直流回路の漏電検出システムおよび方法
【課題】非接地の交流回路に電力変換器を介して接続された非接地の直流回路の漏電を、従来に比べて簡単かつ低コストで検出するシステムおよび方法を提供する。
【解決手段】漏電検出システムは、コンデンサＣｓｄと漏電検出装置Ｆｄと備える。コンデンサＣｓｄは、直流回路１０の配電線路の各相と大地ＧＮＤとの間、または交流回路３０の配電線路の各相と大地ＧＮＤとの間、または変圧器２の２次側の中性点と大地ＧＮＤとの間に設けられる。漏電検出装置Ｆｄは、コンデンサＣｓｄの設置箇所と直流回路３０の想定される地絡事故点との間の電流経路に設けられる。漏電検出装置Ｆｄは、この電流経路を流れる交流電流を検出し、検出した交流電流のうち、電力変換器２０の変換動作によって直流回路側に生じた交流電圧の周波数と同じ周波数の電流成分に基づいて直流回路３０の漏電の有無を判定する。
【解決手段】漏電検出システムは、コンデンサＣｓｄと漏電検出装置Ｆｄと備える。コンデンサＣｓｄは、直流回路１０の配電線路の各相と大地ＧＮＤとの間、または交流回路３０の配電線路の各相と大地ＧＮＤとの間、または変圧器２の２次側の中性点と大地ＧＮＤとの間に設けられる。漏電検出装置Ｆｄは、コンデンサＣｓｄの設置箇所と直流回路３０の想定される地絡事故点との間の電流経路に設けられる。漏電検出装置Ｆｄは、この電流経路を流れる交流電流を検出し、検出した交流電流のうち、電力変換器２０の変換動作によって直流回路側に生じた交流電圧の周波数と同じ周波数の電流成分に基づいて直流回路３０の漏電の有無を判定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、非接地の交流回路に電力変換器を介して接続された非接地の直流回路の漏電を検出するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非接地の交流回路に電力変換器を介して接続された非接地の直流回路では、地絡事故が発生しても非常に小さな電流しか流れない。現状は、直流母線の各相を高抵抗で接地して地絡電流の環流経路を確保し、直流母線から分岐した各直流回線に地絡電流検出装置を設置することによって各直流回線の漏電を検出している。
【０００３】
直流回線に流れる地絡電流を検出する装置として、たとえば、特許第３２５１２４８号公報（特許文献１）に記載された直流地絡電流検出装置が知られている。この装置は、第１および第２鉄心と帰還回路と継電器とを含む。帰還回路には、第１および第２鉄心に地絡電流と等しい逆方向の補正電流をその補正電流と地絡電流との和が零となるまで流し続ける電線が装着されている。継電器は、補正電流と地絡電流との和が零となった時点で帰還回路に流れる補正電流を検出レベルと比較することによって地絡発生を検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３２５１２４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の文献に記載された直流地絡電流検出装置は、微小な直流地絡電流を検出できるようにするために、複雑で高価なものになっている。
【０００６】
この発明の目的は、非接地の交流回路に電力変換器を介して接続された非接地の直流回路の漏電を、従来に比べて簡単かつ低コストで検出するシステムおよび方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は要約すれば、非接地の交流回路に電力変換器を介して接続された非接地の直流回路の漏電検出システムであって、コンデンサと漏電検出装置と備える。ここで、交流回路は、２次側が非接地の変圧器を介して上位の電力系統と接続される。コンデンサは、直流回路の配電線路の各相と大地との間、または交流回路の配電線路の各相と大地との間、または変圧器の２次側の中性点と大地との間に設けられる。漏電検出装置は、コンデンサの設置箇所と直流回路の想定される地絡事故点との間の電流経路に設けられる。漏電検出装置は、この電流経路を流れる交流電流を検出する交流電流センサと、判定部とを含む。判定部は、交流電流センサによって検出された交流電流のうち、電力変換器の変換動作によって直流回路側に生じる交流電圧の周波数と同じ周波数の電流成分に基づいて直流回路の漏電の有無を判定する。
【０００８】
好ましくは、交流回路は単相回路であり、上記の電流成分は、電力系統の基本波に対する２ｎ調波（ｎは１以上の整数）の電流である。
【０００９】
もしくは、交流回路は三相回路であり、上記の電流成分は、電力系統の基本波に対する３ｎ調波（ｎは１以上の整数）の電流である。
【００１０】
もしくは、電力変換器は、パルス幅変調方式によって電力変換を行ない、上記の電流成分は、パルス幅変調に用いる搬送波の周波数を有する。
【００１１】
好ましくは、直流回路の配電線路は、電力変換器に接続された直流母線と、直流母線から分岐された複数の直流回線とを含む。この場合、漏電検出装置は、複数の直流回線の各々に設けられる。コンデンサは、直流母線の各相と大地との間に設けられる。
【００１２】
上記のように直流回路の配電線路が直流母線と直流回線とを含む場合において、好ましくは、交流回路の配電線路は、変圧器の２次側に接続された交流母線と、交流母線と電力変換器とを接続する交流回線とを含む。この場合、漏電検出装置は、複数の直流回線の各々に設けられる。コンデンサは、変圧器の２次側の中性点と大地との間または交流母線の各相と大地との間に設けられる。
【００１３】
上記の場合において、交流電流センサは、対応の直流回線に設けられた零相変流器または対応の直流回線の各相に設けられた変流器である。
【００１４】
好ましくは、交流回路の配電線路は、変圧器に接続された交流母線と、交流母線と電力変換器とを接続する交流回線とを含む。この場合、漏電検出装置は、交流回線に設けられる。コンデンサは、変圧器の２次側の中性点と大地との間または交流母線の各相と大地との間に設けられる。
【００１５】
上記の場合において、交流電流センサは、交流回線に設けられた零相変流器である。
好ましくは、判定部は、上記の電流成分の大きさが所定の基準値を超えた場合に漏電と判定する。
【００１６】
もしくは、判定部は、上記の電流成分の大きさが所定の基準値を超えた状態が所定の時間継続した場合に漏電と判定する。
【００１７】
この発明は他の局面において、非接地の交流回路に電力変換器を介して接続された非接地の直流回路の漏電検出方法である。ここで、交流回路は、２次側が非接地の変圧器を介して上位の電力系統と接続される。この発明による直流回路の漏電検出方法は、直流回路の配電線路の各相と大地との間、または交流回路の配電線路の各相と大地との間、または変圧器の２次側の中性点と大地との間にコンデンサを設置するステップと、コンデンサの設置箇所と直流回路の想定される地絡事故点との間の電流経路における交流電流を検出するステップと、検出された交流電流のうち、電力変換器の変換動作によって直流回路側に生じる交流電圧の周波数と同じ周波数の電流成分に基づいて直流回路の漏電の有無を判定するステップとを備える。
【発明の効果】
【００１８】
この発明によれば、配電系統と大地との間にコンデンサを設けるとともに、電力変換器の変換動作によって直流回路側に生じる交流電圧の周波数と同じ周波数の電流成分を検出することによって、従来に比べて簡単かつ低コストに直流回路の漏電を検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】この発明の実施の形態１による漏電検出システムが適用される配電系統の構成図である。
【図２】図１の配電系統において漏電検出装置Ｆｄの配置についてさらに説明するための図である。
【図３】図１の直流回路３０で地絡事故が生じた場合の零相回路を示す図である。
【図４】検出回路４４の詳細な構成の一例を示すブロック図である。
【図５】図４の検出回路４４を用いた漏電検出手順を示すフローチャートである。
【図６】この発明の実施の形態２による漏電検出システムが適用される配電系統の構成図である。
【図７】図６の直流回路３０のＰ相電圧線３１Ｐで地絡事故が生じた場合の零相回路を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態３による漏電検出システムが適用される配電系統の構成図である。
【図９】図８の直流回路３０のＰ相電圧線３１Ｐで地絡事故が生じた場合の零相回路を示す図である。
【図１０】この発明の実施の形態４による漏電検出システムが適用される配電系統の構成図である。
【図１１】この発明の実施の形態５による漏電検出システムが適用される配電系統の構成図である。
【図１２】この発明の実施の形態６による漏電検出システムが適用される配電系統の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、この発明の各実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。
【００２１】
＜実施の形態１＞
［漏電検出システムの構成］
図１は、この発明の実施の形態１による漏電検出システムが適用される配電系統の構成図である。図１の配電系統は、非接地の単相交流回路１０と、非接地の直流回路３０と、単相交流回路１０と直流回路３０とを接続する双方向の電力変換器２０（パワーコンディショナ）とを含む。交流回路１０は、単相変圧器２を介して上位の電力系統１と接続される。変圧器２の２次側は非接地である。
【００２２】
交流回路１０は、単相三線式の配電線路として、変圧器２の２次側に接続された交流母線と交流母線から分岐する複数の交流回線とを含む。図１には交流母線１９（ｕ相電圧線１９ｕ、ｖ相電圧線１９ｖ、中性線１９ｎ）と、交流母線１９と電力変換器２０とを接続する交流回線１１（ｕ相電圧線１１ｕ、ｖ相電圧線１１ｖ、中性線１１ｎ）とが図示されている。交流回線１１の電圧線１１ｕ，１１ｖにはブレーカ１２ｕ、１２ｖがそれぞれ設けられる。交流回線１１のｕ相、ｖ相の各電圧線は対地静電容量（浮遊容量）Ｃａを有する。
【００２３】
直流回路３０は、配電線路（図２の参照符号２９）と、直流負荷３５と、ブレーカ３２Ｐ，３２Ｎとを含む。直流回路３０の配電線路は、電力変換器２０に接続される直流母線と直流母線から分岐する複数の直流回線とを有する。図１には、配電線路として、直流母線３９（Ｐ相電圧線３９Ｐ、Ｎ相電圧線３９Ｎ）と、直流母線３９と直流負荷３５とを接続する直流回線３１（Ｐ相電圧線３１Ｐ、Ｎ相電圧線３１Ｎ）とが図示されている。この明細書では、直流回路の配電線路の正極側をＰ相と称し、負極側をＮ相と称する。直流回線３１のＰ相、Ｎ相の各電圧線は対地静電容量（浮遊容量）Ｃｄを有する。ブレーカ３２ＰはＰ相電圧線３１Ｐに設けられ、ブレーカ３２ＮはＮ相電圧線３１Ｎに設けられる。
【００２４】
