JP2010183746A - 過電流検出装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】母線タイ用開閉器の開状態／閉状態と無関係に、電用変圧器の２次側故障時を確実に検出できる過電流検出装置を得ること。
【解決手段】過電流検出装置４０ａは、電気鉄道用の交流き電回路（７〜１０）に電源を供給するき電用変圧器２の２次回線３，４および前記交流き電回路（７〜１０）の各電流のベクトル和を求める電流合成器４１と、電流合成器４１でのベクトル合成結果のスカラー量を監視してき電用変圧器２の２次側での事故発生有無を判別する過電流要素４２とを備えている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、電気鉄道用の交流き電回路に電源を供給するき電用変圧器の２次側故障時の過電流を検出する過電流検出装置及び方法に関するものである。

電力会社から受電する交流電源は３相電源であるが、新幹線などの交流電気車は単相電源を用いるので、電気鉄道用の交流き電回路に電源を供給する電力系統は、３相−２相変換用のき電用変圧器（スコット変圧器やウッドブリッジ変圧器）を用いて、電力会社から受電する３相電源を位相差９０度の単相二相電源であるＭ座とＴ座とに変換し、両座の単相電源（き電）を交流き電回路に給電する構成になっている。

ところで、この電力系統の保護は、種々の継電装置を組み合わせて行われているが、近年の列車負荷電流の増大に伴い、下位系統であるき電回路の過電流保護と上位系統であるき電用変圧器の２次回線の過電流保護との保護協調が困難になりつつある。

特に、近年では、新型車両の導入や列車の運行密度増大により列車負荷電流は増加する傾向にあり、更に、それらによる列車負荷の特性として、き電回路の定常時での負荷電流に含まれるインラッシュ電流は相当に大きなものになるために、き電回路の負荷電流と、き電用変圧器の２次側故障時の事故電流とが近接してきている。

そのため、上位側過電流継電器（き電用変圧器の２次側故障時に動作する保護継電器）において、き電回路の負荷電流で誤動作せず、き電用変圧器の２次側故障時の事故電流で確実に動作する過電流設定が困難になってきている。

なお、例えば特許文献１では、トータル変流器を用いて上位側過電流継電器の動作を抑制することで、下位側過電流継電器との保護協調をとっている。

特開平７−２１２９５９号公報（段落［０００７］、図１）

ここで、き電回路に電源を供給する電力系統の構成を示すと、き電用変圧器の２次側では、Ｍ座のき電をＭ座開閉器を介して受電するＭ座母線と、Ｔ座のき電をＴ座開閉器を介して受電するＴ座母線とが設けられ、両母線のそれぞれに、多数の交流き電回路が並列に接続される。また、Ｍ座母線とＴ座母線との間に母線タイ用開閉器が設けられる。

そして、運用は、分離状態（母線タイ用開閉器が開状態、Ｍ座開閉器とＴ座開閉器が共に閉状態）と、結合状態（母線タイ用開閉器が閉状態、Ｍ座開閉器とＴ座開閉器の一方が開状態、他方が閉状態）とを切り替える方法で実施される。

このように、母線タイ用開閉器を開状態にする分離時と、閉状態にする結合時とを切り替えて運用する場合、上記したように、き電回路の負荷電流と、き電用変圧器の２次側故障時の事故電流とが近接してきているので、分離時と結合時とで、き電用変圧器の２次側故障時の事故電流とき電回路の負荷電流とを区別することが困難になっている。

そのため、母線タイ用開閉器を開閉して運用する場合、上位側過電流継電器が、母線タイ用開閉器の開閉状態に応じて、き電回路の負荷電流で誤動作せず、き電用変圧器の２次側故障時の事故電流で確実に動作する過電流設定が一層困難になってきている。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、母線タイ用開閉器の開状態／閉状態と無関係に、き電用変圧器の２次側故障を確実に検出できる過電流検出装置を得ることを目的とする。

