JP6503322B2 - 地絡検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、高圧配電線路の三相３線と単相２線のいずれにおいても地絡を検出することが可能な地絡検出装置に関する。

三相の高圧配電線路で地絡事故を検出する方法として、零相電圧検出器（ＺＰＤ）から得た零相電圧と、零相変流器（ＺＣＴ）から得た零相電流と、これらの位相角によって判定する方法が広く用いられている。例えば特許文献１（特開平０５−１２２８３１）には、従来技術として段落０００２に上記の技術が記載されている。

単相２線の場合の地絡検出は、零相変流器（ＺＣＴ）によって地絡電流を監視する方法が広く用いられている。電線に流れる電流は、往路と復路で同じになる。零相変流器の巻線に電線の往路と復路を通しておくと、地絡事故が発生した場合に往路と復路で差が生じる。この差によって零相変流器の巻線に誘導起電力が生じるため、地絡を検出することができる。一般住宅のブレーカーも多くがこの方式を採用している。

特開平０５−１２２８３１

よく知られているように、高圧配電線路（例えば６６００Ｖ）には三相３線の線路が広く用いられている。しかしながら例えば山間部のように末端の負荷が少ない場合には、途中から１線を省略し、３線ではなく２線のみで電力供給する場合がある。三相３線から１線を省略すると、単相２線となる。

ただし、単相２線にした場合であっても、開閉器のような柱上機器は３線用のものがそのまま使用される。すなわち、単純に電線を１本省略した状態である。三相３線用の地絡検出装置を単相２線で使用すると、センサ情報が１相未入力となる。すると、地絡事故発生時に零相電圧検出器（ＺＰＤ）から得られる零相電圧が三相３線と異なるため、正しく地絡を検出することができないという問題がある。

また三相３線用の機器においてセンサ情報が１相未入力とすると、実際は零相電圧が発生していなくても大きな残留零相電圧が常時発生しているように見える。この残留零相電圧を地絡事故であると誤検出する可能性がある。

本発明は、高圧配電線路の三相３線と単相２線のいずれにおいても地絡を検出することが可能な地絡検出装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の代表的な構成は、接続されている高圧配電線路が三相３線か単相２線かを判定する線路判定部と、所定時間前の零相電圧および零相電流を記憶する記憶部と、現在と所定時間前の零相電圧および零相電流のベクトル変化量をとって判定電圧および判定電流を算出する判定値算出部と、単相２線の場合には判定電圧に所定の係数をかけてから、判定電圧および判定電流を用いて、三相３線および単相２線で同じ閾値を用いて地絡を判定する地絡判定部とを備えたことを特徴とする。

線路判定部による三相３線か単相２線かの判定は、物理的な切り替えスイッチを設けても良いし、プログラム上で設定するようにしてもよいし、後述するように自動判定してもよい。

上記構成によれば、高圧配電線路の三相３線と単相２線のいずれにおいても、同じ検出ロジックによる地絡検出が可能となる。したがって本発明の地絡検出装置を開閉器や遮断器、接触器などに搭載することにより、三相３線または単相２線においても同じ機器で地絡を検出することができる。単に三相３線において使用した場合であっても、残留零相成分を除去することから、地絡検出の高精度化を図ることができる。

さらに、現在と所定時間前の零相電圧および零相電流の位相が一致するように補正する位相補正部を備えることが好ましい。これにより２つの時刻のベクトルを比較し、残留零相成分の除去を行ったり、零相成分のベクトル変化量をとったりすることができる。

単相２線の場合に地絡判定部が判定電圧にかける所定の係数は１．５とすることができる。

三相３線からセンサ情報が１相未入力となる場合、単相２線の地絡事故時の判定電圧（零相電圧のベクトル変化量）は、三相３線の場合の２／３倍となる。したがって地絡の程度にかかわらず、単相２線の判定電圧に一律に１．５倍することにより、三相３線の場合と同じ閾値を用いて地絡を判定することができる。

