JP5201971B2 - 反限時要素付き保護継電器および電力系統の保護方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力系統の保護技術に係り、特に送電側の背後電源の変化によって受電側のインピーダンスが変化しても時限協調を維持して適切に保護することのできる反限時要素付き保護継電器および電力系統の保護方法に関する。

従来、図６に示すように、２２ｋＶ程度の下位系統の短絡保護は、送電側１０には線路により距離継電器（以下ＤＺと略す）１、または瞬時要素付過電流継電器（以下ＯＣと略す）２が用いられ、特高需要家が多く受電している下位系統の末端（受電側）２０には、受電継電器として、変圧器（Ｔｒ）５の一次及びＴr２次側負荷線共に過電流継電器（ＯＣ）３，４が用いられるのが一般的である。

送電側１０の保護継電器（以下、送電側継電器という。）であるＤＺ１またはＯＣ２と、受電側の保護継電器（以下、受電側継電器という。）ＯＣ３，ＯＣ４とは時限協調を取る必要があるため、ＤＺ１の場合は図７（ａ）に示す時間特性Ｇ１ｄの３段のインピーダンス距離と時限による協調をとり、一方、ＯＣ２の場合は図８（ａ）に示す反限時特性による協調を取っている。

しかし、電源側送電系統の変更等により背後電源７の容量が減少すると需要家側のＢ点から見た電源側の背後電源も相対的に減少する。その場合、図４に示す等価回路により、送電側から流れる事故時の電流が小さくなるため、送電電圧を事故電流で割った値で算出される受電点のインピーダンスは、相対的に大きくなるように変化する。このため、送電側継電器がＤＺ１の場合、図７（ｂ）に示すようにＤＺ１の動作時間特性Ｇ１ｄが受電点側に比例的に移動する。一方、受電側継電器のＯＣ３の時限特性Ｇ２の瞬時動作Ｃ１は、受電点インピーダンスは図中右方向に移動するが瞬時動作限界インピーダンスは変わらないため瞬時動作範囲が減少する。すなわち、瞬時動作限界インピーダンスは変わらないためＯＣ３の反限時部Ｃ２は移動しない（保護範囲は１次側に広がる）。このため、送信側のＤＺ１の第３段目の動作時限Ｚ３が受電継電器のＯＣ３とその下位の二次ＯＣ４の間で事故が発生すると、送電側のＤＺ１が不要動作する可能性がある。

同様に、送電側継電器がＯＣ２の場合、背後電源が減少しても、図８（ｂ）に示すように送電側継電器と受電側継電器の両ＯＣ２，３の瞬時動作インピーダンス部Ｚ１、Ｃ１が図中右方向へ移動し、反限時部Ｚ２、Ｃ２は重なることはないが、送電継電器と受電継電器の両瞬時動作部Ｚ１、Ｃ１に隙間Ｃができ、その間で事故が発生すると、瞬時に動作できず送電線保護上溶断等の問題が発生する。かといって、通常時の瞬時要素を問題が発生しない値とすると需要家側との協調が取れなくなる。

なお、この種の距離継電方法の欠点を改善する技術として、たとえば特許文献１には、送電線の変電所に近い至近端の事故が発生したとき、インピーダンスがほぼ零のため事故箇所の内外が区別できない問題があり、これを解消するために、不足電圧継電器、過電流継電器、方向継電器のＡＮＤ条件で送電線の遮断器をトリップさせるという技術が提案されている。

背後電源が変化する系統操作は、事故時にはすみやかに実施する必要があり、現地での整定変更は間に合わない。このため、各保護継電器の時限協調をどのように取るかが問題となるが、上記特許文献１の技術は、送電線の背後電源の変化に追従する保護協調を改善する技術ではないため、この問題を解決することができない。
特開平８−２３６２６号公報

