JP3869013B2

JP3869013B2 - 回路保護装置

Info

Publication number: JP3869013B2
Application number: JP52070997A
Authority: JP
Inventors: ダフィー，ヒュー; チアン，ジャスティン; ミッドグレイ，ジョン; トーマス，ブライアン
Original assignee: Raychem Corp
Current assignee: Raychem Corp
Priority date: 1995-11-28
Filing date: 1996-11-25
Publication date: 2007-01-17
Anticipated expiration: 2016-11-25
Also published as: KR19990071718A; EP0864191A1; CN1207831A; US5745322A; WO1997020372A1; JP2000501277A; CN1068987C

Description

本発明は電気回路の保護に関する。漏電遮断器（ＧＦＩ）は、電気回路からアースへの漏れがあるときに生じる有害な効果からの保護を提供するために幅広く使用されている。ＧＦＩはある１つの回路における２つの異なる位置での電流の流れを比較し、もし、例えば上記２つの位置間の地絡（又は漏電）の結果として、予め決められた値以上異なれば、上記回路を遮断する。しかしながら、ＧＦＩは、例えば、負荷内の短絡から生じる過電流、又は雷、静電放電、関連する負荷の切り替わり等から生じる過電圧などの電流の不均衡を結果として生じさせないフォールトからは保護しない。
我々は、地絡からの保護の提供に加え、電気回路における過電流及び／又は過電圧の保護を提供する装置におけるＧＦＩの使用を研究している。本発明によれば、非常に有効な過電流及び過電圧保護システムがＧＦＩを用いて生成されることができることを発見した。本発明のある実施形態において、過電流の保護は、ＧＦＩのラインパスと直列に接続された第１の制御素子と、上記第１の制御素子と上記ＧＦＩのラインパスとの組み合わせと並列に接続された第１のバイパス素子とを接続することによって提供される。通常の電流状況では、電流の流れは第１のバイパス素子を介してほとんど流れないか、又は全く流れない。しかしながら、過電流がそのようなシステムを流れるとき、第１の制御素子の両端の電圧が増加し、第１のバイパス素子を伝送する電流を増加させ、これによって、ＧＦＩにおける電流の不均衡を発生させ、ＧＦＩを作動させる。
本発明の別の実施形態において、過電圧及び／又は過電流の保護は、第１のバイパス素子を、１）ＧＦＩのラインパス入力部からＧＦＩの変圧器を介してＧＦＩの帰還パス出力部に、２）ＧＦＩのラインパス入力部からＧＦＩの帰還パス入力部に、３）ＧＦＩのラインパス出力部からＧＦＩの変圧器を介してＧＦＩの帰還パス入力部に、又は４）ＧＦＩのラインパス出力部からＧＦＩの帰還パス出力部に、接続することによって提供される。通常の状況下では、電流の流れが第１のバイパス素子を介してほとんど流れないか、又は全く流れない。しかしながら、過電圧又は過電流が上記システムに現れるとき、増加された電流が第１のバイパス素子を流れ、ＧＦＩにおける電流の不均衡を発生させ、ＧＦＩを作動させる。
従って、本発明によれば、一般に入手可能なＧＦＩ装置は、地絡からの保護に加えて、電気回路、装置及びシステムにおける統合された過電流及び／又は過電圧の保護を提供するために使用されてもよい。ＧＦＩによって提供されるそのような保護は、以前は独立した保護システムによってそのような回路に提供されていた過電流及び／又は過電圧の保護を追加し又は置きかえてもよい。この発明は、例えば個々の顧客装置をサポートする壁のコンセントから工業用電力システムまでの幅広い範囲の多くのアプリケーションにおける利点のために使用されることができる。
好ましい実施態様において、本発明は、電源と電気的負荷の間に接続されて電流伝送ラインと帰還ラインとを有する動作回路を形成し、そのように接続されるとき、上記動作回路を（Ａ）地絡と（Ｂ）過電流及び／又は過電圧から保護することができる電気的保護システムを提供し、上記システムは、
ａ．そのように接続されるとき、上記回路における通常の電流Ｉ_NORMALの流れを許容する通常の状態、又は上記回路においてＩ_NORMALと比較して実質的に小さい減少された電流の流れを許容するフォールト状態（故障又は障害）を選択することができる回路遮断素子と、
ｂ．比較素子とを備え、上記比較素子は、上記システムがそのように接続されるとき、
（１）（ａ）ライン検出入力部とライン検出出力部との間のライン検出点での上記回路の電流伝送ラインにおける電流Ｉ_LINEのレベルを検出するライン検出コンポーネントと、
（ｂ）帰還検出入力部と帰還検出出力部との間の帰還検出点での上記回路の帰還ラインにおける電流Ｉ_RETURNのレベルを検出する帰還検出コンポーネントと、
（ｃ）オプションで、パススルーラインにおけるパススルー検出点での電流Ｉ_PASSTHRUのレベルを検出するパススルー検出コンポーネントとを備え、
（２）Ｉ_LINEと、Ｉ_RETURNと、Ｉ_PASSTHRUのレベルを比較することによって正味の有効電流Ｉ_COMPARISONを決定し、もしＩ_COMPARISONが予め決められた電流の不均衡値Ｉ_IMBALANCEに比較して小さい値からＩ_IMBALANCEと比較して等しい又は大きい値に増加するとき、上記回路遮断素子をその通常の状態からそのフォールト状態に変更し、
ｃ．第１のバイパス素子を備え、上記第１のバイパス素子は、上記システムがそのように接続されるとき、上記第１のバイパス素子を流れる電流Ｉ_BYPASSを有し、上記回路が過電流及び／又は過電圧のときに、上記第１のバイパス素子は変化して、Ｉ_COMPARISONをＩ_IMBALANCEに比較して等しく又は大きくなるように増加させ、これによって上記比較素子に対して上記回路遮断素子をその通常の状態からそのフォールト状態に変更させる。
別の好ましい態様においては、本発明は、電源と、負荷と、電流伝送ラインと、帰還ラインと、電気回路を（Ａ）地絡と（Ｂ）過電流及び／又は過電圧から保護する電気保護システムとを備えた上記電気回路を提供し、上記システムは、
ａ．そのように接続されるとき、上記回路における通常の電流Ｉ_NORMALの流れを許容する通常の状態、又は上記回路においてＩ_NORMALと比較して実質的に小さい減少された電流の流れを許容するフォールト状態を選択することができる回路遮断素子と、
ｂ．比較素子とを備え、上記比較素子は、上記システムがそのように接続されるとき、
（１）（ａ）ライン検出入力部とライン検出出力部との間のライン検出点での上記回路の電流伝送ラインにおける電流Ｉ_LINEのレベルを検出するライン検出コンポーネントと、
（ｂ）帰還検出入力部と帰還検出出力部との間の帰還検出点での上記回路の帰還ラインにおける電流Ｉ_RETURNのレベルを検出する帰還検出コンポーネントと、
（ｃ）オプションで、パススルーラインにおけるパススルー検出点での電流Ｉ_PASSTHRUのレベルを検出するパススルー検出コンポーネントとを備え、
（２）Ｉ_LINEと、Ｉ_RETURNと、Ｉ_PASSTHRUのレベルを比較することによって正味の有効電流Ｉ_COMPARISONを決定し、もしＩ_COMPARISONが予め決められた電流の不均衡値Ｉ_IMBALANCEに比較して小さい値からＩ_IMBALANCEと比較して大きい値に増加するとき、上記回路遮断素子をその通常の状態からそのフォールト状態に変更し、
ｃ．第１のバイパス素子を備え、上記第１のバイパス素子は、上記システムがそのように接続されるとき、上記第１のバイパス素子を流れる電流Ｉ_BYPASSを有し、上記回路が過電流及び／又は過電圧のときに、上記第１のバイパス素子は変化して、Ｉ_COMPARISONをＩ_IMBALANCEに比較して大きくなるように増加させ、これによって上記比較素子に対して上記回路遮断素子をその通常の状態からそのフォールト状態に変更させる。
“地絡”という用語は、この明細書においては、ＧＦＩのような比較素子の外部回路におけるフォールト状態であって、比較素子の一方の検出ラインにおいて、比較素子の他方の検出ラインでの等しくかつ反対方向の電流によってマッチングされていない電流を流れさせるような、任意のフォールト状態を示す。“比較素子の外部回路において”という用語は、この明細書においては、上記比較素子のライン検出出力部と上記比較素子の帰還検出入力部との間の回路における任意の点を参照するために使用される。
本発明の保護システムは、ＧＦＩ又は他の比較素子によって提供される通常の地絡遮断の保護に加えて、過電流の保護及び過電圧の保護の両方を提供するように形成される。それらはまた、地絡遮断の保護に加えて過電流又は過電圧の保護のいずれかを提供するように形成されてもよい。
