JP5817316B2 - 漏電遮断器 - Google Patents

Description

本発明は、過電流、短絡のほか漏電時の回路遮断機能を持つ漏電遮断器に関し、さらに詳しくは漏電に対する人体保護を確保しつつ不要な遮断動作を回避する漏電遮断器に関する。

漏電遮断器は、過電流、短絡のほか漏電時の回路遮断機能を持つもので、漏電検出用に例えば零相変流器が組み込まれている。零相変流器は、地絡故障時に流れる零相電流を検出する変流器である。即ち、通常三相電流のベクトル和は０になるが、地絡すると、グランドを電路とし電流が流れるため、ベクトル和が０にならない性質を用いて、漏電遮断器は地絡故障や漏電を検出する。

図９は、例えば特許文献１に開示された、従来の漏電遮断器のブロック図、図１０はそのタイムチャートを示している。図９及び図１０において、主回路導体２は二本の導線で、往復の電流Ｉが流れる。即ち、主回路導体２では、健全状態では二本の導線に流れる電流の和はゼロであるが、漏電や地絡等ではその電流の和がゼロにならず、差異電流が流れる。なお、主回路導体２の端部に表示されたＲ、Ｓは三相交流の給電側の相を表すもので、第１相（Ｒ）・第２相（Ｓ）・第３相（Ｔ）と順番が付けられる。また、主回路導体２の端部に表示されたＵ、Ｖは三相交流の受電側の相を表すもので、第１相（Ｕ）・第２相（Ｖ）・第３相（Ｗ）と順番が付けられる。

漏電遮断器の遮断器１は、主回路導体２の給電側に設けられるもので、主回路導体２に漏洩電流が流れると、遮断器１の開極が行われて、回路遮断が行われる。零相変流器（以下、ＺＣＴと記す）３は主回路導体２が貫通するもので、主回路導体２に漏電電流が流れると、ＺＣＴ３の二次巻線３ａに二次電流が発生し、この二次電流は抵抗４により電圧に変換される。

この電圧はローパルスフィルタ回路５によりインパルス性のノイズやインバータの二次側高周波漏洩電流などが吸収された後、漏電増幅回路６で増幅され、その出力は第１の比較器７のしきい値で正極，負極に分けてパルス化される。更に、第１の比較器７の出力は積分回路８により積分される。そして、積分回路８の積分値が第２の比較器９のしきい値を超えると、第２の比較器９の出力信号αがＬからＨに変化する。遮断信号出力回路１０は、第２の比較器９の出力信号αの変化に基づいて、引外し信号γをＬからＨに変化させる。引外しコイル１１は、引外し信号γの変化に基づいて、遮断器１の開極を行なう。

このように構成された装置においては、ＺＣＴ３からの出力を抵抗４により電圧変換して検出するので、交流の漏電電流のみを検出するものである。典型的な場合には、主回路導体２に流れる電流は１０Ａ〜８００Ａで、漏電電流としては１５ｍＡ〜５００ｍＡ程度の微小な差異電流である。そこで、ＺＣＴ３は、主回路導体２に流れる微小な差異電流を高精度で検出できるものがよい。

ところで、非特許文献１に記載されているように、人体に対する電流の影響は、直流と交流で相違する。非特許文献１の図２０には、交流電流（１５〜１００Ｈｚ）における電流継続時間と人体電流の値に応じた人体の生理学的影響の説明図がある。また、非特許文献１の図２２には、直流電流における電流継続時間と人体電流の値に応じた人体の生理学的影響の説明図がある。
漏電遮断器は、人体保護のためには高感度且つ高速形が使用されており、商用周波数（５０Ｈｚ、６０Ｈｚ）に適合させるため、定格感度電流は３０ｍＡ、漏電遮断器の遮断時間は０．１秒以内と定められている。

特開２０００−１０２１５８号公報

規格番号：ＪＩＳ ＴＳ Ｃ００２３−１、標題：「人間及び家畜に関する電流の影響 第１部：一般分野」、対応国際規格：ＩＥＣ／ＴＳ６０４７９−１

しかしながら、定格感度電流を敏感な側に定めると確実に人体保護がなされるが、漏電遮断器は不要動作しやすくなり、感電以外でも動作して電源を停めてしまうという課題がある。非特許文献１で説明しているように、感電に対する人体の生理学的影響は、交流電流について０．５ｍＡ以下では知覚のみである。これに対して、直流電流について２ｍＡ以下でも知覚のみである。即ち、直流電流については、定格感度電流を数倍程度高くしても、交流電流と同等の人体保護がなされる。すなわち、本発明者による鋭意の検討の結果、直流電流については、定格感度電流を３０ｍＡ以上、漏電遮断器の遮断時間を０．１秒以上と定めても、十分な人体保護ができると共に、漏電遮断器の不要動作を抑止できることが、判明した。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、漏電遮断器の不要動作を抑えながら、人体保護を可能とする漏電遮断器を提供することにある。

