JP2006038818A - 双方向電流検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 短絡事故の発生時に確実に選択遮断動作を行わせることによって電気推進システムの全停電の発生を防止することができるようにし、また、装置全体の小型化及び高信頼性化を図ること。
【解決手段】 各々にリードスイッチ１０６，１０８を組み合わせると共に一方にコイル１０９を巻きつけた２つの鉄芯１０５，１０７と、コイル１０９に発生する磁束ΦＢを励磁電流で制御する励磁制御回路１０３とを備え、励磁制御回路１０３の設定器１１４にて、正方向及び逆方向の過電流設定値を個別に設定可能とする。励磁制御回路１０３にて、励磁電流を出力するトランジスタ１１５と抵抗器１１６とをエミッタホロワ回路を構成する状態に接続して、電源の＋側導電線１１０及び−側導電線１１１間の電圧が変動した場合、又は温度変化でコイル１０９の巻線抵抗値が変化した場合にも、常に励磁電流を一定量に制御してコイル１０９で発生する磁束ΦＢを安定させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超高速度動作特性を有する超限流ヒューズへ流れる正方向及び逆方向の各方向の過電流検出値を設定でき、船舶用電気推進システム等に用いられる双方向電流検出装置に関し、特に、当該双方向電流検出装置の検出信号により超限流ヒューズを作動させて短絡保護及び選択遮断動作を行わせる双方向電流検出装置に関する。

船舶用電気推進システムは、例えば蓄電池を一次電源として当該蓄電池を充電する発電機からなる電源装置と、推進電動機及び運航に必要な補機電動機等の機器類から構成される電気推進装置とを備えて成り、電気推進船舶に適用されている。
このような船舶用電気推進システムにおいて短絡事故が発生した場合、従来技術では、電気回路網に配置した気中遮断器（ＡＣＢ）又はヒューズ等の保護装置によって短絡保護及び後述で詳細に説明する選択遮断動作（＝保護協調動作）が行われる。

この種の短絡保護及び選択遮断動作を行うための従来技術として、例えば特許文献１〜５に記載のものがある。
特許文献１には、リードスイッチ式過電流検出部と爆発式超限流ヒューズとを組合せた電流遮断装置が記載されている。特許文献２には、リードスイッチ式過電流検出装置の構成及び、この検出装置を爆発式超限流ヒューズと組合せる内容が記載されている。特許文献３には、リードスイッチ式過電流検出回路が記載されている。

特許文献４には、２次コイルへの印加パルス電流の増減により動作点・復旧点を調整するようにしたリードリレー式過電流検出器が記載されている。特許文献５には、車両用給電ラインにおける障害地点評定のために、シャント抵抗式電流検出部の出力に対して、それぞれ比較回路よりなる電流量判別回路及び電流向き判別回路を設ける構成が記載されている。

しかし、特許文献１〜５の従来技術は、正方向及び逆方向の各過電流検出レベルを個別に設定できる構成ではないため、短絡事故が発生した際に電路の選択遮断動作を行うことが極めて困難である。
その正方向及び逆方向の各過電流検出レベルを個別に設定できる構成としては、特許文献６に記載のものがある。

特許文献６には、電流検出部の出力に対して２つの比較器を設け、正負両方向の過電流を検出するようにした過電流検出回路が記載されている。このようなリニア出力式電流検出方式の過電流検出装置は、シャント抵抗＋絶縁変換器又はホール素子を用いたホールＣＴ（変流器）等により検出した直流リニア出力信号をオペアンプ等で信号処理して過電流検出する方式であり、一般用途における過電流検出装置の大半はこの方式が採用されている。このリニア出力式電流検出方式によれば、正方向及び逆方向の過電流検出レベルを容易に個別設定することができる。

また、短絡事故が発生した際に電路の選択遮断動作を行う構成としては、例えば、本発明と同一の出願人により特願２００４−１３８７６２号として先に提案されたものがある。この特願２００４−１３８７６２号による構成は、船舶用電気推進システムの直流給電回路網の保護システムにおける特有な課題、すなわち、給電回路網の電路長が短く、回路（電路）インピーダンスが微小であることから、短絡事故の発生時に急峻な電流上昇率を伴う大きな短絡電流が流れるとともに、低インピーダンス電路であるため、保護装置相互間で協調させて個々の保護装置を選択的に遮断動作させることが困難であるという課題を考慮して、直流給電回路網の保護システムにおいて、回路網の要所に配置された超限流遮断器よりなる遮断装置の過電流設定値を正方向及び逆方向毎に設定することによって、確実で速やかな選択遮断動作を行うことができるようにしたものである。この保護システムにおける選択遮断動作を、図７に示す直流給電回路網の電路系統図を参照して説明する。

直流電源をなす第１及び第２（１号及び２号）蓄電池１，２（Ｂ１，Ｂ２）を備える回路（主回路）に、第１及び第２（１号系及び２号系）動力３，４（ＭＡ１，ＭＡ２）、第１及び第２（１号及び２号）発電機５，６（Ｇ１，Ｇ２）、並びに電動機７（Ｍ）が接続されている。例えば、直流給電回路網が船舶用のものであれば、電動機７は推進電動機になる。

また、この回路網において、第１蓄電池１、第１動力３及び第１発電機５により１号系の回路網を構成し、第２蓄電池２、第２動力４及び第２発電機６により２号系の回路網を構成している。更に、この回路網では、第１及び第２接続点ａ１，ａ２により第１動力３が接続されており、第３及び第４接続点ａ３，ａ４により第２動力４が接続されている。
第５及び第６接続点ａ５，ａ６により第１発電機５が接続されており、第７及び第８接続点ａ７，ａ８により第２発電機６が接続されており、第９及び第１０接続点ａ９，ａ１０により電動機７が接続されている。これにより直流給電回路網が構成されている。

