JP2011155749A - 配電盤内電路試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】変電所や配電所に設置された配電盤設備（低圧の交流電圧を供給する低圧配電盤）において、工事や検査を終えて使用開始する際に、低圧側の電路における短絡の有無を精度よく検知することができる配電盤内電路試験装置を提供する。
【解決手段】配電盤２１内の低圧側の電路Ｒ，Ｓ，Ｔにおける短絡故障の有無を検出する際に、配電盤内電路試験装置１により、変圧器２２の鉄心が飽和する恐れの少ない高い周波数（実使用周波数（定格周波数）よりも高い周波数）の交流電圧を低圧側の電路間（Ｒ−Ｓ相，Ｓ−Ｔ相、またはＴ−Ｒ相間）に課電する。そして、配電盤２１内の電路Ｒ，Ｓ，Ｔ間において相間短絡または異物介在により高抵抗短絡している場合に、短絡抵抗値が小さいほど印加電圧に対して流れる電流位相が０度に近付くことを利用して、位相判定部１４により短絡故障の有無を判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、変電所や配電所に設置された配電盤設備（低圧電灯盤、低圧動力盤等の低圧の交流電圧を供給する低圧配電盤）において、工事や検査を終えて通電を開始する場合に、高圧受電用変圧器（以下、単に「変圧器」とも呼ぶ）の低圧側の電路（配電線路）における短絡故障の有無を予め検出するための試験装置に関する。

変電所や配電所に設置された配電盤設備では、工事や検査を終えて使用開始する際に、誤配線や異物の介在等により健全性が失われたまま電路に実電圧が加圧されることを防止するため、通常検査員により目視検査、絶縁抵抗測定、絶縁耐圧測定、短絡検出測定等を行っている。なお一般に、絶縁抵抗測定には直流電圧印加による絶縁抵抗計が、絶縁耐圧測定には商用周波交流を用いた耐圧試験装置が、短絡検出測定には商用周波の低圧の交流電圧を用いた高圧側（変圧器１次側）からの電圧印加による電流検知手法が用いられる。

上述した手法は現在広く普及している手法であるが、いくつかの問題点を有している。例えば、絶縁抵抗計は接地側（接地線）と電路との間の絶縁抵抗は測定できるが、電路の相間短絡状態については、変圧器のコイル抵抗（巻線抵抗）が低抵抗を示すため短絡故障を判別することは困難である。また、耐圧試験装置は一般に重量物である他、高圧を加圧することに特化しているため低圧での検査には不向きな場合がある。さらに、短絡検出測定では変圧器高圧側（１次側）６．６ｋＶ端子に低電圧の交流電圧２００Ｖを印加するが、低圧側（変圧器２次側）２２０Ｖ端子に現れる理論電圧は健全な場合でも６．６７Ｖのため、異物の絶縁抵抗値次第では測定電圧が理論値とほとんど変わらず、異常を発見できない場合がある。

これらの事情に鑑み、これまでも上述の手法に依らない種々の手法が提案されている。例えば、可変周波数の交流電圧を課電し、回路の共振現象を利用して誘導性リアクタンスと容量性リアクタンスの影響を除外し、インピーダンスの抵抗分のみを検出する手法（特許文献１を参照）、商用周波数より低い交流電圧を課電し、誘導性リアクタンスと容量性リアクタンスの値を無視して抵抗分のみの測定による判定手法（特許文献２を参照）などがある。

特開２００８−２０３２２号公報 特開２００２−２４７７４８号公報

しかしながら、変圧器のリアクタンスは一般に電圧と周波数の両方に依存性を持つ。また、設計の都合上商用周波の交流で定格電圧を印加する際に、変圧器の鉄心が飽和し始める直前の領域まで磁束密度を高めて使用する場合が多いことから、変圧器励磁電流には高調波成分を多く含んでいる。このため、商用周波数ないしは商用周波数より低い周波数の交流電圧を課電する場合、変圧器のインピーダンス値が課電電圧次第で大きく異なり、正確なインピーダンスの測定が困難な場合がある。例として、定格電圧６．６ｋＶ/２１０Ｖ−容量１０ｋＶＡの単相柱上変圧器の低圧側２１０Ｖ端子から商用周波数（５０Ｈｚ）の交流電圧を課電した場合のインピーダンスの電圧依存特性を図６に示す。

