JP2001327066A - 光電流センサを用いる保護継電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電力系統の保護区間の両端に設置した２台の光
電流センサを用いた電流差動保護継電装置において、直
流分が重畳された事故電流であっても、内部事故の検出
はもとより、外部事故も内部事故と見誤ることなく判別
できる装置を提供する。 【解決手段】第一の光電流センサ１及び第二の光電流セ
ンサ２を電力系統の保護区間９の両端に設置し、保護区
間への入出力電流ｉ１、ｉ２をそれぞれ求める。光源１
１、第一の光電流センサ１、第二の光電流センサ２、第
一の光信号処理部４ａ及び第二の光信号処理部４ｂ間を
光ファイバ伝送路３ａ〜３ｄで接続する。第一の光信号
処理部４ａからの差電流信号中に含まれる電源周波数成
分の実効値を差電流検出手段５ａで、第二の光信号処理
部４ｂからの和電流信号中に含まれる電源周波数成分の
実効値を和電流検出手段５ｂでそれぞれ求め、差分演算
手段６でその差を求める。判定手段７においては、差電
流信号中の電源周波数成分がリレー整定値以上であった
としても、差分演算手段６の出力が一定値以下であれ
ば、外部事故であると判定しリレーの不要動作を防ぐ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はファラデー効果を利
用して電力設備の導体に流れる電流の計測及び監視をす
る保護継電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電力系統における保護継電装置で
は、変流器で検出された機器導体の電流信号を保護継電
装置に伝達し、保護継電装置で故障判定のための演算と
判定を行っている。この保護継電装置の低コスト化、軽
量化を目的として、従来の巻線型電流変成器による電流
測定方法に代わり、差動演算機能を有する光電流センサ
による保護継電装置が提案され、特開２０００−５９９
８７や特願平１１−２２４８２１が出願されている。

【０００３】従来の光電流センサによる保護継電装置は
例えば図６に示すように、偏光子１４、ファラデー素子
１１、検光子１５よりなる第一の光電流センサ１、及び
第一の光電流センサ１と同様に構成される第二の光電流
センサ２、光ファイバ伝送路３ａ、３ｂ、３ｃ、光源１
２と、光電変換器１６、ハイパスフィルタ回路１７、ロ
ーパスフィルタ回路１８、割算器１９よりなる光信号処
理部４ａ及び、電源周波数成分の差電流検出手段５ａ，
判定手段８より構成される。第一の光電流センサ１及び
第二の光電流センサ２は、電力系統の保護区間９の両端
に設けられている。ここで第一の光電流センサ１が検出
する電流をｉ_１、第二の光電流センサ２が検出する電流
をｉ_２とし、その符号はともに電力系統の保護区間９へ
の流入方向が＋、流出方向が−とする。また第一の光電
流センサ１内の光の伝搬方向は、第一の光電流センサ１
が検出する電流ｉ_１によって発生する磁界方向と一致す
るように設けられており、第二の光電流センサ２内の光
の伝搬方向は第二の光電流センサ２が検出する電流ｉ_２
によって発生する磁界と相反するように設けられてい
る。

【０００４】所定の波長の光を出射する光源１２から出
射された光Ｐ_０は、光ファイバ伝送路３ａにより、第一
の光電流センサ１に至る。光源１２からの光Ｐ_０は第一
の光電流センサ１の偏光子１４によって直線偏光にな
り、この直線偏光をファラデー素子１１に入射する。入
射光は、電流ｉ_１によって発生する磁界によるファラデ
ー効果を受け、電流ｉ_１の大きさに比例して偏波面が角
度θ_１だけ回転する。第一の光電流センサ１が検出する
電流ｉ_１と偏波面の回転角θ_１の関係はベルデ定数をＶ
としたとき θ_１＝Ｖｉ_１ ・・・・(１) となる。前記の入射光はさらに第一の光電流センサ１に
おいて検光子１５により、偏波面の回転角θ_１を強度に
変調された光となる。この時検光子１５は偏光子１４に
対し４５゜の角度に設置されており、第一の光電流セン
サ１の出射光は、ｘ、ｙの２成分の光Ｐ_１ｘ、Ｐ_１ｙに
分けられ、次式で表される。 Ｐ_１ｘ＝(1/2)Ｐ_０（１＋sin２θ_１） ＝(1/2)Ｐ_０（１＋sin２Ｖｉ_１） ・・・・(２ａ) Ｐ_１ｙ＝(1/2)Ｐ_０（１−sin２θ_１） ＝(1/2)Ｐ_０（１−sin２Ｖｉ_１） ・・・・(２ｂ) 従来装置では、どちらか一方の光信号のみ用いられてお
りここではＰ_１ｘを使って説明する。第一の光電流セン
サ１が検出する電流ｉ_１を正弦波交流信号とすると、第
一の光電流センサ１の出射光Ｐ_１ｘは以下の式で表され
る。 ｉ_１ ＝√２Ｉ_１sinωｔ ・・・・(３) Ｐ_１ｘ＝(1/2)Ｐ_０｛１＋sin（２√２ＶＩ_１sinωｔ）｝ ・・・・(４) ここでＩ_１は流入電流の実効値、ω（＝２πｆ）は角周
波数、ｆは電源周波数である。

