JP2017079543A - 母線保護継電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】考慮すべき特徴を踏襲しつつ、構成の簡略化を図ることで、より安価なシステム構成を実現した母線保護継電装置を提供する。
【解決手段】事故検出ユニットＡは、甲母線と乙母線の各々の電圧情報を取込み、これらの電圧情報を基に不足電圧リレーにより事故を検出する。主検出ユニットＢは、電流差動により甲母線事故又は乙母線事故を選択的に検出する分割検出リレー１４、１５を内蔵すると共に、電流差動により甲乙両母線内の事故を検出する一括検出リレー１６を併せ持つ。主検出ユニットＢは、一括検出リレー１６と分割検出リレー１４、１５とのＡＮＤ出力を行う。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、複母線構成を保護する母線保護継電装置に関する。

近年、電力系統の保護制御システムでは、ディジタル形の母線保護継電装置が主流となっている。ディジタル形の母線保護継電装置では、電力系統の各端子電流を所定の時間間隔でサンプリングし、これをディジタルデータに変換した後、これらのディジタルデータを用いて、保護領域における事故の発生を検出、判定するようになっている。

母線は電力系統において電力を輸送する中継基地であるため、複母線構成を保護する母線保護継電装置では、送電線あるいは変圧器と、母線とを繋げる端子数が多く、母線停止は広域な電力供給の停止に結びつき易い。したがって、母線事故が系統の過渡安定度に及ぼす影響は大きく、さらには母線保護継電装置の誤動作の影響も大きい。

そこで、母線保護継電装置には信頼性確保の観点から、誤動作や誤不動作を防止するための機能が要求される。例えば、外部事故時にＣＴ飽和で生ずる差電流で内部事故を検出する電流差動リレーが誤動作して誤出力することがある。このため、例えば、母線保護継電装置には、ＣＴ飽和による誤出力を防止するＣＴ飽和による誤検出を防止する機能として、差動要素とＣＴ飽和対策要素から構成されるＣＴ飽和対策機能が付与されている（非特許文献１）。

甲母線及び乙母線を含む複母線構成を保護対象とする場合、このように高い信頼性を備えた母線保護継電装置を用いるのが一般的である。複母線構成では、ラインスイッチ等の断路器の開閉によって甲乙各母線を保護するリレー要素へのＣＴの接続が変わり、また、事故母線を引き外すべき遮断器が変わる。ラインスイッチ等の断路器の開閉動作時には、母線連絡回路つまりブスタイとブリッジ回路とで電流が分流するため、ブリッジ条件で全回線遮断を行わなくてはならない。

そこで、母線保護継電装置には、甲乙両母線内の事故を一括して検出可能な一括検出リレーが採用されている。また、複母線構成を保護対象とした母線保護継電装置では、甲乙両母線内の事故を、個別に検出するための分割検出リレーも必須である。したがって、母線保護継電装置には複数種類のリレー要素を設けることが求められている。

また、母線保護継電装置では、外部事故時の通過電流が大きく、ＣＴ飽和が起こりやすい。このため、先に述べた差動リレー適用時の変流器の飽和対策を取ることが重要になっている。さらに、母線の構成によっては内部事故時にも流出電流を伴う場合があるので、母線保護継電装置においては、内部事故時の流出電流に対処することも不可欠となっている。

以上の点を鑑み、考慮すべき機能を踏まえた母線保護継電装置として、次の３台の保護リレーユニット（以下、単にユニットとも言う）を有するものが提案されている。
(A)一括検出ユニット…電流差動リレーにより甲乙両母線内の事故を一括して検出する。
(B) 分割検出ユニット…電流差動リレーにより甲母線及び乙母線内の事故を個別に検出する。
(C) 事故検出ユニット…前記の(A),(B)のユニットでは共に電流判定であることから、不足電圧リレーまたは地絡過電圧リレーなどにより、短絡事故や地絡事故といった系統事故の検出を行う。

