JP5485607B2 - 回路遮断器及び、回路遮断器によりアークフラッシュを検出する方法 - Google Patents

Description

本発明は、アークフラッシュ防止及び軽減技術に関し、特に、低電圧回路遮断器における迷惑なトリッピングの防止に関する。

電力回路及び開閉装置は、絶縁体により分離された伝導体を有する。空隙は、一部の領域において、この絶縁体の一部又は全部として機能する場合が多い。伝導体が互いに近すぎる場合、或いは電圧が絶縁体の特性を上回る場合、伝導体間にアークが生じる可能性がある。伝導体間の空気又は任意の絶縁体（気体又は固体誘電体）は、イオン化し、導電性となり、アーク放電を可能にする場合がある。アーク温度は、２０，０００℃に達し、伝導体及び隣接する材料を気化させ、大きなエネルギを放出する可能性がある。

アークフラッシュは、相間、相−中性点間、又は相−接地間の急激なエネルギ放出の結果である。アークフラッシュは、高熱、強い光、圧力波、及び音波／衝撃波を発生させる可能性がある。しかしながら、アークフラッシュ電流は、通常、短絡電流よりも遙かに小さいため、アークフラッシュ状態を扱うように遮断器が選択されていない限り、回路遮断器のトリッピングが遅延すること又はトリッピングが生じないことが予想される。国家環境政策法（ＮＥＰＡ）、職業安全衛生管理局（ＯＳＨＡ）、及び電気電子技術者協会（ＩＥＥＥ）等の機関及び規格では、個人用保護服及び保護具によりアークフラッシュ問題の規制を行っているが、アークフラッシュを除去するために規制により定められた機器は存在しない。

通常、アークフラッシュは、少なくとも部分的には、アークが放出する光を検出する光センサ又は光検出器の使用により検出される。こうした光センサは、光に対して非常に感度が高く、周囲環境からの明るい光により始動され得る。この周辺光条件に対する感度は、回路遮断器の迷惑なトリッピングを引き起こし、保護回路に対する電力の不必要な損失を発生させる
したがって、現在のアークフラッシュ検出システムは、その本来の目的には適しているが、この技術には、アークフラッシュ事象の誤検出を低減又は除去するアークフラッシュ検出の仕組みに対する必要性が存在する。

回路遮断器によりアークフラッシュを検出する方法を提供する。方法は、回路遮断器内の光の存在を検出することを含む。回路遮断器内の接点アームの位置を示す回路遮断器パラメータを検出する。固定期間に渡ってアークフラッシュ検出器の応答を遅延させる。最後に、光が依然として検出される場合、固定期間後、回路遮断器をトリッピングさせる。

更に、筐体を有する回路遮断器を提供する。入口端子は、筐体の一端に位置決めされる。出口端子も、筐体の一端に位置決めされ、出口端子は、入口端子に電気的に結合される。稼働接点アームは、筐体内に配置されており、接点アームは、入口端子と出口端子との間に電気的に結合される。光センサは、筐体内の光の存在を検出するように位置決めされる。パラメータセンサは、回路遮断器パラメータを測定するように結合される。アークフラッシュ検出器は、光センサとパラメータセンサとの間に電気的に結合され、アークフラッシュ検出器は、光センサ及びパラメータセンサからの信号に応答して、回路遮断器の遅延トリッピングに対応する。

更に、光センサ及びパラメータセンサを有する回路遮断器を提供する。トリップユニットは、光センサ及びパラメータセンサに電気的に結合される。トリップユニットは、光センサ及びパラメータセンサからの信号を受信することに応答して、回路遮断器のトリッピング反応を遅延させるための実行可能なコンピュータ命令に応答するコントローラを有する。

実施形態例によるアークフラッシュ検出システムを備えた電気回路の概略図である。 変圧器を使用するアークフラッシュ検出システムの実施形態の概略図である。 接点アーム分離中の回路遮断器の電圧及び電流曲線のグラフ表現を示す図である。 図２の実施形態に対する電気回路の概略図である。 回路遮断器機構に関連する回路遮断器パラメータセンサを有する回路遮断器の平面図である。 回路遮断器が開状態にある、図５の回路遮断器の平面図である。 実施形態例によるアークフラッシュ検出方法のフローチャートである。

本発明の上記及び他の特徴、態様、及び利点は、各図を通して同様の参照符号が同様の要素を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことで良く理解されよう。

