JP5711478B2 - 二重給電同期機の地絡検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、一次（固定子）側が電力系統に、二次（回転子）側が可変周波数の電力変換器に接続された二重給電同期機の地絡検出装置に関し、特に、界磁回路の1線地絡検出
装置に関するものである。

従来の二重給電同期機の界磁回路は、高電圧が印加され、かつ、非接地系であるため、1線地絡検出においては、二重給電同期機の回転子の中性点を引き出し、高抵抗接地回路
を構成していた。この接地回路に電流監視回路を設け、他に地絡が発生することで、地絡電流が流れるため、この電流値を監視していた。
また、例えば、特許文献１に記載されているように、励磁装置のインバータとコンバータ間の直流電位部のコンデンサ中性相を引き出し、対地間を流れる電流を計測する方式が提案されている。

特開平８−１６８１６６号公報

従来の回転子の中性点を引き出し、抵抗接地させる方式では、中性点の引き出しのためのスリップリングを設置する必要があり、二重給電同期機のコストを押し上げる要因となる。

また、特許文献１に示された技術は、コンバータとインバータ間で中性相から抵抗接地回路を引き出し、地絡を検出する方法であるが、この方法では、対地に対し、発電機が有するキャパシタンスに比べ、インバータおよびコンバータが有するキャパシタンスが絶対的に小さいために、地絡していない通常運転時に、発電機回転子部が対地に対し安定した電位を示し、励磁装置のインバータとコンバータ間の中性相の対地電位は、常時、変動する挙動を示し、地絡事故発生時の変動との違いが明確に現れにくいため、地絡事故の正確な検出が困難であるとの問題点があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、二重給電同期機の中性点を引き出すことなく、交流界磁回路の1線地絡を、簡単な構成で、確実に検出す
ることのできる二重給電同期機の地絡検出装置を得ることを目的とする。

この発明に係る二重給電同期機の地絡検出装置は、固定子巻線が電力系統に接続され、回転子巻線が可変周波数の電力変換器からなる交流励磁装置に接続され、系統周波数と回転子の回転速度との差に相当する周波数（すべり周波数）を持った交流励磁電流が前記交流励磁装置から前記回転子巻線に供給されるよう構成された二重給電同期機において、前記回転子巻線と前記電力変換器とを接続する界磁回路から分岐して、抵抗を介して形成された模擬中性点回路と、この模擬中性点回路の中性点を抵抗を介して接地する抵抗接地回路と、この抵抗接地回路に設けられ、前記回転子巻線と電力変換器を含む界磁回路の一線地絡発生時に、この抵抗接地回路に流れる地絡電流を検出し、前記界磁回路の地絡を検出する地絡検出器を備えたものである。

この発明の二重給電同期機の地絡検出装置によれば、交流界磁回路から地絡検出回路を分岐するように構成したので、安価に回路を構成することができ、且つ、常時の電圧変動が少なくて済むため、確実に界磁回路の１線地絡を検出することができる。

上述した、またその他の、この発明の目的、特徴、効果は、以下の実施の形態における詳細な説明および図面の記載からより明らかとなるであろう。

この発明の実施の形態１を示す回路構成図である。 この発明の実施の形態２を示す回路構成図である。 この発明の実施の形態２の一次遅れフィルタへの入出力波形例を示す図である。 この発明の実施の形態３を示す回路構成図である。 この発明の実施の形態３におけるすべり周波数成分除去演算部のブロックである。 この発明の実施の形態３におけるすべり周波数成分除去演算部の各部の波形を示す図である。 この発明の実施の形態４を示す回路構成図である。 この発明の実施の形態４におけるピークホールド回路の入出力波形を示す図である。 この発明の実施の形態５を示す回路構成図である。 この発明の実施の形態６を示す回路構成図である。 この発明の実施の形態７を示す回路構成図である。 この発明の実施の形態８を示す回路構成図である。

