JP2018028501A - 欠相検知システム、欠相検知装置および欠相検知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】設備構成や負荷状況によらずに地落や短絡を伴わない１相開放故障を機械的に検知できる欠相検知システム、欠相検知装置および欠相検知方法を提供する。
【解決手段】実施形態の欠相検知システムは、３相静止誘導電気機器、電流検知器、抽出部、判定部を備える。３相静止誘導電気機器は相毎の配線に励磁電流が流される１次側回路を有する。電流検知器は１次側回路の各相の励磁電流を検知する。抽出部は電流検知器により検知された励磁電流から高調波を抽出する。判定部は抽出部により高調波が抽出されたか否かに応じて励磁電流の検知元の１次側回路の配線が開放状態か接続状態かを判定する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、欠相検知システム、欠相検知装置および欠相検知方法に関する。

発電所などの発電施設では、３相交流の高電圧を変圧する変圧器に保護継電器が接続されており、地落や短絡の事象発生時の対応が図られている。

ところで、変圧器の１次側に接続されている碍子などが破損して３相のうちの例えば１相が欠相すること（以下これを「１相開放故障」と称す）がまれにある。

３相変圧器における１相開放故障は、開放した相にも電圧が誘起されるため、発見が難しく、例えば変圧器の１次側に１相開放故障が発生し、異常電流の値が保護継電器の設定値まで到達するような場合は、検知可能である。

しかしながら、地落や短絡を伴わない１相開放故障が発生すると、設備構成や負荷状況によっては保護継電器の設定値まで値が変動しない場合があり、このような場合は１相開放故障を検知できないことがある。

このため、従来は機械的な検知のほか、人為的な検知を組み合わせて地落や短絡を伴わない１相開放故障を検知するよう対応を図っている。

特開２０１５−００６０７６号公報

従来、地落や短絡を伴わない１相開放故障が発生した場合に、設備構成や負荷状況によっては保護継電器の設定値まで値が変動しないことがあり、この場合は１相開放故障を検知できず、人為的な検知を組み合わせて対応していた。

本発明が解決しようとする課題は、設備構成や負荷状況によらずに地落や短絡を伴わない１相開放故障を機械的に検知することができる欠相検知システム、欠相検知装置および欠相検知方法を提供することにある。

実施形態の欠相検知システムは、３相静止誘導電気機器、電流検知器、抽出部、判定部を備える。３相静止誘導電気機器は相毎の配線に励磁電流が流される１次側回路を有する。電流検知器は１次側回路の各相の励磁電流を検知する。抽出部は電流検知器により検知された励磁電流から高調波を抽出する。判定部は抽出部により高調波が抽出されたか否かに応じて励磁電流の検知元の１次側回路の配線が開放状態か接続状態かを判定する。

第１実施形態の欠相検知システムの構成を示す図である。 発電所などで用いられる変圧器の結線図である。 変圧器を含めた等価回路を示す図である。 図３の回路において、ある配線が断線した場合の電理由の流れを示す図である。 励磁電流の有無だけでは一部の欠相を検知できない例を示す図である。 変圧器の励磁電流の波形を示す図である。 図６の波形の励磁電流から基本波、３倍高調波、５倍高調波を分解した図である。 変圧器の励磁電流の基本波の振幅を１としたときの高調波成分の歪み率を示す図である。 印加電圧に対する励磁電流の基本波、高調波の変化を示す図である。 第２実施形態の回路構成を示す図である。 他の実施形態（変形例）の回路構成を示す図である。

以下、図面を参照して、実施形態を詳細に説明する。
図１は第１実施形態の欠相検知システムを示す図である。

図１に示すように、第１実施形態の欠相検知システムは、３相静止誘導電気機器としての変圧器１と、この変圧器１の１次側回路２の各相の配線４ａ、４ｂ、４ｃに配置された電流検出器５と、各相の電流検出器５が接続される欠相検知装置６とを有する。