本発明は上述のかかる事情に鑑みてなされたものであり、受電側の保護に過電流継電器を使用する特高需要家などで、背後電源が変化する送電線または配電線（以下、送配電線という。）の保護において、時限協調が崩れず、且つ、送配電線を確実に保護することのできる反限時要素付き保護継電器および電力系統の保護方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係わる反限時要素付き保護継電器は、受電側（需要家受電点）に反限時特性を持つ過電流継電器を有する電力系統において、前記受電側と送配電線を介して接続する送電側変電所に設けられた保護継電器であって、当該保護継電器は、距離継電手段と、受電側の前記過電流継電器と略同一の反限時特性を有する過電流継電手段を備えたことを特徴とする。

本発明では、送電端から受電端までの線路は、距離継電手段で保護し、受電側の構内ＤＺ２段以降は、距離継電器と反限時特性を持つ過電流継電手段を演算選択して保護するので、系統側の背後電源の変化時に於いても、受電側の保護として使用される過電流継電器との時限協調を取ることができる。

本発明に係わる反限時要素付き保護継電器の距離継電手段は、送電側から少なくとも第１段、第２段、および第３段の３段階の保護範囲を有し、通常時（背後電源容量が変化しない時）において前記第２段の保護範囲は受電側の受電点を含み、前記第３段の保護範囲は前記受電点より後ろ（負荷側）に設定され、前記第１段の保護範囲の事故検出信号によってトリップ判定を実行する第１のトリップ判定手段と、前記第２段の保護範囲の事故検出信号と、前記過電流継電手段の不使用条件とに基づいてトリップ判定を行う第２のトリップ判定手段と、前記第３段の保護範囲の事故検出信号と、受電側の構内事故条件と、前記過電流継電手段の使用条件とを用いてトリップ判定を行う第３のトリップ判定手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明では、送電側背後電源の容量の変化によって、需要家構内（２次側）にずれ込むことになる第３段の保護範囲については、この保護範囲の事故検出信号と、受電側の構内事故条件と、過電流継電手段の使用条件とにもとづいてトリップ信号を出力することによって、時限協調を維持する。

好ましくは、前記受電側の構内事故条件として、前記距離継電手段によって、事故点が前記第２段の保護範囲に無く、前記第３段の保護範囲内にあることを検出したときに成立したと判定することによって、簡便に過電流継電手段に切替、問題となる箇所の時限協調を維持することができる。なお、この条件に送電側の背後電源容量変化ありという条件を加えても良い。

また、本発明に係わる反限時要素付き保護継電器の距離継電手段は、距離の保護範囲として送電側から少なくとも第１段、第２段、および第３段の３段階に設定可能であって、通常時において前記第２段の保護範囲は受電側の受電点を含み、前記第３段の保護範囲は前記受電点より後ろに設定され、前記過電流継電手段の出力と前記距離継電手段の第３段の出力とを切り替える切替手段と、前記距離継電手段の第１段の出力と、前記第２段の出力と、前記切替手段の出力とに基づいてトリップ信号を出力することを特徴とする。

本発明では、第３段の保護範囲については、距離継電手段と受電側と同様の特性を有する過電流継電手段とを切替可能にすることによって、系統構成が変更したことによって背後電源の容量が変化した場合でも時限協調を維持して適切な保護動作を継続させることができる。

本発明に係わる保護回路、または保護継電器は、前記距離継電手段の距離の保護範囲の設定を３段に設定できるものであって、この第２段と第３段の出力にそれぞれ第１、第２のタイマーを挿入し、前記過電流継電手段の出力に第３のタイマーを挿入し、この出力と前記受電側の構内事故条件と、この過電流継電手段の使用条件をＡＮＤする第１のＡＮＤ回路を設け、前記第１、第２のタイマー出力と、前記第３のＡＮＤ回路の出力を否定するＮＯＴ回路の出力とでＡＮＤする第２、第３のＡＮＤ回路を設け、前記距離継電手段の第１段の出力と、第１、第２、第３のＡＮＤ回路の出力をＯＲするＯＲ回路とにより構成することを特徴とする。

