JP4770403B2

JP4770403B2 - 地絡方向継電器の動作試験方法

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Publication number: JP4770403B2
Application number: JP2005322979A
Authority: JP
Inventors: 正治猪山
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2005-11-08
Filing date: 2005-11-08
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2025-11-08
Also published as: JP2007132665A

Description

本発明は、地絡方向継電器の動作試験方法に係り、特に方向性の総合確認試験に関する。

地絡方向継電器（６７Ｇ）は、保護対象系統の地絡時に発生する零相電圧を接地形計器用変圧器（ＥＶＴ）または零相コンデンサ分圧器（ＺＰＣ）などで検出し、保護対象系統の負荷回線を流れる零相電流を零相変流器（ＺＣＴ）で検出し、これら零相電圧と零相電流との位相関係から、系統の負荷側回線が健全であるか地絡故障回線であるかを弁別し、地絡故障回線のみ選択遮断することにより系統全体の安定運用を確保する。

地絡方向継電器の動作試験としては、地絡発生時に故障回線の地絡保護継電器のみ動作し、他の健全回線の地絡保護継電器は全て不動作となることにより、正しく故障回線のみ選択遮断する事を確認する。この動作確認のためには、単に地絡方向継電器の単体動作試験だけではなく、接地形計器用変圧器ＥＶＴ（または零相コンデンサ分圧器ＺＰＣ）および零相変流器ＺＣＴを含めた総合的確認が必要となる。この動作確認試験方法は従来からいくつか提案されている。

この確認試験方法には、実系統で模擬的に地絡故障を発生させて確認する方法、または系統運用の停止状態で、等価的に零相電圧及び零相電流を与えて確認する方法がある（例えば、特許文献１参照）。

前者の実系統で模擬的に地絡故障を発生させて確認する方法による回路例を図８および図９に示す。図８の方法は、地絡を模擬しようとする高圧母線１に繋がる負荷側回線の一相に可変抵抗Ｒｔを接続し、系統の実運用状態でこの抵抗値を低下させることにより実地絡を模擬し、負荷回線側に配置した零相変流器ＺＣＴの検出電流Ｉ₀から地絡方向継電器６７Ｇに地絡保護動作が得られることで動作確認を行う。同図では可変抵抗Ｒｔはインピーダンス変換用の変圧器（試験用単相変圧器）Ｔｆを介して負荷回線の一相に接続している。なお、この試験では、電力ケーブル対地静電容量が大きいような系統設備では、地絡方向継電器整定を実運用時のまま試験を行おうとした場合、かなり大規模な試験機材が必要となる。このような場合には必要に応じて、地絡保護継電器６７Ｇの整定値を低く変更し直した上で試験する。

図９の方法は、原理的には図８と同じ方法である。可変抵抗Ｒｔを零相変流器ＺＣＴよりも電源側に接続し、その接地線を零相変流器ＺＣＴに貫通させることにより、図８と等価な回路が構成される。同図では、可変抵抗Ｒｔは、試験用単相変圧器Ｔｆを介して接続し、この変圧器Ｔｆの接地側を零相変流器ＺＣＴに貫通させている。

後者の方法（特許文献１）による動作試験回路の一例を図１０に示す。同図において、試験に際して、運用停止状態にした高圧母線１に繋がる負荷側回線の三相を一括短絡し、試験用単相変圧器Ｔｆは低圧側（一次側）がスライダックＳＤを介して試験用電源に接続され、変圧比ｎで昇圧した対地試験電圧（地絡時に高圧母線に含まれる零相電圧成分に相当）を印加する。変圧器Ｔｆの高圧側の一端は零相変流器ＺＣＴに貫通させて接地する。接地形計器用変圧器ＥＶＴ（またはＺＰＣ）は、高圧母線１に接続されて零相電圧を検出する。地絡方向継電器６７Ｇは、ＺＣＴおよびＥＶＴからの零相電流Ｉ₀および零相電圧Ｖ₀が入力されて地絡方向継電動作を得る。
特許第２９８５４３７号公報

