JP2005143167A - 高圧配電線断線検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 安価でしかも適正に高圧配電線の断線を検出することができる高圧配電線断線検出装置を提供することである。
【解決手段】 モノサイクル回路１４は、配電線１２における変圧器１３の三相の二次側電圧を入力し単相電圧を出力する。断線検出判定部１５は、モノサイクル回路１４の単相電圧値が所定範囲を逸脱したとき、配電線１２に断線が発生したと判断し、その判定結果を送受信部１６により監視制御所に送信する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高圧配電線の配電線が断線したことを検出する高圧配電線断線検出装置に関する。

一般に、わが国の高圧配電系統では、ほとんどの系統において中性点非接地方式が採用され、電源変圧器のΔ巻線から配電線が引き出されている。通常、地絡事故検出のための接地変圧器（ＧＰＴ）が設置され、その一次側中性点を接地しているため完全な非接地ではないが、二次側であるΔ巻線の開放端に数十〜数百Ωの抵抗を接続しているため、一次側から見れば数千Ω以上の高抵抗で設置されたことになり、その影響はほとんど無視できる。従って、この場合においても、事実上は中性点非接地方式である。

高圧配電線系統の地絡事故は、接地変圧器で零相電圧を検出し、この零相電圧と零相変流器で検出された零相電流とを地絡方向継電器に入力し、零相電圧及び零相電流の位相関係で故障配電線を判別し選択遮断するようにしている（例えば、特許文献１参照）。

一方、高圧配電線系統の断線を検出する断線検出装置は、特に設置されていないのが現状である。これは、高圧配電線系統に断線検出装置を設置することは可能であるが、高圧配電線系統には中性点非接地方式が採用されていることから、断線事故を検出するための零相電圧検出器を新たに所定の箇所に設置する必要があり設備費用が高くなるからである。また、その場合、高圧配電線系統の電圧及び電流を検出しなければならないので、取り扱う電圧は高圧電圧となり、測定機器の絶縁設計や測定機器設置作業に格別の配慮が伴い、有益でない。
特開平１１−２５８２７６号公報（図１、図４）

本発明の目的は、安価でしかも適正に高圧配電線の断線を検出することができる高圧配電線断線検出装置を提供することである。

請求項１の発明に係わる高圧配電線断線検出装置は、配電線における変圧器の三相の二次側電圧を入力し単相電圧を出力するモノサイクル回路と、前記モノサイクル回路の単相電圧値が所定範囲を逸脱したとき断線が発生したと判断する断線検出判定部と、前記断線検出判定部の判定結果を監視制御所に送信する送受信部とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、配電線に設けられた変圧器の二次側電圧を入力するので、特別の変圧器を用意する必要がなく安価にできる。また、変圧器の三相の二次側電圧を変換した単相電圧の電圧値に基づいて断線か否かの判定を行い、その判定結果を監視制御所に送信するので、適正に配電線の断線を検出でき迅速に断線検出情報を提供できる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の実施の形態に係わる高圧配電線断線検出装置１１のブロック構成図である。高圧配電線断線検出装置１１は、高圧配電線１２の変圧器１３の二次側に接続され、変圧器１３で降圧された高圧配電線１２の三相電圧は高圧配電線断線検出装置１１のモノサイクル回路１４に入力される。

モノサイクル回路１４は高圧配電線１２における変圧器１３の三相の各相電圧の二次側電圧を入力して単相電圧Ｖ_ｄを出力するものであり、抵抗Ｒ、ｒ及びコンデンサＣ_１、Ｃ_２とから構成され、抵抗Ｒ、ｒの抵抗値が所定の関係にあり、コンデンサＣ_１、Ｃ_２の容量が等しく、かつ抵抗Ｒ、ｒとコンデンサＣ_１、Ｃ_２の容量とが所定の関係にあるときに、出力端に現れる単相電圧Ｖ_ｄは系統周波数ｆの単相電圧となる。抵抗Ｒ、ｒ及びコンデンサＣ_１、Ｃ_２間の所定の関係にずれがあるときには、出力端に現れる単相電圧Ｖ_ｄは系統周波数ｆ以外の周波数を含んだ歪んだ波形の単相電圧となる。抵抗Ｒ、ｒ及びコンデンサＣ_１、Ｃ_２間の所定の関係については後述する。

