JPH026288B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、非接地系の配電線における地絡相
を検出する装置に関する。

従来、この種の装置として第１図に示すものが
あつた。図中、１ａ，１ｂ，１ｃは３相平衡の電
源、２ａ，２ｂ，２ｃは電圧e_a，e_b，e_cを有する
電源１ａ，１ｂ，１ｃに接続されたａ、ｂ、ｃ相
の配電線、３ａ，３ｂ，３ｃは配電線２ａ，２
ｂ，２ｃと大地間に存在する静電容量、４は抵抗
R_gと共に接地事故の発生を等価的に示すスイツ
チ、５ａ，５ｂ，５ｃはコンデンサよりなり、配
電線２ａ，２ｂ，２ｃの電圧を分圧する分圧器、
６ａ，６ｂ，６ｃは分圧器５ａ，５ｂ，５ｃの電
圧v_a，v_b，v_cの２電圧につき加算をする加算器、
７は電源１ａ，１ｂ，１ｃの中性点を接地する抵
抗値R_Mの抵抗である。

次に、動作について説明する。分圧器５ａ，５
ｂ，５ｃの電圧v_a，v_b，v_cは加算器６ａ，６ｂ，
６ｃに対で入力され、これらの出力端には次式の
ような電圧v₁，v₂，v₃が発生する。

v₁＝v_a＋v_b／２、v₂＝v_b＋v_c／２、v₃＝v_c＋v_a／２ スイツチ４が投入され、ａ相の配電線２ａが、
地絡すると、静電容量３ａ，３ｂ，３ｃ及び抵抗
R_gの値が変化して、第２図のベクトル図で示す
ように、ベクトルの中心０が円８に沿つて０′に
移動し、事故相の電圧v₁は、電圧v₂，v₃より小さ
くなり、｜v₁｜＜｜e_a｜＜｜v₂｜又は｜v₃｜とな
る。この関係は、図示なしの論理回路により検出
され、事故ありに対応される。

従来の地絡相検出装置は、以上述べたように事
故発生前後において各相の対地電圧の絶対値が変
化するのを検出し、それらの間の大小関係から地
絡相を判定していた。しかし、事故時に配電線が
有する静電容量及び地絡抵抗が共に大きい場合は
健全時のものとの差が顕著なものとならず、検出
の精度が低下する。検出感度を高めるためには、
分圧器の分圧比及び加算器の動作が高度に安定し
ていることが必要である。例えこのような安定化
が達成できたとしても接続部分に接触不良等によ
り欠相が生じていることまで判別はできない。

この発明は、上記のような従来のものの欠点を
除去するためになされたもので、地絡による事故
電流に比例して発生する零相電圧を検出し、この
零相電圧と交流系統の各相の電圧に基づく信号と
の論理積をとり、更に積分し、最後に基準電圧と
比較することにより、地絡相を判別できる地絡相
検出装置を提供することを目的とする。