【０００５】第一の光電流センサ１の出射光Ｐ_１ｘは、
光ファイバ伝送路３ｂに導かれ第二の光電流センサ２に
至る。第二の光電流センサ２は第一の光電流センサ１と
同様の構成から成る。Ｐ_１ｘは、第二の光電流センサ２
が検出する電流ｉ_２（＝√２Ｉ_２sinωｔ）によって発
生する磁界によるファラデー効果を受け、電流ｉ_２の大
きさに比例して偏波面が角度θ_２だけ回転する。第二の
光電流センサ２の出射光はやはり、検光子１５により、
ｘ、ｙの２成分の光Ｐ_２ｘ、Ｐ_２ｙに分けられ、次式で
表される。 Ｐ_２ｘ＝(1/2)Ｐ_１ｘ（１＋sin２θ_２） ＝(1/4)Ｐ_０（１＋sin２θ_１）（１＋sin２θ_２） ＝(1/4)Ｐ_０（１＋sin２Ｖｉ_１）（１＋sin２Ｖｉ_２）・・・・(５ａ) Ｐ_２ｙ＝(1/2)Ｐ_１ｘ（１−sin２θ_２） ＝(1/4)Ｐ_０（１＋sin２θ_１）（１−sin２θ_２） ＝(1/4)Ｐ_０（１＋sin２Ｖｉ_１）（１−sin２Ｖｉ_２）・・・・(５ｂ) ここで、第一の光電流センサ１の２つの出力のうちＰ
_１ｘを選択しているので、第二の光電流センサ２の出射
光として第一の光電流センサの出射光と同一の偏波方向
となるＰ_２ｘを用いる。第一の光電流センサ１の２つの
出力のうちＰ_１ｙを選択した場合は、第二の光電流セン
サの出射光としてはＰ_２ｙを用いる。第二の光電流セン
サの出射光Ｐ_２ｘは光ファイバ伝送路３ｃに導かれ光電
変換器１６に入射し、電気信号に変換された後、ハイパ
スフィルタ回路１７、ローパスフィルタ回路１８により
直流成分と交流成分に分離され、割算器１９で交流成分
を直流成分で除することにより、光電流センサによる差
電流出力Ｓ_２ｘを得る。こで割算器１９により交流成分
を直流成分で除する手法を用いているのは光信号が伝送
される際の光量損失を補償するためである。光電流セン
サによる差電流出力Ｓ_２ｘは以下の式で表される。 Ｓ_２ｘ＝(Ｐ_２ｘの交流成分)／(Ｐ_２ｘの直流成分) ・・・・(６) ここで得られた光電流センサによる差電流出力Ｓ_２ｘに
は、第一の光電流センサ１が検出した電流ｉ_１と第二の
光電流センサ２が検出した電流ｉ_２の差電流であるｉ_１
＋ｉ_２の情報を有していることを以下に説明する。尚、
電力系統の保護区間９への差電流がｉ_１＋ｉ_２と示され
るのは、ｉ_１、ｉ_２の符号をともに電力系統の保護区間
９への流入方向を＋、流出方向を−と定義したことによ
る。

【０００６】第一の光電流センサ１が検出する電流ｉ_１
及び第二の光電流センサ２が検出する電流ｉ_２が小電流
である場合、 sin２θ_１≒２θ_１、sin２θ_２≒２θ_２・・・・(７) が成立し、（５ａ）式は Ｐ_２ｘ＝(１/４)Ｐ_０（１＋２Ｖｉ_１＋２Ｖｉ_２） ＝(１/４)Ｐ_０｛１＋２√２Ｖ（Ｉ_１＋Ｉ_２）sinωｔ｝・・・・(８) となる。(８)式を(６)式に代入すると、 Ｓ_２ｘ＝２√２Ｖ（Ｉ_１＋Ｉ_２）sinωｔ ・・・・(９) となり、光電流センサによる差電流出力Ｓ_２ｘは電力系
統の保護区間９への差電流ｉ_１＋ｉ_２に比例した値とな
る。

【０００７】しかしながら、(９)式は(７)式が成立する
ような小電流領域において成立するものであり、大電流
領域では成立しない。そこで本発明者らは、大電流領域
でも電力系統の保護区間９への差電流ｉ_１＋ｉ_２を検出
することができる光ファイバセンサを用いた保護継電装
置として特願平１１−２２４８２１を出願している。

【０００８】すなわち、(７)式が成立しないような大電
流が流れた場合、(５ａ)式で示した第二の光電流センサ
の出射光Ｐ_２ｘは Ｐ_２ｘ＝(1/4)Ｐ_０｛１＋sin(２√２ＶＩ_１sinωｔ）｝× ｛１＋sin(２√２ＶＩ_２sinωｔ）｝ ・・・・(１０) と表される。ここで sin(２√２ＶＩ_ｎsinωｔ）をフ
ーリエ級数展開することにより周波数成分毎に分解する
ことを試みると、以下の(１１)式で表せる。

【０００９】

【数１】 ここでＪ_ｋ(ａ)はｋ次のBessel関数である。

【００１０】(１１)式の３次以降の項を微少であるとし
て無視すれば、(１０)式は Ｐ_２ｘ＝(1/4)Ｐ_０｛１＋２Ａ_１sinωｔ｝｛１＋２Ａ_２sinωｔ｝ ・・・・(１ ２ａ) で表せる。ここで Ａ_１=Ｊ_１(２√２ＶＩ_１) ・・・・(１２ｂ) Ａ_２=Ｊ_１(２√２ＶＩ_２) ・・・・(１２ｃ) である。(１２ａ）式を展開し、三角関数の公式 sin^２
φ＝(1/2)｛１−cos２φ｝を用いると Ｐ_２ｘ＝(1/4)Ｐ_０｛１＋２(Ａ_１＋Ａ_２)sinωｔ＋４Ａ_１Ａ_２sin^２ωｔ｝ ＝(1/4)Ｐ_０｛１＋２Ａ_１Ａ_２＋２(Ａ_１＋Ａ_２)sinωｔ ＋２Ａ_１Ａ_２cos２ωｔ ｝ ・・・・(１２ｄ) となる。この時の光電流センサによる差電流出力Ｓ_２ｘ
は(１２ｄ）式を(６)式に代入することで以下に求めら
れる。 Ｓ_２ｘ＝ Ｂ_１sinωｔ＋Ｂ_２ cos２ωｔ ・・・・(１３ａ) ここで Ｂ_１＝２(Ａ_１＋Ａ_２）／（１＋２Ａ_１Ａ_２） ・・・・(１３ｂ) Ｂ_２＝ ２Ａ_１Ａ_２／（１＋２Ａ_１Ａ_２) ・・・・(１３ｃ) (１３ａ)式に示すように光電流センサによる差電流出力
Ｓ_２ｘは、第一項に示された電力系統の保護区間９への
差電流ｉ_１＋ｉ_２の周波数成分、すなわち電源周波数成
分の他に、第二項に示された電源周波数の２倍の周波数
成分の項から成る。

