JP2011015502A

JP2011015502A - 配電システム

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Publication number: JP2011015502A
Application number: JP2009156111A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Tadasawa; 孝明忠澤
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2009-06-30
Filing date: 2009-06-30
Publication date: 2011-01-20
Also published as: US9048680B2; CN102474106B; US20120212052A1; WO2011001845A1; CN102474106A; EP2451043B1; EP2451043A4; EP2451043A1

Abstract

【課題】対地電圧の低圧化を可能にし、さらに交流給電路と直流給電路とにおける漏電などの異常検出の共通化を可能にした配電システムを提供する。
【解決手段】ＡＣ−ＤＣ変換器２１は、交流機器４１に供給する単相３線式の交流給電路（分岐電路Ｌｂ）と直流機器に供給する３線式の直流給電路（主電路Ｌｄ）との間に挿入される。直流給電路は、ＡＣ−ＤＣ変換器２１の内部で交流給電路の中性線Ｎと共通に接続された中性線Ｎと、中性線Ｎの電位に対して正電位である正電圧線Ｌ＋と、中性線Ｎの電位に対して負電位である負電圧線Ｌ−とを備える。正電圧線Ｌ＋には＋１５０Ｖが印加され、負電圧線Ｌ−には−１５０Ｖが印加される。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流給電路と直流給電路とを備える配電システムに関するものである。

近年、太陽光発電装置や風力発電装置などの環境への負荷が少ない再生可能エネルギーを使った分散電源を利用する機運が高まってきている。この種の分散電源には、風力発電装置やガスエンジン発電装置のように交流電力を発電するものもあるが、直流電力を発電する分散電源の普及が促進されてきている。また、太陽光発電装置は、日射量の変動に伴う発電力の変動が大きいから、二次電池を備える電力貯蔵装置と組み合わせて用いることにより供給電力を平準化することが提案されている。

通常、分散電源において発電される直流電力や電力貯蔵装置から出力される直流電力は、インバータ装置を用いて交流電力に変換されて交流電力により駆動される電気機器に供給されている。しかしながら、電気機器には、内蔵した電源回路や外付けの電源アダプタを用いることにより、交流電力を直流電力に変換して駆動されているものが多い。

したがって、分散電源や電力貯蔵装置から直流電力の供給が可能である場合に、電気機器の駆動のために直流電力を交流電力に変換し、その後、電源回路や電源アダプタで交流電力を直流電力に変換すると、電力変換に伴う電力損失が大きくなり、電力の利用効率が低下する。

この種の問題を解決する技術として、商用電源から供給される交流電力と分散電源や電力貯蔵装置から供給される直流電力とを複合的に利用するために、交流電力を負荷に供給する交流給電路と、直流電力を負荷に供給する直流給電路とを設けた配電システムが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

ところで、特許文献１では、直流電力で駆動される電気機器（特許文献１における「直流負荷１２」）への印加電圧および配線形態について記載されていないが、分散電源と電力貯蔵装置との供給電圧が３００〜３４５Ｖの範囲内であるときに、分散電源または電力貯蔵装置からの直流電力をＤＣ−ＤＣ変換器（特許文献１における「ＤＣ／ＤＣコンバータ１８」）に供給し、ＤＣ−ＤＣ変換器から直流負荷に直流電力を供給する構成が記載されている。

特開２００２−３１５１９７号公報

上述のように、特許文献１に記載の構成では、電気機器に直流電力を供給するために、電圧変換のためのＤＣ−ＤＣ変換器が必須であり、以前として電力変換に伴う比較的大きい電力の損失が生じる。

また、引用文献１に記載の構成では、交流給電路と直流給電路との間に、商用電源からの交流電力を直流電力に変換するためのＡＣ−ＤＣ変換器（特許文献１では「ＡＣ／ＤＣコンバータ１４」）を設けている。ＡＣ−ＤＣ変換器の出力電圧は、分散電源や電力貯蔵装置の出力電圧に、ほぼ一致させていると考えられるから、３００Ｖ程度の直流電圧を出力していると考えられる。このような電圧では、法規制等で規定されている住宅内の対地電圧を１５０Ｖ以下にするという要件を満たすことができない。

さらに、ＡＣ−ＤＣ変換器の出力電圧が３００Ｖ程度であるとすれば、ＡＣ−ＤＣ変換器へは２００Ｖの交流電圧が入力されるとともに、全波整流器などを用いて整流し平滑した直流電圧を出力電圧に用いていると考えられるから、ＡＣ−ＤＣ変換器の入力側（交流側）と出力側（直流側）とは、漏電検出のような異常検出を個別に行う必要がある。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、交流給電路と直流給電路との配線形態に配慮することにより電力変換に伴う損失を低減し、しかも対地電圧を低圧化することを可能にして法規制等で規定されている住宅内の対地電圧に対する条件を満足できるようにした配電システムを提供することにある。

本発明は、上述の目的を達成するために、交流電力を電気機器に供給する単相３線式の交流給電路と、直流電力を電気機器に供給する３線式の直流給電路と、交流給電路から入力される交流電力を直流給電路に出力する直流電力に変換するＡＣ−ＤＣ変換器とを有し、ＡＣ−ＤＣ変換器は、直流給電路の３線のうちの１本を交流給電路の中性線と共通に接続する経路を有し、中性線の電位に対して正電位とする正電圧線と、中性線の電位に対して負電位とする負電圧線とに、それぞれ直流電圧を印加することを特徴とする。

