JP2607483B2 - 地絡方向継電器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、非接地系統配電線の地絡方向継電器に係
り、特に残留零相電圧，残留零相電流が存在する系統に
おいても高感度に検出可能な地絡方向継電器に関するも
のである。

〔従来の技術〕

一般に、高圧配電系統は、樹枝状となつておりその線
路の各相電線が、大地に対し幾何学的配置が非対称とな
つている部分が存在するため各相の対地静電容量が不平
衡なり、このため常時、残留零相電圧V_0r、残留零相電
流I_0rが存在している。

一方地絡保護には、一般に地絡方向継電器で行なわれ
ており、検出感度は、保安上の面より高感度検出が望ま
れている。しかし前記残留零相電圧、および電流の存在
によつて、検出感度は制限されてしまう。さらに残留電
圧，電流値で許容される検出感度以上に整定した場合
は、その継電器の誤動作または誤不動作をまねく結果と
なる。

第９図に従来の地絡保護継電器の系統接続図を示す。
この図において、MTは主変圧器、F₁〜F₃は、配電線でし
や断器CB₁〜CB₃を介してそれぞれ母線BUSに接続されさ
らに主変圧器に接続されている。一方地絡方向継電器DG
₁〜DG₃は対応する零相変流器ZCT₁〜ZCT₃接地変成器GPT
の出力電気信号を入力とし、零相電圧V₀および零相電流
i₀₁〜i₀₃が所定値以上でかつ位相関係が所定位相角以内
の時作動し、該当CB₁〜CB₃のいずれかにしや断指令を導
出する構成となつている。

次に第９図に示す地絡方向継電器DG₁〜DG₃について説
明する。

第２図に従来の地絡方向継電器DGの１例を示す。第２
図のDGの内部接続図においてPTは、接地変成器GPTの出
力零相電圧V₀をレベル検出回路１に適した電気量に変換
する変成器で、CTは零相変流ZCTの出力零相電流I₀をレ
ベル検出回路３に適した電気量に変換する変成器であ
る。レベル検出回路１は、変成器PTの電気量を受け所定
のレベル以上を方形波回路に導出する。一方レベル検出
回路３は変成器CTの出力電気量を受け所定のレベル以上
を方形波回路４に導出する。位相比較回路５は、方形波
回路２および４の出力方形波を入力とし、これらの方形
波の重り角が動作判定角（電気角で約90゜）以上で出力
を出力回路６に導出し、出力回路６は、位相比較回路５
のパルス状の信号を受けて、そのパルスが連続して所定
個数あつたことを検出してしや断器CB₁〜CB₃へしや断指
令を導出する構成となつている。

第３図に第２図の内部接続図の各部の波形例を示し、
零相電圧V₀と零相電流I₀の位相差角θが位相比較回路５
の動作判定角以上で動作出力を導出例示である。第４図
は第２図内部接続図で示す地絡方向継電器の零相電圧V₀
と零相電流I₀との動作及び不動作域を示す位相特性図で
位相比較回路５の動作判定角を電気角で約90゜とした例
示で、本零の位相弁別は、零相電圧V₀と零相電流I₀との
位相差角θが90゜より小さい場合すなわちθ＜π/2の時
動作となりθ＞π/2の時不動作となることになる。

次に第９図の系統の配電線F₁のＧ点に１線地絡事故が
発生したことを仮定し地絡方向継電器DG₁〜DG₃の動作に
ついて説明すると、事故発生と同時に各DG₁〜DG₃は、接
地変成器GPTより零相電圧V₀が印加され、一方、零相電
流I₀は、DG₁は故障点電流I_gに見合つた零相電流i₀₁がZC
T₁より印加される。DG₂は、対地静電容量C₂の充電電流I
_c2に見合つた電流i₀₂、DG₃は、対地静電容量C₃の充電電
流I_c3に見合つた電流i₀₃が印加される。第１図で示すよ
うに各々の配電線の電流方向はF₁は母線より流出方向で
F₂,F₃では母線に対し流入方向となつており、この例で
は180゜の位相差をもつている。

