JP2002228688A

JP2002228688A - 変流器の一次電流を決定する装置

Info

Publication number: JP2002228688A
Application number: JP2001383036A
Authority: JP
Inventors: Marc Pouillot; マルク、プイヨ; Benoit Leprettre; ブノワ、ルプレトル; Christine Clausse; クリスティーヌ、クロス; Paul Pianu; ポール、ピアニュ
Original assignee: Schneider Electric Industries SAS
Current assignee: Schneider Electric Industries SAS
Priority date: 2000-12-20
Filing date: 2001-12-17
Publication date: 2002-08-14
Also published as: DE60143016D1; FR2818433B1; EP1217707A1; US6611136B2; FR2818433A1; EP1217707B1; US20020074991A1

Abstract

(57)【要約】【課題】飽和補正手段を備える変流器の一次電流を決
定するための装置を提供する。【解決手段】変流器の逆モデルを表すモデル化手段
（１５′）を含む。これらのモデル化手段は、変流器の
第１の二次巻線で測定される二次電流（ｉ_２）の瞬時値
と、積分器（７）を用いて、変流器の二次巻線の端子で
測定される二次電圧（ｕ_３）の積分値を、入力端子にて
受け取る。モデル化手段（１５′）は、関連する一次電
流（ｉ_１）の瞬時値を、変流器の飽和が発生する場合は
補正したうえで、出力端子にて供給する。二次電圧は、
第１の二次巻線によって供給でき、あるいは、第１の二
次巻線の周辺に配置される追加の第２の二次巻線によっ
て供給できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、変流器の二次電流
の測定瞬時値を受信する第１の入力端子と、関連する一
次電流の瞬時値を、前記変流器の飽和が発生する場合に
は補正したうえで供給する出力端子とを有するデジタル
処理手段を備えた変流器の一次電流を決定する装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】数多くの装置、特に遮断器のトリップ装
置は、測定目的か保護目的のため、変流器を用いて導体
の電流を測定する。変流器の磁気回路には飽和の問題が
あるため、変流器の寸法を極端に大きくして容積や費用
の問題を容認するか、さもなければ、飽和に起因する影
響を補償する試みが必要となる。

【０００３】変流器の二次巻線に流れる二次電流を変形
し得る、いくつかの二次電流デジタル処理方法がこれま
で提案されてきた。例えば、ＷＯ−Ａ−９３１３５８１
号明細書には、少なくと１つの飽和変流器モデルと１つ
の非飽和変流器モデル、及び電流一次信号のモデルを用
いることによって、測定される二次電流サンプルから補
正済みの一次及び二次電流を獲得できる装置が記載され
ている。さらに最近、ＥＰ−Ａ−９８０１２９号明細書
は、起こりうる変流器の飽和の影響を考慮に入れ、変流
器の逆伝達関数を実行するニューロンネットワークの使
用を推奨している。このニューロンネットワークは、変
流器の二次巻線に流れる、変形され得る二次電流を入力
端子で受け、それに対応する、変流器の一次巻線に流れ
る測定対象の電流を表す値を出力端子から供給する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】実際のところ、既知の
装置は、測定対象の電流が完璧な正弦曲線になっている
場合に限り適切に機能する。しかも、二次電流は、変流
器の二次巻線に接続される負荷に大きく左右されるか
ら、トリップ装置の電子的要素へ供給するために変流器
の二次巻線電流値をそのまま使用することはできない。

【０００５】本発明の目的は、これらの欠点を解消し、
変流器の二次側における大きな負荷変化に耐える一方
で、変流器の飽和が発生する場合でも、電流の波形がど
うであれ、一次電流を正確に決定できる装置を提供する
ことにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、その目
的は、デジタル処理手段は、変流器の二次巻線の端子間
で測定される二次電圧を受け取る第２の入力端子と、第
２の入力端子で受け取った二次電圧に基づいて、変流器
の二次巻線における瞬間磁束を表す信号を供給する積分
手段と、変流器の逆モデルを表し、第１及び第２の入力
端子と出力端子を含むモデル化手段とを備え、モデル化
手段の第１の入力端子がデジタル処理手段の第１の入力
端子に接続され、モデル化手段の第２の入力端子が積分
手段の出力端子に接続され、モデル化手段の出力端子が
デジタル処理手段の出力端子に接続されている、構成に
よって達成される。