本発明の漏電遮断器は、導体を囲む磁気コア及びこの磁気コアに巻回した二次巻線を有する変流器と、前記二次巻線に励磁電流を供給する励磁回路と、前記励磁電流から前記導体における直流成分から交流成分までの漏洩電流を含む測定信号を検出する測定信号検出回路と、前記測定信号を直流成分と交流成分とに分離する分離回路と、前記漏洩電流の直流成分に対応する直流定格感度電流値が設定される直流用定格感度設定部と、前記漏洩電流の交流成分に対応する交流定格感度電流値が設定される交流用定格感度設定部と、前記導体を遮断可能な遮断器と、前記分離回路で分離された前記直流成分が前記直流用定格感度設定部で設定された直流定格感度電流値を超える場合、及び／又は、前記分離回路で分離された前記交流成分が前記交流用定格感度設定部で設定された交流定格感度電流値を超える場合に、前記遮断器で前記導体を遮断する遮断制御部と、を備え、前記直流定格感度電流値は、前記交流定格感度電流値よりも大きい。

このように構成された漏電遮断器において、変流器は導体に流れる電流に応じた信号を生成するもので、例えば導体の漏電時に流れる零相電流を検出する零相変流器である。励磁回路は、変流器の二次巻線に励磁電流を供給する。測定信号検出回路は、この励磁電流から、導体における直流成分から交流成分までの漏洩電流を含む測定信号を検出する。分離回路は、測定信号検出回路で検出された漏洩電流を含む測定信号を直流成分と交流成分に分離する。直流用定格感度設定部は、漏洩電流の直流成分に対応する直流定格感度電流値が設定されるものであり、交流用定格感度設定部は、漏洩電流の交流成分に対応する交流定格感度電流値が設定されるものである。遮断制御部は、測定信号検出回路で検出された測定信号の直流成分が直流用定格感度設定部で設定された直流定格感度電流値を超える場合、及び／又は、測定信号検出回路で検出された測定信号の交流成分が交流用定格感度設定部で設定された交流定格感度電流値を超える場合に、導体を遮断器で遮断することを特徴とする。

本発明の漏電遮断器は、導体を囲む第１の磁気コア及びこの第１の磁気コアに巻回した第１の二次巻線を有する第１の変流器と、第１の変流器の二次巻線に誘起される信号から前記導体における漏洩電流の交流成分を含む第１の測定信号を検出する第１の測定信号検出回路と、前記漏洩電流の交流成分に対応する交流定格感度電流値が設定される交流用定格感度設定部を有する。また、導体を囲む第２の磁気コア及びこの第２の磁気コアに巻回した第２の二次巻線を有する第２の変流器と、前記第２の二次巻線に励磁電流を供給する励磁回路と、前記励磁電流から前記導体における直流成分から交流成分までの漏洩電流を含む第２の測定信号を検出する第２の測定信号検出回路と、前記第２の測定信号から直流成分を分離する分離回路と、漏洩電流の直流成分に対応する直流定格感度電流値が設定される直流用定格感度設定部と、前記導体を遮断可能な遮断器と、前記第１の測定信号検出回路で検出された第１の測定信号が前記交流用定格感度設定部で設定された交流定格感度電流値を超える場合、及び／又は、前記分離回路で分離された前記直流成分が前記直流用定格感度設定部で設定された直流定格感度電流値を超える場合に、前記遮断器で前記導体を遮断する遮断制御部と、を備え、前記直流定格感度電流値は、前記交流定格感度電流値よりも大きいことを特徴とする。

このように構成された漏電遮断器において、第１の変流器、第１の測定信号検出回路、交流用定格感度設定部は、第１の測定信号検出回路で検出した第１の測定信号が、漏洩電流の交流電圧感度電流値を超える場合に、遮断器と遮断制御部で導体の遮断を行なわせる。また、第２の変流器、励磁回路、第２の測定信号検出回路、前記分離回路、直流用定格感度設定部は、第２の測定信号検出回路で検出した第２の測定信号の直流成分が、漏洩電流の直流電圧感度電流値を超える場合に、遮断器と遮断制御部で導体の遮断を行なわせる。

好ましくは、本発明の漏電遮断器において、前記分離回路は、ＤＣ検出フィルター回路を有し、直流用定格感度設定部は、ＤＣ検出フィルター回路で分離された測定信号の直流成分の値を、ＤＣ成分しきい値と比較するＤＣ成分比較器を有し、前記遮断制御部は、ＤＣ成分比較器の出力に基づいて、前記遮断器を構成する引外しコイルに遮断信号を出力する遮断信号出力回路を有するとよい。

好ましくは、本発明の漏電遮断器において、分離回路は、ＡＣ検出フィルター回路を有している。交流用定格感度設定部は、ＡＣ検出フィルター回路で分離された測定信号の交流成分の値を、第１のＡＣ成分しきい値と比較する第１のＡＣ成分比較器と、第１のＡＣ成分比較器の出力信号を積分するＡＣ成分積分回路と、ＡＣ成分積分回路の積分値を第２のＡＣ成分しきい値と比較する第２のＡＣ成分比較器とを有する。そして、前記遮断制御部は、第２のＡＣ成分比較器の出力に基づいて、前記遮断器を構成する引外しコイルに遮断信号を出力する遮断信号出力回路を有するとよい。

好ましくは、本発明の漏電遮断器において、直流用定格感度設定部は、交流用定格感度設定部で設定される漏電遮断器の開極を行うための閾値と比較して、より大きな漏洩電流を許容するＤＣ成分しきい値を有するとよい。
好ましくは、本発明の漏電遮断器において、測定信号検出回路又は第２の測定信号検出回路は、この励磁電流の変化に応じた信号を入力すると共に、この信号に前記導体における直流成分から交流成分までの漏洩電流成分が含まれるように構成するとよい。

