JP6165023B2

JP6165023B2 - コード短絡検出回路及びコンセント装置

Info

Publication number: JP6165023B2
Application number: JP2013225669A
Authority: JP
Inventors: 吉田　敦至; 敦至吉田
Original assignee: 河村電器産業株式会社
Priority date: 2013-10-30
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2017-07-19
Anticipated expiration: 2033-10-30
Also published as: JP2015089228A

Description

本発明は、コード短絡を検出するコード短絡検出回路、及びコード短絡が発生したら電路を遮断する機能を備えたコンセント装置に関する。

従来より、コンセントに差し込まれたプラグから負荷に至る電路上でコード短絡が発生したら、それを検知して電路を遮断する機能を備えたコンセント装置がある。
このコード短絡は、最初は撚り線１本程度の電線が短絡する所謂ヒゲコード短絡からスタートすることが知られており、このとき電路の電圧波形をみると、独特な形状を示すことが実験により確認されている。図６はこのヒゲコード短絡が発生した場合の電圧波形を示し、Ｓで示すようなピーク付近から大きく切り欠いたような波形が発生する。
この電圧波形の特徴を検出することでコード短絡の発生を判断し、電路を遮断するコンセント装置を本発明者は特許文献１で提案した。

特開２０１２−１８６９５３号公報

しかしながら、上記特許文献１の回路構成では、次のような問題点があった。まず、整流回路において整流した電圧波形は０点（０ボルト）まで降下せずに次の半周期が始まっていた（図２（ａ）に示す）。そのため、ヒゲコード短絡を検出するための「特定の２値」の設定に制限が発生し、精度良くヒゲコード短絡を検出するのが難しかった。但し、これは電源回路に設けられているコンデンサが原因であり、これを省くことは電源が不安定になり他の回路への影響が出るためできない。

また、負荷機器の電源投入時に発生する突入電流が極端に大きい場合、電路電圧が大きく低下することで、この電圧変化をヒゲコード短絡発生と判断する場合があった。
更に、上記「特定の２値」は電路電圧の変動に追従して変化するのがヒゲコード短絡を高精度で検出するには好ましいが、一定値を維持するように設定されており追従して変化する構成とはなっていなかった。

そこで、本発明はこの問題点に鑑み、電源回路のコンデンサの影響を無くすと共に突入電流による誤動作を無くし、更に電路電圧が変動しても高精度でヒゲコード短絡を検出できるコード短絡検出回路、及びこのコード短絡検出回路を備えたコンセント装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決する為に、請求項１の発明に係るコード短絡検出回路は、負荷へ商用電力を供給する電路の電圧波形を入手して全波整流する整流回路と、前記整流回路の整流電圧波形から特定の波形歪みを検出する特定歪み検出回路と、前記整流回路の整流電圧波形から前記負荷の突入電流による電圧変化を検出する突入電圧検出回路と、コード短絡の発生を判定する判定回路と、前記電路から各回路へ電源を供給する前記整流回路と独立した電源回路とを有し、前記特定歪み検出回路が、電路電圧の波高値を下回る所定の第１の閾値及び前記第１の閾値より小さい第２の閾値と前記整流電圧波形とを比較し、前記整流電圧波形の瞬時値が前記２閾値の間にある状態を検出するウインドウコンパレータ回路と、前記整流回路の出力から前記２閾値を生成するための平均値回路と、前記２閾値の間にある時間が一定時間を超えたら波形歪み発生と判定する波形歪み判定回路とを備え、前記突入電圧検出回路が、電路電圧の波高値を下回る所定の第３の閾値と前記電圧波形とを比較する回路であって、前記判定回路は、前記特定歪み検出回路が波形歪み発生と判定し、且つ前記突入電圧検出回路が前記電圧波形のピーク値が前記第３の閾値より大きいと判定した場合にコード短絡発生と判断し、コード短絡発生信号を出力することを特徴とする。
この構成によれば、整流回路は電源回路とは独立に設けられているため、コンデンサの影響を受けることが無く、出力する電圧波形を半周期毎に０ボルトに到達させることができる。よって、第２の閾値を０ボルト近くに設けても特定歪み検出回路が誤動作するようなことが無いため、高精度でコード短絡を検知することが可能となる。
また、第１及び第２の閾値はコード短絡を検出するための整流回路出力から生成されるため、電路電圧の変動に合わせて変動するよう生成でき、常に電路電圧に対して所定の割合にでき、電圧変動が発生しても高精度の判定を継続できる。
更に、突入電流により瞬間的に電路電圧の大きな低下が発生してもコード短絡発生と誤検知する事態を排除するため、どのような環境でも高精度でコード短絡を検知することが可能となる。

