JP6452701B2 - 高速スイッチ付き故障電流リミッタ及び電流リミッタシステム - Google Patents

Description

本明細書に記載の本発明による実施形態は、電流制御デバイス、より具体的には、故障電流制限デバイス及びシステムに関する。

故障電流リミッタ（ＦＣＬｓ）は、例えば、送電及び配電ネットワークにおける電流サージを保護するのに使用される。様々なタイプのＦＣＬｓがここ数１０年にわたり開発されており、超電導故障電流リミッタ（ＳＣＦＣＬ）、固体故障電流リミッタ（ＳＳＦＣＬ）、誘導故障電流リミッタ、並びに従来よく知られている他の種類のものがある。ＦＣＬを実装する電力系統には、電力を発電し、また電力を様々な工業用、商業用、及び／又は住宅用の電気的負荷に対して配給する、発電、送電及び配電のネットワークがある。

故障電流は、例えば、短絡のようなシステムの障害から生ずる電気系統における異常電流である。故障電流は、任意な数の事象又は不具合、例えば、送電線又は他のシステムコンポーネントが深刻な気象（例えば、落雷）によって損傷することによって系統内に生じ得る。このような故障を生ずるとき、大きな負荷が回路に瞬時に現れる。これに応じて、ネットワークは大量の電流（すなわち、故障電流）を負荷に配給する。この電流サージは、負荷に対して、例えば、ネットワーク自体、又はネットワークに接続した機器に対して損傷を与えるおそれがあるため、望ましくない。本発明による改良が必要とされるのは、これら及び他の考慮によってである。

この要約は、以下に詳細な説明でさらに記載する簡素化した形式における概念の選択肢を導入するために提示するものである。この要約は、特許請求の範囲の要旨における重要な特徴又は基本的な特徴を同定することは意図せず、特許請求の範囲の要旨における範囲決定の支援を意図するものでもない。

本発明は、機械的保護手段を使用して故障電流保護を容易にする高速スイッチ付き故障電流リミッタを提供する。例えば、本発明による高速スイッチ付き故障電流リミッタ（ＦＳＦＣＬ）は、電気ブレーカ接点を有するブレーカと、前記電気ブレーカ接点に電気的に接続したコイルと、前記電気ブレーカ接点に機械的に連結したプランジャであり、閾値レベルより大きい電流が前記コイルを流れるとき、前記プランジャを移動させる強度を有する磁界を発生し、前記プランジャの移動が前記ブレーカにおける前記接点を開状態にするように動作する、該プランジャと、を備えることができる。

本発明は電流リミッタシステムを提供し、この電流リミッタシステムは、電気ブレーカ接点、前記電気ブレーカ接点に電気的に接続したコイル、及び前記電気ブレーカ接点に機械的に連結するプランジャを有し、閾値レベルより大きい電流が前記コイルを流れるとき、前記プランジャを移動させる強度を有する磁界を発生し、前記プランジャの移動が前記電気ブレーカ接点を開状態にするように動作する、高速スイッチ付き故障電流リミッタと、前記高速スイッチ付き故障電流リミッタに並列接続した電圧制御リアクトルと、前記高速スイッチ付き故障電流リミッタ及び前記電圧制御リアクトルに並列接続した過渡過電圧制御回路であって、前記コイルを流れる電流が閾値レベルよりも大きいとき、前記電流を前記電圧制御リアクトル及び前記過渡過電圧制御回路に転流させて故障電流を制限する、該過渡過電圧制御回路と、を備える。

本発明は高速スイッチ付き故障電流制限システムを提供し、この高速スイッチ付き故障電流制限システムは、電気ブレーカ接点を有するブレーカ及び前記電気ブレーカ接点に電気的に接続したコイルを設け、磁界を生ずる高速スイッチと、前記高速スイッチに機械的に連結したプランジャと、を備え、閾値レベルより大きい電流が前記高速スイッチを流れるとき、前記プランジャを移動させる強度を有する磁界を発生し、前記プランジャの移動が前記ブレーカにおける前記接点を開状態にするように動作し、前記高速スイッチを流れる電流を遮断する。

本発明の実施形態による高速切替え故障電流制限（ＦＳＦＣＬ）システムを示す。 ＦＳＦＣＬシステムの例示的電流制限性能グラフを示す本発明の実施形態によるＦＳＦＣＬ回路の電流制限性能グラフを示す。 ＦＳＦＣＬシステムの例示的電流制限性能グラフを示す本発明の実施形態による高速インタラプタ（断続装置）として使用する高速スイッチ付きＦＳＦＣＬ回路の電流制限性能グラフを示す。 本発明の実施形態による高速スイッチ及び電圧制御リアクトル（ＶＣＲ）を有するＦＳＦＣＬ回路を示す。 本発明の実施形態による、電圧制御リアクトル（ＶＣＲ）がなく、高速スイッチを有するＦＳＦＣＬ回路を示す。 本発明の実施形態による高速スイッチ及び電圧制御リアクトル（ＶＣＲ）を有するＦＳＦＣＬ回路を示す。 本発明の実施形態による高速スイッチ、電圧制御リアクトル（ＶＣＲ）、及び過渡過電圧制御回路を有するＦＳＦＣＬ回路を示す。 図８Ａは、本発明の実施形態による高速スイッチを示す。図８Ｂは、本発明の実施形態による高速スイッチを示す。図８Ｃは、例示的故障電流保護のグラフを示す。 本発明の実施形態による他の高速スイッチを示す。 エネルギー制限特性対予想故障エネルギーを表すグラフを示す。 エネルギー制限特性対予想故障エネルギーを表す他のグラフを示す。 本発明の実施形態による固体故障電流リミッタシステムの動作方法を示す。 本発明の実施形態による、コア周りに巻き付けた第１巻線及び第２巻線を有するＦＣＬ回路を示す。

