JP7633838B2 - Current Sensors - Google Patents
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Description
本発明は、直流電気設備における漏洩電流検出する電流センサに関する。 The present invention relates to a current sensor that detects leakage current in DC electrical equipment.
メガソーラなど太陽光発電設備の普及に伴い、太陽光発電設備における感電保護、火災保護および保守性向上のため、電路への人体の接触、損傷や劣化による漏れ電流の発生を検知する必要がある。 As mega solar and other photovoltaic power generation facilities become more widespread, it is necessary to detect leakage current caused by human contact with electrical circuits, damage, or deterioration in order to protect against electric shock, protect against fire, and improve maintainability in photovoltaic power generation facilities.
このような課題に対し、特許文献1には、環状の磁性体コアにコイルを巻回し、直流電路を往復で貫通させ、巻回したコイルに交流電圧を印加し、漏洩電流によるコアの磁気飽和によって発生する二次高調波を検出することにより、漏洩電流を検出する技術が記載されている。 To address these issues, Patent Document 1 describes a technology for detecting leakage current by winding a coil around a ring-shaped magnetic core, passing a DC circuit back and forth through the coil, applying an AC voltage to the wound coil, and detecting the second harmonic generated by magnetic saturation of the core due to leakage current.
また、特許文献2には、「直流成分を含む電流を検出する電流センサ素子であって、主センサと、補助センサと、前記主センサの磁気コアと前記補助センサの磁気コアにバイアス磁界を印加する永久磁石と、を備え、前記主センサは、環状の第一の磁気コアと、前記第一の磁気コアに巻回された検出巻線と励磁巻線と、を備え、前記補助センサは、環状の第二の磁気コアと、前記第二の磁気コアに巻回された補償巻線と、を備え、前記永久磁石を間に介在して、前記主センサと前記補助センサとが積層され、前記主センサ、前記永久磁石および前記補助センサの周囲を取り囲む磁性材料のケースを備える」構成が記載されている。 Patent Document 2 also describes a configuration of a current sensor element that detects a current including a DC component, comprising a main sensor, an auxiliary sensor, and a permanent magnet that applies a bias magnetic field to the magnetic core of the main sensor and the magnetic core of the auxiliary sensor, the main sensor comprising an annular first magnetic core, a detection winding and an excitation winding wound around the first magnetic core, the auxiliary sensor comprising an annular second magnetic core, and a compensation winding wound around the second magnetic core, the main sensor and the auxiliary sensor are stacked with the permanent magnet interposed therebetween, and a case made of a magnetic material is provided that surrounds the main sensor, the permanent magnet, and the auxiliary sensor.
特許文献1もしくは特許文献2におけるセンサでは、環状の磁性体コアにコイルを巻回し、交流で励磁するため、漏電検出対象の電路には励磁によって零相電圧が誘起される。一方で太陽光発電設備では、太陽光モジュールを地上もしくは屋上など広い面積で展開することで大きな電力を得ようとするが、これにより一般的な電気設備より大きい対地静電容量を持つことになる。 In the sensor described in Patent Document 1 or Patent Document 2, a coil is wound around a ring-shaped magnetic core and excited with alternating current, so that a zero-phase voltage is induced in the electric circuit to be detected for leakage current by the excitation. On the other hand, in a solar power generation facility, solar modules are deployed over a wide area, such as on the ground or rooftop, to obtain large amounts of power, but this results in a larger capacitance to the ground than general electrical equipment.
特許文献1もしくは特許文献2におけるセンサを、このような大きい対地静電容量を持つ回路に適用した場合、センサの励磁で誘起された零相電圧により、対地静電容量と接地極を経由したループに電流が流れ、センサの動作が阻害されるという問題があった。また太陽光発電設備の直流回路は多くの場合は高抵抗の接地であり、故障時の漏れ電流が小さく検出が難しいという問題がある。 When the sensor in Patent Document 1 or Patent Document 2 is applied to a circuit with such a large capacitance to the ground, the zero-phase voltage induced by the excitation of the sensor causes a current to flow in a loop via the capacitance to the ground and the grounding electrode, hindering the operation of the sensor. In addition, the DC circuits of photovoltaic power generation facilities are often grounded with high resistance, and there is a problem that the leakage current in the event of a fault is small and difficult to detect.
