直流漏電検出装置
【課題】定格範囲内の漏洩電流を高感度に検出でき、定格範囲を超える地絡事故時が生じた場合でも地絡事故を確実に判定できる直流漏電検出装置を提供する。
【解決手段】直流漏電検出装置１０１は、閉磁路を形成する環状の磁性体コア３、磁性体コア３に巻回された励磁巻線１、および磁性体コア３に巻回された検出巻線２を有し、少なくとも２本の被測定電流線４が磁性体コア３を貫通しているフラックスゲート電流センサ５２と、励磁巻線１のインピーダンス変化に依存せずに所望の電流波形を励磁巻線１に通電するための電流制御回路６と、励磁巻線１に印加される電圧を検出する電圧検出回路７と、検出巻線２の出力電圧から特定の周波数成分のみを抽出するフィルタ回路８と、電圧検出回路７の出力およびフィルタ回路８の出力に基づいて、過漏電の発生有無を判定する漏電判定回路９などを備える。
【解決手段】直流漏電検出装置１０１は、閉磁路を形成する環状の磁性体コア３、磁性体コア３に巻回された励磁巻線１、および磁性体コア３に巻回された検出巻線２を有し、少なくとも２本の被測定電流線４が磁性体コア３を貫通しているフラックスゲート電流センサ５２と、励磁巻線１のインピーダンス変化に依存せずに所望の電流波形を励磁巻線１に通電するための電流制御回路６と、励磁巻線１に印加される電圧を検出する電圧検出回路７と、検出巻線２の出力電圧から特定の周波数成分のみを抽出するフィルタ回路８と、電圧検出回路７の出力およびフィルタ回路８の出力に基づいて、過漏電の発生有無を判定する漏電判定回路９などを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電路の漏洩電流及び過度な漏電を非接触で検出できる直流漏電検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気機器や配線ケーブルは十分絶縁対策が施されているものの、経年劣化、ケーブルへの応力、機器の異なる取扱いなどにより絶縁劣化が生じ、絶縁劣化箇所を介して漏洩電流が流れ、人体への感電や発熱による火災事故が発生する要因となる。こうした漏電事故は、漏電検出センサである零相変流器（ＺＣＴ: Zero-phase Current Transformer）が内蔵された漏電遮断器や漏電リレーを電路に備えることで抑止することができる。ただし、零相変流器の動作原理上、交流の漏洩電流しか検出することができず、例えば太陽光発電システムや電気自動車システムといった直流電路系統においては、零相変流器が使用できない。
【０００３】
従来、直流電流センサとして、一部空隙部を設けた環状の磁性体コアに計測対象電流線を貫通させ、空隙部における磁界を、ホール素子や磁気抵抗素子（ＭＲ素子）等の磁気センサで検出し、センサ出力値から電流値を演算する手法が知られている。ただし、ホール素子や磁気抵抗素子（ＭＲ素子）は微小な磁界量を検出できないため、往路復路の差分電流や三相電流の和分電流といった零相電流、すなわち漏電を検出することは難しいのが現状である。
【０００４】
一方、ホール素子や磁気抵抗素子に比べて、磁界検出感度や温度依存性に優れる磁気センサとしてフラックスゲート磁気センサが知られている。例えば、特許文献１の第１図に示されているように、電流センサとして応用した形態であれば、漏電といった微小電流を検出するのにも適しており、動作原理上、直流および交流の電流が検出できる。
【０００５】
従来のフラックスゲート電流センサは、閉磁路を形成した高透磁率を有する環状の磁性体コアに励磁巻線及び検出巻線を巻回し、被測定電流が流れる電流線を閉磁路内に貫通させた構造を有する。
【０００６】
その動作原理について説明する。励磁巻線に交流励磁電流を通電し、磁性体コアを周期的に磁気飽和させる。被測定電流値が零である場合、励磁電流により発生する磁界変化は、磁性体コア材のＢ−Ｈ曲線の原点に関して対称となる。検出巻線にはファラデーの電磁誘導則に従い、検出巻線を巻回した磁性体コア内の磁束量の変化に伴い出力電圧が発生するため、磁性体コアが磁気飽和した磁界領域において出力電圧は零となる。すなわち、出力電圧は周期的に零電圧を有した波形となり、零電圧となる時間間隔は常に一定で、周期はＢ−Ｈ曲線の原点対称性から励磁周波数の２倍となる。
【０００７】
一方、被測定電流値が零でない場合、励磁電流により発生する励磁磁界に、被測定電流線から発生する磁界が重畳し、その磁界変化は、磁性体コア材のＢ−Ｈ曲線の原点に関して対称ではない。そのため、ある一定周期の励磁磁界で磁性体コアを励磁したとしても、出力電圧が零である時間間隔は一定とならず、磁界変化の挙動が正側および負側に変化した場合で異なるようになる。従って、出力電圧が零である時間間隔の差分から被測定電流値を演算することができ、被測定電流線での電流値を非接触で計測することができる。
【０００８】
さらに、フラックスゲート電流センサの検出精度を向上させるために、例えば特許文献２の図１に示されているような励磁磁界方向と検出磁界方向を直交させた構造や特許文献３の図２に示されているような２つの磁性体コアにそれぞれ逆向きの励磁磁界を印加し、検出巻線を一体巻回し差動化させた構造など、励磁磁界が検出磁界に与える影響を除去もしくは相殺させた構造が提案されている。
【０００９】
なお、特許文献４〜１１は、直流電流の非接触検出に関するものであるが、動作原理や演算手法の点で本発明と相違する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】実昭５９−９２５３２号公報（１頁、図１）
【特許文献２】特開平６−２８１６７４号公報（４頁１６行、図１）
【特許文献３】特開２００１−２２８１８１号公報（３頁１７行、図２）
【特許文献４】特開平１１−６４３９１号公報
【特許文献５】特開平５−１０９８０号公報
【特許文献６】特開平２−２８７２６６号公報
【特許文献７】特開昭５８−１４８９６６号公報
【特許文献８】特開２０００−２６６７８６号公報
【特許文献９】特開平７−３１２８２３号公報
【特許文献１０】特開平３−２５１７７２号公報
【特許文献１１】特開平６−１８５６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
フラックスゲート電流センサを漏電検出用の電流センサとして使用する場合、単相交流では往路復路の電流線をそれぞれ環状の磁性体コアに貫通させ、往路復路の電流線からそれぞれ生じる磁界の差分、もしくは３相交流では各電流線からそれぞれ生じる磁界の差分、すなわち比較的微弱な磁界をセンサで検出することになる。
【００１２】
一方、復路電流がアースを介して流れた場合や、３相中１相ないしは２相の電流がアースを介して流れた場合など、地絡事故が生じて過漏電が発生している状況下では、往路電流線から生じる磁界や３相バランスがくずれた磁界は比較的強くなる。この場合でも、強磁界を検出して、事故発生から瞬時に対象電路の給電を遮断する必要がある。
【００１３】
しかしながら、フラックスゲート電流センサの動作原理上、強磁界の印加によって磁性体コアが完全に磁気飽和してしまう環境下では、センサ出力電圧は零となってしまい、漏電有無の識別ができないという課題がある。
【００１４】
本発明の目的は、定格範囲内の漏洩電流を高感度に検出でき、定格範囲を超える地絡事故時が生じた場合でも地絡事故を確実に判定できる直流漏電検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明に係る直流漏電検出装置は、
閉磁路を形成する環状の磁性体コア、該磁性体コアに巻回された励磁巻線、および該磁性体コアに巻回された検出巻線を有し、少なくとも２本の被測定電流線が磁性体コアを貫通しているフラックスゲート電流センサと、
励磁巻線のインピーダンス変化に依存せずに所望の電流波形を励磁巻線に通電するための電流制御回路と、
励磁巻線に印加される電圧を検出する電圧検出回路と、
検出巻線の出力電圧から特定の周波数成分のみを抽出するフィルタ回路と、
電圧検出回路の出力およびフィルタ回路の出力に基づいて、過漏電の発生有無を判定する漏電判定回路とを備えたことを特徴とする。
【００１６】
また本発明に係る直流漏電検出装置は、
空隙部を有する環状の磁性体コア、該磁性体コアに巻回された励磁巻線、および空隙部近傍に設置された磁気センサを有し、少なくとも２本の被測定電流線が磁性体コアを貫通している電流センサと、
励磁巻線のインピーダンス変化に依存せずに所望の電流波形を励磁巻線に通電するための電流制御回路と、
励磁巻線に印加される電圧を検出する電圧検出回路と、
磁気センサの出力電圧から励磁成分を除去する励磁成分除去回路と、
電圧検出回路の出力および励磁成分除去回路の出力に基づいて、過漏電の発生有無を判定する漏電判定回路とを備えたことを特徴とする。
【００１７】
また本発明に係る直流漏電検出装置は、
閉磁路を形成する環状の磁性体コア、該磁性体コアに巻回された励磁巻線、および該磁性体コアに巻回された検出巻線を有し、少なくとも２本の被測定電流線が磁性体コアを貫通しているフラックスゲート電流センサと、