本発明による実施形態を以下に添付図面につきより詳細に説明する。本明細書に記載の実施形態は、多くの異なる形態で実施することができ、本明細書に記載の実施形態に限定されるものと解すべきではない。むしろ、これら実施形態は、本明細書が完璧かつ完全であるように、また当業者に対して発明要旨の範囲を十分に伝えるように提示したものである。以下の説明において、例示目的として、完全な理解を得るため多くの特別な詳細を記載する。しかし、本発明の新規な実施形態は、特別な詳細を持たずに実施できることが明らかである。他の事例において、周知の構造及びデバイスは説明を容易にするためブロック図形式で示す。特許請求の範囲に合致するすべての変更、均等物及び代替物をカバーすることを意図する。図面において、同一参照符号は全体を通して同様の要素に言及する。

図１は、送電及び配電システム１０００に実装した高速スイッチ付き故障電流リミッタ（ＦＳＦＣＬ）回路１００を示す。概して、ＦＳＦＣＬ回路１００は、種々の電力系統、例えば、送電、配電及び発電のネットワークにおける短絡故障電流から様々な回路及び／又は負荷を保護するように構成する。

電源１０１は、実部成分Ｒ_Ｓ及び虚部成分Ｘ_Ｓよりなる複素インピーダンスＺ_Ｓを有するインタフェース回路１０３、及び回路ブレーカ１０５に電力を供給する。送電ライン１０６は、送電ライン電圧を段階的に負荷１２１／１２３に適合する電圧まで段階的に下げるように構成した変圧器１０９を有するサブステーションとのインタフェース１０７に達する。変圧器１０９の出力部をブレーカ１１１（例えば、導体２０３及び／又は２０５とすることもできる回路ブレーカ）及びＦＳＦＣＬ回路１００に接続する。ＦＳＦＣＬ回路１００は、ブレーカ１１５（例えば、回路ブレーカ）及び整合回路１１７，１１９を介して負荷１２１／１２３に接続する。付加的な負荷及び整合回路を設けることができる。短絡故障１２５が発生し、また存在した場合、この短絡故障１２５は、本明細書に記載の種々の実施形態の動作によって分離する。

ＦＳＦＣＬ回路１００は、導体２０３及び２０５を介して電源１０１及び１個又は複数個の電気的負荷１２１，１２３に電気的に接続することができる。一実施形態において、電流センサ１５０を、メモリ及び少なくとも１個のプロセッサデバイスを有するコントローラ１７５に接続及び／又は関連させることができる。コントローラ１７５又は電流センサのいずれかをＦＳＦＣＬ回路１００に接続する。当業者には当然のことながら、ＦＳＦＣＬ回路１００は、様々な他の用途及び電力系統の形態に実装することができる。したがって、図１に示す特別な電力系統は例として示し、限定を意図するものではない。

ＦＳＦＣＬ回路１００は、故障の最初のピークに対する保護が重度には必要でない用途に実装することができる。例えば、ＦＳＦＣＬ回路１００は、故障状況発生に対して即座に（例えば、半サイクル内で）故障電流を制限するように構成することができる。幾つかの実施形態において、ＦＳＦＣＬ回路１００は、１サイクル未満（例えば、６０Ｈｚシステムでは１７ｍｓ未満（＜１７ｍｓ）、５０Ｈｚシステムでは２０ｍｓ未満（＜２０ｍｓ）、等々）の時間内で故障電流を感知及び制限するように構成することができる。当然のことながら、回路ブレーカは、故障を感知及び制限するまでに３サイクルより多くかかる場合がある。したがって、最初のピークの故障電流を許容できるシステムは、ＦＳＦＣＬ回路１００を使用する保護に特に適合する。

図２は、ＦＳＦＣＬ回路１００に関する例示的電流制限性能のグラフ２００を示す。とくに、図２は制限された故障電流曲線３２０（例えば、ＦＳＦＣＬ回路１００によって制限される電流）と比較した予想故障電流曲線３１０を示す。単位あたりの電流（ｐｕ）が−０.４〜１ｐｕの範囲にわたる故障制限性能グラフ２００は、ミリ秒（ｍｓ）で測定した時間が０〜１００ｍｓの範囲にわたるものを示す。ほぼ１６〜１９ｍｓの間に位置する予想故障電流の最初のピーク３２５は制限されないが、残りの予想故障電流は約５０％の係数で減少する。

図３は、高速断続装置（インタラプタ）として使用される高速スイッチを有するＦＳＦＣＬ回路１００の例示的電流制限性能のグラフ３００を示す。とくに、図３は制限された故障電流曲線３２０（例えば、ＦＳＦＣＬ回路１００によって制限される電流）と比較した予想故障電流曲線３１０を示す。単位あたりの電流（ｐｕ）が−０.４〜１ｐｕの範囲にわたる故障制限性能グラフ３００は、ミリ秒（ｍｓ）で測定した時間が０〜１００ｍｓの範囲にわたるものを示す。ほぼ１６〜１９ｍｓの間に位置する予想故障電流の最初のピーク３２５は制限されないが、残りの予想故障電流は遮断されてゼロまで減少する。制限された故障電流曲線３２０は、高速断続装置として使用される高速スイッチを有するＦＳＦＣＬ回路１００によって遮断される。

