JPH07312823A - 直流漏電検出保護装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】従来の温度ドリフト対策や磁気シールドなどが
不要で、経済的で信頼性の高い直流漏電検出保護装置を
得ることにある。 【構成】変流器100 の１次側100bに直流漏電電流が流れ
るように接続した直流電源1,2 と、変流器100 の２次側
100aを励磁する交流発生器22と、この22からの電流が正
側および負側間に差が生じたことに基づき直流漏電を検
出する検出手段(抵抗12、増幅器23、ピーク検出器24,25
、レベル検出器13）と、前記直流電源1,2 の接地部分
に設けられ、前記検出手段により直流漏電が検出された
とき、前記直流電源1,2 と前記接地部分の間を開く開閉
器28を具備したもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電池などの直流電源の
一部を直接又は抵抗を介して接地して使用する場合の直
流漏電検出保護装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の従来の直流漏電検出保護装置の
一例について、図８を参照してその構成と動作を説明す
る。直流電源１と直流電源２を直列にし、その中点をＢ
点で接地し、直流電源１の正極と直流電源２の負極から
の配線を磁束検出器１０の鉄心１０ｃに同方向に貫通さ
せて、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下ＩＧＢ
Ｔと称す）３ａ、ＩＧＢＴ３ｂ、ＩＧＢＴ４ａ、ＩＧＢ
Ｔ４ｂからなるインバータブリッジ４の直流側へ供給
し、インバータブリッジ４の交流出力は高周波変圧器５
の一次側に接続する。

【０００３】高周波変圧器５の２次側は整流ブリッジ６
の交流端子に接続し、整流ブリッジ６の直流端子にはリ
アクトル７とコンデンサ８からなるフィルタを接続し、
このフィルタにより平滑化した直流出力を得る。コンデ
ンサ８の両端電圧は電圧検出器９で絶縁して検出し、こ
の検出電圧と電圧基準１５を増幅器１６により比較増幅
して制御し、コンデンサ８の両端電圧が一定となるよう
制御している。

【０００４】増幅器１６の出力と、三角波発生器１８か
らの三角波出力とが比較され、ＰＷＭ信号器１７により
ＰＷＭ信号に変換され、このＰＷＭ信号は駆動回路２０
を介してＩＧＢＴ４ａとＩＧＢＴ３ｂをオン、オフして
いる。

【０００５】一方、ＰＷＭ信号器１７の出力は反転回路
１９、駆動回路２１を介してＩＧＢＴ３ａ、ＩＧＢＴ４
ｂをオン、オフしている。以上のような構成により直流
電源１、直流電源２を直列接続した電源からインバータ
ブリッジ４により高周波の交流電圧に変換し、変圧器５
により絶縁して整流ブリッジ６で再度直流に変換する、
いわゆるＤＣ／ＤＣコンバータを構成している。

【０００６】ところが、直流電源１と直流電源２の電圧
が高い場合は、機器の絶縁や人体への安全性のため直流
電源１と直流電源２の接続点（中点）Ｂを接地して、対
アース電圧を1/2 にして使用することが行なわれてい
る。

【０００７】このような回路では直流回路の漏電を検出
してインバータブリッジ４を停止したり警報を出力する
必要がある。図８では、磁束検出器１０の鉄心１０ｃの
一部に空隙１０ｄを設け、ホール素子や磁気感動抵抗な
どからなる磁気センサ１０ｂを取りつけ、その出力を増
幅器１１へ出力し、増幅器１１の出力は磁束検出器１０
の鉄心１０ｃに巻いた制御巻線１０ａに流れて抵抗１２
を通って検出される。

【０００８】制御巻線１０ａによる磁束は磁気センサ１
０ｂの出力を打ち消す方向に巻かれているので、磁気セ
ンサ１０ｂの出力が常にゼロになるよう増幅器１１によ
り制御巻線１０ａに電流を流し、この電流値を抵抗１２
の電圧降下で検出し、レベル検出器１３でレベル検出し
て設定値以上になると、故障検出回路１４を介して警報
回路２６を駆動して警報すると同時に駆動回路２０、２
１を停止してインバータブリッジ４のＩＧＢＴをオフさ
せて運転を停止させる。

【０００９】磁束検出器１０の鉄心１０ｃの一次側に
は、直流電源１の正極からと直流電源２の負極からの配
線が同一方向に貫通しているので、正常時はこの電流値
は同じで、流れる方向が逆なため鉄心１０ｃの空隙１０
ｄには磁束は発生せず、このため抵抗１２で検出される
電圧もゼロである。

