JP5494929B2

JP5494929B2 - 地絡電流検出方法及び検出装置

Info

Publication number: JP5494929B2
Application number: JP2009205700A
Authority: JP
Inventors: 俊介鹿野; 正仁吉田; 悟志町田; 義紘圓淨
Original assignee: Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Priority date: 2009-09-07
Filing date: 2009-09-07
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2029-09-07
Also published as: JP2011058826A

Description

本発明は、三相配電系統の漏電電流から対地絶縁抵抗の不良（以下、単に絶縁不良ともいう）に起因する地絡電流を検出する地絡電流検出方法及び検出装置に関し、特に、三相配電系統の絶縁監視装置や漏電リレー等に適用して好適な技術に関するものである。
なお、電路充電部から大地に流れる電流に関する定義としては、JIS C 8201-2-2「低圧開閉装置及び制御装置−第２−２部：漏電遮断器」が知られている。このため、本件出願では、このJIS C 8201-2-2を参考として以下の定義を用いることとする。
（１）地絡電流：絶縁不良に起因して、電路充電部から対地絶縁抵抗を介して大地に流れる電流（後述するように、記号Ｉ_０ｒと表記する。）
（２）漏洩電流：電路充電部から対地静電容量を介して大地に流れる電流（記号Ｉ_０ｃと表記する。）
（３）漏電電流：上記（１）の地絡電流と（２）の漏洩電流とのベクトル和（記号Ｉ_０と表記する。）

交流配電系統の地絡電流または対地絶縁抵抗を測定して絶縁監視を行う従来技術としては、特許文献１，２に記載されたものが知られている。
例えば、特許文献１には、配電系統の漏電電流から第１周波数成分（例えば基本波成分）と第２周波数成分（例えば第５調波成分）とを抽出し、第２周波数成分については電圧の第２周波数成分が第１周波数成分に等しいときの値に換算することにより、対地絶縁抵抗に起因して流れる地絡電流値は第１周波数成分及び第２周波数成分が等しく、対地静電容量等に起因して流れる漏洩電流値は第１周波数成分及び第２周波数成分に比例して大きさが異なることを利用して、漏洩電流と地絡電流とのベクトル位相をそれぞれ求め、対地絶縁抵抗による第１周波数成分、すなわち地絡電流の基本波成分（三相接地回路では、二相の地絡電流のベクトル和の電流値）を求めるようにした絶縁監視装置が開示されている。
特許文献２には、配電系統の電圧及び電流の第３ｎ（ｎは整数）次高調波成分を２種類抽出し、これらの第３ｎ次高調波成分が三相とも同相になることを利用して、抵抗分及び静電容量分を含む各高調波成分のアドミタンスに関する連立方程式を解くことにより、前記抵抗分つまり対地絶縁抵抗値を求める抵抗計測方法または監視装置等が開示されている。

また、他の従来技術として、三相配電系統において各相の対地静電容量がバランスしているという仮定のもとで、測定した漏電電流から対地絶縁抵抗の劣化による地絡電流を計算するものがある。
例えば、特許文献３には、接地線に流れる漏電電流と接地相ではない一相の基準電圧とに基づいて地絡電流を検出する場合において、接地相を除く二相の一方または双方にて地絡電流が発生した場合にも所望の精度で絶縁状態を検出できるように、前記基準電圧の位相を所定角度ずらして地絡電流を演算するようにした絶縁監視装置が開示されている。
特許文献４には、測定した漏電電流の位相角及び実効値から対地絶縁抵抗の劣化による地絡電流を算出し、この地絡電流と別途算出した電圧実効値とを用いて対地絶縁抵抗値を算出すると共に、前記地絡電流が所定値を超えた場合に被測定電路を遮断するようにした漏洩電流遮断装置が開示されている。

特許第４１４３４６３号公報（段落［０００７］〜［００２９］、図１，図２等）特許第４１６７８７２号公報（段落［００２４］〜［００３６］等）特開２００１−２４２２０５号公報（段落［００３４］〜［００３６］，［００４２］〜［００６１］、図１〜図３等）特許第４１５９５９０号公報（段落［００２９］〜［００３６］、図１〜図６等）

特許文献１及び特許文献２に係る従来技術は、基本波成分と高調波成分、または二種類の高調波成分の組み合わせ演算により、漏電電流から地絡電流をベクトル合成によって直接演算するものであり、配電系統の対地静電容量がアンバランスである場合にも適用可能なことが示されている。しかしながら、地絡電流をベクトル合成により算出するためには、概して複雑な演算処理が必要である。
また、特許文献３及び特許文献４に係る従来技術は、何れも配電系統の対地静電容量がバランスしていることを前提としており、対地静電容量にアンバランスがある電路では、地絡電流の演算値に誤差が生じるという問題がある。