上述した目的を達成するために、この発明は、３相電源をＭ座とＴ座の単相２相電源に変換するき電用変圧器の前記Ｍ座のき電を受電するＭ座母線と前記Ｔ座のき電を受電するＴ座母線との間に母線タイ用開閉器が設けられ、前記母線タイ用開閉器を開成して前記Ｍ座母線と前記Ｔ座母線とのそれぞれに接続される複数の交流き電回路に個別に対応するき電を供給する運用と、前記母線タイ用開閉器を閉成して前記Ｍ座母線と前記Ｔ座母線とのそれぞれに接続される複数の交流き電回路に共通に前記Ｍ座と前記Ｔ座のいずれか一方のき電を供給する運用とを切り替えて行う電源供給方式に適用される過電流検出装置であって、前記Ｍ座母線と前記Ｔ座母線とにそれぞれき電を供給する各２次回線および前記複数の交流き電回路の各電流のベクトル和を求める電流合成器と、前記電流合成器でのベクトル合成結果のスカラー量を監視し、前記き電用変圧器の２次側での事故発生の有無を判別する過電流要素とを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、電流合成器でのベクトル合成電流は、定常負荷状態と、き電用変圧器の２次側故障時とで大きく異なるので、過電流要素は、き電用変圧器の２次側での事故発生を確実に判別することができる。そして、この動作は、母線タイ用開閉器の開状態／閉状態と無関係に行える。つまり、母線タイ用開閉器の開状態／閉状態と無関係に、き電用変圧器の２次側故障を確実に検出できる過電流検出装置が得られる。したがって、き電用変圧器の２次側故障時に、上位側過電流継電器が、き電回路の負荷電流で誤動作せず、き電用変圧器の２次側故障時の事故電流で確実に動作できるようにすることができるという効果を奏する。

図１は、この発明の実施の形態１による過電流検出装置を備える電気鉄道用の交流き電系統の構成を示す系統図である。 図２は、この発明の実施の形態２による過電流検出装置を備える電気鉄道用の交流き電系統の構成を示す系統図である。

以下に図面を参照して、この発明にかかる過電流検出装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による過電流検出装置を備える電気鉄道用の交流き電系統の構成を示す系統図である。

図１において、電力会社が供給する三相電源１は、遮断器１１を介してき電用変圧器２の１次側に供給される。き電用変圧器２は、３相−２相変換用のスコット変圧器やウッドブリッジ変圧器であり、電力会社から受電する３相電源１を位相差９０度の単相二相電源であるＭ座とＴ座とに変換する。

き電用変圧器２の２次側では、Ｍ座電源出力端が断路器１３、２次回線３を介してＭ座母線５に接続され、Ｔ座電源出力端が断路器１４、２次回線４を介してＴ座母線６に接続される。そして、Ｍ座母線５とＴ座母線６との間は、母線タイ用断路器１２を介して接続される。

図示例では、Ｍ座母線５に、遮断器１７，１８を介して交流き電回路であるき電回線７，８が接続されている。また、Ｔ座母線６に、遮断器１９，２０を介して交流き電回路であるき電回線９，１０が接続されている。

このような交流き電回路に電源を供給する電力系統において、この実施の形態１では、変流器２３，２４，２７，２８，２９，３０と、過電流検出装置４０ａとを設けてある。

変流器２３，２４は２次回線３，４のそれぞれに設けてある。変流器２７，２８はＭ座母線５と遮断器１７，１８との接続回線のそれぞれに設けてある。変流器２９，３０はＴ座母線６と遮断器１９，２０との接続回線のそれぞれに設けてある。

過電流検出装置４０ａは、電流合成器４１と、過電流検出要素４２とを備えている。電流合成器４１は、変流器２３，２４，２７，２８，２９，３０それぞれの検出電流Ｉ_Ｍ，Ｉ_Ｔ，Ｉ_１１，Ｉ_１２，Ｉ_１３，Ｉ_１４をベクトル合成し、そのベクトル合成結果を過電流検出要素４２に出力する。過電流検出要素４２は、入力されるベクトル合成結果のスカラー量から過電流の発生有無を検出する。

次に、動作について説明する。系統状態が分離状態（母線タイ用断路器１２が開状態、Ｍ座用の断路器１３とＴ座用の断路器１４が共に閉状態）である場合には、Ｍ座電流Ｉ_Ｍとき電回線電流Ｉ_１１，Ｉ_１２とのベクトル和をとると、定常負荷状態においては、常に式（１）が成立する。また、Ｔ座電流Ｉ_Ｔとき電回線電流Ｉ_１３，Ｉ_１４とのベクトル和をとると、定常負荷状態においては、常に式（２）が成立する。
Ｉ_Ｍ＋Ｉ_１１＋Ｉ_１２＝０ …（１）
Ｉ_Ｔ＋Ｉ_１３＋Ｉ_１４＝０ …（２）

また、系統状態が結合状態（母線タイ用断路器１２が閉状態、Ｍ座用の断路器１３とＴ座用の断路器１４の一方が開状態、他方が閉状態（ここでは、Ｍ座用の断路器１３が閉状態でＴ座用の断路器１４が開状態とする））である場合には、結合した母線に流れる負荷電流のベクトル和をとると、定常負荷状態においては、常に式（３）が成立する。このとき、Ｔ座電流Ｉ_Ｔは式（４）となる。
Ｉ_Ｍ＋Ｉ_１１＋Ｉ_１２＋Ｉ_１３＋Ｉ_１４＝０ …（３）
Ｉ_Ｔ＝０ …（４）

