JP2010276377A - 直流回路の地絡事故検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】交流配電系統に接続された直流回路に用いることができ、従来よりも簡単かつ低コストな構成の地絡事故検出システムを提供する。
【解決手段】直流回路３０の地絡事故検出システム４０は、非接地の三相交流方式の母線１３に接続された接地形計器用変圧器（ＥＶＴ）４１と、直流回路３０に設けられた交流用の零相変流器（ＺＣＴ）５１とを備える。直流回路３０の地絡事故時には、ＥＶＴ４１の鉄心の磁化特性の非線形性に起因して、３ｎ調波（ｎは１以上の奇数）の励磁電流がＥＶＴ４１と事故点Ｆｄとの間を大地を介して環流する。ＺＣＴ５１は、この３ｎ調波電流を検出する。また、ＥＶＴ４１の１次巻線の中性点４４と接地極５９との間にはコンデンサ５０が設けられる。
【選択図】図１

Description

この発明は、交流の配電線路に整流装置を介して接続された直流回路における地絡事故の検出システムに関する。

従来、交流配電系統に接続された直流回路の地絡を検出する場合、地絡抵抗の変化による各相電圧の不平衡を信号として検出する方法が多く用いられている。しかし、この方法は、直流回路の母線単位での地絡検出しかできない。

これに対して、交流母線に接続された複数の回線のうちいずれの回線の直流回路で地絡事故が発生したか、さらには、各回線内の直流線路において事故区間の検出が可能なシステムの実現が望まれている。このようなシステムに適用可能な技術として、たとえば、以下の文献に記載の地絡検出装置が知られている。

特開２００５−１８９００５号公報（特許文献１）に記載の地絡検出装置は、非接地直流電源の正側電源端子と接地極との間に接続された正側地絡検出回路と、負側電源端子と接地極との間に接続された負側地絡検出回路と、制御部とを備える。各地絡検出回路は、電源端子および接地極間に直列接続された検出抵抗および保護抵抗と、検出抵抗および保護抵抗と並列接続された電流源とを含む。制御部は、電流源から出力される複数の電流値に対してそれぞれ測定された検出抵抗の電圧値に基づいて、正側および負側の電源ラインと接地極との間の地絡抵抗を算出する。

また、特開２００３−３１５３７４号公報（特許文献２）に記載の地絡検出装置は、２つのリング状コアと、第１および第２の励磁巻線と、検出巻線と、積分回路と、漏電判定回路とを備える。２つのリング状コアには、直流電源から負荷機器に電源を供給する直流電路が貫通する。第１の励磁巻線は、このリング状コアの一方に巻回され、交流電源が供給されて磁束を生成させる。第２の励磁巻線は、この第１の励磁巻線に逆相並列に接続されるとともに、リング状コアの他方に巻回され、交流電源が供給されて第１の励磁巻線で生成する磁束と逆位相の磁束を発生させる。検出巻線は、２つのリング状コアに跨って一括して巻回され誘導電流を生成する。積分回路は、この検出巻線で検出した誘導電流を積分する。漏電判定回路は、この積分回路の積分値と基準値との比較結果に基いて、漏電信号を出力する。

特開２００５−１８９００５号公報 特開２００３−３１５３７４号公報

上記の先行技術文献に記載された地絡検出装置は、個々に複雑かつ高価な電子装置になっている。したがって、上記の地絡検出装置を、交流母線に接続された複数の回線の直流回路ごとに設けた場合や、さらには事故区間の検出のために各回線内の直流線路に複数設けた場合には、全体として高価なシステムとなってしまう。

この発明の目的は、交流配電系統に接続された直流回路に用いることができ、従来よりも簡単かつ低コストな構成の地絡事故検出システムを提供することである。

この発明は一局面において、三相交流方式の配電線路に整流装置を介して接続された直流回路の地絡事故検出システムであって、接地形計器用変圧器と検出器とを備える。ここで、配電線路は、中性点が非接地である三相の電力用変圧器の２次側に接続される。接地形計器用変圧器は、配電線路に接続される。検出器は、接地形計器用変圧器用の接地極から配電線路を介して直流回路に至る電流経路に設けられ、直流回路の地絡事故時に事故点と接地形計器用変圧器との間を大地を介して環流する交流信号を検出する。

好ましくは、上記の地絡事故検出システムは、接地形計器用変圧器の１次巻線の中性点と接地極との間の電流経路に設けられたコンデンサをさらに備える。

この発明は他の局面において、単相交流方式の配電線路に整流装置を介して接続された直流回路の地絡事故検出システムであって、接地形計器用変圧器と検出器とを備える。ここで、配電線路は、非接地の単相の電力用変圧器の２次側に接続される。接地形計器用変圧器の１次巻線は、電力用変圧器の２次巻線の中性点と接地極との間の電流経路に設けられる。検出器は、接地極から配電線路を介して直流回路に至る電流経路に設けられ、直流回路の地絡事故時に事故点と接地形計器用変圧器との間を大地を介して環流する交流信号を検出する。

好ましくは、上記の地絡事故検出システムは、接地形計器用変圧器の１次巻線と接地極との間の電流経路に設けられたコンデンサをさらに備える。

好ましくは、上記の一局面において、交流信号は、接地形計器用変圧器の１次巻線に流れる励磁電流のうちの３ｎ調波電流（ｎは１以上の奇数）である。

また、好ましくは、上記の他の局面において、交流信号は、接地形計器用変圧器の１次巻線に流れる励磁電流の高調波成分である。

また、好ましくは、上記の一局面および他の局面において、接地形計器用変圧器の１次巻線には可飽和リアクトルが用いられる。

また、好ましくは、上記の一局面および他の局面において、地絡事故検出システムは、接地形計器用変圧器の２次巻線と接続され、配電線路を流れる交流の周波数の整数倍と異なる周波数の信号を出力する信号源をさらに備える。この場合、検出器は、信号源の出力信号を交流信号として検出する。

