(57)【要約】【課題】零相電流波形のゼロクロス点を求める手段を不要化し、理想正弦波を発生させる手段を不要化することで二つの誤差を消去し、さらに、小規模化及び測定精度を向上させた信頼性の高い絶縁監視装置を提供する。【解決手段】電圧プローブから入力した電路間電圧波形のゼロクロス点を元に基準位相の時間 t = 0 を定め、0 ≦ t ≦ T／2（Tは１周期の時間）のときは、零相電流センサから入力した零相電流Io( t ) の値を加算していき、T／2 ＜ t ＜ T  のときは、Io( t ) の値を減算していく。この加減算していった結果が、１周期分の抵抗性地絡電流の実効値igrの定数倍となることから、零相電流センサから入力した零相電流波形の位相を求める手段が不要になり、電圧プローブから入力した電圧位相を元にした理想正弦波を発生させる手段も不要となる。この二つが不要となることで小規模化になり、誤差要因もなくなるため高精度化になる。【選択図】図１
2010249747.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単相２線式または単相３線式の電路の接地線から零相電流Ioを検出する零相電流検出手段と、
前記零相電流検出手段によって検出された前記零相電流Ioを取り込む零相電流取込手段と、
前記電路の接地線と非接地線との間の電路間電圧の位相情報を取り込む電路間電圧位相取込手段と、
電路間電圧の位相を基準位相とし、時間変数をt、電路間電圧の周期をTとするとき、電路間電圧の１周期を単位として、0 ≦ t ≦ T／2のときは前記零相電流取込手段から出力される零相電流Io( t ) の値を累積加算し、T／2 ＜ t ＜ T のときは前記零相電流Io( t ) の値を累積加算し、それぞれの累積加算値のうち一方から他方を減算する加減算手段と、
前記加減算手段から出力された値に対し所定の演算を施すことにより、抵抗性地絡電流の実効値igrを求める演算手段と、を備えることを特徴とする絶縁監視装置。
【請求項２】
前記電路間電圧位相取込手段は、前記位相情報として、取り込んだ電路間電圧の電圧波形におけるゼロクロス点の検出タイミングを出力し、
前記加減算手段は、前記電路間電圧取込手段から出力される任意のゼロクロス点のタイミングをt = 0として設定し、
前記演算手段は、前記加減算手段から出力された値を定数倍換算し、抵抗性地絡電流の実効値igrを求めることを特徴とする請求項１に記載の絶縁監視装置。
【請求項３】
３相３線式の電路の接地線から零相電流Ioを検出する零相電流検出手段と、
前記零相電流検出手段によって検出された前記零相電流Ioを取り込む零相電流取込手段と、
前記電路の第１の非接地線と第２の非接地線との間の電路間電圧の位相情報を取り込む電路間電圧取込手段と、
前記電路間電圧の位相情報を９０°分だけ移動した位相情報に変換する位相移動手段と、
前記位相移動手段から出力される位相情報を基準位相とし、時間変数をt、電路間電圧の周期をTとするとき、電路間電圧の１周期を単位として、0 ≦ t ≦ T／2における前記零相電流Io( t ) の値を累積加算し、T／2 ＜ t ＜ Tにおける前記零相電流Io( t ) の値を累積加算し、それぞれの累積加算値の一方から他方を減算する加減算手段と、
前記加減算手段から出力された値に対し所定の演算を施すことにより、抵抗性地絡電流の実効値igrを求める演算手段と、を備えることを特徴とする絶縁監視装置。
【請求項４】
前記電路間電圧位相取込手段は、前記位相情報として、取り込んだ電路間電圧の電圧波形におけるゼロクロス点の検出タイミングを前記位相移動手段に出力し、
前記位相移動手段は、前記ゼロクロス点のタイミングを基準位相の９０°分だけ移動して前記加減算手段に出力し、
前記加減算手段は、前記位相移動手段から出力される任意のゼロクロス点のタイミングをt = 0として設定し、
前記演算手段は、前記加減算手段から出力された値を定数倍換算し、抵抗性地絡電流の実効値igrを求めることを特徴とする請求項３に記載の絶縁監視装置。
【請求項５】
前記絶縁監視装置に電力を供給するための装置電源と、前記装置電源が任意の電路から取り込んだ電源電圧の位相と前記電路間電圧位相取込手段から出力される基準位相とを比較して位相差を求め、当該位相差を記憶する位相差比較記憶手段とをさらに備え、
前記位相差比較記憶手段は、前記所定の電路から取り込んだ電源電圧の位相と前記位相差とに基づいて基準位相を生成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の絶縁監視装置。
【請求項６】
前記位相差比較記憶手段は、抵抗性地絡電流成分がゼロの零相電流Ioを前記零相電流検出手段に入力し、このとき得られる抵抗性地絡電流成分がゼロとなるように前記位相差を調整する位相差調整手段を含むことを特徴とする請求項５に記載の絶縁監視装置。
【請求項７】
前記定数倍換算手段は、所定の実効値を有する零相電流Ioを前記零相電流検出手段に入力し、このとき得られる零相電流の実効値が前記所定の実効値と同じ値となるように前記定数倍の値を調整する振幅値調整手段を含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の絶縁監視装置。
【請求項８】
