JP4993728B2 - 有効漏れ電流測定器 - Google Patents

Description

本発明は、例えば電源ラインの絶縁点検に使用される有効漏れ電流測定器に関し、詳しくは、三相３線式の配電系統において測定器の誤結線を検出可能とした有効漏れ電流測定器に関するものである。

配電系統の基本波実効値、基本波位相角、漏れ電流、高調波等を測定して配電系統の品質を解析、評価する電源ラインモニタは、例えば特許文献１に記載されている。
図５は、三相３線式の配電系統を対象として、特許文献１に記載された電源ラインモニタを有効漏れ電流測定器１０Ａとして使用した場合のブロック図である。

図５において、ａ，ｂ，ｃは三相３線式の電路、Ｒ_ａ，Ｒ_ｃは電路ａ，ｃの対地抵抗、Ｃ_ａ，Ｃ_ｃは電路ａ，ｃの対地静電容量、１１は、二つの電路間の線間電圧（例えば、電路ａとＢ種接地による接地電路ｂとの間の線間電圧Ｖ_ａｂ）が有効漏れ電流測定時の基準電圧（取得電圧ともいう）として入力されると共に、入力電圧値のレベル調整等を行う電圧入力部、ＺＣＴは接地電路ｂに接続されて合成漏れ電流（有効漏れ電流、無効漏れ電流のベクトル和）Ｉ_ｇを検出する零相変流器、１２は合成漏れ電流Ｉ_ｇが入力されてそのレベル調整等を行う漏れ電流入力部、２ａ，２ｂはＡ／Ｄ変換回路、３は有効漏れ電流等を演算する演算部（ＣＰＵ）、４はＡ／Ｄ変換回路２ａ，２ｂを介して収集された演算部３の入力データや演算結果を格納するメモリ、５はｓｉｎ波、ｃｏｓ波の基準波形データが記憶された基準波形データメモリ、６は演算部３による演算結果を表示し、または外部へ伝送するための出力部である。
ここで、上記基準波形データは、電圧入力部１１への入力電圧波形と同一周期であり、Ａ／Ｄ変換回路２ａ，２ｂと同じ分解能でテーブル上に予め作成されたデータである。

次に、図６は、図５の構成により有効漏れ電流Ｉ_ｇｒを求めるための原理を示すベクトル図である。なお、有効漏れ電流Ｉ_ｇｒは図５における対地抵抗Ｒ_ａ，Ｒ_ｃにそれぞれ流れる漏れ電流Ｉ_ｇｒａ，Ｉ_ｇｒｃのベクトル和であるが、電路ａ，ｃの絶縁不良が同時に起こることは稀であるため、対地抵抗Ｒ_ａ，Ｒ_ｃによる有効漏れ電流Ｉ_ｇｒは、対地抵抗Ｒ_ａ，Ｒ_ｃのうち何れか一方による漏れ電流値、つまり、Ｉ_ｇｒ＝Ｉ_ｇｒａ、またはＩ_ｇｒ＝Ｉ_ｇｒｃと考えて良い。なお、Ｉ_ｇｒａはＶ_ａｂと同相、Ｉ_ｇｒｃはＶ_ｃｂと同相である。
この図６を参照しながら、従来技術による有効漏れ電流Ｉ_ｇｒの測定方法を以下に略述する。

いま、取得電圧がＶ_ａｂであるとすると、まず、図５の演算部３は、電圧入力部１１から取り込んだ所定波数分の電圧Ｖ_ａｂと基準波形データメモリ５内のｓｉｎ波データ、ｃｏｓ波データとを用いて積和演算を行い、電圧Ｖ_ａｂの第１積算値、第２積算値を求める。同様に、演算部３は、漏れ電流入力部１２から取り込んだ所定波数分の合成漏れ電流Ｉ_ｇと前記ｓｉｎ波データ、ｃｏｓ波データとを用いて積和演算を行い、合成漏れ電流Ｉ_ｇの第１積算値、第２積算値を求める。
ここで、上記各積算値の演算方法は本発明の要旨ではないため、説明を省略する。

次に、これらの電圧Ｖ_ａｂ及び合成漏れ電流Ｉ_ｇの第１積算値、第２積算値を用いて、図６に示すように、基準波形に対する電圧Ｖ_ａｂ及び合成漏れ電流Ｉ_ｇの位相角θ_１，θ_２をそれぞれ求める。次いで、合成漏れ電流Ｉ_ｇの第１積算値、第２積算値並びに位相角θ_２を用いて、合成漏れ電流Ｉ_ｇの基本波成分Ｉ_ｇ(1)を求める。
なお、有効漏れ電流Ｉ_ｇｒだけでなく、更に絶縁抵抗も求める場合には、上記に加えて、電圧Ｖ_ａｂの第１積算値、第２積算値並びに位相角θ_１を用いて、電圧Ｖ_ａｂの基本波成分Ｖ_ａｂ(1)を求める。