モノサイクル回路１４から出力される単相電圧Ｖ_ｄは断線検出判定部１５に入力され、断線検出判定部１５において、単相電圧Ｖ_ｄの電圧値に基づいて高圧配電線１２に断線が発生したか否かが判定される。高圧配電線に断線が発生していない場合には単相電圧Ｖ_ｄは高圧配電線の相電圧に比例した所定の電圧値となり、一方、高圧配電線のいずれかの配電線に断線が発生したときは、健全時の所定電圧の範囲を逸脱した電圧値となる。すなわち、断線検出判定部１５は、モノサイクル回路１４の出力である単相電圧Ｖ_ｄの電圧値が所定範囲を逸脱したとき断線が発生したと判断することになる。断線検出判定部１５での判定結果は、送受信部１６により、例えば電話回線や携帯電話回線等の公衆回線を介して監視制御所に送信される。

図２は、モノサイクル回路１４で高圧配電線の変圧器１３の二次側の三相電圧から単相電圧Ｖ_ｄを得る場合の回路動作の説明図である。系統周波数ｆの三相電圧から系統周波数ｆの単相電圧Ｖ_ｄを得るには以下の関係が必要である。

（１）コンデンサＣ_１、Ｃ_２の容量Ｃが同じであること
（２）Ｒ＝√３Ｘ、ｒ＝Ｘ／√３の関係があること
ただし、Ｘ＝１／ｊωＣ、ω＝２πｆ
図２において、いま、高圧配電線の変圧器１３の二次側の各相電圧ｖ_ａ、ｖ_ｂ、ｖ_ｃをモノサイクル回路１４のａｂｃ端にそれぞれ接続し、ｖ_ａｂ＝Ｖ、ｖ_ｂｃ＝ａＶ、ｖ_ｃａ＝ａ^２Ｖ（ａはベクトルオペレータ、ａ＝（−１＋ｊ√３）／２）とする。コンデンサＣ_１及び抵抗ｒを流れる電流ｉ_１、コンデンサＣ_２及び抵抗Ｒを流れる電流ｉ_２とすると、下記の（１）〜（４）式が成り立つ。

Ｖ＝−ｊＸ・ｉ_１ …（１）
ａ^２Ｖ＝−ｉ_２・Ｒ …（２）
ｉ_１＝ｖ_ｄ／（ｒ−ｊＸ） …（３）
ｉ_２＝ｖ_ｄ／（Ｒ−ｊＸ） …（４）
上記（１）式及び（３）式より（５）式が得られ、上記（２）式及び（４）式より（６）式が得られる。

Ｖ＝−ｊＸ・ｖ_ｄ／（ｒ−ｊＸ） …（５）
ａ^２Ｖ＝−Ｒ・ｖ_ｄ／（Ｒ−ｊＸ） …（６）
上記（５）式、（６）式及びベクトルオペレータａがａ＝（−１＋ｊ√３）／２であることから下記の（７）式が成り立つ。

（√３ＸＲ／２−Ｘ^２／２）−ｊ（ＸＲ／２＋√３Ｘ^２／２）＝Ｒｒ−ｊＲＸ …（７）
（７）式の実数部と虚数部とを常に等しくする恒等式を解くと、下記の（８）式及び（９）式が得られる。

Ｒ＝√３Ｘ＝√３／２πｆＣ …（８）
ｒ＝Ｘ／√３＝１／２√３πｆＣ …（９）
すなわち、コンデンサＣ_１、Ｃ_２の容量Ｃが同じであり、抵抗Ｒ、ｒがＲ＝√３Ｘ、ｒ＝Ｘ／√３の関係にあるときは、コンデンサＣ_１と抵抗ｒとの直列回路及びコンデンサＣ_２と抵抗Ｒとの直列回路の電圧値及び位相が同じになり、モノサイクル回路１４の出力端子に現れる電圧は系統周波数ｆの単相電圧となる。

従って、モノサイクル回路１４の出力である単相電圧Ｖ_ｄは、上記の（５）式及び（９）式より下記の（１０）式で示される。

Ｖ_ｄ＝｛１＋ｊ・（１／√３）｝・Ｖ …（１０）
このように、高圧配電線に断線が発生していない健全時には、モノサイクル回路１４の単相電圧Ｖ_ｄは高圧配電線の相電圧に比例した所定の電圧値となる。