電力変換器２０は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ：Insulated Gate Bipolar Transistor）などのスイッチング素子２１ａ〜２１ｄと、平滑用のリアクトル２２と、平滑用のコンデンサ２３とを含む。スイッチング素子２１ａ〜２１ｄによって単相ブリッジ回路が構成される。より詳しくは、スイッチング素子２１ａ，２１ｂはこの順で正極側のノード２４Ｐと負極側のノード２４Ｎとの間に接続され、スイッチング素子２１ａ，２１ｂの接続ノードにｕ相電圧線１１ｕが接続される。スイッチング素子２１ｃ，２１ｄはこの順で正極側のノード２４Ｐと負極側のノード２４Ｎとの間に接続され、スイッチング素子２１ｃ，２１ｄの接続ノードにｖ相電圧線１１ｖが接続される。平滑用のリアクトル２２は正極側のノード２４ＰとＰ相電圧線３１Ｐ，３３Ｐとの間に接続され、平滑用のコンデンサ２３はリアクトル２２と負極側のノード２４Ｎとの間に接続される。
【００２５】
電力変換器２０は、各スイッチング素子のスイッチングのタイミングが制御部（図示省略）によって制御されることによって、双方向の電力変換器として動作する。すなわち、電力変換器２０は、交流電力を直流電力に変換する場合には全波整流回路として動作し、直流電力を交流電力に変換する場合にはインバータ回路として動作する。たとえば、直流回路３０に直流負荷３５の他に太陽電池などの直流電源が設けられている場合に、直流負荷３５の消費電力が直流電源の発電電力よりも大きいときは、不足分に相当する交流電力が電力変換器２０によって直流電力に変換されて直流回路３０に供給される。逆に直流電源の発電電力が直流負荷３５の消費電力よりも大きいときには、余剰の直流電力が電力変換器２０によって交流電力に変換されて交流回路１０に供給される。
【００２６】
直流回路３０の漏電を検出する漏電検出システムとして、図１の直流母線３９のＰ相、Ｎ相の各電圧線と大地との間に付加コンデンサＣｓｄがそれぞれ設けられる。付加コンデンサＣｓｄによって、漏電時に交流零相電流を大地を介して環流させることができる。
【００２７】
漏電検出システムとして、さらに、漏電検出装置Ｆｄが直流回線３１に設けられる。漏電検出装置Ｆｄは、電力変換器２０の変換動作によって生じた特定周波数の交流電流成分を検出する。具体的には、漏電検出装置Ｆｄは、電力変換器２０が全波整流回路として動作する場合のリップルに相当する第２調波電流または偶数調波電流を検出する。さらに、漏電検出装置Ｆｄは、電力変換器２０がＰＷＭ（パルス幅変調：Pulse Width Modulation）方式の電力変換器として動作する場合に生じるＰＷＭのキャリア周波数の電流成分を検出する。
【００２８】
漏電検出装置Ｆｄは、変流器（ＣＴ：Current Transformer）４３Ｐ，４３Ｎと検出回路４４とを含む。変流器４３ＰはＰ相電圧線３１Ｐに設けられ、変流器４３ＮはＮ相電圧線３１Ｎに設けられる。検出回路４４は、変流器４３Ｐ，４３Ｎによって検出された交流電流に基づいて直流回路３０での漏電の発生を検出する。たとえば、検出回路４４は、変流器４３Ｐによって検出された交流電流のうち第２調波電流成分の大きさが所定の基準値を超えたことによって、正極側の電圧線３１Ｐの漏電を検知する。また、検出回路４４は、変流器４３Ｎによって検出された交流電流のうち第２調波電流成分の大きさが所定の基準値を超えたことによって、負極側の電圧線３１Ｎの漏電を検知する。各相の変流器４３Ｐ，４３Ｎに代えて、零相変流器（ＺＣＴ：Zero-phase Current Transformer）を設けてもよい。ただし、零相変流器（ＺＣＴ）の場合には、正極側のＰ相電圧線で漏電が発生した場合と負極側のＮ相電圧線で漏電が発生した場合とを区別することができない。検出回路４４の詳細な構成については、図４、図５を参照して後述する。
【００２９】
図２は、図１の配電系統において漏電検出装置Ｆｄの配置についてさらに説明するための図である。
【００３０】
図２を参照して、直流回路３０の配電線路２９は、電力変換器２０に接続された直流母線３９と、直流母線３９から分岐された直流回線３１，３３，３８と、太陽電池などの直流電源３６と、直流負荷３５，３７とを含む。直流電源３６は直流回線３３の末端に接続され、直流負荷３５，３７は直流回線３１，３８の末端にそれぞれ接続される。電力変換器２０の交流回路１０側の構成については図１と同じであるので同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
【００３１】
図２に示すように、付加コンデンサＣｓｄは、直流母線３９の各相と大地との間に設けられる。漏電検出装置Ｆｄ１，Ｆｄ２，Ｆｄ３（総称する場合に、漏電検出装置Ｆｄと称する）は、直流回線３３，３１，３８にそれぞれ対応し、対応の直流回線上で直流母線３９に近接した位置に設けられる。
【００３２】
上記の配置によれば、各直流回線に設けられた漏電検出装置Ｆｄによって、いずれの直流回線において漏電が生じているかを検出することができる。
【００３３】
［直流回路の漏電検出原理］
表１は、地絡事故が生じていない健全時に、単相交流用の電力変換器２０の変換動作によって交流回路側および直流回路側に生じる交流電圧（交流電流）の周波数についてまとめたものである。
【００３４】
【表１】
【００３５】
表１に示すように、電力変換器２０の交流回路側には配電系統の基本波の成分と奇数調波の成分とが生じる。電力変換器２０がＰＷＭ方式で電力変換を行なう場合には、基本波の成分とＰＷＭのキャリア周波数の成分とが交流回路側に生じる。一方、電力変換器２０の直流回路側には２ｎ調波（ｎは１以上の整数）の成分が生じる。電力変換器２０がＰＷＭ方式で電力変換を行なう場合には、ＰＷＭのキャリア周波数の成分が直流回路側に生じる。電力変換器２０は双方向の電力変換を行なうので、交流電力を直流電力に変換する順変換の場合と、直流電力を交流電力に変換する逆変換の場合とがあり得るが、いずれの変換動作の場合にも交流回路側と直流回路側との両方に表１に示す周波数の交流電圧（交流電流）が生じる。
【００３６】
直流回路側の地絡事故時には、直流回路側に生じる交流成分が事故電流として地絡事故点と付加コンデンサＣｓｄとの間を大地を介して環流する。一方、交流回路側の地絡事故時には直流回路側に生じる交流成分による事故電流は流れない。実施の形態１の漏電検出装置Ｆｄでは、直流回路側の事故時に特有の周波数の電流が流れるという上述の理由から、電力変換器の変換動作によって直流回路側に生じる交流電流を利用して直流回路の漏電の検出を行なう。すなわち、２ｎ調波の電流成分またはＰＷＭのキャリア周波数の電流成分を用いて直流回路の漏電検出が行なわれる。以下、漏電検出装置Ｆｄで検出される交流電流についてさらに説明する。
【００３７】
図３は、図１の直流回路３０で地絡事故が生じた場合の零相回路を示す図である。図３では、直流回線３１のＰ相電圧線３１Ｐで地絡事故が生じた場合の零相回路が示される。以下では、Ｐ相電圧線３１Ｐで地絡事故が生じた場合について説明するが、Ｎ相電圧線３１Ｎで地絡事故が生じた場合も同様である。
【００３８】
図１で説明したように、電力変換器２０は、直流回路３０側に２ｎ調波（ｎは１以上の整数）の交流零相電圧（コモンモード電圧）Ｖ２ｎおよびＰＷＭのキャリア周波数の交流零相電圧Ｖｃを発生する。Ｐ相電圧線３１Ｐの地絡事故時には、これらの交流零相電圧Ｖ２ｎ，Ｖｃによって生じた交流零相電流Ｉ２ｎ，Ｉｃが、図１の直流母線３９のＰ相電圧線３９Ｐに設けられた付加コンデンサＣｓｄ、大地ＧＮＤ、地絡抵抗Ｒｄｇ、直流回線３１のＰ相電圧線３１Ｐの順に環流する。
【００３９】
図３の零相回路において、対地静電容量Ｃｄを無視するものとすると、零相回路１相あたりの２ｎ調波（ｎは１以上の整数）の交流零相電流Ｉ２ｎは、
Ｉ２ｎ＝Ｖ２ｎ／Ｚｓｄ２ …(1)
のように表わされる。ただし、
Ｚｓｄ２＝２×Ｒｄｇ＋ｊ×１／（２ｎ×ω×Ｃｓｄ） …(2)
である。上式において、虚数単位をｊとし、付加コンデンサＣｓｄの容量をＣｓｄとし、電力系統１の基本波の角周波数をωとしている。ＰＷＭのキャリア周波数による交流零相電流Ｉｃは、上式（１）の交流零相電圧Ｖ２ｎに代えてＶｃを用い、上式（２）の２ｎ×ωに代えてキャリア角周波数ωｃを用いることによって得られる。
【００４０】
交流零相電流Ｉ２ｎ，Ｉｃは、漏電検出装置Ｆｄに設けた変流器４３Ｐまたは零相変流器によって検出することができる。これによって、地絡事故が生じた直流回線を判別することができる。
【００４１】
漏電検出装置Ｆｄによって２ｎ調波の交流電流成分に対して十分な検出感度を得るためには、直流回線の地絡事故時に想定される地絡抵抗Ｒｄｇ（たとえば、１〜５ｋΩ）に対して、付加コンデンサＣｓｄによるインピーダンスの大きさが十分小さいこと（実際上、１桁程度異なること）が望ましい。すなわち、付加コンデンサＣｓｄの容量値をＣとすると、
２×Ｒｄｇ＞＞１／（２ｎ×ω×Ｃ） …(3)
の関係を満たすように設定することが望ましい。ただし、上式（３）において、記号「＞＞」は右辺が左辺に比べて十分に小さいことを表わす。
【００４２】
［検出回路４４の構成および動作］
図４は、検出回路４４の詳細な構成の一例を示すブロック図である。図４では、Ｐ相側の変流器４３Ｐによって交流電流を検出する部分の回路構成が示されているが、Ｎ相側の変流器４３Ｎによる検出回路の構成や、変流器４３Ｐ，４３Ｎに代えて零相変流器を設けた場合の検出回路の構成も同様である。
【００４３】
図４を参照して、検出回路４４は、電流計７１、増幅回路７２、フィルタ回路７３、整流回路７４、比較器７５、および参照電源７６（参照電圧Ｖｒｅｆ）を含む。各構成要素の機能については、以下の検出回路４４の動作説明の中で説明する。
【００４４】
図５は、図４の検出回路４４を用いた漏電検出手順を示すフローチャートである。
図４、図５を参照して、図５のステップＳ１で、変流器４３Ｐと接続された電流計７１によって、交流回線１１を流れる交流電流が測定される。電流計７１によって測定された交流電流信号は増幅回路７２によって増幅される。
【００４５】
次のステップＳ２で、フィルタ回路７３は、増幅回路７２によって増幅された交流電流信号のうち検出すべき特定周波数の信号成分のみを通過させる。この場合、フィルタ回路７３は、電力系統の基本波に対する第２調波の信号成分を通過させるバンドパスフィルタとして構成されてもよいし、ＰＷＭのキャリア周波数の信号成分を通過させるバンドパスフィルタとして構成されてもよいし、これらを組合せたものであってもよい。あるいは、フィルタ回路７３は、基本波よりも周波数の高い信号成分を通過させるハイパスフィルタとして構成されてもよい。
【００４６】
次のステップＳ３で、フィルタ回路７３を通過した信号成分は整流回路７４によって整流される。これによって、フィルタ回路７３を通過した電流信号成分の大きさが検出される。
【００４７】
次のステップＳ４で、比較器７５は、整流回路７４から出力された直流信号が参照電圧Ｖｒｅｆを超えているか否かを判定する。整流回路７４から出力された直流信号が参照電圧Ｖｒｅｆを超えた場合（ステップＳ４でＹＥＳ）、比較器７５はハイレベルの信号を出力する。すなわち、図１の直流回路３０で漏電が生じたことが検出される（ステップＳ５）。この検出回路４４の出力を受けて、図１のブレーカ３２Ｐ，３２Ｎがオフ状態になる。
【００４８】
このように、図４の検出回路４４は、２ｎ調波またはキャリア周波数の交流電流成分の大きさが基準値を超えたことによって漏電を検知する。図４の比較器７５の後段にさらにタイマ回路を設けて、比較器７５がハイレベルの信号を出力する時間を測定するようにしてもよい。この場合、検出回路４４は、特定の周波数の交流電流成分の大きさが所定の基準値を超えた状態が所定の時間継続したことによって漏電と判定する。
