JP6305639B2

JP6305639B2 - 電流検出装置

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Publication number: JP6305639B2
Application number: JP2017511433A
Authority: JP
Inventors: 貢森; 耕太柏本; 恵太濱野; 佳正渡邊
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-04-10
Filing date: 2015-04-10
Publication date: 2018-04-04
Anticipated expiration: 2035-04-10
Also published as: KR102071616B1; TW201636624A; TWI550279B; EP3282263A4; JPWO2016163022A1; EP3282263A1; EP3282263B1; US10338104B2; US20170328933A1; KR20170090468A; CN107430153B; WO2016163022A1; CN107430153A

Description

本発明は、直流、交流あるいは交流と直流とが重畳された導線における漏洩電流を非接触で検出する電流検出装置に関するものである。

従来、電流検出装置として、被測定電流が流れる導線を囲む磁気コアに、電気的に絶縁し磁気的に結合するように巻回した励磁コイルと、設定した閾値に応じて、磁気コアを飽和状態又はその近傍の状態で、励磁コイルに供給する励磁電流の極性を反転させる矩形波電圧を発生する励磁手段と、該励磁手段から出力される矩形波電圧のデューティ変化に基づいて被測定電流を検知する電流検知手段とを備えたものが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。これにより、周囲環境条件により影響を受けることが少なく、小型、低コストで、広い範囲の微小電流検知が可能となる。

特開２０１２−２７２３号公報

しかしながら、特許文献１の従来の電流検出装置では、導線に流れる通電電流の大きさを知るために、矩形波電圧のデューティ変化を検出するための、例えば、パルス幅検出回路といった検出回路が別途と必要となり、電流検出回路の増大化や製造コストが増加するという課題があった。

また、この電流検出装置を外部の制御装置と接続して、例えば、漏電警報器として使用する場合には、電流検出回路に駆動電源を供給するための電源線の他に、矩形波電圧のデューティ変化を検出するために信号線を接続する必要があり、また、制御装置が離れて設置されている場合には、信号線が長くなり、耐ノイズ性の低下による誤動作を引き起こす可能性があるという課題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、漏洩電流の電流検出装置の構成を簡素化し、耐ノイズ性に優れた電流検出装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明に係る電流検出装置は、通電電流が流れる複数の導線の周囲に閉磁路が形成されるように配置された環状の磁性体コアと、前記磁性体コアに巻回された励磁コイルと、前記励磁コイルに印加する矩形波電圧を生成する発振回路部と、前記発振回路部の電源端子に給電する電源部と、前記電源部から前記発振回路部の電源端子に流れる電源電流を検出する電流検出回路、及び前記電源電流に基づいて前記複数の導線の通電電流の差電流を算出する差電流算出回路からなる差電流算出部と、を備えたことを特徴とするものである。

本発明の電流検出装置によれば、測定対象とする導線における漏洩電流を検出する発振回路部の電源端子に流れる電源電流の大きさに基づいて検出するようにしているので、耐ノイズ性に優れるとともに、従来、矩形波電圧のデューティ変化を検出するために必要であった、例えば、パルス幅検出回路といった検出回路が不要となり、装置構成を簡素化することができ製造コストの抑制が可能となる効果がある。

実施の形態１に係る電流検出装置の概略構成を示すブロック図である。図１に示す発振回路部の詳細を示す回路図である。図１に示す差電流算出部の詳細を示す回路図である。図２に示す発振回路部の出力電圧と励磁電流を示す波形図である。図３に示す電流検出回路にて検出された電源電流を示す波形図である。実施の形態２に係る電流検出装置の概略構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態に係る電流検出装置の詳細について、図１から図６を参照して説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電流検出装置の全体構成を示すブロック図であり、図２は、電流検出装置における発振回路部の詳細を示す回路図であり、図３は、差電流算出部の詳細を示す回路図であり、図４は、発振回路部の出力電圧と励磁電流を示す波形図であり、また、図５は、電流検出回路にて検出された電源電流を示す波形図である。

