JP2011101453A - 保護リレーシステムの評価方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】変流器が飽和していたとしても全体として保護リレー動作が健全であるか否かを容易に評価できるようにすることである。
【解決手段】電力電線に流れる電流を検出する変流器１５で検出された電流を保護リレー１６に入力し、事故判定を行い事故であると判定したときは動作信号をトリップ回路１７に出力し、トリップ回路１７からのトリップ指令により遮断器１３ｄを開放する保護リレーシステムの変流器１５が最大事故電流に対して飽和する特性を有したものであるとき、最大事故電流に対し変流器１５が飽和したときの変流器１５の検出信号を模擬した模擬飽和事故電流を保護リレー１６に入力し、保護リレー１６に模擬飽和事故電流を入力してからトリップ回路１７からトリップ指令が出力されるまでの動作時間を計測し、動作時間が予め定めた所定時間以内であるときは保護リレーシステムは健全であると評価する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、変流器で検出された電流を保護リレーに入力して事故判定を行い、トリップ回路からトリップ指令を遮断器に出力して保護動作を行う保護リレーシステムの評価方法及び装置に関する。

一般に、保護リレーシステムは、送電線や配電線等の電力電線の電気量（電圧や電流）を計器用変成器（計器用変圧器、計器用変流器）で検出して保護リレーに入力し、保護リレーで事故判定演算を行って事故であるときはトリップ回路を介して遮断器にトリップ指令を出力するものである。

図５は、補償リアクトルを電流差動継電方式で保護する保護リレーシステムの一例を示す構成図である。電力ケーブル１１は、電力系統の母線１２ａ、１２ｂに断路器１３ａ、１３ｂで切り替えられて、遮断器１３ｃを介して接続されている。この電力ケーブル１１には、電力ケーブル１１の充電電流を補償するための補償リアクトル１４が接続されている。この補償リアクトル１４は遮断器１３ｄを介して電力ケーブル１１に接続され、この補償リアクトル１４が接続された補償リアクトル接続回路には、補償リアクトル１４を挟んで一対の変流器１５ａ、１５ｂが設けられている。

そして、変流器１５ａ、１５ｂで検出された電流は保護リレー１６に入力され、保護リレー１６は、変流器１５ａ、１５ｂで検出された電流に基づいて、補償リアクトル接続回路の事故判定を行い、事故であると判定したときは動作信号をトリップ回路１７に出力する。トリップ回路１７は保護リレー１６の動作信号を入力し遮断器１３ｄにトリップ指令を出力する。これにより、補償リアクトル接続回路の短絡や地絡を検出したときは、補償リアクトル接続回路を電力ケーブル１１から切り離すようにしている。

ここで、計器用変成器である変流器１５ａ、１５ｂが磁気飽和すると、電力電線の電気量を正しく保護リレー１６に入力することができないので、保護リレー１６は正しい事故判定演算を行うことができなくなり、誤動作または誤不動作となることがある。そこで、変流器１５ａ、１５ｂは、補償リアクトル接続回路の事故時に流れる最大事故電流に対して磁気飽和しないものを選定することが必要となる。

保護リレーとして、電流作動保護継電器と過電流継電器とを組み合わせて、カレントトランスの磁束の飽和による誤動作対策を施した電流差動保護継電方式の母線保護継電装置がある（例えば、特許文献１参照）。また、電流作動保護継電器と変流器の飽和を検出する回路とを組合せ、直流成分が変流器に残留することによる不要動作を防止できるようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。

特開平８−１１６６２３号公報 特開平１０−３２２８９１号公報

しかし、事故時に流れる最大事故電流に対して磁気飽和しない変流器を選定していたとしても、電力ケーブル１１の背後の母線１２ａ、１２ｂに接続される電源構成の変化により電源容量が変化したとき、保護対象区間の電力電線の事故時に流れる最大事故電流が変化する。これに伴い、保護リレーシステムの変流器が補償リアクトル接続回路の事故時に流れる最大事故電流に対して飽和する特性となることがある。

例えば、図５の補償リアクトル１４の高圧側で事故が発生した際に、変流器１５ａが飽和すると、保護リレー１６が動作できない懸念がある。もし、保護リレー１６が動作しないと、後備保護により遮断器１３ｃが遮断されることになり、電力ケーブル１１に繋がる回線が停電する。また、後備保護による遮断となるので事故除去時間が遅延し、瞬時電圧低下の影響エリアが拡大する。さらには、事故除去遅延による補償リアクトル１４の絶縁油タンク破壊が発生すると噴油や火災が発生することになり、人身災害も懸念される。そのような場合には、飽和を起こさない規格の変流器に取り替えすることが必要となる。