本発明の目的は、太陽光発電システムの対地静電容量に左右されず、安定かつ高感度な電流検出を可能とする電流センサを提供することにある。 The object of the present invention is to provide a current sensor that enables stable and highly sensitive current detection, regardless of the ground capacitance of the solar power generation system.
本発明の好ましい一例としては、主回路導体を流れる直流電流を検出する電流センサであって、
第1のセンサ部と第2のセンサ部とを備え、
前記第1のセンサ部は、
前記主回路導体が貫通する環状の第1の磁気コアと、前記第1の磁気コアに巻回された第1の励磁巻線および第1の検出巻線とを備え、
前記第2のセンサ部は、
前記主回路導体が貫通する環状の第2の磁気コアと、前記第2の磁気コアに巻回された第2の励磁巻線および第2の検出巻線とを備え、
前記第1の励磁巻線と前記第2の励磁巻線は同じ巻数であり、前記第1の励磁巻線と前記第2の励磁巻線は逆の極性で接続されるとともに、励磁回路に接続され、前記第1の検出巻線と前記第2の検出巻線は抵抗器と直列に接続され、前記抵抗器の両端が二次高調波検出回路に接続されている電流センサである。
A preferred example of the present invention is a current sensor for detecting a direct current flowing through a main circuit conductor, comprising:
A first sensor unit and a second sensor unit are provided,
The first sensor unit includes:
a first annular magnetic core through which the main circuit conductor passes, and a first excitation winding and a first detection winding wound around the first magnetic core,
The second sensor unit includes:
a second annular magnetic core through which the main circuit conductor passes, and a second excitation winding and a second detection winding wound around the second magnetic core,
The first excitation winding and the second excitation winding have the same number of turns, the first excitation winding and the second excitation winding are connected with opposite polarity and connected to an excitation circuit, the first detection winding and the second detection winding are connected in series with a resistor, and both ends of the resistor are connected to a second harmonic detection circuit.
本発明によれば、太陽光発電システムの対地静電容量に左右されず、安定かつ高感度な電流検出を実現する電流センサを得ることが出来る。 The present invention makes it possible to obtain a current sensor that can achieve stable and highly sensitive current detection without being affected by the ground capacitance of the solar power generation system.
本発明の実施例の説明に先立って、環状の磁性体を用いた直流漏洩電流を検出する比較例としての電流センサについて説明する。 Before describing the embodiments of the present invention, we will explain a current sensor as a comparative example that uses a ring-shaped magnetic body to detect DC leakage current.
図2は、比較例としての電流センサの接続図である。本比較例としての電流センサは軟磁性材料からなるコア11に往復分一対の主回路導体12を貫通した構造とする。
Figure 2 is a connection diagram of a current sensor as a comparative example. The current sensor as a comparative example has a structure in which a pair of
コア11には励磁巻線13と検出巻線14が巻回されており、励磁巻線13には励磁回路15、検出巻線14には二次高調波検出回路16が接続される。主回路に接続された負荷に異常がなく、漏れ電流が流れていない場合は、主回路導体12に流れる電流は互いに逆向きで等しい電流が流れるが、負荷で地絡事故が発生し、漏れ電流が流れることにより主回路導体12に流れる逆方向の電流に差が生じた場合には、コア11の中に電流の差分に応じた磁界が誘起される。
An excitation winding 13 and a detection winding 14 are wound around the
このときコア11は励磁回路15と励磁巻線13によって励磁されており、検出巻線14には励磁電流に応じた電圧が誘起されているが、コア11の内部に誘起された漏れ電流に基づく磁界によって磁気特性に偏りが生じ、検出巻線14には二次高調波が誘起される。この二次高調波を二次高調波検出回路16によって検出し、漏洩電流の有無を検出するものである。
