JP2021139796A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で精度の高い電流センサを提供する。【解決手段】電流センサは、リードスイッチ３１０と、リードスイッチ３１０と直列の磁気回路を構成する磁性コア５１２a、５１２ｂから構成される。リードスイッチ３１０の断面は円形状であり、磁性材からなる磁性コア５１２a、５１２ｂは、コの字状で、リードスイッチ３１０の端部では、リードスイッチ３１０を囲むように湾曲部を有する。第１の磁性コアである磁性コア５１２aと、第２の磁性コアである磁性コア５１２ｂは、紙面上下方向からリードスイッチ３１０を挟み込んで固定する。【選択図】図１

Description

本発明は、電流センサに関する。

直流電流を非接触で測定するために、ホールＩＣを用いる場合がある。また、開閉装置には真空遮断器が備えられており、真空遮断器は電磁操作機構によって動作するものがある。電磁操作機構の電源として、電源コンデンサが用いられる場合がある。

従来、電源コンデンサの静電容量を診断するにあたっては、電源コンデンサから充放電リード線を取り外して静電容量を静電容量計で測定していたため、機器の停止が必要であった。

これを解決する技術として、例えば特許文献１がある。特許文献１では、永久磁石でリードスイッチをバイアスし、被測定電流が流れるブスバーの電流で、該永久磁石の磁束をキャンセルしてリードスイッチが開く構成とし、リードスイッチが開くタイミングでホールＩＣの出力を補正することで、電流を精度よく測定している。

特開２０１３−１４８４７３

特許文献１に記載の技術においては、電流を精度よく測定できるが、ホールＩＣが必要になり構成が複雑になるという課題があった。

本発明の目的は、簡単な構成で精度の高い電流センサを提供することにある。

本発明の好ましい一例としては、リードスイッチと、前記リードスイッチと直列の磁気回路を構成する磁性コアと、前記磁気回路を貫通する被測定電流リードおよびバイアス電流リードを有する電流センサである。

本発明によれば、簡単な構成で精度の高い電流センサを提供することができる。

実施例１における電流センサの斜視図である。 実施例２における電流センサの斜視図である。 実施例２における電流センサの平断面図である。 実施例３における電流センサの平断面図である。 実施例４における電流センサの平断面図である。 実施例５における真空遮断器を備えた開閉装置の構成図である。 実施例５における真空遮断器の詳細構成を示す図である。 実施例５における真空遮断器の構成図を示す。 実施例５における充放電回路を示す図である。 実施例５における蓄積・比較部のブロック図である。 実施例５における電源コンデンサの充電時における電圧と電流の時間特性を示す図である。

以下、本発明を実施する上で好適となる実施例について図面を用いて説明する。尚、下記はあくまでも実施の例に過ぎず、発明の内容が下記具体的態様に限定されるものではない。本発明は、下記態様を含めて種々の態様に変形することが可能である。

図１を用いて実施例１について説明する。図１は、実施例１における電流センサの構成を示す斜視図である。

実施例１の電流センサは、リードスイッチ３１０と、リードスイッチ３１０と直列の磁気回路を構成する磁性コア５１２a、５１２ｂから構成されている。リードスイッチ３１０の断面は円形状である。磁性材からなる磁性コア５１２a、５１２ｂは、コの字状であり、リードスイッチ３１０の端部では、リードスイッチ３１０を囲むように湾曲部を有する。第１の磁性コアである磁性コア５１２aと、第２の磁性コアである磁性コア５１２ｂは、紙面上下方向からリードスイッチ３１０を挟み込んで固定している。

図１では、紙面の上下方向から第１の磁性コア５１２aと第２の磁性コア５１２ｂによりリードスイッチ３１０は挟みこんで固定された構成をしているが、被測定電流リード線５１５を横方向に配置した場合には、紙面の左右方向から第１の磁性コアと第２の磁性コアによりリードスイッチ３１０は挟みこむようにしてもよい。

リードスイッチ３１０とコの字状の磁性コア５１２a、５１２ｂで構成した磁気回路を貫通するように被測定電流リード線５１５と、バイアス電流リード線５１７が配置されている。バイアス電流リード線５１７には、直流電源５００からバイアス電流５１８が供給される。

リードスイッチ３１０の外郭はガラス管で形成されており、ガラス管の内部には、２本の強磁性体リードが配置されている。リードスイッチ３１０が常時開接点の場合には、２本の強磁性体リードはある接点間隔を持って相対している。常時開接点のリードスイッチ３１０に外部から磁界を加えるとリードが磁化され、相対した自由端が互いに吸引し合って接触し、回路を閉ざすことができ、磁界を消去すればリードの弾性により回路を開くことができる。

