JP5578573B2 - 直流回路の絶縁抵抗測定器、静電容量測定器、絶縁抵抗測定方法および静電容量測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、直流電源系統の直流回路において電流を検出するクランプ部の取り付け箇所の下流部分における絶縁抵抗や静電容量を、カップリングコンデンサと交流電源を用いて、活線状態のままで測定することができる測定器と測定方法に関する。

直流回路の絶縁抵抗測定では、回路を動作させた状態では測定を行うことができないため、点検作業等で停電させた設備について部分的に絶縁抵抗を測定していた。また、直流回路を人工的に抵抗を介して地絡させて、直流回路と大地間の電圧を測定することで、直流回路全体の絶縁抵抗を測定する場合もあった。

なお、直流回路の地絡探査が可能な汎用測定装置による絶縁抵抗測定も可能だが、同装置による測定では地絡検出継電器を停止する必要があった。また、地絡抵抗値が小さな値でなければ測定できないという問題があった。

このため、発明者らは、電気所などにおける直流電源系統の直流回路の対地絶縁抵抗を、活線状態（運用状態）のままで測定することができる直流回路の絶縁抵抗測定器、静電容量測定器、絶縁抵抗測定方法および静電容量測定方法に関する技術等を提案した。（例えば特許文献１を参照）。

特開２００６−３４３２６７号公報

特許文献１の技術によれば、電気所などにおける直流電源系統の直流回路の対地絶縁抵抗を、活線状態（運用状態）のままで測定することができるが、直流回路全体の値を測定する場合に限られ、直流回路の一部分について絶縁抵抗や静電容量の測定を行うことは不可能であり、活用範囲が限られるという問題があった。

そこで本発明では、直流電源系統の直流回路における一部分の絶縁抵抗や静電容量を、カップリングコンデンサと交流電源を用いて、活線状態のままで測定することができる測定器と測定方法を提供することを目的とする。

本発明の直流回路の絶縁抵抗測定器は、測定対象である直流回路と電路で接続して、一定の電圧及び一定の周波数の交流電流を印加する可変交流電源部と、前記直流回路の測定対象部分に取り付けて、交流成分の電流を取得するクランプ部と、前記可変交流電源部が印加した交流電流の電圧及び周波数と、前記クランプ部が取得した前記測定対象部分における交流成分の電流と、に基づき、前記直流回路の測定対象部分の絶縁抵抗を演算する演算手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、絶縁抵抗の測定において直流回路に印加した交流電流の値を用いるので、測定対象の直流回路を活線状態のままで絶縁抵抗を測定することができる。

また、クランプ部の取り付け箇所を自由に変更することができるので、直流回路全体ではなく、直流回路のクランプ部の取り付け箇所から下流部分の絶縁抵抗の測定が可能となる。

また、本発明の直流回路の絶縁抵抗測定器は、前記クランプ部が取得した交流成分の電流が一定値に満たない場合に、前記可変交流電源部が供給する交流電流の周波数を上昇させる出力調整手段を備え、前記可変交流電源部は、前記出力調整手段により上昇した周波数の交流電流を前記直流回路に印加することを特徴とする。

すなわち、印加する交流電流の周波数が高い場合には、施設への影響が出るおそれがあるため、初期設定では例えば１５Ｈｚといった低い周波数の交流電流を印加することとする。しかしながら、周波数が低いと測定対象部分の静電容量に流れる電流値も小さくなり、測定誤差も大きくなることから、クランプ部が取得した電流値が例えば１ｍＡに満たないようなときには、交流電流を例えば３０Ｈｚに変更したうえで、再度印加して測定を行うこととする。

本発明によれば、出力調整手段を備え、測定誤差が生じないように電流の最小値の判定を行うこととするので、施設への影響を担保しながら絶縁抵抗の測定誤差を最小限に抑えることができる。

本発明の直流回路の静電容量測定器は、測定対象である直流回路と電路で接続して、一定の電圧及び一定の周波数の交流電流を印加する可変交流電源部と、前記直流回路の測定対象部分に取り付けて、交流成分の電流を取得するクランプ部と、前記可変交流電源部が印加した交流電流の電圧及び周波数と、前記クランプ部が取得した前記測定対象部分における交流成分の電流と、に基づき、前記直流回路の測定対象部分の静電容量を演算する演算手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、静電容量の測定において直流回路に印加した交流電流の値を用いるので、測定対象の直流回路を活線状態のままで静電容量を測定することができる。

また、クランプ部の取り付け箇所を自由に変更することができるので、直流回路全体ではなく、直流回路のクランプ部の取り付け箇所から下流部分の静電容量の測定が可能となる。

また、本発明の直流回路の静電容量測定器は、前記クランプ部が取得した交流成分の電流が一定値に満たない場合に、前記可変交流電源部が供給する交流電流の周波数を上昇させる出力調整手段を備え、前記可変交流電源部は、前記出力調整手段により上昇した周波数の交流電流を前記直流回路に印加することを特徴とする。

すなわち、印加する交流電流の周波数が高い場合には、施設への影響が出るおそれがあるため、初期設定では例えば１５Ｈｚといった低い周波数の交流電流を印加することとする。しかしながら、周波数が低いと測定対象部分の静電容量に流れる電流も小さくなり、測定誤差も大きくなることから、クランプ部が取得した電流が例えば１ｍＡに満たないようなときには、交流電流を例えば３０Ｈｚに変更したうえで、再度印加して測定を行うこととする。

本発明によれば、出力調整手段を備え、測定誤差が生じないように電流の最小値の判定を行うこととするので、施設への影響を担保しながら静電容量の測定誤差を最小限に抑えることができる。

本発明の直流回路の絶縁抵抗測定方法は、測定対象である直流回路に前記可変交流電源部を接続して、一定の電圧及び一定の周波数の交流電流を印加するステップと、前記直流回路の測定対象部分にクランプを取り付けて、交流成分の電流を測定するステップと、前記可変交流電源部が印加した交流電流の電圧及び周波数と、前記クランプが測定した前記測定対象部分における交流成分の電流と、に基づき、前記直流回路の測定対象部分の絶縁抵抗を演算するステップと、からなることを特徴とする。

