JP6037010B2 - 絶縁監視装置 - Google Patents

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Description

この発明は、電力系統やこの電力系統に接続された負荷設備(以下、これらをまとめて電力系統ともいう)の絶縁状態を監視する絶縁監視装置に関するものである。
電力系統の絶縁状態を監視する絶縁監視方式として、特許文献1に記載されているように、いわゆるIgr方式、I0r方式が知られている。
このうち、Igr方式は、受電用トランスの接地線に系統周波数とは異なる所定周波数の監視信号を注入し、系統の配電線から対地静電容量または対地絶縁抵抗を介して還流してきた監視信号を抽出すると共に、抽出した監視信号に含まれる抵抗成分電流の大きさを所定の監視設定値と比較して電力系統の絶縁状態を監視するものである。
また、I0r方式は、電力系統に監視信号を注入することなく、受電用トランスの接地線を流れる零相電流から系統の対地電圧と同相の抵抗成分電流を抽出し、この抵抗成分電流の大きさを所定の監視設定値と比較して電力系統の絶縁状態を監視するものである。
一方、負荷設備が大容量のインバータ等である場合、負荷設備の入力側に少なくともコンデンサを含むノイズフィルタを接続することが知られている。
図13は、このような負荷設備及びノイズフィルタを備えた電力系統に適用されるIgr方式の絶縁監視装置の全体構成を示している。
図13において、10は受電用トランス、11はその二次側に接続された接地線、20は配電線、21は配電線20に設けられた回路遮断器、22は対地静電容量、23は対地絶縁抵抗、30は大容量のインバータ等の負荷設備、31はコンデンサを有するノイズフィルタ(容量性フィルタ)、41は接地線に監視信号を重畳するための監視信号重畳部、42は、接地線11を流れる漏洩電流から後述の基準電圧と同相の抵抗成分電流を抽出して絶縁監視を行い、警報出力等を行う監視装置本体、43は接地線11の電圧を基準電圧として測定する基準電圧測定部である。
次に、図14は、監視装置本体42の基本的な構成を示すブロック図である。
この監視装置本体42では、周波数抽出部42a,42bにより、基準電圧Vst及び漏洩電流Iから監視信号と同一の周波数成分が抽出され、Igr抽出部42cにより基準電圧Vstと同相の抵抗成分電流Igrが抽出される。そして、絶縁判定部42dが抵抗成分電流Igrの大きさを所定の監視設定値Irrefと比較し、Igrが監視設定値Irrefを上回った場合に絶縁不良と判定して警報出力部42eに信号を送り、視覚的表示や外部への信号伝送により適宜な警報を出力させている。
特許第4738274号公報(段落[0005]〜[0011]、図13,図14等)
しかしながら、図13において、負荷設備30を運転する際に回路遮断器21を投入すると、配電線20と接地点との間にはノイズフィルタ31が接続されることになり、このノイズフィルタ31は対地静電容量22に比べて遥かに大きな静電容量値を持っている。
ここで、ノイズフィルタ31の容量成分に流れる電流の位相は、理想的には基準電圧Vstに対して90度進み方向になるはずである。しかし、実際には、ノイズフィルタ31を構成する各コンデンサの等価直列抵抗や等価直列インダクタンスの影響により、図15に示すように、系統の容量成分(ノイズフィルタ31及び対地静電容量22)に流れる電流の位相は基準電圧Vstに対して90度未満となり、基準電圧Vstと同相の抵抗成分誤差電流Igr’を含んだものとなる。また、コンデンサの静電容量は温度特性を持つので、図15における容量成分電流(現実)の大きさは温度に応じて変化し、これに伴って抵抗成分誤差電流Igr’の大きさも変化する。
このため、監視装置本体42では、配電線20の絶縁が保たれていても、図15に示す抵抗成分誤差電流Igr’を検出することになり、結果として配電線20の絶縁不良と誤認してしまう恐れがある。
