(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相交流電源に接続された各相導体を流れる電流を検出する電流センサであって、トロイダル形状のトロイダルコイルの中心開口部を貫通するように配置された一つの相の導体を流れる電流を、前記トロイダルコイルの出力電圧を積分して測定する電流センサにおいて、
前記トロイダルコイルの周方向の一部であって前記トロイダルコイルの開口部の中心を基準として４５°の範囲に、他の部分よりも巻線の巻数を５％多くして密にした巻線の巻きムラ部分を形成し、前記トロイダルコイルの開口部の中心を基準として、前記開口部の中心と前記巻きムラ部分の中央部とを結ぶ半径から前記トロイダルコイルの外部に隣接して配置された他の相の導体の断面中心部までの角度を、±（３０°〜９０°）の範囲に設定することを特徴とする電流センサ。
【請求項２】
請求項１に記載した電流センサにおいて、
前記巻きムラ部分を、前記トロイダルコイルの巻線の巻き始め部分に形成したことを特徴とする電流センサ。
【請求項３】
請求項１または２に記載した電流センサにおいて、
前記トロイダルコイルの開口部の中心を基準として、前記開口部の中心と前記巻きムラ部分の中央部とを結ぶ半径から前記トロイダルコイルの外部に隣接して配置された他の相の導体の断面中心部までの角度を、±７０°に設定したことを特徴とする電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工場やオフィス等の発電設備、受電設備において交流電流を測定する電流センサや、三相の商用電源に接続された保護装置と組み合わされ、一定値以上の主回路電流が流れた場合に遮断器を動作させて設備を保護するために使用される電流センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
三相交流電流を測定する方法としては、一般的に、交流電流によって作成される磁界を磁気コアに導き、この磁気コアを通過する磁束の変化に基づいて交流電流を測定する方法が知られている。
また、トロイダル形状のトロイダルコイルを用いる方法として、トロイダルコイルの中心開口部の貫通電流（被測定電流）によって生じる磁界の変化が作る電圧を積分して前記貫通電流を測定する方法も知られている。
【０００３】
ここで、トロイダルコイルでは高精度な電流測定を可能にするために、巻線のピッチを一定とすること、巻線が囲む面積と帰路線（巻き戻し線）が囲む面積とを等しくすること、非磁性材料等からなる巻芯の断面積を一定にすること等が求められており、例えば後述する特許文献１には、貫通電流の位置関係によって発生する電圧の感度係数を一定にするために、巻線を均一に巻くための工夫が開示されている。
【０００４】
また、図４は、トロイダルコイルを用いた他の電流センサの概略的な構成図であり、図４（ａ）は正面図、図４（ｂ）は右側面図である。
この電流センサは、保護リレー装置に内蔵されるタイプのものであり、三相交流電源に接続されたＵ相電流バー１０ｕ、Ｖ相電流バー１０ｖ、Ｗ相電流バー１０ｗのうち、Ｕ相電流バー１０ｕ及びＷ相電流バー１０ｗをトロイダルコイル２０ｕ’，２０ｗ’の中心開口部にそれぞれ貫通させ、これらの電流バー１０ｕ，１０ｗを流れるＵ相電流、Ｗ相電流をトロイダルコイル２０ｕ’，２０ｗ’の出力電圧から測定すると共に、後述する演算によってＶ相電流を求め、これら各相の電流の大きさが一定値を超えた場合にリレー遮断部３０を駆動して設備を保護するように構成されている。
なお、図４において、４１，４２は、トロイダルコイル２０ｕ’，２０ｗ’に隣接して流れるＶ相電流による磁界を遮蔽してクロストークを防止するための磁気遮蔽板である。
【０００５】
ここで、トロイダルコイルを用いた交流電流の測定原理については、例えば後述する非特許文献１に記載されている。以下、測定原理を略述する。
図４に示したような各相電流バー１０ｕ，１０ｖ，１０ｗに三相交流電流を流した場合、Ｕ，Ｖ，Ｗ相電流のベクトル和は０である。このため、三相交流電流の測定に当たっては、例えばＵ相電流Ｉｕ及びＷ相電流Ｉｗを測定し、Ｕ，Ｖ，Ｗ相電流のベクトル和が０であることから、
Ｉｖ＝−（Ｉｕ＋Ｉｗ）
によって残りのＶ相電流Ｉｖを求めることができる。なお、上記の演算はベクトル演算である。
【０００６】
図４のトロイダルコイル２０ｕ’，２０ｗ’を用いてＵ相電流やＷ相電流を測定する場合には、図５に示すような測定回路が使用される。
この図５において、２０は上記トロイダルコイル２０ｕ’，２０ｗ’に相当するトロイダルコイル、２０ａは巻芯、２０ｂは巻線、２０ｃは巻芯２０ａの分割部、１０は被測定電流が流れる電流バー、５１は同軸ケーブル、５２は抵抗、５３はコンデンサ、５４はオペアンプである。
【０００７】
電流バー１０を流れる交流電流が作る磁束の変化は巻芯２０ａの周方向に生じ、この巻芯２０ａに巻かれた巻線２０ｂに磁束が交差するため、トロイダルコイル２０の巻線２０ｂには磁束（電流）の微分値に比例した電圧が生じる。
