JP2608552B2 - 地絡遮断器 - Google Patents

地絡遮断器

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は漏電遮断器とも呼ばれる地絡遮断器（GFCI）
に関する。特に、異なるさまざまな種類のGFCIに応用可
能な改良に関する。
地絡遮断器は２本もしくはそれよりも多い電線を流れ
る電流の正味零値からの逸脱を検出してこれらの電線に
電力を供給する回路を開く装置である。このような不平
衡は通常回路内の１本もしくは数本の電線が大地との第
２の接続を確率して、問題とする電線の中の１本以外の
径路を介して電源に幾分電流を戻すことができることを
意味する。代表的に感知装置はトロイダル変圧器であ
り、その１次側は１もしくは数ターンの電線でありその
中で不平衡を感知する。代表的に数百ターンである２次
コイルは電流の不平衡に応答して出力を発生する。
米国で入手可能な地絡遮断器のもう一つの特徴は地絡
中性線検出手段である。中性地絡の検出は通常ある種の
静止発振器により行われる。これはGFCIよりも下流の位
置で中性線が地絡する場合を除きオフとされる正帰還を
示す回路である。このような地絡が中性線に生じると、
発振が累積されて信号を発生しそれは電流不平衡信号と
同様に処理されて回路への給電を遮断する。
いくつかの国々では検出されたある最小値よりも低い
平衡電流に応答しないような回路を必要とする基準を有
している。これにより線路上の電気ノイズにより生じる
誤トリツプに対する識別ウインドが設けられる。GFCIは
最小電流を所定期間検出した時にトリツプしなければな
らない。電流が増大する程トリツプ時間は速くなる。GF
CIの動作のこれら及びその他の局面については、参照と
してここに組み入れている米国特許第4,263,637号及び
米国特許第4,542,432号に長々と記載されている。
前記特許及び出願から、GFCIの動作は電子回路の動作
に依存することが判る。次に、電子回路は動作のための
電力を必要とする。代表的に、電力は保護された線路か
ら引き出される。短絡や重過負荷により線電圧が低下し
て電子回路の動作電圧が低下すると、GFCIの動作に問題
が生じる。国によつては、GFCIの最小作動線電圧を規定
するのに標準を適用しているところもある。この種の代
表的な標準では、220V回路の電圧が公称値の20％すなわ
ち44Vに低下した時にGFCIの信頼度の高い動作を要求し
ている。代表的に、220V装置は公称動作電圧の20％の範
囲内で作動するように設計する必要があることを思い出
していただきたい。これは、このようなGFCIが176Vから
264Vまでの遥かに広範な電圧範囲にわたつて作動しなけ
ればならないことを意味する。このような作動範囲によ
りGFCIの設計に極端な要求がなされることになる。
発明の要約 改良型地絡遮断器（GFCI）を提供することが本発明の
目的である。
GFCIに故障電力トリツプ信号を与えることも本発明の
目的である。
GFCIが短絡に応答して低減された動作電圧で作動でき
るように地絡遮断器に改良を加えることも本発明の目的
である。
GFCIの動作を補う故障電力トリツプ回路を提供するこ
とも本発明の目的である。
これら及びその他の目的は本発明の詳細説明により明
白となる。
地絡遮断器には付加電流感知素子が設けられており、
それは交流回路の電力線を流れる電流の正味値に応答す
る。巻線はそれ自体の強磁性鉄心上に巻回するかもしく
はGFCI内の不平衡を感知するために使用する鉄心上の独
立巻線として配置することができる。後者の場合、巻線
は通常主感知巻線から電気的に絶縁される。電力線内の
電流の不平衡によりコンデンサを充電するように、付加
コイルが整流ダイオード及びコンデンサに接続される。
このようにしてコンデンサの両端間に生じる電圧は地絡
遮断器のトリツプ機構を作動させるのに使用される。こ
のようにして付加巻線内に得られる故障電力信号によ
り、GFCIの残りに対する動作電圧をその動作を防止する
ような値まで低減するような重故障電流が存在するにも
かかわらずGFCIが作動可能とされる。
図面の簡単な説明 第１図は本発明を実施した回路の全体ブロツク図、 第2a図は第１図のセンサの他の接続法の回路図、 第2b図は第１図のセンサの他の第２の接続法の回路