また、交流給電路から給電される電気機器と直流給電路から給電される電気機器との接地を共通で行うのが望ましい。

上記構成に加えて、直流給電路に接続された漏電検出器を設け、漏電検出器は、両端に第１および第２のスイッチを介して前記正電圧線と前記負電圧線との間に接続された第１および第２の抵抗の直列回路と、一端が第３のスイッチを介して正電圧線に接続され他端が負電圧線に接続された第３および第４の抵抗の直列回路と、一端が正電圧線に接続され他端が第４のスイッチを介して負電圧線に接続された第５および第６の抵抗の直列回路と、第１の抵抗と第２の抵抗との接続点に一端が接続された第７の抵抗と、第３の抵抗と第４の抵抗との接続点にカソードを接続し第７の抵抗の他端にアノードを接続した第１のダイオードと、第５の抵抗と第６の抵抗との接続点にアノードを接続し第７の抵抗の他端にカソードを接続した第２のダイオードと、各スイッチを制御するとともに、第１および第２の抵抗の接続点である第１の検出点と第１および第２のダイオードの接続点である第２の検出点と第３および第４の抵抗の接続点である第３の検出点と第５および第６の抵抗の接続点である第４の検出点との電位の関係により漏電の有無を判定し漏電検出時に直流給電路を遮断する検知制御回路とを備え、第１の抵抗と第２の抵抗との抵抗値を等しく設定し、第３の抵抗と第６の抵抗とを第１の抵抗および第２の抵抗よりも小さく設定し、第４の抵抗と第５の抵抗とを第１の抵抗および第２の抵抗よりも大きく設定する構成を採用することができる。

この構成では、第１の検出点を接地する第１状態と非接続にする第２状態とを選択する第５のスイッチを備え、検知制御回路は、第５のスイッチが第１状態であるときに前記直流給電路の漏電を検出し、第５のスイッチが第２状態であるときに第１の検出点の電位と中性線の電位とを比較することにより中性線欠相の有無を検出するようにすればよい。

さらに、ＡＣ−ＤＣ変換器は、正電圧線および負電圧線に印加する電圧の絶対値が、整流回路およびスイッチング電源回路を備える電気機器に対してスイッチング電源回路の入力電圧に用いることができる電圧範囲であって互いに等しくに設定されていることが望ましい。

本発明の構成によれば、単相３線式の交流給電路と直流給電路との間にＡＣ−ＤＣ変換器を設け、直流給電路を、交流給電路の中性線と共通に接続した中性線を有し、かつ中性線の電位に対して正電位の正電圧線および負電位の負電圧線を有する３線式としているから、直流給電路を単相３線式の交流給電路の延長として敷設することが可能になり、屋内配線を容易に行うことが可能である。

また、正電圧線と負電圧線との中間電位である中性線を設け、かつ中性線を単相３線式の交流給電路の中性線と接続しているから、直流給電路において正電圧線と負電圧線との間の高電圧を利用可能としながらも、対地電圧は、正電圧線または負電圧線と中性線との間の比較的低い電圧になるから、法規制等で規定されている住宅内の対地電圧に対する条件を満足しながらも、直流電力で駆動される電気機器に高電圧を印加することが可能になる。つまり、直流電力で駆動される電気機器として交流電力で駆動される電気機器と同程度の高負荷のものを用いることが可能になる。しかも、電気機器が個々に交流電力を直流電力に変換するのではなく、交流電力から直流電力への変換をＡＣ−ＤＣ変換器で一括して行っているから、電力変換に伴う損失が低減される。

交流給電路に接続した電気機器と直流給電路に接続した電気機器との設置を共通化した構成では、交流給電路と直流給電路とにおいて個別に接地線を設ける必要がないから、接地の施工が簡略化されるとともに誤配線が低減される。

漏電検出器として、複数本の抵抗を用いた構成を採用することで、簡単な構成かつノイズに強い漏電検出器を構成することが可能であり、しかも複数個のスイッチを用いて直流給電路から各抵抗を切り離すことが可能であるから、漏電検出の必要な時を除いては直流給電路に抵抗が接続されず、抵抗を常時接続している場合のように抵抗を流れる電流で損失が常時生じるということがなく、抵抗式の漏電検出器の欠点である電力損失を抑制することが可能になる。

また、２状態を選択可能な第５のスイッチを設け、第１ないし第４のスイッチの開閉と組み合わせることにより、直流給電路の漏電と中性線欠相との検出を行う構成では、漏電検出器の回路構成を変更することなく、漏電だけではなく中性線欠相の検出も行うことができる。

正電圧線および負電圧線に印加する電圧を等しくし、かつその絶対値を電気機器におけるスイッチング電源回路の入力電圧の電圧範囲に設定した構成では、インバータ回路のようなスイッチング電源回路を内蔵した電気機器において、スイッチング電源回路に入力端子を付加する程度の変更で、直流給電路から給電する電気機器として現状の交流用の電気機器を流用することが可能になる。すなわち、交直両用機器を構成することが簡単であるから、直流配電が普及するまでの過渡期においては、現状の交流用の電気機器の簡単な改造で対応することができ、設計変更に伴うコスト増を抑制することができる。また、直流配電が普及すれば、整流回路を外すだけの簡単な設計変更で、直流専用機器を構成することができ、電気機器を安価に提供することができる。