本発明は、（Ａ）地絡と、（Ｂ）電気回路における過電流及び／又は過電圧の保護を提供する回路保護システムを提供する。容易な理解のために、詳細な説明と図面は、地絡の保護に加えて、過電流の保護又は過電圧の保護のいずれかを提供するが、両方は提供しないシステムに関する。しかしながら、このように説明される上記システムは、地絡の保護に加えて、過電流の保護及び過電圧の保護の両方を提供するように容易に組み合わされることができる。
本発明の利点の１つは、それが、幅広く入手可能なＧＦＩ装置又はそのような装置の簡単な変形例を使用できることである。それゆえ、発明の詳細な説明では、比較素子の機能を実行するＧＦＩ回路がしばしば参照される。しかしながら、本発明は、画成された機能特性を提供する任意の比較素子を使用することができることを理解されるべきである。
上記比較素子を“作動させる”（つまり、それをその通常の状態からそのフォールト状態に変更させる）予め決められた電流の不均衡値Ｉ_IMBALANCEは好ましくは、典型的なＧＦＩ仕様を表す５乃至２０ミリアンペアの範囲での固定値である。しかしながら、もし地絡に対する大きい又は小さい感度が指定されれば、Ｉ_IMBALANCEのより低い値又はより高い値を使用することができる。
上記比較素子は、通常、単一の固定値のＩ_IMBALANCEを有するが、比較素子がＩ_IMBALANCEの値をある１つの予め決められた値から別の値に変更する手段を含むことは可能である。
詳細後述されるように、ＧＦＩを作動させるＩ_IMBALANCEのレベルが予め決められた値である一方で、本発明の幾つかの実施形態では、（過電流又は過電圧ではない状況において）ＧＦＩを作動させる地絡の漏れ電流のレベルは本発明において任意で使用される他のコンポーネントの存在によって変更される可能性がある。
ＧＦＩは一般的に、（ｉ）１次ライン巻線と、（ｉｉ）対応する１次帰還ライン巻線と、（ｉｉｉ）レベル検出回路に接続される２次巻線とを備えた変圧器リングを備え、さらに、ＧＦＩをテストするときに変圧器を通して使用される独立したテストワイヤを備える。そのようなＧＦＩが本発明において使用されるとき、上記１次ライン巻線は上記回路の上記ラインの一部として形成され、それが上記変圧器リングを通過するようにライン検出点を提供し、上記１次帰還ライン巻線は上記回路の帰還ラインの一部分として形成され、それが変圧器リングを通過するように帰還検出点を提供する。本発明の上記システムがパススルーラインを含むとき、上記独立したテストワイヤはパススルーラインとして使用され、それが上記変圧器リングを通過するようにパススルー検出点を提供する。パススルーラインがないときは、上記独立したテストワイヤは使用されず、上記システムの動作に影響を与えない。上記変圧器リングと上記１次ライン巻線は共に、ライン検出コンポーネントを提供し、上記変圧器リングと上記１次帰還ライン巻線は共に、上記帰還検出コンポーネントを提供する。パススルーラインが使用されるとき、上記変圧器リングと上記独立したテストワイヤは共に、パススルー検出コンポーネントを提供する。ＧＦＩにおける上記変圧器リングと、上記２次巻線と、レベル検出回路とは、比較素子を提供する。正味の有効電流Ｉ_COMPARISONは、１次ライン巻線と、１次帰還ライン巻線と、もし使用されると独立したテストワイヤとにおける電流の寄与から変圧器リングによって検出される正味の電流である。２次巻線ではＩ _COMPARISON に比例する電流が発生され、レベル検出回路によって検出され、上記２次巻線における電流が、Ｉ_COMPARISONがＩ_IMBALANCEと比較して小さい値からＩ_IMBALANCEと比較して大きい値に増加することを示すとき、ＧＦＩリレーにエネルギーが印加され（又はエネルギーが遮断され）、負荷を回路から切り離す。
従来のＧＦＩは、もし所望されれば、パススルーラインが２回又はそれ以上の回数だけ変圧器リングを通過し、Ｉ_BYPASSの効果の増幅を得るように、変更されることが可能である。
過電流の保護を提供する本発明の第１の実施形態において、上記システムの第１のバイパス素子は単一のバイパスコンポーネントを含み、このバイパスコンポーネントは、ライン検出点と帰還検出点の両方ではなくいずれか一方を迂回する（またぐ）ように接続される。そのようなバイパスコンポーネントは、ここでは第１のバイパスコンポーネントとして参照される。パススルー検出を使用しないこの実施形態において、第１の制御素子は、第１のバイパスコンポーネントによって迂回されている動作回路のライン(又は帰還ライン)内に直列に接続される。そのような制御素子はここでは第１の制御素子として参照される。この実施形態において、第１の制御素子は、上記動作回路が過電流のとき、それの両端の電圧Ｖ_{FIRST-CONTROL}が増加し、従って、上記第１のバイパスコンポーネントの両端の電圧Ｖ_FIRST-BYPASSの増加と、結果として生じる第１のバイパスコンポーネントを介する電流Ｉ_FIRST-BYPASSの増加を生じる。
本発明の第１の実施形態は、直列抵抗器（Ｒ_S）を備えた第１の制御素子と、バイパス抵抗器（Ｒ_B）を備えた第１のバイパスコンポーネントを使用することができ、上記２つの抵抗器の抵抗値は、次式の関係を有し、
Ｒ_B＝Ｒ_S×（Ｉ_TRIP／Ｉ_IMBALANCE）
ここで、Ｉ_TRIPは、ＧＦＩが過電流からの保護を提供するために作動する回路（即ち、負荷）における電流であり、上述されたように、Ｉ_IMBALANCEは、ＧＦＩを作動させるときの電流の不均衡値である。この関係は、ＧＦＩ（における変流器）の両端の無視できる電圧降下を仮定する。
この装置は、過電流からの保護を提供するが、それは通常の回路動作時のＧＦＩにおいて何らかの電流不均衡を生じるので、それはまた、ＧＦＩを作動させる地絡電流における何らかの変化を生じる。例えば、もしＧＦＩ回路が５ｍＡの電流の不均衡値Ｉ_IMBALANCEで作動し、Ｒ_B／Ｒ_Sの比の値が２０００であれば、上述の式から、上記装置は２０００×５ｍＡ又は１０アンペアの回路電流Ｉ_TRIPで作動する。しかしながら、もし、例えば回路における電流が５アンペアであれば、Ｒ_Bの電流が２．５ｍＡであり、ライン検出点と帰還検出点との間のほんの２．５ｍＡの漏電によってＧＦＩ回路を作動させる。
本発明によって必要とされるコンポーネントの存在に起因して、ＧＦＩを作動させる地絡電流にいかなる変化が生じるとしても、その変化の範囲を除去させるか又は減少させるために、１）第１の制御素子が電流の非線形関数のインピーダンスを有すること、及び／又は２）第１のバイパスコンポーネントが電圧の非線形関数のインピーダンスを有することがしばしば好まれる。
本願と共通の譲受人に譲渡された同時係属中の米国特許出願シリアル番号第６０／００３，７３３号（事件番号ＭＰ１５５９−ＵＳ１）は、電流の非線形関数であるインピーダンスを有する正の温度係数（ＰＴＣ）装置のような第１の制御素子とともに設けられたＧＦＩを使用し、高い過電流のときの回路保護システムにおいて特に有益な過電流保護回路を開示する。この発明の第１の実施形態の好ましい一例は、電圧の非線形関数であるインピーダンスを有する並列コンポーネントとともに設けられたＧＦＩを備える。
（ＧＦＩにおける対応した電流の不均衡値Ｉ_GFIを生じる）第１のバイパスコンポーネントを介する電流Ｉ_FIRST-BYPASSは、ラインにおける電流Ｉ_LINEが、ＧＦＩを作動させる上記電流Ｉ_FIRST-TRIPに近接するまで低い値を保持する。このことは、第１のバイパスコンポーネントが、通常の動作のときは上記回路の電気特性に対していかなる実質的な影響も持たないが、過電流には素早く反応するということを保証することは好ましい。従って、Ｉ_LINEが０．９０×Ｉ_FIRST-TRIPであるとき、特にＩ_LINEが０．９５×Ｉ_FIRST-TRIPであるとき、さらに特に、Ｉ_LINEが０．９９×Ｉ_FIRST-TRIPであるとき、Ｉ_FIRST-BYPASSは、好ましくは．１０×Ｉ_IMBALANCEと比較して小さい。より良い性能は、Ｉ_LINEが０．９５×Ｉ_FIRST-TRIPである場合に、特に、Ｉ_LINEが０．９９×Ｉ_FIRST-TRIPである場合において、Ｉ_FIRST-BYPASSが０．０１×Ｉ_IMBALANCEと比較して小さいとき、特に０．００１×Ｉ_IMBALANCEと比較して小さいときに生じる。
上述されたように、好ましくは、第１のバイパスコンポーネント及び／又は第１の制御素子は非線形特性を有し、この非線形特性によれば、上記バイパス素子を流れる電流は、特定の値を越えたＩ _LINE の増加に応じて、対応する非線形的な変化を受ける。このことは、幾つかの手段のうちの１つ又は組み合わせの使用によって達成されることができる。これらの手段は次のものを含むが、それらに限定されるものではない。
