JP2017502632A - 三相漏電遮断器 - Google Patents

Abstract

本発明は、感電保護三相漏電遮断器を開示したものであって、第一に、漏洩電流を検出し、この漏洩電流が許容値を超えると、回路遮断器具が作動して電路を遮断し、第二に、漏洩電流を電源の半周期間隔で検出し、半周期間隔の前と後に検出した２つの漏洩電流を互いにベクトル的に減算（引き算）して変化漏洩電流を算定し、この変化漏洩電流が許容値を超えると、回路遮断器具が作動して電路を遮断することを特徴とする三相漏電遮断器である。前者の場合は、平常時に徐々に増加する漏洩電流に対する保護として許容漏洩電流が数百ｍＡであり、後者の場合は、人体感電のように漏洩電流が突然変化する時であって、人体感電保護のため、許容漏洩電流を数十ｍＡとする。よって、三相電路において人体感電保護が行われながら、平常時の漏洩電流の変化に対しては誤動作なく作動する漏電遮断器である。【選択図】図４

Description

本発明は、感電保護三相漏電遮断器に関し、より詳しくは、三相電路において対地静電容量または対地絶縁抵抗の変化により平常時に発生する漏電に対する保護はもとより、人体感電時に発生する漏電に対する保護まで可能である、三相漏電遮断器に関する。

現在、商用化された三相漏電遮断器の感度電流の大部分は数百ｍＡである。例えば、感度電流が１５０ｍＡの三相漏電遮断器は、三相零相変流器（ＺＣＴ）で検出された漏洩電流が１５０ｍＡを超えると漏電遮断器が作動する。例えば、三相電路において、平常時９０ｍＡの漏洩電流が流れている状態で人体感電により３０ｍＡの感電電流が突然大地に流れ、零相変流器（ＺＣＴ）に１２０ｍＡの漏洩電流が検出された場合、人体に危険な感電電流が流れても、零相変流器（ＺＣＴ）に検出された漏洩電流が漏電遮断器の感度電流１５０ｍＡに至らないので、漏電遮断器は作動しない。すなわち、現在の大部分の三相漏電遮断器は、人体感電に対して保護できない。

本発明の目的は、三相電路において、対地静電容量または対地絶縁抵抗の変化により平常時発生する漏電に対する保護はもとより、人体感電時に発生する漏電に対する保護まで可能である、三相漏電遮断器を提供することである。

このような問題点を解決するため、本発明では、平常時の漏洩電流は徐々に変化し、人体感電漏洩電流は突然変化するという点に着目し、零相変流器で検出した漏洩電流から突然変化した漏洩電流すなわち人体感電漏洩電流を算出できる方法を提案する。

この方法は、零相変流器で比較的短い時間間隔で漏洩電流を連続的に検出し、リアルタイムで現在の漏洩電流と直前漏洩電流のベクトル差（引き算）を算定し、突然変化した漏洩電流すなわち人体感電漏洩電流を算出することである。

したがって、本発明の三相漏電遮断器は、零相変流器（ＺＣＴ）で検出された漏洩電流が基準値が、例えば１５０ｍＡを超えるか、突然変化した漏洩電流が、例えば３０ｍＡを超えると、電路を遮断する構造となっており、平常時の漏電はもとより人体感電保護まで可能である。

本発明の一つの特徴に係って、本発明の三相漏電遮断器は、三相電源を遮断するための接点；零相変流器；前記零相変流器で漏洩電流を検出する漏洩電流検出部；漏洩電流許容値設定部；前記漏洩電流検出部で検出された漏洩電流検出値と、前記漏洩電流許容値設定部で設定された漏洩電流許容値とを比較する第１比較器；前記漏洩電流を三相電源の半周期間隔で検出し、半周期の前と後に検出した２つの漏洩電流のベクトル値を減算し、半周期の間に変化した変化漏洩電流を算定する変化漏洩電流算定部；変化漏洩電流許容値設定部；前記変化漏洩電流算定部で算定された変化漏洩電流算定値と、前記変化漏洩電流設定部で設定された変化漏洩電流許容値とを比較する第２比較器；および前記漏洩電流検出値が前記漏洩電流許容値を超える場合、または前記変化漏洩電流算定値が前記変化漏洩電流許容値を超える場合に作動し、前記接点を開路する回路遮断器具を含んでいる。