実施形態を示す主要部の配線図である。同上に用いる漏電検出器を示す回路図である。同上を用いた配電システムの構成例を示す配線図である。

まず、図３を用いて本発明の配電システムを適用する配電系統の全体構成について説明する。ここでは、本発明を適用する建築物として戸建て住宅を想定して説明するが、本発明の技術思想を集合住宅に適用することを妨げるものではない。また、図示する配電システムは、交流給電路と直流給電路とを備え、交流給電路には商用電源ＡＣのみから交流電力を供給する構成としているが、分散電源ＤＰＳが太陽光発電設備を備える場合は、太陽光発電設備からの発電電力を交流給電路への交流電力の供給に用いる構成も可能である。

図示例では、商用電源ＡＣから交流給電路における主電路Ｌａを分電盤１０に設けた主幹ブレーカに接続し、分電盤１０内に設けた複数個の分岐ブレーカ１２により複数の分岐電路Ｌｂに分岐させている。分岐電路Ｌｂからは、交流電力により駆動される照明器具、ＡＶ機器、ＩＨ調理器、洗濯機、掃除機、給湯器などの電気機器（以下、「交流機器」という）４１に対して交流１００Ｖまたは交流２００Ｖの給電を行う。

分電盤１０には、主幹ブレーカ１１および複数個の分岐ブレーカ１２のほか、雷サージに対する保護を行うアレスタ（ＳＰＤ）１３を設けてある。分電盤１０に設けた分岐ブレーカ１２のいずれかはＡＣ−ＤＣ変換器２１に給電する。交流機器４１には、単相で給電し、ＡＣ−ＤＣ変換器２１には単相３線で給電する。

したがって、ＡＣ−ＤＣ変換器２１が接続される分岐電路Ｌｂには３線式のケーブルを用いる。また、ＡＣ−ＤＣ変換器２１と主幹ブレーカ１１との間に挿入する分岐ブレーカ１２は、３極の接点を備えるものを用いる。あるいはまた、２個の分岐ブレーカ１２を用いてＡＣ−ＤＣ変換器２１に給電する。この場合、交流給電路Ｌａの異なる電圧線に接続された２個の分岐ブレーカ１２を用い、中性線を共通に接続することによって、３線式のケーブルに接続する。

ＡＣ−ＤＣ変換器２１の直流出力端は、直流給電路の主電路Ｌｄに接続される。直流給電路の主電路Ｌｄには、分散電源ＤＰＳによる発電電力を入力電源とするＤＣ−ＤＣ変換器２２の直流出力端が接続される。分散電源ＤＰＳには、たとえば、太陽光発電設備、燃料電池設備を用いる。分散電源ＤＰＳとＤＣ−ＤＣ変換器２２との間には分散電源ＤＰＳの出力電圧の低下時や動作の異常時に、分散電源ＤＰＳとＤＣ−ＤＣ変換器２２との電炉を遮断する開閉器２３が挿入される。

また、主電路Ｌｄには双方向ＤＣ−ＤＣ変換器２４が開閉器２５と保護器２６とを介して接続される。双方向ＤＣ−ＤＣ変換器２４は、リチウムイオン電池のような二次電池を備える電力貯蔵装置ＥＳに接続され、主電路Ｌｄからの直流電力を電力貯蔵装置ＥＳに充電するための充電制御と、電力貯蔵装置ＥＳからの直流電力を主電路Ｌｄに供給する放電制御との両方を行う。開閉器２５および保護器２６は、電力貯蔵装置ＥＳと主電路Ｌｄとの開閉および保護を行う。

上述の構成により、直流給電路の主電路Ｌｄには、商用電源ＡＣから単相３線式で給電された交流電力を直流電力に変換するＡＣ−ＤＣ変換器２１と、分散電源ＤＰＳから給電された直流電力の電力制御を行うＤＣ−ＤＣ変換器２２と、直流電力の蓄積と放出とを制御する双方向ＤＣ−ＤＣ変換器２４とから直流電力が供給可能になっている。

ところで、本実施形態では、ＡＣ−ＤＣ変換器２１への交流電力が単相３線式で供給されることに鑑みて、ＡＣ−ＤＣ変換器２１の出力側である主電路Ｌｄも３線式で配線している。主電路Ｌｄを構成する３線については後述する。

直流給電路の主電路Ｌｄは、直流分電盤３０に設けた直流主幹ブレーカ３１に接続される。直流主幹ブレーカ３１には、漏電検出器３３が接続されるとともに、複数個の直流分岐ブレーカ３２が接続される。各直流分岐ブレーカ３２には、それぞれ分岐電路Ｌｃが接続される。すなわち、直流分電盤３０には、直流主幹ブレーカ３１のほか、漏電検出器３３、直流分岐ブレーカ３２が収納される。

本実施形態では、分岐電路Ｌｃの線間電圧を、＋１５０Ｖと−１５０Ｖと３００Ｖとの３種類のうちのいずれかから選択できるようにしている。すなわち、後述するように、直流給電路の主電路Ｌｄは、基準電位である中性線Ｎと、中性線Ｎに対して＋１５０Ｖの電圧が印加された正電圧線Ｌ＋と、中性線Ｎに対して−１５０Ｖの電圧が印加された負電圧線Ｌ−との３線式であり（図１参照）、直流分岐ブレーカ３２を３線のうちのどの２線に接続するかに応じて、分岐電路Ｌｃの線間電圧を選択できるようにしてある。

