JP2011114981A - 保護継電装置およびその電源部の劣化診断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の保護継電装置のハードウェア構成を変更することなく、ソフトウェアの変更のみで、容易に保護継電装置の電源部の劣化を診断することが可能な保護継電装置およびその電源部の劣化診断方法を提供すること。
【解決手段】保護継電装置は、電源部１に入力される一次側電源電圧２と電源部１から出力される二次側電源電圧６の監視を行っている。電源部１には電圧平滑化のためコンデンサが使用されているため、一次側電源電圧２の入力断検出後も二次側電源電圧６は正常値の電圧を出力する。一次側電源電圧入力断検出から二次側電源電圧値の異常発生までの時間を計測し、この計測時間の長短によりコンデンサの劣化、すなわち電源部１の劣化を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力系統において用いられる保護継電装置、および保護継電装置の電源部の劣化診断方法に関するものである。

電力系統の異常検出に使用される保護継電装置は、例えば２０年という長期にわたり使用される。また、保護継電装置に内蔵の電源には、電圧の平滑用として大容量のアルミニウム電解コンデンサが使用されているが、その寿命は周囲温度と通電時間により大幅に変わることが知られている。

保護継電装置の信頼性向上のためには、アルミニウム電解コンデンサの寿命を予測し、適切な時期に部品を交換することが必要となる。そのため、これまでも様々なアルミニウム電解コンデンサの寿命予測手法が提案されてきた。例えば、正常なコンデンサと比較し劣化したコンデンサでは電源投入から所定電圧に達するまでの時間が異なる点を利用し、装置電源投入後、出力電圧が所定電圧レベルに達するまでの時間を測定し、正常時の測定時間と比較して測定時間が長くなった場合には、アルミニウム電解コンデンサが劣化したと診断することができる（例えば、特許文献１を参照。）。

特開２００５-３２１２０３号公報（図２）

従来の保護継電装置におけるアルミニウム電解コンデンサの劣化診断は、電源投入後、出力電圧が所定電圧レベルに達するまでの時間を測定するため、電圧の経時変化を記録する記録計やオシロスコープ等を用いる必要があり、保護継電装置のみでは診断ができず、手間がかかり容易に診断することができなかった。

この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、従来の保護継電装置のハードウェア構成を変更することなく、ソフトウェアの変更のみで、容易に保護継電装置の電源部の劣化を診断することが可能な保護継電装置およびその電源部の劣化診断方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る保護継電装置は、装置外部から供給される一次側電源電圧を装置本体で使用される二次側電源電圧に変換する電源部を備えた保護継電装置において、前記電源部は、コンデンサを内蔵して前記一次側電源電圧を前記二次側電源電圧に変換する電圧変換部と、前記一次側電源電圧を監視する一次電源監視部と、前記二次側電源電圧を監視する二次電源監視部と、前記一次電源監視部の出力信号と前記二次電源監視部の出力信号とが入力され、前記一次側電源電圧を供給する一次側電源の遮断後、前記一次電源監視部の出力信号が第１の閾値電圧まで低下して電源断が検出された時刻から前記二次電源監視部の出力信号が第２の閾値電圧まで低下して電源断が検出された時刻までの時間差を計測する時間計測部と、この時間計測部により計測された前記時間差と電源劣化の判定基準値との比較結果に基づき前記電源部の劣化の判定を行う判定演算部と、を備える、ことを特徴とする。

この発明によれば、従来の保護継電装置のハードウェア構成を変更することなく、ソフトウェアの変更のみで、容易に保護継電装置の電源部の劣化を診断することができる。

図１は、実施の形態１に係る保護継電装置の電源部の構成を示すブロック図である。 図２は、電圧変換部の内部構成の一例を示す図である。 図３は、電源劣化の判定方法を説明するための図である。 図４は、実施の形態２に係る保護継電装置の電源部１の構成を示すブロック図である。 図５は、実施の形態３に係る保護継電装置の電源部１の構成を示すブロック図である。

