JP2010252455A - 回路遮断器 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒューズの溶断に連動して電圧トリップコイルによってサーキットブレーカに遮断動作を行わせる回路遮断器において遮断動作時のサーキットブレーカおよび電圧トリップコイルへの影響を低減するための技術を提供する。
【解決手段】電源から負荷に給電するための給電回路に配置される回路遮断器は、ヒューズ、サーキットブレーカ、電圧トリップコイル、および遅延手段を有している。ヒューズは電源と負荷の間に介挿されている。遅延手段は、電圧トリップコイルへ印加される電圧の伝播を遅延させる。電圧トリップコイルは、ヒューズの溶断により電圧が印加されると、サーキットブレーカに遮断動作を実施させる。サーキットブレーカは電源の少なくとも片端を遮断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、負荷に電流を供給するための給電回路において、負荷に過電流事故や短絡事故が発生したときに電源と負荷の間を遮断する回路遮断器に関する。

一般に、給電回路には、負荷に過電流事故や短絡事故が発生したときに電源と負荷の間を遮断するために回路遮断器が設けられている。

図６〜８は、回路遮断器の構成例を示す図である。

図６の回路遮断器では、直流電源１０の正負両極と負荷２０との間にそれぞれヒューズ３００Ａ，３００Ｂが介挿されており、過電流によりヒューズ３００Ａ，３００Ｂが溶断することで直流電源１０の正負両極を遮断する。

図７の回路遮断器では、直流電源１０の正負両極と負荷２０との間にそれぞれサーキットブレーカ４００の主接点４００Ａ，４００Ｂが介挿されており、過電流により主接点４００Ａ，４００Ｂを連動して断路することで直流電源１０の正負両極を遮断する。

図８の回路遮断器は上記の２つの例を組み合せた回路遮断器である。図８の回路遮断器では、直流電源１０の正負両極と負荷２０との間に、それぞれサーキットブレーカ４００の主接点４００Ａ，４００Ｂが介挿され、さらに、主接点４００Ａ，４００Ｂと直列にそれぞれヒューズ３００Ａ，３００Ｂが介挿されている。

図６に示したヒューズ３００Ａ，３００Ｂを用いる回路遮断器では、２つのヒューズ３００Ａ，３００Ｂが同一の閉回路内で直列に接続されている。このため、負荷２０に過電流事故や短絡事故が発生した場合には、両ヒューズ３００Ａ，３００Ｂに同じ電流が流れるので、理論上は両ヒューズ３００Ａ，３００Ｂが同時に溶断することになる。

しかし、実際は、ヒューズ３００Ａ，３００Ｂの特性には個体差があるため、ヒューズ３００Ａ，３００Ｂのいずれか片方のみが溶断する場合がある。この場合、直流電源１０のヒューズが溶断した極は負荷２０から切り離されるが、溶断しなかった極は負荷２０と接続されたままとなる。このため、溶断しなかった極とアースとの間に電位差があると、人体が充電部に触れた際に感電する危険性があった。

図７に示したサーキットブレーカ４００を用いる回路遮断器では、直流電源１０の正負両極の主接点４００Ａ、４００Ｂが連動するので、負荷２０の過電流事故発生時に、直流電源１０の正負両極を同時に遮断することが可能である。

しかし、サーキットブレーカ４００は、遮断容量範囲内であっても定格電流を大きく超えるような大電流の遮断を行うと、主接点４００Ａ，４００Ｂがアークにより損傷し、次回以降の使用保証が確保されなかった。

図８に示したヒューズ３００Ａ，３００Ｂとサーキットブレーカ４００とを用いる回路遮断器では、サーキットブレーカ４００とヒューズ３００Ａ，３００Ｂとのうち遮断時間の短い方が遮断動作を行う。

