JP4177802B2

JP4177802B2 - 地絡方向継電装置

Info

Publication number: JP4177802B2
Application number: JP2004297453A
Authority: JP
Inventors: 浩一辻
Original assignee: 浩一辻
Priority date: 2004-10-12
Filing date: 2004-10-12
Publication date: 2008-11-05
Anticipated expiration: 2024-10-12
Also published as: JP2006115555A

Description

この発明は、配電線の一線地絡事故を高感度に検出することができる地絡方向継電装置に関する。

６．６kV系の配電線系統は、計器用変圧器の三次側で検出する零相電圧と、零相変流器の二次側に流れる零相電流との位相関係を判別して事故回線を特定するのが普通であり、このような用途に用いる保護継電器は、地絡方向継電器として知られている。

一方、配電線は、塩害などによる碍子やケーブルなどの絶縁不良、樹木や鳥獣、飛来物などの異物接触などに起因して、高抵抗を通して接地する微地絡事故が少なくなく、このような微地絡の一線地絡事故は、その検出が容易ではない。一線地絡時の零相電圧は、系統の対地静電容量が大きくなる程小さくなり、事故点抵抗の増大とともに小さくなる上、事故回線の零相電流も、事故点抵抗の増大とともに小さくなるからである。そこで、微地絡事故に対して高感度、高信頼度に作動し得る地絡方向継電器が強く求められている。

なお、変電所母線に接続する各回線上の事故を遮断すると、零相電圧自体の位相が急変して健全回線をも誤遮断してしまうことがあるため、これを避けるために、事故前の零相電圧を記憶して使用する地絡方向継電器が提案されている（特許文献１）。
特開平１１−１５０８５５号公報

かかる従来技術によるときは、零相電圧は、微地絡事故の際にそれ自体が小さくなってしまうから、事故前の零相電圧を記憶しても、零相電圧の位相変動による誤動作を避けることができるだけで、地絡方向継電器の感度、信頼度の向上に何ら貢献することができないという問題があった。

そこで、この発明の目的は、かかる従来技術の問題に鑑み、対象回線の零相電流と、事故前の各相電圧とから算出する事故相インピーダンスの位相角に基づき、対象回線の微地絡事故を十分高い感度で、しかも高い信頼度により検出することができる地絡方向継電装置を提供することにある。

かかる目的を達成するためのこの発明の構成は、変電所の母線電圧と対象回線の零相電流とをサンプリング周期ごとにサンプリングするサンプリング手段と、事故発生時にサンプリング手段により起動する事故判別手段とを備えてなり、事故判別手段は、対象回線の零相電流Ｉ_Z と、サンプリング手段によって記憶される事故前の各相電圧Ｅとから一線地絡時の事故相インピーダンスＺ＝Ｅ／Ｉ_Z ＝Ｒ＋ｊＸを算出し、Ｒ＞０、Ｘ＜０の双方の成立により対象回線の内部事故を検出することをその要旨とする。

なお、事故判別手段には、対象回線の事故時に対象回線の遮断器を引き外す出力手段を付設することができる。

また、事故判別手段は、事故相インピーダンスＺを各相ごとに算出することにより内部事故の際の事故相を特定してもよく、サンプリング手段は、対象回線の各相電流を併せてサンプリングしてもよい。

かかる発明の構成によるときは、サンプリング手段は、たとえば系統周波数の１０倍以上の所定のサンプリング周期ごとに、変電所の母線電圧と対象回線の零相電流とをサンプリングし、前者をフーリエ変換して各相電圧を算出して記憶するとともに、事故発生を検出して事故判別手段を起動する。なお、事故発生は、各相の対地電圧の急変の他、各相電圧のベクトル和に相当する零相電圧や、零相電流の急増などによって検出することができる。一方、事故判別手段は、対象回線の零相電流と、事故前の各相電圧とから算出する一線地絡時の事故相インピーダンスの位相角に基づき、対象回線の事故の有無を極めて高感度に、しかも高い信頼度で判別することができる。事故前の各相電圧は、１．０ＰＵ近くの確かな値であるため、事故相インピーダンスの位相角は、零相電流の大小に拘らず、正確に検出することができるからである。

なお、ここでいう事故前とは、事故発生後、過大な系統擾乱の影響を排除するために、たとえば系統周波数の１／４サイクル以上１サイクル未満程度の時間を置いて事故計算のタイミングを設定し、事故計算のタイミングから系統周波数のｎサイクル（ｎ＝１、２…）前をいうものとする。そこで、整数ｎは、ｎ＝２に設定することが好ましい。