一方、変流器が電力電線に流れる最大事故電流に対して飽和する特性を有したものであっても、保護リレー１６は適正に動作する可能性があり、そのような場合にまで、変流器を取り替えする必要はない。

本発明の目的は、変流器が飽和していたとしても全体として保護リレー動作が健全であるか否かを容易に評価できる保護リレーシステムの評価方法及び装置を提供することである。

請求項１の発明に係わる保護リレーシステムの評価方法は、電力電線に流れる電流を検出する変流器と、前記変流器で検出された電流を入力して事故判定を行い事故であると判定したときは動作信号を出力する保護リレーと、前記保護リレーの動作信号を入力しトリップ指令を遮断器に出力するトリップ回路とを備えた保護リレーシステムの前記変流器が前記電力電線に流れる最大事故電流に対して飽和する特性を有したものであるとき、前記最大事故電流に対し前記変流器が飽和したときの前記変流器の検出信号を模擬した模擬飽和事故電流を前記保護リレーに入力し、前記保護リレーに模擬飽和事故電流を入力してから前記トリップ回路からトリップ指令が出力されるまでの動作時間を計測し、前記動作時間が予め定めた所定時間以内であるときは前記保護リレーシステムは健全であると評価することを特徴とする。

請求項２の発明に係わる保護リレーシステムの評価装置は、電力電線に流れる電流を検出する変流器と、前記変流器で検出された電流を入力して事故判定を行い事故であると判定したときは動作信号を出力する保護リレーと、前記保護リレーの動作信号を入力しトリップ指令を遮断器に出力するトリップ回路とを備えた保護リレーシステムの前記変流器が前記電力電線に流れる最大事故電流に対して飽和する特性を有したものであるとき、前記最大事故電流に対し前記変流器が飽和したときの前記変流器の検出信号を模擬し前記保護リレーに模擬飽和事故電流として出力する模擬手段と、前記トリップ回路がトリップ指令を出力したことを確認するトリップ指令出力確認手段と、前記模擬手段から前記保護リレーに前記模擬飽和事故電流を出力してから前記トリップ指令出力確認手段が前記トリップ回路がトリップ指令を出力したことを確認するまでの動作時間を計測する動作時間測定手段と、前記動作時間測定手段で測定された動作時間が予め定めた規定時間以内であるときは前記保護リレーシステムは健全であると判定する判定手段とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、最大事故電流に対し変流器が飽和したときの模擬飽和事故電流を保護リレーに入力し、保護リレー及びトリップ回路の動作時間を計測し、その動作時間が予め定めた所定時間以内であるときは保護リレーシステムは健全であると評価するので、変流器が電力電線に流れる最大事故電流に対して飽和する特性を有したものであっても、全体として保護リレー動作が健全であるか否かを容易に評価できる。従って、不必要な変流器の取り替えが軽減できる。

本発明の実施の形態に係わる保護リレーシステムの評価方法の内容を示すフローチャート。 図５に示した補償リアクトル接続回路の変流器１５が最大事故電流に対して飽和する特性を有する場合の変流器の一次側電圧及び二次側電流の一例を示す特性図。 図２に示した変流器の二次側電流を保護リレーに入力したときの保護リレー及びトリップ回路の動作状態を示すタイムチャート。 本発明の実施の形態に係わる保護リレーシステムの評価装置の構成図。 補償リアクトルを電流差動継電方式で保護する保護リレーシステムの一例を示す構成図。

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保護リレーシステムの評価方法の内容を示すフローチャートである。まず、電力電線に流れる電流を検出する変流器１５は、最大事故電流で飽和しない規格を有するか否かを判定する（Ｓ１）。最大事故電流で飽和しない規格を有する場合には、保護リレーシステムは健全であると評価する（Ｓ２）。これは、本発明の実施の形態では、保護リレーシステムの変流器１５が電力電線に流れる最大事故電流に対して飽和する特性を有したものを対象とするからである。保護リレーシステムの変流器１５が電力電線に流れる最大事故電流に対して飽和するか否かは、電力ケーブル１１の背後の母線１２ａ、１２ｂに接続される電源容量（短絡容量）を考慮に入れて判定することになる。

次に、ステップＳ１の判定で、変流器１５が電力電線に流れる最大事故電流に対して飽和するものであるときは、変流器１５に最大事故電流が流れたときの二次側電流を求める（Ｓ３）。これは、シミュレータで求めるが、最大事故電流が流れたときの実測値で求めてもよい。

次に、変流器１５に最大事故電流が流れたときの二次側電流を模擬飽和事故電流として保護リレー１６に入力する（Ｓ４）。そして、保護リレー１６に模擬飽和事故電流を入力してからトリップ回路１７からトリップ指令が出力されるまでの動作時間を測定し（Ｓ５）、その動作時間は予め定めた所定時間以内か否かを判定する（Ｓ６）。所定時間は、最大事故電流で飽和しない規格を有する変流器１５で検出した検出信号を保護リレー１６に入力した場合に許容できる動作時間に設定する。

