JP5119063B2 - 漏電検出機能付配線器具 - Google Patents

Description

本発明は、漏電検出により商用電源から負荷への電路を遮断し、漏電を停止する漏電検出機能付配線器具に関する。

従来、電気的安全確保のため、水周りや屋外で使用されるコンセント等の配線器具には漏電検出機能が搭載されている。また、一般住宅における主幹ブレーカにも漏電検出機能が付加されており、例えば、３０ｍＡ程度の漏電検出レベルが設定されている。また、この種の主幹ブレーカは、例えば雷サージなど、引込み線を伝わってくるノイズで誤動作しないように、漏電検出閾値を超える信号の時間や回数をカウントして漏電制御するようにしている。

このような漏電検出機能を持つ配線器具の従来例を図７乃至図９を参照して説明する。図７において、配線器具１００は、単相３線の商用電源と負荷１２０との間に挿入され、より詳細には、商用電源からの電路（電源ラインＬ１、Ｌ２、及び中性線Ｎ）に介在された主幹ブレーカ１３０を経た、分岐ブレーカ１４０の後の電路に接続される。

配線器具１００は、図８に示すように、電路（電源ラインＬ１及び中性線Ｎ）に挿入された開閉部１０１と、電路に流れる漏電電流を検出するゼロ相変流器１０２と、この検出漏電電流を基に開閉部１０１を開離する漏電制御部１０３とを備える。漏電制御部１０３は、ローパス用のフィルタ部１３１と、漏電電流を判定する閾値判定部１３２と、判定信号をカウントするカウンタ１３３と、カウンタ数により漏電を判定する漏電判断部１３４とを有する。

図９（ａ）〜（ｄ）は、上記配線器具１００の動作を説明する各種信号波形を示す。ゼロ相変流器１０２で検出されてフィルタ部１３１を通過した漏電電流が、閾値判定部１３２でマイナス極検波及びプラス極検波され、この検波出力の閾値を越えた回数がカウントされ、その回数が所定回数（ここでは、３回）になると、漏電判定され、トリップ信号が出力され、開閉器１０１を遮断する。

また、漏電制御部１０３の他の例を図１０に示す。この漏電制御部１０３は、ゼロ相変流器１０２の検出漏電電流がフィルタ部１３１により濾過され、その出力を整流部１３５で整流し、この整流出力を積分部１３６で積分して得られた平均値を所定値と比較して漏電判断部１３４で漏電判定を行う。また、漏電遮断機能付コンセントにおいては、例えば漏電検出感度１５ｍＡのものが知られている。

また、漏電ブレーカ付き電源コンセントであって、プラグの栓刃間に発生する火花放電を検知するセンサの出力電流をゼロ相変流器により検出して、漏電ブレーカを開離するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、近年、インバータ負荷などの増加により、図１１に示すように、漏電電流は複雑な波形歪の大きな信号となっており、このため、図８に示した例においては、必要な検波波形のカウントを正確に得られなくなり、漏電検出精度が低下する。また、図１０に示した例においては、漏電電流の歪が大きくなると、平均値が実効値に比べて低くなるので、漏電検出の検出感度が鈍くなる。このため、いずれも波形歪の大きな漏電電流に対して、漏電検出精度が低下し、確実な漏電遮断が困難となる。

また、特許文献１のものでは、火花放電のような瞬時の漏洩電流に応答させるには、ローパスフィルタを用いることができず、そのため、通常の漏電電流に対する感電保護の特性が低下する。
特開２００６−４８９５８号公報

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、漏電電流が歪んだ波形であっても、確実に漏電遮断することができる漏電検出機能付配線器具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請求項1の発明は、商用電源と負荷との間に介設され、商用
電源と前記負荷を結ぶ電路に流れる漏電電流を検出して漏電判定を行う漏電制御部と、こ
の漏電制御部による漏電判定により前記電路を遮断する開閉部とを備えた、漏電検出機能
付配線器具において、前記漏電制御部は、検出した漏電電流を濾過するための、人体が感
電に対して持つ周波数特性を有するフィルタ部と、前記フィルタ部を通過した信号の二乗
演算値を算出する演算部と、この演算部により得られた二乗演算値と予め設定した閾値と
を比較することにより漏電判定する判定部と、を備え、前記漏電制御部は、漏電電流が低
周波のときは小さい漏電電流値で前記電路をトリップし、前記漏電電流が高周波のときは
大きい漏電電流値で前記電路をトリップするものである。