線路判定部は、地絡検出装置の初期化時に零相電圧を取得し、零相電圧が所定値以上であった場合に単相２線であると判定してもよい。

また線路判定部は、地絡検出装置の初期化時に三相の相電圧を取得し、三相のうち二相が所定値以上であり、１相が所定値未満である場合に単相２線であると判定してもよい。

上記構成によれば、地絡検出装置によって高圧配電線路の三相３線と単相２線を自動的に判別することができる。したがって切り替えスイッチの設定漏れがなくなり、確実な動作を期待することができる。

本発明によれば、高圧配電線路の三相３線と単相２線のいずれにおいても地絡を検出することが可能な地絡検出装置を提供することができる。

開閉器を示す概略構成図である。 三相３線と単相２線における地絡事故を説明する図である。 地絡検出装置の構成を示すブロック図である。 地絡検出装置の動作を説明するフローチャートである。 位相補正について説明する図である。 零相電圧の計算の条件を示す図である。 地絡発生時の零相電圧のベクトル変化量を説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は開閉器１０を示す概略構成図である。開閉器１０は架空配電線路および地中配電線路に設置される電気機器であり、三相３線のために電線２０、２２、２４を３本接続し、スイッチ３０によって電気的に開閉する機器である。開閉器１０の内部には零相電圧検出装置４０（ＺＰＤ：Zero-Phase-sequence Potential Device）、零相変流器５０（ＺＣＴ：Zero-Phase-sequence Current Transformars）、線間電圧を測定するための計器用変圧器６０（ＰＴ：Potential Difference）、および本発明にかかる地絡検出装置１００が内蔵されている。地絡検出装置１００は、地絡を検出するとスイッチ３０に開放の信号を送出する地絡継電器である。

零相電圧検出装置４０（ＺＰＤ）はコンデンサ形地絡検出装置とも呼ばれる。３線からそれぞれコンデンサを介して結合し、さらにコンデンサを介して接地する。三相交流が健全である場合には、零相電圧は０（ゼロ）になる。地絡発生時には零相電圧は０にならず有意な大きさの値が発生する。零相電圧検出装置４０では、この零相電圧をコンデンサで分圧して、零相電圧に比例した低い電圧を取り出す。

零相電圧検出装置４０（ＺＰＤ）に代えて、３相それぞれに設けられたコンデンサ型計器用変圧器（ＰＤ：Potential Device）を用いてもよい。ＰＤとは計器用変圧器であり、各相を２つ以上のコンデンサで分圧して接地し、高圧線路の対地電圧をコンデンサで分圧して、対地電圧に比例した低い電圧を取り出す変圧器である。零相電圧は、３相のＰＤの加算合成で得ることができる。

零相変流器５０は、巻線の中に３線を総て通してあり、三相の合成電流（すなわち零相電流）に応じた２次電流を検出する。三相交流が健全である場合には、零相電流は０（ゼロ）になる。地絡発生時には零相電流も０にならず、有意な大きさの値が発生する。

計器用変圧器６０（ＰＴ）は、線間にまたがって巻線を接続し、これに対してトランスにより計器で測定しやすい電圧に落とす変圧器である。ＰＴに代えて、２つの線の対地電圧をそれぞれＰＤによって測定し、これらの対地電圧の減算で線間電圧を測定することもできる。

なお、本実施形態においては一例として地絡検出装置１００を開閉器１０に内蔵のものとして説明するが、本発明はこれに限定するものではない。地絡検出装置１００を独立した地絡継電器としてもよいし、遮断器や接触器などの他の電気機器に搭載してもよい。

図２は三相３線と単相２線における地絡事故を説明する図である。図２（ａ）は三相３線の場合を説明する図、図２（ｂ）は単相２線の場合を説明する図である。前提として、いずれも三相３線用の地絡検出装置１００を用いる。三相をＲ相、Ｓ相、Ｔ相とし、それぞれの電圧をＶＲ、ＶＳ、ＶＴとする。