また、上記の一局面および他の局面における好ましい実施の一形態として、検出器は、直流回路に設けられた交流用の零相変流器を含む。

また、上記の一局面および他の局面における好ましい実施の他の形態として、検出器は、直流回路の正極線および負極線にそれぞれ設けられた交流用の変流器を含む。

好ましくは、上記の実施の各形態において、直流回路は、整流装置に接続された直流幹線と、直流幹線から分岐された複数の直流分岐線とを含む。この場合、検出器は、直流幹線および複数の直流分岐線の各々に少なくとも１箇所ずつ設けられる。

また、上記の一局面および他の局面における好ましい実施のさらに他の形態として、直流回路は、整流装置の直流回路側に設けられた平滑用のリアクトルを含む。この場合、検出器は、平滑用のリアクトルに生じる交流電圧を検出する交流電圧計を含む。

好ましくは、上記の実施の各形態において、検出器は、検出すべき交流信号の周波数成分を通過させるフィルタ回路をさらに含む。

また、上記の一局面および他の局面における好ましい実施のさらに他の形態として、検出器は、接地形計器用変圧器と整流装置との間の配電線路に設けられた零相変流器と、零相変流器の出力のうち検出すべき交流信号の周波数成分を通過させる第１のフィルタ回路とを含む。

特に上記の実施の形態において、好ましくは、配電線路は、電力用変圧器に接続された交流母線と、交流母線に接続された複数の交流回線とを含む。この場合、整流装置および直流回路は、複数の交流回線ごとに１または複数設けられる。検出器は、交流母線と複数の交流回線の各々との接続点付近に設けられる。もしくは、検出器は、複数の交流回線の各々に対して１または複数の整流回路の接続点付近に設けられる。

さらにまた、上記の一局面および他の局面における好ましい実施の形態として、検出器は、接地形計器用変圧器の１次巻線と接地極との間の電流経路に設けられた零相変流器と、零相変流器の出力のうち検出すべき交流信号の周波数成分を通過させる第１のフィルタ回路とを含む。

検出器が交流回路に設けられる場合には、好ましくは、検出器は、零相変流器の出力のうち電力用変圧器の１次側から供給される交流の基本波の周波数成分を通過させる第２のフィルタ回路をさらに含む。この場合、直流回路の地絡事故検出システムは、さらに、第１のフィルタ回路の出力が第１の閾値を超え、かつ、第２のフィルタ回路の出力が第２の閾値以下の場合に直流回路において地絡事故が発生したと判定する判定部を備える。

この発明によれば、直流回路に地絡事故時に事故点と接地形計器用変圧器との間で大地を介して環流する交流信号が検出器によって検出される。この場合、配電線路の地絡事故の検出のために従来から用いられている接地形計器用変圧器に、安価な交流用の変流器を上記の検出器として付加することによって地絡事故検出システムを構成することができる。したがって、従来よりも簡単かつ低コストな構成の地絡事故検出システムを提供することができる。

この発明の実施の形態１による直流回路３０の地絡事故検出システム４０の構成を示す図である。 図１の比較例としての地絡事故検出システムの構成を示す図である。 図１の直流回路３０の地絡事故検出システム４０の動作を説明するための図である。 図１の検出器７３の他の構成例を示す図である。 各検出器７１，７２，７３の設置位置の一例を示す図である。 この発明の実施の形態２による直流回路３０の地絡事故検出システム１４０の構成を示す図である。 この発明の実施の形態３による直流回路３０の地絡事故検出システム２４０の構成を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。

［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による直流回路３０の地絡事故検出システム４０の構成を示す図である。地絡事故検出システム４０は、非接地の三相配電系統１０（交流回路１０とも称する。）に整流装置２０を介して接続された直流回路３０における地絡事故を検出する。

図１を参照して、三相配電系統１０は、電力系統１１から送電された三相電圧を降圧するための電力用の三相変圧器１２と、三相変圧器１２に接続された配電線路とを含む。ここで、配電線路は、母線１３（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ）と、母線１３に遮断器１４（１４ａ，１４ｂ，１４ｃ）を介して接続された交流回線１５（１５ａ，１５ｂ，１５ｃ）とを含む。各相の電線路１５ａ，１５ｂ，１５ｃには、対地静電容量１６ａ，１６ｂ，１６ｃが存在する。参照符号の末尾のａ，ｂ，ｃの文字はａ相、ｂ相、ｃ相をそれぞれ表す。

三相変圧器１２は、Δ−Δ結線とすることによって中性点が非接地となっている。
整流装置２０は、三相全波整流を行なうブリッジ回路である。図１に示すように整流装置２０は、３相の各電線路１５ａ，１５ｂ，１５ｃと正極側出力ノード２３ｐとの間に個別に接続された整流素子（ダイオードまたはサイリスタなど）２１ａ，２１ｂ，２１ｃと、３相の各電線路と負極側出力ノード２３ｎとの間に個別に接続された整流素子２２ａ，２２ｂ，２２ｃとを含む。

