(57)【要約】交流発電機の電流を搬送している複数の線の電流和として測定される、差動電流の故障電流成分を決定するために、大地電位に対して交流発電機に存在する発電機電圧に依存し、かつ、差動電流の漏れ電流成分と同位相である、電気信号が生成される。電気信号は、それにスケーリングファクタを乗算することによって拡大・縮小され、そして、拡大・縮小された電気信号は、余りを得るために差動電流から減算される。余りの実効値がスケーリングファクタの現在値で最小値に達するように、スケーリングファクタは繰り返し更新される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流発電機の電流を搬送している複数の線の電流和として決定された差動電流の故障電流成分を決定する方法であって、前記方法は、
−  大地電位に対して前記交流発電機に存在する発電機電圧に依存し、かつ、前記差動電流の漏れ電流成分と同位相である、電気信号を生成するステップと、
−  前記電気信号にスケーリングファクタを乗算することによって電気信号を拡大・縮小するステップと、
−  余りを得るために、前記拡大・縮小された電気信号を前記差動電流から減算するステップと、を含む方法であって、
−  前記余りの実効値が前記スケーリングファクタの現在値で最小値に達するように、前記スケーリングファクタは繰り返し更新される方法。
【請求項２】
実効値が前記最小値に達する前記余りが前記差動電流の前記故障電流成分として出力される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記余りの前記実効値が前記最小値に達する前記拡大・縮小された電気信号が、前記差動電流の前記漏れ電流成分として出力される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記発電機電圧に依存する前記電気信号が前記交流発電機で取り出される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記電気信号が、大地電位の方へ測定コンデンサを通って流れる漏れ電流から生じ、前記漏れ電流は前記発電機電圧から生成される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記電気信号が、前記流れている漏れ電流に比例する電圧である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記電気信号が、大地電位の方へ測定コンデンサを通って流れる漏れ電流であり、前記漏れ電流は前記発電機電圧によって生成される、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
前記拡大・縮小された電気信号が、差動電流変圧器を用いて、前記差動電流から減算される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記拡大・縮小された電気信号が、差動電流変圧器の電圧信号から減算される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記電気信号および前記差動電流が、前記拡大・縮小された電気信号を前記差動電流から減算するのに先立ってデジタル化される、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記電気信号が、前記スケーリングファクタによる乗算に先立ってデジタル化される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記電気信号が、前記発電機電圧の少なくとも１つの主たる周波数を有する正弦信号として生成される、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記発電機電圧の主たる周波数の各々に対して、前記正弦信号の前記位相が前記余りの前記実効値が最小値に達する位相値に調整される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記スケーリングファクタが、トラッキング手順によって繰り返し更新される、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記発電機電圧が前記交流発電機のインバータの上流に存在し、かつ、前記差動電流が、前記インバータの下流で決定される、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
差動電流の故障電流成分を決定するための装置であって、前記装置は、
−  交流発電機の前記電流を搬送している複数の線の電流和として、前記差動電流を測定する差動電流変圧器と、
−  大地電位に対して前記交流発電機に存在する発電機電圧に依存し、かつ、前記差動電流の漏れ電流成分と同位相である、電気信号を生成し、前記電気信号にスケーリングファクタを乗算することによって前記電気信号を拡大・縮小し、そして、余りを得るために、前記拡大・縮小された電気信号を前記差動電流から減算する補償ユニットと、
を有す装置であって、
−  前記余りの実効値が前記スケーリングファクタの現在値で最小値に達するように、前記補償ユニットが、前記スケーリングファクタを繰り返し更新する装置。
