JP2011115004A - 保護継電器 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な回路構成とすることなく、一つの接点入力回路にて広範囲入力電圧での閾値電圧を調整することができ、しかも発熱量を軽減できる入力回路を有した保護継電器を提供することである。
【解決手段】外部入力電圧が予め設定した閾値電圧より大きいか否かで外部機器の状態を検出する入力回路１２と、入力回路１２で検出した検出信号を取り込み保護リレー演算を行う演算部１３とを備え、入力回路１２は、外部入力電圧が閾値電圧以上であるとき外部入力電圧を分圧する分圧抵抗で得られた分圧電圧により導通するスイッチング手段１４と、スイッチング手段１４が導通したときに定電流を供給する定電流出力回路の定電流により動作し演算部１３に動作信号を出力するフォトカプラ１６とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、外部入力電圧が予め設定した閾値電圧より大きいか否かで外部機器の状態を検出する入力回路を有する保護継電器に関する。

例えば、電力系統を保護する保護継電器は、入力電流や入力電圧の大きさ、位相関係等により系統事故を検出し保護制御演算を行って電力系統を保護するものである。その場合、外部機器の状態は接点入力信号で入力するようにしており、例えば、予め定めた閾値電圧に対する外部入力電圧値の大小により接点入力（Binary Input）を検出するようにしている。

従来の接点入力回路は、限流抵抗方式としてフォトカプラに直列または並列それぞれに接続した抵抗により、フォトカプラに流れる電流値を調節し閾値電圧を設定することによって接点入力の検出や不検出の判定を実現している。それぞれの接点入力回路は１回路に対し１つの閾値電圧の設定となっている。そのため、複数の閾値電圧に対応するためには、外部入力電圧に対するの閾値電圧の設定を変更する必要がある。そこで、閾値電圧の設定を変更するために抵抗定数を変更した当該回路を用意し、その回路基板を実装するようにして対応する場合が多い。

限流抵抗方式の接点入力回路において、検出した接点入力信号を演算部に送信するフォトカプラ出力をスイッチング素子でＯＮ／ＯＦＦ制御することにより、デューティー比を可変可能にし発熱を低減させるプログラマブルコントローラの入力回路がある（例えば、特許文献１参照）。また、バイパス電流回路を用いて接点入力回路の発熱低減を図るとともに、抵抗分圧とツェナーダイオードとにより規定される電圧値より２つのトランジスタをＯＮ状態にして定電流回路を実現したものがある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００８−１５２３０９号公報 特開２００５−１０１７８１号公報

ところが、従来の限流抵抗方式による接点入力回路では、閾値電圧調整のために直列に接続した抵抗での消費電力が大きくなり機器の温度上昇の原因となる。また、フォトカプラが発光する順電流値を抵抗により調整しており、フォトカプラの性能に左右されるため、一つの接点入力回路にて広範囲入力電圧での閾値電圧を調整することが難しい。そのため、一つの接点入力回路にて広範囲で複数の閾値電圧の設定を可能とさせようとした場合、ただ抵抗定数を変更するだけでは閾値電圧調整ができない。

また、特許文献１のものでは、フォトカプラ出力を読み込むときだけスイッチング素子をＯＮするので、限流抵抗による発熱を低減できるが、一つの接点入力回路にて広範囲入力電圧での閾値電圧を調整することが難しい。また、特許文献２のものでは、バイパス電流回路を設けているので、一つの接点入力回路にて広範囲入力電圧での閾値電圧を調整できるが回路構成が複雑となる。

本発明の目的は、複雑な回路構成とすることなく、一つの接点入力回路にて広範囲入力電圧での閾値電圧を調整することができ、しかも発熱量を軽減できる入力回路を有した保護継電器を提供することである。

