特許 7533275 電路監視装置、電路監視システム及び電路監視方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-05

(45)【発行日】2024-08-14

(54)【発明の名称】電路監視装置、電路監視システム及び電路監視方法

(51)【国際特許分類】

   H02H 3/00 20060101AFI20240806BHJP

   G01R 31/52 20200101ALI20240806BHJP

【ＦＩ】

H02H3/00 N

G01R31/52

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2021027176

(22)【出願日】2021-02-24

(65)【公開番号】P2022128771

(43)【公開日】2022-09-05

【審査請求日】2023-03-13

(73)【特許権者】

【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】米澤 隆仁

(72)【発明者】

【氏名】町田 悟志

【審査官】早川 卓哉

(56)【参考文献】

【文献】特開平１０－３１９０７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０８９２７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－２９３２０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０４４３０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－２２６７８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０３６８８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０１－２３２２７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－１７１６６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－０１９０４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開平０２－０００６６８（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｈ１／００－３／０７

Ｇ０１Ｒ３１／５０－３１／７４

Ｇ０１Ｒ２７／００－２７／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電力系統に変圧器を介して接続された電路の絶縁状態を監視する電路監視装置であって、
前記電力系統の系統周波数とは異なる周波数の監視信号を、変成器を介して前記変圧器又は前記電路の接地線に注入する信号注入回路と、
前記変成器の一次巻線に流れる一次電流を計測する電流計測回路と、
前記一次電流の計測結果から前記監視信号の電圧と同相の抵抗成分電流を検出し、前記抵抗成分電流の大きさに基づいて前記絶縁状態の監視結果を出力する処理装置と、を備え、
前記電流計測回路は、前記一次電流を電圧に変換して出力する電流／電圧変換増幅器を有し、
前記処理装置は、前記電流／電圧変換増幅器の出力に基づいて、前記抵抗成分電流を検出するものであり、
前記一次巻線に直列に接続される導線は、前記導線を伝送する信号と同電位でシールドされる、電路監視装置。

【請求項2】

前記電流計測回路は、
前記一次巻線に直列に接続される抵抗体と、
前記一次電流が前記抵抗体に流れることにより発生する入力電圧を増幅して出力する増幅器と、を有し、
前記処理装置は、前記増幅器の出力に基づいて、前記抵抗成分電流を検出する、請求項１に記載の電路監視装置。

【請求項3】

前記一次巻線の一端は、前記導線を介して、前記電流／電圧変換増幅器に接続される、請求項１又は２に記載の電路監視装置。

【請求項4】

前記信号注入回路は、前記一次巻線の他端から前記監視信号を注入する、請求項３に記載の電路監視装置。

【請求項5】

前記導線に接続される入力部と、前記導線をシールドするシールド線に接続される出力部とを有する信号増幅器を更に備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の電路監視装置。

【請求項6】

前記処理装置は、前記監視信号の注入期間に得られた前記計測結果から、前記抵抗成分電流を検出する、請求項１から５のいずれか一項に記載の電路監視装置。

【請求項7】

前記信号注入回路は、前記処理装置の出力信号に基づいて、前記監視信号を前記接地線に注入し、
前記処理装置は、前記出力信号の出力期間に得られた前記計測結果から、前記抵抗成分電流を検出する、請求項１から５のいずれか一項に記載の電路監視装置。

【請求項8】

前記変成器の一次側に発生する一次電圧を検出する電圧検出回路を備え、
前記処理装置は、前記電圧検出回路により検出された前記一次電圧から前記監視信号の電圧を抽出し、前記計測結果から、その抽出した前記監視信号の電圧と同相の前記抵抗成分電流を検出する、請求項１から５のいずれか一項に記載の電路監視装置。

【請求項9】

電力系統に変圧器を介して接続された電路の絶縁状態を監視する電路監視システムであって、
変成器と、
前記電力系統の系統周波数とは異なる周波数の監視信号を、前記変成器を介して前記変圧器又は前記電路の接地線に注入する信号注入回路と、
前記変成器の一次巻線に流れる一次電流を計測する電流計測回路と、
前記一次電流の計測結果から前記監視信号の電圧と同相の抵抗成分電流を検出し、前記抵抗成分電流の大きさに基づいて前記絶縁状態の監視結果を出力する処理装置と、を備え、
前記電流計測回路は、前記一次電流を電圧に変換して出力する電流／電圧変換増幅器を有し、
前記処理装置は、前記電流／電圧変換増幅器の出力に基づいて、前記抵抗成分電流を検出するものであり、
前記一次巻線に直列に接続される導線は、前記導線を伝送する信号と同電位でシールドされる、電路監視システム。

