JP6248325B2 - 直流給電システム - Google Patents

Description

この発明は、直流電圧を装置に供給する際の異常を検出する直流給電システムに関する。

直流給電として高電圧直流給電（ＨＶＤＣ：Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）がある。例えば多数のサーバーを収容するデータセンターの場合、交流電源を各サーバーに供給する代わりに、高電圧直流給電により、直流高電圧を各サーバーに供給する。こうした直流給電によれば、各サーバーでの交流から直流への変換を不要にするので、電気の効率的な利用が行われる（例えば、特許文献１参照。）。

この高電圧直流給電を行うための給電システムの一例を図３に示す。この給電システムは、電源装置１１０と母線１２０Ａ、１２０Ｂと漏電検出器１３０と検出装置１４０とを備え、直流高電圧を電子装置２００に供給する。直流高電圧の中点電位は、高抵抗を介してグランドに接続されている。電源装置１１０は、交流電源等から直流高電圧を生成し、この直流高電圧を母線１２０Ａ、１２０Ｂに出力する。母線１２０Ａ、１２０Ｂは、直流高電圧を電子装置２００に送る。

電子装置２００の入力側には、雑音を抑えるためのＹコンデンサ（Ｙコン）として、コンデンサＣ２１１、Ｃ２１２が設けられている。コンデンサＣ２１１は、直流高電圧を送るための正側の母線１２０Ａ側とグランドとの間に接続され、コンデンサＣ２１２は、直流高電圧を送るための負側の母線１２０Ｂ側とグランドとの間に接続されている。電子装置では、雑音等が除去された正負の直流高電圧が電子装置本体２１０に加えられる。なお、給電システムが例えばデータセンターに設置されている場合には、電子装置２００はサーバー等の機器である。そして、図示を省略しているが、複数の電子装置２００が母線１２０Ａ、１２０Ｂに対して並列に接続されて、それぞれに直流高電圧が供給されている。

漏電検出器１３０は、漏電により母線１２０Ａ、１２０Ｂからグランドに流れる異常電流を検出する。なお、漏電による異常電流は、母線１２０Ａまたは母線１２０Ｂに対して導電性の異物等や作業者が接触したときに、母線１２０Ａ、１２０Ｂから異物等や作業者を通ってグランドに流れる電流である。漏電検出器１３０は抵抗Ｒ１〜Ｒ５で構成されている。漏電検出器１３０では、抵抗値の等しい抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との直列回路が母線１２０Ａと母線１２０Ｂとの間に接続され、同じく、抵抗値の等しい抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４との直列回路が母線１２０Ａと母線１２０Ｂとの間に接続されている。そして、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続点１３１が抵抗Ｒ５を経てグランドに接続され、抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４との接続点１３２が直接、グランドに接続されている。つまり、抵抗Ｒ１〜Ｒ４によるブリッジ回路が形成されている。

漏電検出器１３０は、抵抗Ｒ１〜Ｒ４によるバランスで、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続点１３１がゼロ電圧にされている。この状態で、例えば図４に示すように、正側の母線１２０Ａに、異物による漏電事故が発生し、事故点１２１からグランドに異常電流が流れる。この異物が持つ抵抗が漏電検出器１３０の抵抗Ｒ３に対して並列に接続される。これにより、漏電検出器１３０の抵抗Ｒ１〜Ｒ５によるブリッジ回路がアンバランスになり、ゼロ電圧であった、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続点１３１では、電圧が発生することになる。つまり、漏電事故が発生すると、漏電検出器１３０がこの漏電事故を検出する。漏電検出器１３０は、接続点１３１の電圧を検出信号として、検出装置１４０に出力する。なお、抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４の抵抗値が無限大、つまり無くても、異物の抵抗と抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ５でブリッジ回路が構成されるので、同様に検出可能である。

検出装置１４０は、漏電事故発生を表す検出信号を漏電検出器１３０から受け取ると、ブリッジ回路のアンバランスを検出し、例えば警報の出力や直流高電圧の遮断等を行う。

特開２０１０−１９３６１４号公報

しかし、先に述べた給電システムには、次の課題がある。この給電システムでは、漏電事故で発生する異常電流に対して、漏電検出器と高抵抗接中点地方式で対応している。つまり、漏電検出器１３０のブリッジ回路は、母線の正側または負側と対グランド間に抵抗Ｒ１〜Ｒ４を配置し、バランスを検出している。