変圧器１は、外部へ続く各相の配線４ａ、４ｂ、４ｃおよびコイルを含む１次側回路２と、この１次側回路２のコイルにより電圧が誘起されるコイルを有する２次側回路３とを有する。この変圧器１では１次側回路２の各配線４ａ、４ｂ、４ｃに励磁電流が流されることで、１次側回路２と２次側回路３のコイルの巻線比に応じた電力が２次側回路３に誘起される。すなわち変圧器１は相毎の配線４ａ、４ｂ、４ｃに励磁電流が流される１次側回路２とこの１次側回路２に電磁的に結合された２次側回路３とを有する。

電流検出器５は、各相の配線４ａ、４ｂ、４ｃに流れる電流を検知する。電流検出器５には、例えば通常ＣＴと呼ばれる電磁誘導を用いた変流器、ファラデー効果を利用する光ＣＴなどを用いる。ＣＴはカレントトランスフォーマー（電流変換器）の略称である。

欠相検知装置６は各相の電流検知器５により検出される励磁電流を基に、励磁電流の検知元の１次側回路２の該当する相の配線４ａ、４ｂ、４ｃが開放状態か否かを判定し、開放状態の配線が存在した場合、その旨を警報出力する。

欠相検知装置６は、入力変換器６１、フィルタ部６２、判定部６７、警報出力部６８を有する。

入力変換器６１は入力される励磁電流（電流の信号）を電圧の信号へ変換する。フィルタ部６２はアナログフィルタ６３、ＡＤ変換器６４、デジタルフィルタ６５を有する。

アナログフィルタ６３は入力される励磁電流を変換した電圧の信号）に含まれる高周波ノイズ成分（例えば１０アンペア程度の電流を電圧に変換した成分）を減衰させる。

ＡＤ変換器６４はアナログフィルタ６３によりノイズ成分（高周波成分）が減衰される励磁電流（アナログの信号）をデジタルの信号に変換する。

デジタルフィルタ６５はＡＤ変換器６４により変換されたデジタルの信号に含まれる商用周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの基本波ｆｍ）と３倍高調波３ｆｍおよび５倍高調波５ｆｍなどの高調波成分を分離する。

この例では、フィルタ部６２は励磁電流の基本波ｆｍに対する整数倍の高調波を一つ以上抽出する。つまりフィルタ部６２はバンドパスフィルタであり、入力変換器６１により変換された電圧信号から、基本波ｆｍと、その３倍の周波数の３倍高調波３ｆｍ、およびその５倍の周波数の５倍高調波５ｆｍなどを抽出する抽出部として機能する。

判定部６７には基準電圧Ｖｒｅｆが入力される。判定部６７は基準電圧Ｖｒｅｆの周期に合わせて各信号を所定期間（動作期間）毎にサンプリングする。基準電圧Ｖｒｅｆは同期タイミングをとるための信号であり、１次側回路２のいずれかの配線（この例では配線４ｃ）に印加される交流電圧または通常の商用交流電圧（１００Ｖ、５０Ｈｚの正弦波の信号）などを用いるものとする。

判定部６７は基本波ｆｍおよび高調波３ｆｍ、５ｆｍそれぞれに判定用の閾値を持っている。基本波ｆｍの振幅値に対する閾値を第１閾値とし、高調波３ｆｍ、５ｆｍの振幅値に対する閾値を第２閾値とする。高調波の第２閾値については３倍高調波３ｆｍ、５倍高調波５ｆｍそれぞれに対応する閾値が設定されている。

判定部６７は検知された基本波の振幅値が予め設定された第１閾値を超え、かつ高調波の振幅値が予め設定された第２閾値を超えない場合、その電流は充電電流のため当該配線が開放状態であるものと判定する。

また判定部６７は検知された基本波の振幅値が予め設定された第１閾値を超え、かつ高調波の振幅値が予め設定された第２閾値を超えた場合、その電流は励磁電流のため当該配線が接続状態であるものと判定する。

判定部６７はフィルタ部６２により抽出された所定閾値（振幅値の第１閾値および第２閾値）を超える基本波ｆｍおよび高調波３ｆｍ、５ｆｍの有無に応じて励磁電流の検知元の１次側回路２の配線４ａ、４ｂ、４ｃが開放状態か接続状態かを判定する。