請求項２の発明は、前記フィルタ部は、ＤＣカット機能を有しており、コンデンサ及び抵抗で構成されるものである。

請求項１の発明によれば、フィルタ部を通過した漏電電流に係る信号の二乗演算値に基づいて漏電判定を行うので、漏電電流が歪んだ波形であっても、検出レベルが低下しない。そのため、漏電検出をより精度良く行うことができ、確実に漏電遮断することができる。

請求項２の発明によれば、フィルタ部の出力信号はＤＣカットされるので、フィルタ部後段への入力信号がＤＣオフセットを持たない。これにより、ＤＣオフセットによる漏電判定への影響がなくなり、漏電検出精度が向上し、しかも、オフセットを調整するための回路が不要になり安価になる。

以下、本発明の第１の実施形態に係る漏電検出機能付配線器具（以下、本配線器具と言う）について、図１乃至図３を参照して説明する。図１に示すように、本配線器具１は、商用電源と負荷３０との間の電路を遮断する開閉部２と、開閉部２と負荷３０とを結ぶ電路２０に流れる漏電電流を検出するゼロ相変流器３と、この検出された漏電電流を基に開閉部２を制御する漏電制御部（漏電判定部）４と、商用電源から直流電源を形成して各部に電源供給する電源部５とを備える。本配線器具１は、商用電源と負荷との間に介設され、例えばブレーカやコンセント、テーブルタップ、延長コード等に付設されるものである。ここでは、商用電源は、単相３線の電源ラインＬ１、Ｌ２、中性線Ｎの内の単相２線が電路２０として、開閉部２に接続される。なお、電路２０は、単相２線式に限定するものではない。

開閉部２は、サイリスタ等のスイッチ素子を有するスイッチ部２１と、スイッチ部２１に直列に接続された釈放リレーの励磁コイル２２と、励磁コイル２２の励磁により開離される接点２３とを備え、開閉部２は、通常、閉状態にあり、漏電制御部４からの漏電制御信号によりスイッチ部２１がオンされると、励磁コイル２２が励磁して、接点２３のラッチが解除され、開離される。これにより、負荷３０への電路２０が遮断される。

ゼロ相変流器３は、コイル内を電路２０が貫通するように配設され、電路２０に流れる漏電電流を検出し、電路２０で漏電が発生すると、検出した漏電電流を漏電制御部４に供給する。

漏電制御部４は、ゼロ相変流器３からの漏電電流を差動増幅する増幅部４１と、増幅部４１の出力信号をフィルタリングするフィルタ部４２と、フィルタ部４２からの出力信号を二乗演算する二乗演算部４３と、二乗演算出力の利得調整を行うゲイン調整部４４と、ゲイン調整された二乗演算出力を積分する積分回路部４５と、この積分出力を予め定められた閾値電圧Ｅ１と比較して、漏電判定を行う閾値判定部４６とを備える。

図２に示すように、増幅部４１は、ゼロ相変流器３のコイルの両端にそれぞれ接続されて漏電電流を増幅するオペアンプＱ１、Ｑ２と、オペアンプＱ１、Ｑ２のそれぞれの出力が入力されて差動増幅するオペアンプＱ３とを備える。ここで、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ６、Ｒ７及び抵抗Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ８は、それぞれオペアンプＱ１、Ｑ２の入力抵抗及びフィードバック抵抗であり、抵抗Ｒ９はオペアンプＱ３の入力接地抵抗である。これにより、ゼロ相変流器３で検出された漏電電流は、オペアンプＱ１、Ｑ２で増幅されると共に、オペアンプＱ３の差動増幅により、さらに増大されて、次段のフィルタ部４２に供給される。

