JP2009016274A - 回路遮断器 - Google Patents

Abstract

【課題】別途の制御電源を必要とすることなく遮断時の動作電流を外部から把握可能にするとともに、遮断の発生原因を判別することが可能な回路遮断器を提供する。
【解決手段】マイクロコンピュータ１１０で実現されるＩ^２ｔ計算手段１１１で得られたＩ^２ｔ値を電荷として記憶する通電状態記憶用コンデンサ１７０を設け、マイクロコンピュータ１１０の電源確立時に、通電状態記憶用コンデンサ１７０に蓄積された電荷を読み取り、遮断電流換算手段１１２は、当該電荷が０か否かによって電流検出手段１２０に結合する主導体に瞬時停電が発生したか否かを判別し、この判別結果に基づいて、外部に出力する遮断電流として、電流検出手段１２０にて検出された主導体の電流が０でない区間の平均電流値を遮断電流とするか、遮断直前の電流値を遮断電流として出力するかを決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、遮断電流の設定を変更できる回路遮断器等に適用して有効な技術に関する。

たとえば、特許文献１に開示されているように、電子式の回路遮断器は、電子回路を動作させる電源を、監視対象の配線電路（主導体）に誘導結合したＣＴ（電流センサ）の二次電流から作成している。そのため、主導体に十分な電流が流れて、始めて電子回路が動作する。回路遮断器として動作させる場合は、主導体に過大な電流が流れているため、電子回路を動作させる十分なエネルギーが得られるので、回路遮断器の動作として全く問題が無い。

スイッチやボリューム等で実現している定格電流を設定する電流選択の値が回路に不適切であると、過負荷により回路遮断器が不用意に遮断してしまう。定格電流の設定が適切であるかは、遮断時の動作電流を知れば判断できる。遮断時の動作電流を、通信ラインを通じて外部に伝送したり、外部の表示器に表示したりすれば良い（たとえば特許文献２）。

従来の技術では、遮断時に主導体の通電が遮断されるため、回路遮断器の内部の電子回路を動作させる電源がなくなるので、遮断時の動作電流を外部に伝送して表示するための専用の外部電源が必要となる場合があった。この場合、主導体の通電電流を常にモニタできるため、遮断にいたるまでの最大電流や平均電流といったパラメータを遮断時の動作電流の値とすることができる。

また、変動負荷でも遮断するために、主導体の通電が無くなる直前の通電状態を記憶するように、例えばコンデンサに電荷蓄積するなどで通電状態を記憶するなどしているが、遮断に至るまでの通電電流自体や遮断時の動作電流を記憶するわけではない。

そのため、通信機能をつけて取り外し可能なオプション表示器で、遮断した後に遮断時の動作電流を読み出そうとすると、専用の外部電源は要らなくなるが、遮断時の動作電流を記憶していないため、動作電流の読み出しができない、という技術的課題があった。

このため、たとえば、定格電流の設定が不適切なために遮断が発生したのか、実際に主導体における過電流によって遮断が発生したのか等の判別もできない。
特開２００２−８５１１号公報 特開２００１−１２８３５４号公報

本発明の目的は、別途の制御電源を必要とすることなく遮断時の動作電流を外部から把握可能にするとともに、遮断の発生原因を判別することが可能な回路遮断器を提供することにある。

本発明の第１の観点は、電流検出手段により検出した主導体の通電状態から遮断特性を実現するＩ^２ｔ計算手段と、前記Ｉ^２ｔ計算手段により計算したＩ^２ｔ値がしきい値を超えることで前記主導体を遮断する遮断手段を含む回路遮断器であって、
前記Ｉ^２ｔ値を電荷として保持する容量素子と、
前記電荷の値が０か否かによって、前記主導体に瞬時停電が発生したか否かを判別して、前記回路遮断器を遮断した時の遮断電流を求める遮断電流換算手段と、
前記遮断電流を記録する遮断電流記録手段と、
を含む回路遮断器を提供する。