被測定電流リード線５１５に被測定電流５１６が通電すると、被測定電流５１６とバイアス電流５１８によって発生する合成磁束５１９が発生し、合成磁束５１９がリードスイッチ３１０の動作磁束を上回れば、リードスイッチ３１０は動作する。動作磁束はリードスイッチ３１０の特性として定めてある磁束の値であり、本実施例の場合は、リードスイッチが閉（オン）になる磁束である。

なお、コの字状磁性コア５１２a、５１２ｂは、紙面の上下方向に適切な間隔を保ちながら、かつ、可撓性を備えた状態で、紙面の右手前の辺を板材によって接続すれば、リードスイッチ３１０を紙面の左奥よりスナップフィットにより装着することができる。

実施例１によれば、非接触で電流を測定することができる。バイアス電流５１８により磁束をバイアスすることで、被測定電流リード線５１５に流れる微小な電流変化を検出することができる。

また、被測定電流リード線５１５に被測定電流５１６を流さなくてもリードスイッチ３１０の動作磁束を上回るまでバイアス電流リード線５１７にバイアス電流を通電することにより、電流センサが正常に動作するかを検証できる。そのため、本実施例においては、被測定電流５１６を流すのが困難な場合においても電流センサの健全性を容易に検証できる。

変流器（ＣＴ（Current Transformer））は非接触で交流電流は検出できるが、直流電流は検出できない。本実施例によれば、非接触で直流電流を測定することができる。また、本実施例によれば、直流電流のみならず、非接触で交流電流を測定することができる。

実施例２について図２と図３を用いて説明する。図２において、磁性コア５１２は紙面下半分のみを表示している。図３は平断面図を示す。本実施例の磁性コア５１２は、直方体の形状の磁性材であり、スリット３０と、スリット３０を貫通しリードスイッチ３１０を挿入する穴３１を有する。そのため実施例１に比べて簡単に磁性コア５１２を製作することができる。

被測定電流リード線５１５とバイアス電流リード線５１７を磁性コア５１２のスリット３０に挿入してから、リードスイッチ３１０を取り付けることにより、電流センサを後付けすることができる。

実施例２では、実施例１に比べて、さらに簡単な構成で精度が高い電流センサを提供することができる。

実施例３について図４を用いて説明する。図４は、図３と同じ平断面を示す。実施例２と共通する事項は説明を省略する。図４では、リードスイッチ３１０を挿入する穴３１の一方を袋状Ｆにしている。リードスイッチ３１０を袋状Ｆの穴３１の底部まで挿入することで、磁性コア５１２とリードスイッチ３１０の相対位置を簡単に決めることができる。

実施例３によれば、実施例１および実施例２と同様な効果を有するとともに、磁性コア５１２とリードスイッチ３１０の相対位置を簡単に決めることができる。

実施例４について図５を用いて説明する。図５は、図３と同じ平断面を示す。実施例２もしくは実施例３と共通する事項は説明を省略する。図５では、リードスイッチ３１０を挿入する穴３１の一方にねじ５３１を設け、ボルト５３０を締結する。リードスイッチ３１０を紙面右方向から穴３１に挿入してから、ボルト５３０を回動させることにより、磁性コア５１２とリードスイッチ３１０の相対位置を調整することができる。

実施例３によれば、実施例１および実施例２と同様な効果を有するとともに、磁性コア５１２とリードスイッチ３１０の相対位置を調整することができる。

実施例５について図６から図１１を用いて説明する。

図６は、実施例５における真空遮断器１５６を備えた開閉装置の縦断面図である。

図６に示すように、開閉装置１５０は、遮断器室１５４と、遮断器室１５４の上方に配置された計測器室１５２と、遮断器室１５４及び計測器室１５２の背面側に配置された母線室１５３及びケーブル室１５５に区画されている。

遮断器室１５４内には、真空遮断器１５６が備えられている。計測器室１５２内には、真空遮断器１５６の主接点の開閉を制御する制御部２２０と、真空遮断器１５６の状態における異常の有無や異常の種類を判定する蓄積・比較部２２１と、蓄積・比較部２２１によって真空遮断器１５６の状態が異常であると判定された場合、真空遮断器１５６が異常状態であることをランプ点灯（若しくは消灯）、画像、音声などによって表示する異常状態表示部２２２が備えられている。

