JP5727396B2 - 保護継電装置 - Google Patents

Description

本発明は、保護継電装置に関する。

電力系統に接続される保護対象の電気回路、例えば、発電所などに設置される各種機器を保護するために多くの保護継電器が使用される。電力系統に接続される、保護対象としての主回路は、その構成が発電所毎にそれぞれ異なる。

従って、従来の発電所または変圧器などを保護するための保護リレー装置は、全ての発電所の主回路に適応できるように、いわゆる装置型のディジタル保護継電装置として構成されている（特許文献１）。

従来の装置型のディジタル保護継電装置は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）基板の種類及び搭載枚数、コンピュータプログラム、入力点数及び出力点数、ＶＣＴ（Voltage and Current Transformer）入力変換器の構造等を、適用する発電所ごとに毎回設計変更して対応している。

なお、ハードウェアを機能毎に分割してマザーボードに着脱可能に取り付けることができるようにした保護継電装置も知られている（特許文献２）。

特開２０１１−３６０５９号公報 特開２００９−１９３１０５号公報

保護継電装置で保護しようとする主回路の構成は、発電所毎に大きく異なるため、保護用の回路（保護要素）の種類も多種にわたる。従って、従来技術における装置型の保護継電装置では、ハードウェア構成、及び、コンピュータプログラムまたはシーケンサプログラム等を、適用先の発電所毎に大きく設計変更する必要があった。

特許文献２の従来技術では、ハードウェアを機能毎に分割しているが、入力変換器の種類の組合せは膨大であるため、入力変換器の種類を限定することは難しい。その従来技術では、少ないモジュールで保護対象の電気回路に幅広く対応することができない。

そこで、本発明の目的は、より幅広い電気回路の保護に適用することができ、かつ、設計変更の手間を軽減できるようにした保護継電装置を提供することにある。

上記課題を解決すべく、本発明に係る保護継電装置は、電力系統に接続される所定の電気回路を保護するための保護継電装置であって、複数の保護回路機能を内蔵しており、複数の保護回路機能は、電力系統に直接的にまたは間接的に接続するための複数の接続端子に予め対応付けられている。

所定の電気回路とは、保護継電装置の保護対象となる電気回路であって、例えば、発電所の主回路などを挙げることができる。保護回路機能とは、所定の電気回路を保護するための保護回路の有する機能であり、例えば、差動電流リレー機能、界磁喪失リレー機能などを挙げることができる。電力系統に直接的にまたは間接的に接続するとは、電力系統に直接的に接続して電流値または電圧値を計測する場合のみならず、他の回路（保護回路、他の保護継電装置）を介して電流値または電圧値を計測する場合も含む意味である。

保護継電装置は、ベース部と、ベース部に着脱可能に設けられる制御部と、ベース部に着脱可能に設けられる入力部と、ベース部に着脱可能に設けられるディジタル入出力部と、を備えるユニット型の保護継電装置として構成してもよい。複数の保護回路機能は、入力部の有する複数の接続端子に予め対応付けられており、複数の保護回路機能のうち、複数の接続端子のうち使用されている接続端子に対応する保護回路機能が作動する。

入力部は、第１入力部と、第２入力部とを備えており、第１入力部の有する複数の第１接続端子には、複数の第１の保護回路機能が予め対応付けられており、第２入力部の有する複数の第２接続端子には、複数の第２の保護回路機能が予め対応付けられており、複数の第１の保護回路機能は、所定の電気回路への適用範囲が広い保護回路機能の中から選択されており、複数の第２の保護回路機能は、所定の電気回路への適用範囲が複数の第１の保護回路機能よりも狭い保護回路機能の中から選択される、という構成でもよい。

本発明によれば、所定の電気回路を比較的簡易な構成で保護することができる。

保護継電装置の全体概要図。 基本ユニットの概略構成図。 付属ユニットの概略構成図。 発電機の主回路を示す回路図。 標準モジュールの機能構成図。 準標準モジュールの機能構成図。 他の準標準モジュールの機能構成図。 さらに別の準標準モジュールの機能構成図。 特殊モジュールの機能構成図。

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。本実施形態では、以下に詳述するように、各発電所毎に保護継電装置を適用するための設計変更を少なく抑えることができるようになっている。本実施形態によれば、いわゆるタンデム、クロス、コンバインド等の種々の火力発電の主回路に適応できる。本実施形態の保護継電装置は、直接接地系の発電機、および、抵抗接地系の発電機のいずれにも適応できる。さらに、本実施形態の保護継電装置は、発電機の起動方式が、サイリスタ起動方式、または、半速度２軸同期方式のいずれにも適応できる。