以下この発明の実施の形態について、図面を参照して詳述する。なお、各図中、同一符号は、同一あるいは相当部分を示すものとする。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における二重給電同期機の地絡検出装置の全体的な概略回路構成図であり、図１において、１は二重給電同期機で、その固定子巻線は並列用遮断器２及び主変圧器３を通じて電力系統４に接続されている。可変周波数の電力変換器で構成される交流励磁装置５は、励磁変圧器６及び励磁用遮断器７を介して並列用遮断器２と主変圧器３の間の母線から給電され、系統周波数と二重給電同期機１の回転子の回転速度の差に相当する周波数（すなわち、すべり周波数）を持った交流励磁電流を二重給電同期機１の回転子巻線に供給する。

８はこの発明の主要部をなす地絡検出回路で、二重給電同期機１と交流励磁装置５を接続する交流界磁回路（以下、単に界磁回路ともいう。）から分岐して、高抵抗９を介して模擬中性点回路を形成し、模擬中性点１０は、抵抗１１、地絡検出器である地絡検出リレー回路１２を経由して抵抗接地されている。１３は、界磁回路における1線地絡（例）を表している。また、地絡電流が流れるループを地絡電流回路１４としている。

次に動作について説明する。
地絡が発生していない時、模擬中性点１０の電圧は０Ｖであり、地絡検出器である地絡検出リレー回路１２に地絡電流は流れない。
界磁回路に地絡が発生すると、抵抗９、抵抗１１、地絡検出リレー回路１２、地絡点１３をループする地絡電流回路１４に沿って地絡電流が流れる。この地絡電流を地絡検出リレー回路１２で認識することで、回転子巻線と可変周波数の電力変換器を含む交流界磁回路の1線地絡を検出する。

以上のように、この発明の実施の形態１の二重給電同期機の地絡検出装置によれば、固定子巻線が電力系統４に接続され、回転子巻線が可変周波数の電力変換器からなる交流励磁装置５に接続された二重給電同期機１であって、系統周波数と回転子の回転速度との差に相当する周波数（すべり周波数）を持った交流励磁電流が交流励磁装置５から回転子巻線に供給されるよう構成成された二重給電同期機において、回転子巻線と電力変換器とを接続する界磁回路から分岐して、抵抗９を介して形成された模擬中性点回路と、この模擬中性点回路の中性点１０を抵抗１１を介して接地する抵抗接地回路と、この抵抗接地回路に設けられ、前記回転子巻線と電力変換器を含む界磁回路の１線地絡発生時に、この抵抗接地回路に流れる地絡電流を検出し、前記界磁回路の地絡を検出する地絡検出器１２を備えたので、二重給電同期機１の回転子巻線の中性点を引き出す必要がなく、安価な地絡検出装置を構成できる。また、常時の電圧変動が少ないため、地絡発生時に流れる地絡電流を確実に検出する信頼性の高い二重給電同期機の地絡検出装置を得ることができる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２を図２、図３に基づいて説明する。
この発明の実施の形態２の二重給電同期機の地絡検出装置は、地絡検出器の具体的な構成の一例を示すもので、図２において、地絡検出器である地絡検出リレー回路１２は、抵抗１５の両端から電圧信号を取り出し、この電圧信号を一次遅れフィルタ１６を通して、地絡判定部１７に入力する回路構成となっている。また、地絡発生時に抵抗接地回路に強制的に電流を流すため、外部の交流電源１８から変圧器１９を介して、整流回路２０により直流電源を構成している。
なお、図３は、一次遅れフィルタ１６への入力信号波形例と、出力信号波形例を表している。