アークフラッシュ事象検出用システムは、回路遮断器等のデバイスに一体化され、電力の遮断を可能にし、アークフラッシュが引き起こす損傷を最小化する。図１は、単一の制御可能な回路遮断器３０により保護された三本のバス２４、２６、２８それぞれに三相電力Ａ、Ｂ、Ｃを提供する電源２２を備えた電気回路２０を示す。電力は、バスを介して一つ以上の負荷３２へ提供される。

回路遮断器３０は、一般に、例えば短絡等、異常な動作条件下において開放されるように準備される。しかしながら、アークフラッシュ３０の場合、アークフラッシュを流れる電流は回路遮断器３０をトリップさせる短絡の電流レベルよりも少ないため、回路遮断器が開放されない場合がある。この付加的な機能レベルを提供するために、アークフラッシュ検出器３４は、回路遮断器３０の動作状態を監視してアークフラッシュ事象を検出する。

回路遮断器３０は、更に、電流が電源２２から負荷３２へ流れる閉状態と、電力の流れが遮断される開状態との間で移動するように準備された一本以上の接点アーム３６を含む。接点アーム３６は、回路遮断器３０を電源２２に電気的に接続する入口端子５２に電気的に結合される。接点アーム３６は、更に、例えば、開放スイッチ又はハンドル４０により操作者が起動した際に閉位置から開位置へ接点アーム３６を移動させるバネ及び連結部等の構成要素を含む機構３８に結合される。機構は、更に、異常動作状態の際に接点アーム３６の迅速な開放を可能にするトリップバー組立体４２を使用する。

機構３８は、更に、トリップユニット４４に結合される。トリップユニット４４は、回路遮断器３０の動作を制御するためのコンピュータ命令を実行するプロセッサを備えたコントローラを有する電子式にしてよい。トリップユニット４４は、異常動作状態の際にトリップバー組立体４２を起動させる磁石又は熱反応デバイス等の構成要素を組み込んだ機械組立体にしてもよい。トリップユニット４４が電子ユニットである場合、一組の変流器４６は、回路遮断器３０を介してバス２４、２６、２８へ流れる電流レベルを示す信号を提供する。

回路遮断器３０は、更に、アークフラッシュ検出器３４に電気的に結合された第一のセンサ４８及び第二のセンサ５０を含む。以下に更に詳細に説明するように、アークフラッシュ検出器３４は、第一のセンサ４８及び第二のセンサ５０から受信したデータを使用して、アークフラッシュ事象が発生しているか、或いは、事象が正常な又は予期された動作状態であるかを判断する。実施形態例において、第一のセンサ４８は、光センサ又は光検出器である。光センサ４８は、光センサ４８内の検出器に衝突する光の光子に応答して信号を送信する。アークフラッシュは光を生成するため、光センサからの信号の送信は、アークフラッシュ事象の指標となる。しかしながら、回路遮断器３０の筐体３１内には、同じく光を生成し得る他の事象も存在する。例えば、回路遮断器が閉位置と開位置との間で操作された場合、接点アームの接点と、回路遮断器の出口端子５４に結合された静止接点との間では、瞬間的にプラズマアークが形成される。この種のプラズマアークは、電気接点が分離され、電流が遮断されると常に形成される。アークフラッシュ検出器３４は、回路遮断器３０の正常動作により生じる光検出器４８からの信号を区別する必要があることを理解されたい。

アークフラッシュ事象を正常動作から区別するために、アークフラッシュ検出器３４は、回路遮断器パラメータセンサ５０からのデータを利用する。回路遮断器パラメータセンサ５０は、回路遮断器３０の動作を示すものを提供する任意の種類のセンサにしてよく、こうした種類のセンサは、一部として、変圧器、接点アーム３６に結合されたインジケータスイッチ、機構３８に結合されたインジケータスイッチ、トリッピングバー組立体４２に結合されたインジケータスイッチ、又は、過電流センサ５６等の外部デバイスに電気的に結合されたセンサを含む。回路遮断器パラメータセンサ５０の例は、例示的なものであり、特許請求の範囲は、これによりその範囲を限定されるべきではない。

