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技術 地絡電流検出方法及び検出装置

出願人 富士電機機器制御株式会社
発明者 鹿野俊介吉田正仁町田悟志圓淨義紘
出願日 2009年9月7日 (11年8ヶ月経過) 出願番号 2009-205700
公開日 2011年3月24日 (10年1ヶ月経過) 公開番号 2011-058826
状態 特許登録済
技術分野 短絡、断線、漏洩,誤接続の試験 電流・電圧の測定
主要キーワード ベクトル合成値 減衰割合 アンバランス分 組み合わせ演算 高次高調波成分 内部フィルタ 電流絶対値 対地抵抗
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課題

配電系統対地静電容量アンバランスの場合にも、対地絶縁抵抗劣化に起因する地絡電流を高精度かつ容易に算出可能とした地絡電流検出方法及び検出装置を提供する。

解決手段

三相デルタ結線交流電源を有し、かつ一相が接地された三相配電系統を対象として、配電系統の漏電電流とその位相角とを用いて、配電系統の対地絶縁抵抗に起因した地絡電流を検出する地絡電流検出方法及び検出装置に関する。配電系統の対地静電容量のアンバランスに起因する漏洩電流高調波成分により、または、漏洩電流の高調波成分及び基本波成分の組み合わせにより、漏電電流基本波成分のアンバランスを補正する手段を備え、このアンバランスを補正した漏電電流基本波成分と、この漏電電流基本波成分の線間電圧基本波成分に対する位相角とを用いて地絡電流を演算する。

概要

背景

交流配電系統地絡電流または対地絶縁抵抗を測定して絶縁監視を行う従来技術としては、特許文献1,2に記載されたものが知られている。
例えば、特許文献1には、配電系統漏電電流から第1周波数成分(例えば基本波成分)と第2周波数成分(例えば第5調波成分)とを抽出し、第2周波数成分については電圧の第2周波数成分が第1周波数成分に等しいときの値に換算することにより、対地絶縁抵抗に起因して流れる地絡電流値は第1周波数成分及び第2周波数成分が等しく、対地静電容量等に起因して流れる漏洩電流値は第1周波数成分及び第2周波数成分に比例して大きさが異なることを利用して、漏洩電流と地絡電流とのベクトル位相をそれぞれ求め、対地絶縁抵抗による第1周波数成分、すなわち地絡電流の基本波成分(三相接地回路では、二相の地絡電流のベクトル和電流値)を求めるようにした絶縁監視装置が開示されている。
特許文献2には、配電系統の電圧及び電流の第3n(nは整数次高調波成分を2種類抽出し、これらの第3n次高調波成分が三相とも同相になることを利用して、抵抗分及び静電容量分を含む各高調波成分アドミタンスに関する連立方程式解くことにより、前記抵抗分つまり対地絶縁抵抗値を求める抵抗計測方法または監視装置等が開示されている。

また、他の従来技術として、三相配電系統において各相の対地静電容量がバランスしているという仮定のもとで、測定した漏電電流から対地絶縁抵抗の劣化による地絡電流を計算するものがある。
例えば、特許文献3には、接地線に流れる漏電電流と接地相ではない一相の基準電圧とに基づいて地絡電流を検出する場合において、接地相を除く二相の一方または双方にて地絡電流が発生した場合にも所望の精度で絶縁状態を検出できるように、前記基準電圧の位相所定角度ずらして地絡電流を演算するようにした絶縁監視装置が開示されている。
特許文献4には、測定した漏電電流の位相角及び実効値から対地絶縁抵抗の劣化による地絡電流を算出し、この地絡電流と別途算出した電圧実効値とを用いて対地絶縁抵抗値を算出すると共に、前記地絡電流が所定値を超えた場合に被測定電路遮断するようにした漏洩電流遮断装置が開示されている。

概要

配電系統の対地静電容量がアンバランスの場合にも、対地絶縁抵抗の劣化に起因する地絡電流を高精度かつ容易に算出可能とした地絡電流検出方法及び検出装置を提供する。三相デルタ結線交流電源を有し、かつ一相が接地された三相配電系統を対象として、配電系統の漏電電流とその位相角とを用いて、配電系統の対地絶縁抵抗に起因した地絡電流を検出する地絡電流検出方法及び検出装置に関する。配電系統の対地静電容量のアンバランスに起因する漏洩電流の高調波成分により、または、漏洩電流の高調波成分及び基本波成分の組み合わせにより、漏電電流基本波成分のアンバランスを補正する手段を備え、このアンバランスを補正した漏電電流基本波成分と、この漏電電流基本波成分の線間電圧基本波成分に対する位相角とを用いて地絡電流を演算する。

目的

本発明の解決課題は、配電系統の対地静電容量がアンバランスの場合にも、対地絶縁抵抗の劣化に起因する地絡電流を高精度かつ容易に算出可能とした地絡電流検出方法及び検出装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

三相デルタ結線交流電源を有し、かつ一相が接地された三相配電系統を対象として、前記配電系統の漏電電流と、前記漏電電流の線間電圧に対する位相角とを用いて、前記配電系統の対地絶縁抵抗に起因した地絡電流を検出する地絡電流検出方法において、前記配電系統の対地静電容量アンバランスに起因する漏洩電流高調波成分により、または、漏洩電流の高調波成分及び基本波成分の組み合わせにより、漏電電流基本波成分のアンバランスを補正する手段を備え、前記アンバランスを補正した漏電電流基本波成分と、この漏電電流基本波成分の線間電圧基本波成分に対する位相角とを用いて地絡電流を演算することを特徴とする地絡電流検出方法。