直流回路３０は、整流装置２０の直流回路３０側に設けられた平滑用のリアクトル２４およびコンデンサ２５を含む。リアクトル２４の一端は正極側出力ノード２３ｐに接続される。コンデンサ２５は、リアクトル２４の他端と負極側出力ノード２３ｎとの間に接続される。

直流回路３０は、さらに、コンデンサ２５の両端に接続された直流線路３１（正極線３１ｐ、負極線３１ｎ）と、直流負荷３３とを含む。直流負荷３３は、直流線路３１の末端の正極側ノード３２ｐと負極側ノード３２ｎとの間に接続される。

地絡事故検出システム４０は、上記の構成の配電線路（母線１３および母線１３に接続された電線路１５）および直流回路３０における地絡事故の検出を行なう。図１に示すように、地絡事故検出システム４０は、母線１３に接続された接地形計器用変圧器（ＥＶＴ：Earthing Voltage Transformer）４１と、ＥＶＴ４１の１次巻線の中性点４４と接地極５９（大地ＧＮＤ）との間に設けられた交流用の変流器（ＣＴ：Current Transformer）４８およびコンデンサ５０と、直流線路３１に設けられた検出器７３とを含む。

ＥＶＴ４１は、Ｙ結線された１次巻線４２ａ，４２ｂ，４２ｃと、オープンΔ結線された２次巻線４５ａ，４５ｂ，４５ｃとを含む。１次巻線４２ａ，４２ｂ，４２ｃとａ相〜ｃ相の母線１３ａ，１３ｂ，１３ｃとの間には、ヒューズ４３ａ，４３ｂ，４３ｃが設けられる。１次巻線４２ａ，４２ｂ，４２ｃの中性点４４は、コンデンサ５０を介して接地極５９に接続される。また、２次巻線４５ａ，４５ｂ，４５ｃの開放端には、電流制限抵抗４６および交流電圧計４７が接続される。

ＣＴ４８は、ＥＶＴ４１の１次巻線の中性点４４と接地極５９との間に、コンデンサ５０と直列に設けられる。一般にＣＴは、コイルが巻かれたリング状の磁性体コア（鉄心など）を有する。中性点４４とコンデンサ５０とを接続する電線路はこのリング状コアを貫通して配線される。リング状コアに巻かれたコイルの出力ノードには交流電流計４９が接続される。

検出器７３は、交流用の零相変流器（ＺＣＴ：Zero-phase Current Transformer）５１と、ＺＣＴ５１の出力に接続された交流電流計５２とを含む。ＺＣＴ５１では、直流線路３１を構成する正極線および負極線の両方がリング状コアを貫通する。地絡事故時に直流回路３０を流れる事故電流によってＺＣＴ５１のリング状コアが飽和しないように、リング状コアの材料には飽和磁束密度の大きな磁性体が用いられる。あるいは、リング状コアを用いずに空芯のコイルによってＺＣＴ５１を構成してもよい。

さらに、地絡事故検出システム４０は制御部５３を含む。制御部５３は、電気計器４７，４９，５２の出力に基づいて地絡事故を検知するとともに、地絡事故を検知した場合には遮断器１４を停止したり、警報を発したりする。配電系統１０に設けられた開閉器や遮断器を制御する配電自動化システムを利用して地絡事故検出システム４０の制御部５３を構成することができる。

次に、上記の構成の地絡事故検出システム４０の動作について説明する。まず、三相交流の配電線路における地絡事故の検出に用いられる従来の地絡事故検出システムの動作について説明する。

図２は、図１の比較例としての地絡事故検出システムの構成を示す図である。図２の地絡事故検出システムは、図１の地絡事故検出システム４０からコンデンサ５０および検出器７３を削除したものである。なお、図２では、図１の制御部５３の図示が省略されている。

図２において、ｃ相の電線路１５ｃの事故点Ｆａにおいて地絡事故が発生したとする（地絡抵抗をＲａｇとする）。このとき、大地を介して事故点ＦａとＥＶＴ４１の１次巻線との間を事故電流が環流するが、ＥＶＴ４１を流れる事故電流は１次側に換算された電流制限抵抗４６の効果によって制限される。ＥＶＴ４１を流れる事故電流は、ＣＴ４８によって検出される。また、対地電圧の３倍に比例した電圧を交流電圧計４７で検出することによっても、地絡事故の発生を検知することができる。

直流回路３０において地絡事故が発生した場合には、直流回路３０のコンデンサ２５に蓄積された電荷が放出されることによって大地を介した直流の事故電流が流れる。この場合、整流装置２０については、複数の整流素子２１，２２のうち交流電圧の位相に応じて導通状態にある整流素子のいずれかを介して事故電流が流れる。

たとえば、図２に示すように、負極線３１ｎの事故点Ｆｄにおいて地絡事故が発生し、このとき整流素子２１ａ，２２ｂ，２２ｃが導通状態であったとする。この場合、事故電流Ｉｄｇは、コンデンサ２５の正極、整流素子２１ａ、ａ相の電線路１５ａ、ａ相の交流母線１３ａ、ＥＶＴ４１の１次巻線４２ａ、大地、事故点Ｆｄ（地絡抵抗Ｒｄｇ）、コンデンサ２５の負極の順に流れる。

この場合の事故電流Ｉｄｇは直流であるので、ＣＴ４８によって事故電流Ｉｄｇを検出することができない。また、交流電圧計４７によっても地絡事故の発生を検知することができない。さらに、ＥＶＴ４１を流れる直流の事故電流Ｉｄｇは電流制限抵抗４６によって制限されることはなく、またＥＶＴ４１を偏磁してその励磁電流を過大化するので、ヒューズ４３が溶断したり、過電流のためにＥＶＴ４１の１次巻線４２が破損したりする可能性もある。

