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JP2018021812A - 漏れ電流測定方法および漏れ電流測定装置 - Google Patents

漏れ電流測定方法および漏れ電流測定装置 Download PDF

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JP2018021812A JP2016152610A JP2016152610A JP2018021812A JP 2018021812 A JP2018021812 A JP 2018021812A JP 2016152610 A JP2016152610 A JP 2016152610A JP 2016152610 A JP2016152610 A JP 2016152610A JP 2018021812 A JP2018021812 A JP 2018021812A
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直樹 弓山
Naoki Yumiyama
直樹 弓山
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Kyoritsu Electrical Instruments Works Ltd
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Kyoritsu Electrical Instruments Works Ltd
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Abstract

【課題】ノイズ等の影響を受けること無く、被測定配電線に流れる漏れ電流を正確かつ容易に検出し得る漏れ電流測定装置を提供する。【解決手段】漏れ電流測定装置1の処理手段13は、電圧検出手段11から供給される相電圧Uより解析ウインドウ幅を求めて相電圧波形データDuに変換し、電流検出手段12から供給される電圧信号Uiを電流波形データDiに変換し、それぞれフーリエ変換して、相電圧波形データDuの基本波実数部U1rと虚数部U1i、電流波形データDiの基本波実数部Io1rと虚数部Io1iをそれぞれ求め、下式(1)の演算を行う。【数1】【選択図】図1

Description

本発明は、ホット側L相と接地側N相から成る単相2線式の配電線を被測定配電線とし、この被測定配電線における絶縁抵抗の漏れ電流Iorを測定する漏れ電流測定方法およびこの方法を適用した漏れ電流測定装置に関する。
配電系統では、漏電火災防止のために絶縁状態を定期的に測定している。配電系統の絶縁状態を検査するとき、従来は、停電させてケーブルや設備の絶縁抵抗測定を行う方法が一般的に広く用いられていた。
しかし、停電が許されない配電設備や連続運転を必要とする工場等においては、このような方法で絶縁状態を検査することはできない。このため、活線状態でも配電線の漏れ電流を測定できるリークテスタ等が用いられる場合がある。しかし、リークテスタ等により漏れ電流を測定する場合、その測定原理に起因して、測定された漏れ電流(合成漏れ電流Io)には、配電系統の電圧印加部分と接地部分との間に通常存在する対地静電容量を流れる電流の影響分によるもの(無効漏れ電流Ioc)が多く含まれることとなり、本来求めたい絶縁抵抗の漏れ電流(有効漏れ電流Ior)のみを正確に測定できるものではなかった。
更に、近時の配電系統には、整流回路を伴うLED照明や産業用モータの可変速装置等の負荷装置が接続されている場合もあり、これらLED照明による高調波や産業用モータの可変速装置から発生するインバータノイズ等は、合成漏れ電流Ioに常に重畳されてしまうため、これも誤差要因になってしまう。