ａ）第１の制御素子は直列抵抗器を備え、第１のバイパスコンポーネントはダイオードを備える。上記回路における電流は上記直列抵抗器の両端に電圧を生じ、上記電圧は上記ダイオードに印加される。上記電圧が上記ダイオードの順方向電圧を越えるとき、上記ダイオードは導通する。ＧＦＩ回路が正弦波電流の正の半サイクルと負の半サイクルのうちの１つで作動するように設定されるので、２つのダイオードを用いてもよく、ここで、２つのダイオードは、並列に接続されかつそれらのそれぞれの極性が反転されている。
ｂ）第１の制御素子は直列抵抗器を備え、第１のバイパスコンポーネントは、“背中合わせに”、つまり、陽極と陽極、陰極と陰極となるように直列に接続された２つのツェナーダイオードを備える。電圧が上記ダイオードのツェナー降伏電圧を越えるとき、上記ツェナーダイオードは導通する。
ｃ）第１の制御素子は直列抵抗器を備え、第１のバイパスコンポーネントはバリスタを備える。上記回路の電流は直列抵抗器の両端に電圧を生じ、上記電圧は上記バリスタに印加される。電圧が上記バリスタのスイッチング電圧を越えるとき、上記バリスタは導通する。
ｄ）第１の制御素子はインダクタを備え、第１のバイパスコンポーネントはバイパス抵抗器を備える。上記インダクタのインピーダンスは、電流の急速な増加に応じて増加し、これによって、増加した電圧を上記バイパス抵抗器に印加し、不均衡な電流を上記バイパス抵抗器を介して流れさせる。この組み合わせは、上記インダクタが上記電流の遅い増加レートから生じる過電流には応答しないという限界を有する。
ｅ）第１の制御素子は直列抵抗器を備え、第１のバイパスコンポーネントはコンデンサを備える。回路電流の急激な変化は、上記直列抵抗器の両端の電圧の急激な変化を生じる。上記コンデンサのインピーダンスは、急激に変化する電圧に応じて減少し、インピーダンスの電流を上記コンデンサを介して流れさせる。この組み合わせはまた、それが電流の遅い増加レートから生じる過電流には応答しないという限界を有する。
ｆ）第１の制御素子は半導体スイッチング装置を備え、第１のバイパスコンポーネントはバイパス抵抗器を備え、上記スイッチング装置は、上記回路の電流が予め決められたレベルを越えるとき、上記電流のレベルを検出し、電流を上記バイパス抵抗器に迂回させるように構成される。
ｇ）第１の制御素子はＰＴＣ装置を備え、第１のバイパスコンポーネントはバイパス抵抗器を備える。上記回路の過電流は、ＰＴＣ装置を加熱し、その抵抗値を増加させ、これによって、電流を上記バイパス抵抗器に迂回させる。
上記第１のバイパスコンポーネントに抵抗器を含まない上述させた手段においては、例えば負荷の短絡から生じる非常に大きな過電流が、上記第１のバイパスコンポーネントを備えた装置にダメージを与える可能性がある。それゆえ、第１のバイパスコンポーネントはまた、上述された装置に直列に接続された電流制限抵抗器を備えることが好ましい。
本発明の第２の実施形態は、非常に高い過電流に対する特定の保護策で、過電流からの付加的な保護を提供する。本発明の第２の実施形態は、上記第１の制御素子と上記第１のバイパス素子と共通の入力部と直列に接続された第２の制御素子と、第２のバイパス素子が上記第２の制御素子と上記第１のバイパス素子の両方を迂回するように接続された上記第２のバイパス素子とを備える。この実施形態において、上記第２の制御素子は、回路電流が通常のときには、非常に低いインピーダンスを有し、かつ、もし動作回路が例えば短絡のような非常に高い過電流の状況に置かれればすぐに非常に高いインピーダンスに変化するように選択される。上記第２の制御素子のインピーダンスが高くなるとき、電流は第２のバイパスを介して迂回され、これによって、上記比較素子における電流の不均衡を生じる。
過電圧からの保護を提供する本発明の第３の実施形態において、上記システムの第１のバイパス素子は再度、単一のバイパスコンポーネントを備えるが、それは、（１）ライン検出入力部と帰還検出入力部との間に接続され、（２）ライン検出出力部と帰還検出出力部との間に接続され、（３）ライン検出入力部と帰還検出出力部との間に接続され、パススルーラインを備え、又は（４）ライン検出出力部と帰還検出入力部との間に接続され、パススルーラインを備える。そのようなバイパスコンポーネントは、ここでは第２のバイパスコンポーネントとして参照される。本発明のこの第３の実施形態において、第２のバイパスコンポーネントは、動作回路が過電圧のときに、それを流れる電流Ｉ_{SECOND-BYPASS}が増加するように選択される。
本発明の第３の実施形態において、過電圧からの保護のためにＧＦＩを使用するためと、上記ＧＦＩの地絡遮断性能を実質的に変化させないようにするために、上記第２のバイパスコンポーネントが、電圧の非線形関数であるインピーダンスを有することが好ましい。この実施形態において、それゆえ、上記第２のバイパスコンポーネントを流れる電流Ｉ_{SECOND-BYPASS}が、上記回路の両端の電圧Ｖ_CIRCUITが電圧Ｖ_SECOND-TRIPに近接するまで、低いままで保持されることが好ましく、ここで、Ｖ_SECOND-TRIPは、Ｉ_{SECOND-BYPASS}を上記ＧＦＩを作動させる値ＩIMBALANCEに増加させる電圧である。このことは、第２のバイパスコンポーネントが通常の動作状況下では上記回路の電気特性に対していかなる実質的な影響も持たないが、過電圧にはすぐに反応することを保証するために好ましい。従って、Ｖ_CIRCUITが０．９０×Ｖ_SECOND-TRIPであるとき、特にＶ_CIRCUITが０．９５×Ｖ_SECOND-TRIPであるとき、さらに特に、Ｖ_CIRCUITが０．９９×Ｖ_SECOND-TRIPであるときに、Ｉ_{SECOND-BYPASS}は、好ましくは０．１０×ＩIMBALANCEと比較して小さい。より良い性能は、Ｖ_CIRCUITが０．９５×Ｖ_SECOND-TRIPである場合、特に、Ｖ_CIRCUITが０．９９×Ｖ_SECOND-TRIPである場合において、Ｉ_{SECOND-BYPASS}が０．０１×ＩIMBALANCEと比較して小さいとき、特に０．００１×ＩIMBALANCEと比較して小さいときに生じる。
上述されたように、好ましくは第２のバイパスコンポーネントは、上記第１のバイパス素子を介する電流が、特定の値以上のＶ_CIRCUITにおける増加に応答して対応する非線形な変化を受けるような非線形特性を有する。上記第２のバイパスコンポーネントは、例えば、バリスタ、ダイオード、ツェナーダイオード、気体放電管、又は火花ギャップ装置のような電圧フォールドバック又はクランプ装置を備える。
過電流（又は不足電流）からの保護を提供する本発明の第４の実施形態において、上記システムの第１のバイパス素子は第２のバイパスコンポーネントを備え、上記第２のバイパスコンポーネントは、（１）上記ライン検出入力部と上記帰還検出入力部との間に接続され、（２）上記ライン検出出力部と上記帰還検出出力部との間に接続され、（３）上記ライン検出入力部と上記帰還検出出力部との間に接続され、パススルーラインを備え、又は（４）上記ライン検出出力部と上記帰還検出入力部との間に接続され、パススルーラインを備える。しかしながら、この第４の実施形態において、上記第２のバイパスコンポーネントはスイッチング装置を備え、上記システムは、上記動作回路のライン（又は帰還ライン）と接続された第１の制御素子を備える。上記第１の制御素子は電流応答コンポーネントであり、上記スイッチング装置と接続される。上記電流応答コンポーネントは、Ｉ_LINEが通常値のときは上記電流応答コンポーネントが上記スイッチング装置を開の状態で保持し、Ｉ_LINEが予め決められたＩ_SECOND-TRIP値を越えるとき上記電流応答装置が上記スイッチング装置を閉の状態に変更するように、選択される。
上述された本発明の第１、第２及び第３の実施形態に関して記述されたように、第１のバイパス素子及び第１の制御素子の少なくとも１つを備えたコンポーネントは好ましくは、上記第１のバイパス素子を介する電流が上記回路における過電流及び／又は過電圧に応答して非線形的な変化を受けるような、非線形特性を有する。本発明の第４の実施形態において、第２のバイパスコンポーネントは、スイッチング装置の使用によって好ましい非線形性を達成する。そのようなスイッチング装置は、非線形的応答を生じる第１、第２及び第３の実施形態の好ましい装置のような、例えば、リレー及びソリッドステートスイッチング装置のような電気装置を含んでもよい。
