漏电传感器以及电路保护系统的制作方法

1.本技术涉及漏电传感器以及电路保护系统。


背景技术：

2.已知在配电线内的电路中，例如使用磁阻元件作为检测漏电的传感器(例如，参照专利文献1)。利用由环状的磁体构成的感测器和附加在感测器上的阻抗随着感测器发生的磁场变化而变化的磁阻元件、以及检测磁阻元件的阻抗变化的检测器构成。这种漏电传感器通常检测1a以下的微小电流。
3.另一方面，在配电线内的电路中，为了保护负载免受过电流影响，配置了检测过电流的电流传感器，但该电流传感器通常在
±
几十a到
±
几百a的较宽范围区域内，以大电流作为对象。为了准确地测量该较宽范围的电流，公开了使用具有两种灵敏度、范围的电流传感器的复合电流传感器系统(例如，参见专利文献2)。现有技术文献专利文献
4.专利文献1：日本专利特开平10－232259号公报专利文献2：日本专利特表2019-511189号公报


技术实现要素：

发明所要解决的技术问题
5.配电线内的电路需要配置检测漏电的电流传感器和检测过电流的电流传感器双方。因此，期待电流传感器的小型化、通用化。但是，如上所述，漏电和过电流的检测对象电流的范围不同，检测灵敏度也不同，因此一方很难兼顾另一方。另外，如专利文献2那样，在大电流传感器的范畴内，能够使用具有两种灵敏度、范围的电流传感器并通过一个监视器来监视电流，但是，如上所述，在漏电和过电流中检测对象电流的范围不同，检测灵敏度也不同，因此，各个传感器都具备处理电路，难以小型化。
6.本技术公开了一种用于解决上述问题的技术，其目的在于提供具有检测过电流的传感器的漏电传感器、以及配置有该漏电传感器的电路保护系统。用于解决技术问题的技术手段
7.本公开所涉及的漏电传感器包括：漏电电流检测部，该漏电电流检测部具有圆环状的磁体芯体、卷绕于所述磁体芯体的励磁线圈以及检测线圈；外周磁屏蔽件，该外周磁屏蔽件设置在所述漏电电流检测部的所述磁体芯体的外周侧；内周磁屏蔽件，该内周磁屏蔽件设置在所述漏电电流检测部的所述磁体芯体的内周侧；过电流检测用传感器；以及输出电路，该输出电路输入有所述漏电电流检测部的输出以及所述过电流检测用传感器的输出，所述输出电路具有下述输出特性，所述输出特性具有漏电电流检测区域和漏电电流检测外区域，所述漏电电流检测区域中，输出信号相对于由所述漏电电流检测部检测出的电流具有线性，所述漏电电流检测外区域是绝对值比所述漏电电流检测区域要大的区域、并
且设定为使得输出信号相对于由所述过电流检测用传感器检测出的电流成为预定的值。
8.本公开所涉及的电路保护系统中，上述漏电传感器和连接到所述漏电传感器的所述输出电路的继电器单元配置在配电线的电路中，在由所述漏电传感器检测出漏电或过电流的情况下，基于所述输出电路的信号，通过连接到所述继电器单元的保护设备来保护所述配电线的电路。发明效果
9.根据本公开，可以通过一个漏电传感器高精度地检测漏电和过电流并输出，从而能够实现传感器的小型化。另外，能够基于漏电传感器的输出，保护配置有该漏电传感器的电路不受漏电和过电流这两者的影响。
附图说明
10.图1是示出实施方式1所涉及的漏电传感器的漏电电流检测部的结构的图。图2是示出实施方式1所涉及的漏电传感器的结构的剖视图。图3是实施方式1所涉及的漏电传感器的功能框图。图4是说明实施方式1所涉及的漏电传感器的输出电压特性的图。图5是用于说明实施方式1所涉及的漏电传感器的输出电压特性的图。图6是示出实施方式2所涉及的漏电传感器的结构的剖视图。图7是示出实施方式2所涉及的漏电传感器的结构的另一剖视图。图8是示出实施方式2所涉及的漏电传感器的结构的另一剖视图。图9a是用于说明在实施方式2所涉及的漏电传感器中过电流传感器的安装方法的图。图9b是用于说明在实施方式2所涉及的漏电传感器中过电流传感器的安装方法的图。图10a是用于说明在实施方式2所涉及的漏电传感器中过电流传感器的另一安装方法的图。图10b是用于说明在实施方式2所涉及的漏电传感器中过电流传感器的另一安装方法的图。图11是示出配置了实施方式3所涉及的漏电传感器的电路保护系统的结构的图。图12是实施方式1至3的漏电传感器及电路保护系统所使用的各控制部的硬件结构图。
