直流地絡検出装置、この直流地絡検出装置を備えた系統連系インバータシステム
【課題】直流電源内部の直列接続された電池の間で地絡事故が発生した場合でも、確実に地絡事故を検出することができる直流地絡検出装置を提供する。
【解決手段】直流地絡検出装置５の検出部５１において、直流電源１の正極と負極とを抵抗Ｒ１〜Ｒ４を介して接続線で接続し、当該接続線の途中の接地点ｃ１，ｃ２と接地線との接続を切替信号発生部５１ａからの信号に基づいてスイッチＳＷで所定の周期で変更するようにした。これにより、接地点がｃ１とｃ２との間で切り替わり、接地点から正極までの抵抗値と接地点から負極までの抵抗値との抵抗比率が、所定の周期で変更されるようになった。この抵抗比率が変更される毎に、地絡検出手段５２が接地点からグランドに流れる電流を検出し、この検出値を用いて地絡の発生を検出するので、確実に地絡事故を検出することができる。
【解決手段】直流地絡検出装置５の検出部５１において、直流電源１の正極と負極とを抵抗Ｒ１〜Ｒ４を介して接続線で接続し、当該接続線の途中の接地点ｃ１，ｃ２と接地線との接続を切替信号発生部５１ａからの信号に基づいてスイッチＳＷで所定の周期で変更するようにした。これにより、接地点がｃ１とｃ２との間で切り替わり、接地点から正極までの抵抗値と接地点から負極までの抵抗値との抵抗比率が、所定の周期で変更されるようになった。この抵抗比率が変更される毎に、地絡検出手段５２が接地点からグランドに流れる電流を検出し、この検出値を用いて地絡の発生を検出するので、確実に地絡事故を検出することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流地絡検出装置、この直流地絡検出装置を備えた系統連系インバータシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、太陽電池や燃料電池などを備えた直流電源から出力される直流電力を、インバータにより交流電力に変換して、出力するインバータシステムが開発されている。このインバータシステムの直流電源内部や、直流電源とインバータとを接続する接続線における地絡事故を検出するための直流地絡検出装置が開発されている。
【０００３】
図１１は、従来の直流地絡検出装置を備えた系統連系インバータシステムを説明するためのブロック図である。この系統連系インバータシステムは、太陽電池を備えた直流電源１００から出力された直流電力を、インバータ２００で交流電力に変換し、商用電力系統３００に供給するものである。
【０００４】
このシステムでは、地絡事故による地絡電流によって感電したり、インバータ２００が破壊されたりすることを防ぐために、遮断器４００、直流地絡検出装置５００、および制御装置６００が備えられている。直流地絡検出装置５００は、直流地絡事故を検出するものであり、直流地絡事故を検出した場合に制御装置６００に検出信号を出力する。制御装置６００は、直流地絡検出装置５００から検出信号を入力されたとき、遮断器４００に遮断信号を出力し、インバータ２００に停止信号を出力する。遮断器４００は、制御装置６００から遮断信号を入力されると、直流電源１００とインバータ２００との接続を遮断する。インバータ２００は、制御装置６００から停止信号を入力されると停止する。これにより、地絡電流がインバータ２００に流れることを防止することができる。このように、直流地絡検出装置５００および制御装置６００は、直流地絡事故が発生した場合にインバータ２００を地絡電流から保護する保護継電器を構成する。
【０００５】
直流地絡検出装置５００は、検出部５１０および判定部５２０を備えている。検出部５１０は、系統連系インバータシステムの直流電源１００とインバータ２００とを接続する２本の接続線にそれぞれ接続される正極端子ａおよび負極端子ｂと、正極端子ａと負極端子ｂとを２つの抵抗Ｒａ、Ｒｂを介して接続する接続線と、２つの抵抗Ｒａ、Ｒｂの間の接続点ｃで接続線を接地する接地線と、接地線を流れる電流を検出する計器用変流器ＣＴとを備えている。検出部５１０は、計器用変流器ＣＴが検出する電流信号を判定部５２０に出力する。判定部５２０は、検出部５１０から電流信号を入力され、地絡事故が発生したか否かを判定する。すなわち、入力される電流信号が示す電流値が、測定誤差を排除するために設けられた所定範囲内の場合は地絡事故が発生していないと判定し、電流値が所定範囲外となった場合に地絡事故が発生したと判定する。判定部５２０は、地絡事故が発生したと判定したときは、検出信号を制御装置６００に出力する。
【０００６】
図１２は、図１１の系統連系インバータシステムにおいて、地絡事故が発生した状態を説明するための図である。図１２においては、直流電源１００と直流地絡検出装置５００の検出部５１０のみを記載しており、それ以外については簡略化のために省略している。同図において、直流電源１００の正極と図示しないインバータ２００との接続線上の点ｄで地絡事故が発生している。同図に示す抵抗Ｒgは、地絡時の抵抗値を表している。このとき、地絡発生箇所ｄから接続点ｃ（以下、「接地点ｃ」とする。）を経由するように、破線矢印に示す地絡電流Igが流れる。判定部５２０は、計器用変流器ＣＴから入力される電流信号が示す電流値が地絡電流Igにより所定値を超えることにより、地絡事故が発生したと判定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２３３０４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
直流電源１００は、高い出力電圧が必要とされる場合、複数の太陽電池を直列に接続して構成されている。この直列接続された太陽電池の間で地絡事故が発生した場合、直流地絡検出装置５００は地絡事故を検出できない場合がある。
【０００９】
図１３は、図１１の系統連系インバータシステムにおいて、直流電源１００内部の直列接続された太陽電池の間で地絡事故が発生した状態を説明するための図である。図１３においては、図１２と同様、直流電源１００と直流地絡検出装置５００の検出部５１０のみを記載している。同図において、直流電源１００内部の直列接続された太陽電池の中間点ｄ’で地絡事故が発生している。
【００１０】
この場合、直流電源１００の正極から正極端子ａおよび接地点ｃを経由して中間点ｄ’に流れる破線矢印に示す地絡電流Ipgと、中間点ｄ’から接地点ｃおよび負極端子ｂを経由して直流電源１００の負極に流れる破線矢印に示す地絡電流Ingとが発生する。直流電源１００の出力電圧をＥ、抵抗Ｒａ、Ｒｂの抵抗値を等しくＲとすると、Ipg＝Ing＝（１／２）Ｅ／（Ｒ＋Ｒg）となり、接地線に流れる電流は地絡電流IpgとIngとが相殺されるので、計器用変流器ＣＴが検出する電流信号に地絡電流が表れない。したがって、判定部５２０は、地絡事故が発生したと判定することができない。地絡電流IpgとIngとが同一とならない場合でも、計器用変流器ＣＴが検出する電流信号が示す電流値が所定値以下となる場合は、判定部５２０は地絡事故が発生したと判定することができない。
【００１１】
本発明は上記した事情のもとで考え出されたものであって、直流電源内部の直列接続された電池の間で地絡事故が発生した場合でも、確実に地絡事故を検出することができる直流地絡検出装置を提供することをその目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。
【００１３】
本発明の第１の側面によって提供される直流地絡検出装置は、直流電源の正極と負極との間に抵抗回路を接続するとともに、当該抵抗回路内にグランドに接地される接地点が設けられ、その接地点の前記正極および負極に対する電圧またはその接地点と前記グランドとの間に流れる電流に基づいて地絡の発生を検出する直流地絡検出装置であって、前記抵抗回路は、前記接地点から前記正極までの抵抗値と前記接地点から前記負極までの抵抗値との抵抗比率が変更可能になされ、所定の周期で前記抵抗比率を変更する抵抗比率変更手段と、前記抵抗回路の前記抵抗比率が変更される毎に、前記接地点の前記正極および負極に対する電圧または前記接地点から前記グランドに流れる電流を検出し、それらの検出値を用いて前記地絡の発生を検出する地絡検出手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１４】
この構成によると、前記抵抗比率が所定の周期で変更されるので、当該比率がある値のとき地絡事故を検出できなくても、当該比率が別の値に変更されたときに地絡事故を検出することができる。
【００１５】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記抵抗比率変更手段は、前記抵抗比率を、２つの値の間で交互に変化させる。
