JP6907167B2 - 高圧絶縁監視装置及び高圧絶縁監視方法 - Google Patents

Description

本発明は、高圧配電線路の絶縁低下を検出する高圧絶縁監視装置及び高圧絶縁監視方法に関する。

高圧受電設備では、配電系統からの受電点に開閉器（区分開閉器）を設置し、その開閉器と地絡継電器とを組み合わせて地絡保護を行うことが一般的になっている。地絡継電器は、零相電圧及び零相電流の整定値を超える地絡事故が起きた場合に、開閉器による遮断動作を行う。また地絡継電器は、開閉器の定格遮断容量を守るための負荷電流値を開閉器内部の変流器（ＣＴ）から得ている。

地絡事故を検出する方法としては、開閉器内の零相電圧検出装置（ＺＰＤ）から取り出した零相電圧や、零相変流器（ＺＣＴ）から取り出した零相電流を利用する方法が用いられている（例えば、特許文献１参照）。なお、地絡事故時の絶縁抵抗値は０〜数十ｋΩとなり、１００ｍＡ程度の零相電流の検出を行うことになる。

一方、地絡事故の原因が設備汚損によって徐々に劣化するものである場合には、事故前に絶縁抵抗が少しだけ低下している時期がある。これを検出する場合、数ＭΩ程度の高抵抗の検出、すなわち数ｍＡの零相電流の検出が必要となる。ところが、零相電流は理想的にはゼロであるところ、負荷電流が大きくなると零相変流器（ＺＣＴ）には数ｍＡ程度の誤差が生じるため、数ｍＡの零相電流を検出することは難しい。そこで出願人は、特許第５９７２０９７号（特許文献２）において、各相の負荷電流の影響による零相電流の誤差を補正する技術を提案した。これにより、高精度な絶縁低下検出を行うことが可能となった。

特開平６−２８４５５９号公報 特許第５９７２０９７号公報

しかしながら特許文献２の技術においては、零相変流器の特性（方程式の補正係数）を求める際に、各相の負荷電流の合成が零となる状態で三相負荷のバランスを変えて、各相の負荷電流と零相電流との関係を求めている。すなわち、特許文献２の技術においては三相分の負荷電流（ＣＴ出力）が必要である。一方で、短絡事故時には三相のうち二相が過電流となることから、過電流検出（短絡事故や地絡事故の検出）は少なくとも二相分の負荷電流で実現できる。このため現在の市場では、二相に合計２個の変流器（ＣＴ）だけを内蔵してコストダウンを図った開閉器が提供されている。

そこで本発明の目的は、二相分の変流器しか備えない開閉器であっても零相電流の誤差を補正し、高精度な絶縁低下検出を行うことが可能な高圧絶縁監視装置及び高圧絶縁監視方法を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明にかかる高圧絶縁監視装置の代表的な構成は、零相電流を検出する零相変流器と、三相のうち少なくとも二相の負荷電流を検出する変流器とを備えた開閉器に接続して高圧配電線路の絶縁低下を検出する高圧絶縁監視装置であって、変流器及び零相変流器の特性を用いて、負荷電流の影響による零相電流の誤差を抑えるように零相電流を補正する補正部を備え、補正部は、零相電流が相電流に対して無視できるほど小さいと仮定して、二相の変流器から得た負荷電流より零相電流の誤差を補正することを特徴とする。

上記構成の装置によれば、三相中の任意の二相の変流器の負荷電流を用いて、零相電流の負荷電流による影響をキャンセルすることができる。したがって、コストダウンのために二相分の変流器しか備えない開閉器であっても零相電流の誤差を補正し、高精度な絶縁低下検出を行うことが可能な高圧絶縁監視装置を提供することができる。

また、本発明にかかる高圧絶縁監視方法の代表的な構成は、零相電流を検出する零相変流器と三相のうち少なくとも二相の負荷電流を検出する変流器とを備えた開閉器に接続し、零相変流器によって高圧配電線路の零相電流を検出し、変流器によって高圧配電線路の少なくとも二相の負荷電流を検出し、変流器及び零相変流器の特性を用いて、負荷電流の影響による零相電流の誤差を抑えるように零相電流を補正してから、補正された零相電流に基づいて高抵抗の絶縁低下を検出する高圧絶縁監視方法であって、零相電流が相電流に対して無視できるほど小さいと仮定して、二相の変流器から得た負荷電流より零相電流の誤差を補正することを特徴とする。