本発明の他の特徴に係って、前記三相漏電遮断器は、基準電圧を検出する基準電圧検出部をさらに含み、前記変化漏洩電流算定部は、前記基準電圧の毎半周期ごとに漏洩電流の平行成分と垂直成分とを計算する平行成分および垂直成分計算部；前記平行成分と垂直成分のそれぞれの半周期前後の計算結果を格納する半周期前計算結果格納部および半周期後計算結果格納部；および前記半周期前計算結果と、半周期後計算結果との差を計算する漏洩電流差し引き部を含み、前記三相電源の半周期の前と後に検出した２つの漏洩電流をそれぞれ前記基準電圧に対する平行成分と垂直成分とに分解し、変化漏洩電流を算定する。

本発明のさらに他の特徴に係って、前記基準電圧検出部は、前記三相電源で任意の線間電圧を選び、三相電源の毎半周期（Ｔ／２）の間に前記半周期の第１のＴ／４の第１矩形波電圧と、前記半周期の第２のＴ／４の第２矩形波電圧とを繰り返し発生し、前記平行成分および垂直成分計算部は、前記第１矩形波電圧により作動する第１スイッチ；第２矩形波電圧により作動する第２スイッチ；前記第１スイッチが作動する時、漏洩電流の瞬時値を前記第１のＴ／４で積分して第１積分値を算出する第１積分器；前記第２スイッチが作動する時、前記第２のＴ／４で第２積分値を算出する第２積分器；前記第１積分値と第２積分値とを加算して平行成分を算定する加算器；および前記第１積分値から第２積分値を減算して垂直成分を算定する減算器を含み、前記２つの漏洩電流の基準電圧に対する平行成分と垂直成分とを算定する。

本発明のさらに他の特徴に係って、前記漏洩電流許容値設定部の漏洩電流許容値は、５０ｍＡ乃至５００ｍＡであり、前記変化漏洩電流許容値設定部の変化漏洩電流許容値は、１５ｍＡ乃至３０ｍＡである。

本発明の漏電遮断器が三相電路に適用されると、三相電路において人体感電による怪我または死亡事故を画期的に防ぐことができる。

図１は、三相電路において平常時の漏洩電流Ｉｇと、人体感電時の漏洩電流Ｉｓとの経路を示す。 図２は、時間ｔ１での漏洩電流Ｉ（ｔ１）と時間ｔ２での漏洩電流Ｉ（ｔ２）とを、基準電圧Ｖへの平行成分と垂直成分とに分けた図である。 図３は、漏洩電流の瞬時値ｉ（ｔ）と、基準電圧の瞬時値ｖ（ｔ）とを示すが、漏洩電流が基準電圧より位相がθだけ進んでいる。 図４は、本発明の実施例により感電保護三相漏電遮断器の概略的な内部構成を示す。 図５は、基準電圧検出部での出力と漏洩電流の平行成分と垂直成分計算部との連結関係を示す。 図６は、図４の変化漏洩電流（ΔＩ）算定部８の内部構成を具体的に示す。

図１は、三相電路において発生する漏洩電流の経路を示す。平常時にはａ相、ｂ相、ｃ相において、各相の対地静電容量と対地絶縁抵抗とにより大地に漏洩電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃが流れる。したがって、大地には、各相の漏洩電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃがベクトル的に合わされた漏洩電流Ｉｇ（Ｉｇ＝Ｉａ＋Ｉｂ＋Ｉｃ）が流れる。そして、三相零相変流器（ＺＣＴ）で検出される漏洩電流Ｉは、漏洩電流Ｉｇとなる。つまりＩ＝Ｉｇである。

ところで、図１に示されたように、ａ相で突然人体感電が発生すると、ａ相で大地に感電電流Ｉｓが流れる。したがって、零相変流器（ＺＣＴ）で検出される漏洩電流Ｉは、平常時に流れた漏洩電流Ｉｇと突然発生した感電電流Ｉｓとがベクトル的に合わされた漏洩電流となる。つまりＩ＝Ｉｇ＋Ｉｓである。

電路で平常時に流れる漏洩電流は、電路の対地静電容量と対地絶縁抵抗とに応じて流れるようになるが、この漏洩電流は、電路周囲の温度、湿度、埃などの影響で変化し、特に絶縁物の経年効果（Ａｇｉｎｇ Ｅｆｆｅｃｔ）による絶縁抵抗の劣化により漏洩電流が徐々に増加する。一方、人体感電電流は、感電事故時、突然増加する。

