JP2009145122A - 漏洩電流測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】４００Ｖ級の星形配電電源から給電される配電線、この配電線に接続される負荷設備の対地絶縁抵抗を通じて流れる漏洩電流Ｉｇｒの値を測定する。
【解決手段】切換開閉器１０によって順次入力された星形配電電源からの相電圧Ｅ_R、Ｅ_S又は線間電圧Ｅ_TS、Ｅ_RTと、零相変流器９により配電線４から検出された零相電流Ｉ₀とを信号処理し、相電圧Ｅ_R、Ｅ_S又は線間電圧Ｅ_TS、Ｅ_RTのいずれかと零相電流Ｉ₀との位相差θを計測して出力する信号処理部１４と、この信号処理部１４において得られた零相電流Ｉ₀と、相電圧Ｅ_R、Ｅ_S又は線間電圧Ｅ_TS、Ｅ_RTのいずれかとの位相差θを演算し、この位相差θと、零相電流Ｉ₀の値と、配電線に順次入力された各相電圧Ｅ_R、Ｅ_S又は線間電圧Ｅ_TS、Ｅ_RTとから、各相対地絶縁抵抗に流れる合計漏洩電流Ｉｇｒを演算する。演算部１５によって演算された漏洩電流Iｇｒは、表示部１６に表示される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、配電線又はその負荷設備としての電気機器の電圧印加部分から接地部分へ流れる漏洩電流を測定する漏洩電流測定装置及びその測定方法に関する。

電気の利用は、便利な反面、適切な管理や使用を誤れば、大変危険な側面も兼ね備えており、電気火災や感電事故等の重大な事故を引き起こす可能性も少なくない。例えば、その重大事故の原因の一つとして、電路や電気機器の絶縁不良がある。電路及び電気機器の絶縁状態を調べる方法として、被測定電路及び電気機器を停電させて、絶縁抵抗計で測定する方法が従来の標準であった。

近年のように、停電が許されない配電線や連続操業の工場等には適用が制限される等の欠点がある。つまり、現在の社会状況では、コンピュータが社会の各方面に利用され、インテリジェントビルの普及拡大及び工場のＦＡ（ファクトリー・オートメーション）化により、２４時間連続稼動するシステムが構築されており、絶縁状態を調べるために、一時的に停電状態にすることができない状況となっている。

したがって、現在では、このような高度情報化による社会の無停電化の要請から、電路及び電気機器の絶縁不良管理が停電を伴う絶縁抵抗計による方法から、電気を切ることなく測定できる漏洩電流測定方法が用いられるようになっている。そして、漏電遮断器や漏電火災警報機等により漏洩電流を測定して絶縁状態を管理する通電中の予防策は、種々提案されている。

その一例として、２００Ｖ三相３線のうちの１線を接地する配電方式の測定方法がある。この測定方法は、電路及び電気機器の電圧印加部分から接地部分への漏れ電流、すなわち、零相電流Ｉ₀と検知し、この零相電流Ｉ₀と線間電圧との間の位相差とに基づいて絶縁不良の目安となる電路及び電気機器の電圧印加部分と接地部分間の絶縁抵抗を通じて流れる漏れ電流Ｉｇｒを算出するようにしたものである。

この方法は、近年大口需要家で採用が増加し、かつ、海外の配電方式の標準となっている変圧器の低圧側三相巻線を星形に結線した電源から給電される４００V級三相４線式又は三相３線式配電方式（以下星形配電方式という)の電線路及び機器の絶縁測定には適用できない。別な方法で、配電系統に低周波低電圧を印加して漏洩電流の測定を行うようにした計測器があるが、この装置は重量が大きくコストも高いものとなっている。

また、星形配電方式では、接地線や４本又は３本の配電線を一括して零相変流器によって零相電流Ｉ₀を測定し、この値を絶縁抵抗を通じて流れる漏れ電流Iｇｒの値として絶縁を監視する方法が行われている。この方法は、電路や電気機器の電圧印加部分と接地部分との間に存在する対地静電容量の値が三相とも同じ（この状態をバランス状態という。）で、ある１一相だけ漏れ電流Ｉｇｒが存在する際には正常な値を示すが、漏れ電流Ｉｇｒが二相又は二相間であるいわゆる線間に接続される機器の巻線や回路内部で発生した場合には正確な測定ができない。

星形配電方式は、線間電圧が約４８０Ｖから３８０Ｖの間で、配電容量及び規模も大きいので、測定現場で電圧のかかった電線の端子を計器に接続する際に感電や誤接続による事故波及等の危険度も大きい。また、計器には接地線も接続する必要があり、測定現場によっては接地箇所の発見が困難で、測定そのものが不能になる。
特開平３−１７９２７１号公報 特開２００２−１２５３１３号公報

本発明は、星形配電方式配電線やそれに接続される電気機器の対地絶縁抵抗を通じて流れる漏れ電流Ｉｇｒを通電状態のまま安全に誤差を少なく検出することができる漏洩電流測定装置及びその測定方法の提供を目的とする。

本発明に係る漏洩電流測定装置は、上述の課題を解決するため、電圧測定手段が星形配電方式の電源各相の線間電圧又は対地電圧を順次入力測定し、零相電流測定手段が上記電源から配電線やこの配電線に接続された負荷設備としての電気機器を通じて流れる対地漏洩電流である零相電流Ｉ₀を測定し、信号処理手段が零相電流測定手段により測定した零相電流Ｉ₀から、電圧測定手段により測定した星形配電方式電源の入力された線間電圧又は対地電圧と同相方向の成分である有効成分及び有効成分と９０度の位相差の無効成分とを順次入力された各電圧ごとに算出し、演算手段が信号処理手段により算出された零相電流Ｉ₀の各電圧に対する有効成分及び無効成分、それに零相電流Ｉ₀の値と電圧測定手段により入力された電圧若しくは設定された電圧の値から配電線や電気機器の対地絶縁抵抗を通じて流れる漏れ電流Ｉｇｒを演算する。

