JP4849094B2 - 地絡検出回路 - Google Patents

Description

本発明は、地絡検出回路に関し、特に、直流電圧源からの電圧供給線における地絡を検出する回路に関する。

従来、直流電圧源からの電圧供給線における地絡を検出する技術として、地絡時にだけ流れる電流を検出する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図６は、特許文献１の従来技術として開示された地絡検出回路である。この地絡検出回路は、図６のように接続された直流電源１、負荷２、抵抗器３及び４、メータリレー６及び７、整流器８及び９を備える。

この地絡検出回路では、直流電源１の正側が接地事故を起こすとメータリレー６に電流が流れるので、正側の接地事故であることが指針の振れによって表示され、一方、直流電源１の負側が接地事故を起こすとメータリレー７に電流が流れるので、負側の接地事故であることが指針の振れによって表示される。これにより、地絡の発生だけでなく、地絡の場所（正側／負側）も分かるというものである。
実公昭３９−２０９４５号公報

しかしながら、上記従来の地絡検出回路では、地絡の発生を検知できるものの、そもそも被検出回路が動作状態にあるか否か、つまり、正側端子と負側端子との間に直流電圧が供給されているか否かについては、わからないという問題がある。つまり、図６に示される従来の地絡検出回路では、負荷２に直流電圧が供給されていない電源異常の場合には、メータリレー６及び７は動作しないので、負荷２に直流電圧が供給されているが地絡が発生していない正常なケースと区別することができない。つまり、従来の地絡検出回路では、直流電圧が負荷に供給されていない電源異常のケースと、直流電圧が負荷に供給されているが地絡が発生していない正常なケースとを区別することができないという問題がある。

また、上記従来の地絡検出回路では、メータリレー６及び７が正常に動作するか否かについては地絡電流を流してみないとわからない、つまり、地絡を検出したいときに地絡検出回路が正常に動作するか否かがわからないという問題もある。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、地絡の発生及び地絡の場所だけでなく、直流電圧が負荷に供給されているか否か等についても同時に検出することができる地絡検出回路及びその方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る地絡検出回路は、直流電圧源と負荷とを接続する正側供給線及び負側供給線における地絡を検出する地絡検出回路であって、前記正側供給線と接地点との間に直列に接続された第１定電流素子及び第１電流検出素子と、前記負側供給線と接地点との間に直列に接続された第２定電流素子及び第２電流検出素子とを備え、前記第１及び第２定電流素子は、通過する電流を一定値に維持する素子であり、前記第１及び第２電流検出素子は、前記一定値の電流が流れていることを検出する素子であり、前記第１定電流素子と前記第１電流検出素子とは、前記第１定電流素子を通過する一定値の電流がそのまま前記第１電流検出素子に流れるように、直列に接続され、前記第２定電流素子と前記第２電流検出素子とは、前記第２定電流素子を通過する一定値の電流がそのまま前記第２電流検出素子に流れるように、直列に接続されていることを特徴とする。

これにより、負荷に直流電圧が供給されている定常時、その状態で正側供給線に地絡が発生した正側地絡時、その状態で負側供給線に地絡が発生した負側地絡時、及び、負荷に直流電圧が供給されていない電源異常時の４つのケースについて、第１及び第２定電流素子によって電流が検出されるか否か（ＯＮ／ＯＦＦ）の組み合わせが異なるので、地絡の発生及び地絡の場所だけでなく、直流電圧が負荷に供給されているか否かについても同時に検出することができる。さらに、定常時においては、常時、地絡検出回路に電流を流し続けるので、地絡時にだけメータリレーに電流を流す従来の地絡検出回路と異なり、定常時においても地絡検出回路が正常に動作することを確認することができる。

ここで、前記地絡検出回路はさらに、前記正側供給線と接地点との間であって、前記第１定電流素子及び前記第１電流検出素子と直列に接続され、かつ、前記正側供給線から接地点に向けて順方向に電流を流す第１ダイオードと、前記負側供給線と接地点との間であって、前記第２定電流素子及び前記第２電流検出素子と直列に接続され、かつ、接地点から前記負側供給線に向けて順方向に電流を流す第２ダイオードとを備える構成とするのが好ましい。

これにより、直流電圧源や負荷に対して高圧等の異常な電圧が外部から印加され、直流電圧源や負荷が壊れてしまうことから保護することができる。

また、前記第１及び第２電流検出素子は、フォトカプラであることが望ましい。これにより、地絡が発生したことを、直流電圧源や負荷の電位とは独立した（フローティングの）回路に伝達することができ、安全な警報回路を構築できる。

また、前記地絡検出回路はさらに、前記フォトカプラを構成する出力トランジスタがＯＮするための電流値を調整する調整回路を備える構成としてもよい。これにより、フォトカプラがＯＮするしきい値を任意に設定することが可能となり、より確実に地絡を検出できる地絡検出回路が実現される。

