JP4149606B2 - アーク故障検知器のためのテスト回路 - Google Patents

Description

【発明の属する技術分野】
本発明は、回路遮断器に用いるようなアーク故障検知器のテストに関し、さらに詳細には、低周波数弛緩発振器を用いてアーク故障検知器の動作を簡単な方法で検証するアーク故障検知器テスト回路に関する。
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
アーク故障は、例えば、電気機器の隣接する裸の導体間、断線導体の露出端部間、故障した接続部、また導体要素が近接した他の状況下で発生することがある。アーク故障は通常、高い抵抗を有するため、アーク電流は従来型回路遮断器の瞬時または磁気トリップしきい値よりも小さい。また、アーク故障により生じる平均ＲＭＳ電流値もかかる回路遮断器の熱動しきい値より小さい。それでも、アークにより損傷が発生し、これが可燃性材料の近傍であると火災が生じる可能性がある。アーク故障時と同様な電流が普通の負荷により発生することがあるため、望ましくないトリップの発生を回避すべく従来型回路遮断器のピックアップ電流値をただ下げるということは実際的でない。
種々のタイプのアーク故障検知器が提案されている。その一部は、アークが発生するたびに電流にランダムに生じるステップ状増加に応答するものである。かかる検知器の一例が米国特許第５，４５９，６３０号に記載されている。この検知器は、所与の時間に発生する電流のかかるステップ状変化の回数をカウントする。米国特許第５，４５９，６３０号はまた、アーク故障検知器のテスト回路を開示している。開示されたこの特定回路は、回路遮断器に設けたドーマント発振器地絡故障回路のコイルの１つを利用する。テストボタンを閉じると、キャパシタがこの感知コイルと共に発振器を形成する。米国特許第５，４５９，６３０号において示唆されたもう１つのテスト回路は、抵抗のようなインピーダンスを線導体と中性導体の間に接続して、テストスイッチを閉じるたびにパルスを発生させるものである。アーク故障検知器が後でカウントするテストパルスをこのテスト回路により発生させるには、テストスイッチを手動で繰返し操作する必要がある。
アークの発生により生じる電流のステップ状変化に応答するタイプの改良型アーク故障検知器は、米国特許第５，６９１，８６９号に記載されている。アークが発生するたびに生じるパルスを蓄積して時間減衰させた値が所定の大きさになると、回路遮断器をトリップさせるアーク故障信号が発生する。従って、回路遮断器をトリップするには、小振幅のアークよりも大きなステップ状増加を示す電流を発生させる少数のアークが必要である。
米国特許第５，４５９，６３０号に記載されたようなテスト回路を米国特許第５，６９１，８６９号のアーク故障検知器に利用することも可能であるが、アーク故障検知器の改良型テスト回路に対する要望がある。
さらに詳細には、アークの発生をシミュレーションするステップ状増加が自動的に発生するため、一連のアークをシミュレーションするための反復作動が不要なアーク故障検知器の改良型テスト回路に対する要望が存在する。
さらに、テスト回路の動作についてさらに別の情報が得られるアーク故障検知器のテスト回路に対する要望が存在する。
さらに、トリップを発生させたアークのシミュレーションの回数についての指示を与えるテスト回路に対する要望も存在する。
さらに、オペレータが手動でトリップ時間を計時できる能力を別に備えたテスト回路に対する要望が存在する。
【課題を解決するための手段】
上記及び他の要望は、所定の時間の間アーク故障により生じる交流電流のステップ状増加に応答するアーク故障検知器のためのテスト回路に関する本発明により充足される。このテスト回路は、パルス繰返しレートが毎秒約１５個以下であるパルス信号を発生する弛緩発振器と、このパルス信号をアーク故障検知器に結合する結合手段とを有する。この弛緩発振器の電力は交流電流により整流器を介して給電するのが好ましい。
