JP5140012B2

JP5140012B2 - 漏電テスト装置及びこれを備えた漏電遮断器、回路遮断器、漏電監視装置

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Publication number: JP5140012B2
Application number: JP2009013342A
Authority: JP
Inventors: 貢森
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-01-23
Filing date: 2009-01-23
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2029-01-23
Also published as: EP2211437A2; CN101788602B; EP2211437B1; EP2211437A3; JP2010170902A; CN101788602A

Description

この発明は、漏電検出装置の動作を点検するためのテスト信号を生成する漏電テスト装置と、この漏電テスト装置を備えた漏電遮断器、回路遮断器、漏電監視装置に関する。

特許文献１に示された従来の漏電遮断器の漏電テスト装置は、交流電路の線間にテストスイッチ、テスト抵抗および零相変流器のテスト巻線を直列に接続し、テストスイッチを閉じると交流電路からテストスイッチ及びテスト抵抗を通して零相変流器のテスト巻線に漏電検出テスト用擬似漏洩電流であるテスト電流を流しており、このテスト電流は交流電路の線間電圧とほぼ同位相の交流波形である。

漏洩電流には、対地静電容量に起因する漏洩電流Ｉ_０ｃと対地絶縁抵抗に起因する漏洩電流Ｉ_０ｒがあり、零相変流器の出力はこれらがベクトル合成された漏洩電流Ｉ_０となる。従来の漏電遮断器などの漏電検出装置では、ベクトル合成された漏洩電流Ｉ_０の大きさを検出しているため、前記の従来の漏電遮断器の漏電テスト装置で発生された交流電路の両端電圧と同位相の交流波形でテスト動作が可能であった。

漏電遮断器等で保護しようとする漏電火災等を引き起こす原因は絶縁抵抗の劣化であるため、この対地絶縁抵抗に起因する漏洩電流Ｉ_０ｒを検出すればより正確な漏電保護が可能となる。漏洩電流Ｉ_０ｒを検出する漏電検出装置は、特許文献２に示されるように、零相変流器の出力の大きさだけではなく、電路電圧との位相差などから演算により漏洩電流Ｉ_０ｒを算出する必要がある。

特開平５−１８２５７９号公報特許第４１５９５９０号公報

前記のような漏洩電流Ｉ_０ｒを検出する漏電検出装置においては、漏洩電流Ｉ_０ｒは絶縁劣化する相により測定する電路電圧との位相が異なるため、テスト動作させるためには、測定する交流電路電圧を考慮した漏洩電流Ｉ_０ｒ成分を含むテスト電流を流す必要がある。
しかしながら、従来の漏電遮断器などの漏電テスト装置では、交流電路から取り込んだ電圧と同位相のテスト電流となるため、交流電路の配線方式によっては、漏洩電流Ｉ_０ｒが演算できない位相のテスト電流が流れるため、漏電検出装置のテスト動作ができないという課題があった。

この発明は、前述のような課題を解決するためになされたもので、対地絶縁抵抗に起因する漏電電流Ｉ_０ｒを検出する漏電検出装置に内蔵される漏電テスト装置及びこれを備えた漏洩遮断器、回路遮断器、漏電監視装置を得ることを目的とするものである。

この発明は、交流電路に挿入された零相変流器の出力から対地絶縁抵抗に起因する漏電電流Ｉ_０ｒを検出する漏電検出装置内に設けられ、漏電検出動作点検用のテスト信号を生成する漏電テスト装置において、前記テスト信号として、前記交流電路の電圧と同一周期を持ち、かつ前記交流電路の配線方式に応じて位相が選択的に切換えられた信号を発生するテスト信号発生部を備えたものである。

この発明によれば、交流電路から取り込まれた電圧信号と交流電路の配線方式に応じてテスト電流の位相を選択的に切換えることができるので、対地絶縁抵抗に起因する漏洩電流Ｉ_０ｒを検出する漏電検出装置のテスト動作を確実に行うことができる。