そこで、本発明の解決課題は、配電系統の対地静電容量がアンバランスの場合にも、対地絶縁抵抗の劣化に起因する地絡電流を高精度かつ容易に算出可能とした地絡電流検出方法及び検出装置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に係る地絡電流検出方法は、三相デルタ結線の交流電源を有し、かつ一相が接地された三相配電系統を対象として、前記配電系統の漏電電流と、前記漏電電流の線間電圧に対する位相角とを用いて、前記配電系統の対地絶縁抵抗に起因した地絡電流を検出する地絡電流検出方法において、
前記配電系統の対地静電容量のアンバランスに起因する漏洩電流の高調波成分により、または、漏洩電流の高調波成分及び基本波成分の組み合わせにより、漏電電流基本波成分のアンバランスを補正する手段であって、前記高調波成分が第ｎ（ｎは３以上の奇数）調波成分であるときに、線間電圧の第ｎ調波成分を線間電圧の基本波成分の１／ｎとしたときの前記漏洩電流の第ｎ調波成分の値を用いて前記漏電電流基本波成分のアンバランスを補正する手段を備え、
前記アンバランスを補正した漏電電流基本波成分とこの漏電電流基本波成分の線間電圧基本波成分に対する位相角とを用いて地絡電流を演算する処理を、複数種類の第ｎ調波成分につき実行して複数の地絡電流を求め、そのうちの一つを選択するものである。

請求項２に係る地絡電流検出方法は、請求項１に記載した地絡電流検出方法において、前記三相配電系統のうちの非接地二相の対地絶縁抵抗による地絡電流のスカラー和を演算するものである。

請求項３に係る地絡電流検出装置は、三相デルタ結線の交流電源を有し、かつ一相が接地された三相配電系統を対象として、前記配電系統の漏電電流と、前記漏電電流の線間電圧に対する位相角とを用いて、前記配電系統の対地絶縁抵抗による地絡電流を演算する地絡電流検出装置において、
前記配電系統の漏電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、前記漏電電流及び線間電圧から基本波成分及び高調波成分を抽出する手段と、前記漏電電流及び線間電圧から基本波成分及び高調波成分を抽出する際に前記地絡電流検出装置の内部フィルタにより減衰した信号を、前記高調波成分の次数に応じて補償する手段と、前記漏電電流の前記線間電圧に対する位相角を検出する手段と、前記配電系統の対地静電容量のアンバランスに起因する前記漏洩電流の高調波成分により、または、漏洩電流の高調波成分及び基本波成分の組み合わせにより、漏電電流基本波成分のアンバランスを補正し、前記アンバランスを補正した漏電電流基本波成分と、この漏電電流基本波成分の線間電圧基本波成分に対する位相角とを用いて地絡電流を演算する手段と、を備えたものである。

本発明によれば、三相配電系統の漏電電流から、絶縁不良によって大地に流れる地絡電流のみを抽出して検出することができる。特に、各相の対地静電容量にアンバランスがある場合でも、このアンバランスを補正した漏電電流及びその位相角を用いて地絡電流を高精度に演算することができる。
更に、地絡電流をスカラー和として求めることにより、従来から用いられている直流絶縁抵抗計と同様に対地絶縁抵抗による地絡電流のスカラー和を求めることとなり、活線状態のままで直流絶縁抵抗計と同様な地絡電流を検出することができる。
加えて、地絡電流を求めるための演算処理も比較的簡単であり、演算負荷が少なくて済む等の効果がある。

本発明の実施形態に係る絶縁監視装置の構成を示すブロック図である。図１において三相配電系統の一相が接地されている場合の系統構成図である。実施形態における健全状態の漏電電流と線間電圧との関係を示すベクトル図である。実施形態において一相の対地絶縁抵抗が劣化して地絡電流が流れた場合のベクトル図である。実施形態において一相の対地絶縁抵抗が劣化して地絡電流が流れた場合のベクトル図である。実施形態において二相の対地絶縁抵抗が劣化して地絡電流が流れた場合のベクトル図である。実施形態における線間電圧及び漏洩電流の第３調波成分を示すベクトル図である。実施形態において、第３調波成分を利用して対地静電容量のアンバランス補正を行う方法を説明するためのベクトル図である。実施形態において、第５調波成分を利用して対地静電容量のアンバランス補正を行う方法を説明するためのベクトル図である。実施形態において、第５調波成分を利用して対地静電容量のアンバランス補正を行う方法を説明するためのベクトル図である。実施形態において、第７調波成分を利用して対地静電容量のアンバランス補正を行う方法を説明するためのベクトル図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の地絡電流検出方法及び検出装置を絶縁監視装置１００に適用した場合の構成図である。図１において、２は三相デルタ結線の交流電源３を有する三相配電系統であり、絶縁監視装置１００は、配電系統２の対地絶縁抵抗の劣化により大地に流れる地絡電流を検出するためのものである。

配電系統２の線間電圧は絶縁監視装置１００内の電圧検出手段１０Ｖに入力されていると共に、零相変流器（ＺＣＴ）４により検出された配電系統２の漏電電流が電流検出手段１０Ｉに入力されている。前述したごとく、漏電電流は漏洩電流と地絡電流とのベクトル和である。なお、零相変流器４の代わりに、交流電源３に接続された変圧器（図示せず）の接地線に通常の電流変流器（ＣＴ）を接続して漏電電流を検出しても良い。
電圧検出手段１０Ｖは配電系統２の線間電圧を基準電圧として検出し、また、電流検出手段１０Ｉは配電系統２を流れる漏電電流（零相電流）Ｉ_０を検出するためのものであり、線間電圧及び漏電電流は、何れも系統電圧の基本波成分以外に高調波成分を含んでいるものとする。