そこで、図１の地絡事故検出システム４０では、直流の事故電流を測定するのでなく、検出器７３を用いて３ｎ調波電流（ｎは正の奇数）を検出することによって、直流回路の地絡事故を検知する。以下に示すように、直流回路３０の地絡事故時には、ＥＶＴ４１の鉄心の磁化特性の非線形性に起因した３ｎ調波（ｎは正の奇数）電流が、事故点ＦｄとＥＶＴ４１との間で大地を介して環流する。さらに、好ましくは、直流の事故電流を阻止するために大容量のコンデンサ５０が設けられる。

図３は、図１の直流回路３０の地絡事故検出システム４０の動作を説明するための図である。以下では、まず、地絡事故時に流れる３ｎ調波電流について説明する。

ＥＶＴ４１の１次巻線４２ａ，４２ｂ，４２ｃを流れる励磁電流の瞬時値をそれぞれｉａ，ｉｂ，ｉｃとする。励磁電流の瞬時値ｉａ，ｉｂ，ｉｃは、鉄心の磁化特性の非線形性のために以下の式（１）に示すような奇数調波を伴なう。

ia=I1 sin(ωt+θ)+I3 sin 3(ωt+θ)+I5 sin 3(ωt+θ)+…
ib=I1 sin(ωt+θ+2π/3)+I3 sin 3(ωt+θ+2π/3)+I5 sin 5(ωt+θ+2π/3)+…
ic=I1 sin(ωt+θ-2π/3)+I3 sin 3(ωt+θ-2π/3)+I5 sin 5(ωt+θ-2π/3)+…
…(1)
ただし、上式（１）においてωは基本波の角周波数であり、θは基本波のａ相の位相であり、πは１８０°である。各相の基本波には互いに２π／３だけの位相のずれがある。また、Ｉ１，Ｉ３，Ｉ５…は、基本波および各奇数調波の振幅である。

直流回路３０が健全な状態の場合、励磁電流の瞬時値ｉａ，ｉｂ，ｉｃはＹ結線の三相平衡回路に流れるので、キルヒホッフの法則から、
ia+ib+ic=0 …(2)
のように励磁電流の瞬時値ｉａ，ｉｂ，ｉｃの和は０となる。

ここで、上式（１）を参照して、上式（２）の関係を基本波および高調波ごとに分解する。まず、三相の基本波電流の和は、
I1 sin(ωt+θ)+I1 sin(ωt+θ+2π/3)+I1 sin(ωt+θ-2π/3)=0 …(3)
のように常に０となる。すなわち、基本波電流は正相としてＥＶＴ４１の１次巻線を流れる。

次に、三相の第３調波電流の和は、
I3 sin 3(ωt+θ)+I3 sin 3(ωt+θ+2π/3)+I3 sin 3(ωt+θ-2π/3)
=3×I3 sin 3(ωt+θ) …(4)
のように０とならない。したがって、式（２）のキルヒホッフの法則を満足するためにＩ３＝０である必要がある。

次に、三相の第５調波電流の和は、
I5 sin 3(ωt+θ)+I5 sin 5(ωt+θ+2π/3)+I5 sin 5(ωt+θ-2π/3)=0 …(5)
のように常に０となる。すわなち、第５調波電流は逆相としてＥＶＴ４１の１次巻線を流れる。

以下同様にして、基本波および７次、１１次、…の高調波電流は正相電流になり、５次、１３次、…の高調波電流は逆相電流になる。一方、３次、９次、…の高調波電流（３ｎ調波電流）は三相平衡回路を流れることができない。

上述のように、ＥＶＴ４１に１次巻線に三相交流の正弦波が印加されると、鉄心の磁化特性の非線形性から３ｎ調波（ｎは１以上の奇数）電流が流れることが要請されるが、キルヒホッフの法則を満足するために３ｎ調波電流は流れることができない。言替えると、この状態は、各相と中性点４４との間には３ｎ調波を流すための対地電圧は印加されているが、３ｎ調波が流れる回路（零相回路）が形成されていない状態である。ここで、直流回路３０に地絡事故が発生すると、図３の事故点ＦｄとＥＶＴ４１の１次巻線との間で零相回路が形成される。３ｎ調波電流は、上記鉄心の磁化特性の非線形性の要請に従い、この零相回路だけを零相電流として流れることになる。

具体的に図３の場合、整流装置２０を構成する複数の整流素子のうち、交流電圧の位相に応じて導通状態にある整流素子（図３の場合、２２ｂ、２２ｃ）を介して３ｎ調波電流ｉｅｂ，ｉｅｃが流れる。この結果、３ｎ調波電流は、事故点ＦｄとＥＶＴ４１との間を大地を介して環流する。直流回路３０に設けられた検出器７３はこの３ｎ調波電流を検出する。これによって、検出器７３の設置位置よりも直流負荷３３側で地絡事故が発生したことが検知される。

ここで、健全時には直流回路３０には直流電流のみが流れる。地絡事故発生時には、交流信号としての３ｎ調波電流が流れ、３ｎ調波電流以外の交流は直流回路３０をほとんど流れない。したがって、直流回路３０の地絡事故の検出のために高価な直流用のＣＴを用いる必要がないばかりか、３ｎ調波を特定して検出する必要もない。この結果、より安価な交流ＣＴを用いて地絡事故検出システム４０を構成されることができる。