本発明に係る電気機器における漏洩電流測定方法は、上記課題を解決するために、電圧測定工程において星形配電電源各相の対地電圧又は線間電圧を順次入力測定し、零相電流測定工程において上記電源から配電線やこの配電線に接続された負荷設備としての電気機器を通じて流れる対地漏洩電流である零相電流Ｉ₀を測定し、信号処理工程において零相電流測定工程で測定した零相電流Ｉ₀から、電圧測定工程で測定した星形配電方式の電源が入力された線間電圧又は対地電圧と同相方向の成分である有効成分及び有効成分と９０度の位相差の無効成分を順次入力された各電圧ごとに算出し、演算工程において信号処理工程で算出された零相電流Ｉ₀の各電圧に対する有効成分及び無効成分、それに零相電流の値と電圧測定工程で入力された電圧若しくは設定された電圧の値から配電線や電気機器の対地絶縁抵抗を通じて流れる漏れ電流Ｉｇｒを演算する。

ところで、本発明が適用される漏洩電流測定装置及び方法が適用される星形配電電源に接続される三相配電線及びこれに接続される負荷設備としての電気機器の電源端子の対地電圧は、１２０度の位相差で大きさが等しい三相電圧である。

そして、変圧器の低圧側三相巻線を星形に結線した星形配電電源を用いた４００Ｖ級三相３線式配電系統は、大きな工場やプラント設備の電気機器への電力供給に用いられ、電圧が加わる部分とそれを覆って接地された金属部分又は地面との間に存在する対地静電容量は三相各相に対して通常ほとんど同じ値、つまりバランス状態である。

星形配電電源の電圧をバランス状態の対地静電容量に印加すると、各相の対地静電容量を流れる電流は大きさが同じで位相差が１２０度になり、三相分を合計した電流値は０になる。

絶縁劣化の結果、対地絶縁抵抗ｒを通じて流れる漏れ電流Ｉｇｒが発生すれば、この電流と前述の対地静電容量を流れる電流との合成値が漏れ電流の合計である零相電流Ｉ₀として計測されるが、前述のように対地静電容量を流れる電流の合成値は０であるので、対地絶縁抵抗ｒを通じて流れる漏れ電流Ｉｇｒのみについて検討すればよい。

但し、星形配電電源の電圧に含まれる電源周波数の３倍及びその倍数の周波数を持つ高調波電圧に対して、各相の対地静電容量を流れる電流は大きさが同じで位相差が３６０度及びその倍数になり、三相分の合計電流値は各相電流値の和になり、対地絶縁抵抗ｒを通じて流れる漏洩電流Ｉｇｒの数値に合算される。そこで、零相電流測定手段は、電源周波数を超える周波数成分を除去する手段を備え、あるいは零相電流測定工程においてこれを除去する工程を備える必要がある。

ところで、星形配電方式を採用した電源においては、配電用三相変圧器の低圧側星形巻線の中性点は接地され、三相端子Ｒ、Ｓ、Ｔには接地電位である中性点に対して、大きさが等しく、位相が１２０度ずつ異なる三相電圧Ｅ_R、Ｅ_S、Ｅ_Tが発生している。

そして、三相３線式配電方式の三相のうちのＴ相に対するＳ相の電圧であるＴＳ相間の線間電圧をＥ_TS、Ｒ相に対するＴ相の電圧であるＲＴ相間の線間電圧をＥ_RT、Ｓ相に対するＲ相の電圧であるＳＲ相間の線間電圧をＥ_SRとすると、これらの電圧及び相電圧Ｅ_R、Ｅ_S、Ｅ_Tの関係は、図１に示すベクトル図で表される。

これらの電圧の関係をベクトル記号法で表すと、係数ｊは９０度進みの記号表示なので、三相の各相電圧Ｅ_R、Ｅ_S、Ｅ_Tには、下記の式（１）〜（３）に示す関係がある。

Ｅ_R＝ｊＥ_TS／√３ ・・・（１）
Ｅ_S＝ｊＥ_RT／√３ ・・・（２）
Ｅ_T＝ｊＥ_SR／√３ ・・・（３）
そして、ＴＳ相間の線間電圧Ｅ_TSを計測するために電圧を入力するとき、この電圧を基準電圧Ｅとすると、各線間電圧Ｅ_TS、Ｅ_RT、Ｅ_SRは下記の式（４）〜（６）により示され、相電圧Ｅ_R、Ｅ_S、Ｅ_Tは下記の式（７）〜（９）により示される。

Ｅ_TS＝Ｅ ・・・（４）
Ｅ_TR＝−０．５Ｅ−ｊ０．５√３Ｅ ・・・（５）
Ｅ_SR＝−０．５Ｅ＋ｊ０．５√３Ｅ ・・・（６）
Ｅ_R＝ｊＥ_TS／√３＝ｊＥ／√３ ・・・（７）
Ｅ_S＝ｊＥ_RT／√３＝（０．５√３−ｊ０．５）Ｅ／√３ ・・・（８）
Ｅ_T＝ｊＥ_SR／√３＝（−０．５√３−ｊ０．５）Ｅ／√３ ・・・（９）
また、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相と接地部分との間に漏洩抵抗ｒ_R、ｒ_S、ｒ_Tが存在するとき、これら漏洩抵抗ｒ_R、ｒ_S、ｒ_Tを流れる漏洩電流をそれぞれＩｇｒ_R、Ｉｇｒ_S、Ｉｇｒ_Tとすると、各漏洩電流Ｉｇｒ_R、Ｉｇｒ_S、Ｉｇｒ_Tは、下記の式（１０）〜式（１２）に示すようになる。

