JP2010025743A - 絶縁監視装置及び絶縁監視方法 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁抵抗の劣化に起因して生じる真の漏れ電流［Ｉor］を、複雑な回路を使用することなく、低コストで検出できる絶縁監視装置を提供する。
【解決手段】小型の筐体に、クリップ６で取得した電圧を分圧する分圧回路５１と、電路から絶縁されなければならない部位に流れるＩorを含んだ漏れ電流の大きさに応じた磁束密度を生じさせる磁束発生手段２０，７１と、分圧回路５１で分圧された電圧の電圧値と磁束密度との乗算結果に比例する変動成分を持つ電圧を出力するホール素子７２ｃと、このホール素子７２ｃから出力される電圧のノイズその他の高周波成分を除去するフィルタ５２と、フィルタ出力をＡ／Ｄ変換し、ディスプレイ４に表示させるための電子回路ボード５とを設けて絶縁監視装置を構成した。
【選択図】図６

Description

本発明は、電路の絶縁抵抗の劣化に起因して流れる絶縁抵抗分の漏れ電流を計測することにより、その電路の絶縁状態を監視する小型軽量の絶縁監視装置、及び、絶縁監視方法に関する。

回路的に絶縁されている対象間の抵抗を「絶縁抵抗」という。絶縁抵抗が劣化すると、漏電が起き、電路又は電路に接続された電気機器に悪影響を及ぼす。そのため、電路の絶縁監視は重要である。電気事業法でも、電路は絶縁して使用しなければならないという大原則がある。絶縁監視を日常的に手軽に行う観点からは、監視用の計測器は、小型・軽量で、携帯性に優れていること、分電盤や電機機器等の狭い空きスペースにも組込可能な、場所を選ばないサイズであることが望ましい。

絶縁抵抗は、「メガ」と呼ばれる絶縁抵抗計を用い、電路で使用する電圧の２０〜３０％以上の電圧をかけて測定する（例えば１００Ｖ機器の場合は１２５Ｖ、２００Ｖ機器の場合は２５０Ｖ、４００Ｖ機器の場合は５００Ｖ）。そのため、大容量の電源を備えなければならず、小型化には限界がある。また、絶縁監視は電路を停電状態にして行うのが理想的であるが、近年のＯＡ化等の影響により、電路を停電状態にすることが困難な状況にある。そのため、この種の計測器には、活線状態で絶縁監視する機能も望まれている。

活線状態で電路の絶縁監視を行う計測器の従来例として、例えば、特許文献１に開示された活線絶縁測定装置がある。この装置は、使用する商用周波数ｆの電路にその商用周波数ｆよりも低い周波数の注入電圧をｎ（１以上の整数）／ｆ倍の周期で印加し、これにより検出された電流信号をフィルタリングし、フィルタリング出力を注入電圧に同期して整流した後、その平均値を絶縁抵抗に換算する。この装置は、任意の注入周波数を選ぶことができるので汎用性があり、また、電圧注入時は入力側と出力側とを遮断するので、ノイズの侵入や信号の過渡応答による波形変動の影響を受けないという利点がある。しかし、漏れ電流の高調波成分が無視できないレベルになると、この装置では、各高調波次数に応じた同期回路やフィルタが必要となり、回路構成が複雑化し、これが製品価格の上昇につながるという課題がある。

上記のような異種電源を注入することなく、漏れ電流の高調波成分の性質を利用して小型化したものもある。例えば特許文献２に開示された絶縁監視装置は、三相電路の各相の対地静電容量分の漏れ電流量が漏れ電流の周波数に依存する特性を利用し、漏れ電流の２種類以上の周波数成分（基本波成分と例えば第５次高調波成分）を抽出することで、対地静電容量の影響を除去し、対地絶縁抵抗分の漏れ電流量だけを算出することにより、三相電路の絶縁抵抗を測定する。低圧配電線等の三相電路は、一つの相（一線）が接地されており、接地されていない二つの相（他の２線）の絶縁抵抗を知るだけで三相電路の絶縁状態を監視することができるので、装置構成は小型化される（特許文献２の段落０００７〜００１０）。
しかし、この絶縁監視装置では、基本波成分及び各高調波成分を抽出するためのバンドパスフィルタと、各周波数成分の電流と電圧の位相関係を求めたり、解析アルゴリズムを実行するための電子回路が不可欠となる。また、基本波成分に比較して高調波成分の含有量が非常に少ない場合には精度が劣る。これを回避するためには、基本波電圧を高精度に測定し、かつ、測定した基本波電圧に基づいて必要な次数の高調波電圧を作成しなければならず、そのための回路構成も複雑なものとなり、コストの上昇を招く。

