JP2005077360A - ディジタル保護リレーの寿命診断装置、寿命診断システム及び寿命診断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ディジタル保護リレーに使用される電解コンデサの余寿命診断を行う。
【解決手段】 ディジタル保護リレー１０に使用される電解コンデンサに、熱電対やセンサネットモジュールを取り付け、計測された環境温度データを、基地局モジュール２０及び通信ネットワーク３０を介して寿命診断装置４０へ送信する。寿命診断装置４０では、送信される環境温度データを保存し、過去の温度履歴に基づきアレニウスの法則により定義される演算式を実行することによってディジタル保護リレー１０に使用される電解コンデンサの余寿命診断を行い、保守員に予防保全のための情報提供を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ディジタル保護リレーの寿命診断装置、寿命診断システム及び寿命診断方法に関する。

各種電力機器や系統送電線を保護するために適用されているディジタル保護リレーは、ディジタル演算処理を行うディジタルリレーユニット部と外部機器とのインタフェースを図る入出力装置部と、電解コンデンサを使用している電源装置部に大きく分けられる。

ところで、前記したディジタル保護リレーの電源装置部に使用されている電解コンデンサのドライアップ（電解液が蒸発して容量の許容限界値まで達する現象）は、周囲温度に依存するといわれている。
ディジタル保護リレーは自己診断機能を有しており、電解コンデンサのドライアップ等により電源異常が発生すると、これを検出し外部に異常を通知する。電源異常が発生すると、ディジタル保護リレーが使用できなくなるため、電力機器を停止させる必要があり、電力の安定供給に支障を来たすことになる。このため、例えば電力会社では予防保全策として現地に保守員を派遣し、リップル電圧等を測定し、容量の減少状況を検出している例もある（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−１９０７５４号公報（段落０００６）

前記のように電力系統機器に使用されるディジタル保護リレーは、電解コンデンサのドライアップ等により電源異常が発生するとディジタル保護リレーそのものが使用できなくなるため、電力系統機器を停止する必要があり、このため電力の安定供給に支障を来たし、その結果、社会生活に悪影響を与えるという問題があった。

また、ドライアップによる電源異常は異常発生後にしか検出できず、これを未然に防ぐためには現地に保守員を派遣し、リップル電圧等を測定して余寿命を診断する以外に方法はないという問題があった。

本発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、ディジタル保護リレーに使用される電解コンデンサのドライアップによる電源異常を、現地に保守員を派遣することなく異常発生前に検出でき、予防保全が可能なディジタル保護リレーの寿命診断装置及びシステムを提供することを目的とする。

前記した課題を解決するためには、ディジタル保護リレーに使用される電解コンデンサの環境温度を計測し、これを有線または無線により基地局で収集し、通信ネットワーク経由で寿命診断装置へ送信することにより、寿命診断装置が、受信した（環境）温度データに所定の演算式を施しディジタル保護リレーの寿命診断を行う構成とした。
このことにより、ディジタル保護リレーに使用される電解コンデンサのドライアップによる電源異常を、現地に保守員を派遣することなく異常発生前に検出でき、予防保全が可能な、ディジタル保護リレーの寿命診断装置及びシステムを提供することができる。

このようなディジタル保護リレーの寿命診断装置及びシステムによれば、例えば電力会社では、現地に保守員を派遣することなく保守拠点でディジタル保護リレー（電解コンデンサ）の余寿命診断が可能となる。なお、ディジタル保護リレーは電力の供給に極めて重量な役割を果たす。従って、本発明では、事前に予防保全を講じることができ、ディジタル保護リレーの故障等が社会に与える悪影響を回避できる。

図１は、本発明におけるディジタル保護リレーの寿命診断システムの一実施形態を示す図である。
図１において、符号１０は、例えば、電力会社の変電所（リレー室１）に設置される複数のディジタル保護リレー（＃０〜＃ｎ）であり、電力系統の電圧、電流等のアナログ入力量を所定周期でサンプリングしてディジタル量に変換し、このディジタル量をもとにディジタル演算処理を行うことにより、電力系統、各種電力機器の保護を行う。図２、図３にその詳細が示されるように、ディジタル保護リレー１０（＃０〜＃ｎ）は、ディジタル演算処理を行うディジタルリレーユニット部１１と、各種電力機器とのインタフェースをはかる入出力部１２と、外部から供給される電力をＤＣ−ＤＣコンバータ等により電圧変換を行い、ディジタル保護リレーとして必要な電圧に変換する電源装置部１３で構成される。

