JP2017208999A - 環状給電ループを有する電力ネットワーク内での故障除去の方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ループに接続される複数の変電所を備える電力ネットワーク内の故障を切り離す方法及び装置を提供する。
【解決手段】ループに接続される複数の変電所を備える電力ネットワーク内の故障を切り離す方法及び装置であって、電力源１７からの少なくとも２つの給電点Ａ、Ｂからループに給電するステップと、電力ネットワークの中性点を、インピーダンスを介して接地するステップと、少なくとも１つの第１の二次変電所内の方向性地絡故障保護１８において地絡故障を検出するステップと、負荷開閉装置によって検出された地絡故障を切り離すステップと、第２の二次変電所の過電流保護における２つ以上の相間の短絡に起因する故障電流を検出するステップと、回路遮断器１２で前記ループを開くステップとを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、ループに接続される幾つかの変電所を有する電力ネットワーク内の故障を切り離す方法及び装置を提示する。特に、本発明は、環状給電ループを有するインピーダンス接地された三相電力ネットワーク内での故障除去のために使用されることができる。

「二次変電所」は典型的には１つの変圧器及び複数の開閉装置を有する。典型的には、三相中間電圧、１０ｋＶ又は２０ｋＶ、は、産業及び家庭の顧客に電気を供給するために三相低電圧、４００Ｖ、に変換される。典型的には、二次変電所内の変圧器の定格電力は５０ｋＶＡから５００ｋＶＡまでの範囲である。

「変電所」は典型的には１つ又は複数の変圧器、開閉装置、リレー保護、及び他の制御機器を有する。典型的には、電圧は地域ネットワーク、典型的には１３０ｋＶ、から、中間電圧、１０ｋＶ又は２０ｋＶ、に変換される。変電所内の変圧器の定格電力は典型的には２ＭＶＡから５０ＭＶＡまでである。

「三相配電ネットワーク」は中間電圧ネットワークと呼ばれることが多く、電圧は６ｋＶから４０ｋＶまでの範囲である。ネットワークは、導体間に電圧差（主電圧）を有する３つの別個の導体で電気を供給する。通常の動作条件下では、３つの電圧はネットワークの中性点に対して対称である。導体と中性点との間の電圧は相電圧と呼ばれる。Ｙ結線された変圧器を使用する場合、中性点は変圧器巻線のスターポイントに対応する。デルタ結線された変圧器が変電所で使用されるならば、Ｚ結線を有する別個の変圧器を使用することによって中性点を作ることが可能である。

負荷電流は通常複数の相で流れ、他の相の導体を通って戻る。配電ネットワークでは、相間の故障に対して過電流保護及び、地絡故障と呼ばれる、１つの相がアースに接触することに対して保護を提供する別個の機能を使用するのが一般的である。配電ネットワーク内の様々な過電流保護の設定は、故障区間又は構成部品のみがネットワークから切り離されるように、選択性を達成する目的で連携される。地絡故障は群を抜いて最も一般的な故障タイプであり、非特許文献１によれば、地絡故障は発生している全ての故障の８０％を表す。地絡故障電流の大きさはネットワークの接地のタイプだけでなく、線路インピーダンス及び耐故障性にも大きく依存する。配電ネットワークの中性点に使用される接地のタイプは、地絡故障保護に使用するのに適する原理を決定する上で非常に重要である。

異なるタイプのネットワーク接地が存在し、それらの幾つかを以下に示す。
・ 絶縁された（接続されていない）中性点、
・ コイル接地された中性点、すなわちピーターセンコイルによって接地された共振。
・ 接地された中性点を有するネットワークは、更に２つのサブカテゴリ、効率的に接地されたネットワーク及び非効率的に接地されたネットワーク、に分けることができる。
アメリカ規格ＡＮＳＩ／ＩＥＥＥ１４１ １９８６はシステム接地に対して以下の選択肢を提供する。
・ しっかり接地された（中性点において意図的なインピーダンスが無い）、
・ コイル接地、
・ 低抵抗又は高抵抗のいずれかを有する抵抗接地、
・ 絶縁された中性点。
提示された代替案を仮定して、以下で論じられる異なるシステム接地を区別することが可能である。

非特許文献２では、方向性地絡故障保護は以下の適用分野に適していると述べられている。
・ コイル接地されたネットワーク、
・ 絶縁された中性点、
・ 方向性過電流保護との組み合わせ、
・ 高抵抗の地絡故障を検出するように感度を上げること。
コイル接地されたネットワーク内での地絡故障保護に関する様々な態様のより詳細な議論は、特許文献１に記載されている。

