JP5245591B2 - 過電流遮断器及び過電流の遮断方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気配線に規定以上の電流が流れた際に安全を確保するために設けられる過電流遮断器及び過電流の遮断方法に関する。

電気を使いすぎたり（過負荷）ショート（短絡）することにより電気配線に過電流が流れることがある。過電流が流れることによって電気配線に熱が加えられることになり、この状態を放置しておくと例えば、出火してしまう等、危険な状態が生じうる。そこで、電気配線の保護を目的に過電流が流れた場合に自動的に電気を遮断する機器（以下、「過電流遮断器」という。）が設けられている。この過電流遮断器としては、例えば、電流制限器、配線用遮断器（ブレーカ）、或いは、過電流保護機能付き漏電遮断器を挙げることができる。

過電流遮断器の動作原理については、その代表的な原理としていわゆる「バイメタル方式」がある。この「バイメタル方式」とは、過電流遮断器内に２種類の熱膨張係数が異なる金属板を張り合わせた「バイメタル」と呼ばれる金属板が組み込まれている。このバイメタルは電気が流れると発熱し、熱膨張係数が異なる金属板からなるためどちらか一方に湾曲する。

元来過電流遮断器が設けられる電気配線にはそれぞれ予め流すことのできる電流が決められている。このような定格電流を超える大きな電流が電線を流れると、流れた電流の大きさに合わせて過電流遮断器内に設けられたバイメタルの発熱量、湾曲量が大きくなる。バイメタルは所定の湾曲量に達すると作動板に接触して押し、接合片が外されることにより接点引き外し装置を動作させて電流が流れる回路を遮断する。

このようにバイメタル方式では、バイメタルの上述した物理的な性質を利用して過電流による発熱とその発熱に伴う湾曲を基に接点の開放を制御する。そのため、定格電流の上限に近い電流が短時間で頻繁に流れると、バイメタルが十分に冷却されず短い間隔で回路が遮断されることになる。但し、過電流遮断器は熱による電気配線の保護を目的としているためこのような動作特性は、むしろ過電流遮断器の性質に合致するものである。

一方、このようなバイメタルを利用した物理的機械的に回路を遮断する方法ではなく、電気配線に流れた電流の値を検出して過電流が流れた場合に電気的に接点引き外し装置を動作させる、言わば、電子式の過電流遮断器も存在する（特許文献１参照）。
特開２００８−７８００２号公報

しかしながら、上述の特許文献１に開示されている電子式の過電流遮断器では、以下の点に対する考慮がなされていない。

すなわち、この電子式過電流遮断器は、電気配線に流れた電流を検出し、その電流値が契約電流値よりも大きい場合に所定の限時特性に基づいて電路の断路処理を行う点に特徴がある。ここでの「限時特性」とは、例えば、定格電流が６０Ａの場合には定格電流の２００％（１２０Ａ）の電流においては６分以内に動作し、定格電流の１２５％（７５Ａ）の電流にあっては１２０分以内に動作する、といった特性を指す。

この「限時特性」に従って制御すると、上述したようなバイメタル方式における優れた熱蓄積による動作特性を生かすことができず、過電流遮断器がそもそも目的としていた熱からの電気配線の保護、という点から乖離してしまうことになる。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、いわゆる電子式ではあるが熱蓄積による動作特性を十分に反映させ、過電流による熱からの電気配線の保護を確実に行うことのできる過電流遮断器及び過電流の遮断方法を提供することである。

本発明の実施の形態に係る第１の特徴は、過電流遮断器において、電流検出手段が検出した電流値と予め規定されている電流値とを比較する比較手段と、比較手段からの比較結果に基づいて規定電流値に対する検出電流値の大小を判断する判断手段と、判断手段からの指示に基づき、検出電流値が規定電流値よりも大きい場合には前記検出電流値と前記規定電流値との差に応じた量だけ蓄積量を増量し、検出電流値が規定電流値よりも小さい場合には一定量だけ蓄積量を減量する計量手段とを備える。

本発明の実施の形態に係る第２の特徴は、過電流の遮断方法において、電流検出手段が流れる電流を検出するステップと、電流検出手段が検出した電流値と予め規定されている電流値とを比較手段において比較するステップと、比較手段からの比較結果に基づいて判断手段が規定電流値に対する検出電流値の大小を判断するステップと、判断手段によって検出電流値が規定電流値よりも大きいと判断されたときは、判断手段からの指示に基づいて計量手段が前記検出電流値と前記規定電流値との差に応じた量だけ蓄積量を増量し、判断手段によって検出電流値が規定電流値以下であると判断されたときは、判断手段からの指示に基づいて計量手段が蓄積量を一定量減量するステップと、予め定められている量よりも計量手段に蓄積された蓄積量が大きくなったときは、接点の開放を行うステップとを備える。