なお、本発明は、地絡検出回路として実現できるだけでなく、上記地絡検出回路における第１及び第２電流検出素子に一定値の電流が流れているか否かの組み合わせを判断することによって地絡を検出する地絡検出方法として実現することもできる。

本発明により、負荷に直流電圧が供給されている定常時、その状態で正側供給線に地絡が発生した正側地絡時、その状態で負側供給線に地絡が発生した負側地絡時、及び、負荷に直流電圧が供給されていない電源異常時の４つのケースが区別され、地絡の発生及び地絡の場所だけでなく、直流電圧が負荷に供給されているか否かについても同時に検出される。

よって、定常時か電源異常時かを監視するための特別な回路が不要となる。

以下、本発明に係る地絡検出回路の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態における地絡検出回路２０の回路図である。なお、本図には、地絡検出回路２０と併せて、直流電圧源３０及び負荷４０も示されている。

直流電圧源３０は、正側端子３１及び負側端子３３間に、直流電圧Ｖ、例えば、ＤＣ４８Ｖや、ＤＣ／ＤＣコンバータによって昇圧されたＤＣ２８０Ｖ等を発生する電源である。

負荷４０は、直流電圧源３０の正側端子３１及び負側端子３３と、それぞれ、電源供給線である正側供給線３２及び負側供給線３４を介して接続される負荷であり、例えば、モーターや電気機器等である。

地絡検出回路２０は、正側供給線３２及び負側供給線３４における地絡を検出する回路であり、正側供給線３２と接地点２４との間に直列に接続されたダイオード２１、フォトカプラ２２及び定電流素子２３と、負側供給線３４と接地点２４との間に直列に接続されたダイオード２５、フォトカプラ２６及び定電流素子２７を備える。

ダイオード２１は、正側供給線３２（接続点３２ａ）にアノードが接続され、正側供給線３２から接地点２４へ向けて順方向に電流を流す整流ダイオードであり、正側供給線３２に外部から異常な電圧が印加されてしまうことを保護している。

フォトカプラ２２は、発光ダイオード２２ａ及び受光トランジスタ２２ｂからなり、発光ダイオード２２ａのアノードがダイオード２１のカソードと接続されている。受光トランジスタ２２ｂは、このフォトカプラ２２（つまり、発光ダイオード２２ａ）に、定電流素子２３で規定される電流又はそれ以上の電流が流れたときに導通するトランジスタであり、正側供給線３２から接地点２４に向けて電流が流れているか否かを通知する回路（図示されていない回路）等に接続される。

定電流素子２３は、フォトカプラ２２と接地点２４との間に接続され、一定電圧以上の電圧が印加されたときに、ここを通過する電流を一定値（例えば、０．５ｍＡ）に維持する素子であり、例えば、定電流ダイオード等である。

ダイオード２５は、負側供給線３４（接続点３４ａ）にカソードが接続され、接地点２４から負側供給線３４へ向けて順方向に電流を流す整流ダイオードであり、負側供給線３４に外部から異常な電圧が印加されてしまうことを保護している。

フォトカプラ２６は、発光ダイオード２６ａ及び受光トランジスタ２６ｂからなり、発光ダイオード２６ａのカソードがダイオード２５のアノードと接続されている。受光トランジスタ２６ｂは、このフォトカプラ２６（つまり、発光ダイオード２６ａ）に、定電流素子２７で規定される電流又はそれ以上の電流が流れたときに導通するトランジスタであり、接地点２４から負側供給線３４に向けて電流が流れているか否かを通知する回路（図示されていない回路）等に接続される。

定電流素子２７は、フォトカプラ２６と接地点２４との間に接続され、ここを通過する電流を一定値（例えば、０．５ｍＡ）に維持する素子であり、例えば、定電流ダイオード等である。なお、定電流素子２３及び２７は、電流直流電圧源３０の電圧や負荷４０の大きさに依存することなく一定の電流を流す機能を果たしている。

次に、以上のように構成された本実施の形態における地絡検出回路２０の動作について説明する。

（１）定常時
まず、地絡が発生していないとき（定常時）の動作について、上記図１を用いて説明する。

直流電圧源３０が発生する直流電圧Ｖが負荷４０に印加され、かつ、正側供給線３２及び負側供給線３４のいずれにおいても地絡が発生していない場合には、地絡検出回路２０には、図１の矢印に示される向きに、一定の電流（本実施の形態では、０．５ｍＡ）が流れ、その結果、フォトカプラ２２及び２６がＯＮする。

