JP3564211B2 - 地絡故障検出方法およびその装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば直流電圧をパルス幅変調制御（ＰＷＭ制御）することで励磁電圧を制御するインバータを有する励磁回路及びこの励磁回路から励磁電圧が印加される交流励磁可変速回転機の界磁巻線の地絡故障を検出するための地絡故障検出方法およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、交流励磁回転機の界磁巻線は高電圧が印加され及び非接地系であるため、交流励磁回転機の運転状態では交流励磁回転機の界磁巻線の一線地絡故障は、直接的に検出されることはできない。従来、そのような地絡故障は、交流励磁回転機が停止された時に、界磁巻線の絶縁抵抗を測定する等の方法によって検出されている。
【０００３】
しかしながら、交流励磁回転機の界磁巻線の一線地絡故障が発生した時には、交流励磁回転機の界磁巻線は高電圧が印加され及び非接地系であるため、界磁巻線の絶縁破壊が発生し、界磁巻線の絶縁破壊は短絡故障へと移行し、機器の破損に波及する恐れがある。従って、交流励磁回転機の運転状態で、そのような地絡故障は、確実に検出されることが要求される。
【０００４】
特に、直流電圧をＰＷＭ制御することで励磁電圧を制御するインバータを有する励磁回路によって励磁電圧が印加される交流励磁可変速回転機は、励磁電圧としてＰＷＭ制御された方形波パルスの三相交流電圧を用いているため、以下の２点の性質を有する。
【０００５】
（１）励磁電圧の基本波信号の周波数は、回転子の界磁巻線により発生する回転磁界の回転速度と回転子の回転速度との差（“すべり”と呼ばれる。）に比例して制御され、０Ｈｚから５０−６０Ｈｚ程度まで変化する。
【０００６】
（２）励磁電圧は、基本波信号をＰＷＭ制御により振幅と周波数を制御してなる数百Ｈｚの方形波パルス電圧である。
【０００７】
このため、このような交流励磁可変速回転機における地絡故障を正確に検出することは、困難である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような事情に基づきなされたもので、交流励磁回転機の運転状態においても、交流励磁回転機の界磁巻線及び励磁回路の地絡故障を確実に検出することができる地絡故障検出方法およびその装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、周波数及び／または振幅が制御された励磁電圧を出力する励磁回路、及びこの励磁回路からの励磁電圧により界磁電流が印加される交流励磁可変速回転機の界磁回路の地絡故障を検出する地絡故障検出装置において、前記励磁回路の中性点とグランドとの間に接続されたグランド抵抗と、前記グランド抵抗を介して前記グランドから前記中性点に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段により検出された電流に基づき、前記励磁回路からの励磁電圧が変化しても一定感度で前記地絡故障を検出する地絡故障検出手段とを具備するものである。
【００１０】
前記電流検出手段として、ホールタイプＤＣＣＴがある。また、前記グランド抵抗に直列に接続された第１の抵抗および第２の抵抗を設け、前記電流検出手段として、第１の抵抗および第２の抵抗のうち一方のものの電圧降下を検出し、検出した降下電圧に基づき前記グランド抵抗を介して前記グランドから前記中性点に流れる電流を検出してもよい。
【００１１】
前記地絡故障検出手段は、前記電流検出手段により検出された電流に応じた検出信号から前記周波数及び／または振幅を制御するための基本波信号を抽出するフィルタ回路と、前記フィルタ回路により抽出された基本波信号の周期を測定し、測定した周期に応じた周期信号を出力する周期測定回路と、前記フィルタ回路により抽出された基本波信号の振幅を前記周期信号に応じて増幅する可変増幅回路と、前記可変増幅回路の出力と所定の基準値とを比較し、前記可変増幅回路の出力が前記所定の基準値を越えたとき、地絡故障検出信号を出力する比較回路とを具備する。
【００１２】
また、前記地絡故障検出手段は、前記電流検出手段により検出された電流に応じた検出信号から前記周波数及び／または振幅を制御するための基本波信号を抽出するフィルタ回路と、前記フィルタ回路により抽出された基本波信号の周波数を測定し、測定した周波数に応じた周波数信号を出力する周波数測定回路と、所定の基準値を前記周波数信号の周波数に応じて可変する基準値可変回路と、前記フィルタ回路により抽出された基本波信号と基準値可変回路により可変された基準値とを比較し、前記基本波信号が前記可変された基準値を越えたとき、地絡故障検出信号を出力する比較回路とを具備してもよい。
【００１３】
さらに、前記地絡故障検出手段は、前記電流検出手段により検出された電流に応じた検出信号から前記励磁回路から出力される励磁電圧の周波数及び／または振幅を制御するための基本波信号を抽出するフィルタ回路と、前記周波数及び／または振幅が制御するための基本波信号を励磁回路より直接入力する基本波入力回路と、前記基本波入力回路より入力された基本波信号の周期を測定し、測定した周期に応じた周期信号を出力する周期測定回路と、前記フィルタ回路により抽出された基本波信号の振幅を前記周期信号に応じて増幅する可変増幅回路と、前記可変増幅回路の出力と所定の基準値とを比較し、前記可変増幅回路の出力が前記所定の基準値を越えたとき、地絡故障検出信号を出力する比較回路とを具備してもよい。
【００１４】
またさらに、前記地絡故障検出手段は、前記電流検出手段により検出された電流に応じた検出信号から前記励磁回路から出力される励磁電圧の周波数及び／または振幅を制御するための基本波信号を抽出するフィルタ回路と、前記周波数及び／または振幅が制御するための基本波信号を励磁回路より直接入力する基本波入力回路と、前記基本波入力回路により入力された基本波信号の周波数を測定し、測定した周波数に応じた周波数信号を出力する周波数測定回路と、所定の基準値を前記周波数信号の周波数に応じて可変する基準値可変回路と、前記フィルタ回路により抽出された基本波信号と基準値可変回路により可変された基準値とを比較し、前記基本波信号が前記可変された基準値を越えたとき、地絡故障検出信号を出力する比較回路とを具備してもよい。
【００１５】
また、前記地絡故障検出手段は、前記電流検出手段により検出された電流に応じた検出信号から前記励磁回路から出力される周波数及び／または振幅を制御するための基本波信号を抽出するフィルタ回路と、前記周波数及び／または振幅が制御するための基本波信号を励磁回路より直接入力する基本波入力回路と、前記基本波入力回路により入力された基本波信号を監視する監視回路と、前記監視回路による監視結果に応じて、前記フィルタ回路により抽出された基本波信号と前記基本波入力回路により入力された基本波信号とを切換える切換回路と、前記切換回路により出力された基本波信号の周期を測定し、測定した周期に応じた周期信号を出力する周期測定回路と、前記フィルタ回路により抽出された基本波信号の振幅を前記周期信号に応じて増幅する可変増幅回路と、前記可変増幅回路の出力と所定の基準値とを比較し、前記可変増幅回路の出力が前記所定の基準値を越えたとき、地絡故障検出信号を出力する比較回路とを具備してもよい。
【００１６】
さらに、前記地絡故障検出手段は、前記電流検出手段により検出された電流に応じた検出信号から前記励磁回路から出力される周波数及び／または振幅を制御するための基本波信号を抽出するフィルタ回路と、前記周波数及び／または振幅が制御するための基本波信号を励磁回路より直接入力する基本波入力回路と、
前記基本波入力回路により入力された基本波信号を監視する監視回路と、前記監視回路による監視結果に応じて、前記フィルタ回路により抽出された基本波信号と前記基本波入力回路により入力された基本波信号とを切換える切換回路と、前記切換回路により出力された基本波信号の周波数を測定し、測定した周波数に応じた周波数信号を出力する周波数測定回路と、所定の基準値を前記周波数信号の周波数に応じて可変する基準値可変回路と、前記フィルタ回路により抽出された基本波信号と基準値可変回路により可変された基準値とを比較し、前記基本波信号が前記可変された基準値を越えたとき、地絡故障検出信号を出力する比較回路とを具備してもよい。
【００１７】
上記の構成において前記周期測定回路を有する場合、前記地絡故障検出手段が、前記周期測定回路から周期信号を入力し、入力した周期信号の周期が所定の上限値以上であるときには入力した周期信号の周期を固定の上限値に制限し、入力した周期信号の周期が所定の下限値以下であるときには入力した周期信号の周期を固定の下限値に制限し、制限した周期信号を前記可変増幅回路に出力する振幅制限回路をさらに具備してもよい。