【請求項１７】
前記補償ユニットが、前記交流発電機と大地電位との間に接続された測定コンデンサを有する、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記補償ユニットが、測定抵抗器であって、それを通って、前記測定コンデンサを通る漏れ電流が大地電圧の方に流れる測定抵抗器と、前記測定抵抗器で低下する電圧を拡大・縮小するスケーリングユニットと、を有する、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記補償ユニットが、拡大・縮小された電圧を前記差動電流変圧器の電圧信号から減算する、請求項１８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流発電機の電流を搬送している複数の線の電流和として測定される、差動電流の故障電流成分を決定する方法および装置に関する。
【０００２】
詳細には、交流発電機はインバータを備えており、このインバータは、電流源により供給される直流電流を交流発電機により出力される交流電流に変換する。より詳細には、電流源は、光起電力ユニットであり、ただ単に空間内に増設することにより、大地電位に対して相当な浮遊容量を有する。大地電位に対しての電位変化がインバータの作動中に発生するときに、大地電位の方への漏れ電流がこれらの浮遊容量によって発生させられる。これらの漏れ電流は、差動電流の漏れ電流成分を形成し、この差動電流は、故障電流の発生に素早く気づくためにしばしばモニタされる。しかしながら、漏れ電流が高いと、差動電流をモニタすることによって故障電流を検出する際の感度が結果的に減少するということになる。したがって、測定された差動電流の実際の故障電流成分の決定を目的とする。
【０００３】
記述「交流発電機の電流を搬送している線（ｌｉｎｅｓ  ｃａｒｒｙｉｎｇ  ｔｈｅ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｏｆ  ａｎ  ＡＣ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）」とは、交流発電機の、任意の群または複数の線を称したものであり、これらの群または複数の線は、交流発電機の全電流、すなわち、交流発電機から流れ出る電流および交流発電機に戻る電流を合わせて搬送している。これらの線は、交流発電機の出力線であってもよく、しかし、また、交流発電機の中のある他の複数のラインであってもよい。
【背景技術】
【０００４】
ドイツ規格ＶＤＥ０１２６およびＶＤＥ０１２６−１−１によれば、インバータは公共の電力グリッドから、指定された遮断期間の範囲内で分離されることを要求されている。ここで、指定された遮断期間は、グリッド接続に急に発生する差動電流の実効値に依存している。すでに述べたように、差動電流は、抵抗性の故障電流成分の他に、付加的な容量性の漏れ電流成分から成っており、これら２つの成分が、ベクトル的に加えられ差動電流を与える。前記規格を満足させるための規格化されたテスト装置およびテスト手順の要求条件から、高い一定の漏れ電流が支配的に存在する状態でも、故障電流の急な増加のみによって、結果として、インバータをグリッドから分離することにならねばならない。普通、差動電流は、差動電流変圧器によって測定されるが、その電圧信号は、インバータの位相と中性線との間の差動電流の尺度である。前記規格によって要求される故障電流成分のあらゆるステップの検出を確実にするために、差動電流の故障電流成分が決定される必要がある。電力が増大するインバータ、および、寸法の大きくなる光起電力ユニット、しかし変圧器のない開発傾向により、大地電位に対しての静電容量、それ故、発生する漏れ電流は増大する。光起電力ユニットのためのある材料の使用のため、この傾向は更に強まる。故障電流のあらゆるステップを十分に感度良く測定するために、漏れ電流は、差動電流から分離される必要がある。更に、故障電流のステップの検出は、ますます困難になる。その理由は、差動電流変圧器の感度は、高い漏れ電流によって一般に低下し、したがって、同時に発生している故障電流に対して強く低下するからである。
【０００５】
漏れ電流を差動電流変圧器の電圧信号から分離するために、大変にゆっくり変化するだけの差動電流変圧器によって測定されるすべての電流を漏れ電流として定め、評価用ソフトによってそれらを補償することは周知である。故障電流の発生しているステップは、それゆえ、ベクトル的に算出され、そして、差動電流変圧器の電圧信号のデジタル化の分解能限界まで検出可能である。しかしながら、この手順において、漏れ電流のあらゆるステップが、故障電流と誤って解釈されるであろう。さらに、デジタル化の分解能は、最大の漏れ電流を制限するが、この最大漏れ電流では、故障電流のステップは、要求によりなお検出される。
【０００６】
特許文献１から、差動電流の故障電流成分を決定するための電気回路構成を用いて、光起電力ユニットに接続されたインバータの入力線間の差動電流を除去するということは周知である。具体的には、インバータの作動によって生成された漏れ電流の典型的な周波数を有するインバータの周波数成分が、差動電流から漏れ電流成分を取り除くために除去される。特に、この周知の方法は、ここで果たされた２つだけの主な周波数に対する制限では、実際には、差動電流から基本的な漏れ電流成分を効果的に取り除くのには不十分であることが判明している。
