JP5337052B2 - 回路の過電流保護のためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は一般に回路の過電流保護に関する。より詳細には、少なくとも1つの実施形態は回路保護装置を絶縁するためのシステム及び方法に関する。

一般に、電気回路の過電流保護は、回路遮断器、ヒューズ、あるいはそれら2つの組み合わせで実現される。これらの保護装置は、電気器具、モーター、トランス、及び他の電気負荷に加え電線及びケーブルを含む電気回路を保護する目的で電流定格に従って選択且つ使用される。多くの場合、電気系統は、それぞれが別個の保護装置を含むことがある複数の分岐回路に電力を供給する主回路遮断器または主ヒューズを含む。

本明細書では、「回路保護装置」という用語は、1つ又は複数の所定の過電流状態に応答して過電流感知及び回路絶縁を含む過電流保護を実現する装置を指す。

一般に、ヒューズは、所定量の電流により加熱されると溶融する金属ワイヤまたは細長片を含んでいる。ヒューズの定格すなわち公称電流定格は、ヒューズエレメントを溶融させ回路を開くことなく、すなわちヒューズを「飛ばす」ことなくヒューズが通電可能な連続した電流の量である。従って、20アンペアのヒューズは、そのエレメントの過熱により回路が開くことなく連続的に20アンペアの電流を流すことができる。このヒューズが過電流を流す時間は、その電流が大きくなればなるほど減少する。

回路遮断器も過電流に応答して開くように設計されている。回路遮断器は過電流引き外しに続いて初期状態となり閉じるよう設計されているので、一般に機械的または電気-機械的な動作機構を含む。従って、こうした過電流保護は、過電流に応答して撓む熱素子(例えば、住宅用の配線用遮断器)及び／又は電子式電流感知ユニット及び電子式遮断ユニット(例えば、市販／工業用回路遮断器)を含むことができる。

過電流状態は過負荷や短絡が原因となることがある。回路遮断器もヒューズも、回路を開き且つ関連付けられた負荷を切断することによって低レベルの過負荷に応答する迷惑作動が発生することがある。ヒューズは特に動作が速く、多くの電気規則及び標準設定団体はヒューズの動作速度のおかげでそれらヒューズを特定の用途で使用することを義務づけている。しかし、過電流状態でヒューズの動作が速いと、ヒューズが一時的な過負荷で開き交換が必要となるという迷惑障害を引き起こすことがある。また、多くの回路遮断器は、過負荷によって開いた後は手動による再設定を必要とする。

回路保護に対する多くの既存のアプローチでは互いに協調した一組の保護装置が設けられているが、これら装置の電流設定(すなわち装置の公称定格電流)は、電気負荷を保護する必要性に基づいて設定されている。上述のように、これは、照明回路、電気器具などの動作装置だけでなく回路の様々な素子を接続する電気配線も含みうる。従って、回路保護設計は回路に電力供給を受ける機器や配線の保護を主眼としているため、回路保護に関する既存のアプローチは、ヒューズの熱特性が迷惑引きはずしを引き起こす可能性があることを一般に考慮していない。言い換えれば、低レベル過負荷に対する回路保護装置の動作は、この保護装置により保護される電気回路及び装置を保護するという観点から許容されているにすぎない。

既存のアプローチに関する別の問題は、アナログ・デジタル変換器(「AD変換器」)の入力に与えられるアナログ出力を備えた電流感知回路（例えば電流センサ）が使用されることである。特に、AD変換器の精度及び範囲は、AD変換器のサイズ(すなわち変換器に含まれるビット数)及びAD変換器の選択した分解能により制限される。これらの制限により過負荷状態によっては電流感知の精度が低下する。一般に、AD変換器の分解能及び範囲は、それと一緒に使用される回路の公称電流定格に基づいている。しかし、電気回路で流される電流は公称連続電流(例えば住宅用回路での15または20アンペア)未満から、この公称連続電流の2，3倍になる過負荷電流レベルや、この公称連続電流の数十または数百倍大きくなりうる短絡電流まで大きく変動することがある。電流感知回路と共に使用するAD変換器の上述の制限が電流測定の不正確さに繋がり、よってAD変換器と共に使用される過負荷保護の不正確を引き起こすことがある。具体的には、AD変換器が正確に表す極大電流を上回る電流が「切り取られて」しまうことがある。すなわち、電流波形のデジタル表示が、最大値を上回る電流の全ての大きさに関して全て同一値となることがある。

過電流保護に関する既存のアプローチのさらに別の問題は、熱負荷の評価が回路毎に行われることである。すなわち、任意システムが複数の分岐回路を含む場合、熱負荷の評価が分岐回路毎に行われ、システム全体の熱容量が適切に対処されないことがある。例えば、定格が100アンペア連続電流の切換スイッチが10個の分岐回路を含み、且つそれぞれの分岐回路がそれ自身の保護目的で別個の回路遮断器またはヒューズを備えている場合は、この回路遮断器またはヒューズの公称定格電流の合計は、切換スイッチの公称電流定格を遙かに上回ってしまうことがある。上述の例では、10個の回路の定格がそれぞれ20アンペアとすると、これら10個の回路に電力供給する切換スイッチは、理論的に200アンペアもの電流を供給することになる。従って、この切換スイッチは主回路保護装置を含まないこともあり、100アンペアの定格切換スイッチは回路保護装置の作動なしで過負荷状態となることもある。或いは、主回路保護装置が含まれている場合、既存のアプローチは、システム全体の保護を目的として10個の回路全てをこの主装置で同時に絶縁するというものがある。こうしたアプローチをとると、非常に重要な負荷の望ましくない絶縁に至ることがある。

一様態において、本発明は、回路保護装置内の電流を感知し且つ該感知電流に対応した信号を生成するよう構成された電流センサと、前記感知電流に対応した前記信号を受け取るコントローラと、前記回路保護装置を絶縁するよう構成された絶縁装置とを含む装置を提供する。一実施形態によれば、前記コントローラは、前記回路保護装置の累積熱負荷を、前記回路保護装置の熱特性と前記感知電流とに基づいて推定するよう構成されている。一実施形態では、前記コントローラは、前記蓄積熱負荷が前記回路保護装置の所定の最大熱負荷を上回った場合、前記絶縁装置を作動して前記電流を遮断するための出力信号を与えるようさらに構成されている。別の実施形態において、前記コントローラは、前記回路保護装置が前記電流を遮断する前に前記出力信号を与える。

