JP5271248B2 - 回路遮断器 - Google Patents

Description

本発明は、短絡等が発生した際に回路を保護する回路遮断器に関する。

電源と電源から給電線を介して給電される負荷とを備えた直流給電回路においては、短絡等が発生した際に回路を保護するために、電源と負荷との間に回路遮断器が設けられている。回路遮断器としては、ヒューズや、半導体による遮断器、サーキットブレーカ等が用いられる。

ヒューズや半導体による遮断器を用いた回路遮断器に関する技術は数多く提案されており、ヒューズを用いた回路遮断器に関する技術が例えば、特許文献１に開示されている。また、半導体による遮断器を用いた回路遮断器に関する技術が例えば、特許文献２に開示されている。

ここで、回路遮断器としてヒューズを用いた場合、小型の回路遮断器を実現することができる。しかし、ヒューズは、ヒューズ自体が溶断されることによって電流を遮断し、溶断したヒューズは、繰り返して利用することができない。

また、半導体による遮断器を回路遮断器として用いた場合にも、小型の回路遮断器を実現することができる。しかし、半導体による遮断器を用いた回路遮断器は、他の回路遮断器と比較して信頼性が低い。

このため、回路遮断器としては、繰り返して利用することができ、かつ、信頼性の高いサーキットブレーカを用いることが望ましい。

サーキットブレーカでは、直流給電回路内に短絡等が発生し、給電線に流れる電流の電流値が定格電流値を超えると、サーキットブレーカの内部のコイル等により、サーキットブレーカの内部にある電源側接点と負荷側接点とを引き離す動作が開始される。これにより、給電線に流れる電流の遮断が開始される。以降、サーキットブレーカにおいて、電源側接点と負荷側接点とを引き離す動作のことを引き離し動作という。

サーキットブレーカにおいて引き離し動作は、機械的に行われる。そのため、給電線に流れる電流の電流値が定格電流値を超えてから、引き離し動作が開始されるまでに、数ｍｓ程度の時間が必要となる。そして、引き離し動作が開始された後、電源側接点と負荷側接点との間にアークが発生し、このアークが消弧することにより、電流の遮断が完了する。

このとき、サーキットブレーカは、電源側接点及び負荷側接点がアークによって発熱し、損傷する恐れがある。この損傷を防ぐためには、サーキットブレーカに応じて決められ、遮断することが可能な電流の最大値である遮断容量と、アークが消弧するまでの時間とを守る必要がある。

給電線に流れる電流が大きな場合、遮断容量を大きくすることが求められる。このため、サーキットブレーカの構造の改良が進められてきた（例えば、特許文献３参照。）。

特許文献３に開示されている技術では、アークを消弧する消弧装置を可動可能とすることにより、小電流領域における電流の遮断、大電流の遮断、直流電流の遮断のそれぞれにおいて、遮断性能を満足させることができるようにしている。

特開２００８−２４３７５７号公報 特開２００８−６７４４０号公報 特許第４１０３３７２号公報

ここで、直流給電回路において回路遮断器としてサーキットブレーカを用いる場合についてさらに詳しくみてみる。

直流給電回路においては、交流給電回路と異なり、電源から供給される電流の電流値が０となるタイミングがない。そのため、アークが消弧するまでに時間がかかる。

アークを速やかに消弧させるためには、電源側接点と負荷側接点とを引き離す距離を長くする必要がある。しかし、電源側接点と負荷側接点とを引き離す距離を長くすると、その分だけサーキットブレーカのサイズが大きくなってしまう。

なお、交流給電回路において、給電電圧の周期に応じて供給される電流には、その電流値が０をなるタイミングがある。そのため、電流値が０をなるタイミングでアークを消弧することができ、サーキットブレーカのサイズを大きくする必要がない。

また、給電電圧値が高くなると、その高い電圧値のために引き離し動作を行うことが難しくなる。また、給電電圧値が高くなると、給電線に流れる電流の電流値が定格電流値を超えてから、引き離し動作が開始されるまで、すなわち、電流の遮断が開始されるまでに流れる電流の電流値が非常に大きくなる。

これらに対応するためには、遮断容量を大きくする必要がある。この場合、上述したのと同様に、引き離し動作において、電源側接点と負荷側接点とを引き離す距離を長くする必要がある。つまり、サーキットブレーカのサイズが大きくなってしまう。

ここで、上述した特許文献３に開示されている技術を用いれば、直流給電回路において電流を遮断することも可能ではある。しかし、消弧装置を可動可能とする等、サーキットブレーカの構造が複雑になる。

