JP2023147430A - 母線電圧異常検知装置、母線電圧異常検知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】微小な電圧変動による負荷（補機）への熱的影響を早期に検知可能な母線電圧異常検知装置及び母線電圧異常検知方法を提供する。【解決手段】母線電圧異常検知装置１は、外部送電系統の電圧を計測する第１の電圧計１１１と、母線の電圧を計測する第２の電圧計１０５と、母線に接続された負荷の電流を計測する電流計１０８と、第１の電圧計により計測した外部送電系統の電圧変動量、第２の電圧計により計測した母線の電圧変動量、電流計により計測した負荷の電流変動量に基づいて母線の電圧異常を判定する判定ロジック部１２１と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、発電所内の電源盤の母線電圧の異常を検知する母線電圧異常検知装置の構成とその検知方法に係り、特に、離島などの小規模電力系統の異常検知に適用して有効な技術に関する。

一般に、日本国内の電力系統は非常に容量が大きく信頼性の高いネットワークで構築されていることから、通常時において、負荷端に影響を与えるような電圧変動が発生する可能性は低い。一方、離島などの遠隔地の小規模電力系統や、今後想定される分散型ネットワークでは、系統の容量が小さく、より電圧変動しやすい系統となることから、電源の信頼性としては悪化する傾向になると考えられる。

発電所内の負荷（補機）が電力系統から受電している場合、電力系統に品質悪化が見られた際には各種の保護リレーにて異常検知し、負荷（補機）を保護している。

本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には、「交直変換所、直流送電システムにおける事故時に適正な範囲の直流線路保護を確実に行い得る交直変換所の保護制御装置」が開示されている。

特開２０２０－６８６２１号公報

ところで、発電所内の電気回路の保護は、主に短絡事故および地絡事故の観点で実施されている。

発電所内の負荷（補機）として電動機を例に挙げると、電動機は定常よりも大きな電流（過電流）による熱が発生すると、熱的損傷の可能性があることから、一般的に、過電流に対する電動機保護として過電流保護リレーが設置されている。電動機端で短絡事故等が起こると、その電流上昇を過電流保護リレーで検知することで、電源供給用の遮断器を開放（トリップ）させ、電動機を停止させる。

一方、電動機には電動機保護に特化した電圧に関する保護リレーは設置されていないのが一般的である。この理由としては、電源供給元である電源盤で短絡事故等が発生すると電圧が著しく低下することから、供給される電流は定格電流以下となり、電動機としては負荷トルクに見合った電気出力（軸動力）を出せない為、電動機は停止に至るためである。

また、特殊なケースとして、電動機が定格速度付近で運転している場合で、外部送電系の要因で電圧が数％程度わずかに低下した場合、電動機としては、負荷トルク以上の電気出力を出せることから、電動機は停止せずほぼ定格速度での回転を続ける。電動機は定格速度時には定出力特性となることから、このような状態では電流値が電圧の低下分、増加することになる。

電動機の過電流保護は、ある一定以上の閾値となる電流値以上の大きさの電流が流れないと機能しないことから、上記の電流増加分がこの閾値以下となる場合では回路に定格電流以上の電流が長時間流れることになる。

その結果、過電流により、電動機やケーブルの焼損、熱による寿命の低下を招くといった問題があり、この様な問題が生じる前に事故を検知し、電源系統を切離すことが必要である。

上記特許文献１では、直流線路の地絡ないし短絡事故の発生時に、交直変換所で計測可能な情報のみで、直流事故の事故検出と事故線路同定と事故線路両端の直流遮断器の開放を行い、システム全体の事故波及を極力抑えることができるとしている。

