JP3549320B2 - 直流地絡検出器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば太陽光発電インバータの入力側（直流側）の地絡を検出する用途等に用いる直流地絡検出器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発電出力を配電系統に給電する太陽光発電装置においては、図３に示すように、太陽光発電ユニット１で発電した直流出力をインバータ２で交流に変換し、その交流出力を配電系統３に給電し、負荷４に電力を与えるようにしている。
【０００３】
このような太陽光発電装置においては、インバータ２の入力側（直流側）が地絡すると感電する恐れがあるため、該インバータ２の入力側に直流地絡検出器５を接続して該地絡を検出する必要がある。
【０００４】
図４は、従来のこの種の直流地絡検出器５の構造を示したものである。該直流地絡検出器５は、４辺のうちの２辺を共用したホイートストーンブリッジ６Ａ，６Ｂを備えている。即ち、ホイートストーンブリッジ６Ａは、４辺に抵抗Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄを接続し、抵抗Ｒａ，Ｒｂの接続点と抵抗Ｒｃ，Ｒｄの接続点との間のブリッジ辺に抵抗Ｒ_１ とダイオードＤ_１ との直列回路を接続し、抵抗Ｒａ，Ｒｃの接続点を入力端子Ｐに接続し、抵抗Ｒｂ，Ｒｄの接続点を入力端子Ｎに接続した構造になっている。ホイートストーンブリッジ６Ｂは、４辺に抵抗Ｒｅ，Ｒｆ，Ｒｄ，Ｒｃを接続し、抵抗Ｒｃ，Ｒｄの接続点と抵抗Ｒｅ，Ｒｆの接続点との間のブリッジ辺に抵抗Ｒ_２ とダイオードＤ_２ との直列回路を接続し、抵抗Ｒｃ，Ｒｆの接続点を入力端子Ｐに接続し、抵抗Ｒｄ，Ｒｅの接続点を入力端子Ｎに接続した構造になっている。これら２辺を共用したホイートストーンブリッジ６Ａ，６Ｂは、共用した２辺を構成する抵抗Ｒｃ，Ｒｄの接続点を抵抗Ｒｚを介して接地している。この抵抗Ｒｚは、地絡抵抗検出レベルの設定用抵抗である。
【０００５】
ホイートストーンブリッジ６Ａにおいては、抵抗Ｒ_１ の両端にＰ側検出部７Ａを接続し、抵抗Ｒ_２ の両端にＮ側検出部７Ｂを接続している。これらＰ側検出部７ＡとＮ側検出部７Ｂは、更に基準電圧Ｖ_ＲＥＦ１をそれぞれ入力として、抵抗Ｒ_１ ，Ｒ_２ からの入力電圧が基準電圧Ｖ_ＲＥＦ１を越えた時に検出出力を出すようになっている。
【０００６】
このような直流地絡検出器５は、入力端子Ｐが太陽光発電ユニット１のプラス側出力端子に接続され、入力端子Ｎが太陽光発電ユニット１のマイナス側出力端子に接続される。
【０００７】
このような直流地絡検出器５においては、通常、ホイートストーンブリッジ６Ａ，６Ｂは平衡状態を保っているので、抵抗Ｒ_１ の両端電圧Ｖ_Ｒ１はＶ_Ｒ１＝０であり、また抵抗Ｒ_２ の両端電圧Ｖ_Ｒ２はＶ_Ｒ２＝０である。
【０００８】
