JPH09145759A - 酸化亜鉛形避雷器の漏れ電流検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複雑な演算式を用いることもなく、またフィ
ルタも不要となる安価でコンパクトな酸化亜鉛型避雷器
の漏れ電流検出装置を得る。 【解決手段】 漏れ電流の第３高調波電流成分と基本波
電流成分の比率を用いて位相差δを求め、この位相差δ
と検出された漏れ電流の基本波電流成分実効値Ｉｔ１と
に基づいて、上記抵抗分電流を演算するための増幅器
５、演算器１０、定数設定器１１を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、酸化亜鉛形避雷
器の抵抗分電流を検出する避雷器の漏れ電流検出装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図６は、例えば特開昭５９−９２７２０
号公報に示された従来の避雷器の漏れ電流検出装置を示
すブロック図であり、図において、１は酸化亜鉛素子で
構成された避雷器、２は避雷器１の接地線、３はロゴス
キー型の変流器、４は変流器３の出力のうち第３高調波
のみを通す第３高調波フィルタ、５は増幅器、６は抵抗
分電流を表示する表示器、７は後述する動作を実行する
ための演算器、８は定数入力器である。

【０００３】従来の酸化亜鉛形避雷器の漏れ電流検出装
置は、検出する漏れ電流のうち、その第３調波成分から
抵抗分電流を検出する方式としている。なお、ここで、
抵抗分電流とは、漏れ電流の第３高調波成分とこれに基
づいて計算される基本波成分の和を言う。

【０００４】次に、従来技術の概要とともに、図５を用
いて動作について説明する。従来の漏れ電流検出装置
は、非線形性をもつ抵抗分電流−電圧特性のために、正
弦波電圧が加わったとき抵抗分電流に漏れ電流の第３高
調波成分が含まれることに注目したものである。抵抗分
電流−電圧特性を電圧の奇数次の関数で近似し、各次数
の比例係数がわかれば第３高調波電流から抵抗分電流を
計算できるということが解析により明らかになり構築さ
れたものである。

【０００５】すなわち酸化亜鉛アレスタに正弦波電圧が
印加されると、その接地線を流れる抵抗分漏れ電流は図
７に示される歪波形になる。時間をｔとして抵抗分漏れ
電流をＩ_R（ｔ）で表すと、Ｉ_R（ｔ）＝−Ｉ_R（−ｔ）
となり周期的な対象波になる。これは、図５に示す非線
形性をもつ抵抗分電流Ｉ_R−電圧Ｖ特性から説明でき
る。すなわち、Ｖ_INの電圧が印加されると、Ｉ_R−Ｖ特
性に応じてＶ_INが電流に変換され歪んだＩ_OUTになって
出力される。これは、丁度、トランジスタの電流増幅作
用に似ている。抵抗分漏れ電流Ｉ_Rの電圧Ｖに対する変
化は、

【０００６】 Ｉ_R（Ｖ）＝−Ｉ_R（−Ｖ） （１）

【０００７】であるため、Ｉ_RはＶの奇数次の関数で表
され（２）式になる。

【０００８】 Ｉ_R＝Ａ₁Ｖ＋Ａ₃Ｖ³＋Ａ₅Ｖ⁵＋・・・・・ （２）

【０００９】Ｉ_R−Ｖ特性を最小２乗法で５次迄の項で
近似する。それにより（２）式のＡ₁，Ａ₃，Ａ₅の係数
が判明する。Ｖを正弦波電圧

【００１０】 Ｖ＝Ｖ₀ sinωt （３）

【００１１】で表し、（３）式を（２）式に代入し、三
角関数公式を用いて級数展開すると（４）式になる。

【００１２】 Ｉ_R＝（Ａ₁＋３／４Ａ₃ Ｖ₀ ²＋５／８Ａ₅ Ｖ₀ ⁴）Ｖ₀ sinωt ＋（−１／４Ａ₃Ｖ₀ ²−５／16Ａ₅Ｖ₀ ⁴）Ｖ₀ sin３ωt ＋１／16Ａ₅Ｖ₀ ⁵sin５ωt （４）

【００１３】（４）式の右辺第１項は基本波を第２、第
３項はそれぞれ第３、第５高調波を表す。いま、第３高
調波および第５高調波が測定可能な量であり、その内の
第３高調波の測定値をＩ_R3 sin３ωｔとすると（５）式
になる。