例えば、配電線20の電圧が50[Hz],200[V]、ノイズフィルタ31の容量値が20[μF]であり、対地静電容量22を加算した容量成分電流(現実)の位相が基準電圧Vstに対して87度となるような等価直列抵抗を有する場合には、監視装置本体42により、位相ずれの3度分に相当する17.44[mA]相当の抵抗成分誤差電流Igr’が検出されることになる。特に、ノイズフィルタ等の設備が多数存在する系統では、上記の抵抗成分誤差電流Igr’が設備の数だけ加算されるため、大きな値となる。
自家用電気工作物保安管理規定JEAC8021−2006では、50[mA]を監視上限値としているが、前述したように、ノイズフィルタ31の投入/遮断、更には周囲温度により抵抗成分電流の大きさが異なるため、この抵抗成分電流と比較される監視設定値を一律かつ固定的に定めている場合には、電路及び設備の絶縁劣化がなくても監視レベルを超える場合があり、高精度な絶縁監視を行うことができないという問題があった。
そこで、本発明の解決課題は、負荷設備の運転状況や周囲温度に応じた適切な監視設定値を自動的に選択または演算することにより、高精度な絶縁監視を可能にした絶縁監視装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明は、電力系統または電力系統に接続された負荷設備の対地絶縁抵抗を介して還流する漏洩電流を検出すると共に、この漏洩電流から電力系統に重畳した基準電圧と同相の抵抗成分電流を求め、この抵抗成分電流が監視設定値を超えた時に対地絶縁抵抗の低下による絶縁不良を検出する絶縁監視装置であって、負荷設備の運転時にコンデンサを含むノイズフィルタが接続される電力系統を対象とした絶縁監視装置に関する。
そして、請求項1に係る発明は、前記コンデンサの静電容量成分電流に起因する抵抗成分誤差電流(設定値)を、電力系統及び設備の絶縁監視のための監視基底設定値(例えば、自家用電気工作物保安管理規定に定められた監視上限値の50[mA])に加算して求めた監視設定値を負荷設備の運転スケジュールに応じて予め設定したテーブルと、現在時刻の運転スケジュールに応じて前記テーブルから読み出した監視設定値を出力する監視設定値演算部と、を備え、この監視設定値演算部から出力される監視設定値を抵抗成分電流との比較に用いて絶縁監視を行うものである。
請求項2に係る発明は、負荷設備の運転台数を取得する運転台数取得部と、負荷設備1台あたりの単位設定値と運転台数に応じて増減する静電容量成分電流に起因する抵抗成分誤差電流設定値を、電力系統及び設備の絶縁監視のための監視基底設定値(例えば、自家用電気工作物保安管理規定に定められた監視上限値の50[mA])に加算して監視設定値を演算する監視設定値演算部と、を備えたものである。
請求項3に係る発明は、監視信号と同一周波数成分の電流から、前記監視信号と位相が同一となる抵抗成分を抽出する抵抗成分電流抽出部と、前記監視信号より位相が例えば90度進んだ容量成分電流を抽出する容量成分電流抽出部と、この容量成分電流抽出部により抽出した容量成分電流によって単位容量成分電流または単位静電容量あたりの単位抵抗成分誤差電流を演算し、この演算値を電力系統及び設備の監視のための監視基底設定値(例えば、自家用電気工作物保安管理規定に定められた監視上限値の50[mA])に加算して監視設定値を演算する監視設定値演算部と、を備え、監視設定値演算部により演算した監視設定値を、前記抵抗成分電流との比較に用いて絶縁監視を行うものである。
請求項4に係る発明は、監視信号より位相が例えば90度進んだ容量成分電流を抽出する容量成分電流抽出部と、この容量成分電流抽出部により抽出した容量成分電流を静電容量に換算する静電容量換算部と、この静電容量換算部により換算した静電容量を、ノイズフィルタに用いられたコンデンサの種類に応じた静電容量変化率と周囲温度計測値とを用いて補正する温度補正演算部と、この温度補正演算部により補正された静電容量によって流れる容量成分電流に起因する抵抗成分誤差電流を、電力系統及び設備の絶縁監視のための監視基底設定値(例えば、自家用電気工作物保安管理規定に定められた監視上限値の50[mA])に加算して監視設定値を演算する監視設定値演算部と、を備えたものである。
本発明によれば、ノイズフィルタを有する負荷設備の運転スケジュールや運転台数、更には系統から抽出した容量成分電流や静電容量に応じて監視設定値を自動的に選択または演算することにより、様々な状況のもとで適切な監視設定値を用いた絶縁監視を行うことができる。
