JPH07274377A - 配電回路保護装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 負荷を電力ラインに結合する配電回路を保護
するための接触器の外部に設けた電流制限抵抗素子を提
供する。 【構成】 接触器３０は負荷及び電力ラインに直列の切
換接点３２と、接点を開放するための電磁的に制御可能
な切換手段３４とを有する。切換手段には電流センサー
３６が結合してある。電力ラインと負荷との間に直列に
抵抗素子５０を接続して、高い故障電流の発生時電流を
制限する電圧降下を発生させる。抵抗素子はニクロムの
ような正の温度係数を有する材料の条片により構成し、
接触器の外部の抵抗素子ハウジング５５内に取り付ける
ことによって切換手段から熱的に隔離する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は過電流の保護に関し、さ
らに詳細には短絡故障のような故障の発生と共に回路遮
断器を流れる電流を制限するため遮断器と負荷に直列に
接続する抵抗性装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気回路及び負荷を故障電流から保護す
る装置には負荷を電力ラインに結合する制御可能な接触
器を用いるものが多い。交流モータを用いる場合、この
接触器は一般的にモータ始動器と呼ばれる。普通の配電
回路網では、かかる接触器を回路遮断器と呼ぶことがが
多い。多相回路に用いる接触器は複数組の接点を有し、
これらは電磁気的に作動されて負荷と電力ラインとを接
続したり切り離したりする。

【０００３】負荷と電力ラインの間の結合／切り離しを
行うオン・オフ制御装置に加えて、感知回路が電力ライ
ンから接点を介して負荷へ流れる電流をモニターするの
が普通である。この感知回路は故障状態を検知すると電
力ラインから負荷を切り離すためのトリップ信号を発生
する。

【０００４】短絡による短時間の過電流、過負荷を示す
長時間の過電流、地絡故障、位相不平衡等の故障状態に
回路保護装置が応答する。かかる故障を検知する回路は
通常、接触器に電力ラインの切離しを行わせるトリガー
信号を発生するための或る形態のしきい値応答素子を有
する。新型の接触器には、マイクロプロセッサ又は他の
論理制御装置が関連回路の接触器の動作を協調させるた
めに使用されている。

【０００５】一般的に、接触器のトリップ回路の感度
を、電流のしきい値への到達をしきい値応答電流感知素
子の出力状態の変化で検知するや否や直ちに、即ちトリ
ップ信号の最小のパルスに応答して、トリップが起こる
ように高くするのは望ましくない。かかるパルスは雑音
スパイクのような、本当の故障状態を表わさない変則的
な現象の場合がある。トリップ回路はかかる変則的現象
による困ったトリップが起こる事態を減少するため普通
よりもさらにゆっくりとトリガーを行うように設計する
と有利である。このように、接触器に用いるしきい値応
答手段、例えばしきい電流センサ−はある特定のタイミ
ング条件を考慮して構成してある。高いしきい値を越え
る負荷電流の感知によって検知される直接的な短絡状態
が生じるとトリップが比較的迅速に起こるが、低いしき
い値を越える電流が所定時間持続すればそれは熱的過負
荷の存在を示すものであり、これによりトリップを発生
させることができる。しかしながら、作動が比較的迅速
な高しきい値電流装置でも、感知デバイスの状態が切り
かわり、必要な駆動信号が発生され、接点が物理的に開
いて回路が遮断されるのに、所定のしきい値レベルを越
える電流がある最小の時間の間持続する。

【０００６】故障の発生から回路が遮断されるまでに、
接触器、負荷及び／または配電ラインに、例えば抵抗性
加熱及びアークによって損傷が生じる可能性がある。高
レベルの電流が生じると、保護用の接点開放時に誘導性
の電圧サージが発生し、接点間にアークが生じる場合が
ある。極端な場合、アークにより接点が溶着することが
あり、電源にさらに近い地点においてのトリップが必要
となる。アークが発生すると接点が侵食され、トリップ
が連続的に何度も起こる間、接点の当接する部分がこの
侵食により変位して接触器の機械的動作に悪い影響を与
える場合がある。この問題は高圧配電系において深刻で
ある。

