泄漏电流检测装置的制作方法

本发明涉及对电路的漏电进行检测的泄漏电流检测装置，特别涉及对单相二线式电路及三相三线式电路的漏电进行检测的泄漏电流检测装置(下面称作漏电检测装置)。

背景技术：

泄漏电流包含由对地静电电容所导致的泄漏电流、由与绝缘电阻直接关联的对地绝缘电阻所导致的泄漏电流(下面称作接地故障电流ior)。引起漏电火灾等的原因是存在绝缘电阻，如果能够准确地对由该绝缘电阻所导致的接地故障电流ior进行检测，则能够对电路的绝缘状态进行检查，能够避免漏电火灾等重大事故。

在当前的漏电检测装置中，根据零相电流波形与电源电压波形的相位差、零相电流波形的峰值对单相二线式电路中的接地故障电流进行计算。

即，如专利文献1所示，对电源电压v及零相电流io的相位差φ、零相电流io的峰值进行检测，通过下式的运算对接地故障电流ior进行计算。

[公式1]

公式1

ior＝iocosφ

另外，在三相三线式电路中，在三线线缆长度相等且非接地电路的各静电电容c相同的情况下，对非接地层(t相-r相)间的相间电压v(r→t)与零相电流io的相位差φ、零相电流io的峰值进行检测，通过下式对接地故障电流ior进行计算(同样参考专利文献1)。

[公式2]

公式2

(如果是相间电压v(r→t)，则v(r→t)＝v(t相)-v(r相)。从r向t的“→”表示矢量的方向。)

专利文献1：日本特开平20-4159590号公报

技术实现要素：

然而，在现有技术中存在下述课题，即，在接地故障电流的运算中使用零相电流的峰值，因此检测速度受到零相电流的峰值周期的限制，接地故障电流运算的完成速度迟缓，特别在如漏电断路器这样需要高速的接地故障电流检测的装置中产生动作延迟。

例如，在电源频率是50hz的电路中，在将4次零相电流的峰值的平均值用于接地故障电流的运算的情况下，对4次零相电流的峰值进行检测至少需要40ms的检测时间。然而，在漏电断路器的标准iec60947-2、jisc8201-2-2中，将产生5iδn的泄漏电流时的最大动作时间规定为40ms，现有的方法不能满足上述标准。

本发明就是为了解决上述课题而提出的，其目的在于提供能够进行比现有设备更高速的接地故障电流检测的漏电检测装置。

本发明涉及的漏电检测装置具有：电流检测单元，其对电路的零相电流进行检测；电压检测单元，其对电路的电压进行检测；微分单元，其对零相电流的微分值进行计算；以及泄漏电流导出单元，其基于零相电流值和微分值，导出泄漏电流。

发明的效果

根据上述结构，通过根据电压的相位信息对电流的微分值进行计算，从而能够比现有设备更高速地导出泄漏电流。

附图说明

图1是本发明的实施方式1中的漏电检测装置的功能框图。

图2a是表示本发明的实施方式1中的模拟结果的图。

图2b是本发明的实施方式1中的用于模拟的等价电路图。

图3是本发明的实施方式2中的漏电检测装置的功能框图。

图4a是表示本发明的实施方式2中的模拟结果的图。

图4b是本发明的实施方式2中的用于模拟的等价电路图。

图5是本发明的实施方式3中的漏电检测装置的功能框图。

图6是表示本发明的实施方式3中的模拟结果的图。

图7是本发明的实施方式4中的漏电检测装置的功能框图。

图8是表示本发明的实施方式4中的模拟结果的图。

具体实施方式

实施方式1

下面，基于附图详细地对本发明的实施方式1涉及的漏电检测装置进行说明。图1是本发明的实施方式1涉及的漏电检测装置的功能框图，示出了在单相二线式电路中对漏电进行检测的结构。

在图1中，零相变流器(下面称作zct)1是对在发生了b类接地的接地线中流过的零相电流io进行检测的零相电流检测单元。放大电路2对由zct1检测出的零相电流io进行放大。

模拟/数字转换器(下面称作a/d转换器)3对被放大电路2放大后的零相电流io进行采样而转换为数字值。低通滤波器(下面称作lpf)4从被a/d转换器3转换为数字值后的零相电流io中去除谐波成分，将去除谐波成分后的采样值作为零相电流io的瞬时值io(θ)输出。