更に、θ_１とθ_２との位相差、すなわち電圧Ｖ_ａｂに対する合成漏れ電流Ｉ_ｇの位相角θを求める。
いま、対地静電容量Ｃ_ａ，Ｃ_ｃによる漏れ電流Ｉ_ｇｃａ，Ｉ_ｇｃｃが等しいとすると、そのベクトル合成値である無効漏れ電流Ｉ_ｇｃは図６に示す如くＶ_ｃａと同相であり、他方、対地抵抗Ｒ_ａ，Ｒ_ｃによる有効漏れ電流Ｉ_ｇｒは、前述のようにＩ_ｇｒ＝Ｉ_ｇｒａまたはＩ_ｇｒ＝Ｉ_ｇｒｃである。

従って、図６において、Ｉ_ｇｒａ，Ｉ_ｇｒｃ，Ｉ_ｇｃの位相差が６０°であることを考慮すると、有効漏れ電流Ｉ_ｇｒは、数式１によって求めることができる。
［数式１］
Ｉ_ｇｒ＝Ｉ_ｇ(1)ｃｏｓθ＋Ｉ_ｇ(1)ｓｉｎθ／ｔａｎ６０°
＝（２／√３）×Ｉ_ｇ(1)×ｓｉｎ（θ＋６０°）
図５の演算部３は、上記数式１の演算により有効漏れ電流Ｉ_ｇｒを求め、その測定値を合成漏れ電流Ｉ_ｇや位相角θと共に出力部６に数値表示すると共に、必要に応じて出力部６から外部に伝送することとなる。

特開２００６−２３４４０２号公報（請求項７，９、段落［００７０］〜［００７８］、図５等）

上記のように、従来技術によれば、有効漏れ電流Ｉ_ｇｒを合成漏れ電流Ｉ_ｇの基本波成分Ｉ_ｇ(1)と位相角θとから求めることができる。
しかし、電路ａ，ｂ，ｃに対する電圧入力部１１の結線を間違えると、電圧Ｖ_ａｂに対する合成漏れ電流Ｉ_ｇの位相角θを求めたつもりであっても、他の線間電圧（例えばＶ_ｃｂ）に対する合成漏れ電流Ｉ_ｇの位相角を求めてしまい、その結果、前記数式１により演算した有効漏れ電流Ｉ_ｇｒの値が実際の値とは大きく異なってしまうという問題があった。
ここで、上記の誤結線には、接続するべき電路ａ，ｂを電路ｃ，ｂと間違える（すなわちＶ_ａｂとＶ_ｃｂとを間違える）ような場合以外に、電路ａ，ｂを逆に接続して極性を間違える（Ｖ_ａｂとＶ_ｂａとを間違える）場合も含まれる。
また、零相変流器ＺＣＴの向きを間違える場合も含まれる。

なお、単相３線式、三相４線式の配電系統では、上述の如く誤結線しても特に支障はないが、誤結線によって有効漏れ電流Ｉ_ｇｒの値が大きく異なる三相３線式の配電系統では、有効漏れ電流Ｉ_ｇｒの演算に先立って誤結線を高精度に判定できることが望まれていた。

一方、三相電力測定装置において、装置の誤結線を検出可能とした従来技術は、例えば特開２０００−３３８１４７号公報「電力測定装置」や特開２００１−１２４８０６号公報「三相電力測定器および三相電力量計ならびにその結線状態判別方法」等が知られているが、有効漏れ電流測定器の一機能として事前に誤結線を判定可能としたものは未だ提供されていない。

そこで本発明の解決課題は、三相３線式の配電系統を対象として有効漏れ電流を測定する際に、誤結線を高精度かつ容易に検出可能とした有効漏れ電流測定器を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、三相３線式の配電系統と接地点との間を流れる合成漏れ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、
前記線間電圧と前記合成漏れ電流との間の位相角、及び、前記合成漏れ電流を用いて、前記配電系統の対地抵抗を介した有効漏れ電流を演算する手段と、
を備えた有効漏れ電流測定器において、
ある線間電圧を取得電圧として前記測定器に入力した際に、その取得電圧と前記合成漏れ電流との間の位相角が、１２０°の幅を持つ角度範囲内に存在しないことを検出して前記測定器の前記配電系統に対する誤結線を判定する判定手段を備えたものである。