図４〜７は、本発明の少なくとも幾つかの実施形態により構成した種々の例示的なＦＳＦＣＬ回路１００を示す。図４〜７に示すＦＳＦＣＬ回路１００それぞれは、高速スイッチ１１０（図８Ａ〜８Ｂ、及び９につきより詳細に説明する）を有する。概して、高速スイッチ１１０は電磁スイッチ機構であり、互いに逆向きに巻回した巻線２０４及び２０６のコイルを有し、プランジャを移動してスイッチを開状態にしかつ電流を制限する磁界を発生する。高速スイッチ１１０が開状態になったとき、電流は並列接続した分流装置（例えば、電圧制御リアクトル等）に転流し、故障電流は電気的負荷１２１／１２３（図１参照）によっては受けられない。

図４は、高速スイッチ１１０及び電圧制御リアクトル（ＶＣＲ）１２０を有するＦＳＦＣＬ回路１００を示す。高速スイッチ１１０及びＶＣＲ１２０は、電気的に並列接続する。ＦＳＦＣＬ回路１００の定常状態動作中（何ら故障電流は検出されない）、電流（「Ｉ_Ｔ」）はＦＳＦＣＬ回路１００内に導体２０３から流入し、また高速スイッチ１１０を流れる。入来するシステム電流Ｉ_ＴはＶＣＲ１２０を流れる第１成分Ｉ_ＶＣＲと、高速スイッチ１１０を流れる電流Ｉ_ＦＳとに分割される。より具体的には、定常状態動作中、高速スイッチ１１０におけるスイッチ接点は閉じている。このようにして、高速スイッチ１１０は電流を導体２０３から導体２０５まで導通し、電力を電源から電気的負荷１２１／１２３まで送電する。故障電流が検出されるとき、高速スイッチ１１０は開き、電流を並列接続したＶＣＲ１２０に強制的に流す。ＶＣＲ１２０は、電源から電気的負荷１２１／１２３に流れる電流を分流及び／又は制限する。換言すれば、故障電流状況にある間、高速スイッチは開状態になり、電流Ｉ_Ｔは強制的にＶＣＲ１２０に流される。

図４とは異なり、図５はＶＣＲ１２０を持たない高速スイッチ１１０を有するＦＳＦＣＬ回路１００を示す。図５においてＦＳＦＣＬ回路１００は高速スイッチ１１０を有し、またＶＣＲ１２０を使用しない。この実施形態において、高速スイッチ１１０を高速断続装置として使用する。ＦＳＦＣＬ回路１００の定常状態動作中（例えば、何ら故障電流が検出されない）、電流（「Ｉ_Ｔ」）はＦＳＦＣＬ回路１００内に導体２０３から流入し、また高速スイッチ１１０を流れる。より具体的には、定常状態動作中、高速スイッチ１１０におけるスイッチ接点は閉じている。このようにして、高速スイッチ１１０は電流を導体２０３から導体２０５まで導通し、電力を電源から電気的負荷１２１／１２３まで送電する。故障電流が検出されるとき、高速スイッチ１１０は開き、電源から電気的負荷１２１／１２３まで流れる電流を制限又は「高速遮断」する。換言すれば、故障電流状況にある間、高速スイッチは開状態になり、電流Ｉ_Ｔは制限される（開回路を生ずる）。

次に図６につき説明すると、ＦＳＦＣＬ回路１００の他の例示的な実施形態を示す。ＦＳＦＣＬ回路１００は、高速スイッチ１１０及び電圧制御リアクトル（ＶＣＲ）１２０を有する。幾つかの実施形態において、例えば、高負荷電流用途に関して、ＦＳＦＣＬ回路１００は、電流分流リアクトル（ＣＳＲ）１３０も有する。ＣＳＲ１３０は、定常状態電流取扱い要求を低減して、複雑さがより少なく及び／又はコストがより低く及び／又は電流定格がより低い高速スイッチ１１０を使用できる構成とすることができる。幾つかの実施形態において、図６に示すＦＳＦＣＬ回路１００は、１ｋＡ又はそれ以上を伝送する回路（例えば、送電及び／又は配電用）に使用することができる。ＦＳＦＣＬ回路１００は、さらに、電流分流リアクトル（ＣＳＲ）１３０を有することができる。ＣＳＲ１３０は、定常状態電流取扱い要求を低減して、複雑さがより少なく及び／又はコストがより低く及び／又は電流定格がより低い高速スイッチ１１０を使用できる構成とすることができる。

ＣＳＲ１３０は第１導電性巻線２０４及び第２導電性巻線２０６を有する。第２導電性巻線２０６は、第１導電性巻線２０４に対して逆向きに巻き付けることができる。ＣＳＲ１３０は、定常状態動作中に最小インピーダンスを呈し、また故障状況中には比較的より大きなインピーダンスを呈して故障電流を効果的に制限するように構成した第１導電性巻線２０４及び第２導電性巻線２０６を有する。ＣＳＲ１３０を使用して高システム電流を管理し、通常／定常状態電流及び故障電流のより少ない割合部分がＦＳＦＣＬ回路１００に流れるようにすることができる。入来するシステム電流Ｉ_Ｔは、第１導電性巻線２０４を流れる第１成分Ｉ_Ｗ１と、第２導電性巻線２０６を流れる第２成分Ｉ_Ｗ２とに分割される。電流Ｉ_Ｗ２は、さらに、ＶＣＲ１２０を流れる電流Ｉ_ＶＣＲと、高速スイッチ１１０を流れる電流Ｉ_ＦＳとに分割される。