【００１８】
さらに、上記の構成において前記周波数測定回路を有する場合、前記地絡故障検出手段が、前記周波数測定回路から周波数信号を入力し、入力した周波数信号の周波数が所定の上限値以上であるときには入力した周波数信号の周波数を固定の上限値に制限し、入力した周波数信号の周波数が所定の下限値以下であるときには入力した周波数信号の周波数を固定の下限値に制限し、制限した周波数信号を前記基準値可変回路に出力する周波数制限回路をさらに具備してもよい。
【００１９】
前記励磁回路として、中性点を基準とした直流電圧を入力とするインバータや中性点を有するサイクロコンバータがある。
【００２３】
ここで、励磁回路に地絡故障が発生すると、励磁回路に印加された電圧または励磁電圧が印加した電圧により、地絡電流は地絡点から大地を経由してグランド抵抗を介して中性点に流れる。地絡故障は、この中性点に流れる電流を検出することで判定される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は第１の実施の形態の地絡故障を検出するシステムの構成を示す図である。 図１に示すように、励磁回路１は中性点Ｐを基準とした直流電圧＋Ｅと−Ｅを入力し、ＰＷＭ制御した３相の励磁電圧ＶＲ 、ＶＳ 、ＶＴ を出力する。交流励磁可変速回転機２では、回転子２１の界磁巻線２２が励磁され、回転磁界を発生する。回転子２１の外側には、回転子巻線２３が設けられている。励磁回路１は、回転子２１の界磁巻線２２により発生する回転磁界の回転速度と回転子２１の回転速度との差（すべり）に比例して励磁電圧ＶＲ 、ＶＳ 、ＶＴ の基本波の周波数および電圧を制御する。
【００２５】
図２は励磁回路１の構成を示す図である。
【００２６】
図２に示すように、比較器１１は、速度基準信号ＳＰ と回転機速度信号ＳＲ とを入力し、これらの信号の差異に応じた基本波信号Ｖｓ を出力する。速度基準信号ＳＰ は、系統側、例えば発電所であれば送電線側より入力される信号、例えば周波数の信号である。回転機速度信号ＳＲ は、回転子２１の回転速度に基づく信号である。図３に示すように、インバータ制御回路１２は、基本波信号Ｖｓ を入力とし、基本波信号Ｖｓ とインバータ変調信号ＳＭ とに基づきトリガ信号を生成して出力する。インバータ回路１３Ｒ 、１３Ｓ 、１３Ｔ は、ゲート・ターン・オフＳＣＲを逆並列接続してなり、トリガ信号に応じて中性点Ｐを基準とした直流電圧＋Ｅと−Ｅを励磁電圧ＶＲ 、ＶＳ 、ＶＴ に変換する。図３に示す励磁電圧の波形は、例えば励磁電圧ＶＲ の一周期分を示している。図３から分かるように、励磁電圧ＶＲ 、ＶＳ 、ＶＴ は基本波信号に応じてＰＷＭ制御により振幅と周波数が制御された数百ヘルツの方形波パルス電圧である。
【００２７】
励磁回路１の中性点とグランドとの間には、グランド抵抗Ｒｅ と電流検出手段としてのホールタイプＤＣＣＴ３とが直列に接続されている。グランド抵抗Ｒｅ の抵抗値は、地絡故障が発生した時に流れる地絡電流により機器が損傷しないような値とされる。その抵抗値は、例えば励磁回路１の出力側に地絡故障が発生したときにグランド抵抗Ｒｅ に１００ｍＡ程度の地絡電流Ｉｅ が流れる程度に設定される。ホールタイプＤＣＣＴ３は、地絡電流Ｉｅ に比例した２次出力電圧Ｖｉ を出力する。
【００２８】
地絡故障検出部４は、ホールタイプＤＣＣＴ３から２次出力電圧Ｖｉ を入力し、入力した２次出力電圧Ｖｉ に基づき励磁回路１の地絡故障を検出する。地絡故障検出部４は、地絡故障を検出すると、地絡故障検出信号ＦＯＵＴ を出力する。
【００２９】
図４は図１に示した地絡故障検出部４の構成を示すブロック図である。
【００３０】
図４に示すように、フィルタ回路５は、入力した２次出力電圧Ｖｉ から励磁回路１におけるインバータの変調信号による高周波成分を除去した基本波信号Ｖｓ の成分（これを基本波信号Ｖ１ とする。）を抽出する。フィルタ回路５は、例えばローパスフィルタにより構成される。
【００３１】
周波数測定回路６は、基本波信号Ｖ１ を入力し、基本波信号Ｖ１ の周期Ｔを測定し、測定した周期Ｔに応じた周期信号ＳＴ を出力する。
【００３２】
可変増幅回路７は、基本波信号Ｖ１ 及び周期信号ＳＴ を入力し、基本波信号Ｖ１ の振幅を周期信号ＳＴ に応じて増幅する。
【００３３】
比較回路８は、可変増幅回路７の出力である検出信号Ｖ２ を入力し、この出力Ｖ２ と所定の基準値ＶＲＥＦ とを比較し、検出信号Ｖ２ が所定の基準値ＶＲＥＦ を越えた時、地絡故障検出信号ＦＯＵＴ を出力する。基準値ＶＲＥＦ は、例えば健全時の浮遊容量による地絡電流に相当する値に設定される。
【００３４】
このように構成されたシステムでは、以下のようにして地絡故障が検出される。 励磁回路１の入力側（直流電圧＋Ｅまたは−Ｅ側）において地絡故障が発生すると、直流電圧＋Ｅまたは−Ｅをグランド抵抗Ｒｅ の抵抗値で割った電流値の地絡電流Ｉｅ が地絡故障点からグランドを経由してグランド抵抗Ｒｅ 及びホールタイプＤＣＣＴ３を介して中性点Ｐに流れる。
【００３５】
励磁回路１の出力側（励磁電圧ＶＲ 、ＶＳ 、ＶＴ 側）において地絡故障が発生すると、方形波パルスの交流電圧であるＶＲ 、ＶＳ 、ＶＴ をグランド抵抗Ｒｅ の抵抗値で割った電流値の地絡電流Ｉｅ が地絡故障点からグランドを経由してグランド抵抗Ｒｅ 及びホールタイプＤＣＣＴ３を介して中性点Ｐに流れる。
【００３６】
このようにホールタイプＤＣＣＴ３に電流が流れると、地絡電流Ｉｅ の電流値に比例した電圧値の２次出力電圧Ｖｉ がホールタイプＤＣＣＴ３より出力され、地絡故障検出部４に入力される。
【００３７】
地絡故障検出部４では、２次出力電圧Ｖｉ がフィルタ回路５を介して基本波信号Ｖ１ として周期測定回路６及び可変増幅回路７に入力される。可変増幅回路７では、基本波信号Ｖ１ 及び周期測定回路６から出力された周期信号ＳＴ が入力され、周期信号ＳＴ によって基本波信号Ｖ１ の振幅を基本波信号Ｖ１ の周期に比例させた検出信号Ｖ２ が出力される。比較回路８では、検出信号Ｖ２ 及び基準値ＶＲＥＦ が入力され、検出信号Ｖ２ が基準値ＶＲＥＦ より大きい時には、地絡故障検出信号ＦＯＵＴ が出力される。
【００３８】
本実施の形態では、グランド抵抗Ｒｅ の抵抗値を、地絡故障が発生した時に流れる地絡電流により機器が損傷しないような値、例えば励磁回路１の出力側に地絡故障が発生したときにグランド抵抗Ｒｅ に１００ｍＡ程度の地絡電流Ｉｅ が流れる程度に設定することにより、交流励磁可変速回転機２の運転状態においても地絡故障を検出することが可能となる。
【００３９】
また、地絡電流Ｉｅ を検出する電流検出手段としてホールタイプＤＣＣＴを用いることにより、一般の電流変成器では検出できないような、例えば地絡故障点によって異なる値となるような地絡電流（励磁回路１の入力側と出力側）及び交流のパルス電圧による地絡電流を精度よくかつ絶縁して検出できる。
【００４０】
さらに、地絡故障検出部４において、フィルタ回路５によって２次出力電圧Ｖｉ から高周波成分を除去して基本波信号Ｖ１ を検出しているので、浮遊容量による高周波成分の漏れ電流の影響を少なくし、地絡故障を正しく検出することができる。
【００４１】
また、周波数に比例する基本波信号Ｖ１ に対して基本波信号Ｖ１ の周期に比例して振幅を可変することにより、基本波信号Ｖｓ の周波数に比例して振幅が変化する回転機の励磁電圧による地絡故障においても、以下の式に示すように、常に一定の検出感度により地絡故障の有無を検出できる。
【００４２】
Ｖ１ ＝Ｋ・ｆ
Ｖ２ ＝Ｔ・Ｖ１ ＝（１／ｆ）・（Ｋ・ｆ）＝Ｋ（コンスタント）
ただし、Ｋ：係数
ｆ：基本波信号Ｖ１ の周波数
Ｔ：基本波信号Ｖ１ の周期
図５は第２の実施の形態の地絡故障を検出するシステムの構成を示す図である。 図１のシステムでは励磁回路１の中性点とグランドとの間をグランド抵抗Ｒｅ とホールタイプＤＣＣＴ３とを直列に接続していたが、図５に示すシステムでは励磁回路１の中性点とグランドとの間を抵抗Ｒｅ１と抵抗Ｒｅ２とを直列に接続し、地絡電流Ｉｅ に比例する抵抗Ｒｅ２の両端の電圧降下を検出することで、地絡電流Ｉｅ を検出している。
【００４３】
地絡電流によって生じる抵抗Ｒｅ１と抵抗Ｒｅ２とによる電圧降下Ｖｅ は、抵抗Ｒｅ１と抵抗Ｒｅ２とによって分圧されるため、抵抗Ｒｅ２の両端電圧ＶＲｅ２は下記の式で表される。
【００４４】
従って、抵抗Ｒｅ１と抵抗Ｒｅ２の抵抗値比を任意に予め決定することにより、地絡故障点によって異なる値となるような地絡電流及び交流のパルス電圧による地絡電流を、地絡電流に比例した任意の電圧ＶＲｅ２として検出することができる。
図６は図４に示した地絡故障検出部の変形例を示すブロック図である。
【００４５】
