JP6246298B2 - ホール素子を用いた事故電流感知装置およびこれを適用したスマートフォン用アーク火災感知システム - Google Patents

Description

本発明は、ホール素子を用いた事故電流感知装置に関し、詳細には、交流電源が供給される配線系統において、異常な事故電流をホール素子を用いて高速で感知するための装置およびこれを適用したスマートフォン用アーク火災感知システムに関する。

近年、電流センサは、多くの産業分野で用いられており、高感度化などの要求が高まっている。そこで、高感度化を実現するために様々な電流センサが開発されており、その一例が特許文献１に開示されている。
特許文献１の漏電センサは、リング状の磁性体（磁気コア）からなり磁界の変化を感知する感知器と、感知に付加され感知器に発生する磁界の変化によってインピーダンスが変化する磁気インピーダンス素子と、磁気インピーダンス素子のインピーダンス変化を検出する検出器とで構成されている。図１は、特許文献１に記載の従来の磁気コアの構造を示す図で、図１（ａ）は、磁気コア１００ａに切断部１０１を設け、該切断部１０１に磁気インピーダンス素子１０３を載置した様子を示す概略図である。また、図１（ｂ）は、磁気コア１００ｂに切欠部１０２を設け、該切欠部１０２に磁気インピーダンス素子１０３を載置した様子を示す概略図である。

前記のような構成によって磁気コア１００ａ、１００ｂの磁界の変化をより効率的に磁気インピーダンス素子１０３に伝える電流センサを実現している。

日本国特開平１０−２３２２５９号公報（１９９８年９月２日公開）

韓国登録特許１０−１２５９３２６号公報（２０１３年５月６日公告）

ところが、特許文献１の磁気コア１００ａ、１００ｂには次のような問題がある。

図１（ａ）の磁気コア１００ａは、磁気コア１００ａを切断する切断部１０１を設け、切断部１０１に磁気インピーダンス素子１０３を載置している。したがって、切断部１０１の幅を広くせざるを得ず、そのため、磁気コア１００ａの感度が低下する。その結果、図１（ａ）の磁気コア１００ａを備えた漏電センサは検知感度が低くなる問題がある。

図１（ｂ）の磁気コア１００ｂは、磁気コア１００ｂの一部を切り欠いた切欠部１０２が磁気コア１００ｂの外縁に沿って形成され、その切欠部１０２に磁気インピーダンス素子１０３が載置されている。しかし、その構造では、磁気コア１００ｂから磁束が漏洩しにくいため、磁気インピーダンス素子１０３が検出する磁束も微小になる。その結果、図１（ｂ）の磁気コア１００ｂは検知感度が低くなる問題がある。

このように従来の磁気コア１００ａ、１００ｂを備えた漏電センサはすべて感度が低く、検知すべき値がノイズに埋め込まれてしまう問題がある。
一方、従来技術の電流センサに用いられるフェライトコアは、その材質の特性上割れやすく、切欠部を有するように加工するのが容易でない問題がある。
また、従来技術によれば、飽和磁束のみを脈動電圧に変換して事故電流として検出するのが容易でない問題がある。

したがって、本発明は、交流電源が供給される配線系統において、異常な事故電流に対してホール素子を用いて高速で感知するための装置を提供する。
また、本発明は、絶縁不良、過熱による絶縁物の変形、合線などの瞬間短絡を含む事故電流を高速で感知するための装置を提供する。

また、本発明は、フェライトコアの高周波特性および磁気飽和特性を用いて、事故電流の発生時に漏洩する磁束をホール素子で検出するための装置を提供する。

また、本発明は、ケイ素鋼コアの低周波特性および外部磁界遮蔽特性を用いて、事故電流の発生時に漏洩する磁束をホール素子で検出するための装置を提供する。

また、本発明は、ケイ素鋼コアでフェライトコアを包囲した構造を用いて、過電流による飽和磁束に限って感応するホール素子で検出するための装置を提供する。

また、本発明は、アークによる事故電流が発生する場合、遠隔のスマートフォンを所持した管理者に通知し、管理者が配電盤の遮断器を動作させて電源供給を遮断可能なホール素子を用いた事故電流感知装置を適用したスマートフォン用アーク火災感知システムを提供する。