図、 第2c図は第１図のセンサの他の第３の接続法の回路
図、 第2d図は第１図のセンサの他の第４の接続法の回路
図、 第３図は本発明を実施した回路の詳細回路図である。
実施例の詳細説明 第１図は本発明を実施した回路のブロック図である。
第１図において、電源10が線14を介して負荷12に接続さ
れている。第１図は３相モータ等の負荷に対する三相電
源の代表的接続を表わす３線14を示している。これは多
くの実施例の一つを表わし、それらは全て本発明を実施
するのに使用することができる。このようにして、線14
は接地の無い三相負荷に対する電流キヤリアを表わす。
これらは接地のある三相負荷の４線を表わすことができ
る。これらは非接地単相負荷の２線を表わすことがで
き、あるいは接地線を有する単相負荷の３線を表わすこ
ともできる。これらの任意の可能性を等しく本発明の実
施に適応することができる。
電線14はコイル20が２次側である変圧器18の１ターン
１次側を構成する強磁性鉄心16を貫通している。変圧器
18は電線14内を流れる電流の不平衡がある場合のみコイ
ル20の両端間に電圧を生じる。このような不平衡は変圧
器16の負荷側に地絡が生じて、変圧器18を貫通しない径
路を介して電源10に幾分電流が戻つていること示す。こ
のような感知は多くの地絡遮断器を表徴している。
変圧器18は電線14内の電流の不平衡に応答して信号を
発生する過電流感知回路22に接続されている。過電流感
知回路22の出力はリレー駆動回路24に取り出されて接点
26を開く。負荷12内側の回路を制御して負荷12への電力
を遮断する他に、パワー・ツ・トリップインジケータ28
をも遮断する。また、接点26は第１図に示す接点26位置
に対応する位置で電線14を遮断することができる。比較
的大きい負荷に対しては、負荷12内に故障トリップ機構
を設けるのが一般的である。
第１図の回路の作動電力は制御源30から到来するよう
に示されている。第１図において、制御源30は電源10か
ら独立しているが、制御源30を達成する一つの方法は電
源10の変圧器もしくはその一つの位相とすることができ
るのは明白である。第１図において、制御源30からの電
力はコンタクタ26及び鉄心16及び電線32を通つてトリツ
プインジケータ28へ供給される。ここで、電線32は負荷
12にも接続されている。これは必ずしも必要ではない
が、大きい負荷への電力を制御するコンタクタの作動電
力を供給するために一般に行われる。
制御源30からの電力は常閉スイツチであるスイツチ34
を通つて直流給電36へも通される。スイツチ34は故障も
しくはテスト後にトリツプインジケータ28をリセツトす
るリセツトスイツチである。直流給電36は過電流感知回
路22へ接続されて作動電圧を供給する。制御源30からの
電力はまた、スイツチ34を介してトリツプインジケータ
28及び負荷12に接続され故障をシミユレートして回路の
動作をテストする手段を提供するテスト回路38にも取り
出される。
第１図に示す素子はいくつかの地絡遮断器を表徴して
いる。本発明は電線14を密閉する強磁性鉄心16上のコイ
ル44からなる変圧器を付加する。コイル44はこのように
して電線32とリンクされる。これは設計上の選択の問題
である。独立鉄心42上にコイル44を設けて独立変圧器40
を構成することも同等に実行可能である。変圧器18及び
40は負荷12へ電力を運ぶ電線14のみを密閉することがで
き、独立したGFCIにより電線32を保護したり地絡故障に
対する保護なしに作動させることができる。他のいくつ
かの構成を第２図に示す。第2a図において、単相回路の
２本の電線14が独立変圧器18及び40により保護され、変
圧器40の方が電源に近い。第2b図において、電線14は非
接地三相系統もしくは接地単相系統とすることができ、
変圧器18の方が電源に近い。第2c図において、電線14は
接地三相系統を表わし、変圧器40は静止発振器に信号を
与えるようにある距離だけ変圧器18の下流に配置されて
いる。第2d図において、接地単相回路の電線14は別々の
変圧器16及び42に接続されており、さらに静止発振器回
路の一部として排他的に機能する第３の変圧器45にも接
続されている。電線14は変圧器40の１次側を構成してい
る。
第１図において、コイル44はダイオード46（第３図を