励磁巻線のインピーダンス変化に依存せずに所望の電圧波形を励磁巻線に印加するための電圧制御回路と、
励磁巻線に通電される電流値を検出する電流検出回路と、
検出巻線の出力電圧から特定の周波数成分のみを抽出するフィルタ回路と、
電流検出回路の出力およびフィルタ回路の出力に基づいて、過漏電の発生有無を判定する漏電判定回路とを備えたことを特徴とする。
【００１８】
また本発明に係る直流漏電検出装置は、
空隙部を有する環状の磁性体コア、該磁性体コアに巻回された励磁巻線、および空隙部近傍に設置された磁気センサを有し、少なくとも２本の被測定電流線が磁性体コアを貫通している電流センサと、
励磁巻線のインピーダンス変化に依存せずに所望の電圧波形を励磁巻線に印加するための電圧制御回路と、
励磁巻線に通電される電流値を検出する電流検出回路と、
磁気センサの出力電圧から励磁成分を除去する励磁成分除去回路と、
電流検出回路の出力および励磁成分除去回路の出力に基づいて、過漏電の発生有無を判定する漏電判定回路とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、磁性体コアが磁気飽和した場合、磁性体コアの比透磁率は空気の比透磁率とほぼ同等となるため、励磁巻線のインダクタンスが急激に低下し、結果的に励磁巻線のインピーダンスは急激に低下する。そこで、励磁巻線に印加される電圧または電流を検出することによって、磁性体コアの磁気飽和の有無を判定でき、その結果、差分電流または零相電流が大きい地絡事故、すなわち過漏電の発生有無を判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態１を示す構成図である。
【図２】フラックスゲート電流センサの動作原理を示す説明図である。
【図３】励磁磁界と磁束密度との関係を示す説明図であり、図３（ａ）は被測定電流値が零である場合、図３（ｂ）は被測定電流値が零でない場合を示す。
【図４】検出巻線の出力電圧波形を示すグラフである。
【図５】フラックスゲート電流センサの入出力特性の一例を示すグラフである。
【図６】磁性体コアの磁界に対する比透磁率特性の一例を示すグラフである。
【図７】励磁巻線に通電される電流波形の一例を示すグラフである。
【図８】磁性体コアの磁気特性の一例を示すグラフである。
【図９】本発明の実施の形態２を示す構成図である。
【図１０】磁気センサを用いた電流センサの一例を示す斜視図である。
【図１１】本発明の実施の形態３を示す構成図である。
【図１２】本発明の実施の形態４を示す構成図である。
【図１３】本発明の実施の形態５を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１を示す構成図である。直流漏電検出装置１０１は、センサ駆動回路５１と、フラックスゲート電流センサ５２と、検出回路５３などを備える。
【００２２】
フラックスゲート電流センサ５２は、閉磁路を形成する環状の磁性体コア３と、磁性体コア３に巻回された励磁巻線１と、磁性体コア３に巻回された検出巻線２などを備える。磁性体コア３のほぼ中心を貫通するように、少なくとも２本の被測定電流線４が配置される。直流電路または単相交流電路の場合、往路と復路で計２本の被測定電流線４が配置され、３相交流電路の場合、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の計３本の被測定電流線４が配置される。
【００２３】
センサ駆動回路５１は、所定の周波数ｆの基準交流波形を発生する交流電源５と、基準交流波形に比例した電流を励磁巻線１に通電するための電流制御回路６などを備える。
【００２４】
検出回路５３は、励磁巻線１に印加される電圧を検出する電圧検出回路７と、検出巻線２の出力電圧から、特定の周波数成分、即ち、基準交流波形の周波数ｆの２倍に相当する周波数成分２ｆのみを抽出するフィルタ回路８と、電圧検出回路７の出力およびフィルタ回路８の出力に基づいて、被測定電流線４において過漏電の発生有無を判定する漏電判定回路９などを備える。
【００２５】
図２は、フラックスゲート電流センサ５２の動作原理を示す説明図である。直流電源２１と負荷機器２２とが往路復路の電流線４を経由して電気接続されている。漏電を検出する場合、図２（ａ）に示すように、往路復路の電流線４が磁性体コア３の穴を貫通するように配置される。往路電流値と復路電流値が同一である場合、両方の電流線４に流れる電流の向きが逆であるため、電流線近傍に生じる磁界は相殺され、結果的に電流線近傍の磁界は零となる。一方、負荷機器２２で漏洩電流（漏電）２３が生じた場合、復路の電流線４に流れる電流値が往路の電流値に比べて小さくなるため、結果的に、往路電流値と復路電流値の差分に相当する磁界が電流線近傍に発生することになる。
【００２６】
本実施形態では、電流線近傍に生じる磁界を非接触で検出するセンサとして、フラックスゲート磁気センサの技術を応用している。フラックスゲート磁気センサは、ホール素子や磁気抵抗素子（ＭＲ素子やＧＭＲ素子）といった磁気センサに比べてより微小な磁界を検出することができ、温度依存性も良いことが知られている。
【００２７】
図２（ｂ）は、動作説明のために、１本の電流線４が磁性体コア３を貫通する場合を示している。フラックスゲート電流センサ５２は、例えば、珪素鋼板やＰＣパーマロイといった高透磁率材料からなる環状の磁性体コア３に、励磁巻線１及び検出巻線２を巻回した構造である。励磁巻線１には交流電流を通電し、磁性体コア３が周期的に磁気飽和するように励磁する。
【００２８】
図３は、励磁磁界と磁性体コア３の磁束密度との関係を示す説明図であり、図３（ａ）は被測定電流値が零である場合、図３（ｂ）は被測定電流値が零でない場合を示す。図４は、検出巻線２の出力電圧波形を示すグラフである。
【００２９】
電流制御回路６が基準交流波形に対応した電流を励磁巻線１に通電した状態で、被測定電流値が零の場合、図３（ａ）に示すように、正負対称の励磁磁界３１が磁性体コア３に印加される。磁性体コア３は、ある一定以上の磁界に対して磁束密度が増加しない磁気特性（Ｂ−Ｈ特性）３２を有するため、励磁磁界３１が一定レベルを超えた時点で磁束密度が飽和した波形を示す磁束変化３３が得られる。検出巻線２は、ファラデーの電磁誘導則に従って、磁性体コア内の磁束変化３３に応じた電圧を出力する。
【００３０】
図４（ａ）に示すように、磁性体コア３の磁束密度が飽和した期間では検出巻線２の出力電圧は零になり、磁束変化３３の正および負の傾斜に対応するように正および負の電圧値が交互に現れる。磁性体コア３の磁気特性が原点に関して対称であるため、検出巻線２の出力電圧は、励磁磁界周波数ｆの２倍に相当する周波数成分２ｆが発生することが判る。そこで、フィルタ回路８において、例えば、バンドパスフィルタなどを用いて、出力電圧波形から周波数成分２ｆを抽出することによって、被測定電流値を演算することができる。
【００３１】
一方、被測定電流値が零でない場合、電流線近傍では相殺されず残った磁界が生じることになる。そのため、電流線４から生じる磁界が励磁磁界に重畳され、図３（ｂ）に示すように、バイアス磁界を有した交流磁界３４が磁性体コア３に印加される。このとき磁束密度の飽和期間が正側および負側で相違するようになり、検出巻線２の出力電圧は、図４（ｂ）に示すように、零電圧の時間間隔が一定ではなく、バイアス磁界の極性に応じて異なる波形になる。こうした変化は、フィルタ回路８において出力電圧波形から周波数成分２ｆを抽出することによって、被測定電流値を演算することができる。
【００３２】
図５は、フラックスゲート電流センサ５２の入出力特性の一例を示すグラフである。縦軸はフィルタ回路８の出力電圧波形の実効値、横軸は被測定電流線４の漏洩電流の値であり、両者は比例関係にあることが判る。
【００３３】
以上の説明では、磁性体コア３には歪みのない正弦波磁界を印加した場合を例示したが、磁性体コア３に印加する励磁磁界は、励磁巻線１に通電する電流値、励磁巻線数、磁性体コアの平均磁路長が既知であれば計算することが可能である。ただし、励磁巻線１は環状の磁性体コア３に巻いており、磁性体の比透磁率は、例えば、図６に示すように、印加する磁界強度に対して一定の値にはならない。すなわち、励磁巻線１に通電する電流値に応じて磁性体コアの比透磁率は変化するため、励磁電流は、図７（ａ）に示すように、歪んだ波形となる。
【００３４】
そこで、電流制御回路６として、励磁巻線３のインダクタンス、すなわちインピーダンス変化に依存しない励磁電流波形を供給できる回路、例えば、バイラテラル型電圧−電流変換回路で構成することが好ましい。この場合、例えば、基準交流波形として正弦波の電圧波形を電流制御回路６に入力した場合、励磁巻線１には歪みのない正弦波電流波形を通電することができる。
【００３５】