上記の各ユニットは、独立したハードウェアから構成されており、事故母線に接続される端子及びブスタイへのトリップ指令は、３台のユニットの事故検出機能のＡＮＤ条件で出力される。また、各ユニットは別のハードウェアで構成されており、一括検出ユニット及び分割検出ユニットにアナログ信号を入力するＣＴは一次側から分離されている。そのため、単一の部品不良が及ぼす影響は、単一のユニットにとどまる。したがって、独立した３台のユニットを持つ母線保護継電装置では、機器単一故障による不良動作を原因とした誤動作を防ぐことができる。

保護リレーシステム工学 第９章 母線保護（Ｐ−１９２〜２０４） 電気学会発行

しかしながら、以上の母線保護継電装置では、独立したユニットが３台ある分、必然的に部材点数が多くなって、コストが高騰した。特に、一括検出ユニットは、１次側から分割検出ユニット用と分離されたＣＴより、母線に接続される全ての端子の電流を入力する必要があるため、構成が複雑化してしまい、高価なユニットになり易い。ディジタル形の母線保護継電装置の普及が進む現在、ニーズも多様化する傾向にあり、コストも重要な要因となっている。このような背景のもと、母線保護継電装置に対しては、高い信頼性は維持しつつ、コストの低減化が急務となっていた。

本発明の実施形態は、以上のような課題を解決するために提案されたものであり、考慮すべき機能を踏襲しつつ、構成の簡略化を図ることで、より安価なシステム構成を実現した母線保護継電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の実施形態は、甲母線及び乙母線を含む複母線構成を保護する母線保護継電装置において、次の構成要素（１）〜（４）を備える。
（１）前記甲母線と前記乙母線の各々の電圧情報を取込み、これらの電圧情報を基に系統事故を検出する事故検出ユニット。
（２）分割検出リレー及び一括検出リレーを併せ持ち、前記分割検出リレーと前記一括検出リレーとのＡＮＤ出力を行う主検出ユニット。
（３）前記分割検出リレーは、前記甲母線及び前記乙母線に繋がる各端子の電流情報と、前記甲母線と前記乙母線の連絡回路であるブスタイの両端の電流情報とを取込み、これらの電流情報を基に電流差動による甲母線事故又は乙母線事故を検出する。
（４）前記一括検出リレーは、前記甲母線及び前記乙母線に繋がる各端子の電流情報の総和を求めて電流差動により前記甲乙両母線内の事故を検出する。

第１の実施形態の構成を示すブロック図。 第１の実施形態のトリップ出力回路の回路図。 第１の実施形態の保護対象となる複母線構成を示す回路図。 第２の実施形態の構成を示すブロック図。

（複母線構成）
本発明の実施形態の構成を説明する前に、母線保護継電装置の保護領域となる複母線構成について図３を用いて述べる。図３に示す複母線構成では、送電線に接続される端子ａ〜ｄに、甲母線及び乙母線が繋げられている。

甲母線及び乙母線には、各母線の電圧を測定する計器用変圧器６、７が取り付けられると共に、甲乙両母線を連絡し且つ両者を切り離すための遮断器としてブスタイ１が設置されている。ブスタイ１の甲母線側の端部には甲母線から乙母線への流入電流を測定するＣＴ４が取り付けられ、反対側の乙母線側の端部には乙母線から甲母線への流入電流を測定するＣＴ５が取り付けられている。

甲母線側には、各端子ａ〜ｄに繋げる母線を切換えるためのラインスイッチ８が、乙母線側には、各端子ａ〜ｄに繋げる母線を切換えるためのラインスイッチ９が、それぞれ設けられている。これらラインスイッチ８、９に各端子ａ〜ｄが接続されるが、ラインスイッチ８、９と端子ａ〜ｄとの間には、各端子ａ〜ｄを各母線から切り離すための遮断器２と、送電線（図示せず）から母線への流入電流を測定するＣＴ３が設置されている。

（第１の実施形態の構成）
以下、本発明の第１の実施形態に係る母線保護継電装置の構成について、図１、図２を用いて具体的に説明する。本実施形態は甲母線及び乙母線を有する複母線構成を保護するディジタル形の母線保護継電装置であり、図１に示すように、主検出ユニットＢと事故検出ユニットＡという２つの分離独立した保護リレーユニットを備えている。

