JP5714633B2 - 障害ある保護接地回路検出装置および方法 - Google Patents

Description

この開示は、一般的には接地漏洩回路遮断器に係り、より特別には、多くの、特に、基準点としての大地（the Earth）に対する物理的接続の必要のない、そして、部品において実際の電流を生成する必要のない保護接地（ＰＥ）障害（fault）における障害を検出するための装置に関する。

この項における記述は、単にこの開示に関係する背景的情報を提供するものであり、先行技術を構成することはできないものである。

既存の接地漏洩回路遮断器（ＥＬＣＢ）装置は、２つのタイプに分類される：１）電圧作動のＥＬＣＢ（ｖＥＬＣＢ）、および、２）電流作動のＥＬＣＢ（ｉＥＬＣＢ）。名前が意味するように、ｖＥＬＣＢは、監視された接地端子／金属部分と局部的に接地された導体との間の電位差（電圧）に基づいて作動する。ｖＥＬＣＢは、検出された電圧が予め規定された限界に達するか、またはこれを越えるときには、回路を遮断するように作用する。本質的に、電流は、ｖＥＬＣＢ検出装置と関連しないので、ｖＥＬＣＢの主な利点は、その装置が、無視できる漏洩電流を伴う接地事故を検出することができることである。ｖＥＬＣＢ検出装置にとって最大の不具合は、機能接地接続を有するという必要性である。「機能接地接続」によって、それは大地に物理的に接続される導体を意味する。

第２の重要なタイプのＥＬＣＢ検出装置である、ｉＥＬＣＢ装置は、北米で多くの場合「接地事故回路遮断器」（ＧＦＣＩ）装置と呼ばれる。ｉＥＬＣＢは、電気装置に、さらには、その電気装置から流れる電流の合計を測定することによって動作する。通常の動作においては、この合計は、ゼロであり、それはその装置における電流漏洩がないことを意味する。異なる説明をすると、装置に流れ込む電流は、装置から流れ出る電流と等しい。ｉＥＬＣＢ検出装置は、交流電源の電流が流れている線上におけるある装置に流れ込む電流の大きさが、電源の中性線上において流れる電流とは異なる（すなわち、流れ込み、そして流れ出る電流の合計が、「ゼロでない」となる）ときを検出することによって作動する。このゼロでない電流が、予め規定した上限に達するときは、そのときは、ｉＥＬＣＢ検出装置は、その部品、または装置への電流を遮断するために遮断器を作動する。ｉＥＬＣＢ検出装置の主な利点は、実際の接地接続が必要でないということである。しかしながら、少なくともいくつかの産業、および用途における主な欠点は、交流電源に接続される部品、または装置へのある明確なレベルの電流が、装置に流れ込む電流、および、装置から流れ出る電流における予め規定した大きさの差異が存在するかどうかを検出することができるために、必要であるということである。

ＥＬＣＢ装置が必要とされる１つの特定の用途は、電気自動車のバッテリーを充電するために使用される電気自動車電源装置（ＥＶＳＥ）に関連する。ＥＶＳＥ装置に関連する安全基準は、そのような装置が継続して保護接地（ＰＥ）接続を監視し、かつ、ＰＥ接続がされていない場合に電気自動車への電力を遮断しなければならないということを要求する。２つの特定の国際電気標準会議（ＩＥＣ）の基準は、電源出力ＰＥ接地が確認されるまで、電源出力ＰＥ端子（すなわち交流電源からの受電）が車両ＰＥ端子と接続されるべきでないことを要求する。しかしながら、電気自動車では、車両はそれ自体、大地に対する直接の導電性の接地経路（すなわちＰＥ接続）を提供しない。そして、なお、ＩＥＣ規格は、適切なＰＥ接続が確認されるまで、電力が車両に接続されることを可能にせず、したがって、実際の電流が、まずＰＥ接続を確認することなしに車両に送られることは許されないので、ｉＥＬＣＢ検出装置は、使用することができない。

