JP5642737B2 - 絶縁診断装置、絶縁診断システム、プログラム - Google Patents

絶縁診断装置、絶縁診断システム、プログラム Download PDF

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Description

本発明は、絶縁診断装置、絶縁診断システム、及びプログラムに関する。
変圧器の2次側の交流回路においては、変圧器の2次側の対地電圧が高くなることを防ぐために、一般に、交流回路の所定の母線は接地される(例えば、特許文献1参照)。
特開2007−28813号公報
ところで、交流回路の母線のうち、接地されていない母線に地絡事故が発生し、接地されていない母線の対地間の抵抗値が小さくなった場合、漏電遮断器等で地絡事故(絶縁抵抗の低下)を検出することは可能である。しかしながら、接地されている母線の対地間の抵抗は小さいため対地電圧は低く、漏電遮断器等で接地側の母線の地絡事故を検出することは難しい。そこで、従来では、系統の一部を停電させ、交流回路の動作を停止させた状態で、交流回路の接地側の母線の絶縁不良等が検査されていた。
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、交流回路が動作した状態で接地側の母線の絶縁状態を診断することができる絶縁診断装置を提供する。
上記目的を達成するため、本発明の一つの側面に係る絶縁診断装置は、第1変圧器の2次側に接続される電源側の第1母線と、前記第1変圧器の2次側に接続される接地側の第2母線とを含む交流回路の前記第1母線及び前記第2母線の零相電流を測定する零相変流器の測定結果が入力される制御装置と、1次側の一端および2次側の一端が前記第2母線に接続され、前記2次側の他端が接地された第2変圧器と、前記第2変圧器における前記1次側の他端と前記第1母線との間に設けられた第1スイッチと、前記第2変圧器における前記2次側の一端と前記2次側の他端との間に設けられた第2スイッチと、を備え、前記制御装置は、前記第1および第2スイッチの状態を制御する制御部と、前記第1変圧器の2次側に設けられている前記第2母線を接地する配線が取り外された状態において、前記第1スイッチがオフし、前記第2スイッチがオンの状態の前記零相電流の第1電流値および前記第1母線の第1電圧値と、前記第1スイッチがオンし、前記第2スイッチがオフの状態の前記零相電流の第2電流値および前記第1母線の第2電圧値と、を取得する取得部と、前記取得部が取得した取得結果に基づいて、前記第2母線の対地間の抵抗に所定の電圧が印加された際の前記対地間の抵抗に流れる電流を算出する算出部と、を含む。
交流回路が動作した状態で接地側の母線の絶縁状態を診断することができる絶縁診断装置を提供する。
本発明の一実施形態である絶縁診断システム30が設けられた交流回路10の概要を示す図である。 マイコン72に実現される機能ブロックの一例を示す図である。 絶縁診断処理が実行される際の変圧器50のスイッチS1,S2の状態を説明するための図である。 絶縁診断処理が実行される際の変圧器50のスイッチS1,S2の状態を説明するための図である。 交流回路10の中性極に地絡が発生している場合の一例を示す図である。 絶縁診断処理の一例を示すフローチャートである。
本明細書および添付図面の記載により、少なくとも以下の事項が明らかとなる。
図1は、本発明の一実施形態である絶縁診断システム30が設けられた交流回路10の概要を示す図である。
交流回路10は、高圧(配電線)からの電圧を降圧する単相三線式の回路であり、変圧器20、遮断器21〜23、母線25〜27、及び配線28を含んで構成される。
変圧器20は、1次側に印加される高圧からの電圧を降圧し、2次側に出力する変圧器である。変圧器20の二次側の端子A1,A2の間と、端子A2,A3の間には、例えば、互いに逆相となる110V(実効値)の交流電圧が出力される。