また、ＥＶＴ４１の各１次巻線４２ａ，４２ｂ，４２ｃは、可飽和リアクトルを用いて構成することが好ましい。可飽和リアクトルを用いて励磁電流が大きくなるように設定することによって、直流回路３０の地絡事故の検出感度を高めることができる。

また、上記の地絡事故検出システム４０によれば、地絡抵抗Ｒｄｇの大きさに応じて検出器７３によって検出される３ｎ調波電流の大きさが変化する。したがって、３ｎ調波電流の大きさを監視することによって、直流回路３０の絶縁状態の劣化度を監視することが可能になる。

なお、図１、図３において三相変圧器１２の２次側の配電線路は、母線１３と母線１３に接続された電線路１５とによって構成されていた。言うまでもないことであるが、配電線路に母線１３がない場合、すなわち、三相変圧器１２の２次側に電線路１５が直接接続されるような場合にも、上記の地絡事故検出システム４０を適用できる。この場合、図１、図３のＥＶＴ４１は電線路１５に接続される。

図４は、図１の検出器７３の他の構成例を示す図である。図１の検出器７３に代えて、下記のいずれの構成の検出器７４，７２，７１，７５によっても直流回路３０の地絡事故時における３ｎ調波電流を検出することができる。この場合、検出器７３の場合と同様に、各検出器７４，７２，７１の設置位置よりも負荷側で地絡事故が発生したときに３ｎ調波電流が検出される。

図４の検出器７４は、直流回路３０の正極線３１ｐおよび負極線３１ｎにそれぞれ設けられた交流用のＣＴ６１，６３と、ＣＴ６１，６３の出力をそれぞれ計測する交流電流計６２，６４とを含む。図１のＺＣＴ７３に代えて一対のＣＴ６１，６３を用いることによって正極線３１ｐおよび負極線３１ｎのどちらで地絡事故が発生したかを検知することが可能になる。

また、平滑用のリアクトル２４に生じる電圧を検出器としての交流電圧計７２で測定することによっても、３ｎ調波電流を検出することができる。直流回路３０が健全な状態のときはリアクトル２４に生じる電圧にはわずかなリップルが含まれるのみである。３ｎ調波電流が流れることによってリアクトル２４に発生した交流電圧を交流電圧計７２によって検出する。

また、図４の検出器７１は、交流用のＺＣＴ６６と、バンドパスフィルタ６７と、交流電流計６８とを含む。ここで、バンドパスフィルタ６７は、ＺＣＴ６６の出力のうち３ｎ調波の周波数成分を通過させる第１のバンドパスフィルタ６７ａと、ＺＣＴ６６の出力のうち電力系統１１から送電された基本波の周波数成分を通過させる第２のバンドパスフィルタ６７ｂと含む。バンドパスフィルタ６７ａ，６７ｂから出力された３ｎ調波および基本波の信号強度は交流電流計６８によって検出される。

上記の構成の検出器７１は、ＥＶＴ４１と整流装置２０との間の交流線路１５のいずれの位置にも設置することができる。この場合、電力系統１１から送電された三相交流に歪がないとすると、交流線路１５（たとえば、図４の事故点Ｆａ）で地絡事故が生じたときには、検出器７１によって零相基本波電流およびＥＶＴ４１の励磁電流に起因した３ｎ調波電流の両方が検出される。一方、直流回路３０（たとえば、図４の事故点Ｆｄ）で地絡事故が生じたときには、検出器７１によってＥＶＴ４１の励磁電流に起因した３ｎ調波電流は検出されるが、零相基本波電流は検出されない。

そこで、図１の制御部５３（判定部）は、検出器７１によって検出された３ｎ調波電流の強度が第１の閾値を超え、かつ、検出された零相基本波電流の強度が第２の閾値以下の場合に直流回路３０で地絡事故が生じたと判定する。一方、検出器７１によって検出された３ｎ調波電流の強度が上記の第１の閾値を超え、かつ、検出された零相基本波電流の強度が上記の第２の閾値を超えた場合に、制御部５３（判定部）は交流線路１５で地絡事故が生じたと判定する。なお、電力系統１１から送電された三相交流に歪がある場合、交流線路１５の地絡事故時には、零相基本波電流以外にその送電された三相交流の歪に起因した３ｎ調波電流も検出器７１によって検出される。

また、ＥＶＴ４１の１次巻線の中性点４４と接地極５９との間に設けられたＣＴ４８および交流電流計４９を用いても、直流回路３０の地絡事故時に流れる３ｎ調波電流を検出することができる。この場合も、検出器７５は、ＣＴ４８および交流電流計４９に加えてバンドパルフィルタ６９（６９ａ，６９ｂ）を含む。第１のバンドパスフィルタ６９ａは３ｎ調波電流の周波数成分のみを通過させ、第２のバンドパスフィルタ６９ｂは基本波の周波数成分のみを通過させる。これによって、交流線路１５の地絡事故と直流回路３０の地絡事故とを区別して検出することができる。

なお、図１の検出器７３および図４の検出器７４，７２の場合にも、ノイズを除去するために、３ｎ調波電流のみを通過させるバンドパスフィルタをさらに設けてもよい。

図５は、各検出器７１，７２，７３の設置位置の例を示す図である。図５のように検出器７１，７２，７３を複数設けることによって、複数の回線１５Ｉ，１５ＩＩ，１５ＩＩＩのうちのどの回線に接続された直流回路で地絡事故が生じたかを検知することができ、さらに、直流回路３０のいずれの区間で地絡事故が発生したかを検知することができる。