上記構成の方法によれば、三相中の任意の二相の変流器の出力（負荷電流）を用いて、零相電流の負荷電流による影響をキャンセルすることができる。したがって、コストダウンのために二相分の変流器しか備えない開閉器であっても零相電流の誤差を補正し、高精度な絶縁低下検出を行うことが可能な高圧絶縁監視方法を提供することができる。なお、上述した高圧絶縁監視装置における技術的思想に対応する構成要素やその説明は、当該高圧絶縁監視方法にも適用可能である。

本発明に係る高圧絶縁監視装置又は高圧絶縁監視方法によれば、二相分の変流器しか備えない開閉器であっても零相電流の誤差を補正し、高精度な絶縁低下検出を行うことが可能な高圧絶縁監視装置及び高圧絶縁監視方法を提供することができる。

高圧絶縁監視装置の概略構成を示すブロック図である。 試験回路の構成を説明する図である。 誤差除去処理の実験結果を比較する図である。 Ｖ相電流の推定の実験結果を比較する図である。

［第１実施形態］
本発明にかかる高圧絶縁監視装置および高圧絶縁監視方法の第１実施形態について説明する。図１は高圧絶縁監視装置の概略構成を示すブロック図である。高圧絶縁監視装置１０は、変電所から需要先に電気を供給する配電系統の高圧配電線路Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相上に設けられた開閉器２０（区分開閉器）と、地絡事故の発生に応じて開閉器２０による遮断動作を行う地絡継電器３０と、地絡事故発生などを報知する表示部５０とを備えている。

開閉器２０は、高圧配電線路の零相電圧を検出する零相電圧検出装置２２（ＺＰＤ）と、高圧配電線路の零相電流を検出する零相変流器２４（ＺＣＴ）と、高圧配電線路の各相の負荷電流を検出する変流器２６（ＣＴ）とを有している。

以下の説明において、零相変流器２４が検出した零相電流Ｉ_ＺＣＴをＺＣＴ出力という。また、変流器２６が検出した負荷電流をＣＴ出力という。

本実施形態において変流器２６は、三相の線路Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相のうち二相の線路Ｕ相，Ｗ相のみに２つの変流器２６Ｕ，２６Ｗが取り付けられている。この開閉器２０は、高圧受電設備における配電系統からの受電点に設けられている。なお、零相電圧検出装置２２としては、例えば、各相の対地電圧を合成して零相電圧を検出するコンデンサ形零相電圧検出装置を用いることが可能である。

地絡継電器３０は、零相電圧検出装置２２により検出された零相電圧及び零相変流器２４により検出された零相電流が、配電系統との保護協調の観点から設定されている零相電圧及び零相電流の整定値を超えるか否かを判断する。それらの零相電圧及び零相電流が整定値を超えたと判断した場合には、地絡事故が発生したと判定する。そして地絡継電器３０は、零相電圧−零相電流の位相を判定して、電源側の地絡か、負荷側の地絡かを判定し、負荷側の地絡である場合に開閉器２０による遮断動作を行う。これにより、高圧配電線路が開閉器２０により遮断されることになる。

地絡継電器３０は補正部３６を有している。補正部３６は、後述するように、変流器２６及び零相変流器２４の特性を用いて、負荷電流の影響によるＺＣＴ出力の誤差を抑えるようにＺＣＴ出力を補正する。特に本実施形態において、補正部３６は、二相の変流器２６Ｕ，２６Ｗから得た負荷電流Ｉ_Ｕ，Ｉ_Ｗにより残りの一相の負荷電流Ｉ_Ｖを推定して、推定により得られた三相分の負荷電流が零相電流に与える誤差を求める。

表示部５０は、地絡事故が発生したことを報知する表示や、地絡事故発生前の数ＭΩの絶縁低下が発生したことを報知する表示を行う。この表示部５０としては、例えば、磁気反転表示器などを用いることが可能であり、他にも、ＬＥＤランプなどの表示灯やＬＥＤディスプレイなどを用いることが可能である。なお、表示灯やＬＥＤディスプレイなどを用いる場合には、例えば、太陽電池や充電池などの電源を設け、その電源から表示部５０に電力を供給する。

次に、前述の補正部３６による補正処理について説明する。最初に、三相分のＣＴ出力を用いた誤差除去について説明し、次に二相分のＣＴ出力を用いた誤差除去について説明する。