ところで、電源装置部１３には電解コンデンサ１４が一構成部品として使用され、この電解コンデンサ１４の近傍には、電解コンデンサ１４の環境温度を計測するための環境温度計測装置としてのセンサ１５（図２）、又はセンサ１６（図３）が実装されている。
図２に示されるセンサ１５は熱電対（以下、熱電対１５という）であり、図３に示されるセンサ１６はセンサネットモジュール（以下、センサモジュール１６という）である。センサモジュール１６の内部構成は図７に示されている。センサモジュール１６の内部構成等詳細については後記する。
説明を図１に戻し、符号２０は基地局モジュールである。基地局モジュール２０は、熱電対１５、又はセンサモジュール１６によって計測される電解コンデンサ１４の環境温度を、それぞれ、有線、無線により受信して電力会社が運営するＷＡＮ３０（Wide Area Network）経由で、保守拠点５０に置かれた寿命診断装置４０へ供給する。基地局モジュール２０、寿命診断装置４０の内部構成等詳細についても後記する。なお、保守拠点５０は、複数の変電所（リレー室１）のディジタル保護リレー１０の寿命診断を行うことから、複数の変電所（リレー室１）とＷＡＮ３０を介して接続されている。

前記した構成において、リレー室１に設置されたディジタル保護リレー１０毎に、熱電対１５またはセンサモジュール１６が、電源装置部１３の一構成部品として使用される電解コンデンサ１４の環境温度を計測する。そして、有線（熱電対１５）又は無線（センサモジュール１６）により、計測された前記環境温度は基地局モジュール２０からＷＡＮ３０経由で寿命診断装置４０へと送信される。寿命診断装置４０は、ＷＡＮ３０経由で受信した温度データである環境温度データに後記する所定の演算を施すことによりディジタル保護リレー１０の寿命診断を行い、予防保全を図ることを指示するものである。
このことにより、ディジタル保護リレー１０に使用される電解コンデンサ１４のドライアップによる電源異常を、現地に保守員を派遣することなく異常発生前に検出でき、予防保全が可能となる。

図２、図３は、それぞれ、基地局へ有線で電解コンデンサの環境温度を転送する場合、無線で転送する場合の機器接続形態を説明するために引用した図である。
図２に示されるように、環境温度計測装置として熱電対１５が使用される場合は、リレー室１に設置されたディジタル保護リレー１０のそれぞれの電源装置部１３から、各ディジタル保護リレー１０が設置される、例えばフロアパネルの下に設けられるケーブルピット１００にケーブルＫを這わせ、それらケーブルＫを基地局モジュール２０へ接続する。
また、図３に示されるように、環境温度計測装置としてセンサモジュール１６が使用される場合は、センサモジュール１６がリレー室１内に設置される基地局モジュール２０に無線で接続される。なお、センサモジュール１６による電波の送受信許容範囲が５〜１０ｍ程度である場合には、基地局モジュール２０の設置場所は、リレー室１に設置されるディジタル保護リレー１０のサイズ及び数により制限されるため、複数個設置されることになる。

ここで、図３に示す接続方法によれば、環境温度データを無線送信するため、図２に示されるようにケーブルＫを敷設するための工事を実施する必要がなくなることから、ケーブル敷設工事費用の削減が図れる。また、断線を始めとした不具合に対する保守も容易になる。なお、図３に示す接続方法によれば、無線によってポーリングされ、そのスティタス応答として環境温度データが送信されるため、ディジタル保護リレー１０に対して電磁波の影響が極力少ない周波数の選定を行う。これに対し、図２に示す接続方法によれば、電磁波による影響を考慮することなく、確実に環境温度データの送信が可能である。

センサモジュール１６の外観、及びその内部構成の一例が、図４、図５のそれぞれに示されている。
図４に示されるように、センサモジュール１６は、センサ本体６１、ＬＳＩ６２、電源６３、アンテナ６４で構成される。センサ本体６１には、温度センサが含まれ、ここで計測された電解コンデンサ１４の環境温度データは、１チップ構成のＬＳＩ６２でディジタルデータに変換され、そして変調され、アンテナ６４からＷＡＮ３０経由で寿命診断装置４０へと送信される。
なお、ＬＳＩ６２は１チップに限らず、複数チップを搭載したボード、またはマルチチップパッケージであっても構わない。また、電源６３として、ここでは振動発電素子により生成される電力を用いることとするが、他に太陽電池、あるいはバッテリを内蔵しても構わない。