アークフラッシュ検出器３４は、ブロック５８に示したように、光センサ４８からの信号、変流器４６及びパラメータセンサ５０からの電流レベルを比較するための、実行可能なコンピュータ命令において実施されたアルゴリズムを含む。光センサ４８から信号を受信し、変流器４６が異常な電流レベルを測定した場合、アークフラッシュ検出器３４は、回路遮断器３０の動作状態を判断する。接点アームが閉位置にあることをパラメータセンサ５０が示す場合、光センサ４８が検出した光は回路遮断器接点の分離によるものではないため、これはアークフラッシュ事象が発生中であることを示すものとなる。アークフラッシュ検出器３４は、次に、ブロック６０へ進み、信号がトリップユニット４４へ送信され、この時点で機構３８が起動されて回路遮断器接点の分離が生じ、電力の流れが遮断される。ブロック５８が否定を返した場合、光センサ４８が信号を送信しており且つ少なくとも一本の接点アーム３６が移動したことをパラメータセンサ５０が示していることを意味する。例えば、過電流センサ５６が高電流レベルを示した場合、これは、障害を除去するために回路遮断器がトリップするであろうことを示す。アークフラッシュ検出器は、ブロック６２へ進み、アークフラッシュ検出器３４の応答が行われる。所定の期間の後、アークフラッシュ検出器３４は、正常な状態へ戻る。

次に図２乃至４を参照すると、実施形態例が図示されており、ここでパラメータセンサ５０は、回路遮断器３０に結合された変圧器６４である。変圧器６４は、回路遮断器３０の入口端子５２側に電気的に結合された第一の接続を含む。変圧器６４の第二の接続６８は、回路遮断器３０の出口端子５４側に電気的に結合される。変圧器６４は、高い精度での電圧の測定を可能にする変成器の一種である。変圧器は、高いレベルの電圧及び電流を、通常の測定機器を使用して直接測定可能な低いレベルへ移行させる。

動作中、アークフラッシュ検出器３４は、回路遮断器３０における電流及び電圧の測定値を受領する。状態が正常である場合、図３の線７０により示したように、電圧測定値の導関数ｄＶ／ｄＴは、ゼロ又はゼロに近くなる。したがって、例えば、区間７２のようにｄＶ／ｄＴ曲線がゼロである時、これは、接点アーム３６が閉じており、移動していないことを示すものとなる。接点アーム３６が移動すると、例えば、区間７４に示したようにｄＶ／ｄＴ曲線は変化する。このｄＶ／ｄＴ曲線の変化は、接点アーム３６が開いており且つアークフラッシュ検出器３４が光センサ４８の信号に対する応答を、区間７４の終了点等まで遅延させていることを示す。区間７４の終了点、例えば、点７６において、光センサ４８が依然として信号を送信している場合、これは、アークフラッシュ事象が発生していたことを示す。この状況において、接点アーム３６は既に移動してアークフラッシュが発生しており、アークフラッシュ検出器は、電力の流れを遮断するため、或いはこの技術において公知である他のアークフラッシュ軽減手法を使用するために、上流の回路遮断器（図示無し）へ信号を送る等、付加的なステップを講じ得る。

したがって、実施形態例において、アークフラッシュ検出器３４は、変圧器出力７８、変流器出力８０、及び光センサ出力８２からデータを入力として取り出す。こうした入力は、予想される動作状態に対する公知の値と比較され、論理決定木に従って、例えば、アークフラッシュ応答の遅延８４等、どの動作を行う必要があるかを判断する。したがって、アークフラッシュ検出方法は、アークフラッシュ事象が発生していない時に、回路遮断器３０の迷惑なトリッピングを低減する。迷惑なトリッピングの低減により、電気回路２０の維持及び運用コストが減少する。

次に、図５及び６を参照すると、回路遮断器パラメータセンサ５０が、例えば、マイクロスイッチ８６等のスイッチである別の実施形態が図示されている。上述したように、回路遮断器３０は、入口端子５２と出口端子５４との間に結合された接点アーム３６を含む。回路遮断器機構３８は、連結部８８、９０を介して接点アーム３６に結合される。連結部８８、９０は、機構３８と共に、閉鎖バネ９６の力により接点アーム３６を閉鎖させる。連結部８８、９０は、トリップバー組立体４２等により解除されるまで、バネ９４の力に逆らって、更に接点アーム３６を閉位置に保持する。

動作中、接点アーム３６が閉位置にある間（図５）、マイクロスイッチ８６は、開位置にある。例えば、トリップユニット４４により検出された障害のため、或いは機構３８の起動により、接点アームが開いた時（図６）、連結部８８、９０は、ピボット９２を中心に接点アーム３６を回転させる運動を開始する。この回転は、例えば、バネ９４等のバネが及ぼす力によるものである。接点アーム３６の回転は、電力の遮断を発生させ、電気回路を電源２２から切断する。

