JP3855782B2

JP3855782B2 - ディジタル形保護継電器

Info

Publication number: JP3855782B2
Application number: JP2002021290A
Authority: JP
Inventors: 雅寛菅原; 淳司長尾
Original assignee: Takaoka Electric Mfg Co Ltd
Current assignee: Takaoka Toko Co Ltd
Priority date: 2002-01-30
Filing date: 2002-01-30
Publication date: 2006-12-13
Anticipated expiration: 2022-01-30
Also published as: JP2003230224A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明はディジタル形保護継電器、特に調相設備の故障検出のような電気量の不平衡状態から故障を判定することができるディジタル形保護継電器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５に電圧平衡継電器1を電力用コンデンサ設備に適用した例を示す。図５においてＣ_１およびＣ_２は前後段コンデンサで、遮断器ＣＢを通して変圧器Ｔの３次巻線に接続されている。ＤＣは２次巻線を有した放電コイル、Ｌは直列リアクトルである。拡大回路2は一般的にコンデンサ内部素子故障のようなリアクタンス変化が非常に小さい場合において使用されるものである。なお、同図は簡略のため、１相分のみに適用した場合を示している。
【０００３】
電力用コンデンサの内部素子故障は系統への事故誘発等の影響がある。電圧差動継電方式は、内部素子故障を検出するために放電コイルの２次巻線により各相の前後段コンデンサ端子電圧Ｖ_１およびＶ_２を継電器へ導入し、演算部3において差動演算を実施する。その後、判定部4によって内部素子故障レベルを判定し、判定値以上の場合に出力指令するように構成されている。判定値をΔＶとして、動作式で表わすと、
【０００４】
【数１】

………（１）
【０００５】
となる。前段および後段コンデンサ電圧により算出される差電圧により、コンデンサ内部素子故障を検出することが可能となる。
【０００６】
ここで、拡大回路を併用した拡大方式の場合に継電器に入力される電圧および判定式は、
【０００７】
【数２】