【０００７】
更に、差動電流の故障電流成分を決定する方法および装置が、特許文献１から周知である。この差動電流の故障電流成分は、交流発電機の電流を搬送している複数の線の電流和として測定される。交流発電機のインバータの入力線と大地電位との間の電圧を測定することによって、より正確には、これらの電圧の交流電圧成分を測定することによって、差動電流中に含まれる漏れ電流の駆動力が決定される。この電圧信号および固定浮遊容量から始まって、漏れ電流は、算出されて、故障電流を得るために、差動電流から減算される。例えば、交流発電機の直流電流供給源としての光起電力ユニットについて、しかしながら、浮遊容量は一定ではなく、なかでも、光起電力パネル上の雨量のために変化する。したがって、浮遊容量の固定値を使用するとき、大地電位に対しての入力線の電圧から実際の漏れ電流を決定することは可能ではない。
【０００８】
電気的交流グリッドにおける絶縁および故障電流監視のための方法および設備が、特許文献２から周知である。なお、この電気的交流グリッドにおいて、ベクトル的加算により形成された差動電流が、少なくとも２つのグリッド線の間で測定され、かつ、この電気的交流グリッドにおいて、交流電流成分の真の電力を示している差動電流および位相角度φが決定される。差動電流がある作動値を超える場合だけでなく、差動電流の交流電流成分の振幅と位相角φのコサインの積が、定義済みの作動値を超える場合にも負荷は切断される。しかしながら、簡単な方法で差動電流の全体的な故障電流成分を決定する実際的な指示は、この文献によって与えられてはいない。
【０００９】
差動電流の故障電流成分を決定する方法および装置の必要性が今もなお存在する。差動電流の故障電流成分が決定され、すなわち、故障電流の直流電流成分および交流電流成分がどれ位高いのかに無関係に、および、関連する浮遊容量が変化する程度に無関係に、差動電流の漏れ電流成分から分離される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】欧州特許出願公開第  １  ２２９  ６２９（Ａ２）号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第  １９８  ２６  ４１０（Ａ１）号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の１つ以上の態様について基本的に理解してもらうために、以降では簡単な概要を提示する。この概要は、発明の広範囲な概観ではない。そして、本発明の手掛かりまたは重要な要素を特定するつもりもなければ、その範囲を詳細に描写するつもりもない。それよりも、概要の主たる目的は、後で提示されるより詳細な説明の始まりとして、簡単化された形で本発明のコンセプトを提示することである。
【００１２】
本発明は、差動電流の故障電流成分を決定する方法に関する。この差動電流の故障電流成分は、交流発電機の電流を搬送している複数の線の電流和として測定される。この方法は、電気信号を発生させるステップと、電気信号にスケーリングファクタを乗算することによって電気信号を拡大・縮小するステップと、余りを得るために、拡大・縮小された電気信号を差動電流から減算するステップと、を含んでいる。ここで、計算処理をする前の元の電気信号は、大地電位に対して交流発電機に存在する発電機電圧に依存し、そして、差動電流の漏れ電流成分と同位相である。余りの実効値がスケーリングファクタの現在値で最小値に達するように、スケーリングファクタは繰り返し更新される。
【００１３】
更に、本発明は、差動電流の故障電流成分を決定するための装置に関する。この装置は、交流発電機の電流を搬送している複数の線の電流和として差動電流を測定する差動電流変圧器と、補償ユニットと、を含んでいる。この補償ユニットは、大地電位に対して交流発電機に存在する発電機電圧に依存し、そして、差動電流の漏れ電流成分と同位相である電気信号を生成し、電気信号にスケーリングファクタを乗算することによって電気信号を拡大・縮小し、そして、余りを得るために、拡大・縮小された電気信号を差動電流から減算する。補償ユニットは、余りの実効値がスケーリングファクタの現在値で最小値に達するように、スケーリングファクタを繰り返し更新する。
【００１４】
本発明の他の特徴および利点は、以下の図面および詳細な説明を考察すると、当業者には明白になるであろう。すべてのこのような追加の特徴および利点は、本記載内に含まれ、本発明の範囲内であり、かつ請求項によって画定されるよう意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
本発明は、以下の図面によってよりよく理解することができる。図面中の構成要素は必ずしも一定の比率で縮小・拡大されているとは限らず、代わりに、本発明の原理を明瞭に説明することに重点が置かれている。図面において、同じ参照符号は、いくつかの図面全体を通して対応する部分を示す。
【図１】光起電力ユニットおよびインバータを有する交流発電機を示しており、インバータの出力線に発生している差動電流の根拠が示されている。