サーキットブレーカ４００の遮断特性とヒューズ３００Ａ，３００Ｂの溶断特性との組み合わせを選択することにより、サーキットブレーカ４００とヒューズ３００Ａ，３００Ｂとの保護協調をとることができ、それにより、サーキットブレーカ４００で遮断を行う電流値の領域と、ヒューズ３００Ａ，３００Ｂによって遮断を行う電流値の領域を決めることができる。

電流値の領域設定としては、サーキットブレーカ４００の繰り返し使用が保証されない電流領域の遮断をヒューズ３００Ａ，３００Ｂが担うようにすればよい。具体的には、電流の小さい範囲ではサーキットブレーカ４００の遮断時間をヒューズ３００Ａ，３００Ｂより短く設定する。また、電流の大きい領域ではヒューズ３００Ａ，３００Ｂの遮断時間をサーキットブレーカ４００より短く設定する。さらに、サーキットブレーカ４００の遮断特性とヒューズ３００Ａ，３００Ｂの溶断特性の交点をサーキットブレーカの繰り返し使用が保証される電流値以下とする。

これにより、サーキットブレーカ４００の繰り返し使用が保証される規定値以上の電流領域ではヒューズ３００Ａ，３００Ｂが遮断を行うので、サーキットブレーカ４００が損傷する可能性が低減する。また、サーキットブレーカ４００が遮断を実施する電流領域では、サーキットブレーカ４００の正極と負極の主接点４００Ａ，４００Ｂが連動して遮断動作するため確実に両極が遮断される。また、ヒューズ３００Ａ，３００Ｂが遮断を行う電流領域を広く取れば、サーキットブレーカ４００の繰り返し使用が保証される電流値を小さくできるため、回路遮断器を小型化することができる。

しかし、ヒューズ３００Ａ，３００Ｂが遮断を行う電流領域では、過電流事故が発生してもサーキットブレーカ４００が遮断動作を行なわず閉状態のままとなるため、前述したヒューズの溶断特性の個体差の問題から確実に両極を遮断することが保証されない。

特許３０９１７１２号公報 特許２５１３８５０号公報 特許２９９８９３４号公報

図８の回路遮断器において、ヒューズ３００Ａ，３００Ｂが遮断を行う電流領域においても両極を遮断するために、ヒューズの溶断に連動してサーキットブレーカが遮断動作を行うようにすればよい。それによって、全電流領域において確実に両極を遮断することが可能となる。

これはヒューズの溶断に連動してサーキットブレーカに遮断動作を行わせる回路遮断器の一例であるが、その他にも、サーキットブレーカをヒューズに連動させる構成が採られる場合がある。

他の例として、電源と負荷の間の正極側にヒューズとサーキットブレーカの主接点が直列に接続され、ヒューズに連動してサーキットブレーカの主接点に遮断動作を行わせる回路遮断器の構成がありうる。図９，１０は、ヒューズの溶断に連動してサーキットブレーカが遮断動作を行う回路遮断器の他の構成例を示す図である。

（第１の給電系統連携方法）
図９には第１の給電系統連携方法の例が示されている。図９を参照すると、ヒューズ３００とサーキットブレーカ４００の主接点４００Ａが正極側に直列に接続されており、さらに主接点４００Ａに遮断動作を行わせるための電圧トリップコイル５００がヒューズ３００の両端に接続されている。

負荷２０が短絡状態や過電流状態となりヒューズ３００が溶断すると、ヒューズ３００両端の電圧が上昇し、電圧トリップコイル５００へ電圧が印加される。電圧が印加された電圧トリップコイル５００には電流が流れ、それによって発生する電磁力がサーキットブレーカ４００の主接点４００Ａをトリップさせる。

（第２の給電系統連携方法）
図１０には第２の給電系統連携方法の例が示されている。図１０では、図９の構成に対して、電圧トリップコイル５００への電圧の印加をオンオフするＡ接点スイッチ６００と、ヒューズ３００が溶断したときにＡ接点スイッチ６００を閉路するスイッチ駆動部７００とが追加されている。

