JP4119485B2 - ゼロ電流回路遮断 - Google Patents

Description

発明の背景
「遮断器および保護リレー」と題する米国特許第４，６７２，５０１号明細書に記載されているようなマイクロプロセッサ制御式遮断器の電子式引外し装置は、多相配電回路網の各相内の電流の正確な決定が可能である。
タップ変更電圧調整器でアークを生じることなくタップ設定値を切り換え可能にすることが、「静止スイッチングを利用する無アーク・タップ変更器」と題する米国特許第４，３０１，４８９号明細書に記載されている。
個別の相回路を別々に遮断するために多極遮断器の各極内に個別の作動機構を持つ遮断器が、「個別の遮断器極引外し機構」と題する米国特許第４，２８１，３０３号明細書に記載されている。この特許では、過電流発生時に個別の極を別々に開くことの出来る速度を増大することにより、電流波形の早い段階で遮断器接点を開離させて、遮断過程中のレットスルー（ｌｅｔ−ｔｈｒｏｕｇｈ）電流を低減させている。
より最近のゼロ電流回路遮断の例が、「電力系統におけるスイッチング素子の開閉タイミングを制御する装置」と題する米国特許第５，５６３，４５９号明細書および「配電のゼロ相開放」と題する米国特許第５，５６６，０４１号明細書に記載されている。
最新の遮断器では、障害が生じている極の接点を電流がゼロに近づいたときに開離して、残りの極をいわゆる「単相動作（ｓｉｎｇｌｅ ｐｈａｓｉｎｇ）」状態へ駆動し、そして残りの接点を（通常ずっと大きい電流で）開離するのが普通である。このような大きい電流の回路遮断を行うには、過熱を防止するために大きな通電部品が必要になると共に、接点開離時に生じるアーク電流を消滅させ且つアーク電圧に対して高絶縁抵抗を与えるアーク室が必要になる。
個別の極の中の接点を選択的に開離して、関連する電流相を電流波形のゼロ交差の近くで遮断できるようにすることによって、構成部品の寸法要件ならびに関連する遮断器アーク・シュートの寸法が低減されることが判っている。
本発明の目的は、多相配電回路の各相内の遮断器接点を最低の電流値で開離するために個別に開離可能な遮断器接点を備えた電子式引外し装置を用いる遮断器を提供することである。
発明の概要
多極遮断器の各々の極が、過電流発生時に遮断器接点を個別に開離するように構成される。遮断器引外し装置内のディジタル処理装置が、個別の極内の関連する相電流のゼロ交差の発生を判定して、最低の可能な電流値で接点の開離を開始させる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の教示に従った個別接点開離装置を用いる遮断器の斜視図である。
図２は、図１の遮断器内の１つの極における接点開離装置の部分断面側面図である。
図３は、回路遮断の際の従来技術による遮断器の各々の極内の電流波形を表すグラフである。
図４は、本発明による回路遮断の際の図１の遮断器の各々の極内の電流波形を表すグラフである。
図５は、本発明によるゼロ電流回路遮断を行う際のステップを表す流れ図である。
好ましい実施態様の説明
図１に示されている工業用定格の多極遮断器１０は、モールド成形プラスチック・ケース１１、モールド成形プラスチック・カバー１２およびアクセサリイ・カバー１３を有する。遮断器は、前掲の米国特許第４，６７２，５０１号明細書に記載されているものと同様な電子式引外し装置１４および定格プラグ１５を含む。一端に可動接点１７を持つ可動接点アーム１６が、電子式引外し装置１４により制御される磁束シフタ２０の動作によって過電流状態の発生時に回路電流を遮断するために固定接点１８から可動接点を開離するように遮断器の各々の極内に設けられる。外部からアクセス可能な操作把手１９が各々の接点アームと相互連結されていて、休止回路条件下で接点アームの同時開閉を可能にする。