【０００７】接触器の負荷側で直接的な短絡が生じた場
合、電力ラインの導体間には並列の抵抗はほとんどな
い。抵抗を接点と負荷とに直列に接続することにより短
絡電流のレベルを減少させることが可能である。負荷の
抵抗は短絡時の導体の抵抗に比べると格段に大きなもの
であるが、電流を制限するために直列接続するこの抵抗
は小さいものでよく、多量の電力を消費して負荷に実質
的な影響を与えることがない。負荷が作動状態にある
間、線電圧のほとんどが負荷にかかる。負荷抵抗が短絡
によりシャントされると、線電圧のほとんどが電流を制
限するこの直列抵抗にかかる。

【０００８】従って、電流を制限する直列抵抗を用いる
と短絡電流を減少させると共に接触器の接点を故障で開
く際保護することができる。直列抵抗は小さいが、その
両端間に電圧降下が生じ熱によりエネルギーが消散す
る。勿論、故障により電流レベルが増加すると電流制限
直列抵抗により消散される熱もそれに応じて増加する。
この熱自体が問題であり、接触器に損傷を与えることが
ある。また、接触器が固体素子あるいは論理デバイスを
含んでいる場合、この熱により、遮断状態になるべきス
イッチング素子及び論理素子を引き続いて導通させる熱
的な暴走がおこる場合がある。

【０００９】本発明によると、保護用の直列抵抗が接触
器ハウジングの外部のハウジング内に配置され、ニクロ
ムの条片のような正の温度係数をもつ抵抗材料より成
る。ニクロム材料は抵抗加熱器として知られている。こ
の素子の抵抗は温度が低いとき最小である。加熱される
と、特に赤い高温状態になると抵抗が実質的に上昇す
る。保護用の抵抗を、接触器ハウジングから熱的に隔離
された、抵抗炉あるいはランプを画定する外部のハウジ
ング内に配置するのであるが、その内部で放散される熱
は接触器及びその制御論理回路から隔離されているため
接触器装置の有効性及び信頼性が向上し負荷及びその関
連の導体が損傷から保護される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、回路
保護装置の制御・切換部分から熱的に隔離されたハウジ
ング内で熱を放散する正の温度係数をもった保護用抵抗
素子を提供することにある。

【００１１】本発明の別の目的は、低温時の抵抗が関連
負荷の抵抗よりも実質的に小さく、その負荷と接触器に
直列に接続されて高い故障電流の発生時電流を制限す
る、ニクロム製あるいは同様の隔離された抵抗素子を提
供することにある。

【００１２】本発明のさらに別の目的は、保護用抵抗素
子の抵抗を最大限にすると共にその寸法を最小限に抑
え、不均等な熱の放散が起こらないように横断面を均一
にすることにある。

【００１３】本発明の上記及び他の目的は、負荷を電力
ラインに結合する配電回路を保護するための接触器の外
部に設けた電流制限抵抗素子により達成される。接触器
は負荷及び電力ラインに直列の切換接点と、例えば接点
を開放するための電磁的に制御可能な切換手段とを有す
る。制御可能な切換手段には電流センサーが結合してあ
る。配電回路の電力ラインと負荷との間に直列に抵抗素
子を接続することにより、高い故障電流の発生時に電流
を制限するための電圧降下を発生させる。この抵抗素子
は低温時の抵抗が低いニクロムの条片あるいは同様な正
の温度係数を有する抵抗により構成することが可能であ
り、接触器の外部の抵抗器ハウジング内に取り付けるこ
とによって制御可能な切換手段から熱的に隔離する。抵
抗値を最大限にしそれが占有する空間を最小限にするた
めに、ニクロムの条片を抵抗器ハウジングから突出する
２つのリード線の間で楕円形アーク状となるように屈曲
させ、接触器の負荷側の回路に結合する。

【００１４】以下、添付図面を参照して本発明を実施例
につき詳細に説明する。

【００１５】

【実施例】図１の回路図を参照して、本発明の電流制限
装置２０は負荷２２を電力線２４に結合する配電回路を
保護するものであり、負荷２２と電力線２４とに直列の
切換接点３２と、接点３２を開放するように結合した制
御可能な切換手段３４とを有する接触器３０を具備して
いる。かかる接触器回路は回路遮断器、モータ始動器等
に通常含まれており、それらはどちらかと言えば複雑で
ある。しかしながら、最小限、電流センサ３６が制御可
能な切換手段３４に結合されて配電回路に所定のしきい
値を越える高い故障電流が流れると接点３２を開放させ
る構成を有する。

