(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
住宅において複数線からなる直流電路が一次導体として挿通される環状のコアと、前記コアに取り付けられ前記一次導体の周囲に生じる磁束を検出する磁気検出素子と、前記一次導体を形成する複数線の周囲に生じる磁束のうち相殺されずに残留する磁束を前記一次導体の周囲に生じる磁束として前記磁気検出素子の出力から検出することにより前記直流電路の異常を検出する検出回路とを備え、前記検出回路は、前記直流電路において前記コアに挿通された部位より下流側で漏洩電流が生じているときに漏洩電流の電流値を前記磁気検出素子の出力から求め、当該電流値と前記直流電路の線間電圧と当該電流値との積の時間積分値である電力量を、前記直流電路の異常である地絡アークのアークエネルギーとして算出することを特徴とする電路異常検出装置。
【請求項２】
住宅において複数線からなる直流電路が一次導体として挿通される環状のコアと、前記コアに取り付けられ前記一次導体の周囲に生じる磁束を検出する磁気検出素子と、前記一次導体を形成する複数線の周囲に生じる磁束のうち相殺されずに残留する磁束を前記一次導体の周囲に生じる磁束として前記磁気検出素子の出力から検出することにより前記直流電路の異常を検出する検出回路とを備え、前記直流電路は、接地された中性線と、前記中性線に対して正電圧が印加される第１の電圧線と、前記中性線に対して負電圧が印加される第２の電圧線との３線からなり、前記検出回路は、第１の電圧線と前記中性線との線間電圧と第２の電圧線と前記中性線との線間電圧との電圧差により前記直流電路の異常である中性線の欠相を検出することを特徴とする電路異常検出装置。
【請求項３】
前記検出回路は、前記磁気検出素子の出力を所定周期でサンプリングし、一定の測定期間において得られたサンプリングデータのうち最大値と最小値とを除いたサンプリングデータの平均値を当該測定期間における測定値として用いることを特徴とする請求項１又は２記載の電路異常検出装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の電路異常検出装置と、前記直流電路に挿入され前記検出回路が前記直流電路の異常を検出したときに前記直流電路を遮断される遮断器とを備えることを特徴とする電路遮断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電路が配線された住宅において直流電路における漏電を検出する電路異常検出装置、およびその電路異常検出装置が電路の異常を検出したときに直流電路を遮断する電路遮断装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、太陽光発電装置、燃料電池、蓄電池のように直流の発電や蓄電を行う設備が住宅に普及してきている。すなわち、比較的大きな直流電力の供給や貯蔵を行う住宅設備が増加してきている。
【０００３】
また、住宅で用いられる多くの電気機器は、商用電源などにより供給される交流を直流に変換する回路を内蔵している。たとえば、映像機器や音響機器、電話機、コンピュータのように、信号を扱う電子回路が主構成である電気機器は、電子回路を動作させるために交流を直流に変換する電源回路を備えている。さらに、空調機器、冷蔵庫、洗濯機、掃除機、炊飯器、電子レンジのように、電気エネルギーを主として動力源や熱源の駆動に用いる電気機器であっても、動作を制御するための電子回路には直流が必要であるから、交流を直流に変換する電源回路を内蔵している。また、空調機器、冷蔵庫、照明器具などの電気機器は、インバータ回路を内蔵することも多く、この種の電気機器では、インバータ回路に与える直流電力を得るために、交流を直流に変換する回路を備えている。
【０００４】
上述のように、直流電力を供給する住宅設備が増加し、また、内部電源として直流を必要とする電気機器が増加していることから、住宅全体では、交流と直流との間の電力変換を行う箇所が増加しており、結果的に、電力変換に伴う電力損失が増加している。住宅全体として電力変換に伴う電力損失を低減させるには、電力変換を行う箇所を減少させる必要がある。
【０００５】
そこで、交流電力と直流電力とを複合的に利用可能とするために、交流電力を負荷に供給する交流電路と、直流電力を負荷に供給する直流電路とをあらかじめ住宅に敷設する配電システムが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。交流電路と直流電路とが、住宅にあらかじめ敷設されていれば、多くの電気機器では交流から直流への電力変換を行う必要がなくなる。また、直流電力を供給する分散電源（太陽光発電装置、燃料電池など）や蓄電池は、直流から交流に変換する電力量が低減される。
【０００６】
ところで、電気機器において電子回路に与える駆動電圧は数十Ｖ以下（多くの場合、４８Ｖ、２４Ｖ、１２Ｖ、５Ｖから選択される）であるが、動力源あるいは熱源を備える電気機器や照明器具では直流電圧が３００Ｖ程度になることが多い。また、分散電源についても既存の交流電路に給電するために、ＤＣ−ＡＣ変換器（インバータ）の入力電圧を３００Ｖ程度に設定していることが多い。
【０００７】
したがって、直流電路の線間電圧は最大で３００Ｖ程度になる部分があるから、直流電路には、漏電や感電を防止するための装置が必要になる。とくに、直流電力は、電圧が一定であってゼロクロスがないから、地絡を生じたときに電流が持続しやすい。つまり、直流ではアークが発生すると交流よりもアークが持続しやすい。一方、感電に関して、心室細動が生じる確率が高くなる電流値は、交流よりも大きいという知見が得られている。
