成してもよい。検出器または回路遮断器以外の全ての装置自体は、長い配線ハーネスの端部のように回路遮断器から離れていてもよい。

本発明のその他の特徴および利点は、添付の図面とあわせて好ましい実施形態の以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。図面は本発明の原理を例示として示している。しかしながら、本発明の範囲はこの好ましい実施形態に限定されるものではない。
発明の詳細な説明
図１は、アーク故障検出回路遮断器システム２０のブロック図であり、そのシステムは、過電流（過大な電流）に対して、さらにはアーク故障に対して、保護される電気回路（単に保護回路という）２２を保護するための役割を果たす。アーク故障検出回路遮断器システム２０は、電気配線２４を通って、保護電気回路２２に電気的に直列に接続されるように示される。保護電気回路２２は、直流（ＤＣ）デバイスであることが好ましいので、結果として直流が電気配線２４の中に流れる。一例として、多数の航空機電気系統内には、２８ＶＤＣの保護電気回路２２が見られる。代わりに、その回路には、被保護回路周波数で動作する交流（ＡＣ）デバイスを用いることができる。特に対象となるＡＣ被保護回路周波数は、電気配線２４、および本明細書において「低周波数」と呼ばれるＡＣの保護電気回路２２の中に流れる約２００ヘルツ（Ｈｚ）以下の周波数である。しかしながら、ＡＣの保護電気回路２２を保護するために適用される際の本発明の手法は、低周波数ＡＣの保護電気回路には限定されない。２００Ｈｚまでの低周波数の保護電気回路は、現在の航空機電気系統において見られる４００Ｈｚ起動素子交流電圧源によって保護されることができるので特に対象となる。

アーク故障検出回路遮断器システム２０は、回路遮断器２６を備える。本明細書において用いるときに、「回路遮断器」は、リセット可能な回路遮断器および１回限りのヒューズの両方を含み、それらはいずれも過電流状態が発生する際に回路を遮断する。回路遮断器２６は、回路遮断器２６の中に選択された最大電流までの電流が流れるようにし、その後、さらに高い電流が回路遮断器２６の中に流れる場合にトリップする、あるいは開くような大きさを有する、通常は閉じている部品である。従来のリセット可能な回路遮断器あるいは１回限りのヒューズが、後に説明するような付加回路とともに、回路遮断器２６として用いられることが好ましい。回路遮断器２６は、選択された条件下で、電気配線２４内の電流を遮断するように機能する。その条件のうちの１つは、電気配線２４の中に過大な電流（過電流）が生じることである。他の条件は、スパーク発生状態と呼ばれる場合もある、アーク故障の発生であり、それは、以下の手法によって、回路遮断器２６を起動する（開くあるいはトリップする）。

アーク故障の発生は検出器２８によって検出され、検出器２８は、電気配線２４内の電流Ｉの変化率を時間ｔの関数として、すなわちｄＩ／ｄｔを測定することが好ましく、変成器（変圧器）であることが最も好ましい。変圧器コイルを使用し、その変圧器の出力（二次側）コイルおよび入力（一次側）コイルの巻線数の比を用いることにより、出力コイル内の電圧が上昇し、容易に検出できるようになる。検出器２８の出力信号３０は、回路遮断器起動素子３２に供給され、それにより、起動素子ＡＣ電圧源３６の振動するＡＣ電圧が電気配線２４の動作電圧よりも高い電圧まで上昇し、電力迂回動作が停止されるまで、起動素子３２が、保護電気回路２２から電力を迂回させて、回路遮断器２６の感熱素子の中に電力を引き込む。検出器２８が再びアークを検出する場合には、その過程が繰り返される。何度も事象が繰り返されると、回路遮断器２６の感熱素子をトリップし、回路から電力を除去するのに十分な電力が、回路遮断器２６の中に迅速に迂回するであろう。

この手法を用いる場合、回路遮断器２６は、過電流および過大な電流時間変化率の両方に応答する。検出器２８はローパスフィルタとして作用する。これは標準的な回路遮断器素子がそれらに応答できない程の小さい加熱値を有し得る十分な振幅の高速度の過渡現象に応答する。低速度で上昇する低い振幅の事象は検出器２８により無視され、回路遮断器２６により感知される。