フィルタ部４２は、フィルタ用の抵抗Ｒ１０と、この抵抗Ｒ１０の出力側と接地間に接続されたコンデンサＣ１と抵抗Ｒ１１との直列回路と、この直列回路に並行なコンデンサＣ２とを備えて、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）を形成する。フィルタ部４２は、漏電電流の高周波成分を除去し、瞬時ノイズによる開閉部２の不要動作を回避すると共に、後述のように人体が感電に対して持つ周波数特性に近いフィルタ特性を持つ。

二乗演算部４３は、入力信号を二乗演算する演算機能を有するＣＰＵ等の集積回路ＩＣ１を備える。二乗演算部４３は、フィルタ部４２から入力された漏電信号を集積回路ＩＣ１によるソフト演算処理で二乗演算し、求めた二乗演算値を次段のゲイン調整部４４に入力する。また、二乗演算部４３は、二乗演算以外の演算処理も行うことができ、得られた二乗演算を基に、漏電信号の瞬時値の二乗平均の平方根を求める演算を行い、漏電信号の実効値を求めることもできる。

ゲイン調整部４４は、増幅用のオペアンプＱ４を備え、上記二乗演算部４３からの二乗演算値を増幅して、その出力を積分回路部４５に入力する。ここで、抵抗Ｒ１２、Ｒ１３、及びＲ１４は、それぞれ入力抵抗、接地抵抗、及びフィードバック抵抗を示す。なお、ここでのゲイン調整は入力抵抗Ｒ１２、又はフィードバック抵抗Ｒ１４の値を調整することにより行うことができる。また、オペアンプにゲイン調整用の可変抵抗器等を別途取り付けてもよい。

積分回路部４５は、ゲイン調整部４４からの出力を積分のためのオペアンプＱ５と、オペアンプＱ５とゲイン調整部４４とを接続する入力抵抗Ｒ１５と、オペアンプＱ５の入力の一端を接地する接地抵抗Ｒ１６と、オペアンプＱ５のフィードバック用抵抗Ｒ１７と、抵抗Ｒ１７に並行接続される積分用コンデンサＣ３とを備える。これにより、ゲイン調整部４４からの入力信号を積分して高周波成分を低減させ、瞬時的な入力信号の変動を抑制する。

閾値判定部４６は、積分回路部４５からの入力信号レベルを判定するためのオペアンプＱ６を備え、オペアンプＱ６の入力の一端は積分回路部４５と入力抵抗Ｒ１８で接続され、オペアンプＱ６の入力の他端は、予め定められた閾値電圧Ｅ１が印加されている。閾値判定部４６は、積分回路部４５からの入力信号の電圧を閾値電圧Ｅ１と比較し、入力信号が閾値電圧Ｅ１より大きいときは、漏電と判定して漏電制御信号を発生し、この漏電制御信号を開閉部２のスイッチ部２１に出力する。これにより、開閉部２を開離して、負荷３０側への電源供給を遮断する。なお、閾値判定部４６への入力信号を、漏電信号の実効値としてもよく、このときは、閾値電圧Ｅ１も変更する。

ここで、上記フィルタ部４２について、図３乃至図５を参照して詳細に説明する。図３（「知覚電流の閾値」：著者Ｄａｌｚｉｅｌ．Ｃ．Ｆ，ＡＩＥＥ会報、パートＩＩＩ−Ｂ、９９０頁〜９９６頁、１９５４年発行）は、周波数に対する人体が感電を知覚する相対的電流値である周波数係数を示し、○印は、Ｄａｌｚｉｅｌ氏によるデータ、実線はＩＥＣ（国際電気標準会議）４７９規格に記載されたデータ、点線はＩＥＣ９９０規格に記載されたＲ−Ｃ回路網の入出力伝達関数の逆特性の各グラフを示す。一般に、人は電流の周波数が高くなるほど、その電流に対する知覚が鈍くなるという特性を有する。例えば、漏電電流が１００Hzの低周波における周波数係数を１とすると、１０ｋHzの高周波においては、周波数係数が数倍大きくなり、人は低周波では小さい値の電流に対して知覚が生じるが、高周波では電流値がその周波数係数の分だけ大きくなければ、同様の知覚が生じない。