かかる状態で、仮にＰ側が抵抗Ｒｘで直流地絡したとすると、ホイートストーンブリッジ６Ａ，６Ｂの平衡がくずれ、抵抗Ｒ_１ に電流Ｉ_Ｒ１＝ｆ（Ｒｘ＋Ｒｚ）・Ｅ_１ が流れる。ここで、ｆ（Ｒｘ＋Ｒｚ）はホイートストーンブリッジ６Ａ，６Ｂの不平衡により生じる抵抗（Ｒｘ＋Ｒｚ）の関数であり、Ｅ_１ は入力端子Ｐ，Ｎ間に印加される直流電圧（太陽光発電ユニット１の直流出力電圧）である。
【０００９】
これにより抵抗Ｒ_１ の両端間に、
Ｖ_Ｒ１＝Ｉ_Ｒ１・Ｒ_１ ＝ｆ（Ｒｘ＋Ｒｚ）・Ｅ_１ ・Ｒ_１ …（１）
といった電圧が誘起される。
【００１０】
Ｐ側検出部７Ａが動作する条件は、基準電圧をＶ_ＲＥＦ１とすると、
Ｖ_Ｒ１≧Ｖ_ＲＥＦ１ …（２）
である。
【００１１】
（２）式に（１）式を代入すると、
ｆ（Ｒｘ＋Ｒｚ）・Ｅ_１ ・Ｒ_１ ≧Ｖ_ＲＥＦ１
ｆ（Ｒｘ＋Ｒｚ）≧Ｖ_ＲＥＦ１／（Ｅ_１ ・Ｒ_１ ） …（３）
となる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
（３）式から明らかなように、従来の直流地絡検出器では、地絡抵抗Ｒｘの検出レベルの設定用抵抗Ｒｚは、入力電圧Ｅ_１ に左右されてしまう。つまり、入力電圧Ｅ_１ が一定の場合は、抵抗Ｒｚを調整することにより地絡抵抗検出レベルを設定することができるが、入力電圧Ｅ_１ が太陽電池のように変動する場合、検出レベルも変動してしまい、地絡抵抗Ｒｘの検出レベルを設定することができない問題点があった。
【００１３】
これらのことは、Ｎ側でも同様に成立する。
【００１４】
例えば、対地間の地絡抵抗が１０ＫΩ以下になる状態を地絡として、この地絡を検出する場合に、Ｅ_１ ＝１００ Ｖでこの１０ＫΩの地絡を検出するように設定すると、Ｅ_１ ＝２００ Ｖのときには対地間の地絡抵抗が２０ＫΩの状態も検出しまうことになる。また、Ｅ_１ ＝２００ Ｖのときに１０ＫΩの地絡を検出するように設定すると、Ｅ_１ ＝１００ Ｖのときに地絡を検出することができなくなる。太陽電池の出力電圧Ｅ_１ の変動幅は０〜３００ Ｖもあり、入力電圧Ｅ_１ が変動すると、検出レベルも変動してしまい、地絡抵抗Ｒｘの検出レベルを設定することができない。
【００１５】
本発明の目的は、地絡抵抗の検出レベルが、変動する入力電圧に左右されることなく設定できる直流地絡検出器を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、４辺のうちの２辺を共用したホイートストーンブリッジ６Ａ，６Ｂを備え、一方のホイートストーンブリッジ６Ａはそのブリッジ辺に抵抗Ｒ_１ とダイオードＤ_１ との直列回路が接続され、抵抗Ｒ_１ を備えたブリッジ辺に対向する一方側の隣接抵抗の接続点は入力端子Ｐに接続され、抵抗Ｒ_１ を備えたブリッジ辺に対向する他方側の隣接抵抗の接続点は入力端子Ｎに接続されて構成され、他方のホイートストーンブリッジ６Ｂはそのブリッジ辺に抵抗Ｒ_２ とダイオードＤ_２ との直列回路が接続され、抵抗Ｒ_２ を備えたブリッジ辺に対向する一方側の隣接抵抗の接続点は入力端子Ｐに接続され、抵抗Ｒ_２ を備えたブリッジ辺に対向する他方側の隣接抵抗の接続点は入力端子Ｎに接続されて構成され、共用した２辺を構成する各抵抗の接続点は抵抗Ｒｚを介して接地され、ホイートストーンブリッジ６Ａの抵抗Ｒ_１ にはその両端電圧Ｖ_Ｒ１が基準電圧Ｖ_ＲＥＦ１以上になったとき検出出力を発生するＰ側検出部７Ａが接続され、前記ホイートストーンブリッジ６Ｂの抵抗Ｒ_２ にはその両端電圧Ｖ_Ｒ２が基準電圧Ｖ_ＲＥＦ１以上になったとき検出出力を発生するＮ側検出部７Ｂが接続されている直流地絡検出器を改良するものである。
