JP2022138349A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】太陽光発電システムの対地静電容量に左右されず、安定かつ高感度な電流センサを提供する。【解決手段】主回路導体を流れる直流電流を検出する電流センサであって、第１のセンサ部と第２のセンサ部とを備え、第１のセンサ部は、主回路導体が貫通する環状の第１の磁気コアと、第１の磁気コアに巻回された第１の励磁巻線および第１の検出巻線とを備え、第２のセンサ部は、主回路導体が貫通する環状の第２の磁気コアと、第２の磁気コアに巻回された第２の励磁巻線および第２の検出巻線とを備え、第１の励磁巻線と第２の励磁巻線は同じ巻数であり、第１の励磁巻線と第２の励磁巻線は逆の極性で接続されるとともに、励磁回路に接続され、第１の検出巻線と第２の検出巻線は抵抗器と直列に接続され、抵抗器の両端が二次高調波検出回路に接続されている電流センサ。【選択図】 図１

Description

本発明は、直流電気設備における漏洩電流検出する電流センサに関する。

メガソーラなど太陽光発電設備の普及に伴い、太陽光発電設備における感電保護、火災保護および保守性向上のため、電路への人体の接触、損傷や劣化による漏れ電流の発生を検知する必要がある。

このような課題に対し、特許文献１には、環状の磁性体コアにコイルを巻回し、直流電路を往復で貫通させ、巻回したコイルに交流電圧を印加し、漏洩電流によるコアの磁気飽和によって発生する二次高調波を検出することにより、漏洩電流を検出する技術が記載されている。

また、特許文献２には、「直流成分を含む電流を検出する電流センサ素子であって、主センサと、補助センサと、前記主センサの磁気コアと前記補助センサの磁気コアにバイアス磁界を印加する永久磁石と、を備え、前記主センサは、環状の第一の磁気コアと、前記第一の磁気コアに巻回された検出巻線と励磁巻線と、を備え、前記補助センサは、環状の第二の磁気コアと、前記第二の磁気コアに巻回された補償巻線と、を備え、前記永久磁石を間に介在して、前記主センサと前記補助センサとが積層され、前記主センサ、前記永久磁石および前記補助センサの周囲を取り囲む磁性材料のケースを備える」構成が記載されている。

特開２０１３－１１０９２５号公報 特開２０２０－１４３９６２号公報

特許文献１もしくは特許文献２におけるセンサでは、環状の磁性体コアにコイルを巻回し、交流で励磁するため、漏電検出対象の電路には励磁によって零相電圧が誘起される。一方で太陽光発電設備では、太陽光モジュールを地上もしくは屋上など広い面積で展開することで大きな電力を得ようとするが、これにより一般的な電気設備より大きい対地静電容量を持つことになる。

特許文献１もしくは特許文献２におけるセンサを、このような大きい対地静電容量を持つ回路に適用した場合、センサの励磁で誘起された零相電圧により、対地静電容量と接地極を経由したループに電流が流れ、センサの動作が阻害されるという問題があった。また太陽光発電設備の直流回路は多くの場合は高抵抗の接地であり、故障時の漏れ電流が小さく検出が難しいという問題がある。

本発明の目的は、太陽光発電システムの対地静電容量に左右されず、安定かつ高感度な電流検出を可能とする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、主回路導体を流れる直流電流を検出する電流センサであって、
第１のセンサ部と第２のセンサ部とを備え、
前記第１のセンサ部は、
前記主回路導体が貫通する環状の第１の磁気コアと、前記第１の磁気コアに巻回された第１の励磁巻線および第１の検出巻線とを備え、
前記第２のセンサ部は、
前記主回路導体が貫通する環状の第２の磁気コアと、前記第２の磁気コアに巻回された第２の励磁巻線および第２の検出巻線とを備え、
前記第１の励磁巻線と前記第２の励磁巻線は同じ巻数であり、前記第１の励磁巻線と前記第２の励磁巻線は逆の極性で接続されるとともに、励磁回路に接続され、前記第１の検出巻線と前記第２の検出巻線は抵抗器と直列に接続され、前記抵抗器の両端が二次高調波検出回路に接続されている電流センサである。

本発明によれば、太陽光発電システムの対地静電容量に左右されず、安定かつ高感度な電流検出を実現する電流センサを得ることが出来る。

実施例１の電流センサの接続図である。 比較例としての電流センサの接続図である。

本発明の実施例の説明に先立って、環状の磁性体を用いた直流漏洩電流を検出する比較例としての電流センサについて説明する。

図２は、比較例としての電流センサの接続図である。本比較例としての電流センサは軟磁性材料からなるコア１１に往復分一対の主回路導体１２を貫通した構造とする。

コア１１には励磁巻線１３と検出巻線１４が巻回されており、励磁巻線１３には励磁回路１５、検出巻線１４には二次高調波検出回路１６が接続される。主回路に接続された負荷に異常がなく、漏れ電流が流れていない場合は、主回路導体１２に流れる電流は互いに逆向きで等しい電流が流れるが、負荷で地絡事故が発生し、漏れ電流が流れることにより主回路導体１２に流れる逆方向の電流に差が生じた場合には、コア１１の中に電流の差分に応じた磁界が誘起される。

このときコア１１は励磁回路１５と励磁巻線１３によって励磁されており、検出巻線１４には励磁電流に応じた電圧が誘起されているが、コア１１の内部に誘起された漏れ電流に基づく磁界によって磁気特性に偏りが生じ、検出巻線１４には二次高調波が誘起される。この二次高調波を二次高調波検出回路１６によって検出し、漏洩電流の有無を検出するものである。

