JP2009058428A - 絶縁監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁監視装置に関し、あらゆる方向からの外部磁界の影響を最小限に抑え、電力線の絶縁劣化を正確に検出できるカレントトランス構成を提供する。
【解決手段】電力線１と大地４０間に低周波電流Ｉｒを注入する注入トランス３と、低周波電圧を発生する低周波発生装置６と、電力線１の接地線９に流れる低周波電流Ｉｒを検出するために環状のコア４ａ、５ａに巻き回した二次側コイル４ｂ、５ｂを有する２つのカレントトランス４、５と、二次側コイル４ｂ、５ｂに起電した合成電圧から低周波電流Ｉｒの変化を検出する受信機７と、を備えて構成されている。そして、カレントトランス４と５は互いに９０°乃至１８０°にずれたコイル配置にして接続することで外部磁界の影響を打ち消す。
【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁監視装置に関し、さらに詳しくは、外部磁界の影響を最小限にするカレントトランスの配置技術に関するものである。

低圧電路の絶縁監視装置として、図９の模式図に示す構成のものが知られている。図９の絶縁監視装置１００は、電力線５１と大地５９間の接地線５５に低周波電流Ｉｒを注入する一次側コイル５３ａを有する注入トランス５３と、低周波電圧を発生する低周波発生装置５６と、電力線５１の接地線５５に流れる低周波電流Ｉｒを検出するために環状のコアに巻き回した二次側コイル５４ａを有するカレントトランス５４と、二次側コイル５４ａに起電した電圧から低周波電流Ｉｒの変化を検出する受信機５７と、を備えて構成されている。
ここで、電力線５１の漏洩成分は容量成分Ｃと抵抗成分Ｒから成る等価回路５８として表現することができる。
正常時は等価回路５８の絶縁抵抗の抵抗成分Ｒは所定の値以上であるため、Ｒ相の低周波電流Ｉｇｒは所定の値以下として受信機５７により検出される。しかし、絶縁劣化が進行して抵抗成分Ｒが低下すると、低周波電流Ｉｇｒは所定の値以上となり受信機５７により絶縁が劣化したことが検出される。
特許文献１には、コンデンサ装置の漏電リレー用零相変流器への巻回は、コンデンサ装置に流れる電流Ｉｃの位相が電路の対地静電容量Ｃｇｃ１、Ｃｇｃ２による漏洩電流Ｉｇｃの位相とは逆相となる巻回方向で巻回すことにより、対地静電容量による漏洩電流を打ち消す絶縁監視装置について開示されている。
特開２００３−３４４４７６公報

図９のカレントトランス５４には、低周波電流Ｉｒが常時流れており、絶縁劣化を電流変化として捉えるため、外部磁界の影響を極力抑える必要がある。外部磁界の影響を最も低く抑えるものとして、つなぎ目のない環状コアに二次側コイルを隙間なく均等に巻き回し、接地線をコアに貫通して一時側コイルとするカレントトランスがある。しかし、環状コアにつなぎ目がないため、カレントトランスを設置する際に、接地線を一旦取り外して環状コアに貫通させなければならず、工事に手間がかかるといった問題がある。この課題を解決するカレントトランスとして、図１０（ａ）の環状コアをコ字状の本体部２０と直線状の開閉部２２とに分割した構成としたものがある。このような構成とすることにより、工事の手間は省けるものの、コアの開閉を実現するために二次側コイル２１を環状コアの全周に亘って隙間なく均等に巻き回すことができないため、特定の方向（磁界Ａ、Ｂ）からの磁界の影響を受けやすいといった問題がある。この問題を解決するために、パーマロイ等の磁性部材でコア全体を外部磁界からシールドする方法もあるが、形状が大型化し重量化することはもちろんのことパーマロイの価格が高いため、カレントトランス全体の価格が高くなってしまうという問題が発生する。そこで図１０（ｂ）のように、二次側コイル２１を２分割して対向するコア片に二次側コイル２１ａ、２１ｂとして巻きまわし、コイルの始点（●印）が対角線上（コアに対する巻き方向は同じ）になるように構成したものがある。この場合は、磁界Ｂに対しては影響を少なくできるが、磁界Ａに対しては影響を無くすことはできない。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、コアに開閉部を設けたとしても、あらゆる方向からの外部磁界の影響を最小限に抑え、電力線の絶縁劣化を正確に検出できるカレントトランスを提供することを目的とする。

