JP2002027662A - 地絡距離リレー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 地絡距離リレーの負荷電流が大きい場合でも
誤判定のない安定した動作を行うようにする。 【解決手段】 三相の電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃの低下を電
圧低下検出回路７によって検出すると共に、入力された
三相の電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃから演算される零相電圧及
び保護対象相以外の相の線間電圧を用い、さらに電圧低
下検出回路７によって検出された電圧低下を用いて、極
性電圧制御回路８によって極性電圧を制御し、制御され
た極性電圧と保護対象相の電流Ｉａの位相関係を基にし
て、故障点方向判定回路１により、地絡故障点の方向判
定を行うようにして安定した動作を行う地絡保護リレー
を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電力用送電線の
各相の電圧、電流を入力とし、地絡故障を判定する地絡
距離リレーに関するもので、特に故障点方向判定に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】図７は、例えば特公昭５５−２０４５２
号公報に示された従来の地絡距離リレーの方向判定要素
を示す図である。図７において、１は３相（Ａ相、Ｂ
相、Ｃ相）電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃと３相電流Ｉａ、Ｉ
ｂ、Ｉｃを入力とし、その大きさと位相関係から故障点
方向判定を行う故障点方向判定回路で、簡単のため、こ
こではＡ相の故障点方向判定回路を示すが、実際は、Ａ
相以外にＢ相、Ｃ相の回路も設けられている。故障点方
向判定回路１は、次の２〜５の回路によって構成され
る。２は３相電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃを入力とし、零相電
圧Ｖ０を演算するＶ０演算回路、３は保護対象相（ここ
ではＡ相）電圧以外の相を入力とする線間電圧を９０度
シフトするシフト回路、４はＶ０演算回路２とシフト回
路３の出力を入力として極性電圧Ｖ_POLを演算する極性
電圧演算回路、５は極性電圧演算回路４の出力と保護対
象相（ここではＡ相）電流Ｉａの位相関係により故障点
方向を判定する方向判定回路である。

【０００３】図８は、従来の地絡距離リレーの方向判定
要素のＡ相地絡故障時の電圧ベクトルを示す図である。
図９は、従来の地絡距離リレーの方向判定要素の前方負
荷電流のある系統での外部２φＧ故障時のベクトルを示
す図である。図１０は、図９の地絡距離リレーの方向判
定要素における故障中極性電圧と電流の位相関係を示す
図である。

【０００４】図７の回路のように、極性電圧Ｖ_POLは、
保護対象相がＡ相の場合、下式で構成される。 Ｖ０＝１／３（Ｖａ＋Ｖｂ＋Ｖｃ）・・・・Ｖ０演算回路２ Ｖｂｃ・εｊ＝（Ｖｂ−Ｖｃ）・εｊ・・・シフト回路３ Ｖ_POL＝Ｖａ−Ｖ０＋Ｖｂｃ・εｊ・・・極性電圧演算回路４ ここで、εｊは、９０度位相を進めることを意味する。
通常、Ａ相故障では、３相電圧が図８のようなベクトル
関係になるので、電圧Ｖａの方向と−Ｖ０、Ｖｂｃ・ε
ｊは、同じ方向となる。−Ｖ０とＶｂｃ・εｊを付加す
る理由は、詳しく従来技術の特許に書かれているが、主
な役目は、Ａ相至近端故障時には、Ｖａ＝０ｖとなるた
め、方向演算できないので、極性電圧を零にしないた
め、Ｖ０、Ｖｂｃ・εｊを付加する。また、背後非電源
端故障でも方向判別を誤らないためである。

