JP2010025743A - 絶縁監視装置及び絶縁監視方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】小型の筐体に、クリップ6で取得した電圧を分圧する分圧回路51と、電路から絶縁されなければならない部位に流れるIorを含んだ漏れ電流の大きさに応じた磁束密度を生じさせる磁束発生手段20,71と、分圧回路51で分圧された電圧の電圧値と磁束密度との乗算結果に比例する変動成分を持つ電圧を出力するホール素子72cと、このホール素子72cから出力される電圧のノイズその他の高周波成分を除去するフィルタ52と、フィルタ出力をA/D変換し、ディスプレイ4に表示させるための電子回路ボード5とを設けて絶縁監視装置を構成した。
【選択図】図6
Description
しかし、この絶縁監視装置では、基本波成分及び各高調波成分を抽出するためのバンドパスフィルタと、各周波数成分の電流と電圧の位相関係を求めたり、解析アルゴリズムを実行するための電子回路が不可欠となる。また、基本波成分に比較して高調波成分の含有量が非常に少ない場合には精度が劣る。これを回避するためには、基本波電圧を高精度に測定し、かつ、測定した基本波電圧に基づいて必要な次数の高調波電圧を作成しなければならず、そのための回路構成も複雑なものとなり、コストの上昇を招く。
しかし、Io絶縁検出器では、対地静電容量成分に基づく漏れ電流を除去することができない。すなわち、Io絶縁検出器で検出する漏れ電流(Io)は、絶縁抵抗の劣化に起因して流れる真の漏れ電流、すなわち絶縁抵抗分の漏れ電流(「Io」に対して「Ior」と呼ばれる場合がある)と、電路と大地との間の静電容量による漏れ電流との和(ベクトル和)となる。そのため、例えば静電容量の位相とIorの位相の状態によっては(例えば、三相の電路においてR相とT相に漏れ電流が流れている場合においてR相に絶縁不良が生じた場合)、Iorが増加しても、2つのベクトル和であるIoが小さくなる場合がある。逆に、実際には絶縁されている場合であっても静電容量による漏れ電流のためにIoを検出してしまう場合もある。そのため、検出結果の信頼性が低いという問題があった。
絶縁監視を正しく行う観点からは、Iorを検出できなければならない。
本発明は、かかる観点から、Iorを複雑な回路を使用することなく検出することにより、絶縁監視を容易且つ正しく行えるようにする技術を提供することを主たる課題とする。
本発明の絶縁監視装置は、活線状態の電路から電圧を取得する電圧取得手段と、前記電圧取得手段で取得した電圧を分圧する分圧回路と、前記電路から絶縁されなければならない部位に流れる絶縁抵抗分(Ior)を含んだ漏れ電流(Io)の大きさに応じた磁束密度を生じさせる磁束発生手段と、前記分圧回路の出力電圧と前記漏れ電流との位相差を調整可能にする位相調整回路と、この位相調整回路により前記漏れ電流との位相差が所定値に調整された前記出力電圧と前記磁束密度との乗算結果に比例する変動成分を持つ電気信号を出力する磁電変換素子と、この磁電変換素子から出力される電気信号から直流成分又は商用周波数の2倍未満の低周波成分を抽出する低域通過フィルタと、この低域通過フィルタの出力信号を前記電路と前記部位との絶縁状態を表す定量値として出力する出力回路とを有するものである。
前記絶縁されなければならない部位に流れる絶縁抵抗分を含んだ漏れ電流は、例えばトランスの一端子と大地(アース)とを結ぶB種接地線に流れる電流である。
この絶縁監視方法において、ホール素子の駆動源を簡略にする観点からは、活線状態の前記電路から電圧を取得し、取得した電圧を分圧した後、前記漏れ電流との位相差を所定値に調整した分圧電圧を前記駆動用電圧として前記入力部に供給するようにする。
図4は、本発明の第1実施形態による絶縁監視装置の外観図であり、携帯性計測器型として実施する場合の例を示すものである。
この形態の絶縁監視装置は、携行可能なサイズの筐体1と、この筐体1の所定部位に設けられるクランプCT(CTはCurrent Transformerの略、以下同じ)2と、筐体1の表面に設けられる操作盤3及びディスプレイ4と、筐体1に内蔵される電子回路ボード5と、1対のクリップ6とを備えている。筐体1には、クランプCT2を開閉させるための開閉機構10も設けられている。電子回路ボード5には、分圧回路51、LPF(ロー・パス・フィルタの略、低域通過フィルタ。以下同じ)52及びA/D(アナログ/デジタルの略。以下同じ)変換回路53が実装されている。
なお、S相端子1cは使用しないが、本実施形態では、全体の漏れ電流から2つの端子間電圧と同相となる分、あるいは残りの1つの端子間電圧を90度遅らせた位相と同相となる分を検出することにより、絶縁抵抗分の漏れ電流を計測するので、クリップ6を接続する端子は、上記のほか、T相端子11aとS相端子11c、R相端子11bとS相端子11cのいずれかを選ぶこともできる。
