JP2013535001A - パルス電流センサー及び該センサーを有するサージ波記録型雷防護キャビネット - Google Patents

Abstract

パルス電流センサー及び該センサーを有するサージ波記録型雷防護キャビネットを提供する。パルス電流センサー（１７）は、対向して設けられた一対の半円弧状磁心（２２）を有し、この２つの半円弧状磁心（２２）の間にはエアギャップ（３０）が設けられている。該エアギャップ（３０）を囲むように非磁性かつ導電性の金属リング（２９）が設けられ、該非磁性かつ導電性の金属リング（２９）の内孔の軸線は半円弧状磁心（２２）の磁力線と一致する。半円弧状磁心（２２）にはコイル（２３）が巻かれ、該コイル（２３）から出力端子（３１）が引き出されている。アース線（１６）上にこのパルス電流センサー（１７）が設けられており、該パルス電流センサー（１７）においては、２つの半円弧状磁心（２２）の、対称に位置する２つの間隙（３０）に、それぞれ２つの非磁性かつ導電性の金属リング（２９）が設けられている。２つの半円弧状磁心（２２）の作用の下、パルス電流センサー（１７）に磁気回路飽和の現象が生じず、パルス電流センサーの出力精度及び出力範囲が向上する。

Description

本発明は、サージ波記録型の雷防護（あるいは避雷）キャビネットに関するものであり、具体的には雷撃電流及びサージ電流の波形を記録し調べることのできる雷防護キャビネットに関するものである。

現在、公知の雷防護キャビネットは、筐体と、接続端子と、導電接続線と、電極と、半導体チップと、機械式熱動引外し装置と、指示装置と、カウンター装置と、電流ピーク値表示装置と、取付治具とからなる。その動作原理は以下の通りである。雷防護キャビネットは、配電システム内の活線とアース線との間と、中性線とアース線との間とそれぞれに取り付けられる。この配電システムにおいて高電圧サージ波または雷電波が生じ、半導体チップがオンになると、チップ自体の高抵抗が急激に低下して低抵抗の導体に変わり、アースに放電される。すると、配電システムにおけるサージ高電圧が急激に低下する。アースへの放電後の電圧がある定格正常電圧まで下がると、半導体チップ自体の抵抗が迅速に増加し、オフの状態になる。このときに、半導体チップは絶縁体に相当し、配電システムの電圧が正常に戻ることにより、配電システムに生じた過電圧が排除される。表示装置は、電流ピーク値と、時間を表示し、カウンターはこのプロセスを１回と記録する。しかし、電気設備及び電子機器の電源品質に対する要求の高まりに伴い、電源及び信号線に生じるサージ波の把握、特に波形の幅、形状、大きさ、エネルギー及び発生時間の把握が必要となっているが、雷防護のプロセスにおいては、電流ピーク値と時間と回数とが表示されるのみで、この過電圧がどのようなサージ波または雷電波であるのかを特定し区別することができない。これではサージ波または雷電波によりもたらされる事故を分析することができず、このプロセスのエネルギーの大きさを表すことができないため、事故を全面的に評価することができない。

従来の雷防護キャビネットにおける、サージ波または雷電波の波形及びエネルギーの大きさの特定及び記録ができないという問題を解決するため、本発明は、過電圧の波形を完全に記録することのできる雷防護キャビネットを提供する。この雷防護キャビネットは、通過するたびに雷電波、サージ波の過電圧発生時間と、波形形状と、パラメータとを特定して記録することができ、従来の雷防護キャビネットの、波形を記録できず、雷電またはサージ波によりもたらされる事故を分析して評価することができないという問題を解決する。

上記問題を解決するため、本発明は以下の技術手法を採用する。

本発明におけるパルス電流センサーは、対向して設けられた一対の半円弧状磁心を有する。２つの半円弧状磁心の間にはエアギャップが設けられ、該エアギャップを囲むように非磁性かつ導電性の金属リングが設けられ、該非磁性かつ導電性の金属リングの内孔の軸線は半円弧状磁心の磁力線と一致している。前記半円弧状磁心にはコイルが巻かれ、該コイルから出力端子が引き出されている。

他の形態では、前記半円弧状磁心は、絶縁台座と磁気シールド筐体とによりできるキャビティ内に設けられている。

他の形態では、前記絶縁台座に導電ピラーが設けられている。

本発明における、上記パルス電流センサーを有するサージ波記録型雷防護キャビネットは、活線及び中性線の各々に直列に設けられたスイッチと、熱動引外し継電器と、電極とを有している。該電極の両極間には半導体チップが設けられ、前記活線及び中性線はいずれもアース線に接続されている。前記アース線にパルス電流センサーが設けられ、該パルス電流センサーは、Ａ／Ｄ変換インターフェースを通じてシングルチップマイクロプロセッサに接続され、該シングルチップマイクロプロセッサは、スクリーンに接続されている。

