JP7208830B2 - 電流センサ素子 - Google Patents

Description

本発明は、直流電気設備における漏洩電流を検出する電流センサ素子に関する。

メガソーラなどの太陽光発電設備の普及に伴い、太陽光発電設備における感電保護、火災保護および保守性向上のため、電路への人体の接触、損傷や劣化による漏れ電流の発生を検知する必要がある。

このような課題に対し、特許文献１には、環状の磁性体コアにコイルを巻回し、直流電路を環状の磁性体コアに往復で貫通させ、巻回したコイルに交流の励磁電圧を印加し、漏洩電流によるコアの磁気飽和によって発生する二次高調波を検出することにより、漏洩電流を検出する方式が記載されている。

特開２０１３－１１０９２５号公報

太陽光発電設備では、太陽光モジュールの出力を交流に変換するためのパワーコンディショナを備えており、太陽光モジュールからの直流電力をパワー半導体素子により高速でスイッチングして商用周波数の交流電力を生成している。そのため、直流電路にはパワー半導体素子の高速スイッチングに由来するノイズが重畳する。

上述の特許文献１の方式によれば、純直流に対しては安定な動作が得られるが、太陽光発電設備などでは、前記の理由による雑多な周波数成分を含むノイズによって、検出閾値が変動するなどの課題があった。

本発明は、太陽光発電システムから発するノイズに対して安定で、コスト増を抑え、小型化した電流センサ素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための、本発明の代表的な「電流センサ素子」の一例を挙げると、
直流成分を含む電流を検出する電流センサ素子であって、主センサと、補助センサと、前記主センサの磁気コアと前記補助センサの磁気コアにバイアス磁界を印加する永久磁石と、を備え、前記主センサは、環状の第一の磁気コアと、前記第一の磁気コアに巻回された検出巻線と励磁巻線と、を備え、前記補助センサは、環状の第二の磁気コアと、前記第二の磁気コアに巻回された補償巻線と、を備え、前記永久磁石を間に介在して、前記主センサと前記補助センサとが積層され、前記主センサ、前記永久磁石および前記補助センサの周囲を取り囲む磁性材料のケースを備えるものである。

本発明によれば、太陽光発電システムから発するノイズに対して安定で、センサを２個使用することによるコスト増を抑え、小型化した電流センサ素子を提供することができる。

本発明における電流センサの接続図である。 従来技術の電流センサと本発明の電流センサの二次高調波成分を示す図である。 単一の電流センサの構造図の一例である。 本発明の実施例の電流センサの構造図である。 従来の技術による電流センサの接続図である。

本発明の実施例の説明に先立って、環状の磁性体を用いた直流漏洩電流を検出する従来の技術を説明する。

図５は、従来の技術における電流センサの接続図である。従来の技術による電流センサは、軟磁性材料からなる環状の磁気コア１１に往復分一対の主回路導体１２を貫通した構造とする。環状の磁気コア１１には励磁巻線１３と検出巻線１４が巻回されており、励磁巻線１３には励磁回路１５、検出巻線１４には二次高調波検出回路１６が接続される。励磁巻線１３には励磁回路１５から交流の励磁電圧が加えられる。主回路に接続された負荷に異常がなく、漏れ電流が流れていない場合は、主回路導体１２に流れる電流は互いに逆向きで等しい電流が流れるが、負荷で地絡事故が発生し、漏れ電流が流れることにより主回路導体１２に流れる逆方向の電流に差が生じた場合には、磁気コア１１の中に電流の差分に応じた磁界が誘起される。このとき、磁気コア１１は励磁回路１５と励磁巻線１３によって励磁されており、検出巻線１４には励磁電流に応じた電圧が誘起されているが、磁気コア１１の内部に誘起された漏れ電流に基づく磁界によって軟磁性材料からなる磁気コアの磁気特性に偏りが生じ、検出巻線１４には二次高調波が誘起される。この二次高調波を二次高調波検出回路１６によって検出し、漏洩電流の有無を検出する。

