JP2023157151A - 地絡検出回路及び地絡検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】交流系統の整流電圧により制御電源を生成する回路構成においても、地絡を確実に検出可能とした地絡検出回路及び地絡検出方法を提供する。【解決手段】交流系統の線路１０Ｒに一次側が接続された変流器２１Ｒと、その二次側に接続されて一方の出力端子がコンデンサ２５を介して接地された変形ブリッジ２４０Ｒと、によりＲ相ユニット２００Ｒを構成し、変形ブリッジ２４０Ｒは、変流器２１Ｒの二次側の交流電圧の正の半波を整流するダイオード２４５Ｒ，２４４Ｒと出力抵抗２４２Ｒとを有し、負の半波を整流するダイオード２４６Ｒ，２４３Ｒと出力抵抗２４１Ｒとを有する。Ｓ相ユニット２００Ｓ、Ｔ相ユニット２００Ｔについても同様に構成し、各相ユニット２００Ｒ，２００Ｓ，２００Ｔにつきそれぞれ二つの出力抵抗の電圧降下を合成して全相の合成波形を閾値電圧と比較することにより、地絡を検出する。【選択図】図１

Description

本発明は、三相３線式または単相３線式の交流系統における線路の地絡を検出する技術に関する。

図６は、例えば回路遮断器に搭載される過電流検出回路を示している。
図６において、三相３線式交流系統の各相（Ｒ相，Ｓ相，Ｔ相）の線路１０Ｒ，１０Ｓ，１０Ｔには相ユニット２０Ｒ，２０Ｓ，２０Ｔがそれぞれ設けられている。
相ユニット２０Ｒ，２０Ｓ，２０Ｔの構成は全て同一であり、変流器２１Ｒ，２１Ｓ，２１Ｔ、抵抗２２Ｒ，２２Ｓ，２２Ｔ、電源生成用のダイオードブリッジ２３Ｒ，２３Ｓ，２３Ｔ、及び、出力抵抗２４Ｒ，２４Ｓ，２４Ｔを備えている。なお、ダイオードブリッジ２３Ｒ，２３Ｓ，２３Ｔの、出力抵抗２４Ｒ，２４Ｓ，２４Ｔの接続側と反対側の各出力端子は、一括して回路遮断器の制御電源としてのコンデンサ２５に接続されている。

この従来技術では、線路１０Ｒ，１０Ｓ，１０Ｔを流れる交流電流が変流器２１Ｒ，２１Ｓ，２１Ｔによりそれぞれ変流され、その出力電流が抵抗２２Ｒ，２２Ｓ，２２Ｔを介してダイオードブリッジ２３Ｒ，２３Ｓ，２３Ｔにより全波整流された後、コンデンサ２５から接地を介して出力抵抗２４Ｒ，２４Ｓ，２４Ｔに流れる。

一般的に、三相交流系統の地絡を検出する場合には、後述する特許文献１に記載されているように、各相の線路に流れる電流または電圧の瞬時値をそれぞれ検出して全相を合成（加算）することにより、その合成結果すなわち零相成分がゼロであれば地絡なしと判定し、合成結果がある値を示せば地絡発生と判定している。
しかしながら、前述した図６の回路では、ダイオードブリッジ２３Ｒ，２３Ｓ，２３Ｔにより交流電圧をそれぞれ全波整流して制御電源を生成しているので、出力抵抗２４Ｒ，２４Ｓ，２４Ｔにより検出される直流分の検出信号を全て合成すると、その合成波形は地絡の有無に関わらず所定の値を持つことになる。

例えば、図７は全ての線路１０Ｒ，１０Ｓ，１０Ｔに地絡がない場合の各相検出信号の合成波形を示し、図７（ａ）は線路１０Ｒ，１０Ｓ，１０Ｔが三相３線式である時の電圧波形、図７（ｂ）は単相３線式（負荷平衡）である時の電圧波形、図７（ｃ）は単相３線式（負荷不平衡でＲ相＞Ｔ相）である時の電圧波形、図７（ｄ）は単相３線式（負荷不平衡でＴ相＞Ｒ相）である時の電圧波形である。

