TWI402518B - Wiring device with leakage detection function - Google Patents

Description

具有漏電檢測功能的配線器具

本發明係關於一種具有漏電檢測功能的配線器具，藉由漏電檢測，遮斷從商用電源至負載的電路而停止漏電。

先前，為了確保電性安全，被使用於水邊、屋外等處的插座等的配線器具中，配備有漏電檢測功能。又，一般住宅中的主斷路器亦被附加漏電檢測功能，例如，被設定為約30mA的漏電檢測位準。又，為了避免因例如雷擊突波等沿著引入線而傳來的雜訊而誤動作，此種主斷路器，係計數超過漏電檢測臨界值的信號的時間、次數，來進行漏電控制。

參照第7圖至第9圖，說明具有如此的漏電檢測功能的配線器具的先前例。第7圖中，配線器具100，係被插入單相三線的商用電源與負載120之間，更詳細而言，係被連接於：經過介於來自商用電源的電路(電源線L1、L2、以及中性線N)上的主斷路器130，並在支斷路器140之後的電路。

配線器具100，係如第8圖所示，具備：被插入電路(電源線L1以及中性線N)中的開閉部101；檢測在電路中流動的漏電電流的零相比流器102；以及基於此檢測漏電電流而斷開開閉部101之漏電控制部103。漏電控制部103，係具有：低通用的濾波部131；判定漏電電流的臨界值判定部132；計數判定信號的計數器133；以及依計數來判定漏電的漏電判斷部134。

第9圖(a)～(d)係表示說明上述配線器具100的動作的各種信號波形。以零相比流器102檢測出來而通過濾波部131的漏電電流，以臨界值判定部132作負極性檢波以及正極性檢波，並計數超過此檢波輸出的臨界值的次數，若其次數成為預定次數(在此係三次)，則被判定為漏電，於是斷路信號被輸出，遮斷開閉器101。

又，將漏電控制部103的其他例表示於第10圖。此漏電控制部103，其零相比流器102的檢測漏電電流，藉由濾波部131而被過濾，以整流部135來將該輸出整流，並以積分部136積分此整流輸出，將所得到的平均值與預定值作比較，以漏電判斷部134來進行漏電判定。又，附有漏電遮斷功能的插座中，例如已知有漏電檢測感度15mA者。

又，已知有一種電源插座，是附漏電斷路器的電源插座，其係藉由零相比流器來檢測出感應器(用以檢測在插頭的金屬板間所發生的火花放電)的輸出電流，來使漏電斷路器斷開(例如，參照日本特開2006-48958號公報)。

但是，近年來，因變流器(inverter)負載等的增加，如第11圖所示，漏電電流係成為複雜的波形歪曲大的信號，因此，在第8圖所示的例中，無法正確地得到必要的檢波波形的計數，漏電檢測精度降低。又，在第10圖所示的例中，若漏電電流的歪曲變大，則因其平均值相較於有效值變低，漏電檢測的檢測感度變得遲鈍。因此，對於任一波形歪曲大的漏電電流，漏電檢測精度會降低，難以確實地遮斷漏電，而成為不適於人體的感電保護的動作。

又，日本特開2006-48958號公報中的電源插座，因係使其回應如火花放電般的瞬間的漏洩電流，而無法使用低通濾波器，因此，對於通常的漏電電流的人體的感電保護的特性低。

本發明係為解決上述問題而開發出來，其目的係提供一種附漏電檢測功能的配線器具，即便漏電電流為歪曲的波形，亦可確實地遮斷漏電。

為了達成上述目的，本發明係一種具有漏電檢測功能的配線器具，被設在商用電源與負載之間，其係具備：漏電控制部，檢測出在連結前述商用電源與負載的電路中流動的漏電電流，來進行漏電判定；以及開閉部，依據藉由前述漏電控制部所作的漏電判定，來遮斷前述電路；前述漏電控制部係具備：濾波部，具有用以過濾檢測出來的漏電電流之人體對於感電所具有的頻率特性；運算部，算出通過前述濾波部的信號的平方運算值；以及判定部，藉由比較依前述運算部而得到的平方運算值與預先設定的臨界值來判定漏電。

