JPS6350932B2 - - 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Rg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Co及び、地絡抵抗Rg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について説明する第
３図において、１ａ，１ｂ，１ｃは、３相平衝電
源、２ａ，２ｂ，２ｃは、その３相平衝電源１に
接続された、３相配電線、３ａ，３ｂ，３ｃは、
その３相配電線２が有する、対地静電容量、４は
３相配電線のどこか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
各相の星形相電圧から一定の位相だけ遅れたベク
トルに相当する参照電圧u_a，u_b，u_cおよびそれら
より90゜位相が進んだ参照電圧u_a′，u_b′，u_c′を発
生する、２組の２次巻線を持つ３相移相変圧器、
１０は零相電圧v_pを検出する容量分圧器、１１
ａ，１１ｂ，１１ｃは零相電圧v_pと参照電圧u_a，
u_b，u_cを掛け合わせる掛算器、１２は零相電圧v_p
の微分v_p′＝１／ω dv₀／atを求めるための微分器、１ ４ａ，１４ｂ，１４ｃはv_p′とu_a′，u_b′u_c′とを掛
け合わせる掛算器であり、１５ａ，１５ｂ，１５
ｃは１１ａ，１１ｂ，１１ｃおよび１４ａ，１４
ｂ，１４ｃの２組の掛算器の出力をそれぞれたし
あわせてから積分する積分器、１６ａ，１６ｂ，
１６ｃは上記積分器の出力を、あらかじめ設定し
ておいた閾値−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・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Rg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v_pが容量分圧器の出力に現われ
る。v_pはRg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、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／Rg 第４図は、上記の電圧e_a，e_b，_c；u_a，u_b，u_c；
u_a′，u_b′，u_c′およびv_pの間の関係をベクトル図
で示したもので、Rg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。この零相電圧v_p
と、参照電圧u_a，u_b，u_cとを第３図の掛算器１１
ａ，１１ｂ，１１ｃへ入れると次のような積
w_a1，w_b1，w_c1が得られる。

w_a1＝v_p・u_a＝−１／２V_pＥ｛cos（θ−α）
−cos（2ωt−θ−α）｝ w_b1＝v_p・u_b＝−１／２V_pＥ｛cosθ−α−２
／３π−cos（2ωt−θ−α−２／３π）｝ w_c1＝v_p・u_c＝−１／２V_pＥ｛cos（θ−α−
４／３π）−cos（2ωt−θ−α−４／３π）｝ これらの式において、右辺第１項の直流成分は
ベクトル図における零相電圧の各参照電圧成分に
比例した量であり、第２項は電源周波数の２倍の
周波数で変化する交流成分である。事故相に関す
る情報は第１項の直流成分に入つており、第２項
の2ωで振動する項は事故相を判定する上で障害
となるので、この項をできれば打消したい訳であ
る。

そこで、零相電圧v_pを第３図の微分器１２に入
れて、v_p′＝１／ω dv_p／dtを求める。この電圧v_p′は
、 v_pより90゜進んだ位相を持つており、次のように
表わすことができる。

v_p′＝−V_p・cos（ωt−θ） ここで、前回と同様にv′_pとu_a′，u_b′，u_c′とを
第３図の掛算器１４に入れると、次のような積
w_a2，w_b2，w_c2が得られる。

w_a2＝v_p′・u_b＝−１／２V_pＥ｛cos（θ−α）＋
cos（2ωt−θ−α）｝ w_b2＝v_p′・u_b′＝−１／２V_pＥ｛cos（θ−α−
２／３π）＋cos（2ωt−θ−α−２／３π）｝ w_c2＝v_p′・u_c′＝−１／２V_pＥ｛cos（θ−α−
４／３π）＋cos（2ωt−θ−α−４／３π）｝ これらの式の右辺第２項の交流分はw_a1，w_b1
w_c1の交流分と符号が反対となつているので、こ
れらを加え合わせることにより2ωtの振動項を消
去することができる。

w_a＝w_a1＋w_a2＝−V_p・Ｅ・cos（θ−α） w_b＝w_b1＋w_b2＝−V_p・Ｅ・cos（θ−α−２／３ π） w_c＝w_c1＋w_c2＝−V_p・Ｅ・cos（θ−α−２／３ π） 実際には第３図の積分器１５ａ，１５ｂ，１５ｃ
により、w_a1とw_a2，w_b1とw_b2，w_c1とw_c2をそれ
ぞれ加え合わせると同時に積分してWa，Wb，
Wcを求めている。これらを式で表現すると、次
のようになる。但し、ｔ＝tgは事故が発生した時
刻である。

Wa＝∫w_adt＝−V_p・Ｅ・cos（θ−α）・（ｔ−tg） Wb＝∫w_bdt＝−V_p・Ｅ・cos（θ−
α−２／３π）・（ｔ−tg） Wc＝∫w_cdt＝−V_p・Ｅ・cos（θ−
α−４／３π）・（ｔ−tg） 前述したように被積分量w_a，w_b，w_cはベクト
ル図における零相電圧の各参照電圧u_a，u_b，u_cの
方向成分に比例した量であり、地絡がなく３相が
平衡していれば３つ共ゼロをとなり、その積分
Wa，Wb，Wcもゼロとなる。しかし、第４図の
ベクトル図からも分るように、ａ相で地絡が起こ
つた場合にはv_pのベクトルの足が円線図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_aの値は負となる。ここで適当な角度α
というのは、接地事故点の抵抗値Rgが小さい時
にはα＝0゜付近、Rg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Wb，Wcは正または小さな負の値となり、大
きな負の値となるWaと区別することができる。