次に、本発明の電流センサにおける、ノイズ成分を押さえる原理を説明する。図１は、本発明における電流センサの接続図である。本発明の電流センサは、主センサ２００と補助センサ２１０から構成される。主センサ２００は、従来の技術による電流センサと同様に、軟磁性材料からなる第一の磁気コア２１、主回路導体２２、励磁巻線２３と検出巻線２４、励磁回路２５、二次高調波検出回路２６を構成にもち、その動作原理は同様である。補助センサ２１０は、主センサと同様に、軟磁性材料からなる第二の磁気コア２８と、第二の磁気コア２８に巻回した補償巻線２７から構成され、主回路導体２２が貫通している。主センサ２００の検出巻線２４と補助センサ２１０の補償巻線２７とは互いに逆の極性で並列に接続される。

太陽光発電設備の直流回路に本電流センサを使用した場合、パワー半導体素子のスイッチングに起因するノイズが主回路に重畳しており、太陽電池モジュールの対地静電容量を通じてノイズ電流が流れている。このようなノイズ電流は検出巻線２４に起電力を発生させ、雑多な周波数成分を含んでいる故に二次高調波検出回路２６の動作に影響を与え、正常な漏洩電流の検出の妨げとなる。しかし、主センサ２００の検出巻線２４に補助センサ２１０の補償巻線２７を逆並列に接続することにより、励磁回路２５による励磁電流以外のノイズ電流による起電力を打ち消し、電流センサのＳＮ比を改善することが可能となる。

図２に、従来技術の電流センサと、本発明の電流センサを用いて測定した二次高調波成分（ベースライン変動）を示す。図の左側に示すように、従来技術の単一の電流センサでは二次高調波成分が大きいが、図の右側に示すように、主センサの検出巻線と補助センサの補償巻線を逆並列接続した本発明の電流センサでは二次高調波成分が大きく減少している。なお、図において縦軸は任意単位である。

図３に、単一の電流センサの構造図の一例を示す。図３（ａ）は上方から見た平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ－Ａ断面図である。電流センサの中央に円筒状の穴３１を有した形状となっており、この穴に主回路導体を通す。電流センサの環状の磁気コア３２に励磁巻線３３と検出巻線３４が巻回されている。そして、磁気コア３２の上下に環状の永久磁石３５を配置することで、磁気コア３２に円周方向と直交するバイアス磁界を加えている。また、電流センサ外周は磁性材料からなるケース３６に収納されており、磁気コアの上部から磁気コアの側方を通り磁気コアの下部に至る磁路を形成することで、永久磁石３５の磁界を効率よく磁気コア３２に印加している。磁気コアの円周方向と直交するバイアス磁界を加えることにより、磁気コア３２の保磁力を低く保ち、大きな地絡電流によるセンサ動作点の変化を防止している。

しかし、この単一の電流センサを２個用いて、図１に記載した電流センサを構成する場合には、永久磁石３５とケース３６が２個それぞれの磁気コアに対して必要となるため、コストが増加するとともに、大型化する。

本発明は、太陽光発電システムから発するノイズに対して安定で、コスト増を抑え、小型化した電流センサ素子を提供するものである。

図４に、本発明の実施例の電流センサ素子の構造図を示す。図４（ａ）は上方から見た平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ－Ａ断面図である。本実施例の電流センサ素子は、円筒形状のケース４５を備え、その中央に、主回路導体を通す円筒状の穴４１を有している。

