JP2013036884A - 絶縁監視方法及び絶縁監視装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】低周波数の監視信号を配電用電路に重畳したときに接地線を流れる漏洩電流を検出し、抵抗成分電流及び容量成分電流をそれぞれ分離・抽出して抵抗成分電流の大きさから電路の絶縁劣化状態を監視する方法において、接地線を流れる漏洩電流の商用周波数成分及び接地線の電圧の商用周波数成分をアナログフィルタによりそれぞれ除去して漏洩電流及び電圧の監視信号周波数成分を抽出し、これらの監視信号周波数成分をディジタル信号に変換してディジタルフィルタ処理すると共に、その出力を用いて監視信号周波数成分の有効分及び無効分をそれぞれ求め、有効分を抵抗成分電流とし、無効分を容量成分電流として電路の絶縁劣化状態を監視する。
【選択図】図1
Description
特許文献2には、電路に注入した低周波数の監視信号と同一周波数の漏洩電流を検出して抵抗成分電流、容量成分電流を分離・抽出し、これら各成分と監視信号電圧等を用いて生成した抑圧電流によって各成分を打ち消すことにより、抵抗成分電流を打ち消すのに要した抑圧量を絶縁抵抗値として検出する絶縁監視装置が記載されている。
特許文献3には、低周波数の監視信号と同一周波数成分の漏洩電流を検出する際の検出信号レベルや零相変流器(ZCT)の特性を改善するために、零相変流器の一次側に監視信号とは異なる周波数の補正用信号を重畳し、零相変流器の二次側から検出した補正用信号の変化分により検出信号を補正するようにした絶縁状態監視装置が記載されている。
ここで、図4は、特許文献4に記載された絶縁監視装置のブロック図であり、1は変圧器、2は負荷、3,5は変圧器1の二次側電路、4はB種接地線、10は絶縁監視装置、30は重畳変成器、50はZCT、Cは電路の対地静電容量、Rは対地絶縁抵抗である。
基準信号Bは、抑圧信号生成部80に送られると共に、同期信号生成部70にも入力されて同期信号Sが演算処理部90に送られる。
抑圧信号生成部80では、演算処理部90から出力される容量成分電流Igcに基づき基準信号Bの振幅を調整すると共に、抑圧電流信号PをZCT50の抑圧部に逆位相で加えることにより、測定信号M中の容量成分電流Igcが磁気的に相殺されるようにフィードバック制御する。
このため、演算処理部90では、容量成分電流Igcが充分に抑圧された状態の測定信号Mを用いて演算を行うことにより、監視信号の周波数を有する抵抗成分電流Igrのみを高精度に求めることが可能になる。なお、図4において、101は表示部、102は操作部、103は警報出力部である。
すなわち、電路定格電圧の周波数(商用周波数)が50[Hz]、実効値が200[V]、電路の静電容量が1[μF]、電路の絶縁抵抗が1[MΩ]、監視信号の周波数が20[Hz]、実効値が0.5[V]の場合、
(1)漏洩電流における商用周波数成分:
抵抗成分電流……200[V]/1[MΩ]=0.2[mA]
容量成分電流……200[V]/{1/(2・π・50[Hz]・1×10−6)}=62.83[mA]
(2)漏洩電流における監視信号周波数成分:
抵抗成分電流……0.5[V]/1[MΩ]=0.5[μA]
容量成分電流……0.5[V]/{1/(2・π・20[Hz]・1×10−6)}=62.83[μA]
となる。
更に、漏洩電流における監視信号周波数成分だけに着目した場合、抵抗成分電流と容量成分電流との比は1対100であり、求めたい抵抗成分電流を精度良く検出するためには、容量成分電流を確実に除去することも大きな課題である。
これらを実現するためには、ハードウェアとソフトウェアとを適宜組み合わせて抵抗成分電流を高精度に検出することが必要であり、前述した特許文献1〜4でも、各種のフィルタやフーリエ変換処理によって課題の解決を図っている。
また、抽出または除去する周波数成分に対しては、波形をその周波数の数倍の周波数でサンプリングするため、ある程度の細かいサンプリング周期と周辺周波数の影響を抑制するための時間幅とが必要になり、結果として数100から数1000点のデータを蓄積しなくてはならず、大容量のメモリを用意する必要がある。