図３は、高圧配電線のａ相で断線が発生した場合のモノサイクル回路１４の回路動作の説明図である。いま、高圧配電線のａ相で断線が発生したとすると、ａ相からの電圧の入力がなくなることから、図３に示すように、ｂ相電圧及びｃ相電圧のみが高圧配電線の変圧器１３の二次側からモノサイクル回路１４のｂｃ端に入力されることになる。このａ相断線発生時に高圧配電線の変圧器１３の二次側からモノサイクル回路１４のｂｃ端に入力される電圧を、以下ａ相断線時配電線電圧Ｖ_ａｆということにする。

コンデンサＣ_１及び抵抗Ｒを流れる電流をｉ_１、コンデンサＣ_２及び抵抗ｒを流れる電流をｉ_２とすると、下記の（１１）、（１２）式が成り立ち、これら（１１）、（１２）式及び（８）式、（９）式より（１３）式に示す単相電圧Ｖ_ｄが得られる。

ｉ_１＝Ｖ_ａｆ／（Ｒ−ｊＸ） …（１１）
ｉ_２＝Ｖ_ａｆ／（ｒ−ｊＸ） …（１２）
Ｖ_ｄ＝｛（−ｊＸ）・ｉ_１−ｒ・ｉ_２｝
＝（−ｊ√３／２）・Ｖ_ａｆ …（１３）
従って、高圧配電線のａ相で断線が発生した場合には、モノサイクル回路１４の出力である単相電圧Ｖ_ｄは上記の（１３）式で示され、（１３）式中のａ相断線時配電線電圧Ｖ_ａｆは高圧配電線に接続された誘導性負荷により変化するが、（１０）式で示される健全時の単相電圧Ｖ_ｄとは異なる電圧値となる。

図４は、高圧配電線のｂ相で断線が発生した場合のモノサイクル回路１４の回路動作の説明図である。いま、高圧配電線のｂ相で断線が発生したとすると、ｂ相からの電圧の入力がなくなることから、図４に示すように、ａ相電圧及びｃ相電圧のみが高圧配電線の変圧器１３の二次側からモノサイクル回路１４のａｃ端に入力されることになる。このｂ相断線発生時に高圧配電線の変圧器１３の二次側からモノサイクル回路１４のａｃ端に入力される電圧を、以下ｂ相断線時配電線電圧Ｖ_ｂｆということにする。

抵抗Ｒを流れる電流をｉ_１、コンデンサＣ_２、抵抗ｒ及びコンデンサＣ_１を流れる電流をｉ_２とすると、下記の（１４）、（１５）式が成り立ち、（１５）式及び（８）式、（９）式より（１６）式に示す単相電圧Ｖ_ｄが得られる。

ｉ_１＝Ｖ_ｂｆ／Ｒ …（１４）
ｉ_２＝Ｖ_ｂｆ／（ｒ−ｊ２Ｘ） …（１５）
Ｖ_ｄ＝（ｒ−ｊＸ）・ｉ_２
＝（７＋ｊ√３）・Ｖ_ｂｆ／１３ …（１６）
従って、高圧配電線のｂ相で断線が発生した場合には、モノサイクル回路１４の出力である単相電圧Ｖ_ｄは上記の（１６）式で示され、（１６）式中のｂ相断線時配電線電圧Ｖ_ｂｆは高圧配電線に接続された誘導性負荷により変化するが、（１０）式で示される健全時の単相電圧Ｖ_ｄとは異なる電圧値となる。また、（１３）式で示されるａ相断線発生時の単相電圧Ｖ_ｄとも異なる電圧値となる。

図５は、高圧配電線のｃ相で断線が発生した場合のモノサイクル回路１４の回路動作の説明図である。いま、高圧配電線のｃ相で断線が発生したとすると、ｃ相からの電圧の入力がなくなることから、図５に示すように、ａ相電圧及びｂ相電圧のみが高圧配電線の変圧器１３の二次側からモノサイクル回路１４のａｂ端に入力されることになる。このｃ相断線発生時に高圧配電線の変圧器１３の二次側からモノサイクル回路１４のａｂ端に入力される電圧を、以下ｃ相断線時配電線電圧Ｖ_ｃｆということにする。