另一方面，通过电压检测电路5对电源电压v进行检测，由a/d转换器6将检测出的电源电压v转换为数字值。此时的采样的定时(timing)为与a/d转换器3相同的定时。由lpf7从转换为数字值后的电源电压v中去除谐波成分。由过零点检测电路8对电源电压v的过零点周期进行检测，根据检测出的过零点周期由频率判定电路9对电源电压v的频率f进行判定。

另外，由正负判定电路10对lpf7的输出的正负进行判定，根据该正负信息、过零点周期及频率f由相位运算部11对电源电压v的相位θ进行运算。根据相位运算部11的输出即相位θ和lpf4的输出即零相电流的瞬时值io(θ)，通过微分电路12对零相电流的微分的瞬时值i'o(θ)进行运算。根据该微分的瞬时值i'o(θ)、零相电流的瞬时值io(θ)、及相位运算部(11)的输出即相位θ，由接地故障电流运算部13对接地故障电流ior进行计算。

由漏电判定部15对接地故障电流运算部13的输出即接地故障电流ior与由漏电灵敏度基准值设定部14设定的漏电灵敏度基准值ith进行比较，在ior≥ith的情况下判断为产生漏电。在判断为产生漏电的情况下，通过信号输出部16将信号输出至断路器等外部的电路。

上述图1的功能框图是将电气电路和微型计算机组合而实际构成的。特别地，a/d转换器、lpf、各判定电路、各运算电路等也能够是使用内置有数字∑型a/d转换器的微型计算机，通过软件进行处理。

接下来，详细说明通过上述的相位运算部11对电源电压v的相位θ进行运算的方法。

相位θ以电源电压v从负切换为正的过零点(θ＝0°)为基准点。成为基准的过零点是根据由过零点检测电路8检测出的电源电压v的过零点的定时信息和由正负判定电路10检测出的电源电压v的正负信息而求出的。

从求出的基准点(θ＝0°)起以采样时间δt为单位间隔对相位θ的变化量δθ＝2πfδt进行累计，将相位θ作为θ＝σ2πfδt进行计算。此外，在上述运算中使用的电源电压v的频率f使用的是由频率判定电路9判定出的值。

能够通过下式对由a/d转换器3转换为数字值后的零相电流io的瞬时值io(θ)进行记述。

[公式3]

公式3

io(θ)＝iorsinθ+ioccosθ

在该式中，ior是接地故障电流的峰值，ioc是由对地静电电容所导致的泄漏电流的峰值。

接下来，对通过上述的微分电路12导出零相电流的微分的瞬时值i′o(θ)的方法进行详细说明。

在微分电路12中，根据零相电流io的瞬时值io(θ)与上一个采样值io(θ-δθ)的差值

[公式4]

公式4

δio(θ)＝io(θ)-io(θ-δθ)

和相位θ的变化量δθ，通过下面所示的公式对零相电流的微分的瞬时值i′o(θ)进行计算。

[公式5]

公式5

在下面示出该公式的根据。

如果将io(θ)与上一个采样值io(θ-δθ)的差值δio(θ)进行泰勒展开，则成为下式。

[公式6]

公式6

在这里，在δθ＝2πfδt小时，即在采样时间δt短的情况下，能够忽略高次项，因此能够近似为下式。

[公式7]

公式7

接下来，对接地故障电流运算部13的功能进行详细说明。将在上面求出的零相电流io的瞬时值io(θ)和零相电流io的微分的瞬时值i′o(θ)输入至接地故障电流运算部13，将io(θ)乘以sinθ，将i′o(θ)乘以cosθ。

io(θ)sinθ、i′o(θ)cosθ分别是，

[公式8]

公式8

io(θ)sinθ＝iorsin²θ+iocsinθcosθ

[公式9]

公式9

i′o(θ)cosθ＝iorcos²θ-iocsinθcosθ

如果取其之和，则成为，

[公式10]

