JP7123584B2 - 三相交流ケーブルの異常電流検知装置 - Google Patents
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Description
そのため、各ケーブルに流れる電流を測定するためには、停電状態でケーブルと分電盤や電気機器との接続部で各相に電流センサを取り付けておく必要がある。活線状態で、各相電流を測定するためには、ケーブルが分離された部位で単一相にクランプ型電流センサを直接取り付ける必要があり、高電圧設備では安全面から実施が困難である。
三相交流ケーブルに一括してクランプ型電流センサを取り付けた場合には、三相平衡電流では各相電流が発生する磁界を互いに打ち消し合い、外部磁界からでは電流を検出することはできない。この場合に検出されるのは、三相不平衡となる零相電流成分だけとなる。
この特許文献1に記載された電流センサは、被測定電線の周囲における部分的な磁界を磁気センサ素子が内蔵された磁気センサモジュールで検知し、アナログ信号処理部で全波整流処理、平均電流を得るための積分処理及び低域通過フィルタ処理などを施してデジタル信号処理部でデジタル信号に変換した後、電流演算部でデジタル信号に変換された電圧信号値から被測定電流の電流値を算出するようにしている。ここで、電流演算部での被測定電流の電流値の算出は、電圧信号の積分値Vに補正係数Kを乗算するようにしている。この補正係数Kは、磁気センサ素子の感度と各芯線と磁気センサモジュールとの位置関係により決定される。
このため、被測定対象となる多芯ケーブル毎に補正係数を予め求めておく必要がある。すなわち、3芯ケーブルや電線管の種類が同じでも芯線と磁気センサモジュールとの距離や介在する材料の物性値が異なる場合には都度補正係数Kを求める必要があるという課題がある。
また、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
まず、本発明を適用し得る電気機器としての回転電機について説明する。回転電機10は、図示しないがロータ及びステータを内蔵する回転電機本体11と、この回転電機本体11の外周面に形成されたステータコイルに三相交流電流を供給する端子ボックス12とで構成されている。
端子ボックス12には内部で三相交流ケーブル13の一端が結線され、この三相交流ケーブル13の他端は図示しないが回転電機を駆動するインバータに接続されている。特に、高電圧の場合には、三相交流ケーブル13は保護用の電線管14内に格納された状態で配線される。
大径孔部15cには、磁気センサ15eが配置され、この磁気センサ15eの信号線15fが小径孔部15dを通じてVブロック15aの外周面から突出されている。磁気センサ15eは、磁気検出面がVブロック15aの谷部より突出しており、Vブロック15aの内面を電線管14の外周面に接触させたときに、磁気検出面が電線管14の外周面に接触される。
磁気センサ15eは、周波数帯域が30~3000Hzにおいてフラットなゲイン特性を有することが好ましい。また、磁気センサ15eは、大径孔部15cに突出量を調整可能に装着されることが好ましい。
この異常電流検知部17では、周波数解析部16の周波数分析結果に基づいて基本周波数成分の振幅とそれ以外の周波数成分の振幅とに基づいて異常電流の有無を判定する。
ここで、本発明による異常電流の検出原理について説明する。先ず、三相交流ケーブル13に流れる電流と、磁気検出部15から出力される検出信号との関係性を説明する。
Iu=I0×Sin(2π×f×t) ・・・(1)
Iv=I0×Sin(2π×f×t-2/3×π) ・・・(2)
Iw=I0×Sin(2π×f×t-4/3×π) ・・・(3)
Hu=Iu/(2×π×Lu) ・・・(4)
Hv=Iv/(2×π×Lv) ・・・(5)
Hw=Iw/(2×π×Lw) ・・・(6)
磁気検出部15が検出する磁場Hは、全相の総和であることから、
H=Hu+Hv+Hw ・・・(7)
となる。