（１）実系統で模擬的に地絡故障を発生させる方法（図８、図９）の問題点。

（ａ）実際に系統を運用状態で試験するため、高圧受電の需要家の場合には電力系統から切り離す必要がある。すなわち、高圧受電の需要家がこの方式により試験を行おうとした場合には、試験用のタイトランスを電源側に入れるか、または三相高圧試験用電原を別途用意する必要がある。

（ｂ）系統に接続されている地絡模擬相以外の健全相全体には健全時対地電圧（線間電圧の１／√３）よりも高い対地電圧がかかることとなり、電気的ストレスがかかる。

（ｃ）系統全体の回線数が多い場合や、各回線のケーブルの対地静電容量が大きい場合などにより、試験対象系統全体の対地静電容量が大きくなるにつれ、保護継電器零相電圧要素が動作しうる程度以上に模擬的地絡抵抗値を低下させると、各部静電容量を流れる零相電流も大きくなり、これに見合った容量の試験装置（試験用変圧器および抵抗Ｒｔとしての水抵抗など）が必要となる。

すなわち、実際に実運用時と同じ電圧を印加することから、変圧器はこれと同等以上の定格電圧のものを用意する必要があるし、変圧器には地絡電流に相当する試験電流が流れる。もし、試験系統全体の対地静電容量（その大半は電力ケーブル）が大きく、試験回線の零相電流が地絡方向継電器の電流要素整定値を越えても零相電圧が継電器の電圧要素整定値に満たない場合には更に地絡電流を増加させる必要がある。以上より、これらの方法に使用する変圧器としては数ｋＶＡ〜数十ｋＶＡの容量のものを用意する必要がある。

また、試験用抵抗器（Ｒｔ）では試験用単相変圧器の高圧側の電圧・電流に相当する電力（ｋＷ）が消費される。消費電力の大きさおよび可変しやすさなどから水抵抗を用いる場合が多いが、通電中に消費電力による温度上昇で沸騰することのないよう、充分な水量の水抵抗を準備する必要がある。（例：数十リットル）水抵抗の場合、導電率を上げるために塩を適宜加えての調整が必要など、事前準備や取扱いなどが大がかりとなる。

（ｄ）試験のため高圧を印加することとなり、印加線の途中の要所要所を絶縁支持物で固定し、安全区間用柵を配置するなど電気的・人的安全対策を充分に施す必要がある。

（２）等価的に零相電圧及び零相電流を与える試験方法（図１０）の問題点。

（ａ）系統全体の回線数が多い場合や、各回線のケーブルの対地静電容量が大きい場合などにより、試験対象系統全体の対地静電容量が大きくなるにつれ、各部静電容量を流れる零相電流も大きくなり、これに見合った容量の試験装置が必要となる。

すなわち、試験系統全体の対地静電容量（その大半は電力ケーブル）が大きい場合には継電器の電流要素が動作しうる試験電圧では試験回線の零相電圧が継電器の電圧要素整定値に達せず、更に試験電圧を昇圧する必要がある。

（ｂ）配電盤据え付け工事途上などで電源引き込みや各回線の負荷側ケーブルが接続されていない場合、あるいは事情により電源側や負荷側に電圧印加できないなどにより電力ケーブルを切り離すなどした場合には対地静電容量が小さくなるため、零相電流が継電器の零相電流動作領域以上にするためには試験電圧を高く上げる必要がある。また、ほとんど電力ケーブルが接続されていない場合には、試験電圧を完全地絡時零相電圧まで上昇させても、零相電流が動作領域に達せず、動作・不動作確認ができない場合もある。

（ｃ）上記（ａ）、（ｂ）いずれの場合でも試験機材は充分な電圧・電流を供給できる容量が必要となる。また、高圧もしくはそれに近い電圧を印加することとなり、やはり人的・電気的安全対策を充分に施す必要がある。

