JP5534753B2

JP5534753B2 - 変圧器の保護方式とその装置

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Publication number: JP5534753B2
Application number: JP2009210436A
Authority: JP
Inventors: 祐二石原; 政夫堀; 雅人畠山; 修一権藤; 弘司半沢
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-09-11
Filing date: 2009-09-11
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2029-09-11
Also published as: JP2011062007A

Description

電流平衡リレーによる変圧器の保護技術に係り、特に、タップ位置や負荷電流による影響を受けることなく事故を高感度に検出可能な変圧器の保護方式とその装置に関するものである。

電力系統には発電、送電、配電の各段階で適した電圧に変換する変圧器が設置されている。この変圧器に短絡や地絡の事故が発生した場合、事故を放置すると、機器の損傷は元より、人身の安全や電力の安定供給に支障をきたすおそれがある。したがって、変圧器の事故を迅速且つ正確に検出して変圧器を保護することは、電力系統の安全性および安定性を確保する上で、非常に重要である。

変圧器は通常、保護リレー装置によって保護されている。変圧器を保護する保護リレー装置とは、変圧器に発生した事故を瞬時に検出し、遮断器に遮断指令を出して当該変圧器を電力系統から切り離す装置である。この保護リレー装置に適用される保護方式としては電流差動リレーや電流平衡リレーなどがあり、変圧器の種類や保護対象とする変圧器の構成部位に応じて、適切な保護方式が選定される。

例えば、一次電圧と二次電圧の位相差を調整できる変圧器（位相差調整器）を構成する直列変圧器では、電流差動リレーにより保護するのが一般的である。電流差動リレーでは、保護範囲内に事故が無ければ、保護範囲に対する流入電流と流出電流の差は零であるというキルヒホッフの第一法則を応用した保護方式である。

また、電流平衡リレーで保護する変圧器の構成部位としては、変圧比（巻線比）を調整可能な変圧器における負荷時電圧調整器（以下、ＬＶＲと称する）や、位相調整器の調整変圧器がある。電流平衡リレーとは、平常時には同種の二つの電気量が一定の関係にあることを利用して、この関係が不平衡になったことを検出することにより変圧器に事故が発生したことを検出する保護方式である（非特許文献１参照）。

（ＬＶＲの構成）
以下、電流平衡リレーによる変圧器の保護方式を説明する前に、電流平衡リレーの保護対象である変圧器の構成について簡単に述べる。変圧比を調整できる変圧器では、巻線にタップを設け、変圧比（巻線比）をある範囲内で、あるステップ電圧で変えられるようになっている（非特許文献２参照）。

図１０および図１１は、変圧比を調整できる変圧器の単線結線図および３線結線図の一例である。図１０、図１１に示すように、変圧比を調整できる変圧器は、主要変圧器とＬＶＲとから構成されている。このうち、ＬＶＲは、励磁巻線およびタップ巻線を備えている。ＬＶＲでは、タップ巻線を可変することで変圧器の高圧側、低圧側の電圧調整を行う。

（調整変圧器の構成）
次に調整変圧器の構成について述べる。図１２は、位相調整器の３線結線図の一例である。図１２に示すように、直列変圧器と調整変圧器とから構成されている。このような調整変圧器は、一次側と二次側が同一電圧階級となるループ系統に挿入され、一次側と二次側の電圧に位相差を作り、この位相差を調整することでループ系統の潮流を制御する。位相調整器は、ループ構成で運転される系統において各ルートの通過電力の按分を積極的に制御する場合などに用いており、送電損失の低減や送電線などの過負荷解消に寄与している（非特許文献３〜５参照）。

図１２に示すように、位相調整器の直列巻線は、直列巻線１、励磁巻線２が同一鉄心に巻かれてなる。また、位相調整器の調整変圧器は、調整巻線３、タップ巻線４、安定巻線５が同一鉄心に巻かれてなる。

