JPH02196967A - 小電流検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は零相電流検出器、各種もれ電流検出器などに用
いられ、鉄心の磁気現象を利用して電気的に非接触で小
電流を検出する方法に関する。

〔従来の技術〕

小電流を電気的に非接触で検出する方法としては、漏電
遮断器、漏電保護リレーなどに用いる零相変流器で知ら
れている。第１３図は零相変流器の原理を説明するため
の模式図である。零相変流器は第１３図のように、高透
磁率を有する環状の鉄心１の中心孔を通る２本の導体２
、鉄心に巻回した検出コイル３の両端に接続する抵抗４
で構成され、導体２の両端はそれぞれ交流電源５、負荷
６に接続されている。正常な状態では２本の導体２を流
れ、矢印で方向を示した往復の電流！＋、　　Ｉａの値
は同じで方向が逆であるから鉄心ｌは磁化されず、検出
コイル３には電圧が誘起されない。負荷６側で漏電が生
じると電流１１．　　Ｉｔの値が変わりその差電流によ
り鉄心１が磁化され、この誘起電圧によって小抵抗４に
電流が流れ、小抵抗４の両端の電圧降下分を制御信号と
することができる。なお第１３図は単相の場合を示した
が、３相の場合は導体２を３本として表せばよく、原理
的には単相と同じである。

この零相変流器は検出電流が小さいため、鉄心にＦｅ−
Ｎｉ合金例えば商品名パーマロイのような高透磁率材を
用いても第１４図に示した磁化曲線のごとくその検出磁
界も小さいので得られる磁束も低く、検出コイル３に誘
起される電圧は非常に小さい。したがってこのような零
相変流器はさらに高感度のものが好ましく、また使用機
器によって小型化することが強く望まれている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、以上の構造をもつ零相変流器の感度を高
め、より低い電流まで検出するためには以下のような問
題がある。出力電圧を大きくするには例えば第１３図の
鉄心ｌの磁路断面積を大きくする方法や導体２を鉄心ｌ
に多数巻回して鉄心ｌに印加する磁界を大きくする方法
などがあるが、鉄心１の磁路断面積を大きくするのは、
当然のことながら装置の寸法増大につながり、導体２の
鉄心１への巻数を多くするのは、この導体２には主回路
の電流が流れるので線径を大きくしてあり、同様に鉄心
１の寸法が大きくなるのを避けることができない。した
がって通常は小型の鉄心１の中心孔に導体２を通し、検
出コイル３の巻数を多くしてその誘起電圧を電子回路に
より増幅する方法がとられている。

以上のように鉄心断面積、検出コイル巻数を増すと検出
部の寸法１重量も大きくなるが、近年制御装置、保護装
置、計測装置などは高度の電子化により小型化が進み、
これに伴ってこれらに用いる電流検出器も小型化するこ
とが強く望まれている。

本発明は上述の点に鑑みてなされたものであり、その目
的は鉄心重量と検出コイルの巻回数を少なくして高感度
かつ高精度に小電流を検出することができる小電流検出
方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は鉄心の磁気ヒステリシス曲線の残留磁束密度近
傍の変分透磁率が磁界によって変化することを利用する
ものである。鉄心に高周波励磁コイル、検出コイルを巻
回し、高周波でヒステリシス曲線の残留磁束密度近傍に
励磁してマイナーヒステリシスを描かせておき、この状
態に被検出電流による小磁界が加わるとマイナーヒステ
リシスが移動して磁束密度範囲が変化し、検出コイルの
誘起電圧が変わる。この電圧変化より主回路の小電流を
求める。なお高周波励磁コイルには適切な抵抗を直列に
接続して出力が被検出電流に比例するようにしている。

〔作用〕

本発明の小電流検出方法は以上のように、高周波励磁部
による励磁電流（磁界）を、鉄心の磁気ヒステリシス曲
線の残留磁束密度近傍に設定し変分透磁率の変化を利用
するものであり、導体の被検出電流による小さな磁界が
加わったときも高周波で励磁しているので検出コイルに
は大きな電圧が誘起する。したがって本発明の方法では
常時高周波励磁部による磁界をかけておき、これに導体
の被検出電流による磁界を重畳させたときの全磁束によ
る誘起電圧を検出し、さらに高周波骨、直流分を除去す
ることにより出力部端から正しい検出電流波形をもつ出
力電圧を取り出すことができ、以上のことから、高感度
、高精度で、小さい電流の検出を可能とする。