蓄積・比較部２２１は、電源コンデンサ静電容量の測定結果を逐次蓄積し、新たに測定された結果と過去に蓄積された結果を比較することで異常を検出する。

母線室１５３には真空遮断器１５６における真空バルブ９の固定接点７に電気的に接続された母線１６２と、真空遮断器１５６における真空バルブ９の可動接点８に電気的に接続された配電用ケーブル１６１が備えられている。

そして、開閉装置１５０の筐体前面（図６の右側）には扉が設けられており、扉を開放すると、真空遮断器１５６の前面に設けられたスイッチ類などを備える操作パネルが露出する。保守点検時には、作業員は、扉を開放して真空遮断器１５６を引き出すことができるようになっている。

次に、真空遮断器１５６の詳細構成について説明する。図７は、実施例５における真空遮断器１５６の詳細構成を示す図である。

図７に示すように、本実施例の真空遮断器１５６は、内部に主回路開閉部（固定接点７及び可動接点８）を有する真空バルブ９と、この真空バルブ９の主回路開閉部（固定接点７及び可動接点８）を開閉操作する電磁操作装置１と、電磁操作装置１と真空バルブ９を連結するリンク機構２とから概略構成されている。

電磁操作装置１は、可動鉄心３０２と固定鉄心３０６が相対向して配置され、鉛直方向に昇降する可動鉄心３０２に連結された電磁操作装置側ロッド３及び可動平板３１７、電磁石コイル１７（負荷）、永久磁石３０４がケース３０５に収納されて成る電磁石１４から主に構成され、ピン１９、第１の連結部品２１、リンク機構２を介して第１のレバー２２に接続されている。これらは、筐体１０内に配置されている。

また、電磁石コイル１７に励磁電流が供給されると可動鉄心３０２が下降し、可動鉄心３０２に連結された電磁操作装置側ロッド３が下降するとき、第２のレバー２３が回転することで第２の連結部品２４及び真空バルブ側ロッド１１４が上昇し、真空バルブ９内に設けられた固定接点７と可動接点８が接触する。

絶縁フレーム１３０には、断路部１３１、１３２、固定導体１３３、真空バルブ９、可動側導体１３４からなる主回路部と、また、真空バルブ９の可動接点８を固定接点７と切離自在に駆動するために、真空バルブ側ロッド１１４、ワイプばね５９、シャフト２５、遮断ばね６０が備えられている。

真空遮断器１５６の投入動作では、ワイプばね５９及び遮断ばね６０が圧縮され、弾性エネルギーが蓄積され、この弾性エネルギーにより遮断動作が行われる。真空バルブ９の開閉部が投入状態にあるとき、永久磁石３０４の吸引力により可動鉄心３０２及び可動平板３１７が保持される。

電磁操作式の真空遮断器１５６の遮断動作では、電磁石コイル１７に投入動作とは逆向きの電流を流すことで、永久磁石３０４の吸引力を打ち消す方向に磁束が発生し、ワイプばね５９及び遮断ばね６０に蓄勢された弾性エネルギーが解放されることで、電磁操作装置側ロッド３が上昇し、真空バルブ９内に設けられた固定接点７と可動接点８が開離する。

電磁操作装置側ロッド３が上昇するとシャフト２５が上方に移動し、シャフト２５の移動に合わせて第３のレバー（図示せず）が回転する。第３のレバーと補助スイッチ２０は連動しており、補助スイッチ２０は、真空バルブ９の開閉部の状態検出と電磁石コイル１７に流れる電流の制御を兼ねている。

また、上述した補助スイッチ２０は、補助スイッチ２０における信号接点である常時開接点及び常時閉接点の動作タイミングと、制御部２２０（図６参照）が作成する投入指令及び遮断指令（開極指令）のタイミングとの時間差に基づいて、真空遮断器１５６の投入動作時間及び遮断動作時間を計測するのに用いられる。計測される投入動作時間及び遮断動作時間の時間的変化に基づいて、真空バルブ９内の固定接点７と可動接点８の消耗、真空バルブ９の真空漏れ、可動接点８の駆動機構部における摩擦増など、真空遮断器１５６の状態が判定される。

図８は、実施例５における真空遮断器１５６の構成図を示す。筐体１０には、鉛直方向に延びた制御基板１８が固定されている。制御基板１８からは、リード線５１５が延びており、リード線５１５には、補助スイッチ２０、電源コンデンサ１６、電磁石コイル１７が接続されている。リード線５１５のうち、電源コンデンサ１６の充電電流が流れるリード線５１５には、電流センサ５０４、５０５が取り付けられている。

