JP2005172617A - 漏れ電流測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 被測定回路の電圧の大きさを測定する必要が無く、コンポーネントが不用で、コスト的に安価とし、調達が容易である汎用的な零相変流器であってもより正確な有効分電流を得る漏れ電流測定装置を提供する。
【解決手段】 漏れ電流を検出する零相変流器２の出力信号を増幅する増幅部７と、増幅部７の出力信号を変換するＡ／Ｄ変換部１０と、被測定回路１の電圧ゼロクロス点を検出しサンプリング開始信号６を出力するゼロクロス検出回路５と、その実効値が１となる正弦波波形のディジタルデータを記憶する記憶部１３と、演算を主体としたＣＰＵ１２とを具備し、零相変流器２の出力信号をサンプリングし、出力信号値とディジタルデータとを同期させて乗算値の平均をとり、漏れ電流の有効分電流を得る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、漏れ電流測定装置であり、特に配電系統の漏れ電流を測定する技術に関する。

配電系統では漏電火災防止のために絶縁状態を定期的に測定しているが、従来は停電させてケーブルや設備のメガリング（絶縁抵抗測定）を行っていた。また、停電させない場合は、リークテスタ等により漏れ電流を測定していた。これらの問題点は、メガリング方法は被測定回路を停電しなければならず頻繁にできず、また、リークテスタでの測定方法は一般的に漏れ電流測定であるため、絶縁抵抗と等価な抵抗分に流れる抵抗分漏れ電流測定ができないという問題点があった。これらを解決する手段を提案するものとして、下記特許文献１、２があげられる。
特開２００１−２１５２４７号公報 特開平１０−７８４６２号公報

上記した公知例では、漏れ電流中の有効成分即ち抵抗分電流を測定できるが、被測定回路の電圧の大きさを測定する必要があり、このためのコンポーネントが必要となり複雑化している、コスト的にも高価になる、という問題がある。また、零相変流器は製品により種々の位相特性を有し、精度が悪くなり汎用的に組み合わせ使用できないという問題点がある。本発明は、これらの問題点を解決することにある。

本発明は、被測定回路に設置して漏れ電流を検出する零相変流器（ＺＣＴ）からの出力信号を増幅する増幅部と、該増幅部の出力信号であるアナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、前記被測定回路の電圧ゼロクロス点を検出しサンプリング開始信号を出力するゼロクロス検出回路と、その実効値１の正弦波データを記憶する記憶部と、演算を主体としたＣＰＵとを具備し、前記サンプリング開始信号により前記漏れ電流をサンプリングし、サンプリングした出力信号値と前記記憶した実効値１の正弦波波形のディジタルデータとを同期させて乗算値の平均をとり、漏れ電流の有効分電流を得る漏れ電流測定装置である。

また、本発明は、上記記憶部は、その実効値が１となる正弦波波形のディジタルデータを細分割して記憶しており、零相変流器の出力信号の位相の進み又は遅れと同じ量の遅れた又は進んだディジタルデータを用いて乗算を行う漏れ電流測定装置である。

そして、本発明は、上記記憶部にその実効値１の正弦波波形データを３０度進めたディジタルデータとして記憶しておき、サンプリングした零相変流器の出力信号値との乗算を行い、三相デルタ回路の漏れ電流の有効分を算出する漏れ電流測定装置である。

本発明によれば、被測定回路の電圧の大きさを測定する必要が無くなり、このためのコンポーネントが不用となり簡単となるので、コスト的に安価になる。また、調達が容易である汎用的な零相変流器であってもより正確な有効分電流を得ることができる。

すなわち、配電系統の漏れ電流の有効分電流を測定することにより、絶縁状態の良否を把握することができ、漏れ電流による漏電火災を未然に防止することができ、その効果は大である。

