JPS6350931B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、高抵抗接地系統または非接地系配
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相平衝電
源・２ａ，２ｂ，２ｃは、この３相平衝電源に接
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ＯからO′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O′は円
線図８上を動く。第１図の分圧器５ａ，５ｂ，５
ｃにより検出される電圧v_a，v_b，v_cを加算器６
ａ，６ｂ，６ｃを通すことにより、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C₀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、この発明の一実施例を説明する。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
電圧を検出するための容量分圧器、１０は電源の
星形相電圧から一定の角速度遅れたベクトルに相
当する参照電圧u_a，u_b，u_c及びそれらより90゜進
んだ参照電圧u′_a，u′_b，u′_cを発生する３相移相変
圧器、１１ａ〜１１ｌは各参照電圧u_a，u_b，u_c及
びu′_a，u′_b，u′_cをゼロ値と比較して、参照電圧が
正または負の間のみある信号を出す電圧比較器、
１２ａ〜１２ｌは電圧比較器１１ａ〜１１ｌから
の信号が入つた時のみ入力信号をそのまま通過さ
せるゲート回路であり、１４は零相電圧v₀の微分
v′₀＝１／ω dv₀／dtを求めるための微分器、１５ａ〜 １５ｆはゲート回路１２ａ〜１２ｌからの出力を
加え合わせる加算器、１６ａ〜１６ｃは加算器１
５ａと１５ｄ，１５ｂと１５ｅ，１５ｃと１５ｆ
の出力をそれぞれ加え合わせて積分するための積
分器、１７ａ，１７ｂ，１７ｃは上記積分器１６
ａ，１６ｂ，１６ｃ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。

次にこの発明による第３図の装置の動作原理に
ついて説明する。今考えている系の３相平衡電源
１ａ，１ｂ，１ｃの相電圧は次のように表わすこ
とができる。

e_a＝Ｅ・sin ωt e_b＝Ｅ・sin（ωt−２／３π） e_c＝Ｅ・sin（ωt−４／３π） 移相変圧器１０により、上の相電圧よりも角度
αだけ遅れたベクトルに相当する参照電圧u_a，
u_b，u_cおよびそれぞれ90゜だけそれらより進んだ
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） u′_a＝Ｅ・cos（ωt−α） u′_b＝Ｅ・cos（ωt−α−２／３π） u′_c＝Ｅ・cos（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相のみの非平衡
接地事故点がある場合にも変化がない。しかし、
ａ相で地絡抵抗R_gの事故が発生すると、この３
相回路の中性点の電位が変動し零相電圧が発生す
る。この零相電圧v₀が容量分圧器の出力に現われ
る。v₀はR_gと３相線路の静電容量Co、中性点の
接地抵抗R_Nに関係して、次のように表わされる。

v₀＝−V₀・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；u′_a，u′_b，u′_c及びv₀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v₀
の足は円線図８の上を移動する。

このようなu_a，u_b，u_c及びv₀が第３図の比較器
１１ａ〜１１ｌ及びゲート回路１２ａ〜１２ｌ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
１組の回路はu_aが正の時にはv₀を、u_aが負の時に
は−v₀を出力する機能を持つ。これらの出力の和
を以下w_a1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_a1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
wa₁₀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_a1は次のように表わされる。

w_a1＝−V₀・sin（ωt−θ）〔（α＋2nπ）／ω＜ｔ＜
（α＋2n＋１）π／ω〕 w_a1＝−V₀・sin（ωt−θ）〔（α＋2nπ）／ω＜ｔ＜
（α＋2n＋１）π／ω〕 V₀・sin（ωt−θ〔（α＋（2n−１）π）／ω＜ｔ＜（
α＋2nπ）／ω〕 従つてw_a1の平均値w_a10は w_a10＝ω／2π∫⁽〓⁺²ⁿ〓^)/〓_(x+(2o-1)〓_)/〓w_a1dt＋
∫⁽〓^+(2n+1)〓^)/〓₍〓_+2o〓_)/〓w_a1dt ＝ω／2π∫⁽〓⁺²ⁿ〓^)/〓₍〓_+(2o-1)〓_)/〓〔V₀
・sin（ωt−θ）〕dt＋∫⁽〓^+(2n+1)〓^)/〓₍〓_+2o〓_)/
〓〔−V₀・sin（ωt−θ）〕dt ＝−2V₀／πcos（α−θ） となる。