【図２】故障電流および漏れ電流からなる差動電流のベクトル成分を図示する。
【図３】本発明の方法の第１の実施形態を図示する。この実施形態は、差動電流変圧器における、差動電流の漏れ電流成分の直流電流補償を有する。
【図４】本発明の方法の実施形態を図示する。この実施形態は、差動電流変圧器における、差動電流の漏れ電流成分によって生成される電圧の直接電圧補償を有する。
【図５】本発明の方法の実施形態を図示する。この実施形態は、差動電流変圧器における、差動電流の漏れ電流成分によって生成される電圧のソフトウェアベース補償を有する。
【図６】本発明の方法の実施形態を図示する。この実施形態は、差動電流変圧器における、差動電流の漏れ電流成分によって生成される電圧の正弦信号による補償を有する。
【図７】差動電流の漏れ電流成分の補償は様々であり、その補償を実行するための電気信号用のスケーリングファクタを繰り返し再調整するための、本発明によるトラッキング手順の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明において、電気信号は、浮遊容量の実際の大きさを考慮に入れるためにスケーリングファクタを乗算される。そして、この電気信号は、交流発電機に存在する、大地電位に対しての発電機電圧に依存しているために、そして、差動電流の漏れ電流成分と同位相であるために、差動電流の漏れ電流成分の駆動力の周波数分布を示す。このスケーリングファクタは、現在の浮遊容量を反映するために繰り返し再調整または更新される。差動電流の実効値が、スケーリングファクタの現在値における、拡大・縮小された電気信号の減算の後、最小値を有するようにスケーリングファクタは更新される。拡大・縮小された電気信号の減算の後の、過剰な補償、すなわち、実際より大きい浮遊容量に相当する高すぎるスケーリングファクタの使用、および、不十分な補償、すなわち、実際より小さい浮遊容量に相当する低すぎるスケーリングファクタの使用の両方が、結果として、差動電流の実効値となる。この差動電流の実効値は、実際の浮遊容量に正確に相当するスケーリングファクタで達せられた最小値を越えて増加させられたものである。いいかえれば、差動電流の実効値の最小値は、スケーリングファクタが、最適な方法で現在の浮遊容量を反映した時、拡大・縮小された電気信号の減算の後に達成される。これは、差動電流の故障電流成分は、漏れ電流成分とは別の周波数および／または位相を有し、したがって、拡大・縮小された電気信号を減算する際、故障電流成分の部分を取り除く危険がないことによる。その代わりに、故障電流成分は、拡大・縮小された信号を減算した後に、常に残り、そして、拡大・縮小された電気信号の、差動電流からの減算の余りと差動電流の故障電流成分との間のあらゆる差が、まさに、拡大・縮小された電気信号による差動電流の漏れ電流成分の補償品質の問題である。
【００１７】
電気信号が「スケーリングファクタを乗算される」という定式化は、電気信号が、アナログ的にまたはデジタル的に、線形に増幅され、増幅率はスケーリングファクタに相当していることを特に含んでいる。しかしながら、定式化は、電気信号は、可変的な前増幅（ｐｒｅ−ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）の後、差動電流から何回か減算されるという意味もまた含んでいる。この場合、スケーリングファクタは、前増幅率と何回かの減算の積からの結果である。
【００１８】
電気信号が「差動電流から減算される」という定式化は任意の手順を含んでおり、その手順の中で、差動電流または差動電流を表している値は、前述の定義によるスケーリングファクタ、または、（漏れ電流の）正しい位相で電気信号に相当している値を乗算された電気信号によって低下させられる。
【００１９】
本発明においては、交流発電機に存在する大地電位に対しての電圧に依存し、差動電流の漏れ電流成分と同位相で、そして、差動電流の漏れ電流成分の補償のための基礎である電気信号が、交流発電機において直接に取り出される可能性がある。この場合、電気信号は、交流発電機に存在する電圧に依存する人工的に生成される信号は無く、交流発電機から実際に直接取られる。しかしながら、交流発電機から電気信号を直接とるために、いくつかの準備をすることは適切である。実際に、電気信号は、大地電位の方へ測定コンデンサを通る、交流発電機での電圧によって生成される漏れ電流から生じる可能性がある。電気信号は、この漏れ電流である可能性さえあり、この漏れ電流は、差動電流の全ての漏れ電流成分の像（ｉｍａｇｅ）である、すなわち、この電気信号は、同じ位相および同じ周波数分布を有する。これは、測定コンデンサのようなコンデンサおよび残っている浮遊容量が並列に接続されるとき、並列接続を通る交流電流は、その静電容量に対して比例してコンデンサで分割され、そして、全てが同じ位相を有することによる。測定コンデンサの少ない静電容量と非常に大きい全体の浮遊容量との間の差は、スケーリングファクタによって補償される。したがって、スケーリングファクタを電気信号に乗算することは、測定コンデンサの静電容量の電子的な増幅に相当する。本発明によって電気信号のためのスケーリングファクタを決定するときに、スケーリングファクタを乗算された、大地電圧の方へ測定コンデンサを通る漏れ電流は、差動電流の漏れ電流成分にちょうど等しい。
