JP6220748B2

JP6220748B2 - 直流漏洩電流検出装置

Info

Publication number: JP6220748B2
Application number: JP2014152470A
Authority: JP
Inventors: 拓朗風間; 龍二村田
Original assignee: 光商工株式会社
Priority date: 2014-07-28
Filing date: 2014-07-28
Publication date: 2017-10-25
Anticipated expiration: 2034-07-28
Also published as: JP2016031253A

Description

本発明は、直流漏洩電流検出装置に係わり、特に磁気コアに発生する磁束を一定に保つ定磁束制御を行う直流漏洩電流検出装置に関するものである。

この種の電流検知装置として特許文献１がある、特許文献１では、測定電流が流れる導線を囲む磁気コアに、巻回した励磁コイルと、設定した閾値に応じて磁気コアを飽和状態又はその近傍の状態で、励磁コイルに供給する励磁電流の極性を反転させる矩形波電圧を発生する励磁手段と、励磁手段から出力される矩形波電圧のデューティ変化に基づいて測定電流を検知する電流検知手段とを備えている。

すなわち、磁気コアに励磁コイルを巻回し、励磁コイルに磁気コアを飽和状態の近傍の矩形波電圧を印加した電流センサーの開口部に、直流電路の導体を貫通し、この導体に測定電流が流れたとき、その電流値を検知するものである。

この方法は、磁気コアのインダクタンスが飽和電流付近で急に消失する特性を利用するもので、励磁コイルに矩形波電圧を印加して、磁気コアを飽和状態又はその近傍の状態とする励磁電流を供給し、開口部を貫通する導線の電流によって、磁気コアのインダクタンス消失に応じた電流変化を生じさせ、この電流変化で矩形波電圧の立ち下がりを変化させ、矩形波電圧のデューティ比の変化を検出することにより、導線に流れる測定電流を検知している。

特開２０１２−１２７７１８号公報

しかしながら、この従来例では、測定電流感度に応じた励磁電流閾値を設けており、磁気コアのインダクタンスが飽和電流付近で急に消失することで励磁電流が増えることを抑制する必要から、あまり高く設定できない。従って、閾値以上の電流が流れたときには、飽和点に達する前に励磁矩形波電圧が反転してしまい、デューティ比の変化が略零となり検出できなくなる課題があった。

そこで、従来例では、閾値以上の電流が流れたとき励磁矩形波電圧の周波数が高くなることに着目し、周波数が変化したときには周波数検出回路で検知し、アナログスイッチで回路定数を切り替えて閾値を変更し、飽和点で励磁矩形波電圧が反転するようにしてデューティ比の変化を検出するようにしている。

従来例のように、測定電流感度に応じた励磁電流閾値を切り替えて検出しようとしたとき、さらに変更した閾値以上の電流が流れたとき、その電流値に応じて再設定する必要があり、複数の閾値を設定しなければならないという課題が残る。また、閾値を切り替えた場合、磁束量が変化し初期間値の飽和領域と異なる飽和領域で検出することになり同一の磁気コアであっても特性が変化してしまう。

一般的に、漏洩電流による磁化の変化量を検出しやすくするため、磁気コアが飽和するように励磁されるが、磁気コアの飽和点は磁気コアの固体差や温度特性により変化するため、漏洩電流を正確に検出するためには設定した値に励磁するように励磁信号を調整する必要が生じる。

