JP4734177B2 - 三相３線式電路の漏電検出装置及び漏電検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、デルタ結線された三相３線式電路の漏電電流（対地絶縁抵抗を介して大地に漏れる電流）を検出する漏電検出装置及び漏電検出方法に関する。

三相３線式電路の漏電電流を検出する検出装置として、本発明者等は特許文献１に示す技術を提案した。これは、デルタ結線（Δ結線）された三相３線式電路において、Ｂ種接地抵抗及び対地静電容量が比較的大きい電路であっても漏電電流を確実に検知する技術であり、零相電流とＢ種接地抵抗を変数とする所定の演算により感度基準値を求め、三相３線式電路の非接地線間電圧位相が０°又は１８０°の時の零相電流瞬時値が感度基準値以上のとき、設定感度電流以上の漏電電流発生と判断するものであった。また、感度基準値に対する前記零相電流瞬時値の比に応じて現在の漏電電流値を認識するものであった。
特開２００４−２４２４０４号公報

上記特許文献１の技術は、漏電検出装置の設定感度に等しい漏電電流の検出を精度良く行うものであった。そのため、設定した感度電流以上の漏電発生を監視するという主機能には特に問題のないものであった。しかしながら、Ｂ種接地抵抗及び対地静電容量が特に大きい電路において、実際の漏電が発生していなくても（漏電電流が０ｍＡであっても）数ｍＡ以上の漏電があるように検出する特性があった。これは、容量性漏洩電流（対地静電容量を介して大地に漏れる電流）がＢ種接地抵抗に流れる事により、電路の対地電圧位相が変化するためであった。このため、漏電電流を計測するような用途には電路条件によっては誤差が大きくなる場合があった。

そこで、本発明はこのような問題点に鑑み、三相３線式電路において、Ｂ種接地抵抗及び対地静電容量が大きくても、漏電電流を広範囲にわたり精度良く検出できる漏電検出装置及び漏電検出方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する為に、請求項１の発明に係る三相３線式電路の漏電検出装置は、三相３線式電路を流れる零相電流を検出する零相電流検出手段と、基準電圧波形のゼロクロス点を検出する電圧ゼロクロス点検出手段と、零相電流波形のゼロクロス点を検出する電流ゼロクロス点検出手段と、Ｂ種接地抵抗値入力手段と、前記各手段からの情報を基に漏電電流を演算する漏電演算手段とを有し、前記漏電演算手段は、零相電流検出値と予め入力されたＢ種接地抵抗値を変数とする演算により基準電圧に対する容量性漏洩電流の位相差を求める容量性漏洩電流位相演算部と、基準電圧ゼロクロス点情報と零相電流ゼロクロス点情報から基準電圧に対する零相電流の位相差を求める零相電流位相演算部と、求めた容量性漏洩電流の位相差及び零相電流の位相差と前記零相電流検出値とを変数とする演算により、漏電電流を求める漏電電流演算部とを備えたことを特徴とする。
この構成により、基準電圧に対する容量性漏洩電流の位相差を求め、その位相差で零相電流位相を補正して漏電電流を求めるので、Ｂ種接地抵抗及び対地静電容量が大きな電路であっても、漏電電流を広範囲にわたり精度良く求めることができる。

請求項２の発明は、請求項１に記載の発明において、容量性漏洩電流位相の演算は、Ｂ種接地抵抗値（Ｒｅ）と、零相電流実効値（Ｉｏｒｍｓ）を基に、次式に基づく演算を実施して基準電圧に対する容量性漏洩電流の位相差（φｃＤ）を求めることを特徴とする。
φｃＤ＝Ｒｅ×（Ａ×Ｉｏｒｍｓ^３＋Ｂ×Ｉｏｒｍｓ^２＋Ｃ×Ｉｏｒｍｓ＋Ｄ）
但し、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは所定の定数である。
この構成により、基準電圧に対する容量性漏洩電流の位相差をＢ種接地抵抗値と零相電流を変数とする式により演算するので精度良く求めることができる。