連結部８８、９０が閉位置から開位置へ移動する際に、連結部９０の表面は、マイクロスイッチ８６と相互作用する。この相互作用により、マイクロスイッチ８６は、開位置から閉位置へ移動する。マイクロスイッチ８６の閉鎖により、アークフラッシュ検出器３４への信号の送信を発生させる回路が完成する。上述したように、接点アーム３６の開放により、瞬間的なプラズマアークが形成され、光センサ４８により検出され得る。マイクロスイッチ８６閉鎖時の信号の送信は、アークフラッシュ検出器３４に対して、接点アーム３６が開いていることと、検出器３４の応答を遅延させるべきであることとを示す。したがって、迷惑なトリッピングと、アークフラッシュ事象の誤った指示とを回避し得る。マイクロスイッチ８６は連結部９０と相互作用するものとして図示されているが、この図示は、例示的なものであり、マイクロスイッチ８６は、例えば、連結部８８等、機構３８内の任意の連結部と相互作用するように準備してよいことを理解されたい。更に、マイクロスイッチ８６は、接点アーム３６が開いていることを示す信号を送信するのに要する時間量を更に最小化するために、接点アーム３６と直接相互作用するように準備してもよい。

アークフラッシュ検出器３４は、アークフラッシュ検出器が本明細書において説明した方法を実現することを可能にするコンピュータ命令を受信、格納、及び実行できる一つ以上のプロセッサ及び関連電子部品（図示無し）を含み得る。図７に、迷惑なトリップとアークフラッシュ事象の誤った指示を最小化するためのプロセス１００の一例を示す。プロセス１００は、ブロック１０２において開始し、判断ブロック１０４へ進み、ここで、光センサ４８により光が検出されたかを判断する。判断ブロック１０４が否定を返した場合、プロセス１００はループして開始ブロック１０２へ戻り、プロセス１００が再開される。

判断ブロック１０４が肯定を返した場合、プロセス１００は、判断ブロック１０６へ進み、変流器４６により測定された何らかの異常な電流レベルが存在するかを判断する。異常な電流測定値が存在しない場合、プロセス１００は、再度ループして開始ブロック１０２へ戻る。判断ブロック１０６が肯定を返した場合、プロセス１００は、ブロック１０８へ進み、回路遮断器が開放中であるという何らかの信号を回路遮断器パラメータセンサ５０が提供したかを判断する。図５乃至６に関連する上記の例を使用すると、マイクロスイッチ８６が起動されていない場合、判断ブロック１０８は、否定を返す。これは、アークフラッシュ事象の発生を示し得る。次に、プロセス１００は、ブロック１１０へ進み、ここで回路遮断器機構はトリップされ、連結部８８、９０がバネ９４の力により移動するのを可能とし、電気回路２０への電流の流れを遮断する。その後、プロセス１００は、ブロック１１２において停止する。

判断ブロック１０８が肯定を返す場合、これは、接点アーム３６が開放中であり、光センサ４８により検出された光がアークフラッシュ事象によるものではないことを示す。プロセス１００は、次に、ブロック１１４へ進み、ここでアークフラッシュ検出器３４の応答を所定の時間量に渡って遅延させる。例えば、図３の点７６等において、この期間が終了すると、光センサ４８が依然として光を検出しているかを判断ブロック１１６において判断する。判断ブロック１１６が肯定を返す場合には、光が依然として検出されることを意味し、プロセス１００は、ブロック１１０へ移行し、ここで、回路遮断器はトリップされ、プロセスは、ブロック１１２において停止する。判断ブロック１１６が否定を返す場合、プロセス１００は、ループして開始ブロック１０２へ戻り、再開される。

集積論理回路コンポーネントのブロック図により本発明の実施形態を説明及び図示してきたが、本発明の範囲はこれにより限定されず、本発明は、個別論理回路コンポーネントを利用し得る、或いは、ソフトウェアに組み込まれたものではなく、機械式のタイミング遅延を利用し得るアークフラッシュ検出器にも応用されることは理解されよう。