【００１６】
この構成によると、前記抵抗比率が３つ以上の値の間で切り替えられる場合と比べて、必要な部品が削減され、設計が簡略化されるので、装置を小型化し、製造コストを削減することができる。
【００１７】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記抵抗回路は、前記接地点の位置が変更可能になされており、前記抵抗比率変更手段は、前記接地点の位置を変更することにより前記抵抗比率を変更する。
【００１８】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記抵抗回路は、その構成する一部の抵抗器の両端が短絡可能になされており、前記抵抗比率変更手段は、両端を短絡する抵抗器の数を変更することにより前記抵抗比率を変更する。
【００１９】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記抵抗回路は、その構成する一部の抵抗器が可変抵抗器であり、前記抵抗比率変更手段は、前記可変抵抗器の抵抗値を変更することにより前記抵抗比率を変更する。
【００２０】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記地絡検出手段は、前記正極及び前記負極と前記抵抗回路との間の一対の線路に流れる電流を検出する電流検出手段を有し、その電流検出手段により前記接地点と前記グランドとの間に流れる電流を検出し、その検出電流を用いて前記地絡の発生を検出する。
【００２１】
本発明の第２の側面によって提供される系統連系インバータシステムは、請求項１ないし６のいずれかに記載の直流地絡検出装置と、前記直流地絡検出装置が接続される直流電源で生成される直流電力を交流電力に変換して電力系統に供給するインバータと、を備えた系統連系インバータシステムであって、前記直流電源と前記インバータとの接続を遮断する遮断手段と、前記直流地絡検出装置により地絡が検出された場合に、前記インバータを停止させ、あるいは、前記遮断手段により前記直流電源と前記インバータとの接続を遮断させる制御装置と、を備えている。
【００２２】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る直流地絡検出装置の第１実施形態を備えた系統連系インバータシステムを説明するためのブロック図である。
【図２】図１の系統連系インバータシステムにおいて、直流電源内部の直列接続された電池の間で地絡事故が発生した状態を説明するための図である。
【図３】図２の状態からスイッチが切り替えられた状態を説明するための図である。
【図４】図２とは別の場所で地絡事故が発生した状態を説明するための図である。
【図５】図４の状態からスイッチが切り替えられた状態を説明するための図である。
【図６】第１実施形態の別の実施例を説明するための図である。
【図７】第１実施形態のさらに別の実施例を説明するための図である。
【図８】本発明に係る直流地絡検出装置の第２実施形態を説明するための図である。
【図９】図８の状態からスイッチが切り替えられた状態を説明するための図である。
【図１０】本発明に係る直流地絡検出装置の第３実施形態を説明するための図である。
【図１１】従来の直流地絡検出装置を備えた系統連系インバータシステムを説明するためのブロック図である。
【図１２】図１１の系統連系インバータシステムにおいて、地絡事故が発生した状態を説明するための図である。
【図１３】図１１の系統連系インバータシステムにおいて、直流電源内部の直列接続された電池の間で地絡事故が発生した状態を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。
【００２５】
図１は、本発明に係る直流地絡検出装置の第１実施形態を備えた系統連系インバータシステムを説明するためのブロック図である。
【００２６】
系統連系インバータシステムＡは、直流電源１、インバータ２、商用電力系統３、遮断器４、直流地絡検出装置５、制御装置６を備えている。直流電源１は、遮断器４を介して、インバータ２に接続している。インバータ２は、商用電力系統３に接続している。直流地絡検出装置５は、直流電源１とインバータ２とを接続する２本の接続線に接続されている。系統連系インバータシステムＡは、直流電源１から出力された直流電力を、インバータ２で交流電力に変換し、商用電力系統３に供給するものである。
【００２７】
直流電源１は、直流電力を出力するものであり、本実施形態では、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池を複数個直列接続したものを備えている。なお、直流電源１は、太陽電池により直流電力を生成するものに限られず、例えば、燃料電池や蓄電池により直流電力を生成するものであってもよいし、風力発電などにより生成された交流電力を直流電力に変換して出力するものであってもよい。
【００２８】
インバータ２は、直流電源１から入力される直流電力を交流電力に変換するものである。インバータ２は、図示しない制御回路が生成するＰＷＭ信号に基づいて、図示しない複数のスイッチング素子をオンオフ動作させることで、直流電力を交流電力に変換する。また、インバータ２は、制御装置６から停止信号を入力されると、図示しない制御回路がＰＷＭ信号の生成を停止することにより、動作を停止する。
【００２９】
遮断器４は、直流電源１とインバータ２との接続を遮断するものである。遮断器４は、通常は直流電源１とインバータ２とを接続しているが、制御装置６から遮断信号を入力されると、直流電源１とインバータ２との接続を遮断する。
【００３０】
直流地絡検出装置５は、直流地絡事故を検出するものであり、直流地絡事故を検出した場合に制御装置６に検出信号を出力する。直流地絡検出装置５は、検出部５１および判定部５２を備えている。
【００３１】
検出部５１は、地絡電流を検出するための電流信号を検出するものであり、検出した電流信号を判定部５２に出力する。検出部５１は、系統連系インバータシステムＡの直流電源１とインバータ２とを接続する２本の接続線にそれぞれ接続される正極端子ａおよび負極端子ｂを備えており、正極端子ａおよび負極端子ｂから直流電源１の出力電圧が印加される。正極端子ａと負極端子ｂとは、４つの抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を介して接続線で接続されている。抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の抵抗値は、直流電源１の最大出力電圧や後述する計器用変流器ＣＴの精度などに応じて決定される。抵抗値が小さすぎると抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４に無駄な電流が流れることになるが、抵抗値が大きすぎると地絡事故発生時に流れる地絡電流が小さくなり、計器用変流器ＣＴの精度によっては検出が難しくなる。本実施形態においては、直流電源１の最大出力電圧が５００Ｖなので、抵抗Ｒ
１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の抵抗値をそれぞれ１０ｋΩとしている。
【００３２】
抵抗Ｒ１とＲ２との間の接続点ｃ１と、抵抗Ｒ３とＲ４との間の接続点ｃ２とは、スイッチＳＷを介して接地線で接地されている。スイッチＳＷは、接地線との接続を接続点ｃ１（以下、「第１接地点ｃ１」とする。）と接続点ｃ２（以下、「第２接地点ｃ２」とする。）との間で切り替えるものであり、接地線と第１接地点ｃ１とを接続するスイッチＳＷ１と、接地線と第２接地点ｃ２とを接続するスイッチＳＷ２とを備えている。スイッチＳＷ１およびＳＷ２の接続は、切替信号発生部５１ａが出力する切替信号に基づいて行われる。切替信号発生部５１ａは、スイッチＳＷに切替信号を出力する。本実施形態において、切替信号は、所定の周期でハイレベルとローレベルとが切り替わるパルス信号である。切替信号がハイレベルのときスイッチＳＷ１が接続されてスイッチＳＷ２が解除され、切替信号がローレベルのときスイッチＳＷ２が接続されてスイッチＳＷ１が解除される。すなわち、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２は交互にオンとオフとが切り替えられる。
【００３３】