また、これらの各構成機器要素１〜７の電力規模の関係は一般的には次のような関係になっている。
（Ｂ１又はＢ２）＞Ｍ＞（Ｇ１又はＧ２）＞（ＭＡ１又はＭＡ２）
これによって、各構成機器要素１〜７の電流規模の関係は次のような関係になっている。
（Ｂ１又はＢ２）＞Ｍ＞（Ｇ１又はＧ２）＞（ＭＡ１又はＭＡ２）

そして、この回路網では、第１及び第２動力３，４並びに第１及び第２発電機５，６それぞれの前後に、第１〜第８遮断器（気中遮断器）１１〜１８及び第１〜第８超限流遮断器３１〜３８が設置されている。また、前記第１及び第２蓄電池１，２を備える回路上、第１接続点ａ１と第５接続点ａ５との間に、第９遮断器１９及び第９超限流遮断器３９を備え、第２接続点ａ２と第６接続点ａ６との間に、第１０遮断器２０及び第１０超限流遮断器４０を備え、第３接続点ａ３と第７接続点ａ７との間に、第１１遮断器２１及び第１１超限流遮断器４１を備え、第４接続点ａ４と第８接続点ａ８との間に、第１２遮断器２２及び第１２超限流遮断器４２を備える。

更に、第５接続点ａ５と第９接続点ａ９との間に、第１３超限流遮断器４３を備え、第６接続点ａ６と第１０接続点ａ１０との間に、第１４超限流遮断器４４を備え、第７接続点ａ７と第９接続点ａ９との間に、第１５超限流遮断器４５を備え、第８接続点ａ８と第１０接続点ａ１０との間に、第１６超限流遮断器４６を備えている。
ここで、第１〜第８遮断器１１〜１８は、各回路の定格電流に応じて選定されている。また、第１〜第１６超限流遮断器３１〜４６はそれぞれ、当該第１〜第１６超限流遮断器３１〜４６を通る電流を検出する変流器（電流検出器）３１ａ〜４６ａと、変流器３１ａ〜４６ａの電流検出結果に基づいて動作する超限流ヒューズ３１ｃ〜４６ｃとを備えている。

具体的には、超限流ヒューズ３１ｃ〜４６ｃは、変流器３１ａ〜４６ａに設定されている過電流設定値（過電流保護設定値）に達したときに動作し、この動作が第１〜第１６超限流遮断器３１〜４６の遮断動作（選択遮断動作）となる。
このように回路網に第１〜第８遮断器１１〜１８及び第１〜第１６超限流遮断器３１〜４６を配置することで、回路網の任意の点で短絡事故があった場合に各回路及び構成機器要素１〜７の保護を行っている。なお、遮断器１１〜１８や超限流遮断器３１〜４６を備える一方で、個々の構成機器要素１〜７は、個別に保護装置を備えており、その保護装置によって独自に保護されている。

次に、短絡事故が発生した時の第１〜第１６超限流遮断器３１〜４６の遮断動作を、図８〜図１２を参照して説明する。
まず、図８は、正常運転状態での電流の流れ方向（正方向の流れ方向）を示す。この図８において、実線として示す電流の矢印の方向（正方向の流れ方向）は正常運転状態での電流の流れ方向となる。また、点線として示す電流の矢印の方向（逆方向の流れ方向）は充電や回生時の電流の流れ方向となる。

ここで、点１ＢＰと点１ＢＮとの間、点ＣＰと点ＣＮとの間、点１ＡＰと点１ＡＮとの間又は点１ＧＰと点１ＧＮとの間で短絡事故が発生した場合を説明する。
ここで、図９に示すように、短絡点１ＢＰと短絡点１ＢＮとの間で短絡事故が発生した場合、各々の回路網からは当該回路網の回路定数によって決まる短絡電流がそれぞれ流出し、短絡点１ＢＰ〜１ＢＮ間に短絡電流（合計電流）ＩΣが流れる。

この時、短絡点１ＢＰ〜１ＢＮの近傍に配置されている第９及び第１０超限流遮断器３９，４０には正方向短絡電流Ｉ１ａΣ（正Ｉ１ａΣ又は＋Ｉ１ａΣ）が流れ、第１３及び第１４超限流遮断器４３，４４には逆方向短絡電流Ｉ１ｃΣ（逆Ｉ１ｃΣ又は−Ｉ１ｃΣ）が流れる。また、第１及び第２超限流遮断器３１，３２に逆方向短絡電流Ｉｍａ１（逆Ｉｍａ１又は−Ｉｍａ１）が流れ、第３及び第４超限流遮断器３３，３４に逆方向短絡電流Ｉｍａ２（逆Ｉｍａ２又は−Ｉｍａ２）が流れる。

これら短絡電流の大きさと電流上昇は回路インピーダンスに支配される。例えば、短絡点１ＢＰ，１ＢＮに流れる短絡電流ＩΣは、各回路から流入する短絡電流の総和であるが、その一方で、短絡点１ＢＰ，１ＢＮが第１蓄電池１に近いためインピーダンスが小さくなることから、短絡電流ＩΣは、高電流突進率短絡電流、過大短絡電流となる。
このように各短絡電流が変化するときに、第９及び第１０超限流遮断器３９，４０に流れる正方向短絡電流Ｉ１ａΣ（正Ｉ１ａΣ又は＋Ｉ１ａΣ）は、短絡発生から所定時間後にその第９及び第１０超限流遮断器３９，４０の正方向過電流設定値になり（動作点に達し）、この時に第９及び第１０超限流遮断器３９，４０が遮断動作を開始する。