図２（ａ）に示すように開閉器１０に３相すべて入力されている場合、健全時にはＶＲ、ＶＳ、ＶＴが１２０度間隔となっていて、合成電圧である零相電圧はゼロである。地絡事故時には、地絡による零相電圧Ｖ１と零相電流Ｉ１が検出される。したがって、三相３線で地絡を検出しようとした場合には、零相電圧がゼロの場合とＶ１の場合の対比で地絡の判定を行うことになる。

一方、図２（ｂ）では電線２４が接続されておらず、センサ情報が１相未入力である。するとＶＲとＶＳの合成電圧Ｖ０が常に発生しているため、健全時にも大きな零相電圧Ｖ０が検出される。さらに地絡事故時には地絡による電圧Ｖ１と電流Ｉ１が発生するため、センサが検出する零相電圧Ｖ２はＶ０とＶ１の合成電圧となる。したがって、仮に単相２線で地絡を検出しようとした場合には、零相電圧がＶ０からＶ２に変化したことを検知する必要がある。

このように、三相３線の場合は零相電圧がゼロからＶ１に変化したことを、センサ情報が１相未入力となる単相２線の場合はＶ０からＶ２に変化したことを検知する必要があり、健全時の値も地絡発生時の値も大きく異なっている。

そこで本発明においては、以下のようにして、高圧配電線路の三相３線と単相２線のいずれにおいても、同じ検出ロジックによる地絡検出を可能にする。

図３は地絡検出装置１００の構成を示すブロック図、図４は地絡検出装置１００の動作を説明するフローチャートである。

まず図４（ａ）に示すように、地絡検出装置１００の初期化時に、線路判定部１０８は、地絡検出装置１００に接続されている高圧配電線路が三相３線か単相２線かの判定をする（ステップＳ１００）。

線路判定部１０８が三相３線か単相２線かを判定するに際して、地絡検出装置１００に物理的な切り替えスイッチを設けても良いし、地絡検出装置１００の制御プログラム上に設定値を設けてもよい。線路判定部１０８は、これらの値を読み取ることによって三相３線か単相２線かを判定することができる。

さらに、線路判定部１０８において、次のようにして電気的に（自動的に）線路の判定をすることができる。

一つ目として、高圧配電線路の健全時において、三相３線では零相電圧が約０Ｖであるが、単相２線にはセンサ情報が１相未入力のため大きな零相電圧が発生することを利用する。たとえば６．６ｋＶ高圧配電線路において、約１，２７０Ｖの零相電圧が発生する。そこで、地絡検出装置１００の初期化時に零相電圧を取得し、零相電圧が所定値以上であった場合に単相２線であると判定することができる。なおこの方法は、地絡検出装置１００の初期化時に地絡が発生していないことを前提としている。

具体的には、三相３線でも微小な残留零相電圧が発生する。この三相３線の残留零相電圧を考慮し、健全時の三相３線では発生しなく、単相２線では発生するレベルの零相電圧を閾値とし、閾値超過なら単相２線、閾値以下なら三相３線と判定する。具体例として閾値を単相２線で発生する１，２７０Ｖの約半分の６００Ｖ程度とすることができる。

二つ目として、単相２線ではセンサ情報が１相未入力のため、三相のＰＤのうち１相が０Ｖとなることを利用する。地絡検出装置１００の初期化時に三相の相電圧を取得し、三相のうち二相が所定値以上であり、１相が所定値未満である場合に単相２線であると判定することができる。具体例として、線間電圧が６．６ｋＶの高圧配電線路において各相の相電圧は３，８１０Ｖであるから、閾値はその約半分の２，０００Ｖ程度とすることができる。

線路判定部１０８による線路の判定（図４（ａ）のステップＳ１００）は、地絡検出装置１００の初期化時に行い、以後は設定値（状態）を保持することが好ましい。初期化時とは、地絡検出装置１００の電源投入時のほか、手動または遠隔操作によってリセットが行われた場合も含まれる。