一実施形態において、第１導電性巻線２０４は第２導電性巻線２０６に対して逆並列関係となるように電気的に接続することができる。ＣＳＲ１３０に流入する電流は、第１導電性巻線２０４を第１方向に流れるように導かれ、また第２導電性巻線２０６を逆向きの第２方向に流れるように導かれる。一実施形態において、第１導電性巻線２０４を流れる電流は、したがって、第２導電性巻線２０６に流れる電流と等しくすることができ、また、第１導電性巻線２０４及び第２導電性巻線２０６を上述の逆並列形態に配列することで、これら導電性巻線は磁気的に結合され、また無視できる正味及び／又は等価のインピーダンスを呈するようになる。第１導電性巻線２０４及び第２導電性巻線２０６は磁気コア（図１３に示すような磁気コア１３０３）の周りに、例えば、2本巻きコイル構成にして巻き付ける。他の巻線構成も使用に利用可能であり、好適性及び／又は技術的な要件に基づいて適用することができる。コアは、当業者には理解できる特別な用途の電流制限要件で規定されている寸法を有する鉄コア又は空気コアとすることができる。

適切な巻回数を有する第１導電性巻線２０４及び第２導電性巻線２０６を使用することによって、ＦＳＦＣＬ回路１００の定常状態動作は、定常状態電流を並列分路ＩＷ_１及びＩＷ_２に分配し、定常状態電流のｘ％が分路ＩＷ_１に流れる場合、定常状態電流の残りの（１００−ｘ）％がＩＷ_２に流れる。その代わりに、定常状態電流のｘ％が分路ＩＷ_２に流れる場合、定常状態電流の残りの（１００−ｘ）％がＩＷ_１流れる。したがって、定常状態動作（例えば、定常状態状況）中には、ＣＳＲ１３０の第１導電性巻線２０４及び第２導電性巻線２０６は、定常状態電流を並列分路ＩＷ_１及びＩＷ_２に予め規定した様態で分配するように設定することができる。

一実施形態において、例えば、第１導電性巻線２０４及び第２導電性巻線２０６は、ＦＳＦＣＬ１００における電流を分路ＩＷ_１及びＩＷ_２に均等に分配するのに適合する巻回数を選択し、５０％が分路ＩＷ_２に流れ、５０％が分路ＩＷ_１に流れて分配できるようにする。他の実施形態において、この比は、４０％が分路ＩＷ_２に流れ、６０％が分路ＩＷ_１に流れる；３０％が分路ＩＷ_２に流れ、７０％が分路ＩＷ_１に流れる；ように設定することができる。換言すれば、例えば、分路ＩＷ_２及びＩＷ_１に４０／６０、３０／７０、２０／８０で流れるように設定することができる。電流分配を精密に設定する幾つかの事例において、外部巻回巻線（図示せず）を随意的デバイスとして実装することができる。ＦＳＦＣＬ１００の定常状態動作中、第１導電性巻線２０４及び第２導電性巻線２０６のような逆巻き巻線を有する電流分流リアクトル装置１３０は、電流分流リアクトルのコア内部で磁界を相殺する。より具体的には、電流分流デバイスは定常状態電流（例えば、システム電流Ｉ_Ｔ）を、第１導電性巻線２０４及び第２導電性巻線２０６に逆向きに流れる２つの分路（ＩＷ_１及びＩＷ_２）に分割し、正味ゼロ又は無視できる磁界を生じ、この結果、回路において無視できる等価の又は正味のインピーダンスとなる。第１導電性巻線２０４のリアクタンスは、したがって、第２導電性巻線２０６の逆向きリアクタンスによって打ち消される。このようにして、適切な巻回数を有する第１導電性巻線２０４及び第２導電性巻線２０６を選択することによって、定常状態電流の所定部分をＣＳＲに経路付けすることができる。ＦＳＦＣＬ１００における定常状態電流負荷は、従来型のＦＣＬシステムよりも減少する。したがって、ＦＣＬのコスト及び物理的サイズも減少することができる。

ＦＳＦＣＬ１００の定常状態動作中、電流分流デバイス１３０は、電流を、第１導電性巻線２０４及び第２導電性巻線２０６に逆向きに流れる２つの分路に分割し、正味ゼロ又は無視できる磁界を生じ、この結果、回路において無視できる等価の又は正味のインピーダンスとなる。第１導電性巻線２０４のリアクタンスは、したがって、第２導電性巻線２０６の逆向きリアクタンスによって打ち消される。このようにして、適切な巻回数を有する第１導電性巻線２０４及び第２導電性巻線２０６を選択することによって、定常状態電流の所定部分をＦＳＦＣＬ回路１００に経路付けすることができる。ＦＳＦＣＬ１００における定常状態電流負荷は、システム負荷電流全体よりも減少する。したがって、ＦＳＦＣＬ１００のコスト及び物理的サイズも減少することができる。

