JP2012002538A - 電力系統における対地静電容量の測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 地絡継電器の動作点を決定するための対地静電容量を高精度に算出する。
【解決手段】 非接地系電路１２に接続された接地変圧器１３の三次側に制限抵抗Ｒ₁を常時接続すると共に、接地変圧器１３の三次側にケーブル１５を介して接続され、非接地系電路１２の対地静電容量を測定するためのスイッチＳＷおよび測定抵抗Ｒ₂を具備した電力系統における対地静電容量の測定装置１１であって、スイッチＳＷの投入前における三相一括の対地アドミタンスＹ₀₀と、スイッチＳＷの投入後における三相一括の対地アドミタンスＹ₀₂とに基づく位相角の演算処理により、接地変圧器１３の三次側回路インピーダンスによる誤差分を加味して対地静電容量を算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電力系統における非接地系電路に発生した地絡事故を検出するためにその非接地系電路に設けられた地絡継電器の動作点を決定するのに必要とする対地静電容量を算出する電力系統における対地静電容量の測定装置に関する。

電力系統における非接地系電路の地絡事故は、その地絡事故により発生した零相電圧が、非接地系電路に設けられた地絡継電器の所定の動作点を超えることにより検出される。この零相電圧は、非接地系電路の対地静電容量によって大きく変化し、その対地静電容量は、非接地系電路の切り換えや増設などによって変化するので、その都度、地絡継電器の動作点を再設定する必要がある。

この地絡継電器の動作点設定は、人工地絡試験を実施することにより行っていた。この人工地絡試験では、所定の地絡抵抗で一線地絡を起こさせ、この時の地絡継電器用の接地変圧器の三次側零相電圧を測定し、これを地絡継電器の動作点として設定するようにしている。

この人工地絡試験は、地絡継電器をロックし、地絡事故の検出信号が出力されないようにしているため、試験中に本当の地絡事故が発生しても、これを検出することができず系統が保護されないことから、頻繁に行うことが好ましくない。また、人工地絡試験は、活線状態の高圧線に試験装置を直接に接続するため危険を伴い、地絡電流発生用の高圧トランスを持ち運び数人で行う大掛かりな作業である。このような事情から、地絡継電器の動作点の再設定は、定期的（長期間ごと）に行うのが通常であった。

しかしながら、非接地系電路の対地静電容量は、例えば負荷機器の接続状態などによって日々刻々と変動するものであることから、地絡事故を適切に検出するためには、地絡継電器の動作点の再設定は、短期間ごとあるいは一定時間ごとに行うことが好ましい。

そこで、本出願人は、危険で大掛かりな作業となり定期的（長期間ごと）に行わざるを得ない人工地絡試験を実施することなく、地絡継電器の動作点を決定するのに必要とする対地静電容量を簡単に算出することができる対地静電容量の測定装置を先に提案している（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に開示された対地静電容量の測定装置１は、図５に示すように、スイッチＳＷおよび測定抵抗Ｒ₂で構成され、非接地系電路２に接続された接地変圧器３の三次側に接続される。この測定装置１では、スイッチＳＷの投入前後で接地変圧器３の三次側零相電圧を測定し、そのスイッチＳＷの投入前後での三次側零相電圧の位相角の差を演算処理することにより、非接地系電路２における三相一括の対地静電容量Ｃを算出するようにしている。なお、図中の符号４は、非接地系電路２における電源側変圧器の二次回路、Ｃ_A，Ｃ_B，Ｃ_Cは各相の対地静電容量、Ｒ₁は共振防止・高調波抑制のために接地変圧器３の三次側に常時接続された制限抵抗である。

特許第１９７２７３２号公報

ところで、非接地系電路２に接続された接地変圧器３は、変電所内の電気室に設置されるものである。この接地変圧器３の三次側に測定装置１を接続するに際しては、スペースの制約を受ける場合によっては、その測定装置１を接地変圧器３から遠方に離隔した場所に設置しなければならず、そのため、接地変圧器３に測定装置１を接続するためのケーブル５が２０〜５０ｍ程度と長くなってしまうというのが現状であった。