スイッチＳＷの切替周期（すなわち、切替信号の周期の半分の周期）は、地絡検出のタイミング周期と同じ周期としてもよいし、自然数倍としてもよい。スイッチＳＷの切替周期と地絡検出のタイミング周期とが同じ周期の場合、地絡検出のタイミング毎に第１接地点ｃ１が接地された状態と第２接地点ｃ２が接地された状態とが切り替えられる。スイッチＳＷの切替周期が地絡検出のタイミング周期の２倍の周期の場合、地絡検出のタイミングの２回に１回、第１接地点ｃ１が接地された状態と第２接地点ｃ２が接地された状態とが切り替えられる。なお、本実施形態では、例えば１秒としている。
【００３４】
なお、切替信号発生部５１ａおよびスイッチＳＷの構成はこれに限られず、第１接地点ｃ１と第２接地点ｃ２とを交互に接地線に接続することができればよい。例えば、切替信号発生部５１ａが、スイッチＳＷ１を接続させるためのパルス信号と、このパルス信号を反転させたパルス信号であってスイッチＳＷ２を接続させるためのものとを、それぞれ出力する構成としてもよい。また、スイッチＳＷ１およびＳＷ２をトランジスタなどのスイッチング素子としてもよい。また、スイッチＳＷ１およびＳＷ２に換えて、接地線との接続を第１接地点ｃ１と第２接地点ｃ２との間で切り替える１つのスイッチとしてもよい。
【００３５】
接地線には計器用変流器ＣＴが配置されている。計器用変流器ＣＴは、接地線を流れる電流を検出して、検出した電流信号を判定部５２に出力する。
【００３６】
判定部５２は、検出部５１から電流信号を入力され、地絡事故が発生したか否かを判定するものである。判定部５２は、地絡事故が発生したと判定したときは、検出信号を制御装置６に出力する。判定部５２は、フィルタ部５２ａ、地絡事故判定部５２ｂを備えている。
【００３７】
フィルタ部５２ａは、検出部５１より入力される電流信号から、インバータ２の特性による交流成分およびスイッチング周波数成分を除去するものである。フィルタ部５２ａは、例えば、数Ｈｚ以下の周波数成分のみを通過するローパスフィルタで構成される。
【００３８】
地絡事故判定部５２ｂは、フィルタ部５２ａから入力される電流信号が示す電流値が、測定誤差を排除するために設定された所定範囲内であるか否かにより、地絡事故が発生したか否かを判定する。すなわち、電流値が所定範囲内の場合は測定誤差の範囲であり地絡事故が発生していないと判定し、電流値が所定範囲外となった場合は地絡事故が発生したと判定する。本実施形態において、所定範囲は±０．０５Ａとしているが、実験により適切な範囲を適宜決定すればよい。地絡事故判定部５２ｂは、地絡事故が発生したと判定した場合、制御装置６に検出信号を出力する。
【００３９】
制御装置６は、直流地絡検出装置５から検出信号を入力されたとき、遮断器４に遮断信号を出力し、インバータ２に停止信号を出力する。遮断信号を入力された遮断器４は直流電源１とインバータ２との接続を遮断し、停止信号を入力されたインバータ２は動作を停止する。これにより、地絡電流がインバータ２に流れることを防止することができる。このように、直流地絡検出装置５および制御装置６は、直流地絡事故が発生した場合にインバータ２を地絡電流から保護する保護継電器を構成する。
【００４０】
次に、直流地絡検出装置５の動作について説明する。
【００４１】
地絡事故が発生していない場合、スイッチＳＷの状態に関係なく、計器用変流器ＣＴで検出され、フィルタ部５２ａでノイズを除去された電流信号が示す電流値は所定範囲内となるので、直流地絡検出装置５が検出信号を出力することはない。
【００４２】
一方、地絡事故が発生した場合、接地線に地絡電流が流れるので、計器用変流器ＣＴで検出され、フィルタ部５２ａでノイズを除去された電流信号が示す電流値が所定範囲外となるため、直流地絡検出装置５が検出信号を出力する。また、切替信号発生部５１ａから入力される切替信号に基づいて、スイッチＳＷが接地線との接続を第１接地点ｃ１と第２接地点ｃ２との間で切り替える。したがって、仮に一方に切り替えたときに地絡事故を検出できなくても、他方に切り替えたときには地絡事故を検出することができる。
【００４３】
以下、スイッチＳＷの切り替えによる地絡電流の検出について、図２〜図６を用いて説明する。
【００４４】
図２は、図１の系統連系インバータシステムＡにおいて、直流電源１内部の直列接続された電池の間で地絡事故が発生した状態を説明するための図である。図２においては、直流電源１と直流地絡検出装置５の検出部５１のみを記載しており、それ以外および切替信号発生部５１ａについては簡略化のために省略している。以下の図３〜５についても同様である。図２において、地絡が直流電源１内部の直列接続された電池の中間点ｄ’（以下、「地絡点ｄ’」という。）で発生している。同図に示す抵抗Ｒgは、地絡時の抵抗値を表している。
【００４５】
同図においては、接地線と第１接地点ｃ１とが接続されるように、スイッチＳＷが切り替えられている。この場合、直流電源１の正極から正極端子ａおよび第１接地点ｃ１を経由して地絡点ｄ’に流れる破線矢印に示す地絡電流Ipgと、地絡点ｄ’から第１接地点ｃ１および負極端子ｂを経由して直流電源１の負極に流れる破線矢印に示す地絡電流Ingとが発生する。直流電源１の出力電圧をＥ、抵抗Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値を等しくＲとすると、Ipg＝（１／２）・Ｅ／（Ｒ＋Ｒg）、Ing＝（１／２）・Ｅ／（３Ｒ＋Ｒg）となり、地絡電流IpgとIngとが一致しないので、その差の地絡電流が計器用変流器ＣＴにより検出される電流信号に重畳される。したがって、電流信号に重畳される地絡電流（Ipg−Ing＝ＥＲ／（（Ｒ＋Ｒg）・（３Ｒ＋Ｒg）））が地絡事故判定部５２ｂに設定されている所定範囲外となるように抵抗値Ｒが決定されていれば、直流地絡検出装置５は地絡事故を検出することができる。
【００４６】
図３は、図２の状態からスイッチＳＷが切り替えられ、接地線と第２接地点ｃ２とが接続された状態を説明するための図である。この場合、Ipg＝（１／２）・Ｅ／（３Ｒ＋Ｒg）、Ing＝（１／２）・Ｅ／（Ｒ＋Ｒg）となり、地絡電流IpgとIngとが一致せず、その差の地絡電流（Ipg-Ing=−ＥＲ/（（Ｒ+Ｒｇ）・（３Ｒ＋Ｒg）））が所定範囲外となるので、直流地絡検出装置５は地絡事故を検出することができる。
【００４７】
図４および図５は、地絡事故が直流電源１の電圧を１：３に分ける点ｄ”（以下、「地絡点ｄ”」という。）で発生した状態を説明するための図である。図４においては、接地線と第１接地点ｃ１とが接続されるように、スイッチＳＷが切り替えられている。この場合、Ipg＝（１／４）・Ｅ／（Ｒ＋Ｒg）、Ing＝（３／４）・Ｅ／（３Ｒ＋Ｒg）となり、その差の地絡電流（Ipg−Ing＝−（１／２）・ＥＲg／（（Ｒ＋Ｒg）・（３Ｒ＋Ｒg）））が、Ｒgの大きさによっては、所定範囲内となる可能性もある。しかし、図５に示すように、スイッチＳＷが切り替えられ、接地線と第２接地点ｃ２とが接続された場合、Ipg＝（１／４）・Ｅ／（３Ｒ＋Ｒg）、Ing＝（３／４）・Ｅ／（Ｒ＋Ｒg）となり、その差の地絡電流（Ipg−Ing＝−（１／２）・Ｅ・（４Ｒ＋Ｒg）／（（Ｒ＋Ｒg）・（３Ｒ＋Ｒg）））が所定範囲外となるので、直流地絡検出装置５は地絡事故を検出することができる。
【００４８】
次に、直流地絡検出装置５の作用について説明する。
【００４９】
本実施形態においては、直流電源内部の直列接続された電池の間で地絡事故が発生した場合、接地される点が第１接地点ｃ１と第２接地点ｃ２との間で切り替えられるので、地絡電流IpgおよびIngが変化する。したがって、一方に切り替えられたときに、地絡電流IpgとIngとが相殺されて地絡事故を検出できない場合でも、他方に切り替えられたときに地絡事故を検出することができる。
【００５０】
なお、上記第１実施形態では、計器用変流器ＣＴで接地線を流れる電流信号を検出して判定部５２に入力しているが、これに限られない。例えば、零相電流検出用変流器により零相電流を検出するようにしてもよいし、正極および負極の対地間電圧を検出するようにしてもよい。
【００５１】
図６は、第１実施形態の別の実施例を説明するための図である。本実施例は、接地線に配置された計器用変流器ＣＴに代えて、直流電源１と図示しないインバータとを接続する２本の接続線に零相電流検出用変流器ＣＴ’を配置し、零相電流検出用変流器ＣＴ’により検出された零相電流信号を判定部５２（図１参照）に入力するものである。本実施例においても、接地される点が第１接地点ｃ１と第２接地点ｃ２との間で切り替えられるので、地絡電流IpgおよびIngが変化する。したがって、一方に切り替えられたときに、地絡電流IpgとIngとが相殺されて地絡事故を検出できない場合でも、他方に切り替えられたときに地絡事故を検出することができる。
【００５２】
図７は、第１実施形態のさらに別の実施例を説明するための図である。本実施例は、接地線に配置された計器用変流器ＣＴに代えて、接地線と正極端子ａとの間に電圧計Ｖp