すなわち故障回線F₁のDG₁を動作方向とすればF₂,D
G₂、F₃のDG₃は不動作となるため故障回線の選択が可能
となる。

次に常時、系統に残留零相電圧V_0r,残留零相電流I_0r
が発生している場合に地絡故障が発生した例について説
明すると、地絡故障によつて発生する零相電圧をV_0s,事
故回線の零相電流をI_0s1,健全回線の零相電流をI_0s2と
すると第５図に示すように継電器の端子入力零相電圧
は、V_0s1またはV_0s2のように、V_0sとV_0rのベクトル合成
となり真の故障によつて発生した真のV_0sより±φ位相
ずれを起しこの値はV_0sとV_0rの大きさが等しいとき、そ
の合成零相電圧はV_0sに対し±45゜の位相差をもつこと
になる。一般に残留電圧の発生位相は系統条件によつて
同相から360゜の範囲となる。このため継電器の動作範
囲を示す位相特性は、第５図に示すように零相電圧の位
相ずれ角φと等しくV_0sの基準特性Ｓに対しφ₁,φ_２の
位相特性のずれを起す。

一方、継電器の端子入力零相電流は事故回線のI₀₁、
健全回線のI₀₂は、それぞれの回線に発生している残留
電流I_0r1,I_0r2と事故時発生したそれぞれの回線に流れ
る真の零相電流I_0s1,I_0s2とのベクトル合成となり、事
故回線のDGでは、位相特性ＢとI₀₁との関係において不
動作健全回線DGでは位相特性ＢとI₀₂との関係で動作と
なる。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上に述べたように従来の地絡方向継電器は、常時、
残留電圧または残留電流が存在する系統において、残留
電気量と地絡事故によって発生する零相分電気量のベク
トル合成量を入力として位相弁別することになるため、
特に動作限界近傍の高抵抗地絡事故時には、位相弁別を
誤ることになり、これを防止するため検出感度を高くし
残留零相電圧または残留零相電流によって位相弁別性能
に影響を受けないように配慮するなど残留電気量により
検出感度の整定に制約を受けていた。

これら従来の装置としては、例えば、オーム社発行の
「保護継電工学」に示されている。

本発明の課題は、常時、系統に発生している残留零相
電圧、および残留零相電流の大きさに左右されることな
く地絡故障発生時、高感度に地絡回線選択可能な地絡方
向継電器を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を達成するために本発明では、所定の位相差
を有する複数相の交流電気量と系統の零相電圧とから常
時の残留零相電圧を算出し、地絡故障時は零相電圧と残
留零相電圧との差分に応動して地絡相信号を出力する電
圧地絡相弁別手段と、複数相について電圧地絡相弁別手
段から地絡相信号を受けた場合、進み相のみ出力を導出
する優先判定を行う相弁別手段と、所定の位相差を有す
る複数相の交流電気量と系統の零相電流とから常時の残
留零相電流を算出し、地絡故障時は零相電流と残留零相
電流との差分に応動して地絡相信号を出力する電流地絡
相弁別手段と、電流地絡相弁別手段の出力信号と相弁別
手段の出力信号を入力し、同一相に対して入力信号が存
在する時、故障信号を出力する故障弁別手段と、相弁別
手段の出力信号と電流地絡相弁別手段の出力信号を入力
し、同一相について入力信号が無い時に外部故障信号を
出力する外部故障検出手段と、故障弁別手段の故障信号
が有り、外部故障検出手段の外部故障信号が無いときに
制御信号を出力する出力回路とを備えたようにしたもの
である。

〔作用〕

本発明の地絡方向継電器の動作説明のため１線地絡時
の零相電圧，零相電流の位相関係について第６図〜第８
図を用いて説明する。系統の対地静電容量C_o,故障点抵
抗R_g,相電圧Ｅとしたときの等価回路を第６図（ａ）に
故障点電流I_gと、零相電圧のベクトル図を第６図（ｂ）
に示す。