本発明の直流回路の静電容量測定方法は、測定対象である直流回路に前記可変交流電源部を接続して、一定の電圧及び一定の周波数の交流電流を印加するステップと、前記直流回路の測定対象部分にクランプを取り付けて、交流成分の電流を測定するステップと、前記可変交流電源部が印加した交流電流の電圧及び周波数と、前記クランプが測定した前記測定対象部分における交流成分の電流と、に基づき、前記直流回路の測定対象部分の静電容量を演算するステップと、からなることを特徴とする。

本発明の絶縁抵抗測定器および静電容量測定器によれば、電流検出に用いる交流クランプＣＴの取り付け箇所を変更することで、直流回路の任意の部分における絶縁抵抗測定や静電容量測定が可能になる。

また、電圧・電流により地絡抵抗を検出する部分のみで構成された可搬式の装置とすることにより、たとえば継続地絡の場合に、交流クランプＣＴの接続箇所を変更することで、容易に地絡箇所を特定することができる。

さらに、現在、商品化されている地絡箇所を特定する装置は、６４Ｄリレー（地絡検出継電器）の停止と接地線の外し作業が必要であるため、直流回路の地絡保護が長時間できない状態となるが、本発明の絶縁抵抗測定器では、６４Ｄリレーを運転している状態で、装置を設置することが可能となっている。したがって、直流回路の地絡保護が停止する時間は測定動作を行う数秒間であり、直流回路の地絡保護が長時間できないという事態を回避することができる。

本実施形態の絶縁抵抗・静電容量測定器１および、絶縁抵抗・静電容量測定器１を用いて絶縁抵抗等を測定する直流電源系統の構成を説明する図である。 本実施形態の絶縁抵抗・静電容量測定器１において、ＭＰＵ（演算処理部）１３を中心とした機能ブロック図である。 本実施形態の絶縁抵抗・静電容量測定器１により、絶縁抵抗を測定する処理フローを説明する図である。 本実施形態の絶縁抵抗・静電容量測定器１において、装置メモリー１６が備える初期設定ファイル１６１のデータ構成例である。 本実施形態の絶縁抵抗・静電容量測定器１において、装置メモリー１６が備える良否判定基準ファイル１６２のデータ構成例である。 本実施形態の絶縁抵抗・静電容量測定器１により、周波数を多段階的に調整して絶縁抵抗を測定する処理フローを説明する図である。

以下、本発明の絶縁抵抗・静電容量測定器１における一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態の絶縁抵抗・静電容量測定器１および、絶縁抵抗・静電容量測定器１を用いて絶縁抵抗・静電容量等を測定する直流電源系統の構成を説明する図である。

本実施形態の絶縁抵抗・静電容量測定器１は可搬式となっていて、作業者が測定時に直流電源系統の正極（＋）母線２１および負極（−）母線２２の測定箇所に取り付けて、測定対象回路の絶縁抵抗・静電容量等を測定する。

まずは本実施形態の絶縁抵抗・静電容量測定器１について説明する前に、測定対象である直流電源系統の概要を説明する。図１の直流電源系統は、直流電源装置２，正極（＋）母線２１，負極（−）母線２２，測定対象回路Ｒ１（３），Ｃ１（４）等から構成されている。直流電源装置２には蓄電池（ＤＣ１１０Ｖ）２３を備え、正極（＋）母線２１および負極（−）母線２２に送電される。直流電源装置２には６４Ｄリレー（地絡検出継電器）２４が接続されており、地絡事故を検知することとしている。

正極（＋）母線２１および負極（−）母線２２には、印加点である接点２１３、接点２２３等がそれぞれ設置されている。その印加点の上流（電源側）を、測定対象ではない回路絶縁抵抗（Ｒｐ０）２１１，（Ｒｎ０）２２１、および、測定対象ではない回路静電容量（Ｃｐ０）２１２，（Ｃｎ０）２２２とする。

印加点である接点２１３および接点２２３の下流には、正負極間に負荷抵抗（Ｒｘ）２５が接続されており、さらに下流側を本実施形態において測定対象である被測定回路絶縁抵抗（Ｒ１）３，被測定回路静電容量（Ｃ１）４とする。

被測定回路絶縁抵抗（Ｒ１）３は、正極（＋）母線２１の被測定対象絶縁抵抗（Ｒｐ１）３１、負極（−）母線２２の被測定対象絶縁抵抗（Ｒｎ１）３２からなっている。被測定回路静電容量（Ｃ１）４は、正極（＋）母線２１の被測定対象静電容量（Ｃｐ１）４１、負極（−）母線２２の被測定対象静電容量（Ｃｎ１）４２からなっている。

本実施形態の絶縁抵抗・静電容量測定器１と直流電源系統とは、正極（＋）母線２１の接点２１３、負極（−）母線２２の接点２２３で接続するとともに、接点２１３、２２３の下流側にそれぞれ取り付けられた絶縁抵抗・静電容量測定器１の交流クランプＣＴ１９１，１９２で接続されている。

次に本実施形態の絶縁抵抗・静電容量測定器１の構成について説明する。
本実施形態の絶縁抵抗・静電容量測定器１には、測定対象回路に低周波の測定交流電流を供給する可変交流電源１１、測定対象の直流回路に取り付けて電流値等を取得する交流クランプＣＴ１９１，１９２，交流クランプＣＴ１９１，１９２等と接続して測定対象回路の電圧値・電流値を測定する電圧・電流インターフェース１２、可変交流電源１１や電圧・電流インターフェース１２等と接続して絶縁抵抗・静電容量測定器１の動作を制御するＭＰＵ（演算処理部）１３、ＭＰＵ１３と接続して測定結果等を表示するモニタ等の表示器１４、絶縁抵抗・静電容量測定器１自体の電源のオンオフを切り替える電源１５等を備える。