【００１１】ここで(１３ｂ)式の電源周波数成分の項Ｂ
_１を計算により評価することを試みる。電力系統の保護
区間９への流入電流を３３ｋＡ以下のケースとする。こ
のケースにおいて、波長１５５０ｎｍの鉛ガラスファイ
バ型光電流センサのベルデ定数Ｖ＝３．９３×１０^−６
[rad/A]を用いると、(１３ｂ)式は Ｂ_１≒α（Ｉ_１＋Ｉ_２） ・・・・(１３ｄ) で表せる。計算の結果、αの誤差は通電電流が実効値２
４ｋＡで１％以下、通電電流が実効値３３ｋＡ以下で２
％以下である。

【００１２】すなわち、（１３ａ）式は、通電電流３３
ｋＡ以下において、光電流センサによる差電流出力Ｓ
_２ｘの電源周波数と同じ周波数成分においては、電力系
統の保護区間への差電流ｉ_１＋ｉ_２に比例した出力であ
るが、電源周波数の２倍の周波数成分が誤差成分として
発生していることを意味する。光電流センサによる差電
流出力Ｓ_２ｘから、電源周波数成分の差電流検出手段５
ａにより、２倍の周波数成分を取り除くことにより、そ
の出力を判定手段８に導き、電力系統の保護区間９への
差電流ｉ_１＋ｉ_２に対して動作する保護継電装置が構成
される。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の技術におけ
る説明では、電流信号が正弦波交流信号と仮定してい
る。しかしながら、電力系統において短絡事故が発生し
た場合、電流信号は直流分が重畳され過渡的に減衰する
信号となる。この時の事故電流は以下の式で表される。 ｉ_ｎ (t)＝√２Ｉ_ｎ｛ｅ^{（−ｔ／τ）}−cosωｔ｝ ・・・・(１４) τは電力系統のリアクタンス分と抵抗分の比から定まる
減衰時定数である。（１４）式で表されるような過渡的
に減衰する電流信号を(５ａ)、(６)式に代入しても、
(１３ａ)式のように電源周波数成分ごとに分けて表すこ
とはできない。そこで、電力系統の保護区間９に対し
て、保護区間外事故、保護区間内事故の各々の事故ケー
スについて、光電流センサによる差電流出力Ｓ_２ｘに含
まれる誤差成分が及ぼす影響について考える。図２は、
光電流センサを用いた保護継電装置の動作を説明するた
めの系統図である。電力系統の保護区間９の事故箇所と
してｆ１、ｆ３を保護区間外事故、ｆ２を保護区間内事
故とする。以下電力系統の保護区間９の区間外事故を外
部事故、電力系統の保護区間９の区間内事故を内部事故
と呼ぶものとする。また図２において、第一の光電流セ
ンサ１及び第二の光電流センサ２はそれぞれ電力系統の
保護区間９の両端に設置されており、光ファイバ伝送路
３ａ〜３ｄにより、光源１２、第一の光信号処理部４
ａ、第二の光信号処理部４ｂと接続されている。ここで
第一の光電流センサ１は電流ｉ_１を検出し、第二の光電
流センサ２は電流ｉ_２を検出する。

【００１４】まず外部事故が発生した場合について考え
る。外部事故が発生した場合、ｉ_１、ｉ_２ は ｉ_１(t)＝−ｉ_２(t) ・・・・(１５) が成立する。(１４)、(１５)式を(５ａ)式に代入する
と、 Ｐ_２ｘ＝(1/4)Ｐ_０｛１＋sin２Ｖｉ_１(t)｝｛１−sin２
Ｖｉ_ｉ(t)｝ となる。ここで、説明を簡単にするために、 sin｛２Ｖｉ_ｉ(t)｝≒ ２Ｖｉ_１(t) とおいて、(１４)式を代入すると、(５ａ)式は、 Ｐ_２ｘ≒(1/4)Ｐ_０［１−８Ｖ^２Ｉ_１ ^２｛ｅ^{（−ｔ／τ）}−cosωｔ｝^２ ］ ≒(1/4)Ｐ_０［１−８Ｖ^２Ｉ_１ ^２｛ｅ^{（−２ｔ／τ）}＋２・ｅ^{（−ｔ／τ）} ・cosωｔ−1/2＋1/2cos２ωｔ｝］ ・・・・(１ ６) となる。すなわち、従来の技術では、事故電流が正弦波
交流信号であれば外部事故時においては電力系統の保護
区間９への差電流ｉ_１＋ｉ_２の電源周波数成分は０であ
るべきであるのに、直流分が重畳された過渡的に減衰す
る信号の場合は、(１６)式に示すとおり、直流分が減衰
するまでの間、誤差信号が発生してしまう。