〔実施例〕

以下実施例に基づき本発明を説明する。

第１図は本発明の方法が適用される小電流検出装置の要
部構成を説明する模式図であり、はじめにこの図につい
て説明する。鉄心１ａは高透磁率を有する材料からなり
閉磁路の例えば環状に形成されている。この鉄心１ａの
中心孔を通って導体２ａが被検出装置の電源と負荷に接
続されているが、これらの図示は省略しである。また零
相電流を検出するには導体２ａは２本または３本になり
、各導体間の差電流を利用するが、原理的には単線の小
電流を検出するのと同じであるからここでは導体２ａは
１本で表し、方向を矢印で示した被検出電流を１゜とじ
以後の説明を進める。また鉄心１ａにはその肉厚部に高
周波励磁コイル７を鉄心部のりアクタンスと整合させた
適切な抵抗８を介して高周波電源９に接続した高周波励
磁部１１を有し、−刃高周波励磁コイル７とは別に鉄心
１ａに巻回した検出コイル１２は整流器１３．低域濾波
器１４゜置台除去器Ｉ５をこの順に接続してあり、これ
らで出力部１６を形成する。直流除去器１５はコンデン
サーまたは絶縁変圧器により容易に構成することができ
る。以上のごとく、この装置は鉄心！ａに励磁コイル７
を有する高周波励磁部１１、検出コイル１２を有する出
力部１６の二つの要素を備えたものであり、使用に際し
て鉄心１ａの中心孔に被検出装置の導体２ａを通してそ
れを流れる小電流１０を検出するものである。

次に第２図は鉄心１ａの磁気ヒステリシス曲線の全体の
形状を示したものであり、第３図、第４図は以下の説明
の便宜上第２図の残留磁束密度Ｂｒの近傍を拡大したも
ので、これに高周波励磁によるマイナーヒステリシスを
書き加えである。

以下に本発明の方法について、第１図の装置構成と第３
図、第４図の磁気ヒステリシス曲線およびその他必要な
図面を加え、これらを併用して説明する。鉄心１ａは通
常は第１図の高周波電源９と抵抗８により、高周波の電
流で励磁されている。

鉄心１ａの印加電圧と磁束密度、励磁電流の開係は次式
で表されるが、第２項はりアクタンス分である。

Ｅ　＋　＝　Ｉ　ｓ　Ｒ＋　Ｎ　＋　Ａ　ｃ　”　　　
　　　　　（１）ｔ 但し、 Ｅ、：高周波印加電圧 ＩＨ：高周波励磁電流 Ｒ：高周波励磁コイル７に直列に接続した抵抗８の値 Ｎ１：高周波励磁コイル７の巻数 Ａｃ：鉄心１ａの磁路断面積 Ｂ　：鉄心１ａの磁束密度 ｔ　二時間 ここで、 の条件にすると となり　Ｅ、、　Ｒを一定値にしであるから高周波励磁
電流！、はほぼ一定値になる。

以上の条件で励磁したのが第３図の磁化曲線である。第
３図において鉄心１ａは磁界がＨｌの点を基点としてＨ
３と−Ｈ５の間でマイナーヒステリシスを描き、磁界範
囲はΔＨｏ１磁束密度範囲はΔＢ、である。変分透磁率
はΔＢ、／ΔＨ，になる。