ヒューズ３００が溶断すると、スイッチ駆動部７００がＡ接点スイッチ６００をオン（閉状態）にする。Ａ接点スイッチ６００が閉状態となると、ヒューズ３００両端の電圧が電圧トリップコイル５００に印加され、サーキットブレーカ４００の主接点４００Ａがトリップする。

図９，１０に示した回路遮断器では、ヒューズ３００の溶断に連動してサーキットブレーカ４００に遮断を実施させることができる。

しかしながら、図９，１０の回路遮断器では、負荷の事故で短絡電流が流れてヒューズ３００が溶断すると、それと同時に電圧トリップコイル５００に電圧が印加される。このとき、電圧トリップコイル５００には、図１１に示すように、繰り返し利用可能な規定電流を超える領域で遮断動作を行うことになってしまう。

遮断容量を超える領域で動作した場合、サーキットブレーカ４００の繰り返し利用は保証されないので交換が必要となる。繰り返し利用をするために、サーキットブレーカ４００として遮断容量の大きなものを選定すると、そのサイズが大きくなり、設置スペース増やコスト増となる。

また、図９，１０に示した回路遮断器では、ヒューズ３００の両端の電圧が直接電圧トリップコイル５００に印加されるため、図１１に示すように電圧トリップコイル５００の定格最大電圧以上の電圧がコイルに印加される恐れがある。コイルは、最大電圧以上の電圧が印加されると、損傷の恐れがある。

本発明の目的は、ヒューズの溶断に連動して電圧トリップコイルによってサーキットブレーカに遮断動作を行わせる回路遮断器において遮断動作時のサーキットブレーカおよび電圧トリップコイルへの影響を低減するための技術を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の回路遮断器は、
電源から負荷に給電するための給電回路に配置される回路遮断器であって、
前記電源と前記負荷の間に介挿されたヒューズと、
前記電源の少なくとも片端を遮断するサーキットブレーカと、
前記ヒューズの溶断により電圧が印加されると、前記サーキットブレーカに遮断動作を実施させる電圧トリップコイルと、
前記電圧トリップコイルへ印加される電圧の伝播を遅延させる遅延手段と、
を有している。

また、前記遅延手段は、前記ヒューズからの電圧信号を遅延させて前記電圧トリップコイルに印加することにしてもよい。

また、前記ヒューズと前記遅延手段の間に介挿されたスイッチと、
前記ヒューズの溶断を検知すると、前記スイッチを閉状態にするスイッチ駆動手段と、を更に有し、
前記遅延手段は、前記スイッチが閉状態のときの前記ヒューズからの前記電圧信号を遅延させて前記電圧トリップコイルに印加する、ことにしてもよい。

また、前記遅延手段は、前記ヒューズの両端と直接的あるいは間接的に接続され、前記ヒューズの両端の電位差による電圧信号を遅延させて前記電圧トリップコイルに印加する、ことにしてもよい。

また、前記遅延手段は、
前記電圧トリップコイルと直列に、該電圧トリップコイルの片端に接続された抵抗と、
前記電圧トリップコイルに並列に接続されたコンデンサと、
を有する、ことにしてもよい。

また、前記サーキットブレーカは、前記電源の両端をそれぞれ遮断する、互いに連動する２つの主接点を有する、ことにしてもよい。

本発明によれば、ヒューズの溶断に連動して電圧トリップコイルによってサーキットブレーカに遮断動作を行わせる回路遮断器において遮断動作時のサーキットブレーカおよび電圧トリップコイルへの影響を低減する。