Ｉｇｒ_R＝Ｅ_R／ｒ_R＝ｊ（Ｅ／√３）／ｒ_R ・・・（１０）
Ｉｇｒ_S＝Ｅ_S／ｒ_S＝（０．５√３−ｊ０．５）（Ｅ／√３）／ｒ_S ・・・（１１）
Ｉｇｒ_T＝Ｅ_T／ｒ_T＝（−０．５√３−ｊ０．５）（Ｅ／√３）／ｒ_T ・・・（１２）
そして、零相電流Ｉ₀は、漏洩抵抗ｒ_R、ｒ_S、ｒ_Tを流れる漏洩電流Ｉｇｒ_R、Ｉｇｒ_S、Ｉｇｒ_Tの合計値（Ｉ₀＝Ｉｇｒ_R＋Ｉｇｒ_S＋Ｉｇｒ_T）であり、ここで、ｇ_R＝１／ｒ_R、ｇ_S＝１／ｒ_S、ｇ_T＝１／ｒ_Tとおくと、零相電流Ｉ₀は、下記の式（１３）のように示すことができる。
Ｉ₀＝０．５√３（ｇ_S−ｇ_T）Ｅ／√３＋ｊ（ｇ_R−０．５ｇ_S−０．５ｇ_T）Ｅ／√３
・・・（１３）
そして、電圧値Ｅ／√３は、相電圧Ｅ_R、Ｅ_S、Ｅ_Tの値であるので、零相電流Ｉ₀は、下記の式（１４）に示すようになる。
Ｉ₀＝０．５√３（Ｉｇｒ_S−Ｉｇｒ_T）＋ｊ（Ｉｇｒ_R−０．５Ｉｇｒ_S−０．５Ｉｇｒ_T）
・・・（１４）
さらに、線間電圧Ｅ_TS入力時の零相電流Ｉ₀の有効成分をＡｄ、無効成分をＢｄとすると、有効成分Ａｄは下記の式(１５)により示され、無効成分Ｂｄは下記の式（１６）により示される。

なお、ここで、線間電圧Ｅ_TS入力時の零相電流Ｉ₀の有効成分Ａｄは、線間電圧Ｅ_TSと同位相方向の成分の正又は負の実測値であり、無効成分Ｂｄは、線間電圧Ｅ_TSと直角方向の成分の正又は負の実測値である。

Ａｄ＝０．５√３（Ｉｇｒ_S−Ｉｇｒ_T） ・・・（１５）
Ｂｄ＝Ｉｇｒ_R−０．５Ｉｇｒ_S−０．５Ｉｇｒ_T ・・・（１６）
同様に、線間電圧Ｅ_RT入力時のＩ₀の有効成分をＣｄ、無効成分をＤｄとすると、有効成分Ｃｄは下記の式(１７)により示され、無効成分Ｄｄは下記の式（１８）により示される。

また、ここで、線間電圧Ｅ_RT入力時のＩ₀の有効成分をＣｄは、線間電圧Ｅ_RTと同位相方向の成分の正又は負の実測値であり、無効成分は、線間電圧Ｅ_RTと直角方向の成分の正又は負の実測値である。

Ｃｄ＝０．５√３（ＩｇｒＴ−ＩｇｒＲ） ・・・（１７）
Ｄｄ＝Ｉｇｒ_S−０．５Ｉｇｒ_T−０．５Ｉｇｒ_R ・・・（１８）
これらＡｄ，Ｂｄ，Ｃｄ，Ｄｄの値は、信号処理工程から出力され、前記式の関係から各相における漏洩電流Ｉｇｒの関係が導出される。

すなわち、前記Ａｄ，Ｂｄ，Ｃｄ，Ｄｄの関係式（１５）〜（１８）から、
Ｉｇｒ_R−Ｉｇｒ_T＝Ｂｄ＋Ａｄ／√３＝Ｘと置き、
Ｉｇｒ_S−Ｉｇｒ_R＝Ｄｄ＋Ｃｄ／√３＝Ｙと置き、
Ｉｇｒ_S−Ｉｇｒ_T＝Ａｄ／（０．５√３）＝Ｚと置くと、
Ａｄ，Ｂｄ，Ｃｄ，Ｄｄは正負の値をとるので、Ｘ，Ｙ，Ｚも正負の値になり、上記Ｘ，Ｙ，Ｚの値及び正負の関係から、各相の漏洩電流Ｉｇｒ値の差及び最大漏洩電流Ｉｇｒ値、中間漏洩電流Ｉｇｒ値、最小漏洩電流Ｉｇｒ値の序列が求められる。

星形配電方式の配電系統では絶縁不良の際、一相単独か二相又は線間の負荷設備から対地漏洩電流Ｉｇｒが流れ、他の相は健全な場合がほとんどである。仮に三相全部が絶縁不良とすれば、短絡事故の場合が殆どで、過電流保護装置が動作する。過電流でなくても三相に発生した対地漏洩電流Ｉｇｒ同士が打ち消しあって正常な測定値が得られない。

したがって、全体のＩｇｒ値は、最小Ｉｇｒ値を０レベルとして、下記の式（１９）に示すようになる。

合計Ｉｇｒ値＝最大Ｉｇｒ値＋中間Ｉｇｒ値 ・・・（１９）
この式（１９）より、下記の関係が得られる。

Ｘ，Ｙが共に正又は一方が０のとき、
合計Ｉｇｒ値＝Ｘ＋Ｚ ・・・（２０）
Ｘ，Ｙが共に負または片方０のとき、
合計Ｉｇｒ値＝−Ｙ−Ｚ ・・・（２１）
Ｘが負でＹが正又はいずれか一方が０のとき、
合計Ｉｇｒ値＝Ｙ−Ｘ ・・・（２２）
Ｘが正でＹが負又はいずれか一方が０で、且つＺが正又は０のとき、
合計Ｉｇｒ値＝Ｘ＋Ｚ ・・・（２３）
Ｘが正でＹが負又はいずれか一方が０で、且つＺが負のとき、
合計Ｉｇｒ値＝−Ｙ−Ｚ ・・・（２４）
相電圧入力時においても、同様な手法で合計Ｉｇｒ値を求めることができる。

すなわち、相電圧Ｅ_R入力時の零相電流Ｉ₀の有効成分をＡ、無効成分をＢとすると、有効成分Ａは下記の式（２５）により示され、無効成分Ｂは下記の式（２６）により示される。

なお、ここで、相電圧Ｅ_R入力時の零相電流Ｉ₀の有効成分Ａは、相電圧Ｅ_Rと同位相方向の成分の正又は負の実測値であり、無効成分Ｂは、相電圧Ｅ_Rと直角方向の成分の正又は負の実測値である。

Ａ＝Ｉｇｒ_R−０．５Ｉｇｒ_S−０．５Ｉｇｒ_T ・・・（２５）
Ｂ＝０．５√３（Ｉｇｒ_T−Ｉｇｒ_S） ・・・（２６）
同様に、相電圧Ｅ_S入力時の零相電流Ｉ₀の有効成分をＣ、無効成分をＤとすると、有効成分Ｃは下記の式（２７）により示され、無効成分Ｄは下記の式（２８）により示される。