まず、図１から図３を用いて、実施の形態１に係る電流検出装置の概略構成について説明する。電流検出装置は、環の中央部を貫通するように配置され、互いに逆方向に通電電流Ｉａ，Ｉｂがそれぞれ流れる一対の導線１ａ，１ｂの周囲に閉磁路を形成する環状の磁性体コア２と、磁性体コア２に巻回された励磁コイル３と、励磁コイル３に出力電圧Ｖａを印加する発振回路部４と、発振回路部４において矩形波の出力電圧Ｖａを生成するコンパレータ回路を構成する演算増幅器（ＯｐｅｒａｔｉｏｎａｌＡｍｐｌｉｆｉｅｒ、以下、オペアンプと称する。）１１のプラス電源端子１１ａ及びマイナス電源端子１１ｂに給電する電源部７と、電源部７からオペアンプ１１のプラス電源端子１１ａに流れる電源電流Ｉｄを検出する電流検出回路６ａ及び電源電流Ｉｄに基づいて通電電流Ｉａと通電電流Ｉｂとの差電流ΔＩ（＝Ｉａ−Ｉｂ）を算出する差電流算出回路６ｂからなる差電流算出部６と、で構成されている。なお、実施の形態１では、例えば、導線として商用の単相交流の一対の導線である場合を例として説明する。

図２に示すように、発振回路部４は、オペアンプ１１と受動素子（抵抗）１２〜１４とから構成されている。オペアンプ１１の非反転入力端子Ｅは、例えば、２０ｋΩの抵抗１４を介して出力端子Ｆに接続されており、コンパレータ回路として動作するように設計されている。また、例えば、３ｋΩとする抵抗１３と抵抗１４とにより、非反転入力端子Ｅに供給される基準電圧Ｖｔｈが設定され、さらに、この基準電圧Ｖｔｈと、例えば、１０Ωとする抵抗１２と、励磁コイル３とで生成され、反転入力端子Ｄに印加される電圧Ｖｄとが逐次比較され、その結果、電圧Ｖｄに応じた矩形波の出力電圧Ｖａが出力端子Ｆから出力される。ここで、励磁コイル３は、反転入力端子Ｄと出力端子Ｆとの間に接続されている。また、後述する差電流算出部６を介して直流電圧が給電される発振回路部４のプラス電源端子４ａとマイナス電源端子４ｂとの間には、同じ抵抗値を持つ抵抗１５及び抵抗１６、例えば、１０ｋΩが直列に接続されており、抵抗１５と抵抗１６の接続点が接地され、中間電位１７となっている。

図３に示すように、差電流算出部６は、電源部７と発振回路部４との間に設置され、電源部７から発振回路部４のプラス電源端子４ａ及びマイナス電源端子４ｂを介して、オペアンプ１１のプラス電源端子１１ａ及びマイナス電源端子１１ｂに給電するとともに、プラス電源端子１１ａに流れる電源電流Ｉｄを検出する電流検出回路６ａと、この電源電流Ｉｄに基づいて、通電電流Ｉａと通電電流Ｉｂとの差電流ΔＩ（＝Ｉａ−Ｉｂ）を算出する差電流算出回路６ｂと、で構成されている。電流検出回路６ａは、電源部７のプラス出力端子７ａと発振回路部４のプラス電源端子４ａとの間に設置された、例えば、１０Ωの抵抗６ｃに流れる電源電流Ｉｄを検出する。ここで、予め、電源電流Ｉｄと差電流ΔＩとの関係を実験等により求めておき、差電流算出回路６ｂは、この電源電流Ｉｄから差電流ΔＩを算出し、漏洩電流を求める。

ここでは、励磁コイル３に流れる励磁電流をＩｅとする。また、励磁コイル３の巻回数は、例えば、１，０００ターンであり、電源部７のプラス出力端子７ａ及びマイナス出力端子７ｂから差電流算出部６に給電される直流電圧は、例えば、＋６Ｖ，−６Ｖである。

次に、実施の形態１における電流検出装置の動作について説明する。

図１に示すように、導線１ａ，１ｂは、通電電流Ｉａ及び通電電流Ｉｂが流れる導線であり、磁性体コア２の環状の中央部を貫通するように配置されている。この導線１ａ，１ｂには、通常、それぞれ数十〜数百Ａの電流が流れているが、導線が健全であれば、導線１ａ，１ｂに流れる電流の向きが逆であるため、このベクトル和はゼロとなる。しかし、漏電や地絡などの事故が生じている場合には、ベクトル和はゼロとはならず、数ｍＡから数百ｍＡ程度の微小な漏洩電流が流れる。したがって、事故で生じるこの微小漏洩電流を検出することで、漏電や地絡を検知することができる。