図４（ｂ）は地絡検出装置１００の稼働中（初期化後）に継続的に繰り返し行う動作を示している。まず零相電圧検出装置４０から現在の零相電圧Ｖ２（センサ値）を検出し、零相変流器５０から現在の零相電流Ｉ２（センサ値）を検出する（ステップＳ２００）。

図５は位相補正について説明する図である。図５（ａ）に示すように、地絡検出に用いる零相電圧Ｖ２および零相電流Ｉ２は、線間電圧Ｖを基準とするベクトル成分である。後述するように零相成分のベクトル変化量をとる場合および残留零相成分の除去をする場合には、２つの時刻の値の差分を取る必要がある。そのため、２つの時刻の位相をそろえる必要がある。

そこで、周波数解析部１１０において電源周波数成分を抽出し、位相算出部１１２においてセンサ値である零相電圧Ｖ２、零相電流Ｉ２の位相を算出する。次に位相補正部１１４において、図５（ｂ）に示すように、位相算出部１１２で算出した線間電圧Ｖの位相を基準として、現在と所定時間前の零相電圧Ｖ２および零相電流Ｉ２の位相が一致するように補正する（ステップＳ２０２）。

次に判定値算出部１１８は、零相電圧、零相電流に含まれる残留零相成分の除去を行う。記憶部１１６から、過去の健全時の零相電圧Ｖ０および零相電流Ｉ０を取得する。そして判定値算出部１１８において、現在の零相電圧Ｖ２および零相電流Ｉ２と、過去の健全時の零相電圧Ｖ０および零相電流Ｉ０との差分を取って、判定電圧Ｖ３および判定電流Ｉ３とする（ステップＳ２０４）。

判定電圧Ｖ３＝現在の零相電圧Ｖ２−健全時の零相電圧Ｖ０
判定電流Ｉ３＝現在の零相電流Ｉ２−健全時の零相電流Ｉ０
判定位相＝判定電流Ｉ３の位相−判定電圧Ｖ３の位相
これにより残留零相成分を除去することができる。判定位相は、地絡事故の方向を判定するために使用する。

健全時の零相電圧Ｖ０および零相電流Ｉ０とは、後述するように、所定時間前の零相電圧Ｖ２および零相電流Ｉ２であり、地絡が発生していないことを条件とする。具体例としては、現在から４秒前の零相電圧Ｖ２および零相電流Ｉ２を用いることができる。これは、地絡事故発生時の変電所の遮断器（ＣＢ：Circuit Breaker）の解列時間＋分散型電源の保護継電器の動作による系統解列時間を考慮し、地絡事故発生内でのベクトル変化量演算を避けるためである。

次に地絡判定部１２０が地絡の判定を行う。地絡判定部１２０は、まず線路判定部１０８から、接続されている高圧配電線路が三相３線か単相２線かの情報を取得する。そして、線路が単相２線の場合には、判定電圧Ｖ３に所定の係数をかける（ステップＳ２０６）。判定電圧Ｖ３にかける所定の係数は１．５とすることができる。判定電圧Ｉ３と判定位相には係数をかけない。これにより地絡判定部１２０は、三相３線および単相２線で同じ閾値を用いて地絡を判定することが可能となる。

判定電圧Ｖ３のみに所定の係数（１．５倍）をかけることについて説明する。図６は零相電圧の計算の条件を示す図、図７は地絡発生時の零相電圧のベクトル変化量を説明する図である。図６に示すように、電源は三相３線とし、途中から単相２線となる線路を考える。図７では、健全時、地絡発生時、およびベクトル変化量について、それぞれ三相３線の場合と単相２線の場合で零相電圧を計算している。

図７に示す式（１−５）、式（１−６）より、健全時から地絡発生時の零相電圧のベクトル変化量を算出した場合、以下のことが分かる。
・地絡発生時の零相電圧のベクトル変化量は、単相２線では三相３線の２／３倍の大きさとなる。
・単相２線、三相３線ともに発生する方向（位相）は同じである。
したがって地絡の程度にかかわらず、単相２線の判定電圧Ｖ３に一律に１．５倍することにより、三相３線の場合と同じ閾値を用いて地絡を判定することができる。