レベル変換手段２０Ｖは、検出した線間電圧を後続の電子回路により処理可能な電圧レベルに変換し、また、増幅手段２０Ｉは、同じく零相変流器４の二次電流を電子回路により処理可能な電圧レベルに変換するためのものである。
レベル変換手段２０Ｖ及び増幅手段２０Ｉの各アナログ出力電圧は、Ａ／Ｄ変換手段３０Ｖ，３０Ｉにおいてそれぞれ一定周期でサンプリングされ、ディジタルデータに変換されてＲＡＭ等のメモリ４０Ｖ，４０Ｉにそれぞれ記憶される。メモリ４０Ｖ，４０Ｉに記憶される電圧データ、電流データの数としては、後述するフーリエ変換処理に十分な数、例えば系統電圧の１周期について３２個、６４個等が考えられるが、特に限定されるものではない。

また、５０は演算処理手段としてのＣＰＵであり、前記メモリ４０Ｖ，４０Ｉにそれぞれ記憶された電圧データ、電流データを用いて、以下の各手段が所定のプログラムに従って演算処理を実行するものである。

まず、フーリエ変換手段５１Ｖは、メモリ４０Ｖ内の所定時間窓の電圧データを用いてフーリエ変換を行い、系統電圧の基本波成分及び高調波成分の振幅Ｖ_ｎ及び絶対位相θ_Ｖｎ（ｎ＝１，３，５，７，・・・）を演算する。ここで、ｎ＝１は基本波成分を示し、ｎ＝３，５，７，・・・は各次の高調波成分を示す（以下、同じ）。
また、フーリエ変換手段５１Ｉは、メモリ４０Ｉ内の所定時間窓の電流データを用いてフーリエ変換を行い、上記と同様の原理に従って漏電電流Ｉ_０の基本波成分及び高調波成分の振幅Ｉ_０ｎ及び絶対位相θ_Ｉｎ（ｎ＝１，３，５，７，・・・）を演算する。
上記フーリエ変換には、例えば離散フーリエ変換（ＤＦＴ）または高速フーリエ変換（ＦＦＴ）の何れを用いても良い。このようにフーリエ変換によって電圧や電流の基本波成分及び高調波成分の振幅及び絶対位相を求める技術は、例えば特開２００４−１９８２７３号公報や特許第３５９９１５７号公報に記載されている如く周知であるため、ここでは詳述を省略する。

次に、相対位相演算手段５２は、電圧、電流の絶対位相θ_Ｖｎ，θ_Ｉｎを用いて、θ＝θ_Ｉｎ−θ_Ｖｎの演算により、線間電圧を基準とした漏電電流Ｉ_０の相対位相、つまり位相角θを求める。

そして、地絡電流演算手段５４は、配電系統２の対地静電容量（後述するように非接地二相の対地静電容量）がバランスしている場合には、前記Ｖ_ｎ，Ｉ_０ｎ及びθを用いて、配電系統２の対地絶縁抵抗による地絡電流ｌ_０ｒを求める。
また、配電系統２の対地静電容量にアンバランスがある場合には、前記Ｖ_ｎ，Ｉ_０ｎ及びθを用いて、漏電電流Ｉ_０の基本波成分に対して上記アンバランス分を補正し、対地静電容量がバランスした状態に補正した漏電電流Ｉ_０の基本波成分の大きさと、線間電圧基本波成分に対する位相角とを用いて、対地絶縁抵抗の劣化による地絡電流ｌ_０ｒをスカラー和として求める。そして、この地絡電流ｌ_０ｒは出力手段６０に送られる。
なお、これらの地絡電流ｌ_０ｒの詳細な演算方法については、後に詳述する。

漏電電流演算手段５３は、前記メモリ４０Ｉに記憶された電流データに基づき、従来から低圧配電設備に用いられている漏電遮断器等と同一の原理により漏電電流Ｉ_０の実効値を演算し、前記地絡電流ｌ_０ｒと共に出力手段６０に送る。
出力手段６０は、入力された地絡電流Ｉ_０ｒ及び漏電電流Ｉ_０に基づき、表示出力や警報出力、上位装置への伝送出力等を行うものである。

ここで、図２は、前記配電系統２の一相（一例としてｓ相）が接地されている場合の系統構成図であり、絶縁監視装置１００にはｒ相、ｓ相間の線間電圧Ｖ_ｒｓが基準電圧として入力されているものとする。
図２において、Ｃ_１，Ｃ_２はそれぞれ非接地相であるｒ相，ｔ相と大地間の対地静電容量であり、対地静電容量がバランスしている場合にはＣ_１＝Ｃ_２である。また、Ｒ_１，Ｒ_２はそれぞれｒ相，ｔ相と大地との間の絶縁抵抗（対地絶縁抵抗）を示す。

上記前提のもとで、配電系統２の漏電電流Ｉ_０から地絡電流Ｉ_０ｒを求める手順を以下に説明する。
なお、本実施形態では、地絡電流Ｉ_０ｒを、前述の特許文献１，特許文献２等に記載されているようなベクトル合成による電流絶対値でなく、スカラー量（スカラー和）として得るようにしている。すなわち、配電系統の絶縁測定を行う従来の直流絶縁抵抗計では、各線路の対地絶縁抵抗を介して大地に流れる電流のスカラー和から絶縁抵抗を求めているため、本実施形態によれば、ＣＰＵ５０内の地絡電流演算手段５４において従来の直流絶縁抵抗計と同一の演算処理により地絡電流（言い換えれば絶縁抵抗）を演算することができると共に、活線状態のままで常時、絶縁監視を行うことを可能にしている。