本発明の第２の観点は、第１の観点に記載の回路遮断器において、
前記遮断電流換算手段は、
前記主導体に前記瞬時停電が発生しなかった場合には、前記Ｉ^２ｔ計算手段により計算した前記Ｉ^２ｔ値が前記しきい値を超えた時点での、前記電流検出手段にて検出した実際の電流値を前記遮断電流として出力し、
前記主導体に前記瞬時停電が発生した場合には、前記電流検出手段における通電時間と前記Ｉ^２ｔ計算手段で計測した前記Ｉ^２ｔ値とから得られる通電電流の平均値を前記遮断電流として出力する回路遮断器を提供する。

本発明の第３の観点は、第１の観点に記載の回路遮断器において、
さらに、前記遮断電流記録手段に記録されている前記遮断電流と、前記主導体に前記瞬時停電が発生したか否かを示すフラグ情報を外部に通知する遮断電流通知手段を含む回路遮断器を提供する。

すなわち、本発明の回路遮断器では、一例として、遮断時の動作電流を読み出して表示するため、遮断電流通知手段として、取り外し可能なオプション表示器あるいはパーソナルコンピュータ等の端末等と通信する機能を設ける。また、別途の制御電源が無くても遮断時の動作電流を記憶するための遮断電流記録手段として不揮発性メモリを取り付ける。

また、負荷が変動して電子回路を動作させる電源が途切れ途切れになる場合でも、適切な遮断時の動作電流を見いだすことが可能なように、容量素子を通電状態記憶手段として設ける。

容量素子からなる通電状態記憶手段に記録している通電状態（電荷）がゼロならば、電子回路の電源が途切れる前に定格を超えた通電がないと判断して通電電流の平均値を遮断時の動作電流として不揮発性メモリに記憶する。

また、記録している通電状態（電荷）がゼロでなければ、たとえば瞬時停電等の原因で負荷が変動して電子回路の動作が途切れたと判断し、遮断する直前の電流を遮断時の動作電流として不揮発性メモリに記憶する。

また、不揮発性メモリには、瞬時停電の有無をフラグ情報として記憶する。

本発明によれば、別途の制御電源を必要とすることなく遮断時の動作電流を外部から把握可能にするとともに、遮断の発生原因を判別することが可能な回路遮断器を提供することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態であるの回路遮断器の機能構成の一例を示すブロック図であり、図２は、本発明の一実施の形態である回路遮断器の構成の一例を示す概念図である。

図２に例示されるように、本実施の形態の回路遮断器１００は、マイクロコンピュータ
１１０、電流検出手段１２０、遮断機構１３０、定格選択スイッチ１４０、遮断電流記憶手段１５０、遮断電流通知手段１６０、通電状態記憶用コンデンサ１７０（容量素子）を含んでいる。

電流検出手段１２０は、電流センサ１２１、整流回路１２２、負荷抵抗１２３、Ａ／Ｄ変換器１２４、電源回路１２５で構成されている。
電流センサ１２１は、監視対象の主導体２００に誘導結合するコイル等で構成されている。

整流回路１２２は、主導体２００を流れる交流電流から電流センサ１２１に誘起された交流の誘導電流Ｉ_０を全波整流する。
負荷抵抗１２３は、整流回路１２２から出力される誘導電流を電圧Ｖ_０に変換してＡ／Ｄ変換器１２４に入力する。

電源回路１２５は、整流回路１２２から出力される全波整流された誘導電流Ｉ_０から、マイクロコンピュータ１１０等の電子回路を作動させるための動作電力を生成する。
Ａ／Ｄ変換器１２４は、負荷抵抗１２３を介して整流回路１２２から入力される全波整流の整流電流を後述のような所定のサンプリング間隔にデジタル値に変換して電流検出手段１２０に入力する。

遮断機構１３０は、マイクロコンピュータ１１０からの指令に基づいて、主導体２００を開閉する開閉器２１０の開閉動作を制御することで、主導体２００の遮断を行う。
定格選択スイッチ１４０は、外部から操作されることによって、遮断動作の複数の定格電流を設定する。本実施の形態の場合には、後述のように、１００Ａと２００Ａの二つの定格電流を設定することが可能になっている。