特開２００１−２６４３７１号公報 特開２００４−３１７４６６号公報

活線状態の電路の絶縁監視は、絶縁抵抗を測定することにより行うだけではなく、その電路を流れる漏れ電流を検出することにより行うこともできる。漏れ電流の検出による絶縁監視は、絶縁抵抗を測定するよりも低コストで実現することができる。実際、自家用電気工作物の維持・運用に係る巡視、点検及び検査において、低圧電路の絶縁状態の監視が可能なＩo絶縁検出器が実用化されている。このＩo絶縁検出器は、低圧電路に印加された電圧に基づく漏れ電流（Ｉoと呼ばれる場合がある）をＢ種接地工事の接地線で検出するものである。
しかし、Ｉo絶縁検出器では、対地静電容量成分に基づく漏れ電流を除去することができない。すなわち、Ｉo絶縁検出器で検出する漏れ電流（Ｉo）は、絶縁抵抗の劣化に起因して流れる真の漏れ電流、すなわち絶縁抵抗分の漏れ電流（「Ｉo」に対して「Ｉor」と呼ばれる場合がある）と、電路と大地との間の静電容量による漏れ電流との和（ベクトル和）となる。そのため、例えば静電容量の位相とＩorの位相の状態によっては（例えば、三相の電路においてＲ相とＴ相に漏れ電流が流れている場合においてＲ相に絶縁不良が生じた場合）、Ｉorが増加しても、２つのベクトル和であるＩoが小さくなる場合がある。逆に、実際には絶縁されている場合であっても静電容量による漏れ電流のためにＩoを検出してしまう場合もある。そのため、検出結果の信頼性が低いという問題があった。
絶縁監視を正しく行う観点からは、Ｉorを検出できなければならない。
本発明は、かかる観点から、Ｉorを複雑な回路を使用することなく検出することにより、絶縁監視を容易且つ正しく行えるようにする技術を提供することを主たる課題とする。

本発明は、Ｉorの検出を可能にする絶縁監視装置及び絶縁監視方法により上記課題の解決を図る。
本発明の絶縁監視装置は、活線状態の電路から電圧を取得する電圧取得手段と、前記電圧取得手段で取得した電圧を分圧する分圧回路と、前記電路から絶縁されなければならない部位に流れる絶縁抵抗分（Ｉor）を含んだ漏れ電流（Ｉo）の大きさに応じた磁束密度を生じさせる磁束発生手段と、前記分圧回路の出力電圧と前記漏れ電流との位相差を調整可能にする位相調整回路と、この位相調整回路により前記漏れ電流との位相差が所定値に調整された前記出力電圧と前記磁束密度との乗算結果に比例する変動成分を持つ電気信号を出力する磁電変換素子と、この磁電変換素子から出力される電気信号から直流成分又は商用周波数の２倍未満の低周波成分を抽出する低域通過フィルタと、この低域通過フィルタの出力信号を前記電路と前記部位との絶縁状態を表す定量値として出力する出力回路とを有するものである。
前記絶縁されなければならない部位に流れる絶縁抵抗分を含んだ漏れ電流は、例えばトランスの一端子と大地（アース）とを結ぶＢ種接地線に流れる電流である。

前記磁電変換素子は、具体的には、受感部、入力部及び出力部を有するホール素子であり、前記入力部に前記分圧回路で分圧された電圧又は所定の定電流源から出力される電流を供給し、前記受感部に前記磁束密度の磁束を作用させることにより、前記出力部から、前記分圧された電圧又は前記電流の値と、前記磁束密度との乗算結果に比例する変動成分を持つ電気信号を出力するものである。

前記磁束発生手段は、具体的には、前記接地線に流れる電流を検出する変流器と、この変流器の出力を増大させる増幅回路と、この増幅回路の出力の変動を抑制する変動抑制回路（変動が電流変動の場合は定電流回路）と、この変動抑制回路の出力を供給することにより磁束を発生させるギャップ付鉄心とを含んで構成されており、前記ホール素子は、前記ギャップ付鉄心のギャップに埋め込まれており、前記位相調整回路は、前記変流器の出力に対する前記ギャップ付鉄心に加えられる起磁力（例えば巻数×電流）の位相を調整可能にするように構成される。

本発明の絶縁監視方法は、受感部、入力部及び出力部を有するホール素子と低域通過フィルタとを用いた絶縁監視方法であって、前記入力部に当該ホール素子の駆動用電圧又は駆動用電流を供給するとともに、監視対象となる電路から絶縁されなければならない部位に流れる絶縁抵抗分を含む漏れ電流の大きさに応じた磁束密度を生じさせ、この磁束密度の磁束を前記受感部に作用させることにより、前記出力部から前記駆動用電圧又は前記駆動用電流の値と前記磁束密度との乗算結果に比例する変動成分を持つ電気信号を出力させ、さらに、この電気信号から直流成分又は商用周波数の２倍未満の低周波成分を前記低域通過フィルタで抽出し、抽出した信号を前記電路と前記部位との絶縁状態を表す定量値とすることを特徴とする。
この絶縁監視方法において、ホール素子の駆動源を簡略にする観点からは、活線状態の前記電路から電圧を取得し、取得した電圧を分圧した後、前記漏れ電流との位相差を所定値に調整した分圧電圧を前記駆動用電圧として前記入力部に供給するようにする。