また、相電圧Ｅ_S入力時の零相電流Ｉ₀の有効成分Ｃは、相電圧Ｅ_Sと同位相方向の成分の正又は負の実測値であり、無効成分Ｂは、相電圧Ｅ_Sと直角方向の成分の正又は負の実測値である。

Ｃ＝Ｉｇｒ_S−０．５Ｉｇｒ_T−０．５Ｉｇｒ_R ・・・（２７）
Ｄ＝０．５√３（Ｉｇｒ_R−Ｉｇｒ_T） ・・・（２８）
以上の関係式（２５）〜（２８）から、
Ｉｇｒ_R−Ｉｇｒ_S＝Ａ＋Ｂ／√３＝Ｕと置き、
Ｉｇｒ_S−Ｉｇｒ_T＝Ｃ＋Ｄ／√３＝Ｖと置き、
Ｉｇｒ_R−Ｉｇｒ_T＝Ｄ／（０．５√３）＝Ｗと置くとき、
次のような関係が得られる。

Ｕ，Ｖが共に正又はいずれか一方が０のとき、
合計Ｉｇｒ値＝Ｖ＋Ｗ ・・・（２９）
Ｕ，Ｖが共に負又はいずれか一方が０のとき、
合計Ｉｇｒ値＝−Ｕ−Ｗ ・・・（３０）
Ｕが正でＶが負又はいずれか一方が０のとき、
合計Ｉｇｒ値＝Ｕ−Ｖ ・・・（３１）
Ｕが負でＶが正又はいずれか一方が０で、且つＷが正又は０のとき、
合計Ｉｇｒ値＝Ｖ＋Ｗ ・・・（３２）
Ｕが負でＶが正又はいずれか一方が０で、且つＷが負のとき、
合計Ｉｇｒ値＝−Ｕ−Ｗ ・・・（３３）
以上の計測を実際に現場で実施する際、電圧を入力する作業で、４００V級の電圧部分に入力用電線を接続するときに感電や誤接続の波及事故等の危険を伴う。本発明においては、電圧を入力させるのに、絶縁電線の外周を電極ではさむ非接触入力方式でも測定可能とする。

電圧は電極から電線の絶縁を介するコンデンサ結合回路を通じて入力するが、微弱な結合のため増幅と雑音対策を行うことが望ましい。この電圧信号は、零相電流Ｉ₀との間の位相差計測が主要な役目で、電圧の値は入力電圧信号を増幅出力するが、確実を期するため予め決められている実際の測定対象となる星形配電電源を用いた配電系統の電圧値と照合することが望ましい。線間電圧を入力する方式では接地線の接続を必要としない。

なお、変電室等で固定した測定装置として使用される場合等では、電圧が印加されている部分に入力電線を直接接続することも可能で、接地線を測定装置に接続すれば、相電圧を入力して測定が可能である。

本発明によれば、星形電源で給電される配電線や配電線に接続される電気機器等の負荷設備を稼動状態のままで、安全に、計測作業の手間が少なく、二相分まで合計の漏洩電流Ｉｇｒの値を測定できるので、絶縁劣化の程度を常時監視可能で、絶縁劣化が進行して発生する地絡故障を未然に防止することができる。また、設備全体の信頼性を著しく向上させることができる。さらに、法律で要求されている定期点検作業でも、停電させて、結線を開放し、その後再結線等を行う作業と時間を節約し、さらに、費用の大幅な節減も可能になる。

以下、本発明を適用した配電線又はこれに接続される負荷設備としての電気機器における漏洩電流の測定を行う漏洩電流測定装置及び測定方法の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図２は 変圧器の低圧側三相巻線を星形に結線した星形配電電源に接続される三相配電線及びこれに接続される電気機器又はいずれか一方の漏洩電流Ｉｇｒの測定に本発明を適用したときの一実施の形態を示すものであって、商用周波数である配電用三相電源１は、変圧器の低圧側三相巻線を星形に結線し、その中性点Nは接地線８を経由してG点で接地され、三相端子Ｒ，Ｓ，Ｔには中性点Nに対して相電圧Ｅ_R、Ｅ_S、Ｅ_Tを発生し、三相端子Ｒ，Ｓ，Ｔに接続される配電線４_R，４_S，４_T間に線間電圧Ｅ_TS，Ｅ_RT，Ｅ_SRを発生している。

そして、各配電線４_R，４_S，４_T間に発生する線間電圧Ｅ_TS，Ｅ_RT，Ｅ_SRと相電圧Ｅ_R、Ｅ_S、Ｅ_Tの関係は、前述したように、図１に示すベクトル図で表される。この図１に示すベクトル図において、相電圧Ｅ_R、Ｅ_S、Ｅ_Tの値の√３倍が線間電圧Ｅ_TS，Ｅ_RT，Ｅ_SRの値になり、相電圧Ｅ_R、Ｅ_S、Ｅ_Tはそれぞれ線間電圧Ｅ_TS，Ｅ_RT，Ｅ_SRより９０度位相が進んでいる。これらの電圧が配電線４_R，４_S，４_Tを経由して負荷設備５に供給されている。

配電線４及び負荷設備５の電圧が印加されている部分と接地部分との間に対地静電容量６及び対地漏洩抵抗７が存在し、各相Ｒ，Ｓ，Ｔの対地静電容量６には漏洩電流Ｉｇｃ_R、Ｉｇｃ_S、Ｉｇｃ_Tが、対地漏洩抵抗７には漏洩電流Iｇｒ_R、 Iｇｒ_S、 Iｇｒ_Tが各相Ｒ，Ｓ，Ｔから接地部分へ流れている。

図２に示す概略系統図において、漏洩電流測定装置は、配電線４_R，４_S，４_Tをそれぞれ外側から挟むように構成された電極３_R、３_S、３_Tを経由して３相電源電圧を計測器１７に入力し、且つ配電線４から零相変流器９を介して零相電流Ｉ⁰を計測器１７に入力して、配電線４_R，４_S，４_T及び負荷設備５の漏洩電流Iｇｒ_R、 Iｇｒ_S、 Iｇｒ_Tを測定する。