若根據本發明，基於通過濾波部後的漏電電流的關連信號的平方運算值，來進行漏電判定，因此，即便漏電電流為歪曲的波形，檢測位準亦不會降低。因此，可精度良好地進行漏電檢測，可確實地遮斷漏電。

前述濾波部，較佳是具有DC遮斷功能，並由電容與電阻所構成。若根據此種構成，濾波部的輸出信號會被作DC遮斷，因此，至濾波部後段的輸入信號不具有直流(DC)補償。藉此，可消除因DC補償所造成的對於漏電判定的影響，提高漏電檢測精度，且不需要用以調整補償的電路，因此成本低廉。

以下，參照第1圖至第3圖，說明本發明第一實施形態之附漏電檢測功能的配線器具(以下稱為本配線器具)。如第1圖所示，本配線器具1，係具備：遮斷商用電源與負載30之間的電路之開閉部2；檢測於連結開閉部2與負載30的電路20中流動的漏電電流之零相比流器3；基於此被檢測出來的漏電電流，來控制開閉部2之漏電控制部(漏電判定部)4；以及由商用電源形成直流電源，而將電源供給至各部之電源部5。本配線器具1，係設在(介於)商用電源與負載之間，例如是被附設於斷路器、插座、桌頂部、延長線等處。在此，商用電源，其單相三線的電源線L1、L2、以及中性線N之中的單相二線係作為電路20，並被連接於開閉部2。又，電路20並未限定於單相二線式。

開閉部2，係具備：具有閘流體等的開關元件之開關部21；被串聯連接於開關部21上之釋放繼電器的激磁線圈22；以及藉由激磁線圈22的激磁而被斷開的接點23；開閉部2通常為閉狀態，若藉由來自漏電控制部4的漏電控制信號，開關部21被導通，則激磁線圈22激磁，於是接點23的栓鎖被解除而被斷開。藉此，向負載30的電路20會被遮斷。

零相比流器3，係被配設成使電路20貫通線圈內，用以檢測在電路20中流動的漏電電流，若電路20發生漏電，則將檢測出來的漏電電流供給至漏電控制部4。

漏電控制部4，具備：將來自零相比流器3的漏電電流作差動放大之放大器41；過濾放大器41的輸出信號之濾波部42；平方運算來自濾波部42的輸出信號之平方運算部43；進行平方運算輸出的增益調整之增益調整部44；積分被增益調整後的平方運算輸出之積分電路部45；以及將此積分輸出與被預定的臨界值電壓E1作比較，來進行漏電判定的臨界值判定部46。

如第2圖所示，放大部41係具備：分別被連接於零相比流器3的線圈的兩端，用以放大漏電電流之運算放大器Q1、Q2；以及被輸入運算放大器Q1、Q2的個別的輸出，進行差動放大的運算放大器Q3。在此，電阻R1、R2、R6、R7以及電阻R3、R4、R5、R8，分別為運算放大器Q1、Q2的輸入電阻以及回授電阻，電阻R9為運算放大器Q3的輸入接地電阻。藉此，被零相比流器3檢測出來的漏電電流，會被運算放大器Q1、Q2放大，且藉由運算放大器Q3的差動放大，更被增大，而被供給至下一段的濾波部42。

濾波部42係具備濾波器用的電阻R10、被連接於此電阻R10的輸出側與接地之間的電容C1與電阻R11的串聯電路、以及與此串聯電路並聯的電容C2，來形成低通濾波器(LPF)。濾波部42，除去漏電電流的高頻成分，避免因瞬間雜訊造成的開閉部2的不必要的動作，且如後述般地，具有一種濾波特性，其接近人體對於感電所具有的頻率特性。另外，濾波部42的基本構成，係只要至少有電阻R10與電容C2即可。

平方運算部43，係具備：具有將輸入信號作平方運算的運算功能之CPU等的積體電路IC1。平方運算部43，係將從濾波部42被輸入的漏電信號，以積體電路IC1所執行的軟運算處理來進行平方運算，將求得的平方運算值輸入至下一段的增益調整部44中。又，平方運算部43，亦可進行平方運算以外的運算處理，亦可基於所被求得的平方運算，再進行求取漏電信號的瞬間值的均方根的運算，來求取漏電信號的有效值。