このように加算器１５ａの出力w_a1には直流成
分w_a10があり、この中に事故相に関する情報が入
つているが、第５図ｃに見られるようにかなり交
流分が大きい。この交流分が事故相を判定する上
で障害となるので、できればこれを打消したい訳
である。そのため零相電圧v₀を第３図の微分器１
４に入れてv′₀＝１／ω dv₀／dt−を求めると、この電 圧はv₀より90゜進んだ位相を持つ第５図ｂの破線
のような信号が得られる。第３図の比較器１１
ｇ，１１ｈ、ゲート回路１２ｇ，１２ｈ及び加算
器１５ｄよりなる回路ではこの信号v′₀とu_aより
90゜進んだ参照ベクトルu′_aについて前と同様の操
作をしてw_a2を得ている。従つて、第５図ｃの破
線に示しているように、w_a2はw_a1よりも90゜位相
が進むだけでw_a1と全く同じ波形の信号となる。
すなわち交流分（2ωの角周波数）は、w_a1とw_a2
とで反対位相となる。従つて、w_a1とw_a2を加え
合わせることにより、直流分は２倍となるが、交
流分の基本波成分は打ち消されることになる。こ
のw_a1とw_a2の和をw_aとして波形に示したものが
第５図ｄで、この直流分をw_a0とすればw_a0は
w_a10の２倍、すなわち w_a0＝−４／πV₀cos（α−θ） となる。

この直流成分は、他の回路１１ｃ，１１ｄ，１
２ｃ，１２ｄ，１１ｉ，１１ｊ，１２ｉ，１２ｊ
及び１１ｅ，１１ｆ，１２ｅ，１２ｆ，１１ｋ，
１１ｌ，１２ｋ，１２ｌからも生じる。それらの
直流成分をそれぞれw_b0及びw_c0とすれば次のよ
うな形となる。

w_a0＝−４／πV₀cos（α−θ） w_b0＝−４／πV₀cos（α＋２／３π−θ） w_c0＝−４／πV₀cos（α＋４／３π−θ） 第４図のベクトル図からもわかるように、これ
らはv₀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、
v₀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、v₀とu_aはほぼ反対向きとなり上記のw_a0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ｄに見られるように時間的に振動する項をまだ
含んでおり、この成分の影響を取り除くために
は、第８図の積分器１６ａ，１６ｂ，１６ｃ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_{a a0}・（ｔ−tg）＝−4V₀／πcos（α−θ）・（ｔ−
tg） W_bw_b0・（ｔ−tg）＝−4V₀／πcos（α＋２／３π−
θ）・（ｔ−tg） W_cw_c0・（ｔ−tg）＝−4V₀／πcos（α＋４／３π−
θ）・（ｔ−tg） 但し、事故が発生した時刻をｔ＝tgとする。こ
のW_a，W_b，W_cが時間的に変化する様子が第６
図に示してある。これによると、事故相成分が地
絡直後から、小さな脈動で時間と共に負の方向へ
増加し続けるのに対し、事故のない相の成分は正
の方向へ増加したり或はほとんど変化しない。上
記のような現象は、ｂ相、ｃ相で地絡事故が発生
した場合にもあてはまる。

従つて、ある負の閾値−Wthをあらかじめ設定
して、第３図１７ａ，１７ｂ，１７ｃの比較器に
入れておけば、どの相か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、大きな零相電圧を生じさ
せ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或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１６ａ，１６ｂ，１６ｃ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
各相の分圧比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。これを逃がれ
るために、積分器１６ａ，１６ｂ，１６ｃの特性を
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）となるようにするこ
とが必要である。なお積分の時定数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v₀及びv′₀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、v₀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，ｃは矩形波に変換されたv₀及びv′₀の時間的
変化、ｂ，ｄは参照電圧u_a及びu′_aの時間的変化、
ｅ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_a0を含
み、他の相の出力w_b，w_cについても同様であり、
それらを求めると、 w_a0＝−４／π（α−θ＋π／２） w_b0＝４／π（α−θ＋π／６） w_c0＝４／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_a0が負、w_b0及びw_c0は正か或はw_a0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。なお、この場合の積分量W_a，
W_b，W_cの時間的推移は第８図に示してある。

