JP4908245B2 - 回路遮断器 - Google Patents

Description

この発明は、電路に流れる電流から変流器を介して内部の電子回路へ電源を供給すると共に、電路に流れる電流量を検出する装置を備えた回路遮断器に関する。

従来、回路遮断器として、交流電路の各相の電流を検出する変流器と、この変流器の２次出力を全波整流する整流回路と、各相の電流に比例した電圧を負電圧として出力するための相電流検出抵抗と、地絡電流検出用として合成相電流レベルを検出する相電流検出抵抗と、各相で検出された負電圧出力を正電圧に変換するためのレベル変換回路と、このレベル変換回路の出力をデジタル信号に変換するためのＡ／Ｄ変換回路と、検出した電流レベルの大きさにより時限を決定するためのマイクロコンピュータと、電路へ接続した電源回路とを備え、電路の各相に流れる電流を検出し、検出した電流レベルに応じて過電流引き外し信号を出力し、開閉手段を介して電路を遮断するように構成した回路遮断器がある（例えば、特許文献１参照）。

特許第３７１２８８６号公報（図６）

特許文献１に示された従来の回路遮断器は、各相の相電流検出抵抗を介して負電圧の半波波形出力信号をレベル変換回路で正電圧の半波波形信号に変換した後、Ａ／Ｄ変換回路を介してデジタル信号へ変換し、マイクロコンピュータで演算処理を行うことで過電流検出や地絡検出を行っているが、過電流検出信号と地絡電流検出信号はそれぞれ半波波形であるために、電路に短時間の過電流又は地絡電流が流れた場合に、検出するタイミングによって過電流引き外し動作又は地絡引き外し動作の検出精度が悪くなるという課題があった。

又、過電流検出や地絡電流検出の他の検出機能として、フーリエ変換処理を必要とする高調波電流計測、電路の電流値と電圧値より乗算処理する電力計測等の検出機能の処理を行う場合には、マイクロコンピュータ内部へ取り込む電流検出信号の波形として従来の構成で得られる半波信号波形では処理することができず、別の電流検出用の変流器を追加する必要があるため装置が大型となるという課題があった。

更に、内部の電子回路用の動作用電源は、電路から電源回路を介して供給されていたため、装置の大きさが大きくなるという課題があった。

この発明は、前述のような従来の回路遮断器の課題を解決するためになされたもので、電路に設置した変流器からの出力電流により、内部の電子回路部への電源を供給すると共に、過電流検出信号波形及び地絡検出信号波形として、電路に流れる交流信号波形に対応した交流信号波形を容易に得ることを可能とし、別の計測用変流器を追加することなく電路に流れる各種の電流量の検出を可能とした回路遮断器を得ることを目的としたものである。

この発明に係る回路遮断器は、交流電路の各相に対応する複数の単位電路に夫々配設され対応する前記単位電路に流れる電流に応じた出力電流を発生する複数の変流器と、前記変流器の出力電流を整流する整流手段と、前記整流手段により出力された電流を前記各相毎に前記交流の正負に対応する一対の半波電圧信号に変換する電圧変換手段と、前記電圧変換手段により変換された前記一対の半波電圧信号を減算して前記各相に対応する交流電圧信号に変換する減算回路と、前記減算回路により変換された前記交流電圧信号に基づいて前記複数の単位電路に流れる電流値を演算する演算回路と、前記演算回路により演算された値が所定の値以上のときに引外し信号を出力する引外し手段と、前記整流手段の出力電流に基づいて前記減算回路と前記演算回路と前記引外し手段に供給する電源を生成する電源回路と、前記引外し手段により出力された引外し信号に基づいて前記交流電路を遮断する開閉接点とを備えた回路遮断器であって、前記減算回路は、前記電圧変換手段により変換された一対の半波電圧信号を差動増幅する差動増幅回路と、前記差動増幅回路により増幅する増幅率を設定する増幅率設定手段と、前記半波電圧信号が所定値以上のとき前記差動増幅回路を保護する過電圧保護手段と、前記減算回路が出力する電圧の基準を規定する基準電圧手段とを備えたものである。

