JPS6350929B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、非接地系配電線などの系統に使用
される、地絡相検出装置に関するものである。

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相平衡電
源、２ａ，２ｂ，２ｃは、この３相平衡電源に接
続された３相配電線、３ａ，３ｂ，３ｃは、この
３相配電線が、それぞれ有する対地静電容量、４
は上記配電線中、どれか１相に存在するかもしれ
ない接地事故点、５ａ，５ｂ，５ｃは、配電線の
各相の対地電圧を検出するための分圧器、６ａ，
６ｂ，６ｃは、加算を行なう演算増巾器、７は電
源中性点の接地抵抗である。

次に動作について説明する。第１図のように、
ａ相が接地事故点４で抵抗R_gを通して地絡した
場合、第２図のベクトル図で示すように接地電位
が０から0′に変化し、地絡後の各相の対地電圧は
v_a，v_b，v_cのようになる。事故時に線路が有して
いる静電容量や地絡抵抗が変わると点0′は円線図
８上を動く。第１図の分圧器５ａ，５ｂ，５ｃに
より検出される電圧v_a，v_b，v_cを加算器６ａ，６
ｂ，６ｃを通すことより、次のような出力が得ら
れる。

v₁＝v_a＋v_b／２、v₂＝v_b＋v_c／２、v₃＝v_c＋
v_a／２ これらの電圧を、第２図のベクトル図中に示し
たが、この図によつてもわかるように、このよう
にして合成されるベクトルの大きさは事故相に対
応するものが一番小さくなる。詳しく言えば、ａ
相で地絡事故が発生した時には、ベクトルの振巾
の間に ｜v₁｜＜｜e_a｜＜｜v₂｜、｜v₃｜ のような関係が成り立つ。他の相で事故が発生し
た場合にも同様な形の関係が成り立つ。そこで、
適当な論理回路を用いることにより、事故相を判
別することができる。

従来の地絡相検出装置は今まで述べてきたよう
に、本質的には、事故の前後の各相対地電圧の絶
対値の変動を検出して、それらの間の大小から地
絡相を判別するものであるが、事故時に線路が有
する対地静電容量C_p及び、地絡抵抗R_gが共に大
きい場合には、健全時と事故時の電圧の差が極め
て小さくなつてしまうので、検出が難かしくなつ
たり、感度を上げようとすると、分圧器の分圧比
及び演算増巾器の増巾率等が各相間で、高度に平
衡していることが必要な上に、たとえそれが実現
されたとしても、ノイズによる誤動作が起こりや
すくなるという欠点があつた。

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、事故電流に比例
して発生する零相電圧を直接検出して、その波形
全体から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している。

以下、この発明の実施例を説明する。第３図に
おいて、１ａ，１ｂ，１ｃは、３相平衡電源、２
ａ，２ｂ，２ｃはこの３相平衡電源に接続された
３相配電線、３ａ，３ｂ，３ｃは、この３相配電
線が、それぞれに有する対地静電容量、４は３相
配電線のどれか１相に存在するかもしれない接地
事故点、７は電源中性点の接地抵抗であり、９は
零相電圧v_pを検出するための容量分圧器回路、１
０は電源の星形相電圧から一定の角度遅れたベク
トルに相当する参照電圧u_a，u_b，u_cを発生する３
相移相変圧器、１１ａ〜１１ｆは各参照電圧u_a，
u_b，u_cを０値と比較して、参照電圧が正または負
の間のみ、ゲート信号を出す電圧比較器、１２ａ
〜１２ｆは、このゲート信号が入つた期間のみ入
力信号の瞬時値をそのまま通過させるゲート回路
であり、１３ａ，１３ｂ，１３ｃはゲート回路１
２ａと１２ｂ，１２ｃと１２ｄ，１２ｅと１２ｆ
からの出力をそれぞれ加え合わせた後積分する積
分器、１４ａ，１４ｂ，１４ｃは上記積分器の出
力をあらかじめ与えられた閾値−Wthと比較する
比較器である。