図６では、横軸に変圧器低圧側２１０Ｖ端子に課電する給与電圧（Ｖ）を取り、縦軸方向に、抵抗分Ｒ（Ω）と、リアクタンス分Ｘ（Ω）とを並べて示している。図に示すように、給与電圧（Ｖ）の値の変化に応じて、抵抗分Ｒ（Ω）と、リアクタンス分Ｘ（Ω）とが大きく変化し、正確なインピーダンスの測定が困難となる。このため、電路間を短絡する異物の絶縁抵抗の値によっては、この異物による短絡故障を発見できない場合がある。

本発明は、斯かる実情に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、変電所や配電所に設置された配電盤設備において、高圧受電用変圧器の低圧側の電路における短絡故障の有無を精度よく検知することができる配電盤内電路試験装置を提供することにある。

（１）本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の配電盤内電路試験装置は、配電盤内の高圧受電用変圧器の低圧側の電路に対し、該電路における実使用交流電圧よりも高い周波数の試験用の交流電圧を供給する電源部と、前記電源部から前記電路に供給される電流の位相を正常時における電流の位相範囲と比較して、前記電路における故障の有無を判定する位相判定部と、を備えることを特徴とする。

（２）また、本発明の配電盤内電路試験装置は、前記電源部から前記電路へ供給される電流値を正常時における最大電流値と比較して、前記電路における故障の有無を判定する電流判定部を備えることを特徴とする。

（３）また、本発明の配電盤内電路試験装置は、前記電路は３相交流電圧を供給するための３相の電路で構成されており、前記電源部から出力される交流電圧を、前記３相の電路のうちのいずれか２相を順次に選択して供給するための相順切替スイッチを備えることを特徴とする。

（１）本発明の配電盤内電路試験装置においては、配電盤内の高圧受電用変圧器の低圧側の電路における短絡故障の有無を検出する際に、変圧器の鉄心が飽和する恐れの少ない高い周波数（実使用周波数（定格周波数）より高い周波数）の試験用の交流電圧を低圧側の電路に課電し、電路間において相間短絡または異物介在により高抵抗短絡している場合に、抵抗値が小さいほど電流位相が０度に近付くことを利用して短絡故障の有無を判定する。
これにより、配電盤設備において工事や検査を終えて使用開始する際に、高圧受電用変圧器の低圧側の電路における短絡故障の有無を精度よく検出できる。このため、設備保全における安全性向上に寄与することができる。

（２）また、本発明の配電盤内電路試験装置においては、相間短絡（例えば、電路間で直接短絡）している場合には電路に大電流が流れるため、この電流を検出して短絡故障の有無を判定する。また、異物介在により高抵抗短絡している場合は電流位相を検出して故障の有無を判定する。
これにより、高圧受電用変圧器の低圧側の電路における短絡故障の有無を精度よく検出できる。

（３）また、本発明の配電盤内電路試験装置においては、電路は３相交流電圧を供給するための３相の電路で構成され、電源部から出力される試験用の交流電圧を、３相の電路のうちのいずれか２相を順次に選択して供給する。
これにより、３相の電路のそれぞれの相間における短絡故障の有無を精度よく検出することができる。

本発明の実施の形態に係わる配電盤内電路試験装置の構成を示すブロック図である。 電路側（変圧器２次側）から見たインピーダンス回路の模式図である。 故障抵抗Ｒ_ｆと位相θとの相関を示す図である。 ４００Ｈｚの交流電圧を課電した場合の電路側からみたインピーダンスＺの電圧依存性を示す図である。 模擬故障抵抗Ｒ_ｆの抵抗値を変化させた場合の位相特性を示す図である。 ６．６ｋＶ−１０ｋＶＡ単相柱上変圧器におけるインピーダンスの電圧依存性を示す図である。

