JP4120540B2 - 直流給電回路網の保護方法及び直流給電回路網の保護システム - Google Patents
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Description
このような電気システムには、短絡事故が発生したときの対策が施されている。従来方式では、回路網に配置した気中遮断器(ACB)或いはヒューズ等の保護装置により短絡事故時の保護が行われている。
また、低インピーダンス電路であるため、保護装置相互間で協調動作して個々が選択的に遮断動作することが困難である。これを図7乃至図9を用いて説明する。
図7に示すように、直流電源をなす蓄電池101を備える回路(主回路)に、動力系102が接続されており、その動力系102の前後には動力系保護装置として第1及び第2遮断器(気中遮断器又は超限流遮断器)111,112が配置されている。また、図7に示すように、主回路上に主回路保護装置として第3及び第4遮断器(気中遮断器又は超限流遮断器)113,114が配置されている。これら遮断器111〜114は、動力系回路の定格電流I1や主回路の定格電流I2に応じて選定されている。
一般的には、遮断器の過電流設定値は、定格電流を100%としたときの電流倍率で決定される。例えば、定格電流を100%としたとき、過電流検出開始電流は125%となり、過電流瞬時動作電流は500%となるように設定する。図8に示す保護動作特性は、動力系回路の定格電流I1が1kAあり、主回路の定格電流I2が10kAである場合の保護動作特性を示す。
この場合、図9に示すように、短絡発生直後に急峻な上昇を示す推定短絡電流が発生する。推定短絡電流とは、回路電圧を回路抵抗で除した流れるであろう短絡電流の最大値である。この推定短絡電流は、回路インピーダンスが小さければ小さいほど大きくなる。また、短絡発生直後の短絡電流の上昇は電流突進率(di/dt)で示され、この電流突進率は、回路インダクタンスLを回路抵抗Rで除した値(L/R)によって決定される。よって、回路インダクタンスLが小さければ、短絡電流は急峻な上昇を示すことになる。
さらに、近年の電源容量増大に伴い、保護装置の遮断容量向上が望まれる。しかし、保護装置の遮断容量向上が技術的に限界である状況となっている。
また、請求項3記載の発明に係る直流給電回路網の保護システムは、複数の電気機器と、当該複数の電気機器に対応させて配置され、かつ過電流を検出して遮断動作する遮断装置とを備えた直流給電回路網を保護する直流給電回路網の保護システムにおいて、前記遮断装置を、外部からの遮断指令によっても遮断動作させることができるものとし、前記直流給電回路網の主回路における各位置の電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段の検出結果に基づいて前記直流給電回路網の主回路における電圧低下から短絡点を検出し、その検出した短絡点に基づいて各遮断装置の遮断動作を制御するとともに、前記電圧低下に基づいて前記短絡点近傍の遮断装置を遮断動作させる制御手段と、を備える。
短絡事故が発生した場合、短絡電流が上昇し始める前に、短絡点では急峻な電圧降下が発生する。このようなことから、請求項1及び請求項3記載の発明では、直流給電回路網の主回路における電圧低下に基づいて短絡点を検出し、その検出した短絡点に基づいて各遮断装置の遮断動作を制御する。そして、請求項1及び請求項3記載の発明では、前記電圧低下に基づいて短絡点近傍の遮断装置を遮断動作させる。
また、遮断動作させる場合でも、短絡事故から早い時期にその遮断動作を開始させることができるので、結果的に、遮断装置が高速・大遮断容量性能をもたなくてもよくなる。
図1は本発明が適用される直流給電回路網の電路系統図を示す。図2は図1の電路系統図に対応するインピーダンスマップを示す。
図1に示すように、直流電源をなす第1及び第2(1号及び2号)蓄電池1,2を備える回路(主回路)に、第1及び第2動力(1号系動力及び2号系動力)3,4、第1及び第2(1号及び2号)発電機5,6、並びに電動機7が接続されている。