具体的には、中性線Ｎと正電圧線Ｌ＋とを選択することにより分岐電路Ｌｃの線間電圧は＋１５０Ｖになる。また、中性線Ｎと負電圧線Ｌ−と選択することより分岐電路Ｌｃの線間電圧は−１５０Ｖになる。さらに、正電圧線Ｌ＋と負電圧線Ｌ−とを選択することにより分岐電路Ｌｃの線間電圧は３００Ｖになる。したがって、分岐電路Ｌｃの最高使用電流を３０Ａとすれば、最大９ｋＷの電力を負荷に供給することが可能になる。

すなわち、照明器具のような低負荷の電気機器だけではなく、エアコン、冷蔵庫、電子レンジ、洗濯機のような高負荷の電気機器４２を駆動可能な程度の電力を確保することができる。これらの電気機器４２は、分岐電路Ｌｃにほぼ定常的に接続されているから、抜き差し時にアークの発生しない専用の直流コンセント４３を用いる。また、アイロン、掃除機のように必要時に分岐電路Ｌｃに接続する電気機器４２は、抜き差しの際に通電されないように工夫された直流コンセントを用いて接続する。なお、直流給電路の線間電圧を上述のように設定するには、ＡＣ−ＤＣ変換器２１として、極性反転型のチョッパ回路を用いることが望ましい。

直流分岐ブレーカ３２のうちの適数個に接続された分岐電路Ｌｃには、絶縁トランスを内蔵した降圧用のＤＣ−ＤＣ変換器２７が接続されている。ＤＣ−ＤＣ変換器２７の出力電圧としては、たとえば、５Ｖ、１２Ｖ、２４Ｖ、４８Ｖが選択可能である。ＤＣ−ＤＣ変換器２７は、図示例では１台のみ設けているが、実際には、出力電圧の種類以上の台数必要な場合もある。また、ＤＣ−ＤＣ変換器２７の出力側には、直流用のサーキットプロテクタ３４を介して低負荷の電気機器が接続される。

図示例では、低負荷の電気機器として、照明器具４４、照明器具４４の点灯状態を指示する壁スイッチ４５、通信機器を集線するハブ４６、公衆網のような外部の通信網と宅内の通信網との境界となるルータのような情報ブレーカ４７、低負荷の電気機器を接続するための直流コンセント４８を記載している。低負荷の電気機器としては、他の通信機器のほか、電話機、パーソナルコンピュータ、薄型テレビ受像機、ビデオレコーダ、換気装置、足元灯など、直流電力により駆動される様々な電気機器を用いることができる。

なお、直流供給路の主電路Ｌｄおよび分岐電路Ｌｃは、直流電力を供給する機能に加えて、通信路としての機能を持たせて各機器を連携動作させてもよい。この場合、高周波の搬送波を用いてデータを伝送する通信信号を直流電圧に重畳することにより直流供給路に接続された装置ないし機器の間での通信を可能にする。この技術は、交流電力を供給する電力線において交流電圧に通信信号を重畳させる電力線搬送技術と類似した技術である。

以下に、本発明の主要部の構成を説明する。図１に示す構成例は、図３の構成のうちＡＣ−ＤＣ変換器２１の周辺回路について、交流側と直流側とを簡略化して記載したものである。図１の構成では、分電盤１０、分散電源ＤＰＳ、直流分電盤３０などは省略してあり、交流機器４１および高負荷の電気機器４２（以下、「直流機器」という）を図示している。また、商用電源ＡＣについては、柱上変圧器Ｔｒを電源として示している。

商用電源ＡＣ（つまり、柱上トランスＴｒ）からは交流給電路である単相３線式の主電路Ｌａが住宅Ｈに引き込まれ、分電盤１０（図３参照）を介して交流機器４１に給電される。主電路Ｌａは、１本の中性線Ｎと２本の電圧線Ｌ１，Ｌ２とを有し、中性線Ｎは柱上トランスＴｒにおいてＢ種接地Ｅ１が施される。

宅内に引き込まれた主電路Ｌａは、中性線Ｎと各一方の電圧線Ｌ１，Ｌ２の線間電圧（１００Ｖ）と、両電圧線Ｌ１，Ｌ２の線間電圧（２００Ｖ）とを交流機器４１に印加し、１００Ｖ用の交流機器４１と２００Ｖ用の交流機器４１とに電源を供給することが可能になっている。

主電路ＬａにはＡＣ−ＤＣ変換器２１が接続されており、ＡＣ−ＤＣ変換器２１では、交流系の主電路Ｌａの３線である中性線Ｎと各電圧線Ｌ１，Ｌ２とにより供給される交流を、それぞれ中性線Ｎの電位に対して正負各極性の直流に変換する。そのため、ＡＣ−ＤＣ変換器２１は、具体的には正負２個のＡＣ−ＤＣ変換器を備えることになる。

図示例のＡＣ−ＤＣ変換器２１は、中性線Ｎと電圧線Ｌ１とにより供給される１００Ｖの交流電圧から中性線Ｎに対して正極性である直流電圧（＋１５０Ｖ）への電力変換を行い、中性線Ｎと電圧線Ｌ２とにより供給される１００Ｖの交流電圧から中性線Ｎに対して負極性である直流電圧（−１５０Ｖ）への電力変換を行っている。ＡＣ−ＤＣ変換器２１から出力される直流の電圧値は、交流電圧を全波整流して平滑したときの電圧（交流電圧の最大値にほぼ等しい電圧）よりやや高い程度に設定される。