【００１６】接触器回路は接点開放をトリガーするため
の異なるしきい値及び異なるタイミング特性を有する。
即ち、電流しきい値に応じて、トリップを行う。図１の
回路図では、高い故障電流しきい値をもつ検出手段が電
流感知コイル３８を含み、このコイルは電流レベルを表
わす信号を発生する。また、このコイルは検出器４０に
結合してあり、この検出器４０はスイッチングトランジ
スタ４２を駆動して電流をリレイコイル４４に結合する
ことにより接点３２を開放して負荷２２を電力ライン２
４から切り離す。高い電流レベルを検知して接点３２を
開放させる方法には種々の方式があり、装置のこの部分
は公知であることは明らかである。

【００１７】本発明では、保護用抵抗素子５０を配電回
路に直列に、即ち図１に示すように電力ライン２２と負
荷２４の間に結合して、短絡あるいは同様な故障電流発
生時に流れるレットスルー電流(let-through current)
を減少させ、かくして接触器及びそれぞれの導体を損傷
から保護する。この抵抗素子５０は負荷２２に直列に接
続されているため、通常動作時において、この抵抗によ
り負荷２２にかかる電圧が僅かに減少する。しかしなが
ら、抵抗素子５０の抵抗は負荷２２の抵抗に比べると非
常に小さいため、通常の状態では、線電圧のほとんどが
負荷２２にかかり、抵抗素子５０の発熱は顕著でない。

【００１８】一方、配電回路の接触器３０の負荷側に故
障が発生すると、電力ライン２４からみた負荷抵抗は非
常に小さくなる。この回路により結合される電流は接触
器３０が動作して接点３２を開放するまでは実質的に上
昇する。この間、抵抗素子５０の抵抗は電力ライン２４
にかかる抵抗の大きな部分を構成し、残りは導体と短絡
あるいは他の電流故障に付随する任意の抵抗の直列抵抗
である。実質的に電力ラインの電圧全体が保護用抵抗素
子５０に印加される。電流はかなりの大きさであるが、
保護用抵抗素子が挿入されているため故障電流レベルが
減少し、それにより線導体、接触器３０、及び接点３２
と図１の破線で示す短絡あるいは他の故障箇所との間の
導体が保護される。高い故障電流発生時に電流を制限す
るため、保護用抵抗素子５０は火災、アークによる接点
３２の侵食の可能性を減少させ、且つ接点３２が溶着す
る可能性をも減少させ、電源にさらに近いところに配置
した回路遮断装置（図示せず）のトリップを生ぜしめ
る。

【００１９】本発明によると、抵抗素子５０は接触器３
０、特にその内部の制御可能な切換手段３４から熱的に
隔離されている。保護用の抵抗素子５０に図２のグラフ
に示すような正の温度係数をもたせることが可能であ
り、それにより抵抗が温度と共に増加する。そして保護
用の抵抗素子を接触器３０のハウジング５３の外部に配
置して、保護用の抵抗素子５０の抵抗加熱により放散さ
れる熱エネルギーが接触器３０及び熱により溶けるか温
度上昇により損傷を受けて不作動になる恐れのある接触
器またはそのハウジング５３の部分から隔離されるよう
にするのが好ましい。

【００２０】抵抗素子５０は図１に概略的に示すよう
に、また図３及び４に明示するようにそれ自体別のハウ
ジング５５内に配置するのが好ましい。抵抗素子５０の
ハウジング５５は接触器ハウジング５３の外部にあっ
て、そのいずれかまたはその両者は、遭遇するような加
熱レベルでは損傷を受けそうにない材料で形成されてい
る。さらに、ハウジング５５の内部に発生した熱を分散
させるため非導電性で熱伝導性の熱伝達ジェルを入れる
ことが可能である。

【００２１】正の温度係数を有する適当な抵抗素子はニ
ッケルとクロムの合金、即ちニクロムの条片で形成す
る。この材料は抵抗炉等に関連して最も一般的に用いら
れるものであるが、この電流を制限する用途にも用いる
ことが可能である。ニクロム材料の特徴は赤外線を放射
する温度に加熱すると抵抗が実質的に増加するところに
ある。ニッケル−クロム合金は最大で３０重量％のクロ
ムで固溶体を形成する。クロムはニッケルにより大きな
強度と耐腐食性、耐酸化及び高温腐食性を、上述した有
利な正の温度係数の抵抗と共に与える。他の正の温度係
数材料、例えばRaychem Corp.社製のPOLYSWITCHを含む
ポリマー材を用いることも可能である。

