JP3745596B2

JP3745596B2 - 地絡距離リレー

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Publication number: JP3745596B2
Application number: JP2000200395A
Authority: JP
Inventors: 重遠尾田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-07-03
Filing date: 2000-07-03
Publication date: 2006-02-15
Anticipated expiration: 2020-07-03
Also published as: JP2002027662A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電力用送電線の各相の電圧、電流を入力とし、地絡故障を判定する地絡距離リレーに関するもので、特に故障点方向判定に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、例えば特公昭５５−２０４５２号公報に示された従来の地絡距離リレーの方向判定要素を示す図である。
図７において、１は３相（Ａ相、Ｂ相、Ｃ相）電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃと３相電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃを入力とし、その大きさと位相関係から故障点方向判定を行う故障点方向判定回路で、簡単のため、ここではＡ相の故障点方向判定回路を示すが、実際は、Ａ相以外にＢ相、Ｃ相の回路も設けられている。故障点方向判定回路１は、次の２〜５の回路によって構成される。２は３相電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃを入力とし、零相電圧Ｖ０を演算するＶ０演算回路、３は保護対象相（ここではＡ相）電圧以外の相を入力とする線間電圧を９０度シフトするシフト回路、４はＶ０演算回路２とシフト回路３の出力を入力として極性電圧Ｖ_POLを演算する極性電圧演算回路、５は極性電圧演算回路４の出力と保護対象相（ここではＡ相）電流Ｉａの位相関係により故障点方向を判定する方向判定回路である。
【０００３】
図８は、従来の地絡距離リレーの方向判定要素のＡ相地絡故障時の電圧ベクトルを示す図である。
図９は、従来の地絡距離リレーの方向判定要素の前方負荷電流のある系統での外部２φＧ故障時のベクトルを示す図である。
図１０は、図９の地絡距離リレーの方向判定要素における故障中極性電圧と電流の位相関係を示す図である。
【０００４】
図７の回路のように、極性電圧Ｖ_POLは、保護対象相がＡ相の場合、下式で構成される。
Ｖ０＝１／３（Ｖａ＋Ｖｂ＋Ｖｃ）・・・・Ｖ０演算回路２
Ｖｂｃ・εｊ＝（Ｖｂ−Ｖｃ）・εｊ・・・シフト回路３
Ｖ_POL＝Ｖａ−Ｖ０＋Ｖｂｃ・εｊ・・・極性電圧演算回路４
ここで、εｊは、９０度位相を進めることを意味する。
通常、Ａ相故障では、３相電圧が図８のようなベクトル関係になるので、電圧Ｖａの方向と−Ｖ０、Ｖｂｃ・εｊは、同じ方向となる。
−Ｖ０とＶｂｃ・εｊを付加する理由は、詳しく従来技術の特許に書かれているが、主な役目は、Ａ相至近端故障時には、Ｖａ＝０ｖとなるため、方向演算できないので、極性電圧を零にしないため、Ｖ０、Ｖｂｃ・εｊを付加する。また、背後非電源端故障でも方向判別を誤らないためである。
【０００５】
次に、動作について説明する。