故障状況が発生する際、ＦＳＦＣＬ１００は故障状態に追いやられ、ＦＳ１１０は開き、ＦＳＦＣＬ回路１００が呈するインピーダンスは増大し、またＶＣＲ１２０に並列の第２巻線及びＦＳ１１０を流れる電流の比率は、定常状態動作中における電流比率に比べて第１巻線２０４よりも相当減少する。したがって、第１導電性巻線２０４及び第２導電性巻線２０６はもはや等しく互いに逆向きの磁界を生ずることなく、強い磁気結合が喪失する。したがって、巻線は、定常状態動作よりも高い等価の又は正味の電流制限インピーダンスを呈してシステムにおける故障電流を制限する。

幾つかの実施形態において、ＣＳＲ１３０における第１導電性巻線２０４及び第２導電性巻線２０６は３：１である。より具体的には、第２導電性巻線２０６は第１導電性巻線２０４よりも３倍多い巻回数を有する。このようにして、通常動作中、電流の約２５％が高速スイッチ１１０を流れる。

図７はＦＳＦＣＬ回路１００の例示的実施形態を示す。ＦＳＦＣＬ回路１００は高速スイッチ１１０、電圧制御リアクトルＶＣＲ１２０を有し、また幾つかの実施例において、ＦＳＦＣＬ回路１００は、さらに、ＴＯＣＣ１４０も有する。概して、ＴＯＣＣ１４０は過渡過電圧抑制回路であり、直列接続した抵抗及びキャパシタンス（ＲＣ）回路（Ｒを付した抵抗及びＣを付したキャパシタ）と、スナバ回路（例えば、ＭＯＶを付した金属酸化物バリスタ）等との並列接続を有する。幾つかの実施例において、ＴＯＣＣ１４０はキャパシタンス値及び抵抗値の高い値を使用し、例えば、＞１００μｓの時定数（すなわち、Ｒ・Ｃ＞１００μｓ）を使用する。電力周波数で動作する故障電流リミッタ用途は、高インダクタンスを有する回路で動作する。この結果、Ｌ×ｄｉ／ｄｔは極めて高い過渡過電圧を生ずる。高い値のキャパシタンス及び抵抗を有するＴＯＣＣ１４０は、高インダクタンス回路における過渡過電圧の抑制を容易にする。

図８Ａ及び８Ｂは高速スイッチ１１０の例示的実施の閉位置（図８Ａ）及び開位置（図８Ｂ）を示す。別の言い方をすれば、定常状態動作状況（故障が検出されない）にある高速スイッチ１１０を図８Ａに示すとともに、故障電流状況にある高速スイッチ１１０を図８Ｂに示す。図８Ｃは、高速スイッチ１１０の開放力（ｙ軸）対電流（ｘ軸）を表しているグラフ８００を示す。ブレーカ１１１は、ＳＦ６、オイル、空気、真空又は他の材料のような誘電材料を有する任意なタイプのスイッチとすることができ、これにより高速スイッチ１１０は、コイル１１２からの電磁力で開閉することができ、また開閉サイクル中に電流で発生するアークを取り扱うことができる。

先ず図８Ａにつき説明すると、定常状態動作中に、真空ブレーカボトルのようなブレーカ１１１における電気的なブレーカ接点１１１ａは閉じている。このような場合、電流（すなわち、Ｉ_ＦＳ）は電源から高速スイッチ１１１を経て負荷に流れる。より具体的には、電流はブレーカ１１１から高速スイッチ内に流入し、コイル１１２を経由してＩ_ＦＳに関連する矢印で示すように高速スイッチから流出する。電流障害があるとき、電流は増大し、上昇した電流がコイル１１２に流れることによって発生する電磁力も同様に増大する（図８Ｃ参照）。電磁力がＦＳＦＣＬ回路１００の用途に依存する或る所定レベルに達するとき、電磁プランジャ１１３が偏倚し、レバーアーム１１３ａに作用し、電気ブレーカ接点１１１ａを開かせる。コイル１１２のサイズは、電磁プランジャ１１３を、及びこれに続いてレバーアーム１１３ａを変位させるのに必要であり、Ｆ＝ｋＩ^２を満たす力「Ｆ」に基づいて特定の用途に依存し、ただし、「ｋ」は電磁プランジャ１１３及びレバーアーム１１３ａに関連する機械的係数である。図８Ｃに示すように、電流「Ｉ」が増加するとき、電磁プランジャ１１３を変位するのに必要な力Ｆも、曲線８１２に示すように同様に増大するが、電気ブレーカ接点１１１ａを閉じた状態に維持するのに必要な力Ｆは一定のままである。その結果、定常状態動作において、高速スイッチ１１０は、コイル１１２を流れる電流によって生ずる電磁力は小さく、ブレーカ１１１の接点を強制的に開くのに不十分となる設計にする。定常状態動作電流よりも大きい故障電流がコイル１１２を流れるとき、電磁力が電磁プランジャ１１３を移動させ、電気ブレーカ接点１１１ａを開かせる程度に定常状態よりも大きい電磁力が発生する。

