JP4085004B2 - アレスタの動作特性計算方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電気回路を異常電圧から保護するアレスタの動作特性である動作電圧および動作時刻を求めるアレスタの動作特性計算方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気回路を異常電圧から保護するアレスタの保護レベルの解析に関連する技術として、電力系統の雷サージ解析を行うためのアークホーンのフラッシュオーバモデルと、このフラッシュオーバモデルに送電用避雷装置の避雷器の電圧−電流特性を持つ非線形抵抗を直列に接続したフラッシュオーバモデルが特許文献１に示されている。
特許文献１に示されたアークホーンのフラッシュオーバモデルは、リーダ進展開始および消滅電圧をギャップ長に比例した電圧として保持する非線形抵抗Ｒｎと、この非線形抵抗Ｒｎに並列接続され、アークホーンの放電前駆電流が急激に増加し始めるときに閉じるスイッチＳＷ１と、非線形抵抗ＲｎとスイッチＳＷ１の並列回路に直列接続され、アークホーンの等価非線形インダクタンス特性を持つ等価インダクタンスＬｎと、この等価インダクタンスＬｎと並列接続されアークホーンのフラッシュオーバ電圧以上になったときに閉じるスイッチＳＷ２と、等価インダクタンスＬｎに直列接続されるアークホーンの定常アークの等価インダクタンスＬｆとを備えている（特許文献１の図１参照）。また、上記アークホーンのフラッシュオーバモデルに送電用避雷装置の避雷器を含めたフラッシュオーバモデルとしては、上記アークホーンのフラッシュオーバモデルに、送電用避雷装置の避雷器の電圧−電流特性を持つ非線形抵抗ＲＬＡを直列に接続したフラッシュオーバモデルが示されている（特許文献１の図５参照）。
【０００３】
特許文献１の図１のアークホーンのフラッシュオーバモデルにより解析した結果の例が特許文献１の図２に示されている。この結果は、波尾部で放電する場合には波頭放電に比べ印加電圧が低くなって非線形抵抗Ｒｎの分担電圧比率が大きくなり、非線形インダクタンスＬｎが波尾部で急減することがなくなり、波頭放電から波尾放電まで、棒−棒ギャップのＶ−ｔ特性とほぼ一致する結果が得られることが示されている（特許文献１の図２参照）。
【０００４】
また、上記特許文献１の図１のフラッシュオーバモデルに送電用避雷装置の非線形素子を組み合わせた特許文献１の図５のモデルの実測結果では、波尾部で若干低いＶ−ｔ特性を示すが、波尾放電まで実測結果とほぼ一致する結果が示されている（特許文献１の図６参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−３３３０８６号公報、（第５頁、図１、図２、図５、図６）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１のフラッシュオーバモデルでは、放電前駆電流を考慮してアークホーン間インピーダンスを模擬するリーダ法により解析するためのモデルであるが、この方法では、一定の峻度で立ち上がる電圧では比較的正しい放電開始電圧が得られ、これに至る遅延時間も変動することはないが、電圧の立ち上がり峻度が緩やかな場合には、正しい放電開始電圧、放電開始時刻が得られないばかりか、放電が開始するかしないかの判断をも誤るという問題点があった。
【０００７】
この発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、印加される電圧の立ち上がり峻度が異なる異常電圧に対しても対応でき、アレスタが動作する動作電圧および動作時刻が正確に求めることができるアレスタの動作特性計算方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るアレスタの動作特性計算方法は、予めアレスタの端子間に印加される電圧に対する動作遅延時間の関係を示す印加電圧−動作遅延時間特性を求めておき、印加電圧の波形上に複数の計算点を設定し、計算点毎に、電圧印加開始時刻を起点とした計算点の時刻に、印加電圧−動作遅延時間特性から計算点の印加電圧値に対応する動作遅延時間を読み取り、これを加算して動作時刻を算出し、印加電圧と動作時刻の関係を示す動作時刻曲線を画き、動作時刻が最小値となる計算点の動作時刻をアレスタの動作時刻と判定し、その動作時刻における印加された電圧の電圧値をアレスタの動作電圧値とする計算方法である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