具体的には、判定部６７はフィルタ部６２により抽出された励磁電流および高調波が流れていると判定される閾値との大小関係（閾値よりも大きいか小さいか）に応じて、励磁電流の検知元の１次側回路２の配線４ａ、４ｂ、４ｃが開放状態（少なくとも１相が開放故障）か否かを判定する。判定部６７は抽出された一つ以上の高調波３ｆｍ、５ｆｍの振幅値が第２閾値を超えない場合、高調波が抽出されなかったものとして、当該配線４ａ、４ｂ、４ｃが開放状態であるものと判定する。

なお基本波を用いずに高調波の有無だけ、つまり高調波の振幅値予め設定された第２閾値を超えた場合、その電流は励磁電流のため当該配線が接続状態であり、高調波の振幅値第２閾値以下の場合、その電流は充電電流のため当該配線が開放状態であるものと簡易的に判定してもよい。

すなわち判定部６７はフィルタ部６２により高調波３ｆｍ、５ｆｍが抽出されたか否かに応じて励磁電流の検知元の１次側回路２の配線４ａ、４ｂ、４ｃが開放状態か接続状態かを判定する。

そして、判定の結果、開放状態の配線が存在する場合（この例では配線４ｂ）、判定部６７は当該配線４ｂが開放状態であることを示す警報信号を警報出力部６８へ出力する。

警報出力部６８は例えばスピーカやブザー、あるいは表示装置などであり、判定部６７から受信された警報信号により、配線４ｂが開放状態であることを警報出力する報知部または発報部である。

図１の例のように配線４ｂに断線箇所Ｐがある場合、配線４ｂが開放状態であることが警報音や警報表示などで報知される。

つまり判定部６７は励磁電流に含まれる高調波を基に該当配線の欠相の有無を判定するが、基本波だけなく高調波を用いることで、欠相の有無を高感度に判別することが可能となる。この原理を以下に示す。

励磁電流を測定する上での問題点は、励磁電流が流れていなくても、線路に充電電流が流れることである。この様子を図１、図２を用いて説明する。

図２は一般に原子力発電所で用いられている変圧器１の結線図である。
図２に示すように、１次側、２次側ともにＹ結線の変圧器１が用いる。電圧の安定化のため、内部にはΔ結線の巻き線を含むように作られるのが、一般的である。

このため、入力側のＹ結線に接続される配線のうちいずれか１つの配線に断線故障を生じても、無負荷あるいは軽い負荷の場合には、断線相においても、ほぼ正常時に近い電圧が誘起され、従来用いられてきた電圧低下を検出することによる欠相検出の方法では欠相が検知できない事象が発生していた。

この問題を解消するために、変圧器１の励磁電流の有無を測定して、欠相の有無を判定する。このときの、変圧器１を含めた回路の等価回路を図３に示す。実際には３相交流であるが、欠相検知装置６は各相毎に励磁電流の有無を判別しているので、１相分のみを図示する。

図３に示すように、線路の浮遊容量Ｃｓ８による充電電流Ｉ_ＣＳ９、変圧器１の励磁電流Ｉ_L１０が線路には流れている。ここで、励磁電流Ｉ_L１０を測定するＣＴを変圧器１近傍に設置した場合、ＣＴは励磁電流Ｉ_Lのみを観測して出力することになる。

次に、図４を参照して変圧器１の１次側回路の配線４ａ、４ｂ、４ｃのいずれかで断線故障が生じた場合について考える。
図４に示すように、変圧器１（図３参照）から比較的離れた点×で断線が発生した場合、その断線した配線の相（断線相）には変圧器１の励磁電流は流れず０アンペアとなる。
一方、線路の充電電流はどうかというと、断線が発生している状況のため、電源７からは供給されない。

しかし、変圧器１には前述の通り、安定化巻線が備えられており、断線相においても、変圧器１の１次側回路２にほぼ健全時と同じ電圧Ｅ_Ｌ３０が誘起される。このため、電圧Ｅ_Ｌ３０から線路への充電電流Ｉ_ＣＳ２４０が流れることとなる。

