JP2010530209A - 微小電気機械システムを使用した選択的に調整される配電用保護システム及び保護方法 - Google Patents

Abstract

微小電気機械システムを使用したスイッチング装置を実装する配電システムである。例示的実施形態は、配電システムの方法を含み、この方法は複数の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチを有する配電システム内の支線に故障状態があるか否かを判定し、複数のＭＥＭＳスイッチのうち支線の最も遠い上流側にあるＭＥＭＳスイッチを再閉路し、故障状態がまだ存在するか否かを判定するステップを含む。例示的実施形態は、電源からの電力を受ける入力ポートと、入力ポートに電気的に結合された主配電バスと、入力ポートと主配電バスとの間に配置され、これらに結合された給電遮断ＭＥＭＳスイッチと、主配電バスに電気的に結合された複数の配電支線とを備える配電システムを含む。
【選択図】図７

Description

本発明の実施形態は、一般に配電システムに関し、より詳細には、微小電気機械システムを使用したスイッチング（ＭＥＭＳ）装置を実装する配電システムに関する。

火災や機器の損傷を防止するため、電気装置及び配線は、定格以上のレベルの電流を生ずる状態から保護されなければならない。配電システムは、このような過電流状態の場合に動作する（電気回路を開く）保護装置を使用している。典型的な配電システムは保護装置を含んでおり、これには住宅、店舗及び産業上の用途がある。配電システムはツリー状構造を形成しており、主入力電力（幹線）が更に細い配電線（支線）に給電する。典型的には、配電支線が電力を更に細い線に分岐させ、これらの線が変圧器で電圧を逓減し、電力を負荷回路に配電する。

停電に伴い膨大なコスト（例えば操業停止、生産性の低下、基幹システム損失）が生ずるため、用途によっては別の条件によって別の方法が決定されない限り、システムを常時オンライン状態に保つことが有益であることがある。従って、過電流故障により不都合な結果が生ずるこのような状況が配電線に存在する場合は、保護装置が動作する（電力をオフラインにする）必要がある。それに加え、故障（特に短絡故障）が発生した場合は、故障箇所の上流側の最初の保護装置が動作すること、また最初の保護装置だけが動作することが望ましい。すなわち、故障トリップの上流側の最も近い保護装置だけが動作するシステムは、選択的に調整されるシステムと言われる。調整システムは、故障中に必要な機器だけがオフラインにされ、従って停電のコストを最小限にする。例えば、負荷で故障が発生し、システムが選択的システムである場合は、隣接する保護装置だけが動作する必要があり、他の全ての負荷回路には故障による悪影響が生じないようにする。システムが選択的システムでない場合は、配電保護装置、又は主電力入力装置さえもが下流側の全ての負荷を不要にオフラインにするように動作することがあろう。

電気系統は現在、過電流保護を行うためにヒューズ又は回路遮断器を使用している。ヒューズの動作は加熱作用（Ｉ＾２＊ｔ）に左右される。これらは回路内の弱点として設計され、負荷に近い連続するヒューズの定格は各々、より小さい電流の定格にされなければならない。短絡状態では、上流側の全てのヒューズは同じ加熱エネルギを受け、最も弱いヒューズは故障箇所に最も近い位置に設計することで、最初に動作するヒューズとなる。しかし、ヒューズは一回限りの装置であり、故障の発生後に交換しなければならない。一方、回路遮断器はリセットすることができる。しかし、短絡故障から保護するために、ある種の回路遮断器は電磁トリップ装置を使用している。これらの電磁トリップ装置は、回路遮断器を遮断するために、加熱作用ではなく、存在する電流レベルに左右される。大きい電流に即座に反応するので、回路遮断器では選択的な保護方式をとることが困難であり、その結果、上記のような用途で使用するためには回路遮断器の複雑さが増大する。

米国特許第6275366号

従って、この分野では、配電システムを選択的に調整する保護を行うために電流制限するシステム及び方法が必要とされている。

本明細書には配電システムにおける方法が開示され、この方法は、複数の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチを有する配電システムの支線に故障状態があるか否かを判定するステップと、支線の更に上流側の、複数のＭＥＭＳスイッチのうちの１つのＭＥＭＳスイッチを再閉路するステップと、故障状態がまだ存在するか否かを判定するステップとを含む。

本明細書には更に、電源からの電力を受ける入力ポートと、入力ポートに電気的に結合された主配電バスと、入力ポートと主配電バスとの間に配置され、これらに結合された給電遮断ＭＥＭＳスイッチと、主配電バスに電気的に結合された複数の配電支線とを含む配電システムが開示される。

本発明の上記及びその他の特徴、態様及び利点は、図面全体を通して同様の符号が同様の構成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によって、より明解に理解されよう。

例示的な実施形態による、例示的なＭＥＭＳを使用したスイッチングシステムのブロック図である。 図１の例示的なＭＥＭＳを使用したスイッチングシステムを示す概略図である。 例示的実施形態による、図１のシステムの代替形態の例示的なＭＥＭＳを使用したスイッチングシステムのブロック図である。 図３の例示的なＭＥＭＳを使用したスイッチングシステムを示す概略図である。 例示的実施形態による、例示的なＭＥＭＳを使用した過電流保護コンポーネントのブロック図である。 例示的実施形態による、例示的なＭＥＭＳを使用した、選択的に調整される配電の保護システムを示す概略図である。 例示的実施形態による、選択的に調整される配電の保護システム内のＭＥＭＳスイッチの再閉路手順を詳細に示すフローチャートである。