を、接地線と負極端子ｂとの間に電圧計Ｖnをそれぞれ設け、電圧計Ｖpにより検出された正極の対地間電圧信号と電圧計Ｖnにより検出された負極の対地間電圧信号とを判定部５２（図１参照）に入力するものである。
【００５３】
なお、本実施例ではスイッチＳＷの切替により、電圧計Ｖpおよび電圧計Ｖnの検出すべき電圧の比が切り替わるので、判定部５２において、スイッチＳＷの切替に応じて参照するための電圧比を切り替えて、入力された電圧の比が参照された電圧比と一致するか否かを判定するようにしなければならない。例えば、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の抵抗値を同一にすると、電圧計Ｖpと電圧計Ｖnが検出する電圧の比は、接地される点が第１接地点ｃ１の場合１：３となり、接地される点が第２接地点ｃ２の場合３：１となるはずである。
【００５４】
本実施例においても、接地される点が第１接地点ｃ１と第２接地点ｃ２との間で切り替えられるので、正極の対地間電圧および負極の対地間電圧が変化する。したがって、一方に切り替えられたときに、検出された電圧の比が参照される電圧比と一致することにより地絡事故を検出できない場合でも、他方に切り替えられたときに、検出された電圧の比が参照される電圧比と一致しなくなるので地絡事故を検出することができる。
【００５５】
なお、検出部５１に設けられる抵抗は、上記に限定されない。接地線と正極端子ａとの間の抵抗値と接地線と負極端子ｂとの間の抵抗値との比が、スイッチＳＷの切り替えにより変更されればよいのであって、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の抵抗値がそれぞれ異なっていてもよいし、抵抗の数が異なっていてもよい。また、抵抗Ｒ１とＲ２とが１つの抵抗体であって、第１の接地点ｃ１がその抵抗体の途中に設けられた点であってもよい。また、抵抗値の比が２つの値で切り替わることにも限定されず、抵抗値の比が３つ以上の値で切り替わるようにしてもよい。
【００５６】
上記第１実施形態においては、接地線と正極端子ａとの間の抵抗値と接地線と負極端子ｂとの間の抵抗値がともに変化する場合について説明したが、いずれか一方のみが変化するように構成してもよい。
【００５７】
図８は、本発明に係る直流地絡検出装置の第２実施形態を説明するための図である。同図においては、図２と同様に、直流電源１と直流地絡検出装置５の検出部５１'のみを記載しており、それ以外および切替信号発生部５１ａについては簡略化のために省略している。本実施形態の検出部５１’は、スイッチＳＷの代わりに、抵抗Ｒ１の両端を短絡するためのスイッチＳＷ３を設けた点で第１実施形態の検出部５１と異なる。本実施形態においては、スイッチＳＷ３をオンオフすることにより、接地線と正極端子ａとの間の抵抗値のみを切り替える。
【００５８】
図８において、スイッチＳＷ３はオフ状態となっている。なお、抵抗Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値は等しくＲであり、直流電源１の出力電圧がＥであり、地絡が直流電源１内部の直列接続された電池の中間点である地絡点ｄ’で発生しているとする。この場合、直流電源１の正極から正極端子ａおよび接地点ｃを経由して地絡点ｄ’に流れる破線矢印に示す地絡電流Ipgと、地絡点ｄ’から接地点ｃおよび負極端子ｂを経由して直流電源１の負極に流れる破線矢印に示す地絡電流Ingとが発生する。Ipg＝Ing＝（１／２）・Ｅ／（２Ｒ＋Ｒg）となり、接地線に流れる電流は地絡電流IpgとIngとが相殺されるので、計器用変流器ＣＴが検出する電流信号に地絡電流が表れない。したがって、地絡事故を検出することができない。
【００５９】
図９は、図８の状態からスイッチＳＷ３がオンに切り替えられた状態を説明するための図である。この場合、抵抗Ｒ１の両端が短絡されるので、Ipg＝（１／２）・Ｅ／（Ｒ＋Ｒg）となる。したがって、その差の地絡電流（Ipg−Ing＝（１／２）・ＥＲ／（（Ｒ＋Ｒg）・（２Ｒ＋Ｒg）））が所定範囲外となるように設定されていれば、地絡事故を検出することができる。
【００６０】
上記第１および第２実施形態においては、固定抵抗を用いた場合について説明したが、可変抵抗を用いて構成してもよい。
【００６１】
図１０は、本発明に係る直流地絡検出装置の第３実施形態を説明するための図である。同図は、検出部５１”のみを記載している。本実施形態の検出部５１”は、正極端子ａと接地線との間に可変抵抗Ｒ５が設けられ、負極端子ｂと接地線との間に固定抵抗Ｒ６が設けられている。可変抵抗Ｒ５の抵抗値は、切替信号発生部５１ａ（図１参照）から入力される切替信号に応じて２つの値で切り替えられる。本実施形態においても、接地線と正極端子ａとの間の抵抗値と接地線と負極端子ｂとの間の抵抗値との比が変更されるので、上記第１および第２実施形態と同様の効果を奏することができる。なお、可変抵抗Ｒ５の抵抗値が２つの値で切り替えられる場合に限定されず、３以上の抵抗値で切り替えられるように構成してもよい。
【００６２】
上記実施形態では、直流地絡検出装置が系統連系インバータシステムに用いられた場合について説明したが、これに限られない。本発明の直流地絡検出装置は、直流電流が流れるシステムに用いられた場合に、適切に地絡事故を検出することができる。したがって、直流電力を直接使用するシステムに用いることもできるし、直流電力を生成する太陽電池、燃料電池、蓄電池などに直接用いることもできる。
【００６３】
また、本発明の直流地絡検出装置は、地絡事故が検出された場合にシステムを停止する場合だけでなく、地絡事故の検出を報知するために地絡事故を検出する場合にも用いることができる。
【００６４】
本発明に係る直流地絡検出装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る直流地絡検出装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。
【符号の説明】
【００６５】
１ 直流電源
２ インバータ
３ 商用電力系統
４ 遮断器
５ 直流地絡検出装置
５１，５１’、５１” 検出部
５１ａ 切替信号発生部（抵抗比率変更手段）
５２ 判定部（地絡検出手段）
５２ａ フィルタ部
５２ｂ 地絡事故判定部
６ 制御装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流地絡検出装置、この直流地絡検出装置を備えた系統連系インバータシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、太陽電池や燃料電池などを備えた直流電源から出力される直流電力を、インバータにより交流電力に変換して、出力するインバータシステムが開発されている。このインバータシステムの直流電源内部や、直流電源とインバータとを接続する接続線における地絡事故を検出するための直流地絡検出装置が開発されている。
【０００３】
図１１は、従来の直流地絡検出装置を備えた系統連系インバータシステムを説明するためのブロック図である。この系統連系インバータシステムは、太陽電池を備えた直流電源１００から出力された直流電力を、インバータ２００で交流電力に変換し、商用電力系統３００に供給するものである。
【０００４】
このシステムでは、地絡事故による地絡電流によって感電したり、インバータ２００が破壊されたりすることを防ぐために、遮断器４００、直流地絡検出装置５００、および制御装置６００が備えられている。直流地絡検出装置５００は、直流地絡事故を検出するものであり、直流地絡事故を検出した場合に制御装置６００に検出信号を出力する。制御装置６００は、直流地絡検出装置５００から検出信号を入力されたとき、遮断器４００に遮断信号を出力し、インバータ２００に停止信号を出力する。遮断器４００は、制御装置６００から遮断信号を入力されると、直流電源１００とインバータ２００との接続を遮断する。インバータ２００は、制御装置６００から停止信号を入力されると停止する。これにより、地絡電流がインバータ２００に流れることを防止することができる。このように、直流地絡検出装置５００および制御装置６００は、直流地絡事故が発生した場合にインバータ２００を地絡電流から保護する保護継電器を構成する。
【０００５】