このとき、充電電流Ｉ_ＣＳ２４０は、電圧Ｅ_Ｌ３０より供給された進み位相の電流となるが、健全時の励磁電流Ｉ_L１０、つまり電源７より供給された遅れ位相の励磁電流Ｉ_L１０と丁度同位相の電流となる。かつ充電電流Ｉ_ＣＳ２４０は、例えばＣＶケーブルの場合、無視できない程大きく、事故点までの線路長によっては、励磁電流Ｉ_L１０と同一になることもあり得る。

つまり、励磁電流の単純な検出だけで断線を判別するだけでは不十分であり、充電電流と励磁電流との識別を行うことが重要となる。

図５に、励磁電流の有無を判別できない第２の例として、変圧器１の２次側回路３にＣＶケーブルが用いられている例を示す。

変圧器１の２次側回路３にＣＶケーブルが用いられている場合、図５に示すように、比較的大きな充電電流Ｉ_ＣＳ３３０が流れることとなる。この充電電流Ｉ_ＣＳ３３０は、変圧器１の巻き数比分の１の電流となって変圧器１の１次側に進み成分の電流Ｉ_ＣＳ３１３１を流すこととなるが、この進み成分の電流Ｉ_ＣＳ３１３１は、変圧器１の励磁電流Ｉ_Ｌ１０と丁度逆位相であり、両者は打ち消し合うこととなる。

ここで、ＣＶケーブルの長さによっては、進み成分の電流Ｉ_ＣＳ３１３１と励磁電流Ｉ_Ｌ１０が丁度同じ大きさ、つまり電流が０となる場合が生じ得ることとなる。これは、変圧器１の１次側の変圧器１直近で断線が生じた場合と同じ電流値を示すこととなり、やはり、励磁電流検知による断線検出は成り立たなくなる。

そこで、励磁電流Ｉ_Ｌ１０と充電電流Ｉ_ＣＳ３３０の性質の違いに着目して、充電電流の影響がある場合についても、励磁電流Ｉ_Ｌ１０の有無を正確に判別する手法を考案した。

励磁電流Ｉ_Ｌ１０と充電電流Ｉ_ＣＳ３３０の性質の差として、高調波電流の発生がある。充電電流Ｉ_ＣＳ３３０は、電源周波数に対する高調波成分を殆ど含まないのに対し、励磁電流Ｉ_Ｌ１０については、変圧器１の励磁特性に非線形性をもっており、比較的大きな高調波成分を有する。

図６に変圧器１の励磁電流の波形の一例を示す。図６に示す励磁電流の波形７０は、正弦波の基本波に高調波が重畳された状態のため、もはや正弦波とは言い難い大きく歪んだ波形となっていることが分かる。

この波形７０を、基本波および高調波の各成分に分解（分離）する。この結果を図７に示す。なお図示していない印加電圧の位相０の点を時間原点としてプロットしている。印加電圧について９０°遅れ位相で基本波７１、３倍高調波７２および５倍高調波７３の各高調波電流が流れている。

変圧器１の励磁電流に含まれる基本波成分の振幅を１としたときの高調波成分を図８に示す。図８では、基本波７１の電流とほぼ同等の歪み率の３倍高調波７２と、約５０％の歪み率の５倍高調波７３が流れていることが分かる。

変圧器１が無負荷の状態では、このような高調波の流れる原因は励磁電流のみであり、高調波電流を測定することによって、線路の充電電流など、他の電流と明確に区別して変圧器１の励磁電流を測定することができる。

変圧器１に負荷電流が流れた場合についても考えると、負荷電流は、モーターなど鉄心を含んだものも多く、また、整流回路など電圧に対して非線形に電流が応答する負荷は多数ある。

よって、負荷電流が大きい場合には、もはや高調波電流を用いた欠相検知は難しく、この欠相検知装置６の出力をロックした上で、電圧低下の検出など、他の欠相検知の手法を組み合わせることが望ましい。