可変交流電源１１には測定交流電流の供給線１１１が接続されており、供給線１１１は正極（＋）側と負極（−）側とに分岐する。正極（＋）側の供給線１１１は、電流制限抵抗１７１を通じてカップリングコンデンサ１８１（Ｃｐ）と接続し、外部に導出される。負極（−）側の供給線１１１は、電流制限抵抗１７２を通じてカップリングコンデンサ１８２（Ｃｎ）と接続し、外部に導出される。導出された正極（＋）側の供給線１１１は正極（＋）母線２１が備える接点２１３に、負極（−）側の供給線１１１は負極（−）母線２２が備える接点２２３に、それぞれ接続される。また、可変交流電源１１の片端は大地に接続されている。

なお、本実施形態において可変交流電源１１は、一般のインバータを使用することとし、一般のインバータの回路構成の通り、三相入力を一旦整流して直流に変換し、サイリスタ等を使用して交流に変換する。この後に変圧器を挿入することで、装置の電源側と出力側の絶縁を行う。

また、可変交流電源１１の供給線１１１に備える電流制限抵抗１７１，１７２は、直流回路に絶縁抵抗・静電容量測定器１を接続したときにおける、６４Ｄリレー２４の誤動作防止の目的と、測定作業中における万が一の直流回路接地事故時において、事故電流の抑制の機能を持たせている。

ここで、カップリングコンデンサ１８１（Ｃｐ），１８２（Ｃｎ）は、電流の直流分をカットして、交流電流成分のみを通過させる働きを持っている。一般的に直流回路の大地間静電容量は１００μＦ程度であれば、直流回路の地絡事故において、遮断機器が誤動作を起こすことはないとされることから、カップリングコンデンサ１８１（Ｃｐ），１８２（Ｃｎ）の数値は１００μＦ程度とすることが好ましい。

また、電流制限抵抗１７１，１７２の抵抗値については、たとえば直流回路が６４Ｄリレー２４を通じて接地した図示しない遮断器の切動作コイルが直流地絡となった場合に、カップリングコンデンサ１８１（Ｃｐ），１８２（Ｃｎ）に蓄えられた電荷が６４Ｄリレー２４電流制限抵抗を通じて遮断器の切動作コイルに流れることになる。この電流が一般的に３Ａを超えるような値となれば、６４Ｄリレー２４遮断器が誤動作を起こす可能性があると言われている。本実施形態において、カップリングコンデンサ１８１（Ｃｐ），１８２（Ｃｎ）には、常時５５Ｖの電圧が印加されており、放電電流のピーク時が１Ａ程度におさまるようにするためには、電流制限抵抗１７１，１７２の抵抗値は５０〜５５Ω程度とすることが好ましい。

次に、測定対象回路の電圧値・電流値等を測定する電圧・電流インターフェース１２について説明する。電圧・電流インターフェース１２は、可変交流電源１１の供給線と接続して、正極（＋）と大地間の電圧（Ｖｐ）および負極（−）と大地間の電圧（Ｖｎ）を取り込み、交流成分のみを抽出する。また、測定対象回路の正極（＋）母線２１、負極（−）母線２２に交流クランプＣＴ１９１，１９２を取り付けて電流を取り込み、交流成分の電流のみを抽出する。また、電流値に加えて波形データも取得することとし、後述するＭＰＵ（演算処理部）１３が備える演算手段１３１は、取得した波形データから位相θを演算することができる。ここでのサンプリング間隔は、たとえば周波数が３０Ｈｚの場合に３０°サンプリングを担保するように設定するとよい。

次に、絶縁抵抗・静電容量測定器１の動作を制御するＭＰＵ（演算処理部）１３等について説明する。

図２は、本実施形態の絶縁抵抗・静電容量測定器１において、ＭＰＵ（演算処理部）１３を中心とした機能ブロック図である。ＭＰＵ（演算処理部）１３は、可変交流電源１１，電圧・電流インターフェース１２，表示器１４，装置メモリー１６等と接続して、絶縁抵抗・静電容量測定器１の制御に関わる各種演算処理を行う。

装置メモリー１６はメモリー等の記憶装置であって、ＭＰＵ（演算処理部）１３において各種演算処理に必要な「初期設定ファイル１６１」（図４），「良否判定基準ファイル１６２」（図５）等のデータファイルを保持する。なお、これらのデータファイルの詳細については後述する。また、図示はしないが、出力調整手段１３２によりなされた可変交流電源１１の設定値の履歴や、電圧・電流インターフェース１２等が測定した各種のデータ、過去における測定履歴のデータファイル等も保持する。

ＭＰＵ（演算処理部）１３の内部には、電圧・電流インターフェース１２から電圧値・電流値等を取り込んで、絶縁抵抗等を計算して表示器１４に測定結果を表示させる演算手段１３１、直流回路の大地絶縁抵抗測定に必要な可変交流電源１１の制御等を行う出力調整手段１３２等を備える。

次に各手段の動作について説明する。
演算手段１３１は、電圧・電流インターフェース１２により測定された正極（＋）母線２１と負極（−）母線２２の電圧・電流・位相から、被測定回路絶縁抵抗（Ｒ１）に流れる電流と、被測定回路静電容量（Ｃ１）に流れる電流とを計算して、被測定回路の大地絶縁抵抗と大地静電容量とを算出する。なお、被測定回路には、大地絶縁抵抗に比較して小さな抵抗値を有する負荷抵抗（Ｒｘ）２４５が正負極間に接続されているため、正極（＋）と負極（−）とも、測定される電圧・電流の値はほぼ同一となる。なお、負荷抵抗がない場合には電流の値が異なることになる。