本発明の第５の実施形態は、例えば短絡の場合におけるような非常に高い過電流に対して特に、過電流からの付加的な保護を提供する。本発明の第５の実施形態は、第２の制御素子と第２のバイパス素子とを備え、第２の制御素子は、比較素子のライン側に直列に接続され、第２のバイパス素子は、当該第２のバイパス素子が上記第２の制御素子と上記比較素子のライン側とを迂回するように接続される。第２の制御素子と第２のバイパス素子の機能は、上述された本発明の第２の実施形態のそれぞれに対応する素子の機能と同一である。第２の制御素子と第２のバイパス素子を含むことの１つの目的は、負荷での短絡から生じるような、非常に高い過電流から第１の制御素子を保護することである。
本発明の第６の実施形態は過電圧からの保護を提供する。本発明の第６の実施形態は、ライン側と帰還側の間に負荷に並列に接続された第１の制御素子を備える。本発明の第４の実施形態と同様であり、上記第１のバイパス素子は第２のバイパスコンポーネントを備え、上記第２のバイパスコンポーネントは、（１）ライン検出入力部と帰還検出入力部との間に接続され、（２）ライン検出出力部と帰還検出出力部との間に接続され、（３）ライン検出入力部と帰還検出出力部との間に接続され、パススルーラインを備え、又は（４）ライン検出出力部と帰還検出入力部との間に接続され、パススルーラインを備える。第４の実施形態のように、第２のバイパスコンポーネントはスイッチング装置を備える。第１の制御素子は電圧応答コンポーネントであり、上記スイッチング装置に接続される。上記電圧応答コンポーネントは、負荷の両端の電圧Ｖ_LOADが通常の値のときは、上記電圧応答装置によって上記スイッチング装置を開の状態で保持し、負荷の両端の電圧が予め決められた値Ｖ_SECOND-TRIPを越えるとき、上記電圧応答装置によって上記スイッチング装置を閉の状態に切り替えるように選択される。
従来のＧＦＩ装置を含む従来技術の回路は、図１において示される。後述の図面における回路の説明を単純化するために、ＧＦＩ装置を備えたコンポーネントは、第１の接点１４と第２の接点１６を除いて、点線の内部で示され、ＧＦＩ回路として参照され、全体的な参照符号１０を与えられる。従来のＧＦＩ装置において、ライン８の電流と帰還ライン６の電流は、ＧＦＩ変圧器２８の２つの１次巻線３２及び３４において反対方向に流れる。もしライン８の電流と帰還ライン６の電流が等しければ、ＧＦＩ変圧器２８において生じる磁場はゼロであり、２次巻線２６における誘導電流は本質的にゼロである。もしライン８の電流と帰還ライン６の電流が等しくなければ、例えば、ライン８からアース１２への地絡の場合では、不均衡な電流によってＧＦＩ変圧器２８において磁場が生じる。電流の不均衡が第１の確立されたしきい値を越えるとき、ＧＦＩ変圧器２８において生じる磁場によって、２次巻線２６における誘導電流は第２の確立されたしきい値を越える。検出回路２２は、２次巻線２６における誘導電流が第２の確立されたしきい値を越えたことを判定し、
ラッチリレー１８にエネルギーを印加する（又はアクティブ状態にあるリレーのエネルギーを遮断する）。ラッチリレー１８がエネルギーを印加されるとき、通常の閉の状態の接点１４及び接点１６は開の状態にされ、これによって、負荷４に印加される電力を除去する。接点１４及び接点１６は、それらが手動で閉位置にリセットされるまで開の状態を保持する。
漏電遮断器の一種において、ＧＦＩを作動させるために必要とされるライン８の電流と帰還ライン６の電流間の不均衡度は典型的には５ミリアンペア（ｍＡ）である。ＡＣアプリケーションのためのＧＦＩ回路の典型的な実施形態においては、検出回路２２は、例えば、一方の半サイクル間においてコンデンサを充電してそのコンデンサが他方の半サイクル間において放電することを可能にすることによって、正又は負の半サイクルのいずれかの間だけの電流の不均衡性を検出することができる。製造プロセスにおける変化性のために、高価なテストなしに、どの半サイクルの間で特定のＧＦＩ装置が電流の不均衡レベルを検出するかを予測することは不可能かもしれない。
図２は、それぞれの入力部及び出力部を有するＧＦＩ回路１０を示す。ここで説明されるように、ＧＦＩ回路１０は、ラインパス入力部１１とラインパス出力部１３を備えたラインパス２１を有する。ＧＦＩ回路１０はまた、帰還パス入力部１７と帰還パス出力部１５とを備えた帰還パス２３を有する。電力はラインパス入力部１１と帰還パス出力部１５とにわたって供給され、負荷はラインパス出力部１３と帰還パス入力部１７とを介して接続される。ラインパス２１は、ライン８における電流レベルを検出するＧＦＩ回路１０の一部分を示し、帰還パス２３は、帰還ライン６における電流レベルを検出するＧＦＩ回路１０の一部分を示す。
図３は、この発明の回路保護システムの第１の実施形態の回路１００の動作素子を図示したブロック図を示し、その実施形態は過電流の保護を提供する。これらの動作素子は、保護システムを構成する電気的コンポーネントによって実行される機能を表す。電源１０２は電力を上記回路に供給し、負荷１１２は上記回路の目的となる機能を実行する。第１の制御素子１０４と、第１のバイパス素子１０６と、比較素子１１４と、遮断素子１０８とは、協働して過電流の保護を提供するように機能する。過電流の状況において、第１の制御素子１０４は、電流を第１のバイパス１０６に迂回させ、これによって、比較素子１１４によって検出されるべき（ラインの電流と帰還ラインの電流との間の）不均衡を生成する。第１のバイパス素子１０６に迂回された電流が確立されたしきい値に達するとき、比較素子１１４は遮断素子１０８と通信して、遮断素子１０８によって負荷１１２に迂回される電流の流れを減少又は停止させる。図２におけるＧＦＩ回路１０の説明と同様に、比較素子１１４は、ライン検出入力部１１１とライン検出出力部１１３とを備えたライン検出素子１２１と、帰還検出入力部１１７と帰還検出出力部１１５とを備えた帰還検出素子１２３とを有する。
ここで説明されるように、ライン検出入力部１１１とライン検出出力部１１３との間のライン検出素子１２１内に設けられた点であって、ここではライン検出点として参照される１つの点が存在し、帰還検出入力部１１１と帰還検出出力部１１３との間の帰還検出素子１２１内に設けられた１つの点であって、ここでは帰還検出点として参照される１つの点が存在する。
図４における回路は、第１の直列抵抗器（Ｒ_S）４２と第２のバイパス抵抗器（Ｒ_P）４４とを使用した本発明の第１の実施形態の少なくとも好ましい一例である。この回路４０は過電流の保護を提供するが、ＧＦＩを作動させる地絡電流における変化を伴う。ＧＦＩ回路１０が作動するときの電流の不均衡は、Ｒ_S４２とＲ_P４４の値を選択することによって正確に設定することができる。上述されたように、例えば、もしＧＦＩ回路１０が５ｍＡの電流の不均衡で作動し、Ｒ_P／Ｒ_Sの比の値が２０００であれば、上記システムは、２０００×５ｍＡ又は１０アンペアの回路電流で作動する。しかしながら、もし、例えば、上記回路の通常の電流が５ｍＡであれば、Ｒ_P４４の電流は２．５ｍＡであり、ライン８の２．５ｍＡの漏電がＧＦＩ回路１０を作動させる。
本発明に係るＧＦＩ回路保護システムの第１の実施形態の好ましい一例は、図５において示される。回路５０においては、直列抵抗器５２は電源２とＧＦＩ回路１０のラインパス入力部１１との間のラインに直列に接続される。第１のダイオード５４と第２のダイオード５６は、直列抵抗器５２とＧＦＩ回路１０のラインパス２１の直列の組み合わせと、並列に接続される。第１のダイオード５４と第２のダイオード５６は、ＧＦＩ回路１０が電流の不均衡を検出する間の特定の半サイクルの不確定性を考慮するように、それらのそれぞれの極性が反転されて接続される。図５の回路の残りの説明においては、ＧＦＩ回路１０は正の半サイクル間の電流の不均衡を検出し、第１のダイオード５４は装置における動作ダイオードである。直列抵抗器５２は非常に小さい抵抗値を有し、上記非常に小さい抵抗値は、直列抵抗器５２に印加される電圧が第１のダイオード５４の順方向の電圧と比較して小さいときには、非常に小さい電流が第１のダイオード５４を介して流れ、ライン８と帰還ライン６との間の非常に小さい電流の不均衡が存在するように選択される。直列抵抗器５２に印加される電圧は第１のダイオード５４の順方向の電圧に達し、第１のダイオードは導通し、ＧＦＩ回路１０が作動し、接点１４及び接点１６を開の状態にする。例えば、０．０５Ωの抵抗値を有する直列抵抗器５２と０．５ボルトの順方向の電圧を有する第１のダイオード５４に対して、ＧＦＩ回路１０は、もし回路１０の電流が１０アンペアに達すれば、作動する。ツェナーダイオード、バリスタ、トランジスタ又は他のソリッドステート装置のような、同様の非線形特性を有する他のコンポーネントが、第１のダイオード５４と第２のダイオード５６の代わりに使用されることができる。
