JP7233322B2

JP7233322B2 - 地絡検出方法および装置

Info

Publication number: JP7233322B2
Application number: JP2019120102A
Authority: JP
Inventors: 秀人中村; 純夫可知; 忠高若菱
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2019-06-27
Filing date: 2019-06-27
Publication date: 2023-03-06
Anticipated expiration: 2039-06-27
Also published as: JP2021004855A

Description

本発明は、地絡検出方法および装置に関し、特に、交流線路と直流線路が電力変換器を介して接続されたグリッド内の地絡検出方法および装置に関する。

電力自由化や、太陽光発電システムや電気自動車（ＥＶ）などの普及に伴い、独自の発電施設を有する大規模工場から、雨天時や災害時に近郊の宅地に電力を送電する地産地消型のグリッドが検討されている。このようなグリッドでは、従来の商用電力網のような交流線路だけではなく、直流線路が含まれる。このようなグリッドで生じる地絡事故を検出するためには、交流線路と直流線路の双方について地絡検出を行うことが必要となる。ところが、非接地系の直流線路の場合、地絡電流の帰路経路が存在しないために、地絡検出が困難であった。この対策として、太陽光発電システムの太陽電池パネルとパワーコンディショナ（ＰＣＳ）との間の地絡検出技術を応用することが考えられる。このような地絡検出には、受動方式と能動方式の２つの地絡検出が利用されている。

図９は、受動方式の地絡検出回路１００の例である。図に示す直流線路は高圧線１１０と低圧線１１１を有する。高圧線１１０には、太陽光発電システムなどで構成された直流電源１０１の高圧側が、低圧線１１１には、低圧側がそれぞれ接続されている。高圧線１１０と低圧線１１１は、直流電力と交流電力とを変換するＰＣＳ１０４の入力に接続されている。ＰＣＳ１０４の出力は交流線路１１２に接続されている。地絡検出回路１００は、直列接続された高抵抗の２つの抵抗器１０２、１０３を備える。直列接続された抵抗器１０２、１０３は、直流電源１０１やＰＣＳ１０４と並列に接続されている。すなわち、抵抗器１０２の一端が高圧線１１０に、抵抗器１０３の一端が低圧線１１１にそれぞれ接続され、抵抗器１０２の他端と抵抗器１０３の他端とが、ともに接地された中性点ｎに接続される。

直流線路に地絡がない場合には、２つの抵抗器１０２、１０３には直流電源１０１からの電流は流れるが、中性点ｎから接地点への電流Ｉ_Ｏは、帰路経路が存在しないために流れない。このため、２つの抵抗器１０２、１０３の抵抗値が等しい場合には、高圧線１１０側の抵抗器１０２の両端子間電圧Ｖ_Ｐと、低圧線１１１側の抵抗器１０３の両端子間電圧Ｖ_Ｎとは等しくなる。また、高圧線１１０を流れる電流Ｉ_Ｐと低圧線１１１を流れる電流Ｉ_Ｎも等しくなる。

これに対して、直流線路のｆ点で地絡が発生すると、図の等価回路で示すように地絡抵抗１２０を介して低圧線１１１が接地された状態となる。すると、中性点ｎから大地への経路が帰路経路となって閉回路が形成され、地絡電流Ｉ_Ｏが流れる。このため、高圧線１１０を流れる電流Ｉ_Ｐと低圧線１１１を流れる電流Ｉ_Ｎとは等しくならず、また抵抗器１０２の両端子間電圧Ｖ_Ｐと抵抗器１０３の両端子間電圧Ｖ_Ｎも等しくならない。
受動方式の地絡検出回路１００は、抵抗器１０２の両端子間電圧Ｖ_Ｐや抵抗器１０３の両端子間電圧Ｖ_Ｎ、高圧線１１０を流れる電流Ｉ_Ｐと低圧線１１１を流れる電流Ｉ_Ｎとの電流差（Ｉ_Ｐ－Ｉ_Ｎ）などを測定して監視することにより、直流線路の地絡を検出する。受動方式の地絡検出回路１００は簡単な構成で地絡検出することができるため、部品点数が少なくやコストが抑えられるという利点がある。

図１０に、能動方式の地絡検出回路１５０の例を示す。上述した受動方式の例と同様に、直流線路の高圧線１１０と低圧線１１１は、直流電源１０１とＰＣＳ１０４とを接続する。能動方式の地絡検出回路１５０では、直列接続された２つのコンデンサ１５１、１５２と、信号発生器１５３とを備える。直列接続されたコンデンサ１５１、１５２は、直流電源１０１やＰＣＳ１０４と並列に接続されている。すなわち、コンデンサ１５１の一端が高圧線１１０に、コンデンサ１５２の一端が低圧線１１１にそれぞれ接続され、コンデンサ１５１とコンデンサ１５２の他端どうしが中間点ｍで互いに接続される。中間点ｍは交流信号を発生する信号発生器１５３を介して接地される。

直流線路に地絡がない場合には、帰路経路が存在しないために、中間点ｍと接地点との間の電流Ｉ_Ｏは流れない。これに対して、直流線路のｆ点で地絡が発生すると、図の等価回路で示すように地絡抵抗１２０を介して低圧線１１１が接地された状態となる。すると、中間点ｍから信号発生器１５３を介して接地された経路が帰路経路となって閉回路が形成され、地絡電流Ｉ_Ｏが流れる。

能動方式の地絡検出回路１５０は、地絡電流Ｉ_Ｏを測定して監視することにより、直流線路の地絡を検出する。能動方式の地絡検出回路１５０では、地絡検出に信号発生器１５３で発生された交流を用いており、直列接続された２つのコンデンサ１５１、１５２には直流電源１０１からの供給される直流が流れないという利点がある。

