JP6022195B2 - 保護継電装置 - Google Patents

Description

本発明は、保護継電装置に係り、特に単相交流電路を保護するに好適な保護継電装置に関する。

従来から、鉄道用高速大容量の交流き電方式として、単巻変圧器を用いた交流き電方式（ＡＴき電方式）が広く用いられている。このＡＴき電方式は、大容量の電力供給が可能で、電磁誘導作用による付近の通信線へ及ぼす障害を軽減することができる。

この方式では、変電所の交流電源に接続されたトロリ線とフィーダ線との間に単巻変圧器を設置し、軌条（レール）を中性線として単巻変圧器に接続し、軌条上を走行する電気車に対してトロリ線から単相電力を供給する構成である。この方式では、単巻変圧器のトロリ線側とフィーダ線側の巻数比が１：１であるため、トロリ線とフィーダ線の対地電圧は等しくなっている。

このような従来の１：１き電方式のき電回路では、短絡、地絡などの事故が発生したときの保護方式として、例えば、トロリ線側に計器用変流器（ＣＴ１）と計器用変圧器（ＰＴ）を設置し、フィーダ線側に計器用変流器（ＣＴ２）を設置する。

ここで、通常状態では、変流器（ＣＴ１）で検出される検出値と変流器（ＣＴ２）で検出される検出値とは大きさが等しく極性が逆である。保護継電装置では変流器（ＣＴ１）の検出値と変流器（ＣＴ２）の検出値の各々の絶対値を加算し、その加算値で計器用変圧器で検出される電圧値を除することにより線路のインピーダンスを求め、このインピーダンスをあらかじめ設定される所定値と比較する。

通常状態では、前述の演算で求めた線路のインピーダンスは一定であるが、短絡などの事故時には大電流がトロリ線とフィーダ線に流れるため、インピーダンスが０近くになり、保護継電装置が動作して保護を行なうようにしている（特許文献１）。

特開平７−２１５１０３号公報

ところで、デジタル保護継電装置においては、監視対象が三相交流回路であれば、対称座標法にしたがって、対象となる三相交流回路の零相電流、零相電圧、あるいは各相間の平衡度を監視することにより、検出信号を入力するアナログ入力チャンネルの健全性を確認することができる。

しかしながら、監視対象が交流き電回路等に用いられる単相交流回路においては、前記三相交流回路における入力回路の健全性監視の手法、すなわち、対称座標法により導出される零相電圧、零相電流の監視、あるいは各相成分の平衡度監視による健全性監視の手法を適用することができない。

このため、現在では、検出信号を入力する入力チャンネルを二重化し、二重化した入力チャンネルのそれぞれから得られたアナログ量を比較し、その不一致を監視することにより入力チャンネル（アナログ入力チャンネル）の健全性を監視している。

図２は、保護継電装置におけるアナログ入力チャンネルの健全性を監視する監視装置を説明する図である。

図２において、２１ａは、Ｍ座巻線のトロリ線側電流検出器（変流器）であり、三相交流を二相交流に変換するスコット結線変圧器を構成する２つの２次巻線のうち一方の巻線であるＭ座巻線のトロリ線側電流を検出する。２１ｂは、Ｍ座巻線のフィーダ線側電流検出器（変流器）であり、Ｍ座巻線のフィーダ線側電流を検出する。

２１ｃは、Ｔ座巻線のトロリ線側電流検出器（変流器）であり、Ｔ座巻線のトロリ線側電流を検出する。２１ｄは、Ｔ座巻線のフィーダ線側電流検出器（変流器）であり、Ｔ座巻線のフィーダ線側電流を検出する。

ここで、Ｍ座巻線の一方の出力端は、例えば、上り方面線路のトロリ線に供給し、他方端は上り方面線路のフィーダ線に供給し、Ｍ座巻線の中点は上り方面線路の軌条に接続する。

同様に、Ｔ座巻線の一方の出力端を例えば、下り方面線路のトロリ線に供給し、他方端を下り方面線路のフィーダ線に供給し、Ｍ座巻線の中点は下り方面線路の軌条に接続する。

図２において、Ｍ座巻線のトロリ線に流れる電流を検出する電流検出器２１ａの出力は、Ａ／Ｄ変換器２２ａ、２２ｂによりＡ／Ｄ変換する。デジタル信号に変換された検出出力はそれぞれ監視装置に伝送する。監視装置の判定部では、Ａ／Ｄ変換器２２ａ、２２ｂの出力の偏差を減算器２３ａにより演算し、その偏差を予め設定した監視判定レベルＶｃと比較する。これにより、アナログ入力チャンネル（Ａ／Ｄ変換器）の異常を監視することができる。