この負荷電流の高調波成分と、励磁電流の高調波成分を判別する方法として、先に示した励磁電流の位相を用いることができる。つまり、負荷電流は一般に抵抗性であり、印加電圧と同位相なのに対し、励磁電流は９０°遅れ位相となることから、印加電圧に対して９０°遅れ位相の電流を検出することによって、負荷電流とある程度分けて計測することが可能である。

このようにこの第１実施形態によれば、各相の配線４ａ、４ｂ、４ｃに設けた電流検知器５により検知された励磁電流に含まれる所定閾値を超える基本波と高調波の有無に応じて励磁電流の検知元の１次側回路２の配線４ａ、４ｂ、４ｃのいずれかが接続状態か開放状態かを判定するので、設備構成や負荷状況によらずに地落や短絡を伴わない１相開放故障を機械的に検知することができる。

次に、図９、図１０を参照して第２実施形態を説明する。
変圧器１の励磁電流は、印加電圧によって大きく変動することに対しても、注意を払う必要がある。図９に印加電圧に対する励磁電流の基本波７１、および高調波７２、７３の電流の変化の一例を示す。

図９に示すように、励磁電流は変圧器１の印加電圧によって大きく変化し、この変化は特に高調波電流に顕著に現れる。

そこで、第２実施形態は、図１０に示すように、変圧器１の一次側回路２の配線４ａ、４ｂ、４ｃのいずれかに電圧検知器としての計器用変圧器ＰＴを設け、この計器用変圧器ＰＴにより検知された電圧を電圧調整器６９、アナログフィルタ６３、ＡＤ変換器６４、デジタルフィルタ６５を介して、欠相検知装置６の判定部６７に入力するように回路を構成する。

計器用変圧器ＰＴは、基準電圧Ｖｒｅｆを取得するための測定用の機器であり、ここでは１次側回路２のいずれかの配線（例えば配線４ｃなど）に印加される交流電圧を検出するものとする。

計器用変圧器ＰＴが検出した基準電圧Ｖｒｅｆを欠相検知装置６に入力する際に、電圧を補正する必要があるため電圧調整器６９を設ける。また電圧調整器６９により補正された電圧にはノイズ成分がのっているため、アナログフィルタ６３、ＡＤ変換器６４、デジタルフィルタ６５などを通すことにより、電圧調整器６９により補正された電圧からノイズ成分をフィルタリングする。

この第２実施形態の場合、計器用変圧器ＰＴにより、励磁電流と同時に変圧器１の印加電圧を検知（計測）し判定部６７に入力する。判定部６７は、検知（計測）された印加電圧により励磁電流の有無を判定するための閾値を変化させるものとする。

このようにこの第２実施形態によれば、第１実施形態の効果に加えて、励磁電流と同時に変圧器１の印加電圧を計測して判定部６７に入力し、判定部６７は、計測された印加電圧により励磁電流の有無を判定するための閾値を変化させるので、印加電圧の変動に対応して励磁電流を検知できるようになる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。

上記第１実施形態では、配線４ａ、４ｂ、４ｃにそれぞれ電流検知器５を１つずつ設けたが、図１１に示すように、各配線４ａ、４ｂ、４ｃに、検知すべき信号波形の数だけ電流検知器５ａ、５ｂ、５ｃを設ける。

例えば電流検知器５ａは基本波検知用とし、電流検知器５ｂは３倍高調波検知用とし、電流検知器５ｃは５倍高調波検知用とする。そして、それぞれ検知された電流を欠相検知装置６に入力するように回路を構成する。

この場合、フィルタ部６２では、それぞれ検知された電流から該当する波形の信号（基本波ｆｍ、３倍高調波３ｆｍ、５倍高調波５ｆｍなど）を抽出し、判定部６７へ入力する。
このように回路を構成することで、フィルタ部６２での基準波と高調波の分解（分離）が不要になり、個々の信号（波形）を抽出するだけで済む。