このように、接地変圧器３に測定装置１を接続するためのケーブル５が２０〜５０ｍ程度と長くなると、そのケーブル５の線路インピーダンス、スイッチＳＷの接点での接触抵抗などからなる接地変圧器３の三次側回路インピーダンスが、対地静電容量Ｃの測定に大きく影響することになる。しかしながら、前述した特許文献１に開示された測定装置１では、接地変圧器３の三次側回路インピーダンスを考慮していなかったことから、その三次側回路インピーダンスにより、地絡継電器の動作点を決定するための対地静電容量Ｃを算出する上で誤差が生じる可能性があった。

そこで、本発明は前述の改善点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、地絡継電器の動作点を決定するための対地静電容量を高精度に算出し得る電力系統における対地静電容量の測定装置を提供することにある。

前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明は、非接地系電路に接続された接地変圧器の三次側に制限抵抗を常時接続すると共に、接地変圧器の三次側にケーブルを介して接続され、非接地系電路の対地静電容量を測定するためのスイッチおよび測定抵抗を具備した電力系統における対地静電容量の測定装置であって、スイッチ投入前における三相一括の対地アドミタンスＹ₀₀と、スイッチ投入後における三相一括の対地アドミタンスＹ₀₂とに基づく位相角の演算処理により、接地変圧器の三次側回路インピーダンスによる誤差分を加味して対地静電容量を算出することを特徴とする。

本発明において、スイッチ投入前における三相一括の対地アドミタンスＹ₀₀は、三相一括の対地静電容量Ｃ、接地変圧器の内部インピーダンスのリアクタンスＬおよび抵抗Ｒ₀、制限抵抗Ｒ₁を用い、かつ、スイッチ投入後における三相一括の対地アドミタンスＹ₀₂は、三相一括の対地静電容量Ｃ、接地変圧器の内部インピーダンスのリアクタンスＬおよび抵抗Ｒ₀、制限抵抗Ｒ₁、測定抵抗Ｒ₂、接地変圧器の三次側回路インピーダンスのリアクタンスＬ₃および抵抗Ｒ₃を用いて、

と表される。

本発明では、スイッチ投入前における三相一括の対地アドミタンスＹ₀₀と、スイッチ投入後における三相一括の対地アドミタンスＹ₀₂とに基づく位相角の演算処理により、接地変圧器の三次側回路インピーダンスによる誤差分を加味して対地静電容量を算出することにより、ケーブルが２０〜５０ｍ程度と長くなっても、その接地変圧器の三次側回路インピーダンスを考慮することで、地絡継電器の動作点を決定するための対地静電容量を高精度に算出することができる。

なお、本発明におけるスイッチは、電気的および機械的寿命がない半導体リレーであることが望ましい。このように半導体リレーを使用すれば、一般的な電磁リレーと比較して、金属接触部での摩耗がなくて耐久性の向上が図れ、安定した動作を確保することができ、短期間ごとあるいは一定時間ごとに地絡継電器の動作点を再設定する上で有効である。

本発明によれば、スイッチ投入前における三相一括の対地アドミタンスＹ₀₀と、スイッチ投入後における三相一括の対地アドミタンスＹ₀₂とに基づく位相角の演算処理により、接地変圧器の三次側回路インピーダンスによる誤差分を加味して対地静電容量を算出することにより、ケーブルが２０〜５０ｍ程度と長くなっても、その接地変圧器の三次側回路インピーダンスを考慮することで、地絡継電器の動作点を決定するための対地静電容量を高精度に算出することができる。その結果、高精度で信頼性の高い対地静電容量の測定装置を提供できる。