【０００８】
アークを原因として周囲の物質が発火するか否かは、アークのエネルギーと、アークの発生場所に存在する物質の性質とに依存する。アークの発生場所に存在する物質は、不燃性であれば発火しないが、可燃性であれば、材質、量、環境温度などの種々の条件によって発火する可能性がある。
【０００９】
ただし、物質に関して種々の条件を考慮することは困難であるから、アークの発生場所に存在する物質としては、木材、布、紙などのように、宅内における一般的な可燃性の物質を想定する。一方、アークのエネルギーは、アーク電圧とアーク電流の時間積分値であって、直流電路におけるアーク電圧が一定とみなせる場合は、アークのエネルギーは、アーク電流と持続時間とを変数として決められる。
【００１０】
ここで、直流電路のアーク電圧が１４０Ｖである場合を想定し、地絡アークの発生時に３００Ａの地絡電流が流れると仮定する。この条件のもとで実験を行った結果、地絡アークの継続時間が約０．００２ｓを超えると発火するという結果が得られた。この実験結果から、遮断時のアークのエネルギーとして数百Ｗｓ程度を目標に設計することが望ましいと言える。
【００１１】
ところで、直流電路を通過する電流を検出する技術には、抵抗を用いて電流を電圧に変換する技術、電路の周囲磁界をホール素子や磁気抵抗素子のような磁気検出素子で検出する技術などが知られている。また、直流電路における地絡電流を検出する技術には、直流電路に交流信号を注入し交流信号の不平衡を零相変流器で検出する技術が知られている。さらに、環状のコアを備える可飽和リアクトルを用いて、不平衡電流によるコアの偏磁を検出する技術も提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００２−３１５１９７号公報
【特許文献２】特開２００１−１７４４８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述した直流電流を検出する技術のうち、抵抗を用いる技術は、抵抗につねに電流が流れ続けるから、定常的に損失が発生する。また、地絡により生じる不平衡電流を検出するために抵抗ブリッジを用いる構成が考えられるが、部品点数が増加するという問題が生じる。
【００１４】
一方、直流電路に交流信号を注入する技術は、直流電路を通信路に用いて電力線搬送通信を行おうとすると、交流信号と通信信号とが干渉する可能性があり、直流電路の使用形態に制限が生じる。
【００１５】
特許文献２のように不飽和リアクトルを用いた技術を採用すれば、抵抗ブリッジを用いる技術や交流信号を注入する技術における問題が解消される。しかしながら、特許文献２に記載された技術は、環状のコアにトロイダル状に巻回した２個の独立した巻線が必要であり、また、２個のトランジスタを用いたマルチバイブレータを用いて２個の巻線に交互に通電するから、検出精度が巻線やトランジスタの仕様によってばらつく可能性がある。
【００１６】
直流電流を磁気検出素子（ホール素子など）により検出する技術を採用すると、特許文献２に記載された技術と同様に、抵抗ブリッジを用いる技術や交流信号を注入する技術における問題が解消される。また、磁気検出素子のばらつきの補正、磁気検出素子の温度特性の補正などが必要であるが、この種の補正は一般的な技術であるから、特許文献２に記載された技術において検出精度を向上させる場合に比較すると、構成が簡単になる上に、検出精度を向上させるための対応も容易である。
【００１７】
このように、磁気検出素子を用いて直流電流を計測する技術は知られているが、住宅に敷設された直流電路において地絡を含めて電路に異常が生じたことを総合的に検出する技術は知られていない。とくに、地絡の検出と感電の可能性も併せて判断することは考えられていない。
【００１８】
本発明は、住宅に敷設された直流電路における電路の異常を総合的に検出する電路異常検出装置、およびこの電路異常検出装置を用いた電路遮断装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明に係る電路異常検出装置は、住宅において複数線からなる直流電路が一次導体として挿通される環状のコアと、コアに取り付けられ一次導体の周囲に生じる磁束を検出する磁気検出素子と、一次導体を形成する複数線の周囲に生じる磁束のうち相殺されずに残留する磁束を一次導体の周囲に生じる磁束として磁気検出素子の出力から検出することにより直流電路の異常を検出する検出回路とを備え、検出回路は、直流電路においてコアに挿通された部位より下流側で漏洩電流が生じているときに漏洩電流の電流値を磁気検出素子の出力から求め、当該電流値と直流電路の線間電圧と当該電流値との積の時間積分値である電力量を、直流電路の異常である地絡アークのアークエネルギーとして算出することを特徴とする。
【００２１】
本発明に係る電路異常検出装置は、住宅において複数線からなる直流電路が一次導体として挿通される環状のコアと、コアに取り付けられ一次導体の周囲に生じる磁束を検出する磁気検出素子と、一次導体を形成する複数線の周囲に生じる磁束のうち相殺されずに残留する磁束を一次導体の周囲に生じる磁束として磁気検出素子の出力から検出することにより直流電路の異常を検出する検出回路とを備え、直流電路は、接地された中性線と、中性線に対して正電圧が印加される第１の電圧線と、中性線に対して負電圧が印加される第２の電圧線との３線からなり、検出回路は、第１の電圧線と中性線との線間電圧と第２の電圧線と中性線との線間電圧との電圧差により直流電路の異常である中性線の欠相を検出することを特徴とする。