直流地絡検出装置５００は、検出部５１０および判定部５２０を備えている。検出部５１０は、系統連系インバータシステムの直流電源１００とインバータ２００とを接続する２本の接続線にそれぞれ接続される正極端子ａおよび負極端子ｂと、正極端子ａと負極端子ｂとを２つの抵抗Ｒａ、Ｒｂを介して接続する接続線と、２つの抵抗Ｒａ、Ｒｂの間の接続点ｃで接続線を接地する接地線と、接地線を流れる電流を検出する計器用変流器ＣＴとを備えている。検出部５１０は、計器用変流器ＣＴが検出する電流信号を判定部５２０に出力する。判定部５２０は、検出部５１０から電流信号を入力され、地絡事故が発生したか否かを判定する。すなわち、入力される電流信号が示す電流値が、測定誤差を排除するために設けられた所定範囲内の場合は地絡事故が発生していないと判定し、電流値が所定範囲外となった場合に地絡事故が発生したと判定する。判定部５２０は、地絡事故が発生したと判定したときは、検出信号を制御装置６００に出力する。
【０００６】
図１２は、図１１の系統連系インバータシステムにおいて、地絡事故が発生した状態を説明するための図である。図１２においては、直流電源１００と直流地絡検出装置５００の検出部５１０のみを記載しており、それ以外については簡略化のために省略している。同図において、直流電源１００の正極と図示しないインバータ２００との接続線上の点ｄで地絡事故が発生している。同図に示す抵抗Ｒgは、地絡時の抵抗値を表している。このとき、地絡発生箇所ｄから接続点ｃ（以下、「接地点ｃ」とする。）を経由するように、破線矢印に示す地絡電流Igが流れる。判定部５２０は、計器用変流器ＣＴから入力される電流信号が示す電流値が地絡電流Igにより所定値を超えることにより、地絡事故が発生したと判定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２３３０４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
直流電源１００は、高い出力電圧が必要とされる場合、複数の太陽電池を直列に接続して構成されている。この直列接続された太陽電池の間で地絡事故が発生した場合、直流地絡検出装置５００は地絡事故を検出できない場合がある。
【０００９】
図１３は、図１１の系統連系インバータシステムにおいて、直流電源１００内部の直列接続された太陽電池の間で地絡事故が発生した状態を説明するための図である。図１３においては、図１２と同様、直流電源１００と直流地絡検出装置５００の検出部５１０のみを記載している。同図において、直流電源１００内部の直列接続された太陽電池の中間点ｄ’で地絡事故が発生している。
【００１０】
この場合、直流電源１００の正極から正極端子ａおよび接地点ｃを経由して中間点ｄ’に流れる破線矢印に示す地絡電流Ipgと、中間点ｄ’から接地点ｃおよび負極端子ｂを経由して直流電源１００の負極に流れる破線矢印に示す地絡電流Ingとが発生する。直流電源１００の出力電圧をＥ、抵抗Ｒａ、Ｒｂの抵抗値を等しくＲとすると、Ipg＝Ing＝（１／２）Ｅ／（Ｒ＋Ｒg）となり、接地線に流れる電流は地絡電流IpgとIngとが相殺されるので、計器用変流器ＣＴが検出する電流信号に地絡電流が表れない。したがって、判定部５２０は、地絡事故が発生したと判定することができない。地絡電流IpgとIngとが同一とならない場合でも、計器用変流器ＣＴが検出する電流信号が示す電流値が所定値以下となる場合は、判定部５２０は地絡事故が発生したと判定することができない。
【００１１】
本発明は上記した事情のもとで考え出されたものであって、直流電源内部の直列接続された電池の間で地絡事故が発生した場合でも、確実に地絡事故を検出することができる直流地絡検出装置を提供することをその目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。
【００１３】
本発明の第１の側面によって提供される直流地絡検出装置は、直流電源の正極と負極との間に抵抗回路を接続するとともに、当該抵抗回路内にグランドに接地される接地点が設けられ、その接地点の前記正極および負極に対する電圧またはその接地点と前記グランドとの間に流れる電流に基づいて地絡の発生を検出する直流地絡検出装置であって、前記抵抗回路は、前記接地点から前記正極までの抵抗値と前記接地点から前記負極までの抵抗値との抵抗比率が変更可能になされ、所定の周期で前記抵抗比率を変更する抵抗比率変更手段と、前記抵抗回路の前記抵抗比率が変更される毎に、前記接地点の前記正極および負極に対する電圧または前記接地点から前記グランドに流れる電流を検出し、それらの検出値を用いて前記地絡の発生を検出する地絡検出手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１４】
この構成によると、前記抵抗比率が所定の周期で変更されるので、当該比率がある値のとき地絡事故を検出できなくても、当該比率が別の値に変更されたときに地絡事故を検出することができる。
【００１５】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記抵抗比率変更手段は、前記抵抗比率を、２つの値の間で交互に変化させる。
【００１６】
この構成によると、前記抵抗比率が３つ以上の値の間で切り替えられる場合と比べて、必要な部品が削減され、設計が簡略化されるので、装置を小型化し、製造コストを削減することができる。
【００１７】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記抵抗回路は、前記接地点の位置が変更可能になされており、前記抵抗比率変更手段は、前記接地点の位置を変更することにより前記抵抗比率を変更する。
【００１８】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記抵抗回路は、その構成する一部の抵抗器の両端が短絡可能になされており、前記抵抗比率変更手段は、両端を短絡する抵抗器の数を変更することにより前記抵抗比率を変更する。
【００１９】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記抵抗回路は、その構成する一部の抵抗器が可変抵抗器であり、前記抵抗比率変更手段は、前記可変抵抗器の抵抗値を変更することにより前記抵抗比率を変更する。
【００２０】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記地絡検出手段は、前記正極及び前記負極と前記抵抗回路との間の一対の線路に流れる電流を検出する電流検出手段を有し、その電流検出手段により前記接地点と前記グランドとの間に流れる電流を検出し、その検出電流を用いて前記地絡の発生を検出する。
【００２１】
本発明の第２の側面によって提供される系統連系インバータシステムは、請求項１ないし６のいずれかに記載の直流地絡検出装置と、前記直流地絡検出装置が接続される直流電源で生成される直流電力を交流電力に変換して電力系統に供給するインバータと、を備えた系統連系インバータシステムであって、前記直流電源と前記インバータとの接続を遮断する遮断手段と、前記直流地絡検出装置により地絡が検出された場合に、前記インバータを停止させ、あるいは、前記遮断手段により前記直流電源と前記インバータとの接続を遮断させる制御装置と、を備えている。
【００２２】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る直流地絡検出装置の第１実施形態を備えた系統連系インバータシステムを説明するためのブロック図である。
【図２】図１の系統連系インバータシステムにおいて、直流電源内部の直列接続された電池の間で地絡事故が発生した状態を説明するための図である。
【図３】図２の状態からスイッチが切り替えられた状態を説明するための図である。
【図４】図２とは別の場所で地絡事故が発生した状態を説明するための図である。
【図５】図４の状態からスイッチが切り替えられた状態を説明するための図である。
【図６】第１実施形態の別の実施例を説明するための図である。
【図７】第１実施形態のさらに別の実施例を説明するための図である。
【図８】本発明に係る直流地絡検出装置の第２実施形態を説明するための図である。
【図９】図８の状態からスイッチが切り替えられた状態を説明するための図である。
【図１０】本発明に係る直流地絡検出装置の第３実施形態を説明するための図である。
【図１１】従来の直流地絡検出装置を備えた系統連系インバータシステムを説明するためのブロック図である。
【図１２】図１１の系統連系インバータシステムにおいて、地絡事故が発生した状態を説明するための図である。
【図１３】図１１の系統連系インバータシステムにおいて、直流電源内部の直列接続された電池の間で地絡事故が発生した状態を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。
【００２５】
図１は、本発明に係る直流地絡検出装置の第１実施形態を備えた系統連系インバータシステムを説明するためのブロック図である。
