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技術 物理的な開路接点構造を有する電子サーキットブレーカならびに禁止機能によるフェイルセーフ保護

出願人 リチャードダブリュ.ソレンソン
発明者 リチャードダブリュ.ソレンソン
出願日 2019年12月6日 (11ヶ月経過) 出願番号 2019-221350
公開日 2020年8月31日 (2ヶ月経過) 公開番号 2020-137407
状態 特許登録済
技術分野 ブレーカ 継電器回路 開閉回路装置
主要キーワード 停止パラメータ 物理的接点 電気機械式リレー 常閉リレー 半導体リレー回路 保護構成 プログラミングデバイス 常閉タイプ
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図面 (7)

課題

必要な回路保護を提供する能力保証するためにブレーカフェイルセーフ・レベルを最大にするとともに、機械式接点機構を組み込んだ電子制御サーキットブレーカを提供する。

解決手段

サーキットブレーカ10は、許容できる範囲の引きはずしパラメータの範囲内で作動していないという判定に応じて、主要なトリップコイル32を活性化させ、許容できる範囲の停止パラメータの範囲内で作動していないという判定に応じて、第2のトリップコイル34を活性化させる、監視回路20と、を備える。サーキットブレーカ10は、主要なトリップコイル32によりトリップされた場合、ユーザにより再設定可能であり、サーキットブレーカ10が第2のトリップコイル34によりトリップされた場合ユーザにより再設定不可能となる。

概要

背景

従来のサーキットブレーカ回路遮断器)は、過負荷電流および突入(inrush)電流からの保護を提供するために電気機械式手段を採用する。同様にまた、地絡事故および/またはアーク事故を検出してトリップする電子回路を使用しているサーキットブレーカは、一般に過負荷電流および突入からの保護を提供する電気機械式手段を組み込む。

これらのサーキットブレーカにおいて、電子回路は、過負荷電流または突入に関してブレーカ監視機能または保安制御機能を一般に提供しない。

このように、地絡事故および/またはアーク事故から守る電子回路部品故障すると、ブレーカは依然として過負荷および過剰な突入電流から保護を維持する。

理想的には、この種のサーキットブレーカは、単独で、または地絡事故および/またはアーク事故の保護との組み合わせで、過負荷電流および突入電流の監視に使用され、どちらかがしきい値を超えるとブレーカをトリップする電子回路部品を採用することも可能である。その中の電子回路は、過負荷および突入電流からの正確な保護を提供するように厳密にプログラムされている。

ブレーカの保護能力を提供するために電子回路部品のみを使用することに対する課題は、「電子回路部品が故障すると、ブレーカは、過負荷が生じている間、オン(接続)状態にとどまり、危険な、容認できない状態に結果としてなる」ということであった。

過負荷電流および突入電流からの保護を提供するために、熱バイメタル構造または油圧マグネチック構造を使用する電気機械式サーキットブレーカは、故障対応性(failure proof)を完全に保障できないが、できる限り故障に対応できるように設計されている。

このように、電子制御サーキットブレーカのいかなる設計も、従来の電気機械式サーキットブレーカ固有の設計と同程度の、故障に耐える構造を必要とする。

トリップされた(すなわち、オフの)状態の間、物理的な接点開放を採り入れないで保護を提供する、すべてが半導体マイクロプロセッサに制御された電子サーキットブレーカのいかなる使用においても、安全性は重要な要素になる。

また、高電圧電源切替えるために半導体マイクロプロセッサにより制御された電子回路のみを使用する系統保護のための既存の技術は、高いコストおよび重大な熱損失の課題をもたらす。

最も実用的および安全な方法は、所望の系統保護パラメータを監視するためにマイクロプロセッサをベースとした電子回路を、開いた(すなわち、オフ位置の)物理的接点ギャップを提供する機械式接点機構に結合することである。

地絡事故および/またはアーク事故の保護に加えて過負荷電流および突入電流からの保護を提供する、すべてを半導体マイクロプロセッサに依存する電子サーキットブレーカを提供するための歴史的な試みが、実行された。

しかしながら、これらの歴史的な試みも、従来の電気機械式サーキットブレーカの設計と同程度の故障に耐える構造を提供するサーキットブレーカの設計をもたらさなかった。

例えば、エンゲルその他に与えられた特許文献1およびウィルソンその他に与えられた特許文献2は、さまざまな検出された条件に応答してトリップコイル(22)をトリップするデジタル制御装置(154)を有する遮断器を開示する。しかしながら、両方の参考文献は、デジタル制御装置(154)からの信号に応答してトリップコイル(22)を通した電流の流れを制御するために、スイッチング電界効果トランジスタ(192)の使用について述べている。

このようにデジタル制御装置(154)および/またはトランジスタ(192)が故障した場合、トランジスタ(192)は非駆動の状態にとどまり、それによって、トリップコイル(22)を不動作状態にし、潜在的に危険な状態に結果としてなる。

このように、必要な回路保護を提供する能力保証するためにブレーカのフェイルセーフ・レベルを最大にするという、機械式接点機構を組み込んだ電子制御サーキットブレーカの業界での、満たされていない要求が残っていた。

これらの懸念の多くは、我々に最近付与された特許文献3および特許文献4において、対処された。

以前の設計の不足を直すために、これらの文献は、リレー駆動回路を含む常閉リレーとトリップコイルに電気的に接続しているスイッチング回路とを有するサーキットブレーカの各種の実施例を開示する。さらに監視回路が、リレー駆動回路に電気的に接続されている。監視回路は、ブレーカが受け入れられるパラメータの範囲内で作動しているという判定がなされる限り、リレー駆動回路に駆動電力を送るが、ブレーカが受け入れられるパラメータの範囲内で作動していないという判定に応じてリレー駆動回路に駆動電力を供給するのを中止し、ブレーカをトリップする。