ここに導体２ａの電流による磁界＋Ｈｉが加わると磁界
の基点はＨ３に移動し、マイナーヒステリシスの磁界は
Ｈ４とＨ３になり、磁界範囲はΔＨ１、磁束密度範囲は
ΔＢ、となる。導体２ａに−Ｈ＋が加わるとマイナーヒ
ステリシスの磁界の基点は−Ｈａの点に移動する。磁界
範囲はΔＨａ　、磁束密度範囲はΔＢ２である。マイナ
ーヒステリシスの磁界ΔＨは（３）式より■□が一定で
あるからΔＨＯ＝Δ）（＋＝ΔＨ２（４） となる。一方、第３図のようにマイナーヒステリシス曲
線の磁束密度の変化は磁界の強さが正方向に増すほど小
さくなるので、 ΔＢｚ＞ΔＢｏ＞ΔＢｌ（５） となる。検出コイル１２の誘起電圧はΔＢによって生じ
るので、この電圧から導体２ａの電流を求めることがで
きる。ただ、この条件では電流１゜と検出コイル１２の
誘起電圧が直線開係にならない。

以下に被検出電流ｉ。と検出コイル１２の誘起電圧を直
線にする方法について述べる。（１）式に右いて、（２
）式とは逆に の回路条件に設定して印加電圧Ｅ、を一定にすると、（
１）式から磁束密度は常に一定でなければならない。第
４図はこの条件で励磁した場合の磁化曲線であり、導体
２ａの電流１ｏによるマイナーヒステリシスの磁界、磁
束密度の各位は次のようになる。

ΔＢ、′、ΔＢ４＃ΔＢ、（７） ΔＨｓ＜ΔＨ３＜ΔＨ，、、、−、、、、、−、、、、
−、、−−−（８）ここでΔＢとＨｉの開係線図を示し
たのがｆＪ！Ｊ５図である。

（２）式、第３図の条件の場合のΔＢとＨ３の開係は、
第５図の曲線（イ）、（６）式、第４図の条件の場合は
第５図の点線（０）のようになる。第５図は被検出電流
１ｏによる磁界Ｈｉと出力電圧との開係を示すものでも
あって、被検出電流はＨＯ１ΔＢＯを基点としてΔＢの
変化分より求めるので、第５図の（イ）の特性では出力
は大きいが、出力特性が曲線状になり、（ロ）の特性で
は直線ではあるが、出力が変化しないので使用すること
ができない。そこで（１）式の１．Ｒを適切な値に設定
して、ΔＢとＨｌの開係を第５図の（ハ）のようにすれ
ば直線に近似し、出力特性を実用上問題ない程度にする
ことができる。この条件における磁化状態が第６図であ
り、数式で表すと次式のようになる。

ΔＢ　＝　Ｋ　Ｈｉ　　　　　　　　　　・　　　（９
）ΔＨａ＜ΔＨｓ＜ΔＨ１α１ 但しに：定数 第５図（ハ）の特性線とするように（１）式のＲの値を
計算で求めることは簡単ではないが、Ｒに可変抵抗を用
いて実験で容易に求めることができる。

次に導体の電流による磁界旧と検出コイル１２の誘起電
圧について述べる。被検出電流１゜が０の場合の誘起電
圧は第７図（ａ）に示すような波形になる。　ここに第
７図（ハ）のような被検出電流１゜による磁界１（＋が
加わると、マイナーヒステリシスは正磁界＋）（ｉの場
合は第６図の）Ｉ＋ａとＨｌ３の範囲に移動し、磁束変
化分が小さくなってΔＢ、になり検出コイル１２の誘起
電圧も低くなり、負磁界Ｈ＋の場合は磁界が負側のＨｌ
４とＨＩＳの範囲に移動し、磁束変化分が大きくなって
ΔＢ、になり検出コイル１２の誘起電圧が高くなり、こ
れらによる誘起電圧波形は第７図（Ｃ）のような変調波
になる。

なお、第７図の横軸は共通の時間軸としである。

第７図（Ｃ）の変調波の最大値の時間による変化は被検
出電流ｌ。の波形の各時間における瞬時値に比例する。

この波形から出力部１６の低域濾波器１４で高周波分、
直流除去器１５で直流分を除くことにより、検出電流波
形を正確に再現して求めることができる。したがって本
発明の方法によれば以上の作動原理から明らかなように
、歪波形、矩形波などいかなる波形をもつ小電流に対し
ても検出可能である。