市場には、通常の動作中、又は短絡などの特定の異常状態で、電流を結合する、伝導する、及び中断する（切り離す）ために電力配電ネットワークにおいて使用されることができる多くのタイプの開閉装置が存在する。使用される開閉装置の幾つかの例は、負荷開閉器、断路器、負荷断路器、ヒューズ付きの負荷断路器、及び回路遮断器である。開閉装置は、全て、ネットワーク内の異なるタスクに適合させる、遮断容量及び動作時間に対して異なる定格データを有する。開閉装置の価格はその定格データによって概ね決定される。高い遮断容量が加わった短い動作時間は、より高い価格を意味する。これは、約２０〜６０ｍｓの動作時間及び最大２０ｋＡの遮断容量を有する回路遮断器が、配電ネットワーク内での使用には比較的高価な構成要素である理由を説明する。負荷電流に制限される遮断容量を有する負荷断路器などの開閉装置は、コストが大幅により低いであろう。従って、配電ネットワークにおいてコスト効率の高い設計改善を行うために、回路遮断器の代わりに低コストの負荷断路器を使用することが非常に有利である。

多くの国では、放射状給電線を有する配電ネットワークを動作させることが一般的である。地方の配電ネットワークは、しばしば１３０ｋＶを１０ｋＶ（又は２０ｋＶ）に変圧する変電所から供給され、幾つかの送電線を有する。通常、給電線は１つの回路遮断器及び関連するリレー保護を有する。回路遮断器は高価な構成部品である。スウェーデンの又は国際的な通常サイズの配電ネットワークからの取引高を考えると、給電線毎に複数の回路遮断器を経済的に正当化することは困難である。各給電線は１つの電圧源にのみ接続するので、水流に類似した表記を使用することが慣習になっている。給電線は１つの上流端及び１つの下流端を有すると言うのが一般的である。通常の動作では、上流端は給電変電所の電圧源に接続され、負荷は給電線の下流に配置される。

多くの国では、例えばスウェーデンでは、配電ネットワークが放射状給電線のみを有することができることが想定される。従って、配電ネットワーク及びリレー保護は、この規定原則に従って設計されてきた。殆どの場合、給電線に対するリレー保護は変電所内で回路遮断器と一緒に配置される。これは、全てのタイプの電気的故障、短絡及び地絡故障の両方、が給電端の回路遮断器によって切り離され、それは、その放射状給電線に接続されている全ての顧客の切り離しを伴うことを意味する。遠隔制御は、故障した給電線区間を区分化し、位置決めするために使用されることができる。良くても、故障区間を分離するために遠隔制御されることができる負荷断路器が存在する。開閉装置の遠隔制御の技術は、例えばＴＥＣＨＩＮＯＶＡ社により商業的に利用可能である。

故障した線路区間は、通常、各線路区間が隔離され、その後給電線が給電端にある回路遮断器によって再通電されるという反復手順によって識別される。故障が消滅するならば、故障が切り離された区間に存在するとみなされる。この手順には多大な時間がかかり、故障した線路区間の場所が見つけられるまでに複数回切り離され再接続される可能性があり、顧客に不便をかける。停電期間は、故障の場所を見つけ、それを分離し、且つ故障の下流の顧客がネットワークの代替経路から給電されることができるようにネットワークを再構成するのにかかる時間によって決定される。

リレー保護システムの幾つかの改善が文献に提案されている。１つの例は、特許文献２及び特許文献３に記載されている。それでもなお、これらの改善は、給電線の放射状構造の基本的な問題に対処していない。これは、依然として、故障の下流の全ての顧客の電力が中断するであろうことを意味する。特許文献２に提案されているような改善は、給電線に故障がある場合、依然として、平均で顧客の半分が供給から切り離されることになるので、放射状給電線に関する根底にある問題を解決していない。

総中断時間はまた、代替の給電経路によって電力供給を復旧するためにネットワークを切り替えて再構成するのにかかる時間の影響を受ける。

その性質上、放射状給電線は、単一の故障が常に顧客の切り離しを引き起こすことになるので、外乱に対して非常に敏感である。スウェーデンの配電ネットワークで広く使用されている１つの是正処置は、架空線をケーブルで置き換えることである。ケーブル及びその設置は架空線よりもはるかに高価であるので、これは非常に高価な選択肢となっている。例えば、Ｅ．ＯｎＥｌｎａｅｔスウェーデンのホームページ（ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｅｏｎ．ｓｅ／ｏｍ−ｅ−ｏｎ／ｖｅｒｋｓａｍｈｅｔｓｏｍｒａｄｅｎ／ｅｌｎａｅｔ／ｈｉｓｔｏｒｉｅｎ−ｏｍ−ｋｒａｆｔｔａｇ．ｈｔｍｌ）に、ケーブルで１７，０００ｋｍの架空線を置き換えるために、コストが１２，０００，０００，０００ＳＥＫかかったことを主張する情報がある。これはケーブル１ｋｍあたり７００，０００ＳＥＫ＝７０，０００ユーロに相当する。この投資により、中断時間を６０％削減することが可能となっている。

総中断時間を短縮するための別の措置は、切り離された顧客が電力供給を少し早く取り戻すように、故障した給電線区間を識別するプロセスをより時間効率良くすることである。ＰＲＯＴＲＯＬ社は、故障した給電線区間を直接識別するのに使用されることができる製品を有する。

