特開 2025-15270 地絡検出回路及び地絡検出方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025015270

(43)【公開日】2025-01-30

(54)【発明の名称】地絡検出回路及び地絡検出方法

(51)【国際特許分類】

   H02H 3/34 20060101AFI20250123BHJP

   G01R 31/52 20200101ALI20250123BHJP

【ＦＩ】

H02H3/34 M

G01R31/52

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023118580

(22)【出願日】2023-07-20

(71)【出願人】

【識別番号】508296738

【氏名又は名称】富士電機機器制御株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】木村 藤一郎

(72)【発明者】

【氏名】山内 芳准

(72)【発明者】

【氏名】森田 晃

(72)【発明者】

【氏名】栗原 晋

(72)【発明者】

【氏名】谷 敏明

(72)【発明者】

【氏名】橋本 貴

【テーマコード（参考）】

2G014

【Ｆターム（参考）】

2G014AA04

2G014AB33

(57)【要約】

【課題】交流系統に変流器及び整流回路を介してコンデンサが接続されている場合に地絡を検出すること。
【解決手段】交流系統の相毎に設けられる検出回路と、前記検出回路によって前記交流系統の地絡を判定する判定回路と、を備え、前記検出回路は、それぞれ、前記交流系統の一相の線路に流れる電流を変流する変流器と、前記変流器により変流された電流が入力されるダイオードブリッジと、前記ダイオードブリッジの第１出力端に電気的に接続される出力抵抗と、を有し、前記ダイオードブリッジのそれぞれの第２出力端は、コンデンサを介して前記検出回路のそれぞれの前記出力抵抗に電気的に接続されており、前記判定回路は、前記検出回路のそれぞれの前記出力抵抗により生ずる出力電圧の実効値を算出し、前記実効値の互いの差を用いて前記交流系統の地絡を判定する、地絡検出回路。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

交流系統の相毎に設けられる検出回路と、
前記検出回路によって前記交流系統の地絡を判定する判定回路と、を備え、
前記検出回路は、それぞれ、
前記交流系統の一相の線路に流れる電流を変流する変流器と、前記変流器により変流された電流が入力されるダイオードブリッジと、前記ダイオードブリッジの第１出力端に電気的に接続される出力抵抗と、を有し、
前記ダイオードブリッジのそれぞれの第２出力端は、コンデンサを介して前記検出回路のそれぞれの前記出力抵抗に電気的に接続されており、
前記判定回路は、前記検出回路のそれぞれの前記出力抵抗により生ずる出力電圧の実効値を算出し、前記実効値の互いの差を用いて前記交流系統の地絡を判定する、地絡検出回路。

【請求項2】

前記判定回路は、前記実効値の互いの差のうちのいずれかが、零を含む所定範囲から外れている場合、前記交流系統の地絡と判定する、請求項１に記載の地絡検出回路。

【請求項3】

前記判定回路は、前記実効値の互いの差の全てが、零を含む所定範囲にある場合、前記交流系統の地絡なしと判定する、請求項１又は２に記載の地絡検出回路。

【請求項4】

交流系統の相毎に設けられる検出回路によって前記交流系統の地絡を判定する地絡検出方法であって、
前記検出回路は、それぞれ、
前記交流系統の一相の線路に流れる電流を変流する変流器と、前記変流器により変流された電流が入力されるダイオードブリッジと、前記ダイオードブリッジの第１出力端に電気的に接続される出力抵抗と、を有し、
前記ダイオードブリッジのそれぞれの第２出力端は、コンデンサを介して前記検出回路のそれぞれの前記出力抵抗に電気的に接続されており、
前記検出回路のそれぞれの前記出力抵抗により生ずる出力電圧の実効値を算出し、前記実効値の互いの差を用いて前記交流系統の地絡を判定する、地絡検出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、地絡検出回路及び地絡検出方法に関する。

【背景技術】

【0002】

三相交流系統の地絡を検出する場合、各相の線路に流れる電流または電圧の瞬時値をそれぞれ検出して全相を合成（加算）し、その合成結果である零相成分が、ゼロであれば地絡なしと判定し、ある値を示せば地絡発生と判定する（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

また、交流系統に変流器及び整流回路を介して接続されたコンデンサを制御回路用またはトリップコイル用の制御電源に利用する回路遮断器が知られている（例えば、特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平１－３１６６７３号公報