例示的実施形態は、故障箇所に近い最も下流側の保護ＭＥＭＳスイッチが、起動する唯一のＭＥＭＳスイッチであることを確実なものにするシステムの解決策をもたらす配電システムの選択的に調整される保護を行うために、ＭＥＭＳとＨＡＬＴの機能の電流制限機能を使用するシステム及び方法を含む。例示的実施形態では、複数のＭＥＭＳスイッチを有する配電システムの支線に故障状態があるか否かの判定がなされる。例示的実施形態では、各装置は故障の判定に際して選択性を有している。電流の急激な変化と、短絡故障に反応する時間により、選択性を得ることが困難になる場合がある。１つ以上の保護装置のトリップを伴う故障が発生した場合は、再閉路手順が実行される。例示的実施形態では、この手順は、複数のＭＥＭＳスイッチのうちの支線から最も遠い上流側にあるＭＥＭＳスイッチを再閉路し、故障状態がまだ存在するか否かを判定する。

図１は、本発明の態様による例示的なアークレスＭＥＭＳを使用したスイッチングシステム１０のブロック図を示す。現在、ＭＥＭＳとは、例えば機能的に別個の複数の素子を集積可能なミクロンスケールの構造のことである。このような素子は、マイクロ製造技術による共通の基板上の機械素子、電気機械素子、センサ、アクチュエータ及び電子素子が含まれるが、これらに限らない。しかし、現在ＭＥＭＳデバイスに利用できる多くの技術や構造は、ナノ技術を使用したデバイス、すなわちサイズが１００ナノメートル未満の構造によって、僅か数年で利用できるようになるものと考えられる。従って、本文献を通して記載される例示的実施形態は、ＭＥＭＳを使用したスイッチング装置を意味するが、本発明の発明的態様は広義に解釈されるべきであり、マイクロサイズのデバイスに限定されないものと考えられる。

図１に示すように、アークレスＭＥＭＳを使用したスイッチングシステム１０は、ＭＥＭＳを使用したスイッチング回路１２と、消弧回路１４とを含むものとして示されており、（別名ハイブリッドアークレス制限技術（ＨＡＬＴ）デバイスとも言われる）消弧回路１４は、ＭＥＭＳを使用したスイッチング回路１２に動作可能に結合される。本発明の例示的実施形態では、ＭＥＭＳを使用したスイッチング回路１２の全体を、単一のパッケージ１６内で消弧回路１４と統合しても良い。更に別の実施形態では、ＭＥＭＳを使用したスイッチング回路１２の特定の部品又はコンポーネントだけを消弧回路１４と統合しても良い。

図２を参照してより詳細に記載するように、現在考えられている構成では、ＭＥＭＳを使用したスイッチング回路１２は、１つ又は複数のＭＥＭＳスイッチを含んで良い。また、消弧回路１４は平衡ダイオードブリッジとパルス回路とを含んで良い。更に、１つ又は複数のＭＥＭＳスイッチの接点間でのアーク形成の抑止を促進するように、消弧回路１４を構成しても良い。交流（ＡＣ）又は直流（ＤＣ）に応動して、アーク形成の抑止を促進するように消弧回路１４を構成しても良いことに留意されたい。

図２は、図１の例示的なアークレスＭＥＭＳを使用したスイッチングシステムの概略図１８を示す。図１を参照して述べたように、ＭＥＭＳを使用したスイッチング回路１２は、１つ又は複数のＭＥＭＳスイッチを含んで良い。図示した例示的実施形態では、第１のＭＥＭＳスイッチ２０は、第１の接点２２、第２の接点２４及び第３の接点２６を有するものとして示される。一実施形態では、第１の接点２２をドレンとして構成し、第２の接点２４をソースとして構成し、第３の接点２６をゲートとして構成しても良い。更に、図２に示すように、電圧スナバ回路３３をＭＥＭＳスイッチ２０と並列に結合し、以下により詳細に説明するように、高速な接点分離中に電圧オーバーシュートを制限するように構成しても良い。更に別の実施形態では、スナバ回路３３は、スナバ抵抗（図４の７８を参照）と直列に結合されたスナバコンデンサ（図４の７６を参照）を含んで良い。スナバコンデンサは、ＭＥＭＳスイッチ２０の開路手順中に過渡電圧の共用の向上を促進することができる。また、スナバ抵抗は、ＭＥＭＳスイッチ２０の閉路手順中にスナバコンデンサによって発生するいずれかの電流パルスを抑えることができる。更に別の実施形態では、電圧スナバ回路３３は金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）（図示せず）を含んで良い。

本発明の更なる態様によれば、負荷回路４０を第１のＭＥＭＳスイッチ２０と直列に結合しても良い。負荷回路４０は、電圧源Ｖ_ＢＵＳ４４を含んで良い。また、負荷回路４０は負荷インダクタンス４６Ｌ_ＬＯＡＤを含んで良く、負荷インダクタンスＬ_ＬＯＡＤ４６は、負荷回路４０から見た負荷インダクタンスとバスインダクタンスとの複合を表している。負荷回路４０は更に、負荷回路４０から見た複合負荷抵抗を表す負荷抵抗Ｒ_ＬＯＡＤ４８を含んで良い。参照番号５０は、負荷回路４０と第１のＭＥＭＳスイッチ２０とを流れる負荷回路電流Ｉ_ＬＯＡＤを表している。