本発明によれば、いわゆる電子式ではあるが熱蓄積による動作特性を十分に反映させ、過電流による熱からの電気配線の保護を確実に行うことのできる過電流遮断器及び過電流の遮断方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態における過電流遮断器１の全体構成を示すブロック図である。なお、ここでいう「過電流遮断器」には、上述したように電流制限器、配線用遮断器（ブレーカ）、或いは、漏電遮断器等が含まれる。

図１に示すように、過電流遮断器１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１ａと、ＲＯＭ(Read Only Memory)１ｂと、ＲＡＭ（Random Access Memory）１ｃ及び入出力インターフェイス１ｄがバス１ｅを介して接続されている。入出力インターフェイス１ｄには、入力手段１ｆと、電流検出手段１ｇと、記憶手段１ｈと、駆動部制御手段１ｉとが接続されており、駆動部制御手段１ｉによって過電流遮断器１の、例えば図示しない接点引き外し装置等に信号が送信されて、接点の開放といった動作の制御がなされる。

ＣＰＵ１ａは、入力手段１ｆからの入力信号に基づいてＲＯＭ１ｂから過電流遮断器１を起動するためのブートプログラムを読み出して実行し、記憶手段１ｈに格納されている各種オペレーティングシステムを読み出す。またＣＰＵ１ａは、ＲＡＭ１ｃや記憶手段１ｈ等に記憶されたプログラム及びデータを読み出してＲＡＭ１ｃにロードするとともに、ＲＡＭ１ｃから読み出されたプログラムのコマンドに基づいて、データの計算または加工等、一連の処理を実現する処理装置である。

入力手段１ｆは、例えば過電流遮断器１の電源をＯＮ或いはＯＦＦするためのスイッチである。また、過電流等が流れて電気配線への通電が遮断された後に電流制限器や配線用遮断器（ブレーカ）に改めて通電するためのスイッチである。入力手段１ｆが操作されると、この操作者の操作に基づいて通電が開始されたことの入力信号が作成されバス１ｅを介してＣＰＵ１ａに送信される。

電流検出手段１ｇは、電気配線内を流れる電流を検出する手段である。その検出方法は、例えば磁気コアにコイルを巻いた変流器（ＣＴ）をセンサとして用いる方法、或いは、磁気コアの空隙部に磁電変換素子が配置され、被測定電流によって発生した空隙部の磁束密度を測定し流れる電流を検出するホール素子等電子的に検出する方法、どのような方法であっても構わない。電流検出手段１ｇで検出された電流値（以下、適宜「検出電流値」と表わす。）は、入出力インターフェイス１ｄを介してＣＰＵ１ａに送信される。

記憶手段１ｈは、半導体等で構成されており、ＣＰＵ１ａで実行されるプログラムやデータが記憶されている。また、記憶手段１ｈから読み出された信号は、入出力インターフェイス１ｄ及びバス１ｅを介してＣＰＵ１ａに送受信される。

なお、本発明の実施の形態における過電流遮断器１では、過電流遮断プログラムが記憶手段１ｈに格納されており、ＣＰＵ１ａに読み込まれ実行されることにより、過電流遮断手段１０が過電流遮断器１に実装されることになる。また、以下では過電流を遮断するまでの動作を過電流遮断プログラムに規定された流れに従って制御する方法を説明するが、例えば、過電流遮断回路を過電流遮断器１内に設けて過電流の遮断を行うこととしても良い。

過電流遮断器１に実装された過電流遮断手段１０の内部構成は、図２に示すように、受信手段１１と、比較手段１２と、判断手段１３と、計量手段１４と、送信手段１５とからなる。これら過電流遮断手段１０を構成する各手段の働きについては、以下の過電流が生じた際の遮断の制御方法について図３に示すフローチャートを利用して説明するのに併せて説明する。

電流検出手段１ｇは、電気配線に接続されて、電気配線に通電されている間は恒常的に電気配線に流れる電流の大きさを検出している（ＳＴ１）。この電流検出手段１ｇにおいて検出される検出電流値は、受信手段１１を介して過電流遮断手段１０の比較手段１２に送信される。