以下に、本発明に係る保護継電装置およびその電源部の劣化診断方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。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、本実施の形態に係る保護継電装置の電源部１の構成を示すブロック図である。保護継電装置は、電力系統内において事故電流を検出し系統内装置を保護するために使用される。本実施の形態の保護継電装置は、例えばディジタル型である。なお、図１では、保護継電装置を構成する電源部１以外の構成要素を省略している。

電源部１は、この電源部１に入力される一次側電源電圧２を保護継電装置内で使用する所定電圧に変換し二次側電源電圧６として出力する電圧変換部３と、一次側電源電圧２を監視する一次電源監視部４と、電圧変換部３から出力される二次側電源電圧６を監視する二次電源監視部５と、一次電源監視部４の出力信号と二次電源監視部５の出力信号とが入力され、一次側電源遮断後、一次電源監視部４の出力信号から検出された電源断の時刻と二次電源監視部５の出力信号から検出された電源断の時刻との時間差を計測する時間計測部７と、この時間計測部７により計測された時間計測値を記憶する記憶部８と、時間計測部７にて計測された時間計測値に基づき電源部１の寿命劣化を判定するとともにその判定結果を保護継電装置外部へ外部出力信号１０として出力する判定演算部９と、を備えて構成される。

電圧変換部３は、後述するように電圧平滑化のためのコンデンサ（図２参照）を有する。また、一次側電源電圧２は、図示しない一次側電源により供給され、二次側電源電圧６は、図示しない保護継電装置本体に供給される。

図２は、電圧変換部３の内部構成の一例を示す図である。図２に示すように、電圧変換部３は、交流である一次側電源電圧２を受けて所定の電圧レベルの交流電圧に変換するトランス部２０と、このトランス部２０の出力する交流電圧を直流電圧に変換する整流回路部２１と、この整流回路部２１により生成された直流電圧を充電して二次側電源電圧６として出力するコンデンサ２２と、を有する。コンデンサ２２は、例えばアルミニウム電解コンデンサである。なお、図２は、電圧変換部３の構成の一例を示すものであり、本実施の形態はこの構成例に限定されない。

次に、本実施の形態の動作について図１〜図３を参照して説明する。図３は、電源劣化の判定方法を説明するための図である。図１に示すように、電圧変換部３に入力される一次側電源電圧２は、常時規定電圧を保っているかどうか一次電源監視部４にて監視されており、その監視結果（一次電源監視部４の出力信号）は時間計測部７に出力される。また、電圧変換部３から出力される二次側電源電圧６も同様に、常時規定電圧を保っているかどうか二次電源監視部５にて監視されており、その監視結果（二次電源監視部５の出力信号）は時間計測部７に出力される。

時間計測部７は、装置電源を切断する際、すなわち一次側電源の遮断時に、一次電源監視結果が異常となってから、二次電源監視結果が異常となるまでの時間を計測する。すなわち、一次側電源が遮断されると、一次電源監視部４の出力信号は直ちに０に減少するが、二次電源監視部５の出力信号は、電圧変換部３に含まれるコンデンサ２２の作用により、その後しばらく規定電圧を保った後に減少する。一次電源監視部４は、一次側電源電圧２が低下しその規定電圧との関係で決まる第１の閾値電圧に達した時に異常検出（すなわち、電源断検出）する。また、二次電源監視部５は、二次側電源電圧６が低下しその規定電圧との関係で決まる第２の閾値電圧に達した時に異常検出（すなわち、電源断検出）する。

このように、時間計測部７は、放電時間を計測し、一次電源監視部４の出力信号が第１の閾値電圧以下となって異常が検出された時（すなわち、一次電源監視部４の出力信号において電源断が観測された時）から、二次電源監視部５の出力信号が第２の閾値電圧以下となって異常が検出された時（すなわち、二次電源監視部５の出力信号において電源断が観測された時）までの時間Ｔを計測する。時間計測部７により計測された時間計測値は、記憶部８にて保持される。

判定演算部９は、装置電源遮断後、再度装置電源が投入されると、記憶部８に保持されている時間計測部値を読みとり、その値が電源劣化に相当するか否かの判定処理を行い、その判定結果を外部出力信号１０として保護継電装置外に出力する。

