(57)【要約】【課題】地絡の発生していない状態で流れる漏れ電流の影響を受けることなく、地絡した電路を確実に判定することができる地絡方向継電器を提供することを課題とする。【解決手段】地絡方向継電器１は、分岐回路（１）における零相電圧及び零相電流の実効値と位相とを演算するとともに、その演算値を上書き記憶する過程で零相電圧の演算実効値と位相に基づく最新の電圧ベクトルと、上書き記憶された零相電圧の実効値と位相に基づく電圧ベクトルとの電圧ベクトル差、及び零相電流の演算実効値と位相に基づく最新の電流ベクトルと上書き記憶された零相電流の実効値と位相に基づく電流ベクトルとの電流ベクトル差を演算し、電流ベクトル差の実効値が所定値を超えた場合、電圧ベクトル差の位相に対する電流ベクトル差の位相に基づいて分岐回路（１）が地絡しているか否かを判定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源供給用の非接地式電路の零相電圧を検出する零相電圧検出手段と、前記非接地式電路から大地に流れる零相電流を検出する零相電流検出手段と、前記零相電圧及び零相電流の実効値と位相とを演算する実効値・位相演算手段と、前記実効値・位相演算手段で演算された前記零相電圧及び零相電流の実効値と位相とを、順次、記憶し、書き換える記憶手段と、前記実効値・位相演算手段で演算された最新の零相電圧の実効値と位相に基づく電圧ベクトルと前記記憶手段に記憶されている零相電圧の実効値と位相に基づく電圧ベクトルとの電圧ベクトル差及び前記実効値・位相演算手段で演算された最新の零相電流の実効値と位相に基づく電流ベクトルと前記記憶手段に記憶されている零相電流の実効値と位相に基づく電流ベクトルとの電流ベクトル差をベクトル演算するベクトル演算手段と、前記ベクトル演算手段で演算された電流ベクトル差の実効値が所定値を超えた場合に前記電圧ベクトル差の位相に対する前記電流ベクトル差の位相に基づいて前記非接地式電路が地絡しているか否かを判定する地絡判定手段とを備えたことを特徴とする地絡方向継電器。
【請求項２】
請求項１記載の地絡方向継電器であって、前記地絡判定手段により地絡したと判定された非接地式電路の遮断器を動作させることを特徴とする地絡方向継電器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電源を供給する電路を接地しない非接地式電路において、地絡した電路を判定する地絡方向継電器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ビルディングや工場などにおいて負荷に交流電源を供給する電路では、地絡電流を低減して電気火災の危険性を低減する目的などにより、接地しない非接地式電路が採用される場合がある。この非接地式電路の例として、混触防止板付高低圧変圧器を用いて高圧側巻線と低圧側巻線の混触を防止することによって低圧側巻線に接続されている電路を非接地にする場合（例えば、非特許文献１参照）や、高低圧変圧器の低圧側巻線端子に接続されている電路の途中に絶縁変圧器を設け、その絶縁変圧器の２次側電路を非接地にする場合などがある。
図７は、混触防止板付単相３線式高低圧変圧器Ｔｒ１の低圧側巻線に接続された電路を非接地方式にした場合の回路例であり、当該高低圧変圧器Ｔｒ１の低圧側巻線に二つの電路が分岐回路１及び分岐回路２として接続されている。その高低圧変圧器Ｔｒ１の低圧側巻線端子と大地間にコンデンサＣ０が接地コンデンサとして接続されており、この接地コンデンサＣ０は、それぞれの分岐回路１，２の電路で地絡事故が発生した場合、この接地コンデンサＣ０により地絡電流を補償し、それぞれの分岐回路１，２に設置されている地絡電流検出装置ＥＬＲ１，ＥＬＲ２を動作させるものである。
【０００３】
【非特許文献１】
