JP2006353097A - 非接地電路の絶縁監視方法と装置 - Google Patents

Abstract

【課題】病院の手術室や集中治療室等の医療機器用の電源の電路は、地絡故障時の漏洩電流を極小に抑え、医師や患者の感電による二次災害を防止するため非接地の電路が用いられ、絶縁監視装置で常時監視している。監視には医療機器のコンピュータや心電計等に検出信号によるノイズが入ったり、商用周波数のハム雑音が入らないようにする必要がある。
【解決手段】非接地電路Ｐ₁，Ｐ₂と大地Ｅ間に、電路の周波数と異なる周波数の信号電源１１と高抵抗体１０を接続し、その信号で流れる電流だけを分別して取り出し、電路と大地間の全体のインピーダンスを計測する。このインピーダンスは、電路の周波数で得られるインピーダンスと異なるため、抵抗分と静電容量分に演算手段３０で分離し、電路周波数のインピーダンスに変換して、このインピーダンスから、電路Ｐ₁と大地間及び電路Ｐ₂と大地間のインピーダンスを求め、一線が導体で接地されたとき流れるであろう電流値を監視する。
【選択図】図１

Description

本発明は非接地電路の絶縁状態を監視する電路の絶縁監視技術に関し、特に、病院の手術室および集中治療室等で使用される非接地式電路の絶縁監視に適した監視方法と装置に関する。

病院の手術室や集中治療室等の電路は、地絡故障時の漏洩電流を極小に抑え患者を保護するため、あるいは、医師や看護士が感電することによる二次災害を防止するため、非接地式の電路が用いられている。

近年、手術室等では医療機器が多数設置され、配線距離が長くなる傾向にあり、長くなると配線の対地静電容量が増大し、また、多数の機器を設置することにより、機器の絶縁劣化の確率が増し、感電の危険性が増大している。

そこで、病院の手術室や集中治療室等で使用される非接地式電路には絶縁監視・警報装置が用いられている。

この警報装置は、非接地式電路のいずれかの一線を低インピーダンスの導体で大地に接続した場合に流れる地絡電流の値が２ｍＡとなるような状態となったとき動作するようＪＩＳで規定されている。

このような非接地式電路の絶縁監視装置としては、従来次の方式が用いられていた。
（１）抵抗接地方式：電路に抵抗を接続し、中性点を作りその中性点を電流検出器を介して大地に接地し、一線地絡事故時に大地から中性点に流れる漏洩電流を検出する方式。
（２）直流重畳方式：電路の一線と大地との間に直流電流検出器と直流電源を接続し、電路の絶縁抵抗の変化に伴って変化する直流電流を検出する方式。
（３）低周波重畳方式：電路の一線と大地との間に低周波電流検出器と系統周波数より十分低い周波数の交流電源を接続し、電路の絶縁抵抗の変化に伴って変化する低周波電流を検出する方式（例えば、特許文献１）。
（４）線路順次切替監視方式：電流検出器の一端を大地に接続し、他端を半導体あるいは機械的な交互切り替えスイッチで電路の各線と大地の間に交互に挿入し、電路の絶縁抵抗の変化に伴って変化する電流を検出する方式。

しかし、上記の（１）〜（４）の方式は夫々以下の課題があった。

即ち、（１）の方式は、電路の絶縁抵抗が同時に低下した場合、あるいは対地静電容量が増加した場合に各線の大地に対する静電容量はほぼ同等に増加するため中性点と大地との間に電圧が発生せず、インピーダンスの低下を検出できない。

（２）の方式は、検出信号が直流であるため電路の対地静電容量の増加に対してのインピーダンス低下を検出できない。

また、各線ごとの絶縁抵抗値が検出できないため、片線が絶縁劣化したときの値と、両線ともに劣化した場合の検出値が同じとなり、両線の絶縁劣化の場合、所定値より早く検出してしまうことになる。

また、（３）の方式も、低周波であるため電路の対地静電容量が増加した場合、系統周波数でのインピーダンスの値とは異なり、このままではインピーダンスの低下を正確に検出できない。