この発明の実施の形態１に係る漏電遮断器を示すブロック回路図である。図１のテスト信号発生部の動作を示すフローチャートである。図１のテスト信号発生部の入力電圧と生成されたテスト信号の関係を示す波形図である。実施の形態１に係る漏電遮断器の単相電路での漏洩電流と電圧の関係を示すベクトル図である。実施の形態１に係る漏電遮断器の三相Δ結線Ｓ相接地電路での各相の電圧の関係を示すベクトル図である。実施の形態１に係る漏電遮断器の三相Δ結線Ｓ相接地電路での定常状態の電圧と漏洩電流の関係を示すベクトル図である。実施の形態１に係る漏電遮断器の三相Δ結線Ｓ相接地電路でのＴ相地絡の場合の漏洩電流と電圧の関係を示すベクトル図である。実施の形態１に係る漏電遮断器の三相Δ結線Ｓ相接地電路でのＲ相地絡の場合の漏洩電流と電圧の関係を示すベクトル図である。実施の形態１に係る漏電遮断器の三相Δ結線Ｓ相接地電路でのテスト信号の位相をＲ−Ｔ電圧と同位相とした場合のテスト電流、漏洩電流及び電圧の関係を示すベクトル図である。実施の形態１に係る漏電遮断器の三相Δ結線Ｓ相接地電路でのテスト信号の位相をＲ−Ｔ電圧から９０°ずらした場合のテスト電流、漏洩電流及び電圧の関係を示すベクトル図である。この発明の実施の形態２に係る回路遮断器を示すブロック回路図である。この発明の実施の形態３に係る絶縁監視装置を示すブロック回路図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る漏電テスト装置が内蔵された漏電遮断器１００を示すブロック回路図である。図１において、回路遮断器１００の開閉接点２は、三相（Ｒ相，Ｓ相，Ｔ相）の交流電路１に接続されており、引きはずし装置１１が動作すると開路して交流電路１を遮断する。零相変流器３は、交流電路１に発生した漏洩電流またはテスト巻線３ｂに流れる擬似漏洩電流に比例した電流信号を２次巻線３ａに出力する。電源回路６は交流電路１に接続され漏電遮断器１００の電源電圧を発生する。

漏電検出装置２００において、漏洩電流入力回路４は零相変流器３の２次巻線３ａの出力電流を、電圧入力回路５は交流電路１から取り込まれた電圧を、それぞれＡ／Ｄ変換部７でＡ／Ｄ変換可能な電圧信号に変換する。Ａ／Ｄ変換部７は漏洩電流入力回路４および電圧入力回路５の出力信号を、周期計測部８で計測された電路電圧の周期に応じたサンプリング周期によってＡ／Ｄ変換を実施する。
漏洩電流演算部９はＡ／Ｄ変換された電圧および漏洩電流信号と、電路設定切換スイッチ１６に接続された電路設定切換回路１７で設定された電路設定値とから、対地絶縁抵抗に起因する漏洩電流Ｉ_０ｒを算出する。
漏電判定部１０は算出された漏洩電流Ｉ_０ｒと、感度電流切換スイッチ１８に接続された感度電流切換回路１９で設定された感度電流値と、動作時間切換スイッチ２０に接続された動作時間切換回路２１で設定された動作時間とから漏電を判定し、漏電と判定した場合に信号を出力する。漏電判定部１０から出力された信号により引きはずし装置１１が動作する。
一方、周期計測部８は電圧入力回路５からの電圧信号のゼロクロスポイントのタイミングを算出し、電路電圧の周期を計測する。

なお、漏洩電流演算部９の概要を説明すると、次のとおりである（詳細は特許第４１４３４６３号公報参照）。
漏洩電流演算部９による漏洩電流Ｉ_０ｒは、交流電路１の高調波の周波数に依らず一定であり、対地静電容量は、交流電路１の高調波の周波数に反比例する特性があり、対地静電容量による漏れ電流Ｉｃ（Ｉｃｌ、Ｉｃｍの合成）の量の比は、漏れ電流の次数（第Ｌ次高調波ならＬ，第Ｍ次高調波ならＭ）に依存するため、次の式（１）の関係が成立する。
Ｉｃｌ：Ｌ＝Ｉｃｍ：Ｍ・・（１）
但し、Ｉｃｌ：第Ｌ次高調波漏れ電流成分
Ｉｃｍ：第Ｍ次高調波漏れ電流成分

また、漏れ電流ベクトルを電流Ｉｒ及びＩｃに分離すると平行四辺形となり、各漏れ電流ベクトルＩ０ｌ、Ｉ０ｍ及びＩｒの終点は一つの直線上に乗る。この平行四辺形より、Ｉ０ｌ及びＩ０ｍの終点をそれぞれ通りＩｒと平行な補助線を２本引いたとき、原点を通る任意の直線が上記２本の補助線にて切り取られる長さも、漏れ電流の次数に比例する。そして、以上の関係を満足するｘ（基準相と対地絶縁抵抗による漏れ電流Ｉｒとの位相差）は、一意に決定することができる。

