JP2006109567A - 電力配電系統の地絡事故電流抑制装置 - Google Patents

Abstract

【課題】能動的補償装置用いた電力配電系統の地絡事故電流抑制装置において、抑制された地絡事故電流によっても、地絡事故を検出して配電系統の保護を行う地絡保護継電装置が確実に動作することのできるようにする。
【解決手段】保護継電装置の設けられた電力配電系統に、地絡事故電流検出手段と、この検出手段により検出された地絡事故電流と逆位相の補償電流を発生する補償電流発生手段と、この補償電流発生手段により発生された補償電流を前記配電系統に注入して前記地絡事故電流を抑制する手段と、前記補償電流発生装置から発生される補償電流の大きさを、配電系統の抑制された地絡事故電流が前記保護継電装置の動作整定電流以下に抑制されないように制御する手段とを設ける。
【選択図】図１

Description

この発明は、電力配電系統の配電線に瞬時地絡または永続地絡が発生した場合に、その地絡事故電流を抑制することによって電気設備基準に規定されているＢ種接地工事の接地抵抗値の管理を緩和するとともに、地絡事故電流の抑制が行われても保護継電装置が正常に動作するようにした電力配電系統の地絡事故電流抑制装置に関する。

電力配電系統においては、地絡事故が発生すると地絡事故電流が流れる。この地絡事故電流が過大になると種々の不都合を招くので、この地絡事故電流を抑制するために種々の対策がとられる。

最も一般的には、地絡事故電流補償用リアクトル等の受動的補償装置により主として配電線の対地静電容量に起因する地絡事故電流を相殺する手段が用いられる。

このような補償リアクトルを用いた地絡事故電流の抑制装置では、配電線亘長の変化等により配電系統の構成が変化すると配電線の対地静電容量が変化するため、補償性能が変化し所定の抑制性能を得ることができなくなる。またこれによって補償できるのは地絡事故電流の対地静電容量による正弦波成分であり、針状波形等高次高調波成分を含む地絡事故電流を全部補償することはできない欠点もある。

そこで、地絡事故が発生した際に、このときの配電系統の地絡事故電流を検出し、この地絡事故電流と大きさが同じで逆位相の補償電流を発生する手段を設け、この補償電流発生手段で発生した補償電流を配電系統に注入して地絡事故電流を相殺して地絡事故電流を完全に抑制するようにした能動的補償装置を用いるものがすでに特許文献１によって提案されている。
特開２０００−０９２６９８号公報

しかし、このような能動的補償装置を用いた特許文献１に示された従来の地絡事故電流抑制装置においては、地絡事故発生の際に、地絡事故電流を完全に相殺してゼロに抑制するようにしているで、瞬時的地絡事故の場合は、地絡事故電流が抑制されることにより保護継電装置が動作することがないので、配電系統の停電が防止される利点があるが、永続的地絡事故が発生した場合にも地絡事故電流が完全に抑制されてゼロとなることによって、電力配電系統を事故から保護するために付設され保護継電装置が作動せず、事故発生回線が遮断されることがないので、地絡事故の復旧を図ることができない不都合がある。

この発明は、このような不都合を除くために、電力配電系統に地絡事故が発生した際、この地絡事故に伴う地絡事故電流を検出し、この検出した地絡事故電流と逆位相の補償電流を形成し、この補償電流を当該配電系統に注入することにより配電系統の地絡事故電流を抑制する、いわゆる能動的補償装置用いた電力配電系統の地絡事故電流抑制装置において、地絡事故電流が抑制された状態においても、地絡事故を検出して配電系統の保護を行う保護継電装置が正常に動作する地絡事故電流抑制装置を提供することを課題とするものである。