図１２中の記号のうち、６、７、８は電流計測器（ＣＴ）、Ｎｓは直列巻線数、Ｎｅは励磁巻線数、Ｎｈは調整巻線数、Ｎｔはタップ巻線数、Ｎｇは安定巻線数である。Ｉは各巻線間や直列巻線の一次側、二次側を流れる電流値である。

より詳しくは、_１Ｉ_ａ、_１Ｉ_ｂ、_１Ｉ_ｃは直列巻線１の一次電流値、_２Ｉ_ａ、_２Ｉ_ｂ、_２Ｉ_ｃは直列巻線１の二次電流値、Ｉ_α、Ｉ_β、Ｉ_γは励磁巻線２に流れる電流値、Ｉｅ_ａ、Ｉｅ_ｂ、Ｉｅ_ｃは調整巻線３に流れる電流値、Ｉｔ_ａ、Ｉｔ_ｂ、Ｉｔ_ｃはタップ巻線４に流れる電流値、Ｉｇは安定巻線５に流れる電流値である。なお、電流の向きは図１２中の矢印方向を正とする。

（電流平衡リレーの構成）
続いて、図１３の機能ブロック図を参照して、従来の電流平衡リレーによる変圧器の保護方式について具体的に説明する。ここでは保護対象とする変圧器は、図１２に示した位相調整器の調整変圧器とする。図１３に示すように、電流平衡リレー１０には、機能的なブロックとして、電流入力手段１０１および電流平衡リレー判定手段１０２が設けられている。

電流入力手段１０１では、調整巻線電流Ｉｅおよびタップ巻線電流Ｉｔの各相電流を取り込んでいる。これらの電流Ｉｅ、Ｉｔは図１２に示した電流計測器６、７、８にて計測される。電流平衡リレー判定手段１０２は、調整巻線電流Ｉｅおよびタップ巻線電流Ｉｔの各相電流を入力として、電流平衡リレー特性に基づき事故検出を判定している。電流平衡リレー判定手段１０２において事故有りと判定した場合は、遮断器９へ遮断指令を出力する。遮断指令を受けた遮断器９は遮断動作を行い、変圧器を電力系統から切り離す。

（電流平衡リレーの特性）
次に、電流平衡リレー判定手段１０２の判定基準となる電流平衡リレー特性について説明する。図１４のグラフは、電流平衡リレーの特性の一例である。図１４において、Ｋは調整巻線電流Ｉｅとタップ巻線電流Ｉｔとの比率、Ｋ_０は最小検出感度を示している。図１４のグラフを式で表すと、下記の(１)式となる。

すなわち、電流平衡リレーの特性は、調整巻線電流Ｉｅとタップ巻線電流Ｉｔの比率Ｋと最小感度Ｋ_０で与えられる。

また、電流平衡リレー特性は、電流Ｉｅ、Ｉｔの大きさと位相θの関係でも与えられる場合がある(図１５のグラフ参照)。位相θはＩｔ基準でＩｅの進む角度である。図１５のグラフを式で表すと、下記の(２)式となる。この場合、上記の(１)式か、若しくは (２)式が成立した場合に、電流平衡リレー１０が動作（事故検出）することになる。なお、電流平衡リレー１０の保護対象であるＬＶＲもまた、以上の保護方式を採用しているが、電流平衡リレー特性におけるＩｅは、上記の調整変圧器では調整巻線電流であったのに対し、ＬＶＲでは励磁巻線電流とする。

（各巻線電流の計算式）
ところで、上記調整変圧器を構成する調整巻線３、タップ巻線４、安定巻線５では、アンペアターンの法則から各巻線の巻線数と電流値の積は、それぞれを足し合わせるとゼロになるという関係が成立している((３)式参照)。したがって、調整巻線電流Ｉｅは、タップ巻線数Ｎｔを含む(４)式によって表される。

調整巻線電流Ｉｅがタップ巻線数Ｎｔを含む式によって示されるということは、タップ巻線数Ｎｔで示される調整巻線３のタップ位置が変化すると、調整巻線電流Ｉｅが変化することを意味する。また、調整巻線電流Ｉｅは、次の(５)式に示すように、直列巻線１の一次電流と二次電流を用いて両者の差から求めることができる。つまり、調整巻線電流Ｉｅは、直列巻線１に流れる負荷電流によって変化する。