コンデンサＣ_１を流される電流をｉ_１、抵抗Ｒ、コンデンサＣ_２及び抵抗ｒを流れる電流をｉ_２とすると、下記の（１７）、（１８）式が成り立ち、（１７）式、（１８）式及び（８）式、（９）式より（１９）式に示す単相電圧Ｖ_ｄが得られる。

ｉ_１＝Ｖ_ｃｆ／−ｊＸ …（１７）
ｉ_２＝Ｖ_ｃｆ／（Ｒ＋ｒ−ｊＸ） …（１８）
ｖ_ｄ＝（−ｊＸ）・ｉ_１−（Ｒ＋ｒ−ｊＸ）・ｉ_２
＝（１５−ｊ√３）・Ｖ_ｃｆ／１９ …（１９）
従って、高圧配電線のｃ相で断線が発生した場合には、モノサイクル回路１４の出力である単相電圧Ｖ_ｄは上記の（１９）式で示され、（１９）式中のｃ相断線時配電線電圧Ｖ_ｃｆは高圧配電線に接続された誘導性負荷により変化するが、（１０）式で示される健全時の単相電圧Ｖ_ｄとは異なる電圧値となる。また、（１３）式で示されるａ相断線発生時の単相電圧Ｖ_ｄや（１６）式で示されるｂ相断線発生時の単相電圧Ｖ_ｄとも異なる電圧値となる。

図６は本発明の高圧配電線断線検出装置１１の検出動作を試験した高圧配電線系統の一例を示す模擬系統図である。変電所１７から地中ケーブル１８にて架空高圧配電線１２Ａに電力を配電する系統であり、架空高圧配電線１２Ａを所定間隔Ｄで区切り、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３の各ポイントにおいて、断線箇所、誘導性負荷の設置、高圧配電線断線検出装置の設置を組み合わせて試験を行った。つまり、変電所１７と高圧配電線断線検出装置１１の設置位置との間の断線を検出することを想定し、誘導性負荷の設置位置を変化させて試験を行った。その試験結果を表１に示す。

まず、変電所から最も遠いポイントＸ３に高圧配電線断線検出装置１１を設置し、ポイントＸ２に誘導性負荷を設置し、ポイントＸ１において、高圧配電線の健全時のモノサイクル回路１４の単相電圧Ｖ_ｄを計測し、高圧配電線の各相（ａ相、ｂ相、ｃ相）を断線して（開閉器を開いて）高圧配電線断線検出装置１１のモノサイクル回路１４の単相電圧Ｖ_ｄを計測した。

表１のＮｏ．１〜Ｎｏ．４はその場合の測定結果である。高圧配電線が健全時であるときのモノサイクル回路１４の単相電圧Ｖ_ｄを１００％とした場合、ａｂｃ相ともに断線時には健全時の単相電圧Ｖ_ｄより大きな値を示した。ｃ相断線時のモノサイクル回路１４の単相電圧Ｖ_ｄが最も大きく、次にａ相断線時のモノサイクル回路１４の単相電圧Ｖ_ｄが大きく、ｂ相断線時は健全時のモノサイクル回路１４の単相電圧Ｖ_ｄより大きいが、ａｃ相の断線時のモノサイクル回路１４の単相電圧Ｖ_ｄよりは小さいものであった。

この測定結果から、断線位置と高圧配電線断線検出装置１１との間に誘導性負荷が設置されている場合には、ａｂｃ相ともに断線発生時には健全時の単相電圧ｖ_ｄより大きな値となることが分かった。

次に、断線検出区間外に誘導性負荷が設置された場合について試験を行った。表１のＮｏ．５〜Ｎｏ．８はその場合の測定結果である。すなわち、変電所から最も遠いポイントＸ３に誘導性負荷を設置し、ポイントＸ２に高圧配電線断線検出装置１１を設置し、ポイントＸ１において、高圧配電線の健全時のモノサイクル回路１４の単相電圧Ｖ_ｄを計測し、高圧配電線の各相（ａ相、ｂ相、ｃ相）を断線して（開閉器を開いて）高圧配電線断線検出装置１１のモノサイクル回路１４の単相電圧Ｖ_ｄを計測した。