参照）を介して過電流感知回路22へ接続されている。変
圧器40により検出される不平衡信号により、本発明の特
徴である異なるレベルにおける動作が行われる。
第３図は第１図の回路の詳細回路図である。第３図に
おいて、説明する第１の素子は前記したものを含むいく
つかの地絡遮断器の素子である。次に説明する特定回路
は米国特許第4,542,432号“地絡検出回路”に開示され
ているものである。このようにして、第３図において、
コイル20にはコンデンサ62及びダイオード64及び66が並
列接続されている。ダイオード64及び66は反対極性とさ
れ、コイル20両端間に生じる電圧量を制限する。コンデ
ンサ62はダイオード64及び66に加わる電圧ピークを低減
する。
コイル20はコンデンサ68及び抵抗器70,72を介して増
幅器74に接続されている。コイル20の固有インダクタン
スがコンデンサ69の容量及び抵抗器70,72の抵抗と結合
して特許出願第412,454号に示されているような直列RLC
回路を形成する。コンデンサ78と並列に可調整抵抗器76
が接続されていて増幅器74に負帰還を行う。
増幅器74の出力は抵抗器80を介して集積回路82の負入
力端子に加えられる。集積回路82の正端子への入力がコ
イル20の一方側から取り出される。抵抗器84、コンデン
サ86及びコンデンサ65は集積回路82の周りの負帰還及び
不要信号の濾波を行う。
第３図の回路の正規動作は変圧器18内の不平衡電流を
検出することからなつている。結果として生じる信号が
演算増幅器74及び集積回路82から導線88を介して取り出
されSCR90をトリガーする。過電流感知回路22及びリレ
ードライブ回路24の電力は制御源30からスイツチ34、す
なわちリセツトスイツチ、を介して直流給電36へ取り出
される。これは、整流器ブリツジ94の両端間に接続され
たMOV92を含んでいる。整流器94からの電力はダイオー
ド96へ取り出され、コンデンサ98により濾波される。整
流器ブリツジ94の整流された出力はSCR100を介して印加
され常時励起リレーコイル102を駆動する。励起された
リレーコイル102の接点26は負荷12に電力を供給する。S
CR100は交流線電圧の半サイクルごとに抵抗器106及び10
8を流れる電流によりトリガされる。トリガ信号は比較
的一定の直流値であるコンデンサ98両端間の濾波された
電圧から引き出される。濾波されないブリツジ94の整流
された出力は、スイツチ34が閉成して制御源30から電力
を加える時は常に、SCR100とリレーコイル102の直列結
合の両端間に加えられる。充分な大きさの故障が加わる
と、SCR90がオンとされ次の半サイクル中にSCR100のタ
ーンオンを抑止する。コンデンサ67はSCR90の入力を濾
波してノイズ信号による誤トリツプを防止する。スナバ
ダイオード104がリレーコイル102両端間に配置され、SC
R100を流れる電流を遮断した時に比較的高い電圧が生じ
るのを防止する。
コンデンサ98の両端間の濾波された直流電圧が導線11
0上に取り出され、演算増幅器74、カスタム増幅器、レ
ベル検出器集積回路82へ動作電圧を供給する。これはい
くつかの方法で行うことができる。ここに示す方法は抵
抗器112及び発光ダイオード（LED）114を介して動作電
圧を加える方法である。回路がオンであることを示すイ
ンジケータとして機能するLED114の故障時に、演算増幅
器74及び集積回路82へ電流を供給することによりバイパ
ス抵抗器116が回路を作動させる。直流電圧を特別に濾
波するために、図示するように、さらに濾波コンデンサ
118を使用することができる。
テスト回路38は抵抗器122を介して電線32の１本に接
続された常開スイツチ120を有している。これは、変圧
器18を流れる電流に不平衡を生じてリレーコイル102と
回路を開かせることにより第３図の回路の動作をテスト
する。回路がトリップされていない場合には、電力が抵
抗器123及びLED124を流れて回路がオンであるという可
視表示を得る。LED124がオフである場合には、回路はト
リツプされている。ダイオード126がLED124の両端間に
配置され、その逆電圧を許容値に保持する。
繰り返すと、第３図のGFCIの正規動作には演算増幅器
