絶縁監視装置
【課題】Ｂ種接地線に流れる地絡事故電流に対する絶縁監視装置の最適な保護方式を提供する。
【解決手段】商用周波数とは異なる周波数の監視信号を生成する監視信号生成回路１８と、注入用トランス１０を介してＢ種接地線１９に注入する監視信号注入回路１５と、電圧検出回路１４およびスイッチ素子１３と、前記監視信号注入回路１５と前記電圧検出回路１４との間に設けられた電流検出回路１２と、前記電圧検出回路１４と前記注入用トランス１０との間に設けられた回路遮断用リレー１１と、前記遮断用リレー１１を制御する制御回路１７からなり、前記電流検出回路の電流が所定の値となると、前記回路遮断用リレー１１にて回路を遮断する第一の保護方式と、前記電圧検出回路１４の両端の電圧が所定の値になると前記スイッチ素子１３がオン動作を行うと共に、前記回路遮断用リレー１１にて回路を遮断する第二の保護方式を有する。
【解決手段】商用周波数とは異なる周波数の監視信号を生成する監視信号生成回路１８と、注入用トランス１０を介してＢ種接地線１９に注入する監視信号注入回路１５と、電圧検出回路１４およびスイッチ素子１３と、前記監視信号注入回路１５と前記電圧検出回路１４との間に設けられた電流検出回路１２と、前記電圧検出回路１４と前記注入用トランス１０との間に設けられた回路遮断用リレー１１と、前記遮断用リレー１１を制御する制御回路１７からなり、前記電流検出回路の電流が所定の値となると、前記回路遮断用リレー１１にて回路を遮断する第一の保護方式と、前記電圧検出回路１４の両端の電圧が所定の値になると前記スイッチ素子１３がオン動作を行うと共に、前記回路遮断用リレー１１にて回路を遮断する第二の保護方式を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変圧器の出力側にＢ種接地工事を行った低圧電路において、電路の対地絶縁抵抗を活線状態で監視する絶縁監視装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
Ｂ種接地工事を行った低圧電路において、電路の絶縁劣化が進行した場合の漏電火災予防等の観点より地絡継電器等を設置し、地絡事故時は電路を遮断することにより波及事故等を防止するシステムが取られている。しかしながら、突然の電力供給の停止は、負荷設備・機器等の安定稼動に係わる影響は大きく、事故の発生を未然に防止することが極めて重要であり、その対応方法として活線で電路の絶縁状態を常時監視する絶縁監視装置が用いられている。
【０００３】
かかる絶縁監視装置の例としては、変圧器の出力側のＢ種接地線に、商用周波と異なる低周波数の微弱な監視信号を印加し、印加した監視信号電圧により電路の対地絶縁抵抗分と対地静電容量分にて生じる監視信号周波数成分の循環電流より、その有効分（対地絶縁抵抗分）を検出し，電路の対地絶縁抵抗を求めるものが有る。
このように、商用周波と異なる低周波数の微弱な監視信号を印加することにより，活線状態で常時監視を可能とするとともに、対地絶縁抵抗分により流れる電流のみを監視することにより、電路の絶縁劣化の状態をより早い段階で検出可能としている。
【０００４】
このような絶縁監視装置では、変圧器の出力側のＢ種接地線に注入用トランスを介して商用周波と異なる低周波数の微弱な監視信号を印加している。これにより、変圧器の低圧電路に地絡事故が発生しＢ種接地線に地絡電流が流れた場合、逆に注入用トランスを介して絶縁監視装置に電力信号が入りこみ、特に地絡事故電流が大きくなった場合、大電力の商用周波数信号が注入用トランスを介して絶縁監視装置内部に流れこみ、絶縁監視装置の機能・性能特性に影響が生じたり、更には内部の監視信号注入回路部品等が焼損したり、破損する場合がある。そこで、これを防止するため、各種保護手段が設けられている。
【０００５】
先行技術文献１ 特許第４４５０９６０号においては、監視信号注入回路出力間の電圧を監視し、かつ、その電圧から監視用信号周波数分の電圧を除いた電圧を用いて地絡事故電流を換算検出し、その電圧が所定の値となったとき回路遮断リレーを動作して遮断することにより保護するものである。
【０００６】
また、先行技術文献２ 特許第４２７６９２４号においては、特許文献１と同様に監視信号注入回路出力間の電圧を検出する電圧検出回路を有し、所定の電圧になると監視信号注入回路出力間に設けたスイッチ素子をオン（短絡）して過電圧から監視信号注入回路部品等を高速に保護するとともに、更にスイッチ素子に流れる電流を監視し、電流が所定の値になると回路遮断リレーを動作させて接続回路を遮断することにより、スイッチ素子の保護を行うものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】 特許第４４５０９６０号
【特許文献２】 特許第４２７６９２４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