電気回路を異常電圧から保護するアレスタには、電力系統のアークホーンや避雷器、一般的な電気機器の電気回路に使用されるアレスタ等があり、それぞれ使用目的に適するアレスタが使用されているが、その内の気体放電により異常電圧を抑制するガスアレスタのように、電圧印加時刻に対して動作時刻が遅れる特性を持つアレスタでは、電圧印加時から動作するまでの動作遅延時間が印加電圧値に応じて変化する。例えば、ガスアレスタの端子間に印加される印加電圧Ｖと動作するまでの動作遅延時間ｔｄの関係は図１のような動作遅延時間特性ＴＤを示している。
【００１０】
図１のような印加電圧−動作遅延時間特性を持つアレスタに立上り峻度が一定の電圧が加わった場合には、図２（ａ）に示すように動作電圧Ｖｂと動作時刻ｔｂは誤りなく推定できるが、例えば、印加電圧Ｖの上昇過程で峻度が変化する図２（ｂ）のような波形では、峻度の変化状況により動作時刻ｔｂも変化するので、印加電圧Ｖの初期段階の直線状に上昇する部分で峻度を予測すると、予想動作電圧はＶb´の電圧値となり、実際の動作電圧Ｖｂに対して高い値を予測することになる。
【００１１】
この発明によるアレスタの動作特性計算方法を図３によって説明する。予め対象とするアレスタの図１に相当する印加電圧−動作遅延時間特性を求めておき、印加電圧波形Ｗ上に複数の計算点ｉ（ｉ＝１〜ｎ）を設定する。例えば計算点ｉのｋ番目の場合は、電圧印加開始時刻を起点とした計算点ｋの時刻ｔｋに、対象とするアレスタの図１に相当する印加電圧−動作遅延時間特性により、計算点ｋの印加電圧値Ｖｋに対応する動作遅延時間Ｔｄｋを求め、これを加算して動作時刻ｔｄｋ（＝ｔｋ＋Ｔｄｋ）を算出する。この方法により各計算点ｉ（＝１〜ｎ）のそれぞれについても計算し、印加電圧Ｖｉと動作時刻ｔｂｉ（＝ｔｉ＋Ｔｄｉ）の関係を求めて動作時刻曲線Ｄを画き、動作時刻ｔｂｉが最小値となる計算点の動作時刻ｔｂを実際のアレスタが動作する動作時刻と判定し、その動作時刻ｔｂにおける印加された電圧の電圧値Ｖｉがアレスタの動作電圧値Ｖｂとなる。印加波形の立ち上がり峻度が急激な場合の計算結果を図４、印加電圧波形の立ち上がり峻度が緩やかで変化する場合の計算結果を図５に示す。
【００１２】
アレスタの印加電圧−動作遅延時間特性は、アレスタ固有の特性であり、予め求めておくことにより、電気回路に発生する任意の波形のアレスタ端子間に印加される印加電圧に対応した動作時刻が正確に求めることができる。
【００１３】
実施の形態２．
実施の形態１では、電気回路に発生する任意の波形の異常電圧に対する動作特性の計算方法について示したが、その計算方法では、印加電圧に対する動作予定時刻曲線Ｄを求めてから、最短となる動作時刻が動作する動作時刻と判定する方法であり、印加電圧に対応して広い範囲の動作時刻を求めることが必要であり、計算時間が長くなる。この実施の形態２は、パソコン等の計算機を用い、印加される異常電圧波形に対応してアレスタの動作時間および動作電圧が効率よく計算できる方法を示すものである。
【００１４】
図６は計算手順を示すフローチャートである。このフローチャートにより計算手順を説明する。計算点ｉ（ｉ＝１〜ｎ）のｋ番目の計算について説明する。
・ステップＳ１：対象とするアレスタの端子間に印加される印加電圧−動作遅延時間特性、アレスタ端子間に印加する印加電圧Ｖｉの記憶領域の確保、計算点ｉ（ｉ＝１〜ｎ）の印加電圧値Ｖｉ及び印加時刻ｔｉの記憶領域の確保、
・ステップＳ２：計算点ｋの選択（ｋ番目の場合）
・ステップＳ３：計算点ｋの印加電圧Ｖｋ及び開始時刻ｔｋの取得
・ステップＳ４：ＶｋをＶｉに記憶
・ステップＳ５：印加電圧Ｖｋに対応する動作遅延時間をＴｄｋの印加電圧−動作遅延時間特性からの算出
・ステップＳ６：アレスタの動作時刻ｔｂｋ（＝ｔｋ＋Ｔｄｋ）の演算、及びその記憶
・ステップＳ７：演算した動作時刻ｔｂｋと記憶した各動作時刻ｔｂｉの比較：「ｔｂｉ≧ｔｂｋでかつ、Ｖｉ≧Ｖｋが成立」とする条件に対して、Noの時はステップ８に進み、Yesの時はステップ１１に進む
・ステップＳ８：条件ｉ＝ｎを確認し、Yesの時は終了（印加電圧Ｖでは動作しない。）Noの時は、ステップＳ４に戻りつぎの計算点（ｋ＋１）の計算を実行する
・ステップＳ１１：動作時刻ｔbkを印加電圧Ｖｋの動作時刻とし、印加電圧Ｖｋ及び動作時刻ｔｂｋを出力して終了
【００１５】
上記で計算された印加電圧Ｖｉに対する動作時刻ｔｂを確認するために実際のアレスタについて、図７及び図７をモデル化した図８に示す回路により、印加電圧Ｖｉに対する動作特性の実測結果と計算結果の比較図を図９〜図１１に示す。
図９は立ち上がり峻度が急激な場合、図１０は波高値が図９よりも低く、立ち上がり峻度が緩やかで変化する場合、図１１は波高値が低く、アレスタは動作しない場合を示すものである。
計算は図７に示す回路図のアレスタの入口側の対地電圧で示す。この回路は図８に示すように、上記計算された動作時刻ｔｂで動作するスイッチＳＷ１とアレスタが動作したときの等価抵抗Ｒａｒと終端抵抗Ｒｅが直列に接続された構成である。
【００１６】
図９〜図１１の実線で画いた曲線は計算結果を示し、○は実測結果であり、アレスタの動作時刻ｔｂは計算結果と動作時刻はよく一致しており、計算結果が正しいことを示す。