本発明によれば、磁電変換素子（例えばホール素子）から出力される、分圧回路で分圧された電圧と漏れ電流が流れることにより生じた磁束密度との乗算結果に比例する変動成分を持つ電気信号を、低域通過フィルタでノイズ除去して出力回路から出力するだけで、絶縁抵抗分の漏れ電流（Ｉor）を検出することができる。上述したＩo絶縁検出器との対比では、Ｉoが小さくなっても、Ｉorが増加している場合は、磁電変換素子（例えばホール素子）の出力が、Ｉorの大きさに比例して増加するという効果が得られる。これにより、小型、軽量、単純な回路構成でありながら、きわめて信頼性の高い絶縁監視を可能にする絶縁監視装置を実現することができ、絶縁監視がより身近なものとなって、絶縁不良による不具合の発生を未然に防止できることが期待される。

本発明の絶縁監視装置は、一般に言われている漏れ電流には、静電容量に起因するものと絶縁抵抗の劣化に起因するものとがあり、絶縁監視を適切に行うためには、両者の漏れ電流から静電容量に起因する漏れ電流を除去する必要があるとの前述の視点に基づいて構成されている。本発明の実施の形態例を説明する前に、まず、上記事情、及び、どのようにしたら全体の漏れ電流から静電容量に起因するものを除去して絶縁抵抗分の漏れ電流だけを計測できるかについて説明する。

最近の電気機器は、インバータが多数使用されていることは周知である。特に、工作機械のように負荷変動の激しい電気機器を扱う工場等では、ノイズ分を除去するために、電路と大地との間にフィルタが設けられるのが一般的になっている。フィルタには多くのコンデンサが含まれる。そのため、近年の配電系統では、随所に静電容量が生じ、充電電流、すなわち静電容量分の漏れ電流が流れている。従って、この点を考慮しない漏れ電流の計測では、それが絶縁劣化によるものか、静電容量によるものかの区別がつかず、絶縁監視を適切に行うことができない。漏れ電流の計測により絶縁監視を行う際に要求されるのは、絶縁抵抗分の漏れ電流だけを計測する手法である。

絶縁抵抗分の漏れ電流を計測するための考え方は、以下のように整理することができる。図１は一般に多用されている動力電路の例、図２は電灯電路の例をそれぞれ模式的に示している。また、図３は、動力電路と電灯電路の電圧と電流（漏れ電流）との関係を示すベクトル図である。

図１の動力電路についてみると、動力機器１１０に電力を供給する三相の動力トランス１００と大地との間の静電容量は、各相（Ｔ／Ｓ／Ｒ相）ともほぼ等しい（図３（ａ）参照）。その結果、図３（ｂ）に示すように、動力電路用のΔ結線では、ベクトル加算されたＶRS＋ＶTSに対して９０度進み位相の静電容量分の漏れ電流（Ｃ成分電流）が常時流れる。この状態でＲ相又はＴ相において絶縁不良が起こると、図３（ｃ）のように、位相差のある絶縁抵抗分の漏れ電流（ＩTr又はＩRr）が動力電路に流れる。この漏れ電流ＩTr，ＩRrは、全体の漏れ電流Ｉoから電圧（ＶRS＋ＶTS）と同相となる分を検出するか、あるいは電圧ＶTRを９０度遅らせた位相と同相となる分を検出することにより求めることができる。すなわち、当該相では、静電容量分の漏れ電流ＩTc又はＩRcは零になり、絶縁抵抗分の漏れ電流ＩTr，ＩRrだけが得られることとなる。

他方、図２に示される電灯電路では、図３（ｄ）に示すように、電灯トランスのＳ相を起点として、電灯機器に逆相の電圧ＶRS、ＶTSが供給される。静電容量分の漏れ電流ＩRc，ＩTcは、図３（ｅ）に示すようにゼロとなる。この状態で、いずれかの相で絶縁不良が起きると、絶縁抵抗分の漏れ電流ＩRr，ＩTrは、図３（ｆ）に示す通り、どちらか一方だけが流れる。従って、全体の漏れ電流に対して端子間電圧の位相と同相となる分の電流を検出することにより、絶縁抵抗分の漏れ電流ＩRr，ＩTrだけを検出することができる。

次に、上記のようにして絶縁抵抗分の漏れ電流を検出することにより絶縁監視を行う絶縁監視装置の実施の形態例を説明する。絶縁監視装置の実施の形態としては、携帯性計測器型、据え置きの計測器型、電機機器その他のモジュールへの組込型、リレー等との組み合わせ型等、種々の形態が可能であるが、ここでは、３つの形態例を説明する。