これに対し、図８は線路１０Ｒ，１０Ｓ，１０Ｔの何れかに地絡（地絡電流５０［Ａ］）が発生した場合の各相検出信号の合成波形を示し、図８（ａ）は線路１０Ｒ，１０Ｓ，１０Ｔが三相３線式である時の電流波形、図８（ｂ）は単相３線式（負荷平衡）である時の電流波形、図８（ｃ）は単相３線式（負荷不平衡でＲ相＞Ｔ相）である時の変流器二次側の電圧波形、図８（ｄ）は単相３線式（負荷不平衡でＴ相＞Ｒ相）である時の電流波形である。
図７，図８から明らかなように、図６に示した回路では、地絡の有無に関わらず各相の検出信号の合成波形が所定の値を持つため、地絡を検出することができなかった。

なお、図６と同様に、交流系統に変流器及び整流回路を介して接続されたコンデンサを制御電源等に利用する回路遮断器が、特許文献２や特許文献３に記載されている。
特許文献２では、一次側が三相交流系統に接続された変流器の二次側から正負の検出電流を得る二つの半波整流回路を備え、一方の半波整流回路の出力により制御回路電源及びトリップコイル用電源のコンデンサを充電すると共に、他方の半波整流回路の出力側に接続された検出抵抗回路により三相交流系統の過電流を検出してトリップコイルを励磁している。
また、特許文献３では、交流系統からダイオードブリッジを介して充電されるコンデンサの電圧を昇圧してトリップコイルを励磁することにより、二次出力が小さい小型の変流器であっても十分な励磁電流を確保可能としている。

特開平１－３１６６７３号公報（第１頁右下欄第５行～第２頁左上欄第１８行、第５図，第６図等） 特開２００２－２７６５６号公報（［００２０］～［００２９］、図１等） 特開平８－１２６１８５号公報（［００１４］～［００１７］、図１等）

上述した特許文献２，３に記載された回路遮断器は、変流器の小型化や負荷電流の計測範囲の拡大等を目的としており、各相の整流回路の出力を用いて地絡を検出する技術については特に開示されていない。
そこで、本発明の解決課題は、交流系統の整流電圧を用いて制御電源を生成する回路構成においても、地絡を確実に検出可能とした地絡検出回路及び地絡検出方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る地絡検出回路は、交流系統の一相の線路に一次側が接続された変流器と、前記変流器の二次側に接続され、かつ一方の出力端子がコンデンサを介して接地された変形ブリッジと、を備えた相ユニットを複数相分構成し、
前記変形ブリッジは、前記変流器の二次側に誘起される交流電圧の正の半波を、前記コンデンサを介して整流する第１，第２のダイオードと第１の出力抵抗とを有すると共に、前記交流電圧の負の半波を、前記コンデンサを介して整流する第３，第４のダイオードと第２の出力抵抗とを有し、更に、
前記第１の出力抵抗及び前記第２の出力抵抗における電圧降下の合成値を複数相分の前記相ユニットについてそれぞれ求める手段と、これら複数相分の前記合成値を合成して得た電圧波形を所定の閾値電圧と比較して前記線路の地絡を検出する手段と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る地絡検出回路は、前記変形ブリッジの整流出力により充電される前記コンデンサを制御電源として使用することを特徴とする。