図５に示されるように、ＬＳＩ６２は、Ａ／Ｄ（Analog／Digital）変換回路６２１、ＩＤ回路６２２、コントローラ回路６２３、無線送受信回路６２４、電源制御回路６２５、タイマ回路６２６、作業用メモリ６２７、プログラムメモリ６２８のそれぞれが内部バス６２９に共通接続されて構成される。
センサ本体６１としてここでは温度センサが使用され、このセンサ本体６１によって出力される環境温度データは、Ａ／Ｄ変換回路６２１によってディジタルデータに変換され、ＩＤ回路６２２に予め記録されてあるセンサモジュール１６に固有（＝ディジタル保護リレー１０にも固有）のＩＤ情報と共に時系列的に作業用メモリ６２７に格納されている。コントローラ回路６２３はＣＰＵを内蔵し、無線送受信回路６２４を介して定期的に受信される基地局モジュール２０からのポーリング要求をプログラムメモリ６２８に記録されたプログラムに基づき解読し、作業用メモリ６２７に格納された電解コンデンサ１４の環境温度データをＩＤ情報と共に無線送受信回路６２４で変調し、先のポーリングに対するスティタス応答として送信する。

なお、電源制御回路６２５は、電源６３として使用される振動発電素子から得られる電力を取り込み、ＬＳＩ６２各部に一定の電圧を供給するものであり、場合によっては不要時に電源供給を停止して消費電力を抑える間欠動作の制御も行う。また、タイマ回路６２６は、一定間隔の信号を生成するものでタイムアウト等による信号の管理に使用される。

図６は、図１に示す基地局モジュール２０の内部構成を示すブロック図である。基地局モジュール２０は、主制御部２０１を核に、送受信インタフェース部２０２、ポーリング制御部２０３、及びネットワークインタフェース部２０４により構成される。
送受信インタフェース部２０２は、ポーリングを発行し、そのポーリングに対する応答として有線又は無線を介して送信される環境温度データを受信して主制御部２０１へ転送する。主制御部２０１は、受信した環境温度データを、ネットワークインタフェース部２０４を介して通信ネットワークとしてのＷＡＮ３０へ供給する。主制御部２０１は、更にポーリング制御部２０３を起動し、ポーリング制御部２０３による一定間隔でのポーリングの発行シーケンスを制御する。また、ネットワークインタフェース部２０４は、ＷＡＮ３０とのインタフェースを司る。

図７は、図１に示す寿命診断装置４０の内部構成を示すブロック図である。寿命診断装置４０は、データ受信部４０１、環境温度履歴記憶部４０２、寿命診断部４０３及びメッセージ表示部４０４により構成される。
データ受信部４０１は、ディジタル保護リレー１０に使用される電解コンデンサ１４の環境温度データをＷＡＮ３０経由で受信して環境温度履歴記憶部４０２に蓄積する。寿命診断部４０３は、データ受信部４０１で受信した環境温度データに、以下に（式１）として示すアレニウスの法則に従う演算式を実行することによりディジタル保護リレー１０の寿命診断を行い、その結果をメッセージ表示部４０４に表示して保守員に通知する。

Ｌ＝Ｌ０×２^(T1-T2)/10…（式１）

ここで、Ｌは電解コンデンサ１４の寿命、Ｌ０は電解コンデンサ１４の基本寿命、Ｔ１は電解コンデンサ１４の許容最高温度、Ｔ２は電解コンデンサ１４の（環境）温度である。

図８は、本発明の実施形態の動作を説明するために引用したフローチャートである。以下、図８に示すフローチャートを参照しながら、図１〜図７に示す本発明の実施形態の動作について詳細に説明する。
まず、保守員が、寿命診断装置４０を操作することにより寿命診断開始のトリガが発せられると（Ｓ８０１“Ｙｅｓ”）、基地局モジュール２０からリレー室１に設置されてあるディジタル保護リレー１０（電解コンデンサ１４）の環境温度データ取得のためのポーリングがＩＤ毎に順次発行される（Ｓ８０２）。このことにより、リレー室１に設置されてある各ディジタル保護リレー１０の電解コンデンサ１４の近傍に設けられた熱電対１５又はセンサモジュール１６で計測された環境温度データは、それぞれのディジタル保護リレー１０のＩＤと共に基地局モジュール２０へ送信される。基地局モジュール２０は、その環境温度データを、更にＷＡＮ３０経由で寿命診断装置４０へ送信する。