また、請求項２に係る発明は、三相３線式の配電系統と接地点との間を流れる合成漏れ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、
前記線間電圧と前記合成漏れ電流との間の位相角、及び、前記合成漏れ電流を用いて、前記配電系統の対地抵抗を介した有効漏れ電流を演算する手段と、
を備えた有効漏れ電流測定器において、
ある線間電圧を取得電圧として前記測定器に入力した際に、その取得電圧と前記合成漏れ電流との間の位相角が、６０°の幅を持つ角度範囲内に存在しないことを検出して前記測定器の前記配電系統に対する誤結線を判定する判定手段を備えたものである。

更に、請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載した有効漏れ電流測定器において、少なくとも二つの線間電圧を前記取得電圧として、前記判定手段が、各取得電圧及び合成漏れ電流に対して誤結線の判定動作を実行するものである。

請求項１または３に係る発明によれば、取得電圧に応じて決まる所定の角度範囲内に合成漏れ電流の位相角が存在しない場合に、配電系統の電路に対して測定器（電圧入力部または合成漏れ電流検出手段）が誤結線されていると判定することができる。この場合の判定ロジックは比較的単純で済むから、既存の有効漏れ電流測定器のソフトウェアに若干の変更を加えるだけで容易に実現可能であり、コスト高になるおそれもない。
また、請求項２に係る発明によれば、誤結線を一層高精度に判定することが可能になる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、実施形態に係る有効漏れ電流測定器１０の構成を示すブロック図であり、図５と同一の構成要素には同一の番号を付してある。

図１において、前記同様に、ａ，ｂ，ｃは三相３線式の電路、Ｒ_ａ，Ｒ_ｃは電路ａ，ｃの対地抵抗、Ｃ_ａ，Ｃ_ｃは電路ａ，ｃの対地静電容量、１１は二つの電路間の線間電圧が取得電圧として入力され、そのレベル調整等を行う電圧入力部、ＺＣＴはＢ種接地の接地電路ｂに接続されて漏れ電流Ｉ_ｇを検出する零相変流器、１２は漏れ電流Ｉ_ｇのレベル調整等を行う漏れ電流入力部、２ａ，２ｂは各入力部１１，１２にそれぞれ接続されたＡ／Ｄ変換回路である。
また、ＣＰＵ等からなる演算部３は、従来技術と同様に、メモリ４に格納されたデータ（Ａ／Ｄ変換回路２ａ，２ｂの出力データ）及び基準波形データメモリ５内の基準波形データ等を用いて、有効漏れ電流Ｉ_ｇｒを演算する。

本実施形態では、上記演算部３の出力側に判定部７が設けられており、この判定部７は、電路ａ，ｂ，ｃに対する電圧入力部１１の誤結線を検出する機能を備えている。
この誤結線検出機能は、以下の通りである。

例えば、取得電圧をＶ_ａｂとするために、取得電圧がＶ_ａｂの場合を正しい結線と見なすように有効漏れ電流測定器１０に予め設定しておく。電圧入力部１１が電路ａ，ｂに正しく接続されている場合（正常結線時）、演算部３により検出される電圧Ｖ_ａｂと漏れ電流Ｉ_ｇとの間の位相角θは、図２に示すように取得電圧Ｖ_ａｂの位相角を基準（＝０°）とした０°〜１２０°の範囲にある。この理由を以下に説明する。

すなわち、電路ａだけが絶縁劣化している場合、無効漏れ電流Ｉ_ｇｃを無視すれば、Ｉ_ｇ＝Ｉ_ｇｒａ（＝Ｉ_ｇｒ）、つまりＩ_ｇはＶ_ａｂと同相になり、θ＝０°となる。また、電路ｃだけが絶縁劣化している場合、無効漏れ電流Ｉ_ｇｃを無視すれば、Ｉ_ｇ＝Ｉ_ｇｒｃ（＝Ｉ_ｇｒ）、つまりＩ_ｇはＶ_ｃｂと同相になり、θ＝６０°となる。ここで、無効漏れ電流Ｉ_ｇｃを考慮したとしても、Ｉ_ｇは常に０°以上の位相角θをもって存在する。
一方、電路ａ，ｂに絶縁劣化がない理想的な状態では、Ｉ_ｇ＝Ｉ_ｇｃとなって無効漏れ電流Ｉ_ｇｃのみとなり、Ｉ_ｇはＶ_ｃａと同相になるため、θ＝１２０°となる。