このような課題を解決するため、この発明は、電力配電系統の地絡事故の発生を検出して系統の保護を行う保護継電装置を備えた電力配電系統において、この電力配電系統の地絡事故電流を検出する地絡事故電流検出手段と、この地絡事故電流検出手段により検出された地絡事故電流と逆位相の補償電流を発生する補償電流発生装置と、この補償電流発生装置から発生される補償電流の大きさを電力配電系統の地絡事故電流が前記保護継電装置の動作電流整定値以下に抑制されないように調整する補償電流調整手段と、前記補償電流発生装置により発生された補償電流を前記電力配電系統に注入して地絡事故電流を抑制する補償電流注入装置とを設けてことを特徴するものである。

この発明において、補償電流発生装置として電圧型ＰＷＭインバータを使用することができ、これを１つの変電所の複数の配電バンクに共通に設けるようにする。また、補償電流調整手段としては健全回線の地絡事故電流検出手段によって検出された零相電流の総和に基づいて補償電流目標値を求めてこの目標値から前期保護継電装置の動作整定電流値を差し引いて前記補償電流発生手段に補償電流指令値として与える手段を用いる。

さらに、補償電流を前記電力配電系統に注入する補償電流注入装置としては、３相構成または単相構成の連系変圧器を用いることができる。

この発明によれば、電力配電系統に地絡事故が発生したとき、補償電流発生装置により地絡事故電流と逆位相の補償電流を注入する際、補償電流の大きさを地絡事故電流が保護継電装置の動作電流の整定値以下に抑制されないように調整することにより、電力配電系統の地絡事故電流が完全に抑制されることなく地絡保護継電装置の動作電流整定値以上の地絡事故電流が残存するので、瞬時地絡、永続的地絡事故のいずれの場合でも、保護継電装置が作動し、地絡事故の発生している回線を遮断する所定の保護動作および警報動作が正常に行われることになる。このため、地絡事故の回復処置をとることができる。

また、この発明においいては、補償動作が行われても地絡事故電流は、完全にゼロに抑制されることはないが、地絡保護継電装置の動作電流整定値程度の小電流に抑制されることになるので、電力配電系統に施される電気設備技術基準に規定されているＢ種接地工事の抵抗値を、抑制された小さな地絡事故電流に基づく抵抗値に緩和することができる。

この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する。

図１は、この発明の第１の実施例を示す構成図である。この第１の実施例は、配電バンクが１バンクの配電系統に適用した例を示している。

１は、電力配電用のバンク変圧器、２は、この変圧器１に接続されたバンク母線、３１ないし３ｎは、この母線２からそれぞれ遮断器４１ないし４ｎを介して引き出される配電回線であり、この配電回線に図示しない負荷が接続される。５１ないし５ｎは、各回線の地絡事故電流を検出するための零相変流器、６は地絡事故電圧を検出するための零相変成器、７は、これらの零相変流器および零相変成器で検出される零相電流Ｉ₀および零相電圧Ｖ₀から地絡事故の発生を検知して、地絡事故の種別、地絡事故の発生回線等を判別し、事故回線の遮断器（４１、４２、４ｎ）に遮断指令（ＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲｎ）を与えて回線を地絡事故から保護する保護継電装置である。

１０は、補償電流発生装置８と判定制御装置９とを備えた地絡事故電流抑制装置である。

補償電流発生装置８は、直流電源を形成する整流回路８１および直流コンデンサ８２、直流コンデンサ８２の直流電圧から補償電流を形成するインバータ回路８３を備える。

８４は、インバータ回路８３の出力を母線２に接続する系統連系変圧器、８５は、整流回路８１を母線２に接続する電源変圧器である。

判定制御装置９は、系統の地絡事故の発生を検出するための零相変流器５１〜５ｎおよび零相変成器６の検出出力が入力され、地絡事故の発生の検知、地絡事故の発生回線および発生相の判別、補償電流指令値の形成等を行う判定部９１とインバータ回路８３をＰＷＭ制御するインバータ制御部９２を備える。判定部９１には、検出された地絡事故電流の大きさから地絡事故の発生を検知する地絡事故検知手段９１ａ、各回線の地絡事故電流の比較によって地絡事故発生回線の判別および回線ごとの各相電流の比較により地絡事故発生相の判別などを行う判別手段９１ｂ、各回線の検出地絡事故電流の総和を求め、この総和に基づいて補償電流指令値を演算する指令値演算手段９１ｃ等を有する。