図２に示されている遮断器１０の一部には、本発明の教示に従って可動接点１７と固定接点１８とを開離するように動作する磁束シフタ２０が示されている。磁束シフタ２０は、米国特許第３，６９３，１２２号明細書および米国特許第５，４５３，７２４号明細書に記載されているものと同様なものであって、一端にボタン３３Ａを持つばね駆動プランジャ３３を含む。別々の極内の各々の接点アーム１６が、編組導線２２によって負荷側帯導体３２に電気接続される。接点アーム１６は対応する磁束シフタ２０と相互作用し、磁束シフタ２０は電気導体３４を介して図１の電子式引外し装置１４に電気接続される。前掲の米国特許第４，２８１，３０３号明細書に記載されているものと同様な態様で、接点アーム１６は、伸びた作動ばね２３によって与えられたバイアスに逆らって（仮想線で示した）引外し位置へ動くことが無いようにラッチ・レバーによって拘束される。作動ばね２３は、その一端がピン２３Ａによって遮断器内に取り付けられ、且つ２５で示したボルトによって接点アーム１６の端部に取り付けられる。接点アームはピボット・ピン２６によって側壁２４に旋回可能に取り付けられて、接点１７および１８が突合せ接触する閉位置（実線で示す）と接点１７および１８が完全に開離する引外し位置（仮想線で示す）との間に作動される。ラッチ・レバー２７が一端にカム面３０を画成する。カム面３０は、接点アーム１６の一端に形成されたカム２９に対して保持されて、強力な作動ばね２３の力による接点アーム１６の引外し位置への急速な回転を防止する。図１の遮断器１０を含む被保護配電系統内で過電流状態が検知されたとき、電子式引外し装置１４はそれぞれの接点アーム１６に関連する相でゼロ電流波形が生じた時を決定して、磁束シフタ２０へ引外し電圧信号を送る。導体３４を介して引外し電圧信号を受信したとき、磁束シフタ２０はプランジャ３３を解放して、ラッチ・アーム３１に向かってボタン３３Ａを駆動し、これによりラッチ・アームをピボット・ピン２８の回りに回転させて、カム面３０をカム２９から離れるように動かす。このとき直ちに接点アーム１６が伸びた作動ばね２３の作用の下に引外し位置（想像線で示す）へピボット・ピン２６の回りに回転して、接点１７および１８を開離させて、その開離の瞬間に両接点を介しての電流伝達が最小になるようにする。次いで、隣接する極を通る電流は、それぞれの極でゼロ電流波形の発生時にそれぞれの磁束シフタへ引外し電圧信号を送る図１の電子式引外し装置１４によって処理される。障害の解消時にそれぞれの極内の遮断器接点を同時に閉じるために、遮断器操作把手１９が前掲の米国特許第４，２８１，３０３号明細書に記載されている態様で遮断器クロスバー（図示していない）を駆動する。用途によっては、前掲の米国特許第５，５６３，４５９号明細書に示唆されているように、遮断器接点１７および１８の間にゼロ電圧波形が生じたときに個別の極を開放するのが望ましい。その場合、電子式引外し装置１４は各々の極内の個別の磁束シフタのリセットを選択して、それぞれの極内でゼロ電圧波形の発生時に接点１７および１８を閉じるようにする。
ゼロ電流伝達の概念をよりよく理解するために、図３Ａ〜３Ｃに示されているような、三相配電系統に現在使用されている遮断器での回路遮断を検討することは役に立つ。
図３Ａにおいて、標準的な三極遮断器の第１の極での相Ａ電流波形３５が、ＴＡｏで示されるときに過電流状態になる。このときに遮断器は接点作動機構を解放して遮断器接点を開離させることにより、全ての３つの相Ａ、ＢおよびＣの回路電流を遮断する。作動機構の固有の遅延ｘにより、第１の極の接点はＴＡｘで示されるときに開離し、このとき第１の極の接点の間にはアークが時間ｙにわたって生じる。アーク電圧波形は破線４１で示されている。次いで、関連するアーク室がアークをＴＡ（x+y）で示されるときに消滅させて、第１の極の電流を完全に遮断する。アーク室内で散逸させたエネルギはアーク電流、アーク電圧および時間の積分の積に比例する。