従って、電圧入力部１１が電路ａ，ｂに正しく接続されており、電圧入力部１１における取得電圧がＶ_ａｂである場合には、上述の如くθの存在する範囲は０°〜１２０°である。同様にして、取得電圧がＶ_ｂｃである場合のθの存在する範囲は、Ｖ_ａｂの位相角を基準（＝０°）とすれば１２０°〜２４０°、同じく取得電圧がＶ_ｃａの場合は２４０°〜３６０°（０°）、取得電圧がＶ_ｃｂの場合は３００°〜６０°、取得電圧がＶ_ａｃの場合は６０°〜１８０°、取得電圧がＶ_ｂａの場合は１８０°〜３００°となる。

よって、判定部７は、位相角θが取得電圧、例えばＶ_ａｂに応じた範囲０°〜１２０°に存在しないことを検出した場合に、電圧入力部１１が本来接続されるべき電路ａ，ｂに接続されていないか、または、零相変流器ＺＣＴを接続する向きが間違っていると判断し、電圧入力部１１または零相変流器ＺＣＴ（どちらかの特定はできない）の誤結線を判定する。こうして誤結線と判定した場合には、判定部７から出力部８に信号を送り、音声や表示器による警報出力（「結線が間違っているため確認して下さい。」等）を行って測定者に知らせればよい。

ここで、図３は、正常結線時にθが存在する範囲を、取得電圧の位相角を基準（０°）として取得電圧ごとに示した模式図であり、例えば、取得電圧がＶ_ａｂの時にはＶ_ａｂの位相角を０°とした０°〜１２０°、取得電圧がＶ_ｃａの時にはＶ_ｃａの位相角を０°とした２４０°〜３６０°（０°）が、それぞれの正常結線時におけるθの存在範囲であることを意味している。なお、図３を一覧表にして示すと、図４の通りである。
図３に示すように、θが時計方向に減少すると有効漏れ電流Ｉ_ｇｒが支配的になり、θが反時計方向に増加すると無効漏れ電流Ｉ_ｇｃが支配的になることがわかる。

以上のように、この実施形態によれば、位相角θに着目することで測定器の誤結線状態を判定可能である。
ここで、上記実施形態では、請求項１に記載したように、取得電圧と合成漏れ電流との間の位相角θが、１２０°の幅を持つ範囲内にあるか否かによって誤結線を判定している。

更に、電路に絶縁劣化がない理想的な状態では、漏れ電流Ｉ_ｇのうち無効漏れ電流Ｉ_ｇｃが支配的になるので、位相角θは、取得電圧に応じて存在し得る範囲の最大値に近くなり、例えば取得電圧がＶ_ａｂの場合にはθが１２０°近くになる。
従って、判定部７における判定の角度範囲を更に狭め、取得電圧の位相角を基準として例えば６０°〜１２０°の範囲とし、θがこの範囲以外の値である場合を誤結線と判定することにより、絶縁劣化がない状態における誤結線の判定精度を高めることができる。
つまり、請求項２に記載したように、判定の角度範囲の幅を６０°として誤結線を判定することも有効である。

このようにすれば、取得電圧がＶ_ａｂの時の正常結線時の角度範囲が６０°〜１２０°、Ｖ_ｂｃの時の範囲が１８０°〜２４０°、Ｖ_ｃａの時の範囲が３００°〜３６０°（０°）、Ｖ_ｃｂの時の範囲が０°〜６０°、Ｖ_ａｃの時の範囲が１２０°〜１８０°、Ｖ_ｂａの時の範囲が２４０°〜３００°となり、６つの取得電圧について正常結線時の角度範囲が重複せず、０°〜３６０°を６等分した状態に設定することができる。これにより、それぞれの取得電圧について、θが該当する範囲内に存在しない場合には誤結線と判定する判定精度を一層高めることができる。

なお、図３，図４に示したように、取得電圧に応じた所定の角度範囲内にθが存在したとしても、結線が正常であるとは必ずしも断定できない。例えば、取得電圧をＶ_ａｂとして検出したθが０°〜１２０°の範囲内にある時、図３，図４によれば、この範囲は取得電圧がＶ_ｃｂまたはＶ_ａｃである時にθが存在する角度範囲と一部重なっているので、正常結線の場合（電路ａ，ｂに接続）と、誤結線の場合（電路ｃ，ｂに誤接続、または電路ａ，ｃに誤接続）とがあり得ることになる。
すなわち、θが０°〜１２０°の範囲内に存在したとしても、電圧入力部１１が電路ｃ，ｂまたは電路ａ，ｃに誤結線されている可能性も否定できない。