本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、電力線と大地間を接続する接地線に低周波電圧を注入する注入トランスと、環状のコア、及び該コアの対向する位置に夫々二次側コイルを巻き回し該コアを貫通する接地線に帰還する低周波電流を検出するカレントトランスと、を備えた絶縁監視装置であって、重ねて配置した少なくとも２つの前記カレントトランスの各コア内に前記接地線を貫通配置し、且つ、各カレントトランスの前記二次側コイルの巻線方向と接続関係が外部磁界により該コイルに誘起する電流を打ち消すように設定されていることを特徴とする。
注入トランスにより低周波を電力線に注入する低周波重畳方式は、低周波の電流をカレントトランスにより検出して、その電流変化量から絶縁劣化の有無を判断している。しかし、開閉部を有するカレントトランスでは、コイルを２分割して特定の方向からの磁界の影響を押さえることはできるが、全方向の磁界の影響を抑えることはできない。そこで本発明では、重ねて配置した少なくとも２つのカレントトランスの各コア内に接地線を貫通配置し、且つ、各カレントトランスの二次側コイルの配列方向及びこれらの接続が外部磁界により生ずる電流が相殺されるように配置する。これにより、全方向からの外部磁界の影響を低減することができる。

請求項２は、重ねて配置した少なくとも２つの前記カレントトランスの各コア内に前記接地線を貫通配置し、且つ、各カレントトランスの二次側コイルが互いに９０°乃至１８０°の位置関係になるように配置することを特徴とする。
１つのカレントトランスでは、コイルの軸方向からの外部磁界の影響を低減することができるが、コイルの軸方向と直交する方向からの外部磁界の影響を低減することはできない。そこで本発明では、対向するコイルに発生する外部磁界の影響をもう一つのカレントトランスを重ねて配置することによりキャンセルする。そのとき、同一方向に２つのコイルを重ねても効果はないが、実験的にお互いのコイルの配列方向を９０°〜１８０°の範囲でずらして配置することにより、コイルの軸方向と直交する方向からの外部磁界の影響を低減することが分かった。これにより、同じ２つのカレントトランスを配列方向を変えて重ねて配置するだけで、全方向からの外部磁界の影響を低減することができる。

請求項３は、重ねて配置した少なくとも２つの前記カレントトランスを一つの筐体内に収納し、カレントトランス間の配線を筐体内で行なって一体的に構成したことを特徴とする。
全く同じ２つのカレントトランスを重ねて使用すれば全方向からの外部磁界の影響を最小限にすることができるが、夫々のコイルの距離を可能な限り近接することにより、更に外部磁界をキャンセルすることが容易となる。そこで本発明では、重ねて配置した少なくとも２つのカレントトランスを１つの筐体内に収めて一体構成にした。これにより、外部磁界のキャンセルの感度を高めると共に、設置を容易とすることができる。

請求項４は、重ねて配置した少なくとも２つの前記カレントトランスの夫々の電気特性が同一であることを特徴とする。
カレントトランスの電気的な特性は、出力電圧特性、結合係数特性、及び周波数特性で表される。これらの特性は、コアの形状、材質、及びコイルの巻き数により略決定される。そこで本発明では、できるだけこれらの特性をそろえるために、同じカレントトランスを少なくとも２つ使用する。これにより、電気特性が同一であるために、各コイルが外部磁界により生ずる電流のキャンセル量が同一となり、特性のバラツキを最小限にすることができる。