また、各線ごとの絶縁抵抗値が検出できないため、片線が絶縁劣化したときの値と、両線ともに劣化した場合の検出値が同じとなり、両線の絶縁劣化の場合、所定値より早く検出してしまうことになる。

また、（４）の方式は、一線および両線地絡とも検出でき対地静電容量の増加によるインピーダンス低下も検出できるが、急激な電路の対地電圧の変化を伴うためノイズが発生し、心電計等の医用機器に障害を与える。

そこで、本願の出願人は上記の各方式の課題を解決すべく、種々実験調査の結果、系統周波数とわずかに異なる周波数重畳による線路順次切替監視方式を開発し、実用に供している（例えば、特許文献２）。

この先提案の発明を従来技術として図３および図４によって説明する。図３はその説明図で、Ｐ₁，Ｐ₂は絶縁を監視する非接地電路、１は絶縁トランス、２は信号電源、３は電流検出器で、この信号電源２と電流検出器３は絶縁トランス１の中性点と大地（アース）Ｅ間に直列接続されている。４および５は電流路Ｐ₁およびＰ₂の対地間インピーダンスを示している。

信号電源２は系統の周波数とわずか異なる周波数で、系統電路電圧の１／２の交流信号を出力する。系統の周波数が５０Ｈｚ（又は６０Ｈｚ）で電圧が１００Ｖの場合は、この周波数とわずか異なる例えば、５５Ｈｚで５０Ｖの交流信号を発生させる。

そして、この５５Ｈｚ，５０Ｖの交流信号を絶縁トランス１の中性点と大地間に印加する。この交流信号の印加により電路Ｐ₁と大地Ｅ間及び電路Ｐ₂と大地Ｅ間には、それぞれ図４の（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、５０Ｈｚと５５Ｈｚとが合成されてうなり現象を発生し、合成電圧は、最大振幅１００Ｖ、最小振幅０Ｖ，周期数５Ｈｚで緩やかに増減を繰り返す。そして、電路Ｐ₁と大地Ｅ間の電圧が最大のとき、電路Ｐ₂と大地間の電圧は最小となり、電路Ｐ₁と大地間の電圧が最小のとき、電路Ｐ₂と大地間の電圧は最大となる。

この電圧に比例した電流が、電路Ｐ₁−対地インピーダンス４−大地Ｅ−電流検出器３−信号電源２−中性点の経路で、また電路Ｐ₂側は、電路Ｐ₂−対地インピーダンス５−大地Ｅ−電流検出器３−信号電源２−中性点の経路で流れる。

この電流は電路Ｐ₁，Ｐ₂の絶縁抵抗の低下及び電路と対地間の静電容量の増加による対地インピーダンス４，５の低下に伴って増加するので、この電流を電流検出器３で検出することにより、絶縁状態を監視することができる。

また、人体が電路Ｐ₁，Ｐ₂に触れると、人体を介して電流が流れるが、この電流が人体に危険が無い程度（２ｍＡ）に制限する必要があり、通常は信号電源２，電流検出器３と直列に電流制限器６を設けて制限している。
特開平７−２０９３６６号公報 特公平１−１６０８８号公報。

上記の先提案の発明は、一線と大地との間の電圧が最大となったとき、他線と大地との間の電圧が最小となるので、電路の絶縁状態を一線ずつ順次電流検出器で監視することになり、二線の絶縁抵抗がバランスして低下した場合にも、電路の絶縁抵抗の劣化を検出することができる利点がある。

また、緩やかに増減を繰返す交流電圧により絶縁監視を行うものであるから、電路と大地間の静電容量の増加に伴う対地インピーダンスの低下も検出できる利点がある。

また、監視する電路の切替えを、従来例のように機械的、電気的なスイッチを用いて行うものではなく、一線と大地間の電圧が最大となった時、他線と大地間の電圧が最小となることを利用して行うものであるから、監視する電路の切替に際してノイズが発生することは全く無く、従って、精密な医療用測定器等に雑音障害を与えることが全くなくなる利点があり、好評裏に実用に供しているものである。