そこで、フィルタ回路(ローパスフィルタ)を用いて合成漏れ電流Ioに重畳されてしまう高調波やインバータノイズ等を除去する漏れ電流測定装置が提案されている(例えば、特許文献1および特許文献2を参照)。
また、フーリエ変換処理を用いて基本波成分と高調波成分、または二種類の高調波成分の組み合わせ演算により、合成漏れ電流Ioから絶縁抵抗の漏れ電流Iorをベクトル合成によって直接演算する漏れ電流測定方法により正確な漏れ電流を求めて、漏れ電流を監視する漏れ電流監視装置が提案されている(例えば、特許文献3を参照)。
或いは、フーリエ変換処理を用いて電圧基本波成分と漏れ電流基本波成分との相対位相と、漏れ電流基本波成分との組み合わせ演算により、合成漏れ電流Ioから絶縁抵抗の漏れ電流Iorをベクトル合成によって演算する漏れ電流検出方法が提案されている(例えば、特許文献4を参照)。
特開2001−215247号公報 特許第3996119号公報 特許第4167872号公報 特開2010−190645号公報
しかしながら、特許文献1および特許文献2に記載された漏れ電流測定装置においては、遮断周波数帯域外の周波数成分を減衰させる構成であるため、合成漏れ電流Ioに重畳されている高調波やノイズ成分が電源周波数帯域(基本波周波数帯域)に近い周波数であった場合、完全には取り除けないので、必ずしも正確な絶縁抵抗の漏れ電流Iorを測定できるとは言えない。
また、特許文献3や特許文献4に記載された漏れ電流測定装置では、絶縁抵抗の漏れ電流Iorをベクトル合成により算出するために、概して複雑な演算処理が必要であり、演算負荷が大きい。
そこで、本発明は、LED用照明による高調波や産業用モータの可変速装置から発生するインバータノイズ等の影響を受けること無く、被測定配電線に流れる絶縁抵抗の漏れ電流Iorを正確かつ容易に求められる漏れ電流測定方法および漏れ電流測定装置の提供を目的とする。
上記の課題を解決するために、請求項1に係る発明は、ホット側L相と接地側N相から成る単相2線式の配電線を被測定配電線とし、この被測定配電線における絶縁抵抗の漏れ電流Iorを測定する漏れ電流測定方法であって、前記被測定配電線のN相とL相間の相電圧Uを検出する電圧検出工程と、前記被測定配電線に流れる合成漏れ電流Ioを検出する電流検出工程と、前記相電圧Uから解析ウインドウ幅を求めると共に、フーリエ変換を用いて、前記相電圧Uの基本波実数部U1rと虚数部U1i、並びに前記合成漏れ電流Ioの基本波実数部Io1rと虚数部Io1iとを求める第1演算工程と、下式(1)に基づいて、前記絶縁抵抗の漏れ電流Iorを求める第2演算工程と、を行うことを特徴とする。
Figure 2018021812
また、請求項2に係る発明は、ホット側L相と接地側N相から成る単相2線式の配電線を被測定配電線とし、この被測定配電線における絶縁抵抗の漏れ電流Iorを測定する漏れ電流測定装置であって、前記被測定配電線のN相とL相間の相電圧Uを検出する電圧検出手段と、前記被測定配電線に流れる合成漏れ電流Ioを検出する電流検出手段と、前記相電圧Uから解析ウインドウ幅を求めると共に、フーリエ変換を用いて、前記相電圧Uの基本波実数部U1rと虚数部U1i、並びに前記合成漏れ電流Ioの基本波実数部Io1rと虚数部Io1iとを求める第1演算処理と、下式(1)に基づいて前記絶縁抵抗の漏れ電流Iorを求める第2演算処理を行う処理手段と、を備えることを特徴とする。
Figure 2018021812
また、請求項3に係る発明は、前記請求項2に記載の漏れ電流測定装置において、前記処理手段は、前記測定した漏れ電流Iorと予め規定された絶縁状態判別規格値とを比較して、前記被測定配電線についての絶縁状態を判別する判別処理を行うことを特徴とする。