しかしながら、特許文献１には、上述したような微小な電圧変動による負荷（補機）への熱的影響については記載されていない。

そこで、本発明の目的は、微小な電圧変動による負荷（補機）への熱的影響を早期に検知可能な母線電圧異常検知装置及び母線電圧異常検知方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、外部送電系統の電圧を計測する第１の電圧計と、母線の電圧を計測する第２の電圧計と、前記母線に接続された負荷の電流を計測する電流計と、前記第１の電圧計により計測した前記外部送電系統の電圧変動量、前記第２の電圧計により計測した前記母線の電圧変動量、前記電流計により計測した前記負荷の電流変動量に基づいて前記母線の電圧異常を判定する判定ロジック部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明は、外部送電系統に接続された母線の電圧異常を検知する母線電圧異常検知方法であって、（ａ）外部送電系統の電圧を計測し、前記外部送電系統の電圧変動量を算出するステップと、（ｂ）母線の電圧を計測し、前記母線の電圧変動量を算出するステップと、（ｃ）前記母線に接続された負荷の電流を計測し、前記負荷の電流変動量を算出するステップと、（ｄ）前記（ａ）ステップで算出した前記外部送電系統の電圧変動量と、前記（ｂ）ステップで算出した前記母線の電圧変動量と、前記（ｃ）ステップで算出した前記負荷の電流変動量に基づいて前記母線の電圧異常を判定するステップと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、微小な電圧変動による負荷（補機）への熱的影響を早期に検知可能な母線電圧異常検知装置及び母線電圧異常検知方法を実現することができる。

これにより、電力系統の電圧不平衡や微小な電圧変化に対する負荷（補機）の保護が可能となる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例１に係る母線電圧異常検知装置の概略構成を示す図である。 図１の判定ロジック部１２１による低電圧状態での判定ロジックを示す図である。 図１の判定ロジック部１２１による過電圧状態での判定ロジックを示す図である。 本発明の実施例２に係る判定ロジック部１２１による判定ロジックを示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複した説明は適宜省略する。

図１から図３を参照して、本発明の実施例１に係る母線電圧異常検知装置及び母線電圧異常検知方法について説明する。図１は、本実施例の母線電圧異常検知装置１の概略構成を示す図である。

図１に示すように、本実施例では、外部送電系統から受電変圧器１０１、受電遮断器１０２を介して受電する電源母線１０３を想定する。電源母線１０３には、負荷（補機）として電動機１０９が電動機回路遮断器１０６を介して接続されている。

母線電圧異常検知装置１は、主要な構成として、母線電圧計用変成器１０４を介して電源母線１０３に接続された母線電圧計１０５と、電動機電流計用変成器１０７を介して電動機１０９に接続された電動機電流計１０８と、外部送電系統電圧計用変成器１１０を介して外部送電系統に接続された外部送電系統電圧計１１１と、判定ロジック部１２１とを備えている。

母線電圧計１０５は、母線電圧監視用の電圧計である。

電動機電流計１０８は、電動機電流監視のため、電動機１０９の給電回路に接続されている。

外部送電系統電圧計１１１は、外部送電系統の電圧監視のため、受電変圧器１０１の一次側に接続されている。

判定ロジック部１２１は、母線電圧計１０５、外部送電系統電圧計１１１、及び電動機電流計１０８からの各計測信号１２０を基に、電源母線１０３の電圧状態を評価する。電源母線１０３の電圧状態が異常であると判定された場合には、受電遮断器１０２に対し遮断器トリップ信号１２２を送信し、受電遮断器１０２をトリップさせる。

図２を用いて、判定ロジック部１２１による低電圧状態での判定ロジックを説明する。図２に示す制御ロジックは、母線電圧低下時に異常判定するロジックである。

判定ロジック部１２１において、外部送電系統電圧変動（電圧低下側）検知信号２０１は、外部送電系統電圧計１１１により計測した外部送電系統の電圧が定格値から－Ａ％の低下となった場合、“１”を出力する。

外部送電系統の電圧低下の監視条件は、発電所内事故と条件を分離するために設定する。発電所内事故等により母線電圧が大きく低下する場合、発電所内母線側の電圧が顕著に電圧低下する一方、系統電圧はそこまで低下しないことから、発電所内事故時には本制御ロジックを動作させないために設置する。

なお、外部送電系統の要因で電圧に異常が見られた場合は、発電所内母線の電圧低下とともに外部送電系統の電圧も同様に変動する。

受電変圧器１０１のタップ下限信号２０２は、受電変圧器１０１にタップが設置されている場合、その下限であることを条件として“１”を出力する。

電動機電流増加の検知信号２０３は、電動機電流計１０８により計測した電動機１０９の電流が定格電流以上となった場合、“１”を出力する。

母線電圧変動（電圧低下側）検知信号２０４は、母線電圧計１０５により計測した母線電圧が所定の整定値である定格値から－Ｂ％の低下となった場合、“１”を出力する。

外部送電系統電圧が低下したことを示す信号２０１と信号２０２のいずれかにおいて“１”が出力された場合、ＯＲ回路２０５にて“１”が出力される。

つまり、ＯＲ回路２０５により、外部送電系統の電圧変動量または外部送電系統と電源母線１０３との間に接続された受電変圧器１０１のタップ変動量のいずれかが所定の閾値を超えた場合、外部送電系統の電圧変動量が所定の閾値を超えたと判定する。