At this time, the
図1は、本発明の実施例1の電流センサの接続図である。比較例の電流センサと同じ事項の説明は省略する。本実施例の電流センサは、主回路導体を流れる直流電流を検出する電流センサであって、第1のセンサ部と第2のセンサ部とを備え、第1のセンサ部は、主回路導体23が貫通する環状の第1の磁気コア21と、第1の磁気コア21に巻回された第1の励磁巻線24および第1の検出巻線27とを備える。第2のセンサ部は、主回路導体が貫通する環状の第2の磁気コア22と、第2の磁気コア22に巻回された第2の励磁巻線25および第2の検出巻線28とを備える。第1の励磁巻線24と第2の励磁巻線25は逆の極性で接続されるとともに、励磁回路26に接続される。第1の検出巻線27と第2の検出巻線28は抵抗器29と直列に接続され、抵抗器29の両端が二次高調波検出回路2aに接続されている。
Figure 1 is a connection diagram of a current sensor according to a first embodiment of the present invention. Explanation of the same matters as those in the current sensor of the comparative example will be omitted. The current sensor of this embodiment is a current sensor that detects a direct current flowing through a main circuit conductor, and includes a first sensor unit and a second sensor unit. The first sensor unit includes a ring-shaped first
第1の磁気コア21および第2の磁気コア22は軟磁性材料からなる。また、第1の磁気コア21および第2の磁気コア22のそれぞれの磁気コアには、巻数の等しい第1の励磁巻線24および第2の励磁巻線25を備える。第1の励磁巻線24および第2の励磁巻線25には逆極性の電圧が発生するように、第1の励磁巻線24および第2の励磁巻線25は逆極性で直列に接続され、励磁回路26により励磁する。なお、第1の励磁巻線24および第2の励磁巻線25の接続は逆極性で並列に接続しても良い。
The first
第1の磁気コア21および第2の磁気コア22のそれぞれの磁気コアには、第1の検出巻線27および第2の検出巻線28が巻回される。励磁電流によって誘起される電圧を打ち消す極性で、第1の検出巻線27および第2の検出巻線28は直列に接続され、電流検出抵抗29に接続される。本実施例の電流センサでは、電流検出抵抗29の電圧降下を二次高調波検出回路2aに入力し、二次高調波を検出することにより漏洩電流を検出する構成である。
A first detection winding 27 and a second detection winding 28 are wound around the first
本実施例の電流センサは、環状の磁性体コアを二個使用し、それぞれのコアを逆位相で励磁することにより、漏電検出対象の電路に誘起される零相電圧を打ち消し、対地静電容量と接地極を経由したループインピーダンスの影響を受けないようにする。また二つのコアに巻回された検出巻線を励磁電流による誘起電圧を打ち消す極性で直列に接続し、この直列回路に電流検出用の抵抗を挿入して検出巻線に流れる電流を検出することにより、高感度で漏電検出を行うことが出来る。 The current sensor of this embodiment uses two annular magnetic cores, and by exciting each core in opposite phase, it cancels out the zero-phase voltage induced in the electric circuit to be detected for leakage current, and is not affected by the capacitance to earth and the loop impedance via the ground electrode. In addition, the detection windings wound around the two cores are connected in series with a polarity that cancels out the induced voltage due to the excitation current, and a current detection resistor is inserted in this series circuit to detect the current flowing through the detection winding, allowing for highly sensitive leakage current detection.
本実施例の電流センサによれば、前述のループインピーダンスの影響を受けなくする効果に加え、パワー半導体素子のスイッチングに起因し、対地静電容量を通じて流れるノイズ電流を、二つの検出巻線を逆並列に接続することで短絡して打ち消してセンサのSN比を改善し、かつ高感度に漏洩電流を検出することが可能となる。 In addition to eliminating the effects of the loop impedance described above, the current sensor of this embodiment can cancel out the noise current caused by the switching of the power semiconductor element and flowing through the capacitance to ground by connecting two detection windings in inverse parallel, improving the signal-to-noise ratio of the sensor and enabling leakage current detection with high sensitivity.