その環境温度データ及びＩＤは、寿命診断装置４０のデータ受信部４０１で受信され（Ｓ８０３）、寿命診断部４０３によるＩＤチェックの結果（Ｓ８０４）、新設されたディジタル保護リレー１０の場合は（Ｓ８０４“新設”）、即時に前記したアレニウスの演算式を実行することにより電解コンデンサ１４の寿命診断が行われ（Ｓ８０９、Ｓ８１０）、演算の結果、電解コンデンサ１４の寿命Ｌが余寿命有りと判断された場合は（Ｓ８１０“ＯＫ”）、次のＩＤに対するポーリング発行を行い（Ｓ８０２）、不良等の原因により余寿命が少ないと判断された場合は（Ｓ８１０“ＮＧ”）、メッセージ表示部４０４を介して予防保全措置を促すようなメッセージを出力する（Ｓ８１１）。

一方、Ｓ８０４のＩＤチェックの結果、既設のディジタル保護リレー１０の場合は（Ｓ８０４“既設”）、使用されている電解コンデンサ１４の仕様ならびに設置時期をチェックし（Ｓ８０５）、寿命診断開始のためのトリガの有無に係わらず、常に環境温度履歴記憶部４０２に保存されている温度のトレンドを読み出し（Ｓ８０６、Ｓ８０７）、その平均値を算出する（Ｓ８０８）。
そして、電解コンデンサ１４の基本寿命Ｌ０に設置時期を反映させた既設の電解コンデンサ１４の基本寿命を得、更に仕様チェックの結果導かれる電解コンデンサ１４の許容最高温度Ｔ１と、前記算出された平均値で代用される電解コンデンサ１４の環境温度Ｔ２とからアレニウスの法則に従う演算式を実行して寿命診断を行う（Ｓ８０９、Ｓ８１０）。ここで、電解コンデンサ１４の寿命Ｌが余寿命有りと判断された場合は（Ｓ８１０“ＯＫ”）、次のＩＤに対するポーリング発行を行い（Ｓ８０２）、ドライアップ等により余寿命が少ないと判断された場合は（Ｓ８１０“ＮＧ”）、メッセージ表示部４０４を介して予防保全措置を促すようなメッセージを出力する（Ｓ８１１）。

このことにより、保守員は、リレー室１に設置されてある不良のディジタル保護リレー１０の交換等、予防保全措置を講じることができる。従って、従来のように、保守員を現地に派遣する必要がなくなるため、保守員の派遣費用等を抑えることも可能になる。
なお、前記した本発明の実施形態においては、電解コンデンサ１４のドライアップは環境温度に依存することから、熱電対１５やセンサモジュール１６を用いた電解コンデンサ１４の環境温度計測により余寿命診断を行う構成としたが、図示しない電圧センサを設けてリップル電圧を計測し、その電圧値をＷＡＮ３０等の通信ネットワーク経由で受信して余寿命診断する構成としても同様の効果が得られる。

なお、従来電解コンデンサの傍は、コンパクト化の都合でなるべく物を置くスペースを減らすことが考えられていた。また、従来は、電解コンデンサの劣化が長年かかることから、不具合等の監視は保安員の定期巡回でよしとしており、遠隔監視を行うという考えはなかった。また、従来保護リレー装置は、信頼性を重視していたため汎用部品を使用することは考えてこなかった。本発明は、このような考えを打破して、電解コンデンサの傍に温度を測定するセンサを置いて遠隔監視を行うこととして、寿命を診断することとした。これにより、汎用品の電解コンデンサを使用することができるようになり、コストダウンが達成される。また、何よりも遠隔監視による寿命診断により、ドライアップによる電源異常等を、現地に保守員を派遣することなく異常発生前に検出（予測）でき、従来考えてこなかった遠隔監視による予防保全が可能になるという大きな効果が得られる。つまり、本発明によれば、重要な部品である電解コンデンサのコストダウンを図りつつ、システム全体の信頼性を大幅に向上することができるといった、顕著な効果を奏することができる。

本発明の実施形態のシステム構成を示す図である。 本発明の実施形態の接続形態の一例を示す図である。 本発明の実施形態の他の接続形態を示す図である。 本発明に使用されるセンサネットモジュールの外観構造を示す図である。 本発明に使用されるセンサネットモジュールの内部構成を示す図である。 図１に示す基地局モジュールの内部構成を示す図である。 図１に示す寿命診断装置の内部構成を示す図である。 本発明の実施形態の動作を説明するために引用したフローチャートである。