一方、第１３及び第１４超限流遮断器４３，４４に流れる逆方向短絡電流Ｉ１ｃΣ（逆Ｉ１ｃΣ又は−Ｉ１ｃΣ）は、短絡発生から所定時間後にその第１３及び第１４超限流遮断器４３，４４の逆方向過電流設定値になり（動作点に達し）、この時に第１３及び第１４超限流遮断器４３，４４が遮断動作を開始する。
これら第９及び第１０超限流遮断器３９，４０並びに第１３及び第１４超限流遮断器４３，４４の遮断動作により、短絡点１ＢＰ，１ＢＮが切り離される。

短絡点１ＢＰ〜１ＢＮの近傍に配置されている超限流遮断器３９，４０，４３，４４は、これら以外の超限流遮断器３１〜３８，４１，４２，４５，４６よりも先に遮断動作を開始するので、他の超限流遮断器３１〜３８，４１，４２，４５，４６が遮断動作する前に短絡点１ＢＰ，１ＢＮが切り離される。従って、短絡点１ＢＰ〜１ＢＮ間で短絡事故が発生しても、短絡点１ＢＰ〜１ＢＮ箇所以外の超限流遮断器３１〜３８，４１，４２，４５，４６は遮断動作（保護動作）しないようになっている。

次に、図１０に示すように、短絡点ＣＰと短絡点ＣＮとの間で短絡事故が発生すると、各々の回路網からは当該回路網の回路定数によって決まる短絡電流がそれぞれ流出し、短絡点ＣＰと短絡点ＣＮとの間に短絡電流（合計電流）ＩΣが流れる。
このとき、短絡点ＣＰ，ＣＮの近傍に配置されている第１３〜第１６超限流遮断器４３〜４６には、正方向短絡電流Ｉ１ｃΣ，Ｉ２ｃΣ（正Ｉ１ｃΣ又は＋Ｉ１ｃΣ，正Ｉ２ｃΣ又は＋Ｉ２ｃΣ）が流れる。これら短絡電流が変化するとき、第１３〜第１６超限流遮断器４３〜４６に流れる正方向短絡電流Ｉ１ｃΣ，Ｉ２ｃΣ（正Ｉ１ｃΣ又は＋Ｉ１ｃΣ，正Ｉ２ｃΣ又は＋Ｉ２ｃΣ）は共に、短絡発生から所定時間後にその第１３〜第１６超限流遮断器４３〜４６の正方向過電流設定値に達し（動作点に達し）、この時に第１３〜第１６超限流遮断器４３〜４６が遮断動作を開始する。

一方、第９〜第１２超限流遮断器３９〜４２の動作点、即ち正方向短絡電流Ｉ１ａΣ又はＩ１ｂΣ（正Ｉ１ａΣ若しくは＋Ｉ１ａΣ又は正Ｉ１ｂΣ若しくは＋Ｉ１ｂΣ），Ｉ２ａΣ又はＩ２ｂΣ（正Ｉ２ａΣ若しくは＋Ｉ２ａΣ又は正Ｉ２ｂΣ若しくは＋Ｉ２ｂΣ）が、当該第９〜第１２超限流遮断器３９〜４２の正方向過電流設定値に達するまでの時間は、短絡発生から前記所定時間よりも後の時間となる。

このように、短絡点ＣＰ〜ＣＮの近傍に配置されている超限流遮断器４３〜４６が、これら以外の超限流遮断器３１〜４２よりも先に遮断動作を開始するので、他の超限流遮断器３１〜４２が遮断動作する前に短絡点ＣＰ〜ＣＮが切り離される。従って、短絡点ＣＰ〜ＣＮ間で短絡事故が発生しても、短絡点ＣＰ〜ＣＮ箇所以外の超限流遮断器３１〜４２は遮断動作（保護動作）しないようになっている。

次に、図１１に示すように、短絡点１ＡＰと短絡点１ＡＮとの間で短絡事故が発生すると、各々の回路網からは当該回路網の回路定数によって決まる短絡電流がそれぞれ流出し、短絡点１ＡＰ〜１ＡＮ間に短絡電流（合計電流）ＩΣが流れる。
このとき、短絡点１ＡＰ，１ＡＮの近傍に配置されている第１及び第２超限流遮断器３１，３２には、短絡電流ＩΣが流れる。ここで、短絡点１ＡＰ，１ＡＮが第１蓄電池１に近いためインピーダンスが小さくなることから、短絡電流ＩΣは、高電流突進率短絡電流、過大短絡電流となる。

この短絡電流が変化するとき、第１及び第２超限流遮断器３１，３２に短絡電流ＩΣが流れ、その短絡電流ＩΣは、短絡発生から所定時間後にその第１及び第２超限流遮断器３１，３２の正方向過電流設定値に達し（動作点に達し）、この時に第１及び第２超限流遮断器３１，３２が遮断動作を開始する。
この第１及び第２超限流遮断器３１，３２の遮断動作は、それら以外の超限流遮断器３３〜４６の遮断動作よりも先に開始されるので、他の超限流遮断器３３〜４６が遮断動作する前に短絡点１ＡＰ，１ＡＮが切り離される。これによって短絡点１ＡＰ〜１ＡＮ間で短絡事故が発生しても、他の超限流遮断器３３〜４６が遮断動作（保護動作）しないので、それら超限流遮断器に保護されている他の健全回路への給電を継続させることができ、システムの安全を確保することができる。