第1及び第2動力3,4並びに第1及び第2発電機5,6それぞれの前後には、第1乃至第8遮断器(気中遮断器)11〜18及び第1乃至第8超限流遮断器31〜38が設置されている。また、前記第1及び第2蓄電池1,2を備える回路上、第1接続点a1と第5接続点a5との間に、第9遮断器19、並びに第9及び第10超限流遮断器39,40を備え、第2接続点a2と第6接続点a6との間に、第10遮断器20、並びに第11及び第12超限流遮断器41,42を備え、第3接続点a3と第7接続点a7との間に、第11遮断器21、並びに第13及び第14超限流遮断器43,44を備え、第4接続点a4と第8接続点a8との間に、第12遮断器22、並びに第15及び第16超限流遮断器45,46を備え、第5接続点a5と第9接続点a9との間に、第17超限流遮断器47を備え、第6接続点a6と第10接続点a10との間に、第18超限流遮断器48を備え、第7接続点a7と第9接続点a9との間に、第19超限流遮断器49を備え、第8接続点a8と第10接続点a10との間に、第20超限流遮断器50を備えている。
図3は、さらに詳細な電気系統図を示す。
ここで、第1乃至第20超限流遮断器31〜50は、前述したように、変流器31a〜50a、検出器31b〜50b及び限流ヒューズ31c〜50cを備えている。
変流器31a〜50aでは、設定値(過電流保護設定値)との比較で過電流を検出している。各回路を構成している定格電流(容量)で第1乃至第20超限流遮断器31〜50が選定されているのであり、前記設定値はその定格電流(容量)に応じた値になっている。すなわち、定格値を100%としたときの電流倍率で設定値が設定されており、よって、変流器31a〜50aの設定値は互いに異なる値になっている。
ここで、回路上の、第9超限流遮断器39と第10超限流遮断器40との間と、第11超限流遮断器41と第12超限流遮断器42との間とで短絡事故が発生した場合を考える。すなわち、主に第1動力3、第1発電機5に関する回路網の一部で短絡事故が発生した場合である。
この場合、各々の回路網からは当該回路網の回路定数によって決まる短絡電流がそれぞれ流出し、短絡発生点b1,b2の間に短絡電流(合計電流)IΣが流入する。ここで、短絡電流(合計電流)IΣは、下記式のように示すことができる。
I1aΣ=Ib1+1ma1
I1bΣ=Ig1+I1cΣ
I1cΣ=Im+I2cΣ
I2aΣ=I2bΣ=Ib2+1ma2
I2cΣ=Ig2+I2bΣ
ここで、電流Ib1,Ib2はそれぞれ、第1及び第2蓄電池1,2から短絡発生点b1,b2に向かう短絡電流であり、電流Ima1,Ima2は、第1及び第2動力3,4の電動機負荷等に起因して、短絡発生点b1,b2に向かう短絡電流であり、電流Ig1,Ig2は、第1及び第2発電機5,6から短絡発生点b1,b2に向かう短絡電流であり、電流Imは、電動機7から短絡発生点b1,b2に向かう短絡電流である。
このような短絡事故が発生すると、図5中(B)に示すように、短絡発生点b1,b2の間の電圧(第6電圧検出器66の検出電圧)は短時間で電圧Vd(図中a点)を通過し、かつ0V付近の電圧Vs(図中b点)まで下降する。このとき、短絡発生点b1,b2に流入する短絡電流IΣは、図5中(A)に示すようにこの電圧降下に遅れて上昇する。
このとき、第6電圧検出器66は、電圧Vd以下になったことを検出して、図5中(C)に示すように、検出信号S1Bを選択遮断制御装置71に出力する。すなわち、第6電圧検出器66は、電圧Vdを設定値(しきい値)として、電圧値がこの設定値Vd以下になったことを検出したとき、その検出信号S1Bを選択遮断制御装置71に出力する。
第9乃至第12超限流遮断器39,40,41,42は、この遮断指令信号T5,T6の入力により、遮断動作を開始する。具体的には、図5中(A)に示すように、遮断指令が入力されると、遅れ時間TL後に、第9及び第11超限流遮断器39,41は、短絡電流I1aΣのI1ab点から限流動作を開始し、また、第10及び第12超限流遮断器40,42は、短絡電流I1bΣのI1bb点から限流動作を開始する。