上述の説明において、図３及び図５を再度参照すると、第１の制御素子１０４と、それが備えた直列抵抗器５２は、比較素子１１４とは別個に設けられるように示されている。第１の制御素子１０４、よって上記回路における直列抵抗器５２の機能は、上記回路における電流を表す電圧を第１のバイパス素子１０６に印加することである。もちろん、第１の制御素子１０４の機能は、例えば、比較素子１１４内にある抵抗器のような同様のコンポーネントによって達成されてもよい。さらに、第１の制御素子１０４と第１のバイパス素子１０６、即ち、直列抵抗器５２とダイオード５４及びダイオード５６を備えたコンポーネントはそれぞれ、ＧＦＩ回路１０のラインパス２１の周囲に配列されることが示される。本発明によれば、第１の制御素子１０４と第１のバイパス素子１０６は、ＧＦＩ回路１０の帰還パス２３の周囲に同様に配置される。しかしながら、実際上は、ＧＦＩ回路１０の帰還ライン６のラインよりもむしろ電流伝送ライン８に接続することが好ましい。
上述された本発明に係るＧＦＩ回路保護システムの第１の実施形態の好ましい一例は、例えば、通常の回路電流の数倍までのオーダーの過電流である、あまり大きくはない過電流からの保護を必要とするアプリケーションに非常に適している。しかしながら、非常に大きい過電流からの保護に対しては、例えば、負荷の短絡のために、ある状況下では、ＧＦＩの接点１４及び接点１６を開の状態にする前に、ダイオード５４及び／又はダイオード５６、又は第１のバイパス素子１０６の他の非線形装置を介する非常に大きい電流を引き出す可能性や、ダイオード５４及び／又はダイオード５６、又は第１のバイパス素子１０６の他の非線形装置を故障させてしまう可能性がある。それゆえ、図６に示されるように、ダイオード５４及び／又はダイオード５６、又は他の非線形装置と直列に接続された電流制限抵抗器５８を加えることが好ましい。
図７は、本発明の回路保護システムの第２の実施形態の動作素子を備えた回路１１０を図示したブロック図を示し、上記第２の実施形態は過電流の保護を提供する。この第２の実施形態における動作素子は、図３に図示される第１の実施形態の動作素子を含み、遮断素子１０８と第１の制御素子１０４との間に接続される第２の制御素子１１６と、第２の制御素子１１６と第１のバイパス素子１０６とを迂回する第２のバイパス素子１１８とである付加的な動作素子を有する。第２の制御素子１１６と第２のバイパス素子１１８の目的は、例えば短絡、特に、負荷がまだ短絡されている間に比較素子１１４が１回又はそれ以上の回数リセットされるかもしれない状況における、非常に高い過電流に対して付加的な保護を提供することである。
この実施形態において、第２の制御装置１１６は、回路の電流が通常量であるときには非常に低いインピーダンスを有し、非常に高い過電流に応答して非常に高いインピーダンスに変化するように、選択される。第２の制御装置１１６のインピーダンスが高くなっているときには、電流は第２のバイパス素子１１８を介して迂回され、電流の不均衡を生じ、上記電流の不均衡は比較素子１１４によって検出される。
本発明に係るＧＦＩ回路保護システムの第２の実施形態の一例は、図８に示される。回路５０における電気的コンポーネントは図６の回路４０において示されるすべてのコンポーネントを含み、３つの付加的なコンポーネントを有する。正の温度係数（positive temperature coefficient；ＰＴＣ）装置６２は、直列抵抗器５２と電流制限抵抗器５８との共通の接続点の前においてライン内に接続される。第２のバイパス抵抗器６４は、ＰＴＣ装置６２の入力側から、反転された極性のダイオード５４及びダイオード５６とＧＦＩ１０のライン側の出力部１３とを並列接続した共通の接続点に接続される。
図８の回路５０において示されるコンポーネントの動作は、図６において示されたコンポーネントの動作のために上述されたものと同一である。ＰＴＣ装置６２と第２のバイパス抵抗器６４の目的は、例えば負荷４での短絡のような非常に高い過電流から付加的に保護することである。ＰＴＣ装置６２と第２のバイパス抵抗器６４の動作は、米国特許出願シリアル番号第６０／００３，７３３号（事件番号ＭＰ１５５９−ＵＳ１）において説明されている。通常の回路動作の状況下では、ＰＴＣ装置６２の抵抗値は非常に低く、第２のバイパス抵抗器の抵抗値はＰＴＣ装置６２の抵抗値よりかなり高い。それゆえ、回路の電流はＰＴＣ装置６４を介して負荷４に流れる。しかしながら、過電流の場合では、ＰＴＣ装置６２の抵抗値は実質的に増加し、ＰＴＣ装置６２の抵抗値の第２のバイパス抵抗器６４の抵抗値に対する比の値は、電流が第２のバイパス抵抗器を介して迂回してＧＦＩ回路１０において電流の不均衡を生じるような値になる。ＰＴＣ装置６２と並列に接続されたバリスタ６６は、ＰＴＣ装置６２の両端の電圧のスパイク（spike）の大きさを制限する。ここで、上記電圧のスパイクは、ＰＴＣ装置６２の抵抗値が増加しかつ、上記回路における誘導的な負荷４及び／又は誘導的なコンポーネントが存在するときの電流の急激な変化から生じるものである。
選択されるコンポーネントの値は、直列の抵抗器５２とダイオード５４及び５６とが通常の回路電流の数倍又はそれ以上の過電流でＧＦＩ回路１０を作動させるものであってもよく、ＰＴＣ装置６２と第２のバイパス抵抗器は、非常に高い過電流だけでＧＦＩ回路１０を作動させるものであってもよい。ある一例の回路において、次の値を有するコンポーネントが使用された。０．５Ωの直列抵抗器５２と、１０Ωの電流制限抵抗器５８と、８．２ＫΩの第２のバイパス抵抗器６４と、順方向の電圧０．５ボルトのダイオード５４及びダイオード５６と、２アンペアで高いインピーダンス状態になるＰＴＣ装置６２とが使用された。０．５Ωの直列抵抗器５２と、０．５ボルトで導通するダイオード５４及びダイオード５６とを用いたとき、ＧＦＩ回路１０は１アンペアで作動する。短絡の場合では、ダイオード５４及びダイオード５６を介する電流は、電流制限抵抗器５８によって約１０アンペアに制限されるが、しかしながら、ＧＦＩ回路を介する電流は約１５０アンペアとすることも可能である。しかしながら、ＰＴＣ装置６２は素早く作動し、第２のバイパス抵抗器６４を介して電流を迂回させ、これによって、米国特許出願シリアル番号第６０／００３，７３３（事件番号ＭＰ１５５９−ＵＳ１）において説明されるように、上記処理におけるフォールト電流を制限する。短絡のような継続するフォールトがありかつ、ＧＦＩ装置６２が上昇された温度にあり、即ちその高い抵抗値の状態であるときに、ＧＦＩ回路１０が手動でリセットされる場合においては、電流が第２のバイパス抵抗器６４を介して迂回させられることを継続し、回路１０を作動させ続けることに注意されたい。
図９は、本発明の回路保護システムの第３の実施形態の動作素子を図示するブロック図を示し、上記実施形態は、過電圧の保護を提供する。図９の図面は、第１の制御素子１０４が存在しない点で図３の図とは異なり、第１のバイパス素子１０６は、比較素子１１４’のライン検出入力部１１１と帰還検出入力部１１７の間に接続されることが示されている。また、比較素子１１４’はパススルー検出部１２５を備えるように示される。過電圧の状況において、バイパス素子１０６は電流を流し、これによって、比較素子１１４’によって検出されるべき電流の不均衡を生じる。電流の不均衡が確立されたしきい値に達するとき、比較素子１１４’は遮断素子１０８と通信し、遮断素子１０８によって負荷１１２に伝送される電流の流れを減少又は停止させる。図９は、比較素子１１４’のライン検出入力部１１１と帰還検出入力部１１７の間に接続された第１のバイパス素子１０６を示す。上記システムは、比較素子１１４’のライン検出入力部１１１と帰還検出入力部１１７との間、又は比較素子１１４’のライン検出出力部１１３と帰還検出出力部１１５との間に接続された第１のバイパス素子１０６を用いて、過電圧の保護を提供する。さらに、上記システムは、比較素子１１４’のライン検出入力部１１１と帰還検出出力部１１５との間、又は比較素子１１４’のライン検出出力部１１３と帰還検出入力部１１７との間に接続された第１のバイパス素子１０６を用いて、過電圧の保護を提供し、いずれの場合にも、上記第１のバイパス素子はパススルー検出部１２５を備える。パススルー検出部１２５の機能は、図１０及び図１１ａ乃至図１１ｄを参照して以下で説明される。