【０００５】次に、動作について説明する。地絡距離リ
レーに入力された３相電圧は、Ｖ０演算回路２、シフト
回路３及び極性電圧演算回路４により極性電圧に変換さ
れ、保護対象相電流と共に方向判定される。方向判定と
して、前方１相地絡故障では、故障時極性電圧が保護対
象相電流に対して、０から９０度の範囲にあるため、前
方判定領域として、０から９０度に動作マージンを持た
せる必要があり、例えば、−４５度から１３５度に設定
するため、図７の方向判定回路５に示す動作領域を採
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の地絡距離リレー
に用いられていた方向判定要素は、その相に流れる電流
と極性電圧によって判定されるので、故障前負荷電流が
送り方向（前方方向）でかつ、電流値が大きく、故障電
流に対して無視できない場合には、外部２φＧ故障（Ｂ
Ｃ相２線地絡故障）でも内部故障として誤判定される可
能性があった。図９は、その場合の電圧、電流ベクトル
関係を示す。地絡距離リレーに入力する電流は、故障電
流Ｉｆｂ、Ｉｆｃ（背後故障であるため通常、電圧の約
９０度進み）と負荷電流Ｉｌｂ、Ｉｌｃの合成電流にな
るため、図９に示すように、負荷電流Ｉｌｂ、Ｉｌｃの
影響を受け、図１０の３相の極性電圧との位相関係から
Ｂ相の地絡故障判定が誤って、後方故障にかかわらず、
前方とみなす判定領域に入る可能性があった。つまり、
故障電流に比べて負荷電流が無視できなくなる程度まで
大きい場合には、背後故障であっても、前方故障と誤判
定する可能性があった（Ａ相については、負荷電流によ
り前方とみなすが、これは、正しい判定である）。

【０００７】この発明は、上記のような問題点を解決す
るためになされたものであり、負荷電流が大きい場合で
も誤判定のない安定した動作を行うことのできる地絡距
離リレーを得ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明に係わる地絡距
離リレーにおいては、三相電圧の各々の電圧の低下を検
出する電圧低下検出回路と、この電圧低下検出回路によ
って検出された検出結果に基づき、三相電圧を用いて極
性電圧を演算する極性電圧回路と、この極性電圧回路に
よって演算された極性電圧及び保護対象相の電流の位相
関係により保護対象相の故障点方向を判定する方向判定
回路を備えたものである。また、三相電圧及び三相電流
から故障相を判定する故障相判定回路と、この故障相判
定回路によって判定された判定結果に基づき、三相電圧
を用いて極性電圧を演算する極性電圧回路と、この極性
電圧回路によって演算された極性電圧及び保護対象相の
電流の位相関係により保護対象相の故障点方向を判定す
る方向判定回路を備えたものである。

【０００９】さらに、保護対象相の電流が入力され、入
力された電流から故障電流を抽出する故障電流抽出回路
と、三相電圧を用いて極性電圧を演算する極性電圧回路
と、この極性電圧回路によって演算された極性電圧及び
故障電流抽出回路によって抽出された故障電流の位相関
係により保護対象相の故障点方向を判定する方向判定回
路を備えたものである。また、故障電流抽出回路は、入
力電流を蓄積する電流メモリを有し、電流メモリに蓄積
された入力電流を用いて、所定の時間差を有する二つの
時点で入力電流の差を算出することにより故障電流を抽
出するものである。

【００１０】さらにまた、所定の時間差は、故障継続時
間以上であるものである。また、故障電流抽出回路は、
保護対象相の電流または電圧を用いて故障の発生を検出
する故障検出回路を有すると共に、故障検出回路を用い
て故障の発生を検出することにより、所定の時間差を小
さくするものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】実施の形態１．以下、この発明の
実施の形態１を図に基づいて説明する。図１は、この発
明の実施の形態１による地絡距離リレーの方向判定要素
を示す図である。図１において、１は３相（Ａ相、Ｂ
相、Ｃ相）電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃと３相電流Ｉａ、Ｉ
ｂ、Ｉｃを入力とし、その大きさと位相関係から故障点
方向判定を行う故障点方向判定回路で、簡単のため、こ
こではＡ相の故障点方向判定回路を示すが、実際は、Ａ
相以外にＢ相、Ｃ相の回路も設けられている。故障点方
向判定回路１は、次の２〜５の回路によって構成され
る。２は３相電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃを入力とし、零相電
圧Ｖ０を演算するＶ０演算回路、３は保護対象相（ここ
ではＡ相）電圧以外の相を入力とする線間電圧を９０度
シフトするシフト回路、５は極性電圧Ｖ_POLと保護対象
相（ここではＡ相）電流Ｉａの位相関係により故障点方
向を判定する方向判定回路である。７は３相電圧を入力
とし、各々の電圧の低下を検出する電圧低下検出回路、
８は電圧低下検出回路７の出力に基づき、Ｖ０演算回路
２とシフト回路３の出力を入力として極性電圧Ｖ_POLを
演算する極性電圧制御回路であり、Ｖ０演算回路２とシ
フト回路３と極性電圧制御回路８により極性電圧回路を
構成する。図２は、この発明の実施の形態１による地絡
距離リレーの方向判定要素の極性電圧制御後の極性電圧
Ｖ_POLと電流の位相関係を示す図である。

