JP5537363B2 - 保護継電器 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、保護継電器に関する。

電力系統に設置されたモータ、変圧器、導体等の保護対象負荷を保護するために、保護継電器が多く用いられている。この保護対象負荷に異常な電流が通電されることによって、機器全体の温度が上昇し、発火・誤動作等が発生する虞がある。そのため、従来の保護継電器は、保護対象負荷の温度を表す保護対象負荷温度（以下、負荷温度）が許容温度を超過したと判断した場合に、保護対象負荷に対して停止指令を出力したり、接続されるＨＭＩや電力系統監視制御装置に対して警報を出力したりしている。

この負荷温度を取得する方法として、保護対象負荷に通電される電流を示す負荷電流と、通電時間を累積した累積時間とから、負荷温度を算出する方法が考えられている。

この負荷電流および累積時間を用いて負荷温度を算出する方法では、算出した負荷温度を揮発性メモリに記録していた。そのため、電力系統の停電、および保護継電器の制御電源の停電、異常等により、保護継電器の制御電源が喪失した場合、揮発性メモリに記録していた累積的な負荷温度算出値も喪失する。

保護対象負荷に蓄積されている熱は、電力系統の停電により動作していない状況においても、徐々に放熱するため、負荷温度が周囲の温度相当になるまでに時間を要する。しかし、保護継電器の制御電源が復電した場合、保護継電器内での負荷温度算出値は初期状態から開始するため、実際の負荷温度とは相違する。そのため、実際の保護対象負荷において許容温度を超過していても保護継電器が保護制御を行わない、または保護制御が遅れる恐れがあるという課題がある。

また他の方法として、負荷温度を負荷電流と累積時間とから算出する代わりに、測温抵抗体や熱電対等の温度センサーを保護対象負荷に設置し、この温度センサーからの入力を利用して直接負荷温度を計測し、許容温度を超過したと判断した場合に、停止指令や警報を出力する方法も考えられている。

この温度センサーを用いて直接負荷温度を測定する方法では、前述した累積的な負荷温度算出値を喪失しても温度センサーより保護対象の負荷温度を取得することができるが、保護対象負荷に温度センサーを設置する必要がある。また、温度センサーの測定結果を受信するためのケーブル等も新たに設置する必要がある。

特許第４１０４７５５号

上述したように、従来の負荷電流と累積時間とから負荷温度を算出し揮発性メモリに記録する方法では、保護継電器の制御電源が喪失した後、復電した場合に、実際の負荷温度と、保護継電器に記録される負荷温度とは相違するという課題があった。

本発明の実施形態では、温度センサー等を用いず、保護継電器の制御電源が喪失した後、復電した場合にも、実際の負荷温度と、保護継電器に記録される負荷温度との差を小さくすることが可能な保護継電器を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る保護継電装置は、保護対象負荷の電気量に基づいて、負荷温度を算出し、算出された負荷温度を不揮発性記憶部に蓄積負荷温度として記憶し、保護継電装置の起動時に、保護対象負荷の負荷電流が、モータ始動電流であると判断した場合は、起動負荷温度として放熱負荷温度を前記蓄積負荷温度に基づいて算出し、定常電流であると判断した場合は、起動負荷温度として発熱負荷温度を前記蓄積負荷温度に基づいて算出する。

第１の実施形態の保護継電器の構成を示すブロック図。 保護対象負荷４の最大許容値に対する負荷温度（％）の時間変化を示す図。 停止期間にモータ負荷４´が停電している場合（ａ）保護対象負荷４の最大許容値に対する負荷温度（％）の時間変化を示す図。（ｂ）負荷電流値の時間変化を示す図。 停止期間にモータ負荷４´が通電されている場合（ａ）保護対象負荷４の最大許容値に対する負荷温度（％）の時間変化を示す図。（ｂ）負荷電流値の時間変化を示す図。

本発明の実施形態における保護継電器について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態における保護継電器の構成について、図１を用いて説明する。図１は、保護対象負荷と保護継電器の構成を示す図である。

本実施形態の保護継電器２は、Ａ／Ｄ変換部５、演算部６、揮発性メモリ７および不揮発性メモリ８を備える。

Ａ／Ｄ変換部５は、保護対象負荷４に供給される負荷電流を検出する変流器３から入力されたアナログ入力をデジタル変換する。

演算部６は、Ａ／Ｄ変換部に５よりデジタル変換された負荷電流値と、不揮発性メモリ８に記録された最大許容電流値および発熱時定数に基づいて、負荷温度を算出し、揮発性メモリ７に記録する。また、予め設定された一定間隔（例えば１分間隔）毎に算出した負荷温度と、図示しない内部時計から取得した現在時刻とを不揮発性メモリ８記録する。ここで、負荷温度は蓄積負荷温度、現在時刻は記録時刻として不揮発性メモリ８に保存され、一定間隔毎に上書きされる。