この発明による回路遮断器によれば、電路へ設置した変流器によりこの変流器からの出力電流により、内部の電子回路部への電源を供給すると共に、過電流検出信号波形及び地絡検出信号波形として電路に流れる交流信号波形に対応した交流信号波形を容易に得ることが可能となり、電路に短時間の過電流または地絡電流が流れた場合でも過電流引き外し動作または地絡引き外し動作の検出精度を向上させることが可能となる。更に電路に流れる各種の電流量の検出も容易に行うことが可能となる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に於ける回路遮断器を示すブロック図である。図１に於いて、回路遮断器の開閉接点２は、３極の開閉接点を備え、夫々単位電路である第１相交流電路１ａ、第２相交流電路１ｂ、第３相交流電路１ｃからなる三相の交流電路１に接続されており、電磁装置１１が付勢されると開路して交流電路１を遮断する。変流器３は、第１相交流電路１ａ、第２相交流電路１ｂ、第３相交流電路１ｃに夫々設けられた第１相変流器３ａ、第２相変流器３ｂ、第３相変流器３ｃからなり、交流電路１の電流に比例した電流信号を出力する。

整流手段としての整流回路４は、変流器３から出力された電流信号を全波整流し、電源回路５へ入力する。電源回路５は、整流回路４からの入力に基づいて回路遮断器内部の電子回路に用いる動作電源を生成し、後述の、減算回路手段７０、加算回路１２、Ａ／Ｄ変換回路８、マイクロコンピュータ（以下、ＣＰＵと称する）９、及び電磁装置１１等へ動作電力を供給する。

電流検出抵抗６は、第１相変流器３ａに対応する第１相電流検出抵抗６ａ、６ｂ、第２相変流器３ｂに対応する第２相電流検出抵抗６ｃ、６ｄ、及び第３相変流器３ｃに対応する第３相電流検出抵抗６ｅ、６ｆにより構成されており、第１相変流器３ａ、第２相変流器３ｂ、第３相変流器３ｃにより検出した第１相交流電路１ａ、第２相交流電路１ｂ、第３相交流電路１ｃの夫々の電流に対応する電流信号を、電圧信号に夫々変換する。電流検出抵抗６により変換される電圧信号は、第１相電流検出抵抗６ａ、６ｂ、第２相電流検出抵抗６ｃ、６ｄ、第３相電流検出抵抗６ｅ、６ｆの夫々の両端に、負電圧の半波電圧波形として出力される。この発明に於いて、電流検出抵抗６は、整流回路により出力された電流を交流の各相毎に交流の正負に対応する一対の半波電圧信号に変換する電圧変換手段を構成する。

減算回路７０は、第１相交流電路１ａ、第２相交流電路１ｂ、第３相交流電路１ｃに夫々対応する第１相減算回路７０ａ、第２相減算回路７０ｂ、第３相減算回路７０ｃにより構成されている。図２に第１相減算回路７０ａの構成を示す。図２に示すように、減算回路７０ａは、差動増幅回路７ｇを備える。この差動増幅回路７ｇは、第１相電流検出抵抗６ａ、６ｂの夫々の両端に発生した負電圧の半波電圧波形を入力信号として増幅するための増幅器７ａと、この増幅器７ａの増幅率を決定するための増幅率設定手段である抵抗７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅと、増幅器７ａからの出力信号の直流電圧出力値を決定する直流基準電圧手段７ｆとにより構成されている。

抵抗７ｈ、７ｉとツェナーダイオード７ｊ、７ｋは、差動増幅回路７ｇの過電圧入力に対する過電圧保護手段を構成しており、その抵抗７ｈ、７ｉの一端は、夫々第１相電流検出抵抗６ａ、６ｂの一端に接続され、他端はツェナーダイオード７ｊ、７ｋの陽極側に夫々接続されている。ツェナーダイオード７ｊ、７ｉの陰極側は、夫々第１相電流検出抵抗６ａ、６ｂの他端と共に接地されている。