このように、電流検出器、電流検出器の出力をそれぞれＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器、Ａ／Ｄ変換器の出力の偏差を演算する減算器、減算器の出力を予め設定した判定レベルと比較する比較器を、Ｍ座トロリ線およびＭ座フィーダ線を備えたＭ座の給電回路、並びにＴ座トロリ線およびＴ座フィーダ線を備えたＴ座の給電回路毎に備えることにより、各給電線回路毎にアナログ入力チャンネルの健全性を監視することができる。

このように、電流検出器からの検出信号を伝送する入力チャンネルを二重化し、二重化した伝送のそれぞれから得られたアナログ量を比較し、その不一致を監視することによりアナログ入力チャンネル(Ａ／Ｄ変換器）の健全性を監視することはできる。しかし、このような構成をとると、アナログ入力チャンネルの数が、必要とされる入力チャンネル数の２倍必要となり、装置の構成が煩雑となる。

本発明は、これらの問題点を鑑みてなされたもので、その技術的課題は、交流き電回路等に用いられる単相交流回路に適用される保護継電装置においても、アナログ入力チャンネルの健全性を簡易な構成で監視することのできるデジタル形保護継電装置を提供するものである。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

交流電源電圧を変圧する変圧器の２次巻線の一方の巻線端から得られる交流電圧をトロリ線に接続し、他方の巻線端から得られる交流電圧をフィーダ線に接続し、当該２次巻線の中点から得られる電圧を軌条に供給する交流き電回路を保護対象とする保護継電装置において、前記トロリ線に流れる電流および前記フィーダ線に流れる電流をそれぞれ検出する電流検出器と、前記電流検出器で検出された出力電流をそれぞれＡ／Ｄ変換して出力するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器の出力を入力して前記交流き電回路を保護する保護リレーと、を備えた単相交流電路の入力チャンネルと、前記入力チャンネルにそれぞれ流れる電流を監視する入力チャンネル監視装置と、を備え、前記入力チャンネル監視装置は、前記保護リレーの出力に所定のシーケンス演算を施して保護出力を行うシーケンス演算器と、前記Ａ／Ｄ変換器の出力の偏差を演算する減算器と、前記減算器で演算された前記偏差を予め設定された所定値と比較した結果、当該偏差が当該所定値以上であるときに異常判定信号を出力する比較器と、前記シーケンス演算器からの前記保護出力と前記比較器からの前記異常判定信号との論理和を出力する論理和回路と、を備え、且つ当該比較器からの当該異常判定信号を監視して前記トロリ線または前記フィーダ線の断線または地絡、あるいは前記入力チャンネルの断線または地絡を検出することを特徴とする。

本発明は、以上の構成を備えるため、交流き電回路等に用いられる単相交流回路に適用される保護継電装置におけるアナログ入力量の健全性を簡易な構成（アナログ入力チャンネルを二重化しなくとも）で監視することができる。

第１の実施形態にかかる保護継電装置を説明する図である。 保護継電装置におけるアナログ入力回路の健全性を監視する監視装置を説明する図である 第２の実施形態にかかる保護継電装置を説明する図である。

以下、実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、第１の実施形態にかかる保護継電装置を説明する図であり、図１（ａ）は保護対象である交流き電回路を説明する図、図１（ｂ）は監視装置を説明する図である。

図１において、Ｒ，Ｓ，Ｔは三相交流電源端子，Ｔｒは三相交流を二相交流に変換するスコット結線（Ｔ結線）変圧器であり、該変圧器はＭ座変圧器とＴ座変圧器を備える。

Ｍ座変圧器の２次巻線の一方端ｕを、例えば上り方面線路のトロリ線Ｔ１に供給し、他方端−ｕを上り方面線路のフィーダ線Ｆ１に供給する。また、Ｍ座変圧器の２次巻線の両端間には単巻き変圧器ＡＴ１を接続し、この単巻き変圧器ＡＴ１の中点を軌条（レール）Ｒ１に接続する。