さらに、電動機１０９の電流増加を検知し、信号２０３において“１”が出力され、また発電所内母線の電圧が低下したことを検知し、信号２０４において“１”が出力されると、３相ＡＮＤ回路２０６にて“１”を出力し、瞬間的な挙動で誤動作しないことを考慮して設置された遅延タイマ２０７を介して遮断器トリップ信号２０８を出力する。

つまり、判定ロジック部１２１は、外部送電系統と電源母線１０３の電圧低下、および負荷（電動機１０９）の電流増加から、母線電圧異常に伴う電流上昇が発生していると判定する。

ここで、電圧変動割合を示す整定値Ａ、Ｂ、及び遅延タイマ２０７の設定値は、外部送電系統の構成や電動機１０９の始動時間などを考慮して決定する。

図３を用いて、判定ロジック部１２１による過電圧状態での判定ロジックを説明する。図３に示す制御ロジックは、母線電圧上昇時に異常判定するロジックである。

判定ロジック部１２１において、外部送電系統電圧変動（電圧上昇側）検知信号３０１は、外部送電系統電圧計１１１により計測した外部送電系統の電圧が定格値からＣ％の上昇となった場合、“１”を出力する。外部送電系統の電圧監視は、母線低下時と同様の理由で設置する。

受電変圧器１０１のタップ上限信号３０２は、受電変圧器１０１にタップが設置されている場合、その上限であることを条件として“１”を出力する。

母線電圧変動（電圧上昇側）検知信号３０３は、母線電圧計１０５により計測した母線電圧が所定の整定値である定格値からＤ％の上昇となった場合、“１”を出力する。

外部送電系統電圧が上昇したことを示す信号３０１と信号３０２のいずれかにおいて“１”が出力された場合、ＯＲ回路２０５にて“１”が出力される。

また、発電所内母線の電圧が上昇したことを検知し、信号３０３において“１”が出力されると、３相ＡＮＤ回路２０６にて“１”を出力し、瞬間的な挙動で誤動作しないことを考慮して設置された遅延タイマ２０７を介して遮断器トリップ信号２０８を出力する。

つまり、判定ロジック部１２１は、外部送電系統と電源母線１０３の電圧上昇から、外部送電系統に起因する過電圧が発生していると判定する。

ここで、電圧変動割合を示す整定値Ｃ、Ｄ、及び遅延タイマ２０７の設定値は、外部送電系統の構成や系統側で考慮される電圧上昇条件（落雷など）を考慮して決定する。

以上説明したように、本実施例の母線電圧異常検知装置１は、外部送電系統の電圧を計測する第１の電圧計（外部送電系統電圧計１１１）と、電源母線１０３の電圧を計測する第２の電圧計（母線電圧計１０５）と、電源母線１０３に接続された負荷（電動機１０９）の電流を計測する電流計（電動機電流計１０８）と、第１の電圧計（外部送電系統電圧計１１１）により計測した外部送電系統の電圧変動量、第２の電圧計（母線電圧計１０５）により計測した電源母線１０３の電圧変動量、電動機電流計１０８により計測した負荷（電動機１０９）の電流変動量に基づいて電源母線１０３の電圧異常を判定する判定ロジック部１２１を備えている。

また、本実施例の母線電圧異常検知方法は、外部送電系統の電圧を計測し、外部送電系統の電圧変動量を算出するステップと、電源母線１０３の電圧を計測し、電源母線１０３の電圧変動量を算出するステップと、電源母線１０３に接続された負荷（電動機１０９）の電流を計測し、負荷（電動機１０９）の電流変動量を算出するステップと、外部送電系統の電圧変動量と、電源母線１０３の電圧変動量と、負荷（電動機１０９）の電流変動量とに基づいて電源母線１０３の電圧異常を判定するステップとを有している。

そして、外部送電系統の電圧変動量および電源母線１０３の電圧変動量がそれぞれ所定の閾値を超え、かつ、負荷（電動機１０９）の電流が定格電流を超えた場合、母線電圧異常に伴う電流上昇が発生していると判定し、負荷（電動機１０９）が接続された電源系統の切り離しまたは別の電源系統への切り替えを行う。