但し、実施形態の記載は、本発明の理解及び実施に必要な範囲で本発明の構成を示したものであり、本発明の範囲は、実施形態の構成に限定されない。

図１は、発電機の保護回路を収容する制御盤１００の概略構成を示す。制御盤１００には、複数の保護継電装置１０１（１）、１０１（２）、１０２を収容して、電力系統に電気的に接続することができる。

保護継電装置１０１（１）、１０１（２）は、基本ユニットの保護継電装置である。以下、基本ユニット１０１と略記する。基本ユニット１０１は、複数の（多数の）主回路の回路図を解析して得られた知見に基づいて構成されている。基本ユニット１０１は、できるだけ多くの主回路の保護に使用できるように、使用頻度の高い保護回路機能を内蔵している。基本ユニット１０１は、例えば、ベース部１１０と、第１入力変換回路部１１１と、第２入力変換回路部１１２と、出力回路部１１３と、制御部１１４とを備える。

付属ユニットの保護継電装置１０２は、基本ユニット１０１のみでは対応できない場合に使用されるものである。以下、付属ユニット１０２と略記する。付属ユニット１０２は、基本ユニット１０１と同様に、ベース部１１０と、第１入力変換回路１１１と、出力回路１１３とを備えるが、第２入力変換回路部１１２は備えていない。

ベース部１１０は、各回路部１１１、１１２、１１３、１１４を着脱可能に取り付けるためのもので、各回路部１１１〜１１４を電気的に接続するためのコネクタ及びバス（いずれも図示せず）を備えている。

各入力変換回路部１１１、１１２には、電力系統で検出される入力信号（電流信号、電圧信号、周波数信号）が入力される。各入力変換回路部１１１、１１２の構成例は、後述する。

ディジタル入出力部１１３は、例えば遮断器または他の保護継電装置等に向けて、信号を出力するものである。制御部１１４は、入力変換回路部１１１、１１２に入力された各種信号に基づいて、演算処理を行い、演算結果をディジタル入出力部１１３から出力する。

図２を参照して、基本ユニット１０１の構成例を説明する。上述の通り、基本ユニット１０１は、複数の入力変換回路部１１１、１１２を有する。第１入力変換回路部１１１には、予め用意されている一つの標準モジュールＭ１が装着される。標準モジュールＭ１は、ほぼ全ての発電所において使用されている基本的な保護回路機能（必須の保護回路機能と呼ぶこともできる）を複数備えている。標準モジュールＭ１の有する保護回路機能は、図５で後述する。

第２入力変換回路部１１２には、予め用意されている複数の準標準モジュールＭ２、Ｍ３、Ｍ４の中からいずれか一つが選択されて装着される。準標準モジュールＭ２〜Ｍ４は、標準モジュールＭ１が内蔵する基本的保護回路機能に準じた、他の複数の保護回路機能をそれぞれ複数ずつ内蔵している。

準標準モジュールＭ２〜Ｍ４に内蔵される保護回路機能を、基本的保護回路機能と区別するために、ここでは補助的保護回路機能と呼ぶ。各準標準モジュールＭ２〜Ｍ４は、それぞれ異なる補助的保護回路機能を複数ずつ備えている。

従って、基本ユニット１０１の組合せは、標準モジュールＭ１と第１の準標準モジュールＭ２、標準モジュールＭ１と第２の準標準モジュールＭ３、標準モジュールＭ１と第３の準標準モジュールＭ４、の合計３種類となる。基本ユニット１０１の有する３種類の組合せに、１つの付属ユニット１０２を加えることで、全体として４種類のパターンを得ることができる。

このように、本実施例の基本ユニット１０１は、一つの標準モジュールＭ１と、準標準モジュールＭ２〜Ｍ４の中から主回路の構成等に応じて選択されるいずれか一つの準標準モジュールとを備える。

なお、本実施例では、３個の準標準モジュールＭ２〜Ｍ４を例示したが、２個または４個以上の準標準モジュールの中から、２個以上の準標準モジュールを選択する構成でもよい。また、ディジタル入出力部１１３を複数設ける構成にしてもよいし、図示する回路部１１１〜１１４以外の他の回路部をベース部１１０に取り付ける構成でもよい。

図３は、付属ユニット１０２の構成例を示す。付属ユニット１０２は、機械的及び電気的構造は、基本ユニット１０１と同様である。但し、付属ユニット１０２では、第１入力変換回路部１１１に、予め用意された特殊モジュールＭ１０、Ｍ１１の中からいずれか一つが選択されて装着される。付属ユニット１０２の第２入力変換回路部１１２には、例えば、塵埃防止のためのカバーなどを取り付けることはできるが、回路部モジュールは何も装着されない。付属ユニット１０２は、基本ユニット１０１だけでは対応できない場合に、例外的に、部分的に使用される。