ここで、電源劣化の判定法について、図３を参照して詳細に説明する。電圧変換部３に含まれるコンデンサ２２の劣化は、一次側電源の遮断後、一次電源監視結果が異常となってから二次電源監視結果が異常となるまでの時間Ｔの長短によって判定することができる。コンデンサ２２が劣化すると、その容量が減少し、時間Ｔがより短くなるからである。そこで、時間Ｔと比較すべき電源劣化の判定基準値をＴ０とし、ＴがＴ０よりも長い場合は、コンデンサ２２は正常、ＴがＴ０未満の場合は、コンデンサ２２は劣化していると判定することができる。

図３の上段では、一次側電源電圧２の時間変化をＶ１で示している。横軸は時間、縦軸は電圧であり、Ｖ１は、規定値を保った状態から、装置電源の遮断により、電圧０の状態に階段状に変化している。このように、一次側電源電圧２は瞬時に第１の閾値電圧以下となるので、電源断時と一次電源監視結果が異常となった時刻はほぼ等しい。

図３の中段では、Ｔ＞Ｔ０の場合、すなわちコンデンサ２２が正常である場合を示しており、二次側電源電圧６の時間変化をＶ２で示すとともに、二次側電源の監視結果をＬ２で表している。Ｖ２は、装置電源の遮断後もしばらくの間は規定値を保ち、その後単調減少し、点Ｐで表される時刻にはその電圧が第２の閾値電圧に等しくなっている。したがって、装置電源の遮断時刻から点Ｐで表される時刻までの時間がＴであり、この場合、Ｔ＞Ｔ０となっている。また、Ｌ２は、二次側電源の監視結果が正常である状態が点Ｐで表される時刻まで続き、点Ｐで表される時刻以降、二次側電源の監視結果が異常となることを示している。

図３の下段では、Ｔ＜Ｔ０の場合、すなわちコンデンサ２２が劣化している場合を示しており、二次側電源電圧６の時間変化をＶ３で示すとともに、二次側電源の監視結果をＬ３で表している。Ｖ３は、装置電源の遮断後もしばらくの間は規定値を保ち、その後単調減少し、点Ｑで表される時刻にはその電圧が第２の閾値電圧に等しくなっている。したがって、装置電源の遮断時刻から点Ｐで表される時刻までの時間がＴであり、この場合、Ｔ＜Ｔ０となっている。また、Ｌ３は、二次側電源の監視結果が正常である状態が点Ｑで表される時刻まで続き、点Ｑで表される時刻以降、二次側電源の監視結果が異常となることを示している。

以上のように、電源部１、具体的にはコンデンサ２２に十分寿命がある場合、一次電源監視結果異常から二次電源監視結果異常までの時間Ｔは、Ｔ≧Ｔ０となる。しかし、電源が劣化してくると、Ｔ＜Ｔ０となる。

そして、判定演算部９は、電源立ち上げ時に、記憶部８に記憶されたＴと判定基準値Ｔ０とを比較し、Ｔ＜Ｔ０である場合は外部出力信号１０により警報を発し、外部に対し電源部１の劣化を報せる。

なお、電源部１に接続されている二次側負荷（保護継電装置本体）は、その装置固有の値で一定値であるため、上述のように二次側電源電圧６の低下時間の長短を判定することにより、コンデンサ２２の劣化具合の判定が可能となっている。

また、本実施の形態は、従来の保護継電装置に用いられているハードウェア構成を変更することなくソフトウェアの変更のみで実現することができる。すなわち、図１に示す各構成要素はハードウェアとしては従来の構成を利用することができる。例えば、一次電源監視部４、二次電源監視部５はそれぞれ従来の電源部に設けられている。また、時間計測部７に関しては従来の時間計測部に対してソフトウェアのみ変更すればよい。また、記憶部８、判定演算部９は、電源部に設けられたそれぞれメモリ、ＣＰＵを用いて実現することができる。

このように、本実施の形態によれば、一次電源監視結果異常から二次電源監視結果異常までの時間Ｔを計測し、その計測値を判定基準値Ｔ０と比較することにより、容易にコンデンサ２２の劣化、すなわち電源部１の劣化を検出し、検出結果を外部に知らせることができる。この際、従来の保護継電装置のハードウェア構成を変更することなく、ソフトウェアの変更のみで対応することができるので、保護継電装置への適用が容易である。

