JP4635989B2

JP4635989B2 - 電流遮断装置

Info

Publication number: JP4635989B2
Application number: JP2006237193A
Authority: JP
Inventors: 泰弘高林; 謙二馬場; 昌英小柴
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2006-09-01
Filing date: 2006-09-01
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2026-09-01
Also published as: JP2008059967A

Description

この発明は、直流または交流の電気回路において短絡事故にともなう短絡電流のような過電流が発生した場合、この過電流を限流して速やかに遮断して、電気回路を短絡事故から保護する電流遮断装置に関する。

このような電流遮断装置としては、すでに、特許文献１および２に示すような電流遮断装置がよく知られている。

この従来から知られている電流遮断装置は、図３に示すように、電気回路の電路１０中に挿入された電路遮断器１に並列に限流ヒューズ２を接続して構成される。電路遮断器１には、電路１０の電流を検出する電流検出器３が付属する。電路遮断器１は、前記特許文献１および２に示すような、電路の開放を火薬類の爆発エネルギーによって行うように構成され、電流検出器３が電路１０の電流が予め設定された電流以上の過電流になったことを検出したとき、電路遮断器１の図示しない電気点火装置に点火信号４を与えることにより、内蔵された火薬類を爆発させて、その爆発エネルギーにより内部通電路aを破断して電路を開放することにより、電流を遮断するものである。このため、電路遮断器１の電流遮断動作は、極めて高速で、電流検出器３が過電流を検出すると電路遮断器１はほぼ瞬時に電路１０を開放し、電路の短絡電流Iを遮断する。

このような電路遮断器１は、電流遮断を高速で行うことができるが、構造上、遮断容量が制限され、これをあまり大きくすることができないので、電流容量の大きな電気回路で使用する場合は、図示するように並列に限流ヒューズ２を接続して使用する。

このような電流遮断装置の電流遮断動作を、図４を参照して説明する。

電路１０に時点０において短絡事故が発生し、電路１０を流れる短絡電流Ｉが図４のｔ０時点において、電流検出器３の過電流設定値Ｉ０のＰ１点に達すると、電流検出器３が
これを検知して、電路遮断器１に内部通電路ａを破断する点火信号４を与える。これによって電流がＩ１となるＰ２点まで上昇したｔ１時点から電路遮断器１が通電路ａの破断動作を開始し、この電路遮断器１に流れる電流ＩＭが、次第に減少し、限流ヒューズ２へ流れる電流ＩＦがＰ３点からＰ４点へ向かって上昇し始める。

すなわち、短絡電流Ｉは、電路遮断器１から限流ヒューズ２へ転流し、ｔ２時点で電路遮断器１に流れる電流ＩＭは０となるＰ５点に達し、短絡電流Ｉが完全に限流ヒューズ２に転流する（Ｐ４点）。

短絡電流Ｉが限流ヒューズ２へ転流し、限流ヒューズ２を流れる電流ＩＦが増加を続け、限流ヒューズ２の溶断Ｉ²ｔ値（溶断時間に対するジュール積分値）によって決まる溶断動作タイミングであるＰ６点（ｔ３時点）（この時点の電流値はＩ５）で限流ヒューズ２の内部エレメントが溶断してアークが発生すると、この時点よりアークが消滅するまでの限流ヒューズ２の動作として、短絡電流Ｉは限流ヒューズ２の限流特性に従って減少を始め、限流ヒューズ２の端子電圧Ｖが上昇し、ｔ４時点で、短絡電流Ｉが０となり（Ｐ８点）、限流ヒューズ２の両端電圧Ｖが電源電圧Ｖｓとなって遮断が完了する（Ｐ９点）。

なお、限流ヒューズを構成する内部エレメントである可溶体の溶断現象は、例えば特許文献３に示されているように、特に溶断時間が５ｍｓ以下の短時間となるような大電流遮断の場合、その限流ヒューズ個有の溶断Ｉ²ｔ値によってのみ決定されると考えることができ、流れた電流によるＩ²ｔ値（電流の２乗の積分値）が溶断Ｉ²ｔ値と等しくなったとき可溶体が溶断してアークが発生することになる。

また、電気回路の電源容量が増大する等して、短絡電流Ｉの上昇率が増大し、短絡電流Ｉの変化を示す電流特性線が図４におけるＩＡからＩＢへ変化したとすると、電路遮断器１および限流ヒューズ２の動作時間は変わらないものとすれば、短絡電流Ｉはｔ１時点でＩ１からＩ２へ、ｔ２時点でＩ３からＩ４へ、そしてｔ３時点でＩ５からＩ６へ増加し、特に限流ヒューズ２の内部エレメントが溶断してアークが発生する時点（ｔ３時点）の電流が増大するので、限流ヒューズ２として必要な遮断容量も増加する。もし、短絡電流Ｉの増大が限流ヒューズ２の遮断容量を上回れば、短絡電流を遮断することができず、電気回路の短絡保護ができなくなる。
特公昭４９−１９０６５号公報特公昭４９−２４７４２号公報特公昭５２−１８８９８号公報

