JP5373165B2 - 回路遮断器 - Google Patents

Description

本発明は、直流電源または交流電源から負荷に給電する給電回路において、負荷に過電流事故や短絡事故が発生した場合に、電源の両極を遮断する回路遮断器に関する。

直流電源から負荷に給電する直流給電回路には、負荷に過電流事故や短絡事故が発生した場合に、直流電源の正負両極を遮断する回路遮断器が設けられている。

回路遮断器の一例としては、図１４に示すように、直流電源１０の正負両極と負荷２０との間にそれぞれヒューズ３００Ａ，３００Ｂを介挿し、過電流によりヒューズ３００Ａ，３００Ｂが溶断して、直流電源１０の正負両極を遮断する回路遮断器がある。

回路遮断器の他の例としては、図１５に示すように、直流電源１０の正負両極と負荷２０との間にそれぞれサーキットブレーカ４００の主接点４００Ａ，４００Ｂを介挿し、過電流により主接点４００Ａ，４００Ｂを連動して断路して、直流電源１０の正負両極を遮断する回路遮断器がある。

回路遮断器のさらに他の例としては、図１６に示すように、上記の２つの例を組み合せた回路遮断器、即ち、直流電源１０の正負両極と負荷２０との間に、それぞれサーキットブレーカ４００の主接点４００Ａ，４００Ｂを介挿し、さらに、主接点４００Ａ，４００Ｂと直列にそれぞれヒューズ３００Ａ，３００Ｂを介挿した回路遮断器がある。

特許３０９１７１２号公報 特許２５１３８５０号公報 特許２９９８９３４号公報

しかし、図１４〜図１６に示した回路遮断器には、それぞれ次のような課題がある。

図１４に示したヒューズ３００Ａ，３００Ｂを用いる回路遮断器では、２つのヒューズ３００Ａ，３００Ｂが同一の閉回路内で直列に接続されている。このため、負荷２０に過電流事故や短絡事故が発生した場合には、両ヒューズ３００Ａ，３００Ｂには同じ電流が流れるので、理論上は両ヒューズ３００Ａ，３００Ｂが同時に溶断することになる。

しかし、実際は、ヒューズ３００Ａ，３００Ｂの特性には個体差があるため、ヒューズ３００Ａ，３００Ｂの片方のみが溶断する場合がある。この場合、直流電源１０のヒューズが溶断した極は負荷２０から切り離されるが、溶断しなかった極は負荷２０と接続されたままとなる。このため、溶断しなかった極とアースとの間に電位差があると、人体が充電部に触れた際に感電する危険性があるという課題がある。

図１５に示したサーキットブレーカ４００を用いる回路遮断器では、直流電源１０の正負両極を連動して遮断するので、負荷２０の過電流事故発生時に、直流電源１０の正負両極を一括して遮断することが可能である。

しかし、サーキットブレーカ４００は、遮断容量範囲内であっても、定格電流を大きく超え、主接点４００Ａ，４００Ｂがアークにより損傷するような大電流を遮断すると、次回以降の使用の保証が確保できないという課題がある。

図１６に示したヒューズ３００Ａ，３００Ｂとサーキットブレーカ４００とを用いる回路遮断器では、サーキットブレーカ４００とヒューズ３００Ａ，３００Ｂとの保護協調のとり方、即ち、サーキットブレーカ４００の遮断特性とヒューズ３００Ａ，３００Ｂの溶断特性との組み合わせ方にしたがい、サーキットブレーカ４００およびヒューズ３００Ａ，３００Ｂのうち遮断時間の短い方が遮断動作を行う。

図１７は、図１６に示した回路遮断器における電流と遮断時間との関係を示す図である。

図１７に示すように、定格電流を超える過電流領域において、電流の小さい範囲では、サーキットブレーカ４００の遮断時間がヒューズ３００Ａ，３００Ｂよりも短く設定されているため、サーキットブレーカ４００が遮断動作を行う。また、電流の大きい範囲では、ヒューズ３００Ａ，３００Ｂの遮断時間がサーキットブレーカ４００よりも短く設定されているため、ヒューズ３００Ａ，３００Ｂが遮断動作を行う。

このとき、サーキットブレーカ４００の遮断特性とヒューズ３００Ａ，３００Ｂの溶断特性との交点を、サーキットブレーカ４００の繰り返し使用が保証される規定電流値以下とすれば、サーキットブレーカ４００の繰り返し使用が保証されない電流範囲の遮断はヒューズ３００Ａ，３００Ｂが担うこととなる。