【００２２】ニクロムの条片より成る抵抗素子５０のア
ーク状屈曲部５６は一定の横断面を有する。図３−８に
示すように、抵抗素子５０は多数の形状に構成可能であ
る。しかしながら、いずれの場合も抵抗素子５０はその
長さに沿って均一な横断面寸法を有し、加熱の集中によ
る損傷の発生を回避するために均質であるのが好まし
い。保護用の抵抗素子をアーク状に形成することによ
り、同一材料の真っ直ぐなものに比べて大きな抵抗が得
られると共に加熱領域を拡大できる。保護用の抵抗素子
のアーク状屈曲部５６は２つの離隔したリード線５８の
間に位置してそれらに電気的に接続する。特に抵抗素子
５０とそのハウジング５５を組み立てる間リード線５８
を支持するため、リード線５８の間に電気絶縁性のスペ
ーサ６２を配置して、これによりリード線５８をハウジ
ング５５に関して外方に押圧することができる。図３−
４及び５の実施例では、抵抗素子のアーク状屈曲部５６
は直角に曲げたリード線５８の側部内面６４に沿って下
方に延びてＵ字を形成する。この構成では、抵抗素子５
０とリード線５８との間の接触領域６６は比較的大き
く、そして／または抵抗素子はＵ字の対向する脚部に沿
ってリード線に近い所にある。かくして、抵抗素子５０
からリード線５８へ、従って、電流制限装置２０を回路
に結合する導体（図示せず）へはある程度熱が伝達され
る。また、抵抗素子５０とリード線５８との間のリード
線の上端部から下方に向う領域には電気的接触関係子が
存在し、その結果、電流制限装置を流れる電流全てが抵
抗素子５０の長さ全体を流れるわけではない。抵抗素子
５０とリード線５８との近接度は図５に示すようにＵ字
を角形にして増加することが可能であり、これにより抵
抗素子５０からの伝導による熱の取り出しを最大限にで
きる。もっとも、この場合、抵抗素子材料は最大限に利
用されない。別法として、抵抗素子５０をリード線５８
から離隔させて熱伝導を減少させると共に抵抗素子５０
の長さ全体を利用することもできる。

【００２３】図６の実施例では、抵抗素子５０はリード
線５８の端部に設けた内向きの屈曲部である接続タブ７
２に固着される。この構成では、抵抗素子のＵ字屈曲部
を角形にすることが可能であり、抵抗素子５０はリード
線５８から離隔され、リード線の末端にのみ固着され
る。固着はろう付けによるのが好ましいが、溶接、ねじ
またはリベットの利用、あるいは加熱に耐えるような良
好な電気的及び機械的な接続を得るに適当な他の方法に
よっても行うことができる。

【００２４】抵抗素子５０に固着されるリード線５８は
抵抗素子ハウジング５５の壁に沿って延びる。従って、
ハウジング５５は金属あるいは耐高温樹脂、例えばフェ
ノール樹脂のような比較的高い温度に耐える材料で構成
するのが好ましい。抵抗素子ハウジング５５は接触器ハ
ウジング５３の外側にあって、接触器３０の負荷側で配
電回路に結合され、リード線５８は抵抗素子ハウジング
５５の内部から外部に延びて、接触器３０と負荷２２に
それぞれ結合するためのハウジング５５の外部の結合手
段を形成する。

【００２５】例えば、電流しきい値１５乃至１５０アン
ペアでトリップするように構成された配電回路を流れる
電流を制限するため、ニクロムの抵抗素子は厚さが約
０．０２０乃至０．０７８インチ、幅が約０．３７５乃
至０．５０インチの条片よりなる。電流しきい値が小さ
ければ寸法は小さくてもよく、また逆もいえる。条片は
所望の制限抵抗値を得るに必要な長さを与えるためほぼ
楕円形の屈曲部をもつように曲げてある。

