JP2015216783A - 母線保護リレー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】誤動作を確実に防止することが可能な母線保護リレー装置を提供する。【解決手段】母線保護リレー装置６０は、複数の回線１〜６が分岐した母線４０の保護に用いられる。複数の回線１〜６は、電源４１〜４３にそれぞれ接続された複数の電源回線１〜３を含む。複数の回線１〜６には、電流変成器２１〜２６がそれぞれ設けられる。母線保護リレー装置６０は、電流差動リレー６４と、動作域調整部６３とを含む。電流差動リレー６４は、各電流変成器２１〜２６の検出値に基づいて母線４０に故障が生じているか否かを判定する。動作域調整部６３は、各電源４１〜４２と母線４０との電気的接続状態に基づいて電流差動リレー６４の動作域を変更する。【選択図】図１

Description

この発明は、電力系統に設置され、母線を保護するための母線保護リレー装置に関する。

母線の保護手段として従来から比率差動リレーが広く用いられている。比率差動リレーは母線の内部・外部事故を判別し、内部事故時に遮断器を動作させることにより母線を保護する。

一般に、比率差動リレーの動作域は、単純差動要素領域と比率差動要素領域とから構成される。たとえば、特開平５−１３７２３５号公報（特許文献１）に記載の比率作動リレーは、単純差動要素領域に対応する第１の線分と、比率差動要素領域に相当する第２および第３の線分とからなる折線状の比率特性を有する。

特開平５−１３７２３５号公報

従来の比率差動リレーでは、単純差動要素領域と比率差動要素領域との境界（上記の特許文献１の場合、第１の線分と第２の線分との接続部）で、正常時の通過潮流に対するマージンが最小になる。このため、母線を通過する潮流が比較的大きい場合には、想定外のノイズ混入によって比率差動リレーが誤動作する虞がある。

この発明は、上記の問題を考慮してなされたものであり、その目的は、誤動作を確実に防止することが可能な母線保護リレー装置を提供することである。

この発明による母線保護リレー装置は、複数の回線が分岐した母線の保護に用いられる。複数の回線は、電源にそれぞれ接続された複数の電源回線を含む。前記複数の回線には、電流変成器がそれぞれ設けられる。母線保護リレー装置は、電流差動リレーと、動作域調整部とを含む。電流差動リレーは、各電流変成器の検出値に基づいて母線に故障が生じているか否かを判定する。動作域調整部は、各電源と母線との電気的接続状態に応じて電流差動リレーの動作域を変更する。

この発明によれば、各電源と母線との電気的接続状態に応じて電流差動リレーの動作域が変更されるので、通過潮流に対するマージンを適切な値に保つことができ、この結果、誤動作を確実に防止することができる。

第１の実施形態による母線保護リレー装置の構成と、この母線保護リレー装置が適用された電力系統の構成とを示す図である。 母線に電気的に接続される電源の数を、図１よりも増加させた場合を示す図である。 図１の電流差動リレー演算部の構成を示すブロック図である。 図１のメモリに格納されている短絡容量格納テーブルの一例を示す図である。 図１の各回線に設けられた遮断器の開閉状態を表形式で示す図である。 母線保護リレー装置の動作を示すフローチャートである。 比率差動リレーの特性図である（図１に対応する場合）。 比率差動リレーの特性図である（図２に対応する場合）。 第２の実施形態による母線保護リレー装置の構成と、この母線保護リレー装置が適用された電力系統の構成とを示す図である。 第３の実施形態による母線保護リレー装置の構成と、この母線保護リレー装置が適用された電力系統の構成とを示す図である。

以下、各実施形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。

＜第１の実施形態＞
［母線保護リレー装置の全体構成］
図１は、第１の実施形態による母線保護リレー装置６０の構成と、この母線保護リレー装置６０が適用された電力系統の構成とを示す図である。図１を参照して、電力系統は、母線４０と、母線４０から分岐した複数の回線とを含む。図１には、一例として第１回線１から第６回線６が設けられた例が示されている。