【００４９】
検出回路４４の構成は、図４の構成には限定されるものではない。たとえば、変流器４３Ｐ，４３Ｎで検出された交流信号に同期するパルス信号を生成して、生成したパルス信号の周期が基本波の周期の１／２であることによって第２調波であることを確認するようにしてもよい。この場合、変流器４３Ｐまたは４３Ｎで検出された交流信号の大きさが基準値を超え、かつ、生成したパルス信号の周期が基本波の周期の１／２である場合に直流回路３０の漏電が検知される。
【００５０】
＜実施の形態２＞
図６は、この発明の実施の形態２による漏電検出システムが適用される配電系統の構成図である。図６の漏電検出システムは、直流母線３９の各相と大地との間に設けられた付加コンデンサＣｓｄに代えて、交流母線１９の各相と大地との間に付加コンデンサＣｓａが設けられる点で、図１の漏電検出システムと異なる。
【００５１】
さらに、図７の漏電検出システムは、交流回線１１に漏電検出装置Ｆａが設けられる点で図１の漏電検出システムと異なる。漏電検出装置Ｆａは、零相変流器４１と検出回路４２とを含み、好ましくは、電力変換器２０の交流電力の受電点付近に設けられる。検出回路４２として、たとえば、図４に示した構成を用いることができる。図７のその他の構成は、図１の場合と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
【００５２】
図７は、図６の直流回路３０のＰ相電圧線３１Ｐで地絡事故が生じた場合の零相回路を示す図である。
【００５３】
図６、図７を参照して、直流回線３１のＰ相電圧線３１Ｐで地絡事故が生じたとき、電力変換器２０の変換動作によって生じた交流零相電流Ｉ２ｎ，Ｉｃは、事故点と付加コンデンサＣｓａとの間を大地ＧＮＤを介して環流する。このときの交流回路１０側の電流経路は電力変換器２０の動作状態によって異なる。たとえば、スイッチング素子２１ａ，２１ｄがオン状態、スイッチング素子２１ｂ，２１ｃがオフ状態のとき、交流零相電流Ｉ２ｎ，Ｉｃは、直流母線３９のＰ相電圧線３９Ｐ、スイッチング素子２１ａ、交流回線１１のｕ相電圧線１１ｕ、交流母線１９のｕ相電圧線１９ｕ、付加コンデンサＣｓａ、大地ＧＮＤ、地絡抵抗Ｒｄｇ、直流回線３１のＰ相電圧線３１Ｐの順に環流する。
【００５４】
図７において、対地静電容量Ｃａを無視するものとすると、２ｎ調波（ｎは１以上の整数）の交流零相電流Ｉ２ｎは、
Ｉ２ｎ＝Ｖ２ｎ／Ｚｓａ２ …(4)
と表わされる。ただし、
Ｚｓａ２＝２×Ｒｄｇ＋ｊ×１／（２ｎ×ω×Ｃｓａ） …(5)
である。上式では、虚数単位をｊとし、付加コンデンサＣｓａの容量をＣｓａとし、電力系統１の基本波の角周波数をωとしている。ＰＷＭのキャリア周波数による交流零相電流Ｉｃは、上式（４）の交流零相電圧Ｖ２ｎに代えてＶｃを用い、上式（５）の２ｎ×ωに代えてキャリア角周波数ωｃを用いることによって得られる。
【００５５】
交流零相電流Ｉ２ｎ，Ｉｃは、直流回線３１に設けた漏電検出装置Ｆｄおよび交流回線１１に設けた漏電検出装置Ｆａのいずれによっても検出することができる。漏電検出装置Ｆｄによってどの直流回線で漏電が生じているかを判定でき、漏電検出装置Ｆａによって直流回路３０全体での漏電の有無が判定できる。
【００５６】
漏電検出装置Ｆａにおいても、零相変流器４１に代えて相ごとの変流器を設けることは可能である。しかしながら、交流回路１０では、検出すべき特定の周波数の交流電流成分の振幅は各相の基本波の電流成分の振幅に比べてかなり小さいので、特定の交流電流成分のみを取り出すために高精度のフィルタが必要になる。
【００５７】
＜実施の形態３＞
図８は、この発明の実施の形態３による漏電検出システムが適用される配電系統の構成図である。図８の漏電検出システムは、交流母線１９の各相と大地との間に設けられた付加コンデンサＣｓａに代えて、変圧器２の２次側の中性点５ｎと大地との間に付加コンデンサＣ２ｎが設けられる点で、図６の漏電検出システムと異なる。図９のその他の構成は、図６の場合と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
【００５８】
図９は、図８の直流回路３０のＰ相電圧線３１Ｐで地絡事故が生じた場合の零相回路を示す図である。
【００５９】
図８、図９を参照して、直流回線３１のＰ相電圧線３１Ｐで地絡事故が生じたとき、電力変換器２０の変換動作によって生じた交流零相電流Ｉ２ｎ，Ｉｃは、事故点と付加コンデンサＣ２ｎとの間を大地ＧＮＤを介して環流する。たとえば、スイッチング素子２１ａ，２１ｄがオン状態、スイッチング素子２１ｂ，２１ｃがオフ状態のとき、交流零相電流Ｉ２ｎ，Ｉｃは、直流母線３９のＰ相電圧線３９Ｐ、スイッチング素子２１ａ、交流回線１１のｕ相電圧線１１ｕ、交流母線１９のｕ相電圧線１９ｕ、変圧器２の中性点５ｎ、付加コンデンサＣ２ｎ、大地ＧＮＤ、地絡抵抗Ｒｄｇ、直流回線３１のＰ相電圧線３１Ｐの順に環流する。
【００６０】
図９の零相回路において、対地静電容量Ｃａを無視するものとすると、２ｎ調波（ｎは１以上の整数）の交流零相電流Ｉ２ｎは、
Ｉ２ｎ＝Ｖ２ｎ／Ｚ２ｎ …(6)
と表わされる。ただし、
Ｚ２ｎ＝｛Ｒｄｇ＋ｊ×１／（２ｎ×ω×Ｃ２ｎ）｝×２ …(7)
である。上式において、虚数単位をｊとし、付加コンデンサＣ２ｎの容量をＣ２ｎとし、電力系統１の基本波の角周波数をωとしている。ＰＷＭのキャリア周波数による交流零相電流Ｉｃは、上式（６）の交流零相電圧Ｖ２ｎに代えてＶｃを用い、上式（７）の２ｎ×ωに代えてキャリア角周波数ωｃを用いることによって得られる。
【００６１】
交流零相電流Ｉ２ｎ，Ｉｃは、直流回線３１に設けた漏電検出装置Ｆｄおよび交流回線１１に設けた漏電検出装置Ｆａのいずれによっても検出することができる。
【００６２】
＜実施の形態４＞
実施の形態１〜３では、非接地の単相交流回路１０に電力変換器２０を介して直流回路３０が接続される場合を示したが、交流回路が三相の場合も同様の漏電検出システムを適用することができる。
【００６３】
図１０は、この発明の実施の形態４による漏電検出システムが適用される配電系統の構成図である。図１０の配電系統は、非接地の三相交流回路１１０と、直流回路３０と、三相交流回路１１０と直流回路とを接続する双方向の電力変換器１２０とを含む。三相交流回路１１０は、三相変圧器１０２を介して上位の電力系統１０１と接続される。三相変圧器１０２の２次側は非接地である。直流回路３０の構成は実施の形態１〜３の場合と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
【００６４】
交流回路１１０は、三相三線式の配電線路として、変圧器２の２次側に接続された交流母線と交流母線から分岐する複数の交流回線とを含む。図１０には、配電線路として、変圧器１０２の２次側に接続された交流母線１９（ｕ相電圧線１９ｕ、ｖ相電圧線１９ｖ、ｗ相電圧線１９ｗ）と、交流母線１９と電力変換器１２０とを接続する交流回線１１（ｕ相電圧線１１ｕ、ｖ相電圧線１１ｖ、ｗ相電圧線１１ｗ）とが図示されている。交流回線１１の電圧線１１ｕ，１１ｖ，１１ｗにはブレーカ１２ｕ、１２ｖ，１２ｗがそれぞれ設けられる。交流回線１１のｕ相、ｖ相、ｗ相の各電圧線は対地静電容量（浮遊容量）Ｃａを有する。
【００６５】
電力変換器１２０は、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子２１ａ〜２１ｆと、平滑用のリアクトル２２と、平滑用のコンデンサ２３とを含む。スイッチング素子２１ａ〜２１ｆによって三相ブリッジ回路が構成される。より詳しくは、スイッチング素子２１ａ，２１ｂはこの順で正極側のノード２４Ｐと負極側のノード２４Ｎとの間に接続され、スイッチング素子２１ａ，２１ｂの接続ノードにｕ相電圧線１１ｕが接続される。スイッチング素子２１ｃ，２１ｄはこの順で正極側のノード２４Ｐと負極側のノード２４Ｎとの間に接続され、スイッチング素子２１ｃ，２１ｄの接続ノードにｖ相電圧線１１ｖが接続される。スイッチング素子２１ｅ，２１ｆはこの順で正極側のノード２４Ｐと負極側のノード２４Ｎとの間に接続され、スイッチング素子２１ｅ，２１ｆの接続ノードにｖ相電圧線１１ｖが接続される。平滑用のリアクトル２２は正極側のノード２４ＰとＰ相電圧線３１Ｐ，３３Ｐとの間に接続され、平滑用のコンデンサ２３はリアクトル２２と負極側のノード２４Ｎとの間に接続される。
【００６６】
電力変換器１２０は、各スイッチング素子のスイッチングのタイミングが制御部（図示省略）によって制御されることによって、双方向の電力変換器として動作する。すなわち、電力変換器１２０は、三相交流電力を直流電力に変換する場合には全波整流回路として動作し、直流電力を三相交流電力に変換する場合にはインバータ回路として動作する。
【００６７】
直流回路３０の漏電を検出する漏電検出システムとして、直流母線３９のＰ相、Ｎ相の各電圧線と大地との間に付加コンデンサＣｓｄがそれぞれ設けられるとともに、漏電検出装置Ｆｄが直流回線３１に設けられる。付加コンデンサＣｓｄおよび漏電検出装置Ｆｄについては実施の形態１の場合と同様であるので説明を繰返さない。
【００６８】
表２は、三相交流用の電力変換器１２０の変換動作によって健全時に交流回路側および直流回路側に生じる交流電圧（交流電流）の周波数についてまとめたものである。
【００６９】
【表２】
【００７０】
表２に示すように、電力変換器１２０の交流回路側には配電系統の基本波の成分と奇数調波の成分とが生じる。ただし、三相交流回路の対称性のために奇数調波のうち３ｎ調波（ｎは１以上の整数）の成分は生じない。電力変換器１２０がＰＷＭ方式で電力変換を行なう場合には、基本波の成分とＰＷＭのキャリア周波数の成分とが交流回路側に生じる。一方、電力変換器１２０の直流回路側には３ｎ調波（ｎは１以上の整数）の成分が生じる。３ｎ調波の成分は、電力変換器１２０が三相全波整流回路として動作する場合のリップルに相当する成分である。電力変換器１２０がＰＷＭ方式で電力変換を行なう場合には、ＰＷＭのキャリア周波数の成分が直流回路側に生じる。電力変換器１２０は双方向の電力変換を行なうので順変換と逆変換とがあり得るが、いずれの変換動作の場合にも交流回路側と直流回路側との両方に表２に示す周波数の交流電圧（交流電流）が生じる。
【００７１】
直流回路側の地絡事故時には、直流回路側に生じる交流成分が事故電流として地絡事故点と付加コンデンサＣｓｄとの間を大地を介して環流する。一方、交流回路側の地絡事故時には直流回路側に生じる交流成分による事故電流は流れない。実施の形態４の漏電検出装置Ｆｄでは、直流回路側の事故時に特有の周波数の電流が流れるという上述の理由から、電力変換器の変換動作によって直流回路側に生じる交流電流を利用して直流回路の漏電の検出を行なう。すなわち、３ｎ調波の交流零相電圧Ｖ３ｎまたはＰＷＭのキャリア周波数の交流零相電圧Ｖｃによって生じた交流零相電流Ｉ３ｎまたはＩｃを利用して直流回路の漏電検出を行なう。
【００７２】
具体的に図１０のＰ相電圧線３１Ｐの地絡事故時には、直流母線３９のＰ相電圧線３９Ｐ、付加コンデンサＣｓｄ、大地ＧＮＤ、地絡抵抗Ｒｄｇ、直流回線３１のＰ相電圧線３１Ｐの順に環流する。したがって、漏電検出装置Ｆｄに設けた変流器４３Ｐまたは零相変流器によって交流零相電流Ｉ３ｎ，Ｉｃを検出することによって、地絡事故が生じた直流回線を判別することができる。