単一の保護リレーユニットには一般的に、アナログ入力部と、機器条件入力部と、リレー演算処理を実施する演算処理部と、トリップ出力を制御する出力制御部が設けられている。ただし図１では、各ユニットＡ、Ｂにおける演算処理部Ａ１、Ｂ１と出力制御部Ａ２、Ｂ２だけを示し、アナログ入力部および機器条件入力部については図示を省略する。アナログ入力部は、多数の入力を高速でディジタル変換する部分であり、例えば実効精度として１４ビットの分解能や電気角３．７５°のサンプリングなどを標準的に採用している。また、機器条件入力部ではラインスイッチの甲母線側あるいは乙母線側の条件を入力する。

（事故検出ユニット）
事故検出ユニットＡは、甲母線と乙母線の各々の電圧情報を計器用変圧器６、７から取込み、これらの電圧情報を基に系統事故を検出するユニットである。事故検出ユニットＡの演算処理部Ａ１は、短絡事故検出リレー１０、１２と、地絡事故検出リレー１１、１３を有している。なお、図１において各リレー１０〜１３に付随する１〜３は、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相の各相を示している（主検出ユニットＢ側のリレーに付随する１〜３についても同様である）。

（事故検出リレー）
短絡事故検出リレー１０は、甲母線側の電圧要素により甲母線側の短絡事故を検出し、
地絡事故検出リレー１１は、甲母線側の電圧要素により甲母線側の地絡事故を検出し、
短絡事故検出リレー１２は、乙母線側の電圧要素により乙母線側の短絡事故を検出し、
地絡事故検出リレー１３は、乙母線側の電圧要素により乙母線側の地絡事故を検出する。

以上の各事故検出リレー１０〜１３では、各相の出力はそれぞれＯＲ回路２３ａに入り、甲側のリレー１０、１１の出力は甲側のＯＲ回路２３ｂに入り、乙側のリレー１２、１３の出力は乙側のＯＲ回路２３ｂに入り、これらの出力がＯＲ回路２３ｃに入る。つまり、事故検出ユニットＡの演算処理部Ａ１では、リレー１０〜１３各相のＯＲ条件にてトリップ出力判定とする。事故検出ユニットＡの出力制御部Ａ２では、演算処理部Ａ１の判定を受けて、端子ａの事故検出トリップ〜端子ｄの事故検出トリップ、さらにはブスタイ１の事故検出トリップを出力する。

（主検出ユニット）
本実施形態に係る主検出ユニットＢは、甲母線及び乙母線内の事故を個別に検出する分割検出リレー１４、１５と、甲乙両母線内の事故を一括して検出可能な一括検出リレー１６の両方を併せ持っている。

（分割検出リレー）
分割検出リレー１４は、甲乙両母線に繋がる各端子ａ〜ｄの電流情報をＣＴ３から取り込み、ブスタイ１の電流情報をＣＴ５から取り込み、取り込んだ電流情報を基に電流差動により甲母線事故を検出する。

一方、分割検出リレー１５は、甲乙両母線に繋がる各端子ａ〜ｄの電流情報をＣＴ３から取り込み、ブスタイ１の電流情報をＣＴ４から取り込み、取り込んだ電流情報を基に電流差動により乙母線事故を検出する。これらの分割検出リレー１４、１５にはいずれも、ＣＴ飽和対策機能が付与されている。また、分割検出リレー１４、１５にはいずれも、ラインスイッチ８、９の条件が加味されている。

（一括検出リレー）
一括検出リレー１６は、甲乙両母線に繋がる各端子ａ〜ｄの電流情報の総和を求めて電流差動により甲乙両母線内の事故を検出する。

（各検出リレーの原理式）
上記の各検出リレー１４〜１６の原理式は、差電流｜Ｉｄ｜と、最小感度Ｉｄｋと、抑制係数Ｋと、スカラ和電流Σ｜Ｉ｜を用いて、下記の式となる。
（数１）
｜Ｉｄ｜≧Ｉｄｋ, ｜Ｉｄ｜・Ｋ・Σ｜Ｉ｜≧０…（１）