なお、零相電流および位相について係数をかける必要はない。地絡抵抗から大地に流れる地絡電流は、静電容量などの対地成分に分流し、再び地絡抵抗に合流する経路を辿る。測定地点に対して地絡事故が例えば電源側に生じた場合、測定地点に流れる零相電流は負荷側対地静電容量の大きさに比例する。それは、測定地点の負荷側の線路が三相３線のみ、単相２線のみ、三相３線と単相２線が混在する場合であっても配線方式には依存しない。

そして地絡判定部１２０において地絡判定を行う（ステップＳ２０８）。判定電圧Ｖ３および判定電流Ｉ３に有意な大きさが認められる場合、地絡が発生したと判定し、所定の地絡時の処理を実施する（ステップＳ２１０）。地絡時の処理とは、開閉器１０のスイッチ３０の開放や、事業者への通報などである。

そして現在の零相電圧Ｖ２を健全時の零相電圧Ｖｏとして記憶部１１６に記憶する。同様に、現在の零相電流Ｉ２を健全時の零相電流Ｉｏとして記憶部１１６に記憶する（ステップＳ２１２）。なお、基本的に零相電圧Ｖｏも零相電流Ｉｏも地絡状態のデータになることはない。これは、４秒前の零相電圧Ｖ２および零相電流Ｉ２を用いるところ、変電所側では地絡検出（数百ミリ秒）すると遮断器をトリップし（地絡遮断）、また地絡事故発生のフィーダに連系されている分散型電源は３秒程度以内に系統から切り離されるからである。

上記説明したように、本発明によれば、高圧配電線路の三相３線と単相２線のいずれにおいても、同じ検出ロジック（同じ閾値）による地絡検出が可能となる。したがって本発明の地絡検出装置１００を開閉器１０や遮断器、接触器などに搭載することにより、三相３線または単相２線においても同じ機器で地絡を検出することができる。さらに、単に三相３線において使用した場合であっても、残留零相成分を除去することから、地絡検出の高精度化を図ることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、高圧配電線路の三相３線と単相２線のいずれにおいても地絡を検出することが可能な地絡検出装置として利用することができる。

１０ 開閉器
２０ 電線
２２ 電線
２４ 電線
３０ スイッチ
４０ 零相電圧検出装置（ＺＰＤ）
５０ 零相変流器（ＺＣＴ）
６０ 計器用変圧器（ＰＴ）
１００ 地絡検出装置
１０８ 線路判定部
１１０ 周波数解析部
１１２ 位相算出部
１１４ 位相補正部
１１６ 記憶部
１１８ 判定値算出部
１２０ 地絡判定部

Claims (5)

1. 接続されている高圧配電線路が三相３線か単相２線かを判定する線路判定部と、
   所定時間前の零相電圧および零相電流を記憶する記憶部と、
   現在と所定時間前の零相電圧および零相電流のベクトル変化量をとって判定電圧および判定電流を算出する判定値算出部と、
   単相２線の場合には前記判定電圧に所定の係数をかけてから、前記判定電圧および前記判定電流を用いて、三相３線および単相２線で同じ閾値を用いて地絡を判定する地絡判定部と、
   を備えたことを特徴とする地絡検出装置。
2. さらに、現在と所定時間前の零相電圧および零相電流の位相が一致するように補正する位相補正部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の地絡検出装置。
3. 単相２線の場合に前記地絡判定部が判定電圧にかける所定の係数は１．５であることを特徴とする請求項１または２に記載の地絡検出装置。
4. 前記線路判定部は、当該地絡検出装置の初期化時に零相電圧を取得し、該零相電圧が所定値以上であった場合に単相２線であると判定することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の地絡検出装置。
5. 前記線路判定部は、当該地絡検出装置の初期化時に三相の相電圧を取得し、三相のうち二相が所定値以上であり、１相が所定値未満である場合に単相２線であると判定することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の地絡検出装置。