【００１５】図７は、外部事故が発生し、直流分が重畳
された事故電流であった場合、従来の技術では保護継電
装置の不要動作が発生する可能性があることを説明する
ための図である。図７(ａ)は、外部事故のケースにおけ
る(１４)式で表される直流分が重畳された事故電流信号
を表しており、図７(ｂ)はこの時の第二の光電流サンサ
からの光信号Ｐ_２ｘ／Ｐ_０を、図７(ｃ)は光電流センサ
による差電流出力Ｓ_２ｘを、図７(ｄ)は光電流センサに
よる差電流出力Ｓ_２ｘの電源周波数成分の実効値Ｒ_２ｘ
を求めたものである。尚、ここでは光電流センサは、波
長１５５０ｎｍの鉛ガラスファイバ型光電流センサであ
るとし、そのベルデ定数Ｖは３．９３×１０^−６[rad/
A]を用いている。事故電流Ｉ_１の大きさは実効値３３ｋ
Ａ、電源周波数５０Hz、時定数τは５０msとしている。
また光電流センサによる差電流出力の電源周波数の実効
値Ｒ_{２ ｘ}を求める手段としては、デジタルリレー回路に
おけるデジタルフィルタ・実効値演算回路を用いた。既
に公知の技術であるため、ここではそのアルゴリズムを
紹介するに留める。 サンプリング ：電気角３０゜ デジタルフィルタ：Ｄ．Ｆ．_１ｆ＝（１−Ｚ^−６）（１＋Ｚ^−１＋Ｚ^−２＋Ｚ ^−３ ） 実効値演算 ：実効値^２ ＝Ｃ_ｎ−３ ^２−Ｃ_ｎ・Ｃ_ｎ−６

【００１６】次に正弦波交流信号の場合との比較をする
ために、事故電流が（３）式で表される正弦波交流信号
であった場合の事故電流を図７(ｅ)に示し、この時の第
二の光電流サンサからの光信号Ｐ_２ｘ／Ｐ_０を図７(ｆ)
に、光電流センサによる差電流出力Ｓ_２ｘを図７(ｇ)
に、光電流センサによる差電流出力の電源周波数成分の
実効値Ｒ_２ｘを図７(ｈ)に示している。図７(ｈ)に示す
とおり、外部事故において事故電流が正弦波交流信号で
あれば事故直後に短時間誤差信号が発生するが、リレー
の不要動作には至らない程度である。一方、事故電流が
直流分が重畳した過渡電流信号の場合は図７(ｄ)に示す
とおり、無視できない程の時間、誤差信号が発生してい
る。これは(１６)式に示したように直流分が減衰するま
での間、電源周波数成分が誤差信号として表れているた
めである。

【００１７】次に内部事故における、従来の技術での光
電流センサを用いた保護継電装置の動作を図７を用いて
説明する。図７(ｉ)は図２に示す系統で内部事故が発生
し、事故電流が(１４)式で表される直流分が１００％重
畳された信号を示しており、この時の第二の光電流サン
サからの光信号Ｐ_２ｘ／Ｐ_０を図７(ｊ)に、光電流セン
サによる差電流出力Ｓ_２ｘを図７(ｋ)に、光電流センサ
による差電流出力Ｓ_{２ ｘ}の電源周波数成分の実効値を図
７(ｌ)に示している。図７(ｍ）は図２に示す系統で内
部事故が発生し、事故電流が（３）式で表される正弦波
交流信号であった場合を示しており、この時の第二の光
電流サンサからの光信号Ｐ_２ｘを図７(ｎ)に、光電流セ
ンサによる差電流出力Ｓ_２ｘを図７(ｏ)に、光電流セン
サによる差電流出力Ｓ_２ｘの電源周波数成分の実効値を
図７(ｐ)に示している。図７(ｌ)、図７(ｐ)に示すとお
り内部事故に関しては、従来の技術では良好な動作が得
られる。

【００１８】以上説明したように従来の技術において
は、直流分が重畳された事故電流であった場合、内部事
故は正常に検出するものの、外部事故のケースでは内部
事故が発生したかのような誤差信号が発生する場合があ
る。本発明の目的とするところは、直流分が重畳された
事故電流を検出した場合においても、内部事故発生時の
検出はもとより、外部事故発生時でも内部事故と見誤る
ことなく判別しリレーの不要動作をしない光電流センサ
を用いる保護継電装置を提供することである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】そこで本発明では電力系
統の保護区間の両端に入出力電流を個別に測定する二台
の周回積分型の光電流センサを配置し、前記光電流セン
サは入射端と、前記入射端に設けられた偏向子の偏向方
向に対してプラス４５度及びマイナス４５度の二つの偏
向方向で検光を行う検光子とそれぞれの検光成分に対す
る出射端を有しており、光源と前記光電流センサとの
間、前記光電流センサ同士の間および前記光電流センサ
と光信号処理部の間を光ファイバ伝送路で接続し、前記
光信号処理部の出力信号から電源周波数成分の実効値を
検出する差電流検出手段と、前記光信号処理部の出力信
号から電源周波数成分の実効値を検出する和電流検出手
段と、前記差電流検出手段と前記和電流検出手段の出力
の差分を求める演算手段と、、前記演算手段の出力より
前記電力系統の保護区間の区間内の事故か区間外の事故
かを判別する判定手段とを備える。また、電力系統の保
護区間の両端に入出力電流を個別に測定する二台の周回
積分型の光電流センサを配置し、前記光電流センサは入
射端と、前記入射端に設けられた偏向子の偏向方向に対
してプラス４５度又はマイナス４５度の偏向方向で検光
を行う検光子とその検光成分に対する出射端を有してお
り、光源と前記光電流センサとの間、前記光電流センサ
同士の間および前記光電流センサと光信号処理部の間を
光ファイバ伝送路で接続し、前記光信号処理部の出力信
号から電源周波数成分の実効値を検出する差電流検出手
段と、前記光信号処理部の出力信号から電源周波数の２
倍の周波数成分を実効値で検出する倍周波数成分検出手
段と、前記差電流検出手段と倍周波数成分検出手段の出
力比を求める演算手段と、前記演算手段の出力より保護
区間の区間内の事故か区間外の事故かを判別する判定手
段とを備える。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態について
添付図面を参照して説明する。従来の技術の(２ｂ)式、
(５ｂ)式に示したように、光電流センサからの出力信号
はｘ、ｙ成分の２通りがあり、従来の技術においてはこ
のどちらか一方しか用いていない。従来の技術では使用
していない方の光信号を用いれば、外部事故か内部事故
かを判別することが可能であることを以下に説明する。
図１は本発明の光電流センサを用いる保護継電装置の実
施の形態を示す説明図である。光電流センサによる差電
流信号Ｓ_２ｘを求めるために光信号Ｐ_２ｘを用いたのと
同様に光信号Ｐ_２ｙ信号を用いる。光信号Ｐ_２ｘより得
られる光電流センサによる差電流信号Ｓ_２ｘが、第一の
光電流センサ１が検出した電流ｉ_１と第二の光電流セン
サ２が検出した電流ｉ_２の差電流であるｉ_１＋ｉ_２の情
報を有しているのに対し、光信号Ｐ_２ｙからはｉ_１とｉ
_２の和電流であるｉ_１−ｉ_２の情報を有している光電流
センサによる和電流出力Ｓ_２ｙを得ることができること
を以下に説明する。尚、電力系統の保護区間９への和電
流がｉ_１−ｉ_２と示されるのは、ｉ_１、ｉ_２の符号をと
もに電力系統の保護区間９への流入方向を＋、流出方向
を−と定義したことによる。尚、以下の説明では、上記
従来の技術で参照した図及び式において、同一もしくは
相当する部分には同一符号を付してその説明は省略す
る。