図４は、発電機を保護するための主回路を示す。図４は、複数の主回路の単線結線図から、必要な要素を抽出して１つの単線結線図上にまとめたものである。図４には、多種の保護要素（保護回路機能）の中から、幅広く適応できる保護要素が抽出されて表示されている。

火力発電所または水力発電所等の発電所などに設置された三相交流電源（発電機）１は、変圧器昇圧トランス４及び遮断器３０を介して、母線４０に接続されている。三相交流電源１と母線４０とを結ぶ線路の途中には、複数のＣＴ（計器用変流器）及びＶＴ（計器用変圧器）が設置されている。各ＣＴは、ディジタル保護継電装置（保護リレーと呼ぶこともできる）に接続されている。

図４中、符号３はエキサイダートランス、符号５は比率差動リレー（８７Ｇ）、符号６は逆相過電流リレー（４６Ｇ）、符号７は界磁地絡リレー（４０Ｇ）、符号８は距離リレー（４４Ｇ）、符号９は逆電力リレー（６７Ｇ）、符号１０は過電圧リレー（５１Ｇ）、符号１１は電圧平衡リレー（６０Ｇ）、符号１２は過励磁保護リレー（５９Ｖ／）、符号１３は周波数リレー（９５ＧＨ）、符号１４は周波数リレー（９５ＧＬ）、符号１５は過電圧リレー（５９Ｇ）、符号１６は起動時の過電流保護リレー（５０Ｐ）である。

さらに、符号２１は地絡の比率差動リレー（８７ＧＧ）、符号２２は地絡の過電圧リレー（６４ＰＧ）、符号２３は地絡の過電圧リレー（６４Ｇ）、符号２４は起動時の過電流保護リレー（５０Ｐ）、符号２５は地絡保護リレー（５１ＮＧ）、符号２６、２７は地絡の過電流保護リレー（５１ＧＮＧ）、符号２８は起動時の過電流保護リレー（５０Ｐ）である。符号５０は接地抵抗である。

図４に示す種々の保護要素６〜１６、２１〜２８を備えるため、いわゆるタンデム、クロス、コンバインドの全ての火力発電の主回路に適応できる。特に、例えば、各要素６４Ｇ、６４ＰＧ、８７ＧＧ、５１ＮＧ、５１ＧＮＧを有するため、発電機が直接接地系または抵抗接地系のいずれの場合にも対応できる。さらに、要素５０Ｐを有することで、発電機の起動方式がサイリスタ起動方式または半速度２軸同期方式のいずれであっても対応できる。

図５は、基本ユニット１０１の第１入力変換回路部１１１に装着される標準モジュールＭ１の機能構成例を示す。標準モジュールＭ１は、例えば９点の入力端子（接続端子）を備える。本実施例では、各モジュールはそれぞれ９点ずつ信号を入力できる。

各端子には、それぞれ定格電流または定格電圧が設定されている。各モジュールの各端子には、上述した８７Ｇ等の各種保護回路機能のうち、所定の保護回路機能が予め対応付けられている。例えば、図５に示す標準モジュールＭ１の場合、端子番号１〜端子番号６の６つの端子は、地絡比率差動リレー８７Ｇの入力（主変圧器側の３点（＃１〜＃３）と、中性点側の３点（＃４〜＃６））用に割り当てられている。

他の３つの端子（＃７〜＃９）は、上述の要素４６Ｇ、４０Ｇ、４４Ｇ、６７Ｇ、５１Ｇ、５７Ｇ、５６、６７に割り当てられている。端子＃７〜＃９に信号線を接続することで、標準モジュールＭ１のうち、端子＃７〜＃９に対応する回路は、要素４６Ｇ、４０Ｇ、４４Ｇ、６７Ｇ、５１Ｇ、５７Ｇ、５６、６７のうちのいずれかとして機能する。

基本ユニット１０１の第１入力変換回路部１１１に装着される標準モジュールＭ１は、全ての発電機の保護回路で必ず使用される、基本的保護回路機能（必須の保護回路機能）だけを備えている。なお、図５の下側に標準モジュールＭ１Ａとして示すように、端子番号と基本的保護回路機能との対応付けを変更することもできる。

図６〜図８は、基本ユニット１０１の第２入力変換回路部１１２に装着される準標準モジュールＭ２〜Ｍ４の機能構成例を示す。準標準モジュールＭ２〜Ｍ４には、発電所毎に使われ方の異なる補助的な保護回路機能が内蔵されている。準標準モジュールＭ２〜Ｍ４も９つの端子を備えており、それぞれの端子には、予め補助的保護回路機能が対応付けられている。