母線25,26は、遮断器21,23を介して端子A1,A3に接続される電源側の母線である。母線27は、遮断器22を介して端子A2(中性点)に接続される接地側の母線である。ここでは、交流回路10の対地電圧が高くなりすぎないよう、端子A2は配線28を介して接地されている。なお、詳細は後述するが、交流回路10に絶縁診断装置41が設けられ、各母線に絶縁診断装置41が接続された際には、配線28は取り外される。また、母線25,26の間と、母線25,27の間には、図示しない継電器等の各種機器が負荷として接続されている。なお、交流回路10は、母線25及び母線27で構成される回路と、母線26及び母線27で構成される回路とが含まれるが、以下本実施形態では、便宜上、母線25及び母線27で構成される交流回路を中心に説明する。
絶縁診断システム30は、交流回路10の接地側の母線27の絶縁状態を診断する装置であり、零相変流器40及び絶縁診断装置41を含んで構成される。
零相変流器40は、母線25,27の2本の母線をクランプすることにより、母線25,27からグランドへと流れる電流Ix(漏れ電流)を測定する変流器である。
絶縁診断装置41は、零相変流器40の測定結果に基づいて、接地側の母線27の絶縁状態を診断する装置であり、変圧器50、制御装置51、及びスイッチS1,S2を含んで構成される。
変圧器50は、接地側の母線27に所定の電圧を印加するための変圧器であり、1次側には端子N1,N2が設けられ、2次側には端子N3,N4が設けられている。
変圧器50において、1次側の端子N1(一端)と、2次側の端子N3(一端)とは、ともに接地側の母線27に接続されている。また、変圧器50は、1次側の端子間に、110Vの交流電圧が発生した場合、2次側の端子間に40Vの交流電圧が発生するよう、1次側と2次側の巻き数が定められている。なお、110V,40Vはともに実効値である。
スイッチS1(第1スイッチ)は、変圧器50の1次側の端子N2(他端)を、母線25〜27の何れかに接続させるか、オープン状態とするためのスイッチである。
スイッチS2(第2スイッチ)は、変圧器50の2次側の端子N3,N4の間をショート状態、またはオープン状態とするためのスイッチである。
制御装置51は、スイッチS1,S2の状態を制御するとともに、接地側の母線27からグランドへと流れる電流I1を計算する。制御装置51は、ADコンバータ70、記憶装置71、マイコン72、表示装置73、および警報装置74を含んで構成される。
ADコンバータ70は、零相変流器40の測定結果や、母線25,26の電圧をデジタル化し、マイコン72に出力する。
記憶装置71は、マイコン72が実行するプログラムや、測定データ等を記憶する。
マイコン72は、記憶装置71に格納されたプログラムを実行することにより、各種機能を実現し、制御装置51を統括制御する。
表示装置73は、マイコン72で実行される処理の結果や各種情報を表示し、警報装置74は、接地側の母線27からの漏れ電流が所定より大きい場合、警報(例えば、アラーム)を鳴らす。
<<マイコン72の機能ブロックについて>>
図2は、マイコン72に実行される機能ブロックの一例を示す図である。マイコン72には、制御部80、取得部81、算出部82、判定部83、警報出力部84、および表示部85が実現される。
制御部80は、スイッチS1,S2の状態を制御する。具体的には、制御部80は、図3に示すように、変圧器50の1次側の端子N2が端子N1とショートするようスイッチS1を切り換え、変圧器50の2次側の端子N3が端子N4とショートするようスイッチS2をオンする。また、制御部80は、図4に示すように、変圧器50の1次側の端子N2が電源側の母線25に接続されるようスイッチS1を切り換え、変圧器50の2次側の端子N3,N4の間がオープン状態となるようスイッチS2をオフする。なお、以下、図3に示したスイッチS1,S2の状態を状態1とし、図4に示したスイッチS1,S2の状態を状態2とする。
取得部81は、スイッチS1,S2の状態が、状態1の際の零相変流器40で測定された電流Ix1と、母線25の電圧Vx1とを取得する。さらに取得部81は、スイッチS1,S2の状態が、状態2の際の零相変流器40で測定された電流Ix2と、母線25の電圧Vx2とを取得する。
算出部82は、電流Ix1,Ix2、電圧Vx1,Vx2を用いて、接地側の母線27に所定電圧(例えば、110V)が印加された場合に、母線27からグランドへと流れる電流I1を算出する。そして算出部82は、電流I1を算出する毎に、算出した電流I1と、算出された時刻を示す情報とを、記憶装置71に格納する。