図５の例では、三相交流方式の配電系統１０は、中性点が非接地の三相変圧器１２に接続された母線１３と、母線１３に接続された３本の回線１５Ｉ，１５ＩＩ，１５ＩＩＩとを含む。各回線１５Ｉ，１５ＩＩ，１５ＩＩＩは、対応の遮断器（１４Ｉ、１４ＩＩ、または１４ＩＩＩ）を介して母線１３に接続される。

各回線１５Ｉ，１５ＩＩ，１５ＩＩＩには、図４の検出器７１に相当する検出器７１＿１，７１＿４，７１＿５が母線１３との接続点付近に設けられる。これによって、複数の回線１５Ｉ，１５ＩＩ，１５ＩＩＩのうちのどの回線に接続された直流回路において地絡事故が発生したかを検知することができる。

図５に示すように、第１の回線１５Ｉは途中で２本に分岐する。分岐した回線１５Ｉの一方の末端には整流装置２０＿１および直流負荷３３＿１が接続され、他方の末端には整流装置２０＿２および直流負荷３３＿２が接続される。整流装置２０＿１，２０＿２の接続点付近には、図４の検出器７１に相当する検出器７１＿２，７１＿３が設けられる。これによって、直流負荷３３＿１側の直流回路と直流負荷３３＿２側の直流回路のうち、いずれの直流回路で地絡事故が生じたかを検知することができる。

第２の回線１５ＩＩも途中で２本に分岐する。分岐した回線１５ＩＩの一方の末端には整流装置２０＿３および直流負荷３３＿３が接続され、他方の末端には整流装置２０＿４および直流負荷３３＿４が接続される。第２の回線１５ＩＩの場合、整流装置２０＿３，２０＿４の負荷側に設けられた平滑用のリアクトルと並列に、検出器としての交流電圧計７２＿１，７２＿２が設けられる。これによって、直流負荷３３＿３側の直流回路と直流負荷３３＿３側の直流回路のうち、いずれの直流回路で地絡事故が生じたかを検知することができる。

第３の回線１５ＩＩＩの末端には整流装置２０＿５を介して直流回路３０＿５が接続される。直流回路３０＿５は、直流幹線３５と、直流幹線３５から分岐する分岐線３６＿２，３６＿４とを含む。直流回路３０＿５は、さらに、直流幹線３５の末端に接続された直流負荷３３＿５と、分岐線３６＿２の末端に接続された直流負荷３３＿６と、分岐線３６＿４の末端に接続された直流負荷３３＿７とを含む。直流幹線３５に含まれる区間３６＿１，３６＿３には、図１の検出器７３に相当する検出器７３＿１，７３＿３がそれぞれ設けられる。さらに、分岐線３６＿２，３６＿４にも、図１の検出器７３に相当する検出器７３＿２，７３＿４が設けられる。これによって、直流幹線３５の複数の区間３６＿１，３６＿３および複数の分岐線３６＿２，３６＿４のうちいずれで地絡事故が生じたかを検知することができる。

［実施の形態２］
図６は、この発明の実施の形態２による直流回路３０の地絡事故検出システム１４０の構成を示す図である。図６の地絡事故検出システム１４０は、非接地の単相配電系統１１０に整流装置１２０を介して接続された直流回路３０における地絡事故を検出する。以下の説明では、図１の三相配電系統の場合と異なる単相配電系統に特有な点について主に説明し、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない場合がある。

図６の単相配電系統１１０は、三相配電線１１１のうちの２相に１次巻線１１２ｈが接続された電力用の単相変圧器１１２と、単相変圧器１１２の２次巻線１１２ｕ，１１２ｖに接続された配電線路１１５（１１５ｕ，１１５ｖ）とを含む。配電線路１１５のｕ相、ｖ相には遮断器１１４ｕ，１１４ｖがそれぞれ設けられる。なお、単相交流のｕ相、ｖ相を区別するために、参照符号の末尾に符号ｕ，ｖが付される。各相の電線路１１５ｕ，１１５ｖには、対地静電容量１１６ｕ，１１６ｖが存在する。

整流装置１２０は、単相全波整流を行なうブリッジ回路である。図６に示すように整流装置１２０は、単相の各電線路１１５ｕ，１１５ｖと正極側出力ノード２３ｐとの間に個別に接続された整流素子（ダイオードまたはサイリスタなど）１２１ｕ，１２１ｖと、単相の各電線路１１５ｕ，１１５ｖと負極側出力ノード２３ｎとの間に個別に接続された整流素子１２２ｕ，１２２ｖとを含む。

直流回路３０は、図１の場合と同様に、整流装置１２０の直流回路３０側に設けられた平滑用のリアクトル２４およびコンデンサ２５と、直流線路３１（正極線３１ｐ、負極線３１ｎ）と、直流負荷３３とを含む。

地絡事故検出システム１４０は、上記の構成の配電線路１１５および直流回路３０における地絡事故の検出を行なう。図６に示すように、地絡事故検出システム１４０は、単相用のＥＶＴ１４１と、ＥＶＴ１４１の１次巻線１４２と接地極５９との間に設けられたＣＴ４８およびコンデンサ５０と、検出器７３と、制御部５３とを含む。ＣＴ４８、コンデンサ５０、検出部７３、および制御部５３は、図１の場合と同様であるので説明を繰返さない。

単相用のＥＶＴ１４１の１次巻線の一端は、ヒューズ１４３を介在して単相変圧器１１２の２次巻線の１１２ｕ，１１２ｖの中性点１１２ｎに接続される。ＥＶＴ１４１の１次巻線の他端はコンデンサ５０を介して接地極５９に接続される。巻数の等しい２次巻線１１２ｕおよび１１２ｖの接続ノードが中性点１１２ｎに相当する。ＥＶＴ１４１の２次巻線１４５には、電流制限抵抗４６および交流電圧計４７が接続される。