上述のように、フラックスゲート電流センサ５２の動作原理上、計測できる電流範囲は、バイアス磁界が重畳した場合でも正負必ず磁気飽和が得られる磁界領域であるため、図８に示した範囲±αとなる。従って、範囲±αを超えるような大きなバイアス磁界が磁性体コア３に印加されると、漏洩電流を高精度に計測することができない。
【００３６】
さて、電流センサとして運用する場合は、定格範囲外の計測精度を補償する必要は無く、仮に定格範囲外の電流を通電した場合にセンサが壊れないということが製品仕様に盛り込まれることが想定される。しかしながら、漏電センサとして運用する場合、電流センサとして運用する場合とは少し事情が異なり、往路復路の電流線４から生じる磁界の差分を検出する必要がある。
【００３７】
例えば、図２（ａ）で示すように、負荷機器２２からアースを介して漏電２３が生じ、復路電流値に比べて漏洩電流が大きい地絡事故、いわゆる過漏電が発生することも考えられる。この場合、復路電流による相殺が小さくなり、往路電流線から生じる磁界の大部分が磁性体コア３に印加されるため、磁性体コア３は完全に磁気飽和し、検出巻線２の出力電圧は常に零になる現象が生じることが予測できる。磁性体コア３が磁気飽和した場合、磁性体コア３の比透磁率は空気の比透磁率とほぼ同等となるため、励磁巻線１のインダクタンスが急激に低下し、結果的に励磁巻線１のインピーダンスは急激に低下する。このとき、電流制御回路６により励磁巻線１のインピーダンス変化に関わらず一定振幅の電流を励磁巻線１に通電しているため、オーム則に従い、励磁巻線１に印加する電圧が急激に低下する。
【００３８】
そこで、電圧検出回路７が励磁巻線１に印加される電圧、例えば、励磁電圧波形のピーク値を検出し、漏電判定回路９は、検出されたピーク値の変化を判定することによって過漏電の発生有無を判定することができる。こうしたピーク検出回路は、例えば全波整流回路や平滑回路などから構成できる。
【００３９】
漏電判定回路９は、例えば、Ａ／Ｄコンバータ、マイクロプロセッサ、メモリなどで構成され、フィルタ回路８の出力信号および電圧検出回路７の出力信号をいずれもＡ／Ｄコンバータを介してデジタル信号としてメモリに取り込むことができる。電圧検出回路７の出力信号レベルが所定の定格範囲内（例えば、図８の±αに相当する範囲内）であれば、フィルタ回路８の出力信号から漏電量を演算できる。一方、電圧検出回路７の出力信号が所定の定格範囲外（例えば、図８の±αを超える範囲）であれば、地絡事故等による過漏電が発生したと考えられ、電圧検出回路７の出力信号から過漏電の発生有無を判定することができる。
【００４０】
過漏電の発生有りと判定した場合、図示はしていないが、演算した漏電量や過漏電の発生有無に応じて漏電遮断器や漏電リレーなどを用いて電路を遮断したり、リレー信号を接続機器に発令したりすることが可能である。代替として、漏電量を演算する必要がない場合は、コンパレータ等を用いて漏電量の２値判定を行って、地絡事故の有り無し判定を実施することも可能である。
【００４１】
さらに、本実施形態では、電圧検出回路７が励磁巻線１に印加される電圧波形のピーク値を検出し、漏電判定回路９がこのピーク値の変化を判定する場合を例として説明したが、代替として、電圧検出回路７が励磁巻線１に印加される電圧波形の実効値を検出し、漏電判定回路９がこの実効値の変化を判定することによって、過漏電の発生有無を判定することも可能である。
【００４２】
実施の形態２．
図９は、本発明の実施の形態２を示す構成図である。直流漏電検出装置１０２は、センサ駆動回路５１と、電流センサ６２と、検出回路６３などを備える。
【００４３】
電流センサ６２は、図１０に示すように、空隙部を有する環状の磁性体コア１２と、磁性体コア１２に巻回された励磁巻線１１と、空隙部近傍に設置された磁気センサ１３などを備える。磁気センサ１３は、ホール素子や磁気抵抗素子（ＭＲ素子）などで構成される。磁性体コア１２のほぼ中心を貫通するように、少なくとも２本の被測定電流線４が配置される。直流電路または単相交流電路の場合、往路と復路で計２本の被測定電流線４が配置され、３相交流電路の場合、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の計３本の被測定電流線４が配置される。
【００４４】
センサ駆動回路５１は、図１と同様に、所定の周波数ｆの基準交流波形を発生する交流電源５と、基準交流波形に比例した電流を励磁巻線１に通電するための電流制御回路６などを備える。
【００４５】
検出回路６３は、励磁巻線１に印加される電圧を検出する電圧検出回路７と、磁気センサ１３の出力電圧から励磁成分を除去する励磁成分除去回路１４と、電圧検出回路７の出力および励磁成分除去回路１４の出力に基づいて、被測定電流線４において過漏電の発生有無を判定する漏電判定回路９などを備える。
【００４６】
本実施形態では、磁気センサ１３を利用した電流センサ６２を使用しており、地絡事故等により過漏電が発生した場合、磁性体コア１２は磁気飽和する。ただし、ホール素子やＭＲ素子は出力信号が飽和するだけであり、零にはならない。
【００４７】
磁気センサ１３は、検出対象磁界だけでなく励磁磁界成分も検出してしまうため、検出回路６３に励磁成分除去回路１４を設けている。励磁成分除去回路１４として、例えば、励磁磁界の周波数成分ｆを除去するローパスフィルタが使用できる。
【００４８】
また、磁性体コア１２の比透磁率が磁界強度に対して変化する場合、電流制御回路６として、励磁巻線３のインダクタンス、すなわちインピーダンス変化に依存しない励磁電流波形を供給できる回路、例えば、バイラテラル型電圧−電流変換回路で構成することが好ましい。この場合、例えば、基準交流波形として正弦波の電圧波形を電流制御回路６に入力した場合、励磁巻線１には歪みのない正弦波電流波形を通電することができる。
【００４９】
電圧検出回路７は、励磁巻線１に印加される電圧波形のピーク値を検出し、漏電判定回路９がこのピーク値の変化を判定するように構成してもよく、あるいは、励磁巻線１に印加される電圧波形の実効値を検出し、漏電判定回路９がこの実効値の変化を判定するように構成してもよい。
【００５０】
漏電判定回路９は、図１と同様に、例えば、Ａ／Ｄコンバータ、マイクロプロセッサ、メモリなどで構成され、フィルタ回路８の出力信号および電圧検出回路７の出力信号をいずれもＡ／Ｄコンバータを介してデジタル信号としてメモリに取り込むことができる。電圧検出回路７の出力信号レベルが所定の定格範囲内（例えば、図８の±αに相当する範囲内）であれば、フィルタ回路８の出力信号から漏電量を演算できる。一方、電圧検出回路７の出力信号が所定の定格範囲外（例えば、図８の±αを超える範囲）であれば、地絡事故等による過漏電が発生したと考えられ、電圧検出回路７の出力信号から過漏電の発生有無を判定することができる。
【００５１】
過漏電の発生有りと判定した場合、図示はしていないが、演算した漏電量や過漏電の発生有無に応じて漏電遮断器や漏電リレーなどを用いて電路を遮断したり、リレー信号を接続機器に発令したりすることが可能である。代替として、漏電量を演算する必要がない場合は、コンパレータ等を用いて漏電量の２値判定を行って、地絡事故の有り無し判定を実施することも可能である。
【００５２】
なお、上述の実施の形態１，２において、磁性体コアに対して励磁巻線や検出巻線を局所的に巻回した場合を例示したが、磁性体コアの全周に渡って均等に分布するように巻回してもよく、さらに、磁性体コアへの巻線応力を緩和させるために、樹脂製のケースを介在させてケースの上から巻線を巻回する形態でも構わない。
【００５３】
また、実施の形態１，２において、直流漏電の場合を例示したが、交流漏電の場合でもＡ／Ｄコンバータのサンプリング条件を満足すれば問題なく適用可能であり、サンプリング条件は基準交流波形の周波数に基づいて決定できる。
【００５４】
実施の形態３．
図１１は、本発明の実施の形態３を示す構成図である。直流漏電検出装置１０３は、センサ駆動回路５１と、フラックスゲート電流センサ５２と、検出回路６４などを備える。本実施形態は、実施の形態１と同様な構成を有するが、検出回路６４において位相シフト検出回路１０を追加している点で相違する。
【００５５】
検出回路６４は、励磁巻線１に印加される電圧を検出する電圧検出回路７と、電圧検出回路７で検出された電圧波形と交流電源５からの基準交流波形との間の位相シフト量を検出する位相シフト検出回路１０と、検出巻線２の出力電圧から、特定の周波数成分、即ち、基準交流波形の周波数ｆの２倍に相当する周波数成分２ｆのみを抽出するフィルタ回路８と、位相シフト検出回路１０の出力およびフィルタ回路８の出力に基づいて、被測定電流線４において過漏電の発生有無を判定する漏電判定回路９などを備える。
【００５６】