図１は、本発明の実施の形態に係わる配電盤内電路試験装置の構成を示すブロック図である。この配電盤内電路試験装置１では、商用周波数（定格周波数５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）より高い周波数（例えば４００Ｈｚ）の単相交流電圧を、配電盤２１内の高圧受電用変圧器２２の２次側電路Ｒ，Ｓ，Ｔのいずれか２相を選択して順次に課電する。そして、電路に流れる電流の位相、及び電流値を測定して、電路間における短絡故障の有無を検出する。なお、配電盤内電路試験装置１により、変圧器２２の２次側の電路Ｒ，Ｓ，Ｔに課電する際には、変圧器２２の１次側は開放した状態に置かれる。

図１に示すように、配電盤内電路試験装置１は、主制御部２、電源部１１、起動スイッチ１２、相順切替スイッチ１３、位相判定部１４、過電流判定部１５、故障表示部１６および出力表示部１７から構成される。

主制御部２は配電盤内電路試験装置１の全体を総合的に制御するための制御部である。電源部１１は、商用電源（例えば、２００Ｖ、５０Ｈｚ）の交流電圧を入力とし、商用周波数より高い所望の周波数（例えば４００Ｈｚ）および所望の電圧の単相交流電圧を出力する装置である。この電源部１１は、入力する交流電圧を直流電圧に変換すると共に、この直流電圧を商用周波数より高い周波数の交流電圧に変換するインバータ部（例えば、ＰＷＭインバータ）１１Ａと、インバータ部１１Ａの出力電圧のノイズ成分を除去するための不図示のフィルタ装置（例えば、ＬＣフィルタ）とを備えている。このインバータ部１１Ａは、起動スイッチ１２の押印による起動指令により、４００Ｈｚの交流電圧を０Ｖから最大電圧まで自動昇圧しながら出力する。図１に示す例では、０〜２００Ｖの間において、予め設定された最大電圧まで出力電圧を昇圧する。

相順切替スイッチ１３は、電源部１１により生成される高周波の単相交流電圧を注入する相（Ｒ−Ｓ相、Ｓ−Ｔ相、またはＴ−Ｒ相）を選択するためスイッチである。この相順切替スイッチ１３からは３本の電流注入線Ｌｒ，Ｌｓ，Ｌｔが引き出され、この３本の電流注入線Ｌｒ，Ｌｓ，Ｌｔのそれぞれは、高圧受電用変圧器２２の低圧側の電路Ｒ，Ｓ，Ｔに接続される。そして、相順切替スイッチ１３では、電源部１１から入力される高周波の単相交流電圧を、３本の電流注入線Ｌｒ，Ｌｓ，Ｌｔの内のいずれか２本の線を選択することにより、変圧器２２の低圧側電路のＲ−Ｓ相、Ｓ−Ｔ相、またはＴ−Ｒ相に課電する。この相順切替スイッチ１３では、高周波の単相交流電圧を印加する相の組み合わせを、手動もしくは自動により順次に切り替えるように構成されている。

位相判定部１４は、相順切替スイッチ１３により選択された電路間（Ｒ−Ｓ相、Ｓ−Ｔ相、またはＴ−Ｒ相）に供給される電流の位相を所定の基準値と比較して、電路間における短絡故障の有無を判定する。この位相判定部１４では、後述するように電路間に短絡故障が発生している場合に、電源部１１から電路に供給される電流位相が０度に近付くことを利用し故障判定を行う。すなわち、位相判定部１４は、電路間に流れる電流の位相に対する基準値として、実験などにより求めた正常時における電流の位相範囲を予め設定し、この位相範囲から電流の位相がはずれた場合、故障と判定している。
また、過電流判定部１５は、電源部１１から電路へ供給される電流値を所定の基準値と比較して、電路間における短絡故障の有無を判定する。すなわち、過電流判定部１５は、例えば、正常時における電路間に流れる電流の電流値を実験などにより予め求め、この求めた電流値の最大値を基準値として設定し、この基準値を超える電流値の電流が流れた場合、故障と判定する。