【００１０】次に、例えばＡ点で漏電が発生した場合を
考える。直流電源１の正極から磁束検出器１０の鉄心１
０ｃを貫通してＡ点を通り、Ｂ点から直流電源１の負極
に漏電電流が流れるので、この漏電電流により鉄心１０
ｃの空隙１０ｄに磁束が発生し、これを検出して、この
磁束を打消すように増幅器１１が電流を流すので、この
大きさを抵抗１２の電圧降下として検出し、設定以上に
なるとレベル検出器１３により漏電事故として検出する
ものである。漏電検出の目的は、感電保護と火災防止の
２点であるが、前者では数＋ｍＡ、後者では数百ｍＡの
漏電を検出する必要がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところが、図８に示す
従来の直流漏電検出保護装置では、以下に述べる２点の
問題点があった。 １）磁気センサ１０ｂには、出力電圧の温度ドリフトが
あり、温度が変化すると磁気センサ１０ｂの出力電圧の
ゼロ点が多少ドリフトする。このため、漏電電流を感度
良く検出するためには、このドリフトを無視できるよう
直流電源１，２からの２本の配線を鉄心１０ｃに貫通す
る回数を増す必要がある。しかしながら、直流電源１，
２の電流容量が大きくなると、貫通回数を増加させるこ
とはコストが増すばかりでなく、かつ貫通面積も増える
ことから困難となる。

【００１２】２）鉄心１０ｃに空隙１０ｄを設け、この
空隙１０ｄの磁束を検出しているので、外部の磁束がこ
の部分に交差する危険性が大となる。このため、漏電電
流がゼロでも、近くに変圧器やリアクトルや大電流が流
れる回路や、大きな磁石を使うような場所では検出器全
体を磁気シールドする構成が必要となる。 本発明の目的は、従来の温度ドリフト対策や磁気シール
ドなどが不要で、経済的で信頼性の高い直流漏電検出保
護装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、請求項１に対応する発明は、変流器の１次側に直流
漏電電流が流れるようにした直流電流供給手段と、前記
変流器の２次側を励磁する励磁手段と、この励磁手段か
らの電流が正側および負側間で差が生じたことを検出す
る検出手段を具備した直流漏電検出保護装置である。

【００１４】前記目的を達成するため、請求項２に対応
する発明は、変流器の１次側に直流漏電電流が流れるよ
うにした直流電流供給手段と、前記変流器の２次側を励
磁する励磁手段と、この励磁手段からの電流が正側およ
び負側間に差が生じたことに基づき直流漏電を検出する
検出手段と、前記直流電流供給手段の接地部分に設けら
れ、前記検出手段により直流漏電が検出されたとき、前
記直流電流供給手段と前記接地部分の間を開く開路手段
を具備した直流漏電検出保護装置である。

【００１５】前記目的を達成するため、請求項３に対応
する発明は、請求項１または請求項２記載の直流漏電検
出保護装置において、前記検出手段は前記励磁手段から
の正側励磁電流および負側励磁電流のピーク値又は平均
値の差が設定値以上になった時、直流漏電と判別するこ
とを特徴とする直流漏電検出保護装置である。

【００１６】前記目的を達成するため、請求項４に対応
する発明は、請求項１または請求項２記載の直流漏電検
出保護装置において、前記検出手段は前記励磁手段から
の励磁電流の高調波成分が設定値以上変化した時、又は
前記励磁電流の半サイクル毎に高調波成分に差が発生し
た時直流漏電と判別することを特徴とする直流漏電検出
保護装置である。

【００１７】前記目的を達成するため、請求項５に対応
する発明は、請求項１または請求項２記載の直流漏電検
出保護装置において、前記検出手段は前記励磁手段と前
記変流器の２次側の間に接続されたインピーダンスを介
して励磁し前記変流器２次側の端子間電圧が半サイクル
毎に歪みに差を生じたことを検出することを特徴とする
直流漏電検出保護装置である。

【００１８】

【作用】請求項１に対応する発明によれば、変流器の一
次側に直流分が流れると鉄心が偏磁し励磁電流が正、負
でアンバランスとなることを検出することにより、漏電
を検出する。

【００１９】請求項２に対応する発明によれば、漏電検
出信号で接地部を開路することにより漏電電流が流れる
回路を開き漏電電流をしゃ断する。請求項３に対応する
発明によれば、励磁電流の正側と負側のピーク値の差が
拡大したことにより直流漏電を検出する。

【００２０】請求項４に対応する発明によれば、励磁電
流の高周波成分を検出し、高周波成分が増加し、しかも
励磁電流の半サイクル毎に高周波成分が変化することを
検出する。

