JP5514842B2 - 直流非接地式電路の絶縁監視装置と監視方法 - Google Patents

Description

本発明は、直流非接地電路における電路と大地間の絶縁を監視する技術に関し、特に、地絡継電器が動作する以前の絶縁状態を監視する技術に関する。

近年、ＣＯ₂を排出しない発電、また原子力発電の事故などで、自然エネルギーの利用が見直され、自然エネルギーを利用した発電の開発が進められている。太陽光を利用した太陽光発電、風力や地熱を利用した発電、その他、化学反応を利用した燃料電池等々である。これらで発電された電力はすべて直流電力で一般に利用する場合はインバータ等で交流電力に変換して利用される。

大規模発電システム、例えばメガソーラーのように大規模太陽光発電所の建設は、多大な設置面積を要し都市から離れた場所に設置され、そこから直流電路によって離れた場所の変電所に送電される場合が多い。

直流送電においても交流送電と同様に、送電路と大地間の絶縁抵抗が劣化して地絡事故を起こす場合があるので直流地絡継電器が設置されている。地絡継電器が作動すると電路が遮断され需要者側に多大な損害を与える。

本発明は、この地絡継電器が作動するに到る前に直流電路と大地間の絶縁抵抗の変化を常時監視し、遮断器が遮断する以前に事前の策を講じられる様にする事を目的とするものである。

従来、この種の絶縁監視方法として図５に示すものが知られている。図５は従来の絶縁監視方法の等価回路図で、同図において、１０は直流電源、１１，１２は直流電源１０からの電力を送電する正極側電路（以下、正極電路と略称）と負極側電路（以下、負極電路と略称）、Ｒ１、Ｒ３は電路間電圧を分圧する分圧用抵抗体、Ｒ２、Ｒ４は正極電路１１と大地Ｅ間及び負極電路１２と大地Ｅ間に生じる正極側及び負極側絶縁抵抗、Ｒ５は分圧点Ｅ´と大地Ｅ間に設けられた検出用抵抗体を示し、正極電路又は負極電路と大地間の絶縁抵抗が変化すると、分圧用抵抗低体Ｒ１、Ｒ３と絶縁抵抗Ｒ２、Ｒ４の比率により、検出抵抗体Ｒ５に相互に流れ込む電流が変化するため、この電流の変化量を検出するようにしている（例えば、特許文献１）。

特開２００４−２７１２８５号公報。

図５に示した従来の方法では、検出用抵抗体に流れる電流の変化量が分かるだけで絶縁抵抗値を求めることは出来ない。また、絶縁抵抗が変化して検出用抵抗体に流れる込む電流の正極側絶縁抵抗Ｒ２と負極側絶縁抵抗Ｒ４の比率と、分圧用抵抗体Ｒ１とＲ３の抵抗比率が同じとなると、検出用抵抗体Ｒ５に流れる電流Ｉ５は零となる。即ち、大地Ｅと分圧点Ｅ´の電位が同電位となり、検出用抵抗体Ｒ５に電圧が発生せず絶縁抵抗の検出が出来ない。

また、正極側と負極側の絶縁抵抗Ｒ２とＲ４同時に劣化した場合には、Ｒ２−Ｒ５−Ｒ３に流れる電流Ｉｇｐと、Ｒ１―Ｒ５―Ｒ４に流れる電流Ｉｇｎが相互に作用し、劣化した絶縁抵抗Ｒ２、Ｒ４に流れる電流を検出用抵抗体Ｒ５で正確に検出できない。従って、正確な絶縁抵抗値の検出は出来ない、という課題がある。

本発明はこのような課題を解決するために成されたもので、計測時に分圧用抵抗体の分圧比を強制的に変え、上記の従来検出出来なかった条件のときでも絶縁抵抗値を正確に検出出来るようにするものである。