また、検出側の巻線から発生する二次高調波は電圧成分よりも電流成分の方が大きい。そのため電圧より電流を検出する方が効率よく、高感度に二次高調波を検出できる。本実施例によれば、第1の検出巻線27および第2の検出巻線28を直列にして抵抗を挿入する構成とするので、第1の検出巻線27および第2の検出巻線28に流れる二次高調波を含む電流を効率よく高感度に検出できる。 In addition, the second harmonic generated from the winding on the detection side has a larger current component than the voltage component. Therefore, detecting the current rather than the voltage allows for more efficient and sensitive detection of the second harmonic. According to this embodiment, the first detection winding 27 and the second detection winding 28 are connected in series and a resistor is inserted, so that the current including the second harmonic flowing through the first detection winding 27 and the second detection winding 28 can be detected efficiently and with high sensitivity.
上記の実施例では、主回路導体23は、往復分一対の2本の場合を例に説明したが、1本の導体であってもよいし、3本以上の導体であってもよい。
In the above embodiment, the
また、上記の実施例では、太陽光発電設備の直流回路に適用した電流センサを例に説明した。主回路導体23は、太陽光発電設備と接続する場合に限らず、他の設備と接続する場合においても本実施例は適用できる。
In the above embodiment, a current sensor applied to a DC circuit of a photovoltaic power generation facility was described as an example. The
11…コア、12…主回路導体、13…励磁巻線、14…検出巻線、15…励磁回路、16…二次高調波検出回路、21…第1の磁気コア、22…第2の磁気コア、23…主回路導体、24…第1の励磁巻線、25…第2の励磁巻線、26…励磁回路、27…第1の検出巻線、28…第2の検出巻線、29…電流検出抵抗、2a…二次高調波検出回路 11...core, 12...main circuit conductor, 13...excitation winding, 14...detection winding, 15...excitation circuit, 16...second harmonic detection circuit, 21...first magnetic core, 22...second magnetic core, 23...main circuit conductor, 24...first excitation winding, 25...second excitation winding, 26...excitation circuit, 27...first detection winding, 28...second detection winding, 29...current detection resistor, 2a...second harmonic detection circuit
Claims (3)
第1のセンサ部と第2のセンサ部とを備え、
前記第1のセンサ部は、
前記主回路導体が貫通する環状の第1の磁気コアと、
前記第1の磁気コアに巻回された第1の励磁巻線および第1の検出巻線とを備え、
前記第2のセンサ部は、
前記主回路導体が貫通する環状の第2の磁気コアと、
前記第2の磁気コアに巻回された第2の励磁巻線および第2の検出巻線とを備え、
前記第1の励磁巻線と前記第2の励磁巻線は同じ巻数であり、前記第1の励磁巻線と前記第2の励磁巻線は逆の極性で接続されるとともに、励磁回路に接続され、前記第1の検出巻線と前記第2の検出巻線は単一の抵抗器と直列に接続され、前記抵抗器の両端が二次高調波検出回路に接続され、
前記第1の励磁巻線と前記第2の励磁巻線とは、並列に接続されている電流センサ。 A current sensor for detecting a direct current flowing through a main circuit conductor,
A first sensor unit and a second sensor unit are provided,
The first sensor unit includes:
a first magnetic core having an annular shape and through which the main circuit conductor passes;
a first excitation winding and a first detection winding wound around the first magnetic core;
The second sensor unit includes:
a second annular magnetic core through which the main circuit conductor passes;
a second excitation winding and a second detection winding wound around the second magnetic core;
The first excitation winding and the second excitation winding have the same number of turns, the first excitation winding and the second excitation winding are connected with opposite polarities and are connected to an excitation circuit, the first detection winding and the second detection winding are connected in series with a single resistor, and both ends of the resistor are connected to a second harmonic detection circuit;
The first excitation winding and the second excitation winding are connected in parallel to each other.
前記主回路導体は、
往復一対で構成される電流センサ。 2. The current sensor according to claim 1,
The main circuit conductor is
A current sensor consisting of a reciprocating pair.
前記主回路導体は、
太陽光発電設備と接続される電流センサ。 3. The current sensor according to claim 1,
The main circuit conductor is
A current sensor connected to a solar power generation facility.
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