本発明によれば、重ねて配置した少なくとも２つのカレントトランスの各コア内に接地線を貫通配置し、且つ、各カレントトランスの二次側コイルの巻線方向と接続関係が外部磁界によりコイルに誘起する電流を打ち消すように設定されているので、全方向からの外部磁界の影響を低減することができる。
また、カレントトランス同士のお互いのコイルの配列方向を９０°〜１８０°の範囲でずらして配置することにより、コイルの軸方向と直交する方向からの外部磁界の影響をも低減することができ、全方向からの外部磁界の影響を低減することができる。
また、重ねて配置した少なくとも２つの前記カレントトランスを一つの筐体内に収納し、カレントトランス間の配線を筐体内で行なって一体的に構成にしたので、設置を容易とすることができる。
また、できるだけ電気特性をそろえるために、同じカレントトランスを少なくとも２つ使用することにより、夫々のコイルに外部磁界により誘起する電流の発生量が同量となって正確に相殺がなされるので、特性のバラツキを最小限にすることができる。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の絶縁監視装置１１０の構成を示す模式図である。電力線１と大地４０間に低周波電流Ｉｒを注入する一次側コイル３ｂを有する注入トランス３と、低周波電圧を発生する低周波発生装置６と、電力線１の接地線９に流れる低周波電流Ｉｒを検出するために環状のコア４ａ、５ａに巻き回した二次側コイル４ｂ、５ｂを有するカレントトランス４、５と、二次側コイル４ｂ、５ｂに起電した電圧から低周波電流Ｉｒの変化を検出する受信機７と、を備えて構成されている。
ここで、電力線１の漏洩成分は容量成分Ｃと抵抗成分Ｒから成る漏洩成分の等価回路８と表現することができる。正常時は等価回路８の絶縁抵抗の抵抗成分Ｒは所定の値以上であるため、抵抗成分により漏洩する低周波電流Ｉｇｒは所定の値以下として受信機７により検出される。しかし、絶縁劣化が進行して抵抗成分Ｒが低下すると、低周波電流Ｉｇｒは所定の値以上となり受信機７により絶縁劣化したことが検出される。更に、この絶縁監視装置１１０は、重ねて配置した少なくとも２つのカレントトランス４、５の各コア４ａ、５ａ内に接地線９を貫通配置し、且つ、各カレントトランス４、５の二次側コイル４ｂ、５ｂの配列方向が外部磁界を打ち消すように配置する（詳細は後述する）。

即ち、注入トランス３により測定用の低周波信号を接地線９に注入する低周波重畳方式は、接地線９に流れる低周波の電流をカレントトランス４、５により抽出して、所定の処理により抵抗成分を検出し、その電流変化量から絶縁劣化の有無を判断している。しかし、接地線９への取り付けを容易にするための開閉部を有するカレントトランスでは、１つのカレントトランスにおける巻き線を２箇所に分割することで特定の方向からの磁界の影響を押さえることはできるが、全方向の磁界の影響を抑えることはできない。そこで本実施形態では、重ねて配置した少なくとも２つのカレントトランス４、５の各コア４ａ、５ａ内に接地線９を貫通配置し、且つ、各カレントトランス４、５の二次側コイル４ｂ、５ｂの配列方向が外部磁界によって生ずる電流を打ち消すように配置接続する。これにより、全方向からの外部磁界の影響を低減することができる。

図２は本発明に用いるカレントトランスの配置方法を説明する図である。図２（Ａ）はカレントトランスａを上にして、カレントトランスｂを下に配置した場合の平面図であり、配置を分かりやすくするために、平面的にずらして表記している。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のように接地線９を貫通配置したときのカレントトランスを矢印Ｃ側から見た断面図である。
図２（Ａ）のように、カレントトランスａは、コ字状のコア１１に接地線９を貫通させるときに開閉部を形成する棒状のコア１４があり、コ字状のコア１１の対向するコア片に夫々コイル１３、１０を巻き回す。このとき、コイル１３の始点（●印）が＋端子に接続され、コア片に巻きまわしたコイル１３の終点を対向するコア片に巻き回されたコイル１０の始点（●印）と接続して、その終点が−端子に接続される。また、カレントトランスｂは、カレントトランスａに対して水平方向に１８０°回転して配置する。即ち、コ字状のコア１１に接地線９を貫通させるときに開閉部を形成する棒状のコア１４が、カレントトランスａのコ字状のコア１１の底辺に重なるように配置される。そして、コ字状のコア１１の対向するコア片に巻き回されたコイル１３がカレントトランスａのコイル１０に重なり、コ字状のコア１１の対向するコア片に巻き回されたコイル１０がカレントトランスａのコイル１３に重なるように配置される。このとき、カレントトランスｂのコイル１３の始点（●印）が＋端子に接続され、コア片に巻きまわしたコイル１３の終点を対向するコア片に巻き回されたコイル１０の始点（●印）と接続して、その終点が−端子に接続される。即ち、接地線に対して全て同じ向きに巻き回されている各コイルは接地線９の周囲を周回して配置され、夫々のカレントトランスの極性（コイルの始点、終点）が同じ同士を並列に接続しているために、カレントトランスａ、ｂの各コイル１３、１０から検出される接地線９の低周波電流Ｉｒは合算され２倍の電流値で検出される。

