JP2021165691A

JP2021165691A - 直流漏電検出装置

Info

Publication number: JP2021165691A
Application number: JP2020069478A
Authority: JP
Inventors: 淳史宮本; Junji Miyamoto; 智康酒井; Tomoyasu Sakai
Original assignee: Nitto Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nitto Kogyo Co Ltd
Priority date: 2020-04-08
Filing date: 2020-04-08
Publication date: 2021-10-14

Abstract

【課題】簡易な回路構成で、漏電が正極側又は負極側のいずれで発生したのかを判定することができる漏電検出回路を提供すること。【解決手段】通過する正極側配線８３と負極側配線８４に流れる直流電流の差に応じて磁化される磁気コア１１と、磁気コアに巻回される励磁コイル１２と、励磁コイルに供給する電圧を発生させる発振手段１３と、励磁コイルの線間電圧を検出する検出部１４と、検出部で検出された励磁コイルの線間電圧に関する情報を基準電圧に関する情報と比較して、正極側配線と負極側配線のいずれで漏電が発生しているかを判定する判定部１５と、を備えた直流漏電検出装置１とする。【選択図】図３

Description

本発明は、直流漏電検出装置に関するものである。

磁気コアを利用した漏電検出の方法が知られている。零相変流器を貫通する電線に流れる電流差Igに応じてZCTに磁束Φを発生させ、この磁束Φから二次巻線に誘導された電圧を検出することで漏電の発生を検出する方法である。この方法は、電磁誘導の法則を利用したものであり、磁束が変化する場合に電圧を検出できる。交流の場合は、電流の向きや大きさが変動するため、この方法で、常に監視を行うことができる。

一方、交流の漏電の検出と同様に、磁気コアを利用して直流の漏電を検出しようとする場合、スイッチのオン、オフによる瞬間的な変化があったときには電流の変化に起因する電圧が現れるが、通常、電線に流れる電流は時間によって変化しないため、電圧は現れない。このような挙動の場合、微小な漏電電流の場合や同じ放電電流のまま続く場合には、異常状態を検出することができない。

特許文献１に記載されているように、このような磁気コアを用いた回路で直流漏電を測定しようとする場合、導線を囲む磁気コア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回路を形成する構造が使用されている。この回路は、励磁コイルに励磁電流を供給するとともに、磁気コアの飽和状態で磁化電流の向きを反転させる矩形波電圧を発生させる。この際、磁気コアも磁束の向きが入れ替わるよう作用する。

ここで、磁気コアを貫通する導線の電流の差分によって磁化コアに磁束が発生するが、励磁コイルの磁束と磁気コアの磁束の向きが同じ場合には、磁束が結合する。また、結合した場合には、インダクタンスに流れる励磁電流が大きくなり、磁気コアが飽和するまでの時間が変化する。特許文献１に記載の方法では、励磁電流の飽和に応じて矩形波電圧を発生させるため、矩形波の電圧のデューティ比も変化する。このデューティ比を比較し、差異があった場合に漏電を検出したとしている。

特開２０１２−６３２１８号公報

この方法では、デューティ比の比較により漏電発生は把握できるが、どの極で漏電が発生したかまでは把握ができない。また、電流を測定するためにＣＴを介在させる必要があることや、デューティ比を変化させる回路が必要であり、複雑化するという問題もあった。

本件の発明者は、この点について鋭意検討することにより、解決を試みた。本発明が解決しようとする課題は、簡易な回路構成で、漏電が正極側又は負極側のいずれで発生したのかを判定することができる漏電検出回路を提供することである。

上記課題を解決するため、直流電流が流れる正極・負極配線が通過し、電流の差に応じて磁化される磁気コアと、磁気コアに巻回される励磁コイルと、励磁コイルに供給する電圧を発生させる発振手段と、励磁コイルの線間電圧を検出する検出部と、検出部で検出された励磁コイルの線間電圧に関する情報を基準電圧に関する情報と比較して、正極側・負極側での漏電の発生を判定する判定部と、を備えた直流漏電検出装置とする。

また、判定部は、電圧波形の立ち上がり時の大きさ、半波以内で所定の時間経過後の大きさ、または、半波の面積の大きさ、のいずれか１以上の大きさを比較して漏電の発生を判定する構成とすることが好ましい。