次に、図３は、対地絶縁抵抗Ｒ_１，Ｒ_２が何れも極めて大きい場合、すなわち健全状態における漏電電流及び線間電圧（何れも基本波成分）の関係を示すベクトル図である。この場合、漏電電流Ｉ_０は対地静電容量に起因する漏洩電流Ｉ_０ｃのみであり、地絡電流Ｉ_０ｒは零である。つまり、漏洩電流Ｉ_０ｃと地絡電流Ｉ_０ｒとのベクトル和である漏電電流Ｉ_０は漏洩電流Ｉ_０ｃに等しい（Ｉ_０＝Ｉ_０ｃ）。なお、漏洩電流Ｉ_０ｃは、対地静電容量Ｃ_１，Ｃ_２に流れる電流Ｉ_０ｃ１，Ｉ_０ｃ２のベクトル和となる。

また、漏洩電流Ｉ_０ｃの位相角θ_ｃは、線間電圧Ｖ_ｒｓを基準としたときに１２０°の進み位相で一定である。漏電電流Ｉ_０（すなわち漏洩電流Ｉ_０ｃ）の大きさと線間電圧Ｖ_ｒｓに対する位相角θ_ｃとを前述のフーリエ級数演算及び相対位相演算により求め、地絡電流演算手段５４が下記の数式１により地絡電流Ｉ_０ｒを求めると、その値は前述のごとく零となる。
［数式１］
Ｉ_０ｒ＝Ｉ_０×ｃｏｓ（θ−３０°）×ｋ＝Ｉ_０ｃ×ｃｏｓ（１２０°−３０°）×ｋ＝０
なお、ｋは、以下に述べるように、対地絶縁抵抗の劣化に起因して流れる地絡電流に応じた定数である。

次に、図４は、図２におけるｒ相の対地絶縁抵抗Ｒ_１が劣化して減少し、地絡電流Ｉ_０ｒが流れた場合のベクトル図である。
漏電電流Ｉ_０は、図４に示すように漏洩電流Ｉ_０ｃと地絡電流Ｉ_０ｒとのベクトル合成値となり、漏電電流Ｉ_０の線間電圧Ｖ_ｒｓに対する位相角はθとなる。また、漏洩電流Ｉ_０ｃの位相角は、図３と同様に線間電圧Ｖ_ｒｓを基準にすると１２０°の進み位相になる。

ここで、図４によれば、数式２、数式３が成立する。
［数式２］
Ｉ_０ｒ’＝Ｉ_０×ｃｏｓ（θ−３０°）
［数式３］
Ｉ_０ｒ’＝Ｉ_０ｒ×ｃｏｓ（３０°）＝Ｉ_０ｒ×√３／２
よって、上記数式２、数式３から数式４が導かれる。
［数式４］
Ｉ_０ｒ＝Ｉ_０×ｃｏｓ（θ−３０°）×２／√３＝Ｉ_０×ｃｏｓ（θ−３０°）×ｋ
（ｋ＝２／√３）

数式４から明らかなように、ｒ相の対地絶縁抵抗Ｒ_１が劣化して地絡電流Ｉ_０ｒが流れた場合でも、地絡電流演算手段５４は、数式１と同様の数式４の演算を行うことにより、漏洩電流Ｉ_０ｃの影響を受けずに、実質的に漏洩電流Ｉ_０ｃを除去した形で地絡電流Ｉ_０ｒを抽出することができる。

図５は、ｔ相の対地絶縁抵抗Ｒ_２が低下し、地絡電流Ｉ_０ｒが流れた場合のベクトル図である。
この場合も、漏電電流Ｉ_０は漏洩電流Ｉ_０ｃと地絡電流Ｉ_０ｒとのベクトル合成値となり、漏電電流Ｉ_０の線間電圧Ｖ_ｒｓに対する位相角はθとなる。また、対地静電容量に起因する漏洩電流Ｉ_０ｃは、前記同様に線間電圧Ｖ_ｒｓに対して１２０°の進み位相となる。

更に、図５においても、数式２、数式３と同様に数式５、数式６が成立する。
［数式５］
Ｉ_０ｒ’＝Ｉ_０×ｃｏｓ（θ−３０°）
［数式６］
Ｉ_０ｒ’＝Ｉ_０ｒ×ｃｏｓ（３０°）＝Ｉ_０ｒ×√３／２
従って、上記数式５、数式６から数式７が導かれる。
［数式７］
Ｉ_０ｒ＝Ｉ_０×ｃｏｓ（θ−３０°）×２／√３＝Ｉ_０×ｃｏｓ（θ−３０°）×ｋ
（ｋ＝２／√３）

よって、ｔ相の絶縁抵抗Ｒ_２が劣化して地絡電流Ｉ_０ｒが流れた場合でも、地絡電流演算手段５４は、数式１と同様の数式７の演算により、漏洩電流Ｉ_０ｃの影響を受けずにこれを除去した形で地絡電流Ｉ_０ｒを検出することができる。