（回路構成）
図１に示すように、分割検出リレー１４の各相はＯＲ回路２４に接続され、一括検出リレー１６の各相はＯＲ回路２６に接続され、ＯＲ回路２４、２６はＡＮＤ回路２７に接続される。さらにＡＮＤ回路２７は甲母線側のラインスイッチ８のＡＮＤ回路２９に接続される。

このような回路構成において、甲母線側の分割トリップ出力は、甲母線分割検出リレー１４の各相ＯＲ条件と、一括検出リレー１６の各相ＯＲ条件とのＡＮＤ条件にて、甲母線の分割検出信号とする。さらには、甲側のラインスイッチ８のＡＮＤ条件にて、各端子ａ〜ｄへのトリップ出力判定とする。

また、分割検出リレー１５の各相はＯＲ回路２５に接続され、このＯＲ回路２５と、一括検出リレー１６側のＯＲ回路２６は、ＡＮＤ回路２８に接続される。さらにＡＮＤ回路２８は乙母線側のラインスイッチ９のＡＮＤ回路３０が接続される。このＡＮＤ回路３０と前記ＡＮＤ回路２９は、ＯＲ回路４３に接続される。

このような回路構成において、乙母線側の分割トリップ出力は、乙母線分割検出リレー１５の各相ＯＲ条件と、一括検出リレー１６の各相ＯＲ条件とのＡＮＤ条件にて、乙母線の分割検出信号とする。さらには、乙側のラインスイッチ９のＡＮＤ条件にて、各端子ａ〜ｄへのトリップ出力判定とする。

さらに、ＡＮＤ回路２７、２８にはＯＲ回路３１が接続されている。したがって、甲母線分割検出信号と一括検出信号のＡＮＤ条件と、乙母線分割検出信号と一括検出信号のＡＮＤ条件とのＯＲ条件にて、ブスタイ１へのトリップ出力判定とする。

主検出ユニットＢの出力制御部Ｂ２では、以上のような演算処理部Ｂ１のトリップ出力判定を受け、分割検出リレー１４又は１５の出力と、一括検出リレー１６の両方が動作することで、各端子ａ〜ｄあるいはブスタイ１への分割トリップを出力する。

ここで、図２に第１の実施形態のトリップ出力回路の回路図の一例を示す。図２に示すトリップ出力回路は、切換えスイッチ接点２０、装置不良判定接点２１、事故検出リレートリップ接点１７、分割検出リレートリップ接点１８及び試験用端子２２を直列に接続してなる回路である。装置不良判定接点２１はｂ接点であり、装置不良時にトリップ出力を停止するためのものである。

（第１の実施形態の作用）
以上の構成を有する第１の実施形態では、分割検出リレー１４又は１５の出力と、一括検出リレー１６が両方とも揃って動作する場合に限り、トリップ出力となる。したがって、主検出ユニットＢにおいて、一括検出リレー１６が動作しない、つまり保護領域内部に事故が内在しないのであれば、分割検出リレー１４又は１５のトリップ出力は停止する。

このような主検出ユニットＢでは、一括検出リレー１６がフェールセーフリレーとして機能することになり、ラインスイッチ８、９の条件取込み回路における、機器の単一故障による誤動作モードの発生を防ぐことができる。すなわち、ラインスイッチ８、９の機器条件を入力できなくなるといった不良が発生する場合、分割検出リレー１４又は１５は端子ａ〜ｄから取り込む電流値について甲母線と乙母線の判定を誤ってしまい、電流差動にて動作する分割検出リレー１４又は１５はトリップ出力となる。

このとき、事故検出ユニットＡの事故検出リレー１０〜１４は、区間判定の無い電圧要素なので、母線を停止させる誤動作が生じる可能性がある。つまり、機器単一故障による不良動作を原因として、母線保護継電装置が誤動作して、母線停止が起こる可能性がある。複母線構成では、極めて高い安定性が求められるので、これを保護対象とする母線保護継電装置にあっては、万が一にも誤動作が起きる可能性を排除することが要求される。

そこで本実施形態の主検出ユニットＢでは、仮にラインスイッチ８、９の機器条件を入力できなくなるといった不良が発生して、分割検出リレー１４又は１５が甲母線と乙母線の判定を誤ったとしても、一括検出リレー１６が動作しなければトリップ出力とはならないように構成した。すなわち、本実施形態では、断路器条件取込み回路において、機器単一故障が発生したとしても、母線保護継電装置の誤動作を確実に阻止することができ、保護機能を安定して維持することが可能である。