本発明では、平常時の漏洩電流は徐々に増加する一方、感電による漏洩電流は突然増加する現象に着目し、人体感電による漏洩電流をリアルタイムで算定する方法を提案する。そして、現在の韓国産業規格（ＫＳ）によると、人体感電保護のためには、漏電遮断時間を３０ｍｓ以内にするべきであることから、人体感電による漏洩電流算定時間を１０〜２０ｍｓ以内にしなければならない。

本発明では、零相変流器（ＺＣＴ）で電源の半周期（６０Ｈｚ交流電源の場合、約８．３ｍｓ）ごとに漏洩電流を検出し、現在検出した漏洩電流から半周期前に検出した漏洩電流をベクトル的に減算（引き算）し、半周期の間に変化した漏洩電流を算定する。図１において、感電事故直前の漏洩電流をＩ（ｔ１）、感電事故直後の漏洩電流をＩ（ｔ２）とすると、Ｉ（ｔ１）＝Ｉｇであり、Ｉ（ｔ２）＝Ｉｇ＋Ｉｓであるから、感電による漏洩電流Ｉｓは、Ｉｓ＝Ｉ（ｔ２）−Ｉ（ｔ１）から算定することができる。

よって、電源の半周期ごとに漏洩電流の変化をベクトル的に算出できる技術が要望される。

本発明では、電源の半周期（Ｔ／２）前後の漏洩電流を互いにベクトル的に減算（引き算）し、半周期の間に変化した漏洩電流を算定する。すなわち、時間ｔ１での漏洩電流をＩ（ｔ１）、時間ｔ２（ｔ２＝ｔ１ ＋ Ｔ／２）での漏洩電流をＩ（ｔ２）とすると、漏洩電流Ｉ（ｔ２）から漏洩電流Ｉ（ｔ１）をベクトル的に減算（引き算）し、半周期の間に変化した漏洩電流ΔＩを算定する。

図２に示されたように、三相電源の線間電圧、例えばａ相とｂ相との線間電圧Ｖを基準電圧として、漏洩電流Ｉ（ｔ１）とＩ（ｔ２）を基準電圧Ｖに対する平行成分ｘと垂直成分ｙとを計算する。したがって、

次に、この２つ漏洩電流の平行成分の差ΔＩｘと垂直成分の差ΔＩｙを求める。

したがって、２つの漏洩電流の差ΔＩは、下記のように求められる。

本発明で課題解決の核心手段は、漏洩電流Ｉを速かに基準電圧Ｖに平行な成分と垂直な成分とに分ける方法である。本発明では、漏洩電流Ｉを基準電圧Ｖの半周期の間積分し、平行成分ｘと垂直成分ｙとを求める。つまり積分法を利用する。

イ．漏洩電流Ｉを基準電圧Ｖへの平行成分Ｉｘと垂直成分Ｉｙとに分ける方法
図３は、漏洩電流Ｉの瞬時値ｉ（ｔ）と基準電圧Ｖの瞬時値ｖ（ｔ）とを示す。ｉ（ｔ）は、ｖ（ｔ）より位相がθだけ進んでいる。したがって、

ここで、ω＝ ２πｆで、ｆは電源の周波数である。
式（７）を解くと、

であり、ここで

式（８）のｉ（ｔ）を０からπ／２まで積分した値をＡ、π／２からπまで積分した値をＢとすると、

であり、これを計算すれば

となる。式（１１）から

である。

したがって、漏洩電流Ｉの瞬時値ｉ（ｔ）をリアルタイムで積分してＡとＢを求めると、式（１２）から漏洩電流Ｉの平行成分Ｉｘと、垂直成分Ｉｙとを電源の半周期ごとに求めることができる。

ロ． 漏電遮断器の構成
図４は、本発明の漏電遮断器の構成を示す。漏電遮断器は、２つの場合に作動する。

一番目は、平常時の漏洩電流Ｉの値が漏洩電流Ｉの許容値を超えると、漏電遮断器が作動する場合であって、現在の漏電遮断器の機能である。この機能を遂行するため、通常用いる零相変流器１、漏洩電流検出部２、漏洩電流Ｉ許容値設定部３、第１比較器４、回路遮断器具５および接点６を設ける。漏洩電流検出部２で検出された漏洩電流Ｉの値とＩの許容値設定部３に設定された許容値、例えば１５０ｍＡを第１比較器４で比較し、検出された漏洩電流Ｉの値が設定された許容値を超えると、回路遮断器具５が作動して接点６を開路（ｏｆｆ）する。