測定中は６４Ｄリレー（直流地絡検出継電器）２４の設定値に対して地絡検出感度が変化するものの、６４Ｄリレー２４が誤動作することはなく、６４Ｄリレー２４をロックしたり、接地線を外したりする必要はない。その理由としては、６４Ｄリレー２４の正極（＋）と負極（−）にも交流電流が流入するが同位相となることから、正極（＋）大地間と負極（−）大地間の電圧バランスを判定して動作する６４Ｄリレー２４は動作しないのである。

また、直流回路における負荷抵抗（Ｒｘ）２４５は、正極（＋）母線２１と負極（−）母線２２の間に接続されており、一般的に大地間に接続されている機器は、６４Ｄリレー２４を除き、サージ吸収用のバリスタ（コンデンサを含む）のみである。そのため、低電圧・低周波の交流電圧の印加であれば問題となることはない。通常の運転状態において、商用交流電圧が誘導現象で直流回路に誘起しているケースと同様であり、通常の負荷と同様である。

［絶縁抵抗および静電容量を測定する処理フロー］
図３では、本実施形態の絶縁抵抗・静電容量測定器１により、絶縁抵抗および静電容量を測定する処理フローを説明する。

作業の開始にあたり、可変交流電源１１が動作状態にあるときには、作業者により動作を停止することで、出力調整手段１３２が起動して、絶縁抵抗・静電容量測定器１の計器類を初期値に戻すとともに、可変交流電源１１の出力周波数が１５Ｈｚになるように設定する（Ｓ１０１）。ここで、絶縁抵抗・静電容量測定器１の初期化は、可変交流電源１１の停止と出力端子間を開放接点等にして高インピーダンスとすることで行う。また、可変交流電源１１が動作停止状態にあるときには、作業者は停止の確認を行う。

なお、ステップ１０１の初期化手順は、自動測定（図３に示す）と手動測定（図示せず）の２つのモードがある場合を考慮しており、手動測定により測定中に自動測定を選択した場合にも対応することができる。また、電源が出力中であったり、周波数が３０Ｈｚを選択していたりしているケースも考慮している。

次に、作業者により可変交流電源１１をオンにすると（Ｓ１０２−１）、出力調整手段１３２は、電圧・電流インターフェース１２が測定する正極大地間交流電圧（Ｖｐ）を監視して、１０Ｖになるように可変交流電源１１の出力電圧を調整する（Ｓ１０２−２）。正極大地間交流電圧（Ｖｐ）が１０Ｖになると、電圧・電流インターフェース１２は、正極母線２１に取り付けた交流クランプＣＴ１９１により、測定対象である正極交流電流（Ｉｐ）を取得する（Ｓ１０２−３）。

同様に、出力調整手段１３２は、電圧・電流インターフェース１２が測定する負極大地間交流電圧（Ｖｎ）を監視して、１０Ｖになるように可変交流電源１１の出力電圧を調整する（Ｓ１０２−４）。負極大地間交流電圧（Ｖｎ）が１０Ｖになると、電圧・電流インターフェース１２は、負極母線２２に取り付けた交流クランプＣＴ１９２により、測定対象である負極交流電流（Ｉｎ）を取得して（Ｓ１０２−５）、可変交流電源１１をオフにする（Ｓ１０２−６）。

ここで、本実施形態の絶縁抵抗・静電容量測定器１では、装置メモリー１６に初期設定ファイル１６１（図４）を備え、あらかじめ作業者がキーボード等（図示しない）から初期設定ファイル１６１に初期値を設定しておくことで、出力調整手段１３２は、電圧・電流インターフェース１２が測定した値と、設定された「電圧値」とを参照して、設定された「電圧値」になるように可変交流電源１１の出力調整を行う。

なお、正極大地間交流電圧（Ｖｐ）および負極大地間交流電圧（Ｖｎ）を１０Ｖと一定にするのは、後述する演算手段１３２が、いわゆるオームの法則（Ｒ＝Ｖ／Ｉ）により抵抗（Ｒ）を導くためである。ここで用いる計算式・計算例については後で詳説する。

また、可変交流電源１１の出力電圧は、電流制限抵抗１７１，１７２と被測定対象絶縁抵抗３１，３２とで分圧する形になるので、電流制限抵抗１７１，１７２に対して、被測定対象絶縁抵抗３１，３２はきわめて大きくなるため、可変交流電源１１の出力電圧容量は小さく、電流制限抵抗１７１，１７２の電圧ロスは小さなものになる。

正極交流電流（Ｉｐ）および負極交流電流（Ｉｎ）が測定されると、出力調整手段１３２により所定値である１ｍＡ以上（後述）であるか否かの判定がなされ（Ｓ１０３）、所定値である場合には（Ｓ１０３において「ＹＥＳ」）、出力調整手段１３２は、演算手段１３１を起動して処理を終了する。一方、演算手段１３１は、Ｓ１０６において絶縁抵抗および静電容量の算出を行う。

なお、既設への影響を少なくするため、被測定回路に印加する周波数は、できるだけ低い方が好ましいことから、本実施形態では、上述の通り周波数の初期値を１５Ｈｚとしている。しかし、周波数が低いと静電容量に流れる電流値も小さくなるため、測定誤差も大きくなることから、本実施形態では１ｍＡを電流値の下限としている。

詳細は後述するが、測定した電流値が１ｍＡ未満の場合には、周波数を２倍の３０Ｈｚに再設定することとしている。

また、本実施形態の絶縁抵抗・静電容量測定器１では、あらかじめ作業者により、装置メモリー１６が備える初期設定ファイル１６１（図４）に、所定の電流値の「１ｍＡ」が設定されている。出力調整手段１３２は、Ｓ１０２−３，Ｓ１０２−５において測定した電流値と、初期設定ファイル１６１が保持する「所定の電流値」のデータ（１ｍＡ）とを比較判定して（Ｓ１０３）、所定の電流値よりも小さい場合に、周波数を初期値である１５Ｈｚから３０Ｈｚに切り替える。