１つの態様において、この開示は、電源に関連した保護接地（ＰＥ）端子に接続される接地導体上の電圧の存在を検出するための装置に関する。その電源は、デバイスに電圧を印加するために使用される。この装置は、デバイスの一部分と接続する（in communication with）スイッチによって、スイッチの両端間に（cross）接続された、ハイインピーダンスデバイス、例えば抵抗器を有することができる。コントロール装置は、ハイインピーダンスデバイスの両端間の電圧を監視し、さらに、ハイインピーダンスデバイスの両端間の電圧が、予め規定したしきい値を超えたかどうかを判断するために、設けることができる。予め規定されたしきい値を超えることは、電源からの安全でない電圧が、接地導体上に存在することを示している。大地と装置との間の固有の（natural）ハイインピーダンスパスは、装置の作動中に装置を通って接地接続を提供するために使用される。

他の状況において、この開示は、交流電源と関連する保護接地（ＰＥ）端子に接続される接地導体上の電圧の存在を検出するための装置に関する。交流電源は、電気自動車に関連した充電器のスイッチ装置に充電電圧を印加するために使用することができる。この装置は、車両のシャシと接続するスイッチによって、スイッチ装置のスイッチの両端間に接続されたハイインピーダンス装置を有することができる。コントロール装置は、このハイインピーダンスデバイスの両端間の電圧を監視し、かつ、ハイインピーダンスデバイスの両端間の電圧が予め規定したしきい値を超えるかどうかを判断（determine）するために有することができる。そのような例は、交流電源からの安全でない電圧が接地導体上に存在することを示す。大地と車両のシャシとの間の固有のハイインピーダンスパスは、装置の作動中車両のシャシを通して接地接合を提供するために使用される。コントロール装置は、ハイインピーダンスデバイスの両端間の感知された電圧に応じてスイッチ装置の開閉をコントロールすることができる。

なお他の状況において、１つの方法が、電源に関連した保護接地（ＰＥ）端子に接続される接地導体上の電圧の存在を検出するために開示され、さらに、その電源は、デバイスに電圧を印加するために使用されている。その方法は、大地との接続を形成するために、デバイスと大地との間のキャパシタンスおよび抵抗の少なくとも一方を有する固有のハイインピーダンスパスを使用することとから構成することができる。この方法はさらに、装置と大地との間のＰＥ接続と接続するスイッチによって、スイッチが開いている間に、スイッチの両端間に接続されたハイインピーダンスデバイスの両端間の電圧を感知することを有することができる。コントロール装置は、ハイインピーダンスデバイスと接続して使用されることができる。コントロール装置は、ハイインピーダンスデバイスの両端間の電圧が、接地導体上に存在している電源からの安全でない電圧の存在を表示するときに判断するために作動することができる。

適用可能性のさらなる領域は、ここに提供される記述から明らかになる。その記述および特定の例は、例証のみの目的のために意図され、かつ、この開示の範囲を限定するようには意図されていないことが理解されるべきである。

ここに記述された図面は、例証目的のみのためであり、かつ任意の方法でこの開示の範囲を限定するようには決して意図されていない。
この開示の一実施例にしたがってＥＬＣＢ検出装置の一例のハイレベルの概略図である。

以下の記述は、単に、本来代表的であり、かつ、この開示、用途、または使用を限定するようには意図されていない。図面の全体にわたって、対応する参照数字が、同様の、または、対応する部分および特徴を表示するということは、理解されるべきである。

図１を参照して、ＥＬＣＢ検出装置１０の一実施例が、この開示にしたがって示されている。この例において、装置１０は、電気自動車電源装置（「ＥＶＳＥ」）部品のスイッチング装置１２に接続される。スイッチング装置１２は、負荷１４に対する保護接地接続を適用するために使用される。この例における負荷１４は、電気自動車であって、以下に「車両１４」として参照される。交流電源１５は、ＰＥ接地端子１６ｃと、第１段の端子１６ａと、中性の、または第２段の端子１６ｂとを有する適切な、接続壁ソケット１６を介して車両１４に電力を供給する。スイッチ装置１２のスイッチＫ３は、車両１４にＰＥ接地端子１６ｃを接続するために、車両充電器回路（特に図示せず）によって使用される。その車両１４は、有効に、それと大地との間で、コンデンサ記号１８（Ｃ３）と抵抗器記号１７（Ｒ３）とによって表示されて、固有のキャパシタンスおよび抵抗を有する。しかしながら、個別の物理的な電気導体は、車両１４の任意の部分と大地との間の直接接続を成すために使用されないことは、理解されよう。