本発明において、上記の課題を解決するための手段は、直流非接地式電路の電路電圧を検出する電路電圧検出手段と、この電路電圧を分圧する分圧用抵抗体Ｒ１、Ｒ３と、この分圧用抵抗体の分圧比を補助抵抗体を正極側と負極側に交互に切り替えて分圧比を変更する切替手段と、該切替手段と大地Ｅ間に設けられ大地間に流れる電流を検出して電路と大地間の電流を検出する電流検出手段と、該電流検出手段で検出した検出信号と前記の電路電圧検出手段で検出した電圧信号を入力し正極側に切替えたときの電路と大地間の電流信号と負極側に切替えたときの電路と大地間の電流信号から絶縁抵抗を演算する演算手段と、該演算手段で演算した絶縁抵抗値を表示する計測表示手段及び又は警報手段を備え、正極側絶縁抵抗をＲ２、負極側絶縁抵抗をＲ４としたときのＲ２とＲ４の絶縁抵抗値の算出は次の演算式で求めて直流非接地式電路と大地間の絶縁抵抗値の変化を監視するようにする。

R2＝(V4a−V4b)×V／(V4b×I5ａ−V4a×I5ｂ)
R4＝(V2b−V2ａ)×V／(V2ｂ×I5ａ−V2ａ×I5ｂ)
但し、Vは電路電圧、R1、R3は分圧用抵抗体、R6は補助分圧抵抗体、R5は電流検出手段に
有する検出用抵抗体でこれらの値は既知。V2、V4は電圧で、これに付されている数字の抵
抗体の電圧、Ｉは電流を示しこれに付されている数字の抵抗に流れる電流。ａ，ｂは切替
手段での切り替えオン接点を示す。

なお、Ｖ４ａは、Ｖ３ａ−Ｖ５ａ、Ｖ４ｂは、Ｖ３ｂ−Ｖ５ｂ、Ｖ２ａは、Ｖ１ａ＋Ｖ５ａ、Ｖ２ｂは、Ｖ１ｂ＋Ｖ５ｂで求めることが出来る。

また、監視方法は、直流非接地式電路の電圧を分圧用抵抗体で分圧し、分圧用抵抗体の分圧点と大地間に分圧比を切り替え変更する切替手段を設け、この切替手段と大地間に分圧点と大地間に流れる電流を検出する検出手段を設けるとともに、切替手段は正極側と負極側の分圧用抵抗体に補助分圧抵抗体を交互に接続して分圧比を変更し、夫々変更したときに流れる電流を電流検出手段で検出し、この検出した夫々の電流と電路電圧から演算手段によって正極電路と大地間、負極電路と大地間の絶縁抵抗値を算出し、算出した値を基に可視可能に表示する計測表示手段及び又は絶縁抵抗値が所定値以下になったときに警報を出すようにして直流非接地式電路と大地間の絶縁抵抗を監視する。

上記の絶縁抵抗値の演算は、正極電路と大地間の絶縁抵抗をＲ２、負極電路と大地間の絶縁抵抗をＲ４としたとき次の演算式で求めることできる。

R2＝(V4a−V4b)×V／(V4b×I５a−V4a×I5ｂ)
R4＝(V2b−V2ａ)×V／（V2ｂ×I5ａ−V2ａ×I5ｂ）
但し、Vは電路電圧、R1、R3は分圧用抵抗体、R6は補助分圧抵抗体、R5は電流検出手
段に有する検出用抵抗体でこれらの値は既知。V2、V4は電圧で、これに付されている数字
の抵抗体の電圧、Ｉは電流を示しこれに付されている数字の抵抗に流れる電流。ａ，ｂは
切替手段での切り替えオン接点を示す。

なお、Ｖ４ａは、Ｖ３ａ−Ｖ５ａ、Ｖ４ｂは、Ｖ３ｂ−Ｖ５ｂ、Ｖ２ａは、Ｖ１ａ＋Ｖ５ａ、Ｖ２ｂは、Ｖ１ｂ＋Ｖ５ｂで求めることが出来る。

（１） 従来の方法では、正極側絶縁抵抗Ｒ２と負極側絶縁抵抗Ｒ４が同じ値、或いは分圧用抵抗体Ｒ１とＲ３と同じ比率になると電位が同電位となり計測する抵抗電圧が発生せず、絶縁抵抗を計測できなかったが、本発明では分圧用抵抗体の値を分圧比の切替手段で切替えることにより絶縁抵抗側と分圧用抵抗側に電位差が発生し、従来出来なかった条件のときでも絶縁抵抗値を検出することが出来る。