図３Ｂにおいて、作動機構はＴＢ₀で示されるときに第２の極の相Ｂ電流波形３６を遮断し始める。作動機構により、第２の極の接点はＴＢｘで示されるときに開離し、このとき第２の極の接点の間にはアークが時間ｙにわたって生じる。アーク電圧波形は破線４２で示されている。次いで、関連するアーク室がアークをＴＢ（x+y）で示されるときに消滅させて、第２の極の電流を完全に遮断する。ここで、アーク電圧および電流の積分により生じる、この極におけるエネルギ散逸が、図３Ａの第１の極について前に示したものよりも大きくなることに注意されたい。
図３Ｃにおいて、作動機構はＴＣ₀で示されるときに第３の極の相Ｃ電流波形３７を遮断し始める。作動機構により、第３の極の接点はＴＣｘで示されるときに開離し、このとき第３の極の接点の間にはアークが時間ｙにわたって生じる。アーク電圧波形は破線４３で示されている。次いで、関連するアーク室がアークをＴＣ（x+y）で示されるときに消滅させて、第３の極の電流を完全に遮断する。ここで、アーク電圧および電流の積分により生じる、この極におけるエネルギ散逸は、図３Ａの第１の極について前に示したものよりも大きくなり、且つ図３Ｂの第２の極について前に示したものよりも小さくなる。
次に４Ａ〜４Ｃは、全ての３つの相においてゼロ電流で接点の開離が生じるように全ての３つの相の電流が制御されたときに生じる三相回路遮断を示す。
図４Ａにおいて、第１の極の相Ａ電流波形３５’が、ＴＡ’ｏで示されるときに過電流状態になる。このときに遮断器引外し装置が関連する磁束シフタを作動して遮断器接点を開離させることにより、全ての３つの相Ａ、ＢおよびＣの回路電流を遮断する。第１の極の接点はＴＡ’ｘで示されるときに開離し、このとき第１の極の接点の間には僅かなアークが時間ｙにわたって生じる。アーク電圧波形は破線４４で示されている。次いで、関連するアーク室がアークをＴＡ’（x+y）で示されるときに消滅させて、第１の極の電流を完全に遮断する。前に述べたように、関連するアーク室内で散逸させたエネルギは、消滅前のアークが存在する時間にわたるアーク電圧および電流の積分であり、所定の低いアーク・エネルギ値を生じる。
図４Ｂおよび４Ｃに示すように、残りの極ＢおよびＣの電流は、相Ａにアーク電流が生じている時間の間は「単相動作」する。ＢおよびＣ極の関連する接点は、相ＢおよびＣの電流がゼロ近くにあると電子式引外し装置が決定するまで閉じたままに留まる。電流がゼロ近くにあるとき、電子式引外し装置は関連する磁束シフタを作動して、ゼロ電流で接点を開離させる。
図４Ｂにおいて、作動機構はＴＢ’₀で示されるときに第２の極の相Ｂ電流波形３６’を遮断し始める。作動機構は、第２の極の接点をＴＢ’ｘで示されるようにゼロ電流の直前で開離させ、このとき第２の極の接点の間にはアークが時間ｙにわたって生じる。アーク電圧波形は破線４５で示されている。次いで、関連するアーク室がアークをＴＢ’（x+y）で示されるときに消滅させて、第２の極の電流を完全に遮断する。
図４Ｃにおいて、作動機構はＴＣ’₀で示されるときに第３の極の相Ｃ電流波形３７’を遮断し始める。作動機構は、第３の極の接点をＴＣ’ｘで示されるようにゼロ電流の直前に開離させ、このとき第３の極の接点の間にはアークが時間ｙにわたって生じる。アーク電圧波形は破線４６で示されている。次いで、関連するアーク室がアークをＴＣ’（x+y）で示されるときに消滅させて、第３の極の電流を完全に遮断する。ＢおよびＣ極に関連するアーク室は、大きさが等しく且つ反対である相ＢおよびＣの「単相動作」電流を同時に遮断する。
図３Ａ〜３Ｃと図４Ａ〜４Ｃとを比較すると、実際の接点開離が出来る限りゼロ電流に近いところで生じるようにすることによってエネルギ散逸がかなり低減することが判る。従って、アーク・エネルギの制限によって、アーク・エネルギを散逸するために必要なアーク・シュートの寸法および性質を対応的に低減すつことが出来る。磁束シフタ２０（図２）を付勢するときに接点が開離するようにするために必要な時間の較正により、電子式引外し装置は接点開離をゼロ電流の近くに正確に制御することが出来るようになる。
低いアーク電圧およびアーク持続時間の場合、「障害電流遮断器」と題する米国特許第４，５８３，１４６号明細書および「電流制限回路遮断器用のバリスタ消弧式アーク・シュート」と題する米国特許第４，６４５，８８９号明細書において示唆されているようにバリスタによるアーク消滅法を使用することが可能になる。