請求項２の発明に係るコンセント装置は、負荷が接続されるコンセントと、前記コンセントに商用電力を供給するための電路と、前記電路上に設けられて電路の開閉を行う開閉手段と、前記開閉手段を開動作させる遮断手段と、請求項１に記載のコード短絡検出回路と、前記コード短絡検出回路が出力するコード短絡発生信号を基に前記遮断手段を駆動する出力回路とを有することを特徴とする。
この構成によれば、コード短絡が発生したらそれを検知して電路を遮断してコンセント出力を停止するので、コード短絡による火災発生を確実に防止できる。

本発明によれば、整流回路は電源回路とは独立に設けられているため、コンデンサの影響を受けることが無く、出力する電圧波形を半周期毎に０ボルトに到達させることができる。よって、第２の閾値を０ボルト近くに設けても特定歪み検出回路が誤動作するようなことが無いため、高精度でコード短絡を検知することが可能となる。
また、第１及び第２の閾値はコード短絡を検出するための整流回路出力から生成されるため、電路電圧の変動に合わせて変動するよう生成でき、常に電路電圧に対して所定の割合となり、電圧変動が発生しても高精度の判定を継続できる。
更に、突入電流により瞬間的に電路電圧の大きな低下が発生してもコード短絡発生と誤検知する事態を排除するため、どのような環境でも高精度でコード短絡を検知することが可能となる。

本発明に係るコンセント装置の一例を示す回路図である。電路電圧の整流波形を示し、（ａ）は従来の波形、（ｂ）は図１の整流回路の波形である。コード短絡発生時の特定歪み検出回路の要部波形図であり、（ａ）は整流回路の出力波形、（ｂ）はウインドコンパレータ回路の出力波形、（ｃ）は積分回路の出力波形、（ｄ）は第１比較回路の出力波形、（ｅ）は第１ワンショットパルス回路の出力を示している。突入電流発生時の特定歪み検出回路の要部波形図であり、（ａ）は整流回路の出力波形、（ｂ）は第１ウインドコンパレータ回路の出力波形、（ｃ）は積分回路の出力波形、（ｄ）は第１ワンショットパルス回路の出力を示している。突入電圧検出回路の出力波形説明図であり、（ａ）は整流回路の出力波形、（ｂ）は第２比較回路及び積分回路の出力波形、（ｃ）は第３比較回路の出力波形をそれぞれ示している。ヒゲコード短絡発生時の電路電圧波形図である。

以下、本発明を具体化した実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明に係るコンセント装置の一例を示す回路図であり、１はコンセント装置、２は商用電源、３は家電機器や照明等の負荷、４はコンセント、Ｌ１は商用電源２からコンセント装置１に至る電路、Ｌ２はコンセント４に接続されたプラグ（図示せず）から負荷３に至る負荷電路である。このコンセント装置１は通常は壁面に設置して使用される。

コンセント装置１は、図１に示すように商用電源２が接続された電路Ｌ１を接続する電源接続部からコンセント４に至る電路Ｌ３上に設けた開閉接点７、開閉接点７を開動作させるプランジャ８ａを備えた電磁コイル８、電磁コイル８を駆動するための出力回路９、コード短絡を検出するコード短絡検出回路１１を備えている。

コード短絡検出回路１１は、電路Ｌ３を流れる商用電圧波形を全波整流するダイオードブリッジ回路から成る整流回路１３、ヒゲコード短絡特有の波形を検出する特定歪み検出回路１４と、負荷３を起動した際の過大な突入電流の発生により生ずる電圧降下を検出するための突入電圧検出回路１５と、コード短絡発生を判定する判定回路としての第２ワンショットパルス回路１６と、各回路へ電源を供給する電源回路１７等により構成されている。

整流回路１３は、電源回路１７に設けられた整流回路１７ａとは独立に設けられ、近傍にコンデンサが配置されていない。この整流回路１３の出力する整流波形を図２（ｂ）に示している。尚、図２（ａ）は上記特許文献１の整流回路が出力する波形を示している。この図２に示すように、整流回路１３が出力する整流波形は、半周期毎に０ボルトまで低下した後上昇する。