したがって、直流給電路の主電路Ｌｄは、中性線Ｎと、正負各極性の電圧が印加される正電圧線Ｌ＋および負電圧線Ｌ−との３線式になる。直流給電路における主電路Ｌｄの中性線Ｎは交流給電路における主電路Ｌａの中性線Ｎとは絶縁されずに接続される。すなわち、直流給電路における主電路Ｌｄの中性線Ｎは、柱上トランスＴｒにおいてＢ種接地Ｅ１が施される。なお、交流機器４１および直流機器４２は、Ｄ種接地Ｅ２が施される。

ところで、ＡＣ−ＤＣ変換器２１の出力電圧を、交流電圧の最大値よりもやや高い程度の電圧に設定しているのは以下の理由による。

昨今、インバータ回路を内蔵した交流機器４１が増加しており、照明器具のほかエアコン、冷蔵庫、洗濯機などにもインバータ回路が内蔵されてきている。この種のインバータ回路では、交流を全波整流する整流回路と、力率改善を兼ねたＤＣ−ＤＣ変換器（多くは、チョッパ回路）とをインバータ回路の前段に設ける構成が多く採用されている。また、インバータ回路とＤＣ−ＤＣ変換器とのスイッチング素子を共用する回路構成も知られている。

すなわち、この種の交流機器４１の電源回路は、整流回路とスイッチング電源回路との組み合わせということができる。したがって、ＡＣ−ＤＣ変換器２１の出力電圧を、整流回路の出力電圧である交流電圧の最大値程度の電圧とするのである。言い換えると、ＡＣ−ＤＣ変換器２１の出力電圧を、スイッチング電源回路の入力電圧として用いることができる電圧範囲に設定していることになる。

このことから、インバータ回路を内蔵した１００Ｖ用の交流機器４１であれば１５０Ｖ程度の直流電圧をＤＣ−ＤＣ変換器の入力電圧とすることで動作可能であり、インバータ回路を内蔵した２００Ｖ用の交流機器４１であれば３００Ｖ程度の直流電圧をＤＣ−ＤＣ変換器の入力電圧とすることで動作可能である。すなわち、直流給電路における主電路Ｌｄを、中性線Ｎと、＋１５０Ｖの正電圧線Ｌ＋と、−１５０Ｖの負電圧線Ｌ−との３線式としておき、インバータ回路を内蔵した交流機器４１についてＤＣ−ＤＣ変換器の入力端に主電路Ｌｄを接続することで、交流機器４１を動作させることが可能になる。

したがって、従来から提供されているインバータ回路を備える交流機器４１において、ＤＣ−ＤＣ変換器の入力端に電源接続用の端子を設ける程度の設計変更のみで、この種の交流機器４１を、交流電源だけではなく直流電源によっても用いることが可能になる。

すなわち、上述のように高電圧（±１５０Ｖ）の直流電圧を扱う主電路Ｌｄの敷設を住宅Ｈに普及させる過渡期の段階においても、従来から提供されている交流機器４１から直流機器４２に移行するにあたって大きな設計変更を伴わないから、交流機器４１から直流機器４２への移行期のコスト増を抑制することができる。また、住宅Ｈにおいて直流給電路における主電路Ｌｄを敷設する習慣が定着した後には、インバータ回路を備える交流機器４１では、整流回路を外す程度の簡単な設計変更で、専用の直流機器４２を提供することが可能になる。

さらに、上述した直流給電路における主電路Ｌｄは、中性線Ｎを単相３線式の交流給電路における主電路Ｌａと共通にしているから、交流給電路の主電路Ｌａに用いている３線式の配線を延長して引き回すだけで屋内配線を敷設することができる。しかも、主電路Ｌｄにおいて中性線Ｎに対して±１５０Ｖの直流電圧を印加しているから、電気設備技術基準に規定されている住宅内の対地電圧を１５０Ｖ以下にするという要件を満たすことができる。

また、中性線Ｎの接地は柱上トランスＴｒにおいて交流と直流とにかかわらず集中的に行うことができ、さらに、交流機器４１と直流機器４２との接地も共通の接地で集中的に行うことが可能になる。その結果、接地の管理が容易で安全性を高めることができる。その上、中性線Ｎの欠相に対する対策は、交流側と直流側とで共通に行うことができる。

ところで、図３に示すように、直流主幹ブレーカ３１と直流分岐ブレーカ３２との間には漏電検出器３３を配置している。直流の漏電を検出する技術は種々知られており、抵抗ブリッジ回路を用いて電流の平衡を監視する技術、いわゆる直流変流器（環状のコアとホール素子とを用いた電流検出器）を用いる技術、電圧が周期的に変化する信号（交流信号やパルス信号）を経路中の適宜の箇所に注入する信号注入器と零相変流器とを用いて信号の漏れの有無を検出する技術などがある。

抵抗ブリッジ回路を用いる技術は、線間に抵抗を接続する構成であるから、漏洩電流が常時発生しており電力が無駄に消費されるという問題を有している。また、直流変流器を用いる技術は、ホール素子が外乱に弱いから扱いにくいという問題を有している。また、信号注入器と零相変流器との組み合わせを用いる技術は、信号注入器から注入した信号がノイズ成分になるとともに、構成が複雑になるという問題を有している。