更に、図１を参照して述べたように、消弧回路１４は平衡ダイオードブリッジを含んで良い。図示した実施形態では、平衡ダイオードブリッジ２８は第１の分岐２９と第２の分岐３１とを有するものとして示される。本明細書で用いる「平衡ダイオードブリッジ」と言う用語は、第１及び第２の分岐２９、３１の両端間での電圧降下が実質的に同一であるように構成されたダイオードブリッジを表すものとして用いられる。平衡ダイオードブリッジ２８の第１の分岐２９は、互いに結合されて第１の直列回路を形成する第１のダイオードＤ１ ３０と第２のダイオードＤ２ ３２とを含んで良い。同様に、平衡ダイオードブリッジ２８の第２の分岐３１は、互いに作動的に結合されて第２の直列回路を形成する第３のダイオードＤ３ ３４と第４のダイオードＤ４ ３６とを含んで良い。

例示的実施形態では、第１のＭＥＭＳスイッチ２０を平衡ダイオードブリッジ２８の中間点をまたいで並列に結合しても良い。平衡ダイオードブリッジ２８の中間点は、第１及び第２のダイオード３０、３２の間に位置する第１の中間点と、第３及び第４のダイオード３４、３６の間に位置する第２の中間点とを含んで良い。更に、平衡ダイオードブリッジ２８及び、特にＭＥＭＳスイッチ２０への接続に起因する寄生インダクタンスを最小限にし易くするため、第１のＭＥＭＳスイッチ２０と平衡ダイオードブリッジ２８とを密着して実装しても良い。本発明の技術の例示的態様によって、後に詳述するＭＥＭＳスイッチ２０のターンオフ中に負荷電流をダイオードブリッジ２８に搬送する際に、第１のＭＥＭＳスイッチ２０と平衡ダイオードブリッジ２８との間の固有インダクタンスがＭＥＭＳスイッチ２０のドレン２２とソース２４との両端間の電圧よりも数パーセント低いｄｉ／ｄｔの電圧を発生するような位置に、第１のＭＥＭＳスイッチ２０と平衡ダイオードブリッジ２８とが互いに配置されることに留意されたい。更に別の実施形態では、第１のＭＥＭＳスイッチ２０とダイオードブリッジ２８とを相互接続するインダクタンスを最小限にする意図で、第１のＭＥＭＳスイッチ２０を単一のパッケージ３８内、又は任意に同じ型内で、平衡ダイオードブリッジ２８と統合しても良い。

また、消弧回路１４は、平衡ダイオードブリッジ２８と関連して作動的に結合したパルス回路５２を含んで良い。スイッチ状態を検知し、スイッチ状態に応じてＭＥＭＳスイッチ２０の開路を開始するようにパルス回路５２を構成しても良い。本明細書で用いる「スイッチ状態」という用語は、ＭＥＭＳスイッチ２０の現在の動作状態の変化を引き起こす状態のことである。例えば、スイッチ状態は、ＭＥＭＳスイッチ２０の第１の閉路状態から第２の開路状態への変化、又はＭＥＭＳスイッチ２０の第１の開路状態から第２の閉路状態への変化を生じ得る。スイッチ状態は、回路故障又はスイッチＯＮ／ＯＦＦ要求を含むがこれに限定されない幾つかの作用に応動して発生し得る。

パルス回路５２は、パルススイッチ５４と、パルススイッチ５４に直列に結合されたパルスコンデンサＣ_{ＰＵＬＳＥ}５６とを含んで良い。更に、パルス回路は、パルスインダクタンスＬ_{ＰＵＬＳＥ}５８と、パルススイッチ５４と直列に結合された第１のダイオードＤ_Ｐ６０とを含んで良い。パルスインダクタンスＬ_{ＰＵＬＳＥ}５８、第１のダイオードＤ_Ｐ６０、パルススイッチ５４、及びパルスコンデンサＣ_{ＰＵＬＳＥ}５６は、直列に結合されてパルス回路５２の第１の分岐を形成し、パルス電流の整形及びタイミングを促進するように第１の分岐のコンポーネントを構成しても良い。更に、参照番号６２は、パルス回路５２を流れるパルス回路電流Ｉ_{ＰＵＬＳＥ}を表している。

本発明の態様によれば、ＭＥＭＳスイッチ２０は、ゼロに近い電圧ではあるが電流を搬送している間に、第１の閉路状態から第２の開路状態へと高速度で（例えばピコ秒又はナノ秒）切り換わる。これは負荷回路４０と、ＭＥＭＳスイッチ２０の接点の両端間に並列に結合された平衡ダイオードブリッジ２８を含むパルス回路５２との複合動作によって達成できる。

次に、本発明の態様による例示的なソフトスイッチングシステム１１のブロック図を示す図３を参照する。図３に示すように、ソフトスイッチングシステム１１は、互いに作動的に結合されたスイッチング回路１２と、検知回路７０と、制御回路７２とを含む。検知回路７０はスイッチング回路１２に結合され、負荷回路内の交流ソース電圧（以下「ソース電圧」と呼ぶ）又は負荷回路内の交流電流（以下「負荷回路電流」と呼ぶ）のゼロ交差の発生を検知するように構成されても良い。制御回路７２は、スイッチング回路１２と検知回路７０とに結合され、交流ソース電圧又は交流負荷回路電流の検知されたゼロ交差に応動したスイッチング回路１２内の１つ又は複数のスイッチのアーク放電を生じないスイッチングを促進するように構成されても良い。一実施形態では、スイッチング回路１２の少なくとも一部を構成する１つ又は複数のＭＥＭＳスイッチのアーク放電を生じないスイッチングを促進するように、制御回路７２を構成しても良い。

