JP4158542B2

JP4158542B2 - 零相変流器

Info

Publication number: JP4158542B2
Application number: JP2003027920A
Authority: JP
Inventors: 高裕工藤; 浅田　　規
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2003-02-05
Filing date: 2003-02-05
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2023-02-05
Also published as: JP2004241530A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、送配電線路において地絡事故が生じたり、感電があった場合に流れる地絡電流を検出する零相変流器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電流トランス型零相変流器を示す構成図を図６に示す。電流トランス型零相変流器は、パーマロイなどの高透磁率材料により構成される環状鉄芯１３の全周にわたって出力巻線１４が巻回されており、一次導体６ａ、６ｂ、６ｃは環状鉄芯１３の中空部を貫通するように配置される。
零相変流器の地絡検出原理は、三相平衡状態（地絡が発生していない状態）ではR相導体６ａ、S相導体６ｂ、T相導体６ｃに流れるR相電流Iｒ、S相電流Iｓ、T相電流Iｔの総和が常に零であり、環状鉄芯１３内に発生する磁束は互いに打ち消し合って出力巻線１４には電圧は誘起されないが、地絡が発生した場合には、各相の電流の総和は零ではなくなり、環状鉄芯１３内に地絡電流に応じた磁束が発生し出力巻線１４に電圧が誘起されることにある。
【０００３】
零相変流器にシールドを施し、外部ノイズでの電子回路部品の誤動作を防止した漏電遮断器の漏電電流検出装置がある（例えば、特許文献１参照）。
また、三相交流電路において、零相変流器が不平衡出力を出すような過渡的大電流領域における誤動作防止を有した漏電遮断器の構成が示されている（例えば、特許文献２参照）。
通常、出力巻線１４は数千ターン巻き回す必要があるので、小型化に限界があるという問題があった。そこで、従来の電流トランス型に代わるものとして、環状鉄芯中に高感度な磁気インピーダンス素子を配置するものがある（例えば、特許文献３参照）。
【０００４】
従来の零相変流器端子構成を図７に示し、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は正面図、（ｃ）はＲ相端子のみを上部から見た図である。Ｒ相端子１０ａ、１００ａと、Ｓ相端子１０ｂ、１００ｂと、Ｔ相端子１０ｃ、１００ｃは、零相変流器１１内部に図７(ｂ)のように配置された、３本の円柱の各一次導体６ａ、６ｂ、６ｃにそれぞれ接続され、零相零相変流器１１の両側に対して、対象な端子構造を持っていた。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−３２１２４９号公報（第５−６頁、第１−５図）
【特許文献２】
特開平９−９３７９０号公報（第３−４頁、第１−５図）
【特許文献３】
特開平１０−２３２２５９号公報（第２−３頁、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の電流トランス型は、出力巻線により環状鉄芯内の磁束を周回積分するので、導体の位置による出力変化が少ないのに対して、特許文献３に開示されている方法は、磁束を周回積分できないので、導体の位置による出力変化が大きく、各導体からのアンペールの法則で発生する磁束の影響を受け易いために残留電流が増大するという問題があった。
