(57)【要約】  多相交流電流を導く給電ケーブル（３）の地絡を検出するための方法であって、給電ケーブルの平均電位が決定され、平均電位から導き出された量または平均電位自体が評価ユニットに導かれ、評価ユニットが平均電位または平均電位から導き出された量を閾値と比較する方法において、地絡を確実に低コストにて検出することを可能にする方法を提供するために、平均電位または平均電位から導き出された量が閾値を下回った際に地絡が推定されることを提案する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多相交流電流を導く給電ケーブルの地絡検出方法であって、給電ケーブルの平均電位が決定され、平均電位から導き出された量または平均電位自体が評価ユニット（７）に導かれ、評価ユニット（７）が平均電位または平均電位から導き出された量を閾値と比較し、平均電位または平均電位から導き出された量が閾値を下回った際に地絡が推定される給電ケーブルの地絡検出方法。
【請求項２】
平均電位が対称的な中性点形成器（６）を介して決定される請求項１記載の方法。
【請求項３】
中性点形成器（６）の中性点と大地電位との間に接続された負荷（１５）に降下する電圧が電圧値の獲得のもとに検出され、電圧値が評価ユニット（７）に伝送される請求項２記載の方法。
【請求項４】
中性点形成器（６）の中性点と大地電位との間に流れる電流が電流値の獲得のもとに検出され、電流値が評価ユニット（７）に伝送される請求項２記載の方法。
【請求項５】
給電ケーブルの各相の個別電位が個別電位値の獲得のもとに検出され、各相の個別電位値が評価ユニット（７）に伝送され、評価ユニット（７）が全ての個別電位に基づいて平均電位を算出する請求項１記載の方法。
【請求項６】
給電ケーブル（３）に直流電圧成分が与えられる請求項１乃至５の１つに記載の方法。
【請求項７】
直流電圧成分が非対称の能動的な整流器回路により与えられる請求項６記載の方法。
【請求項８】
給電ケーブルがインバータを介して給電される請求項６記載の方法。
【請求項９】
インバータが変圧器を介して給電ケーブルに接続され、変圧器の中性点に直流電圧成分が非対称の受動的な整流器回路（１０，２０）を介して与えられる請求項８記載の方法。
【請求項１０】
多相の給電ケーブル（３）を介して負荷（４）に接続され給電を行なうインバータ（２）と、評価ユニット（７）に接続され給電ケーブルの平均電位を決定する手段（６）とを備え、評価ユニット（７）が直流電圧シフトに依存して地絡を検出するように構成されている負荷給電装置。
【請求項１１】
インバータ（２）が変圧器（８）を介して給電ケーブル（３）に接続され、給電ケーブル（３）に直流電圧シフトを発生するための付加的手段（９）が設けられている請求項１０記載の装置。
【請求項１２】
直流電圧シフトを発生するための付加的手段（９）が、非対称の受動的な整流器回路（１０，２０）を変圧器（８）の中性点に含んでいる請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
直流電圧シフトを発生するための付加的手段（９）が、非対称の能動的な整流器回路（１０，２０，２１）を含んでいる請求項１１記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多相交流電流を導く給電ケーブルの地絡検出方法であって、給電ケーブルの平均電位が決定され、平均電位から導き出された量または平均電位自体が評価ユニットに導かれ、評価ユニットが平均電位または平均電位から導き出された量を閾値と比較する給電ケーブルの地絡検出方法に関する。
【０００２】
更に、本発明は、多相給電ケーブルを介して負荷に接続されている給電用インバータと、評価ユニットに接続されている給電ケーブルの平均電位決定手段とを備えた負荷給電装置に関する。
【０００３】
このような方法およびこのような装置は一般的な従来技術から既に公知である。例えば高電圧アレスタの分野では、多相給電線のそれぞれの相を介して流れる電流を検出し、個々の相電流を加算して１つの和電流を形成することが通例となっている。故障のない状態においては、このようにして算出される和電流は零に等しい。これに対して故障時には電流の一部が大地を介して流れるので、個々の相電流の加算は零にならない。したがって、和電流が予め与えられた閾値を上回ると、故障を検出する評価ユニットが必要な保護措置を作動させる。