（第１の実施形態の効果）
以上述べたように、第１の実施形態によれば、２台の独立分離したユニットＡ、Ｂを設けるといった構成の簡略化を図ることができる。しかも、主検出ユニットＢに内蔵された一括検出リレー１６がフェールセーフ機能を発揮することで、部品不良が生じてたとしても、その影響が健全なユニットにまで及ぶ心配がない。

したがって、第１の実施形態では、母線保護継電装置として考慮すべき機能を踏襲しつつ、その上で、従来では３台あったユニットを２台に減らして部材点数を抑制することができ、コストの低減化が可能となる。これにより、安価なシステム構成を実現することができ、信頼性及び経済性の向上に寄与することができる。

また、第１の実施形態の主検出ユニットＢでは、分割検出リレー１４、１５及び一括検出リレー１６の各相でＯＲ出力を先に行い、その後で、分割検出リレー１４と一括検出リレー１６とのＡＮＤ出力ならびに分割検出リレー１５と一括検出リレー１６を行うように構成している。このような主検出ユニットＢは回路構成が製作し易い。

さらに、第１の実施形態の主検出ユニットＢの回路構成では、一括検出リレー１６全体が分割検出リレー１４あるいは１５とＡＮＤ回路２７、２８により接続されているので、一括検出リレー１６を全く使用しないようにすることも容易である。したがって、機能を選択する自由度がさらに広がる。その結果、複母線構成の重要度といった観点などから、一括検出リレー１６を利用しなくてもよい場合には、一括検出リレー１６を未使用とすることも可能となり、構成の簡略化をいっそう進めることができる。

（第２の実施形態の構成）
第２の実施形態のシステム構成を図４に示す。上記第１の実施形態と同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略し、異なる構成についてのみ説明する。図４に示すように、甲母線分割検出リレー１４のＡ相と、一括検出リレー１６のＡ相は、ＡＮＤ回路３２に接続され、甲母線分割検出リレー１４のＢ相と、一括検出リレー１６のＢ相は、ＡＮＤ回路３３に接続され、甲母線分割検出リレー１４のＣ相と、一括検出リレー１６のＣ相は、ＡＮＤ回路３４に接続されている。これらＡＮＤ回路３２〜３４はＯＲ回路３８に接続され、ＯＲ回路３８は甲母線側のラインスイッチ８のＡＮＤ回路４０に接続される。

また、乙母線分割検出リレー１５のＡ相と、一括検出リレー１６のＡ相は、ＡＮＤ回路３５に接続され、乙母線分割検出リレー１５のＢ相と、一括検出リレー１６のＢ相は、ＡＮＤ回路３６に接続され、乙母線分割検出リレー１５のＣ相と、一括検出リレー１６のＣ相は、ＡＮＤ回路３７に接続されている。これらＡＮＤ回路３５〜３７はＯＲ回路３９に接続され、ＯＲ回路３９は乙母線側のラインスイッチ９のＡＮＤ回路４１に接続される。ＡＮＤ回路４１と前記ＡＮＤ回路４０は、ＯＲ回路４４に接続される。

このような回路構成により、第２の実施形態における主検出ユニットＢの演算処理部Ｂ１では、分割トリップ出力は、分割検出リレー１４又は１５の各相と、一括検出リレー１６の各相のＡＮＤ条件にて、分割検出信号とし、さらには、ラインスイッチ８、９のＡＮＤ条件にて、各端子ａ〜ｄへのトリップ出力判定とする。

また、ＯＲ回路３８、３９にはＯＲ回路４２が接続されている。したがって、甲母線分割検出信号と一括検出信号のＡＮＤ条件と、乙母線分割検出信号と一括検出信号のＡＮＤ条件とのＯＲ条件にて、ブスタイ１へのトリップ出力判定とする。