別の様態において、本発明は、感知電流を表すアナログ出力信号を生成するよう構成された電流感知回路と、前記アナログ出力信号を受け取ると共に複数の離散的サンプルを用いて前記アナログ出力信号のデジタル表現を生成するよう構成されたアナログ・デジタル変換器と、前記電流感知回路により感知される過電流の量を、前記概ね同一の大きさを備えたサンプルを評価することにより推定するよう構成されたコントローラとを含む、過電流感知装置を提供する。一実施形態では、概ね最大電流値又はそれを上回る値における前記アナログ出力信号を表す前記複数の離散的サンプルそれぞれは、前記概ね同一の大きさを備える。前記過電流の前記推定量は、前記概ね同一の大きさを備えた連続サンプルの量に基づいて求められる。

さらに別の様態において、本発明は、複数の回路保護装置を含んだ複数の回路を保護するシステムであって、各回路保護装置がそれぞれの公称電流定格を備えたシステムを提供する。一実施形態によれば、このシステムは、各回路保護装置の電流を測定するよう構成された電流感知回路と、前記測定電流それぞれを受け取るよう構成されたコントローラとを含む。一実施形態によれば、前記コントローラは、前記回路保護装置を合わせた全てが通電する合計電流と、前記回路保護装置を合わせた全ての合計公称電流定格との比を求め、該比を使って各回路保護装置の修正公称電流定格をそれぞれ求めるようさらに構成されている。さらなる実施形態では、前記コントローラは、前記複数の回路から選択した選択回路を絶縁するための出力信号を、該選択回路に含まれる回路保護装置の前記修正公称電流に基づいて生成するよう構成されている。さらなる実施形態によれば、前記コントローラは、前記修正公称電流定格が前記公称電流定格を上回る各回路保護装置を求めるよう構成されている。

本発明の他の様態は回路保護装置を保護するための方法に関する。この方法は、前記回路保護装置内の電流を感知する段階と、該感知電流に対応した信号を生成する段階と、前記回路保護装置の累積熱負荷を、前記回路保護装置の熱特性と前記感知電流とに基づいて推定する段階と、前記蓄積熱負荷が前記回路保護装置の所定の最大熱負荷を上回った場合は、前記電流を遮断する段階とを含む。

この方法では、前記所定の最大熱負荷は、前記回路保護装置の平均溶融時間に概ね一致してよい。この方法は、前記所定の最大熱負荷を、前記回路保護装置により通電される電流の加熱効果に基づいて求める段階をさらに含むことができる。

添付の図面は一定の縮尺を意図して描かれてはいない。図面中では、図面中に描かれたそれぞれの同一或いはほぼ同一の構成要素は、類似番号で示した。明確性のため、全ての図面で全ての構成要素には参照番号を付加していない。図面は次の通り。
本発明の一実施形態による装置の概略図である。 回路保護装置の時間-電流特性曲線のグラフである。 本発明の一実施形態によるプロセスのフローチャートである。 別の実施形態による時間-電流特性曲線のグラフである。 本発明の一実施形態によるシステムの単線結線図である。 本発明のさらなる実施形態によるプロセスのフローチャートである。 本発明の一実施形態による波形グラフである。 本発明の一実施形態による第2の波形グラフである。 本発明の一実施形態による第3の波形グラフである。 本発明の別の実施形態による装置の概略図である。

本発明は、以下の記載で説明し又図示した構成の細部や構成要素の配置に限定されるものではない。本発明はそれ以外の実施形態も可能であり、様々な様態で実施又は実行できる。また、本明細書で使用する語句及び用語は説明目的であり、限定的に考慮されるべきではない。「含む」、「包含する」、「備える」、「収容する」、「伴う」、及び本明細書でのそれらの変形は、それらの目的語となる部材とその等価物や付加的部材も含むことを意図している。

ここで図1を参照すると、一実施形態による装置20の概略図を示す。この概略図は、電源22、回路保護装置24、及び電気負荷26を含む回路18を示している。更に、図1は、電流感知回路28、コントローラ30、及び絶縁装置32も示す。一実施形態によれば、電流感知回路28、コントローラ30、及び絶縁装置32は装置20に含まれる。電源22は交流電源でも直流電源でもよく、加えて、電源22が交流電源の場合は1つ又は複数の位相を備えることができる。回路保護装置24はヒューズとして図示したが、ヒューズ、回路遮断器、これらの組合せ、及び／又は過電流状態に応答して作動し、回路20を絶縁するその他の保護装置でよい。更に、この回路保護装置は、用途に応じて単相装置でも多相装置でもよい。一般に、保護装置24は、過電流状態に応答して作動する際は電源22と負荷26との間の電流路を物理的に開く。例えば、ほとんどのヒューズは、過電流の程度に従って変動する所定時間内に溶融する内部通電素子(例えば、金属素子)を含んでいる。一般に、回路遮断器は、この遮断器に関連付けられた熱素子又は電流感知回路が感知する過電流に応答して開き電流を遮断する1つ又は複数の電通接点対を含む。

様々な実施形態では、電流感知回路28は、変流器、分流器、ホール効果センサまたは回路内の電流の流れを感知する他の手段を含むこともできる。一実施形態によれば、電流感知回路28は出力36を含む。

一実施形態によれば、コントローラ30はアナログ・デジタル変換器(「AD変換器」)、1つ又は複数のプロセッサ、及びメモリを含むことができる。一実施形態によれば、コントローラ30は、CPUと、AD変換器と、メモリとを単一チップに設けることができるキサス・インスツルメンツ社が製造するTI
DSP 2801マイクロコントローラを含む。従って、コントローラ30は埋込型ソフトウェア及び／又はファームウエア命令を実行するマイクロプロセッサ又はマイクロコントローラに実装できる。一実施形態によれば、このコントローラは入力38及び出力39を含むこともできる。この実施形態のあるタイプでは、入力38は電流感知回路の出力36に接続されており、コントローラの出力39は絶縁装置32に接続されている。他の実施形態では、付加的な出力を含めて過電流状態を示しうる外部信号をコントローラから得るようにしてもよい。