なお、以下、母線25に接続された絶縁抵抗R1を1.1MΩ、母線27に接続された絶縁抵抗R2、地絡抵抗Rgのそれぞれを1.1MΩ、0.1MΩとして説明する。また、ここでは、予め変圧器20の端子A2に接続されていた配線28は、作業者等により取り外されている。このような場合であっても、交流回路10は、変圧器50の2次側の端子N4を介して接地されているため、交流回路10に高い対地電圧が発生することはない。
まず、図3に示すスイッチS1,S2が状態1の場合、変圧器50の1次側及び2次側はショートされているため、変圧器50は入力される電圧を変圧することはない。そして、母線27は、オンされたスイッチS2を介して接地されているため、母線27の電圧は0Vとなる。一方、母線25,27の間に発生する交流電圧は110V(実効値)であるため、母線25の電圧も110V(実効値)となる。したがって、この場合、零相変流器40で測定される電流Ix1は、母線25の絶縁抵抗R1からグランドに流れる電流のみとなる。つまり、電流Ix1は、
Ix1=110V/(1.1MΩ)=0.1mA・・・(1)
となる。なお、この際の母線25の電圧Vx1=110Vとなる。
つぎに、図4に示すスイッチS1,S2が状態2の場合、変圧器50の1次側の端子N2は母線25に接続され、2次側の端子N3,N4の間は開放される。この場合、変圧器50の1次側に発生する電圧は、母線25,27の間に発生する110Vと等しくなるため、変圧器50の2次側に発生する電圧は前述のように40Vとなる。また、変圧器50の端子N4は接地されていることから、接地側の母線27の電圧は40Vとなり、電源側の母線25の電圧は150V(=40V+110V)となる。
したがって、電流Ix2は、母線25の絶縁抵抗R1からグランドに流れる電流と、母線27の絶縁抵抗R2及び地絡抵抗Rgからグランドに流れる電流との和になる。つまり、電流Ix2は、
Ix2=150V/(1.1MΩ)+40V/(1.1MΩ//0.1MΩ)
=0.5728mA・・・(2)
となる。なお、1.1MΩ//0.1MΩは、抵抗R2,Rgの並列抵抗(対地間の抵抗)の値である。また、電圧Vx2は、150Vとなる。
このように、算出部82は、図3、4のそれぞれにおける電流Ix1,Ix2を取得する。そして、算出部82は、電流Ix1(第1電流値),Ix2(第2電流値)と、電圧Vx1(第1電圧値),Vx2(第2電圧値)とに基づいて、母線27に所定電圧(110V)が印加された際の、母線27からグランドへと流れる電流I1を算出する。
まず、算出部82は、図4の状態において、母線27からグランドへと流れる電流IAを算出する。具体的には、式(3)に示すように、図4の状態で絶縁抵抗R1に流れる電流を電流Ix1から計算し、電流Ix2から減算する。
IA=Ix2−Ix1×(Vx2/Vx1)・・・(3)
=0.5728−0.1×(150/110)≒0.4364mA
なお、電流IAは、図4の状態で母線27からグランドへと流れる電流IAである。そして、算出部82は、電流IAに基づいて、母線27に電圧110Vが印加されている場合の電流I1を算出する。
I1=IA×(Vx1/(Vx2−Vx1))・・・(4)
=0.4364×(110/40)≒1.2mA
つまり、母線27に地絡事故が発生し、地絡抵抗Rgが接続される状態において、仮に母線27に高い電圧(110V)が印加されると、式(4)に示すように大きな電流I1が流れることとなる。このような電流I1は、例えば、図5に示すような箇所(中性極)に地絡事故が発生することにより流れる可能性がある。
図5は、ノードP1,P2に地絡が発生した状態を示す図である。ここでは、絶縁診断装置41等は取り外されているため、母線27は配線28を介して接地されている。なお、ノードP1,P2のそれぞれには、等価的に抵抗値0.1MΩの地絡抵抗Rga,Rgbが接続されていることとする。また、母線25,27の間には、直列に接続された継電器100およびスイッチ110が接続されている。このため、例えば、接地側の母線27に地絡事故が発生している状態となる。そして、スイッチ110が投入されると(オンとなると)、ノードP1には110Vが印加されるため、交流回路10には、約1.0mAの漏れ電流(零相電流)が流れる。