図４は、図２に示す発振回路部４の出力電圧Ｖａ及び励磁電流Ｉｅを示す波形図で、図４（ａ）は、漏洩電流がない場合の出力電圧Ｖａ、（ｂ）は、漏洩電流がない場合の励磁電流Ｉｅ、（ｃ）は、漏洩電流があり、導線１ａと導線１ｂに流れる通電電流Ｉａと通電電流Ｉｂとの間に微小な差電流ΔＩ（＝Ｉａ−Ｉｂ）が生じた場合の出力電圧Ｖａ、（ｄ）は、漏洩電流があり、導線１ａと導線１ｂに流れる通電電流Ｉａと通電電流Ｉｂとの間に微小な差電流ΔＩが、生じた場合の励磁電流Ｉｅである。

また、図５は、図３に示す差電流算出部６の抵抗６ｃを流れる電流が電流検出回路６ａにより検出された電源電流Ｉｄ、すなわち、オペアンプ１１のプラス電源端子１１ａに流れる電流の波形図である。電源電流Ｉｄは、抵抗６ｃの両端の電圧を測定する電圧降下法により容易に検出することが可能である。なお、図５において、太線Ａは、漏洩電流がある場合を、細線Ｂは、漏洩電流がない場合をそれぞれ示している。

図４（ａ）に示すように、時点ｔ１で、オペアンプ１１の出力電圧Ｖａがハイレベルとなると、これが励磁コイル３に印加される。このため、励磁コイル３は、出力電圧Ｖａと抵抗１２の抵抗値に応じた励磁電流Ｉｅで励磁される。励磁電流Ｉｅは、磁性体コア２のもつＢ−Ｈ特性に応じて、出力電圧Ｖａの立ち上がり時点ｔ１から徐々に増加していくが、磁性体コア２が飽和領域に達すると励磁コイル３のインピーダンスが急激に低下し、励磁電流Ｉｃは急激に増加する。

このとき、励磁コイル３と抵抗１２の接続点であるオペアンプ１１の反転入力端子Ｄ側の電圧Ｖｄは、励磁コイル３の励磁電流Ｉｅの増加に応じて上昇し、非反転入力端子Ｅ側の基準電圧Ｖｔｈを上回ると、オペアンプ１１の出力電圧Ｖａが、図４（ａ）のｔ２に示すように、ローレベルに反転する。励磁コイル３を流れる励磁電流Ｉｅも、これに応じて、図４（ｂ）に示すように、減少に転じる。

したがって、出力電圧Ｖａは、ハイレベル及びローレベルを繰り返す矩形波電圧となり、発振回路部４は、非安定マルチバイブレータとして作動する。励磁コイル３の励磁電流Ｉｅは、導線１ａと導線１ｂに流れる通電電流Ｉａと通電電流Ｉｂとの差電流ΔＩがゼロであるとき、ほぼ電流“０”を中心として増加及び減少を繰り返す対称波形となる。

これに対して、導線１ａと導線１ｂに流れる通電電流Ｉａと通電電流Ｉｂとの間に差が生じると、磁性体コア２のＢ−Ｈ特性が、この差電流ΔＩに応じてシフトするため、図４（ｃ）の時点ｔ３に示すように、磁気飽和によりインダクタンスの消失するタイミングに変化が生じ、出力電圧Ｖａは、ハイレベル及びローレベルを繰り返す周期において、ハイレベルの期間が延びる。このとき、励磁電流Ｉｅは、図４（ｄ）に示すように、電流“０”に対して、＋のバイアスがかかった状態となる。

電流検出回路６ａで検出されるオペアンプ１１の電源電流Ｉｄも、図５に示すように、導線１ａと導線１ｂに流れる通電電流Ｉａと通電電流Ｉｂとの差電流ΔＩがゼロであるときと比較して、差電流ΔＩがある場合の方が、オペアンプ１１の電源電流Ｉｄが増加する。したがって、導線１ａと導線１ｂに流れる通電電流Ｉａと通電電流Ｉｂとの差電流ΔＩがゼロである場合のオペアンプ１１のプラス電源端子１１ａに流れる電源電流Ｉｏをあらかじめ測定しておき、差電流ΔＩが生じた際の電源電流Ｉｄから差電流ΔＩがゼロである場合の電源電流Ｉｏを減ずることで、励磁電流Ｉｅを直接測定することなく、励磁電流Ｉｅに比例した測定量を得ることができる。