地絡事故電流に起因して注入用トランスを介して絶縁監視装置内部に生じる事故電力の大きさは地絡事故電流の大きさと相関があり、地絡事故電流が大きいほど絶縁監視装置内部に生じる事故電力も大きくなる。地絡事故電流による絶縁監視装置内部に生じる地絡事故電流の影響を地絡事故電流の大きさに沿って述べると、小さい方から過大電流に到るまで概略下記に大別できる。第一段階としては絶縁監視装置としての性能特性に影響がほとんど生じないレベル、第二段階としては性能特性に影響が出始めると共に、長時間その状態が継続した場合絶縁監視装置内部部品の発熱やそれに伴う劣化進行等の悪影響が予想されるレベル、第三段階としては短時間でその状態を除去しないと絶縁監視装置内部部品に焼損や破損が生じるレベルが考えられる。
【０００９】
また、前記第一段階から第三段階レベルにおける地絡事故電流検出値の精度および絶縁監視装置内部保護のための応答時間に対する要求は地絡事故電流段階レベルに応じて異なり、前記第一から第二段階への移行する事故電流領域では、絶縁監視装置内部部品への悪影響は無いことより、むしろ通常絶縁監視運転状態から運転停止に状態移行する地絡電流領域であることから、応答速度よりも地絡事故電流検出値精度が要求され、不要な地絡電流レベルでの無用な保護動作により本来の絶縁監視機能を不要に停止させることの無いよう、確実な地絡事故電流検出値精度が要求される。一方，第三段階レベルの地絡事故電流が生じた場合、地絡事故電流の絶対精度よりも応答速度が要求され、絶縁監視装置内部部品の劣化、焼損、破損が生じない、速やかな保護動作が必要となる。
【００１０】
そこで本発明は、アナログハード回路とＣＰＵのソフト演算機能を有効に併用する構成とし、前記第一段階から第二段への変化を精度良く検出して動作する第一の保護方式と、前記第ニ段階から第三段階への移行を高速に検出して動作することにより、絶縁監視装置内部部品の保護を行うとともに、短時間の応動により過大地絡電流事故時における保護回路部品の電力ロスを極力抑えた第ニの保護方式を併用することにより、地絡事故電流レベルに応じた最適な保護方式を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため本発明は、商用周波数とは異なる周波数の絶縁監視用信号を生成する監視信号生成回路と、生成された信号を注入用トランスを駆動してＢ種接地線に注入する監視信号注入回路と、前記監視信号注入回路の出力間に設けられた電圧検出回路およびスイッチ素子と、前期監視信号注入回路と前期電圧検出回路との間に設けられた電流検出回路と、前記電圧検出回路と前記注入用トランスとの間に設けられた回路遮断用リレー接点と、前記遮断用リレーを制御する制御回路からなり、前記電流検出回路の電流が所定の値となると、前記回路遮断用リレーにて回路を遮断して前記監視信号注入回路等を保護する第一の保護方式と、前記電圧検出回路の両端の電圧が所定の値になると前記スイッチ素子がオン動作を行うと共に、併せて前記回路遮断用リレーにて回路を遮断して前記監視信号注入回路や前記スイッチ素子等を保護する第二の保護方式を併せて有することを特徴としている。
【００１２】
また、前記電流検出回路の所定判定電流値は、請求項２による、全電流実効値を用いる方式、又は、全電流実効値から注入用トランスを介してＢ種接地線に注入する絶縁監視用注入電流の実効値分を削除した電流実効値を用いる方式、又は、商用周波数成分のみを抽出した電流実効値を用いることを特徴としている。
【００１３】
また、前記電流検出回路の電流が所定の値以上となると、前記回路遮断用リレーにて回路を遮断する第一の保護機能は、電流が所定の電流の閾値を一定期間超えたとき動作するものであり、このような時延機能により一過性のノイズ等による不要動作を防止している。一方，第二の保護機能は前記電圧検出回路の両端の電圧が所定の値になると、即時に前記スイッチ素子をオンして監視信号注入回路出力間の電圧上昇を防止し監視信号注入回路等を過電圧から保護するとともに、併せて前記回路遮断用リレーにて回路を遮断し、前記オンしたスイッチ素子の電流継続時間を極力短くすることにより、スイッチ素子の焼損を防止するとともに、小形部品の適用も可能とする効果がある。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、地絡事故電流に対する保護方式を電流検出回路方式と電圧検出回路方式の併用とすることにより、地絡事故電流レベルに応じた最適な動作電流精度や高速応動動による保護方式を提供する事が可能となり、これにより地絡事故時の絶縁監視装置の内部回路部品へのサージ電圧抑制や事故に伴う電力ロスを小さく押さえることにより、構成回路部品も定格熱容量や定格サージ耐量の比較的小さい部品の適用が可能となり、製品を小形化簡素化出来る効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係わる内部機能ブロック図である。
【図２】本発明の実施回路構成例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明の実施形態に係わる内部機能ブロック図である。図１において、ＣＰＵ１６、監視信号生成回路１８にて、商用周波数とは異なる周波数の絶縁監視用信号を生成する。生成された商用周波数とは異なる周波数の信号は監視信号注入回路１５にて注入用トランス１０を介してＢ種接地線に注入する。ここで、Ｂ種接地線を介して商用周波数の地絡電流が流れていない場合、電流検出回路１２内の抵抗を流れる電流は商用周波数とは異なる周波数の絶縁監視用信号電流のみである。