次に、上記の構成の地絡事故検出システム１４０の動作について説明する。
直流回路３０が健全な場合には、ｕ相の電圧とｖ相の電圧とは大きさが等しく、位相が互いに１８０°ずれている。この結果、単相変圧器１１２の２次側の中性点１１２ｎの電位は接地極５９の電位に常に等しくなるので、ＥＶＴ１４１の１次巻線１４２には電流が流れない。

これに対して直流回路３０の事故点Ｆｄにおいて地絡事故が発生した場合には、ＥＶＴ１４１を構成する鉄心の磁化特性の非線形性に起因して生じる励磁電流が、ＥＶＴ１４１の１次巻線１４２と事故点Ｆｄとの間で大地を介して環流する。この結果、直流回路３０に設けられた検出器７３によって、事故時に流れる励磁電流の高調波成分を検出することができる。

なお、図４に示すように、ＺＣＴ５１によって構成される図６の検出器７３に代えて、一対のＣＴ６１，６３によって検出器を構成してもよい。また、平滑用のリアクトル２４と並列に交流電圧計７２を設けることによって検出器を構成してもよい。さらに、単相交流の配電線路１１５にＺＣＴを設けることによって励磁電流の高調波成分の検出器を構成することもできる。

また、図５に示すように、配電線路１１５および直流回路３０に複数の検出器を設けることによって、地絡事故の事故区間を特定することもできる。

［実施の形態３］
図７は、この発明の実施の形態３による直流回路３０の地絡事故検出システム２４０の構成を示す図である。

図７に示す地絡事故検出システム２４０は、電流制限抵抗４６および交流電圧計４７に代えて信号源８０が設けられている点で、図１の地絡事故検出システム４０と異なる。信号源８０は、基本波の周波数（電力系統１１の周波数）の整数倍（１以上の整数倍）と異なる周波数の交流信号を出力する。このような周波数の交流信号は、直流回路３０または交流回路１０に地絡事故が発生することによって零相回路が形成されない限り、ＥＶＴ４１を流れることができない。

また、図７の検出器７６は、信号源８０の出力信号の周波数を通過するバンドパスフィルタ８２をさらに含む点で図１の検出器７３と異なる。その他の点については、図７の地絡事故検出システム２４０は図１の地絡事故検出システム４０と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。

図１に示す地絡事故検出システム４０では、ＥＶＴ４１の１次巻線４２に生じる励磁電流のうちの３ｎ調波電流（ｎは１以上の奇数）を利用して、直流回路３０における地絡事故の発生を検知していた。３ｎ調波電流は、配電系統１０に接続される負荷が非対称であれば、直流回路３０に地絡事故が生じていなくても流れる場合があり、この場合の３ｎ調波電流は測定上のノイズとなって地絡事故の検知を困難にする。

そこで、実施の形態３の地絡事故検出システム２４０では、基本波およびその高調波のいずれの周波数とも異なる周波数の交流信号を用いて地絡事故の判定を行なう。これによって、実施の形態１の場合に比べてさらに精度よく地絡事故の検出を行なうことができる。なお、信号源８０の出力信号の一部は電線路１５の対地静電容量１６にも流れるので、信号源８０の出力をできるだけ小さくするためには、信号源８０の周波数は基本波の周波数よりも小さいことが望ましい。

実施の形態３の地絡事故検出システム２４０のおいても、実施の形態１の図４、図５の場合と同様に、交流線路１５および直流回路３０の複数の場所に信号源８０の出力信号を検出するための検出器を設置することができる。

また、実施の形態２のような単相配電系統１１０に接続された直流回路３０に対しても、上記と同様に信号源８０を用いた地絡事故の検出方法を適用することができる。この場合、図６のＥＶＴ１４１の２次巻線１４５には、電流制限抵抗４６および交流電圧計４７に代えて信号源８０が接続される。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ 三相配電系統、１２ 三相変圧器、１３ 母線（配電線路）、１４ 遮断器、１５ 交流回線（配電線路）、２０ 整流装置、２１，２２ 整流素子、２４ リアクトル、２５ コンデンサ、３０ 直流回路、３１ 直流線路、３１ｐ 正極線、３１ｎ 負極線、３３ 直流負荷、３５ 直流幹線、３６＿２，３６＿４ 直流分岐線、４０ 地絡事故検出システム、４１ 接地形計器用変圧器（ＥＶＴ）、４２ １次巻線、４４ 中性点、４５ ２次巻線、４６ 電流制限抵抗、４７ 交流電圧計、４８，６１，６３ 変流器（ＣＴ）、４９，６２，６４，６８ 交流電流計、５０ コンデンサ、５１，６６ 零相変流器（ＺＣＴ）、５２ 交流電流計、６７，６９，８２ バンドパスフィルタ、７１，７３，７４，７５，７６ 検出器、７２ 交流電圧計（検出器）、８０ 信号源、１１０ 単相配電系統、１１２ 単相変圧器、１１２ｎ 中性点、１１２ｕ，１１２ｖ ２次巻線、１１５ 単相配電線路、１２０ 整流装置、１４０ 地絡事故検出システム、１４１ 接地形計器用変圧器（ＥＶＴ）、１４２ １次巻線、１４５ ２次巻線、２４０ 地絡事故検出システム、Ｆｄ 事故点、ＧＮＤ 大地、５９ 接地極。