この弛緩発振器は、好ましくはキャパシタと、キャパシタを充電する直流電流が流れる抵抗と、キャパシタを分路する電圧ブレークダウン素子とよりなる。テストスイッチを閉じると、キャパシタがこの電圧ブレークダウン素子のブレークダウン電圧に充電される。その後、キャパシタはこの電圧ブレークダウン素子を介して急速に放電することにより、アークの発生をシミュレーションするパルスを発生させる。好ましい電圧ブレークダウン素子としてディアックがあるが、ネオン管、シリコン双方向スイッチ、ユニジャンクショントランジスタ等の他の電圧ブレークダウン素子を使用してもよい。アーク故障検知器が少なくとも最小振幅を越える交流電流のステップ状増加にのみ応答する場合、この結合手段は、好ましくはテスト回路からのほぼこの最小振幅のパルス信号をアーク故障検出器に結合する。これにより低電流のアークに対するアーク故障検知器の応答特性を検証できる。
低周波数の弛緩発振器を用いることによって、ユーザーはトリップ時間を手動で測定することが可能となる。弛緩発振器のパルス繰返しレートを既知の値にセットすると、トリップ信号が所定の時間内に発生することによってアーク故障検知器の正常動作を確かめることができる。本発明のもう一つの特徴は、弛緩発振器にテストパルスが発生するたびに指示を与えるインジケータを設けたことである。好ましくは、電圧ブレークダウン素子に発光ダイオード（ＬＥＤ）を直列に接続し、電圧ブレークダウンが生じてパルスが発生するたびに光パルスを発生させる。再び、弛緩発振器は低周波数であるため、ユーザーはトリップを発生させるに要するパルスの数をカウントすることができる。
【発明の実施の形態】
本発明を、回路遮断器に組み込むアーク故障検知器に用いるものとして説明する。しかしながら、本発明のテスト回路は、アークが反復してランダムに発生することにより生じる電流のステップ状増加に応答するタイプのアーク故障検知器であればいかなるものにも利用可能である。
図１を参照して、線導体３及び負荷導体５を有する配電系統１が回路遮断器７により保護されている。実施例の回路遮断器７は、住宅用及び軽負荷の商業用に常用される周知の「ミニチュア型」回路遮断器である。かかる回路遮断器７は、バイメタル１１を線導体３に直列に接続した熱動−磁気トリップ装置９を有する。配電系統１に持続的過電流が発生すると、バイメタル１１が加熱されて撓曲し、トリップ機構１３を作動して、開離可能な接点１５を開くことにより、配電系統１の電流を遮断する。さらに、熱動−磁気トリップ装置９は磁気トリップ機能を有する。アーマチュア１７が短絡に付随するような非常に大きな過電流により作動されると、トリップ機構１３を作動して、開離可能な接点１５を開く。
回路遮断器７はまた、アーク故障に対する保護を与える。かかる故障は通常、アークが断続的に反復して発生するものである。回路遮断器７は、アークが発生するたびに生じる交流電流のステップ状増加に応答するアーク故障検知器１９を備えている。適当なアーク故障検知器として例えば、米国特許第５，２２４，００６号に記載したものがあるが、好ましいタイプとしては本明細書の一部を形成するものとして引用する米国特許第５，６９１，８６９号に記載されたものがある。アーク故障検知器１９は、米国特許第５，５１９，４６１号に記載された態様で、バイメタル１１にかかるを電圧をリード線２１を介してモニターすることにより、配電系統１の電流を感知する。バイメタル１のインピーダンス値は既知であるため、その両端間の電圧降下が線電流を表わす。
米国特許第５，６９１，８６９号に記載されるように、アーク故障検知器１９は電流のステップ状増加に応答してパルスを発生する回路を含む。このパルス信号は積分され、その積分値が経時的に減衰する。パルスを蓄積し経時的に減衰させた値が所定のレベルに到達すると、アーク故障検知器１９はトリップ信号を発生する。リード線２３上のこのトリップ信号出力は、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）２５をトリガーする。ＳＣＲ２５がトリガーされるとトリップコイル２７が付勢され、トリップ機構１３を解放して開離可能な接点１５を開く。キャパシタ２９は、ＳＣＲ２５がゲート電極上の過渡現象により誤作動しないように保護を与える。アーク故障検知器１９は、配電系統１により付勢される直流電源３１により給電される。直流電源３１は半波整流電力を供給するダイオード３３を含み、この半波整流電力は第１のローパスフィルタ３５と、６０サイクルのリップルの多くを除去する第２のローパスフィルタ３７によりフィルタリングされる。アーク故障検知器１９は、必要な直流電圧をアーク故障検知器１９へ送る電圧調整器（図示せず）を含む。