しかしながら、近年、同一グリッド内に多くの電力変換器が存在し、直流線路が互いに並列接続された複数の分岐線路を有するものが一般的になってきている。このようなグリッドの地絡検出を行う場合、それぞれの分岐線路上に上述した地絡検出回路を適用すると、地絡検出回路の接地点どうしが閉回路を形成してしまう。このため、地絡事故が発生していなくとも地絡検出回路には電流Ｉ_Ｏが流れ、実際の地絡事故発生を検出することが難しくなるという問題がある。

この対策として、引用文献１に記載されているような、直流線路の高圧線と低圧線とを零相変流器（ＺＣＴ）４１で監視する地絡検出方法が考えられる。地絡がない場合には、高圧線と低圧線とには逆方向で大きさが等しい電流が流れるため、高圧線を流れる電流によって発生する磁束と低圧線を流れる電流で発生する磁束とが相殺され、ＺＣＴ４１で検出される磁束は０となる。これに対して、地絡が発生すると、高圧線と低圧線とは異なる電流の大きさの電流が流れるため、ＺＣＴ４１で検出される磁束は０にはならない。よって、ＺＣＴ４１で検出される磁束の大きさを監視することによって、地絡を検出することができる。

引用文献１に記載の検出回路では接地点が存在しないため、互いに並列接続された複数の分岐線路のそれぞれに地絡検出回路を設けても、地絡検出回路どうしが閉回路を形成することがない。しかしながら、ＺＣＴ４１よりも電力変換装置２側で発生した地絡を検出できない。

この対策として、引用文献２に記載されたように交流線路側にＺＣＴ２０を設けたり、引用文献３に記載されたように直流線路と交流線路の両方にＺＣＴ４１、４３Ｐ、４３Ｎを設ける地絡検出方法が考えられる。

特開平１１－１２２８１９号公報特開平９－８４２５４号公報特開２０１１－１９６７２９号公報

しかしながら、引用文献１～３に記載されたいずれの検出方法でも交流線路の地絡を検出することができない。また、分岐線路など複雑な構成を有する最近のグリッドでは、単にグリッド内の地絡の有無を判定するだけでなく、グリッド上のどの区間において地絡が発生しているかを簡便かつ精度よく検出することが必要となる。

このため、地絡が発生した区間を高精度に特定することができる地絡検出方法や地絡検出装置が望まれていた。

上記課題を解決するために、本発明の地絡検出方法は、直流線路と交流線路とが電力変換器を介して接続されたグリッドの地絡検出方法であって、交流線路上に接地点を設けるステップと、接地点と電力変換器との間にある交流線路上の第１の位置において、第１の零相電流を測定するステップと、接地点に対して第１の位置の反対側にある交流線路上の第２の位置において、第２の零相電流を測定するステップと、第１の零相電流および第２の零相電流の大きさから、直流線路および交流線路のそれぞれにおいて、地絡が発生しているか否かを判定するステップとを含む。すなわち、交流線路上に接地点を設け、接地点の両側で零相電流を測定することにより、接地点より電力変換器側で測定された零相電流の大きさからは直流線路の地絡が、接地点に対して反対側、すなわち交流負荷や交流電源が接続される端子側で測定された零相電流の大きさからは交流線路の地絡を検出することができ、グリッド内の地絡発生区間を精度よく検出することができる。なお、本願において「反対側」とは、接地点を挟んで位置することを意味し、必ずしも接地点に対して対称の位置関係にある必要はない。

また、グリッド内の交流電力の昇圧／降圧のために、交流線路中にトランスが設けらることが多い。このような電力変換器に一次側が接続されたトランスを含むグリッドの地絡検出においては、接地点をトランスの二次側に設けることが望ましい。電力変換器とトランスの一次側との間は、高圧の交流電流が流れていることが多いため、安全上の観点からこの区間に接地点を設けることは望ましくないからである。また、第１の零相電流は、電力変換器とトランスの一次側との間の位置で測定することが望ましい。トランスには直流をカットする働きがあるため、直流線路の地絡を検出するための零相電流を、トランスよりも電力変換器側で測定することにより、精度の高い地絡検出が可能となる。

また、直流線路が、直流線路上の分岐点から分岐して互いに並列に接続される複数の分岐線路を有するグリッドの地絡検出においては、第１の零相電流に加え、少なくとも１つの分岐線路上において第３の零相電流を測定し、第１の零相電流と第３の零相電流の大きさから、第３の零相電流を測定した分岐線路の地絡と、当該分岐線路以外の直流線路の地絡を検出することができる。これにより、分岐線路を有するグリッドの地絡事故が発生している区間を精度よく特定することが可能となる。

また、グリッド上の直流線路と交流線路とを直流的に分離する目的で、絶縁トランスを備えた絶縁型の電力変換器が用いられることがある。絶縁型の電力変換器を有するグリッドの地絡検出においては、測定した第１の零相電流から所定の周波数以下の低周波成分を除去した零相電流で、直流線路の地絡判定を行うことが望ましい。絶縁トランスにより地絡電流の直流成分がカットされるため、地絡判定には、零相電流のうちの交流成分、特に地絡時に流れる地絡サージ電流（地絡電流パルス）を検出する必要がある。測定された零相電流の低周波成分のノイズを除去することにより、地絡電流パルスを精度よく検出し、地絡判定を行うことが可能となる。なお、本願において「除去」とは、完全に取り除くことのみならず、該当する成分を抑制ないしは低減することも含む。