前記演算手段により得られた前記抵抗性地絡電流の実効値igrが所定の閾値以上のときにその旨を報知する報知手段を更に備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の絶縁監視装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁監視装置に関し、特に、単相２線式、単相３線式、３相３線式の電路の接地線から零相電流センサを介して入力した零相電流に含まれる抵抗性地絡電流の実効値を検出する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電路の漏洩電流を監視するための絶縁監視装置が知られている。特に、近年は２４時間無停電化の要請から活線状態にて電路を監視する必要がある。漏洩電流には、対地静電容量C0に起因する地絡電流Igcと、絶縁抵抗R0に起因する地絡電流Igrが含まれるが、漏電火災等を引き起こす原因は絶縁抵抗の低下であり、絶縁抵抗に起因する漏洩電流Igrを正確に検出できれば、電路の絶縁状態を正確に把握でき、漏電火災等の大惨事を未然に防止できる。
【０００３】
従来の絶縁監視装置として、電路に注入トランスから測定用低周波信号を印加し、対地静電容量C0及び絶縁抵抗R0を介して帰還する漏洩電流I0を零相変流器で検出するものがある（特許文献１参照）。しかしながら、この絶縁監視装置は、注入トランスや測定用低周波信号を発生させる電源装置が必要であり、回路規模が大型化することから、最近は注入トランスを用いない小型な絶縁監視装置のニーズが高まっている。
【０００４】
注入トランスを用いない絶縁監視方式として、例えば、零相電流センサから入力した零相電流波形のゼロクロス点を求め、また電圧プローブ等から入力した電圧波形のゼロクロス点を求め、それらの位相差から三角関数による演算を行って、絶縁抵抗に起因する地絡電流Igrの実効値を求める方式（以下、「ａ方式」という）が知られている（特許文献２参照）。また、零相電流センサから入力した零相電流波形と、電圧プローブ等から入力した電圧波形のゼロクロス点を基準として発生させる理想正弦波とを用いてベクトル演算を行って、絶縁抵抗に起因する地絡電流Igrの実効値を求める方式（以下、「ｂ方式」という）が知られている（特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−９０３２４号公報
【特許文献２】特開２００５−１４０５３２号公報
【特許文献３】特開２００２−１２５３１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２に示されたａ方式の場合、零相電流センサから入力した零相電流波形のゼロクロス点を求める手段としてコンパレータなどの回路が必要である。ａ方式では、零相電流と線間電圧のゼロクロス点を比較することにより、両者の位相差を高精度で求める必要があり、高精度で位相差を求めるためには高精度のコンパレータが必要となる。その結果、物理的な規模が広がると共にコスト高になる、という問題が生じる。
【０００７】
また、特許文献３に示されたｂ方式の場合、理想正弦波を発生させる手段が必要であり、ソフトウェアの実装においても、零相電流センサから入力した零相電流波形からＡＤコンバータを通した量子化データと、理想正弦波の離散化データとで三角関数による演算を行うため、誤差の要因が増えることにより測定精度が落ちるという問題がある。特に、シミュレーションとして形成される理想波形と実際の電圧波形は必ずしも一致するとは限らないため、理想波形と実際の電圧波形が乖離した場合には測定精度が大幅に悪化する可能性がある。
【０００８】
本発明は上記課題を解決するものであり、本発明の目的は、零相電流波形のゼロクロス点を求める手段を不要化し、理想正弦波を発生させる手段を不要化することで二つの誤差を消去し、さらに、加算と減算と定数換算という単純な演算を行うことで、小規模化、及び、精度を向上させた信頼性のある絶縁監視装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明による絶縁監視装置は、単相２線式または単相３線式の電路の接地線から零相電流Ioを検出する零相電流検出手段と、前記零相電流検出手段によって検出された前記零相電流Ioを取り込む零相電流取込手段と、前記電路の接地線と前記非接地線との間の電路間電圧の位相情報を取り込む電路間電圧位相取込手段と、  電路間電圧の位相を基準位相とし、時間変数をt、電路間電圧の周期をTとするとき、電路間電圧の１周期を単位として、0 ≦ t ≦ T／2のときは前記零相電流取込手段から出力される零相電流Io( t ) の値を累積加算し、T／2 ＜ t ＜ T のときは前記零相電流Io( t ) の値を累積加算し、それぞれの累積加算値のうち一方から他方を減算する加減算手段と、前記加減算手段から出力された値に対し所定の演算を施すことにより、抵抗性地絡電流の実効値igrを求める演算手段と、を備えることを特徴としている。電路間電圧位相取込手段は、位相情報として、取り込んだ電路間電圧の電圧波形におけるゼロクロス点の検出タイミングを出力し、加減算手段は、電路間電圧取込手段から出力される任意のゼロクロス点のタイミングをt = 0として設定し、演算手段は、加減算手段から出力された値を定数倍換算し、抵抗性地絡電流の実効値igrを求めてもよい。
【００１０】
また、本発明による絶縁監視装置は、３相３線式の電路の接地線から零相電流Ioを検出する零相電流検出手段と、零相電流検出手段によって検出された零相電流Ioを取り込む零相電流取込手段と、電路の第１の非接地線と第２の非接地線との間の電路間電圧の位相情報を取り込む電路間電圧取込手段と、電路間電圧の位相情報を９０°分だけ移動した位相情報に変換する位相移動手段と、位相移動手段から出力される位相情報を基準位相とし、時間変数をt、電路間電圧の周期をTとするとき、電路間電圧の１周期を単位として、0 ≦ t ≦ T／2における零相電流Io( t ) の値を累積加算し、T／2 ＜ t ＜ Tにおける零相電流Io( t ) の値を累積加算し、それぞれの累積加算値の一方から他方を減算する加減算手段と、加減算手段から出力された値に対し所定の演算を施すことにより、抵抗性地絡電流の実効値igrを求める演算手段と、を備えることを特徴とする。電路間電圧位相取込手段は、位相情報として、取り込んだ電路間電圧の電圧波形におけるゼロクロス点の検出タイミングを位相移動手段に出力し、位相移動手段は、ゼロクロス点のタイミングを基準位相の９０°分だけ移動して加減算手段に出力し、加減算手段は、位相移動手段から出力される任意のゼロクロス点のタイミングをt = 0として設定し、演算手段は、加減算手段から出力された値を定数倍換算し、抵抗性地絡電流の実効値igrを求めてもよい。