次に、本発明による第３図の装置の動作・原理
を説明する。今考えている系の３相平衡電源１
ａ，１ｂ，１ｃの相電圧e_a，e_b，e_cは、次のよう
に表わすことができる。

e_a＝Ｅ・sinωt e_b＝Ｅ・sin（ωt−２／３π） e_c＝Ｅ・sin（ωt−４／３π） 移相変圧器１０により、上記相電圧よりもそれ
ぞれ角度αだけ遅れた位相の参照電圧u_a，u_b，u_c
を発生するとすれば、これらは次のように表わす
ことができる。

u_a＝Ｅ・sin（ωt−α） u_b＝Ｅ・sin（ωt−α−２／３π） u_c＝Ｅ・sin（ωt−α−４／３π） これらの参照電圧は線間電圧に関係しているの
で、第３図４に示したようなａ相のみの不平衡接
地事故がある場合にも変化がない。しかし、この
３相回路の中性点電位は変動し、零相電圧が発生
する。この零相電圧v_pが、容量分圧器により検出
される。v_pは地絡抵抗R_gと３相線路の静電容量
C_p、中性点の接地抵抗R_Nに関係しており、次の
ように表わされる。

v_p＝−V_p・sin（ωt−θ） 但し θ＝tan^-13ωCo／１／R_N＋１／R_g 第４図は、上記の電圧e_a，e_b，e_c，u_a，u_b，u_c
及びv_pの間の関係をベクトル図で示したもので、
R_gの値が変わるとベクトルv_pの足は円線図８の
上を移動する。

このようなu_a，u_b，v_c及びv_pが第８図の比較器
１１ａ〜１１ｆ及びゲート回路１２ａ〜１２ｆに
入つた時の動作を考える。この回路は１１ａ，１
１ｂ，１２ａ，１２ｂが一組となつており、この
一組の回路はu_aが正の時にはv_pを、u_aが負の時に
は−v_pを出力とする機能を持つ。以降これらの出
力の和をw_aと記す。第５図はこの関係を波形で
示したものである。第５図ｃにw_aの波形の概観
を示すが、この出力には破線で示すような直流成
分w_apが存在する。この直流成分の値は次のよう
にして求めることができる。

u_a＞０及びu_a＜０となる期間はそれぞれ（α＋
2nπ）／ω≦ｔ＜（α＋（2n＋１）π）／ω及び
（α＋（2n−１）π）／ω≦ｔ＜（α＋2nπ）／ω
であるから、w_aは次のように表わされる。

w_a＝−V_p・sin（ωt−θ）〔（α＋2nπ）／ω＜ｔ＜（
α＋（2n＋１）π／ω〕 w_a＝−V_p・sin（ωt−θ）〔（α＋2nπ）／ω＜ｔ＜（
α＋（2n＋１）π／ω〕 V_psin（ωt−θ）〔（α＋（2n−１）π）／ω＜ｔ＜（
α＋2nπ）／ω〕 従つて、w_aの平均値w_apは w_ap＝ω／2π∫⁽〓⁺²ⁿ〓^)/〓₍〓_+(2o-1)〓_)/〓w_a dt＋
∫⁽〓^+(2n+1)〓^)/〓₍〓_+2o〓_)/〓w_a dt ＝ω／2π∫⁽〓⁺²ⁿ〓^)/〓₍〓_+(2o-1)〓_/〓（V_p・si
n（ωt−θ））dt＋∫⁽〓^+(2n+1)〓^)/〓₍〓_+2o〓_)/〓（
−V_p・sin（ωt−θ））dt ＝−2V_p／πcos（α−θ） となる。

このような直流成分は、他の回路１１ｃ，１１
ｄ，１２ｃ，１２ｄ及び１１ｅ，１１ｆ，１２
ｅ，１２ｆにも生じる。それらの直流成分を、そ
れぞれw_bp及びw_cpとすれば次のような形となる。