また、判定部は、電圧波形の基準電圧に関する情報と、最大電圧値の減少量または最小電圧値の増加量を比較して漏電の発生を判定する構成とすることが好ましい。

また、漏電が発生したと判定部が判定した場合に外部に出力信号を出力する構成とすることが好ましい。

本発明では、簡易な回路構成で、漏電が正極側又は負極側のいずれで発生したのかを判定することができる漏電検出回路を提供することが可能となる。

直流漏電検出装置を適用した例を示した図である。発振手段で矩形波を発振させた場合の励磁コイルの線間電圧の挙動例を示す図である。ただし、地絡が生じていない状態である。図１に示す例の正極側配線で漏電が生じた場合における、電流と磁束の関係を示す図である。ただし、一点鎖線で磁束の向きを表している。発振手段で矩形波を発振させた場合の励磁コイルの線間電圧の変化例を示す図である。ただし、実線が、図３に示す地絡が生じた状態における線間電圧の変化を示しており、破線が、地絡が生じていない状態における線間電圧の変化を示している。図１に示す例の負極側配線で漏電が生じた場合における、電流と磁束の関係を示す図である。ただし、一点鎖線で磁束の向きを表している。発振手段で矩形波を発振させた場合の励磁コイルの線間電圧の変化例を示す図である。ただし、実線が、図５に示す地絡が生じた状態における線間電圧の変化を示しており、破線が、地絡が生じていない状態における線間電圧の変化を示している。漏電を検出する検出部をブレーカと一体とした例を示す図である。漏電を検出する検出部をブレーカと別体とした例を示す図である。発振手段で三角波を発振させた場合の励磁コイルの線間電圧の変化例を示す図である。ただし、破線が、正極で地絡が生じた場合における線間電圧の変化を示しており、実線が、地絡が生じていない状態における線間電圧の変化を示している。発振手段で三角波を発振させた場合の励磁コイルの線間電圧の変化例を示す図である。ただし、破線が、負極で地絡が生じた場合における線間電圧の変化を示しており、実線が、地絡が生じていない状態における線間電圧の変化を示している。

以下に発明を実施するための形態を示す。図１に示されていることから理解されるように、本実施形態の直流漏電検出装置１は、通過する正極側配線８３と負極側配線８４に流れる直流電流の差に応じて磁化される磁気コア１１と、磁気コア１１に巻回される励磁コイル１２と、励磁コイル１２に供給する電圧を発生させる発振手段１３と、励磁コイル１２の線間電圧を検出する検出部１４と、検出部１４で検出された励磁コイル１２の線間電圧に関する情報を基準電圧に関する情報と比較して、正極側配線８３と負極側配線８４のいずれで漏電が発生しているかを判定する判定部１５と、を備えた構成である。このため、簡易な回路構成で、漏電が正極側又は負極側のいずれで発生したのかを判定することができる漏電検出回路を提供することが可能となる。また、電流を測定するためにＣＴを介在させる必要が無く、デューティ比を変化させる回路も必要でないため、簡易な構成とすることができる。

図１に示すことから理解されるように、実施形態の直流漏電検出装置１は、直流電源８１と、直流電源８１から供給される電流を利用する負荷８２と、の間に介在する正極側配線８３と負極側配線８４が、筒状の磁気コア１１を通過するように配置されている。地絡が生じていない、通常の状態の場合、正極側配線８３と負極側配線８４は、同じ大きさの電流が流れる。この場合、この電流により磁気コア１１に磁束が生じることはなく、励磁コイル１２にも影響は与えない。

ところで、発振手段１３により励磁コイル１２に向けて電圧をかけると、励磁コイル１２には、その度に線間電圧が生じる。図２に示す例では、発振手段１３である発振回路により励磁コイル１２に向けてかけられる電圧は矩形波状であり、プラス側の電圧とマイナス側の電圧が交互に周期的に繰り返されるものである。この際、励磁コイル１２の線間電圧は、図２に示すように、プラスからマイナス若しくはマイナスからプラスに切り替わったタイミングで大きく変化する。その後の線間電圧は、次の切り替えが行われるまでの間、徐々に０に近づくように変化する。励磁コイル１２は、自己誘導作用により電流変化を妨げる方向に起電力を発生するからである。