【００１７】
請求項１に係る直流地絡検出器においては、基準電圧Ｖ_ＲＥＦ１として入力端子Ｐ，Ｎ間に入力される電圧Ｅ_１ を分圧した電圧が用いられていることを特徴とする。
【００１８】
このような直流地絡検出器において、仮にＰ側が抵抗Ｒｘで直流地絡したとすると、ホイートストーンブリッジ６Ａ，６Ｂの平衡がくずれ、抵抗Ｒ_１ に電流Ｉ_Ｒ１＝ｆ（Ｒｘ＋Ｒｚ）・Ｅ_１ が流れる。
【００１９】
これにより抵抗Ｒ_１ の両端間に、
Ｖ_Ｒ１＝Ｉ_Ｒ１・Ｒ_１ ＝ｆ（Ｒｘ＋Ｒｚ）・Ｅ_１ ・Ｒ_１ …（１）
といった電圧が誘起される。
【００２０】
Ｐ側検出部７Ａが動作する条件は、基準電圧をＶ_ＲＥＦ１とすると、
Ｖ_Ｒ１≧Ｖ_ＲＥＦ１ …（２）
である。
【００２１】
ここで、基準電圧Ｖ_ＲＥＦ１は入力電圧Ｅ_１ を抵抗Ｒｙａ，Ｒｙｂで分圧した抵抗Ｒｙａ側の電圧であるので、該基準電圧Ｖ_ＲＥＦ１はＥ_１ の関数
Ｖ_ＲＥＦ１＝｛Ｒｙａ／（Ｒｙａ＋Ｒｙｂ）｝・Ｅ_１ …（４）
として表すことができる。
【００２２】
（２）式に（１）（４）式を代入すると、
ｆ（Ｒｘ＋Ｒｚ）・Ｅ_１ ・Ｒ_１ ≧｛Ｒｙａ／（Ｒｙａ＋Ｒｙｂ）｝・Ｅ_１
ｆ（Ｒｘ＋Ｒｚ）≧｛Ｒｙａ／（Ｒｙａ＋Ｒｙｂ）｝／Ｒ_１ …（５）
となる。
【００２３】
即ち、地絡抵抗Ｒｘの検出レベルは、入力電圧Ｅ_１ に左右されない。そのため入力電圧が太陽電池のように変動しても、地絡抵抗Ｒｘの検出レベルは変動しないので、検出レベルを設定することができる。
【００２４】
これらのことは、Ｎ側でも同様に成立する。
【００２５】
請求項２に係る発明としての直流地絡検出器は、４辺のうちの２辺を共用したホイートストーンブリッジ６Ａ，６Ｂを備え、一方のホイートストーンブリッジ６Ａはそのブリッジ辺に抵抗Ｒ_１ とダイオードＤ_１ との直列回路が接続され、抵抗Ｒ_１ を備えたブリッジ辺に対向する一方側の隣接抵抗の接続点は入力端子Ｐに接続され、抵抗Ｒ_１ を備えたブリッジ辺に対向する他方側の隣接抵抗の接続点は入力端子Ｎに接続されて構成され、他方のホイートストーンブリッジ６Ｂはそのブリッジ辺に抵抗Ｒ_２ とダイオードＤ_２ との直列回路が接続され、抵抗Ｒ_２ を備えたブリッジ辺に対向する一方側の隣接抵抗の接続点は入力端子Ｐに接続され、抵抗Ｒ_２ を備えたブリッジ辺に対向する他方側の隣接抵抗の接続点は入力端子Ｎに接続されて構成され、共用した２辺を構成する各抵抗の接続点は抵抗Ｒｚを介して接地され、ホイートストーンブリッジ６Ａの抵抗Ｒ_１ にはその両端電圧Ｖ_Ｒ１を入力端子Ｐ，Ｎ間に入力される電圧Ｅ_１ の分圧電圧Ｖｘで除算するＰ側除算器１１Ａが接続され、前記ホイートストーンブリッジ６Ｂの抵抗Ｒ_２ にはその両端電圧Ｖ_Ｒ２を前記入力端子Ｐ，Ｎ間に入力される電圧Ｅ_１ の分圧電圧Ｖｘで除算するＮ側除算器１１Ｂが接続され、前記Ｐ側除算器１１Ａの出力端にはその除算出力が基準電圧Ｖ_ＲＥＦ２以上になったとき検出出力を発生するＰ側検出部７Ａが接続され、前記Ｎ側除算器１１Ｂの出力端にはその除算出力が基準電圧Ｖ_ＲＥＦ２以上になったとき検出出力を発生するＮ側検出部７Ｂが接続されていることを特徴とする。