本発明では、構成をさらに具体的にしたものであり、前記距離継電手段の距離整定のステップを使用し、その出力に挿入した第１、第２タイマーと、前記過電流継電手段の第３のタイマーにより受電側の過電流継電器との時限協調を容易に整定できる。

本発明の係わる保護回路または保護継電器は、前記過電流継電手段の出力と受電側の構内事故条件と過電流継電手段の使用の条件とのＡＮＤ回路と、このＡＮＤ出力と前記距離継電手段の初段の出力とのＯＲ回路により構成することを特徴とする。

本発明では、前記距離継電器の第１段の出力のみを使用することにより、回路や整定や受電側との保護協調を容易にすることができる。

本発明に係わる保護回路または保護継電器は、前記距離継電手段の第２段と第３段の出力にそれぞれ第１、第２のタイマーを挿入し、前記過電流継電手段の出力と前記距離継電手段の第３の出力の第２のタイマー出力とを切り替えるＡＮＤ回路とＮＯＴ回路で構成する切替手段の回路を設け、前記距離継電手段の第１段の出力と、前記第２段の出力の第２のタイマー出力と、前記切替手段の出力とのＯＲ回路とにより構成することを特徴とする。

本発明では、系統変更等により背後電源容量が減少したときなどに、前記距離継電器では受電側の過電流継電器との時限協調が取れない距離の箇所のみ前記過電流継電器に切り替えることにより時限協調を維持することができる。

本発明に係わる電力系統の保護方法は、上記の保護回路または保護継電器を用いて線路保護をする方法にあって、前記距離継電手段の整定を瞬時遮断する第1段の保護範囲を線路インピーダンス値の８０％から８５％程度に、第２段の出力使用時は、ある時間後遮断出力する保護範囲を、受電至近端の送配電線を確実に含むため線路インピーダンス値の１２０％程度とし、前記過電流継電手段の保護範囲の整定を受電端の構内で、受電側の前記過電流継電手段の遮断時限に対して協調を取った遮断時限にすることを特徴とする。

また、送電端の前記過電流継電手段の反限時特性を数種類設定し、受電側の前記過電流継電手段の反限時特性と同じか又は、保護上問題ない範囲で特性が同一と考えられる反限時特性を選択し、受電側と同一整定として時限協調時間を整定する保護継電手段とすることにより、整定の簡素化と時限協調の確実性を増すことができる。

本発明によれば、受電側の保護が過電流継電器において、距離継電手段に過電流継電手段の反限時特性を重ねて使用することによって、送電側背後電源容量の変化により受電端インピーダンスが変化しても、適切な時限協調を維持することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、第１の実施の形態による送電側１０の保護回路である。

この図で、距離継電器（ＤＺ）１は、距離（インピーダンス）により動作時限を変えるための３段の出力Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を備え、受電側の瞬時要素付過電流継電器３，４と同じ反限時特性を持つ過電流継電器（ＯＣ）２ａと、タイマーＴ１，Ｔ２，Ｔ３により時限協調をとる。

第３段の出力Ｓ３には、タイマーＴ２を介した信号をＡＮＤ論理Ａ３に入力する。前記ＯＣ２ａの出力もタイマーＴ３を介し、相手端構内事故判定信号Ｊと、本ＯＣ機能の使用の信号Ｕと共にＡＮＤ論理Ａ１に入力する。また、本ＯＣ機能の使用の信号ＵをＮＯＴ論理Ｎ１を通して前記ＡＮＤ論理Ａ３のゲート入力として接続する。このＡＮＤ論理Ａ３の出力と、前記ＤＺ１の出力Ｓ１、タイマーＴ１の出力、前記ＡＮＤ論理Ａ１の出力をそれぞれＯＲ論理Ｒ１に入力し、この出力を送電用遮断器のトリップ信号とする。

