JP2017157431A - 漏電遮断器 - Google Patents

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晋 栗原
Susumu Kurihara
晋 栗原
工藤 高裕
Takahiro Kudo
高裕 工藤
高橋 康弘
Yasuhiro Takahashi
康弘 高橋
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Abstract

【課題】漏電時の保護を確実に行いつつ、不要動作を低減可能な漏電遮断器を提供する。【解決手段】測定電流が流れる導体を囲む磁気コア12aに巻回された励磁コイル12bに励磁電流を供給し励磁コイル12bに流れる励磁電流に応じた電圧信号からなる測定信号を出力する励磁回路13と、測定信号から交流成分のみを取り出す交流成分通過フィルタ32及びその出力が閾値を超える場合に交流検知信号を出力する交流検出回路33と、測定信号から直流成分のみを取り出す直流成分通過フィルタ34及びその出力がしきい値を超える場合に直流検知信号を出力する直流検出回路35と、主回路導体2を遮断可能な遮断器1と、主回路導体2の主回路電圧が交流であるか直流であるかを判定する交流/直流判定回路37と、主回路電圧が交流と判定されるときには交流検知信号、直流と判定されるときには直流検知信号に基づき遮断器1を制御する遮断制御回路36と、を備える。【選択図】 図1

Description

本発明は、過電流、短絡の他、漏電時の回路遮断機能を持つ漏電遮断器に関する。
漏電遮断器は、過電流、短絡の他、漏電時の回路遮断機能を持つもので、例えば、漏電検出用に零相変流器が組み込まれた漏電遮断器が知られている(例えば、特許文献1参照。)
図9は、特許文献1に開示された、従来の漏電遮断器のブロック図を示している。
従来の漏電遮断器は、磁気コア12a及びこの磁気コア12aに巻回した励磁コイル12bとしての二次巻線を有する変流器12を備える。磁気コア12aは、電流を測定する対象物である2本の導線2a及び2bを有する主回路導体2を囲むように配置される。
漏電遮断器は、さらに、励磁コイル12bに励磁電流を供給する励磁回路13と、励磁電流から主回路導体2における直流成分から交流成分までの漏洩電流を含む測定信号を検出する測定信号検出回路14と、を備える。
測定信号検出回路14で測定された信号は、そのノイズ成分を除去するローパスフィルタ回路5に供給され、ローパスフィルタ回路5の出力は、漏電増幅回路6で増幅された後、漏電増幅回路6の出力信号のうちの交流成分のみを取り出すAC検出フィルタ回路16と、直流成分のみを取り出すDC検出フィルタ回路26と、に供給される。
AC検出フィルタ回路16で抽出された交流成分は、漏洩電流の交流成分に対応する交流定格感度電流値が設定される第一のAC成分比較器17に入力され、抽出された交流成分と交流定格感度電流値との差分値がAC成分積分回路18で積分され、この積分値がAC成分比較器19で、第二のAC成分の閾値と比較される。
また、DC検出フィルタ回路26で抽出された直流成分は、漏洩電流の直流成分に対応する直流定格感度電流値が設定されるDC成分比較器27に入力され、抽出された直流成分と直流定格感度電流値とが比較される。
そして、交流成分と交流定格感度電流値の差分値の積分値が第二のAC成分の閾値を上回るとき、又は直流成分が直流定格感度電流値を上回るとき、遮断信号出力回路10により遮断器1を構成する引外しコイル11に遮断信号が出力されて遮断器1が開極し、主回路導体2が遮断されるようになっている。
特開2013−38047号公報