【００２１】請求項５に対応する発明によれば、検出電
圧のゼロクロス付近の歪が励磁電流の半サイクル毎に差
が出ることを検出する。以上述べた請求項１〜請求項５
に対応する発明によれば、直流漏電電流により変流器の
２次側に接地した交流電源の励磁電流の歪が拡大するこ
とや、半サイクル毎にアンバランスすることを検出して
いるので、温度ドリフトや外部磁界の影響を受けず、し
かも巻線のみなので悪影響にも強く信頼性のある経済的
な直流漏電検出保護装置を提供することができる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１は本発明の第１実施例を示す図であ
り、図８と同一部分は同一番号を付し説明を省略する。
図１では図８の磁束検出器１０に替えて交流変流器１０
０とし、その２次巻線１００ａに交流発生器２２の出力
電圧を印加し、抵抗１２により２次巻線１００ａの励磁
電流を検出し、増幅器２３で増幅した出力を正側ピーク
検出器２４を介して検出した正側ピーク値を、負側ピー
ク検出器２５を介して検出した負側ピーク値とをレベル
検出器１３でレベル検出し設定値以上の場合は故障検出
回路１４を動作させ、警報回路２６で漏電警報を行うと
同時に駆動回路２０、駆動回路２１に入力してインバー
タブリッジ４を停止する。

【００２３】一方、直流電源１と直流電源２の接続点
（中点）から開閉器２８を介して接地し、開閉器２８の
トリップコイル２８ａはトリップ回路２７により故障検
出回路１４の出力で駆動される。

【００２４】次に、以上のように構成された本発明の第
１実施例の動作原理について図２を参照して説明する。
図２のＩ０（左側）は直流漏電電流が流れていない場合
を示し、図２のＩ１（右側）は直流漏電電流が流れた場
合を示す。

【００２５】先ず、図２のＩ０について説明する。一般
に、鉄心１０ｃのＢ−Ｈ特性（磁束密度）は、ａ−ｂ−
ｃ−ｄ−ａに示すような特性となる。正常時は変流器１
００の一次側（一次巻線）１００ｂは高インピーダンス
のために電流は流れないので、この鉄心１００ｃに２次
巻線１００ａを巻き、交流発生器２２により電圧Ｖ２２
を印加すると、励磁電流のみ流れ、励磁電流Ｖ１２
（１）は、電圧Ｖ２２より９０°遅れた電流が流れる。
この時の鉄心１００ｃのＢ−Ｈ曲線（図２の左側の磁束
密度の斜線は、ｅ−ｆ−ｅに示すように鉄心１００ｃが
飽和しない範囲で動作するように設計されている。

【００２６】この時、励磁電流Ｖ１２（１）は正側、負
側は対称になっているので、増幅器２３を介してピーク
検出器２４，２５によりそれぞれ検出されるピーク値
は、Ｖ２４、Ｖ２５に示すようにほぼ等しいレベルであ
るので、レベル検出器１３の出力は無く、正常運転を続
ける。

【００２７】次に、変流器１００の一次側１００ｂに直
流漏電電流が流れると、鉄心１００ｃは偏磁し、図２の
Ｉ１のＨ１の点に移動した場合、交流発生器２２の出力
電圧Ｖ２２を２次巻線１００ａに加えると、鉄心１００
ｃのＢ−Ｈ曲線（鉄心の磁束密度）上ｇ−ｈ−ｇ（斜線
部分）の間を移動することになり、励磁電流（Ｈに比
例）はＶ１２（１）に示すよう正側で飽和して大きなピ
ーク電流が流れる。よって、ピーク検出器２４，２５で
検出されるピーク値Ｖ２４とＶ２５は大きさが異り、レ
ベル検出器１３で、Ｖ２４とＶ２５の差（又は比）が一
定以上の場合は故障検出回路１４を動作させインバータ
ブリッジ４を停止し、警報回路２６から警報を出した
り、開閉器２８を開として漏電電流をしゃ断する。

【００２８】以上述べた第１実施例によれば、以下のよ
うな作用効果が得られる。 （１）鉄心１００ｃを交流励磁で使用しているので、残
留磁束を考える必要もなく、漏電電流がゼロの場合の温
度ドリフトを考える必要がなく、非常に安定しているこ
とから、高感度で直流漏電を経済的に検出することがで
きる。