この例は、図６に示すように、地絡故障検出部において、周波数測定回路６と可変増幅回路７との間に振幅制限回路９を設けたものである。
【００４６】
振幅制限回路９は、図７に示すように、周期測定回路６から周期信号ＳＴ を入力し、入力した周期信号ＳＴ の周期Ｔが所定の上限値（１／ｆＬ ）以上であるときには入力した周期信号ＳＴ の周期Ｔをその上限値に制限し、すなわち固定の値にし、入力した周期信号ＳＴ の周期Ｔが所定の下限値（１／ｆＨ ）以下であるときには入力した周期信号ＳＴ の周期Ｔをその下限値に制限し、すなわち固定の値にし、制限した周期信号ＳＴ’を可変増幅回路７に出力する。
【００４７】
可変増幅回路７は周期信号ＳＴ’により基本波信号Ｖ１ の振幅を制限することから、周期信号ＳＴ’の上限値以上および下限値以下となる周波数域では可変増幅回路７における増幅ゲインは固定ゲインとなり、検出信号Ｖ２ は周期Ｔの上限値となる周波数ｆＬ 以下では減衰し、周期Ｔが下限値となる周波数ｆＨ 以上では増大する。
【００４８】
このような制限を受ける検出信号Ｖ２ を比較回路８により基準値ＶＲＥＦ と比較した場合、周期Ｔが上限値となる周波数ｆＬ 以下では地絡故障を検出しにくくなり、逆に周期Ｔが下限値となる周波数ｆＨ 以上では地絡故障が検出しやすくなる。 つまり、基本波信号の振幅を周期に比例させ可変する振幅制御において振幅の上限および下限を設けているため、上限値及び下限値内の周波数範囲では地絡故障を一定の検出感度により検出し、上限値以上となる低周波数域では検出感度を下げ、下限値以下となる高周波数域では検出感度を上げて地絡故障を検出することができる。
【００４９】
換言すると、振幅制御の上限および下限を交流励磁可変速回転機の定常運転域の最小および最大の基本周波数とすることにより、定常運転範囲内の振幅制御の上限値以上となる低周波数域では振幅が固定ゲインによって制御され、浮遊容量等によるノイズが異常に増幅されて誤検出することをなくすことができ、また交流励磁可変速回転機における開始時である、振幅制御の下限値以下となる高周波数域では振幅が固定ゲインによって制御されると基本波信号に応じて検出信号も大きくなり、地絡故障を容易に検出することができる。
【００５０】
図８は図４に示した地絡故障検出部の他の例を示す図である。
【００５１】
図８に示す地絡故障検出部においては、図４に示した地絡故障検出部における周波数測定回路６の代わりに、基本波信号Ｖ１ の周波数ｆを測定する周波数計測回路１４を設け、可変増幅回路７の代わりに、周波数測定回路１４の周波数信号ｆｓ により基準値ＶＲＥＦ を基本波信号Ｖ１ の周波数に比例可変し、可変基準信号ＶＲＥＦ’を出力する基準値可変回路１５を設け、比較回路８´は基本波信号Ｖ１ と可変基準信号ＶＲＥＦ’とを比較し、地絡故障の有無を判定するようにしているものである。
【００５２】
比較回路８´において下記の式に示すように、基本波信号Ｖ１ と、基準値ＶＲＥＦ を基本波信号Ｖ１ の周波数ｆに比例させ可変した可変基準信号ＶＲＥＦ’との比は、図４に示したように基準値ＶＲＥＦ を一定とし、基本波信号Ｖ１ を周期Ｔに比例させた検出信号Ｖ２ との比と変わらないことから、図８に示した地絡故障検出部は図４に示した地絡故障検出部は同様な効果を得ることができる。
【００５３】
図９は地絡故障検出部の他の例を示す図である。
【００５４】
図９に示す地絡故障検出部は、図８に示した地絡故障検出部における周波数測定回路１４と周波数基準値回路１５との間に周波数制限回路１６を設けたものである。図１０に示すように、周波数制限回路１６は、周波数測定回路１４から周波数信号ｆｓ を入力し、入力した周波数信号ｆｓ の周波数ｆが所定の上限値ｆＨ 以上であるときには入力した周波数信号ｆｓ の周波数ｆをその上限値に制限し、すなわち固定の値にし、入力した周波数信号ｆｓ の周波数ｆが所定の下限値ｆＬ 以下であるときには入力した周波数信号ｆｓ の周波数ｆをその下限値に制限し、すなわち固定の値にし、制限した周波数信号ｆｓ’を基準値可変回路１５に出力する。
【００５５】
図１０から分かるように、基本波信号Ｖ１ と上限及び下限を設けて可変するようにした可変基準信号ＶＲＥＦ’との比は、図６に示したように、上限及び下限を設けて可変するようにした検出信号Ｖ２ と基準値ＶＲＥＦ との比と変わらないことから、図９に示した地絡故障検出部は図６に示した地絡故障検出部は同様な効果を得ることができる。
【００５６】
図１１は地絡故障検出部をさらに変形した例を示す図である。
【００５７】
図４に示した地絡故障検出部ではフィルタ回路５の出力である基本波信号Ｖ１ を周期定回路６の入力としていたが、図１１に示す地絡故障検出部では基本波入力回路１７の出力を周期測定回路６の入力としている。基本波入力回路１７は、図２に示した励磁回路１における比較器１１の基本波信号Ｖｓ を入力し、この信号を基本波信号Ｖ１’として周期測定回路６に供給している。
【００５８】
励磁回路１における比較器１１の基本波信号Ｖｓ は基本波の周波数に関係なく一定の振幅であるから、周期測定回路６はノイズに強く、常時周期信号ＳＴ の補正を行うことから、地絡故障を迅速に検出することができる。
【００５９】
図１２は地絡故障検出部をさらに変形した別の例を示す図である。
【００６０】
図６に示した地絡故障検出部ではフィルタ回路５の出力である基本波信号Ｖ１ を周期測定回路６の入力としていたが、図１２に示す地絡故障検出部では図１１に示したものと同様に基本波入力回路１７の出力Ｖ１’を周期測定回路６の入力としている。基本波入力回路１７の作用効果に関しては図１１に示したものと同様である。
【００６１】
図１３は地絡故障検出部をさらに変形した別の例を示す図である。
【００６２】
図８に示した地絡故障検出部ではフィルタ回路５の出力である基本波信号Ｖ１ を周波数測定回路１４の入力とし、この周波数測定回路１４の出力を基準値可変回路１５に入力していたが、図１３に示す地絡故障検出部では図１１に示したものと同様に基本波入力回路１７の出力Ｖ１’を周波数測定回路１４の入力としている。基本波入力回路１７の作用効果に関しては図１１に示したものと同様である。 図１４は地絡故障検出部をさらに変形した別の例を示す図である。
【００６３】
図９に示した地絡故障検出部ではフィルタ回路５の出力である基本波信号Ｖ１ を周波数測定回路１４の入力とし、この周波数測定回路６の出力を周波数制限回路１６を介して基準値可変回路１５に入力していたが、図１４に示す地絡故障検出部では図１１に示したものと同様に基本波入力回路１７の出力Ｖ１’を周波数測定回路１４の入力としている。基本波入力回路１７の作用効果に関しては図１１に示したものと同様である。
【００６４】
図１５は地絡故障検出部をさらに変形した例を示す図である。
【００６５】
図１１に示す地絡故障検出部では基本波入力回路１７の出力を周期測定回路６の入力としていたが、図１５に示す地絡故障検出部では基本波入力回路１７の出力Ｖ１’を監視する監視回路１８と、監視回路１８の出力ＣＨ に応じてフィルタ回路５の出力Ｖ１ または基本波入力回路１７の出力Ｖ１’のうちいずれか一方の信号Ｖ１’’ を周期測定回路６の入力とする信号切換回路１９とを設け、通常は基本波入力回路１７の出力Ｖ１’を周期測定回路６の入力とし、出力Ｖ１’が一定時間以上入力されないときときにはフィルタ回路５の出力Ｖ１ を周期測定回路６の入力としている。これにより、例えば断線により基本波信号ＶＳ が入力されなくなっても基本波信号Ｖ１ により動作可能となるという効果を奏する。
【００６６】
図１６に示す地絡故障検出部は、図１２に示した地絡故障検出部に図１５に示した監視回路１８及び信号切換回路１９を設けたもので、図１５に示した地絡故障検出部と同様の作用効果を奏する。
【００６７】
図１７に示す地絡故障検出部は、図１３に示した地絡故障検出部に図１５に示した監視回路１８及び信号切換回路１９を設けたもので、図１５に示した地絡故障検出部と同様の作用効果を奏する。
【００６８】
図１８に示す地絡故障検出部は、図１４に示した地絡故障検出部に図１５に示した監視回路１８及び信号切換回路１９を設けたもので、図１５に示した地絡故障検出部と同様の作用効果を奏する。
【００６９】
以上の実施の形態は、インバータ回路を有する励磁回路を持つシステムに本発明を適用したものであったが、本発明は他の種類を励磁回路を有するシステムに対しても適用することができる。
【００７０】
図１９はサイクロコンバータを有する励磁回路を持つシステムに本発明を適用した実施の形態である。
【００７１】
図１９に示すように、励磁回路３０は三相交流電圧を入力とすると共に中性点Ｐの基準を有し、ＰＷＭ制御した３相の励磁電圧ＶＲ 、ＶＳ 、ＶＴ を出力する。他の回路構成に関しては図１に示したシステムと同様である。
【００７２】
図２０は励磁回路３０の構成を示す図である。