回線１〜６の一部である複数の回線１〜３には背後電源４１〜４３がそれぞれ接続されている。電源４１〜４３の各々は、たとえば、発電機または変圧器である。この明細書では、電源４１〜４３にそれぞれ接続された回線を電源回線１〜３と称する。図１の例では、電源４１の短絡容量が最も大きく、電源４３の短絡容量が最も小さい。

回線１〜６には、遮断器１１〜１６がそれぞれ挿入される。遮断器１１〜１６の開閉状態に関する情報は、図示しないインターフェース部を介して母線保護リレー装置６０の内部に取り込まれる。

さらに、回線１〜６には、電流変成器（ＣＴ：Current Transformer）２１〜２６が設けられる。電流変成器に代えて空心変成器を設けてもよい。電流変成器２１〜２６によって検出された回線１〜６を流れる電流値の情報は、図示しないＡ／Ｄ（Analog to Digital）コンバータを介して母線保護リレー装置６０の内部に取り込まれる。

母線保護リレー装置６０は、ディジタルリレー装置として構成され、ＣＰＵ（Central Processing Unit）６１、メモリ（記憶部）６２、および図示しないインターフェース部、Ａ／Ｄコンバータなどを含むマイクロコンピュータをベースに構成される。

ＣＰＵ６１は、メモリに格納されたプログラムがＣＰＵ６１で動作することにより、電流差動リレー演算部６４および動作域調整部６３として機能する。

電流差動リレー演算部６４は、電流変成器２１〜２６によって検出された各回線の電流検出値に基づいて、母線４０の内部で故障が生じているか否かを判定する。動作域調整部６３は、遮断器１１〜１６の開閉状態（したがって、各電源と母線との電気的接続状態）に基づいて、電流差動リレーの動作域を調整する。

［動作域調整部の概略的動作］
図２は、母線に電気的に接続される電源の数を、図１よりも増加させた場合を示す図である。以下、図１、図２を参照して動作域調整部６３の概略的動作について説明する。

図１の場合、遮断器１１，１２は開状態であり、遮断器１３は閉状態であるので、電源４３のみが母線４０に電気的に接続されている。したがって、正常時には、電源４３からの潮流が母線４０を通過する。事故点４４で母線４０に地絡事故が生じた場合には、電源４３から事故電流５３が事故点４４に流入する。

一方、図２の場合、遮断器１１〜１３が閉状態であるので、電源４１〜４３のいずれもが母線４０に電気的に接続されている。したがって、正常時には電源４１〜４３からの潮流が母線４０を通過する。事故点４４で母線４０に地絡事故が生じた場合には、電源４１〜４３から事故電流５１〜５３が事故点４４に流入する。

このように、正常時の母線４０を流れる潮流の大きさと、内部事故時に母線４０の事故点４４に流入する事故電流の大きさとは、いずれも母線に電気的に接続されている電源の数、より正確には電源の短絡容量の総和が増加するほど増加する。したがって、各電源回線の電気的接続状態に応じて、適切な感度となるように電流差動リレーの動作域を調整することによって、想定外のノイズによる誤動作を防止することができる。

［電流差動リレー演算部の構成および動作］
図３は、図１の電流差動リレー演算部６４の構成を示すブロック図である。図３を参照して、電流差動リレー演算部６４は、差動電流演算部７１と、抑制電流演算部７２と、単純差動判定部７３と、比率差動判定部７４と、ＡＮＤ演算部７５とを含む。

差動電流演算部７１は、電流変成器２１〜２６によって検出された各回線１〜６の電流ＣＴ１〜ＣＴｎのベクトル和を算出し、算出したベクトル和の大きさを差動電流ＩＤとして出力する。すなわち、差動電流演算部７１は、下式（１）を満たす差動電流ＩＤを出力する。ただし、下式において｜Ｘ｜は、ベクトルＸの大きさを表す。また、母線から分岐する回線の数をｎとしている。
ＩＤ＝｜ＣＴ１＋ＣＴ２＋…＋ＣＴｎ｜ …(1)