［第１実施形態］
図４は、本発明の第１実施形態による絶縁監視装置の外観図であり、携帯性計測器型として実施する場合の例を示すものである。
この形態の絶縁監視装置は、携行可能なサイズの筐体１と、この筐体１の所定部位に設けられるクランプＣＴ（ＣＴはCurrent Transformerの略、以下同じ）２と、筐体１の表面に設けられる操作盤３及びディスプレイ４と、筐体１に内蔵される電子回路ボード５と、１対のクリップ６とを備えている。筐体１には、クランプＣＴ２を開閉させるための開閉機構１０も設けられている。電子回路ボード５には、分圧回路５１、ＬＰＦ（ロー・パス・フィルタの略、低域通過フィルタ。以下同じ）５２及びＡ／Ｄ（アナログ／デジタルの略。以下同じ）変換回路５３が実装されている。

クランプＣＴ２は、開閉機構１０の操作により、計測対象となる電路に取り付けられる。ディスプレイ４は、操作盤３のガイダンス情報や計測結果を表示するためのもので、液晶とその制御回路とで構成される。操作盤３は計測スケール等を設定するものである。クリップ６は計測対象となる電路から電圧を取得するためのものである。

この絶縁監視装置を標準的な受電設備において使用するときの構成例を図５に示す。受電設備における配電線は、日本では、事実上１００％が接地系の配電線である。この配電線は、三相トランス１１の中性点又は電圧点の１点を接地線で接地する。このときの接地線はＢ種接地線である。

絶縁監視装置は、この三相トランス１１のＢ種接地線１１ｄに流れる電流（静電容量分と絶縁抵抗分の両方を含む全体の漏れ電流）の大きさに応じた密度の磁束を発生させるとともに、任意の２相、例えばＴ相端子１１ａ及びＲ相端子１１ｂにクリップ６を接続することにより、当該相の電圧を分圧回路５１に取り込む。分圧回路５１は、位相調整回路を内蔵しており、Ｂ種接地線に流れる漏れ電流との間の位相を調整する。本例では、９０度の位相差を持たせるようにする。
なお、Ｓ相端子１ｃは使用しないが、本実施形態では、全体の漏れ電流から２つの端子間電圧と同相となる分、あるいは残りの１つの端子間電圧を９０度遅らせた位相と同相となる分を検出することにより、絶縁抵抗分の漏れ電流を計測するので、クリップ６を接続する端子は、上記のほか、Ｔ相端子１１ａとＳ相端子１１ｃ、Ｒ相端子１１ｂとＳ相端子１１ｃのいずれかを選ぶこともできる。

クランプＣＴ２は、Ｂ種接地線１１ｄを流れる電流により発生する磁束と、クリップ６で取得し、分圧回路５１で分圧した電圧とをホール素子２ｂの１対の入力端子の各々に入力し、これらの入力を乗算することにより得られる電気信号をＬＰＦ５２に出力する。

クリップ６は１対用意し、各クリップ６で取得した電圧をそれぞれ分圧回路５１に入力する。端子間電圧は、例えば対大地間で２００［Ｖ］となるので、２つの端子１１ａ，１１ｂから取り込む際の短絡を防止するため、分圧回路５１では、各クリップ６からの電圧の取り組み口付近に、それぞれ１００［ｋΩ］程度の抵抗を直列に挿入する。そして、これらの抵抗を、１〜数［ｋΩ］の可変抵抗を介して直列に接続するとともに、中間電位を回路内部の大地としている。分圧回路５１から出力される分圧電圧は、約０．３２［Ｖ］である。

ＬＰＦ５２は、ホール素子２ｂから出力される電気信号のノイズ成分を除去する。具体的には、直流成分又は商用周波数の２倍未満の低周波成分を抽出する。これにより、絶縁状態をアナログの定量値として出力する。この出力をＡ／Ｄ変換回路５３でディジタル情報に変換する。ディスプレイ４は、このディジタル情報を数値ないし画像で表示する。

本実施形態の絶縁監視装置では、クランプＣＴ２に、電圧と磁束密度との乗算結果に比例する変動成分を持つ電気信号を出力する機能を持たせる点に特徴の一つがある。このクランプＣＴ２の動作につき、詳細に説明する。

クランプＣＴ２は、分割ＣＴを主たる構成要素として含む。分割ＣＴは、環状のギャップ付鉄心（コア）２ａと、ギャップに挿入されたホール素子２ｂとを含み、Ｂ種接地線１１ｄに流れる電流に比例した磁束を鉄心２ａで収束させ、この磁束が、ギャップに挿入されたホール素子２ｂを貫通するようにし、ホール効果によるホール電圧（ＶH）を出力させる。ホール素子２ｂの素材としては、ＧａＡｓ（ガリュウム砒素）とＩｎＳｂ（インジウム・アンチモン）のいずれかを選定できる。ＩｎＳｂは、ＧａＡｓに比べて出力感度（積感度）が約３倍大きい。そのため、微小電流の検出用にはＩｎＳｂが適している。