Claims (18)

1. 三相交流方式の配電線路に整流装置を介して接続された直流回路の地絡事故検出システムであって、
   前記配電線路は、中性点が非接地である三相の電力用変圧器の２次側に接続され、
   前記配電線路に接続された接地形計器用変圧器と、
   前記接地形計器用変圧器用の接地極から前記配電線路を介して前記直流回路に至る電流経路に設けられ、前記直流回路の地絡事故時に事故点と前記接地形計器用変圧器との間を大地を介して環流する交流信号を検出するための検出器とを備える、直流回路の地絡事故検出システム。
2. 前記接地形計器用変圧器の１次巻線の中性点と前記接地極との間の電流経路に設けられたコンデンサをさらに備える、請求項１に記載の直流回路の地絡事故検出システム。
3. 単相交流方式の配電線路に整流装置を介して接続された直流回路の地絡事故検出システムであって、
   前記配電線路は、非接地の単相の電力用変圧器の２次側に接続され、
   １次巻線が前記電力用変圧器の２次巻線の中性点と接地極との間の電流経路に設けられた接地形計器用変圧器と、
   前記接地極から前記配電線路を介して前記直流回路に至る電流経路に設けられ、前記直流回路の地絡事故時に事故点と前記接地形計器用変圧器との間を大地を介して環流する交流信号を検出するための検出器とを備える、直流回路の地絡事故検出システム。
4. 前記接地形計器用変圧器の１次巻線と前記接地極との間の電流経路に設けられたコンデンサをさらに備える、請求項３に記載の直流回路の地絡事故検出システム。
5. 前記交流信号は、前記接地形計器用変圧器の１次巻線に流れる励磁電流のうちの３ｎ調波電流（ｎは１以上の奇数）である、請求項１または２に記載の直流回路の地絡事故検出システム。
6. 前記交流信号は、前記接地形計器用変圧器の１次巻線に流れる励磁電流の高調波成分である、請求項３または４に記載の直流回路の地絡事故検出システム。
7. 前記接地形計器用変圧器の１次巻線には可飽和リアクトルが用いられる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の直流回路の地絡事故検出システム。
8. 前記直流回路の地絡事故検出システムは、前記接地形計器用変圧器の２次巻線と接続され、前記配電線路を流れる交流の周波数の整数倍と異なる周波数の信号を出力する信号源をさらに備え、
   前記検出器は、前記信号源の出力信号を前記交流信号として検出する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の直流回路の地絡事故検出システム。
9. 前記検出器は、前記直流回路に設けられた交流用の零相変流器を含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の直流回路の地絡事故検出システム。
10. 前記検出器は、前記直流回路の正極線および負極線にそれぞれ設けられた交流用の変流器を含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の直流回路の地絡事故検出システム。
11. 前記直流回路は、
    前記整流装置に接続された直流幹線と、
    前記直流幹線から分岐された複数の直流分岐線とを含み、
    前記検出器は、前記直流幹線および前記複数の直流分岐線の各々に少なくとも１箇所ずつ設けられる、請求項９または１０に記載の直流回路の地絡事故検出システム。
12. 前記直流回路は、前記整流装置の前記直流回路側に設けられた平滑用のリアクトルを含み、
    前記検出器は、前記平滑用のリアクトルに生じる交流電圧を検出する交流電圧計を含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の直流回路の地絡事故検出システム。
13. 前記検出器は、検出すべき前記交流信号の周波数成分を通過させるフィルタ回路をさらに含む、請求項９〜１２のいずれか１項に記載の直流回路の地絡事故検出システム。
14. 前記検出器は、
    前記接地形計器用変圧器と前記整流装置との間の前記配電線路に設けられた零相変流器と、
    前記零相変流器の出力のうち検出すべき前記交流信号の周波数成分を通過させる第１のフィルタ回路とを含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の直流回路の地絡事故検出システム。
15. 前記配電線路は、
    前記電力用変圧器に接続された交流母線と、
    前記交流母線に接続された複数の交流回線とを含み、
    前記整流装置および直流回路は、前記複数の交流回線ごとに１または複数設けられ、
    前記検出器は、前記交流母線と前記複数の交流回線の各々との接続点付近に設けられる、請求項１４に記載の直流回路の地絡事故検出システム。
16. 前記配電線路は、
    前記電力用変圧器に接続された交流母線と、
    前記交流母線に接続された複数の交流回線とを含み、
    前記整流装置および直流回路は、前記複数の交流回線ごとに１または複数設けられ、
    前記検出器は、前記複数の交流回線の各々に対して１または複数の前記整流回路の接続点付近に設けられる、請求項１４に記載の直流回路の地絡事故検出システム。
17. 前記検出器は、
    前記接地形計器用変圧器の１次巻線と前記接地極との間の電流経路に設けられた零相変流器と、
    前記零相変流器の出力のうち検出すべき前記交流信号の周波数成分を通過させる第１のフィルタ回路とを含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の直流回路の地絡事故検出システム。
18. 前記検出器は、前記零相変流器の出力のうち前記電力用変圧器の１次側から供給される交流の基本波の周波数成分を通過させる第２のフィルタ回路をさらに含み、
    前記直流回路の地絡事故検出システムは、さらに、前記第１のフィルタ回路の出力が第１の閾値を超え、かつ、前記第２のフィルタ回路の出力が第２の閾値以下の場合に前記直流回路において地絡事故が発生したと判定する判定部を備える、請求項１４または１７に記載の直流回路の地絡事故検出システム。

Images