本発明に係るＧＦＩ回路保護システムの第３の実施形態の一例は、図１０において示される。回路６０において、バリスタ７４は、ＧＦＩ回路１０’のラインパス入力部１１と帰還パス入力部１７の間に接続される。通常の回路電圧では、バリスタ７４は微量の電流を導通する。過電圧が生じるとき、バリスタ７４は導通し始め、これによって、ＧＦＩ回路１０’における不均衡を生じる。電流の不均衡が、もし、例えば５ｍＡである作動レベルに達すれば、ＧＦＩ回路１０’は作動し、接点１４及び接点１６を開の状態にする。上述されたように、このシステムは、バリスタ７４、つまり、４つの装置のうちの１つに接続された第１のバイパス素子１０６を用いて過電圧の保護を提供する。図１１ａ、図１１ｂ、図１１ｃ、及び図１１ｄは、４つの装置を示す回路図である。図１１ａ乃至図１１ｄの回路図において示されるコンポーネントのための参照番号は、図１及び図１０の回路図において示された対応するコンポーネントのための参照番号と同一の参照番号である。ＧＦＩ変圧器２８は、１次巻線３２及び２４がＧＦＩ変圧器２８を通過するように、リングとして示される。２次巻線２６はＧＦＩ変圧器２８に巻きつけられるように示される。バリスタ７４は、１）図１１ａでは、ラインパス入力部１１と帰還パス出力部１５の間、２）図１１ｂでは、ラインパス入力部１１と帰還パス入力部１７の間、３）図１１ｃでは、ラインパス出力部１３と帰還パス入力部１７の間、及び４）図１１ｄでは、ラインパス出力部１３と帰還パス出力部１５の間のような構成で接続されるように示される。図８ａ及び図８ｃにおいて、バリスタ７４の接続は、ＧＦＩ変圧器２８を通過するように示される。このことは、電流がバリスタ７４を介して流れるときに、２次巻線２６によって電流の不均衡を検出させるために必要である。図１１ａ及び図１１ｂにおいて示されるバリスタ８４の接続は、このために、ＧＦＩ１０’では分離したテストワイヤを使用してもよい。図９と図１０を再度参照すると、比較素子１１４’におけるパススルー検出１２５とＧＦＩ回路１０’におけるパススルーパス２５とは、ＧＦＩ変圧器２８を通過する接続を表す。
図１１ａ乃至図１１ｄにおいて示される接続は、ＧＦＩ回路１０’において検出される電流の不均衡を生じるために必要な接続を示す。さらに、例えば、図１１ｂ及び図１１ｄにおいて、バリスタ７４の接続はまた、変圧器２８を通過して、さらにＧＦＩ回路１０’における電流の不均衡を増幅してもよい。また、すべての４つの例において、バリスタ７４の接続は、１回又はそれ以上の回数で変圧器２８に巻きつけられ、電流の不均衡の付加的な増幅を得てもよい。
バリスタ、ダイオード、ツェナーダイオード、火花ギャップ装置、トライアック、又は同様の特性を有する他の装置のような非線形装置は、これらの回路において第１のバイパス素子１０６として使用されることが好ましい。
本発明のＧＦＩ過電圧保護システムは、本発明のＧＦＩ過電流保護システムと組み合わされて、電気回路において過電流及び過電圧の両方の保護を提供してもよい。本発明のＧＦＩ過電圧保護システムはまた、本願と共通の譲受人に譲渡された同時係属中の米国特許出願シリアル番号第６０／００３，７３３号（事件番号ＭＰ１５５９−ＵＳ１）に開示されたＧＦＩ過電流保護システムと組み合わされて、過電流及び過電圧からの両方の保護を提供してもよい。
図１１ａ乃至図１１ｄにおいて示される回路装置において、バリスタ７４は、通常の動作状況下では開の状態にされ、かつ過電圧の検出時には閉の状態になるスイッチとして機能する。バリスタ７４が過電圧時に切り替わる一方で、上記バリスタが、過電流状況の検出によって活性化されるスイッチング装置と置き換えられても、同様の装置は過電流の保護を提供することができる。
図１２は、本発明の回路保護システムの第４の実施形態の動作素子を図示するブロック図を示し、上記実施形態は過電流の保護を提供し、上記実施形態においては、図１０の過電圧保護回路６０におけるバリスタ７４が、過電流状況の検出によって活性化されるべきスイッチング装置によって置き換えられる。図１２のブロック図は、図９のブロック図には含まれない第１の制御素子１０４を含む。第１の制御素子１０４は、比較素子１１４’のライン検出出力部１１３と負荷１１２の間にあるように示される。しかしながら、上記制御素子はまた、電源１０２と比較素子１１４’のライン検出入力部１１１との間に置かれてもよく、好ましくは遮断素子１０８とライン検出入力部１１１との間に置かれてもよい。第１の制御素子１０４はまた、帰還ラインの同様の位置に置かれてもよいが、しかしながら、帰還ラインにおいて電圧降下を生じる、帰還ラインのコンポーネントを置かないことは好ましい。第１のバイパス素子１０６は、比較素子１１４’のライン検出入力部１１１と帰還検出入力部１１７との間に接続されるように示される。第１のバイパス素子１０６は通常の動作中には電流を流さない。過電流の状況において、第１の制御素子１０４は過電流を検出し、第１のバイパス素子１０６と通信し、第１のバイパス素子１０６に電流を流させ、これによって、比較素子１１４’によって検出されるべき電流の不均衡を生成する。比較素子１１４’は遮断素子１０８と通信し、遮断素子１０８によって負荷１１２に伝送される電流の流れを減少又は停止させる。図９は、比較素子１１４’のライン検出入力部１１１と帰還検出入力部１１７の間に接続された第１のバイパス素子１０６を示す。図６を参照して上述したように、上記システムは、比較素子１１４’のライン検出入力部１１１と帰還検出入力部１１７の間、又は比較素子１１４’のライン検出出力部１１３と帰還検出出力部１１５の間に接続される第１のバイパス素子１０６を用いて、回路の保護を提供する。さらに、上記システムは、比較素子１１４’のライン検出入力部１１１と帰還検出出力部１１５の間、又は比較素子１１４’のライン検出出力部１１３と帰還検出入力部１１３の間に接続される第１のバイパス素子１０６を用いて、回路の保護を提供し、いずれの場合にも、第１のバイパス素子１０６は比較素子１１４’のパススルー検出１２５を介して接続される。
図１３において示される回路装置は、本発明に係るＧＦＩ保護システムの第４の実施形態の一例である。回路８０において、ライン８における電流レベルは、電流検出リレーコイル８２のような電流検出装置によって検出される。過電流の場合には、電流検出リレーコイル８２は電流を流し、１組のリレー接点９４を閉の状態にする。抵抗器９６によって制限される結果として生じた不均衡な電流によって、ＧＦＩ回路１０’は作動し、接点１４及び接点１６を開の状態にする。電流検出リレーコイル８２とリレー接点９４は、ソリッドステート電流検出及びスイッチング装置によって置きかえられてもよい。
図１３において、抵抗器９６とリレー接点９４とを含む組み合わせは、ＧＦＩ回路１０’のラインパス入力部１１から帰還パス入力部１７に接続されるように示される。図１４ａ、図１４ｂ、図１４ｃ、及び図１４ｄは、図１１ａ乃至図１１ｄにおいて示された上記バリスタ装置と同様の回路を図示した回路図である。抵抗器９６とリレー接点９４の組み合わせは、１）図１４ａにおいて、ラインパス入力部１１と帰還パス出力部１５との間、２）図１４ｂにおいて、ラインパス入力部１１と帰還パス入力部１７との間、図１４ｃにおいて、ラインパス出力部１３と帰還パス入力部１７との間、及び４）図１４ｄにおいて、ラインパス出力部１３と帰還パス出力部１５との間で接続されてもよい。図１４ａ及び図１４ｃにおいて、上記接続はＧＦＩ変圧器２８を通過するように示される。過電圧保護回路６０におけるバリスタ７４の接続を参照して上述されたように、図１４ａ乃至図１４ｄにおいて図示されるすべての接続は、オプションで変圧器２８を通過させてもよいし、及び／又は変圧器２８に１回又はそれ以上の回数だけ巻きつけでＧＦＩ回路１０’における電流の不均衡を増幅してもよい。
図１２を再度参照すると、帰還ライン６における電圧効果を結果として生じる帰還ライン６にコンポーネントを含まないことは好ましい実施例であるが、電流検出リレーコイル８２はライン８又は帰還ライン６に直列に設けてもよい。電流検出リレーコイル８２は好ましくは、ＧＦＩ回路１０’のラインパス入力部１３と負荷４の間に設けられ、しかしながら、それはまた、電源２とＧＦＩ回路１０’のラインパス入力部１１の間に設けられてもよく、好ましくは、第１の１組の接点１４とラインパス入力部１１の間に設けられてもよい。
本発明のこの第４の実施形態はまた、不足電流状況において回路の保護を提供するために使用されることが可能である。例えば、回路の電流が作動レベルより上の値から作動レベルより下の値に減少したとき、第１の制御素子１０４は、第１のバイパス素子１０６をトリガするように設定されてもよい。
図１５は、本発明の回路保護システムの第５の実施形態の動作素子を図示するブロック図を示し、上記実施形態は過電流の保護を提供する。図１５において図示される複数の素子は、図７において示された本発明の第２の実施形態に関して前述された第２の制御素子１１６と第２のバイパス素子１１８とに加え、図１２の第４の実施形態において示されるすべての素子を含む。従って、第１の制御素子１０４と第１のバイパス素子１０６は、適度な過電流からの保護を提供するように機能し、一方、第２の制御素子１１６と第２のバイパス素子１１８は、例えば、短絡のような非常に高い過電流からの保護を提供する。