また、絶縁トランスを備えない非絶縁型の電力変換器の場合、測定した第１の零相電流から、所定の周波数以上の高周波成分を除去した零相電流で、地絡判定を行うことが望ましい。非絶縁型の電力変換器では、地絡電流の直流成分がカットされることがないため、零相電流の高周波成分を除去することにより高周波ノイズ成分をカットして、より精度よく地絡判定を行うことが可能となる。

また、上記課題は、直流線路と交流線路とが電力変換器を介して接続され、直流線路と交流線路とが電力変換器を介して接続され、交流線路上に接地点が設けられたグリッドの地絡を検出する地絡検出装置であって、接地点と電力変換器との間の交流線路上に配置され、第１の零相電流を測定する第１の電流センサと、接地点に対して第１の電流センサと反対側の交流線路上に配置され、第２の零相電流を測定する第２の電流センサと、第１の零相電流および第２の零相電流のそれぞれの大きさから、直流線路および交流線路のそれぞれにおいて、地絡が発生しているか否かを判定する判定部とを備える地絡検出装置により解決することができる。すなわち、接地点の両側で零相電流を測定することにより、接地点より電力変換器側で測定された零相電流の大きさからは直流線路の地絡が、接地点に対して反対側で測定された零相電流の大きさからは交流線路の地絡を検出することができ、グリッド内の地絡発生区間を精度よく検出することができる。

また、一次側が電力変換器に接続され、二次側に接地点が設けられたトランスを備える交流線路を有するグリッドの地絡検出を行う地絡検出装置においては、第１の電流センサを、電力変換器とトランスの一次側との間に配置することが望ましい。電力変換器とトランスの一次側との間は、高圧の交流電流が流れていることが多いため、安全上の観点からこの区間に接地点を設けることは望ましくないからである。また、第２の電流センサを、接地点に対してトランスと反対側の交流線路上に配置することが望ましい。トランスには直流をカットする働きがあるため、直流線路の地絡を検出するための零相電流を、トランスよりも電力変換器側で測定することにより、より精度の高い地絡検出が可能となる。

また、直流線路上の分岐点から分岐して互いに並列に接続される複数の分岐線路を備える直流線路を有するグリッドの地絡検出を行う地絡検出装置においては、複数の分岐線路のうちの少なくとも１つの分岐線路上において、第３の零相電流を測定する第３の電流センサをさらに備え、判定部はさらに、第１の零相電流および第３の零相電流の大きさから、第３の零相電流を測定した分岐線路および当該分岐線路を除く直流線路のそれぞれにおいて、地絡が発生しているか否かを判定する機能を有することが望ましい。第１の零相電流と分岐線路の第３の零相電流の大きさから、第３の零相電流を測定した分岐線路と当該分岐線路以外の直流線路の地絡を検出することができ、分岐線路を有するグリッドの地絡事故が発生している区間を精度よく特定することが可能となる。

また、絶縁型の電力変換器を有するグリッドの地絡検出を行う地絡検出装置においては、第１の電流センサは、第１の零相電流から所定の周波数以下の低周波成分を除去するハイパスフィルタを備えることが望ましい。絶縁トランスにより地絡電流の直流成分がカットされるため、地絡判定には、零相電流のうちの交流成分、特に地絡時に流れる地絡サージ電流（地絡電流パルス）を検出する必要がある。測定された零相電流の低周波成分のノイズを除去することにより、地絡電流パルスを精度よく検出し、地絡判定を行うことが可能となる。

また、非絶縁型の電力変換器を有するグリッドの地絡検出を行う地絡検出装置においては、第１の電流センサが、測定した零相電流から所定の周波数以上の高周波成分を除去するローパスフィルタを備えることが望ましい。非絶縁型の電力変換器は地絡電流の直流成分をカットしないことから、零相電流の高周波成分を除去することにより高周波ノイズ成分を除去して、より精度よく地絡判定を行うことが可能となる。

本発明の一実施態様である地絡検出装置を適用したグリッドの概略構成図である。地絡電流の流れの説明図である。本発明の一実施態様である地絡検出方法のフローチャートである。本発明の一実施態様である地絡検出装置を、トランスが設置されたグリッドに適用したときの概略構成図である。分岐線路を有するグリッドの地絡電流の流れの説明図である。本発明の一実施態様である地絡検出方法のフローチャートである。ハイパスフィルタを備える地絡検出装置を適用したグリッドの概略構成図である。ローパスフィルタを備える地絡検出装置を適用したグリッドの概略構成図である。従来の受動方式の地絡検出回路の説明図である。従来の能動方式の地絡検出回路の説明図である。

本発明の一実施態様である地絡検出装置１を用いてグリッド１０の地絡検出を行うときの概略構成を図１に示す。

地絡検出装置１は、２つの電流センサ１７、１８と各電流センサ１７、１８に接続された判定部１９とを備える。電流センサ１７、１８は、零相電流を測定する電流センサである。より具体的には、電流センサ１７、１８は零相変流器により、交流線２７、２８、２９の零相電流を測定する電流センサである。各交流線２７、２８、２９に流れる電流が完全に平衡状態にある場合には、交流線２７、２８、２９から発生する磁束は相殺されて、合成磁束は０となり、電流センサ１７、１８で測定される零相電流は０となる。これに対して、交流線２７、２８、２９を流れる電流が非平衡状態となった場合には、磁束は完全に相殺されずに、電流センサ１７、１８にはコモンモードの大きさに応じた零相電流が測定される。電流センサ１７、１８は、測定した零相電流を、アナログ信号として、またはデジタル信号に変換して出力する。