本発明の第1実施形態に係る監視装置本体の構成を示すブロック図(図1(a))及びスケジュール設定テーブルの説明図(図1(b))である。 第1実施形態において、時間帯に応じた抵抗成分誤差電流Igr’と監視設定値Irrefとの関係を示す図である。 本発明の第2実施形態に係る監視装置本体の構成を示すブロック図である。 第2実施形態における監視設定値Irrefの説明図である。 本発明の第3実施形態に係る監視装置本体の構成を示すブロック図である。 本発明の第4実施形態に係る監視装置本体の構成を示すブロック図である。 第4実施形態における単位容量成分電流Igcあたりの単位誤差電流の説明図である。 第4実施形態における監視設定値Irrefの説明図である。 本発明の第5実施形態に係る監視装置本体の構成を示すブロック図である。 図9における温度補正演算部の構成を示すブロック図である。 コンデンサの温度特性を示す図である。 コンデンサの種類と静電容量変化率との関係を示すテーブルである。 従来の絶縁監視装置の全体構成を示すブロック図である。 図13における監視装置本体の基本的な構成を示すブロック図である。 抵抗成分誤差電流を説明するためのベクトル図である。
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。なお、以下の実施形態は、本発明を図13に示したようなIgr方式の絶縁監視装置に適用した場合のものである。
まず、図1(a)は、本発明の第1実施形態に係る監視装置本体の構成を示すブロック図である。図1の監視装置本体42Aにおいて、図13と同様に、周波数抽出部42a,42bにより、基準電圧Vst及び漏洩電流Iから監視信号と同一の周波数成分が抽出される。Igr抽出部42cでは、周波数抽出部42bの出力から、基準電圧Vstと同相の抵抗成分電流Igrが抽出される。
一方、スケジュール設定テーブル42gには、図1(b)に示すごとく、監視対象の系統の負荷設備の時間的な運転スケジュール(少なくとも運転時間を含み、必要に応じて運転台数も含む)に応じた監視設定値Irrefが格納されている。すなわち、1日の時間帯0:00〜24:00において、インバータ等を運転する場合にはその入力側にノイズフィルタが接続され、図15に示したように、基準電圧に対して90度未満の位相を有する容量成分電流(現実)が流れる。このため、容量成分電流(現実)に応じて抵抗成分誤差電流Igr’が発生することになり、監視設定値Irrefが固定されている場合には抵抗成分誤差電流Igr’が監視設定値Irrefを超えてしまい、絶縁不良と誤認してしまうおそれがある。
そこで、この実施形態では、負荷設備の運転スケジュールに応じてどの程度の容量成分電流(現実)ひいては抵抗成分誤差電流Igr’が発生するかを予め検出しておき、この抵抗成分誤差電流Igr’よりも十分に大きい監視設定値Irrefを、スケジュール設定テーブル42gとして時間帯ごとに設定しておく。
なお、図2は、時間帯に応じた抵抗成分誤差電流Igr’と監視設定値Irrefとの関係を示す図であり、8:00〜20:00の間の監視設定値Irrefを他の時間帯よりも大きめに設定した例である。また、8:00〜20:00の間で抵抗成分電流(誤差)Igr’が変化しているのは、インバータの運転状況や運転台数によりノイズフィルタを流れる容量成分電流(現実)が変化するためである。
そして、図1の監視設定値演算部42hでは、時計42f及びスケジュール設定テーブル42gを参照し、現在時刻に対応する監視設定値Irrefを求めて絶縁判定部42dに送る。
絶縁判定部42dでは、Igr抽出部42cから出力される抵抗成分電流Igrが監視設定値演算部42hから送られた監視設定値Irrefを超えたか否か判定することにより、通常の絶縁監視を行う。抵抗成分電流Igrが監視設定値Irrefを超えた場合には、従来と同様に警報出力部42eを動作させて適宜な警報を行うものである。
上記のように、第1実施形態によれば、負荷設備の運転スケジュールに応じて適切な監視設定値Irrefを用いることができるため、一日を通じて正確な絶縁監視を行うことができる。