【００２６】
このような直流地絡検出器では、Ｐ側を抵抗Ｒｘで直流地絡して、ホイートストーンブリッジ６Ａ，６Ｂの平衡がくずれ、一方のホイートストーンブリッジ６Ａの不平衡によりブリッジ辺の抵抗Ｒ_１ の両端間に発生する電圧
Ｖ_Ｒ１＝ｆ（Ｒｘ＋Ｒｚ）・Ｅ_１ ・Ｒ_１ …（１）
を、Ｅ_１ の関数で除算しても同様の結果を得ることができる。
【００２７】
即ち、Ｅ_１ の関数をＶｘとすると、
Ｖｘ＝ａＥ_１ …（６）
とすることができ、

となる。
【００２８】
基準電圧をＶ_ＲＥＦ２（一定電圧）とすると、Ｐ側検出部７Ａが動作する条件を、
ｆ（Ｒｘ＋Ｒｚ）・Ｒ_１ ／ａ≧Ｖ_ＲＥＦ２ …（８）
とすると、地絡抵抗Ｒｘの検出レベルは、入力電圧Ｅ_１ に左右されない。そのため入力電圧が太陽電池のように変動しても、地絡抵抗Ｒｘの検出レベルは変動しないので、検出レベルを設定することができる。
【００２９】
これらのことは、Ｎ側でも同様に成立する。
【００３０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る直流地絡検出器の実施の形態の第１例を示したものである。
【００３１】
本例の直流地絡検出器は、前述した図４に示すタイプの直流地絡検出器を改良したものであり、該図４と対応する部分は同一符号を付けて示している。
【００３２】
本例の直流地絡検出器においては、基準電圧Ｖ_ＲＥＦ１として、入力端子Ｐ，Ｎ間に入力される電圧Ｅ_１ を分圧した電圧が用いられている点に特徴がある。即ち、本例では、入力端子Ｐ，Ｎ間に入力される電圧Ｅ_１ を、抵抗Ｒｙａ，Ｒｙｂの直列接続回路よりなる分圧回路８Ａで分圧し、分圧された抵抗Ｒｙａ側の電圧を増幅器９で増幅することにより得た電圧を基準電圧Ｖ_ＲＥＦ１として用い、該基準電圧Ｖ_ＲＥＦ１をＰ側検出部７ＡとＮ側検出部７Ｂに入力している。
【００３３】
このような構成にすると、課題を解決するための手段のところで説明した理由により、地絡抵抗Ｒｘの検出レベルは、入力電圧Ｅ_１ に左右されなくなる。このため入力電圧が太陽電池のように変動しても、地絡抵抗の検出レベルは変動しないので、検出レベルを設定することができる。
【００３４】
図２は、本発明に係る直流地絡検出器の実施の形態の第２例を示したものである。
【００３５】
本例の直流地絡検出器は、ホイートストーンブリッジ６Ａ，６Ｂの構成は前述した図１に示す第１例と同様であり、該図１と対応する部分は同一符号を付けて示している。
【００３６】
この例のホイートストーンブリッジ６Ａの抵抗Ｒ_１ には、その両端電圧Ｖ_Ｒ１を増幅する増幅器１０Ａが接続されている。また、ホイートストーンブリッジ６Ｂの抵抗Ｒ_２ には、その両端電圧Ｖ_Ｒ２を増幅する増幅器１０Ｂが接続されている。