この位相判定部１４および過電流判定部１５では、故障を検知した際に故障表示部１６と出力表示部１７とに結果（故障検知時の出力電圧、出力電流、位相、故障検知内容）を表示させる。また、位相判定部１４および過電流判定部１５は短絡故障を検知した際に、インバータ部１１Ａに対し電圧出力を停止させるための出力停止指令を与える。また、位相判定部１４および過電流判定部１５は、電路間における短絡故障を検知しなかった場合は、インバータ部１１Ａによる最大電圧までの自動昇圧後に出力表示部１７に結果（出力最大電圧、出力最大電流、出力最大電圧時の電流位相、合格表示）を表示した上で、インバータ部１１Ａの電圧出力を自動停止する。

なお、電源部１１内のインバータ部１１Ａとしては、ＰＷＭインバータに限らず、正弦波発振器と高電力出力用のパワーアンプとを組み合わせて使用することもできる。例えば、数１００Ｗ程度の出力が可能なオーディオ用のパワーアンプの出力電圧を変圧器により昇圧して使用することもできる。また、配電盤内電路試験装置１内には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等（いずれも図示せず）で構成されるコンピュータシステムが含まれ、このコンピュータがＲＯＭ等の記憶媒体に予め記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、配電盤内電路試験装置１内の各部における処理機能が制御されるものである。

次に、配電盤内電路試験装置１における電路の短絡故障の検出原理について説明する。図２は、電路側（変圧器２次側）から見たインピーダンス回路の模式図である。図２に示すインピーダンス回路は、変圧器1次側（６．６ｋＶ側）を開放している場合において、変圧器２次側（２１０Ｖ側）から見た変圧器等価回路と並列に故障抵抗Ｒ_ｆが存在する場合の単相分の等価回路である。なお、故障抵抗Ｒ_ｆは、後述するように変圧器の２次側端子に模擬的に接続され、その抵抗値を変化させて特性を示す場合があり、この場合は「故障抵抗Ｒ_ｆ」を「模擬故障抵抗Ｒ_ｆ」とも呼ぶ。

図２において、ｒ_２は２次側（２１０Ｖ側）の巻線抵抗、ｌ_２は漏れインダクタンス（リーケージインダクタンス）、ｒ_Ｏは等価抵抗（損失分に相当する等価抵抗）、ｌ_Ｏは励磁インダクタンス、Ｃ_Ｏは巻線間や巻線と変圧器の容器間における等価浮遊容量、ωは交流電圧の角周波数を示している。そして、２次側の漏れインダクタンスｌ_２の値が励磁インダクタンスｌ_Ｏ分に対して無視できるとし、また２次側の巻線抵抗ｒ_２が無視できるとした場合の電路側のインピーダンスＺと位相θを式（１）〜（３）に示す。なお、ｙ_Ｏは励磁サセプタンス、インピーダンスｘ_Ｏは、「ｘ_Ｏ＝ω・ｌ_Ｏ／（１−ω^２・Ｃ_Ｏ・ｌ_Ｏ）」である。

そして、式（３）より、故障抵抗Ｒ_ｆの抵抗値が大きい場合、位相θは故障抵抗Ｒ_ｆと無関係な変圧器固有の値になる。また、故障抵抗Ｒ_ｆの抵抗値が小さくなると位相θは０（ゼロ）に近付くことがわかる。

例として、ｒ_Ｏ＝５００（Ω）、ｘ_Ｏ＝２５０（Ω）とし、模擬故障抵抗Ｒ_ｆの抵抗値を変化させた場合のインピーダンスＺの位相特性を図３に示す。図３において、横軸は模擬故障抵抗Ｒ_ｆの抵抗値（Ω）を示し、縦軸は位相θ（角度）を示している。図３に示すように、例えば位相判定の整定値（判定基準値）を±３０°とすると、模擬故障抵抗Ｒ_ｆの抵抗値が２００（Ω）以下（Ｒ_ｆ＜２００（Ω））の場合に短絡故障の検出が可能となる。

また、模擬故障抵抗Ｒ_ｆが極端に小さく電路間の直接短絡故障に近い状態の場合は、課電電圧が小さい状況でも模擬故障抵抗Ｒ_ｆに過大な電流が流れるので、過電流判定部１５により、ただちに短絡故障の検出が可能である。なお、配電盤の構成によっては、電力用コンデンサや静電容量の影響で変圧器等価回路（図２を参照）が誘導性ではなく容量性になることも考えられるが、２つ以上の周波数の交流電圧を組み合わせて使用することで対応が可能である。