次に、図3は、本発明の第2実施形態に係る監視装置本体の構成を示すブロック図である。図3の監視装置本体42Bにおいて、運転台数取得部42iは、運転時にノイズフィルタが接続されるn(nは1以上の自然数)台の負荷設備の運転信号1〜nを、例えば各設備の運転時に発生するDi(ディジタル入力)信号や所定レベルのアナログ信号として取り込み、負荷設備の運転台数を取得する。また、監視装置本体42Bには、負荷設備1台当たりの監視設定値(単位設定値)Irref1が設定されている。ここで、単位設定値Irref1は、運転時にノイズフィルタが接続される1台の負荷設備による抵抗成分誤差電流に相当する値である。
運転台数取得部42iから出力される負荷設備の運転台数と単位設定値Irref1とは、監視設定値演算部42hに入力されている。また、監視設定値演算部42hには、図4に示すように、ベースとなる基底設定値Irref0が保持されている。この基底設定値Irref0とは、電力系統及び設備の絶縁監視のための基準となる抵抗成分監視電流設定値に相当する(例えば、自家用電気工作物保安管理規定に定められた監視上限値の50[mA])。
監視設定値演算部42hでは、数式1に示すように、負荷設備の運転台数nと単位設定値Irref1との乗算値に基底設定値Irref0を加算して監視設定値Irrefを演算し、絶縁判定部42dに出力する。
[数式1]
rref=Irref1×n+Irref0
絶縁判定部42dでは、負荷設備の運転台数に応じて図4のように変更される監視設定値Irrefを用いて抵抗成分電流Igrとの比較を行い、絶縁監視を行う。
第2実施形態によれば、負荷設備の運転台数に応じて適切な監視設定値Irrefを用いることができるため、負荷設備の運転台数が頻繁に変化する系統においても正確な絶縁監視を行うことができる。
図5は、本発明の第3実施形態に係る監視装置本体の構成を示すブロック図である。図5の監視装置本体42Cでは、運転台数取得部42iが、n台の負荷設備の運転状況をサーバやPLC(プログラマブルロジックコントローラ)等の管理部42jによって常に管理し、通信部42kを介して負荷設備の運転台数を取得する。この運転台数と負荷設備1台当たりの単位設定値Irref1とを監視設定値演算部42hに入力することにより、第2実施形態と同様に数式1を演算し、負荷設備の運転台数に応じて変更される監視設定値Irrefと抵抗成分電流Igrとの比較によって絶縁監視を行う。
なお、管理部42jと通信部42kとの間の通信手段、負荷設備1〜nと管理部42jとの間の通信手段は、有線、無線いずれでも良い。
第3実施形態によれば、第2実施形態と同様に、負荷設備の運転台数が頻繁に変化する系統においても正確な絶縁監視が可能であると共に、負荷設備の運転状況を無線通信により取得することで、負荷設備と監視装置本体42Cとの間の配線を省略することができる。
図6は、本発明の第4実施形態に係る監視装置本体の構成を示すブロック図である。
図6の監視装置本体42Dでは、Igr抽出部42cの他にIgc抽出部42lを備えている。このIgc抽出部42lは、漏洩電流Iに含まれる監視信号と同一の周波数成分であって、基準電圧Vstに対して位相が90度進んだ容量成分電流Igcを抽出する。
更に、監視装置本体42Dには、単位容量成分電流あたりの監視設定値(単位設定値)α、または容量成分電流から換算した単位静電容量あたりの監視設定値(単位設定値)βが記憶されている。図7は、単位容量成分電流あたりの単位設定値αの説明図であり、この単位設定値αは、例えば単位容量成分電流100[mA]あたりの抵抗成分誤差電流に相当する。
監視設定値演算部42hは、数式2の演算を行い、Igc抽出部42lから出力されるIgcと単位設定値αとに基づいて監視設定値Irrefを求める。なお、Irref0は前記同様に基底設定値である。図8は、数式2によって演算される監視設定値Irrefの説明図である。
[数式2]
rref=(Igc/100[mA])×α+Irref0
また、単位静電容量を例えば1[μF]としたとき、監視設定値Irrefは数式3によって演算される。数式3において、Cは容量成分電流Igcから換算した静電容量値である。
[数式3]
rref=(C/1 [μF])×α+Irref0
