JP2010210552A - 漏電検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズ除去の精度の低下を抑制するとともに、コストアップも抑制することが可能な漏電検出装置を提供する。
【解決手段】零相変流器５０から出力される漏電検出用アナログ電流信号の予め定められたｎ次成分以上の周波数成分をアナログフィルタ回路５０がカットする。Ａ／Ｄ変換部６０は、アナログフィルタ回路５０を通過後の前記漏電検出用アナログ電流信号Ｉａを漏電検出用デジタル電流信号ＩｄにＡ／Ｄ変換する。制御部１０は、Ａ／Ｄ変換部６０から出力された漏電検出用デジタル電流信号Ｉｄの２次成分からｎ次成分までの周波数成分に相当するデータをカットして、漏電検出用デジタル電流信号Ｉｄに含まれる基本周波数成分に相当する漏電判定用データを抽出し、抽出した漏電判定用データに基づいて漏電の有無を判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、漏電を検出する漏電検出装置に関する。

ビルや工場などの敷地内に設置される電気設備等には、漏電電流を検出することで漏電を検出する漏電検出装置が設けられることがある。

ビルや工場などの敷地内に設けられる電気設備は、その敷地内に長距離に亘って張り巡らされる配線を有し、その配線の一端には多くの負荷装置が接続される。このように長距離に亘って張り巡らされる配線は、周囲環境の影響を受けて電気的な高周波ノイズの発生源となることがある。また、配線の一端に接続される負荷装置の中には、インバータ装置等が接続されることがあり、インバータ装置等の負荷装置が高調波ノイズの発生源となることがある。そして、このような高周波ノイズや高調波ノイズが漏電電流に重畳されることで、漏電検出装置による漏電検出の精度に影響を与えることがある。

特許文献１には、回路の漏電を検出する漏電検出装置において、漏電検出対象となる主回路に存在する高調波を除去するためにアクティブフィルター機能を設ける点が開示されている。

特開平９−３２２３８３号公報

上記のような漏電検出装置において高調波ノイズや高周波ノイズを除去するためのフィルタ処理をコンデンサやオペアンプ等のハードウェアで構成する場合やソフトウェアで構成する場合が考えられる。

しかしながら、ハードウェアで構成する場合でもソフトウェアで構成する場合でも高調波ノイズや高周波ノイズを精度良く除去するためには、高性能のハードウェアやＣＰＵを搭載する必要があり、コストアップの要因となる。

本発明は、ノイズ除去の精度の低下を抑制するとともに、コストアップも抑制することが可能な漏電検出装置を提供することを目的とする。

本発明に係る漏電検出装置は、零相変流器からの漏電検知用アナログ電流信号の予め定められたｎ次成分以上の周波数成分をカットするアナログフィルタ回路と、前記アナログフィルタ回路を通過後の前記漏電検知用アナログ電流信号を漏電検知用デジタル電流信号にＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部と、前記Ａ／Ｄ変換部から出力された前記漏電検知用デジタル電流信号の２次成分からｎ次成分までの周波数成分に相当するデータをカットして、前記漏電検知用デジタル電流信号に含まれる基本周波数成分に相当する漏電判定用データを通過させるデジタルフィルタ部と、前記漏電判定用データに基づいて漏電の有無を判定する漏電判定部と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る漏電検出装置の一つの態様では、前記Ａ／Ｄ変換部は、前記アナログフィルタ回路を通過後の前記漏電検知用アナログ電流信号を電気角１５度間隔でサンプリングすることで得られるサンプリング値群を漏電検知用デジタル電流信号として出力し、前記デジタルフィルタ部は、ｙ［ｍ］＝（ｘ［ｍ］−ｘ［ｍ−６］＋ｘ［ｍ−２］−ｘ［ｍ−８］）／２√３、但し、ｙ［ｍ］：サンプリング点ｍにおける基本周波数成分の値、ｘ［ｍ］：サンプリング点ｍにおけるサンプリング値、により、前記漏電検知用デジタル電流信号から前記基本周波数成分の値を抽出し、抽出した前記基本周波数成分の値を前記漏電判定用データとして通過させる、ことを特徴とする。

本発明によれば、漏電電流に含まれるノイズ成分をアナログフィルタとデジタルフィルタとを併用して除去することで、ノイズ除去の精度の低下を抑制するとともに、コストアップも抑制することができる。