【特許文献2】特開２００２－０２７６５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、交流系統に変流器及び整流回路を介してコンデンサが接続されている場合、各相の線路に流れる電流の瞬時値の検出信号を全て合成すると、その合成波形は地絡の有無にかかわらず、所定の値を持つ。そのため、従来の技術では、地絡を検出することが難しい。

【0006】

本開示は、交流系統に変流器及び整流回路を介してコンデンサが接続されている場合に地絡を検出可能な地絡検出回路及び地絡検出方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

第１態様は、
交流系統の相毎に設けられる検出回路と、
前記検出回路によって前記交流系統の地絡を判定する判定回路と、を備え、
前記検出回路は、それぞれ、
前記交流系統の一相の線路に流れる電流を変流する変流器と、前記変流器により変流された電流が入力されるダイオードブリッジと、前記ダイオードブリッジの第１出力端に電気的に接続される出力抵抗と、を有し、
前記ダイオードブリッジのそれぞれの第２出力端は、コンデンサを介して前記検出回路のそれぞれの前記出力抵抗に電気的に接続されており、
前記判定回路は、前記検出回路のそれぞれの前記出力抵抗により生ずる出力電圧の実効値を算出し、前記実効値の互いの差を用いて前記交流系統の地絡を判定する、地絡検出回路である。

【0008】

第２態様は、第１態様の地絡検出回路であって、
前記判定回路は、前記実効値の互いの差のうちのいずれかが、零を含む所定範囲から外れている場合、前記交流系統の地絡と判定する。

【0009】

第３態様は、第１又は第２態様の地絡検出回路であって、
前記判定回路は、前記実効値の互いの差の全てが、零を含む所定範囲にある場合、前記交流系統の地絡なしと判定する。

【0010】

第４態様は、
交流系統の相毎に設けられる検出回路によって前記交流系統の地絡を判定する地絡検出方法であって、
前記検出回路は、それぞれ、
前記交流系統の一相の線路に流れる電流を変流する変流器と、前記変流器により変流された電流が入力されるダイオードブリッジと、前記ダイオードブリッジの第１出力端に電気的に接続される出力抵抗と、を有し、
前記ダイオードブリッジのそれぞれの第２出力端は、コンデンサを介して前記検出回路のそれぞれの前記出力抵抗に電気的に接続されており、
前記検出回路のそれぞれの前記出力抵抗により生ずる出力電圧の実効値を算出し、前記実効値の互いの差を用いて前記交流系統の地絡を判定する、地絡検出方法である。

【発明の効果】

【0011】

本開示によれば、交流系統に変流器及び整流回路を介してコンデンサが接続されている場合に地絡を検出できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】一実施形態の地絡検出回路の一構成例を示す図である。

【図2】交流系統に地絡が発生していない場合の各相検出信号の合成波形の一例を示す図である。

【図3】交流系統に地絡が発生している場合の各相検出信号の合成波形の一例を示す図である。

【図4】判定回路の一例を示す機能ブロック図である。

【図5】Ｒ相が地絡した場合において、各相の実効値を例示する図である。

【図6】Ｒ相が地絡した場合において、各相の実効値の差を例示する図である。

【図7】Ｒ相とＳ相が地絡した場合において、各相の実効値を例示する図である。

【図8】Ｒ相とＳ相が地絡した場合において、各相の実効値の差を例示する図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、実施形態について説明する。

【0014】

図１は、一実施形態の地絡検出回路の一構成例を示す図である。地絡検出回路１０１は、例えば、交流系統１０の各相（Ｒ相，Ｓ相，Ｔ相）の線路１１，１２，１３を遮断する回路遮断器に搭載される。図１に示す地絡検出回路１０１は、三相３線式の交流系統１０の複数相の線路１１，１２，１３のうち、対応する線路に対して設けられる複数の検出回路２１，２２，２３を備える。線路１１，１２，１３に流れる交流電流は、位相が１２０°毎にずれている。

【0015】

Ｒ相の検出回路２１は、Ｒ相の線路１１に流れる電流を検出し、その検出結果を判定回路６０に出力する。検出回路２１は、変流器１４、抵抗１７、ダイオードブリッジ１１３及び出力抵抗１１０を有する。