概要

必要な回路保護を提供する能力を保証するためにブレーカのフェイルセーフ・レベルを最大にするとともに、機械式接点機構を組み込んだ電子制御サーキットブレーカを提供する。サーキットブレーカ10は、許容できる範囲の引きはずしパラメータの範囲内で作動していないという判定に応じて、主要なトリップコイル32を活性化させ、許容できる範囲の停止パラメータの範囲内で作動していないという判定に応じて、第2のトリップコイル34を活性化させる、監視回路20と、を備える。サーキットブレーカ10は、主要なトリップコイル32によりトリップされた場合、ユーザにより再設定可能であり、サーキットブレーカ10が第2のトリップコイル34によりトリップされた場合ユーザにより再設定不可能となる。

目的

従来のサーキットブレーカ(回路遮断器)は、過負荷電流および突入(inrush)電流からの保護を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

(a)ライン端子および負荷端子主電源回路電気接続される閉位置と、ライン端子および負荷端子が互いに電気的に絶縁される開位置との間で、互いに対して移動可能な一対の主接点、(b)使用可能な状態で前記一対の主接点の少なくとも一つに接続され、駆動されたときに前記一対の主接点を閉位置から開位置へ移動させ、このことにより前記サーキットブレーカトリップする主要なトリップコイル、(c)使用可能な状態で前記一対の主接点の少なくとも一つに接続し、駆動されたときに前記一対の主接点を閉位置から開位置へ移動させ、このことにより前記サーキットブレーカをトリップする第2のトリップコイル、ならびに(d)前記サーキットブレーカの動作を監視する監視回路であって、前記サーキットブレーカが許容できる範囲の引きはずしパラメータの範囲内で作動していないという判定に応じて、前記主要なトリップコイルを活性化させ、許容できる範囲の停止パラメータの範囲内で作動していないという判定に応じて、前記第2のトリップコイルを活性化させる、監視回路、を備え、前記サーキットブレーカが前記主要なトリップコイルによりトリップされた場合ユーザにより再設定可能であり、前記サーキットブレーカが前記第2のトリップコイルによりトリップされた場合ユーザにより再設定可能でない、サーキットブレーカ。

請求項2

前記第2のトリップコイルは、前記監視回路が動作不能になったときに活性化される、請求項1に記載のサーキットブレーカ。

請求項3

リレー駆動回路およびスイッチング回路を含む常閉リレーであって、前記スイッチング回路は最初オン状態であり、前記リレー駆動回路に駆動電力が供給されるとオフ状態切り替えられ、前記駆動電力が停止されると自動的にオン状態に戻る、常閉リレーをさらに備え、前記常閉リレーのスイッチング回路は前記第2のトリップコイルに接続され、そのオン状態において前記第2のトリップコイルに電力を供給し、前記第2のトリップコイルを駆動しサーキットブレーカをトリップするが、前記スイッチング回路がオフ状態であれば前記第2のトリップコイルに電力を供給せず、前記監視回路は前記常閉リレーのリレー駆動回路に接続され、前記サーキットブレーカが許容できる範囲の停止パラメータの範囲内で作動しているという判定がなされている限り、リレー駆動回路に駆動電源を供給し、次の(i)または(ii)の条件が満たされたとき、前記リレー駆動回路に駆動電源を供給するのを中止する、請求項1に記載のサーキットブレーカ。(i)前記サーキットブレーカが許容できる停止パラメータの範囲内で作動していないと前記監視回路が判定したこと、または(ii)前記監視回路が動作不可能になったこと。

請求項4

前記監視回路は前記主要なトリップコイルに電気的に接続されており、引きはずしパラメータの範囲内で作動していないという判定がなされるときに、前記主要なトリップコイルに電力を供給し、それによって前記主要なトリップコイルの活性化およびサーキットブレーカのトリップを引き起こす、請求項3に記載のサーキットブレーカ。

請求項5

(a)ライン端子および負荷端子が主電源回路に電気接続される閉位置と、ライン端子および負荷端子が互いに電気的に絶縁される開位置との間で、互いに対して移動可能な一対の主接点、(b)使用可能な状態で前記一対の主接点の少なくとも一つに接続され、駆動されたときに前記一対の主接点を閉位置から開位置へ移動させ、このことにより前記サーキットブレーカをトリップする主要なトリップコイル、(c)使用可能な状態で前記一対の主接点の少なくとも一つに接続し、駆動されたときに前記一対の主接点を閉位置から開位置へ移動させ、このことにより前記サーキットブレーカをトリップする第2のトリップコイル、(d)前記主要なトリップコイルに接続され、前記サーキットブレーカの動作を監視する監視回路であって、許容できる範囲の引きはずしパラメータの範囲内で作動していないという判定に応じて、前記主要なトリップコイルに電力を送り活性化させて前記サーキットブレーカをトリップする、監視回路、ならびに(e)リレー駆動回路およびスイッチング回路を含む常閉リレーであって、前記スイッチング回路は最初オン状態であり、前記リレー駆動回路に駆動電力が供給されるとオフ状態に切り替えられ、前記駆動電力が停止されると自動的にオン状態に戻る、常閉リレー、を備え、前記常閉リレーのスイッチング回路は前記第2のトリップコイルに接続され、そのオン状態において前記第2のトリップコイルに電力を供給し、前記第2のトリップコイルを駆動しサーキットブレーカをトリップするが、前記スイッチング回路がオフ状態であれば前記第2のトリップコイルに電力を供給せず、前記監視回路は前記常閉リレーのリレー駆動回路に接続され、前記サーキットブレーカが許容できる範囲の停止パラメータの範囲内で作動しているという判定がなされている限り、リレー駆動回路に駆動電源を供給し、次の(i)または(ii)の条件が満たされたとき、前記リレー駆動回路に駆動電源を供給するのを中止する、サーキットブレーカ。(i)前記サーキットブレーカが許容できる停止パラメータの範囲内で作動していないと、前記監視回路が判定したこと、または(ii)前記監視回路が動作不可能になったこと。