抑制電流演算部７２は、図１の電流変成器２１〜２６によって検出された各回線１〜６の電流ＣＴ１〜ＣＴ６のうち、大きさが最大のものを出力する。すなわち、差動電流演算部７１は、下式（２）を満たす抑制電流ＩＲを出力する。ただし、下式（２）においてＭａｘは引数のうちで最大のものを出力する関数である。また、母線から分岐する回線の数をｎとしている。
ＩＲ＝Ｍａｘ（｜ＣＴ１｜，｜ＣＴ２｜，…，｜ＣＴｎ｜） …(2)

なお、上記の最大値抑制方式に代えて、スカラー和抑制方式を用いてもよい。すなわち、下式（３）に示すように、検出された各回線の電流ＣＴ１〜ＣＴｎのスカラー和を抑制電流ＩＲとしてもよい。
ＩＲ＝｜ＣＴ１｜＋｜ＣＴ２｜＋…＋｜ＣＴｎ｜ …(3)

単純差動判定部７３は、差動電流ＩＤが閾値ＩＰよりも大きいか否か、すなわち下式（４）が成立するか否かを判定する。閾値ＩＰが動作域調整部６３によって調整される。
ＩＲ＞ＩＰ …（４）

比率差動判定部７４は、抑制電流ＩＲに定数αを乗算し、定数βを加算した値よりも差動電流ＩＤが大きいか否か、すなわち下式（５）が成立するか否かを判定する。典型的には、α＝０．５、β＝０である。
ＩＲ＞α・ＩＲ＋β …（５）

ＡＮＤ演算部７５は、単純差動判定部７３の判定結果と比率差動判定部７４の判定結果の論理積を演算する。ＡＮＤ演算部７５は、上式（４）および（５）が両方とも満たされている場合に、遮断器１１〜１６をトリップするための信号を出力する。

［母線保護リレー装置の詳細な動作］
以下、母線保護リレー装置６０のより詳細な動作について説明する。

図４は、図１のメモリ６２に格納されている短絡容量格納テーブル６５の一例を示す図である。図４を参照して、図１のメモリ６２には、短絡容量格納テーブル６５として、各回線ごとに接続された電源の短絡容量の値が格納されている。具体的に図４の場合、回線１〜３に接続された電源の短絡容量はＰＳ１〜ＰＳ３である。回線４〜６には電源が接続されていないので、回線４〜６にそれぞれ対応する短絡容量ＰＳ４〜ＰＳ６はいずれも０である。

図５は、図１の各回線１〜６に設けられた遮断器１１〜１６の開閉状態を表形式で示す図である。図５において、ＣＢ１〜ＣＢ６の各々は、遮断器１１〜１６の開閉状態をそれぞれ表すパラメータである。ＣＢｉ＝１（ただし、ｉは回線番号（１〜６）を表す）のとき、回線ｉに設けられた遮断器が閉状態であることを示し、ＣＢｉ＝０のとき回線ｉに設けられた遮断器が開状態であることを示す。

図６は、母線保護リレー装置６０の動作を示すフローチャートである。図１および図６を参照して、まず、母線保護リレー装置６０は、各回線１〜６と母線４０との電気的接続状態（図１の場合には、遮断器１１〜１６の開閉状態）の情報を取得する（ステップＳ１００）。

次に、動作域調整部６３は、各電源回線１〜３に設けられた電源４１〜４３の短絡容量の値と遮断器１１〜１６の開閉状態の情報とに基づいて、上式（４）の閾値ＩＰの値を決定する（ステップＳ１１０）。具体的には、図４および図５に示された値と電源の定格電圧Ｖとを用いて、閾値ＩＰは次式（６）で与えられる。
IP＝k・(PS1・CB1＋PS2・CB2＋…＋PSn・CBn)／V …(6)

ただし、上式（６）において、母線から分岐する回線の数をｎとしている。回線ｉに電源が接続されていない場合には、その短絡容量ＰＳｉを０とする。係数ｋの値は典型的には０．５である。すなわち、内部事故時の事故電流概算値の５０％を検出感度（閾値ＩＰ）としている。