【0016】

変流器１４は、交流系統１０のＲ相の線路１１に流れる電流を変流する。変流器１４の一次側は、線路１１に接続されている。変流器１４の二次側の一端と他端との間には、限流用の抵抗１７とダイオードブリッジ１１３とが直列に接続されている。

【0017】

ダイオードブリッジ１１３は、変流器１４により変流された電流が入力される。ダイオードブリッジ１１３は、第１入力端３５、第２入力端３６、第１出力端３７、第２出力端３８及び複数のダイオード３１，３２，３３，３４を有する全波整流回路である。ダイオード３１は、第１出力端３７に接続されるアノードと、第１入力端３５に接続されるカソードとを有する。ダイオード３２は、第１出力端３７に接続されるアノードと、第２入力端３６に接続されるカソードとを有する。ダイオード３３は、第１入力端３５に接続されるアノードと、第２出力端３８に接続されるカソードとを有する。ダイオード３４は、第２入力端３６に接続されるアノードと、第２出力端３８に接続されるカソードとを有する。

【0018】

第１出力端３７は、出力抵抗１１０の一端に電気的に接続され、出力抵抗１１０を介して接地される。第２出力端３８は、コンデンサ１１６の一端に電気的に接続され、コンデンサ１１６を介して接地される。第２出力端３８は、コンデンサ１１６を介して、出力抵抗１１１の他端に電気的に接続される。

【0019】

Ｓ相の検出回路２２及びＴ相の検出回路２３は、Ｒ相の検出回路２１と同じ構成を有する。すなわち、Ｓ相の検出回路２２は、変流器１５、抵抗１８、ダイオードブリッジ１１４及び出力抵抗１１１を有し、Ｔ相の検出回路２３は、変流器１６、抵抗１９、ダイオードブリッジ１１５及び出力抵抗１１２を有する。

【0020】

検出回路２１，２２，２３の各々の第２出力端３８は、互いに接続され、コンデンサ１１６を介して接地される。コンデンサ１１６は、地絡検出回路１０１を搭載する回路遮断器の制御電源として利用される。

【0021】

検出回路２１，２２，２３では、線路１１，１２，１３を流れる交流電流は変流器１４，１５，１６によりそれぞれ変流され、その変流された電流は抵抗１７，１８，１９を介してダイオードブリッジ１１３，１１４，１１５により全波整流される。全波整流された電流は、コンデンサ１１６から接地を介して出力抵抗１１０，１１１，１１２に流れる。そのため、出力抵抗１１０，１１１，１１２により検出される直流分の検出信号を全て合成すると、その合成波形は、地絡の有無にかかわらず、所定の値を持つことになる。

【0022】

例えば、図２は、全ての線路１１，１２，１３に地絡がない場合の各相検出信号の合成波形の一例を示す。これに対し、図３は、線路１１，１２，１３の何れかに地絡（地絡電流５０［Ａ］）が発生した場合の各相検出信号の合成波形の一例を示す。図２及び図３から明らかなように、図１に示す回路では、地絡の有無にかかわらず、各相の検出信号の合成波形が所定の値を持つ。そのため、従来の検出方法（合成波形が、ゼロであれば地絡なしと判定し、ある値を示せば地絡発生と判定する方法）では、地絡を検出することが難しい。

【0023】

そこで、本実施形態の地絡検出回路１０１は、複数の検出回路２１，２２，２３による検出結果に基づいて、交流系統１０の地絡を、従来とは異なる地絡検出方法で判定する判定回路６０を備える。判定回路６０は、Ｒ，Ｓ，Ｔの各相の出力抵抗１１０，１１１，１１２により生ずる出力電圧の波形から各出力電圧の実効値を算出し、その算出した実効値の互いの差を用いて、交流系統１０の地絡を判定する。

【0024】

判定回路６０は、例えば、メモリとプロセッサ（例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit））を有し、判定回路６０の各機能は、メモリに記憶されたプログラムによって、プロセッサが動作することにより実現される。判定回路６０の各機能は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）又はＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）によって実現されてもよい。