地絡距離リレーに入力された３相電圧は、Ｖ０演算回路２、シフト回路３及び極性電圧演算回路４により極性電圧に変換され、保護対象相電流と共に方向判定される。方向判定として、前方１相地絡故障では、故障時極性電圧が保護対象相電流に対して、０から９０度の範囲にあるため、前方判定領域として、０から９０度に動作マージンを持たせる必要があり、例えば、−４５度から１３５度に設定するため、図７の方向判定回路５に示す動作領域を採る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の地絡距離リレーに用いられていた方向判定要素は、その相に流れる電流と極性電圧によって判定されるので、故障前負荷電流が送り方向（前方方向）でかつ、電流値が大きく、故障電流に対して無視できない場合には、外部２φＧ故障（ＢＣ相２線地絡故障）でも内部故障として誤判定される可能性があった。
図９は、その場合の電圧、電流ベクトル関係を示す。地絡距離リレーに入力する電流は、故障電流Ｉｆｂ、Ｉｆｃ（背後故障であるため通常、電圧の約９０度進み）と負荷電流Ｉｌｂ、Ｉｌｃの合成電流になるため、図９に示すように、負荷電流Ｉｌｂ、Ｉｌｃの影響を受け、図１０の３相の極性電圧との位相関係からＢ相の地絡故障判定が誤って、後方故障にかかわらず、前方とみなす判定領域に入る可能性があった。つまり、故障電流に比べて負荷電流が無視できなくなる程度まで大きい場合には、背後故障であっても、前方故障と誤判定する可能性があった（Ａ相については、負荷電流により前方とみなすが、これは、正しい判定である）。
【０００７】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、負荷電流が大きい場合でも誤判定のない安定した動作を行うことのできる地絡距離リレーを得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる地絡距離リレーにおいては、三相電圧の各々の電圧の低下を検出する電圧低下検出回路と、この電圧低下検出回路によって検出された検出結果に基づき、三相電圧を用いて極性電圧を演算する極性電圧回路と、この極性電圧回路によって演算された極性電圧及び保護対象相の電流の位相関係により保護対象相の故障点方向を判定する方向判定回路を備える。上記極性電圧回路は、保護対象相電圧と零相電圧Ｖ０の差、および他の２相の電圧差Ｖ _ＰＰによる合成電圧を極性電圧として演算し、該保護対象相以外の相電圧低下が上記電圧低下検出回路により検出されると、上記極性電圧の演算時、該電圧低下した相に応じて上記零相電圧Ｖ０、上記電圧差Ｖ _ＰＰを零として演算するものである。
また、三相電圧及び三相電流から故障相を判定する故障相判定回路と、この故障相判定回路によって判定された判定結果に基づき、三相電圧を用いて極性電圧を演算する極性電圧回路と、この極性電圧回路によって演算された極性電圧及び保護対象相の電流の位相関係により保護対象相の故障点方向を判定する方向判定回路を備える。上記極性電圧回路は、保護対象相電圧と零相電圧Ｖ０の差、および他の２相の電圧差Ｖ _ＰＰによる合成電圧を極性電圧として演算し、該保護対象相以外の相が上記故障相判定回路により故障と判定されると、上記極性電圧の演算時、該故障相に応じて上記零相電圧Ｖ０、上記電圧差Ｖ _ＰＰを零として演算するものである。
【０００９】
さらに、保護対象相の電流が入力され、入力された電流から故障電流を抽出する故障電流抽出回路と、保護対象相電圧と零相電圧Ｖ０の差、および他の２相の電圧差Ｖ _ＰＰによる合成電圧を極性電圧として演算する極性電圧回路と、この極性電圧回路によって演算された極性電圧及び故障電流抽出回路によって抽出された故障電流の位相関係により保護対象相の故障点方向を判定する方向判定回路を備えたものである。
また、故障電流抽出回路は、入力電流を蓄積する電流メモリを有し、上記電流メモリに蓄積された電流を、新たに入力された電流から差し引いて故障電流を抽出するものである。
【００１０】
さらにまた、上記故障電流抽出時に新たな入力電流から差し引く電流は、該新たな入力電流より所定の時間前に入力され、該所定の時間は故障継続時間以上であるものである。
また、故障電流抽出回路は、保護対象相の電流または電圧を用いて故障の発生を検出する故障検出回路を有し、上記故障検出回路により故障の発生を検出すると、入力された保護対象相の電流を電流メモリに蓄積するのを停止するものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。