本発明の一態様によれば、ソフトスイッチング、すなわちポイントオンウエーブ（ＰｏＷ）スイッチングを行うことによって、スイッチング回路１２の両端間の電圧がゼロ又はゼロに極めて近い場合には、スイッチング回路１２内の１つ又は複数のＭＥＭＳスイッチが閉じられ、スイッチング回路１２を通過する電流がゼロ又はゼロに近い場合には開かれるように、ソフトスイッチングシステム１１を構成しても良い。スイッチング回路１２の両端間の電圧がゼロ又はゼロに極めて近い時にスイッチを閉じることによって、複数のスイッチが全て同時に閉じなくても、１つ又は複数のＭＥＭＳスイッチの接点間の電界を低く保つことによって、プリストライクアーク放電を回避することができる。同様に、スイッチング回路１２を流れる電流がゼロ又はゼロに極めて近い時にスイッチを開くことによって、スイッチング回路１２で最後に開くスイッチの電流がスイッチの設計上の容量内になるように、ソフトスイッチングシステム１１を設計することができる。前述したように、交流ソース電圧又は交流負荷回路電流のゼロ交差の発生と共に、スイッチング回路１２の１つ又は複数のＭＥＭＳスイッチの開路と閉路とを同期化するように、制御回路７２を構成しても良い。

次に図４を参照すると、図３のソフトスイッチングシステム１１の一実施形態の概略図１９が示されている。図示した実施形態によれば、概略図１９は、スイッチング回路１２、検知回路７０及び制御回路７２の一実施例を含む。

説明目的のため、図４はスイッチング回路１２内の単一のＭＥＭＳスイッチ２０のみを示しているものの、スイッチング回路１２は、例えばソフトスイッチングシステム１１の電流及び電圧の処理要求基準に応じて、複数のＭＥＭＳスイッチを含んで良い。例示的実施形態では、スイッチング回路１２は、ＭＥＭＳスイッチ間で電流を分割するために、並列構成で互いに結合された複数のＭＥＭＳスイッチを含むスイッチモジュールを含んで良い。更に別の例示的実施形態では、スイッチング回路１２は、ＭＥＭＳスイッチ間で電圧を分割するために、直列構成で結合されたＭＥＭＳスイッチのアレイを含んで良い。更に別の例示的実施形態では、スイッチング回路１２は、ＭＥＭＳスイッチ間での電圧の分割と各モジュール内のＭＥＭＳスイッチ間での電流の分割とを同時に行うために、直列構成で互いに結合されたＭＥＭＳスイッチモジュールのアレイを含んで良い。更に、スイッチング回路１２の１つ又は複数のＭＥＭＳスイッチを、単一のパッケージ７４内に統合しても良い。

例示的なＭＥＭＳスイッチ２０は３つの接点を含んで良い。例示的実施形態では、第１の接点をドレン２２として構成し、第２の接点をソース２４として構成し、第３の接点をゲート２６として構成しても良い。一実施形態では、ＭＥＭＳスイッチ２０の電流状態のスイッチングを促進するために、制御回路７２をゲート接点２６に結合しても良い。更に、付加的な例示的実施形態では、ＭＥＭＳスイッチ２０の両端間の電圧の出現を遅延させるため、ＭＥＭＳスイッチ２０と並列にダンピング回路（スナバ回路）３３を結合しても良い。図示のように、ダンピング回路３３は、スナバ抵抗７８と直列に結合されたスナバコンデンサ７６を含んで良い。

図４に更に示すように、ＭＥＭＳスイッチ２０を負荷回路４０と直列に結合しても良い。現在考えられる構成では、負荷回路４０は電圧源Ｖ_{ＳＯＵＲＣＥ}４４を含んで良く、代表的な負荷インダクタンスＬ_ＬＯＡＤ４６と負荷抵抗Ｒ_ＬＯＡＤ４８とを有して良い。一実施形態では、交流ソース電圧と交流負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ５０とを発生するように、電圧源Ｖ_{ＳＯＵＲＣＥ}４４（ＡＣ電圧源とも呼ばれる）を構成しても良い。

前述のように、負荷回路４０内の交流ソース電圧又は交流負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ５０のゼロ交差の発生を検知するように、検知回路７０を構成しても良い。電圧検知回路８０を介して交流ソース電圧を検知しても良く、電流検知回路８２を介して交流負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ５０を検知しても良い。交流ソース電圧と交流負荷電流を連続的に検知しても良く、又は例えば離散的な周期で検知しても良い。

ソース電圧のゼロ交差は、例えば、図示したゼロ電圧比較器８４等の比較器を使用して検知されても良い。電圧検知回路８０によって検知された電圧及びゼロ電圧基準８６を、ゼロ電圧比較器８４への入力として使用しても良い。一方、負荷回路４０のソース電圧のゼロ交差を表す出力信号８８を生成しても良い。同様に、負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ５０のゼロ交差を、図示したゼロ電流比較器９２等の比較器を使用することによって検知しても良い。電流検知回路８２で検知した電流及びゼロ電流基準９０を、ゼロ電流比較器９２への入力として使用しても良い。一方、負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ５０のゼロ交差を表す出力信号９４を生成しても良い。

一方、制御回路７２は、ＭＥＭＳスイッチ２０（又はＭＥＭＳスイッチのアレイ）の現在の動作状態をいつ変更（例えば開路又は閉路）するか決定するために、出力信号８８及び９４を利用しても良い。より詳細には、交流負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ５０の検知されたゼロ交差に応動して負荷回路４０を遮断又は開路するために、アーク放電がないＭＥＭＳスイッチ２０の開路を促進するように制御回路７２を構成しても良い。また、交流ソース電圧の検知されたゼロ交差に応動して負荷回路４０を完成するために、アーク放電がないＭＥＭＳスイッチ２０の閉路を促進するように制御回路７２を構成しても良い。