（２）、分圧比切替手段でオン、オフを交互に切替えることにより、正極側と負極側の各絶縁抵抗を求めることが出来る。

（３） 電路電圧を常時検出することで、電路電圧が変動する場合でも正確な絶縁抵抗値を求めることが出来る。

（４） 分圧比変更用に補助抵抗体を用いた場合の補助分圧抵抗体Ｒ６の抵抗値をＲ１＞＞Ｒ６およびＲ３＞＞Ｒ６とすることにより、電路と大地間の電圧変動を小さく抑えることが出来、負荷機器へのノイズの影響を小さく出来る。

本発明の実施の形態の構成図。 図１の等価回路図。 図２におけるａ側接点オン、ｂ側接点オフ時の等価回路図。 図２におけるｂ側接点オン、ａ側接点オフ時の等価回路図。 従来技術の説明図。

以下、本発明の実施の形態を図面によって説明する。図１は本発明を説明するための構成図で、１は直流電源、２，３は直流電源１に接続されている正極及び負極側の正極電路及び負極電路、４は絶縁監視装置を示す。該絶縁監視装置４は、電路電圧Ｖを取り込み電路電圧を検出する電路電圧検出手段４１、この電路電圧を分圧する分圧用抵抗体Ｒ１、Ｒ３及びこの分圧用抵抗体Ｒ１とＲ３の分圧比を補助分圧抵抗体Ｒ６を切り替えて変更する分圧比の切替手段４２を有する。

４３は検出抵抗体からなる電流検出手段で、分圧比の切替手段４２と大地Ｅ間に接地線４４を介して接続され、分圧用抵抗体から大地Ｅ間に流れる電流を検出する。４５は電流検出手段４３の検出信号を増幅する増幅回路、４６はこの増幅回路４５の出力信号と電路電圧検出手段４１で検出した電路電圧信号を入力し、これら入力信号をＡ／Ｄ変換器４６でデジタル信号に変換して演算手段４７に入力する。

４８は分圧比の切替手段４２の切替制御手段で、演算手段４７からの指令により分圧比の切替手段４２内の接点を切替える。この切替えは、正極電路２側の分圧用抵抗体Ｒ１に接続される接点をａ側接点、負極電路３側の分圧用抵抗体Ｒ３に接続される接点をｂ側接点とし、一方がオンのとき他方がオフとなり所定の時間間隔で交互にオン、オフ制御される。Ｒ６は補助分圧抵抗体で、ａ側接点がオンのとき分圧抵抗体Ｒ３側に直列に挿入され、分圧比はＲ１／（Ｒ３＋Ｒ６）となり分圧比が変更される。ｂ側接点オンのときも同様に変更される。

Ｒ２は本発明が検出監視しようとする正極電路と大地間の正極側絶縁抵抗、Ｒ４は負極電路と大地間の負極側絶縁抵抗である。この正極側、負極側絶縁抵抗Ｒ２及びＲ４は電路正常の状態では無限大に近く、電路と大地間の絶縁が劣化することにより現れ変化する。

今、正極電路２と大地間の絶縁が劣化し、正極側絶縁抵抗Ｒ２が発生すると、分圧比の切替手段４２の接点がａ側オン、ｂ側オフの状態のときは、分圧用抵抗体Ｒ３に補助分圧抵抗体Ｒ６が加わり、分圧比はＲ１／（Ｒ３＋Ｒ６）となり、分圧された電流は電流検出手段４３から大地Ｅに流れる。ｂ側オン、ａ側オフのときは、分圧比は（Ｒ１＋Ｒ６）／Ｒ３となり、分圧された電流による電流検出手段４３から大地Ｅに流れる。