【０００４】
「ＺＥＶＲａｉｌ  Ｇｌａｓｅｒ’ｓ  Ａｎｎａｌｅｎ」の別冊、Ｂｌａｎｋ、Ｅｎｇｅｌ、Ｈｅｌｌｉｎｇｅｒ、ＨｏｋｅおよびＮｏｔｈａｆｔ著の“Ａｎｔｒｉｅｂ  ｕｎｄ  Ｔｒａｎｓｒａｐｉｄ”なるタイトルを有する特集号“Ｔｒａｎｓｒａｐｉｄ  ２００３”から、第１７頁の図２３に、多相交流電流を導く給電ケーブルの電圧が測定され、零電圧基準が地絡検出のために使用される方法が開示されている。
【０００５】
トランスラピッド（ドイツにおいて開発された磁気浮上高速鉄道）において、地絡事故は、特に固定子のモータ部分の給電ケーブルにおいて、しかしモータ巻線自体においても、確実に検出されなければならない。その際に地絡事故は予め指定された時間帯範囲内で遮断されなければならないので、起こり得る短絡への拡大、または送電系統の電圧ステップ上昇または電圧過負荷による乗客危険が回避されている。２線地絡への地絡拡大は短絡を引き起こし、それによって車両がまたたく間に浮上状態を失う。
【０００６】
トランスラピッドのモータ部分における地絡検出において、系統中性点近くにおける地絡事故の検出に問題がある。しかし、この範囲にこそ重要性が認識されている。更に、地絡検出時に不都合なことに、給電用電力変換器によって故障電圧周波数に広範な可変スペクトルが発生させられる。しかし、故障電圧周波数が確実な地絡検出を妨げる。
【０００７】
本発明の課題は、地絡を確実に低コストにて検出することを可能にする冒頭に述べた方法および装置を提供することにある。
【０００８】
本発明は、この課題を、冒頭に述べた方法から出発して、閾値を下回った際に地絡が推定されることによって解決する。
【０００９】
本発明は、この課題を、冒頭に述べた装置から出発して、評価ユニットが直流電圧シフトに依存して地絡を検出するように構成されていることによって解決する。
【００１０】
本発明によれば、地絡を確実に推定するために、形成された又はそうでなくても存在する平均電位が利用される。このような平均電位が地絡時に喪失されることを狙ったものである。それゆえ、本発明によれば、既に公知の方法および装置の場合と違って、多相給電線の対称的な負荷を監視する。むしろ、本発明による故障検出は直接的または間接的に検出される平均電位の脱落を狙ったものである。
【００１１】
本発明の有利な実施態様によれば、平均電位が対称的な中性点形成器を介して決定される。中性点形成器は、例えば３つの抵抗からなり、３つの抵抗の一方側はそれぞれ給電ケーブルの相の１つに接続され、３つの抵抗は、給電ケーブルとは反対側において、中性点が形成されるように互いに電気的に接続されている。
【００１２】
これに関する実施態様によれば、中性点形成器の中性点と大地電位との間に接続された負荷に降下する電圧が電圧値の獲得のもとに検出され、電圧値が評価ユニットに伝送される。このようにして、平均電位がこのような電圧値として、すなわち平均電位が直接に地絡検出に利用される。平均電位、すなわち、前記抵抗に降下する電圧が、予め評価ユニットにおいて規定され例えばパラメータとして記憶された閾値を下回った際に、地絡の存在が推定される。
【００１３】
これとは相違する実施態様によれば、中性点形成器の中性点と大地電位との間に流れる電流が電流値の獲得のもとに検出され、電流値が評価ユニットに伝送される。中性点における電流検出は例えば較正された変流器により行なわれる。平均電位が存在するならば、中性点と大地との間で電流が検出される。これは正常動作時においてそうである。地絡発生時には平均電位が落ち込み、平均電位によって駆動される電流が零に向かう。したがって、電流が評価ユニットにおいて規定された閾値を下回った際に、地絡が推定される。
【００１４】
本発明による装置の有利な実施態様によれば、インバータが変圧器を介して給電ケーブルに接続され、給電ケーブルに直流電圧シフトを発生するための付加的手段が設けられている。変圧器を介するインバータと給電ケーブルとの接続によって、インバータによって生じさせられる直流電圧シフトが失われる。この理由から、このような直流電圧シフトを発生する付加的手段が必要である。直流電圧シフトのための付加的手段は任意に構成することができる。