しかしながら、近年、医療技術の高度化に伴い、医療機器分野にもコンピュータ制御が導入されて医療機器自体も高精度化が要求されるに至っている。

例えば心電計では、心電波形の僅かな波形の変化を捉えるため急峻なデジタルフィルターを用いて系統周波数のハム雑音をできるだけ除去し、源波形に忠実な心電波形を得るよう処理されるようになってきている。その際、検出するための印加信号が系統周波数と僅かに異なり、また、印加信号の電圧が高いため急峻なフィルターでは逆に除去しきれずハム雑音として障害を与えるようになってきている。

そこで本発明は、上記の先発明の利点を生かし、更に検出信号の電圧が低くとも絶縁の監視を可能とする絶縁監視方法および監視装置を提供することを目的とする。

本発明において上記の課題を解決するための手段は、非接地電路Ｐ₁、Ｐ₂を有するトランスの中性点と大地間に、電路の周波数と異なる周波数の電圧検出信号を発生する信号電源と高抵抗値の抵抗体とを直列接続して検出回路を形成し、この検出回路に流れる電流を電流検出手段で検出して、前記検出信号による電流から電路と大地間の総合インピーダンスを計測し、この計測した総合インピーダンスを電路の周波数による総合インピーダンスに換算して、換算した総合インピーダンスと電路の対地電圧から電路Ｐ₁と大地間及びＰ₂と大地間の絶縁抵抗を夫々監視するようにする。

このように、検出信号による電流から電路と大地間のインピーダンスを計測し、この計測したインピーダンスを用いて電路（系統）の周波数によるインピーダンスに換算して監視するようにすることにより、信号電源の電圧が低くとも、また信号電源の周波数に関係なく電路の絶縁を監視することができる。

また、検出回路に、高抵抗体を設けることにより、電流制限器が無くとも安全性が高められる。

そして、電路の周波数に換算したインピーダンスと電路の電圧から、一線が導体で接地されたとき流れるであろう電流値を算出し、該電流値があらかじめ設定した電流値を超えたとき警報信号を出力して警報を発するようにする。

絶縁監視装置としては、非接地電路Ｐ₁、Ｐ₂を有するトランスの中性点と大地間に、高抵抗体と電路の周波数と異なる周波数の電圧検出信号を発生する信号電源とを直列接続して形成した検出回路と、該検出回路に流れる電流を検出する電流検出手段と、該電流検出手段で検出した電流から検出信号の周波数と電路の周波数による電流を分別して取り出し演算手段に入力する演算部入力手段と、電路電圧信号を入力する電路電圧検出回路と、この電路電圧信号を演算手段に入力する演算部入力手段と、夫々の演算部入力手段から入力した信号で検出信号の周波数による電路と大地間の総合インピーダンスを算出し、この算出した総合インピーダンスを電路の周波数の総合インピーダンスに換算し、電路Ｐ₁と大地間及び電路Ｐ₂と大地間のインピーダンスを求め、一線が導体で接地されたとき流れるであろう電流値を算出する演算手段を備えて構成する。

本発明は、以上のように構成しているので、次の効果を奏する。

（１）医療機器に影響を与えない低い電圧を検出信号として用いることができるので、医療機器の測定結果に影響を与えず、かつ商用周波数の高調波の影響の無い周波数を選定することができ、医療機器の電路の絶縁監視に適した装置が得られる。

（２）非接地式電路と大地間を高抵抗（１ＭΩあるいはそれ以上）と検出信号源および信号電流検出用抵抗体で接続し、電路と大地間の絶縁抵抗および対地静電容量の増加によるインピーダンスの低下を計測するため電流制限のための回路が不要となり、かつ安全性が高められる。

（３）検出信号を取り出すと同時に商用周波数の信号を取り出し、この零相電圧と電路電圧から各線と大地間の電圧（Ｖ₁，Ｖ₂）を求めるため、非接地電路に対し、他にインピーダンスを挿入する必要が無く、電路と大地間のインピーダンスを高く保つことができる。

（４）各インピーダンスで電路電圧を除した電流値のどちらかが、所定のレベル以上であるとき警報出力を発するようにしたことにより、電路Ｐ₁又はＰ₂のどちらの絶縁不良かを表示することが可能となる。