地絡事故等により過漏電が発生して磁性体コア３が磁気飽和した場合、実施の形態１で説明したように、励磁巻線１のインピーダンス低下によって励磁巻線１への印加電圧も低下する。このとき励磁巻線１への印加電圧波形の位相も変化する。本実施形態では、基準交流波形に対する印加電圧波形の位相変化を検出するための位相シフト検出回路１０を設けることによって、漏電判定回路９は過漏電の発生有無を判定することができる。
【００５７】
なお本実施形態では、フラックスゲート電流センサ５２を用いた場合を例示したが、代替として、実施の形態２と同様に、空隙部を有する環状の磁性体コア１２と、磁性体コア１２に巻回された励磁巻線１１と、空隙部近傍に設置された磁気センサ１３を備えた電流センサ６２を用いても構わない。
【００５８】
実施の形態４．
図１２は、本発明の実施の形態４を示す構成図である。直流漏電検出装置１０４は、センサ駆動回路６１と、フラックスゲート電流センサ５２と、検出回路６５などを備える。本実施形態は、実施の形態１と同様な構成を有するが、電流制御回路６の代わりに、励磁巻線１のインピーダンス変化に依存せずに所望の電圧波形を励磁巻線１に印加するための電圧制御回路１５を備え、さらに、電圧検出回路７の代わりに、励磁巻線１に通電される電流値を検出する電流検出回路１６を備えている点で相違する。
【００５９】
センサ駆動回路６１において、交流電源５は、所定の周波数ｆの基準交流波形を発生する。電流制御回路６は、基準交流波形に比例した電圧を励磁巻線１に印加する機能を有し、例えば、低い出力インピーダンスの増幅器などで構成でき、印加電圧は負荷のインピーダンス変化に依存しなくなる。
【００６０】
地絡事故等により過漏電が発生して磁性体コア３が磁気飽和した場合、実施の形態１で説明したように、励磁巻線１のインピーダンスが急激に低下する。このとき励磁巻線１への印加電圧が固定されているため、オーム則に従い、励磁巻線１に通電される電流値が急激に増加する。ただし、電流値の上限は、電圧制御回路１５の供給電源能力で決定される。
【００６１】
そこで、電流検出回路１６が励磁巻線１に通電される電流値、例えば、励磁電流波形のピーク値または実効値を検出し、漏電判定回路９は、検出されたピーク値または実効値の変化を判定することによって過漏電の発生有無を判定することができる。
【００６２】
なお本実施形態では、フラックスゲート電流センサ５２を用いた場合を例示したが、代替として、実施の形態２と同様に、空隙部を有する環状の磁性体コア１２と、磁性体コア１２に巻回された励磁巻線１１と、空隙部近傍に設置された磁気センサ１３を備えた電流センサ６２を用いても構わない。
【００６３】
実施の形態５．
図１３は、本発明の実施の形態５を示す構成図である。直流漏電検出装置１０５は、センサ駆動回路６１と、フラックスゲート電流センサ５２と、検出回路６６などを備える。本実施形態は、実施の形態４と同様な構成を有するが、検出回路６６において位相シフト検出回路１７を追加している点で相違する。
【００６４】
検出回路６６は、励磁巻線１に通電される電流値を検出する電流検出回路１６と、電流検出回路１６で検出された電流波形と交流電源５からの基準交流波形との間の位相シフト量を検出する位相シフト検出回路１７と、検出巻線２の出力電圧から、特定の周波数成分、即ち、基準交流波形の周波数ｆの２倍に相当する周波数成分２ｆのみを抽出するフィルタ回路８と、位相シフト検出回路１７の出力およびフィルタ回路８の出力に基づいて、被測定電流線４において過漏電の発生有無を判定する漏電判定回路９などを備える。
【００６５】
地絡事故等により過漏電が発生して磁性体コア３が磁気飽和した場合、実施の形態４で説明したように、励磁巻線１のインピーダンス低下によって、励磁巻線１に通電される電流値が増加する。このとき励磁巻線１の励磁電流波形の位相も変化する。本実施形態では、基準交流波形に対する励磁電流波形の位相変化を検出するための位相シフト検出回路１１７を設けることによって、漏電判定回路９は過漏電の発生有無を判定することができる。
【００６６】
なお本実施形態では、フラックスゲート電流センサ５２を用いた場合を例示したが、代替として、実施の形態２と同様に、空隙部を有する環状の磁性体コア１２と、磁性体コア１２に巻回された励磁巻線１１と、空隙部近傍に設置された磁気センサ１３を備えた電流センサ６２を用いても構わない。
【符号の説明】
【００６７】
１，１１ 励磁巻線、 ２ 検出巻線、 ３，１２ 磁性体コア、
４ 被測定電流線、 ５ 交流電源、 ６ 電流制御回路、 ７ 電圧検出回路、
８ フィルタ回路、 ９ 漏電判定回路、 １０，１７ 位相シフト回路、
１３ 磁気センサ、 １４ 励磁成分除去回路、 １５ 電圧制御回路、
１６ 電流検出回路、 ２１ 直流電源、 ２２ 負荷機器、
２３ 漏洩電流（漏電）、 ３１ 励磁磁界、 ３２ 磁気特性（Ｂ−Ｈ特性）、
３３ 磁束変化、 ３４ バイアス磁界が重畳した励磁磁界、 ３５ 磁束変化、
５１，６１ センサ駆動回路、 ５２ フラックスゲート電流センサ、
５３，６３，６４，６５，６６ 検出回路、 １０１〜１０５ 直流漏電検出装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電路の漏洩電流及び過度な漏電を非接触で検出できる直流漏電検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気機器や配線ケーブルは十分絶縁対策が施されているものの、経年劣化、ケーブルへの応力、機器の異なる取扱いなどにより絶縁劣化が生じ、絶縁劣化箇所を介して漏洩電流が流れ、人体への感電や発熱による火災事故が発生する要因となる。こうした漏電事故は、漏電検出センサである零相変流器（ＺＣＴ: Zero-phase Current Transformer）が内蔵された漏電遮断器や漏電リレーを電路に備えることで抑止することができる。ただし、零相変流器の動作原理上、交流の漏洩電流しか検出することができず、例えば太陽光発電システムや電気自動車システムといった直流電路系統においては、零相変流器が使用できない。
【０００３】
従来、直流電流センサとして、一部空隙部を設けた環状の磁性体コアに計測対象電流線を貫通させ、空隙部における磁界を、ホール素子や磁気抵抗素子（ＭＲ素子）等の磁気センサで検出し、センサ出力値から電流値を演算する手法が知られている。ただし、ホール素子や磁気抵抗素子（ＭＲ素子）は微小な磁界量を検出できないため、往路復路の差分電流や三相電流の和分電流といった零相電流、すなわち漏電を検出することは難しいのが現状である。
【０００４】
一方、ホール素子や磁気抵抗素子に比べて、磁界検出感度や温度依存性に優れる磁気センサとしてフラックスゲート磁気センサが知られている。例えば、特許文献１の第１図に示されているように、電流センサとして応用した形態であれば、漏電といった微小電流を検出するのにも適しており、動作原理上、直流および交流の電流が検出できる。
【０００５】
従来のフラックスゲート電流センサは、閉磁路を形成した高透磁率を有する環状の磁性体コアに励磁巻線及び検出巻線を巻回し、被測定電流が流れる電流線を閉磁路内に貫通させた構造を有する。
【０００６】
その動作原理について説明する。励磁巻線に交流励磁電流を通電し、磁性体コアを周期的に磁気飽和させる。被測定電流値が零である場合、励磁電流により発生する磁界変化は、磁性体コア材のＢ−Ｈ曲線の原点に関して対称となる。検出巻線にはファラデーの電磁誘導則に従い、検出巻線を巻回した磁性体コア内の磁束量の変化に伴い出力電圧が発生するため、磁性体コアが磁気飽和した磁界領域において出力電圧は零となる。すなわち、出力電圧は周期的に零電圧を有した波形となり、零電圧となる時間間隔は常に一定で、周期はＢ−Ｈ曲線の原点対称性から励磁周波数の２倍となる。
【０００７】
一方、被測定電流値が零でない場合、励磁電流により発生する励磁磁界に、被測定電流線から発生する磁界が重畳し、その磁界変化は、磁性体コア材のＢ−Ｈ曲線の原点に関して対称ではない。そのため、ある一定周期の励磁磁界で磁性体コアを励磁したとしても、出力電圧が零である時間間隔は一定とならず、磁界変化の挙動が正側および負側に変化した場合で異なるようになる。従って、出力電圧が零である時間間隔の差分から被測定電流値を演算することができ、被測定電流線での電流値を非接触で計測することができる。
【０００８】
さらに、フラックスゲート電流センサの検出精度を向上させるために、例えば特許文献２の図１に示されているような励磁磁界方向と検出磁界方向を直交させた構造や特許文献３の図２に示されているような２つの磁性体コアにそれぞれ逆向きの励磁磁界を印加し、検出巻線を一体巻回し差動化させた構造など、励磁磁界が検出磁界に与える影響を除去もしくは相殺させた構造が提案されている。
【０００９】
なお、特許文献４〜１１は、直流電流の非接触検出に関するものであるが、動作原理や演算手法の点で本発明と相違する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】実昭５９−９２５３２号公報（１頁、図１）
【特許文献２】特開平６−２８１６７４号公報（４頁１６行、図１）