次に、図１２に示すように、短絡点１ＧＰと短絡点１ＧＮとの間で短絡事故が発生すると、各々の回路網からは当該回路網の回路定数によって決まる短絡電流がそれぞれ流出し、短絡点１ＧＰ〜１ＧＮ間に短絡電流（合計電流）ＩΣが流れる。
このとき、短絡点１ＧＰ，１ＧＮの近傍に配置されている第５及び第６超限流遮断器３５，３６には、短絡電流ＩΣが流れる。この短絡電流ＩΣは、短絡発生から所定時間後にその第５及び第６超限流遮断器３５，３６の逆方向過電流設定値に達し（動作点に達し）、この時に第５及び第６超限流遮断器３５，３６が遮断動作を開始する。

このように、短絡点１ＧＰ〜１ＧＮの近傍に配置されている超限流遮断器３５，３６が、これら以外の限流遮断器３１〜３４，３７〜４６よりも先に遮断動作を開始するので、他の限流遮断器３１〜３４，３７〜４６が遮断動作する前に短絡点１ＧＰ〜１ＧＮが切り離される。従って、短絡点１ＧＰ〜１ＧＮ間で短絡事故が発生しても、短絡点１ＧＰ〜１ＧＮ箇所以外の限流遮断器３１〜３４，３７〜４６は遮断動作（保護動作）しないようになっている。

つまり、特願２００４−１３８７６２号により提案された構成においては、回路網の要所に超限流遮断器３１〜４６を配置し、その超限流遮断器３１〜４６（具体的には変流器３１ａ〜４６ａ）の過電流設定値を正方向及び逆方向の各方向について個別に設定することによって、回路網で短絡事故が発生した際の正方向又は逆方向の短絡電流を的確に検出して、速やかに選択保護動作を行うようになっている。即ち必要最小限の超限流遮断器だけが遮断動作して、短絡事故発生点を速やかに切り離すことで、他の健全回路への給電を継続させ、システムの安全を確保することを可能としている。
実公昭４８−１３１７号公報 特開昭６３−３１０３２２号公報 特開昭５１−１３６１５３号公報 特開昭５７−８３１１５号公報 特開平１０−２６２３３０号公報 特開平３−２４５０６４号公報

上記の特願２００４−１３８７６２号で提案されているように、船舶用電気推進システム等の直流給電回路網の保護システムにおいて、回路網の要所に配置される遮断装置として超限流遮断器を用いることに加えて、遮断装置の過電流設定値を正方向及び逆方向毎に設定することにより、短絡事故の発生時に確実で速やかな選択遮断動作を行わせることができるようになり、また、特許文献６に記載されているようなリニア出力式電流検出方式の過電流検出装置では、正方向及び逆方向の各過電流検出レベルを容易に個別設定することができる。

しかしながら、従来の特許文献６に記載されているリニア出力式電流検出方式の過電流検出装置においては、回路構成が複雑で大きな制御電源を必要とするので、装置全体が大きくなるとともに信頼性が低下するという問題がある。すなわち、特許文献６に記載されているようなリニア出力式電流検出方式の過電流検出装置は、検出した直流リニア出力信号をオペアンプ等で信号処理して過電流検出する構成であり、例えばシャント抵抗式の場合の構成例としては、直流高圧回路に流れる電流を、電流検出用分流器（シャント抵抗）および絶縁変換器を介して検出し、その検出出力に対してオペアンプでゲイン調整し、正方向電流用および逆方向電流用のコンパレータに入力するとともに前記各コンパレータにそれぞれ正方向過電流設定器および逆方向過電流設定器を設けて各過電流検出レベルを設定し、さらに、各コンパレータの出力にてトランジスタなどを駆動し、ダイオードＯＲ回路を介してリレーを駆動し、そのリレーの接点出力を気中遮断器等の遮断装置に対するトリップ信号として出力する構成となる。従って、このようなリニア出力式電流検出方式の過電流検出装置では、その検出回路の構成要素として、トランジスタ等の個別半導体部品やオペアンプ等の半導体制御素子なども用いているため、例えば、５Ｖ、±１５Ｖ、２４Ｖなどの制御電源が必要となる。また、このようなリニア出力式電流検出方式の過電流検出装置を、船舶用電気推進システム等の直流給電回路網における例えば約３００Ｖ〜１０００Ｖ程度の直流高圧電圧の主回路に適用する場合には、上記のシャント抵抗式の場合で例示したように、主回路部とオペアンプ回路などの検出回路部とを直流絶縁する必要があり、入力部は絶縁変換器で、また、出力部はリレーなどで、低圧回路と高圧回路とを絶縁しながら、気中遮断器などの遮断装置に遮断指令を与える必要がある。また、リニア出力式電流検出方式の過電流検出装置で用いられる、ホールＣＴ（変流器）、もしくは、シャント抵抗に接続されるチョッパー動作を応用した絶縁変換器では、半導体制御素子などを用いた制御電源回路も直流高圧電圧の主回路から絶縁する必要があるため、さらに複雑な構成となる。