【請求項10】

電力系統に変圧器を介して接続された電路の絶縁状態を監視する電路監視方法であって、
前記電力系統の系統周波数とは異なる周波数の監視信号を、変成器を介して前記変圧器又は前記電路の接地線に注入し、
前記変成器の一次巻線に直列に接続される導線は、前記導線を伝送する信号と同電位でシールドされており、前記一次巻線に流れる一次電流を電圧に変換する電流／電圧変換増幅器の出力に基づいて前記監視信号の電圧と同相の抵抗成分電流を検出し、前記抵抗成分電流の大きさに基づいて前記絶縁状態の監視結果を出力する、電路監視方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電路監視装置、電路監視システム及び電路監視方法に関する。

【背景技術】

【0002】

電力系統に変圧器を介して接続された電路の絶縁状態を監視する方式として、いわゆるＩ_ｇｒ方式が知られている。Ｉ_ｇｒ方式は、変圧器の接地線に系統周波数とは異なる周波数の監視信号を注入し、対地静電容量又は対地絶縁抵抗を介して還流する漏れ電流から、監視信号の電圧と同位相の抵抗成分電流Ｉ_ｇｒを検出し、その大きさに基づいて電路の絶縁状態を監視する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０２０－３８０６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、従来の技術では、監視信号の注入用の変成器と漏れ電流の計測用の変成器とが別々に存在するため、電路の絶縁状態を監視する構成を小型化することが難しい。

【0005】

本開示は、電路の絶縁状態を監視する構成を小型化できる技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一態様では、
電力系統に変圧器を介して接続された電路の絶縁状態を監視する電路監視装置であって、
前記電力系統の系統周波数とは異なる周波数の監視信号を、変成器を介して前記変圧器又は前記電路の接地線に注入する信号注入回路と、
前記変成器の一次巻線に流れる一次電流を計測する電流計測回路と、
前記一次電流の計測結果から前記監視信号の電圧と同相の抵抗成分電流を検出し、前記抵抗成分電流の大きさに基づいて前記絶縁状態の監視結果を出力する処理装置と、を備える、電路監視装置が提供される。

【発明の効果】

【0007】

本開示の一態様によれば、電路の絶縁状態を監視する構成を小型化できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１実施形態の電路監視装置及び電路監視システムの構成例を示す図である。

【図2】第２実施形態の電路監視装置及び電路監視システムの構成例を示す図である。

【図3】第３実施形態の電路監視装置及び電路監視システムの構成例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、各実施形態の電路監視装置及び電路監視システムについて図面を参照して説明する。

【0010】

図１は、第１実施形態の電路監視装置及び電路監視システムの構成例を示す図である。図１に示す電路監視システム３０１は、電力系統１に変圧器２を介して接続された電路３又は電路４の絶縁状態をＩ_ｇｒ方式で監視する。変圧器２の一次側の電路には、電力系統１が接続され、変圧器２の二次側の電路３，４には、負荷５が接続されている。なお、図１及び後述の図２及び図３では、監視対象の電路は、単相電路であるが、本開示の技術は、三相電路にも適用できる。例えば、監視対象の電路は、変圧器２が組み合わされ、二次側の一相のいずれかが接地されたΔ結線または中性点が接地されたＹ結線の三相電路でもよい。

【0011】

電路３とＤ種接地Ｅ_ｄとの間には、絶縁抵抗７及び静電容量９が存在し、電路４とＤ種接地Ｅ_ｄとの間には、絶縁抵抗６及び静電容量８が存在する。変圧器２の二次巻線の－端又は電路４は、接地線２０によりＢ種接地Ｅ_ｂに接地されている。変圧器２の二次巻線の中性点が接地線２０によりＢ種接地Ｅ_ｂに接地されてもよい。なお、Ｄ種接地Ｅ_ｄは、Ｃ種接地Ｅ_ｃに置換されてもよい。

【0012】

電路監視システム３０１は、変成器１０及び電路監視装置１０１を備える。

【0013】

変成器１０は、一次巻線１１及び二次巻線１２を有する。二次巻線１２は、接地線２０に直列に挿入されている。一次巻線１１の－端は、例えば、電路監視装置１０１のグランド１３に接続される。