本発明の目的は、従来方法に比べて電気的および構造的に小規模の試験機材を使用して、地絡回線「動作」、健全回線「不動作」となることの確認試験ができる地絡方向継電器の動作試験方法を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、試験用単相変圧器に得る対地試験電圧の発生部分と対地間に試験用インピーダンス回路Ｚｔを設け、試験用単相変圧器Ｔｆと試験用インピーダンス回路Ｚｔで構成されるループ回路に流れる電流を零相変流器ＺＣＴの一次側零相電流分として加算するようにしたもので、以下の方法を特徴とする。

（１）保護対象系統に発生する零相電圧を接地形計器用変圧器ＥＶＴまたは零相コンデンサ分圧器ＺＰＣで検出し、系統の負荷回線に発生する零相電流を零相変流器ＺＣＴで検出し、これら零相電圧と零相電流との位相関係から、系統の負荷回線が健全であるか地絡故障回線であるかを弁別する地絡方向継電器の動作試験方法であって、
一次側が試験用電源に接続された試験用単相変圧器Ｔｆの二次側に対地試験電圧を発生させ、この対地試験電圧を前記零相電圧として前記接地形計器用変圧器ＥＶＴまたは零相コンデンサ分圧器ＺＰＣで検出し、
前記試験用単相変圧器Ｔｆの二次側の高圧側または接地側を一次側入力とする前記零相変流器ＺＣＴで前記零相電流として検出し、
前記対地試験電圧の発生部分と対地間に試験用インピーダンス回路Ｚｔを接続し、前記試験用単相変圧器Ｔｆと試験用インピーダンス回路Ｚｔで構成されるループ回路に流れる電流を前記零相変流器ＺＣＴの一次側に前記零相電流分として加算することを特徴とする。

（２）前記試験用インピーダンス回路Ｚｔは、コンデンサ、抵抗あるいはこれらの組み合わせにより構成され、地絡方向継電器の零相電圧、零相電流の各々の整定値に応じた電力定格、電流定格および電圧定格をもつ回路素子を選定することを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、試験用単相変圧器に得る対地試験電圧の発生部分と対地間に試験用インピーダンス回路Ｚｔを設け、試験用単相変圧器Ｔｆと試験用インピーダンス回路Ｚｔで構成されるループ回路に流れる電流を零相変流器ＺＣＴの一次側零相電流分として加算する動作試験方法とするため、従来方法に比べて電気的および構造的に小規模の試験機材を使用して、地絡回線「動作」、健全回線「不動作」となることを確認できる。

具体的には、本発明は従来方法に対して以下の効果がある。

（１）実地絡を模擬した試験方法（図８、図９）のような高圧を印加せずに、数百ボルト程度の低圧で試験ができる。この結果、
・試験電圧が印加される範囲の回路に電気的ストレスを与えることがない。

・電圧印加線は低圧絶縁が確保されればよいので、例えば６００Ｖビニル電線などを床面や配電盤金属部上を直接はわせて回路構成ができ、高圧印加のように印加線の要所要所を絶縁支持物などで対地絶縁確保を行う必要がない。

・人的にも電気的にも安全性を確保しやすい。

（２）接地形計器用変圧器ＥＶＴまたは零相コンデンサ分圧器ＺＰＣを引き出し位置または盤外に引き出すなどして系統から切り離した試験ができ、系統運用状態あるいは点検・清掃作業中などでも安全に動作試験ができる。

（３）系統全体の対地静電容量（ほとんどは電力ケーブル）の大小によらず、試験用インピーダンス回路Ｚｔを適切に選ぶことにより、従来方法よりも電気的および構造的に小規模の試験設備で容易に試験ができる。この結果、試験用単相変圧器も小容量で済むばかりでなく、試験用インピーダンス回路Ｚｔも従来の水抵抗などに比較して小さな固体抵抗で済むほか、コンデンサなども試験用インピーダンス回路Ｚｔとして活用可能となる。