次に、出力調整手段１３２は、測定された正極交流電流（Ｉｐ）および負極交流電流（Ｉｎ）が所定値以内ではない場合には（Ｓ１０３において「ＮＯ」）、可変交流電源１１の出力周波数が１５Ｈｚであるか否かの判定を行う（Ｓ１０４）。ここで、ステップ１０１において可変交流電源１１の出力周波数は１５Ｈｚに設定されているので、初期の状態では出力周波数は１５Ｈｚと判定されて（Ｓ１０４において「ＹＥＳ」）、可変交流電源１１の出力周波数を３０Ｈｚに設定した後（Ｓ１０５）、ステップ１０２−１〜６の処理が繰り返される。

より具体的には、可変交流電源１１の出力周波数が３０Ｈｚに設定された状態で、正極交流電流（Ｉｐ）および負極交流電流（Ｉｎ）が測定される（Ｓ１０２−１〜６）。出力調整手段１３２は、測定された正極交流電流（Ｉｐ）および負極交流電流（Ｉｎ）が、所定値であるか否かの判定を行い（Ｓ１０３）、所定値以下である場合には（Ｓ１０３において「ＹＥＳ」）、出力調整手段１３２の処理を終了して、演算手段１３１を起動する。ここで、判定の基準となる「所定値」は、計算誤差が一定以上確保できる値（本例では１ｍＡ以上）とする。次に、演算手段１３１は、ステップ１０６において絶縁抵抗および静電容量の算出を行う。

一方、出力調整手段１３２は、測定された正極交流電流（Ｉｐ）および負極交流電流（Ｉｎ）が所定値以下ではない場合には（Ｓ１０３において「ＮＯ」）、可変交流電源１１の出力周波数が１５Ｈｚであるか否かの判定を行う（Ｓ１０４）。

ここでは、ステップ１０５において可変交流電源１１の出力周波数が３０Ｈｚに設定されているので、ステップ１０４において「ＮＯ」と判定される。なお、出力周波数を１５Ｈｚの２倍である３０Ｈｚとしても、再測定後にも所定値が確保できない場合には、演算手段１３１は３０Ｈｚで測定した時の値で計算する。また、３０Ｈｚにしても電流値が１ｍＡに満たないようなケースでは、被測定回路の絶縁抵抗が大きく静電容量も小さいこととなり、回路は正常と判断することもできる。

次に、出力調整手段１３２は処理を終了して演算手段１３１を起動する。演算手段１３１は、ステップ１０６において、測定された正極交流電流（Ｉｐ）および負極交流電流（Ｉｎ）から、正極大地間絶縁抵抗（Ｒｐ１）、正極大地間静電容量（Ｃｐ１）、負極大地間絶縁抵抗（Ｒｎ１）、負極大地間静電容量（Ｃｎ１）の算出を行う。

上記の算出の前に、演算手段１３１は、電圧・電流インターフェース１２が測定した電圧・電流の波形データから位相を演算する。具体的には、被測定対象絶縁抵抗３１，３２に流れる電流は電圧と同相分電流であり、静電容量に流れる電流は９０度進みとなる。

［被測定回路絶縁抵抗（Ｒ）の計算式］
以下、本実施形態の絶縁抵抗・静電容量測定器１において、演算手段１３１が図３・ステップ１０６で行う絶縁抵抗および静電容量の計算式について説明する。

本実施形態において、正極電圧（Ｖｐ）、負極電圧（Ｖｎ）、正極交流電流（Ｉｐ）、負極交流電流（Ｉｎ）、周波数（ｆ）の測定データ等は、絶縁抵抗・静電容量測定器１が備える装置メモリー１６が保持しており、演算手段１３１は、これらのデータを参照して演算を行う。

なお、ここでの単位は、Ｖｐ（Ｖ）、Ｖｎ（Ｖ）、Ｉｐ（ｍＡ）、Ｉｎ（ｍＡ）、抵抗（ＭΩ）、ｆ（Ｈｚ）である。また、Ｖｐ−Ｉｐ間位相は「θｐ」、Ｖｎ−Ｉｎ間位相は「θｎ」で表す。

はじめに、被測定回路絶縁抵抗（Ｒ）の計算式について説明する。
被測定回路絶縁抵抗（Ｒ）は、正極大地間絶縁抵抗（Ｒｐ１）と負極大地間絶縁抵抗（Ｒｎ１）とからなり、正極大地間絶縁抵抗（Ｒｐ１）は以下の計算式により算出する。
Ｉｐｒ＝Ｉｐ＊ＣＯＳθｐ …（１）
Ｒｐ１＝Ｖｐ／Ｉｐｒ／１０００［ＭΩ］ …（２）

負極大地間絶縁抵抗（Ｒｎ１）は以下の計算式により算出する。
Ｉｎｒ＝Ｉｎ＊ＣＯＳθｎ …（３）
Ｒｎ１＝Ｖｎ／Ｉｎｒ／１０００［ＭΩ］ …（４）

次に、計算式（２）で求めた正極大地間絶縁抵抗（Ｒｐ１）と、計算式（４）で求めた負極大地間絶縁抵抗（Ｒｎ１）は、並列で接続されており、その合計である被測定回路絶縁抵抗（Ｒ）は、以下の計算式により算出する。
Ｒ＝（Ｒｐ１^−１＋Ｒｎ１^−１）^−１［ＭΩ］ …（５）

［被測定回路静電容量（Ｃ）の計算式］
次に、被測定回路静電容量（Ｃ）の計算式について説明する。

被測定回路静電容量（Ｃ）は、正極大地間静電容量（Ｃｐ１）と負極大地間静電容量（Ｃｎ１）とからなり、正極大地間静電容量（Ｃｐ１）は以下の計算式により算出する。
Ｉｐｘ＝Ｉｐ＊ＳＩＮθｐ …（６）
Ｘｐｘ＝Ｖｐ／Ｉｐｘ …（７）
Ｃｐ１＝１／（２＊π＊ｆ＊Ｘｐｘ）＊１００００００［μＦ］ …（８）

