JP2014158365A - 直流給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 異物や作業者等の導電物による漏電が発生した際に流れる異常電流を少なくすることができる直流給電システムを提供する。
【解決手段】 負荷に対して直流電圧を供給する直流給電システムにおいて、直流電圧を供給する各母線とグランド間との漏電を検出する検出回路１３０と、母線１２０Ａ、１２０Ｂをそれぞれグランドに接続する放電回路２０と、検出回路１３０が漏電を検出すると、放電回路２０を制御し、漏電している母線をグランドに接続して、この母線の電位をグランドと同じにする制御回路１０とを備える。
【選択図】 図１

Description

この発明は、直流電圧を各種の装置に供給する直流給電システムに関し、詳しくは漏電発生に対処する直流給電システムに関する。

直流給電として高電圧直流給電（ＨＶＤＣ：Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）がある。例えば多数のサーバーを収容するデータセンターの場合、交流電源を各サーバーに供給する代わりに、高電圧直流給電により正負の直流高電圧を供給する。こうした直流給電によれば、各サーバーで交流から直流へ変換することを不要にするので、電気の効率的な利用が行われる（例えば、特許文献１参照。）。

この高電圧直流給電を行うための給電システムの一例を図８に示す。この給電システムは、電源装置１１０と母線１２０Ａ、１２０Ｂと検出回路１３０と制御回路１４０と高抵抗接地回路１５０とを備え、直流高電圧を電子装置２００に供給する。電源装置１１０は、フローティング電源であり、交流電源等から直流高電圧を生成し、これらの直流高電圧を母線１２０Ａ、１２０Ｂに出力する。母線１２０Ａ、１２０Ｂは、直流高電圧を電子装置２００に送る。

電子装置２００の入力側には、雑音除去等のためのＹコンデンサ（Ｙコン）として、コンデンサＣ２１１、Ｃ２１２が設けられている。コンデンサＣ２１１は、正側の直流高電圧を送るための母線１２０Ａ側とグランドとの間に接続され、コンデンサＣ２１２は、負側の直流高電圧を送るための母線１２０Ｂ側とグランドとの間に接続されている。電子装置２００では、雑音等が除去された直流高電圧が電子装置本体２１０に加えられる。なお、給電システムが例えばデータセンターに設置されている場合には、電子装置２００はサーバー等の機器である。そして、図示を省略しているが、複数の電子装置２００が母線１２０Ａ、１２０Ｂに対して並列に接続されて、直流高電圧が供給されている。つまり、電子装置本体２１０には、母線１２０Ａの正側の直流高電圧と、母線１２０Ｂの負側の直流高電圧との差に相当する大きさの直流高電圧が加えられている。

検出回路１３０は、異物や作業者等の導電物が母線１２０Ａ、１２０Ｂに接触することにより発生する漏電を検出する。検出回路１３０は、漏電の検出結果である検出信号を生成し、この検出信号を制御回路１４０に送る。

制御回路１４０は、検出回路１３０からの検出信号を基に、高抵抗接地回路１５０の制御を行う。つまり、検出回路１３０から検出信号が出力されていない状態のときには、制御回路１４０は、オンの制御信号を高抵抗接地回路１５０に送り、検出信号が出力されているときには、オフの制御信号を高抵抗接地回路１５０に送る。

高抵抗接地回路１５０は、抵抗Ｒ１、Ｒ２とスイッチ１５１とを備えている。高抵抗接地回路１５０では、高抵抗である抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との直列回路が母線１２０Ａと母線１２０Ｂとの間に接続されている。そして、抵抗Ｒ１、Ｒ２の接続点１５２つまり中点と、グランドとの間にスイッチ１５１が接続されている。スイッチ１５１は、制御回路１４０からオンの制御信号を受け取るとオンになり、抵抗Ｒ１、Ｒ２の接続点１５２をグランドに接続する。これにより、中点グランドが行われて、中点がグランドと同電位になる。また、スイッチ１５１は、制御回路１４０からオフの制御信号を受け取るとオフになり、接続点１５２とグランドとの接続を開放する。