【００２２】
この電路異常検出装置において、検出回路は、磁気検出素子の出力を所定周期でサンプリングし、一定の測定期間において得られたサンプリングデータのうち最大値と最小値とを除いたサンプリングデータの平均値を当該測定期間における測定値として用いることが好ましい。
【００２３】
本発明に係る電路遮断装置は、上記のいずれかの電路異常検出装置と、直流電路に挿入され検出回路が直流電路の異常を検出したときに直流電路を遮断される遮断器とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の構成によれば、住宅に敷設された直流電路における電路の異常を総合的に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施形態を示す概略構成図である。
【図２】同上を用いる配電網の一例を示す構成図である。
【図３】同上を用いる配電網を示す概略構成図である。
【図４】同上の動作説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
まず、図２を用いて電路異常検出装置および電路遮断装置を適用する配電系統の全体構成について説明する。以下に説明する実施形態では、戸建て住宅に適用する場合を想定して説明するが、以下に説明する実施形態の技術を集合住宅に適用することを妨げるものではない。
【００２７】
図示例では、商用系統２０から交流が供給される主電路２１が分電盤３０に設けた主幹ブレーカ３１に接続され、分電盤３０内に設けた複数個の分岐ブレーカ３２により複数の分岐電路２２に分岐されている。分岐電路２２は、交流により駆動される照明器具、ＡＶ機器、ＩＨ調理器、洗濯機、掃除機、給湯器などの電気機器（以下、「交流機器」という）に対して交流１００Ｖまたは交流２００Ｖの給電を行う。
【００２８】
分電盤３０は、主幹ブレーカ３１および複数個の分岐ブレーカ３２のほか、サージ保護器（ＳＰＤ）３３と、主幹ブレーカ３１と並列に設けたブレーカからなる開閉器３４とを備える。交流機器には単相２線または単相３線で交流が供給される。主電路２１からは開閉器３４を通してＡＣ／ＤＣ変換器４１に給電している。
【００２９】
ＡＣ／ＤＣ変換器４１は、商用系統２０から受電した交流を直流に変換し、直流主電路２３に直流を出力する。後述するように、直流主電路２３は３線であって、３線のうちの１線を中性線に用い、残りの２線のうちの１線を中性線に対して正の高電圧である正電圧線、他の１線を中性線に対して負の高電圧である負電圧線に用いている。以下において、直流主電路２３は、０Ｖである中性線と、＋１５０Ｖの正電圧線と、−１５０Ｖの負電圧線との３線を備えるものとする。ＡＣ／ＤＣ変換器４１は絶縁型を用いることが好ましいが、非絶縁型を用いることも可能である。
【００３０】
図示例は、太陽光発電装置５１、燃料電池５２、蓄電装置５３を備えている。太陽光発電装置５１の出力は開閉器４２を介してＤＣ／ＤＣ変換器４３に入力され、ＤＣ／ＤＣ変換器４３は出力電圧を直流主電路２３の電圧に適合させる。また、燃料電池５２の出力は開閉器４４を介してＤＣ／ＤＣ変換器４５に入力され、ＤＣ／ＤＣ変換器４５は入力電圧を直流主電路２３の電圧に適合させる。ＤＣ／ＤＣ変換器４３とＤＣ／ＤＣ変換器４５とは、直流主電路２３に直流を出力する。さらに、蓄電装置５３は、蓄電池５３１と、蓄電池５３１の充電および放電を制御する充放電回路５３２とを備え、充放電回路５３２と直流主電路２３との間に開閉器５３３を備えている。上述した構成からわかるように、ＡＣ／ＤＣ変換器４１と、ＤＣ／ＤＣ変換器４３と、ＤＣ／ＤＣ変換器４５と、充放電回路５３２とは、互いに並列に接続されることになる。
【００３１】
直流主電路２３は、直流分電盤６０に設けた直流主幹ブレーカ６１に接続される。直流分電盤６０は、直流主幹ブレーカ６１のほか、複数個の直流分岐ブレーカ６２、漏電検出器６３などを備える。直流分岐ブレーカ６２は、直流主電路２３において、直流主幹ブレーカ６１の負荷側に接続される。通常、直流主幹ブレーカ６１の負荷側には複数個の直流分岐ブレーカ６２が並列に接続され、直流主電路２３が複数の直流分岐電路２４に分岐される。直流分岐電路２４は、直流主電路２３の３線のうちの２線を用いて、直流により駆動される電気機器（以下、「直流機器」）への給電を行う。
【００３２】
さらに、直流主幹ブレーカ６１と直流分岐ブレーカ６２との間に、直流主幹ブレーカ６１の負荷側における漏電を検出する漏電検出器６３が挿入される。漏電検出器６３は、漏電（地絡）を検出する機能のほか、人体への通電（感電）の可能性を検出する機能、中性線欠相を検出する機能とを備える。すなわち、漏電検出器６３は、地絡、感電、中性線欠相を電路の異常として検出し、電路の異常を検出すると直流主幹ブレーカ６１を遮断させる。
【００３３】