【００１２】次に、動作について説明する。電圧低下検
出回路７は、入力電圧がある設定値（Ｖｋに設定）以下
に低下したことを検出して、信号を出力する回路であ
り、極性電圧制御回路８では、次のように極性電圧の構
成を、電圧低下検出回路７の出力に応じて制御してい
る。Ａ相地絡距離リレーの極性電圧Ｖ_POL（Ａ）は、通
常下記で計算される。 Ｖ_POL（Ａ）＝Ｖａ−Ｖ０＋Ｖｂｃ・εｊ しかし、保護対象相以外の電圧低下検出で、次のような
制御を行う。Ｃ相電圧Ｖｃの低下（Ｖｃ＜Ｖｋ）検出で Ｖ_POL（Ａ）＝Ｖａ＋Ｖｂｃ・εｊ Ｂ相電圧Ｖｂの低下（Ｖｂ＜Ｖｋ）検出で Ｖ_POL（Ａ）＝Ｖａ−Ｖ０ Ｂ相かつＣ相電圧の低下（Ｖｂ＜Ｖｋ、Ｖｃ＜Ｖｋ）検
出で Ｖ_POL（Ａ）＝Ｖａ すなわち、Ｂ相電圧低下検出で、Ｖ０＝０、Ｃ相電圧低
下検出でＶｂｃ＝０として制御する。

【００１３】上記の制御を実施すると、前述の背後２φ
Ｇ（Ｂ相、Ｃ相）故障では、Ｂ相、Ｃ相の電圧が低下
し、Ａ、Ｂ、Ｃ各相の地絡方向判定では、Ｂ相、Ｃ相の
電圧が低下するので、Ａ相では、Ｖ_POL（Ａ）＝Ｖａと
なり、Ｂ相の地絡方向判定では、故障相以外の相とし
て、Ｃ相電圧が低下するので、Ｖ_POL（Ｂ）＝Ｖｂ−Ｖ
０となり、Ｃ相地絡方向判定では、故障相以外の相とし
て、Ｂ相が低下するので、Ｖ_POL（Ｃ）＝Ｖｃ＋Ｖａｂ
・εｊとなる。前方負荷電流の多い場合について、図２
に保護対象相電流と制御された極性電圧の位相関係を示
すと、Ｂ相は、後方領域に、Ｃ相は、さらに位相的に後
方側へ移動したことが判る。

【００１４】実施の形態によれば、電圧低下に基づいて
極性電圧を制御することで、故障点方向が、負荷電流に
関わらず、正しく判定出力できる方向判定回路を得るこ
とができる。

【００１５】実施の形態２．実施の形態１では、電圧低
下検出回路７の出力に応じて、極性電圧の構成電圧を制
御したが、実施の形態２は、図３に示すように故障相判
定回路によって制御する。図３は、この発明の実施の形
態２による地絡距離リレーの方向判定要素を示す図であ
る。図３において、１〜３、５、８は図１におけるもの
と同一のものである。９は３相電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ及
び３相電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃを入力とする故障相判定回
路で、ここでは、例として、インピーダンス（Ｚ）方式
を示している。つまり、各相の電圧を電流で割って、あ
る設定値（Ｚｋ）以下で故障相を判定して、極性電圧制
御に使う。すなわち、実施の形態１において、電圧値が
ある設定値以下でもって制御する電圧の代わりにインピ
ーダンスを使う。インピーダンスは、電圧に比べて、故
障判定能力が高い。