比較手段１２は、記憶手段１ｈから電流検出手段１ｇが取り付けられている過電流遮断器１の電気配線に対して定められている定格電流の電流値（以下、このような電流値を「規定電流値」という）の情報を入手する。そして電流検出手段１ｇから送信された検出電流値とこの規定電流値とを比較する（ＳＴ２）。なお、記憶手段１ｈには、過電流遮断器１が取り付けられる電気配線ごとの規定電流値が予め格納されていることが前提となる。また、記憶手段１ｈに記憶させる規定電流値の値を変えることによって、この過電流遮断器１は契約の如何に拘わらずいずれの場所においても使用することができる。

本発明の実施の形態における比較手段１２では、検出電流値が規定電流値よりも大きいか否かを見ている。従って、検出電流値が規定電流値よりも大きいか（ＳＴ２のＹＥＳ）、或いは検出電流値が規定電流値以下の値であるか（ＳＴ２のＮＯ）によって、この比較結果を受け取った判断手段１３から計量手段１４への指示が異なってくる。

まず、検出電流値が規定電流値よりも大きい場合（ＳＴ２のＹＥＳ）には、判断手段１３は、検出電流値と規定電流値との差異を確認する（ＳＴ３）。このステップは、発熱量は電流の２乗に比例するという法則があり、本発明の実施の形態における過電流遮断器１を熱蓄積による動作特性が十分に反映された作用を行うことができる過電流遮断器とするために行われる。

すなわち、バイメタルを利用した過電流遮断器の場合、検出電流値が大きくなればなるほどそれだけバイメタルは大きく湾曲することになる。電子式の過電流遮断器においてこの動作特性を実現するためには、検出電流値と規定電流値との差を確認した上で主接点を開放するに当たって発熱量を反映させなければならない。そのために判断手段１３が、検出電流値が規定電流値よりも大きい場合に検出電流値と規定電流値との差異がどの程度であるかを確認する。

判断手段１３は、検出電流値と規定電流値との差を確認し、その差に応じて蓄積量の増加を計量手段１４に指示する（ＳＴ４）。すなわち、判断手段１３は計量手段１４に対して増量を指示する際に検出電流値と規定電流値との差の２乗に比例することが明確になるように指示を出す。

なお、ここでは「計量」という言葉を使用しており、例えば、判断手段１３からの検出電流値と規定電流値との差の２乗に該当するデータ量が送信され、そのデータ量という「量」を蓄積していく場合を想定している。但し、このような例の他、計量手段１４として例えば、カウンタを利用し、検出電流値と規定電流値との差の２乗に該当する数値を積み上げていく、といった方式であっても構わない。

一方、検出電流値が規定電流値以下の値である場合には（ＳＴ２のＮＯ）、判断手段１３は計量手段１４に対して一定量を減量させるように指示する（ＳＴ５）。この場合、検出電流値が規定電流値よりも大きい場合と異なり、検出電流値と規定電流値との差がどのような量であっても減量の幅は一定量に限られるように設定されている。

このように、検出電流値が規定電流値より大きいか、検出電流値が規定電流値以下であるかによって判断手段１３から計量手段１４への指示が異なる。前者の場合に検出電流値と規定電流値との差の２乗に該当する量を計量手段１４に蓄積することによって、発熱量の違いを的確に過電流遮断器１に反映させることができるようになり、熱による電気配線の保護をより確実に行うことができる。

一方、検出電流値が規定電流値以下の場合に、予め定めた一定量のみを減量し、検出電流値と規定電流値との差の２乗に該当する量を減量することにしなかったのは、以下の理由による。

すなわち、検出電流値が規定電流値を下回るようであれば、電気配線に対する熱による影響は少ないと考えられるからである。また、バイメタルを利用した場合には、一旦熱を受けて湾曲した後、検出電流値が規定電流値以下となってもバイメタルに蓄積された熱もすぐには放熱されず、これまで湾曲した量がすぐにリセットされるわけではない。従って、このようなバイメタルの性質に鑑みれば、本発明の実施の形態における過電流遮断器１においても、検出電流値が規定電流値以下となった場合に検出電流値よりも規定電流値が大きくなった場合に合わせた割合で計量手段１４へ減量の指示を出すのは適当ではない。そこで、検出電流値が規定電流値以下である場合には予め定めた一定量のみを減量することとしたものである。これによって、より確実に熱からの電気配線の保護を行うことが可能になる。

