JP5275069B2 - 非接地系交流回路における直流・交流回路地絡検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、工場変圧器などの主変圧器二次側の非接地系交流回路に整流器を介して直流回路を接続した非接地系交流回路における直流・交流回路地絡検出方法に関する。

一次側配電線路の三相交流を電力需要家の主変圧器で変圧し、三相整流器で整流して直流負荷に給電する交直配電系統は、主変圧器二次側に非接地系交流回路を備える。非接地系交流回路は、非接地三相交流回路、この非接地三相交流回路に準じる高抵抗接地三相交流回路である。非接地系交流回路に三相整流器を介して接続される直流回路に直流負荷が設置される。このような交直配電系統においては、交流回路側を非接地系にすることで、交流側地絡の事故電流を小さく抑制する。また、通常は交流回路側に交流地絡を検出する交流地絡センサが常設され、この交流地絡センサは等価的に高抵抗を挿入した状態で接地されている。また、直流回路側には必要に応じて直流地絡を検出する直流地絡センサ（例えば、特許文献１参照）が配設される。

図５に示す交直配電系統は、主変圧器１の二次側の非接地系交流回路１０に交流地絡センサ４０を設置し、直流回路３０に直流地絡センサ７０を設置している。交流回路１０の三相三線それぞれに遮断器１１が介挿され、三相三線それぞれは対地静電容量Ｃｏを有する。交流回路１０にダイオードブリッジの三相整流器２０を介し直流回路３０を接続し、直流回路３０の正極端子３１と負極端子３２に直流負荷３３を接続する。

交流地絡センサ４０は、図５に示す零相変圧器（ＥＶＴ）を使用した様式と、図示しない零相電圧分圧器（ＺＰＤ）を使用した様式が一般的である。図５の交流地絡センサ４０は、主変圧器１の二次側三相三線に接続した零相変圧器（ＥＶＴ）４１と、零相変圧器４１の中性点接地線４２に流れる零相電流を検出する零相変流器（ＺＣＴ）４３を備えるが、いずれか一方を備えればよい。零相変圧器４１の一次側がＥＶＴ保護ヒューズＦを介して主変圧器二次側に接続される。零相変圧器４１の三次側に交流電流制限抵抗４５を介して交流地絡継電器４６が接続される。交流回路１０のいずれか一端子に地絡事故が発生すると、零相変圧器４１の中性点接地線４２に零相電流Ｉｏが流れ、これを零相変流器４３に接続された地絡継電器４４が検出する。地絡継電器４４は、零相電流Ｉｏを検出すると、交流地絡発生のアラーム等の表示を行い、必要に応じて遮断器１１を開いて交流回路１０を保護する。又は、地絡継電器４６が零相電圧Ｖｏを検出して、交流回路１０を保護する。地絡継電器４６の交流電流制限抵抗４５は、零相変圧器４１に流れる零相電流Ｉｏを抑制して、零相変圧器４１の過負荷を防止する。

直流回路３０は、三相整流器２０で整流された直流電圧を平滑する平滑リアクトル３４と平滑コンデンサ３５を備える。平滑コンデンサ３５に並列的に直流地絡センサ７０が設置される。直流地絡センサ７０は、直流回路３０の正極側または負極側で地絡した直流地絡電流Ｉｄｇを検出する地絡検出器と、この地絡検出器の地絡電流検出信号に基づいてアラームを発生させ、必要に応じて直流回路を開回路に制御する駆動制御器を備える。直流地絡センサ７０が直流地絡電流Ｉｄｇを検出して、直流回路３０を開回路に制御すると、直流地絡電流が無くなり、直流回路３０が自己の地絡事故から保護されると共に、交流回路１０への波及が防止される。

特開２００５−１３７０９５号公報

図５のような交直配電系統に設置される交流回路側の交流地絡センサと直流回路側の直流地絡センサのそれぞれは、対応する交流回路、直流回路を地絡事故から保護する機能に優れる。これら地絡センサそれぞれは、大型で高価であり、特に、直流地絡センサが高価であり、交直配電系統の地絡事故保護システム全体を高価なものにしている。また、共通の交流回路に複数の直流回路を接続した配電系統においては、複数の直流回路それぞれに高価な直流地絡センサを配備することが設備投資的に難しい。