【００２１】偏光子１４、ファラデー素子１１、検光子
１５よりなる第一の光電流センサ１と、第一の光電流セ
ンサ１と同様に構成される第二の光電流センサ２と、光
源１２と、光電変換器１６、ハイパスフィルタ回路１
７、ローパスフィルタ回路１８、割算器１９よりなる第
一の光信号処理部４ａと、第一の光信号処理部４ａと同
様に構成される第二の光信号処理部４ｂと、光源１２と
第一の光電流センサ１間の光信号を伝送する光ファイバ
伝送路３ａと、第一の光電流センサ１と第二の光電流セ
ンサ２間の光信号を伝送する光ファイバ伝送路３ｂと、
第二の光電流センサ２の２つの出射端のうち差電流情報
を有する光信号Ｐ2xを出射する出射端と第一の光信号処
理部４ａとを伝送する光ファイバ伝送路３ｃと、第二の
光電流センサ２の２つの出射端のうち和電流情報を有す
る光信号Ｐ2yを出射する出射端と第二の光信号処理部４
ｂとを伝送する光ファイバ伝送路３ｄと、第一の光信号
処理部４ａからの差電流出力Ｓ_２ｘから電源周波数成分
の実効値を検出する差電流検出手段５ａと、第二の光信
号処理部４ｂからの和電流出力Ｓ_２ｙから電源周波数成
分の実効値を検出する和電流検出手段５ｂと、差電流検
出手段５ａと和電流検出手段５ｂの出力の差を求める差
分演算手段６、差電流検出手段５ａ及び差分演算手段６
の出力から電力系統の保護区間に対して外部事故である
か内部事故であるかを判別する判定手段７より構成され
る。

【００２２】第一の光電流センサ１及び第二の光電流セ
ンサ２の、電力系統の保護区間９への設置の状況及び、
光信号処理部４ａの構成は従来の技術と同様であり、光
信号処理部４ａからは光電流センサによる差電流出力Ｓ
_２ｘを得る。一方光ファイバ伝送手段３ｄにより導かれ
る光信号は（５ｂ）式に述べたＰ_{２ ｙ}信号である。Ｐ
_２ｙは光ファイバ伝送路３ｄに導かれ第二の光信号処理
部４ｂの光電変換器１６に入射し、同様の信号処理によ
り、光電流センサによる和電流出力Ｓ_２ｙを得る。光電
流センサによる和電流出力Ｓ_２ｙは以下の式で表され
る。 Ｓ_２ｙ＝（Ｐ_２ｙの交流成分）／（Ｐ_２ｙの直流成分） ・・・・(１７) 差電流検出手段５ａはＳ_２ｘから電源周波数と同じ周波
数成分の差電流実効値Ｒ _２ｘを検出し、和電流検出手段
５ｂはＳ_２ｙから電源周波数と同じ周波数成分の和電流
実効値Ｒ_２ｙを検出する。Ｒ_２ｘ及びＲ_２ｙを求めた
後、差分演算手段６でＲ_２ｘ−Ｒ_２ｙを計算する。差分
演算手段６を用いたのは、外部事故発生時と内部事故発
生時において、Ｒ_２ｘ−Ｒ_２ｙという値に大きな差異が
みられるためである。すなわち、リレー整定値をｋ０と
し、外部事故判定定数ｋ１を新たに設け、判定手段７に
おいて、Ｒ_２ｘ＞ｋ０かつＲ_２ｘ−Ｒ_２ｙ＞ｋ１の時、
内部事故と判定することにより、直流分が重畳した事故
電流であったとしても、外部事故においても不要動作を
防ぐことができる。

【００２３】電力系統の保護区間９に対して、外部事
故、内部事故の各々の事故ケースについて、本発明の光
電流センサを用いた保護継電装置の動作を説明するため
に、従来の技術で説明したのと同様に図２の系統図を用
いる。外部事故は図２に示す系統において事故箇所ｆ１
とｆ３の２通りが考えられるが、どちらも同等と考えら
れるのでここではｆ１を外部事故の代表例とする。内部
事故のケースは、電源配置が両側か、ｆ１側の片側電
源、ｆ３側の片側電源の３通りが考えられる。片側電源
はｆ１側、ｆ３側でも同様と考えられるのでｆ１側を代
表例とする。両側電源配置のケースでは、ｉ_１、ｉ_２
は ｉ_１(t)＝βｉ_２(t) ０＜ β≦１・・・・(１８ａ) として考えるものとする。片側電源配置では ｉ_２(t)＝０ ・・・・(１８ｂ) とする。