さらには、検出電流値が規定電流値以下であって計量手段１４に蓄積されていた量が一定の割合で減量されている状態において、再度検出電流値が規定電流値以上となった場合には、計量手段１４内に蓄積された「量」は零とはならないように設定されている。これは、バイメタルを利用しない電子式であるが故に計量手段１４内の量が減量に転じたときにこれまで計量手段１４に蓄積された「量」を合わせてリセットして零とすることは可能であるが、上述したようにこのような設定は実際のバイメタルの性質とは乖離した設定となる。そしてこのような設定としてしまうと、検出電流値が規定電流値未満となる度に蓄積量が零となり次に検出電流値が規定電流値以上となった場合に再度零から「量」を蓄積していかなければならなくなる。

このような動作特性では、上述したようなバイメタルを利用する過電流遮断器の動作特性と異なり熱蓄積による動作特性が十分に反映されていないことになる。そこで、検出電流値が規定電流値よりも大きくなった後に検出電流値が規定電流値以下となった場合には、計量手段１４に蓄積された「量」をすぐに零としてしまうのではなく一定の割合で減量していくように設定し、再度検出電流値が規定電流値以上となった場合には、再度そのときに計量手段１４に蓄積されている「量」に積み上げるような設定としている。

図４は、本発明の実施の形態における制御方法を採用した過電流遮断器１の動作状態を示すチャートである。このチャートでは縦軸に計量手段１４に蓄積される「量」を表わし、横軸に検出された電流の状態を示している。なお特にこのチャート内では、検出電流値が規定電流値以下の状態を「Ａ」で示し、検出電流値が規定電流値よりも大きい状態を「Ｂ」で表わしている。また、一定量の位置で引かれている破線は、予め計量手段１４において規定されている接点を開放するとの判断がなされるしきい値を示している。計量手段１４内に蓄積される量がこのしきい値に示される量に達する、或いは超えると電気配線には過電流が流れていると判断することができるので（ＳＴ６のＹＥＳ）、判断手段１３は送信手段１５を介して駆動部制御手段１ｉが接点を開放し、電気の流れを遮断する指示を出す（ＳＴ７）。

このような制御方法を採用することによって、バイメタルを利用した機械的な過電流遮断器ではなく、いわゆる電子式ではあるが熱蓄積による動作特性を十分に反映させ、過電流による熱からの電気配線の保護を確実に行うことのできる過電流遮断器及び過電流の遮断方法を提供することができる。

なお、この発明は、上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成できる。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。

本発明の実施の形態における過電流遮断器の全体構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態における過電流遮断手段の内部構成を示すブロック図である。 過電流が流れた場合の過電流遮断器の制御の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態における過電流遮断器１の動作状態を示すチャートである。

符号の説明

１…過電流遮断器、１０…過電流遮断手段、１１…受信手段、１２…比較手段、１３…判断手段、１４…計量手段、１５…送信手段

Claims (2)

1. 電流検出手段が検出した電流値と予め規定されている電流値とを比較する比較手段と、
   前記比較手段からの比較結果に基づいて前記規定電流値に対する前記検出電流値の大小を判断する判断手段と、
   前記判断手段からの指示に基づき、前記検出電流値が前記規定電流値よりも大きい場合には前記検出電流値と前記規定電流値との差に応じた量だけ蓄積量を増量し、前記検出電流値が前記規定電流値よりも小さい場合には一定量だけ前記蓄積量を減量する計量手段と、
   を備えることを特徴とする過電流遮断器。
2. 電流検出手段が流れる電流を検出するステップと、
   前記電流検出手段が検出した電流値と予め規定されている電流値とを比較手段において比較するステップと、
   前記比較手段からの比較結果に基づいて判断手段が前記規定電流値に対する前記検出電流値の大小を判断するステップと、
   前記判断手段によって前記検出電流値が前記規定電流値よりも大きいと判断されたときは、前記判断手段からの指示に基づいて計量手段が前記検出電流値と前記規定電流値との差に応じた量だけ蓄積量を増量し、前記判断手段によって前記検出電流値が前記規定電流値以下であると判断されたときは、前記判断手段からの指示に基づいて計量手段が前記蓄積量を一定量減量するステップと、
   予め定められている量よりも前記計量手段に蓄積された前記蓄積量が大きくなったときは、接点の開放を行うステップと、
   を備えることを特徴とする過電流の遮断方法。

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