次に図８Ｂにつき説明すると、ブレーカ１１１の電気ブレーカ接点１１１ａが開いている状態を示す。開状態になった後、高速スイッチ１１０を経る電流経路は遮断され、電流の流れは、もし設けるならば、並列分流回路（例えば、ＶＣＲ１２０，ＴＯＣＣ１４０等）に転流する。幾つかの実施例において、高速スイッチ１１０は、電流ゼロ交差で開くよう設計する（図２参照）。このブレーカ１１１は、電流ゼロ交差開きに関連する適切な動作特性を有する真空式ブレーカとすることができる。このようにして、電流ゼロ交差での開きは、ゼロ又は最小電流チョッピングで得ることができる。さらに、図７につき上述したように、幾つかの実施例では、ＴＯＣＣ１４０を用いることにより過渡過電圧保護を行うようにすることができる。ＴＯＣＣ１４０としては、抵抗、キャパシタンス及びＭＯＶがあり得る。

高速スイッチ１１０の定常状態動作中、コイル１１２は無視できるインピーダンスをシステムに導入する。このようにして、高速スイッチにおける電圧低下は無視できるほどであり、電力損失が最小となる。故障状況が発生する場合には、ＶＣＲ１２０（ＶＣＲ１２０は高速スイッチ１１０に並列接続する）、ＴＯＣＣ回路１４０及びＣＳＲ１３０は電流制限を取り扱うことができる。高速スイッチ１１０はタイミング回路１１４とともに構成することができる。タイミング回路１１４は、空気シリンダ１１４ａと、故障が解消された後にブレーカ１１１における電気ブレーカ接点１１１ａを閉じる時間遅延機構を得るように構成したばね機構（例えば、電磁力制御機構）とを有し、この遅延は、即時閉鎖から幾分の所定時間遅延まで変化させることができる。

図９は高速スイッチ１１０の例示的実施形態を示す。この図面から分かるように、高速スイッチ１１０は、ブレーカ１１１、コイル１１２、プランジャ１１３、タイミング回路１１４、並びに予行程調整デバイス１８２、ばね機構１１４ｂ及びレバーアーム１１３ａのような他のコンポーネントを有する。図示の高速スイッチ１１０は、１個より多いコイル１１２（１１２ａ、１１２ｂ及び１１２ｃ）を、電源の電圧及び電流、並びに負荷の保護レベルに応じて使用することができる。複数のコイルは並列又は直列に接続し、電流制限特性を獲得し、かつ、システムに導入されるインピーダンスを最小化できるようにする。図９に示す高速スイッチ１１０の動作は、図８Ａ〜８Ｂにつき説明したのと同様である。例えば、定常状態動作中、ブレーカ１１１の接点は閉じた状態であり、また電流はコイル１１２から負荷に流れる。故障電流レベルがシステムに現れるとき、コイル１１２に流れる電流によって発生する電磁力が増加して電磁プランジャ１１３を移動させ、これにより（レバーアーム１１３ａを介して）ブレーカの接点を開かせる。タイミング回路１１４は、所定時間が経過した後、ブレーカを閉じさせるように構成することができる。さらに、高速スイッチ１１０は、ロック機構１８０とともに構成し、このロック機構１８０は、故障状況後に高速スイッチ１１０を手動又は自動的にリセットするのに使用することができる。

図１０は、高速スイッチ１１０を適用することでどのように∫I^２・dtが影響を受けるかを表すグラフ１０５０を示す。とくに、グラフ１０５０は、−０.４〜１ｐｕの範囲にわたる単位あたりの電流（ｐｕ）を、ミリ秒（ｍｓ）で測定した０〜１００ｍｓの範囲にわたる時間で示す。この実施例において、∫I^２・dt曲線は予想値の４０％まで減少し、このことは予想故障電流曲線３１０と制限された故障電流曲線３２０との比較によって示される。このことは、システムコンポーネント、例えば、変圧器、リアクトル、バスバー（母線）、接地構体、及びブレーカコンポーネントにおける電磁力が４０％まで減少することを意味する。この減少は、故障電流減少が＞５０％である場合に有意義である。さらに、熱エネルギー（Ｑ＝ｋ_Ｔ・∫I^２・dt）も予想故障値の約４０％だけ減少する。熱エネルギーは、システム及びシステムコンポーネントに関連する総発熱及びアークエネルギーに関係する。熱エネルギーを減少することによって、システムコンポーネント、例えば、変圧器、リアクトル、バスバー（母線）、接地構体、及びブレーカコンポーネントにおける熱応力も同様に減少し、またこのようなコンポーネントの耐用寿命を延ばす。

図１１は、電流分流リアクトルを持たず、またＶＣＲ１２０を持たない高速スイッチ１１０を適用することでどのように∫I^２・dtが影響を受けるかを表すグラフ１１００を示す。グラフ１１００は、−０.４〜１ｐｕの範囲にわたる単位あたりの電流（ｐｕ）を、ミリ秒（ｍｓ）で測定した０〜１００ｍｓの範囲にわたる時間で示す。この実施例において、∫I^２・dt曲線は予想値の２０％まで減少し、このことは予想故障電流曲線３１０と制限された故障電流曲線３２０との比較によって示される。このことは、システムコンポーネント、例えば、変圧器、リアクトル、バスバー（母線）、接地構体、及びブレーカコンポーネントにおける電磁力が２０％まで減少することを意味する。この減少は、故障電流減少が＞５０％である場合に有意義である。さらに、熱エネルギー（Ｑ＝ｋ_Ｔ・∫I^２・dt）も予想故障値の約２０％だけ減少する。熱エネルギーは、システム及びシステムコンポーネントに関連する総発熱及びアークエネルギーに関係する。熱エネルギーを減少することによって、システムコンポーネント、例えば、変圧器、リアクトル、バスバー（母線）、接地構体、及びブレーカコンポーネントにおける熱応力も同様に減少し、またこのようなコンポーネントの耐用寿命を延ばす。