さらに、演算部６は、保護継電器２の起動時には、不揮発性メモリ８に保存された蓄積負荷温度、蓄積現在時刻、放熱時定数および、図示しない内部時刻から取得した現在時刻とから起動時の負荷温度を表す起動負荷温度を算出する。

通電中の温度を表す発熱負荷温度、停電中の温度を表す放熱負荷温度は、夫々以下に示す数式１、数式２から算出される。ここでの温度は、最大許容温度に対する現在温度の割合を示しており、単位は％で表される。

ここで、数式１のθ_１は発熱負荷温度（％）、Ｉは現在の負荷電流値、Ｉ_ＡＯＬは最大許容電流値、τ_１は発熱時定数、ｔ_１は電流が通電された時間を表す発熱時間、θ_０は負荷温度の初期値を示している。数式２のθ_２は放熱負荷温度（％）、θ_ｓは蓄積負荷温度、τ_２は放熱時定数、ｔ_２は現在時刻から記録時刻を減算した値を表す放熱時間を示している。数式１の負荷温度の初期値を表すθ_０は任意に設定可能である。

次に、本実施形態の保護継電器の動作について、図２を用いて説明する。図２は、保護対象負荷４の最大許容値に対する負荷温度（％）の時間変化を示す図である。ここでは、細線で示したグラフは実際の負荷温度、太線で示したグラフは保護継電器２で算出される負荷温度である。また、負荷温度算出開始時（ｔ＝０）では、負荷温度の初期値θ_０は零値としている。

保護継電器２が動作している動作期間では、演算部６は数式１に基づいて負荷温度を算出し、揮発性メモリ７に算出結果を記録すると共に、一定間隔毎に不揮発性メモリ８に、発熱負荷温度および現在時刻を夫々、蓄積負荷温度および記録時刻として記録する。ここで、不揮発性メモリ８に記録するタイミングを記録点１０、１１に示す。記録点１１は最新の蓄積負荷温度であり、不揮発性メモリ８には記録点１１の発熱負荷温度が蓄積負荷温度として記録されている。

電力系統全体が停電し保護継電器の制御電源も喪失した場合、保護対象負荷４は停電し、保護継電器２は停止している。保護対象負荷４からは通電時に発生した熱が放熱されるため、負荷温度は減少する。保護継電器２は停止しているため、負荷温度は揮発性メモリ７および不揮発性メモリ８の何れにも記録されない。

停電期間が終了し、保護継電器２が起動すると、数式２に基づいて起動時の負荷温度を表す起動時負荷温度として放熱負荷温度を算出する。以降は、数式２にて算出された起動時負荷温度を初期値θ_０とし、数式１により発熱負荷温度を算出する。

本実施形態によれば、保護継電器２の制御電源が喪失することにより、保護継電器２が停止しても、停止直前の負荷温度を蓄積負荷温度として不揮発性メモリ８に記録しているため、復帰時に蓄積負荷温度を読み出すことで、実際の負荷温度に近似した温度を算出することが可能である。

（第２の実施形態）
第２の実施形態における保護継電器の構成について説明する。本実施形態の構成は、第１の実施形態の構成を示す図１と同様であるが、保護対象負荷４をモータ負荷としている点が異なる。また、その他の構成は第１の実施形態と同一であるため、説明は省略する。

保護継電器２が停止している停止期間において、モータ負荷４´が停電している場合の、最大許容値に対する負荷温度（％）の時間変化を図３（ａ）に示す。ここで、細線のグラフは実際のモータ負荷４´の負荷温度を示し、太線のグラフは保護継電器２が記録する負荷温度を示している。また、モータ負荷４´に流れる負荷電流値の時間変化を図３（ｂ）に示す。ここでの負荷温度算出開始時（ｔ＝０）では、負荷温度の初期値θ_０は零値としている。ここで、モータ負荷４´始動時には定常状態の数倍程度のモータ始動電流が流れる。

さらに、停止期間においてモータ負荷４´に通電されている場合の、最大許容値に対する負荷温度（％）の時間変化を図４（ａ）に示す。ここで、細線のグラフは実際のモータ負荷４´の負荷温度を示し、太線のグラフは保護継電器２が記録する負荷温度を示している。また、モータ負荷４´に流れる負荷電流値の時間変化を図４（ｂ）に示す。ここでの負荷温度算出開始時（ｔ＝０）では、負荷温度の初期値θ_０は零値としている。