【００１１】
本発明による絶縁監視装置は、絶縁監視装置に電力を供給するための装置電源と、装置電源が任意の電路から取り込んだ電源電圧の位相と電路間電圧位相取込手段から出力される基準位相とを比較して位相差を求め、位相差を記憶する位相差比較記憶手段とをさらに備え、位相差比較記憶手段は、所定の電路から取り込んだ電源電圧の位相と位相差とに基づいて基準位相を生成してもよい。
【００１２】
本発明において、前記位相差比較記憶手段は、抵抗性地絡電流成分がゼロの零相電流Ioを前記零相電流検出手段に入力し、このとき得られる抵抗性地絡電流成分がゼロとなるように前記位相差を調整する位相差調整手段を含むことが好ましい。
【００１３】
本発明において、前記定数倍換算手段は、所定の実効値を有する零相電流Ioを前記零相電流検出手段に入力し、このとき得られる零相電流の実効値が前記所定の実効値と同じ値となるように前記定数倍の値を調整する振幅値調整手段を含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電圧プローブ等の電圧検出手段から入力した電路間電圧波形の位相のゼロクロス点を元に基準位相の時間 t = 0 を決めて、0 ≦ t ≦ T／2のときは、Io( t ) の値を加算していき、T／2 ＜ t ＜ Tのときは、Io( t ) の値を減算していき、この加減算していった結果が１周期分の抵抗性地絡電流の実効値igrの定数倍となることから、零相電流センサから入力した零相電流波形の位相を求める手段が不要になり、電圧プローブ等の電圧検出手段から入力した電圧位相を元にした理想正弦波を発生させる手段も不要となる。したがって、回路規模を小さくできる。Igrを求めるために零相電流とIgrの位相差自体を算出する必要がないため、絶縁抵抗の測定精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施形態による絶縁監視装置の構成を示すブロック図である。
【図２】第２の実施形態による絶縁監視装置の構成を示すブロック図である。
【図３】単相３線式及び単相２線式における零相電流の電流成分を示すベクトル図である。
【図４】電路間電圧と零相電流の関係を示す図である。
【図５】第３の実施形態による絶縁監視装置の構成を示すブロック図である。
【図６】第４の実施形態による絶縁監視装置の構成を示すブロック図である。
【図７】第５の実施形態による絶縁監視装置の構成を示すブロック図である。
【図８】３相３線式における零相電流の電流成分を示すベクトル図である。
【図９】３相３線式の電路の位相取り込みを、一方の非接地相と接地相、及び、他方の非接地相と接地相の２回に分けて取り込む場合の絶縁監視装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】Io位相誤差を与えた場合のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１１】Io実効値誤差を与えた場合のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１２】誤差を与えない場合のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１３】１周期のサンプリング数を増加させた場合のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１４】電路間電圧のゼロクロス点からβだけ前後する時点をｔ＝０として、igrを求める方法を説明するための模式図である。
【図１５】電路間電圧のゼロクロス点からπ／２だけ遅れた時点をｔ＝０として、igrを求める方法を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の第１の実施形態による絶縁監視装置の構成を示すブロック図である。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態による絶縁監視装置１Ａは、単相３線式の電路２０を監視対象とする位相取込型絶縁監視装置であって、接地線（接地相）２０ｏから延びる接地ライン３ｏに取り付けられた零相電流センサ（零相電流検出手段）２と、増幅回路やLPF等からなる零相電流取込手段４と、電圧プローブ（電圧検出手段）３ａを介して非接地線（非接地相）２０ａ，２０ｂのどちらか一方（ここでは非接地線２０ａ）に接続されると共に、電圧プローブ（電圧検出手段）３ｂを介して接地線２０ｏに接続された電路間電圧位相取込手段５と、零相電流取込手段４と電路間電圧位相取込手段５に接続された加減算手段６と、加減算手段６に接続された定数倍換算手段７と、定数倍換算手段７に接続された報知手段８とを備えている。
【００１９】