以下、この発明の一実施例を図について説明す
る。第３図はこの発明の地絡相検出装置のブロツ
ク図である。図中、９は配電線２ａ，２ｂ，２ｃ
にデルタ接続された巻線９ａと、星形に接続さ
れ、電圧e_a，e_b，e_cより角度α₀だけ進相の参照電
圧である電圧u_a0，u_b0，u_c0を発生する巻線９ｂ
と、電圧u_a0，u_b0，u_c0より90゜進相の参照電圧で
ある電圧u_a0′，u_b0′，u_c0′を発生する巻線９ｃを
有し、移相回路の機能をもつ変圧器、１０は配電
線２ａ，２ｂ，２ｃにコンデンサ１０ａ，１０
ｂ，１０ｃの一端を接続し、他端をコンデンサ１
０ｄを介して接地し、コンデンサ１０ａ〜１０ｄ
の接続点より零相の電圧v₀を得る分圧器、１１は
分圧器１０の電圧v₀を微分して電圧v₀′（＝１／ω dv₀／dt）を得る微分器、１２ａ，１２ｂは電圧v₀， v₀′を導入してそれぞれを２乗した信号v₀ ²，
v₀ ²′を得る掛算器、１３は信号v₀ ²，v₀′²を加算し
て電圧v₀の振幅V₀を２乗した信号V₀ ²を得る加算
器、１４は信号V₀ ²を定数A₁倍して定数A₀と加算
し、信号A₀＋A₁V₀ ²を得る加算器、１５は信号
A₀＋A₁V₀ ²を導入し、これを電圧−周波数変換し
たクロツク信号を発生する変換器、１６ａ〜１６
ｆは変圧器９の電圧u_a0，u_b0，u_c0，u_a0′，u_b0′，
u_c0′を変換器１５のクロツク信号に従つて遅延さ
せ、電圧u_a，u_b，u_c，u_a′，u_b′，u_c′を発生する
もので、バゲツト・ブリゲード・デバイス
（BBD）又はチヤージ・カツプルド・デバイス
（CCD）からなる遅延素子、１７ａ〜１７ｌは遅
延素子１６ａ〜１６ｆの電圧u_a′〜u_c′を導入し、
それらの正及び負期間を零電圧との比較により検
出してゲート信号を発生する比較器、１８ａは分
圧器９の電圧v₀を極性反転させて電圧−v₀を得る
反転器、１８ｂは微分器１１の電圧v₀′を極性反
転させて電圧−v₀′を得る反転器、１９ａ〜１９
ｌは比較器１７ａ〜１７ｌのゲート信号により電
圧v₀，−v₀，v₀′，−v₀′を通過させるゲート回路、
２０ａ〜２０ｆはゲート回路１９ａ，１９ｂ；１
９ｃ，１９ｄ；〜；１９ｋ，１９ｌのゲート信号
を導入して加算し、信号w_a1，w_b1，w_c1，w_a2，
w_b2，w_c2を発生する加算器、２１ａ，２１ｂ，
２１ｃは加算器２０ａ〜２０ｆの信号w_a1，
w_a2；w_b1，w_b2；w_c1，w_c2を導入して加算し、更
に積分し、信号W_a，W_b，W_cを得る積分器、２
２ａ，２２ｂ，２２ｃは積分器２１ａ，２１ｂ，
２１ｃの信号W_a，W_b，W_cが基準電圧−W_t以下
となるのを比較により検出したときは地絡を示す
信号ａ，ｂ，ｃを出力する比較器である。

次にこの発明の動作について説明する。電源１
ａ，１ｂ，１ｃの電圧e_a，e_b，e_cは次式で表わさ
れる。

e_a＝Esinωt e_b＝Esin（ωt−２／３π） e_c＝Esin（ωt−４／３π） 従つて、これらを角度α₀だけ移相した変圧器９
の電圧u_a0，u_b0，u_c0及び更に90゜進めた電圧u_a′₀，
u_b′₀，u_c′₀は次のようになる。

u_a0＝Ｅ・sin（ωt＋α₀） u_b0＝Ｅ・sin（ωt＋α₀−２／３π） u_c0＝Ｅ・sin（ωt＋α₀−４／３π） u_a′₀＝Ｅ・cos（ωt＋α₀） u_b′₀＝Ｅ・cos（ωt＋α₀−２／３π） u_c′₀＝Ｅ・cos（ωt＋α₀−４／３π） 電圧u_a0〜u_c0，u_a′₀〜u_c′₀は、線間電圧に関係
しているので、スイツチ４の投入で示すようなａ
相のみ、非平衡接地の事故点が発生しても変化し
ない。従つて、電圧u_a0〜u_c0，u_a′₀，u_c′₀を用い、
電圧e_a，e_b，e_cより角度αだけ遅れた移相回路１
６ａ〜１６ｆの電圧u_a，u_b，u_c，u_a′，u_b′，u_c′
は次のようになる。

u_a＝Ｅ・sin（ωt−α） u_b＝Ｅ・sin（ωt−α−３／２π） u_c＝Ｅ・sin（ωt−α−４／３π） u_a′＝Ｅ・cos（ωt−α） u_b′＝Ｅ・cos（ωt−α−２／３π） u_c′＝Ｅ・cos（ωt−α−４／３π） スイツチ４で示すａ相で抵抗R_gの地絡事故が
発生すると、この３相回路の中性点の電位が変動
し、零相の電圧v₀が分圧器１０の出力に現われ
る。電圧v₀は、静電容量C₀、抵抗R_Nと次式のよ
うな関係にある。

v₀＝−V₀・sin（ωt−θ） ただし、 第４図は、電圧e_a，e_b，e_c，u_a0，u_b0，u_c0，
u_a0′，u_b0′，u_c0′，u_a，u_b，u_c，u_a′，u_b′，u_c′
及
び零相の電圧v₀のベクトル関係を示すベクトル図
である。抵抗R_gの値が変化すると、電圧v₀は円
８の上を移動する。