装置１０のための作動の根拠を形成するのを支援する重要な認識は、個別の物理的部品（すなわち、導電性のケーブル）が車両１４を大地に接続していない間に、大地に関して、車両１４の固有のキャパシタンスおよび抵抗（すなわち、車両と大地との間の固有の容量性／抵抗性のパス）が、回路用の接地接合として機能することができるということである。車両と大地との間のインピーダンスが高いので、装置１０が適切なＰＥ接続をチェックしているときに、無形のほぼ漏洩電流だけが、（そのシャシを介するように）車両１４内で生成される。

図１に対する継続的な言及によって、接続壁ソケット１６のＰＥ接地端子１６ｃは、通常、大地に接続され、かつ、したがって適切なＰＥ接続を形成する。しかしながら、このＰＥ接続が、障害のある(faulty)端子１６ｃを通してのように、または、恐らくは誤配線のためであり、かつ、端子１６ａまたは端子１６ｂからの電圧が、基準点Ｔ３に存在している場合には、そのときは、その可能性は、車両１４のシャシのために、交流線電圧のすべて、または一部分を受けるように存在する。この条件は、さらに、３つの入力（すなわち、第１段と、中性／第２段、または、ＰＥ接地線）のいずれも、大地電位に関して安全な基準点であると仮定することができないので、検出すべき従来のｉＥＬＣＢ検出装置にとって困難であり得る。

任意の電気的回路においては、基準点と見なすことができるポイントが常にあることができる。図１の回路において、「Ｔ３」をラベル付けしたポイントは、基準点として、または換言すれば、反対に、すべての他のポイントの電位が測定される回路におけるポイントとして、見なすことができる。

ポイントＴ３が大地電位にあるかどうかを、継続して感知し、かつ、監視するために、装置１０は、高抵抗抵抗器２０（Ｒ１）を使用することができ、それは典型的に、少なくともほぼ２メガオームの抵抗と、電圧測定デバイス２８と、およびコントロール装置２４とを有することができる。電磁場適合性（ＥＭＣ）目的のために、装置１０は、２つのＹコンデンサ２６（Ｃ１）と２２（Ｃ２）とを有することができる。コントロール装置２４は、電圧測定デバイス２８の出力に反応する。抵抗器２０（Ｒ１）は、スイッチ装置１２のスイッチＫ３の両端間に接続され、それは、有効にポイントＴ３に抵抗器のポイント「ａ」を置く。コントロール装置２４は、装置１０がＴ３でのＰＥ接続が存在することを確認するまで、スイッチＫ１−Ｋ３のいずれもが、閉じていないように、コントロール信号２４ａよるスイッチＫ１／Ｋ２、および、信号線３０上のコントロール出力信号によるスイッチＫ３、をコントロールするために使用することができる。さらに、コントロール装置２４は、信号を生成するためにＴ３での障害のあるＰＥ接続が、正常な充電サイクルの間いつでも検出される場合は、例えば、信号線３０および２４ａ上の信号によって、スイッチＫ１／Ｋ２およびＫ３を開くように直接または間接的に作用する信号を生成するために作動することができる。また、電圧測定装置２８が図１における個別の部品として図示されている一方、理解されるべきことは、抵抗器２０（Ｒ１）の両端間の電圧検出は、コントロール装置の積分電圧（integral voltage）測定サブ装置（subsystem）によってコントロール装置２４内において実行することができることである。しかしながら、装置１０の作動について記述することを支援する目的で、電圧測定デバイス２８は、独立部品として図１に示されている。

通常の動作において、コントロール装置２４は、スイッチＫ１／Ｋ２およびＫ３をそれぞれ閉じる前に、ＰＥ接続がポイントＴ３で存在することを最初に確認するに違いない。換言すれば、このことは、Ｔ３が大地電位にあるに違いないことを意味する。ＰＥ障害が検出される場合には、スイッチＫ１−Ｋ３は閉じられない。

ＰＥ障害が存在する状況を第一に考慮せよ、そして、接続プラグ１６が、交流電源１５に関連した端子に接続されるときは、そのポイントＴ３は大地電位にはない。ポイントＴ３が少なくとも交流線電圧のある実際の量を受けているので、ＰＥ（保護接地）線は、不注意で誤配線であった場合には、このことが生じ得る。この場合には、（大地電位に関して）Ｔ３に存在する電圧は、装置１０への「Ｖin」（電圧入力）としてみなされ得る。Ｔ３と大地との間のインピーダンスは、実体のない漏洩電流のみが、抵抗器２０（Ｒ１）を通して線３２に沿って車両１４のシャシに、さらには、車両１４の固有のキャパシタンス／抵抗によって大地接地に流れ込むということを本質的に意味して、高くなる。