w_ap＝−2V_p／π・cos（α−θ） w_bp＝−2V_p／π・cos（α＋２／３π−θ） w_cp＝−2V_p／π・cos（α＋４／３π−θ） 第４図のベクトル図からも分かるように、これ
らはv_pのベクトルの各参照ベクトル方向成分であ
る。今考えているａ相での抵抗地絡に対しては、
v_pの足が第４図の円線図８の上のどこかに来るの
で、αを0゜〜90゜の間の適当な角度に選んでおけ
ば、v_pとu_aはほぼ反対向きとなり上記のw_apは負
となる。ここで適当な角度αというのは、接地事
故点の抵抗値R_gが小さい時にはα＝0゜付近、R_g
が大きい時にはα＝90゜付近で感度よく検出でき
るので、予想される事故点に応じてαを予め定め
ることができる。地絡相でないW_b0、W_c0は正ま
たは小さな負の値となり、大きな負の値となる
W_a0と区別することができる。従つて、この直流
成分から地絡相を検出することができる。しか
し、第３図ゲート回路の出力w_a，w_b，w_cは、第
５図ｃに見られるように時間的に振動する成分を
含んでおり、この成分の影響を取り除くために
は、第３図の積分器１３ａ，１３ｂ，１３ｃによ
りw_a，w_b，w_cを時間的に積分すればよい。この
ようにして得られるW_a，W_b，W_cは事故が発生
しない場合にはゼロとなるが、事故が発生すると
振動的な成分を無視すれば大略次のような変化を
する。

W_aw_ap・（ｔ−t_g）＝−2V_p／πcos（α−θ）・（
ｔ −t_g） W_bw_bp・（ｔ−t_g）＝−2V_p／πcos（α＋２／３π
− θ）・（ｔ−t_g） W_cw_cp・（ｔ−t_g）＝−2V_p／πcos（α＋４／３π
− θ）・（ｔ−t_g） ただし、事故が発生した時刻をｔ＝t_gとする。
これらの各積分量W_a，W_b，W_cが、時間的に推
移する様子を第６図に示してある。これによる
と、事故相成分（今の場合はW_a）が、地絡事故
発生直後から、時間と共に負の方向に増加し続け
ているのに対し、事故のない相の成分は正の方向
へ増加したり、あるいはほとんど変化しない。こ
のようなことは、他の相で事故が発生した時にも
一般的に見られる現象である。従つて、ある負の
閾値−W_thをあらかじめ設定して第３図１４ａ，
１４ｂ，１４ｃの比較器に入れておけば、どこか
の相の積分がこの閾値に達した時に地絡相に対応
した信号ａ，ｂ，ｃを発生することができる。こ
の他にも適当な論理回路が考えられるのであろう
が、積分量に対して一定の閾値を用いる方法によ
れば、大きな零相電圧が生じるような地絡事故に
対しては、積分量が急速に変化するので判定まで
の時間が速いが、小さな零相電圧の事故に対して
は、ある程度判定までの時間が長くなる点は共通
している。

上では積分器１３ａ，１３ｂ，１３ｃが完全な
時間積分を行なう場合を考えたが、容量分圧器９
の各相の分圧のわずかな差などが原因で少しでも
直流成分があればこれが蓄積する。これをのがれ
るために、積分器１３ａ，１３ｂ，１３ｃの特性
を純積分に対する伝達関数１／Ｓから適当な時定
数を持つ積分、すなわち１次遅れ要素の伝達関数
１／（１＋ST）に変更することが必要である。
なぜならｔ→∞において（Ｓ→０に対応）、準積
分（１／Ｓ）では出力が無限大となるのに対し、
１／（１＋ST）は有限となるからである。尚、
積分の時定数Ｔは検出すべき地絡事故の現象に比
べて適当に長く取つておけば、上記で説明した機
能はそのまま保たれる。

上記実施例では、零相電圧v_pを正弦波として用
いているが、電圧比較器などを用いることによ
り、これを振巾一定で、v_pと同位相の矩形波電圧
に変換して用いた場合も、上記実施例と同様の機
能を持つ装置を得ることができる。第７図ａは矩
形波に変換されたv_pの時間的変化、ｂは参照電圧
u_aの時間的変化、ｃはゲート回路の出力w_aの時
間変化の様子を示すものである。このようにw_a
の波形には直流成分w_apを含み、他の相の出力
w_b，w_cについても同様である。

それらを求めると、 w_ap＝−２／π（α−θ＋π／２） w_bp＝２／π（α−θ＋π／６） w_cp＝２／π（α−θ−π／６） となり、ａ相での抵抗地絡ではαθとなるの
で、w_apが負、w_bp及びw_cpは正かあるいはw_apよ
り小さい負の値となる。従つて、前記実施例と同
様にして事故相を判別できる。尚、この場合の積
分量W_a，W_b，W_cの時間的推移は第７図ｄに示
してある。また、零相電圧の検出感度を上げて地
絡相の検出を行なおうとした場合、演算回路のダ
イナミツクレンジの制約から、大きな零相電圧の
信号に対しては飽和が起つてしまう場合がある
が、この極端な場合が上の矩形波の零相電圧を用
いるものに対応することを考えると、演算回路に
飽和が起つても零相電圧の位相の情報は残るの
で、問題なく地絡相の検出が可能であることがわ
かる。