二番目は、人体感電により漏洩電流Ｉが瞬間的変化する場合である。この変化漏洩電流ΔＩの値が変化漏洩電流ΔＩの許容値を超えると、漏電遮断器が作動する場合であって、本発明で提案した機能である。この機能を遂行するため、基準電圧検出部７、変化漏洩電流ΔＩ算定部８、変化漏洩電流ΔＩ許容値設定部９、第２比較器１０を追加で設ける。変化漏洩電流算定部８で算定された変化漏洩電流ΔＩの値とΔＩの許容値設定部９に設定された許容値、例えば３０ｍＡを第２比較器１０で比較し、計算された変化漏洩電流ΔＩの値が設定された許容値を超えると、回路遮断器具５が作動して接点６を開路（ｏｆｆ）する。

基準電圧検出部７は、三相電源で任意の線間電圧を選び、図５に示されたように、電源の毎半周期（Ｔ／２）の間にｔ＝０（θ＝０）からｔ＝Ｔ／４（θ＝π／２）までの矩形波電圧ａと、ｔ＝Ｔ／４（θ＝π／２）からｔ＝Ｔ／２（θ＝π）までの矩形波電圧ｂとを繰り返し発生する。

変化漏洩電流ΔＩ算定部８は、電源の半周期の間に漏洩電流Ｉの変化を計算するが、図６に示されたように、漏洩電流の平行成分ｘおよび垂直成分ｙ計算部１１、半周期前計算結果格納部１２および半周期後計算結果格納部１３、漏洩電流減算部１４により構成される。

漏洩電流の平行成分ｘおよび垂直成分ｙ計算部１１は、図５に示されたように、矩形波電圧ａにより作動するスイッチＳａ、矩形波電圧ｂにより作動するスイッチＳｂ、積分器Ａ、積分器Ｂ、加算器および減算器により構成される。スイッチＳａが作動（ｏｎ）すると、積分器Ａは、式（１０）のようにｉ（ｔ）をｔ＝０（θ＝０）からｔ＝Ｔ／４（θ＝π／２）まで積分してＡを算出し、スイッチＳｂが作動（ｏｎ）すると、積分器Ｂは、式（１０）のようにｉ（ｔ）をｔ＝Ｔ／４（θ＝π／２）からｔ＝Ｔ／２（θ＝π）まで積分してＢを算出する。次に、加算器でＡとＢを合わせると、式（１２）のように漏洩電流の平行成分Ｉｘが得られ、減算器でＡからＢを減算すると、漏洩電流の垂直成分Ｉｙが得られる。

半周期前計算結果格納部１２は、現在時間ｔ２より半周期前ｔ１での計算結果を格納し、半周期後計算結果格納部１３は、現在時間ｔ２での計算結果を格納する。すなわち、半周期前計算結果格納部１２には、漏洩電流Ｉ（ｔ１）の平行成分Ｉ（ｔ１）ｘと垂直成分Ｉ（ｔ１）ｙとを格納し、半周期後計算結果格納部１３には、漏洩電流Ｉ（ｔ２）の平行成分Ｉ（ｔ２）ｘと垂直成分Ｉ（ｔ２）ｙとを格納する。

漏洩電流差し引き（引き算）部１４は、現在時間ｔ２での半周期後計算結果格納部１３に格納された漏洩電流Ｉ（ｔ２）の平行成分Ｉ（ｔ２）ｘと垂直成分Ｉ（ｔ２）ｙとから、それぞれの電源の半周期前（ｔ１）での半周期前計算結果格納部１２に格納された漏洩電流Ｉ（ｔ１）の平行成分Ｉ（ｔ１）ｘと垂直成分Ｉ（ｔ１）ｙとを差し引き、半周期ｔ２−ｔ１期間での変化漏洩電流ΔＩを式（３）、式（４）および式（５）を利用して計算する。この変化漏洩電流ΔＩが突然変化する漏洩電流であり、通常感電による漏洩電流Ｉｓが発生する際、変化漏洩電流ΔＩが現れる。