ネットワークの必要な切り替え及び再構成を行うのにかかる時間は、遠隔制御される負荷断路器を使用することにより、短縮されることができる。幾つかの古いネットワークでは、開閉装置は手動でのみ操作可能であり、これはネットワーク内の異なる地理的位置間での広範な輸送を必要とし、電力中断を数時間延長する可能性がある。総中断時間を短縮する別の可能性は、給電線を区分化し、通電を検査し、ネットワークを再構成する手順を自動化することである。市販の製品は復旧プロセスを自動化するのに使用されることができる。

配電ネットワーク内の放射状給電線に対する１つの代替解決策は、環状給電ループを使用することである。特に信頼性に関して高い要求を有する高密度の人口集中地域では、環状給電ループを有する配電ネットワークを構築することが経済的に正当化されることができる。このようなループは、以下の特性を有する。
・ 各二次変電所にリレー保護を有する２つの回路遮断器が必要である。
・ 方向性地絡故障保護及び方向性過電流保護は、故障した給電線区間を選択的に切り離すために使用される。
・ 選択性は、幾つかの異なる時間ステップを使用して達成される。

連携したリレー保護を有する環状給電ループは次の主な利点をもたらす。
・ １つの給電線区間に故障がある場合でも、全ての顧客への電力供給は維持される。
・ リレー保護システムは、二次変電所間の信号の通信が何も無くても動作する。

環状給電ループはまた、次の幾つかの欠点を有する。
・ 各二次変電所は、方向性リレー保護を有する２つの回路遮断器を必要とし、これは投資及び保守に対して高いコストを意味する。
・ エンジニアリング作業が、特に環状給電ループにおいて交替の選択性を達成するために必要なリレー設定を連携し、維持するために必要とされる。
・ 電力ネットワーク内の殆どの構成部品は、構成部品が過熱又は損傷されないように、故障除去のための最長許容時間に制約を課す熱的制約を有する。時間余裕も、異なる二次変電所と給電変電所との間において選択性を達成するために必要である。全体として、これらの制約は、環状給電ループに含まれることができる二次変電所の数に上限を課す。
・ 多くの国は、ネットワーク所有者及び事業者に要件を規制し、且つ表明する機関を有する。スウェーデンエネルギー市場監察局（Ｔｈｅ Ｓｗｅｄｉｓｈ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｒｋｅｔｓ Ｉｎｓｐｅｃｔｏｒａｔｅ）は、電圧品質に関する規制（ＥＩＦＳ２０１３を参照）を発行している。この規制は、異なる短時間の電圧降下に対する最大許容時間を表明している。４５ｋＶ未満の電圧を有する配電ネットワークでは、第６条の表３に準拠しなければならない。この規制は、電圧が通常の動作電圧の４０％未満に降下する場合、最大許容時間は１．０秒である。この意味は、環状給電ループ内の全ての短絡保護が１．０秒未満である故障除去時間を有さなければならないことである。
・ 従って、選択性要件と共に最大の故障除去時間は、選択性計画において利用可能な時間設定の数を制限し、且つ環状給電ループに含まれることができる二次変電所の数を暗黙的に制限するであろう。

地絡故障電流が通常の負荷電流に制限されるネットワークでは、地絡故障に関する限り、電圧降下の規制は制限要因ではないことに留意することが重要である。地絡故障電流が通常の負荷電流に制限されている場合、熱的制限はあまり重要ではなく、これは、より長い故障除去時間に対して遥かに少ない制約を意味する。

本発明の主な目的は、信頼性が高く、且つコスト効率も高い配電ネットワークを構築するためのより良い可能性を提供する解決策を提案することであり、その解決策は、ネットワーク内の電気故障の場合に顧客の中断時間を大幅に短縮することができる。

スウェーデン国特許第５３６１４３号 欧州特許第２７３８８９８（Ｂ１）号 米国特許出願公開第２０１４／００９８４５０（Ａ１）号

ＡＢＢ社のＳｗｉｔｃｈｇｅａｒの「Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｈａｎｄｂｏｏｋ」、１ＷＡＴ７１００９０−ＥＮ 「Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｇｕｉｄｅ」、Ａｌｓｔｏｍ Ｇｒｉｄ、ＩＳＢＮ９７８−０９５６８６７８−０ ３

本発明は、閉ループ、すなわち環状給電ループに接続される幾つかの二次変電所を有する電力ネットワークにおいて故障を切り離す方法及び装置に関する。具体的には、本発明は、環状給電ループを有するインピーダンス接地配電ネットワーク内での故障除去に使用されることを目的とする。

多くの配電ネットワークは、地絡故障電流の大きさを通常の負荷電流より低い値に制限するインピーダンス接地を使用する。本発明は、地絡故障電流を切り離すために簡単な低コストの開閉装置を使用することを可能にするインピーダンス接地ネットワークに最も有用である。