制御回路７２は、少なくとも部分的にイネーブル信号９６の状態に基づいて、ＭＥＭＳスイッチ２０の現在の動作状態を第２の動作状態に切り換えるか否かを判定しても良い。イネーブル信号９６は、例えば接触器の用途での電源オフ・コマンドの結果として発生しても良い。更に、イネーブル信号９６と出力信号８８及び９４を、図示したデュアルＤタイプのフリップフロップ９８への入力信号として使用しても良い。これらの信号は、イネーブル信号９６がアクティブになった（例えば立ち上がりエッジでトリガされた）後の最初のソース電圧ゼロの時点でＭＥＭＳスイッチ２０を閉じ、又はイネーブル信号９６が非アクティブになった（例えば立ち下がりエッジでトリガされた）後の最初の負荷電流ゼロの時点でＭＥＭＳスイッチ２０を開くために使用しても良い。図４に図示した概略図１９に関しては、イネーブル信号９６がアクティブ（特定の実装に応じてハイ又はロー）であり、出力信号８８又は９４が検知された電圧又は電流ゼロを示す場合は常にトリガ信号１７２が発生し得る。また、トリガ信号１７２は、ＮＯＲゲート１００を介して発生し得る。一方、トリガ信号１０２はＭＥＭＳゲートドライバ１０４を通過し、ＭＥＭＳスイッチ２０のゲート２６（又はＭＥＭＳアレイの場合は複数のゲート）に制御電圧を印加するのに使用できるゲート起動信号１０６を発生し得る。

前述のように、特定用途向けの所望の電流定格を達成するために、単一のＭＥＭＳスイッチではなく複数のＭＥＭＳスイッチを（例えばスイッチモジュールを形成するために）並列に作動的に結合して良い。負荷回路が受けることがある連続的及び過渡的な過負荷電流レベルを適切に搬送するように、複合されたＭＥＭＳスイッチの容量を設計しても良い。例えば、６倍の過渡的過負荷を伴う１０アンペアのＲＭＳモータコンタクタの場合、１０秒で６０アンペアＲＭＳを搬送するために十分な並列に結合されたスイッチがなければならない。電流ゼロに達してから５マイクロ秒以内にＭＥＭＳスイッチを切り換えるためにポイントオンウエーブ・スイッチングを用いると、接点が開路状態で１６０ミリアンペアの瞬間電流が流れる。従って、この用途では、各ＭＥＭＳスイッチは１６０ミリアンペアを「ワームスイッチング」する能力がなければならず、６０アンペアを搬送するために十分な数のＭＥＭＳスイッチを並列に配置しなければならない。これに対して、単一のＭＥＭＳスイッチは、スイッチングの瞬間に流れる電流量を遮断できなければならない。

図５は、本明細書に記載した例示的実施形態の範囲で実装し得る、ＭＥＭＳを使用した過電流保護装置１１０のブロック図を示す。装置１１０は、ユーザーインターフェース１１５でユーザー制御入力を受ける。それに加え、ユーザーインターフェース１１５では電力入力１１１が受けられ、ライン電力入力１１１は電力回路１３５とスイッチモジュール１２０とに送られる。電力入力１１１のライン電力は、単相、二相、又は三相電力で良く、負荷１５０並びに本明細書に記載の内部回路への主電力である。ユーザー入力１１２は、ユーザーインターフェース１１５に送られる、トリップ調整電位差計からの入力、ヒューマンインターフェース（例えば押しボタンインターフェース）からの電気信号、又は制御機器（例えば外部コンピュータ）からの電気信号の形態をとることができる。スイッチの遮断を起動するためにユーザー入力１１２を直接入力することもでき、その場合は、遮断スイッチは、下流側の機器の給電や保守中に要員を保護するためにロック可能な絶縁を行うような構造に構成される。ユーザー入力１１２は、ＭＥＭＳスイッチングを制御し、且つトリップ−時間曲線に関して調整可能にするために使用される。ユーザー入力１１２は、アナログ／デジタル信号線１１６を経て論理回路１２５に送られる。論理回路は信号線１１６から入力を受け、動作を決定する。電力回路１３５は、過渡電圧抑制回路、電圧スケーリング及び絶縁回路、及びＥＭＩフィルタリング回路等の追加回路の電力を供給する基本機能を実行する。

過電流保護装置１１０は論理回路１２５を更に備えており、論理回路１２５は定常動作を制御し、且つ故障状態を認識する役割を担っている（例えば、時限過電流のトリップ−時間曲線の設定、プログラム可能性又は調整可能性の許容、特定の論理の閉／再閉の制御など）。論理回路１２５内の電流／電圧検知機能は、過電流保護動作の論理を実行し、且つエネルギ方向転換回路がコールドスイッチング動作に利用する任務を果たすために必要な電流及び電圧の測定を行うことができる。ＭＥＭＳ保護回路１３０の構成及び動作は、前述のパルス回路５２と同様である。ライン電力はライン１１３を経てアークＭＥＭＳ保護回路１３０及びスイッチング回路１２０まで繋がっている。本明細書に記載の通り、アークＭＥＭＳ保護回路１３０とスイッチング回路１２０とは、負荷１５０へのライン電力の開閉を決定すると共に、故障状態中に開路することによって短絡及び過負荷から保護する。アークＭＥＭＳ保護回路１３０及びスイッチング回路１２０はライン１１４を経て結合され、ライン１１７を経た論理回路１２５による調整を介して協調して動作する（図１〜４を参照）。更に、故障状態を判定するために、ライン電流及び電圧がライン１１８を経て測定される。電力回路１３５と論理回路１２５との間のインターフェース１１９は、電力回路１３５を経てライン電流からタップオフされた電力を供給して、論理回路１２５及びスイッチング回路１２０に適切な電力調整を行う。