即ち、サーキットブレーカ４００の繰り返し使用が保証される規定電流値を超える電流はヒューズ３００Ａ，３００Ｂが遮断するので、サーキットブレーカ４００が損傷することはない。

また、サーキットブレーカ４００が遮断動作を行う電流領域では、サーキットブレーカ４００が直流電源１０の正負両極を連動して遮断するため、直流電源１０の正負両極を確実に遮断することができる。

一方、ヒューズ３００Ａ，３００Ｂが遮断する電流範囲を広く取ることでサーキットブレーカ４００の繰り返し使用が保証される規定電流値を小さくできるため、回路遮断器のサイズを小さくすることもできる。

しかし、ヒューズ３００Ａ，３００Ｂが遮断動作を行う電流領域では、過電流が発生してもサーキットブレーカ４００が遮断動作を行わず閉状態のままとなるため、上述したヒューズ３００Ａ，３００Ｂの溶断特性の個体差の問題から、直流電源１０の正負両極の確実な遮断は保証されないという課題が依然として残る。

そこで、本発明は、上記課題を解決し、全ての過電流領域において、直流電源の正負両極を確実に遮断することができる回路遮断器を提供することを目的とする。

本発明の回路遮断器は、
直流または交流の電源から負荷に給電する給電回路に配置される回路遮断器であって、
前記電源の一方の極と前記負荷との間に介挿されるヒューズと、
前記ヒューズの溶断に連動して、前記電源の両極を遮断するサーキットブレーカと、
トリップコイルとスイッチとが直列接続されて構成され、一端が前記ヒューズの電源側の電路に接続され、他端が前記電源の前記ヒューズが介挿されていない他方の極側の電路に接続されたサブ回路と、
前記ヒューズの溶断に連動して、前記スイッチを閉状態にするスイッチ駆動手段と、を備え、
前記トリップコイルは、前記スイッチが閉状態になると、前記ヒューズの両端電位差によって電圧が印加され、
前記サーキットブレーカは、電圧印加された前記トリップコイルによって作動し、前記電源の両極を遮断することを特徴とする。

本発明では、負荷に過電流事故や短絡事故が発生すると、電源の一方の極と負荷との間に介挿されたヒューズが溶断し、このヒューズの溶断に連動して、サーキットブレーカが、電源の少なくともヒューズが介挿されていない他方の極を遮断する。

そのため、本発明では、負荷に過電流事故や短絡事故が発生した場合、ヒューズの遮断容量の範囲内であれば、全ての過電流領域で電源の正負両極を一括して遮断することができるという効果が得られる。

また、本発明では、直流電源の正負両極に、サーキットブレーカの主接点を介挿し、さらにヒューズも介挿する従来構成（図１６）よりも、ヒューズやサーキットブレーカの主接点の設置数を減らすことができるため、設置スペースや製造コストの低減を図ることができるという効果が得られる。

また、本発明では、全ての過電流領域でヒューズの溶断時間よりも遮断時間が長いサーキットブレーカを使用した場合や、過電流によっては遮断動作を行わないサーキットブレーカを使用した場合であっても、過電流によりヒューズが溶断し、サーキットブレーカがトリップするため、電源の両極を遮断することができるという効果が得られる。

本発明の第１の実施形態の回路遮断器の構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態の回路遮断器における電流と遮断時間との関係を示す図である。 本発明の実施例１の回路遮断器の構成を示す図である。 本発明の実施例２の回路遮断器の構成を示す図である。 本発明の実施例３の回路遮断器の構成を示す図である。 本発明の実施例２の回路遮断器における不完全短絡事故発生時の状態を示す図である。 本発明の実施例３の回路遮断器における不完全短絡事故発生時の状態を示す図である。 本発明の実施例４の回路遮断器の構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態の回路遮断器の構成を示す図である。 本発明の実施例５の回路遮断器の構成を示す図である。 本発明の実施例６の回路遮断器の構成を示す図である。 本発明の実施例７の回路遮断器の構成を示す図である。 本発明の実施例８の回路遮断器の構成を示す図である。 従来の回路遮断器の一構成例を示す図である。 従来の回路遮断器の他の構成例を示す図である。 従来の回路遮断器のさらに他の構成例を示す図である。 図１６に示した回路遮断器における電流と遮断時間との関係を示す図である。