このように、直流給電回路において回路遮断器としてサーキットブレーカを用いる場合、サイズが大きくなったり、構造が複雑になったりと、サーキットブレーカが特殊なものになってしまうという問題点がある。

本発明は、直流給電回路において、サイズや構造が特殊でないサーキットブレーカを用いた電流の遮断を実現できる回路遮断器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の回路遮断器は、直流電源から給電線を介して給電される負荷と前記直流電源との間に設けられた回路遮断器であって、
前記給電線を構成する正極線と第１の接続点で接続され、前記給電線を構成する負極線と第２の接続点で接続され、前記負極線から前記正極線への方向の電流を通過させる少なくとも１つのダイオードからなるダイオード群と、
前記第１及び第２の接続点よりも前記直流電源側で前記給電線上に接続され、前記給電線に流れる電流の電流値が定格電流値を超えると当該電流の遮断を開始するサーキットブレーカと、
前記第１及び第２の接続点よりも前記負荷側で前記給電線上に接続され、前記給電線に流れる電流の電流値の変化率に応じ、所定のインダクタンスに基づいた起電力を発生させるインダクタと、を有する。

本発明の回路遮断器は、直流電源から給電線を介して給電される負荷と直流電源との間に設けられた回路遮断器であって、給電線を構成する正極線と第１の接続点で接続され、給電線を構成する負極線と第２の接続点で接続され、負極線から正極線への方向の電流を通過させる少なくとも１つのダイオードからなるダイオード群を有する。また、回路遮断器は、第１及び第２の接続点よりも直流電源側で給電線上に接続され、給電線に流れる電流の電流値が定格電流値を超えると当該電流の遮断を開始するサーキットブレーカを有する。また、回路遮断器は、第１及び第２の接続点よりも負荷側で給電線上に接続され、給電線に流れる電流の電流値の変化率に応じ、所定のインダクタンスに基づいた起電力を発生させるインダクタを有する。

そのため、短絡等が発生した際、給電線に流れる電流の電流値が定格電流値を超えてからサーキットブレーカが電流の遮断を開始するまでの電流の増加がインダクタによって抑制される。これにより、サーキットブレーカに求められる遮断容量を抑制することが可能となる。

さらに、ダイオードを用いることにより、インダクタを用いることに起因するサーキットブレーカの接点間の電圧値の増加を回避できる。これにより、電流の遮断を開始した後に発生するアークが速やかに消弧する。

従って、直流給電回路において、サイズや構造が特殊でないサーキットブレーカを用いた電流の遮断を実現できる。

本発明の回路遮断器を適用した直流給電回路の実施の一形態の構成を示すブロック図である。 図１に示したインダクタを用いた場合と用いない場合とにおいて、短絡等が発生した際に給電線に流れる電流の電流値の変化を示す図である。 図１に示したダイオードを用いた場合と用いない場合とにおいて、短絡等が発生した際の電圧値及び電流値の変化を示す図であり、（ａ）はサーキットブレーカの接点間の電圧値の変化を示す図、（ｂ）はサーキットブレーカに流れる電流の電流値の変化を示す図である。 図１に示したダイオードと直列に接続された抵抗を備えた回路遮断器の構成の一例を示すブロック図である。 複数のダイオードを相互に直列に接続した場合の回路遮断器の構成の一例を示すブロック図である。 複数のダイオードを相互に並列に接続した場合の回路遮断器の構成の一例を示すブロック図である。 複数のダイオードを相互に直列に接続した複数の直列接続ダイオード群を相互に並列に接続した場合の回路遮断器の構成の一例を示すブロック図である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の回路遮断器を適用した直流給電回路の実施の一形態の構成を示すブロック図である。

本実施形態の直流給電回路は図１に示すように、回路遮断器１０と、直流電源２０と、負荷３０とを備えている。

また、回路遮断器１０と直流電源２０と負荷３０とは、正極線５１及び負極線５２から構成される給電線によって接続されている。そして、直流電源２０から回路遮断器１０を介して負荷３０へ電流が流れることにより、負荷３０へ給電される。

回路遮断器１０は、直流電源２０と負荷３０との間に設けられており、サーキットブレーカ１１と、ダイオード１２と、インダクタ１３とを備えている。

ダイオード１２は、正極線５１及び負極線５２と接続されている。そして、ダイオード１２は、負極線５２から正極線５１への方向の電流を通過させる。なお、以降、ダイオード１２と正極線５１との接続点のことを第１の接続点といい、ダイオード１２と負極線５２との接続点のことを第２の接続点という。