こうした直流給電システムでは、例えば図９に示すように、正側の直流高電圧を供給する母線１２０Ａに、異物や作業者等による漏電事故が発生し、事故点１２１から異物や作業者等を経てグランドに、異常電流が流れる。なお、漏電による異常電流は、母線１２０Ａまたは母線１２０Ｂに対して導電性の異物や作業者等が接触したときに、異物や作業者等に流れる電流である。検出回路１３０は、異物や作業者等が母線１２０Ａに接触したことを検出すると、検出信号を制御回路１４０に送る。制御回路１４０は、通常、オンの制御信号を高抵抗接地回路１５０に送っているが、検出回路１３０から検出信号を受け取ると、オフの制御信号を高抵抗接地回路１５０に送る。

高抵抗接地回路１５０のスイッチ１５１は、通常、オンの制御信号を受け取っているので、オン状態であり、中点である接続点１５２をグランドに接続している。この状態で、制御回路１４０からオフの制御信号を高抵抗接地回路１５０が受け取ると、高抵抗接地回路１５０のスイッチ１５１は、オフになり、接続点１５２とグランドとの接続を開放する。これにより、事故点１２１から異物や作業者等を経て、グランドに向けて流れる異常電流の経路を遮断する。例えば作業者が母線１２０Ａに接触して感電した場合には、感電による異常電流の流れる経路、つまり、
母線１２０Ａ→事故点１２１→作業者→グランド→スイッチ１５１→
中点→抵抗Ｒ２→母線１２０Ｂ
のように形成される経路が、オフのスイッチ１５１で遮断されるので、作業者に対する影響が除かれる。

特開２０１０−１９３６１４号公報

先に述べた、直流給電システムでは、検出回路１３０および制御回路１４０と、高抵抗接地回路１５０による高抵抗接地方式とにより、漏電の発生時には、抵抗Ｒ１、Ｒ２の接続点１５２である中点をグランドから切り離すことにより、導電性の異物や作業者等に流れる異常電流の経路を断つ方式である。しかし、この方式には、次の課題がある。この方式では、漏電発生時には、抵抗Ｒ１、Ｒ２の接続点１５２である中点が開放される。しかし、別の箇所、例えば負荷側に中点があると、この中点は、常時、高抵抗接地されていることになる。この結果、異常電流が発生したときに、直流給電システムの高抵抗接地回路１５０のスイッチ１５１をオフにしても、負荷側の中点により異常電流が流れ続けることになる。これにより、例えば作業者が感電した場合には、異常電流が流れる。

また、漏電が発生すると、負荷である電子装置２００に設けられているコンデンサＣ２１１やコンデンサＣ２１２の電荷が異物や作業者等を経由して放電されて、異常電流の流れる時間が長くなる結果となる。

この発明の目的は、前記の課題を解決し、異物や作業者等の導電物による漏電が発生した際に流れる異常電流の時間を短くすることができる直流給電システムを提供することにある。

前記の課題を解決するために、請求項１の発明は、負荷に対して直流電圧を供給する直流給電システムにおいて、前記直流電圧を供給する各母線とグランド間との漏電を検出する検出回路と、前記母線をそれぞれグランドに接続する放電回路と、前記検出回路が漏電を検出すると、前記放電回路を制御し、漏電している母線をグランドに接続して、この母線の電位をグランドと同じにする制御回路と、を備えることを特徴とする直流給電システムである。

請求項１の発明では、直流給電システムが検出回路と放電回路と制御回路とを備えている。そして、直流電圧を供給する各母線とグランド間との漏電を検出回路が検出すると、制御回路は、放電回路を制御して、漏電している母線をグランドに接続する。