第２相減算回路７０ｂ、及び第３相減算回路７０ｃの入力側は、夫々対応する第２相電流検出抵抗６ｃ、６ｄの一端、及び第３相電流検出抵抗７ｅ、７ｆの一端に接続されている。第２相減算回路７０ｂ、及び第３相減算回路７０ｃのその他の構成は、第１相減算回路７０ａの構成と同様である。

今、第１相変流器３ａの出力電流を（ａ１）、第１相電流検出抵抗６ａ、６ｂの両端間の電圧を夫々（ｂ１）、（ｃ１）、直流基準電圧電圧手段７ｆの直流基準電圧をＶ１とすると、電圧（ｂ１）、（ｃ１）が第１相減算回路７０ａの各入力端子に印加され、次の（式１）に示される出力電圧（ｄ１）が出力される。
（ｄ１）＝（ｂ１）−（ｃ１）＋Ｖ１ （式１）

図３は、第１相変流器３ａの出力電流（ａ１）、第１相電流検出抵抗６ａ、６ｂの両端間の電圧（ｂ１）、（ｃ１）、第１相減算回路７０ａの出力（ｄ１）の波形を夫々示す。
図３に示すように、第１相減算回路７０ａの出力電圧（ｄ１）は、第１相変流器３ａの出力電流（ａ１）に対応した位相の波形を備え、且つ、その値が直流基準電圧７ｆの直流基準電圧Ｖ１により正側にシフトされた直流となる。同様に、第２相減算回路７０ｂの出力（ｄ２）、第３相減算回路７０ｃの出力は、夫々変流器３ｂ、３ｃの出力電流（ａ２）、（ａ３）に対応した位相の交流成分の波形を備え、且つその値が直流基準電源Ｖ１の値だけ正側にシフトされた直流となる。これにより、負電圧信号を入力することができない後述のＡ／Ｄ変換回路８へ、各減算回路７０ａ、７０ｂ、７０ｃの出力電圧（ｄ１）、（ｄ２）、（ｄ３）を直接入力することが可能となる。加算回路１２は、第１相減算回路７０ａ、第２相減算回路７０ｂ、第３相減算回路７０ｃの各出力電圧（ｄ１）、（ｄ２）、（ｄ３）が入力され、これらの出力電圧を加算して出力電圧（ｅ）を出力する。

図４は、変流器３の出力電流の波形に対して減算回路７及び加算回路１２から出力される出力電圧の波形の関係を示したものであり、図４の（ａ）は第１相変流器３ａ、第２相変流器３ｂ、第３相変流器３ｃの出力電流（ａ１）、（ａ２）、（ａ３）を示し、図４の（ｄ）は第１相減算回路７０ａ、第２相減算回路７０ｂ、第３相減算回路７０ｃの出力電圧（ｄ１）、（ｄ２）、（ｄ３）を示し、図４の（ｅ）は加算回路１２の出力電圧（ｅ）を示している。又、図４の（ａ）、（ｄ）、（ｅ）は、交流電路１の三相交流電流が三相定常負荷時（Ａ）、三相過負荷時（Ｂ）、及び交流電路１の何れか１極が地絡した場合の単極地絡時（Ｃ）に分けて、夫々示している。