テスト回路３９は、テストボタン４１を閉じるとアーク故障検知器１９の動作をテストするテスト信号を自動的に発生させる。テスト回路３９は、低周波数弛緩発振器４３と、弛緩発振器４３が発信するパルス信号をアーク故障検知器１９へ結合する結合回路４５とを含む。弛緩発振器４３は、テストボタン４１を閉じると抵抗４９を介して充電されるキャパシタ４７を含む。このキャパシタ４７は電圧ブレークダウン素子５１により分路されている。好ましい電圧ブレークダウン素子５１としてディアックがあるが、ネオン管、シリコン双方向スイッチ、ユニジャンクショントランジスタ等の他の電圧ブレークダウン素子を用いてもよい。電源３１は弛緩発振器４３へも給電するが、弛緩発振器４３を動作させる電圧としては第１のローパスフィルタ３５だけによりフィルタリングした直流電力で充分である。
テストボタン４１を閉じると、キャパシタ４７はそのキャパシタと充電抵抗４９の値により決まる時定数に依存するレートで充電される。キャパシタ４７両端間の電圧がディアック５１のブレークダウン電圧に到達すると、ディアックは導通してキャパシタ４７を急速に放電させるため、このキャパシタ両端間の電圧にステップ状の変化が生じる。かくして、弛緩発振器４３が発生する波形がアークにより生ずる配電系統１の電流のステップ状変化をシミュレーションする。
弛緩発振器の出力は、結合回路４５を介してアーク故障検知器１９へ印加される。この結合回路４５は、直列接続したキャパシタ５３と抵抗５５とを含む。図２に示すように、アーク故障検知器１９は、アークの発生により生ずるような電流のステップ状変化に応答してパルス信号を発生させるバンドパスフィルタをその入力に備えている。バンドパスフィルタ５７は、ハイパスフィルタ５９と、それに続くローパスフィルタ６１とにより構成されている。バイメタルの抵抗は非常に低いため、弛緩発振器４３の出力は充分な電力をもたない。従って、この出力をリード線２１と同じ入力に注入することができない。このため、テスト信号をアーク故障検知器１９のハイパスフィルタ５９の後に注入する。結合回路４５のキャパシタ５３及び抵抗５５は、弛緩発振器の出力信号のためのバンドパスフィルタのハイパスフィルタ部分を形成する。ローパスフィルタ６１の出力は、アークの発生により生ずる、または弛緩発振器により生ずる電流のステップ状変化に応答して発生される、パルス信号である。時間減衰積分器６３では、これらのパルスを積分し、その積分値を経時的に減衰させる。経時的に減衰した積分値の値が所定レベルに到達すると、出力信号発生器６５がトリップ信号を発生し、ＳＣＲ２５を作動させる。パルスの時間減衰積分値は、振幅が大きければ大きいほど、またステップ状変化が急激に起これば起こるほど、トリップレベルに早く到達する。しかしながら、このステップ状変化が積分されるためには、その変化が少なくとも最小振幅をもつ必要がある。従って、キャパシタ５３及び抵抗５５の値は、最小レベル以上であるがそれに近いパルスを発生するように選択される。これにより、アーク故障検知器は小振幅のアークにも正しく確実に応答することができる。
叙上のように、弛緩発振器４３は低周波数で作動するように設計されている。「低周波数」とは、トリップ信号を発生させるために人間が感知できる長さ時間、例えば１乃至数秒を必要とする周波数を意味する。このように選択した周波数で弛緩発振器を作動させると、配電系統の電圧が比較的一定である限り、テストボタンを押圧後トリップ信号が発生するまでに要する時間がアーク故障検知器１９の性能を表わす一指標となる。