またインバータ制御部９２にはこの判定部９１から与えられる補償電流指令値Ｉsとインバータ回路８３の出力電流を検出する変流器８３ａから与えられる電流実際値Ｉｊの差（Ｉｊ−Ｉｓ）に可変係数を掛ける電流調節器９２ａと、その出力と計器用変成器ＰＴから与えられる系統電圧実際値Ｖｊの和によりインバータ制御指令Ｃｓを発生する電圧調節器９２ｂ、このインバータ制御指令Ｃｓに基づいてインバータ回路８３の各スイッチング素子にＰＷＭ信号を与えるＰＷＭ制御指令回路９２ｃ等を有する。

次にこのように構成された地絡事故電流抑制装置の動作を説明する。

図１の回線３２のｃ相のＦ点おいて１線地絡事故が発生したとすると、周知のように主として健全回線３１、３ｎおよび事故回線３２の健全相ａ、ｂの対地静電容量Ｃからこの事故点Ｆへ地絡事故電流Ｉｇが供給されることになる。この事故電流Ｉｇが健全回線３１、３ｎにおいては零相電流となって表われ、各回線の零相変流器によって検出される。事故回線３２の健全相から供給される事故電流は零相電流となって表われないので、この事故回線３２の零相変流器５２によっては事故電流を検出することはできない。

また、零相変成器６によっても、事故に伴う相電圧の変化により零相電圧Ｖ0が発生しこれが検出される。

このような零相変流器および零相変成器の出力を常時監視している保護継電装置、地絡事故電流抑制装置１０は、前記のような変化を捉えることにより地絡事故の発生を検知する。

保護継電装置７は、地絡事故の発生を検出すると直ちに発生回線、発生相を判別して事故回線３２の遮断器４２に遮断指令ＴＲ２を与え遮断器４２を遮断して回線３２を保護する。

これとは別に、地絡事故電流抑制装置１０は、保護継電装置７が地絡事故を検知してから、遮断器を遮断するまでの間に次のような地絡事故電流抑制動作を行う。

判定部９１の事故発生検知手段９１ａが入力された零相変流器または零相変成器等の出力の大きさから１線地絡事故の発生を検出すると、保護継電装置７と同様に判別手段９１ｂにより事故の発生回線、発生相等が判別される。そして指令値演算手段９１ｃにおいて、各健全回線の零相変流器の出力を全部加算してその総和（ΣＩ０）から地絡事故電流Ｉｇを求める。この電流Ｉｇが、その回線の現在のＢ種設置工事の抵抗値Ｒに基づく電流基準値Ｉｇｓ＝１５０／Ｒと比較して、Ｉｇ≧Ｉｇｓであれば、地絡事故電流の抑制が必要であると判定し、制御部９２へ運転指令を与えると同時に、この地絡事故電流Ｉｇから前記保護継電装置７の検出感度を示す動作整定電流値Ｉrysをα倍（αは、保護継電装置が安定に動作することを補償するために決められた係数であり、通常１．１程度の値に選ばれる）して差し引き、極性を反対にして補償電流指令値Ｉｓを求める。この補償電流Ｉｓを式で示すと次の（１）式のようになる。