電流検出手段４３は切替手段４２で分圧比を切り替えたときに流れる電流を夫々検出した検出信号を、増幅回路４５、Ａ／Ｄ変換器４６を介して演算手段４７に入力する。演算手段４７は夫々の入力信号と電路電圧検出手段４１からの電圧信号を基に正極側、負極側絶縁抵抗Ｒ２、Ｒ４を算出する。４８は分圧比の切替手段４２の切替接点を制御する切替制御手段で、所定の時間間隔で接点を交互に切り替える。４９は計測表示手段で、演算手段４７で演算した結果を可視可能な状態で数字やグラフ等で表示する。５０は警報手段で、絶縁抵抗値があらかじめ設定した値以下となったとき音又は光によって警報する。

図２は演算手段４７による演算を説明するための等価回路図を示す。なお、同図において図１と同じ又は相当部分には同じ符号を付して説明を省略する。また、図３は図２における分圧比の切替手段４２のａ側接点オン、ｂ側接点オフの場合、図４はａ側接点オフ、ｂ側接点オンの場合の等価回路を示し、これらの等価回路によって絶縁抵抗Ｒ２とＲ４の抵抗値の算出について説明する。

なお、次の式中、記号のａ、ｂの符号は、ａ側接点及びｂ側接点が夫々オンの状態を示し、Ｉ１〜Ｉ５及びＶ１〜Ｖ５は夫々分圧用抵抗体、検出用抵抗体、絶縁抵抗Ｒ１〜Ｒ５に流れる電流およびその抵抗間の電圧を示し、Ｒ５は電流検出手段４３内に有する検出用抵抗体を示し、また、Ｒ３ａは、Ｒ３＋Ｒ６、Ｒ１ｂは、Ｒ１＋Ｒ６を示している。

正極側絶縁抵抗Ｒ２、負極側絶縁抵抗Ｒ４は以下のように求める。

＜ａ側接点オン、ｂ側接点オフのとき＞
最初に電路電圧Ｖと検出用抵抗体Ｒ５の電圧Ｖ５ａを計測する。このＶ５ａからそこに流れる電流Ｉ５ａをＶ５ａ／Ｒ５で求める。

次に、抵抗Ｒ１に流れる電流Ｉ１ａを求める。
Ｉ１ａ＝（Ｖ＋Ｒ３ａ×Ｉ５ａ）／（Ｒ１＋Ｒ３ａ）・・・・（１）
そして、抵抗Ｒ１の電圧Ｖ１ａは、Ｖ１ａ＝Ｉ１ａ×Ｒ１で求める。

次に、抵抗Ｒ３ａに流れる電流Ｉ３ａは、Ｉ３ａ＝Ｉ１ａ−Ｉ５ａで求まり、その電圧Ｖ３ａはＩ３ａ×Ｒ３ａで求まる。

次に、抵抗Ｒ２の電圧Ｖ２ａは、Ｖ２ａ＝Ｖ１ａ＋Ｖ５ａで求め、抵抗Ｒ４の電圧Ｖ４ａは、Ｖ３ａ−Ｖ５ａで求まる。

抵抗Ｒ２に流れる電流Ｉ２ａは、
Ｉ２ａ＝（Ｖ−Ｒ４×Ｉ５ａ）／（Ｒ２＋Ｒ４）＝Ｖ２ａ／Ｒ２・・・・・（２）
この式より、Ｒ２＝Ｖ２ａ×（Ｒ２＋Ｒ４）／（Ｖ−Ｒ４×Ｉ５ａ）・・・・（３）。

＜ｂ側接点オン、ａ側接点オフのとき＞
最初に電路電圧Ｖと検出用抵抗Ｒ５の電圧Ｖ５ｂを計測する。このＶ５ｂからＩ５ｂをＶ５ｂ／Ｒ５で求める。

次に、抵抗Ｒ１ｂに流れる電流Ｉ１ｂを求める。
Ｉ１ｂ＝（Ｖ＋Ｒ３×Ｉ５ｂ）／（Ｒ１ｂ＋Ｒ３）・・・・（４）
そして、抵抗Ｒ１ｂの電圧Ｖ１ｂは、Ｖ１ｂ＝Ｉ１ｂ×Ｒ１ｂで求める。