図１は、この発明の実施の形態１による地絡距離リレーの方向判定要素を示す図である。
図１において、１は３相（Ａ相、Ｂ相、Ｃ相）電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃと３相電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃを入力とし、その大きさと位相関係から故障点方向判定を行う故障点方向判定回路で、簡単のため、ここではＡ相の故障点方向判定回路を示すが、実際は、Ａ相以外にＢ相、Ｃ相の回路も設けられている。故障点方向判定回路１は、次の２〜５の回路によって構成される。２は３相電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃを入力とし、零相電圧Ｖ０を演算するＶ０演算回路、３は保護対象相（ここではＡ相）電圧以外の相を入力とする線間電圧を９０度シフトするシフト回路、５は極性電圧Ｖ_POLと保護対象相（ここではＡ相）電流Ｉａの位相関係により故障点方向を判定する方向判定回路である。
７は３相電圧を入力とし、各々の電圧の低下を検出する電圧低下検出回路、８は電圧低下検出回路７の出力に基づき、Ｖ０演算回路２とシフト回路３の出力を入力として極性電圧Ｖ_POLを演算する極性電圧制御回路であり、Ｖ０演算回路２とシフト回路３と極性電圧制御回路８により極性電圧回路を構成する。
図２は、この発明の実施の形態１による地絡距離リレーの方向判定要素の極性電圧制御後の極性電圧Ｖ_POLと電流の位相関係を示す図である。
【００１２】
次に、動作について説明する。
電圧低下検出回路７は、入力電圧がある設定値（Ｖｋに設定）以下に低下したことを検出して、信号を出力する回路であり、極性電圧制御回路８では、次のように極性電圧の構成を、電圧低下検出回路７の出力に応じて制御している。
Ａ相地絡距離リレーの極性電圧Ｖ_POL（Ａ）は、通常下記で計算される。
Ｖ_POL（Ａ）＝Ｖａ−Ｖ０＋Ｖｂｃ・εｊ
しかし、保護対象相以外の電圧低下検出で、次のような制御を行う。
Ｃ相電圧Ｖｃの低下（Ｖｃ＜Ｖｋ）検出で
Ｖ_POL（Ａ）＝Ｖａ＋Ｖｂｃ・εｊ
Ｂ相電圧Ｖｂの低下（Ｖｂ＜Ｖｋ）検出で
Ｖ_POL（Ａ）＝Ｖａ−Ｖ０
Ｂ相かつＣ相電圧の低下（Ｖｂ＜Ｖｋ、Ｖｃ＜Ｖｋ）検出で
Ｖ_POL（Ａ）＝Ｖａ
すなわち、Ｂ相電圧低下検出で、Ｖ０＝０、Ｃ相電圧低下検出でＶｂｃ＝０として制御する。
【００１３】
上記の制御を実施すると、前述の背後２φＧ（Ｂ相、Ｃ相）故障では、Ｂ相、Ｃ相の電圧が低下し、Ａ、Ｂ、Ｃ各相の地絡方向判定では、Ｂ相、Ｃ相の電圧が低下するので、Ａ相では、
Ｖ_POL（Ａ）＝Ｖａとなり、
Ｂ相の地絡方向判定では、故障相以外の相として、Ｃ相電圧が低下するので、
Ｖ_POL（Ｂ）＝Ｖｂ−Ｖ０となり、
Ｃ相地絡方向判定では、故障相以外の相として、Ｂ相が低下するので、
Ｖ_POL（Ｃ）＝Ｖｃ＋Ｖａｂ・εｊとなる。
前方負荷電流の多い場合について、図２に保護対象相電流と制御された極性電圧の位相関係を示すと、Ｂ相は、後方領域に、Ｃ相は、さらに位相的に後方側へ移動したことが判る。
【００１４】
実施の形態によれば、電圧低下に基づいて極性電圧を制御することで、故障点方向が、負荷電流に関わらず、正しく判定出力できる方向判定回路を得ることができる。
【００１５】
実施の形態２．
実施の形態１では、電圧低下検出回路７の出力に応じて、極性電圧の構成電圧を制御したが、実施の形態２は、図３に示すように故障相判定回路によって制御する。
図３は、この発明の実施の形態２による地絡距離リレーの方向判定要素を示す図である。
図３において、１〜３、５、８は図１におけるものと同一のものである。９は３相電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ及び３相電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃを入力とする故障相判定回路で、ここでは、例として、インピーダンス（Ｚ）方式を示している。つまり、各相の電圧を電流で割って、ある設定値（Ｚｋ）以下で故障相を判定して、極性電圧制御に使う。