74及び集積回路82を介して接続されているコイル20に信
号を生じてSCR90をトリツプさせリレーコイル102への電
力を除去することが含まれる。コイル20は回路の他の要
素と共に、指定された不平衡に応答してトリツプ信号を
発生するようなサイズとされている。しかしながら、電
流の不平衡に制御源30の電圧を低減させる短絡が関連す
る場合には、演算増幅器74及び集積回路82は低減電圧に
より非作動とすることができる。これが、本発明の改良
が効力を表わす点である。変圧器40がコイル44の両端間
に信号を生じ、それはダイオード46により整流されてSC
R90のゲートに直接加えられる。SCR90及び100を共にト
リガして比較的低いアノード電圧で導通させることがで
きる。一度このようになると、故障時における第３図の
回路の機能の唯一の制約は、整流器ブリツジ94がSCR90
に充分な電流を供給してリレーコイル102を消勢し接点2
6を開くことである。変圧器40から供給される信号は演
算増幅器74及び集積回路82をバイパスして直接SCR90を
作動させるため、その効果は故障電力トリツプと呼ぶの
が適切である。
このような効果は他の方法でも達成できることが明白
である。例えば、コイル44はダイオード46を介してゲー
トSCR100へ接続してそれをトリガすることができる。ま
た、コイル44をダイオード46を介してダイオード104の
両端間に直結し、リレーコイル102を変圧器40からのエ
ネルギにより排他的に給電することができる。リレーコ
イル102の動作によりラツチされたリレーがアンラツチ
され常閉接点26を開くことができる。前記動作モードを
組み合せてコイル44を第３図に示すようなSCR100のトリ
ガーに使用し且つリレーコイル102を直接駆動するよう
に接続することができる。このような組合せにより広範
な地絡故障がカバーされ、且つ広範な短絡にわたつて作
動して線電圧を低下させることができる。いずれにせ
よ、欧州標準に合致する実施例は第３図に示すものであ
る。米国及びカナダの標準に合致するのは、第３図の実
施例に第2c図及び第2d図の静止発振器用帰還コイルを付
加したものである。
第３図の回路を実際に組み立ててテストを行つた。素
子の値を第１図〜第３図の素子番号により表に示す。 表 第１図〜第３図の素子の値 抵 抗 器 コンデンサ 62 0.02 70 1K 65 0.001 72 1K 67 10 76 1M 68 10 80 27K 78 0.001 84 68K 86 0.0022 112 12K,1 W 98 0.22 116 1K 118 6.8 122 24K 1/2W 変 圧 器 16 フエライトトロイダルコア 42 フエライトトロイダルコア 20 変圧器コイル ， 1400ターン 44 変圧器コイル ， 250ターン ダイオード 46 1 N 4 0 0 4 64 1 N 4 0 0 4 66 1 N 4 0 0 4 114 発光ダイオード 124 発光ダイオード 126 1 N 4 0 0 4 そ の 他 74 汎用演算増幅器 82 アナログカスタムI C ; 演算増幅器、レベル検出器及びシャフト抵 抗器を含む 90 シリコン制御整流器 92 金属酸化物バリスタ 94 シリコンブリツジ整流器 100 シリコン制御整流器 102 トリツプコイル
フロントページの続き (72)発明者 レインス，ケネス ジェイ アメリカ合衆国 33703 フロリダ州セ ント ピーターズバーグ，エヌ．イー. フィフティス アベニュー 1451 (56)参考文献 米国特許4205358（ＵＳ，Ａ)

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】地絡発生時に電源（10）から負荷（12）へ
    の電気的エネルギの供給を遮断する地絡遮断器におい
    て、 前記電源（10）と負荷（12）間で電力を運ぶ電気導体
    （14）に磁気的に接続された第１のコイル（20）より成
    り、該導体（14）内の電流の不平衡を検出する第１の感
    知手段（20）と； 第１の感知手段（20）に接続され第１の感知手段（20）
    からの信号に応答して負荷（12）への電力を遮断する電
    子回路（22）と； 第２のコイル（44）より成る第２の感知手段（44）とか