請求項２の発明は、請求項１に記載の直流給電システムにおいて、前記制御回路は、漏電している前記母線側の電荷を放電し終わる所定時間後に、前記放電回路を制御して、この母線とグランドとの接続を開放する、ことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、漏電を検出すると、漏電している母線をグランドに接続して、この母線の電位をグランドと同じにする。これにより、漏電が発生した際に流れる漏電電流を少なくすることができる。また、例えば負荷側にコンデンサが設けられている場合には、このコンデンサの充電電荷も放電することができる。

請求項２の発明によれば、漏電している母線側の電荷を放電し終わる所定時間後に、母線とグランドとの接続を開放するので、母線側の電荷を確実に放電することができる。

この発明の実施の形態１による直流給電システムの一例を示す構成図である。 検出回路の一例を示す構成図である。 放電回路の一例を示す構成図である。 制御回路の一例を示す構成図である。 開閉処理の一例を示すフローチャートである。 漏電の発生を説明する説明図である。 放電回路の動作を説明する説明図である。 従来の給電システムの一例を示す構成図である。 高抵抗接地回路の動作を説明する説明図である。

次に、この発明の実施の形態について、図面を用いて詳しく説明する。

（実施の形態１）
この実施の形態による直流給電システムを図１に示す。なお、この実施の形態では、先に説明した図８と同一もしくは同一と見なされる構成要素には、それと同じ参照符号を付けて、その説明を省略する。図１の直流給電システムは、図８と同様に、電源装置１１０と母線１２０Ａ、１２０Ｂと検出回路１３０とを備えている。さらに、直流給電システムは、制御回路１０と放電回路２０とを備えている。直流給電システムは、グランドに対して正負の直流高電圧を負荷である電子装置２００に供給する。給電システムが例えばデータセンターに設置されている場合には、電子装置２００はサーバーの機器である。そして、サーバーは、例えば数百ボルトの直流高電圧を母線１２０Ａ、１２０Ｂから受けると、この電圧の降圧を行って、電圧が数十ボルトの電源としている。

検出回路１３０は、先に述べたように漏電を検出するものである。この実施の形態では、その一例を図２に示す。図２の検出回路１３０は、抵抗Ｒ１３１〜Ｒ１３５で構成されている。検出回路１３０では、抵抗Ｒ１３１と抵抗Ｒ１３２との直列回路が母線１２０Ａと母線１２０Ｂとの間に接続され、同じく、抵抗Ｒ１３３と抵抗Ｒ１３４との直列回路が母線１２０Ａと母線１２０Ｂとの間に接続されている。これにより、抵抗Ｒ１３１〜Ｒ１３４によるブリッジ回路が形成されている。そして、抵抗Ｒ１３１と抵抗Ｒ１３２との接続点１３１が抵抗Ｒ１３５を経てグランドに接続され、抵抗Ｒ１３３と抵抗Ｒ１３４との接続点１３２が直接、グランドに接続されて、ブリッジ回路がバランスされている。抵抗Ｒ１３５は、抵抗Ｒ１３１〜Ｒ１３４に比べると高抵抗であり、接続点１３１の高抵抗接地を行っている。この接続点１３１の電圧変化が検出信号として制御回路１０に送られる。

検出回路１３０は、次のようにして漏電を検出する。通常、抵抗Ｒ１３１〜Ｒ１３４によるブリッジ回路はバランスをしていて、接続点１３１からゼロ電圧を出力している。この状態で、例えば正側の直流高電圧を供給する母線１２０Ａに、異物や作業者等の導電物による漏電事故が発生すると、この導電物による抵抗が事故点１２１とグランドとの間に入ることになる。この結果、ブリッジ回路の抵抗Ｒ１３３に対して並列に、導電物による抵抗が接続され、抵抗Ｒ１３１〜Ｒ１３４によるブリッジ回路はアンバランスになる。ブリッジ回路がアンバランスになると、検出回路１３０の接続点１３１では、ゼロ電圧が変化して電圧が発生する。検出回路１３０は、この変化した電圧を検出信号として、制御回路１０に出力する。