また、零相変流器は通常、漏電遮断器に搭載されるが、漏電遮断器に要求される機能としては、地絡検出の他に、各相の過電流検出がある。しかし、従来の零相変流器では前述の原理にて検出を行っているため、過電流検出は不可能であった。そのため、過電流検出のために別途、カレントトランスもしくはバイメタルを用いた機械式の過電流検出機構が必要であった。
【０００７】
更に、一次導体６ａ、６ｂ、６ｃに接続する端子構造は、その取り出しの容易性から、一次導体６ａ、６ｂ、６ｃの長さ方向の中心に対して線対称の位置に端子を設ける図７に示した構成が容易に考えられる。しかし、図７（ｃ）に示すように、零相変流器１１の本体内部に位置する、導体６ａの内部では、電流密度の高い部分と低い部分とが存在することでの、導体を通過する電流密度の不均一性が著しく起こっていることが、磁場解析で明らかとなっており、３相平衡時の地絡電流が発生しない場合には、理想的には出力は現れないが、電流密度の不均一により、残留電流と呼ばれる出力が発生することで、地絡電流が流れた場合の出力との差を低下させる原因となるという問題があった。
【０００８】
本発明の課題は、前記の問題を解決し、小型の過電流検出機能付零相変流器を提供するである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためには、少なくとも２つの一次導体と、少なくとも２つの磁気センサにより構成される零相変流器において、少なくとも２つの前記一次導体は径の異なる導体であって、最小径である前記一次導体を除く少なくとも１つの前記一次導体は環状導体であって、すべての前記一次導体は中心位置を同一にして配置し、最外郭の一次導体の外側に磁気センサを配置するとともに、各一次導体との間にそれぞれ磁気センサを設けることにする。この際に、少なくとも２つの前記磁気センサのうち、最外郭導体の近傍に配置した前記磁気センサに磁気インピーダンス素子を用いて、他の前記磁気センサにホール素子または磁気抵抗素子を用いることにする。
【００１０】
少なくとも２つの一次導体と、少なくとも２つの磁気センサにより構成される零相変流器において、少なくとも２つの前記一次導体は径の異なる導体であって、最小径である前記一次導体を除く少なくとも１つの前記一次導体は環状導体であって、すべての前記一次導体は中心位置を同一にして配置し、最外郭の一次導体の外側に磁気センサを配置するとともに、各一次導体との間にそれぞれ磁気センサを設け、前記最外郭の一次導体の外側に前記一次導体と中心位置をほぼ同一とする第一環状鉄心を設け、前記第一環状鉄心の外側に磁気センサを設けたことにする。
【００１１】
この際、前記第一環状鉄心の外側に配置した前記磁気センサに磁気インピーダンス素子を用いて、他の前記磁気センサにホール素子または磁気抵抗素子を用いることにする。
少なくとも２つの一次導体と、少なくとも２つの磁気センサにより構成される零相変流器において、少なくとも２つの前記一次導体は径の異なる導体であって、最小径である前記一次導体を除く少なくとも１つの前記一次導体は環状導体であって、すべての前記一次導体は中心位置を同一にして配置し、最外郭の一次導体の外側に磁気センサを配置するとともに、各一次導体との間にそれぞれ磁気センサを設け、前記最外郭の一次導体の外側に前記一次導体と中心位置をほぼ同一とする第一環状鉄心を設け、前記第一環状鉄心の外側に磁気センサを設け、更に前記第一環状鉄心の外側に前記一次導体と中心位置をほぼ同一とする第二環状鉄心を設け、前記第二環状鉄心に切欠部を設けて前記切欠部に磁気センサを配置したことにする。
【００１２】
この際に、前記第ニ環状鉄心の切欠部に配置した前記磁気センサに磁気インピーダンス素子を用いて、他の前記磁気センサにホール素子または磁気抵抗素子を用いることにする。また最小径である前記一次導体が、円柱導体または環状導体であることにする。さらに、前記一次導体は両端に接続バーを介して端子を有し、前記一次導体両端での前記端子の位置関係は零相変流器を挟むように、且つ零相変流器を中心として点対称の位置に設けたことにする。
【００１３】
また、前記一次導体両側に対する一方または他方に位置する各前記端子の高さは同一であって、前記一次導体を介して両端に配置された前記端子の高さは異なることにする。