【００７３】
図２０に示すように、比較器３１は、速度基準信号ＳＰ と回転機速度信号ＳＲ とを入力し、これらの信号の差異に応じた基本波信号Ｖｓ を出力する。速度基準信号ＳＰ は、系統側、例えば発電所であれば送電線側より入力される信号、例えば周波数の信号である。回転機速度信号ＳＲ は、回転子２１の回転速度に基づく信号である。図２１に示すように、サイリスタ制御回路３２は、基本波信号Ｖｓ を入力とし、基本波信号Ｖｓ とに基づきトリガ信号を生成して出力する。サイクロコンバータ回路３３Ｒ 、３３Ｓ 、３３Ｔ は、２つのサイリスタを逆並列接続してなり、トリガ信号に応じて三相交流電圧を励磁電圧ＶＲ 、ＶＳ 、ＶＴ に変換する。図３に示す励磁電圧の波形は、例えば励磁電圧ＶＲ の一周期分を示している。図３から分かるように、励磁電圧ＶＲ 、ＶＳ 、ＶＴ は基本波信号に応じてＰＷＭ制御により振幅と周波数が制御された数百ヘルツの鋸波パルス電圧である。
【００７４】
そして、励磁回路１の中性点とグランドとの間に、グランド抵抗Ｒｅ と電流検出手段としてのホールタイプＤＣＣＴ３とを直列に接続し、ホールタイプＤＣＣＴ３により地絡電流Ｉｅ に比例した２次出力電圧Ｖｉ を得て、地絡故障検出部４により２次出力電圧Ｖｉ に基づく地絡故障の検出を行っている。
【００７５】
図２２に示すシステムは、図１９に示したサイクロコンバータを有する励磁回路３０を持つシステムに図５に示した地絡故障検出方式を適用したものである。すなわち、励磁回路３０の中性点Ｐとグランドとの間を抵抗Ｒｅ１と抵抗Ｒｅ２とを直列に接続し、地絡電流Ｉｅ に比例する抵抗Ｒｅ２の両端の電圧降下を検出することで、地絡電流Ｉｅ を検出している。
【００７６】
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、その技術思想の範囲内においてさまざまな変形が可能であり、それらは本発明の範囲に含まれる。。
【００７７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、励磁回路に地絡故障が発生すると、励磁回路に印加された電圧または励磁電圧が印加した電圧により、地絡電流は地絡点から大地を経由してグランド抵抗を介して中性点に流れ、この中性点に流れる電流を検出することで地絡故障を検出しているので、交流励磁回転機の運転状態においても、交流励磁回転機の界磁巻線及び励磁回路の地絡故障を確実に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態のシステムの構成を示す図である。
【図２】図１に示した励磁回路の構成を示すブロック図である。
【図３】交流励磁可変速回転機に印加される励磁電圧の波形図である。
【図４】図１に示した地絡故障検出部の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態のシステムの構成を示す図である。
【図６】図４に示した地絡故障検出部の変形例を示すブロック図である。
【図７】図６に示した地絡故障検出部の特性を説明するための図である。
【図８】図４に示した地絡故障検出部の変形例を示すブロック図である。
【図９】図８に示した地絡故障検出部の変形例を示すブロック図である。
【図１０】図９に示した地絡故障検出部の特性を説明するための図である。
【図１１】地絡故障検出部のさらに別の変形例を示すブロック図である。
【図１２】地絡故障検出部のさらに別の変形例を示すブロック図である。
【図１３】地絡故障検出部のさらに別の変形例を示すブロック図である。
【図１４】地絡故障検出部のさらに別の変形例を示すブロック図である。
【図１５】地絡故障検出部のさらに別の変形例を示すブロック図である。
【図１６】地絡故障検出部のさらに別の変形例を示すブロック図である。
【図１７】地絡故障検出部のさらに別の変形例を示すブロック図である。
【図１８】地絡故障検出部のさらに別の変形例を示すブロック図である。
【図１９】本発明のさらに別の実施の形態のシステムの構成を示す図である。
【図２０】図１９に示した励磁回路の構成を示すブロック図である。
【図２１】交流励磁可変速回転機に印加される励磁電圧の波形図である。
【図２２】本発明のさらに別の実施の形態のシステムの構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 励磁回路
２ 交流励磁可変速回転機
２１ 回転子
２２ 界磁巻線
２３ 回転子巻線
３ ホールタイプＤＣＣＴ
４ 地絡故障検出部
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば直流電圧をパルス幅変調制御（ＰＷＭ制御）することで励磁電圧を制御するインバータを有する励磁回路及びこの励磁回路から励磁電圧が印加される交流励磁可変速回転機の界磁巻線の地絡故障を検出するための地絡故障検出方法およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、交流励磁回転機の界磁巻線は高電圧が印加され及び非接地系であるため、交流励磁回転機の運転状態では交流励磁回転機の界磁巻線の一線地絡故障は、直接的に検出されることはできない。従来、そのような地絡故障は、交流励磁回転機が停止された時に、界磁巻線の絶縁抵抗を測定する等の方法によって検出されている。
【０００３】
しかしながら、交流励磁回転機の界磁巻線の一線地絡故障が発生した時には、交流励磁回転機の界磁巻線は高電圧が印加され及び非接地系であるため、界磁巻線の絶縁破壊が発生し、界磁巻線の絶縁破壊は短絡故障へと移行し、機器の破損に波及する恐れがある。従って、交流励磁回転機の運転状態で、そのような地絡故障は、確実に検出されることが要求される。
【０００４】
特に、直流電圧をＰＷＭ制御することで励磁電圧を制御するインバータを有する励磁回路によって励磁電圧が印加される交流励磁可変速回転機は、励磁電圧としてＰＷＭ制御された方形波パルスの三相交流電圧を用いているため、以下の２点の性質を有する。
【０００５】
（１）励磁電圧の基本波信号の周波数は、回転子の界磁巻線により発生する回転磁界の回転速度と回転子の回転速度との差（“すべり”と呼ばれる。）に比例して制御され、０Ｈｚから５０−６０Ｈｚ程度まで変化する。
【０００６】
（２）励磁電圧は、基本波信号をＰＷＭ制御により振幅と周波数を制御してなる数百Ｈｚの方形波パルス電圧である。
【０００７】
このため、このような交流励磁可変速回転機における地絡故障を正確に検出することは、困難である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような事情に基づきなされたもので、交流励磁回転機の運転状態においても、交流励磁回転機の界磁巻線及び励磁回路の地絡故障を確実に検出することができる地絡故障検出方法およびその装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、周波数及び／または振幅が制御された励磁電圧を出力する励磁回路、及びこの励磁回路からの励磁電圧により界磁電流が印加される交流励磁可変速回転機の界磁回路の地絡故障を検出する地絡故障検出装置において、前記励磁回路の中性点とグランドとの間に接続されたグランド抵抗と、前記グランド抵抗を介して前記グランドから前記中性点に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段により検出された電流に基づき、前記励磁回路からの励磁電圧が変化しても一定感度で前記地絡故障を検出する地絡故障検出手段とを具備するものである。
【００１０】
前記電流検出手段として、ホールタイプＤＣＣＴがある。また、前記グランド抵抗に直列に接続された第１の抵抗および第２の抵抗を設け、前記電流検出手段として、第１の抵抗および第２の抵抗のうち一方のものの電圧降下を検出し、検出した降下電圧に基づき前記グランド抵抗を介して前記グランドから前記中性点に流れる電流を検出してもよい。
【００１１】
前記地絡故障検出手段は、前記電流検出手段により検出された電流に応じた検出信号から前記周波数及び／または振幅を制御するための基本波信号を抽出するフィルタ回路と、前記フィルタ回路により抽出された基本波信号の周期を測定し、測定した周期に応じた周期信号を出力する周期測定回路と、前記フィルタ回路により抽出された基本波信号の振幅を前記周期信号に応じて増幅する可変増幅回路と、前記可変増幅回路の出力と所定の基準値とを比較し、前記可変増幅回路の出力が前記所定の基準値を越えたとき、地絡故障検出信号を出力する比較回路とを具備する。
【００１２】