【００２4】外部事故判定定数ｋ１を導く手段を以下に
説明する。ここでは、想定する電力系統の最大事故電流
３３ｋＡとし、リレー整定値を９００Ａのケースで説明
する。事故電流は(１４)式に示すように直流分が１００
％重畳されたものとし、時定数τ＝１００msとする。適
用する光ファイバセンサは従来技術と同様の、波長１５
５０ｎｍの鉛ガラスファイバ型光電流センサであると
し、そのベルデ定数Ｖは３．９３×１０^−６[rad/A]を
用いる。

【００２５】図３はＲ_２ｘ−Ｒ_２ｙが内部事故と外部事
故において充分大きな差異があることを説明するための
図であり、先に示した事故電流の値、光ファイバセンサ
の定数を、(１４)式、(５ａ)式、(６)式に代入し、計算
により求めたものである尚、差電流検出手段及び和電流
検出手段で電源周波数成分の実効値Ｒ_２ｘ、Ｒ _２ｙを求
める手段として、従来技術と同様に以下のアルゴリズム
で計算した。 サンプリング ：電気角３０゜ デジタルフィルタ：Ｄ．Ｆ．_１ｆ＝（１−Ｚ^−６）（１＋Ｚ^−１＋Ｚ^−２＋Ｚ ^−３ ） 実効値演算 ：実効値^２ ＝Ｃ_ｎ−３ ^２−Ｃ_ｎ・Ｃ_ｎ−６ 図３(ａ)は(１４)式で表される直流分が重畳された事故
電流ｉ_ｎ(t)を示しており、事故電流実効値Ｉ_ｎ＝３３
ｋＡの波形を示している。 図３(ｂ)〜(ｄ)は外部事故
のケースであり、図３(ｂ)は差電流実効値Ｒ_２ｘを、図
３(ｃ)は和電流実効値Ｒ_２ｙを図３(ｄ)はＲ_２ｘ−Ｒ
_２ｙを示している。事故電流は３３ｋＡ、２４ｋＡ、１
５ｋＡ、９ｋＡの４通りを示している。同様に図３(ｅ)
〜図３(ｇ)は内部事故両側電源配置の場合であり、図３
(ｅ)は差電流実効値Ｒ_２ｘを、図３(ｆ)は和電流実効値
Ｒ_２ｙを図３(ｇ)はＲ_２ｘ−Ｒ _２ｙを示しており、事故
電流は以下の４通りを示している。 Ｉ_１＝＋１６．５ｋＡ、Ｉ_２＝＋１６．５ｋＡ、 Ｉ_１＝＋２２ｋＡ、Ｉ_２＝＋１１ｋＡ、 Ｉ_１＝＋２７．５ｋＡ、Ｉ_２＝＋５．５ｋＡ、 Ｉ_１＝＋３０ｋＡ、Ｉ_２＝＋３ｋＡ 図３(ｈ)〜図３(ｊ)は内部事故片側電源配置の場合であ
り、図３(ｈ)は差電流実効値Ｒ_２ｘを、図３(ｉ)は和電
流実効値Ｒ_２ｙを図３(ｊ)はＲ_２ｘ−Ｒ_２ｙを示してお
り、事故電流はＩ_１＝３３ｋＡ、２４ｋＡ、１５ｋＡ、
９ｋＡの４通りを示している。

【００２６】外部事故ケースのＲ_２ｘ−Ｒ_２ｙを示す図
３(ｄ)と、内部事故両側電源配置、内部事故片側電源配
置の各ケースにおけるＲ_２ｘ−Ｒ_２ｙを示す図３(ｇ)、
図３(ｊ)を比較すると明らかなように、Ｒ_２ｘ−Ｒ_２ｙ
はあるしきい値に対して、外部事故ケースは小さな値と
なり、内部事故ケースにおいては大きな値となる。外部
事故ケースの場合では、事故電流が９ｋＡから３３ｋＡ
においては事故電流９ｋＡの時、Ｒ_２ｘ−Ｒ_２ｙは最大
値をとっている。一方内部事故ケースにおいては両側電
源配置、片側電源配置の各ケースのいずれの場合でもＲ
_２ｘ−Ｒ_{２ ｙ}の最小値は０ｋＡである。よって外部事故
判定定数ｋ１を決定するには、外部事故において差電流
信号Ｒ _２ｘがリレー整定値より大きくならない程度の事
故電流を想定し、この事故電流におけるＲ_２ｘ−Ｒ_２ｙ
を求めればよい。ここで事故電流９ｋＡのときのＲ_２ｘ
は４００Ａ程度であり、リレー整定値９００Ａに対して
不要動作には至らないと考えられる充分な値である。そ
こで外部事故判定定数ｋ１を求めるために想定する事故
電流を９ｋＡとした。外部事故ケースにおける事故電流
９ｋＡの時のＲ_２ｘ−Ｒ_２ｙの最大値は図３(ｄ)より−
１８ｋＡである。したがって図３のケースでは外部事故
判定定数ｋ１は例えば以下のように求めることができ
る。 ｋ１＝（−１８ｋＡ−０ｋＡ）／２＝−９ｋＡ 上記のように外部事故判定定数Ｋ１を設ければ、判定手
段７においてＲ_２ｘが整定値ｋ０より大きかったとして
も、Ｒ_２ｘ−Ｒ_２ｙがｋ１より小さければ外部事故であ
ると判定し、リレーの不要動作を防ぐことができる。