本発明に係る保護継電器は、外部入力電圧が予め設定した閾値電圧より大きいか否かで外部機器の状態を検出する入力回路と、前記入力回路で検出した検出信号を取り込み保護リレー演算を行う演算部とを備えた保護継電器において、前記入力回路は、前記外部入力電圧が前記閾値電圧以上であるとき前記外部入力電圧を分圧する分圧抵抗で得られた分圧電圧により導通するスイッチング手段と、前記スイッチング手段が導通したときに定電流を供給する定電流出力回路の定電流により動作し前記演算部に動作信号を出力するフォトカプラとを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、複雑な回路構成とすることなく、一つの接点入力回路にて広範囲入力電圧での閾値電圧を調整することができ、しかも発熱量を軽減できる入力回路を有した保護継電器を提供できる。

本発明の実施の形態に係る保護継電器の構成図。 本発明の実施の形態に係る保護継電器の入力回路における閾値電圧の変更を行う閾値電圧調整手段の説明図。 本発明の第２の実施の形態に係る保護継電器の構成図。

以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の実施の形態に係る保護継電器の構成図である。保護継電器１１は外部機器の状態を検出する入力回路１２と、入力回路１２で検出した検出信号を取り込み保護リレー演算を行う演算部１３とから構成されている。

入力回路１２は、外部入力電圧Ｖｉが予め設定した閾値電圧より大きいか否かで外部機器の状態を検出するものである。外部機器の状態を表す外部入力電圧Ｖｉは、入力回路１２の正極線と負極線との間に入力され抵抗Ｒｆ、Ｒｂ、Ｒｓで分圧される。そして、分圧抵抗Ｒｆ、Ｒｂの接続点での分圧電圧は、スイッチング手段１４であるトランジスタのベースに入力される。スイッチング手段１４のベースと負極線との間にはツェナーダイオード１５が接続され、スイッチング手段１４のエミッタと負極線との間には抵抗Ｒｓが接続され、また、スイッチング素子１４のコレクタと正極線との間には、抵抗Ｒｘを介してフォトカプラ１６の発光ダイオードが接続されている。

一方、フォトカプラ１６の発光ダイオードの光により動作するフォトトランジスタは正極線と負極線との間に抵抗Ｒｙを介して接続され、フォトカプラ１６のフォトトランジスタが動作したときに演算部１３に出力電圧Ｖｏを出力するように構成されている。

すなわち、入力回路１２は、外部入力電圧Ｖｉに対する抵抗Ｒｆと抵抗Ｒｂの分圧値とツェナーダイオード１５のツェナー電圧とにより、スイッチング手段１４のベース電流を調整し、スイッチング手段１４をスイッチング制御をする。そのため、抵抗Ｒｆと抵抗Ｒｂとの接続点の分圧値より検出閾値電圧の設定が可能となる。

スイッチング制御をしているスイッチング手段１４がＯＮ状態の場合、フォトカプラ１６に定電流が流れ、フォトカプラ１６の発光ダイオードが発光する。これにより、入力回路１２より検出信号を演算部１３へ送信する。定電流値はスイッチング手段１４のベースとエミッタとの間の電圧と、ツェナーダイオード１５のツェナー電圧、抵抗Ｒｓより調整し、フォトカプラ１６が安定的に動作する電流値に設定する。

従って、スイッチング手段１４は、外部入力電圧Ｖｉが閾値電圧以上であるときに、外部入力電圧Ｖｉを分圧する分圧抵抗Ｒｆ、Ｒｂの接続点の分圧電圧により導通する。定電流を供給する定電流出力回路は、スイッチング手段１４のベース−エミッタ間、ツェナーダイオード１５、抵抗Ｒｓで形成され、フォトカプラ１６はスイッチング手段１４が導通したときに定電流出力回路の定電流により動作し、演算部１３に動作信号を出力する。

これにより、従来の限流抵抗方式による入力回路に比べ、フォトカプラ１６の順電流に依存することなく閾値電圧を抵抗分圧により設定することができ、１点の抵抗に消費電力が集中することがなくなり発熱量を低減できる。さらに、定電流動作であるため、例えば１．５ｍＡ程度のフォトカプラ１６の安定動作電流での使用が可能となる。なお、閾値電圧を変更するには、抵抗Ｒｆの定数を変更して行うことになる。例えば、必要な定数の抵抗を備え短絡コネクタ等で切り替えることで閾値電圧を変更する。