また、従来より保護装置として用いられてきた気中遮断器を船舶用電気推進システムの直流給電回路網の保護システムに用いた場合、気中遮断器の動作速度が低速であることにより遮断容量が不足するという問題がある。また、気中遮断器には、電磁機械式の過電流検出器、例えば、検出対象の電流を鉄芯に巻いたコイルに流し、中央部で回動自在に支持された可動鉄片の一方端を前記鉄芯からの磁界で吸引させるとともに、前記可動鉄片の他方端を前記吸引力に対抗する回転方向にばねで引張り、このばねの引張力の調整により過電流検出レベルを設定しておき、前記可動鉄片の動作に機械的に係合した接点出力として過電流検出信号を出力するようにした構成の過電流検出器を装備したものもあり、このような電磁機械式の過電流検出器は、特許文献６に記載されているようなリニア出力式電流検出方式の過電流検出装置に比べて、検出回路用の電源が不要であるなど、その構成は簡単なものとなっているが、その正方向及び逆方向の各過電流検出レベルが同一値であることにより、選択遮断動作（すなわち、保護協調動作）が困難である。このため、従来の保護装置として上記のような気中遮断器を船舶用電気推進システムの直流給電回路網の保護システムに用いた場合には、システムが全停電に至る可能性があるという問題があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、短絡事故の発生時に確実に選択遮断動作を行わせることによって電気推進システムの全停電の発生を防止することができ、また、装置全体の小型化及び高信頼性化を図ることができる双方向電流検出装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１による双方向電流検出装置は、直流電源に導電線で接続された複数の電気機器に流れる過電流を検出する双方向電流検出装置において、ループ形状の途中に間隙を有すると共に当該ループ形状の中空部分に前記導電線が挿通された少なくとも２つの鉄芯と、前記鉄芯の間隙に配置され、当該鉄芯に発生する磁束で動作するスイッチと、前記鉄芯の１つに巻き付けられたコイルと、前記コイルに励磁電流を供給する電流供給手段と、この電流供給手段から供給する励磁電流を任意に設定する電流設定手段とを有する励磁制御回路とを備えたことを特徴とする。

この構成によれば、電源から電気機器へ向かう正方向へ導電線を介して電流が流れると、それぞれの鉄芯に磁束ΦＦ１，ΦＦ２が発生する。この時、磁束の方向に対するスイッチの角度の調整などにより、正方向の過電流による磁束ΦＦ１，ΦＦ２でスイッチがオン動作を行うように電流検出感度を調整しておけば正方向の過電流を検出することができる。

ここで、励磁制御回路からコイルに、正方向電流による磁束ΦＦ２を打ち消す方向に磁束ΦＢを発生させるための励磁電流を供給し、この際、磁束ΦＦ２が磁束ΦＢで所定量打ち消されてスイッチがオンとならない状態に励磁電流の電流値を、設定手段によって設定する。これによって、コイルが巻かれていない鉄芯側のスイッチでのみ正方向の過電流を検出するように設定可能となる。

一方、導電線に逆方向の電流が流れる場合は、鉄芯に正方向と逆の方向に磁束が発生するので、上記の正方向電流の場合と逆の動作となる。この場合、コイルが巻かれた鉄芯側において、逆方向の過電流による磁束に磁束ΦＢが加算された磁束でスイッチがオン動作を行うように設定しておけばよい。他方の鉄芯では磁束ΦＢが加算されないのでスイッチはオンとならない。これによって、コイルが巻かれた鉄芯側のスイッチでのみ逆方向の過電流を検出するように設定可能となる。つまり、正方向過電流の検出設定と、逆方向過電流の検出設定とを別々に行って、それらの過電流を検出することができる。

また、本発明の請求項２による双方向電流検出装置は、請求項１において、前記電流供給手段が能動素子を備え、この能動素子から前記励磁電流を出力するとともに、前記能動素子にトランジスタを用い、このトランジスタをエミッタホロワ回路を形成する状態に前記導電線に接続したことを特徴とする。
この構成によれば、コイルに供給される励磁電流を出力する能動素子としてのトランジスタをエミッタホロワ回路を構成する状態に導電線に接続したので、そのエミッタホロワ回路によって、導電線の電圧が変動した場合、又は温度変化でコイルの巻線抵抗値が変化した場合においても、常に励磁電流を一定量に制御することができ、これによって、コイルで発生する磁束ΦＢを安定させることができる。

以上説明したように本発明によれば、短絡事故の発生時に確実に選択遮断動作を行わせることによって電気推進システムの全停電の発生を防止することができ、また、装置全体の小型化及び高信頼性化を図ることができるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る双方向電流検出装置の構成を示す回路図である。
図１に示す双方向電流検出装置１００は、正方向電流検出部１０１と、逆方向電流検出部１０２と、励磁制御回路１０３とを備えて構成されている。
正方向電流検出部１０１は、コ字状の鉄芯１０５と、この鉄芯１０５の対向する先端の間隙部分に配置され、鉄芯１０５に発生する磁束でオン動作するリードスイッチ１０６とを備えて構成されている。また、鉄芯１０５の間隙部分では、鉄芯１０５の一方の先端の角部に、磁性材料からなる磁気シャント１０５Ａが、他方の先端との間のギャップｇ１が調整可能なように取り付けられている。さらに、リードスイッチ１０６は、図示されない支持手段により、鉄芯１０５の対向する先端同士を結ぶ軸線に対する角度θ１が調整可能なように支持されている。

逆方向電流検出部１０２は、コ字状の鉄芯１０７と、この鉄芯１０７の対向する先端の間隙部分に配置され、鉄芯１０７に発生する磁束でオン動作するリードスイッチ１０８と、鉄芯１０５の胴部に巻き付けられたコイル１０９とを備えて構成されている。また、鉄芯１０７の間隙部分では、鉄芯１０７の一方の先端の角部に、磁性材料からなる磁気シャント１０７Ａが、他方の先端との間のギャップｇ２が調整可能なように取り付けられている。さらに、リードスイッチ１０８は、図示されない支持手段により、鉄芯１０７の対向する先端同士を結ぶ軸線に対する角度θ２が調整可能なように支持されている。以降、鉄芯１０５を正方向側の鉄芯１０５、鉄芯１０７を逆方向側の鉄芯１０７とも称す。