【００１６】実施の形態２によれば、インピーダンス
は、電圧に比べて、故障判定能力が高いため、たとえ
ば、電源インピーダンスが小さく、故障が発生しても電
圧低下が小さい場合でも、故障相を正確に判定できるメ
リットがある。

【００１７】実施の形態３．実施の形態１及び実施の形
態２では、極性電圧の構成を制御する方法で負荷電流に
関わらず正しく方向判定ができる方法を示したが、実施
の形態３は、図４の回路を用いて方向判定する。図４
は、この発明の実施の形態３による地絡距離リレーの方
向判定要素を示す図であり、図４（ａ）は、地絡距離リ
レーの方向判定要素を示す図、図４（ｂ）は、故障電流
抽出回路の動作を説明する図である。図４において、１
は３相（Ａ相、Ｂ相、Ｃ相）電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃと３
相電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃを入力とし、その大きさと位相
関係から故障点方向判定を行う故障点方向判定回路で、
簡単のため、ここではＡ相の故障点方向判定回路を示す
が、実際は、Ａ相以外にＢ相、Ｃ相の回路も設けられて
いる。故障点方向判定回路１は、次の２〜５の回路によ
って構成される。２は３相電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃを入力
とし、零相電圧Ｖ０を演算するＶ０演算回路、３は保護
対象相（ここではＡ相）電圧以外の相を入力とする線間
電圧を９０度シフトするシフト回路、４はＶ０演算回路
２とシフト回路３の出力を入力として極性電圧Ｖ_POLを
演算する極性電圧演算回路であり、Ｖ０演算回路２とシ
フト回路３と極性電圧演算回路４とで極性電圧回路を構
成する。５は極性電圧演算回路４の出力と保護対象相
（ここではＡ相）電流Ｉａの位相関係により故障点方向
を判定する方向判定回路である。１０は対象相の故障電
流抽出回路で、電流メモリ回路１１、故障電流演算回路
１２から構成されている。図４の回路は、系統からの入
力電流から故障電流だけを抽出して、負荷電流の影響を
方向判定演算から除去することにより、正しく方向判定
する。図５は、図４における故障電流と極性電圧の位相
関係を示す図である。図５において、Ｉｆａ、Ｉｆｂ、
Ｉｆｃは故障電流である。

【００１８】次に、動作について説明する。電流メモリ
回路１１で、電流データを必要時間分（たとえば、数秒
間）蓄積する。デジタルリレーでは、電流データの蓄積
は、サンプリング時間毎に必要時間分のメモリのキュー
バッファ（古いデータを新しいデータに書き換える方
式）で簡単に実現できる。故障電流抽出回路１０では、
現在電流から系統周波数の整数倍で、故障継続時間以上
前のメモリ蓄積電流データ（これは、故障前データであ
るので、負荷電流に相当する）を差し引く処理を行う。
つまり、故障中の電流入力は、図９で説明したように故
障電流と負荷電流の合成電流であるので、電流入力から
故障前データを差し引くことで、負荷電流の影響を取り
除くことができる。ここで、故障電流抽出回路１０で
は、常に現在電流データから数１０〜数１００サイクル
前の電流データを引き算することを実行する。すなわ
ち、蓄積電流メモリ時間を、故障継続時間の最大時間以
上に設定しておく必要がある。

【００１９】実施の形態３によれば、このように、方向
判定に使う電流データを故障電流に限定することで、図
５に示すように負荷電流の影響がない故障電流Ｉｆａ、
Ｉｆｂ、Ｉｆｃを用いて、正しく方向判定できる。ただ
し、この場合、健全相の方向判定ができない可能性があ
るが、これは問題ではない。