以下に、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態の回路遮断器の構成を示す図である。

図１を参照すると、本実施形態の回路遮断器は、直流電源１０から負荷２０に給電する直流給電回路に配置されるものであり、直流電源１０の正負両極と負荷２０との間にそれぞれ主接点４０Ａ，４０Ｂが介挿されたサーキットブレーカ４０と、直流電源１０の正極と負荷２０との間に、主接点４０Ｂと直列に介挿されたヒューズ３０と、ヒューズ３０の溶断に連動して電圧が印加され、サーキットブレーカ４０を作動させる電圧トリップコイル５０と、を有する。

なお、図１において、サーキットブレーカ４０および電圧トリップコイル５０は、ＭＣＣＢ（Molded Case Circuit Breaker：配線用遮断器）として一体化されている。

また、図１において、ヒューズ３０の接続位置を、直流電源１０の正極側で、サーキットブレーカ４０の負荷側としたが、本発明はこれに限らず、ヒューズ３０の接続位置は、直流電源１０の正極側でも負極側でもどちらでもよく、また、サーキットブレーカ４０の電源側でも負荷側でもどちらでもよい。

本実施形態の回路遮断器では、負荷２０に過電流事故または短絡事故が発生し、ヒューズ３０が溶断すると、以下に挙げる３つの方法のいずれかにより電圧トリップコイル５０に電圧が印加され、それにより、サーキットブレーカ４０が主接点４０Ａ，４０Ｂを連動して断路して、直流電源１０の正負両極を遮断（トリップ）する。
（１）第１の給電系統連携方法
（２）第２の給電系統連携方法
（３）制御系統連携方法
これにより、図１７に示したヒューズが溶断する電流領域においても、サーキットブレーカ４０のトリップにより直流電源１０の正負両極の遮断動作が行われるため、全ての過電流領域において、直流電源１０の正負両極を確実に遮断することが可能となる。

なお、本実施形態においては、サーキットブレーカ４０として、図２に示すような、全ての過電流領域でヒューズ３０の溶断時間よりも遮断時間が長いサーキットブレーカを使用した場合や、過電流により自動的にトリップしないサーキットブレーカを使用した場合であっても、過電流によりヒューズ３０が溶断し、サーキットブレーカ４０がトリップするため、直流電源１０の正負両極を遮断することができる。

以下、本実施形態の回路遮断器の具体的な実施例について説明する。

図３は、本発明の実施例１の回路遮断器の構成を示す図である。

本実施例は、電圧トリップコイル５０への電圧印加方法として、上述の（１）第１の給電系統連携方法を適用した場合の第１の実施形態の回路遮断器の例である。

図３を参照すると、本実施例の回路遮断器では、電圧トリップコイル５０は、ヒューズ３０の両端に並列に接続されている。

ヒューズ３０の抵抗は、ミリオーム程度であり正常状態では電圧トリップコイル５０に電圧はほとんど印加されないため、サーキットブレーカ４０はトリップしない。

しかし、負荷２０に過電流事故または短絡事故が発生し、ヒューズ３０が溶断すると、ヒューズ３０の両端の電位差によって電圧が発生し、その電圧が電圧トリップコイル５０に印加されるので、サーキットブレーカ４０がトリップし、直流電源１０の正負両極が遮断される。

図４は、本発明の実施例２の回路遮断器の構成を示す図である。

本実施例は、電圧トリップコイル５０への電圧印加方法として、上述の（２）第２の給電系統連携方法を適用した場合の第１の実施形態の回路遮断器の例である。

図４を参照すると、本実施例の回路遮断器は、図３の実施例１の回路遮断器と比較して、ヒューズ３０と電圧トリップコイル５０との間に介挿されたＡ接点スイッチ６０と、ヒューズ３０の溶断を検知して、Ａ接点スイッチ６０を閉状態にするスイッチ駆動部７０と、を追加している。

ここで、スイッチ駆動部７０を実現する方法としては、ヒューズ３０の溶断を電気的に検出するセンサと電磁リレーとを組み合わせる方法や、ヒューズ３０に併設される警報ヒューズと警報ヒューズの溶断により移動するバネとを組み合わせる方法などがあるが、本発明はこれに限らず、Ａ接点を駆動（閉状態）できればどのような方法でもかまわない。

本実施例では、実施例１と同様に、電圧トリップコイル５０が電源系統に挿入されるが、ヒューズ３０の溶断前は、Ａ接点スイッチ６０が開状態であるため、電圧トリップコイル５０に電圧が印加されない。