図示例では、直流主幹ブレーカ６１の負荷側に、直流分岐ブレーカ６２だけではなく、降圧用のＤＣ／ＤＣ変換器６４が設けられている。ＤＣ／ＤＣ変換器６４は、直流主電路２３の電圧を降圧し、２線である直流低圧電路２５に直流を出力する。ＤＣ／ＤＣ変換器６４の出力電圧は、適宜に設定可能であり、たとえば４８Ｖとする。ＤＣ／ＤＣ変換器６４は、絶縁トランスを備え、電源側と負荷側とが絶縁されている。直流分電盤６０には、直流低圧電路２５における電路の異常に対してＤＣ／ＤＣ変換器６４を保護するために直流用のサーキットプロテクタ６５が設けられ、さらに、直流低圧電路２５における地絡電流を電路の異常として検出してサーキットプロテクタ６５を遮断する地絡検出器６６が必要に応じて設けられる。直流低圧電路２５は、線間電圧が６０Ｖ以下の低電圧であるから地絡検出器６６には、感電保護の機能は設けていない。さらに、地絡検出器６６は、必要に応じて直流分岐電路２４にも設けられる。地絡検出器６６は、直流分岐電路２４の電路の異常に対しては直流分岐ブレーカ６２を遮断する。直流分岐電路２４は２線であるから地絡検出器６６を直流分岐電路２４に用いる場合でも中性線欠相の検出は不要であり、また、直流分岐電路２４での感電の検出は漏電検出器６３で行うので、地絡検出器６６は感電の検出も行わない。ただし、感電の検出機能は、必要に応じて地絡検出器６６にも設けることが可能である。
【００３４】
以下では、ＡＣ／ＤＣ変換器４１と漏電検出器６３とＤＣ／ＤＣ変換器６４と地絡検出器６６との関係を抽出し、図３を用いて具体的に説明する。漏電検出器６３は、直流主電路２３における地絡電流の発生を検出する機能とともに、人体への通電（感電）の可能性を検出する機能と、直流主電路２３における中性線欠相を検出する機能とを備える。これに対して、地絡検出器６６は地絡電流の発生を検出する機能のみを備える。地絡検出器６６において地絡電流を検出する機能は、基本的には、漏電検出器６３において地絡電流を検出する機能と同様である。すなわち、地絡電流の検出に関して、漏電検出器６３は３線である直流主電路２３での地絡電流を検出し、地絡検出器６６は２線である直流分岐電路２４または直流低圧電路２５での地絡電流を検出する点が相違するが、他は同様の構成を有している。
【００３５】
図３に示すように、ＡＣ／ＤＣ変換器４１の入力と出力とはともに３線であり、ＡＣ／ＤＣ変換器４１の入力側の電路における中性線２１０が、ＡＣ／ＤＣ変換器４１の出力側の電路における中性線２３０に直接接続される。また、ＡＣ／ＤＣ変換器４１は、入力側の電路における中性線２１０と一方の電圧線２１１とから入力される交流を、出力側の電路における中性線２３０と正電圧線２３１とから出力される直流に変換する。同様に、ＡＣ／ＤＣ変換器４１は、入力側の電路における中性線２１０と他方の電圧線２１２とから入力される交流を、出力側の電路における中性線２３０と負電圧線２３２とから出力される直流に変換する。
【００３６】
本実施形態では、直流分岐電路２４の線間電圧が、＋１５０Ｖと−１５０Ｖと３００Ｖとの３種類のうちのいずれかから選択される。上述したように、直流主電路２３は、基準電位である中性線２３０と、中性線２３０に対して＋１５０Ｖの電圧が印加された正電圧線２３１と、中性線２３０に対して−１５０Ｖの電圧が印加された負電圧線２３２との３線式である。したがって、直流分岐ブレーカ６２を３線のうちのどの２線に接続するかに応じて、直流分岐電路２４の線間電圧が選択される。
【００３７】
具体的には、中性線２３０と正電圧線２３１とを選択することにより直流分岐電路２４の線間電圧は＋１５０Ｖになる。また、中性線２３０と負電圧線２３２と選択することより直流分岐電路２４の線間電圧は−１５０Ｖになる。さらに、正電圧線２３１と負電圧線２３２とを選択することにより直流分岐電路２４の線間電圧は３００Ｖになる。したがって、直流分岐電路２４の最高使用電流を３０Ａとすれば、最大９ｋＷの電力を負荷に供給することが可能になる。
【００３８】
すなわち、照明器具のような低負荷の直流機器だけではなく、エアコン、冷蔵庫、電子レンジ、洗濯機のような高負荷の直流機器を駆動可能な程度の電力を確保することができる。これらの直流機器は、直流分岐電路２４にほぼ定常的に接続されているから、抜き差し時にアークの発生しない専用の直流コンセントを用いる。また、アイロン、掃除機のように必要時に直流分岐電路２４に接続する直流機器は、抜き差しの際に通電されないように工夫された直流コンセントを用いて接続する。
【００３９】
なお、直流主電路２３、直流分岐電路２４、直流低圧電路２５は、直流電力を供給する機能に加えて、通信路としての機能を持たせてもよい。すなわち、高周波の搬送波を用いてデータを伝送する通信信号を直流電圧に重畳することにより、直流主電路２３、直流分岐電路２４、直流低圧電路２５に接続された装置ないし機器の間での通信を可能にする。この技術は、交流電力を供給する電力線において交流電圧に通信信号を重畳させる電力線搬送技術と同様の技術である。
【００４０】
図３の構成では、分電盤３０、太陽光発電装置５１、燃料電池５２、蓄電装置５３、直流分電盤６０などは省略してある。また、商用系統２０については、柱上変圧器Ｔｒを電源として示している。
【００４１】
商用系統２０（つまり、柱上トランスＴｒ）からは単相３線式の主電路２１が住宅に引き込まれ、分電盤３０（図２参照）を介して交流機器に給電される。主電路２１は、１本の中性線２１０と２本の電圧線２１１，２１２とを有し、中性線２１０は柱上トランスＴｒにおいてＢ種接地Ｅ１が施される。
【００４２】
宅内に引き込まれた主電路２１は、中性線２１０と各一方の電圧線２１１，２１２の線間電圧（１００Ｖ）と、両電圧線２１１，２１２の線間電圧（２００Ｖ）とを交流機器に印加し、１００Ｖ用の交流機器と２００Ｖ用の交流機器とに電源を供給することが可能になっている。
【００４３】
主電路２１にはＡＣ／ＤＣ変換器４１が接続され、ＡＣ／ＤＣ変換器４１では、主電路２１の３線である中性線２１０と各電圧線２１１，２１２とにより供給される交流を、それぞれ中性線２１０の電位に対して正負各極性の直流に変換する。そのため、ＡＣ／ＤＣ変換器４１は、具体的には正負２個のＡＣ／ＤＣ変換器を備えることになる。