ホール素子２ｂの駆動方式には、電流駆動と電圧駆動の２種類がある。
電流駆動方式では、ホール素子２ｂを構成する半導体の受感部の厚さをｄ、入力制御電流をＩ、外部から作用される磁界密度をＢ、半導体のホール係数をＲHとすると、（ＲH／ｄ）・Ｉ・Ｂにより、出力電圧ＶHを得る。

具体的には、半導体の所定部位に１対の入力端子と、１対の出力端子とを取り付け、図示しない定電流回路から出力される入力制御電流Ｉを一対の入力端子に流す。一方の入力端子は正極、他方の入力端子は負極である。この状態で外部から磁束密度Ｂの磁界を受感部面に垂直に作用させると、一対の出力端子間に、電圧ＶHが発生する。このように電流駆動方式では、入力制御電流Ｉと磁束密度Ｂとの乗算結果に比例した変動成分を持つ出力電圧ＶHを得る。入力制御電流が交流の場合も同様の関係が成立する。

一方、電圧駆動方式では、受感部の幅をＷ、受感部の長さをＬ、入力制御電圧をＶ、半導体の電子移動度をμＨとすると、μＨ・（Ｗ／Ｌ）・Ｖ・Ｂにより、出力電圧ＶHを得る。入力制御電圧Ｖは、本実施形態の例では、分圧回路５１で分圧された電圧である。出力電圧ＶHの温度特性は、ホール係数ＲHの温度係数に依存する。入力制御電圧が交流の場合でも同様の関係が成立する。ＲHの温度係数は比較的大きいのに対して、電圧駆動方式の場合、出力電圧ＶHの温度特性は、μＨの温度係数に依存するが、μＨは、温度が変化しても変化が少ない。そのため、温度特性の良いものが要求される場合は、電圧駆動方式を選択するとよい。

なお、上記の各駆動方式において、乗算結果に比例する変動成分は、例えば振幅、周波数、位相である。例えば、ホール素子の駆動電圧（又は駆動電流）と磁束密度の周波数（商用周波数））をｆとすると、乗算結果は、直流電圧と２ｆの交流電圧、あるいは２ｆの交流電圧のみが出力される場合がある。駆動電圧（又は駆動電流）と磁束密度の位相差が０度のときは、直流電圧と２ｆの交流電圧が出力され、他方、両者の位相差が９０度の位相差のとき（つまり、静電容量のみの場合）は、２ｆの交流電圧のみが出力される。

ホール素子２ｂ自体は、公用されているものであるが、ホール素子２ｂを、絶縁監視に際して、電圧又は電流と磁束密度との乗算結果に比例する変動要素を持つ電気信号を得るために使用する例は、本発明者が知る限り存在しない。少なくとも、ホール素子２ｂをこのように使用することにより、漏れ電流を表す電気信号が得られるという知見、これにより、絶縁監視のための装置構成の単純化、軽量化、低コスト化が促進され、取付場所を選ばない小型サイズの装置を実現できるという知見を提案するのは、本発明者らが初めてと信ずる。

［ＬＰＦ］
次に、ＬＰＦ５２の必要理由とその動作を説明する。
ホール素子２ｂを正弦波の定電圧で駆動させる場合（電圧駆動方式）、正弦波の瞬時値ｅは、実効値をＥｍとすると、ｅ＝√２ Ｅｍ・ｓｉｎωｔで表すことができる。電路の大地間を流れる漏れ電流には、絶縁抵抗分による電流と静電容量分による電流とがあることは、上述した通りである。以下、絶縁抵抗分の漏れ電流をｉr、静電容量分の漏れ電流をｉｃとする。

本実施形態では、漏れ電流検出を零相（単相電路）で行う。この漏れ電流に含まれる絶縁抵抗分の漏れ電流ｉｒは、実効値をＩrmとすると、次式で表すことができる。
ｉｒ＝√２ Ｉrm・ｓｉｎωｔで表すことができる。
この漏れ電流ｉｒによって鉄心２ａ内に磁束が生じ、ホール素子２ｂの受感部に、磁束密度Ｂｒ（＝ｋ１・ｉr）の磁束が作用する。ｋ１は鉄心のギャップで決まる定数である。

他方、静電容量分の電流ｉｃは、絶縁抵抗分の電流iｒに比べて、その位相が９０度進むので、実効値をＩcmとすると、次式で表すことができる。
ｉｃ＝√２ Ｉcm・ｓｉｎ［ω＋（π／２）］・ｔ
この漏れ電流ｉｃによって、ホール素子２ｂの受感部に磁束密度Ｂｃ（＝ｋ１・ｉｃ）の磁束が作用する。よって、ホール素子２ｂの受感部に作用する磁束密度Ｂは、次式より得られる。