請求項6

前記サーキットブレーカは前記主要なトリップコイルによりトリップされた場合ユーザにより再設定可能であり、前記第2のトリップコイルによりトリップされた場合、ユーザにより再設定可能でない、請求項5に記載のサーキットブレーカ。

請求項7

前記常閉リレーのスイッチング回路の入力が、前記一対の主接点の下流にある主電源回路から電源受け取り、前記常閉リレーのスイッチング回路の出力が、前記第2のトリップコイルに接続されている、請求項3または請求項5のサーキットブレーカ。

請求項8

ブレーカがその閉状態に切り替えられるとき、またはブレーカがすでに電力のない閉じた状態にあるときに最初に電力が供給されるときに、前記常閉リレーのスイッチング回路がその開状態に切り替えられる前に前記第2のトリップコイルが一時的に経験するよりも大きな電力を、前記第2のトリップコイルが引きはずしに必要とする、請求項7に記載のサーキットブレーカ。

請求項9

前記常閉リレーのスイッチング回路に接続された容量遅延回路をさらに有する、請求項7に記載のサーキットブレーカ。

請求項10

前記主電源回路に電気的に配置されているセンサをさらに備え、前記監視回路が前記センサに電気的に接続されている、請求項1または請求項5に記載のサーキットブレーカ。

請求項11

前記常閉リレーが半導体常閉リレーから成り、前記リレー駆動回路は半導体駆動回路を含む、請求項3または請求項5に記載のサーキットブレーカ。

請求項12

前記常閉リレーが電気機械式常閉リレーから成り、前記リレー駆動回路は駆動コイルを備える、請求項3または請求項5に記載のサーキットブレーカ。

請求項13

しきい値を上回る突入電流、またはしきい値を上回る過電流の少なくとも1つを検出したことに応じて、前記サーキットブレーカが、受け入れ可能な引きはずしパラメータの範囲内で作動していないという判定がなされる、請求項1または請求項5に記載のサーキットブレーカ。

請求項14

地絡故障条件またはアーク故障条件の少なくとも1つを検出したことに応じて、前記サーキットブレーカが、受け入れ可能な引きはずしパラメータの範囲内で作動していないという判定がなされる、請求項1または請求項5に記載のサーキットブレーカ。

請求項15

前記主要なトリップコイルの故障または前記監視回路の故障の少なくとも1つを検出したことに応じて、前記サーキットブレーカが、受け入れ可能な停止パラメータの範囲内で作動していないという判定がなされる、請求項1または請求項5に記載のサーキットブレーカ。

技術分野

0001

本発明は、必要な回路保護を提供する能力保証するためにブレーカフェイルセーフ・レベルを最大にした、かつ、機械式接点機構を組み込んだ電子制御サーキットブレーカに関する。

背景技術

0002

従来のサーキットブレーカ(回路遮断器)は、過負荷電流および突入(inrush)電流からの保護を提供するために電気機械式手段を採用する。同様にまた、地絡事故および/またはアーク事故を検出してトリップする電子回路を使用しているサーキットブレーカは、一般に過負荷電流および突入からの保護を提供する電気機械式手段を組み込む。

0003

これらのサーキットブレーカにおいて、電子回路は、過負荷電流または突入に関してブレーカの監視機能または保安制御機能を一般に提供しない。

0004

このように、地絡事故および/またはアーク事故から守る電子回路部品故障すると、ブレーカは依然として過負荷および過剰な突入電流から保護を維持する。

0005

理想的には、この種のサーキットブレーカは、単独で、または地絡事故および/またはアーク事故の保護との組み合わせで、過負荷電流および突入電流の監視に使用され、どちらかがしきい値を超えるとブレーカをトリップする電子回路部品を採用することも可能である。その中の電子回路は、過負荷および突入電流からの正確な保護を提供するように厳密にプログラムされている。

0006

ブレーカの保護能力を提供するために電子回路部品のみを使用することに対する課題は、「電子回路部品が故障すると、ブレーカは、過負荷が生じている間、オン(接続)状態にとどまり、危険な、容認できない状態に結果としてなる」ということであった。

0007

過負荷電流および突入電流からの保護を提供するために、熱バイメタル構造または油圧マグネチック構造を使用する電気機械式サーキットブレーカは、故障対応性(failure proof)を完全に保障できないが、できる限り故障に対応できるように設計されている。

0008

このように、電子制御サーキットブレーカのいかなる設計も、従来の電気機械式サーキットブレーカ固有の設計と同程度の、故障に耐える構造を必要とする。

0009

トリップされた(すなわち、オフの)状態の間、物理的な接点開放を採り入れないで保護を提供する、すべてが半導体マイクロプロセッサに制御された電子サーキットブレーカのいかなる使用においても、安全性は重要な要素になる。

0010

また、高電圧電源切替えるために半導体マイクロプロセッサにより制御された電子回路のみを使用する系統保護のための既存の技術は、高いコストおよび重大な熱損失の課題をもたらす。

0011

最も実用的および安全な方法は、所望の系統保護パラメータを監視するためにマイクロプロセッサをベースとした電子回路を、開いた(すなわち、オフ位置の)物理的接点ギャップを提供する機械式接点機構に結合することである。

0012

地絡事故および/またはアーク事故の保護に加えて過負荷電流および突入電流からの保護を提供する、すべてを半導体マイクロプロセッサに依存する電子サーキットブレーカを提供するための歴史的な試みが、実行された。

0013

しかしながら、これらの歴史的な試みも、従来の電気機械式サーキットブレーカの設計と同程度の故障に耐える構造を提供するサーキットブレーカの設計をもたらさなかった。

0014

例えば、エンゲルその他に与えられた特許文献1およびウィルソンその他に与えられた特許文献2は、さまざまな検出された条件に応答してトリップコイル(22)をトリップするデジタル制御装置(154)を有する遮断器を開示する。しかしながら、両方の参考文献は、デジタル制御装置(154)からの信号に応答してトリップコイル(22)を通した電流の流れを制御するために、スイッチング電界効果トランジスタ(192)の使用について述べている。