また、前記地絡故障検出手段は、前記電流検出手段により検出された電流に応じた検出信号から前記周波数及び／または振幅を制御するための基本波信号を抽出するフィルタ回路と、前記フィルタ回路により抽出された基本波信号の周波数を測定し、測定した周波数に応じた周波数信号を出力する周波数測定回路と、所定の基準値を前記周波数信号の周波数に応じて可変する基準値可変回路と、前記フィルタ回路により抽出された基本波信号と基準値可変回路により可変された基準値とを比較し、前記基本波信号が前記可変された基準値を越えたとき、地絡故障検出信号を出力する比較回路とを具備してもよい。
【００１３】
さらに、前記地絡故障検出手段は、前記電流検出手段により検出された電流に応じた検出信号から前記励磁回路から出力される励磁電圧の周波数及び／または振幅を制御するための基本波信号を抽出するフィルタ回路と、前記周波数及び／または振幅が制御するための基本波信号を励磁回路より直接入力する基本波入力回路と、前記基本波入力回路より入力された基本波信号の周期を測定し、測定した周期に応じた周期信号を出力する周期測定回路と、前記フィルタ回路により抽出された基本波信号の振幅を前記周期信号に応じて増幅する可変増幅回路と、前記可変増幅回路の出力と所定の基準値とを比較し、前記可変増幅回路の出力が前記所定の基準値を越えたとき、地絡故障検出信号を出力する比較回路とを具備してもよい。
【００１４】
またさらに、前記地絡故障検出手段は、前記電流検出手段により検出された電流に応じた検出信号から前記励磁回路から出力される励磁電圧の周波数及び／または振幅を制御するための基本波信号を抽出するフィルタ回路と、前記周波数及び／または振幅が制御するための基本波信号を励磁回路より直接入力する基本波入力回路と、前記基本波入力回路により入力された基本波信号の周波数を測定し、測定した周波数に応じた周波数信号を出力する周波数測定回路と、所定の基準値を前記周波数信号の周波数に応じて可変する基準値可変回路と、前記フィルタ回路により抽出された基本波信号と基準値可変回路により可変された基準値とを比較し、前記基本波信号が前記可変された基準値を越えたとき、地絡故障検出信号を出力する比較回路とを具備してもよい。
【００１５】
また、前記地絡故障検出手段は、前記電流検出手段により検出された電流に応じた検出信号から前記励磁回路から出力される周波数及び／または振幅を制御するための基本波信号を抽出するフィルタ回路と、前記周波数及び／または振幅が制御するための基本波信号を励磁回路より直接入力する基本波入力回路と、前記基本波入力回路により入力された基本波信号を監視する監視回路と、前記監視回路による監視結果に応じて、前記フィルタ回路により抽出された基本波信号と前記基本波入力回路により入力された基本波信号とを切換える切換回路と、前記切換回路により出力された基本波信号の周期を測定し、測定した周期に応じた周期信号を出力する周期測定回路と、前記フィルタ回路により抽出された基本波信号の振幅を前記周期信号に応じて増幅する可変増幅回路と、前記可変増幅回路の出力と所定の基準値とを比較し、前記可変増幅回路の出力が前記所定の基準値を越えたとき、地絡故障検出信号を出力する比較回路とを具備してもよい。
【００１６】
さらに、前記地絡故障検出手段は、前記電流検出手段により検出された電流に応じた検出信号から前記励磁回路から出力される周波数及び／または振幅を制御するための基本波信号を抽出するフィルタ回路と、前記周波数及び／または振幅が制御するための基本波信号を励磁回路より直接入力する基本波入力回路と、
前記基本波入力回路により入力された基本波信号を監視する監視回路と、前記監視回路による監視結果に応じて、前記フィルタ回路により抽出された基本波信号と前記基本波入力回路により入力された基本波信号とを切換える切換回路と、前記切換回路により出力された基本波信号の周波数を測定し、測定した周波数に応じた周波数信号を出力する周波数測定回路と、所定の基準値を前記周波数信号の周波数に応じて可変する基準値可変回路と、前記フィルタ回路により抽出された基本波信号と基準値可変回路により可変された基準値とを比較し、前記基本波信号が前記可変された基準値を越えたとき、地絡故障検出信号を出力する比較回路とを具備してもよい。
【００１７】
上記の構成において前記周期測定回路を有する場合、前記地絡故障検出手段が、前記周期測定回路から周期信号を入力し、入力した周期信号の周期が所定の上限値以上であるときには入力した周期信号の周期を固定の上限値に制限し、入力した周期信号の周期が所定の下限値以下であるときには入力した周期信号の周期を固定の下限値に制限し、制限した周期信号を前記可変増幅回路に出力する振幅制限回路をさらに具備してもよい。
【００１８】
さらに、上記の構成において前記周波数測定回路を有する場合、前記地絡故障検出手段が、前記周波数測定回路から周波数信号を入力し、入力した周波数信号の周波数が所定の上限値以上であるときには入力した周波数信号の周波数を固定の上限値に制限し、入力した周波数信号の周波数が所定の下限値以下であるときには入力した周波数信号の周波数を固定の下限値に制限し、制限した周波数信号を前記基準値可変回路に出力する周波数制限回路をさらに具備してもよい。
【００１９】
前記励磁回路として、中性点を基準とした直流電圧を入力とするインバータや中性点を有するサイクロコンバータがある。
【００２３】
ここで、励磁回路に地絡故障が発生すると、励磁回路に印加された電圧または励磁電圧が印加した電圧により、地絡電流は地絡点から大地を経由してグランド抵抗を介して中性点に流れる。地絡故障は、この中性点に流れる電流を検出することで判定される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は第１の実施の形態の地絡故障を検出するシステムの構成を示す図である。 図１に示すように、励磁回路１は中性点Ｐを基準とした直流電圧＋Ｅと−Ｅを入力し、ＰＷＭ制御した３相の励磁電圧ＶＲ 、ＶＳ 、ＶＴ を出力する。交流励磁可変速回転機２では、回転子２１の界磁巻線２２が励磁され、回転磁界を発生する。回転子２１の外側には、回転子巻線２３が設けられている。励磁回路１は、回転子２１の界磁巻線２２により発生する回転磁界の回転速度と回転子２１の回転速度との差（すべり）に比例して励磁電圧ＶＲ 、ＶＳ 、ＶＴ の基本波の周波数および電圧を制御する。
【００２５】
図２は励磁回路１の構成を示す図である。
【００２６】
図２に示すように、比較器１１は、速度基準信号ＳＰ と回転機速度信号ＳＲ とを入力し、これらの信号の差異に応じた基本波信号Ｖｓ を出力する。速度基準信号ＳＰ は、系統側、例えば発電所であれば送電線側より入力される信号、例えば周波数の信号である。回転機速度信号ＳＲ は、回転子２１の回転速度に基づく信号である。図３に示すように、インバータ制御回路１２は、基本波信号Ｖｓ を入力とし、基本波信号Ｖｓ とインバータ変調信号ＳＭ とに基づきトリガ信号を生成して出力する。インバータ回路１３Ｒ 、１３Ｓ 、１３Ｔ は、ゲート・ターン・オフＳＣＲを逆並列接続してなり、トリガ信号に応じて中性点Ｐを基準とした直流電圧＋Ｅと−Ｅを励磁電圧ＶＲ 、ＶＳ 、ＶＴ に変換する。図３に示す励磁電圧の波形は、例えば励磁電圧ＶＲ の一周期分を示している。図３から分かるように、励磁電圧ＶＲ 、ＶＳ 、ＶＴ は基本波信号に応じてＰＷＭ制御により振幅と周波数が制御された数百ヘルツの方形波パルス電圧である。
【００２７】
励磁回路１の中性点とグランドとの間には、グランド抵抗Ｒｅ と電流検出手段としてのホールタイプＤＣＣＴ３とが直列に接続されている。グランド抵抗Ｒｅ の抵抗値は、地絡故障が発生した時に流れる地絡電流により機器が損傷しないような値とされる。その抵抗値は、例えば励磁回路１の出力側に地絡故障が発生したときにグランド抵抗Ｒｅ に１００ｍＡ程度の地絡電流Ｉｅ が流れる程度に設定される。ホールタイプＤＣＣＴ３は、地絡電流Ｉｅ に比例した２次出力電圧Ｖｉ を出力する。
【００２８】
地絡故障検出部４は、ホールタイプＤＣＣＴ３から２次出力電圧Ｖｉ を入力し、入力した２次出力電圧Ｖｉ に基づき励磁回路１の地絡故障を検出する。地絡故障検出部４は、地絡故障を検出すると、地絡故障検出信号ＦＯＵＴ を出力する。
【００２９】
図４は図１に示した地絡故障検出部４の構成を示すブロック図である。
【００３０】
図４に示すように、フィルタ回路５は、入力した２次出力電圧Ｖｉ から励磁回路１におけるインバータの変調信号による高周波成分を除去した基本波信号Ｖｓ の成分（これを基本波信号Ｖ１ とする。）を抽出する。フィルタ回路５は、例えばローパスフィルタにより構成される。
【００３１】
周波数測定回路６は、基本波信号Ｖ１ を入力し、基本波信号Ｖ１ の周期Ｔを測定し、測定した周期Ｔに応じた周期信号ＳＴ を出力する。
【００３２】
可変増幅回路７は、基本波信号Ｖ１ 及び周期信号ＳＴ を入力し、基本波信号Ｖ１ の振幅を周期信号ＳＴ に応じて増幅する。