次に図２（Ｂ）、（Ｃ）により、各方向からの外部磁界の影響がキャンセルされる理由について説明する。図２（Ｂ）は、外部からの垂直磁界の磁力線により、カレントトランスａ、ｂの夫々のコイル１０、１３には、図の矢印の向きの電流が生じる。この場合、外部からの磁界に対してコイル１０とコイル１３は、互いに巻き線方向が異なるため、逆向きの電流が生じて相殺されるので、外部磁界の影響を受けにくくなる。同様に、図２（Ｃ）は、外部からの水平磁界の磁力線により、カレントトランスａ、ｂの夫々のコイル１０、１３には、図の矢印の向きの電流が生じる。この場合、外部からの磁界に対してコイル１０とコイル１３は、互いに巻き線方向が異なるため、逆向きの電流が生じて相殺されるので、外部磁界の影響を受けにくくなる。
即ち、１つのカレントトランスでは、コイルの軸方向からの外部磁界の影響を低減することができるが、コイルの軸方向と直交する方向からの外部磁界の影響を低減することはできない。そこで本実施形態では、対向するコイルに発生する外部磁界の影響をもう一つのカレントトランスを重ねて配置することによりキャンセルする。そのとき、コイル１０とコイル１３が重なるように同一方向に２つのカレントトランスを重ねても効果はないが、実験的にお互いのコイルの配列方向を９０°〜１８０°の範囲でずらして配置することにより、コイルの軸方向と直交する方向からの外部磁界の影響を低減することが分かった（詳細は後述する）。これにより、同じカレントトランス２つを互いに配列方向を変えて配置し接続することで、全方向からの外部磁界の影響を低減することができる。

また、全く同じ２つのカレントトランスを重ねて使用することで、外部磁界の影響を大幅に抑えることができるが、カレントトランス相互のコイルの距離を可能な限り近接することにより、更に外部磁界を高精度にキャンセルすることが可能となる。そこで他の実施形態として、重ねて配置した少なくとも２つのカレントトランスを一体構成にすることにより、外部磁界のキャンセルの精度を高めると共に、設置を容易とすることができる。
また、カレントトランスの電気的な特性は、出力電圧特性、結合係数特性、及び周波数特性で表される。これらの特性は、コアの形状、材質、及びコイルの巻き数により略決定される。そこで本発明では、できるだけこれらの特性をそろえるために、同じカレントトランスを少なくとも２つ使用する。これにより、電気特性が同一であるために、外部磁界のキャンセル量が同一となり、特性のバラツキを最小限にすることができる。