つまり、このケースでは、地絡検出回路２０の両端（接続点３２ａ及び接続点３４ａ）に直流電圧Ｖが印加されることになり、その間には、定電流素子２３及び定電流素子２７で定まる一定電流（本実施の形態では、０．５ｍＡ）が流れる。なお、直流電圧源３０は、それ自体では（つまり、単体では）、電位的に接地点２４と無依存（フローティング）であるので、このケースでは、地絡検出回路２０を流れる電流が接地点２４（アース）に流れることはない。

（２）正側供給線３２が地絡したとき
次に、正側供給線３２において地絡が発生した場合について、図２を用いて説明する。

直流電圧源３０が発生する直流電圧Ｖが負荷４０に印加され、かつ、正側供給線３２において地絡が発生した場合には、地絡検出回路２０には、図２の矢印に示される向きに、一定の電流（本実施の形態では、０．５ｍＡ）が流れ、その結果、フォトカプラ２６がＯＮする。

つまり、このケースでは、地絡検出回路２０の接続点３２ａの電位が地絡によって接地電位となるので、接続点３２ａ及び接地点２４は同電位（接地電位）となり、この間に電流は流れない。つまり、フォトカプラ２２はＯＦＦとなる。一方、正側供給線３２が地絡することによって正側端子３１と接地点２４とが短絡されたことになるので、接地点２４と接続点３４ａとの間に直流電圧Ｖが印加されることとなり、接地点２４から接続点３４ａに向けて電流が流れ、フォトカプラ２６がＯＮする。

よって、このケースでは、フォトカプラ２２がＯＦＦとなり、フォトカプラ２６がＯＮとなる。

（３）負側供給線３４が地絡したとき
次に、負側供給線３４において地絡が発生した場合について、図３を用いて説明する。

直流電圧源３０が発生する直流電圧Ｖが負荷４０に印加され、かつ、負側供給線３４において地絡が発生した場合には、地絡検出回路２０には、図３の矢印に示される向きに、一定の電流（本実施の形態では、０．５ｍＡ）が流れ、その結果、フォトカプラ２２がＯＮする。

つまり、このケースでは、負側供給線３４が地絡することによって負側端子３３と接地点２４とが短絡されたことになるので、正側供給線３２と接地点２４との間に直流電圧Ｖが印加されることとなり、正側供給線３２から接地点２４に向けて電流が流れ、フォトカプラ２２がＯＮする。一方、地絡検出回路２０の接続点３４ａの電位が地絡によって接地電位となるので、接地点２４及び接続点３４ａは同電位（接地電位）となり、この間に電流は流れない。つまり、フォトカプラ２６はＯＦＦとなる。

よって、このケースでは、フォトカプラ２２がＯＮとなり、フォトカプラ２６がＯＦＦとなる。

（４）電圧が供給されていないとき（電源異常時）
次に、正側供給線３２と負側供給線３４との間に直流電圧Ｖが印加されていない場合について、図４を用いて説明する。

図４に示されるように、直流電圧源３０が正側供給線３２及び負側供給線３４に接続されていない場合、あるいは、直流電圧源３０が正側供給線３２及び負側供給線３４に接続されているが、何等かの理由で、その出力が０Ｖである場合には、接続点３２ａと接続点３４ａとの間には、電圧が印加されないので、地絡検出回路２０には電流が流れない。

よって、このケースでは、フォトカプラ２２及びフォトカプラ２６は、ＯＦＦとなる。

以上のように、本実施の形態の地絡検出回路２０によれば、上記４つのケースにおいて、フォトカプラ２２及びフォトカプラ２６のＯＮ／ＯＦＦの状態の組み合わせが異なるので、フォトカプラ２２及びフォトカプラ２６のＯＮ／ＯＦＦの組み合わせから、上記４つのケースのいずれが生じているかが判明する。つまり、地絡の発生及び地絡の場所（正側／負側）だけでなく、直流電圧が負荷に供給されているか否かについても同時に検出することができる。さらに、定常時においては、常時、地絡検出回路に電流を流し続けるので、地絡時にだけメータリレーに電流を流す従来の地絡検出回路と異なり、定常時においても地絡検出回路が正常に動作することを確認することができる。

以上、本発明に係る地絡検出回路について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。

たとえば、本実施の形態では、フォトカプラ２２及びフォトカプラ２６は、定電流素子２３及び定電流素子２７で定まる一定電流が流れた場合にＯＮしたが、図５に示されるように、フォトカプラがＯＮする電流値を調整する調整回路を設けてもよい。

図５は、フォトカプラがＯＮする電流値を調整する調整回路の回路図である。ここでは、フォトカプラ２２について電流値を調整する回路が示されている。フォトカプラ２２を構成する受光トランジスタ２２ｂのコレクタは＋５Ｖ電源に接続され、そのエミッタには、トランジスタ３６のベースと可変抵抗３５とが接続されている。可変抵抗３５の他の端子は接地されている。