第１の実施形態による回路遮断器の構成を示す図である。 遅延機構８０の構成例を示す図である。 第２の実施形態による回路遮断器の構成を示す図である。 第３の実施形態による回路遮断器の構成を示す図である。 第４の実施形態による回路遮断器の構成を示す図である。 一般的な回路遮断器の構成例を示す図である。 一般的な回路遮断器の構成例を示す図である。 一般的な回路遮断器の構成例を示す図である。 ヒューズの溶断に連動してサーキットブレーカが遮断動作を行う回路遮断器の他の構成例を示す図である。 ヒューズの溶断に連動してサーキットブレーカが遮断動作を行う回路遮断器の他の構成例を示す図である。 ヒューズの溶断に連動してサーキットブレーカが遮断動作を行うときの短絡電流とヒューズ両端電圧を表す波形図である。

本発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態による回路遮断器の構成を示す図である。図１を参照すると、本実施形態の回路遮断器は、直流電源１０から負荷２０に給電するための給電回路に配置されるものであり、ヒューズ３０、サーキットブレーカ４０、および電圧トリップコイル５０を有している。

ヒューズ３０とサーキットブレーカ４０の主接点４０Ａが、直流電源１０の正極と負荷２０の間に直列に接続されており、さらに主接点４０Ａに遮断動作を行わせるための電圧トリップコイル５０が遅延機構８０を介してヒューズ３０の両端に接続されている。ヒューズ３０の抵抗値は一例としてミリオーム程度であり、ヒューズ３０が溶断していない状態では電圧トリップコイル５０に電圧はほとんど印加されない。

遅延機構８０は、ヒューズ３０の両端と電圧トリップコイル５０の両端との間に組み込まれている。図２は、遅延機構８０の構成例を示す図である。図２を参照すると、遅延機構８０は抵抗８０Ａおよびコンデンサ８０Ｂを有している。抵抗８０Ａは電圧トリップコイル５０と直列に、その電圧トリップコイル５０の片端に接続されている。コンデンサ８０Ｂは電圧トリップコイル５０に並列に接続されている。

ただし、遅延機構８０は図２の構成に限定されることはなく、インダクタンス成分を含んだものや半導体リレーなど、電圧トリップコイル５０への電圧の印加を遅らせるものであればどのような構成であっても良い。

負荷２０が短絡状態や過電流状態となりヒューズ３０が溶断すると、ヒューズ３０両端の電圧が上昇し、その電圧が遅延機構８０を介して電圧トリップコイル５０へ印加される。電圧が印加された電圧トリップコイル５０には電流が流れ、それによって発生する電磁力がサーキットブレーカ４０の主接点４０Ａをトリップさせる。

本実施形態では、ヒューズ３０と電圧トリップコイル５０の間に遅延機構８０が設けられているため、ヒューズ３０の溶断によりその両端の電圧が上昇した際、電圧トリップコイル５０にはタイムラグをもって電圧が印加されることになる。図１１を参照すると、その図に示したヒューズ両端電圧がそのまま電圧トリップコイル５０に印加されるのではなく、遅延機構８０による遅延を経て電圧トリップコイル５０に印加される。

以上説明したように本実施形態によれば、ヒューズ３０の溶断から電圧トリップコイル５０が動作するまでの時間を遅延機構８０によって遅らせることにより、サーキットブレーカ４０が繰り返し遮断可能な遮断容量以下でトリップ動作を行うようにすることができる。また、電圧トリップコイル５０への印加電圧が遅延機構８０を経由することで、コイルへ印加される電圧のピークを下げて最大定格電圧以下に抑えることができる。

（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態による回路遮断器の構成を示す図である。図３を参照すると、図３では、図１の構成に対してＡ接点スイッチ６０およびスイッチ駆動部７０が追加されている。Ａ接点スイッチ６０は、電圧トリップコイル５０への電圧の印加をオンオフするスイッチである。スイッチ駆動部７０は、ヒューズ３０が溶断したときにＡ接点スイッチ６０を駆動（閉路）する。遅延機構８０は、電圧トリップコイル５０の片端とＡ接点スイッチ６０の片端の間で、且つ電圧トリップコイル５０の逆端とヒューズ３０の片端の間に組み込まれている。