しかしながら、上記特許文献1に記載された従来例にあっては、主回路導体2にノイズが混入した場合に、不要動作しやすいという未解決の課題がある。特に、主回路導体2が直流を通電している際にノイズが混入した場合、交流成分検出側でノイズにより不要動作する可能性がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、漏電時の保護を確実に行いつつ、不要動作を低減することの可能な漏電遮断器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、本発明の一の形態に係る漏電遮断器は、測定電流が流れる導体を囲む磁気コアに、電気的に絶縁し磁気的に結合するように巻回した励磁コイルと、励磁コイルに励磁電流を供給する励磁部と、励磁コイルに流れる励磁電流に応じた電圧信号からなる測定信号を出力する測定信号出力部と、測定信号から交流成分のみを取り出す交流成分通過フィルタ部と、測定電流の交流成分に対応する交流しきい値が設定され、交流成分通過フィルタ部のフィルタ出力が交流しきい値を超える場合に交流検知信号を出力する交流検出部と、測定信号から直流成分のみを取り出す直流成分通過フィルタ部と、測定電流の直流成分に対応する直流しきい値が設定され、直流成分通過フィルタ部のフィルタ出力が直流しきい値を超える場合に直流検知信号を出力する直流検出部と、導体を遮断可能な遮断器と、導体の主回路電圧が交流であるか直流であるかを判定する交流/直流判定部と、交流/直流判定部で主回路電圧が交流であると判断されるときには交流検知信号に基づいて遮断器を制御し、主回路電圧が直流であると判断されるときには直流検知信号に基づいて前記遮断器を制御する遮断制御部と、を備えている。
本発明の一態様によれば、主回路導体にノイズが混入した場合であっても、ノイズにより不要動作が生じることを回避することができ、主回路の動作電圧が交流及び直流のいずれであるかに関わらず、不要動作を抑制しつつ確実に漏電時保護を行うことができる。
本発明の一態様である漏電遮断器の一実施形態を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に適用し得る励磁回路の一例を示す回路図である。 本発明の一実施形態に適用し得る交流成分通過フィルタの一例を示す回路図である。 本発明の一実施形態に適用し得る交流検出回路の一例を示す回路図である。 本発明の一実施形態に適用し得る直流成分通過フィルタの一例を示す回路図である。 本発明の一実施形態に適用し得る直流検出回路の一例を示す回路図である。 本発明の一実施形態に適用し得る遮断制御回路の一例を示す回路図である。 本発明の一実施形態に適用し得る交流/直流判定回路37の一例を示す回路図である。 従来の漏電遮断器の一例を示すブロック図である。
以下、図面を参照して、本発明の一実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。また、図9に示す従来の漏電遮断器と同一作用をするものには、同一符号を付して説明を省略する。
また、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
図1において、主回路導体2は、導線2a、2bが2本の場合を示しており、流れる電流をIとしている。なお、主回路導体2は導線が1本でもよく、また三相対応の3本でもよい。変流器12は零相変流器からなる。零相変流器は、地絡故障時に流れる零相電流を検出する変流器である。すなわち、通常三相電流のベクトル和は零になるが、地絡すると、グランドを電路とし電流が流れるため、ベクトル和が零にならない性質を用いて、漏電遮断器は地絡故障や漏電を検出する。
主回路導体2の給電側には、遮断器1が設けられている。遮断器1は、導線2a及び2bのそれぞれに設けられ、導線2a、2bのそれぞれを遮断するように構成される。遮断器1は、引外しコイル11に遮断信号S1が供給されることにより開極される。
変流器12は、円環状の磁気コア12aと、磁気コア12aに電気的に絶縁し磁気的に結合するように巻装された所定巻数の励磁コイル12bとしての二次巻線とを有している。磁気コア12aは、その内側に主回路導体2が挿通されている。変流器12は、励磁部及び測定信号出力部としての励磁回路13により、交流成分だけでなく直流成分も検出できる構成としてある。
励磁回路13は、変流器12の励磁コイル12bに、励磁電流を送ると共に、その励磁電流の変化に応じた電圧を出力電圧として出力する。励磁回路13は、励磁コイル12bに、磁気コア12aが飽和するような励磁電流を送ると共に、磁気コア12aが飽和するタイミングに併せてパルス電圧を出力し、さらにそのパルス電圧を用いて再び励磁コイル12bに励磁電流を送る構成となっている。