なお、電流センサ１７、１８は、他の手段で零相電流を測定する電流センサであってもよい。例えば、交流線２７、２８、２９ごとに電流計を設け、各交流線２７、２８、２９を流れる電流の方向と大きさを測定し、これらを加算して零相電流を測定してもよい。各交流線２７、２８、２９を流れる交流電流の向きと大きさは、時間とともに変化するが、完全に平衡状態にある場合には、３つの線２７、２８、２９を流れる電流を合成すると、互いに相殺して合成零相電流は常に０となる。これに対して、交流線２７、２８、２９を流れる電流が非平衡状態にある場合には、完全に相殺されずに、コモンモードの大きさに応じた大きさの零相電流が測定される。

判定部１９は、電流センサ１７、１８で測定された零相電流のアナログまたはデジタル信号を受信し、測定された零相電流の大きさから、地絡の有無と地絡発生区間とを判定する手段である。判定部１９は、Ａ／Ｄ変換器などの信号処理手段、測定値や閾値などを記憶するメモリ、信号処理手段とメモリとに接続されたプロセッサなどの演算処理手段などを備える。判定部１９は、電流センサ１７、１８からの受信信号がアナログ信号である場合にはＡ／Ｄ変換器によりデジタル信号に変換する。そして、受信した零相電流と予め定められた閾値と比較し、零相電流が閾値よりも大きな場合には、地絡があると判定し、地絡発生区間を判定する。地絡判定方法の詳細は後述する。

次に、地絡検出装置１を用いてグリッド１０の地絡検出を行うときの概略構成を説明する。グリッド１０は、直流線路１１と交流線路１２とが、直流電力と交流電力とを変換する電力変換器１３を介して接続されている。直流線路１１は、共通線路５０と、共通線路５０から分岐点ｄで分岐する２つの分岐線路５１、５２を有する。２つの分岐線路５１、５２は、それぞれ対応するＤＣ／ＤＣコンバータ１６に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は、太陽光発電システム、蓄電池、ＥＶの急速充電器などの、直流電源または直流負荷２０に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は、分岐線路５１、５２により伝送される直流電力を昇圧または降圧して直流負荷２０に供給し、また直流電源２０からの直流電力を昇圧または降圧して分岐線路５１、５２に供給する双方向デバイスである。

交流線路１２は、一端が電力変換器１３に、他端が交流電源または交流負荷２１に接続された単相３線式の線路である。交流線路１２は電力変換器１３の近傍に接地点ｎを設けることができる。接地点ｎで接地された中性線Ｎ２８を挟んだ２系統の単相１００Ｖ（２７－２８、２８－２９）の交流や１系統の単相２００Ｖ（２７－２９）の交流として利用することができる。

電力変換器１３は、インバータ・コンバータ１４とトランス１５とが直列接続されている。インバータ・コンバータ１４は、直流線路１１から入力された直流電力を交流電力に変換して、トランス１５を介して、交流線路１２の３つの交流線２７、２８、２９に出力し、また、各交流線２７、２８、２９からトランス１５を介して入力された交流電力を、直流電力に整流して直流線路１１に出力する双方向デバイスである。

地絡検出装置１の２つの電流センサ１７、１８は、接地点ｎを挟んで交流線路１２の両側に配置する。すなわち、第１の電流センサ１７は、接地点ｎと電力変換器１３との間にある交流線路１２上の第１の位置に配置され、第２の電流センサ１８は、接地点ｎに対して第１の電流センサ１７の反対側にある交流線路１２上の第２の位置に配置される。第１の電流センサ１７は、接地点ｎよりも直流線路１１側の交流線路１２の零相電流を測定し、第２の電流センサ１８は、接地点ｎよりも交流電源または交流負荷２１側の交流線路１２の零相電流を測定する。

次に、図２と図３を参照しながら、本発明にかかる地絡検出方法の一実施態様を説明する。図２（ａ）は直流線路１１に地絡が発生したときの地絡電流の流れの説明図、図２（ｂ）は交流線路１２に地絡が発生したときの地絡電流の流れの説明図である。図２（ａ）と図２（ｂ）において、地絡電流の流れは破線で示した。また、図３は、地絡検出のフローチャート８０である。

まず、交流線路１２上に接地点ｎを設ける（ステップ８１）。本実施態様の交流線路１２は、単相３線式の線路であるため、接地銅管などにより常時接地された中性線Ｎ２８を有するが、常時接地されている線がない交流線路を有するグリッドの地絡検出を行う場合には、地絡検出時に一時的に接地点ｎを設けてもよい。接地点ｎは、地絡電流の帰路経路となり、地絡箇所判定の基準点となることから、可能な限り直流線路１１に近い交流線路１２上の位置に配置することが望ましい。例えば、電力変換器１３の交流線路１２側出力端子の近傍や、電力変換器１３と交流線路１２のケーブルの結合部の近傍に設けることが望ましい。

次に、接地点ｎと電力変換器１３との間にある第１の位置に配置された第１の電流センサ１７で第１の零相電流を測定する（ステップ８２）。また、接地点ｎに対して第１の位置の反対側にある交流線路１２の第２の位置、すなわち接地点ｎよりも交流負荷／交流電源２１側の位置に配置された第２の電流センサ１８で第２の零相電流を測定する（ステップ８３）。グリッド１０内に地絡が無い場合には、接地点ｎで接地電流は流れないため、交流線路１２の各交流線２７、２８、２９を流れる電流は、どの位置でも平衡状態となる。このため、第１の電流センサ１７で測定される第１の零相電流と、第２の電流センサ１８で第２の零相電流はともに０になる。