一実施形態によれば、絶縁装置32は、リレー、回路遮断器、又はコントローラ30からの信号を受信して電気的な動作により開くその他の装置とすればよい。更に、この絶縁装置の幾つかの実施形態は、コントローラ30又は他の装置からの閉信号を受信して電気的な動作により閉じるものとすればよい。

更に、回路保護装置24は、用途に応じて単相装置でも多相装置でもよい。

図2は、例えばCooper
Bussman社のクラスG遅動ヒューズのような同一「系統」のヒューズに関する、一組の時間・電流特性曲線(すなわち平均溶融時間)を示す。例えば、一番左の曲線は0.5アンペアのヒューズの時間-電流特性を表す一方、一番右側の曲線は60アンペアヒューズの時間-電流特性を表している。図2では、y軸は時間を秒単位で示す一方、x軸は電流をアンペア単位で示し、各軸は対数目盛でプロットした。各曲線は、電流が左から右へ増大する条件での平均溶融時間を表している。図から明らかなように、平均溶融時間は電流の増加と共に減少する。

図2では、ヒューズのアンペア定格は、当該ヒューズの公称連続電流定格を示す。すなわち、ヒューズが連続的に無期限に通電可能な(少なくとも理論上は)電流の量である。一例として、20アンペアのヒューズの曲線を参照すると、このヒューズは100アンペアを概ね0.25秒間通電し、その0.25秒時点で電流によるヒューズエレメントへの熱効果が該ヒューズエレメントを溶かし、ヒューズ内で回路を開くことになる。他の例からも、ヒューズが所与の電流を通電して作動する（すなわち飛ぶ）のに要する時間に関する情報が得られる。他の保護装置、例えば電子的な電流感知を用いる熱作動回路遮断器や固体回路遮断器に関する時間-電流特性曲線を提供することもできる。

一実施形態によれば、回路保護装置24の熱特性を求めて、コントローラ30に与える。コントローラ30は、回路が通電する電流を、電流感知回路28が与える入力に基づいて求めるのに用いる1つ又は複数のアルゴリズムを備えている。更に、このアルゴリズムは、回路保護装置24への累積熱負荷を測定可能としてもよい。更なる実施形態では、コントローラ30には回路保護装置の最大許容熱負荷を入力しておくこともできる。この実施形態では、上記アルゴリズムを用いて蓄積熱負荷が回路保護装置24の最大許容熱負荷を上回ったかどうかを特定できる。

一実施形態によれば、蓄積熱負荷が回路保護装置24の最大許容熱負荷を上回ったとき、コントローラ30は出力39に信号を生成する。この信号は絶縁装置32に送信でき、絶縁装置32がこの信号に応答して回路18を開き電流を遮断するよう動作する。少なくとも1つの実施形態では、このシステムは、回路保護装置が「飛ぶ」前に電流を遮断するよう構成される。

ここで図3を参照すると、一実施形態によるプロセス50のフローチャートを示す。プロセス50で示した例は、装置20を用いて回路保護装置24が使用されている回路の過電流保護を実行しつつ、回路保護装置24の望ましくない動作を防止するものである。一般的に又、一実施形態によれば、プロセス50は、回路保護装置24の蓄積熱負荷と、その回路保護装置の所望の最大熱負荷との比較を利用する。一実施形態では、この比較を用いて、回路保護装置の動作に先だって、コントローラ30が絶縁装置32を作動させて回路を絶縁する信号を与えるべきかを判断する。

一実施形態によれば、最大熱負荷は、時間-電流曲線状の一点における回路保護装置の時間-電流特性に基づいて決定する。例えば、回路保護装置の公称電流より大きい電流を選択し、熱負荷(I²tの関数として計算)を選択した電流に関して特定できる。一実施形態では、この計算で用いる時間は時間-電流特性曲線から求める。図2を再び参照すると、60アンペア電流を用いて定格20アンペアの回路保護装置の熱負荷を決定する場合、2.5秒以下の時間を使って20アンペアの回路保護装置を作動させる熱負荷を求められる。この例では、20アンペアの回路保護装置に関して、60アンペア電流の最大熱負荷は次の通り：

すなわち、回路保護装置24を作動させないようにするには、回路保護装置が60アンペア電流を通電している場合、装置20は絶縁装置32を2.5秒以内で動作させるように構成すべきである。

一実施形態によれば、最大値I²tは、公称定格電流と時間-電流曲線上の選択した点における電流との差に基づいて決定する。この例では、公称定格電流は20アンペアで、選択した過電流は60アンペアである。従って、最大値I²tは次のように決定できる：

いくつかの実施形態では、蓄積熱負荷を評価して最大熱負荷に達したかどうか判断する。例えば、感知電流を、それぞれがt_sの持続時間を備えた複数の離散サンプルI-nとして評価する場合、電流の合計I²t効果への感知電流の各サンプル時間に関する貢献は等式3により求められる：

さらに、一実施形態によれば、公称電流定格の或いはそれを下回る電流は、回路保護装置への蓄積熱負荷には貢献せず、蓄積熱負荷を減少させることもできる。すなわち、電流が公称電流定格(例えば20アンペア)である場合、電流は回路保護装置の蓄積熱負荷に影響を与えない。電流が公称電流定格未満(例えば20アンペア未満)の場合、電流はI²t分だけ蓄積熱負荷を減少させる。

上記式で、

である。

図示した実施形態では、プロセス50は、電流が初回増分に関して測定される動作52を含む。一実施形態によれば、電流は電流感知回路28により感知され、コントローラ30に通信される。この実施形態のあるタイプでは、電流感知回路28はアナログ出力信号をコントローラ30に与え、コントローラ30はこの信号を、アナログ電流波形の一組の離散的サンプルを含むデジタル信号に変換する。