本発明のホール素子を用いた事故電流感知装置は、個別配線が通過する平行に配置された一対のフェライトコアと、前記一対のフェライトコアを包囲するように配置されたケイ素鋼コアと、前記一対のフェライトコアとケイ素鋼コアとの間に配置され、飽和磁束を脈動電圧に変換する飽和磁束変換部とを含むことができる。

好ましくは、前記飽和磁束変換部から出力される脈動電圧に対応する矩形波を生成する矩形波発生部と、交流電圧の零電位を検出して零電位検出信号を出力する零電位検出部と、前記零電位検出部から出力される零電位検出信号の立ち上がりエッジを所定時間遅延させた遅延信号を出力する遅延信号発生部と、前記矩形波発生部から出力される矩形波と、前記遅延信号発生部から出力される遅延信号とを論理組合せして事故電流検出信号を出力する事故電流検出部とをさらに含む。

好ましくは、前記矩形波発生部は、前記脈動電圧を平滑して脈動平均電圧を生成する平滑部と、前記脈動平均電圧より所定レベル高い脈動平均上位電圧を生成する脈動平均上位電圧生成部と、第１反転端子に印加される前記脈動平均上位電圧と、第１非反転端子に印加される前記脈動電圧とを比較して矩形波を出力する第１比較器とを含む。

好ましくは、前記零電位検出部は、所定の正電圧と接地電圧が印加され、所定レベルの非反転電圧を形成するように構成された非反転分圧抵抗部と、前記所定の正電圧と接地電圧が印加され、所定レベルの反転電圧を形成するように構成された反転分圧抵抗部と、交流電圧の下半周期で導通するように、第２非反転端子と前記交流電圧を引き出すための端子との間に配置された第4一方向素子と、前記交流電圧の上半周期で導通するように、第２反転端子と前記交流電圧を引き出すための端子との間に配置された第5一方向素子と、前記非反転電圧が印加されるための前記第２非反転端子と、前記反転電圧が印加されるための前記第２反転端子とを有する第２比較器とを含み、前記非反転電圧は、前記反転電圧より所定レベル高いことを特徴とする。

好ましくは、前記遅延信号発生部は、前記零電位検出信号を積分して積分信号を出力する積分器と、前記所定の正電圧と接地電圧が印加され、基準電圧を提供する基準電圧提供器と、第３非反転端子に印加される前記積分信号と、第３反転端子に印加される前記基準電圧とを比較して遅延信号を生成する第３比較器とを含む。

好ましくは、前記基準電圧提供器は、可変抵抗または分圧抵抗である。
好ましくは、前記一対のフェライトコアは、切欠部のない中空の円筒状、切欠部のないリング状、および切欠部のない中空の角柱状のいずれか１つである。
また、本発明の一態様に係るアーク火災感知システムは、事故電流感知装置を含み、遮断器を含む配電盤と、ゲートウェイを含み、前記事故電流検出信号をスマートフォンに送出し、前記事故電流検出信号に制御され、前記配電盤の遮断器を動作させるアーク火災感知制御部とを含むことができる。

本発明によれば、交流電源が供給される配線系統において、異常な事故電流に対してホールセンサを用いて高速で感知することができ、絶縁不良、過熱による絶縁物の変形、合線などの瞬間短絡を含む事故電流を高速で感知することができ、フェライトコアの高周波特性および磁気飽和特性を用いて、事故電流の発生時に漏洩する磁束をホールセンサで検出することができる。
また、本発明によれば、ケイ素鋼コアの低周波特性および外部磁界遮蔽特性を用いて、事故電流の発生時に漏洩する磁束を検出することができ、ケイ素鋼コアでフェライトコアを包囲した構造を用いて、過電流による飽和磁束に限って感応することができる。