これに対して、グリッド１０内に地絡が有る場合には、接地点ｎの経路が帰路経路となって閉回路が形成され、地絡電流が流れる。例えば、図２（ａ）に示すように直流線路１１の点ｆで地絡が発生したときは、破線で示したような地絡電流が流れる。地絡電流は、地絡抵抗３０と大地、中性線２８、電力変換器１３を経由して流れる。図から明らかなように、第１の電流センサ１７で測定する中性線２８には地絡電流が流れるため、非平衡状態となる。このため、第１の零相電流は０にはならない。一方、第２の電流センサ１８で測定する中性線２８には地絡電流が流れないため、平衡状態が維持される。このため、第２の零相電流は０である。したがって、第１の零相電流の大きさから直流線路１１の地絡の有無を判定することができる。実際の測定ではノイズなどの影響を受けるため、地絡が発生していない状態でも微小な零相電流が測定される。このため、判定部１９で地絡の判定を行う際には、第１の零相電流と予め設定された閾値とを比較して（ステップ８４）、第１の零相電流が閾値よりも大きな場合には、直流線路１１に地絡が発生したと判定する（ステップ８５）。

また、図２（ｂ）で示したように交流線２９の点ｆで地絡が発生したときは、破線で示したような地絡電流が流れる。地絡電流は、地絡抵抗３１と大地、中性線２８、電力変換器１３、交流線２９を経由して流れる。図から明らかなように、第２の電流センサ１８で測定する交流線２９には地絡電流が流れるため、非平衡状態となる。このため、第２の零相電流は０にはならない。一方、第１の電流センサ１７で測定する交流線路１２にも地絡電流は流れるが、中性線２８と交流線２９とには同じ大きさの地絡電流が逆向きに流れるため、交流線路１２全体としては平衡状態となる。このため、第１の零相電流は０である。したがって、第２の零相電流の大きさから交流線路１２の地絡の有無を判定することができる。実際の測定ではノイズなどの影響を受けるため、地絡が発生していない状態でも微小な零相電流が測定される。このため、判定部１９で地絡の判定を行う際には、第２の零相電流と予め設定された閾値とを比較して（ステップ８６）、第２の零相電流が閾値よりも大きな場合には、交流線路１２に地絡が発生したと判定する（ステップ８７）。最後に、接地点ｎを一時的に設けた場合には、交流線２８を非接地として、地絡検出を終了する。

以上のようにして、第１の零相電流および第２の零相電流の大きさから、直流線路および交流線路のそれぞれにおいて、地絡が発生しているか否かを判定することができ、グリッド内の地絡の有無のみならず、地絡が発生した区間を特定することができる。

ところで、交流電力の伝送は交流電圧が高いほうが効率がよくなるために、図４のように交流線路１２中に交流電力を昇圧／降圧するためのトランス４０が設置されることがある。図において、トランス４０の一次側には６ｋＶの三相３線交流の交流線路が、二次側には接地点ｎで接地された中性線２８を含む単相３線式の交流線路が接続されている。このようなタイプのグリッド１０の地絡検出を行う場合には、接地点ｎをトランス４０の二次側の交流線路１２上に設ける。電力変換器とトランスの一次側との間は、高圧の交流電流が流れているため、この区間に接地点ｎを設けて地絡電流を流すことは安全上の観点から望ましくないからである。他方で、上述したように接地点ｎは、地絡箇所判定の基準点となることから、可能な限り直流線路１１に近い交流線路１２内の位置に配置することが望ましい。このため、接地点ｎはトランス４０の二次側の近傍の交流線路１２上に設ける。例えば、トランス４０の二次側端子を接地してもよいし、トランス４０の二次側と交流線路とのケーブルの結合部を接地してもよい。

また、第１の電流センサ１７は、電力変換器１３とトランス４０の一次側との間に配置する。第１の電流センサ１７は直流線路１１の地絡電流を検出するためのセンサであるが、図４に示すように直流線路１１の点ｆで地絡が発生したときは、破線で示すように地絡電流は、地絡抵抗３０と大地、中性線２８、トランス４０、電力変換器１３を経由して流れる。トランス４０には直流をカットする働きがあるため、トランス４０よりも直流線路１１に近い電力変換器１３側の交流線路１２上で第１の零相電流を測定することにより、より精度の高い地絡検出が可能となる。

第２の電流センサ１８は、前述したように接地点ｎに対して第１の電流センサと反対側の交流線路上に設ける。図４のグリッド１０ではトランス４０の二次側に接地点ｎがあるため、接地点ｎに対してトランス４０と反対側の交流電源または交流負荷２１が接続される端子側に配置される。

ところで、複数の直流電源や直流負荷を、互いに並列に接続される複数の分岐線路を介して接続するグリッドでは、直流線路のうちのどの区間で地絡が発生しているのかを特定できることが望ましい。このような複数の分岐線路を有するグリッドの、地絡検出方法および地絡検出装置の実施態様について、図５および図６を参照しながら説明する。

地絡検出装置２は、４つの電流センサ１７、１８、４１、４２と各電流センサ１７、１８、４１、４２に接続された判定部１９’とを備える。電流センサ１７、１８は、図１の地絡検出装置１の電流センサ１７、１８と同様な構成を有する。電流センサ４１、４２も零相変流器により、零相電流を測定する電流センサである。ただし、測定対象は、３本の交流線ではなく、直流線路１１の高圧線２５と低圧線２６である。地絡電流がない場合には、高圧線２５と低圧線２６とには、大きさが同じで方向が逆の電流が流れる。このため、高圧線２５と低圧線２６から発生する磁束は相殺されて、合成磁束は０となり、電流センサ４１、４２で測定される零相電流は０となる。これに対して、地絡電流が加わって高圧線２５と低圧線２６とに流れる電流の大きさに違いがでると、磁束は完全に相殺されずに、電流センサ４１、４２には電流差に応じた零相電流が測定される。電流センサ４１、４２は、測定した零相電流を、アナログ信号として、またはデジタル信号に変換して出力する。