【００１７】
一方、電路が地絡するなどして、Ｂ種接地線１９に漏洩電流が流れた場合、前期漏洩電流に基づく誘導電力が、Ｂ種接地線から注入用トランス１０を介して絶縁監視装置０１へ逆注入されることになる。このような場合において、監視信号注入回路１５を保護するために、保護回路０２及びＣＰＵ１６が連携して動作する。
【００１８】
Ｂ種接地線１９から注入用トランス１０を介して絶縁監視装置０１へ逆注入された誘導電力の検出保護方式は、電流検出回路１２の電流が所定の値以上になると、前記回路遮断用リレーにて回路を遮断する第一の電流検出方式と、電圧検出回路１４の両端の電圧が所定の値となると、即時にスイッチ素子１３をオンして監視信号出力回路間の電圧上昇を防止し監視信号注入回路１５等を過電圧から保護すると共に、併せて遮断用リレー制御回路・駆動回路１７にて遮断リレー１１を開路して電流を遮断し、即時オンしたスイッチ素子１３の電流継続時間を極力短くしてスイッチ素子１３の熱焼損も防止する。
【００１９】
このようにして絶縁監視装置０１の内部回路と注入用トランス１０とが遮断リレー１１にて電気的に遮断されるとスイッチ素子１３はオフし、監視信号出力回路間の短絡状態は復旧する。
【００２０】
図２は前述した図１の内部機能ブロック図に沿った、本発明の実施回路構成の一例を示すものである。
【００２１】
図２において、ＣＰＵ１６より商用周波数とは異なる周波数の絶縁監視用信号を出力する。この出力信号は基本波成分として絶縁監視用信号の周波数成分を含んだパルス信号等でも可能であり、その後段のローパスフィルタ３３で高調波等の不要成分を除去し、商用周波数とは異なる周波数の絶縁監視用信号を波形生成する。この絶縁監視用信号はカップリングコンデンサＣ２０を介してパワーアンプ３１に入力し増幅され、注入用トランス１０を駆動できるように電力増幅する。なお、可変抵抗３４は固定抵抗Ｒ２５，Ｒ２７と組合せてパワーアンプの出力電圧を規定値に調整するものである。また、可変抵抗３４、及び固定抵抗Ｒ２５，Ｒ２７を介してパワーアンプ３１の出力電圧を帰還することにより、規程定電圧の絶縁監視用信号で注入用トランス１０を駆動する。なお、通常運転状態においては、遮断リレー１１はトランジスタ３６を介してＣＰＵ１６の出力Ｄｏにて制御され、遮断リレー１１はオンし接点は閉路となっている。
【００２２】
また、注入用トランス１０を駆動できるように電力増幅するパワーアンプ３１の電源は正負電源Ｖ＋，Ｖ−で構成され、平滑用コンデンサ２９、平滑用コンデンサ３０が正負電源とシグナルグラウンドＳＧ間に接続されている。また、ダイオード２７、ダイオード２８はパワーアンプ３１の出力部の過電圧保護を行うものであり、外来サージ電圧等が進入した場合、ダイオード２７、ダイオード２８を介して平滑用コンデンサ２９、平滑用コンデンサ３０に電圧クランプするものである。
【００２３】
固定抵抗器Ｒ２４には、通常運転状態においては注入用トランス１０を駆動する絶縁監視用信号電流が流れるとともに、電路が地絡するなどして、Ｂ種接地線１９に漏洩電流が流れた場合、前期漏洩電流に基づく誘導電力が、Ｂ種接地線から注入用トランス１０を介して絶縁監視装置０１へ逆注入され、前記ダイオード２７、ダイオード２８を介して平滑用コンデンサ２９、平滑用コンデンサ３０に電圧クランプされ、この漏洩電流に起因した信号電流（通常は商用周波数が主成分）が固定抵抗器Ｒ２４に重畳される。この電流信号は固定抵抗Ｒ２４で電圧信号に変換されたものが電流検出回路１２で増幅され、ＣＰＵ１６のＡＤ変喚器に入力し電流値の演算を行う。
【００２４】
次に地絡事故が生じた場合の影響度合いに付き記載する。地絡事故電流に起因して注入用トランスを介して絶縁監視装置内部に生じる事故電力の大きさは、地絡事故電流の大きさと相関があり概略下記に大別できる。第一段階としては絶縁監視装置としての性能特性に影響がほとんど生じないレベル、第二段階としては性能特性に影響が出始めると共に、長時間その状態が継続した場合絶縁監視装置内部部品の発熱やそれに伴う劣化進行が生じる可能性があるレベル、第三段階としては短時間でその状態を除去しないと絶縁監視装置内部部品の焼損や破損が生じるレベルが考えられる。
【００２５】
次に地絡事故が生じた場合の検出動作、保護動作に付き記載する。前記第一段階は通常の絶縁監視を継続し、前記第二段階レベルに地絡事故電流が到達した場合遮断リレー１１を開路し、絶縁監視装置０１の内部回路と注入用トランス１０とが遮断リレー１１にて電気的に遮断する。ここにおける電流検出は、固定抵抗Ｒ２４で電圧信号に変換された電流信号を電流検出回路１２で増幅し、ＣＰＵ１６のＡＤ変喚器に入力してＡ／Ｄ変換サンプリングし、そのサンプリングデータを用いて電流実効値の演算を行う。電流実効値は、Ａ／Ｄ変換サンプリングした値を用いて、全電流実効値を演算にて求めて保護動作を行う方式の他、フーリエ演算により特定周波数の実効値を演算で求め、全電流実効値から通常運転状態で常時流れている周波数の絶縁監視用信号電流の実効値分を削除した電流実効値を用いる方式や、地絡事故時に主に生じる商用周波数成分の電流のみを抽出した電流実効値で保護動作を行う方式等が考えられ、これらはＣＰＵ１６のソフト演算処理で容易に実現可能である。