上記実施例では系統のわずかな不平衡とか検出
器の不平衡などにより正常時にもわずかに生ずる
零相電圧による誤動作を防ぐため、積分回路に時
定数を持たせている。従つて、不平衡が原因で出
てくるW_a，W_b，W_cのわずかな直流分が積分器
でどんどん積分されることはないが、この直流分
により、積分器出力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相検出に
悪影響を与えることが考えられる。これを除去す
るには、第９図に示すように積分器（時定数Ｔの
１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ゼロにするためのもので、
全体の伝達関数はＳ／（Ｓ＋CR）のようになる。
系全体では積分回路１３ａ，１３ｂ，１３ｃの伝
達関数１／（１＋ST）が（ｔ→∞においてＳ→
０で有限の値となる）、上記のものとカスケード
に入ることになるので、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
の系統のじよう乱の程度を勘案して選ぶようにす
る。また、CRの回路と積分回路の位置を前後入
れ換えても動作は変わらない。

上記実施例では、参照電圧u_a，u_b，u_cを算出す
るのに、３相移相変圧器を利用したが、容量分圧
器を利用して参照電圧を算出することも可能であ
る。第８図は、位相差α＝30゜の場合に、容量分
圧器を利用して参照電圧を算出する一例を示した
たものである。

以上のように、この発明によれば系統の零相電
圧の波形全体からの情報をゲート回路で処理し、
積分器である期間の情報を集積して事故相を判別
するようにしたので、ノイズが存在する場合にも
安定に動作するもの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構造を示す
図、第２図は、地絡事故発生時の各相電圧及び、
零相電圧のベクトル関係を示す図、第３図は、本
発明に基づく地絡相検出装置の構造を示す図、第
４図は、参照電圧と各相電圧及び、零相電圧のベ
クトル関係を示す図、第５図は、零相電圧、参照
電圧及びそれらのゲート出力が時間的に推移する
様子を示す図、第６図は、各相のゲート出力を積
分したものが、時間的に推移する様子を示す図、
第７図は、零相電圧を矩形波電圧とした時の、ａ
は零相電圧、ｂは参照電圧u_a、ｃはゲート出力、
ｄはそれを積分したものが、時間的に推移する様
子を示す図、第８図は、容量分圧器を利用して、
参照電圧を算出する時の一例を示す図、第９図
は、正常時に発生している零相電圧v_pによる影響
を取り除く方法の一例を示す図である。 図において、９は容量分圧器、１０は移相変圧
器、１１ａ〜１１ｆは電圧比較器、１２ａ〜１２
ｆはゲート回路、１３ａ〜１３ｃは積分器、１４
ａ〜１４ｃは比較器、１５は極性反転器である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ３相電力系統において、各相の対地電圧から
   零相電圧を導出すると同時に、各相の相電圧より
   0゜から90゜の間の或る一定の角度遅れたベクトル
   に相当する３個の参照電圧を発生し、適当なゲー
   ト回路を用いることにより、上記参照電圧の瞬時
   値が正の期間は、上記零相電圧の瞬時値をそのま
   ま上記ゲート回路を通過させ、参照電圧の瞬時値
   が負の期間は、零相電圧の極性を反転し上記ゲー
   ト回路を通過させるようにし、このようにして上
   記ゲート通過した電圧を積分器で積分し、得られ
   る３個の積分量を監視し、負の方向に増加するも
   のがあるときはその積分量に対応する相で地絡故
   障が生じたものと判定することを特徴とする地絡
   相検出装置。 ２ 各相の対地電圧から零相電圧を検出する部分
   に振巾が一定で零相電圧と同位相の矩形波電圧を
   発生する回路を用いる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 各相の対地電圧から零相電圧を検出する部分
   が或るレベル以上の入力に対して、検出部分の出
   力が飽和するものである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。 ４ 積分器の前または後に直流成分を除去するコ
   ンデンサを接続したことを特徴とする特許請求の
   範囲１、２または３項記載の地絡相検出装置。