また、直流回路の直流地絡センサには、直流地絡を検出した場合にアラームのみを出して、交流回路から直流回路への給電を継続させ、直流回路の停電を回避するように機能するものがある。さらに、共通の交流回路に接続された複数の直流回路の中には、直流地絡センサを配備しない直流回路がある。前者のような直流地絡センサを有する直流回路や、後者のような直流地絡センサを装備しない直流回路に直流地絡が発生すると、交流回路側に直流地絡電流が流れて、次のような不具合が発生することがある。

例えば、図５の配電系統の直流回路３０に示すように、負極端子３２側で直流地絡が発生すると、平滑コンデンサ３５の端子電圧が電池電圧となり、交流回路１０の三相三線の配電系統と零相変圧器４１の中性点接地を経由して、図５の破線矢印方向に直流地絡電流Ｉｄｇが流れる。また、正極端子３１側で直流地絡が発生すると、図５の破線矢印と反対方向に直流地絡電流Ｉｄｇが流れる。このような直流地絡電流Ｉｄｇが零相変圧器４１に流れると、零相変圧器４１が直流偏磁して励磁電流が過大となり、保護ヒューズＦの溶断を引き起こす。ヒューズ設置がない場合は、過大な励磁電流と直流地絡電流Ｉｄｇの継続した流れで、零相変圧器焼損に至る可能性が生じる。そのため、交流地絡センサ側には直流地絡電流による零相変圧器焼損防止のための対策が必要となり、交流地絡センサがさらに高価になり、地絡事故保護システム全体が尚更に高価になる不具合があった。

本発明の目的とするところは、地絡事故保護システム全体のコスト低減を容易にする非接地系交流回路における直流・交流回路地絡検出方法を提供することにある。

上記目的を達成する本発明方法は、主変圧器二次側の非接地系交流回路に接続された直流回路の地絡事故を、交流回路側の交流地絡センサに配設した直流地絡電流制限用接地抵抗の直流電位変化で検出することを特徴とする。

ここで、非接地系交流回路は、零相変圧器（ＥＶＴ）や零相変流器（ＺＣＴ）を備えた交流地絡センサを有する非接地系三相交流回路の他、零相電圧分圧器（ＺＰＤ）の交流地絡センサを有する高抵抗接地回路にも適用できる。交流回路に配設した直流地絡電流制限用接地抵抗は、交流回路の交流に対する非接地系を崩さない抵抗値のもので、一端が交流回路側に接続され、他端が接地される。直流回路側に地絡事故が発生すると、大地を経由することで直流地絡電流Ｉｄｇが直流地絡電流制限用接地抵抗に流れ、この接地抵抗の端子電圧が変位する。この電圧変位を検出し、監視することで、直流回路側の地絡事故発生が検出でき、直流地絡発生に対する保護対策を速やかに実行することができる。このように交流回路側で直流回路側の直流地絡を検出し監視することで、直流回路側に高価な直流地絡センサを配備しなくても、直流地絡事故の交流回路側への波及が防止でき、交流と直流の両地絡事故保護システムのコスト低減が容易となる。

本発明方法においては、直流地絡電流制限用接地抵抗は、交流回路に交流地絡センサとして配設した交流地絡検出用零相変圧器の一次側中性点接地線に介挿した中性点抵抗とすることを特徴とする。

ここでの交流地絡検出用零相変圧器は、図５に示す零相変圧器４１と同様な既存設備が適用できる。この既存の零相変圧器４１を適用した場合、その既存の中性点接地線４２に直流地絡電流制限用接地抵抗として中性点抵抗を直列接続する。このような中性点抵抗は小型で安価なものが使用でき、交流と直流の両地絡事故保護システムのコスト低減が尚一層に容易となる。また、中性点抵抗は、直流地絡電流Ｉｄｇによる零相変圧器の偏磁を抑制して、零相変圧器側のヒューズ溶断や変圧器本体の焼損を防止する。さらに、中性点抵抗は、交流回路側の交流地絡電流を検出する交流地絡センサとして兼用することができ、交流回路側の交流地絡センサ全体を簡略なものにする。