0015

このようにデジタル制御装置(154)および/またはトランジスタ(192)が故障した場合、トランジスタ(192)は非駆動の状態にとどまり、それによって、トリップコイル(22)を不動作状態にし、潜在的に危険な状態に結果としてなる。

0016

このように、必要な回路保護を提供する能力を保証するためにブレーカのフェイルセーフ・レベルを最大にするという、機械式接点機構を組み込んだ電子制御サーキットブレーカの業界での、満たされていない要求が残っていた。

0017

これらの懸念の多くは、我々に最近付与された特許文献3および特許文献4において、対処された。

0018

以前の設計の不足を直すために、これらの文献は、リレー駆動回路を含む常閉リレーとトリップコイルに電気的に接続しているスイッチング回路とを有するサーキットブレーカの各種の実施例を開示する。さらに監視回路が、リレー駆動回路に電気的に接続されている。監視回路は、ブレーカが受け入れられるパラメータの範囲内で作動しているという判定がなされる限り、リレー駆動回路に駆動電力を送るが、ブレーカが受け入れられるパラメータの範囲内で作動していないという判定に応じてリレー駆動回路に駆動電力を供給するのを中止し、ブレーカをトリップする。

先行技術

0019

米国特許第4,331,999号明細書
米国特許第4,338,647号明細書
米国特許第10,290,448号明細書
米国特許第10,340,678号明細書

発明が解決しようとする課題

0020

しかしながらこれらの文献で特に対処されない1つの問題は、トリップコイルおよび/または電子監視回路が故障をしたかもしれない状況、例えば、極めて高い電圧サージが起こった場合に関係する。

0021

この種の状況下で、故障がブレーカの正常な機能(例えば、接点を開く)を阻害することが考えられる。その結果、ブレーカがリセットされた場合に、電源がブレーカの中を意図せずに流れることが可能になる。

0022

しかしながら、故障したサーキットブレーカの中の電源の流れは、問題を含んでいるかもしれず、実際に、潜在的に破局的(catastrophic)となるかもしれない。

0023

よって、どれくらいの試みがブレーカをリセットするために実行されるかに関係なく、電源がその中を意図せずに流れることができないように、故障したサーキットブレーカを永久無効化することが望ましい。

課題を解決するための手段

0024

一般に言えば、本発明は、電子監視回路のおよび/または主要なトリップコイルの故障があれば、ブレーカを実施不可能にする保護構成を有する電子的にプログラム可能なサーキットブレーカを提供する。それにより、付属回路の故障および想定し得る保護の低下を防ぎ、ならびに露出した個人への危険に対する保護のレベルを拡大する。

0025

より具体的には、本発明は、2つのトリップコイル・ソレノイドを組み込んだサーキットブレーカの構成に関係する。

0026

第1のソレノイドは、電子監視回路によって監視された故障条件の結果として、電子監視回路から電力を供給されたときに、サーキットブレーカをトリップするための主要な引きはずしソレノイドとして機能する。

0027

第2のソレノイドは、電子監視回路に故障が生じた場合、または、主要な引きはずしソレノイドが遮断されていると電子監視回路で監視され判定されたような場合、ブレーカをトリップし、完全にそして永久にそれを遮断する。

0028

単にブレーカの永続的な遮断だけを主な目的とするこの第2のトリップコイルの使用は、ブレーカのフェイルセーフ動作のレベルに大きな増大をもたらす。

0029

永久的な第2のトリップコイルは、起動されると、1回限りの、極めて短い突発的な電流を経験し、ブレーカの主要な(第1の)トリップコイルより、非常に大きな電力レベルを吸収して持ちこたえるために設置され得る。

0030

その結果、永久的な第2のトリップコイルは、潜在的に損傷をもたらす電圧ノイズ(例えば、おそらく雷放電の結果として、電力線尖頭電圧の間に発生する電圧ノイズ)に対して高度に耐性化している。

0031

加えて、ブレーカが、ブレーカの電子監視回路に損傷を与える可能性のある非常に高い電圧サージの供給を受けると、当該サージは、永続的な第2のトリップコイル/ソレノイドの活性化によって、永久にブレーカを無効にする役割を果たす。

0032

電子サーキットブレーカは、リレー回路(電気機械式または半導体式)を採用し、電子保護回路またはリレー自体が故障すると、ブレーカを実施不可能にする構成をとる。

0033

ブレーカの主要なトリップコイルとして、ブレーカの引きはずし機能を起動するための単純な、安価な、磁気コイル形ソレノイド装置を使用することができて、そこに所望のサーキットブレーカ引きはずしパラメータ(過負荷トリップ評価を含む、設けられている場合突入電流遅延を含む)によってプログラムされ得る電子制御回路を組み込むことができる。電子制御回路は望むならば、地絡事故および/またはアーク事故のような付加的な保護能力を含むことができる。

0034

ブレーカは、リレーの常閉(すなわち、オン状態の)スイッチング回路の出力に接続する永久タイプの第2のトリップコイルを有する常閉リレーを組み込むこともできる。

0035

ブレーカへの電源は、ブレーカの主出力回路、および、ブレーカを駆動する閉状態(すなわち、オン状態)に切り替えられて電子制御回路へ電力を供給できるブレーカ内蔵のスイッチの両方に接続することができる。

0036

この内部スイッチは、ブレーカの主出力回路がその閉状態(すなわち、オン状態)になる前に、その閉状態(すなわち、オン状態)に切り替えられ、そして、このようにしてブレーカが電源をその接続された負荷へ供給する前に、電子保護回路を起動できる。