請求項2

請求項1に記載した地絡電流検出方法において、前記高調波成分が第n(nは3以上の奇数調波成分であり、前記アンバランス補正は、線間電圧の第n調波成分を線間電圧の基本波成分の1/nとした時の前記漏洩電流の第n調波成分の値であることを特徴とする地絡電流検出方法。

請求項3

請求項2に記載した地絡電流検出方法において、前記高調波成分が第3調波成分であることを特徴とする地絡電流検出方法。

請求項4

請求項2に記載した地絡電流検出方法において、前記高調波成分が第5調波成分であることを特徴とする地絡電流検出方法。

請求項5

請求項2に記載した地絡電流検出方法において、前記高調波成分が第7調波成分であることを特徴とする地絡電流検出方法。

請求項6

請求項2〜5に記載した地絡電流検出方法のうちの複数の検出方法を実行し、これら複数の検出方法により演算した複数の地絡電流のうちの一つを選択することを特徴とする地絡電流検出方法。

請求項7

請求項1〜5の何れか1項に記載した地絡電流検出方法において、前記三相配電系統のうちの非接地二相の対地絶縁抵抗による地絡電流のスカラー和を演算することを特徴とする地絡電流検出方法。

請求項8

三相デルタ結線の交流電源を有し、かつ一相が接地された三相配電系統を対象として、前記配電系統の漏電電流と、前記漏電電流の線間電圧に対する位相角とを用いて、前記配電系統の対地絶縁抵抗による地絡電流を演算する地絡電流検出装置において、前記配電系統の漏電電流を検出する手段と、前記配電系統の線間電圧を検出する手段と、前記漏電電流及び線間電圧から基本波成分及び高調波成分を抽出する手段と、前記漏電電流の前記線間電圧に対する位相角を検出する手段と、前記配電系統の対地静電容量のアンバランスに起因する前記漏洩電流の高調波成分により、または、漏洩電流の高調波成分及び基本波成分の組み合わせにより、漏電電流基本波成分のアンバランスを補正し、前記アンバランスを補正した漏電電流基本波成分と、この漏電電流基本波成分の線間電圧基本波成分に対する位相角とを用いて地絡電流を演算する手段と、を備えたことを特徴とする地絡電流検出装置。

請求項9

請求項8に記載した地絡電流検出装置において、前記漏電電流及び線間電圧から基本波成分及び高調波成分を抽出する際に前記地絡電流検出装置の内部フィルタにより減衰した信号を、前記高調波成分の次数に応じて補償する手段を備えたことを特徴とする地絡電流検出装置。

技術分野

0001

本発明は、三相配電系統漏電電流から対地絶縁抵抗の不良(以下、単に絶縁不良ともいう)に起因する地絡電流を検出する地絡電流検出方法及び検出装置に関し、特に、三相配電系統の絶縁監視装置漏電リレー等に適用して好適な技術に関するものである。
なお、電路充電部から大地に流れる電流に関する定義としては、JIS C 8201-2-2「低圧開閉装置及び制御装置−第2−2部:漏電遮断器」が知られている。このため、本件出願では、このJIS C 8201-2-2を参考として以下の定義を用いることとする。
(1)地絡電流:絶縁不良に起因して、電路充電部から対地絶縁抵抗を介して大地に流れる電流(後述するように、記号I0rと表記する。)
(2)漏洩電流:電路充電部から対地静電容量を介して大地に流れる電流(記号I0cと表記する。)
(3)漏電電流:上記(1)の地絡電流と(2)の漏洩電流とのベクトル和(記号I0と表記する。)

背景技術

0002

交流配電系統の地絡電流または対地絶縁抵抗を測定して絶縁監視を行う従来技術としては、特許文献1,2に記載されたものが知られている。
例えば、特許文献1には、配電系統の漏電電流から第1周波数成分(例えば基本波成分)と第2周波数成分(例えば第5調波成分)とを抽出し、第2周波数成分については電圧の第2周波数成分が第1周波数成分に等しいときの値に換算することにより、対地絶縁抵抗に起因して流れる地絡電流値は第1周波数成分及び第2周波数成分が等しく、対地静電容量等に起因して流れる漏洩電流値は第1周波数成分及び第2周波数成分に比例して大きさが異なることを利用して、漏洩電流と地絡電流とのベクトル位相をそれぞれ求め、対地絶縁抵抗による第1周波数成分、すなわち地絡電流の基本波成分(三相接地回路では、二相の地絡電流のベクトル和の電流値)を求めるようにした絶縁監視装置が開示されている。
特許文献2には、配電系統の電圧及び電流の第3n(nは整数次高調波成分を2種類抽出し、これらの第3n次高調波成分が三相とも同相になることを利用して、抵抗分及び静電容量分を含む各高調波成分アドミタンスに関する連立方程式解くことにより、前記抵抗分つまり対地絶縁抵抗値を求める抵抗計測方法または監視装置等が開示されている。