すなわち、実施の形態１において、電圧値がある設定値以下でもって制御する電圧の代わりにインピーダンスを使う。インピーダンスは、電圧に比べて、故障判定能力が高い。
【００１６】
実施の形態２によれば、インピーダンスは、電圧に比べて、故障判定能力が高いため、たとえば、電源インピーダンスが小さく、故障が発生しても電圧低下が小さい場合でも、故障相を正確に判定できるメリットがある。
【００１７】
実施の形態３．
実施の形態１及び実施の形態２では、極性電圧の構成を制御する方法で負荷電流に関わらず正しく方向判定ができる方法を示したが、実施の形態３は、図４の回路を用いて方向判定する。
図４は、この発明の実施の形態３による地絡距離リレーの方向判定要素を示す図であり、図４（ａ）は、地絡距離リレーの方向判定要素を示す図、図４（ｂ）は、故障電流抽出回路の動作を説明する図である。
図４において、１は３相（Ａ相、Ｂ相、Ｃ相）電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃと３相電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃを入力とし、その大きさと位相関係から故障点方向判定を行う故障点方向判定回路で、簡単のため、ここではＡ相の故障点方向判定回路を示すが、実際は、Ａ相以外にＢ相、Ｃ相の回路も設けられている。故障点方向判定回路１は、次の２〜５の回路によって構成される。２は３相電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃを入力とし、零相電圧Ｖ０を演算するＶ０演算回路、３は保護対象相（ここではＡ相）電圧以外の相を入力とする線間電圧を９０度シフトするシフト回路、４はＶ０演算回路２とシフト回路３の出力を入力として極性電圧Ｖ_POLを演算する極性電圧演算回路であり、Ｖ０演算回路２とシフト回路３と極性電圧演算回路４とで極性電圧回路を構成する。５は極性電圧演算回路４の出力と保護対象相（ここではＡ相）電流Ｉａの位相関係により故障点方向を判定する方向判定回路である。１０は対象相の故障電流抽出回路で、電流メモリ回路１１、故障電流演算回路１２から構成されている。図４の回路は、系統からの入力電流から故障電流だけを抽出して、負荷電流の影響を方向判定演算から除去することにより、正しく方向判定する。
図５は、図４における故障電流と極性電圧の位相関係を示す図である。
図５において、Ｉｆａ、Ｉｆｂ、Ｉｆｃは故障電流である。
【００１８】
次に、動作について説明する。
電流メモリ回路１１で、電流データを必要時間分（たとえば、数秒間）蓄積する。デジタルリレーでは、電流データの蓄積は、サンプリング時間毎に必要時間分のメモリのキューバッファ（古いデータを新しいデータに書き換える方式）で簡単に実現できる。故障電流抽出回路１０では、現在電流から系統周波数の整数倍で、故障継続時間以上前のメモリ蓄積電流データ（これは、故障前データであるので、負荷電流に相当する）を差し引く処理を行う。
つまり、故障中の電流入力は、図９で説明したように故障電流と負荷電流の合成電流であるので、電流入力から故障前データを差し引くことで、負荷電流の影響を取り除くことができる。ここで、故障電流抽出回路１０では、常に現在電流データから数１０〜数１００サイクル前の電流データを引き算することを実行する。すなわち、蓄積電流メモリ時間を、故障継続時間の最大時間以上に設定しておく必要がある。
【００１９】
実施の形態３によれば、このように、方向判定に使う電流データを故障電流に限定することで、図５に示すように負荷電流の影響がない故障電流Ｉｆａ、Ｉｆｂ、Ｉｆｃを用いて、正しく方向判定できる。ただし、この場合、健全相の方向判定ができない可能性があるが、これは問題ではない。
【００２０】
実施の形態４．