【００２７】続いて本発明の光電流センサを用いる保護
継電装置の他の実施例を説明する。従来の技術の(１３
ａ)式に示したように、外部事故においては光電流セン
サからの出力信号には電源周波数の２倍の周波数成分が
含まれる。この２倍の周波数成分を用いれば、外部事故
か内部事故かを判別することが可能であることを以下に
説明する。

【００２８】図４は本発明の光電流センサを用いる保護
継電装置の他の実施例を示す説明図である。以下の説明
では、前記従来の技術及び前記実施の形態で参照した図
及び式において、同一もしくは相当する部分には同一符
号を付してその説明は省略する。第一の光電流センサ
１、第二の光電流センサ２、光源１２、光信号処理回路
４ａ、光ファイバ伝送手段３ａ，３ｂ，３ｃと、光信号
処理部４ａからの差電流出力Ｓ_２ｘから電源周波数成分
の実効値を検出する差電流検出手段５ａ、光信号処理部
４ａからの差電流出力Ｓ_２ｘから電源周波数成分の２倍
の周波数成分の実効値を検出する倍周波数検出手段５
ｃ、差電流検出手段５ａと倍周波数成分検出手段５ｃの
出力比を求める出力比演算手段６ｂ、差電流検出手段５
ａ及び出力比演算手段６ｂの出力から電力系統の保護区
間に対して外部事故であるか内部事故であるかを判別す
る判定手段７ｂより構成される。

【００２９】第一の光電流センサ１及び第二の光電流セ
ンサ２の、電力系統の保護区間９への設置の状況及び、
光信号処理部４ａの構成は従来の技術と同様であり、光
信号処理部４ａからは光電流センサによる差電流出力Ｓ
_２ｘを得る。光信号処理部４ａで得られた差電流出力Ｓ
_２ｘは差電流検出手段５ａ、Ｓ_２ｘから電源周波数と同
じ周波数成分の実効値Ｑ１を検出する。また、倍周波数
成分検出手段５ｃでＳ_２ｘから電源周波数の２倍の周波
数成分の実効値Ｑ２を検出する。Ｑ１及びＱ２は、出力
比演算手段６ｂでＱ２／Ｑ１を計算する。出力比演算手
段６ｂでＱ２／Ｑ１を計算するのは、外部事故発生時、
内部事故発生時において、Ｑ２／Ｑ１という値に大きな
差異がみられるためである。すなわち、リレー整定値を
ｋ０とし、外部事故判定定数ｋ２を新たに設け、判定手
段７ｂにおいて、Ｑ１＞ｋ０かつＱ２／Ｑ１＜ｋ２の
時、内部事故と判定するることにより、直流分が重畳し
た事故電流であったとしても、外部事故においても不要
動作を防ぐことができる。

【００３０】図５は内部事故と外部事故において、Ｑ２
／Ｑ１が充分大きな差異があることを説明するための図
である。第一の実施例の図３を示す際の計算に用いたの
同様の条件のもとに計算による結果を示すものである。
また、倍周波数成分検出手段５ｃで、電源周波数の２倍
の周波数成分の実効値Ｑ２を求めるために以下のアルゴ
リズムで計算した。 サンプリング ：電気角３０゜ デジタルフィルタ：Ｄ．Ｆ．_２ｆ＝（１＋Ｚ^−６）（１−Ｚ^−３）（１−Ｚ^{− １} ） 実効値演算 ：実効値^２ ＝Ｃ_ｎ ^２＋Ｃ_ｎー１ ^２＋Ｃ_ｎ−２ ^２ 図５(ａ)は(１４)式で表される直流分が重畳された事故
電流ｉ_ｎ(t)を示しており、事故電流実効値Ｉ_ｎ＝３３
ｋＡの波形を示している。 図５(ｂ)〜(ｄ)は外部事故
のケースである。図５(ｂ)は電源周波数成分信号Ｑ１
を、図５(ｃ)は倍周波数成分信号Ｑ２を、また図５(ｄ)
はＱ２／Ｑ１を示しており、事故電流は３３ｋＡ、２４
ｋＡ、１５ｋＡ、９ｋＡの４通りを示している。同様に
図５(ｅ)〜図５(ｇ)は内部事故両側電源配置の場合であ
り、図５(ｅ)は電源周波数成分信号Ｑ１を、図５(ｆ)は
倍周波数成分信号Ｑ２を、図５(ｇ)はＱ２／Ｑ１を示し
ており、事故電流は以下の４通りを示している。 Ｉ_１＝＋１６．５ｋＡ、Ｉ_２＝＋１６．５ｋＡ、 Ｉ_１＝＋２２ｋＡ、Ｉ_２＝＋１１ｋＡ、 Ｉ_１＝＋２７．５ｋＡ、Ｉ_２＝＋５．５ｋＡ、 Ｉ_１＝＋３０ｋＡ、Ｉ_２＝＋３ｋＡ 図５(ｈ)〜図５(ｊ)は内部事故片側電源配置の場合であ
り、図５(ｈ)は電源周波数成分信号Ｑ１を、図５(ｉ)は
倍周波数成分信号Ｑ２を、図５(ｊ)はＱ２／Ｑ１を示し
ており、事故電流はＩ_２＝３３ｋＡ、２４ｋＡ、１５ｋ
Ａ、９ｋＡの４通りを示している。