好ましくは、本発明の漏電遮断器において、励磁回路は、二次巻線に極性の反転する励磁電流を供給し、前記励磁電流の変化に応じた信号を出力するもので、励磁回路が二次巻線に供給する励磁電流は、磁気コアの磁束密度が残留磁束密度以上になるように構成するとよい。
好ましくは、本発明の漏電遮断器において、励磁回路は、オペアンプと、オペアンプの出力電圧を分圧し、当該分圧電圧をオペアンプの第１の入力端子に供給する閾値電圧設定器と、オペアンプの第２の入力端子に一端が接続される抵抗とを含み、オペアンプの第２の入力端子と出力端子との間に、二次巻線を接続するとよい。好ましくは、本発明の漏電遮断器において、閾値電圧設定器は励磁電流を励磁回路の消費電流が小さくなるように定めるとよい。

好ましくは、本発明の漏電遮断器において、励磁回路は、二次巻線に極性の反転する矩形波の励磁電流を供給すると共に、磁気コアの磁束密度が飽和状態又はその近傍の状態になるような前記励磁電流を供給する。測定信号検出回路又は第２の測定信号検出回路は、励磁回路から出力される矩形波の励磁電流のデューティ比の変化に基づいて、測定信号を検出するように構成するとよい。

本発明の漏電遮断器は、導体を囲む磁気コア及びこの磁気コアに巻回した二次巻線を有する変流器と、変流器の二次巻線に励磁電流を供給する励磁回路と、この励磁回路の供給する励磁電流から、導体における直流成分から交流成分までの漏洩電流を含む測定信号を検出する測定信号検出回路を有する。そして、測定信号検出回路で測定した測定信号を直流成分と交流成分に分離することで、漏洩電流を直流成分と交流成分に分離する。交流用定格感度設定部と直流用定格感度設定部で、直流成分と交流成分の定格感度電流値を各々設定することで、導体を遮断するに際して、不要動作することなく、安全に人体保護できるという利点がある。

本発明の漏電遮断器の一実施形態を示すブロック図である。 励磁回路の一実施例を示す回路図である。 出力端子間電圧Ｖｏの波形図である。 磁気コアの磁界の強さと磁束密度の関係を示す特性線図、及び励磁電流の波形図である。 励磁回路の他の実施例を示す回路図である。 オペアンプの出力端子電圧Ｖａの波形図と、二次巻線の励磁電流の波形図である。 磁気コアの磁界の強さと磁束密度の関係を示す特性線図、及び励磁電流の波形図である。 本発明の漏電遮断器の他の実施形態を示すブロック図である。 交流を検出する従来の漏電遮断器のブロック図である。 図９の装置のタイムチャートを示す図である。

以下、図面を用いて本発明を説明する。図１は、本発明の漏電遮断器の一実施形態を示すブロック図である。なお、図１において、図９と同一作用をするものには、同一符号を付して、説明を省略する。
図１において、主回路導体２は導線２ａ、２ｂが２本の場合を示しており、流れる電流をＩとしている。なお、主回路導体２は導線が１本でもよく、また三相対応の３本でもよい。零相変流器１２は、円環状の磁気コア１２ｂと、磁気コア１２ｂに巻装された所定巻数の二次巻線１２ａを有している。二次巻線１２ａは、励磁回路１３の励磁コイルとして用いられる。磁気コア１２ｂは、その内側に主回路導体２が挿通されている。零相変流器１２は、図９の零相変流器３と比較すると、励磁回路１３と測定信号検出回路１４により、交流成分だけでなく直流成分も検出できる構成としてある。

励磁回路１３は、零相変流器１２の二次巻線１２ａを励磁コイルとして、励磁電流を送ると共に、その励磁電流の変化に応じた電圧を出力電圧として出力する。励磁回路１３の励磁電流は、例えば、二次巻線１２ａに極性が反転する程度の励磁電流を供給するもので、後で詳細に説明する。励磁回路１３の励磁電流の発振周波数は、主回路導体２に流れる商用交流電流の周波数と比較して、高い周波数に定めるのがよい。測定信号検出回路１４は、主回路導体２における直流成分から交流成分までの漏洩電流を含む測定信号を検出する機能を有する。測定信号検出回路１４の測定信号を検出する機能は、励磁回路１３の出力する励磁電流の変化に応じた電圧に対応して、ローパルスフィルタ回路、ＡＤ変換器、デューティ比の検出回路等が用いられる。

ローパルスフィルタ回路５は、励磁回路１３の出力信号に対してインパルス性のノイズやインバータの二次側高周波漏洩電流などを平滑化し、その平滑化された出力信号を、漏電増幅回路６に供給する。漏電増幅回路６は、ローパルスフィルタ回路５で平滑化された信号を増幅し、増幅した信号を、ＡＣ検出フィルター回路１６と、ＤＣ検出フィルター回路２６とのそれぞれに供給する。