請求項1に係る漏れ電流測定方法および請求項2に係る漏れ電流測定装置によれば、電源周波数帯域(基本波周波数帯域)に近いノイズであるLED用照明による高調波や、産業用モータの可変速装置から発生するインバータノイズ等が常に合成漏れ電流Ioへ重畳された状態であっても、被測定配電線のN相とL相間の相電圧Uからフーリエ変換の解析ウインドウ幅を求めて、フーリエ変換により求めた相電圧Uの基本波実数部U1rと虚数部U1i、並びに前記合成漏れ電流Ioの基本波実数部Io1rと虚数部Io1iとから、比較的単純な式(1)の演算によって絶縁抵抗の漏れ電流Iorを求められる。従って、対地絶縁抵抗を通じて流れる漏れ電流Iorを、正確かつ容易に求めることができる。
また、請求項3に係る漏れ電流測定装置は、漏れ電流測定を行った被測定配電線についての絶縁状態を判別する機能を備えているので、装置使用者の利便性を一層高めることができる。
本発明に係る漏れ電流測定方法を適用した漏れ電流測定装置を被測定配電線に接続した状態の概略構成図である。 絶縁抵抗の漏れ電流Iorについての測定原理を説明するためのベクトル図である。
以下、本発明の実施形態を、添付図面に基づいて詳細に説明する。図1は、漏れ電流測定装置1を交流電源2の配電線に接続した概略構成を示す。
漏れ電流測定装置1は、少なくとも、電圧検出手段11、電流検出手段12、処理手段13、記憶手段14および表示手段15を備え、例えば、交流電源2のN端子に接続した配電線Lnと、交流電源2の端子Lに接続した配電線Luを被測定配電線とし、この被測定配電線についての絶縁抵抗の漏れ電流Iorを測定するものである。なお、交流電源2は、変圧器の低圧側単相巻線21の一方が接地されたN相であり、N端子に接続されており、低圧側単相巻線21の他方がホット側のL相であり、L端子に接続されている。
ここでの交流電源2は、一例として、商用周波数の単相交流電圧(N相とL相間の相電圧U)を発生させると共に、発生させた相電圧Uを端子Lから出力する。かくして、交流電源2は、配電線Luが接続された端子Lに相電圧Uを出力して、配電線Luに接続された負荷3に対して相電流Iを供給できる。また、交流電源2の配電線Luと接地との間には、図1中に示すように、対地静電容量Cおよび対地漏れ抵抗Rが存在している。
上記電圧検出手段11は、一対の電圧検出プローブ16a,16bを介して配電線Ln,Luに接続され、一対の電圧検出プローブ16a,16bを介して相電圧Uを検出し、処理手段13に出力する。
電流検出手段12は、配電線Ln,Luに予め決められた向きで装着された電流トランス型の電流検出プローブ4を介して、配電線Ln,Luに流れる相電流I、対地静電容量Cを経由して接地に流れる漏れ電流(以下、「無効漏れ電流」ともいう)Ioc、対地漏れ抵抗Rを経由して接地に流れる漏れ電流(以下、「有効漏れ電流」ともいう)Iorの合成漏れ電流Ioを検出すると共に、これを電圧信号Uiに変換して処理手段13に出力する。なお、負荷3に流れる相電流Iは、図1中に2種類の点線で示すように、配電線Ln,Luのそれぞれにおいて逆向きに流れる(電流検出プローブ4内をそれぞれ逆方向に流れる)ことになるため、電流検出プローブ4での電流検出に際しては、各配電線Ln,Luを流れる相電流Iがそれぞれ打ち消され、上記の無効漏れ電流Iocと有効漏れ電流Iorとが合成された合成漏れ電流Ioのみが電流検出プローブ4にて検出されるのである。
処理手段13は、例えば、1つのコンパレータと2つのアンチエイリアシングフィルタおよびA/D変換器、演算用にFPGAおよびCPU等で構成することができる。すなわち、処理手段13は、電圧検出手段11から供給される相電圧Uが仮に50Hzの周波数であれば10周期分、60Hzであれば12周期分の解析ウインドウ幅をコンパレータにて求めると同時に、一方のA/D変換器で相電圧波形データDuに変換し、電流検出手段12から供給される電圧信号Uiを他方のA/D変換器で電流波形データDiに変換するA/D変換処理を行う。