更に、本発明に係る地絡検出回路は、前記交流系統が三相３線式系統または単相３線式系統であることを特徴とする。

また、本発明に係る地絡検出方法は、交流系統の一相の線路に一次側が接続された変流器と、前記変流器の二次側に接続され、かつ一方の出力端子がコンデンサを介して接地された変形ブリッジと、を有する相ユニットを複数相分備え、
前記変形ブリッジが、前記変流器の二次側に誘起される交流電圧の正の半波を、前記コンデンサを介して第１，第２のダイオードと第１の出力抵抗とにより整流すると共に、前記交流電圧の負の半波を、前記コンデンサを介して第３，第４のダイオードと第２の出力抵抗とにより整流し、
前記第１の出力抵抗及び前記第２の出力抵抗における電圧降下の合成値を複数相分の前記相ユニットについてそれぞれ求め、これら複数相分の前記合成値を合成して得た電圧波形を所定の閾値電圧と比較して前記線路の地絡を検出することを特徴とする。

本発明によれば、交流系統の整流電圧により制御回路等の電源を生成するようにした回路構成において、各相の二つの出力抵抗により検出した波形の一方を反転させて他方と合成し、その合成波形を全相分加算したうえで閾値と比較することにより、地絡の発生を確実に検出することができる。

本発明の実施形態を示す回路図である。 本発明の実施形態における地絡検出方法を示す機能ブロック図である。 図２におけるＲ相分の動作を説明するための波形図である。 図１において交流系統に地絡が発生していない場合の各相検出信号の合成波形を示す図である。 図１において交流系統に地絡が発生した場合の各相検出信号の合成波形を示す図である。 従来技術を示す回路図である。 図５において交流系統に地絡が発生していない場合の各相検出信号の合成波形を示す図である。 図５において交流系統に地絡が発生した場合の各相検出信号の合成波形を示す図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る地絡検出回路を示している。
図１において、三相３線式交流系統の各相（Ｒ相，Ｓ相，Ｔ相）の線路１０Ｒ，１０Ｓ，１０Ｔには、Ｒ相ユニット２００Ｒ，Ｓ相ユニット２００Ｓ，Ｔ相ユニット２００Ｔがそれぞれ設けられている。
各相ユニット２００Ｒ，２００Ｓ，２００Ｔの構成は全て同一であるため、以下ではＲ相ユニット２００Ｒについて説明する。

Ｒ相ユニット２００Ｒにおいて、一次側が線路１０Ｒに接続された変流器２１Ｒの二次側の一端と他端との間には、限流用の抵抗２２Ｒと変形ブリッジ２４０Ｒとが直列に接続されている。
変形ブリッジ２４０Ｒは、抵抗２２Ｒの出力端子（変流器２１Ｒ側の端子とは反対側の端子）と接地との間に接続されたダイオード２４３Ｒと一方の出力抵抗２４１Ｒとの直列回路と、変流器２１Ｒの二次側の他端と接地との間に接続されたダイオード２４４Ｒと他方の出力抵抗２４２Ｒとの直列回路と、上記ダイオード２４３Ｒに対して順方向に直列接続されたダイオード２４５Ｒと、上記ダイオード２４４Ｒに対して順方向に直列接続されたダイオード２４６Ｒと、を備えている。

Ｓ相ユニット２００Ｓ，Ｔ相ユニット２００Ｔの構成も上記Ｒ相ユニット２００Ｒと同一である。すなわち、Ｓ相ユニット２００Ｓは、変流器２１Ｓと抵抗２２Ｓと変形ブリッジ２４０Ｓとからなり、変形ブリッジ２４０Ｓは、ダイオード２４３Ｓ～２４６Ｓ及び二つの出力抵抗２４１Ｓ，２４２Ｓを備えている。また、Ｔ相ユニット２００Ｔは、変流器２１Ｔと抵抗２２Ｔと変形ブリッジ２４０Ｔとからなり、変形ブリッジ２４０Ｔは、ダイオード２４３Ｔ～２４６Ｔ及び二つの出力抵抗２４１Ｔ，２４２Ｔを備えている。