ＡＣ検出フィルター回路１６は、漏電増幅回路６の出力信号のうち、商用周波数程度の交流成分を分離するもので、そのＡＣ検出フィルター回路１６を通過する信号の帯域には、例えば非特許文献１に示すように、１５〜１００Ｈｚを含むものである。第１のＡＣ成分比較器１７は、ＡＣ検出フィルター回路１６で分離された測定信号の交流成分の値を、第１のＡＣ成分しきい値と比較して、測定信号の交流成分の値が第１のＡＣ成分しきい値と比較して大きいか小さいかに応じて、Ｈ、Ｌの二値信号にパルス化する。ＡＣ成分積分回路１８は、第１のＡＣ成分比較器１７の出力信号を積分する。第２のＡＣ成分比較器１９は、遮断器１の開極を行うための第２のＡＣ成分しきい値を有し、ＡＣ成分積分回路１８の積分値が第２のＡＣ成分しきい値を超えるか、その値以下であるかのＨ、Ｌの二値信号を出力する。交流成分の検出感度は、交流定格感度電流値としての第１のＡＣ成分しきい値と第２のＡＣ成分しきい値で定められ、人体保護として例えば、定格感度電流は３０ｍＡ、漏電遮断器の遮断時間は０．１秒以内と定められる。

一方、ＤＣ検出フィルター回路２６は、漏電増幅回路６の出力信号のうち、直流成分を分離するもので、例えばこの出力信号の平均値を出力する。ＤＣ成分比較器２７は、ＤＣ検出フィルター回路２６で分離された測定信号の直流成分の値を、直流定格感度電流値としてのＤＣ成分しきい値と比較して、両者の大小に応じて、Ｈ、Ｌの二値信号を出力する。直流成分の検出感度は、ＤＣ成分しきい値で定められ、人体保護として例えば定格感度電流は５０ｍＡ、漏電遮断器の遮断時間は０．１秒以内と定められる。なお、漏電増幅回路６、ＡＣ検出フィルター回路１６、ＤＣ検出フィルター回路２６は、測定信号検出回路１４の測定信号を交流成分と直流成分に分離する分離回路として作用する。

ＯＲ論理回路２０は、第２のＡＣ成分比較器１９の出力信号と、ＤＣ成分比較器２７の出力信号とを入力し、ＡＣ成分積分回路１８の積分値が第２のＡＣ成分しきい値を超えるか、又はＤＣ検出フィルター回路２６の出力信号が第２のＤＣ成分しきい値を超える場合に、遮断器１の開極を行うための信号を出力する。遮断信号出力回路１０は、ＯＲ論理回路２０から送られる信号に応じて、測定信号が交流成分又は直流成分の検出感度の設定値を超過した状態の場合に、引外し信号γを引外しコイル１１に出力する。引外しコイル１１は、引外し信号γに応じて、遮断器１の開極を行なう。なお、ＯＲ論理回路２０、遮断信号出力回路１０及び引外しコイル１１は、遮断制御部に対応する。

続いて、励磁回路１３の回路構造とその動作の一例を説明する。図２は、励磁回路の一実施例を示す回路図である。励磁回路１３は、二次巻線１２ａに極性の反転する励磁電流を供給すると共に、その励磁電流の変化に応じた電圧を出力電圧として出力する。この励磁電流の大きさは、図４に示すように、磁気コア１２ｂの磁束密度が残留磁束密度以上になるように設定されている。測定信号検出回路１４における主回路導体における直流成分から交流成分までの漏洩電流を含む測定信号を検出する機能は、この実施形態では、図１の装置におけるローパルスフィルタ回路５が実現している。

励磁回路１３は、オペアンプ１３１を有している。オペアンプ１３１は、コンパレータとして動作するもので、併せて出力端子と反転入力端子の間に二次巻線１２ａが接続されている。オペアンプ１３１の出力端子電圧はＶａ、反転入力端子電圧はＶｄとし、二次巻線１２ａの励磁電流をＩｂとする。
分圧抵抗１３３、１３４はオペアンプ１３１の出力電圧Ｖａを分圧した分圧電圧を、オペアンプ１３１の非反転入力端子に閾値電圧Ｖｔｈとして設定するもので、閾値電圧設定器として構成されている。そして、分圧抵抗１３３は、オペアンプ１３１の出力端子と非反転入力端子の間に接続される。分圧抵抗１３４は、オペアンプ１３１の非反転入力端子とグランドとの間に接続されている。抵抗１３２は、オペアンプ１３１の反転入力端子に接続されたもので、二次巻線１２ａにも接続されている。

ローパルスフィルタ回路５は、測定信号検出回路１４の機能を兼ねるもので、抵抗５１とコンデンサ５２のＲＣ回路を有する。ここでは、抵抗５１とコンデンサ５２のＲＣ回路は、励磁回路１３の下流側に設けられている。即ち、抵抗５１は、抵抗１３２と接続されて、二次巻線１２ａの励磁電流Ｉｂに応じた電圧Ｖｄを入力する。抵抗５１とコンデンサ５２の接続点は、漏電増幅回路６との出力端子５３と接続されている。コンデンサ５２の両端は、出力端子５３、５４と接続されている。出力端子５４は、グランドに接続されている。

このように構成された励磁回路の動作を説明する。オペアンプ１３１は、図２に示すように、オペアンプ１３１の出力電圧Ｖａを分圧抵抗１３３、１３４で分圧した分圧電圧を、閾値電圧Ｖｔｈとしてオペアンプ１３１の非反転入力端子に供給している。そこで、オペアンプ１３１は閾値電圧Ｖｔｈと二次巻線１２ａと抵抗１３２との接続点電圧Ｖｄとを比較して、その比較出力を矩形波として出力側から出力する。