上記の４つの式から、母線タイ用断路器１２が開状態と閉状態のいずれであっても、つまり、系統の状態が分離時であるか結合時であるかを問わず、定常負荷状態でのＭ座電流Ｉ_ＭおよびＴ座電流Ｉ_Ｔと、負荷電流Ｉ_１１，Ｉ_１２，Ｉ_１３，Ｉ_１４とのベクトル和は、常に次式（５）で示される。
Ｉ_Ｍ＋Ｉ_Ｔ＋Ｉ_１１＋Ｉ_１２＋Ｉ_１３＋Ｉ_１４＝０ …（５）

電流合成器４１は、変流器２３，２４，２７，２８，２９，３０それぞれの検出電流Ｉ_Ｍ，Ｉ_Ｔ，Ｉ_１１，Ｉ_１２，Ｉ_１３，Ｉ_１４をベクトル合成する。定常負荷状態においては、負荷電流にインラッシュ電流が含まれていても、式（５）に示すように、ベクトル和はゼロである。これが、過電流検出要素４２の入力状態であるので、過電流検出要素４２は、出力を“０”レベルにし、上位側過電流継電器にき電用変圧器２の２次側は健全であることを通知する。

したがって、定常負荷状態においては、上位側過電流継電器が、誤って遮断器１１，１７，１８，２０をトリップさせる誤動作をしないように抑制できる。

一方、き電用変圧器２の２次回線３において事故が発生した場合、２次回線３に事故電流が流れるので、電流合成器４１で行われるベクトル合成の結果はゼロにならず、ある値を持つ。このときのベクトル合成電流をＩ_Ｆとすれば、そのスカラー量は、常に、
｜Ｉ_Ｆ｜＞０ …（６）
となる。き電回線７，８，９，１０は正常であるので、ベクトル合成電流Ｉ_Ｆのスカラー量がゼロではなく、ある値を持つ場合、その原因はき電用変圧器２の２次側において事故が発生したことによると考えることができる。

そこで、過電流検出要素４２は、入力されたベクトル合成電流Ｉ_Ｆのスカラー量がゼロではなく、ある値を持つ場合は、出力を“１”レベルにし、上位側過電流継電器にき電用変圧器２の２次側において事故が発生したことを通知する。これによって、上位側過電流継電器は、正しく遮断器１１，１７，１８，１９，２０をトリップさせる動作を確実に行うことができる。

以上のように実施の形態１による過電流検出装置は、電流合成器のベクトル合成出力が定常負荷状態と、き電用変圧器２の２次側故障時とで大きく異なることを利用しているので、母線タイ用断路器の開状態／閉状態と無関係に、き電用変圧器の２次側故障を確実に検出して、上位側過電流継電器に通知することできる。

したがって、き電用変圧器の２次側故障時に、上位側過電流継電器を、き電回路のインラッシュ電流を含む負荷電流で動作せず、き電用変圧器の２次側故障時の事故電流で確実に動作させることのできる過電流検出装置が得られる。

実施の形態２．
図２は、この発明の実施の形態２による過電流検出装置を備える電気鉄道用の交流き電系統の構成を示す系統図である。なお、図２では、図１（実施の形態１）に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態２に関わる部分を中心に説明する。

図２に示すように、この実施の形態２による過電流検出装置４０ｂは、図１（実施の形態１）に示した構成において、２つの過電流検出部４３，４４と、ＯＲ回路４５と、ＡＮＤ回路４６とが追加されている。

過電流検出部４３は、変流器２３が検出する２次回線３を流れるＭ座電流Ｉ_Ｍが所定値を超えるとき過電流検出として出力を“１”レベルにする。

過電流検出部４４は、変流器２４が検出する２次回線４を流れるＴ座電流Ｉ_Ｔが所定値を超えるとき過電流検出として出力を“１”レベルにする。

ＯＲ回路４５は、過電流検出部４３，４４の出力状態をＡＮＤ回路４６の一方の入力端子に出力する。ＡＮＤ回路４６の一方の入力端子には、過電流検出要素４２の出力が入力される。