【００２６】
また、前記第二段階レベルの地絡事故に起因して絶縁監視装置内部に生じる事故電力は比較的小さく、固定抵抗Ｒ２４を流れる電流による電圧変動も比較的小さいことから、固定抵抗Ｒ２４以後の注入用トランス１０間の出力信号回路間の地絡事故電流に伴う電圧波形歪みは小さく、後述の電圧検出回路は不動作状態にある。
【００２７】
次に、前記第三段階レベルの地絡事故が生じた場合の検出動作、保護動作に付き記載する。地絡事故に起因して絶縁監視装置内部に生じる事故電力は大きくなることより、固定抵抗Ｒ２４を流れる地絡事故に起因する電流も大きくなり、固定抵抗Ｒ２４に起因して固定抵抗Ｒ２４以後の注入用トランス１０間の線路間電圧の昇圧や降圧歪が生じ、固定抵抗Ｒ２４以後の出力信号回路間電圧の電圧歪変動が大きくなる。
【００２８】
電圧検出回路はツェナーダイオード２４・２５、固定抵抗器Ｒ２２・Ｒ２３、及びトライアック２６で構成される。出力信号回路間電圧の電圧変動が大きくなり、変動時の出力信号回路間電圧のピーク電圧が前記ツェナーダイオード２４・２５、及び固定抵抗器Ｒ２２・Ｒ２３で定まるトライアック２６のトリガ電圧より大きくなり、トライアック２６にゲート電流が流れるとトライアック２６がオンする。トライアック２６のアノードにはＣＰＵ２６のＤｏ出力より固定抵抗Ｒ２８を介してトランジスタ３６をオンする為の直流電圧が印加されており、トライアック２６がオンするとフォトカプラ２３の発光素子を経由して直流電流が流れトライアック２６はオン状態を自己保持する。
【００２９】
フォトカプラ２３の発光素子へのオン電流により、フォトカプラ２３の受光素子がオンし、固定抵抗Ｒ２０，Ｒ２１を介してスイッチ素子のトライアック２１がオンして出力信号回路間を短絡することにより地絡事故に起因する電流を吸収し、出力信号回路間電圧の上昇を防止する。なお、スイッチ素子・トライアック２１の動作時間は半導体スイッチ動作であることより極めて高速応答動作が可能である。
【００３０】
また、トライアック２６のオン電圧とフォトカプラ２３の発光素子の順方向電圧の加算電圧より、ツェナーダイオード３７の降伏電圧を大きく選定することにより、トライアック２６のオンに連動してトランジスタ３６がオフし遮断リレー１１もオフして遮断リレーは開路し、トライアック２１を流れていた地絡事故に起因する電流は遮断される。このようにスイッチ素子・トライアック２１に電流が流れる時間は遮断リレーの釈放動作時間のみと短い為、スイッチ素子・トライアック２１に必要な定格熱耐量・電流二乗時間積（ｉ２ｔ）の定格値も小さく抑えることが出来、部品選定も小型化が可能となる。
【００３１】
電圧検出回路が動作してトランジスタ３６がオフし遮断リレー１１もオフする動作においてはＣＰＵ１６のソフト処理的関与は一切しておらず、より高速の保護動作を可能としている。一方、この電圧検出回路による保護動作が行われた場合は、トランジスタ３６のコレクタ側電圧レベルをＣＰＵ１６のＤｉ入力の電圧レベルで監視することで判別可能である。ＣＰＵ１６がトランジスタ３６をオフ制御しないにもかかわらずオフした場合は、電圧検出回路による保護動作をしたと判定し、その後ＣＰＵ１６の出力Ｄｏをトランジスタ３６をオフする制御（Ｌレベル電圧出力）を行うことによりトライアック２６の自己保持が解除され、スイッチ素子・トライアック２１はオフし、監視信号出力回路間の短絡状態は復旧する。
【符号の説明】
【００３２】
０１：絶縁監視装置
０２：保護回路
１０：注入用トランス
１１：遮断リレー
１２：電流検出回路
１３：スイッチ素子
１４：電圧検出回路
１５：監視信号注入回路
１６：ＣＰＵ
１７：遮断リレー制御回路・遮断リレー駆動回路
１８：監視信号生成回路
１９：Ｂ種接地線
２１：トライアック（スイッチ素子）
２２：ダイオードブリッジ
２３：フォトカプラ
２４、２５、３７：ツェナーダイオード
２６：トライアック
２７，２８：ダイオード
２９，３０：コンデンサ
３１：パワーアンプ
３４：可変抵抗器
３６：トランジスタ
Ｒ２０〜Ｒ２８：固定抵抗器
Ｃ２０：カップリングコンデンサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変圧器の出力側にＢ種接地工事を行った低圧電路において、電路の対地絶縁抵抗を活線状態で監視する絶縁監視装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
Ｂ種接地工事を行った低圧電路において、電路の絶縁劣化が進行した場合の漏電火災予防等の観点より地絡継電器等を設置し、地絡事故時は電路を遮断することにより波及事故等を防止するシステムが取られている。しかしながら、突然の電力供給の停止は、負荷設備・機器等の安定稼動に係わる影響は大きく、事故の発生を未然に防止することが極めて重要であり、その対応方法として活線で電路の絶縁状態を常時監視する絶縁監視装置が用いられている。
【０００３】