公式10

io(θ)sinθ+i′o(θ)cosθ＝ior

能够对接地故障电流ior的峰值进行运算。

具体地通过波形图进行说明。

图2a是表示在频率50hz的单相二线式电路中产生了漏电的情况下的模拟结果的图。左纵轴是电压值，单位是伏特，右纵轴是电流值，单位是毫安，横轴是相位θ，单位是度，采样时间δt＝100μs。此外，如图2b的等价电路所示，关于在模拟中使用的电路常数，将对地静电电容设为c＝1μf，设为接地故障电阻r＝5kω、电源电压v＝200v。

接下来，尝试仅根据零相电流io的瞬时值io(θ)和上一个采样值io(θ-δθ)及相位信息，通过运算求出接地故障电流ior。如果例举出θ＝72.0°的情况，则零相电流io的瞬时值是，

[公式11]

公式11

io(72.0°)＝57.46ma

在电源频率f＝50hz、采样时间100μs的情况下，δθ＝1.8°，因此上一个采样值io(θ-δθ)表示为，

[公式12]

公式12

io(70.2°)＝58.90ma

通过将这些值代入到已经说明过的对零相电流的微分的瞬时值i'o(θ)进行计算的公式中，从而得到，

[公式13]

公式13

i′o(72.0°)＝-46.47ma

通过将其代入到上述的对接地故障电流ior的峰值进行运算的公式中，从而得到ior＝40.29ma(真值是40.00ma)。

针对各θ对使用该方法计算出的ior的运算值进行绘制而得到的是图2a所示的ior运算值，可知，无论在哪个相位θ处都是接近于实际的接地故障电流值ior＝40ma的值，成功检测出了漏电。此外，零相电流的微分值既可以通过如上所述的使用微型计算机进行的数字运算来求出，也可以构成基于模拟电路的微分电路，直接求出零相电流的微分值。

这样，根据实施方式1的结构，在单相二线式电路的漏电检测中，能够根据任意的相位角处的零相电流和零相电流的微分值对接地故障电流值进行运算，该运算能够以采样时间为单位间隔进行，因此就以往的电源频率是50hz的情况下最短也要是10ms的检测时间(检测时间与平均化的次数成正比，理论上最短为10ms)而言，能够以采样时间100μs为单位间隔进行，因此能够在产生漏电后立即高精度地对漏电进行判定。此外，通过将采样时间δt变短，或将上述的泰勒展开的高次项包含于运算中，从而能够进一步改善检测精度和检测时间。

实施方式2

在实施方式1中，示出了单相二线式电路的漏电检测的结构，但在本实施方式中，对δ接线的三相三线式电路中的漏电检测进行说明。图3是表示本实施方式的功能框图。此外，假定三线线缆长度相等，非接地电路的各静电电容c相同。

在图3中，zct21是对在发生了b类接地的接地线中流过的零相电流io进行检测的零相电流检测单元。放大电路22对由zct21检测出的零相电流io进行放大。

a/d转换器23对被放大电路22放大后的零相电流io进行采样而转换为数字值。lpf24从被a/d转换器23转换为数字值后的零相电流io中去除谐波成分，将去除谐波成分后的采样值作为零相电流io的瞬时值io(θ)输出。

另一方面，通过电压检测电路25对非接地相(r相-t相)间的相间电压v(t→r)进行检测，由a/d转换器26将检测出的相间电压v(t→r)转换为数字值。此时的采样的定时为与a/d转换器23相同的定时。由lpf27从转换为数字值后的相间电压v(t→r)中去除谐波成分。由过零点检测电路28对相间电压v(t→r)的过零点周期进行检测，根据检测出的过零点周期，由频率判定电路29对相间电压v(t→r)的频率f进行判定。

另外，由正负判定电路30对lpf27的输出的正负进行判定，根据该正负信息、过零点周期及频率f由相位运算部31对相间电压v(t→r)的相位θ进行运算。根据相位运算部31的输出即相位θ和lpf24的输出即零相电流的瞬时值io(θ)，通过微分电路32对零相电流的微分的瞬时值i'o(θ)进行运算。根据该微分的瞬时值i'o(θ)、零相电流的瞬时值io(θ)、及相位运算部31的输出即相位θ，由接地故障电流运算部33对接地故障电流ior进行计算。