次に、抵抗Ｒ３に流れる電流Ｉ３ｂは、Ｉ３ｂ＝Ｉ１ｂ−Ｉ５ｂで求まり、その電圧Ｖ３ｂはＩ３ｂ×Ｒ３で求まる。

次に、抵抗Ｒ２の電圧Ｖ２ｂは、Ｖ２ｂ＝Ｖ１ｂ＋Ｖ５ｂで求め、抵抗Ｒ４の電圧Ｖ４ｂは、Ｖ３ｂ−Ｖ５ｂで求まる。

抵抗Ｒ２に流れる電流Ｉ２ｂは、
Ｉ２ｂ＝（Ｖ−Ｒ４×Ｉ５ｂ）／（Ｒ２＋Ｒ４）＝Ｖ２ｂ／Ｒ２・・・・・（５）
この式より、Ｒ２＝Ｖ２ｂ×（Ｒ２＋Ｒ４）／（Ｖ−Ｒ４×Ｉ５ｂ）・・・・（６）
式（３）と（６）の両計算結果から、
Ｖ２ａ×（Ｒ２＋Ｒ４）／（Ｖ−Ｒ４×Ｉ５ａ）＝Ｖ２ｂ×（Ｒ２＋Ｒ４）／（Ｖ−Ｒ４×Ｉ５ｂ）・・・・（７）
が成り立ち、これから負極側絶縁抵抗Ｒ４は、
Ｒ４＝（Ｖ２ｂ−Ｖ２ａ）×Ｖ／（Ｖ２ｂ×Ｉ５ａ−Ｖ２ａ×Ｉ５ｂ）・・・・・（８）
が求まる。

同様に、Ｉ４ａ＝（Ｖ＋Ｒ２×Ｉ５ａ）／（Ｒ２＋Ｒ４）＝Ｖ４ａ／Ｒ４・・・（９）
Ｒ４＝Ｖ４ａ×（Ｒ２＋Ｒ４）／（Ｖ＋Ｒ４×Ｉ５ａ）・・・・・・・・・・・（１０）
同様に、Ｉ４ｂ＝（Ｖ＋Ｒ２×Ｉ５ｂ）／（Ｒ２＋Ｒ４）＝Ｖ４ｂ／Ｒ４・・・（１１）
Ｒ４＝Ｖ４ｂ×（Ｒ２＋Ｒ４）／（Ｖ＋Ｒ４×Ｉ５ｂ）・・・・・・・・・・（１２）
式（１０）、（１２）の両計算結果から
Ｖ４ａ×（Ｒ２＋Ｒ４）／（Ｖ＋Ｒ２×Ｉ５ａ）＝Ｖ４ｂ×（Ｒ２＋Ｒ４）／（Ｖ＋Ｒ２×Ｉ５ｂ）
が成り立ち、これから正極側絶縁抵抗Ｒ２は、
Ｒ２＝（Ｖ４ａ−Ｖ４ｂ）×Ｖ／（Ｖ４ｂ×Ｉ５ａ−Ｖ４ａ×Ｉ５ｂ）・・・・（１３）
が求まる。

なお、分圧用の切替手段４２において２つの接点を用いた場合について説明したが、接点は必ずしも接触子を意味するものではなく、論理回路（素子）やトランジスタなど利用でも良く、要は分圧比を変ることで検出用抵抗体に流れる電流が変化し、絶縁抵抗値を同様に求めることが出来るようにするものである。

また、本発明は分圧比を変える前の検出電流と、変えた後の検出電流及び電路電圧から各抵抗体の電圧、電流を求め、その差から演算により絶縁抵抗の値を求めるようにしているので、各分圧用抵抗体（補助分圧抵抗体を含む）と電流検出用抵抗体の値が既知であれば抵抗値は任意の値で良く、また、比率も任意でよい。

１…直流電源
２…正極側電路
３…負極側電路了承
４…絶縁監視装置
４１…電路電圧検出手段
４２…分圧比の切替手段
４３…電流検出手段
４４…接地線
４５…増幅回路
４６…Ａ／Ｄ変換器
４７…演算手段
４８…切替制御手段
４９…計測表示手段
５０…警報手段

Claims (3)