いま、オペアンプ１３１の出力側の出力電圧Ｖａがハイレベルになると、これが二次巻線１２ａの一端に印加される。このため、二次巻線１２ａは、出力電圧Ｖａと抵抗１３２、５１の抵抗値に応じた励磁電流Ｉｂで励磁される。励磁電流Ｉｂは、二次巻線１２ａのインダクタンス値に応じて増加してゆく。このとき、オペアンプ１３１の非反転入力端子には、出力電圧Ｖａを分圧抵抗１３３、１３４で分圧した比較的大きな閾値電圧Ｖｔｈが入力されている。

一方、オペアンプ１３１の反転入力端子における、二次巻線１２ａと抵抗１３２の接続点電圧Ｖｄは、二次巻線１２ａの励磁電流Ｉｂの増加に応じて増加する。そして、この接続点電圧Ｖｄが非反転入力端子の閾値電圧Ｖｔｈを上回ると、オペアンプ１３１の出力電圧Ｖａがローレベルに反転する。すると、これに応じて、二次巻線１２ａを流れる励磁電流Ｉｂの極性が反転し、励磁電流Ｉｂは減少してゆく。このとき、出力電圧Ｖａがローレベルであるため、閾値電圧Ｖｔｈも低い電圧となっている。すると、オペアンプ１３１の反転入力端子における、二次巻線１２ａと抵抗１３２の接続点電圧Ｖｄは、二次巻線１２ａの励磁電流Ｉｂの減少に応じて減少する。そして、この接続点電圧Ｖｄが非反転入力端子の閾値電圧Ｖｔｈを下回ると、オペアンプ１３１の出力電圧Ｖａがハイレベルに反転する。

このため、オペアンプ１３１の出力電圧Ｖａは、ハイレベルとローレベルを繰り返す矩形波電圧となる。また、二次巻線１２ａの励磁電流Ｉｂは、増加及び減少を繰り返す鋸歯状波電流となる。このような動作に伴って、オペアンプ１３１の反転入力端子における、二次巻線１２ａと抵抗１３２の接続点電圧Ｖｄは変化する。すると、ローパルスフィルタ回路５の出力端子５３、５４間電圧Ｖｏは、図３に示すように、正弦波を含む波形となる。この出力電圧Ｖｏの振動成分の大きさは、主回路導体２を流れる電流Ｉの変化に応じて、上下に変化する。測定信号検出回路１４は、出力端子間電圧Ｖｏが入力されると、例えば振幅の変化分・平均値の変化分・励磁周波数の変化を検出して、漏電や地絡の検出を行う。

図４（Ａ）は磁気コアの磁界の強さと磁束密度の関係を示すＢ−Ｈ特性線図、図４（Ｂ）は励磁電流の波形図である。磁気コア１２ｂは、例えば図４（Ａ）に示すＢ−Ｈ特性を有している。この磁気コア１２ｂのＢ−Ｈ特性は、二次巻線１２ａに励磁電流が流れることにより発生する磁界Ｈの大きさと磁束密度Ｂとの関係を示すものであり、磁気コア１２ｂの材料によって定まる。

磁気コア１２ｂに磁界をかけると磁束密度が変化するが、磁界の大きさがある値になると磁束密度の変化がなくなり、この最大の磁束密度が飽和磁束密度Ｂｓである。また、磁気コア１２ｂに一度磁界をかけると、磁界の大きさをＨ＝０にしても内部に磁束が残り、これが残留磁束密度Ｂｒである。
磁気コア１２ｂは、一般的な磁性体材料による場合と、高透磁率材料からなる角形の場合とでは、Ｂ−Ｈ特性が異なる。高透磁率材料によれば、磁気コア１２ｂの二次巻線１２ａに励磁電流を供給する際に、励磁回路１３の消費電流を抑えることができるという利点がある。しかし、磁気コア１２ｂに高透磁率材料を用いると、生産コストが増大するという不利益を生ずる。そこで、本実施例では一般的な磁性体材料を磁気コア１２ｂに用いている。

磁気コア１２ｂとして一般的な磁性体材料を使用する場合、励磁回路１３の消費電流を抑えるためには、二次巻線１２ａに供給する励磁電流を抑えるのが論理的である。しかし、励磁電流の振幅を抑えると、磁気コア１２ｂのＢ−Ｈ特性は、小さなヒステリシスループを描く。すると、小さなヒステリシスループによって、（ｉ）磁気コア１２ｂのインピーダンスの変化に影響を及ぼす可能性がある、（ｉｉ）そのインピーダンス変化によって、主回路導体２を流れる電流Ｉの変化を計測するので、漏洩電流の計測精度にも影響を与える可能性がある、という課題が発生する。

そこで、本実施形態では、図４（Ｂ）に示すように、励磁回路１３が二次巻線１２ａに供給する励磁電流の振幅は、磁気コア１２ｂの磁束密度が残留磁束密度Ｂｒ以上になるように構成している。また、磁気コア１２ｂの磁束密度は、飽和磁束密度Ｂｓを超えることはない。そこで、二次巻線１２ａに供給される励磁電流において、その上限値は飽和磁束密度Ｂｓに対応する磁界Ｈの大きさから定まる。
図４（Ｂ）に示すような励磁電流は、分圧抵抗１３３、１３４で分圧されるオペアンプ１３１の閾値電圧Ｖｔｈを、磁気コア１２ｂのＢ−Ｈ特性に応じて、予め設定しておくことで、実現される。