例）６.６ｋＶ系統で、地絡方向継電器の動作整定が次のような場合の検討例
零相電圧検出要素：一相完全地絡時零相電圧の５％
零相電流検出要素：ＺＣＴ一次側零相電流０.２Ａ
このとき、継電器の零相電圧検出要素の動作電圧は（６.６ｋＶ／√３）×５％≒１９０Ｖ、これより試験用変圧器出力電圧はせいぜい２００Ｖ程度で充分試験可能。一方、約２００Ｖの零相電圧を印加したときにＺＣＴに０.２Ａ以上の零相電流を流すようなＺｔは２００Ｖ／Ｚｔ≧０.２Ａ、これよりこの場合のＺｔは約１ｋΩ以下程度のものを用意すればよい。このときの試験用変圧器の容量は２００Ｖ×０.２Ａ＝４０ＶＡ以上有れば充分となる（従来方法では数ｋＶＡ〜数十ｋＶＡの容量が必要）。

上記よりＺｔは約１ｋΩ以下程度のものであるが、Ｚｔとして抵抗を用いた場合は、１ｋΩ程度の抵抗で継電器動作確認の時間内、持てば良い容量のもの（従来方法の水抵抗でなくても良い）。また、連続で考えても（０.２Ａ）２×１ｋΩ＝４０Ｗで済む。Ｚｔとしてコンデンサを用いた場合は、商用周波数におけるインピーダンスが１ｋΩ程度のコンデンサを選択（この場合は損失による発熱等考慮不要）。

（４）試験電圧はせいぜい数百ボルト程度の低圧であるから、系統母線への印加線は６００Ｖビニル電線などを使用すれば途中アースから浮かすことなく床や配電盤接地電位部分などの上を直接はわせて配線しても問題なく試験ができる。また、高圧印加に比べて人的にも安全となる。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態を示す動作試験回路図である。同図は、停止状態の高圧母線１を三相一括短絡し、これに変圧比ｎの試験用単相変圧器Ｔｆの二次側から対地試験電圧（地絡時に主回路に含まれている零相電圧成分に相当）を印加し、試験用単相変圧器Ｔｆの二次側の接地側を零相変流器ＺＣＴを貫通させて接地し、零相変流器ＺＣＴで試験用単相変圧器Ｔｒの二次側に流れる電流Ｉ₀を検出し、地絡方向継電器６７Ｇは高圧母線１に接続された接地形計器用変圧器ＥＶＴからの零相電圧Ｖ₀および負荷回線に設ける零相変流器ＺＣＴからの零相電流の位相関係から、負荷回線側が健全であるか地絡故障回線であるかを弁別する。なお、図１では試験用単相変圧器Ｔｆの低圧側（一次側）にスライダックＳＤを設け、これを調整することで負荷回線側に印加する対地試験電圧を調節可能にしているが、スライダックＳＤを省略してもよい。

ここで、本実施形態は、試験用単相変圧器Ｔｆの二次側の高圧側（系統に零相電圧を印加する側）と対地間に試験用インピーダンス回路Ｚｔを接続している。この試験用インピーダンス回路Ｚｔの接続により、試験用単相変圧器Ｔｆの出力電圧に応じた電流が試験用インピーダンス回路Ｚｔを介して対地に流れ、その帰路電流を零相変流器ＺＣＴの一次側に零相電流分として加算させる。

これにより、本実施形態では、試験用単相変圧器Ｔｆにより高圧母線１に印加された零相電圧が地絡方向継電器６７Ｇの零相電圧検出要素の動作領域以上となったときに、負荷回線から零相変流器ＺＣＴを貫通して流れる電流が地絡方向継電器６７Ｇの零相電流検出要素の動作領域以上となるようにＺｔを選定すれば、他の負荷回線や電源引き込みなどの電力ケーブルを介して流れる零相電流がほとんどなくても継電器の動作確認が可能となる。なお、地絡時の等価回路はほとんどの場合キャパシタンスと抵抗分からなるＣ−Ｒ回路であるので、試験用インピーダンス回路Ｚｔとしてはコンデンサ、抵抗、またはこれらＣ−Ｒの組み合わせで構成し、継電器の零相電圧、零相電流の各々の整定値に応じた電力定格、電流定格および電圧定格をもつ回路素子を選定することで済む。