本発明が目的とするところは、漏洩電流の安定した検出、励磁電流を低く抑えることなどを可能にした直流漏洩電流検出装置を提供することにある。

本発明は、直流電路において絶縁劣化が生じたとき、正側および負側に流れる直流負荷電流の差（漏洩電流）に応じて磁化する磁気コアと、磁気コアに巻回された励磁兼検出用コイルを備えた変流器と、
変流器の磁気コアに制御目標となる定磁束を発生させる定電圧の励磁用矩形波信号を生成する定磁束制御手段と、
変流器の励磁電流を励磁兼検出用コイルに接続された検出用抵抗により検出して励磁用矩形波の正側励磁時間幅と負側励磁時間幅を計測する電流／励磁時間幅変換手段と、
励磁用矩形波の正側励磁時間幅と負側励磁時間幅から漏洩電流により変化した磁界の変化量を求め、磁界の変化量から漏洩電流の大きさと向きを検出する磁界変化量／漏洩電流変換手段を備え、
前記定磁束制御手段は、
励磁兼検出用コイルに流れる電流を検出用抵抗で検出し、励磁電流検出器で検出された検出電流を入力して磁界信号に変換する電流／磁界変換手段と、
変換された磁界を入力して予め設定された目標磁界と比較し、検出された磁界とは逆極性方向の励磁指令、及び検出された励磁電流の変化量に対応して制御目標の磁束を発生させる信号を出力する制御目標磁界判定手段と、
制御目標磁界判定手段からの出力を入力し、入力信号に対応したパルス幅信号を生成し、励磁兼検出用コイルに定電圧の励磁用矩形波を出力する励磁電圧パルス幅調整手段を備え、
前記磁界変化量／漏洩電流変換手段は、前記電流／励磁時間幅変換手段で計測された励磁時間幅が正側励磁時間幅をｔ ₁、負側励磁時間幅をｔ ₂としたとき、正側パルスの磁界Ｈ₁および負側パルスの磁界Ｈ₂は、次式（４）−１、（５）−１で求め、次式（６）−１によって前記磁界Ｈ ₁ と前記磁界Ｈ ₂ の差分Ｈ ₀から直流電路の漏洩電流Ｉ ₀を検出するよう構成されたものである。
Ｈ₁＝（Ｎ・Ｖ／２πｒＬ）×ｔ ₁ … （４）−１
Ｈ₂＝（Ｎ・Ｖ／２πｒＬ）×ｔ ₂ … （５）−１
Ｈ ₀ ＝Ｈ ₁ −Ｈ ₂ ＝（Ｎ／２πｒ）×Ｉ ₀ … （６）−１
ただし、Ｎは励磁兼検出用コイルの巻数、Ｖは励磁電圧、ｒは磁気コアの半径、Ｌは変流器のインダクタンス

また、本発明の定磁束制御手段は、
漏洩電流が流れることにより発生する磁気コアの磁束を、磁束に応じて励磁兼検出用コイルに定電圧の励磁用矩形波を印加して、制御目標の磁束を発生させるよう定磁束制御し、磁気コアの磁束を一定に保つことで飽和領域での漏洩電流の検出を行うことを特徴とするものである。

以上のとおり、本発明によれば、定磁束制御手段により定磁束制御を行って磁気コアに発生する磁束を一定に保つようにしたものである。これにより、以下のような効果が得られるものである。
（１）漏洩電流の有無に拘わらず常に同じ飽和領域での検出が可能となり、漏洩電流の検出が安定し、励磁電流も低く抑えられる。
（２）また、磁気コアの透磁率が固体差や温度特性により変化しても励磁周波数が変化して励磁量を調節し定磁束を発生させ、常に同じ領域で動作させることが可能となり、漏洩電流の検出が安定する。
（３）また、正側および負側励磁時間の定磁束制御を行うことにより、正側／負側どちらの漏電かの判断が可能となる。
（４）また、従来のような周波数検出回路および閥値切り替え回路が不要で、漏洩電流の検出値に直線性があり、周囲環境条件により影響を受けることが少なく、小型、低コストで、広い範囲の微小電流検知が可能となる。

本発明の実施形態を示す直流漏洩電流検出装置の構成図。説明のための波形図。

図１は、本発明の実施例を示す直流漏洩電流検出装置の構成図を示したものである。１は直流電路、２は変流器で、直流電路１を貫通する磁気コア２ａとこの磁気コア２ａに所定回数巻回された励磁兼検出用コイル２ｂを有している。３は検出用抵抗、４は励磁電圧発生器、５は励磁電流検出器、６は演算器である。

演算器６は、定磁束制御手段６０を備え、定磁束制御手段６０は、励磁電流検出器５による検出電流を入力して磁界Ｈ信号に変換する電流／磁界変換手段６１と、変換された磁界Ｈを入力して予め設定された目標磁界Ｈ^*と比較して一致したか否かを判定する制御目標磁界判定手段６２、及び励磁電圧パルス幅調整手段６３よりなっている。

ここで、制御目標となる定磁束は、漏洩電流Ｉ₀が流れていない状態において、後述の定電圧の励磁用矩形波信号で磁気コア２ａが飽和してインダクタンスが低下し、励磁電流の増加量が急に変化する磁束に設定される。これは、磁気コア２ａに発生している磁束を直接検出する手段を省くためになされたもので、別途、磁束検出用の巻線を用いるなどの手段を設け、磁気コア２ａに発生した磁束を検出する場合には飽和領域でなくてもよい。

励磁電圧パルス幅調整手段６３は、予め漏洩電流Ｉ₀が無いとき、パルス幅のオン・オフのデューティ５０％に調整された励磁信号が励磁電圧発生器４に出力される。また、制御目標磁界判定手段６２では、検出された磁界Ｈと設定された目標磁界Ｈ^*とが一致したときに、逆極性の方向に励磁するよう励磁電圧パルス幅調整手段６３を制御する。