図６は、ｒ相及びｔ相の双方の対地絶縁抵抗Ｒ_１，Ｒ_２が劣化し、地絡電流Ｉ_０ｒ１，Ｉ_０ｒ２が流れた場合のベクトル図である。なお、Ｉ_０ｒ１とＩ_０ｒ２をベクトル合成した地絡電流をＩ_０ｒ”として示してある。
この場合も、漏電電流Ｉ_０は漏洩電流Ｉ_０ｃと地絡電流Ｉ_０ｒ”との合成値であり、漏電電流Ｉ_０の線間電圧Ｖ_ｒｓに対する位相角はθとなる。また、対地静電容量に起因する漏洩電流Ｉ_０ｃは、前記同様に線間電圧Ｖ_ｒｓに対して１２０°の進み位相となる。

図６において、数式２、数式５と同様に数式８が成立する。
［数式８］
Ｉ_０ｒ’＝Ｉ_０×ｃｏｓ（θ−３０°）
また、求める地絡電流Ｉ_０ｒの大きさは、Ｉ_０ｒ１とＩ_０ｒ２とのスカラー和である。ここで、図６において、Δａｂｃは各内角が６０°の正三角形であるから、線分ａｂ，ｂｃの長さは等しく、地絡電流Ｉ_０ｒ２の大きさは線分ａｂ（＝ｂｃ）の長さに等しいと共に、地絡電流Ｉ_０ｒ１の大きさは線分０ｂの長さに等しい。従って、図６における０ｃ（＝０ｂ＋ｂｃ）は地絡電流Ｉ_０ｒの大きさに等しいため、Ｉ_０ｒ’に関して数式９が成立する。
［数式９］
Ｉ_０ｒ’＝０ｃ×ｃｏｓ（３０°）＝Ｉ_０ｒ×ｃｏｓ（３０°）＝Ｉ_０ｒ×√３／２

数式８、数式９より、下記のように、前記数式１、数式４、数式７と同一の数式１０が導かれる。
［数式１０］
Ｉ_０ｒ＝Ｉ_０×ｃｏｓ（θ−３０°）×２／√３＝Ｉ_０×ｃｏｓ（θ−３０°）×ｋ
（ｋ＝２／√３）
以上の数式１、数式４、数式７、数式１０が同一の演算式になることから分かるように、配電系統２の対地静電容量（非接地であるｒ相、ｔ相の対地静電容量Ｃ_１，Ｃ_２）がバランスしている状態では、ｒ相及びｔ相の対地絶縁抵抗に起因する地絡電流Ｉ_０ｒ１，Ｉ_０ｒ２がそれぞれいかなる値になったとしても、地絡電流演算手段５４は、図１のフーリエ変換手段５１Ｉ及び相対位相演算手段５２から出力される漏電電流Ｉ_０とその位相角θとに基づき、地絡電流Ｉ_０ｒの大きさを、スカラー量（スカラー和）として同一の演算アルゴリズムにより理論上の誤差なく求めることができる。

以上のように、配電系統２の対地静電容量がバランスしている場合に漏電電流Ｉ_０及びその位相角θから地絡電流Ｉ_０ｒを求めることが可能であるが、対地静電容量がアンバランスであっても、そのアンバランス分を補正した漏電電流Ｉ_０’とその位相角とを求めることができれば、上記と同様の手順により地絡電流Ｉ_０ｒの大きさをスカラー量として求めることができる。
以下では、非接地であるｒ相、ｔ相の対地静電容量Ｃ_１，Ｃ_２がアンバランスであるときの漏洩電流Ｉ_０ｃから、上記のアンバランス分を補正した漏電電流Ｉ_０’ とその位相角とを求め、これらに基づいて地絡電流Ｉ_０ｒの大きさを演算する方法を説明する。

なお、対地静電容量のアンバランスは漏洩電流Ｉ_０ｃに影響を及ぼし、ひいては漏電電流Ｉ_０の大きさ及び位相角に影響するので、地絡電流Ｉ_０ｒを高精度に検出するためには、上記アンバランスを補正した漏電電流Ｉ_０’を求めて地絡電流Ｉ_０ｒを演算することが必要であり、以下の説明はこのような原理に基づくものである。また、以下では、線間電圧、漏電電流に含まれる高調波成分に着目したアンバランス補正値を用いて漏電電流Ｉ_０の基本波成分を補正することにより、漏電電流Ｉ_０’を求めている。

図７、図８は、アンバランス補正値を求めるための高調波成分として、第３調波成分を用いる場合のベクトル図である。
まず、図７は、線間電圧（第３調波）、及び、対地静電容量に起因した漏洩電流（第３調波）のベクトル図である。図７に示すように、線間電圧（第３調波）Ｖ_ｒｓ，Ｖ_ｔｓの相互の位相角は１８０°となる。これは、図３では線間電圧Ｖ_ｒｓ，Ｖ_ｔｓの基本波成分相互の位相角は６０°であったが、基本波成分の位相角に相当する位相時間は第３調波では３倍になるため、線間電圧（第３調波）Ｖ_ｒｓ，Ｖ_ｔｓの相互の位相角は６０°の３倍、つまり１８０°となるためである。