また、電源引き込みや負荷側の電力ケーブルが無くても地絡方向継電器を動作させうるのに充分な零相電圧および零相電流が得られることから、据え付け工事途上でまだ電力ケーブルが接続されていない場合はもちろん、電力ケーブルが接続されていても当該回路の開閉器により母線から切り離すことにより、これら各電力ケーブルやその末端の負荷には無関係に試験が可能となる。この結果、系統全体の対地静電容量（電力ケーブルが主体）が大きいような系統設備でも、電力ケーブルの対地静電容量には無関係に試験可能となる。

また、試験電圧も多くの場合数百ボルト程度の低圧で充分試験可能となり、試験設備の容量から見ても、安全性から見ても動作試験の実施が容易となる。

（実施形態２）
図２は、本発明の実施形態を示す動作試験回路図である。同図が図１と異なる部分は、接地形計器用変圧器ＥＶＴは高圧母線１から切り離して三相を一括短絡し、さらに高圧母線１の三相は一括短絡することなく、試験用単相変圧器Ｔｆの二次側の高圧側および試験用インピーダンス回路Ｚｔを接地形計器用変圧器ＥＶＴの三相に一括接続する点にある。

すなわち、地絡方向継電器６７Ｇへ導入する零相電圧Ｖ₀は、高圧母線１を介することなく、試験位置または盤外に引き出した接地形計器用変圧器ＥＶＴ（またはＺＰＣ）の一次側に直接印加し、零相電流は試験用インピーダンス回路Ｚｔを通した模擬零相電流として発生させる。

本実施形態によれば、高圧母線１および負荷回線には試験電圧を直接印加する必要が無いため、高圧母線１および負荷回線が運用状態でも、あるいは配電盤などの点検・清掃作業中でも安全に試験回線の継電器動作の確認ができる。

（実施形態３）
図３は、本発明の実施形態を示す動作試験回路図である。同図が図１と異なる部分は、図１の試験回路では試験用単相変圧器Ｔｆの接地側を零相変流器ＺＣＴに貫通させるが、本実施形態では高圧母線１への零相電圧印加側を零相変流器ＺＣＴに貫通させた点にある。なお、零相電圧ベクトルに対する零相電流ベクトルの関係は、図１の試験回路と同様になる。

本実施形態によれば、試験電圧が高々数百ボルト程度であるので、零相電圧印加側を零相変流器ＺＣＴに貫通させて接続する作業にも、低圧絶縁性能を有する印加線（例えば６００Ｖビニル電線など）で安全にできる。

（実施形態４）
図４は、本発明の実施形態を示す動作試験回路図であり、地絡方向継電要素を有する柱上開閉器（ＰＡＳなど）の方向性確認の場合である。柱上開閉器２の電力系統側（試験時は系統から切り離し）に試験用インピーダンス回路Ｚｔを接続し、柱上開閉器２の負荷側に試験用単相変圧器Ｔｆから試験電圧を印加する。主回路の三相一括は系統側、負荷側のいずれでもよい。

これにより、柱上開閉器２には試験電圧（零相電圧）が印加されると共に、試験用インピーダンス回路Ｚｔを通した零相電流が発生し、その動作によって負荷側が健全であるか地絡故障回線であるかを確認できる。