検出器２８の相互インピーダンスは、適切な波形で電力を回路遮断器起動素子３２へ伝達する。この電力は、回路遮断器起動素子３２をトリガするのに必要な電力よりも大きい場合がある。抵抗のようなインピーダンス３４は、感度、トリガ点、または装置の動作等化制御として作用するために出力信号３０を伝送するワイヤにオプションとして挿入してもよい。これは、直列のインピーダンスが回路遮断器起動素子３２の入力の特性変化をオフセットする傾向にあるためである。

回路遮断器起動素子３２は、起動素子交流出力周波数の交流出力を有する、起動素子交流電圧源３６に接続される。起動素子交流電圧源３６は、多くの航空機電気系統において利用することができる起動素子交流出力周波数を有し、それは約４００＋／−２０Ｈｚであることが最も好ましい。しかしながら、起動素子交流出力周波数は、本明細書に説明する限度内で、さらに低くすることも、高くすることもできる。保護電気回路が、被保護回路周波数を有する交流デバイスであるとき、起動素子交流出力周波数は、被保護回路周波数の少なくとも２倍（すなわち２倍以上）の周波数でなければならない。

図２〜図１４は、アーク故障検出回路遮断器システム２０の実施形態をさらに詳細に示す。これらの図では、他の図の素子に対応する素子は同じ参照番号を付されており、それらの素子の説明が援用される。これらの実施形態の各素子の、互換性があり、かつ実施可能な機構は他の実施形態において用いることができる。

それらの実施形態ではそれぞれ、回路遮断器起動素子３２はシリコン制御整流器（ＳＣＲ）を含むことが好ましい。ＳＣＲ３２は、電気配線２４を、好ましくは回路遮断器２６と検出器２８との間の場所において、起動素子ＡＣ電圧源３６の起動素子交流出力に制御可能に接続する。電気配線２４が２８ＶＤＣ電源を搬送する通常の事例では、起動素子ＡＣ電圧源３６は４００Ｈｚ、１１５Ｖの交流であることが好ましい。別の例では、６０Ｈｚ、１１５Ｖの電源が、起動素子ＡＣ電圧源３６の起動素子交流出力として、４００Ｈｚ、１１５Ｖの交流を有する電気配線２４上で搬送される場合がある。

アーク故障検出回路遮断器システム２０の要件のうちの１つは、それが、短い持続時間を有するアークを生成するスイッチを閉じるなどの標準的な一時的事象の場合には回路遮断器２６を開かないが、電気配線２４（それは被保護回路入力である）あるいは保護電気回路２２内に短絡しているワイヤなどがあるときに受けるような複数のアークの場合には回路遮断器２６を開くことである。ＳＣＲのカソードが、起動素子ＡＣ電圧源３６に接続される代わりに、グラウンドに接続され、検出器２８がＳＣＲのゲートをトリガするように動作する場合には、電気配線２４内の電流がグラウンドに直接的に接続されることになり、回路遮断器２６がトリップされるまで電流が流れ続けることになる。それゆえ、ＳＣＲをグラウンドに接続することは、ＤＣおよび低周波数のＡＣ回路（すなわち電気配線２４内のＤＣまたは低周波数のＡＣ電流）を保護するためには実用的ではない。これは、アークが発生する度に、その一度のアークによって、保護電気回路２２への電力が失われることになるためである。実用的なＤＣおよび低周波数ＡＣ動作のためには、ＳＣＲに系統的に逆方向のバイアス電圧をかけるための方法が用いられなければならない。ＳＣＲのカソードを、保護されるＤＣあるいは低周波数ＡＣの保護電気回路２２および電気配線２４の電圧レベルよりも高い電圧レベルを周期的に有するＡＣ電圧源（すなわち、起動素子ＡＣ電圧源３６）に接続することにより、ＳＣＲにかかるバイアス電圧は、ＡＣ電圧源３６のどのサイクルにおいても、或る時間だけ反転されるであろう。ＡＣ電源サイクルの他の時間では、ＡＣ電圧は電気配線２４のＤＣあるいは低周波数ＡＣ動作電圧よりも低く、ＳＣＲをトリガすることにより、電流が流れるであろう。起動素子ＡＣ電圧源３６として、航空機電気系統において一般的に見られる４００Ｈｚの公称周波数を有するＡＣ電源を利用することにより、ＳＣＲ短絡サイクルの最大持続時間はどれも１．３ミリ秒未満になる。短い持続時間の過渡応答は通常、４００Ｈｚ半周期の１．３ミリ秒よりも短いので、ＳＣＲは最も長い時間にわたって導通することになり、それは１増幅器の回路遮断器でさえ過熱し、開くほどには長くない。結果として、電気配線２４内にＤＣ電流が流れる場合には、ＳＣＲのカソードは、起動素子ＡＣ電圧源３６によって生成される高周波数ＡＣ信号に接続され、スイッチを閉じる等によって生成されるような短い持続時間の一時的アークが発生する結果としてＳＣＲが起動するのを防ぐ。またこのタイミング要件は、保護電気回路２２の最大ＡＣ被保護回路周波数を、起動素子交流出力周波数の約半分の周波数として確立する。