また、双方の鉄芯１０５，１０７の空間部分には、図示せぬ電源の＋側導電線１１０が挿通されている。また、電源には＋側導電線１１０及び−側導電線１１１によって図示せぬ複数の電気機器が接続されている。
励磁制御回路１０３は、電源の＋側導電線１１０と−側導電線１１１との間に抵抗器１１２と定電圧ダイオード１１３とを直列に接続し、互いに接続された抵抗器１１２及び定電圧ダイオード１１３のカソード端間と−側導電線１１１との間に、可変抵抗器による設定器１１４の両端を接続し、また、コイル１０９の一端と−側導電線１１１との間に、トランジスタ１１５と抵抗器１１６とを当該トランジスタ１１５及び抵抗器１１６がエミッタホロワ回路を構成する状態に接続し、トランジスタ１１５のベース端に抵抗器１１８を介して設定器１１４の可動部分を接続し、更に、コイル１０９の他端に抵抗器１１２及び＋側導電線１１０の間を接続して構成されている。

この励磁制御回路１０３は、電圧が変動しても電流を一定とするエミッタホロワ回路によって、コイル１０９を定電流で励磁するようになっている。つまり、電源の＋側導電線１１０及び−側導電線１１１間の電圧が変動した場合、又は温度変化でコイル１０９の巻線抵抗値が変化した場合においても、常に励磁電流を一定にしてコイル１０９で発生する磁束ΦＢを安定させるようになっている。また、設定器１１４の調整に応じて励磁電流の電流値を変え、これに応じて磁束ΦＢを変化させることが可能となっている。

このような構成の双方向電流検出装置１００における正方向過電流設定時の動作を、図２を参照して説明する。
図１に矢印で示す正方向電流ＩＦが流れた場合、正方向側の鉄芯１０５には磁束ΦＦ１が、逆方向側の鉄芯１０７には磁束ΦＦ２が発生する。図２において、Ｙ軸上に示す正方向電流検出レベルのＯＣＦを正方向過電流設定値とした場合、正方向電流ＩＦが増加してＸ軸上のＩＦＯ点に達すると、正方向側の鉄芯１０５には、磁束ΦＦ１が発生して、ＯＣＦ点とＩＦＯ点とを通って直交する直線の交点ＦＦでリードスイッチ１０６がオンとなって信号を発生する。なお、正方向電流検出部１０１では、あらかじめ、正方向電流ＩＦがＩＦＯに達し、鉄芯１０５に磁束ΦＦ１が発生したときにリードスイッチ１０６がオンとなるように、電流検出感度を調整しておくものとする。この電流検出感度の調整は、鉄芯１０５の対向する先端同士を結ぶ軸線方向、すなわち、鉄芯１０５の間隙部分における磁束ΦＦ１の方向に対するリードスイッチ１０６の角度θ１、または、磁気シャント１０５Ａと鉄芯１０５の他方の先端との間のギャップｇ１を調整することにより行うことができ、また、角度θ１およびギャップｇ１の両方を調整するようにしてもよい。

一方、逆方向側の鉄芯１０７にも鉄芯１０５と同様に磁束ΦＦ２が発生するが、この磁束ΦＦ２を打ち消す方向の磁束ΦＢをコイル１０９で発生させると、逆方向側の鉄芯１０７の磁束ΦＦ２はΦＦ２−ΦＢとなる。これによって、逆方向電流検出部１０２の等価的な正方向電流ＩＦはＩＦＲ、正方向電流検出レベルはＯＣＲＦとなるので、ＩＦＲ点とＯＣＲＦ点とを通って直交する直線の交点は、正方向電流検出部１０１側での交点ＦＦよりも、図２におけるＬ１の分だけ検出レベルの小さいＦＲとなって、正方向電流検出レベルＯＣＦには達しないので逆方向側のリードスイッチ１０８はオンしない。なお、逆方向電流検出部１０２では、あらかじめ、磁束ΦＢをコイル１０９で発生させない状態において、正方向電流ＩＦがＩＦＯに達し、鉄芯１０７に磁束ΦＦ２が発生したときにリードスイッチ１０８がオンとなるように、電流検出感度を調整しておくものとする。この電流検出感度の調整は、上記の正方向電流検出部１０１の場合と同様であり、磁束ΦＦ２の方向に対するリードスイッチ１０８の角度θ２、または、磁気シャント１０７Ａと鉄芯１０７の他方の先端との間のギャップｇ２を調整することにより行うことができ、また、角度θ２およびギャップｇ２の両方を調整するようにしてもよい。
このように、正方向電流検出部１０１はオン信号を発するが、逆方向電流検出部１０２はオン信号を発しない。

次に、図１に矢印で示す逆方向電流ＩＲが流れた場合、正方向側の鉄芯１０５には磁束ΦＲ１が、逆方向側の鉄芯１０７には磁束ΦＲ２が発生する。この際、図２において、Ｙ軸上に示す逆方向電流検出レベルのＯＣＲを逆方向過電流設定値とした場合、逆方向電流ＩＲが増加してＸ軸上のＩＲ１点に達すると、正方向側の鉄芯１０５には、磁束ΦＲ１が発生するが、逆方向電流検出レベルはＲ１点であって、逆方向過電流設定値ＯＣＲには達しないので正方向側のリードスイッチ１０６はオンしない。