具体实施方式
11.以下，参照附图对本实施方式进行说明。另外，在各图中，同一标号表示相同或相当部分。
12.实施方式1.以下，利用附图对实施方式1所涉及的漏电传感器进行说明。图1是示出实施方式1所涉及的漏电传感器的漏电电流检测部的结构的图。在图中，漏电电流检测部10包括圆环状的磁体芯体11、绕组卷绕于磁体芯体11的励磁线圈12、以及绕组卷绕于磁体芯体11的检测线圈13。在本实施方式中，作为漏电电流检测部10，例示出
了作为磁通门方式的磁传感器的漏电检测器。另外，在图中，对于励磁线圈12的绕组和检测线圈13的绕组，均仅在磁体芯体11的一部分卷绕有绕组，但是也可以分别卷绕于磁体芯体11的整周。
13.图2是示出实施方式1所涉及的漏电传感器1的结构的剖视图。漏电传感器1在漏电电流检测部10的外周侧具有外周磁屏蔽件14、在内周侧具有内周磁屏蔽件15，并且至少在外周磁屏蔽件14的内侧安装有过电流检测用传感器20。测量对象导体100配置在内周磁屏蔽件15的内侧以使其相对于磁体芯体11而处于对称的位置。内周磁屏蔽件15接近测量对象导体100来配置，特别地，外周磁屏蔽件14抑制外部磁场侵入漏电电流检测部10的内部。另外，外周磁屏蔽件14和内周磁屏蔽件15由电磁钢板等磁性体构成。过电流检测用传感器20能够使用霍尔ic或磁阻效应元件等通过半导体工艺制造的半导体传感器。测量对象是交流时，线圈式ct、罗哥夫斯基线圈等绕组型传感器也能够适用。在本实施方式中，以下述情况为例，即：一个半导体传感器作为过电流检测用传感器20设置在内周磁屏蔽件15和漏电电流检测部10之间。
14.图3是本实施方式所涉及的漏电传感器1的功能框图。漏电传感器1包括：连接到漏电电流检测部10的励磁线圈12的励磁电路16；连接到漏电电流检测部10的检测线圈13的滤波电路17；连接到励磁电路16和滤波电路17的发送器18；根据过电流检测用传感器20的输出判定有无过电流的过电流判定电路21；以及输出电路30，该输出电路30输入有滤波电路17的输出和过电流判定电路21的输出，并将信号输出到外部的继电器单元40，该继电器单元40对保护配置了测量对象导体100的电路的保护设备进行控制。
15.接着，对本实施方式所涉及的漏电传感器1的动作进行说明。首先，对漏电电流检测方法进行说明。在本实施方式中，如上所述，作为漏电电流检测部10，使用作为磁通门方式的磁传感器的漏电电流检测器。使发送器18动作，以规定的频率使电流从励磁电路16流向励磁线圈12，并产生使磁体芯体11磁饱和的磁场。此时，当在测量对象导体100中存在漏电电流时，在磁体芯体11中产生磁通，并且产生正负任一个的磁场的变化。该磁场的变化表现为在检测线圈13中具有流过励磁线圈12的电流的两倍频率的电压(二次谐波分量)。通过由滤波电路17以两倍于励磁频率的频率同步整流该输出电压，从而能够获得漏电电流值。漏电电流值输出到输出电路30。
16.在这种磁通门方式的漏电电流检测器中，当超过漏电检测器的额定值的电流流过测量对象导体100时，由测量对象导体100产生的磁场大于由励磁线圈12形成的磁场。因此，与由测量对象导体100产生的磁场的大小不对应的电压被输出到检测线圈13，这成为误检测的原因。
