JP5163473B2 - 漏電遮断器 - Google Patents

Description

この発明は、配電系統等の交流電路に流れる漏電電流を検出して交流電路を遮断し漏電事故を未然に防ぐようにした漏電遮断器に関するものである。

従来の漏電遮断器は、交流電路の交流電圧から降圧して漏電検出回路、テスト回路及び引外し装置に電力を供給する制御電源回路と、漏電遮断器内部にテスト電流の発生源となる発振回路を備え、テストスイッチを介して制御電源を発振回路に供給することで、テストスイッチやテスト回路を構成する部品の耐圧を軽減し小形化を図っていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−３０２６０１号公報（００１５段乃至００１９段、図２）

しかしながら、従来の漏電遮断器の制御電源回路は、テスト操作により引外し装置が駆動している間、テスト電流を発生する発振回路と引外し装置の両方に電力を供給していたので、制御電源回路の供給能力を大きくする必要があり、制御電源回路を小形化できないという問題があった。

この発明は、テスト回路を小形化すると共に制御電源回路の供給能力を上げることなく安定したテスト動作を行なえる漏電遮断器を得ることを目的とする。

この発明に係る漏電遮断器は、交流電路の交流電圧を所定の電圧に降圧した直流電圧を漏電検出回路、引外し装置及びテスト回路に供給する制御電源回路を備える。テスト回路は、テストスイッチが閉極するとテスト電流を流し、漏電検出回路が信号を出力していない場合には所定の時間経過後にテスト電流を停止させ、漏電検出回路が信号を出力している場合には所定の時間が経過する前にテスト電流を停止させる。

この発明に係る漏電遮断器は、テスト電流及び引外し装置の駆動電流の通電期間を制御したので、テスト回路を小形化すると共に制御電源回路の供給能力を上げることなく安定したテスト動作を行うことができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における漏電遮断器を示す回路図である。漏電遮断器１は、電源側接続端子２と、電源側接続端子２に対応する負荷側接続端子３を有する。漏電遮断器１内には、電源側接続端子２と負荷側接続端子３とを結ぶ交流電路４を開閉する開閉部５が設けられている。漏電遮断器１の電源側接続端子２と負荷側接続端子３には、外部三相交流電路（図示せず）が接続される。

漏電遮断器１は、交流電路４を流れる漏電または地絡事故電流（以下、単に、漏電電流と称する）を検出して二次巻線６ａから検出電流を出力する零相変流器６を有している。交流電路４の全相の導体は環状鉄心６ｃを貫通鎖交しており、鉄心６ｃには２次巻線６ａと、漏電遮断機能テスト用のテスト巻線６ｂとが巻回されている。

また、漏電遮断器１は、零相変流器６の二次巻線６ａの検出電流を監視して漏電又は地絡（以下、単に、漏電と称する）の有無を判定する漏電検出回路７と、漏電発生の際に漏電検出回路７の出力信号により制御される駆動スイッチ２９を構成するＰＮＰ型のトランジスタ８と、トランジスタ８が導通することで開閉部５の開閉機構を引外して交流電路４を遮断する引外し装置９と、引外し装置９の動作開始の際に制御電源ＶＳの電流を補って供給する電流供給部３４を構成するコンデンサ１０と、コンデンサ１０の電流の逆流を防止するダイオード１１と、交流電路４に印加された交流電力を直流電力に整流する整流回路１２と、漏電検出回路７をはじめとする内部回路に安定した電力を供給する制御電源回路１３と、テスト回路１４とを備えている。整流回路１２は交流電路４の全相から整流するために６つのダイオードがブリッジ接続されている。

テスト回路１４は、主にテスト操作の際に閉極されるテストスイッチ１５と、零相変流器６のテスト巻線６ｂにテスト電流を供給するテスト電流発生回路１６と、テストスイッチ１５の操作およびトランジスタ８の出力状態に応じてテスト電流発生回路１６を制御する後述の複数の部品で構成される。テスト電流発生回路１６は発振回路を備え、所定の周波数のテスト電流を発生する。

テストスイッチ１５は一端が制御電源回路１３により供給される制御電源ＶＳに接続され、他端は抵抗１７とコンデンサ１８に接続される。抵抗１７の他端は制御電源回路１３の負側出力であるＧＮＤに接続される。一端がテストスイッチ１５に接続されたコンデンサ１８の他端は、抵抗１９を介して電流検出部３０である抵抗２０とＮＰＮ型のトランジスタ２１に接続される。ＮＰＮ型のトランジスタ２１のエミッタはＧＮＤに接続され、ベースは抵抗１９に接続され、テストスイッチ１５が閉極された際に発生するコンデンサ１８の充電電流がトランジスタ２１のベース電流となる様に構成される。尚、抵抗２０はトランジスタ２１のベース、エミッタ間に接続されており、トランジスタ２１の漏れ電流を抑制してスイッチング動作を安定させる為の抵抗である。

