JP5414777B2

JP5414777B2 - 直流回路の地絡検出装置および方法

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Publication number: JP5414777B2
Application number: JP2011281816A
Authority: JP
Inventors: 正壽小野
Original assignee: Seiko Electric Co Ltd
Current assignee: Seiko Electric Co Ltd
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2031-12-22
Also published as: JP2013130536A

Description

本発明は、太陽光発電用の太陽電池、電気自動車のバッテリー等の直流回路の地絡を検出する装置および方法に関する。

太陽電池や、電気自動車、ハイブリッド自動車の電源においては、多数の太陽電池セル、バッテリーセルを接続して直流電源回路を形成しており、それだけ、地絡事故が発生する可能性が高くなる。

これらの直流回路における地絡事故は、電力系統に波及したり、自動車の安定運転にも影響したりするため、確実に検出し、早急な対応をすることが求められる。
直流回路の地絡検出手段には、地絡点に流れる電流を帰す帰還の接地回路が必要である。

従来の直流回路における地絡検出手段には，回路の中性点を接地して電圧不平衡を検出する直流電位検出方式や、接地線に流れる地絡電流を検出する地絡電流検出方式などがあった。

中性点接地方式では、図１３に示すように、陽極（Ｐ）側または陰極（Ｎ）側の一方が地絡抵抗Ｒｇによって地絡した場合には地絡電流Ｉ₀が流れて地絡検出できるが、図１４に示すように、太陽電池モジュールの中間電位点(中性点）で地絡が発生した場合や、たまたまＰ、Ｎ共に同じ地絡抵抗値で地絡した場合などでは、地絡電流が流れないため検出不能である。

この問題を解決するために、特許文献１には、接地点の電位を切り替える「接地点順次移動式地絡検出方法」が開示されている。
これは、図１５に示すように、電源を含む非接地直流回路の陽極側と陰極側との間に、３つの抵抗Ｒ_A，Ｒ_B，Ｒ_C（抵抗値はほぼ等しい。）を直列接続し、電源の中性点Ｎを基準に、極性は相反し、かつ、電位差は等しいか略等しい２種の中間電位Ｅ_P，Ｅ_N（中間電極Ｔ_P、Ｔ_Nの電位）を取り出し、この２種の中間電位Ｅ_P，Ｅ_Nに対する地絡電流を周期的に切替えて検出するものである。この方式により、直流回路のいかなる場所で地絡が発生しても、確実にこれを検出することが可能であるとしている。

特開平８−１３６６０２号公報

しかしながら、前掲の特許文献１に開示された接地点順次移動式地絡検出方法では、接地点の切り替え電位をＲ_A，Ｒ_B，Ｒ_Cによる抵抗分圧で作っているため、図１６に示すように、電源電圧Ｅの変動で接地点の移動電圧Ｅ_P，Ｅ_Nが電源電圧Ｅに対してリニアに影響を受けてしまい、電源電圧の変動が大きい太陽光発電やＥＶ(電気自動車）の電源では地絡検出感度に大きな影響が出る。
本発明は、電圧変動による地絡検出感度の変動を抑えた接地点順次移動式の直流地絡検出装置および方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明の第１の構成は、電源を含む非接地直流回路の陽極側と陰極側との間に、少なくとも２つの抵抗と少なくとも１つの定電圧素子とを含む直列回路を接続し、前記直列回路の異なる少なくとも２点の中間電位を切り替える切替手段を設け、この切替手段を介して流れる地絡電流を検出する地絡電流検出手段を設けたことを特徴とする直流回路の地絡検出装置である。
この第１の構成において、前記切替手段を周期的に切り替えるタイマー手段を設けることにより自動切替が可能となる。
本発明の第２の構成は、電源を含む非接地直流回路の陽極側と陰極側との間に接続された、少なくとも２つの抵抗と少なくとも１つの定電圧素子とを含む直列回路の異なる少なくとも２点の中間電位を周期的に切り替え、前記２点の電位から、地絡を検出することを特徴とする直流回路の地絡検出方法である。

本発明によれば、電源を含む非接地直流回路の陽極側と陰極側との間に接続された、少なくとも２つの抵抗と少なくとも１つの定電圧素子とを含む直列回路の異なる少なくとも２点の中間電位を周期的に切り替え、前記２点の電位から、地絡を検出することにより、電源電圧の変動時の地絡検出感度の変動を低く抑え、電源電圧の変動が大きな太陽光発電や電気自動車の電源に安定して適用することができる。