【００７３】
Ｐ相電圧線３１Ｐの地絡事故時における零相回路は、図３において、２ｎ調波の交流零相電圧Ｖ２ｎを、３ｎ調波の交流零相電圧Ｖ３ｎに置換えたものである。対地静電容量Ｃｄを無視するものとすると、３ｎ調波（ｎは１以上の整数）の交流零相電流Ｉ３ｎは、
Ｉ３ｎ＝Ｖ３ｎ／Ｚｓｄ３ …(8)
のように表わされる。ただし、
Ｚｓｄ３＝２×Ｒｄｇ＋ｊ×１／（３ｎ×ω×Ｃｓｄ） …(9)
である。上式では、虚数単位をｊとし、付加コンデンサＣｓｄの容量をＣｓｄとし、電力系統１の基本波の角周波数をωとしている。ＰＷＭのキャリア周波数による交流零相電流は、上式（８）の交流零相電圧Ｖ３ｎに代えてＶｃを用い、上式（９）の３ｎ×ωに代えてキャリア角周波数ωｃを用いることによって得られる。
【００７４】
＜実施の形態５＞
図１１は、この発明の実施の形態５による漏電検出システムが適用される配電系統の構成図である。図１１の漏電検出システムは、直流母線３９の各相と大地との間に設けられた付加コンデンサＣｓｄに代えて、交流母線１９の各相と大地との間に付加コンデンサＣｓａが設けられる点で、図１０の漏電検出システムと異なる。さらに、図１１の漏電検出システムは、交流回線１１に設けられた漏電検出装置Ｆａを含む点で図１の漏電検出システムと異なる。漏電検出装置Ｆａの構成は実施の形態２の場合と同じである。
【００７５】
直流回線３１のＰ相電圧線３１Ｐで地絡事故が生じたとき、電力変換器２０の変換動作によって生じた交流零相電流Ｉ３ｎ，Ｉｃは、事故点と付加コンデンサＣｓａとの間を大地ＧＮＤを介して環流する。たとえば、スイッチング素子２１ａ，２１ｄがオン状態、その他のスイッチング素子２１ｂ，２１ｃ，２１ｅ，２１ｆがオフ状態のとき、交流零相電流Ｉ３ｎ，Ｉｃは、直流母線３９のＰ相電圧線３９Ｐ、スイッチング素子２１ａ、交流回線１１のｕ相電圧線１１ｕ、交流母線１９のｕ相電圧線１９ｕ、付加コンデンサＣｓａ、大地ＧＮＤ、地絡抵抗Ｒｄｇ、直流回線３１のＰ相電圧線３１Ｐの順に環流する。
【００７６】
Ｐ相電圧線３１Ｐの地絡事故時の零相回路は、図７において、２ｎ調波の交流零相電圧Ｖ２ｎを３ｎ調波の交流零相電圧Ｖ３ｎに置換え、地絡抵抗２×Ｒｄｇを３×Ｒｄｇに置換えたものである。対地静電容量Ｃａを無視するものとすると、３ｎ調波（ｎは１以上の整数）の交流零相電流Ｉ３ｎは、
Ｉ３ｎ＝Ｖ３ｎ／Ｚｓａ３ …(10)
と表わされる。ただし、
Ｚｓａ３＝３×Ｒｄｇ＋ｊ×１／（３ｎ×ω×Ｃｓａ） …(11)
である。上式において、虚数単位をｊとし、付加コンデンサＣｓａの容量をＣｓａとし、電力系統１の基本波の角周波数をωとしている。ＰＷＭのキャリア周波数による交流零相電流Ｉｃは、上式（１０）の交流零相電圧Ｖ３ｎに代えてＶｃを用い、上式（１１）の３ｎ×ωに代えてキャリア角周波数ωｃを用いることによって得られる。交流零相電流Ｉ３ｎ，Ｉｃは、直流回線３１に設けた漏電検出装置Ｆｄおよび交流回線１１に設けた漏電検出装置Ｆａのいずれによっても検出することができる。
【００７７】
＜実施の形態６＞
図１２は、この発明の実施の形態６による漏電検出システムが適用される配電系統の構成図である。図１２の漏電検出システムは、交流母線１９の各相と大地との間に設けられた付加コンデンサＣｓａに代えて、変圧器１０２の２次側の中性点１０５ｎと大地とのに付加コンデンサＣ３ｎが設けられる点で、図１１の漏電検出システムと異なる。図１２のその他の構成は、図１１の場合と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
【００７８】
直流回線３１のＰ相電圧線３１Ｐで地絡事故が生じたとき、電力変換器２０の変換動作によって生じた交流零相電流Ｉ３ｎ，Ｉｃは、事故点と付加コンデンサＣ３ｎとの間を大地ＧＮＤを介して環流する。たとえば、スイッチング素子２１ａ，２１ｄがオン状態、その他のスイッチング素子２１ｂ，２１ｃ，２１ｅ，２１ｆがオフ状態のとき、交流零相電流Ｉ３ｎ，Ｉｃは、直流母線３９のＰ相電圧線３９Ｐ、スイッチング素子２１ａ、交流回線１１のｕ相電圧線１１ｕ、交流母線１９のｕ相電圧線１９ｕ、変圧器１０２の中性点１０５ｎ、付加コンデンサＣ３ｎ、大地ＧＮＤ、地絡抵抗Ｒｄｇ、直流回線３１のＰ相電圧線３１Ｐの順に環流する。
【００７９】
Ｐ相電圧線３１Ｐの地絡事故時の零相回路は、図９において、２ｎ調波の交流零相電圧Ｖ２ｎを、３ｎ調波の交流零相電圧Ｖ３ｎに置換え、付加コンデンサ（１／２）×Ｃ２ｎを（１／３）×Ｃ３ｎに置換え、地絡抵抗２×Ｒｄｇを３×Ｒｄｇに置換えたものである。対地静電容量Ｃａを無視するものとすると、３ｎ調波（ｎは１以上の整数）の交流零相電流Ｉ３ｎは、
Ｉ３ｎ＝Ｖ３ｎ／Ｚ３ｎ …(12)
と表わされる。ただし、
Ｚ３ｎ＝｛Ｒｄｇ＋ｊ×１／（３ｎ×ω×Ｃ３ｎ）｝×３ …(13)
である。上式において、虚数単位をｊとし、付加コンデンサＣ３ｎの容量をＣ３ｎとし、電力系統１の基本波の角周波数をωとしている。ＰＷＭのキャリア周波数による交流零相電流Ｉｃは、上式（１２）の交流零相電圧Ｖ３ｎに代えてＶｃを用い、上式（１３）の３ｎ×ωに代えてキャリア角周波数ωｃを用いることによって得られる。交流零相電流Ｉ３ｎ，Ｉｃは、直流回線３１に設けた漏電検出装置Ｆｄおよび交流回線１１に設けた漏電検出装置Ｆａのいずれによって検出することができる。
【００８０】
上記の各実施の形態では、付加コンデンサは、直流母線３９の各相と大地との間、交流母線１９の各相と大地との間、および変圧器２，１０２の２次側の中性点と大地との間のいずれかに設置されていたが、これらを組合わせてもよい。この場合、漏電検出装置は付加コンデンサと地絡事故点との間を大地を介して循環する交流零相電流を検出するものであるので、付加コンデンサの接地箇所と想定される地絡事故点との間の電流経路に漏電検出装置を設置する必要がある。
【００８１】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００８２】
１，１０１ 電力系統、２，１０２ 変圧器、５ｎ，１０５ｎ 中性点、１０ 単相交流回路、１１ 交流回線、１１ｎ，１９ｎ 中性線、１１ｕ，１９ｕ ｕ相電圧線、１１ｖ，１９ｖ ｖ相電圧線、１１ｗ，１９ｗ ｗ相電圧線、３１Ｐ，３９Ｐ Ｐ相電圧線、３１Ｎ，３９Ｎ Ｎ相電圧線、１９ 交流母線、２０，１２０ 電力変換器、３０ 直流回路、３１，３３，３８ 直流回線、３９ 直流母線、４１ 零相変流器、４２，４４ 検出回路、４３Ｎ，４３Ｐ 変流器、１１０ 三相交流回路、Ｃ２ｎ，Ｃ３ｎ，Ｃｓａ，Ｃｓｄ 付加コンデンサ、Ｃａ，Ｃｄ 対地静電容量、Ｆａ，Ｆｄ 漏電検出装置、ＧＮＤ 大地、Ｉ２ｎ，Ｉ３ｎ，Ｉｃ 交流零相電流、Ｒｄｇ 地絡抵抗、Ｖ２ｎ，Ｖ３ｎ，Ｖｃ 交流零相電圧。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、非接地の交流回路に電力変換器を介して接続された非接地の直流回路の漏電を検出するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非接地の交流回路に電力変換器を介して接続された非接地の直流回路では、地絡事故が発生しても非常に小さな電流しか流れない。現状は、直流母線の各相を高抵抗で接地して地絡電流の環流経路を確保し、直流母線から分岐した各直流回線に地絡電流検出装置を設置することによって各直流回線の漏電を検出している。
【０００３】
直流回線に流れる地絡電流を検出する装置として、たとえば、特許第３２５１２４８号公報（特許文献１）に記載された直流地絡電流検出装置が知られている。この装置は、第１および第２鉄心と帰還回路と継電器とを含む。帰還回路には、第１および第２鉄心に地絡電流と等しい逆方向の補正電流をその補正電流と地絡電流との和が零となるまで流し続ける電線が装着されている。継電器は、補正電流と地絡電流との和が零となった時点で帰還回路に流れる補正電流を検出レベルと比較することによって地絡発生を検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３２５１２４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の文献に記載された直流地絡電流検出装置は、微小な直流地絡電流を検出できるようにするために、複雑で高価なものになっている。
【０００６】
この発明の目的は、非接地の交流回路に電力変換器を介して接続された非接地の直流回路の漏電を、従来に比べて簡単かつ低コストで検出するシステムおよび方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は要約すれば、非接地の交流回路に電力変換器を介して接続された非接地の直流回路の漏電検出システムであって、コンデンサと漏電検出装置と備える。ここで、交流回路は、２次側が非接地の変圧器を介して上位の電力系統と接続される。コンデンサは、直流回路の配電線路の各相と大地との間、または交流回路の配電線路の各相と大地との間、または変圧器の２次側の中性点と大地との間に設けられる。漏電検出装置は、コンデンサの設置箇所と直流回路の想定される地絡事故点との間の電流経路に設けられる。漏電検出装置は、この電流経路を流れる交流電流を検出する交流電流センサと、判定部とを含む。判定部は、交流電流センサによって検出された交流電流のうち、電力変換器の変換動作によって直流回路側に生じる交流電圧の周波数と同じ周波数の電流成分に基づいて直流回路の漏電の有無を判定する。
【０００８】
好ましくは、交流回路は単相回路であり、上記の電流成分は、電力系統の基本波に対する２ｎ調波（ｎは１以上の整数）の電流である。
【０００９】
もしくは、交流回路は三相回路であり、上記の電流成分は、電力系統の基本波に対する３ｎ調波（ｎは１以上の整数）の電流である。
【００１０】
もしくは、電力変換器は、パルス幅変調方式によって電力変換を行ない、上記の電流成分は、パルス幅変調に用いる搬送波の周波数を有する。
【００１１】
好ましくは、直流回路の配電線路は、電力変換器に接続された直流母線と、直流母線から分岐された複数の直流回線とを含む。この場合、漏電検出装置は、複数の直流回線の各々に設けられる。コンデンサは、直流母線の各相と大地との間に設けられる。
【００１２】
上記のように直流回路の配電線路が直流母線と直流回線とを含む場合において、好ましくは、交流回路の配電線路は、変圧器の２次側に接続された交流母線と、交流母線と電力変換器とを接続する交流回線とを含む。この場合、漏電検出装置は、複数の直流回線の各々に設けられる。コンデンサは、変圧器の２次側の中性点と大地との間または交流母線の各相と大地との間に設けられる。
【００１３】
上記の場合において、交流電流センサは、対応の直流回線に設けられた零相変流器または対応の直流回線の各相に設けられた変流器である。
【００１４】
好ましくは、交流回路の配電線路は、変圧器に接続された交流母線と、交流母線と電力変換器とを接続する交流回線とを含む。この場合、漏電検出装置は、交流回線に設けられる。コンデンサは、変圧器の２次側の中性点と大地との間または交流母線の各相と大地との間に設けられる。
【００１５】
上記の場合において、交流電流センサは、交流回線に設けられた零相変流器である。