    ら成り、 前記第２のコイル（44）は磁気的に前記導体（14）に接
    続され前記負荷（12）への電源（10）内の地絡に応答
    し、前記第２の感知手段（44）は地絡により供給される
    電力を前記電子回路（22）へ供給出来、前記電子回路
    （22）への減じられた供給電圧の有無にかかわらず前記
    電子回路（22）を動作させることを特徴とする地絡遮断
    器。
  2. 【請求項２】前記第１の感知手段（20）は負荷（12）へ
    電流を運ぶ導体（14）を密閉する強磁性材の鉄心（16）
    と前記鉄心（16）上に巻回され鉄心（16）中を通る交流
    電流の不平衡に応答して信号を発生する第１のコイル
    （20）とを具備し、第２の感知手段（44）は前記鉄心
    （16）上に巻回され且つ第１のコイル（20）から電気的
    に絶縁された第２のコイル（44）を具備する事を特徴と
    する請求の範囲第１項による地絡遮断器。
  3. 【請求項３】前記第１の感知手段（20）は常時負荷（1
    2）へ電流を運ぶ全導体（14）を密閉するように配置さ
    れた第１の強磁性鉄心（16）と；前記第１の鉄心（16）
    上に巻回され前記第１の鉄心（16）に磁気結合された第
    １のコイル（20）を具備し、第２の感知手段（44）は負
    荷電流に磁気結合された第２の鉄心（42）及び前記第２
    の鉄心（42）上に巻回され前記第２の鉄心（42）と磁気
    結合された第２のコイル（44）を具備する事を特徴とす
    る請求の範囲第１項による地絡遮断器。
  4. 【請求項４】更に、第１の感知手段（20）からある距離
    だけ離れて負荷電流を密閉するように配置された第３の
    強磁性鉄心と； 前記第３の鉄心上に巻回されて前記第３の鉄心と磁気結
    合され、電子回路（22）に接続されて中性点接地時に正
    帰還を行うようにされている第３のコイルとを具備する
    事を特徴とする請求の範囲第３項による地絡遮断器。
  5. 【請求項５】更に、制御電源（30）と； 前記制御電源（30）及び電子回路（22）に接続され電子
    回路（22）に直流電力を供給する直流給電（36）と； 前記電子回路（22）及び複数個の接点（26）に接続され
    負荷（12）への交流電力を遮断するリレー駆動回路（2
    4）と を具備する事を特徴とする請求の範囲第１項による地絡
    遮断器。
  6. 【請求項６】更に、地絡故障が検出されて電力が遮断さ
    れたことを示すトリップインジケータ（28）を具備する
    事を特徴とする請求の範囲第５項による地絡遮断器。
  7. 【請求項７】更に、地絡故障をシミュレートして回路を
    テストする装置（38）を具備する事を特徴とする請求の
    範囲第５項による地絡遮断器。
  8. 【請求項８】更に、電気エネルギーの電源（10）及び負
    荷（12）間に直列に接点（26）を動作し、リレーコイル
    （102）の付勢により動作可能なリレー（26,102）と； 前記第１の感知手段（20）に応答し、該第１の感知手段
    （20）が電流の不平衡を検出する場合に前記リレーコイ
    ル（102）を消勢する電子回路（22）と； 前記リレーコイル（102）を流れる電流を制御する第１
    のサイリスタ（100）と； 導通状態にある時、前記第１のサイリスタ（100）の消
    勢状態に接続される第２のサイリスタ（90）であって、
    該第２のサイリスタ（90）は前記第２のコイル（44）に
    接続された制御素子を有し、前記第２のコイル（44）及
    び前記第２のサイリスタ（90）の制御素子間を流れる電
    流により導通状態に駆動できるものとを更に有し、前記
    電子回路（22）への供給電圧を減ずる大きな地絡によ
    り、前記リレー（26,102）を消勢し、前記電源（10）か
    ら前記負荷（12）への電気エネルギーの供給を遮断する
    ように、前記第２のコイル（44）から前記第２のサイリ
    スタ（90）へ電流を供給する事を特徴とする請求の範囲
    第１項による地絡遮断器。
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