様々な実施形態において、提案されたリレー保護システムは、例えば接地接続を有する二相短絡で故障電流が開閉装置の定格データを超える場合、開閉装置の動作を阻止する機能を有する。

本発明は、地絡故障電流の大きさが負荷電流に制限され、それは熱的制限が少ないことを意味するので、より長い時間設定を使用することを可能にする。制限された電流の大きさについての別の利点は、それが電圧品質に関する当局の規制に違反する電圧降下を少しも引き起こさないことである。配電ネットワーク内の全ての故障の約８０％が地絡故障であるので、環状給電ループの便益の大部分は、環状給電ループ向けの従来の最先端技術による完璧な故障除去システムのコストのほんの一部で達成されることになる。

本発明の上記及び他の利点並びに目的が得られる方法が容易に理解されるように、上で簡単に説明された本発明のより具体的な説明が、添付の図面で示される本発明の特定の実施形態を参照して提供されるであろう。

これらの図面は、本発明の典型的な実施形態のみを示すものであり、従って本発明の範囲を限定するとみなされるものではないことを理解した上で、本発明は、添付の図面の使用によって更なる特定性及び詳細をもって記述及び説明されるであろう。

図１ａ〜図１ｅは配電ネットワークの基本的な構成要素を示す。 インピーダンス接地された中性点及び放射状給電線を有する従来技術の配電ネットワークを示す。 環状給電ループ内に従来技術のリレー保護を有する従来技術の配電ネットワークを示す。 本発明による環状給電ループを有する配電ネットワークの第１の実装を模式的に例示する。 本発明による環状給電ループを有する配電ネットワークの第２の実装を模式的に例示する。

図１ａ〜１ｅは、電力配電ネットワークで使用される構成要素の幾つかを示す。図１ａは、左側に、開状態、すなわち切断状態（オフ）における負荷開閉装置１０を示す。右側に、閉状態、すなわち接続状態（オン）における負荷断路器が示されている。「負荷開閉装置」という用語は、負荷開閉器及び断路器付き負荷開閉器及びヒューズ付き負荷開閉器などの通常の負荷電流を中断することができる全ての開閉装置を指す総称である。同じように、図１ｂは、回路遮断器１２を示す。１２において、左側に、回路遮断器が切断（オフ）状態で示され、右側に、回路遮断器１２が接続（オン）状態で示されている。

状況に応じて、一般用語、変電所は、二次変電所又は変電所に対して使用されることができる。

二次変電所は、典型的に、１つの変圧器及び開閉装置、典型的には負荷断路器を有する。通常、三相中間電圧、６ｋＶ、１０ｋＶ、又は２０ｋＶ、は、顧客に供給される三相低電圧、４００Ｖ、に変換される。典型的に、二次変電所内の変圧器の定格電力は５０ｋＶＡから５００ｋＶＡまでの範囲である。

変電所は、典型的に、１つ又は複数の変圧器、リレー保護を有する幾つかの開閉装置、典型的には回路遮断器、及び他の制御機器を有する。典型的に、電圧は、地域ネットワーク、通常１３０ｋＶ、から中間電圧、６ｋＶ、１０ｋＶ、又は２０ｋＶ、に変換される。変電所内の変圧器の定格電力は、典型的に２ＭＶＡから５０ＭＶＡまでの範囲にある。

リレー保護又はリレー保護システムは、配電ネットワーク内の故障又は他の異常状態を検出し、ネットワークが正常な動作状態に戻るように切り離しを作動させる装置である。リレー保護は、通常はローカルで通知されるが、ネットワークオペレーションセンターにも送信される信号及び兆候をも提供すべきである。

一般に、リレー保護は、対象物、システム、又は機能を保護することを目的とした装置、保護、又は機器を指す。時には保護機器又はリレー保護システムという用語が使用され得る。言い換えれば、リレー保護システムは、１つ又は複数の保護装置及び特定の保護機能を果たすために必要とされる他の機器からなる。リレー保護システムは、１つ又は多数の保護装置、測定変圧器、連結、トリップ回路、補助電力、及び通信を含むことができる。リレー保護システムの原理に応じて、保護される領域又は対象物の１つの端又は幾つかの端に保護装置が含まれる可能性がある。

方向性保護とは、リレー位置から見て或る方向に位置する故障に対してのみ動作するリレー保護を指す。方向性リレーは、ネットワーク内の或る点を基準にして故障を検出することを目的とする計測リレーである。

過電流保護は、電流が予め設定された値を超える場合に動作することを目的とする保護装置である。「時間遅延」という用語は、意図的にリレーの動作を遅延させる機能を指す。この文書では、「時間設定」とは時間遅延を設定することを意味する。地絡故障保護は、電力システム内での地絡故障を検出することを目的とするリレー装置である。

図１ｃは、二次変電所である変電所１４を示す。変電所１４はまた、幾つかの異なる制御及び保護装置を含む。変電所１４はまた、接続状態又はオン状態の２つの負荷遮断開閉装置１０、典型的には負荷断路器、を含む。各変電所は名称及び固有の識別１６を有する。図１ｃの変電所は識別Ｂ２を有する。両方の負荷遮断開閉装置１０は、１８における符号によって示される方向性地絡故障保護を有する。