このような回路によれば、可変抵抗３５の抵抗値を調整することで、受光トランジスタ２２ｂを流れた電流の一部をトランジスタ３６のベースに流すことなくアースに流すことができるので、トランジスタ３６がＯＮするために発光ダイオード２２ａに流れるべき電流値、つまり、しきい値を調整することができる。よって、トランジスタ３６をフォトカプラの出力トランジスタとみた場合に、可変抵抗３５によって、フォトカプラがＯＮするためのしきい値を調整することができる。

このような調整回路を図１に示される地絡検出回路２０に適用することで、例えば、定電流素子２３が０．５ｍＡの一定電流を流す素子である場合に、可変抵抗３５の抵抗値を調整することで、フォトカプラ２２に０．４ｍＡ（あるいは、０．３ｍＡ）以上の電流が流れたときにフォトカプラ２２がＯＮするように設定することができ、定電流素子２３で定まる一定電流が流れているか否かを確実に検出することが可能となる。なお、図５では、図１におけるフォトカプラ２２に調整回路を付加した例が示されたが、図１におけるフォトカプラ２６についても、同様の調整回路を付加することができるのは言うまでもない。

また、本実施の形態では、地絡検出回路２０にダイオード２１及びダイオード２５が接続されていたが、これらは、直流電圧源３０や負荷４０を高圧等の外乱から保護するものであり、地絡を検出する目的のためには必ずしも必須の構成要素ではない。

また、図１に示される地絡検出回路２０では、電位の高い点から低い点に向けてダイオード、フォトカプラ及び定電流素子がこの順に直列に接続されていたが、本発明は、このような接続順序に限定されるものではなく、これらが入れ替わって接続されていてもよい。

本発明は、直流電圧源と負荷とを接続する正側供給線及び負側供給線における地絡を検出する地絡検出回路として、特に、地絡の発生及び地絡の場所だけでなく、直流電圧が負荷に供給されているか否かについても同時に検出することができる地絡検出回路として、有用である。

本発明の実施の形態における地絡検出回路の回路図 正側供給線において地絡が発生した場合の電流の流れを示す図 負側供給線において地絡が発生した場合の電流の流れを示す図 正側供給線及び負側供給線との間に直流電圧が印加されていない場合の説明図 フォトカプラがＯＮする電流値を調整する調整回路の回路図 従来の地絡検出回路の回路図

符号の説明

２０ 地絡検出回路
２１、２５ ダイオード
２２、２６ フォトカプラ
２２ａ、２６ａ 発光ダイオード
２２ｂ、２６ｂ 受光トランジスタ
２３、２７ 定電流素子
２４ 接地点
３０ 直流電圧源
３１ 正側端子
３２ 正側供給線
３２ａ 接続点
３３ 負側端子
３４ 負側供給線
３４ａ 接続点
３５ 可変抵抗
３６ トランジスタ
４０ 負荷

Claims (4)

1. 直流電圧源と負荷とを接続する正側供給線及び負側供給線における地絡を検出する地絡検出回路であって、
   前記正側供給線と接地点との間に直列に接続された第１定電流素子及び第１電流検出素子と、
   前記負側供給線と接地点との間に直列に接続された第２定電流素子及び第２電流検出素子とを備え、
   前記第１及び第２定電流素子は、通過する電流を一定値に維持する素子であり、
   前記第１及び第２電流検出素子は、前記一定値の電流が流れていることを検出する素子であり、
   前記第１定電流素子と前記第１電流検出素子とは、前記第１定電流素子を通過する一定値の電流がそのまま前記第１電流検出素子に流れるように、直列に接続され、
   前記第２定電流素子と前記第２電流検出素子とは、前記第２定電流素子を通過する一定値の電流がそのまま前記第２電流検出素子に流れるように、直列に接続されている
   ことを特徴とする地絡検出回路。
2. 前記地絡検出回路はさらに、
   前記正側供給線と接地点との間であって、前記第１定電流素子及び前記第１電流検出素子と直列に接続され、かつ、前記正側供給線から接地点に向けて順方向に電流を流す第１ダイオードと、
   前記負側供給線と接地点との間であって、前記第２定電流素子及び前記第２電流検出素子と直列に接続され、かつ、接地点から前記負側供給線に向けて順方向に電流を流す第２ダイオードとを備える
   ことを特徴とする請求項１記載の地絡検出回路。
3. 前記第１及び第２電流検出素子は、フォトカプラである
   ことを特徴とする請求項１記載の地絡検出回路。
4. 前記地絡検出回路はさらに、
   前記フォトカプラを構成する出力トランジスタがＯＮするための電流値を調整する調整回路を備える
   ことを特徴とする請求項３記載の地絡検出回路。

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