【００３１】外部事故ケースのＱ２／Ｑ１を示す図５
(ｄ)と、内部事故両側電源配置、内部事故片側電源配置
の各ケースにおけるＱ２／Ｑ１を示す図５(ｇ)、図５
(ｊ)を比較すると明らかなように、Ｑ２／Ｑ１は事故直
後のわずかな時間以外においてはあるしきい値に対し
て、外部事故ケースは大きい値となり、内部事故ケース
においては小さな値となる。Ｑ２／Ｑ１は外部事故ケー
スにおいては事故電流実効値９ｋＡから３３ｋＡでは３
３ｋＡで最小値をとり、Ｑ２／Ｑ１＝０．２２であっ
た。一方内部事故ケースの両側電源配置、片側電源配置
の各ケースにおけるＱ２／Ｑ１は、事故電流が大きい時
ほど、大きな値を示し、その最大値は両側電源配置の場
合のＩ_１＝＋１６．５ｋＡ、Ｉ_２＝＋１６．５ｋＡのケ
ースで最大値をとり、その値は０．０４であった。よっ
てＱ２／Ｑ１のしきい値として外部事故判定定数ｋ２を
外部事故ケースにおけるＱ２／Ｑ１の最小値と、内部事
故ケースにおけるＱ２／Ｑ１の最大値との中間値に設け
るものとし、図５のケースでは例えば以下のように求め
ることができる。 ｋ２＝（０．２２／０．０４）^１／２×０．０４＝０．
１ 上記のように外部事故判定定数Ｋ２を設ければ、判定手
段７ｂにおいてＱ１が整定値ｋ０より大きかったとして
も、Ｑ２／Ｑ１がｋ２より大きければ外部事故であると
判定し、リレーの不要動作を防ぐことができる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による光電
流センサによる保護継電装置によれば、直流分が重畳さ
れた事故電流を検出した場合においても、内部事故の検
出はもとより、外部事故でも内部事故と見誤ることなく
検出判別し、リレーの不要動作を防ぐことが可能にな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による実施の形態を示し、光電流センサ
を用いる保護継電装置を説明する構成図である。

【図２】本発明による実施の形態を示し、光電流センサ
を用いる保護継電装置を説明する系統図である。

【図３】本発明の実施の形態に従って事故電流を測定し
たときの出力波形の一例である。

【図４】本発明による他の実施の形態を示し、光電流セ
ンサを用いる保護継電装置を説明する構成図である。

【図５】本発明による他の実施の形態に従って事故電流
を測定したときの出力波形の一例である。

【図６】従来技術の光電流センサによる保護継電装置の
説明図である。

【図７】従来技術に従って事故電流を測定したときの出
力波形の一例である。

【符号の説明】

１ 第一の光電流センサ ２ 第二の光電流センサ ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ 光ファイバ伝送路 ４ａ 第一の光信号処理部 ４ｂ 第二の光信号処理部 ５ａ 差電流検出手段 ５ｂ 和電流検出手段 ５ｃ 倍周波数成分検出手段 ６ 差分演算手段 ６ｂ 出力比演算手段 ７、７ｂ 判定手段 ９ 電力系統の保護区間 １１ ファラデー素子 １２ 光源 １４ 偏光子 １５ 検光子 １６ 光電変換器 １７ ハイパスフィルタ １８ ローパスフィルタ １９ 割算器

フロントページの続き (72)発明者 岨 知宏 愛知県西春日井郡西枇杷島町芳野町３丁目 １番地 株式会社高岳製作所技術開発セン ター内 (72)発明者 千田 善文 宮城県黒川郡大衡村桔梗平１番地 株式会 社高岳製作所仙台事業所内 (72)発明者 山田 康久 神奈川県横浜市鶴見区江ヶ崎町４番１号 東京電力株式会社電力技術研究所内 (72)発明者 田代 洋一郎 神奈川県横浜市鶴見区江ヶ崎町４番１号 東京電力株式会社電力技術研究所内 (72)発明者 黒澤 潔 神奈川県横浜市鶴見区江ヶ崎町４番１号 東京電力株式会社電力技術研究所内 (72)発明者 大河原 健治 東京都千代田区内幸町１丁目１番３号 東 京電力株式会社工務部内 Ｆターム(参考） 5G042 BB08 BB15 5G047 AA01 AB02 CA03 CB03

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電力系統の保護区間の両端に入出力電流を
   個別に測定する二台の周回積分型の光電流センサを配置
   し、前記光電流センサは入射端と、前記入射端に設けら
   れた偏向子の偏向方向に対してプラス４５度及びマイナ
   ス４５度の二つの偏向方向で検光を行う検光子とそれぞ
   れの検光成分に対する出射端を有しており、光源と前記
   光電流センサとの間、前記光電流センサ同士の間および
   前記光電流センサと光信号処理部の間を光ファイバ伝送
   路で接続し、前記光信号処理部の出力信号から電源周波
   数成分の実効値を検出する差電流検出手段と、前記光信
   号処理部の出力信号から電源周波数成分の実効値を検出
   する和電流検出手段と、前記差電流検出手段と前記和電
   流検出手段の出力の差分を求める演算手段と、前記演算
   手段の出力より前記電力系統の保護区間の区間内の事故
   か区間外の事故かを判別する判定手段とを備えた光電流
   センサを用いる保護継電装置。
2. 【請求項２】電力系統の保護区間の両端に入出力電流を
   個別に測定する二台の周回積分型の光電流センサを配置
   し、前記光電流センサは入射端と、前記入射端に設けら
   れた偏向子の偏向方向に対してプラス４５度又はマイナ
   ス４５度の偏向方向で検光を行う検光子とその検光成分
   に対する出射端を有しており、光源と前記光電流センサ
   との間、前記光電流センサ同士の間および前記光電流セ
   ンサと光信号処理部の間を光ファイバ伝送路で接続し、
   前記光信号処理部の出力信号から電源周波数成分の実効
   値を検出する差電流検出手段と、前記光信号処理部の出
   力信号から電源周波数の２倍の周波数成分を実効値で検
   出する倍周波数成分検出手段と、前記差電流検出手段と
   倍周波数成分検出手段の出力比を求める演算手段と、前
   記演算手段の出力より保護区間の区間内の事故か区間外
   の事故かを判別する判定手段とを備えた光電流センサを
   用いる保護継電装置。