一実施形態によれば、このプロセスは、回路保護装置の公称電流定格を、動作52で測定した電流から減算して値ΔIを求める動作54も含んでいる。例えば、20アンペアのヒューズに再び言及すれば、このヒューズの公称電流定格は20アンペアである。

さらに、一実施形態では、プロセス50は、回路保護装置の熱負荷に対する電流の貢献は、電流が動作52で測定された時間に関して求める動作56を含む。

さらなる実施形態では、プロセス50は、動作54で求めた電流の差を評価してそれがゼロより大きいかどうかを判断する動作58を含んでいる。一実施形態では、動作58は、当該時間の電流と回路保護装置の公称定格電流との差(例えば、数式2で示したように)の絶対値を求める動作を含む一方、他の実施形態で、この絶対値は動作56で求める。上述のように、公称定格電流を下回る電流は蓄積熱負荷を減少可能であり、公称定格電流を上回る電流は蓄積熱負荷を増加させうる。

一実施形態によれば、動作54で求めた値がゼロ又はゼロ未満であれば、プロセス50は動作60に進む。動作60において、当該期間に関して動作56で求めた蓄積熱負荷への電流の貢献を保護装置の蓄積熱負荷に適用する。一実施形態では、動作56で求めた値I²tを蓄積熱負荷(例えばΔI²t)から減算する。

一実施形態によれば、ゼロ未満の蓄積熱負荷の値は、動作60の結果が負の値であればゼロに端数を丸める。一実施形態によれば、動作60に続いて動作64(後に詳述する)が実行されるが、代替的実施形態では、プロセス50は動作60の後に動作52に進む(次の期間に関するもの)。

動作54で求めた値がゼロを上回る場合、プロセス50は動作62に進む。動作62において、（当該期間に関して動作56で求めた）蓄積熱負荷への電流の貢献を保護装置の蓄積熱負荷に適用する。一実施形態では、動作56で求めた値I²tを蓄積熱負荷に加算する。

動作62に続き、プロセス50は、合計蓄積熱負荷が保護装置に関して求められた最大熱負荷より大きいかを判断する動作64に進む。上述のように、最大熱負荷は時間-電流特性曲線上の1つ又は複数の点に基づいて決定すればよい。

さらなる実施形態によれば、蓄積熱負荷が回路保護装置の最大熱負荷より大きいと判断されれば、プロセス50は動作66に進む。動作66では、過負荷が宣言される。様々な実施形態では、過電流保護装置の時間-電流特性曲線上に位置する1つ又は複数の点により求めた最大熱負荷である又はそれ未満の過負荷レベルを設定できる。このアプローチでは、比較的低いレベルの過電流（例えば、短絡でなく過負荷）が発生した場合に、回路保護装置より早い絶縁装置の動作を保証する誤差の許容範囲が設定できる。こうしたアプローチは、保護装置が作動することを防止しつつ保護も保証する。例えば、装置20が、60アンペア電流では回路保護装置による2.5秒間でなく回路に2秒間流れることを許容可能としてもよい。従って、この例では、最大値I²tは(40)
(40) 2 = 3200となり4000とはならない。

動作66では、過電流状態を宣言する。いくつかの実施形態では、動作68において、過電流状態が宣言されると、コントローラ30が絶縁装置32を作動する信号を出力39で与える。しかし、コントローラ30は、それ以外の応答のみ又は上述の応答に加えてそれ以外の応答を行うよう構成してもよい。例えば、コントローラは、絶縁装置の作動又は回路保護装置の作動に先立って過電流状態を識別する信号をユーザインターフェースに送ってもよい。

さらなる実施形態によれば、動作64において、蓄積熱負荷が保護装置の最大熱負荷より小さいと判断され、コントローラは付加的期間において1つ又は複数の後続電流測定を評価し、その後続電流測定に関してプロセス50を開始する。

ある一例では、各期間が60 Hz信号の1サイクル(概ね16.7ミリ秒)である場合、プロセス50は、1)連続電流が20アンペア以下で、蓄積I²t合計がゼロを維持する、2)負荷電流が60アンペアまで連続的に増大し、各期間で、蓄積合計に加わるΔI²tは26.72であり、3)150期間後に、蓄積熱負荷は最大許容熱負荷に達する結果となる。この例では60アンペアと2.5秒を用いて最大許容熱負荷を設定したので、過負荷が維持された時間(すなわち、コントローラ30が過負荷を宣言し、絶縁装置32を作動するまでの時間)は150回の期間と(0.0167秒/期間)、すなわち2.5秒である。

上記から分かるように、最大値I²tが基づく一点の使用により、他の点での許容熱負荷の近似値が得られる。この近似値を用いて、過電流保護装置が作動する十分前に回路保護装置が絶縁されることを保証する余裕を確保できる。すなわち、回路保護装置はより低い過電流でより遅く動作する。20アンペアの回路保護装置の例を再び参照すると、50%の過負荷(すなわち30アンペア)では、電流が概ね100秒維持されるまで回路保護装置の該当する最大熱定格に達しない。従って、2.5秒に基づいた以前の最大値I²t計算は回路保護装置の定格出力を下げる作用がある。

上記は控えめなアプローチだが、別の実施形態では最大許容値I²tを求めるさらなるアプローチを用いる。要約すると、このアプローチでは、まず回路保護装置の時間-電流特性曲線の曲線のあてはめを求め、次にこの曲線あてはめを生成する等式を用いて増分加熱効果を求めることにより、サンプル期間関して付加される増分加熱効果ΔI²tを求める。

図4を参照すると、この実施形態によれば、ある回路保護装置に関するグラフ42を示す。グラフ42は第1曲線43及び第2曲線44含む。これら曲線は、電流をｘ軸にとり、秒数を対数のy軸にとって作図した。第1曲線43は、20アンペア回路保護装置の時間-電流特性曲線によく一致する曲線あてはめを表す(曲線43は実際の時間-電流特性曲線上に置かれている)。第2曲線44は、上述の実施形態に従って単一点を用いた場合の20アンペア回路保護装置の最大許容熱負荷を示す。すなわち、第2曲線44は、全ての電流値に関してt=2.5秒とした許容可能なI²tに基づいている。これらのグラフから分かるように、上述の実施形態では過負荷に関してより低い最大熱負荷を与えられ、過電流は最大熱負荷を求める単一点に関連した電流を下回る。曲線43及び44で示した上述の例を参照すると、20アンペア保護装置に関して、60アンペア未満の過負荷電流において、コントローラが、回路保護装置を作動させる熱負荷(曲線43で表す)より十分前に回路保護装置を絶縁する信号を絶縁装置に送る。