【００２０】実施の形態４．実施の形態３では、故障前
電流を得るために故障継続時間以上の電流データ蓄積が
必要であるが、実施の形態４は、図６に示すように、電
流メモリ蓄積時間を系統周波数の数サイクル（例えば、
３サイクル）分の蓄積で実現するようにしている。図６
は、この発明の実施の形態４による地絡距離リレーの方
向判定要素の故障電流抽出回路を示す図であり、図６
（ａ）は、故障電流抽出回路の構成を示す図であり、図
６（ｂ）は、故障電流抽出回路の動作を説明する図であ
る。図６において、１０〜１２は図４におけるものと同
一のものである。電流メモリ回路１１の蓄積時間は３サ
イクルである。１４は故障検出回路である。

【００２１】故障検出回路１４は、電圧あるいは電流の
急変を検出して（図６では、電流変化による検出回路を
例として示す）、故障発生を検出する。その時点で電流
メモリでの蓄積を停止し、その時点から３サイクル前ま
での電流データを固定する。ここで、蓄積時間は、故障
発生から故障検出回路１４が検出するまでの時間より、
１サイクル以上長く設定する（ここでは、これを例えば
３サイクルとした）。すなわち、故障発生で停止させた
メモリ電流データの最初の１サイクルを故障発生前の負
荷電流を示すものとして、故障電流演算回路１２で、現
在電流データから系統周波数の整数倍かつ、前述の故障
前１サイクルデータ内の電流瞬間値を差し引いて、故障
電流を演算する。

【００２２】実施の形態４によれば、実施の形態３に比
較して、蓄積データ時間が短くかつ、故障継続時間に関
わらず、演算できる利点がある。

【００２３】

【発明の効果】この発明は、以上説明したように構成さ
れているので、以下に示すような効果を奏する。三相電
圧の各々の電圧の低下を検出する電圧低下検出回路と、
この電圧低下検出回路によって検出された検出結果に基
づき、三相電圧を用いて極性電圧を演算する極性電圧回
路と、この極性電圧回路によって演算された極性電圧及
び保護対象相の電流の位相関係により保護対象相の故障
点方向を判定する方向判定回路を備えたので、負荷電流
に拘わらず正しく故障点方向を判定することができる。
また、三相電圧及び三相電流から故障相を判定する故障
相判定回路と、この故障相判定回路によって判定された
判定結果に基づき、三相電圧を用いて極性電圧を演算す
る極性電圧回路と、この極性電圧回路によって演算され
た極性電圧及び保護対象相の電流の位相関係により保護
対象相の故障点方向を判定する方向判定回路を備えたの
で、電圧低下が小さい場合でも、故障相を判定して、正
確に故障点方向を判定することができる。

【００２４】さらに、保護対象相の電流が入力され、入
力された電流から故障電流を抽出する故障電流抽出回路
と、三相電圧を用いて極性電圧を演算する極性電圧回路
と、この極性電圧回路によって演算された極性電圧及び
故障電流抽出回路によって抽出された故障電流の位相関
係により保護対象相の故障点方向を判定する方向判定回
路を備えたので、方向判定に使う電流を故障電流に限定
することで、負荷電流の影響がなく、正しく方向判定す
ることができる。また、故障電流抽出回路は、入力電流
を蓄積する電流メモリを有し、電流メモリに蓄積された
入力電流を用いて、所定の時間差を有する二つの時点で
入力電流の差を算出することにより故障電流を抽出する
ので、故障発生時の電流から負荷電流を除去することが
できる。

【００２５】さらにまた、所定の時間差は、故障継続時
間以上であるので、的確に故障電流を抽出することがで
きる。また、故障電流抽出回路は、保護対象相の電流ま
たは電圧を用いて故障の発生を検出する故障検出回路を
有すると共に、故障検出回路を用いて故障の発生を検出
することにより、所定の時間差を小さくするので、電流
を蓄積する時間を短くして、故障電流を抽出することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１による地絡距離リレ
ーの方向判定要素を示す図である。