【００３３】
比較回路８は、可変増幅回路７の出力である検出信号Ｖ２ を入力し、この出力Ｖ２ と所定の基準値ＶＲＥＦ とを比較し、検出信号Ｖ２ が所定の基準値ＶＲＥＦ を越えた時、地絡故障検出信号ＦＯＵＴ を出力する。基準値ＶＲＥＦ は、例えば健全時の浮遊容量による地絡電流に相当する値に設定される。
【００３４】
このように構成されたシステムでは、以下のようにして地絡故障が検出される。 励磁回路１の入力側（直流電圧＋Ｅまたは−Ｅ側）において地絡故障が発生すると、直流電圧＋Ｅまたは−Ｅをグランド抵抗Ｒｅ の抵抗値で割った電流値の地絡電流Ｉｅ が地絡故障点からグランドを経由してグランド抵抗Ｒｅ 及びホールタイプＤＣＣＴ３を介して中性点Ｐに流れる。
【００３５】
励磁回路１の出力側（励磁電圧ＶＲ 、ＶＳ 、ＶＴ 側）において地絡故障が発生すると、方形波パルスの交流電圧であるＶＲ 、ＶＳ 、ＶＴ をグランド抵抗Ｒｅ の抵抗値で割った電流値の地絡電流Ｉｅ が地絡故障点からグランドを経由してグランド抵抗Ｒｅ 及びホールタイプＤＣＣＴ３を介して中性点Ｐに流れる。
【００３６】
このようにホールタイプＤＣＣＴ３に電流が流れると、地絡電流Ｉｅ の電流値に比例した電圧値の２次出力電圧Ｖｉ がホールタイプＤＣＣＴ３より出力され、地絡故障検出部４に入力される。
【００３７】
地絡故障検出部４では、２次出力電圧Ｖｉ がフィルタ回路５を介して基本波信号Ｖ１ として周期測定回路６及び可変増幅回路７に入力される。可変増幅回路７では、基本波信号Ｖ１ 及び周期測定回路６から出力された周期信号ＳＴ が入力され、周期信号ＳＴ によって基本波信号Ｖ１ の振幅を基本波信号Ｖ１ の周期に比例させた検出信号Ｖ２ が出力される。比較回路８では、検出信号Ｖ２ 及び基準値ＶＲＥＦ が入力され、検出信号Ｖ２ が基準値ＶＲＥＦ より大きい時には、地絡故障検出信号ＦＯＵＴ が出力される。
【００３８】
本実施の形態では、グランド抵抗Ｒｅ の抵抗値を、地絡故障が発生した時に流れる地絡電流により機器が損傷しないような値、例えば励磁回路１の出力側に地絡故障が発生したときにグランド抵抗Ｒｅ に１００ｍＡ程度の地絡電流Ｉｅ が流れる程度に設定することにより、交流励磁可変速回転機２の運転状態においても地絡故障を検出することが可能となる。
【００３９】
また、地絡電流Ｉｅ を検出する電流検出手段としてホールタイプＤＣＣＴを用いることにより、一般の電流変成器では検出できないような、例えば地絡故障点によって異なる値となるような地絡電流（励磁回路１の入力側と出力側）及び交流のパルス電圧による地絡電流を精度よくかつ絶縁して検出できる。
【００４０】
さらに、地絡故障検出部４において、フィルタ回路５によって２次出力電圧Ｖｉ から高周波成分を除去して基本波信号Ｖ１ を検出しているので、浮遊容量による高周波成分の漏れ電流の影響を少なくし、地絡故障を正しく検出することができる。
【００４１】
また、周波数に比例する基本波信号Ｖ１ に対して基本波信号Ｖ１ の周期に比例して振幅を可変することにより、基本波信号Ｖｓ の周波数に比例して振幅が変化する回転機の励磁電圧による地絡故障においても、以下の式に示すように、常に一定の検出感度により地絡故障の有無を検出できる。
【００４２】
Ｖ１ ＝Ｋ・ｆ
Ｖ２ ＝Ｔ・Ｖ１ ＝（１／ｆ）・（Ｋ・ｆ）＝Ｋ（コンスタント）
ただし、Ｋ：係数
ｆ：基本波信号Ｖ１ の周波数
Ｔ：基本波信号Ｖ１ の周期
図５は第２の実施の形態の地絡故障を検出するシステムの構成を示す図である。 図１のシステムでは励磁回路１の中性点とグランドとの間をグランド抵抗Ｒｅ とホールタイプＤＣＣＴ３とを直列に接続していたが、図５に示すシステムでは励磁回路１の中性点とグランドとの間を抵抗Ｒｅ１と抵抗Ｒｅ２とを直列に接続し、地絡電流Ｉｅ に比例する抵抗Ｒｅ２の両端の電圧降下を検出することで、地絡電流Ｉｅ を検出している。
【００４３】
地絡電流によって生じる抵抗Ｒｅ１と抵抗Ｒｅ２とによる電圧降下Ｖｅ は、抵抗Ｒｅ１と抵抗Ｒｅ２とによって分圧されるため、抵抗Ｒｅ２の両端電圧ＶＲｅ２は下記の式で表される。
【００４４】
図６は図４に示した地絡故障検出部の変形例を示すブロック図である。
【００４５】
この例は、図６に示すように、地絡故障検出部において、周波数測定回路６と可変増幅回路７との間に振幅制限回路９を設けたものである。
【００４６】
振幅制限回路９は、図７に示すように、周期測定回路６から周期信号ＳＴ を入力し、入力した周期信号ＳＴ の周期Ｔが所定の上限値（１／ｆＬ ）以上であるときには入力した周期信号ＳＴ の周期Ｔをその上限値に制限し、すなわち固定の値にし、入力した周期信号ＳＴ の周期Ｔが所定の下限値（１／ｆＨ ）以下であるときには入力した周期信号ＳＴ の周期Ｔをその下限値に制限し、すなわち固定の値にし、制限した周期信号ＳＴ’を可変増幅回路７に出力する。
【００４７】
可変増幅回路７は周期信号ＳＴ’により基本波信号Ｖ１ の振幅を制限することから、周期信号ＳＴ’の上限値以上および下限値以下となる周波数域では可変増幅回路７における増幅ゲインは固定ゲインとなり、検出信号Ｖ２ は周期Ｔの上限値となる周波数ｆＬ 以下では減衰し、周期Ｔが下限値となる周波数ｆＨ 以上では増大する。
【００４８】
このような制限を受ける検出信号Ｖ２ を比較回路８により基準値ＶＲＥＦ と比較した場合、周期Ｔが上限値となる周波数ｆＬ 以下では地絡故障を検出しにくくなり、逆に周期Ｔが下限値となる周波数ｆＨ 以上では地絡故障が検出しやすくなる。 つまり、基本波信号の振幅を周期に比例させ可変する振幅制御において振幅の上限および下限を設けているため、上限値及び下限値内の周波数範囲では地絡故障を一定の検出感度により検出し、上限値以上となる低周波数域では検出感度を下げ、下限値以下となる高周波数域では検出感度を上げて地絡故障を検出することができる。
【００４９】
換言すると、振幅制御の上限および下限を交流励磁可変速回転機の定常運転域の最小および最大の基本周波数とすることにより、定常運転範囲内の振幅制御の上限値以上となる低周波数域では振幅が固定ゲインによって制御され、浮遊容量等によるノイズが異常に増幅されて誤検出することをなくすことができ、また交流励磁可変速回転機における開始時である、振幅制御の下限値以下となる高周波数域では振幅が固定ゲインによって制御されると基本波信号に応じて検出信号も大きくなり、地絡故障を容易に検出することができる。
【００５０】
図８は図４に示した地絡故障検出部の他の例を示す図である。
【００５１】
図８に示す地絡故障検出部においては、図４に示した地絡故障検出部における周波数測定回路６の代わりに、基本波信号Ｖ１ の周波数ｆを測定する周波数計測回路１４を設け、可変増幅回路７の代わりに、周波数測定回路１４の周波数信号ｆｓ により基準値ＶＲＥＦ を基本波信号Ｖ１ の周波数に比例可変し、可変基準信号ＶＲＥＦ’を出力する基準値可変回路１５を設け、比較回路８´は基本波信号Ｖ１ と可変基準信号ＶＲＥＦ’とを比較し、地絡故障の有無を判定するようにしているものである。
【００５２】
比較回路８´において下記の式に示すように、基本波信号Ｖ１ と、基準値ＶＲＥＦ を基本波信号Ｖ１ の周波数ｆに比例させ可変した可変基準信号ＶＲＥＦ’との比は、図４に示したように基準値ＶＲＥＦ を一定とし、基本波信号Ｖ１ を周期Ｔに比例させた検出信号Ｖ２ との比と変わらないことから、図８に示した地絡故障検出部は図４に示した地絡故障検出部は同様な効果を得ることができる。
【００５３】
【００５４】
図９に示す地絡故障検出部は、図８に示した地絡故障検出部における周波数測定回路１４と周波数基準値回路１５との間に周波数制限回路１６を設けたものである。図１０に示すように、周波数制限回路１６は、周波数測定回路１４から周波数信号ｆｓ を入力し、入力した周波数信号ｆｓ の周波数ｆが所定の上限値ｆＨ 以上であるときには入力した周波数信号ｆｓ の周波数ｆをその上限値に制限し、すなわち固定の値にし、入力した周波数信号ｆｓ の周波数ｆが所定の下限値ｆＬ 以下であるときには入力した周波数信号ｆｓ の周波数ｆをその下限値に制限し、すなわち固定の値にし、制限した周波数信号ｆｓ’を基準値可変回路１５に出力する。
【００５５】
図１０から分かるように、基本波信号Ｖ１ と上限及び下限を設けて可変するようにした可変基準信号ＶＲＥＦ’との比は、図６に示したように、上限及び下限を設けて可変するようにした検出信号Ｖ２ と基準値ＶＲＥＦ との比と変わらないことから、図９に示した地絡故障検出部は図６に示した地絡故障検出部は同様な効果を得ることができる。
【００５６】
図１１は地絡故障検出部をさらに変形した例を示す図である。
【００５７】