次に実施の形態２の動作について説明する。
界磁回路に地絡が発生すると、整流回路２０により作られた直流電圧を抵抗接地回路に印加することで、地絡抵抗に応じた直流地絡電流を流す。
しかしながら、交流励磁装置５が流す励磁電流は、すべり周波数による数Ｈｚの低周波電流であり、地絡発生時に地絡検出リレー回路１２に流れる地絡電流にもすべり周波数成分が含まれる。このため、抵抗１５の両端から取り出す地絡信号は、図３に示すように、直流にすべり周波数成分が重ね合わされた信号となる。
地絡判定部１７が、このすべり周波数成分を含む地絡電流をレベル判定するために、フィルタ１６を設ける。このフィルタ１６は、一次遅れ機能であり、図３に示すように、すべり周波数成分を除去し、直流電圧印加による直流地絡電流成分のみを取り出すことができる。この一次遅れフィルタ１６の出力を地絡判定部１７に入力し、地絡判定部１７でレベル判定することで１線地絡を検出する。

以上のように、この発明の実施の形態２によれば、地絡検出器１２は、地絡電流に重畳される直流成分を抵抗接地回路に供給するための外部交流電源１８と整流器２０からなる直流電源部と、地絡電流に含まれるすべり周波数成分を除去するための一次遅れフィルタ１６と、この一次遅れフィルタ１６の出力レベルを判定して地絡故障を検出する地絡判定部１７を具備しているので、二重給電同期機の特徴である地絡電流に含まれるすべり周波数成分を取り除くことができ、一次遅れという安価な回路を適用するだけで確実に地絡判定する回路を得ることができる。
また、直流電源を印加し、強制的に地絡電流を流すため、二重給電同期機が停止中であったとしても、直流電源を印加することで地絡の有無を確認できる。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３を図４、図５、図６に基づいて説明する。
実施の形態２では、地絡検出器１２においてすべり周波数成分を取り除くために、一次遅れフィルタ１６を用いたが、この実施の形態３においては、図４、図５に示すように、地絡検出器において、一次遅れフィルタに代えて、すべり周波数成分除去演算部２１を設けることで同様の効果を得るよう構成したものである。

図５は、すべり周波数成分除去演算部２１の演算ブロックを表している。
図５に示すように、すべり周波数成分除去演算部２１は、抵抗１５で地絡電流から変換された地絡電圧信号２２が入力される微分回路２３と、微分回路２３の出力（即ち、演算結果）と地絡電圧信号２２が入力される減算器２４を備えており、減算器２４により地絡電圧信号２２から微分回路２３の演算結果を引いたものを地絡判別信号２５として出力するよう構成されている。
地絡判定部１７は、すべり周波数成分除去演算部２１からの地絡判別信号２５を使って地絡判定の演算を行なう。
図６は、すべり周波数成分除去演算部２１の入、出力信号波形例と、微分回路２３の出力波形例を示す。

以上のように構成されたこの発明の実施の形態３によれば、地絡電圧信号２２は微分回路２３を通ることで地絡電圧成分に含まれるすべり周波数成分を地絡電圧信号２２の変動分として出力する。これを減算器２４により、地絡電圧信号２２から引くことで、すべり周波数成分を除去できる。この結果、地絡判別信号２５は直流成分のみとなり、地絡判定部１７で地絡発生を認識できる。

尚、この実施の形態３においては、すべり周波数成分の除去に微分回路を用いたので、実施の形態２の一次遅れフィルタに比べて、若干、複雑な回路となるが、時間遅れなしで直流成分を検出することができるため、地絡判別に時間遅れを持たせない場合に有効な手段となる。

実施の形態４．
この発明の実施の形態４を図７、図８に基づいて説明する。
この発明の実施の形態４は、地絡検出器において、地絡電流に含まれるすべり周波数成分を取り除くため、上述した実施の形態２、３における一次遅れフィルタ１６、すべり周波数成分除去演算部２１の代わりに、ピークホールド回路２６を設けたものである。
なお、その他の構成は実施の形態２、３と同一であり説明は省略する。
図８はピークホールド回路２６への入力信号と出力信号を示している。