特定歪み検出回路１４は、整流された電圧波形から所定の２値（第１の閾値と第１の閾値より小さい第２の閾値）を生成するための平均値回路１９、生成された２閾値と比較するウインドウ・コンパレータ回路（以下、単に「コンパレータ回路」とする）２０、コンパレータ回路２０の出力波形を成形する波形成形回路２１、波形成形回路２１の出力波形を積分する第１積分回路２２、第１積分回路２２の出力を所定の閾値と比較する波形歪み判定回路としての第１比較回路２３、第１比較回路２３の出力を受けてパルス信号を出力する第１ワンショットパルス回路２４を備えている。

一方、突入電圧検出回路１５は、整流回路１３で整流された電路電圧の瞬時値と所定の第３の閾値とを比較する第２比較回路１５ａと第２積分回路１５ｂと第３比較回路１５ｃとで構成されている。尚、第３の閾値は電路電圧のピーク値と上記第１の閾値の間で設定される。

第２ワンショットパルス回路１６は、特定歪み検出回路１４及び突入電圧検出回路１５の出力を基にコード短絡発生を判定する。

以下、このコード短絡検出回路１１の動作を具体的に説明する。図３はコード短絡発生時の特定歪み検出回路１４の要部の波形を示しており、この図３を参照して説明する。尚、図３において、（ａ）は整流回路１３の出力波形、（ｂ）はコンパレータ回路２０の出力波形、（ｃ）は積分回路の出力波形、（ｄ）は第１比較回路の出力波形、（ｅ）は第１ワンショットパルス回路の出力を示している。

最初に、整流回路１３により整流された電路の電圧波形が、後述する閾値を生成するための平均値回路１９に入力される。このとき、抵抗により分圧（以下、１０分の１に分圧された場合を説明する。）されて入力される。平均値回路１９により整流回路１３の出力が平均化されるが、電路電圧の変動に合わせてこの出力は変化する。
この平均化された電圧によりコンパレータ回路２０の閾値が生成され、電路電圧に対して常に一定の比率となるよう閾値が設定されている。

コンパレータ回路２０は、平均値回路１９が出力する直流電圧により生成された閾値（高い方の第１の閾値ＥＨ、及び低い方の第２の閾値ＥＬ）と、整流回路１３の分圧後の整流波形とを比較し、この２つの閾値の間に整流された電路電圧の瞬時値がある間は特定の信号を出力する。
具体的に、コンパレータ回路２０は、１０分の１に分圧された電路電圧波形と閾値とを比較し、波高値約１４ボルトの電圧が閾値と比較される。この場合、閾値は例えば第１の閾値ＥＨ＝５ボルト、第２の閾値ＥＬ＝１ボルトに設定されて比較される。図３（ａ）は、このように設定されたコンパレータ回路２０における電路Ｌ３の電圧波形と２閾値ＥＨ，ＥＬとの関係を示している。

ヒゲコード短絡が発生すると、図６のＳで示す様な切り欠き部を有する電圧波形が発生するため、この波形の発生を数ボルトから波高値の約５０％となる７０ボルト程度の間に数ｍｓ留まる特性を利用して判断することができる。

そこで、電路電圧の波高値に対して第１の閾値ＥＨを約５０％以下（電路電圧の波高値が約１４０Ｖであれば７０Ｖ以下）、第２の閾値ＥＬを３％以上（電路電圧の波高値が約１４０Ｖであれば４Ｖ以上）で設定する。
尚、閾値は一定値ではなく、平均値回路１９により電路電圧に対して一定の比率で設定される。そのため、電路電圧が低下すれば閾値も低下する。また、第１の閾値と第２に閾値の関係は更に限定しても良く、第１固定値ＥＨを電路電圧の約３６％（５０Ｖ）、第２固定値ＥＬを電路電圧の約７％（１０Ｖ）としても良好にコード短絡を検出できる。

波形成形回路２１は、コンパレータ回路２０の出力を受けて瞬時電圧値が第１の閾値ＥＨと第２の閾値ＥＬの間にある場合「Ｈ」の信号を出力し、それ以外では「Ｌ」の信号を出力する。図３（ｂ）はこの出力を示し、監視する電路Ｌ３の電圧波形が正常な正弦波である間はＴ１に示す幅の狭い（時間の短い）一定の信号を出力するが、コード短絡発生時はＴ２に示すような幅の広い（時間の長い）信号が出力される様子を示している。

