JP2008521231A - 絶縁変圧器 - Google Patents

Abstract

高電圧環境下に配置された電子回路の電力供給装置であって、低電圧側（二次側）と高電圧側（一次側）を相互接続する断路装置を備え、断路装置は、高電圧環境下の電子回路の電力供給部（１２）へ一次巻線（１４）により接続された一次側磁気回路（１３ａ）と、低電圧側の電圧源（１０）へ二次巻線（１５）により接続された二次側磁気回路（１３ｃ）と、一次側磁気回路と二次側磁気回路との中間で、中間コイル（１６、１７）にて接続された、少なくとも１個の中間磁気回路（１３ｂ）とを備えており、中間コイル（１６、１７）は、少なくとも１個の回路基板（１８、１９）上に搭載されたＵ字形導電体からなるコイル巻線部を備え、回路基板（１８、１９）は、中間コイルの巻線部を閉状態にできるよう、Ｕ字形導電体を相互接続する導電路を備える。
【選択図】 図３ａ

Description

本発明は、高電圧環境下に配備される回路や電子機器のための、安全保護およびその他の機能をもつ電力供給装置に関する。本発明は、特に、高電圧環境下に配備される電気センサーなどの測定機器の電力供給装置に関する。

多くの高電圧電気システムにおいては、モニターおよび調整できるよう電流や電圧の測定が必要とされている。その適用例のひとつとして、１２ｋＶ以下の絶縁電圧測定が必要な、鉄道設備の高電圧電線における電気的振幅値の測定作業がある。

高電圧側と低電圧側のあいだの電気絶縁に関する課題を回避するため、所定の電流センサーや電圧センサーでは、その高圧電線における電気振幅値の測定のため接続されている高圧電線から、動作に必要な電力を入力する方法がよく知られている。この方法は、測定する高電圧線に流れる電流に対して、計測装置の動作に要する電力値が比較的小さい場合に可能である。しかし、そのような電力供給方法は簡単ではなく、少なからず問題をかかえている。第１に、電子機器に電力供給するため高電圧線から電力を入力するのに必要な変圧器は、高電圧電流の周波数が周知かつ安定している場合にのみ設置可能である。第２に、特別な変更なしで、特に、電力供給部を変更する必要なく、異なった交流システムまたは直流システムにおいて、測定装置を利用可能にすることが望ましい。

問題の１つとして、２つの位相間の差分電圧を測定する場合、差分電圧がゼロのときには測定センサーを駆動できないため、２つの位相間の電位差がないゼロ地点の正確な測定ができないことである。

問題の解決方法として、電子装置の動作に必要な電力を低電圧側から入力する方法がある。しかし、そのような電力供給方法では、上記の問題を解決あるいは軽減するができるが、電気絶縁という新たな課題に対する解決策が必要となる。

英国特許Ａ２３０７７９５や米国特許第４、１７２、２４４号に記載されているように、低電圧（一次）側と高電圧（二次）側のあいだに配備された電力供給システムでは、複数の磁気回路を備えた変圧器などの断路装置を、一次側と二次側のあいだに挿入する方法が行われている。

前記の英国特許Ａ２３０７７９５に記載の断路変圧器では、一次側から一次巻線へ、二次側から二次巻線へと、中間巻線で接続された２個または３個の磁気回路を備えている。前記の米国特許第４、１７２、２４４号に記載の方法では、電気的絶縁を施し、容量結合に起因するリーク電流を低減するため、一次側と二次側の磁気回路の間に中間磁気回路を備える。