ホール素子２ｂの出力電圧ＶHは、電圧ｅと磁束Ｂ密度とを掛け合わせた値（乗算値）に比例する変動成分を持つので、出力電圧ＶHは、次式より得られる。

この出力電圧ＶHの１サイクルの間の平均は、次式より得られる。

Ｅｍは被測定電路電圧によって決まり、分圧電圧５１の出力電圧は、ほぼ固定値となるので、絶縁抵抗分の漏れ電流の振幅Ｉrmは一意に求めることができる。１サイクルの平均値を求めるためには、２ｆ以上の周波数成分を除去すればよいので、ＬＰＦ５２でこれらの周波数成分を除去し、直流成分又は低周波成分を抽出するようにする。これにより、静電容量分の漏れ電流ｉcは除去される。
このように、ＬＰＦ５２は、静電容量分の漏れ電流ｉｃに影響されずに、絶縁抵抗分の漏れ電流ｉｒだけを計測するためには必須となる。
なお、ＬＰＦ５２は、商用周波数の高調波次数に応じた成分を抽出したり、除去したりする従来のフィルタに比べて簡易な構成で足り、製品の低コスト化が図れる点で、格段に有利となる。

［第２実施形態］
ホール素子は、提供メーカのデータによれば、例えば駆動電圧１[Ｖ]、磁束密度５０［ｍＴ］のときの出力電圧は、２００ｍ［Ｖ］となる。第１実施形態の場合、例えばギャップを１［ｍｍ］空けた鉄心２ａにホール素子２ｂを入れ、Ｂ種接地線１１ｄの絶縁管理上必要な一次電流１［ｍＡ］を精度よく検出しようとすると、０．０１［ｍＡ］オーダの検出（計測）精度が必要になる。実測結果によると、鉄心２ａの窓内に０．０１［ｍＡ］の電流が流れた場合にギャップ内で発生する磁束密度Ｂは、ほぼ１３［ｎＴ］となる。このとき出力電圧ＶHは、約５２［ｎＶ］となる。この程度の出力電圧ＶHではノイズの影響を受けやすい。従って、一般的な鉄心２ａのギャップにホール素子を挿入しての０．０１［ｍＡ］オーダの電流計測は、困難になる場合がある。そこで、第２実施形態では、より微小電流を検出できるようにし、且つ、ノイズの影響を受けにくくした絶縁監視装置の例を説明する。

第２実施形態の絶縁監視装置の構成例を図６に示す。便宜上、図５に示したものと同じ構成要素については、同じ符号を付してある。
この実施形態の絶縁監視装置は、その外観は、図４に示したものと同じであるが、クランプＣＴ２の内部に、第１実施形態で示した分割ＣＴに代えて、より大きな出力電圧を得ることができる閉磁路のＣＴ２０を設けた点が、まず異なる。

筐体内の電子回路ボード７には、第１実施形態で説明したものと同じＬＰＦ５２及びＡ／Ｄ変換回路５３のほか、バッファ回路７１、ホール素子内蔵ギャップ付鉄心（以下、「補助ＣＴ」と称する）７２及び分圧回路７３を実装した。
分圧回路７３は、クリップ６で取り込んだ電圧を単純に分圧するだけの回路構成とし、位相調整は電流側で行うようにした点が第１実施形態と異なる。

バッファ回路７１は、増幅・位相調整回路、ブースタ回路、及び変動抑制回路の一例となる定電流回路とを含む複合回路である。バッファ回路７１の構成例を図７に示す。図７において、(1)の部分が増幅・位相調整回路、(2)の部分がブースタ回路、(3)の部分が定電流回路である。

ＣＴ２０の窓内で流れる一次電流は、一般的な動作条件下では、上述したように０．０１［ｍＡ］オーダ、つまり、［μＡ］オーダとなる。従って、ＣＴ２０の２次側の出力電圧は非常に小さい。増幅・位相調整回路(1)の増幅部はそれを補うために存在する。また、ＣＴ２０を等価回路でみると、鉄心２０ａにコイル２０ｂを巻いているので、インダクタンスがある。インダクタンスと二次負荷抵抗は、等価回路でみれば並列となる。すると、一次電流に対して二次出力電圧の波形は位相がずれる。インダクタンスはＣＴ２０によってバラツキがある。この出力電圧の位相は、ずれたままにすると、計測結果に誤差が生じる。この誤差を小さくするために、絶縁監視装置１台毎に位相を調整する必要がある。また、上述したように、絶縁抵抗分の漏れ電流だけを検出する場合、漏れ電流と分圧された電圧との間に位相差を持たせる必要がある（例えば９０度）。増幅・位相調整回路(1)の位相調整部はそのために存在する。

ブースタ回路(2)は、電流出力を大きくするための回路であり、磁束密度をより大きくして、後段のホール素子７２ｃの出力を大きくするために補助ＣＴ７２の「窓」に流す電流（起磁力）を大きくさせる働きがある。