【００１４】 （−１／４Ａ₃Ｖ₀ ²−５／16Ａ₅Ｖ₀ ⁴）Ｖ₀＝Ｉ_R3 （５）

【００１５】Ａ₃，Ａ₅は既知であるので、不明な量は、
Ｖ₀のみであり（５）式から計算により求まる。求まっ
たＶ₀を（４）式に代入すれば、基本波、第５高調波の
大きさ、および、抵抗分電流Ｉ_Rが求まる。

【００１６】特に、（２）式を３次迄の項で近似すると
（４）,（５）式は簡単になり（４−１）,（５−１）式
になる。

【００１７】 Ｉ_R＝（Ａ₁＋３／４Ａ₃Ｖ₀ ²）Ｖ₀ sinωｔ −１／４Ａ₃Ｖ₀ ³ sin３ωｔ （４−１） −１／４Ａ₃Ｖ₀ ³＝Ｉ_R3 （５−１）

【００１８】（４−１）式に（５−１）式を代入して、

【００１９】 Ｉ_R＝〔Ａ₁×（−４Ｉ_R3／Ａ₃）^1/3−３Ｉ_R3〕sinωｔ ＋Ｉ_R3 sin３ωｔ （６）

【００２０】になり、Ｉ_ＲはＩ_R3からより一層簡単に計
算される。

【００２１】そして、従来の酸化亜鉛形避雷器の漏れ電
流検出装置は、図６に示されるように、酸化亜鉛素子で
構成された避雷器１の接地線２にロゴウスキー型の変流
器３を装置し、その出力端が第３高調波のみを通す第３
高調波フィルタ４に接続されている。このフィルタ４に
より、接続線２を流れる抵抗分電流の中の第３高調波の
みが抽出され、増幅器５に入力される。増幅器５は演算
器７に接続されている。演算器７には定数入力器８によ
り前述の（２）式の比例定数Ａ₁,Ａ₃,Ａ₅,・・・・が入
力される。演算器７の中で、この入力された定数と増幅
器５から入力される第３高調波電流の大きさとから、
（４）式と（５）式に従って計算が行われ、第３高調波
電流の大きさを抵抗分電流の大きさに変換される。その
変換された値を表示器６で表示し直読する。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】従来の酸化亜鉛形避雷
器の漏れ電流検出装置は以上のように構成され、第３高
調波電流成分のみ検出してそれをもとに抵抗分電流を求
めている。この方法は（６）式のように立方根などを解
く必要があり、それに応じたソフトウェアの開発が必要
となり、かつフィルタなどのハードウェアが要求される
ため、装置が高価で大形なものとなっていた。また、避
雷器の非劣化時（初期時）には、抵抗分電流の第３調波
成分が漏れ電流の数％と小さいため線路電圧に含まれる
第３高調波成分の影響を受けて抵抗分電流を正しく検出
できない恐れがあった。

【００２３】

【課題を解決するための手段】上述した問題点を解決す
るために、この発明の請求項１に係る酸化亜鉛型避雷器
の漏れ電流検出装置によれば、酸化亜鉛形避雷器の漏れ
電流から抵抗分電流を検出する酸化亜鉛形避雷器の漏れ
電流検出装置において、上記漏れ電流の第３高調波電流
成分と基本波電流成分の比率を用いて位相差δを求め、
上記位相差δと検出された上記漏れ電流の基本波電流成
分実効値Ｉｔ１とに基づいて、上記抵抗分電流を演算す
る演算手段を備えたものである。

【００２４】このような構成によれば、漏れ電流の第３
高調波電流成分と基本波電流成分の比率を用いて位相差
δを求め、所定のα値と検出した漏れ電流の基本波電流
成分から抵抗分電流を求めることができ、従来のように
複雑な演算式を用いることもなく、またフィルタも不要
となるので、安価でコンパクトな酸化亜鉛型避雷器の漏
れ電流検出装置を得ることができる。

【００２５】また、この発明の請求項２に係る酸化亜鉛
型避雷器の漏れ電流検出装置によれば、上記演算手段
は、補正係数をαとし、次の（Ａ）式を用いて、上記抵
抗分電流を演算するものである。