負極大地間静電容量（Ｃｎ１）は以下の計算式により算出する。
Ｉｎｘ＝Ｉｎ＊ＳＩＮθｎ …（９）
Ｘｎｘ＝Ｖｎ／Ｉｎｘ …（１０）
Ｃｎ１＝１／（２＊π＊ｆ＊Ｘｎｘ）＊１００００００［μＦ］ …（１１）

次に、計算式（８）で求めた正極大地間静電容量（Ｃｐ１）と、計算式（１１）で求めた負極大地間静電容量（Ｃｎ１）は、並列で接続されており、その合計である被測定回路静電容量（Ｃ）は、以下の計算式により算出する。
Ｃ＝Ｃｐ１＋Ｃｎ１［μＦ］ …（１２）

［被測定回路絶縁抵抗（Ｒ）の計算例］
次に、電圧・電流インターフェース１２による測定結果を上記の計算式に当てはめた計算例を示す。本例での測定値は、正極電圧（Ｖｐ）＝１０Ｖ、負極電圧（Ｖｎ）＝１０Ｖ、正極交流電流（Ｉｐ）＝１．１ｍＡ、負極交流電流（Ｉｎ）＝１．２ｍＡ、Ｖｐ−Ｉｐ間位相（θｐ）＝８９．７、Ｖｎ−Ｉｎ間位相（θｎ）＝８９．５、周波数（ｆ）＝３０Ｈｚとする。

はじめに、被測定回路絶縁抵抗（Ｒ）の計算例を示す。
計算式（１）の「Ｉｐ」に測定値「１．１」を、「θｐ」に測定値「８９．７°」を、それぞれ代入して「Ｉｐｒ」を算出する。
Ｉｐｒ＝１．１＊ＣＯＳ８９．７°≒０．００５７６０ｍＡ …（１）

次に、計算式（１）の「Ｖｐ」に測定値「１０」を、「Ｉｐｒ」に計算式（１）の算定結果である「０．００５７６０」を、それぞれ代入して正極大地間絶縁抵抗（Ｒｐ１）を算出する。
Ｒｐ１＝１０／０．００５７６０／１０００≒１．７３６２３５ＭΩ …（２）

同様に、計算式（３）の「Ｉｎ」に測定値「１．２」を、「θｎ」に測定値「８９．５°」を、それぞれ代入して「Ｉｐｎ」を算出する。
Ｉｎｒ＝１．２＊ＣＯＳ８９．５°≒０．０１０４７２ｍＡ …（３）

次に、計算式（４）の「Ｖｎ」に測定値「１０」を、「Ｉｐｎ」に計算式（３）の算定結果である「０．０１０４７２」を、それぞれ代入して正極大地間絶縁抵抗（Ｒｎ１）を算出する。
Ｒｎ１＝１０／０．０１０４７２／１０００≒０．９５４９３９ＭΩ …（４）

最後に計算式（５）の「Ｒｐ１」に計算式（２）の算出結果「１．７３６２３５」を、「Ｒｎ１」に計算式（４）の算出結果「０．９５４９３９」を、それぞれ代入する。
（１．７３６２３５^−１＊＋０．９５４９３９^−１）^−１≒０．６１６ＭΩ …（５）
これにより、被測定回路絶縁抵抗（Ｒ）を算出することができる。

［被測定回路静電容量（Ｃ）の計算例］
次に、被測定回路絶縁抵抗静電容量（ＲＣ）の計算例を示す。
計算式（６）の「Ｉｐ」に測定値「１．１」を、「θｐ」に測定値「８９．７°」を、それぞれ代入して「Ｉｐｘ」を算出する。
Ｉｐｘ＝１．１＊ＳＩＮ８９．７°≒１．０９９９８５ｍＡ …（６）

次に、計算式（７）の「Ｖｐ」に測定値「１０」を、「Ｉｐｘ」に計算式（６）の算出結果「１．０９９９８５」を、それぞれ代入して「Ｘｐｘ」を算出する。
Ｘｐｘ＝１０／（１．０９９９８５／１０００）≒９０９１．０３４Ω …（７）

さらに、計算式（８）の「ｆ」に測定値「３０」を、「Ｘｐｘ」に計算式（７）の算定結果「９０９１．０３４」を、それぞれ代入して正極大地間静電容量（Ｃｐ１）を算出する。
Ｃｐ１＝１／（２＊π＊３０＊９０９１．０３４）＊１００００００≒０．５８３５６０μＦ …（８）

同様に計算式（８）の「Ｉｎ」に測定値「１．２」を、「θｎ」に測定値「８９．５°」を、それぞれ代入して「Ｉｎｘ」を算出する。
Ｉｎｘ＝１．２＊ＳＩＮ８９．５°≒１．１９９９５４ｍＡ …（９）

次に、計算式（１０）の「Ｖｎ」に測定値「１０」を、「Ｉｎｘ」に計算式（９）の算出結果「１．１９９９５４」を、それぞれ代入して「Ｘｎｘ」を算出する。
Ｘｎｘ＝１０／（１．１９９９５４／１０００）≒８３３３．６５１Ω …（１０）

さらに、計算式（１１）の「ｆ」に測定値「３０」を、「Ｘｎｘ」に計算式（１０）の算定結果「８３３３．６５１」を、それぞれ代入して正極大地間静電容量（Ｃｎ１）を算出する。
Ｃｎ１＝１／（２＊π＊３０＊８３３３．６５１）＊１００００００≒０．６３６５９６μＦ …（１１）

最後に計算式（１２）の「Ｃｐ１」に計算式（８）の算出結果「０．５８３５６０」を、「Ｃｎ１」に計算式（１１）の算出結果「０．６３６５９６」を、それぞれ代入する。
０．５８３５６０＋０．６３６５９６＝１．２２μＦ …（１２）
これにより、被測定回路静電容量（Ｃ）を算出することができる。