（５）抵抗分およびコンデンサ分に分離し計算しているため抵抗分で絶縁劣化している場合は、より危険度が高いと判断され高感度で警報を発することもできる。

（６）単相二線で説明したが、単相三線でも上記方式で検出が可能である。
また、三相三線でも演算が複雑になるが検出は可能である。

以下、本願の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の実施の形態の構成図を示す。同図において１は絶縁トランス、Ｐ₁，Ｐ₂はこのトランス１の２次側の絶縁を監視する非接地電路（以下、電路と略称する）、１０は高抵抗値を有する高抵抗体、１１は検出信号を発生する信号電源で、これら高抵抗体１０と信号電源１１とはトランス１の中性点と大地Ｅ間に直列接続され信号回路を形成している。

１２は信号電流検出用抵抗体で、検出回路に直列接続された抵抗体よりなる。

２０は演算部入力手段で、検出信号入力回路２０Ａと電路信号入力回路２０Ｂを有し、各信号入力回路２０Ａおよび２０Ｂは夫々フィルタ２１Ａおよび２１Ｂ，増幅器２２Ａおよび２２Ｂ，Ａ／Ｄ変換回路２３Ａおよび２３Ｂから成り、検出信号入力回路２０Ａで信号検出用抵抗体１２の両端から検出信号の周波数における信号をフィルタ２１Ａにより取り出してＡ／Ｄ変換し演算手段３０に出力する。

同様に電路信号入力回路２０Ｂは電路の周波数の信号をフィルタ２１Ｂにより取り出してＡ／Ｄ変換し、演算手段３０に出力する。

３１は電路電圧信号入力回路で、トランス３１ａ，電源回路３１ｂ，Ａ／Ｄ変換回路３１Ｃから成り電路Ｐ₁，Ｐ₂の電圧および周波数を検出して演算手段３０に入力する。４０は警報手段で演算手段３０により警報出力信号が出されたとき、音又は光等により人間が速やかに感知させる手段をとる。

５１，５２は電路Ｐ₁およびＰ₂と大地Ｅ間の対地インピーダンスを示している。

検出信号を発生させる信号電源１１の発生周波数は、電路の高調波の影響のない周波数を選定する。例えば、電路の周波数は一般に商用電源の周波数５０Ｈｚ，（又は６０Ｈｚ）であり、この商用電源に多く含まれる第三高調波は１５０Ｈｚ，（１８０Ｈｚ）であるから、これらの周波数に影響を与えない周波数、例えば１６６Ｈｚを選定し、また電圧は医療機器等に影響を与えない程度に低い電圧、例えば１２．５Ｖ程度とする。

非接地電路の絶縁監視は、信号電源１１で電路Ｐ₁と大地Ｅ間及びＰ₂と大地Ｅ間に上記の設例により１６６Ｈｚ、１２．５Ｖの検出信号を与え、このとき流れる電流を信号電流検出用抵抗体１２で検出し、検出信号入力回路２０Ａによって検出信号１６６Ｈｚにおける検出信号を演算手段３０に送って、該演算手段３０で電路と大地間の絶縁抵抗および対地静電容量を計測する。

この計測は、高抵抗体１０の抵抗をＺ₀，電路Ｐ₁およびＰ₂の各電路と大地間の１６６Ｈｚにおけるインピーダンスを夫々Ｚ₁´およびＺ₂´とすると、電路と大地間の１６６Ｈｚにおける総合インピーダンスＺ₃´は、
Ｚ₃´＝１／｛（１／Ｚ₁´）＋（１／Ｚ₂´）｝ ………（１）
となる。

検出回路に流れる電流ｉを信号電流検出用抵抗体１２の検出用抵抗体で検出する。

信号電源１１の電圧をＶ₁₁とすると、
ｉ＝Ｖ₁₁／（Ｚ₃´＋Ｚ₀） ………（２）
Ｚ₃´＝（Ｖ₁₁／ｉ）−Ｚ₀ ………（３）
で１６６Ｈｚにおける総合インピーダンスを求め、この総合インピーダンスＺ₃´から絶縁抵抗及び対地静電容量を求める。