信号識別Ｂ１ｖを有する入力信号２０が受信されるならば、時間設定が、この方向性地絡故障保護に対して予め設定された値で増加（遅延）される。一般に、信号識別は、信号を送信する特定の開閉装置の識別１９と一緒に変電所識別１６からなる。方向性地絡故障保護が故障を検出する場合、信号識別Ｂ２ｖを有する出力信号２２が隣接変電所に伝送（送信）される。信号識別は、変電所に、開閉装置の識別、ここではｖ、と組み合わせて、固有の識別、ここではＢ２、を与える。対応する表記及び記号は識別ｗを有する開閉装置に対して使用される。各開閉装置は、２４における矢印で示すように時間設定を有するリレー保護を有する。ｗにおける開閉装置に対して時間設定は１．０秒である。同じ時間設定がｖにおける開閉装置に使用される。

代替変電所２６が図１ｄに示される。この変電所は表記Ａ４を有し、１つの負荷断路器１０及び１つの回路遮断器１２を含む。回路遮断器は、ｗである識別１９並びに方向性地絡故障保護１８及び無方向性過電流保護２８である関連するリレー保護を有する。負荷断路器１０は、ｖである識別１９及び方向性地絡故障保護１８である関連するリレー保護を有する。

図１ｅは回路遮断器を有する代替変電所１３を示す。この変電所は表記Ａ２を有し、２つの回路遮断器１２を含む。各回路遮断器は、方向性地絡故障保護１８及び方向性過電流保護２９を含む関連するリレー保護を有する。

図２は、多くの国、例えばスウェーデン、で一般的に使用されている典型的なネットワークを示す。配電ネットワークは、変電所１７内の変圧器３０によって給電される。変圧器は、１３０ｋＶなどの地域ネットワークからのより高い電圧レベルを、中間電圧、例えば１０ｋＶ又は２０ｋＶ、にまで変圧する。環状給電ループは、２つの給電線が共通の二次変電所１５で多くの場合一緒になる遠隔線路端で２つの放射状給電線を接続することによって作られることができる。図２に示されるネットワークでは、２つの給電線は表記「Ａｍ」を有する共通の二次変電所１５で一緒になる。通常、この二次変電所は、代替給電経路を作る必要がある場合、典型的には、下流負荷が予備の給電である必要がある場合、使用される。各給電線は回路遮断器１２を使用し、識別Ａ１〜Ａｍ及びＢ１〜Ｂｎを有する各二次変電所１４は負荷断路器１０を使用する。二次変電所は、中間電圧１０ｋＶ又は２０ｋＶを、産業又は家庭などの通常の顧客に給電する低電圧４００Ｖにまで変圧するネットワーク変圧器３２も含む。

２つの給電線は対にされ、「開ループ」と呼ばれるものにされることが一般的である。この名前は、２つの給電線が同じ二次変電所で終端されているが、給電線の１つだけが二次変電所に接続されていて、他の給電線が接続されていないが予備の給電線として機能することを意味する。

給電線の１つの区間が、恒久的故障、例えば断線したケーブル、により切り離される必要があるならば、故障位置の下流に位置する負荷は、他の給電線からの予備給電を有することができる。負荷を有する二次変電所に対して、１つの通常の給電経路及び、ネットワークが切り替え操作によって変更された後に使用されることができる１つの代替給電経路が存在する。

図３は、開閉装置用にリレー保護及び信号通信を有する周知の配電ネットワークを示す。配電ネットワークでは、通常、無線信号が、開閉装置の遠隔制御用に信号を伝えるために使用される。図３の配電ネットワークは環状給電ループを含む。配電ネットワークは変電所１７内の変圧器３０によって給電される。変圧器は、１３０ｋＶなどの地域ネットワークからのより高い電圧を１０ｋＶ又は２０ｋＶなどの中間電圧にまで変換する。回路遮断器１２は、ループの始めにおいて２つの給電点で使用され、且つ回路遮断器１２は各二次変電所１３の両側で使用される。二次変電所はそれぞれ識別Ａ１〜Ａ３並びにＢ１及びＢ２を有する。各開閉装置は時間設定を有する方向性過電流保護２９を使用する。

図４は、上記の図に記載されている表記で、本発明による環状給電ループを有する電力ネットワークを示す。リレー保護は、異なる開閉装置と共に、選択性を達成するために異なる時間設定を使用し、リレー保護システムはリレー信号の如何なる伝達も必要としない。各二次変電所１４は、２つの方向性地絡故障保護１８及び負荷電流までの遮断容量を有する２つの負荷断路器１０を有する。二次変電所内の典型的な開閉装置は、負荷断路器又は異なるタイプの負荷開閉器とすることができる。環状給電ループは、以前は開ループとして動作しており、且つ互いに代替給電経路として機能していた給電線を対にすることによって作られる。