請求項３の発明に係る三相３線式電路の漏電検出方法は、三相３線式電路を流れる零相電流を検出する零相電流検出ステップと、基準電圧波形のゼロクロス点を検出する電圧ゼロクロス点検出ステップと、零相電流波形のゼロクロス点を検出する電流ゼロクロス点検出ステップと、Ｂ種接地抵抗値入力ステップと、前記各ステップの情報を基に漏電電流を演算する漏電演算ステップとを有し、前記漏電演算ステップは、零相電流検出値とＢ種接地抵抗値を変数とする演算により基準電圧に対する容量性漏洩電流の位相差を求める容量性漏洩電流位相演算ステップと、基準電圧ゼロクロス点情報と零相電流ゼロクロス点情報から基準電圧に対する零相電流の位相差を求める零相電流位相演算ステップと、求めた容量性漏洩電流の位相差及び零相電流の位相差と前記零相電流検出値とを変数とする演算により、漏電電流を求める漏電電流演算ステップとを有することを特徴とする。
この方法により、基準電圧に対する容量性漏洩電流の位相差を求め、その位相差で零相電流位相を補正して漏電電流を求めるので、Ｂ種接地抵抗及び対地静電容量が大きな電路であっても、漏電電流を広範囲にわたり精度良く求めることができる。

本発明によれば、Ｂ種接地抵抗及び対地静電容量が大きな電路であっても、漏電電流を広範囲にわたり高精度で検出することができる。

以下、本発明を具体化した実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る漏電検出装置の一例を示す回路ブロック図であり、Δ結線された三相３線式電路の漏電検出装置を示している。図１において、１はＢ種接地線１０を流れる零相電流を検出する零相電流検出手段としての零相変流器（ＺＣＴ）、２は接地抵抗値を入力する入力装置、３は漏電発生を報知する警報装置、４は漏電電流値を表示する表示装置、５は漏電演算手段としてのマイクロコンピュータ（以下、単にマイコンと称する）を示している。

また、６は検出した零相電流を増幅する増幅回路、７はＡ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ）、８は零相電流波形のゼロクロス点を検出する電流ゼロクロス点検出回路（電流ゼロクロス点検出手段）、９は基準電圧波形のゼロクロス点を検出する電圧ゼロクロス点検出回路（電圧ゼロクロス点検出手段）を示している。

尚、ここでは、Ｒ，Ｓ，Ｔ相の三相のうちＳ相がＢ種接地されているものとし、非接地相であるＴ相−Ｒ相間の電圧Ｖｔｒを基準電圧としている。

マイコン５は、動作説明のために演算データ（演算情報）及び各演算をブロックで示し、データの流れを矢印で示している。１１は入力装置２により入力された接地抵抗（Ｒｅ）のデータ、１２は基準電圧（Ｖｔｒ）に対する零相電流（Ｉｏ）の位相差（φ）を演算する零相電流位相演算部、１３は零相電流実効値（Ｉｏｒｍｓ）を演算する零相電流演算部、１４は基準電圧（Ｖｔｒ）に対する容量性漏洩電流（Ｉｇｃ）の位相差（φｃＤ）を演算する容量性漏洩電流位相演算部、１５は漏電電流（Ｉｇｒ）を演算する漏電電流演算部、１６は求めた漏電電流（Ｉｇｒ）を感度電流（Ｉｓ）と比較して警報信号を生成する警報信号生成部を示している。但し、ここで示している各演算部は実際にはプログラムにより実施される。

零相変流器１で検出した零相電流Ｉｏは、Ａ／Ｄコンバータ７を介して零相電流データとしてマイコン５に入力される。また、電流ゼロクロス点検出回路８は、零相電流Ｉｏを波形処理して電流ゼロクロスタイミング信号を生成し、マイコン５に出力する。更に、電圧ゼロクロス点検出回路９は、基準電圧Ｖｔｒを波形処理して電圧ゼロクロスタイミング信号を生成し、マイコン５に出力する。

こうして入力されたデータを基に、マイコン５は具体的に次のような演算を実施する。先ず、電圧ゼロクロス点検出回路９及び電流ゼロクロス点検出回路８からの二つのゼロクロスタイミング信号の時間差を計時し、基準電圧Ｖｒｔに対する零相電流Ｉｏの位相差φを演算する。また、零相電流データを基に、実効値演算プログラムにより零相電流実効値Ｉｏｒｍｓを演算する。
そして、求めた零相電流実効値Ｉｏｒｍｓと、入力された接地抵抗Ｒｅデータを基に、数１に示す演算式から成る容量性漏洩電流位相差演算プログラムにより、基準電圧Ｖｔｒに対する容量性漏洩電流の位相差φｃＤが求められる。

こうして求められた零相電流実効値Ｉｏｒｍｓと、基準電圧Ｖｔｒに対する零相電流Ｉｏの位相差φと、基準電圧Ｖｔｒに対する容量性漏洩電流の位相差φｃＤを基に、数２に示す演算式から成る漏電電流演算プログラムにより漏電電流Ｉｇｒが求められる。