また、従来の住宅用過負荷遮断器の場合、頻繁な誤作動を防止するために定格容量の数倍に達する電流が一定時間以上流れる時、電源を遮断するように規定されているだけで、アーク現象が発生して火災が発生しても過負荷遮断器が作動しない。これは、過負荷遮断器は、電流が持続的に流れてこそ動作するが、アークは持続的に発生するものではないため、アークによる火災を防止することができないが、本発明によれば、このような問題を解決することができる効果がある。

従来技術による磁気コアを備えた漏電センサの概略図である。 本発明の一実施形態に係るホール素子の写真である。 本発明の一実施形態に係るホール素子の正面図である。 本発明の一実施形態に係るホール素子の磁束が飽和しない場合の磁束感知概念図である。 本発明の一実施形態に係るホール素子の飽和磁束感知概念図である。 本発明の一実施形態に係る外部磁界による磁束がコアを通過して外部に抜け出る場合の磁束感知概念図である。 本発明の一実施形態に係るホール素子を用いた事故電流感知回路図である。 本発明の一実施形態に係るホール素子の信号波形図である。 本発明の一実施形態に係るホール素子を用いた事故電流感知装置を適用したスマートフォン用アーク火災感知システムの全体構成図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。まず、各図面の構成要素に参照符号を付加するにあたり、同一の構成要素に限っては、たとえ他の図面上に表示されても、できるだけ同一の符号で表していることに留意しなければならない。また、下記の説明では、多くの特定事項が示されているが、これは、本発明のより全般的な理解のために提供されたものであって、これらの特定事項なしにも本発明が実施可能であることは、当該技術分野における通常の知識を有する者にとっては自明である。そして、本発明を説明するにあたり、かかる公知の機能あるいは構成に対する具体的な説明が本発明の要旨をあいまいにする可能性があると判断された場合、その詳細な説明を省略する。

本発明の追加の目的、特徴および利点は、以下の詳細な説明および添付図面からより明瞭に理解されるであろう。

図２は、本発明の一実施形態に係るホール素子の写真であり、図３は、本発明の一実施形態に係るホール素子の正面図である。

本発明の一実施形態に係るホール素子は、個別配線が通過する平行に配置された一対のフェライトコア２２０と、一対のフェライトコア２２０を包囲するように配置されたケイ素鋼コア２１０と、一対のフェライトコア２２０とケイ素鋼コア２１０との間に配置されるホールセンサ２３０とを含む。ここで、一対のフェライトコア２２０は、切欠部のない中空の円筒状であるか、切欠部のないリング状であるか、切欠部のない中空の角柱状であるとよい。

フェライトコア２２０は、交流電力配線を通過させて高調波ノイズに対してインダクタの役割を果たす中空の円筒状コアであって、負荷側に接続される配線を通過させ、高調波ノイズまたはコアの磁束が飽和しない正常な電流で発生する磁束や外部から流入する磁束はコア内を回転して、ホールセンサ２３０が感応しないようにする。

ケイ素鋼コア２１０は、交流電力配線を通して負荷に流れる低周波電流によって発生する磁束を集束し、外部から流入する磁界をコアを通して流して、ホールセンサ２３０が感応しないようにする。

すなわち、フェライトコア２２０およびケイ素鋼コア２１０は、磁束を集める効果より外部磁界または高調波による磁束にホールセンサ２３０が感応することを最小化し、過電流時、コアの飽和磁束に限ってホールセンサ２３０を感応させることができる。