【００１５】
しかしながら、有利な実施態様によれば、直流電圧シフトを発生するための付加的手段が、非対称の受動的な整流器回路を変圧器の中性点に含んでいる。このような受動的な整流器回路は、例えばツェナーダイオードと抵抗との直列回路からなり、この直列回路が大地電位と変圧器の２次巻線の中性点との間に配置されている。
【００１６】
これとは相違する本発明の実施態様によれば、直流電圧シフトを発生するための付加的手段が、非対称の能動的な整流器回路を含んでいる。このような能動的な整流器回路は、例えば任意の直流電圧源を有する。直流電圧源は交流電源から給電されてもよいし、あるいはエネルギー蓄積器として実現されていてもよい。太陽電池も、この関連で使用することができる。他の可能性は、燃料電池、繰り返し充電可能なバッテリーユニットなどをエネルギー蓄積器として含む。
【００１７】
本発明の他の望ましい形態および利点は、以下における図面に基づく本発明の実施例の説明の対象であり、図面において同じ作用をする構成部分には同じ参照符号が付されている。
図１は本発明による装置の実施例を概略図にて示し、
図２は本発明による装置の他の実施例を概略図にて示し、
図３は直流電圧シフト検出のための平均電位を発生するための付加的手段の実施例を示し
図４は直流電圧シフト検出のための平均電位を発生するための付加的手段の２つの他の実施例を示し、
図５は直流電圧シフト検出のための平均電位を発生するための付加的手段の更に別の実施例を示し、
図６は直流電圧シフトを発生するための他の付加的手段ならびに中性点形成器を示す。
【００１８】
図１は本発明による装置１の実施例を概略図にて示す。示された装置１はインバータ２を含み、インバータ２は多相給電ケーブル３を介して負荷４に接続されている。給電ケーブル３は、コンデンサ５により概略的に示されている容量性の対地インピーダンスを有する。インバータ２の結合インピーダンス２ａは接地されたコンデンサと、これに並列に接続された抵抗とによって概略的に示されている。これに対応して負荷インピーダンス４ａが示されている。インバータ２の結合インピーダンス２ａは失われ得る結合インピーダンスではない。結合インピーダンス２ａは負極から正極へ向けられたフリーホイールダイオードを有するインバータの回路のシステマチックな構造に基づく。したがって、インバータの失われることのない結合インピーダンスは大地に対して非対称に負荷される。このようにして、コンデンサ５によって示されている容量性の対地インピーダンスは、平均的に負の直流電圧に予め充電される。この直流電圧充電は結合インピーダンス２ａのために高抵抗で行なわれ、インバータ２のパルスパターンに依存しない。このようにして生じた平均電位は、平均電位決定手段としての検出ユニット６によって検出され、評価ユニット７に伝送される。評価ユニット７は、平均電位が予め定められた閾値を下回るときに故障警報を発し、それによって図示されていないスイッチおよび遮断ユニットが作動させられる。
【００１９】
図２は本発明による装置１の他の実施例を示す。図２に示された装置１は、インバータ２が変圧器８を介して給電ケーブル３に接続されていることによって、図１に示された装置１と異なる。この理由から、インバータ２によって生じさせられる直流電圧シフトは発生しない。したがって、図示の実施例では、平均電位を発生するための付加的手段９が設けられている。付加的手段９は、電位形成器１０および平均電位の直流電圧シフトのための充電装置１１を含む。
【００２０】
図３は検出ユニット６の実施例を示す。検出ユニット６は、３つの抵抗１３からなる中性点形成器１２を有する。これらの抵抗１３の入力側はそれぞれ給電ケーブル３の１つの相に接続されている。抵抗１３は、給電ケーブル３とは反対側において、中性点１４が形成されるように互いに接続されている。中性点１４は測定抵抗１５を介して大地電位に接続されているので、直流電圧シフトの際に、測定抵抗１５を介して平均電位を取り出すことができる。これは一般に専門家に知られているように行なわれる。このようにして検出された平均電位はひき続いて評価ユニット７に伝送される。評価ユニット７は受信した平均電位を閾値と比較し、平均電位が閾値を下回ると故障警報を発生する。