好ましくは、判定部は、上記の電流成分の大きさが所定の基準値を超えた場合に漏電と判定する。
【００１６】
もしくは、判定部は、上記の電流成分の大きさが所定の基準値を超えた状態が所定の時間継続した場合に漏電と判定する。
【００１７】
この発明は他の局面において、非接地の交流回路に電力変換器を介して接続された非接地の直流回路の漏電検出方法である。ここで、交流回路は、２次側が非接地の変圧器を介して上位の電力系統と接続される。この発明による直流回路の漏電検出方法は、直流回路の配電線路の各相と大地との間、または交流回路の配電線路の各相と大地との間、または変圧器の２次側の中性点と大地との間にコンデンサを設置するステップと、コンデンサの設置箇所と直流回路の想定される地絡事故点との間の電流経路における交流電流を検出するステップと、検出された交流電流のうち、電力変換器の変換動作によって直流回路側に生じる交流電圧の周波数と同じ周波数の電流成分に基づいて直流回路の漏電の有無を判定するステップとを備える。
【発明の効果】
【００１８】
この発明によれば、配電系統と大地との間にコンデンサを設けるとともに、電力変換器の変換動作によって直流回路側に生じる交流電圧の周波数と同じ周波数の電流成分を検出することによって、従来に比べて簡単かつ低コストに直流回路の漏電を検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】この発明の実施の形態１による漏電検出システムが適用される配電系統の構成図である。
【図２】図１の配電系統において漏電検出装置Ｆｄの配置についてさらに説明するための図である。
【図３】図１の直流回路３０で地絡事故が生じた場合の零相回路を示す図である。
【図４】検出回路４４の詳細な構成の一例を示すブロック図である。
【図５】図４の検出回路４４を用いた漏電検出手順を示すフローチャートである。
【図６】この発明の実施の形態２による漏電検出システムが適用される配電系統の構成図である。
【図７】図６の直流回路３０のＰ相電圧線３１Ｐで地絡事故が生じた場合の零相回路を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態３による漏電検出システムが適用される配電系統の構成図である。
【図９】図８の直流回路３０のＰ相電圧線３１Ｐで地絡事故が生じた場合の零相回路を示す図である。
【図１０】この発明の実施の形態４による漏電検出システムが適用される配電系統の構成図である。
【図１１】この発明の実施の形態５による漏電検出システムが適用される配電系統の構成図である。
【図１２】この発明の実施の形態６による漏電検出システムが適用される配電系統の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、この発明の各実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。
【００２１】
＜実施の形態１＞
［漏電検出システムの構成］
図１は、この発明の実施の形態１による漏電検出システムが適用される配電系統の構成図である。図１の配電系統は、非接地の単相交流回路１０と、非接地の直流回路３０と、単相交流回路１０と直流回路３０とを接続する双方向の電力変換器２０（パワーコンディショナ）とを含む。交流回路１０は、単相変圧器２を介して上位の電力系統１と接続される。変圧器２の２次側は非接地である。
【００２２】
交流回路１０は、単相三線式の配電線路として、変圧器２の２次側に接続された交流母線と交流母線から分岐する複数の交流回線とを含む。図１には交流母線１９（ｕ相電圧線１９ｕ、ｖ相電圧線１９ｖ、中性線１９ｎ）と、交流母線１９と電力変換器２０とを接続する交流回線１１（ｕ相電圧線１１ｕ、ｖ相電圧線１１ｖ、中性線１１ｎ）とが図示されている。交流回線１１の電圧線１１ｕ，１１ｖにはブレーカ１２ｕ、１２ｖがそれぞれ設けられる。交流回線１１のｕ相、ｖ相の各電圧線は対地静電容量（浮遊容量）Ｃａを有する。
【００２３】
直流回路３０は、配電線路（図２の参照符号２９）と、直流負荷３５と、ブレーカ３２Ｐ，３２Ｎとを含む。直流回路３０の配電線路は、電力変換器２０に接続される直流母線と直流母線から分岐する複数の直流回線とを有する。図１には、配電線路として、直流母線３９（Ｐ相電圧線３９Ｐ、Ｎ相電圧線３９Ｎ）と、直流母線３９と直流負荷３５とを接続する直流回線３１（Ｐ相電圧線３１Ｐ、Ｎ相電圧線３１Ｎ）とが図示されている。この明細書では、直流回路の配電線路の正極側をＰ相と称し、負極側をＮ相と称する。直流回線３１のＰ相、Ｎ相の各電圧線は対地静電容量（浮遊容量）Ｃｄを有する。ブレーカ３２ＰはＰ相電圧線３１Ｐに設けられ、ブレーカ３２ＮはＮ相電圧線３１Ｎに設けられる。
【００２４】
電力変換器２０は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ：Insulated Gate Bipolar Transistor）などのスイッチング素子２１ａ〜２１ｄと、平滑用のリアクトル２２と、平滑用のコンデンサ２３とを含む。スイッチング素子２１ａ〜２１ｄによって単相ブリッジ回路が構成される。より詳しくは、スイッチング素子２１ａ，２１ｂはこの順で正極側のノード２４Ｐと負極側のノード２４Ｎとの間に接続され、スイッチング素子２１ａ，２１ｂの接続ノードにｕ相電圧線１１ｕが接続される。スイッチング素子２１ｃ，２１ｄはこの順で正極側のノード２４Ｐと負極側のノード２４Ｎとの間に接続され、スイッチング素子２１ｃ，２１ｄの接続ノードにｖ相電圧線１１ｖが接続される。平滑用のリアクトル２２は正極側のノード２４ＰとＰ相電圧線３１Ｐ，３３Ｐとの間に接続され、平滑用のコンデンサ２３はリアクトル２２と負極側のノード２４Ｎとの間に接続される。
【００２５】
電力変換器２０は、各スイッチング素子のスイッチングのタイミングが制御部（図示省略）によって制御されることによって、双方向の電力変換器として動作する。すなわち、電力変換器２０は、交流電力を直流電力に変換する場合には全波整流回路として動作し、直流電力を交流電力に変換する場合にはインバータ回路として動作する。たとえば、直流回路３０に直流負荷３５の他に太陽電池などの直流電源が設けられている場合に、直流負荷３５の消費電力が直流電源の発電電力よりも大きいときは、不足分に相当する交流電力が電力変換器２０によって直流電力に変換されて直流回路３０に供給される。逆に直流電源の発電電力が直流負荷３５の消費電力よりも大きいときには、余剰の直流電力が電力変換器２０によって交流電力に変換されて交流回路１０に供給される。
【００２６】
直流回路３０の漏電を検出する漏電検出システムとして、図１の直流母線３９のＰ相、Ｎ相の各電圧線と大地との間に付加コンデンサＣｓｄがそれぞれ設けられる。付加コンデンサＣｓｄによって、漏電時に交流零相電流を大地を介して環流させることができる。
【００２７】
漏電検出システムとして、さらに、漏電検出装置Ｆｄが直流回線３１に設けられる。漏電検出装置Ｆｄは、電力変換器２０の変換動作によって生じた特定周波数の交流電流成分を検出する。具体的には、漏電検出装置Ｆｄは、電力変換器２０が全波整流回路として動作する場合のリップルに相当する第２調波電流または偶数調波電流を検出する。さらに、漏電検出装置Ｆｄは、電力変換器２０がＰＷＭ（パルス幅変調：Pulse Width Modulation）方式の電力変換器として動作する場合に生じるＰＷＭのキャリア周波数の電流成分を検出する。
【００２８】
漏電検出装置Ｆｄは、変流器（ＣＴ：Current Transformer）４３Ｐ，４３Ｎと検出回路４４とを含む。変流器４３ＰはＰ相電圧線３１Ｐに設けられ、変流器４３ＮはＮ相電圧線３１Ｎに設けられる。検出回路４４は、変流器４３Ｐ，４３Ｎによって検出された交流電流に基づいて直流回路３０での漏電の発生を検出する。たとえば、検出回路４４は、変流器４３Ｐによって検出された交流電流のうち第２調波電流成分の大きさが所定の基準値を超えたことによって、正極側の電圧線３１Ｐの漏電を検知する。また、検出回路４４は、変流器４３Ｎによって検出された交流電流のうち第２調波電流成分の大きさが所定の基準値を超えたことによって、負極側の電圧線３１Ｎの漏電を検知する。各相の変流器４３Ｐ，４３Ｎに代えて、零相変流器（ＺＣＴ：Zero-phase Current Transformer）を設けてもよい。ただし、零相変流器（ＺＣＴ）の場合には、正極側のＰ相電圧線で漏電が発生した場合と負極側のＮ相電圧線で漏電が発生した場合とを区別することができない。検出回路４４の詳細な構成については、図４、図５を参照して後述する。
【００２９】
図２は、図１の配電系統において漏電検出装置Ｆｄの配置についてさらに説明するための図である。
【００３０】
図２を参照して、直流回路３０の配電線路２９は、電力変換器２０に接続された直流母線３９と、直流母線３９から分岐された直流回線３１，３３，３８と、太陽電池などの直流電源３６と、直流負荷３５，３７とを含む。直流電源３６は直流回線３３の末端に接続され、直流負荷３５，３７は直流回線３１，３８の末端にそれぞれ接続される。電力変換器２０の交流回路１０側の構成については図１と同じであるので同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
【００３１】
図２に示すように、付加コンデンサＣｓｄは、直流母線３９の各相と大地との間に設けられる。漏電検出装置Ｆｄ１，Ｆｄ２，Ｆｄ３（総称する場合に、漏電検出装置Ｆｄと称する）は、直流回線３３，３１，３８にそれぞれ対応し、対応の直流回線上で直流母線３９に近接した位置に設けられる。
【００３２】
上記の配置によれば、各直流回線に設けられた漏電検出装置Ｆｄによって、いずれの直流回線において漏電が生じているかを検出することができる。
【００３３】
［直流回路の漏電検出原理］
表１は、地絡事故が生じていない健全時に、単相交流用の電力変換器２０の変換動作によって交流回路側および直流回路側に生じる交流電圧（交流電流）の周波数についてまとめたものである。
【００３４】
【表１】
【００３５】
表１に示すように、電力変換器２０の交流回路側には配電系統の基本波の成分と奇数調波の成分とが生じる。電力変換器２０がＰＷＭ方式で電力変換を行なう場合には、基本波の成分とＰＷＭのキャリア周波数の成分とが交流回路側に生じる。一方、電力変換器２０の直流回路側には２ｎ調波（ｎは１以上の整数）の成分が生じる。電力変換器２０がＰＷＭ方式で電力変換を行なう場合には、ＰＷＭのキャリア周波数の成分が直流回路側に生じる。電力変換器２０は双方向の電力変換を行なうので、交流電力を直流電力に変換する順変換の場合と、直流電力を交流電力に変換する逆変換の場合とがあり得るが、いずれの変換動作の場合にも交流回路側と直流回路側との両方に表１に示す周波数の交流電圧（交流電流）が生じる。
【００３６】
直流回路側の地絡事故時には、直流回路側に生じる交流成分が事故電流として地絡事故点と付加コンデンサＣｓｄとの間を大地を介して環流する。一方、交流回路側の地絡事故時には直流回路側に生じる交流成分による事故電流は流れない。実施の形態１の漏電検出装置Ｆｄでは、直流回路側の事故時に特有の周波数の電流が流れるという上述の理由から、電力変換器の変換動作によって直流回路側に生じる交流電流を利用して直流回路の漏電の検出を行なう。すなわち、２ｎ調波の電流成分またはＰＷＭのキャリア周波数の電流成分を用いて直流回路の漏電検出が行なわれる。以下、漏電検出装置Ｆｄで検出される交流電流についてさらに説明する。