計測器１７は、切換開閉器１０によって順次入力された星形配電電源１の線間電圧Ｅ_TS、Ｅ_RTと、零相変流器９が配電線４_R，４_S，４_Tから検出した零相電流Ｉ₀とを信号処理し、上記線間電圧Ｅ_TS、Ｅ_RTの各々と零相電流Ｉ₀との位相差を計測し信号処理する信号処理部１４と、この信号処理部１４からの信号処理によって得られた測定された零相電流Ｉ₀の実効値、線間電圧Ｅ_TS、Ｅ_RTの各々と零相電流Ｉ₀との位相差に基いて、各相の対地漏洩抵抗ｒ_R、ｒ_S、ｒ_Tを経由して流れる漏洩電流の合計漏洩電流Ｉｇｒを演算する。

この漏洩電流測定装置は、さらに、演算部１５によって演算された漏洩電流Iｇｒを表示する表示部１６とを備えている。

すなわち、図２に示す図において、漏洩電流測定装置の計測器１７では、切換開閉器１０によって星形配電電源１の線間電圧Ｅ_TS、Ｅ_RTを順次信号処理部１４に入力する。さらに、零相変流器９によって検出された零相電流Ｉ₀も信号処理部１４に入力する。また、信号処理部１４では線間電圧Ｅ_TS、Ｅ_RTと零相電流Ｉ₀との位相差を計測する信号処理も行う。演算部１５は、信号処理部１４からの信号処理によって得られた零相電流Ｉ₀の実効値、線間電圧Ｅ_TS、Ｅ_RTのいずれかと零相電流Ｉ₀との位相差に基いて、前述した対地漏洩抵抗６を経由して流れる各相Ｒ，Ｓ，Ｔに流れる合計漏洩電流Ｉｇｒを演算する。表示部１６は、演算部１５によって演算された漏洩電流Iｇｒの値を表示する。

図３は本発明に係る漏洩電流測定装置を星形配電電源１を備える変電室に設けるときの実施の形態を示すものである。本例においては、固定方式であるため、測定用電圧は非接触電極３を通じて線間電圧Ｅ_TS、Ｅ_RTを入力する代わりにＲ相、Ｓ相及び接地線８を計測器１７に直接接続して、相電圧Ｅ_R、Ｅ_Sの各々を切換開閉器１０の切り換えによって入力する。また、零相変流器９によって接地線８の零相電流Ｉ₀を検出する。

なお、本発明に係る漏洩電流測定装置を配電線４の途中の配電室に据付使用するときには、図２に示すような３線一括クランプ式の零相変流器９を用い、接地線はその地点の接地線を用いる。また、漏洩電流Ｉｇｒの値が所定の値より大きくなったときに、遮断器１９によって配電線４_R，４_S，４_Tを速やかに遮断することができ、過大な漏洩電流Ｉｇｒによる事故を未然に防止できる。さらに、漏洩電流Ｉｇｒが所定の値より大きくなったときに、演算部１５に接続した警報器１８により、音又は光等により異常があったことを告知する。このような警報器１８を備えることにより、異常を速やかに外部に知らせ、過大な漏洩電流Ｉｇｒによる事故を未然に防止できる。

ところで、零相電流Ｉ₀と線間電圧Ｅ_TS、Ｅ_RT及び相電圧Ｅ_R、Ｅ_Sのとの関係は、図４のベクトル図で表され、入力電圧としての線間電圧及び相電圧は三相のうちの二相を切り換え入力するので、零相電流Ｉ₀の入力電圧に対する位相角θは０度から３６０度間変化する可能性がある。

図４に示すベクトル図から、相電圧Ｅ_Rの入力時の零相電流Ｉ₀の有効成分Ａ又は相電圧Ｅ_Sの入力時の零相電流Ｉ₀の有効成分Ｃ、及び線間電圧Ｅ_TSの入力時の零相電流Ｉ₀の有効成分Ａｄ又は線間電圧Ｅ_RTの入力時の零相電流Ｉ₀の有効成分Ｃｄは、下記の式（３４）となる。

Ａ又はＣ、Ａd又はＣd＝Ｉ₀×ｃｏｓθ ・・・（３４）
また、相電圧Ｅ_Rの入力時の零相電流Ｉ₀の無効成分Ｂ又は相電圧Ｅ_Sの入力時の零相電流Ｉ₀の無効成分Ｄ、及び線間電圧Ｅ_TSの入力時の零相電流Ｉ₀の無効成分Ｂｄ又は線間電圧Ｅ_RTの入力時の零相電流Ｉ₀の無効成分Ｄｄは、下記の式（３５）となる。

Ｂ又はＤ、Ｂd又はＤd＝Ｉ₀×ｓｉｎθ ・・・（３５）
そして、式（３４）、式（３５）の左辺の各々の数値は正の値、０、負の値になる。

次に、図２に示す漏洩電流測定装置を構成する信号処理部１４の具体的な構成について図５を参照して説明する。図５において、信号処理部１４は零相電流Ｉ₀を検出するＩ₀検出器２０と、第１の増幅器２１と、第１のフィルタ２２と、第１の実効値変換器２３と、位相差計測器２４と、電圧検出器３１と、第２の増幅器３２と、第２のフィルタ３３と、第２の実効値変換器３４とを備える。

Ｉ₀検出器２０は、配電線４_R，４_S，４_T及び負荷設備５の漏洩電流の合計である零相電流Ｉ₀を零相変流器９を通じて取り込む。第１の増幅器２１は、Ｉ₀検出器２０が検出した零相電流Ｉ₀を適量まで増幅する。第１のフィルタ２２は、第１の増幅器２１で増幅した零相電流Ｉ₀の電源電圧の周波数を超える周波数を減衰させる。第１の実効値変換器２３は、第１のフィルタ２２でフィルタリングされた零相電流Ｉ₀の交流電流波形を両波整流して実効値に比例したアナログ値に変換し、演算部１５へ出力する。

位相差計測器２４は、前記零相電流Ｉ₀と、星形配電電源１の線間電圧Ｅ_TS、Ｅ_RT又は相電圧Ｅ_R、Ｅ_Sのうちの入力された電圧Ｖの間の位相角を計測して、その位相差θを求める。