本発明を実施するための最良の形態を説明する。
以下本発明の漏れ電流測定装置の実施例について、図１〜図７を用いて説明する。図１は、実施例１の漏れ電流測定装置のアルゴリズムを説明する図である。図２は、実施例１の漏れ電流測定装置の構成図である。図３は、実施例１における漏れ電流の有効分電流を算出する具体的な事例を示す図である。図４は、実施例１の漏れ電流測定装置のアルゴリズムを説明する波形図である。図５は、実施例１における零相変流器の位相特性を考慮した有効分電流の計測方法の事例を示す図である。図６は、零相変流器の位相特性の一例を示す図である。図７は、三相デルタ回路の漏れ電流位相を示すベクトル図である。

図１は、実施例１のアルゴリズムを図にしたものであり、１は被測定回路、２は零相変流器（ＺＣＴ）、３は漏れ電流測定装置である。５は上記被測定回路の電圧波形のゼロクロス点を検出し、後述するサンプリング開始信号を発生するゼロクロス検出回路、６は該ゼロクロス検出回路の出力信号でサンプリング開始信号、７は零相検出器２で検出された漏れ電流の出力信号を増幅する増幅回路、１２はＣＰＵで前記増幅された漏れ電流信号波形を１２１でディジタルサンプリングし、ディジタル波形を記憶部１３に記憶するとともに、記憶部１４に記憶した実効値１の正弦波波形データとの電力演算を主体として行うものである。

即ち、漏れ電流電力Ｐは電圧Ｖと電流Ｉ及び位相角Φの乗算（力率）であり、算出式はＰ＝ＶＩｃｏｓΦで表される。一方、この漏れ電流電力Ｐから電圧Ｖを除したものが有効分電流になることは前記した算出式で容易にわかる。

また、サンプリング方式における漏れ電流電力ｐは、電圧ｖと電流（漏れ電流）ｉとの瞬時値の積（ｐ＝ｖｉ）の平均であり（図の１２２）、この平均した漏れ電流電力ｐを電圧ｖで除すると有効分電流が得られる（図の１２３）。

ここで、本実施例では電圧を測定せずに実効値１の正弦波波形データを用いることに特徴がある。即ち、電圧波形のゼロクロス点をサンプリングの開始点にしており、電圧波形と同期した実効値１の正弦波波形のデータに置換えたものである。上記した漏れ電流電力は漏れ電流に電圧を乗じ、さらに電力を電圧で除するので、実効値１のデータ波形であれば、漏れ電流電力が有効分電流となる。なお、後述する増幅部７他の要素があるので電流係数を結果に乗じて漏れ電流値とするものである。

ところで被測定回路の電圧の不平衡率は、一般に±２％以下であり、電圧不平衡による漏れ電流電力に及ぼす影響は極めて小さいので、上記実効値１の正弦波波形のデータに置換えることができるものである。

以上のアルゴリズムにより漏れ電流の有効分を計測するものであるが、図２は前記内容を具現化した漏れ電流測定装置３のブロック図を示すものである。なお、前記で説明した構成部分については説明を省略する。４は漏れ電流測定装置内部に安定した電圧を供給する電源回路、７は前記した増幅回路で零相変流器（ＺＣＴ）の検出信号（電流信号）を電圧信号に変換するとともに適正な大きさに増幅するものである。８は前記変換された電圧信号が刻々と変化するのでＣＰＵ１２からの指示により信号線９を介して一次的にホールドするためのサンプルホールド回路（Ｓ／Ｈ回路）、１０は該Ｓ／Ｈ回路の出力信号をＣＰＵ１２からの指示により信号線１１を介してアナログ／ディジタル変換するＡ／Ｄ変換回路であり、この変換されたデータが漏れ電流のサンプリングデータとなる。

ＣＰＵ１２は、実効値１の正弦波波形のデータを記憶する不揮発性記憶部１４と、前記サンプリングしたデータを記憶する揮発性記憶部１３とを有し、演算結果は揮発性の記憶部１３に記憶される。

１５は表示回路で上記した有効分電流や漏れ電流の値を表示するための表示回路、１７は表示内容を選択し零相変流器の種類を選択設定する設定回路で、１６は表示内容と同じ内容を、図示しない上位装置に伝送するための通信回路である。通信回路１６を経由して上位装置は遠隔で有効分電流や漏れ電流を計測することができると共に、記録として残すことができるので、有効分電流のトレンドグラフを表示することができる。従って、有効分電流即ち絶縁状態を常時表示できるので劣化状態を把握することができる。

