JP6045321B2 - 保護継電器 - Google Patents

Description

この発明は、保護継電器に関し、特に保護継電器の作動履歴を報知する報知部を含む保護継電器に関する。

保護継電器は、電力系統に配設された電流変成器（ＣＴ:Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）からのＣＴ二次電流と、継電器内部に設定される整定値とを比較し、この電流が整定値より大きいとき、系統事故を検出して動作出力することによって電力系統に配設される遮断器（ＣＢ：Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｒｅａｋｅｒ）を駆動して系統事故を除去する。

特開昭６０−２６４１３号公報（特許文献１）は、電磁機械表示式の動作表示器を備える保護継電器について記載している。

特開昭６０−２６４１３号公報 （第３頁右上欄、第５図）

過電流継電器には電力系統の事故電流を検出している変流器の出力から制御用の電源の電力を得ているものがあり、その場合、動作表示器には磁気反転表示器が用いられている場合がある。このような過電流継電器は、小型で比較的安価なものであり、工場内に設置される場合が多い。

動作表示器に磁気反転表示器を用いる理由は、電力系統が正常時および電力系統に事故が継続している間のみ制御電源に電力が供給されるためである。電力系統が遮断され事故が除去された後は変流器の出力がゼロとなり制御用の電源が喪失した状態となる。この状態においても動作表示を可能とするためには、作動履歴表示の保持のために継続的に電力を必要としない動作表示器を過電流継電器に採用する必要がある。

しかし、表示器として磁気反転表示器を使用した場合、保護継電器の設計品質や信頼性を確保するために特別に注意する必要がある。具体的には、磁気反転表示器はアナログ回路で構成されるため、作動電流のバラつきを抑えて設計することが困難である（設計品質）。このバラつきを抑えきれない場合は、動作表示をする際に磁気反転表示器が反転しない、または、反対に事故から復帰した際に磁気反転表示器を元の状態に戻せないといった問題が発生するので、信頼性を確保するために十分な設計検討と実験を行なう必要がある。

また、磁気反転表示器は比較的高価な部品であり、小型で比較的安価な保護継電器に搭載するためにさらに低コストな表示器が望まれている。

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、その目的は、低コストかつ設計容易で制御電源が喪失した後も動作表示を長期間保持可能な作動履歴を報知する報知部を含む保護継電器を提供することである。

この発明に係る保護継電器は、保護対象の電力系統の状態に応じて変化する信号を受けるノード（節点）と、コンデンサと、このノードからコンデンサに向かう向きを順方向としてこのノードとコンデンサとの間に接続されるダイオードと、コンデンサに蓄電された電力を用いて作動履歴を報知する報知部と、信号が電力系統の事故を示したことに応じて導通し、コンデンサの電力を報知部に供給することによって報知部を作動させるスイッチ回路とを備える。

この発明は、ダイオードを介してノードの電圧を用いてコンデンサに充電を行なうので、ノードのピーク電圧に対応する充電量をコンデンサに充電するとともに、その後ノードの電圧が低下しても充電量を逆流させずに保持することができる。このため、充電量を多く確保できるので、コンデンサの充電量によって長時間の報知部を作動させることができる。

本発明の実施の形態の保護継電器１００の外部の接続について示した図である。 保護継電器１００の内部構成を示した回路図である。 事故発生前後での遮断器の動作とコンデンサ電圧の変化を説明するための動作波形図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示し、これらの説明は繰返さない。

図１は、本発明の実施の形態の保護継電器１００の外部の接続について示した図である。図１を参照して、保護継電器１００は、電力系統１０６に設けられた遮断器（ＣＢ）１０２を制御するトリップ信号Ｓ１を発生する。保護継電器は、電力系統１０６に設けられた変流器（ＣＴ）１０４の出力によって電力系統１０６に過電流等の異常が生じるか否かを監視する。

トリップ信号は、直接または間接的に遮断器１０２を制御するために用いられる。遮断器１０２が作動し電力系統１０６が遮断されると、電流ＩＳはゼロとなり、変流器の出力もゼロとなる。