【００４４】
図示例のＡＣ／ＤＣ変換器４１は、中性線２１０と電圧線２１１とにより供給される１００Ｖの交流電圧から中性線２１０に対して正極性である直流電圧（＋１５０Ｖ）への電力変換を行う。また、ＡＣ／ＤＣ変換器４１は、中性線２１０と電圧線２１２とにより供給される１００Ｖの交流電圧から中性線２１０に対して負極性である直流電圧（−１５０Ｖ）への電力変換を行う。ＡＣ／ＤＣ変換器４１から出力される直流の電圧値は、交流電圧を全波整流して平滑したときの電圧（交流電圧の最大値にほぼ等しい電圧）よりやや高い程度に設定される。
【００４５】
したがって、直流主電路２３は、中性線２３０と、正電圧が印加される正電圧線２３１および負電圧が印加される負電圧線２３２との３線式になる。直流電路における直流主電路２３の中性線２３０は交流電路における主電路２１の中性線２１０とは絶縁されずに接続される。すなわち、直流電路における直流主電路２３の中性線２３０は、柱上トランスＴｒにおいてＢ種接地Ｅ１が施される。なお、交流機器および直流機器は、Ｄ種接地Ｅ２，Ｅ３が施される。本実施形態の構成では、中性線２３０を接地し、正電圧線２３１および負電圧線２３２との線間電圧を±１５０Ｖとしているから、対地電圧を１５０Ｖ以下としている設備基準や内線規程のような法規制における住宅用途の条件を満たすことができる。
【００４６】
ところで、ＡＣ／ＤＣ変換器４１の出力電圧を、交流電圧の最大値よりもやや高い程度の電圧に設定しているのは以下の理由による。
【００４７】
すなわち、昨今、インバータ回路を内蔵した交流機器が増加しており、照明器具のほかエアコン、冷蔵庫、洗濯機などにもインバータ回路が内蔵されてきている。この種のインバータ回路では、交流を全波整流する整流回路と、力率改善を兼ねたＤＣ−ＤＣ変換器（多くは、チョッパ回路）とをインバータ回路の前段に設ける構成が多く採用されている。また、インバータ回路とＤＣ−ＤＣ変換器とのスイッチング素子を共用する回路構成も知られている。
【００４８】
この種の交流機器の電源回路は、整流回路とスイッチング電源回路との組み合わせということができる。したがって、ＡＣ／ＤＣ変換器４１の出力電圧を、整流回路の出力電圧である交流電圧の最大値程度の電圧とするのである。言い換えると、ＡＣ／ＤＣ変換器４１の出力電圧を、スイッチング電源回路の入力電圧として用いることができる電圧範囲に設定していることになる。
【００４９】
このことから、インバータ回路を内蔵した１００Ｖ用の交流機器であれば１５０Ｖ程度の直流電圧をＤＣ−ＤＣ変換器の入力電圧とすることで動作可能であり、インバータ回路を内蔵した２００Ｖ用の交流機器であれば３００Ｖ程度の直流電圧をＤＣ−ＤＣ変換器の入力電圧とすることで動作可能である。すなわち、直流電路における直流主電路２３を、中性線２３０と、＋１５０Ｖの正電圧線２３１と、−１５０Ｖの負電圧線２３２との３線式としておき、インバータ回路を内蔵した交流機器についてＤＣ−ＤＣ変換器の入力端に直流主電路２３を接続することで、交流機器を動作させることが可能になる。
【００５０】
要するに、従来から提供されているインバータ回路を備える交流機器において、ＤＣ−ＤＣ変換器の入力端に電源接続用の端子を設ける程度の設計変更のみで、この種の交流機器を、交流電源だけではなく直流電源によっても用いることが可能になる。
【００５１】
その結果、上述のように高電圧（±１５０Ｖ）の直流電圧を扱う直流主電路２３の敷設を住宅に普及させる過渡期の段階においても、従来から提供されている交流機器から直流機器に移行するにあたって大きな設計変更を伴わないから、交流機器から直流機器への移行期のコスト増を抑制することができる。また、住宅において直流電路における直流主電路２３を敷設する習慣が定着した後には、インバータ回路を備える交流機器では、整流回路を外す程度の簡単な設計変更で、専用の直流機器を提供することが可能になる。
【００５２】
上述した構成では、直流主電路２３において中性線２３０に対して±１５０Ｖの直流電圧を印加しているから、電気設備技術基準に規定されている住宅内の対地電圧を１５０Ｖ以下にするという要件が満たされる。
【００５３】
以下では、電路異常検出装置としての漏電検出器６３の構成について説明する。漏電検出器６３は、図１に示すように、環状のコア１０１に磁気検出素子１０２を取り付けた電流センサ１０を用いている。磁気検出素子１０２はホール素子を用いることが多いが、磁気抵抗素子なども用いることが可能である。磁気検出素子１０２は、コア１０１を通る磁束を検出し、交直両用の電流センサとして用いられる。コア１０１は、フェライトのような磁性体を用いて形成され、図示例では円環状に形成したトロイダルコアを用いているが、環状であれば平面視で四角環状、六角環状などの他の形状であってもよい。コア１０１の中央に形成された窓孔１０３には、直流主電路２３が一次導体１０４として挿通される。図１に示す構成例では、直流主電路２３における３線が一次導体１０４としてコア１０１に挿通されている。
【００５４】
漏電検出器６３の下流側において地絡がなく電流が正常に流れていれば、コア１０１に挿通された３線を通過する電流により生じる磁束が相殺されるから、電流が正常に流れていればコア１０１に磁束はほとんど生じない。すなわち、磁気検出素子１０２では実質的に磁束が検出されない。一方、直流主電路２３の下流側（負荷側）に地絡が生じると、一次導体１０４を形成する３線の周囲に生じる磁束の一部は相殺されずに残留するから、コア１０１を通る磁束の大きさに応じた出力が磁気検出素子１０２から得られる。同様に、直流主電路２３の下流側において人体を通して電流が流れた場合も地絡と同様にして磁気検出素子１０２で磁束が検出される。