………（２）

………（３）

………（４）
【０００８】
である。ただし、Ｅ_１およびＥ_２は拡大回路に導入される前後段コンデンサの各端子電圧、αは拡大回路に使用される補助変圧器の巻数比である。拡大回路の補助変圧器の巻数比αを調整することにより、差電圧のみを（１+２α）倍に拡大することができる。一般的には、３倍または７倍に拡大するような２次回路結線方法が実施されている。
【０００９】
また、上述の電圧差動継電方式においては、前段および後段コンデンサ容量の製作裕度等による見掛け上の初期不平衡量が問題となるため、初期容量偏差に影響を受けない不平衡検出手段も実施されている。この種の装置としては、特開平５−７６１２６号公報にある『平衡継電器』が知られている。この平衡継電器は、図６に示すブロック構成図において、運用開始時における初期電圧Ｖ_１０、Ｖ_２０より平衡演算係数演算部5で平衡演算係数Ｋを算出する。この平衡演算係数を運用開始後の前段電圧Ｖ_１に乗算手段6で乗じることで見掛けの不平衡分をキャンセルし、その後の差動演算によって不平衡状態の判定を実施している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記の単純な差動演算により不平衡状態を検出する方法では、入力電気量や入力変換器などに起因する誤差により、初期状態において見掛け上の不平衡量が生じる場合があった。特にコンデンサ内部素子故障のようなリアクタンス変動が非常に小さい場合には、１素子故障により検出される差電圧が非常に小さいため、前述の不平衡量により継電器が不要応動するといった問題があった。
【００１１】
この初期状態における不平衡量を軽減するために、例えば、電圧平衡継電器においては拡大回路の補助変圧器のような補助装置によって入力電気量を調整する方法が従来より実施されてきた。しかし、補助変圧器を正確に調整することが困難であり、入力電圧が変動した場合には前述の誤差をキャンセルできない等の問題があった。
【００１２】
上記の問題を解決するために、平衡演算係数を導入することにより、初期状態における不平衡量をキャンセルする方法も実施されている。しかし、入力電気量や入力変換器に起因する誤差を完全にキャンセルすることができず、さらに運用開始時に設定した不平衡状態のレベル判定が入力電気量の変動により変化してしまうといった課題があった。
【００１３】
本発明の目的は、初期状態における不平衡量の影響を受けることなく、かつ電気量が変動しても同一の不平衡状態のレベル判定および設定が可能であり、さらに電圧平衡継電器における拡大回路のような補助装置により入力電気量が補正されて継電器に導入される場合に生じる検出誤差を軽減するディジタル形保護継電器を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係るディジタル形保護継電器は、２つの関連のある入力電気量に応動するディジタル形保護継電器であって、初期状態における第１および第２の入力電気量Ｖ_１０，Ｖ_２０を基準入力値として記憶する手段と、一定サンプリング期間毎に第１および第２の入力電気量Ｖ_１，Ｖ_２を記憶する手段と、前記入力電気量の前記基準入力量に対する各各の変動比率Ｖ_１／Ｖ_１０，Ｖ_２／Ｖ_２０を演算記憶する手段と、前記各各の変動比率を比較する判定手段を有し、不平衡状態を検出することを特徴とする。
【００１５】
また、請求項２に係るディジタル形保護継電器は、２つの関連のある入力電気量に応動するディジタル形保護継電器であって、入力が変換される補助装置を介して入力電気量が継電器に導入される装置において、初期状態における第１および第２の電気量Ｖ_１０，Ｖ_２０を基準入力値として記憶する手段と、前記補助装置固有の巻数比係数αと前記初期状態における第１および第２の電気量Ｖ_１０およびＶ_２０より前記補助装置起因の誤差を補正する補正係数Ｐを計算し記憶する手段と、一定サンプリング期間毎に第１および第２の入力電気量Ｖ_１，Ｖ_２を記憶する手段と、前記入力電気量の前記基準入力量に対する各各の変動比率Ｖ_１／Ｖ_１０，Ｖ_２／Ｖ_２０を演算記憶する手段と、前記各各の変動比率の差に前記補正係数Pを乗ずる手段と、上記手段により前記補助装置起因の誤差を補正した値により不平衡状態を検出することを特徴とする。
【００１６】
【作用】
請求項１に係るディジタル形保護継電器では、初期状態における第１および第２の入力電気量Ｖ_１０，Ｖ_２０を基準入力値として基準値記憶部に記憶しておく。運用時に一定サンプリング期間毎に入力される電気量Ｖ_１およびＶ_２を記憶し、基準値に対する変動比率Ｖ_１／Ｖ_１０、Ｖ_２／Ｖ_２０を各々比率算出部で算出する。その後、両者の変動比率を比較することにより不平衡状態の判定を実施する。この判定手段を適用することにより、初期状態における不平衡量に起因した不要応動の影響を回避し、さらに不平衡状態の判定および設定が電気量変動に影響されない不平衡状態のレベル判定が可能となる。
【００１７】
請求項２に係る補助装置により入力値を変換してから継電器に電気量を導入するディジタル形保護継電器において、初期状態における第１および第２の入力電気量Ｖ_１０およびＶ_２０と補助装置固有の係数αより補正係数演算部において補正係数Ｐを算出する。この補正係数Ｐは、初期状態で継電器に導入される入力電気量と補助装置固有の係数より求められる係数で、補助装置に入力される前の電気量を推定することができるため原理的に補助装置に起因した誤差を取り除くことが可能となる。この補正係数と請求項１記載の不平衡検出手段により、補助装置を併用する装置構成においても高精度に不平衡状態の検出が可能となる。
【００１８】
【実施例】
以下、図面を参照して実施例を説明する。図１は前後段方式電力用コンデンサの内部素子故障を検出するディジタル形保護継電器における不平衡検出方式を示したブロック構成図である。
放電コイルの２次巻線により継電器へ導入される初期状態での前後段コンデンサ端子電圧Ｖ_１０およびＶ_２０を基準値記憶部7、8に記憶する。運用時に一定サンプリング毎に入力される前段電圧Ｖ_１および後段電圧Ｖ_２を記憶し、基準値に対する各々の変動比率Ｖ_１／Ｖ_１０、Ｖ_２／Ｖ_２０を比率算出部9、10で算出する。前述の比率算出部において求められた各変動比率から、演算部において不平衡状態レベルを演算する。その後、判定部において、あらかじめ設定しておいた故障判定レベルと比較することのよりコンデンサ内部素子故障を判定する。
【００１９】
本発明による直接式における素子故障判定式は
【００２０】
【数３】