一実施形態によれば、20アンペア回路保護装置の曲線のあてはめは次の等式から得られる。

上記式でA = 1.1877且つB = -5.437なので、次が得られる。

係数A及びBは当業者には周知の曲線のあてはめ技法を使って求められる。

この実施形態によれば、各サンプルについて付加される増分加熱効果ΔI²tは次のように求められる。

結果として、一実施形態を用いれば、回路保護装置自身の定格最大熱負荷に最も近く対応する最大熱負荷が可能である。

ここで図5を参照すると、一実施形態による電気系統80を概略的に示す。電気系統80は、主回路保護装置82及び複数の負荷回路保護装置84A乃至84Jを含むことができ、これら保護装置はヒューズ、回路遮断器、リレー、又はこれらの任意組合せである。この一形式では、各負荷回路保護装置84A乃至84Jはそれぞれ回路1乃至10に含まれる。一実施形態では、この電気系統は、負荷回路保護装置84に電力を供給する切換スイッチに含める。いくつかの実施形態では、この切換スイッチは複数の電源の何れかから電力を供給するよう構成される。

電気系統80は、コントローラ30及び電流感知回路28を含む装置を含む。図示した実施形態では、電流感知回路は、配線86によりコントローラ30に接続された複数の電流センサ85A乃至85Jを含む。一実施形態では、各電流センサ85A乃至84Jはそれぞれ回路1乃至10の何れかの電流を感知する。配線86は単一の回路として概略的に表したが、様々な実施形態では、配線86は、それぞれが電流センサ85A乃至85Jの何れかにそれぞれ接続された複数の回路を含む。さらに、電流センサを主回路保護装置82に関連付けることもできる。いくつかの実施形態では、電流センサ85は関連付けられた回路保護装置の一部分をなすようにしてもよい。代替的な実施形態では、電流センサ85は関連付けられた回路保護装置の一部をなさず、この回路保護装置(例えば回路遮断器)は、その回路保護装置内に含まれた一体型過電流保護と共に使用される別の電流センサを含むことができる。通常の技能を備えた当業者なら理解するように、回路保護装置がヒューズの場合、電流センサは回路保護装置に含まれない。

様々な実施形態では、通常の技能を備えた当業者には周知だが、回路保護装置82、84は遠隔制御引き外し機能、遠隔制御閉機能、又はそれら両方を含んでよい。これら遠隔制御動作により、負荷回路保護装置の一部でない装置(例えば電気又は電子制御素子)からの制御信号の受信時に、回路保護装置の開閉がそれぞれ可能となる。この装置は、負荷回路保護装置84を収容する機器（例えば電気筐体）内に含めてもよい。或いは、この装置は、例えば異なる筐体、部屋、又は建物内など物理的に遠隔地に配置してもよい。

一実施形態によれば、装置20は図1に示した実施形態に関連して記載したように概ね動作する。すなわち、コントローラ30は、過負荷に応答した保護装置82，84の動作に先立って、この保護装置を絶縁するための信号を生成する。一実施形態によれば、回路保護装置82、84は遠隔制御引き外し機能を含み、コントローラ30は後に詳述するように回路1乃至10を絶縁するのに用いる引き外し信号を生成するよう構成される。

従って、一実施形態によれば、回路保護装置82、84は電気的に操作される。すなわち、回路保護装置82、84は少なくとも遠隔引き外し機能を含んだ回路遮断器またはリレーである。さらに、これらは遠隔閉機能を含んでいてもよい。

代替的な実施形態では、回路保護装置82、84の1つ又は複数は、ヒューズ又は他の非電気的に作動する保護装置であり、装置20は非電気的に作動するこうした保護装置それぞれと関連付けられた別個の絶縁装置、例えば図1に関連して上述した絶縁装置(例えば絶縁装置32)を含む。従って、一実施形態では、別個の絶縁装置を、回路1乃至10それぞれの各負荷回路保護装置84と組み合わせて用いる。

さらに、これら電流センサは単一の要素として示したが、電流感知回路28は、多相回路(例えば、回路1乃至10の任意回路)の各相に関するセンサなどの複数の電流センサを含むこともできる。

1つ又は複数の実施形態では、1つ又は複数の負荷回路保護装置84、例えば電気作動式の回路遮断器、は電気的に操作される。一般に、これら実施形態によれば、対応する回路で感知された電流に応答してコントローラ30が作動し、負荷回路保護装置84を開くことができる。例えば、コントローラ30は、電流センサ85Cによって回路3で感知された電流に応答して負荷回路保護装置84Cを作動させればよい。

一実施形態によれば、装置20は、電気系統80の総計負荷に基づいて回路1乃至10の1つ又は複数を絶縁するよう動作する。例えば、この電気系統の合計電流容量は100アンペアとすることができる。従って、主回路保護装置は100アンペアの公称連続電流定格を含むことができる。しかし、個々の負荷回路保護装置84の定格は、全体として、主回路保護装置82の公称連続電流定格を上回ることがある。すなわち、回路1乃至10それぞれが20アンペアの公称連続電流定格を含む場合、負荷回路保護装置の総計連続電流定格は、電気系統80及び主回路保護装置82の連続電流定格の2倍である200アンペアとなる。

一実施形態では、例えば、電気系統80(例えば、切換スイッチに含まれたもの)が最大で100アンペアの連続電流を供給する定格となっており、表1に示したように回路1乃至10はそれぞれ20アンペアのヒューズで保護され、負荷がかけられている。