【００２６】
系統連系インバータシステムＡは、直流電源１、インバータ２、商用電力系統３、遮断器４、直流地絡検出装置５、制御装置６を備えている。直流電源１は、遮断器４を介して、インバータ２に接続している。インバータ２は、商用電力系統３に接続している。直流地絡検出装置５は、直流電源１とインバータ２とを接続する２本の接続線に接続されている。系統連系インバータシステムＡは、直流電源１から出力された直流電力を、インバータ２で交流電力に変換し、商用電力系統３に供給するものである。
【００２７】
直流電源１は、直流電力を出力するものであり、本実施形態では、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池を複数個直列接続したものを備えている。なお、直流電源１は、太陽電池により直流電力を生成するものに限られず、例えば、燃料電池や蓄電池により直流電力を生成するものであってもよいし、風力発電などにより生成された交流電力を直流電力に変換して出力するものであってもよい。
【００２８】
インバータ２は、直流電源１から入力される直流電力を交流電力に変換するものである。インバータ２は、図示しない制御回路が生成するＰＷＭ信号に基づいて、図示しない複数のスイッチング素子をオンオフ動作させることで、直流電力を交流電力に変換する。また、インバータ２は、制御装置６から停止信号を入力されると、図示しない制御回路がＰＷＭ信号の生成を停止することにより、動作を停止する。
【００２９】
遮断器４は、直流電源１とインバータ２との接続を遮断するものである。遮断器４は、通常は直流電源１とインバータ２とを接続しているが、制御装置６から遮断信号を入力されると、直流電源１とインバータ２との接続を遮断する。
【００３０】
直流地絡検出装置５は、直流地絡事故を検出するものであり、直流地絡事故を検出した場合に制御装置６に検出信号を出力する。直流地絡検出装置５は、検出部５１および判定部５２を備えている。
【００３１】
検出部５１は、地絡電流を検出するための電流信号を検出するものであり、検出した電流信号を判定部５２に出力する。検出部５１は、系統連系インバータシステムＡの直流電源１とインバータ２とを接続する２本の接続線にそれぞれ接続される正極端子ａおよび負極端子ｂを備えており、正極端子ａおよび負極端子ｂから直流電源１の出力電圧が印加される。正極端子ａと負極端子ｂとは、４つの抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を介して接続線で接続されている。抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の抵抗値は、直流電源１の最大出力電圧や後述する計器用変流器ＣＴの精度などに応じて決定される。抵抗値が小さすぎると抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４に無駄な電流が流れることになるが、抵抗値が大きすぎると地絡事故発生時に流れる地絡電流が小さくなり、計器用変流器ＣＴの精度によっては検出が難しくなる。本実施形態においては、直流電源１の最大出力電圧が５００Ｖなので、抵抗Ｒ
１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の抵抗値をそれぞれ１０ｋΩとしている。
【００３２】
抵抗Ｒ１とＲ２との間の接続点ｃ１と、抵抗Ｒ３とＲ４との間の接続点ｃ２とは、スイッチＳＷを介して接地線で接地されている。スイッチＳＷは、接地線との接続を接続点ｃ１（以下、「第１接地点ｃ１」とする。）と接続点ｃ２（以下、「第２接地点ｃ２」とする。）との間で切り替えるものであり、接地線と第１接地点ｃ１とを接続するスイッチＳＷ１と、接地線と第２接地点ｃ２とを接続するスイッチＳＷ２とを備えている。スイッチＳＷ１およびＳＷ２の接続は、切替信号発生部５１ａが出力する切替信号に基づいて行われる。切替信号発生部５１ａは、スイッチＳＷに切替信号を出力する。本実施形態において、切替信号は、所定の周期でハイレベルとローレベルとが切り替わるパルス信号である。切替信号がハイレベルのときスイッチＳＷ１が接続されてスイッチＳＷ２が解除され、切替信号がローレベルのときスイッチＳＷ２が接続されてスイッチＳＷ１が解除される。すなわち、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２は交互にオンとオフとが切り替えられる。
【００３３】
スイッチＳＷの切替周期（すなわち、切替信号の周期の半分の周期）は、地絡検出のタイミング周期と同じ周期としてもよいし、自然数倍としてもよい。スイッチＳＷの切替周期と地絡検出のタイミング周期とが同じ周期の場合、地絡検出のタイミング毎に第１接地点ｃ１が接地された状態と第２接地点ｃ２が接地された状態とが切り替えられる。スイッチＳＷの切替周期が地絡検出のタイミング周期の２倍の周期の場合、地絡検出のタイミングの２回に１回、第１接地点ｃ１が接地された状態と第２接地点ｃ２が接地された状態とが切り替えられる。なお、本実施形態では、例えば１秒としている。
【００３４】
なお、切替信号発生部５１ａおよびスイッチＳＷの構成はこれに限られず、第１接地点ｃ１と第２接地点ｃ２とを交互に接地線に接続することができればよい。例えば、切替信号発生部５１ａが、スイッチＳＷ１を接続させるためのパルス信号と、このパルス信号を反転させたパルス信号であってスイッチＳＷ２を接続させるためのものとを、それぞれ出力する構成としてもよい。また、スイッチＳＷ１およびＳＷ２をトランジスタなどのスイッチング素子としてもよい。また、スイッチＳＷ１およびＳＷ２に換えて、接地線との接続を第１接地点ｃ１と第２接地点ｃ２との間で切り替える１つのスイッチとしてもよい。
【００３５】
接地線には計器用変流器ＣＴが配置されている。計器用変流器ＣＴは、接地線を流れる電流を検出して、検出した電流信号を判定部５２に出力する。
【００３６】
判定部５２は、検出部５１から電流信号を入力され、地絡事故が発生したか否かを判定するものである。判定部５２は、地絡事故が発生したと判定したときは、検出信号を制御装置６に出力する。判定部５２は、フィルタ部５２ａ、地絡事故判定部５２ｂを備えている。
【００３７】
フィルタ部５２ａは、検出部５１より入力される電流信号から、インバータ２の特性による交流成分およびスイッチング周波数成分を除去するものである。フィルタ部５２ａは、例えば、数Ｈｚ以下の周波数成分のみを通過するローパスフィルタで構成される。
【００３８】
地絡事故判定部５２ｂは、フィルタ部５２ａから入力される電流信号が示す電流値が、測定誤差を排除するために設定された所定範囲内であるか否かにより、地絡事故が発生したか否かを判定する。すなわち、電流値が所定範囲内の場合は測定誤差の範囲であり地絡事故が発生していないと判定し、電流値が所定範囲外となった場合は地絡事故が発生したと判定する。本実施形態において、所定範囲は±０．０５Ａとしているが、実験により適切な範囲を適宜決定すればよい。地絡事故判定部５２ｂは、地絡事故が発生したと判定した場合、制御装置６に検出信号を出力する。
【００３９】
制御装置６は、直流地絡検出装置５から検出信号を入力されたとき、遮断器４に遮断信号を出力し、インバータ２に停止信号を出力する。遮断信号を入力された遮断器４は直流電源１とインバータ２との接続を遮断し、停止信号を入力されたインバータ２は動作を停止する。これにより、地絡電流がインバータ２に流れることを防止することができる。このように、直流地絡検出装置５および制御装置６は、直流地絡事故が発生した場合にインバータ２を地絡電流から保護する保護継電器を構成する。
【００４０】
次に、直流地絡検出装置５の動作について説明する。
【００４１】
地絡事故が発生していない場合、スイッチＳＷの状態に関係なく、計器用変流器ＣＴで検出され、フィルタ部５２ａでノイズを除去された電流信号が示す電流値は所定範囲内となるので、直流地絡検出装置５が検出信号を出力することはない。
【００４２】
一方、地絡事故が発生した場合、接地線に地絡電流が流れるので、計器用変流器ＣＴで検出され、フィルタ部５２ａでノイズを除去された電流信号が示す電流値が所定範囲外となるため、直流地絡検出装置５が検出信号を出力する。また、切替信号発生部５１ａから入力される切替信号に基づいて、スイッチＳＷが接地線との接続を第１接地点ｃ１と第２接地点ｃ２との間で切り替える。したがって、仮に一方に切り替えたときに地絡事故を検出できなくても、他方に切り替えたときには地絡事故を検出することができる。
【００４３】
以下、スイッチＳＷの切り替えによる地絡電流の検出について、図２〜図６を用いて説明する。
【００４４】