従って、同軸ケーブル５１を介した巻線２０ｂの出力電圧ｅ１を抵抗５２、オペアンプ５４及びコンデンサ５３からなるミラー積分器によって積分することにより、電流バー１０を流れる交流電流に比例した電圧ｅ２を得ることができ、この電圧ｅ２に基づいて電流バー１０を流れる交流電流を測定することができる。
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−２２８３２３号公報（段落［００２７］〜［００３２］、図１，図２等）
【非特許文献１】川崎昌二、「トロイダルコイルによる交流大電流測定」、［online］、［２００５年６月１３日検索］、インターネット＜URL: http://www.riam.kyushu-u.ac.jp/gikan/houkoku1/rogowsky.pdf＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
さて、前述した磁気コアを利用して交流電流を測定する従来技術では、大電流による磁気飽和を防ぐために磁気コアを大きくする必要があり、これが高価格化や大型化、重量の増加を招くという問題がある。
また、トロイダルコイルを利用して交流電流を測定する場合には、基本的には巻芯が非磁性材料（または空芯）であって磁路が存在しないため、例えば図４におけるＶ相電流バー１０ｖのＶ相電流の如く隣接して流れる大電流による磁界がトロイダルコイル２０ｕ’，２０ｗ’の巻線に作用することによってクロストーク（本来の検出電圧に重畳されたノイズ電圧として現れる）を生じる。更に、上記磁界の影響を低減するために磁気遮蔽板４１，４２を用いると、部品数の増加やコストの上昇を招く等の問題があった。
【００１０】
そこで本発明の解決課題は、小型軽量化、低コスト化を可能にし、しかも隣接して流れる電流によるクロストークの影響を受けないようにした電流センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、三相交流電源に接続された各相導体を流れる電流を検出する電流センサであって、トロイダル形状のトロイダルコイルの中心開口部を貫通するように配置された一つの相の導体を流れる電流を、前記トロイダルコイルの出力電圧を積分して測定する電流センサにおいて、
前記トロイダルコイルの周方向の一部であって前記トロイダルコイルの開口部の中心を基準として４５°の範囲に、他の部分よりも巻線の巻数を５％多くして密にした巻線の巻きムラ部分を形成し、前記トロイダルコイルの開口部の中心を基準として、前記開口部の中心と前記巻きムラ部分の中央部とを結ぶ半径から前記トロイダルコイルの外部に隣接して配置された他の相の導体の断面中心部までの角度を、±（３０°〜９０°）の範囲に設定するものである。
【００１２】
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した電流センサにおいて、
前記巻きムラ部分を、前記トロイダルコイルの巻線の巻き始め（＝巻き終わり）部分に形成したものである。
【００１３】
請求項３に記載した発明は、請求項１または２に記載した電流センサにおいて、前記トロイダルコイルの開口部の中心を基準として、前記開口部の中心と前記巻きムラ部分の中央部とを結ぶ半径から前記トロイダルコイルの外部に隣接して配置された他の相の導体の断面中心部までの角度を、±７０°に設定したものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、トロイダルコイルの周方向の一部に巻きムラ部分を形成するだけで、磁気コアの大型化や磁気遮蔽板の追加等の手段を講じることなく、隣接する導体を流れる電流によるクロストークの影響を低減させることができ、電流センサの小型軽量化、低コスト化が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。まず、図１は本発明の実施形態を示す電流センサの概略的な構成図であり、図４と同様に保護リレー装置と組み合わせて利用される電流センサを示している。
図１（ａ）において、前記同様に、三相交流電源に接続されたＵ相電流バー１０ｕ、Ｖ相電流バー１０ｖ、Ｗ相電流バー１０ｗが等間隔に並べて配置されており、Ｕ相電流バー１０ｕ及びＷ相電流バー１０ｗはトロイダル形状のトロイダルコイル２０ｕ，２０ｗの中心開口部をそれぞれ貫通している。また、図１（ｂ）において、３０は各相の電流の大きさが一定値を超えた場合に駆動されるリレー遮断部である。
なお、上記の構成において、Ｕ相電流バー１０ｕ及びＷ相電流バー１０ｗは請求項１における第１の導体に相当し、Ｖ相電流バー１０ｖは第２の導体に相当する。
【００１９】