放電回路２０は、図３に示すように、スイッチ２１、２２を備えている。スイッチ２１は、開閉スイッチであり、スイッチ２１の一端が母線１２０Ａに接続され、他端がグランドに接続されている。制御回路１０から制御信号ａ１が出力されていなければ、スイッチ２１は開いている。また、スイッチ２１は、閉を指示する制御信号ａ１を制御回路１０から受け取ると、閉じて母線１２０Ａをグランドに接続する。これにより、スイッチ２１は、母線１２０Ａの電位をグランドにする。同時に、スイッチ２１は、負荷である電子装置２００のコンデンサＣ２１１の電荷も放電させる。

同じように、スイッチ２２は、開閉スイッチであり、スイッチ２２の一端が母線１２０Ｂに接続され、他端がグランドに接続されている。制御回路１０から制御信号ａ２が出力されていなければ、スイッチ２２は開いている。また、スイッチ２２は、閉を指示する制御信号ａ２を制御回路１０から受け取ると、閉じて母線１２０Ｂをグランドに接続する。これにより、スイッチ２２は、母線１２０Ｂの電位をグランドにする。同時に、スイッチ２２は、負荷である電子装置２００のコンデンサＣ２１２の電荷も放電させる。

制御回路１０は、検出回路１３０からの検出信号を基に制御信号ａ１、ａ２を生成し、これらの制御信号ａ１、ａ２を放電回路２０に送る。制御回路１０の一例を図４に示す。この制御回路１０は、インターフェース１１、１３と、処理部１２とで構成されている。インターフェース１１は、検出回路１３０を処理部１２に接続するためのものであり、電圧レベルの変換等を行う。同じく、インターフェース１３は、放電回路２０を処理部１２に接続するためのものであり、電圧レベルの変換等を行う。

制御回路１０の処理部１２は、検出回路１３０の出力を基に放電回路２０を制御する回路である。検出回路１３０がゼロ電圧を出力している場合、処理部１２は、検出回路１３０に対して、制御信号を出力しない。

一方、処理部１２は、インターフェース１１を経て検出回路１３０から検出信号を受け取ると、開閉制御処理を行う。処理部１２は、図５に示す開閉処理を開始すると、検出信号の例えば極性から漏電が発生した母線を調べる（ステップＳ１）。そして、処理部１２は、ステップＳ１で調べた母線に接続されているスイッチを、放電回路２０のスイッチ２１、２２の中から選択する（ステップＳ２）。処理部１２は、ステップＳ２で選択した、放電回路２０のスイッチに対して、閉を指示する制御信号を、インターフェース１３を経て送る（ステップＳ３）。ステップＳ３の後、処理部１２は、経過時間を調べる（ステップＳ４）。ステップＳ４で、処理部１２は、内部に備えるタイマー機能を使用する。

処理部１２は、ステップＳ４で調べた経過時間が所定時間を過ぎたかどうかを判定する（ステップＳ５）。ステップＳ５での所定時間は、電子装置２００のコンデンサＣ２１１、Ｃ２１２をすべて放電するための時間であり、あらかじめ処理部１２に設定されている。処理部１２は、ステップＳ５で所定時間が経過していないと判定すると、処理をステップＳ４に戻す。また、ステップＳ５で所定時間が経過したと判定すると、処理部１２は、検出回路１３０からの検出信号を調べ（ステップＳ６）、検出信号が出力されているかどうかを判定する（ステップＳ７）。ステップＳ６、Ｓ７では、異物や作業者等の導電物がまだ母線に接触している状態かどうかが判定されている。処理部１２は、ステップＳ７で検出信号が出力されていると判定すると、処理をステップＳ６に戻す。また、ステップＳ７で検出信号が無いと判定すると、処理部１２は、放電回路２０のスイッチに対する、閉を指示する制御信号の出力を止める（ステップＳ８）。ステップＳ８が終了すると、開閉制御処理を終了する。