本実施例により、微小な電圧変動による負荷（補機）への熱的影響を早期に検知することができ、母線に接続された電動機などの負荷（補機）の保護が可能となる。

図４を参照して、本発明の実施例２に係る母線電圧異常検知装置及び母線電圧異常検知方法について説明する。

本実施例は、実施例１の図２（低電圧状態での判定ロジック）の変形例である。図４に示す本実施例の制御ロジックは、図２の信号２０１～２０４に加え、電圧低下による影響として、さらに周波数への影響を考慮した場合のロジックである。

周波数が低下すると、負荷（補機）の損失が大きくなり、損失による温度上昇が発生することで、負荷（補機）に熱的影響を及ぼす可能性がある。

そこで、本実施例では、判定ロジック部１２１において、母線周波数変動（周波数低下側）検知信号４０１は、母線周波数が定格周波数の－Ｅ％の低下となった場合、“１”を出力する。

外部送電系統電圧が低下したことを示す信号２０１と信号２０２のいずれかにおいて“１”が出力された場合、ＯＲ回路２０５にて“１”が出力される。

また、電動機１０９の電流増加を検知し、信号２０３において“１”が出力されるか、或いは、母線周波数の周波数低下を検知し、信号４０１において“１”が出力された場合、ＯＲ回路２０５にて“１”が出力される。

さらに、発電所内母線の電圧が低下したことを検知し、信号２０４において“１”が出力されると、３相ＡＮＤ回路２０６にて“１”を出力し、瞬間的な挙動で誤動作しないことを考慮して設置された遅延タイマ２０７を介して遮断器トリップ信号２０８を出力する。

以上説明したように、本実施例の母線電圧異常検知装置１では、判定ロジック部１２１は、母線電圧の周波数が所定の閾値を超えた場合、周波数変動による電流上昇が発生したと判定し、外部送電系統の電圧変動量と電源母線１０３の電圧変動量とのＡＮＤ条件で電動機１０９が接続された電源系統の切り離し、もしくは別系統への電源切り替えを行う。

なお、母線周波数は、電圧波形に基づいて算出することを想定しているが、周波数計を設置して母線周波数を直接計測しても良い。

また、上記では、母線周波数が低下する例を説明したが、母線周波数が上昇する場合も電動機の出力トルクが減少することで、滑りの増加による損失増加となることから同様である。

また、上記の各実施例では、電源盤の受電遮断器１０２をトリップさせ、電源系統の切り離し、もしくは別系統への電源切り替えを実施することを想定しているが、電源系統の切り離しや電源切り替えを実施しない場合は、電動機回路遮断器１０６をトリップさせて、電動機１０９を停止させても良い。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…母線電圧異常検知装置
１０１…受電変圧器
１０２…受電遮断器
１０３…電源母線
１０４…母線電圧計用変成器
１０５…母線電圧計
１０６…電動機回路遮断器
１０７…電動機電流計用変成器
１０８…電動機電流計
１０９…電動機
１１０…外部送電系統電圧計用変成器
１１１…外部送電系統電圧計
１２０…計測信号
１２１…判定ロジック部
１２２…遮断器トリップ信号
２０１…外部送電系統電圧変動（電圧低下側）検知信号
２０２…受電変圧器１０１のタップ下限信号
２０３…電動機電流増加の検知信号
２０４…母線電圧変動（電圧低下側）検知信号
２０５…ＯＲ回路
２０６…３相ＡＮＤ回路
２０７…遅延タイマ
２０８…遮断器トリップ信号
３０１…外部送電系統電圧変動（電圧上昇側）検知信号
３０２…受電変圧器１０１のタップ上限信号
３０３…母線電圧変動（電圧上昇側）検知信号
４０１…母線周波数変動（周波数低下側）検知信号

Claims (12)