なお、電流センサ４１、４２は他の手段で零相電流を測定する電流センサであってもよい。例えば、高圧線２５と低圧線２６とのそれぞれに電流計を設け、高圧線２５と低圧線２６とのそれぞれを流れる電流の方向と大きさを測定し、これらを加算して零相電流を測定してもよい。高圧線２５と低圧線２６とに流れる電流の大きさが同じであれば、高圧線２５と低圧線２６から発生する磁束は相殺されて、合成磁束は０となり、電流センサ４１、４２で測定される零相電流は０となる。これに対して、地絡電流が加わって高圧線２５と低圧線２６とに流れる電流の大きさに違いがでると、磁束は完全に相殺されずに、電流センサ４１、４２は電流差に応じた零相電流が測定される。

判定部１９’は、電流センサ１７、１８、４１、４２で測定された零相電流のアナログまたはデジタル信号を受信し、測定された零相電流の大きさから、地絡の有無や地絡発生区間を判定する手段である。判定部１９’は、Ａ／Ｄ変換器などの信号処理手段、測定値や閾値などを記憶するメモリ、信号処理手段とメモリとに接続されたプロセッサなどの演算処理手段などを備える。判定部１９’は、電流センサ１７、１８、４１、４２から受信した信号がアナログ信号である場合にはＡ／Ｄ変換器によりデジタル信号に変換する。そして、受信した各零相電流と予め定められた閾値と比較し、零相電流が閾値よりも大きな場合には、地絡があると判定し、地絡発生区間を判定する。

直流線路１１側に配置する電流センサ４１、４２は、地絡検出を行う分岐線路上に配置する。例えば、分岐線路５１の地絡を検出したい場合には、分岐点ｄよりもＤＣ／ＤＣコンバータ１６側の分岐線路５１上に電流センサ４１を配置する。これにより、分岐線路５１の地絡と、分岐線路５１を除く直流線路１１上の地絡とを区別して検出することができる。同様に、分岐線路５２上の分岐点ｄよりもＤＣ／ＤＣコンバータ１６側に電流センサ４２を配置すると、分岐線路５２の地絡と、分岐線路５２を除く直流線路１１上の地絡とを分けて検出することができる。図５（ａ）～（ｃ）に示す実施態様では、分岐線路５１、５２の双方にそれぞれ第３の電流センサ４１および第４の電流センサ４２が設けらていることから、分岐線路５１、分岐線路５２、共通線路５０（分岐線路５１および分岐線路５２を除く直流線路）のいずれの区間で地絡が発生しているかを検出することができる。

なお、電流センサ４１、４２は、できる限り分岐点ｄに近い位置に設置することが望ましい。分岐点ｄと電流センサ４１、４２との間で発生した地絡は、分岐線路に設けた電流センサで検出することができないためである。

次に、図５および図６を参照しながら、直流線路内の地絡発生区間の特定が可能な地絡検出方法の実施態様を説明する。図５（ａ）は、分岐線路５１に地絡が発生したときの地絡電流の流れの説明図、図５（ｂ）は分岐線路５２に地絡が発生したときの地絡電流の流れの説明図、図５（ｃ）は共通線路５０に地絡が発生したときの地絡電流の流れの説明図である。また、図６は、地絡検出のフローチャート９０である。

まず、交流線路１２上に接地点ｎを設ける（ステップ９１）。本実施態様の交流線路１２は、トランス４０を含む交流線路１２であるため、トランス４０の二次側近傍に接地点ｎを設ける。トランス４０の二次側には、単相３線式の線路が接続されているため、接地銅管などにより常時接地された中性線Ｎ２８を有するが、常時接地されている線がない交流線路を有するグリッドの地絡検出を行う場合には、地絡検出時に一時的に接地点ｎを設けてもよい。

次に、第１の電流センサ１７、第２の電流センサ１８、第３の電流センサ４１および第４の電流センサ４２で、それぞれ第１の零相電流、第２の零相電流、第３の零相電流および第４の零相電流を測定する（ステップ９２）。グリッド１０内に地絡が無い場合には、接地点ｎで接地電流は流れないため、グリッド１０内を流れる電流は、どの位置でも平衡状態となる。このため、各電流センサ１７、１８、４１、４２で測定される零相電流はいずれも０になる。

これに対して、グリッド１０内に地絡が有る場合には、接地点ｎが帰路経路となって閉回路が形成され、地絡電流が流れる。例えば、図５（ａ）に示すように分岐線路５１上の点ｆで地絡が発生したときは、破線で示したような地絡電流が流れる。地絡電流は、地絡抵抗３２と大地、中性線２８、トランス４０、電力変換器１３および分岐線路５１の高圧線２５を経由して流れる。図から明らかなように、第１の電流センサ１７および第３の電流センサ４１で測定する線路には地絡電流が流れるため、非平衡状態となる。このため、第１の零相電流および第３の零相電流は０にはならない。一方、第２の電流センサ１８および第４の電流センサ４２で測定する線路には地絡電流が流れないため、平衡状態となる。このため、第２の零相電流および第４の零相電流は０である。したがって、第１の零相電流および第３の零相電流の大きさから分岐線路５１の地絡の有無を判定することができる。