すなわち、実施の形態１と同様の原理で動作する過電流検出要素４２の出力をメイン要素とし、き電用変圧器２の２次回線３，４それぞれに設ける過電流検出部４３，４４の判定結果をストッパー要素とし、メイン要素のみでは過電流検出を上位側過電流継電器に通知せず、ストッパー要素とのＡＮＤ条件成立によって過電流検出を上位側過電流継電器に通知する構成である。

これによって、実施の形態１よりも一層確実に、き電用変圧器２の２次側故障時に、上位側過電流継電器を、インラッシュ電流を含む負荷電流では動作せず、き電用変圧器２の２次側故障時の事故電流で確実に動作させることのできる過電流検出装置を得ることができる。

以上のように、この発明にかかる過電流検出装置は、電気鉄道用の交流き電回路に電源を供給する電力系統の上位側過電流継電器を、き電用変圧器の２次側故障時に、き電回路の負荷電流では誤動作せず、き電用変圧器の２次側故障時の事故電流で確実に動作させ得る過電流検出装置として有用である。

１ 電力会社が供給する三相電源
２ き電変圧器
３，４ ２次回線
５ Ｍ座母線
６ Ｔ座母線
７，８，９，１０ き電回線（交流き電回路）
１１，１３，１４ 断路器
１２ 母線タイ用断路器
１７，１８，１９，２０ 遮断器
２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０ 変流器
４０ａ，４０ｂ 過電流検出装置
４１ 電流合成器
４２ 過電流検出要素
４３，４４ 過電流検出部
４５ ＯＲ回路
４６ ＡＮＤ回路

Claims (4)

1. ３相電源をＭ座とＴ座の単相２相電源に変換するき電用変圧器の前記Ｍ座のき電を受電するＭ座母線と前記Ｔ座のき電を受電するＴ座母線との間に母線タイ用開閉器が設けられ、前記母線タイ用開閉器を開成して前記Ｍ座母線と前記Ｔ座母線とのそれぞれに接続される複数の交流き電回路に個別に対応するき電を供給する運用と、前記母線タイ用開閉器を閉成して前記Ｍ座母線と前記Ｔ座母線とのそれぞれに接続される複数の交流き電回路に共通に前記Ｍ座と前記Ｔ座のいずれか一方のき電を供給する運用とを切り替えて行う電源供給方式に適用される過電流検出装置であって、
   前記Ｍ座母線と前記Ｔ座母線とにそれぞれき電を供給する各２次回線および前記複数の交流き電回路の各電流のベクトル和を求める電流合成器と、
   前記電流合成器でのベクトル合成結果のスカラー量を監視し、前記き電用変圧器の２次側での事故発生の有無を判別する過電流要素と、
   を備えたことを特徴とする過電流検出装置。
2. 前記き電用変圧器の２次回線の電流を監視し、該電流が事故電流であるか否か判定する過電流検出部と、
   前記過電流検出要素が前記き電用変圧器の２次側での事故発生と判断し、かつ前記過電流検出部が前記き電用変圧器の２次回線の電流を事故電流であると判断したとき、前記き電用変圧器の２次側での事故発生を示す信号を出力する論理回路と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の過電流検出装置。
3. ３相電源をＭ座とＴ座の単相２相電源に変換するき電用変圧器の前記Ｍ座のき電を受電するＭ座母線と前記Ｔ座のき電を受電するＴ座母線との間に母線タイ用開閉器が設けられ、前記母線タイ用開閉器を開成して前記Ｍ座母線と前記Ｔ座母線とのそれぞれに接続される複数の交流き電回路に個別に対応するき電を供給する運用と、前記母線タイ用開閉器を閉成して前記Ｍ座母線と前記Ｔ座母線とのそれぞれに接続される複数の交流き電回路に共通に前記Ｍ座と前記Ｔ座のいずれか一方のき電を供給する運用とを切り替えて行う電源供給方式における過電流検出方法であって、
   前記Ｍ座母線と前記Ｔ座母線とにそれぞれき電を供給する各２次回線および前記複数の交流き電回路の各電流のベクトル和を求める第１の工程と、
   前記第１の工程でのベクトル合成結果のスカラー量を監視し、前記き電用変圧器の２次側での事故発生の有無を判別する第２の工程と、
   を含むことを特徴とする過電流検出方法。
4. 前記き電用変圧器の２次回線の電流を監視し、該電流が事故電流であるか否か判定する第３の工程と、
   前記第２の工程にて前記き電用変圧器の２次側での事故発生が判断され、かつ前記第３の工程にて電用変圧器の２次回線の電流を事故電流であると判断されたとき、前記き電用変圧器の２次側での事故発生を示す信号を出力する第４の工程と、
   を含むことを特徴とする請求項３に記載の過電流検出方法。

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