さらに、上記実施形態では、電流検知器として一般的な鉄心ＣＴを用いた例について説明したが、通常の励磁電流の検知には使用しないような、例えば０．２Ａ程度の極微少な電流を検出する欠相検知専用の光ＣＴを各配線４ａ、４ｂ、４ｃに配置することで、雑音成分はサチレーションしてしまい検出できないものの、微弱な励磁電流のみを検出することができる。

電流検知器を光ＣＴとすることで、欠相検知装置６へのケーブルを細くすることができる。また、光ファイバーの巻数に応じて低電圧領域での検出が可能になるので、例えばガス絶縁開閉装置（ＧＩＳ機器）として使用する際に、軽重量にすることができる。

また上記実施形態に示した欠相検知装置６の各構成要素を、コンピュータのハードディスク装置などのストレージにインストールしたプログラムで実現してもよく、また上記プログラムを、コンピュータ読取可能な電子媒体：electronic mediaに記憶しておき、プログラムを電子媒体からコンピュータに読み取らせることで本発明の機能をコンピュータが実現するようにしてもよい。

電子媒体としては、例えばＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体やフラッシュメモリ、リムーバブルメディア：Removable media等が含まれる。さらに、ネットワークを介して接続した異なるコンピュータに構成要素を分散して記憶し、各構成要素を機能させたコンピュータ間で通信することで実現してもよい。

１…変圧器、１１…１次巻き線、１２…２次巻き線、１３…安定化巻き線、２…１次側回路、３…２次側回路、４ａ，４ｂ，４ｃ…配線、５…電流検出器、６…欠相検知装置、７…電源、８…浮遊容量Ｃｓ、９…充電電流Ｉ_CS、１０…励磁電流Ｉ_L、２０…ＣＴ、３０…２次側充電電流Ｉ_ＣＳ３、３１…１次換算２次側充電電流Ｉ_ＣＳ３１、６１…入力変換器、６２…フィルタ部、６３…アナログフィルタ、６４…ＡＤ変換器、６５…デジタルフィルタ、６７…判定部、６８…警報出力部。

Claims (7)

1. 相毎の配線に励磁電流が流される１次側回路を有する３相静止誘導電気機器と、
   前記１次側回路の各相の励磁電流を検知する電流検知器と、
   前記電流検知器により検知された励磁電流から高調波を抽出する抽出部と、
   前記抽出部により高調波が抽出されたか否かに応じて前記励磁電流の検知元の１次側回路の配線が開放状態か接続状態かを判定する判定部と
   を具備する欠相検知システム。
2. 前記判定部は、
   前記高調波の振幅値が予め高調波用に設定した第２閾値を超えない場合、前記高調波が抽出されなかったものとして、当該配線が開放状態であるものと判定する請求項１に記載の欠相検知システム。
3. 前記抽出部は、
   前記励磁電流の基本波に対する整数倍の高調波を一つ以上抽出し、
   前記判定部は、
   抽出された一つ以上の高調波の振幅値が前記第２閾値を超えない場合、当該配線が開放状態であるものと判定する請求項１または請求項２いずれかに記載の欠相検知システム。
4. 前記抽出部は、
   前記励磁電流から基本波を抽出し、
   前記判定部は、
   前記基本波の振幅値が予め基本波用に設定された第１閾値を超え、かつ前記高調波の振幅値が予め高調波用に設定した第２閾値を超えない場合、当該配線が開放状態であるものと判定する請求項２に記載の欠相検知システム。
5. 前記判定部により前記配線が開放状態と判定された場合、警報を出力する警報出力部をさらに具備する請求項１乃至４いずれか１項に記載の欠相検知欠相検知システム。
6. ３相静止誘導電気機器の１次側回路の相毎の配線に流される励磁電流から高調波を抽出する抽出部と、
   前記高調波が抽出されたか否かに応じて前記励磁電流の検知元の１次側回路の配線が接続状態か開放状態かを判定する判定部と
   を具備する欠相検知装置。
7. ３相静止誘導電気機器の１次側回路の相毎の配線に流される励磁電流から高調波を抽出し、
   前記高調波が抽出されたか否かに応じて前記励磁電流の検知元の１次側回路の配線が接続状態か開放状態かを判定する欠相検知方法。

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