0003

また、他の従来技術として、三相配電系統において各相の対地静電容量がバランスしているという仮定のもとで、測定した漏電電流から対地絶縁抵抗の劣化による地絡電流を計算するものがある。
例えば、特許文献3には、接地線に流れる漏電電流と接地相ではない一相の基準電圧とに基づいて地絡電流を検出する場合において、接地相を除く二相の一方または双方にて地絡電流が発生した場合にも所望の精度で絶縁状態を検出できるように、前記基準電圧の位相所定角度ずらして地絡電流を演算するようにした絶縁監視装置が開示されている。
特許文献4には、測定した漏電電流の位相角及び実効値から対地絶縁抵抗の劣化による地絡電流を算出し、この地絡電流と別途算出した電圧実効値とを用いて対地絶縁抵抗値を算出すると共に、前記地絡電流が所定値を超えた場合に被測定電路遮断するようにした漏洩電流遮断装置が開示されている。

先行技術

0004

特許第4143463号公報(段落[0007]〜[0029]、図1図2等)
特許第4167872号公報(段落[0024]〜[0036]等)
特開2001−242205号公報(段落[0034]〜[0036],[0042]〜[0061]、図1図3等)
特許第4159590号公報(段落[0029]〜[0036]、図1図6等)

発明が解決しようとする課題

0005

特許文献1及び特許文献2に係る従来技術は、基本波成分と高調波成分、または二種類の高調波成分の組み合わせ演算により、漏電電流から地絡電流をベクトル合成によって直接演算するものであり、配電系統の対地静電容量がアンバランスである場合にも適用可能なことが示されている。しかしながら、地絡電流をベクトル合成により算出するためには、概して複雑な演算処理が必要である。
また、特許文献3及び特許文献4に係る従来技術は、何れも配電系統の対地静電容量がバランスしていることを前提としており、対地静電容量にアンバランスがある電路では、地絡電流の演算値誤差が生じるという問題がある。

0006

そこで、本発明の解決課題は、配電系統の対地静電容量がアンバランスの場合にも、対地絶縁抵抗の劣化に起因する地絡電流を高精度かつ容易に算出可能とした地絡電流検出方法及び検出装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

0007

上記課題を解決するため、請求項1に係る地絡電流検出方法は、三相デルタ結線交流電源を有し、かつ一相が接地された三相配電系統を対象として、前記配電系統の漏電電流と、前記漏電電流の線間電圧に対する位相角とを用いて、前記配電系統の対地絶縁抵抗に起因した地絡電流を検出する地絡電流検出方法に関するものである。
そして、本発明では、前記配電系統の対地静電容量のアンバランスに起因する漏洩電流の高調波成分により、または、漏洩電流の高調波成分及び基本波成分の組み合わせにより、漏電電流基本波成分のアンバランスを補正する手段を備え、このアンバランスを補正した漏電電流基本波成分と、この漏電電流基本波成分の線間電圧基本波成分に対する位相角とを用いて地絡電流を演算するものである。

0008

なお、請求項2に記載するように、前記高調波成分が第n(nは3以上の奇数)調波成分の場合、線間電圧の第n調波成分を線間電圧の基本波成分の1/nとすることにより、漏洩電流の第n調波成分の大きさが基本波成分に等しくなり、漏電電流基本波成分のアンバランス補正が容易になる。
また、前記高調波成分は含有率が大きいほど計測・演算に起因する誤差の割合を小さく抑えられることや、演算許容時間にも自ずと制限があることより、請求項3〜5に記載するように、一般的に含有率が大きい第3調波成分、第5調波成分または第7調波成分が有効である。

0009

また、前記高調波成分は負荷の種類や運転状態、あるいは設置場所により含有率が異なるため、請求項6に記載するように、請求項2〜5に記載した地絡電流検出方法のうちの複数の検出方法を実行し、これら複数の検出方法により演算した複数の地絡電流のうちの一つを選択することが望ましい。選択方法としては、例えば各高調波成分の大きさを比較して最も大きなものを選択する等の方法が考えられる。

0010

更に、請求項7に記載するように、上記地絡電流検出方法においては、三相配電系統のうちの非接地二相の対地絶縁抵抗による地絡電流のスカラー和を演算するものである。

0011

また、請求項8に係る地絡電流検出装置は、三相デルタ結線の交流電源を有し、かつ一相が接地された三相配電系統を対象として、前記配電系統の漏電電流と、前記漏電電流の線間電圧に対する位相角とを用いて、前記配電系統の対地絶縁抵抗による地絡電流を演算する地絡電流検出装置に関するものである。
そして、この地絡電流検出装置は、前記配電系統の漏電電流を検出する手段と、前記配電系統の線間電圧を検出する手段と、前記漏電電流及び線間電圧から基本波成分及び高調波成分を抽出する手段と、前記漏電電流の前記線間電圧に対する位相角を検出する手段と、前記配電系統の対地静電容量のアンバランスに起因する前記漏洩電流の前記高調波成分により、または、漏洩電流の高調波成分及び基本波成分の組み合わせにより、漏電電流基本波成分のアンバランスを補正し、前記アンバランスを補正した漏電電流基本波成分と、この漏電電流基本波成分の線間電圧基本波成分に対する位相角とを用いて地絡電流を演算する手段と、を備えるものである。