尚、上記演算式の０．８６６はｃｏｓ３０°を数値化した値である。
マイコン５は、こうして求めた漏電電流Ｉｇｒの演算結果を表示装置４に出力し、表示装置４はこの漏電電流Ｉｇｒの数値を表示する。演算結果が設定された感度電流Ｉｓよりも大きい場合、警報信号生成プログラムによりこれを検出し、マイコン５は警報信号を出力する。警報装置３は、この信号を受けて警報動作する。

ここで、上記の漏電電流を求める方法の根拠を説明する。三相３線式電路の各相の対地静電容量及び電圧が平衡していると共に、Ｓ相がＢ種接地され、このＢ種接地抵抗Ｒｅの値が０Ωとすると、容量性漏洩電流Ｉｇｃ（各相の容量性漏洩電流の合成値）は基準電圧Ｖｔｒと同相で流れる。しかし、Ｂ種接地抵抗Ｒｅが大きくなるに従い、容量性漏洩電流Ｉｇｃが基準電圧Ｖｔｒから遅れるようになる。通常は、三相３線式電路において零相電流成分の大部分は容量性漏洩電流成分であるため、この「遅れ角」を加味して漏電電流Ｉｇｒを演算する必要が生ずる。

次に、この「遅れ角」について説明する。先ず、条件として各相の対地静電容量及び電圧が平衡していると共に、Ｓ相がＢ種接地され、５０ｍＡの漏電電流ＩｒｇがＲ相又はＴ相でのみ発生中であるとする。この条件で、Ｂ種接地抵抗Ｒｅが０Ω、５０Ω、１００Ω、１５０Ωの各場合で、漏電電流Ｉｇｒと容量性漏洩電流Ｉｇｃの合成電流である零相電流Ｉｏの実効値が５０ｍＡ、１００ｍＡ、１５０ｍＡ、２００ｍＡとなる対地静電容量、及び絶縁抵抗条件を設定し、そのときの容量性漏洩電流Ｉｇｃの基準電圧Ｖｔｒに対する位相差φｃＤを計算すると、図２のようになる。

上記数１に示す演算式、即ち容量性漏洩電流Ｉｇｃの基準電圧Ｖｔｒに対する「遅れ角」である容量性漏洩電流の位相差φｃＤの演算式は、この図２のデータを基に補間法を用いて求めた近似式となっている。尚、図２では、Ｒ相、Ｔ相漏電での容量性漏洩電流Ｉｇｃの基準電圧Ｖｔｒに対する遅れ位相差φｃＤの差は僅かであるので、計算値はそれらの平均値としている。

また、図３は、Ｂ種接地抵抗Ｒｅ及び対地静電容量がある程度大きい三相３線式電路において、Ｒ相及びＴ相で漏電が発生した場合の各電圧と電流の関係を示すベクトル図を示している。ここでは、両者の零相電流Ｉｏ及び漏電電流Ｉｇｒを等しくしている。
Ｂ種接地抵抗Ｒｅが０Ωの場合、Ｒ相漏電時の漏電電流Ｉｇｒの位相は線間電圧Ｖｒｓと同相であり、Ｔ相漏電時の漏電電流Ｉｇｒの位相は線間電圧Ｖｒｓより６０°の進みであり、容量性漏洩電流Ｉｇｃの位相は基準電圧Ｖｔｒと同相である。そして、零相電流Ｉｏベクトルの基準電圧Ｖｔｒから９０°遅れの仮想電圧ベクトルへの投影値が漏電電流Ｉｇｒの８６．６％の大きさに相当する。

そして、図３に示すように、対地静電容量がある程度大きい場合、Ｂ種接地抵抗Ｒｅが大きくなるに従い、何れの電流位相もＢ種接地抵抗Ｒｅが０Ωの時に比べて遅れるようになる。また、零相電流Ｉｏ及び漏電電流Ｉｇｒが等しければ、漏電相に拘わらず容量性漏洩電流Ｉｇｃの基準電圧Ｖｔｒに対する位相差φｃＤはわずかであり、零相電流Ｉｏの位相を容量性漏洩電流Ｉｇｃの基準電圧Ｖｔｒに対する位相差φｃＤ分進めたベクトルの上記仮想電圧ベクトルへの投影値が漏電電流Ｉｇｒの８６．６％の大きさにほぼ等しいことが理解できる。