図４の電力ネットワークは変圧器３０によって給電される。ネットワークの中性点はインピーダンス３６によって接地される。通常、２つの給電点又は給電線Ａ及びＢは、図２に示されるように共通の二次変電所で終端する。図４は、識別Ａ４を有する変更された二次変電所３４を備える環状給電ループを示す。変更された二次変電所３４では、新しい回路遮断器１２、識別ｗが無方向性過電流保護２８及び方向性地絡故障保護１８と共に設置される必要がある。変更された二次変電所３４はまた、関連する方向性地絡故障保護１８と共に識別ｖを有する負荷断路器１０を含む。変更された二次変電所３４における無方向性過電流保護２８は、最短時間設定、図示の例ではわずか０．０５秒、を有する。これは、短絡が万一生じた場合、識別ｗを有する関連する回路遮断器１２がループを最初に開くことになることを意味する。その後、故障が線路の給電端で無方向性過電流保護によって切り離される。

図４はまた、故障に最も近い保護が最初にトリップするように、時間選択性を達成するために保護の時間遅延をどのように設定するかに関する例を示す。過電流保護の時間選択性が電力源を形成する給電変電所１７内の保護と両給電線が終端する二次変電所内の過電流保護との間に必要である。これは、二次変電所毎に１つの追加の時間設定を必要とする図３に示すような既存の最先端技術と比較して、２つの選択的な時間ステップのみが必要であることを意味する。提案された発明により、短絡に対する故障除去時間を短く保つことができる。方向性地絡故障保護に対する時間設定は、環状給電ループに接続されている全ての二次変電所間で選択性を達成する必要がある。従って、方向性地絡故障保護は、選択性を達成するために連携される必要のある幾つかの異なる時間設定を必要とする。図４に示される実施形態では、０．３秒の時間差が隣接変電所間で使用される。最長の遅延時間は２．７秒であり、この設定は給電線点Ａにおける方向性地絡故障保護１８．１に使用され、且つ給電線点Ｂの地絡故障保護１８．２にも使用される。方向性地絡故障保護１８に対する最短時間遅延１８は０．６秒であり、二次変電所Ｂ１内の開閉装置ｖにおける方向性地絡故障保護１８．３及び二次変電所Ａ１内の開閉装置ｖにおける方向性地絡故障保護１８．４に使用される。これらの設定は、全部で８つの異なる時間遅延、すなわち、０．６、０．９、１．２、１．５、１．８、２．１、２．４、２．７秒、を使用することを可能にする。最長の時間遅延は給電線Ａ及びＢが始まり、変電所１７に接続する場所で使用される。残りの７つの時間遅延は、環状給電ループにおいて同数の二次変電所を含むように使用される。

電力ネットワークの中性点は、地絡電流をネットワークの公称負荷電流未満に制限するために選択されるインピーダンス３６によって接地される。従って、単一の地絡故障は、ネットワークの公称負荷電流よりも小さい大きさの故障電流を常に生成することになる。

配電ネットワーク内の環状給電ループに対する従来技術の故障除去システムとは対照的に、図４に示すように、１つの二次変電所のみが修正される必要がある。二次変電所３４のみが１つの回路遮断器１２を使用する必要がある。変更された二次変電所３４も１つの負荷断路器１０を装備する。環状給電ループ内の他の全ての二次変電所は、負荷電流に制限された定格電流を有するより簡単でより低価格の開閉装置、例えば負荷断路器１０を使用することができる。また、変電所間でリレー信号を伝達する必要が少しもなく選択性が達成される。

図４に示される本発明は、電力配電ネットワークの信頼性を大幅に改善することになり、この便益はわずかな追加コストで達成される。本発明に従って設計される配電ネットワークは、従来技術に基づく投資と比較して優れた投資選択肢であるはずである。

図４に示される電力ネットワークでは、過電流保護は二次変電所間では選択的ではない。選択性は、給電変電所内の過電流保護と共通終端変電所内の過電流保護との間でのみ達成される。これは、短絡回路の場合、終端線路端の過電流保護が最初のステップでトリップしてループを開くことを意味する。最初のトリップは２つの別個の放射状のものをもたらし、故障した給電線は給電変電所内の保護によって切り離されることになる。図４に示されるネットワークでは、故障除去の第２部は、給電線Ａにおける無方向性過電流保護２８’又は給電線Ｂにおける無方向性過電流保護２８”のいずれかによって処理されることになる。

環状給電ループに含まれることができる二次変電所の数は、使用される選択性計画における利用可能な時間ステップの数によって制限され、これは、結果として、地絡故障のために必要とされる時間マージン及び最大許容故障除去時間によって決定されることに留意されたい。従って、選択性計画を提供し且つ維持することが必要である。これは、新しい二次変電所を環状給電ループに導入する必要がある場合に、特に重要である。