更に、Ｒ相の変形ブリッジ２４０Ｒでは、ダイオード２４３Ｒ，２４５Ｒ同士の接続点とダイオード２４４Ｒ，２４６Ｒ同士の接続点が交流入力端子となり、Ｓ相の変形ブリッジ２４０Ｓでは、ダイオード２４３Ｓ，２４５Ｓ同士の接続点とダイオード２４４Ｓ，２４６Ｓ同士の接続点が交流入力端子となり、Ｔ相の変形ブリッジ２４０Ｔでは、ダイオード２４３Ｔ，２４５Ｔ同士の接続点とダイオード２４４Ｔ，２４６Ｔ同士の接続点が交流入力端子となっている。
そして、変形ブリッジ２４０Ｒにおけるダイオード２４５Ｒ，２４６Ｒ同士の接続点、変形ブリッジ２４０Ｓにおけるダイオード２４５Ｓ，２４６Ｓ同士の接続点、及び、変形ブリッジ２４０Ｔにおけるダイオード２４５Ｔ，２４６Ｔ同士の接続点は一括接続されて直流出力端子となり、この直流出力端子は制御回路等の電源となるコンデンサ２５を介して接地されている。

この実施形態による地絡検出原理は以下の通りである。
例えばＲ相において、変流器２１Ｒの二次側から抵抗２２Ｒを介して変形ブリッジ２４０Ｒに入力される電圧が全波整流される際に、一方の出力抵抗２４２Ｒでは正弦波の正の半波がダイオード２４５Ｒ，２４４Ｒとコンデンサ２５とを介して整流されて電圧降下を生じ、他方の出力抵抗２４１Ｒでは負の半波がダイオード２４６Ｒ，２４３Ｒとコンデンサ２５とを介して整流されて電圧降下を生じる。これらの抵抗２４１Ｒ，２４２Ｒによる電圧降下を合成することにより、全波整流前の変流器２１Ｒの一次側に流れる電流（線路１０Ｒを流れる電流）に比例した検出信号を生成することができ、この検出信号を全相分合成した波形が所定の値を持つか否かに基づいて地絡の有無を判定することができる。

具体的には、三相３線式（または単相３線式）交流系統の線路１０Ｒ，１０Ｓ，１０Ｔの何れにも地絡が発生していない場合には、変流器２１Ｒ，２１Ｓ，２１Ｔの一次側の電流の和はゼロであるため、これらの二次側に巻数比分の出力が誘導されてもＲ相，Ｓ相，Ｔ相の出力の総和はゼロになる。

しかし、線路１０Ｒ，１０Ｓ，１０Ｔの何れかに地絡が発生すると、その相の出力が低下して変流器２１Ｒ，２１Ｓ，２１Ｔから出力される波形の総和はゼロにならず所定の値を持つ。従って、変形ブリッジ２４０Ｒ，２４０Ｓ，２４０Ｔ内の出力抵抗２４１Ｒ，２４２Ｒ，２４１Ｓ，２４２Ｓ，２４１Ｔ，２４２Ｔによる電圧降下を用いて変形ブリッジ２４０Ｒ，２４０Ｓ，２４０Ｔの入力波形を擬似的に生成し、これらの波形を合成して所定の閾値電圧と比較することにより、何れかの線路１０Ｒ，１０Ｓ，１０Ｔにおける地絡を検出することができる。

図２は、上記の原理に基づく地絡検出方法を示す機能ブロック図である。
図２において、Ｖ１Ｒ，Ｖ２ＲはＲ相の変形ブリッジ２４０Ｒ内の出力抵抗２４１Ｒ，２４２Ｒの両端電圧、Ｖ１Ｓ，Ｖ２ＳはＳ相の変形ブリッジ２４０Ｓ内の出力抵抗２４１Ｓ，２４２Ｓの両端電圧、Ｖ１Ｔ，Ｖ２ＴはＴ相の変形ブリッジ２４０Ｔ内の出力抵抗２４１Ｔ，２４２Ｔの両端電圧である。