測定条件を変えて、図4のように電線管14内で3相ケーブルがばらけている場合の検出信号について説明する。この場合の電流波形は図5のようになり、検出信号が最大となる磁気検出部15の取り付け位置は3点になるとは限らず、検出信号が最大となる位置でも検出信号と相電流の位相は必ずしも一致しない。前述した式(1)~(7)より磁気検出部15が検出する磁場Hを求めると下記式(8)となる。
=(Iu/(2×π×Lu))+(Iv/(2×π×Lv))+(Iw/((2×π×rw))
=(I0/(2×π))×((sin(2π×f×t))/Lu)
+((sin(2π×f×t-2/3×π))/Lv)
+((sin(2π×f×t-4/3×π))/Lw)
=(I0/(2×π))×(A2+B2)0.5×(sin(2π×f×t+α)) ・・・(8)
ここで、A=(1/Lu)-(1/(2Lv))-(1/(2Lw))
B=-(√3/2Lv)+(√3/2Lw)
Cos(α)=A/(A2+B2)0.5)
Sin(α)=B/(A2+B2)0.5
ここで各周波数成分に着目すると、対象の電気機器に流したい基本波周波数と、それ以外の周波数に分類される。それ以外の周波数は、対象電気機器の効率を低下させたり、誤作動や故障の原因となったりする。
したがって、磁気検出部15から出力される磁場検出信号を周波数解析部16で周波数分析し、この周波数分析結果を異常電流検知部17に供給することにより、この異常電流検知部17で、基本周波数成分の振幅と基本周波数成分以外の周波数成分の振幅とに基づいて異常電流の有無を判定することができる。
次いで、各プロット位置において、磁気検出部15の第1磁場検出信号、第2磁場検出信号及び第3磁場検出信号を取得し、その信号を個別にFFTアナライザ等の周波数解析部16で周波数分析する。この周波数分析を行うことにより、図6に示す周波数分析結果が得られる。この周波数分析結果は、横軸が周波数(Hz)を表し、縦軸が振幅(p,u)を表す。
このためには、磁気検出部15で検知する磁場検出信号の検出時間を5秒以上とし、サンプリング周波数を6.5kHz以上とすることが好ましい。この測定条件での磁場検出信号を測定することにより、周波数レンジが2400Hz、周波数分解能が0.2Hzの周波数分析を行うことができる。したがって、基本周波数が60Hzである場合に、高調波成分は40次成分、側帯波は0.2Hzの刻み幅まで算出することができる。
このように、上記実施形態によると、通電状態の三相交流ケーブル13の電線管14に磁気検出部15を配置して、検出した磁場検出信号を周波数解析部16で周波数分析し、周波数分析結果である基本周波数成分の振幅Pと周波数成分以外の高調波成分の振幅Q(n)とに基づいて異常電流を判定することができる。したがって、測定対象となる三相交流ケーブル13の種類や材質等に影響されることなく、異常電流を正確に検出することができる三相交流ケーブルの異常電流検知装置を提供することができる。
また、基準周波数成分の整数倍の周波数成分で異常電流の有無を判定することにより、電源系統からの高調波電流の発生の有無を検知することが可能となる。
さらに、磁気検出部15での磁場検出信号の検出時間を5秒以上とし、サンプリング周波数が6.6kHz以上とすることにより、基本波電流周波数が60Hzにおいて、高調波の40次成分まで評価することが可能であり、側帯波については0.2Hz刻み成分を評価することができる。
この第2実施形態では、周波数分析結果の振幅を電流実効値に換算して異常電流の発生を検知するようにしたものである。
すなわち、第2実施形態では、図7に示すように、三相交流ケーブル13に流れる相電流の実効値Sを電流測定器21で検出し、この電流測定器21で検出した相電流実効値Sを異常電流検知部17に供給する。
したがって、各高調波周波数成分f(n)の電流実効値I(n)を把握することで、個別機器に発生する高調波電流レベルを把握することができ、高調波流出電流上限値と比較することにより、各高調波周波数成分f(n)での異常電流を検知することができる。