ただし、保護継電器１００は、計器用変流器１０４の出力から制御用の電源電圧を得ているので、電力系統１０６が遮断された後には、内部で発生している制御用電源電圧も喪失してしまう。したがって、電力系統１０６が遮断された後に保護継電器１００が作動した履歴を作業者に報知することについては工夫が必要である。

図２は、保護継電器１００の内部構成を示した回路図である。図２を参照して、保護継電器１００は、入力端子１１と、電源トランス１２と、抵抗１３，１４，２１，２３と、整流回路２５と、コンデンサ１５とを含む。図１の計器用変流器１０４の出力が、保護継電器の入力端子１１に接続される。

保護継電器１００は、さらに、レギュレータ１６と、内部回路１７と、ダイオード１８と、補償用コンデンサ１９と、接続スイッチ２０と、動作表示用の発光ダイオード２２と、表示復帰ボタン２４とを含む。

保護継電器１００は、さらに、入力端子１１に対して電源トランス１２と直列に接続される系統監視トランス２６と、抵抗２７とを含む。抵抗２７は、系統監視トランス２６で検出した電流を電圧Ｖｉｎに変換し内部回路１７に出力する。内部回路１７は、たとえば、アナログフィルタと、Ａ／Ｄ変換器と、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、接続スイッチ制御用インタフェースと、メモリとを含む。

なお、アナログフィルタの入力部やＣＰＵの入出力部には、絶縁や保護のための変成器、変圧器、光スイッチ、シーケンサ、リレーなどを配置しても良い。アナログフィルタは、系統監視トランス２６の出力電圧Ｖｉｎからノイズ成分を除去する。Ａ／Ｄ変換器は、アナログフィルタでノイズが除去された計測値をデジタル信号に変換してＣＰＵに出力する。メモリは、遮断器１０２の遮断条件を示す各種の整定値を保持している。

ＣＰＵは、各種の指令に応じて、メモリ中の整定値を整定したり、トリップ信号Ｓ１を発生して遮断器１０２に遮断指令を送信したりする。

事故時は、電力系統側からの過大な電流を検出した図１の計器用変流器１０４の出力が、保護継電器の入力端子１１から流入し、電源トランス１２を介して整流回路２５で整流される。整流後の電圧は、内部の電源ラインＰＬに入力される。

電源ラインＰＬの電圧は、コンデンサ１５で平滑化されレギュレータ１６で安定化された後に、制御用の電源電圧として内部回路１７に供給される。

また、電源ラインＰＬの電圧は、ダイオード１８を経由して、補償用コンデンサ１９へ供給される。この時、内部回路１７が事故判定をするまで、補償用コンデンサ１９は正常時の電力系統の電流値に対応する電気エネルギーを蓄電している。

監視トランス２６および抵抗２７からの電圧に基づいて内部回路１７が事故判定すると、接続スイッチ制御用信号Ｓ２が接続スイッチ２０へ出力され、制御用信号Ｓ２の活性化をトリガーとして接続スイッチ２０は入状態となる。これにより、補償用コンデンサ１９に蓄積された電気エネルギーが動作表示用の発光ダイオード２２に供給され、発光ダイオード２２に電流が流れ、発光ダイオード２２は点灯状態となる。

また、内部回路１７が事故判定すると、保護継電器１００は図１の遮断器１０２へトリップ信号Ｓ１を出力して開放指令を出すため、計器用変流器ＣＴからの信号もゼロとなり、これに応じて内部回路１７の制御電源は喪失し信号Ｓ２も途切れる。しかし、接続スイッチ２０はラッチ式のスイッチであるため、発光ダイオード２２は補償用コンデンサ１９からの電力供給が継続する間は点灯状態を維持することが可能となる。

事故除去後に発光ダイオード２２を消灯させたい場合は、表示復帰ボタン２４を数秒押す。これにより補償用コンデンサ１９の電気エネルギーは放電されるとともに発光ダイオード２２は消灯する。このとき、電流がゼロとなることによって接続スイッチ２０は切状態となる。したがって、その後電力系統が正常に戻り電源ラインＰＬの電圧が正常になって補償用コンデンサ１９の電圧が回復しても発光ダイオード２２は消灯状態を保つ。