最後に、ＭＥＭＳ装置のアレイを備えるスイッチングモジュールを含むスイッチング回路１２０を実装する。スイッチングモジュールの構成及び動作は、前述のＭＥＭＳスイッチ２０と同様である。例示的実施形態では、スイッチング回路１２０は絶縁接触器を更に含むことができ、絶縁接触器は、過電流保護装置１１０が起動しない場合、又は過電流保護装置１１０がトリップされた場合に、出力負荷１５０への入力ライン１１１を絶縁するのに利用される。

構成された図５の過電流保護装置１１０を、電力システム内のヒューズ又は回路遮断器の代わりに使用することができる。ある実施形態では、論理回路１２５は、通常回路遮断器と共に使用される電子トリップユニットの機能的な特徴の一部又は全部と同様の機能的特徴を含む。それには、電流及び電圧センサからの信号に応動する処理回路、時間−電流特性曲線により得られる論理、及びトリップ信号の生成のアルゴリズム、電流計量情報のアルゴリズム、及び／又は外部装置の通信のアルゴリズムが含まれており、それによって電子トリップユニットを含む回路遮断器の全ての機能を有する装置１１０が提供される。例示的実施形態では、ライン入力１１１が端末ブロックに接続され、一方、端末ブロックは、絶縁接触器を経てスイッチングモジュール１２０に給電する遮断スイッチに給電し、ライン入力は最終的に負荷出力１５０へと出力される。遮断スイッチは、装置又はいずれかの下流側の機器で保守が必要な場合に、給電を遮断するのに利用される。このように、ＭＥＭＳスイッチが有効の過電流保護装置１１０は、ライン電力の主スイッチング能力と故障遮断をもたらす。

例示的実施形態では、論理回路１２５の電力は相間電位差から引き出され、サージ抑制コンポーネントを経て供給される。主電力段コンポーネントは、制御論理、過電流保護装置充電回路、及びＭＥＭＳスイッチゲート電圧１４０に給電するために、様々な電圧で配電する。電流及び電圧センサは時限及び瞬間過電流論理に給電し、一方、この過電流論理は、ＭＥＭＳスイッチゲート電圧及び過電流保護回路１３０のトリガ回路を制御する。

図６は、例示的実施形態による配電の例示的なＭＥＭＳを使用した選択的に調整される保護システム２００を示すブロック図である。例示的実施形態では、システム２００は、主配電バス２１０に結合された主電力入力２０５を含む。給電遮断ＭＥＭＳスイッチ２１５は主電力入力２０５と主配電バス２１０との間に配置され、これらと電気的に結合される。１本又は複数本の配電支線２１１、２１２、２１３は、主配電バス２１０に電気的に結合される。３本の配電支線２１１、２１２、２１３は説明するために示したものであり、別の実施形態では３本以下又は３本以上の配電支線が考えられることが理解されよう。各配電支線は、上流側のＭＥＭＳスイッチ２１５、２１６及び２１７を含むことができる。一方、各配電支線２１１、２１２、２１３は複数の負荷回路を有することができる。更に、支線２１５、２１６、２１７は追加の支線（図示せず）に給電することができ、一方、これらの支線は追加の負荷回路、支線（図示せず）に給電することができる。説明し易くするため、１本の配電支線２１２を記載する。記載の通り、配電支線２１２は１つ又は複数の負荷回路２２１、２２２、２２３を更に含むことができる。更に説明し易くするため、１つの負荷回路２２２のみを記載する。

負荷回路２２２などの各負荷回路２２１、２２２、２２３は、逓降変圧器２２５を含むことができる。ＭＥＭＳ保護スイッチ２３０は、逓降変圧器２２５と、様々な負荷コンポーネントに結合可能な更なるＭＥＭＳスイッチ２３５，２４０、２４５との間に配置される。システム２００は、多くの支線、及び様々なコンポーネントや関連する様々な保護装置を有することができる負荷を含むことを理解されたい。

例示的実施形態では、ＭＥＭＳ過電流保護装置１１０（図５を参照）は、配電システム２００全体の主電源２１５の方向に戻ると連続的に高くなる定格を各々が有する様々な支線（例えば２１５、２１６、２１７、２３０、２３５、２４０及び２４５）を保護するために実装される。例示的実施形態では、ＭＥＭＳ過電流保護装置は、故障状態を急激に開閉することにより、且つ基本的な決定を行うために論理回路を使用することにより、選択的に調整される保護を行う。ＭＥＭＳを使用した選択的に調整されるシステムは、各装置の故障認識を調整するか、又は装置をネットワーク接続することによって実装される。