【００２０】
コンデンサ（その上を、適切な漏れ電流が大地電位の方へ流れる）が、他の理由で交流発電機にすでに存在する場合、測定コンデンサとして使用されてもよく、その結果、本発明を実施するために追加の測定コンデンサが提供される必要はない。
【００２１】
拡大・縮小された電気信号は、反対流れ方向の電流として、差動電流を測定している差動電流変圧器に導かれるので、差動電流からの拡大・縮小された電気信号のベクトル減算が簡単な方法で実行されるかもしれない。反対流れ方向の電流は、例えば、測定コンデンサを通って拡大・縮小された漏れ電流である。ここで、「直接電流補償（ｄｉｒｅｃｔ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ）」と呼ばれるこの手順は、１８０度だけ位相シフトされた同一周波数および同一振幅の信号による差動電流の漏れ電流成分の補償に相当する。
【００２２】
差動電流の漏れ電流成分を補償するために拡大・縮小された電流を用いることは、基本的なスケーリングを実現するために差動電流変圧器を通って漏れ電流が数回導かれる場合であっても、著しい電力損失を意味する。しかしながら、差動電流変圧器が、差動電流の漏れ電流成分の高さと無関係に、差動電流の漏れ電流成分が直接補償されるのと同じ差動点で常に作動させられることは、この直接電流補償の利点である。したがって、差動電流変圧器は、差動電流の高い漏れ電流成分にさえ影響を受けない。
【００２３】
一方では、測定コンデンサを通して流れる漏れ電流に比例した電圧が電気信号として使用される場合、本発明を実現する際に小さい電力損失だけは発生する。スケーリングの後、この電圧は、例えば、差動電流を測定している差動電流変圧器の電圧信号から減算され場合がある。この手順は、また、１８０度だけ位相シフトされた同一周波数および同一振幅の信号による差動電流の漏れ電流成分の補償に相当する。なお、この手順はここでは「直接電圧補償（ｄｉｒｅｃｔ  ｖｏｌｔａｇｅ  ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ）」と呼ばれる。測定抵抗器（この抵抗器を通って、測定コンデンサを通った漏れ電流が大地電位の方に流れる）で低下する電圧が電気信号として用いられる場合、当然のことながら、測定コンデンサと直列に接続された抵抗器は、ほんの小さくても良い。そうでなければ、測定コンデンサを通って流れる漏れ電流が、望ましくない周波数フィルタリングを受け、そしてその後、それは、もはや差動電流の漏れ電流成分の周波数分布を有しなくなるからである。しかしながら、補償されるべき漏れ電流成分の周波数分布からの、測定コンデンサを通っての漏れ電流の周波数分布の小さな偏差は関係がないことが分かる。
【００２４】
差動電流の、または、その故障電流成分のデジタル化に先立つ直接電圧補償は、デジタル化の解像度が故障電流に完全に合うよう調整され得るという効果がある。しかしながら、一般に、スケーリングの後、または、それの前にさえ電気信号をデジタル化して、デジタル化された拡大・縮小された電気信号をデジタル化された差動電流から減算することもできる。このようにして、本発明を実施するためのハードウェア面での苦労が減じられる場合がある。しかしながら、同じ性能は、使用されるＡ／Ｄ変換器のより高い解像度を必要とするかもしれない。
【００２５】
当然のことながら、本発明の拡大・縮小された電気信号は、差動電流の漏れ電流成分を補償することが可能であるだけでなく、直接現在の漏れ電流を詳細に記録する。
【００２６】
本発明の方法の簡単な実施形態において、電気信号は、少なくとも１つの発電機電圧の主たる周波数を有する正弦信号として発生させられる。この正弦信号は、そして、本発明の基準によってその振幅を調整するために、スケーリングファクタによって乗算される、すなわち、差動電流の実効値は、拡大・縮小された電気信号の減算の後、スケーリングファクタの現在値で、この周波数の差動電流の漏れ電流成分の振幅に対して、最小値を有する。
【００２７】
正弦信号が、それらの主たる周波数に関して交流発電機での電圧に依存しているだけでなく、また、差動電流の漏れ電流成分と同位相であるために、交流発電機での電圧の各々の主たる周波数での正弦信号の位相は、ある位相値に合うように調整される場合もあり、その位相値で、拡大・縮小された電気信号の減算の後の差動電流の実効値は、最小値に到達する。普通、このような位相調整の必要性は、一度発生するだけであり、すなわち、繰り返しではなく、一方、スケーリングファクタの更新は、必然的に繰り返し発生する。更に、電気信号のこのような位相調整の必要性が、本発明の方法のすべての実施形態にあるというわけではない。本発明では、電気信号は、漏れ電流によって生成させられるが、この漏れ電流は、交流発電機での電圧によって、測定コンデンサを通って大地電位の方に生成される。この漏れ電流は、すでに差動電流の漏れ電流成分の周波数および位相の真像（ｔｒｕｅ  ｉｍａｇｅ）である。そして、漏れ電流は、完全に、差動電流の漏れ電流成分、すなわち交流発電機で発生させられる漏れ電流全体を表すために、その振幅に関して拡大・縮小される必要があるだけである。
【００２８】