零相変流器２４のＺＣＴ出力は実際に系統を流れる零相電流成分およびＺＣＴ個体差による誤差成分から次式（１）で表される。

三相平衡状態の場合、本来はＩ_ＺＣＴ＝０となる。したがって、三相平衡状態であるのに零相電流が発生した場合には（Ｉ_ＺＣＴ≠０）、その原因は負荷電流の影響となる。

発明者らのこれまでの検討結果より、ＺＣＴ個体差による誤差成分を各相ＣＴ出力から式（２）のように定義する。但し、個体差特性値は各相負荷電流がＺＣＴ出力に及ぼす影響を相ごとの変流器の特性のばらつきを加味して表した係数であり、個々の開閉器ごとに固有の定数である。

式（１）（２）より、開閉器２０の三相に変流器２６が内蔵されている場合、系統を流れる零相電流成分Ｉ_０はＣＴ出力とＺＣＴ出力から式（３）のように求められる。

次に、二相分のＣＴ出力を用いた誤差除去について説明する。開閉器２０の二相にのみ変流器２６が内蔵されている場合、式（３）から零相電流を求める事はできない。そこで、開閉器に内蔵された二相分のＣＴ出力を用いて、ＺＣＴ出力から負荷電流の影響をキャンセルする為の補正係数を導出する。

各相の変流器２６が理想的な特性を持ち、ＣＴ出力の高圧換算値が対応する相電流と完全に一致する場合、系統を流れる零相電流と各相の負荷電流には式（４）の関係が成り立つ。

ここで、絶縁低下検出の対象となる１［ＭΩ］以上の絶縁低下を要因として発生する零相電流は数［ｍＡ］程度であり、一般的な高圧需要家での各相電流数［Ａ］に対して無視できるほど小さい。従って、零相電流を０［ｍＡ］と置くことにより、式（４）から不明な相電流の推定値が求められる。例えば、ＵＷ二相にのみ変流器２６が内蔵された開閉器２０のＶ相電流は式（５）のように近似される。

式（３）（５）より、開閉器２０のＵＷ二相にのみ変流器２６が内蔵されている場合、系統を流れる零相電流は二相分のＣＴ出力とＺＣＴ出力から式（６）のように求められる。式（６）は、式（３）と式（５）からＩ_Ｕを消去したものである。

この式（６）を用いれば、二相分のＣＴ出力Ｉ_Ｕ，Ｉ_ＷとＺＣＴ出力Ｉ_ＺＣＴから系統を流れる零相電流Ｉ_ｏを求めることができる。

図２は試験回路の構成を説明する図である。開閉器２０には、三相平衡電圧源６０と三相負荷抵抗６２を接続する。ＵＷ二相に変流器２６Ｕ，２６Ｗを備え、Ｖ相に変流器を持たないものとする。図２の試験構成では対地電流経路が無いため、零相電流Ｉ_ｏは開閉器を流れず、電源や負荷抵抗の条件によらず零相電流Ｉ_ｏは発生しない。従って、ＺＣＴ出力Ｉ_ＺＣＴには負荷電流の影響による出力のみが現れる。

まず、開閉器２０に内蔵された変流器２６Ｕ，２６Ｗの誤差を補正する。変流器２６Ｕ，２６Ｗに規定の電流が流れるよう三相平衡電圧源６０から三相交流電圧を出力し、変流器２６Ｕ，２６Ｗの出力の高圧換算値が実際に変流器２６Ｕ，２６Ｗを流れる電流と一致するように、高圧換算のゲインとオフセット値を設定する。変流器２６Ｕ，２６Ｗの出力の高圧換算値Ｉｕ，Ｉｗは以下式で表される。

式（６）においてα’_Ｕ＝α_Ｕ−α_Ｖ、α’_Ｗ＝α_Ｗ−α_Ｖと置き換える。零相電流Ｉ_ｏは無視できるほど小さいと仮定することができるから、Ｉ’_０＝０とする。すると式（６）は次の式（８）のように表現できる。

各相負荷抵抗の比が異なる２つのパターンにおいて、三相平衡電圧源６０から三相交流電圧を出力し、その際に得られたＣＴ出力及びＺＣＴ出力の高圧換算値を取得する。

取得した高圧換算値を用いて式（８）より導出した式（９）の四元連立方程式を解き、補正係数を求める。

上記のようにして求めた補正係数α’_Ｕ，α’_Ｗを式（６）に代入すれば、ＺＣＴ出力であるＩ_ＺＣＴを補正して、負荷電流の影響をキャンセルすることができる。すなわち、式（６）の左辺である「二相分のＣＴ出力から算出した零相電流Ｉ’_０」を、系統を流れる零相電流成分Ｉ_０とみなすことができる。