前記接地線を流れる漏洩電流の商用周波数成分及び前記接地線の電圧の商用周波数成分をアナログフィルタによりそれぞれ除去して前記漏洩電流及び電圧の監視信号周波数成分を抽出し、これらの監視信号周波数成分をディジタル信号に変換してディジタルフィルタ処理すると共に、演算処理手段のディジタル演算により、前記ディジタルフィルタの出力を用いて前記監視信号周波数成分の有効分及び無効分をそれぞれ求め、前記有効分を前記抵抗成分電流とし、前記無効分を前記容量成分電流として同定するものである。
前記監視信号を前記電路に重畳したときに前記電路の接地線を流れる漏洩電流を検出する手段と、
検出した前記漏洩電流から商用周波数成分を除去すると共に、前記漏洩電流の成分として、前記監視信号の周波数を有し、かつ、前記電路の対地絶縁抵抗に相当する抵抗成分電流及び前記電路の対地静電容量に相当する容量成分電流をそれぞれ分離して抽出する分離・抽出手段と、を備え、
抽出した前記抵抗成分電流の大きさに基づいて前記電路の絶縁劣化状態を監視する絶縁監視装置において、
前記分離・抽出手段を、
前記接地線を流れる漏洩電流の商用周波数成分及び前記接地線の電圧の商用周波数成分をそれぞれ除去するアナログフィルタと、
前記アナログフィルタの出力をディジタル信号に変換するAD変換手段と、
前記AD変換手段の出力をディジタル演算処理して前記漏洩電流及び電圧の監視信号周波数成分を抽出するディジタルフィルタと、
前記ディジタルフィルタの出力から前記監視信号周波数成分の有効分及び無効分をそれぞれ求める有効分演算手段及び無効分演算手段と、により構成し、
前記有効分を前記抵抗成分電流とし、前記無効分を前記容量成分電流として同定するものである。
前記監視信号周波数成分の有効分として同定された前記抵抗成分電流と前記抵抗分試験電流との合計値を前記電路から検出し、前記合計値を所定の絶縁監視レベルと比較して監視動作の良否を試験するものである。
このため、大容量のメモリが不要であり、コストの低減が可能であると共に、応答性の向上にも寄与する。
また、漏洩電流から容量電流成分を十分に抑制して目的とする抵抗成分電流のみから監視信号周波数成分を抽出しているので、AD変換手段への入力信号のフルスケールを最大限小さくすることができ、絶縁劣化状態の指標としての抵抗成分電流を高精度に算出することができる。
更に、抽出した抵抗成分電流に抵抗分試験電流を重畳して電路に注入し、これらの合計値が所定の絶縁監視レベルを超えた時に実際の監視出力が得られるか否かを検出することにより、絶縁監視装置としての監視動作の良否や監視精度の良否を確認することが可能になる。
図1は、この実施形態の構成を示すブロック図である。図1において、一次側電路が配電系統に接続された変圧器1の二次側電路3,5には、負荷2が接続されている。
電路3にはB種接地線4が接続されており、本実施形態に係る絶縁監視装置は、B種接地線4に商用周波数より低い周波数の絶縁監視信号を重畳したときに電路3,5及び接地電位Ed,Ebを介して還流する漏洩電流から抵抗成分電流Igrを抽出し、その大きさに基づいて電路(電路に接続された負荷を含む)の絶縁劣化状態を監視するものである。
CPU210内の第1の波形生成手段211により生成された監視信号データは、D/A変換器221によりアナログ信号に変換される。このアナログ信号は、バンドパスフィルタ(BPF)222によりスムージングされて低周波数(例えば20[Hz])の絶縁監視信号となり、重畳変成器30を介してB種接地線4に注入される。
ここで、LPF223,226は、測定した電流・電圧から高調波を除去するためのものである。
また、BPF224,227は、LPF223,226の出力から商用周波数成分をそれぞれ除去するために、監視信号の周波数をカットオフ周波数として商用周波数成分を−60〜−80[dB]程度まで低減し、通過させる監視信号周波数成分よりも低いレベルにするものであり、商用周波数成分を従来の1/1000〜1/10000程度まで減少させる。なお、商用周波数成分を除去するには、通常のアクティブフィルタ(BPF,LPF,HPFなど)を多段で用いるか、または、特許文献4に記載されているSCFを用いてもよい。
なお、これらの数式において、Vneは基準電圧の瞬時値、I0は漏洩電流(=Ig)、nは現在のサンプリング時点、n−90°は電気角で90°前のサンプリング時点である。
[数1]
Igr(n)={Vne(n)・I0(n)+Vne(n-90°)・I0(n-90°) }/√{Vne(n)2+Vne(n-90°) 2}
[数2]
Igc(n)={Vne(n)・I0(n-90°)-Vne(n-90°)・I0(n) }/√{Vne(n)2+Vne(n-90°) 2}