ただし、相手端構内事故判定信号Ｊは、前記ＤＺ１のＳ２信号をＮＯＴ論理Ｎ２に通した信号（Ｓ２不動作により相手端子までの線路インピーダンスの１２０％以上遠い位置を判定）と、前記ＤＺ１のＳ３信号（電源端リレーが見るべき相手構内のバックアップ保護整定範囲）とをＡＮＤ論理Ａ２に入力した信号により確実に相手構内の判定を行う。

図１と、図２の時間特性グラフで作用を説明する。
まず、前記ＤＺ１の特性を図３で示す送電側背後電源７が、通常時状態のときのインピーダンスにより、第２段目Ｚ２の動作点（距離）を受電端Ｂより少し前に設定しタイマーＴ１をＯＣ３瞬時要素に協調を取り０．３秒程度に設定する。そして前記ＯＣ２ａの反限時特性部Ｚcを受電継電器のＯＣ３の反限時特性部Ｃ２と同じ値に整定し、タイマーＴ３は、ＯＣ３反限時要素との協調時間として０．３秒程度に設定する。これにより、需要家構内の反限時特性部分の事故では必ず送電側ＯＣ２ａの動作がＴ３整定時限だけ遅れるため確実な時限協調が取れるとともに、受電端ＯＣと同じ整定値で整定が可能であるため整定値決定業務および事故時の解析業務上も判断が容易となる利点がある。

次に送電側１０の背後電源７の容量が通常時のときと、減少したときの時限特性の変化を説明する。図２の点線部が通常時の送電継電器ＤＺ１の時間特性Ｇ１ｄであり、背後電源容量減少時に、実線で示す特性のように移動する。しかし、前記ＯＣ２ａの機能の反限時特性部Ｚcは、事故電流のみに起因するため移動せず、受電継電器ＯＣ３や４の時限特性と重なることはない。

事故時の動作を説明すると、たとえば、Ｚ１で示すインピーダンスの範囲での事故は、図１のＤＺ１の第１段出力Ｓ１により即出力のＯＲ論理Ｒ１を介してトリップ出力される。またＺ２の範囲では、ＤＺ１の第２段出力Ｓ２によりタイマーＴ１の時限後同じくＯＲ論理Ｒ１を介して出力される。また、受電側２０の構内事故の場合、受電継電器のＯＣ３の時間特性Ｇ２に従って受電側の遮断器が開放される。しかし、この動作が不良の場合、ＤＺ１の２段Ｚ２または、相手端構内事故判定信号Ｊがセットされると、ＯＣ２ａの反限時特性Ｚｃ部により開放制御される。

本実施の形態によれば、系統構成の変更等によって背後電源の容量が変化しても、第３段の保護範囲の事故検出信号Ｓ３と、受電側の構内事故条件と、受電側と略同一の特性を有する過電流継電手段の使用条件とにもとづいて演算選択してトリップ信号を出力するので、時限協調を取ることができる。

次に、図５を用いて第２の実施形態を説明する。
本実施の形態は、第１の実施形態におけるＤＺ１の第３段目の出力Ｓ３と前記ＯＣ２ａの出力を手動で切り替える切替手段４３−５１を設けて単純にしたものである。ＯＣ２ａに前記切替手段４３−５１からの信号４３ＵとＡＮＤ論理Ａ５でＡＮＤし、その出力をＯＲ論理Ｒ１に入力する。一方ＤＺ１の第３段出力Ｓ３のタイマーＴ２を介した出力と、前記４３ＵのＮＯＴ論理Ｎ１を介して反転させた出力をＡＮＤ論理Ａ４へ入力してＡＮＤ演算をして、その出力を前記ＯＲ論理Ｒ１に入力する。

上記の構成において、切替手段４３Ｕを通常時にしておくと信号出力なしで従来と同じＤＺのみで動作させ、４３ＵをＯＣ使用に切り替えると信号出力ありとなり、前記ＤＺ１の第３段出力Ｓ３の代わりに、ＯＣ２ａの出力で動作させる。

以上、本実施の形態によれば、送電側の背後電源の容量が変化しても、送電側と受電側の保護協調が取られ、通常時と同じ適切な時限で送電側の遮断器を開放制御することが可能となる。