具体的に以上の関係を用いて解析すると電流Ｉｒと基準相との間の位相差ｘは、ｘ＋９０＝ｘ’とおいて、次の式（２）にて得ることが可能である。
ｘ’＝９０＋ａｒｃＴａｎ｛（ａ×Ｍ×Ｉ０ｌ−ｂ×Ｌ×Ｉ０ｍ）／｛ｃ×Ｍ×Ｉ０ｌ−ｄ×Ｌ×Ｉ０ｍ｝｝・・（２）
但し、
ａ＝ｃｏｓ（９０−θｌ）・・（３）
ｂ＝ｃｏｓ（９０−θｍ）
ｃ＝ｓｉｎ（９０−θｌ）
ｄ＝ｓｉｎ（９０−θｍ）

式（２）より、基準相とＩｒとの位相差ｘを得ることができ、漏れ電流Ｉ０ｌ（基準値）と位相差θｌ、θｍ及びｘと各漏れ電流の次数（Ｌ、Ｍ）より大きさ｜Ｉｒ｜を求めることができる。
｜Ｉｒ｜＝｛（｜Ｉ０ｌ｜×Ｃｏｓ（ｘ’−θｌ）×Ｍ）／（Ｍ−Ｌ）｝×｛Ｔａｎ（ｘ’−θｌ）− Ｔａｎ（ｘ’−θｍ）｝・・（４）
以上より、電流Ｉｒと基準相（Ｓ相）の電圧との位相差ｘ及び電流Ｉｒの大きさを求めることができる。

位相差ｘを用いて、電流Ｉｒを交流電路１の３相のうち２相のＳ及びＴ相に分離することで、Ｓ及びＴ相での対地絶縁抵抗による第Ｌ次高調波電圧Ｖｌに対する漏れ電流を算出することができる。ここに、第Ｌ次高調波電圧Ｖｌは、上記正規化の基準にした基本波又は高調波の電圧値であり、バンドパスフィルタを介して電圧測定器から得られた値である。そして、第Ｌ次高調波電圧Ｖｌを上記Ｓ及びＴ相に分離された各漏れ電流で除算することにより、交流電路１のＳ，Ｔ相の対地絶縁抵抗を求めることができる。なお、基準とする電圧として第Ｍ次高調波電圧Ｖｍを正規化（Ｖｌ／Ｖｍ倍）した電圧（＝Ｖｌ）を用い、上記Ｓ及びＴ相に分離された各漏れ電流で除算することにより求めても良い。

漏電検出装置２００内に設けられた漏電テスト装置３００において、テスト信号発生部１２は、テスト入力回路１５または通信回路２２からテスト入力があった場合に、電路電圧の周期と同一の周期を持ち、かつ交流電路１から取り込まれた測定電圧と任意の位相差を持ったテスト信号を発生させる。
またテスト信号発生部１２は、テスト信号の電路から取り込まれた測定電圧との位相差を電路設定切換回路１７で設定された電路設定値に応じて選択的に切換えることができる。発生したテスト信号はテスト電流増幅回路１３により増幅され、零相変流器３のテスト巻線３ｂに擬似漏洩電流が流れる。

テスト信号発生部１２は、漏電判定部１０が漏電と判定し信号を出力すると、テスト信号の発生を停止する。

図２は、テスト信号発生部１２のテスト信号生成までの判定処理であり、処理Ｓ1でテ
スト入力の有無によりテスト信号の発生を判定し、処理Ｓ２で電路設定値により処理Ｓ３（テスト信号生成処理Ａ）または処理Ｓ4（テスト信号生成処理Ｂ）の選択を実施してい
る。

図３は、処理Ｓ３のテスト信号生成処理Ａ及び処理Ｓ４のテスト信号生成処理Ｂで生成されるテスト信号波形と入力される電圧信号との関係を示した図である。電圧波形のゼロ
クロスポイントは周期計測部８で算出されており、このゼロクロスポイントを基準にテスト信号波形を生成する。

例えば電路が単相２線の場合、電圧と漏洩電流の関係は図４のようになり、漏洩電流Ｉ_０ｒは抵抗成分に流れる電流であるため電圧に対しての位相差は０°となり、漏洩電流Ｉ_０ｃは静電容量成分に流れる電流であるため電圧に対しての位相差は９０°となる。擬似漏洩電流となるテスト電流を電圧に対して０°に近い位相差とすることで漏洩電流Ｉ_０ｒ成分が大きくなり、テスト動作が可能となる。電圧に対して９０°に近い位相差のテスト電流であると漏洩電流Ｉ_０ｒ成分がほぼ０となるため、漏洩電流Ｉ_０ｒを検出することができない。
そこで、電路設定が単相や三相Ｙ結線の場合は、テスト信号生成処理Ｂで電圧波形と同位相のテスト信号波形を生成する。