図３の実施形態では、アーク故障検出回路遮断器システム２０はさらに、回路遮断器２６と保護電気回路２２との間にある電気配線２４内に電圧ダイオード３８を備える。電圧ダイオード３８は、アーク故障検出回路遮断器システム２０の内部にある場合か、または保護電気回路２２が接続される負荷端子においてアーク故障検出回路遮断器システム２０の外部にある場合がある。電圧ダイオード３８は、回路遮断器２６が開いた後に、起動素子ＡＣ電圧源３６が、保護電気回路２２を通して電流を引き込むのを防ぐ。さもなければ、ＡＣ電圧が負であったときに回路遮断器２６が開いた場合に、ＡＣ電圧が正に移行するまでＳＣＲ３２が起動されたままになるので、その場合に、電圧ダイオード３８が、保護電気回路２２から電流を引き込むのを防止する。

図４の実施形態では、内部の１組の電気接点４０が、回路遮断器２６の接点と同時に操作される。ＳＣＲアノード接続は、その１組の電気接点４０を通して電流を流す。回路遮断器２６が開くとき、電気接点４０が開く。この構成は、回路遮断器２６が開くときに、ＳＣＲ３２を通る全ての電流を阻止し、回路遮断器２６が開いた後に、保護電気システム２２を通って逆方向に電流が流れるのを防止する。

図５の実施形態は、電圧ダイオード３８および１組の電気接点４０の両方を用いるものであるである。
図６〜図１１に示されるように、起動素子ＡＣ電圧源３６において複数の相が用いられる場合には、保護を改善することができる。航空機では、１１５Ｖ、４００Ｈｚの電源を、通常、三相電源として利用することができる。保護電気回路２２を保護するために三相のうちの２つの相を用いることにより、電源サイクルの保護されない周期の範囲が減少し、３つの相を用いることにより、保護されない周期がさらに減少する。ＤＣの保護電気回路２２は、起動素子ＡＣ電源３６において保護のために三相を用いるときに、完全に保護される。

図６〜図１１は、起動素子ＡＣ電圧源３６において保護の２つ（図６〜図８）および３つ（図９〜図１１）の電気的な相を用いる回路を示す。これらの図では、各相に関連付けられる回路素子は個々の添字によって表される。素子３０ａ、３２ａ、３４ａおよび３６ａは起動素子ＡＣ電圧源のＡＣ電力の相Ａに関連付けられ、素子３０ｂ、３２ｂ、３４ｂおよび３６ｂは起動素子ＡＣ電圧源のＡＣ電力の相Ｂに関連付けられ、素子３０ｃ、３２ｃ、３４ｃおよび３６ｃは起動素子ＡＣ電圧源のＡＣ電力の相Ｃに関連付けられる。素子２０、２２、２４、２６、２８、３０、３２、３４、３６、３８および４０の上記の説明がここでも援用され、必要に応じて、種々の電気的な相に関連する個々の素子に適用される。