また、２４７Ｒ，２４７Ｓ，２４７Ｔは、各相の一方の電圧Ｖ２Ｒ，Ｖ２Ｓ，Ｖ２Ｔの波形をそれぞれ反転させる反転手段である。更に、２４８Ｒは電圧Ｖ１Ｒと反転後の電圧Ｖ２Ｒとを合成して全波整流前のＲ相電圧ＶＲを擬似的に生成する合成手段、２４８Ｓは電圧Ｖ１Ｓと反転後の電圧Ｖ２Ｓとを合成して全波整流前のＳ相電圧ＶＳを擬似的に生成する合成手段，２４８Ｔは電圧Ｖ１Ｔと反転後の電圧Ｖ２Ｔとを合成して全波整流前のＴ相電圧ＶＴを擬似的に生成する合成手段である。
上記各相の電圧ＶＲ，ＶＳ，ＶＴを地絡検出用の合成手段２４９により合成することで全波整流前の各相電圧の合成波形が得られ、この合成波形が所定の閾値電圧を超えた場合に何れかの線路１０Ｒ，１０Ｓ，１０Ｔにおける地絡を検出することができる。

図３は、三相のうち例えばＲ相についての反転手段２４７Ｒ及び合成手段２４８Ｒ等の動作を示す波形図である。
Ｒ相の線路１０Ｒの電圧が正弦波交流電圧である場合、図３（ａ）に示すように、正弦波交流電圧の全波を出力抵抗２４１Ｒ，２４２Ｒの両端電圧Ｖ１Ｒ，Ｖ２Ｒとして二つの半波に分離し、図３（ｂ）に示すごとく一方の電圧Ｖ２Ｒを反転手段２４７Ｒにより反転させる。その後、他方の電圧Ｖ１Ｒと反転後の電圧Ｖ２Ｒとを合成手段２４８Ｒにより合成して図３（ｃ）に示すＲ相電圧ＶＲを生成する。

上記と同様に、他相（Ｓ相，Ｔ相）についても反転手段２４７Ｓ，２４７Ｔ及び合成手段２４８Ｓ，２４８Ｔの動作により、Ｓ相電圧ＶＳ，Ｔ相電圧ＶＴ（図示せず）を生成する。
その後、合成手段２４９によって各相電圧ＶＲ，ＶＳ，ＶＴを合成し、その合成波形の値がほぼゼロであれば地絡なしと判定し、閾値電圧以上の値を示せば地絡発生と判定するものである。

図４は、本発明の実施形態において全ての線路１０Ｒ，１０Ｓ，１０Ｔに地絡が発生していない時の各相の出力抵抗２４１Ｒ，２４２Ｒ，２４１Ｓ，２４２Ｓ，２４１Ｔ，２４２Ｔによる検出信号の合成波形（電圧波形）を示しており、図４（ａ）は線路１０Ｒ，１０Ｓ，１０Ｔが三相３線式の場合、図４（ｂ）は単相３線式（負荷平衡）の場合、図４（ｃ）は単相３線式（負荷不平衡であってＲ相＞Ｔ相）の場合、図４（ｄ）は単相３線式（負荷不平衡であってＴ相＞Ｒ相）の場合である。
図４（ａ）～（ｄ）から明らかなように、地絡が発生していない場合には、全相の合成波形が閾値電圧を超えることはない。

また、図５は、線路１０Ｒ，１０Ｓ，１０Ｔの何れかに地絡が発生した時（地絡電流５０［Ａ］）の出力抵抗２４１Ｒ，２４２Ｒ，２４１Ｓ，２４２Ｓ，２４１Ｔ，２４２Ｔによる検出信号の合成波形（電圧波形）であり、図５（ａ）は線路１０Ｒ，１０Ｓ，１０Ｔが三相３線式の場合、図５（ｂ）は単相３線式（負荷平衡）の場合、図４（ｃ）は単相３線式（負荷不平衡であってＲ相＞Ｔ相）の場合、図４（ｄ）は単相３線式（負荷不平衡であってＴ相＞Ｒ相）の場合である。
図５（ａ）～（ｄ）によれば、何れも全相の合成波形が周期的に閾値電圧を超えることから、地絡の発生を確実に検出することができる。