符号の説明

１０ ディジタル保護リレー
１４ 電解コンデンサ
１５ 熱電対（環境温度計測装置）
１６ センサネットモジュール（環境温度計測装置）
２０ 基地局モジュール
３０ 通信ネットワーク（ＷＡＮ）
４０ 寿命診断装置
６１ センサ本体（温度センサ）
４０１ データ受信部
４０２ 環境温度履歴記憶部
４０３ 寿命診断部
４０４ 表示部

Claims (7)

1. 電力系統のアナログ入力量を所定周期でサンプリングしてディジタル量に変換し、このディジタル量をもとに演算処理を行い、電力機器の保護を行うディジタル保護リレーの寿命診断装置であって、
   前記ディジタル保護リレーに使用される電界コンデンサの温度を通信ネットワーク経由で受信するデータ受信部と、
   前記受信した温度データに所定の演算を施すことにより前記ディジタル保護リレーの寿命診断を行う寿命診断部と、
   を備えたことを特徴とするディジタル保護リレーの寿命診断装置。
2. 前記寿命診断部は、
   以下に（式１）として示す演算式を実行することにより前記ディジタル保護リレーの寿命診断を行うことを特徴とする請求項１に記載のディジタル保護リレーの寿命診断装置。
   Ｌ＝Ｌ０×２^(T1-T2)/10…（式１）
   但し、Ｌは電界コンデンサの寿命、Ｌ０は電界コンデンサの基本寿命、Ｔ１は電界コンデンサの許容最高温度、Ｔ２は電界コンデンサの温度である。
3. 前記寿命診断部は、
   前記所定の演算を実行する際、前記ディジタル保護リレーの仕様および設置時期を反映させ、当該設置時期以降における前記温度の履歴の平均値に基づき前記演算式を実行して寿命診断を行うことを特徴とする請求項２に記載のディジタル保護リレーの寿命診断装置。
4. 前記データ受信部は、
   前記電界コンデンサの近傍に設置され、内蔵の温度センサによって計測される温度を、前記ディジタル保護リレーに固有のＩＤと共に、電波の送受信許容範囲に位置する基地局へ無線送信するセンサネットモジュールから受信することを特徴とする請求項１に記載のディジタル保護リレーの寿命診断装置。
5. 電力系統のアナログ入力量を所定周期でサンプリングしてディジタル量に変換し、このディジタル量をもとに演算処理を行い電力機器の保護を行う保護リレーの寿命診断システムであって、
   前記ディジタル保護リレー毎、使用される電界コンデンサの温度を計測する温度計測装置と、
   前記計測された温度を通信ネットワーク経由で受信し、当該受信した温度データに所定の演算を施すことにより前記ディジタル保護リレーの寿命診断を行う寿命診断装置と、
   を備えたことを特徴とするディジタル保護リレーの寿命診断システム。
6. 電力系のアナログ入力量を所定周期でサンプリングしてディジタル量に変換し、このディジタル量をもとに寿命診断装置で演算処理を行うことで、前記電力系に配置される電力機器を保護するディジタル保護リレーの寿命を診断するディジタル保護リレーの寿命診断方法であって、
   前記電界コンデンサの近傍に設置された無線通信機能と温度計測機能を有するセンサモジュールが計測して送信するＩＤ付きの温度データを、前記ディジタル保護リレーに使用電界コンデンサの温度データとして通信ネットワーク経由で前記寿命診断装置のデータ受信部が受信し、
   前記受信した温度データに所定の演算を施すことにより、前記寿命診断装置の寿命診断部が前記ディジタル保護リレーの寿命診断を行い、
   前記ＩＤに対応するディジタル保護リレーの寿命を診断するようにしたことを特徴とするディジタル保護リレーの寿命診断方法。
7. 前記寿命診断部は、
   以下に（式１）として示す演算式を実行することにより前記ディジタル保護リレーの寿命診断を行うことを特徴とする請求項６に記載のディジタル保護リレーの寿命診断装置。
   Ｌ＝Ｌ０×２^(T1-T2)/10…（式１）
   但し、Ｌは電界コンデンサの寿命、Ｌ０は電界コンデンサの基本寿命、Ｔ１は電界コンデンサの許容最高温度、Ｔ２は電界コンデンサの温度である。

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