かかる絶縁監視装置の例としては、変圧器の出力側のＢ種接地線に、商用周波と異なる低周波数の微弱な監視信号を印加し、印加した監視信号電圧により電路の対地絶縁抵抗分と対地静電容量分にて生じる監視信号周波数成分の循環電流より、その有効分（対地絶縁抵抗分）を検出し，電路の対地絶縁抵抗を求めるものが有る。
このように、商用周波と異なる低周波数の微弱な監視信号を印加することにより，活線状態で常時監視を可能とするとともに、対地絶縁抵抗分により流れる電流のみを監視することにより、電路の絶縁劣化の状態をより早い段階で検出可能としている。
【０００４】
このような絶縁監視装置では、変圧器の出力側のＢ種接地線に注入用トランスを介して商用周波と異なる低周波数の微弱な監視信号を印加している。これにより、変圧器の低圧電路に地絡事故が発生しＢ種接地線に地絡電流が流れた場合、逆に注入用トランスを介して絶縁監視装置に電力信号が入りこみ、特に地絡事故電流が大きくなった場合、大電力の商用周波数信号が注入用トランスを介して絶縁監視装置内部に流れこみ、絶縁監視装置の機能・性能特性に影響が生じたり、更には内部の監視信号注入回路部品等が焼損したり、破損する場合がある。そこで、これを防止するため、各種保護手段が設けられている。
【０００５】
先行技術文献１ 特許第４４５０９６０号においては、監視信号注入回路出力間の電圧を監視し、かつ、その電圧から監視用信号周波数分の電圧を除いた電圧を用いて地絡事故電流を換算検出し、その電圧が所定の値となったとき回路遮断リレーを動作して遮断することにより保護するものである。
【０００６】
また、先行技術文献２ 特許第４２７６９２４号においては、特許文献１と同様に監視信号注入回路出力間の電圧を検出する電圧検出回路を有し、所定の電圧になると監視信号注入回路出力間に設けたスイッチ素子をオン（短絡）して過電圧から監視信号注入回路部品等を高速に保護するとともに、更にスイッチ素子に流れる電流を監視し、電流が所定の値になると回路遮断リレーを動作させて接続回路を遮断することにより、スイッチ素子の保護を行うものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】 特許第４４５０９６０号
【特許文献２】 特許第４２７６９２４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
地絡事故電流に起因して注入用トランスを介して絶縁監視装置内部に生じる事故電力の大きさは地絡事故電流の大きさと相関があり、地絡事故電流が大きいほど絶縁監視装置内部に生じる事故電力も大きくなる。地絡事故電流による絶縁監視装置内部に生じる地絡事故電流の影響を地絡事故電流の大きさに沿って述べると、小さい方から過大電流に到るまで概略下記に大別できる。第一段階としては絶縁監視装置としての性能特性に影響がほとんど生じないレベル、第二段階としては性能特性に影響が出始めると共に、長時間その状態が継続した場合絶縁監視装置内部部品の発熱やそれに伴う劣化進行等の悪影響が予想されるレベル、第三段階としては短時間でその状態を除去しないと絶縁監視装置内部部品に焼損や破損が生じるレベルが考えられる。
【０００９】
また、前記第一段階から第三段階レベルにおける地絡事故電流検出値の精度および絶縁監視装置内部保護のための応答時間に対する要求は地絡事故電流段階レベルに応じて異なり、前記第一から第二段階への移行する事故電流領域では、絶縁監視装置内部部品への悪影響は無いことより、むしろ通常絶縁監視運転状態から運転停止に状態移行する地絡電流領域であることから、応答速度よりも地絡事故電流検出値精度が要求され、不要な地絡電流レベルでの無用な保護動作により本来の絶縁監視機能を不要に停止させることの無いよう、確実な地絡事故電流検出値精度が要求される。一方，第三段階レベルの地絡事故電流が生じた場合、地絡事故電流の絶対精度よりも応答速度が要求され、絶縁監視装置内部部品の劣化、焼損、破損が生じない、速やかな保護動作が必要となる。
【００１０】
そこで本発明は、アナログハード回路とＣＰＵのソフト演算機能を有効に併用する構成とし、前記第一段階から第二段への変化を精度良く検出して動作する第一の保護方式と、前記第ニ段階から第三段階への移行を高速に検出して動作することにより、絶縁監視装置内部部品の保護を行うとともに、短時間の応動により過大地絡電流事故時における保護回路部品の電力ロスを極力抑えた第ニの保護方式を併用することにより、地絡事故電流レベルに応じた最適な保護方式を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため本発明は、商用周波数とは異なる周波数の絶縁監視用信号を生成する監視信号生成回路と、生成された信号を注入用トランスを駆動してＢ種接地線に注入する監視信号注入回路と、前記監視信号注入回路の出力間に設けられた電圧検出回路およびスイッチ素子と、前期監視信号注入回路と前期電圧検出回路との間に設けられた電流検出回路と、前記電圧検出回路と前記注入用トランスとの間に設けられた回路遮断用リレー接点と、前記遮断用リレーを制御する制御回路からなり、前記電流検出回路の電流が所定の値となると、前記回路遮断用リレーにて回路を遮断して前記監視信号注入回路等を保護する第一の保護方式と、前記電圧検出回路の両端の電圧が所定の値になると前記スイッチ素子がオン動作を行うと共に、併せて前記回路遮断用リレーにて回路を遮断して前記監視信号注入回路や前記スイッチ素子等を保護する第二の保護方式を併せて有することを特徴としている。