また、図４は、ＩＥＣ９９０で記載されたＲ−Ｃ回路網を示し、これは、Ｄａｌｚｉｅｌ氏による特性の逆特性を有する。前記フィルタ部４２（図２参照）は、このＲ−Ｃ回路網と同様の構成を成し、Ｒ１０＝１０ＫΩ、Ｃ１＝０．００６２μＦ、Ｒ１１＝２０ＫΩ、及びＣ２＝０．００９１μＦとして、人体が感電に対して持つ周波数特性に近いフィルタ特性を得ている。

また、図５は、上記Ｒ−Ｃ回路網の漏電検出のフィルタを用いた場合の漏電電流のトリップレベル周波数特性を示す。このグラフにおいて、横軸は周波数を、縦軸は電路遮断するように判断するためのトリップレベルを示す。このＲ−Ｃ回路網は、低周波ほどその伝達関数が大きい。そのため、低周波では高感度であり、トリップレベルの電流値が低く、高周波では感度が下がり、トリップレベルの電流値が大きい。従って、この周波数特性に近似したフィルタを用いると、本実施形態の配線器具１は、低周波では小さい漏電電流で開閉部２をトリップし、高周波では比較的大きな漏電電流で開閉部２をトリップする。例えば、周波数が電源周波数（５０Ｈｚ、６０Ｈｚ）乃至１００Ｈｚにおけるトリップレベルは約５ｍＡとなっているので、漏電電流がこのトリップレベルを越えると電路２０が遮断される。このトリップレベルは、周波数が高くなると共に、周波数係数に基づいて大きくなる。なお、このトリップレベルは感電に対してある程度の余裕を持って設定される。

上記のように構成された本配線器具１において、例えば、負荷３０側で漏電が発生すると、ゼロ相変流器３で検出された漏電信号は、フィルタ部４２を通して二乗演算部４３に入力され、二乗演算部４３で二乗演算され、漏電信号の二乗値に変換される。この漏電信号の二乗演算値は、等価的に漏電電流のエネルギ値に対応するので、波形歪の大きい漏電電流（複合周波数成分を含む漏電電流）であっても、平均値検出と異なり、波形に影響されない漏電電流検出レベルが得られる。これにより、漏電信号の検出レベルは、従来の平均値による検出レベルに比べて高くなり、検出感度レベルが向上する。また、閾値判定部４６において、漏電信号の実効値を基に判定する場合も、波形歪に影響されないので、前記と同様に平均値に比べ漏電検出レベルが高くなる。

従って、従来の平均値比較においては、実際には、漏電信号レベルが大きいにも拘わらず小さいと判定して、漏電遮断が応答しないことがあったが、本実施形態の配線器具１によれば、漏電電流の二乗値と予め定められた閾値との比較により漏電判定を行うので漏電電流が歪んだ波形であっても、検出レベルが低下しない。これにより、判定精度が良くなって漏電遮断されるので、漏電に対する安全性が高まる。また、積分回路部４５により、瞬時的に発生した漏電電流の検出信号のレベル変動を抑制できるので、閾値判定部４６の誤動作を低減し、開閉部２が不要動作することを回避することができる。なお、電源部５への商用電源の接続を開閉部２の後段（負荷側）で行っているが、開閉部２の前段より接続しても漏電検出に影響は与えない。

次に、本発明における第２の実施形態に係る配線器具について、図６を参照して説明する。図６は、配線器具の漏電制御部４を示す。この実施形態においては、漏電制御部４におけるフィルタ部４２が、その入出力間にＤＣ（直流）カット機能を有したものとしている。その他の構成は前記実施形態と同等である。

フィルタ部４２は、入力抵抗Ｒ１０と次段の二乗演算部４３の入力側との間に直列に接続されたＤＣカット用のコンデンサＣ４と、コンデンサＣ４の二乗演算部４３側端子と接地間に並行してそれぞれ接続されるコンデンサＣ５と抵抗１９とを、さらに備える。