增益調整器44具備放大用的運算放大器Q4，放大來自上述平方運算部43的平方運算值，將其輸出輸入至積分電路部45中。在此，電阻R12、R13以及R14，係分別表示輸入電阻、接地電阻、以及回授電阻。另外，在此的增益調整可藉由調整輸入電阻R12或回授電阻R14的值來進行。又，亦可於運算放大器中另外安裝增益調整用的可變電阻器。

積分電路部45，係具備：用以積分來自增益調整部44的輸出之運算放大器Q5；連接運算放大器Q5與增益調整部44之輸入電阻R15；將運算放大器Q5的輸入的一端接地之接地電阻R16；運算放大器Q5的回授用電阻R17；以及與電阻R17並聯連接的積分用電容C3。藉此，積分來自增益調整部44的輸入信號，使高頻成分降低，抑制瞬間的輸入信號的變動。

臨界值判定部46，係具備用以判定來自積分電路部45的輸入信號位準之運算放大器Q6，運算放大器Q6的輸入端的其中一端，係以輸入電阻R18而與積分電路部45連接，運算放大器Q6的輸入端的另一端，係被施加預定的臨界值電壓E1。臨界值判定部46，比較來自積分電路部45的輸入信號的電壓與臨界值電壓E1，當輸入信號大於臨界值電壓E1時，判定為漏電而產生漏電控制信號，並將此漏電控制信號輸出至開閉部2的開關部21。藉此，使開閉部2斷開而遮斷至負載30側的電源供給。另外，亦可以將輸往臨界值判定部46的輸入信號設為漏電信號的有效值，此時，臨界值電壓E1亦改變。

在此，參照第3圖至第5圖，詳細說明上述濾波部42。第3圖(「知覺電流的臨界值」：作者Dalziel.C.F，AIEE會報，Part III-B，990頁～996頁，1954年發行)，係表示相對於頻率之人體知覺感電的相對電流值也就是頻率係數，○記號係表示依據Dalziel的資料、實線係表示被記載於IEC(國際電工委員會)479規格中的資料，虛線係表示被記載於IEC990規格中的R-C電路網的輸出入傳遞函數的逆特性的各圖表。一般而言，人具有電流的頻率越高，對於其電流的知覺變得越遲鈍的特性。例如，將漏電電流為100Hz的低頻中的頻率係數設為1，則在10kHz的高頻中，頻率係數變成數倍大，人對於低頻中小數值的電流產生知覺，但若高頻中的電流值僅為該頻率係數的程度的大小，則不會產生同樣的知覺。

又，第4圖係表示被IEC990記載的R-C電路網，此係具有與Dalziel指稱的特性的相反特性。前述濾波部42(參照第2圖)係成為與此R-C電路網同樣的構成，R10=10KΩ、C1=0.0062μF、R11=20KΩ、C2=0.0091μF，得到接近人體對於感電所具有的頻率特性的濾波特性。

又，第5圖係表示在使用上述R-C電路網的漏電檢測的濾波器的情況，漏電電流的斷路電位準頻率特性。在此圖表中，橫軸係表示頻率，縱軸係表示用以判斷使電路遮斷的斷路電位準。此R-C電路網係越為低頻，其傳遞函數越大。因此，於低頻中係高感度，斷路電位準的電流值低，於高頻中感度降低，斷路電位準的電流值大。因此，若使用近似於此頻率特性的濾波器，則本實施形態的配線器具1，係於低頻中，以小的漏電電流來使開閉部2斷路，於高頻中，則以較大的漏電電流來使開閉部2斷路。例如，頻率為電源頻率(50Hz、60Hz)至100Hz中的斷路電位準係約5mA，因此，若漏電電流超過此斷路電位準，則電路20被遮斷。此斷路電位準，係隨著頻率變高，基於頻率係數而變大。另外，此斷路電位準被設定為對於感電具有某程度的餘裕。