図９は、実施例５における充放電回路を示す図である。充放電回路は、真空遮断器１５６の電磁石１４を動作させるための回路である。充放電回路は、リード線５１５によって各機器が接続されている。直流電源５００（電源）には、充電スイッチ５０１、充電抵抗５０２、電源コンデンサ１６がリード線５１５によって接続され、充電回路が形成される。そして、充電スイッチ５０１がオンすることで、電源コンデンサ１６が充電される。電源コンデンサ１６が充電されると、充電スイッチ５０１がオフとなる。

また、電源コンデンサ１６には、放電スイッチ５０３、電磁石コイル１７（負荷）がリード線５１５によって接続され、放電回路が形成される。そして、放電スイッチ５０３がオンされることで、電源コンデンサ１６から電磁石コイル１７（負荷）に電流が供給され、電磁石１４が動作する。電磁石１４が動作後、放電スイッチ５０３がオフされ、充電スイッチ５０１がオンされることで、電源コンデンサ１６が再充電される。その時の充電電流が、電流センサ５０４、５０５によって測定される。

次に、電源コンデンサ１６の静電容量測定装置について図１０及び図１１を用いて説明する。図１０は、実施例５における蓄積・比較部２２１のブロック図を示す。図１１は、実施例５における電源コンデンサの充電時における電圧と電流の時間特性を示す図である。

図１０では、複数の電流センサを用いた例としている。図１１に示すように、電源コンデンサの初期電圧が０Ｖの場合、電源コンデンサ充電電流５０７は直流電源電圧を充電抵抗Ｒで除した値から０Ａまで、時間経過と共にＣを電源コンデンサの静電容量としＲを充電抵抗とした場合に時定数ＣＲで漸減して行く特性を持っている。一方、電源コンデンサ電圧５０６は、時間経過と共に時定数ＣＲで０Ｖから所定の直流電源電圧まで漸増して行く特性を持っている。

電流センサ５０４、５０５は電源コンデンサ１６に充電される充電電流を検出する。電流センサ５０４、５０５には、例えば検出される電流値の感度が互いに異なる常時開接点のリードスイッチを備えたセンサを用いる。

図１１に示すように、電源コンデンサ充電電流５０７が時定数ＣＲで漸減するに従い、電流センサ５０４の感度である電流値Ｉ１（第１電流値）を横切った時に、電流センサ５０４（第１電流センサ）の出力信号６０１が、閉から開に切り替わる。同様に、電源コンデンサ充電電流５０７が、電流センサ５０５の感度である電流値Ｉ２を横切った時に、電流センサ５０５（第２電流センサ）の出力信号６０２が閉から開に切り替わる。電流センサ５０４（第１電流センサ）の出力信号６０１と、電流センサ５０５（第２電流センサ）の出力信号６０２とは、時間差ｄｔで閉から開に切り替わる。

そして、電流センサ５０４が閉から開に切り替わる時刻と、電流センサ５０５が閉から開に切り替わる時刻の差を測定すれば、電源コンデンサ静電容量を算出することができる。本実施例では図９の充電回路に流れる充電電流を電流センサ５０４と電流センサ５０５とでセンシングすることで電源コンデンサの静電容量を算出できるということである。以下に具体的な動作を記す。

電流センサ５０４、５０５が検出した結果は、それぞれ蓄積・比較部２２１の蓄積部５２０、５２１に記憶される。ここで、蓄積・比較部２２１を構成する蓄積部５２０、５２１は、フラッシュメモリやハードディスクなどの記録媒体で構成できる。差演算部５２２および比較部５２３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）が記録媒体に格納したプログラムを読み出して実行することで実現できる。電源コンデンサ静電容量判定値５２４は記録媒体に格納しておく。

蓄積部５２０には、予め定められた電流値Ｉ１（第１電流値）に加え、電源コンデンサ１６に充電が開始され、電流センサ５０４（第１電流センサ）が予め定められた電流値Ｉ１（第１電流値）を検出するまでに要した第１時間となる時間Ｔ１（電流値Ｉ１を横切る時間）が記憶される。

蓄積部５２１には、予め定められた電流値Ｉ２（第２電流値）に加え、電源コンデンサ１６に充電が開始され、電流センサ５０５（第２電流センサ）が予め定められた電流値Ｉ２（第２電流値）を検出するまでに要した第２時間となる時間Ｔ２（電流値Ｉ２を横切る時間）が記憶される。