図５は、励磁回路の他の実施例を示す回路図である。励磁回路１３ａは、オペアンプ１３５を有している。オペアンプ１３５は、コンパレータとして動作するもので、併せて出力端子と反転入力端子の間に二次巻線１２ａが接続されている。オペアンプ１３５の出力端子電圧はＶａ、反転入力端子電圧はＶｄとし、二次巻線１２ａの励磁電流をＩｂとする。
また、オペアンプ１３５の反転入力側は抵抗１３６を介してグランドに接続され、オペアンプ１３５の非反転入力側は、オペアンプ１３５の出力側及びグランド間に直列に接続された分圧抵抗１３７及び１３８間に接続されている。そして、オペアンプ１３５の出力側及びグランドが出力端子ｔｏ１及びｔｏ２に接続されている。

このように構成された装置の動作を次に説明する。図６（ａ）は、オペアンプの出力端子電圧Ｖａの波形図、図６（ｂ）は二次巻線の励磁電流の波形図で、実線は主回路導体２に流れる電流Ｉの和がゼロ、破線は電流Ｉの和が差電流Ｃの場合を示している。励磁回路１３ａでは、分圧抵抗１３７及び１３８の接続点Ｅの閾値電圧Ｖｔｈがオペアンプ１３５の非反転入力側に供給されており、この閾値電圧Ｖｔｈと二次巻線１２ａ及び抵抗１３６との接続点Ｄの電圧Ｖｄとが比較されて、その比較出力が図６（ａ）に示す矩形波として出力側から出力される。

今、図６（ａ）に示すように、時点ｔ１で、オペアンプ１３５の出力側の出力電圧Ｖａがハイレベルとなると、これが二次巻線１２ａに印加される。このため、二次巻線１２ａを出力電圧Ｖａと抵抗１３６の抵抗値Ｒ１３６とに応じた励磁電流Ｉｂで励磁する。このとき、励磁電流Ｉｂは、図６（ｂ）に示すように、出力電圧Ｖａの立ち上がり時点ｔ１から比較的急峻に立ち上がり、その後緩やかに増加する放物線状に増加する。

このとき、オペアンプ１３５の非反転入力側には、出力電圧Ｖａを分圧抵抗１３７及び１３８の接続点Ｅで得られる分圧抵抗１３７及び１３８の抵抗値Ｒ１３７及びＲ１３８で分圧された比較的大きな閾値電圧Ｖｔｈが入力されている。一方、オペアンプ１３５の反転入力側の二次巻線１２ａ及び抵抗１３６の接続点Ｄの電圧Ｖｄは、二次巻線１２ａの励磁電流Ｉｂの増加に応じて増加し、この電圧Ｖｄが時点ｔ２で非反転入力側の閾値電圧Ｖｔｈを上回ると、オペアンプ１３５の出力電圧Ｖａが図６（ａ）に示すように、ローレベルに反転する。これに応じて二次巻線１２ａを流れる励磁電流Ｉｂの極性が反転し、励磁電流Ｉｂは最初は急峻に低下し、その後緩やかに低下する放物線状に減少する。

このとき、閾値電圧Ｖｔｈは、ローレベルとなっていることにより、閾値電圧Ｖｔｈも低い電圧となっている。そして、オペアンプ１３５の反転入力側の二次巻線１２ａ及び抵抗１３６の接続点Ｄの電圧Ｖｄが、二次巻線１２ａの励磁電流Ｉｂの減少に応じて減少し、この電圧Ｖｄが時点ｔ３で非反転入力側の閾値電圧Ｖｔｈを下回ると、オペアンプ１３５の出力電圧Ｖａが図６（ａ）に示すように、時点ｔ１と同様にハイレベルに反転する。このため、出力電圧Ｖａは、図６（ａ）に示すように、ハイレベル及びローレベルを繰り返す矩形波電圧となり、励磁回路１３ａが非安定マルチバイブレータとして動作する。そして、二次巻線１２ａの励磁電流は、図６（ｂ）に示すように増加及び減少を繰り返す鋸歯状波電流となる。

ところで、磁気コア１２ｂは、図７（ａ）に示すように角型比の大きな磁束密度Ｂと磁界の強さＨとの関係を表すＢ−Ｈ特性を有し、高透磁率材料の非線型な特性を有する。このＢ−Ｈ特性を有する磁気コア１２ｂのインダクタンスは、導線２ａ、２ｂの差電流が零であるときに、図７（ｂ）に示すように飽和電流付近Ｇで急激に消失する。磁気コア１２ｂを貫通する導線２ａ、２ｂに任意の検出対象となる微小な差電流Ｃが生じると、図６（ｂ）のＢ−Ｈ特性は、破線図示のように差電流Ｃに応じて磁界の強さＨの正方向にシフトしてインダクタンスが消失するタイミングが変化する。