図１２は、ブレーカ接点システムを有する高速スイッチ付き故障電流リミッタの動作方法のフローチャートを示す。定常状態動作中、電流はＦＳＦＣＬ回路１００（例えば、高速スイッチ１１０）経由で電源から負荷まで流れる（ステップ１２１０）。より具体的には、電流は高速スイッチ１１０内に流入し、ブレーカ１１１、コイル１１２経由で高速スイッチ１１０から流出する。ステップ１２２０で、ＦＳＦＣＬ回路１００は、故障電流を検出する。ステップ１２２０で故障電流が認められるとき、電流は増大し、また電磁力がＦＳＦＣＬ回路１００の用途に基づく所定閾値電流レベルに達するとき、コイル１１２を流れる増加した電流によって生ずる電磁力も同様に増大する。ステップ１２３０で、コイル１１２を流れる増加した電流が所定閾値電流を超えることを検出する。電磁プランジャ１１３は変位して、電磁プランジャ１１３のレバーアーム１１３ａに作用して電気ブレーカ接点１１１ａを開状態にさせる（ステップ１２４０）。コイル１１２のサイズは、電磁プランジャ１１３及びひいてはレバーアーム１１３ａを変位させるのに必要な力「Ｆ」に基づいた特定用途に依存し、Ｆは式Ｆ＝ｋI^２を満たすものとし、ただし「ｋ」は電磁プランジャ１１３及びレバーアーム１１３ａに関連する機械的定数である。電流「Ｉ」が増加するとき、電磁プランジャ１１３を変位させるのに必要な力Ｆも曲線で示すように同様に増大し、ただしこの曲線において電気ブレーカ接点１１１ａを閉状態に維持するのに必要な力Ｆは一定のままである。したがって、定常状態動作において、高速スイッチ１１０は、コイル１１２を流れる電流によって生ずる電磁力は小さく、ブレーカ１１１の接点を強制的に開かせるには十分でない。定常状態動作電流よりも大きい故障電流がコイル１１２を流れるとき、電磁力は電磁プランジャ１１３を移動させる程度まで生起する。電磁プランジャ１１３の移動の結果、電気ブレーカ接点１１１ａは開状態になる。

開状態になった後、ステップ１２５０で、高速スイッチ１１０を流れる電流経路は遮断され、電流は、設けてあるならば並列分流回路（例えば、ＶＣＲ１２０、又はＴＯＣＣ等々）に転流する。幾つかの実施例において、高速スイッチ１１０は、電流ゼロ交差（図２参照）で開状態になるように設計する。このブレーカ１１１は、電流ゼロ交差開きに関連する適切な動作特性を有する真空式ブレーカとすることができる。このようにして、電流ゼロ交差での開きは、ゼロ又は最小電流チョッピングで得ることができる。さらに、図７につき上述したように、幾つかの実施例では、ＴＯＣＣ１４０を用いることにより過渡過電圧保護を行うようにすることができる。ＴＯＣＣ１４０としては、抵抗、キャパシタンス及びＭＯＶがあり得る。

図１３につき手短に説明すると、ＣＳＲ１３０の例示的実施形態を示し、このＣＳＲ１３０は、磁気コア１３０３周りに巻き付けた第１導電性巻線２０４及び第２導電性巻線２０６を有する。第１導電性巻線２０４及び第２導電性巻線２０６は互いに逆巻き、又は2本巻き構成にし、等しい巻回数を有するものとする
ことができる。他の巻線構成も使用に利用可能であり、好適性及び／又は技術的な要件に基づいて適用することができる。磁気コア１３０３は、当業者には理解できる特別な用途の電流制限要件で規定されている寸法を有する鉄コア又は空気コアとすることができる。第１導電性巻線２０４及び第２導電性巻線２０６は、定常状態動作中に最小インピーダンスを呈し、また故障状況中には比較的より大きなインピーダンスを呈して故障電流を効果的に制限するように構成する。

一実施形態において、第１導電性巻線２０４は第２導電性巻線２０６に対して逆並列関係となるように電気的に接続することができる。ＣＳＲ１３０に流入する電流は、第１導電性巻線２０４を第１方向に流れるように導かれ、また第２導電性巻線２０６を逆向きの第２方向に導かれる。一実施形態において、第１導電性巻線２０４を流れる電流は、したがって、第２導電性巻線２０６に流れる電流と等しくすることができ、また、第１導電性巻線２０４及び第２導電性巻線２０６を上述の逆並列形態に配列することで、これら導電性巻線は磁気的に結合され、また無視できる正味及び／又は等価のインピーダンスを呈するようになる。

要約すれば、本発明の実施形態は、より複雑かつコストがかかる他の電子保護回路よりも恩恵が得られる機械的保護デバイスを用いて、故障を保護する電流保護システムを提供する。例えば、本発明によるＦＳＦＣＬは、回路ブレーカのためのアーク火花エネルギー減少、及びより低いアーク火花エネルギーを操作し、かつ、取り扱って安全性の恩恵を提供することができる。このことは、恒久的設置の故障保護デバイスとして、又は携帯型の故障保護デバイスとして有用となり得る。例えば、可搬式デバイスとしては、スイッチギヤ領域で作業する作業員のための安全デバイスとして使用し、このデバイスの使用が潜在的電流を減少することができる。さらに、ＦＳＦＣＬは低電流及び高電流の用途に使用することができる。アークエネルギーの減少は、電気的短絡故障に起因する火災も減少することができる。この用途は、電気的発火に起因する火災を受け易い電気設備に恩恵がある。