本発明によるスケーリングファクタの連続的再調整または更新は、トラッキング手順によって行われる。ここで、スケーリングファクタは小さなステップで変化する、そして、拡大・縮小された電気信号が減算された差動電流の実効値の結果として生じる変化はモニタされる。実効値が減少する場合、スケーリングファクタは同じ方向に、もう一度変化させられる、そして、差動電流の実効値に対する効果が再び確認される。拡大・縮小された電気信号が減算された差動電流の実効値が増加し始めるまで、トラッキング手順は同じ方向に続く。そして、スケーリングファクタの試された変化は、放棄される。少なくとも、スケーリングファクタの変化の方向は、変えられる。一旦結果として実効値の最小値になっているスケーリングファクタが見つかると、スケーリングファクタは一定のままであるか、または最小限に変動するだけである。当然のことながら、このようなトラッキング手順は、時間内のトラッキングステップの一貫性に関してと、トラッキングステップの幅との両方に調整可能であり、そして、このように最適化される。発生している故障電流が差動電流の実効値をスケーリングファクタの変化の方向に無関係に増加させること、したがって、そのスケーリングファクタで凍結することは、利点であるとしてわかる。したがって、トラッキング手順は、故障電流の感度が高い検出を妨げない。にもかかわらず、速くそして十分に大きいステップでトラッキング手順を実施することが容易にでき、その結果、交流発電機の浮遊容量のすべての本当の変化は、故障電流の発生を誤って仮定することを避けるために、十分に急速にマップされる。
【００２９】
新規な方法において、差動電流の測定は、交流発電機のインバータの出力線、すなわち、インバータの下流で行われる。これは、インバータを有する交流発電機を調査する際の通常の方法である。一方では、発電機電圧が考慮される場合がある。そして発電機電圧は、入力線に、すなわち、インバータの上流に存在する。これは、本発明の差動電流の漏れ電流成分を補償するために、電気信号の基礎として漏れ電流を生成させるための測定コンデンサは、好ましくはインバータの入力線に接続されることを意味する。
【００３０】
本発明の装置は、電気信号を差動電流から減算するのに先立って、電気信号をスケーリングファクタで乗算する補償ユニットを有している。そして、補償ユニットは、電気信号のためのスケーリングファクタを繰り返し再調整または更新し、その結果、スケーリングファクタの現在値で、差動電流の実効値は、拡大・縮小された電気信号の減算の後、最小値を有する。この点で、スケーリングファクタの値が、差動電流の実効値に対応する最小値に基本的に達することは、本発明による装置、ならびに、本発明による方法にとって充分であると言及される。スケーリングファクタを繰り返し更新するためのトラッキング手順のいくつかのステップの偏差でさえ、重要ではない。その理由は、十分に小さいトラッキングステップによって、残りのエラーは、小さいままであるからであり、特に、差動電流の実効値の現在の絶対最小値に相当するスケーリングファクタがいずれにしろ変化するからである。
【００３１】
本発明による装置の更なる詳細に関して、本発明の方法の記載が参照される。
【００３２】
さて、より詳細に図面を参照すると、図１に概略的に図示した交流発電機１は、直流電流供給源としての光起電力ユニット２、および、光起電力ユニット２の直流電流を交流電流に変換するインバータ３を有する。ここで、インバータ３は、２本の出力線、すなわち、相導体Ｌおよび中性線Ｎから成る単相インバータである。インバータ３を介して、交流発電機１は、交流電力グリッド４につながれる。インバータ３の出力線上で発生している差動電流は、差動電流変圧器５によって測定される。あるいは、差動電流は、インバータ３の入力線２９および３０上でも測定され得る。
この入力線には、光起電力ユニット２の出力電圧ＵＰＶ＋およびＵＰＶ−が存在し、破線によって示される更なる差動電流変圧器５’を用いて表示される。このような差動電流には、基本的な２つの原因がある。最初に、大地電位に対して光起電力ユニット２の浮遊容量による漏れ電流があり、これらの浮遊容量は、これらインバータ３の入力線２９および３０の各々と大地電位ＰＥとの間に接続されているコンデンサ６および７によって図１に示されている。更に、差動電流の故障電流成分があり、この差動電流の故障電流成分は、インバータ３の入力線２９および３０と大地電位ＰＥとの間の抵抗器８および９を用いて図１に示されている。これらの抵抗器８および９は、これらの入力線２９および３０の絶縁抵抗を表す。完全無欠な絶縁を有するので、抵抗器８および９の抵抗は非常に高い。それに応じて、差動電流の故障電流成分はほんの僅かである。しかしながら、絶縁障害と差動電流の故障電流成分の大きな増加には関連がある。あらゆる絶縁障害が危険の源であるので、このような増加はすばやく検出されることになっている。差動電流の故障電流成分の増加が、差動電流の高い漏れ電流成分の存在で発生する場合でさえ、差動電流の故障電流成分の増加は、確実に検出される必要がある。なお、これは障害状態を表してはいない。
【００３３】