図４（ｂ）の断面図に示すように、電流センサ素子は、間に永久磁石４８を介在して主センサ４００と補助センサ４１０とを積み重ねた構造である。主センサ４００は、図３の電流センサと同様に、環状の第一の磁気コア４２に励磁巻線４３と検出巻線４４とを巻回して構成する。補助センサ４１０は、第一の磁気コア４２と同様である環状の第二の磁気コア４６に補償巻線４７を巻回して構成する。第一の磁気コア４２および第二の磁気コア４６には、フェライトやＮｉＦｅ合金（パーマロイ）等の軟磁性材料を用いる。積み重ねた補助センサ４１０、永久磁石４８、主センサ４００は、一体として磁性材料のケース４５に収納されている。ケース４５は、主センサの第一の磁気コア４２の上方、主センサの第一の磁気コア４２と補助センサの第二の磁気コア４６の側方、補助センサの第二の磁気コア４６の下方を覆うとともに、穴４１の内側に第一の磁気コア４２および第二の磁気コア４６の内周部を覆う位置まで伸びている。第一の磁気コア４２と第二の磁気コア４６の間に挿入した永久磁石４８は、環状の磁石であり、図の上下方向に第二の磁気コア４６から第一の磁気コア４２に向かって磁化されている。永久磁石から出た磁束は、図に矢印で示すように、穴４１の内側の磁性材料からなるケース４５に向かって流れる。これにより、環状の第一の磁気コア４２および第二の磁気コア４６に円周方向と直交するバイアス磁界を加えることにより、磁気コアの保磁力を低く保ち、大きな地絡電流によるセンサ動作点の変化を防止する。

主センサの検出巻線４４と補助センサの補償巻線４７とは、センサ素子内で逆並列接続しても良いし、それぞれの端子を素子外へ出しておき、センサ素子外の配線で接続しても良い。

本実施例では、ケース４５を磁性材料で形成することにより、磁束の通る磁気回路ヨークと兼用したが、磁性材料からなる磁気回路ヨークとは別に、非磁性材料からなるケースを取り付けてもよい。

本実施例の電流センサ素子によれば、主センサとは別に補償巻線を有する補助センサを設け、主センサの検出巻線と補助センサの補償巻線とを逆の極性で並列に接続することにより、太陽光発電システムから発するノイズを押さえることができる。そして、間にバイアス磁界印加用の永久磁石を介在して、主センサと補助センサの積み重ね構造とすることにより、単一の永久磁石で２つの磁気コアにバイアス磁界を印加することができ、センサを２個使用することによるコスト増を抑え、小型化した電流センサ素子を提供することができる。

１１…磁気コア、１２…主回路導体、１３…励磁巻線、１４…検出巻線、１５…励磁回路、１６…二次高調波検出回路、
２１…第一の磁気コア、２２…主回路導体、２３…励磁巻線、２４…検出巻線、２５…励磁回路、２６…二次高調波検出回路、２７…補償巻線、２８…第二の磁気コア、２００…主センサ、２１０…補助センサ、
３１…穴、３２…磁気コア、３３…励磁巻線、３４…検出巻線、３５…永久磁石、３６…ケース、
４１…穴、４２…第一の磁気コア、４３…励磁巻線、４４…検出巻線、４５…ケース、４６…第二の磁気コア、４７…補償巻線、４８…永久磁石、４００…主センサ、４１０…補助センサ。

Claims (4)

1. 直流成分を含む電流を検出する電流センサ素子であって、
   主センサと、補助センサと、前記主センサの磁気コアと前記補助センサの磁気コアにバイアス磁界を印加する永久磁石と、を備え、
   前記主センサは、環状の第一の磁気コアと、前記第一の磁気コアに巻回された検出巻線と励磁巻線と、を備え、
   前記補助センサは、環状の第二の磁気コアと、前記第二の磁気コアに巻回された補償巻線と、を備え、
   前記永久磁石を間に介在して、前記主センサと前記補助センサとが積層され、
   前記主センサ、前記永久磁石および前記補助センサの周囲を取り囲む磁性材料のケースを備えることを特徴とする電流センサ素子。
2. 請求項１に記載の電流センサ素子において、
   前記磁性材料のケースは、中央の穴の内側に前記第一のコアおよび前記第二のコアの内周部を覆う位置まで伸びていることを特徴とする電流センサ素子。
3. 請求項１に記載の電流センサ素子において、
   前記主センサの検出巻線と前記補助センサの補償巻線とは、ノイズを打ち消すように逆の極性で並列に接続されていることを特徴とする電流センサ素子。
4. 請求項１に記載の電流センサ素子において、
   前記永久磁石は、環状の前記第一のコアおよび前記第二のコアに円周方向と直交するバイアス磁界を加えることを特徴とする電流センサ素子。

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