前記の容量結合値を低下させるための対策として、巻線の周囲に電気スクリーンを取り付けて、磁気回路を接続する中間巻線の線巻回数を少なくしている。

それにもかかわらず前記の方法では、従来の分離型変圧器の一次側と二次側のあいだの容量結合値や発生した寄生電磁波が低下することなく、例えば、鉄道設備での通常動作における電位変動（ｄｖ／ｄｔ）が大きくなり、６ｋＶ／mｓに達してしまう恐れがある。第２の欠点として、巻線と磁気回路とを分離する絶縁シートが経時的に劣化した場合、表面リークに対する抵抗（クリープ抵抗値）が不十分となってしまう。前記のようなスクリーン構成やケース形態の断路装置における従来の絶縁巻線層の構成は、構造が高価になってしまい、使用中には高熱の問題に悩まされる恐れがある。
英国特許公開第２３０７７９５号 米国特許第４、１７２、２４４号

本発明の目的は、上記の状況を鑑みて、高電圧側での通常動作におけるｄｖ／ｄｔ値が高くても、電気絶縁性が高く、部分放電が少なく、寄生電磁波の発生が弱く、容量結合値が低い、高電圧環境下に設置された電子回路のための電力供給システムを提供することである。

コンパクトで、信頼性が高く、低コストの、高電圧環境下に設置された電子機器の電力供給システムを提供することが、より好都合である。

表面電流漏れに対する抵抗性が高く、破壊電圧が高い、高電圧環境下に設置された電子機器の電力供給システムのための電力供給装置を提供することが、より好都合である。

本発明の別の目的は、測定の精度や信頼性が高く、通常動作における高い変動値ｄｖ／ｄｔに対する許容度が高い、高電圧線における電気振幅値の測定装置を提供することである。

高電圧線における電気振幅値を測定可能であるが、異なる環境や異なる適用例においても、基本的な変更なく簡単に応用できる測定装置を提供することが、より好都合である。

電気絶縁性が高く、寄生電磁波の放射が少なく、低電圧側の容量結合値が低く、表面電流漏れに対する抵抗性が大きく、破壊電圧が高い、高電圧線における電気振幅値の測定装置を提供することが、より好都合である。

前記の本発明の目的は、請求項１に記載のシステムにより達成できる。

本発明における、高電圧環境下に配置された電子回路の電力供給装置は、低電圧側（二次側）と高電圧側（一次側）を相互接続する断路装置を備え、前記の断路装置は、高電圧環境下の電子回路の電力供給部へ一次巻線により接続された一次側磁気回路と、低電圧側の電流源へ二次巻線により接続された二次側磁気回路と、一次側磁気回路と二次側磁気回路との中間で、後者側に中間巻線にて接続された、少なくとも１個の中間磁気回路とを備えており、前記の中間巻線は、少なくとも１個の回路基板上に搭載された巻線部からなる。

前記の巻線部は、Ｕ字形の導電体からなるのが好ましく、前記の回路基板は、中間巻線の巻線部が閉状態となるよう、Ｕ字形の導電体を相互接続するための導電路を備えるのが好ましい。

また、少なくとも２個の前記の回路基板を使用し、片方は一次側で他方は二次側となり、両者を空隙で分離して、あるいは、エポキシ樹脂などの絶縁材が充填された空間で分離して、破壊に対する抵抗性や表面電流漏れに対する抵抗性を高めるのが望ましい。

前記の断路装置の中間巻線の巻線部のＵ字形導電体は、打抜き加工にて形成し、単数または複数の前記の磁気回路で形成される開孔域の直径のおよそ１／４に等しい距離にて、磁気回路から間隔おいて配置されるよう設定できる。これにより、巻線と磁気回路とのあいだの容量結合を著しく減らすことが可能となる。

前記の中間巻線は、それら巻線内で発生する漏れ磁界を抑制できるよう、ほぼ８字形状の閉ループを形成するのが望ましい。

前記の低電圧側電力源は、測定信号の障害となる高調波周波数の発生を防止できるよう、安定化正弦波電圧源とするのが好ましい。

前記の高電圧側電力供給部は、交流成分をもたない直流を生成するための整流フィルター回路を備えることも可能である。

本発明の説明では、高電圧線における電気振幅値を測定する装置の記述も含まれており、その測定装置は、上記で説明した電力供給装置と、高電圧側に配置されたセンサーと、低電圧側に配置された処理部とを備える。