【０００７】モデル化手段は、好ましくは、２つの入力
端子を有する数値テーブルによって形成される。この場
合、本発明による装置は、先行技術の装置と違って、多
大な演算能力を要求しない。

【０００８】本発明の第１の展開によると、変流器は、
二次電流の瞬時値を供給する第１の二次巻線と、第１の
二次巻線の周りに配置されてデジタル処理手段の第２の
入力端子に加えられる二次電圧を供給する第２の開放二
次巻線とを備える。

【０００９】本発明の第２の展開によると、変流器は、
二次電流の瞬時値と二次電圧の瞬時値を供給する二次巻
線を有し、デジタル処理手段は、第１の入力端子に接続
され、変流器の二次巻線の抵抗を表す量を二次電流に掛
ける乗算手段と、乗算手段の出力端子とデジタル処理手
段の第２の入力端子に接続される加算手段とを備え、加
算手段の出力端子は、積分手段の入力端子に接続され
る。

【００１０】本発明のその他の利点と特徴は、専ら非制
限的例として与えられ、添付の図面の中で表示される、
以下の本発明の特定の実施形態の説明から、より明確に
明らかになるであろう。

【００１１】

【発明の実施形態】図１に一般的に表現された変流器
は、巻回数がｎ_１の一次巻線を含み、この一次巻線に一
次電流ｉ_１が流れる。一次電圧ｕ_１は、その端子間に発
生する。一次巻線は、抵抗器Ｒを持った巻回数がｎ_２の
二次巻線に、おそらく、エアギャップを有する鉄心（図
示されていない）によって磁気的に結合される。二次巻
線に電流ｉ_２が流れ、二次電圧ｕ_２がその端子間に発生
する。

【００１２】図１に示した変流器の動作は、図２に示す
ように、理想的と見なされる一次巻線を表す入力四端子
回路１が、変流器の鉄心とエアギャップの全体を表す四
端子回路２に直列に接続され、理想的と見なされる二次
巻線を表し、二次巻線の抵抗Ｒを有する出力四端子回路
３が、四端子回路２に接続されたモデルの形で表すこと
ができる。

【００１３】入力四端子回路１の入力信号は、一次電流
ｉ_１と一次電圧ｕ_１とでなる電気信号である。四端子回
路２の入力信号となる入力四端子回路１の出力信号は、
一次巻線を通る磁束Ф_１と一次巻線に関連する起磁力Ｆ
ｍ_１とでなる磁気量である。既知の方式では、入力四端
子回路１の入力電気信号と出力磁気量との関係は、Ｆｍ_１＝ｎ_１ｉ_１ｕ_１＝ｎ_１ｄФ_１／ｄｔによって与えられる。

【００１４】出力四端子回路３の入力信号となる四端子
回路２の出力信号は、同様に、二次巻線を通る磁束Ф_２
と二次巻線に関連する起磁力Ｆｍ_２とによって構成され
る。出力四端子回路３の出力信号は、二次電流ｉ_２と、
抵抗がゼロの二次巻線の端子間に発生する中間二次電圧
ｕ′_２とに関係付けられる。出力四端子回路３の入力磁
気量と出力電気信号との関係は、Ｆｍ_２＝ｎ_２ｉ_２ｕ′_２＝−ｎ_２ｄФ_２／ｄｔならびに、二次巻線の非ゼロ抵抗を考慮する、ｕ′_２＝ｕ_２＋Ｒｉ_２によって与えられる。

【００１５】四端子回路２は静的二端子回路によって構
成され、単一関数Ｆｍ_２（Ф_２，Ｆｍ_１）が存在する。
関数Ｆｍ_２（Ф_２，Ｆｍ_１）は、四端子回路２、すなわ
ち、その非直線性とその漏れとを有する変流器の磁気回
路で十分に特徴付けられる、２つの入力端子と１つの出
力端子を有する表の形で作成できる。四端子回路（エア
ギャップ、鉄心）を構成する二端子回路の特性曲線はゼ
ロを基準にして完全に対称であるため、この表は原点を
基準にして対称である。よって、その蓄積に要するメモ
リは２つに分割できる。