図１２〜図１４は、単相の回路遮断器起動素子３６を用いる他の実施形態を示すが、それらは、図６〜図１１に関連して説明した（この説明は援用される）ようにして多相で用いるように適合させることもできる。交流ゲート回路４２は、ＳＣＲ３２ｄおよび３２ｅのゲートを交互に起動する。コンデンサ４４ａおよびダイオード４６ａがＳＣＲ３２ｄと起動素子ＡＣ電圧源３６との間に接続される。コンデンサ４４ｂおよびダイオード４６ｂがＳＣＲ３２ｅと起動素子ＡＣ電圧源３６との間に接続される。コンデンサ４４ａ、４４ｂはそれぞれ、ＡＣ接続ならびにそれぞれのダイオード４６ａおよび４６ｂによって、負に充電された状態に保持される。起動素子ＡＣ電圧源３６のＡＣ電圧が保護される電源電圧よりも高い電圧であるときに、検出器２８がトリガされる場合には、コンデンサ４４ａ、４４ｂはそれぞれ、動作電圧を供給して、それぞれのＳＣＲ３２ｄ、３２ｅを起動し、故障箇所から電力を迂回させる。これは、コンデンサ４４ａ、４４ｂがそれぞれ放電されるまで続くであろう。コンデンサ４４ａ、４４ｂがそれぞれ依然として電流を流しているときに、ＡＣ電源の電圧が保護される電源電圧未満に降下する場合には、それぞれのＳＣＲ３２ｄ、３２ｅは、それぞれのコンデンサ４４ａ、４４ｂではなく、それぞれのダイオード４６ａ、４６ｂを通して、電力を流し続けるであろう。ＡＣ電圧が再び、保護される電源電圧よりも高い電圧に上昇するとき、個々のＳＣＲ３２ｄ、３２ｅは電流を流さなくなるであろう。その次の負の電圧サイクルにおいて、起動素子ＡＣ電圧源３６のＡＣ電力によって、個々のコンデンサ４４ａ、４４ｂは再充電されるであろう。回路遮断器起動素子３６の電圧が保護される電源電圧よりも高い電圧に移行する時点で、他のＳＣＲゲート回路が使用可能にされ、最初のＳＣＲゲートが使用不可にされる。第２のＳＣＲは、その時点で、十分に充電されたコンデンサで保護を与える状態にある。任意のアークが故障箇所から直ちに迂回されるであろう。このようにＳＣＲが交互に動作することにより、単相保護電源を用いて、最良のＤＣ保護が実現される。またそれは、種々のＡＣ保護のシナリオも改善する。

図１３および図１４の実施形態は図１２の実施形態に類似であるが、いずれの実施形態においてもＳＣＲアノード遮断接点４０が追加されること、さらに図１４の実施形態では電圧ダイオード３８が追加され、電圧ダイオード３８は先に説明したように機能することが異なる。

図６〜図１４の種々の実施形態は、保護電気回路２２にさらに高い保護を与えるが、それらはさらに複雑であり、より大きな体積を占める。図２〜図１４の実施形態の選択は、保護およびサイズ／重量の要件のバランスをとるように行われる。

本発明の特定の実施形態を例示の目的で詳細に説明したが、種々の変更および強化が本発明の精神および範囲を逸脱せずに行うことが可能である。したがって、本発明は特許請求の範囲以外に限定されるものではない。

アーク故障検出回路遮断器システムの好ましい形態のブロック図である。 アーク故障検出回路遮断器システムの概略的な回路図である。 負荷端子において逆方向ダイオードで保護される、アーク故障検出回路遮断器システムの概略的な回路図である。 ＳＣＲアノード遮断接点を有する、アーク故障検出回路遮断器システムの概略的な回路図である。 負荷端子において逆方向ダイオードで保護され、かつＳＣＲアノード遮断接点を有する、アーク故障検出回路遮断器システムの概略的な回路図である。 二相電源を有する、アーク故障検出回路遮断器システムの概略的な回路図である。 二相電源を有し、負荷端子において逆方向ダイオードで保護される、アーク故障検出回路遮断器システムの概略的な回路図である。 二相電源を有し、負荷端子において逆方向ダイオードで保護され、さらにＳＣＲアノード遮断接点を有する、アーク故障検出回路遮断器システムの概略的な回路図である。 三相電源を有する、アーク故障検出回路遮断器システムの概略的な回路図である。 三相電源を有し、負荷端子において逆方向ダイオードで保護される、アーク故障検出回路遮断器システムの概略的な回路図である。 三相電源を有し、負荷端子において逆方向ダイオードで保護され、さらにＳＣＲアノード遮断接点を有する、アーク故障検出回路遮断器システムの概略的な回路図である。 単相電源を有し、交流ＳＣＲゲートイネーブル回路を有し、さらに起動素子交流電圧源の正サイクルにおいて保護される、アーク故障検出回路遮断器システムの概略的な回路図である。 単相電源を有し、交流ＳＣＲゲートイネーブル回路を有し、起動素子交流電圧源の正サイクルにおいて保護され、さらにＳＣＲアノード遮断接点を有する、アーク故障検出回路遮断器システムの概略的な回路図である。 単相電源を有し、交流ＳＣＲゲートイネーブル回路を有し、起動素子交流電圧源の正サイクルにおいて保護され、負荷端子において逆方向ダイオードで保護され、さらにＳＣＲアノード遮断接点を有する、アーク故障検出回路遮断器システムの概略的な回路図である。