前記零相電流Ｉ₀は第１のフイルタ２２を経由することにより、また入力された電圧Ｖは第２のフイルタ３３を経由することによって電源周波数を超える周波数は減衰処理され、零相電流Ｉ₀及び入力電圧Ｖの波形は、図６及び図７に示すような電源周波数の正弦波形となる。

そして、零相電流Ｉ₀及び入力電圧Ｖの波形は、両者の位相差θが１８０度以下のときには図６に示すように、零相電流Ｉ₀は入力電圧Ｖより遅れたようになっている。ところで、星形配電電源１においては、同じ零相電流Ｉ₀に対して、入力電圧Ｖは三相のうちの二相分が順次入力されるので、その位相差θは０度から３６０度まで変化する。零相電流Ｉ₀及び入力電圧Ｖの波形が大きさ零点を通過したいわゆるゼロクロッシングした時点から定量のパルス波形Ｉ_Z及びＶ_Zは、両者の位相差θが０〜１８０度の角度範囲にあるときには、図６に示すように出力され、両者の位相差θが１８０〜３６０度の角度範囲にある場合には図７に示すように出力する。

そして、零相電流Ｉ₀は入力電圧Ｖの位相差θが０〜１８０度の角度範囲にある図６に示す場合では、入力電圧Ｖがゼロクロッシングした直後の電圧電流の値が正負又は負正いずれかの関係であるかにより、半波パルスＩ_Zの立ち上がり又は立ち下がりを判定し、位相差パルス（Ｖ_Z〜Ｉ_Z）の面積Ｓ₁又はパルス幅を示す時限ｔ₁、半波パルスＩ_Zの面積Ｓ₂又は時限ｔ₂を演算部１４へ入力し、下記の式（３６）又は式（３７）に示す演算処理を行う。

位相差θ＝１８０Ｓ₁／Ｓ₂ ・・・（３６）
位相差θ＝１８０ｔ₁／ｔ₂ ・・・（３７）
また、零相電流Ｉ₀は入力電圧Ｖの位相差θが１８０〜３６０度の範囲にある図７に示す場合では、入力電圧Ｖがゼロクロッシングした直後の電圧電流の値が正正又は負負の関係であることによって、半波パルスＩ_Zの立ち上がり又は立ち下がりを判定し、位相差パルス（Ｉ_Z〜Ｖ_Z）の面積Ｓ₃又はパルス幅を示す時限ｔ₃、半波パルスＩ_Zの面積Ｓ₂又はパルス幅を示す時限ｔ₂を演算部１４へ入力し、下記の式（３８）又は式（３９）に示す演算処理を行う。

位相差θ＝３６０−１８０Ｓ₃／Ｓ₂ ・・・（３８）
位相差θ＝３６０−１８０ｔ₃／ｔ₂ ・・・（３９）
そして、電圧検出器３１は、星形配電電源１の相電圧Ｅ_R、Ｅ_S又は電極３を経由した線間電圧Ｅ_TS、Ｅ_RTに比例した微弱な電圧を取り込む。増幅器３２は、電圧検出器３１が検出した上記電圧を適量まで増幅する。第２のフィルタ３３は、第２の増幅器３２で増幅された上記入力電圧の電源電圧周波数を超える周波数を減衰させる。第２の実効値変換器３４は、第２のフィルタ３３でフィルタリングされた上記入力電圧を両波整流して実効値に比例したアナログ値に変換し、演算部１５へ出力する。

演算部１５では、位相差計測器２４から出力された位相差パルス（Ｖ_Z〜Ｉ_Z）の面積Ｓ₁の面積Ｓ１、半波パルスＩ_Zの面積Ｓ₂、位相差パルス（Ｉ_Z〜Ｖ_Z）の面積Ｓ₃又は位相差パルス（Ｖ_Z〜Ｉ_Z）のパルス幅を示す時限ｔ₁、半波パルスＩ_Zのパルス幅を示す時限ｔ₂、位相差パルス（Ｉ_Z〜Ｖ_Z）のパルス幅を示す時限ｔ₃の値を前述の位相差θを算定する式（３６）〜（３９）に従って求められた位相差θ、第１及び第２の実効値変換器２３，３４から出力された零相電流Ｉ₀、順次出力された入力電圧の値又は予め設定された電圧の値及びそれら電圧電流間の位相差θ等から、前述した各式にしたがって各相の対地漏洩抵抗ｒ_R、ｒ_S、ｒ_Tを経由して流れる漏洩電流の合計漏洩電流Ｉｇｒを演算し、その値を算出する。

また、演算部１５では、三相の相電圧Ｅ_R、Ｅ_S、Ｅ_Tのうち一相の入力相を切換開閉器１０に指令して入力し、この入力された相の測定データの採取を行った後、次の相に自動的に切り換えて測定を行う。また、算出した漏洩電流Ｉｇｒの値を表示部１６に出力し、この値を配電線４や負荷設備５としての電気機器の対地絶縁抵抗を通じて流れる漏洩電流Ｉｇｒの値として表示する。

このように、変圧器の低圧側三相巻線を星形に結線した電源から給電を行う星形配電方式において、図２又は図３に示すように構成された漏洩電流測定装置を用いることにより、通電状態のまま配電線４又はこの配電線４に接続された負荷設備５の絶縁抵抗７を通じて流れる健全な一相を除く各相合計の漏洩電流Ｉｇｒの値を測定することができる。三相３線方式、三相４線方式とも、各相の対地静電容量の値がほぼ等しい場合においては、この方式の適用が可能である。

図２及び図３を参照して説明した本発明に係る漏洩電流測定装置は、前述したように、本発明に係る漏洩電流測定方法を実行している。すなわち、切換開閉器１０は、線間電圧Ｅ_TS、Ｅ_RT又は相電圧Ｅ_R、Ｅ_Sの各々を計測器１７に順次入力し、これら電圧の測定を行う測定工程を実行する。また、零相変流器９は、電源１から流出する対地漏洩電流である零相電流Ｉ₀を測定する零相電流測定工程を実行する。そして、計測器１７の信号処理部１４は、切換開閉器１０により入力され、測定された線間電圧Ｅ_TS、Ｅ_RT又は相電圧Ｅ_R、Ｅ_Sの電圧Ｖと零相変流器９が測定した零相電流Ｉ₀の位相を比較して得られた位相差パルス（Ｖ_Z〜Ｉ_Z）の面積Ｓ₁及び位相差パルス（Ｉ_Z〜Ｖ_Z）の面積Ｓ₃と零相電流Ｉ₀の半周期パルスの面積Ｓ₂を算出する。