【００１６】図２から、図３にてブロック図の形式で示
された変流器の直接モデル化構造に進む。直列の変流器
モデル（Ｍｄ）を代表するユニット４の第１の入力端子
は、一次電流ｉ_１を表す信号を受け取り利得ｎ_１の増幅
器ユニットの形で表され、起磁力Ｆｍ_１を表す量を供給
する第１の乗算ユニット５を介して、直接モデル化構造
の第１の入力端子に接続される。起磁力Ｆｍ_２を表すユ
ニット４の出力端子は、利得１／ｎ_２の増幅器ユニット
の形で表され、二次電流ｉ_２を表す信号を供給する第２
の乗算ユニット６を介して、直接モデル化構造の出力端
子に接続される。ユニット４の第２の入力端子は、積分
ユニット７の出力端子に接続される。第２の乗算ユニッ
ト６の出力端子は、利得Ｒの増幅器ユニットの形で表さ
れる第３の乗算ユニット８の入力端子に接続される。加
算ユニット９は、第３の乗算ユニット８の出力端子と、
二次電圧ｕ_２を表す信号を受け取る直接モデル化構造の
第２の入力端子とにそれぞれ接続される。加算ユニット
９の出力端子は、利得１／ｎ_２の増幅器ユニットの形で
表される第４の乗算ユニット１０と、これに直列に接続
された反転ユニット１１とを介して、積分ユニット７の
入力端子に接続される。このようにして積分ユニット７
の出力端子で獲得されてユニット４の第２の入力端子に
入力される量が磁束Ф_２を表すことは明らかである。

【００１７】一次電流ｉ_１を決定するために、直接モデ
ル化構造を反転することができる。図４においてブロッ
ク図の形式で示された逆モデル化構造を使用する。これ
により、二次電流ｉ_２の測定瞬時値と二次電圧ｕ_２の測
定瞬時値から一次電流ｉ_１の瞬時値を決定できる。この
モデルは、逆変流器モデル（Ｍ_ｉ）を代表するユニット
１２を含む点が先のモデルと異なる。ユニット１２の第
１の入力端子は、二次電流ｉ_２を表す信号を受け取り利
得ｎ_２の増幅器ユニットの形で表され、起磁力Ｆｍ_２を
表す量を供給する第５の乗算ユニット１３を介して、逆
モデル化構造の第１の入力端子に接続される。ユニット
１２の第２の入力端子は、図３に示したとおり、ユニッ
ト７，８，９，１０及び１１を介して、逆モデル化構造
の第１及び第２の入力端子に入力される信号ｉ_２及びｕ
_２から形成される磁束Ф_２を表す量を供給する積分ユニ
ット７の出力端子に接続される。起磁力Ｆｍ_１を表すユ
ニット１２の出力端子は、利得１／ｎ_１の増幅器ユニッ
トの形で表される第６の乗算ユニット１４を介して、逆
モデル化構造のの出力端子に接続される。この基本的逆
モデル（Ｍ_ｉ）は関数Ｆの存在に基づき、Ｆｍ_１＝Ｆ（Ф_２，Ｆｍ_２）となる。

【００１８】図５に表される逆モデル化構造の好ましい
実施形態では、乗算ユニット１０，１３，１４及び反転
ユニット１１が、逆モデル化ユニット１５にその機能が
統合されている。本発明による装置の第１の実施形態
で、巻回数がｎ_２の単一二次巻線（図１）は、二次電流
ｉ_２の瞬時値と二次電圧ｕ_２の瞬時値を、デジタル処理
手段の第１及び第２の入力端子に供給する。このデジタ
ル処理手段は、二次電流ｉ_２の瞬時値を受け取る第１の
入力端子を持つ逆モデル化ユニット１５を含む。加算ユ
ニット９は、一方で、二次電圧ｕ_２を受け取るデジタル
処理手段の第２の入力端子に接続され、他方で、第３の
乗算ユニット８を介して、デジタル処理手段の第１の入
力端子に接続される。逆モデル化ユニット１５の第２の
入力端子は積分ユニット７の出力端子に接続され、積分
ユニット７の入力端子は、加算ユニット９の出力端子に
接続される。逆モデル化ユニット１５の出力端子は、デ
ジタル処理手段の出力端子を構成し、測定値ｉ_２及びｕ
_２に関連する一次電流ｉ_１の瞬時値を提供する。