また、前記接続バーは、前記一次導体の両側で長さが異なることにする。
次いで、前記磁気センサとして磁気インピーダンス素子を用いたことにする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第一の実施例を示す基本配置構成図であり、 (ａ)は断面図で（ｂ）は側面図、（ｃ）はセンサ配置位置の異なる実施例の断面図である。中央には、円柱状導体である１次（Ｒ相）導体１ａを配置し、周囲には、同心であり径の異なる環状導体として、１次（Ｓ相）導体１ｂと１次（Ｔ相）導体１ｃをそれぞれ設けた同軸配線方式である。
また、円柱の１次（Ｒ相）導体１ａ外周と、環状の１次（Ｓ相）導体１ｂの内面との間に磁気センサ２ａを配置し、環状の１次（Ｓ相）導体１ｂの外周と、環状の１次（Ｔ相）導体１ｃの内面との間には磁気センサ２ｂを配置し、さらに環状の１次（Ｔ相）導体１ｃ外周には磁気センサ２ｃを配置している。
【００１５】
磁気センサ２ａ（２０ａ）、２ｂ、２ｃである３つのセンサの配置位置関係は、図１（ｃ）に示すように、中心から円周方向の同軸上にある必要はなく、また一次導体（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相）１ａＡ、１ｂ、１ｃの各導体間に対する配置位置は、磁気センサ２０ａのように、一次導体１ａＡよりも１ｂの近くに（外側に近く）配置しても、あるいは、磁気センサ２０ｂのように、一次導体１ｃよりも１ｂの近く（内側に近く）配置しても良い。
従って、センサの配置位置は、配置すべき範囲内にあれば良く、センサ感度は導体からの距離で決まるため、センサ感度を満足すれば細かな位置関係は限定されるものではない。
【００１６】
また、一次導体（Ｒ相）１ａは、図１（ａ）に示す円柱でも良く、図１（ｃ）に示す円筒（１ａＡ）でも良い。
さらに、一次導体が、中央の円柱導体または円柱導体と、その外側に配置される同心で径の異なる円筒導体とからなる、２重導体で構成される単相の電気配線にも適用でき、これが交流であっても、直流であっても適用可能である。
図１のように、環状または円柱との組み合わせからなる一次導体１ａ、１ｂ、１ｃから成る構成の場合には、各相の一次導体１ａ、１ｂ、１ｃは、同心である必要がある。この同心である場合には、各相から発生する磁束の状態が平衡を保つため、ノイズが発生せず、磁気センサ２ａ、２ｂ、２ｃの測定感度が良い。しかし、同心条件を０．１ｍｍ外れても、ノイズ発生への影響が生ずる。
【００１７】
検出原理について以下に説明する。各一次導体（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相）１ａ、１ｂ、１ｃの半径距離は、図１に示すようにａ〜ｅとし、一次電流をそれぞれＩｒ，Ｉｓ，Ｉｔとすると、各一次導体に１相づつ電流を印加した場合に、任意の半径ｒに発生する磁界の強さは以下の通りとなる。
Ｒ相導体のみに電流を通電した場合。
r≦aの時、 H=r*Ir/(2*π*a²) ……（１）
r＞aの時、 H=Ir/(2*π*ｒ) ……（２）
Ｓ相導体のみに電流を通電した場合。
【００１８】
r＜bの場合、 H=0 ……（３）
b≦r≦cの場合、 H=Is/(2*π*ｒ)*(r²-b²)/(c²-b²) ……（４）
r＞cの場合、 H=Is/(2*π*ｒ) ……（５）
Ｔ相導体のみに電流を通電
r＜dの場合、 H=0 ……（６）
d≦r≦eの場合、 H=It/(2*π*ｒ)*(r²-d²)/(e²-d²) ……（７）
r＞eの場合、 H=It/(2*π*ｒ) ……（８）
一次導体に三相交流を通電した場合の磁界の強さは、各相で発生した磁界強度の合成であるため、Ｔ相導体の外側に配置した磁気センサ２ｃの磁界は、前記（１）式、（５）式、（８）式の加算となるので、
センサ２ｃの磁界の強さ H=(Ir+Is+It) /(2*π*ｒ) ……（９）