次に実施の形態４の動作について説明する。
ピークホールド回路２６は、すべり周波数成分のピーク値をホールドするため、すべり周波数のピーク値を直流信号として地絡判定部１７へ送る。
尚、実施の形態４では、ピークホールド回路２６を用いるようにしたので、実施の形態２及び３によるすべり周波数成分の除去後の信号に比べて、大きな信号により地絡判定することになるため、実際の地絡よりも高い地絡抵抗で動作する。二重給電同期機を保護する目的からすると、早期に検出が可能となり、地絡事故を未然に防ぐ目的で回路を適用する際には有効である。また、ピークホールド回路は実施の形態２の一次遅れフィルタ１６よりも、時間遅れが少ないというメリットもある。

実施の形態５．
この発明の実施の形態５を図９に基づいて説明する。
図９は、図１の地絡検出回路８を取り出したものであり、この実施の形態５の発明は、地絡検出回路部のいずれかで断線２８が発生した場合に対処するもので、抵抗接地回路の抵
抗１１と地絡検出器である地絡検出リレー回路１２の間に、地絡検出器１２と並列にアレスタ２７を接続したものである。

次に実施の形態５の動作について説明する。
地絡１３が発生中に断線２８が発生した場合、もしくは、断線２８が発生した状態で地絡１３が発生した場合、地絡検出リレー回路１２の対地電圧は、界磁回路電圧が、数ｋＶであるため、同様に数ｋＶに上昇する。従って、地絡検出リレー回路１２に接続される機器が壊れないように高圧仕様とする必要がある。但し、全ての機器を高圧仕様とすると、高コストになるため、アレスタ２７を設置することで、地絡検出リレー回路１２に印加される電圧を抑え機器の耐圧仕様レベルを下げる。
尚、アレスタ２７を設置したので、断線が発生したとしても、耐圧仕様を抑えた低コスト機器を地絡検出リレー回路１２に適用できる。

実施の形態６．
この発明の実施の形態６を図１０に基づいて説明する。
この発明の実施の形態６は、実施の形態５の変形例であって、実施の形態５におけるアレスタ２７に代えて、過電圧検出機能とコンタクタを設けたものである。
図１０において、抵抗接地回路の抵抗１１と地絡検出器である地絡検出リレー回路１２の間に、地絡検出リレー回路１２に印加される過電圧を検出する過電圧検出器２９が接続され、コンタクタ３０が抵抗１１と過電圧検出器２９への分岐との間に接続されている。

次に実施の形態６の動作について説明する。
実施の形態５では、アレスタ２７により過電圧を抑制したが、この実施の形態６では、過電圧検出器２９により、過電圧を検出した場合、コンタクタ３０を開放することで、地絡検出器である地絡検出リレー回路１２を抵抗接地回路から切り離すことができ、過電圧が地絡検出リレー回路１２に印加されることを防止できるので過電圧により機器が壊れることを防ぐことができる。
尚、実施の形態５のアレスタを適用した場合、電圧抑制効果は高いが、必要な特性を得ることが困難な場合もあり、そのときには、過電圧検出器２９とコンタクタ３０による回路が有効となる。

実施の形態7．
この発明の実施の形態７を図１１に基づいて説明する。
この発明の実施の形態７は、図１１に示すように、地絡検出リレー回路１２と並列に同じ回路、機能の地絡検出リレー回路３１を接続するものである。

このように構成された実施の形態７において、実施の形態５、６と同様に断線と地絡が同時に発生した場合、地絡検出リレー回路１２に高圧が印加されることを防止するため、地絡検出リレー回路３１を接続し、地絡が発生したときは、地絡検出リレー回路１２及び３１の動作信号をＯＲ回路で動作させる。

尚、この地絡検出リレー回路１２と３１を設ける方法は、断線が２つの回路で同時に発生することは稀であることを利用しており、実施の形態５、６とコスト、信頼性を総合的に判断し、最良の方法を選択することになる。