実施の形態２．
図４は、本実施の形態に係る保護継電装置の電源部１の構成を示すブロック図である。図４に示すように、電源部１は、実施の形態１の構成に加えて、判定演算部９に接続された総稼働時間計測部１１を備えている。なお、図４では、図１と同一の構成要素には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

総稼働時間計測部１１は、電源部１の総稼働時間を計測し、この計測値Ｔｗを判定演算部９に出力する。判定演算部９は、総稼働時間計測部１１から入力される総稼働時間（Ｔｗとする。）と実施の形態１で説明した時間Ｔとに基づいて、電源部１の劣化を診断する。詳細には、電源再投入時に、実施の形態１で説明したように時間ＴとＴ０との比較を行うとともに、総稼働時間Ｔｗを所定期間Ｔｗ０と比較し、Ｔ＜Ｔ０でありかつＴｗ＞Ｔｗ０であれば、外部出力信号１０により警報を発し、外部に対し電源部１の劣化を報せる。ここで、所定期間Ｔｗ０は、アルミニウム電解コンデンサの一般的な寿命などを考慮して設定される寿命判断のための基準値であり、Ｔｗ＞Ｔｗ０となったときには長期使用により電源部１の劣化が生じていると判定され、Ｔｗ≦Ｔｗ０では電源部１は正常であると判定される。

本実施の形態によれば、実施の形態１による電源劣化診断に加えて、総稼働時間による電源劣化診断も行うようにしたので、診断の信頼性がさらに高くなり、保護継電装置の信頼性の向上を図れる。

実施の形態３．
図５は、本実施の形態に係る保護継電装置の電源部１の構成を示すブロック図である。図５に示すように、電源部１は、実施の形態２の構成に加えて、判定演算部９に接続された周囲温度測定部１２を備えている。なお、図５では、図４と同一の構成要素には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

周囲温測定部１２は、周囲温度を測定し、この測定値を例えば一定時間間隔で判定演算部９に出力する。判定演算部９は、総稼働時間計測部１１から入力される総稼働時間Ｔｗに対して周囲温度の測定履歴に基づく補正を施す。一般に、アルミニウム電解コンデンサの劣化の度合いは周囲温度に依存するので、同じ総稼働時間に対しても、周囲温度が低い状況下と高い状況下では劣化の度合いが異なると予想されるからである。本実施の形態では、周囲温度とアルミニウム電解コンデンサの劣化との関係を示す既存のデータ等を用いて、周囲温度履歴に基づく総稼働時間Ｔｗの補正を行う。例えば、総稼働時間Ｔｗを複数の区間に分け、各区間での平均温度がある一定の範囲から高温側に逸脱した場合は区間の長さに補正係数ｋ１を乗じ、低温側に逸脱した場合は補正係数ｋ２を乗ずるというような補正を行うことで総稼働時間Ｔｗの補正を行うことができる。そして、電源再投入時に、実施の形態１で説明したように時間ＴとＴ０との比較を行うとともに、周囲温度履歴に基づく補正の施された総稼働時間Ｔｗｃを所定期間Ｔｗ０と比較し、Ｔ＜Ｔ０であり、かつＴｗｃ＞Ｔｗ０であれば、外部出力信号１０により警報を発し、外部に対し電源部１の劣化を報せる。

本実施の形態によれば、実施の形態１による電源劣化診断に加えて、周囲温度履歴に基づく補正の施された総稼働時間による電源劣化診断も行うようにしたので、診断の信頼性がさらに高くなり、保護継電装置の信頼性の向上を図れる。

本発明は、電力系統内において事故電流を検出し系統内装置を保護するために使用される保護継電装置の電源劣化の診断に有用である。

１ 電源部
２ 一次側電源電圧
３ 電圧変換部
４ 一次電源監視部
５ 二次電源監視部
６ 二次側電源電圧
７ 時間計測部
８ 記憶部
９ 判定演算部
１０ 外部出力信号
１１ 総稼働時間計測部
１２ 周囲温度測定部
２０ トランス部
２１ 整流回路部
２２ コンデンサ

Claims (8)