実施の形態３では、故障前電流を得るために故障継続時間以上の電流データ蓄積が必要であるが、実施の形態４は、図６に示すように、電流メモリ蓄積時間を系統周波数の数サイクル（例えば、３サイクル）分の蓄積で実現するようにしている。
図６は、この発明の実施の形態４による地絡距離リレーの方向判定要素の故障電流抽出回路を示す図であり、図６（ａ）は、故障電流抽出回路の構成を示す図であり、図６（ｂ）は、故障電流抽出回路の動作を説明する図である。
図６において、１０〜１２は図４におけるものと同一のものである。電流メモリ回路１１の蓄積時間は３サイクルである。１４は故障検出回路である。
【００２１】
故障検出回路１４は、電圧あるいは電流の急変を検出して（図６では、電流変化による検出回路を例として示す）、故障発生を検出する。その時点で電流メモリでの蓄積を停止し、その時点から３サイクル前までの電流データを固定する。ここで、蓄積時間は、故障発生から故障検出回路１４が検出するまでの時間より、１サイクル以上長く設定する（ここでは、これを例えば３サイクルとした）。すなわち、故障発生で停止させたメモリ電流データの最初の１サイクルを故障発生前の負荷電流を示すものとして、故障電流演算回路１２で、現在電流データから系統周波数の整数倍かつ、前述の故障前１サイクルデータ内の電流瞬間値を差し引いて、故障電流を演算する。
【００２２】
実施の形態４によれば、実施の形態３に比較して、蓄積データ時間が短くかつ、故障継続時間に関わらず、演算できる利点がある。
【００２３】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
三相電圧の各々の電圧の低下を検出する電圧低下検出回路と、この電圧低下検出回路によって検出された検出結果に基づき、三相電圧を用いて極性電圧を演算する極性電圧回路と、この極性電圧回路によって演算された極性電圧及び保護対象相の電流の位相関係により保護対象相の故障点方向を判定する方向判定回路を備えたので、負荷電流に拘わらず正しく故障点方向を判定することができる。
また、三相電圧及び三相電流から故障相を判定する故障相判定回路と、この故障相判定回路によって判定された判定結果に基づき、三相電圧を用いて極性電圧を演算する極性電圧回路と、この極性電圧回路によって演算された極性電圧及び保護対象相の電流の位相関係により保護対象相の故障点方向を判定する方向判定回路を備えたので、電圧低下が小さい場合でも、故障相を判定して、正確に故障点方向を判定することができる。
【００２４】
さらに、保護対象相の電流が入力され、入力された電流から故障電流を抽出する故障電流抽出回路と、三相電圧を用いて極性電圧を演算する極性電圧回路と、この極性電圧回路によって演算された極性電圧及び故障電流抽出回路によって抽出された故障電流の位相関係により保護対象相の故障点方向を判定する方向判定回路を備えたので、方向判定に使う電流を故障電流に限定することで、負荷電流の影響がなく、正しく方向判定することができる。
また、故障電流抽出回路は、入力電流を蓄積する電流メモリを有し、電流メモリに蓄積された電流を、新たに入力された電流から差し引いて故障電流を抽出するので、故障発生時の電流から負荷電流を除去することができる。
【００２５】
さらにまた、故障電流抽出時に新たな入力電流から差し引く電流は、該新たな入力電流より所定の時間前に入力され、該所定の時間は故障継続時間以上であるので、的確に故障電流を抽出することができる。
また、故障電流抽出回路は、保護対象相の電流または電圧を用いて故障の発生を検出する故障検出回路を有し、上記故障検出回路により故障の発生を検出すると、入力された保護対象相の電流を電流メモリに蓄積するのを停止するので、電流を蓄積する時間を短くして、故障電流を抽出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による地絡距離リレーの方向判定要素を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１による地絡距離リレーの方向判定要素の極性電圧制御後のＶ_POL電圧と電流の位相関係を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態２による地絡距離リレーの方向判定要素を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態３による地絡距離リレーの方向判定要素を示す図である。