電路が例えばＳ相接地の三相Δ結線の場合、各相間の電圧の関係は図５に示すようになり、絶縁劣化や漏電事故等が発生していない定常状態の電圧と漏洩電流の関係は図６のようになる。ここで、Ｔ相の絶縁劣化が起こった場合は図７のようになり、基準電圧をＲ−Ｔ電圧とすると漏洩電流Ｉ_０ｒの位相は１２０°となり、漏洩電流Ｉ_０ｃが１８０°となる。同様にＲ相の絶縁劣化が起こった場合は図８のようになり、基準電圧をＲ−Ｔ電圧とすると漏洩電流Ｉ_０ｒの位相は６０°となり、漏洩電流Ｉ_０ｃが１８０°となる。Ｓ相接地の場合の漏洩電流Ｉ_０ｒ検出手段としては、Ｒ相及びＴ相どちらの絶縁劣化による漏電も検出する必要があるため、測定電圧をＲ−Ｔ電圧とした場合では測定電圧のＲ−Ｔ電圧と垂直となる成分を求めればＲ相及びＴ相どちらの絶縁劣化による漏電も検出可能となる。

テスト信号を測定電圧のＲ−Ｔ電圧と同位相とすると、零相変流器３から出力される擬似漏洩電流はテスト電流と漏洩電流Ｉ_０ｃの合成となり図９のようなベクトル関係になる。Ｒ−Ｔ電圧と垂直となる成分は０となるため漏洩電流Ｉ_０ｒとしては測定することはできず、いくらテスト電流を大きくしても漏電テスト動作ができない。

そこで、テスト信号生成処理Ａで測定電圧から６０〜１２０°位相をずらしたテスト信号波形を生成する。これにより、動作に十分な漏洩電流Ｉ_０ｒ成分を含む擬似漏洩電流が流れ漏電テスト動作が可能となる。図１０は測定電圧から９０°位相をずらしたテスト信号とした場合のベクトル図である。零相変流器３から出力される擬似漏洩電流はテスト電流と漏洩電流Ｉ_０ｃの合成となり、Ｒ−Ｔ電圧と垂直となる成分はテスト電流と同じ値となる。よってＲ相及びＴ相どちらの漏洩電流Ｉ_０ｒとも判断することでき、テスト動作が可能となる。

本実施の形態によれば、交流電路１から取り込まれた電圧信号と任意の電路設定に応じてテスト信号発生部１２により、テスト電流の位相を選択的に切換えることができるので、対地絶縁抵抗に起因する漏洩電流Ｉ_０ｒを検出する漏電遮断器１００における漏電検出装置２００のテスト動作を確実に行うことができる。

実施の形態２．
図１１はこの発明の実施の形態２に係る回路遮断器４００を示すブロック回路図である。
実施の形態１ではテスト信号の位相を電路設定切換回路１７で設定された電路設定値に応じて選択的に切換えるように構成したが、本実施の形態２では、図１１に示すようにＡ／Ｄ変換された各相の電圧信号より交流電路１の状態を判定する電路状態判定部２３を設けることで、外部から電路設定を切換える必要がなくなる。

電路状態判定部２３では、Ａ／Ｄ変換された各線間の電圧信号からベクトルを算出し、そこから各線間電圧の位相差を演算することで、単相、三相の電路状態を判定する。
また、漏電判定部１０の出力により動作するリレー出力部２４を備え、漏電を検出したとき漏電警報リレー出力を発生させて漏電警報リレー出力付き回路遮断器として動作させることができる。

さらに実施の形態１では発生したテスト信号はテスト電流増幅回路１３により増幅され、零相変流器３のテスト巻線３ｂに流れるよう構成したが、テスト信号を漏洩電流入力回路４へ入力する構成とすることで、零相変流器３のテスト巻線３ｂが廃止でき、配線も不要とできる。

本実施の形態２によれば、交流電路１の各相の電圧信号より交流電路１の状態を判定する電路状態判定部２３を設けたので、外部から電路設定を切換える必要がなく、設定が簡単となる。