図２は、図１の系統連系インバータシステムＡにおいて、直流電源１内部の直列接続された電池の間で地絡事故が発生した状態を説明するための図である。図２においては、直流電源１と直流地絡検出装置５の検出部５１のみを記載しており、それ以外および切替信号発生部５１ａについては簡略化のために省略している。以下の図３〜５についても同様である。図２において、地絡が直流電源１内部の直列接続された電池の中間点ｄ’（以下、「地絡点ｄ’」という。）で発生している。同図に示す抵抗Ｒgは、地絡時の抵抗値を表している。
【００４５】
同図においては、接地線と第１接地点ｃ１とが接続されるように、スイッチＳＷが切り替えられている。この場合、直流電源１の正極から正極端子ａおよび第１接地点ｃ１を経由して地絡点ｄ’に流れる破線矢印に示す地絡電流Ipgと、地絡点ｄ’から第１接地点ｃ１および負極端子ｂを経由して直流電源１の負極に流れる破線矢印に示す地絡電流Ingとが発生する。直流電源１の出力電圧をＥ、抵抗Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値を等しくＲとすると、Ipg＝（１／２）・Ｅ／（Ｒ＋Ｒg）、Ing＝（１／２）・Ｅ／（３Ｒ＋Ｒg）となり、地絡電流IpgとIngとが一致しないので、その差の地絡電流が計器用変流器ＣＴにより検出される電流信号に重畳される。したがって、電流信号に重畳される地絡電流（Ipg−Ing＝ＥＲ／（（Ｒ＋Ｒg）・（３Ｒ＋Ｒg）））が地絡事故判定部５２ｂに設定されている所定範囲外となるように抵抗値Ｒが決定されていれば、直流地絡検出装置５は地絡事故を検出することができる。
【００４６】
図３は、図２の状態からスイッチＳＷが切り替えられ、接地線と第２接地点ｃ２とが接続された状態を説明するための図である。この場合、Ipg＝（１／２）・Ｅ／（３Ｒ＋Ｒg）、Ing＝（１／２）・Ｅ／（Ｒ＋Ｒg）となり、地絡電流IpgとIngとが一致せず、その差の地絡電流（Ipg-Ing=−ＥＲ/（（Ｒ+Ｒｇ）・（３Ｒ＋Ｒg）））が所定範囲外となるので、直流地絡検出装置５は地絡事故を検出することができる。
【００４７】
図４および図５は、地絡事故が直流電源１の電圧を１：３に分ける点ｄ”（以下、「地絡点ｄ”」という。）で発生した状態を説明するための図である。図４においては、接地線と第１接地点ｃ１とが接続されるように、スイッチＳＷが切り替えられている。この場合、Ipg＝（１／４）・Ｅ／（Ｒ＋Ｒg）、Ing＝（３／４）・Ｅ／（３Ｒ＋Ｒg）となり、その差の地絡電流（Ipg−Ing＝−（１／２）・ＥＲg／（（Ｒ＋Ｒg）・（３Ｒ＋Ｒg）））が、Ｒgの大きさによっては、所定範囲内となる可能性もある。しかし、図５に示すように、スイッチＳＷが切り替えられ、接地線と第２接地点ｃ２とが接続された場合、Ipg＝（１／４）・Ｅ／（３Ｒ＋Ｒg）、Ing＝（３／４）・Ｅ／（Ｒ＋Ｒg）となり、その差の地絡電流（Ipg−Ing＝−（１／２）・Ｅ・（４Ｒ＋Ｒg）／（（Ｒ＋Ｒg）・（３Ｒ＋Ｒg）））が所定範囲外となるので、直流地絡検出装置５は地絡事故を検出することができる。
【００４８】
次に、直流地絡検出装置５の作用について説明する。
【００４９】
本実施形態においては、直流電源内部の直列接続された電池の間で地絡事故が発生した場合、接地される点が第１接地点ｃ１と第２接地点ｃ２との間で切り替えられるので、地絡電流IpgおよびIngが変化する。したがって、一方に切り替えられたときに、地絡電流IpgとIngとが相殺されて地絡事故を検出できない場合でも、他方に切り替えられたときに地絡事故を検出することができる。
【００５０】
なお、上記第１実施形態では、計器用変流器ＣＴで接地線を流れる電流信号を検出して判定部５２に入力しているが、これに限られない。例えば、零相電流検出用変流器により零相電流を検出するようにしてもよいし、正極および負極の対地間電圧を検出するようにしてもよい。
【００５１】
図６は、第１実施形態の別の実施例を説明するための図である。本実施例は、接地線に配置された計器用変流器ＣＴに代えて、直流電源１と図示しないインバータとを接続する２本の接続線に零相電流検出用変流器ＣＴ’を配置し、零相電流検出用変流器ＣＴ’により検出された零相電流信号を判定部５２（図１参照）に入力するものである。本実施例においても、接地される点が第１接地点ｃ１と第２接地点ｃ２との間で切り替えられるので、地絡電流IpgおよびIngが変化する。したがって、一方に切り替えられたときに、地絡電流IpgとIngとが相殺されて地絡事故を検出できない場合でも、他方に切り替えられたときに地絡事故を検出することができる。
【００５２】
図７は、第１実施形態のさらに別の実施例を説明するための図である。本実施例は、接地線に配置された計器用変流器ＣＴに代えて、接地線と正極端子ａとの間に電圧計Ｖp
を、接地線と負極端子ｂとの間に電圧計Ｖnをそれぞれ設け、電圧計Ｖpにより検出された正極の対地間電圧信号と電圧計Ｖnにより検出された負極の対地間電圧信号とを判定部５２（図１参照）に入力するものである。
【００５３】
なお、本実施例ではスイッチＳＷの切替により、電圧計Ｖpおよび電圧計Ｖnの検出すべき電圧の比が切り替わるので、判定部５２において、スイッチＳＷの切替に応じて参照するための電圧比を切り替えて、入力された電圧の比が参照された電圧比と一致するか否かを判定するようにしなければならない。例えば、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の抵抗値を同一にすると、電圧計Ｖpと電圧計Ｖnが検出する電圧の比は、接地される点が第１接地点ｃ１の場合１：３となり、接地される点が第２接地点ｃ２の場合３：１となるはずである。
【００５４】
本実施例においても、接地される点が第１接地点ｃ１と第２接地点ｃ２との間で切り替えられるので、正極の対地間電圧および負極の対地間電圧が変化する。したがって、一方に切り替えられたときに、検出された電圧の比が参照される電圧比と一致することにより地絡事故を検出できない場合でも、他方に切り替えられたときに、検出された電圧の比が参照される電圧比と一致しなくなるので地絡事故を検出することができる。
【００５５】
なお、検出部５１に設けられる抵抗は、上記に限定されない。接地線と正極端子ａとの間の抵抗値と接地線と負極端子ｂとの間の抵抗値との比が、スイッチＳＷの切り替えにより変更されればよいのであって、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の抵抗値がそれぞれ異なっていてもよいし、抵抗の数が異なっていてもよい。また、抵抗Ｒ１とＲ２とが１つの抵抗体であって、第１の接地点ｃ１がその抵抗体の途中に設けられた点であってもよい。また、抵抗値の比が２つの値で切り替わることにも限定されず、抵抗値の比が３つ以上の値で切り替わるようにしてもよい。
【００５６】
上記第１実施形態においては、接地線と正極端子ａとの間の抵抗値と接地線と負極端子ｂとの間の抵抗値がともに変化する場合について説明したが、いずれか一方のみが変化するように構成してもよい。
【００５７】
図８は、本発明に係る直流地絡検出装置の第２実施形態を説明するための図である。同図においては、図２と同様に、直流電源１と直流地絡検出装置５の検出部５１'のみを記載しており、それ以外および切替信号発生部５１ａについては簡略化のために省略している。本実施形態の検出部５１’は、スイッチＳＷの代わりに、抵抗Ｒ１の両端を短絡するためのスイッチＳＷ３を設けた点で第１実施形態の検出部５１と異なる。本実施形態においては、スイッチＳＷ３をオンオフすることにより、接地線と正極端子ａとの間の抵抗値のみを切り替える。
【００５８】
図８において、スイッチＳＷ３はオフ状態となっている。なお、抵抗Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値は等しくＲであり、直流電源１の出力電圧がＥであり、地絡が直流電源１内部の直列接続された電池の中間点である地絡点ｄ’で発生しているとする。この場合、直流電源１の正極から正極端子ａおよび接地点ｃを経由して地絡点ｄ’に流れる破線矢印に示す地絡電流Ipgと、地絡点ｄ’から接地点ｃおよび負極端子ｂを経由して直流電源１の負極に流れる破線矢印に示す地絡電流Ingとが発生する。Ipg＝Ing＝（１／２）・Ｅ／（２Ｒ＋Ｒg）となり、接地線に流れる電流は地絡電流IpgとIngとが相殺されるので、計器用変流器ＣＴが検出する電流信号に地絡電流が表れない。したがって、地絡事故を検出することができない。
【００５９】
図９は、図８の状態からスイッチＳＷ３がオンに切り替えられた状態を説明するための図である。この場合、抵抗Ｒ１の両端が短絡されるので、Ipg＝（１／２）・Ｅ／（Ｒ＋Ｒg）となる。したがって、その差の地絡電流（Ipg−Ing＝（１／２）・ＥＲ／（（Ｒ＋Ｒg）・（２Ｒ＋Ｒg）））が所定範囲外となるように設定されていれば、地絡事故を検出することができる。