発行人  社団法人  日本電設工業協会の雑誌「電設工業」平成４年７月号の７４ページの第３．２．４図の（２）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような電路に用いられるケーブルは、最近、長大になっており、更にコンデンサを構成素子とするラインフィルタ等を内蔵した電子機器が負荷として接続されることが多い。そのため、一般に、電路の見かけ上の対地静電容量（浮遊容量）Ｃ１，Ｃ２が大きくなっている。
【０００５】
上記のような電路において、図７に示すように，分岐回路１の電路の１相が地絡点ＥＳで地絡した場合、地絡点ＥＳからの地絡電流は破線で示すような経路１及び経路２で流れる。このうち、経路１で流れる電流は、地絡抵抗Ｒｇ、大地、接地コンデンサＣ０、及び分岐回路１で構成される閉回路に流れる。また、経路２で流れる電流は、地絡抵抗Ｒｇ、大地、対地静電容量（浮遊容量）Ｃ２、分岐回路２、及び分岐回路１で構成される閉回路に流れる。このとき、経路２に流れる電流は、上記地絡とは直接関係の無い分岐回路２を流れるので、分岐回路２に設置されている地絡電流検出装置ＥＬＲ２を不要に動作させる場合がある。この不要動作の原因は、分岐回路２の対地静電容量（浮遊容量）Ｃ２が大きくなっていることによる。
【０００６】
また、上記のように対地静電容量（浮遊容量）の大きな電路では、対地静電容量が各相において不平衡である場合、図８に示すように地絡の発生していない場合でも漏れ電流が増加する。この漏れ電流は、経路１に示すように、対地静電容量（浮遊容量）Ｃ１、大地、接地コンデンサＣ０、及び電路で構成される閉回路に流れるため、地絡していなくても、地絡電流検出装置ＥＬＲ１が不要に動作する場合がある。
【０００７】
そこで本発明では、交流電源を供給する非接地式電路において、地絡の発生していない状態で流れる漏れ電流の影響を受けることなく、電路に地絡が発生した場合には、地絡した電路を確実に判定することが可能な地絡方向継電器を提供することを解決すべき課題とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、特許請求の範囲に記載した地絡方向継電器により解決することができる。
請求項１記載の地絡方向継電器によれば、実効値・位相演算手段により電路の零相電圧及び零相電流の実効値と位相とが演算されると、この零相電圧及び零相電流の実効値と位相とが例えば所定時間毎に記憶手段に記憶され、書き換えられる。またベクトル演算手段は、実効値・位相演算手段で演算された最新の零相電圧の実効値と位相に基づく電圧ベクトルと記憶手段に記憶されている零相電圧の実効値と位相に基づく電圧ベクトルとの電圧ベクトル差を演算するとともに、実効値・位相演算手段で演算された最新の零相電流の実効値と位相に基づく電流ベクトルと記憶手段に記憶されている零相電流の実効値と位相に基づく電流ベクトルとの電流ベクトル差を演算する。そして、地絡判定手段は、ベクトル演算手段で演算された電流ベクトル差の実効値が所定値を超えた場合、電圧ベクトル差の位相に対する電流ベクトル差の位相に基づいて非接地式電路が地絡しているか否かを判定する。これによって、地絡の発生していない平常時に流れる漏れ電流の影響を受けることなく地絡している電路のみを確実に判定することができる。
【０００９】
請求項２記載の地絡方向継電器によれば、地絡判定手段により地絡していると判定された電路の遮断器を遮断動作させることができるため、地絡している電路の遮断器のみが遮断動作され、地絡していない電路の遮断器が誤作動することを防止することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、高圧側が６．６ｋｖ、低圧側が２００ｖ−１００ｖの単相３線式高低圧変圧器Ｔｒ１の低圧側巻線に二つの分岐回路１，２から成る電路が接続されていることを示した電気回路図であり、単相３線式高低圧変圧器Ｔｒ１は、高圧側巻線と低圧側巻線の混触を防止するための混触防止板を有するものである。
【００１１】