そこで、本実施形態では、図２に示すように、抵抗ブリッジ回路を用いながらも、必要時以外は抵抗に電流が流れないようにスイッチを設けることによって、漏洩電流による電力の無駄な消費を抑制している。

図２に示す漏電検出器３３は、直流給電路の主電路Ｌｄにおける漏電の検出（漏電測定）のほか、正電圧線Ｌ＋と中性線Ｎとを含む経路での漏電の検出（＋側漏電検出）、負電圧線Ｌ−と中性線Ｎとを含む経路での漏電の検出（−側漏電検出）、中性線Ｎの欠相の検出（中性線欠相検出）との４種類の異常を検出することが可能になっている。また、直流主幹ブレーカ３１は、外部からの引外し信号によって接点部ｒを強制的に開極させる外部引外し機構ＭＦを備えており、漏電検出器３３が異常を検出したときに直流主幹ブレーカ３１に引外し信号を出力するように構成している。なお、図示例では、直流主幹ブレーカ３１のみを制御しているが、主幹ブレーカ１１の開閉を制御することも可能である。

漏電検出器３３は、具体的には、７個の抵抗Ｒ１〜Ｒ７と、５個のスイッチＳＷ１〜ＳＷ５と、２個のダイオードＤ１，Ｄ２とを用いて構成されている。２個の抵抗Ｒ１，Ｒ２は一端同士が接続され、抵抗Ｒ１の他端はスイッチＳＷ１を介して正電圧線Ｌ＋に接続され、抵抗Ｒ２の他端はスイッチＳＷ２を介して負電圧線Ｌ−に接続されている。また、２個の抵抗Ｒ３，Ｒ４は一端同士が接続され、抵抗Ｒ３の他端はスイッチＳＷ３を介して正電圧線Ｌ＋に接続され、抵抗Ｒ４の他端は負電圧線Ｌ−に接続されている。さらに、２個の抵抗Ｒ５，Ｒ６は一端同士が接続され、抵抗Ｒ５の他端は正電圧線Ｌ＋に接続され、抵抗Ｒ６の他端はスイッチＳＷ４を介して負電圧線Ｌ−に接続される。

抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続点には抵抗Ｒ７の一端が接続され、抵抗Ｒ７の他端は、ダイオードＤ１を介して抵抗Ｒ３，Ｒ４の接続点に接続されるとともに、ダイオードＤ２を介して抵抗Ｒ５，Ｒ６の接続点に接続される。ダイオードＤ１はカソードが抵抗Ｒ３，Ｒ４の接続点に接続され、ダイオードＤ２はアノードが抵抗Ｒ５，Ｒ６の接続点に接続される。また、抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続点は、接地した状態と、オフ状態との２状態をスイッチＳＷ５により選択することが可能になっている。

各スイッチＳＷ１〜ＳＷ５は、検知制御回路ＣＮにより接点位置が制御される。スイッチＳＷ１〜ＳＷ３には、リレーのような機械接点を用いるほか半導体スイッチを用いることも可能である。検知制御回路ＣＮでは、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５の状態の組み合わせに応じて、漏電検出器３３に設定した検出点Ｐ１〜Ｐ５の電圧を監視し、上述した４種類の異常のいずれかを検出する。また、図示例では、検知制御回路ＣＮの電源を、正電圧線Ｌ＋と中性線Ｎとから得ているが、負電圧線Ｌ−と中性線Ｎとから得るようにすることも可能である。

検出点Ｐ１は抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続点、検出点Ｐ２はダイオードＤ１，Ｄ２の接続点、検出点Ｐ３は抵抗Ｒ３，Ｒ４の接続点、検出点Ｐ４は抵抗Ｒ５，Ｒ６の接続点、検出点Ｐ５は中性線Ｎとの接続点とする。

スイッチＳＷ１〜ＳＷ５の状態の組み合わせと検出する異常の種類との関係は、表１のようになる。なお、スイッチＳＷ１，ＳＷ２は同時にオンオフがなされる。

以下では、漏電検出器３３の動作を説明する。また、各抵抗Ｒ１〜Ｒ７の抵抗値には、Ｒ１＝Ｒ２、Ｒ３＝Ｒ６＝Ｒ１−ΔＲ、Ｒ４＝Ｒ５＝Ｒ１＋ΔＲの関係を有しているものとする。ΔＲは適宜に設定され、Ｒ１に対して数％程度の値に設定される（たとえば、０．０１・Ｒ１＜ΔＲ＜０．０５・Ｒ１）。なお、Ｒ７はΔＲよりも小さい値に設定される（たとえば、０．１・ΔＲ＜Ｒ７＜０．５・ΔＲ）。

まず、異常の検出を行わない状態では、表１のように、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４はオフが選択され、スイッチＳＷ５はオン・オフいずれを選択してもよい。この状態では、どの抵抗Ｒ１〜Ｒ７にも電流は流れず、漏電検出器３３による電力消費は生じない。

一方、「漏電測定」を行うには、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５をオンにする。つまり、抵抗Ｒ１，Ｒ２の直列回路と抵抗Ｒ３，Ｒ４の直接回路と抵抗Ｒ５，Ｒ６の直列回路とをそれぞれ正電圧線Ｌ＋と負電圧線Ｌ−との間に接続し、検出点Ｐ１を接地する。