図５は、本発明による環状給電ループを有するネットワークの代替の実施形態を示す。この実施形態では、環状給電ループは隣接する二次変電所間の信号通信を使用する。上記と同じ基本表記が使用される。隣接する二次変電所間の信号通信は、方向性地絡故障保護間の時間選択性を達成するために使用される。好ましくは、無線通信が二次変電所間において使用される。例えば、ＥＴＳＩ規格ＥＮ３００ １１３による無線システムが使用されることができる。市販の無線システムはＴＥＣＨＩＮＯＶＡ ＡＢから入手可能である。無線システムは１３８〜１５１ＭＨｚ及び４２０〜４７０ＭＨｚの周波数範囲内で動作する。更に、他の無線規格並びにＧＳＭ（登録商標）、ＧＰＲＳ、４Ｇ、及び同様なものなどのモバイルネットワークを使用することもできる。移動通信用の標準的な構成要素を使用することができる。隣接する二次変電所はしばしば互いに比較的近接して配置されているので、距離要件は適度であり、典型的には１ｋｍ未満である。論理信号のみが通信される必要があるので、帯域幅に関する要求は非常に低い。要約すると、信号通信に関する技術要件は非常に低い。

図５の環状給電ループ内の全ての二次変電所１４は、一つを除いて、通常の負荷電流を中断するように制限される遮断容量を有する負荷断路器１０と共に２つの方向性地絡故障保護１８を有する。図５に示される環状給電ループは、互いに予備として動作することができる２つの給電線を対にすることによって作られる。互いに予備である２つの給電線は、図４の変更された二次変電所３４によって示されるように、共通の二次変電所３８で終端されることが一般的である。共通の二次変電所３８において、無方向性過電流保護２８及び方向性地絡故障保護１８と共に１つの回路遮断器１２を設置する必要がある。

図５は、方向性地絡故障保護のために使用される信号通信の原理を示す。信号通信は隣接する二次変電所間にのみ存在する。過電流保護は、給電変電所内の給電線と終端の二次変電所３８内の過電流保護との間で選択性を達成するために、２つの時間ステップで連携される必要がある。これは、２つの時間選択ステップのみが過電流保護のために必要であることを意味する。図５に示される実装では、給電線Ａ及びＢにおける無方向性過電流保護２８に対する時間設定は０．３秒に設定される。終端共通二次変電所３８において、無方向性過電流保護２８に対する時間設定は０．０５秒である。２つの時間ステップのみを有する利点は、短絡に対して短い故障除去時間を得ることを可能にすることである。

各二次変電所は、開閉装置を有する２つの方向性地絡故障保護を必要とし、更に、隣接する二次変電所間の論理リレー信号の信号通信用の機器も必要とされる。図５は方向性地絡故障保護の時間設定の例を示す。全ての方向性地絡故障保護１８は１秒の同じ既定設定を有する。方向性地絡故障保護１８が順方向に故障を検出するならば、ブール（真又は偽）信号がリレーの逆（後方）方向に隣接の二次変電所に送信（伝送）される。単一の地絡故障に制限することで、二次変電所内の２つの方向性地絡故障保護のうちの１つのみが順方向に故障を見ることができる。これは、各二次変電所において、１つの信号のみが送信される必要があることを意味する。送信された信号は、順方向に故障を検出した方向性地絡故障保護に対して固有の識別を含んでいなければならない。

各二次変電所はまた、隣接する二次変電所から信号を受信することができる必要がある。二次変電所が方向性地絡故障保護の開始のために信号を送信し、この信号が隣接する二次変電所で受信されるならば、追加の時間遅延が受信二次変電所内の方向性地絡故障保護に対して加えられる。遅延される保護は、隣接する変電所内の送信地絡故障保護と同じ方向に動作する保護である。典型的な追加の時間遅延は０．８秒とすることができる。これは、故障に最も近い方向性地絡故障保護のみが、既定時間設定を１．０秒に保ち、故障を検出する他の全ての方向性地絡故障保護は、既定の時間設定を０．８秒増加させることになることを意味する。これは、地絡故障がＡ側及びＢ側から同時に検出される場合、総故障除去時間は１．０秒であることを意味する。しかしながら、総故障除去時間は、両側のうちの１つ、Ａ又はＢのいずれか、が、他の側がトリップするまで故障を検出しない場合、２．０秒となることになる。

図５は信号通信の原理を模式的に示し、表記「送信」を有するブロックは送信される信号を示す。表記「遅延」は、この信号が受信されるならば、追加の時間遅延が方向性地絡故障保護の既定の時間遅延に追加されることを示す。付加的な時間遅延は典型的には０．８秒とすることができる。この実装もまた、先の従来技術の投資選択肢と比較して著しい利点を提供する。環状給電ループは１つの追加の回路遮断器１２を必要とするのみである。回路遮断器は、給電線を終端する共通の二次変電所３８内で使用される。全ての他の二次変電所１４において、負荷断路器１０などのより簡単な低コストの開閉装置が使用されることができる。