サーキットブレーカ１１は、第１の接続点よりも直流電源２０側で正極線５１上に接続されている。サーキットブレーカ１１は、給電線に流れる電流の電流値が定格電流値を超えると、サーキットブレーカ１１の内部の電源側接点（不図示）と負荷側接点（不図示）とを引き離す引き離し動作を開始する。これにより、給電線に流れる電流の遮断が開始される。そして、引き離し動作の開始後に発生するアークが消弧することにより、給電線に流れる電流の遮断が完了する。なお、ここでは、サーキットブレーカ１１は、正極線５１上に接続されているが、負極線５２上、または、正極線５１上と負極線５２上との両方に接続されていてもよい。サーキットブレーカ１１は、負極線５２上に接続される場合、第２の接続点よりも直流電源２０側で接続される。

インダクタ１３は、第１の接続点よりも負荷３０側で正極線５１上に接続されている。そして、インダクタ１３は、給電線に流れる電流の電流値の変化率に応じ、所定のインダクタンスＬ₀に基づいた起電力を発生させる。なお、インダクタ１３は、負極線５２上に接続されていてもよい。この場合、インダクタ１３は、第２の接続点よりも負荷３０側で負極線５２上に接続される。

以下に、上記のように構成された回路遮断器１０の動作原理について説明する。

まず、図１に示した直流給電回路に短絡等が発生していない通常時には、ダイオード１２には常に逆電圧がかかる。そのため、ダイオード１２に電流が流れない。また、直流電源２０からは直流で給電されるため、インダクタ１３による力率の低下等も発生しない。

そのため、図１に示した直流給電回路は、通常時には、ダイオード１２とインダクタ１３とがない場合と同じように動作する。

次に、図１に示した直流給電回路に短絡等が発生し、定格電流値を超える電流が給電線に流れる場合について説明する。

まず、短絡等が発生してから引き離し動作が開始されるまでについて説明する。

短絡等が発生すると、給電線に流れる電流は、以下に示す式(１)に従って増加していく。

上記の式（１）において、Ｌ₁は直流電源２０から回路遮断器１０までの間の正極線５１のインダクタンスであり、Ｌ₂は回路遮断器１０から負荷３０までの間の正極線５１のインダクタンスであり、Ｖ₀は直流電源２０による給電電圧である。なお、Ｌ₀は上述したようにインダクタ１３のインダクタンスである。

給電線に流れる電流の電流値が定格電流値を超えると、サーキットブレーカ１１の内部のコイル（不図示）等により、引き離し動作が開始される。

ここで、サーキットブレーカ１１において、引き離し動作は機械的に行われる。そのため、給電線に流れる電流の電流値が定格電流値を超えてから、引き離し動作が開始されるまでには、数ｍｓ程度の時間が必要となる。この時間帯おいても通電され続け、給電線に流れる電流が増加していく。つまり、一時的に、定格電流値を超えて電流が増加していくこととなる。

図２は、図１に示したインダクタ１３を用いた場合と用いない場合とにおいて、短絡等が発生した際に給電線に流れる電流の電流値の変化を示す図である。図中、実線がインダクタ１３を用いた場合を示しており、一点鎖線がインダクタ１３を用いない場合を示している。

インダクタ１３を用いた場合図２に示すように、給電線に流れる電流が定格電流値を超えてから、サーキットブレーカ１１が電流の遮断を開始するまでの電流の増加が、インダクタンスＬ₀に対応する分だけ抑制される。これは、上記の式（１）式から明らかである。

次に、引き離し動作の開始後について説明する。

サーキットブレーカ１１において引き離し動作が開始されると、サーキットブレーカ１１の電源側接点と負荷側接点と間にアークが発生する。

このとき、サーキットブレーカ１１は、発生したアークによって接点が発熱することにより、損傷する恐れがある。そのため、アークを速やかに消弧することが必要となる。

図３は、図１に示したダイオード１２を用いた場合と用いない場合とにおいて、短絡等が発生した際の電圧値及び電流値の変化を示す図であり、（ａ）はサーキットブレーカ１１の接点間の電圧値の変化を示す図、（ｂ）はサーキットブレーカ１１に流れる電流の電流値の変化を示す図である。図中、実線がダイオード１２を用いた場合を示しており、一点鎖線がダイオード１２を用いない場合を示している。

引き離し動作が開始されると、給電線に流れる電流が変化する。そのため、サーキットブレーカ１１には、給電電圧に加えて給電線等のインダクタンスに基づいた起電力がかかり、サーキットブレーカ１１の接点間の電圧値は上昇する。