電圧u_a，u_b，u_c，u_a′，u_b′，u_c′は、遅延素子
１６ａ〜１６ｆに入力され、信号A₀＋A₁V₀ ²に比
例した量だけ移相され、電圧u_a〜u_c，u_a′〜u_c′と
なつて以下で説明するようにして出力される。

第６図は、ａ相に関連する電圧e_a，u_a，u_a0，−
v₀間のベクトル関係を説明するベクトル図であ
る。第６図から明らかなように、電圧v₀の振幅
V₀と角度θとの間には θ＝cos^-1V₀／Ｅ の関係があるので、α＝cos^-1V₀／Ｅとなるように 遅延素子１６ａ〜１６ｆが変換器１５のクロツク
信号により制御される。

遅延素子１６ａ〜１６ｆがｎ段のBBDよりな
るものとすると、それらの出力である電圧u_a〜u_c
は、電圧u_a0，u_b0，u_c0より角度nω／ｆだけ遅れる。

ただし、ｆは変換器１５のクロツク信号の周波数
であり、ωは電源e_aの角周波数である。電圧u_a0
が電圧e_aより遅れる角度αは、 α＝nω／ｆ−α₀ であるから、電圧v₀の角度θと一致するために
は、次式が満足されなければならない。

nω／ｆ−α₀＝cos^-1V₀／Ｅ ∴ｆ＝nω／α₀＋cos^-1V₀／Ｅ 上式は近似的に次式で表わされる。

ｆA₀＋A₁・V₀ ² A₀＝ｎ・ω／α₀＋π／２、 A₁＝2π／３・ｎ・ω／（α₀＋π／３）（α₀＋π／２
）・１／E² 定数A₀、A₁は既に述べたように加算器１４に
対して設定されたものである。また、加算器１３
は、次式により、信号v₀ ²，v₀′²から電圧v₀の振幅
V₀の２乗値をもつ信号V₀ ²を導出する。

V₀ ²＝V₀ ²＋（１／ω dv₀／dt）² 加算器１４の信号A₀＋A₁V₀ ²は変換器１５に入
力されているので、変換器１５は信号A₀＋A₁V₀ ²
に対応した周波数ｆをもつクロツク信号を発生
し、遅延素子１６ａ〜１６ｆを駆動し、角度α、
θを一致させるようにして電圧u_a〜u_c，u_a′〜
u_c′を発生する。

比較器１７ａ〜１７ｆは電圧u_a〜u_c、を入力し
ているが、これらと電圧v₀とのベクトル関係は第
４図に示すようになつている。抵抗R_gの値が変
化すると、電圧v₀の足は円８上を移動する。比較
器１７ａ〜１７ｌは電圧u_a〜u_c，u_a′〜u_c′、につ
いてそれぞれ正、負となる期間でゲート信号を発
生し、ゲート回路１９ａ〜１９ｌをゲートさせ
る。

このようにしてゲート回路１９ａ〜１９ｌを通
過した電圧v₀，−v₀，v₀′，−v₀′は加算器２０ａ〜
２０ｆに入力される。

u_a＞０、u_a＜０となる期間はそれぞれα₁＋2nπ／ω ＜ｔ＜α₁＋（2n＋１）π／ω、α₁＋（2n−１）π／ω
＜ ｔ α₁＋2nπ／ωであるから、加算器２０ａの信号w_a1 は次式のように表わせる。

従つて、信号w_a1の平均値w_a10は このように、加算器２０ａの信号w_a1には直流
分w_a10がある。

第５図は第３図に示す装置の動作の波形図であ
る。第５図において、ａは電圧e_a、ｂは電圧v₀及
びv₀′、ｃは電圧u_a及びu_a′、ｄは信号w_a1，w_a2、
ｅは信号w_aの波形を示す。

電圧v₀を微分した電圧v₀′は、第５図ｂに示す
ように電圧v₀より90゜だけ進相である。第５図ｄ
に示すように、信号w_a1，w_a2間には180゜の位相差
があり、両者を加算することにより第５図ｆのよ
うに交流分の基本波成分が打ち消される。このよ
うな加算は、積分器２１ａで行なわれ、得られる
直流分w_a0は直流分w_a10の２倍となる。直流分
w_a0は次式で示される。

w_a0＝−４／πV₀cos（α−θ） このような関係は他のｂ及びｃ相にも同じよう
に成立し、それらの直流分w_b0、w_c0は次のよう
になる。

w_b0＝−２／πV₀cos（α−θ＋２／３π） w_c0＝−２／πV₀cos（α−θ＋４／３π） 従つて、上式においてθ＝αとすると、信号
w_a0〜w_c0は次式のようになる。