図１６に示される回路装置は、本発明に係るＧＦＩ保護システムの第５の実施形態の一例である。この回路８０は、図８に関して前述された付加的なコンポーネント、即ち、ＰＴＣ装置６２と、第２のバイパス抵抗器６４と、ＰＴＣ装置６２に並列に接続されたバリスタ６６とに加え、図１３の回路７０において示される複数のコンポーネントを備える。回路８０に含まれるコンポーネントの動作は、図８及び図１３に関してそれぞれのコンポーネントに対して説明されたものと同一である。
図１７は、本発明の回路保護システムの第６の実施形態の動作素子を図示したブロック図を示し、上記実施形態は過電圧の保護を提供する。ほとんどの点で、この第６の実施形態の動作は、上述された第４の実施形態と同様である。それゆえ、両者間の相違点だけを説明する。上述された第４の実施形態においては、第１の制御素子１０４は電流検出リレー８２のような電流検出装置を備え、上記回路のライン８（又は帰還ライン６）において接続されるのに対し、第６の実施形態においては、第１の制御素子１０４はライン８と帰還ライン６の間に接続される電圧検出装置を備える。もし第１の制御素子１０４が過電圧を検出すれば、第１の制御素子１０４は第１のバイパス素子１０６と通信し、第１のバイパス素子１０６によって電流を流させ、これによって、比較素子１１４’によって検出されるべき電流の不均衡を生成する。
図１８において示される回路装置は、本発明に係るＧＦＩ保護システムの第６の実施形態の一例である。回路９０において、ライン８と帰還ライン６の間の電圧の差は電圧検出リレーコイル８３のような電圧検出装置によって検出される。過電圧の場合では、電圧検出リレーコイル８３は電流を流し、１組のリレー接点９４を閉の状態にする。抵抗器９６によって制限される結果として生じる不均衡の電流によって、ＧＦＩ回路１０’は作動して接点１４及び接点１６を開の状態にする。電圧検出リレーコイル８３とリレー接点９４はソリッドステート電流検出及びスイッチングの装置によって置きかえられてもよい。
前述の本発明の詳細な説明は、本発明の特定の部分又は概念と、主として又は限定的に関連する複数の記載部分を含む。このことは明瞭性及び便宜上のためであり、特定の特徴は、それが開示された記載部分以上に関連し、ここの開示は異なる記載部分において見つけられる情報のすべての適切な組み合わせを含むことは理解されるべきである。同様に、ここにおける種々の図面及び説明は本発明の特定の実施形態に関連するが、特定の特徴が、特定の図面の内容において開示されるとき、そのような特徴はまた、もう１つの図面の内容、もう１つの特徴との組み合わせ、又は一般的には本発明において、適当な程度まで使用されることができるということを理解すべきである。
さらに、本発明はある好ましい実施形態によって特に開示される一方で、本発明はそのような好ましい実施形態に限定されない。むしろ、本発明の範囲は添付された請求の範囲によって定義される。

Claims

電源と電気的負荷との間に接続されて電流伝送ラインと帰還ラインとを有する動作回路を形成し、上記動作回路を（Ａ）地絡と(Ｂ)過電流又は過電圧とから保護する電気保護システムであって、上記電気保護システムは、回路遮断素子と比較素子と第１のバイパス素子とを備え、
ａ．上記回路遮断素子は、（ａ）上記回路において、通常の電流Ｉ_NORMALの流れを許容する通常の状態と、（ｂ）上記回路において、最大でも、実質的に電流Ｉ _NORMAL 未満の減少された電流の流れを許容するフォールト状態とのいずれかになることが可能であり、
ｂ．上記比較素子は、
（１）（ａ）ライン検出入力部とライン検出出力部との間のライン検出点において上記回路の電流伝送ライン内の電流Ｉ_LINEのレベルを検出するライン検出コンポーネントと、（ｂ）帰還検出入力部と帰還検出出力部との間の帰還検出点において上記回路の帰還ライン内の電流Ｉ_RETURNのレベルを検出する帰還検出コンポーネントと、（ｃ）オプションで設けられ、パススルーライン内のパススルー検出点において電流Ｉ_PASSTHRUのレベルを検出するパススルー検出コンポーネントとを備え、
（２）上記電流Ｉ_LINEと上記電流Ｉ_RETURNと上記電流Ｉ_PASSTHRUのレベルを比較することによって正味の有効電流Ｉ_COMPARISONを決定し、もし上記電流Ｉ_COMPARISONが予め決められた電流の不均衡値Ｉ_IMBALANCE 未満の値から上記電流Ｉ_IMBALANCE 以上の値に増加するとき、上記回路遮断素子をその通常の状態からそのフォールト状態に変更し、
ｃ．上記第１のバイパス素子は、
（１）当該第１のバイパス素子を流れる電流Ｉ_FIRST-BYPASSを有し、上記回路が過電流又は過電圧にさらされるときに、上記電流Ｉ _FIRST-BYPASSは変化してかつ電流Ｉ_COMPARISONを電流Ｉ_IMBALANCE より大きくなるように増加させ、これによって上記比較素子は上記回路遮断素子をその通常の状態からそのフォールト状態に変更させ、
（２）第１のバイパスコンポーネントを備え、上記第１のバイパスコンポーネントは、
（ａ）上記動作回路において、上記電流伝送ラインにおいて上記ライン検出点を迂回するように接続されるか、又は上記帰還ラインにおいて上記帰還検出点を迂回するように接続されるかのいずれかで接続されるとともに、上記第１のバイパスコンポーネントはパススルーラインの一部ではなく、
（ｂ）減少された導通状態と、導通状態とを有し、
（ｉ）上記第１のバイパスコンポーネントは、上記第１のバイパスコンポーネントの両端の電圧Ｖ _FIRST-BYPASS が予め決められた値Ｖ _FIRST-TRIP 未満であるときに上記減少された導通状態になり、上記減少された導通状態では、上記第１のバイパスコンポーネントは、実質的に電流Ｉ _IMBALANCE 未満である電流Ｉ _FIRST-BYPASS の流れを許容し、
（ｉｉ）上記第１のバイパスコンポーネントは、電圧Ｖ _FIRST-BYPASS が電圧Ｖ _FIRST-TRIP 未満の値から電圧Ｖ _FIRST-TRIP よりも大きい値に増加したときに、上記導通状態になり、上記導通状態では、上記第１のバイパスコンポーネントは、電流Ｉ _IMBALANCE より大きい電流Ｉ _FIRST-BYPASS の流れを許容することを特徴とする電気保護システム。
上記第１のバイパスコンポーネントは、非線形装置と直列に接続された抵抗器を備え、上記非線形装置は、
ａ．ダイオードと、
ｂ．陽極と陰極を備えた第１のダイオード及び陽極と陰極を備えた第２のダイオードと、
ｃ．陽極と陰極を備えた第１のツェナーダイオード及び陽極と陰極を備えた第２のツェナーダイオードと、
ｄ．バリスタと
のうちのいずれかを備え、
上記第１のダイオード及び上記第２のダイオードは並列に接続され、上記第１のダイオードの陽極は上記第２のダイオードの陰極に接続され、上記第１のダイオードの陰極は上記第２のダイオードの陽極に接続され、
上記第１のツェナーダイオード及び上記第２のツェナーダイオードは互いに直列に接続され、上記第１のツェナーダイオードの陽極は上記第２のツェナーダイオードの陰極に接続されあるいは上記第１のツェナーダイオードの陰極は上記第２のツェナーダイオードの陽極に接続されたことを特徴とする請求項１記載のシステム。
第１の制御素子を備え、
ａ．（１）上記第１のバイパスコンポーネントが上記電流伝送ラインにおいて上記ライン検出点を迂回するように接続されている場合、上記第１の制御素子は、上記第１のバイパスコンポーネントにより迂回されるように上記電流伝送ライン内に直列に接続され、もしくは、
（２）上記第１のバイパスコンポーネントが上記帰還ラインにおいて上記帰還検出点を迂回するように接続されている場合、上記第１の制御素子は、上記第１のバイパスコンポーネントにより迂回されるように上記帰還ライン内に直列に接続され、
ｂ．上記第１の制御素子は、当該第１の制御素子の両端の電圧Ｖ_{FIRST-CONTROL}を有し、上記電圧Ｖ_{FIRST-CONTROL}は、
（１）電流Ｉ_LINEが予め決められた値Ｉ_FIRST-TRIP 未満であるとき、電圧Ｖ_FIRST-TRIPより小さくなり、これによって、上記第１のバイパスコンポーネントの両端の電圧を電圧Ｖ_FIRST-TRIPより小さくさせ、
（２）電流Ｉ_LINEが電流Ｉ_FIRST-TRIP 未満の値から電流Ｉ_FIRST-TRIP より大きい値に増加するとき、電圧Ｖ_FIRST-TRIPより大きくなり、これによって、上記第１のバイパスコンポーネントの両端の電圧を電圧Ｖ_FIRST-TRIPを越えるようにさせることを特徴とする請求項２記載のシステム。
第２の制御素子と、第２のバイパス素子とを備え、
ａ．（１）上記第２の制御素子は、
（ａ）上記第１の制御素子が上記電流伝送ライン内に直列に接続されている場合、上記第１のバイパス素子により迂回される範囲内には存在しないように上記電流伝送ライン内に直列に接続され、もしくは、
（ｂ）上記第１の制御素子が上記帰還ライン内に直列に接続されている場合、上記第１のバイパス素子により迂回される範囲内には存在しないように上記帰還ライン内に直列に接続され、