また、演算器６には、励磁電流検出器５による検出電流を入力して励磁時間幅に変換する電流／励磁時間幅変換手段６４と、磁界変化量を漏洩電流に変換する磁界変化量／漏洩電流変換手段６５を備えている。

以上のように構成されたものにおいて、励磁電圧パルス幅調整手段６３からデューティ５０％に調整された励磁信号が励磁電圧発生器４に出力される。励磁電圧発生器４からはデューティ５０％の定電圧矩形波が出力され、励磁兼検出用コイル２ｂと検出抵抗３の直列回路に印加される。

図２（ａ）は、このとき励磁電圧発生器４から出力されるパルス波形を示したもので、この波形による励磁電圧が、磁気コア２ａと励磁兼検出用コイル２ｂで構成される変流器２のインダクタンスと検出抵抗３の直列回路に印加される。これにより流れる励磁電流Ｉが、制御目標となる磁束、すなわち目標磁界Ｈ^*になるように励磁電圧パルス幅調整手段６３でデューティ５０％のパルス幅となる周波数に本装置の製作時に設定される。

直流電路１に絶縁劣化が生じ、漏洩電流loにより磁気コア２ａに磁束が発生すると、その発生磁束が、励磁電圧発生器４が出力した極性方向と同方向の場合には、励磁電圧パルス幅調整手段６３において図２（ｂ）で示すように、パルス幅の時間分配をｔ１＜ｔ２として正側の励磁用矩形波の発生パルス幅を短く減少させ、逆方向の場合には図２（ｃ）で示すようにｔ１＞ｔ２として励磁用矩形波の正側のパルス幅を長くして磁束の発生を増加させ、磁気コア２ａで発生する磁束が定磁束となるよう制御する。

以下この手順について説明する。
図１の励磁兼検出用コイル２ｂに印加された励磁電圧による励磁電流Ｉを検出用抵抗３により検出して励磁電流検出器５で計測する。励磁電流Ｉから電流／磁界変換手段６１で、次式（１）から励磁信号により生成した磁界Ｈを求める。

Ｈ＝Ｎ・Ｉ／２πｒ … （１）
ただし、Ｎは励磁兼検出用コイルの巻数、ｒは磁気コアの半径
検出された磁界Ｈは制御目標磁界判定手段６２に入力されて目標磁界Ｈ^*と一致したか否かを判定し、一致したら逆極性方向に励磁するように励磁電圧パルス幅調整手段６３を制御する。このようにして、励磁電流Ｉの正側および負側の変化量に応じて磁気コア２ａに常に制御目標の磁束を発生させるように定磁束制御を行う。

同時に、励磁信号を定電圧の矩形波とすることで、励磁電流Ｉは次式（２）で表され、Ｉ∝ｔとなる。

Ｉ＝Ｖ・ｔ／Ｌ … （２）
ただし、Ｖは励磁電圧、Ｌは変流器のインダクタンス、ｔは正側または負側の励磁時間幅、
式（２）を書き換えると、
ｔ＝Ｌ・Ｉ／Ｖ … (３)
となり、変化量に相当する励磁時間幅ｔが電流／励磁時間幅変換手段６４によって求められ、励磁時間幅ｔから正負パルス幅の磁界の変化量が求められる。

正側励磁時間幅をｔ₁、負側励磁時間幅をｔ₂とすると正側パルスの磁界Ｈ₁および負側パルスの磁界Ｈ₂はそれぞれ式（４），（５）となる。
Ｈ₁＝（Ｎ・Ｖ／２πｒＬ）ｔ₁＝Ｎ・Ｉ₁／２πｒ … （４）
Ｈ₂ ＝（Ｎ・Ｖ／２πｒＬ）ｔ₂＝Ｎ・Ｉ₂ ／２πｒ … （５）
また、正・負の磁界Ｈ₁，磁界Ｈ₂の差である磁界の変化量Ｈ₀は式（６）となる。

Ｈ₀＝Ｈ₁−Ｈ₂ ＝（Ｎ／２πｒ）・（Ｉ₁−Ｉ₂）＝（Ｎ／２πｒ）・Ｉ₀ …（６）
漏洩電流Ｉ₀により変化した磁界の変化量Ｈ₀を求め、Ｈ₀∝Ｉ₀となるので磁界変化量／漏洩電流変換手段６５で漏洩電流Ｉ₀が求められる。求めた漏洩電流Ｉ₀は図示省略された表示部によって漏洩電流検出値として表示される。