こうした処理をする制御回路１０は、例えばワンチップのコントローラーにより構成されている。

次に、この実施の形態による直流給電システムの作用を説明する。電源装置１１０は、母線１２０Ａ、１２０Ｂにより、直流電圧を電子装置２００に供給している。この状態で、検出回路１３０は、漏電を検出していないので、ゼロ電圧を出力している。これにより、制御回路１０は、放電回路２０のスイッチ２１、２２に対して、制御信号ａ１、ａ２を出力しないので、スイッチ２１、２２は、開いた状態になっている。

ところで、例えば図６に示すように母線１２０Ａに対して、異物や作業者等の導電物が接触したときに、検出回路１３０は、この導電物による漏電を検出し、漏電検出を表す検出信号を制御回路１０に送る。これにより、制御回路１０は、開閉制御処理を行い、母線１２０Ａに接続されている、放電回路２０のスイッチ２１に対して、閉を指示する制御信号ａ１を送る。放電回路２０のスイッチ２１は、制御信号ａ１を受け取ると、図７に示すように閉になる。これにより、母線１２０Ａは、グランドと同電位になり、接触点１２１から異物や作業者等を経てグランドに向けて電流が流れることを阻止している。同時に、スイッチ２１は、電子装置２００のコンデンサＣ２１１に対しても並列に接続されているので、電子装置２００のコンデンサＣ２１１の充電電荷も放電させる。

こうして、この実施の形態によれば、異物や作業者等の導電物が母線１２０Ａ、１２０Ｂに接触したときには、接触された側の母線の電位をグランドと同じにするので、導電物に流れる異常電流を少なくすることができる。同時に、負荷側に設けられているＹコンデンサの電荷を放電回路２０のスイッチ２１やスイッチ２２で放電させるので、漏電によりＹコンデンサの電荷が異物や作業者等の導電物に流れることを防ぐことができる。

さらに、この実施の形態によれば、異物や作業者等の導電物により漏電が発生すると、母線１２０Ａや母線１２０Ｂをグランドと同電位にするので、負荷側である電子装置２００に中点があっても、従来のように負荷側の中点により異常電流が流れることを防ぐことができる。

（実施の形態２）
この実施の形態では、制御回路１０の制御を次のようにしている。なお、この実施の形態では、先に説明した図１と同一もしくは同一と見なされる構成要素には、それと同じ参照符号を付けて、その説明を省略する。この実施の形態では、制御回路１０は、開閉制御処理を開始する前に、母線に対する開閉制御処理を既に行っているかどうかを調べる。そして、開閉制御処理を行っている場合には、既に行っている開閉制御処理が終了した後で、今回の開閉制御処理を行う。

この実施の形態によれば、放電回路２０のスイッチ２１とスイッチ２２とが同時に閉じることを防いで、母線１２０Ａと母線１２０Ｂとの短絡を防止することができる。

１０ 制御回路
２０ 放電回路
２１、２２ スイッチ
１１０ 電源装置
１２０Ａ、１２０Ｂ 母線
１３０ 検出回路

Claims (2)

1. 負荷に対して直流電圧を供給する直流給電システムにおいて、
   前記直流電圧を供給する各母線とグランド間との漏電を検出する検出回路と、
   前記母線をそれぞれグランドに接続する放電回路と、
   前記検出回路が漏電を検出すると、前記放電回路を制御し、漏電している母線をグランドに接続して、この母線の電位をグランドと同じにする制御回路と、
   を備えることを特徴とする直流給電システム。
2. 前記制御回路は、漏電している前記母線側の電荷を放電し終わる所定時間後に、前記放電回路を制御して、この母線とグランドとの接続を開放する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の直流給電システム。