また、処理手段13は、相電圧波形データDuおよび電流波形データDiに基づいて、それぞれフーリエ変換をおこない、相電圧波形データDuの基本波実数部U1rと虚数部U1i、電流波形データDiの基本波実数部Io1rと虚数部Io1iとを求める第1演算処理を実行する。さらに、処理手段13は、下式(1)に基づいて、配電線Luについての絶縁抵抗の漏れ電流Iorを算出(測定)する第2演算処理を実行する。
Figure 2018021812
次に、図2を参照して、上式(1)の算出根拠について説明する。なお、式(1)算出根拠の理解を容易にするため、相電圧Uを、図2中に破線で示し、以下の説明において、各ベクトルの角度は、相電圧Uを基準(0°)とし、紙面に対して反時計回りに回転したときの角度で表記するものとする。
配電線Luについての無効漏れ電流Iocは、有効漏れ電流Ior(相電圧Uと同位相(0°))に対して位相が90°進んでいる。漏れ電流Ioc,Iorの合成漏れ電流Ioは、ベクトル和でIo=Ioc+Iorと表される。有効漏れ電流Iorは、上述したように、相電圧Uと同じ角度(0°)上に存在するため、合成漏れ電流Ioは、図2に示すように、相電圧Uを基準とした0°から90°までの範囲内に存在することになる。
合成漏れ電流Ioにノイズ等が重畳しておらず理想的な正弦波であった場合、図2からも分かるように有効漏れ電流Iorは、合成漏れ電流Ioの余弦として求められるので、「Ior=Io×cosθ …(2)」となる。
ここで交流回路の有効電力をPとし、相電圧をU、負荷電流を合成漏れ電流Io、電圧と負荷電流との位相角(力率角)をcosθとすると、有効電力Pは「P=U×Io×cosθ …(3)」となる。そして、式(3)の有効電力Pを相電圧Uで除すると「P÷U=Io×cosθ」となり、これに上式(2)を適用すると「Ior=P÷U …(4)」となるので、有効電力Pと相電圧Uから有効漏れ電流Iorのみを求めることができる。
次に、基本波の有効電力P1を相電圧波形データDuの基本波実数部U1rと虚数部U1i、電流波形データDiの基本波実数部Io1rと虚数部Io1iとを用いて一般的な交流回路の有効電力を複素数から求める式に当て嵌めて表すと「P1=|U1r×Io1r+U1i×Io1i| …(5)」となり、基本波の相電圧U1は下式(6)となる。
Figure 2018021812
即ち、上式(4)に対して、式(5)および式(6)を当てはめると、上式(1)が得られるのである。
なお、上式(1)はフーリエ変換後の基本波のみを演算対象としているため、電源周波数帯域(基本波周波数帯域)に近いノイズであるLED用照明による高調波や、産業用モータの可変速装置から発生するインバータノイズ等が常に合成漏れ電流Ioへ重畳した状態であっても測定に影響することが無く、別途高調波を除去するフィルタ回路を設ける必要もない。
斯くして、処理手段13は、式(1)の演算を行う事により、対地絶縁抵抗を通じて流れる漏れ電流Iorを正確に検出することができるのである。
記憶手段14は、ROMやRAM等の半導体メモリで構成することができ、上述した処理手段13のための動作プログラム、有効漏れ電流Ior算出用の式(1)、有効漏れ電流Iorについての絶縁状態判別規格値Iref(例えば、1mA)等を予め記憶させておく。また、記憶手段14は、処理手段13によって一時的な記憶領域として使用されるもので、処理手段13が演算した相電圧波形データDu、相電圧Uの基本波実数部U1rと虚数部U1i、電流波形データDi、合成漏れ電流Ioの基本波実数部Io1rと虚数部Io1i等を記憶させておき、必要に応じて読み出すのである。