例示的実施形態では、システム２００内の様々なＭＥＭＳスイッチのトリップ−時間曲線を調整することができる。このように、最も下流側のコンポーネントを、より低レベルの過電流でトリップするように構成することができよう。ＭＥＭＳスイッチは、電流が次の装置の閾値に達しない十分な速さで開くことができる。例示的実施形態では、ＭＥＭＳスイッチの再閉路は、ライン上のノイズ、高エネルギ故障等を含むがそれらに限定されない特定の事象に応動して実行される。このように、次のＭＥＭＳスイッチが故障箇所に最も近いＭＥＭＳスイッチと同時に閾値に達すると、複数のＭＥＭＳスイッチがトリップされる。従って、特に閾値が近いＭＥＭＳ装置では、このような不可避的な変化を本明細書に記載の再閉路手順によって対処する。例えば、ＭＥＭＳスイッチ２３５、２４０、２４５を１００Ａでトリップするように構成し、ＭＥＭＳスイッチ２３０を３００Ａでトリップするように構成し、ＭＥＭＳスイッチ２１６を９００Ａでトリップするように構成し、給電遮断ＭＥＭＳスイッチ２１５を２７００Ａでトリップするように構成することができる。従って、故障状態がある場合は、故障に最も近いＭＥＭＳスイッチだけがトリップする。従って、ＭＥＭＳ２３５、２４０、２４５に近い故障は、１つ又は複数の最も近いＭＥＭＳスイッチ２３５、２４０、２４５を選択的にトリップする。この種類のシステム構成は、上流側の回路遮断器のトリップ時間が段階的により遅くなるように構成される回路遮断器の従来の使用形態と同様である。しかし、回路遮断器は応動速度が遅く、故障電流はトリップポイントよりも大幅に高くなるので、比較的遅い応動時間、及び回路遮断器の設計上の公差のため選択性を達成することは困難である。例示的実施形態では、システム２００の選択性は、ＭＥＭＳスイッチが負荷に近いほどＭＥＭＳスイッチが開閉する速度を速く設定することによって達成される。従って、トリップ閾値に達するとＭＥＭＳスイッチが開く速度によって、システム２００の選択性及び予測性が達成される。選択された速度は、トリップポイントを超える電流オーバーシュートを制限する。

例示的実施形態では、プロトコル媒体（例えばイーサネット（登録商標）、電力ライン通信（ＰＬＣ）、ワイヤレス等）を介して、全てのＭＥＭＳスイッチをネットワーク接続することができる。ＭＥＭＳ装置のネットワーク接続により機能性を高めることができ、トリップ閾値を大幅に低下させることが可能になる。例示的実装形態では、ネットワークを介して、全てのＭＥＭＳスイッチでのトリップレベルを例えば低レベルに設定することができるが、それは誤トリップが生じても大幅な停止時間が生ずることがないからである。例えば、トリップを以下のように設定する。ＭＥＭＳスイッチ２３５、２４０、２４５を１００Ａでトリップするように設定し、ＭＥＭＳスイッチ２３０を１５０Ａでトリップするように設定し、ＭＥＭＳスイッチ２１６を４００Ａでトリップするように設定し、給電遮断ＭＥＭＳスイッチ２１５を８００Ａでトリップするように設定した場合、ＭＥＭＳスイッチ２３５、２４０、２４５の下流側の負荷に故障があると、ＭＥＭＳスイッチ２１５、２１６、２３０、２３５、２４０、２４５は全て故障電流を受ける。全てのＭＥＭＳスイッチ２１５、２１６、２３０、２３５、２４０、２４５の速度設定は選択性が得られるように設定されるが、ＭＥＭＳスイッチによって選択性が高められても、ＭＥＭＳスイッチ２１５、２１６がトリップする可能性がある。このような非選択的なトリップが生じ得るのは、ＭＥＭＳスイッチ２３５、２４０、２４５の閾値設定がＭＥＭＳスイッチ２３０と近いためである。しかし、故障に最も近いＭＥＭＳスイッチだけが開路状態を保つまで、ＭＥＭＳスイッチネットワークが上流側のＭＥＭＳスイッチを再閉路できるような開閉手順を実施することができる。また、システムに故障が本当に存在することを確認し、誤トリップを無くすために、別の用途で記載した急激な再閉路手順を用いて最も遠い下流側のスイッチを再閉路することもできよう。ＭＥＭＳネットワークはシステム２００の診断に使うこの情報を保守要員に提供することができよう。このような手順でも誤トリップを無くすことができるが、それはシステムが装置を再閉路し、故障状態に遭遇せず、定常動作を継続するからである。

図７は、例示的実施形態による配電システム２００の選択的に調整される保護システム内でのＭＥＭＳスイッチの再閉路手順７００を詳細に示すフローチャートを示す。ステップ７０５でのシステム動作中、ステップ７１０でシステム２００の故障状態が監視される。ステップ７１０で故障状態がない場合、ステップ７０５でシステムの動作が開始する。ステップ７１０で故障状態がある場合は、故障が検知された全てのＭＥＭＳスイッチがステップ７１５で開かれる。ステップ７２０で、特定の支線の最も上流側のＭＥＭＳスイッチが再閉路され、その後ステップ７２５で、故障状態が依然として存在するか否かを手順７００が判定する。ステップ７２５で故障が存在しない場合は、更なる下流側での故障が判定される。このように、手順３００は、ステップ７３０でまだ開いている装置があるか否かを判定する。ステップ７３０でまだ開いている装置がない場合は、システムには故障状態がないので、ステップ７０５でシステムの動作が開始される。元の故障状態は解消されたか、誤トリップの結果であったものとされ、危険な状態は存在しない。この時点で、動作を継続することはできるが、機器を点検するように通知する。ステップ７３０でまだ開いている装置がある場合は、スイッチを不要に開路させる原因となる複数の故障があるか、又は非選択的な事象が発生していることになる。従って、ステップ７２０で、次の上流側のＭＥＭＳスイッチが再閉路される。故障状態の位置が判定されるか、誤トリップが特定されるまで再閉路プロトコルは継続し、ステップ７０５でシステムの動作が開始する。ステップ７２５で故障の位置が判明すると、ステップ７３５で問題のＭＥＭＳスイッチが再開路され、手順はステップ７４０で、保守要員又はその他の適宜の手段による故障の解消を待機し、その時点で手順は終了する。手順は、故障に最も近いＭＥＭＳスイッチを特定することから始まり、故障が解消されるまでそのスイッチを開き、できるだけ早くシステムの動作を開始することは理解されよう。しかし、ＭＥＭＳスイッチの応動時間は従来の遮断器よりも桁違いに速いので、ＭＥＭＳスイッチは、システム２００の動作停止が全く又はほとんどなく、開路／再閉路／開路プロセスによるＩ＾２＊ｔの加熱がほぼないように、十分迅速に開路及び再閉路される。