上記によれば、電気系統80は過負荷状態となる。この過負荷状態は主回路保護装置82により感知され、最終的には、この装置82が持続的負荷に応答して電気系統80を絶縁することになる。図2に含まれた時間-電流特性曲線から一般に理解できるように、例えば、過負荷の度合いが増大するにつれ、主回路保護装置82の応答時間は減少する。合計電流は電気系統80の定格最大連続電流よりも大きいが、装置20は1つ又は複数の回路1乃至10を選択的に絶縁することで、主回路保護装置82が動作して電気系統80全体を絶縁する前に、合計電流を100アンペア以下に引き下げる(すなわち負荷状態を除去する)よう構成できる。

一実施形態では、装置20は、絶縁対象となる1つ又は複数の回路を選択する方法70(図6)を一般に用いる。方法70では、第1動作71で、合計電流が最大値より大きいかを判断する。動作71の結果が「いいえ」なら、方法70は開始点に戻る。動作71の結果が「はい」なら、方法は動作72に進み、電気系統の実際の合計電流と定格最大連続電流の比Rを求める。次に、動作73で、方法70は、回路1乃至10それぞれに関して測定電流を比Rで乗算して求めた各回路1乃至10の修正公称電流を求める。方法は動作74に進み、ここでは、(回路1乃至10の中で)修正公称電流が回路を保護する負荷回路保護装置の公称電流定格より大きい回路を特定する。次に、動作75において、方法は、前述の動作で特定された回路の中で(複数の回路が特定された場合は)、修正公称電流定格がその回路に含まれる保護装置の公称電流定格を最も大きく上回るものはどれかを識別する。最終動作76は、動作75で識別された回路を絶縁することと、この電気系統の実際の合計電流が定格連続電流を上回らなくなるまで動作71乃至75を繰り返すことを含む。

従って、表1に示した例に関しては、電気系統の実際の合計電流と定格最大連続電流の比は次のように求める。

数式3で求めた比Rを表1で説明した回路に適用すると次の結果が得られる。

回路2、4、及び7それぞれは、対応する回路保護装置の公称電流定格を上回る修正公称電流を備えている。さらに、回路2が、対応する保護装置(すなわち保護装置84B)の公称電流定格(20アンペア)を最も大きく上回る修正公称電流を備えている。一実施形態によれば、コントローラ30は、回路保護装置84Bに通信される出力信号を発生し、この装置が回路2を絶縁して電気系統80の全体的な負荷を減少させる。結果として、全体的な負荷は、表3に示したように112アンペアまで引き下げられる(もちろん、残りの通電回路の負荷が変動していないことが条件である)。

一実施形態によれば、コントローラ30は電気系統80の負荷を評価するプロセスを継続する。継続的な過負荷の結果として、比Rを新たな負荷を用いて再計算する。

回路の公称電流を新たな比で乗算することで、修正公称電流の新たな値が求められる。その演算の結果を表4に示した。

修正電流のこれら新たに計算した値を用いると、回路4及び7それぞれは、対応する回路保護装置の公称電流定格を上回る修正公称電流をなお備えている。ここでは、回路7が、対応する保護装置(すなわち保護装置84G)の公称電流定格(20アンペア)を最も大きく上回る修正公称電流を備えている。一実施形態によれば、コントローラ30は、回路保護装置84Gに通信される出力信号を発生し、この装置が回路7を絶縁して電気系統80の全体的な負荷をさらに減少させる。結果的に、全体的な負荷は表5に示したように93アンペアまで減少する。

表5は、電気系統80に含まれる回路の2つの絶縁が過負荷状態を除去するという結果を示す。重要な点は、この結果が主回路保護装置82を作動させずに達成されることである。すなわち、これら10個の回路の内8つは、一時的な過負荷状態にかかわらず動作を続ける。この結果は、何の負荷制限も行われなかった場合の主回路保護装置82による全10個の回路の絶縁と比較すれば非常に望ましいものである。

回路保護装置84又は関連付けられた絶縁装置(例えば、ヒューズ又は手動操作式の回路遮断器の場合)が電気式閉動作を含む場合、電気系統80の合計電流が公称定格電流に達しない状態を維持すれば、電源から切り離された回路(例えば回路2及び7)は、適切な遅延の後で電源に遠隔で再接続してもよい。一実施形態では、この再接続は装置20により自動的に実行できる。もちろん、負荷回路保護装置及び／又は絶縁装置の再設定／再閉路は、手動で実行することもできる。

上述の実施形態では、単純な線形比を用いて個々の回路電流測定を「軽減(原語:derate)」する。他の実施形態では、特により積極的な電流制限アプローチが望ましいときは、Rに基づいたより複雑な計算式を使用して、例えば、場合によってRの自乗を用いることができる。

図5に関する上述の説明は主回路保護装置82を含む電気系統(例えば電気系統80)に関するものだが、本発明の幾つかの実施形態は、主回路保護装置を含まない電気系統と共に効果的に利用することもできる。一般に、本発明の幾つかの実施形態を用いれば、例えば、電気系統の熱定格を上回るまで過負荷状態が検出されることなく電気系統を過負荷にする可能性がある回路を個別に絶縁できる。

ここで図10を参照すると、切換スイッチ92(例えば、ロードアイランド州ウェストキングストン所在のAmerican
Power Conversion Corporation社製のユニバーサル切換スイッチ)を含む電気系統90の一実施形態を示した。本発明の実施形態と共に使用できる代表的な切換スイッチは、引用して本明細書に援用する2004年9月28日付けで提出されたPaik等の「System
and Method for Allocating Power to Loads(電力を負荷に配分するためのシステム及び方法)」と題する米国特許出願第10/952,565号に記載されている。一実施形態では、装置20を用いて切換スイッチ92がその全体的な熱容量を上回ることから保護できる。図示した実施形態では、この切換スイッチは、120ボルトで動作する回路1乃至9と、240ボルトで動作する回路10とを含む合計で10個の回路を備えている。明確性のため、回路7のみが装置20に関連した詳細を含んでいるが、10個の回路の任意又は全てがその機構を含むことができる。例えば、これら回路の任意又は全てがコントローラ30により動作可能な絶縁装置32を含むことができる。いくつかの実施形態では、単一のコントローラ30を複数の回路に用いる一方、別の実施形態では各回路に専用コントローラが設けられる。