トランジスタ２１のコレクタは抵抗２２を介して電源接続部３２を構成する抵抗２３とＰＮＰ型のトランジスタ２４に接続される。ＰＮＰ型のトランジスタ２４のエミッタは制御電源ＶＳに接続され、ベースは抵抗２２に接続される。トランジスタ２４のコレクタはテスト電流発生回路１６の電源入力端子に接続され、トランジスタ２１の導通によりテスト電流発生回路１６に制御電源ＶＳが供給されてテスト電流発生回路１６がテスト電流を発生する様に構成されている。尚、抵抗２３はトランジスタ２４のベース、エミッタ間に接続されて、トランジスタ２４の漏れ電流を抑制してスイッチング動作を安定させる為の抵抗である。

また、コンデンサ１８と抵抗１９の接続点には、ダイオード２５の陰極と充電部３３を構成するダイオード２６の陽極が接続され、ダイオード２５の陽極はＧＮＤに、ダイオード２６の陰極はトランジスタ８のコレクタに夫々接続される。ダイオード２５と抵抗１７はコンデンサ１８の電荷を放電する放電部３１を構成する。

以上のように構成された漏電遮断器１は、外部三相交流電路に漏電が発生して交流電路４に漏電電流が流れると、零相変流器６の二次巻線６ａから検出電流が出力されて漏電検出回路７に入力される。漏電検出回路７は入力された検出電流に基づいて漏電の発生を判定し、すなわち検出電流が所定の値を超えた場合に漏電の発生と判定し、トランジスタ８を導通させて制御電源回路１３により降圧された制御電源ＶＳを引外し装置９に供給してこれを駆動する。駆動された引外し装置９は、開閉部５の開閉機構を引外して開閉部５を開極し、交流電路４を遮断する。

次に、漏電検出機能のテスト動作を制御するテスト回路１４について説明する。漏電テストの動作は、零相変流器６に設けられたテスト巻線６ｂにテスト電流を通電することにより漏電引外しを行うものであり、テスト電流発生回路１６に電源供給することで所定の周波数のテスト電流を発生させる。

次に、漏電遮断器１の漏電テストの動作について説明する。図２は、図１に示す漏電遮断器１のテスト回路１４の動作を説明する波形図を示したものであり、（ａ）はテストスイッチ１５の状態、（ｂ）はコンデンサ１８の両端電圧、（ｃ）はコンデンサ１８に流れる電流、（ｄ）はトランジスタ２１の状態、（ｅ）はテスト電流発生回路１６から出力されるテスト電流、を夫々示している。尚、図２に於いては、テストスイッチ１５を閉極し続けた場合でも所定の時間が経過した後にテスト電流が停止するまでの動作を説明するため、本来、テスト操作により漏電検出回路７から信号が出力されるが、この信号が発生しない場合を示したものである。

漏電遮断器１のテスト操作は、使用者がテストスイッチ１５を閉極操作することで開始される。テストスイッチ１５が時刻ｔ０に閉極（ＯＮ）されると、抵抗１７とコンデンサ１８の接続点の電位が制御電源ＶＳの電位となり、コンデンサ１８の両端電圧は図２の（ｂ）の様に徐々に上昇を始め、コンデンサ１８の電流は、図２の（ｃ）の様にテストスイッチ１５を閉極した瞬間をピークに徐々に減少する。このコンデンサ１８に流れる電流は、抵抗１９を介して抵抗２０とトランジスタ２１のベースからエミッタへと流れる。

トランジスタ２１のベースからエミッタに電流が流れることにより、トランジスタ２１は導通（ＯＮ）状態となるが、トランジスタ２１のベース、エミッタ間に接続されている抵抗２０にもコンデンサ１８の電流が流れる為、図２の（ｃ）および図２の（ｄ）に示すように、トランジスタ２１を導通させる所定の閾値がコンデンサ１８の電流に対して生じ、コンデンサ１８の電流がこの閾値Ｉ１を越えた期間（図中Ｔ１で示す）のみトランジスタ２１が導通（ＯＮ）状態となる。

トランジスタ２１が導通状態となると、抵抗２２を介してトランジスタ２４のベース電流が流れる。トランジスタ２１が導通するのに同期してトランジスタ２４が導通状態となり、テスト電流発生回路１６に制御電源ＶＳが供給され、図２の（ｅ）のようにテスト電流が零相変流器６のテスト巻線６ｂに供給される。

上記のように、使用者がテストスイッチ１５を閉極し続けた場合でも、テスト電流は所定の時間Ｔ１しか流れない。この所定の時間Ｔ１は、コンデンサ１８の静電容量と抵抗１９で決定される時定数、および抵抗２０とトランジスタ２１のベースエミッタ特性等で決定されるＯＮ電圧に依存する。これらの時定数およびＯＮ電圧を選定することで、所定の時間Ｔ１を任意の時間に設定することができる。