また、本発明においては、上記中性点抵抗に直列接続した直流阻止用コンデンサと、中性点抵抗とコンデンサの直列接続状態と中性点抵抗からコンデンサを切り離して直列接続状態を解除する切換スイッチを有する構造とし、中性点抵抗の直流電位変化による直流回路の地絡事故検出信号に基づいて切換スイッチで中性点抵抗とコンデンサを直列接続状態に切り換えることを特徴とする。

ここでの切換スイッチは、直流回路側に地絡事故が発生するまで中性点抵抗側を閉路している自動式遷移スイッチで、零相変圧器側の中性点接地線に中性点抵抗のみが直列接続された状態を維持し、中性点抵抗による直流地絡検出の機能が保持される。中性点抵抗の電圧変位で直流回路の地絡事故発生が検出されると、この検出信号で切換スイッチが自動で切り換わり、中性点抵抗とコンデンサが直列接続された状態が維持される。このとき、直流地絡電流Ｉｄｇはコンデンサで阻止されて零相変圧器に流入せず、零相変圧器が直流地絡電流Ｉｄｇによる偏磁から保護される。かつ、コンデンサは、交流電流は通電するので、零相変圧器側の交流用地絡検出機能を損なうことなく継続させる。

本発明においては、上記中性点抵抗の大きさを、直流地絡電流Ｉｄｇにより交流地絡センサの零相変圧器の飽和を生じさせない抵抗値に設定することができる。このようにすることで、直流地絡事故発生時における零相変圧器の励磁電流過大化が抑制でき、零相変圧器側のヒューズ溶断、変圧器焼損などのトラブル発生が防止できる。

さらに、本発明においては、直流地絡電流制限用接地抵抗は、交流回路に交流地絡センサとして交流地絡検出用零相電圧分圧器を配設した主変圧器の二次側の一端子に接続した直流検出用高抵抗とすることができる。ここでの直流検出用高抵抗は、交流回路を高抵抗接地回路とすると共に、主変圧器の過度の偏磁を防止し、零相電圧分圧器のインピーダンスバランスを崩さない程度（例えば、１ＭΩ程度）の高抵抗値を有し、主変圧器の二次側三相三線のいずれか一端子に接続される。零相電圧分圧器は、交流回路側で発生した交流地絡事故を三相の零相電圧に基づいて検出する既存のものが適用できる。

また、本発明においては、直流地絡電流制限用接地抵抗の直流電位の変化分と変化方向の正負を監視することにより、直流回路の地絡発生を検出し、地絡抵抗値の把握および直流回路の正極側か負極側のいずれで直流地絡事故が発生したかの地絡極を判定することができる。

本発明方法によれば、交流回路側の交流地絡センサで直流回路側の直流地絡発生を検出するようにしたので、直流回路側に高価な直流地絡センサを配備しなくても、直流地絡事故発生の検出ができ、交流と直流の両地絡事故保護システムのコスト低減が容易となる優れた効果を奏し得る。また、直流地絡事故時に零相変圧器中性点接地線にコンデンサ挿入をすることで、直流地絡事故の交流回路側への波及が防止できると共に、一部直流回路の事故時でも交流回路側の交流地絡センサの運転継続が可能となり、交流と直流系統の供給信頼性が良くなる。

本発明方法の実施の形態を示す配電系統の回路図である。 他の実施の形態を示す回路図である。 他の実施の形態を示す回路図である。 他の実施の形態を示す回路図である。 従来の直流・交流回路地絡検出方法を説明するための配電系統の回路図である。

以下、本発明を、図１〜図４の実施の形態を参照して説明する。
［実施の形態１］

図１は、図５の交直配電系統に適用したもので、図５と同一または相当部分には同一符号を付して説明の重複を避ける。図１と図５の相違点は、直流回路３０から直流地絡センサを省略した点と、非接地系交流回路１０に交流地絡センサ４０として配備した零相変圧器４１の中性点接地線４２に直流地絡電流制限用接地抵抗５０を追加的に介挿した点である。図１に示す接地抵抗５０は、零相変圧器４１の中性点を接地する中性点抵抗５１である。図１と後述する図２の説明において、直流地絡電流制限用接地抵抗５０を中性点抵抗５１と称する。