零相電流取込手段４は零相電流センサ２が検出した零相電流を取り込み、零相電流波形Io( t )を抽出する（tは時間変数）。一方、電路間電圧位相取込手段５は、接地線２０ｏと非接地線２０ａとの間の電路間電圧を取り込み、電路間電圧のゼロクロス点を求める。零相電流がマイナスからプラスにクロスするゼロクロス点Ｐ１と、次のマイナスからプラスにクロスするゼロクロス点Ｐ２の差が零相電流の周期Ｔとなる。加減算手段６は、基準位相であるゼロクロス点Ｐ１の検出時刻をt = 0とし、１周期の時間をTとして、前半の１／２周期である0 ≦ t ≦ T／2のときは零相電流Io( t ) の値を加算していき、後半の１／２周期であるT／2 ＜ t ＜ T のときはIo( t ) の値を減算していく。定数倍換算手段７はその加減算値に換算用の定数を乗算して抵抗性地絡電流の実効値igrを求める。報知手段８は抵抗性地絡電流の実効値igrを監視し、その実効値が警報値に達したときにランプを点灯させたり、値を表示させたりするなどの報知を行う。
【００２０】
図２は、本発明の第２の実施形態による絶縁監視装置の構成を示すブロック図である。
【００２１】
図２に示す絶縁監視装置１Ｂは、単相２線式の電路３０を監視対象する点で図１の絶縁監視装置１Ａと相違するが、装置構成は実質的に同一であり、位相取り込み用の引き込み線についても一方が非接地線２０ａ、他方が接地線２０ｏから延びる接地ライン３ｏにそれぞれ接続される点で同一である。そのため、同一の構成要素には同一の符号を付し、絶縁監視装置１Ｂの詳細な説明は省略する。
【００２２】
次に、抵抗性地絡電流の実効値igrを求める方法について詳細に説明する。
【００２３】
図３は、単相３線式及び単相２線式における零相電流の電流成分を示すベクトル図である。
【００２４】
図３に示すように、零相電流Ioは、容量性地絡電流Icと抵抗性地絡電流Igrとの合成であり、単相３線式及び単相２線式の電路では、容量性地絡電流Icと抵抗性地絡電流Igrの位相は９０°ずれている。αは零相電流Ioと抵抗性地絡電流Igrとの位相角である。よって、抵抗性地絡電流Igrの大きさを零相電流Ioで表すと式（１）のようになる。つまり、零相電流Ioの大きさと位相角αを求めれば、抵抗性地絡電流Igrの大きさを求めることができる。
【００２５】
【数１】
2010249747.tif 000003
【００２６】
次に、零相電流波形Io( t )について考える。tを時間変数とし、電路間電圧位相取込手段５から出力される基準位相であるゼロクロス点の時間をt = 0、基準位相と零相電流波形の位相差、すなわち、Igr（ t ）とIo（ t ）の位相差をα、零相電流波形の振幅値をIo、角周波数をω、周波数をf、電路周波数の１周期の時間をTとするとき、単相３線式及び単相２線式において、零相電流取込手段４から加減算手段６に出力される零相電流波形Io（ t ）は式（２）のように表せる。
【００２７】
【数２】
2010249747.tif 000004
【００２８】
図４は、電路間電圧と零相電流の関係を示す図である。電路間電圧（基準位相）と零相電流の位相のずれが式（２）に示す位相角αに相当する。また、電路間電圧の周期と零相電流の周期は当然ながら同一である。図４に示すように、0 ≦ t ≦ T／2のときは零相電流Io（ t ）を累積加算しT／2 ＜ t ＜ T のときはIo（ t ）の値を累積減算し、その結果をasIoとする。asIoは式（３）のようになる（式中のIgrは抵抗性地絡電流の振幅値である）。式（１）の関係を適用することにより、位相角αが式（３）から除去されている。
【００２９】
【数３】
2010249747.tif 000005
【００３０】
ゆえに、抵抗性地絡電流の振幅値Igrは、式（４）のようになり、求める抵抗性地絡電流の実効値をigrとすると、igrが正であることを考慮して、式（５）によりigrを表せる。既知の値であるasIoに基づき、位相角αを算出することなく、igrを求めることができる。
【００３１】
【数４】
2010249747.tif 000006
【数５】
2010249747.tif 000007
【００３２】
ソフトウェア実装のための設計では、kを１周期サンプリング用時間変数とし、零相電流取込手段４から出力される零相電流波形をIo（ k ）、電路間電圧位相取込手段５から出力される基準位相のゼロクロス点の時間をk = 0、基準位相と零相電流波形の位相差をα、零相電流波形の振幅値をIo、電路周波数の１周期サンプリング数をN（Ｎは2より大きい偶数）とすると、Io（ k ）は式（６）のように表せる。
【００３３】
【数６】
2010249747.tif 000008
【００３４】
ここで、rはＡＤコンバータへの入力の際のオフセット値で設計上は既知とできるが、１周期ごとに求めてもよい。0 ≦ k ≦ N／2のときはIo( k ) の値を加算していき、Ｎ／２＜ k ＜ NのときはIo( k ) の値を減算し、その結果をasIoとすると、asIoは式（７）のようになる（Igrは抵抗性地絡電流の振幅値である）。式（１）の関係を適用することにより、位相角αは式（７）から除去される。
【００３５】
【数７】
2010249747.tif 000009
【００３６】
ゆえに、抵抗性地絡電流の振幅値Igrは式（８）のようになり、求める抵抗性地絡電流の実効値をigrとすると、igrが正であることを考慮して、式（９）となる。
【００３７】
【数８】
2010249747.tif 000010
【数９】
2010249747.tif 000011
【００３８】