Ｉｓ＝―（Ｉｇ−αＩrys） （１）
このような演算により求めた補償電流指令値Ｉｓが判定部９１から制御部９２の電流調節器９２ａに電流指令値Ｉｓとして与えられる。

制御部９２においては、電流調節器９２ａが、判定部９１から与えられた電流指令Ｉｓと変流器８３ａから与えられるインバータ回路８３の出力電流の実際値Ｉｊとを比較して両者の偏差がゼロになるような電圧指令値Ｖｓを形成して電圧調節器９２ｂに与える。電圧調整器９２ｂは、この電圧指令値Ｖｓと計器用変成器ＰＴにより検出された系統の電圧実際値Ｖｊとの和によりインバータ制御指令Ｃｓを形成し、ＰＷＭ制御回路９２ｃに与える。ＰＷＭ制御回路９２ｃは、この制御指令Ｃｓにしたがってインバータ回路８３の各スイッチング素子にオン・オフ信号を与えてインバータ回路をＰＷＭ制御する。インバータ回路８３は、このＰＷＭ制御信号によって、補償電流指令値Ｉｓに応じた補償電流Ｉｃが発生される。

この補償電流Ｉｃは、地絡事故電流Ｉｇに対して極性が逆極性で、大きさが保護継電装置７のほぼ動作電流整定値（αIrys）だけ小さい値となる。この補償電流Ｉｃ（−（Ｉｇ−αＩrys））が連系変圧器８４を介して系統のバンク母線２に注入されるので、地絡事故電流Ｉｇがほぼ保護継電装置７の動作電流整定値（αＩrys）を残して相殺されることになり、地絡事故発生回線３２の事故点Ｆの事故電流は完全に抑制されることなくαＩrysに抑制される。したがって、地絡事故点Ｆにおける地絡事故電流による電圧を特別にＢ種設置工事の抵抗値を管理することなく安全な電圧に抑制することができる。

このような、地絡事故電流抑制装置１０と保護継電装置７とは、判定制御装置９を図２のフォローチャートに示すように制御することによって相互の協調を取ることができる。

図２のスタート後のステップＳ１では、判定部９１が零相変流器等の検出出力から配電系統の状態を監視し、事故の発生の有無を判定する。事故の発生のない（ＮＯ）ときは、元へ戻って監視を繰り返す。

事故の発生があり（ＹＥＳ）のときは、ステップＳ２へ移り、その事故が１線地絡であるか否かの判定を行う。１線地絡でない（ＮＯ）ときは元へ戻り、１線地絡である（ＹＥＳ）ときは、ステップＳ３へ進む。ステップＳ３においては、検出された地絡事故電流Ｉ
ｇが、当該配電系統に施されているＢ種接地工事の抵抗値Ｒとの関係で、Ｉｇ≧１５０／
Ｒとなって補償が必要かどうかを判定する。Ｉｇが１５０／Ｒより小さいとき（ＮＯ）は
、補償動作を行わないようにするため、元に戻り、Ｉｇが１５０／Ｒ以上のとき（ＹＥＳ
）は、Ｓ４ステップへ移る。

ステッテプＳ４では、補償電流発生装置８へ運転指令を与える処理を行い、同時に、検出した地絡事故電流Ｉｇに基づいて、（１）式により補償電流指令値Ｉｓを算出して、送
出する。

この補償電流指令値Ｉｓに応じて、補償電流発生装置８は、地絡事故電流ＩｇからαＩrysを差し引いた逆極性の補償電流Ｉｃを発生し、連系変圧器８４を介して事故の発生した系統へ注入するので、地絡事故電流ＩｇはαＩrysに抑制される。

このように地絡事故電流が抑制されても、事故回線には、保護継電装置７の動作電流整定値Ｉrys以上の地絡事故電流が流れるので、保護継電装置７は動作可能なため、正常な状態にある場合には、地絡事故を検出し、地絡事故発生回線を判別して、当該回線の遮断器４２へ遮断指令ＴＲ２を発し、これを遮断して、当該回線を系統から切り離す。これにより、地絡事故電流は完全にゼロとなる。