一方、逆方向側の鉄芯１０７にも正方向側の鉄芯１０５と同様に磁束ΦＲ２が発生するが、励磁制御回路１０３の制御によって、コイル１０９で発生する磁束ΦＢが磁束ΦＲ２に加算される方向としておくと、逆方向側の鉄芯１０７の磁束はΦＲ２＋ΦＢとなって、等価的な逆方向電流ＩＲの値はＩＲＯ、逆方向電流検出レベルはＯＣＲとなるので、ＩＲＯ点とＯＣＲ点とを通って直交する直線の交点は、正方向電流検出部１０１側での交点Ｒ１よりも、図２におけるＬ２の分だけ検出レベルの大きいＲ２となって、逆方向側のリードスイッチ１０８がオンして信号を発生する。
このように、逆方向電流検出部１０２はオン信号を発するが、正方向電流検出部１０１はオン信号を発しない。

次に、このような動作を行う双方向電流検出装置１００を、図７に示した直流給電回路網の第１〜第１６超限流遮断器３１〜４６に用い、これらに対して正方向及び逆方向過電流設定を行った場合の設定例を図３に示す。
第１〜第４の超限流遮断器３１〜３４においては、正方向過電流設定値Ｉｍａ１ｏｃ，Ｉｍａ２ｏｃ＝＋２．２、逆方向過電流設定値Ｉｍａ１Ｒ，Ｉｍａ２Ｒ＝−２．２（又は０）に設定されている。但し、逆方向過電流設定値Ｉｍａ１Ｒ，Ｉｍａ２Ｒ＝−２．２（又は０）での設定は、逆方向電流ＩＲに対して検出しないようにするか、正方向過電流設定と同程度の検出を行うためのものである。

第９〜第１２の超限流遮断器３９〜４２においては、正方向過電流設定値Ｉ１ａｏｃ，Ｉ２ａｏｃ＝＋１５、逆方向過電流設定値Ｉ１ａＲ，Ｉ２ａＲ＝−６に設定されている。
第５〜第８の超限流遮断器３５〜３８においては、正方向過電流設定値Ｉｇ１ｏｃ，Ｉｇ２ｏｃ＝＋６、逆方向過電流設定値Ｉｇ１Ｒ，Ｉｇ２Ｒ＝−０．２に設定されている。
第１３〜第１６の超限流遮断器４３〜４６においては、正方向過電流設定値Ｉ１ｃｏｃ，Ｉ２ｃｏｃ＝＋１１、逆方向過電流設定値Ｉ１ｃＲ，Ｉ２ｃＲ＝−６に設定されている。
このように、本実施の形態の双方向電流検出装置１００を各超限流遮断器３１〜４６に用いれば、正方向及び逆方向の各方向の過電流設定を個別に行うことができる。

次に、双方向電流検出装置１００と超限流ヒューズとを組合せた超限流遮断器の構成例を図４〜図６に示し、その遮断動作を説明する。
図４は、双方向電流検出装置１００において逆方向電流検出を必要としない場合、即ち正方向電流検出部１０１のみを超限流ヒューズ１２０と組み合わせた超限流遮断器１２１の構成図である。
この超限流遮断器１２１は、正方向電流検出部１０１のリードスイッチ１０６に抵抗器Ｒ１を介してパルストランスＰＴｒの一次側を接続し、二次側に抵抗器Ｒ２を介して通電筒ＣＣの点火部ＦＬを接続し、＋側導電線１１０に接続された通電筒ＣＣの通電部ＴＥの両端に限流ヒューズＦを並列接続して構成されている。

このような構成の超限流遮断器１２１において、正方向電流ＩＦが正方向過電流設定値ＯＣＦに達してリードスイッチ１０６がオンすると、＋側導電線１１０、抵抗器Ｒ１、パルストランスＰＴｒの一次側から−側導電線１１１へ電流が流れる。これによって、パルストランスＰＴｒの二次側にパルス信号が発生し、このパルス信号が抵抗器Ｒ２を介して点火部ＦＬに点火信号として供給される。この供給によって、点火部ＦＬが着火して通電部ＴＥが切り離されると、＋側導電線１１０を流れる事故電流が限流ヒューズＦへ転流され、限流ヒューズＦが溶断して事故電流が遮断される。

図５は、正方向過電流設定値と逆方向過電流設定値とが異なる双方向電流検出装置１００を、超限流ヒューズ１２０と組み合わせた超限流遮断器１２３の構成図である。
この超限流遮断器１２３は、上記超限流遮断器１２１に加え、逆方向電流検出部１０２のリードスイッチ１０８が抵抗器Ｒ１を介してパルストランスＰＴｒの一次側に接続されて構成されている。
このような構成の超限流遮断器１２３において、正方向電流ＩＦでは上記超限流遮断器１２１の場合と同様の動作が行われる。一方、逆方向電流ＩＲでは逆方向過電流設定値ＯＣＲでリードスイッチ１０８がオンとなって、上記同様の動作によって超限流ヒューズ１２０が動作され、事故電流が遮断される。

図６は、逆方向電流ＩＲを検出しない双方向電流検出装置１００を、超限流ヒューズ１２０と組み合わせた超限流遮断器１２５の構成図である。
超限流遮断器１２５が上記超限流遮断器１２３と異なる点は、逆方向電流検出部１０２のリードスイッチ１０８の両端をパルストランスＰＴｒの一次側に接続した点にある。即ち、正方向電流ＩＦではリードスイッチ１０６で超限流ヒューズ１２０を動作させるが、逆方向電流ではリードスイッチ１０８でパルストランスＰＴｒの一次側を短絡して動作させないようにした。
この接続によって、正方向電流ＩＦでは、上記超限流遮断器１２１と同じ動作で過電流保護動作を行うが、逆方向電流ＩＲでは、パルストランスＰＴｒの一次側が短絡されているので保護動作しない。なお、リードスイッチには、一般的にｂ接点が無いので図６の構成とした。