図１は、本発明の実施例１の電流センサの接続図である。比較例の電流センサと同じ事項の説明は省略する。本実施例の電流センサは、主回路導体を流れる直流電流を検出する電流センサであって、第１のセンサ部と第２のセンサ部とを備え、第１のセンサ部は、主回路導体２３が貫通する環状の第１の磁気コア２１と、第１の磁気コア２１に巻回された第１の励磁巻線２４および第１の検出巻線２７とを備える。第２のセンサ部は、主回路導体が貫通する環状の第２の磁気コア２２と、第２の磁気コア２２に巻回された第２の励磁巻線２５および第２の検出巻線２８とを備える。第１の励磁巻線２４と第２の励磁巻線２５は逆の極性で接続されるとともに、励磁回路２６に接続される。第１の検出巻線２７と第２の検出巻線２８は抵抗器２９と直列に接続され、抵抗器２９の両端が二次高調波検出回路２aに接続されている。

第１の磁気コア２１および第２の磁気コア２２は軟磁性材料からなる。また、第１の磁気コア２１および第２の磁気コア２２のそれぞれの磁気コアには、巻数の等しい第１の励磁巻線２４および第２の励磁巻線２５を備える。第１の励磁巻線２４および第２の励磁巻線２５には逆極性の電圧が発生するように、第１の励磁巻線２４および第２の励磁巻線２５は逆極性で直列に接続され、励磁回路２６により励磁する。なお、第１の励磁巻線２４および第２の励磁巻線２５の接続は逆極性で並列に接続しても良い。

第１の磁気コア２１および第２の磁気コア２２のそれぞれの磁気コアには、第１の検出巻線２７および第２の検出巻線２８が巻回される。励磁電流によって誘起される電圧を打ち消す極性で、第１の検出巻線２７および第２の検出巻線２８は直列に接続され、電流検出抵抗２９に接続される。本実施例の電流センサでは、電流検出抵抗２９の電圧降下を二次高調波検出回路２aに入力し、二次高調波を検出することにより漏洩電流を検出する構成である。

本実施例の電流センサは、環状の磁性体コアを二個使用し、それぞれのコアを逆位相で励磁することにより、漏電検出対象の電路に誘起される零相電圧を打ち消し、対地静電容量と接地極を経由したループインピーダンスの影響を受けないようにする。また二つのコアに巻回された検出巻線を励磁電流による誘起電圧を打ち消す極性で直列に接続し、この直列回路に電流検出用の抵抗を挿入して検出巻線に流れる電流を検出することにより、高感度で漏電検出を行うことが出来る。

本実施例の電流センサによれば、前述のループインピーダンスの影響を受けなくする効果に加え、パワー半導体素子のスイッチングに起因し、対地静電容量を通じて流れるノイズ電流を、二つの検出巻線を逆並列に接続することで短絡して打ち消してセンサのSN比を改善し、かつ高感度に漏洩電流を検出することが可能となる。

また、検出側の巻線から発生する二次高調波は電圧成分よりも電流成分の方が大きい。そのため電圧より電流を検出する方が効率よく、高感度に二次高調波を検出できる。本実施例によれば、第１の検出巻線２７および第２の検出巻線２８を直列にして抵抗を挿入する構成とするので、第１の検出巻線２７および第２の検出巻線２８に流れる二次高調波を含む電流を効率よく高感度に検出できる。

上記の実施例では、主回路導体２３は、往復分一対の２本の場合を例に説明したが、１本の導体であってもよいし、３本以上の導体であってもよい。

また、上記の実施例では、太陽光発電設備の直流回路に適用した電流センサを例に説明した。主回路導体２３は、太陽光発電設備と接続する場合に限らず、他の設備と接続する場合においても本実施例は適用できる。

１１…コア、１２…主回路導体、１３…励磁巻線、１４…検出巻線、１５…励磁回路、１６…二次高調波検出回路、２１…第１の磁気コア、２２…第２の磁気コア、２３…主回路導体、２４…第１の励磁巻線、２５…第２の励磁巻線、２６…励磁回路、２７…第１の検出巻線、２８…第２の検出巻線、２９…電流検出抵抗、２a…二次高調波検出回路

Claims (4)

1. 主回路導体を流れる直流電流を検出する電流センサであって、
   第１のセンサ部と第２のセンサ部とを備え、
   前記第１のセンサ部は、
   前記主回路導体が貫通する環状の第１の磁気コアと、
   前記第１の磁気コアに巻回された第１の励磁巻線および第１の検出巻線とを備え、
   前記第２のセンサ部は、
   前記主回路導体が貫通する環状の第２の磁気コアと、
   前記第２の磁気コアに巻回された第２の励磁巻線および第２の検出巻線とを備え、
   前記第１の励磁巻線と前記第２の励磁巻線は同じ巻数であり、前記第１の励磁巻線と前記第２の励磁巻線は逆の極性で接続されるとともに、励磁回路に接続され、前記第１の検出巻線と前記第２の検出巻線は抵抗器と直列に接続され、前記抵抗器の両端が二次高調波検出回路に接続されている電流センサ。
2. 請求項１に記載の電流センサにおいて、
   前記第１の励磁巻線と前記第２の励磁巻線とは、直列または並列に接続されている電流センサ。
3. 請求項１又は２に記載の電流センサにおいて、
   前記主回路導体は、
   往復一対で構成される電流センサ。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載の電流センサにおいて、
   前記主回路導体は、
   太陽光発電設備と接続される電流センサ。

Images