0037

この電子ブレーカの設計は、交流(AC)回路保護アプリケーションのために、および、直流電流(DC)回路保護アプリケーションのために、安全性および/または熱対策のために物理接点のギャップ(physical contact gap)が要求されるときに、適用可能である。

0038

本発明によるサーキットブレーカの特定の実施形態によれば、サーキットブレーカは、ライン端子および負荷端子主電源回路電気接続される閉位置と、ライン端子および負荷端子が互いに電気的に絶縁される開位置との間で、互いに対して移動可能な一対の主接点、を含む。

0039

さらに、使用可能な状態で一対の主接点の少なくとも一つに接続され、駆動されたときに一対の主接点を閉位置から開位置へ移動させ、このことによりサーキットブレーカをトリップする主要なトリップコイル、使用可能な状態で一対の主接点の少なくとも一つに接続し、駆動されたときに一対の主接点を閉位置から開位置へ移動させ、このことによりサーキットブレーカをトリップする第2のトリップコイル、ならびにサーキットブレーカの動作を監視する監視回路を含む。

0040

監視回路は、サーキットブレーカが許容できる範囲の引きはずしパラメータ(trip parameters)の範囲内で作動していないという判定に応じて、主要なトリップコイルを活性化させ、許容できる範囲の停止パラメータ(disable parameters)の範囲内で作動していないという判定に応じて、第2のトリップコイルを活性化させる。サーキットブレーカは、主要なトリップコイルによりトリップされた場合ユーザにより再設定可能であり、サーキットブレーカが第2のトリップコイルによりトリップされた場合ユーザにより再設定可能でない。

0041

いくつかの実施形態では、しきい値を上回る突入電流およびしきい値を上回る過電流の少なくとも一つに基づいて、遮断器が受け入れられる引きはずしパラメータの範囲内で作動していないという判定がなされる。

0042

いくつかの実施形態では、地絡故障条件およびアーク故障条件の少なくとも一つに基づいて、遮断器が受け入れられる引きはずしパラメータの範囲内で作動していないという判定がなされる。

0043

いくつかの実施形態では、主要なトリップコイルの故障および監視回路の故障の少なくとも一つ基づいて、遮断器が受け入れられるディスエーブル・パラメータの範囲内で作動していないという判定がなされる。

0044

いくつかの実施形態では、監視回路が実施不可能(inoperable)になると、第2のトリップコイルが駆動される。

0045

いくつかの実施形態では、サーキットブレーカは、リレー駆動回路およびスイッチング回路を含む常閉リレーであって、スイッチング回路は最初オン状態であり、リレー駆動回路に駆動電力が供給されるとオフ状態に切り替えられ、駆動電力が停止されると自動的にオン状態に戻る、常閉リレーをさらに備える。

0046

常閉リレーのスイッチング回路は、第2のトリップコイルに接続され、そのオン状態において第2のトリップコイルに電力を供給し、第2のトリップコイルを駆動しサーキットブレーカをトリップするが、スイッチング回路がオフ状態であれば第2のトリップコイルに電力を供給しない。

0047

監視回路は常閉リレーのリレー駆動回路に接続され、サーキットブレーカが許容できる範囲の停止パラメータの範囲内で作動しているという判定がなされている限りリレー駆動回路に駆動電源を供給し、次の(i)または(ii)の条件が満たされたとき、リレー駆動回路に駆動電源を供給するのを中止し、サーキットブレーカをトリップする。

0048

(i)サーキットブレーカが許容できる停止パラメータの範囲内で作動していないと、監視回路が判定したこと、または(ii) 監視回路が動作不可能になったこと。

0049

これらの実施形態で特定のものにおいて、監視回路は、主要なトリップコイルに電気的に接続され、引きはずしパラメータの範囲内で作動していないという判定がなされるときに、主要なトリップコイルに電力を供給し、それによって主要なトリップコイルの活性化およびサーキットブレーカのトリップを引き起こす。

0050

ある種の実施形態では、常閉リレーのスイッチング回路の入力が、一対の主接点の下流にある主電源回路から電源を受け取り、常閉リレーのスイッチング回路の出力が、第2のトリップコイルに接続されている。

0051

これらの実施形態で特定のものにおいて、第2のトリップコイルは、ブレーカがその閉状態に切り替えられるとき、またはブレーカがすでに電力のない、閉じた状態にあるときに最初に電力が供給されるときに、常閉リレーのスイッチング回路がその開状態に切り替えられる前に第2のトリップコイルが一時的に経験するよりも大きな電力を引きはずしに必要とする。

0052

これらの実施形態で特定のものにおいて、サーキットブレーカは、常閉リレーのスイッチング回路に接続された容量遅延回路をさらに含む。

0053

ある種の実施形態では、常閉リレーは半導体常閉リレーから成り、リレー駆動回路は半導体駆動回路を含む。他の実施形態では、常閉リレーは、電気機械式常閉リレーから成り、リレー駆動回路は駆動コイルを含む。

0054

いくつかの実施形態では、センサが、主電源回路に電気的に配置されている。そして、監視回路はセンサと電気的に接続している。

0055

本発明の他の実施形態に従って、サーキットブレーカは、ライン端子および負荷端子が主電源回路を介して電気接続する閉位置と、ライン端子および負荷端子が互いに電気的に絶縁される開位置との間で、互いに対して移動可能な一対の主接点、使用可能な状態で一対の主接点の少なくとも一つに接続され、駆動されたときに一対の主接点を閉位置から開位置へ移動させ、このことによりサーキットブレーカをトリップする主要なトリップコイル、使用可能な状態で一対の主接点の少なくとも一つに接続し、駆動されたときに一対の主接点を閉位置から開位置へ移動させ、このことによりサーキットブレーカをトリップする第2のトリップコイル、ならびに、主要なトリップコイルに接続され、サーキットブレーカの動作を監視する監視回路を含む。