図３、図４は上記したアルゴリズムによる有効分電流計測における演算動作を、より具体的に示す図例であり、サンプリングタイミングは、前記したサンプリング開始信号を起点として、図４のように交流１周期を３２分割して漏れ電流波形をサンプリングし、得られたディジタル値を記憶部１３に順次記憶すると共に、該ディジタル値と記憶部１４に記憶された実効値１の正弦波波形データを乗じ、結果を記憶部１３に記憶する様子を示している。３２サンプリングが終了すると前記乗じた各値の平均をとり、３２サンプリングのため３２で除した値に、図示してない係数を乗じれば有効分電流が得られる。前記係数は、零相変流器の変流比、電流・電圧変換時の負担抵抗、増幅回路の増幅率、Ａ／Ｄ変換回路の分解能により一義的に決まる。

ここで、図３の記憶部１４の内容について説明すると、交流１周期を３２サンプリングの各角度に対応して実効値１の正弦波波形データを記憶した様子を示しており、理解しやすいように括弧で角度を示し、その右に実際のデータを示したものである。即ちサンプリングタイミング１の時の角度は０度でありその実効値１のデータは０であり、サンプリングタイミング２の時の角度は１１．２５度（３６０度を３２で除した角度）で、その実効値１のデータは０．２７６（小数点４位桁を四捨五入）である。これらの値は、√２を波高値とする正弦波形の各サンプリングタイミングの角度に対するｓｉｎ関数である。

以上のようにして被測定回路の電圧値を測定しなくても漏れ電流電力を計算、有効分電流を計測できるものである。なお、図４の電力は漏れ電流電力を示す。

次に図５、図６について説明する。零相変流器（ＺＣＴ）は高精度のものであれば位相特性も良いが、汎用的なものは、周波数によって位相特性が異なり、また計測する漏れ電流の大きさによっても位相が変化する。図６はこの周波数・電流位相特性例を示したものである。さらに零相変流器の種類によっても位相特性が異なり、被測定回路と零相変流器の出力信号の位相がずれて正しい有効分電流を得ることができなくなる。これを解決するための方法を図５に示したもので、前記した図３の各サンプリングタイミングの各点の前後の角度に対応したｓｉｎ関数の値を配置したものである。図５では１サンプリングタイミングの間（１１．２５度）を１０分割した１．１２５度のｓｉｎ関数の値を配置した例であり、この１サンプリングタイミングの間全てにｓｉｎ関数の値を配置すれば各種の位相ずれに対応できることは明白である。また、前記例は１０分割の例であるが、分割数を多くすればより正確な有効分電流を計測演算することができる。図５では、漏れ電流の位相が被測定回路での位相より零相変流器の出力位相が約１度進んでいる場合を示し、この場合は実効値１の正弦波波形データの１度遅れたデータ値と乗算を行うわけである。即ち零相変流器の出力位相を遅らせ（被測定回路の位相と同じにすることに相当）漏れ電流電力を演算したことになる。よって有効分電流は正しく測定されたことになり精度が向上する。なお、図６のような位相特性の場合、５０Ｈｚでは約２３度くらい位相を遅らせて演算する必要があるが、周波数の検出はゼロクロス検出回路で出力されるサンプリング開始信号の周期を測定すれば周波数情報を得ることができ、また、電流の大きさはサンプリングした漏れ電流の実効値を算出することにより知ることができるので何度位相を遅らせればよいかが判断できる。