0012

ここで、請求項9に記載するように、上記地絡電流検出装置は、前記漏電電流及び線間電圧から基本波成分及び高調波成分を抽出する際に前記地絡電流検出装置の内部フィルタにより減衰した信号を、前記高調波成分の次数に応じて補償する手段を備えることが望ましい。

発明の効果

0013

本発明によれば、三相配電系統の漏電電流から、絶縁不良によって大地に流れる地絡電流のみを抽出して検出することができる。特に、各相の対地静電容量にアンバランスがある場合でも、このアンバランスを補正した漏電電流及びその位相角を用いて地絡電流を高精度に演算することができる。
更に、地絡電流をスカラー和として求めることにより、従来から用いられている直流絶縁抵抗計と同様に対地絶縁抵抗による地絡電流のスカラー和を求めることとなり、活線状態のままで直流絶縁抵抗計と同様な地絡電流を検出することができる。
加えて、地絡電流を求めるための演算処理も比較的簡単であり、演算負荷が少なくて済む等の効果がある。

図面の簡単な説明

0014

本発明の実施形態に係る絶縁監視装置の構成を示すブロック図である。
図1において三相配電系統の一相が接地されている場合の系統構成図である。
実施形態における健全状態の漏電電流と線間電圧との関係を示すベクトル図である。
実施形態において一相の対地絶縁抵抗が劣化して地絡電流が流れた場合のベクトル図である。
実施形態において一相の対地絶縁抵抗が劣化して地絡電流が流れた場合のベクトル図である。
実施形態において二相の対地絶縁抵抗が劣化して地絡電流が流れた場合のベクトル図である。
実施形態における線間電圧及び漏洩電流の第3調波成分を示すベクトル図である。
実施形態において、第3調波成分を利用して対地静電容量のアンバランス補正を行う方法を説明するためのベクトル図である。
実施形態において、第5調波成分を利用して対地静電容量のアンバランス補正を行う方法を説明するためのベクトル図である。
実施形態において、第5調波成分を利用して対地静電容量のアンバランス補正を行う方法を説明するためのベクトル図である。
実施形態において、第7調波成分を利用して対地静電容量のアンバランス補正を行う方法を説明するためのベクトル図である。

実施例

0015

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図1は、本発明の地絡電流検出方法及び検出装置を絶縁監視装置100に適用した場合の構成図である。図1において、2は三相デルタ結線の交流電源3を有する三相配電系統であり、絶縁監視装置100は、配電系統2の対地絶縁抵抗の劣化により大地に流れる地絡電流を検出するためのものである。

0016

配電系統2の線間電圧は絶縁監視装置100内の電圧検出手段10Vに入力されていると共に、零相変流器(ZCT)4により検出された配電系統2の漏電電流が電流検出手段10Iに入力されている。前述したごとく、漏電電流は漏洩電流と地絡電流とのベクトル和である。なお、零相変流器4の代わりに、交流電源3に接続された変圧器(図示せず)の接地線に通常の電流変流器(CT)を接続して漏電電流を検出しても良い。
電圧検出手段10Vは配電系統2の線間電圧を基準電圧として検出し、また、電流検出手段10Iは配電系統2を流れる漏電電流(零相電流)I0を検出するためのものであり、線間電圧及び漏電電流は、何れも系統電圧の基本波成分以外に高調波成分を含んでいるものとする。

0017

レベル変換手段20Vは、検出した線間電圧を後続電子回路により処理可能な電圧レベルに変換し、また、増幅手段20Iは、同じく零相変流器4の二次電流を電子回路により処理可能な電圧レベルに変換するためのものである。
レベル変換手段20V及び増幅手段20Iの各アナログ出力電圧は、A/D変換手段30V,30Iにおいてそれぞれ一定周期サンプリングされ、ディジタルデータに変換されてRAM等のメモリ40V,40Iにそれぞれ記憶される。メモリ40V,40Iに記憶される電圧データ電流データの数としては、後述するフーリエ変換処理に十分な数、例えば系統電圧の1周期について32個、64個等が考えられるが、特に限定されるものではない。

0018

また、50は演算処理手段としてのCPUであり、前記メモリ40V,40Iにそれぞれ記憶された電圧データ、電流データを用いて、以下の各手段が所定のプログラムに従って演算処理を実行するものである。

0019

まず、フーリエ変換手段51Vは、メモリ40V内の所定時間窓の電圧データを用いてフーリエ変換を行い、系統電圧の基本波成分及び高調波成分の振幅Vn及び絶対位相θVn(n=1,3,5,7,・・・)を演算する。ここで、n=1は基本波成分を示し、n=3,5,7,・・・は各次の高調波成分を示す(以下、同じ)。
また、フーリエ変換手段51Iは、メモリ40I内の所定時間窓の電流データを用いてフーリエ変換を行い、上記と同様の原理に従って漏電電流I0の基本波成分及び高調波成分の振幅I0n及び絶対位相θIn(n=1,3,5,7,・・・)を演算する。
上記フーリエ変換には、例えば離散フーリエ変換DFT)または高速フーリエ変換FFT)の何れを用いても良い。このようにフーリエ変換によって電圧や電流の基本波成分及び高調波成分の振幅及び絶対位相を求める技術は、例えば特開2004−198273号公報や特許第3599157号公報に記載されている如く周知であるため、ここでは詳述を省略する。