ここで、励磁コイル12bにパルス状の電圧を印可すると、最初に磁気コア12aのインダクタンスで決まる電流が流れ、磁気コア12aが飽和すると、磁気コア12aのインダクタンスが消失するため、励磁コイル12bの抵抗で決まる電流が流れる。
この状態で、磁気コア12aを貫通する主回路導体2に任意の測定電流Iが通電されると、測定電流Iに応じたインダクタンスが消失するタイミングの変化に伴って、励磁電流もインダクタンスが消失するタイミングが変化する。すなわち、励磁コイル12bを流れる電流のデューティ比が変化することになる。
したがって、励磁コイル12bの励磁電流の、インダクタンスが消失することによるデューティ変化を検出することにより、主回路導体2を流れる測定電流Iの検出が可能となる。
励磁回路13の励磁電流の発振周波数は、主回路導体2に流れる商用交流電源の周波数と比較して、高い周波数に定めるのがよい。
励磁回路13は、例えば、特許第5817316号に開示されているように、図2に示す構成を有する。具体的には、励磁回路13は、オペアンプ13aを有する。オペアンプ13aは、比較器として動作するもので、オペアンプ13aの出力側と反転入力側との間に励磁コイル12bが接続されている。
分圧抵抗13b、13cは、オペアンプ13aの出力電圧を分圧した分圧電圧をオペアンプ13aの非反転入力端子に閾値電圧として設定するものである。分圧抵抗13bは、オペアンプ13aの出力側と非反転入力側との間に接続される。分圧抵抗13cは、オペアンプ13aの非反転入力側とグランドとの間に接続される。抵抗13dは、一端がオペアンプ13aの反転入力側に接続されると共に励磁コイル12bの一端にも接続される。
そして、抵抗13dの端子電圧が、励磁コイル12bの励磁電流Ibに応じた電圧信号からなる測定信号Voとして出力される。
励磁回路13から出力される測定信号Voは、切替部としての切替回路31を介して、交流成分通過フィルタ部としての交流成分通過フィルタ32又は直流成分通過フィルタ部としての直流成分通過フィルタ34に入力される。交流成分通過フィルタ32のフィルタ出力は交流検出部としての交流検出回路33に入力され、交流検出回路33の検出結果は遮断制御部としての遮断制御回路36に入力される。直流成分通過フィルタ34のフィルタ出力は直流検出部としての直流検出回路35に入力され、直流検出回路35の検出結果は遮断制御回路36に入力される。遮断制御回路36では、これら検出結果に基づいて引外しコイル11に遮断信号S1を出力し、遮断器1を開極する。
切替回路31は、交流/直流判定部としての交流/直流判定回路37からの切替信号S2に応じて動作し、測定信号Voを、交流成分通過フィルタ32又は直流成分通過フィルタ34のいずれかに出力する。
交流成分通過フィルタ32は、励磁回路13から出力される測定信号Voの中から交流成分のみを抽出する。交流成分通過フィルタ32は、除去したいノイズや検出したい周波数帯に応じて設計されるが、一例として、低域通過フィルタで構成することができる。
交流成分通過フィルタ32は、例えば図3に示すように、正帰還形とされた二次の低域通過フィルタで構成される。この低域通過フィルタは、切替回路31から出力される測定信号Voが抵抗32a及び32bを介して比反転入力側に入力されると共に、出力側と正転入力側とが直接接続されたオペアンプ32cと、抵抗32bとオペアンプ32cの非反転入力側の接続点とグランド間に接続されたコンデンサ32dと、抵抗32a及び32bの接続点とオペアンプ32cの反転入力側との間に接続されたコンデンサ32eと、を備える。このように、交流成分通過フィルタ32を、低域通過フィルタで構成することで、高周波ノイズの影響を除去することができ、より確実に低周波領域の交流成分又は直流成分を抽出することができる。
交流検出回路33は、交流成分通過フィルタ32の出力と、主回路導体2を流れる測定電流Iの交流成分に対応する交流定格感度電流設定値とを比較する。