0056

監視回路は、許容できる範囲の引きはずしパラメータの範囲内で作動していないという判定に応じて、主要なトリップコイルの活性化させてサーキットブレーカをトリップする。

0057

サーキットブレーカは、リレー駆動回路およびスイッチング回路を含む常閉リレーであって、スイッチング回路は最初オン状態であり、リレー駆動回路に駆動電力が供給されるとオフ状態に切り替えられ、駆動電力が停止されると自動的にオン状態に戻る、常閉リレー、をさらに含む。

0058

常閉リレーのスイッチング回路は第2のトリップコイルに接続され、そのオン状態において第2のトリップコイルに電力を供給し、第2のトリップコイルを駆動しサーキットブレーカをトリップするが、スイッチング回路がオフ状態であれば第2のトリップコイルに電力を供給しない。

0059

監視回路は、常閉リレーのリレー駆動回路に接続され、サーキットブレーカが許容できる範囲の停止パラメータの範囲内で作動しているという判定がなされている限り、リレー駆動回路に駆動電源を供給し、次の(i)または(ii)の条件が満たされたとき、リレー駆動回路に駆動電源を供給するのを中止する。

0060

(i)サーキットブレーカが許容できる停止パラメータの範囲内で作動していないと、監視回路が判定したこと、(ii)監視回路が動作不可能になったこと。

0061

いくつかの実施形態では、サーキットブレーカは主要なトリップコイルによりトリップされた場合ユーザにより再設定可能であり、第2のトリップコイルによりトリップされた場合、ユーザにより再設定可能でない 。

0062

若干の実施形態において、常閉リレーのスイッチング回路の入力が、一対の主接点の下流にある主電源回路から電源を受け取り、常閉リレーのスイッチング回路の出力が、第2のトリップコイルに接続されている。

0063

これらの実施形態の特定のものにおいて、第2のトリップコイルは、ブレーカがその閉状態に切り替えられるとき、またはブレーカがすでに電力のない、閉じた状態にあるときに最初に電力が供給されるときに、常閉リレーのスイッチング回路がその開状態に切り替えられる前に第2のトリップコイルが一時的に経験するよりも大きな電力を引きはずしに必要とする。ある種の実施形態では、容量遅延回路が、常閉リレーのスイッチング回路に接続される。

0064

いくつかの実施形態では、センサが主電源回路に電気的に配置されていて、監視回路がセンサに電気的に接続されている。

0065

いくつかの実施形態では、常閉リレーが半導体常閉リレーから成り、リレー駆動回路は半導体駆動回路を含む。他のいくつかの実施形態では、常閉リレーが電気機械式常閉リレーから成り、リレー駆動回路は駆動コイルを含む。

0066

いくつかの実施形態では、他の実施態様において、しきい値を上回る突入電流、またはしきい値を上回る過電流の少なくとも1つを検出したことに応じて、サーキットブレーカが、受け入れ可能な引きはずしパラメータの範囲内で作動していないという判定がなされる。

0067

いくつかの実施形態では、地絡故障条件またはアーク故障条件、の少なくとも1つを検出したことに応じて、サーキットブレーカが、受け入れ可能な引きはずしパラメータの範囲内で作動していないという判定がなされる。

0068

いくつかの実施形態では、主要なトリップコイルの故障および監視回路の故障、の少なくとも1つを検出したことに応じて、サーキットブレーカが、受け入れ可能な停止パラメータの範囲内で作動していないという判定がなされる。

0069

本発明の他の目的およびその特定の特徴および効果は、以下の詳細な説明および付随する図面からより明らかになる。

図面の簡単な説明

0070

本発明の実施形態による、電子監視回路および/または主要なトリップコイルの故障に応じてサーキットブレーカを非動作状態にする保護構成を有するサーキットブレーカの非動作状態、すなわち接続された負荷に電源を供給しない状態を示す概略図である。
図1のサーキットブレーカの非動作状態において、電源がブレーカに供給された状態を示す概略図である。
図1のサーキットブレーカが動作状態、すなわち接続された負荷に電源を供給している状態において、電源がブレーカに供給されている状態を示す概略図である。
図1のサーキットブレーカの動作状態を示すが、ブレーカに供給される電源が遮断された状態を示す概略図である。
図1のサーキットブレーカが、故障の存在の判定のあとに起こるトリップされた状態を示す概略図である。
ブレーカが永久に非動作状態に置かれた状態を示すサーキットブレーカの概略図である。

実施例

0071

まず詳細な図1から図3を参照して、機械的な接点機構(11)を組み込むとともに、必要な回路保護を提供する能力を保証するためにサーキットブレーカ(10)のフェイルセーフ・レベルを最大にした、電子制御サーキットブレーカ(10)の実施形態が示される。

0072

サーキットブレーカ(10)は、制御スイッチ/ブレーカ(13)に電源を供給するライン端子を介して、交流(AC)または直流(DC)の電源(12)に電気的に接続されている。制御スイッチ/ブレーカ(13)の出力は、電子監視回路(20)と、主電力線(16)を介して機械的な接点機構(11)に供給されている。接点機構(11)は、閉状態(すなわち動作状態)において、負荷(14)に電源を供給する。

0073

サーキットブレーカ(10)は、常閉タイプのリレー(22)(それはいろいろな機種であってよい)、例えば半導体リレーまたは電気機械式のリレーを含む。「常閉タイプ」とは、しきい値よりも低い駆動電力がリレー(22)の活性化回路コイル(24)に供給されている場合に、リレー(22)のスイッチ回路(28)が閉状態(オン状態)にとどまるもしくは閉状態に戻るタイプを言う。

0074

業者に認識されているように、このしきい値の駆動電力の欠如(すなわち、スイッチング回路(28)を閉じさせる)は、活性化回路/コイル(24)に対する電源の意図的な遮断の結果であってもよく、リレーの上流での回路の故障(例えば監視回路(20)の故障)の結果でもよく、あるいは、活性化回路/コイル自体の故障の結果、等であってもよい。