【0014】

電路監視装置１０１は、電力系統１に変圧器２を介して接続された電路３，４の絶縁状態を監視する電路監視方法を実行する。電路監視装置１０１は、電力系統１の系統周波数とは異なる周波数の監視信号を、変成器１０を介して接地線２０に注入し、接地線２０から絶縁抵抗６，７及び静電容量８，９を介して還流する漏れ電流から、当該監視信号の電圧と同位相の抵抗成分電流Ｉ_ｇｒを検出する。電路監視装置１０１は、検出された抵抗成分電流Ｉ_ｇｒの大きさに基づいて電路３，４の絶縁状態を監視する。以下、電力系統１の系統周波数とは異なる周波数の監視信号を"監視信号Ｓ"とも称する。

【0015】

電路監視装置１０１は、例えば、信号注入回路３０、電流計測回路４０及び処理装置６０を備える。

【0016】

信号注入回路３０は、監視信号Ｓを、変成器１０を介して変圧器２又は電路４の接地線２０に注入する。この例では、処理装置６０は、監視信号Ｓを生成するための監視信号データを信号注入回路３０に供給する。信号注入回路３０は、処理装置６０から供給される監視信号データに基づいて、電力系統１の系統周波数とは異なる周波数（例えば、系統周波数よりも低い周波数）の監視信号Ｓを生成する。系統周波数は、例えば、商用電源の商用周波数である。

【0017】

信号注入回路３０は、例えば、デジタルの監視信号データをアナログ信号に変換するＤ／Ａ（Digital-to-Analog）変換器３１と、Ｄ／Ａ変換器３１から出力されたアナログ信号を増幅する信号増幅器３２とを有する。信号増幅器３２により増幅されたアナログ信号は、監視信号Ｓに相当する。

【0018】

電流計測回路４０は、変成器１０の一次巻線１１に流れる一次電流ｉ_１を計測し、一次電流ｉ_１の計測結果を処理装置６０に供給する。この例では、電流計測回路４０は、抵抗体４１、差動増幅器４２及びＡ／Ｄ（Analog-to-Digital）変換器４３を有する。

【0019】

抵抗体４１は、一次巻線１１に直列に接続され、この例では、信号注入回路３０の信号増幅器３２と一次巻線１１の＋端との間の導線に直列に挿入されている。差動増幅器４２は、一次電流ｉ１が抵抗体４１に流れることにより発生する入力電圧ｖ_ａを増幅し、増幅された入力電圧ｖ_ａである出力電圧ｖ_ｂを出力する増幅器の一例である。Ａ／Ｄ変換器４３は、アナログの出力電圧ｖ_ｂをデジタルの電流計測信号に変換する。Ａ／Ｄ変換器４３から出力されるデジタルの電流計測信号は、処理装置６０に供給される。

【0020】

ここで、一次巻線１１に流れる一次電流ｉ_１と、二次巻線１２に流れる二次電流ｉ_２と、一次巻線１１の巻数Ｎ_１と、二次巻線１２の巻数Ｎ_２と、巻数Ｎ_１と巻数Ｎ_２との巻数比ｎとは、理想的には、
ｎ＝Ｎ_１／Ｎ_２ ・・・式１
ｉ_１＝（１／ｎ）×ｉ_２ ・・・式２
という関係が成立する。この例では、巻数Ｎ_１は、巻数Ｎ_２よりも大きく、巻数比ｎは、１よりも大きい数である。

【0021】

絶縁抵抗６又は絶縁抵抗７が低下し、接地線２０から絶縁抵抗６，７を介して還流する漏れ電流が増加すると、二次電流ｉ_２も増加する。式１，２によれば、二次電流ｉ_２が増加すると、一次電流ｉ_１も増加する。

【0022】

この特徴を利用して、処理装置６０は、一次電流ｉ_１の計測結果から、監視信号Ｓの電圧と同位相の抵抗成分電流Ｉ_ｇｒを検出し、その抵抗成分電流Ｉ_ｇｒの大きさに基づいて電路３，４の絶縁状態を判定する。この例では、処理装置６０は、電流計測回路４０により得られた計測結果である電流計測信号に基づいて、監視信号Ｓの電圧と同位相の抵抗成分電流Ｉ_ｇｒの大きさを検出し、その大きさに基づいて、電路３，４の絶縁状態を判定する。

【0023】

例えば、処理装置６０は、抵抗成分電流Ｉ_ｇｒの大きさが所定値を超えたか否かを判定し、抵抗成分電流Ｉ_ｇｒの大きさが所定値を超えた場合、絶縁抵抗６，７の低下による絶縁不良を知らせる監視結果信号を出力する。これにより、電路３，４の絶縁不良を外部に知らせることができる。