なお、ここでスイッチ駆動部７０はヒューズ３０の溶断を検知してＡ接点スイッチ６０を駆動（閉状態）するものであれば、どのような構成であってもよい。例えば、ヒューズ３０の溶断を電気的に検出するセンサと電磁リレーとを組み合わせた構成であってもよく、ヒューズ３０に併設される警報ヒューズと警報ヒューズの溶断により移動するバネとを組み合わせた構成であってもよい。

ヒューズ３０が溶断すると、スイッチ駆動部７０がＡ接点スイッチ６０をオン（閉状態）にする。Ａ接点スイッチ６０が閉状態となると、ヒューズ３０両端の電圧が遅延機構８０を介して電圧トリップコイル５０に印加され、サーキットブレーカ４０の主接点４０Ａをトリップする。

以上説明したように、本実施形態によれば、ヒューズが溶断してＡ接点スイッチ６０が閉となってもヒューズ３０の両端の電圧が瞬時に電圧トリップコイル５０へ印加されるのではなく、遅延機構８０によるタイムラグ（時間遅延）をもって印加される。従って、第１の実施形態と同様、繰り返し遮断が可能な遮断容量以下でサーキットブレーカ４０のトリップ動作を行わせ、また電圧トリップコイル５０への印加電圧を最大定格電圧以下に抑えることができる。

（第３の実施形態）
図４は、第３の実施形態による回路遮断器の構成を示す図である。図４を参照すると、本実施形態の回路遮断器は、直流電源１０から負荷２０に給電するための給電回路に配置されるものであり、ヒューズ３０、サーキットブレーカ４０、電圧トリップコイル５０、および遅延機構８０を有している。

サーキットブレーカ４０には、互いに連動する２つの主接点４０Ａ，４０Ｂがあり、直流電源１０の正負両極と負荷２０との間にそれぞれ主接点４０Ａ，４０Ｂが介挿されている。ヒューズ３０は、直流電源１０の正極と負荷２０との間に、主接点４０Ｂと直列に介挿されている。遅延機構８０は、ヒューズ３０の両端と電圧トリップコイル５０の両端の間に接続され、ヒューズ３０の両端の電圧を遅延させて電圧トリップコイル５０に印加する。

電圧トリップコイル５０は、遅延機構８０を介してヒューズ３０の両端に接続されている。ヒューズ３０が溶断するとヒューズ３０の両端の電圧が遅延機構８０を介して電圧トリップコイル５０に印加され、電圧トリップコイル５０がサーキットブレーカ４０を作動させる。

なお、図４では、サーキットブレーカ４０および電圧トリップコイル５０がＭＣＣＢ（Ｍｏｌｄｅｄ Ｃａｓｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｒｅａｋｅｒ：配線用遮断器）として一体化されている。

また、図４において、ヒューズ３０の接続位置を、直流電源１０の正極側で、サーキットブレーカ４０の負荷側としたが、本発明はこれに限らず、ヒューズ３０の接続位置は、直流電源１０の正極側でも負極側でもどちらでもよく、また、サーキットブレーカ４０の電源側でも負荷側でもどちらでもよい。

本実施形態の回路遮断器では、負荷２０に過電流事故または短絡事故が発生し、ヒューズ３０が溶断すると、ヒューズ３０の両端の電位差によって電圧が発生し、その電圧が遅延機構８０を介して電圧トリップコイル５０に印加される。その結果、サーキットブレーカ４０がトリップし、直流電源１０の正負の両極が遮断される。

このように、ヒューズ３０の溶断がサーキットブレーカ４０の遮断よりも先に発生する電流領域においても、ヒューズ３０の溶断に連動してサーキットブレーカ４０をトリップすることにより直流電源１０の正負両極に遮断動作を行わせることができる。また、サーキットブレーカ４０をトリップする際、ヒューズ３０の両端の電圧が遅延機構８０で遅延されて電圧トリップコイル５０に印加されるので、サーキットブレーカ４０および電圧トリップコイル５０への影響が緩和され、サーキットブレーカ４０の繰り返し使用を可能にするとともに、電圧トリップコイル５０の損傷を緩和することができる。