定電流回路(3)は、負荷抵抗が変化しても、出力される電流を一定にする回路である。負担抵抗に巻線がある場合、巻線の温度変化は、約０．４［％／摂氏温度］増加するので、電圧で出力させると、雰囲気の温度変化により、巻線の抵抗値変換、補助ＣＴ７２に使用しているコアの磁性特性の温度変化が生じ、電流が変化してしまう。電流が変化すると磁束密度Ｂが変化し、後段のホール素子７２ｃの出力が、磁束密度Ｂの変化に伴って変化する。定電流回路(3)を使用することにより、雰囲気の温度変化に対して影響の少ない回路を実現できる。このように、バッファ回路７１は、ＣＴ２０の２次側の出力を増幅・位相調整し、さらに電流を十分に大きくした後、一定電流で補助ＣＴ７２の一次側に供給する。

補助ＣＴ７２は、鉄心７２ａの一次側にコイル７２ｂを巻き、鉄心７２ａのギャップにホール素子７２ｃを挟み込んだものである。ホール素子７２ｃには、分圧回路５１から分圧電圧が供給される。ホール素子７２ｃからは、この分圧電圧Ｖと、ＣＴ２０で検出された微小電流の値を十分に大きくした増幅電流に起因する磁束密度Ｂとの乗算結果に比例する変動成分を持つ電気信号が出力される。この電気信号は、第１実施形態と同様、ＬＰＦ５２で直流成分が抽出され、Ａ／Ｄ変換回路５３で電流値を表す情報に変換されて、ディスプレイ４に表示される。

［実測結果］
図８は、第２実施形態の絶縁監視装置と、本出願人による既存計測器とを同じ条件下で用いて実際に漏れ電流を計測したときの結果を示した図表である。既存計測器では、Ｂ種接地線１１ｄに流れる漏れ電流を計測し、その結果を図８に「一次電流値」として示した。第２実施形態の電流計測器は、Ｂ種接地線１１ｄにＣＴ２０を挟み込み、このＣＴ２０の「窓」に流れる電流を計測した。共に、絶縁抵抗分の漏れ電流（図８の「Ｒ」成分）と静電容量分の漏れ電流（図８の「Ｃ」成分）とを切替えて、計測結果をプロットした。図９は、図８をグラフ化した図である。

これらの図から明らかなように、第２実施形態の絶縁監視装置では、絶縁抵抗分の漏れ電流だけを計測していることがわかる。この結果から、現場の漏れ電流は、ほとんどが静電容量分の漏れ電流（充電電流）であることもわかる。

［第３実施形態］
次に、本発明を、例えば分電盤の空きスペース等に組み込むことのできる常時監視型の絶縁監視装置として実施する場合の形態例を説明する。図１０は、この実施形態の絶縁監視装置の外観図である。絶縁監視装置は、筐体３０と、この筐体３０を分電盤に取り付けるための取付板３０ａとを有する。筐体３０の内部には、第１実施形態で説明した電子回路ボード５又は第２実施形態で説明した電子回路ボード７が内蔵される。筐体３０には、第１又は第２実施形態で説明したものと同じ構成の操作盤３３及びディスプレイ３４が設けられており、さらに、ＣＴ３２及び圧着端子３６が適宜接続可能になっている。ＣＴ３２の出力は、筐体３０の入力端子ＣＴinに接続され、圧着端子３６で取得した電圧は、筐体３０の入力端子Ｖinに接続される。動作は、第１及び第２実施形態で説明したものと同じである。
この実施形態でも、監視対象となる電路の絶縁状態を表す電気信号（ホール素子２ｂ，７２ｂの出力からＬＰＦ５２でノイズ除去した信号）が、簡易な構成により得られるので、筐体３０の小型化が可能になり、取付場所を選ばないサイズの常時監視型の絶縁監視装置を実現することができる。

［変形例］
以上、複数の実施形態により本発明の絶縁監視装置について説明したが、本発明の実施の態様は、上述した例に限定されない。種々の変化態様での実施が可能である。
例えば、上記各実施の形態例では、クリップ６，圧着端子３６は２つである場合の例を説明したが、１つのみ、あるいは３つであってもよい。３つの場合は、３相のすべての相から電圧を取り込むことになる。

また、各実施形態では、ホール素子２ｂ，７２ｃが２つの場合の例を示したが、これは２つのホール素子２ｂ，７２ｃから出力される電圧を合成して使用することにより、少なくとも一方の電圧に誤差があっても他方の電圧で補える効果を期待するためなので、その数は任意であってよい。ホール素子の性能が高ければ、一つだけで足りる場合もある。
また、本発明では、ホール素子が、電流の大きさに応じてその密度が変わる磁束と電圧との乗算結果に比例する変動成分を持つ電気信号を出力するという性質を利用するものなので、必ずしもホール素子に限らず、このような性質を有する他の磁電変換素子を使用することもできる。

また、各実施形態では、Ｂ種接地線に漏れ電流が流れることを前提として説明したが、計測対象となる漏れ電流は、電路と絶縁されなければならない線路であればよいので、単相２線式、３相３線式電路の引き込み線又は分岐回路を計測対象としてもよい。
また、第１実施形態で用いた分割型ＣＴ２、第２実施形態で用いたＣＴ２０に代えて、ＺＣＴ（零相変流器）を用いることもできる。