このようにして事故回線の遮断器４２が遮断されることにより、地絡事故が除去されることなるが、ステップＳ５においては、遮断器への遮断指令の有無などにより事故が除去されたか否かを判定する。除去されていないとき（ＮＯ）は、ステップＳ６において、地絡事故発生からの時間が保護継電装置の動作設定時間内か否かを判定し、設定時間内（ＹＥＳ）であれば、ステップＳ５に戻って事故が除去されたか否かの判定を繰り返す。

ステップＳ５において、事故が除去されたことが判定されたとき（ＹＥＳ）は、地絡事故電流抑制装置１０へ運転停止指令を与えて、これの運転を停止する。

また、保護継電装置に異常があり、事故の除去が設定時間内に行われなかった場合は、ステップＳ６においてＮＯが選択され、ステップＳ７の保護継電装置の異常警報処理が行われる。

これによって、保護継電装置７が正常に動作しているかどうかの判定も行うことができる。

なお、前記において、地絡発生時に補償動作を行うか否かを決める地絡事故電流Ｉｇの基準値は１５０／Ｒに設定されているが、これは給電回線の遮断器の動作時間によって変更される。具体的には、遮断器の動作時間が1秒を超え２秒以内の場合は、この基準値は３００／Ｒに、そして１秒以内の場合は、６００／Ｒに設定される。

図３に第２の実施例を示す。前記の第１の実施例は、補償電流を系統に注入するための連系変圧器８４が、３相構成の変圧器で構成され、スター接続の１次巻線を系統の３相母線に接続しているが、図３の第２の実施例は、単相変圧器で構成した連系変圧器８４ａを使用し、その１次巻線の一端を接地し、他端を系統の母線の各相ａ，ｂ，ｃに選択スイッチＳａ，Ｓｂ，Ｓｃを介して選択的に接続するようにしている点が第１の実施例とは相違するだけで、その他の構成は同じであるので、同じ部分の説明は省略する。

この第２の実施例において、給電回線３２のｃ相において１線地絡事故が発生した場合は、補償電流発生装置８で第１の実施例と同様に（１）式にしたがって補償電流Ｉｃが発生される。そして、事故発生相ｃに対応するスイッチＳｃを選択的にオンにして連系変圧器８４ａを母線のｃ相に接続する。これにより、補償電流Ｉｃが、事項発生回線３２のｃ相に供給され、事項電流ＩｇをαＩrysに抑制することができる。

図４に第３の実施例を示す。この実施例は、複数の配電バンクを備える電力配電系統にこの発明を適用した例である。

図４において、１−１、１−２、１−ｎは配電バンク用変圧器、２−１、２−２、２−ｎはバンク母線、３１−１、３ｎ−１、３１−１、３ｎ−２、３１−ｎ、３ｎ−ｎはそれぞれ各バンクの配電回線、７−１、７−２、７−ｎおよび９−１、９−２、９−ｎはバンクごとに設けた保護継電装置および判定制御装置であり、それぞれは、図１に示すものと同一の機能を有する。８および８４は、全バンクに共通に設けた補償電流発生装置および連系変圧器である。

連系変圧器８４の１次側は、選択投入スイッチＳ−１、Ｓ−２、Ｓ−ｎを介してバンク母線２−１、２−２、２−ｎに選択的に接続され、２次側に補償電流発生装置８の出力が接続される。

判定制御装置９−１、９−２、９−ｎ、補償電流発生装置８、連系変圧器８４および選択投入スイッチＳ−１、Ｓ−２、Ｓ−ｎが地絡事故電流抑制装置１０を構成する。

このように構成することにより、補償電流発生装置８で地絡事故電流Ｉｇに対応して（１）式にしたがって発生される補償電流Ｉｃは連系変圧器８４を介して、選択投入スイッチＳ−１、Ｓ−２、Ｓ−ｎよって選択されたバンク母線に供給することができる。

選択投入スイッチの選択は、地絡事故が発生したとき、これを検知した判定制御装置９−１、９−２、９−ｎの何れかが自己の所属するバンクの選択投入スイッチに投入指令を発生することにより行われる。