………（５）
【００２１】
となる。ここで、ΔＶは判定基準となるあらかじめ設定した故障判定レベルである。（５）式により、前後段コンデンサの不平衡状態を判定することが可能となる。
【００２２】
拡大回路を使用する拡大方式の場合には、初期状態における継電器入力電圧値と補助変圧器の巻数比より算出される補正係数Pを（５）式に導入する。この補正係数Ｐを導入することにより、拡大回路を使用する場合に生じる検出誤差の影響を低減することが可能となる。図２に拡大回路を使用する場合における不平衡検出方式のブロック構成図を示す。補正係数Pは、補助装置固有係数記憶部11より補助変圧器の巻数αを、基準値記憶部7、8より運用初期時に記憶した前段電圧Ｖ_１０および後段電圧Ｖ_２０を補正演算部12に導入して求める。これにより、拡大方式における素子故障判定式は
【００２３】
【数４】

………（６）
【００２４】
となる。ここで、補正係数Ｐは
【００２５】
【数５】

………（７）

………（８）
【００２６】
である。ここで、補正係数Ｐは運用開始時における継電器の入力電圧および補助変圧器巻数比のみで構成される。よって、運用開始時点において補正係数を算出するだけで初期容量偏差に起因する検出誤差を低減することが可能となる。
【００２７】
電力用コンデンサの内部素子故障を検出する電圧平衡継電器に本発明を適用した場合、直接式の場合には式（５）を採用し、拡大方式の場合には（６）式の判定式を適用することができる。本発明の素子故障判定式を適用することにより、前後段コンデンサの初期容量偏差による不平衡量の影響を受けることなく、かつ素子故障が発生した際に系統電圧が変化しても同一の故障レベルの判定が可能となる。
【００２８】
ここで実施例として示したコンデンサ内部素子故障検出式の分析を行う。
【００２９】
入力電圧Ｖ_１およびＶ_２には、電気量の誤差や入力変換器など機器による誤差などが含まれている。ここで、これらの誤差をまとめてδで定義し、前段および後段における各々に係る誤差をδ_１，δ_２とする。また、入力電圧Ｖ_１およびＶ_２の基準値電圧Ｖ_ｆおよびＶ_ｒからの変化量を各々Ａ，Ｂと定義する。なお、運用初期時における電圧変動の比率は基準値より変化しないためＡ，Ｂとも１となる。この比率は電気量Ｖ_１とＶ_２に相関関係があるとき、一方の電圧に変動が生じた場合には、他方にも影響を与えるものとする。
【００３０】
継電器に入力される電圧は誤差を考慮すると
【００３１】
【数６】

………（９）

………（１０）
【００３２】
となる。
【００３３】
素子故障判定式（５）式に（９）および（１０）式を代入すると
【００３４】
【数７】

………（１１）
【００３５】
となる。本発明の故障検出式である（１１）式には、電気量等に起因する誤差δ_１，δ_２が含まれていない。つまり、電気量等に起因する誤差の影響を原理的に受けない素子故障検出方式であることが確認できる。
【００３６】
比較のために従来方法である電圧差動継電方式についても同様の検討を行う。このときの素子故障判定式は
【００３７】
【数８】

………（１２）
【００３８】
となる。この素子故障判定式には、電気量などに起因する誤差δ_１およびδ_２が含まれている。つまり、これらの誤差が不平衡量となり、継電器を不要応動させる原因となる。
【００３９】
平衡演算係数による見掛け上の不平衡量をキャンセルする素子故障検出方式についても同様の検討を実施すると、素子故障判定式には電気量等の誤差に関する項δ_１およびδ_２が確認される。つまり、電気量や機器に起因する誤差をキャンセルできないことになる。
【００４０】
以上の検討によれば、本発明の素子故障検出方式を採用した場合は、従来方式に比べて電気量や入力変換器などの誤差の影響が小さく、高精度にコンデンサ内部素子故障を検出することが可能となる。
【００４１】
次に入力電圧が変動する場合の内部素子故障判定レベルへの影響について分析を行う。実際の電力用コンデンサ設備においても、系統故障等により系統電圧が変動する場合がある。
【００４２】
図３に前後段コンデンサの内部素子故障発生を模擬した計算モデルを示す。図３において、ＶＢは電圧平衡継電器を示す。素子故障が生じる前の前段および後段コンデンサＣ_１，Ｃ_２のリアクタンスを各々Ｘｃ／２と仮定する。初期状態からある時間経過後にａ相の後段コンデンサ故障により、リアクタンスがΔＸｃだけ変動したと仮定する。このときの故障段におけるリアクタンスは、Ｘｃ／２から（Ｘｃ／２−ΔＸｃ）に変化したとする。
以上の計算モデルにおいて、各相の系統電圧をＥａ，Ｅｂ，Ｅｃ、中性点電位をＶｎとすると、故障前における各相の電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃは
【００４３】
【数９】