さらに、抑制量であるタップ巻線電流Ｉｔも、負荷電流に応じて変化することがある。この点については、下記の(６)式〜(８)式から導かれる。位相調整器において直列変圧器を構成する直列巻線１、励磁巻線２の巻線数と電流の関係は、アンペアターンの法則から次の(６)式で表される。

上記(６)式の両辺を励磁巻線数Ｎｅで割れば、励磁巻線電流Ｉ_α、Ｉ_β、Ｉ_γを導くことができる((７)式参照)。

また、励磁巻線電流Ｉ_α、Ｉ_β、Ｉ_γによってタップ巻線電流Ｉｔを表すと、次の（８）式となる。

前記（８）式の右辺の励磁巻線電流Ｉ_α、Ｉ_β、Ｉ_γに、(７)式の右辺を代入すれば、タップ巻線電流Ｉｔは直列巻線電流Ｉ_ａ、Ｉ_ｂ、Ｉ_ｃによって表される。したがって、直列巻線１を流れる負荷電流が変化すれば、タップ巻線電流Ｉｔも変化する。

上述したように、調整巻線電流Ｉｅおよびタップ巻線電流Ｉｔは、タップ位置や負荷電流によって変化する。電流平衡リレー特性は、電気量Ｉｅ、Ｉｔの比率Ｋによって与えられるので、リレー特性自体がタップ位置や負荷電流の影響を受けることになる。

そこで従来の電流平衡リレーによる変圧器の保護方式では、タップ位置や負荷電流の変化を考慮して、平常時に事故を誤検出しないように平衡電流リレー特性の整定を実施している。

「電気工学ハンドブック（第6版）」、(社)電気学会、2001年2月20日、p798 「電気工学ハンドブック（第6版）」、(社)電気学会、2001年2月20日、p718〜719 「電気工学ハンドブック（第6版）」、(社)電気学会、2001年2月20日、p721〜722 長谷良秀、「電力系統技術の実用理論ハンドブック」、丸善(株)、平成16年3月30日、p385〜387 安海一郎、他、「大容量位相調整器の開発と適用効果」、(株)オーム社、 OHM 1985年5月号、p95-103

しかしながら、従来の電流平衡リレーによる変圧器の保護方式において、タップ位置や負荷電流の変化を勘案しながら、電流平衡リレー特性を整定する場合、次のような課題があった。すなわち、事故様相によっては電流平衡リレー特性が低感度となって、事故の検出が困難となる可能性がある。そこで、タップ位置や負荷電流が変化しても、その影響を電流平衡リレー特性が受けることなく、いかなる事故様相であっても、常に高い感度で事故を検出可能な電流平衡リレーの実現が望まれていた。

本発明は、このような課題を解消するために提案されたものであり、タップ位置や負荷電流の影響を回避して、変圧器で想定される様々な事故を高感度に検出できる変圧器の保護方式およびその装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る変圧器の保護方式は、逆相電流の平衡性に着目したものであり、電流平衡リレーによる変圧器の保護方式において、前記変圧器は、第１の巻線と、第２の巻線とを有し、前記第１の巻線が、位相調整器の調整巻線若しくは負荷時電圧調整器の励磁巻線であり、前記第２の巻線が、前記位相調整器のタップ巻線若しくは前記負荷時電圧調整器のタップ巻線であり、前記変圧器における前記第１の巻線の逆相電流と前記第２の巻線の逆相電流を算出する逆相電流算出ステップと、前記第１及び第２の巻線の逆相電流に基づいて変圧器の事故を検出する逆相電流平衡リレー判定ステップと、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、逆相電流に基づいて事故を検出するため、仮にタップ位置や負荷電流が変化したとしても、電流平衡リレー特性に影響を受けることがなく、いかなる事故様相であっても、変圧器の事故を高感度で検出可能な電流平衡リレーを実現することができる。