図２は、故障電流成分ＦＩおよび漏れ電流成分ＡＩから成る差動電流Ｄｌの成分を示し、ここで、故障電流成分Ｆｌおよび漏れ電流成分Ａｌは、ベクトル加算され差動電流ＤＩになる。その理由は、故障電流成分ＦＩは抵抗性電流および漏れ電流成分ＡＩは容量性電流であるからである。図２から、漏れ電流成分ＡＩが増加しながら、ある値だけ故障電流成分ＦＩが増加すると、差動電流ＤＩに、および、特に差動電流ＤＩの実効値に減少影響がでることは明らかである。したがって、故障電流成分ＦＩを直接にモニタするために、差動電流ＤＩから漏れ電流成分ＡＩを分離することは、または、差動電流ＤＩに漏れ電流成分ＡＩを補償することは興味深いことである。
【００３４】
この部分は、図３に図示する差動電流の故障電流成分を測定するための装置１０の目的である。測定コンデンサ１１および１２は、図１によるコンデンサ６および７と並列接続され、そして、大地電位ＰＥの方へこれらのコンデンサ１１および１２を通って流れる電流は、電流測定ユニット１３によって測定される。スケーリングユニット１４において、以下のことを考慮に入れるために、現在の測定値はスケーリングファクタによる乗算によって拡大・縮小される。この考慮点とは、測定コンデンサ１１および１２は、図１の光起電力ユニット２の総浮遊容量の一部分を示すだけであり、したがって、総漏れ電流成分ＡＩのただ一部分が、これらのコンデンサの中を流れることである。増幅された電流は、差動電流変圧器５を通って反対方向に導体ＬおよびＮに導かれる、その結果、Ｌ―導体とゼロまたはＮ―導体との間の差動電流から直接に減算される。増幅された電流を搬送している導体１５の差動電流変圧器５のまわりのいくつかの巻線が、増幅された電流の上向きのスケーリング（ｕｐｗａｒｄ  ｓｃａｌｉｎｇ）を提供する。上向きのスケーリングは、拡大・縮小された電気信号２８の効果的なスケーリングファクタに寄与する。最終的に、増幅された電流は、抵抗器を通って大地電位ＰＥの方へ流れる。差動電流変圧器５によって測定される差動電流ＤＩは、漏れ電流成分ＡＩが基本的になく、したがって、その故障電流成分ＦＩに相当する。しかしながら、スケーリングファクタが適切に設定される場合、すなわち、それが浮遊容量の現在の大きさに相当する場合にこれは適用されるだけである。なお、スケーリングユニット１４は、電流測定ユニット１３によって測定される漏れ電流にこのスケーリングファクタを乗算する。スケーリングファクタを正しく決定することにより、差動電流変圧器５によって測定される差動電流は、その実効値の最小値に達する。これらの原理を利用するために、差動電流の実効値が、実際にその最小値に到達するような方法で、論理回路１６はスケーリングファクタを繰り返し変化させる。このようにして、図１の光起電力ユニット２の浮遊容量のあらゆる変化は自動的に補償される。この浮遊容量の変化は、例えば、降雨、経年変化などによるものである。
【００３５】
図３による装置１０の可能な変更形態では、スケーリングユニット１４は、大地電位ＰＥの方へ測定コンデンサ１１および１２を通って流れる漏れ電流を直接に増幅し、そして、増幅された漏れ電流を差動電流変圧器５に供給する。
【００３６】
図３で、差動電流ＤＩの漏れ電流成分ＡＩの直接補償が、差動電流変圧器５を通しての電流を介して行われるのに対して、電圧を用いた漏れ電流成分ＡＩの補償は、図４に従って行われる。このことは、大地電位ＰＥの方へ測定コンデンサ１１および１２を通って流れる漏れ電流による、測定抵抗器１７で低下する電圧が、電圧測定ユニット１８で測定されることから理解される。この電圧は、スケーリングユニット１４によってスケーリングファクタを乗算され、そして、減算ノード１９の差動電流変圧器５の電圧信号から拡大・縮小された電気信号２８として減算される。最適に調整されたスケーリングファクタによって、差動電流ＤＩの故障電流成分ＦＩだけが、この場合にも、論理回路１６に達する。そして、差動電流ＤＩの実効値を最小にすることによって、スケーリングファクタの調整が容易に最適化され得る。なお、ここで、拡大・縮小された電気信号は、この差動電流ＤＩから減算されている。
【００３７】
図５によって、電流測定ユニット１３の信号は、論理回路１６に直接供給される。
ここで、論理回路１６は、信号を差動電流変圧器５のデジタル化信号から減算するために、適切な方法で信号をデジタル化し拡大・縮小する。ここで、スケーリングファクタは、故障電流成分ＦＩに相当する残留する差動電流ＤＩの実効値が最小値に達するような方法で選択される。
【００３８】
図３〜５による装置１０の実施形態の利点は、大地電位の方へ測定コンデンサ１１および１２を通る漏れ電流またはこの漏れ電流によって生成された電圧によって、電気信号が入手できることである。なお、この電気信号は、差動電流Ｄｌの漏れ電流成分Ａｌと同じ位相および周波数分布を有する。測定コンデンサ１１および１２を通る漏れ電流は、その振幅に関してだけ差動電流ＤＩの漏れ電流成分ＡＩと異なる。しかしながら、これは、スケーリングファクタによって調整され得る。なお、このスケーリングファクタは、拡大・縮小された漏れ電流の減算の後、差動電流ＤＩの実効値の最小化の基準を満たしている。漏れ電流が、図１によるインバータ３の実作動モードで有する可能性がある周波数成分に無関係に、または他の影響要因で、これは適用される。
【００３９】