実施の形態３．
図１２はこの発明の実施の形態３に係る絶縁監視装置５００を示すブロック回路図である。
実施の形態１及び２では、漏電検出装置２００を回路遮断器に適用した例を示したが、図１２に示すように、漏電を検出したとき、出力回路２９によりリレー出力を出力する絶縁監視装置として用いてよく、実施の形態１及び２と同様の効果を有するものである。

本実施の形態３によれば、交流電路１から取り込まれた電圧信号と任意の電路設定に応じてテスト信号発生部１２により、テスト電流の位相を選択的に切換えることができるので、対地絶縁抵抗に起因する漏洩電流Ｉ_０ｒを検出する絶縁監視装置５００における漏電検出装置２００のテスト動作を確実に行うことができる。

なお、本実施の形態３では、実施の形態１と同様に電路設定回路１７を備えた絶縁監視装置を示したが、実施の形態２と同様に交流電路１の各相の電圧信号より交流電路１の状態を判定する電路状態判定部２３を設ければ、外部から電路設定を切換える必要がなく、設定が簡単となる。

また、本実施の形態３では、実施の形態１と同様に発生したテスト信号はテスト電流増幅回路１３により増幅され、零相変流器３のテスト巻線３ｂに流れるよう構成したが実施の形態２と同様に、テスト信号を漏洩電流入力回路４へ入力する構成とすることで、零相変流器３のテスト巻線３ｂが廃止でき、配線も不要とできる。

１交流電路、２開閉接点、３零相変流器、３ａ２次巻線、３ｂテスト巻線、４
漏洩電流入力回路、５電圧入力回路、６電源回路、７Ａ／Ｄ変換部、
８周期計測部、９漏洩電流演算部、１０漏電判定部、１１引きはずし回路、１２テスト信号発生部、１３テスト電流増幅回路、１４テストスイッチ、
１５テスト入力回路、１６電路設定切換スイッチ、１７電路設定切換回路、
１８感度電流切換スイッチ、１９感度電流切換回路、２０動作時間切換スイッチ、２１動作時間切換回路、２２通信回路、２３電路状態判定部、２４リレー出力部、２５出力回路
１００漏電遮断器、２００漏電検出装置、３００漏電テスト装置、４００回路遮断器、５００絶縁監視装置。

Claims

交流電路に挿入された零相変流器の出力から対地絶縁抵抗に起因する漏電電流Ｉ_０ｒを検出する漏電検出装置内に設けられ、漏電検出動作点検用のテスト信号を生成する漏電テスト装置において、前記テスト信号として、前記交流電路の電圧と同一周期を持ち、かつ前記交流電路の配線方式に応じて位相が選択的に切換えられた信号を発生するテスト信号発生部を備えたことを特徴とする漏電テスト装置。
前記テスト信号発生部は、前記テスト信号の位相を、前記交流電路から取り込まれた電圧を基準として設定することを特徴とする請求項１記載の漏電テスト装置。
前記テスト信号発生部は、前記漏電検出装置が漏電電流Ｉ_０ｒを検出したとき、前記テスト信号の出力を停止することを特徴とする請求項１または２記載の漏電テスト装置。
前記テスト信号発生部は、単相または三相Ｙ結線，三相Δ結線を含む前記交流電路の配線方式に対応した電路設定値を出力する電路設定切換回路の出力に応じて、前記テスト信号の位相を選択的に切換えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の漏電テスト装置。
前記テスト信号発生部は、Ａ／Ｄ変換された前記交流電路の各相の電圧信号により前記交流電路の状態を判定する電路状態判定部の出力に応じて、前記テスト信号の位相を選択的に切換えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の漏電テスト装置。
前記テスト信号発生部は、前記テスト信号を前記漏電検出装置に設けられた漏電電流入力回路に入力することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載の漏電テスト装置。
請求項１乃至６のいずれか一つに記載の漏電テスト装置を備えた前記漏電検出装置が、前記漏電電流Ｉ_０ｒを検出したとき前記交流電路を遮断することを特徴とする漏電遮断器。
請求項１乃至６のいずれか一つに記載の漏電テスト装置を備えた前記漏電検出装置が、前記漏電電流Ｉ_０ｒを検出したとき漏電警報リレー出力を発生することを特徴とする回路遮断器。
請求項１乃至６のいずれか一つに記載の漏電テスト装置を備えた前記漏電検出装置が、前記漏電電流Ｉ_０ｒを検出したときリレー出力を発生することを特徴とする漏電監視装置。