本発明の方法における電流検出範囲は、ヒステリシス曲
線の残留磁束密度近傍の変分透磁率の変化を利用してい
るので、負側の磁束密度が急激に低下する点（保磁力）
の直前までであるが、異なる磁気ヒステリシス特性をも
つ鉄心材料を選択することにより検出電流を広範囲に設
定することができる。なお、鉄心材料は高周波励磁によ
る損失が少なく高周波特性の良いものを用いることが必
要である。

高周波励磁電流の波形は正弦波に限ることなくそのほか
の波形でも差し支えない。例えば正弦波の半波整流、全
波整流、直流をタイマー用ＩＣで矩形状にした波形でも
よく、これらを用いれば電子回路の部品を低減すること
もできる。

高周波励磁電流の周波数は原理的には高いほど良いが、
実用上は被検出電流の周波数とその高調波成分、要求さ
れる検出精度、鉄心材料の周波数特性などを勘案して決
めねばならない。

第１図の出力部」は低域濾波器１４．直流除去器１５、
さらに整流器１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄを用いて
第８図のように出力部■とし全波整流回路とすることが
できる。第９図は第１図の出力部■に整流器１３ｅ、低
域濾波器１４　ａ　、直流除去器１５ａを並列に付加し
、差動増幅器１８を接続して出力部−Ｉを構成した回路
である。第１図の回路構成では正成分のみの信号をとり
出すのに対して、第８図、第９図のようにすれば正負側
成分の信号を利用することが可能となり、その結果出力
は第１ｒＩＡの場合の２倍となる。なお第８図、第９図
ではこれらの回路の他の回路部は第１図と同じであるか
ら図示を省略しである。

これまで被検出電流１０が交流の場合について述べてき
たが、第１図の出力部１６の回路を変えることにより直
流を検出することも可能である。第１Ｏ図はその要部回
路構成図を示したものであり第１図と共通部分を同一符
号で示したが、導体と高周波励磁部は第１図と同じであ
るから図示を省略した。第１Ｏ図により回路構成を作用
とともに述べる。図示してない導体に被検出電流が流れ
てない状態で、図示してない高周波励磁部による検出コ
イル１２の誘起電圧を整流器１３で正の成分とし、低域
濾波器１４で高周波成分を除いて、差動増幅器２０の一
端子に入力し、この電圧と同じ値の基準電圧を直流電源
２１により差動増幅器２０の子端子に入力することによ
り差動増幅器２０の出力は０になる。

次に図示してない導体に正の電流が流れると、検出コイ
ルＩ２の誘起電圧は小さくなり基準電圧との差は負にな
るが、差動増幅器２０の出力は正負が逆転されるので、
差動増幅器２０には被検出電流に比例した正の電圧が得
られる。被検出電流が負の場合もこれと同様な原理で電
流に比例した負電圧を得ることができる。かくして本発
明の方法によれば被検出電流が直流のみ、直流と交流が
重なったとき、交流のみのいずれの場合でも検出するこ
とができる。なお直流のみ検出するときは第１０図の低
域濾波器１４０部分を平滑回路に変えてもよい。

以上本発明の小電流検出方法について基本的な事柄を説
明したが、次に具体的な事例を第１図および第１１図を
併用して述べる。第１１図は第１図と共通部分を同一符
号で表しであるが、第１図の高周波電１１Ｊ９に相当す
るものとして、直流電源２２とタイマー用Ｉ　Ｃ２３を
用いて高周波励磁部１１ａを構成してあり、直流電源２
２とタイマー用ＩＣ２３により高周波の１０ｋＨｚで電
圧が正側に変化する矩形波を発生させ、これを高周波励
磁電源としたものである。出力部は第１図と同じである
から第１１図には図示するのを省略し、この部分につい
ては第１図を参照して説明する。第１１図にふいて、鉄
心１ａはＣＯ系のアモルファス合金薄帯を円筒状の巻鉄
心に形成し、所定の熱処理を行ったものである。

このアモルファス合金は磁気特性が優れている上に磁歪
が小さいため、磁気特性に対する応力の影響が小さく取
り扱いが容易であり、鉄心１ａとして用いるには好適で
ある。鉄心１ａの寸法は外径３９ＩＩＩｆｆｉ、内径３
５關、高さ（薄帯の幅）２＋ｍｍである。