ただし、ＡＤコンバータのビット数やレンジによる換算は、定数倍換算手段７の定数が変わるだけなので、ここでは考慮していない。なお、多重割込みの回避策にはメディアンなどを利用すればよい。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態による絶縁監視装置１は、電圧プローブから入力した電路間電圧波形の位相のゼロクロス点を元に基準位相の時間 t = 0 を定め、0 ≦ t ≦ T／2のときにはIo（ t ）の値を加算していき、T／2 ＜ t ＜ T のときにはIo（ t ）の値を減算していき、１周期分を加減算していった結果を定数倍することにより、抵抗性地絡電流の実効値igrを求めることができる。式（３）や式（７）に、式（１）の関係を適用すれば、式中から位相角αを除去できる。すなわち、α自体を求める労力をかけることなく、Igrやigrを求めることができる。そのため、零相電流センサから入力した零相電流波形の位相を求める手段が不要になり、電圧位相を元にした理想正弦波を発生させる手段も不要となる。この二つが不要となることで小規模化が実現され、また、位相角αの算出や理想正弦波の演算に基づく誤差もなくなるため絶縁抵抗の測定精度を高めることができる。
【００４０】
図５は、本発明の第３の実施形態による絶縁監視装置の構成を示すブロック図である。
【００４１】
図５に示すように、本実施形態による絶縁監視装置１Ｃの特徴は、当該絶縁監視装置１Ｃの装置電源１０を利用し、電源電圧波形のゼロクロス点を元に基準位相の時間 t = 0 を決定する点にある。装置電源１０は、絶縁監視装置１Ｃそのものを動作させるために必要なものであり、変圧回路やLPF等で構成されている。さらに、絶縁監視装置１Ｃは位相比較記憶手段１１を備えており、位相比較記憶手段１１は装置電源１０から提供される電源電圧の位相と電路間電圧位相取込手段５から出力される本来の基準位相とを比較し、得られた位相差ｄを記憶する。そして、絶縁監視装置１Ｃの運用時には、装置電源１０からの位相に位相比較記憶手段１１が保持する位相差ｄを加算し、その結果を基準位相として、抵抗性地絡電流の実効値igrを求める。
【００４２】
そのため、電圧プローブ３ａ，３ｂを用いて電路の電圧波形の位相を最初に取り込んでおけば、その後は、電路間電圧位相取込手段５の信号取込手段３ａ，３ｂを取り外したとしても、装置電源１０からの位相に位相比較記憶手段１１が保持する位相差ｄを加算して、加算された結果を基準位相として、抵抗性地絡電流の実効値igrを求めることができる。したがって、電圧プローブの常時設置が困難な状況下では非常に便利であり、低コスト化を実現することもできる。
【００４３】
初期設定で電圧プローブ３ａ，３ｂを用いる理由は、装置電源１０から取り込んだ電源電圧の位相が、電圧プローブ３ａ，３ｂを用いて取り込むべき本来の電路の位置の位相と必ず一致するとは限らないことによるものである。
【００４４】
２４時間体制で電路２０の絶縁状態を監視することが望ましいが、電圧プローブ３ａ、３ｂを常時接続するのは難しい状況もある。第３の実施形態によれば、装置電源１０の電圧波形に基づいてigrを算出できるため、電圧プローブを常時接続しなくても２４時間体制の絶縁監視が可能となる。ただし、装置電源１０の動作電力は、電路２０とトランス結合されている別の電路から供給されているのかもしれない。装置電源１０の動作電力が電路２０から供給されるとしても、装置電源１０内部の遅延や電路２０から装置電源１０までの伝送遅延により、装置電源１０に供給される電圧波形と電路２０が提供する電圧波形の位相が同相になるとは限らない。このため、電路２０の電圧波形と装置電源１０の電圧波形は同期するものの、両者の間にはいくばくかの位相差ｄ（位相遅れ）が発生する。この位相差ｄを装置を設置する際に測定しておけば、以後は、装置電源１０に提供される電圧波形の位相に位相差ｄを加算すれば、電路２０の電圧波形の位相を求めることができる。したがって、電圧プローブ３ａ、３ｂを常時接続することなく絶縁監視できる。
【００４５】
以上説明したように、本実施形態によれば、絶縁監視装置１Ｃの運用中は装置電源１０からの電圧位相に基づいて基準位相を生成することから、電圧プローブ３ａ，３ｂの常時接続が不要となり、信頼性やコスト面で非常に有利な構成とすることができる。すなわち、電圧プローブ３ａ，３ｂを電路に常時接続する場合には、電圧プローブ自身が地絡の原因となるおそれがあり、不具合の発生源になりかねない。また、電圧プローブを常時接続に対応させるためにはより耐久性・信頼性の高い丈夫な作りのものにしなければならず、高コストとなる。しかしながら、電圧プローブを絶縁監視装置の設置時にのみ使用し、最初に位相を取り込んだ後は電圧プローブを取り外す場合には、簡易な作りの電圧プローブの使い回しができるので、コスト面でも有利である。
【００４６】
図６は、本発明の第４の実施形態による絶縁監視装置の構成を示すブロック図である。
【００４７】
図６に示すように、本実施形態による絶縁監視装置１Ｄの特徴は、零相電流センサ２や基板実装部品の特性のばらつきによる抵抗性地絡電流の実効値igrの位相のずれを予め調整する機能を備える点にある。図３に示したように、零相電流Ioが容量性地絡電流Icのみからなり抵抗性地絡電流Igrが0の場合には、抵抗性地絡電流の実効値igrも理論上0になるはずであるが、実際には零相電流取込手段４や電路間電圧位相取込手段５に含まれる位相遅延要素によって抵抗性地絡電流の実効値igrが0として検出されるとは限らない。そのため、容量性地絡電流Icのみを流せる擬似電路２１を用意し、装置電源１０の電圧を疑似電路２１から取り込み、定数倍換算手段７により抵抗性地絡電流の実効値igrを求める。そして、抵抗性地絡電流の実効値igrが0に収束するように位相比較記憶手段１１が保持する位相差を調整し、調整済みの位相差を位相比較記憶手段１１に記憶させておくことで、位相調整された抵抗性地絡電流の実効値igrを求めることができる。このような調整作業は、絶縁監視装置１Ｄを電路に設置する前（より具体的には製品出荷前）に行われる。
【００４８】
また、本実施形態による絶縁監視装置１Ｄは、零相電流センサ２や基板実装部品の特性のばらつきによる抵抗性地絡電流の実効値igrの振幅のずれを予め調整することも可能である。そのような調整は、零相電流Ioの実効値を求める手段を設け、定数倍換算手段７により抵抗性地絡電流の実効値igrを求め、流している容量性地絡電流になるように、定数倍換算手段７の換算値を変更すればよい。