上記の手順７００で、ＭＥＭＳスイッチは過電流状態を判定する手順を更に含み、この手順は、トリップが誤トリップであるか否かの判定を更に含むことが理解されよう。例えば、誤トリップは、短絡と見られることがあるＭＥＭＳスイッチの近傍のノイズにより、又はシステム２００でのモータの始動から発生することがある。このように、誤トリップの原因は最も近いＭＥＭＳスイッチを超えた上流にある場合がある（例えば、上記のように閾値が近いＭＥＭＳスイッチの場合）。

上記に鑑み、本明細書に記載の配電システム及び配電方法の実施形態は、配電システムの選択的に調整される保護を提供するために、ＭＥＭＳとＨＡＬＴの機能の電流制限機能を実施し、それによって故障に最も近い最も下流側の保護用ＭＥＭＳスイッチが起動する唯一のＭＥＭＳスイッチであることを確実なものにするシステムの解決策をもたらすことが理解されよう。

例示的実施形態を参照して本発明を記載したが、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更を行っても良く、例示的実施形態の構成要素を同等の構成要素で代用しても良いことが当業者には理解されよう。それに加え、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、本発明の教示に適応させるために特定の状況又は材料の修正を行っても良い。従って、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良又は唯一の形態として、開示した特定の実施形態に限定することを意図するものではなく、本発明は添付の特許請求の範囲に含まれる全ての実施形態を含むことを意図するものである。更に、図面及び説明で、本発明の例示的実施形態が開示され、特定の用語が用いられてきたが、別途指摘されない限り汎用的且つ記述的な意味で用いたのであり、従って本発明ではそれに限定されるものではない。その上、第１、第２等の用語の使用は何らかの順序や重要性を意味するものではなく、１つの要素を他の要素から区別するために用いられている。更に、ａ、ａｎ等の用語の使用は数量の限定を意味するものではなく、言及する品目が少なくとも１つ存在することを意味する。

Claims (20)

1. 配電において、
   複数の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチを有する配電システムの支線に、故障状態があるか否かを判定するステップと、
   前記複数のＭＥＭＳスイッチのうち前記支線の最も遠い上流側にあるＭＥＭＳスイッチを再閉路するステップと、
   前記故障状態がまだ存在するか否かを判定するステップとを含む方法。
2. 前記故障状態がもう存在しないことが判定された場合は、前記支線内に前記複数のＭＥＭＳスイッチのうち開いているＭＥＭＳスイッチがまだあるか否かを判定するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記支線内に開いているＭＥＭＳスイッチがまだあることが判定された場合は、前記複数のＭＥＭＳスイッチのうち次に最も遠いＭＥＭＳスイッチを再閉路するステップを更に含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記支線内に前記複数のＭＥＭＳスイッチのうち開いているＭＥＭＳスイッチがないことが判定された場合は、配電システムの動作を再開するステップを更に含む、請求項２に記載の方法。
5. 前記故障状態がまだ存在することが判定された場合は、前記支線の最も遠い上流側の前記ＭＥＭＳスイッチを再開路するステップを更に含む、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記配電システムの前記支線から故障を解消するステップを更に含む、請求項５に記載の方法。
7. 前記複数のＭＥＭＳスイッチを通過する負荷電流の負荷電流値を監視するステップと、
   前記監視された負荷電流が所定の負荷値と異なるか否かを判定するステップとを更に含む、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記監視された負荷電流値が前記所定の負荷電流値と異なる場合は、それに応動して故障信号を発生するステップを更に含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記負荷電流値の前記差異が、誤トリップと非誤トリップのうちの少なくとも１つであるか否かを判定するステップを更に含む、請求項８に記載の方法。
10. 配電システムであって、
    電源からの電力を受ける入力ポートと、
    前記入力ポートに電気的に結合された主配電バスと、
    前記入力ポートと前記主配電バスとの間に配置され、これらに結合された給電遮断微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチと、
    主配電バスに電気的に結合された複数の配電支線とを備える配電システム。
11. 前記複数の配電支線の各々が、それぞれの配電支線に電気的に結合された複数の負荷回路を更に備える、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記主配電バスと前記複数の負荷回路との間に配置され、これらに電気的に結合された配電支線ＭＥＭＳスイッチを更に備える、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記配電支線ＭＥＭＳスイッチと前記複数の負荷回路との間に配置され、これらに結合された逓降変圧器を更に備える、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記複数の負荷回路の各々に配分された複数の負荷回路ＭＥＭＳスイッチを更に備える、請求項１１に記載のシステム。
15. 前記複数の配電支線と電気的に通信する論理回路と、
    前記論理回路と電気的に通信する電力段回路とを更に備える、請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載のシステム。
16. 前記論理回路及び前記電力段回路と電気的に通信する過電流保護回路を更に備える、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記複数の配電支線の各々に沿って配分された複数のＭＥＭＳスイッチを更に備える、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記複数のＭＥＭＳスイッチは前記過電流保護回路と電気的に通信する、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記論理回路が負荷電流と負荷電圧とを監視するように構成された、請求項１６に記載のシステム。
20. 負荷電流と負荷電圧の少なくとも１つが所定値と異なると、それに応動して故障信号が発生し、前記過電流回路に伝送される、請求項１９に記載のシステム。

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