本発明方法においては、中性点抵抗５１に並列接続した中性点直流電位検出器５２で検出される中性点直流電圧の変位に基づいて直流回路３０側の直流地絡発生状況を検知し監視する。この監視は、具体的に次のように行う。

図１の状態において、直流回路３０の負極側で直流地絡事故が発生すると、図５の場合と同様に大地を経由して直流地絡電流Ｉｄｇが流れる。この直流地絡電流Ｉｄｇは中性点抵抗５１に接地側からの負方向で流れ、中性点直流電位検出器５２が中性点直流電位Ｖｎｇを検出する。この中性点直流電位Ｖｎｇの正負を判定することで、直流回路３０の正極側か負極側のいずれで直流地絡が発生したことが判定できる。また、直流地絡電流Ｉｄｇが流れるときの地絡抵抗をＲｄｇ、中性点抵抗５１の抵抗値をＲｎｇ、直流回路３０の整流器直流電圧をＶｄｃとすると、地絡抵抗Ｒｄｇが（１）式で求まる。
Ｒｄｇ＝Ｒｎｇ［（Ｖｄｃ／２）−Ｖｎｇ］／Ｖｎｇ……（１）

このような直流地絡電流Ｉｄｇの検出による直流地絡事故の検出や、直流地絡発生事故極の判定、地絡抵抗Ｒｄｇの測定といった多項目に亘る検出結果から、直流回路側の多機能な地絡事故保護システムが構築でき、直流回路３０側から高価な専用の直流地絡センサを省略することができる。

また、中性点抵抗５１は、零相変圧器４１側に流入する直流地絡電流Ｉｄｇを抑制する直流制限抵抗として作用する。そのため、零相変圧器４１側の鉄心の直流偏磁が抑制され、過大な励磁電流が抑制されて、保護ヒューズＦの溶断発生や、零相変圧器４１の焼損発生が防止できる。
［実施の形態２］

次に、図２の実施の形態を説明する。図２は、図１の一部回路を変更したもので、中性点抵抗５１に直流阻止用コンデンサ５３を直列接続し、中性点抵抗５１とコンデンサ５３の直列接続状態と中性点抵抗５１からコンデンサ５３を切り離して直列接続状態を解除する切換スイッチ５４を追加している。図２の実線で示す切換スイッチ５４は、中性点接地線４２に中性点抵抗５１を直列接続し、中性点抵抗５１からコンデンサ５３を切り離した状態を保持する。この状態で上述した直流回路３０側の直流地絡監視動作が行われる。この直流地絡監視動作において、中性点抵抗５１の電圧変位で直流回路３０の地絡事故発生が検出されると、この検出信号で切換スイッチ５４が図２の鎖線で示すようにコンデンサ５３側に切り換わり、中性点抵抗５１とコンデンサ５３が直列接続された状態が保持される。

地絡事故発生の検出信号に基づいて切換スイッチ５４が自動でコンデンサ５３側に切り換わると、直流地絡電流Ｉｄｇはコンデンサ５３で阻止されて零相変圧器４１に流入せず、零相変圧器４１側が直流地絡電流Ｉｄｇによる偏磁から保護される。また、コンデンサ５３は、直流を阻止するが交流は通電するので、交流回路１０側の交流地絡センサとしての零相変圧器４１側の交流用地絡検出機能は継続する。
［実施の形態３］

図１と図２は、交流回路１０側の交流地絡センサ４０として零相変圧器４１を使用した場合の実施の形態である。図３に交流地絡センサ４０として零相電圧分圧器（ＺＰＤ）６１を使用した実施の形態を示す。図３の場合、交流回路１０に交流地絡センサ４０として交流地絡検出用零相電圧分圧器６１を配設し、主変圧器１の二次側の一端子に直流地絡電流制限用接地抵抗５０として直流検出用高抵抗５５を介挿している。直流検出用高抵抗５５に並列接続した直流電位検出器５６で検出した直流電圧の変化分や正負を監視することで、図１の場合と同様に直流回路３０の直流地絡発生が検出され、地絡抵抗Ｒｄｇが算出される。