如上述般地被構成的本配線器具1中，例如，若於負載30側發生漏電，則以零相比流器3所檢測出來的漏電信號，係通過濾波部42被輸入平方運算部43中，於平方運算部43被平方運算，而被變換為漏電信號的平方值。此漏電信號的平方運算值，係等價地對應漏電電流的能量值，因此，即便為波形歪曲大的漏電電流(包含複合頻率成分的漏電電流)，與平均值檢測不同，可得到不會被波形影響的漏電電流檢測位準。藉此，漏電信號的檢測位準，與先前的依據平均值而產生的檢測位準相較，變成較高，而提高檢測感度位準。又，在臨界值判定部46中，即便是基於漏電信號的有效值來判定的情況，亦不被波形歪曲影響，因此，與前述同樣地，與平均值相較，漏電檢測位準變高。

因此，先前的平均值比較中，實際上，有即便漏電信號位準大亦判定為小而不回應漏電遮斷的情況，但若根據本實施形態的配線器具1，由於是藉由漏電電流的平方值與預定的臨界值的比較，來進行漏電判定，即便漏電電流為歪曲的波形，檢測位準亦不降低。藉此，可判定精度變得良好地遮斷漏電，因此，能提高對於漏電的安全性。又，因藉由積分電路部45可抑制瞬間發生的漏電電流的檢測信號的位準變動，所以可降低臨界值判定部46的誤動作，避免開閉部2作不必要的動作。另外，於開閉部2的後段(負載側)進行至電源部5的商用電源的連接，但即便是從開閉部2的前段連接，亦不會對於漏電檢測造成影響。

接著，參照第6圖來說明本發明中的第二實施形態之配線器具。第6圖係表示配線器具的漏電控制部4。此實施形態中，漏電控制部4中的濾波部42，係於其輸出入之間具有直流(DC)遮斷功能。其他構成係與前述實施形態相等。

濾波部42，更具備：被串聯連接於輸入電阻R10與下一段的平方運算部43的輸入側之間的DC遮斷用的電容C4；以及分別被並聯連接於電容C4的平方運算部43側端子與接地之間的電容C5與電阻19。

本實施形態中，來自零相比流器3而於放大器41被放大後的漏電信號，係於濾波部42中，藉由電阻R10、電阻R11以及電容C1的串聯路徑與電容C2的並聯電路而被分壓。此被分壓後的信號，通過串聯連接於電阻R10上的電容C4，藉此DC成分被遮斷，並被輸入至平方運算部43中。在此，一般而言，漏電電流係以約數mA的電流值為檢測對象，因此，零相比流器3的輸出小，而將後段的放大器41的放大率設定成較大。因此，放大器41，若放大率大，則於運算放大器Q1至Q3中發生的DC補償電壓增大，輸出具有較大DC補償的漏電信號。依此，當濾波部42中無DC遮斷功能時，來自放大部41的輸出信號會維持原狀地通過濾波部42，於後段的平方運算部43被平方運算，因此，DC補償更被增大。因此，對於DC補償的縮小化，必須於放大部41使用DC補償精度良好的昂貴的放大器或是設置補償調整電路來調整補償。

但是，在本實施形態中，因在濾波部42中設有DC遮斷器，從濾波部42，輸出信號未具有DC補償，藉此，可避免DC補償對後段的漏電檢測位準造成影響，提高漏電檢測精度，且不需要用以調整補償的電路等，因而成本低廉。再者，即便構成此DC遮斷器，作為實現漏電檢測的頻率特性的手段，濾波部42係可僅藉由電容與電阻的低廉的零件來構成。

另外，本發明不被限於上述實施形態的構成而可為各種的變化。例如，上述各實施形態中係軟運算(軟計算)地進行依平方運算部的平方運算，但亦可硬運算(硬計算)地進行，又，亦可利用有效值運算元件等。又，釋放繼電器不限於電磁繼電器，亦可為半導體繼電器等的其他的繼電器。