こうして演算された監視設定値Irrefは絶縁判定部42dに入力され、Igr抽出部42cから出力される抵抗成分電流Igrと比較することで絶縁監視を行う。
第4実施形態によれば、漏洩電流Iから抽出した容量成分電流Igcまたは静電容量値Cに応じた大きさの監視設定値Irrefを用いて絶縁監視を行うものである。
このため、第1〜第3実施形態のように負荷設備の運転スケジュールや運転台数から抵抗成分誤差電流Igr’を推定して監視設定値Irrefを決定する場合に比べて、系統に実際に流れる容量成分電流Igcを反映させた監視設定値Irrefを得ることができ、この監視設定値Irrefを使用してより正確な絶縁監視を行うことができる。
次に、図9は、本発明の第実施形態に係る監視装置本体の構成を示すブロック図である。
図9の監視装置本体42Eでは、抽出した容量成分電流Igcを静電容量Cに換算し、この静電容量Cを温度補正して監視設定値Irrefの演算に用いている。
すなわち、図9の監視装置本体42Eにおいて、Igc抽出部42cにより抽出した容量成分電流Igcは静電容量換算部42qに入力され、静電容量に換算される。この静電容量Cは、温度補正演算部42pにより温度補正されて監視設定値演算部42hに入力されている。
温度補正演算部42pには、監視装置本体42Eの内部の温度計測部42nによる温度計測値、または、監視装置本体42Eの外部の温度計測部42mにより計測され、管理部42j及び通信部42kを介して受信した温度計測値が入力されている。
図10は、図9の温度補正演算部42pの構成を示すブロック図である。
図10において、静電容量補正部42rは、静電容量換算部42qから入力される温度補正前の静電容量Cを、温度計測値及び後述の静電容量変化率を用いてC’に補正し、監視設定値演算部42hに出力する。
また、種類入力部42sは、オペレータの手動操作により、ノイズフィルタ31を構成するコンデンサの種類(誘電体の種類やメーカ、型式等)を静電容量補正部42rに入力するためのものである。なお、この種類入力部42sの代わりに、図9の通信部42kを介して外部から通信によりコンデンサの種類を静電容量補正部42rに入力しても良い。
一般に、コンデンサの静電容量は周囲温度によって変化し、その変化率はコンデンサの種類によって異なるものである。図11は、コンデンサの周囲温度と静電容量変化率との関係(温度特性)を示しており、C,C,Cはそれぞれ異なる種類のコンデンサの特性である。なお、静電容量変化率は、基準温度tにおいて0[%]である。
このため、静電容量補正部42rは、コンデンサの種類に応じた温度特性を例えば図11のC,C,Cの中から選択すると共に、選択した特性上で温度計測値に対応する静電容量変化率を静電容量Cに乗算することで、温度補正後の静電容量C’を得ることができる。
図12は、図11に示したようなコンデンサの温度特性をテーブルとして示したものである。このテーブルを静電容量補正部42rに内蔵しておき、温度計測値に応じた静電容量変化率を用いれば、温度補正後の静電容量C’を速やかに演算することができる。
このようにして現在の温度計測値におけるコンデンサの静電容量C’が求められれば、監視設定値演算部42hは、静電容量C’に対応した抵抗成分誤差電流と基底設定値とを加算することによって監視設定値Irrefを求めることできる。絶縁判定部42dは、こうして求めた監視設定値Irrefを用いて絶縁監視を行えば良い。
本発明は、Igr方式だけでなく、系統の対地電圧を用いるI0r方式の絶縁監視装置にも利用することができる。
42A,42B,42C,42D,42E: 監視装置本体
42a,42b:周波数抽出部
42c:Igr抽出部
42d:絶縁判定部
42e:警報出力部
42f:時計
42g:スケジュール設定テーブル
42h:監視設定値演算部
42i:運転台数取得部
42j:管理部
42k:通信部
42l:Igc抽出部
42m,42n:温度計測部
42p:温度補正演算部
42q:静電容量換算部
42r:静電容量補正部
42s:種類入力部

Claims (4)