上記のごとく、線間電圧（第３調波）Ｖ_ｒｓ，Ｖ_ｔｓの相互の位相角は１８０°になるため、ｒ相，ｔ相の対地静電容量に起因する漏洩電流（第３調波）Ｉ_０ｃ１，Ｉ_０ｃ２は、線間電圧（第３調波）Ｖ_ｒｓを基準にすると、図７に示すごとく各々９０°の進み位相、２７０°の進み位相となる。つまり、漏洩電流（第３調波）Ｉ_０ｃ１，Ｉ_０ｃ２は１８０°位相がずれた逆方向の電流となり、これらが合成された漏洩電流（第３調波）Ｉ_０ｃは漏洩電流（第３調波）Ｉ_０ｃ１，Ｉ_０ｃ２の差になっている。

図８は、漏電電流Ｉ_０の基本波成分を、上述した漏洩電流（第３調波）Ｉ_０ｃを用いて補正する方法を説明するためのものである。
前述したように、図７により、対地静電容量のアンバランスに起因する漏洩電流（第３調波）Ｉ_０ｃを求めることができる。この漏洩電流（第３調波）Ｉ_０ｃを漏電電流Ｉ_０の基本波成分のアンバランス分に換算したアンバランス補正値Ｉ_０ｃ’を用いて、漏電電流Ｉ_０の基本波成分を補正することにより、対地静電容量がバランスしたときの漏電電流Ｉ_０’を求めることができる。

ここで、対地静電容量に起因する漏洩電流の大きさは周波数に比例するから、電圧が同一の場合には、漏洩電流（第３調波）の大きさは基本波成分の３倍となる。このことは、線間電圧の第３調波成分の大きさが基本波成分の１／３のときに、漏洩電流（第３調波）の大きさが基本波成分の大きさに等しくなることを意味している。
よって、漏洩電流（第３調波）Ｉ_０ｃを漏電電流Ｉ_０の基本波成分に換算するには、線間電圧の第３調波成分の大きさを基本波成分の１／３としたときの漏洩電流値をアンバランス補正値Ｉ_０ｃ’とし、このアンバランス補正値Ｉ_０ｃ’により漏電電流Ｉ_０の基本波成分を補正して新たに漏電電流Ｉ_０’を求めれば良い。
すなわち、線間電圧Ｖ_ｒｓの基本波成分をＶ_ｒｓ１、第３調波成分をＶ_ｒｓ３とし、漏洩電流（第３調波）をＩ_０ｃとすれば、アンバランス補正値Ｉ_０ｃ’は数式１１によって求められる。
［数式１１］
Ｉ_０ｃ’＝Ｉ_０ｃ×（１／３）×（Ｖ_ｒｓ１／Ｖ_ｒｓ３）

図８に示すように、上記アンバランス補正値Ｉ_０ｃ’を用いてＩ_０を補正する（Ｉ_０ｃ’をＩ_０にベクトル加算する）ことにより、対地静電容量のアンバランス分を補正した漏電電流Ｉ_０’を求めることができる。Ｉ_０の大きさ及び位相角、並びに、換算値Ｉ_０ｃ’の大きさ及び位相角は定まっているので、Ｉ_０’の演算は容易であり、その位相角θについても、Ｉ_０’のベクトル座標（ｘ，ｙ）が求まれば数式１２により求まることは明白である。
［数式１２］
θ＝ｃｏｓ^−１｛ｘ／√（ｘ^２＋ｙ^２）｝

なお、図７では電流が対地静電容量成分のみを含む例を示したが、対地抵抗成分も含む場合には、漏電電流Ｉ_０の第３調波成分とその位相角とから、９０°の進み位相成分または２７０°の進み位相成分を演算により求めれば漏洩電流（第３調波）Ｉ_０ｃを求めることができ、以後は上記と同様の演算によって漏電電流Ｉ_０’を求めることが可能である。
以上のようにして、対地静電容量がアンバランスである場合にも、そのアンバランスをアンバランス補正値Ｉ_０ｃ’により補正してＩ_０’を求め、このＩ_０’及び位相角θを用いて前記数式１０等の演算を行えば、地絡電流Ｉ_０ｒの大きさをスカラー量として求めることができる。

図９、図１０は、アンバランス補正を行うための高調波成分として、第５調波成分を用いる場合のベクトル図である。
線間電圧Ｖ_ｒｓ，Ｖ_ｔｓの第５調波成分の相互の位相角は、Ｖ_ｔｓに対しＶ_ｒｓが６０°進み位相となる。図３において線間電圧の基本波成分はＶ_ｒｓに対しＶ_ｔｓが６０°進み位相であったが、基本波成分の６０°位相時間は第５調波では５倍の位相角となり、３００°の進み位相となる。これは、Ｖ_ｔｓに対してＶ_ｒｓが６０°進み位相であることに等しい。

図９は、図２においてｔ相の対地静電容量Ｃ_２がｒ相のＣ_１より大きい場合における、対地静電容量に起因した漏洩電流の基本波成分のベクトル位相関係を示しており、Ｖ_ｒｓを基準としたものである。また、図１０は、上記と同一の漏洩電流の第５調波成分のベクトル位相関係を示しており、Ｖ_ｔｓを基準としたものである。
これらの図９、図１０を比較すると、対地静電容量に起因する漏洩電流の基本波成分及び第５調波成分Ｉ_０ｃ（Ｉ_０）は、位相角が１２０°の中心線を基準として対称となっている。このことは、漏洩電流の第５調波成分を漏洩電流の基本波成分に等しい大きさに換算した上で両者をベクトル加算すれば、漏洩電流の位相角は中心線の位相角である１２０°になることを示している。そしてこの位相角（１２０°）は、対地静電容量Ｃ_１，Ｃ_２がバランスしているときの漏洩電流の位相角に等しい。