【００３７】
増幅器１０Ａの出力端には、電圧Ｖ_Ｒ１を該増幅器１０Ａで増幅した電圧を、入力端子Ｐ，Ｎ間に入力される電圧Ｅ_１ の分圧電圧Ｖｘで除算するＰ側除算器１１Ａが接続されている。本例では、入力端子Ｐ，Ｎ間に入力される電圧Ｅ_１ を、抵抗Ｒｙｃ，Ｒｙｄの直列接続回路よりなる分圧回路８Ｂで分圧し、分圧された抵抗Ｒｙｄ側の電圧を増幅器１２で増幅し、該増幅された電圧を分圧電圧Ｖｘとしている。
【００３８】
増幅器１０Ｂの出力端には、電圧Ｖ_Ｒ２を該増幅器１０Ｂで増幅した電圧を、入力端子Ｐ，Ｎ間に入力される電圧Ｅ_１ の分圧電圧Ｖｘで除算するＮ側除算器１１Ｂが接続されている。
【００３９】
Ｐ側除算器１１Ａの出力端には、その除算出力が基準電圧Ｖ_ＲＥＦ２以上になったとき検出出力を発生するＰ側検出部７Ａが接続されている。また、Ｎ側除算器１１Ｂの出力端には、その除算出力が基準電圧Ｖ_ＲＥＦ２以上になったとき検出出力を発生するＮ側検出部７Ｂが接続されている。
【００４０】
このような構成にすると、課題を解決するための手段のところで説明した理由により、地絡抵抗Ｒｘの検出レベルは、入力電圧Ｅ_１ に左右されなくなる。このため入力電圧が太陽電池のように変動しても、地絡抵抗の検出レベルは変動しないので、検出レベルを設定することができる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明に係る直流地絡検出器においては、地絡抵抗Ｒｘの検出レベルは入力電圧Ｅ_１ に左右されなくなる。このため入力電圧が太陽電池のように変動しても、地絡抵抗Ｒｘの検出レベルは変動しないので、検出レベルを設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る直流地絡検出器の実施の形態の第１例の回路図である。
【図２】本発明に係る直流地絡検出器の実施の形態の第２例の回路図である。
【図３】太陽光発電装置の一例を示すブロック図である。
【図４】従来の直流地絡検出器の回路図である。
【符号の説明】
１ 太陽光発電ユニット
２ インバータ
３ 配電系統
４ 負荷
５ 直流地絡検出器
６Ａ，６Ｂ ホイートストーンブリッジ
７Ａ Ｐ側検出部
７Ｂ Ｎ側検出部
８Ａ，８Ｂ 分圧回路
９ 増幅器
１０Ａ，１０Ｂ 増幅器
１１Ａ Ｐ側除算器
１１Ｂ Ｎ側除算器
１２ 増幅器
Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄ，Ｒｅ，Ｒｆ 抵抗
Ｒｘ 地絡抵抗
Ｒｚ 地絡抵抗検出レベルの設定用抵抗
Ｒ_１ ，Ｒ_２ ，Ｒｙａ，Ｒｙｂ 抵抗
Ｄ_１ ，Ｄ_２ ダイオード
Ｐ，Ｎ 入力端子
Ｅ_１ 入力電圧
Ｖｘ 分圧電圧
Ｖ_ＲＥＦ１，Ｖ_ＲＥＦ２ 基準電圧

Claims (2)