本発明に係る第１の実施形態の機能ブロック図。第１の実施形態における逆相電流平衡リレーの特性図。本発明に係る第２の実施形態の機能ブロック図。本発明に係る第３の実施形態の機能ブロック図。本発明に係る他の実施形態における逆相電流平衡リレーの特性図。本発明に係る他の実施形態における逆相電流平衡リレーの特性図。本発明に係る他の実施形態における逆相電流平衡リレーの特性図。本発明に係る他の実施形態における逆相電流平衡リレーの特性図。本発明に係る他の実施形態における逆相電流平衡リレーの特性図。変圧比の調整が可能な変圧器の単線結線図。変圧比の調整が可能な変圧器の３線結線図。位相調整器の３線結線図。従来の保護方式の機能ブロック図。従来の電流平衡リレーの特性図。従来の電流平衡リレーの特性図。

以下、本発明に係る変圧器の保護方式およびその装置について、図面を参照して具体的に説明する。本発明は、電流平衡リレーによる変圧器の保護方式であって、下記の実施形態では位相調整器の調整変圧器を保護対象としている。なお、変圧比調整が可能な変圧器におけるＬＶＲを保護対象とした場合についても、同様の構成により、同様の作用効果を得ることができる。

（１）第１の実施形態
（構成）
図１に示すように、第１の実施形態に係る電流平衡リレー２０では、図１３に示した電流平衡リレー１０と同じく電流入力手段１０１を有しているが、それに加えて逆相電流算出手段１０３を備えると共に、電流平衡リレー判定手段１０２に代えて逆相電流平衡リレー判定手段１０４を備えている点に構成上の特徴がある。

逆相電流算出手段１０３では、電流入力手段１０１の取り込んだ調整巻線電流Ｉｅおよびタップ巻線電流Ｉｔに基づいて、各電流Ｉｅ、Ｉｔにおける逆相電流Ｉｅ_２、Ｉｔ_２を（９）式、（１０）式を用いて算出する(逆相電流算出ステップ)。

上記の（９）式、（１０）式は各相電流から逆相電流を算出するための基本式である。例えば、電気角３０度サンプリングの瞬時値データを用いる場合、逆相電流Ｉｅ_２、Ｉｔ_２は、（１１）式、（１２）式にて導かれる。

ここで、ｍは現時点、ｍ−２は２サンプリング(６０度)前、ｍ−４は４サンプリング(１２０度)前の値であることを表している。

逆相電流平衡リレー判定手段１０４では、以上のようにして算出した逆相電流Ｉｅ_２、Ｉｔ_２を入力として、電流平衡リレー特性により事故検出を行う(逆相電流平衡リレー判定ステップ)。逆相電流を用いた電流平衡リレー特性とは、グラフの縦軸および横軸にとる電流Ｉｅ、Ｉｔがそれぞれ逆相電流Ｉｅ_２、Ｉｔ_２になることを除いて、前記図１４にて示した電流平衡リレー特性と同じであり、図で表すと図２、式で表すと（１３）式となる。

つまり、逆相電流を用いた電流平衡リレー特性は、調整巻線３の逆相電流Ｉｅ_２とタップ巻線４の逆相電流Ｉｔ_２の比率Ｋと最小感度Ｋ_０で与えられる。逆相電流平衡リレー判定手段１０４は、（１３）式が成立する場合に事故有りと判定する。逆相電流平衡リレー判定手段１０４において事故有りと判定した場合は、遮断器９へ遮断指令を出力する。

（作用効果）
上述したように従来の電流平衡リレー１０では、各相電流での不平衡状態を検知して動作するので、タップ位置や負荷電流の影響を受けることになる。ただし、調整巻線３およびタップ巻線４の電流の関係は、巻線３、４に事故(外部事故や直列巻線事故など)が発生していなければ、アンペアターンの法則が成立し、正相分と逆相分の比例関係は同じである。

そこで、第１の実施形態における電流平衡リレー２０では、各相電流ではなく、逆相電流に絞って、その平衡性を利用している。すなわち、逆相電流はタップ位置を変更しても発生しない。また、負荷電流は正相成分であるため、負荷電流が変化しても逆相電流が影響を受けることがない。