このため、電流が零のときにインダクタンスが飽和する電流（図７のＧ）と励磁電流Ｉｂの極性が切り換わる電流（図６のＦ）とを一致させる。そうすると、インダクタンスが飽和する電流（図７のＪ）が導線２ａ、２ｂの差電流の電流値Ｃに応じて変化するので、励磁電流Ｉｂの極性が切り換わる電流（図６（ｂ）のＨ）も同様に変化することになる。
この励磁電流Ｉｂの極性が切り換わる電流値が変化することにより、二次巻線１２ａと抵抗１３６との接続点Ｄの電圧Ｖｄが閾値電圧Ｖｔｈを上回るタイミングが遅れることになり、オペアンプ１３５から出力される出力電圧Ｖａの立ち下がり時点が導線２ａ、２ｂの差電流の電流値Ｃに応じて図６（ａ）で破線図示のように遅れる。このため、出力電圧Ｖａの矩形波電圧のデューティ比が導線２ａ、２ｂの差電流の電流値Ｃに応じて変化する。

したがって、励磁回路１３ａの出力端子ｔｏ１及びｔｏ２にデューティ比を検出する測定信号検出回路としての測定信号検出回路１４を接続する。この測定信号検出回路１４で、出力電圧Ｖａのハイレベル状態を維持している時間とローレベル状態を維持している時間とを計測することにより、デューティ比を検出することができ、検出したデューティ比に基づいて導線２ａ、２ｂの差電流の電流値Ｃを検知することができる。

このように、図５の実施形態によると、測定電流が流れる導線を貫通させた１つの磁気コア１２ｂと、この磁気コア１２ｂに巻回された１つの二次巻線１２ａとを備え、二次巻線１２ａに励磁回路１３ａで矩形波電圧を印加したときの二次巻線１２ａを流れる励磁電流Ｉｂの極性切り換わり電流と電流が零であるときに磁気コア１２ｂのインダクタンスが飽和する電流とを一致させている。すると、励磁回路１３ａの出力電圧Ｖａのデューティ比を測定電流の電流値Ｃに応じて変化させ、このときのデューティ比を測定信号検出回路１４で検出するだけの簡易な構成で、磁気コア１２ｂを貫通する導線２ａ、２ｂを流れる微小電流を広範囲に確実に検知することができ、低コスト化を図ることができる。

図８は、本発明の漏電遮断器の他の実施形態を示すブロック図である。図において、漏洩電流の交流成分に対する漏電遮断機能と、漏洩電流の直流成分に対する漏電遮断機能が並列に設けられている。漏洩電流の交流成分に対する漏電遮断機能は、図９で説明したものとほぼ同じである。即ち、主回路導体２が貫通する第１の零相変流器３と、第１の零相変流器３の二次巻線３ａに誘起される電流信号を電圧信号に変換する抵抗４と、主回路導体２における漏洩電流の交流成分を検出するローパルスフィルタ回路５を有する。抵抗４とローパルスフィルタ回路５は、第１の測定信号検出回路としての交流漏洩電流検出回路を構成している。

交流用定格感度設定部は、交流漏洩電流検出回路で検出された漏洩電流の交流成分に対応して設定される回路で、第１の比較器７、積分回路８、第２の比較器９で構成される。第１の比較器７、積分回路８、第２の比較器９については、既に図９で説明してあるので、重複する説明を省略する。遮断信号出力回路１０と引外しコイル１１についても、同様である。ＯＲ論理回路２０は、第２の比較器９の出力信号と、ＤＣ成分比較器２７の出力信号を入力し、積分回路８の積分値が第２の比較器９のしきい値を超えるか、又はＤＣ検出フィルター回路２６の出力信号が第２のＤＣ成分しきい値を超える場合に、漏電遮断器１の開極を行うための信号を出力する。

漏洩電流の直流成分に対する漏電遮断機能は、図１の実施例で説明したものとほぼ同じである。即ち、主回路導体２が貫通する第２の零相変流器１２と、第２の零相変流器１２の二次巻線１２ａに励磁電流を供給する励磁回路１３と、主回路導体２における直流成分から交流成分までの漏洩電流を含む測定信号を検出する測定信号検出回路１４を備える。直流漏洩電流検出回路は、測定信号検出回路１４で検出した測定信号から直流成分を分離する分離回路で、ローパルスフィルタ回路５、漏電増幅回路６、ＤＣ検出フィルター回路２６を有している。直流用定格感度設定部は、ＤＣ成分比較器２７を有している。ＯＲ論理回路２０、遮断信号出力回路１０、引外しコイル１１については、漏洩電流の交流成分に対する漏電遮断機能と共用している。

このように構成された装置においても、交流用定格感度設定部には、漏洩電流の交流成分に対応して設定されており、漏電遮断器が遮断する漏洩電流の交流電圧感度を設定してある。直流用定格感度設定部には、漏洩電流の直流成分に対応して設定されており、漏電遮断器が遮断する漏洩電流の直流電圧感度を設定してある。そして、直流用定格感度設定部は、前記交流用定格感度設定部で設定される漏電遮断器の開極を行うための閾値と比較して、より大きな漏洩電流を許容するＤＣ成分しきい値を有する。そこで、主回路導体を遮断するに際して、不要動作することなく、安全に人体保護できるという利点がある。

なお、上記の実施形態の説明においては、励磁回路と測定信号検出回路として図２〜図４の実施例のように、磁気コアの磁性材料に一般的な磁性体材料を用いると共に、励磁回路が二次巻線に供給する励磁電流は、磁気コアの磁束密度が残留磁束密度以上になるように構成したものを提案している。また、図５〜図７の実施例のように、磁気コアの磁性材料に角形のＢ−Ｈ特性を有する高透磁率材料を用いると共に、励磁回路が二次巻線に供給する励磁電流は、磁気コアの磁束密度が飽和状態又はその近傍の状態になるように構成したものを提案している。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、磁気コアの磁性材料には種々のものが利用でき、励磁電流も適宜に選択できる。また、測定信号検出回路にも、励磁回路との協調を推進したものや、励磁回路に対する独立性の高いものなど、各種のものが利用できる。