以上のように、本発明を限定された実施例と図面によって説明したが、本発明は、前記の実施例に限られるものではなく、本発明の技術的思想を外れない範囲の内で、当該発明が属する技術分野で通常の知識を有する者により多様な変更や修正が可能である。

これまでは、三相電路において人体感電が発生するとほとんど保護されなかったが、本発明の漏電遮断器が三相電路に適用されれば、三相電路において人体感電による怪我または死亡事故を画期的に防ぐことができる。

１：零相変流器（ＺＣＴ）
２：漏洩電流検出部
３：漏洩電流許容値設定部
４：第１比較器
５：回路遮断器具
６：接点
７：基準電圧検出部
８：変化漏洩電流算定部
９；変化漏洩電流許容値設定部
１０：第２比較器

本発明は、感電保護三相漏電遮断器｛ＴＨＲＥＥ ＰＨＡＳＥ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＬＥＡＫＡＧＥ ＣＵＲＲＥＮＴ ＣＩＲＣＵＩＴ ＢＲＡＫＥＲ ＷＩＴＨ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＳＨＯＣＫ ＰＲＯＴＥＣＴＩＯＮ｝に関し、より詳しくは、三相電路において対地静電容量または対地絶縁抵抗の変化により平常時に発生する漏電に対する保護はもとより、人体感電時に発生する漏電に対する保護まで可能である、三相漏電遮断器に関する。

Claims (3)

1. 三相漏電遮断器であって、
   三相電源を遮断するための接点；
   零相変流器；
   前記零相変流器で漏洩電流を検出する漏洩電流検出部；
   漏洩電流許容値設定部；
   前記漏洩電流検出部で検出された漏洩電流検出値と、前記漏洩電流許容値設定部で設定された漏洩電流許容値とを比較する第１比較器；
   前記漏洩電流を三相電源の半周期間隔で検出し、半周期の前と後に検出した２つの漏洩電流のベクトル値を減算し、半周期の間に変化した変化漏洩電流を算定する変化漏洩電流算定部；
   変化漏洩電流許容値設定部；
   前記変化漏洩電流算定部で算定された変化漏洩電流算定値と、前記変化漏洩電流設定部で設定された変化漏洩電流許容値とを比較する第２比較器；および
   前記漏洩電流検出値が前記漏洩電流許容値を超える場合、または前記変化漏洩電流算定値が前記変化漏洩電流許容値を超える場合に作動し、前記接点を開路する回路遮断器具を含むことを特徴とする三相漏電遮断器。
2. 前記三相漏電遮断器は、さらに基準電圧を検出する基準電圧検出部を含み、前記変化漏洩電流算定部は、前記基準電圧の毎半周期ごとに漏洩電流の平行成分と垂直成分を計算する平行成分および垂直成分計算部；前記平行成分と垂直成分とのそれぞれの半周期前後の計算結果を格納する、半周期前計算結果格納部および半周期後計算結果格納部；および前記半周期前計算結果と、半周期後計算結果との差を計算する漏洩電流減算部を含み、前記三相電源の半周期の前と後に検出した２つの漏洩電流を各々前記基準電圧に対する平行成分と垂直成分とに分解し、変化漏洩電流を算定することを特徴とする請求項１に記載の三相漏電遮断器。
3. 前記基準電圧検出部は、前記三相電源で任意の線間電圧を選び、三相電源の毎半周期Ｔ／２の間に前記半周期の第１のＴ／４の第１矩形波電圧と、前記半周期の第２のＴ／４の第２矩形波電圧とを繰り返し発生し、
   前記平行成分および垂直成分計算部は、前記第１矩形波電圧により作動する第１スイッチ；第２矩形波電圧により作動する第２スイッチ；前記第１スイッチが作動する時、漏洩電流の瞬時値を前記第１のＴ／４で積分して第１積分値を算出する第１積分器；前記第２スイッチが作動する時、前記第２のＴ／４で第２積分値を算出する第２積分器；前記第１積分値と第２積分値とを加算して平行成分を算定する加算器；および前記第１積分値で第２積分値を減算して垂直成分を算定する減算器とを含み、前記２つの漏洩電流の基準電圧に対する平行成分と垂直成分とを算定することを特徴とする請求項２に記載の三相漏電遮断器。
   
   

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