以上説明した本実施の形態の双方向電流検出装置１００を、ループ形状（コ字状）の途中に間隙を有すると共に当該ループ形状の中空部分に導電線１１０，１１１が挿通された少なくとも２つの鉄芯１０５，１０７と、これら鉄芯１０５，１０７の間隙に配置され、当該鉄芯１０５，１０７に発生する磁束ΦＦ１，ΦＦ２（又は磁束ΦＲ１，ΦＲ２）で動作するリードスイッチ１０６，１０８と、一方の鉄芯１０７に巻き付けられたコイル１０９と、励磁電流をコイル１０９に出力するトランジスタ１１５及びトランジスタ１１５から出力する励磁電流を任意に設定する設定器１１４を有する励磁制御回路１０３とを備えて構成した。

これによって、正方向過電流設定値と逆方向過電流設定値とを個別に設定可能としたので、各方向の過電流を検出するレベルを適切に設定し、この設定値でリードスイッチ１０８を動作させることができる。
このような設定の双方向電流検出装置１００を用いた超限流遮断器（保護装置）を、例えば電気推進システムの回路網の要所に配置しておけば、短絡事故が発生した際に、この事故発生点近傍の保護装置のみを遮断動作させて事故発生点を切り離し、他の健全回路の保護装置は動作しないような選択遮断動作を得てシステムの全停電を防止することができる。

また、本双方向電流検出装置１００は、従来のリニア出力式電流検出方式の過電流検出装置のように回路構成が複雑で大きな制御電源を必要とせず、各々にリードスイッチ１０６，１０８を組み合わせると共に一方にコイル１０９を巻きつけた２つの鉄芯１０５，１０７と、コイル１０９に発生する磁束ΦＢを励磁電流で制御する励磁制御回路１０３とを備えて構成できるので、当該双方向電流検出装置全体の小型化及び高信頼性化を図ることができる。

また、励磁制御回路１０３において、励磁電流を出力するトランジスタ１１５と抵抗器１１６とをエミッタホロワ回路を構成する状態に接続した。このエミッタホロワ回路によって、電源の＋側導電線１１０及び−側導電線１１１間の電圧が変動した場合、又は温度変化でコイル１０９の巻線抵抗値が変化した場合においても、常に励磁電流を一定量に制御することができるので、コイル１０９で発生する磁束ΦＢを安定させることができる。

本発明の実施の形態に係る双方向電流検出装置の構成を示す回路図である。 上記実施の形態に係る双方向電流検出装置による双方向の電流検出動作を説明するための図である。 上記実施の形態に係る双方向電流検出装置を直流給電回路網の超限流遮断器に用いて正方向及び逆方向過電流設定を行った場合の設定例を示す図である。 上記実施の形態に係る双方向電流検出装置の正方向電流検出部のみを超限流ヒューズと組み合わせた超限流遮断器の構成図である。 上記実施の形態に係る双方向電流検出装置の正方向過電流設定値と逆方向過電流設定値とが異なる場合に超限流ヒューズと組み合わせた超限流遮断器の構成図である。 上記実施の形態に係る双方向電流検出装置が逆方向電流を検出しない場合に超限流ヒューズと組み合わせた超限流遮断器の構成図である。 従来の双方向電流検出装置（保護装置）を用いた直流給電回路網を示す電路系統図である。 正常動作時の回路網の電流の流れを示す電路系統図である。 短絡点１ＢＰ，１ＢＮで短絡事故が発生したときの電流の流れを示す電路系統図である。 短絡点ＣＰ，ＣＮで短絡事故が発生したときの電流の流れを示す電路系統図である。 短絡点１ＡＰ，１ＡＮで短絡事故が発生したときの電流の流れを示す電路系統図である。 短絡点１ＧＰ，１ＧＮで短絡事故が発生したときの電流の流れを示す電路系統図である。

符号の説明

１００ 双方向電流検出装置
１０１ 正方向電流検出部
１０２ 逆方向電流検出部
１０３ 励磁制御回路
１０５，１０７ 鉄芯
１０６，１０８ リードスイッチ
１０９ コイル
１１０ ＋側導電線
１１１ −側導電線
１１２ 抵抗器
１１３ 定電圧ダイオード
１１４ 設定器
１１５ トランジスタ
１１６，１１８，Ｒ１，Ｒ２ 抵抗器
１２０ 超限流ヒューズ
１２１，１２３，１２５ 超限流遮断器
ＰＴｒ パルストランス
ＣＣ 通電筒
ＴＥ 通電部
ＦＬ 点火部
Ｆ 限流ヒューズ

Claims (2)

1. 直流電源に導電線で接続された複数の電気機器に流れる過電流を検出する双方向電流検出装置において、
   ループ形状の途中に間隙を有すると共に当該ループ形状の中空部分に前記導電線が挿通された少なくとも２つの鉄芯と、
   前記鉄芯の間隙に配置され、当該鉄芯に発生する磁束で動作するスイッチと、
   前記鉄芯の１つに巻き付けられたコイルと、
   前記コイルに励磁電流を供給する電流供給手段と、この電流供給手段から供給する励磁電流を任意に設定する電流設定手段とを有する励磁制御回路と
   を備えたことを特徴とする双方向電流検出装置。
2. 前記電流供給手段が能動素子を備え、この能動素子から前記励磁電流を出力するとともに、前記能動素子にトランジスタを用い、このトランジスタをエミッタホロワ回路を形成する状態に前記導電線に接続した
   ことを特徴とする請求項１に記載の双方向電流検出装置。

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