【００５５】
磁気検出素子１０２の出力は検出回路１１に入力され、検出回路１１は、コア１０１を通る磁束を磁気検出素子１０２の出力から検出する。検出回路１１は、マイコンあるいはＤＳＰのように、プログラムに従って動作するプロセッサを備え、後述する手順により地絡や感電などの電路の異常を検出する。
【００５６】
検出回路１１は、磁気検出素子１０２の出力に対する正常範囲が規定された検知部１１２と、漏電検出器６３の下流側における電路の異常の有無を検知部１１２の出力から判断する出力部１１３とを備える。また、磁気検出素子１０２の出力からノイズを除去するローパスフィルタやバンドパスフィルタのようなフィルタ部１１１を備える。さらに、直流機器がインバータ回路を備えている場合のように高周波のノイズ源を備えている場合、商用系統２０に悪影響を及ぼす可能性があるから、この種の高周波の漏洩を検出する高周波漏洩検出部１１４を設けて、ノイズ源の監視を行ってもよい。高周波漏洩検出部１１４を設ける場合、高周波漏洩検出部１１４が監視する周波数帯が、フィルタ部１１１で除去されないように、フィルタ部１１１の通過周波数帯域を設計する必要がある。
【００５７】
上述のように、フィルタ部１１１は通過周波数帯域を制限し、高周波漏洩検出部１１４は直流成分ではなくインバータなどからの高周波成分の漏洩を検出するために設けられている。高周波漏洩検出部１１４は、検知部１１２の後段に記載しているが、検知部１１２の出力を用いるのではなく、検知部１１２で検出された直流成分を基準として高周波成分を抽出するように構成される。すなわち、高周波漏洩検出部１１４は、直流成分を除去して目的とする高周波成分を抽出するように構成されていればよい。
【００５８】
以下では、検出回路１１のうち、主として検知部１１２と出力部１１３との機能について説明する。
【００５９】
検知部１１２は、一定のサンプリング周期で磁気検出素子１０２の出力を取得する。サンプリング周期は、たとえば０．５ｍｓに設定される測定期間に１１〜１２個のサンプリングデータが得られるように設定される。すなわち、サンプリング周期は、４０〜４５ｎｓ程度に設定される。検知部１１２は、測定期間に得られたサンプリングデータから最大値と最小値とを取り除き、残りのサンプリングデータの平均値を測定値として求める。測定期間におけるサンプリングデータの平均値として求めた測定値は、電流センサ１０の一次導体１０４を流れる電流の不平衡の程度（一次導体１０４の周囲に生じる磁束の合計）を反映している。したがって、測定値を適宜に設定された正常範囲と比較することにより、電流センサ１０の下流側において地絡が生じているか否かを推定できる。
【００６０】
ところで、電流センサ１０の下流側で地絡が生じると、電流センサ１０の上流から下流に向かう電流が、下流から上流に向かう電流よりも大きくなる。また、電流センサ１０の一次導体１０４を通過する電流は直流であるから、地絡が生じたときに、一次導体１０４の周囲には特定の向きの磁束が生じることになる。ここでは、電流センサ１０の上流から下流に向かう電流によって一次導体１０４の周囲に磁束が生じたときに磁気検出素子１０２で検出される出力を正極性と規定し、下流から上流に向かう電流に伴う磁束による磁気検出素子１０２の出力を負極性と規定する。
【００６１】
上述のように磁気検出素子１０２の出力に極性を規定すると、地絡が生じたときに磁気検出素子１０２の出力は正極性になり、通常、磁気検出素子１０２の出力が負極性になることはない。ただし、他回路の影響を受けた場合に、磁気検出素子１０２の出力が負極性になったり、検知部１１２の入力段に設けられた増幅器が飽和したりする可能性がある。このような場合に備えて、測定値に対する正常範囲は負極性と正極性とに跨る範囲で設定される。また、磁気検出素子１０２の出力は一次導体１０４を通過する電流の不平衡分に相当するから、ここでは、磁気検出素子１０２の出力には電流の単位を用いる。
【００６２】
測定値に対する正常範囲は、たとえば、１００ｍＡ以下に設定される。すなわち、測定値（実際には、検知部１１２の入力段に設けられた増幅器の出力）が、１００ｍＡを上回るときに、正常範囲を逸脱していると判断される。ただし、地絡が生じていないにもかかわらず、一時的に生じたノイズによって、測定値がが正常範囲を逸脱することも考えられる。そこで、検知部１１２は、測定値が正常範囲を１回だけ逸脱しても地絡と判断せず、正常範囲を逸脱する状態が複数回生じると地絡と判断するようにルールが定められる。
【００６３】
たとえば、連続して得られる複数個（たとえば、５個）の測定値がすべて正常範囲を逸脱すると、地絡と判断するようにルールが定められる。あるいはまた、規定した複数個（たとえば、１０個）の測定値のうちの適数個（たとえば、７個）が正常範囲を逸脱したときに、地絡と判断するようにルールが定められる。ここに、どちらのルールを設定する場合でも、検知部１１２には、正常範囲を逸脱した測定値の個数を計数するカウンタが設けられる。前者のルールでは、正常範囲を逸脱した測定値の次の測定値が正常範囲であればカウンタがリセットされる。また、後者のルールでは、正常範囲を逸脱した測定値が得られた後、規定した複数個の測定値が得られるまでに地絡の条件が満たされなければカウンタがリセットされる。