0075

しかしながら、原因がどうであれ、しきい値の電源がリレー(22)の活性化回路/コイル(24)に供給されないときに、図1に示すように、リレー(22)のスイッチング回路(28)は閉じている(すなわち、動作状態である)。

0076

サーキットブレーカ(10)の電子監視回路(20)は、どのタイプのリレー(22)が採用されているかに応じて、半導体リレー回路の活性化した入力または電気機械式リレーのコイル、への出力を有する。それは駆動されたときに(図2の30に示される)、リレー(22)の常閉スイッチング回路(28)を、図2に示すように開成(断)させる。

0077

このように、通常の条件では、電子監視回路(20)からの出力は、活性化回路/コイル(24)へ、しきい値を超えて起動させる電源を供給する。その反対側は通常、リレーコイルまたは半導体リレー回路を駆動して回路を完成させるために、反対極性の接続(26)に接続されている。

0078

リレー(22)のスイッチング回路(28)が開位置になると(すなわち、オフになると)、電源をトリップコイル(34)へ供給しない結果、サーキットブレーカ(10)の機械式接点(11)を、図3に示すように、オンの(すなわち、閉じた)状態にする。その結果、主電力線(16)に電気的に接続している負荷端子を介して、電源(12)が負荷(14)に電気的に接続される。

0079

認識すべきことは、制御スイッチ/ブレーカ(13)は、必要に応じて省略されることができ、電子監視回路(20)は、その代わりに、ライン端子に電源を供給している電源(12)から直接に電源を取得してもよい。

0080

この構成において、電源のライン端子(12)から電源がサーキットブレーカに供給されるときはいつでも、電子監視回路(20)は電源駆動され、電子監視回路(20)が適切に動作しているならば、電源は常閉のリレー(22)の活性化回路/コイル(24)に供給され、リレー(22)のスイッチング回路(28)をその開いた(すなわち、オフの)状態に切り替える。

0081

電源がサーキットブレーカ(10)のライン入力に供給されていて、電子監視回路(20)が適切に作動している限り、サーキットブレーカ(10)がそのオフ状態にあり、常閉リレー(22)は、このことによりそのオフ状態のままである。常閉リレー(22)のスイッチング回路(28)は、その開いた(すなわち、オフの)状態であり、ブレーカ(10)は、正常に動作することが可能である。

0082

電子監視回路(20)は、ブレーカのアプリケーションとして要求される操作用パラメータ、例えば電流トリップ点、突入電流に対する能力、地絡故障しきい値、アーク故障しきい値、その他によってプログラムされる。これらのパラメータのいずれも満たされてないならば、電子監視回路(20)は、ブレーカのトリップを惹き起こす。

0083

これは、さまざまな方法で達成されることができる。

0084

ある場合には、監視回路(20)は直接、主要なトリップコイル(32)に電気的に接続している。そうすると、プログラムされたパラメータのいずれも満たされない場合、監視回路(20)は直接、主要なトリップコイル(32)に引きはずし電流を送る。

0085

そのような場合、常閉リレー(22)は、監視回路(20)またはサーキットブレーカ(10)の若干の他の部品が故障した場合のフェイルセーフとしてのみ機能する。典型的な非故障トリップ(例えば、過電流、地絡事故、アーク事故などが生じた場合)においては、常閉リレー(22)は使用しない。この種の構成は、システム冗長性を提供するために望ましい。

0086

場合によっては、常閉リレー(22)が、典型的な非故障トリップ(例えば、過電流、地絡事故、アーク事故などが生じた場合)と、サーキットブレーカ(10)の故障の場合のトリップとの両方のために使用されることは、望ましい。

0087

この場合、プログラムされたパラメータのいずれも満たされない場合、監視回路(20)は、常閉リレー(22)の活性化回路/コイル(24)に駆動電源を送るのを中止し、その結果、リレー(22)のスイッチング回路(28)はその常閉(すなわち、オンの)状態に戻り、電源を主要なトリップコイル(32)に接続して、(図6に示すように)接点(11)を開くことによって、サーキットブレーカ(10)をトリップする。

0088

必要に応じて、主電力線(16)において、指定されたパラメータが満たされているかどうか評価するために用いられるセンサデータを監視回路(20)に提供するセンサ(42)を設けることができる。センサ(42)は、例えば、過電流状況の存在を評価するのに用いる変流器でもよい。または地絡事故および/またはアーク事故を検出する検出回路および/またはコイルでもよい。

0089

必要に応じて、さまざまな他のセンサ、例えば、サーキットブレーカおよび/またはブレーカ自体を通過している電流を評価する監視回路(20)にホール効果センサを用いることもできる。

0090

各図に示すように、制御スイッチ/ブレーカ(13)の出力から、電子監視回路(20)に電源を供給できる。しかしながら、電子監視回路(20)を、常閉リレー(22)のスイッチング回路(28)に加えて、サーキットブレーカ(10)の出力端子の近くで、すなわち接点(11)の下流で、主電力線(16)に電気的に接続するようにしてもよい。

0091

さらに以下に詳細に説明するように、予想外のトリップを禁止するために、必要に応じて、適切なサージ保護回路、例えば容量遅延回路(40)を設けることができる。

0092

図1に戻って、サーキットブレーカ(10)は非動作状態にある。ブレーカに電源が供給されていないので、常閉リレー(22)は閉(オン)状態にとどまっている。

0093

図2は、電源が供給された、すなわち、制御スイッチ/ブレーカ(13)がオンにされているサーキットブレーカ(10)を示す。サーキットブレーカ(10)は、オフ状態にあり(すなわち、接点(11)は開いている)、その付属の負荷(14)に電源を供給していない。この状態で、電子監視回路(20)は、電力を供給されていて、その監視機能を能動的に実行している。それは、すべての機能が正常であると判定して、常閉リレー(22)の活性化回路/コイル(24)を駆動するための電源を供給している。その結果、リレー(22)のスイッチング回路(28)はその開(すなわち、オフの)状態になる。