前記のセンサーは、２つの高電圧位相間の差動電圧を測定する差動電圧センサー、および、前記の処理部へ測定信号を伝送するためのアナログ／デジタル変換器を備えても構わない。

前記のセンサーは、さらに、デジタル測定信号と平行に前記の処理部内のデジタル／アナログ変換器へ同期信号を供給できるよう、前記のアナログ／デジタル変換器に接続された発振器を備えることも可能である。

前記の処理部とセンサーは、光学ファイバー線により互いに通信することもできる。

本発明のその他の目的や特徴も、独立請求項および付随図面を参照した下記の説明内容から明白になるであろう。

図１と図２に示すのは、電気振幅を測定する測定装置１であって、電力供給システム２と、信号処理部５と、高電圧環境下（一次側）に配置された差動電圧センサー３とを備え、高電圧線の電気振幅値を測定する設定となっている。図示の例では、電圧センサーにより、電位が６ｋＶ以下の鉄道設備ネットワークの高電圧における２位相間の差動電圧が測定される。

前記のセンサーからの測定信号は、電磁波や光学ファイバー４などの導電体以外の手段で、低電圧側（二次側）に配置された信号処理部５へ送られる。測定装置には、電力供給部や信号処理回路を搭載したケース２３を備えることも可能であり、前記の部品（２、３、４、５）を組み込んだ後に樹脂材で固定している。

前記のセンサーの電子回路３は、前記の２位相に接続されたセンサー端子からインピーダンス８を経由して接続している差動増幅器７に続いて、信号処理部５へ伝送する前にアナログ測定信号をデジタル信号に変換するためのアナログ／デジタル変換器６ａを備える。さらに、信号処理部５内のデジタル／アナログ変換器６ｂによるデジタル信号からアナログ信号への変換のため、センサー内の発振器９から同期信号が入力されている。

前記の電力供給システム２は、高電圧側の電力供給部１２に断路装置１１を経由して接続された、好ましくは安定化正弦波電圧源などの低電圧側の電圧源１０を備える。電力供給部１２は、センサー３への電力供給のためセンサー３の電子回路に接続されている。また、電力供給部１２には、正弦波入力電流を交流成分をもたない直流に変換するための整流フィルター回路が備わっている。

前記の正弦波電流源１０の長所として、スイッチ式電流源と比較して、センサー３で作成され処理部５で処理された測定信号に悪影響を与えないよう、スイッチ式電流源に起因する高調波の周波数を除去または低減することができる。

本発明による断路装置（図１、図３ａ、図４参照）には、少なくとも３個の磁気回路１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、つまり、一次側回路１３ａ、中間回路１３ｂ、二次側回路１３ｃが備わっており、それら回路は、高透磁性の素材からなるトロイダル素子で構成するのが好ましい。また断路装置は、一次側電力供給部１２に接続された一次側巻線１４と、中間巻線１６、１７と、電圧源１０に接続された二次側巻線１５とを備え、それらはプリント回路基板としての回路支持体１８、１９上に取り付けられている。

前記の中間巻線は、図４に示すようなほぼ８字形状の閉ループを形成できるよう、一部が回路基板１８と１９表面に設けられた打抜き加工されたＵ字形の金属素子で構成され、回路基板の導電路により相互に電気接続された中間巻線部１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂとからなる。導電路２１、２２は、互いに交差して８字形状閉ループを構成できるよう、多層プリント回路構造の異なる層として形成されている。

前記のプリント回路上の磁気回路の位置決めを伴ったＵ字形中間巻線部の構成は、特に、中間巻線（１６、１７）と磁気回路との間の容量結合の影響を削減できるよう、磁気回路の巻線部は十分に間隔をおいている。二番目に、中間巻線の巻回数が少ないため、容量結合の影響を低下させ、結果として回路断路を確実にできる。