即ち、図４に於いて、三相定常負荷時（Ａ）の場合、夫々の減算回路７０ａ、７０ｂ、７０ｃの出力電圧（ｄ１）、（ｄ２）、（ｄ３）を加算した加算回路１２の出力電圧（ｅ）は、図４の（ｅ）に示すように一定値Ｖｅを有する直流電圧となる。三相過負荷時（Ｂ）の場合、交流電路１の各相の交流電路１ａ、１ｂ、１ｃに過電流が流れるので、夫々の変流器３ａ、３ｂ、３ｃの出力電流（ａ１）、（ａ２）、（ａ３）の振幅は大きくなり、従って各相の減算回路７０ａ、７０ｂ、７０ｃの出力電圧（ｄ１）、（ｄ２）、（ｄ３）の交流成分の振幅は、過電流検出しきい値Ｈｏを超えることとなる。又、交流電路１の単極地絡時（Ｃ）の場合は、図４の（ｅ）に示すように、その単極分のみが交流成分として加算回路１２の出力（ｅ）に現れ、しかもその振幅の値は地絡検出しきい値Ｈｇを超過することとなる。

図１に戻り、変圧器１３は、入力端子が交流電路１の電路間に接続され、出力端子が電圧信号入力回路１４に接続されている。電圧信号入力回路１４は、変圧器１３からの出力信号を受け取り、その出力信号に基づいて交流電路１の電路間の電圧に対応した電圧信号を出力する。Ａ／Ｄ変換回路８は、夫々アナログ信号である減算回路７０の出力電圧（ｄ１）、（ｄ２）、（ｄ３）、加算回路１２の出力信号（ｅ）、及び電圧信号入力回路１４の出力である電圧信号が入力され、これらの信号を夫々デジタル信号に変換し、ＣＰＵ９に入力する。ＣＰＵ９は、入力された夫々のデジタル信号に基づいて、交流電路１の過負荷の有無、地絡故障の有無等をデジタル処理により検出する。又、ＣＰＵ９は、電圧信号入力回路１４の出力信号に基づくデジタル信号に基づいて、交流電路１の電圧値、周波数等を演算処理し、この電圧値と周波数値、及び変流器３の出力電流に基づくデジタル信号とにより、交流電路１の高調波電流、電力値、電力量等を演算する。

トリガ回路１０は、ＣＰＵ９が交流電路１の過負荷、若しくは地絡事故を検出したとき引外し信号がＣＰＵ９から与えられ、電磁装置１１を付勢する。付勢された電磁装置１１は、その電磁力により開閉接点２を開いて交流電路１を遮断する。７セグメントＬＥＤ、或いは液晶表示装置等により構成された表示部１５は、ＣＰＵ９の演算結果を表示する。

次に、この発明の実施の形態１による回路遮断器の動作を説明する。図１乃至図４に於いて、回路遮断器の開閉接点２が投入されると、第１相交流電路１ａ、第２相交流電路１ｂ、第３相交流電路１ｃに流れる三相交流電流に対応して、第１相変流器３ａ、第２相変流器３ｂ、第３相変流器３ｃから出力電流（ａ１）、（ａ２）、（ａ３）が出力され、整流回路４により全波整流されて電源回路５に入力される。電源回路５は、この入力に基づいて回路遮断器内部の電子回路に用いる動作電源を生成し、減算回路手段７０、加算回路１２、Ａ／Ｄ変換回路８、マイクロコンピュータ（以下、ＣＰＵと称する）９、及び電磁装置１１等へ動作電力を供給する。

夫々の変流器３ａ、３ｂ、３ｃからの出力電流（ａ１）、（ａ２）、（ａ３）は、電流検出抵抗６を構成する夫々の第１相電流検出抵抗６ａ、６ｂ、第２相電流検出抵抗６ｃ、６ｄ、及び第３相電流検出抵抗６ｅ、６ｆにより、前述したように負の半波の電圧出力に変換され、対応する第１相減算回路７０ａ、第２相減算回路７０ｂ、第３相減算回路７０ｃに供給される。夫々の減算回路７０ａ、７０ｂ、７０ｃは、入力された２つの電圧信号の減算を行い、前述の（式１）に基く出力電圧（ｄ１）、（ｄ２）、（ｄ３）を出力し、Ａ／Ｄ変換回路８に与える。一方、加算回路１２は、夫々の減算回路７０ａ、７０ｂ、７０ｃの出力電圧（ｄ１）、（ｄ２）、（ｄ３）を加算して出力電圧（ｅ）を出力し、これをＡ／Ｄ変換回路８に与える。Ａ／Ｄ変換回路８は、アナログの形で入力されたこれらの出力電圧（ｄ１）、（ｄ２）、（ｄ３）、及び（ｅ）をデジタル信号に変換し、ＣＰＵ９へ入力する。