他の形態によれば、前記シングルチップマイクロプロセッサは、通信インターフェースを通じてコンピュータシステムに接続され、該コンピュータシステムは表示装置及びプリンタに接続されている。

他の形態によれば、前記通信インターフェースは、ＲＳ２３２インターフェースである。

他の形態によれば、前記シングルチップマイクロプロセッサは、さらに予備電池に接続されている。

他の形態によれば、前記活線及び中性線の各々に、動作無効インジケータ及び動作正常インジケータが設けられている。

上記技術手法を採用した本発明において、アース線上にパルス電流センサーが設けられている。前記パルス電流センサーにおいては、２つの半円弧状磁心の、対称に位置する２つの間隙にそれぞれ２つの非磁性かつ導電性の金属リングが設けられている。これにより、２つの半円弧状磁心の作用の下、前記パルス電流センサーに磁気回路飽和現象が生じず、パルス電流センサーの出力精度及び出力範囲が向上する。よって、電圧波形図の全体を表すことができ、前記パルス電流センサーの測定感度を向上させ、測定誤差を小さくすることができる。そして、雷電波またはサージ波が発生すると、半導体チップがオンになり、過電圧がアース線によりアースに放電される。アース線上に取り付けられているパルス電流センサーにより収集されたデータは、抵抗分圧と、絶縁増幅と、レベル変換と、Ａ／Ｄ変換とを経て、さらに補助絶縁と、トリガ比較と、ＣＰＬＤ制御とを経て、シングルチップマイクロプロセッサシステムによりフラッシュメモリに保存され、スクリーンに表示される。コンピュータソフトウェアシステムは、保存あるいは記録された波形図、時間、パラメータの全てをコンピュータに転送することができ、パラメータ座標を有する表示装置にそれぞれ表示し、波形と実際の時間と履歴記録とを印字することができる。すなわち、雷電またはサージ波によってもたらされた事故を直観的に分析し判定することができる。

本発明におけるパルス電流センサーの電気原理構造図である。 本発明におけるパルス電流センサーの全体構造の概略図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 本発明におけるサージ波記録型雷防護キャビネットの構造概略図である。 本発明におけるサージ波記録型雷防護キャビネットの回路原理ブロック図である。 本発明におけるサージ波記録型雷防護キャビネットが電流波形を取得するフロー図である。 本発明におけるサージ波記録型雷防護キャビネットが最終的に得ることのできる電流波形図である。

図１に示すように、本実施例におけるパルス電流センサーは、対向して設けられた一対の半円弧状磁心２２を有する。この２つの半円弧状磁心２２の間には、エアギャップ３０が設けられている。このエアギャップ３０を囲むように非磁性かつ導電性の金属リング２９が設けられ、この非磁性かつ導電性の金属リング２９の内孔の軸線は、半円弧状磁心２２の磁力線と一致している。半円弧状磁心２２にはコイル２３が巻かれており、このコイル２３から出力端子３１が引き出されている。ここで留意すべきは、本発明における半円弧状磁心２２は、半円に類似した形状であり、すなわち２つの規則的な半円とし、その間にエアギャップ３０を設けることもできれば、半円よりもやや小さい一対の円弧状とし、その２つの円弧状の間をエアギャップ３０とすることもできるということである。