すなわち、3点で検出した磁場検出信号を周波数解析部16で周波数分析した分析結果を比較し、3点の周波数分析結果で共通の周波数領域でピークを生じている高調波周波数成分をコモンモード信号とし、特定点のみでピークとなる周波数成分をノーマルモード信号として分類する。
したがって、ノーマルモード信号が検出されたときに、電源設備や対象機器の突発的な不具合や不良による異常電流であると判定することができる。このため、ノーマルモード信号の周波数成分と異常原因との関係を蓄積することにより、電源設備や対象機器の突発的な不具合や不良を検知することが可能となる。
また、上記第1及び第2実施形態では、電気機器として回転電機を使用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、三相交流ケーブルを使用して三相電力を供給する電気機器であれば、本発明を適用することができる。
Claims (9)
- 電気機器に接続された三相交流ケーブルの異常電流を検知する三相交流ケーブルの異常電流検知装置であって、
前記三相交流ケーブルの電線管の外周面に接触させて磁場を検出する磁気検出部と、
該磁気検出部で検出した磁場検出信号を周波数解析する周波数解析部と、
該周波数解析部の周波数解析結果の周波数成分のうち、基本周波数成分の振幅と当該基本周波数成分以外の周波数成分の振幅に基づいて異常電流を検知する異常電流検知部と
を備えている三相交流ケーブルの異常電流検知装置。 - 前記異常電流検知部は、前記周波数解析部で周波数解析した周波数成分のうち最も振幅が大きい基本周波数成分の振幅で当該基本周波数成分以外の周波数成分の振幅を除した歪み率が閾値以上となる周波数成分が存在する場合に異常電流の発生を検知する請求項1に記載の三相交流ケーブルの異常電流検知装置。
- 前記基本周波数成分と比較する周波数成分は、当該基本周波数成分の整数倍の周波数成分である請求項2に記載の三相交流ケーブルの異常電流検知装置。
- 前記基本周波数成分と比較する周波数成分は、当該基本周波数成分の両側に形成される側帯波成分である請求項2に記載の三相交流ケーブルの異常電流検知装置。
- 前記三相交流ケーブルの相電流実効値を検出する測定器を備え、
前記異常電流検知部は、該測定器で検出した相電流実効値を前記基本周波数成分の振幅で除した値を換算係数とし、該換算係数を前記基本周波数成分以外の各周波数成分の振幅に乗じて算出した電流実効値で異常電流の有無を判定する請求項2から4の何れか一項に記載の三相交流ケーブルの異常電流検知装置。 - 前記磁気検出部は、前記電線管の同一円周上の磁場検出レベルが他部に比べて大きくなる3点で第1磁場検出信号、第2磁場検出信号及び第3磁場検出信号をそれぞれ検出し、前記周波数解析部は、前記第1磁場検出信号、前記第2磁場検出信号及び前記第3磁場検出信号をそれぞれ第1周波数成分、第2周波数成分及び第3周波数成分に周波数変換し、前記異常電流検知部は、第1周波数成分、第2周波数成分及び第3周波数成分に基づいて電流異常を検知する請求項2から5の何れか一項に記載の三相交流ケーブルの異常電流検知装置。
- 前記磁気検出部は、前記第1周波数成分、前記第2周波数成分及び前記第3周波数成分のうち全てに共通するピーク検出信号の周波数成分をコモンモード信号とし、何れか1つの周波数成分のみで発生するピーク検出信号の周波数成分をノーマルモード信号として異常電流の有無を判定する請求項6に記載の三相交流ケーブルの異常電流検知装置。
- 前記異常電流検知部は、前記第1周波数成分、前記第2周波数成分及び前記第3周波数成分の歪み率を比較することにより、異常モードを判定する請求項6に記載の三相交流ケーブルの異常電流検知装置。
- 異常モードは単相不良、相間不良及び全相不良の何れかである請求項8に記載の三相交流ケーブルの異常電流検知装置。
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