JP4921246B2 - 地絡距離継電器 - Google Patents

Description

本発明は、地絡距離継電器に係り、特に電力系統用の保護継電器に好適な地絡距離継電器に関する。

電力系統用の送電線保護継電器としては、設置点の電圧および電流情報によりインピーダンス演算し、故障点までの距離を算出することで、故障を検出する距離継電器が広く使われている。距離継電器は、伝送装置を使用せず、自端の電圧・電流入力のみにより故障検出できることから構成がシンプルで信頼性が高く、系統保護における主保護または、後備保護として広く使用されている。

また、距離継電器は、故障区間の選択が比較的確実で、保護区間に応じた各段距離継電器の限時遮断により時間協調がとりやすいことから、送電線や変圧器，発電機などの電力機器の後備保護として、或いは系統分離保護として幅広く使用されており、例えば、特開平４−１４００１６号公報等が知られている。

特開平４−１４００１６号公報

上述した従来技術においては、抵抗接地系統の地絡故障に対して、故障電流がＮＧＲ（中性点接地抵抗）により制限され、地絡故障電流が小さいことから、負荷電流の影響や故障点抵抗の影響を受けやすく、十分な測定精度を得られず、正動作が期待できないことから、地絡距離継電器は、抵抗接地系統へは一般には適用されていない。

現状、抵抗接地系の送電線の地絡保護には、地絡方向継電器が適用されているが、距離継電器と異なり、測距性がないことから、時限遮断により故障区間を選択する必要があり、電源端に近いほど、故障除去時間が遅くなるという問題を持っている。

本発明は、抵抗接地系統へも適用できる地絡距離継電器を実現することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、電力用送電線の１線地絡故障を検出する地絡距離継電器において、事故点に流れる電流と同位相の電気量

が、平行２回線の回線間の零相電流の差動電流、あるいは逆相電流の差動電流、あるいは相電流の差動電流のいずれかであり、
事故相の電圧

、事故相の電流

、送電線のインピーダンス

を用いて、式

を満足する正の実数ｋを算出することにより１線地絡事故点までの距離を演算することを特徴とする。

本発明による地絡距離継電器によれば、高抵抗接地系統の送電線地絡故障点までの距離を正確に検出できることから、従来の地絡方向継電器による保護に比べて、大幅に故障除去時間を短縮できる。

また、地絡方向継電器では、時限により協調をとる必要があり、電源に近い側になるほど、故障除去時間を延ばす必要があったが、地絡距離継電器の適用により、時限協調が不要となり、整定も容易になり、電力システムの故障除去時間を短縮できる。

さらに、送電線用の故障点標定装置への応用が可能であり、故障点標定装置の演算性能を大幅に改善できる。

本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

図２に本発明の地絡距離継電器の全体システムブロック図を示す。

ここで、２０２および２０３は電力用送電線を示している。本対象は、高圧系統を考慮しており、送電線は、交流の３相とする。

２０１は変電所の電力母線である。通常、送電線２０２，２０３は電力用遮断器や開閉器を介して母線に接続されるが、本ブロック図では省略している。

２００は本発明の地絡距離継電器である。

地絡距離継電器は、送電線を流れる電流および送電線あるいは母線の電圧を取り込みする必要がある。ここでは、計器用変流器２０４，２０５，２０６を介して、送電線２０２の３相電流を、計器用変圧器２１０，２１１，２１２を用いて、送電線２０２の各相の電圧を取り込む例を示す。

本発明では、隣回線となる２０３の零相電流を計器用変流器２０７，２０８，２０９の残留回路から、零相電流を取り込む例を示す。

これは、各相取り込みして、継電器内部にてベクトル合成する方式であっても良い。２２１は入力変換器を示す。これは、計器用変流器および計器用変圧器の出力を継電器内部で取り扱いしやすい大きさの電圧情報に変換する機能を持つ。

２２２はフィルタ回路である。系統情報にはノイズや高調波が存在するので、基本周波数部の取り出しを行う。この機能は、ディジタル変換後のディジタル処理で行ってもよい。２２３はアナログ／ディジタル変換部を示す。２２２のアナログ電圧をディジタル化し、計算機演算するためにディジタル変換するものである。