また、図２に示すように、入力回路における閾値電圧の変更を行う閾値電圧調整手段１７を設けて閾値電圧を変更するようにしてもよい。図２において、抵抗Ｒｆは複数の抵抗Ｒｆ１〜Ｒｆｎで構成され、各々の抵抗Ｒｆ１〜Ｒｆｎに並列にバイパス用スイッチング素子１８を設ける。そして、演算部１３からの閾値電圧の変更指令Ｄにより、バイパス用スイッチング素子１８のオンオフを制御して、抵抗Ｒｆの全体の値を変更する。これにより、分圧抵抗Ｒｆ、Ｒｂの接続点の分圧電圧がスイッチング手段１４を導通させる電圧に維持しつつ、分圧抵抗Ｒｆ、Ｒｂの分圧比を調整して外部入力電圧Ｖｉに対する閾値電圧を調整して閾値電圧を変更する。

すなわち、抵抗Ｒｆの抵抗値の調整回路として、複数の直列接続した抵抗Ｒｆ１〜Ｒｆｎに対し、それぞれにバイパス用スイッチング素子１８を接続する。図２ではバイパス用スイッチング素子１８は、フォトカプラを用いた場合を示している。

バイパス用スイッチング素子１８のＯＮ／ＯＦＦ制御によって抵抗Ｒｆの全体の抵抗値を調整し、入力回路１２の閾値電圧を切り替える。つまり、バイパス用スイッチング素子１８であるフォトカプラに対し、保護継電器の演算部１３から閾値電圧の変更指令Ｄを送信することで直列抵抗の合成抵抗値の調整が可能となり、ユーザが直接基板に触れることなく当該演算部１３のソフトウェアより閾値電圧の切り替えが可能となる。

バイパス用スイッチング素子１８としてフォトカプラを適用しているのは、例えば、外部入力電圧の２４Ｖ、４８Ｖ、１１０Ｖ、２２０Ｖなどの入力回路１２への入力に対し３．３Ｖや５Ｖの弱電回路である演算部１３と絶縁を図るためである。

なお、絶縁によるスイッチ動作が目的であり、バイパス用スイッチング素子１８はフォトカプラに限定されるものではない。図１に示したとおり、入力回路１２は定電流入力回路であり分圧抵抗により閾値電圧を設定しているため、例えば、２４Ｖ、４８Ｖ、１１０Ｖ、２２０Ｖといった広範囲の入力電圧に対して閾値電圧を設定することができる。

これにより、閾値電圧の変更の際に、基板への短絡コネクタ等の取り付けや取り外し作業を不要とし、保護継電器に組み込んでいる演算部１３のソフトウェアによる設定で容易に当該閾値電圧を可変とすることができる。

第１の実施の形態によれば、直列に接続した抵抗Ｒｆ、Ｒｂ、Ｒｓでの消費電力を抑えることで保護継電器１１の内部の温度上昇を低減させ、さらに一つの入力回路１２にて複数の広範囲の閾値電圧の設定を可能できる。また、閾値電圧調整手段を設けた場合には、一つの入力回路１２にて複数の閾値電圧の設定が容易に行える。

次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。図３は本発明の第２の実施の形態に係る保護継電器の構成図である。この第２の実施の形態は、限流抵抗回路を利用して複数の閾値電圧の切り替えを行えるようにした入力回路１２を備えたものである。

図３に示すように、入力回路１２は外部入力電圧Ｖｉを限流抵抗回路の直列抵抗Ｒ１〜Ｒ４に入力する。そして、限流抵抗回路の抵抗Ｒ２〜Ｒ４はそれぞれ複数の異なる閾値電圧を検出する入力検出部１９ａ〜１９ｃを構成している。そして、入力検出部１９ａ〜１９ｃの抵抗Ｒ２〜Ｒ４には、それぞれ並列にフォトカプラ２０ａ〜２０ｃが接続されている。フォトカプラ２０ａ〜２０ｃは、外部入力電圧Ｖｉが自己の検出する閾値電圧以上となったときに動作し、マルチプレクサ２１を介して演算部１３に動作信号を出力する。