第１積分回路２２は、波形成形回路２１が出力する「Ｈ」の信号である矩形波を積分して図３（ｃ）に示すような波形の信号Ｍを出力する。図３（ｃ）に示すように、正常時の正弦波に対してはピーク値の小さい波形Ｍ１を出力するが、コード短絡により発生するＴ２の矩形波を受けてＭ２に示すように大きなピーク値の波形が出力される。

第１比較回路２３は、積分回路２２の出力を一定の電圧値（第１設定値）Ｔｈ１と比較し、閾値Ｔｈ１を越えたら図３（ｄ）に示すように信号Ｎ１を出力する。図３（ｄ）に示すように、通常の正弦波の場合は達することが無く、Ｓに示すような歪みが発生したら到達するような特定の値に閾値Ｔｈ１は設定されている。
こうして、コード短絡時の矩形波Ｔ２の積分値Ｍ２を受けて第１比較回路２３が信号Ｎ１を出力し、コンパレータ回路２０の出力が「Ｈ」の信号を出力する時間が一定時間を越えた場合を検出している。

第１ワンショットパルス回路２４は、図３（ｅ）に示すように比較回路２３の出力Ｎ１を受けて特定歪み検出回路１４の出力信号として、信号Ｎ２を生成して図１に示すＡ点に出力する。

ここで、突入電流が発生した場合の特定歪み検出回路１４の動作を説明する。図４は突入電流発生時の特定歪み検出回路１４の要部波形図を示し、（ａ）は整流回路１３の出力波形、（ｂ）はコンパレータ回路２０の出力波形、（ｃ）は積分回路２２の出力波形、（ｄ）は第１ワンショットパルス回路２４の出力、即ち特定歪み検出回路１４の出力を示している。
突入電流が発生すると、特に大きな突入電流が発生すると電路電圧が図４（ａ）の電圧波形Ｖに示すように瞬間的に大きく低下し徐々に回復する。その結果、図４（ｂ）に示すようにコンパレータ回路２０は長時間に亘り「Ｈ」信号を出力し、第１積分回路２２は図４（ｃ）に示すように大きな積分波形Ｍを出力し、図４（ｄ）に示すように第１ワンショットパルス回路２４が信号Ｎ２を出力する。即ち、特定歪み検出回路１４が、突入電流による電圧降下を特定歪み発生と判断してしまう。

一方、突入電流が発生した場合の突入電圧電出回路１５の動作は以下の様である。図５は突入電圧検出回路１５の要部の波形を示しており、この図５を参照して説明する。尚、図５において、（ａ）は整流回路１３の出力波形、（ｂ）は第２比較回路１５ａ及び積分回路１５ｂの出力波形、（ｃ）は第３比較回路５ｃの出力波形をそれぞれ示している。

第２比較回路１５ａは、電路電圧の波高値を一定の電圧値（第３の閾値としての第２設定値）Ｔｈ２と比較し、閾値Ｔｈ２を越えたら図４（ｂ）に示すように「Ｈ」の信号を出力し、それ以外では「Ｌ」の信号を出力する。第２設定値Ｔｈ２は、突入電流により低下する電路電圧の最低値より大きな値に設定され、通常状態では「Ｈ」の信号を出力し、突入電流発生時は「Ｈ」を出力しない、即ち電路Ｌ３に突入電流が発生した場合のみ電路電圧のピーク値が第２設定値を超えないよう設定される。

この第２比較回路１５ａの出力を積分回路１５ｂにおいて積分した波形が、第３比較回路１５ｃにおいて更に一定の電圧値（第３設定値）Ｔｈ３と比較され、電路電圧が正常でない場合に「Ｈ」の信号が出力されるのを確実に排除し、正常電圧状態では常時「Ｈ」の信号がＢ点に出力される。この結果、突入電流発生時は「Ｈ」の信号が出力されないことで、この状態を排除することが可能となる。

そして、第２ワンショットパルス回路１６は、特定歪み検出回路１４の出力、及び突入電圧検出回路１５の出力を基に、双方が「Ｈ」の出力をした場合に「Ｈ」の信号を出力する。この結果、特定歪み検出回路１４は上述したように突入電流発生時に「Ｈ」の信号を出力するが、突入電流検出回路１５の出力が「Ｌ」であるため、出力信号は発生しない。
しかし、特定歪み検出回路１４の出力、及び突入電圧検出回路１５の出力の双方が「Ｈ」の信号を出力したら、出力回路９に起動信号（コード短絡発生信号）を出力し、出力回路９が電磁コイル８を駆動してプランジャ８ａが引き外し動作する。その結果、開閉接点７が開動作して負荷３への電力の供給は停止される。