1. 外部送電系統の電圧を計測する第１の電圧計と、
   母線の電圧を計測する第２の電圧計と、
   前記母線に接続された負荷の電流を計測する電流計と、
   前記第１の電圧計により計測した前記外部送電系統の電圧変動量、前記第２の電圧計により計測した前記母線の電圧変動量、前記電流計により計測した前記負荷の電流変動量に基づいて前記母線の電圧異常を判定する判定ロジック部と、
   を備えることを特徴とする母線電圧異常検知装置。
2. 請求項１に記載の母線電圧異常検知装置であって、
   前記判定ロジック部は、前記外部送電系統の電圧変動量および前記母線の電圧変動量がそれぞれ所定の閾値を超え、かつ、前記負荷の電流が定格電流を超えた場合、母線電圧異常に伴う電流上昇が発生していると判定し、前記負荷が接続された電源系統の切り離しまたは別の電源系統への切り替えを行うことを特徴とする母線電圧異常検知装置。
3. 請求項２に記載の母線電圧異常検知装置であって、
   前記判定ロジック部は、前記外部送電系統と前記母線の電圧低下、および前記負荷の電流増加から、母線電圧異常に伴う電流上昇が発生していると判定することを特徴とする母線電圧異常検知装置。
4. 請求項２に記載の母線電圧異常検知装置であって、
   前記判定ロジック部は、前記外部送電系統と前記母線の電圧上昇から、外部送電系統に起因する過電圧が発生していると判定することを特徴とする母線電圧異常検知装置。
5. 請求項２に記載の母線電圧異常検知装置であって、
   前記判定ロジック部は、前記外部送電系統の電圧変動量または前記外部送電系統と前記母線との間に接続された受電変圧器のタップ変動量のいずれかが所定の閾値を超えた場合、前記外部送電系統の電圧変動量が所定の閾値を超えたと判定するＯＲ回路を有することを特徴とする母線電圧異常検知装置。
6. 請求項２に記載の母線電圧異常検知装置であって、
   前記負荷は電動機であり、
   前記判定ロジック部は、母線電圧の周波数が所定の閾値を超えた場合、周波数変動による電流上昇が発生していると判定し、前記外部送電系統の電圧変動量と前記母線の電圧変動量とのＡＮＤ条件で前記電動機が接続された電源系統の切り離しを行うことを特徴とする母線電圧異常検知装置。
7. 外部送電系統に接続された母線の電圧異常を検知する母線電圧異常検知方法であって、
   （ａ）外部送電系統の電圧を計測し、前記外部送電系統の電圧変動量を算出するステップと、
   （ｂ）母線の電圧を計測し、前記母線の電圧変動量を算出するステップと、
   （ｃ）前記母線に接続された負荷の電流を計測し、前記負荷の電流変動量を算出するステップと、
   （ｄ）前記（ａ）ステップで算出した前記外部送電系統の電圧変動量と、前記（ｂ）ステップで算出した前記母線の電圧変動量と、前記（ｃ）ステップで算出した前記負荷の電流変動量とに基づいて前記母線の電圧異常を判定するステップと、
   を有することを特徴とする母線電圧異常検知方法。
8. 請求項７に記載の母線電圧異常検知方法であって、
   前記（ｄ）ステップにおいて、前記外部送電系統の電圧変動量および前記母線の電圧変動量がそれぞれ所定の閾値を超え、かつ、前記負荷の電流が定格電流を超えた場合、母線電圧異常に伴う電流上昇が発生していると判定し、前記負荷が接続された電源系統の切り離しまたは別の電源系統への切り替えを行うことを特徴とする母線電圧異常検知方法。
9. 請求項８に記載の母線電圧異常検知方法であって、
   前記（ｄ）ステップにおいて、前記外部送電系統と前記母線の電圧低下、および前記負荷の電流増加から、母線電圧異常に伴う電流上昇が発生していると判定することを特徴とする母線電圧異常検知方法。
10. 請求項８に記載の母線電圧異常検知方法であって、
    前記（ｄ）ステップにおいて、前記外部送電系統と前記母線の電圧上昇から外部送電系統に起因する過電圧が発生していると判定することを特徴とする母線電圧異常検知方法。
11. 請求項８に記載の母線電圧異常検知方法であって、
    前記（ｄ）ステップにおいて、前記外部送電系統の電圧変動量または前記外部送電系統と前記母線との間に接続された受電変圧器のタップ変動量のいずれかが所定の閾値を超えた場合、前記外部送電系統の電圧変動量が所定の閾値を超えたと判定することを特徴とする母線電圧異常検知方法。
12. 請求項８に記載の母線電圧異常検知方法であって、
    前記負荷は電動機であり、
    前記（ｄ）ステップにおいて、母線電圧の周波数が所定の閾値を超えた場合、周波数変動による電流上昇が発生していると判定し、前記外部送電系統の電圧変動量と前記母線の電圧変動量とのＡＮＤ条件で前記電動機が接続された電源系統の切り離しを行うことを特徴とする母線電圧異常検知方法。

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