【００４９】
たとえば、工場出荷時において、Icの実効値ic= 500mA、同じくIgrの実効値igr = 0mAとなる容量成分のみの零相電流Ioを試験的に流す。絶縁監視装置１Ｄ内部の遅延要素等により、定数倍換算手段は非負のigrを検出したとする。ic = 500mA、igr = 0mAとなる試験的な零相電流Ioを流したときに、 igr = 1mAが検出された場合には、零相電流Ioの１／５００が装置固有の要素によりigrとして検出されてしまうことが判明する。このような値を補正値として登録しておくことにより、絶縁監視時に検出されるigrから装置内部の遅延要因を除去することができるため、いっそう測定精度を向上させることができる。実際には、容量成分のみの零相電流Ｉoを流したときに非負のigrが検出されたときには、位相比較記憶手段１１が検出したαを０．１°ずつずらしながら、本来の位相角α＝０に調整する。この調整分が補正値となる。
【００５０】
位相だけでなく、振幅の調整についても同様である。たとえば、工場出荷時において、ic=500mA、igr = 0となる抵抗成分のみの零相電流Ioを試験的に流したとき、検出されたIoの振幅が499ｍＡであったとする。この場合、検出されたIoの振幅に乗数ｋ＝５００／４９９を乗算すれば、実際のIoの振幅を求めることができる。
【００５１】
以上説明したように、本実施形態によれば、絶縁監視装置１Ｃを電路に設置する前に、装置固有の位相誤差や振幅誤差を修正することができ、より精度の高い抵抗性地絡電流の検出が可能となる。
【００５２】
図７は、本発明の第５の実施形態による絶縁監視装置の構成を示すブロック図である。  
【００５３】
図７に示すように、本実施形態による絶縁監視装置１Ｅは、単相３線式の電路２０を監視対象する位相取込型絶縁監視装置であって、位相移動手段９を備えている点を特徴としている。すなわち、絶縁監視装置１Ｅは、接地線（接地相）２０ｏから延びる接地ライン３ｏに取り付けられた零相電流センサ（零相電流検出手段）２と、増幅回路やLPF等からなる零相電流取込手段４と、電圧プローブ３ａを介して一方の非接地線（非接地相）２０ａに接続されると共に、電圧プローブ３ｂを介して他方の非接地線（非接地相）２０ｂに接続された電路間電圧位相取込手段５と、電路間電圧位相取込手段５に接続された位相移動手段９と、零相電流取込手段４と位相移動手段９に接続された加減算手段６と、加減算手段６に接続された定数倍換算手段７と、定数倍換算手段７に接続された報知手段８とを備えている。
【００５４】
零相電流取込手段４は零相電流センサ２が検出した零相電流を取り込み、零相電流波形Io（ t ）を抽出する（tは時間変数）。一方、電路間電圧位相取込手段５は、非接地線２０ａと非接地線２０ｂとの間の電路間電圧を取り込み、電路間電圧波形の位相が求められるが、この位相は位相移動手段によって９０°シフトされ、このシフトされた位相が基準位相に設定される。加減算手段６は、基準位相のゼロクロス点の時刻をt = 0とし、基準位相の１周期の時間をTとして、前半の１／２周期である0 ≦ t ≦ T／2のときは零相電流Io（ t ）の値を累積加算していき、後半の１／２周期であるT／2 ＜ t ＜ T のときはIo（ t ）の値を累積減算していく。定数倍換算手段７はその加減算値に換算用の定数を乗算して抵抗性地絡電流の実効値igrを求める。報知手段８は抵抗性地絡電流の実効値igrを監視し、その実効値が警報値に達したときにランプを点灯させたり、値を表示させたりするなどの報知を行う。
【００５５】
次に、抵抗性地絡電流の実効値igrを求める方法について詳細に説明する。
【００５６】
図８は、３相３線式における零相電流の電流成分を示すベクトル図である。
【００５７】
図８に示す零相電流Ioは、容量性地絡電流Icと電路oaにおける抵抗性地絡電流Igrとの合成であり、３相３線式の電路では、容量性地絡電流Icと抵抗性地絡電流Igrの位相は１２０°ずれる。αは零相電流Ioと基準位相Igrmとの位相角である。よって、抵抗性地絡電流Igrの絶対値を零相電流Ioで表すと式１０のようになる。
【数１０】
2010249747.tif 000012
【００５８】
つまり、零相電流Ioの大きさと位相角αを求めることができれば、抵抗性地絡電流Igrの大きさを求めることができる。電路oaにおける電流ioa、電路abにおける電流iab、電路obにおける電流iobは、それぞれ６０°ずつ位相がずれる。ここで電流ioaについての地絡電流の容量成分icaは、電流ioaに対して位相が９０°進む。同様に、電流iobについての地絡電流の容量成分icbは、電流iobに対して位相が９０°進む。電流iabについての地絡電流の容量成分は十分に小さいためここでは考慮しない。icaとicbを合成し、地絡電流全体としての容量成分Icを求める。Icの位相とIgrの位相は１２０°ずれるかたちになる。容量成分Icから９０°遅れた位相を基準位相Igrmとする。IgrmとIoの位相差がαである。Igrの位相は、電流ioaと同相であるから、IgrmとIgrの位相差は３０°となる。IgrとIcを合成するとIoになる。ただし、この段階では、IgrもIoも大きさは未知である。以上により、式（１０）の関係が成立する。式（３）や式（７）にこの関係を代入すれば、Igrを求めることができる。
【００５９】
次に、零相電流波形Io（ t ）について考える。加減算手段６について、３相３線式のときは、tを時間変数とし、零相電流検出手段４から出力される零相電流波形をIo（ t ）、位相移動手段９から出力される基準位相のゼロクロス点の時間をt = 0、基準位相と零相電流波形の位相差をα、零相電流波形の振幅値をIo、角周波数をω、周波数をf、電路周波数の１周期の時間をTとすると、３相３線式においても、零相電流検出手段４から加減算手段６に出力される零相電流波形Io（ t ）は式（２）のように表せる。