また、選択遮断制御装置71は、検出信号S1Bが入力されると、図5中(E)に示すように、第1及び第2超限流遮断器31,32(検出部31b,32b)にロック指令信号L1を出力しない。また、選択遮断制御装置71は、遮断指令信号T1も出力しない。これにより、第1及び第2超限流遮断器31,32は、非ロック状態となり、通常通りに動作する。
また、第9乃至第12超限流遮断器39,40,41,42による限流動作が終了した後には、第1乃至第20超限流遮断器31〜50が通常動作に戻るので、万一短絡電流が継続していたとき(短絡電流が持続している状態のとき)でも、第1乃至第20超限流遮断器31〜50は、変流器31a〜50aで設定値を超えた電流値を検出したときに、遮断動作させて、回路網を保護する。
また、本設備は、第1乃至第8遮断器11〜18を備えているので、これらの第1乃至第8遮断器11〜18が独立して作動する場合(回路断状態にする場合又は開路状態にする場合)がある。遮断器が独立して作動した場合、当該作動した遮断器を回路中に持っている第1乃至第5電圧検出器61〜65には電圧が印加されなくなる。この場合、電圧検出器は、電圧低下を誤検出してしまう。この結果、選択遮断制御装置71は、関連する超限流遮断器に遮断指令信号を誤出力してしまうことになる。このようなことから、選択遮断制御装置71は、第1乃至第8遮断器11〜18から入力される当該第1乃至第8遮断器11〜18の状態を示す信号をも参照して、超限流遮断器に遮断指令信号を出力するようにしている。
先ず、従来方式の過電流検出による短絡保護方式を説明する。ここで、本発明の実施の形態と同様に、短絡発生点b1,b2として短絡が発生したものとする。この場合、例えば次のような限流動作となる。
第9及び第11超限流遮断器39,41の変流器39a,41aは、当該第9及び第11超限流遮断器39,41に流れる電流I1aΣが設定値(しきい値)S1aを超えたとき、遮断動作指令を限流ヒューズ39c,41cに出力する。これにより、限流ヒューズ39c,41cは、遮断動作指令を受けて、動作遅れ時間TL1(短絡発生時から時間T1ao経過)後の電流I1aoから限流動作を開始する。これにより、短絡発生時から時間T1a経過後、電流I1aΣは0Aになる(図5中(A)参照)。
そして、従来方式の過電流検出による短絡保護方式では、これらの超限流遮断器の相互間で協調動作して選択的に遮断保護動作を得ることが極めて困難となっている。すなわち、短絡電流経路の抵抗が小さいほど短絡電流は大きく、また、インダクタンスが小さければ短時間で大短絡電流に到達する。その一方で、超限流遮断器の保護動作は、短絡発生による過電流を検出してから接点を開いて(接点を開極して)短絡電流(事故電流)を限流遮断するようになっているので、過電流検出から接点開極開始までの時間遅れがほぼ20〜数十msec.存在する。このようなことから、接点が開いてから短絡電流が限流(減少)するときには、構成回路に配置した他の超限流遮断器が既に短絡電流を検出し、遮断動作を開始してしまう。この結果、超限流遮断器の相互間で協調動作して選択的に遮断保護動作を得ることは極めて困難となる。
導電性物体による短絡形態では、その短絡発生点の電圧は、電源電圧と短絡抵抗・回路インダクタンスから決まる短絡電流と短絡抵抗との積で決まる電圧が発生する(下記式参照)。
Vs=rs×IΣ
ここで、Vsは短絡発生点の電圧であり、rsは短絡抵抗であり、IΣは短絡点に流れ込む短絡電流である。
また、アークによる短絡形態では、短絡電流とアーク抵抗との積で決まるアーク電圧(=短絡発生点電圧)が発生するが、いずれの短絡形態であっても、短絡発生時の短絡発生点電圧は、短絡発生から極めて短時間に極めて小さい値に急下降することになる。