しかし、負荷２０に過電流事故または短絡事故が発生し、ヒューズ３０が溶断すると、ヒューズ３０の溶断後にスイッチ駆動部７０を介してＡ接点スイッチ６０が閉状態となり、電圧トリップコイル５０に電圧が印加され、サーキットブレーカ４０がトリップし、直流電源１０の正負両極が遮断される。

実施例１では、本実施例よりも回路構成が簡易である反面、電圧トリップコイル５０の両端にはヒューズ３０を介した閉ループが形成されているため、電源系統からのノイズなどの電磁誘導作用により、電圧トリップコイル５０に電圧が発生し、サーキットブレーカ４０が誤作動する危険性がある。しかし、本実施例によれば、この問題を防ぐことが可能となる。

図５は、本発明の実施例３の回路遮断器の構成を示す図である。

本実施例は、電圧トリップコイル５０への電圧印加方法として、上述の（２）第２の給電系統連携方法を適用した場合の第１の実施形態の回路遮断器の例である。

図５を参照すると、本実施例の回路遮断器は、図４の実施例２の回路遮断器と比較して、電圧トリップコイル５０の片端の接続先のみが異なり、その他の構成は同様である。

すなわち、直列接続された電圧トリップコイル５０とＡ接点スイッチ６０とをサブ回路と定義すると、実施例２では、サブ回路は、ヒューズ３０の両端に接続されているのに対し、本実施例では、サブ回路は、一端がヒューズ３０の直流電源１０側の電路に接続され、他端が直流電源１０のヒューズ３０が介挿されていない極側の電路に接続されている。

ここで、負荷２０に不完全短絡事故が発生し、ヒューズ３０が溶断した場合を考える。不完全短絡事故とは、事故後も負荷２０に一定の抵抗値が残る事故のことである。

実施例２では、図６に示すように、負荷２０に不完全短絡事故が発生し（状態１）、ヒューズ３０の溶断によりＡ接点スイッチ６０が閉状態になった場合（状態２）、直流電源１０の電圧は、電圧トリップコイル５０と不完全に短絡した負荷２０と、に分圧される。そうすると、ＭＣＣＢの仕様などにもよるが、電圧トリップコイル５０に十分な電圧が印加されず、サーキットブレーカ４０がトリップしない可能性がある。

これに対して、本実施例では、図７に示すように、負荷２０に不完全短絡事故が発生し（状態１）、ヒューズ３０の溶断によりＡ接点スイッチ６０が閉状態になった場合でも（状態２）、実施例２のような分圧は起こらず、直流電源１０の電圧は、負荷２０の状態とは関係なく、電圧トリップコイル５０に印加される。よって、ＭＣＣＢでの遮断エラーを防ぐことが可能となる。

図８は、本発明の実施例４の回路遮断器の構成を示す図である。

本実施例は、電圧トリップコイル５０への電圧印加方法として、上述の（３）制御系統連携方法を適用した場合の第１の実施形態の回路遮断器の例である。

図８を参照すると、本実施例の回路遮断器は、図４の実施例２の回路遮断器と比較して、電圧トリップコイル５０に電圧を印加するための外部電源８０を追加し、電圧トリップコイル５０とＡ接点スイッチ６０と外部電源８０とを直列に接続して閉ループを形成している。

本実施例では、スイッチ駆動部７０を介してＡ接点スイッチ６０が閉状態となると、電圧トリップコイル５０へ外部電源８０から電圧が印加され、サーキットブレーカ４０がトリップし、直流電源１０の正負両極が遮断される。

実施例１，２では、本実施例よりも回路構成が簡易である反面、ヒューズ３０の溶断後に電圧トリップコイル５０に印加される電圧は、負荷２０やサーキットブレーカ４０自体のインピーダンスの影響を受けるため、これらのインピーダンスを考慮して回路遮断器の設計を実施しないと電圧トリップコイル５０を動作させるための電圧を得られない場合や、電圧トリップコイル５０に規格電圧値以上の電圧が印加される場合があり得る。しかし、本実施例によれば、この問題を解消することが可能となる。
［第２の実施形態］
図９は、本発明の第２の実施形態の回路遮断器の構成を示す図である。

図９を参照すると、本実施形態の回路遮断器は、図１の第１の実施形態の回路遮断器と比較して、サーキットブレーカ４０が、電圧印加された電圧トリップコイル５０によって、直流電源１０のヒューズ３０が介挿されていない極と負荷２０との間に介挿された主接点４０Ａのみを断路する点が異なる。