本発明は、本明細書に記載した特別な実施形態によって範囲を限定されるものではない。実際、本明細書に記載した実施形態の外に、様々な実施形態及び本明細書記載の実施形態に対する変更例は、当業者にとって上述の説明及び添付図面から明らかであろう。したがって、このような他の実施形態及び変更例は本発明の範囲内にあることを意図する。さらに、本明細書では、特定の目的用の特定環境における特定実施の文脈で本発明を説明したが、当業者であれば、本発明の有用性は本明細書の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、任意な数の目的のための任意な数の環境において有用に実施できることを理解されるであろう。したがって、特許請求の範囲は、本明細書に記載の本発明の広い幅及び精神を考慮して解すべきである。

Claims (14)

1. 電気ブレーカ接点を有するブレーカと、
   前記電気ブレーカ接点に電気的に接続したコイルと、
   前記電気ブレーカ接点に機械的に連結して、前記電気ブレーカ接点を開状態にするように構成したプランジャであり、閾値レベルより大きい電流が前記コイルを流れるとき、前記プランジャを移動させる強度を有する磁界を発生し、前記プランジャの移動が前記ブレーカにおける前記接点を開状態にするように動作する、該プランジャと、
   前記コイルに並列接続した電圧制御リアクトル（ＶＣＲ）と、を備え、前記ＶＣＲは、前記コイルを流れる電流の遮断に応答する電流を受けるように構成する、高速スイッチ付き故障電流リミッタ。
2. 前記電気ブレーカ接点は、前記プランジャの移動によって前記コイルを流れる電流を遮断するように構成する、請求項１記載の高速スイッチ付き故障電流リミッタ。
3. さらに、前記コイルに電気的に接続した電流分流リアクトル（ＣＳＲ）を備え、前記ＣＳＲは、電流を制限するのに使用し、また前記ＣＳＲ及び前記ＶＣＲは電圧を制限又は制御するのに使用する、請求項１記載の高速スイッチ付き故障電流リミッタ。
4. 前記プランジャは、さらに、レバーアームを有し、前記レバーアームは、前記電気ブレーカ接点を開状態にするように動作する、請求項１記載の高速スイッチ付き故障電流リミッタ。
5. 前記電気ブレーカ接点を閉状態にするように前記電気ブレーカ接点に電気的に接続した、電磁力制御機構を有するタイミング回路を、さらに、備える、請求項１記載の高速スイッチ付き故障電流リミッタ。
6. 前記電磁力制御機構は、空気シリンダ及びばね機構を有し、前記タイミング回路は、故障電流が解消された後に前記ブレーカの前記接点を即座に閉状態にする、又は前記故障電流を検出するのに続く所定時間遅延経過後に前記電気ブレーカ接点を閉状態にする、請求項５記載の高速スイッチ付き故障電流リミッタ。
7. さらに、前記コイルに接続し、過電圧を制限する過渡過電圧制御回路を備える、請求項１記載の高速スイッチ付き故障電流リミッタ。
8. 電気ブレーカ接点、前記電気ブレーカ接点に電気的に接続したコイル、及び前記電気ブレーカ接点に機械的に連結するプランジャを有し、閾値レベルより大きい電流が前記コイルを流れるとき、前記プランジャを移動させる強度を有する磁界を発生し、前記プランジャの移動が前記電気ブレーカ接点を開状態にするように動作する、高速スイッチ付き故障電流リミッタと、
   前記高速スイッチ付き故障電流リミッタに並列接続した電圧制御リアクトルと、
   前記高速スイッチ付き故障電流リミッタ及び前記電圧制御リアクトルに並列接続した過渡過電圧制御回路であって、前記コイルを流れる電流が閾値レベルよりも大きいとき、前記電流を前記電圧制御リアクトル及び前記過渡過電圧制御回路に転流させて故障電流を制限する、該過渡過電圧制御回路と、
   を備える、電流リミッタシステム。
9. 前記プランジャの移動が前記コイルを流れる電流を遮断するように動作する、請求項８記載の電流リミッタシステム。
10. 前記電気ブレーカ接点は、前記プランジャの移動によって前記コイルを流れる電流を遮断するように構成する、請求項８記載の電流リミッタシステム。
11. 前記高速スイッチ付き故障電流リミッタに電気的に接続し、電流を制限又は制御するのに使用する電流分流リアクトルを、さらに、備える、請求項８記載の電流リミッタシステム。
12. 前記プランジャは、さらに、レバーアームを有し、前記レバーアームは、前記電気ブレーカ接点を開状態にするように動作する、請求項８記載の電流リミッタシステム。
13. 前記電気ブレーカ接点を閉状態にするように前記電気ブレーカ接点に電気的に接続した、電磁力制御機構を有するタイミング回路を、さらに、備える、請求項８記載の電流リミッタシステム。
14. 前記電磁力制御機構は、空気シリンダ及びばね機構を有し、前記タイミング回路は、故障電流が解消された後に前記ブレーカの接点を即座に閉状態にする、又は前記故障電流を検出するのに続く所定時間遅延経過後に前記電気ブレーカ接点を閉状態にする、請求項１３記載の電流リミッタシステム。