このように、整流回路１３は電源回路１７とは独立に設けられているため、コンデンサの影響を受けることが無く、出力する電圧波形を半周期毎に０ボルトに到達させることができる。よって、第２の閾値ＥＬを０点近くに設けても特定歪み検出回路１４が誤動作するようなことが無いため、高精度でコード短絡を検知することが可能となる。
また、第１の閾値ＥＨ及び第２の閾値ＥＬは整流回路１３の整流電圧から生成されるため、電路電圧の変動に合わせて変動するよう生成でき、常に電路電圧に対して所定の割合にでき、電圧変動が発生しても高精度の判定を継続できる。
更に、突入電流により瞬間的に電路電圧の大きな低下が発生してもコード短絡発生と誤検知する事態を排除するため、どのような環境でも高精度でコード短絡を検知することが可能となる。
そして、コード短絡が発生したらそれを検知して電路を遮断してコンセント出力を停止するので、コード短絡による火災発生を確実に防止できる。

尚、上記実施形態は、コード短絡検出回路１１をコンセントに設けた場合を説明したが、分岐ブレーカ等の回路遮断に内蔵させても良いし、コンセントに接続して使用されるタップコンセントに内蔵させても良い。
また、コンセントに遮断機能を設けてコンセント装置とし、電路を遮断する構成としているが、コード短絡が発生したら音やＬＥＤの発光で通知する構成としても良い。
更に、突入電流による電圧降下の判定を、第２比較回路１５ａによる検出に加えて第２積分回路１５ｂを介して第３比較回路１５ｃを更に加えて検出精度を上げているが、第２比較回路のみで判定することも可能である。

１・・コンセント装置、７・・開閉接点、９・・出力回路、１１・・コード短絡検出回路、１３・・整流回路、１４・・特定歪み検出回路、１５・・突入電圧検出回路、１６・・第２ワンショットパルス回路（判定回路）、１７・・電源回路、１９・・平均値回路、２０・・ウィンドウ・コンパレータ回路、２３・・第１の比較回路（波形歪み判定回路）、２４・・第１ワンショットパルス回路、ＥＨ・・第１の閾値、ＥＬ・・第２の閾値、Ｔｈ２・・第３の閾値。

Claims

負荷へ商用電力を供給する電路の電圧波形を入手して全波整流する整流回路と、
前記整流回路の整流電圧波形から特定の波形歪みを検出する特定歪み検出回路と、
前記整流回路の整流電圧波形から前記負荷の突入電流による電圧変化を検出する突入電圧検出回路と、
コード短絡の発生を判定する判定回路と、
前記電路から各回路へ電源を供給する前記整流回路と独立した電源回路とを有し、
前記特定歪み検出回路が、電路電圧の波高値を下回る所定の第１の閾値及び前記第１の閾値より小さい第２の閾値と前記整流電圧波形とを比較し、前記整流電圧波形の瞬時値が前記２閾値の間にある状態を検出するウインドウコンパレータ回路と、
前記整流回路の出力から前記２閾値を生成するための平均値回路と、
前記２閾値の間にある時間が一定時間を超えたら波形歪み発生と判定する波形歪み判定回路とを備え、
前記突入電圧検出回路が、電路電圧の波高値を下回る所定の第３の閾値と前記電圧波形とを比較する回路であって、
前記判定回路は、前記特定歪み検出回路が波形歪み発生と判定し、且つ前記突入電圧検出回路が前記電圧波形のピーク値が前記第３の閾値より大きいと判定した場合にコード短絡発生と判断し、コード短絡発生信号を出力することを特徴とするコード短絡検出回路。
負荷が接続されるコンセントと、前記コンセントに商用電力を供給するための電路と、前記電路上に設けられて電路の開閉を行う開閉手段と、前記開閉手段を開動作させる遮断手段と、請求項１に記載のコード短絡検出回路と、前記コード短絡検出回路が出力するコード短絡発生信号を基に前記遮断手段を駆動する出力回路とを有することを特徴とするコンセント装置。