由漏电判定部35对接地故障电流运算部33的输出即接地故障电流ior与由漏电灵敏度基准值设定部34设定的漏电灵敏度基准值ith进行比较，在ior≥ith的情况下判断为产生漏电。在判断为产生漏电的情况下，通过信号输出部36将信号输出至断路器等外部的电路。

上述图3的功能框图是将电气电路和微型计算机组合而实际构成的。特别地，a/d转换器、lpf、各判定电路、各运算电路等也能够是使用内置有数字∑型a/d转换器的微型计算机，通过软件进行处理。

接下来，详细说明通过上述的相位运算部31对相间电压v(t→r)的相位θ进行运算的方法。

相位θ以相间电压v(t→r)从负切换为正的过零点(θ＝0°)为基准点。成为基准的过零点是根据由过零点检测电路28检测出的相间电压v(t→r)的过零点的定时信息和由正负判定电路30检测出的相间电压v(t→r)的正负信息求出的。

从求出的基准点(θ＝0°)起以采样时间δt为单位间隔对相位θ的变化量δθ＝2πfδt进行累计，将相位θ作为θ＝σ2πfδt进行计算。此外，在上述运算中使用的相间电压v(t→r)的频率f使用的是由频率判定电路29判定出的值。

使用该相位θ，能够通过下式对转换为数字值后的零相电流io的瞬时值io(θ)进行说明。

[公式14]

公式14

io(θ)＝iorrcos(θ-30°)+iortcos(θ+30°)-iocsinθ

在该式中，iorr是r相的接地故障电流的峰值，iort是t相的接地故障电流的峰值，ioc是由对地静电电容所导致的泄漏电流的峰值。

关于通过微分电路32导出的零相电流io的微分的瞬时值i'o(θ)，如果通过在实施方式1中进行了说明的泰勒展开来导出，则能够近似为

[公式15]

公式15

接下来，对接地故障电流运算部33的功能进行详细说明。将在上面求出的零相电流io的瞬时值io(θ)与零相电流的微分的瞬时值i'o(θ)输入至接地故障电流运算部33，将io(θ)乘以cosθ，将i'o(θ)乘以sinθ。

io(θ)cosθ、i'o(θ)sinθ分别是，

[公式16]

公式16

io(θ)cosθ＝iorrcosθcos(θ-30°)+iortcosθcos(θ+30°)-iocsinθcosθ

[公式17]

公式17

i′o(θ)sinθ＝-iorrsinθsin(θ-30°)-iortsinθsin(θ+30°)-iocsinθcosθ

如果取其之差，则成为，

[公式18]

公式18

io(θ)cosθ-i′o(θ)sinθ＝iorrcos30°+iortcos30°

即，

[公式19]

公式19

能够对接地故障电流ior的峰值进行运算。

具体地通过波形图进行说明。

图4a是表示在频率50hz的三相三线式电路中产生了漏电的情况下的模拟结果的图。左纵轴是电压值，单位是伏特，右纵轴是电流值，单位是毫安，横轴是相位θ，单位是度，采样时间δt＝100μs。此外，如图4b的等价电路所示，关于在模拟中使用的电路常数，将r相的对地静电电容设为cr＝1μf，设为t相的对地静电电容ct＝1μf、r相的接地故障电阻rr＝10kω、t相的接地故障电阻rt＝5kω、电源电压v＝200v。

接下来，与实施方式1同样地，尝试仅根据零相电流io的瞬时值io(θ)和上一个采样值io(θ-δθ)及相位信息，通过运算求出接地故障电流ior。如果例举出θ＝72.0°的情况，则零相电流io的瞬时值是，

[公式20]

公式20

io(72.0°)＝-94.36ma

在电源频率f＝50hz、采样时间100μs的情况下，δθ＝1.8°，因此上一个采样值io(θ-δθ)表示为，

[公式21]

公式21

io(70.2°)＝-91.42ma

通过将这些值代入到已经说明过的对零相电流的微分的瞬时值i'o(θ)进行计算的公式中，从而得到，

[公式22]