【００１２】
また、前記電流検出回路の所定判定電流値は、請求項２による、全電流実効値を用いる方式、又は、全電流実効値から注入用トランスを介してＢ種接地線に注入する絶縁監視用注入電流の実効値分を削除した電流実効値を用いる方式、又は、商用周波数成分のみを抽出した電流実効値を用いることを特徴としている。
【００１３】
また、前記電流検出回路の電流が所定の値以上となると、前記回路遮断用リレーにて回路を遮断する第一の保護機能は、電流が所定の電流の閾値を一定期間超えたとき動作するものであり、このような時延機能により一過性のノイズ等による不要動作を防止している。一方，第二の保護機能は前記電圧検出回路の両端の電圧が所定の値になると、即時に前記スイッチ素子をオンして監視信号注入回路出力間の電圧上昇を防止し監視信号注入回路等を過電圧から保護するとともに、併せて前記回路遮断用リレーにて回路を遮断し、前記オンしたスイッチ素子の電流継続時間を極力短くすることにより、スイッチ素子の焼損を防止するとともに、小形部品の適用も可能とする効果がある。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、地絡事故電流に対する保護方式を電流検出回路方式と電圧検出回路方式の併用とすることにより、地絡事故電流レベルに応じた最適な動作電流精度や高速応動動による保護方式を提供する事が可能となり、これにより地絡事故時の絶縁監視装置の内部回路部品へのサージ電圧抑制や事故に伴う電力ロスを小さく押さえることにより、構成回路部品も定格熱容量や定格サージ耐量の比較的小さい部品の適用が可能となり、製品を小形化簡素化出来る効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係わる内部機能ブロック図である。
【図２】本発明の実施回路構成例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明の実施形態に係わる内部機能ブロック図である。図１において、ＣＰＵ１６、監視信号生成回路１８にて、商用周波数とは異なる周波数の絶縁監視用信号を生成する。生成された商用周波数とは異なる周波数の信号は監視信号注入回路１５にて注入用トランス１０を介してＢ種接地線に注入する。ここで、Ｂ種接地線を介して商用周波数の地絡電流が流れていない場合、電流検出回路１２内の抵抗を流れる電流は商用周波数とは異なる周波数の絶縁監視用信号電流のみである。
【００１７】
一方、電路が地絡するなどして、Ｂ種接地線１９に漏洩電流が流れた場合、前期漏洩電流に基づく誘導電力が、Ｂ種接地線から注入用トランス１０を介して絶縁監視装置０１へ逆注入されることになる。このような場合において、監視信号注入回路１５を保護するために、保護回路０２及びＣＰＵ１６が連携して動作する。
【００１８】
Ｂ種接地線１９から注入用トランス１０を介して絶縁監視装置０１へ逆注入された誘導電力の検出保護方式は、電流検出回路１２の電流が所定の値以上になると、前記回路遮断用リレーにて回路を遮断する第一の電流検出方式と、電圧検出回路１４の両端の電圧が所定の値となると、即時にスイッチ素子１３をオンして監視信号出力回路間の電圧上昇を防止し監視信号注入回路１５等を過電圧から保護すると共に、併せて遮断用リレー制御回路・駆動回路１７にて遮断リレー１１を開路して電流を遮断し、即時オンしたスイッチ素子１３の電流継続時間を極力短くしてスイッチ素子１３の熱焼損も防止する。
【００１９】
このようにして絶縁監視装置０１の内部回路と注入用トランス１０とが遮断リレー１１にて電気的に遮断されるとスイッチ素子１３はオフし、監視信号出力回路間の短絡状態は復旧する。
【００２０】
図２は前述した図１の内部機能ブロック図に沿った、本発明の実施回路構成の一例を示すものである。
【００２１】
図２において、ＣＰＵ１６より商用周波数とは異なる周波数の絶縁監視用信号を出力する。この出力信号は基本波成分として絶縁監視用信号の周波数成分を含んだパルス信号等でも可能であり、その後段のローパスフィルタ３３で高調波等の不要成分を除去し、商用周波数とは異なる周波数の絶縁監視用信号を波形生成する。この絶縁監視用信号はカップリングコンデンサＣ２０を介してパワーアンプ３１に入力し増幅され、注入用トランス１０を駆動できるように電力増幅する。なお、可変抵抗３４は固定抵抗Ｒ２５，Ｒ２７と組合せてパワーアンプの出力電圧を規定値に調整するものである。また、可変抵抗３４、及び固定抵抗Ｒ２５，Ｒ２７を介してパワーアンプ３１の出力電圧を帰還することにより、規程定電圧の絶縁監視用信号で注入用トランス１０を駆動する。なお、通常運転状態においては、遮断リレー１１はトランジスタ３６を介してＣＰＵ１６の出力Ｄｏにて制御され、遮断リレー１１はオンし接点は閉路となっている。
【００２２】