図６が図示しているのは、差動電流ＤＩの漏れ電流成分ＡＩの１つの主たる成分だけの補償であり、この補償は、漏れ電流の主たる周波数で正弦波発生器２０によって生成される正弦信号によるものである。ここで、論理回路１６は、正弦信号の振幅および位相の両方を調整することによって、減算ノード１９の後に残る差動電流Ｄｌの実効値の最小化を遂行する。漏れ電流が１つの周波数を基本的に有する場合、差動電流ＤＩの漏れ電流成分ＡＩはこのようにして基本的に取り除かれる。
【００４０】
図７は、差動電流ＤＩの実効値が最小値に達する最適スケーリングファクタを調整するためのトラッキング手順を図示している。ここで、直接電流補償（図３による）の場合は、スケーリングユニット１４と差動電流変圧器５との間に実線で示され、そして、直接電圧補償（図４による）の場合は、減算ノード１９への破線によって示される。まず、論理回路１６は、実効値フォーマ（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ  ｖａｌｕｅ  ｆｏｒｍｅｒ）２１を含み、そして、実効値フォーマの出力には、サンプリングおよび保持ステージ（ｓａｍｐｌｅ  ａｎｄ  ｈｏｌｄ  ｓｔａｇｅ）２２が接続されている。サンプリングおよび保持ステージ２２は、差動電流ＤＩの現在の実効値をこれまでの実効値と比較することを考慮に入れる。実効値変化が負であるとき、すなわち、差動電流の実効値の減少が観察される場合、トラッキング手順は、差動電流の最小実効値の方へ向かい、そして、フィードバック補償の振幅を決定する積分器がその方向を保持する。コンパレータ２３で決定された実効値の変化が正である場合、すなわち、実効値がこれまでの実効値と比較して、増大した場合、トラッキング手順は、所要の最小値から移動する。この傾向を反対に作用させるために、ＪＫ―フリップフロップ（ＪＫ−ｆｌｉｐｆｌｏｐ）２４を切り替えることによって、積分器２５の積分方向（ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）が変えられる。前もって高くなっていたスケーリングファクタは、ここで低くなり、前もって低かったスケーリングファクタは、ここで高くなる。調整された状態において、スケーリングファクタは、密な限界範囲内で揺動し、その結果、差動電流の実効値はその最小値の近くで揺動する。
図７によるトラッキング手順の時間挙動を決定するために、以下のパラメータが調整される場合がある。
ａ）            実効値フォーマ２１の実効値形成の時定数、
ｂ）            サンプリングおよび保持ステージ２２に、そして、ＪＫ―フリップフロップ２４に与えられるクロック２６、そして、
ｃ）            積分器２５の積分時定数、
そして、全てのこれらのパラメータは、トラッキング手順のトラッキングステップ周波数およびトラッキングステップ幅を一緒に定める。
【００４１】
本発明の精神および種々の原理から実質的に逸脱することなく、本発明の好ましい実施形態に対して多くの変形および改変を作製することができる。全てのこのような改変および変形は、本明細書において本発明の範囲内に含まれ、かつ以下の請求項に含まれることが意図されている。
【符号の説明】
【００４２】
１  交流発電機
２  光起電力ユニット
３  インバータ
４  電力グリッド
５  差動電流変圧器
６  コンデンサ
７  コンデンサ
８  抵抗器
９  抵抗器
１０  装置
１１  測定コンデンサ
１２  測定コンデンサ
１３  電流測定ユニット
１４  スケーリングユニット
１５  導体
１６  論理回路
１７  測定抵抗器
１８  電圧測定ユニット
１９  減算ノード
２０  正弦波発生器
２１  実効値フォーマ（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ  ｖａｌｕｅ  ｆｏｒｍｅｒ）
２２  サンプリングおよび保持ステージ（ｓａｍｐｌｅ  ａｎｄ  ｈｏｌｄ  ｓｔａｇｅ）
２３  コンパレータ（ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ）
２４  ＪＫ―フリップフロップ（ＪＫ−ｆｌｉｐｆｌｏｐ）
２５  積分器
２６  クロック
２７  電気信号
２８  拡大・縮小された電気信号（ｓｃａｌｅｄ  ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｓｉｇｎａｌ）
２９  入力線
３０  入力線
ＤＩ  差動電流
ＡＩ  漏れ電流成分
ＦＩ  故障電流成分
ＵＰＶ＋  正入力電圧
ＵＰＶ―  負入力電圧
ＰＥ  大地電位
Ｌ  相導体（ｐｈａｓｅ  ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）
Ｎ  中性線（ｎｅｕｔｒａｌ  ｌｉｎｅ）
【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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【図７】
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【国際調査報告】
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