………（１３）
【００４４】
となる。ここで、前後段コンデンサのリアクタンスが平衡状態における電位ＶｎはＩａ + Ｉｂ + Ｉｃ＝０の関係が成立することから
【００４５】
【数１０】

………（１４）
【００４６】
である。
【００４７】
ａ相における前後段コンデンサの端子電圧Ｖ_１およびＶ_２は、運用時の初期電圧Ｖ_１０およびＶ_２０と等しいので、
【００４８】
【数１１】

………（１５）

………（１６）
【００４９】
となる。
【００５０】
コンデンサ素子故障前の状態における本発明の素子故障判定式によれば
【００５１】
【数１２】

………（１７）
【００５２】
となる。つまり各段の電圧比率が変化しないために故障検出式は零となる。
【００５３】
次にコンデンサ内部素子故障によってリアクタンスが変動した場合について検討する。素子故障時における各相に流れる電流は
【００５４】
【数１３】

………（１８）
【００５５】
となる。但し、記号 ’は素子故障時における電気量を示す。
【００５６】
また中性点電位Ｖｎ’は
【００５７】
【数１４】

………（１９）
【００５８】
となる。以上の結果から各段コンデンサ端子電圧を算出すると
【００５９】
【数１５】

………（２０）

………（２１）
【００６０】
となる。これらを本発明の素子故障判定式に代入すると
【００６１】
【数１６】

………（２２）
【００６２】
となる。（２２）式の故障判定式の結果によれば、故障レベルはリアクタンスの変動分によってのみ決定され、系統電圧Ｅａには影響を受けないことが確認できる。つまり、入力される電気量が変動しても素子故障のレベルは変化せず、リアクタンスの変動分のみを判定基準として考慮すればよいことがわかる。
【００６３】
一方、従来方法である電圧差動継電方式についても同様の検討を実施すると、
【００６４】
【数１７】