図３は本発明に用いる複数コア一体型カレントトランスの実施例を示す外観図である。回路構成は、図２（Ａ）に示したものと同様となる。図３（ａ）は接地線９を開口部１２に貫通して設置した場合の平面図、図３（ｂ）は開閉部３０を開いて設置線９から取り外した場合の平面図、図３（ｃ）は２つのカレントトランスをケースに収納して一体的に構成した側面図である。同じ構成要素には図２と同じ参照番号を付して説明する。このカレントトランス４０は、コ字状のコア１１と、棒状のコア１４と、コ字状のコア１１の対向するコア片に巻き回されたコイル１０、コイル１３と、コ字状のコア１１を収容するケース２５と、棒状のコア１４を収容するケース３０と、直列接続したコイル１０及びコイル１３からの信号を導くケーブル２８と、受信機７と接続するためのコネクタ２７と、を備えて構成されている。尚、ケース３０は支点部３１を支点として図３（ｂ）のように棒状コア１４と共に開閉可能な構造を有している。また、棒状コア１４は図３（ａ）のようにケース３０が閉じられているときに、棒状コア１４がコ字状のコア１１の端部と当接するようにバネ２９等で押圧されている。また、ケース３０には閉じられたときに固定するためのロック部材２６が設けられている。

図４（ａ）は本発明のカレントトランスの特性を計測する計測条件と「方向」の定義を説明する図である。図４（ｂ）〜（ｄ）は２つのカレントトランスの配置関係を説明する図である。
まず図４（ａ）について説明する。尚、説明を簡略化するために、カレントトランス単体は図１０（ｂ）に示した如く対向するコアの２箇所にコイルが巻かれているものとし、コ字状コアをコアＡ、棒状コアをコアＢとして、磁界に対するカレントトランスの向きを特定する。測定時には擬似的な磁界を発生させるために、ケーブル４１に５０Ｈｚの電流を６０Ａ流す。そしてケーブル４１の端面からの距離ｌを変化させたときの検出電圧を測定することにより、外部からの磁界の影響の大小を測定する。「方向１」とは、コアＡを上側とし、コアＢを下側にしたときのコアＡの長手方向がケーブル４１と平行になった方向を言う。「方向２」とは、「方向１」の状態から９０°回転してコアＡの短手方向がケーブル４１と平行になった方向を言う。「方向３」とは、「方向１」の状態から９０°倒してコアＢの長手方向がケーブル４１と平行になった方向を言う。「方向４」とは、「方向３」の状態から９０°起こしてコアＢの短手方向がケーブル４１と平行になった方向を言う。

次に図４（ｂ）〜（ｄ）について説明する。説明を簡略化するために、２つのカレントトランスをトランスａ、トランスｂとする。そしてトランスａのコ字状コアをコアａ−Ａ、棒状コアをコアａ−Ｂとし、トランスｂのコ字状コアをコアｂ−Ａ、棒状コアをコアｂ−Ｂとする。「２個０°」とは図４（ｂ）のようにトランスａとトランスｂの全てのコアが同一方向を向いていることを言う。「２個１８０°」とは、トランスａに対してトランスｂが１８０°回転してトランスａのコアａ−Ａとトランスｂのコアｂ−Ａが上下逆転している方向を言う。「２個９０°」とは、トランスａに対してトランスｂが９０°回転してトランスａのコアａ−Ａとトランスｂのコアｂ−Ａが直交している方向を言う。

図５〜図８は図４の測定方法により測定した結果を示す図である。縦軸に被測定カレントトランスから検出された検出電圧（ｍＶ）を表し、横軸はケーブル４１からの距離（ｍｍ）を表している。図５は比較のために図４（ａ）に示した各方向におけるカレントトランス単体の磁界影響特性図を示す。この図から「方向４」の特性４５が最も磁界の影響を受けやすく、つぎに「方向２」の特性４６が磁界の影響を受けやすいのが分かる。従って、カレントトランス単体では、「方向４」と「方向２」において磁界の影響を大きく受けてしまうことが分かる。例えば、ｌ＝１００ｍｍの距離では、方向１は約３ｍＶ、方向２は約１１ｍＶ、方向３は約２ｍＶ、方向４は約２６ｍＶとなる。
図６は図４（ｂ）に対応する「２個０°」の場合の特性図である。この場合は、図５の単体の場合より「方向４」の特性６０と、「方向２」の特性６１は若干良くなるが、「方向１」の特性６２と「方向３」の特性６３は殆ど変化がないのが分かる。この結果、２つのコイルが同じ方向を向いてる場合は、カレントトランス単体と同様に「方向Ａ」と「方向２」の磁界関係においては、殆ど磁界の影響をキャンセルできないことを示している。