【００６０】
上記第１および第２実施形態においては、固定抵抗を用いた場合について説明したが、可変抵抗を用いて構成してもよい。
【００６１】
図１０は、本発明に係る直流地絡検出装置の第３実施形態を説明するための図である。同図は、検出部５１”のみを記載している。本実施形態の検出部５１”は、正極端子ａと接地線との間に可変抵抗Ｒ５が設けられ、負極端子ｂと接地線との間に固定抵抗Ｒ６が設けられている。可変抵抗Ｒ５の抵抗値は、切替信号発生部５１ａ（図１参照）から入力される切替信号に応じて２つの値で切り替えられる。本実施形態においても、接地線と正極端子ａとの間の抵抗値と接地線と負極端子ｂとの間の抵抗値との比が変更されるので、上記第１および第２実施形態と同様の効果を奏することができる。なお、可変抵抗Ｒ５の抵抗値が２つの値で切り替えられる場合に限定されず、３以上の抵抗値で切り替えられるように構成してもよい。
【００６２】
上記実施形態では、直流地絡検出装置が系統連系インバータシステムに用いられた場合について説明したが、これに限られない。本発明の直流地絡検出装置は、直流電流が流れるシステムに用いられた場合に、適切に地絡事故を検出することができる。したがって、直流電力を直接使用するシステムに用いることもできるし、直流電力を生成する太陽電池、燃料電池、蓄電池などに直接用いることもできる。
【００６３】
また、本発明の直流地絡検出装置は、地絡事故が検出された場合にシステムを停止する場合だけでなく、地絡事故の検出を報知するために地絡事故を検出する場合にも用いることができる。
【００６４】
本発明に係る直流地絡検出装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る直流地絡検出装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。
【符号の説明】
【００６５】
１ 直流電源
２ インバータ
３ 商用電力系統
４ 遮断器
５ 直流地絡検出装置
５１，５１’、５１” 検出部
５１ａ 切替信号発生部（抵抗比率変更手段）
５２ 判定部（地絡検出手段）
５２ａ フィルタ部
５２ｂ 地絡事故判定部
６ 制御装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源の正極と負極との間に抵抗回路を接続するとともに、当該抵抗回路内にグランドに接地される接地点が設けられ、その接地点の前記正極および負極に対する電圧またはその接地点と前記グランドとの間に流れる電流に基づいて地絡の発生を検出する直流地絡検出装置であって、
前記抵抗回路は、前記接地点から前記正極までの抵抗値と前記接地点から前記負極までの抵抗値との抵抗比率が変更可能になされ、
所定の周期で前記抵抗比率を変更する抵抗比率変更手段と、
前記抵抗回路の前記抵抗比率が変更される毎に、前記接地点の前記正極および負極に対する電圧または前記接地点から前記グランドに流れる電流を検出し、それらの検出値を用いて前記地絡の発生を検出する地絡検出手段と、
を備えたことを特徴とする直流地絡検出装置。
【請求項２】
前記抵抗比率変更手段は、前記抵抗比率を、２つの値の間で交互に変化させる、請求項１に記載の直流地絡検出装置。
【請求項３】
前記抵抗回路は、前記接地点の位置が変更可能になされており、
前記抵抗比率変更手段は、前記接地点の位置を変更することにより前記抵抗比率を変更する、
請求項１または２に記載の直流地絡検出装置。
【請求項４】
前記抵抗回路は、その構成する一部の抵抗器の両端が短絡可能になされており、
前記抵抗比率変更手段は、両端を短絡する抵抗器の数を変更することにより前記抵抗比率を変更する、
請求項１または２に記載の直流地絡検出装置。
【請求項５】
前記抵抗回路は、その構成する一部の抵抗器が可変抵抗器であり、
前記抵抗比率変更手段は、前記可変抵抗器の抵抗値を変更することにより前記抵抗比率を変更する、
請求項１または２に記載の直流地絡検出装置。
【請求項６】
前記地絡検出手段は、前記正極及び前記負極と前記抵抗回路との間の一対の線路に流れる電流を検出する電流検出手段を有し、その電流検出手段により前記接地点と前記グランドとの間に流れる電流を検出し、その検出電流を用いて前記地絡の発生を検出する、請求項１ないし５のいずれかに記載の直流地絡検出装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の直流地絡検出装置と、
前記直流地絡検出装置が接続される直流電源で生成される直流電力を交流電力に変換して電力系統に供給するインバータと、
を備えた系統連系インバータシステムであって、
前記直流電源と前記インバータとの接続を遮断する遮断手段と、
前記直流地絡検出装置により地絡が検出された場合に、前記インバータを停止させ、あるいは、前記遮断手段により前記直流電源と前記インバータとの接続を遮断させる制御装置と、
を備えている系統連系インバータシステム。
【請求項１】
直流電源の正極と負極との間に抵抗回路を接続するとともに、当該抵抗回路内にグランドに接地される接地点が設けられ、その接地点の前記正極および負極に対する電圧またはその接地点と前記グランドとの間に流れる電流に基づいて地絡の発生を検出する直流地絡検出装置であって、
前記抵抗回路は、前記接地点から前記正極までの抵抗値と前記接地点から前記負極までの抵抗値との抵抗比率が変更可能になされ、
所定の周期で前記抵抗比率を変更する抵抗比率変更手段と、
前記抵抗回路の前記抵抗比率が変更される毎に、前記接地点の前記正極および負極に対する電圧または前記接地点から前記グランドに流れる電流を検出し、それらの検出値を用いて前記地絡の発生を検出する地絡検出手段と、
を備えたことを特徴とする直流地絡検出装置。
【請求項２】
前記抵抗比率変更手段は、前記抵抗比率を、２つの値の間で交互に変化させる、請求項１に記載の直流地絡検出装置。
【請求項３】
前記抵抗回路は、前記接地点の位置が変更可能になされており、
前記抵抗比率変更手段は、前記接地点の位置を変更することにより前記抵抗比率を変更する、
請求項１または２に記載の直流地絡検出装置。
【請求項４】
前記抵抗回路は、その構成する一部の抵抗器の両端が短絡可能になされており、
前記抵抗比率変更手段は、両端を短絡する抵抗器の数を変更することにより前記抵抗比率を変更する、
請求項１または２に記載の直流地絡検出装置。
【請求項５】
前記抵抗回路は、その構成する一部の抵抗器が可変抵抗器であり、
前記抵抗比率変更手段は、前記可変抵抗器の抵抗値を変更することにより前記抵抗比率を変更する、
請求項１または２に記載の直流地絡検出装置。
【請求項６】
前記地絡検出手段は、前記正極及び前記負極と前記抵抗回路との間の一対の線路に流れる電流を検出する電流検出手段を有し、その電流検出手段により前記接地点と前記グランドとの間に流れる電流を検出し、その検出電流を用いて前記地絡の発生を検出する、請求項１ないし５のいずれかに記載の直流地絡検出装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の直流地絡検出装置と、
前記直流地絡検出装置が接続される直流電源で生成される直流電力を交流電力に変換して電力系統に供給するインバータと、
を備えた系統連系インバータシステムであって、
前記直流電源と前記インバータとの接続を遮断する遮断手段と、
前記直流地絡検出装置により地絡が検出された場合に、前記インバータを停止させ、あるいは、前記遮断手段により前記直流電源と前記インバータとの接続を遮断させる制御装置と、
を備えている系統連系インバータシステム。
【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１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１０−１８７５１３（Ｐ２０１０−１８７５１３Ａ）
【公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−３１４３９（Ｐ２００９−３１４３９）
【出願日】平成２１年２月１３日（２００９．２．１３）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月１３日（２００９．２．１３）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
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