1. 装置外部から供給される一次側電源電圧を装置本体で使用される二次側電源電圧に変換する電源部を備えた保護継電装置において、
   前記電源部は、
   コンデンサを内蔵して前記一次側電源電圧を前記二次側電源電圧に変換する電圧変換部と、
   前記一次側電源電圧を監視する一次電源監視部と、
   前記二次側電源電圧を監視する二次電源監視部と、
   前記一次電源監視部の出力信号と前記二次電源監視部の出力信号とが入力され、前記一次側電源電圧を供給する一次側電源の遮断後、前記一次電源監視部の出力信号が第１の閾値電圧まで低下して電源断が検出された時刻から前記二次電源監視部の出力信号が第２の閾値電圧まで低下して電源断が検出された時刻までの時間差を計測する時間計測部と、
   この時間計測部により計測された前記時間差と電源劣化の判定基準値との比較結果に基づき前記電源部の劣化の判定を行う判定演算部と、
   を備える、
   ことを特徴とする保護継電装置。
2. 前記電源部は、前記時間計測部により計測された前記時間差を記憶する記憶部を備え、
   前記判定演算部は、前記一次側電源の遮断後、前記一次側電源が再投入された際に、前記記憶部から前記時間差を読み取り、前記時間差と前記判定基準値とを比較し、前記時間差が前記判定基準値よりも長い場合は、前記電源部は正常であり、前記時間差が前記判定基準値よりも短い場合は、前記電源部は劣化していると判定することを特徴とする請求項１に記載の保護継電装置。
3. 前記電源部は、当該電源部の総稼働時間を計測する総稼働時間計測部を備え、
   前記判定演算部は、前記時間計測部により計測された前記時間差と前記判定基準値との比較結果、および前記総稼働時間に基づき、前記電源部の劣化の判定を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の保護継電装置。
4. 前記電源部は、当該電源部の総稼働時間を計測する総稼働時間計測部と、周囲温度を測定しその測定値を前記判定演算部に出力する周囲温度測定部と、を備え、
   前記判定演算部は、前記時間計測部により計測された前記時間差と前記判定基準値との比較結果、および前記周囲温度の測定履歴に基づく補正が施された前記総稼働時間に基づき、前記電源部の劣化の判定を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の保護継電装置。
5. 装置外部から供給される一次側電源電圧を装置本体で使用される二次側電源電圧に変換する電源部を備えた保護継電装置の前記電源部の劣化診断方法であって、
   前記一次側電源電圧を供給する一次側電源の遮断後、前記一次側電源電圧を監視する一次電源監視部の出力信号が第１の閾値電圧まで低下して電源断が検出された時刻から、前記二次側電源電圧を監視する二次電源監視部の出力信号が第２の閾値電圧まで低下して電源断が検出された時刻までの時間差を計測するステップと、
   前記時間差と電源劣化の判定基準値との比較結果に基づき前記電源部の劣化の判定を行うステップと、
   を含むことを特徴とする保護継電装置の電源部の劣化診断方法。
6. 前記時間差を計測するステップ後、前記電源部の劣化の判定を行うステップ前に、前記時間差を記憶部に記憶するステップを含み、
   前記電源部の劣化の判定を行うステップでは、前記一次側電源が再投入された際に、前記記憶部から前記時間差が読み取られ、この読み取られた前記時間差と前記判定基準値とが比較され、前記時間差が前記判定基準値よりも長い場合は、前記電源部は正常であり、前記時間差が前記判定基準値よりも短い場合は、前記電源部は劣化していると判定されることを特徴とする請求項５に記載の保護継電装置の電源部の劣化診断方法。
7. 前記電源部の劣化の判定を行うステップでは、前記時間差が前記判定基準値よりも短く、かつ、総稼働時間計測部により計測された前記電源の総稼働時間が所定期間より長い場合に、前記電源部が劣化していると判定されることを特徴とする請求項５または６に記載の保護継電装置の電源部の劣化診断方法。
8. 前記総稼働時間は、前記総稼働時間計測部による計測後に、周囲温度測定部により測定された周囲温度の測定履歴に基づいて補正が施されたものであることを特徴とする請求項７に記載の保護継電装置の電源部の劣化診断方法。

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