17.图4是示出本实施方式1所涉及的漏电传感器1的输出电路30中的输入输出电压特性的一例的图，图5是示出比较例的磁通门方式的漏电电流检测器(额定电流为dc200ma)的输入输出电压特性的一例的图。均是横轴为检测电流，纵轴为输出电压。首先，使用图5，对作为比较例的一般的磁通门方式的漏电电流检测器进行说明。在额定值
±
200ma的电流范围内，输出电压呈线性变化，但超过额定范围时，输出电压的绝对值下降。例如，对于电流值为100ma和1.7ma，输出电压均为1v，这将导致无法正确获取测量出的电流值。
18.在本实施方式1所涉及的漏电传感器1的输出电路30中，如图4所示，当超过线性的
输出特性时，以输出的绝对值不降低的方式设定为成为预定的值即恒定值。即，在超过额定范围(
±
200ma)、
±
1a左右的区域中设为与电流值对应的输出，且在绝对值大的电流区域中输出成为恒定值。由图可知，当输出电压超过
±
2v时，输出电压饱和，因此,输出电压在超过
±
2v时处于漏电电流检测部10的测量范围外。作为该输出电压超过
±
2v的漏电电流检测部10的测量范围外，可以设为漏电电流检测外区域、即过电流判断区域。具有线性的区域是漏电电流检测区域。另外，这不妨碍在输出电压超过
±
2v的漏电电流检测外区域中进行漏电电流检测部10的电流检测。
19.另一方面，过电流检测用传感器20不适合于微小电流测量，但是由于与磁通门方式的电流传感器的测量范围相比是宽范围，并且能够检测更大的磁场，因此能够在过电流状态下进行检测。因此，可以在上述漏电电流检测部10的测量范围外(漏电电流检测外区域)、即过电流判断区域中检测电流，该过电流判断区域是与漏电电流检测区域相比测量电流的绝对值较大的区域。即，输入有漏电电流检测部10的输出和来自过电流检测用传感器的输出双方的输出电路30根据是否是过电流判断区域来切换两方的输出，并输出到继电器单元40。从继电器单元40来看，能够简化信号输入电路。
20.另外，在漏电电流检测部10和过电流检测用传感器20双方中检测电流并将其输入到输出电路3，但由于输出电路30具有上述输出特性，因此在漏电电流检测区域的电流值中，基于来自漏电电流检测部10的电流值输出基于线性特性的输出电压，并且在漏电电流检测外区域中，基于来自过电流检测用传感器20的电流值输出作为恒定值的输出电压。由过电流检测用传感器20测量出的电流在过电流判定电路21中被判定是否是超过预定的阈值的过电流，并且与是否是过电流的信息一起被输入到输出电路30。在过电流判定电路21中用于判定的阈值被设定为应保护电路的值。从输出电路30输出与输出电路30的输出特性对应的电压值以及是否是过电流的信息，并且继电器单元40基于该信号进行控制，以在保护设备41侧保护电路。
21.另外，在图4的本实施方式1所涉及的漏电传感器1的输出电路30的输出电压特性中，漏电电流检测外区域仅图示到
±
3v左右，但即使超过该值也为恒定值。另外，示出了漏电电流检测外区域是预定的恒定值的例子，但不限于此。也可以设定为成为依赖于电流的值等，成为与漏电电流检测区域的输出电压不同的预先设定的值。另外，利用电压输出输出电路30的输出特性，但是，如果输出信号是具有如上所述的漏电电流检测区域和漏电电流外检测区域的输出特性，则输出信号不限于电压。
22.过电流检测用传感器20虽然也能够与漏电电流检测部10分开配置在配电线内等测量对象的电路上，但是为了减小传感器设置部位的占用区域，而期望内置于漏电传感器1。因此，如图2中所示，优选至少配置在外周磁屏蔽件14的内侧并且配置在来自外部磁场的影响减小的位置。