【特許文献３】特開２００１−２２８１８１号公報（３頁１７行、図２）
【特許文献４】特開平１１−６４３９１号公報
【特許文献５】特開平５−１０９８０号公報
【特許文献６】特開平２−２８７２６６号公報
【特許文献７】特開昭５８−１４８９６６号公報
【特許文献８】特開２０００−２６６７８６号公報
【特許文献９】特開平７−３１２８２３号公報
【特許文献１０】特開平３−２５１７７２号公報
【特許文献１１】特開平６−１８５６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
フラックスゲート電流センサを漏電検出用の電流センサとして使用する場合、単相交流では往路復路の電流線をそれぞれ環状の磁性体コアに貫通させ、往路復路の電流線からそれぞれ生じる磁界の差分、もしくは３相交流では各電流線からそれぞれ生じる磁界の差分、すなわち比較的微弱な磁界をセンサで検出することになる。
【００１２】
一方、復路電流がアースを介して流れた場合や、３相中１相ないしは２相の電流がアースを介して流れた場合など、地絡事故が生じて過漏電が発生している状況下では、往路電流線から生じる磁界や３相バランスがくずれた磁界は比較的強くなる。この場合でも、強磁界を検出して、事故発生から瞬時に対象電路の給電を遮断する必要がある。
【００１３】
しかしながら、フラックスゲート電流センサの動作原理上、強磁界の印加によって磁性体コアが完全に磁気飽和してしまう環境下では、センサ出力電圧は零となってしまい、漏電有無の識別ができないという課題がある。
【００１４】
本発明の目的は、定格範囲内の漏洩電流を高感度に検出でき、定格範囲を超える地絡事故時が生じた場合でも地絡事故を確実に判定できる直流漏電検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明に係る直流漏電検出装置は、
閉磁路を形成する環状の磁性体コア、該磁性体コアに巻回された励磁巻線、および該磁性体コアに巻回された検出巻線を有し、少なくとも２本の被測定電流線が磁性体コアを貫通しているフラックスゲート電流センサと、
励磁巻線のインピーダンス変化に依存せずに所望の電流波形を励磁巻線に通電するための電流制御回路と、
励磁巻線に印加される電圧を検出する電圧検出回路と、
検出巻線の出力電圧から特定の周波数成分のみを抽出するフィルタ回路と、
電圧検出回路の出力およびフィルタ回路の出力に基づいて、過漏電の発生有無を判定する漏電判定回路とを備えたことを特徴とする。
【００１６】
また本発明に係る直流漏電検出装置は、
空隙部を有する環状の磁性体コア、該磁性体コアに巻回された励磁巻線、および空隙部近傍に設置された磁気センサを有し、少なくとも２本の被測定電流線が磁性体コアを貫通している電流センサと、
励磁巻線のインピーダンス変化に依存せずに所望の電流波形を励磁巻線に通電するための電流制御回路と、
励磁巻線に印加される電圧を検出する電圧検出回路と、
磁気センサの出力電圧から励磁成分を除去する励磁成分除去回路と、
電圧検出回路の出力および励磁成分除去回路の出力に基づいて、過漏電の発生有無を判定する漏電判定回路とを備えたことを特徴とする。
【００１７】
また本発明に係る直流漏電検出装置は、
閉磁路を形成する環状の磁性体コア、該磁性体コアに巻回された励磁巻線、および該磁性体コアに巻回された検出巻線を有し、少なくとも２本の被測定電流線が磁性体コアを貫通しているフラックスゲート電流センサと、
励磁巻線のインピーダンス変化に依存せずに所望の電圧波形を励磁巻線に印加するための電圧制御回路と、
励磁巻線に通電される電流値を検出する電流検出回路と、
検出巻線の出力電圧から特定の周波数成分のみを抽出するフィルタ回路と、
電流検出回路の出力およびフィルタ回路の出力に基づいて、過漏電の発生有無を判定する漏電判定回路とを備えたことを特徴とする。
【００１８】
また本発明に係る直流漏電検出装置は、
空隙部を有する環状の磁性体コア、該磁性体コアに巻回された励磁巻線、および空隙部近傍に設置された磁気センサを有し、少なくとも２本の被測定電流線が磁性体コアを貫通している電流センサと、
励磁巻線のインピーダンス変化に依存せずに所望の電圧波形を励磁巻線に印加するための電圧制御回路と、
励磁巻線に通電される電流値を検出する電流検出回路と、
磁気センサの出力電圧から励磁成分を除去する励磁成分除去回路と、
電流検出回路の出力および励磁成分除去回路の出力に基づいて、過漏電の発生有無を判定する漏電判定回路とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、磁性体コアが磁気飽和した場合、磁性体コアの比透磁率は空気の比透磁率とほぼ同等となるため、励磁巻線のインダクタンスが急激に低下し、結果的に励磁巻線のインピーダンスは急激に低下する。そこで、励磁巻線に印加される電圧または電流を検出することによって、磁性体コアの磁気飽和の有無を判定でき、その結果、差分電流または零相電流が大きい地絡事故、すなわち過漏電の発生有無を判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態１を示す構成図である。
【図２】フラックスゲート電流センサの動作原理を示す説明図である。
【図３】励磁磁界と磁束密度との関係を示す説明図であり、図３（ａ）は被測定電流値が零である場合、図３（ｂ）は被測定電流値が零でない場合を示す。
【図４】検出巻線の出力電圧波形を示すグラフである。
【図５】フラックスゲート電流センサの入出力特性の一例を示すグラフである。
【図６】磁性体コアの磁界に対する比透磁率特性の一例を示すグラフである。
【図７】励磁巻線に通電される電流波形の一例を示すグラフである。
【図８】磁性体コアの磁気特性の一例を示すグラフである。
【図９】本発明の実施の形態２を示す構成図である。
【図１０】磁気センサを用いた電流センサの一例を示す斜視図である。
【図１１】本発明の実施の形態３を示す構成図である。
【図１２】本発明の実施の形態４を示す構成図である。
【図１３】本発明の実施の形態５を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１を示す構成図である。直流漏電検出装置１０１は、センサ駆動回路５１と、フラックスゲート電流センサ５２と、検出回路５３などを備える。
【００２２】
フラックスゲート電流センサ５２は、閉磁路を形成する環状の磁性体コア３と、磁性体コア３に巻回された励磁巻線１と、磁性体コア３に巻回された検出巻線２などを備える。磁性体コア３のほぼ中心を貫通するように、少なくとも２本の被測定電流線４が配置される。直流電路または単相交流電路の場合、往路と復路で計２本の被測定電流線４が配置され、３相交流電路の場合、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の計３本の被測定電流線４が配置される。
【００２３】
センサ駆動回路５１は、所定の周波数ｆの基準交流波形を発生する交流電源５と、基準交流波形に比例した電流を励磁巻線１に通電するための電流制御回路６などを備える。
【００２４】
検出回路５３は、励磁巻線１に印加される電圧を検出する電圧検出回路７と、検出巻線２の出力電圧から、特定の周波数成分、即ち、基準交流波形の周波数ｆの２倍に相当する周波数成分２ｆのみを抽出するフィルタ回路８と、電圧検出回路７の出力およびフィルタ回路８の出力に基づいて、被測定電流線４において過漏電の発生有無を判定する漏電判定回路９などを備える。
【００２５】
図２は、フラックスゲート電流センサ５２の動作原理を示す説明図である。直流電源２１と負荷機器２２とが往路復路の電流線４を経由して電気接続されている。漏電を検出する場合、図２（ａ）に示すように、往路復路の電流線４が磁性体コア３の穴を貫通するように配置される。往路電流値と復路電流値が同一である場合、両方の電流線４に流れる電流の向きが逆であるため、電流線近傍に生じる磁界は相殺され、結果的に電流線近傍の磁界は零となる。一方、負荷機器２２で漏洩電流（漏電）２３が生じた場合、復路の電流線４に流れる電流値が往路の電流値に比べて小さくなるため、結果的に、往路電流値と復路電流値の差分に相当する磁界が電流線近傍に発生することになる。
【００２６】
本実施形態では、電流線近傍に生じる磁界を非接触で検出するセンサとして、フラックスゲート磁気センサの技術を応用している。フラックスゲート磁気センサは、ホール素子や磁気抵抗素子（ＭＲ素子やＧＭＲ素子）といった磁気センサに比べてより微小な磁界を検出することができ、温度依存性も良いことが知られている。
【００２７】
図２（ｂ）は、動作説明のために、１本の電流線４が磁性体コア３を貫通する場合を示している。フラックスゲート電流センサ５２は、例えば、珪素鋼板やＰＣパーマロイといった高透磁率材料からなる環状の磁性体コア３に、励磁巻線１及び検出巻線２を巻回した構造である。励磁巻線１には交流電流を通電し、磁性体コア３が周期的に磁気飽和するように励磁する。