0094

図3は、サーキットブレーカ(10)からその接続負荷(14)に電源が供給されるように、オン状態に切り替えられたサーキットブレーカ(10)を示す。

0095

サーキットブレーカ(10)の引きはずしリンク機構(36)は、そのオン位置に向けられる。そうすると、遮断器の接点(11)が閉状態(すなわち、オン状態)へ移動する。
電子監視回路(20)は、常閉リレー(22)をその開いた(すなわち、オフ状態)に駆動したので、閉じた遮断器接点(11)から永続的なトリップコイル/ソレノイド(34)に電源は供給されない。

0096

図4は、サーキットブレーカに供給される電源が切断された、オン位置のサーキットブレーカ(10)を示す。これは、主電源の供給断、または電源の故障によって発生する場合がある。

0097

この場合電源は、サーキットブレーカ(10)、その電子監視回路(20)、その接続負荷(14)のいずれにも供給されていない。そのためブレーカの常閉リレー(22)がオン状態、すなわち常閉接点の状態に戻る。

0098

続いてブレーカへの電力が復旧すると、容量遅延回路(40)は、電子監視回路(20)が電源を常閉リレー(22)へ供給し、それが開いたすなわち非電導性状態になるまで、永続的なトリップコイル/ソレノイド(34)を起動するのに余分な電力が提供されることを停止する。

0099

このように電源が回復しても、サーキットブレーカ(10)は、図3にて図示したオン状態のままである。

0100

図5は、電子監視回路(20)が故障条件の存在を判定した後にトリップされたオフ状態のブレーカー(20)を示す。

0101

故障条件の存在を判定したら、電子監視回路(20)は、接点(11)を開くことによってサーキットブレーカ(10)をトリップさせるために、電力を主要なトリップコイル/ソレノイド(32)に送信する。

0102

この状態では、サーキットブレーカ(10)は、トリップしたサーキットブレーカでよくあるように、リセットされる。

0103

図6は、永久に非動作(すなわち、オフ)状態のサーキットブレーカ(10)を示す。
サーキットブレーカ(10)は、永久にオフ状態とされ、トリップコイル/ソレノイド(34)の駆動が、永続的に無効とされている。

0104

こうなると、ブレーカ(10)は操作不能となり、交換する必要がある。

0105

このような結果は、以下の条件の結果として、発生する:
(1)電子監視回路(20)は、主要なトリップコイル/ソレノイド(32)の完全性(integrity)を絶えず監視している。主要なトリップコイル/ソレノイド(32)が機能しなくなったと判断すれば、電子監視回路(20)は常閉リレー(22)に電源を送るのを中止し、その結果、リレーの接点は、通常の閉状態(すなわち、動作状態)に戻り、このことにより永続的なトリップコイル/ソレノイド(34)に電力を送って、それを起動させる。

0106

(2)電子監視回路(20)は、絶えず自己診断を続け、その保護能力が損なわれた場合、電子監視回路(20)は、常閉リレー(22)の電力駆動を中止するようにプログラムされている。この結果、リレーの接点が閉じた状態になり、永続的なトリップコイル/ソレノイド(34)を起動させる。

0107

(3)電子監視回路(20)が実施不可能になるならば、常閉リレー(22)に電力を供給することができなくなり、結果として、リレーの接点は閉鎖し、永続的なトリップコイル/ソレノイド(34)への駆動が続く。

0108

前述したように、主要なトリップコイル/ソレノイド(32)が接点(11)を開いてサーキットブレーカ(10)をトリップさせる状況(このときサーキットブレーカ(10)はリセット可能である)とは異なり、永続的なトリップコイル/ソレノイド(34)が接点(11)を開いてサーキットブレーカ(10)をトリップさせた状況では、サーキットブレーカ(10)は永久に動作できず、リセットされることができない。

0109

本発明を、特定の部品配置、特徴などに関して説明したが、これらはすべてのありうる配置または機能を排除することを目的としない。実際、当業者がわかるように、多くの修正変更が可能である。

0110

例えば、上に述べた実施例では、永続的なトリップコイル/ソレノイド(34)の活性化を引き起こすために常閉リレー(22)を使用しているが、電子監視回路(20)がサーキットブレーカ(10)を永久に無効にすることができる他の機構を、使用することもできる。

0111

加えて、適切であると考えられるならば、さまざまな補助的な特徴を採り入れても良い。

0112

例えば、サーキットブレーカ(10)に、遠隔通信を有効にする能力(例えば中央制御装置をWi-Fi、Bluetooth(登録商標)、Zigbee、Z-Waveおよび/または有線配線で接続する)を組み込むことができる。それによって、遠隔監視、制御および/またはプログラミングを許容する。

0113

必要に応じて、電子サーキットブレーカ(10)は、回路保護のためにプログラムされた電子制御回路(20)のない状態で製造されることができる。この状態で、サーキットブレーカ(10)は、製造業者または小売業者によって、プログラムされない状態でストックされる。

0114

サーキットブレーカの電子制御回路(20)は、プログラムされるとき、高レベルセキュリティプロテクションコードを必要とする。所望の回路保護パラメータの選択を有効にするプログラミングデバイスを設けることができ、サーキットブレーカ(10)をデバイスに適切に接続して、サーキットブレーカを所望の保護パラメータによって、プログラムすることができて、それに応じてラベルをつけることが可能である。

0115

この能力は、単一の一般的なブレーカが、電圧定格および電流定格、突入、地絡事故、アーク事故および他の保護属性を含む広い範囲から選択される特定の保護を提供するようにプログラムされることを可能にし、在庫への投資をはなはだ減らすことができる。

0116

本発明は、このように、必要な回路保護を提供する能力を保証するためにブレーカのフェイルセーフ・レベルを最大にするとともに、機械式接点機構を組み込んだ電子制御サーキットブレーカを提供する。

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