そこで、誤結線の検出精度を向上させるには、二つの取得電圧、例えばＶ_ａｂ，Ｖ_ｃｂについて、上述した判定動作をそれぞれ行えば良い。つまり、１回目の判定動作として、取得電圧Ｖ_ａｂに対してθが０°〜１２０°の範囲内に存在するか否かを判定し、存在する場合には、更に２回目の判定動作として、取得電圧Ｖ_ｃｂに対してθが３００°〜６０°の範囲内に存在するか否かを判定する。

２回目の判定動作の結果、取得電圧Ｖ_ｃｂに対してθが３００°〜６０°の範囲内に存在すれば、結果的にθは０°〜６０°の範囲内に存在することになる。従って、第１回目の判定動作時に取得電圧がＶ_ａｃであった可能性（電路ａ，ｃに誤接続していた可能性）はなくなる。
また、２回目の判定動作の結果、取得電圧Ｖ_ｃｂに対してθが３００°〜６０°の範囲内に存在しない場合には、θは６０°〜１２０°の範囲内に存在することになる。従って、第１回目の判定動作時に取得電圧がＶ_ｃｂであった可能性（電路ｃ，ｂに誤接続していた可能性）はなくなる。

このように、誤結線を判定する角度範囲が、取得電圧の位相角を基準とした所定の角度範囲である場合にも、複数の取得電圧に対して判定動作を繰り返し行うことにより誤結線の判定精度を高めることができる。

次に、請求項３に係る発明の実施形態として、電圧入力部１１の誤結線か、または、合成漏れ電流検出手段としての零相変流器ＺＣＴの誤結線（接続する向きの間違い）かを特定する方法について説明する。
仮に取得電圧がＶ_ａｂ，Ｖ_ｃｂである場合、取得電圧Ｖ_ａｂに対してＶ_ｃｂが６０°±１０°の範囲内に存在するか否かを判定し、存在する場合には、その時の電圧入力部１１の結線は正常であると判断する。Ｖ_ｃｂが６０°±１０°の範囲内に存在しない場合には、その時の電圧入力部１１の結線は誤結線であると判断する。
結線が正常であると判断された場合、二つの取得電圧のうちの一方（例えばＶ_ａｂ）と合成漏れ電流Ｉ_ｇとの間の位相角θが０°〜１２０°の範囲内に存在するか否かを判定し、存在しなければ、零相変流器ＺＣＴの誤結線であることがわかる。

本発明の実施形態を示すブロック図である。 本発明の実施形態により誤結線を検出する原理を示すベクトル図である。 本発明の実施形態において、正常結線時にθが存在する範囲を取得電圧ごとに示した模式図である。 図３を一覧表にして示した図である。 従来技術を示すブロック図である。 従来技術により有効漏れ電流を求める原理を示すベクトル図である。

符号の説明

１０：有効漏れ電流測定器
１１：電圧入力部
１２：漏れ電流入力部
２ａ，２ｂ：Ａ／Ｄ変換回路
３：演算部
４：メモリ
５：基準波形データメモリ
７：判定部
８：出力部
ＺＣＴ：零相変流器

Claims (3)

1. 三相３線式の配電系統と接地点との間を流れる合成漏れ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、
   前記線間電圧と前記合成漏れ電流との間の位相角、及び、前記合成漏れ電流を用いて、前記配電系統の対地抵抗を介した有効漏れ電流を演算する手段と、
   を備えた有効漏れ電流測定器において、
   ある線間電圧を取得電圧として前記測定器に入力した際に、その取得電圧と前記合成漏れ電流との間の位相角が、１２０°の幅を持つ角度範囲内に存在しないことを検出して前記測定器の前記配電系統に対する誤結線を判定する判定手段を備えたことを特徴とする有効漏れ電流測定器。
2. 三相３線式の配電系統と接地点との間を流れる合成漏れ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、
   前記線間電圧と前記合成漏れ電流との間の位相角、及び、前記合成漏れ電流を用いて、前記配電系統の対地抵抗を介した有効漏れ電流を演算する手段と、
   を備えた有効漏れ電流測定器において、
   ある線間電圧を取得電圧として前記測定器に入力した際に、その取得電圧と前記合成漏れ電流との間の位相角が、６０°の幅を持つ角度範囲内に存在しないことを検出して前記測定器の前記配電系統に対する誤結線を判定する判定手段を備えたことを特徴とする有効漏れ電流測定器。
3. 請求項１または２に記載した有効漏れ電流測定器において、
   少なくとも二つの線間電圧を前記取得電圧として、前記判定手段が、各取得電圧及び合成漏れ電流に対して誤結線の判定動作を実行することを特徴とする有効漏れ電流測定器。
   

Images