本発明の実施形態で、電力系統の非接地系電路に接続された接地変圧器、およびその接地変圧器の三次側に接続された測定装置を示す概略構成図である。 本発明の実施形態で、接地変圧器の内部インピーダンスと三次側回路インピーダンスを説明するための零相等価回路を示す回路図である。 本発明の実施形態で、対地アドミタンスＹ₀₀，Ｙ₀₂に基づく位相角の計算を説明するための零相等価回路を示す回路図である。 スイッチ投入前における対地アドミタンスＹ₀₀およびスイッチ投入後における対地アドミタンスＹ₀₂のベクトル図である。 従来において、電力系統の非接地系電路に接続された接地変圧器、およびその接地変圧器の三次側に接続された測定装置を示す概略構成図である。

本発明に係る電力系統における対地静電容量の測定装置の実施形態を以下に詳述する。

図１は、対地静電容量の測定対象となる電力系統を示す。この電力系統では、電源側変圧器の二次回路１４から延びる非接地系電路１２に接地変圧器１３（ＧＰＴ）を接続している。この非接地系電路１２は、接地変圧器１３の一次側に非接地系電路１２の各相の対地静電容量Ｃ_A，Ｃ_B，Ｃ_Cを持つ。一方、接地変圧器１３の三次側には、共振防止・高調波抑制のための制限抵抗Ｒ₁が常時接続されている。また、対地静電容量の測定時、この接地変圧器１３の三次側には、地絡継電器の動作点を決定するのに必要とする対地静電容量を算出するための測定装置１１が接続される。この測定装置１１は、スイッチＳＷおよび測定抵抗Ｒ₂で構成されている。このスイッチＳＷとしては、例えば、ＭＯＳリレー等の半導体リレーを使用する。

なお、測定装置１１のスイッチＳＷに一般的な電磁リレーを使用した場合、長期的な使用で摩耗などにより大きくなる接触抵抗が無視できなくなるために使用可能な期間が短くなるが、この実施形態のように、測定装置１１のスイッチＳＷに、電気的および機械的寿命がないＭＯＳリレー等の半導体リレーを使用すれば、一般的な電磁リレーと比較して、金属接触部での摩耗がなくて耐久性の向上が図れ、安定した動作を確保することができ、短期間ごとあるいは一定時間ごとに地絡継電器の動作点を再設定する上で有効である。

ここで、変電所内の電気室に設置された接地変圧器１３に対して、測定装置１１を接続するに際しては、スペースの制約を受ける場合によっては、その測定装置１１を接地変圧器１３から遠方に離隔した場所に設置しなければならず、そのため、接地変圧器１３に測定装置１１を接続するためのケーブル１５が２０〜５０ｍ程度と長くなってしまう。このように、ケーブル１５が２０〜５０ｍ程度と長くなると、そのケーブル１５の線路インピーダンス、スイッチＳＷの接点での接触抵抗などからなる接地変圧器１３の三次側回路インピーダンスが、対地静電容量の測定に大きく影響することから、この実施形態の測定装置１１では、接地変圧器１３の三次側回路インピーダンスを考慮することにより、地絡継電器の動作点を決定するための対地静電容量を高精度に算出する。

図２および図３は、図１の零相等価回路を示す。図２に示す零相等価回路において、Ｃは三相一括の対地静電容量、ＬおよびＲ₀は接地変圧器１３の内部インピーダンス、Ｒ₁は接地変圧器１３の三次側に常時接続された前述の制限抵抗、Ｌ₃およびＲ₃は接地変圧器１３の三次側に測定装置１１をケーブル１５を介して接続した時の接地変圧器１３の三次側回路インピーダンスを示す。また、図３に示す零相等価回路において、Ｙ₀₀はスイッチＳＷの投入前における三相一括の対地アドミタンス、Ｙ₀₂はスイッチＳＷの投入後における三相一括の対地アドミタンスを示す。