  1. 電力系統または前記電力系統に接続された負荷設備の対地絶縁抵抗を介して還流する漏洩電流を検出すると共に、前記漏洩電流から前記電力系統に重畳した基準電圧と同相の抵抗成分電流を求め、前記抵抗成分電流が監視設定値を超えた時に前記対地絶縁抵抗の低下による絶縁不良を検出する絶縁監視装置であって、前記負荷設備の運転時にコンデンサを含むノイズフィルタが接続される電力系統を対象とした絶縁監視装置において、
    前記コンデンサの静電容量と前記電力系統の対地絶縁容量との和によって流れる抵抗成分誤差電流よりも大きい前記監視設定値を、前記負荷設備の運転スケジュールに応じて予め設定したテーブルと、
    現在時刻の前記運転スケジュールに応じて前記テーブルから読み出した前記監視設定値を出力する監視設定値演算部と、
    を備え、
    前記監視設定値演算部から出力される前記監視設定値を前記抵抗成分電流との比較に用いることを特徴とする絶縁監視装置。
  2. 電力系統または前記電力系統に接続された負荷設備の対地絶縁抵抗を介して還流する漏洩電流を検出すると共に、前記漏洩電流から前記電力系統に重畳した基準電圧と同相の抵抗成分電流を求め、前記抵抗成分電流が監視設定値を超えた時に前記対地絶縁抵抗の低下による絶縁不良を検出する絶縁監視装置であって、前記負荷設備の運転時にコンデンサを含むノイズフィルタが接続される電力系統を対象とした絶縁監視装置において、
    前記負荷設備の運転台数を取得する運転台数取得部と、
    前記負荷設備1台あたりの単位設定値、前記運転台数、及び、前記電力系統の対地絶縁容量によって流れる抵抗成分誤差電流に応じた基底設定値を用いて、前記監視設定値を演算する監視設定値演算部と、
    を備え、
    前記監視設定値演算部により演算した前記監視設定値を前記抵抗成分電流との比較に用いることを特徴とする絶縁監視装置。
  3. 電力系統または前記電力系統に接続された負荷設備の対地絶縁抵抗を介して還流する漏洩電流を検出すると共に、前記漏洩電流から前記電力系統の基準電圧と同相の抵抗成分電流を求め、前記抵抗成分電流が監視設定値を超えた時に前記対地絶縁抵抗の低下による絶縁不良を検出する絶縁監視装置であって、前記負荷設備の運転時にコンデンサを含むノイズフィルタが接続される電力系統を対象とした絶縁監視装置において、
    視信号と同一周波数成分の電流から、前記抵抗成分電流より位相が進んだ容量成分電流を抽出する容量成分電流抽出部と、
    前記容量成分電流抽出部により抽出した前記容量成分電流、単位容量成分電流または単位静電容量あたりの単位設定値、及び、前記電力系統の対地絶縁容量によって流れる抵抗成分誤差電流に応じた基底設定値を用いて、前記監視設定値を演算する監視設定値演算部と、
    を備え、
    前記監視設定値演算部により演算した前記監視設定値を前記抵抗成分電流との比較に用いることを特徴とする絶縁監視装置。
  4. 電力系統または前記電力系統に接続された負荷設備の対地絶縁抵抗を介して還流する漏洩電流を検出すると共に、前記漏洩電流から前記電力系統の基準電圧と同相の抵抗成分電流を求め、前記抵抗成分電流が監視設定値を超えた時に前記対地絶縁抵抗の低下による絶縁不良を検出する絶縁監視装置であって、前記負荷設備の運転時にコンデンサを含むノイズフィルタが接続される電力系統を対象とした絶縁監視装置において、
    視信号と同一周波数成分の電流から、前記抵抗成分電流より位相が進んだ容量成分電流を抽出する容量成分電流抽出部と、
    前記容量成分電流抽出部により抽出した前記容量成分電流を静電容量に換算する静電容量換算部と、
    前記静電容量換算部により換算した静電容量を、前記コンデンサの種類に応じた静電容量変化率と周囲温度計測値とを用いて補正する温度補正演算部と、
    前記温度補正演算部により補正された静電容量によって流れる抵抗成分誤差電流と、前記電力系統の対地絶縁容量によって流れる抵抗成分誤差電流に応じた基底設定値とを用いて、前記監視設定値を演算する監視設定値演算部と、
    を備え、
    前記監視設定値演算部により演算した前記監視設定値を前記抵抗成分電流との比較に用いることを特徴とする絶縁監視装置。
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