ここで、正電圧線Ｌ＋と負電圧線Ｌ−との電位差をＶ０とするとき、Ｖ１＝Ｖ０・Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）、Ｖ３＝Ｖ０・Ｒ４／（Ｒ３＋Ｒ４）、Ｖ４＝Ｖ０・Ｒ６／（Ｒ５＋Ｒ６）であり、抵抗Ｒ１〜Ｒ６の抵抗値が上述のように設定されていることにより、Ｒ６／（Ｒ５＋Ｒ６）＜Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）＜Ｒ４／（Ｒ３＋Ｒ４）であるから、漏電のない正常な状態であれば、検出点Ｐ１，Ｐ３，Ｐ４の電位Ｖ１，Ｖ３，Ｖ４の関係は、Ｖ４＜Ｖ１＜Ｖ３の関係になる。また、このとき、ダイオードＤ１，Ｄ２には電流が流れないから、抵抗Ｒ７の両端には電位差が発生せず、検出点Ｐ２の電位Ｖ２は検出点Ｐ１の電位Ｖ１と等しくなる。

ところで、正電圧線Ｌ＋において地絡が生じたとすると、正電圧線Ｌ＋の電位Ｖ１が中性線Ｎと略同電位（≒０Ｖ）になるから、負電圧線Ｌ−の電位を−Ｅ（＝−１５０Ｖ）とすれば、検出点Ｐ３の各電位Ｖ３は、Ｖ３＝−Ｅ・Ｒ３／（Ｒ３＋Ｒ４）と表すことができ、Ｖ３＜０であるから、抵抗Ｒ７およびダイオードＤ１を通して検出点Ｐ１→検出点Ｐ２→検出点Ｐ３の経路で電流が流れる。すなわち、検出点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の電位Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の関係がＶ１＞Ｖ２＞Ｖ３であれば、地絡があると判断することができる。

同様にして、負電圧線Ｌ−において地絡が生じたとすると、検出点Ｐ４→検出点Ｐ２→検出点Ｐ１の経路で電流が流れる。この場合は、検出点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ４の電位Ｖ１，Ｖ２，Ｖ４の関係がＶ４＞Ｖ２＞Ｖ１になる。

次に、「＋側漏電検出」を行う場合には、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ４をオフにし、スイッチＳＷ３、ＳＷ５をオンにする。つまり、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ６は無関係になり、抵抗Ｒ７の一端が接地される。この場合、正電圧線Ｌ＋での地絡が生じていなければ、検出点Ｐ３の電位Ｖ３は検出点Ｐ２の電位Ｖ２（≒０）よりも高い（Ｖ３＞Ｖ２）から、ダイオードＤ１に電流は流れない。また、検出点Ｐ４の電位Ｖ４は検出点Ｐ２の電位よりも低い（Ｖ４＜Ｖ２）から、ダイオードＤ２にも電流は流れない。つまり、検出点Ｐ１，Ｐ２の電位Ｖ１，Ｖ２はＶ１＝Ｖ２である。

一方、正電圧線Ｌ＋での地絡が生じると、検出点Ｐ３の電位Ｖ３が中性線Ｎに対して負電位になるから、ダイオードＤ１が導通し、Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖ３の関係が得られる。

同様にして、「−側漏電検出」を行う場合には、スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３をオフにし、スイッチＳＷ４、ＳＷ５をオンにする。つまり、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は無関係になり、抵抗Ｒ７の一端が接地される。この場合、負電圧線Ｌ−での地絡が生じていなければ、検出点Ｐ４の電位Ｖ４は検出点Ｐ２の電位Ｖ２（≒０）よりも低い（Ｖ４＜Ｖ２）から、ダイオードＤ２に電流は流れない。また、検出点Ｐ３の電位Ｖ３は検出点Ｐ２の電位よりも高い（Ｖ３＞Ｖ２）から、ダイオードＤ１にも電流は流れない。つまり、検出点Ｐ１，Ｐ２の電位Ｖ１，Ｖ２はＶ１＝Ｖ２である。

一方、負電圧線Ｌ−での地絡が生じると、検出点Ｐ４の電位Ｖ４が中性線Ｎに対して正電位になるから、ダイオードＤ２が導通し、Ｖ４＞Ｖ２＞Ｖ１の関係が得られる。

「中性線欠相検出」では、スイッチＳＷ１，ＳＷ２をオンにし、スイッチＳＷ３，ＳＷ４、ＳＷ５をオフにする。この状態において、抵抗Ｒ３，Ｒ６は無関係になり、正電源線Ｌ＋の電位を＋Ｅとし、負電源線Ｌ−の電位を−Ｅとするとき、検出点Ｐ１，Ｐ２の電位Ｖ１，Ｖ２は、Ｖ１＝Ｖ２＝０になる。また、中性線欠相が生じていなければ、検出点Ｐ５の電位Ｖ５は中性線Ｎの電位であるからＶ５＝０になる。すなわち、Ｖ１＝Ｖ２＝Ｖ５になる。

これに対して、中性線欠相が生じているか、正電源線Ｌ＋と負電源線Ｌ−とに接続されている直流負荷４２の負荷バランスに大きなずれがある場合には、中性線Ｎの電位Ｖ５がＶ５≠０になるから、Ｖ１＝Ｖ２≠Ｖ５になる。