この場合、高圧配電線断線検出装置１１のモノサイクル回路１４の単相電圧Ｖ_ｄは、ａｃ相断線時には健全時の単相電圧Ｖ_ｄより大きな値を示し、ｂ相断線時には健全時の単相電圧Ｖ_ｄより小さな値を示した。ａ相断線時は健全時のモノサイクル回路１４の単相電圧Ｖ_ｄより大きいが、ｃ相の断線時のモノサイクル回路１４の単相電圧Ｖ_ｄよりは小さいものであった。

この測定結果から、断線検出区間外に誘導性負荷が設置された場合には、ａｃ相ともに断線発生時には健全時の単相電圧Ｖ_ｄより大きな値となり、ｂ相は断線発生時には健全時の単相電圧Ｖ_ｄより小さな値となることが分かった。

次に、断線検出区間内において誘導性負荷を変電所に最も近い箇所に設置した場合について試験を行った。表１のＮｏ．９〜Ｎｏ．１２はその場合の測定結果である。すなわち、変電所から最も近いポイントＸ１に誘導性負荷を設置し、変電所から最も遠いポイントＸ３に高圧配電線断線検出装置１１を設置し、ポイントＸ２において、高圧配電線の健全時のモノサイクル回路１４の単相電圧Ｖ_ｄを計測し、高圧配電線の各相（ａ相、ｂ相、ｃ相）を断線して（開閉器を開いて）高圧配電線断線検出装置１１のモノサイクル回路１４の単相電圧Ｖ_ｄを計測した。

この場合、高圧配電線断線検出装置１１のモノサイクル回路１４の単相電圧Ｖ_ｄは、ａｂ相断線時には健全時の単相電圧Ｖ_ｄより小さな値を示し、ｃ相断線時には健全時の単相電圧Ｖ_ｄより大きな値を示した。ａ相断線時は健全時のモノサイクル回路１４の単相電圧Ｖ_ｄより小さいが、ｂ相の断線時のモノサイクル回路１４の単相電圧Ｖ_ｄよりは大きいものであった。つまり、ｂ相の断線時のモノサイクル回路１４の単相電圧Ｖ_ｄが最も小さい値であった。

この測定結果から、断線検出区間内において誘導性負荷より遠い箇所で断線が発生した場合には、ａｂ相ともに断線発生時には健全時の単相電圧Ｖ_ｄより小さな値となり、ｃ相は断線発生時には健全時の単相電圧Ｖ_ｄより大きな値となることが分かった。

以上の測定結果を総合すると、変電所１７と高圧配電線断線検出装置１１の設置位置との間の断線検出区間において、健全時におけるモノサイクル回路１４の単相電圧Ｖ_ｄがある値より大きくなったとき、又はある値より小さくなったときに断線が発生したと判定できることが分かる。そこで、高圧配電線断線検出装置１１の断線検出判定部１５では、モノサイクル回路１４の単相電圧値が所定範囲を逸脱したときに、断線検出区間内で断線が発生したと判断することとした。なお、断線か否かを判定するための単相電圧値の所定範囲は、高圧配電線に接続される実際の誘導性負荷の影響や高圧配電線断線検出装置１１の設置箇所を考慮して決めることになる。

本発明の実施の形態に係わる高圧配電線断線検出装置のブロック構成図。 モノサイクル回路で高圧配電線の変圧器の二次側の三相電圧から単相電圧Ｖ_ｄを得る場合の回路動作の説明図。 高圧配電線のａ相で断線が発生した場合のモノサイクル回路の回路動作の説明図。 高圧配電線のｂ相で断線が発生した場合のモノサイクル回路の回路動作の説明図。 高圧配電線のｃ相で断線が発生した場合のモノサイクル回路の回路動作の説明図。 本発明の高圧配電線断線検出装置の検出動作を試験した高圧配電線系統の一例を示す模擬系統図。

符号の説明

１１…高圧配電線断線検出装置、１２…高圧配電線、１３…変圧器、１４…モノサイクル回路、１５…断線検出判定部、１６…送受信部、１７…変電所、１８…地中ケーブル

Claims (1)

1. 配電線における変圧器の三相の二次側電圧を入力し単相電圧を出力するモノサイクル回路と、前記モノサイクル回路の単相電圧値が所定範囲を逸脱したとき断線が発生したと判断する断線検出判定部と、前記断線検出判定部の判定結果を監視制御所に送信する送受信部とを備えたことを特徴とする高圧配電線断線検出装置。
   

Images