【００２６】 Ｉｒｐ＝√２Ｉｔ１・ｓｉｎδ・α （Ａ）

【００２７】このような構成によれば、漏れ電流の第３
高調波電流成分と基本波電流成分の比率を用いて位相差
δを求め、所定のα値と検出した漏れ電流の基本波電流
成分から抵抗分電流を求めることができ、従来のように
複雑な演算式を用いることもなく、またフィルタも不要
となるので、安価でコンパクトな酸化亜鉛型避雷器の漏
れ電流検出装置を得ることができる。

【００２８】また、この発明の請求項３に係る酸化亜鉛
型避雷器の漏れ電流検出装置によれば、上記演算手段
は、補正係数をαとしてδ’＝δ・αを求め、次の
（Ｂ）式を用いて、上記抵抗分電流を演算するものであ
る。

【００２９】 Ｉｒｐ＝√２Ｉｔ１・δ’ （Ｂ）

【００３０】このような構成によれば、請求項２のよう
に三角関数の計算を行う必要がなく、計算が簡単とな
り、より安価でコンパクトな酸化亜鉛型避雷器の漏れ電
流検出装置を得ることができる。

【００３１】また、この発明の請求項４に係る酸化亜鉛
型避雷器の漏れ電流検出装置によれば、上記補正係数α
をα＝１として上記抵抗分電流を求めることにより劣化
診断を行うものである。

【００３２】このような構成によれば、抵抗分電流の基
本波電流成分のピーク値を容易に求めることができる。

【００３３】また、この発明の請求項５に係る酸化亜鉛
型避雷器の漏れ電流検出装置によれば、上記漏れ電流の
第３高調波電流成分と基本波電流成分の比率が所定値以
上のときは、上記第３高調波電流成分と上記基本波電流
成分の比率から位相差δを求め、上記比率が所定値未満
のときは、上記位相差δを一定とするものである。

【００３４】このような構成によれば、避雷器の非劣化
時（初期時）の抵抗分電流の第３調波成分が漏れ電流の
数％と小さいときでも精度良く漏れ電流を検出すること
ができる。

【００３５】さらに、この発明の請求項６に係る酸化亜
鉛型避雷器の漏れ電流検出装置によれば、上記漏れ電流
の基本波電流成分実効値Ｉｔ１の代わりに高調波を含ん
だ上記漏れ電流の実効値Ｉｔを用いるものである。

【００３６】このような構成によっても、上記各請求項
と同様な効果を得ることができる。

【００３７】

【発明の実施の形態】

実施の形態１．以下、この発明の一実施形態を図につい
て説明する。図１において、図６と同一対象物には、図
６と同一の符号を付している。９は入力回路で従来のよ
うなフィルタ機能を有しないバッファにより構成され
る。１０は後述する位相差δ及び補正係数α、検出され
た漏れ電流の基本波電流成分の実効値Ｉｔ１から後述す
るように抵抗分電流ピーク値Ｉｒｐを演算する演算器で
ある。１１は後述するように補正係数α、位相差δを演
算器１０に出力する定数設定器である。

【００３８】漏れ電流Ｉｔは容量分電流Ｉｃと抵抗分電
流Ｉｒの合成したものとなる。酸化亜鉛形避雷器の等価
回路と基本周波成分のベクトル図を図２と図３に示す。
ここでは、容量分電流Ｉｃが素子の劣化により変らない
条件の下での抵抗分電流の検出を考えており、そのとき
図２のベクトル図から抵抗分電流の基本周波成分Ｉｒ１
は、次の（７）式となる。

【００３９】 Ｉｒ１＝Ｉｔ１・ｓｉｎδ （７）

【００４０】実際には、抵抗分電流に高調波成分の補正
が必要であり、抵抗分電流ピーク値Ｉｒｐを表す式とし
て（８）式が成立する。

【００４１】 Ｉｒｐ＝√２Ｉｔ１・ｓｉｎδ・α （８）

【００４２】但し、Ｉｔ１は漏れ電流の基本周波成分実
効値、δは漏れ電流と容量分電流の基本周波成分での位
相差、αは高調波成分等を考慮した補正係数（＝Ｉｒｐ
／（√２Ｉｒ１））である。