漏洩電流の第５調波成分を漏洩電流の基本波成分に等しい大きさに換算するには、静電容量に起因する漏洩電流は周波数に比例することから、線間電圧が同一の場合、漏洩電流の第５調波成分は基本波成分の５倍となる。このことは、線間電圧の第５調波成分が基本波成分の１／５であるときに漏洩電流の第５調波成分は基本波成分に等しくなることを示している。よって、線間電圧の第５調波成分を基本波成分の１／５としたときの漏洩電流値をアンバランス補正値Ｉ_０ｃ’として、漏洩電流の第５調波成分を基本波成分に等しい大きさに換算する。
ここで、線間電圧Ｖ_ｒｓの基本波成分をＶ_ｒｓ１、第５調波成分をＶ_ｒｓ５、漏洩電流の第５調波成分をＩ_０ｃとすれば、アンバランス補正値Ｉ_０ｃ’は数式１３によって求められる。
［数式１３］
Ｉ_０ｃ’＝Ｉ_０ｃ×（１／５）×（Ｖ_ｒｓ１／Ｖ_ｒｓ５）

以上より、漏洩電流の基本波成分と数式１３によるアンバランス補正値Ｉ_０ｃ’とをベクトル加算した電流の位相は、図９，図１０の中心線の位相角である１２０°となり、対地静電容量がバランスしたときの漏洩電流の位相角となる。この漏洩電流を漏電電流Ｉ_０として用い、前述した対地静電容量がバランスしたときと同様に数式１０等の演算を行うことで、地絡電流Ｉ_０ｒをスカラー量として求めることができる。
なお、この場合の地絡電流Ｉ_０ｒは基本波成分と第５調波成分との和であるため、第５調波成分を除去することにより基本波成分を求める必要がある。

図１１は、アンバランス補正を行うための高調波成分として、第７調波成分を用いる場合のベクトル図である。
線間電圧Ｖ_ｒｓ，Ｖ_ｔｓの第７調波成分の相互の位相角は、Ｖ_ｒｓに対しＶ_ｔｓが６０°進み位相となる。図３において線間電圧の基本波成分はＶ_ｒｓに対しＶ_ｔｓが６０°進み位相であったが、基本波成分の６０°位相時間は第７調波では７倍の位相角となり、４２０°の進み位相となる。これは、Ｖ_ｒｓを基準とした場合に、Ｖ_ｒｓに対してＶ_ｔｓが６０°進み位相となり、基本波と同一の進みとなる。

漏洩電流の第７調波成分を漏洩電流の基本波成分に等しい大きさに換算するには、対地静電容量に起因する漏洩電流は周波数に比例することから、線間電圧が同一の場合、漏洩電流の第７調波成分は基本波成分の７倍となる。このことは、線間電圧の第７調波成分が基本波成分の１／７であるときに漏洩電流の第７調波成分は基本波成分に等しくなることを示している。よって、線間電圧の第７調波成分を基本波成分の１／７としたときの漏洩電流値をアンバランス補正値Ｉ_０ｃ’として、漏洩電流の第７調波成分を基本波成分に等しい大きさに換算する。
すなわち、線間電圧Ｖ_ｒｓの基本波成分をＶ_ｒｓ１、第７調波成分をＶ_ｒｓ７、漏洩電流の第７調波成分をＩ_０７とすれば、アンバランス補正値Ｉ_０７’は数式１４によって求められる。
［数式１４］
Ｉ_０７’＝Ｉ_０７×（１／７）×（Ｖ_ｒｓ１／Ｖ_ｒｓ７）
このアンバランス補正値Ｉ_０７’と漏電電流の基本波成分Ｉ_０１とを比較すると、対地静電容量に起因する漏洩電流は等しく、対地絶縁抵抗に起因する地絡電流については、第７調波成分が基本波成分の１／７となる。

ここで、対地静電容量に起因する漏洩電流をＩ_０ｃとし、Ｉ_０ｃ，Ｉ_０７’及びＩ_０１のベクトルの先端を図１１に示すように各々ａ，ｂ，ｃとすれば、線分ａｂ，ａｃの長さは対地絶縁抵抗に起因した地絡電流に比例することにより、電圧に比例し、ａｂ：ａｃは１：７となる。この関係とＩ_０１，Ｉ_０７’の位置とにより、対地静電容量に起因する漏洩電流Ｉ_０ｃのベクトル位置が求められる。これを対地静電容量がバランスしたときの値に補正するためには、Ｉ_０ｃの位相角が１２０°となるようにＩ_０ｃ’を求めれば良い。
漏電電流の基本波成分についても、Ｉ_０１を上記のＩ_０ｃ’により補正すれば、対地静電容量がバランスしたときの漏電電流Ｉ_０’を得ることができる。この漏電電流Ｉ_０’により、前述した対地静電容量がバランスしたときと同様に数式１０等の演算を行うことで、地絡電流Ｉ_０ｒをスカラー量として求めることができる。