第５図は、地絡発生前後のこれらの積分量
Wa，Wb，Wcが時間と共に推移する様子を示し
ている。このように、積分量Wa，Wb，Wcは事
故相に相当する成分が地絡直後負の方向へ振動す
ることがなく増加していくのに対し、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。従つて、ある負の閾値−Wthをあら
かじめ設定して、第３図１６ａ，１６ｂ，１６ｃ
の比較器に入れておけば、どこかの相の積分値が
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１５ａ，１５ｂ，１５ｃが完全
な時間積分を行なう場合を考えたが、掛算器１４
ａ，１４ｂ，１４ｃの演算精度などが原因で少し
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１５ａ，１５ｂ，１５ｃ
の特性を、適当な時定数を持つ積分、すなわち一
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、参照電圧u_a・u_b，u_cおよび
u_a′，u_b′，u_c′を正弦波として用いるが、これら
を正弦波と同位相で、振巾一定の矩形波にしても
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。このことを波形で示したものを第６図に
示す。図には、ａ相で地絡事故が発生した後の各
部の波形が示してあり、参照電圧u_a，u_a′をａ，
ｂに、零相電圧v_pをｃ、v_p′をｄに、参照電圧と
零相電圧の積v_p・u_a，v_p′・u_a′をｅ，ｆに、v_p・
u_aとv_p′・u_a′をたし合わせたw_aをｇに、それぞれ
示してある。また、第７図には地絡事故前後の
w_aの積分Waの時間変化をｂ，ｃ相の積分量Wb，
Wcの時間変化と比較して示してある。第５図の
波形に比べ多少振動成分を持つ波形であるが、こ
の３つの成分に対して閾値を設ければほぼ同様に
地絡相の判別を行なうことができる。

上の例では参照電圧を矩形波としたが、零相電
圧v_pおよびその微分v_p′の方をそれらの位相情報
だけを持つ一定振巾の矩形波に成形して掛算器に
入力して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。

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v_pまたはv_p′を求める回路に飽和が起つてし
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が、
検出器の不平衡や掛算器１１ａ，１１ｂ，１１
ｃ，１４ａ，１４ｂ，１４ｃの精度などにより、
積分器１５ａ，１５ｂ，１５ｃの出力には直流分
が蓄積されることが考えられる。これを逃がれる
ために積分器１５ａ，１５ｂ，１５ｃ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）、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。従つ
てわずかな直流分が積分量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
Wa，Wb，Wc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８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１５ａ，１５ｂ，１５ｃ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およ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および
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９図および第１０
図は、位相差α＝30゜の場合の例である。第９図
では、容量分圧器５ａ，５ｂ，５ｃの出力を加算
器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ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１８ａ，１８
ｂ，１８ｃによりu_a′，u_b′，u_c′を発生している。
一方第１０図では、加算器１７ａ，１７ｂ，１７
ｃの出力u_a，u_b，u_cを再び加算器１９ａ，１９
ｂ，１９ｃ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掛算器で処理し、積分器で或
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一実施例の構造を示
す図、第４図は、各種の電圧のベクトル関係を示
す図、第５図は、2ωtで振動する振動項を除いた
時、零相電圧の各参照電圧方向成分の積分量が、
時間的に変化する様子を示す図、第６図は参照電
圧を矩形波電圧とした時の参照電電圧、零相電
圧、参照電圧と零相電圧の積および和が時間的に
変化する様子を示す図、第７図は参照電圧と零相
電圧の和が時間的に推移する様子を示す図、第８
図は正常時に発生している零相電圧による影響を
取り除く方法の一例を示す図、第９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回路
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回路図である。 図において、２ａ，２ｂ，２ｃは３相配電線、
９は移相変圧器、１０は容量分圧器、１１ａ，１
１ｂ，１１ｃは掛算器、１２は微分器、１４ａ，
１４ｂ，１４ｃは掛算器、１５ａ，１５ｂ，１５
ｃは積分器、１６ａ，１６ｂ，１６ｃは比較器で
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の参照電圧及びそれらより90゜位相の
   進んだ同じ振巾の第２の参照電圧を発生し、掛算
   器を用いて上記零相電圧の瞬時値と上記第１の参
   照電圧の瞬時値、上記零相電圧の微分の瞬時値と
   上記第２の参照電圧を対応する相についてそれぞ
   れ掛け合わせて、これらの積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、上記３個の
   積分量のうち、負の方向に地絡直後増加するもの
   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 参照電圧として、各相の星形相電圧より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個の正弦波電圧と同じ位相を持つ矩形波電
   圧、及びそれらより90゜位相の進んだ矩形波電圧
   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項または第２項
   記載の地絡検出装置。 ４ 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ようにしたことを特徴
   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。 ５ 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項ないし第４項のいずれかに記載の地絡
   相検出装置。