公式22

i′o(72.0°)＝-90.40ma

通过将其代入到上述的对接地故障电流ior的峰值进行运算的公式中，从而得到ior＝61.37ma(真值是60.00ma)。

针对各θ对使用该方法计算出的ior的运算值进行绘制而得到的是图4a所示的ior运算值，可知，无论在哪个相位θ处都是接近于实际的接地故障电流值ior＝60ma的值，成功检测出了漏电。此外，零相电流的微分值既可以通过如上所述的使用了微型计算机的数字运算求出，也可以构成基于模拟电路的微分电路，直接求出零相电流的微分值。

这样，根据实施方式2的结构，在δ接线的三相三线式电路的漏电检测中，能够根据任意的相位角处的零相电流和零相电流的微分值对接地故障电流值进行运算，该运算能够以采样时间为单位间隔进行，因此就以往的电源频率是50hz的情况下最短也要是10ms的检测时间(检测时间与平均化的次数成正比，理论上最短为10ms)而言，能够以采样时间100μs为单位间隔进行，因此能够在产生漏电后立即高精度地对漏电进行判定。此外，通过将采样时间δt变短，或将上述的泰勒展开的高次项包含于运算中，从而能够进一步改善检测精度和检测时间。

实施方式3

在实施方式1及2中，飞跃式地提高了漏电检测的检测精度和检测时间这两者，但因为制造成本的关系，将简化了检测电路的结构后的漏电检测装置在图5示出。图5是本发明的实施方式3涉及的漏电检测装置的功能框图，示出了在单相二线式电路中对漏电进行检测的结构。在图中，与图1相同的标号具有相同或等同的功能。图5的功能框图是将电气电路和微型计算机组合而实际构成的。特别地，a/d转换器、lpf、各判定电路、各运算电路等也能够是使用内置有数字∑型a/d转换器的微型计算机，通过软件进行处理。

在图5中，将lpf7的输出向峰值点检测电路51输入，对电源电压v的峰值点进行检测。在峰值点检测电路51检测出峰值点的定时，零相电流io的瞬时值io(θ)成为与接地故障电流ior相等的值。

即，检测出峰值点的定时是电源电压v的相位θ＝90°或270°，如果将其代入到在实施方式1中进行了说明的零相电流io的瞬时值io(θ)的公式

[公式23]

公式23

io(θ)＝iorsinθ+ioccosθ

中，则成为下式。

[公式24]

公式24

io(90°)＝ior

[公式25]

公式25

io(270°)＝-ior

由微分电路52运算的零相电流io的微分的瞬时值i'o(θ)在由过零点检测电路8检测出过零点的定时成为与接地故障电流ior相等的值。

即，检测出过零点的定时是电源电压v的相位θ＝0°或180°，如果将其代入到在实施方式1中进行了说明的零相电流io的微分的瞬时值i'o(θ)的公式

[公式26]

公式26

中，则成为下式。

[公式27]

公式27

i′o(0°)＝ior

[公式28]

公式28

i′o(180°)＝-ior

此外，作为微分电路52的输入所需的δθ，在实施方式1中是由相位运算部11计算出的，但在本实施方式中，是在微分电路52中，从基准点(θ＝0°)起以采样时间δt为单位间隔对相位θ的变化量δθ＝2πfδt进行计算。

具体地通过波形图进行说明。

图6是表示在频率50hz的单相二线式电路中产生了漏电的情况下的模拟结果的图。左纵轴是电压值，单位是伏特，右纵轴是电流值，单位是毫安，横轴是相位θ，单位是度，采样时间δt＝100μs。此外，关于在模拟中使用的电路常数，将对地静电电容设为c＝1μf，设为接地故障电阻r＝5kω、电源电压v＝200v，该设定与图2b所示的等价电路相同。

如果着眼于零相电流io，则可知在电源电压v的峰值点即θ＝90°、270°处，io与实际的接地故障电流的峰值40ma一致。

另外，如果着眼于零相电流的微分值i'o，则可知在电源电压v的过零点即θ＝0°、180°处，与实际的接地故障电流的峰值40ma一致。

这样，根据实施方式3的结构，在使用微分电路的简单的结构中，可以在单相二线式电路的接地故障电流的检测时除了电源电压的峰值点以外，还使用过零点，因此能够将检测时间削减至现有装置的一半。此外，微分电路既可以是使用了微型计算机且基于软件来实现的结构，也可以是由模拟电路实现的结构。