また、母線25,27の間には、直列接続された継電器101およびスイッチ111,112が接続されている。このため、例えば、スイッチ111がオンしている状態では、接地側の母線27に地絡事故が発生している状態となる。そして、スイッチ112が投入されると、ノードP2には110Vが印加されるため、交流回路10には、約1.0mAの漏れ電流が流れる。なお、ノードP1,P2(ノードP2の場合はスイッチ111またはスイッチ112が動作している状態)に地絡が発生している交流回路10に、絶縁診断システム30が接続され、電流I1が計算されると、式(4)で示した電流I1が求められる。
図2の判定部83は、算出部82で算出された電流I1の電流値が所定値IAL(例えば、0.5mA)より大きいか否かを判定する。
警報出力部84は、電流I1の値が所定値IALよりも大きい場合には、警報装置74に警報(例えば、アラーム)を出力させる。
表示部85は、電流I1の値が所定値IALよりも大きい場合には、警報表示を表示装置73に表示させる。また、表示部85は、警報表示を表示装置73にさせない場合であっても、母線27の絶縁抵抗が低下している兆候があることを示す注意表示を表示装置73に表示させる。具体的には、表示部85は、算出された電流I1の電流値が、連続してn回(例えば、10回)以上増加した場合、つまり、前回算出された電流I1と、今回算出された電流I1とを比較し、今回算出された電流I1がn回以上して大きい場合、注意表示を表示させる。
==絶縁診断処理の一例==
図6は、母線27の絶縁診断をする際にマイコン72で実行される処理の一例を示すフローチャートである。なお、ここでは、図1に示す交流回路10において、配線28が取り外され、零相変流器40および絶縁診断装置41が交流回路10に取り付けられていることとする。また、交流回路10に設置された絶縁診断装置41は、例えば、定期的(例えば、所定の日数毎)に絶縁診断処理を実行する。
まず、作業者等の指示により、絶縁診断装置41が診断処理を開始すると、制御部80は、スイッチS1,S2を第1状態(図3の状態)にする(S100)。そして、取得部81は、スイッチS1,S2が状態1の際の電流Ix1、電圧Vx1を取得する(S101)。電流Ix1等が取得されると、制御部80は、スイッチS1,S2の状態を第2状態(図4の状態)に変化させる(S102)。スイッチS1,S2の状態が変化すると、取得部81は、電流Ix2、電圧Vx2を取得する(S103)。また、算出部82は、式(3)、(4)を演算することにより、母線27に電圧110Vが印加されている際の漏れ電流、つまり、母線27からグランドへと流れる電流I1を算出する(S104)。
判定部83は、算出された電流I1の電流値が所定値IALより大きいか否かを判定する(S105)。電流I1の電流値が所定値IALより大きい場合(S105:YES)、警報出力部84は、警報装置74に警報を出力させる(S106)。一方、電流I1の電流値が所定値IALより小さい場合(S105:NO)、算出部82は、算出した電流I1と、算出された時刻を示す情報とを、記憶装置71に記憶させる(S107)。さらに、表示部85は、算出された電流I1の電流値が、連続してn回(例えば、10回)以上増加した場合したかを判定する(S108)。そして、電流I1が連続してn回以上増加した場合、(S108:YES)、表示部85は、表示装置73(例えば、パネル)に、注意表示を表示させる(S109)。一方、電流I1が連続してn回以上増加していない場合、(S108:NO)、絶縁診断処理は終了される。
以上、本発明の一実施形態である絶縁診断システム30について説明した。絶縁診断装置41は、交流回路10が動作中において、接地側の母線27に所定電圧が印加された際の母線27からグランドへと流れる電流I1(漏れ電流)を算出することができる。つまり、絶縁診断装置41は、交流回路10が運転中であっても、接地側の母線27の絶縁状態を診断することができる。このため、交流回路10が設けられた系統に不要な停電を発生させることを防ぐことができる。このため、従来では絶縁状態の診断が難しい中性極(図5に示したノードP1,P2)に発生する地絡の有無も検出することが可能となる。
また、警報装置74は、電流I1の電流値が所定値IALより大きい場合、つまり、接地側の母線27の絶縁が悪化している場合、警報を出力する。このため、利用者は直ちに交流回路10に地絡事故等が発生したことを把握することができる。