図１に示すように、分岐回路１には、当該電路の零相電流を検出するための電流検出器ＺＣＴ１が設けられており、電流検出器ＺＣＴ１の出力端子は、地絡方向継電器１に接続されている。また、分岐回路２には、当該電路の零相電流を検出するための電流検出器ＺＣＴ２が設けられており、電流検出器ＺＣＴ２の出力端子は、地絡方向継電器２に接続されている。地絡方向継電器１は、後述するように分岐回路１の電路で地絡事故が発生した場合、この地絡を検出するものであり、地絡方向継電器２は、分岐回路２の電路で地絡事故が発生した場合、この地絡を検出するものである。
【００１２】
分岐回路１には、当該電路の零相電圧を検出するために電圧検出器ＺＰＤ１が接続されており、電圧検出器ＺＰＤ１の出力端子は地絡方向継電器１に接続されている。また、分岐回路２には、当該電路の零相電圧を検出するために電圧検出器ＺＰＤ２が接続されており、電圧検出器ＺＰＤ２の出力端子は地絡方向継電器２に接続されている。尚、図１に示したＣ１は、分岐回路１と大地との間の静電容量（浮遊容量）であり、Ｃ２は、分岐回路２と大地との間の静電容量（浮遊容量）である。また、Ｃ０は、地絡電流を補償するための接地コンデンサであり、Ｒｇは例えば分岐回路１が地絡した場合の地絡抵抗である。
尚、上記の地絡方向継電器１と地絡方向継電器２は同様に構成されており、その構成については後で詳細に説明する。
【００１３】
次に、図１に示した電気回路において、例えば分岐回路１のＲ相が地絡した場合の地絡方向継電器１，２の動作原理について説明する。
鳳・テブナンの定理によれば、図１に示すように分岐回路１の電路の１相、例えばＲ相が地絡点ＥＳで地絡した場合、図１の電気回路の各部の電流分布は、図２、図３の電気回路の重ね合わせ（一般的に知られている重ね合わせの定理に基づく）によって求めることができる。
【００１４】
図２は、図１における地絡点ＥＳと地絡抵抗Ｒｇの間に電圧源Ｖ１ｂを接続した回路である。尚、電圧源Ｖ１ｂは、地絡前に地絡点ＥＳと地絡抵抗Ｒｇの間に発生していた電圧を表し、この電圧の向きは、地絡前に地絡点ＥＳと大地間に発生していた電圧の向きと同じである。従って、図２では、地絡点ＥＳから大地に電流が流れることは無く、各部の電流分布は地絡前の電流分布と等しくなる。
【００１５】
図３は、鳳・テブナンの定理で求められる電気回路である。図３に示すように地絡点ＥＳと地絡抵抗Ｒｇの間には、図２と逆向きの電圧源Ｖ１ｂが接続され、他の電圧源は短絡される。
【００１６】
図２と図３の電気回路を重ね合わせると、電圧源Ｖ１ｂの向きがそれぞれ逆向きのためキャンセルされ、地絡点ＥＳと地絡抵抗Ｒｇの間が短絡される。この状態は前述の地絡が発生した状態を表す。即ち、図２と図３の電気回路を重ね合わせることにより、地絡発生後の電気回路（図１）と等しくなる。これを式で表すと次のようになる。
地絡発生後（図１）の電流分布＝地絡発生前（図２）の電流分布＋図３の電流
分布                          式（１）
この式（１）を変形すると、次のようになる。
図３の電流分布＝地絡発生後（図１）の電流分布−地絡発生前（図２）の電流
分布                                        式（２）
式（２）より、図３の電流分布は地絡発生後の電流分布から地絡発生前の電流分布を引くことにより求まることがわかる。
【００１７】
ここで、図３の電気回路を更に見やすく書き直したのが図４に示した電気回路である。図４における零相電圧Ｖ０、零相電流Ｉ０１，Ｉ０２は、式（２）より次式で求められる。
Ｖ０＝Ｖ０ａ−Ｖ０ｂ                                        式（３）
Ｉ０１＝Ｉ０１ａ−Ｉ０１ｂ                                  式（４）
Ｉ０２＝Ｉ０２ａ−Ｉ０２ｂ                                  式（５）
【００１８】