表示手段15は、ディスプレイ装置(例えばLCD)などの表示装置で構成しても良いし、アナログメータやセグメント式デジタル表示器等で構成しても良い。この表示手段15によって、処理手段13によって得られた漏れ電流の測定値や絶縁状態の判別結果を可視表示する。なお、音声合成によって測定値や判別結果を音声出力する機能を別途設けるようにしても良いし、表示手段15に代えて警報装置を設け、音や発光等を用いて絶縁異常の警報を発するようにしても良い。
続いて、上述した構成の漏れ電流測定装置1の動作を説明する。なお、漏れ電流測定装置1による計測を行うため、予め、一対の電圧検出プローブ16a,16bが配電線Ln,Luに接続され、かつ電流検出プローブ4が配電線Ln,Luに予め決められた向きで装着されているものとする。
漏れ電流測定装置1の作動状態において、電圧検出手段11は、一対の電圧検出プローブ16a,16bを介して相電圧Uを検出し、処理手段13に出力する。また、電流検出手段12は、電流トランス型の電流検出プローブ4を介して、配電線Ln,Luに流れる合成漏れ電流Ioを検出すると共に、電圧信号Uiに変換して処理手段13に出力する。
処理手段13は、まず、相電圧Uおよび電圧信号Uiの入力を受けつつ、相電圧Uが仮に商用周波数50Hzの周波数であれば10周期分、商用周波数60Hzであれば12周期分の解析ウインドウ幅をコンパレータにて求めると同時に、A/D変換処理を実行して、相電圧Uを相電圧波形データDuに変換し、記憶手段14に記憶させると共に、電圧信号Uiを電流波形データDiに変換し、記憶手段14に記憶させる。
次いで、処理手段13は、第1演算処理を実行する。第1演算処理とは、相電圧波形データDuおよび電流波形データDiに基づいて、それぞれフーリエ変換をおこない、相電圧波形データDuの基本波実数部U1rと虚数部U1i、電流波形データDiの基本波実数部Io1rと虚数部Io1iとを算出する処理である。この第1演算処理によって算出した、U1r,U1i,Io1r,Io1iも記憶手段14に記憶させる。
最後に、処理手段13は、第2演算処理を実行する。この第2演算処理とは、上式(1)に基づく漏れ電流を算出する処理である。第2演算処理を実行するにあたり、処理手段13は、先ず、相電圧波形データDuの基本波実数部U1rと虚数部U1i、電流波形データDiの基本波実数部Io1rと虚数部Io1iおよび式(1)を記憶手段14から読み出す。続いて、処理手段13は、相電圧波形データDuの基本波実数部U1rと虚数部U1i、電流波形データDiの基本波実数部Io1rと虚数部Io1iを式(1)に代入して、配電線Lr,Ltについての有効漏れ電流Iorを算出(測定)するのである。
なお、本実施形態に示す処理手段13は、求めた漏れ電流の値から絶縁状態を判別する判別処理を行うものとした。この判別処理に際して、処理手段13は、記憶手段14から有効漏れ電流Iorについての絶縁状態判別規格値Irefを読み出すと共に、算出した有効漏れ電流Iorをこの絶縁状態判別規格値Irefと比較し、有効漏れ電流Iorが規格値Iref以上のときには、算出した有効漏れ電流Iorと共に、絶縁状態判別規格値Iref以上の有効漏れ電流Iorが発生している旨(絶縁状態が不良である旨)の判別結果を表示手段15に表示させる。一方、有効漏れ電流Iorが絶縁状態判別規格値Iref未満のときには、算出した有効漏れ電流Iorと共に、有効漏れ電流が規格値未満である旨(絶縁状態が良好である旨)の判別結果を表示手段15に表示させる。
このように、本実施形態に係る漏れ電流測定装置1によれば、相電圧波形データDuの基本波実数部U1rと虚数部U1i、電流波形データDiの基本波実数部Io1rと虚数部Io1iおよび式(1)に基づいて、単相2線式の交流電源2の端子Lに接続される配電線Luについての絶縁抵抗の漏れ電流(有効漏れ電流)Iorを精度良く測定することができる。
また、本実施形態の漏れ電流測定装置1によれば、測定した有効漏れ電流Iorと予め規定された絶縁状態判別規格値Irefとを処理手段13によって比較し、その比較結果である絶縁状態の判定結果を表示手段15に表示させることで、漏れ電流測定装置1の使用者に、配電線Luの絶縁状態の良否を確実かつ容易に報らせることができる。