スイッチＫ３の開放を伴う作動中に、抵抗器２０（Ｒ１）は、分圧器の１脚を形成し、さらに、他の１脚は、車両のキャパシタンス１８（Ｃ３）と抵抗器１７（Ｒ３）によって形成される。抵抗器２０（Ｒ１）の両端間の電圧は、「ＶＲ１」と表示することができ、さらに車両１４の固有のキャパシタンス１８（Ｃ３）および抵抗器１７（Ｒ３）は、接地接続用の代用を提供する。抵抗器２０（Ｒ１）の両端間の電圧ＶＲ１は、したがって、Ｖinの関数である。ＶＲ１は、以下の式によって表わすことができる：
ＶＲ１＝Ｖin ＊ （Ｒ１／（Ｒ１＋ＺＣ３｜｜Ｒ３））
ここで、ＺＣ３は、ＡＣ周波数におけるＣ３のインピーダンスであり、さらに「ＺＣ３｜｜Ｒ３」は、Ｒ３と平行であるＺＣ３を意味する。

抵抗器２０（Ｒ１）の両端間の電圧は、電圧測定デバイス２８によって検出され、それは、一実施例において電圧計であることができ、かつ、コントロール装置２４によって分析することができる。

この電圧が予め規定した第１の限界を超える場合、そのときはコントロール装置２４は、障害のあるＰＥ接続が存在し、さらにスイッチＫ１−Ｋ３は閉じられないことを判断する。検出された電圧が予め規定した第２の値未満である場合、そのときはコントロール装置２４は、ＰＥ接続が完全で、かつ、したがってスイッチＫ１／Ｋ２およびＫ３を閉じることを結論する。

壁ソケット１６のＰＥ接地端子１６Ｃが浮動する（すなわち、第１位相、第２位相または大地のうちの任意の１つに対する接続を有しない）ようになる場合、そのときは、ポイントＴ３は、Ｙコンデンサ２６（Ｃ１）および２２（Ｃ２）の存在によって第１位相および中性／第２位相線の間の電圧の半分である。上に記述したように、Ｔ３は、大地電位で同一電位ではない。Ｔ３と大地との間の電位差は、抵抗器２０（Ｒ１）の両端間の電圧を創成し、それは第１の所定の限界よりも高く、その限界から、コントロール装置２４は、障害のあるＰＥ接続が存在することを判断する。その結果、コントロール装置２４は、スイッチＫ１−Ｋ３を閉じない。

ポイントＴ３が、大地電位に充分接近している場合、そのときは、抵抗器２０（Ｒ１）の両端間の電圧は、上に議論した予め規定した第２の限界を超えない。この場合、コントロール装置２４は、ＰＥが良好であり、したがって、スイッチＫ１／Ｋ２およびＫ３を閉じる、と考える。

したがって装置１０は、ｖＥＬＣＢ検出器によるように、車両と大地との間の必要とされる機能接地接続を有するために、車両１４シャシを大地に接続するために使用されるように、個別の物理的接続（すなわち電気導体）を必要としない。さらなる利点として、装置１０は、かなりの電流が、ｉＥＬＣＢ検出器によるように、その電圧感知作動を実行するために車両のシャシに流れていることを必要としない。この配置は、車両と関連する充電装置を使用するときに、車両への交流電源接続をチェックし、監視するための、今日の基準の要求性能を満足する。この装置１０は、ｖＥＬＣＢ（端末装置に流れ込むように要求される電流はない）の利点によって従来のｉＥＬＣＢ検出器（要求される物理的なＰＥ接続はない）の利点を提供する。

様々な実施例が記述されてきたが、当業者は、この開示から逸脱することなくなされることができる修正または変更を認識することができる。この例は、様々な実施例を例証するものであり、さらにこの開示を限定するようには意図されていない。したがって、記述と請求項は、単に適切な先行技術を考慮して必要であるような限定によって寛大に解釈されるべきである。

Claims (14)