波尾において、計算結果と実測結果で僅かのずれがあるが、この程度であれば一致していると判断できる。
【００１７】
以上のように、この実施の形態２の計算機を用いた計算方法では、アレスタに印加される印加電圧Ｖに対応する動作電圧値Ｖｂ及び動作時刻ｔｂを効率的に正確に求めることができる。
【００１８】
【発明の効果】
この発明に係るアレスタの計算方法は、予めアレスタの端子間に印加される電圧に対する動作遅延時間の関係を示す印加電圧−動作遅延時間特性を求めておき、印加電圧の波形上の複数の計算点に対応して電圧印加開始時刻を起点とした計算点の時刻に、動作遅延時間を加算して動作時刻を算出し、各計算点の印加電圧と動作時刻の関係を動作時刻曲線を画き、動作時刻が最小値となる計算点の動作時刻をアレスタの動作時刻と判定する計算方法であり、予めアレスタ固有の印加電圧−動作遅延時間特性を求めておくことにより、電気回路に発生する任意の波形のアレスタ端子間に加わる電圧に対応した動作時刻が正確に容易に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 アレスタの端子間電圧と動作遅延時間の関係の特性図である。
【図２】 アレスタ動作電圧と動作遅延時間の推定方法の説明図である。
【図３】 アレスタの印加電圧と動作時刻の関係を求める計算方法の説明図である。
【図４】 立ち上り峻度が急激な電圧の場合の計算方法の説明図である。
【図５】 立ち上り峻度が緩やかで変化する場合の計算方法の説明図である。
【図６】 計算機を用いたアレスタの動作電圧を求める計算方法のフローチャートである。
【図７】 計算結果と実測結果を比較するため実施した回路図である。
【図８】 図７の場合の計算モデルの図である。
【図９】 立ち上がる峻度が急激な場合の計算結果と実測結果を示す特性図である。
【図１０】 立ち上がり峻度が緩やかで変化する場合の計算結果と実測結果を示す特性図である。
【図１１】 印加電圧が低くアレスタが動作しない場合の計算結果と実測結果を示す特性図である。

Claims (3)

1. 電気回路に接続され、異常電圧を抑制するアレスタに対して印加される任意波形の電圧に対応して動作する動作時刻と動作電圧を求めるアレスタの動作特性計算方法であって、
   予め上記アレスタの端子間に加わる印加電圧に対する動作遅延時間の関係を示す印加電圧−動作遅延時間特性を求めておき、上記印加される電圧の波形上に複数の計算点を設定し、該計算点毎に、上記印加電圧−動作遅延時間特性の上記計算点の印加電圧に対応する動作遅延時間を読みとり、電圧印加開始時刻を起点とした上記計算点の時刻に、上記動作遅延時間を加算して動作時刻を算出し、上記印加電圧と上記動作時刻の関係を示す動作時刻曲線を画き、動作時刻が最小値となる計算点の動作時刻を上記アレスタの動作時刻と判定し、その動作時刻における上記印加された電圧の電圧値をアレスタの動作電圧値とするアレスタの動作特性計算方法。
2. 上記印加電圧の波形の内、上記印加電圧−動作遅延時間特性の最小動作電圧値以上の領域に複数の計算点を設定して動作時刻を算出することを特徴とする請求項１記載のアレスタの動作特性計算方法。
3. 電気回路に接続され、異常電圧を抑制するアレスタに対して印加される任意波形の印加電圧に対応して動作する動作時刻と動作電圧を求めるアレスタの動作特性計算方法であって、
   予め上記アレスタの端子間に印加される電圧に対する動作遅延時間の関係を示す印加電圧−動作遅延時間特性を求めて記憶部に記憶し、上記印加される電圧の上記アレスタ最低動作電圧値を越える領域に複数の計算点を設定し、最初の計算点は、計算点の印加される電圧および時刻を取得し、電圧印加開始時刻を起点とした上記計算点の時刻に、上記印加電圧−動作遅延時間特性の上記計算点の印加電圧値に対応する動作遅延時間を加算した動作時刻を記憶し、第２計算点以後は、計算点の印加電圧および時刻を取得し、電圧印加開始時刻を起点とした上記計算点の時刻に、上記印加電圧−動作遅延時間特性の上記計算点の印加電圧に対応する動作遅延時間を加算して動作時刻を演算し、この動作時刻と上記記憶された各計算点の動作時刻とを比較し、上記演算された動作時刻が早い場合には、演算された動作時刻を記憶する演算を繰り返し、演算された動作時刻が記憶された各計算点の最短の動作時刻と等しいかまたは長くなったときに、その動作時刻の上記印加された電圧の電圧値が記憶された最短の動作時刻の計算点に対応する印加電圧値よりも高いことを条件として、上記演算された動作時刻をアレスタの動作時刻と判定し、その動作時刻における上記印加された電圧の電圧値をアレスタの動作電圧値とすることを特徴とするアレスタの動作特性計算方法。

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