遮断電流記憶手段１５０は、たとえば、ＥＥＰＲＯＭ等の不揮発性メモリで構成され、後述のように、遮断時の遮断電流の値や、フラグが記憶される。
遮断電流通知手段１６０は、後述のように、通信端子１６１および通信線１６２を介して、外部のパーソナルコンピュータ等からなる端末３００に遮断電流記憶手段１５０の記憶内容を送信する。

通電状態記憶用コンデンサ１７０は、後述のように、マイクロコンピュータ１１０から入出力される微小な電流Ｉｓによって充電または放電されることにより、主導体２００における定格電流を超えた通電状態を記憶する。

マイクロコンピュータ１１０は、ハードウェア回路、ソフトウェア、ファームウェア等により、図１に例示されるＩ^２ｔ計算手段１１１、遮断電流換算手段１１２、通電時間計測手段１１３、遮断電流通知手段１６０における後述の機能を実現する。

図３のように、電流センサ１２１（ＣＴ）で検出した誘導電流Ｉ_０の信号は正弦波となっており、これを整流回路１２２で整流する。
図４のように整流した誘導電流Ｉ_０の信号を負荷抵抗１２３で電圧Ｖ_０に変換し、Ａ／Ｄ変換器１２４を使って、定周期にサンプリングして、デジタル値に変換する。例えば、主導体２００を流れる電流が商用周波数５０Ｈｚの場合、１ｍｓの定周期でＡ／Ｄ変換サンプリングすると、１周期で２０回のデジタル・データが得られる。この２０個のデジタル・データを、それぞれ｛ｄ_１，ｄ_２，．．，ｄ_２０｝とおくと、電流の実効値Ｉは次の式１で求めることができる。

図２に例示した定格選択スイッチ１４０で定格選択を実現するとき、定格選択スイッチ１４０がオフなら１００Ａ、オンなら２００Ａの定格で動作する場合、本実施の形態の回路遮断器１００の動作特性は図５に例示される線図のようになる。

この図５の例では、定格の６倍での回路遮断器１００の動作時間が１０秒となり、１００Ａ定格だと６００Ａを１０秒通電すると遮断し、２００Ａ定格だと１２００Ａを１０秒通電すると遮断する。また、定格の８倍以上の電流を通電すると、即時遮断する。

この動作特性はＩ^２ｔ特性となっているので、主導体２００の電流の実効値Ｉを求める周期が０．０２秒（商用周波５０Ｈｚの場合）であるので、０．０２秒ごとに、次の式２で得られる値ｅ_１を求める。

電流の実効値Ｉが定格選択スイッチ１４０で設定された電流値以上の場合、上記式２の値ｅ_１を、マイクロコンピュータ１１０の内部に持つＩ^２ｔ値に加算する。
一方、電流の実効値Ｉが定格電流未満の場合、定格選択スイッチ１４０で設定された定格電流に基づいて、次の式３の値ｅ_２をマイクロコンピュータ１１０の内部に持つＩ^２ｔ値から減算する。

こうして計算したＩ^２ｔ値がしきい値ｅ_ｔｈを超えると遮断機構１３０を動作させて、開閉器２１０を開いて主導体２００を遮断させる。
このしきい値ｅ_ｔｈは、定格選択スイッチ１４０で設定される定格電流で決まる値である。

定格電流が１００Ａの場合では、６００Ａを１０秒通電すると遮断するため、Ｉ^２ｔ＝６００×６００×１０＝３６０００００がしきい値ｅ_ｔｈとなる。
定格電流が２００Ａの場合では、１２００Ａを１０秒通電すると遮断するため、Ｉ^２ｔ＝１２００×１２００×１０＝１４４０００００、がしきい値ｅ_ｔｈとなる。