図１及び図２に示す状態が、地絡が生じていない場合の例であるが、図３に示すことから理解されるように、正極側配線８３で地絡により地絡電流Ｉａが地面側に流れた場合、正極側配線８３ではＩｅ＋Ｉａの電流が流れ、負極側配線８４には、Ｉｅの電流が流れることになる。つまり、磁気コア１１を通過する正極側配線８３と負極側配線８４において、流れる電流が異なるものになる。より具体的には、図３に示す例では、正極側配線８３に流れる電流のほうが負極側配線８４に流れる電流の大きさより大きくなる。このため、磁気コア１１に磁束が発生する。磁気コア１１に巻かれた励磁コイル１２の線間電圧は、この磁束の影響を受ける。つまり、地絡による漏電が発生すると磁気コア１１に磁束が発生し、磁気コア１１に発生した磁束が励磁回路の励磁コイル１２に影響を及ぼす。

図３に示す例では、矩形波電圧の正の半波では励磁コイル１２の磁束の向きと磁気コア１１の磁束の向きが同様である。この場合、図４に示すことから理解されるように、地絡の不発生時と地絡の発生時を比べると励磁コイル１２の線間電圧は、地絡の発生時のほうが高くなる。これは、磁気コア１１に発生する磁束と、励磁コイル１２に発生する磁束が、同じ向きになった場合には、お互いが結びつきあうことにより、電流が上昇し、線間で電圧が大きくなるように作用するからである。そのため、基準電圧より線間電圧のピーク値が高くなる。一方、矩形波電圧の負の半波では、励磁コイル１２の磁束の向きと磁気コア１１の磁束の向きが逆となる。つまり、負のピーク値は基準電圧より高くなり、立下りの過渡応答の変化が急になる。よって、全体の波形として基準電圧より上方に来るように形成される。この波形を判定部１５で判定して、正極側配線８３で漏電が生じたと判定を行う。

一方、図５に示すように、負極側配線８４で地絡により地絡電流Ｉａの電流が地面側から流れた場合にも、磁気コア１１を通過する正極側配線８３と負極側配線８４において、流れる電流が異なるものになる。より具体的には、図５に示す例では、負極側配線８４に地絡電流Ｉａが流れ込むため、負極側配線８４に流れる電流のほうが正極側配線８３に流れる電流の大きさより大きくなる。このため、磁気コア１１に磁束が発生する。磁気コア１１に巻かれた励磁コイル１２の線間電圧は、この磁束の影響を受ける。

図５に示す例では、矩形波電圧の正の半波では励磁コイル１２の磁束の向きと磁気コア１１の磁束の向きが逆である。この場合、図６に示すことから理解されるように、地絡の不発生時と地絡の発生時を比べると励磁コイル１２の線間電圧は、地絡の発生時のほうが低くなる。これは、磁気コア１１に発生する磁束と励磁コイル１２に発生する磁束とが異なる向きであった場合には、お互いが磁束を打ち消しあうため、電流が低下し、電流が低下すると線間電圧が低下するように作用するからである。そのため、基準電圧より線間電圧のピーク値は低くなる。一方、矩形波電圧の負の半波では、励磁コイル１２の磁束の向きと磁気コア１１の磁束の向きが同じとなる。つまり、負のピーク値は基準電圧より低くなり、立下りの過渡応答の変化が急になる。よって、全体の波形として基準電圧より下方に来るように形成される。この波形を判定部１５で判定して、負極側配線８３で漏電が生じたと判定を行う。

このように本発明の直流漏電検出装置１を用いれば、励磁コイル１２の線間電圧を正常時と比べることで、正極側配線８３と負極側配線８４のいずれに漏電が生じているのかを推測することができる。なお、本実施形態においては、正極側配線８３に漏電が生じた際に線間電圧のピーク値が高くなり、負極側配線８４に漏電が生じた際に線間電圧のピーク値が低くなると説明したが、これは発振手段１３の電圧の印加の向きや、励磁コイル１２の巻き方、向きによって反転するものである。そのため、あらかじめ正極側配線８３で漏電が生じた際にはピーク値が通常時よりも高くなると設定しておくものである。