主検出ユニットＢの出力制御部Ｂ２では、以上のような演算処理部Ｂ１のトリップ出力判定を受け、分割検出リレー１４又は１５の出力と、一括検出リレー１６の両方が動作することで、各端子ａ〜ｄあるいはブスタイ１への分割トリップを出力する。この点は、上記第１の実施形態と同様である。

（第２の実施形態の作用と効果）
以上のような第２の実施形態によれば、前記第１の実施形態と同じく、２台の独立分離したユニットＡ、Ｂを設けるといった構成の簡略化を図ることで、安価なシステム構成を実現することができ、信頼性及び経済性が向上する。

しかも、第２の実施形態では、まず、分割検出リレー１４あるいは１５と一括検出リレー１６の各相とのＡＮＤ出力を行い、続いて、分割検出リレー１４、１５及び一括検出リレー１６の各相でＯＲ出力を行っている。そのため、第２の実施形態では、一括検出リレー１６によるフェールセーフ機能が、分割検出リレー１４、１５の相毎に、効果を挙げることができ、より優れた信頼性を得ることができる。

（他の実施形態）
上記の実施形態は、本明細書において一例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図するものではない。すなわち、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことが可能である。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

例えば、分割検出リレー１４、１５はＣＴ飽和対策機能を保持していなくてもよく、一括検出リレー１６はその演算方式を単純電流差動としてもよい。単純電流差動の原理式は差電流｜Ｉｄ｜と最小感度Ｉｄｋを用いて｜Ｉｄ｜≧Ｉｄｋとなる。単純電流差動を用いた一括検出リレー１６であっても、上記の実施形態と同等の作用および効果を発揮することができ、さらに、安価な一括検出リレー１６を用いることが可能となるので、コストの低減化を、より進めることができる。

１…ブスタイ
２…遮断器
３〜５…ＣＴ
６、７…計器用変圧器
８、９…ラインスイッチ
１０…甲母線短絡事故検出リレー
１１…甲母線地絡事故検出リレー
１２…乙母線短絡事故検出リレー
１３…乙母線地絡事故検出リレー
１４…甲母線分割検出リレー
１５…乙母線分割検出リレー
１６…一括検出リレー
１７…事故検出リレートリップ接点
１８…分割検出リレートリップ接点
２０…切換えスイッチ接点
２１…装置不良判定接点
２２…試験用端子
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２４〜２６、３１、３８、３９、４２〜４４…ＯＲ回路
２７〜３０、３２〜３７、４０、４１…ＡＮＤ回路

Claims (5)

1. 甲母線及び乙母線を含む複母線構成を保護する母線保護継電装置において、
   前記甲母線と前記乙母線の各々の電圧情報を取込み、これらの電圧情報を基に系統事故を検出する事故検出ユニットと、
   分割検出リレー及び一括検出リレーを併せ持ち、前記分割検出リレーと前記一括検出リレーとのＡＮＤ出力を行う主検出ユニットを備え、
   前記分割検出リレーは、前記甲母線及び前記乙母線に繋がる各端子の電流情報と、前記甲母線と前記乙母線の連絡回路であるブスタイの両端の電流情報とを取込み、これらの電流情報を基に電流差動による甲母線事故又は乙母線事故を検出し、
   前記一括検出リレーは、前記甲母線及び前記乙母線に繋がる各端子の電流情報の総和を求めて電流差動により前記甲乙両母線内の事故を検出することを特徴とする母線保護継電装置。
2. 前記主検出ユニットは、前記分割検出リレーの各相及び前記一括検出リレーの各相でＯＲ出力を先に行い、その後、前記分割検出リレーと前記一括検出リレーとのＡＮＤ出力を行うように構成したことを特徴とする請求項１に記載の母線保護継電装置。
3. 前記主検出ユニットは、前記分割検出リレーの各相と前記一括検出リレーの各相とのＡＮＤ出力を先に行い、その後、前記分割検出リレーの各相及び前記一括検出リレーの各相でＯＲ出力を行うように構成したことを特徴とする請求項１に記載の母線保護継電装置。
4. 前記分割検出リレーはＣＴ飽和対策機能を付与したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の母線保護継電装置。
5. 前記一括検出リレーの演算方式を単純電流差動としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の母線保護継電装置。

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