さらに、前記の中間巻線部１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂの交差部分により、８字形状ループの半部位で発生する漏れ磁界Ｈ１、Ｈ２（図４を参照）を抑制できるため、結果として、断路装置から発生する寄生磁界を減少させることが可能となる。

そして、前記の回路基板１８、１９（図３）は一次側及び二次側へそれぞれ別途に取り付けてあるため、その空気ギャップの存在により、あるいは、両回路基板を絶縁樹脂材で封止することにより、断路装置の破壊電圧を高めて、表面漏れ電流をなくすことができる。

本発明による電力供給部を備える、高電圧線の差分電圧を測定するための機器としての測定器を示す概略図である。 鉄道関係における導電線の差動電圧測定器の断面図である。 本発明の電力供給部の断路装置の斜視図である。 本発明による断路装置の回路基板の裏面の平面図である。 中間巻線による断路装置の磁気回路の接続を示す斜視概略図である。

Claims (13)

1. 高電圧環境下に配置された電子回路の電力供給装置であって、低電圧側（二次側）と高電圧側（一次側）を相互接続する断路装置を備え、前記の断路装置は、高電圧環境下の電子回路の電力供給部（１２）へ一次巻線（１４）により接続された一次側磁気回路（１３ａ）と、低電圧側の電流源（１０）へ二次巻線（１５）により接続された二次側磁気回路（１３ｃ）と、一次側磁気回路と二次側磁気回路との中間で、後者側に中間巻線にて接続された、少なくとも１個の中間磁気回路（１３ｂ）とを備えており、前記の中間巻線（１６、１７）は、少なくとも１個の回路基板（１８、１９）上に搭載された巻線部からなることを特徴とする電力供給装置。
2. 前記の巻線部が、Ｕ字形の硬質導電体からなる請求項１記載の電力供給装置。
3. 前記のＵ字形の導電体が、打抜き加工にて形成される請求項２記載の電力供給装置。
4. 前記の単数または複数の回路基板が、中間巻線の巻線部が閉状態となるよう、Ｕ字形の導電体を相互接続するための導電路を備える請求項２または３記載の電力供給装置。
5. 前記の回路基板が、少なくとも２個であって、片方は一次側で他方は二次側となり、空隙で分離されている前出の請求項のいずれかに記載の電力供給装置。
6. 前記の断路装置のＵ字形の中間巻線の巻線部が、単数または複数の前記の磁気回路で形成される開孔域の直径のおよそ１／４に等しい距離にて、磁気回路から間隔おいて配置されるよう構成かつ設定されている前出の請求項のいずれかに記載の電力供給装置。
7. 前記の中間巻線（１６、１７）が、ほぼ８字形状の閉ループを形成する前出の請求項のいずれかに記載の電力供給装置。
8. 前記の低電圧側電流源（１０）が、安定化正弦波電圧源である前出の請求項のいずれかに記載の電力供給装置。
9. 前記の高電圧側電力供給部（１２）が、交流成分をもたない直流を生成するための整流フィルター回路を備える前出の請求項のいずれかに記載の電力供給装置。
10. 高電圧線における電気振幅値を測定する装置であって、前出の請求項のいずれかに記載の電力供給装置と、高電圧側に配置されたセンサー（３）と、低電圧側に配置された処理部（５）とを備える測定装置。
11. 前記のセンサーが、２つの高電圧位相間の差動電圧を測定する差動電圧センサー、および、前記の処理部へ測定信号を伝送するためのアナログ／デジタル変換器を備える請求項１０記載の測定装置。
12. 前記のセンサーが、さらに、デジタル測定信号と平行に前記の処理部内のデジタル／アナログ変換器へ同期信号を供給できるよう、前記のアナログ／デジタル変換器に接続された発振器（９）を備える請求項１１記載の測定装置。
13. 前記の処理部（５）とセンサー（３）とが、光学ファイバー線により互いに通信できる請求項１１または１２記載の測定装置。

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