このＩ^２ｔ値を、定格を超えた通電状態を記憶するための通電状態記憶用コンデンサ１７０に記憶させる。計算したＩ^２ｔ値と、Ａ／Ｄ変換器１２４で変換された、通電状態記憶用コンデンサ１７０に充電している電位Ｖｃを比較して、Ｉ^２ｔ値が電位Ｖｃよりも大きければマイクロコンピュータ１１０の図示しない入出力ポートから微小の電流Ｉｓを通電状態記憶用コンデンサ１７０に流して充電して定格を超えた通電の値を積算し、Ｉ^２ｔ
値が電位Ｖｃよりも小さければ通電状態記憶用コンデンサ１７０からマイクロコンピュータ１１０のポートへ微小の電流Ｉｓを放電して、当該通電状態記憶用コンデンサ１７０内の電荷から、定格を超えた通電の値を減算する。

マイクロコンピュータ１１０の内部のＩ^２ｔ値の初期値は、回路遮断器１００の電源確立でマイクロコンピュータ１１０が動作を開始したとき、通電状態記憶用コンデンサ１７０に充電している電位ＶｃをＡ／Ｄ変換器１２４で変換し、その値（充電している電位Ｖｃ）で、マイクロコンピュータ１１０の内部に持つＩ^２ｔ値を初期化する。すなわち、Ｉ^２ｔ値に電位Ｖｃを代入してそれを初期値とする。

また、遮断機構１３０を動作させたとき、次に復帰通電したときにＩ^２ｔ値があると動作時間が短くなるため、遮断機構１３０を動作させるタイミングで、通電状態記憶用コンデンサ１７０からマイクロコンピュータ１１０のポート制御で十分大きい放電電流を流して、通電状態記憶用コンデンサ１７０の電荷を「０」状態にしておくとともに、通電状態記憶用コンデンサ１７０の内部のＩ^２ｔ値をクリアする。

ここまでの回路遮断器１００の動作を、図６のフローチャートを参照してまとめて説明すると以下のようになる。
回路遮断器１００における電源確立時に、まず、通電状態記憶用コンデンサ１７０が保持する電荷をＡ／Ｄ変換器１２４でデジタル値に変換し、マイクロコンピュータ１１０の内部のＩ^２ｔ値の初期値とする（ステップ４０１）。

次に、Ｉ^２ｔ値が０か否かを判定し（ステップ４０２）、０ならば、フラグをオンし（ステップ４０３）、０でないならばフラグをオフにする（ステップ４０４）。
その後、定格選択スイッチ１４０の設定状態を判別し（ステップ４０５）、オフ設定ならば定格電流として１００Ａ、しきい値ｅ_ｔｈとして３６０００００をマイクロコンピュータ１１０の内部に設定する（ステップ４０６）。

また、定格選択スイッチ１４０がオン設定ならば定格電流として２００Ａ、しきい値ｅ_ｔｈとして１４４０００００、をマイクロコンピュータ１１０の内部に設定する（ステップ４０７）。

その後、電流の実効値Ｉを求める（ステップ４０８）。そして、実効値Ｉの値が設定された定格電流未満の場合には（ステップ４０９）、Ｉ^２ｔ値から値ｅ_２を減算する（ステップ４１０）。また、実効値Ｉの値が設定された定格電流以上の場合には、Ｉ^２ｔ値にｅ_１（＝Ｉ^２×０．０２）を加算する（ステップ４１１）。

そして、これらの演算結果のＩ^２ｔ値を通電状態記憶用コンデンサ１７０に電荷として記憶させる（ステップ４１２）。
さらに、このＩ^２ｔ値が０か否かを判別し（ステップ４１３）、０の場合には、平均電流および通電時間に０を代入し、フラグをオン（瞬時停電有り）にして（ステップ４１４）、ステップ４０５に戻る。

また、Ｉ^２ｔ値が０でない場合には、平均電流に現在の実効値Ｉを加算するとともに、通電時間に０．０２を加算した後（ステップ４１５）、さらに、Ｉ^２ｔ値がしきい値ｅ_ｔｈ以上か、または実効値Ｉが定格電流の８倍か否かを判別する（ステップ４１６）。