図４の電気回路において、零相電圧Ｖ０と零相電流Ｉ０１，Ｉ０２の位相関係は、図５に示すようになる。即ち、零相電圧Ｖ０に対して零相電流Ｉ０１の位相は進み９０°となり、零相電流Ｉ０２の位相は遅れ９０°となる。つまり、この位相の違いを利用すれば、当該分岐回路の電路で地絡が発生した場合と他の分岐回路の電路で地絡が発生した場合とを区別することができる。また、零相電流Ｉ０１，Ｉ０２は、式（４）、式（５）に示すように、地絡発生後の電流から地絡発生前の電流を引くことにより求めているので、地絡の発生していない平常時の漏れ電流の影響を全く受けない。
【００１９】
尚、上記各式は、電圧の種別（１００Ｖ，２００Ｖ，４００Ｖ）、回路方式（単相２線式、単相３線式、３相３線式、３相４線式）及び分岐回路の数によらず、中性線以外の電圧が印加された電路が地絡した場合に必ず成立する。
【００２０】
以上の説明から明らかなように、上記零相電圧Ｖ０、零相電流Ｉ０１，Ｉ０２は、地絡後の零相電圧Ｖ０ａ，地絡後の零相電流Ｉ０１ａ，Ｉ０２ａから地絡前の零相電圧Ｖ０ｂ、零相電流Ｉ０１ｂ，Ｉ０２ｂを引き算することによって求められる。前述の地絡方向継電器１は、上記計算によって求められる電流Ｉ０１が、予め設定した設定値を超えた場合、即ち、分岐回路１の電路が地絡した状態になった場合は、零相電圧Ｖ０の位相を基準として零相電流Ｉ０１の位相を比較することにより、当該分岐回路１の電路で地絡が発生したか否かを判別する。また、同様に地絡方向継電器２は、上記計算によって求められる零相電流Ｉ０２が、予め設定した設定値を超えた場合、即ち、分岐回路２の電路が地絡した状態になった場合は、零相電圧Ｖ０の位相を基準として零相電流Ｉ０２の位相を比較することにより、当該分岐回路２で地絡が発生したか否かを判別する。
【００２１】
図６は、地絡方向継電器１の構成を示した回路ブロック図である。
尚、図６に示したブロック図は、前述の分岐回路１の電路が地絡しているか否かを判定するための回路ブロックを示したものであるが、前述の地絡方向継電器２も基本的に図６と同様に構成されている。
【００２２】
図６に示すように、前述の電流検出器ＺＣＴ１は端子Ｚ１，Ｚ２間に接続され、電圧検出器ＺＰＤ１は、端子Ｚ３，Ｚ４に接続されている。
端子Ｚ１，Ｚ２に接続されている過入力保護・フィルタ回路２ａ、及び端子Ｚ３，Ｚ４に接続されている過入力保護フィルタ回路２ｂは、過大な電圧の入力を防止し、内部回路を電気的に保護するとともに、高周波ノイズ成分を除去するための回路である。
【００２３】
上記過入力保護・フィルタ回路２ａ、過入力保護・フィルタ回路２ｂに接続された実効値演算回路３ａ、実効値演算回路３ｂは、電流検出器ＺＣＴ１により検出された電流の実効値、及び、電圧検出器ＺＰＤ１により検出された零相電圧の実効値を求める回路である。
【００２４】
また、位相演算回路４ａ、位相演算回路４ｂは、例えば地絡方向継電器１の電源電圧（例えば、ＡＣ１００Ｖ商用電源）の位相を基準として検出電流及び検出電圧それぞれの位相を演算する。
【００２５】
タイマ回路５は、実効値演算回路３ａ及び位相演算回路４ａから出力された電流検出器ＺＣＴ１による検出電流の実効値及び位相と、実効値演算回路３ｂ及び位相演算回路４ｂから出力された零相電圧の実効値及び位相とを、設定時間のｔ１秒間隔で記憶回路６ａ，６ｂに記憶させる。この記憶回路６ａ，６ｂに記憶されるデータ（上記検出電流、検出電圧の実効値及び位相）は、ｔ１秒毎に書き換えられ、最新のデータのみが記憶される。
【００２６】
ベクトル演算回路７ａは、電流検出器ＺＣＴ１により検出された電流の実効値及び位相と、記憶回路６ａに記憶されている電流検出器ＺＣＴ１の検出電流の実効値及び位相とに基づき、前述の零相電流Ｉ０１をベクトル演算で求める。
【００２７】
ベクトル演算回路７ｂは、電圧検出器ＺＰＤ１により検出された電圧の実効値及び位相と、記憶回路６ｂに記憶されている電圧検出器ＺＰＤ１の検出電圧の実効値及び位相とに基づき、前述の零相電圧Ｖ０をベクトル演算で求める。
【００２８】
レベル判定回路８は、ベクトル演算回路７ａで求められた前記零相電流Ｉ０１が予め設定されたレベル設定値を超えた場合に論理Ｈ信号を出力する。
【００２９】