例えば、バンク母線２−１の系統の何れかの回線に１線地絡事故が発生した場合、このバンクに所属する判定制御装置９−１がこれを検知し、図１の装置と同様に、地絡事故電流Ｉｇに基づいて（１）式にしたがって補償電流指令値Ｉｓを求め、これを補償電流発生装置８に与えて補償電流Ｉｃを発生させる。そして、判定制御装置９−１は同時に同じバンクの選択投入スイッチＳ−１に投入指令を与え、これを投入するので、補償電流発生装置８が、バンク母線２−１に接続され、この補償電流発生装置８で発生された補償電流Ｉｃが、地絡事故の発生したバンク母線２−１に供給され、この系統における地絡事故電流を抑制することになる。

以下同様の動作により、地絡事故の発生した回線の所属するバンク母線に接続された判定制御装置が作動し、複数のバンクに共通に設けた補償電流発生装置を地絡事故の発生したバンクに選択的に接続し、このバンクに補償電流を注入し、発生した地絡事故電流を抑制することができる。

ここでも、地絡事故電流は保護継電装置の動作電流整定値Ｉrys以下にならない電流に抑制されるので、保護継電装置７−１、７−２、７−ｎは、この地絡事故電流抑制装置１０とは関係なしに独立して保護動作を行う。

この発明の実施例１による地絡事故電流抑制装置を示す回路構成図である。 この発明の実施例１による地絡事故電流抑制装置の動作を説明するためのフローチャートである。 この発明の実施例２による地絡事故電流抑制装置を示す回路構成図である。 この発明の実施例３による地絡事故電流抑制装置を示す回路構成図である。

符号の説明

１、１−１〜１−ｎ：バンク変圧器
２、２−１〜２−ｎ：配電バンク母線
３１〜３ｎ、３１−１〜３ｎ−ｎ：配電回線
７：保護継電装置
８：補償電流発生装置
８４、８４ａ：連系変圧器
９、９−１〜９ｎ：判定制御装置
１０：地絡事故電流抑制装置

Claims (5)

1. 電力配電系統の地絡事故の発生を検出して系統の保護を行う保護継電装置を備えた電力配電系統において、この電力配電系統の地絡事故電流を検出する地絡事故電流検出手段と、この地絡事故電流検出手段により検出された地絡事故電流と逆位相の補償電流を発生する補償電流発生装置と、この補償電流発生装置から発生される補償電流の大きさを電力配電系統の地絡事故電流が前記保護継電装置の動作電流整定値以下に抑制されないように調整する補償電流調整手段と、前記補償電流発生装置により発生された補償電流を前記電力配電系統に注入して地絡事故電流を抑制する補償電流注入装置とを設けることを特徴する電力配電系統の地絡事故電流抑制装置。
2. 前記補償電流調整手段として、健全回線の地絡事故電流検出手段によって検出された零相電流の総和に基づいて補償電流目標値を求め、この目標値から前記保護継電装置の動作電流整定値を差し引いて前記補償電流発生手段に補償電流指令値として与える手段を用いることを特徴とする請求項１記載の電力配電系統の地絡事故電流抑制装置。
3. 前記補償電流を前記配電系統に注入して前記地事故絡電流を抑制する補償電流注入装置が、３相構成の連系変圧器であることを特徴とする請求項１または２記載の電力配電系統の地絡事故電流抑制装置。
4. 前記補償電流を前記配電系統に注入して前記地事故絡電流を抑制する補償電流注入装置が、単相構成の連系変圧器であることを特徴とする請求項１または２記載の電力配電系統の地絡事故電流抑制装置。
5. １つの配電用変電所の複数の配電バンクに、共通に前記補償電流発生手段を１個設け、各配電バンクに選択的に接続可能にしたことを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の電力配電系統の地絡事故電流抑制装置。

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