零相電圧V_sの軌跡は、第６図に示すように故障点抵抗
R_gと対地静電容量C_oの大きさによって変化しC_oを一定と
し、R_g＝０とした時、相電圧Ｅと同相となりR_g≫０では
相電圧Ｅに対しほぼ90゜遅れとなる。故障点電流I_gの軌
跡は、V_oに対しほぼ90゜進みとなる。

第７図は、各相に１線地絡故障発生した時の零相電圧
の軌跡でａ相地絡で0a,b相地絡で0b,c相地絡で0cを通り
C_o,R_gの大きさを変化させた場合の位相関係は第６図と
同様である。

第８図は、各相の１線地絡故障発生時の零相電流I_gの
軌跡で、零相電圧V_oに対しほぼ90゜進みの関係となる。

一方、常時発生する残留電圧および残留電流は、線路
の各相の電線が対地に対し非対称となり対地静電容量の
不平衡によって発生するためその線路条件によって位相
は同相から360゜の範囲となる。

以上述べたように故障発生時に継電器に入力される零
相電圧および零相電流は、真の零相分と残留零相分との
合成値となるため、本発明の地絡方向継電器は、継電器
に入力される零相電圧，零相電流から残留分の零相電
圧，零相電流を差し引いた値が真の零相電圧，零相電流
であることに着目したものであり、このため系統の各相
に常時、残留零相電圧および残留零相電流が発生して
も、これらの大きさに左右されず高感度に地絡回線が選
択されるようになる。

〔発明の実施例〕

以下本発明の１実施例について説明する。

第１図に、本発明の地絡方向継電器の一実施例を示
す。本発明の接続例で第９図と異なる点は、地絡方向継
電器DGに地絡相弁別のための基準電気量として系統の三
相電圧を取り込んだ点であり他は同一である。

第10図に本発明の地絡方向継電器内部機能構成の１実
施例図を示す。

第10図において、V_a,V_b,V_cは接地変成器GPT2次線間電
圧、V₀はGPT3次ブロークンデルタ接続の電圧、I₀は、零
相変流器ZCTの２次電流である。

本発明の機能構成は、V_a,V_b,V_cを変成器PT₁〜PT₃を介
した電圧V_a′,V_b′,V_c′と、V₀を変成器PT₄を介した電
圧V₀′を入力とし、各相毎に常時の残留電圧を記憶し故
障発生時の真の零相電圧が所定の大きさの時出力を導出
する電圧地絡相弁別回路１、この出力が１相のみの時は
その相を、２相以上の時は、進み相の位相を弁別し出力
を導出する地絡相弁別回路２、PT₁〜PT₃の出力電圧
V_a′,V_b′,V_c′とCT₁を介した零相電流I₀′を入力と
し、常時の残留電流を記憶し故障発生時の真の零相電流
が所定値以上の時出力を導出する電流地絡相弁別回路
３、前記地絡相弁別回路２および３の出力信号が同一相
の信号である時、判定出力を導出する故障弁別回路４、
前記地絡相弁別回路２および３の出力信号が不一致の時
所定の時間後出力信号を出す外部故障検出回路５、前記
故障弁別回路４の導出信号がありで前記外部故障検出回
路５の出力信号がないとき所定の時間でしや断器CBへし
や断指令を導出する出力回路６とからなつている。

第10図の電圧地絡相弁別回路１は、基準電気量V_a′,V
_b′,V_c′と零相電圧V₀′とをそれぞれV_a′・V₀′cosθ,
V_b′・V₀′cosθ,V_c′・V₀′cosθ（θ＝基準電気量
V_a′,V_b′,V_c′とV₀′との位相角）の演算を行ないこの
演算出力電圧をメモリ回路に導びきその量を記憶し故障
発生時の瞬時の零相電圧V₀′との差演算を行ない、この
演算出力が所定の大きさの時出力を導出する機能を備え
たものである。

すなわち、基準電圧（V_a′,V_b′,V_c′）と零相電圧の
演算結果は、基準電圧に対し零相電圧の位相差角θが±
90゜以内で正、±90゜以上で負となるため、この大きさ
を演算することにより、地絡相の弁別を行なうようにし
たものである。