【００２９】（２）鉄心１００ｃには空隙を設けてない
ので、外部の磁束が侵入する心配がなく外部磁界に対し
ても信頼性がよく、リアクトルや変圧器の近くに配置し
ても誤動作の心配がない信頼性の良い直流漏電検出保護
装置を提供することができる。 以上述べた第１実施例
は、以下のように変形して実施できる。図２においてＶ
１２（２）は鉄心１００ｃを最初から飽和ぎみに使用し
ている場合を示しているが、この場合、励磁電流波形は
やや異るが、動作は同じである。また、漏電電流検出感
度を高めるためには変流器１００に使用する鉄心１００
ｃはシャープな飽和特性を持ち、鉄損の少ないものが望
ましく巻鉄心を使用する。さらに、交流発生器２２の出
力電圧Ｖ２２は正弦波の必要性はなく方形波などを利用
しても作用は同じである。図１では励磁電流Ｖ１２の正
側と負側のピーク値を増幅器２３を介してピーク検出器
２４，２５で検出し、これをレベル検出器１３により比
較したが、励磁電流Ｖ１２の平均値の比較や絶対値の変
化などで検出しても同様な作用効果が得られることはい
うまでもない。

【００３０】また、図３は本発明の第２実施例を示す図
であり、図１の実施例と異なる点は、図１の増幅器２３
の出力側とレベル検出器１３の入力側の構成としてピー
ク検出器２４，２５を設けず、ハイパスフィルタ３０を
介して高調波検出回路３２，３３を設け、また交流発生
器２２と高調波検出回路３２，３３の間に選択回路３１
を設けたものである。

【００３１】ハイパスフィルタ３０は、図４に示すよう
に増幅器２３の出力である励磁電流Ｖ１２の高調波成分
Ｖ３０を取り出す。選択回路３１は、図４に示す交流発
生器２２の出力電圧Ｖ２２のゼロクロス付近（半サイク
ル毎）の電圧３１ａ，３１ｂを検出する。高調波検出回
路３２，３３は、ハイパスフィルタ３０の出力Ｖ３０か
ら高調波成分を取り出す。

【００３２】このように構成された第２実施例によれ
ば、以下のような作用効果が得られる。 いま、交流発
生器２２の出力電圧Ｖ２２の波形が図４に示すようにな
っている場合、選択回路３１から電圧３１ａ，３１ｂが
検出される。この電圧３１ａ，３１ｂが検出される毎
に、増幅器２３には励磁電流Ｖ１２が入力され、ハイパ
スフィルタ３０により高周波分Ｖ３０のみが検出され、
この検出された高周波分Ｖ３０は高調波検出回路３２，
３３に入力され高周波分が検出され、この高周波分がレ
ベル検出器１３により入力され両者が比較され、両者の
差が所定値を越えたときに出力信号を生じ、故障検出回
路１４が動作し、これにより駆動回路２０，２１が不動
作となりインバータブリッジ４を停止し、警報回路２６
から警報を出したり、トリップ回路２７が動作して開閉
器２８を開いて漏電電流をしゃ断する。

【００３３】このように図３の実施例では、半サイクル
毎に高調波成分の変化を検出しているので、検出感度が
上がる。なお、用途によっては、図３の選択回路３１を
省いてもよく、また高周波の絶対値や高周波の変化のみ
で検出できることはいうまでもない。

【００３４】図５は本発明の第３実施例を示す図であ
り、図１の実施例と異なる点は、図１の抵抗１２および
増幅器２３を設けずに、この代わりとしてインピーダン
ス３４を変流器１００の２次巻線１００ａに直列に接続
し、２次巻線１００ａの線間に微分回路３５を接続し、
微分回路３５の出力をピーク検出器２４，２５に入力す
るように構成したものである。

【００３５】このような構成のものにおいて、交流発生
器２２の出力電圧Ｖ２２を変流器１００の２次巻線１０
０ａに印加して励磁しておく。この状態で変流器１００
の一次側に直流電源１，２により直流電流を流すと、励
磁電流Ｖ１２は図２に示すように非対称となり、この状
態で鉄心１００ｃが飽和した半サイクルでは励磁電流ｉ
ｅは図６に示すように大きなピーク値を示し、変流器１
００の２次巻線１００ａの線間電圧Ｖ２は破線で示した
ような波形となる。この線間電圧Ｖ２は微分回路３５に
より微分され、出力Ｖ３５は出力される。この出力Ｖ３
５は図６に示すような波形となるので、この波形のピー
ク値をピーク検出器２４，２５により検出し、これをレ
ベル検出器１３により正、逆で比較することで、前述の
第１実施例と同様な検出を行うことができる。

【００３６】なお、図５の微分回路３５は省略し、この
代わりに図示しない高周波分検出回路で高周波の増加を
検出することにより、図５の実施例と同様な作用効果が
得られる。