（第４の実施形態）
図５は、第４の実施形態による回路遮断器の構成を示す図である。図５を参照すると、本実施形態の回路遮断器は、ヒューズ３０、サーキットブレーカ４０、電圧トリップコイル５０、Ａ接点スイッチ６０、スイッチ駆動部７０、および遅延機構８０を有している。

図５を参照すると、本実施形態の回路遮断器は、図４の回路遮断器に対してＡ接点スイッチ６０とスイッチ駆動部７０が追加されている。Ａ接点スイッチ６０は、ヒューズ３０と遅延機構８０の間に介挿されている。スイッチ駆動部７０は、ヒューズ３０の溶断を検知してＡ接点スイッチ６０を閉状態にする。

本実施形態の構成によれば、ヒューズ３０が溶断する前はＡ接点スイッチ６０が開状態であるため、電圧トリップコイル５０に電圧が印加されない。負荷２０に過電流事故または短絡事故が発生し、ヒューズ３０が溶断するとスイッチ駆動部７０がＡ接点スイッチ６０を閉状態にする。Ａ接点スイッチ６０が閉状態となると、遅延機構８０による遅延を経て電圧トリップコイル５０に電圧が印加され、サーキットブレーカ４０の主接点４０Ａ，４０Ｂがトリップし、直流電源１０の正負両極と負荷２０の間が遮断される。

以上説明したように、本実施形態によれば、繰り返し遮断が可能な遮断容量以下でサーキットブレーカ４０のトリップ動作を行わせ、また電圧トリップコイル５０への印加電圧を最大定格電圧以下に抑えることができる。

１０ 直流電源
２０ 負荷
３０ ヒューズ
４０ サーキットブレーカ
４００Ａ 主接点
４０Ａ、４０Ｂ 主接点
５０ 電圧トリップコイル
６０ Ａ接点スイッチ
７０ スイッチ駆動部
８０ 遅延機構
８０Ａ 抵抗
８０Ｂ コンデンサ

Claims (6)

1. 電源から負荷に給電するための給電回路に配置される回路遮断器であって、
   前記電源と前記負荷の間に介挿されたヒューズと、
   前記電源の少なくとも片端を遮断するサーキットブレーカと、
   前記ヒューズの溶断により電圧が印加されると、前記サーキットブレーカに遮断動作を実施させる電圧トリップコイルと、
   前記電圧トリップコイルへ印加される電圧の伝播を遅延させる遅延手段と、
   を有する回路遮断器。
2. 前記遅延手段は、前記ヒューズからの電圧信号を遅延させて前記電圧トリップコイルに印加する、請求項１に記載の回路遮断器。
3. 前記ヒューズと前記遅延手段の間に介挿されたスイッチと、
   前記ヒューズの溶断を検知すると、前記スイッチを閉状態にするスイッチ駆動手段と、を更に有し、
   前記遅延手段は、前記スイッチが閉状態のときの前記ヒューズからの前記電圧信号を遅延させて前記電圧トリップコイルに印加する、
   請求項２に記載の回路遮断器。
4. 前記遅延手段は、前記ヒューズの両端と直接的あるいは間接的に接続され、前記ヒューズの両端の電位差による電圧信号を遅延させて前記電圧トリップコイルに印加する、請求項２または３に記載の回路遮断器。
5. 前記遅延手段は、
   前記電圧トリップコイルと直列に、該電圧トリップコイルの片端に接続された抵抗と、
   前記電圧トリップコイルに並列に接続されたコンデンサと、
   を有する、請求項４に記載の回路遮断器。
6. 前記サーキットブレーカは、前記電源の両端をそれぞれ遮断する、互いに連動する２つの主接点を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の回路遮断器。

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