地絡電流が流れない場合、３相交流電流の和は零であるので、（９）式つまり、センサ２ｃの磁界は零となる。一方、任意の相に地絡電流Ｉ_Δ ₃₀が流れた場合を（１０）式に示す。
【００１９】
センサ２ｃの磁界の強さ H=(Ir+Is+It+I_Δ ₃₀) /(2*π*ｒ) ……（１０）
以上より、最外郭導体の外側に磁気センサを配置し、その出力を検出することにより、地絡電流の検出が可能となる。この場合、一次導体１ａ、１ｂ、１ｃに３相交流を通電した際の地絡検出および過電流検出を、３つの磁気センサ２ａ、２ｂ、２ｃで行なっても良いし、最外郭導体の近傍に配置した磁気センサ２ｃで地絡検出を行い、残りの２つの磁気センサ２ａ、２ｂで過電流検出を行うこともできる。
同軸配線方式における中心からの距離と発生磁界の強さの関係を、図１中記載の各一次導体（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相）１ａ、１ｂ、１ｃの半径距離ａ〜ｅを以下のように設定した場合の計算結果として図２に示す。
【００２０】
ａ＝３.５ｍｍ，ｂ＝５.５ｍｍ，ｃ＝６.５ｍｍ, ｄ＝８.５ｍｍ, ｅ＝９ｍｍ
図２は、Ｒ相のみ１２５Ａの電流を通電した場合、Ｔ相のみ、またはＳ相のみマイナス６２．５Ａ通電した場合のそれぞれについて、中心からの距離に対する磁界の強さの変化を示した。これらの計算結果の加算が、実際の３相交流電流として平衡の取れた状態であるため、図２中に３相加算出力として併記した。
地絡電流が無い状態では、３相交流電流を通電すると、最外郭導体の外側では図２中のＡ部に示す通り、磁界は零である。
【００２１】
次に各相電流の検知について説明する。
一次Ｓ相導体１ｂと一次Ｔ相導体１ｃの導体内側に磁界は発生しないので、一次Ｒ相導体１ａと一次Ｓ相導体１ｂの間に配置した磁気センサ２ａの磁界を検出することにより、Ｒ相電流の検出が可能となる。
磁気センサ２ａの磁界の強さ（Ｒ相電流に比例した磁界の強さ）は、上記（２）式の通りであり、一次Ｓ相導体１ｂと一次Ｔ相導体１ｃとの間に配置した磁気センサ２ｂの磁界は、Ｒ相とＳ相との電流の合成となるので、磁気センサ２ｂの出力から磁気センサ２ａの出力を減算することにより、Ｓ相電流を算出できる。
【００２２】
磁気センサ２ｂの磁界の強さ（（２）式＋（５）式）
H=(Ir+Is)/(2*π*ｒ) ……（１１）
（１１）式−（２）式（Ｓ相電流に比例した磁界の強さ）
H=Is/(2*π*ｒ) ……（1２）
Ｔ相電流は、Ｒ相電流とＳ相電流の和の逆符号であるので、磁気センサ２ｂの出力に−１をかけることにより、Ｔ相電流を算出できる。
Ｔ相電流に比例した磁界の強さ
H=-(Ir+Is)/(2*π*ｒ)= It/(2*π*ｒ) ……（1３）
以上より、３つの磁気センサにより地絡電流および各相電流の検出が可能となる。
【００２３】
第一の実施例に対する零相変流器全体の構成として、図３に同軸配線方式の零相変流器端子構成を示し、(ａ)は斜視図であり、（ｂ）は正面図、（ｃ）は裏面図である。
同軸配線方式の一次導体１ａ、１ｂ、１ｃの両端に配置された各々の端子であるＲ相端子８ａ、８０ａと、Ｓ相端子８ｂ、８０ｂと、Ｔ相端子８ｃ、８０ｃは、各一次導体１ａ、１ｂ、１ｃの一方の端子８ａ、８ｂ、８ｃの接続バー９ａ、９ｂ、９ｃに対して、一次導体１ａ、１ｂ、１ｃと他方の端子８０ａ、８０ｂ、８０ｃとの接続バー９０ａ、９０ｂ、９０ｃを、一次導体の導体中心に対して点対称の位置に設けている。
【００２４】
本構成により、端子接続バー９ａ、９ｂ、９ｃと９０ａ、９０ｂ、９０ｃとは、各相としての経路長がほぼ同一となったことから、従来図７に示す構成で発生していた残留電流を著しく低減することが可能である。
端子構成は、必要により図３に示すように、一方の端子８０ａ、８０ｂ、８０ｃをセットとして、他方の端子８ａ、８ｂ、８ｃに対して高さや位置を変えることもできる。
次に、本発明の第二の実施例について図４により説明する。図４の第二の実施例の構成は、図１の第一実施例の構成に対して、最外郭の一次導体１ｃの外側にシールド用の鉄芯として第一環状鉄芯３を設け、磁気センサ２ｃの位置を第一環状鉄芯３の外側に移動したことが異なっている。また、一次導体（Ｒ相）１ａは、円柱でも円筒でも良く、第一環状鉄芯３を配置した以外は第一の実施例と同じであるので、その他の説明は省略する。