個別の相Ａ、ＢおよびＣ内の各々の接点１７および１８（図２）に対する遮断時刻が図５に示される流れ図５４によって決定されるとき、各相内の接点は任意の１つの相で過電流が生じたときに各相内のゼロ電流で開離することが出来る。電流ゼロで各相を遮断することは、接点によって扱うべきエネルギの量を、前に述べたように３つの相の内の２つの相をゼロ電流開離する場合よりも更に大きく低減させる。
図５の流れ図５４は、図１の電子式引外し装置１４内で次のように実行される。較正モードにおいて、個別の相内の磁束シフタを作動して（５５）、実際の開離時刻を正確に制御するために関連する接点が開離する応答時間を決定する（５６）。磁束シフタ、作動ばねおよび接点の許容公差が接点開離パラメータを設定し、従ってこのような許容公差は、磁束シフタ作動後の正確な時刻に接点開離を生じさせるように磁束シフタが作動される時刻に反映される。較正の後、引外し装置は各相の電流をサンプリングし（５７，６０，６３）、もし過電流がどれか１つの極で検出された場合は、どの極の電流が電流ゼロであるかどうか決定し（５８，６１，６４）、次いで各極内の接点を電流ゼロで開離する（５９，６２，６５）。
図４Ａ〜４Ｃに示した遮断に関して三相障害を考察した。しかし、単相、相間または相対地障害が生じる場合、同様な遮断順序がまた生じる。
いずれかの１つの極に過電流が生じたときに全ての極を電流ゼロで開放する効果は、アークによる侵食から接点を保護するために接点表面に銀材料を必要とし且つ高エネルギのアークを冷却して消滅させるためにアーク室内に大きな金属板を必要とする回路保護装置においてかなりの進歩である。
以上、個別の極をゼロ電流で開放するように各々の極を接点開離可能とした遮断器を説明した。これにより、レット・スルー電流およびアーク・エネルギの量がかなり低減される。

Claims (2)

1. ケースに取り付けられたカバー、
   三極電気コネクタの別々の極内にあり、ピボット・ピンの回りを回転する前記ケース内の接点アーム、であって該接点アームがその一端においてカム面を画成している、接点アーム、
   前記三極電気コネクタの各々の極内で接続のために配置された、前記接点アームのカム面の反対側の一端に設けられた接点、
   前記接点アームおよび前記接点を開放位置へ回転させるための、前記接点アームと相互作用する作動ばね、
   前記接点アームが前記開放位置へ回転するのを防止するための、前記接点アームのカム面と突合せ接触することにより相互作用するカム面を有し、前記接点アームのピボット・ピンと平行なピボット・ピンの回りに回転し、前記カム面と反対の端にラッチ・アームを有する、各々の極に設けられた旋回可能なレバー、
   前記ラッチ・アームを駆動し、前記接点アームのカム面を前記レバーのカム面から解放し、これにより前記接点アームおよび前記接点を前記開放位置へ回転させて前記接点を通る電流を遮断するための、各々の極に設けられた、前記旋回可能なレバーと相互作用する磁束シフタ、並びに
   前記磁束シフタを作動して前記接点アームのカム面を解放させるための、前記磁束シフタに接続された電子式引外し装置、を有し、
   前記旋回可能なレバーの反対側の端部が前記磁束シフタに突合せ接触しており、
   前記接点が開放位置にあるとき前記接点アームのカム面の前記一端が前記レバーのカム面から離れ、
   前記電子式引外し装置は前記各々の極での過電流状態の発生を判定する手段を有しており、
   前記電子式引外し装置は前記磁束シフタの応答時間を決定し、
   前記電子式引外し装置は前記各極におけるゼロ電流の発生時に前記接点を開離するように決定することを特徴とする遮断器。
2. 前記作動ばねが前記接点アームの前記一端から前記遮断器ケース内の固定の点まで延在している請求項１記載の遮断器。

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