また、図５（ｂ）に示すように分岐線路５２上の点ｆで地絡が発生したときは、破線で示したような地絡電流が流れる。地絡電流は、地絡抵抗３３と大地、中性線２８、トランス４０、電力変換器１３および分岐線路５２の高圧線２５を経由して流れる。図から明らかなように、第１の電流センサ１７および第４の電流センサ４２で測定する線路には地絡電流が流れるため、非平衡状態となる。このため、第１の零相電流および第４の零相電流は０にはならない。一方、第２の電流センサ１８および第３の電流センサ４１で測定する線路には地絡電流が流れないため、平衡状態となる。このため、第２の零相電流および第３の零相電流は０である。したがって、第１の零相電流および第４の零相電流の大きさから分岐線路５２の地絡の有無を判定することができる。

さらに、図５（ｃ）に示すように共通線路５０上の点ｆで地絡が発生したときは、破線で示したような地絡電流が流れる。地絡電流は、地絡抵抗３４と大地、中性線２８、トランス４０、電力変換器１３および高圧線２５を経由して流れる。図から明らかなように、第１の電流センサ１７で測定する交流線路で測定する直流線路には地絡電流が流れるため、非平衡状態となる。このため、第１の零相電流は０にはならない。一方、第２の電流センサ１８、第３の電流センサ４１および第４の電流センサ４２で測定する線路には地絡電流が流れないため、平衡状態となる。このため、第２の零相電流、第３の零相電流および第４の零相電流は０である。したがって、第１の零相電流、第３の零相電流および第４の零相電流の大きさから共通線路５０の地絡の有無を判定することができる。

以上をまとめると、下表のようになる。

表中で、〇印は対応する電流センサで測定される零相電流が０でない（零相電流が検出される）ことを、×印は対応する電流センサで測定される零相電流が検出されないことを示す。例えば、分岐線路５１に地絡がある場合には、電流センサ１７、４１で零相電流が検出され、電流センサ１８、４２では零相電流が検出されない。表から明らかなように、電流センサ１７により直流線路１１の地絡を、電流センサ１８により交流線路１２の（より正確にはトランス４０二次側にある接地点ｎより交流電源／負荷２１側の）地絡を判定することができ、直流線路１１の地絡がある場合には、さらに分岐路上に配置された電流センサ４１、４２で測定される零相電流の大きさにより、共通線路５０、分岐線路５１、分岐線路５２のいずれに地絡があるかを判定することができる。

実際の測定ではノイズなどの影響を受けるため、地絡が発生していない状態でも微小な零相電流が検出される。このため、判定部１９’は、測定された零相電流と予め設定された閾値とを比較して（ステップ９３）、零相電流が閾値よりも大きな場合には零相電流が有ると判断し、表１に示したような関係に基づいて地絡発生区間を特定する（ステップ９４）。最後に、接地点ｎを一時的に設けた場合には、交流線２８を非接地として、地絡検出を終了する。

ところで、電力変換器１３内のトランス１５が絶縁トランスである絶縁型の電力変換器１３を含むグリッド１０の地絡検出を行う場合、直流線路１１の系と交流線路１２の系とが直流的に分離されるため、直流線路１１で発生した地絡電流の直流成分を交流線路１２側で測定することができない。このため、地絡判定には、地絡時に発生する地絡サージ電流などの地絡電流パルスを測定する必要があるが、地絡電流パルスはパルス状の信号であるためノイズに弱い。このため、このような絶縁型の電力変換器１３を有するグリッド１０の地絡検出を行う場合には、図７に示すように、第１の電流センサ１７と判定部１９とをハイパスフィルタ（ＨＰＦ）４５を介して接続した地絡検出装置３を用いることが望ましい。ＨＰＦ４５は、第１の電流センサ１７で測定された零相電流を受信して、受信した零相電流の低周波成分（所定のカットオフ周波数以下の周波数成分）を除去して、判定部１９に向けて出力する。ＨＰＦ４５により、低周波ノイズが除去された測定信号で地絡判定を行うことができるため、地絡電流パルスの検出精度を向上させることができる。なお、地絡電流パルスを検出して地絡検出を行うときには、図３のステップ８４、８６や図６のステップ９３で示した閾値を地絡電流パルスの大きさに応じた値に設定する。

また、図８に示すように、絶縁トランスを備えない非絶縁型の電力変換器１３’を有するグリッド１０の地絡検出を行う場合には、地絡電流が流れる経路で直流成分がカットされることがない。このため、非絶縁型の電力変換器１３’を有するグリッド１０の地絡検出を行う場合には、図に示すように、第１の電流センサ１７と判定部１９とをローパスフィルタ（ＬＰＦ）４６を介して接続した地絡検出装置４を用いる。ＬＰＦ４６は、第１の電流センサ１７で測定された零相電流を受信して、受信した零相電流の高周波成分（所定のカットオフ周波数以上の周波数成分）を除去して、判定部１９に向けて出力する。ＬＰＦ４６により、高周波ノイズが除去された測定信号で地絡判定を行うことができるため、検出精度を向上させることができる。図８では第１の電流センサ１７のみをＬＰＦ４６を介して判定部１９と接続しているが、電流センサ１７以外の電流センサ、例えば第２の電流センサ１８や、直流線路１１の地絡を測定する電流センサ（図５（ａ）の電流センサ４１、４２など）をＬＰＦを介して判定部１９に接続するようにしてもよい。

以上、本願発明にかかる地絡検出方法および装置に関する説明を行ったが、本発明は上記の実施の形態に係る地絡検出方法および地絡検出装置に限定されるものではなく、本発明の概念及び特許請求の範囲に含まれるあらゆる態様を含む。例えば、図３や図６に示した実施態様においては、判定部１９は、量子化した零相電流を予め定められた閾値とを比較することにより地絡の有無を判定しているが、アナログ測定信号をそのままコンパレータにより比較して判定するようにしてもよい。また、閾値は予め定められた固定値である必要はなく、測定信号の平均的な大きさや中央値の数倍の大きさに設定するといったように、ノイズの大きさに応じて相対的に決定された閾値を用いてもよい。さらに、判定部１９は、複数の分岐線路を有する交流線路について、各交流線路上で測定された零相電流の大きさに基づいて交流線路上の地絡発生区間を判定するようにしてもよい。このように、判定部は、零相電流の大きさからグリッド上の所望の区間の地絡を判定する機能を有するハードウェアやソフトウェアで実現することが可能であり、本願における「判定部」はこれらの態様を広く含む。