【００６０】
0 ≦ t ≦ T／2のときはIo（ t ）の値を加算していき、T／2 ＜ t ＜ T のときはIo（ t ）の値を減算し、その結果をasIoとすると、asIoは式（１１）のようになる（式中のIgrは抵抗性地絡電流の振幅値である）。
【００６１】
【数１１】
2010249747.tif 000013
【００６２】
ゆえに、抵抗性地絡電流の振幅値Igrは式（１２）のようになり、求める抵抗性地絡電流の実効値igrは、igrが正であることを考慮して、式（１３）になる。
【００６３】
【数１２】
2010249747.tif 000014
【数１３】
2010249747.tif 000015
【００６４】
ソフトウェア実装のための設計では、kを１周期サンプリング用時間変数とし、零相電流検出手段４から出力される零相電流波形をIo（ k ）、位相移動手段９から出力される基準位相のゼロクロス点の時間をk = 0、基準位相と零相電流波形の位相差をα、零相電流波形の振幅値をIo、電路周波数の１周期サンプリング数をN（Ｎは、2より大きい偶数とする）とすると、Io（ k ）は式（６）のように表せる。
【００６５】
ここで、rはＡＤコンバータ入力の際のオフセット値で設計上は既知とできるが、１周期ごとに求めてもよい。0 ≦ k ≦ N／2のときはIo（ k ）の値を加算していき、N／2 ＜ k ＜ N のときはIo（ k ）の値を減算し、その結果をasIoとすると、asIoは式（１４）のようになる（Igrは抵抗性地絡電流の振幅値である）。
【００６６】
【数１４】
2010249747.tif 000016
ゆえに、抵抗性地絡電流の振幅値Igrは式（１５）のようになり、求める抵抗性地絡電流の実効値をigrとすると、igrが正であることを考慮して、式（１６）になる。
【００６７】
【数１５】
2010249747.tif 000017
【数１６】
2010249747.tif 000018
【００６８】
ただし、ＡＤコンバータのビット数やレンジによる換算は、定数倍換算手段７の定数が変わるだけなので、ここでは考慮していない。なお、多重割込みの回避策にはメディアンなどを利用すればよい。
【００６９】
ところで、３相３線式の電路の位相取り込みを、一方の非接地相と接地相、及び、他方の非接地相と接地相の２回に分けて取り込む場合、図９に示すように、１回目に取り込んだ位相を位相比較記憶手段１１に記憶し、２回目に取り込んだ位相と記憶した位相の中央値をとれば、図８に示すようなIgrmの位相になり、前記の位相移動手段９で位相を９０°移動させたときの結果と同値になる。
【００７０】
以上説明したように、本実施形態による絶縁監視装置１は、電圧プローブから入力した電路間電圧波形の位相のゼロクロス点を元に基準位相の時間 t = 0 を定め、0 ≦ t ≦ T／2のときにはIo（ t ）の値を加算していき、T／2 ＜ t ＜ TのときにはIo（ t ）の値を減算していき、１周期分を加減算していった結果を定数倍することにより、抵抗性地絡電流の実効値igrを求めることができる。そのため、零相電流センサから入力した零相電流波形の位相を求める手段が不要になり、電圧位相を元にした理想正弦波を発生させる手段も不要となる。この二つが不要となることで小規模化になり、また、位相差や理想正弦波の演算に基づく誤差もなくなるため絶縁抵抗の測定精度を高めることができる。
【実施例】
【００７１】
本発明と従来のｂ方式とを比較した抵抗性地絡電流測定のシミュレーションを行った。
【００７２】
シミュレーションでは、図１０〜１３に示す入力パラメータを与えた。ここで、「周波数」は電路の周波数、「Io実効値」は零相電流の実効値、「1周期サンプリング数」は電路周波数の1周期中に等間隔で零相電流波形の電流値をサンプリングするデータ数、「ADコンバータビット数」は零相電流検出手段に設けるＡＤコンバータのビット数、「ＡＤコンバータ入力レンジ」は上記ＡＤコンバータの最大ビットに対応する零相電流最大振幅値を２倍したもの、「理想正弦波振幅値」はｂ方式による理想正弦波の振幅値、「Io実効値誤差」は零相電流実効値の誤差、「Io位相誤差」は零相電流波形の位相誤差である。
【００７３】
各図に示すシミュレーション結果において、横軸はIoの位相差、縦軸は入力パラメータにより出力される抵抗性地絡電流の実効値igrの真値との誤差であり、ｂ方式、理論誤差、及び本発明の場合について比較して示している。なお、理論誤差はＡＤコンバータの量子化誤差はないものとしている。ｂ方式で利用する理想正弦波は、0.1°間隔で3600個のデータを用意した。
【００７４】
各図に示すシミュレーションについての各入力パラメータは、周波数：５０Ｈｚ、Io実効値：１０００ｍＡ、１周期サンプリング数：３２個、ＡＤコンバータビット数：１２bit、理想正弦波振幅値：１０００ｍＡである。Io実効値誤差、Io位相誤差をそれぞれ変化させている。図１０では、Io実効値誤差：０ｍＡ、Io位相誤差：−０．１°とした場合のシミュレーション結果である。図１０に示すように、Io位相誤差を−0.1°与えた場合、綺麗な正弦波による誤差である理論誤差に合わさるように本発明の誤差があり、ｂ方式の誤差は理論誤差から離れるものとなった。鋸状の波形は、ＡＤコンバータによる量子化誤差による影響である。ｂ方式では理想正弦波による離散化誤差も含む。
【００７５】
図１１は、Io実効値誤差：１ｍＡ、Io位相誤差：０°とした場合のシミュレーション結果である。図１１に示すように、Io実効値誤差を1mA与えた場合、綺麗な半波整流である理論誤差に合わさるように本発明の誤差があり、ｂ方式の誤差は理論誤差から離れてずれている。