［絶縁抵抗および静電容量の測定後の処理フロー］
さらに、演算手段１３１は、ステップ１０７において、装置メモリー１６が備える良否判定基準ファイル１６２（図５に示す）（良・要注意・不良）を読み取り、算出した値との比較判定を行う。なお、過去の測定履歴を装置メモリー１６に保存するようにすることで、測定された値と装置メモリー１６から読み込んだ過去の測定履歴とを比較判定して、一定値以上、変化している場合には「要注意」として処理するように設定することもできる。

ステップ１０７における判定の基準は、各種条件により異なる設定とすることができる。本実施形態において、「絶縁抵抗」が１０ＭΩ以上である場合を「良」と判定して、モニタ（表示器１４）に「異常なし」の表示を行うとともに、測定記録の表示を行う（Ｓ１０８で「良」）。「絶縁抵抗」が１〜１０ＭΩである場合を「要注意」と判定して、モニタ（表示器１４）に「要注意警報」の表示を行うとともに、あわせて前回記録の表示を行う（Ｓ１０８９で「要注意」）。「絶縁抵抗」が１ＭΩ未満である場合を「不良」と判定して、モニタ（表示器１４）に「不良警報」の表示を行うとともに、今回記録とあわせて前回記録の表示を行う（Ｓ１０８１０で「不良」）。

また、本実施形態において「静電容量」は、１０μＦ以下を「良」、１０〜１００μＦを「要注意」、１００μＦ超過を「不良」と判定して上記同様の表示を行う。最後に、測定データを記憶して処理を完了する（Ｓ１１１）。

本実施形態の絶縁抵抗測定計１において、演算手段１３１による良否判定は、装置メモリー１６が備える良否判定基準ファイル１６２（図５）を参照して判定する。具体的には、算出した絶縁抵抗または静電容量を、良否判定基準ファイル１６２の「絶縁抵抗」または「静電容量」の数値と比較判定し、数値に対応した「良否判定」とともに、良否判定基準ファイル１６２（図５）の「表示器への表示」で設定された「異常なし、要注意警報、不良警報」などの表示が実行される。

なお、図３の例では、大地間交流電圧を１０Ｖの固定とし、周波数を１５Ｈｚと３０Ｈｚの２段階としたが、Ｉｐ，Ｉｎの値が所定値以上となるまで、連続または多段階的に電圧値や周波数を自動調整する方式としても良い。

たとえば、測定に際して許容する交流電圧の周波数を１５Ｈｚから４５Ｈｚまでの帯域とし、出力調整手段１３２は、１５Ｈｚから開始してＩｐ，Ｉｎの値が所定値（１ｍＡ）以上となるまで、周波数を５Ｈｚ単位で段階的に上げていくように設定しても良い。これにより、きめ細かい調整が可能となるので、より正確に絶縁抵抗・静電容量を測定することが可能になる。

本例の処理フローについては図６に示す。出力調整手段１３２は、ステップ２０１において、可変交流電源１１が出力する交流電流の周波数を１５Ｈｚとした後、ステップ２０３の判定において、電圧・電流インターフェース１２が測定した交流電流が所定値（１ｍＡ）以上ではない場合に（Ｓ２０３において「ＮＯ」）、周波数が４５Ｈｚ以下であるか否かを判定する（Ｓ２０４）。

出力調整手段１３２は、ここで４５Ｈｚ以下の場合に（Ｓ２０４において「ＹＥＳ」）、ステップ２０５において可変交流電源１１の出力周波数を５Ｈｚ引き上げる。すなわち判定時の周波数が１５Ｈｚの場合には、５Ｈｚ上げられて周波数２０Ｈｚに設定される。その後、出力調整手段１３２は、ステップ２０２−１〜６の処理が繰り返す。

出力調整手段１３２は、ステップ２０３の判定において、交流電流が所定値（１ｍＡ）以上になれば（Ｓ２０３において「ＹＥＳ」）、演算手段１３１を起動して出力調整手段１３２の処理を終了する。演算手段１３１はステップ２０６において、絶縁抵抗および静電容量の算出を行う。

なお、出力調整手段１３２は、ステップ２０２〜２０５を繰り返し、周波数が４５Ｈｚとなった後も交流電流が所定値（１ｍＡ）以上にならない場合には、ステップ２０４において、周波数が４５Ｈｚ以下ではないとする判定の後（Ｓ２０４において「ＮＯ」）、演算手段１３１を起動して出力調整手段１３２の処理を終了する。演算手段１３１はステップ２０６において、絶縁抵抗および静電容量の算出を行う。

また、良否判定および記録値（前回記録）には、測定対象の測定・範囲等に応じた良否判定基準や、前回記録値との測定値の差異・推移により、異なる判定基準を用いる機能を有しても良い。

たとえば、絶縁抵抗が高い値（絶縁抵抗計での測定が１００ＭΩ以上の場合など）の場合には、周囲温度や湿度等の気象による影響を比較的良く受けることになる。一方、絶縁が劣化して数ＭΩ程度まで絶縁抵抗が低下している場合には、気象の影響を受けにくくなる。また、絶縁抵抗の良否では、一般的に１ＭΩを切ると直流地絡検出継電器の使用感度が低下するなどの影響が出るケースがある。そのため、処理フローの一例として、１ＭΩ以下では「不良」、１〜２ＭΩでは「要注意」、２〜１０ＭΩであっても前回記録の５０％であれば「要注意」とすることもできる。また、長期間のデータとして絶縁抵抗が低下傾向にある場合も「要注意」とするなどとしても良い。

さらに、閾値の設定では、誤判断の可能性があっても、早めに劣化状態を知りたいとのニーズがあれば高めの閾値とし、少々リスクがあっても警報が出ないほうが良いとのニーズであれば低めの閾値とすれば良い。

［本実施形態の絶縁抵抗・静電容量測定器１による効果］
本実施形態の絶縁抵抗・静電容量測定器１によれば、電流検出に用いる交流クランプＣＴ１９１，１９２の取り付け箇所を変更することで、部分的な直流回路の絶縁抵抗測定や静電容量測定が可能になる。