【0024】

電路監視装置１０１は、出力装置７０を備えてもよく、出力装置７０は、処理装置６０から出力された監視結果に基づいて、絶縁不良を知らせる警報を出力してもよい。警報の出力形式の具体例として、音、光、表示、制御信号、通信又はそれらのいずれかの組み合わせなどがある。

【0025】

処理装置６０の具体例として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサが挙げられる。処理装置６０の機能は、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。処理装置６０は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）でもよい。

【0026】

このように、第１実施形態によれば、監視信号の注入と漏れ電流の計測とを共通の変成器１０により実現するので、電路３，４の絶縁状態を監視する構成を小型化できる。また、注入用の変成器と計測用の変成器を変成器１０に統一できるので、例えば、電路監視装置１０１及び電路監視システム３０１の設置に必要な容積の低減や工事工数の削減を期待できる。

【0027】

処理装置６０は、監視信号Ｓの注入期間に得られた一次電流ｉ_１の計測結果から、監視信号Ｓの電圧と同相の抵抗成分電流ｉ_１を検出してもよい。これにより、監視信号Ｓの成分は一次電流ｉ_１の計測結果に有意に包含するので、一次電流ｉ_１の計測結果から監視信号Ｓの電圧と同相の抵抗成分電流ｉ_１を検出する精度は向上し、電路３，４の絶縁状態を監視する精度も向上する。例えば、処理装置６０は、信号注入回路３０が監視信号Ｓを変成器１０に注入している期間に電流計測回路４０により得られた一次電流ｉ_１の計測結果から、監視信号Ｓの電圧と同相の抵抗成分電流ｉ_１を検出すると、電路３，４の絶縁状態を高精度に監視できる。

【0028】

信号注入回路３０は、処理装置６０の出力信号Ａ（例えば、上述の監視信号データでもよい）に基づいて、変成器１０を介して監視信号Ｓを接地線２０に注入してもよい。この場合、処理装置６０は、出力信号Ａの出力期間に得られた一次電流ｉ_１の計測結果から、監視信号Ｓの電圧と同相の抵抗成分電流ｉ_１を検出してもよい。これにより、監視信号Ｓの成分は一次電流ｉ_１の計測結果に有意に包含するので、一次電流ｉ_１の計測結果から監視信号Ｓの電圧と同相の抵抗成分電流ｉ_１を検出する精度は向上し、電路３，４の絶縁状態を監視する精度も向上する。

【0029】

電路監視装置１０１は、変成器１０の一次側に発生する一次電圧ｖ_１を検出する電圧検出回路５０を備えてもよく、処理装置６０は、電圧検出回路５０により検出された一次電圧ｖ_１から監視信号Ｓの電圧を抽出してもよい。この場合、処理装置６０は、一次電流ｉ_１の計測結果から、その抽出した監視信号Ｓの電圧と同相の抵抗成分電流ｉ_１を検出してもよい。これにより、処理装置６０は、監視信号Ｓの成分が一次電流ｉ_１の計測結果に包含するか不明でも、電圧検出回路５０により検出された一次電圧ｖ_１から監視信号Ｓの電圧を抽出できる。よって、一次電流ｉ_１の計測結果から監視信号Ｓの電圧と同相の抵抗成分電流ｉ_１を検出する精度は向上し、電路３，４の絶縁状態を監視する精度も向上する。

【0030】

一次電圧ｖ_１は、一次巻線１１の両端電圧でもよいし、一次巻線１１と抵抗体４１との直列回路の両端電圧でもよい。

【0031】

電圧検出回路５０は、例えば、差動増幅器５１及びＡ／Ｄ変換器５２を有する。差動増幅器５１は、一次電圧ｖ_１を増幅し、増幅された一次電圧ｖ_１であるアナログ電圧を出力する増幅器の一例である。Ａ／Ｄ変換器５２は、差動増幅器５１から出力されるアナログ電圧をデジタルの電圧検出信号に変換する。Ａ／Ｄ変換器５２から出力されるデジタルの電圧検出信号は、一次電圧ｖ_１の検出結果として、処理装置６０に供給される。

【0032】

図２は、第２実施形態の電路監視装置及び電路監視システムの構成例を示す図である。第２実施形態において、第１実施形態と同様の構成及び効果についての説明は、上述の説明を援用することで、省略又は簡略する。第２実施形態の電路監視システム３０２は、変成器１０及び電路監視装置１０２を備える。第２実施形態の電路監視装置１０２は、第１実施形態と異なる電流計測方式で一次電流ｉ_１を計測する電流計測回路４４を備える。