一線地絡時の事故相インピーダンスＺ＝Ｒ＋ｊＸとは、各相電圧Ｅ、対称座標法上の零相電流Ｉo として、Ｚ＝Ｅ／Ｉo であり、Ｒは、事故点抵抗、ｊＸ＝−ｊ／（ωＣ）は、変電所母線に接続する全系統の１相当りの対地静電容量Ｃによるリアクタンス、ω＝２πｆは、系統周波数ｆの角速度である。なお、零相電流Ｉo に代えて一線地絡時の事故電流Ｉf を使用することにより、事故相インピーダンスＺ＝Ｅ／Ｉf ＝Ｒ−ｊ／（３ωＣ）と定義してもよい。一般に、零相変流器は、零相電流Ｉ_Z ＝Ｉf ＝３Ｉo を検出することができるからである。いずれの場合も、Ｒ＞０、Ｘ＜０の双方の成立により、事故点抵抗Ｒが大きな微地絡事故であっても、事故相インピーダンスＺの位相角θに基づいて、対象回線の内部事故を確実に検出することができる。内部事故であれば、相電圧Ｅに対する事故相インピーダンスＺの位相角θ＝tan^-1 （１／（ωＣＲ））または位相角θ＝tan^-1 （１／（３ωＣＲ））は、０°≦θ≦９０°の範囲にあるからである。

事故判別手段は、出力手段を付設することにより、対象回線の事故時に出力手段を介して対象回線の遮断器を引き外し、事故を速やかに除去することができる。なお、この場合の出力手段には、適切な時間経過後に遮断器を自動再投入し、一過性の事故の自動回復機能を含めることができる。また、事故判別手段は、対象回線における事故であるか否かに拘らず、判別結果を数値データとしてデータ出力することにより、系統における事故解析データを集積することができる。一方、サンプリング手段は、対象回線の各相電流を併せてサンプリングすることにより、たとえば各相電流の過大な急増を検出し、一線地絡と峻別して二線地絡、三線短絡などの事故発生を確実に検出することができる。

以下、図面を以って発明の実施の形態を説明する。

地絡方向継電装置１０は、サンプリング手段１１、事故判別手段１２、出力手段１３を縦続してなる（図１）。

地絡方向継電装置１０は、配電線系統の変電所ＳＳの母線Ｂに接続する複数の回線Ｓi （ｉ＝１、２…）のうち、任意の対象回線Ｓi における一線地絡事故の検出保護に使用する（図２）。なお、母線Ｂは、受電用の変圧器Ｔを介して給電されている。

サンプリング手段１１には、電圧変成器ＰＴを介して検出する変電所ＳＳの母線電圧Ｖ_PT、変流器ＣＴ、零相変流器ＺＣＴを介してそれぞれ検出する対象回線Ｓi の各相電流Ｉ_CT、零相電流Ｉ_Z ＝Ｉf が入力されている（図１、図２）。ただし、Ｉf は、対象回線Ｓi における一線地絡時の事故電流である。サンプリング手段１１には、記憶手段１１ａが付設されており、記憶手段１１ａの出力は、事故判別手段１２に接続されている。一方、出力手段１３の出力は、トリップ信号Ｓt として、対象回線Ｓi の遮断器ＣＢに導かれている。なお、図２において、地絡方向継電装置１０は、各回線Ｓi ごとに用意されており、母線電圧Ｖ_PTを検出する電圧変成器ＰＴは、すべての地絡方向継電装置１０に対して共通に使用するものとする。

サンプリング手段１１は、たとえば系統電圧の３０°ごと、すなわち系統周波数の１０倍以上に設定するサンプリング周期ごとに起動され、図３のプログラムフローチャートに従って作動する。

プログラムは、まず、電圧変成器ＰＴからの母線電圧Ｖ_PT、変流器ＣＴからの各相電流Ｉ_CT、零相変流器ＺＣＴからの零相電流Ｉ_Z を読み取り、サンプリングデータとして入力する（図３のプログラムステップ（１）、以下、単に（１）のように記す）。つづいて、プログラムは、母線電圧Ｖ_PTをフーリエ変換して各相電圧Ｅを算出し、記憶手段１１ａに記憶させる（２）。また、このとき、零相電流Ｉ_Z 、各相電流Ｉ_CTも併せてフーリエ変換することが好ましい。ただし、記憶手段１１ａには、過去のたとえば１秒以上の各相電圧Ｅを記憶し得るものとする。

次いで、プログラムは、各相電圧Ｅ、各相電流Ｉ_CT、零相電流Ｉ_Z 、各相電圧Ｅから算出する零相電圧Ｖo などの情報を解析して系統内における一線地絡事故発生の有無を判断し（３）、事故発生でなければそのまま終了し、事故発生時には（３）、事故判別手段１２を起動して終了する（４）。なお、一線地絡以外の短絡事故、地絡事故などが発生したときは、他の保護装置が作動するものとする。

事故判別手段１２は、図３のプログラムステップ（４）により起動されると、図４のプログラムフローチャートに従って作動する。ただし、事故判別手段１２は、事故発生後、過大な系統擾乱の収束に要する時間を待ってスタートするものとする。