【００２６】以上、本発明を実施例あるいは変形例につ
いて説明したが、本発明は開示した特定の実施例に限定
されるものでなく、技術的範囲の評価については上述の
好ましい実施例の説明でなく頭書した特許請求の範囲を
参照すべきであることに注意されたい。

【００２７】

【図面の簡単な説明】

【図１】配電回路を保護するための本発明の装置の概略
図。

【図２】図１に示した抵抗素子の抵抗対温度特性を示す
グラフ。

【図３】接触器ハウジングの外部に固着したハウジング
内の抵抗素子を示す斜視図。

【図４】図３に示す抵抗素子及びそのハウジングの断面
図。

【図５】別の実施例を示す断面図。

【図６】さらに別の実施例を示す断面図。

【図７】リード線のスペーサが取付け用絶縁体であるさ
らに別の実施例の断面図。

【図８】さらに別の実施例の断面図である。

【符号の説明】

２０ 電流制限装置 ２２ 負荷 ２４ 電力ライン ３０ 接触器 ３２ 切換接点 ３４ 制御可能な切換手段 ３６ センサー ３８ 電流感知コイル ４０ しきい検出器 ４２ スイッチングトランジスタ ４４ リレイコイル ５０ 保護用の抵抗素子 ５３ 接触器ハウジング ５５ 抵抗素子ハウジング ５６ 屈曲部 ５８ リード線 ６２ スペーサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジェームス アラン トラックス アメリカ合衆国 ペンシルベニア 15108 コラオポリス ホランド コート 285 (72)発明者 ユンコ ニッキイ チエン アメリカ合衆国 ペンシルベニア 15668 マリスビル オールド ウイリアム ペ ン ハイウエイ 4350

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 負荷を電力ラインに結合する配電回路を
   保護する装置であって、 負荷と電力ラインに直列に接続した切換接点と、切換接
   点を開放するように結合した制御可能な切換手段とを有
   する接触器、 所定のしきい値を越える大きな故障電流が配電回路を流
   れると切換接点が開放されるように制御可能な切換手段
   に結合した電流センサ−、 大きな故障電流が流れている間その電流を制限する電圧
   降下を与えるために負荷と電力ラインとの間で配電回路
   に直列に接続した抵抗素子より成り、 抵抗素子を制御可能な切換手段から熱的に隔離したこと
   を特徴とする配電回路保護装置。
2. 【請求項２】 制御可能な切換手段を収容する接触器ハ
   ウジングを備え、抵抗素子が接触器ハウジングの外部に
   あることを特徴とする請求項１の装置。
3. 【請求項３】 抵抗素子を収容する抵抗素子ハウジング
   を備え、そのハウジングが接触器ハウジングの外部にあ
   り、抵抗素子が接触器の負荷側で配電回路に結合されて
   いることを特徴とする請求項２の装置。
4. 【請求項４】 抵抗素子が正の温度係数をもつデバイス
   であることを特徴とする請求項２の装置。
5. 【請求項５】 抵抗素子がニクロムの条片より成ること
   を特徴とする請求項４の装置。
6. 【請求項６】 ニクロムの条片がアーク状に曲った長さ
   部分に沿って一定の横断面をもつことを特徴とする請求
   項５の装置。
7. 【請求項７】 アーク状の条片が２つの離隔したリード
   線の間に位置してそれらに電気的に接続され、さらにリ
   ード線の間に電気絶縁性のスペーサを備えて成ることを
   特徴とする請求項６の装置。
8. 【請求項８】 抵抗素子を収容する抵抗素子ハウジング
   を備え、そのハウジングが接触器ハウジングの外部にあ
   り、抵抗素子が接触器の負荷側で配電回路に結合され、
   リード線が抵抗素子ハウジングの内部から外部へ延び
   て、それぞれ接触器と負荷とに結合するための結合手段
   をハウジングの外部に構成することを特徴とする請求項
   ７の装置。
9. 【請求項９】 抵抗素子が約０．０２０乃至０．０７８
   インチの厚さと、約０．３７５乃至０．５０インチの幅
   を有するニクロムの条片より成り、所定のしきい値が約
   １５乃至１５０アンペアであることを特徴とする請求項
   ７の装置。
10. 【請求項１０】 条片がほぼ楕円形の屈曲部をもつこと
    を特徴とする請求項９の装置。