信号通信を有する提案された発明を使用することの１つの利点は、時間選択性を達成するために複数の時間ステップに基づく制限が存在しないことである。従って、環状給電ループに含まれることができる二次変電所の数は、利用可能な時間ステップの数を考慮せずに選択されることができる。使用される方向性地絡故障保護１８は、エンジニアリング及び設置作業を大幅に簡素化する均一な設定を有することができる。均一な設定は、新しい二次変電所による将来の変更及び拡張も簡素化する。

短絡が起きたとき、選択性は二次変電所間では達成されない。選択性は、変電所内の給電端での過電流保護と終端共通二次変電所３８内の過電流保護との間でのみ達成される。これは、短絡に対しては、まず環状給電ループが２つの別々の放射状のものに分割され、その後故障のある放射状のものがトリップすることになることを意味する。

本発明の或る例示的な実施形態を具体的に説明してきたが、当業者には様々な他の変更が容易に明らかとなろうことが理解されるであろう。従って、本明細書に添付される特許請求の範囲は、本明細書に記載された説明に限定されると意図されるものではなく、むしろ、特許請求の範囲は、本発明が属する技術分野の当業者には明らかである本発明の全ての等価物を包含するものと解釈されることが意図される。

Claims (11)

1. ループに接続される複数の変電所（１４、３４、３８）を備える電力ネットワーク内の故障を切り離す方法であって、
   電力源（１７）からの少なくとも２つの給電点（Ａ、Ｂ）から前記ループに給電するステップと、
   前記電力ネットワークの中性点を、インピーダンス（３６）を介して接地するステップと、
   方向性地絡故障保護（１８）が設けられた少なくとも１つの第１の二次変電所（１４）内の方向性地絡故障保護（１８）で地絡故障を検出するステップと、
   方向性地絡故障保護（１８）が設けられた前記少なくとも１つの第１の二次変電所（１４）内の負荷開閉装置（１０）によって検出された地絡故障を切り離すステップと、
   第２の二次変電所（３４）の過電流保護（２８）で２つ以上の相の間の短絡に起因する故障電流を検出するステップと、
   前記第２の二次変電所（３４）の回路遮断器（１２）で前記ループを開くステップと
   を備えることを特徴とする方法。
2. 前記少なくとも１つの第１の二次変電所（１４）の方向性地絡故障保護（１８）に異なる時間設定を提供するステップを更に備える請求項１に記載の方法。
3. 前記少なくとも１つの第１の二次変電所（１４）の方向性地絡故障保護（１８）は、給電点の最も近くに配置される二次変電所（１４）において最長の時間設定で設定され、且つ前記ループに沿って段階的により短い時間設定で設定される請求項２に記載の方法。
4. 前記第２の二次変電所（３４）の過電流保護（２８）に、前記ループ内の他の過電流保護（２８’、２８”）の時間設定よりも短い時間設定が設けられる請求項１に記載の方法。
5. それぞれの各給電点（Ａ、Ｂ）において前記ループに、回路遮断器（１２）及び前記第２の二次変電所（３４）における時間設定よりも長い時間設定を有する過電流保護（２８’、２８”）を設けるステップを更に備える請求項４に記載の方法。
6. 順方向に地絡故障を検出すると、方向性地絡故障保護（１８）からの遅延信号を、隣接する第１の二次変電所（１４）の方向性地絡故障保護（１８）へ逆方向に送信するステップを更に備える請求項２に記載の方法。
7. 無線通信を介して前記遅延信号を送信するステップを更に備える請求項６に記載の方法。
8. ループに接続される複数の変電所（１４、３４、３８）を備える電力ネットワーク内の故障を切り離す装置であって、
   前記ループは少なくとも２つの給電点において電力源（１７）に接続され、
   前記電力ネットワークの中性点はインピーダンス（３６）を介して接地に接続され、
   少なくとも１つの第１の二次変電所（１４）に、地絡故障を検出する方向性地絡故障保護（１８）が設けられ、
   前記少なくとも１つの第１の二次変電所（１４）に、検出された地絡故障を切り離す負荷開閉装置（１０）が設けられ、
   第２の二次変電所（３４）に、２つ以上の相の間の短絡に起因する故障電流を検出する過電流保護（２８）が設けられ、
   前記第２の二次変電所（３４）に、前記故障電流を検出後、前記ループを開く回路遮断器（１２）が設けられること
   を特徴とする装置。
9. 前記第１の二次変電所（１４）の前記方向性地絡故障保護（１８）に、異なる時間設定が提供される請求項８に記載の装置。
10. 前記第２の二次変電所（３４）の前記方向性地絡故障保護（１８）に、前記ループの他の過電流保護（２８’、２８”）の時間設定よりも短い時間設定が設けられる請求項８に記載の装置。
11. 回路遮断器（１２）及び前記第２の二次変電所（３４）における時間設定よりも長い時間設定を有する過電流保護（２８’、２８”）は、前記ループのそれぞれの各給電点（Ａ、Ｂ）に設けられる請求項８に記載の装置。

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