今、交流電路１に異常がなく、且つその三相負荷が定常状態にあるとすると、図４の（Ａ）に於ける（ｄ）に示すように、第１相減算回路７０ａ、第２相減算回路７０ｂ、第３相減算回路７０ｃの出力電圧（ｄ１）、（ｄ２）、（ｄ３）は、過電流検出しきい値Ｈｏを超過することはない。従って、ＣＰＵ９が過電流を検出することはなく、トリガ回路１０は電磁装置１１を付勢せず、開閉接点２は開路しない。

又、ＣＰＵ９は、入力された出力電圧（ｄ１）、（ｄ２）、（ｄ３）、及び（ｅ）に基づいて、交流電路１の電圧値、電流値、周波数、更には、高調波電流、電力値、電力量等を演算処理し、表示部１５はその演算結果を表示する。これにより交流電路１の通電情報が簡単な構成で計測でき、且つその表示をすることができる。

次に、交流電路１に過負荷等による過電流が流れたとすると、図４の（Ｂ）に於ける（ａ）に示すように、第１相変流器３ａ、第２相変流器３ｂ、第３相変流器３ｃの出力電流（ａ１）、（ａ２）、（ａ３）は、定常時よりも大きな値となる。従って、第１相減算回路７０ａ、第２相減算回路７０ｂ、第３相減算回路７０ｃの出力電圧（ｄ１）、（ｄ２）、（ｄ３）に基づいて、Ａ／Ｄ変換回路８とＣＰＵ９とで構成された演算回路により演算した各相に流れる電流量は、過電流検出しきい値Ｈｏを超過することになる。ＣＰＵ９は、これにより過電流を検出し、引き外し信号をトリガ回路１０に与える。トリガ回路１０は、そのトリガ信号を受けて電磁装置１１を付勢し、開閉接点２を開路して交流電路１を遮断する。このように、電源回路５に供給する整流電流を電圧変換手段である電流検出抵抗６により半波電圧信号として検出し、この検出した半波電圧信号を減算回路７０により交流電圧信号に変換して演算することにより、電路に流れる過電流を高精度で検出することが可能となる。

又、交流電路１のうち、何れかの相の交流電路、例えば第１相交流電路１ａに地絡事故が発生したとすると、図４の（Ｃ）に於ける（ａ）に示すように、第１相変流器３ａの出力電流（ａ１）と、第２相変流器３ｂ及び第３相変流器３ｃの出力電流（ａ２）、（ａ３）との振幅のバランスが崩れる。従って、第１相減算回路７０ａ、第２相減算回路７０ｂ、第３相減算回路７０ｃの出力電圧（ｄ１）、（ｄ２）、（ｄ３）の加算波形である加算回路１２の出力電圧（ｅ）の波形を、Ａ／Ｄ変換回路８とＣＰＵ９で構成される演算回路により演算した地絡電流量は、地絡検出しきい値Ｈｇを超過することとなる。ＣＰＵ９は、これにより単極地絡事故を検出し、引き外し信号をトリガ回路１０に与える。トリガ回路１０は、そのトリガ信号を受けて電磁装置１１を付勢し、開閉接点２を開路して交流電路１を遮断する。尚、第１相交流電路１ａ以外の地絡事故であっても、前述と同様にして地絡事故を検出して交流電路１を遮断することができる。