本発明は、電力系統における送電線の保護に利用することができる。

本発明の第１の実施の形態による送信側の保護継電器の回路図である。 本発明の第１の実施の形態における動作時間特性図である。 図１の回路が使用される電力系統のシステム構成図である。 図３の系統の等価回路図である。 本発明の第２の実施の形態による送信側の保護継電器の回路図である。 従来の電力系統における保護継電器の設置図である。 従来のＤＺ方式の動作時間特性図であり、図７（ａ）は通常時の時間特性、図７（ｂ）は背後電源容量減少時の時間特性を示す。 従来のＯＣ方式の動作時間特性図であり、図８（ａ）は通常時の時間特性、図８（ｂ）は背後電源容量減少時の時間特性を示す。

符号の説明

１ 距離継電器（ＤＺ，距離継電手段）
２，２ａ，３，４ 過電流継電器（ＯＣ，過電流継電手段）
５ 変圧器
６ 受信側背後電源
７ 送信側背後電源
１０ 送電側変電所設備
２０ 受電側変電所設備
Ａ１〜Ａ５ ＡＮＤ論理
Ｒ１ ＯＲ論理
Ｎ１，Ｎ２ ＮＯＴ論理
Ｔ１〜Ｔ３ タイマー

Claims (4)

1. 受電側に反限時特性を持つ過電流継電器を有する電力系統の送電側に設けられ、距離継電手段と、受電側の前記過電流継電器と略同一の反限時特性を有する過電流継電手段とを有する反限時要素付き保護継電器であって、
   前記距離継電手段は、送電側から少なくとも第１段、第２段、および第３段の３段階の保護範囲を有し、通常時において前記第２段の保護範囲は受電側の受電点を含み、前記第３段の保護範囲は前記受電点より後ろに設定され、
   前記第１段の保護範囲の事故検出信号によってトリップ判定を実行する第１のトリップ判定手段と、
   前記第２段の保護範囲の事故検出信号と、前記過電流継電手段の不使用条件とに基づいてトリップ判定を行う第２のトリップ判定手段と、
   前記第３段の保護範囲の事故検出信号と、受電側の構内事故条件と、前記過電流継電手段の使用条件とを用いてトリップ判定を行う第３のトリップ判定手段と、
   を備えたことを特徴とする反限時要素付き保護継電器。
2. 前記受電側の構内事故条件は、前記距離継電手段によって、事故点が前記第２段の保護範囲に無く、前記第３段の保護範囲内にあることを検出したときに成立することを特徴とする請求項１記載の反限時要素付き保護継電器。
3. 受電側に反限時特性を持つ過電流継電器を有する電力系統の送電側に設けられ、距離継電手段と、受電側の前記過電流継電器と略同一の反限時特性を有する過電流継電手段とを有する反限時要素付き保護継電器であって、
   前記距離継電手段は、距離の保護範囲として送電側から少なくとも第１段、第２段、および第３段の３段階に設定可能であって、通常時において前記第２段の保護範囲は受電側の受電点を含み、前記第３段の保護範囲は前記受電点より後ろに設定され、
   前記過電流継電手段の出力と前記距離継電手段の第３段の出力とを切り替える切替手段と、前記距離継電手段の第１段の出力と、前記第２段の出力と、前記切替手段の出力とに基づいてトリップ信号を出力することを特徴とする反限時要素付き保護継電器。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の反限時要素付き保護継電器を用いて電力系統を保護する方法であって、
   前記距離継電手段の整定として瞬時遮断する第１段の保護範囲を送電側と受電側を結ぶ送配電線の線路インピーダンス値の８０％から８５％程度に設定し、
   第２段の出力使用時は、一定時間後遮断出力する保護範囲を、線路インピーダンス値の１２０％程度に設定し、
   前記過電流継電手段の保護範囲の整定を受電端の構内で、受電側の前記過電流継電器の遮断時限と協調を取ることを特徴とする電力系統の保護方法。

Images