また、図４は零相電流Ｉｏを２００ｍＡとして上記各式を用いて演算により求めた漏電電流Ｉｇｒ（横軸）と、実際の漏電電流Ｉｇｒ（縦軸）を比較した表図を示している。
この図４から、Ｂ種接地抵抗Ｒｅが５０Ωであっても、演算値は僅かな誤差しか生じないことがわかる。

このように、基準電圧に対する容量性漏洩電流の位相差を求め、その位相差で補正した零相電流ベクトルを用いて漏電電流を求めるので、Ｂ種接地抵抗及び対地静電容量が大きな電路であっても、漏電電流を広範囲にわたり精度良く求めることができる。また、容量性漏洩漏洩電流の位相差を、Ｂ種接地抵抗値と零相電流値とを変数とする式により演算するので精度良く求めることができる。

本発明に係る三相３線式電路の漏電検出装置の実施形態の一例を示すブロック図である。 容量性漏洩電流の位相差φｃＤの変化を示す特性図である。 容量性漏洩電流の位相差φｃＤを説明するベクトル図であり、（ａ）はＲ相で漏電が発生した場合、（ｂ）はＴ相で漏電が発生した場合を示している。 本発明の演算により求めた漏電電流と、実際の漏電電流の比較図である。

符号の説明

１・・零相変流器（零相電流検出手段）、２・・入力装置（接地抵抗値入力手段）、５・・マイクロコンピュータ（漏電演算手段）、８・・電流ゼロクロス点検出回路（電流ゼロクロス点検出手段）９・・電圧ゼロクロス点検出回路（電圧ゼロクロス点検出手段）、１０・・Ｂ種接地線、１３・・零相電流実効値演算部、１４・・容量性漏洩電流位相演算部、１５・・漏電電流演算部、１６・・警報信号生成部。

Claims (3)

1. 三相３線式電路を流れる零相電流を検出する零相電流検出手段と、基準電圧波形のゼロクロス点を検出する電圧ゼロクロス点検出手段と、零相電流波形のゼロクロス点を検出する電流ゼロクロス点検出手段と、Ｂ種接地抵抗値入力手段と、前記各手段からの情報を基に漏電電流を演算する漏電演算手段とを有し、
   前記漏電演算手段は、零相電流検出値と予め入力されたＢ種接地抵抗値を変数とする演算により基準電圧に対する容量性漏洩電流の位相差を求める容量性漏洩電流位相演算部と、
   基準電圧ゼロクロス点情報と零相電流ゼロクロス点情報から基準電圧に対する零相電流の位相差を求める零相電流位相演算部と、
   求めた容量性漏洩電流の位相差及び零相電流の位相差と前記零相電流検出値とを変数とする演算により、漏電電流を求める漏電電流演算部とを備えたことを特徴とする三相３線式電路の漏電検出装置。
2. 容量性漏洩電流位相の演算は、Ｂ種接地抵抗値（Ｒｅ）と、零相電流実効値（Ｉｏｒｍｓ）を基に、次式に基づく演算を実施して基準電圧に対する容量性漏洩電流の位相差（φｃＤ）を求める請求項１記載の漏電検出装置。
   φｃＤ＝Ｒｅ×（Ａ×Ｉｏｒｍｓ^３＋Ｂ×Ｉｏｒｍｓ^２＋Ｃ×Ｉｏｒｍｓ＋Ｄ）
   但し、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは所定の定数である。
3. 三相３線式電路を流れる零相電流を検出する零相電流検出ステップと、基準電圧波形のゼロクロス点を検出する電圧ゼロクロス点検出ステップと、零相電流波形のゼロクロス点を検出する電流ゼロクロス点検出ステップと、Ｂ種接地抵抗値入力ステップと、前記各ステップの情報を基に漏電電流を演算する漏電演算ステップとを有し、
   前記漏電演算ステップは、零相電流検出値とＢ種接地抵抗値を変数とする演算により基準電圧に対する容量性漏洩電流の位相差を求める容量性漏洩電流位相演算ステップと、
   基準電圧ゼロクロス点情報と零相電流ゼロクロス点情報から基準電圧に対する零相電流の位相差を求める零相電流位相演算ステップと、
   求めた容量性漏洩電流の位相差及び零相電流の位相差と前記零相電流検出値とを変数とする演算により、漏電電流を求める漏電電流演算ステップとを有することを特徴とする三相３線式電路の漏電検出方法。

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