図７は図４（ｄ）に対応する「２個９０°」の場合の特性図である。この場合は、図５の単体の場合より「方向４」の特性６４と、「方向２」の特性６５は大幅に改善され、「方向１」の特性６６と「方向３」の特性６７は図６の「２個０°」の場合に比べて若干悪くなるがｌ＝１００ｍｍの距離では殆ど変化がないのが分かる。例えば、ｌ＝１００ｍｍの距離では、方向１は約７ｍＶ、方向２は約１１ｍＶ、方向３は約２ｍＶ、方向４は約３ｍＶとなる。この結果、２つのコイルが９０°ずれただけでも、「方向１」〜「方向４」の何れの磁界関係であっても磁界の影響をキャンセルする効果が現れていることを示している。
図８は図４（ｃ）に対応する「２個１８０°」の場合の特性図である。この場合は、図７の特性に比べて更に全体的に改善されているのが分かる。特に「方向４」の特性７１と「方向１」の特性７３が図７の特性に比べて大幅に改善されている。例えば、ｌ＝１００ｍｍの距離では、方向１〜方向４の全てが略０ｍＶとなる。この結果、２つのコイルが１８０°の位置関係のとき最も磁界をキャンセルする効果が大きいことが分かる。

本発明の絶縁監視装置１１０の構成を示す模式図である。 （Ａ）はカレントトランスａを上にして、カレントトランスｂを下に配置した場合の平面図、（Ｂ）は（Ａ）のように配置したカレントトランスに外部からの垂直磁界の影響を説明する図、（Ｃ）は（Ａ）のように配置したカレントトランスに外部からの水平磁界の影響を説明する図である。 （ａ）は接地線９を開口部１２に貫通して設置した場合の図、（ｂ）は開閉部３０を開いて設置線９から取り外した場合の図、（ｃ）は２つのカレントトランスをケースに一体的に構成した図である。 （ａ）は本発明のカレントトランスの特性を計測する計測条件と「方向」の定義を説明する図、（ｂ）〜（ｄ）は２つのカレントトランスの配置関係を説明する図である。 比較のためのカレントトランス単体の特性図である。 「２個０°」の場合の特性図である。 「２個９０°」の場合の特性図である。 「２個１８０°」の場合の特性図である。 従来の低圧電路の絶縁監視装置の構成図である。 （ａ）は従来のカレントトランスに巻き回したコイルの図、（ｂ）は外部磁界の影響を低減するコイルの巻き方を示す図である。

符号の説明

１ 電力線、３ 注入トランス、３ｂ二次側コイル、４、５ カレントトランス、４ａ、５ａ 環状のコア、４ｂ、５ｂ 二次側コイル、６ 低周波発生装置、７ 受信機、９ 接地線、４０ 大地、Ｉｒ 低周波電流、１１０ 絶縁監視装置

Claims (4)

1. 電力線と大地間を接続する接地線に低周波電圧を注入する注入トランスと、環状のコア、及び該コアの対向する位置に夫々二次側コイルを巻き回し該コアを貫通する接地線に帰還する低周波電流を検出するカレントトランスと、を備えた絶縁監視装置であって、
   重ねて配置した少なくとも２つの前記カレントトランスの各コア内に前記接地線を貫通配置し、且つ、各カレントトランスの前記二次側コイルの巻線方向と接続関係が外部磁界により該コイルに誘起する電流を打ち消すように設定されていることを特徴とする絶縁監視装置。
2. 重ねて配置した少なくとも２つの前記カレントトランスの各コア内に前記接地線を貫通配置し、且つ、各カレントトランスの二次側コイルが互いに９０°乃至１８０°の位置関係になるように配置することを特徴とする請求項１に記載の絶縁監視装置。
3. 重ねて配置した少なくとも２つの前記カレントトランスを一つの筐体内に収納し、カレントトランス間の配線を筐体内で行なって一体的に構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の絶縁監視装置。
4. 重ねて配置した少なくとも２つの前記カレントトランスの夫々の電気特性が同一であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の絶縁監視装置。

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