【００６４】
前者のルールを適用した場合の検知部１１２の動作を図４に示す。検知部１１２は、一定のサンプリング周期で磁気検出素子１０２の出力をサンプリングデータとして取得する（Ｓ１１）。測定期間ごとに得られるサンプリングデータの集合から最大値と最小値とが除去され（Ｓ１２）、最大値および最小値を除去したサンプリングデータの集合について平均値が求められ、この平均値が測定値になる（Ｓ１３）。測定値は正常範囲と比較される（Ｓ１４）。測定値が正常範囲であれば（Ｓ１４：Ｙｅｓ）、カウンタをリセットし（Ｓ１５）、次の測定値を取得する（Ｓ１１〜Ｓ１３）。また、測定値が正常範囲を逸脱していれば（Ｓ１４：Ｎｏ）、カウンタに１を加算し（Ｓ１６）、カウンタの計数値が閾値（たとえば、５）に達した場合は（Ｓ１７：Ｙｅｓ）、地絡（ないし感電）が生じていると判定する（Ｓ１８）。一方、ステップＳ１６において、カウンタの計数値が閾値に達していない場合は（Ｓ１７：Ｎｏ）、次の測定値を取得する（Ｓ１１〜Ｓ１３）。なお、図４では、カウンタなどの初期化の処理は省略している。初期化の処理には、ゼロ点を調節する校正も含まれており、校正の際には検出回路１１に設けた図示しない押釦スイッチを押すと、その時点の磁気検出素子１０２の出力がゼロ点として採用される。
【００６５】
上述のようにして検知部１１２により地絡が検出されると、出力部１１３は、直流主幹ブレーカ６１（あるいは、サーキットプロテクタ６５）のような遮断器を駆動して接点を開放させるための出力を発生させる。すなわち、出力部１１３は、遮断器を制御する出力を発生する。サーキットプロテクタ６５を制御する場合、一次導体１０４が２線になるのはいうまでもない。
【００６６】
背景技術として説明したように、地絡アークに伴う発火を防止するには、地絡アークのアークエネルギーを数百Ｗｓ程度に制限することが望ましい。したがって、測定期間ごとに得られる測定値（電流値）と電圧値とから測定期間における電力量を求め、電力量が数百Ｗｓ程度に定められた上限値を超えないうちに遮断器の接点を開放させることが好ましい。
【００６７】
いま、上限値を１００Ｗｓに定め、測定期間が０．５ｍｓであって、連続して５回の測定期間に得られた測定値が正常範囲を逸脱しているときに、地絡と判断する場合を想定する。つまり、２．５ｍｓで地絡の判断が行われる。また、直流主電路２３の線間電圧は１５０Ｖであるから、１００Ｗｓとなる電流値は約２６７Ａになる。
【００６８】
そこで、出力部１１３は、測定期間ごとに得られる測定値と電圧値と測定期間の長さとの積によって、測定期間において地絡アークにより消費された電力量を求め、この電力量を、連続する５回の測定期間において積算する。出力部１１３は、この積算値が１００Ｗｓを超えるときに、地絡アークによって発火の可能性があると判断し、遮断器（直流主幹ブレーカ６１、サーキットプロテクタ６５）を遮断する。なお、連続する５回の測定期間において積算した電力量が１００Ｗｓ未満であるとき積算値はリセットされ、次の５回の測定期間においてあらためて積算される。
【００６９】
ところで、直流分岐電路２４は線間電圧が４８Ｖであるから、直流分岐電路２４に人体が触れても、通常は心室細動を生じる電流が流れることはない。したがって、直流分岐電路２４に設けた地絡検出器６６には、感電を防止する機能は設けなくてもよい。一方、直流主電路２３は線間電圧が１５０Ｖであるから、直流主電路２３に人体が触れたときに、感電することがないように、漏電検出器６３には感電を防止する機能が設けられる。
【００７０】
感電によって生理学的影響が生じる条件には、人体を通過する電流および通電時間のほか、年齢、性別、皮膚の状態など種々の条件があるが、単純化すれば通過電流と通電時間との関係で表すことができる。また、同じ生理学的影響が生じる電流値は、一般に、直流が交流よりも大きくなる。簡単に言えば、直流は交流に比較して感電を生じにくいと言える。たとえば、１秒程度の通電時間であると、交流では約３０ｍＡ以上になると心室細動が生じる確率が高まるが、直流の場合は、これより大きい電流でも心室細動が生じにくいという測定結果が知られている。
【００７１】
上述の例では、電流値に対する正常範囲を１００ｍＡ以下に設定することにより、感電による生理学的影響がほとんど生じない程度の電流を正常範囲として定めてあり、この正常範囲は地絡アークに伴う発火に対しても安全側の範囲になっている。すなわち、図４に示した判定処理において、上述した値であれば、地絡電流による発火を防止できるとともに、地絡電流で感電した場合の生理学的影響も防止することができる。なお、上述した数値は一例であって、数値は適宜に変更することが可能である。
【００７２】
たとえば、以下の動作を採用してもよい。すなわち、測定期間を０．２５ｓとし、１回の測定期間において、電流値に対応する磁気検出素子１０２の出力を１０ｍｓのサンプリング周期で２５個取得してもよい。また、中性線２３０と正電圧線２３１および負電圧線２３２との間の線間電圧は、２５個の電流値が得られる間に７個取得する。２５個の電流値のうち最大値と最小値とは採用せず、２３個の電流値について平均値を求める。また、７個の電圧値についてはそのまま平均値を求める。次に、電流値と電圧値とについて求めた平均値と０．２５ｓ（＝１０ｍｓ×２５）とを乗じることにより、この期間における電力量を算出する。電流値が２０ｍＡ以上であるときには、算出した電力量を累積し、累積値が１００Ｗｓに達すると地絡が生じていると判断する。一方、電流値が２０ｍＡ未満であるときには、地絡が生じていないと判断して、累積値をリセットする。