【００４３】ここで演算器１０は、上述した抵抗分電流
ピーク値Ｉｒｐを演算する他にも、漏れ電流をフーリエ
級数展開することにより、その基本波電流成分実効値Ｉ
ｔ１と第３高調波電流成分実効値Ｉｔ３を検出し、さら
にＩｔ３／Ｉｔ１比を演算する機能を有する。

【００４４】被検出避雷器の特性により（８）式におけ
る補正係数αは工場試験での実測により、製造方法が同
一素子では、初期状態より劣化状態に至るまでほぼ一定
であることが知られている。位相差δと漏れ電流の第３
高調波電流成分実効値（Ｉｔ３）／基本波電流成分実効
値（Ｉｔ１）の関係は、工場での試験結果から図４のよ
うな関係があることが分かっている。

【００４５】このことから定数設定器１１では、演算器
１０からの入力値（Ｉｔ３／Ｉｔ１）に応じたδ値を、
図４に対応させて記憶しており、入力された（Ｉｔ３／
Ｉｔ１）値に相当するδ値を選び出して、演算器１０に
出力するように構成されている。

【００４６】この実施形態における補正係数αは、工場
試験によりα＝１．４に設定されている。上述のδ値、
α値、及び基本波電流成分実効値Ｉｔ１を用いて、演算
器１０は（８）式の演算を行い、抵抗分電流ピーク値Ｉ
ｒｐを求める。その値が表示器６ａで表示される。

【００４７】実施の形態２．上述した実施形態１では、
ｓｉｎδとαの変数を取り扱う場合について示したが、
δが小さくｓｉｎδ・α＝α・δと近似できる場合に
は、このα・δの値を用いることにより、三角関数のテ
ーブルを用いる必要がなくなり、演算が簡単に行えるよ
うになる。

【００４８】なお、そのときには、位相差と補正係数と
から、δ・α＝δ’なる値を定数設定器１１で演算して
出力し、この定数設定器１１からのδ’値（図示しな
い）と演算器１０で求められた漏れ電流の基本波電流成
分実効値Ｉｔ１を用いて、演算器１０で次の（９）式の
演算を行う。このような構成によれば、抵抗分電流ピー
ク値Ｉｒｐを求める演算が簡単になり、ソフトウェア、
メモリ等の軽減ができ実施形態１より経済的なものとな
る。

【００４９】 Ｉｒｐ＝√２Ｉｔ１・δ’ （９）

【００５０】実施の形態３．実施形態２では、高調波電
流成分を含んだ抵抗分電流ピーク値Ｉｒｐを求めている
が、抵抗分電流の基本波電流成分のピーク値√２Ｉｒ１
（√２を（７）式に掛けて得られる）の大きさに基づい
て劣化診断（その大きさが大きくなれば劣化が進行して
いる）する場合は、α＝１として、定数設定器１１ａの
出力をδとして、演算器１０で実施形態１もしくは実施
形態２の演算式の（８）式もしくは（９）式に基づいて
演算すれば良い。

【００５１】実施の形態４．実施形態４は避雷器の非劣
化時（初期時）には、抵抗分電流の第３調波成分が漏れ
電流の数％と小さいため電圧に含まれる第３高調波成分
の影響を受けてδを正しく検出できない恐れがあるとき
に適用する方式である。

【００５２】上述した定数設定器１１において、非劣化
時（初期時）には、図４の特性曲線のようにＩｔ３／Ｉ
ｔ１の変化に対してδ値がほぼ一定（変化量が小さい）
と見なせることからδ値を一定とする。一方、劣化時に
は、図４の特性曲線から予めこの（Ｉｔ３／Ｉｔ１）の
値とδとの関係式を図４の直線近似式として内部メモリ
に記憶し、演算器１０からの（Ｉｔ３／Ｉｔ１）値入力
からδ値を演算出力するようにすればよい。

【００５３】この方式が上述した実施形態１〜３のいず
れにも適用できることは、言うまでもない。この実施形
態での定数設定器では、（Ｉｔ３／Ｉｔ１）の大きさに
基づいて、δ値を一定もしくは演算するかを切り変える
機能も有することになる。