【００２５】
第一実施例の構成において、図１では三つの一次導体１ａ、１ｂ、１ｃが同心の場合は、地絡電流が流れない場合の３相交流電流の和が零になるが、同心でない場合には残留電流と呼ばれる出力が発生し、地絡電流が流れた場合の出力との差を低下させる原因になった。そこで、この対策として第二の実施例の構成では、図４における最外郭に、シールド用の第一環状鉄芯３を設けることで、一次導体１ａ、１ｂ、１ｃが同心でない場合に発生する残留電流の低減が可能となるので、第一環状鉄芯３の外側に磁気センサ２ｃを配置し、その出力を検出することにより、地絡電流を検出することができる。
【００２６】
このように、３つの磁気センサ２ａ、２ｂ、２ｃのうち、第一環状鉄芯３の外側に配置した磁気センサ２ｃで地絡検出を、残りの２つの磁気センサ２ａ、２ｂで過電流検出を行うことができる。
次に、本発明の第三の実施例について図５により説明する。図５の第三の実施例は、図４の第二実施例の構成に対して、最外郭の第一環状鉄芯３の外側に、集磁鉄芯である第二環状鉄芯４を設け、地絡検出用の磁気センサ２ｃを、第二環状鉄芯４の中に配置した構成である。その他の構成は第二の実施例と同じであるので、説明は省略する。
【００２７】
図５のような第三の実施例に基づく第二環状鉄芯４の内部に磁気センサ２ｃを配置する構成では、地絡時の感度向上と、センサ位置誤差の影響を低減することができる。その場合、磁気センサ２ｃの検知磁界は数Ａ/ｍと微小であり、鉄芯飽和の影響が少ない。
零相変流器としての検出は、３つの磁気センサ２ａ、２ｂ、２ｃのうち、第二環状鉄芯４中に配置した磁気センサ２ｃで地絡検出を、残りの２つの磁気センサ２ａ、２ｂで過電流検出を行うことができる。
地絡電流用のセンサ２ｃの検知磁界は数Ａ/ｍと微小であるので、ホール素子や磁気抵抗素子では検出不可能なため、高感度な磁気センサである磁気インピーダンス素子を使用する必要がある。但し、各相電流用のセンサ２ａ，２ｂの検知磁界はホール素子や磁気抵抗素子で検出可能である。
【００２８】
従って、３つの磁気センサ２ａ，２ｂ，２ｃを磁気インピーダンス素子で構成することもできるし、他のセンサ２ａ，２ｂをホール素子または磁気抵抗素子で構成し、センサ２ｃを磁気インピーダンス素子で構成することもできる。
【００２９】
【発明の効果】
この発明の零相変流器では、従来方式のように巻き線を巻回する環状鉄芯を用いないので、磁気飽和を考慮する必要がなく、小型化が可能となる。
また、零相変流器で、地絡検出と過電流検出の両方が可能なことから、漏電遮断器に従来用いられていた過電流検出部を削除することができるので、漏電遮断器の小型化、低コストが容易に達成できる。
一次導体に流れる電流密度を均一にできるので、電流密度の不均一により発生する残留電流の低減が可能となり、地絡検出性能も向上できる。
【００３０】
シールド鉄芯を設けることで、一次導体が同心でない場合に発生する残留電流を低減できるので、一般的な導体位置決め精度でも、安定した地絡検出が可能となり、低コストが容易に行える。
地絡検出用センサを集磁鉄芯中に配置することにより、地絡時の感度向上と、センサ位置誤差の影響を低減することができる。この場合、地絡検出用センサの検知磁界は数Ａ/ｍと微小であり、鉄芯飽和の影響が少ない。低コストな構造で、高精度な地絡検出が可能となる。
３つの磁気センサともに磁気インピーダンス素子を用いることができるので、回路の共通化が図れ、低コスト化が可能となる。
【００３１】
さらに、地絡検出用に磁気インピーダンス素子を用い、各相電流検知用にホール素子を用いることができるので、ホール素子用回路部分の簡略化が図れ、低コスト化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施例を示す基本配置構成図