【0025】

図４は、判定回路の一例を示す機能ブロック図である。出力電圧Ｖ１は、Ｒ相の変流器１４により変流された電流がダイオードブリッジ１１３により全波整流されることによって出力抵抗１１０から出力される信号であり、出力抵抗１１０に生ずる電圧降下量に対応するＲ相検出信号を表す。出力電圧Ｖ２は、Ｓ相の変流器１５により変流された電流がダイオードブリッジ１１４により全波整流されることによって出力抵抗１１１から出力される信号であり、出力抵抗１１１に生ずる電圧降下量に対応するＳ相検出信号を表す。出力電圧Ｖ３は、Ｔ相の変流器１６により変流された電流がダイオードブリッジ１１５により全波整流されることによって出力抵抗１１２から出力される信号であり、出力抵抗１１２に生ずる電圧降下量に対応するＴ相検出信号を表す。

【0026】

判定回路６０は、アナログの出力電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の各々をデジタルの出力電圧値に変換する。判定回路６０は、各相のデジタルの出力電圧値を用いて、出力電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の各々の実効値を算出する。判定回路６０は、Ｒ相の実効値とＳ相の実効値との差ΔＲＳ、Ｓ相の実効値とＴ相の実効値との差ΔＳＴ、及びＲ相の実効値とＴ相の実効値との差ΔＲＴを演算する。

【0027】

判定回路６０は、差ΔＲＳ，ΔＳＴ，ΔＲＴの全てが、零を含む所定範囲（以下、所定範囲Ｘともいう）にある場合、交流系統１０に地絡なしと判定する。一方、判定回路６０は、差ΔＲＳ，ΔＳＴ，ΔＲＴのうちのいずれかが、所定範囲Ｘから外れている場合、交流系統１０に地絡ありと判定する。判定回路６０は、交流系統１０に地絡ありと判定した場合、例えば、交流系統１０の各相の線路１１，１２，１３を遮断する。これにより、地絡による線路の断線等の故障を防止できる。

【0028】

図５は、Ｒ相が地絡した場合において、各相の出力電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の実効値を例示する図である。図６は、Ｒ相が地絡した場合において、各相の出力電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の実効値の差ΔＲＳ，ΔＳＴ，ΔＲＴを例示する図である。図５及び図６を参照して、三相のうちの一相のみの線路に地絡が発生した場合において、交流系統１０の地絡を検出する方法の第１例について以下説明する。

【0029】

図５において、判定回路６０は、Ｒ，Ｓ，Ｔの各相の出力抵抗１１０，１１１，１１２の出力電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の波形から出力電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の実効値を算出する。Ｒ相の一相のみが地絡しているので、Ｒ相の出力電圧Ｖ１の実効値は、Ｓ相の出力電圧Ｖ２の実効値及びＴ相の出力電圧Ｖ３の実効値よりも低い。

【0030】

図６において、Ｒ相の電流が２５０［Ａ］の場合は、各相の線路１１，１２，１３のいずれにも地絡がない状態を示し、Ｒ相の電流が２５０［Ａ］以外の場合は、Ｒ相の線路１１のみが地絡した状態を示す。Ｒ相の電流が２５０［Ａ］の場合は、各相の実効値の差ΔＲＳ，ΔＳＴ，ΔＲＴは、全て０［Ｖ］となっている。そのため、判定回路６０は、差ΔＲＳ，ΔＳＴ，ΔＲＴの全てが、零を含む所定範囲Ｘにある場合、交流系統１０に地絡なしと判定できる。

【0031】

一方、Ｒ相の線路１１に地絡が発生し、Ｒ相の電流が２５０［Ａ］以外の値の状態では、地絡のないＳ相と地絡のないＴ相の実効値の差ΔＳＴは、常に、ほぼ零となっている。しかし、地絡のあるＲ相と地絡のないＳ相の実効値の差ΔＲＳ、及び、地絡のあるＲ相と地絡のないＴ相の実効値の差ΔＲＴは、零以外の値になっている。そのため、判定回路６０は、差ΔＲＳ，ΔＳＴ，ΔＲＴのうちのいずれかが、零を含む所定範囲Ｘから外れている場合、交流系統１０に地絡ありと判定できる。

【0032】

なお、一相の地絡は、Ｒ相の地絡だけでなく、Ｓ相又はＴ相の地絡についても同様の方法で検出可能である。

【0033】

また、所定範囲Ｘの上限閾値及び下限閾値は、変流器１４，１５，１６の製造誤差などによって決められるとよい。

【0034】

図７は、Ｒ相とＳ相が地絡した場合において、各相の出力電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の実効値を例示する図である。図８は、Ｒ相とＳ相が地絡した場合において、各相の出力電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の実効値の差ΔＲＳ，ΔＳＴ，ΔＲＴを例示する図である。図７及び図８を参照して、三相のうちの二相の線路に地絡が発生した場合において、交流系統１０の地絡を検出する方法の第２例について以下説明する。