【００２１】
図４は検出ユニット６の２つの他の実施例を同時に示す。図４の左側には、ここでも、入力側をそれぞれ給電ケーブル３の１つの相に接続されている３つの抵抗１３が示されている。給電ケーブル３とは反対側において中性点１４が形成されるように抵抗１３が互いに接続されている。しかしながら、図３に示された実施例と違って測定抵抗が設けられていない。その代わりに、平均電位によって駆動される電流を検出するための較正された変流器１７が用いられる。地絡時に平均電位が落ち込み、それにより大地へ流れる電流のための駆動力が落ち込むので、閾値を下回った時に評価ユニット７が故障警報を発生する。
【００２２】
図４は、右側において、平均電位を発生するための他の可能性を示す。この場合には３つの電圧測定器１８が設けられている。これらの電圧測定器１８は、それぞれ１つの相と大地電位との間で降下する電圧を測定し、測定値を評価ユニット７に伝送する。評価ユニット７は伝送された電圧値から平均電位を算出する。平均電位が閾値よりも低下するときには、またもや故障処理が開始される。
【００２３】
図５は直流電圧シフトのための付加的手段９の実施例を示し、この実施例においては、電位形成器１０が変圧器８の２次巻線１９の中性点に接続されている抵抗１３として実現されている。直流電圧シフトのための充電装置１１が図示の実施例では簡単なツェナーダイオード２０によって構成され、このツェナーダイオード２０は電位形成器１０としての抵抗１３と大地電位との間に接続されている。この装置により、直流電圧シフトが実現される。したがって、正常動作時には検出ユニット６は持続的な直流電流を検出する。
【００２４】
図６は直流電圧シフトを発生するための付加的手段９の他の実施例を示し、この実施例では電位形成器１０が３つの抵抗１３によって実現され、３つの抵抗１３はそれぞれ給電ケーブルの１つの相に接続されている。給電ケーブル３とは反対側において抵抗１３は中性点１４を形成するように互いに接続され、中性点１４は直流電圧シフトのための充電装置１１を介して大地電位に接続されている。充電装置１１は、この場合には、ツェナーダイオード２０と、ツェナーダイオード２０に並列に接続された能動的な電圧ユニット２１とからなる。能動的な電圧ユニット２１は例えば太陽電池ユニット、バッテリーユニット等からなる。換言するならば、能動的な整流器回路が準備されている。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明による装置の実施例を示すブロック図
【図２】本発明による装置の他の実施例を示すブロック図
【図３】直流電圧シフト検出のための平均電位を発生するための付加的手段の実施例を示す回路図
【図４】直流電圧シフト検出のための平均電位を発生するための付加的手段の２つの他の実施例を示す回路図
【図５】直流電圧シフト検出のための平均電位を発生するための付加的手段の更に別の実施例を示す回路図
【図６】直流電圧シフト発生のための他の付加的手段ならびに中性点形成器を示す回路図
【符号の説明】
【００２６】
１        本発明による装置
２        インバータ
２ａ      インバータの結合インピーダンス
３        給電ケーブル
４        負荷
４ａ      負荷インピーダンス
５        コンデンサ
６        検出ユニット
７        評価ユニット
８        変圧器
９        付加的手段
１０        電位形成器
１１        充電装置
１２        中性点形成器
１３        抵抗
１４        中性点
１５        測定抵抗
１７        変流器
１８        電圧測定器
１９        ２次巻線
２０        ツェナーダイオード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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