１００は演算判定部となり、演算判定により地絡故障を検出した場合は、継電器動作信号１１１を出力する。この演算判定部１００の詳細を図１に示す。

図１では、本発明の距離演算判定部のブロック図を示す。ここでは、送電線３相のうち１相分のみの判定部を代表して示している。

１０１は送電線電圧信号、１０２は送電線電流信号、１０３は残留回路、いわゆる零相回路の電流信号、１０４は隣回線の残留回路電流信号である。

１０５は線路インピーダンス整定値を示し、あらかじめ、適用する送電線のインピーダンスを設定しておくものとする。

１０６は距離判定整定値であり、どの故障点までを継電器動作値とするかを設定する。１０８は積算回路である。送電線電流信号１０２と線路インピーダンス整定値から、送電線における電圧降下を算出する。この方式としては、電気量をフェーザ量（直行する２量に分解する方式）としても、ベクトル演算であってもよい。

１０７は差動回路であり、１０３および１０４の２つの回線間の差動演算を行う。本方式では、残留回路の差動量を極性量とする例を示すが、これは後述する他の電気量であっても良い。

１０９は方程式演算部である。本発明では、極性量と同相となる電圧降下を得る係数１０９Ａ（以下説明ではｋ）を算出する。原理式を以下に示す。

ここで、ｌは任意の正の実数でよい。

つまり、左辺のベクトル位相が、極性量

と同相になるｋを算出する。

本発明の演算部の詳細説明を以下述べる。

図３に送電線地絡故障時のモデルを示す。

ここで、Ｖ_R，Ｉ_Rは、継電器設置点の故障相の電圧，電流、Ｖ_Fは故障点の故障相電圧、Ｒ_Fは故障点の抵抗を示す。

また、継電器設置点から、故障点までの送電線インピーダンスをＺとする。

故障点電圧Ｖ_Fは、故障点抵抗Ｒ_Fと故障点へ流れ込む電流Ｉ_Fの積に等しいはずである。よって下記が成りたつ。

送電線のインピーダンスＺによる電圧降下Ｚ・Ｉ_Rを継電器設置点の故障相電圧Ｖ_Rより差し引いた電圧は、故障点の残り電圧に等しい。

この関係を図４の電圧電流ベクトル図に示す。
継電器設置点の電圧Ｖ_R，電流Ｉ_Rは知ることができるが、故障点電圧Ｖ_R，故障点電流Ｉ_R，故障点抵抗Ｒ_Fは未知数であり、故障点までの送電線インピーダンスＺを求めることができない。

ここで、故障点電流Ｉ_Fと同相の電気量Ｉ_POLを定義する。

Ｉ_POLとＩ_Fの比率をαと定義すれば、

とあらわすことができる。

また、送電線の全長のインピーダンスＺ_Lはあらかじめ知ることができるので、送電線全長に対する故障点までの比率をｋとおけば、

とあらわすことができる。

前記の電圧方程式を前記定義により書き換えると下記となる。

この関係を図５の電圧電流ベクトル図に示す。

このベクトル図よりわかるように、継電器設置点の電圧Ｖ_Rから、送電線インピーダンスＺの電圧降下分を差し引いた線上に必ず故障点電圧Ｖ_Fが存在する。また、故障点電圧Ｖ_Fは、故障点電流Ｉ_Fの位相角上に存在し、これは極性電流Ｉ_POLの延長線上になる。

したがって、この条件を満たすｋを求めることにより、故障点までの距離を算出することができる。

事故点抵抗Ｒ_F・αは、未知数であるが、故障点を判定するにはｋを求めればよい。前式の電気量を直交する２量、いわゆるフェーザ量に展開すると、
実部は、

虚部は、

とあらわせる。ここで、Ｒｅ［ ］およびＩｍ［ ］は各々フェーザ成分に分解した際の実部と虚部を示す。

これより、故障点までの距離の指標となるｋを求めると、

を得る。

従い、ｋを算出する上では、事故点抵抗Ｒ_F、極性電流と実際の故障電流の比率αは不要であり、極性電流Ｉ_POLが故障点電流Ｉ_Fと同相であれば、正確に測距できることがわかる。

次に、極性量の近似手法を述べる。

１回線の送電線における１線地絡故障時の等価回路を図７に示す。

一般には、ＮＧＲは１端に設置されることから、電源端側のリレー設置点のみに零相電流が流れることになる。零相電流は、故障点電流とほぼ一致することから、零相電流を極性量とすれば、測距可能である。