すなわち、前述の実施の形態では、第9超限流遮断器39と第10超限流遮断器40との間と、第11超限流遮断器41と第12超限流遮断器42との間とで短絡事故が発生した場合を例に挙げて、それに対応する動作を説明した。しかし、これに限定されないことはいうまでもない。本発明は、他の部分で短絡が発生した場合にも適用できる。
例えば、前述したように、第9超限流遮断器39と第10超限流遮断器40との間のb1と、第11超限流遮断器41と第12超限流遮断器42との間のb2とで短絡事故が発生した場合、表を参照すれば選択遮断制御装置71は次のような信号を出力すればよくなる。
また、例えば、第10超限流遮断器40と第17超限流遮断器47との間のa5と、第12超限流遮断器42と第18超限流遮断器48との間のa6とで短絡事故が発生した場合、前記表を参照すれば選択遮断制御装置71は次のような信号を出力すればよい。
このように、第1発電機5に関する回路網を遮断動作により保護し、第1及び第2電池1,2、第1及び第2動力3,4、第2発電機6及び電動機7に関する回路網を運転継続状態にする。
ここで、表を用いて選択遮断制御装置71を動作させる場合には、具体的には、選択遮断制御装置71に前記表を保持させることが考えられる。これにより、選択遮断制御装置71が当該表を用いて短絡事故の発生点を特定して、それに応じて最適な超限流遮断器に所望の信号を出力するようにする。すなわち、選択遮断制御装置71は、短絡事故発生点近傍の超限流遮断器に遮断指令信号を与えて速やかに短絡事故点の切離し動作を行なうとともに、短絡事故発生点以外(短絡事故発生点から離れた)の超限流遮断器にロック指令信号を与えて電流検出動作しないようにする。これにより、超限流遮断器が短絡事故の連鎖動作により不必要な保護動作をしてしまうことを防止して、給電可能電路への給電を継続させてシステム運転の安全を図ることができる。
3,4 動力
5,6 発電機
7 電動機
11〜22 遮断器(気中遮断器)
31〜50 超限流遮断器
31a〜50a 変流器(電流検出器)
31b〜50b 検出器
31c〜50c 限流ヒューズ
61〜67 電圧検出器
71 選択遮断制御装置
L1〜L10 ロック指令信号
T1〜T10 遮断指令信号
Claims (4)
- 複数の電気機器と、当該複数の電気機器に対応させて配置され、かつ過電流を検出して遮断動作する遮断装置とを備えた直流給電回路網を保護する直流給電回路網の保護方法において、
前記遮断装置を、外部からの遮断指令によっても遮断動作させることができるものとし、
前記直流給電回路網の主回路における電圧低下に基づいて短絡点を検出し、その検出した短絡点に基づいて各遮断装置の遮断動作を制御するとともに、前記電圧低下に基づいて前記短絡点近傍の遮断装置を遮断動作させることを特徴とする直流給電回路網の保護方法。 - 前記短絡点近傍の遮断装置以外の遮断装置の遮断動作を禁止することを特徴とする請求項1記載の直流給電回路網の保護方法。
- 複数の電気機器と、当該複数の電気機器に対応させて配置され、かつ過電流を検出して遮断動作する遮断装置とを備えた直流給電回路網を保護する直流給電回路網の保護システムにおいて、
前記遮断装置を、外部からの遮断指令によっても遮断動作させることができるものとし、
前記直流給電回路網の主回路における各位置の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段の検出結果に基づいて前記直流給電回路網の主回路における電圧低下から短絡点を検出し、その検出した短絡点に基づいて各遮断装置の遮断動作を制御するとともに、前記電圧低下に基づいて前記短絡点近傍の遮断装置を遮断動作させる制御手段と、
を備えたことを特徴とする直流給電回路網の保護システム。 - 前記制御手段は、前記短絡点近傍の遮断装置以外の遮断装置の遮断動作を禁止することを特徴とする請求項3記載の直流給電回路網の保護システム。
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