プログラムは、まず、今回の事故が対象回線Ｓi 内の事故、すなわち内部事故か否かを判定する（図４のプログラムステップ（１）、以下、単に（１）のように記す）。すなわち、対象回線Ｓi の零相電流Ｉ_Z ＝Ｉf と、現時点の事故計算のタイミングからたとえば２サイクル前の事故前の相電圧Ｅとを使用して、一線地絡時の事故相インピーダンスＺ＝Ｅ／Ｉ_Z ＝Ｒ＋ｊＸを算出し、Ｒ＞０、Ｘ＜０の双方が成立するか否かにより、対象回線Ｓi の内部事故であるか否かを判別すればよい。なお、このとき、プログラムは、事故相インピーダンスＺを各相ごとに算出することにより、内部事故の際の事故相を併せて特定することができる。ただし、零相電流Ｉ_Z は、図３のプログラムステップ（２）によるフーリエ変換を利用して系統擾乱収束後の複素数値を取得することが好ましいが、たとえば系統周波数の１／４サイクル相当だけ離れた２点間のデータを使用して複素数化してもよい。

プログラムは、内部事故であるときは（２）、出力手段１３を介して対象回線Ｓi の遮断器ＣＢにトリップ信号Ｓt を出力し（３）、遮断器ＣＢを引き外して事故を除去することができる。また、プログラムは、内部事故であるか否かに拘らず（２）、プログラムステップ（１）の計算結果を事故の判別結果とともに数値データとしてデータ出力し（４）、事故解析データの集積を図ることができる。

かかる地絡方向継電装置１０のシミュレーション試験結果を図５、図６にまとめて示す。シミュレーション試験は、ノード１〜１５、区間１〜１４を含む直線状の１回線配電線系統を想定し（図５（Ａ））、変電所ＳＳの母線Ｂをノード１に対応させ、各区間の亘長は、図５（Ｂ）に示すとおりとした。ただし、区間４は、集中インピーダンスＺa ＝（６＋ｊ８）Ωにより亘長１８．７０kmを模擬し、ノード１には、電源５０ＭＷと、亘長２０km相当の図示しない集中対地静電容量Ｃとを接続した。また、ノード２、７、１０、１５には、それぞれ図５（Ｃ）に示す負荷Ｌ1 、Ｌ2 …Ｌ4 を想定して接続した。

区間１４の中点に事故点抵抗Ｒの一線地絡事故を想定し、事故点抵抗Ｒ＝０〜３００ＰＵにおける事故電流Ｉf 、事故相インピーダンスＺ＝Ｒ＋ｊＸ＝Ｒ−ｊ／（３ωＣ）の試験結果データを図６に示す。地絡方向継電装置１０は、いずれの一線地絡事故をも判別して検出することができ、Ｒ＝１３ｋΩの微地絡事故であっても、対象回線Ｓi を確実に保護することができる。

以上の説明において、変流器ＣＴからの各相電流Ｉ_CTは、図３のプログラムステップ（３）において、一線地絡事故以外の短絡事故を峻別する際に有効であるが、地絡方向継電装置１０としては、必ずしも必須の情報ではない。

なお、この発明は、所定のサンプリング周期ごとに作動するサンプリング手段１１と、事故発生時にサンプリング手段１１により起動する事故判別手段１２とを含むから、たとえば特願２００４−１１３０８２号の事故特定装置と容易に組み合わせ、一線地絡事故以外の事故に対する対応動作を容易に実現することができる。

全体構成ブロック系統図使用状態系統図プログラムフローチャート（１）プログラムフローチャート（２）シミュレーション試験説明図（１）シミュレーション試験説明図（２）

符号の説明

ＳＳ…変電所
Ｓi …対象回線
ＣＢ…遮断器
Ｖ_PT…母線電圧
Ｉ_CT…各相電流
Ｅ…各相電圧
Ｉ_Z …零相電流
Ｚ…事故相インピーダンス
θ…位相角
１１…サンプリング手段
１２…事故判別手段
１３…出力手段

特許出願人辻浩一
代理人弁理士松田忠秋

Claims

変電所の母線電圧と対象回線の零相電流とをサンプリング周期ごとにサンプリングするサンプリング手段と、事故発生時に前記サンプリング手段により起動する事故判別手段とを備えてなり、該事故判別手段は、対象回線の零相電流Ｉ _Z と、前記サンプリング手段によって記憶される事故前の各相電圧Ｅとから一線地絡時の事故相インピーダンスＺ＝Ｅ／Ｉ _Z ＝Ｒ＋ｊＸを算出し、Ｒ＞０、Ｘ＜０の双方の成立により対象回線の内部事故を検出することを特徴とする地絡方向継電装置。
前記事故判別手段には、対象回線の事故時に対象回線の遮断器を引き外す出力手段を付設することを特徴とする請求項１記載の地絡方向継電装置。
前記事故判別手段は、事故相インピーダンスＺを各相ごとに算出することにより内部事故の際の事故相を特定することを特徴とする請求項１または請求項２記載の地絡方向継電装置。
前記サンプリング手段は、対象回線の各相電流を併せてサンプリングすることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか記載の地絡方向継電装置。