また、記憶装置71には、電流I1と時刻に関する情報が逐次記憶される。このため、利用者は、これらの情報に基づいて、接地側の母線27の絶縁状態の時間変化(傾向)や気象条件との相関を把握することができる。
また、算出された電流I1の値が、連続してn回以上増加した場合、つまり、徐々に電流I1の値が増えた場合、表示装置73には注意表示が表示される。このため、利用者は、絶縁状態が悪化していることを把握することができる。
本実施形態では、母線25,27をクランプするよう零相変流器40が設けられたが、例えば、母線26,27にも同様の零相変流器が設けられていても良い。この場合には、絶縁診断装置40が母線26の電圧を取得することにより、母線26,27で構成される交流回路の絶縁診断をすることが可能となる。また、本実施形態の交流回路10は、単相三線式の回路であることとしたが、これに限られない。例えば、単相二線式の回路や、三相三線式の回路であっても良い。
また、絶縁診断システム30を交流回路10に用いるためには、交流回路10における変圧器20の2次側の接地線、つまり端子A2を接地するための配線28のみを外せばよい。したがって、既設の一般的な交流回路に対して絶縁診断システム30を用いることができる。
また、本実施形態では、変圧器50の2次側の端子N4が常に接地されている。このため、交流回路10に高い対地電圧が発生することはない。さらに、変圧器50の2次側の電圧は、40Vとなるように変圧器50の巻き数比が調整されている。このため、所定の電気技術基準で定められた150V以下で交流回路10を診断することができる。
なお、上記実施例は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物も含まれる。
本実施形態では、電圧Vx1,Vx2は測定され、取得されることとしたがこれに限られない。電圧Vx1は、変圧器20の2次側の端子A1,A2に発生する電圧であり、電圧Vx2は、変圧器50の巻き数比によって定まる。したがって、状態1、状態2のそれぞれの状態の母線25の電圧を予め記憶装置71に格納し、取得部81に取得させても良い。ただし、実際に母線25の電圧を測定した結果を取得部81に測定させた場合の方が、より精度良く電流I1を計算できる。
また、図6の処理では、交流回路10に絶縁診断システム30を常設し、定期的に絶縁診断を実行させることとしたが、これに限られない。例えば、絶縁診断システム30を設置したときのみ、絶縁診断を実行させても良い。
また、変圧器50としては、1次側の端子N1と2次側の端子N3とがショートされている単相複巻変圧器が用いられているが、単相単巻変圧器等を用いても良い。
10 交流回路
20,50 変圧器
21〜23 遮断器
25〜27 母線
28 配線
30 絶縁診断システム
40 零相変流器
41 絶縁診断装置
51 制御装置
70 ADコンバータ(ADC)
71 記憶装置
72 マイコン
73 表示装置
74 警報装置
80 制御部
81 取得部
82 算出部
83 判定部
84 警報出力部
85 表示部
S1,S2 スイッチ

Claims (7)

  1. 第1変圧器の2次側に接続される電源側の第1母線と、前記第1変圧器の2次側に接続される接地側の第2母線とを含む交流回路の前記第1母線及び前記第2母線の零相電流を測定する零相変流器の測定結果が入力される制御装置と、
    1次側の一端および2次側の一端が前記第2母線に接続され、前記2次側の他端が接地された第2変圧器と、
    前記第2変圧器における前記1次側の他端と前記第1母線との間に設けられた第1スイッチと、
    前記第2変圧器における前記2次側の一端と前記2次側の他端との間に設けられた第2スイッチと、
    を備え、
    前記制御装置は、
    前記第1および第2スイッチの状態を制御する制御部と、
    前記第1変圧器の2次側に設けられている前記第2母線を接地する配線が取り外された状態において、前記第1スイッチがオフし、前記第2スイッチがオンの状態の前記零相電流の第1電流値および前記第1母線の第1電圧値と、前記第1スイッチがオンし、前記第2スイッチがオフの状態の前記零相電流の第2電流値および前記第1母線の第2電圧値と、を取得する取得部と、
    前記取得部が取得した取得結果に基づいて、前記第2母線の対地間の抵抗に所定の電圧が印加された際の前記対地間の抵抗に流れる電流を算出する算出部と、