又，本申請案係基於日本專利申請案2008-173082號，其專利申請的內容，依參照而被併入本案。

1．．．配線器具

2．．．開閉部

3．．．零相比流器

4．．．漏電控制部

5．．．電源部

20．．．電路

21．．．開關部

22．．．激磁線圈

23．．．接點

30．．．負載

41．．．放大部

42．．．濾波部

43．．．平方運算部

44．．．增益調整部

45．．．積分電路部

46．．．臨界值判定部

100．．．配線器具

101．．．開關部

102．．．零相比流器

103．．．漏電控制部

120．．．負載

130．．．主斷路器

131．．．濾波部

132．．．臨界值判定部

133．．．計數器

134．．．漏電判斷部

135．．．整流部

136．．．積分部

140．．．支線斷路器

第1圖係本發明的第一實施形態之配線器具的構成圖。

第2圖係上述配線器具的漏電控制部的構成圖。

第3圖係用以說明人體的感電的頻率特性的圖。

第4圖係上述配線器具的濾波部的具體構成圖。

第5圖係表示上述配線器具的斷路電位準頻率特性的圖。

第6圖係本發的第二實施形態之配線器具中的漏電控制部的構成圖。

第7圖係先前的配線器具所使用的電源與負載之間的電路構成圖。

第8圖係先前的配線器具的構成圖。

第9圖(a)係上述配線器具中的漏電電流的波形圖、(b)係表示該漏電電流波形的負極性檢波的圖、(c)係表示該漏電電流波形的的正極性檢波的圖、(d)係表示斷路信號的圖。

第10圖係其他先前的配線器具中的漏電控制部的構成圖。

第11圖係上述配線器具中的漏電電流的波形圖。

2．．．開閉部

3．．．零相比流器

4．．．漏電控制部

41．．．放大部

42．．．濾波部

43．．．平方運算部

44．．．增益調整部

45．．．積分電路部

46．．．臨界值判定部

Claims (7)

1. 一種具有漏電檢測功能的配線器具，被設在商用電源與負載之間，且具備：漏電控制部，檢測出在連結前述商用電源與前述負載的電路中流動的漏電電流，來進行漏電判定；以及開閉部，依據藉由前述漏電控制部所作的漏電判定，來遮斷前述電路；並且，該具有漏電檢測功能的配線器具的特徵在於：前述漏電控制部係具備：濾波部，具有用以過濾檢測出來的漏電電流之人體對於感電所具有的頻率特性；運算部，算出通過前述濾波部的信號的平方運算值；以及判定部，藉由比較依前述運算部而得到的平方運算值與預先設定的臨界值來判定漏電；並且，前述漏電控制部，於低頻時，針對漏電電流以小的漏電電流值來使前述電路斷路；於高頻時，針對前述漏電電流則以大的漏電電流值來使前述電路斷路。
2. 如申請專利範圍第1項所述的具有漏電檢測功能的配線器具，其中具備用以檢測在電路中流動的漏電電流之零相比流器。
3. 如申請專利範圍第2項所述的具有漏電檢測功能的配 線器具，其中前述漏電控制部更具備：放大部，差動放大來自前述零相比流器的漏電電流，並輸出至前述濾波部；增益調整部，進行藉由前述運算部所產生的平方運算輸出的增益調整；以及積分電路部，積分前述被增益調整後的平方運算輸出，並輸出該積分輸出至前述判定部。
4. 如申請專利範圍第1項所述的具有漏電檢測功能的配線器具，其中前述濾波部係由電容以及電阻所構成。
5. 如申請專利範圍第4項所述的具有漏電檢測功能的配線器具，其中前述濾波部更具備：具有直流遮斷功能的電容。
6. 如申請專利範圍第5項所述的具有漏電檢測功能的配線器具，其中具備用以檢測在電路中流動的漏電電流之零相比流器。
7. 如申請專利範圍第6項所述的具有漏電檢測功能的配線器具，其中前述漏電控制部更具備：放大部，差動放大來自前述零相比流器的漏電電流，並輸出至前述濾波部；增益調整部，進行藉由前述運算部所產生的平方運算 輸出的增益調整；以及積分電路部，積分前述被增益調整後的平方運算輸出，並輸出該積分輸出至前述判定部。