この交流検出回路33は、例えば図4に示すように比較器で構成される。この比較器は、オペアンプ33aと分圧抵抗33b及び33cを備え、交流成分通過フィルタ32の出力側がオペアンプ33aの非反転入力側に接続され、分圧抵抗33b及び33cの接続点の電圧が交流定格感度電流設定値としてオペアンプ33aの反転入力側に接続される。オペアンプ33aの出力が交流検知信号S3として遮断制御回路36に出力される。このように、交流検出回路33を比較器で構成することによって、簡易な構成で交流成分の有無を確実に検出することができる。
直流成分通過フィルタ34は、励磁回路13から出力される測定信号Voの中から直流成分のみを抽出する。直流成分通過フィルタ34は、商用周波数を含む交流成分全てを除去する。直流成分通過フィルタ34は、一例として、低域通過フィルタで構成することができる。
直流成分通過フィルタ34は、例えば図5に示すように、正帰還形とされた二次の低域通過フィルタで構成されている。この低域通過フィルタは、切替回路31から出力される測定信号Voが抵抗34a及び34bを介して非反転入力側に入力されると共に、出力側と反転入力側とが直接接続されたオペアンプ34cと、抵抗34bとオペアンプ34cの非反転入力側の接続点とグランド間に接続されたコンデンサ34dと、抵抗34a及び34bの接続点とオペアンプ34cの反転入力側との間に接続されたコンデンサ34eと、を備える。ここで、直流成分通過フィルタ34は、直流成分のみを取り出すことができればよいため、このように、直流成分通過フィルタ34を、低域通過フィルタで構成することによって、簡単なフィルタ構成で商用周波数も含めた交流成分を除去することができ、ノイズの影響を大きく低減することができる。
直流検出回路35は、直流成分通過フィルタ34の出力と、主回路導体2を流れる測定電流Iの直流成分に対応する直流定格感度電流設定値とを比較する。
この直流検出回路35は、例えば図6に示すように比較器で構成される。この比較器は、オペアンプ35aと分圧抵抗35b及び35cを備え、直流成分通過フィルタ34の出力側がオペアンプ35aの非反転入力側に接続され、分圧抵抗35b及び35cの接続点の電圧が直流定格感度電流設定値としてオペアンプ35aの反転入力側に接続される。オペアンプ35aの出力が直流検知信号S4として遮断制御回路36に出力される。このように、直流検出回路35を、比較器で構成することによって、簡易な構成で直流成分の有無を確実に検出することができる。
遮断制御回路36は、例えば図7に示すように、例えば論理和回路で構成され、交流検出回路33から出力される交流検知信号S3が入力されるダイオード36aと、直流検出回路35から出力される直流検知信号S4が入力されるダイオード36bと、を備える。両ダイオード36a及び36bのカソードは互いに接続され、その接続点とグランドとの間に抵抗36cが接続され、この抵抗36cの端子電圧が遮断信号S1として、引外しコイル11に供給される。
つまり、遮断制御回路36は、交流検出回路33と直流検出回路35とのいずれか一方で、交流検知信号S3又は直流検知信号S4が出力された場合に、引外しコイル11に遮断器1を開極する遮断信号S1を出力する。このように、遮断制御回路36を抵抗とダイオードとからなる論理和回路で構成することによって、簡易な構成で交流電流検出時又は直流電流検出時に、遮断器1を動作させるための引外しコイル11を、確実に動作させることができる。
交流/直流判定回路37は、例えば図8に示すように、微分回路37aと比較器37bとで構成される。
微分回路37aは、一例として、高域通過フィルタで構成することができる。
この高域通過フィルタは、図8に示すように、正帰還形とされた二次の高域通過フィルタで構成されている。この高域通過フィルタは、後述の電源回路38の整流回路38aから出力される整流出力がコンデンサC11及びC12を介して非反転入力側に入力されると共に、出力側と反転入力側とが直接接続されたオペアンプOP11と、コンデンサC12とオペアンプOP11の非反転入力側の接続点とグランド間に接続された抵抗R11と、コンデンサC11及びC12の接続点とオペアンプOP11の反転入力側との間に接続された抵抗R12と、を備えている。
比較器37bは、例えば、図8に示すように、オペアンプOP21と分圧抵抗R21及びR22を備え、微分回路37aの出力側がオペアンプOP21の非反転入力側に接続され、分圧抵抗R21及びR22の接続点がオペアンプOP21の反転入力側に接続される。オペアンプOP21の出力が切替信号S2として、切替回路31に出力される。