すなわち、限流抵抗回路は、直列の抵抗Ｒ１と各々のフォトカプラ２０ａ〜２０ｃと並列の抵抗Ｒ２〜Ｒ４より各々のフォトカプラ２０ａ〜２０ｃの順電流を調整し、検出する閾値電圧を調整する。

複数のフォトカプラ２０ａ〜２０ｃにより入力信号を検出することで、一つの入力回路１２（一つの入力電圧Ｖｉ）で複数の検出すべき閾値電圧を一度に検出できる。図３の３つのフォトカプラ２０ａ〜２０ｃにおいて、例えば、フォトカプラ２０ａは閾値４８Ｖによる判定結果、フォトカプラ２０ｂは閾値１１０Ｖによる判定結果、フォトカプラ２０ｃは閾値２２０Ｖによる判定結果となるように、各々のフォトカプラ２０ａ〜２０ｃの順電流を調整しておくと、意図する閾値電圧での入力信号を検出できる。

例えば、外部入力電圧Ｖｉが最小の閾値４８Ｖ以下の４５Ｖであるときは、フォトカプラ２０ａ〜２０ｃのいずれも不動作であり、外部入力電圧Ｖｉが最小の閾値４８Ｖ〜中間の閾値１１０Ｖの範囲である５０Ｖであるときは、フォトカプラ２０ａが動作しフォトカプラ２０ｂ、２０ｃは不動作である。また、外部入力電圧Ｖｉが中間の閾値１１０Ｖ〜最大の閾値２２０Ｖの範囲の１２０Ｖであるときは、フォトカプラ２０ａ、２０ｂが動作しフォトカプラ２０ｃは不動作であり、外部入力電圧Ｖｉが最大の閾値以上の２３０Ｖであるときは、フォトカプラ２０ａ〜２０ｃはすべて動作する。これにより、意図する閾値電圧での入力信号を検出できる。

このように、各々の入力検出部１９ａ〜１９ｃは、外部入力電圧Ｖｉを分圧して入力し複数の異なる閾値電圧を検出し、入力検出部１９ａ〜１９ｃにそれぞれ並列に接続されたフォトカプラ２０ａ〜２０ｃは、外部入力電圧Ｖｉが自己の検出する閾値電圧以上となったときにマルチプレクサ２１を介して演算部１３に動作信号を出力する。

マルチプレクサ２１は、フォトカプラ２０ａ〜２０ｃの動作信号を入力し、演算部１３からの選択信号Ｓで指定されたフォトカプラ２０ａ〜２０ｃの動作信号を演算部１３に出力するものである。すなわち、マルチプレクサ２１は、各々のフォトカプラ２０ａ〜２０ｃの出力信号を演算部１３からの選択信号Ｓにより選択することによって、一つの入力回路１２（一つの入力電圧Ｖｉ）上で設定された複数の検出すべき閾値電圧の中から必要な条件の閾値判定結果を取得できる。

なお、マルチプレクサ２１に対し、保護継電器１１の演算部１３より選択信号Ｓを送信することによって意図する検出すべき閾値電圧のみの出力値に切り替えるようにしたが、マルチプレクサ２１を省略して、各々のフォトカプラ２０ａ〜２０ｃの出力信号を演算部１３にすべて出力するようにしてもよい。この場合、演算部１３は入力した各々のフォトカプラ２０ａ〜２０ｃの出力信号の中から意図する検出すべき閾値電圧のみの出力値を選択することになる。

また、演算部１３は、入力した各々のフォトカプラ２０ａ〜２０ｃの出力信号（動作信号及び不動作信号）に基づいて、フォトカプラ２０ａ〜２０ｃの動作及び不動作の組合せを判定して入力回路１２の不良を監視することも可能である。フォトカプラ２０ａ〜２０ｃの動作及び不動作の組合せを表１に示す。