【００３７】
図３は、図１の直流回路３０で地絡事故が生じた場合の零相回路を示す図である。図３では、直流回線３１のＰ相電圧線３１Ｐで地絡事故が生じた場合の零相回路が示される。以下では、Ｐ相電圧線３１Ｐで地絡事故が生じた場合について説明するが、Ｎ相電圧線３１Ｎで地絡事故が生じた場合も同様である。
【００３８】
図１で説明したように、電力変換器２０は、直流回路３０側に２ｎ調波（ｎは１以上の整数）の交流零相電圧（コモンモード電圧）Ｖ２ｎおよびＰＷＭのキャリア周波数の交流零相電圧Ｖｃを発生する。Ｐ相電圧線３１Ｐの地絡事故時には、これらの交流零相電圧Ｖ２ｎ，Ｖｃによって生じた交流零相電流Ｉ２ｎ，Ｉｃが、図１の直流母線３９のＰ相電圧線３９Ｐに設けられた付加コンデンサＣｓｄ、大地ＧＮＤ、地絡抵抗Ｒｄｇ、直流回線３１のＰ相電圧線３１Ｐの順に環流する。
【００３９】
図３の零相回路において、対地静電容量Ｃｄを無視するものとすると、零相回路１相あたりの２ｎ調波（ｎは１以上の整数）の交流零相電流Ｉ２ｎは、
Ｉ２ｎ＝Ｖ２ｎ／Ｚｓｄ２ …(1)
のように表わされる。ただし、
Ｚｓｄ２＝２×Ｒｄｇ＋ｊ×１／（２ｎ×ω×Ｃｓｄ） …(2)
である。上式において、虚数単位をｊとし、付加コンデンサＣｓｄの容量をＣｓｄとし、電力系統１の基本波の角周波数をωとしている。ＰＷＭのキャリア周波数による交流零相電流Ｉｃは、上式（１）の交流零相電圧Ｖ２ｎに代えてＶｃを用い、上式（２）の２ｎ×ωに代えてキャリア角周波数ωｃを用いることによって得られる。
【００４０】
交流零相電流Ｉ２ｎ，Ｉｃは、漏電検出装置Ｆｄに設けた変流器４３Ｐまたは零相変流器によって検出することができる。これによって、地絡事故が生じた直流回線を判別することができる。
【００４１】
漏電検出装置Ｆｄによって２ｎ調波の交流電流成分に対して十分な検出感度を得るためには、直流回線の地絡事故時に想定される地絡抵抗Ｒｄｇ（たとえば、１〜５ｋΩ）に対して、付加コンデンサＣｓｄによるインピーダンスの大きさが十分小さいこと（実際上、１桁程度異なること）が望ましい。すなわち、付加コンデンサＣｓｄの容量値をＣとすると、
２×Ｒｄｇ＞＞１／（２ｎ×ω×Ｃ） …(3)
の関係を満たすように設定することが望ましい。ただし、上式（３）において、記号「＞＞」は右辺が左辺に比べて十分に小さいことを表わす。
【００４２】
［検出回路４４の構成および動作］
図４は、検出回路４４の詳細な構成の一例を示すブロック図である。図４では、Ｐ相側の変流器４３Ｐによって交流電流を検出する部分の回路構成が示されているが、Ｎ相側の変流器４３Ｎによる検出回路の構成や、変流器４３Ｐ，４３Ｎに代えて零相変流器を設けた場合の検出回路の構成も同様である。
【００４３】
図４を参照して、検出回路４４は、電流計７１、増幅回路７２、フィルタ回路７３、整流回路７４、比較器７５、および参照電源７６（参照電圧Ｖｒｅｆ）を含む。各構成要素の機能については、以下の検出回路４４の動作説明の中で説明する。
【００４４】
図５は、図４の検出回路４４を用いた漏電検出手順を示すフローチャートである。
図４、図５を参照して、図５のステップＳ１で、変流器４３Ｐと接続された電流計７１によって、交流回線１１を流れる交流電流が測定される。電流計７１によって測定された交流電流信号は増幅回路７２によって増幅される。
【００４５】
次のステップＳ２で、フィルタ回路７３は、増幅回路７２によって増幅された交流電流信号のうち検出すべき特定周波数の信号成分のみを通過させる。この場合、フィルタ回路７３は、電力系統の基本波に対する第２調波の信号成分を通過させるバンドパスフィルタとして構成されてもよいし、ＰＷＭのキャリア周波数の信号成分を通過させるバンドパスフィルタとして構成されてもよいし、これらを組合せたものであってもよい。あるいは、フィルタ回路７３は、基本波よりも周波数の高い信号成分を通過させるハイパスフィルタとして構成されてもよい。
【００４６】
次のステップＳ３で、フィルタ回路７３を通過した信号成分は整流回路７４によって整流される。これによって、フィルタ回路７３を通過した電流信号成分の大きさが検出される。
【００４７】
次のステップＳ４で、比較器７５は、整流回路７４から出力された直流信号が参照電圧Ｖｒｅｆを超えているか否かを判定する。整流回路７４から出力された直流信号が参照電圧Ｖｒｅｆを超えた場合（ステップＳ４でＹＥＳ）、比較器７５はハイレベルの信号を出力する。すなわち、図１の直流回路３０で漏電が生じたことが検出される（ステップＳ５）。この検出回路４４の出力を受けて、図１のブレーカ３２Ｐ，３２Ｎがオフ状態になる。
【００４８】
このように、図４の検出回路４４は、２ｎ調波またはキャリア周波数の交流電流成分の大きさが基準値を超えたことによって漏電を検知する。図４の比較器７５の後段にさらにタイマ回路を設けて、比較器７５がハイレベルの信号を出力する時間を測定するようにしてもよい。この場合、検出回路４４は、特定の周波数の交流電流成分の大きさが所定の基準値を超えた状態が所定の時間継続したことによって漏電と判定する。
【００４９】
検出回路４４の構成は、図４の構成には限定されるものではない。たとえば、変流器４３Ｐ，４３Ｎで検出された交流信号に同期するパルス信号を生成して、生成したパルス信号の周期が基本波の周期の１／２であることによって第２調波であることを確認するようにしてもよい。この場合、変流器４３Ｐまたは４３Ｎで検出された交流信号の大きさが基準値を超え、かつ、生成したパルス信号の周期が基本波の周期の１／２である場合に直流回路３０の漏電が検知される。
【００５０】
＜実施の形態２＞
図６は、この発明の実施の形態２による漏電検出システムが適用される配電系統の構成図である。図６の漏電検出システムは、直流母線３９の各相と大地との間に設けられた付加コンデンサＣｓｄに代えて、交流母線１９の各相と大地との間に付加コンデンサＣｓａが設けられる点で、図１の漏電検出システムと異なる。
【００５１】
さらに、図７の漏電検出システムは、交流回線１１に漏電検出装置Ｆａが設けられる点で図１の漏電検出システムと異なる。漏電検出装置Ｆａは、零相変流器４１と検出回路４２とを含み、好ましくは、電力変換器２０の交流電力の受電点付近に設けられる。検出回路４２として、たとえば、図４に示した構成を用いることができる。図７のその他の構成は、図１の場合と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
【００５２】
図７は、図６の直流回路３０のＰ相電圧線３１Ｐで地絡事故が生じた場合の零相回路を示す図である。
【００５３】
図６、図７を参照して、直流回線３１のＰ相電圧線３１Ｐで地絡事故が生じたとき、電力変換器２０の変換動作によって生じた交流零相電流Ｉ２ｎ，Ｉｃは、事故点と付加コンデンサＣｓａとの間を大地ＧＮＤを介して環流する。このときの交流回路１０側の電流経路は電力変換器２０の動作状態によって異なる。たとえば、スイッチング素子２１ａ，２１ｄがオン状態、スイッチング素子２１ｂ，２１ｃがオフ状態のとき、交流零相電流Ｉ２ｎ，Ｉｃは、直流母線３９のＰ相電圧線３９Ｐ、スイッチング素子２１ａ、交流回線１１のｕ相電圧線１１ｕ、交流母線１９のｕ相電圧線１９ｕ、付加コンデンサＣｓａ、大地ＧＮＤ、地絡抵抗Ｒｄｇ、直流回線３１のＰ相電圧線３１Ｐの順に環流する。
【００５４】
図７において、対地静電容量Ｃａを無視するものとすると、２ｎ調波（ｎは１以上の整数）の交流零相電流Ｉ２ｎは、
Ｉ２ｎ＝Ｖ２ｎ／Ｚｓａ２ …(4)
と表わされる。ただし、
Ｚｓａ２＝２×Ｒｄｇ＋ｊ×１／（２ｎ×ω×Ｃｓａ） …(5)
である。上式では、虚数単位をｊとし、付加コンデンサＣｓａの容量をＣｓａとし、電力系統１の基本波の角周波数をωとしている。ＰＷＭのキャリア周波数による交流零相電流Ｉｃは、上式（４）の交流零相電圧Ｖ２ｎに代えてＶｃを用い、上式（５）の２ｎ×ωに代えてキャリア角周波数ωｃを用いることによって得られる。
【００５５】
交流零相電流Ｉ２ｎ，Ｉｃは、直流回線３１に設けた漏電検出装置Ｆｄおよび交流回線１１に設けた漏電検出装置Ｆａのいずれによっても検出することができる。漏電検出装置Ｆｄによってどの直流回線で漏電が生じているかを判定でき、漏電検出装置Ｆａによって直流回路３０全体での漏電の有無が判定できる。
【００５６】
漏電検出装置Ｆａにおいても、零相変流器４１に代えて相ごとの変流器を設けることは可能である。しかしながら、交流回路１０では、検出すべき特定の周波数の交流電流成分の振幅は各相の基本波の電流成分の振幅に比べてかなり小さいので、特定の交流電流成分のみを取り出すために高精度のフィルタが必要になる。
【００５７】
＜実施の形態３＞
図８は、この発明の実施の形態３による漏電検出システムが適用される配電系統の構成図である。図８の漏電検出システムは、交流母線１９の各相と大地との間に設けられた付加コンデンサＣｓａに代えて、変圧器２の２次側の中性点５ｎと大地との間に付加コンデンサＣ２ｎが設けられる点で、図６の漏電検出システムと異なる。図９のその他の構成は、図６の場合と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
【００５８】
図９は、図８の直流回路３０のＰ相電圧線３１Ｐで地絡事故が生じた場合の零相回路を示す図である。
【００５９】
図８、図９を参照して、直流回線３１のＰ相電圧線３１Ｐで地絡事故が生じたとき、電力変換器２０の変換動作によって生じた交流零相電流Ｉ２ｎ，Ｉｃは、事故点と付加コンデンサＣ２ｎとの間を大地ＧＮＤを介して環流する。たとえば、スイッチング素子２１ａ，２１ｄがオン状態、スイッチング素子２１ｂ，２１ｃがオフ状態のとき、交流零相電流Ｉ２ｎ，Ｉｃは、直流母線３９のＰ相電圧線３９Ｐ、スイッチング素子２１ａ、交流回線１１のｕ相電圧線１１ｕ、交流母線１９のｕ相電圧線１９ｕ、変圧器２の中性点５ｎ、付加コンデンサＣ２ｎ、大地ＧＮＤ、地絡抵抗Ｒｄｇ、直流回線３１のＰ相電圧線３１Ｐの順に環流する。
【００６０】
図９の零相回路において、対地静電容量Ｃａを無視するものとすると、２ｎ調波（ｎは１以上の整数）の交流零相電流Ｉ２ｎは、
Ｉ２ｎ＝Ｖ２ｎ／Ｚ２ｎ …(6)
と表わされる。ただし、
Ｚ２ｎ＝｛Ｒｄｇ＋ｊ×１／（２ｎ×ω×Ｃ２ｎ）｝×２ …(7)
である。上式において、虚数単位をｊとし、付加コンデンサＣ２ｎの容量をＣ２ｎとし、電力系統１の基本波の角周波数をωとしている。ＰＷＭのキャリア周波数による交流零相電流Ｉｃは、上式（６）の交流零相電圧Ｖ２ｎに代えてＶｃを用い、上式（７）の２ｎ×ωに代えてキャリア角周波数ωｃを用いることによって得られる。
【００６１】
交流零相電流Ｉ２ｎ，Ｉｃは、直流回線３１に設けた漏電検出装置Ｆｄおよび交流回線１１に設けた漏電検出装置Ｆａのいずれによっても検出することができる。
【００６２】
＜実施の形態４＞
実施の形態１〜３では、非接地の単相交流回路１０に電力変換器２０を介して直流回路３０が接続される場合を示したが、交流回路が三相の場合も同様の漏電検出システムを適用することができる。
【００６３】