電流値Ｉ１（第１電流値）と電流値Ｉ２（第２電流値）とは異なる値とする。蓄積部５２０、５２１に記憶されたそれぞれの検出結果は差演算部５２２に送信される。

差演算部５２２では、電流値Ｉ１、Ｉ２と、電流値Ｉ１、Ｉ２を横切る第１時間Ｔ１、第２時間Ｔ２の時間差ｄｔより、電源コンデンサ１６の静電容量Ｃが以下の式で演算される。
Ｃ＝（１／Ｒ）・ｄｔ／（ｌｎ（Ｉ１／Ｉ２））
ここで、電流値Ｉ１、Ｉ２、充電抵抗Ｒを固定すれば、時間差ｄｔを測定することによって電源コンデンサ静電容量Ｃを算出できる。

次に、差演算部５２２で算出された電源コンデンサ静電容量Ｃが比較部５２３に送信され、比較部５２３では算出された電源コンデンサ静電容量Ｃと、予め定められた電源コンデンサ静電容量判定値５２４とが比較される。

比較部５２３では、算出された電源コンデンサ静電容量Ｃが電源コンデンサ静電容量判定値５２４を下回るか否かが判定され、算出された電源コンデンサ静電容量Ｃが電源コンデンサ静電容量判定値５２４を下回っていれば、異常を表示する指令信号を異常状態表示部２２２へ出力する。異常状態表示部２２２では、指令信号を受信後、電源コンデンサの異常を報知する。

また、本実施例によれば、電源コンデンサの静電容量測定のために、電源コンデンサに対して並列に放電回路を接続する必要はない。そのため、放電回路の追加に伴う故障といったリスクはなく、信頼性は高い。

なお、本発明の実施例は、上述した実施例に限定するものではなく、様々な変形例が含まれる。上述した実施例は分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定するものではない。

１５６…真空遮断器
２２１…蓄積・比較部
２２２…異常状態表示部
３１０…リードスイッチ
５０４、５０５…電流センサ
５１２、５１２a、５１２ｂ…磁性コア
５２０、５２１…蓄積部
５２２…差演算部
５２３…比較部

Claims (10)

1. リードスイッチと、
   前記リードスイッチと直列の磁気回路を構成する磁性コアと、
   前記磁気回路を貫通する被測定電流リードおよびバイアス電流リードを有する電流センサ。
2. 請求項１に記載の電流センサにおいて、
   前記磁性コアは、
   第１の磁性コアと第２の磁性コアを有し、
   前記第１の磁性コアと前記第２の磁性コアにより前記リードスイッチを挟みこんで固定した電流センサ。
3. 請求項２に記載の電流センサにおいて、
   前記磁性コアは、
   コの字形であり、前記リードスイッチの端部では湾曲部を有する電流センサ。
4. 請求項１に記載の電流センサにおいて、
   前記磁性コアは、
   直方体の形状であり、
   スリットと、前記スリットを貫通する穴を有する電流センサ。
5. 請求項４に記載の電流センサにおいて、
   前記穴の一方は、袋状に構成される電流センサ。
6. 請求項４に記載の電流センサにおいて、
   前記穴の一方には、ねじ部が配置され、
   前記ねじ部に締結可能なボルトを有する電流センサ。
7. 請求項１に記載の電流センサにおいて、
   前記リードスイッチは、
   前記被測定電流リードに流れる被測定電流と前記バイアス電流リードに流れるバイアス電流によって発生する合成磁束と、動作磁束とに基づいて動作する直流電流センサ。
8. 電源コンデンサの充電電流を検出する、請求項１に記載の電流センサである第１電流センサおよび第２電流センサと、
   前記電源コンデンサに充電が開始され、前記第１電流センサが第１電流値を検出するまでに要した第１時間を蓄積し、前記電源コンデンサに充電が開始され、前記第２電流センサが第２電流値を検出するまでに要した第２時間を蓄積し、前記第１時間と前記第２時間の差から前記電源コンデンサの静電容量を算出する蓄積・比較部とを有する静電容量測定装置。
9. 請求項８に記載の静電容量測定装置は、
   前記電源コンデンサを充電する電源と、
   前記電源と前記電源コンデンサとの接続をオンオフする充電スイッチと、
   前記第１電流センサと前記第２電流センサと、を有する充電回路において、静電容量を測定する静電容量測定装置。
10. 請求項８に記載の静電容量測定装置において、
    前記第１電流センサおよび前記第２電流センサは、異なる感度の常時開接点の前記リードスイッチを有する静電容量測定装置。

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