23.如上所述，根据实施方式1，漏电传感器包括漏电电流检测部10和过电流检测用传感器20两个检测部，漏电电流检测部10具有圆环状的磁体芯体11、卷绕于磁体芯体11的励磁线圈12和检测线圈13，由于具有检测漏电电流的漏电电流检测部10的输出电压特性相对于检测到的电流具有线性的漏电电流检测区域、和设为预定的值、例如恒定值的漏电电流检测外区域，因此，可以在漏电电流检测区域中利用漏电电流检测部10检测漏电电流，在漏电电流检测外区域中利用过电流检测用传感器20检测电流，并从漏电传感器1的输出电路
30输出在任一区域中检测出的电流，因此可以共用输出电路30。因此，可提供一种能够检测漏电和过电流双方的小型化的漏电传感器1。
24.另外，漏电传感器1包括设置在磁体芯体11的外周侧的外周磁屏蔽件14和设置在芯体的内周侧的内周磁屏蔽件15，并且过电流检测用传感器20至少配置在比外周磁屏蔽件14靠内侧，因此，过电流检测用传感器20可以内置在通过外周磁屏蔽件14减小了来自外部磁场的影响的位置处，从而可以实现更小的尺寸。
25.实施方式2.以下，利用附图对本实施方式2所涉及的漏电传感器进行说明。在实施方式1中，示出了在漏电传感器1内配置一个过电流检测用传感器20的例子。在配置一个感磁轴为1个轴的过电流检测用传感器20的情况下，虽然能够测量过电流，但是如果测量对象导体100不位于磁体芯体11的中心附近、即不位于相对于磁体芯体11对称的位置而位于偏心的位置，则可能产生由位置位移引起的测量误差。因此，如果在测量对象导体100周围配置多个过电流检测用传感器20则能够解决该问题。另外，在过电流检测用传感器20的感磁轴为2个轴或3个轴的情况下，即使如实施方式1那样为1个，也能在某种程度上抑制由测量对象导体100的位置位移等引起的测量误差。此外，如果过电流检测用传感器20的感磁轴为一个轴的情况下、或者即使为多个轴也希望提高精度的情况下，在漏电传感器1内配置多个即可。在实施方式2中，对在漏电传感器1内配置多个过电流检测用传感器20的示例进行说明。
26.图6、7、8是示出实施方式2所涉及的漏电传感器1的结构的剖视图。图6是在内周磁屏蔽件15和漏电电流检测部10之间配置了三个过电流检测用传感器20的例子。为了最大限度地确保过电流检测用传感器20的针对测量对象导体100的测量范围，过电流检测用传感器20配置在靠近测量对象导体100的内周磁屏蔽件15的漏电电流检测部10侧。
27.图7是在外周磁屏蔽件14和漏电电流检测部10之间配置了三个过电流检测用传感器20的例子。该配置比图6中的配置更远离测量对象导体100，但是，如果是由内周磁屏蔽件15和外周磁屏蔽件14包围的区域，则对距离测量对象导体100的位置没有大的影响。
28.在图6、图7所示的配置的任何一种情况下，都期望测量对象导体100与各个过电流检测用传感器20之间的距离恒定。通过使测量对象导体100和各个过电流检测用传感器20之间的距离恒定，从而能够减少与测量对象导体100之间的位置位移的影响，并且能够以相同方式减少来自外部磁场的影响。此外，在配置多个感磁轴为一个轴的过电流检测用传感器20的情况下，优选地如图6、7所示那样配置在同心圆上均等的位置。此外，虽然示出了配置三个过电流检测用传感器20的示例，但是也可以是两个或四个以上。
29.图8是示出另一个过电流检测用传感器20的配置例的图。在内周磁屏蔽件15设置切口部15a，并在该切口部15a配置过电流检测用传感器20。即使在配置空间受到限制的情况下，也能够在切口部15a配置过电流检测用传感器20。此外，具有切口部15a的内周磁屏蔽件15可以用作磁轭，并且对漏电电流检测部10改善了聚磁效果。在图8中，示出了在切口部15a配置三个过电流检测用传感器20的例子，但是可以是两个，也可以是四个以上。另外，如果在外周磁屏蔽件14设置切口部，则从切口部受到来自外部磁场的影响，并且对于漏电电流检测部10来说当然不是理想的。