实施方式4

本实施方式是将实施方式3的结构应用于三相三线式电路。图7是本发明的实施方式4涉及的漏电检测装置的功能框图。在图中，与图3相同的标号具有相同或等同的功能。另外，图7的功能框图是将电气电路和微型计算机组合而实际构成的。特别地，a/d转换器、lpf、各判定电路、各运算电路等也能够是使用内置有数字∑型a/d转换器的微型计算机，通过软件进行处理。

在图7中，将lpf27的输出向过零点检测电路28输入，在过零点检测电路28检测出过零点的定时，将零相电流io的瞬时值io(θ)除以cos30°所得的值成为与接地故障电流ior相等的值。

即，检测出过零点的定时是相间电压v(t-r)的相位θ＝0°或180°，如果将其代入到在实施方式2中进行了说明的零相电流io的瞬时值io(θ)的公式

[公式29]

公式29

io(θ)＝iorrcos(θ-30°)+iortcos(θ+30°)-iocsinθ

中，则成为，

[公式30]

公式30

io(0°)＝iorrcos30°+iortcos30°

[公式31]

公式31

io(180°)＝-iorrcos30°-iortcos30°

因此将它们除以cos30°所得的值与非接地相的接地故障电流的合计值ior≡iorr+iort相等。

同样地，将lpf27的输出向峰值点检测电路70输入，将由微分电路71运算的零相电流io的微分的瞬时值i'o(θ)除以cos30°所得的值成为与接地故障电流ior相等的值。

即，检测出峰值点的定时是相间电压v(t→r)的相位θ＝90°或270°，如果将其代入到在实施方式2中进行了说明的零相电流io的微分的瞬时值i'o(θ)的公式

[公式32]

公式32

中，则成为，

[公式33]

公式33

i′o(90°)＝-iorrcos30°-iortcos30°

[公式34]

公式34

i′o(270°)＝iorrcos30°+iortcos30°

因此将它们除以cos30°所得的值与非接地相的接地故障电流的合计值ior≡iorr+iort相等。

此外，作为微分电路71的输入所需的δθ，在实施方式3中是由相位运算部31计算出的，但在本实施方式中，是在微分电路71中，从基准点(θ＝0°)起以采样时间δt为单位间隔对相位θ的变化量δθ＝2πfδt进行计算。

具体地通过波形图进行说明。

图8是表示在频率50hz的三相三线式电路中产生了漏电的情况下的模拟结果的图。左纵轴是电压值，单位是伏特，右纵轴是电流值，单位是毫安，横轴是相位θ，单位是度，采样时间δt＝100μs。此外，关于在模拟中使用的电路常数，将r相的对地静电电容设为cr＝1μf，设为t相的对地静电电容ct＝1μf、r相的接地故障电阻rr＝10kω、t相的接地故障电阻rt＝5kω、电源电压v＝200v，该设定与图4b所示的等价电路相同。

如果着眼于零相电流io，则可知在相间电压v(t→r)的过零点即θ＝0°、180°处，与将实际的非接地相的接地故障电流的合计值60ma乘以cos30°所得的值一致。

[公式35]

公式35

iorcos30°＝51.96ma

另外，如果着眼于零相电流的微分值i'o，则可知在相间电压v(t→r)的峰值点即θ＝90°、270°处，与将实际的非接地相的接地故障电流的合计值60ma乘以cos30°所得的值一致。

[公式36]

公式36

iorcos30°＝51.96ma

这样，根据实施方式4的结构，在使用微分电路的简单的结构中，能够在非接地相的接地故障电流的检测时除了相间电压的峰值以外，还使用过零点，因此能够将检测时间削减至现有装置的一半。

此外，本发明能够在该发明的范围内，对各实施方式自由地进行组合，对各实施方式进行适当地变形、省略。

标号的说明

1zct，2、22放大电路，3、6、23、26a/d转换器，4、7、24、27lpf，5、25电压检测电路，8、28过零点检测电路，9、29频率判定电路，10、30正负判定电路，11、31相位运算部，12、32、52、71微分电路，13、33接地故障电流运算部，14、34漏电灵敏度基准值设定部，15、35漏电判定部，16、36信号输出部，51、70峰值点检测电路。