有効分演算手段216により算出された抵抗成分電流Igrは、監視対象である電路の絶縁劣化状態を示しており、その値は表示部240によりディジタル表示されると共に、所定の絶縁監視レベルを超えた場合には監視出力部250を動作させて接点出力や警報出力を行わせる。
ここで、BPF232は、前記BPF222と同様に、DA変換後の波形をスムージングする機能を有する。なお、DA変換器231(DA変換器221も同様)の代わりに、波形生成手段217(及び波形生成手段211)の出力波形を方形波としてBPF232(及びBPF222)に与えても良い。
これにより、B種接地線4には、容量成分電流Igcが打ち消される結果、有効分演算手段216により検出した抵抗成分Igrと試験信号生成手段218により生成した抵抗分試験電流Igr’との合計値のみが流れることになる。従って、抵抗分試験電流Igr’の値を、監視出力部250における絶縁監視レベルと有効分演算手段216により検出した抵抗成分電流Igrとの差以上に設定したときの監視出力部250の動作の有無を検出することで、絶縁監視機能の良否、すなわち動作確認を行うことができる。
この場合、監視出力部250が動作して接点出力等が行われることとなるが、試験信号生成手段218を用いた試験時には、監視出力部250の出力をロックする等の設定を追加することで、運用状態に支障なく装置の動作確認が可能になる。
このため、図1における増幅器228のゲインを所定値に選んでAD変換器230に入力することにより、AD変換のフルスケールを抵抗成分電流Igrの計測最大値付近まで小さくすることができ、結果として抵抗成分電流Igrの検出精度を向上させることができる。
例えば、監視信号の周波数が20[Hz]であれば、次の数式3,数式4で表される演算式のFIRフィルタを用いることにより、漏洩電流の商用周波数成分を完全に除去することができる。
[数3](商用周波数が50[Hz]の場合)
I(n)=i(n)+i(n−72°)
[数4](商用周波数が60[Hz]の場合)
I(n)=i(n)+i(n−60°)
これらの数式において、nは現在のサンプリング時点であり、「n−72°」,「n−60°」は、それぞれ電気角で72°前,60°前のサンプリング時点を示している。
上述した72°,60°という値は監視信号周波数によって変わるが、この位相角θは、θ=180°/(商用周波数/監視信号周波数)という一般式で表現することができ、ここで求められた位相角を基準にして数倍のサンプリング間隔でAD変換を行えば、FIRフィルタによる演算を容易に行うことができる。
2:負荷
3,5:二次側電路
4:B種接地線
30:重畳変成器
50:零相変流器(ZCT)
200:絶縁監視装置本体
210:CPU
211,217:波形生成手段
212,213,214:有限インパルス応答フィルタ(FIRフィルタ)
215:有効分演算手段
216:無効分演算手段
218:試験信号生成手段
221,231:D/A変換器
222,224,227,232:バンドパスフィルタ(BPF)
223,226:ローパスフィルタ(LPF)
225,229,230:A/D変換器
228:増幅器
240:表示部
250:監視出力部
C:対地静電容量
R:対地絶縁抵抗
Claims (12)
- 絶縁監視対象である活線状態の配電用電路に商用周波数より低い周波数の監視信号を重畳したときに前記電路の接地線を流れる漏洩電流を検出し、前記漏洩電流の成分として、前記監視信号の周波数を有し、かつ、前記電路の対地絶縁抵抗に相当する抵抗成分電流及び前記電路の対地静電容量に相当する容量成分電流をそれぞれ分離・抽出し、抽出した前記抵抗成分電流の大きさに基づいて前記電路の絶縁劣化状態を監視する絶縁監視方法において、
前記接地線を流れる漏洩電流の商用周波数成分及び前記接地線の電圧の商用周波数成分をアナログフィルタによりそれぞれ除去して前記漏洩電流及び電圧の監視信号周波数成分を抽出し、これらの監視信号周波数成分をディジタル信号に変換してディジタルフィルタ処理すると共に、演算処理手段のディジタル演算により、前記ディジタルフィルタの出力を用いて前記監視信号周波数成分の有効分及び無効分をそれぞれ求め、前記有効分を前記抵抗成分電流とし、前記無効分を前記容量成分電流として同定することを特徴とする絶縁監視方法。 - 請求項1に記載した絶縁監視方法において、