図４Ａ〜図４Ｃは、本発明の一実施形態に係るホールセンサの飽和磁束感知概念図である。

図４Ａは、交流電力配線に正常な大きさの電流が流れて磁束が飽和しない場合の磁束の流れを示すもので、ホールセンサ２３０は磁束を感知できない状態である。

図４Ｂは、交流電力配線に過電流が流れてコアに流れる磁束が飽和した場合の磁束の流れを示すもので、ホールセンサ２３０は磁束を感知することができる。

図４Ｃは、外部磁界による磁束がコアを通過して外部に抜け出る場合の磁束の流れを示すもので、ホールセンサ２３０は磁束を感知することができない。

図５は、本発明の一実施形態に係るホールセンサの信号処理回路図および、図６は、本発明の一実施形態に係るホールセンサの信号波形図である。

本発明の一実施形態に係るホールセンサの信号処理回路は、飽和磁束変換部５１０と、矩形波発生部５２０と、零電位検出部５３０と、遅延信号発生部５４０と、事故電流検出部５５０とを含む。

飽和磁束変換部５１０は、コアの飽和磁束を事故電圧に変換して出力する。飽和磁束変換部５１０は、ホールセンサ５１１（ＨＥＳ）と、２つのダイオード５１２、５１３と、抵抗Ｒ１とを含む。ホールセンサ５１１は、正電圧Ｖ＋と接地電圧Ｇが入力され、過電流によってコアに磁束が飽和する場合、これを電圧に変換して出力する。ホールセンサ５１１の出力側に連結された２つのダイオード５１２、５１３は、それぞれ交流電圧の上半周期（０〜１８０度）および下半周期（１８０〜３６０度）を担当し、正の大きさを有する脈動電圧を出力する（図６、ノードＮ６参照）。

矩形波発生部５２０は、飽和磁束変換部５１０から出力される脈動電圧に対応する矩形波を生成して出力する。矩形波発生部５２０は、平滑部５２１、５２２と、脈動上位電圧生成部５２３、５２４と、第１比較器５２５とを含む。平滑部５２１、５２２は、脈動電圧を平滑して脈動平均電圧を形成する。脈動上位電圧生成部５２３、５２４のダイオードＤ３は、キャパシタＣ１に印加される脈動平均電圧より所定レベル（例：０．７ボルト）高い脈動平均上位電圧を形成して、第１比較器５２５の反転端子（−）に提供する。第１比較器５２５は、反転端子（−）に印加される脈動平均上位電圧に対比して非反転端子（＋）に急上昇する脈動電圧が印加されると、脈動電圧に対応する矩形波を出力する（図６、ノードＮ７参照）。

零電位検出部５３０は、交流電圧の零電位を検出して零電位検出信号を出力する。零電位検出部５３０は、正電圧Ｖ＋と接地電圧Ｇが印加され、所定レベルの非反転電圧を第２比較器５３７の非反転端子に印加するように配置された非反転分圧抵抗部５３３、５３４と、正電圧Ｖ＋と接地電圧Ｇが印加され、所定レベルの反転電圧を第２比較器５３７の反転端子に印加するように配置された反転分圧抵抗部５３５、５３６と、交流電圧の下半周期で導通するように、第２比較器５３７の非反転端子と交流電圧端子との間に配置された第４一方向素子５３１と、交流電圧の上半周期で導通するように、第２比較器５３７の反転端子と交流電圧端子との間に配置された第５一方向素子５３２と、非反転電圧と反転電圧とを比較して零電位検出信号を出力する第２比較器５３７とを含む。ここで、所定レベルの非反転電圧は、所定レベルの反転電圧よりやや高いように非反転分圧抵抗部５３３、５３４と反転分圧抵抗部５３５、５３６の抵抗比が調整される必要がある。これによって、第２比較器５３７は、交流電圧の零電位付近、すなわち、０度付近および１８０度付近で「Ｌ」レベル信号を出力し、残りの位相では「Ｈ」レベル信号を出力する（図６、Ｎ２参照）。