以上、図２を用いて、保護継電器１００の基本構成と動作について説明した。ここで、発光ダイオード２２は、電力系統１０６の先の負荷に停電が発生することなどにより図１の遮断器１０２の作動に作業者が気付いた時に、遮断器１０２の作動が遮断器自身の誤作動ではなく保護継電器１００が作動したことによるものであることを確認するために使用される。

しかし、作業者が保護継電器１００の作動後すぐに発光ダイオード２２の点灯を確認することができるとは限らない。したがって、発光ダイオード２２の点灯はなるべく長時間可能（たとえば１週間以上）であることが望ましい。

そのためには、なるべく多くの電気エネルギーを補償用コンデンサ１９に蓄積しておく必要がある。そこで、本実施の形態では、レギュレータ１６の出力に補償用コンデンサ１９を接続するのではなく、事故電流によりピーク値を示す電源ラインＰＬに逆流防止ダイオード１８を介して補償用コンデンサ１９を接続している。

図３は、事故発生前後での遮断器の動作とコンデンサ電圧の変化を説明するための動作波形図である。図２、図３を参照して、時刻ｔ１までは、電力系統の計器用変流器１０４で検出されトランス１２に入力される電流は所定値（たとえば５Ａ（アンペア））に安定しており、これに対応する電圧（たとえば１０Ｖ）が補償用コンデンサ１９および平滑コンデンサ１５に印加されている。

時刻ｔ１において短絡等により過電流が発生し時刻ｔ１〜ｔ３の間はアークの発生などにより事故電流が流れる。内部回路１７は、事故電流を検出して動作時間（たとえば５０ｍｓ）後の時刻ｔ２にトリップ信号Ｓ１を活性化させる。そしてトリップ信号Ｓ１の活性化履歴を示すために、サイリスタ制御信号Ｓ２を活性化させる。サイリスタ制御信号Ｓ２の活性化に応じて、発光ダイオード（ＬＥＤ）２２は消灯状態（ＯＦＦ）から点灯状態（ＯＮ）に遷移する。

また、トリップ信号Ｓ１の活性化に応じて、図１の遮断器１０２が作動し、時刻ｔ３において電力系統１０６は遮断される。

本実施の形態による発光ダイオード２２などの動作報知部においては、保護継電器１００内部に搭載されている補償用コンデンサ１９を事故時のピーク電圧によって蓄電し、このコンデンサの電力を使用して事故により制御電源が喪失している間も動作表示ＬＥＤ（発光ダイオード２２）を点灯させる。

時刻ｔ１〜ｔ３における事故発生時の系統検出電流はピーク値（たとえば２００Ａ）を示し、これは電源ラインＰＬにもピーク電圧（たとえば５０Ｖ）を発生させる。コンデンサ１５および１９は、このピーク電圧でチャージされる。

コンデンサに蓄電される電気エネルギーＷはＷ＝（ＣＶ²／２）で表わされる。したがって、健常時の１０Ｖでチャージするよりもピーク時の５０Ｖでチャージしたほうがおよそ２５倍の電気エネルギーを補償用コンデンサ１９に取り込むことができる。これは、長時間点灯時間を確保するのに有利である。また、発光ダイオード２２にその分消費電力が大きく輝度の高いものを採用することも可能となる。

補償用コンデンサ１９と動作表示用の発光ダイオード２２とは接続スイッチ２０を介して接続されており、事故時は内部回路１７の内部のマイクロコンピュータによりこの接続スイッチ２０を入とする。

時刻ｔ１〜ｔ３における事故時のマイクロコンピュータは、事故発生中は電力系統側からの事故電流により保護継電器の制御電源へ電力が供給されているため、稼働状態である。

しかし、時刻ｔ２においてが、マイコンが事故を判定し、保護継電器が遮断器へ開放指令（トリップ信号Ｓ１の活性化）を出すことにより事故が除去されると、電力系統側からの事故電流による保護継電器の制御電源に対する電力供給が喪失されるため、時刻ｔ３以降コンデンサ１５の電圧が低下し、レギュレータ１６から電源が供給されなくなるので内部回路１７中のマイクロコンピュータは停止する。