    を含むことを特徴とする絶縁診断装置。
  2. 請求項1に記載の絶縁診断装置であって、
    前記制御装置は、
    前記対地間の抵抗に流れる電流の電流地が所定値より大きいか否かを判定する判定部と、
    前記対地間の抵抗に流れる電流の電流値が前記所定値より大きいと判定された場合、警報装置に警報を出力させる警報出力部と、
    を更に含むことを特徴とする絶縁診断装置。
  3. 請求項1または請求項2に記載の絶縁診断装置であって、
    前記算出部が前記対地間の抵抗に流れる電流を算出する毎に、前記対地間の抵抗に流れる電流が算出された時刻を示す情報と、算出された前記対地間の抵抗に流れる電流の電流値とを記憶する記憶部を更に備えること、
    を特徴とする絶縁診断装置。
  4. 請求項3に記載の絶縁診断装置であって、
    前記制御装置は、
    前記記憶部に順次格納される前記対地間の抵抗に流れる電流の電流値が、連続して所定回数以上増加した場合、所定の表示を表示装置に表示させる表示部を更に含むこと、
    を特徴とする絶縁診断装置。
  5. 請求項1〜請求項4の何れか一項に記載の絶縁診断装置であって、
    前記第2母線は、単相三線式電線のうちの中性線であり、
    前記第1母線は、前記単相三線式電線の前記中性線とは異なる電線の何れか一方であること、
    を特徴とする絶縁診断装置。
  6. 第1変圧器の2次側に接続される電源側の第1母線と、前記第1変圧器の2次側に接続される接地側の第2母線とを含む交流回路の前記第1及び第2母線の零相電流を測定する零相変流器と、
    前記零相変流器の測定結果が入力される制御装置と、
    1次側の一端および2次側の一端が前記第2母線に接続され、前記2次側の他端が接地された第2変圧器と、
    前記第2変圧器における前記1次側の他端と前記第1母線との間に設けられた第1スイッチと、
    前記第2変圧器における前記2次側の一端と前記2次側の他端との間に設けられた第2スイッチと、
    を備え、
    前記制御装置は、
    前記第1および第2スイッチの状態を制御する制御部と、
    前記第1変圧器の2次側に設けられている前記第2母線を接地する配線が取り外された状態において、前記第1スイッチがオフし、前記第2スイッチがオンの状態の前記零相電流の第1電流値および前記第1母線の第1電圧値と、前記第1スイッチがオンし、前記第2スイッチがオフの状態の前記零相電流の第2電流値および前記第1母線の第2電圧値と、を取得する取得部と、
    前記取得部が取得した取得結果に基づいて、前記第2母線の対地間の抵抗に所定の電圧が印加された際の前記対地間の抵抗に流れる電流を算出する算出部と、
    を含むことを特徴とする絶縁診断システム。
  7. 第1変圧器の2次側に接続される電源側の第1母線と、前記第1変圧器の2次側に接続される接地側の第2母線とを含む交流回路の前記第1及び第2母線の零相電流を測定する零相変流器の測定結果が入力されるコンピュータと、
    1次側の一端および2次側の一端が前記第2母線に接続され、前記2次側の他端が接地された第2変圧器と、
    前記第2変圧器における前記1次側の他端と前記第1母線との間に設けられた第1スイッチと、
    前記第2変圧器における前記2次側の一端と前記2次側の他端との間に設けられた第2スイッチと、
    を備える絶縁診断装置の前記コンピュータに、
    前記第1および第2スイッチの状態を制御する機能と、
    前記第1変圧器の2次側に設けられている前記第2母線を接地する配線が取り外された状態において、前記第1スイッチがオフし、前記第2スイッチがオンの状態の前記零相電流の第1電流値および前記第1母線の第1電圧値と、前記第1スイッチがオンし、前記第2スイッチがオフの状態の前記零相電流の第2電流値および前記第1母線の第2電圧値と、を取得する機能と、
    前記第1及び第2電流値と、前記第1及び第2電圧値とに基づいて、前記第2母線の対地間の抵抗に所定の電圧が印加された際の前記対地間の抵抗に流れる電流を算出する機能と、
    を実現させるプログラム。
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