このように従来の電流遮断装置においては、電気回路の電源容量が増大したり、電気回路のインピーダンスまたは抵抗が低下されたりして、短絡事故の際に電流値そのもの、またはその上昇率の大きな短絡電流が発生すると、限流ヒューズの遮断容量を増加しない限り、短絡電流の遮断ができず、電気回路の保護が困難となる問題がある。

この発明は、このような従来装置における問題を解決して、大容量の電気回路において短絡事故が発生し、電流値の大きな短絡電流あるいは電流上昇率の大きな短絡電流が生じても、限流ヒューズの遮断容量を増加することなくこの短絡電流を遮断することのできる電流遮断装置を提供することを課題とするものである。

このような課題を解決するため、この発明は、電路に流れる電流が過電流になったとき内部通電路を高速で遮断する電路遮断器と、この電路遮断器と並列に接続された、過電流によって内部の溶断エレメントを溶断して電流を限流して遮断する限流ヒューズとを組み合わせて構成した電流遮断装置において、前記限流ヒューズを、定格電流の小さな第１の限流ヒューズと、この第１の限流ヒューズより定格電流の大きな第２の限流ヒューズとを直列接続して構成するとともに前記第１の限流ヒューズに並列に限流用抵抗またはインピーダンスを接続したことを特徴とするものである。

この発明は、電気回路の電路中に挿入された電路遮断器と並列に直列接続された定格電流値の小さな第１の限流ヒューズと大きな第２の限流ヒューズとを接続し、前記第１の限流ヒューズに並列に限流用のインピーダンスまたは抵抗を接続して電流遮断装置を構成しているので、電路に流れる短絡電流を電路遮断器により高速で遮断することにより、短絡電流がこの電路遮断器から限流ヒューズへ転流されると、定格電流の小さい第１の限流ヒューズがより早く溶断され、短絡電流を第１の限流ヒューズからこれに並列に接続された限流用インピーダンスまたは抵抗に転流させることにより、短絡電流を限流することができ、この限流された短絡電流を第２の限流ヒューズにより遮断することができるので、限流ヒューズの遮断容量を減ずることができる。

電気回路の電源容量の増大に応じて限流用インピーダンスまたは抵抗の値を調整することにより、限流量の調整ができるので、どのような電源容量を有する電気回路にでも適用することができる。

この発明の実施の態様を図１に示す実施例について説明する。

図１において、１は従来装置と同様に例えば内蔵された火薬類を爆発させて、その爆発エネルギーにより内部通電路aを破断して電路を開放し、電流を遮断するようにした高速度遮断器により構成した電路遮断器であり、電気回路の電路中に挿入される。この電路遮断器１に並列に、直列接続した定格電流値が小さく選ばれた第１の限流ヒューズ２Ａと定格電流値が第１の限流ヒューズより大きく選ばれた第２の限流ヒューズ２Ｂとを接続する。

ここで、定格電流値の小さい第１の限流ヒューズ２Ａは、その溶断Ｉ²ｔ値（溶断に必要なエネルギー値）が定格電流値の大きい第２の限流ヒューズ２Ｂの溶断Ｉ²ｔ値（溶断に必要なエネルギー値）よりも小さいので、第２の限流ヒューズ２Ｂよりも早いタイミングで、流れた電流によるＩ²ｔ値（電流の２乗の積分値）が溶断Ｉ²ｔ値と等しくなって、第２の限流ヒューズ２Ｂよりも先に、その内部エレメントが溶断してアークが発生する。

そして、第１の限流ヒューズ２Ａに並列に適宜の限流用抵抗を接続する。交流回路の場合は、この限流用抵抗５は限流用インピーダンスとすることもできる。

また、３は電路遮断器１に付属する電路１０の電流を検出する電流検出器である。この電流検出器３は、電路電流が設定電流を超えて過電流になったことを検出すると、電路遮断器１に点火信号４を与る。電路遮断器１は、この点火信号により内部の火薬に点火し爆発させ、その爆発エネルギーにより内部通電路ａを破断させて電路電流を高速に遮断することができる。

電路１０の電流Ｉが通常の範囲で流れている場合は、電路遮断器１の内部通電路ａは接続状態にあるので、内部抵抗が第１および第２の限流ヒューズの直列接続回路の内部抵抗よりはるかに小さいため、この電路電流Ｉはほとんど全部が電路遮断器１に流れ、ヒューズ２Ａ、２Ｂにはほとんど流れないので、限流ヒューズ２Ａ，２Ｂは長期間劣化することなく接続状態を維持する。また、限流ヒューズ２Ａが接続状態にあるときは、限流用抵抗５は、これによって短絡された状態になるので、電路電流Ｉへ影響することがない。