従来、磁気反転表示器を使用していた保護継電器と同等の機能を達成するには、時刻ｔ３以降マイクロコンピュータが停止状態においても保護継電器は動作表示を継続しなければならない。

このため、補償用コンデンサ１９と動作表示用の発光ダイオード２２を接続する接続スイッチ２０はラッチ式のもの（例えばサイリスタ等）を採用する。つまり接続スイッチ２０は、一度トリガー信号によって導通するとトリガー信号が消えても導通し続ける。たとえば、サイリスタの場合には、スイッチを流れる電流が一度ゼロになると導通状態から非導通状態に戻る。

なお、事故の除去が確認された場合は発光ダイオード２２を消灯させなければならないが、これに関しては保護継電器１００の正面に表示復帰ボタン２４を設けて対応可能とする。時刻ｔ４においては、表示復帰ボタン２４が導通され、コンデンサ１９の電圧がゼロに低下するとともに、発光ダイオード２２が消灯する（ＬＥＤがＯＮからＯＦＦに変化）。

たとえば、接続スイッチ２０にサイリスタを採用した場合、表示復帰ボタン２４を押下すると、補償用コンデンサ１９からサイリスタへ電流が流れなくなるため、発光ダイオード２２は消灯する。この時、補償用コンデンサ１９にいくらかの電力が充電されていたとしてもサイリスタには内部回路１７からの信号Ｓ２が入力されないため、一旦消灯した発光ダイオード２２が再点灯することはない。

なお、本実施の形態は、保護継電器が過電流保護継電器である場合を例にして説明したが、これに限定されるものではなく、本実施の形態の報知部は、従来、電力系統側の電力を制御電源とし動作表示器を磁気反転表示器としていたすべての保護継電器に適用することができる。

本実施の形態の動作報知部においては、動作表示器として磁気反転表示器の替わりに発光ダイオードを使用する。発光ダイオードやコンデンサ等から構成される簡素な回路とすることにより、設計品質および信頼性を向上させることができる。また、その他の効果としては、回路を構成する部材を一般的なものとすることにより、部材改廃時の対応も容易となる。

最後に再び図１〜３を参照して本実施の形態について総括する。保護継電器１００は、保護対象の電力系統１０６の状態に応じて変化する信号を受けるノード（電源ラインＰＬ、以下ノードＰＬともいう）と、コンデンサ１９と、ノードＰＬからコンデンサ１９に向かう向きを順方向としてノードＰＬとコンデンサ１９との間に接続されるダイオード１８と、コンデンサ１９に蓄電された電力を用いて作動履歴を報知する報知部（発光ダイオード２２）と、信号が電力系統の事故を示したことに応じて導通し、コンデンサ１９の電力を報知部に供給することによって報知部を作動させる接続スイッチ２０とを備える。

これにより、コンデンサ１９に充電された電気エネルギーが逆流することなく、報知部に供給される。

好ましくは、図３に示すように、ノードＰＬの電圧（コンデンサ１５の電圧）は、電力系統が正常に動作している場合に第１電圧（たとえば１０Ｖ）を示し、電力系統に事故が発生した場合は第１電圧よりも高い第２電圧（たとえば５０Ｖ）を示し、コンデンサ１９は、電力系統に事故が発生した場合に、ダイオード１８を介して第２電圧に対応する蓄電量を蓄積する。これにより、健常時よりも多くの電気エネルギーをコンデンサ１９に取り込めるので、報知部を長時間作動させることが可能となる。

より好ましくは、ノードＰＬの電圧から動作電源電圧を得て、電力系統に事故が発生したことに応じて接続スイッチ２０を作動させるトリガー信号（信号Ｓ２）と電力系統を遮断する遮断器に対するトリップ信号Ｓ１とを出力する内部回路１７をさらに備える。ノードＰＬの電圧は、遮断器１０２が作動すると時刻ｔ３以降に示すように電圧が低下する。