地絡相弁別回路２は、第11図の相弁別動作域説明図に
示すように基準相電圧と零相電圧の演算結果がa,b相、
b,c相、c,a相と同時に正となる範囲が存在するので相弁
別を確実に行なうために故障発生時の位相関係から同時
に２相動作の場合は進み相を優先して出力を導出する機
能を備えている。

電流地絡相弁別回路３は、電圧地絡相弁別回路と同様
な回路構成とし入力のV₀に対しI₀を入力とした点が異な
るが演算は１と同様である。

次に第１図の配電線F₁のａ相地絡が発生したと仮定す
ると、零相電圧はベクトル図第７図の0a上に発生し零相
電流は継電器DG₁ではベクトル図第８図の0a上に発生
し、DG₂およびDG₃の零相入力電流は、DG₁の零相入力電
流に対し約180゜位相差を有して発する。従つてDG₁で
は、電圧地絡相弁別回路１電流地絡相弁別回路３共ａ相
の出力を導出するため出力回路６が作動しCB₁へトリツ
プ指令を導出する。一方DG₂およびDG₃の電圧地絡相弁別
回路１の出力はａ相が導出されるが、電流地絡相弁別回
路３の出力はｂ相が導出するため地絡相弁別回路４は出
力なし、外部故障検出回路５は、出力ありとなるため出
力回路６は、作動せずCBへのトリツプ指令は導出されな
い。

次に常時、残留零相分が発生している系統に地絡事故
が発生したときの電圧地絡相弁別回路１および電流地絡
相弁別回路３の動作について説明する。

第12図に電圧地絡相弁別回路１の内部回路構成の１例
を示し、第13図に電流地絡相弁別回路３の内部回路構成
の１例を示す。

第12図において、電圧V_a′,V_b′,V_c′,V₀′は第10図
と同一でPT₁〜PT₄より印加され、電圧地絡相弁別回路ａ
相用1a,b相用1b,c相用1c、それぞれ印加される。1a〜1c
の内部回路構成は、1aに同じで基準入力電圧V_b′,V_c′
のみ異なる。ａ相用の動作について説明すると、基準電
気V_a′と零相電圧V₀′との積演算回路１−1a、積演算回
路１−1aの出力リツプル分を除去する平滑回路１−2a、
平滑回路１−2aの出力信号を所定の時間記憶し入力電気
量に見合つた電気量を導出する記憶回路１−3a、平滑回
路１−2aの出力電気量の瞬時値と前記記憶回路の出力電
気量との差演算を行ないそれに見合つた電気量を導出す
る差演算回路１−4a、差演算回路１−4aの出力信号を入
力としこの電気量が所定値となつた時、信号を導出する
レベル検出回路とからなる。

この回路構成において積演算回路１−1aの出力は、常
時の残留電圧V_0r,V_a′との位相θ_１、地絡事故時の零相
電圧V₀,V_a′との位相角をθ_２とすると、常時のV_a′に
対する有効残留電圧E_0r＝V_a′・V_0rcosθ_１、地絡事故
時のV_a′に対する有効零相電圧E₀＝V_a′・V₀cosθ_２と
なる。この時のV₀は、残留電圧V_0rと真のV_0sとのベクト
ル合成であり、V_a′に対するV_0sの有効分E_0s、V_0sと
V_a′の位相角θ_３とした時のベクトル図を第14図（ａ）
に示す。この図より地絡事故発生時の有効分E_sは E_0s＝E₀−E_0r ＝（V_a′V_0acosθ_３＋V_a′V_0rcosθ_１）−V_a′V_0rcosθ
_１ ＝V_a′V_0acosθ_３ となり常時発生している残留電圧に影響のない真の零相
分を取り出すことになり、第12図の差演算回路１−4aの
出力電気量に相当する。なお他の電圧地絡相弁別回路1b
は基準電圧V_b′、1bは基準電圧V_c′についてａ相同様の
演算が行なわれ、この判定出力は、各相に対応して1A,1
B,1Cに出力される。