同定された前記容量成分電流に対し、大きさが同じで逆位相の抑制電流を前記演算処理手段にて生成し、この抑制電流を前記電路に注入することにより、前記容量成分電流を打ち消すことを特徴とする絶縁監視方法。 - 請求項2に記載した絶縁監視方法において、
前記抑制電流と前記演算処理手段が生成した抵抗分試験電流とをベクトル加算して前記電路に注入することにより、前記容量成分電流を打ち消すと共に、前記抵抗分試験電流と前記抵抗成分電流との合計値を所定の絶縁監視レベルと比較して監視動作の良否を試験することを特徴とする絶縁監視方法。 - 請求項2に記載した絶縁監視方法において、
前記抑制電流と前記演算処理手段が生成した抵抗分試験電流とをベクトル加算して前記電路に注入することにより、前記容量成分電流を打ち消すと共に、前記抵抗分試験電流と前記抵抗成分電流との合計値を所定の絶縁監視レベルと比較して監視精度の良否を判定することを特徴とする絶縁監視方法。 - 請求項3または4に記載した絶縁監視方法において、
前記抵抗分試験電流と前記抵抗成分電流との合計値が所定の絶縁監視レベルを上回ったときに監視出力を発生させて監視動作の良否または監視精度の良否を確認することを特徴とする絶縁監視方法。 - 絶縁監視対象である活線状態の配電用電路に商用周波数より低い周波数の監視信号を重畳する手段と、
前記監視信号を前記電路に重畳したときに前記電路の接地線を流れる漏洩電流を検出する手段と、
検出した前記漏洩電流から商用周波数成分を除去すると共に、前記漏洩電流の成分として、前記監視信号の周波数を有し、かつ、前記電路の対地絶縁抵抗に相当する抵抗成分電流及び前記電路の対地静電容量に相当する容量成分電流をそれぞれ分離して抽出する分離・抽出手段と、を備え、
抽出した前記抵抗成分電流の大きさに基づいて前記電路の絶縁劣化状態を監視する絶縁監視装置において、
前記分離・抽出手段を、
前記接地線を流れる漏洩電流の商用周波数成分及び前記接地線の電圧の商用周波数成分をそれぞれ除去するアナログフィルタと、
前記アナログフィルタの出力をディジタル信号に変換するAD変換手段と、
前記AD変換手段の出力をディジタル演算処理して前記漏洩電流及び電圧の監視信号周波数成分を抽出するディジタルフィルタと、
前記ディジタルフィルタの出力から前記監視信号周波数成分の有効分及び無効分をそれぞれ求める有効分演算手段及び無効分演算手段と、により構成し、
前記有効分を前記抵抗成分電流とし、前記無効分を前記容量成分電流として同定することを特徴とする絶縁監視装置。 - 請求項6に記載した絶縁監視装置において、
同定された前記容量成分電流に対し、大きさが同じで逆位相の抑制電流を生成する手段と、
前記容量成分電流を打ち消すために前記抑制電流を前記電路に注入する手段と、
を備えたことを特徴とする絶縁監視装置。 - 請求項7に記載した絶縁監視装置において、
所定の大きさの抵抗分試験電流を生成する手段と、
前記抵抗分試験電流と前記抑制電流とをベクトル加算する手段と、
前記抵抗分試験電流と前記抑制電流とのベクトル加算結果を前記電路に注入する手段と、を備え、
前記監視信号周波数成分の有効分として同定された前記抵抗成分電流と前記抵抗分試験電流との合計値を前記電路から検出し、前記合計値を所定の絶縁監視レベルと比較して監視動作の良否を試験することを特徴とする絶縁監視装置。 - 請求項8に記載した絶縁監視装置において、
前記抵抗分試験電流と前記抑制電流とのベクトル加算結果を前記電路に注入する手段は、前記抑制電流を前記電路に注入する手段を兼用していることを特徴とする絶縁監視装置。 - 請求項6〜9のいずれか1項に記載した絶縁監視装置において、
前記抵抗成分電流と前記抵抗分試験電流との合計値が前記絶縁監視レベルを超えたときに、前記監視動作としての接点出力または警報出力をロックすることを特徴とする絶縁監視装置。 - 請求項6〜10のいずれか1項に記載した絶縁監視装置において、
前記アナログフィルタの出力側に増幅手段を設け、前記増幅手段の出力を前記AD変換手段及び前記ディジタルフィルタを介して前記有効分演算手段に入力することを特徴とする絶縁監視装置。 - 請求項6〜11のいずれか1項に記載した絶縁監視装置において、
前記ディジタルフィルタがFIRフィルタであることを特徴とする絶縁監視装置。
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