本実施形態においては、ゼロ相変流器３からの増幅部４１で増幅された漏電信号は、フィルタ部４２において、抵抗Ｒ１０と、抵抗Ｒ１１及びコンデンサＣ１の直列経路とコンデンサＣ２との並列回路とにより分圧される。この分圧された信号は、抵抗Ｒ１０に直列に接続されたコンデンサＣ４を通過することにより、ＤＣ成分がカットされ、二乗演算部４３に入力される。ここでは、一般に漏電電流は数ｍＡ程度の電流値を検出対象とするため、ゼロ相変流器３の出力が小さく、後段の増幅部４１の増幅率を比較的大きく設定している。このため、増幅部４１は、増幅率が大きいと、オペアンプＱ１乃至Ｑ３で発生するＤＣオフセット電圧が増大し、より大きなＤＣオフセットを持った漏電信号を出力する。従って、フィルタ部４２にＤＣカット機能がないときは、増幅部４１からの出力信号がそのままフィルタ部４２を通過し、後段の二乗演算部４３で二乗演算されるので、更にＤＣオフセットが増大されることになる。このため、ＤＣオフセットの縮小化として、増幅部４１にＤＣオフセット精度の良い高価なアンプを使用したり、オフセット調整回路を設けてオフセットを調整する必要があった。

しかしながら、本実施形態においては、フィルタ部４２にＤＣカットを設けたことにより、フィルタ部４２から出力信号がＤＣオフセットを持たないことにより、ＤＣオフセットが後段の漏電検出レベルに影響を与えることを回避することができ、漏電検出精度が向上し、しかも、オフセット調整のための回路等が不要になり安価になる。更に、このＤＣカットを構成しても、漏電検出の周波数特性を実現する手段としてのフィルタ部４２は、コンデンサと抵抗だけによる安価な部品で構成可能となる。

なお、本発明は上記各種の実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の趣旨を変更しない範囲で適宜に種々の変形が可能である。上記各実施形態においては、二乗演算部による二乗演算をソフト的に行ったが、ハード的にも行うことができ、また、実効値演算素子などを利用してもよい。また、釈放リレーは、電磁リレーに限るものではなく、半導体リレー等の他の継電器であってもよい。

本発明の第１の実施形態に係る配線器具の構成図。 上記配線器具の漏電制御部の構成図。 人体の感電の周波数特性を説明するための図。 上記配線器具のフィルタ部の具体構成図。 上記配線器具のトリップレベル周波数特性を示す図。 本発明の第２の実施形態に係る配線器具における漏電制御部の構成図。 従来の配線器具が用いられる電源と負荷との間の回路構成図。 従来の配線器具の構成図。 （ａ）は上記配線器具における漏電電流の波形図、（ｂ）は同漏電電流波形のマイナス極検波を示す図、（ｃ）は同漏電電流波形のプラス極検波を示す図、（ｄ）はトリップ信号を示す図。 他の従来の配線器具における漏電制御部の構成図。 上記配線器具における漏電電流の波形図。

符号の説明

１ 漏電検出機能付配線器具
２ 開閉部
３ ゼロ相変流器
４ 漏電制御部（漏電判定部）
４１ 増幅部
４２ フィルタ部
４３ 二乗演算部
４４ ゲイン調整部
４５ 積分回路部
４６ 閾値判定部
３０ 負荷
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ５ フィルタ用コンデンサ
Ｃ４ ＤＣカット用コンデンサ
Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１９ フィルタ用抵抗

Claims (2)

1. 商用電源と負荷との間に介設され、商用電源と前記負荷を結ぶ電路に流れる漏電電流を
   検出して漏電判定を行う漏電制御部と、この漏電制御部による漏電判定により前記電路を
   遮断する開閉部とを備えた、漏電検出機能付配線器具において、
   前記漏電制御部は、
   検出した漏電電流を濾過するための、人体が感電に対して持つ周波数特性を有するフィ
   ルタ部と、
   前記フィルタ部を通過した信号の二乗演算値を算出する演算部と、
   この演算部により得られた二乗演算値と予め設定した閾値とを比較することにより漏電
   判定する判定部と、を備え、
   前記漏電制御部は、漏電電流が低周波のときは小さい漏電電流値で前記電路をトリップ
   し、前記漏電電流が高周波のときは大きい漏電電流値で前記電路をトリップすることを特
   徴とした漏電検出機能付配線器具。
2. 前記フィルタ部は、ＤＣカット機能を有しており、コンデンサ及び抵抗で構成されるこ
   とを特徴とした請求項１に記載の漏電検出機能付配線器具。

Images