このように構成したこの発明の電流遮断装置の動作を、図２を参照して説明する。図２は、電流遮断装置内の各部の電流および電圧の時間的な変化を示すものである。

電流遮断装置の挿入された電気回路の電路１０に短絡事故が発生した状態で、この電気回路に図２の０時点で電源が投入されると、電路遮断器１に短絡電流Ｉが流れ始め、電気回路の電源容量、内部抵抗およびインピーダンス等の回路条件にしたがって上昇する。この電流Ｉが電流検出器３の設定した過電流レベルＩ０となるＰ１点（ｔ０時点）で、電流検出器３から電路遮断器１を断路するための点火信号４が与えられる。これにより、電路遮断器１は、いくらか時間をおいたｔ１時点から、内部の火薬を爆発させ、そのエネルギーで内部通電路ａを破断して、電流の遮断動作を開始すると、電路遮断器１を流れる電流ＩＭが減少し、限流ヒューズ２Ａと２Ｂの直列回路への転流が始まり、限流ヒューズ回路の電流ＩＦが図２のＰ３点からＰ４点に向かって増加する。ｔ２時点で電路遮断器１の内部通電路ａが完全に断路し、電路遮断器１を流れる電流ＩＭは０となるＰ５点へ移動し、限流ヒューズ回路を流れる電流ＩＦが増加し、Ｉ３となるＰ４点へ移動し、電路１０の短絡電流Ｉは完全に限流ヒューズ回路へ流れ、転流が完了する。

短絡電流Ｉが限流ヒューズ回路に転流し、増加を続けると、定格電流値が限流ヒューズ２Ｂよりも小さい限流ヒューズ２Ａは、上述のように溶断Ｉ²ｔ値も限流ヒューズ２Ｂより小さいことから、限流ヒューズ２Ｂの溶断動作タイミング（後述のＰ８点（ｔ４時点））よりも早いＰ６点（ｔ３時点）（この時点の電流値はＩ５）で内部エレメントが溶断してアークが発生し、この時点よりアークが消滅するまでの限流ヒューズ２Ａの動作として、電流Ｉ＝ＩＦ１が限流ヒューズ２Ａの限流特性に従って減少する限流動作が開始する。これにより、短絡電流Ｉは限流ヒューズ２Ａへ流れる電流ＩＦ１と限流用抵抗５へを流れる電流ＩＦ２とに分流し、限流ヒューズ２Ａの限流動作の進行とともにＩＦ１が減少し、ＩＦ２が増加する。

このとき、限流用抵抗５は、図２に示すように短絡電流Ｉを所定の電流、例えば電流ＩＢになるような抵抗値に選定すれば、短絡電流Ｉ＝ＩＦは、限流ヒューズ２Ａの限流動作により減少を続ける一方、限流用抵抗５によっても抑制されて減少する。

定格電流値が限流ヒューズ２Ａよりも大きく設定された限流ヒューズ２Ｂは、その溶断動作タイミングであるＰ８点（ｔ４時点）（この時点の電流値はＩ４）で内部エレメントが溶断してアークが発生し、この時点よりアークが消滅するまでの限流ヒューズ２Ｂの動作として、電流Ｉ＝ＩＦが限流ヒューズ２Ｂの限流特性に従って減少する限流動作が開始する。これにより、短絡電流はＩ＝ＩＦは、限流ヒューズ２Ａと２Ｂの直列の限流動作と限流用抵抗５の限流作用とにより急速に減少して、限流ヒューズ２Ａの溶断が完了するｔ５時点においてこの限流ヒューズ２Ａの電流ＩＦ１は０となるＰ１３点へ至る。

限流ヒューズ２Ａが遮断したとき、短絡電流Ｉ＝ＩＦはＰ１２点に達し、このｔ５時点からは限流ヒューズ２Ｂと限流用抵抗５の直列回路を流れるので、さらに限流され、電流ＩＦは、限流ヒューズ２Ｂにおけるアークが消滅し限流動作が完了するｔ６時点で０となるＰ１５点に至る。これにより、限流ヒューズ２Ｂの両端電圧ＶＢが電源電圧Ｖｓまで上昇し、短絡電流の遮断が完了する。