【００７３】
上述した動作では、測定期間が０．２５ｓであって、しかも測定期間の回数にかかわらず累積値が１００Ｗｓに達したときに地絡が生じたと判断している。このように、比較的長い測定期間を設定して地絡の有無を判断する場合は、電流値に対する正常範囲を小さく設定することが可能であり、感電による生理学的影響がほとんど生じない状態でも地絡に対する遮断を行うことが可能になる。ただし、地絡が発生してから直流主幹ブレーカ６１を遮断するまでの時間は、測定期間を短く設定している場合よりは長くなる。そのため、測定期間や正常範囲は使用する場所において調節することが好ましい。
【００７４】
上述した出力部１１３の動作は一例であって、電力量の上限値などは適宜に定めることが可能であり、また、地絡や感電を判定する条件も適宜に定めることが可能である。さらに、出力部１１３において、地絡の判定条件と感電の判定条件とは異ならせてもよい。たとえば、地絡と感電との判定において、電力量に対する正常範囲を異ならせるとともに、それぞれに設定した正常範囲を逸脱するまでの時間も判定条件に加えるなどすれば、地絡と感電とを区別できる可能性がある。
【００７５】
本実施形態は、一次導体１０４の周囲に生じる磁束を磁気検出素子１０２により検出するから、直流電流の変化を簡単な構成で検出することが可能である。しかも、地絡などによって一次導体１０４を流れる電流の不平衡を差分として検出していることになるから、地絡などによって漏洩した電流が微少であっても高感度に検出できる。また、電流の漏洩を検出するにあたって接地線を用いていないから、電気自動車や飛行機のような乗物、電気メッキ設備など非接地の回路にも適用可能である。
【００７６】
ところで、直流主電路２３は３線であって、上述したように、中性線２３０と＋１５０Ｖの正電圧線２３１と−１５０Ｖの負電圧線２３２とが設けられている。したがって、中性線２３０と正電圧線２３１との間に接続された負荷と、中性線２３０と負電圧線２３２との間に接続された負荷との大きさが異なっている状態で、中性線２３０が欠相した場合、小さいほうの負荷に１５０Ｖ以上の過大な電圧が印加される。たとえば、中性線２３０に対し、正電圧線２３１との間の負荷が５００Ωで、負電圧線２３２との間の負荷が１０００Ωであると、中性線２３０の欠相時に、５００Ωの負荷には１００Ｖの電圧が印加され、１０００Ωの負荷には２００Ｖの電圧が印加される。
【００７７】
このような極端な不平衡が生じることは少ないが、交流電路と同様に、３０％以上の不平衡は検出することが望ましい。中性線２３０の欠相は、中性線２３０を基準電位として正電圧線２３１および負電圧線２３２との線間電圧の差分を検出すればよい。そのため、図３に示すように、漏電検出器６３は、中性線２３０と接続され、電圧を計測することにより中性線２３０の欠相を検出する機能を備える。たとえば、漏電検出器６３は、差動増幅器を備え、中性線２３０の電位を基準電位とし、正電圧線２３１との電圧差と負電圧線２３２との電圧差との差分を差動増幅器で検出する。差動増幅器の出力は、電圧比較器に与えられ、電圧比較器において差動増幅器の出力が適宜の閾値と比較されることにより、中性線２３０の欠相が検出される。差動増幅器の増幅率および電圧比較器の閾値を適宜に設定することにより、不平衡を検出する感度を定めることができる。
【００７８】
上述のように、漏電検出器６３に中性線２３０の欠相を検出する機能を設けておくことにより、中性線欠相の際にも直流主幹ブレーカ６１を遮断することが可能になる。すなわち、中性線欠相によって負荷に過電圧が印加されるのを防止できる。なお、中性線欠相の検出技術は交流と同様の技術を適用することが可能である。
【００７９】
以上説明したように、本実施形態の漏電検出器６３は、基本的には、コア１０１と磁気検出素子１０２とで構成された電流センサ１０と、プログラムに従って動作するプロセッサを備えた検出回路１１とにより構成される。したがって、検出回路１１は、発火を生じる程度のエネルギーを持つ地絡アークや、生理学的影響が生じる程度の地絡電流を検出することができ、さらには中性線欠相を検出するように構成することが可能になる。すなわち、漏電検出器６３により、住宅用の直流電路における異常を総合的に検出することが可能になる。また、検出回路１１は、プログラムに従って動作するから、同構成を採用しながらも、目的に応じて動作を変更することが可能である。すなわち、機能の追加、修正が容易であって、融通性の高い漏電検出器６３を提供することができる。
【００８０】
なお、上述したように、地絡検出器６６において地絡電流を検出する機能は、漏電検出器６３において地絡電流を検出する機能と同様であるから、本発明の技術思想は、地絡検出器６６にも適用される。
【符号の説明】
【００８１】
１１  検出回路
２３  直流主電路（直流電路）
２４  直流分岐電路（直流電路）
６１  直流主幹ブレーカ（遮断器）
６３  漏電検出器（電路異常検出装置）
６５  サーキットプロテクタ（遮断器）
６６  地絡検出器（電路異常検出装置）
１０１  コア
１０２  ホール素子（磁気検出素子）
１０４  一次導体
２３０  中性線
２３１  正電圧線（第１の電圧線）
２３２  負電圧線（第２の電圧線）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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