0020

次に、相対位相演算手段52は、電圧、電流の絶対位相θVn,θInを用いて、θ=θIn−θVnの演算により、線間電圧を基準とした漏電電流I0の相対位相、つまり位相角θを求める。

0021

そして、地絡電流演算手段54は、配電系統2の対地静電容量(後述するように非接地二相の対地静電容量)がバランスしている場合には、前記Vn,I0n及びθを用いて、配電系統2の対地絶縁抵抗による地絡電流l0rを求める。
また、配電系統2の対地静電容量にアンバランスがある場合には、前記Vn,I0n及びθを用いて、漏電電流I0の基本波成分に対して上記アンバランス分を補正し、対地静電容量がバランスした状態に補正した漏電電流I0の基本波成分の大きさと、線間電圧基本波成分に対する位相角とを用いて、対地絶縁抵抗の劣化による地絡電流l0rをスカラー和として求める。そして、この地絡電流l0rは出力手段60に送られる。
なお、これらの地絡電流l0rの詳細な演算方法については、後に詳述する。

0022

漏電電流演算手段53は、前記メモリ40Iに記憶された電流データに基づき、従来から低圧配電設備に用いられている漏電遮断器等と同一の原理により漏電電流I0の実効値を演算し、前記地絡電流l0rと共に出力手段60に送る。
出力手段60は、入力された地絡電流I0r及び漏電電流I0に基づき、表示出力警報出力、上位装置への伝送出力等を行うものである。

0023

ここで、図2は、前記配電系統2の一相(一例としてs相)が接地されている場合の系統構成図であり、絶縁監視装置100にはr相、s相間の線間電圧Vrsが基準電圧として入力されているものとする。
図2において、C1,C2はそれぞれ非接地相であるr相,t相と大地間の対地静電容量であり、対地静電容量がバランスしている場合にはC1=C2である。また、R1,R2はそれぞれr相,t相と大地との間の絶縁抵抗(対地絶縁抵抗)を示す。

0024

上記前提のもとで、配電系統2の漏電電流I0から地絡電流I0rを求める手順を以下に説明する。
なお、本実施形態では、地絡電流I0rを、前述の特許文献1,特許文献2等に記載されているようなベクトル合成による電流絶対値でなく、スカラー量(スカラー和)として得るようにしている。すなわち、配電系統の絶縁測定を行う従来の直流絶縁抵抗計では、各線路の対地絶縁抵抗を介して大地に流れる電流のスカラー和から絶縁抵抗を求めているため、本実施形態によれば、CPU50内の地絡電流演算手段54において従来の直流絶縁抵抗計と同一の演算処理により地絡電流(言い換えれば絶縁抵抗)を演算することができると共に、活線状態のままで常時、絶縁監視を行うことを可能にしている。

0025

次に、図3は、対地絶縁抵抗R1,R2が何れも極めて大きい場合、すなわち健全状態における漏電電流及び線間電圧(何れも基本波成分)の関係を示すベクトル図である。この場合、漏電電流I0は対地静電容量に起因する漏洩電流I0cのみであり、地絡電流I0rはである。つまり、漏洩電流I0cと地絡電流I0rとのベクトル和である漏電電流I0は漏洩電流I0cに等しい(I0=I0c)。なお、漏洩電流I0cは、対地静電容量C1,C2に流れる電流I0c1,I0c2のベクトル和となる。

0026

また、漏洩電流I0cの位相角θcは、線間電圧Vrsを基準としたときに120°の進み位相で一定である。漏電電流I0(すなわち漏洩電流I0c)の大きさと線間電圧Vrsに対する位相角θcとを前述のフーリエ級数演算及び相対位相演算により求め、地絡電流演算手段54が下記の数式1により地絡電流I0rを求めると、その値は前述のごとく零となる。
[数式1]
I0r=I0×cos(θ−30°)×k=I0c×cos(120°−30°)×k=0
なお、kは、以下に述べるように、対地絶縁抵抗の劣化に起因して流れる地絡電流に応じた定数である。

0027

次に、図4は、図2におけるr相の対地絶縁抵抗R1が劣化して減少し、地絡電流I0rが流れた場合のベクトル図である。
漏電電流I0は、図4に示すように漏洩電流I0cと地絡電流I0rとのベクトル合成値となり、漏電電流I0の線間電圧Vrsに対する位相角はθとなる。また、漏洩電流I0cの位相角は、図3と同様に線間電圧Vrsを基準にすると120°の進み位相になる。

0028

ここで、図4によれば、数式2、数式3が成立する。
[数式2]
I0r’=I0×cos(θ−30°)
[数式3]
I0r’=I0r×cos(30°)=I0r×√3/2
よって、上記数式2、数式3から数式4が導かれる。
[数式4]
I0r=I0×cos(θ−30°)×2/√3=I0×cos(θ−30°)×k
(k=2/√3)

0029

数式4から明らかなように、r相の対地絶縁抵抗R1が劣化して地絡電流I0rが流れた場合でも、地絡電流演算手段54は、数式1と同様の数式4の演算を行うことにより、漏洩電流I0cの影響を受けずに、実質的に漏洩電流I0cを除去した形で地絡電流I0rを抽出することができる。

0030

図5は、t相の対地絶縁抵抗R2が低下し、地絡電流I0rが流れた場合のベクトル図である。
この場合も、漏電電流I0は漏洩電流I0cと地絡電流I0rとのベクトル合成値となり、漏電電流I0の線間電圧Vrsに対する位相角はθとなる。また、対地静電容量に起因する漏洩電流I0cは、前記同様に線間電圧Vrsに対して120°の進み位相となる。