【００１９】この変流器において、二次巻線の抵抗Ｒは
温度に応じて大きく変化する。例えば、遮断器の場合に
許容される温度範囲で、抵抗変化は約４０％になること
がある。

【００２０】好ましい実施形態において、デジタル処理
手段は、二次巻線の温度変化を補償するための補償手段
を含む。図５において、これらの補償手段は、温度θに
応じてユニット８の利得を調整するための入力の形で表
されており、温度θは何らかの適当な手段によって測定
できる。温度に応じて変化する二次巻線の抵抗Ｒの変化
特性は分かっているので、利得Ｒの値は、測定温度に応
じて変更される。

【００２１】この抵抗変化問題を解消するため、温度か
らは明らかに独立の抵抗性を持つ材料、例えばコンスタ
ンタンを使って変流器の二次巻線を作ることもできる。

【００２２】変流器が２つの二次巻線を有する図６〜８
で表される実施形態は、この問題について別の解決方法
を提供する。巻回数がｎ_２で抵抗Ｒを有する第１の二次
巻線は、前述したとおり、二次電流ｉ_２の瞬時値を提供
する。この第１の二次巻線は普通、電圧ｕ_２が発生する
端子の負荷１６に接続される（図６）。巻回数がｎ_３の
第２の開放二次巻線は、デジタル処理手段の第２の入力
端子に加えられることになっている二次電圧ｕ_３を供給
する。この第２の二次巻線は開放しているから、そこに
電流は流れない（ｉ_３＝０）。第２の二次巻線は第１の
二次巻線の周辺に配置されるから、そこには同じ磁束Ф
_３＝Ф_２が通る。そして、図７で表されるように、第２
の二次巻線の端子で測定される二次電圧ｕ_３を使って、
ユニット１２の入力端子に加えられる二次磁束Ф_２＝Ф
_３を表す入力量を再構成できる。このため、利得１／ｎ
_３の増幅器ユニットの形で表される第７の乗算ユニット
１７は、反転ユニット１１及び積分ユニット７とに直列
に接続される。もはや磁束の決定にあたって第１の二次
巻線の抵抗を考慮に入れる必要はなく、第２の二次巻線
の抵抗は何ら影響力を与えない。実際のところ、この第
２の二次巻線には電流が流れないから（ｉ_３＝０）、第
２の二次巻線で起磁力Ｆｍ_３が生じることはない。

【００２３】第２の二次巻線は非常に細い線材を使って
達成でき、その巻回数ｎ_３は、第１の二次巻線の巻回数
ｎ_２に比べて比較的少なくてよい。したがって、第２の
二次巻線の占有面積は非常に少なくなる。

【００２４】図５と同様の方式で、図８に表されるもう
１つの好ましい実施形態においては、図７の乗算ユニッ
ト１３，１４，１７及び反転ユニット１１を逆モデル化
ユニット１５′にその機能が統合されている。

【００２５】図３，４及び７のモデル化構造において、
そして図５及び８の実施形態において、ユニット４，１
２，１５及び１５′は、好ましくは、２つの入力端子と
１つの出力端子を有する数値テーブルによって形成さ
れ、数値テーブルの内容は、変流器の原型で事前に行わ
れる測定からの補間によって得られる。

【００２６】数値テーブルは、何らかの方法により、特
に既知の平滑化、三角形分割（例えばドローネの基準を
使用）、及び補間手法を連続的に用いることにより、関
数Ｆの中心対称特性を利用し、最後にシミュレーション
と試験とにより、測定から獲得できる。