本実施形態に係る漏電検出装置の全体構成を示す図である。 本実施形態に係る漏電検出装置が備えるアナログフィルタ回路の回路構成を示す図である。 本実施形態に係る漏電検出装置が備える制御部の機能ブロックを示す図である。 漏電検出装置の漏電検出処理の手順を示すフローチャートである。

本発明を実施するための形態（以下、「実施形態」と称す）について、以下図面を用いて説明する。

図１は、本実施形態に係る漏電検出装置の全体構成を示す図である。

図１において、漏電検出装置１００は、交流電源に接続された検出対象の回路の漏電（地絡）電流を検出する零相変流器５０に接続され、零相変流器５０から入力される漏電検出用アナログ電流信号Ｉｏに基づいて検出対象の回路に対する漏電を検出する。

制御部１０は、例えばマイクロコンピュータにより構成され、漏電検出装置１００全体を制御する。

アナログフィルタ回路２０は、漏電検出用アナログ電流信号Ｉｏに対して、予め定められたｎ次（例えば、５次）成分以上の周波数成分を除去して漏電検出用アナログ電流信号Ｉａとして出力する。

Ａ／Ｄ変換部３０は、アナログフィルタ回路２０から出力されたアナログ信号である漏電検出用アナログ電流信号Ｉａを予め定められたサンプリング周期でサンプリングすることで、デジタル信号である漏電検出用デジタル電流信号Ｉｄに変換して出力する。より具体的には、Ａ／Ｄ変換部３０は、漏電検出用アナログ電流信号Ｉａを電気角１５度ごとにサンプリングすることでＡ／Ｄ変換して、漏電検出用デジタル電流信号Ｉｄとして出力する。この漏電検出用デジタル電流信号Ｉｄは、１０ビットのデータであり、０〜１０２３の符号無し値である。Ａ／Ｄ変換部３０は、リングバッファを有し、リングバッファに現在のサンプリング点から２４サンプリング前までのサンプリング値を常に格納し、サンプリングされる毎に最も古いサンプリング値を破棄し、新しいサンプリング値を格納する。さらに、Ａ／Ｄ変換部３０は、リングバッファに格納されたサンプリング値群を漏電検出用デジタル電流信号Ｉｄとして順次出力する。

制御部１０は、Ａ／Ｄ変換部３０から出力された漏電検出用デジタル電流信号Ｉｄから２次成分からｎ次成分までの周波数成分に相当するデータをカットし、漏電検出用デジタル電流信号Ｉｄに含まれる基本周波数成分に相当する漏電判定用データに基づいて漏電の有無を判定し、漏電が発生している場合にはその旨を漏電検出装置１００が内蔵するディスプレイ（不図示）に表示するなどして外部に通知する。

図２は、アナログフィルタ回路２０の回路構成を示す図である。図２に示すように、アナログフィルタ回路２０の入力端子Ｖｉｎと出力端子Ｖｏｕｔとの間にコンデンサＣと抵抗Ｒとを並列に接続する。さらに、アナログフィルタ回路２０は、オペアンプＡｍｐを備える。オペアンプＡｍｐの反転入力端子（−）は、コンデンサＣと抵抗Ｒとの入力端子Ｖｉｎ側の接点Ｐ１に接続され、非反転入力端子（＋）は、接地されている。また、オペアンプＡｍｐの出力端子は、コンデンサＣと抵抗Ｒとの出力端子Ｖｏｕｔ側の接点Ｐ２を介して出力端子Ｖｏｕｔに接続される。

本実施形態では、抵抗Ｒの抵抗値及びコンデンサＣの電気容量を調整することでアナログフィルタ回路２０がｎ次成分以上の周波数成分を除去するように構成している。

より具体的には、アナログフィルタ回路２０によるカットオフ周波数が、検出対象の漏電電流の周波数（例えば、５０Ｈｚ及び６０Ｈｚ）のｎ倍の周波数（例えば、ｎ＝５であれば、３００Ｈｚ）以上となるように、抵抗Ｒの抵抗値及びコンデンサＣの電気容量を調整する。このように抵抗Ｒの抵抗値及びコンデンサＣの電気容量を調整することで、アナログフィルタ回路２０において、漏電検出用アナログ電流信号Ｉｏに含まれるｎ次成分以上の周波数成分のノイズがカットされ、漏液検出用アナログ電流信号ＩａとしてＡ／Ｄ変換部３０に出力される。なお、後述の制御部１０を構成するＣＰＵの処理能力に余裕がある場合には、アナログフィルタ回路２０のカットオフ周波数を高くして、つまり「ｎ」を大きくして、後述のデジタルフィルタ部におけるノイズ処理の比重をアナログフィルタ回路のノイズ処理の比重より高くしてもよい。