つまり、タップ位置や負荷電流が変化しても、電流平衡リレー特性は影響を受けることがなく、電流平衡リレー２０の検出感度が低下する心配がない。このようなリレー特性を利用した第１の実施形態によれば、あらゆる事故様相に対応することが可能であり、常に高感度で事故の発生を検出することができる。

(２)第２の実施形態
（構成）
続いて、第２の実施形態に係る電流平衡リレー２１を図３に示す。電流平衡リレー２１は、図１３に示した電流平衡リレー１０と、上記第１の実施形態における電流平衡リレー２０とを組み合わせたものである。

（作用効果）
このような第２の実施形態によれば、各相電流を入力とする従来の電流平衡リレー１０が検出可能な事故と、逆相電流を入力とする電流平衡リレー２０が検出可能な事故の両方を、検出することができる。そのため、より確実な事故検出が可能となり、検出精度を高めた変圧器の保護方式を提供することができる。

(３)第３の実施形態
（構成）
図４に示す第３の実施形態に係る電流平衡リレー２２は、上記第２の実施形態に係る電流平衡リレー２１に時限手段１０５を付加したものである。すなわち、逆相電流平衡リレー判定手段１０４の出力側に時限手段１０５を設置している。時限手段１０５は、一定時限（タイマ）以上、逆相電流平衡リレー判定手段１０４による事故検出が継続したことを確認した場合にのみ、遮断器９へ遮断指令を出力するようになっている。

（作用効果）
このような第３の実施形態によれば、変圧器の外部で発生した事故などにより瞬間的に逆相電流が発生した場合に、これを変圧器の事故として検出するといった誤動作を防止することが可能である。したがって、信頼性に優れた変圧器の保護方式を提供することができる。

（他の実施形態）
なお、本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、次のような実施形態も包含する。例えば、上記第１〜第３の実施形態において、逆相電流平衡リレー判定手段１０４の判定基準に関して、次のような判定条件を加えるようにしてもよい。

すなわち、上記（１３）式と、調整巻線電流Ｉｅの逆相電流の最小感度Ｉｋｅを設定した（１４）式の両方が成立する場合、逆相電流平衡リレー判定手段１０４が事故有りと判定する(図５の特性図)。あるいは、上記（１３）式と、調整巻線電流Ｉｔの逆相電流の最小感度Ｉｋｔを設定した（１５）式の両方が成立する場合、逆相電流平衡リレー判定手段１０４が事故有りと判定する(図６の特性図)。

このような実施形態では、判定基準として逆相電流の最小感度Ｉｋｅ、Ｉｔｅを加えたことで、調整巻線電流Ｉｅやタップ巻線電流Ｉｔに微小な逆相成分が含まれていたとしても、その微小成分が最小感度Ｉｋｅ、Ｉｔｅを超えない限り、動作することがない。これにより、電流平衡リレーの誤動作を防ぐことができ、事故の検出精度をより高めることができる。

さらに、逆相電流算出手段１０３において、調整巻線電流Ｉｅおよびタップ巻線電流Ｉｔの逆相電流Ｉｅ_２、Ｉｔ_２の変化分を算出した上で、この変化分の大きさに基づいて逆相電流平衡リレー判定手段１０４が事故判定を行うようにしてもよい。

具体的には、逆相電流算出手段１０３にて、一定時間ΔＴ内でのＩｅ_２、Ｉｔ_２の変化分を(１６)式、(１７)式で求める。なお、逆相電流算出手段１０３は、Ｉｅ_２、Ｉｔ_２の変化分を求めるので、算出したＩｅ_２、Ｉｔ_２をΔＴ以上、保存できる記録機能を有するものとする。

上記の式において、Ｉｅ_２ (ｔ)、Ｉｔ_２ (ｔ)は、現在時点ｔにおける逆相電流Ｉｅ_２、Ｉｔ_２であり、Ｉｅ_２ (ｔ−ΔＴ)、Ｉｔ_２ (ｔ−ΔＴ)は現在時点ｔよりもΔＴ時間前の時点での逆相電流Ｉｅ_２、Ｉｔ_２である。