さて、この実施形態では、トロイダルコイル２０ｕ，２０ｗの周方向の一部に、巻きムラ部分（例えば他の部分よりも巻線の巻数を多くして密にした部分）２１ｕ，２１ｗを意図的に形成することにより、隣接するＶ相電流バー１０ｖの電流（以下、隣接電流という）によるクロストークがトロイダルコイル２０ｕ，２０ｗに与える影響を低減させるようにした。
【００２０】
このように巻きムラ部分２１ｕ，２１ｗを設けると、トロイダルコイル２０ｕ，２０ｗの中心開口部を貫通するＵ相電流バー１０ｕ，Ｗ相電流バー１０ｗとトロイダルコイル２０ｕ，２０ｗとの間に相対的な位置依存性が生じ、各電流バー１０ｕ，１０ｗを流れる電流（以下、貫通電流という）による各トロイダルコイル２０ｕ，２０ｗからの検出電圧、ひいては被測定電流の検出感度に位置依存性が生じることとなる。
しかし、トロイダルコイル２０ｕ，２０ｗ及び電流バー１０ｕ，１０ｗを保護リレー装置のような固定された設置環境で使用する場合には、各構成部材相互の位置関係を一旦固定してしまえば、各トロイダルコイル２０ｕ，２０ｗによる電流検出感度は一定になり、被測定電流である貫通電流と測定電圧（前述したミラー積分器の出力）との関係はリニアリティを保つことができる。
【００２１】
更に、発明者は、上記巻きムラ部分２１ｕ，２１ｗを所定位置（角度）で配置すれば隣接電流によるクロストークの影響を低減できることを、図２に示すモデルを用いたシミュレーションによって確認した。
なお、図２はＵ相のトロイダルコイル２０ｕとＶ相電流バー１０ｖによる隣接電流との関係を示しており、巻きムラ部分２１ｕはトロイダルコイル２０ｕの開口部の中心から４５°の範囲に設け、巻線の巻数を他の部分よりも５％程度、多目にして構成してある。この巻きムラ部分２１ｕの中央部からＶ相電流バー１０ｖの断面中心部までの角度（空間角度）をαとした。
また、隣接電流の方向は、図示例では紙面の表から裏へ向かう方向としてあるが、逆方向でも良い。
【００２２】
図３は図２のモデルを用いたシミュレーション結果であり、上記角度αとクロストーク量の相対値（Ｖ相電流バー１０ｖを含む交流電流経路とトロイダルコイル２０ｕの巻線との相互インダクタンスの相対値）との関係を示している。
図３から明らかなように、角度αが０°に近付くほど（Ｖ相電流バー１０ｖと巻きムラ部分２１ｕとが近付くほど）クロストークが大きくなりピーク値を示すが、反対に離れるとピーク値とは逆極性のクロストークが発生する。そして、その間の角度である角度αが±７０°近傍ではクロストークが０となっており、この角度が保たれるようにＶ相電流バー１０ｖ及びトロイダルコイル２０ｕを相対的に配置することにより、隣接相の電流つまりＶ相電流によるＵ相のトロイダルコイル２０ｕへのクロストークノイズを低減させることができる。
上記の作用は、Ｖ相電流バー１０ｖとＷ相のトロイダルコイル２０ｗとの相対的な位置関係についても同様である。
【００２３】
なお、通常、トロイダルコイルの巻線はその巻き始め（＝巻き終わり）付近に引き出し線が接続されるので、この接続部分を補強したいという要請がある。従って、この接続部分（巻き始めまたは巻き終わり部分）付近の巻線の巻数を多くして巻きムラ部分を形成し、これによって接続部分を補強すると共に、接続部分の中心と隣接相の電流バーとの角度を例えば±７０°近傍に設定することにより、接続部分の補強及びクロストークノイズの除去を同時に行うことができる。
【００２４】
また、実際の製造工程では、トロイダルコイルの中心から４５°の範囲で１％程度の巻きムラが生じること等を考慮した場合、前記角度αをほぼ＋３０°〜＋９０°、または、ほぼ−３０°〜−９０°の範囲に設定すればクロストークの影響は実用上ほとんどないものである。
【００２５】
なお、本発明は保護リレー装置だけでなく、トロイダルコイルを利用して交流電流を測定する種々の電流センサに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態を示す電流センサの概略的な構成図であり、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は右側面図である。
【図２】本発明の作用を検証するためのシミュレーションモデルである。
【図３】図２のモデルを用いたシミュレーション結果を示す図である。
【図４】従来技術を示す電流センサの概略的な構成図であり、図４（ａ）は正面図、図４（ｂ）は右側面図である。
【図５】トロイダルコイルを用いた交流電流測定回路の説明図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０ｕ：Ｕ相電流バー
１０ｖ：Ｖ相電流バー
１０ｗ：Ｗ相電流バー
２０ｕ，２０ｗ：トロイダルコイル
２１ｕ，２１ｗ：巻きムラ部分
３０：リレー遮断部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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