具体的に、図１の場合には、ＣＢ１＝ＣＢ２＝０、ＣＢ３＝１であるので、ＩＰ＝ｋ・ＰＳ３／Ｖで与えられる。図２の場合には、ＣＢ１＝ＣＢ２＝ＣＢ３＝１であるので、ＩＰ＝ｋ・（ＰＳ１＋ＰＳ２＋ＰＳ３）／Ｖで与えられる。

次に、電流差動リレー演算部６４は、上式（６）に従って算出された閾値ＩＰに基づいて、図３で説明した比率差動リレー演算を実行する（ステップＳ１２０）。

図７および図８は、比率差動リレーの特性図である。図７は、図１に対応する場合、すわなち、母線４０に電気的に接続されている電源の数（短絡容量の総和）が比較的小さい場合を示す。図８は、図２に対応する場合、すなわち、母線４０に電気的に接続されている電源の数（短絡容量の総和）が比較的大きい場合を示す。図７および図８では、縦軸が差動電流ＩＤを示し、横軸が抑制電流ＩＲを示す。

図７を参照して、比率差動リレーの動作域８２は、単純差動要素領域８３と比率差動要素領域８４とを含む。単純差動要素領域８３は、前述の式（４）によって動作域が決定される領域、すなわち、直線８０よりも上側かつ比率差動要素領域８４との境界８５よりも左側の領域である。比率差動要素領域８４は、前述の式（５）によって動作域が決定される領域、すなわち、直線８１よりも上側かつ単純差動要素領域８３との境界８５よりも右側の領域である。比率差動要素領域８４の特性線を、直線８１に代えて折れ線状にしてもよい。

図７には、さらに、母線の内部事故時の事故電流９１と正常時の差動電流ＩＤの値とが示されている。なお、電流変成器２１〜２６の誤差等によって正常時にも差動電流ＩＤが検出される。本実施形態では、単純差動要素領域８３の閾値ＩＰは、事故電流９１の概算値の約５０％（式（６）でｋ＝０．５）に設定される。図７の場合、特に問題となる単純差動要素領域８３と比率差動要素領域８４との境界８５付近においても、正常時の差動電流９０と動作域８２とのマージンは十分にとれている。

図８を参照して、母線に対して電気的に接続される電源の数が多くなるにつれて（すわなち、短絡容量の総和が比較的大きくなるにつれて）、正常時に検出される差動電流９２も大きくなる。もし、単純差動要素領域８３の閾値が図７の場合のＩＰｏｌｄに固定されていたとすると、直線８０と直線８１とで決まる動作域８２と正常時の差動電流９０とのマージンが十分にとれなくなる。特に、単純差動要素領域８３と比率差動要素領域８４との境界８５付近におけるマージンが十分にとれない。このため、想定外のノイズの混入により比率差動リレーが誤動作する虞がある。

これに対して、本実施形態の母線保護リレー装置６０では、閾値ＩＰは、事故電流９３の概算値の約５０％に設定されるので、事故電流９３の概算値が増加するとそれに応じて閾値ＩＰも増加する。したがって、正常時の差動電流９２と電流差動リレーの動作域８２とのマージンを十分にとることができる。

［第１の実施形態の効果］
以上のとおり、第１の実施形態による母線保護リレー装置６０では、各回線（特に電源回線）と母線との電気的接続状態に応じて比率差動リレーの検出感度（すなわち、閾値ＩＰ）が最適化される。したがって、単純差動要素領域８３と比率差動要素領域８４との境界８５付近において、正常時の通過潮流による差動電流ＩＤの検出値に対するマージンを十分大きくとることができる。この結果、想定外のノイズ混入による母線保護リレー装置の誤動作を防止することができる。

＜第２の実施形態＞
図９は、第２の実施形態による母線保護リレー装置６０Ａの構成と、この母線保護リレー装置６０Ａが適用された電力系統の構成とを示す図である。図９の電力系統は、回線１〜６に断路器３１〜３６がさらに設けられている点で、図１の電力系統と異なる。母線保護リレー装置６０Ａには、遮断器１１〜１６の開閉状態の情報に代えて、断路器３１〜３６の開閉状態の情報が取り込まれる。図９の動作域調整部６３は、断路器３１〜３６の開閉状態に基づいて、電流差動リレーの動作域を調整する。図９のその他の点は図１の場合と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。