直流検出用高抵抗５５は、交流回路１０を高抵抗接地回路とすると共に、主変圧器１の過度の偏磁を抑制し、零相電圧分圧器６１のインピーダンスバランスを崩さない程度の例えば１ＭΩ程度の高抵抗値の抵抗体である。直流検出用高抵抗５５は、高抵抗値の単体の他、直流検出用高抵抗に直流地絡電流検出用分圧端子を配置したものであってもよい。図３に示す、零相電圧分圧器６１は、交流回路１０側で発生した交流地絡事故を三相の零相電圧に基づいて検出する既存のものが適用できる。

例えば、零相電圧分圧器６１は、交流回路１０の三相それぞれに一端を接続したコンデンサＣ１〜Ｃ３と、各コンデンサＣ１〜Ｃ３の他端に接続した共通の零相電流検出用コンデンサＣ４と、コンデンサＣ４に並列に接続した絶縁変圧器６２を備える。零相電圧検出用コンデンサＣ４が接地される。交流回路１０に交流地絡事故が発生していないとき、絶縁変圧器６２の出力電圧はゼロである。交流回路１０の三相三線のいずれか一端子に交流地絡事故が発生すると、コンデンサＣ１〜Ｃ３のいずれかから零相電流検出用コンデンサＣ４に電圧が供給され、絶縁変圧器６２の二次側電圧が上昇して交流地絡事故発生が検出される。

図３の交直配電系統の場合、直流回路３０側で地絡事故が発生すると、直流地絡電流Iｄｇは直流検出用高抵抗５５に大幅に電流制限されて流れ、この制限電流による直流検出用高抵抗５５の電位変化で直流地絡発生が検出される。直流地絡発生が検出された後も直流地絡電流Iｄｇは、直流検出用高抵抗５５に大幅に電流制限されて流れる。この制限された電流は、主変圧器側に偏磁を引き起こさない。
［実施の形態４］

また、主変圧器１への直流地絡電流Iｄｇの流入を確実に防止するため、例えば、図４に示すように直流検出用高抵抗５５と直列に開閉スイッチ５７を設け、直流地絡発生と共に開閉スイッチ５７を開路させる。このようにすることで、図２のような直流阻止用コンデンサを使用することなく、交流地絡センサ４０の機能を継続させることができる。

尚、本発明方法を実施する形態は、図１〜図４に限らず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ 主変圧器
１０ 交流回路
２０ 三相整流器
３０ 直流回路
３３ 直流負荷
４０ 交流地絡センサ
４１ 交流地絡検出用零相変圧器
４２ 中性点接地線
４３ 零相変流器
５１ 中性点抵抗
５２ 中性点直流電位検出器
５３ 直流阻止用コンデンサ
５４ 切換スイッチ
５５ 直流検出用高抵抗
５６ 直流電位検出器
５７ 開閉スイッチ
６１ 交流地絡検出用零相電圧分圧器
Iｄｇ 直流地絡電流

Claims (1)

1. 主変圧器二次側の非接地系交流回路に接続された直流回路の地絡事故を、前記交流回路側の交流地絡センサに配設した直流地絡電流制限用接地抵抗の直流電位変化で検出し、
   前記接地抵抗は、前記交流回路に交流地絡センサとして配設した交流地絡検出用零相変圧器の一次側中性点接地線に介挿した中性点抵抗であり、
   前記中性点抵抗に直列接続した直流阻止用コンデンサと、前記中性点抵抗と前記コンデンサの直列接続状態と前記中性点抵抗から前記コンデンサを切り離して直列接続状態を解除する切換スイッチを有し、
   前記中性点抵抗の直流電位変化による前記直流回路の地絡事故検出信号に基づいて前記切換スイッチで前記中性点抵抗と前記コンデンサを直列接続状態に切り換えることを特徴とする非接地系交流回路における直流・交流回路地絡検出方法。

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