ここで、電源回路38は整流回路38aを備え、整流回路38は主回路導体2に接続されて主回路における主回路電圧を整流する。整流回路38で整流された回路電圧は例えば後段に設けられた図示しない平滑回路等で平滑化されて、漏電遮断器の各部に電源電圧として供給されるようになっている。
このとき、主回路電圧が直流の場合には微分回路37aの出力は略一定となり、主回路電圧が交流の場合には整流回路38aの出力は脈流となるため、微分回路37aの出力には変動が生じる。そのため、整流回路38aの出力が略一定か否かを検出することによって、主回路電圧が直流か交流かを判別することができる。
つまり、整流回路38aの出力を、交流/直流判定回路37の微分回路37aに入力する構成とすることで、主回路電圧が直流の場合には微分回路37aの出力は略一定となり比較器37bのしきい値、つまり、分圧抵抗R21及びR22の接続点の電圧を超えない。主回路電圧が交流の場合には微分回路37aの出力は比較器37bのしきい値を超える。これにより、主回路電圧が交流であるか直流であるかを判定することができ、その結果、主回路電圧に応じて切替回路31を切り替えることができる。このように、交流/直流判定回路37を微分回路37aとこの微分回路37aの後段に設けられる比較器37bとで構成することによって、簡易な回路構成で、主回路電圧が直流であるか交流であるかを判定することができる。
このように、本発明の一実施形態では、測定電流Iが流れる主回路導体2を貫通させた1つの磁気コア12aと、この磁気コア12aに巻回された1つの励磁コイル12bとを備え、励磁コイル12bに励磁回路13で矩形波電圧を印可したときの励磁コイル12bを流れる励磁電流の極性切り替わり電流と電流が零であるときに磁気コア12aのインダクタンスが飽和する電流とを一致させている。そのため、励磁回路13の出力電圧のデューティ比を測定電流の電流値に応じて変化させ、このときのデューティ比を検出するだけの簡易な構成で磁気コア12aを貫通する導線2a、2bを流れる微小電流を検知することができる。
また、交流/直流判定回路37によって、主回路電圧が直流であるか交流であるかを判別し、主回路電圧が交流であるときには交流成分通過フィルタ32及び交流検出回路33からなる交流系統の回路により漏電を検出し、主回路電圧が直流であるときには直流成分通過フィルタ34及び直流検出回路35からなる直流系統の回路により漏電を検出している。そのため、主回路電圧が直流である場合には、直流系統の回路を用いて漏電検出を行い、測定信号Voから抽出した直流成分に基づいて漏電検出を行うため、ノイズ成分が除去された直流成分に基づいて漏電検出が行われることになる。そして、主回路電圧が直流である場合には、交流系統の回路による漏電検出は行われないため、遮断器1は、測定信号Voから抽出した直流成分に基づく漏電検出結果に基づいて、開極制御されることになる。
そのため、主回路電圧が直流である状態で、主回路導体2にノイズが混入し、混入したノイズが交流成分として測定信号Voに含まれる場合でも、主回路電圧が直流である場合には、直流系統の回路による漏電検出が行われるため、ノイズ分が漏電検出に影響を与えることを回避することができ、結果的に、ノイズ分により漏電と誤判定されて遮断器1が開極されることを回避することができる。したがって、ノイズ等が主回路導体2に混入した場合に、ノイズ等を漏電として誤検知し、不必要に遮断器1が開極されることを回避することができ、漏電の検出精度をより向上させることができる。
なお、上記実施形態においては、交流/直流判定回路37の判定結果に応じて、励磁回路13からの測定信号Voの出力先を、交流成分通過フィルタ32と直流成分通過フィルタ34とで切り替えるようにした場合について説明したが、これに限るものではない。例えば、測定信号Voを交流検出回路33及び直流検出回路35に入力すると共に、交流検出回路33及び直流検出回路35の出力側に切替回路31を設け、交流/直流判定回路37の判定結果に応じて、交流検出回路33の出力及び直流検出回路35の出力のうちのいずれかを選択してこれを遮断制御回路36に出力するように構成してもよい。また、遮断制御回路36に切替回路31の機能を持たせ、遮断制御回路36において、交流/直流判定回路37の判定結果と、交流検出回路33の出力と、直流検出回路35の出力とに基づいて、交流/直流判定回路37の判定結果に応じた交流検出回路33の出力又は直流検出回路35の出力に基づいて、遮断器1を開極するようにしてもよい。