【図２】本発明の実施例の計算結果説明図
【図３】本発明の実施例に係る零相変流器端子構成図
【図４】本発明の第二実施例の構成図
【図５】本発明の第三実施例の構成図
【図６】従来の電流トランス型零相変流器を示す構成図
【図７】従来の零相変流器端子構成図
【符号の説明】
１：一次導体
２：磁気センサ
３：第一環状鉄心
４：第二環状鉄心
８、８０：端子
９、９０：端子接続バー
１０、１００：端子
１１：零相変流器

Claims

少なくとも２つの一次導体と、少なくとも２つの磁気センサにより構成される零相変流器において、少なくとも２つの前記一次導体は径の異なる導体であって、最小径である前記一次導体を除く少なくとも１つの前記一次導体は環状導体であって、すべての前記一次導体は中心位置を同一にして配置し、最外郭の一次導体の外側に磁気センサを配置するとともに、各一次導体との間にそれぞれ磁気センサを設けたことを特徴とする零相変流器。
少なくとも２つの一次導体と、少なくとも２つの磁気センサにより構成される零相変流器において、少なくとも２つの前記一次導体は径の異なる導体であって、最小径である前記一次導体を除く少なくとも１つの前記一次導体は環状導体であって、すべての前記一次導体は中心位置を同一にして配置し、最外郭の一次導体の外側に磁気センサを配置するとともに、各一次導体との間にそれぞれ磁気センサを設け、前記最外郭の一次導体の外側に前記一次導体と中心位置をほぼ同一とする第一環状鉄心を設け、前記第一環状鉄心の外側に磁気センサを設けたことを特徴とする零相変流器。
少なくとも２つの一次導体と、少なくとも２つの磁気センサにより構成される零相変流器において、少なくとも２つの前記一次導体は径の異なる導体であって、最小径である前記一次導体を除く少なくとも１つの前記一次導体は環状導体であって、すべての前記一次導体は中心位置を同一にして配置し、最外郭の一次導体の外側に磁気センサを配置するとともに、各一次導体との間にそれぞれ磁気センサを設け、前記最外郭の一次導体の外側に前記一次導体と中心位置をほぼ同一とする第一環状鉄心を設け、前記第一環状鉄心の外側に磁気センサを設け、更に前記第一環状鉄心の外側に前記一次導体と中心位置をほぼ同一とする第二環状鉄心を設け、前記第二環状鉄心に切欠部を設けて前記切欠部に磁気センサを配置したことを特徴とする零相変流器。
最小径である前記一次導体が、円柱導体または環状導体であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の零相変流器。
前記一次導体は両端に接続バーを介して端子を有し、前記一次導体両端での前記端子の位置関係は零相変流器を挟むように、且つ零相変流器を中心として点対称の位置に設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の零相変流器。
前記一次導体両側に対する一方または他方に位置する各前記端子の高さは同一であって、前記一次導体を介して両端に配置された前記端子の高さは異なることを特徴とする請求項５に記載の零相変流器。
前記接続バーは、前記一次導体の両側で長さが異なることを特徴とする請求項５または６に記載の零相変流器。
前記磁気センサとして磁気インピーダンス素子を用いたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の零相変流器。
少なくとも２つの前記磁気センサのうち、最外郭導体の近傍に配置した前記磁気センサに磁気インピーダンス素子を用いて、他の前記磁気センサにホール素子または磁気抵抗素子を用いることを特徴とする請求項１に記載の零相変流器。
前記第一環状鉄芯の外側に配置した前記磁気センサに磁気インピーダンス素子を用いて、他の前記磁気センサにホール素子または磁気抵抗素子を用いることを特徴とする請求項２に記載の零相変流器。
前記第二環状鉄芯の切欠部に配置した前記磁気センサに磁気インピーダンス素子を用いて、他の前記磁気センサにホール素子または磁気抵抗素子を用いることを特徴とする請求項３に記載の零相変流器。