1. 電源に関連する保護接地（ＰＥ）端子に接続される接地導体上の電圧の存在を検出するための装置であって、その電源は、デバイスに電圧を印加するために使用されており、その装置は：
   スイッチの両端間に接続されるハイインピーダンスデバイスであって、そのスイッチによってデバイスの一部分と接続されるものと；
   このハイインピーダンスデバイスの両端間の電圧を監視し、かつ、ハイインピーダンスデバイスの両端間の電圧が、予め規定したしきい値を超えるかどうかを判断し、それによって電源からのしきい値を超える安全でない電圧が、接地導体上に存在することを表わすためのコントロール装置と；
   を有してなり、
   大地とデバイスとの間の固有のハイインピーダンスパスは、装置の作動中にデバイスを介して接地接続を提供するために使用される装置。
2. ハイインピーダンスデバイスの両端間の電圧を検出する電圧測定装置をさらに有する請求項１記載の装置。
3. コントロール装置は、ハイインピーダンスデバイスの両端間の電圧が予め規定したしきい値を超えると検出された場合は、スイッチの閉止を阻止する請求項１記載の装置。
4. ハイインピーダンスデバイスから大地への固有のハイインピーダンスパスは、分圧器構造の１脚を形成する請求項１記載の装置。
5. 交流（ＡＣ）電源に関連した保護接地（ＰＥ）端子に接続される接地導体上の電圧の存在を検出するためであり、その交流電源が電気自動車と関連する充電器のスイッチ装置に充電電圧を印加するために使用されている装置であって、その装置は：
   車両のシャシと接続するスイッチによって、スイッチ装置のスイッチの両端間に接続されるハイインピーダンスデバイスと；
   ハイインピーダンス装置の両端間の電圧を監視し、かつハイインピーダンスデバイスの両端間の電圧が、予め規定したしきい値を超えるかどうかを判断し、それによって交流電源からの安全でない電圧が接地導体上に存在することを指示するためのコントロール装置と；
   を有し、大地と車両のシャシとの間の固有のハイインピーダンスパスは、装置の作動中に車両のシャシを介して接地接続を提供するために使用され、
   さらに、
   コントロール装置は、ハイインピーダンスデバイスの両端間の感知された電圧に応じてスイッチ装置の開放および閉止をコントロールする装置。
6. ハイインピーダンスデバイスの両端間の電圧を検出する電圧測定装置をさらに有する請求項５記載の装置。
7. 車両のシャシから大地への固有のハイインピーダンスパスのインピーダンスおよびハイインピーダンスデバイスは、共に分圧器回路を形成する請求項５記載の装置。
8. 電源に関連する保護接地（ＰＥ）端子に接続される接地導体上の電圧の存在を検出し、電源がデバイスに電圧を印加するために使用されている方法であって、この方法は：
   デバイスと大地との間のキャパシタンスと抵抗の少なくとも一方を有する固有のハイインピーダンスパスを使用して大地との接続を形成することと；
   デバイスと大地との間のＰＥ接続と接続するスイッチによって、スイッチが開いている間、スイッチの両端間に接続されたハイインピーダンスデバイスの両端間の電圧を感知することと；
   ハイインピーダンスデバイスの両端間の電圧が、接地導体上に存在する電源からのしきい値を超える安全でない電圧の存在を表示するときに判断するためにハイインピーダンスデバイスと接続するコントロール装置を使用することとを有する。
9. 前記電圧を感知する方法は、ハイインピーダンス装置の両端間の電圧を測定するための手段を使用することを有する請求項８記載の方法。
10. ハイインピーダンスデバイスの両端間の電圧が予め規定したしきい値を超えるときを判断し、それによって電源からの安全でない電圧が接地導体上で存在することを指示することをさらに有する請求項９記載の方法。
11. 前記装置は、電気自動車を有する請求項９記載の方法。
12. スイッチの作動をコントロールするためにコントロール装置を使用することをさらに有する方法。
13. スイッチを開放状態に維持するためにコントロール装置を使用すること、さらには電源からの安全でない電圧が接地導体上に存在せず、そして次にスイッチを閉じるためにコントロール装置を使用することを確認する請求項１２記載の方法。
14. 電源の第１位相線および電源の第２位相線と接続する追加のスイッチをコントロールするためにコントロール装置を使用することを有し、その第２位相線は中性線を有し、さらに電源は第１位相線を備えた交流電源を有し、かつ第２位相線は、交流電源からデバイスまで電力を伝えるために使用されることを有する請求項１３記載の方法。

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