＜第３の実施形態＞
図１０は、第３の実施形態による母線保護リレー装置６０Ｂの構成と、この母線保護リレー装置６０Ｂが適用された電力系統の構成とを示す図である。図１０の母線保護リレー装置６０Ｂの動作域調整部６３は、各回線に設けられた電流変成器２１〜２６の検出値に基づいて、各回線１〜６と母線４０とが電気的に接続されているか否か（すなわち、各電源４１〜４３と母線４０とが電気的に接続されているか否か）を判定する。動作域調整部６３は、各回線と母線との電気的接続状態の判定結果に基づいて、電流差動リレーの動作域を調整する。図１０のその他の点は図１の場合と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１〜６ 回線、１〜３ 電源回線、１１〜１６ 遮断器、２１〜２６ 電流変成器、３１〜３６ 断路器、４０ 母線、４１〜４３ 背後電源、４４ 事故点、６０，６０Ａ，６０Ｂ 母線保護リレー装置、６１ ＣＰＵ、６２ メモリ（記憶部）、６３ 動作域調整部、６４ 電流差動リレー演算部、６５ 短絡容量格納テーブル、７１ 差動電流演算部、７２ 抑制電流演算部、７３ 単純差動判定部、７４ 比率差動判定部、７５ ＡＮＤ演算部、８２ 動作域、８３ 単純差動要素領域、８４ 比率差動要素領域、ＩＤ 差動電流、ＩＰ 閾値、ＩＲ 抑制電流。

Claims (6)

1. 母線を保護するための母線保護リレー装置であって、
   前記母線からは複数の回線が分岐し、
   前記複数の回線は、電源にそれぞれ接続された複数の電源回線を含み、
   前記複数の回線には、電流変成器がそれぞれ設けられ、
   前記母線保護リレー装置は、
   各前記電流変成器の検出値に基づいて前記母線に故障が生じているか否かを判定する電流差動リレーと、
   各前記電源と前記母線との電気的接続状態に応じて、前記電流差動リレーの動作域を変更する動作域調整部とを備えた、母線保護リレー装置。
2. 前記母線保護リレー装置は、各前記電源回線に接続された各前記電源の短絡容量を格納する記憶部をさらに備え、
   前記動作域調整部は、
   前記母線と電気的に接続されている各前記電源の短絡容量の総和を算出し、
   算出した短絡容量の総和に応じて前記電流差動リレーの動作域を変更するように構成される、請求項１に記載の母線保護リレー装置。
3. 前記電流差動リレーは、各前記電流変成器の検出値に基づいて差動電流および抑制電流を算出する比率差動リレーとして構成され、
   前記電流差動リレーの動作域は、
   前記差動電流が閾値よりも大きいか否かが判定される第１の領域と、
   前記抑制電流に第１の定数を乗算しさらに第２の定数を加算した値よりも前記差動電流が大きいか否かが判定される第２の領域とを含み、
   前記動作域調整部は、前記算出した短絡容量の総和が大きいほど前記閾値を増加させるように構成される、請求項２に記載の母線保護リレー装置。
4. 各前記回線には遮断器が設けられ、
   前記動作域調整部は、各前記遮断器の開閉状態の情報に基づいて、前記電流差動リレーの動作域を変更するように構成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の母線保護リレー装置。
5. 各前記回線には断路器が設けられ、
   前記動作域調整部は、各前記断路器の開閉状態の情報に基づいて、前記電流差動リレーの動作域を変更するように構成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の母線保護リレー装置。
6. 前記動作域調整部は、各前記回線に設けられた前記電流変成器の検出値に基づいて、各前記電源と前記母線との電気的接続状態を判定し、判定結果に基づいて前記電流差動リレーの動作域を変更するように構成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の母線保護リレー装置。

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