（２）上記第２の制御素子は可変抵抗値を有し、上記可変抵抗値は、
（ａ）上記回路の電流が通常の電流Ｉ_NORMALのときに、上記負荷と比較して低くなり、
（ｂ）上記回路の電流が上記通常の電流Ｉ_NORMALを実質的に越えているとき、実質的に増加され、
ｂ．上記第２のバイパス素子は、
（１）上記第２の制御素子と上記第１のバイパス素子との両方を迂回するように接続され、
（２）所定の抵抗値を有し、上記第２のバイパス素子の抵抗値によれば、
（ａ）上記回路の電流が電流Ｉ_NORMALのときに、上記第２の制御素子の抵抗値に対する上記第２のバイパス素子の抵抗値の比の値は、上記第２のバイパス素子における電流が実質的にＩ _IMBALANCE 未満になるような値であり、かつ、
（ｂ）上記回路の電流が予め決められた電流量だけ電流Ｉ_NORMALを越えるとき、上記第２の制御素子の抵抗値に対する上記第２のバイパス素子の抵抗値の比の値は、上記第２のバイパス素子における電流が電流Ｉ_IMBALANCEを越えるような値であることを特徴とする請求項３記載のシステム。
上記第１の制御素子は抵抗器を備え、
上記第２のバイパス素子は、抵抗器と、バリスタと、抵抗器に直列に接続されたダイオードとのうちのいずれかを備え、
上記第２の制御素子は、ポリマーＰＴＣ装置と、上記ＰＴＣ装置に並列に接続されたバリスタとを備えたことを特徴とする請求項４記載のシステム。
電流Ｉ_LINEが０．９５×Ｉ_FIRST-TRIPであるとき、電流Ｉ_FIRST-BYPASSは０．０１×Ｉ_IMBALANCEより小さいことを特徴とする請求項２乃至５のうちの１つに記載のシステム。
電源と電気的負荷との間に接続されて電流伝送ラインと帰還ラインとを有する動作回路を形成し、上記動作回路を（Ａ）地絡と(Ｂ)過電流又は過電圧とから保護する電気保護システムであって、上記電気保護システムは、回路遮断素子と比較素子と第１のバイパス素子とを備え、
ａ．上記回路遮断素子は、（ａ）上記回路において、通常の電流Ｉ _NORMAL の流れを許容する通常の状態と、（ｂ）上記回路において、最大でも、実質的に電流Ｉ _NORMAL 未満の減少された電流の流れを許容するフォールト状態とのいずれかになることが可能であり、
ｂ．上記比較素子は、
（１）（ａ）ライン検出入力部とライン検出出力部との間のライン検出点において上記回路の電流伝送ライン内の電流Ｉ _LINE のレベルを検出するライン検出コンポーネントと、（ｂ）帰還検出入力部と帰還検出出力部との間の帰還検出点において上記回路の帰還ライン内の電流Ｉ _RETURN のレベルを検出する帰還検出コンポーネントと、（ｃ）オプションで設けられ、パススルーライン内のパススルー検出点において電流Ｉ _PASSTHRU のレベルを検出するパススルー検出コンポーネントとを備え、
（２）上記電流Ｉ _LINE と上記電流Ｉ _RETURN と上記電流Ｉ _PASSTHRU のレベルを比較することによって正味の有効電流Ｉ _COMPARISON を決定し、もし上記電流Ｉ _COMPARISON が予め決められた電流の不均衡値Ｉ _IMBALANCE 未満の値から上記電流Ｉ _IMBALANCE 以上の値に増加するとき、上記回路遮断素子をその通常の状態からそのフォールト状態に変更し、
ｃ．上記第１のバイパス素子は、
（１）当該第１のバイパス素子を流れる電流Ｉ _FIRST-BYPASS を有し、上記回路が過電流又は過電圧にさらされるときに、上記電流Ｉ _FIRST-BYPASS は変化してかつ電流Ｉ _COMPARISON を電流Ｉ _IMBALANCE より大きくなるように増加させ、これによって上記比較素子は上記回路遮断素子をその通常の状態からそのフォールト状態に変更させ、
（２）第２のバイパスコンポーネントを備え、上記第２のバイパスコンポーネントは、
（ａ）上記ライン検出入力部と上記帰還検出入力部との間に接続される場合と、
（ｂ）上記ライン検出出力部と上記帰還検出出力部との間に接続される場合と、
（ｃ）上記ライン検出入力部と上記帰還検出出力部との間に接続され、かつパススルーラインを備える場合と、
（ｄ）上記ライン検出出力部と上記帰還検出入力部との間に接続され、かつパススルーラインを備える場合とのいずれかであることを特徴とする電気保護システム。
上記第２のバイパスコンポーネントは電圧依存装置を備え、上記電圧依存装置は当該電圧依存装置を流れる電流Ｉ_DEVICEを有し、上記電流Ｉ_DEVICEは、
ａ．上記電圧依存装置の両端の電圧Ｖ_DEVICEが予め決められた値Ｖ_SECOND-TRIP 未満であるとき、電流Ｉ_IMBALANCEより小さく、かつ、
ｂ．電圧Ｖ_DEVICEが電圧Ｖ_SECOND-TRIP 未満の値から電圧Ｖ_SECOND-TRIP より大きい値に増加するとき、電流Ｉ_IMBALANCEより大きくなり、
上記電圧依存装置は、バリスタと、互いに逆方向で並列に接続された一対のツェナーダイオードと、気体放電管と、火花ギャップ装置とのうちのいずれか１つを含むことを特徴とする請求項７記載のシステム。
電圧Ｖ_DEVICEが０．９５×Ｖ_SECOND-TRIPであるとき、電流Ｉ_DEVICEは０．０１×Ｉ_IMBALANCEより小さいことを特徴とする請求項８記載のシステム。
ａ．上記第２のバイパスコンポーネントはスイッチング装置を備え、上記スイッチング装置は、電流Ｉ_IMBALANCE より大きい電流Ｉ_{SECOND-BYPASS}の流れを許容する閉の状態と、実質的に電流Ｉ _IMBALANCE 未満の減少された電流Ｉ_{SECOND-BYPASS}の流れを許容する開の状態とを有し、
ｂ．上記システムは第１の制御素子を備え、上記第１の制御素子は、電流Ｉ_LINEが予め決められた値Ｉ_SECOND-TRIP 未満であるとき、上記スイッチング装置を上記スイッチング装置の開の状態にし、電流Ｉ_LINEが電流Ｉ_SECOND-TRIP 未満の値から電流Ｉ_SECOND-TRIP より大きい値に増加したとき、上記スイッチング装置を上記スイッチング装置の開の状態から上記スイッチング装置の閉の状態に切り替えることを特徴とする請求項７乃至９のうちの１つに記載のシステム。
ａ．上記第１の制御素子は、エネルギー遮断状態とエネルギー印加状態とを有する電流応答コンポーネントを備え、上記電流応答コンポーネントは、
（１）電流Ｉ_LINEが電流Ｉ_SECOND-TRIPを越えていないとき、上記エネルギー遮断状態になり、
（２）電流Ｉ_LINEが電流Ｉ_SECOND-TRIP 未満の値から電流Ｉ_SECOND-TRIP より大きい値に増加されたとき、上記エネルギー印加状態になり、
ｂ．上記スイッチング装置は上記電流応答コンポーネントに接続され、
（１）上記電流応答コンポーネントが上記エネルギー遮断状態にあるときに、開の状態にされ、
（２）上記電流応答コンポーネントが上記エネルギー印加状態にあるときに、閉の状態にされることを特徴とする請求項１０記載のシステム。
上記電流応答コンポーネントは、上記電流伝送ライン又は上記帰還ライン内に直列に接続された電流検出リレーコイルを備え、
上記スイッチング装置は、上記電流検出リレーコイルと接続された１組のリレー接点を備えたことを特徴とする請求項１１記載のシステム。
第２の制御素子と第２のバイパス素子とを備え、
ａ．上記第２の制御素子は、
（１）上記比較素子の上記ライン側と直列になるように、上記電流伝送ライン内に直列に接続され、
（２）可変抵抗値を有し、上記可変抵抗値は、
（ａ）上記回路の電流が通常の電流Ｉ_NORMALのときは、負荷と比較して低く、
（ｂ）上記回路の電流が通常の電流Ｉ_NORMALを実質的に越えているときは、実質的に増加し、
ｂ．上記第２のバイパス素子は、
（１）上記第２の制御素子と上記比較素子の上記ライン側との両方を迂回するように接続され、
（２）所定の抵抗値を有し、上記第２のバイパス素子の抵抗値によれば、
（ａ）上記回路の電流が通常の電流Ｉ_NORMALであるときに、上記第２の制御素子の抵抗値に対する上記第２のバイパス素子の抵抗値の比の値は、上記第２のバイパス素子における電流が実質的に電流Ｉ _IMBALANCE 未満になるような値であり、かつ、
（ｂ）上記回路の電流が予め決められた電流量だけ電流Ｉ_NORMALを越えるとき、上記第２の制御素子の抵抗値に対する上記第２のバイパス素子の抵抗値の比の値は、上記第２のバイパス素子における電流が電流Ｉ_IMBALANCEを越えるような値であることを特徴とする請求項７乃至１２のうちの１つに記載のシステム。
上記第２のバイパス素子は抵抗器を備え、
上記第２の制御素子はポリマーＰＴＣ装置を備え、上記第２の制御素子は、上記ＰＴＣ装置と並列に接続された電圧クランプ装置を備えたことを特徴とする請求項１３記載のシステム。