30.接着，对过电流检测用传感器20的安装方法进行说明。
图9a、图9b是用于说明例如图6所示那样在将过电流检测用传感器20配置在内周磁屏蔽件15和漏电电流检测部10之间的情况下过电流检测用传感器20的安装方法的一例的图。在图9a中，作为半导体传感器的过电流检测用传感器20安装在柔性基板25上，并且将柔性基板25的两端弯曲，使得过电流检测用传感器20安装在外周侧。如图中下方所示，成为圆弧状的柔性基板25卷绕于内周磁屏蔽件15的外周侧，过电流检测用传感器20安装在内周磁屏蔽件15与漏电电流检测部10之间。在该图中，三个过电流检测用传感器20以均等配置的方式被预先安装在柔性基板25上。
31.图9b是在测量对象是交流时使用绕组型传感器作为过电流检测用传感器20的例子。布线图案26安装在柔性基板25上。设为当柔性基板25的两端弯曲并且卷绕于内周磁屏蔽件15的外周侧时，将柔性基板25的两端连接在一起，如图中下方所示，布线图案26在柔性基板25的外周形成线圈。对于这种绕组型传感器，配置1个即可。在图9a、图9b中，如果将柔性基板25的两端沿相反方向弯曲并且沿着外周磁屏蔽件14的内周侧安装，则如图7所示，过电流检测用传感器20能够配置在外周磁屏蔽件14与漏电电流检测部10之间。
32.图10a、图10b是用于说明例如图8所示那样在将过电流检测用传感器20配置在内周磁屏蔽件15的切口部15a的情况下过电流检测用传感器20的安装方法的一例的图。在图10a中，作为半导体传感器的过电流检测用传感器20安装在一部分开口的安装基板27上。该安装基板27设置在内周磁屏蔽件15的切口部15a，并且安装基板27的开口部27a设为围绕漏电电流检测部10的励磁线圈12或检测线圈13。
33.图10b是在测量对象是交流时使用绕组型传感器作为过电流检测用传感器20的例子。在安装基板27上形成螺旋状的布线图案26，并作为过电流检测用传感器20来安装。该安装基板27设置在内周磁屏蔽件15的切口部15a，并且设为安装基板27的开口部27a包围漏电电流检测部10的励磁线圈12或检测线圈13。在该图中，该过电流检测用传感器20的感磁轴是线圈的贯通方向，因此如图8所示那样通过配置多个，从而能提高过电流的检测精度。另外，在图10a、图10b中，虽然在安装基板27上设置开口部27a以包围漏电电流检测部10的励磁线圈12或检测线圈13，但是即使不设置开口部27a也可以，并且也可以是较浅的开口部，且不足以包围励磁线圈12或检测线圈13。如图所示，当包围励磁线圈12或检测线圈13时，容易紧凑地对安装基板27进行安装。
34.如上所述，根据本实施方式2，起到与实施方式1同样的效果。另外，至少在外周磁屏蔽件14内侧、优选在内周磁屏蔽件15和外周磁屏蔽件14所包围的区域，将多个过电流检测用传感器20配置成与测量对象导体100的距离恒定(相等)，因此，在过电流检测用传感器20中，能够减少与测量对象导体100的位置位移的影响，并且也能够降低来自外部磁场的影响，进行精度高的电流测量。此外，多个过电流检测用传感器20都内置于漏电传感器1，有助于漏电传感器1的小型化。
35.另外，在上述实施方式1、2中，将磁屏蔽件分为内周磁屏蔽件15和外周磁屏蔽件14进行了说明，但内周磁屏蔽件15和外周磁屏蔽件14也可以形成为具有腔的圆环状并一体化，从而以包围漏电电流检测部10的方式将漏电电流检测部10配置在内部。或者，可以形成为沿该圆环的内周侧具有切口部的形状并一体化。
36.实施方式3.