【００３７】図７は直流漏電検出保護装置の主回路のみ
を示す実施例で、直流電源１、２の中点の接地は、交流
電源４６、交流電源４７の中点を接地した単相３線式配
線に、チョッパを構成するＩＧＢＴ３ａ，４ａ、ダイオ
ード３６、３７、リアクトル３８、３９、フィルタコン
デンサ４０、４１、電流検出器４８、４９、半導体スイ
ッチ４２、４３、４４、４５からなるインバータにより
接触器２８１を介して接続したものである。この場合は
直流電源１、２と中点の３本の線を変流器１００の一次
側に貫通させることで、図１、図３、図５に示す実施例
と同様に、直流漏電を検出し投入コイル２８１ａをオフ
させることで漏電電流をしゃ断することができる。この
場合は変流器１００の左側例えばＡ点で漏電した場合検
出可能である。

【００３８】なお、図７の変流器１００の一次側１００
ｂを右側に移動し、交流電源４６、４７の三本の線を貫
通させても同様に作用するので、検出点範囲を考えて変
流器１００の挿入場所を選ぶことにより、適用対象を広
げることができる。図１の直流電源は中点を接地してあ
るが、この接地点は本発明には直接関係しないことは説
明するまでもない。一電源の片側接地でも同様に作用す
る。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、直流漏電電流により変
流器の２次側に接地した交流電源の励磁電流の歪が拡大
することや、半サイクル毎にアンバランスすることを検
出しているので、温度ドリフトや外部磁界の影響を受け
ず、しかも巻線のみなので悪影響にも強く信頼性のある
経済的な直流漏電検出保護装置を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による直流漏電検出保護装置の第１実施
例を示す図。

【図２】図１の実施例の動作を説明するための図。

【図３】本発明による直流漏電検出保護装置の第２実施
例を示す図。

【図４】図３の実施例の動作を説明するための図。

【図５】本発明による直流漏電検出保護装置の第３実施
例を示す図。

【図６】図５実施例の動作を説明するための図。

【図７】本発明による直流漏電検出保護装置の主回路の
変形例を示す図。

【図８】従来の直流漏電検出保護装置の１例を示す図。

【符号の説明】

１，２…直流電源、４…インバータブリッジ、５…高周
波変圧器、６…整流ブリッジ、７…リアクトル、８…コ
ンデンサ、９…電圧検出器、１０…磁束検出器、１１…
増幅器、１２…抵抗、１３…レベル検出器、１４…故障
検出回路、１５…電圧基準、１６…増幅器、１７…ＰＷ
Ｍ信号器、１８…三角波発生器、１９…反転回路、２
０、２１…駆動回路、２２…交流発生器、２３…増幅
器、２４，２５…ピーク検出回路、２６…警報回路、２
７…トリップ回路、２８…開閉器、１００…変流器、１
００ａ…変流器２次巻線、３０…バイパス回路、３２、
３３…高周波検出回路、３４…インピーダンス、３５…
微分回路。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 変流器の１次側に直流漏電電流が流れる
   ようにした直流電流供給手段と、前記変流器の２次側を
   励磁する励磁手段と、この励磁手段からの電流が正側お
   よび負側間で差が生じたことを検出する検出手段を具備
   した直流漏電検出保護装置。
2. 【請求項２】 変流器の１次側に直流漏電電流が流れる
   ようにした直流電流供給手段と、前記変流器の２次側を
   励磁する励磁手段と、この励磁手段からの電流が正側お
   よび負側間に差が生じたことに基づき直流漏電を検出す
   る検出手段と、前記直流電流供給手段の接地部分に設け
   られ、前記検出手段により直流漏電が検出されたとき、
   前記直流電流供給手段と前記接地部分の間を開く開路手
   段を具備した直流漏電検出保護装置。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２記載の直流漏電
   検出保護装置において、前記検出手段は前記励磁手段か
   らの正側励磁電流および負側励磁電流のピーク値又は平
   均値の差が設定値以上になった時、直流漏電と判別する
   ことを特徴とする直流漏電検出保護装置。
4. 【請求項４】 請求項１または請求項２記載の直流漏電
   検出保護装置において、前記検出手段は前記励磁手段か
   らの励磁電流の高調波成分が設定値以上変化した時、又
   は前記励磁電流の半サイクル毎に高調波成分に差が発生
   した時直流漏電と判別することを特徴とする直流漏電検
   出保護装置。
5. 【請求項５】 請求項１または請求項２記載の直流漏電
   検出保護装置において、前記検出手段は前記励磁手段と
   前記変流器の２次側の間に接続されたインピーダンスを
   介して励磁し前記変流器２次側の端子間電圧が半サイク
   ル毎に歪みに差を生じたことを検出することを特徴とす
   る直流漏電検出保護装置。