さらに、配電線Luに遮断機が別途設けられており、遮断機を外部からの制御信号により遮断動作を実行させられる場合、遮断器の制御信号ラインと漏れ電流測定装置1とを接続して絶縁抵抗の検査を行い、処理手段13によって絶縁状態の判定結果が出ると、制御信号ラインを介して遮断機へ動作指令を出力することで、速やかに遮断機を動作させる遮断機制御機能を処理手段13に持たせておけば、漏電に起因する事故を確実に防止することができる。
なお、本実施形態の漏れ電流測定装置1では、処理手段13が、測定した有効漏れ電流Iorを絶縁状態判別規格値Irefと比較して、絶縁状態まで判別して報知する構成としたが、この機能は付加的なものである。したがって、測定した有効漏れ電流Iorを表示手段15に表示するだけの漏れ電流測定装置としても構わない。このように、絶縁状態の判別機能を持たない漏れ電流測定装置であっても、測定された有効漏れ電流Iorが表示手段15に表示されるので、配電線についての有効漏れ電流Iorを漏れ電流測定装置の使用者に報らせることができ、使用者自らが絶縁状態判別規格値Irefと比較すれば、配電線についての絶縁状態を判別できるのである。
以上、本発明に係る漏れ電流測定方法を適用した漏れ電流測定装置の実施形態を添付図面に基づいて説明したが、本発明は、この実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の構成を変更しない範囲で、公知既存の等価な技術手段を転用することにより実施しても構わない。
1 漏れ電流測定装置
11 電圧検出手段
12 電流検出手段
13 処理手段
14 記憶手段
15 表示手段

Claims (3)

  1. ホット側L相と接地側N相から成る単相2線式の配電線を被測定配電線とし、この被測定配電線における絶縁抵抗の漏れ電流Iorを測定する漏れ電流測定方法であって、
    前記被測定配電線のN相とL相間の相電圧Uを検出する電圧検出工程と、
    前記被測定配電線に流れる合成漏れ電流Ioを検出する電流検出工程と、
    前記相電圧Uから解析ウインドウ幅を求めると共に、フーリエ変換を用いて、前記相電圧Uの基本波実数部U1rと虚数部U1i、並びに前記合成漏れ電流Ioの基本波実数部Io1rと虚数部Io1iとを求める第1演算工程と、
    下式(1)に基づいて、前記絶縁抵抗の漏れ電流Iorを求める第2演算工程と、
    を行うことを特徴とする漏れ電流測定方法。
    Figure 2018021812
  2. ホット側L相と接地側N相から成る単相2線式の配電線を被測定配電線とし、この被測定配電線における絶縁抵抗の漏れ電流Iorを測定する漏れ電流測定装置であって、
    前記被測定配電線のN相とL相間の相電圧Uを検出する電圧検出手段と、
    前記被測定配電線に流れる合成漏れ電流Ioを検出する電流検出手段と、
    前記相電圧Uから解析ウインドウ幅を求めると共に、フーリエ変換を用いて、前記相電圧Uの基本波実数部U1rと虚数部U1i、並びに前記合成漏れ電流Ioの基本波実数部Io1rと虚数部Io1iとを求める第1演算処理と、下式(1)に基づいて前記絶縁抵抗の漏れ電流Iorを求める第2演算処理を行う処理手段と、
    を備えることを特徴とする漏れ電流測定装置。
    Figure 2018021812
  3. 前記処理手段は、前記測定した漏れ電流Iorと予め規定された絶縁状態判別規格値とを比較して、前記被測定配電線についての絶縁状態を判別する判別処理を行うことを特徴とする請求項2に記載の漏れ電流測定装置。
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