実施の形態８．
この発明の実施の形態８を図１２に基づいて説明する。
この発明の実施の形態８は、図１２に示すように、地絡検出器１２は、抵抗１５の両端から取り出した地絡電圧信号を整流する整流器３２と、この整流回路３２の出力に含まれるリップル分を除去する、例えば抵抗ＲとコンデンサＣを使用したＣＲ回路等で構成される
リップル除去回路３３と、このリップル除去回路で直流化された直流信号が入力されて１線地絡を判定検出する地絡判定部１７を備えている。

次に実施の形態８の動作について説明する。
抵抗１５に流れる地絡電流は、すべり周波数の交流信号である。これを地絡判定するため、抵抗１５の両端から取り出した地絡電圧信号を整流回路３２を通して整流する。
この整流信号に含まれるリップル分を取り除くため、抵抗RとコンデンサCを使用したCR回路等で構成されたリップル除去回路３３を介して、地絡判定部１７へ直流信号を渡す。

この実施の形態８の地絡検出装置によれば、整流回路３２を抵抗１５の両端から引き出した電圧信号に適用したため、実施の形態２、３、４で適用した変圧器１９が不要となる。但し、直流電源を強制的に印加することはしていないので、運転中のみの監視となる。

１ 二重給電同期機、４ 電力系統、５ 交流励磁装置、８ 地絡検出回路、
９、１１ 抵抗、１０ 模擬中性点、１２ 地絡検出器（地絡検出リレー回路）、
１３ 地絡点、１４ 地絡電流回路、１５ 抵抗、１６ 一次遅れフィルタ、
１７ 地絡判定部、１８ 交流電源、 １９ 変圧器、２０、３２ 整流回路、
２１ すべり周波数成分除去演算部、２２ 地絡電圧信号、２３ 微分回路、
２４ 減算器、２５ 地絡判別信号、２６ ピークホールド回路、
２７ アレスタ、２８ 断線、２９ 過電圧検出器、３０ コンタクタ、
３１ 地絡検出器（地絡検出リレー回路）、３３ リップル除去回路

Claims (4)

1. 固定子巻線が電力系統に接続され、回転子巻線が可変周波数の電力変換器からなる交流励磁装置に接続され、系統周波数と回転子の回転速度との差に相当する周波数（すべり周波数）を持った交流励磁電流が前記交流励磁装置から前記回転子巻線に供給されるよう構成された二重給電同期機において、
   前記回転子巻線と前記電力変換器とを接続する界磁回路から分岐して、抵抗を介して形成された模擬中性点回路と、この模擬中性点回路の中性点を抵抗を介して接地する抵抗接地回路と、この抵抗接地回路に設けられ、前記回転子巻線と電力変換器を含む界磁回路の１線地絡発生時に、この抵抗接地回路に流れる地絡電流を検出し、前記界磁回路の地絡を検出する地絡検出器を備え、
   前記地絡検出器は、地絡電流に重畳される直流成分を前記抵抗接地回路に供給するための整流器からなる直流電源部と、地絡電流に含まれるすべり周波数成分のピーク値を保持し続けて直流信号として出力するピークホールド回路と、このピークホールド回路のピーク値をレベル判定して１線地絡を検出する地絡判定部を備えたことを特徴とする二重給電同期機の地絡検出装置。
2. 前記抵抗接地回路の地絡検出器と並列にアレスタを設けたことを特徴とする請求項１に記載の二重給電同期機の地絡検出装置。
3. 前記抵抗接地回路の抵抗と地絡検出器の間に、前記地絡検出器に印加される過電圧を検出する過電圧検出器と、この過電圧検出器が過電圧を検出した時に開路して前記地絡検出器を抵抗接地回路から切り離すコンタクタを備えたことを特徴とする請求項１に記載の二重給電同期機の地絡検出装置。
4. 前記地絡検出回路を二重化することで断線による電圧上昇を防ぐことを特徴とする請求項１に記載の二重給電同期機の地絡検出装置。

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