また、演算部１５は、信号処理部１４が信号処理工程を実行して算出した位相差パルス（Ｖ_Z〜Ｉ_Z）の面積Ｓ₁及び位相差パルス（Ｉ_Z〜Ｖ_Z）の面積Ｓ₃と零相電流Ｉ₀の半周期パルスの面積Ｓ₂とから、測定された線間電圧Ｅ_TS、Ｅ_RT又は相電圧Ｅ_R、Ｅ_Sの電圧Ｖと零相変流器９が測定した零相電流Ｉ₀の位相差θを算出し、この位相差θと零相電流Ｉ₀と順次入力された各相電圧Ｅ_R、Ｅ_Sとから、各相対地絶縁抵抗に流れる合計漏洩電流Ｉｇｒを演算する演算工程を実行し、さらに、この値を配電線４や負荷設備５としての電気機器の対地絶縁抵抗を通じて流れる漏洩電流Ｉｇｒの値として表示する。さらにまた、演算工程では、漏洩電流Ｉｇｒが所定の値より大きくなったことが測定されたとき、演算部１５に接続した警報器１８により、異常があったことを音や光等により告知する。また、遮断器１９を備える装置においては、配電線４_R，４_S，４_Tを遮断する。このような異常の告知又は配電線の遮断により過大な漏洩電流Ｉｇｒによる事故を未然に防止している。

配電系統や電気機器においては、電気災害の予防の観点から絶縁測定が要求されている。従来、このような絶縁測定は、電源からの給電を停電して行っていたが、近年は停電が制限され、特に４００Ｖ級星形配電系統で配電している大工場では自動機械その他の機械設備に多数使用され、その停止は生産の停止につながる。本発明は、これまでの装置では行い得なかった配電線や、配電線に接続された電気機器などの負荷設備を停電させることなく、漏洩電流を精度よく測定することを可能とし、連続的な監視による予防保全の実施も可能とする。

この４００Ｖ級星形配電系統は、国際標準の方式であり、国内でも自動車関連産業や大形ビル等、電力使用量が大きな需要家での実用件数は年々増加しており、且つこれらの設備に対する信頼性確保の要求もレベルアップし、これらの分野において広く用いることが可能である。

各配電線４_R，４_S，４_T間に発生する線間電圧Ｅ_TS，Ｅ_RT，Ｅ_SRと相電圧Ｅ_R、Ｅ_S、Ｅ_Tの関係を示すベクトル図である。 三相星形電源で配電される配電線、この配電線に接続された負荷設備の漏洩電流Ｉｇｒの測定に本発明に係る漏洩電流測定装置を適用した構成例を示す概略系統図である。 変電室等で本発明に係る漏洩電流測定装置を変電室等に据え付け固定して使用するときの構成を示す概略系統図である。 零相電流Ｉ₀と線間電圧Ｅ_TS、Ｅ_RT及び相電圧Ｅ_R、Ｅ_Sのとの関係、さらには、零相電流Ｉ₀の有効成分Ａ、Ｃ及びＡｄ、Ｃｄ、零相電流Ｉ₀の無効成分Ｂ、Ｄ及びＢｄ、Ｄｄの関係を示すベクトル図である。 本発明に係る漏洩電流測定装置を構成する信号処理部の詳細を示すブロック図である。 入力電圧Vと零相電流Ｉ₀の波形の位相関係を表す図で位相差θが０〜１８０度の範囲ある場合を示す。 入力電圧Vと零相電流Ｉ₀の波形の位相関係を表す図で位相差θが１８０〜３６０度の範囲にある場合を示す。

符号の説明

１ 星形配電電源、３ 電極、４ 配電線、５ 負荷設備、６ 対地静電容量、７ 対地漏洩抵抗、８ 接地線 ９ 零相変流器、１０ 切換開閉器、１４ 信号処理部、１５ 演算部、１６ 表示部、１７ 計測器、１８ 警報機 １９ 遮断器

Claims (8)