次に、本発明の方法の誤差量について検討する。二相分のＣＴ出力を用いた誤差除去の精度は、零相電流を求める際に使用する相電流の一相分が推定値であることから、三相分のＣＴ出力を用いる場合と比較して低下すると考えられる。式（３）（５）より、系統を流れる零相電流成分は式（１０）のように表すこともできる。

式（１０）より、三相分のＣＴ出力を用いて零相電流を求めた場合に対する、ＵＷ二相分のＣＴ出力を用いて零相電流を求めた場合の誤差量は式（１１）で表される。

式（１１）より、三相分のＣＴ出力を用いた場合に対する二相分のＣＴ出力を用いた処理結果の誤差量は、ＣＴが内蔵されていない相の個体差特性値（定数）と各相ＣＴ出力の合成値の積となる。

図３は誤差除去処理の実験結果を比較する図である。図３（ａ）は三相分のＣＴ出力を用いた誤差除去処理結果、図３（ｂ）は二相分のＣＴ出力を用いた誤差除去処理結果であり、図３（ｃ）は三相と二相の誤差除去処理結果の差である。図３（ａ）〜（ｃ）を参照すると、二相分のＣＴ出力を用いた誤差除去処理結果は、三相分のＣＴ出力を用いた場合とほぼ等しいことがわかる。

図４はＶ相電流の推定の実験結果を比較する図である。図４（ａ）はＶ相電流の実測値、図４（ｂ）はＶ相電流の推定値、図４（ｃ）はＶ相電流の実測値と推定値の差（ベクトル差分）である。Ｖ相電流が６．８〜９．０［Ａ］程度であるところ、差は０．０１〜０．０８［Ａ］であり、１／１００以下のレベルである。このことから、本発明における推定は精度が高いことがわかる。

上記のようにして補正部３６は、負荷電流の影響を受けたＺＣＴ出力を高精度な絶縁低下検出が可能となるレベルまで補正することができる。特に本発明においては、補正部３６が、三相中の任意の二相の変流器のＣＴ出力を用いて、ＺＣＴ出力の負荷電流による影響をキャンセルすることができる。したがって、コストダウンのために二相分の変流器しか備えない開閉器であってもＺＣＴ出力の誤差を補正し、高精度な絶縁低下検出を行うことが可能な高圧絶縁監視装置及び高圧絶縁監視方法を提供することができる。

最後に、前述の実施形態は例示であり、発明の範囲はそれらに限定されない。上記実施形態においてはＶ相の変流器を備えないと説明したが、変流器が不足する相はＵ相やＷ相であってもよい。また前述の実施形態は種々変更可能であり、例えば、前述の実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素が削除されても良く、さらに、異なる実施形態に係る構成要素が適宜組み合わされても良い。

本発明は、高圧配電線路の絶縁低下を検出する高圧絶縁監視装置及び高圧絶縁監視方法として利用することができる。

１０…高圧絶縁監視装置、２０…開閉器、２２…零相電圧検出装置、２４…零相変流器、２６…変流器、３０…地絡継電器、３６…補正部、５０…表示部、６０…三相平衡電圧源、６２…三相負荷抵抗

Claims (2)

1. 零相電流を検出する零相変流器と、三相のうち少なくとも二相の負荷電流を検出する変流器とを備えた開閉器に接続して高圧配電線路の絶縁低下を検出する高圧絶縁監視装置であって、
   前記変流器及び前記零相変流器の特性を用いて、前記負荷電流の影響による前記零相電流の誤差を抑えるように前記零相電流を補正する補正部を備え、
   前記補正部は、
   零相電流が相電流に対して無視できるほど小さいと仮定して、二相の変流器から得た負荷電流より三相目の相電流を推定し、推定により得られた三相分の負荷電流を用いて零相電流の誤差を補正することを特徴とする高圧絶縁監視装置。
2. 零相電流を検出する零相変流器と三相のうち少なくとも二相の負荷電流を検出する変流器とを備えた開閉器に接続し、
   前記零相変流器によって高圧配電線路の零相電流を検出し、
   前記変流器によって高圧配電線路の少なくとも二相の負荷電流を検出し、
   前記変流器及び前記零相変流器の特性を用いて、負荷電流の影響による零相電流の誤差を抑えるように零相電流を補正してから、補正された零相電流に基づいて高抵抗の絶縁低下を検出する高圧絶縁監視方法であって、
   零相電流が相電流に対して無視できるほど小さいと仮定して、二相の変流器から得た負荷電流より三相目の相電流を推定し、推定により得られた三相分の負荷電流を用いて零相電流の誤差を補正することを特徴とする高圧絶縁監視方法。
   

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