1. ４辺のうちの２辺を共用したホイートストーンブリッジ（６Ａ，６Ｂ）を備え、一方の前記ホイートストーンブリッジ（６Ａ）はそのブリッジ辺に抵抗（Ｒ_１ ）とダイオード（Ｄ_１ ）との直列回路が接続され、前記抵抗（Ｒ_１ ）を備えたブリッジ辺に対向する一方側の隣接抵抗の接続点は入力端子（Ｐ）に接続され、前記抵抗（Ｒ_１ ）を備えたブリッジ辺に対向する他方側の隣接抵抗の接続点は入力端子（Ｎ）に接続されて構成され、他方の前記ホイートストーンブリッジ（６Ｂ）はそのブリッジ辺に抵抗（Ｒ_２ ）とダイオード（Ｄ_２ ）との直列回路が接続され、前記抵抗（Ｒ_２ ）を備えたブリッジ辺に対向する一方側の隣接抵抗の接続点は入力端子（Ｐ）に接続され、前記抵抗（Ｒ_２ ）を備えたブリッジ辺に対向する他方側の隣接抵抗の接続点は入力端子（Ｎ）に接続されて構成され、共用した２辺を構成する各抵抗の接続点は抵抗（Ｒｚ）を介して接地され、前記ホイートストーンブリッジ（６Ａ）の抵抗（Ｒ_１ ）にはその両端電圧（Ｖ_Ｒ１）が基準電圧（Ｖ_ＲＥＦ１）以上になったとき検出出力を発生するＰ側検出部（７Ａ）が接続され、前記ホイートストーンブリッジ（６Ｂ）の抵抗（Ｒ_２ ）にはその両端電圧（Ｖ_Ｒ２）が基準電圧（Ｖ_ＲＥＦ１）以上になったとき検出出力を発生するＮ側検出部（７Ｂ）が接続されている直流地絡検出器において、
   前記基準電圧（Ｖ_ＲＥＦ１）として前記入力端子（Ｐ，Ｎ）間に入力される電圧（Ｅ_１ ）を分圧した電圧が用いられていることを特徴とする直流地絡検出器。
2. ４辺のうちの２辺を共用したホイートストーンブリッジ（６Ａ，６Ｂ）を備え、一方の前記ホイートストーンブリッジ（６Ａ）はそのブリッジ辺に抵抗（Ｒ_１ ）とダイオード（Ｄ_１ ）との直列回路が接続され、前記抵抗（Ｒ_１ ）を備えたブリッジ辺に対向する一方側の隣接抵抗の接続点は入力端子（Ｐ）に接続され、前記抵抗（Ｒ_１ ）を備えたブリッジ辺に対向する他方側の隣接抵抗の接続点は入力端子（Ｎ）に接続されて構成され、他方の前記ホイートストーンブリッジ（６Ｂ）はそのブリッジ辺に抵抗（Ｒ_２ ）とダイオード（Ｄ_２ ）との直列回路が接続され、前記抵抗（Ｒ_２ ）を備えたブリッジ辺に対向する一方側の隣接抵抗の接続点は入力端子（Ｐ）に接続され、前記抵抗（Ｒ_２ ）を備えたブリッジ辺に対向する他方側の隣接抵抗の接続点は入力端子（Ｎ）に接続されて構成され、共用した２辺を構成する各抵抗の接続点は抵抗（Ｒｚ）を介して接地され、前記ホイートストーンブリッジ（６Ａ）の抵抗（Ｒ_１ ）にはその両端電圧（Ｖ_Ｒ１）を前記入力端子（Ｐ，Ｎ）間に入力される電圧（Ｅ_１ ）の分圧電圧（Ｖｘ）で除算するＰ側除算器（１１Ａ）が接続され、前記ホイートストーンブリッジ（６Ｂ）の抵抗（Ｒ_２ ）にはその両端電圧（Ｖ_Ｒ２）を前記入力端子（Ｐ，Ｎ）間に入力される電圧（Ｅ_１ ）の分圧電圧（Ｖｘ）で除算するＮ側除算器（１１Ｂ）が接続され、前記Ｐ側除算器（１１Ａ）の出力端にはその除算出力が基準電圧（Ｖ_ＲＥＦ２）以上になったとき検出出力を発生するＰ側検出部（７Ａ）が接続され、前記Ｎ側除算器（１１Ｂ）の出力端にはその除算出力が基準電圧（Ｖ_ＲＥＦ２）以上になったとき検出出力を発生するＮ側検出部（７Ｂ）が接続されていることを特徴とする直流地絡検出器。

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