表１に示すように、閾値電圧の条件として、フォトカプラ２０ａは３４Ｖ以上でＯＮ、フォトカプラ２０ｂは７７Ｖ以上でＯＮ、フォトカプラ２０ｃは１５４Ｖ以上でＯＮであるとする。表１では、この３つの閾値電圧の条件に対し入力電圧Ｖｉが１１０Vの場合を示している。

図３の入力回路１２が正常であれば、入力電圧Ｖｉが１１０Ｖのときは、フォトカプラ２０ａ〜２０ｃの出力信号のＯＮ／ＯＦＦ状態は表１の状態１の判定となる。これに対し、例えば、表１の状態２の結果が得られたとすると、３４Ｖの閾値の入力検出部１９ａ及びフォトカプラ２０ａの出力が異常と診断できる。

このように、特定の閾値電圧の判定結果だけでなく、複数の閾値電圧から判定結果を全て入力してこれらの組合せを判断することによって入力回路１２を監視することができる。すなわち、外部入力電圧Ｖｉにより各々のフォトカプラ２０ａ〜２０ｃの発光の有無等を判断し、相互にフォトカプラ２０ａ〜２０ｃの発光状態ならびにその周辺回路の健全性を演算部１３のソフトウェアより常時監視することができる。

第２の実施の形態によれば、従来の限流抵抗方式を用いて、一つの入力電圧値の入力回路１２にて複数の閾値電圧の設定を可能とすることができる。また、それぞれの入力検出部の検出結果を利用して相互の入力検出部１９ａ〜１９ｃ及びフォトカプラ２０ａ〜２０ｃ等の監視もできる。

１１…保護継電器、１２…入力回路、１３…演算部、１４…スイッチング手段、１５…ツェナーダイオード、１６…フォトカプラ、１７…閾値電圧調整手段、１８…バイパス用スイッチング素子、１９…入力検出部、２０…フォトカプラ、２１…マルチプレクサ

Claims (5)

1. 外部入力電圧が予め設定した閾値電圧より大きいか否かで外部機器の状態を検出する入力回路と、前記入力回路で検出した検出信号を取り込み保護リレー演算を行う演算部とを備えた保護継電器において、前記入力回路は、前記外部入力電圧が前記閾値電圧以上であるとき前記外部入力電圧を分圧する分圧抵抗で得られた分圧電圧により導通するスイッチング手段と、前記スイッチング手段が導通したときに定電流を供給する定電流出力回路の定電流により動作し前記演算部に動作信号を出力するフォトカプラとを備えたことを特徴とする保護継電器。
2. 前記分圧抵抗で得られた分圧電圧が前記スイッチング手段を導通させる電圧に維持しつつ、前記分圧抵抗の分圧比を調整して前記外部入力電圧に対する前記閾値電圧を調整する閾値電圧調整手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の保護継電器。
3. 外部入力電圧が予め設定した閾値電圧より大きいか否かで外部機器の状態を検出する入力回路と、前記入力回路で検出した検出信号を取り込み保護リレー演算を行う演算部とを備えた保護継電器において、前記入力回路は、前記外部入力電圧を分圧して入力し複数の異なる閾値電圧を検出する複数の入力検出部と、前記入力検出部にそれぞれ並列に接続され前記外部入力電圧が自己の検出する閾値電圧以上となったときに前記演算部に動作信号を出力するフォトカプラとを備えたことを特徴とする保護継電器。
4. 前記入力回路は、前記フォトカプラの動作信号を入力し、前記演算部からの選択信号で指定された前記フォトカプラの動作信号を出力するマルチプレクサを備えたことを特徴とする請求項３記載の保護継電装置。
5. 前記演算部は、前記フォトカプラの動作信号及び不動作信号を入力し、前記フォトカプラの動作及び不動作の組合せに基づいて前記入力回路不良を監視することを特徴とする請求項３または４記載の保護継電器。

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