図１０は、この発明の実施の形態４による漏電検出システムが適用される配電系統の構成図である。図１０の配電系統は、非接地の三相交流回路１１０と、直流回路３０と、三相交流回路１１０と直流回路とを接続する双方向の電力変換器１２０とを含む。三相交流回路１１０は、三相変圧器１０２を介して上位の電力系統１０１と接続される。三相変圧器１０２の２次側は非接地である。直流回路３０の構成は実施の形態１〜３の場合と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
【００６４】
交流回路１１０は、三相三線式の配電線路として、変圧器２の２次側に接続された交流母線と交流母線から分岐する複数の交流回線とを含む。図１０には、配電線路として、変圧器１０２の２次側に接続された交流母線１９（ｕ相電圧線１９ｕ、ｖ相電圧線１９ｖ、ｗ相電圧線１９ｗ）と、交流母線１９と電力変換器１２０とを接続する交流回線１１（ｕ相電圧線１１ｕ、ｖ相電圧線１１ｖ、ｗ相電圧線１１ｗ）とが図示されている。交流回線１１の電圧線１１ｕ，１１ｖ，１１ｗにはブレーカ１２ｕ、１２ｖ，１２ｗがそれぞれ設けられる。交流回線１１のｕ相、ｖ相、ｗ相の各電圧線は対地静電容量（浮遊容量）Ｃａを有する。
【００６５】
電力変換器１２０は、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子２１ａ〜２１ｆと、平滑用のリアクトル２２と、平滑用のコンデンサ２３とを含む。スイッチング素子２１ａ〜２１ｆによって三相ブリッジ回路が構成される。より詳しくは、スイッチング素子２１ａ，２１ｂはこの順で正極側のノード２４Ｐと負極側のノード２４Ｎとの間に接続され、スイッチング素子２１ａ，２１ｂの接続ノードにｕ相電圧線１１ｕが接続される。スイッチング素子２１ｃ，２１ｄはこの順で正極側のノード２４Ｐと負極側のノード２４Ｎとの間に接続され、スイッチング素子２１ｃ，２１ｄの接続ノードにｖ相電圧線１１ｖが接続される。スイッチング素子２１ｅ，２１ｆはこの順で正極側のノード２４Ｐと負極側のノード２４Ｎとの間に接続され、スイッチング素子２１ｅ，２１ｆの接続ノードにｖ相電圧線１１ｖが接続される。平滑用のリアクトル２２は正極側のノード２４ＰとＰ相電圧線３１Ｐ，３３Ｐとの間に接続され、平滑用のコンデンサ２３はリアクトル２２と負極側のノード２４Ｎとの間に接続される。
【００６６】
電力変換器１２０は、各スイッチング素子のスイッチングのタイミングが制御部（図示省略）によって制御されることによって、双方向の電力変換器として動作する。すなわち、電力変換器１２０は、三相交流電力を直流電力に変換する場合には全波整流回路として動作し、直流電力を三相交流電力に変換する場合にはインバータ回路として動作する。
【００６７】
直流回路３０の漏電を検出する漏電検出システムとして、直流母線３９のＰ相、Ｎ相の各電圧線と大地との間に付加コンデンサＣｓｄがそれぞれ設けられるとともに、漏電検出装置Ｆｄが直流回線３１に設けられる。付加コンデンサＣｓｄおよび漏電検出装置Ｆｄについては実施の形態１の場合と同様であるので説明を繰返さない。
【００６８】
表２は、三相交流用の電力変換器１２０の変換動作によって健全時に交流回路側および直流回路側に生じる交流電圧（交流電流）の周波数についてまとめたものである。
【００６９】
【表２】
【００７０】
表２に示すように、電力変換器１２０の交流回路側には配電系統の基本波の成分と奇数調波の成分とが生じる。ただし、三相交流回路の対称性のために奇数調波のうち３ｎ調波（ｎは１以上の整数）の成分は生じない。電力変換器１２０がＰＷＭ方式で電力変換を行なう場合には、基本波の成分とＰＷＭのキャリア周波数の成分とが交流回路側に生じる。一方、電力変換器１２０の直流回路側には３ｎ調波（ｎは１以上の整数）の成分が生じる。３ｎ調波の成分は、電力変換器１２０が三相全波整流回路として動作する場合のリップルに相当する成分である。電力変換器１２０がＰＷＭ方式で電力変換を行なう場合には、ＰＷＭのキャリア周波数の成分が直流回路側に生じる。電力変換器１２０は双方向の電力変換を行なうので順変換と逆変換とがあり得るが、いずれの変換動作の場合にも交流回路側と直流回路側との両方に表２に示す周波数の交流電圧（交流電流）が生じる。
【００７１】
直流回路側の地絡事故時には、直流回路側に生じる交流成分が事故電流として地絡事故点と付加コンデンサＣｓｄとの間を大地を介して環流する。一方、交流回路側の地絡事故時には直流回路側に生じる交流成分による事故電流は流れない。実施の形態４の漏電検出装置Ｆｄでは、直流回路側の事故時に特有の周波数の電流が流れるという上述の理由から、電力変換器の変換動作によって直流回路側に生じる交流電流を利用して直流回路の漏電の検出を行なう。すなわち、３ｎ調波の交流零相電圧Ｖ３ｎまたはＰＷＭのキャリア周波数の交流零相電圧Ｖｃによって生じた交流零相電流Ｉ３ｎまたはＩｃを利用して直流回路の漏電検出を行なう。
【００７２】
具体的に図１０のＰ相電圧線３１Ｐの地絡事故時には、直流母線３９のＰ相電圧線３９Ｐ、付加コンデンサＣｓｄ、大地ＧＮＤ、地絡抵抗Ｒｄｇ、直流回線３１のＰ相電圧線３１Ｐの順に環流する。したがって、漏電検出装置Ｆｄに設けた変流器４３Ｐまたは零相変流器によって交流零相電流Ｉ３ｎ，Ｉｃを検出することによって、地絡事故が生じた直流回線を判別することができる。
【００７３】
Ｐ相電圧線３１Ｐの地絡事故時における零相回路は、図３において、２ｎ調波の交流零相電圧Ｖ２ｎを、３ｎ調波の交流零相電圧Ｖ３ｎに置換えたものである。対地静電容量Ｃｄを無視するものとすると、３ｎ調波（ｎは１以上の整数）の交流零相電流Ｉ３ｎは、
Ｉ３ｎ＝Ｖ３ｎ／Ｚｓｄ３ …(8)
のように表わされる。ただし、
Ｚｓｄ３＝２×Ｒｄｇ＋ｊ×１／（３ｎ×ω×Ｃｓｄ） …(9)
である。上式では、虚数単位をｊとし、付加コンデンサＣｓｄの容量をＣｓｄとし、電力系統１の基本波の角周波数をωとしている。ＰＷＭのキャリア周波数による交流零相電流は、上式（８）の交流零相電圧Ｖ３ｎに代えてＶｃを用い、上式（９）の３ｎ×ωに代えてキャリア角周波数ωｃを用いることによって得られる。
【００７４】
＜実施の形態５＞
図１１は、この発明の実施の形態５による漏電検出システムが適用される配電系統の構成図である。図１１の漏電検出システムは、直流母線３９の各相と大地との間に設けられた付加コンデンサＣｓｄに代えて、交流母線１９の各相と大地との間に付加コンデンサＣｓａが設けられる点で、図１０の漏電検出システムと異なる。さらに、図１１の漏電検出システムは、交流回線１１に設けられた漏電検出装置Ｆａを含む点で図１の漏電検出システムと異なる。漏電検出装置Ｆａの構成は実施の形態２の場合と同じである。
【００７５】
直流回線３１のＰ相電圧線３１Ｐで地絡事故が生じたとき、電力変換器２０の変換動作によって生じた交流零相電流Ｉ３ｎ，Ｉｃは、事故点と付加コンデンサＣｓａとの間を大地ＧＮＤを介して環流する。たとえば、スイッチング素子２１ａ，２１ｄがオン状態、その他のスイッチング素子２１ｂ，２１ｃ，２１ｅ，２１ｆがオフ状態のとき、交流零相電流Ｉ３ｎ，Ｉｃは、直流母線３９のＰ相電圧線３９Ｐ、スイッチング素子２１ａ、交流回線１１のｕ相電圧線１１ｕ、交流母線１９のｕ相電圧線１９ｕ、付加コンデンサＣｓａ、大地ＧＮＤ、地絡抵抗Ｒｄｇ、直流回線３１のＰ相電圧線３１Ｐの順に環流する。
【００７６】
Ｐ相電圧線３１Ｐの地絡事故時の零相回路は、図７において、２ｎ調波の交流零相電圧Ｖ２ｎを３ｎ調波の交流零相電圧Ｖ３ｎに置換え、地絡抵抗２×Ｒｄｇを３×Ｒｄｇに置換えたものである。対地静電容量Ｃａを無視するものとすると、３ｎ調波（ｎは１以上の整数）の交流零相電流Ｉ３ｎは、
Ｉ３ｎ＝Ｖ３ｎ／Ｚｓａ３ …(10)
と表わされる。ただし、
Ｚｓａ３＝３×Ｒｄｇ＋ｊ×１／（３ｎ×ω×Ｃｓａ） …(11)
である。上式において、虚数単位をｊとし、付加コンデンサＣｓａの容量をＣｓａとし、電力系統１の基本波の角周波数をωとしている。ＰＷＭのキャリア周波数による交流零相電流Ｉｃは、上式（１０）の交流零相電圧Ｖ３ｎに代えてＶｃを用い、上式（１１）の３ｎ×ωに代えてキャリア角周波数ωｃを用いることによって得られる。交流零相電流Ｉ３ｎ，Ｉｃは、直流回線３１に設けた漏電検出装置Ｆｄおよび交流回線１１に設けた漏電検出装置Ｆａのいずれによっても検出することができる。
【００７７】
＜実施の形態６＞
図１２は、この発明の実施の形態６による漏電検出システムが適用される配電系統の構成図である。図１２の漏電検出システムは、交流母線１９の各相と大地との間に設けられた付加コンデンサＣｓａに代えて、変圧器１０２の２次側の中性点１０５ｎと大地とのに付加コンデンサＣ３ｎが設けられる点で、図１１の漏電検出システムと異なる。図１２のその他の構成は、図１１の場合と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
【００７８】
直流回線３１のＰ相電圧線３１Ｐで地絡事故が生じたとき、電力変換器２０の変換動作によって生じた交流零相電流Ｉ３ｎ，Ｉｃは、事故点と付加コンデンサＣ３ｎとの間を大地ＧＮＤを介して環流する。たとえば、スイッチング素子２１ａ，２１ｄがオン状態、その他のスイッチング素子２１ｂ，２１ｃ，２１ｅ，２１ｆがオフ状態のとき、交流零相電流Ｉ３ｎ，Ｉｃは、直流母線３９のＰ相電圧線３９Ｐ、スイッチング素子２１ａ、交流回線１１のｕ相電圧線１１ｕ、交流母線１９のｕ相電圧線１９ｕ、変圧器１０２の中性点１０５ｎ、付加コンデンサＣ３ｎ、大地ＧＮＤ、地絡抵抗Ｒｄｇ、直流回線３１のＰ相電圧線３１Ｐの順に環流する。
【００７９】
Ｐ相電圧線３１Ｐの地絡事故時の零相回路は、図９において、２ｎ調波の交流零相電圧Ｖ２ｎを、３ｎ調波の交流零相電圧Ｖ３ｎに置換え、付加コンデンサ（１／２）×Ｃ２ｎを（１／３）×Ｃ３ｎに置換え、地絡抵抗２×Ｒｄｇを３×Ｒｄｇに置換えたものである。対地静電容量Ｃａを無視するものとすると、３ｎ調波（ｎは１以上の整数）の交流零相電流Ｉ３ｎは、
Ｉ３ｎ＝Ｖ３ｎ／Ｚ３ｎ …(12)
と表わされる。ただし、
Ｚ３ｎ＝｛Ｒｄｇ＋ｊ×１／（３ｎ×ω×Ｃ３ｎ）｝×３ …(13)
である。上式において、虚数単位をｊとし、付加コンデンサＣ３ｎの容量をＣ３ｎとし、電力系統１の基本波の角周波数をωとしている。ＰＷＭのキャリア周波数による交流零相電流Ｉｃは、上式（１２）の交流零相電圧Ｖ３ｎに代えてＶｃを用い、上式（１３）の３ｎ×ωに代えてキャリア角周波数ωｃを用いることによって得られる。交流零相電流Ｉ３ｎ，Ｉｃは、直流回線３１に設けた漏電検出装置Ｆｄおよび交流回線１１に設けた漏電検出装置Ｆａのいずれによって検出することができる。
【００８０】
上記の各実施の形態では、付加コンデンサは、直流母線３９の各相と大地との間、交流母線１９の各相と大地との間、および変圧器２，１０２の２次側の中性点と大地との間のいずれかに設置されていたが、これらを組合わせてもよい。この場合、漏電検出装置は付加コンデンサと地絡事故点との間を大地を介して循環する交流零相電流を検出するものであるので、付加コンデンサの接地箇所と想定される地絡事故点との間の電流経路に漏電検出装置を設置する必要がある。
【００８１】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００８２】