同様にＴ座変圧器の２次巻線の一方端ｖは、例えば下り方向線路のトロリ線Ｔ２に供給し、他方端−ｖを下り方向線路のフィーダ線Ｆ２に供給する。また、Ｔ座変圧器の２次巻線の両端間には単巻き変圧器ＡＴ２を接続し、この単巻き変圧器ＡＴ２の中点を軌条（レール）Ｒ２に接続する。即ち、トロリ線Ｔ１及びフィーダ線Ｆ１の間、並びにトロリ線Ｔ２及びフィーダ線Ｆ２の間には、それぞれ単巻き変圧器ＡＴ１、ＡＴ２を挿入し、これらの単巻き変圧器ＡＴ１、ＡＴ２の中点を軌条Ｒ１、Ｒ２に接続することができる。

ここで、電車は、車輪およびパンタグラフを介して軌条とトロリ線間に接続され、トロリ線から電力の供給を受けて駆動用電動機を駆動する。このとき電車に流れる電流は、前記トロリ線の給電端に配置した変圧器およびトロリ線の終端側に配置した単巻き変圧器を介して供給され、フィーダ線にはトロリ線と等しい電流が流れる。

図１（ｂ）に示す監視装置において、２１ａはＭ座巻線のトロリ線に流れる電流を検出する電流検出器、２１ｂはＭ座巻線のフィーダ線に流れる電流を検出する電流検出器、３２ａ、３２ｂは電流検出器２１ａ、２１ｂの出力をそれぞれＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器、３３ａはＡ／Ｄ変換器３２ａ、３２ｂの出力の偏差を演算する減算器、３４ａは減算器２１ｄの出力を予め設定した監視判定レベルＶｃと比較して、偏差が設定値以上であるとき、異常判定信号を出力する比較器である。

このため、比較器出力を監視することにより、トロリ線あるいはフィーダ線のいずれかか一方に断線または地絡があることが検出できる。あるいは前記トロリ線あるいはフィーダ線の電流を検出して監視装置の判定部に伝送する経路に断線または地絡があること、すなわちアナログ入力チャンネルの健全性を判定することができる。
同様に、図１（ｂ）に示す監視回路において、２１ｃはＭ座巻線のトロリ線に流れる電流を検出する電流検出器、２１ｄはＭ座巻線のフィーダ線に流れる電流を検出する電流検出器、３２ｃ、３２ｄは電流検出器２１ｃ、２１ｄの出力をそれぞれＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器、３３ｂはＡ／Ｄ変換器３２ｃ、３２ｄの出力の偏差を演算する減算器、３４ｂは減算器３３ｂの出力を予め設定した判定レベルＶｃと比較して、偏差が設定値以上であるとき、異常判定信号を出力する比較器である。

このため、比較器出力を監視することにより、トロリ線あるいはフィーダ線のいずれかか一方に断線または地絡があることが検出できる。あるいは前記トロリ線あるいはフィーダ線の電流を検出して監視装置の判定部に伝送する経路に断線または地絡があることが検出できる。

前述したように、Ｍ座巻線のトロリ線に流れる電流を検出する電流検出器２１ａの検出値と、Ｍ座巻線のフィーダ線に流れる電流検出器２１ｂの検出値は通常時において一致する。また、Ｔ座巻線のトロリ線に流れる電流を検出する電流検出器２１ｃの検出値と、Ｔ座巻線のフィーダ線に流れる電流検出器２１ｄの検出値は通常時において一致する。

このため、例えば、Ｍ座トロリ線、Ｍ座フィーダ線に流れる電流をそれぞれ検出する電流検出器、電流検出器の出力をそれぞれＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器、Ａ／Ｄ変換器の出力の偏差を演算する減算器を備え、減算器の出力を予め設定した監視判定レベルと比較することにより、トロリ線あるいはフィーダ線のいずれか一方に断線または地絡があることが検出できる。あるいは前記トロリ線あるいはフィーダ線の電流を検出して保護リレーに伝送する経路に断線または地絡があることが検出できる。