このＺ₃´から絶縁抵抗及び対地静電容量は次の演算によって求めることができる。

Ｚ₁´の抵抗分をＲ₁、静電容量分をＣ₁、同様にＺ₂´の抵抗分をＲ₂、静電容量分をＣ₂とすると、検出用信号電源から見たＺ₁´とＺ₂´は電路と大地間に並列に挿入されたインピーダンスになるから抵抗分をＲ₁₂としたときＲ₁₂＝Ｒ₁×Ｒ₂／（Ｒ₁＋Ｒ₂）、静電容量分をＣ₁₂としたときＣ₁₂＝Ｃ₁＋Ｃ₂となり、
Ｚ₃´＝１／（１／Ｒ₁₂＋ｊωＣ₁₂）
と表すことができる。但しω＝２πf
このとき、1／Ｒ₁₂とｊωＣ₁₂の位相角φは、φ＝ｔａｎ^-1（ωＲ₁₂Ｃ₁₂）となる。

この位相角φは、印加した検出信号と電路インピーダンスにより変化する信号の差分の信号と、電路インピーダンスにより変化する信号の位相差に等しい。印加した検出信号の値及び位相は本装置内で発生させるため既知で、電路インピーダンスにより変化する信号の値は、検出用信号電源１１と直列に接続された高抵抗値の抵抗体と検出回路に流れる電流ｉとの積で、位相は電流ｉと同相であるから、差分の信号の値及び位相は計算により求められ、電路インピーダンスにより変化する信号の位相と差分の信号の位相から位相差φを求める事ができる。従って、Ｚ₃´から抵抗値Ｒ₁₂及び静電容量値Ｃ₁₂を
Ｒ₁₂＝Ｚ₃´／ｃｏｓφ
Ｃ₁₂＝１／Ｚ₃´×ｓｉｎφ／２πｆ 但しｆ＝１６６Ｈｚ
で求め、商用周波数のインピーダンスに換算したＺ３は
Ｚ₃＝1／（1／Ｒ₁₂＋ｊ２πｆＣ₁₂）………（４）但しｆ＝５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ
として求める事ができる。これらの演算は、演算手段３０によって行われる。

次に、演算手段３０は、電路の周波数（商用周波数）の信号を電路信号入力回路２０Ｂを介して取り込む。この商用周波数信号は、中性点と大地間の零相電圧（Ｖ₀）に相当し、この零相電圧と電路電圧信号入力回路３１で計測した電路の線間電圧から各電路Ｐ₁，Ｐ₂と大地間電圧Ｖ₁，Ｖ₂を求め、前記の商用周波数のインピーダンスに換算したインピーダンスＺ３を用いて各電路Ｐ₁，Ｐ₂と大地間のインピーダンスを求める。そして、このインピーダンスと電路電圧から、一線が導体で接地されたとき流れるであろう電流を求め、あらかじめ設定した電流値を超えたとき警報信号を警報手段４０に出力して警報を発する。

次に、電路Ｐ₁およびＰ₂と大地間の商用周波数におけるインピーダンスの演算について説明する。

図２は、商用周波数信号検出部分の等価回路で、次式により各電路Ｐ₁およびＰ₂のインピーダンスを求める。

位意の点に流れ込む電流の総和はキルヒホッフの法則により零であるから、図２のＧ点に流れ込む電流をｉ₀，ｉ₁，ｉ₂とすると、
ｉ₀＋ｉ₁＋ｉ₂＝０ ………（５）
またｉ₀＝Ｖ₀／Ｚ₀，ｉ₁＝Ｖ₁／Ｚ₁，ｉ₂＝Ｖ₂／Ｚ₂
また１／Ｚ₀，１／Ｚ₁，１／Ｚ₂を夫々アドミツタンスＹ₀，Ｙ₁，Ｙ₂に置き換えると電路と大地間の総合アドミツタンスＹ₃は、Ｙ₃＝Ｙ₁＋Ｙ₂となる。