第１図の導体２ａは直径５ＩＩｌ！ｌのより銅線を用い
た。

高周波励磁コイル７および検出コイル１２は直径０．１
＋ｍのホルマール銅線を用いて鉄心１ａの肉厚部にいず
れも１００回巻回して作製した。高周波励磁コイル７の
電流は小さいので、この程度の銅線を用いても十分であ
る。第１図の検出コイル１２の誘起電圧は、整流器１３
で正成分のみとした後、遮断周波数がｌ　ｋＨｚの低域
濾波器１４．　　コンデンサーを用いた直流除去器１５
により高周波分と直流分を除いた。

次に以上のようにして交流５０１（ｚの正弦波電流を検
出した場合に得られる出力電圧に対して被検出電流値と
の開係を求めた線図を第１２図に示す。第１２図には比
較のために、例えば第１３図の鉄心ｌに商品名パーマロ
イを用いたが、これは鉄心１ａと内径が同じで断面積が
約１０倍である。そして検出コイルの巻数は１０００回
にして、第１３図の導体２の寸法を本発明の場合と同じ
にしたときの出力も併記しである。第１２図において実
線の特性線イが本発明の方法を表し、点線の特性線口が
比較のための従来方法を表している。第１２図かられか
るように、４１０両特性線とも非常に良い直線性を示す
が、本発明の方が高い出力が得られ、鉄心重量が１／１
０．検出コイル巻数が１７１０であるにも拘わらず出力
は約２倍になっている。本発明の方法による出力は鉄心
断面積と検出コイル巻数に比例するので、低出力でよい
場合は鉄心断面積をより小さくすることができ、高出力
を要する場合は検出コイル数を増すことにより１０倍程
度まで出力を大きくすることが容易に可能である。

次に本発明の方法と従来の方法によって得られる出力を
同じにした場合の鉄心１巻数の比較の一例を第１表に示
す。第１表から本発明の方法によれば従来法に比べて鉄
心重量が１７２０、コイル６回数（高周波励磁コイルの
巻回数と検出コイルの巻回数の和）が１１５になり、検
出部の外径、高さ。

重量を低減することができ、装置全体の小型化が可能に
なることがわかる。

第　　１　　表 この例では検出コイル誘起電圧は正側のみを用いたが、
出力部を第８図、第９図のような回路にすれば誘起電圧
の正負両側を用いることができ、出力電圧が大きくなる
から鉄心重量、検出コイル巻数がさらに低減可能になる
。

なお前にも述べたように本発明の小電流検出方法を１本
の導体を用いたものとして説明してきたが、上述のごと
く被検出電流と出力電圧は良い直線性が得られることか
ら、２本ないし３本の導体の差電流を用いる零相電流検
出器の適用も勿論十分に可能であり、その他にも必要に
応じて広範囲に利用できるものである。

ところで本発明者は鉄心の磁気ヒステリシス曲線を部分
的に高周波で励磁するという点で本発明の方法に類似し
た小電流検出方法を特願昭６３−１１６１９２号により
出願中である。この方法は鉄心の磁気ヒステリシス曲線
の正側飽和点と負側の保磁力近傍の点まで高周波で励磁
しておき、被検出電流の磁界により磁束密度範囲が変化
することを利用してふり、保磁力近傍の微分透磁率の高
い部分を用いているので、被検出電流による磁界の磁束
密度の変化が大きいため出力が大きく、微小電流の検出
には最適であるが電流検出範囲はせまい。これに対して
本発明の方法は、これまで説明してきたように、磁気ヒ
ステリシス曲線の残留磁束密度近傍の変分透磁率を利用
しているので、上記の出願中の方法に比べると大きい電
流の検出に適しているが、出力電圧は出願中の方法より
低くなる。

例えば漏電電流の検出器は使用目的によって５〜１０１
００Ｏの範囲のものがあり、したがって低電流側の検出
には出願中の方法を用い、大きな電流側の検出には本発
明の方法を用いるというように両者を使い分けることに
より、それぞれの器種に対応することができる。なお本
発明の実施例第１２図では３００ｎ＋＾までの結果を示
しであるが、磁気回路条件、電子回路条件などを適切に
設定することにより１０１００Ｏまで検出することは可
能である。