【0035】

図７において、判定回路６０は、Ｒ，Ｓ，Ｔの各相の出力抵抗１１０，１１１，１１２の出力電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の波形から出力電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の実効値を算出する。図７は、Ｒ相の線路１１に１００［Ａ］の地絡電流が流れ、かつ、Ｓ相の線路１２に１２５［Ａ］の地絡電流が流れている状態を示す。Ｒ相とＳ相の二相が地絡しているので、Ｒ相の出力電圧Ｖ１の実効値及びＳ相の出力電圧Ｖ２の実効値は、Ｔ相の出力電圧Ｖ３の実効値よりも低い。地絡電流はＲ相に比べてＳ相の方が大きいので、Ｓ相の出力電圧Ｖ２の実効値は、Ｒ相の出力電圧Ｖ１の実効値よりも低い。

【0036】

図８は、Ｓ相の線路１２に１２５［Ａ］の地絡電流が流れている状態において、Ｒ相に流れる地絡電流の変化と各相の差ΔＲＳ，ΔＳＴ，ΔＲＴとの関係を示している。Ｒ相の線路１１に流れる地絡電流がいずれかの値であっても、差ΔＲＳ，ΔＳＴ，ΔＲＴのうちのいずれかが、零以外の値になっている。そのため、判定回路６０は、差ΔＲＳ，ΔＳＴ，ΔＲＴのうちのいずれかが、零を含む所定範囲Ｘから外れている場合、交流系統１０に地絡ありと判定できる。

【0037】

なお、二相の地絡は、Ｒ相及びＳ相の地絡だけでなく、Ｒ相及びＴ相の地絡又はＳ相及びＴ相の地絡についても同様の方法で検出可能である。

【0038】

このように、本実施形態の地絡検出回路１０１は、交流系統１０の相毎に設けられる検出回路（具体的には、交流系統１０に変流器１４，１５，１６及びダイオードブリッジ１１３，１１４，１１５を介してコンデンサ１１６が接続された検出回路２１，２２，２３）を備える。そして、地絡検出回路１０１は、検出回路２１，２２，２３のそれぞれの出力抵抗１１０，１１１，１１２により生ずる出力電圧の実効値を算出し、当該実効値の互いの差を用いて交流系統１０の地絡を判定する判定回路６０を備える。したがって、本実施形態の地絡検出回路又は地絡検出方法によれば、交流系統に変流器及び整流回路を介してコンデンサが接続されている場合において、地絡を検出することができる。例えば、判定回路６０は、当該実効値の互いの差のうちのいずれかが、零を含む所定範囲から外れている場合、交流系統１０の地絡と判定し、当該実効値の互いの差の全てが、零を含む所定範囲にある場合、交流系統１０の地絡なしと判定する。

【0039】

以上の通り、実施形態を説明したが、上記実施形態は、例として提示したものであり、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の組み合わせ、省略、置き換え、変更などを行うことが可能である。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【0040】

例えば、検出回路２１，２２，２３のそれぞれの出力抵抗１１０，１１１，１１２により生ずる出力電圧の実効値を算出し、当該実効値の互いの差を用いて交流系統１０の地絡を判定する判定回路６０は、回路遮断器と有線又は無線で接続される外部装置に備えられてもよい。あるいは、出力抵抗１１０，１１１，１１２により生ずる出力電圧の実効値を算出する算出部は、回路遮断器に搭載され、当該実効値の互いの差を用いて交流系統１０の地絡を判定する判定部は、回路遮断器と有線又は無線で接続される外部装置に備えられてもよい。

【符号の説明】

【0041】

１０ 交流系統
１１，１２，１３ 線路
１４，１５，１６ 変流器
１７，１８，１９ 抵抗
２１，２２，２３ 検出回路
３１，３２，３３，３４ ダイオード
３５ 第１入力端
３６ 第２入力端
３７ 第１出力端
３８ 第２出力端
６０ 判定回路
１０１ 地絡検出回路
１１０，１１１，１１２ 出力抵抗
１１３，１１４，１１５ ダイオードブリッジ
１１６ コンデンサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】