本発明の実施の形態に係る地絡検出装置の概要を示す回路図である。本発明の実施の形態に係る地絡検出装置による接地点の電圧移動量を示すグラフである。特許文献１に係る従来の接地点順次移動方式による構成例を示す回路図である。本発明の実施の形態に係る地絡検出装置による構成例を示す回路図である。特許文献１に係る従来の接地点順次移動方式での地絡発生ケース１の説明図である。本発明の実施の形態に係る地絡検出装置での地絡発生ケース１の説明図である。特許文献１に係る従来の接地点順次移動方式での地絡発生ケース２の説明図である。本発明の実施の形態に係る地絡検出装置での地絡発生ケース２の説明図である。特許文献１に係る従来の接地点順次移動方式での地絡発生ケース３の説明図である。本発明の実施の形態に係る地絡検出装置での地絡発生ケース３の説明図である。本発明の他の実施の形態に係る地絡検出装置の概要を示す回路図である。本発明のさらに他の実施の形態に係る地絡検出装置の概要を示す回路図である。一般的な中性点接地方式を示す回路図である。図１３の中性点接地方式の問題を示す説明図である。特許文献１に係る従来の接地点順次移動式の地絡検出方法を示す回路図である。図１５の地絡検出方法の問題点を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１に示すように、本実施の形態における非接地直流回路の地絡検出装置は、電源を含む直流回路の陽極側Ｐと陰極側Ｎとの間に、抵抗Ｒ１と定電圧素子（本例ではツェナーダイオードＺＤ）と抵抗Ｒ２の直列回路を接続し、抵抗Ｒ１とツェナーダイオードＺＤとの接続点Ｔ_Pと、ツェナーダイオードＺＤと抵抗Ｒ２との接続点Ｔ_Nを切り替えるスイッチＳＷを設けたものである。
なお、定電圧素子としては、ツェナーダイオードＺＤの他に、バリスタ等の素子も使用することができる。

この実施の形態では、図２に示すように、電源電圧Ｅが０からツェナー電圧Ｖ_Zまでの領域Ｂでは、接続点Ｔ_Pの電位Ｅ_Pは電源電圧Ｅと等しい電圧で上昇し、接続点Ｔ_Nの電位Ｅ_NはツェナーダイオードＺＤに流れる電流が０であるためＥ_N＝０である。電源電圧Ｅがツェナー電圧Ｖ_Zを超えた領域Ａでは、ツェナーダイオードＺＤに電流が流れ出し、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２による電圧降下分だけ、Ｅ_Pは電源電圧Ｅよりも降下し、Ｅ_Nは陰極側電位よりも上昇する。この領域Ａでは、Ｅ_P−Ｅ_N＝Ｖ_Zとなる。
この図２の電圧移動量を図１６の従来の方式の電圧移動量と比較すると、領域Ｂでは本発明の方が電源電圧の変動に対して識別感度が高く、領域Ａでは電源電圧が大きく変動しても一定の電圧となって、Ｅ_P−Ｅ_Nの変動が一定となり、変動が抑えられる。

以下に、従来方式（特許文献１に記載された方式）と本実施の形態の動作比較例を示す。
比較のためのシステムの仕様を以下に仮定する。
（１）適応する電源は太陽光発電システムの太陽電池とする。
（２）太陽光発電の定格電圧Ｅは３００Ｖ
（３）接地抵抗に流すアイドル電流（Ｉａ）は１０ｍＡ
（４）使用する地絡検出器１１は電流方式で検出感度（Ｉ_K）は５ｍＡ
（５）２種の中間電位は、高位側（Ｔ_P）はＥ_P＝２００Ｖ、低位側（Ｔ_N）はＥ_N＝１００Ｖで、切替手段ＳＷをタイマー１０で周期的に切り替える。
また陽極側に接続される陽極抵抗と、陰極側に接続される陰極抵抗は２方式とも同じ値１０ｋΩとする。
なお、この抵抗値は０Ω地絡時の制限抵抗となるため、安全性確保のためにはあまり小さな値は取れない。
（６）定電圧素子の電圧（Ｖ_Z）は１００Ｖ
上記仮定での従来システム構成図を図３に、本発明システム構成図を図４に示す。

１．地絡発生ケース１：電路地絡
Ｔ_P極が接地時に、Ｎ極電路で地絡が発生（地絡抵抗値＝Ｒｇ）した場合。
従来方式の等価回路を図５に、検出可能な地絡抵抗値Ｒｇの式を(式１）に示す。
Ｒｇ＝（２Ｅ／Ｉ_K−２Ｒ）／３・・・・・・（式１）
また、本発明での等価回路を図６に、検出可能な地絡抵抗値Ｒｇの式を(式２）に示す。なお、(式２）が成り立つ条件は、定電圧素子に電流が流れている状態である。
Ｒｇ＝｛（Ｅ＋Ｖ_Z）／Ｉ_K−Ｒ｝／２・・・・・（式２）
双方の検出可能な地絡抵抗値と電源電圧の関係は表１となる。従来方式ではＲｇに対する電圧Ｅの係数が２／３であるのに対し、本発明の係数は１／２と小さいため、従来方式と比べて電源電圧変動の影響を低く抑えることができる。