前記パルス電流センサーは、ロゴスキー・コイルを改良したものであり、その具体的な消磁の原理は以下の通りである。

まず、本来閉じている全円状磁心を２つの半円弧状磁心２２に変える。すると、２つの半円弧状磁心２２及び２つのエアギャップ３０がともに磁気回路を構成することになる。エアギャップ３０の磁気抵抗は、２つの半円弧状磁心２２の磁性材料の磁気抵抗よりもはるかに大きいため、大部分の磁界エネルギーがエアギャップ３０の中に集まる。これにより、元の磁界よりさらに大きな磁界強度を受けることができる。次に、２つの半円弧状磁心２２及び２つのエアギャップ３０がともに構成する磁気回路上に磁界が生じるとともに、エアギャップ３０は、磁気回路の中心線に沿った２つの非磁性かつ導電性の金属リング２９により径方向に包囲される。そして、２つの非磁性かつ導電性の金属リング２９内に前記径方向のリング電流が生ずる。２つの非磁性かつ導電性の金属リング２９内のリング電流によって生成される磁界は、元の磁界の方向とは逆であり、磁気回路の磁界強度も打ち消すことができる。最後に、２つの非磁性かつ導電性の金属リング２９において前記径方向のリング電流が生ずるが、２つのエアギャップ３０自体に抵抗が存在するため、電流が流れるとジュール熱が生じ、このジュール熱により、２つの非磁性かつ導電性の金属リング２９の温度が上昇する。すなわち、２つのエアギャップの磁界中の磁界エネルギーが、この２つの非磁性かつ導電性の金属リング２９により熱エネルギーに変わる。このようにして、元の磁界よりさらに大きな磁界強度を受けることができる。したがって、２つの円弧状磁心２２と、２つのエアギャップ３０と、その２つのエアギャップ３０の作用の下で、所定の範囲内の磁界にて磁気回路飽和現象が生じないことにより、パルス電流センサー１７の出力精度及び出力範囲が向上し、測定感度が高まって、測定誤差が小さくなる。また、電流ピーク値及び各時点の電流値を収集し、全体的な電圧電流波形の幅、形状、大きさ、エネルギー及び発生時間を出力することができる。

図２、図３に示すように、前記パルス電流センサーをサージ波記録型雷防護キャビネットに応用する際には、前記半円弧状磁心２２は、絶縁台座２８と磁気シールド筐体２１によりできるキャビティ内に設けられなければならない。測定対象の導線は、絶縁台座２８上に設けられた導電ピラー２５である。具体的には、前記パルス電流センサーを作製する際には、絶縁台座２８上に一次コイル巻線である導電ピラー２５を固定し、一次コイル巻線である導電ピラー２５の一端に絶縁スペーサー２４を取り付ける。この絶縁スペーサー２４は、押さえナット２６により固定される。また、絶縁台座２８と磁気シールド筐体２１とを組み合わせ、絶縁台座２８と磁気シールド筐体２１とによりできるキャビティにおいて、非磁性ピン２７により一対の半円弧状磁心２２を固定する。半円弧状磁心２２には二次コイル巻線２３が巻かれており、一対の半円弧状磁心２２の２つの間隙に、非磁性かつ導電性の金属リング２９が固定される。非磁性かつ導電性の金属リング２９の内孔の軸線は、円弧状磁心２２、エアギャップ３０の磁力線と一致する。

その動作応用原理は以下の通りである。前記導電ピラー２５は、前記パルス電流センサーの一次コイル巻線であり、２つの半円弧状磁心２２上のコイル２３は、前記パルス電流センサーの二次コイル巻線である。２つの半円弧状磁心２２の両端に対称に位置する２つの間隙に置かれている２つの非磁性かつ導電性の金属リング２９は、消磁コイル巻線である。一次コイル巻線である導電ピラー２５にパルス電流が流れると、２つの半円弧状磁心２２上の２つの二次コイル巻線に電圧が誘起する。この電圧を積分することにより、一次コイル巻線である導電ピラー２５上を流れるパルス電流を再現することができる。図１に示したパルス電流センサー１７の存在により、測定範囲を向上させることができ、これにより全体の電圧電流の波形図が得られる。

パルス電流センサー１７を踏まえて、本発明はさらに、サージ波記録型雷防護キャビネットを提供する。図４に示すように、サージ波記録型雷防護キャビネットにおいては、筐体２０内に３本の活線６と、中性線７と、接続端子１８と、アース線１６とが設けられている。活線６及び中性線７はいずれもアース線１６に接続されており、このアース線１６は筐体に電気的に接続されるとともに、接地されている。また、活線６及び中性線７の各々に、スイッチ５と、熱動引外し継電器４と、電極１とが直列に設けられている。電極１の両極の間には半導体チップ１９が設けられており、各半導体チップ１９は、アース線１６に接続することができる。

本発明においては、アース線１６にパルス電流センサー１７が設けられている。このパルス電流センサー１７は、アースに放電される電圧電流データの収集のために用いられる。パルス電流センサー１７の出力側は、抵抗分圧された後に、２つの経路に分かれる。図５に示すように、１つの経路は絶縁増幅と、レベル変換と、Ａ／Ｄ変換とを経た後に、ＦＩＦＯメモリを経てシングルチップマイクロプロセッサ１４に至る。もう１つの経路は、補助絶縁と、トリガ比較と、ＣＰＬＤ制御とを経た後に、ＦＩＦＯメモリを経てシングルチップマイクロプロセッサ１４に至る。シングルチップマイクロプロセッサ１４の周囲には、クロック回路と、フラッシュメモリが配置されており、シングルチップマイクロプロセッサ１４の出力は、液晶スクリーン８に接続されている。