【００２８】
図３は、励磁磁界と磁性体コア３の磁束密度との関係を示す説明図であり、図３（ａ）は被測定電流値が零である場合、図３（ｂ）は被測定電流値が零でない場合を示す。図４は、検出巻線２の出力電圧波形を示すグラフである。
【００２９】
電流制御回路６が基準交流波形に対応した電流を励磁巻線１に通電した状態で、被測定電流値が零の場合、図３（ａ）に示すように、正負対称の励磁磁界３１が磁性体コア３に印加される。磁性体コア３は、ある一定以上の磁界に対して磁束密度が増加しない磁気特性（Ｂ−Ｈ特性）３２を有するため、励磁磁界３１が一定レベルを超えた時点で磁束密度が飽和した波形を示す磁束変化３３が得られる。検出巻線２は、ファラデーの電磁誘導則に従って、磁性体コア内の磁束変化３３に応じた電圧を出力する。
【００３０】
図４（ａ）に示すように、磁性体コア３の磁束密度が飽和した期間では検出巻線２の出力電圧は零になり、磁束変化３３の正および負の傾斜に対応するように正および負の電圧値が交互に現れる。磁性体コア３の磁気特性が原点に関して対称であるため、検出巻線２の出力電圧は、励磁磁界周波数ｆの２倍に相当する周波数成分２ｆが発生することが判る。そこで、フィルタ回路８において、例えば、バンドパスフィルタなどを用いて、出力電圧波形から周波数成分２ｆを抽出することによって、被測定電流値を演算することができる。
【００３１】
一方、被測定電流値が零でない場合、電流線近傍では相殺されず残った磁界が生じることになる。そのため、電流線４から生じる磁界が励磁磁界に重畳され、図３（ｂ）に示すように、バイアス磁界を有した交流磁界３４が磁性体コア３に印加される。このとき磁束密度の飽和期間が正側および負側で相違するようになり、検出巻線２の出力電圧は、図４（ｂ）に示すように、零電圧の時間間隔が一定ではなく、バイアス磁界の極性に応じて異なる波形になる。こうした変化は、フィルタ回路８において出力電圧波形から周波数成分２ｆを抽出することによって、被測定電流値を演算することができる。
【００３２】
図５は、フラックスゲート電流センサ５２の入出力特性の一例を示すグラフである。縦軸はフィルタ回路８の出力電圧波形の実効値、横軸は被測定電流線４の漏洩電流の値であり、両者は比例関係にあることが判る。
【００３３】
以上の説明では、磁性体コア３には歪みのない正弦波磁界を印加した場合を例示したが、磁性体コア３に印加する励磁磁界は、励磁巻線１に通電する電流値、励磁巻線数、磁性体コアの平均磁路長が既知であれば計算することが可能である。ただし、励磁巻線１は環状の磁性体コア３に巻いており、磁性体の比透磁率は、例えば、図６に示すように、印加する磁界強度に対して一定の値にはならない。すなわち、励磁巻線１に通電する電流値に応じて磁性体コアの比透磁率は変化するため、励磁電流は、図７（ａ）に示すように、歪んだ波形となる。
【００３４】
そこで、電流制御回路６として、励磁巻線３のインダクタンス、すなわちインピーダンス変化に依存しない励磁電流波形を供給できる回路、例えば、バイラテラル型電圧−電流変換回路で構成することが好ましい。この場合、例えば、基準交流波形として正弦波の電圧波形を電流制御回路６に入力した場合、励磁巻線１には歪みのない正弦波電流波形を通電することができる。
【００３５】
上述のように、フラックスゲート電流センサ５２の動作原理上、計測できる電流範囲は、バイアス磁界が重畳した場合でも正負必ず磁気飽和が得られる磁界領域であるため、図８に示した範囲±αとなる。従って、範囲±αを超えるような大きなバイアス磁界が磁性体コア３に印加されると、漏洩電流を高精度に計測することができない。
【００３６】
さて、電流センサとして運用する場合は、定格範囲外の計測精度を補償する必要は無く、仮に定格範囲外の電流を通電した場合にセンサが壊れないということが製品仕様に盛り込まれることが想定される。しかしながら、漏電センサとして運用する場合、電流センサとして運用する場合とは少し事情が異なり、往路復路の電流線４から生じる磁界の差分を検出する必要がある。
【００３７】
例えば、図２（ａ）で示すように、負荷機器２２からアースを介して漏電２３が生じ、復路電流値に比べて漏洩電流が大きい地絡事故、いわゆる過漏電が発生することも考えられる。この場合、復路電流による相殺が小さくなり、往路電流線から生じる磁界の大部分が磁性体コア３に印加されるため、磁性体コア３は完全に磁気飽和し、検出巻線２の出力電圧は常に零になる現象が生じることが予測できる。磁性体コア３が磁気飽和した場合、磁性体コア３の比透磁率は空気の比透磁率とほぼ同等となるため、励磁巻線１のインダクタンスが急激に低下し、結果的に励磁巻線１のインピーダンスは急激に低下する。このとき、電流制御回路６により励磁巻線１のインピーダンス変化に関わらず一定振幅の電流を励磁巻線１に通電しているため、オーム則に従い、励磁巻線１に印加する電圧が急激に低下する。
【００３８】
そこで、電圧検出回路７が励磁巻線１に印加される電圧、例えば、励磁電圧波形のピーク値を検出し、漏電判定回路９は、検出されたピーク値の変化を判定することによって過漏電の発生有無を判定することができる。こうしたピーク検出回路は、例えば全波整流回路や平滑回路などから構成できる。
【００３９】
漏電判定回路９は、例えば、Ａ／Ｄコンバータ、マイクロプロセッサ、メモリなどで構成され、フィルタ回路８の出力信号および電圧検出回路７の出力信号をいずれもＡ／Ｄコンバータを介してデジタル信号としてメモリに取り込むことができる。電圧検出回路７の出力信号レベルが所定の定格範囲内（例えば、図８の±αに相当する範囲内）であれば、フィルタ回路８の出力信号から漏電量を演算できる。一方、電圧検出回路７の出力信号が所定の定格範囲外（例えば、図８の±αを超える範囲）であれば、地絡事故等による過漏電が発生したと考えられ、電圧検出回路７の出力信号から過漏電の発生有無を判定することができる。
【００４０】
過漏電の発生有りと判定した場合、図示はしていないが、演算した漏電量や過漏電の発生有無に応じて漏電遮断器や漏電リレーなどを用いて電路を遮断したり、リレー信号を接続機器に発令したりすることが可能である。代替として、漏電量を演算する必要がない場合は、コンパレータ等を用いて漏電量の２値判定を行って、地絡事故の有り無し判定を実施することも可能である。
【００４１】
さらに、本実施形態では、電圧検出回路７が励磁巻線１に印加される電圧波形のピーク値を検出し、漏電判定回路９がこのピーク値の変化を判定する場合を例として説明したが、代替として、電圧検出回路７が励磁巻線１に印加される電圧波形の実効値を検出し、漏電判定回路９がこの実効値の変化を判定することによって、過漏電の発生有無を判定することも可能である。
【００４２】
実施の形態２．
図９は、本発明の実施の形態２を示す構成図である。直流漏電検出装置１０２は、センサ駆動回路５１と、電流センサ６２と、検出回路６３などを備える。
【００４３】
電流センサ６２は、図１０に示すように、空隙部を有する環状の磁性体コア１２と、磁性体コア１２に巻回された励磁巻線１１と、空隙部近傍に設置された磁気センサ１３などを備える。磁気センサ１３は、ホール素子や磁気抵抗素子（ＭＲ素子）などで構成される。磁性体コア１２のほぼ中心を貫通するように、少なくとも２本の被測定電流線４が配置される。直流電路または単相交流電路の場合、往路と復路で計２本の被測定電流線４が配置され、３相交流電路の場合、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の計３本の被測定電流線４が配置される。
【００４４】
センサ駆動回路５１は、図１と同様に、所定の周波数ｆの基準交流波形を発生する交流電源５と、基準交流波形に比例した電流を励磁巻線１に通電するための電流制御回路６などを備える。
【００４５】
検出回路６３は、励磁巻線１に印加される電圧を検出する電圧検出回路７と、磁気センサ１３の出力電圧から励磁成分を除去する励磁成分除去回路１４と、電圧検出回路７の出力および励磁成分除去回路１４の出力に基づいて、被測定電流線４において過漏電の発生有無を判定する漏電判定回路９などを備える。
【００４６】
本実施形態では、磁気センサ１３を利用した電流センサ６２を使用しており、地絡事故等により過漏電が発生した場合、磁性体コア１２は磁気飽和する。ただし、ホール素子やＭＲ素子は出力信号が飽和するだけであり、零にはならない。
【００４７】
磁気センサ１３は、検出対象磁界だけでなく励磁磁界成分も検出してしまうため、検出回路６３に励磁成分除去回路１４を設けている。励磁成分除去回路１４として、例えば、励磁磁界の周波数成分ｆを除去するローパスフィルタが使用できる。
【００４８】
また、磁性体コア１２の比透磁率が磁界強度に対して変化する場合、電流制御回路６として、励磁巻線３のインダクタンス、すなわちインピーダンス変化に依存しない励磁電流波形を供給できる回路、例えば、バイラテラル型電圧−電流変換回路で構成することが好ましい。この場合、例えば、基準交流波形として正弦波の電圧波形を電流制御回路６に入力した場合、励磁巻線１には歪みのない正弦波電流波形を通電することができる。