図４に示した地絡故障検出部ではフィルタ回路５の出力である基本波信号Ｖ１ を周期定回路６の入力としていたが、図１１に示す地絡故障検出部では基本波入力回路１７の出力を周期測定回路６の入力としている。基本波入力回路１７は、図２に示した励磁回路１における比較器１１の基本波信号Ｖｓ を入力し、この信号を基本波信号Ｖ１’として周期測定回路６に供給している。
【００５８】
励磁回路１における比較器１１の基本波信号Ｖｓ は基本波の周波数に関係なく一定の振幅であるから、周期測定回路６はノイズに強く、常時周期信号ＳＴ の補正を行うことから、地絡故障を迅速に検出することができる。
【００５９】
図１２は地絡故障検出部をさらに変形した別の例を示す図である。
【００６０】
図６に示した地絡故障検出部ではフィルタ回路５の出力である基本波信号Ｖ１ を周期測定回路６の入力としていたが、図１２に示す地絡故障検出部では図１１に示したものと同様に基本波入力回路１７の出力Ｖ１’を周期測定回路６の入力としている。基本波入力回路１７の作用効果に関しては図１１に示したものと同様である。
【００６１】
図１３は地絡故障検出部をさらに変形した別の例を示す図である。
【００６２】
図８に示した地絡故障検出部ではフィルタ回路５の出力である基本波信号Ｖ１ を周波数測定回路１４の入力とし、この周波数測定回路１４の出力を基準値可変回路１５に入力していたが、図１３に示す地絡故障検出部では図１１に示したものと同様に基本波入力回路１７の出力Ｖ１’を周波数測定回路１４の入力としている。基本波入力回路１７の作用効果に関しては図１１に示したものと同様である。 図１４は地絡故障検出部をさらに変形した別の例を示す図である。
【００６３】
図９に示した地絡故障検出部ではフィルタ回路５の出力である基本波信号Ｖ１ を周波数測定回路１４の入力とし、この周波数測定回路６の出力を周波数制限回路１６を介して基準値可変回路１５に入力していたが、図１４に示す地絡故障検出部では図１１に示したものと同様に基本波入力回路１７の出力Ｖ１’を周波数測定回路１４の入力としている。基本波入力回路１７の作用効果に関しては図１１に示したものと同様である。
【００６４】
図１５は地絡故障検出部をさらに変形した例を示す図である。
【００６５】
図１１に示す地絡故障検出部では基本波入力回路１７の出力を周期測定回路６の入力としていたが、図１５に示す地絡故障検出部では基本波入力回路１７の出力Ｖ１’を監視する監視回路１８と、監視回路１８の出力ＣＨ に応じてフィルタ回路５の出力Ｖ１ または基本波入力回路１７の出力Ｖ１’のうちいずれか一方の信号Ｖ１’’ を周期測定回路６の入力とする信号切換回路１９とを設け、通常は基本波入力回路１７の出力Ｖ１’を周期測定回路６の入力とし、出力Ｖ１’が一定時間以上入力されないときときにはフィルタ回路５の出力Ｖ１ を周期測定回路６の入力としている。これにより、例えば断線により基本波信号ＶＳ が入力されなくなっても基本波信号Ｖ１ により動作可能となるという効果を奏する。
【００６６】
図１６に示す地絡故障検出部は、図１２に示した地絡故障検出部に図１５に示した監視回路１８及び信号切換回路１９を設けたもので、図１５に示した地絡故障検出部と同様の作用効果を奏する。
【００６７】
図１７に示す地絡故障検出部は、図１３に示した地絡故障検出部に図１５に示した監視回路１８及び信号切換回路１９を設けたもので、図１５に示した地絡故障検出部と同様の作用効果を奏する。
【００６８】
図１８に示す地絡故障検出部は、図１４に示した地絡故障検出部に図１５に示した監視回路１８及び信号切換回路１９を設けたもので、図１５に示した地絡故障検出部と同様の作用効果を奏する。
【００６９】
以上の実施の形態は、インバータ回路を有する励磁回路を持つシステムに本発明を適用したものであったが、本発明は他の種類を励磁回路を有するシステムに対しても適用することができる。
【００７０】
図１９はサイクロコンバータを有する励磁回路を持つシステムに本発明を適用した実施の形態である。
【００７１】
図１９に示すように、励磁回路３０は三相交流電圧を入力とすると共に中性点Ｐの基準を有し、ＰＷＭ制御した３相の励磁電圧ＶＲ 、ＶＳ 、ＶＴ を出力する。他の回路構成に関しては図１に示したシステムと同様である。
【００７２】
図２０は励磁回路３０の構成を示す図である。
【００７３】
図２０に示すように、比較器３１は、速度基準信号ＳＰ と回転機速度信号ＳＲ とを入力し、これらの信号の差異に応じた基本波信号Ｖｓ を出力する。速度基準信号ＳＰ は、系統側、例えば発電所であれば送電線側より入力される信号、例えば周波数の信号である。回転機速度信号ＳＲ は、回転子２１の回転速度に基づく信号である。図２１に示すように、サイリスタ制御回路３２は、基本波信号Ｖｓ を入力とし、基本波信号Ｖｓ とに基づきトリガ信号を生成して出力する。サイクロコンバータ回路３３Ｒ 、３３Ｓ 、３３Ｔ は、２つのサイリスタを逆並列接続してなり、トリガ信号に応じて三相交流電圧を励磁電圧ＶＲ 、ＶＳ 、ＶＴ に変換する。図３に示す励磁電圧の波形は、例えば励磁電圧ＶＲ の一周期分を示している。図３から分かるように、励磁電圧ＶＲ 、ＶＳ 、ＶＴ は基本波信号に応じてＰＷＭ制御により振幅と周波数が制御された数百ヘルツの鋸波パルス電圧である。
【００７４】
そして、励磁回路１の中性点とグランドとの間に、グランド抵抗Ｒｅ と電流検出手段としてのホールタイプＤＣＣＴ３とを直列に接続し、ホールタイプＤＣＣＴ３により地絡電流Ｉｅ に比例した２次出力電圧Ｖｉ を得て、地絡故障検出部４により２次出力電圧Ｖｉ に基づく地絡故障の検出を行っている。
【００７５】
図２２に示すシステムは、図１９に示したサイクロコンバータを有する励磁回路３０を持つシステムに図５に示した地絡故障検出方式を適用したものである。すなわち、励磁回路３０の中性点Ｐとグランドとの間を抵抗Ｒｅ１と抵抗Ｒｅ２とを直列に接続し、地絡電流Ｉｅ に比例する抵抗Ｒｅ２の両端の電圧降下を検出することで、地絡電流Ｉｅ を検出している。
【００７６】
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、その技術思想の範囲内においてさまざまな変形が可能であり、それらは本発明の範囲に含まれる。。
【００７７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、励磁回路に地絡故障が発生すると、励磁回路に印加された電圧または励磁電圧が印加した電圧により、地絡電流は地絡点から大地を経由してグランド抵抗を介して中性点に流れ、この中性点に流れる電流を検出することで地絡故障を検出しているので、交流励磁回転機の運転状態においても、交流励磁回転機の界磁巻線及び励磁回路の地絡故障を確実に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態のシステムの構成を示す図である。
【図２】図１に示した励磁回路の構成を示すブロック図である。
【図３】交流励磁可変速回転機に印加される励磁電圧の波形図である。
【図４】図１に示した地絡故障検出部の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態のシステムの構成を示す図である。
【図６】図４に示した地絡故障検出部の変形例を示すブロック図である。
【図７】図６に示した地絡故障検出部の特性を説明するための図である。
【図８】図４に示した地絡故障検出部の変形例を示すブロック図である。
【図９】図８に示した地絡故障検出部の変形例を示すブロック図である。
【図１０】図９に示した地絡故障検出部の特性を説明するための図である。
【図１１】地絡故障検出部のさらに別の変形例を示すブロック図である。
【図１２】地絡故障検出部のさらに別の変形例を示すブロック図である。
【図１３】地絡故障検出部のさらに別の変形例を示すブロック図である。
【図１４】地絡故障検出部のさらに別の変形例を示すブロック図である。
【図１５】地絡故障検出部のさらに別の変形例を示すブロック図である。
【図１６】地絡故障検出部のさらに別の変形例を示すブロック図である。
【図１７】地絡故障検出部のさらに別の変形例を示すブロック図である。
【図１８】地絡故障検出部のさらに別の変形例を示すブロック図である。
【図１９】本発明のさらに別の実施の形態のシステムの構成を示す図である。
【図２０】図１９に示した励磁回路の構成を示すブロック図である。
【図２１】交流励磁可変速回転機に印加される励磁電圧の波形図である。
【図２２】本発明のさらに別の実施の形態のシステムの構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 励磁回路
２ 交流励磁可変速回転機
２１ 回転子
２２ 界磁巻線
２３ 回転子巻線
３ ホールタイプＤＣＣＴ
４ 地絡故障検出部
Claims (8)