【図５】図４における故障電流と極性電圧の位相関係を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態４による地絡距離リレーの方向判定要素の故障電流抽出回路を示す図である。
【図７】従来の地絡距離リレーの方向判定要素を示す図である。
【図８】従来の地絡距離リレーの方向判定要素のＡ相地絡故障時の電圧ベクトルを示す図である。
【図９】従来の地絡距離リレーの方向判定要素の前方負荷電流のある系統での外部２φＧ故障時のベクトルを示す図である。
【図１０】図９の地絡距離リレーの方向判定要素における故障中極性電圧と電流の位相関係を示す図である。
【符号の説明】
１故障点方向判定回路、２Ｖ０演算回路、３シフト回路、
４極性電圧演算回路、５方向判定回路、７電圧低下検出回路、
８極性電圧制御回路、９故障相判定回路、１０故障電流抽出回路、
１１電流メモリ回路、１２故障電流演算回路、１４故障検出回路。

Claims

三相電力系統の地絡故障を判定する地絡距離リレーにおいて、三相電圧の各々の電圧の低下を検出する電圧低下検出回路、この電圧低下検出回路によって検出された検出結果に基づき、三相電圧を用いて極性電圧を演算する極性電圧回路、および、この極性電圧回路によって演算された極性電圧及び保護対象相の電流の位相関係により上記保護対象相の故障点方向を判定する方向判定回路を備え、
上記極性電圧回路は、保護対象相電圧と零相電圧Ｖ０の差、および他の２相の電圧差Ｖ _ＰＰによる合成電圧を極性電圧として演算し、該保護対象相以外の相電圧低下が上記電圧低下検出回路により検出されると、上記極性電圧の演算時、該電圧低下した相に応じて上記零相電圧Ｖ０、上記電圧差Ｖ _ＰＰを零として演算することを特徴とする地絡距離リレー。
三相電力系統の地絡故障を判定する地絡距離リレーにおいて、三相電圧及び三相電流から故障相を判定する故障相判定回路、この故障相判定回路によって判定された判定結果に基づき、三相電圧を用いて極性電圧を演算する極性電圧回路、および、この極性電圧回路によって演算された極性電圧及び保護対象相の電流の位相関係により上記保護対象相の故障点方向を判定する方向判定回路を備え、
上記極性電圧回路は、保護対象相電圧と零相電圧Ｖ０の差、および他の２相の電圧差Ｖ _ＰＰによる合成電圧を極性電圧として演算し、該保護対象相以外の相が上記故障相判定回路により故障と判定されると、上記極性電圧の演算時、該故障相に応じて上記零相電圧Ｖ０、上記電圧差Ｖ _ＰＰを零として演算することを特徴とする地絡距離リレー。
三相電力系統の地絡故障を判定する地絡距離リレーにおいて、保護対象相の電流が入力され、上記入力された電流から故障電流を抽出する故障電流抽出回路、保護対象相電圧と零相電圧Ｖ０の差、および他の２相の電圧差Ｖ _ＰＰによる合成電圧を極性電圧として演算する極性電圧回路、および、この極性電圧回路によって演算された極性電圧及び上記故障電流抽出回路によって抽出された故障電流の位相関係により上記保護対象相の故障点方向を判定する方向判定回路を備えたことを特徴とする地絡距離リレー。
故障電流抽出回路は、入力された保護対象相の電流を蓄積する電流メモリを有し、上記電流メモリに蓄積された電流を、新たに入力された電流から差し引いて故障電流を抽出することを特徴とする請求項３記載の地絡距離リレー。
上記故障電流抽出時に新たな入力電流から差し引く電流は、該新たな入力電流より所定の時間前に入力され、該所定の時間は故障継続時間以上であることを特徴とする請求項４記載の地絡距離リレー。
故障電流抽出回路は、保護対象相の電流または電圧を用いて故障の発生を検出する故障検出回路を有し、上記故障検出回路により故障の発生を検出すると、入力された保護対象相の電流を電流メモリに蓄積するのを停止することを特徴とする請求項４記載の地絡距離リレー。