ここでＺ₀は検出回路に挿入する高抵抗体で既知の値で、従ってＹ₀も既知となる。また、Ｙ₃は（４）式で求めた商用周波数のインピーダンスＺ₃の逆数であるからこの値も既知である。
（５）式を書き換えると、
（Ｖ₀・Ｙ₀）＋（Ｖ₁・Ｙ₁）＋（Ｖ₂・Ｙ₂）＝０
Ｖ₁・Ｙ₁＝−（Ｖ₀・Ｙ₀＋Ｖ₂・Ｙ₂） ………（６）
Ｙ₂＝Ｙ₃−Ｙ₁であるから（６）式は
Ｖ₁・Ｙ₁＝−（Ｖ₀・Ｙ₀＋Ｖ₂・Ｙ₃−Ｖ₂・Ｙ₁）
Ｖ₁・Ｙ₁−Ｖ₂・Ｙ₁＝−（Ｖ₀・Ｙ₀＋Ｙ₂・Ｙ₃）
となり、Ｙ₁を求めると、
Ｙ₁＝−（Ｖ₀・Ｙ₀＋Ｖ₂・Ｙ₃）／（Ｖ₁−Ｖ₂）
Ｚ₁＝１／Ｙ₁で一方の電路Ｐ₁のインピーダンスが求められる。

同様にして、他方の電路Ｐ₂のインピーダンスが求められる。

即ち、Ｙ₂＝−（Ｖ₀・Ｙ₀＋Ｖ₁・Ｙ₃）／（Ｖ₂−Ｖ₁）
Ｚ₂＝１／Ｙ₂
この演算を演算回路３０で演算し、求められた各インピーダンスで電路電圧を除した電流値のどちらかが予め設定した設定レベル以上のとき警報手段４０から警報を出す。

なお、上記の説明では、信号電源の周波数を１６６Ｈｚの例について説明したが、電路の周波数と異なる周波数であれば、いかなる周波数でも良い。

本発明の実施の形態の構成図。 商用周波数信号検出部分の等価回路図。 従来の非接地電路絶縁監視装置の説明図。 従来の非接地電路絶縁監視装置の検出信号の説明図。

符号の説明

１０…高抵抗体
１１…信号電源
１２…信号電流検出用抵抗体
２０…演算部入力手段
２０Ａ…検出信号入力回路
２０Ｂ…電路信号入力回路
２１Ａ，２１Ｂ…フィルタ
２２Ａ，２２Ｂ…増幅器
２３Ａ，２３Ｂ…Ａ／Ｄ変換回路
３０…演算手段
３１…電路電圧信号入力回路
４０…警報手段
５１，５２…対地間インピーダンス

Claims (3)

1. 非接地電路Ｐ₁、Ｐ₂を有するトランスの中性点と大地間に、電路の周波数と異なる周波数の電圧検出信号を発生する信号電源と高抵抗値の抵抗体とを直列接続して検出回路を形成し、この検出回路に流れる電流を電流検出手段で検出して、前記検出信号の電流から電路と大地間の総合インピーダンスを計測し、この計測した総合インピーダンスを電路の周波数による総合インピーダンスに換算して、換算した総合インピーダンスと電路の対地電圧から電路Ｐ₁と大地間及びＰ₂と大地間の絶縁抵抗を夫々監視することができるようにしたことを特徴とする非接地電路の絶縁監視方法。
2. 換算したインピーダンスと電路の電圧から一線が導体で接地されたとき流れるであろう電流値を算出し、該電流値があらかじめ設定した電流値を超えたとき警報信号を出力するようにしたことを特徴とする請求項１記載の非接地電路の絶縁監視方法。
3. 非接地電路Ｐ₁、Ｐ₂を有するトランスの中性点と大地間に、高抵抗体と電路の周波数と異なる周波数の電圧検出信号を発生する信号電源とを直列接続して形成した検出回路と、該検出回路に流れる電流を検出する電流検出手段と、該電流検出手段で検出した電流から検出信号の周波数と電路の周波数による電流を分別して取り出し演算手段に入力する演算部入力手段と、電路電圧信号を入力する電路電圧検出回路と、該電路電圧信号を演算手段に入力する演算部入力手段と、夫々の演算部入力手段から入力した信号で検出信号の周波数による電路と大地間の総合インピーダンスを算出し、この演算した総合インピーダンスを電路の周波数の総合インピーダンスに換算し、電路Ｐ₁と大地間及び電路Ｐ₂と大地間のインピーダンスを求め、一線が導体で接地されたとき流れるであろう電流値を算出する演算手段を備えたことを特徴とする非接地電路の絶縁監視装置。

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