0031

更に、図5においても、数式2、数式3と同様に数式5、数式6が成立する。
[数式5]
I0r’=I0×cos(θ−30°)
[数式6]
I0r’=I0r×cos(30°)=I0r×√3/2
従って、上記数式5、数式6から数式7が導かれる。
[数式7]
I0r=I0×cos(θ−30°)×2/√3=I0×cos(θ−30°)×k
(k=2/√3)

0032

よって、t相の絶縁抵抗R2が劣化して地絡電流I0rが流れた場合でも、地絡電流演算手段54は、数式1と同様の数式7の演算により、漏洩電流I0cの影響を受けずにこれを除去した形で地絡電流I0rを検出することができる。

0033

図6は、r相及びt相の双方の対地絶縁抵抗R1,R2が劣化し、地絡電流I0r1,I0r2が流れた場合のベクトル図である。なお、I0r1とI0r2をベクトル合成した地絡電流をI0r”として示してある。
この場合も、漏電電流I0は漏洩電流I0cと地絡電流I0r”との合成値であり、漏電電流I0の線間電圧Vrsに対する位相角はθとなる。また、対地静電容量に起因する漏洩電流I0cは、前記同様に線間電圧Vrsに対して120°の進み位相となる。

0034

図6において、数式2、数式5と同様に数式8が成立する。
[数式8]
I0r’=I0×cos(θ−30°)
また、求める地絡電流I0rの大きさは、I0r1とI0r2とのスカラー和である。ここで、図6において、Δabcは各内角が60°の正三角形であるから、線分ab,bcの長さは等しく、地絡電流I0r2の大きさは線分ab(=bc)の長さに等しいと共に、地絡電流I0r1の大きさは線分0bの長さに等しい。従って、図6における0c(=0b+bc)は地絡電流I0rの大きさに等しいため、I0r’に関して数式9が成立する。
[数式9]
I0r’=0c×cos(30°)=I0r×cos(30°)=I0r×√3/2

0035

数式8、数式9より、下記のように、前記数式1、数式4、数式7と同一の数式10が導かれる。
[数式10]
I0r=I0×cos(θ−30°)×2/√3=I0×cos(θ−30°)×k
(k=2/√3)
以上の数式1、数式4、数式7、数式10が同一の演算式になることから分かるように、配電系統2の対地静電容量(非接地であるr相、t相の対地静電容量C1,C2)がバランスしている状態では、r相及びt相の対地絶縁抵抗に起因する地絡電流I0r1,I0r2がそれぞれいかなる値になったとしても、地絡電流演算手段54は、図1のフーリエ変換手段51I及び相対位相演算手段52から出力される漏電電流I0とその位相角θとに基づき、地絡電流I0rの大きさを、スカラー量(スカラー和)として同一の演算アルゴリズムにより理論上の誤差なく求めることができる。

0036

以上のように、配電系統2の対地静電容量がバランスしている場合に漏電電流I0及びその位相角θから地絡電流I0rを求めることが可能であるが、対地静電容量がアンバランスであっても、そのアンバランス分を補正した漏電電流I0’とその位相角とを求めることができれば、上記と同様の手順により地絡電流I0rの大きさをスカラー量として求めることができる。
以下では、非接地であるr相、t相の対地静電容量C1,C2がアンバランスであるときの漏洩電流I0cから、上記のアンバランス分を補正した漏電電流I0’ とその位相角とを求め、これらに基づいて地絡電流I0rの大きさを演算する方法を説明する。

0037

なお、対地静電容量のアンバランスは漏洩電流I0cに影響を及ぼし、ひいては漏電電流I0の大きさ及び位相角に影響するので、地絡電流I0rを高精度に検出するためには、上記アンバランスを補正した漏電電流I0’を求めて地絡電流I0rを演算することが必要であり、以下の説明はこのような原理に基づくものである。また、以下では、線間電圧、漏電電流に含まれる高調波成分に着目したアンバランス補正値を用いて漏電電流I0の基本波成分を補正することにより、漏電電流I0’を求めている。

0038

図7図8は、アンバランス補正値を求めるための高調波成分として、第3調波成分を用いる場合のベクトル図である。
まず、図7は、線間電圧(第3調波)、及び、対地静電容量に起因した漏洩電流(第3調波)のベクトル図である。図7に示すように、線間電圧(第3調波)Vrs,Vtsの相互の位相角は180°となる。これは、図3では線間電圧Vrs,Vtsの基本波成分相互の位相角は60°であったが、基本波成分の位相角に相当する位相時間は第3調波では3倍になるため、線間電圧(第3調波)Vrs,Vtsの相互の位相角は60°の3倍、つまり180°となるためである。

0039

上記のごとく、線間電圧(第3調波)Vrs,Vtsの相互の位相角は180°になるため、r相,t相の対地静電容量に起因する漏洩電流(第3調波)I0c1,I0c2は、線間電圧(第3調波)Vrsを基準にすると、図7に示すごとく各々90°の進み位相、270°の進み位相となる。つまり、漏洩電流(第3調波)I0c1,I0c2は180°位相がずれた逆方向の電流となり、これらが合成された漏洩電流(第3調波)I0cは漏洩電流(第3調波)I0c1,I0c2の差になっている。