アーク故障検知器１９の動作を検証するもう１つの手段として、ディアック５１に直列に信号発生器６７を接続してもよい。好ましい実施例におけるこの信号発生器６７は、弛緩発振器４３が発生させるステップ状変化を含む電流がアーク故障検知器１９へ印加されるたびに、ユーザーへ視覚表示を与える発光ダイオード（ＬＥＤ）である。従って、弛緩発振器５３のパルス繰返しレートとして、ユーザーが発生中のステップ状変化の回数をカウントできるような値に選択する必要がある。この目的で、弛緩発振器のパルス繰返しレートは毎秒約１５サイクル、好ましくは毎秒約５サイクル以下にする。この特徴により、ユーザーはステップ状変化の回数だけでなく、トリップ信号の発生に要する時間を知ることができるため、アーク故障検知器の動作を分析することが可能となる。本発明のアーク故障検知器テスト回路は、アークの発生により生じる電流のステップ状変化に応答するタイプのアーク故障検知器の作動をテストする、簡単で低コストの構成を提供することが分かる。
本発明を特定の実施例につき詳細に説明したが、当業者にとっては本明細書及び図面の記載全体に照らして種々の変形例及び設計変更を想到できることが分かる。従って、図示説明した特定の構成は例示的なものであって本発明の技術的範囲を限定するものでなく、この範囲は頭書の特許請求の範囲及びその全ての均等物の全幅を与えられるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるテスト回路を組み込んだアーク故障検知器を備えた回路遮断器の概略図。
【図２】図１の一部を形成するアーク故障検知器の概略ブロック図である。
【符号の説明】
１ 配電系統
３ 負荷導体
５ 線導体
７ 回路遮断器
９ 熱動−磁気トリップ装置
１１ バイメタル
１３ トリップ機構
１９ アーク故障検知器
３１ 直流電源
３５ 第１のローパスフィルタ
３７ 第２のローパスフィルタ
３９ テスト回路
４１ テストボタン
４３ 弛緩発振器
４５ 結合回路
４７ キャパシタ
４９ 抵抗
５１ 電圧ブレークダウン素子
５７ バンドパスフィルタ
５９ ハイパスフィルタ
６１ ローパスフィルタ
６３ 時間減衰積分器
６５ 出力信号発生器

Claims (16)

1. 所定時間の間アーク故障により生じる交流電気系統の交流電流の複数のステップ状増加に応答するアーク故障検知器のためのテスト回路であって、
   電源と、
   電源により給電され、繰返しレートが毎秒約１５個以下のステップ状変化を示す反復性のパルス信号を発生する弛緩発振器と、
   反復性のパルス信号をアーク故障検知器に結合する結合手段とよりなるテスト回路。
2. 前記弛緩発振器は、キャパシタと、電源からのキャパシタ充電電流を流す抵抗と、キャパシタを分路する電圧ブレークダウン素子とよりなり、抵抗とキャパシタの値と電圧ブレークダウン素子のブレークダウン電圧が前記繰返しレートを与えるように選択されていることを特徴とする請求項１のテスト回路。
3. 前記電源は交流電気系統に接続された整流器手段よりなる請求項２のテスト回路。
4. 前記結合手段はキャパシタにかかる電圧をアーク故障検知器へ送る回路手段よりなる請求項２のテスト回路。
5. 前記アーク故障検知器は少なくとも最小振幅を有する前記交流電流のステップ状増加にのみ応答し、前記回路手段はほぼ最小振幅の前記反復性パルス信号をアーク故障検知器に加える回路成分よりなる請求項４のテスト回路。
6. 前記結合回路手段は直列の抵抗及びキャパシタよりなる請求項４のテスト回路。
7. 前記電圧ブレークダウン素子はディアックである請求項６のテスト回路。
8. 前記電源は交流電流系統に接続された整流器手段よりなる請求項７のテスト回路。
9. 電圧ブレークダウン素子に直列接続した信号発生手段を含んでなる請求項５のテスト回路。
10. 前記信号発生手段はＬＥＤである請求項９のテスト回路。
11. 電圧ブレークダウン素子に直列接続した信号発生手段を含んでなる請求項２のテスト回路。
12. 前記信号発生手段はＬＥＤである請求項１１のテスト回路。
13. 前記電圧ブレークダウン素子はディアックである請求項１２のテスト回路。
14. 前記弛緩発振器は反復性パルス信号のステップ状変化を指示する信号発生手段を含む請求項１のテスト回路。
15. 前記信号発生手段はＬＥＤである請求項１４のテスト回路。
16. 前記弛緩発振器は繰返しレートが毎秒約１５個から毎秒約１個である反復性パルス信号を発生する請求項１のテスト回路。

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