【００４９】
電圧検出回路７は、励磁巻線１に印加される電圧波形のピーク値を検出し、漏電判定回路９がこのピーク値の変化を判定するように構成してもよく、あるいは、励磁巻線１に印加される電圧波形の実効値を検出し、漏電判定回路９がこの実効値の変化を判定するように構成してもよい。
【００５０】
漏電判定回路９は、図１と同様に、例えば、Ａ／Ｄコンバータ、マイクロプロセッサ、メモリなどで構成され、フィルタ回路８の出力信号および電圧検出回路７の出力信号をいずれもＡ／Ｄコンバータを介してデジタル信号としてメモリに取り込むことができる。電圧検出回路７の出力信号レベルが所定の定格範囲内（例えば、図８の±αに相当する範囲内）であれば、フィルタ回路８の出力信号から漏電量を演算できる。一方、電圧検出回路７の出力信号が所定の定格範囲外（例えば、図８の±αを超える範囲）であれば、地絡事故等による過漏電が発生したと考えられ、電圧検出回路７の出力信号から過漏電の発生有無を判定することができる。
【００５１】
過漏電の発生有りと判定した場合、図示はしていないが、演算した漏電量や過漏電の発生有無に応じて漏電遮断器や漏電リレーなどを用いて電路を遮断したり、リレー信号を接続機器に発令したりすることが可能である。代替として、漏電量を演算する必要がない場合は、コンパレータ等を用いて漏電量の２値判定を行って、地絡事故の有り無し判定を実施することも可能である。
【００５２】
なお、上述の実施の形態１，２において、磁性体コアに対して励磁巻線や検出巻線を局所的に巻回した場合を例示したが、磁性体コアの全周に渡って均等に分布するように巻回してもよく、さらに、磁性体コアへの巻線応力を緩和させるために、樹脂製のケースを介在させてケースの上から巻線を巻回する形態でも構わない。
【００５３】
また、実施の形態１，２において、直流漏電の場合を例示したが、交流漏電の場合でもＡ／Ｄコンバータのサンプリング条件を満足すれば問題なく適用可能であり、サンプリング条件は基準交流波形の周波数に基づいて決定できる。
【００５４】
実施の形態３．
図１１は、本発明の実施の形態３を示す構成図である。直流漏電検出装置１０３は、センサ駆動回路５１と、フラックスゲート電流センサ５２と、検出回路６４などを備える。本実施形態は、実施の形態１と同様な構成を有するが、検出回路６４において位相シフト検出回路１０を追加している点で相違する。
【００５５】
検出回路６４は、励磁巻線１に印加される電圧を検出する電圧検出回路７と、電圧検出回路７で検出された電圧波形と交流電源５からの基準交流波形との間の位相シフト量を検出する位相シフト検出回路１０と、検出巻線２の出力電圧から、特定の周波数成分、即ち、基準交流波形の周波数ｆの２倍に相当する周波数成分２ｆのみを抽出するフィルタ回路８と、位相シフト検出回路１０の出力およびフィルタ回路８の出力に基づいて、被測定電流線４において過漏電の発生有無を判定する漏電判定回路９などを備える。
【００５６】
地絡事故等により過漏電が発生して磁性体コア３が磁気飽和した場合、実施の形態１で説明したように、励磁巻線１のインピーダンス低下によって励磁巻線１への印加電圧も低下する。このとき励磁巻線１への印加電圧波形の位相も変化する。本実施形態では、基準交流波形に対する印加電圧波形の位相変化を検出するための位相シフト検出回路１０を設けることによって、漏電判定回路９は過漏電の発生有無を判定することができる。
【００５７】
なお本実施形態では、フラックスゲート電流センサ５２を用いた場合を例示したが、代替として、実施の形態２と同様に、空隙部を有する環状の磁性体コア１２と、磁性体コア１２に巻回された励磁巻線１１と、空隙部近傍に設置された磁気センサ１３を備えた電流センサ６２を用いても構わない。
【００５８】
実施の形態４．
図１２は、本発明の実施の形態４を示す構成図である。直流漏電検出装置１０４は、センサ駆動回路６１と、フラックスゲート電流センサ５２と、検出回路６５などを備える。本実施形態は、実施の形態１と同様な構成を有するが、電流制御回路６の代わりに、励磁巻線１のインピーダンス変化に依存せずに所望の電圧波形を励磁巻線１に印加するための電圧制御回路１５を備え、さらに、電圧検出回路７の代わりに、励磁巻線１に通電される電流値を検出する電流検出回路１６を備えている点で相違する。
【００５９】
センサ駆動回路６１において、交流電源５は、所定の周波数ｆの基準交流波形を発生する。電流制御回路６は、基準交流波形に比例した電圧を励磁巻線１に印加する機能を有し、例えば、低い出力インピーダンスの増幅器などで構成でき、印加電圧は負荷のインピーダンス変化に依存しなくなる。
【００６０】
地絡事故等により過漏電が発生して磁性体コア３が磁気飽和した場合、実施の形態１で説明したように、励磁巻線１のインピーダンスが急激に低下する。このとき励磁巻線１への印加電圧が固定されているため、オーム則に従い、励磁巻線１に通電される電流値が急激に増加する。ただし、電流値の上限は、電圧制御回路１５の供給電源能力で決定される。
【００６１】
そこで、電流検出回路１６が励磁巻線１に通電される電流値、例えば、励磁電流波形のピーク値または実効値を検出し、漏電判定回路９は、検出されたピーク値または実効値の変化を判定することによって過漏電の発生有無を判定することができる。
【００６２】
なお本実施形態では、フラックスゲート電流センサ５２を用いた場合を例示したが、代替として、実施の形態２と同様に、空隙部を有する環状の磁性体コア１２と、磁性体コア１２に巻回された励磁巻線１１と、空隙部近傍に設置された磁気センサ１３を備えた電流センサ６２を用いても構わない。
【００６３】
実施の形態５．
図１３は、本発明の実施の形態５を示す構成図である。直流漏電検出装置１０５は、センサ駆動回路６１と、フラックスゲート電流センサ５２と、検出回路６６などを備える。本実施形態は、実施の形態４と同様な構成を有するが、検出回路６６において位相シフト検出回路１７を追加している点で相違する。
【００６４】
検出回路６６は、励磁巻線１に通電される電流値を検出する電流検出回路１６と、電流検出回路１６で検出された電流波形と交流電源５からの基準交流波形との間の位相シフト量を検出する位相シフト検出回路１７と、検出巻線２の出力電圧から、特定の周波数成分、即ち、基準交流波形の周波数ｆの２倍に相当する周波数成分２ｆのみを抽出するフィルタ回路８と、位相シフト検出回路１７の出力およびフィルタ回路８の出力に基づいて、被測定電流線４において過漏電の発生有無を判定する漏電判定回路９などを備える。
【００６５】
地絡事故等により過漏電が発生して磁性体コア３が磁気飽和した場合、実施の形態４で説明したように、励磁巻線１のインピーダンス低下によって、励磁巻線１に通電される電流値が増加する。このとき励磁巻線１の励磁電流波形の位相も変化する。本実施形態では、基準交流波形に対する励磁電流波形の位相変化を検出するための位相シフト検出回路１１７を設けることによって、漏電判定回路９は過漏電の発生有無を判定することができる。
【００６６】
なお本実施形態では、フラックスゲート電流センサ５２を用いた場合を例示したが、代替として、実施の形態２と同様に、空隙部を有する環状の磁性体コア１２と、磁性体コア１２に巻回された励磁巻線１１と、空隙部近傍に設置された磁気センサ１３を備えた電流センサ６２を用いても構わない。
【符号の説明】
【００６７】
１，１１ 励磁巻線、 ２ 検出巻線、 ３，１２ 磁性体コア、
４ 被測定電流線、 ５ 交流電源、 ６ 電流制御回路、 ７ 電圧検出回路、
８ フィルタ回路、 ９ 漏電判定回路、 １０，１７ 位相シフト回路、
１３ 磁気センサ、 １４ 励磁成分除去回路、 １５ 電圧制御回路、
１６ 電流検出回路、 ２１ 直流電源、 ２２ 負荷機器、
２３ 漏洩電流（漏電）、 ３１ 励磁磁界、 ３２ 磁気特性（Ｂ−Ｈ特性）、
３３ 磁束変化、 ３４ バイアス磁界が重畳した励磁磁界、 ３５ 磁束変化、
５１，６１ センサ駆動回路、 ５２ フラックスゲート電流センサ、
５３，６３，６４，６５，６６ 検出回路、 １０１〜１０５ 直流漏電検出装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
閉磁路を形成する環状の磁性体コア、該磁性体コアに巻回された励磁巻線、および該磁性体コアに巻回された検出巻線を有し、少なくとも２本の被測定電流線が磁性体コアを貫通しているフラックスゲート電流センサと、
励磁巻線のインピーダンス変化に依存せずに所望の電流波形を励磁巻線に通電するための電流制御回路と、
励磁巻線に印加される電圧を検出する電圧検出回路と、
検出巻線の出力電圧から特定の周波数成分のみを抽出するフィルタ回路と、
電圧検出回路の出力およびフィルタ回路の出力に基づいて、過漏電の発生有無を判定する漏電判定回路とを備えたことを特徴とする直流漏電検出装置。