以上の説明から明らかなように図１の電流遮断装置では、電路遮断器１に並列接続される限流ヒューズを、定格電流値の小さな限流ヒューズ２Ａと、限流ヒューズ２Ａより定格電流値の大きな限流ヒューズ２Ｂとを直列接続してなる限流ヒューズ直列回路とするとともに、限流ヒューズ２Ａに並列に限流用抵抗５を接続した構成としているので、短絡事故が発生したときの電流遮断動作において、短絡電流が電路遮断器１から限流ヒューズ直列回路へ転流されると、定格電流値の小さい方の限流ヒューズ２Ａの内部エレメントがより早い溶断動作タイミングのｔ３時点で溶断してアークが発生するように動作し、このｔ３時点の電流Ｉ５、すなわち、限流ヒューズ２Ａの限流動作が開始する時点の電流は小さく抑えられている。そして、図１の電流遮断装置では、さらに、短絡電流を限流ヒューズ２Ａからこれに並列に接続された限流用抵抗５に転流させることにより、短絡電流を限流することができる。したがって、図１の電流遮断装置では、上記のようにして限流された短絡電流を定格電流値の大きい方の限流ヒューズ２Ｂにより遮断することになるので、限流ヒューズ２Ｂの遮断責務を軽減して、より速やかな短絡電流遮断動作を行うことができる。

このような各限流ヒューズの定格電流値等の電流仕様の選択は、例えば、一方の限流ヒューズ２Ａを２００アンペア型ヒューズ（定格電流２００Ａ）とすれば、他方の限流ヒューズ２Ｂは６００アンペア型ヒューズ（定格電流６００Ａ）にするなどして、保護する電気回路の定数、状態に合わせて最適な組み合わせのヒューズを選定するようにすればよく、限流ヒューズ２Ａが限流ヒューズ２Ｂよりも先に溶断する、すなわち限流ヒューズ２Ａの溶断時間が限流ヒューズ２Ｂの溶断時間よりも短い、という限流ヒューズ２Ａと限流ヒューズ２Ｂとの溶断動作の協調に必要な条件として、（限流ヒューズ２Ａの溶断Ｉ²ｔ値）＜（限流ヒューズ２Ｂの溶断Ｉ²ｔ値）という条件が満たされるようにすればよい。そして、各限流ヒューズの仕様の選択においては、限流ヒューズの溶断時間電流特性として、規定された溶断時間での溶断電流、すなわち溶断動作電流の仕様値に基づき、［限流ヒューズ２Ａの（規定溶断時間での）溶断動作電流値］＜［限流ヒューズ２Ｂの（規定溶断時間での）溶断動作電流値］という条件に基づいて仕様を選択してもよく、これによっても、限流ヒューズ２Ａが限流ヒューズ２Ｂよりも先に溶断するという溶断動作の協調を行うことができる。

なお、限流ヒューズの仕様の選択においては基本的な事項であるが、上記のような溶断時間、すなわち、電流が流れ始めた瞬間から内部エレメントである可溶体が溶断してアークを発生するまでの時間だけではなく、可溶体が溶断してアークが発生した瞬間から電流が消滅するまでの時間であるアーク時間も電流遮断装置として重要であり、溶断時間とアーク時間との総和である動作時間に係る動作時間電流特性として動作Ｉ²ｔ値（遮断Ｉ²ｔ値）（動作時間に対するジュール積分）などを考慮することも重要である。

また、限流用抵抗５の限流作用は上述の通りであるが、図１の構成において限流用抵抗５を設けない場合には、限流ヒューズ２Ｂの内部エレメントが溶断してアークが発生するｔ４時点で、短絡電流Ｉが図２におけるＰ１６点のＩ６まで上昇するが、この発明では、限流用抵抗５を設けることにより、ｔ４時点における短絡電流ＩをＰ８点のＩ４に抑えることができ、大幅な限流効果が得られるため、限流ヒューズ等の遮断容量を増大することなく電源容量の大きい電気回路の短絡電流を確実に遮断することができる効果が得られる。

また、この発明における電路遮断器としては、火薬により内部通電路を破断して電流遮断を行うようにした遮断器だけでなく、過電流をより高速で遮断することのできる遮断器であれば、どのような形式の遮断器でも使用することができる。

この発明の実施例を示す回路構成図である。この発明の動作説明図である。従来の電流遮断装置を示す回路構成図である。従来装置の動作説明図である。

符号の説明

１：電路遮断器
２Ａ、２Ｂ：限流ヒューズ
３：電流検出器
５：限流用抵抗

Claims

電路に流れる電流が過電流になったとき内部通電路を高速で遮断する電路遮断器と、この電路遮断器と並列に接続された、過電流によって内部の溶断エレメントを溶断して電流を限流して遮断する限流ヒューズとを組み合わせて構成した電流遮断装置において、前記限流ヒューズを、定格電流の小さな第１の限流ヒューズと、この第１の限流ヒューズより定格電流の大きな第２の限流ヒューズとを直列接続して構成するとともに前記第１の限流ヒューズに並列に限流用抵抗またはインピーダンスを接続したことを特徴とする電流遮断装置。