一方電流地絡相弁別回路３においても、電圧地絡相弁
別回路と同様に作動し基準電圧V_a′,V_b′,V_c′に対し零
相電流I₀′に対し演算が行なわれる。第13図に電流地絡
相弁別回路の内部回路構成の１例を示し、ａ相用3a、ｂ
相用3b、ｃ相用3cで入力は第10図と同一でPT₁……V_a′,
PT₂……V_b′,PT₃……V_c′,CT₁……I₀′が各々の積演算
回路３−1a,3−1b,3−1cに印加され回路構成は、電圧地
絡相弁別回路と同様で記号のみ異なる。

第14図（ｂ）は、残留電流が存在する系統に地絡事故
が発生した場合の零相電流に関するベクトル図でａ相に
ついて表現したものである。

基準電圧V_a′と残留電流I_0rの位相角θ_１、この有効
分をIE_0r,V_a′と地絡事故発生時の零相電流I₀との位相
角θ_２この時の有効分IE₀,V_0a′と地絡事故発生時の真
の零相電流I_0sとの位相差をθ_３としこの時の有効分をI
E_0sとすると差演算回路３−4aの演算出力は IE_0s＝IE₀−IE_0r ＝（V_a′・I₀cosθ_３−V_a′I_0rcosθ_１）−V_a′I_0rcos
θ_１ ＝V_a′・I₀Icosθ_３ となり、常時発生している残留電流I_0rに影響の受けな
いI_0s相等の零相分電流を取り出すことができる。この
判定出力は、第13図の3A,3B,3Cに出力される。

第15図は、第10図に示す地絡相弁別回路２の内部回路
構成例を示す。この回路の入力は、電圧地絡相弁別回路
１の出力を入力信号とし1AとＩ−2A、1BとＩ−2B、1Cと
Ｉ−3Cが対応し、入力Ｉ−2Aが信号あり、Ｉ−3C信号な
しで、出力信号Ｏ−2Aを導出する論理回路2a、Ｉ−2Bが
信号あり、Ｉ−1A信号なしで出力信号Ｏ−2Bを導出する
論理回路2b、入力Ｉ−3C信号あり、Ｉ−2B信号なしで出
力信号Ｏ−3Cを導出する論理回路2Cから構成される。

すなわち地絡相弁別は、ａ相に対しｃ相、ｂ相に対し
ａ相、ｃ相に対してはｂ相の動作が優先し出力されるよ
う作動する。

第16図は、故障弁別回路４、外部故障検出回路５、お
よび出力回路６の内部回路構成の１例を示すもので、入
力端子は前記地絡相弁別回路２の出力信号Ｏ−2A,O−2
B,O−2C、及び電流地絡相弁別回路３の出力信号3A,3B,3
Cとしそれぞれ、Ｏ−2AとＩ−4A、Ｏ−2BとＩ−4B、Ｏ
−2CとＩ−4C、および3AとＩ−5A、3BとＩ−5B、3CとＩ
−5Cが対応する。

故障弁別回路４は、Ｉ−4aとＩ−5Aが信号ありの時、
論理和回路４−５に出力する論理積回路４−１、Ｉ−4B
とＩ−5Bが信号ありの時論理和回路４−５に出力する論
理積回路４−２、Ｉ−4CとＩ−5Cが信号ありの時論理和
回路４−５に出力する論理積回路４−３などから構成さ
れ、出力回路６へ出力を導出する。すなわちこの回路
は、地絡事故発生時、電圧および電流地絡相弁別回路１
および３の同一相の判定出力信号があるとき出力を導出
する。外部故障検出回路５は、Ｉ−4Aが信号ありＩ−5A
信号なしのとき論理和回路５−４に出力を導出する回路
５−１、Ｉ−4Bが信号ありＩ−5B信号なしのとき論理和
回路５−４に出力を導出する回路５−２、Ｉ−4Cが信号
ありＩ−5C信号なしで論理和回路５−４に出力を導出す
る回路５−３、論理和回路５−４の出力が所定時間継続
したことを確認し、出力回路６へ出力を導出する限時回
路５−５から構成される。すなわち電圧地絡相弁別回路
１の信号と電流地絡相弁別回路３の出力信号が不一致の
時作動することになる。