上記実施形態では、電圧、電流の基本波成分と第３調波成分または第５調波成分または第７調波成分とを組み合わせて地絡電流Ｉ_０ｒを求める方法につき説明したが、実際の波形においては、電源や負荷の種類に応じて第３，第５，第７等の各高調波成分の含有率や含有の有無が異なり、必ずしもすべての高調波成分が含有されるとは限らない。
このため、地絡電流検出装置としては、前述した各高調波成分に対する演算機能を図１のＣＰＵ５０が備えると共に、各高調波成分に対する複数の演算結果の中から最適の地絡電流を唯一決定するような手段を備えることが望ましい。このような手段の例としては、例えば含有率が最も大きい高調波成分に対する演算結果（地絡電流値）を選定する手段や、すべての高調波成分に対する演算結果の平均値を求める手段等が考えられるが、勿論、これらに限定されるものではない。

また、本実施形態では、上述のように第３調波成分または第５調波成分または第７調波成分を用いているが、これら以外の高調波成分を用いて対地静電容量のアンバランスを補正しても良いのは言うまでもない。
更に、電子機器においては、目的とする信号以外に高周波ノイズ信号が混入することが考えられ、その対策として、例えば図１における電圧検出手段１０Ｖや電流検出手段１０Ｉ等の入力部に、抵抗及びコンデンサからなるＲ−Ｃフィルタ等を付加することが多い。この場合、基本波成分に対して高次高調波成分ほど信号の減衰が大きくなるが、その減衰割合は周波数に応じて常に一定値となる。
このことから、電子機器の内部フィルタによる信号の減衰分を各高調波に応じた補正係数にて補償すれば、元の信号に含有された各高調波成分を正確に再現することができ、最終的な地絡電流の演算精度を一層向上させることができる。

上述した実施形態は本発明を絶縁監視装置１００に適用した場合のものであるが、本発明は、回路遮断器、漏電遮断器、または漏電リレー、もしくはこれらと指示計器類を組合せた機器にも適用可能である。

２：三相配電系統
３：交流電源
４：零相変流器
１０Ｖ：電圧検出手段
１０Ｉ：電流検出手段
２０Ｖ：レベル変換手段
２０Ｉ：増幅手段
３０Ｖ，３０Ｉ：Ａ／Ｄ変換手段
４０Ｖ，４０Ｉ：メモリ
５０：ＣＰＵ
５１Ｖ，５１Ｉ：フーリエ変換手段
５２：相対位相演算手段
５３：漏電電流演算手段
５４：地絡電流演算手段
６０：出力手段
１００：絶縁監視装置

Claims

三相デルタ結線の交流電源を有し、かつ一相が接地された三相配電系統を対象として、前記配電系統の漏電電流と、前記漏電電流の線間電圧に対する位相角とを用いて、前記配電系統の対地絶縁抵抗に起因した地絡電流を検出する地絡電流検出方法において、
前記配電系統の対地静電容量のアンバランスに起因する漏洩電流の高調波成分により、または、漏洩電流の高調波成分及び基本波成分の組み合わせにより、漏電電流基本波成分のアンバランスを補正する手段であって、前記高調波成分が第ｎ（ｎは３以上の奇数）調波成分であるときに、線間電圧の第ｎ調波成分を線間電圧の基本波成分の１／ｎとしたときの前記漏洩電流の第ｎ調波成分の値を用いて前記漏電電流基本波成分のアンバランスを補正する手段を備え、
前記アンバランスを補正した漏電電流基本波成分とこの漏電電流基本波成分の線間電圧基本波成分に対する位相角とを用いて地絡電流を演算する処理を、複数種類の第ｎ調波成分につき実行して複数の地絡電流を求め、そのうちの一つを選択することを特徴とする地絡電流検出方法。
請求項１に記載した地絡電流検出方法において、
前記三相配電系統のうちの非接地二相の対地絶縁抵抗による地絡電流のスカラー和を演算することを特徴とする地絡電流検出方法。
三相デルタ結線の交流電源を有し、かつ一相が接地された三相配電系統を対象として、前記配電系統の漏電電流と、前記漏電電流の線間電圧に対する位相角とを用いて、前記配電系統の対地絶縁抵抗による地絡電流を演算する地絡電流検出装置において、
前記配電系統の漏電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、
前記漏電電流及び線間電圧から基本波成分及び高調波成分を抽出する手段と、
前記漏電電流及び線間電圧から基本波成分及び高調波成分を抽出する際に前記地絡電流検出装置の内部フィルタにより減衰した信号を、前記高調波成分の次数に応じて補償する手段と、
前記漏電電流の前記線間電圧に対する位相角を検出する手段と、
前記配電系統の対地静電容量のアンバランスに起因する前記漏洩電流の高調波成分により、または、漏洩電流の高調波成分及び基本波成分の組み合わせにより、漏電電流基本波成分のアンバランスを補正し、前記アンバランスを補正した漏電電流基本波成分と、この漏電電流基本波成分の線間電圧基本波成分に対する位相角とを用いて地絡電流を演算する手段と、
を備えたことを特徴とする地絡電流検出装置。