図３は、制御部１０の機能ブロックを示す図である。制御部１０は、ＣＰＵ１１０、ＲＯＭ１１２、ＲＡＭ１１４、記憶装置１２０、及び入出力インタフェース１５０を備え、ＣＰＵ１１０、ＲＯＭ１１２、ＲＡＭ１１４、記憶装置１２０、及び入出力インタフェース１５０は、通信バス１６０を介して接続される。

ＣＰＵ１１０は、ＲＯＭ１１２に記憶されたＢＩＯＳプログラムなどの基本的な制御プログラムをＲＡＭ１１４に展開して、さらに記憶装置１２０に記憶された漏電を検出するためのプログラム１３０をＲＡＭ１１４に展開して、プログラム１３０を実行し、漏電の検出を行う。

記憶装置１２０には、プログラム１３０として、デジタルフィルタ部１３２と、漏電判定部１３４とが記憶されている。デジタルフィルタ部１３２は、Ａ／Ｄ変換部３０から出力された漏電検出用デジタル電流信号Ｉｄに含まれる２次成分からｎ次成分までの周波数成分に相当するデータをカットし、基本周波数（１次成分の周波数、例えば、電源２０として５０Ｈｚの商用電源を用いる場合には、５０Ｈｚ）成分に相当する漏電判定用データを通過させるソフトウェアである。

本実施形態において、デジタルフィルタ部１３２は、上記の通り、Ａ／Ｄ変換部３０から入力された漏電検出用デジタル電流信号Ｉｄに対して、デジタルフィルタリング処理を行い、基本周波数成分に相当する漏電判定用データを抽出する。

基本周波数成分の抽出は、例えば、以下の式（１）に基づいて行われる。

ｙ［ｍ］＝（ｘ［ｍ］−ｘ［ｍ−６］＋ｘ［ｍ−２］−ｘ［ｍ−８］）／２√３ ・・・（１）
ここで、ｘ［ｍ］は、サンプリング点ｍにおけるＡ／Ｄ変換値（サンプリング値）であり、ｙ［ｍ］は、サンプリング点ｍにおける基本周波数成分の値である。

なお、式（１）は、下記の差分フィルタと加算フィルタを要素とする。

差分フィルタ ｙ［ｍ］＝ｘ［ｍ］−ｘ［ｍ−６］ ・・・（２）
加算フィルタ ｙ［ｍ］＝ｘ［ｍ］＋ｘ［ｍ−２］ ・・・（３）
上記差分フィルタの式（２）により、直流成分、２次成分、４次成分、６次成分、・・・２ｎ次成分（ｎ＝０，１，２，・・・）が除去され、上記加算フィルタの式（３）により、３次、９次、１５次、・・・３（２ｎ＋１）次（ｎ＝０，１，２，・・・）が除去される。

漏電判定部１３４は、式（１）で求められた基本周波数成分ｙ［ｍ］を二乗し、二乗して得られた値を漏電電流の１周期分積算し、さらに、積算値を平方することで、漏電検出用アナログ電流信号Ｉｏに含まれる基本周波数成分に相当する漏電電流の実効値を算出し、その実効値が予め定められた閾値以上であれば、漏電が発生した旨を外部に通知する。

なお、本実施形態では、制御部１０とＡ／Ｄ変換部３０とをそれぞれ別々のユニットとして説明したが、例えば、制御部１０を構成するマイクロコンピュータにＡ／Ｄ変換部３０の機能を内蔵させても構わない。

図４は、漏電検出装置１００の漏電検出処理の手順を示すフローチャートである。

図４において、漏電検出装置１００は、零相変流器５０から入力された漏電検出用アナログ電流信号をアナログフィルタ回路２０においてアナログフィルタリング処理を実行し、ｎ次成分以上の周波数成分を除去し（Ｓ１００）、Ａ／Ｄ変換部３０において、アナログフィルタリング後の漏電検出用アナログ電流信号を予め定められたサンプリング周期でサンプリングすることでデジタル化処理を実行する（Ｓ１０２）。

続いて、漏電検出装置１００は、漏電検出用デジタル電流信号に対してデジタルフィルタリング処理を実行することで、漏電検出用デジタル電流信号から２次成分からｎ次成分までの周波数成分に相当するデータをカットし、基本周波数成分のデータに相当する漏電判定用データを抽出する（Ｓ１０４）。次いで、漏電検出装置１００は、漏電判定用データに基づいて漏電電流の実効値を算出し（Ｓ１０６）、算出された実効値が予め定められた閾値以上か否かを判定する（Ｓ１０８）。