電流駆動方式では、ホール素子2bを構成する半導体の受感部の厚さをd、入力制御電流をI、外部から作用される磁界密度をB、半導体のホール係数をRHとすると、(RH/d)・I・Bにより、出力電圧VHを得る。
次に、LPF52の必要理由とその動作を説明する。
ホール素子2bを正弦波の定電圧で駆動させる場合(電圧駆動方式)、正弦波の瞬時値eは、実効値をEmとすると、e=√2 Em・sinωtで表すことができる。電路の大地間を流れる漏れ電流には、絶縁抵抗分による電流と静電容量分による電流とがあることは、上述した通りである。以下、絶縁抵抗分の漏れ電流をir、静電容量分の漏れ電流をicとする。
ir=√2 Irm・sinωtで表すことができる。
この漏れ電流irによって鉄心2a内に磁束が生じ、ホール素子2bの受感部に、磁束密度Br(=k1・ir)の磁束が作用する。k1は鉄心のギャップで決まる定数である。
ic=√2 Icm・sin[ω+(π/2)]・t
この漏れ電流icによって、ホール素子2bの受感部に磁束密度Bc(=k1・ic)の磁束が作用する。よって、ホール素子2bの受感部に作用する磁束密度Bは、次式より得られる。
Emは被測定電路電圧によって決まり、分圧電圧51の出力電圧は、ほぼ固定値となるので、絶縁抵抗分の漏れ電流の振幅Irmは一意に求めることができる。1サイクルの平均値を求めるためには、2f以上の周波数成分を除去すればよいので、LPF52でこれらの周波数成分を除去し、直流成分又は低周波成分を抽出するようにする。これにより、静電容量分の漏れ電流icは除去される。
このように、LPF52は、静電容量分の漏れ電流icに影響されずに、絶縁抵抗分の漏れ電流irだけを計測するためには必須となる。
なお、LPF52は、商用周波数の高調波次数に応じた成分を抽出したり、除去したりする従来のフィルタに比べて簡易な構成で足り、製品の低コスト化が図れる点で、格段に有利となる。
ホール素子は、提供メーカのデータによれば、例えば駆動電圧1[V]、磁束密度50[mT]のときの出力電圧は、200m[V]となる。第1実施形態の場合、例えばギャップを1[mm]空けた鉄心2aにホール素子2bを入れ、B種接地線11dの絶縁管理上必要な一次電流1[mA]を精度よく検出しようとすると、0.01[mA]オーダの検出(計測)精度が必要になる。実測結果によると、鉄心2aの窓内に0.01[mA]の電流が流れた場合にギャップ内で発生する磁束密度Bは、ほぼ13[nT]となる。このとき出力電圧VHは、約52[nV]となる。この程度の出力電圧VHではノイズの影響を受けやすい。従って、一般的な鉄心2aのギャップにホール素子を挿入しての0.01[mA]オーダの電流計測は、困難になる場合がある。そこで、第2実施形態では、より微小電流を検出できるようにし、且つ、ノイズの影響を受けにくくした絶縁監視装置の例を説明する。
この実施形態の絶縁監視装置は、その外観は、図4に示したものと同じであるが、クランプCT2の内部に、第1実施形態で示した分割CTに代えて、より大きな出力電圧を得ることができる閉磁路のCT20を設けた点が、まず異なる。
分圧回路73は、クリップ6で取り込んだ電圧を単純に分圧するだけの回路構成とし、位相調整は電流側で行うようにした点が第1実施形態と異なる。
図8は、第2実施形態の絶縁監視装置と、本出願人による既存計測器とを同じ条件下で用いて実際に漏れ電流を計測したときの結果を示した図表である。既存計測器では、B種接地線11dに流れる漏れ電流を計測し、その結果を図8に「一次電流値」として示した。第2実施形態の電流計測器は、B種接地線11dにCT20を挟み込み、このCT20の「窓」に流れる電流を計測した。共に、絶縁抵抗分の漏れ電流(図8の「R」成分)と静電容量分の漏れ電流(図8の「C」成分)とを切替えて、計測結果をプロットした。図9は、図8をグラフ化した図である。
次に、本発明を、例えば分電盤の空きスペース等に組み込むことのできる常時監視型の絶縁監視装置として実施する場合の形態例を説明する。図10は、この実施形態の絶縁監視装置の外観図である。絶縁監視装置は、筐体30と、この筐体30を分電盤に取り付けるための取付板30aとを有する。筐体30の内部には、第1実施形態で説明した電子回路ボード5又は第2実施形態で説明した電子回路ボード7が内蔵される。筐体30には、第1又は第2実施形態で説明したものと同じ構成の操作盤33及びディスプレイ34が設けられており、さらに、CT32及び圧着端子36が適宜接続可能になっている。CT32の出力は、筐体30の入力端子CTinに接続され、圧着端子36で取得した電圧は、筐体30の入力端子Vinに接続される。動作は、第1及び第2実施形態で説明したものと同じである。