実施形態例を参照して本発明を説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、その要素を様々に変化させ得ること、及び等価物により代用し得ることは理解されよう。更に、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料に適応させるために、本発明の教示内容に対して多数の変更を加え得る。したがって、本発明は、本発明を実施するのに最良又は唯一の形態と考えられるものとして開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、添付特許請求の範囲に含まれるあらゆる実施形態を含む。また、図面及び説明において、本発明の実施形態例を開示してきており、具体的な用語が採用されている場合もあるが、これらの用語は、特に記述がない限り、一般的且つ説明的な意味でのみ使用されており、限定の目的では使用されておらず、したがって、本発明の範囲はこれらにより限定されない。更に、第一、第二といった用語の使用は、何らかの順序又は重要性を示すものではなく、第一、第二といった用語は、ある要素を他の要素から区別するために使用されている。更に、「ａ」、「ａｎ」、「ｅｔｃ．」という言葉の使用は、量の制限を示すものではなく、少なくとも一つの言及物の存在を示している。

２０ 電気回路
２２ 電源
２４ バスＡ
２６ バスＢ
２８ バスＣ
３０ 回路遮断器
３２ 負荷
３４ アーク障害検出
３６ 接点アーム
３８ 機構
４０ ハンドル
４２ トリッピングバー組立体
４４ トリップユニット
４６ 変流器
４８ 光センサ
５０ 回路遮断器パラメータセンサ

Claims (10)

1. 回路遮断器（３０）によりアークフラッシュを検出する方法であって、
   前記回路遮断器（３０）内の光の存在を検出するステップ（１０４）と、
   前記回路遮断器（３０）の接点アーム（３６）の位置を示す回路遮断器パラメータを検出するステップ（１０８）と、
   前記接点アームが開放中であることが検出された場合に、固定期間に渡ってアークフラッシュ検出器の応答を遅延させるステップ（１１４）と、
   前記光が依然として検出される場合、前記固定期間後、前記回路遮断器をトリッピングさせるステップ（１１０）と、を備え、
   前記回路遮断器パラメータを検出するステップ（１０８）は、前記回路遮断器の入力側と出口側との間の電位を測定するステップを含む、
   方法。
2. 回路遮断器パラメータセンサ（５０）が前記回路遮断器が開放中であることを示す信号を提供するステップを含む、請求項１記載の方法。
3. 更に、測定電圧の導関数（７０）を求めるステップを備える、請求項２記載の方法。
4. 前記アークフラッシュ検出器の応答を遅延させるステップ（１１４）は、前記光の存在を検出するステップ（１０４）に応答して前記電圧導関数の値が変化する場合に実行される、請求項３記載の方法。
5. 更に、前記回路遮断器を開放する信号を受信すると共に、前記信号を受信することに応答して、前記アークフラッシュ検出器の応答を遅延させるステップ（１１４）を実行するステップを備える、請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
6. 回路遮断器（３０）であって、
   筐体（３１）と、
   前記筐体（３１）の一端に位置する入口端子（５２）と、
   前記筐体（３１）の一端に位置し、前記入口端子（５２）に電気的に結合された出口端子（５４）と、
   前記筐体（３１）内に位置し、前記入口端子（５２）と前記出口端子（５４）との間に電気的に結合された可動接点アーム（３６）と、
   前記筐体（３１）内の光の存在を検出するように位置決めされた光センサ（４８）と、
   回路遮断器の動作を示す回路遮断器パラメータを測定するように結合されたパラメータセンサ（５０）と、
   前記光センサ（４８）と前記パラメータセンサ（５０）との間に電気的に結合されると共に、前記光センサ（４８）及び前記パラメータセンサ（５０）からの信号に応答して、前記回路遮断器（３０）の遅延トリッピングを行うコントローラと、
   を備え、
   前記パラメータセンサ（５０）は、前記入口端子（５２）と前記出口端子（５４）との間に適切に動作可能に結合された変圧器（７８）である、
   回路遮断器（３０）。
7. 異常動作状態の際に前記接点アーム（３６）を開放するトリップバー組立体（４２）を備え、
   前記パラメータセンサ（５０）は、トリップバー組立体（４２）の移動を検出するスイッチである、請求項６記載の回路遮断器（３０）。
8. 前記パラメータセンサ（５０）は、回路遮断器開放デバイス（３８）からの信号に応答する、請求項６又は７に記載の回路遮断器。
9. 前記回路遮断器開放デバイスは、過電流継電器（５６）である、請求項８記載の回路遮断器（３０）。
10. 前記回路遮断器開放デバイスは、手動回路遮断器開放スイッチ（４０）である、請求項８記載の回路遮断器（３０）。

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