そして、ステップ４１６の判定条件が成立しない場合には、ステップ４０５に戻る。
一方、ステップ４１６の判定条件が成立する場合には、後述の図７のフローチャートに例示されるように、遮断電流を記録した後（ステップ５００）、通電状態記憶用コンデン
サ１７０の電荷が０になるように放電させるとともに、遮断機構１３０を介して、開閉器２１０を開いて主導体２００を遮断し（ステップ４１７）、ステップ４０５に戻る。

次に、図７のフローチャートを参照して、上述のステップ５００における遮断電流の記録動作を説明する。
遮断時の動作電流を求める方法は、Ｉ^２ｔ値の値がゼロになったか、最初からゼロにならずに動作したか（フラグの状態がオンかオフか）、すなわち瞬時停電の有無によって、動作電流の計算方法を変える（ステップ５０１）。

瞬時停電の発生によってＩ^２ｔ値の値がゼロになったことがあれば（フラグがオン）、Ｉ^２ｔ値がゼロで無い期間の平均電流（＝平均電流÷通電時間）を遮断動作電流とする（ステップ５０２）。

また、Ｉ^２ｔ値の値がゼロにならずに遮断動作した場合（フラグがオフ）、直前の商用周波周期の電流の実効値Ｉを遮断動作電流とする（ステップ５０３）。
そして、ＥＥＰＲＯＭ等の遮断電流記憶手段１５０に、動作電流とフラグを記録する（ステップ５０４）。フラグは、動作電流の値が平均電流であること示すために記録する。

遮断時の動作電流を通知する遮断電流通知手段１６０は、通信を通じで外部の装置に通知する。
例えば図８の例のように、たとえば、ＵＳＢのような電源と通信信号を同時に供給できるような通信線１６２を使って、パーソナルコンピュータ等の端末３００と回路遮断器１００の通信端子１６１とを結び、端末３００から回路遮断器１００の内部のマイクロコンピュータ１１０等の電子回路を動作させる電源を供給するとともに、マイクロコンピュータ１１０の遮断電流通知手段１６０が通信線１６２を介してシリアル通信で送ってくる遮断電流とフラグの状態を端末３００のディスプレイ３０１に表示する。

定格選択スイッチ１４０による定格電流の設定状態が１００Ａならば図９の例のように、通電開始時点でＩ^２ｔ値の値がゼロで通電を開始した後にトリップ（遮断状態に移行）して、内部の遮断電流記憶手段１５０に遮断電流が１６０Ａでフラグがオンで記録されていた場合、遮断電流通知手段１６０は、通信端子１６１、通信線１６２を経由して、この記録情報を端末３００に送り、端末３００のディスプレイ３０１上に「動作電流 平均１６０Ａ」と表示する。

この場合、負荷に対して、定格選択スイッチ１４０による定格電流の設定値が低いことが原因で、遮断動作が実行されたことが、「動作電流 平均１６０Ａ」の表示から分かる。

また、図１０の表示例のように、主導体２００に、定格電流を遥かに超える大電流が流れて遮断した場合、端末３００のディスプレイ３０１上に表示される動作電流が「平均８００Ａ」と大きく表示されるため、回路遮断器１００の定格選択スイッチ１４０による定格電流の設定に問題がある（この場合、低すぎる）わけではなく、主導体２００に接続された図示しない負荷側で何らかの異常が発生して大電流が流れたことがわかる。

一方、図１１の例のように遮断に至る途中まで主導体２００に定格電流以上の電流が流れ、瞬時停電でゼロになった場合、本実施の形態の回路遮断器１００では、通電状態記憶用コンデンサ１７０にＩ^２ｔ値が記録されているため、内部の遮断電流記憶手段１５０の記録しているフラグがオフになっている。そのため、マイクロコンピュータ１１０は、端末３００のディスプレイ３０１の表示に「平均」の文字列が無く「動作電流 １８０Ａ」となるように表示するので、管理者は、主導体２００に接続される負荷側で障害が発生し
たのでは無く、定格電流の設定が不適切なために遮断が発生したことが分かる。