〔発明の効果〕

従来、小電流の検出方法は例えば零相電流検出器のよう
に、被検出電流による磁化力が弱＜、誘起電圧が小さい
ので、小電流を検出するには鉄心の断面積、検出コイル
巻数の増大は避けられない。

これに対し、本発明によれば実施例で説明したごとく、
高周波特性の良い鉄心の残留磁束密度近傍を検出コイル
とは別に設けた高周波励磁コイルに適切な値の抵抗を直
列に接続して高周波で磁化し、磁束変化を高速で起こさ
せ、被検出電流による磁界と高周波励磁電流の磁界によ
り検出コイルに誘起する変調波から高周波分、直流分を
除去して得られる出力電圧と被検出電流の波形が同じに
なるようにしたため、交流正弦波電流に限ることなく、
歪形波、直流その他いかなる波形をもつ被検出電流に対
しても、鉄心重量を１７２０、コイル巻数を１１５にそ
れぞれ低減することができ、検出部の小型化、軽量化が
可能となる。また本発明の方法が用いられる小電流検出
装置は高周波電源の電圧が正（［１のみでもよいので小
型、安価なタイマー用ＩＣを使用でき、高周波励磁部を
小型化でき、経済性の点でも有利であるという利点を有
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法が適用される装置の要部構成図を
示した模式図、第２図は鉄心材料の磁気ヒステリシス曲
線の形を示した概念図、第３図。 第４図、第６図は第２図の残留磁束密度近傍のマイナー
ヒステリシスの磁界と磁束密度の変化を表す拡大図、第
５図は被検出電流の磁界とマイナーヒステリシスループ
の磁束密度の開係線図、第７図は第１図とは異なる出力
部の回路構成図、第１１図は第１図とは異なる高周波励
磁部の回路構成図、第１２図は被検出電流と出力電圧の
開係線図、第１３図は零相変流器の作動を説明するため
の要部構成を示した模式図、第１４図は第１３図の鉄心
材料の磁化曲線の形を示した概念図である。 １、ｌａ　　鉄心、２．２ａ　導体、３．１２　検出コ
イル、７　高周波励磁コイル、８　抵抗、９　高周波電
源、ＩＩ、ｌｌａ　　高周波励磁部、１３゜１３ａ、１
３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ　　整流器、１４．１４
（Ｌｉ　低域濾波器、１５．１５ａ　　直流除去器、」
、ガ１９　　出力部、１８．２０　　差動増幅器、２１
．２２　　直流筒 磁界 図 第 図 被検出電流１；よる磁界 第５図 時間 第 図 第 図 第 図 第 図 被検出電流 （Ａ） 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）磁気ヒステリシス曲線が角形特性を示す高透磁率材
   料を用いて閉磁路を形成した筒状鉄心の中心孔を通る導
   体に流れる小電流によって前記鉄心に生ずる磁界の強さ
   を変化させ、前記鉄心に巻回した検出コイルの誘起電圧
   から前記小電流を検出する方法であって、以下の手順に
   より行うことを特徴とする小電流検出方法。 ｉ）前記鉄心に検出コイルとは別に高周波励磁コイルを
   巻回し、これと直列に制御抵抗を接続して高周波電源で
   前記鉄心の磁気ヒステリシス曲線における残留磁束密度
   近傍まで励磁して高周波マイナーヒステリシスを発生さ
   せておく、 ｉｉ）この励磁状態で前記鉄心に前記小電流による磁界
   を加え、前記高周波マイナーヒステリシスを正磁界側ま
   たは負磁界側に移動させることにより、前記マイナーヒ
   ステリシスの変分透磁率を変化させる、 ｉｉｉ）この時、前記制御抵抗を調整して前記小電流の
   磁界による前記マイナーヒステリシスの変分透磁率の変
   化範囲を前記小電流と出力電圧の開係がほぼ直線となる
   ようにし、前記マイナーヒステリシスの磁束変化によっ
   て誘起する電圧を前記小電流に比例させる、 ｉｖ）前記小電流に比例した誘起電圧から前記小電流の
   磁界分を分離する。