ところで、前述したように、ＡＴき電方式は、変電所の交流電源に接続されたトロリ線とフィーダ線との間に単巻変圧器を設置し、軌条（レール）を中性線として単巻変圧器に接続し、軌条上を走行する電気車に対してトロリ線から単相電力を供給する構成である。 この方式では、単巻変圧器のトロリ線側とフィーダ線側の巻数比が１：１であるため、トロリ線２とフィーダ線３の対地電圧は等しくなっている。また、フィーダ線にはトロリ線と等しい電流が流れる。

ここで、本実施形態におけるＡＴき電回路（例えば、Ｍ座巻線、Ｍ座巻線の一方端に接続される上り方面線路のトロリ線、Ｍ座巻線の他方端に接続される上り方面線路のフィーダ線、Ｍ座巻線に中点に接続される上り方面線路の軌条）は単相三線式給電回路を構成している。すなわち、本実施形態の監視装置は、単相交流回路に適用できることがわかる。

図３は、第２の実施形態を説明する図である。本実施形態においては、入力チャンネルを監視する入力チャンネル監視装置が入力チャンネルの異常を検知したとき、入力チャンネル監視装置の出力（比較器３４ａの出力）を、ＯＲ回路３８ａを介して出力する。これにより、入力チャンネルの障害に基づく保護リレー３６ａ、３６ｂの誤動作が、他に影響することはないようにしている。

図３において、５０、５１は、ＡＴき電回路を監視し保護する保護継電装置を構成する制御板である。なお、図３において図１ないし図２に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。

図３において、３１ａ、３１ｂは電流検出器２１ａ，２１ｂの出力電流をＡ／Ｄ変換器３２ａ，３２ｂが扱いやすい値に変換する入力変換器、３６ａ、３６ｂは、それぞれＡ／Ｄ変換されたトロリ線電流、フィーダ線電流を入力する保護リレー、３７ａは保護リレー３６ａ、３６ｂの出力に所定のシーケンス演算を施して保護出力（例えば遮断器を開路するトリップ信号）を生成するシーケンス演算器である。

なお、図３では同一構造の制御板５０，５１を備え、各制御板５０，５１の出力をＡＮＤ回路３９を介して合成し、この合成出力を保護継電装置の装置出力としている。

アナログ入力回路の健全性を監視する監視出力である比較器３４ａの出力は前記ＯＲ回路３２ａに供給される。このため、例えば、制御板５０の監視結果が不良の場合、アンド回路３９の一方の入力は常時付勢される。このため、保護動作は制御板５０と同一構造の制御板５１の出力により行われることになる。

以上説明したように、本発明の第１の実施形態によれば、前記Ａ／Ｄ変換器の出力の偏差を予め設定した判定レベルと比較し、偏差が判定レベル以上であるとき、トロリ線あるいはフィーダ線のいずれか一方に断線または地絡があることが検出できる。あるいは前記トロリ線あるいはフィーダ線の電流を検出して判定部に伝送する経路に断線または地絡があることが検出できる。すなわち、保護継電装置におけるアナログ入力チャンネルの健全性をアナログ入力回路を二重化することなく簡易な構成で監視することができる。

また、第２の実施形態によれば、トロリ線に流れる電流および前記フィーダ線に流れる電流をそれぞれ検出して交流き電回路を保護する保護リレー、並びに前記トロリ線に流れる電流および前記フィーダ線に流れる電流をそれぞれ検出して交流き電回路を保護する保護リレーに伝送する入力チャンネルを監視する入力チャンネル監視装置を備え、入力チャンネル監視装置は、検出した電流の偏差を演算し、偏差を予め設定した所定値と比較した結果、偏差が所定値以上であるときの異常判定信号に基づいて、前記何れかトロリ線あるいはフィーダ線の断線または地絡、あるいは前記入力チャンネルの断線または地絡を検出することができる。すなわち、保護継電装置におけるアナログ入力チャンネルの健全性をアナログ入力回路を二重化することなく簡易な構成で監視することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。

Ｔｒ スコット結線変圧器
ＡＴ１、ＡＴ２ 単巻き変圧器
Ｔ１、Ｔ２ トロリ線
Ｆ１、Ｆ２ フィーダ線
２１ａ Ｍ座トロリ線電流検出器
２１ｂ Ｍ座フィーダ線電流検出器
２１ｃ Ｔ座トロリ線電流検出器
２１ｄ Ｔ座フィーダ線電流検出器
３１ａ、３１ｂ 入力変換器
３２ａ、３２ｂ Ａ／Ｄ変換器
３６ａ、３６ｂ 保護リレー
３７ａ シーケンス演算器
３８ａ ＯＲ回路
３９ ＡＮＤ回路