本発明は、配電系統を有する工場、ビルディング、マンションその他の建造物における電路の絶縁監視のほか、個々の電気機器の漏電監視を行う分野としても、広く利用が可能である。また、本発明の絶縁監視装置は、一般に認識されているＩor絶縁測定器、Ｉor漏れ電流計測器その他の電流計測器としても実施が可能である。

一般に多用されている動力電路の例。 電灯電路の例。 （ａ）〜（ｃ）は動力電路における電圧と電流（漏れ電流）との関係を示すベクトル図、（ｄ）〜（ｆ）は電灯電路における電圧と電流（漏れ電流）との関係を示すベクトル図。 本発明の第１実施形態による絶縁監視装置の外観図。 第１実施形態による絶縁監視装置の接続構成図。 第２実施形態による絶縁監視装置の接続構成図。 第２実施形態のバッファ回路の構成例を示す図。 第２実施形態による実測データの説明図。 図９の実測データのグラフ。 第３実施形態による絶縁監視装置の外観図。

符号の説明

１，３０・・・筐体
２・・・クランプＣＴ
２ｂ，７２ｃ・・・ホール素子
３，３３・・・表示盤
４，３４・・・ディスプレイ
５，７・・・電子回路ボード
６・・・クリップ
１０・・・開閉機構
１１・・・三相トランス
１１ａ〜１１ｃ・・・端子
１１ｄ・・・Ｂ種接地線
２０ａ，７２ａ・・・鉄心（コア）
２０ｂ，７２ｂ・・・コイル
３２・・・ＣＴ
３６・・・圧着端子
５１，７３・・・分圧回路
５２・・・ＬＰＦ
５３・・・Ａ／Ｄ変換回路
７１・・・バッファ回路
７２・・・ホール素子内蔵ギャップ付鉄心（補助ＣＴ）

Claims (5)

1. 活線状態の電路から電圧を取得する電圧取得手段と、
   前記電圧取得手段で取得した電圧を分圧する分圧回路と、
   前記電路から絶縁されなければならない部位に流れる絶縁抵抗分を含んだ漏れ電流の大きさに応じた磁束密度を生じさせる磁束発生手段と、
   前記分圧回路の出力電圧と前記漏れ電流との位相差を調整可能にする位相調整回路と、
   この位相調整回路により前記漏れ電流との位相差が所定値に調整された前記出力電圧と前記磁束密度との乗算結果に比例する変動成分を持つ電気信号を出力する磁電変換素子と、
   この磁電変換素子から出力される電気信号から直流成分又は商用周波数の２倍未満の低周波成分を抽出する低域通過フィルタと、
   この低域通過フィルタの出力信号を前記電路と前記部位との絶縁状態を表す定量値として出力する出力回路とを有する、
   絶縁監視装置。
2. 前記磁電変換素子は、受感部、入力部及び出力部を有するホール素子であり、前記入力部に前記分圧回路で分圧された電圧又は所定の定電流源から出力される電流を供給し、前記受感部に前記磁束密度の磁束を作用させることにより、前記出力部から、前記分圧された電圧又は前記電流の値と、前記磁束密度との乗算結果に比例する変動成分を持つ電気信号を出力する、
   請求項１記載の絶縁監視装置。
3. 前記磁束発生手段は、前記接地線に流れる電流を検出する変流器と、この変流器の出力を増大させる増幅回路と、この増幅回路の出力の変動を抑制する変動抑制回路と、この変動抑制回路の出力を供給することにより磁束を発生させるギャップ付鉄心とを含んで構成されており、前記ホール素子は、前記ギャップ付鉄心のギャップに埋め込まれており、前記位相調整回路は、前記変流器の出力に対する前記ギャップ付鉄心に加えられる起磁力の位相を調整可能にする、
   請求項２記載の絶縁監視装置。
4. 受感部、入力部及び出力部を有するホール素子と低域通過フィルタとを用いた絶縁監視方法であって、
   前記入力部に当該ホール素子の駆動用電圧又は駆動用電流を供給するとともに、監視対象となる電路から絶縁されなければならない部位に流れる絶縁抵抗分を含む漏れ電流の大きさに応じた磁束密度を生じさせ、この磁束密度の磁束を前記受感部に作用させることにより、前記出力部から前記駆動用電圧又は前記駆動用電流の値と前記磁束密度との乗算結果に比例する変動成分を持つ電気信号を出力させ、さらに、この電気信号から直流成分又は商用周波数の２倍未満の低周波成分を前記低域通過フィルタで抽出し、抽出した信号を前記電路と前記部位との絶縁状態を表す定量値とすることを特徴とする、
   絶縁監視方法。
5. 活線状態の前記電路から電圧を取得し、取得した電圧を分圧した後、前記漏れ電流との位相差を所定値に調整した分圧電圧を前記駆動用電圧として前記入力部に供給する、
   請求項４記載の絶縁監視方法。

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