次に、使用者がテストスイッチ１５を開極操作した場合の動作について説明する。テストスイッチ１５が開極されると、コンデンサ１８に蓄えられた電荷は次のように放電される。テストスイッチ１５側の正電荷は抵抗１７からＧＮＤへ、抵抗１９側の負電荷はダイオード２５へと電流として流れて放電される。ここで、抵抗１７の抵抗値を抵抗２０の抵抗値より十分に低い抵抗値に設定すれば、短時間でコンデンサ１８が放電され、テスト回路１４は短時間で初期状態に復帰することができる。

短時間でテスト操作を繰返す必要が生じた場合でも、テストスイッチを開極するとほぼ同時に初期状態に復帰するので、長時間テスト動作ができなくなる恐れがない。したがって確実なテスト動作を行うことができる。

次に、テスト電流が流れることで漏電検出回路７が信号を出力した場合におけるテスト回路の動作について説明する。図３はテスト電流が流れることで漏電検出回路７が信号を出力する、本来の動作を示した波形図である。図３に於いて、（ａ）はテストスイッチ１５の状態、（ｂ）は漏電検出回路の出力、（ｃ）はコンデンサ１８の両端電圧、（ｄ）はコンデンサ１８に流れる電流、（ｅ）はトランジスタ２１の状態、（ｆ）はテスト電流発生回路１６から出力されるテスト電流、を夫々示している。

まず、テストスイッチ１５が時刻ｔ０に閉極（ＯＮ）されてから漏電検出回路７から信号が出力するまでの動作については、前述の図２の場合と同じであるので省略する。テスト操作によりテスト電流が発生することで漏電検出回路７が漏電有りと判定すると、図３の（ｂ）のように漏電検出回路７はワンパルスの信号（Ｈパルス出力期間Ｔ２）を発生する。尚、図中Ｈで示すＨ電位はトランジスタ８を導通させる電位であり、Ｌで示すＬ電位はトランジスタ８を非導通にする電位である。また、ワンパルス信号を発生させる回路は周知であるので説明は省略する。

漏電検出回路７が信号を出力すると、トランジスタ８が導通して引外し装置９を駆動すると共に、トランジスタ８のコレクタに接続されたダイオード２６により、コンデンサ１８の抵抗１９側を抵抗１９より低いインピーダンスでＧＮＤへ接続し、コンデンサ１８を急速に充電する。したがって、コンデンサ８の両端電圧は図３の（ｃ）のように短時間で制御電源ＶＳの電圧近くの飽和電圧まで上昇し一定となり、コンデンサ８の電流は図３の（ｄ）のように引外し装置９の駆動開始の瞬間に大きな充電電流が流れ、その後充電電流はほぼ零となる。これにより図３の（ｅ）および（ｆ）に示すように、トランジスタ２１は引外し装置９の駆動開始のタイミングで非導通（ＯＦＦ）となり、テスト電流も引外し装置９の駆動開始とほぼ同時に停止する。

このテスト電流が停止している状態は、コンデンサ１８の自然放電やもれ電流が極端に大きくなければテストスイッチ１５が閉極している限り維持されるので、再びテスト電流が流れることはない。この状態でテストスイッチ１５を開極すると、図２の場合と同様に、抵抗１７とダイオード２５によってコンデンサ１８の電荷が短時間で放電され、テスト回路１４は短時間で初期状態に復帰することができる。

テスト電流は、漏電遮断器１の定格感度電流によっては引外し装置９の駆動電流以上の消費電流となってしまう。しかしながら、実施の形態１の漏電遮断器１は、テスト電流が引外し装置９の駆動開始とほとんど同じタイミングで停止するので、テスト電流と引外し装置９の駆動電流が同時に流れることがほとんどなく、漏電遮断器１の最大消費電流を小さくすることができる。したがって、安定したテスト動作を維持しながら制御電源回路１３の容量、すなわち電力供給能力を下げることが可能となる。また、電流供給部３４のコンデンサ１０が引外し装置９の動作開始の際に制御電源ＶＳの電流を補って引外し装置９に供給するので、短時間で確実に引外し装置９を駆動することができる。

また、テスト回路１４を構成する全ての部品に制御電源ＶＳの電圧以下であり、交流電路４の電圧より低い電圧が供給されるので、小信号の汎用部品を使用できるだけでなく、各部品の絶縁距離を大幅に縮小できる。したがって、テスト回路１４を小形にすることができる。また、テスト回路１４や引外し装置９の損傷を防止するために、開閉部に連動して開極する機械的な焼損防止スイッチを別途設ける必要がない。したがって、漏電遮断器１の小形化が可能であり、部品数の増加がない。すなわち漏電遮断器１のコスト削減が可能となる。