0040

図8は、漏電電流I0の基本波成分を、上述した漏洩電流(第3調波)I0cを用いて補正する方法を説明するためのものである。
前述したように、図7により、対地静電容量のアンバランスに起因する漏洩電流(第3調波)I0cを求めることができる。この漏洩電流(第3調波)I0cを漏電電流I0の基本波成分のアンバランス分に換算したアンバランス補正値I0c’を用いて、漏電電流I0の基本波成分を補正することにより、対地静電容量がバランスしたときの漏電電流I0’を求めることができる。

0041

ここで、対地静電容量に起因する漏洩電流の大きさは周波数に比例するから、電圧が同一の場合には、漏洩電流(第3調波)の大きさは基本波成分の3倍となる。このことは、線間電圧の第3調波成分の大きさが基本波成分の1/3のときに、漏洩電流(第3調波)の大きさが基本波成分の大きさに等しくなることを意味している。
よって、漏洩電流(第3調波)I0cを漏電電流I0の基本波成分に換算するには、線間電圧の第3調波成分の大きさを基本波成分の1/3としたときの漏洩電流値をアンバランス補正値I0c’とし、このアンバランス補正値I0c’により漏電電流I0の基本波成分を補正して新たに漏電電流I0’を求めれば良い。
すなわち、線間電圧Vrsの基本波成分をVrs1、第3調波成分をVrs3とし、漏洩電流(第3調波)をI0cとすれば、アンバランス補正値I0c’は数式11によって求められる。
[数式11]
I0c’=I0c×(1/3)×(Vrs1/Vrs3)

0042

図8に示すように、上記アンバランス補正値I0c’を用いてI0を補正する(I0c’をI0にベクトル加算する)ことにより、対地静電容量のアンバランス分を補正した漏電電流I0’を求めることができる。I0の大きさ及び位相角、並びに、換算値I0c’の大きさ及び位相角は定まっているので、I0’の演算は容易であり、その位相角θについても、I0’のベクトル座標(x,y)が求まれば数式12により求まることは明白である。
[数式12]
θ=cos−1{x/√(x2+y2)}

0043

なお、図7では電流が対地静電容量成分のみを含む例を示したが、対地抵抗成分も含む場合には、漏電電流I0の第3調波成分とその位相角とから、90°の進み位相成分または270°の進み位相成分を演算により求めれば漏洩電流(第3調波)I0cを求めることができ、以後は上記と同様の演算によって漏電電流I0’を求めることが可能である。
以上のようにして、対地静電容量がアンバランスである場合にも、そのアンバランスをアンバランス補正値I0c’により補正してI0’を求め、このI0’及び位相角θを用いて前記数式10等の演算を行えば、地絡電流I0rの大きさをスカラー量として求めることができる。

0044

図9図10は、アンバランス補正を行うための高調波成分として、第5調波成分を用いる場合のベクトル図である。
線間電圧Vrs,Vtsの第5調波成分の相互の位相角は、Vtsに対しVrsが60°進み位相となる。図3において線間電圧の基本波成分はVrsに対しVtsが60°進み位相であったが、基本波成分の60°位相時間は第5調波では5倍の位相角となり、300°の進み位相となる。これは、Vtsに対してVrsが60°進み位相であることに等しい。

0045

図9は、図2においてt相の対地静電容量C2がr相のC1より大きい場合における、対地静電容量に起因した漏洩電流の基本波成分のベクトル位相関係を示しており、Vrsを基準としたものである。また、図10は、上記と同一の漏洩電流の第5調波成分のベクトル位相関係を示しており、Vtsを基準としたものである。
これらの図9図10を比較すると、対地静電容量に起因する漏洩電流の基本波成分及び第5調波成分I0c(I0)は、位相角が120°の中心線を基準として対称となっている。このことは、漏洩電流の第5調波成分を漏洩電流の基本波成分に等しい大きさに換算した上で両者をベクトル加算すれば、漏洩電流の位相角は中心線の位相角である120°になることを示している。そしてこの位相角(120°)は、対地静電容量C1,C2がバランスしているときの漏洩電流の位相角に等しい。

0046

漏洩電流の第5調波成分を漏洩電流の基本波成分に等しい大きさに換算するには、静電容量に起因する漏洩電流は周波数に比例することから、線間電圧が同一の場合、漏洩電流の第5調波成分は基本波成分の5倍となる。このことは、線間電圧の第5調波成分が基本波成分の1/5であるときに漏洩電流の第5調波成分は基本波成分に等しくなることを示している。よって、線間電圧の第5調波成分を基本波成分の1/5としたときの漏洩電流値をアンバランス補正値I0c’として、漏洩電流の第5調波成分を基本波成分に等しい大きさに換算する。
ここで、線間電圧Vrsの基本波成分をVrs1、第5調波成分をVrs5、漏洩電流の第5調波成分をI0cとすれば、アンバランス補正値I0c’は数式13によって求められる。
[数式13]
I0c’=I0c×(1/5)×(Vrs1/Vrs5)