ここで、６．６ｋＶ−１０ｋＶＡ単相柱上変圧器を有する電路の低圧側に模擬故障抵抗（Ｒ_ｆ＝５００Ω）を接続した場合において、４００Ｈｚの交流電圧を課電した場合の電路側（変圧器２次側の電路側）からみたインピーダンスＺの電圧依存特性を図４に示す。また、模擬故障抵抗Ｒ_ｆの抵抗値を変化させた場合の位相特性を図５に示す。

図４においては、横軸に変圧器の電路側（変圧器２次側）に課電する給与電圧（Ｖ）を取り、縦軸方向に、模擬故障抵抗のない場合の抵抗分Ｒ（Ω）と、模擬故障抵抗のある場合の抵抗分Ｒ（Ω）と、模擬故障抵抗のある場合のリアクタンス分Ｘ（Ω）と、模擬故障抵抗のない場合のリアクタンス分Ｘ（Ω）とを、それぞれ並べて示している。図に示すように、５０Ｈｚの交流電圧を課電した場合と異なり（図６を参照）、インピーダンスの値は給与電圧にほとんど依存しておらず安定して計測できていることが分かる。

また、図５においては、模擬故障抵抗なし、模擬故障抵抗が５００Ω、模擬故障抵抗が１００Ωのそれぞれの場合において、４００Ｈｚの交流電圧（５０Ｖおよび１００Ｖ）を課電した場合の、電圧（Ｖ）、電流（Ａ）、電流位相θ（度）、抵抗分Ｒ（Ω）、リアクタンス分Ｘ（Ω）の値を示している。図５に示すように、模擬故障抵抗なしの場合は、電流位相θが概ね６０度程度（より正確には５９度と６２度）となり、模擬故障抵抗が５００Ωの場合は、概ね４０度程度（より正確には４１度と４４度）となり、模擬故障抵抗が１００Ωの場合は、概ね２０度以下（より正確には１６度と１７度）となる。従って、短絡故障判定を行う電流位相基準値（整定値）を±３０度とした場合、模擬故障抵抗Ｒ_ｆの値が「Ｒ_ｆ＝１００（Ω）」の場合では短絡故障検知が可能であることが分かる。

以上説明したように、本発明の配電盤内電路試験装置においては、変圧器の鉄心の飽和の可能性が低い高周波数の交流電圧を高圧受電用変圧器の低圧側の電路間に課電し、流れる電流の位相の大きさ、および電流値を判定することにより、電圧依存性を排除した短絡故障の検出を行うことができる。このため、配電盤設備において工事や検査を終えて使用開始する際に、高圧受電用変圧器の低圧側の電路における短絡故障の有無を精度よく検出できることから、設備保全における安全性向上に寄与することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の配電盤内電路試験装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１・・・配電盤内電路試験装置、２・・・主制御部、１１・・・電源部、１１Ａ・・・インバータ部、１２・・・起動スイッチ、１３・・・相順切替スイッチ、１４・・・位相判定部、１５・・・過電流判定部、１６・・・故障表示部、１７・・・出力表示部、２１・・・配電盤、２２・・・高圧受電用変圧器

Claims (3)

1. 配電盤内の高圧受電用変圧器の低圧側の電路に対し、該電路における実使用交流電圧よりも高い周波数の試験用の交流電圧を供給する電源部と、
   前記電源部から前記電路に供給される電流の位相を正常時における電流の位相範囲と比較して、前記電路における故障の有無を判定する位相判定部と、
   を備えることを特徴とする配電盤内電路試験装置。
2. 前記電源部から前記電路へ供給される電流値を正常時における最大電流値と比較して、前記電路における故障の有無を判定する電流判定部を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の配電盤内電路試験装置。
3. 前記電路は３相交流電圧を供給するための３相の電路で構成されており、
   前記電源部から出力される交流電圧を、前記３相の電路のうちのいずれか２相を順次に選択して供給するための相順切替スイッチを備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の配電盤内電路試験装置。

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