また、電圧・電流により地絡抵抗を検出する部分のみで構成された可搬式の装置とすることで、たとえば継続地絡の場合に、交流クランプＣＴ１９１，１９２の接続箇所を変更することで、容易に地絡箇所を特定することが可能となる。

さらに、現在、商品化されている地絡箇所を特定する装置は、６４Ｄリレー（地絡検出継電器）２４の停止と接地線の外し作業が必要であり、直流回路の地絡保護が長時間できない状態となるが、本実施形態の絶縁抵抗・静電容量測定器１では、６４Ｄリレー２４を作動している状態で、装置を設置することが可能となっている。そのため、直流回路の地絡保護が停止する時間は測定動作を行う間であり、直流回路の地絡保護が長時間できないという事態を回避することができる。

他にも、正極・負極間に同一容量のコンデンサを接続して、電流制限抵抗と可変交流電源を通じて大地間に接続する方法であり、電流制限抵抗を適切な値とすることで、正極大地間、負極大地間の電圧バランスが崩れることがないため、既存の他施設への影響がないという効果を有する。

なお、本実施形態の絶縁抵抗・静電容量測定器１は、絶縁抵抗測定器または静電容量測定器として単独でも機能する。

１ 絶縁抵抗・静電容量測定器
２ 直流電源装置
３ 被測定回路絶縁抵抗（Ｒ）
４ 被測定回路静電容量（Ｃ）
１１ 可変交流電源
１２ 電圧・電流インターフェース
１３ ＭＰＵ（演算処理部）
１４ 表示器
１５ 電源
１６ 装置メモリー
２１ 正極（＋）母線
２２ 負極（−）母線
２３ 蓄電池（ＤＣ１１０Ｖ）
２４ ６４Ｄリレー
２５ 負荷抵抗（Ｒｘ）
３１，３２ 被測定対象絶縁抵抗（Ｒｐ１，Ｒｎ１）
４１，４２ 被測定対象静電容量（Ｃｐ１，Ｃｎ１）
１１１ 供給線
１３１ 演算手段
１３２ 出力調整手段
１６１ 初期設定ファイル
１６２ 良否判定基準ファイル
１７１，１７２ 電流制限抵抗（Ｒ）
１８１，１８２ カップリングコンデンサ（Ｃｐ，Ｃｎ）
１９１，１９２ 交流クランプＣＴ
２１１，２２１ 対象外回路絶縁抵抗（Ｒｐ０，Ｒｎ０）
２１２，２２２ 対象外回路静電容量（Ｃｐ０，Ｃｎ０）
２１３，２２３ 接点

Claims (4)

1. 測定対象である直流回路と電路で接続して、一定の電圧及び一定の周波数の交流電流を印加する可変交流電源部と、
   前記直流回路の測定対象部分に取り付けて、交流成分の電流を取得するクランプ部と、
   前記可変交流電源部が印加した交流電流の電圧と、該交流電流の電圧と電流の波形データから演算した電圧電流間位相と、前記クランプ部が取得した前記測定対象部分における交流成分の電流と、に基づき、前記直流回路の測定対象部分の絶縁抵抗を演算する演算手段と、
   前記クランプ部が取得した交流成分の電流が一定値に満たない場合に、前記可変交流電源部が供給する交流電流の周波数を上昇させる出力調整手段を備え、
   前記可変交流電源部は、前記出力調整手段により上昇した周波数の交流電流を前記直流回路に印加することを特徴とする直流回路の絶縁抵抗測定器。
2. 測定対象である直流回路と電路で接続して、一定の電圧及び一定の周波数の交流電流を印加する可変交流電源部と、
   前記直流回路の測定対象部分に取り付けて、交流成分の電流を取得するクランプ部と、
   前記可変交流電源部が印加した交流電流の電圧及び周波数と、該交流電流の電圧と電流の波形データから演算した電圧電流間位相と、前記クランプ部が取得した前記測定対象部分における交流成分の電流と、に基づき、前記直流回路の測定対象部分の静電容量を演算する演算手段と、
   前記クランプ部が取得した交流成分の電流が一定値に満たない場合に、前記可変交流電源部が供給する交流電流の周波数を上昇させる出力調整手段を備え、
   前記可変交流電源部は、前記出力調整手段により上昇した周波数の交流電流を前記直流回路に印加することを特徴とする直流回路の静電容量測定器。
3. 測定対象である直流回路に可変交流電源部を接続して、一定の電圧及び一定の周波数の交流電流を印加するステップと、
   前記直流回路の測定対象部分にクランプを取り付けて、交流成分の電流を取得するステップと、
   前記クランプが取得した交流成分の電流が一定値に満たない場合に、前記可変交流電源部が供給する交流電流の周波数を上昇させて前記直流回路に印加するステップと、
   前記可変交流電源部が印加した交流電流の電圧と、該交流電流の電圧と電流の波形データから演算した電圧電流間位相と、前記クランプが取得した前記測定対象部分における交流成分の電流と、に基づき、前記直流回路の測定対象部分の絶縁抵抗を演算するステップと、
   からなることを特徴とする直流回路の絶縁抵抗測定方法。
4. 測定対象である直流回路に可変交流電源部を接続して、一定の電圧及び一定の周波数の交流電流を印加するステップと、
   前記直流回路の測定対象部分にクランプを取り付けて、交流成分の電流を取得するステップと、
   前記クランプが取得した交流成分の電流が一定値に満たない場合に、前記可変交流電源部が供給する交流電流の周波数を上昇させて前記直流回路に印加するステップと、
   前記可変交流電源部が印加した交流電流の電圧及び周波数と、該交流電流の電圧と電流の波形データから演算した電圧電流間位相と、前記クランプが取得した前記測定対象部分における交流成分の電流と、に基づき、前記直流回路の測定対象部分の静電容量を演算するステップと、
   からなることを特徴とする直流回路の静電容量測定方法。