１、２、３、４地絡検出装置
１０グリッド
１１直流線路（ＤＣグリッド）
１２交流線路（ＡＣグリッド）
１３、１３’ 電力変換器（ＤＣ／ＡＣ）
１４インバータ・コンバータ
１５トランス
１６ＤＣ／ＤＣコンバータ
１７、１８、４１、４２電流センサ
１９、１９’ 判定部
２０直流電源または直流負荷
２１交流電源または交流負荷
２５高圧線
２６低圧線
２７交流線
２８交流線（中性線Ｎ）
２９交流線
３０、３１、３２、３３地絡抵抗
４０トランス
４５ハイパスフィルタ
４６ローパスフィルタ
５０共通線路
５１、５２分岐線路
１００受動方式の地絡検出回路
１０１直流電源
１０２、１０３抵抗器
１０４パワーコンディショナ（電力変換器）
１１０高圧線
１１１低圧線
１１２交流線路
１２０地絡抵抗
１５０能動方式の地絡検出回路
１５１、１５２コンデンサ
１５３信号発生器

Claims

直流線路と交流線路とが電力変換器を介して接続されたグリッドの地絡検出方法であって、
前記交流線路上に接地点を設けるステップと、
前記接地点と前記電力変換器との間にある前記交流線路上の第１の位置において、第１の零相電流を測定するステップと、
前記接地点に対して前記第１の位置の反対側にある前記交流線路上の第２の位置において、第２の零相電流を測定するステップと、
前記第１の零相電流および前記第２の零相電流の大きさから、前記直流線路および前記交流線路のそれぞれにおいて、地絡が発生しているか否かを判定するステップと、
を含む、地絡検出方法。
前記交流線路は、前記電力変換器が一次側に接続されたトランスを含み、
前記接地点は、前記トランスの二次側に設けられ、
前記第１の零相電流を測定する前記第１の位置は、前記電力変換器と前記トランスの一次側の間に位置する、
請求項１に記載の地絡検出方法。
前記直流線路は、前記直流線路上の分岐点から分岐して、互いに並列に接続される複数の分岐線路を備え、
前記地絡検出方法は、
前記複数の分岐線路のうちの少なくとも１つの分岐線路上において、第３の零相電流を測定するステップと、
前記第１の零相電流および前記第３の零相電流の大きさから、前記少なくとも１つの分岐線路および前記少なくとも１つの分岐線路を除く前記直流線路のそれぞれにおいて、地絡が発生しているか否かを判定するステップと、
をさらに含む、
請求項１または２に記載の地絡検出方法。
前記電力変換器は絶縁型の電力変換器であり、
前記第１の零相電流を測定するステップは、測定した前記第１の零相電流から所定の周波数以下の低周波成分を除去するステップをさらに含む、
請求項１から３までのいずれか１項に記載の地絡検出方法。
前記電力変換器は非絶縁型の電力変換器であり、
前記第１の零相電流を測定するステップは、測定した前記第１の零相電流から所定の周波数以上の高周波成分を除去するステップを含む、
請求項１から３までのいずれか１項に記載の地絡検出方法。
直流線路と交流線路とが電力変換器を介して接続され、前記交流線路上に接地点が設けられたグリッドの地絡を検出する地絡検出装置であって、
前記接地点と前記電力変換器との間の前記交流線路上に配置され、第１の零相電流を測定する第１の電流センサと、
前記接地点に対して前記第１の電流センサと反対側の前記交流線路上に配置され、第２の零相電流を測定する第２の電流センサと、
前記第１の零相電流および前記第２の零相電流のそれぞれの大きさから、前記直流線路および前記交流線路のそれぞれにおいて、地絡が発生しているか否かを判定する判定部と、
を備える、地絡検出装置。
前記交流線路は、一次側が前記電力変換器に接続され、かつ、二次側に前記接地点が設けられたトランスを含み、
前記第１の電流センサは、前記電力変換器と前記トランスの一次側との間に配置され、
前記第２の電流センサは、前記接地点に対して前記トランスと反対側の前記交流線路上に配置される、
請求項６に記載の地絡検出装置。
前記直流線路は、前記直流線路上の分岐点から分岐して、互いに並列に接続される複数の分岐線路を備え、
前記地絡検出装置は、前記複数の分岐線路のうちの少なくとも１つの分岐線路上において、第３の零相電流を測定する第３の電流センサをさらに備え、
前記判定部はさらに、前記第１の零相電流および前記第３の零相電流の大きさから、前記少なくとも１つの分岐線路および前記少なくとも１つの分岐線路を除く前記直流線路のそれぞれにおいて、地絡が発生しているか否かを判定する、
請求項６または７に記載の地絡検出装置。
前記電力変換器は絶縁型の電力変換器であり、
前記第１の電流センサは、前記第１の零相電流から所定の周波数以下の低周波成分を除去するハイパスフィルタを備える、
請求項６から８までのいずれか１項に記載の地絡検出装置。
前記電力変換器は非絶縁型の電力変換器であり、
前記第１の電流センサは、測定した零相電流から所定の周波数以上の高周波成分を除去するローパスフィルタを備える、
請求項６から８までのいずれか１項に記載の地絡検出装置。