ダイオード１２を用いない場合、サーキットブレーカ１１の接点間の電圧値は、給電電圧Ｖ₀と、インダクタンスＬ₁，Ｌ₂及びＬ₀に基づいた起電力との和となる。そのため、図３（ａ）に示すように、サーキットブレーカ１１の接点間には大きな電圧がかかる。これにより、アークが消弧するまでの時間が長くなる。

特に、サーキットブレーカ１１の遮断容量を抑制するために、インダクタンスＬ₀を大きくした場合には、サーキットブレーカ１１の接点間にかかる電圧がさらに大きくなり、アークが消弧するまでの時間が非常に長くなることが懸念される。

一方、ダイオード１２を用いた場合には、ダイオード１２と正極線５１との接続点である第１の接続点の電位は、ダイオード１２と負極線５２との接続点である第２の接続点の電位よりも低くならない。

そのため、サーキットブレーカ１１の接点間の電圧値は、給電電圧Ｖ₀とＬ₁に基づいた起電力との和のみとなる。つまり、図３（ａ）に示すように、ダイオード１２を用いない場合よりも、サーキットブレーカ１１の接点間の電圧値は低くなる。

これは、図３（ｂ）に示すように、ダイオード１２を用いた場合の方が、ダイオード１２を用いない場合よりも早く、サーキットブレーカ１１に流れる電流の電流値が０になっていることからもわかる。

なお、インダクタンスＬ₂，Ｌ₀に基づいた起電力により、ダイオード１２を介して、負荷３０側の給電線には電流が流れる。この電流は、給電線の抵抗によってエネルギーを消費し、徐々に減少していく。

このように本実施形態において回路遮断器１０は、給電線を構成する正極線５１と第１の接続点で接続され、給電線を構成する負極線５２と第２の接続点で接続され、負極線５２から正極線５１への方向の電流を通過させるダイオード１２を有する。また、回路遮断器１０は、第１及び第２の接続点よりも直流電源２０側で給電線上に接続され、給電線に流れる電流の電流値が定格電流値を超えると当該電流の遮断を開始するサーキットブレーカ１１を有する。また、回路遮断器１０は、第１及び第２の接続点よりも負荷３０側で給電線上に接続され、給電線に流れる電流の電流値の変化率に応じ、所定のインダクタンスＬ₀に基づいた起電力を発生させるインダクタ１３を有する。

そのため、短絡等が発生した際、給電線に流れる電流の電流値が定格電流値を超えてから、サーキットブレーカ１１が電流の遮断を開始するまでの電流の増加がインダクタ１３によって抑制される。これにより、サーキットブレーカ１１に求められる遮断容量を抑制することが可能となる。

さらに、ダイオード１２を用いることにより、インダクタ１３を用いることに起因するサーキットブレーカ１１の接点間の電圧値の増加を回避できる。これにより、電流の遮断を開始した後に発生するアークが速やかに消弧する。

従って、直流給電回路において、サイズや構造が特殊でないサーキットブレーカを用いた電流の遮断を実現できる。

なお、サーキットブレーカ１１は、インダクタンス成分を有する部品によって動作させることが可能であるが、本実施形態においては、図１に示したインダクタ１３をサーキットブレーカ１１のインダクタンス成分とすることもできる。つまり、サーキットブレーカ１１の遮断容量は、インダクタ１３のインダクタンスＬ₀に応じた値となる。

この場合、サーキットブレーカ１１にインダクタンス成分を有するコイル等を別途設けなくてもよくなり、サーキットブレーカ１１のサイズをさらに小さくすることができる。

ところで、インダクタンスＬ₀が大きな場合には、サーキットブレーカ１１においてアークが消弧した後も、ダイオード１２を介し、負荷３０側の回路に長時間電流が流れる。そこで、負荷３０側の回路に電流が流れる時間を短縮するために、抵抗を用いる方法がある。

図４は、図１に示したダイオード１２と直列に接続された抵抗を備えた回路遮断器の構成の一例を示すブロック図である。

図４に示す回路遮断器１０−１のように、ダイオード１２と直列に接続された抵抗１４を備えることにより、サーキットブレーカ１１においてアークが消弧するまでの時間は若干長くなるが、負荷３０側の回路に電流が流れる時間を短縮することが可能となる。

このように、ダイオード１２と直列に抵抗１４を接続することにより、上述した効果に加えて、負荷３０側の回路に電流が流れる時間を短縮することができる。これにより、インダクタ１３を用いたことによる影響を軽減することが可能となる。