図３に示すように、前述の測定装置１１におけるスイッチＳＷの投入前後で接地変圧器１３の三次側に現出する零相電圧Ｖ₀₀，Ｖ₀₁の位相角φ₀₀，φ₀₁が変動する。そこで、この測定装置１１では、スイッチＳＷの投入前において制限抵抗Ｒ₁の両端に現出する接地変圧器１３の三次側零相電圧Ｖ₀₀の位相角φ₀₀と、スイッチＳＷの投入後において制限抵抗Ｒ₁の両端に現出する接地変圧器１３の三次側零相電圧Ｖ₀₁の位相角φ₀₁とを実測する。

一方、この測定装置では、スイッチＳＷの投入前後での接地変圧器１３の三次側零相電圧Ｖ₀₀，Ｖ₀₁の位相角φ₀₀，φ₀₁の実測値に基づいて、そのスイッチＳＷの投入前後での対地アドミタンスＹ₀₀，Ｙ₀₂の位相角φ_n0，φ_n1の差を演算処理することにより、非接地系電路２における三相一括の対地静電容量Ｃを算出する。

ここで、スイッチＳＷの投入前後での対地アドミタンスＹ₀₀，Ｙ₀₂の位相角φ_n0，φ_n1に基づく演算処理は、接地変圧器１３の内部インピーダンスのリアクタンスＬを含めた回路全体について行うため、接地変圧器１３の内部インピーダンスのリアクタンスＬによる位相ずれを補正する必要がある。

このことから、所定の演算式を用いることにより、接地変圧器１３の三次側零相電圧Ｖ₀₀，Ｖ₀₁の位相角φ₀₀，φ₀₁を接地変圧器１３の一次側零相電圧Ｖ_n0，Ｖ_n1の位相角φ_n0，φ_n1に換算した上で、スイッチＳＷの投入前後での対地アドミタンスＹ₀₀，Ｙ₀₂の位相角φ_n0，φ_n1の差を演算処理することにより、対地静電容量Ｃを算出することができる。

スイッチＳＷの投入前における対地アドミタンスＹ₀₀は、三相一括の対地静電容量Ｃ、接地変圧器１３の内部インピーダンスのリアクタンスＬおよび抵抗Ｒ₀、制限抵抗Ｒ₁を用い、また、スイッチＳＷの投入後における対地アドミタンスＹ₀₂は、三相一括の対地静電容量Ｃ、接地変圧器１３の内部インピーダンスのリアクタンスＬおよび抵抗Ｒ₀、制限抵抗Ｒ₁、測定装置１１の測定抵抗Ｒ₂、接地変圧器１３の三次側回路インピーダンスのリアクタンスＬ₃および抵抗Ｒ₃を用いると、以下の（１）（２）式のように表される。このように、スイッチＳＷの投入後における対地アドミタンスＹ₀₂に、接地変圧器１３の三次側回路インピーダンスのリアクタンスＬ₃および抵抗Ｒ₃による誤差分を加味することで対地静電容量Ｃを高精度に算出することができる。

この（１）（２）式の分母を有理化し、実数と虚数に分けて整理すると、以下の（３）（４）式のようになる。

ここで、式の簡略化のため、前述の（３）（４）式において置換したα、β、γ、δは、以下の（５）〜（８）式のようになる。

さらに、式の簡略化のため、この（５）〜（８）式において置換したＲ_A，Ｒ_B，Ｒ_C，Ｒ_D，Ｒ_Eは、以下の（９）〜（１３）式のようになる。

次に、スイッチＳＷの投入前における対地アドミタンスＹ₀₀の位相角をφ_n0、スイッチＳＷの投入後における対地アドミタンスＹ₀₂の位相角をφ_n1とすると、それら対地アドミタンスＹ₀₀，Ｙ₀₂のベクトル図は、図４のようになる。この対地アドミタンスＹ₀₀の位相角φ_n0と対地アドミタンスＹ₀₂の位相角φ_n1の差となる位相角をφ_n2とすると、以下の（１４）式で表される。

対地アドミタンスＹ₀₀の位相角φ_n0および対地アドミタンスＹ₀₂の位相角φ_n1のｔａｎ値は、前記の（３）（４）式から、以下の（１５）（１６）式のようになる（図４参照）。