以下，利用图对实施方式3所涉及的电路保护系统进行说明。首先，使用实施方式1所示的图3对电路保护系统的基本结构进行说明。从一个漏电传感器1的输出电路30向与该输出电路30连接的继电器单元40输出与输出电路30的输出特性对应的电压及在由过电流判定电路21判定为过电流的情况下将该信息也包含在内来输出。继电器单元40将该电压和有无过电流的信息输出到保护设备41，保护设备41进行动作以保护将测量对象导体100用作配电线的电路。
37.与此相对，实施方式3所涉及的电路保护系统在配电线内配置多个漏电传感器1。使用图11对该电路保护系统进行说明。图11是示出配置了实施方式3所涉及的漏电传感器的电路保护系统的结构的图。在图中，来自交流电源60a或蓄电装置、分散电源等直流电源60b的功率分别与功率转换器61a、61b连接而构成配电系统，在其下游假设设有例如工厂等一个配电线区域110。例如，在配电线区域110内，分别由功率转换器111从配电系统转换为规定电压的功率被提供给负载112。到负载112的各电路中分别配置有连接到继电器单元40的漏电传感器1。与配电线区域110内的各功率转换器111和各负载112同样地，各继电器单元40也连接到控制中心50。
38.控制中心50在通过漏电传感器1的输出信号从配置在某个电路中的继电器单元40接收到是漏电或过电流的信息时，控制连接到对象的继电器单元40的保护设备41(未图示出)以保护电路。或者，继电器单元40可以使保护设备41(未图示出)动作，控制中心50可以监视其状态。另外，控制中心50与各继电器单元40之间的连接可以利用无线。
39.如上所述，根据实施方式3，由于将实施方式1或2所涉及的漏电传感器1配置在电路中，因此能够用一个漏电传感器1来保护测量对象的电路不受漏电和过电流双方的影响。另外，由于实施方式1或2所涉及的漏电传感器1小型化，因此容易在各电路中配置漏电传感器1，能够在一个配电线区域中配置多个漏电传感器1。另外，由于连接到各漏电传感器1的继电器单元40由控制中心50来管理，因此能够容易地构建一个配电线区域内的电路保护系统，并且通过配置多个漏电传感器1，从而能可靠地保护电路。
40.另外，在上述实施方式1至3中，相当于各控制部的滤波电路17、过电流判定电路21、输出电路30、控制中心50如图12示出硬件的一例那样，由处理器1000和存储装置2000构成。虽然存储装置未图示，但具备随机存取存储器等易失性存储装置、和闪存等非易失性的辅助存储装置。此外，也可以具备硬盘这样的辅助存储装置以代替闪存。处理器1000执行从存储装置2000输入的程序。该情况下，将程序从辅助存储装置经由易失性存储装置输入到处理器1000。另外，处理器1000可以将运算结果等数据输出至存储装置2000的易失性存储装置，也可以经由易失性存储装置将数据保存至辅助存储装置。
41.本公开记载了各种例示性的实施方式及实施例，但1个或多个实施方式中记载的各种特征、形态及功能并不限于特定实施方式的应用，可单独或以各种组合来应用于实施方式。因此，可以认为未例示的无数变形例也包含在本技术说明书所公开的技术范围内。例如，设为包括对至少一个构成要素进行变形、添加或省略的情况，以及提取至少一个构成要素并与其他实施方式的构成要素进行组合的情况。标号说明
42.1漏电传感器
10漏电电流检测部11磁体芯体12励磁线圈13检测线圈14外周磁屏蔽件15内周磁屏蔽件15a切口部16励磁电路17滤波电路18发送器20过电流检测用传感器21过电流判定电路25柔性基板26布线图案27安装基板27a开口部30输出电路40继电器单元41保护设备50控制中心60a交流电源60b直流电源61a、61b功率转换器100测量对象导体110配电线区域111功率转换器112负载1000处理器2000存储装置。