遅延信号発生部５４０は、零電位検出部５３０から出力される零電位検出信号の立ち上がりエッジを所定時間遅延させた遅延信号を出力する。遅延信号発生部５４０は、零電位検出信号を積分して第３比較器５４５の非反転端子に積分信号（図６、ノードＮ３参照）を印加するように構成された積分器５４１、５４２、５４３と、正電圧Ｖ＋と接地電圧Ｇが印加され、所定レベルの基準電圧を第３比較器５４５の反転端子に印加するように構成された基準電圧提供器５４４と、積分信号と基準電圧とを比較して遅延信号（図６、ノードＮ４参照）を生成する第３比較器５４５とを含む。遅延信号発生部５４０は、零電位付近、すなわち、０度または１８０度付近でキャパシタに流れる過渡電流を事故電流として認識する可能性を排除するために備えられる構成である。本発明の一実施形態によれば、基準電圧提供器５４４は、可変抵抗で実現できる。すなわち、可変抵抗を調整すると、基準電圧レベルを調整することができ、零電位検出信号の立ち上がりエッジタイミングを調整することができる。つまり、零電位検出信号の位相を調整することができる。また、本発明の他の実施形態によれば、基準電圧提供器５４４を直列の分圧抵抗で実現して、零電位検出信号の出力位相を固定してもよいことは当然である。

事故電流検出部５５０は、矩形波発生部５２０から出力される矩形波と、遅延信号発生部５４０から出力される遅延信号とを論理組合せして事故電流を検出し、事故電流検出信号を出力する。

交流配線に過電流が流れていない時には（図６、ノードＮ５、区間Ｉ参照）、コアに磁束が飽和せず、ホールセンサから出力がない（図６、ノードＮ６、区間Ｉ参照）。

交流配線に過電流が流れると（図６、ノードＮ５、区間ＩＩ参照）、コアに流れる磁束が飽和してホールセンサから脈動電圧が出力される（図６、ノードＮ６、区間ＩＩ参照）。この時には、矩形波発生部５２０が脈動電圧に対応する矩形波を出力し（図６、ノードＮ７、区間ＩＩ参照）、事故電流検出部５５０は、矩形波と遅延信号とを論理組合せして事故電流を検出する。

図７は、本発明の一実施形態に係るホール素子を用いた事故電流感知装置を適用したスマートフォン用アーク火災感知システムの全体構成図である。

本発明の一実施形態に係るスマートフォン用アーク火災感知システムは、ホール素子部２００（図２）と、事故電流感知回路部５００（図５）と、配電盤６００と、アーク火災感知制御部７００と、スマートフォン８００とを含む。
配電盤６００は、遮断器を含むことができる。

アーク火災感知制御部７００は、ゲートウェイを含み、事故電流感知回路部５００および配電盤６００と有無線で結合され、管理者が所持するスマートフォン８００と無線で結合される。

アーク火災感知制御部７００は、事故電流感知回路部５００から事故電流検出信号が出力されると、事故電流検出信号をスマートフォン８００に送出し、配電盤６００の遮断器を動作させることができる。また、本発明の他の実施形態によれば、アーク火災感知制御部７００は、事故電流感知回路部５００から事故電流検出信号が出力されると、事故電流検出信号をスマートフォン８００に送出し、スマートフォン８００から受信される遮断動作制御信号に制御され、配電盤６００の遮断器を動作させることができる。

このように、本発明の詳細な説明では、具体的な実施形態に関して説明したが、本発明の範疇を逸脱しない限度内で様々な変形が可能であることはもちろんである。そのため、本発明の範囲は、説明された実施形態に限って定められてはならず、後述する特許請求の範囲だけでなく、この特許請求の範囲と均等なものによって定められなければならない。

２１０：ケイ素鋼コア
２２０：フェライトコア
２３０：ホールセンサ
５１０：飽和磁束変換部
５２０：矩形波発生部
５３０：零電位検出部
５４０：遅延信号発生部
５５０：事故電流検出部

Claims (9)