表１：電源電圧と地絡検出可能抵抗値

２．地絡発生ケース２：平衡地絡
Ｔ_P極が接地時に、Ｐ極とＮ極電路で平衡地絡が発生(地絡抵抗値＝Ｒｇ）が発生した場合。
従来方式の等価回路を図７に、検出可能な地絡抵抗値Ｒｇの式を(式３）に示す。
Ｒｇ＝（Ｅ／Ｉ_K−４Ｒ）／３・・・・・・（式３）
また、本発明での等価回路を図８に、検出可能な地絡抵抗値Ｒｇの式を(式４）に示す。なお、(式４）が成り立つ条件は、定電圧素子に電流が流れている状態、すなわち、少なくともＥ／２＞Ｖ_Z を満足してれば良い。
Ｒｇ＝Ｖ_Z／Ｉ_K−Ｒ・・・・・（式４）
双方の検出可能な地絡抵抗値と電源電圧の関係は表２となり、本発明の方式ではＲｇは電源電圧Ｅの関数にはならないため、電源電圧変動の影響を受けない。

表２：電源電圧と地絡検出可能抵抗値

３．地絡発生ケース３：電源の中性点地絡
Ｔ_P極が接地時に、太陽電池の中性点で地絡が発生(地絡抵抗値＝Ｒｇ）が発生した場合。
従来方式の等価回路を図９に、検出可能な地絡抵抗値Ｒｇの式を(式５）に示す。
Ｒｇ＝（Ｅ／２Ｉ_K−２Ｒ）／３・・・・・・（式５）
また、本発明での等価回路を図１０に、検出可能な地絡抵抗値Ｒｇの式を(式６）に示す。なお、(式６）が成り立つ条件は、定電圧素子に電流が流れている状態、すなわち、少なくともＥ／２＞Ｖ_Z を満足してれば良い。
Ｒｇ＝（Ｖ_Z／Ｉ_K−Ｒ）／２・・・・・（式６）
双方の検出可能な地絡抵抗値と電源電圧の関係は表３となる。本発明の方式ではＲｇは電源電圧Ｅの関数にはならないため、電源電圧変動の影響を受けない。

表３：電源電圧と地絡検出可能抵抗値

応用例
地絡検出装置に接地抵抗が内蔵されている場合でも、Ｐ極側またはＮ極側に定電圧素子を挿入すれば、本発明の効果が発揮できる。その応用例を、図１１と図１２に示す。

図１１は、接地抵抗Ｒ１１、Ｒ１２が内蔵された地絡検出器２０を用いた例では、接地抵抗Ｒ１１とＰ極側との間に第１のツェナーダイオードＺＤ１を挿入し、接地抵抗Ｒ１２とＮ極側との間に第２のツェナーダイオードＺＤ２を挿入し、第１のツェナーダイオードＺＤ１と第２のツェナーダイオードＺＤ２を、第１のタイマー１０−１と第２のタイマー１０−２の接点で選択的に短絡するようにしたものである。通常は、電路の地絡を等感度で検出するために、双方のタイマー（第１のタイマー１０−１，第２のタイマー１０−２）の接点を閉じた中性点接地で使用し、定期的に、中性点での地絡を検出するために第１のタイマー１０−１の接点を開き、第２のタイマー１０−２の接点を閉じた状態か、第１のタイマー１０−１の接点を閉じ、第２のタイマー１０−２の接点を開いた状態に、切り替え、接地点を移動する。

図１２は、同じく接地抵抗Ｒ１１、Ｒ１２が内蔵された地絡検出器２０を用い、接地抵抗Ｒ１１とＰ極側との間のみにツェナーダイオードＺＤ３を挿入し、このツェナーダイオードＺＤ３を、第３のタイマー１０−３で短絡するようにしたものである。通常は電路の地絡を等感度で検出するために、第３のタイマー１０−３の接点を閉じた中性点接地で動作させ、定期的に、中性点での地絡を検出するために第３のタイマー１０−３の接点を開いた片極方向のみの接地点移動をさせる。

この図１１と図１２の実施の形態においても、上述の実施の形態と同様に、ツェナーダイオードＺＤによる接地点の電圧移動による効果を奏する。

本発明は、電源電圧の変動時の地絡検出感度の変動を低く抑え、電源電圧の変動が大きな太陽光発電や電気自動車の電源の地絡検出用途に安定して適用することができる。

Ｒ１，Ｒ２抵抗
ＺＤツェナーダイオード（定電圧素子）
ＳＷスイッチ（切替手段）
１０，１０−１，１０−２，１０−３タイマー
１１，２０検出器

Claims

電源を含む非接地直流回路の陽極側と陰極側との間に、少なくとも２つの抵抗と少なくとも１つの定電圧素子とを含む直列回路を接続し、前記直列回路の異なる少なくとも２点の中間電位を切り替える切替手段を設け、この切替手段を介して流れる地絡電流を検出する地絡電流検出手段を設けたことを特徴とする直流回路の地絡検出装置。
前記切替手段を周期的に切り替えるタイマー手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の直流回路の地絡検出装置。
電源を含む非接地直流回路の陽極側と陰極側との間に接続された、少なくとも２つの抵抗と少なくとも１つの定電圧素子とを含む直列回路の異なる少なくとも２点の中間電位を周期的に切り替え、前記２点の電位から、地絡を検出することを特徴とする直流回路の地絡検出方法。