【図２】 この発明の実施の形態１による地絡距離リレ
ーの方向判定要素の極性電圧制御後のＶ_POL電圧と電流
の位相関係を示す図である。

【図３】 この発明の実施の形態２による地絡距離リレ
ーの方向判定要素を示す図である。

【図４】 この発明の実施の形態３による地絡距離リレ
ーの方向判定要素を示す図である。

【図５】 図４における故障電流と極性電圧の位相関係
を示す図である。

【図６】 この発明の実施の形態４による地絡距離リレ
ーの方向判定要素の故障電流抽出回路を示す図である。

【図７】 従来の地絡距離リレーの方向判定要素を示す
図である。

【図８】 従来の地絡距離リレーの方向判定要素のＡ相
地絡故障時の電圧ベクトルを示す図である。

【図９】 従来の地絡距離リレーの方向判定要素の前方
負荷電流のある系統での外部２φＧ故障時のベクトルを
示す図である。

【図１０】 図９の地絡距離リレーの方向判定要素にお
ける故障中極性電圧と電流の位相関係を示す図である。

【符号の説明】

１ 故障点方向判定回路、２ Ｖ０演算回路、３ シフ
ト回路、４ 極性電圧演算回路、５ 方向判定回路、７
電圧低下検出回路、８ 極性電圧制御回路、９ 故障
相判定回路、１０ 故障電流抽出回路、１１ 電流メモ
リ回路、１２ 故障電流演算回路、１４ 故障検出回
路。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 三相電力系統の地絡故障を判定する地絡
   距離リレーにおいて、三相電圧の各々の電圧の低下を検
   出する電圧低下検出回路、この電圧低下検出回路によっ
   て検出された検出結果に基づき、三相電圧を用いて極性
   電圧を演算する極性電圧回路、この極性電圧回路によっ
   て演算された極性電圧及び保護対象相の電流の位相関係
   により上記保護対象相の故障点方向を判定する方向判定
   回路を備えたことを特徴とする地絡距離リレー。
2. 【請求項２】 三相電力系統の地絡故障を判定する地絡
   距離リレーにおいて、三相電圧及び三相電流から故障相
   を判定する故障相判定回路、この故障相判定回路によっ
   て判定された判定結果に基づき、三相電圧を用いて極性
   電圧を演算する極性電圧回路、この極性電圧回路によっ
   て演算された極性電圧及び保護対象相の電流の位相関係
   により上記保護対象相の故障点方向を判定する方向判定
   回路を備えたことを特徴とする地絡距離リレー。
3. 【請求項３】 三相電力系統の地絡故障を判定する地絡
   距離リレーにおいて、保護対象相の電流が入力され、上
   記入力された電流から故障電流を抽出する故障電流抽出
   回路、三相電圧を用いて極性電圧を演算する極性電圧回
   路、この極性電圧回路によって演算された極性電圧及び
   上記故障電流抽出回路によって抽出された故障電流の位
   相関係により上記保護対象相の故障点方向を判定する方
   向判定回路を備えたことを特徴とする地絡距離リレー。
4. 【請求項４】 故障電流抽出回路は、入力電流を蓄積す
   る電流メモリを有し、上記電流メモリに蓄積された入力
   電流を用いて、所定の時間差を有する二つの時点で上記
   入力電流の差を算出することにより故障電流を抽出する
   ことを特徴とする請求項３記載の地絡距離リレー。
5. 【請求項５】 所定の時間差は、故障継続時間以上であ
   ることを特徴とする請求項４記載の地絡距離リレー。
6. 【請求項６】 故障電流抽出回路は、保護対象相の電流
   または電圧を用いて故障の発生を検出する故障検出回路
   を有すると共に、上記故障検出回路を用いて故障の発生
   を検出することにより、所定の時間差を小さくすること
   を特徴とする請求項４記載の地絡距離リレー。