【００５４】なお、非劣化時か劣化時かの境界は、電圧
に含まれる第３調波成分を約１．５％と想定しており、
そのとき（Ｉｔ３／Ｉｔ１）値が約４．５％となること
から、これを越える５％に設定している。つまりこの実
施形態では、演算器から出力される（Ｉｔ３／Ｉｔ１）
の値が５％以上のときは、この値（Ｉｔ３／Ｉｔ１）に
基づいて定数設定器がδ値を上記直線近似式から演算出
力し、５％未満のときはδ値を一定として出力するよう
にしている。

【００５５】実施の形態５．上述してきた実施形態で
は、検出された漏れ電流の基本波電流成分実効値Ｉｔ１
を用いたが、抵抗分電流の高調波成分の実効値がＩｔ１
の１割程度以下の大きさのときは、高調波成分を含んだ
漏れ電流の実効値ＩｔとＩｔ１が１％程度しか違わない
ので、検出された漏れ電流の基本波電流成分実効値Ｉｔ
１の代わりに高調波成分を含んだ漏れ電流の実効値Ｉｔ
を演算し、上記実施形態１〜４で使用する（７）〜
（９）式のＩｔ１の代わりにＩｔを代入して演算するよ
うにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施形態１を示す酸化亜鉛形避雷器の漏れ電
流検出装置の回路図である。

【図２】 実施形態１の動作説明図である。

【図３】 実施形態１の動作説明図である。

【図４】 位相差δと漏れ電流の第３高調波電流成分実
効値（Ｉｔ３）／基本波電流成分実効値（Ｉｔ１）の関
係を示す図である。

【図５】 従来技術の動作を示す図である。

【図６】 従来の酸化亜鉛形避雷器の漏れ電流検出装置
の回路図である。

【図７】 図６の動作説明図である。

【符号の説明】

１ 避雷器、１０ 演算器、１１ 定数設定器、Ｉｔ１
基本波電流成分実効値、Ｉｔ３ 第３高調波電流成分
実効値、δ 位相差、α 補正係数。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 前川 洋 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸化亜鉛形避雷器の漏れ電流から抵抗分
   電流を検出する酸化亜鉛形避雷器の漏れ電流検出装置に
   おいて、上記漏れ電流の第３高調波電流成分と基本波電
   流成分の比率を用いて位相差δを求め、上記位相差δと
   検出された上記漏れ電流の基本波電流成分実効値Ｉｔ１
   とに基づいて、上記抵抗分電流を演算する演算手段を備
   えたことを特徴とする酸化亜鉛形避雷器の漏れ電流検出
   装置。
2. 【請求項２】 上記演算手段は、補正係数をαとし、次
   の（Ａ）式を用いて、上記抵抗分電流を演算することを
   特徴とする請求項１記載の酸化亜鉛形避雷器の漏れ電流
   検出装置。 Ｉｒｐ＝√２Ｉｔ１・ｓｉｎδ・α （Ａ）
3. 【請求項３】 上記演算手段は、補正係数をαとして
   δ’＝δ・αを求め、次の（Ｂ）式を用いて、上記抵抗
   分電流を演算することを特徴とする請求項１記載の酸化
   亜鉛形避雷器の漏れ電流検出装置。 Ｉｒｐ＝√２Ｉｔ１・δ’ （Ｂ）
4. 【請求項４】 上記補正係数αをα＝１として上記抵抗
   分電流を求めることにより劣化診断を行うことを特徴と
   する請求項２または請求項３記載の酸化亜鉛形避雷器の
   漏れ電流検出装置。
5. 【請求項５】 上記漏れ電流の第３高調波電流成分と基
   本波電流成分の比率が所定値以上のときは、上記第３高
   調波電流成分と上記基本波電流成分の比率から位相差δ
   を求め、上記比率が所定値未満のときは、上記位相差δ
   を一定とすることを特徴とする請求項１乃至請求項４の
   いずれかに記載の酸化亜鉛形避雷器の漏れ電流検出装
   置。
6. 【請求項６】 上記漏れ電流の基本波電流成分実効値Ｉ
   ｔ１の代わりに高調波を含んだ上記漏れ電流の実効値Ｉ
   ｔを用いることを特徴とする請求項１乃至請求項５のい
   ずれかに記載の酸化亜鉛形避雷器の漏れ電流検出装置。