1. 直流非接地式電路の電路電圧Ｖを検出する電路電圧検出手段と、この電路電圧を分圧する
   分圧用抵抗体Ｒ1、Ｒ3と、この分圧用抵抗体の分圧比を補助分圧抵抗体R6を正極側と負極
   側に交互に切り替えて分圧比を変更する切替手段と、該切替手段と大地間に設けられ大地
   間に流れる電流を検出する電流検出手段と、該電流検出手段で検出した検出信号と前記の
   電路電圧検出手段で検出した検出信号を入力し正極側に切替えたときの電路と大地間の電
   流信号と負極側に切替えたときの電路と大地間の電流信号から絶縁抵抗値を演算する演算
   手段と、該演算手段で演算した絶縁抵抗値を表示する計測表示手段及び又は警報手段を備
   え、正極側絶縁抵抗をR2、負極側絶縁抵抗をR4としたときのR2とR4の絶縁抵抗値の演算手
   段による算出は次の演算式で求めることを特徴とする直流非接地式電路の絶縁監視装置。
   R2＝(V4a−V4b)×V／(V4b×I5ａ−V4a×I5ｂ)
   R4＝(V2b−V2ａ)×V／(V2ｂ×I5ａ−V2ａ×I5ｂ)
   但し、Vは電路電圧、R1、R3は分圧用抵抗体、R6は補助分圧抵抗体、R5は電流検出手段に
   有する検出用抵抗体でこれらの値は既知。V2、V4は電圧で、これに付されている数字の抵
   抗体の電圧、Ｉは電流を示しこれに付されている数字の抵抗に流れる電流。ａ，ｂは切替
   手段での切り替えオン接点を示す。なお、V4aは、V3a−V５a、V4bは、V3b−V５b、Ｖ2ａ
   は、Ｖ1ａ＋Ｖ5ａ、Ｖ2ｂは、Ｖ1ｂ＋Ｖ5bで求まる。
2. 直流非接地式電路の電圧を分圧用抵抗体で分圧し、分圧用抵抗体の分圧点
   と大地間に分圧比を切り替え変更する切替手段を設け、この切替手段と大地間に、分圧点
   と大地間に流れる電流を検出する検出手段を設けるとともに、切替手段は正極側と負極側
   の分圧用抵抗体に補助分圧抵抗体を交互に接続して分圧比を変更し、絶縁抵抗側と分圧抵
   抗側に強制的に電圧差を発生させ、夫々変更したときに流れる夫々の電流を電流検出手段
   で検出し、この検出した夫々の電流と電路間電圧から演算手段によって正極電路と大地間
   、負極電路と大地間の絶縁抵抗値を算出し、算出した値を基に計測表示手段に表示及び又
   は警報手段で警報するようにしたことを特徴とする直流非接地式電路の絶縁監視方法。
3. 請求項２における絶縁抵抗値の演算は、分圧用抵抗体をＲ1、Ｒ3、補助
   分圧抵抗体R6及び検出用抵抗体をＲ５とし、正極電路と大地間の絶縁抵抗をR2、負極電路
   と大地間の絶縁抵抗をR４としたとき次の演算式で求めることを特徴とする請求項２記載
   の直流非接地式電路の絶縁監視方法。
   R2＝(V4a−V4b)×V／(V4b×I５a−V4a×I5ｂ)
   R4＝(V2b−V2ａ)×V／（V2ｂ×I5ａ−V2ａ×I5ｂ）
   但し、Vは電路電圧、R1、R3は分圧用抵抗体、R6は補助分圧抵抗体、R5は電流検出手
   段に有する検出用抵抗体でこれらの値は既知。V2、V4は電圧で、これに付されている数字
   の抵抗体の電圧、Ｉは電流を示しこれに付されている数字の抵抗に流れる電流。ａ，ｂは
   切替手段での切り替えオン接点を示す。なお、V4aは、V3a−V５a、V4bは、V3b−V５b、Ｖ
   2ａは、Ｖ1ａ＋Ｖ5ａ、Ｖ2ｂは、Ｖ1ｂ＋Ｖ5bで求まる。

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