検知制御回路ＣＮでの判定をまとめると、「漏電測定」と「＋側漏電検出」と「−側漏電検出」とでは、検出点Ｐ１〜Ｐ４の電位Ｖ１〜Ｖ４について、Ｖ３＜Ｖ１＝Ｖ２＜Ｖ４が成立していれば、異常がないと判定する。

また、「漏電測定」では、Ｖ３＜Ｖ２＜Ｖ１が成立すると正電源線Ｌ＋における地絡と判定し、Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ４が成立すると負電源線Ｌ−における地絡と判定する。さらに、「＋側漏電検出」では、Ｖ３＜Ｖ２＜Ｖ１が成立するときには正電源線Ｌ＋での地絡と判定し、「−側漏電検出」では、Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ４が成立するときには負電源線Ｌ−での地絡と判定する。

また、「中性線欠相検出」では、Ｖ１＝Ｖ２＝Ｖ５が成立していれば正常、Ｖ１＝Ｖ２≠Ｖ５が成立していれば中性線欠相と判定する。

なお、上述の判定条件は、抵抗Ｒ１〜Ｒ７の抵抗値のばらつきを考慮して設定されるのはいうまでもない。

２１ＡＣ−ＤＣ変換器
３３漏電検出器
４１電気機器（交流機器）
４２電気機器（直流機器）
Ｅ１Ｂ種接地
Ｅ２Ｄ種接地
Ｌ＋正電圧線
Ｌ− 負電圧線
Ｌａ主電路（交流給電路）
Ｌｂ分岐電路（交流給電路）
Ｌｃ分岐電路（直流給電路）
Ｌｄ主電路（直流給電路）
Ｎ中性線
Ｒ１（第１の）抵抗
Ｒ２（第２の）抵抗
Ｒ３（第３の）抵抗
Ｒ４（第４の）抵抗
Ｒ５（第５の）抵抗
Ｒ６（第６の）抵抗
Ｒ７（第７の）抵抗
ＣＮ検知制御回路
Ｄ１（第１の）ダイオード
Ｄ２（第２の）ダイオード
Ｐ１（第１の）検出点
Ｐ２（第２の）検出点
Ｐ３（第３の）検出点
Ｐ４（第４の）検出点
Ｐ５（第５の）検出点
ＳＷ１（第１の）スイッチ
ＳＷ２（第２の）スイッチ
ＳＷ３（第３の）スイッチ
ＳＷ４（第４の）スイッチ
ＳＷ５（第５の）スイッチ

Claims

交流電力を電気機器に供給する単相３線式の交流給電路と、直流電力を電気機器に供給する３線式の直流給電路と、交流給電路から入力される交流電力を直流給電路に出力する直流電力に変換するＡＣ−ＤＣ変換器とを有し、ＡＣ−ＤＣ変換器は、直流給電路の３線のうちの１本を交流給電路の中性線と共通に接続する経路を有し、中性線の電位に対して正電位とする正電圧線と、中性線の電位に対して負電位とする負電圧線とに、それぞれ直流電圧を印加することを特徴とする配電システム。
前記交流給電路から給電される前記電気機器と前記直流給電路から給電される前記電気機器との接地を共通で行うことを特徴とする請求項１記載の配電システム。
前記直流給電路に接続された漏電検出器を備え、漏電検出器は、両端に第１および第２のスイッチを介して前記正電圧線と前記負電圧線との間に接続された第１および第２の抵抗の直列回路と、一端が第３のスイッチを介して正電圧線に接続され他端が負電圧線に接続された第３および第４の抵抗の直列回路と、一端が正電圧線に接続され他端が第４のスイッチを介して負電圧線に接続された第５および第６の抵抗の直列回路と、第１の抵抗と第２の抵抗との接続点に一端が接続された第７の抵抗と、第３の抵抗と第４の抵抗との接続点にカソードを接続し第７の抵抗の他端にアノードを接続した第１のダイオードと、第５の抵抗と第６の抵抗との接続点にアノードを接続し第７の抵抗の他端にカソードを接続した第２のダイオードと、各スイッチを制御するとともに、第１および第２の抵抗の接続点である第１の検出点と第１および第２のダイオードの接続点である第２の検出点と第３および第４の抵抗の接続点である第３の検出点と第５および第６の抵抗の接続点である第４の検出点との電位の関係により漏電の有無を判定し漏電検出時に直流給電路を遮断する検知制御回路とを備え、第１の抵抗と第２の抵抗との抵抗値を等しく設定し、第３の抵抗と第６の抵抗とを第１の抵抗および第２の抵抗よりも小さく設定し、第４の抵抗と第５の抵抗とを第１の抵抗および第２の抵抗よりも大きく設定していることを特徴とする請求項１又は２記載の配電システム。
前記第１の検出点を接地する第１状態と非接続にする第２状態とを選択する第５のスイッチを備え、前記検知制御回路は、第５のスイッチが第１状態であるときに前記直流給電路の漏電を検出し、第５のスイッチが第２状態であるときに第１の検出点の電位と中性線の電位とを比較することにより中性線欠相の有無を検出することを特徴とする請求項３記載の配電システム。
前記ＡＣ−ＤＣ変換器は、前記正電圧線および前記負電圧線に印加する電圧の絶対値が、整流回路およびスイッチング電源回路を備える電気機器に対してスイッチング電源回路の入力電圧に用いることができる電圧範囲であって互いに等しく設定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の配電システム。