【００２７】図６〜８の実施形態で、前述においては、
２つの二次巻線間の結合が理想的であること、すなわち
２つの二次巻線に同じ磁束が通ることを想定した。本発
明による装置は、たとえ、この結合が理想的でなくとも
依然として入力可能である。この場合、逆モデル化ユニ
ット１５′の値は当然、それ相応に計算しなければなら
ない。実際、磁束Ф_３は第２の二次巻線の中を通り、そ
の磁束はФ_２と異なるが、Ф_２とＦｍ_２とによって定義
される動作点に依存し、第２の二次巻線に関連する起磁
力Ｆｍ_３は、後者の巻線が開回路だからゼロ（ｉ_３＝
０）になることは明らかである。そこで関数ＧはФ_３＝
Ｇ（Ф_２，Ｆｍ_２）のとおりに存在し、Ф _３及びＦｍ_２
の項でФ_２を表すことが可能となり、結果的に、Ф_３及
びＦｍ_２の項でＦｍ_１を表すことが可能となる。そし
て、逆モデル化ユニット１５′で入力される値を決定す
ることにつながる試験では、これらの特性を考慮に入
れ、２つの二次巻線間の結合が、たとえ理想的でなくと
も、事前に判明する原型を使用しなければならない。

【００２８】したがって、測定される二次電圧の積分に
より、二次電流のみならず二次磁束をも考慮に入れた逆
変流器モデルを使えば、電流の形態がどうあれ、変流器
が飽和する場合でも、二次電流及び電圧の測定値から一
次電流を決定することができる。一例として、本発明に
よる装置は、変流器の飽和を意味する大きな振幅の方形
信号を持つ一次電流の値を十分な精度で供給する。同様
に、その温度変化補償測定は、温度条件に応じて二次巻
線の抵抗が倍になる場合でも、正確な結果を得ることが
できた。

【００２９】しかしながら、ＤＣオフセット電圧が、た
とえ、それが低いものであっても、二次巻線の端子に存
在する場合には、前述の装置は問題を起こし得る。信号
ｕ_２またはｕ_３、ならびに単一の二次巻線を使用する場
合（図１〜５）の信号ｉ_２は積分ユニット７で積分され
るから、そのようなオフセット電圧が存在すると、実
際、積分ユニットの出力端子における磁束の値と、それ
によって、決定しようとする一次電流ｉ_１の推定値が、
逸脱する傾向がある。この問題を克服するためには、積
分ユニットの出力を何らかの適当な手段によって安定化
させる。例えば、積分ユニット安定化手段は、図９で示
すＰＩＤ（比例的−積分的−微分的）タイプの調整回路
を具備できる。この図で、積分ユニット７は、積分回路
１９、積分回路１９の出力端子と加算回路２０の入力端
子との間に配置されるＰＩＤタイプの調整回路１８から
なり、加算回路２０は図９において積分ユニットの入力
信号ｕ_３を別の入力端子で受け取り、その出力端子は積
分回路１９の入力端子に接続される。この種の安定化手
段の動作は公知であり、これ以上詳述しない。例示の目
的で、図１０は、図９の調整回路１８の好ましい実施形
態を図示している。後者は、直列で、既知の方式で、最
小及び最大検出回路２１、平均値計算回路２２及びＰＩ
Ｄフィルタ２３を含み、それゆえオフセット電圧ｕを差
し引いた値を出力端子に供給する。

【００３０】本発明は、決して図９及び１０で示す安定
化手段に限定されるものではない。例えば、これらの安
定化手段は短期積分器によって形成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一般的に表現された変流器の配線図。