………（２３）
【００６５】
が算出される。この素子故障判定式においては、系統電圧の項Ｅａが含まれてる。つまり、故障判定値には系統電圧とリアクタンスの変動分が関係することになる。よって、系統電圧Ｅａが変動するような場合や適用系統の電圧レベルが異なる場合においては、故障レベルも変動してしまうため、レベルの判定および設定が難しくなる。
【００６６】
平衡演算係数による見掛け上の不平衡量をキャンセルする素子故障検出方式についても同様の検討を実施すると、電圧差動継電方式と同様に系統電圧とリアクタンスの変動分に関する項が素子故障判定式には含まれる。
【００６７】
以上の検討によれば、本発明の素子故障検出方式を採用した場合は、コンデンサ素子のリアクタンス変化のみを故障判定レベルとして考慮すればよく、素子故障レベルの判定および設定が容易になる。
【００６８】
次に拡大方式を適用した場合の電力用コンデンサ内部素子故障検出における本発明の補正係数の効果を検証する。
【００６９】
図４に補正係数Ｐの適用の有無による検出誤差について、従来より実施されている平衡演算係数による故障検出方式と比較した特性図を示す。この特性図は、初期状態における前後段コンデンサ容量に偏差がない場合を理論値とし、前後段コンデンサ端子電圧の平衡度Ｅ_２／Ｅ_１をパラメータとして検出誤差特性を示した。この検出誤差は、素子故障が発生した場合の素子故障判定値誤差となるため、故障検出精度の目安となる。検出誤差が大きい場合には、故障レベルを大きくあるいは小さく見積もってしまうため、誤動作あるいは誤不動作の原因となってしまう場合がある。
【００７０】
図４の特性図において、本発明による補正係数Ｐを導入した場合には原理的に拡大回路によるコンデンサ初期容量偏差の影響を排除するため、正確な前後段の不平衡状態を検出できる。一方、補正係数Ｐを導入しない場合には、前後段電圧平衡度が１を中心として、両翼に行くほど検出誤差が大きくなる。同様に平衡演算係数による故障検出方式の場合についても前後段コンデンサ電圧平衡度に対して１次関数の検出誤差を有している。
【００７１】
以上の検証によれば、運用開始時に継電器に入力される前後段電圧値と補助変圧器の巻数比から算出される補正係数Pを導入することで、拡大回路が併設された場合でも、高精度にコンデンサ内部素子故障検出が可能となることが確認できる。
【００７２】
電力用コンデンサ内部素子故障検出に本発明の素子故障判定式を適用することにより、前後段コンデンサの初期容量偏差によって継電器が不要応動することなく、かつ入力変換器および電気量に起因する誤差の影響が小さいなどの利点を持った高精度な素子故障検出方式を提供することができる。
【００７３】
これまで前後段方式の電力用コンデンサ内部素子故障を実施例として示したが、2つの電気量に従属関係が成立する場合に本発明の不平衡検出手段を適用することが可能である。適用例としては、相間の容量アンバランスによる負荷電流より故障検出を実施する分路リアクトル保護の故障検出判定手段として適用があげられる。
【００７４】
【発明の効果】
本発明によれば、２つの関連のある入力電気量に応動するディジタル形保護継電器において、初期の不平衡量によって継電器が不要応動することなく、かつ入力変換器や電気量に起因する誤差には影響されない高精度な不平衡状態の検出を行わせることが可能となる。また入力電気量が変動するような場合においても、不平衡状態の判定レベルが１要素によってのみ決定されるため、高精度な不平衡状態を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例である電力用コンデンサ故障検出方式（直接式）のブロック構成図
【図２】本発明の実施例である電力用コンデンサ故障検出方式（拡大方式）のブロック構成図
【図３】本発明の効果を説明するための電力用コンデンサモデル図
【図４】本発明の補正係数Ｐの効果を示す特性図
【図５】従来技術の電力用コンデンサ故障検出方式である電圧差動方式のブロック構成図
【図６】従来技術の電力用コンデンサ故障検出方式である平衡演算係数方式のブロック構成図
【符号の説明】
1 電圧平衡継電器 7基準値記憶部（前段）
2 拡大回路 8基準値記憶部（後段）
3 演算部 9比率算出部（前段）
4判定部 10比率算出部（後段）
5平衡演算係数演算部 11補助装置固有係数記憶部
6乗算手段 12補正係数算出部

Claims

２つの関連のある入力電気量に応動するディジタル形保護継電器であって、初期状態における第１および第２の入力電気量Ｖ_１０，Ｖ_２０を基準入力値として記憶する手段と、一定サンプリング期間毎に第１および第２の入力電気量Ｖ_１，Ｖ_２を記憶する手段と、前記入力電気量の前記基準入力量に対する各各の変動比率Ｖ_１／Ｖ_１０，Ｖ_２／Ｖ_２０を演算記憶する手段と、前記各各の変動比率を比較する判定手段を有し、不平衡状態を検出することを特徴とするディジタル形保護継電器。
２つの関連のある入力電気量に応動するディジタル形保護継電器であって、入力が変換される補助装置を介して入力電気量が継電器に導入される装置において、初期状態における第１および第２の電気量Ｖ_１０，Ｖ_２０を基準入力値として記憶する手段と、前記補助装置固有の巻数比係数αと前記初期状態における第１および第２の電気量Ｖ_１０およびＶ_２０より初期容量偏差に起因し前記補助装置により生じる誤差を補正する補正係数Ｐを計算し記憶する手段と、一定サンプリング期間毎に第１および第２の入力電気量Ｖ_１，Ｖ_２を記憶する手段と、前記入力電気量の前記基準入力量に対する各各の変動比率Ｖ_１／Ｖ_１０，Ｖ_２／Ｖ_２０を演算記憶する手段と、前記各各の変動比率の差に前記補正係数Pを乗ずる手段と、上記手段により前記補助装置起因の誤差を補正した値により不平衡状態を検出することを特徴とするディジタル形保護継電器。