本発明の漏電遮断器は、検出した漏洩電流を直流成分と交流成分に分離し、直流成分と交流成分の漏電感度電流値を各々設定することで、漏電遮断について不要動作することなく、安全に人体保護できる。

１ 漏電遮断器
２ 主回路導体
２ａ、２ｂ 導線
３、１２ 零相変流器（ＺＣＴ）
３ａ 二次巻線
４、５１、１３２、１３３、１３４ 抵抗
５ ローパルスフィルタ回路
６ 漏電増幅回路
７ 第１の比較器
８ 積分回路
９ 第２の比較器
１０ 遮断信号出力回路
１１ 引外しコイル
１２ａ 二次巻線、励磁コイル
１２ｂ 磁気コア
１３、１３ａ 励磁回路
１３１、１３５ オペアンプ
１４ 測定信号検出回路
１６ 漏洩電流の交流成分分離回路（ＡＣ検出フィルター回路）
１７、１８、１９ 交流用定格感度設定部
２０ ＯＲ論理回路
２６ 漏洩電流の直流成分分離回路（ＤＣ検出フィルター回路）
２７ 直流用定格感度設定部

Claims (4)

1. 導体を囲む磁気コア及びこの磁気コアに巻回した二次巻線を有する変流器と、
   前記二次巻線に励磁電流を供給する励磁回路と、
   前記励磁電流から前記導体における直流成分から交流成分までの漏洩電流を含む測定信号を検出する測定信号検出回路と、
   前記測定信号を直流成分と交流成分とに分離する分離回路と、
   前記漏洩電流の直流成分に対応する直流定格感度電流値が設定される直流用定格感度設定部と、
   前記漏洩電流の交流成分に対応する交流定格感度電流値が設定される交流用定格感度設定部と、
   前記導体を遮断可能な遮断器と、
   前記分離回路で分離された前記直流成分が前記直流用定格感度設定部に設定された直流定格感度電流値を超える場合、及び／又は前記分離回路で分離された前記交流成分が前記交流用定格感度設定部に設定された交流定格感度電流値を超える場合に、前記遮断器で前記導体を遮断する遮断制御部と、を備え、
   前記直流定格感度電流値は、前記交流定格感度電流値よりも大きいことを特徴とする漏電遮断器
2. 導体を囲む第１の磁気コア及びこの第１の磁気コアに巻回した第１の二次巻線を有する第１の変流器と、
   前記第１の二次巻線に誘起される信号から前記導体における漏洩電流の交流成分を含む第１の測定信号を検出する第１の測定信号検出回路と、
   前記漏洩電流の交流成分に対応する交流定格感度電流値が設定される交流用定格感度設定部と、
   前記導体を囲む第２の磁気コア及びこの第２の磁気コアに巻回した第２の二次巻線を有する第２の変流器と、
   前記第２の二次巻線に励磁電流を供給する励磁回路と、
   前記励磁電流から前記導体における直流成分から交流成分までの漏洩電流を含む第２の測定信号を検出する第２の測定信号検出回路と、
   前記第２の測定信号から直流成分を分離する分離回路と、
   前記漏洩電流の直流成分に対応する直流定格感度電流値が設定される直流用定格感度設定部と、
   前記導体を遮断可能な遮断器と、
   前記第１の測定信号検出回路で検出された前記第１の測定信号が前記交流用定格感度設定部に設定された交流定格感度電流値を超える場合、及び／又は前記分離回路で分離された前記直流成分が前記直流用定格感度設定部に設定された直流定格感度電流値を超える場合に、前記遮断器で前記導体を遮断する遮断制御部と、を備え、
   前記直流定格感度電流値は、前記交流定格感度電流値よりも大きいことを特徴とする漏電遮断器。
3. 前記分離回路は、ＤＣ検出フィルター回路を有し、
   前記直流用定格感度設定部は、前記ＤＣ検出フィルター回路で分離された前記測定信号の直流成分の値を、ＤＣ成分しきい値と比較するＤＣ成分比較器を有し、
   前記遮断制御部は、前記ＤＣ成分比較器の出力に基づいて、前記遮断器を構成する引外しコイルに遮断信号を出力する遮断信号出力回路を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の漏電遮断器。
4. 前記分離回路は、ＡＣ検出フィルター回路を有し、
   前記交流用定格感度設定部は、
   前記ＡＣ検出フィルター回路で分離された前記測定信号の交流成分の値を、第１のＡＣ成分しきい値と比較する第１のＡＣ成分比較器と、
   前記第１のＡＣ成分比較器の出力信号を積分するＡＣ成分積分回路と
   前記ＡＣ成分積分回路の積分値を第２のＡＣ成分しきい値と比較する第２のＡＣ成分比較器と、
   を有し、
   前記遮断制御部は、前記第２のＡＣ成分比較器の出力に基づいて、前記遮断器を構成する引外しコイルに遮断信号を出力する遮断信号出力回路を有することを特徴とする請求項１に記載の漏電遮断器。

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