以上の説明は被測定回路が単相回路又は単相三線回路の場合を示すが、三相デルタ回路について図７により説明する。低圧回路の三相デルタ回路では第２相（Ｓ相）が接地されるため、図７に示すように相電圧位相において、第１相（Ｒ相）電圧と第３層（Ｔ相）電圧の間には６０度第３相が進んでいることは公知である。ここで第１相（Ｒ相）の漏れ電流（Ｉｚｒ）と、第３相（Ｔ相）の漏れ電流（Ｉｚｔ）が図７のように発生している場合、上記した零相変流器（ＺＣＴ）の検出する漏れ電流（Ｉｚ）位相はこのＩｚｒとＩｚｔの合成漏れ電流（Ｉｚ）である。また第１相（Ｒ相）の有効分はＩｚｒ・ｃｏｓΦ１、第３相（Ｔ相）の有効分はＩｚｒ・ｃｏｓΦ２であり、この有効分の合成分（Ｉｒ）は図７のように第１相（Ｒ相）の３０度進んだ位置に現れる。ここでｃｏｓΦ１はＲ相電圧位相とＩｚｒ間の位相角、ｃｏｓΦ２はＴ相電圧位相とＩｚｒ間の位相角である。即ち漏れ電流（Ｉｚ）の有効分と同じである。ところで、有効分は電圧相と同相でなければならず、このため実効値１の正弦波波形データを３０度進ませて計算するものであり、このことにより有効分電流を得ることができる。
なお、上記図５、図６により説明した零相変流器の位相特性を考慮した補正方法は同様に適用することができ、漏れ電流の正確な有効分電流を得ることができる。

また、漏れ電流には高調波を含む場合が多く、この高調波を除去するためにフィルタ回路（ローパスフィルタ）を設けることもあり、この場合フィルタ回路による位相遅れが生じるので逆に位相を進めなければならないケースもあるが、フィルタの特性は把握することができるので容易に対応できることは明白である。

さらに零相変流器の種類によっても位相特性が異なるが、予め特性を把握しておけば、前記した設定部１７から位相補正を行う角度を設定しておけば対応ができる。

実施例１の漏れ電流測定装置のアルゴリズムを説明する図。 実施例１の漏れ電流測定装置の構成図。 実施例１における漏れ電流の有効分電流を算出する具体的な事例を示す図。 実施例１の漏れ電流測定装置のアルゴリズムを説明する波形図。 実施例１における零相変流器の位相特性を考慮した有効分電流の計測方法の事例を示す図。 零相変流器の位相特性の一例を示す図。 三相デルタ回路の漏れ電流位相を示すベクトル図。

符号の説明

１ 被測定回路
２ 零相変流器（ＺＣＴ）
３ 漏れ電流測定装置
４ 電源回路
５ ゼロクロス検出回路
６ サンプリング開始信号線
７ 増幅器
８ Ｓ／Ｈ回路
９ 信号線
１０ Ａ／Ｄ変換回路
１１ 信号線
１２ ＣＰＵ
１３ 揮発性記憶部
１４ 不揮発性記憶部
１５ 表示回路
１６ 通信回路
１７ 設定回路
１２１ ディジタルサンプリング処理
１２２ 電力演算処理
１２３ 漏れ電流有効分演算処理

Claims (3)

1. 被測定回路に設置して漏れ電流を検出する零相変流器の出力信号を増幅する増幅部と、該増幅部の出力信号であるアナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、前記被測定回路の電圧ゼロクロス点を検出しサンプリング開始信号を出力するゼロクロス検出回路と、その実効値が１となる正弦波波形のディジタルデータを記憶する記憶部と、演算を主体としたＣＰＵとを具備し、前記サンプリング開始信号により前記零相変流器の出力信号をサンプリングし、サンプリングした出力信号値と前記記憶した実効値１の正弦波波形のディジタルデータとを同期させて乗算値の平均をとり、漏れ電流の有効分電流を得ることを特徴とする漏れ電流測定装置。
2. 請求項１記載の漏れ電流測定装置において、
   上記記憶部は、その実効値が１となる正弦波波形のディジタルデータを細分割して記憶しており、零相変流器の出力信号の位相の進み又は遅れと同じ量の遅れた又は進んだディジタルデータを用いて乗算を行うことを特徴とする漏れ電流測定装置。
3. 請求項１又は２に記載の漏れ電流測定装置において、
   実効値１の正弦波波形データを３０度進めたディジタルデータと、サンプリングした零相変流器の出力信号値との乗算値の平均を取り、三相デルタ回路の漏れ電流の有効分電流を得ることを特徴とする漏れ電流測定装置。

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