以上、特定の実施形態を参照して本発明を説明したが、これら説明によって発明を限定するものではない。本発明の説明を参照することにより、当業者には、開示された実施形態の種々の変形例とともに本発明の別の実施形態も明らかである。従って、特許請求の範囲は、本発明の範囲及び要旨に含まれるこれらの変形例又は実施形態も網羅すると解すべきである。
1…遮断器、2…主回路導体、11…引外しコイル、12a…磁気コア、12b…励磁コイル、13…励磁回路、31…切替回路、32…交流成分通過フィルタ、33…交流検出回路、34…直流成分通過フィルタ、35…直流検出回路、36…遮断制御回路、37…交流/直流判定回路、38…電源回路

Claims (7)

  1. 測定電流が流れる導体を囲む磁気コアに、電気的に絶縁し磁気的に結合するように巻回した励磁コイルと、
    前記励磁コイルに励磁電流を供給する励磁部と、
    前記励磁コイルに流れる励磁電流に応じた電圧信号からなる測定信号を出力する測定信号出力部と、
    前記測定信号から交流成分のみを取り出す交流成分通過フィルタ部と、
    前記測定電流の交流成分に対応する交流しきい値が設定され、前記交流成分通過フィルタ部のフィルタ出力が前記交流しきい値を超える場合に交流検知信号を出力する交流検出部と、
    前記測定信号から直流成分のみを取り出す直流成分通過フィルタ部と、
    前記測定電流の直流成分に対応する直流しきい値が設定され、前記直流成分通過フィルタ部のフィルタ出力が前記直流しきい値を超える場合に直流検知信号を出力する直流検出部と、
    前記導体を遮断可能な遮断器と、
    前記導体の主回路電圧が交流であるか直流であるかを判定する交流/直流判定部と、
    前記交流/直流判定部で前記主回路電圧が交流であると判断されるときには前記交流検知信号に基づいて前記遮断器を制御し、前記主回路電圧が直流であると判断されるときには前記直流検知信号に基づいて前記遮断器を制御する遮断制御部と、
    を備えたことを特徴とする漏電遮断器。
  2. 前記測定信号と前記交流/直流判定部の判定結果とを入力し、前記判定結果に応じて前記測定信号の出力先を、前記交流成分通過フィルタ部と前記直流成分通過フィルタ部とで切り替える切替部を備えたことを特徴とする請求項1に記載の漏電遮断器。
  3. 前記遮断制御部は、
    前記交流検知信号及び前記直流検知信号が入力され、当該交流検知信号及び直流検知信号の論理和信号を、前記遮断器が有する引外しコイルへの遮断信号として出力する論理和回路を備えていることを特徴とする請求項2に記載の漏電遮断器。
  4. 整流回路を有し、前記導体からの供給電力を前記整流回路で整流して回路電源として利用する電源回路を備え、
    前記交流/直流判定部は、前記整流回路の出力を用いて前記導体の主回路電圧が交流であるか直流であるかを判定することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の漏電遮断器。
  5. 前記交流/直流判定部は、微分回路と当該微分回路の後段に設けられた比較器とを備えることを特徴とする請求項4に記載の漏電遮断器。
  6. 前記交流成分通過フィルタ部及び前記直流成分通過フィルタ部のうちの少なくとも一方は、ローパスフィルタを備えることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の漏電遮断器。
  7. 前記交流検出部及び前記直流検出部のうちの少なくとも一方は、比較器を備えることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の漏電遮断器。
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