0047

上より、漏洩電流の基本波成分と数式13によるアンバランス補正値I0c’とをベクトル加算した電流の位相は、図9図10の中心線の位相角である120°となり、対地静電容量がバランスしたときの漏洩電流の位相角となる。この漏洩電流を漏電電流I0として用い、前述した対地静電容量がバランスしたときと同様に数式10等の演算を行うことで、地絡電流I0rをスカラー量として求めることができる。
なお、この場合の地絡電流I0rは基本波成分と第5調波成分との和であるため、第5調波成分を除去することにより基本波成分を求める必要がある。

0048

図11は、アンバランス補正を行うための高調波成分として、第7調波成分を用いる場合のベクトル図である。
線間電圧Vrs,Vtsの第7調波成分の相互の位相角は、Vrsに対しVtsが60°進み位相となる。図3において線間電圧の基本波成分はVrsに対しVtsが60°進み位相であったが、基本波成分の60°位相時間は第7調波では7倍の位相角となり、420°の進み位相となる。これは、Vrsを基準とした場合に、Vrsに対してVtsが60°進み位相となり、基本波と同一の進みとなる。

0049

漏洩電流の第7調波成分を漏洩電流の基本波成分に等しい大きさに換算するには、対地静電容量に起因する漏洩電流は周波数に比例することから、線間電圧が同一の場合、漏洩電流の第7調波成分は基本波成分の7倍となる。このことは、線間電圧の第7調波成分が基本波成分の1/7であるときに漏洩電流の第7調波成分は基本波成分に等しくなることを示している。よって、線間電圧の第7調波成分を基本波成分の1/7としたときの漏洩電流値をアンバランス補正値I0c’として、漏洩電流の第7調波成分を基本波成分に等しい大きさに換算する。
すなわち、線間電圧Vrsの基本波成分をVrs1、第7調波成分をVrs7、漏洩電流の第7調波成分をI07とすれば、アンバランス補正値I07’は数式14によって求められる。
[数式14]
I07’=I07×(1/7)×(Vrs1/Vrs7)
このアンバランス補正値I07’と漏電電流の基本波成分I01とを比較すると、対地静電容量に起因する漏洩電流は等しく、対地絶縁抵抗に起因する地絡電流については、第7調波成分が基本波成分の1/7となる。

0050

ここで、対地静電容量に起因する漏洩電流をI0cとし、I0c,I07’及びI01のベクトルの先端を図11に示すように各々a,b,cとすれば、線分ab,acの長さは対地絶縁抵抗に起因した地絡電流に比例することにより、電圧に比例し、ab:acは1:7となる。この関係とI01,I07’の位置とにより、対地静電容量に起因する漏洩電流I0cのベクトル位置が求められる。これを対地静電容量がバランスしたときの値に補正するためには、I0cの位相角が120°となるようにI0c’を求めれば良い。
漏電電流の基本波成分についても、I01を上記のI0c’により補正すれば、対地静電容量がバランスしたときの漏電電流I0’を得ることができる。この漏電電流I0’により、前述した対地静電容量がバランスしたときと同様に数式10等の演算を行うことで、地絡電流I0rをスカラー量として求めることができる。

0051

上記実施形態では、電圧、電流の基本波成分と第3調波成分または第5調波成分または第7調波成分とを組み合わせて地絡電流I0rを求める方法につき説明したが、実際の波形においては、電源や負荷の種類に応じて第3,第5,第7等の各高調波成分の含有率や含有の有無が異なり、必ずしもすべての高調波成分が含有されるとは限らない。
このため、地絡電流検出装置としては、前述した各高調波成分に対する演算機能図1のCPU50が備えると共に、各高調波成分に対する複数の演算結果の中から最適の地絡電流を唯一決定するような手段を備えることが望ましい。このような手段の例としては、例えば含有率が最も大きい高調波成分に対する演算結果(地絡電流値)を選定する手段や、すべての高調波成分に対する演算結果の平均値を求める手段等が考えられるが、勿論、これらに限定されるものではない。

0052

また、本実施形態では、上述のように第3調波成分または第5調波成分または第7調波成分を用いているが、これら以外の高調波成分を用いて対地静電容量のアンバランスを補正しても良いのは言うまでもない。
更に、電子機器においては、目的とする信号以外に高周波ノイズ信号が混入することが考えられ、その対策として、例えば図1における電圧検出手段10Vや電流検出手段10I等の入力部に、抵抗及びコンデンサからなるR−Cフィルタ等を付加することが多い。この場合、基本波成分に対して高次高調波成分ほど信号の減衰が大きくなるが、その減衰割合は周波数に応じて常に一定値となる。
このことから、電子機器の内部フィルタによる信号の減衰分を各高調波に応じた補正係数にて補償すれば、元の信号に含有された各高調波成分を正確に再現することができ、最終的な地絡電流の演算精度を一層向上させることができる。

0053

上述した実施形態は本発明を絶縁監視装置100に適用した場合のものであるが、本発明は、回路遮断器、漏電遮断器、または漏電リレー、もしくはこれらと指示計器類を組合せた機器にも適用可能である。

0054

2:三相配電系統
3:交流電源
4:零相変流器
10V:電圧検出手段
10I:電流検出手段
20V:レベル変換手段
20I:増幅手段
30V,30I:A/D変換手段
40V,40I:メモリ
50:CPU
51V,51I:フーリエ変換手段
52:相対位相演算手段
53:漏電電流演算手段
54:地絡電流演算手段
60:出力手段
100:絶縁監視装置

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