このように、本実施の形態の回路遮断器１００によれば、主導体２００から電源をとる電源回路１２５の他に別途電源を設けることなく、遮断電流記憶手段１５０に記憶されている遮断電流と、通電状態記憶用コンデンサ１７０の電荷の状態によって瞬時停電の発生の有無を判別するフラグの情報を読み出すことで、遮断時の遮断電流を外部から把握することが可能になる。

また、フラグの状態によって、回路遮断器１００の電源確立から遮断状態に至るまでの間における瞬時停電の有無を判別することで、遮断の発生原因が、定格選択スイッチ１４０における定格電流の不適切な設定に起因するものか、主導体２００における過電流に起因するものかを的確に判別できる。

なお、本発明は、上述の実施の形態に例示した構成に限らず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

本発明の一実施の形態であるの回路遮断器の機能構成の一例を示すブロック図である。 本発明の一実施の形態である回路遮断器の構成の一例を示す概念図である。 本発明の一実施の形態である回路遮断器において主導体から検出された電流の整流状態を示す線図である。 本発明の一実施の形態である回路遮断器において主導体から検出された電流のデジタル値への変換例を示す概念図である。 本発明の一実施の形態である回路遮断器における動作特性の一例を示す線図である。 本発明の一実施の形態である回路遮断器の作用の一例を示すフローチャートである。 本発明の一実施の形態である回路遮断器の作用の一例を示すフローチャートである。 本発明の一実施の形態である回路遮断器を外部の端末に接続して使用する例を示す概念図である。 本発明の一実施の形態である回路遮断器を外部の端末に接続して使用する場合の遮断電流の表示例を示す概念図である。 本発明の一実施の形態である回路遮断器を外部の端末に接続して使用する場合の遮断電流の表示例を示す概念図である。 本発明の一実施の形態である回路遮断器を外部の端末に接続して使用する場合の遮断電流の表示例を示す概念図である。

符号の説明

１００ 回路遮断器
１１０ マイクロコンピュータ
１１１ Ｉ^２ｔ計算手段
１１２ 遮断電流換算手段
１１３ 通電時間計測手段
１２０ 電流検出手段
１２１ 電流センサ
１２２ 整流回路
１２３ 負荷抵抗
１２４ Ａ／Ｄ変換器
１２５ 電源回路
１３０ 遮断機構
１４０ 定格選択スイッチ
１５０ 遮断電流記憶手段
１６０ 遮断電流通知手段
１６１ 通信端子
１６２ 通信線
１７０ 通電状態記憶用コンデンサ
２００ 主導体
２１０ 開閉器
３００ 端末
３０１ ディスプレイ

Claims (3)

1. 電流検出手段により検出した主導体の通電状態から遮断特性を実現するＩ^２ｔ計算手段と、前記Ｉ^２ｔ計算手段により計算したＩ^２ｔ値がしきい値を超えることで前記主導体を遮断する遮断手段を含む回路遮断器であって、
   前記Ｉ^２ｔ値を電荷として保持する容量素子と、
   前記電荷の値が０か否かによって、前記主導体に瞬時停電が発生したか否かを判別して、前記回路遮断器を遮断した時の遮断電流を求める遮断電流換算手段と、
   前記遮断電流を記録する遮断電流記録手段と、
   を含むことを特徴とする回路遮断器。
2. 請求項１記載の回路遮断器において、
   前記遮断電流換算手段は、
   前記主導体に前記瞬時停電が発生しなかった場合には、前記Ｉ^２ｔ計算手段により計算した前記Ｉ^２ｔ値が前記しきい値を超えた時点での、前記電流検出手段にて検出した実際の電流値を前記遮断電流として出力し、
   前記主導体に前記瞬時停電が発生した場合には、前記電流検出手段における通電時間と前記Ｉ^２ｔ計算手段で計測した前記Ｉ^２ｔ値とから得られる通電電流の平均値を前記遮断電流として出力することを特徴とする回路遮断器。
3. 請求項１記載の回路遮断器において、
   さらに、前記遮断電流記録手段に記録されている前記遮断電流と、前記主導体に前記瞬時停電が発生したか否かを示すフラグ情報を外部に通知する遮断電流通知手段を含むことを特徴とする回路遮断器。