- 周波数及び／または振幅が制御された励磁電圧を出力する励磁回路、及びこの励磁回路からの励磁電圧により界磁電流が印加される交流励磁可変速回転機の界磁回路の地絡故障を検出する地絡故障検出装置において、
前記励磁回路の中性点とグランドとの間に接続されたグランド抵抗と、前記グランド抵抗を介して前記グランドから前記中性点に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段により検出された電流に応じた検出信号から前記周波数及び／または振幅を制御するための基本波信号を抽出するフィルタ回路と、前記フィルタ回路により抽出された基本波信号の周期を測定し、測定した周期に応じた周期信号を出力する周期測定回路と、前記フィルタ回路により抽出された基本波信号の振幅を前記周期信号に応じて増幅する可変増幅回路と、前記可変増幅回路の出力と所定の基準値とを比較し、前記可変増幅回路の出力が前記所定の基準値を越えたとき、地絡故障検出信号を出力する比較回路とを含む地絡故障検出手段とを具備することを特徴とする地絡故障検出装置。 - 周波数及び／または振幅が制御された励磁電圧を出力する励磁回路、及びこの励磁回路からの励磁電圧により界磁電流が印加される交流励磁可変速回転機の界磁回路の地絡故障を検出する地絡故障検出装置において、
前記励磁回路の中性点とグランドとの間に接続されたグランド抵抗と、前記グランド抵抗を介して前記グランドから前記中性点に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段により検出された電流に応じた検出信号から前記周波数及び／または振幅を制御するための基本波信号を抽出するフィルタ回路と、前記フィルタ回路により抽出された基本波信号の周波数を測定し、測定した周波数に応じた周波数信号を出力する周波数測定回路と、所定の基準値を前記周波数信号の周波数に応じて可変する基準値可変回路と、前記フィルタ回路により抽出された基本波信号と基準値可変回路により可変された基準値とを比較し、前記基本波信号が前記可変された基準値を越えたとき、地絡故障検出信号を出力する比較回路とを含む地絡故障検出手段とを具備することを特徴とする地絡故障検出装置。 - 周波数及び／または振幅が制御された励磁電圧を出力する励磁回路、及びこの励磁回路からの励磁電圧により界磁電流が印加される交流励磁可変速回転機の界磁回路の地絡故障を検出する地絡故障検出装置において、
前記励磁回路の中性点とグランドとの間に接続されたグランド抵抗と、前記グランド抵抗を介して前記グランドから前記中性点に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段により検出された電流に応じた検出信号から前記励磁回路から出力される励磁電圧の周波数及び／または振幅を制御するための基本波信号を抽出するフィルタ回路と、前記周波数及び／または振幅が制御するための基本波信号を励磁回路より直接入力する基本波入力回路と、前記基本波入力回路より入力された基本波信号の周期を測定し、測定した周期に応じた周期信号を出力する周期測定回路と、前記フィルタ回路により抽出された基本波信号の振幅を前記周期信号に応じて増幅する可変増幅回路と、前記可変増幅回路の出力と所定の基準値とを比較し、前記可変増幅回路の出力が前記所定の基準値を越えたとき、地絡故障検出信号を出力する比較回路とを含む地絡故障検出手段とを具備することを特徴とする地絡故障検出装置。 - 周波数及び／または振幅が制御された励磁電圧を出力する励磁回路、及びこの励磁回路からの励磁電圧により界磁電流が印加される交流励磁可変速回転機の界磁回路の地絡故障を検出する地絡故障検出装置において、
前記励磁回路の中性点とグランドとの間に接続されたグランド抵抗と、前記グランド抵抗を介して前記グランドから前記中性点に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段により検出された電流に応じた検出信号から前記励磁回路から出力される励磁電圧の周波数及び／または振幅を制御するための基本波信号を抽出するフィルタ回路と、前記周波数及び／または振幅が制御するための基本波信号を励磁回路より直接入力する基本波入力回路と、前記基本波入力回路により入力された基本波信号の周波数を測定し、測定した周波数に応じた周波数信号を出力する周波数測定回路と、所定の基準値を前記周波数信号の周波数に応じて可変する基準値可変回路と、前記フィルタ回路により抽出された基本波信号と基準値可変回路により可変された基準値とを比較し、前記基本波信号が前記可変された基準値を越えたとき、地絡故障検出信号を出力する比較回路とを含む地絡故障検出手段とを具備することを特徴とする地絡故障検出装置。 - 周波数及び／または振幅が制御された励磁電圧を出力する励磁回路、及びこの励磁回路からの励磁電圧により界磁電流が印加される交流励磁可変速回転機の界磁回路の地絡故障を検出する地絡故障検出装置において、
前記励磁回路の中性点とグランドとの間に接続されたグランド抵抗と、前記グランド抵抗を介して前記グランドから前記中性点に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段により検出された電流に応じた検出信号から前記励磁回路から出力される周波数及び／または振幅を制御するための基本波信号を抽出するフィルタ回路と、前記周波数及び／または振幅が制御するための基本波信号を励磁回路より直接入力する基本波入力回路と、前記基本波入力回路により入力された基本波信号を監視する監視回路と、前記監視回路による監視結果に応じて、前記フィルタ回路により抽出された基本波信号と前記基本波入力回路により入力された基本波信号とを切換える切換回路と、前記切換回路により出力された基本波信号の周期を測定し、測定した周期に応じた周期信号を出力する周期測定回路と、前記フィルタ回路により抽出された基本波信号の振幅を前記周期信号に応じて増幅する可変増幅回路と、前記可変増幅回路の出力と所定の基準値とを比較し、前記可変増幅回路の出力が前記所定の基準値を越えたとき、地絡故障検出信号を出力する比較回路とを含む地絡故障検出手段とを具備することを特徴とする地絡故障検出装置。 - 周波数及び／または振幅が制御された励磁電圧を出力する励磁回路、及びこの励磁回路からの励磁電圧により界磁電流が印加される交流励磁可変速回転機の界磁回路の地絡故障を検出する地絡故障検出装置において、
前記励磁回路の中性点とグランドとの間に接続されたグランド抵抗と、前記グランド抵抗を介して前記グランドから前記中性点に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段により検出された電流に応じた検出信号から前記励磁回路から出力される周波数及び／または振幅を制御するための基本波信号を抽出するフィルタ回路と、前記周波数及び／または振幅が制御するための基本波信号を励磁回路より直接入力する基本波入力回路と、前記基本波入力回路により入力された基本波信号を監視する監視回路と、前記監視回路による監視結果に応じて、前記フィルタ回路により抽出された基本波信号と前記基本波入力回路により入力された基本波信号とを切換える切換回路と、前記切換回路により出力された基本波信号の周波数を測定し、測定した周波数に応じた周波数信号を出力する周波数測定回路と、所定の基準値を前記周波数信号の周波数に応じて可変する基準値可変回路と、前記フィルタ回路により抽出された基本波信号と基準値可変回路により可変された基準値とを比較し、前記基本波信号が前記可変された基準値を越えたとき、地絡故障検出信号を出力する比較回路と比較回路とを含む地絡故障検出手段とを具備することを特徴とする地絡故障検出装置。 - 請求項１、３または５記載の地絡故障検出装置おいて、前記地絡故障検出手段が、前記周期測定回路から周期信号を入力し、入力した周期信号の周期が所定の上限値以上であるときには入力した周期信号の周期を固定の上限値に制限し、入力した周期信号の周期が所定の下限値以下であるときには入力した周期信号の周期を固定の下限値に制限し、制限した周期信号を前記可変増幅回路に出力する振幅制限回路をさらに具備することを特徴とする地絡故障検出装置。
- 請求項２、４または６記載の地絡故障検出装置おいて、前記地絡故障検出手段が、前記周波数測定回路から周波数信号を入力し、入力した周波数信号の周波数が所定の上限値以上であるときには入力した周波数信号の周波数を固定の上限値に制限し、入力した周波数信号の周波数が所定の下限値以下であるときには入力した周波数信号の周波数を固定の下限値に制限し、制限した周波数信号を前記基準値可変回路に出力する周波数制限回路をさらに具備することを特徴とする地絡故障検出装置。
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