例えば人体が感電した時には、ブリッジ回路がアンバランスを検出する。しかし、対グランド間に入っているコンデンサＣ２１１、Ｃ２１２と事故点１２１との間の抵抗成分が、他の流路の抵抗成分に比べて、ほぼゼロに等しいので、コンデンサＣ２１１の放電電荷とコンデンサＣ２１２への充電電荷が電流ｉ１２１として人体に流れ続ける。そして、電荷が平衡してからアンバランスが検出されるため、ブリッジ回路のアンバランス検出に時間がかかっている。検出までの時間は、異物である人体抵抗と対グランド間のコンデンサ容量の時定数で決まり、対グランド間のコンデンサ容量はサーバーの数に比例して大きくなる。対グランド間のコンデンサ容量が大きいと、検出までの時間が長くなり、人体への悪影響が大きくなるおそれがある。

この発明の目的は、前記の課題を解決し、漏電等の事故を検出する時間を短縮することを可能にする直流給電システムを提供することにある。

前記の課題を解決するために、請求項１の発明は、負荷に対して正負の直流電圧を各母線により供給すると共に前記負荷側には前記各母線とグランドとの間に雑音を除去するための第１のコンデンサが設けられている直流給電システムにおいて、前記正負の直流電圧の出力側の間に２つの第２のコンデンサが直列に接続され、前記２つの第２のコンデンサの接続点が抵抗を介在して前記グランドに接続されている第１の直列回路と、前記正負の直流電圧の出力側の間に２つの抵抗が直列に接続され、前記２つの抵抗の接続点がグランドに接続されている第２の直列回路と、を備え、前記第２の直列回路が並列に接続されている第１の直列回路では、前記第２のコンデンサの接続点がゼロ電圧であり、前記母線に漏電が発生したときに、前記各第１のコンデンサの充放電で発生するアンバランスであって、前記第１の直列回路の各第２のコンデンサと前記第２の直列回路の各抵抗とで形成されるブリッジ回路のアンバランスにより発生する、前記第２のコンデンサの接続点の電圧変化に基づき漏電を検出する、ことを特徴とする直流給電システムである。

請求項１の発明では、負荷に対して直流電圧を供給する直流給電システムにおいて、第１の直列回路の各コンデンサと第２の直列回路の各抵抗とで形成されるブリッジ回路がバランスしている。こうした状態のときに、直流電圧の正側または負側の出力で漏電事故が発生すると、第１の直列回路のコンデンサが充放電を開始する時点で、ブリッジ回路がアンバランスになる。

請求項１の発明によれば、漏電が発生して、負荷側の第１のコンデンサが電荷の充放電開始直後に、ブリッジ回路がアンバランスになるので、ブリッジ回路のアンバランスを高速で検出することができる。

この発明の実施の形態１による直流給電システムの一例を示す構成図である。 漏電が発生した直流給電システムを示す構成図である。 給電システムの一例を示す構成図である。 漏電が発生した直流給電システムを示す構成図である。

次に、この発明の各実施の形態について、図面を用いて詳しく説明する。

（実施の形態１）
この実施の形態による直流給電システムを図１に示す。なお、この実施の形態では、先に説明した図３および図４と同一もしくは同一と見なされる構成要素には、それと同じ参照符号を付けて、その説明を省略する。図１の直流給電システムは、電源装置１１０と母線１２０Ａ、１２０Ｂと検出装置１４０と漏電検出器１０とを備え、グランドに対して正負の直流高電圧を負荷である電子装置２００に供給する。給電システムが例えばデータセンターに設置されている場合には、電子装置２００はサーバー等の機器である。なお、負荷である電子装置２００がサーバーである場合、サーバーは、例えば数百ボルトの直流高電圧を母線１２０Ａ、１２０Ｂから受けると、この電圧の降圧を行って、数十ボルト電圧の電源としている。

直流給電システムの漏電検出器１０は、抵抗Ｒ３、Ｒ４およびコンデンサＣ１１、Ｃ１２と、抵抗Ｒ１１とで構成されている。

漏電検出器１０のコンデンサＣ１１はコンデンサＣ１２と直列に接続されて直列回路を構成し、この直列回路が母線１２０Ａと母線１２０Ｂとの間に接続されている。つまり、コンデンサＣ１１とコンデンサＣ１２との直列回路が、電子装置２００のコンデンサＣ２１１とコンデンサＣ２１２との直列回路に対して、並列に接続されている。これにより、コンデンサＣ１１とコンデンサＣ１２にはコンデンサＣ２１１とコンデンサＣ２１２に流れる電流を検出できる。コンデンサＣ１１、Ｃ１２の直列回路では、コンデンサＣ１１、Ｃ１２の接続点２１が高い抵抗値の抵抗Ｒ１１を介在してグランドに接続されている。