また、対地アドミタンスＹ₀₀の位相角φ_n0と対地アドミタンスＹ₀₂の位相角φ_n1の差となる位相角φ_n2のｔａｎ値は、前記の（１４）式から、以下の（１７）（１８）式のようになる。

さらに、この（１８）式に前記の（１５）（１６）式を代入して整理すると、以下の（１９）式のようになる。

次に、前記の（１９）式に基づいて対地静電容量Ｃ（アドミタンスωＣ）を算出する。この（１９）式をアドミタンスωＣの二次関数（二次方程式）として表すと、以下の（２０）式のようになる。

ここで、各係数ａ，ｂ，ｃは、以下の（２１）〜（２３）式のようになる。

前記の（２０）式の二次方程式の根（正の値）として、対地静電容量Ｃ（アドミタンスωＣ）が、以下の（２４）式に基づいて求められる。この（２４）式における各係数ａ，ｂ，ｃは、（２１）〜（２３）式のように置換されており、これら（２１）〜（２３）式におけるα、β、γ、δは、（５）〜（８）式のように置換され、さらに（５）〜（８）式におけるＲ_A，Ｒ_B，Ｒ_C，Ｒ_D，Ｒ_Eは、（９）〜（１３）式のように置換されていることから、Ｒ₀，Ｒ₁，Ｒ₂，Ｒ₃，ωＬ，ωＬ₃からなる既知の値と、実測した位相角φ₀₀，φ₀₁より求めたｔａｎφ_n2とから、対地静電容量Ｃ（アドミタンスωＣ）を求めることができる。

本発明は前述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。

１１ 測定装置
１２ 非接地系電路
１３ 接地変圧器
１５ ケーブル
ＳＷ スイッチ
Ｃ 三相一括の対地静電容量
Ｌ 接地変圧器の内部インピーダンスのリアクタンス
Ｌ₃ 接地変圧器の三次側回路インピーダンスのリアクタンス
Ｒ₀ 接地変圧器の内部インピーダンスの抵抗
Ｒ₁ 制限抵抗
Ｒ₂ 測定抵抗
Ｒ₃ 接地変圧器の三次側回路インピーダンスの抵抗
Ｙ₀₀ スイッチ投入前における三相一括の対地アドミタンス
Ｙ₀₂ スイッチ投入後における三相一括の対地アドミタンス

Claims (3)

1. 非接地系電路に接続された接地変圧器の三次側に制限抵抗を常時接続すると共に、前記接地変圧器の三次側にケーブルを介して接続され、前記非接地系電路の対地静電容量を測定するためのスイッチおよび測定抵抗を具備した電力系統における対地静電容量の測定装置であって、
   前記スイッチ投入前における三相一括の対地アドミタンスＹ₀₀と、前記スイッチ投入後における三相一括の対地アドミタンスＹ₀₂とに基づく位相角の演算処理により、接地変圧器の三次側回路インピーダンスによる誤差分を加味して対地静電容量を算出することを特徴とする電力系統における対地静電容量の測定装置。
2. 前記スイッチ投入前における三相一括の対地アドミタンスＹ₀₀は、三相一括の対地静電容量Ｃ、前記接地変圧器の内部インピーダンスのリアクタンスＬおよび抵抗Ｒ₀、前記制限抵抗Ｒ₁を用い、かつ、前記スイッチ投入後における三相一括の対地アドミタンスＹ₀₂は、三相一括の対地静電容量Ｃ、前記接地変圧器の内部インピーダンスのリアクタンスＬおよび抵抗Ｒ₀、前記制限抵抗Ｒ₁、前記測定抵抗Ｒ₂、前記接地変圧器の三次側回路インピーダンスのリアクタンスＬ₃および抵抗Ｒ₃を用いて、
   

   

   とした請求項１に記載の電力系統における対地静電容量の測定装置。
3. 前記スイッチは、半導体リレーである請求項１又は２に記載の電力系統における対地静電容量の測定装置。

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