1. 個別配線が通過する平行に配置された一対のフェライトコアと、
   前記一対のフェライトコアを包囲するように配置されたケイ素鋼コアと、
   前記一対のフェライトコアとケイ素鋼コアとの間に配置され、飽和磁束を脈動電圧に変換する飽和磁束変換部とを含むことを特徴とするホール素子を用いた事故電流感知装置。
2. 前記飽和磁束変換部から出力される脈動電圧に対応する矩形波を生成する矩形波発生部と、
   交流電圧の零電位を検出して零電位検出信号を出力する零電位検出部と、
   前記零電位検出部から出力される零電位検出信号の立ち上がりエッジを所定時間遅延させた遅延信号を出力する遅延信号発生部と、
   前記矩形波発生部から出力される矩形波と、前記遅延信号発生部から出力される遅延信号とを論理組合せして事故電流検出信号を出力する事故電流検出部とをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のホール素子を用いた事故電流感知装置。
3. 前記矩形波発生部は、
   前記脈動電圧を平滑して脈動平均電圧を生成する平滑部と、
   前記脈動平均電圧より所定レベル高い脈動平均上位電圧を生成する脈動平均上位電圧生成部と、
   第１反転端子に印加される前記脈動平均上位電圧と、第１非反転端子に印加される前記脈動電圧とを比較して矩形波を出力する第１比較器とを含むことを特徴とする請求項２に記載のホール素子を用いた事故電流感知装置。
4. 前記零電位検出部は、
   所定の正電圧と接地電圧が印加され、所定レベルの非反転電圧を形成するように構成された非反転分圧抵抗部と、
   前記所定の正電圧と接地電圧が印加され、所定レベルの反転電圧を形成するように構成された反転分圧抵抗部と、
   交流電圧の下半周期で導通するように、第２非反転端子と前記交流電圧を引き出すための端子との間に配置された第4一方向素子と、
   前記交流電圧の上半周期で導通するように、第２反転端子と前記交流電圧を引き出すための端子との間に配置された第5一方向素子と、
   前記非反転電圧が印加されるための前記第２非反転端子と、前記反転電圧が印加されるための前記第２反転端子とを有する第２比較器とを含み、
   前記非反転電圧は、前記反転電圧より所定レベル高いことを特徴とする請求項２に記載のホール素子を用いた事故電流感知装置。
5. 前記遅延信号発生部は、
   前記零電位検出信号を積分して積分信号を出力する積分器と、
   前記所定の正電圧と接地電圧が印加され、基準電圧を提供する基準電圧提供器と、
   第３非反転端子に印加される前記積分信号と、第３反転端子に印加される前記基準電圧とを比較して遅延信号を生成する第３比較器とを含むことを特徴とする請求項４に記載のホール素子を用いた事故電流感知装置。
6. 前記基準電圧提供器は、可変抵抗または分圧抵抗であることを特徴とする請求項５に記載のホール素子を用いた事故電流感知装置。
7. 前記一対のフェライトコアは、切欠部のない中空の円筒状、切欠部のないリング状、および切欠部のない中空の角柱状のいずれか１つであることを特徴とする請求項２に記載のホール素子を用いた事故電流感知装置。
8. 請求項２〜７のいずれか１項に記載の事故電流感知装置を含み、
   遮断器を含む配電盤と、
   ゲートウェイを含み、前記事故電流検出信号をスマートフォンに送出し、前記事故電流検出信号に制御され、前記配電盤の遮断器を動作させるアーク火災感知制御部とを含むことを特徴とするアーク火災感知システム。
9. 請求項２〜７のいずれか１項に記載の事故電流感知装置を含み、
   遮断器を含む配電盤と、
   ゲートウェイを含み、前記事故電流検出信号をスマートフォンに送出し、前記スマートフォンから受信される遮断動作制御信号に制御され、前記配電盤の遮断器を動作させるアーク火災感知制御部とを含むことを特徴とするアーク火災感知システム。

Images