【請求項２】
空隙部を有する環状の磁性体コア、該磁性体コアに巻回された励磁巻線、および空隙部近傍に設置された磁気センサを有し、少なくとも２本の被測定電流線が磁性体コアを貫通している電流センサと、
励磁巻線のインピーダンス変化に依存せずに所望の電流波形を励磁巻線に通電するための電流制御回路と、
励磁巻線に印加される電圧を検出する電圧検出回路と、
磁気センサの出力電圧から励磁成分を除去する励磁成分除去回路と、
電圧検出回路の出力および励磁成分除去回路の出力に基づいて、過漏電の発生有無を判定する漏電判定回路とを備えたことを特徴とする直流漏電検出装置。
【請求項３】
電圧検出回路は、励磁巻線に印加される電圧波形のピーク値を検出し、
漏電判定回路は、検出されたピーク値の変化を判定することによって、過漏電の発生有無を判定することを特徴とする請求項１または２記載の直流漏電検出装置。
【請求項４】
電圧検出回路は、励磁巻線に印加される電圧波形の実効値を検出し、
漏電判定回路は、検出された実効値の変化を判定することによって、過漏電の発生有無を判定することを特徴とする請求項１または２記載の直流漏電検出装置。
【請求項５】
電流制御回路に基準交流波形を供給するための交流電源と、
電圧検出回路で検出された電圧波形と基準交流波形との間の位相シフト量を検出する位相シフト検出回路とをさらに備え、
漏電判定回路は、検出された位相シフト量の変化を判定することによって、過漏電の発生有無を判定することを特徴とする請求項１または２記載の直流漏電検出装置。
【請求項６】
閉磁路を形成する環状の磁性体コア、該磁性体コアに巻回された励磁巻線、および該磁性体コアに巻回された検出巻線を有し、少なくとも２本の被測定電流線が磁性体コアを貫通しているフラックスゲート電流センサと、
励磁巻線のインピーダンス変化に依存せずに所望の電圧波形を励磁巻線に印加するための電圧制御回路と、
励磁巻線に通電される電流値を検出する電流検出回路と、
検出巻線の出力電圧から特定の周波数成分のみを抽出するフィルタ回路と、
電流検出回路の出力およびフィルタ回路の出力に基づいて、過漏電の発生有無を判定する漏電判定回路とを備えたことを特徴とする直流漏電検出装置。
【請求項７】
空隙部を有する環状の磁性体コア、該磁性体コアに巻回された励磁巻線、および空隙部近傍に設置された磁気センサを有し、少なくとも２本の被測定電流線が磁性体コアを貫通している電流センサと、
励磁巻線のインピーダンス変化に依存せずに所望の電圧波形を励磁巻線に印加するための電圧制御回路と、
励磁巻線に通電される電流値を検出する電流検出回路と、
磁気センサの出力電圧から励磁成分を除去する励磁成分除去回路と、
電流検出回路の出力および励磁成分除去回路の出力に基づいて、過漏電の発生有無を判定する漏電判定回路とを備えたことを特徴とする直流漏電検出装置。
【請求項８】
電流検出回路は、励磁巻線に通電される電流波形のピーク値を検出し、
漏電判定回路は、検出されたピーク値の変化を判定することによって、過漏電の発生有無を判定することを特徴とする請求項６または７記載の直流漏電検出装置。
【請求項９】
電流検出回路は、励磁巻線に通電される電流波形の実効値を検出し、
漏電判定回路は、検出された実効値の変化を判定することによって、過漏電の発生有無を判定することを特徴とする請求項６または７記載の直流漏電検出装置。
【請求項１０】
電圧制御回路に基準交流波形を供給するための交流電源と、
電流検出回路で検出された電流波形と基準交流波形との間の位相シフト量を検出する位相シフト検出回路とをさらに備え、
漏電判定回路は、検出された位相シフト量の変化を判定することによって、過漏電の発生有無を判定することを特徴とする請求項６または７記載の直流漏電検出装置。
【請求項１】
閉磁路を形成する環状の磁性体コア、該磁性体コアに巻回された励磁巻線、および該磁性体コアに巻回された検出巻線を有し、少なくとも２本の被測定電流線が磁性体コアを貫通しているフラックスゲート電流センサと、
励磁巻線のインピーダンス変化に依存せずに所望の電流波形を励磁巻線に通電するための電流制御回路と、
励磁巻線に印加される電圧を検出する電圧検出回路と、
検出巻線の出力電圧から特定の周波数成分のみを抽出するフィルタ回路と、
電圧検出回路の出力およびフィルタ回路の出力に基づいて、過漏電の発生有無を判定する漏電判定回路とを備えたことを特徴とする直流漏電検出装置。
【請求項２】
空隙部を有する環状の磁性体コア、該磁性体コアに巻回された励磁巻線、および空隙部近傍に設置された磁気センサを有し、少なくとも２本の被測定電流線が磁性体コアを貫通している電流センサと、
励磁巻線のインピーダンス変化に依存せずに所望の電流波形を励磁巻線に通電するための電流制御回路と、
励磁巻線に印加される電圧を検出する電圧検出回路と、
磁気センサの出力電圧から励磁成分を除去する励磁成分除去回路と、
電圧検出回路の出力および励磁成分除去回路の出力に基づいて、過漏電の発生有無を判定する漏電判定回路とを備えたことを特徴とする直流漏電検出装置。
【請求項３】
電圧検出回路は、励磁巻線に印加される電圧波形のピーク値を検出し、
漏電判定回路は、検出されたピーク値の変化を判定することによって、過漏電の発生有無を判定することを特徴とする請求項１または２記載の直流漏電検出装置。
【請求項４】
電圧検出回路は、励磁巻線に印加される電圧波形の実効値を検出し、
漏電判定回路は、検出された実効値の変化を判定することによって、過漏電の発生有無を判定することを特徴とする請求項１または２記載の直流漏電検出装置。
【請求項５】
電流制御回路に基準交流波形を供給するための交流電源と、
電圧検出回路で検出された電圧波形と基準交流波形との間の位相シフト量を検出する位相シフト検出回路とをさらに備え、
漏電判定回路は、検出された位相シフト量の変化を判定することによって、過漏電の発生有無を判定することを特徴とする請求項１または２記載の直流漏電検出装置。
【請求項６】
閉磁路を形成する環状の磁性体コア、該磁性体コアに巻回された励磁巻線、および該磁性体コアに巻回された検出巻線を有し、少なくとも２本の被測定電流線が磁性体コアを貫通しているフラックスゲート電流センサと、
励磁巻線のインピーダンス変化に依存せずに所望の電圧波形を励磁巻線に印加するための電圧制御回路と、
励磁巻線に通電される電流値を検出する電流検出回路と、
検出巻線の出力電圧から特定の周波数成分のみを抽出するフィルタ回路と、
電流検出回路の出力およびフィルタ回路の出力に基づいて、過漏電の発生有無を判定する漏電判定回路とを備えたことを特徴とする直流漏電検出装置。
【請求項７】
空隙部を有する環状の磁性体コア、該磁性体コアに巻回された励磁巻線、および空隙部近傍に設置された磁気センサを有し、少なくとも２本の被測定電流線が磁性体コアを貫通している電流センサと、
励磁巻線のインピーダンス変化に依存せずに所望の電圧波形を励磁巻線に印加するための電圧制御回路と、
励磁巻線に通電される電流値を検出する電流検出回路と、
磁気センサの出力電圧から励磁成分を除去する励磁成分除去回路と、
電流検出回路の出力および励磁成分除去回路の出力に基づいて、過漏電の発生有無を判定する漏電判定回路とを備えたことを特徴とする直流漏電検出装置。
【請求項８】
電流検出回路は、励磁巻線に通電される電流波形のピーク値を検出し、
漏電判定回路は、検出されたピーク値の変化を判定することによって、過漏電の発生有無を判定することを特徴とする請求項６または７記載の直流漏電検出装置。
【請求項９】
電流検出回路は、励磁巻線に通電される電流波形の実効値を検出し、
漏電判定回路は、検出された実効値の変化を判定することによって、過漏電の発生有無を判定することを特徴とする請求項６または７記載の直流漏電検出装置。
【請求項１０】
電圧制御回路に基準交流波形を供給するための交流電源と、
電流検出回路で検出された電流波形と基準交流波形との間の位相シフト量を検出する位相シフト検出回路とをさらに備え、
漏電判定回路は、検出された位相シフト量の変化を判定することによって、過漏電の発生有無を判定することを特徴とする請求項６または７記載の直流漏電検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１５９４４５（Ｐ２０１２−１５９４４５Ａ）
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０３３９（Ｐ２０１１−２０３３９）
【出願日】平成２３年２月２日（２０１１．２．２）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２日（２０１１．２．２）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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