なお、零相電圧検出用ＺＰＣ（またはＥＶＴ）は試験電圧が印加されれば回路上どこに置かれていても良い。

（実施形態５）
図５および図６は、本発明の実施形態を示す動作試験回路図である。これらの回路が図１と異なる部分は、試験用インピーダンス回路Ｚｔに流れる零相電流のみを零相変流器ＺＣＴに流す点にある。すなわち、図５では、試験用単相変圧器Ｔｆの高圧側の一端を接地し、他端を負荷回線および試験用インピーダンス回路Ｚｔに接続し、試験用インピーダンス回路Ｚｔの他端を零相変流器ＺＣＴを貫通させて接地する。また、図６では、試験用単相変圧器Ｔｆの二次側の一端を接地し、他端を負荷回線に接続し、その接続点から零相変流器ＺＣＴを貫通させて試験用インピーダンス回路Ｚｔに接続し、試験用インピーダンス回路Ｚｔの他端を接地する。

（実施形態６）
図７は、本発明の実施形態を示す動作試験回路図である。前記までの実施形態１および実施形態３〜５では、いずれも試験電圧を高圧母線１の三相を一括短絡し、これに同相・同電圧の試験電圧を印加することにより高圧母線１に零相電圧を発生させていたが、本実施形態では図１の構成において、高圧母線１のいずれか一相または二相に試験電圧を印加する構成とする。

この構成において、接地形計器用変圧器ＥＶＴに検出される零相電圧は、試験電圧を三相一括した高圧母線１に印加する場合に比べて、一相のみ印加の場合には試験電圧を３倍程度に、二相印加の場合には１.５倍程度にして印加する。

本実施形態によれば、三相一括印加に比べて、試験電圧を高くする必要があるが、絶縁母線など、試験電圧の印加点が確保しにくいような構造の設備には有効となる。

なお、本実施形態は、図１の回路に適用できるほか、他の実施形態２〜５の回路構成で、その一相または二相のみに試験電圧を印加する構成にできる。

本発明の実施形態１を示す動作試験回路図。本発明の実施形態２を示す動作試験回路図。本発明の実施形態３を示す動作試験回路図。本発明の実施形態４を示す動作試験回路図。本発明の実施形態５を示す動作試験回路図。本発明の実施形態５を示す動作試験回路図。本発明の実施形態６を示す動作試験回路図。従来の動作試験回路図（その１）。従来の動作試験回路図（その２）。従来の動作試験回路図（その３）。

符号の説明

１高圧母線
２柱上開閉器
ＳＤスライダック
Ｔｆ試験用単相変圧器
ＥＶＴ接地形計器用変圧器
ＺＣＴ零相変流器
６７Ｇ地絡方向継電器
Ｚｔ試験用インピーダンス回路

Claims

保護対象系統に発生する零相電圧を接地形計器用変圧器ＥＶＴまたは零相コンデンサ分圧器ＺＰＣで検出し、系統の負荷回線に発生する零相電流を零相変流器ＺＣＴで検出し、これら零相電圧と零相電流との位相関係から、系統の負荷回線が健全であるか地絡故障回線であるかを弁別する地絡方向継電器の動作試験方法であって、
一次側が試験用電源に接続された試験用単相変圧器Ｔｆの二次側に対地試験電圧を発生させ、この対地試験電圧を前記零相電圧として前記接地形計器用変圧器ＥＶＴまたは零相コンデンサ分圧器ＺＰＣで検出し、
前記試験用単相変圧器Ｔｆの二次側の高圧側または接地側を一次側入力とする前記零相変流器ＺＣＴで前記零相電流として検出し、
前記対地試験電圧の発生部分と対地間に試験用インピーダンス回路Ｚｔを接続し、前記試験用単相変圧器Ｔｆと試験用インピーダンス回路Ｚｔで構成されるループ回路に流れる電流を前記零相変流器ＺＣＴの一次側に前記零相電流分として加算することを特徴とする地絡方向継電器の動作試験方法。
前記試験用インピーダンス回路Ｚｔは、コンデンサ、抵抗あるいはこれらの組み合わせにより構成され、地絡方向継電器の零相電圧、零相電流の各々の整定値に応じた電力定格、電流定格および電圧定格をもつ回路素子を選定することを特徴とする請求項１に記載の地絡方向継電器の動作試験方法。