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１６
ａ，１６ｂ，１６ｃ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係１／（１＋ST）に変
更することが必要である。こうすると不平衡が原
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。なぜな
らｔ→∞において（Ｓ→０に対応）、純積分
（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。しか
しそれでもこの直流分により、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１６
ａ，１６ｂ，１６ｃ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及びu′_a，
u′_b，u′_cを算出するには、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１０図及び第１１図は、
位相差α＝30゜の場合の例である。第１０図では、
容量分圧器５ａ，５ｂ，５ｃの出力を加算器１８
ａ，１８ｂ，１８ｃに入れて参照電圧u_a，u_b，u_c
を算出すると同時に、微分器１９ａ，１９ｂ，１９
ｃによりu′_a，u′_b，u′_cを発生している。一方第１
１図では、加算器１８ａ，１８ｂ，１８ｃの出力
u_a，u_b，u_cを再び加算器２０ａ，２０ｂ，２０ｃに
入れてu′_a，u′_b，u′_cを得る方法を取つている。

以上のように、この発明によれば系統の零相電
圧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
圧ゲート出力ゲート出力の和の時間変化を示す
図、第６図は、各相のゲート出力を積分したもの
の時間的に推移を示す図、第７図は、零相電圧を
矩形波電圧とした時の、零相電圧、参照電圧およ
びゲート出力の和の時間的推移を示す図、第８図
は、零相電圧を矩形波電圧とした時の各相のゲー
ト出力の和の積分の時間的推移を示す図、第９図
は、正常時に発生している零相電圧v₀による影響
を取り除く方法の一例を示す図、第１０図は、容
量分圧器を利用して参照電圧を算出する一例を示
す図、第１１図は、容量分圧器を利用して参照電
圧を算出する一例を示す図である。 図において、２ａ，２ｂ，２ｃ……３相配電
線、９……容量分圧器、１０……移相変圧器、１
１ａ，１１ｂ〜１１ｌ……電圧比較器、１２ａ，
１２ｂ〜１２ｌ……ゲート回路、１３ａ，１３ｂ
……極性反転器、１４……微分器、１５ａ〜１５
ｆ……加算器、１６ａ，１６ｂ，１６ｃ……積分
器、１７ａ，１７ｂ，１７ｃ……比較器である。
なお、各図中の同一符号は同一または相当部分を
示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ３相電力を供給する系統において、各相の対
   地電圧から零相電圧を検出し、微分演算器により
   零相電圧の微分を発生すると同時に、各相の相電
   圧より0゜から90゜の間の一定の角度遅れたベクト
   ルに相当する３個の第１の参照電圧およびそれら
   より90゜位相の進んだ第２の参照電圧を発生し、
   ゲート回路を用いることにより、上記第１の参照
   電圧に対しては、それらが正のとき、上記零相電
   圧をそのまま通し、それらが負の時には上記零相
   電圧の極性を反転して通すようにし、第２の参照
   電圧に対しては、それらが正の時は上記零相電圧
   の微分をそのまま通し、それらが負の時には上記
   零相電圧の微分の極性を反転して通すようにし、
   上記零相電圧および零相電圧の微分の通過電圧の
   和を積分器で積分して得られる３個の積分量を監
   視し、これら３個の積分量のうち、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した相
   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、零相電圧およびその微
   分を検出する部分に、零相電圧及びその微分と同
   位相の矩形波電圧をそれぞれ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、零相電圧及びその微分
   を検出する部分があ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項または第２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
   範囲第１項、第２項または第３項記載の地絡相検
   出装置。