補助的保護回路機能としては、例えば、６０Ｇ、５９Ｖ／Ｆ、９５ＧＨ、９５ＧＬ、５９Ｇ、４０Ｇ、４４Ｇ、６０Ｇ、８７ＧＧ、８７ＧＧ、５１ＮＧ、５１ＧＮＧ、６４ＰＧ等を挙げることができる。

ほとんどの主回路には、標準モジュールＭ１と準標準モジュールＭ２〜Ｍ４のいずれか一つとを組み合わせてなる基本ユニット１０１だけで対応可能であるが、基本ユニット１０６のみで適応できない特殊な主回路もあり得る。そこで、本実施例では、そのような特殊な主回路については、特別に用意された付属ユニット１０２で対応する。

図９は、付属ユニット１０２に装着される特殊モジュールＭ１０の一例である。特殊モジュールＭ１０の端子には、特殊な保護回路機能が対応付けられている。特殊な保護回路機能としては、例えば、要素５０Ｐ（定格１Ａ、１０〜５０Ｈｚの低周波入力に対応）、要素５０Ｐ（定格５Ａ、１０〜５０Ｈｚの低周波入力に対応）、要素５１ＧＮＧ（定格５Ａ、ＣＴ以外で使用）等がある。

本実施例は、上述のように、複数の主回路の単線結線図を解析して、多種の保護回路機能の中から、幅広く適応できる所定の保護回路機能を抽出して、基本ユニット１０１を構成した。従って、基本ユニット１０１の構成パターンを４通りに限定することができ、保護継電装置の設計コストを低下させることができる。

本実施例では、基本ユニット１０１に標準モジュールＭ１及び準標準モジュールＭ２〜Ｍ４のうちいずれか所望の一つを装着し、所定の端子に信号線を接続するだけで、所望の保護回路機能だけを選択して使用することができる。従って、種々の発電所にも少ない設計変更で対応することができる。

なお、本実施例では、発電所適応毎の設計変更が必要になる、インターロックのロジック回路とトリップ出力回路（ORもしくはAＮD）のみ、カスタマイズできるように構成することもできる。

さらに、本実施例では、各モジュールＭ１、Ｍ２〜Ｍ４、Ｍ１０内に複数種類の保護回路機能を内蔵させるため、より少ない数の保護継電装置１０１，１０２で、種々の発電所に対応することができる。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されない。当業者であれば、本発明の範囲内で、種々の追加や変更等を行うことができる。

１０１：基本ユニット、１０２：付属ユニット、１１１：第１入力変換回路部、１１２：第２入力変換回路部、Ｍ１：標準モジュール、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４：準標準モジュール、Ｍ１０、Ｍ１１：特殊モジュール

Claims (3)

1. 電力系統に接続される所定の電気回路を保護するための保護継電装置であって、
   ベース部と、
   前記ベース部に着脱可能に設けられる制御部と、
   前記ベース部に着脱可能に設けられる入力部であって、第１入力部と第２入力部を備える入力部と、
   前記ベース部に着脱可能に設けられるディジタル入出力部と、
   を備え、
   前記電力系統に直接的にまたは間接的に接続するための前記入力部の有する複数の接続端子に予め対応付けられる複数の保護回路機能を内蔵しており、
   前記複数の接続端子のうち前記第１入力部の有する複数の第１接続端子には、前記複数の保護回路機能のうち複数の第１の保護回路機能が予め対応付けられており、
   前記複数の接続端子のうち前記第２入力部の有する複数の第２接続端子には、前記複数の保護回路機能のうち複数の第２の保護回路機能が予め対応付けられており、
   前記複数の第１の保護回路機能は、前記所定の電気回路への適用範囲が広い保護回路機能の中から選択されており、
   前記複数の第２の保護回路機能は、前記所定の電気回路への適用範囲が前記複数の第１の保護回路機能よりも狭い保護回路機能の中から選択されており、
   前記複数の保護回路機能のうち、前記複数の接続端子のうち使用されている接続端子に対応する保護回路機能が作動するようになっており、さらに、
   予め用意されている複数種類の第２入力部の中から、前記ベース部に取り付ける第２入力部がいずれか一つ選択される、
   保護継電装置。
2. 前記複数の第１接続端子と前記複数の第１の保護回路機能との対応関係、または、前記複数の第２接続端子と前記複数の第２の保護回路機能との対応関係の少なくともいずれか一方の対応関係は変更可能である、
   請求項１に記載の保護継電装置。
3. 前記複数の第１の保護回路機能には、少なくとも差動電流リレー機能と、界磁喪失リレー機能とが含まれる、
   請求項２に記載の保護継電装置。

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