２回線の送電線における１線地絡故障時の等価回路を図８に示す。

本回路は、正相，逆相，零相回路をさらに、第１回路，第２回路に分解している。

ここで、
回線１の正相電流Ｉ₁，逆相電流Ｉ₂，零相電流Ｉ₀
回線２の正相電流Ｉ₁′，逆相電流Ｉ₂′，零相電流Ｉ₀′
第１回路の正相電流Ｉ₁₀，逆相電流Ｉ₂₀，零相電流Ｉ₀₀
第２回路の正相電流Ｉ₁₁，逆相電流Ｉ₂₁，零相電流Ｉ₀₁
定義した場合の関係式は以下となる。

同様に正相電圧，逆相電圧，零相電圧の定義は以下となる。

近似したいのは、故障点に流入する電流と同相の電気量であるが、第２回路に着目する。

ここでは、仮に零相第２回路に着目する。

図６に零相第２回路部分の抜粋を示すが、故障点電流と継電器設置点の零相第２回路電流には下記の関係がある。

これは送電線のインピーダンス特性に影響を受けず、故障点により決定される。

この関係は、正相第２回路においても逆相第２回路においても成り立つ。

故障点の比率ｋは正の実数であり、故障点電流と第２回路電流の位相は等しいから、第２回路電流を極性電流に適用すれば、正確な測距が期待できる。

零相第２回路の電流の場合は、回線１と回線２の零相電流同士の差を取ればよい。この場合は、極性電流は、下記で定義される。

また、故障相電流の回線１と回線２の差動、いわゆる交差電流は、正相，逆相，零相各々の第２回路電流の和となるので、回線間の交差電流の位相も故障点電流の位相と等しくなるので、極性電流に回線１と回線２の相電流の交差電流を用いても良い。

以上述べた演算原理により、抵抗接地系の送電線における地絡故障時においても、負荷潮流や故障点抵抗に影響をうけず、正確に測距する地絡距離継電器を実現可能である。

以上、１回線系統におけるＩ_POLおよび平行２回線系統におけるＩ_POLの演算例を述べたが、系統条件に応じて最適な電気量に切り替えすることで精度の高い地絡距離継電器を実現可能である。

故障点電流の位相は、隣回線との交差電流を電流の位相を近似的に使用する。これは、故障相電流であっても、零相電流であっても、逆相電流であっても良い。

送電線用の地絡距離継電器および故障点標定装置へ適用可能である。

地絡距離継電器演算判定部のブロック図。 地絡距離継電器ブロック図。 送電線１線地絡故障時のモデル図。 送電線１線地絡故障時の電圧電流ベクトル図。 変数導入後の電圧電流ベクトル図。 零相第２回路図。 １線地絡故障時の等価回路図。 平行２回線の１線地絡故障時の等価回路図。

符号の説明

１００ 演算判定部
１０１ 送電線電圧信号
１０２ 送電線電流信号
１０３ 残留回路
１０４ 隣回線の残留回路電流信号
１０５ 線路インピーダンス整定値
１０６ 距離判定整定値
１０７ 差動回路
１０８ 積算回路
１０９ 方程式演算部
１１１ 継電器動作信号
２００ 地絡距離継電器
２０１ 変電所の電力母線
２０２，２０３ 送電線
２０４，２０５，２０６，２０７，２０８，２０９ 計器用変流器
２１０，２１１，２１２ 計器用変圧器
２２１ 入力変換器
２２２ フィルタ回路
２２３ アナログ／ディジタル変換部

Claims (3)

1. 電力用送電線の１線地絡故障を検出する地絡距離継電器において、
   事故点に流れる電流と同位相の電気量
   

   

   が、平行２回線の回線間の零相電流の差動電流、あるいは逆相電流の差動電流、あるいは相電流の差動電流のいずれかであり、
   事故相の電圧
   

   

   、事故相の電流
   

   

   、送電線のインピーダンス
   

   

   を用いて、式
   

   

   を満足する正の実数ｋを算出することにより１線地絡事故点までの距離を演算することを特徴とする地絡距離継電器。
2. 請求項１に記載の地絡距離継電器において、
   前記送電線のインピーダンス
   

   

   を、送電線単位長あるいは送電線全長の抵抗値およびリアクタンス値を各々整定することを特徴とする地絡距離継電器。
3. 請求項１に記載の地絡距離継電器において、
   平行２回線の運用条件により、前記電気量
   

   

   に使用する電気量を自動切り替えすることを特徴とする地絡距離継電器。

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