出力回路６は、故障弁別回路４の出力信号を入力とし
この信号がありで外部故障検出回路５の出力信号がない
時出力を導出する回路６−１、６−１の出力信号が所定
の時間継続したことを確認する限時回路６−２とから構
成される。

以上の第12図，第13図，第15図，第16図の回路構成に
よれば、各相毎に零相電圧及び零相電流を演算し、電圧
地絡相弁別回路１の出力信号と電流地絡相弁別回路３の
出力信号が一致し所定時間継続したとき内部事故と判定
し、前１、および３の出力信号の相不一致の時外部故障
と判定し、かつ常時の残留電圧及び残留電流を記憶し故
障発生時の零相分から各相毎に差演算を行なつて、事故
発生時の真の零相分で地絡相弁別を行なわせる方式のた
め、残留電気量に限界を受けず、高感度に地絡故障を検
出できる効果がある。

〔発明の効果〕 本発明によれば、常時、残留零相電圧および残留零相
電流が発生している配電系統においても高精度に地絡保
護動作することが可能になるので、どのような残留零相
電圧状態，電流状態においても必要最少限の区間のみ系
統から切り離すことが出来、健全な区画をなるべく広く
保てる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の地絡方向継電器の系統接続図、第２
図は、従来の地絡方向継電器の内部回路構成例、第３図
は、第２図の内部波形例、第４図は、従来の地絡方向継
電器の位相特性図、第５図は、地絡事故発生時のベクト
ル図、第６図は、１線地絡発生時の等価回路及び電圧，
電流ベクトル図、第７図は、V₀ベクトル図、第８図は、
I₀のベクトル図、第９図は、従来の配電系統図、第10図
は、本発明の内部機能説明図、第11図は、本発明の相弁
別動作域説明図、第12,第13,第15,第16図は、本発明の
各部の内部回路構成の１実施例図、第14図は、地絡事故
発生時の真の零相分の検出原理を説明するベクトル図で
ある。 １……電圧地絡相弁別回路、２……地絡相弁別回路、３
……電流地絡相弁別回路、４……故障弁別回路、５……
外部故障検出回路、６……出力回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮崎 照信 日立市国分町１丁目１番１号 株式会社 日立製作所国分工場内 (72)発明者 北川 稔 広島市中区小町４番33号 中国電力株式 会社内 (72)発明者 益田 繁雄 広島市中区小町４番33号 中国電力株式 会社内 (72)発明者 佐原 一弘 広島市中区小町４番33号 中国電力株式 会社内

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定の位相差を有する複数相の交流電気量
   と系統の零相電圧とから常時の残留零相電圧を算出し、
   地絡故障時は前記零相電圧と前記残留零相電圧との差分
   に応動して地絡相信号を出力する電圧地絡相弁別手段
   と、複数相について前記電圧地絡相弁別手段から地絡相
   信号を受けた場合、進み相のみ出力を導出する優先判定
   を行う相弁別手段と、前記所定の位相差を有する複数相
   の交流電気量と系統の零相電流とから常時の残留零相電
   流を算出し、地絡故障時は前記零相電流と前記残留零相
   電流との差分に応動して地絡相信号を出力する電流地絡
   弁別手段と、該電流地絡相弁別手段の出力信号と前記相
   弁別手段の出力信号を入力し、同一相に対して入力信号
   が存在する時、故障信号を出力する故障弁別手段と、前
   記相弁別手段の出力信号と前記電流地絡相弁別手段の出
   力信号を入力し、同一相について入力信号が無い時に外
   部故障信号を出力する外部故障検出手段と、前記故障弁
   別手段の故障信号が有り前記外部故障検出手段の外部故
   障信号が無いときに制御信号を出力する出力回路とを備
   えたことを特徴とする地絡方向継電器。