また、注入用トランス１０を駆動できるように電力増幅するパワーアンプ３１の電源は正負電源Ｖ＋，Ｖ−で構成され、平滑用コンデンサ２９、平滑用コンデンサ３０が正負電源とシグナルグラウンドＳＧ間に接続されている。また、ダイオード２７、ダイオード２８はパワーアンプ３１の出力部の過電圧保護を行うものであり、外来サージ電圧等が進入した場合、ダイオード２７、ダイオード２８を介して平滑用コンデンサ２９、平滑用コンデンサ３０に電圧クランプするものである。
【００２３】
固定抵抗器Ｒ２４には、通常運転状態においては注入用トランス１０を駆動する絶縁監視用信号電流が流れるとともに、電路が地絡するなどして、Ｂ種接地線１９に漏洩電流が流れた場合、前期漏洩電流に基づく誘導電力が、Ｂ種接地線から注入用トランス１０を介して絶縁監視装置０１へ逆注入され、前記ダイオード２７、ダイオード２８を介して平滑用コンデンサ２９、平滑用コンデンサ３０に電圧クランプされ、この漏洩電流に起因した信号電流（通常は商用周波数が主成分）が固定抵抗器Ｒ２４に重畳される。この電流信号は固定抵抗Ｒ２４で電圧信号に変換されたものが電流検出回路１２で増幅され、ＣＰＵ１６のＡＤ変喚器に入力し電流値の演算を行う。
【００２４】
次に地絡事故が生じた場合の影響度合いに付き記載する。地絡事故電流に起因して注入用トランスを介して絶縁監視装置内部に生じる事故電力の大きさは、地絡事故電流の大きさと相関があり概略下記に大別できる。第一段階としては絶縁監視装置としての性能特性に影響がほとんど生じないレベル、第二段階としては性能特性に影響が出始めると共に、長時間その状態が継続した場合絶縁監視装置内部部品の発熱やそれに伴う劣化進行が生じる可能性があるレベル、第三段階としては短時間でその状態を除去しないと絶縁監視装置内部部品の焼損や破損が生じるレベルが考えられる。
【００２５】
次に地絡事故が生じた場合の検出動作、保護動作に付き記載する。前記第一段階は通常の絶縁監視を継続し、前記第二段階レベルに地絡事故電流が到達した場合遮断リレー１１を開路し、絶縁監視装置０１の内部回路と注入用トランス１０とが遮断リレー１１にて電気的に遮断する。ここにおける電流検出は、固定抵抗Ｒ２４で電圧信号に変換された電流信号を電流検出回路１２で増幅し、ＣＰＵ１６のＡＤ変喚器に入力してＡ／Ｄ変換サンプリングし、そのサンプリングデータを用いて電流実効値の演算を行う。電流実効値は、Ａ／Ｄ変換サンプリングした値を用いて、全電流実効値を演算にて求めて保護動作を行う方式の他、フーリエ演算により特定周波数の実効値を演算で求め、全電流実効値から通常運転状態で常時流れている周波数の絶縁監視用信号電流の実効値分を削除した電流実効値を用いる方式や、地絡事故時に主に生じる商用周波数成分の電流のみを抽出した電流実効値で保護動作を行う方式等が考えられ、これらはＣＰＵ１６のソフト演算処理で容易に実現可能である。
【００２６】
また、前記第二段階レベルの地絡事故に起因して絶縁監視装置内部に生じる事故電力は比較的小さく、固定抵抗Ｒ２４を流れる電流による電圧変動も比較的小さいことから、固定抵抗Ｒ２４以後の注入用トランス１０間の出力信号回路間の地絡事故電流に伴う電圧波形歪みは小さく、後述の電圧検出回路は不動作状態にある。
【００２７】
次に、前記第三段階レベルの地絡事故が生じた場合の検出動作、保護動作に付き記載する。地絡事故に起因して絶縁監視装置内部に生じる事故電力は大きくなることより、固定抵抗Ｒ２４を流れる地絡事故に起因する電流も大きくなり、固定抵抗Ｒ２４に起因して固定抵抗Ｒ２４以後の注入用トランス１０間の線路間電圧の昇圧や降圧歪が生じ、固定抵抗Ｒ２４以後の出力信号回路間電圧の電圧歪変動が大きくなる。
【００２８】
電圧検出回路はツェナーダイオード２４・２５、固定抵抗器Ｒ２２・Ｒ２３、及びトライアック２６で構成される。出力信号回路間電圧の電圧変動が大きくなり、変動時の出力信号回路間電圧のピーク電圧が前記ツェナーダイオード２４・２５、及び固定抵抗器Ｒ２２・Ｒ２３で定まるトライアック２６のトリガ電圧より大きくなり、トライアック２６にゲート電流が流れるとトライアック２６がオンする。トライアック２６のアノードにはＣＰＵ２６のＤｏ出力より固定抵抗Ｒ２８を介してトランジスタ３６をオンする為の直流電圧が印加されており、トライアック２６がオンするとフォトカプラ２３の発光素子を経由して直流電流が流れトライアック２６はオン状態を自己保持する。
【００２９】
フォトカプラ２３の発光素子へのオン電流により、フォトカプラ２３の受光素子がオンし、固定抵抗Ｒ２０，Ｒ２１を介してスイッチ素子のトライアック２１がオンして出力信号回路間を短絡することにより地絡事故に起因する電流を吸収し、出力信号回路間電圧の上昇を防止する。なお、スイッチ素子・トライアック２１の動作時間は半導体スイッチ動作であることより極めて高速応答動作が可能である。
【００３０】
また、トライアック２６のオン電圧とフォトカプラ２３の発光素子の順方向電圧の加算電圧より、ツェナーダイオード３７の降伏電圧を大きく選定することにより、トライアック２６のオンに連動してトランジスタ３６がオフし遮断リレー１１もオフして遮断リレーは開路し、トライアック２１を流れていた地絡事故に起因する電流は遮断される。このようにスイッチ素子・トライアック２１に電流が流れる時間は遮断リレーの釈放動作時間のみと短い為、スイッチ素子・トライアック２１に必要な定格熱耐量・電流二乗時間積（ｉ２ｔ）の定格値も小さく抑えることが出来、部品選定も小型化が可能となる。