判定の結果、実効値が閾値より小さければ（ステップＳ１０８の判定結果が、否定「Ｎ」）、漏電検出装置１００は、漏電が生じていないと判断して、処理を終了する。

一方、判定の結果、実効値が閾値以上であれば（ステップＳ１０８の判定結果が、肯定「Ｙ」）、漏電検出装置１００は、例えば内蔵のディスプレイに漏電が発生した旨のメッセージを表示することで、漏電の発生を外部に通知する（Ｓ１１０）。

以上の通り、本実施形態では、漏電検出装置１００は、漏電検出用アナログ電流信号に対して、まずアナログフィルタ回路２０においてｎ次成分以上の周波数成分を除去した後、さらにデジタルフィルタ部１３２にて２次成分からｎ次成分までの周波数成分を除去することで、基本周波数成分の抽出を行っている。

すなわち、本実施形態に係る漏電検出装置１００では、漏電電流に含まれるノイズ成分を、アナログフィルタとデジタルフィルタを併用して除去している。例えば、アナログフィルタのみで、すべての次数の周波数成分のノイズを除去しようとすると、電気容量の比較的大きいコンデンサを用いるなど回路の大型化やコスト増加を招くことがある。また、デジタルフィルタのみで、すべての次数の周波数成分のノイズを除去しようとすると、比較的大きい次数の周波数成分まで除去する必要があるため、デジタルフィルタを構成するマイクロコンピュータの処理能力を高速な仕様にする必要があり、コスト増加を招くことがある。

一方、本実施形態では、比較的次数の高い周波数成分については比較的安価に構成可能なアナログフィルタ回路で構成し、比較的次数の低い周波数成分については比較的処理能力が低く安価なマイクロコンピュータで構成可能なデジタルフィルタ回路で構成している。

よって、本実施形態によれば、ノイズ除去の精度の低下を抑制するとともに、コストアップも抑制することができる。

本発明は、零相変流器から出力される漏電電流に含まれるノイズ成分をアナログフィルタとデジタルフィルタを併用して除去することで、ノイズ除去の精度の低下を抑制するとともに、コストアップも抑制することができるので、漏電の発生を検出する漏電検出装置等に適用することができる。

１０ 制御部
２０ アナログフィルタ回路
３０ Ａ／Ｄ変換部
５０ 零相変流器
１００ 漏電検出装置
１１０ ＣＰＵ
１１２ ＲＯＭ
１１４ ＲＡＭ
１２０ 記憶装置
１３０ プログラム
１３２ デジタルフィルタ部
１３４ 漏電判定部
１５０ 入出力インタフェース
１６０ 通信バス

Claims (2)

1. 零相変流器からの漏電検知用アナログ電流信号の予め定められたｎ次成分以上の周波数成分をカットするアナログフィルタ回路と、
   前記アナログフィルタ回路を通過後の前記漏電検知用アナログ電流信号を漏電検知用デジタル電流信号にＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部と、
   前記Ａ／Ｄ変換部から出力された前記漏電検知用デジタル電流信号の２次成分からｎ次成分までの周波数成分に相当するデータをカットして、前記漏電検知用デジタル電流信号に含まれる基本周波数成分に相当する漏電判定用データを通過させるデジタルフィルタ部と、
   前記漏電判定用データに基づいて漏電の有無を判定する漏電判定部と、
   を備えることを特徴とする漏電検出装置。
2. 請求項１に記載の漏電検出装置において、
   前記Ａ／Ｄ変換部は、
   前記アナログフィルタ回路を通過後の前記漏電検知用アナログ電流信号を電気角１５度間隔でサンプリングすることで得られるサンプリング値群を漏電検知用デジタル電流信号として出力し、
   前記デジタルフィルタ部は、
   ｙ［ｍ］＝（ｘ［ｍ］−ｘ［ｍ−６］＋ｘ［ｍ−２］−ｘ［ｍ−８］）／２√３
   但し、
   ｙ［ｍ］：サンプリング点ｍにおける基本周波数成分の値
   ｘ［ｍ］：サンプリング点ｍにおけるサンプリング値
   により、前記漏電検知用デジタル電流信号から前記基本周波数成分の値を抽出し、抽出した前記基本周波数成分の値を前記漏電判定用データとして通過させる、
   ことを特徴とする漏電検出装置。