Claims (16)

1. 保護電気回路（２２）とともに動作可能なアーク故障検出回路遮断器システム（２０）であって、
   電気配線（２４）によって、その電流がアーク故障の発生時に遮断されるべき前記保護電気回路（２２）と直列に接続される、通常は閉じているライン回路遮断器（２６）と、
   前記保護電気回路（２２）および前記電気配線（２４）のうちの少なくとも１つの前記電流の時間変化率の検出器（２４）と、
   起動素子交流出力周波数の起動素子交流出力を有する起動素子交流電圧源（３６）と、
   前記検出器（２４）に応答して動作可能な回路遮断器起動素子（３２）と、
   を備え、該回路遮断器起動素子（３２）は前記電気配線（２４）と前記起動素子交流出力との間に電気的に接続され、前記回路遮断器起動素子（３２）は通常は開いているスイッチであり、該スイッチは、前記検出器（２４）が許容される最大変化率値を超える電流時間変化率を検出する場合に、前記電気配線（２４）と前記交流出力との間を接続するために閉じる、アーク故障検出回路遮断器システム。
2. 請求項１記載の回路遮断器システム（２０）において、前記保護電気回路（２２）は直流デバイスである、システム。
3. 請求項１記載の回路遮断器システム（２０）において、前記保護電気回路（２２）は、約２００ヘルツ以下の保護回路周波数を有する交流デバイスである、システム。
4. 請求項１記載の回路遮断器システム（２０）において、前記保護電気回路（２２）は保護回路周波数を有する交流デバイスであり、前記起動素子交流出力周波数は前記保護回路周波数の少なくとも２倍の周波数である、システム。
5. 請求項１記載の回路遮断器システム（２０）において、前記ライン回路遮断器（２６）はリセット可能な回路遮断器（２６）である、システム。
6. 請求項１記載の回路遮断器システム（２０）において、前記検出器（２４）は変圧器を含む、システム。
7. 請求項１記載の回路遮断器システム（２０）において、前記起動素子（３２）は、前記検出器（２４）の検出器出力信号と電気通信するシリコン制御整流器のゲートを有するシリコン制御整流器である、システム。
8. 請求項１記載の回路遮断器システムにおいて、前記起動素子交流出力周波数は約２００ヘルツを超える、システム。
9. 請求項１記載の回路遮断器システムにおいて、前記起動素子交流出力周波数は約４００ヘルツである、システム。
10. 請求項１記載の回路遮断器システムにおいて、前記起動素子交流電圧源（３６）は一相電圧源である、システム。
11. 請求項１記載の回路遮断器システムにおいて、前記起動素子交流電圧源（３６）は二相電圧源である、システム。
12. 請求項１記載の回路遮断器システムにおいて、前記起動素子交流電圧源（３６）は三相電圧源である、システム。
13. 請求項１記載の回路遮断器システムにおいて、前記検出器（２４）と前記回路遮断器起動素子（３２）との間に接続されるインピーダンス（３４）をさらに含む、システム。
14. 請求項１記載の回路遮断器システムにおいて、前記回路遮断器（２６）と前記保護電気回路（２２）との間に直列に電力ダイオード（３８）をさらに備える、システム。
15. 請求項１記載の回路遮断器システムにおいて、２つの回路遮断器起動素子（３２）が存在し、前記回路遮断器システム（２０）はさらに、
    前記検出器（２４）の出力を前記２つの回路遮断器起動素子（３２）に交互に供給する交流ゲート回路（４２）を備える、システム。
16. 請求項１記載の回路遮断器システムにおいて、前記回路遮断器起動素子（３２）は２つのシリコン制御整流器を含み、前記回路遮断器システムはさらに、
    前記検出器（２４）の出力を前記２つのシリコン制御整流器のゲートに交互に接続する交流ゲート回路（４２）を備える、システム。

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