【0033】

電流計測回路４４は、一次電流ｉ_１を電圧ｖ_ｏに変換して出力する電流／電圧変換増幅器４５を有し、処理装置６０は、電流／電圧変換増幅器４５の出力に基づいて、監視信号Ｓの電圧と同位相の抵抗成分電流Ｉ_ｇｒを検出する。上記の式２で表されるように、一次電流ｉ_１は、二次電流ｉ_２に比べて非常に小さい。電流／電圧変換増幅器４５を使用することで、微小な一次電流ｉ_１を高精度に計測できる。

【0034】

この例では、信号注入回路３０は、一次巻線１１の＋端に接続され、一次巻線１１の＋端から監視信号を注入する。一次電流ｉ_１は、一次巻線１１の－端に接続された電流／電圧変換増幅器４５に入力される。電流／電圧変換増幅器４５は、例えば、オペアンプ４７及び帰還抵抗４６を有する。帰還抵抗４６は、オペアンプ４７の反転入力部と出力部との間に接続されている。オペアンプ４７の非反転入力部は、グランド１３に接続されている。Ａ／Ｄ変換器４３は、アナログの電圧ｖ_ｏをデジタルの電流計測信号に変換する。Ａ／Ｄ変換器４３から出力されるデジタルの電流計測信号は、処理装置６０に供給される。

【0035】

処理装置６０は、第１実施形態と同様、一次電流ｉ_１の計測結果から、監視信号Ｓの電圧と同位相の抵抗成分電流Ｉ_ｇｒを検出し、その抵抗成分電流Ｉ_ｇｒの大きさに基づいて電路３，４の絶縁状態を判定する。よって、第２実施形態によれば、監視信号の注入と漏れ電流の計測とを共通の変成器１０により実現するので、電路３，４の絶縁状態を監視する構成を小型化できる。

【0036】

なお、第２実施形態でも、第１実施形態と同様に、処理装置６０は、監視信号Ｓの注入期間に得られた一次電流ｉ_１の計測結果から、監視信号Ｓの電圧と同相の抵抗成分電流ｉ_１を検出してもよい。信号注入回路３０は、処理装置６０の出力信号Ａに基づいて、変成器１０を介して監視信号Ｓを接地線２０に注入してもよい。処理装置６０は、電圧検出回路５０により検出された一次電圧ｖ_１から監視信号Ｓの電圧を抽出してもよい。

【0037】

図３は、第３実施形態の電路監視装置及び電路監視システムの構成例を示す図である。第３実施形態において、第２実施形態と同様の構成及び効果についての説明は、上述の説明を援用することで、省略又は簡略する。第３実施形態の電路監視システム３０３は、変成器１０及び電路監視装置１０３を備える。

【0038】

第３実施形態は、一次巻線１１に直列に接続される導線８４が、導線８４を伝送する信号と同電位でシールドされる点で、第２実施形態と相違する。これにより、導線８４を流れる微小な一次電流ｉ_１の計測が外来ノイズから受ける影響を軽減できる。つまり、ガードリングの効果が得られる。

【0039】

この例では、電路監視装置１０３は、導線８４に接続される入力部８１と、導線８４をシールドするシールド線８３に接続される出力部８２とを有する信号増幅器８０を更に備える。このような構成を採用することで、ガードリングの効果が更に高まる。

【0040】

なお、第３実施形態でも、第１実施形態と同様に、処理装置６０は、監視信号Ｓの注入期間に得られた一次電流ｉ_１の計測結果から、監視信号Ｓの電圧と同相の抵抗成分電流ｉ_１を検出してもよい。信号注入回路３０は、処理装置６０の出力信号Ａに基づいて、変成器１０を介して監視信号Ｓを接地線２０に注入してもよい。処理装置６０は、電圧検出回路５０により検出された一次電圧ｖ_１から監視信号Ｓの電圧を抽出してもよい。

【0041】

以上、実施形態を説明したが、本開示の技術は上記実施形態に限定されない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が可能である。

【符号の説明】

【0042】

１０ 変成器
１１ 一次巻線
１２ 二次巻線
２０ 接地線
３０ 信号注入回路
４０，４４ 電流計測回路
４１ 抵抗体
４２ 差動増幅器
４５ 電流／電圧変換増幅器
５０ 電圧検出回路
６０ 処理装置
７０ 出力装置
１０１，１０２，１０３ 電路監視装置
３０１，３０２，３０３ 電路監視システム

【図1】

【図2】

【図3】