さらに好ましくは、接続スイッチ２０は、トリガー信号Ｓ２に応じて導通状態に変化するサイリスタを含む。保護継電器１００は、報知部の作動を停止させるために作業者の操作に応じてコンデンサ１９を放電させる抵抗２３および表示復帰ボタン２４を含む放電回路をさらに備える。

さらに好ましくは、保護継電器１００は、電力系統１０６の電流を検出した交流信号を受ける入力端子１１と、交流信号を整流した直流電圧をノードＰＬに供給する整流回路２５とをさらに備える。

さらに好ましくは、保護継電器１００は、ノードＰＬと整流回路２５との間に設けられるトランス１２と、整流回路２５が出力する直流電圧を安定化させて内部回路１７に動作電源電圧を出力するレギュレータ１６とをさらに備える。レギュレータ１６の手前のノードＰＬからコンデンサ１９に電圧を取り込むので事故電流のピークに対応する電圧を用いてコンデンサ１９に充電を行なうことができる。

好ましくは、報知部は、コンデンサ１９から電力の供給を受ける発光ダイオード２２を含む。なお、報知部としては、コンデンサ１９の電力を受けて状態を維持するものであれば、発光ダイオードに限らず、液晶文字表示板、発音ブザーなどを使用しても良い。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１１ 入力端子、１２ 電源トランス、１３，１４，２１，２３ 抵抗、１５ コンデンサ、１６ レギュレータ、１７ 内部回路、１８ 逆流防止ダイオード、１９ 補償用コンデンサ、２０ 接続スイッチ、２２ 発光ダイオード、２４ 表示復帰ボタン、２５ 整流回路、１００ 保護継電器、１０２，ＣＢ 遮断器、１０４ 計器用変流器、１０６ 電力系統、ＰＬ 電源ライン、Ｓ１，Ｓ２ 信号。

Claims (4)

1. 保護対象の電力系統から交流電圧を一次側に受けるトランスを備え、前記トランスは、第１のトランスと、前記第１のトランスと一次側の巻線が直列に接続され、二次側の巻線が前記第１のトランスと分割された第２のトランスとを含み、
   前記第１のトランスの二次側巻線から得られる電圧を整流する整流回路と、
   前記整流回路が出力する直流電圧を安定化させる電源回路と、
   前記整流回路によって整流され、前記電源回路に送られる電圧を受けるノードと、
   コンデンサと、
   前記ノードから前記コンデンサに向かう向きを順方向として前記ノードと前記コンデンサとの間に接続されるダイオードと、
   前記コンデンサに蓄電された電力を用いて作動履歴を報知する報知部と、
   前記コンデンサの電力を前記報知部に供給することによって前記報知部を作動させるスイッチ回路と、
   前記電源回路の出力から動作電源電圧を得て動作するとともに、前記第２のトランスの二次側の巻線の電圧の変化に応じて、前記スイッチ回路を作動させるトリガー信号と前記電力系統を遮断する遮断器に対するトリップ信号とを出力する制御回路をさらに備え、
   前記ノードの電圧は、前記遮断器が作動すると電圧が低下する、保護継電器。
2. 前記ノードの電圧は、前記電力系統が正常に動作している場合に第１電圧を示し、前記電力系統に事故が発生した場合は前記第１電圧よりも高い第２電圧を示し、
   前記コンデンサは、前記電力系統に事故が発生した場合に、前記ダイオードを介して前記第２電圧に対応する蓄電量を蓄積する、請求項１に記載の保護継電器。
3. 前記スイッチ回路は、前記トリガー信号に応じて導通状態に変化するサイリスタを含み、
   前記報知部の作動を停止させるために作業者の操作に応じて前記コンデンサを放電させる放電回路をさらに備える、請求項１に記載の保護継電器。
4. 前記報知部は、前記コンデンサから電力の供給を受ける発光ダイオードを含む、請求項１に記載の保護継電器。

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