ただし、サーキットブレーカ４０としては、図２に示すように、全ての過電流領域でヒューズ３０の溶断時間よりも遮断時間が長いサーキットブレーカを使用するか、もしくは、過電流により自動的にトリップしないサーキットブレーカを使用することが要件となる。なぜならば、サーキットブレーカ４０がヒューズ３０よりも先に遮断動作を行うと、ヒューズ３０を介挿した極が遮断されないためである。

この要件を満たせば、サーキットブレーカ４０の主接点を片極に介挿するだけで直流電源１０の正負両極を遮断できるため、サーキットブレーカ４０の主接点を直流電源１０の正負両極に介挿する第１の実施形態の構成と比較して、設置スペースや製造コストの低減を行うことができる。

以下、本実施形態の回路遮断器の具体的な実施例について説明する。

図１０は、本発明の実施例５の回路遮断器の構成を示す図である。

本実施例は、電圧トリップコイル５０への電圧印加方法として、上述の（１）第１の給電系統連携方法を適用した場合の第２の実施形態の回路遮断器の例である。

本実施例の回路遮断器は、図３の実施例１の回路遮断器と比較して、直流電源１０の片極にのみサーキットブレーカ４０の主接点４０Ａを介挿し、この主接点４０Ａのみを断路する点が異なり、その他の構成および動作は同様であるため、説明を省略する。

図１１は、本発明の実施例６の回路遮断器の構成を示す図である。

本実施例は、電圧トリップコイル５０への電圧印加方法として、上述の（２）第２の給電系統連携方法を適用した場合の第２の実施形態の回路遮断器の例である。

本実施例の回路遮断器は、図４の実施例２の回路遮断器と比較して、直流電源１０の片極にのみサーキットブレーカ４０の主接点４０Ａを介挿し、この主接点４０Ａのみを断路する点が異なり、その他の構成および動作は同様であるため、説明を省略する。

図１２は、本発明の実施例７の回路遮断器の構成を示す図である。

本実施例は、電圧トリップコイル５０への電圧印加方法として、上述の（２）第２の給電系統連携方法を適用した場合の第２の実施形態の回路遮断器の例である。

本実施例の回路遮断器は、図５の実施例３の回路遮断器と比較して、直流電源１０の片極にのみサーキットブレーカ４０の主接点４０Ａを介挿し、この主接点４０Ａのみを断路する点が異なり、その他の構成および動作は同様であるため、説明を省略する。

図１４は、本発明の実施例８の回路遮断器の構成を示す図である。

本実施例は、電圧トリップコイル５０への電圧印加方法として、上述の（３）制御系統連携方法を適用した場合の第２の実施形態の回路遮断器の例である。

本実施例の回路遮断器は、図８の実施例４の回路遮断器と比較して、直流電源１０の片極にのみサーキットブレーカ４０の主接点４０Ａを介挿し、この主接点４０Ａのみを断路する点が異なり、その他の構成および動作は同様であるため、説明を省略する。

なお、本実施形態においては、本発明の回路遮断器を、直流電源から負荷に給電する直流給電回路に適用した例を説明したが、本発明はこれに限定されず、交流電源から負荷に給電する交流給電回路にも同様に適用することができる。

１０ 直流電源
２０ 負荷
３０ ヒューズ
４０ サーキットブレーカ
４０Ａ，４０Ｂ 主接点
５０ 電圧トリップコイル
６０ Ａ接点スイッチ
７０ スイッチ駆動部
８０ 外部電源

Claims (1)

1. 直流または交流の電源から負荷に給電する給電回路に配置される回路遮断器であって、
   前記電源の一方の極と前記負荷との間に介挿されるヒューズと、
   前記ヒューズの溶断に連動して、前記電源の両極を遮断するサーキットブレーカと、
   トリップコイルとスイッチとが直列接続されて構成され、一端が前記ヒューズの電源側の電路に接続され、他端が前記電源の前記ヒューズが介挿されていない他方の極側の電路に接続されたサブ回路と、
   前記ヒューズの溶断に連動して、前記スイッチを閉状態にするスイッチ駆動手段と、を備え、
   前記トリップコイルは、前記スイッチが閉状態になると、前記ヒューズの両端電位差によって電圧が印加され、
   前記サーキットブレーカは、電圧印加された前記トリップコイルによって作動し、前記電源の両極を遮断することを特徴とする回路遮断器。

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