動作時間が所定時間以内であるときは、最大事故電流で飽和しない規格を有する変流器１５で検出した検出信号で保護リレー１６が動作したときと同等であるので、保護リレーシステムは健全であると評価する（Ｓ２）。一方、動作時間が所定時間以内でないときは、変流器１５の取り替えが必要であると評価する（Ｓ７）。これは、保護リレーシステム全体として見た場合に健全な動作をしていないと判断できるからである。

図２は、図５に示した補償リアクトル接続回路の変流器１５が最大事故電流に対して飽和する特性を有する場合の変流器１５の一次側電圧及び二次側電流の一例を示す特性図である。図２では時刻０［ｍｓ］で補償リアクトル接続回路に最大事故電流の三相短絡事故が発生した場合を示している。なお、この特性はシミュレータで発生させたものである。

時刻０［ｍｓ］以前の三相短絡事故発生前においては、補償リアクトル接続回路には電力ケーブル１１の三相電圧が印加されているので、変流器１５の一側電圧は電力ケーブル１１の三相電圧（Ｕ、Ｖ、Ｗ）である。また、補償リアクトル１４には電力ケーブル１１の充電電流を補償するための無効電流が流れているが、その値は小さいので図２では０で示している。

時刻０［ｍｓ］で補償リアクトル接続回路に三相短絡事故が発生すると、三相短絡であることから変流器１５の一側電圧は０となる。一方、変流器１５の三相の二次側電流（Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ）は、三相短絡事故が発生したときに直流成分が重畳するとともに、変流器１５が最大事故電流に対して飽和する特性を有することから、各相の二次側電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは、直流成分が重畳した波形となり、しかも変流器１５の飽和により０となる区間がある。例えば、１サイクル目において、二次側電流Ｉｕは時点ｔ１〜ｔ３、二次側電流Ｉｖはｔ３〜ｔ５、二次側電流Ｉｗはｔ２〜ｔ４で０となる。

一方、各相の二次側電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは、変流器１５の飽和により０となる区間があるが、０以外の値を示す区間もあることから、保護リレー１６がこの０以外の値に基づいて事故判定できれば、保護リレーシステム全体としてみた場合には、補償リアクトル接続回路に三相短絡事故に対して健全に動作できることになる。

図３は、図２に示した変流器１５の二次側電流を保護リレー１６に入力したときの保護リレー１６及びトリップ回路１７の動作状態を示すタイムチャートである。図３に示すように、保護リレー１６は三相短絡事故が発生した時刻０［ｍｓ］の直後に事故電流が発生したことを検出している。すなわち、変流器１５が飽和までの数ミリ秒の０以外の電流値で事故が発生したことを検出している。そして、時刻２０［ｍｓ］の直線の時刻ｔａで保護リレー１６は動作信号をトリップ回路１７に出力しており、トリップ回路１７は時刻３０［ｍｓ］の直前の時刻ｔｂでトリップ指令を遮断器１３ｄに出力している。

通常、事故が発生してから保護リレー１６が２０［ｍｓ］以内に動作し、３０［ｍｓ］以内にトリップ回路１７からトリップ指令が遮断器１３ｄに出力できれば、保護リレーシステムとしては健全である。つまり、この３０［ｍｓ］が所定時間として設定されることになり、この場合は、その所定時間を満たしているので、変流器１５が最大事故電流に対して飽和する場合であっても保護リレーシステム全体としてみた場合には、健全であると評価することになる。

図４は本発明の実施の形態に係わる保護リレーシステムの評価装置の構成図である。本発明の実施の形態に係わる保護リレーシステムの評価装置は、例えば、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）等のコンピュータで構成される。コンピュータは、各種データを記憶する記憶装置１８、保護リレーシステムの評価のための各種演算を行う演算制御装置１９、保護リレーシステムの評価のための各種データや指令を入力するとともに演算制御装置１９の演算結果を表示出力する入出力装置２０で構成される。

記憶装置１８には、対象となる電力系統に関する情報、例えば、電力ケーブル１１の定格電圧、電力ケーブル１１の背後の母線１２ａ、１２ｂに接続される電源構成、その短絡容量、対象となる電力系統に設置された変流器１５の規格、保護リレー１６の種類や特性、トリップ回路１７の特性、遮断器１３ｄの種類や特性等の情報が予め記憶される。これら情報は入出力装置２０から入力される。