w_a0＝−４／πV₀ w_b0＝w_c0＝２／πV₀ 積分器２１ａ〜２１ｃから出力される信号W_a
〜W_cは式で示すと次のようになる。

W_a＝∫^t _tgw_a0dt＝−４／πV₀（ｔ−t_g） W_b＝∫^t _tgw_b0dt＝２／πV₀（ｔ−t_g） W_c＝∫^t _tgw_c0dt＝２／πV₀（ｔ−t_g） 前述したように、信号w_a，w_b，w_cは、電圧u_a，
u_b，u_cに比例した量をもち、地絡がなく、３相が
平衡していれば零となるので、その場合は信号
W_a，W_b，W_cも零となる。

第７図は信号W_a，W_b，W_cを地絡事故が発生
した時刻t_gの前後について示す波形図である。図
示のように、事故相の信号W_aは時刻t_gから負方
向へ増加し、基準電圧−W_tを超えている。これ
に対し、非事故相の信号W_b，W_cは正方向へ増加
している。

このような信号W_a，W_b，W_cは、比較器２２
ａ，２２ｂ，２２ｃにおいて基準電圧−W_tと比
較される。この場合は、第７図に示す関係によ
り、比較器２２ａから信号ａが出力され、ａ相に
地絡があつたことを示す。

なお、上記実施例の電圧v₀，v₀′を波形変換器
により振幅が一定の矩形波に変換してもよい。第
８図は、このような場合の波形図を示す。第８図
において、ａは電圧v₀を矩形波に変換した信号、
ｂは電圧u_a、ｃは電圧v₀′を矩形波に変換した信
号、ｄは信号u_a′、ｅは信号u_a，u_a′に関連したゲ
ート回路より出力される信号w_aの波形を示す。
信号w_aは、電圧u_aと電圧v₀とが逆位（θ＝α）
であるため、直流分w_a0のみとなるが、ｂ及びｃ
相の信号w_b，w_cの直流分w_b0、w_c0には交流分が
重畳する。直流分w_a0、w_b0、w_c0は次式で表わさ
れる。

w_a0＝−4V₀／π（α−θ＋π／２）＝−2V₀ w_b0＝−４／π（α−θ＋π／６）＝−２／３V₀ w_c0＝−４／π（α−θ−π／６）＝＋２／３V₀ 従つて、直流分w_a0が負、直流分w_b0が直流分
w_a0より小さい負、直流分w_c0が正の値となる。
従つて、直流分w_a0〜w_c0を積分した信号W_a〜W_c
は、第９図に示すものとなり、上記実施例と同じ
ように、基準電圧−W_tと比較され、事故相の判
定対象となる。第９図に示すように、信号W_b，
W_cは、振動成分が大きいが、事故相の判定を可
能とするものである。

また、積分器２１ａ，２１ｂ，２１ｃが完全な
時間積分を行なう場合を説明したが、演算素子の
精度などを原因として少しでも直流成分があれ
ば、これが蓄積する。これを避けるために、積分
器２１ａ，２１ｂ，２１ｃの特性を適当な時定数
をもつ積分、即ち一次遅れ要素の伝達関数
１／１＋STにすることが必要である。

なお、積分の時定数Ｔを、検出すべき地絡事故
に比較して大きく取つておけば、上記で説明した
機能はそのまま保たれる。

また、零相電圧の検出感度を上げて地絡相の検
出を行なつた場合、演算回路のダイナミツク・レ
ンジの制約から零相電圧の信号に飽和が生じるこ
とがあるが、零相電圧の位相の情報は保持される
ので、地絡相の検出は可能である。

上記実施例では系統のわずかの不平衡とか検出
器の不平衡などにより、正常時にもわずかに生じ
る零相電圧によつて誤動作が発生するのを防ぐた
め、積分回路に適当な時定数を持たせている。従
つて、不平衡が原因で生ずる信号w_a，w_b，w_cに
は地絡が発生する以前からそれぞれ値の異なる直
流のベースが発生するので、これが閾値による地
絡検出に悪影響を与える。このため、第１０図に
示すように、積分器（時定数Ｔの一次遅れ要素）
の出力をコンデンサＣを通してやればよい。コン
デンサＣの後に置かれた抵抗Ｒは常時の出力ベー
スを零にするためのもので、時定数CRの値は積
分の時定数Ｔと同様に予想される地絡現象及び常
時の系統の擾括の程度を勘案して選択したものに
する。CRの回路と積分回路の位置を前後入れ換
えても効果は同様となる。