図示した実施形態では、別個のヒューズがそれぞれの回路に過電流保護をもたらすが、主回路保護装置は用いられない。上述のように、切換スイッチ92の熱容量は、この状況で回路1乃至10の総計負荷のおかげで、検出されないまま超過することがある。従って、切換スイッチ92の総計負荷が最大公称熱負荷を上回ったことをコントローラ30が感知すると、装置20を使用して1つ又は複数の絶縁装置32を選択的に作動させることで、接続された負荷を減少させてもよい。上述のように、所定期間にわたり切換スイッチ92の総計負荷が該スイッチの最大定格熱負荷を下回ったことに続き、装置20を使用して絶縁された任意回路を再接続してもよい。

上述のアプローチは、様々な実施形態で、1つ又は複数の重要な回路が不必要に遮断してしまうことを防ぐ負荷制限方式を提供可能である。すなわち、回路1乃至10に優先順位を付けて、たとえ高優先度の回路の修正公称電流と定格公称電流との差がより大きくても、低優先度の回路が高優先度の回路よりも前に絶縁されるようにもできる。このアプローチにより重要な負荷の中断時間をかなり減少させられる。少なくとも1つの実施形態では、上述の米国特許出願第10/952,565号に記載したように、本明細書で記載したアプローチを用いることで、遅延できない(原語：non-delayable)負荷に電力を供給しつつ電力を遅延可能負荷に供給し続けることができる。

電気回路に通電している電流は一般に、公称連続電流(例えば住宅においては15又は20アンペア)又それを下回る値から、この公称電流の2乃至3倍の過負荷電流レベルや、公称電流の数十又は数百倍になりうる短絡電流まで大きく変動することがある。従って、過電流保護装置は広い範囲の電流に応答すべきである。

上述のように、過電流保護装置と共に用いられる電流感知回路は、感知した電流に対応する出力信号をAD変換器に与える電流センサをしばしば用いる。AD変換器を使用して電流感知回路からのアナログ出力信号を、デジタル回路によるさらなる信号処理のためデジタル信号形式に変換する。例えば、図1に示したコントローラ30は入力38に連結されたAD変換器を含むこともできる。しかし、AD変換器の精度及び範囲は、AD変換器のサイズ(すなわち変換器に含まれるビット数)及びAD変換器の選択した分解能により限定される。

一例では、AD変換器は8ビットを含み、従って256対1のダイナミックレンジを備える。一般に、AD変換器の分解能は、ビット数(例えば、8)と最大8ビット数(例えば、2⁸
- 1 = 255)で表す電流値で決定される。従って、8ビットAD変換器で得られる最大値(すなわち255)が100アンペアを表す場合、AD変換器の分解能は100/256
= 0.39アンペアである。代替的なアプローチでは、所望の分解能を最初に決定し、AD変換器の最大値で表される電流値を次に計算する。例えば、各ビットが0.1アンペアを表す場合、AD変換器により正確に表すことができる極大電流は0.1
x 255 = 25.5アンペアである。或いは、16ビットAD変換器を使用することで、同一分解能を備えるようにし、ダイナミックレンジを増大してもよい。すなわち、ビット当たり0.1アンペアにおいて、極大電流0.1
x 65,536 = 6553.6が正確に表現可能な最大電流である。

電流感知回路と共に使用するAD変換器の上述の制限が電流測定の不正確さに繋がり、よってAD変換器と共に使用される過負荷保護の不正確を引き起こすことがある。具体的には、AD変換器が正確に表す極大電流を上回る電流が「切り取られて」しまうことがある。例えば、0.39アンペアを表す最下位のビットを備えた8ビットAD変換器では、感知電流が100アンペアかそれを上回る場合、同じデジタル値(100アンペアに対応する)が、各サンプルを表すことになる。従って、アナログ電流が100アンペアより大きい場合の各サンプルは不正確に表される。同様に、0.1アンペアを表す最下位のビットを備えた16ビットAD変換器では、感知電流が6553.6アンペアかそれを上回る場合、同じデジタル値(すなわちカウント)が、各サンプルを表すことになる。

上述の状態が図7乃至9に示されている。これらの図は、アナログ電流波形と、そのアナログ電流波形の全波整流されたデジタルサンプルからなる対応する一組の第2波形とを含む実施形態を示す。一実施形態では、図7乃至9はそれぞれが20アンペアのヒューズを含む回路と、ビット当たり0.34アンペアで8ビットのAD変換器とを備えたシステムに関連付けられている。この代表的なシステムが正確に感知するサージ電流耐量は86．7アンペアであり、概ね60アンペアの平方自乗平均に対応する。さらに、第2波形は、アナログ電流波形を各期間に64回サンプリングされたことに基づいている。

図7乃至9のそれぞれはデジタルサンプリング間隔に対応した水平軸と、アンペアで表した瞬間電流に対応した第1垂直軸と、AD変換器が生成するカウントに対応した第2垂直軸とを含む。図7を参照すると、波形グラフ100はアナログ電流波形102と、そのアナログ電流波形102のAD変換器の出力に対応したデジタルサンプルの組104とを含む。図7では、感知したアナログ電流は、20アンペアの平方自乗平均又は概ね28ピークアンペアである。この電流値は、AD変換器の出力が正確に表すことができる極大電流を下回るので、デジタルサンプルの組104は切り取りは含まない。

図8を参照すると、波形グラフ106はアナログ電流波形108と、そのアナログ電流波形108のAD変換器の出力に対応したデジタルサンプルの組110とを含む。この例では、感知したアナログ電流は70アンペアの平方自乗平均又は概ね99ピークアンペアである。この回路が20アンペアの連続電流の定格であれば、70アンペアの平方自乗平均電流は過負荷となる。ここでは、感知電流がAD変換器出力により正確に表される極大電流を上回るので、デジタル波形110は「切り取られる」。この例では、デジタル波形110は、そのデジタル波形が同一値を備えた11個の連続サンプルを含む。すなわち、これらサンプルそれぞれは同一カウントを持つ。上述のように、この結果が発生するのは、これら11個の連続サンプルそれぞれが、電流がAD変換器の出力で正確に表しうる極大電流(例えば
60アンペアの平方自乗平均)かそれを上回るアナログ電流波形の部分に当たるからである。後に詳述するように、本発明の幾つかの実施形態は、AD変換器の出力で正確に表すことができる電流より大きい極大電流を含む過負荷に対する改良型電流感知を実現する。