以上のようにこの発明の実施の形態１による回路遮断器によれば、交流電路１に流れる電流に基づいて、変流器３を介して電源回路５により内部の電子回路へ電源を供給するとともに、減算回路７０により、過電流検出信号波形及び地絡検出信号波形として電路に流れる交流信号波形に対応した交流信号波形を容易に得ることが可能となり、短時間の過電流又は地絡電流が流れた場合でも過電流引き外し動作または地絡引き外し動作の検出精度を向上させることが可能となる。又、交流電路１に流れる各種の電流量として高調波電流計測や電力計測等の検出も容易に行うことが可能となる。

この発明の実施の形態１に於ける回路遮断器を示すブロック図である。 図１の減算回路の構成を示すブロック図である。 図２の減算回路の入出力電圧の関係を示す波形図である。 この発明の実施の形態１に於ける回路遮断器の減算回路、及び加算回路の入出力電圧を示す波形図である。

符号の説明

１ 交流電路
１ａ 第１相交流電路
１ｂ 第２相交流電路
１ｃ 第３相交流電路
２ 開閉接点
３ 変流器
３ａ 第１相変流器
３ｂ 第２相変流器
３ｃ 第３相変流器
４ 整流回路
５ 電源回路
６ 電流検出抵抗
６ａ 第１相電流検出抵抗
６ｂ 第２相電流検出抵抗
６ｃ 第３相電流検出抵抗
７０ 減算回路
７０ａ 第１相減算回路
７０ｂ 第２相減算回路
７０ｃ 第３相減算回路
８ Ａ／Ｄ変換回路
９ マイクロコンピュータ
１０ トリガ回路
１１ 電磁装置
１２ 加算回路
１３ 変圧器
１４ 電圧信号入力回路
１５ 表示部

Claims (3)

1. 交流電路の各相に対応する複数の単位電路に夫々配設され対応する前記単位電路に流れる電流に応じた出力電流を発生する複数の変流器と、
   前記変流器の出力電流を整流する整流手段と、
   前記整流手段により出力された電流を前記各相毎に前記交流の正負に対応する一対の半波電圧信号に変換する電圧変換手段と、
   前記電圧変換手段により変換された前記一対の半波電圧信号を減算して前記各相に対応する交流電圧信号に変換する減算回路と、
   前記減算回路により変換された前記交流電圧信号に基づいて前記複数の単位電路に流れる電流値を演算する演算回路と、
   前記演算回路により演算された値が所定の値以上のときに引外し信号を出力する引外し手段と、
   前記整流手段の出力電流に基づいて前記減算回路と前記演算回路と前記引外し手段に供給する電源を生成する電源回路と、
   前記引外し手段により出力された引外し信号に基づいて前記交流電路を遮断する開閉接点と、
   を備えた回路遮断器であって、
   前記減算回路は、
   前記電圧変換手段により変換された一対の半波電圧信号を差動増幅する差動増幅回路と、
   前記差動増幅回路により増幅する増幅率を設定する増幅率設定手段と、
   前記半波電圧信号が所定値以上のとき前記差動増幅回路を保護する過電圧保護手段と、
   前記減算回路が出力する電圧の基準を規定する基準電圧手段と、
   を備えた、
   ことを特徴とする回路遮断器。
2. 前記減算回路から出力された前記各相に対応する交流電圧信号を加算する加算回路を備え、
   前記加算回路の出力信号に基づいて前記交流電路の地絡電流を前記演算回路により演算し、この演算した値が所定の値以上のときに前記引外し手段が引外し信号を出力する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の回路遮断器。
3. 前記交流電路の電圧を検出する電圧検出手段を備え、
   前記電圧検出手段により検出した前記交流電路の電圧と前記減算回路から出力された交流電圧信号に基づいて、前記交流電路の電圧、電流、電力、電力量、高調波電流のうちの少なくとも何れか１つを前記演算手段により演算し、その演算結果を表示部により表示させるようにした、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の回路遮断器。

Images