本実施形態での演算部６は、第１の実施形態と同様に、Ａ／Ｄ変換部５によりデジタル変換された負荷電流値と、不揮発性メモリ８に記録された最大許容電流値および発熱時定数に基づいて、上述した数式１により発熱負荷温度を算出し、揮発性メモリ７に記録する。また、予め設定された一定間隔（例えば１秒間隔）毎に算出した負荷温度と、図示しない内部時計から取得した現在時刻とを不揮発性メモリ８記録する。ここで、負荷温度は蓄積負荷温度、現在時刻は記録時刻として不揮発性メモリ８に保存され、一定間隔毎に上書きされる。

次に、保護継電器２の起動時に、Ａ／Ｄ変換部５によりデジタル変換された電流値が、事前に設定されたモータ始動電流値相当である場合と、定常電流値相当である場合の演算部６の動作について、分けて説明する。

（モータ始動電流値相当の場合）
保護継電器２の起動時に、Ａ／Ｄ変換部５によりデジタル変換された電流値がモータ始動電流であると判断した場合、図３に示すようにモータ負荷４´への通電が再開されたと判断する。そして、不揮発性メモリ８に保存された蓄積負荷温度、蓄積現在時刻、放熱時定数および、図示しない内部時刻から取得した現在時刻とから、起動負荷温度として、数式２により放熱負荷温度を算出する。以降は、数式２にて算出された起動負荷温度を初期値θ_０とし、数式１により発熱負荷温度を算出する。

（定常電流値相当の場合）
保護継電器２の起動時に、Ａ／Ｄ変換部５によりデジタル変換された負荷電流値がモータ始動電流値でなく、定常電流であると判断した場合、図４に示すように停止期間にモータ負荷４´が停電しておらず、保護継電器２のみが停止していると判断する。そして、Ａ／Ｄ変換部５がデジタル変換された負荷電流値と、不揮発性メモリ８に記録された最大許容電流値および発熱時定数に基づいて、起動負荷温度として、数式１により発熱負荷温度を算出する。以降は、数式１により算出された起動負荷温度を初期値θ_０とし、引き続き数式１により発熱負荷温度を算出する。

本実施形態によれば、第１の実施形態の効果に加え、演算部６によってモータ始動電流を検出し、モータ始動電流でないと判断した場合、停止期間にモータ負荷４´は停電しておらず、保護継電器２のみ停止していると判断することができる。そのため、実際の負荷温度と、保護継電器２が算出する負荷温度との相違をさらに小さくすることが可能である。

本発明に係る実施形態によれば、温度センサー等を用いず、保護継電器の制御電源が喪失した後、起動した場合にも、実際の保護対象負荷温度と、保護継電器に記録される保護対象負荷温度との差を小さくした保護継電器を提供することが可能となる。

以上、本発明のいくつかの実施形態について説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことが出来る。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…遮断器
２…保護継電器
３…変流器
４…保護対象負荷
５…Ａ／Ｄ変換部
６…演算部
７…揮発性メモリ
８…不揮発性メモリ
１０、１１…記録点

Claims (4)

1. 保護対象負荷の電気量に基づいて、負荷温度を算出する保護継電装置において、
   算出された負荷温度を不揮発性記憶部に蓄積負荷温度として記憶し、
   保護継電装置の起動時に、保護対象負荷の負荷電流が、モータ始動電流であると判断した場合は、起動負荷温度として放熱負荷温度を前記蓄積負荷温度に基づいて算出し、定常電流であると判断した場合は、起動負荷温度として発熱負荷温度を前記蓄積負荷温度に基づいて算出する保護継電装置。
2. 保護対象負荷の電気量に基づいて、負荷温度を算出する保護継電装置において、
   算出された負荷温度を不揮発性記憶部に蓄積負荷温度として記憶し、
   保護継電装置の起動時に、保護対象負荷の負荷電流が、モータ始動電流であると判断した場合は、起動負荷温度として放熱負荷温度を前記蓄積負荷温度および放熱時定数に基づいて算出し、定常電流であると判断した場合は、起動負荷温度として発熱負荷温度を前記蓄積負荷温度および発熱時定数に基づいて算出する保護継電装置。
3. 算出された負荷温度を、内部時刻から取得した時刻と共に不揮発性記憶部に蓄積負荷温
   度として記憶する請求項１又は請求項２に記載の保護継電装置。
4. 算出された負荷温度を、予め設定された一定間隔毎に前記不揮発性記憶部に蓄積負荷温
   度として記憶する請求項１又は請求項２に記載の保護継電装置。

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