１，１０１ 電力系統、２，１０２ 変圧器、５ｎ，１０５ｎ 中性点、１０ 単相交流回路、１１ 交流回線、１１ｎ，１９ｎ 中性線、１１ｕ，１９ｕ ｕ相電圧線、１１ｖ，１９ｖ ｖ相電圧線、１１ｗ，１９ｗ ｗ相電圧線、３１Ｐ，３９Ｐ Ｐ相電圧線、３１Ｎ，３９Ｎ Ｎ相電圧線、１９ 交流母線、２０，１２０ 電力変換器、３０ 直流回路、３１，３３，３８ 直流回線、３９ 直流母線、４１ 零相変流器、４２，４４ 検出回路、４３Ｎ，４３Ｐ 変流器、１１０ 三相交流回路、Ｃ２ｎ，Ｃ３ｎ，Ｃｓａ，Ｃｓｄ 付加コンデンサ、Ｃａ，Ｃｄ 対地静電容量、Ｆａ，Ｆｄ 漏電検出装置、ＧＮＤ 大地、Ｉ２ｎ，Ｉ３ｎ，Ｉｃ 交流零相電流、Ｒｄｇ 地絡抵抗、Ｖ２ｎ，Ｖ３ｎ，Ｖｃ 交流零相電圧。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非接地の交流回路に電力変換器を介して接続された非接地の直流回路の漏電検出システムであって、
前記交流回路は、２次側が非接地の変圧器を介して上位の電力系統と接続され、
前記漏電検出システムは、
前記直流回路の配電線路の各相と大地との間、または前記交流回路の配電線路の各相と大地との間、または前記変圧器の２次側の中性点と大地との間に設けられたコンデンサと、
前記コンデンサの設置箇所と前記直流回路の想定される地絡事故点との間の電流経路に設けられた漏電検出装置とを備え、
前記漏電検出装置は、
前記電流経路を流れる交流電流を検出する交流電流センサと、
前記交流電流センサによって検出された交流電流のうち、前記電力変換器の変換動作によって前記直流回路側に生じる交流電圧の周波数と同じ周波数の電流成分に基づいて前記直流回路の漏電の有無を判定する判定部とを含む、直流回路の漏電検出システム。
【請求項２】
前記交流回路は単相回路であり、
前記電流成分は、前記電力系統の基本波に対する２ｎ調波（ｎは１以上の整数）の電流である、請求項１に記載の直流回路の漏電検出システム。
【請求項３】
前記交流回路は三相回路であり、
前記電流成分は、前記電力系統の基本波に対する３ｎ調波（ｎは１以上の整数）の電流である、請求項１に記載の直流回路の漏電検出システム。
【請求項４】
前記電力変換器は、パルス幅変調方式によって電力変換を行ない、
前記電流成分は、前記パルス幅変調に用いる搬送波の周波数を有する、請求項１に記載の直流回路の漏電検出システム。
【請求項５】
前記直流回路の配電線路は、
前記電力変換器に接続された直流母線と、
前記直流母線から分岐された複数の直流回線とを含み、
前記漏電検出装置は、前記複数の直流回線の各々に設けられ、
前記コンデンサは、前記直流母線の各相と大地との間に設けられる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の直流回路の漏電検出システム。
【請求項６】
前記直流回路の配電線路は、
前記電力変換器に接続された直流母線と、
前記直流母線から分岐された複数の直流回線とを含み、
前記漏電検出装置は、前記複数の直流回線の各々に設けられ、
前記交流回路の配電線路は、
前記変圧器の２次側に接続された交流母線と、
前記交流母線と前記電力変換器とを接続する交流回線とを含み、
前記コンデンサは、前記変圧器の２次側の中性点と大地との間または前記交流母線の各相と大地との間に設けられる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の直流回路の漏電検出システム。
【請求項７】
前記交流電流センサは、対応の直流回線に設けられた零相変流器または対応の直流回線の各相に設けられた変流器である、請求項５または６に記載の直流回路の漏電検出システム。
【請求項８】
前記交流回路の配電線路は、
前記変圧器に接続された交流母線と、
前記交流母線と前記電力変換器とを接続する交流回線とを含み、
前記漏電検出装置は、前記交流回線に設けられ、
前記コンデンサは、前記変圧器の２次側の中性点と大地との間または前記交流母線の各相と大地との間に設けられる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の直流回路の漏電検出システム。
【請求項９】
前記交流電流センサは、前記交流回線に設けられた零相変流器である、請求項８に記載の直流回路の漏電検出システム。
【請求項１０】
前記判定部は、前記電流成分の大きさが所定の基準値を超えた場合に漏電と判定する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の直流回路の漏電検出システム。
【請求項１１】
前記判定部は、前記電流成分の大きさが所定の基準値を超えた状態が所定の時間継続した場合に漏電と判定する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の直流回路の漏電検出システム。
【請求項１２】
非接地の交流回路に電力変換器を介して接続された非接地の直流回路の漏電検出方法であって、
前記交流回路は、２次側が非接地の変圧器を介して上位の電力系統と接続され、
前記直流回路の配電線路の各相と大地との間、または前記交流回路の配電線路の各相と大地との間、または前記変圧器の２次側の中性点と大地との間にコンデンサを設置するステップと、
前記コンデンサの設置箇所と前記直流回路の想定される地絡事故点との間の電流経路における交流電流を検出するステップと、
前記検出された交流電流のうち、前記電力変換器の変換動作によって前記直流回路側に生じる交流電圧の周波数と同じ周波数の電流成分に基づいて前記直流回路の漏電の有無を判定するステップとを備えた直流回路の漏電検出方法。
【請求項１】
非接地の交流回路に電力変換器を介して接続された非接地の直流回路の漏電検出システムであって、
前記交流回路は、２次側が非接地の変圧器を介して上位の電力系統と接続され、
前記漏電検出システムは、
前記直流回路の配電線路の各相と大地との間、または前記交流回路の配電線路の各相と大地との間、または前記変圧器の２次側の中性点と大地との間に設けられたコンデンサと、
前記コンデンサの設置箇所と前記直流回路の想定される地絡事故点との間の電流経路に設けられた漏電検出装置とを備え、
前記漏電検出装置は、
前記電流経路を流れる交流電流を検出する交流電流センサと、
前記交流電流センサによって検出された交流電流のうち、前記電力変換器の変換動作によって前記直流回路側に生じる交流電圧の周波数と同じ周波数の電流成分に基づいて前記直流回路の漏電の有無を判定する判定部とを含む、直流回路の漏電検出システム。
【請求項２】
前記交流回路は単相回路であり、
前記電流成分は、前記電力系統の基本波に対する２ｎ調波（ｎは１以上の整数）の電流である、請求項１に記載の直流回路の漏電検出システム。
【請求項３】
前記交流回路は三相回路であり、
前記電流成分は、前記電力系統の基本波に対する３ｎ調波（ｎは１以上の整数）の電流である、請求項１に記載の直流回路の漏電検出システム。
【請求項４】
前記電力変換器は、パルス幅変調方式によって電力変換を行ない、
前記電流成分は、前記パルス幅変調に用いる搬送波の周波数を有する、請求項１に記載の直流回路の漏電検出システム。
【請求項５】
前記直流回路の配電線路は、
前記電力変換器に接続された直流母線と、
前記直流母線から分岐された複数の直流回線とを含み、
前記漏電検出装置は、前記複数の直流回線の各々に設けられ、
前記コンデンサは、前記直流母線の各相と大地との間に設けられる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の直流回路の漏電検出システム。
【請求項６】
前記直流回路の配電線路は、
前記電力変換器に接続された直流母線と、
前記直流母線から分岐された複数の直流回線とを含み、
前記漏電検出装置は、前記複数の直流回線の各々に設けられ、
前記交流回路の配電線路は、
前記変圧器の２次側に接続された交流母線と、
前記交流母線と前記電力変換器とを接続する交流回線とを含み、
前記コンデンサは、前記変圧器の２次側の中性点と大地との間または前記交流母線の各相と大地との間に設けられる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の直流回路の漏電検出システム。
【請求項７】
前記交流電流センサは、対応の直流回線に設けられた零相変流器または対応の直流回線の各相に設けられた変流器である、請求項５または６に記載の直流回路の漏電検出システム。
【請求項８】
前記交流回路の配電線路は、
前記変圧器に接続された交流母線と、
前記交流母線と前記電力変換器とを接続する交流回線とを含み、
前記漏電検出装置は、前記交流回線に設けられ、
前記コンデンサは、前記変圧器の２次側の中性点と大地との間または前記交流母線の各相と大地との間に設けられる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の直流回路の漏電検出システム。
【請求項９】
前記交流電流センサは、前記交流回線に設けられた零相変流器である、請求項８に記載の直流回路の漏電検出システム。
【請求項１０】
前記判定部は、前記電流成分の大きさが所定の基準値を超えた場合に漏電と判定する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の直流回路の漏電検出システム。
【請求項１１】
前記判定部は、前記電流成分の大きさが所定の基準値を超えた状態が所定の時間継続した場合に漏電と判定する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の直流回路の漏電検出システム。
【請求項１２】
非接地の交流回路に電力変換器を介して接続された非接地の直流回路の漏電検出方法であって、
前記交流回路は、２次側が非接地の変圧器を介して上位の電力系統と接続され、
前記直流回路の配電線路の各相と大地との間、または前記交流回路の配電線路の各相と大地との間、または前記変圧器の２次側の中性点と大地との間にコンデンサを設置するステップと、
前記コンデンサの設置箇所と前記直流回路の想定される地絡事故点との間の電流経路における交流電流を検出するステップと、
前記検出された交流電流のうち、前記電力変換器の変換動作によって前記直流回路側に生じる交流電圧の周波数と同じ周波数の電流成分に基づいて前記直流回路の漏電の有無を判定するステップとを備えた直流回路の漏電検出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−１９６８１０（Ｐ２０１１−１９６８１０Ａ）
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６３５２６（Ｐ２０１０−６３５２６）
【出願日】平成２２年３月１９日（２０１０．３．１９）
【出願人】（０００１５６９３８）関西電力株式会社 (1,442)
【出願人】（０００２１４５６０）長谷川電機工業株式会社 (25)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１９日（２０１０．３．１９）
【出願人】（０００１５６９３８）関西電力株式会社 (1,442)
【出願人】（０００２１４５６０）長谷川電機工業株式会社 (25)
【Ｆターム（参考）】
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