保護リレーシステムの評価にあたっては、演算制御装置１９は、記憶装置に記憶された情報に基づき、変流器１５が電力電線に流れる最大事故電流に対して飽和する特性を有するものであるか否かを判定する。そして、最大事故電流に対して飽和する特性を有するものであるときは模擬手段２１を起動する。

模擬手段２１は、事故発生前後の電力系統の状態や、最大事故電流に対し変流器１５が飽和したときの変流器１５の検出信号（二次側電流）を模擬する。そして、模擬した変流器１５の二次側電流を保護リレー１６に模擬飽和事故電流として出力するとともに、保護リレー１６に模擬飽和事故電流を出力した時点を動作時間測定手段２２に通知する。動作時間測定手段２２は、模擬手段２１が保護リレー１６に模擬飽和事故電流を出力した時点からの時間をカウント開始する。この場合、必要に応じて入出力装置２０に図２に示すような模擬波形を表示するようにしてもよい。

トリップ指令出力確認手段２３は、トリップ回路１７からトリップ指令が出力されたことを確認するものであり、トリップ回路１７からトリップ指令を入力した時点を動作時間測定手段２２に通知する。動作時間測定手段２２は、トリップ回路１７からトリップ指令を入力した時点で時間のカウントを終了し、保護リレー１６に模擬飽和事故電流を出力してからトリップ回路１７がトリップ指令を出力するまでの動作時間を計測する。この計測された動作時間は記憶装置１８に記憶される。また、必要に応じて入出力装置２０に図３に示すような模擬波形を表示するようにしてもよい。

そして、判定手段２４は、計測した動作時間が予め定めた規定時間以内であるか否かを判定し、規定時間以内であるときは保護リレーシステムは健全であると判定し、その判定結果を入出力装置に表示する。

以上の説明では、保護リレー１６に模擬飽和事故電流を出力してからトリップ回路１７がトリップ指令を出力するまでの動作時間を計測するようにしたが、遮断器１３ｄが開放するまでの時間を計測するようにしてもよい。

このように、本発明の実施の形態によれば、変流器１５、保護リレー１６、トリップ回路１７、遮断器１３ｄまでを一つの保護リレーシステムとして考え、変流器１５が最大事故電流に対して飽和する特性を有したものであったとしても、その変流器１５単体の能力不足を全体でカバーできるか否かを評価できるので、不必要な変流器１５の取り替えを抑制できる。

すなわち、現段階では、能力不足となっていない変流器についても、将来の電源構成の変更により短絡容量増大により飽和に至る可能性があるが、その際にも、変流器１５を含んだ保護リレーシステム全体の評価を行うことができる。

１１…電力ケーブル、１２…母線、１３…断路器または遮断器、１４…補償リアクトル、１５…変流器、１６…保護リレー、１７…トリップ回路、１８…記憶装置、１９…演算制御装置、２０…入出力装置

Claims (2)

1. 電力電線に流れる電流を検出する変流器と、前記変流器で検出された電流を入力して事故判定を行い事故であると判定したときは動作信号を出力する保護リレーと、前記保護リレーの動作信号を入力しトリップ指令を遮断器に出力するトリップ回路とを備えた保護リレーシステムの前記変流器が前記電力電線に流れる最大事故電流に対して飽和する特性を有したものであるとき、前記最大事故電流に対し前記変流器が飽和したときの前記変流器の検出信号を模擬した模擬飽和事故電流を前記保護リレーに入力し、前記保護リレーに模擬飽和事故電流を入力してから前記トリップ回路からトリップ指令が出力されるまでの動作時間を計測し、前記動作時間が予め定めた所定時間以内であるときは前記保護リレーシステムは健全であると評価することを特徴とする保護リレーシステムの評価方法。
2. 電力電線に流れる電流を検出する変流器と、前記変流器で検出された電流を入力して事故判定を行い事故であると判定したときは動作信号を出力する保護リレーと、前記保護リレーの動作信号を入力しトリップ指令を遮断器に出力するトリップ回路とを備えた保護リレーシステムの前記変流器が前記電力電線に流れる最大事故電流に対して飽和する特性を有したものであるとき、前記最大事故電流に対し前記変流器が飽和したときの前記変流器の検出信号を模擬し前記保護リレーに模擬飽和事故電流として出力する模擬手段と、前記トリップ回路がトリップ指令を出力したことを確認するトリップ指令出力確認手段と、前記模擬手段から前記保護リレーに前記模擬飽和事故電流を出力してから前記トリップ指令出力確認手段が前記トリップ回路がトリップ指令を出力したことを確認するまでの動作時間を計測する動作時間測定手段と、前記動作時間測定手段で測定された動作時間が予め定めた規定時間以内であるときは前記保護リレーシステムは健全であると判定する判定手段とを備えたことを特徴とする保護リレーシステムの評価装置。

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