位相判別回路９は、ベクトル演算回路７ｂで演算された前述の零相電圧Ｖ０の位相に対して、ベクトル演算回路７ａで演算された前述の零相電流Ｉ０１の位相がほぼ９０°遅れの場合、他の分岐回路（分岐回路２）の電路で地絡事故が発生したものと判定し、論理Ｌ信号を出力する一方、零相電圧Ｖ０の位相に対して零相電流Ｉ０１の位相が進み９０°である場合は、当該分岐回路１の電路が地絡したものと判定し、論理Ｈ信号を出力する。
【００３０】
ＡＮＤ回路１０は、レベル判定回路８及び位相判別回路９から出力された信号が共に論理Ｈ信号の場合にのみ論理Ｈ信号を出力する。即ち、前記零相電流Ｉ０１が予め設定されたレベル設定値を超えるとともに、零相電圧Ｖ０の位相に対して零相電流Ｉ０１の位相がほぼ進み９０°の範囲内である場合は、当該分岐回路１の電路が地絡したことを示す論理Ｈ信号を出力する。
【００３１】
時間整定回路１１は、任意に設定可能なｔ２時間、ＡＮＤ回路１０から継続して論理Ｈ信号が出力された場合に論理Ｈ信号を出力するもので、ノイズ等による誤判定を防止している。
【００３２】
出力回路１２は、時間整定回路１１から論理Ｈ信号が出力された場合、出力リレーＸ１を作動させるとともに動作表示ランプ１３を点灯させて当該分岐回路１の電路が地絡したことを表示させる。上記出力リレーＸ１のａ接点（メーク接点）は、例えば、地絡検出時に当該分岐回路１の電路を遮断するための、図示していない遮断器を作動させる引外し回路に接続されている。また、出力リレーＸ１のｂ接点（ブレーク接点）は、当該分岐回路１の電路が地絡したことを外部に警報するための、図示していない警報回路に接続されている。
【００３３】
また、電源回路１４は、端子Ｐ１，Ｐ２から入力された商用電源からの１００ボルト電圧が過入力保護フィルタ回路１５を介して供給されると、地絡方向継電器１の各回路が必要とする直流電圧を出力する。
【００３４】
以上の実施の形態の説明では、高低圧変圧器として、単相３線式高低圧変圧器Ｔｒ１の例を示したが、電圧の種別（１００Ｖ，２００Ｖ，４００Ｖ）、回路方式（単相２線式、単相３線式、３相３線式、３相４線式）、及び分岐回路の数に制限は無い。ただし、３相回路の場合は、前述の電圧検出器ＺＰＤ１，２に３相回路用のタイプを使用する。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、交流電源を供給する非接地式電路において、地絡の発生していない状態で流れる漏れ電流の影響を受けることなく、電路に地絡が発生した場合には、地絡した電路を確実に判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示した電気回路図である。
【図２】図１の電気回路を鳳・テブナンの定理に基づいて画いた電気回路図である。
【図３】鳳・テブナンの定理で求められる電気回路図である。
【図４】図３の電気回路を簡単化した電気回路図である。
【図５】電路の地絡を判別するためのベクトル図である。
【図６】地絡方向継電器の回路ブロック図である。
【図７】従来の問題点を説明するための電気回路図である。
【図８】従来の問題点を説明するための電気回路図である。
【符号の説明】
１，２  地絡方向継電器
２ａ，２ｂ  過入力保護・フィルタ回路
３ａ，３ｂ  実効値演算回路
４ａ，４ｂ  位相演算回路
５  タイマ回路
６ａ，６ｂ  記憶回路
７ａ，７ｂ  ベクトル演算回路
８  レベル判定回路
９  位相判別回路
１０  ＡＮＤ回路
１１  時間整定回路
１２  出力回路
１３  動作表示ランプ
Ｘ１  出力リレー
Ｔｒ１  単相３線式高低圧変圧器
ＺＣＴ１  電流検出器
ＺＣＴ２  電流検出器
ＺＰＤ１  電圧検出器
ＺＰＤ２  電圧検出器
【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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【図８】
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