同様に、図9は、アナログ電流波形114と、そのアナログ電流波形114のAD変換器の出力に対応したデジタル波形116とを含む波形グラフ112を示す。この例では、感知したアナログ電流は500アンペアの平方自乗平均すなわち概ね707ピークアンペアである。このレベルの電流(すなわち、回路の定格公称電流の25倍)は短絡回路に関連した大きさを備えている。この電流の大きさは、AD変換器の出力により正確に表すことができる極大電流を上回るので、ここでもデジタル波形110は「切り取られる」。さらに、この大きさは大幅に上回っているので、切り取りがアナログ電流波形114の期間のほとんどにわたっている。具体的には、この切り取りはアナログ電流波形のゼロ交差から2サンプル以内で始まっている。

様々な実施形態において、装置20が採用できるアプローチとして、「切り取られた」値の発生と期間を検出し、且つ関連した過電流の程度を求めるために使用するものがある。こうしたアプローチは、AD変換器の出力がいつ及びどれだけの期間にわたり最大値(例えば「切り取り」)となったかを評価する際に、利用可能な基準がゼロ交差により与えられる交流システムでは特に有用である。少なくとも1つの実施形態において、AD変換器の潜在的な不正確さに対処するため、最大示度から数カウント以内の示度は「切り取られた」と考慮して、「切り取り」領域に含めることもできる。

一実施形態によれば、コントローラ30はプロセッサ及びメモリを含む。さらにこの実施形態では、上述のアプローチは、コントローラ30に含まれたプロセッサが実行するメモリに格納された1つ又は複数のアルゴリズムにより実装可能である。

本発明の少なくとも1つの実施形態の幾つかの様態を説明してきたが、当業者であれば様々な変更、修正、及び改善を容易に思いつくことができることには注目すべきである。こうした変更、修正、及び改善は本開示の一部となることが意図されており、本発明の精神及び範囲に入ることが意図されている。従って、上述の記載と図面は例示のみを目的としている。

Claims (12)

1. 過電流に応答して電気回路を開く回路保護装置であって、該回路保護装置の蓄積熱負荷が時間−電流特性曲線上の第１の点に対応する第１の電流値と該電流値の持続時間の両方に基づいて求められる、回路保護装置と、
   前記回路保護装置内の電流を感知し且つ該感知電流に対応した信号を生成するよう構成された電流センサと、
   前記回路保護装置に対し直列となるように前記電気回路内に配置された絶縁装置と、
   前記感知電流に対応した信号を受け取るコントローラであって、前記信号に基づいて回路保護装置の推定熱負荷を求め、該推定熱負荷が前記蓄積熱負荷と等しくなったときに、前記絶縁装置を作動させて前記電気回路を開くための制御信号を提供するコントローラとを備え、
   前記コントローラが、前記蓄積熱負荷を前記第１の電流値より小さく回路保護装置の公称定格電流値より大きい電流値に適用される最大熱負荷として使用し、
   前記回路保護装置が、前記時間−電流特性曲線により定められた前記電気回路の前記過電流に応答し、前記絶縁装置から独立して前記電気回路を開くように構成された、装置。
2. 前記電気回路が電気負荷を含み、前記回路保護装置が電力供給源から提供された電流を前記電気負荷に導くように構成された、請求項１に記載の装置。
3. 前記回路保護装置がヒューズを含む、請求項１に記載の装置。
4. 前記回路保護装置の前記蓄積熱負荷が前記ヒューズの平均溶融時間に基づいて設定される、請求項３に記載の装置。
5. 前記蓄積熱負荷が、第１の電流値よりも小さい電流が流れるときに前記回路保護装置を作動させるに十分な熱負荷よりも小さい、請求項４に記載の装置。
6. 前記蓄積熱負荷が、前記回路保護装置に流れる電流による加熱効果に基づいて求められる、請求項１に記載の装置。
7. 前記第１の電流値より小さい電流値において、前記回路保護装置の蓄積熱負荷が時間-電流特性曲線から求められる最大熱負荷より小さい、請求項１に記載の装置。
8. 前記第１の電流値より小さい電流値において、前記電流による前記加熱効果が、前記回路保護装置の時間-電流特性曲線の近似値と比較される、請求項６に記載の装置。
9. 装置を用いて回路保護装置を保護するための方法であって、前記装置が前記回路保護装置に対して直列となるように電気回路内に配置された絶縁装置を備え、回路保護装置が時間−電流特性曲線により提供される熱特性を備えている、方法であって、
   前記時間−電流特性曲線上の第１の点において前記回路保護装置の蓄積熱負荷を求める段階であって、前記蓄積熱負荷を前記第１の点に対応する第１の電流値と該電流値の持続時間の両方に基づいて求める段階と、
   前記回路保護装置に流れる電流の大きさに基づいて前記回路保護装置の推定熱負荷を求める段階と、
   前記蓄積熱負荷を前記第１の電流値より小さく前記回路保護装置の公称定格電流値より大きい電流値に適用される回路保護装置の最大熱負荷として用いる段階と、
   前記推定熱負荷が前記最大熱負荷と等しくなったときに、前記絶縁装置を作動させて前記電気回路を開くための制御信号を提供する段階と、
   前記時間−電流特性曲線により定められた前記電気回路の過電流に応答し、前記装置から独立して前記回路保護装置を動作させて前記電気回路を開く段階と、を含む方法。
10. 前記蓄積熱負荷が前記第１の電流値における前記回路保護装置の平均溶融時間に一致する、請求項９に記載の方法。
11. 前記回路保護装置に流れる前記第１の電流値の電流による加熱効果に基づいて前記蓄積熱負荷を求める段階をさらに含む、請求項９に記載の方法。
12. 前記回路保護装置が熱特性に基づく最大熱負荷を含み、前記蓄積熱負荷を前記最大熱負荷より小さい値に設定する段階をさらに含む、請求項１０記載の方法。

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