ここで留意すべきは、シングルチップマイクロプロセッサ１４の出力側は、さらに通信インターフェース１０を通じて周囲のコンピュータシステム１１に接続させることができ、前記通信インターフェース１０は、ＲＳ２３２通信インターフェースとすることもできれば、ＲＳ４８５インターフェースとすることもできるという点である。このようにして、周囲のコンピュータシステム１１は遠隔制御ができ、接続された外付けの表示装置１２及びプリンタ１３などにより表示の出力を行うことができる。

また、活線６及び中性線７の各々に動作インジケータ電源線をさらに接続することができる。動作インジケータは、動作無効インジケータ２及び動作正常インジケータ３の２種類に分かれ、熱動引外し継電器４は指示制御回路を駆動する。また、停電時でも正常に動作することを保証するために、シングルチップマイクロプロセッサ１４は、予備電池９に接続されている。

このようにして、雷電波またはサージ波が発生すると、半導体チップ９がオンになり、過電圧がアース線１６によりアースに放電される。アース線上に取り付けられたパルス電流センサー１７が収集したデータは、抵抗分圧と、絶縁増幅と、レベル変換と、Ａ／Ｄ変換とを経て、さらに補助絶縁と、トリガ比較と、ＣＰＬＤ制御とを経て、シングルチップマイクロプロセッサシステムによりフラッシュメモリに保存され、スクリーンに表示される。コンピュータは、ＲＳ２３２インターフェースを通じて接続される。コンピュータソフトウェアシステムは、保存あるいは記録された波形、時間、パラメータをコンピュータに転送することができ、パラメータ座標を有する表示装置にそれぞれ表示し、波形、実際オの時間及び履歴の記録を印字することができる。すなわち、図６に示すように、雷電またはサージ波によってもたらされた事故を直観的に分析し判定することができる。

図７に示す実施例では、表示装置は平面座標においてサージ波の電流波形を表示する。表１には、このサージ波の電流ピーク値と、逆ピーク値と、波頭長と、波尾長と、比エネルギーと、電荷量との各パラメータを示している。

Claims (8)

1. 対向して設けられた一対の半円弧状磁心（２２）を有し、２つの前記半円弧状磁心（２２）の間にはエアギャップ（３０）が設けられ、該エアギャップ（３０）を囲むように非磁性かつ導電性の金属リング（２９）が設けられ、該非磁性かつ導電性の金属リング（２９）の内孔の軸線は前記半円弧状磁心（２２）の磁力線と一致し、前記半円弧状磁心（２２）にはコイル（２３）が巻かれ、該コイル（２３）から出力端子（３１）が引き出されていることを特徴とするパルス電流センサー。
2. 前記半円弧状磁心（２２）は、絶縁台座（２８）と磁気シールド筐体（２１）とによりできるキャビティ内に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のパルス電流センサー。
3. 前記絶縁台座（２８）に導電ピラー（２５）が設けられていることを特徴とする請求項２に記載のパルス電流センサー。
4. 活線（６）及び中性線（７）の各々に直列に設けられたスイッチ（５）と熱動引外し継電器（４）と電極（１）とを有し、該電極（１）の両極間には半導体チップ（１９）が設けられ、前記活線（６）及び前記中性線（７）はいずれもアース線（１６）に接続されている、請求項３に記載のパルス電流センサーを有するサージ波記録型雷防護キャビネットであって、
   前記アース線（１６）に前記パルス電流センサー（１７）が設けられており、該パルス電流センサー（１７）は、Ａ／Ｄ変換インターフェース（１５）を通じてシングルチップマイクロプロセッサ（１４）に接続されており、該シングルチップマイクロプロセッサ（１４）はスクリーン（８）に接続されていることを特徴とするサージ波記録型雷防護キャビネット。
5. 前記シングルチップマイクロプロセッサ（１４）は、通信インターフェース（１０）を通じてコンピュータシステム（１１）に接続されており、該コンピュータシステム（１１）は、表示装置（１２）とプリンタ（１３）に接続されていることを特徴とする請求項４に記載のサージ波記録型雷防護キャビネット。
6. 前記通信インターフェース（１０）は、ＲＳ２３２インターフェースであることを特徴とする請求項５に記載のサージ波記録型雷防護キャビネット。
7. 前記シングルチップマイクロプロセッサ（１４）は、さらに予備電池（９）に接続されていることを特徴とする請求項６に記載のサージ波記録型雷防護キャビネット。
8. 前記活線（６）及び前記中性線（７）の各々に、動作無効インジケータ（２）及び動作正常インジケータ（３）が設けられていることを特徴とする請求項７に記載のサージ波記録型雷防護キャビネット。

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