次に、正極線５１及び負極線５２に接続されるダイオード１２について、さらに詳しく説明する。

ダイオード１２は、ショートモードで故障する場合と、オープンモードで故障する場合との２通りが考えられる。なお、ショートモードでの故障とは短絡故障のことであり、オープンモードでの故障とは絶縁故障のことである。

ダイオード１２がショートモードで故障した場合、図１に示した回路遮断器１０において、正極線５１と負極線５２とがインダクタ１３を介さずにショートする。この場合、サーキットブレーカ１１に流れる電流の電流値は、遮断容量よりも大きくなってしまう。これにより、サーキットブレーカ１１が損傷する可能性がある。これを回避するために、複数のダイオードを用いる方法がある。

図５は、複数のダイオード１２を相互に直列に接続した場合の回路遮断器の構成の一例を示すブロック図である。

図５に示す回路遮断器１０−２においては、複数のダイオード１２の1つがショートモードで故障した場合にも、故障していない他のダイオード１２が正常に機能することにより、正極線５１と負極線５２とがショートすることがなくなる。従って、サーキットブレーカ１１の損傷を回避することができる。

一方、ダイオード１２がオープンモードで故障した場合には、ダイオード１２が挿入されていないのと同じ状態になる。

そのため、引き離し動作の開始後にサーキットブレーカ１１の接点間に大きな電圧が印加され、アークの発生している時間が長くなる。これにより、サーキットブレーカ１１が熱によって損傷する可能性がある。これを回避するために、複数のダイオードを用いる方法がある。

図６は、複数のダイオード１２を相互に並列に接続した場合の回路遮断器の構成の一例を示すブロック図である。

図６に示す回路遮断器１０−３においては、複数のダイオード１２の1つがオープンモードで故障した場合にも、故障していない他のダイオード１２が正常に機能することにより、サーキットブレーカ１１の接点間に大きな電圧が印加されることがなくなる。従って、サーキットブレーカ１１が熱よって損傷するのを回避することができる。

また、複数のダイオード１２を相互に直列に接続した複数の直列接続ダイオード群を相互に並列に接続することにより、ショートモードでの故障と、オープンモードでの故障との両方に対応することができる。

図７は、複数のダイオード１２を相互に直列に接続した複数の直列接続ダイオード群を相互に並列に接続した場合の回路遮断器の構成の一例を示すブロック図である。

図５〜図７を参照しながら説明したように、複数のダイオード１２を用いることにより、複数のダイオード１２のいずれかが故障した場合でも、上述したような効果を得ることができる。

なお、図４で示したダイオード１２と抵抗１４とを直列に接続する構成を、図５〜図７に示した回路遮断器１０−２〜１０−４に適用することも可能である。

１０，１０−１〜１０−４ 回路遮断器
１１ サーキットブレーカ
１２ ダイオード
１３ インダクタ
１４ 抵抗
２０ 直流電源
３０ 負荷
５１ 正極線
５２ 負極線

Claims (6)

1. 直流電源から給電線を介して給電される負荷と前記直流電源との間に設けられた回路遮断器であって、
   前記給電線を構成する正極線と第１の接続点で接続され、前記給電線を構成する負極線と第２の接続点で接続され、前記負極線から前記正極線への方向の電流を通過させる少なくとも１つのダイオードからなるダイオード群と、
   前記第１及び第２の接続点よりも前記直流電源側で前記給電線上に接続され、前記給電線に流れる電流の電流値が定格電流値を超えると当該電流の遮断を開始するサーキットブレーカと、
   前記第１及び第２の接続点よりも前記負荷側で前記給電線上に接続され、前記給電線に流れる電流の電流値の変化率に応じ、所定のインダクタンスに基づいた起電力を発生させるインダクタと、を有する回路遮断器。
2. 請求項１に記載の回路遮断器において、
   前記第１の接続点と前記第２の接続点との間で前記ダイオード群と直列に接続された抵抗を有する回路遮断器。
3. 請求項１または請求項２に記載の回路遮断器において、
   前記ダイオード群は、相互に直列に接続された複数のダイオードからなる回路遮断器。
4. 請求項１または請求項２に記載の回路遮断器において、
   前記ダイオード群は、相互に並列に接続された複数のダイオードからなる回路遮断器。
5. 請求項１または請求項２に記載の回路遮断器において、
   前記ダイオード群は、相互に直列に接続された複数のダイオードからなる複数の直列接続ダイオード群が相互に並列に接続された回路遮断器。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回路遮断器において、
   前記サーキットブレーカにて遮断することが可能な電流の最大値は、前記所定のインダクタンスに応じた値である回路遮断器。

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