この時の電流平衡リレー特性は、図で表すと図７、式で表すと（１８）式となり、調整巻線３の逆相電流の変化分ΔＩｅ_２とタップ巻線４の逆相電流の変化分ΔＩｔ_２の比率Ｋと最小感度Ｋ_０で与えられる。逆相電流平衡リレー判定手段１０４は、（１８）式が成立する場合に事故有りと判定する。

以上のような実施形態によれば、逆相電流の変化分Δに基づいて事故判定を行うので、事故前に生じていた逆相電流の影響を受けることがなく、事故検出の感度を安定化させることができる。

さらには、上記（１８）式のリレー特性を持つ逆相電流平衡リレー判定手段１０４において、逆相電流の変化分における最小感度Ｉｋｅ、Ｉｋｔを予め設定するようにしてもよい。具体的には、上記（１８）式と下記の（１９）式の両方が成立する場合(図８の特性図)、あるいは、上記（１８）式と下記の（２０）式の両方が成立する場合(図９の特性図)、事故有りと判定する。

このような実施形態では、逆相電流の変化分Δに基づいて事故判定を行うことによる事故検出感度の安定化と、判定基準に逆相電流の最小感度Ｉｋｅ、Ｉｔｅを加えることによる事故検出の精度向上を、同時に実現することが可能である。

１…直列巻線
２…励磁巻線
３…調整巻線
４…タップ巻線
５…安定巻線
６〜８…電流計測器（ＣＴ）
９…遮断器
１０、２０、２１、２２…電流平衡リレー
１０１…電流入力手段
１０２…電流平衡リレー判定手段
１０３…逆相電流算出手段
１０４…逆相電流平衡リレー判定手段
１０５…時限手段

Claims

電流平衡リレーによる変圧器の保護方式において、
前記変圧器は、第１の巻線と、第２の巻線とを有し、
前記第１の巻線が、位相調整器の調整巻線若しくは負荷時電圧調整器の励磁巻線であり、
前記第２の巻線が、前記位相調整器のタップ巻線若しくは前記負荷時電圧調整器のタップ巻線であり、
前記変圧器における前記第１の巻線の逆相電流と前記第２の巻線の逆相電流を算出する逆相電流算出ステップと、
前記第１及び第２の巻線の逆相電流に基づいて変圧器の事故を検出する逆相電流平衡リレー判定ステップと、を含むことを特徴とする変圧器の保護方式。
前記逆相電流平衡リレー判定ステップでは、前記第１の巻線の逆相電流が一定値以上の大きさにあるときにのみ変圧器の事故を検出することを特徴とする請求項１に記載の変圧器の保護方式。
前記逆相電流平衡リレー判定ステップでは、単位時間当たりの前記第１の巻線の逆相電流及び前記第２の巻線の逆相電流の変化分を用いて変圧器の事故を検出することを特徴とする請求項１または２に記載の変圧器の保護方式。
変圧器における各相電流に基づいて変圧器の事故を検出する電流平衡リレー判定ステップを加えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の変圧器の保護方式。
前記逆相電流平衡リレー判定ステップでは、一定時限以上、事故検出が継続したことを確認した場合に限り、変圧器の事故を検出することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の変圧器の保護方式。
電流平衡リレーによる変圧器の保護装置において、
前記変圧器は、第１の巻線と、第２の巻線とを有し、
前記第１の巻線が、位相調整器の調整巻線若しくは負荷時電圧調整器の励磁巻線であり、
前記第２の巻線が、前記位相調整器のタップ巻線若しくは前記負荷時電圧調整器のタップ巻線であり、
前記変圧器における前記第１の巻線の逆相電流と前記第２の巻線の逆相電流を算出する逆相電流算出手段と、
前記第１及び第２の巻線の逆相電流に基づいて変圧器の事故を検出する逆相電流平衡リレー判定手段と、を備えたことを特徴とする変圧器の保護装置。