本発明は、三相３線式または単相３線式の交流系統に接続される回路遮断器に搭載可能であり、特に、交流系統の整流電圧により制御電源等を生成する回路構成を対象とした地絡の検出に好適である。

１０Ｒ，１０Ｓ，１０Ｔ：線路
２１Ｒ，２１Ｓ，２１Ｔ：変流器
２２Ｒ，２２Ｓ，２２Ｔ：抵抗
２５：コンデンサ
２００Ｒ：Ｒ相ユニット
２００Ｓ：Ｓ相ユニット
２００Ｔ：Ｔ相ユニット
２４０Ｒ，２４０Ｓ，２４０Ｔ：変形ブリッジ
２４１Ｒ，２４２Ｒ，２４１Ｓ，２４２Ｓ，２４１Ｔ，２４２Ｔ：出力抵抗
２４３Ｒ，２４４Ｒ，２４５Ｒ，２４６Ｒ，２４３Ｓ，２４４Ｓ，２４５Ｓ，２４６Ｓ，２４３Ｔ，２４４Ｔ，２４５Ｔ，２４６Ｔ：ダイオード
２４７Ｒ，２４７Ｓ，２４７Ｔ：反転手段
２４８Ｒ，２４８Ｓ，２４８Ｔ：合成手段
２４９：合成手段

Claims (5)

1. 交流系統の一相の線路に一次側が接続された変流器と、前記変流器の二次側に接続され、かつ一方の出力端子がコンデンサを介して接地された変形ブリッジと、を備えた相ユニットを複数相分構成し、
   前記変形ブリッジは、前記変流器の二次側に誘起される交流電圧の正の半波を、前記コンデンサを介して整流する第１，第２のダイオードと第１の出力抵抗とを有すると共に、前記交流電圧の負の半波を、前記コンデンサを介して整流する第３，第４のダイオードと第２の出力抵抗とを有し、更に、
   前記第１の出力抵抗及び前記第２の出力抵抗における電圧降下の合成値を複数相分の前記相ユニットについてそれぞれ求める手段と、これら複数相分の前記合成値を合成して得た電圧波形を所定の閾値電圧と比較して前記線路の地絡を検出する手段と、を備えたことを特徴とする地絡検出装置。
2. 請求項１に記載した地絡検出装置において、
   前記変形ブリッジの整流出力により充電されたコンデンサを制御電源として使用することを特徴とする地絡検出装置。
3. 請求項１または２に記載した地絡検出装置において、
   前記交流系統が三相３線式系統であることを特徴とする地絡検出装置。
4. 請求項１または２に記載した地絡検出装置において、
   前記交流系統が単相３線式系統であることを特徴とする地絡検出装置。
5. 交流系統の一相の線路に一次側が接続された変流器と、前記変流器の二次側に接続され、かつ一方の出力端子がコンデンサを介して接地された変形ブリッジと、を有する相ユニットを複数相分備え、
   前記変形ブリッジが、前記変流器の二次側に誘起される交流電圧の正の半波を、前記コンデンサを介して第１，第２のダイオードと第１の出力抵抗とにより整流すると共に、前記交流電圧の負の半波を、前記コンデンサを介して第３，第４のダイオードと第２の出力抵抗とにより整流し、
   前記第１の出力抵抗及び前記第２の出力抵抗における電圧降下の合成値を複数相分の前記相ユニットについてそれぞれ求め、これら複数相分の前記合成値を合成して得た電圧波形を所定の閾値電圧と比較して前記線路の地絡を検出することを特徴とした地絡検出方法。

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