【００３１】
電圧検出回路が動作してトランジスタ３６がオフし遮断リレー１１もオフする動作においてはＣＰＵ１６のソフト処理的関与は一切しておらず、より高速の保護動作を可能としている。一方、この電圧検出回路による保護動作が行われた場合は、トランジスタ３６のコレクタ側電圧レベルをＣＰＵ１６のＤｉ入力の電圧レベルで監視することで判別可能である。ＣＰＵ１６がトランジスタ３６をオフ制御しないにもかかわらずオフした場合は、電圧検出回路による保護動作をしたと判定し、その後ＣＰＵ１６の出力Ｄｏをトランジスタ３６をオフする制御（Ｌレベル電圧出力）を行うことによりトライアック２６の自己保持が解除され、スイッチ素子・トライアック２１はオフし、監視信号出力回路間の短絡状態は復旧する。
【符号の説明】
【００３２】
０１：絶縁監視装置
０２：保護回路
１０：注入用トランス
１１：遮断リレー
１２：電流検出回路
１３：スイッチ素子
１４：電圧検出回路
１５：監視信号注入回路
１６：ＣＰＵ
１７：遮断リレー制御回路・遮断リレー駆動回路
１８：監視信号生成回路
１９：Ｂ種接地線
２１：トライアック（スイッチ素子）
２２：ダイオードブリッジ
２３：フォトカプラ
２４、２５、３７：ツェナーダイオード
２６：トライアック
２７，２８：ダイオード
２９，３０：コンデンサ
３１：パワーアンプ
３４：可変抵抗器
３６：トランジスタ
Ｒ２０〜Ｒ２８：固定抵抗器
Ｃ２０：カップリングコンデンサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用周波数とは異なる周波数の絶縁監視用信号を生成する監視信号生成回路と、生成された信号を注入用トランスを駆動してＢ種接地線に注入する監視信号注入回路と、前記監視信号注入回路の出力間に設けられた電圧検出回路およびスイッチ素子と、前期監視信号注入回路と前期電圧検出回路との間に設けられた電流検出回路と、前記電圧検出回路と前記注入用トランスとの間に設けられた回路遮断用リレー接点と、前記遮断用リレーを制御する制御回路からなり、前記電流検出回路の電流が所定の値となると、前記回路遮断用リレーにて回路を遮断して前記監視信号注入回路等を保護する第一の保護方式と、前記電圧検出回路の両端の電圧が所定の値になると前記スイッチ素子がオン動作を行うと共に、併せて前記回路遮断用リレーにて回路を遮断して前記監視信号注入回路や前記スイッチ素子等を保護する第二の保護方式を併せて有することを特徴とする絶縁監視装置。
【請求項２】
請求項１に記載した絶縁監視装置の第一の保護方式において、前記電流検出回路の所定判定電流値として、全電流実効値を用いる方式、又は、全電流実効値から注入用トランスを介してＢ種接地線に注入する絶縁監視用注入電流の実効値分を削除した電流実効値を用いる方式、又は、商用周波数成分のみを抽出した電流実効値を用いることを特徴とする絶縁監視装置。
【請求項１】
商用周波数とは異なる周波数の絶縁監視用信号を生成する監視信号生成回路と、生成された信号を注入用トランスを駆動してＢ種接地線に注入する監視信号注入回路と、前記監視信号注入回路の出力間に設けられた電圧検出回路およびスイッチ素子と、前期監視信号注入回路と前期電圧検出回路との間に設けられた電流検出回路と、前記電圧検出回路と前記注入用トランスとの間に設けられた回路遮断用リレー接点と、前記遮断用リレーを制御する制御回路からなり、前記電流検出回路の電流が所定の値となると、前記回路遮断用リレーにて回路を遮断して前記監視信号注入回路等を保護する第一の保護方式と、前記電圧検出回路の両端の電圧が所定の値になると前記スイッチ素子がオン動作を行うと共に、併せて前記回路遮断用リレーにて回路を遮断して前記監視信号注入回路や前記スイッチ素子等を保護する第二の保護方式を併せて有することを特徴とする絶縁監視装置。
【請求項２】
請求項１に記載した絶縁監視装置の第一の保護方式において、前記電流検出回路の所定判定電流値として、全電流実効値を用いる方式、又は、全電流実効値から注入用トランスを介してＢ種接地線に注入する絶縁監視用注入電流の実効値分を削除した電流実効値を用いる方式、又は、商用周波数成分のみを抽出した電流実効値を用いることを特徴とする絶縁監視装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１３−５４０１７（Ｐ２０１３−５４０１７Ａ）
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０６５８４（Ｐ２０１１−２０６５８４）
【出願日】平成２３年９月５日（２０１１．９．５）
【出願人】（５９８１０８７９９）泰和電気工業株式会社 (5)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月５日（２０１１．９．５）
【出願人】（５９８１０８７９９）泰和電気工業株式会社 (5)
【Ｆターム（参考）】
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