ところで、実施形態の判定部１５は、漏電の異常が生じていない時における励磁コイル１２の線間電圧を基準電圧に関する情報として記憶している。配線に漏電が生じた場合、あらかじめ記憶させてあった情報と計測結果を比較すれば、地絡の発生やどちらの配線で地絡が生じたかの推測ができる。なお、判定部１５は、電圧波形の立ち上がり時の大きさ、半波以内で所定の時間経過後の大きさ、または、半波の面積の大きさ、のいずれか１以上の大きさを比較して漏電の発生を判定するようにするのが好ましい。つまりは、判定部１５は立ち上がり時の電圧波形の差分や、半波以内の所定の時間経過後における差分、半波分の面積など少なくとも１つの電圧波形を比較して判定するのが好ましい。また、立ち上がりの電圧波形はノイズが乗るため、複数点での差分を検出させることが特に、好ましい。

ところで、直流漏電検出装置１に出力部を備える構成とすることが好ましい。出力部としては、ＬＥＤで方向などを示すものであっても良いし、外部機器に信号を出力できるものなどであっても良い。また、漏電が発生したと判定部１５が判定した場合には、外部に出力信号を出力することが好ましい。特に、ブレーカ９に遮断信号を送信し遮断させるようにするのが好ましい。図７に示すことから理解されるように、判定部１５や検出部１４はブレーカ９と一体に形成するものであっても良いし、図８に示すことから理解されるように、別体であっても良い。

また、発振手段により励磁コイルに向けて掛けられる電圧として三角波を与えた場合を示した波形の変化を図９、図１０に示す。このように三角波を与えたとき、三角波電圧の正の半波では最大値が減少し、負の半波では最小値が増加するような傾向が見られた。この減少量により漏電の発生が判定できる。また、正極側で漏電が生じた場合には、図９に示すように、正の半波の最大値の減少値より、負の半波の最小値の増加量の方が小さくなる。一方、負極側で漏電が生じた場合には、図１０に示すように、負の半波の最小値の増加量より、正の半波の最大値の減少値が小さくなる。判定部１５はこの最大値と最小値の変化量の違いにより正極側配線か負極側配線のどちらかで漏電が起きたことを判定できる。

また、この変化量の違いを用いた別の判定方法としては、変化量の閾値を設定しておき、正の半波の最大値の減少値もしくは負の半波の最小値の変化量が閾値を超えた場合に正極側配線か負極側配線のどちらかで漏電が起きたことを判定する例を挙げることができる。

以上、実施形態を例に挙げて本発明について説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、各種の態様とすることが可能である。例えば、発振手段により励磁コイルに向けてかけられる電圧は、矩形波状である必要はなく、ノコギリ波、正弦波などでもよい。

また、発振手段により励磁コイルに向けてかけられる電圧は、一定の電圧が周期的に生じるようなものでなくてもよい。

また、発振手段により励磁コイルに向けてかけられる電圧は、極性を反転させるものでなくても良い。つまり、プラスの電圧若しくはマイナスの電圧の何れかだけがかけられるものでも良い。

１直流漏電検出装置
１１磁気コア
１２励磁コイル
１３発振手段
１４検出部
１５判定部
８３正極側配線
８４負極側配線

Claims

通過する正極側配線と負極側配線に流れる直流電流の差に応じて磁化される磁気コアと、磁気コアに巻回される励磁コイルと、励磁コイルに供給する電圧を発生させる発振手段と、励磁コイルの線間電圧を検出する検出部と、検出部で検出された励磁コイルの線間電圧に関する情報を基準電圧に関する情報と比較して、正極側配線と負極側配線のいずれで漏電が発生しているかを判定する判定部と、を備えた直流漏電検出装置。
判定部は、電圧波形の立ち上がり時の大きさ、半波以内で所定の時間経過後の大きさ、または、半波の面積の大きさ、のいずれか１以上の大きさを比較して漏電の発生を判定する請求項１に記載の直流漏電検出装置。
判定部は、電圧波形の基準電圧に関する情報と、最大電圧値の減少量または最小電圧値の増加量を比較して漏電の発生を判定する請求項１に記載の直流漏電検出装置。
漏電が発生したと判定部が判定した場合に外部に出力信号を出力する請求項１から３の何れかに記載の直流漏電検出装置。