【図２】図１に示した変流器の等価回路図。

【図３】図１に示した変流器の直接モデル化構造を表す
ブロック図。

【図４】図１に示した変流器の逆モデル化構造を表すブ
ロック図。

【図５】図１に示した変流器に適用する本発明に係る装
置の第１の実施形態の構成を示すブロック図。

【図６】２つの二次巻線からなる変流器の配線図。

【図７】図６に示す変流器の逆モデル化構造を示すブロ
ック図。

【図８】図６に示した変流器に適用する本発明に係る装
置の第２の実施形態の構成を示すブロック図。

【図９】安定化手段を備える、本発明による装置の積分
ユニットの特定の実施形態の詳細を示すブロック図。

【図１０】図９に示した積分ユニットの調整回路の特定
の実施形態の詳細を示すブロック図。

【符号の説明】

１入力四端子回路２四端子回路３出力四端子回路４直列の変流器モデル（Ｍｄ）を代表するユニット５，６，８，１０，１３，１４，１７第１乃至第７乗
算ユニット７積分ユニット９加算ユニット１１反転ユニット１２逆変流器モデル（Ｍ_ｉ）を代表するユニット１５，１５′逆モデル化ユニット１６負荷１８ＰＩＤ調整回路１９積分回路２０加算回路２１最小及び最大検出回路２２平均値計算回路２３ＰＩＤフィルタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ブノワ、ルプレトルフランス国サン、マルタン、デール、リュ、ジャン、ジャック、ルソー、40 (72)発明者クリスティーヌ、クロスフランス国グルノーブル、リュ、アンペール、28ビス (72)発明者ポール、ピアニュフランス国メイラン、シュマン、ド、ラ、デュイ、６Ｆターム(参考） 2G025 AA13 AB14 AC04 2G035 AA04 AB04 AC04 AD19 AD22 AD32 AD66

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】変流器の二次電流（ｉ_２）の測定瞬時値を
受信する第１の入力端子と、関連する一次電流（ｉ_１）
の瞬時値を、前記変流器の飽和が発生する場合には補正
したうえで供給する出力端子とを有するデジタル処理手
段を備えた変流器の一次電流を決定する装置において、前記デジタル処理手段は、前記変流器の二次巻線の端子間で測定される二次電圧
（ｕ_２，ｕ_３）を受け取る第２の入力端子と、前記第２の入力端子で受け取った二次電圧に基づいて、
前記変流器の二次巻線における瞬間磁束（Ф_２，Ф_３）
を表す信号を供給する積分手段（７）と、前記変流器の逆モデルを表し、第１及び第２の入力端子
と出力端子を含むモデル化手段（１２，１５，１５′）
と、を備え、前記モデル化手段（１２，１５，１５′）の第
１の入力端子が前記デジタル処理手段の第１の入力端子
に接続され、前記モデル化手段（１２，１５，１５′）
の第２の入力端子が前記積分手段（７）の出力端子に接
続され、前記モデル化手段の出力端子が前記デジタル処
理手段の出力端子に接続されていることを特徴とする変
流器の一次電流を決定する装置。
【請求項２】前記モデル化手段が２つの入力端子を有す
る数値テーブルで構成されていることを特徴とする請求
項１に記載の装置。
【請求項３】前記変流器が二次電流（ｉ_２）の瞬時値を
供給する第１の二次巻線と、第１の二次巻線の周りに配
置されて前記デジタル処理手段の第２の入力端子に印加
される二次電圧（ｕ_３）を供給する第２の開放二次巻線
を有することを特徴とする請求項１及び２のいずれか１
項に記載の装置。
【請求項４】前記変流器が二次電流（ｉ_２）の瞬時値と
二次電圧（ｕ_２）の瞬時値を供給する二次巻線を有し、
前記デジタル処理手段は、前記第１の入力端子に接続さ
れ、前記変流器の二次巻線の抵抗（Ｒ）を表す量を二次
電流（ｉ_２）に掛ける乗算手段（８）と、乗算手段
（８）の出力端子と前記デジタル処理手段の第２の入力
端子に接続される加算手段（９）とを備え、前記加算手
段（９）の出力端子が前記積分手段（７）の入力端子に
接続されていることを特徴とする請求項１及び２のいず
れか１項に記載の装置。
【請求項５】デジタル処理手段が二次巻線の温度変化を
補償するための手段を含むことを特徴とする請求項４に
記載の装置。
【請求項６】前記変流器の二次巻線が、温度からは明ら
かに独立した抵抗性を持つ材料で製造されていることを
特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項７】素材がコンスタンタンであることを特徴と
する請求項６に記載の装置。
【請求項８】積分手段（７）が安定化手段（１８，２
０）を備えていることを特徴とする請求項１乃至７のい
ずれか１項に記載の装置。
【請求項９】前記安定化手段がＰＩＤ形の調整手段（１
８）を備えていることを特徴とする請求項８に記載の装
置。