漏電検出器１０のブリッジ回路のコンデンサＣ１１、Ｃ１２と抵抗Ｒ３、Ｒ４とはバランスしている。これにより、コンデンサＣ１１、Ｃ１２の接続点２１がゼロ電圧にされている。

ブリッジ回路がバランスしているとき、漏電検出器１０は、ゼロ電圧の検出信号を接続点２１から検出装置１４０に送る。また、ブリッジ回路がアンバランスの状態になると、ゼロ電圧であった接続点２１には、電圧変化が発生する。これにより、漏電検出器１０は、電圧変化を検出信号とし、この検出信号を接続点２１から検出装置１４０に送る。

以上が直流給電システムの構成である。次に、この直流給電システムの動作について説明する。通常、電源装置１１０は、母線１２０Ａ、１２０Ｂを経て、直流高電圧を電子装置２００に供給する。このとき、漏電検出器１０のブリッジ回路はバランスしているので、漏電検出器１０はゼロ電圧の検出信号を検出装置１４０に送る。

ところで、例えば図２に示すように、直流高電圧を供給する正側の母線１２０Ａに作業者が感電する漏電事故が発生すると、先の図４と同様に、対グランド間に入っている、電子装置２００のコンデンサＣ２１１とコンデンサＣ１１の放電電荷と、コンデンサＣ１２、Ｃ２１２への充電電荷が電流ｉ３０として人体に流れようとする。つまり、事故点３０との間の抵抗成分が、抵抗Ｒ３、Ｒ４の抵抗成分に比べて、ほぼゼロに等しいので、コンデンサの電荷が流れようとする。そして、コンデンサの充放電開始直後に、漏電検出器１０のブリッジ回路がアンバランスの状態となる。このとき、抵抗Ｒ１１には感電電流の（Ｃ１１＋Ｃ１２）／（Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ２１１＋Ｃ２１２）の分の電流が流れる。

この結果、漏電検出器１０は、発生した電圧変化を検出信号とし、この検出信号を接続点２１から検出装置１４０に出力する。これにより、検出装置１４０は、漏電事故発生を表す検出信号を、漏電検出器１３０から受け取ると、ブリッジ回路のアンバランスを検出し、例えば警報の出力や直流高電圧の遮断等を行う。

こうして、この実施の形態によれば、漏電事故が発生して、電子装置２００のコンデンサＣ２１１、Ｃ２１２が電荷の充放電開始直後に、漏電検出器１０のブリッジ回路がアンバランスになる。これに対して従来は、電荷が放電してからアンバランスを検出するので、この実施の形態によれば、ブリッジ回路のアンバランスを高速で検出することができる。

（実施の形態２）
この実施の形態では、実施の形態１の電子装置２００のコンデンサＣ２１１、Ｃ２１２が電子装置本体２１０に接続されていない状態である。なお、この実施の形態では、先に説明した実施の形態１と同一もしくは同一と見なされる構成要素には、それと同じ参照符号を付けて、その説明を省略する。

１０ 漏電検出器
Ｃ１１、Ｃ１２ コンデンサ（第２のコンデンサ）
Ｒ１１ 抵抗
１１０ 電源装置
１２０Ａ、１２０Ｂ 母線
１４０ 検出装置
２００ 電子装置
Ｃ２１１、Ｃ２１２ コンデンサ（第１のコンデンサ）

Claims (1)

1. 負荷に対して正負の直流電圧を各母線により供給すると共に前記負荷側には前記各母線とグランドとの間に雑音を除去するための第１のコンデンサが設けられている直流給電システムにおいて、
   前記正負の直流電圧の出力側の間に２つの第２のコンデンサが直列に接続され、前記２つの第２のコンデンサの接続点が抵抗を介在して前記グランドに接続されている第１の直列回路と、
   前記正負の直流電圧の出力側の間に２つの抵抗が直列に接続され、前記２つの抵抗の接続点がグランドに接続されている第２の直列回路と、
   を備え、
   前記第２の直列回路が並列に接続されている第１の直列回路では、前記第２のコンデンサの接続点がゼロ電圧であり、
   前記母線に漏電が発生したときに、前記各第１のコンデンサの充放電で発生するアンバランスであって、前記第１の直列回路の各第２のコンデンサと前記第２の直列回路の各抵抗とで形成されるブリッジ回路のアンバランスにより発生する、前記第２のコンデンサの接続点の電圧変化に基づき漏電を検出する、
   ことを特徴とする直流給電システム。