この実施形態でも、監視対象となる電路の絶縁状態を表す電気信号(ホール素子2b,72bの出力からLPF52でノイズ除去した信号)が、簡易な構成により得られるので、筐体30の小型化が可能になり、取付場所を選ばないサイズの常時監視型の絶縁監視装置を実現することができる。
以上、複数の実施形態により本発明の絶縁監視装置について説明したが、本発明の実施の態様は、上述した例に限定されない。種々の変化態様での実施が可能である。
例えば、上記各実施の形態例では、クリップ6,圧着端子36は2つである場合の例を説明したが、1つのみ、あるいは3つであってもよい。3つの場合は、3相のすべての相から電圧を取り込むことになる。
また、本発明では、ホール素子が、電流の大きさに応じてその密度が変わる磁束と電圧との乗算結果に比例する変動成分を持つ電気信号を出力するという性質を利用するものなので、必ずしもホール素子に限らず、このような性質を有する他の磁電変換素子を使用することもできる。
また、第1実施形態で用いた分割型CT2、第2実施形態で用いたCT20に代えて、ZCT(零相変流器)を用いることもできる。
2・・・クランプCT
2b,72c・・・ホール素子
3,33・・・表示盤
4,34・・・ディスプレイ
5,7・・・電子回路ボード
6・・・クリップ
10・・・開閉機構
11・・・三相トランス
11a〜11c・・・端子
11d・・・B種接地線
20a,72a・・・鉄心(コア)
20b,72b・・・コイル
32・・・CT
36・・・圧着端子
51,73・・・分圧回路
52・・・LPF
53・・・A/D変換回路
71・・・バッファ回路
72・・・ホール素子内蔵ギャップ付鉄心(補助CT)
Claims (5)
- 活線状態の電路から電圧を取得する電圧取得手段と、
前記電圧取得手段で取得した電圧を分圧する分圧回路と、
前記電路から絶縁されなければならない部位に流れる絶縁抵抗分を含んだ漏れ電流の大きさに応じた磁束密度を生じさせる磁束発生手段と、
前記分圧回路の出力電圧と前記漏れ電流との位相差を調整可能にする位相調整回路と、
この位相調整回路により前記漏れ電流との位相差が所定値に調整された前記出力電圧と前記磁束密度との乗算結果に比例する変動成分を持つ電気信号を出力する磁電変換素子と、
この磁電変換素子から出力される電気信号から直流成分又は商用周波数の2倍未満の低周波成分を抽出する低域通過フィルタと、
この低域通過フィルタの出力信号を前記電路と前記部位との絶縁状態を表す定量値として出力する出力回路とを有する、
絶縁監視装置。 - 前記磁電変換素子は、受感部、入力部及び出力部を有するホール素子であり、前記入力部に前記分圧回路で分圧された電圧又は所定の定電流源から出力される電流を供給し、前記受感部に前記磁束密度の磁束を作用させることにより、前記出力部から、前記分圧された電圧又は前記電流の値と、前記磁束密度との乗算結果に比例する変動成分を持つ電気信号を出力する、
請求項1記載の絶縁監視装置。 - 前記磁束発生手段は、前記接地線に流れる電流を検出する変流器と、この変流器の出力を増大させる増幅回路と、この増幅回路の出力の変動を抑制する変動抑制回路と、この変動抑制回路の出力を供給することにより磁束を発生させるギャップ付鉄心とを含んで構成されており、前記ホール素子は、前記ギャップ付鉄心のギャップに埋め込まれており、前記位相調整回路は、前記変流器の出力に対する前記ギャップ付鉄心に加えられる起磁力の位相を調整可能にする、
請求項2記載の絶縁監視装置。 - 受感部、入力部及び出力部を有するホール素子と低域通過フィルタとを用いた絶縁監視方法であって、
前記入力部に当該ホール素子の駆動用電圧又は駆動用電流を供給するとともに、監視対象となる電路から絶縁されなければならない部位に流れる絶縁抵抗分を含む漏れ電流の大きさに応じた磁束密度を生じさせ、この磁束密度の磁束を前記受感部に作用させることにより、前記出力部から前記駆動用電圧又は前記駆動用電流の値と前記磁束密度との乗算結果に比例する変動成分を持つ電気信号を出力させ、さらに、この電気信号から直流成分又は商用周波数の2倍未満の低周波成分を前記低域通過フィルタで抽出し、抽出した信号を前記電路と前記部位との絶縁状態を表す定量値とすることを特徴とする、
絶縁監視方法。 - 活線状態の前記電路から電圧を取得し、取得した電圧を分圧した後、前記漏れ電流との位相差を所定値に調整した分圧電圧を前記駆動用電圧として前記入力部に供給する、
請求項4記載の絶縁監視方法。
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