漏電遮断器１の電源側接続端子２に負荷が接続され、負荷側接続端子３に交流電源が接続された電源負荷逆接続の状態を考える。この場合には、開閉部５が交流電路４を遮断しても制御電源回路１３は内部回路に電力を供給し続ける。しかしながら、テスト回路１４はテストスイッチ１５を閉極し続けても所定の時間しかテスト電流を流さないので、テスト回路１４や引外し装置９、制御電源回路１３が焼損することを防止することができる。したがって、テスト操作で漏電遮断器１を劣化させることがないので、安定したテスト動作を何度も行うことができ、安定した引外し動作を長期間維持することができる。すなわち漏電遮断器１の寿命を長くすることができる。

以上のように、この発明の実施の形態１の漏電遮断器によれば、テスト電流及び引外し装置９の駆動電流の通電期間を制御したので、制御電源回路１３の供給能力を大きくする必要があり、制御電源回路１３を小形化できなかった従来とは異なり、テスト回路１４を小形化すると共に制御電源回路１３の供給能力を上げることなく安定したテスト動作を行うことができる。

なお、トランジスタ２１、２４を夫々ＮＰＮ型のバイポーラトランジスタ、ＰＮＰ型のバイポーラトランジスタで説明したが、トランジスタ２１をＮ型のＭＯＳトランジスタ、トランジスタ２４をＰ型のＭＯＳトランジスタにしてもよい。

また、駆動スイッチ２９であるトランジスタ８をＮＰＮ型のバイポーラトランジスタで説明したが、Ｎ型のＭＯＳトランジスタであってもよい。また、駆動スイッチ２９をＰＮＰ型のバイポーラトランジスタ或いはＰ型のＭＯＳトランジスタにし、漏電検出回路７のＨパルスを反転させたＬパルス、すなわち図３（ｂ）のＴ２期間をＬパルスにしたものであっても構わない。

テスト電流発生回路１６によるテスト電流供給停止をトランジスタ２４で制御電源ＶＳを切断する場合で説明したが、テスト電流発生回路１６内部の発振を停止するようにしても構わない。

この発明の実施の形態１における漏電遮断器を示す回路図である。 漏電検出回路の出力がない場合における図１の漏電遮断器の波形図である。 漏電検出回路の出力がある場合における図１の漏電遮断器の波形図である。

符号の説明

４ 交流電路、５ 開閉部、６ 零相変流器、６ａ 二次巻線、６ｂ テスト巻線、７ 漏電検出回路、９ 引外し装置、１３ 制御電源回路、１４ テスト回路、１５ テストスイッチ、１８ コンデンサ、１９ 抵抗、３０ 電流検出部、３１ 放電部、３３ 充電部、３４ 電流供給部。

Claims (5)

1. 交流電路に挿入され、二次巻線及びテスト巻線を有する零相変流器と、
   この零相変流器の二次巻線の出力電流に基づいて信号を出力する漏電検出回路と、
   この漏電検出回路の信号により前記交流電路に挿入された開閉部を開極する引外し装置と、
   前記零相変流器の前記テスト巻線にテスト電流を流すようにされたテスト回路と
   前記交流電路の交流電圧を所定の電圧に降圧した直流電圧を前記漏電検出回路、前記引外し装置及び前記テスト回路に供給する制御電源回路とを備え、
   前記テスト回路は、テストスイッチが閉極すると前記テスト電流を流し、前記漏電検出回路が前記信号を出力していない場合には所定の時間経過後に前記テスト電流を停止させ、前記漏電検出回路が前記信号を出力している場合には前記所定の時間が経過する前に前記テスト電流を停止させることを特徴とした漏電遮断器。
2. 前記テスト回路は、前記テストスイッチに接続され、直列に構成されたコンデンサ及び抵抗と、前記コンデンサに流れる充電電流を検出する電流検出部とを備え、電流検出部が検出した電流が所定の電流値以上の場合に前記テスト電流を供給することを特徴とした請求項１記載の漏電遮断器。
3. 前記テスト回路は、前記漏電検出回路が前記信号を出力している場合に前記コンデンサを前記抵抗の抵抗値より低いインピーダンスで充電する充電部を備えたことを特徴とした請求項２記載の漏電遮断器。
4. 前記テスト回路は、前記コンデンサに充電された電荷を放電する放電部を有することを特徴とした請求項２または３に記載の漏電遮断器。
5. 前記制御電源回路の直流電圧が供給される前記引外し装置の一端側に接続され、前記引外し装置を駆動する電流を供給する電流供給部を備えたことを特徴とした請求項１乃至４のいずれか１項に記載の漏電遮断器。

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