【００７６】
図１２は、Io実効値誤差：０ｍＡ、Io位相誤差：０°とした場合のシミュレーション結果である。図１２に示すように、誤差を与えなかった場合、理論誤差はIo位相差によらず0になり、本発明の誤差は0付近にあり、ｂ方式の誤差は理論誤差から離れている。
【００７７】
図１３は、Io実効値誤差：０ｍＡ、Io位相誤差：−０．１°とした場合のシミュレーション結果である。ただし、ここでは１周期のサンプリング数を１２８にしている。図１３に示すように、Io位相誤差を−0.1°、1周期サンプリング数を１２８で与えた場合、ｂ方式は理想誤差に近づいていることがわかる。
【００７８】
ａ方式について、位相誤差が生じた場合、図１３の理想誤差のグラフからわかる通り、Io位相誤差−0.1°で抵抗性地絡電流の実効値igrの誤差は最大約1.7mAになるため位相誤差の影響は大きいと言える。
【００７９】
ｂ方式は、サンプリング数を変えたり理想正弦波の各値の四捨五入や切り捨てや切り上げなど変えることにより、特定条件では理論誤差に近づいたり良くなる場合もあるが、位相調整値やIo位相誤差やIo実効値誤差が変わることで、結果として誤差は理想誤差に近づかず、安定しなくなる。また、サンプリング数を上げていけば理想誤差に近づくのは、離散化誤差がなくなっていくからであると言える。
【００８０】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【００８１】
例えば、上記の各実施形態においては、零相電流検出手段として零相電流センサを用い、電路間電圧検出手段として電圧プローブを用いているが、本発明はそのような取込手段に限定されるものではなく、各種の電流・電圧取込手段を採用することができる。また、上記の各実施形態においては、電路間電圧の１周期を単位として前半の半周期に累積加算、後半の半周期に累積減算を行っているが、これを逆にして累積減算、累積加算の順で加減算を行っても構わない。これは、抵抗性地絡電流の実効値であるigrは「正」であることを根拠として式（５），（９），（１３），（１６）に示すように絶対値による演算を行うためである。更に、上記の各実施形態においては、電路間電圧のゼロクロス点を t = 0 として加減算を行っているが、例えば、図１４、図１５に示すように、電路間電圧のゼロクロス点からずれたタイミングを t = 0 として電路間電圧の周期分だけ加減算処理を行った場合でも、その後の演算がやや複雑になるものの、抵抗性地絡電流を算出することが可能である。
【００８２】
図１４は、電路間電圧のゼロクロス点からβだけ前後する時点をｔ＝０として、igrを求める方法を説明するための模式図である。ゼロクロス点からβだけ遅れた時点をｔ＝０として求めるasIoをＡ１、ゼロクロス点からβだけ進んだ時点をｔ＝０として求めるasIoをＡ２とよぶことにする。Ａ１は、以下の式（１７）により求められる。
【００８３】
【数１７】
2010249747.tif 000019
また、Ａ２は以下の式（１８）により求められる。
【００８４】
【数１８】
2010249747.tif 000020
Ａ１とＡ２を加算すると式（１９）となる。
【数１９】
2010249747.tif 000021
βがゼロでないとすると、抵抗性地絡電流の実効値igrは、式（１）に基づく以下の式（２０）により求めることができる。
【数２０】
2010249747.tif 000022
こうして、igrからαを消去できるため、βが既知であれば、Ａ１、Ａ２からigrを求めることができる。
【００８５】
図１５は、電路間電圧のゼロクロス点からπ／２だけ遅れた時点をｔ＝０として、igrを求める方法を説明するための模式図である。この場合のasIoは、式（２１）により求められる。
【数２１】
2010249747.tif 000023
【００８６】
【数２２】
2010249747.tif 000024
【数２３】
2010249747.tif 000025
【数２４】
2010249747.tif 000026
であるから、Igrは、以下の式（２５）により求められる。
【数２５】
2010249747.tif 000027
ゆえに、実効値igrは、以下の式（２６）により求められる。
【数２６】
2010249747.tif 000028
【符号の説明】
【００８７】
１Ａ〜１Ｆ    絶縁監視装置
２    零相電流センサ（零相電流検出手段）
３    電圧プローブ（電圧検出手段）
４    零相電流取込手段
５    電路間電圧位相取込手段
６    加減算手段
７    定数倍換算手段
８    報知手段
９    位相移動手段
１０    装置電源入力手段
１１    位相比較記憶手段
【図１】
2010249747.tif 000029
【図２】
2010249747.tif 000030
【図３】
2010249747.tif 000031
【図４】
2010249747.tif 000032
【図５】
2010249747.tif 000033
【図６】
2010249747.tif 000034
【図７】
2010249747.tif 000035
【図８】
2010249747.tif 000036
【図９】
2010249747.tif 000037
【図１０】
2010249747.tif 000038
【図１１】
2010249747.tif 000039
【図１２】
2010249747.tif 000040
【図１３】
2010249747.tif 000041
【図１４】
2010249747.tif 000042
【図１５】
2010249747.tif 000043