Claims (4)

1. 交流電源電圧を変圧する変圧器の２次巻線の一方の巻線端から得られる交流電圧をトロリ線に接続し、他方の巻線端から得られる交流電圧をフィーダ線に接続し、当該２次巻線の中点から得られる電圧を軌条に供給する交流き電回路を保護対象とする保護継電装置において、
   前記トロリ線に流れる電流および前記フィーダ線に流れる電流をそれぞれ検出する電流検出器と、前記電流検出器で検出された出力電流をそれぞれＡ／Ｄ変換して出力するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器の出力を入力して前記交流き電回路を保護する保護リレーと、を備えた単相交流電路の入力チャンネルと、前記入力チャンネルにそれぞれ流れる電流を監視する入力チャンネル監視装置と、を備え、
   前記入力チャンネル監視装置は、前記保護リレーの出力に所定のシーケンス演算を施して保護出力を行うシーケンス演算器と、前記Ａ／Ｄ変換器の出力の偏差を演算する減算器と、前記減算器で演算された前記偏差を予め設定された所定値と比較した結果、当該偏差が当該所定値以上であるときに異常判定信号を出力する比較器と、前記シーケンス演算器からの前記保護出力と前記比較器からの前記異常判定信号との論理和を出力する論理和回路と、を備え、且つ当該比較器からの当該異常判定信号を監視して前記トロリ線または前記フィーダ線の断線または地絡、あるいは前記入力チャンネルの断線または地絡を検出することを特徴とする保護継電装置。
2. 請求項１記載の保護継電装置において、
   前記入力チャンネル監視装置は２系統備えられて２系統の論理和回路の論理和出力を論理積回路に入力して当該論理積回路での論理積出力を装置出力とし、第１の系統の入力チャンネル監視装置が当該第１の系統に係る入力チャンネルを異常判定したときに当該第１の系統に係る保護リレーの誤動作の影響を排除し、第２の系統の入力チャンネル監視装置での当該第２の系統に係る保護リレーの保護動作を継続することを特徴とする保護継電装置。
3. 交流電源電圧を変圧する変圧器の２次巻線の一方の巻線端から得られる交流電圧を一方の給電線に接続し、他方の巻線端から得られる交流電圧を他方の給電線に接続し、当該２次巻線の中点から得られる電圧を中性線に供給する単相三線式給電回路を保護対象とする保護継電装置において、
   前記一方の給電線に流れる電流および前記他方の給電線に流れる電流をそれぞれ検出する電流検出器と、前記電流検出器で検出された出力電流をそれぞれＡ／Ｄ変換して出力するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器の出力を入力して前記単相三線式給電回路を保護する保護継電器と、を備えた単相交流電路の入力チャンネルと、前記入力チャンネルにそれぞれ流れる電流を監視する入力チャンネル監視装置と、を備え、
   前記入力チャンネル監視装置は、前記保護継電器の出力に所定のシーケンス演算を施して保護出力を行うシーケンス演算器と、前記Ａ／Ｄ変換器の出力の偏差を演算する減算器と、前記減算器で演算された前記偏差を予め設定された所定値と比較した結果、当該偏差が当該所定値以上であるときに異常判定信号を出力する比較器と、前記シーケンス演算器からの前記保護出力と前記比較器からの前記異常判定信号との論理和を出力する論理和回路と、を備え、且つ当該比較器からの当該異常判定信号を監視して前記一方の給電線または前記他方の給電線の断線または地絡、あるいは前記入力チャンネルの断線または地絡を検出することを特徴とする保護継電装置。
4. 請求項３記載の保護継電装置において、
   前記入力チャンネル監視装置は２系統備えられて２系統の論理和回路の論理和出力を論理積回路に入力して当該論理積回路での論理積出力を装置出力とし、第１の系統の入力チャンネル監視装置が当該第１の系統に係る入力チャンネルを異常判定したときに当該第１の系統に係る保護継電器の誤動作の影響を排除し、第２の系統の入力チャンネル監視装置での当該第２の系統に係る保護継電器の保護動作を継続することを特徴とする保護継電装置。

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