具体的には、抵抗６ｃの両端電圧から得られるオペアンプ１１の電源電流Ｉｄに対して、一定期間の移動平均処理を施し、あらかじめ測定しておいた電源電流Ｉｏを減じたあと、所定の閾値との比較処理を行えばよい。これにより、非接触で導線の漏電を検出することができる。

なお、実施の形態１では、コンパレータ回路がオペアンプを使用して構成される場合を例に説明したが、コンパレータ回路が個別電子回路部品により構成される場合であってもよく、オペアンプを使用する場合に限定されるものではない。

また、矩形波電圧の周波数は、測定する導線を流れる電流の周波数よりも高ければよく、特に限定されるものではない。

これにより、通電電流が流れる導線に漏電等により漏洩電流が発生した場合に、漏洩電流を検出することが可能になり、本実施の形態の電流検出装置を漏電遮断器、漏電警報器へ適用することが可能である。

このように、実施の形態１に係る電流検出装置によれば、測定対象とする導線における漏洩電流の検出を発振回路部の電源端子に流れる電源電流の大きさに基づいて検出するようにしたことで、装置構成を簡素化できるとともに、従来、矩形波電圧のデューティ変化を検出するために必要であった、例えば、パルス幅検出回路といった検出回路が不要となり、製造コストの抑制が可能となる効果がある。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２に係る電流検出装置の全体構成を示すブロック図である。実施の形態１に係る電流検出装置との違いは、磁性体コア２、励磁コイル３及び発振回路部４で構成される電流センサ部分１０ａと、差電流算出部６と電源部７で構成される電流検出部分１０ｂと、に分離できるようにしたもので、電流センサ部１０ａと電流検出部１０ｂとを離れた場所に設置することが可能である。実施の形態２の電流検出装置の構成、動作は、実施の形態１の電流検出装置の場合と同様であるので、説明を省略する。

本発明における電流検出装置は、電流検出に発振回路部４のコンパレータ回路のプラス電源端子１１ａに流れる電源電流Ｉｄの変化を利用しているので、電流センサ部分１０ａと電流検出部分１０ｂとが離れていても、これらを結ぶ発振回路部４の電源用の配線が長くなっても、従来の電流検出装置のように励磁電流の検出信号を伝送する信号線を延長する場合に比較して、ノイズの影響を受け難く、また、信号線を必要としないことから、電流検出装置を簡素化することができる。これにより、離れた場所から、導線の漏洩電流を監視することができ、外部の制御装置と接続して、例えば、漏電警報器として使用することができる。

このように、実施の形態２に係る電流検出装置によれば、実施の形態１と同様の効果を有するとともに、電流検出装置を電流センサ部分と電流検出部分とに分離して、離れた場所に設置しても、漏洩電流の検出に発振回路部の電源端子に流れる電源電流の変化を利用しており、従来のように励磁電流の検出信号を伝送する信号線を使用していないため、ノイズの影響を受け難く、また、信号線が不要となることから、電流検出装置の構成を簡素することができ、製造コストを低減できるという効果がある。

なお、本実施の形態では、導線が一対である単相交流用の場合の電流検出装置について説明したが、三相交流用の場合で、導線が３本であっても、漏洩電流がなければ、そのベクトル和がゼロとなることから、同様に適用することが可能である。直流用の電流検出装置の場合であっても同様である。

また、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

また、図中、同一符号は、同一または相当部分を示す。

１ａ，１ｂ導線、２磁性体コア、３励磁コイル、４発振回路部、４ａプラス電源端子、４ｂマイナス電源端子、６差電流算出部、６ａ電流検出回路、６ｂ差電流算出回路、６ｃ抵抗、７電源部、１０ａ電流センサ部分、１０ｂ電流検出部分、１１オペアンプ、１１ａプラス電源端子、１１ｂマイナス電源端子、１２〜１７抵抗。

Claims

通電電流が流れる複数の導線の周囲に閉磁路が形成されるように配置された環状の磁性体コアと、
前記磁性体コアに巻回された励磁コイルと、
前記励磁コイルに印加する矩形波電圧を生成する発振回路部と、
前記発振回路部の電源端子に給電する電源部と、
前記電源部から前記発振回路部の電源端子に流れる電源電流を検出する電流検出回路及び前記電源電流に基づいて前記複数の導線の通電電流の差電流を算出する差電流算出回路からなる差電流算出部と、
を備えたことを特徴とする電流検出装置。
前記差電流算出部及び前記電源部は、前記発振回路部とは分離され、離れた場所に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の電流検出装置。