上記実施例では、角度α、θが一致するように
したが、角α、θはほぼ一致するものであつても
よい。

上記実施例では、電圧u_a0，u_b0，u_c0，u_a′₀，
u_b′₀，u_c′₀を導出するのに３相の移相変圧器を用
いたが、容量分圧器を用いて第１１図及び第１２
図のように導出してもよい。第１１図では分圧器
５ａ，５ｂ，５ｃの出力を加算器６ａ，６ｂ，６
ｃに供給して電圧u_a0，u_b0，u_c0を算出し、更に微
分器１１ａ，１１ｂ，１１ｃにより電圧u_a′₀，
u_b′₀，u_c′₀を発生している。一方、第１２図で
は、加算器６ａ，６ｂ，６ｃの出力である電圧
u_a0，u_b0，u_c0を加算器６ｄ，６ｅ，６ｆで２つ組
み合せで加算し、電圧u_a′₀，u_b′₀，u_c′₀を得る。

以上のように、この発明によれば、系統の零相
電圧の信号と移相された基準電圧の信号とを掛算
し、更に所定期間積分し、基準電圧とレベルの判
定をすることにより事故相の判別をするようにし
たので、雑音による影響を少なくすることがで
き、安定に動作する装置が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の地絡相検出装置の回路図、第２
図は地絡相発生時の各相及び零相電圧のベクトル
図、第３図はこの発明の一実施例による地絡相検
出装置の回路図、第４図は第３図に示す装置の電
圧のベクトル図、第５図は第３図に示す装置の動
作の波形図、第６図は第３図に示す装置の電圧の
ベクトル図、第７図は第３図に示す装置の動作の
波形図、第８図及び第９図はこの発明の他の実施
例による地絡相検出装置の波形図、第１０図乃至
第１２図はこの発明の他の実施例による地絡相検
出装置の回路図である。 ３ａ〜３ｃ，５ａ〜５ｃ，１０ａ〜１０ｄ，Ｃ
……コンデンサ、４……スイツチ、６ａ〜６ｆ，
１３，１４，２０ａ〜２０ｆ……加算器、９……
変圧器、１０……分圧器、１１，１１ａ〜１１ｃ
……微分器、１２ａ，１２ｂ……掛算器、１５…
…変換器、１６ａ〜１６ｆ……遅延素子、１７ａ
〜１７ｌ，２２ａ〜２２ｃ……比較器、１９ａ〜
１９ｌ……ゲート回路、２１ａ〜２１ｃ……積分
器。なお、図中、同一符号は同一部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 交流系統から各相の電圧を導入して上記電圧
   に比例し、かつ移相された第１及び第２の電圧信
   号を発生する回路と、上記第１及び第２の電圧信
   号をクロツク信号により移相する遅延素子と、こ
   の遅延素子の出力信号がそれぞれ正及び負となる
   期間を検出してゲート信号を発生する第１の比較
   器と、上記交流系統の零相電圧を微分して微分信
   号を発生する微分器と、上記零相電圧、微分信
   号、上記電相電圧の反転信号及び上記微分信号の
   反転信号を上記ゲート信号によりそれぞれ通過さ
   せるゲート回路と、上記ゲート回路を介した上記
   零相電圧及びその反転信号を加算する第１の加算
   器と、上記ゲート回路を介した上記微分信号及び
   その反転信号を加算する第２の加算器と、上記第
   １及び第２の加算器の出力信号を加算し、かつ積
   分する積分器と、上記積分器の出力信号が所定の
   基準電圧を超えたときに地絡を示す信号を出力す
   る第２の比較器と、上記零相電圧及び微分電圧に
   基づく所定の演算により上記零相電圧の振幅を導
   出する演算回路と、上記演算回路により導出され
   た上記振幅を電圧・周波数変換して上記クロツク
   信号を発生する変換器とを備えた地絡相検出装
   置。 ２ 零相電圧及びその微分電圧並びにこれらの極
   性の反転信号を矩形波に変換する波形変換回路を
   介してそれぞれゲート回路に供給するようにした
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の地
   絡相検出装置。 ３ 積分器に直流遮断用のコンデンサを直列接続
   したことを特徴とする特許請求の範囲第１項又は
   第２項記載の地絡相検出装置。