以上本発明によれば、定磁束制御手段により定磁束制御を行って磁気コアに発生する磁束を一定に保つことで、以下の効果を奏するものである。
（１）漏洩電流の有無に拘わらず常に同じ飽和領域での検出が可能となり、漏洩電流の検出が安定し、励磁電流も低く抑えられる。
（２）また、磁気コアの透磁率が固体差や温度特性により変化しても励磁周波数が変化して励磁量を調節し定磁束を発生させ、常に同じ領域で動作させることが可能となり、漏洩電流の検出が安定する。
（３）また、正側および負側励磁時間の定磁束制御を行うことにより、正側／負側どちらの漏電かの判断が可能となる。
（４）また、従来のような周波数検出回路および閥値切り替え回路が不要で、漏洩電流の検出値に直線性があり、周囲環境条件により影響を受けることが少なく、小型、低コストで、広い範囲の微小電流検知が可能となる。

１… 直流電路
２… 変流器
３… 検出用抵抗
４… 励磁電圧発生器
５… 励磁電流検出器
６… 演算器
６０… 定磁束制御手段
６１… 電流／磁界変換手段
６２… 制御目標磁界判定手段
６３… 励磁電圧パルス幅調整手段
６４… 電流／励磁時間幅変換手段
６５… 磁界変化量／漏洩電流変換手段

Claims

直流電路において絶縁劣化が生じたとき、正側および負側に流れる直流負荷電流の差（漏洩電流）に応じて磁化する磁気コアと、磁気コアに巻回された励磁兼検出用コイルを備えた変流器と、
変流器の磁気コアに制御目標となる定磁束を発生させる定電圧の励磁用矩形波信号を生成する定磁束制御手段と、
変流器の励磁電流を励磁兼検出用コイルに接続された検出用抵抗により検出して励磁用矩形波の正側励磁時間幅と負側励磁時間幅を計測する電流／励磁時間幅変換手段と、
励磁用矩形波の正側励磁時間幅と負側励磁時間幅から漏洩電流により変化した磁界の変化量を求め、磁界の変化量から漏洩電流の大きさと向きを検出する磁界変化量／漏洩電流変換手段を備え、
前記定磁束制御手段は、
励磁兼検出用コイルに流れる電流を検出用抵抗で検出し、励磁電流検出器で検出された検出電流を入力して磁界信号に変換する電流／磁界変換手段と、
変換された磁界を入力して予め設定された目標磁界と比較し、検出された磁界とは逆極性方向の励磁指令、及び検出された励磁電流の変化量に対応して制御目標の磁束を発生させる信号を出力する制御目標磁界判定手段と、
制御目標磁界判定手段からの出力を入力し、入力信号に対応したパルス幅信号を生成し、励磁兼検出用コイルに定電圧の励磁用矩形波を出力する励磁電圧パルス幅調整手段を備え、
前記磁界変化量／漏洩電流変換手段は、前記電流／励磁時間幅変換手段で計測された励磁時間幅が正側励磁時間幅をｔ ₁、負側励磁時間幅をｔ ₂としたとき、正側パルスの磁界Ｈ₁および負側パルスの磁界Ｈ₂は、次式（４）−１、（５）−１で求め、次式（６）−１によって前記磁界Ｈ ₁ と前記磁界Ｈ ₂ の差分Ｈ ₀から直流電路の漏洩電流Ｉ ₀を検出するよう構成されたことを特徴とする直流漏電電流検出装置。
Ｈ₁＝（Ｎ・Ｖ／２πｒＬ）×ｔ ₁ … （４）−１
Ｈ₂＝（Ｎ・Ｖ／２πｒＬ）×ｔ ₂ … （５）−１
Ｈ ₀ ＝Ｈ ₁ −Ｈ ₂ ＝（Ｎ／２πｒ）×Ｉ ₀ … （６）−１
ただし、Ｎは励磁兼検出用コイルの巻数、Ｖは励磁電圧、ｒは磁気コアの半径、Ｌは変流器のインダクタンス
前記定磁束制御手段は、
漏洩電流が流れることにより発生する磁気コアの磁束を、磁束に応じて励磁兼検出用コイルに定電圧の励磁用矩形波を印加して、制御目標の磁束を発生させるよう定磁束制御し、磁気コアの磁束を一定に保つことで飽和領域での漏洩電流の検出を行うことを特徴とする請求項１に記載の直流漏電電流検出装置。