1. 変圧器の低圧側三相巻線を星形に結線した電源から給電される三相４線式又は三相３線式配電方式の三相のうちの二相又は三相の対地電圧若しくは三相線間電圧のうちの二相又は三相の線間電圧を測定する電圧測定手段と、
   上記星形電源から給電される配電線及び／又はその負荷設備を通じて流れる対地漏洩電流である零相電流を測定する零相電流測定手段と、
   上記電圧測定手段により測定した二相又は三相の対地電圧若しくは二相又は三相の線間電圧と、上記零相電流測定手段により測定した零相電流との間の位相差を算出する信号処理手段と、
   上記信号処理手段により算出した位相差と、上記電圧測定手段によって測定された電圧と、上記零相電流測定手段によって測定された零相電流との値から、上記配電線及び／又はその負荷設備の対地絶縁抵抗に流れる各相の漏れ電流の合計値を演算する演算手段と
   を備えることを特徴とする漏洩電流測定装置。
2. 上記対地漏洩電流である零相電流の、三相線間電圧のうちの一相の入力電圧と同位相方向の成分の正又は負の実測値をＡｄ、三相線間電圧うちの実測値Ａｄを測定した同じ相の入力電圧と直角方向の成分の正又は負の実測値をＢｄ、三相線間電圧のうち、実測値Ａｄ，Ｂｄを測定した相と異なる相の電圧入力時、上記対地漏洩電流である零相電流の入力電圧と同位相方向の成分の正又は負の実測値をＣｄ、三相線間電圧うちの実測値Ｃｄを測定した同じ相の入力電圧と直角方向の成分の正又は負の実測値をＤｄとしたとき、下記の式（１）〜式（３）にそれぞれ実測値を代入して各式により値Ｘ，Ｙ，Ｚを求め、
   Ｘ＝Ｂｄ＋Ａｄ／√３ ・・・（１）
   Ｙ＝Ｄｄ＋Ｃｄ／√３ ・・・（２）
   Ｚ＝２Ａｄ／√３ ・・・（３）
   上記式（１）の値Ｘ及び上記式（２）の値Ｙが共に正又は一方が正で他方が０のとき、各相の漏れ電流の合計値を、式（１）の値Ｘと、式（３）の値Ｚとの合計値とし、
   上記式（１）に値Ｘ及び上記式（２）の値Ｙが共に負又は一方が負で他方が０のとき、各相の漏れ電流の合計値を、上記式（２）値Ｙの正負を逆にした値Ｙ’と、上記式（３）の値Ｚの正負を逆にした値Ｚ’との合計値とし、
   上記式（１）の値Ｘが負、上記式（２）の値Ｙが正のとき 各相の漏洩電流の合計値を、上記式（２）の値Ｙと、上記式（１）の値Ｘの正負を逆にした値Ｘ’との合計値とし、
   上記式（１）の値Ｘが正、上記式（２）の値Ｙが負で且つ上記式（３）の値Ｚが正のとき、各相の漏れ電流の合計値を、上記式（１）の値Ｘと上記式（３）の値Ｚとの合計値とし、
   上記式（１）の値Ｘが正、上記式（２）の値Ｙが負で且つ上記式（３）の値Ｚが負のとき、各相の漏洩電流の合計値を、上記式（２）の値Ｙの正負を逆にした値Ｙ’と上記式（３）の値Ｚの正負を逆にした値Ｚ’との合計値とし、
   上記各合計値を各相の対地絶縁抵抗に流れる漏れ電流の合計値とすることを特徴とする請求項１記載の漏洩電流測定装置。
3. 上記対地漏洩電流である零相電流の、三相相電圧のうちの一相の入力電圧と同位相方向の成分の正又は負の実測値をＡ、三相線間電圧うちの実測値Ａを測定した同じ相の入力電圧と直角方向の成分の正又は負の実測値をＢ、三相相電圧のうち、実測値Ａ，Ｂを測定した相と異なる相の電圧入力時、対地漏洩電流である零相電流の入力電圧と同位相方向の成分の正又は負の実測値をＣ、三相相電圧うちの実測値Ｃを測定した同じ相の入力電圧と直角方向の成分の正又は負の実測値をＤとしたとき、下記の式（４）〜式（６）にそれぞれ実測値を代入して各式により値Ｘ₁，Ｙ₁，Ｚ₁を求め、
   Ｘ₁＝Ａ＋Ｂ／√３ ・・・（４）
   Ｙ₁＝Ｃ＋Ｄ／√３ ・・・（５）
   Ｚ₁＝２Ｄ／√３ ・・・（６）
   上記式（４）の値Ｘ₁及び上記式（５）の値Ｙ₁が共に正又は一方が正で他方が０のとき、各相の漏れ電流の合計値を、上記式（５）の値Ｙ₁と上記式（６）の値Ｚ₁との合計値とし、
   上記式（４）の値Ｘ₁及び上記式（５）の値Ｙ₁が共に負又は一方が負で他方が０のとき、各相の漏れ電流の合計値を、上記式（４）の値Ｘ₁の正負を逆にした値Ｘ₁’と上記式（６）の値Ｚ₁の正負を逆にした値Ｚ₁’との合計値とし、
   上記式（４）の値Ｘ₁が正、上記式（５）の値Ｙ_１が負のとき 各相の漏洩電流の合計値を、上記式（４）の値Ｘ₁と上記式（５）の値Ｙ₁の正負を逆にした値Ｙ₁’との合計値とし、
   上記式（４）の値Ｘ₁が負、上記式（５）の値Ｙ₁が正で且つ上記式（６）の値Ｚ₁が正のとき、各相の漏れ電流の合計値を、上記式（５）の値Ｙ₁と上記式（６）の値Ｚ₁との合計値とし、
   上記式（４）の値Ｘ_１が負、上記式（５）の値Ｙ_１が正で且つ上記式（６）の値Ｚ_１が負のとき、各相の漏れ電流の合計値を、上記式（４）の値Ｘ₁の正負を逆にした値Ｘ₁’と上記式（６）の値Ｚ₁の正負を逆にした値Ｚ₁’との合計値とし、
   これら合計値を各相の対地絶縁抵抗に流れる漏れ電流の合計値とすることを特徴とする請求項１記載の漏洩電流測定装置。
4. 上記演算手段によって演算された上記漏れ電流の値が所定の値を超えたときに警報を発する警報手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか1に記載の漏洩電流測定装置。
5. 上記演算手段によって演算された上記漏れ電流の値が所定の値を超えたときに電路を遮断する遮断手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか1に記載の漏洩電流測定装置。
6. 上記信号処理手段は、上記位相差を算出するとともに、上記星形配電電源の各相の電圧値及び上記零相電流値を実効値に変換することを特徴とする請求項１記載の漏洩電流測定装置。
7. 上記電圧測定手段は、測定される電圧が印加されている部分の絶縁物の表面に接触させた電極を通じて、上記電圧を測定装置に入力させる電圧測定手段を備えることを特徴とする請求項１記載の漏洩電流測定装置。
8. 変圧器の低圧側三相巻線を星形に結線した電源から給電される三相４線式又は三相３線式配電方式の三相のうち二相又は三相の対地電圧若しくは三相線間電圧のうちの二相又は三相の線間電圧を測定する電圧測定工程と、
   上記星形電源から給電される配電線又はその負荷設備を通じて流れる対地漏洩電流である零相電流を測定する零相電流測定工程と、
   上記電圧測定工程により測定した二相又は三相の対地電圧若しくは二相又は三相の線間電圧と、上記零相電流測定工程により測定した零相電流との間の位相差を算出する信号処理工程と、
   上記信号処理工程により算出した位相差と、上記電圧測定工程によって測定された電圧と、上記零相電流測定工程によって測定された零相電流との値から、上記配電線又はその負荷設備の対地絶縁抵抗に流れる各相の漏れ電流の合計値を演算する演算工程と
   を備えることを特徴とする漏洩電流測定方法。