JP6235429B2 - ３相送電保護方法および装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、送電ケーブルを有する送電設備を電力系統に投入、接続するとき必要になる３相送電保護方法および装置に関する。

送電設備の一部である送電ケーブルは近年、海底ケーブルに代表されるように、数十ｋｍに及ぶ長距離化が進んでいる。長距離の送電ケーブルは対地静電容量が非常に大きくなるため、これを補償するように通常、分路リアクトルが送電ケーブルの一端の側、他端の側にそれぞれ接続される。電力系統が３相であり、この電力系統に送電ケーブルを有する送電設備を投入、接続するときには、送電設備の側でその一部の相に地絡が生じても、電力系統と送電設備との接続地点に設けられた遮断器が正常に地絡電流を遮断し、かつその遮断器自体で事故に至ることがないように対応が必要である。

一部の相が地絡した場合、その相である地絡相には電力系統側から地絡地点に向かって地絡電流が流れるが、電流ゼロ点が存在する電流波形になるため遮断器で瞬時に近く、例えば波形２、３サイクル内で電流遮断ができる。一方、地絡相ではない残りの健全相においては、当初、接続された分路リアクトルに直流分電流が重畳して流れ得るため、健全相では直流分電流が支配的で当初は電流ゼロ点のない波形になり得る。したがって、この状態では、遮断器は健全相電流を遮断器で遮断できず、遮断器自体での事故に至る。そこで、分路リアクトルに直列に別の遮断器を設ける構成とすれば、交流分電流が直流分電流よりも相対的に大きく、ゼロ点のある電流をこの遮断器で最初に遮断できる。分路リアクトルに流れる電流を遮断したあとであれば、健全相電流を事故なく遮断できる。

分路リアクトルに直列に設けた遮断器は、一般には、負荷の大きさや力率の変化による電圧変動に対応するための、無効電力制御の調相設備としても機能している。これらの遮断器を開閉制御することで無効電力を制御することができる。無効電力制御の必要性は、都市部の長距離ケーブル送電において非常に大きい。

一方、数百ＭＷ級の大容量風力発電所や太陽光発電所が需要地から遠隔の地に建設され、その電力を需要地に送電すべくそれらの発電所が送電ケーブルに接続される場合、負荷に応じた無効電力の制御というようなニーズは現実に非常に小さい。したがって、そのような接続がある送電ケーブルを有する送電設備を電力系統に投入、接続する場合においては、送電設備の側でその一部の相が地絡しても、接続地点に設けられた遮断器が正常に地絡電流を遮断でき、かつその遮断器自体で事故に至ることがないように対応が可能ならば、コスト低減のため、分路リアクトルを送電ケーブルの静電容量を補償する機能に特化することが考えられる。

特開２００３−２０９９２５号公報

本発明が解決しようとする課題は、送電設備の側でその一部の相に地絡が生じても、接続地点に設けられた遮断器が正常に地絡電流を遮断でき、かつその遮断器自体による事故を防止できる３相送電保護方法および装置を提供することである。

実施形態の３相送電保護方法は、３相送電保護装置が行う以下の動作による。（１）遮断器を介して３相電力系統に接続されている送電設備に、該３相電力系統から該遮断器が閉状態にされ流れる各相電流である第１、第２、第３の相電流を変流することにより第１、第２、第３の検出電流を得る。（２）前記第１、第２、第３の検出電流に少なくとも基づいて、前記第１、第２、第３の相電流のうちのいずれが地絡によるものかを検出し、地絡による相電流を地絡相電流として地絡相電流でない相電流を健全相電流としてそれぞれ特定する。（３）前記地絡相電流を遮断すべく前記遮断器に向けて、遮断する旨の指令である第１の指令を送る。（４）前記健全相電流を遮断すべく前記遮断器に向けて、遮断する旨の指令である第２の指令を前記第１の指令よりも遅いタイミングで送り、前記遮断器を開状態から閉状態に移行し、前記遮断器が開状態から閉状態にされた後、前記第１、第２、第３の検出電流に少なくとも基づいたところ前記第１、第２、第３の相電流のいずれも地絡によるものでない場合に、前記遮断器が閉状態にされたときに始まる過渡的な前記第１、第２、第３の検出電流の波形をそれぞれ第１、第２、第３の波形として記録する。前記第１、第２、第３の波形のそれぞれにおいて、前記遮断器が閉状態にされたときに波形値がゼロから有限値に立ち上がってその後脈流として波形値が次に初めてゼロに減じるまでの時間である第１、第２、第３の時間をそれぞれ調べる。前記第１、第２、第３の時間のうちのもっとも長い時間よりさらに長い時間として前記第１の指令から前記第２の指令までの遅れタイミングをあらかじめ設定する。

実施形態の３相送電保護装置は、遮断器と、第１、第２、第３の変流器と、検出部と、第１の遮断指令部と、第２の遮断指令部と、試験課電指示部と、波形記録部と、ゼロ到達時間計時部と、遅れタイミング設定部とを持つ。遮断器は、送電設備を３相電力系統に投入、接続すべく、該送電設備を該３相電力系統に接続する地点に設けられている。第１、第２、第３の変流器は、前記３相電力系統から前記遮断器が閉状態にされ前記送電設備に流れる各相電流である第１、第２、第３の相電流を変流することにより第１、第２、第３の検出電流をそれぞれ出力する。検出部は、前記第１、第２、第３の検出電流に少なくとも基づいて、前記第１、第２、第３の相電流のうちのいずれが地絡によるものかを検出し、地絡による相電流を地絡相電流として地絡相電流でない相電流を健全相電流としてそれぞれ特定する。第１の遮断指令部は、前記地絡相電流を遮断すべく前記遮断器に向けて、遮断する旨の指令である第１の指令を送る。第２の遮断指令部は、前記健全相電流を遮断すべく前記遮断器に向けて、遮断する旨の指令である第２の指令を前記第１の指令よりも遅いタイミングで送る。試験課電指示部は、前記遮断器を開状態から閉状態に移行する。波形記録部は、前記遮断器が開状態から閉状態にされた後、前記第１、第２、第３の検出電流に少なくとも基づいたところ前記第１、第２、第３の相電流のいずれも地絡によるものでない場合に、前記遮断器が閉状態にされたときに始まる過渡的な前記第１、第２、第３の検出電流の波形をそれぞれ第１、第２、第３の波形として記録する。ゼロ到達時間計時部は、前記第１、第２、第３の波形のそれぞれにおいて、前記遮断器が閉状態にされたときに波形値がゼロから有限値に立ち上がってその後脈流として波形値が次に初めてゼロに減じるまでの時間である第１、第２、第３の時間をそれぞれ調べる。遅れタイミング設定部は、前記第１、第２、第３の時間のうちのもっとも長い時間よりさらに長い時間として前記第１の指令から前記第２の指令までの遅れタイミングをあらかじめ設定する。

実施形態１の３相送電保護方法を実施する態様を説明する設備関係図。 図１中に示した保護リレー２３についてその内部構成をやや詳細に示す機能ブロック図。 図１中に示した３相送電保護装置２０による遮断過程を示す電流波形図。 電力系統１０に送電設備３０が正常に投入、接続されたとき図１中に示した分路リアクトル３２ａ等、３４ａ等に流れる各相電流を示す電流波形図。 図１中に示した送電設備３０が電力系統１０に正常に投入、接続されたとき電力系統１０から送電設備３０に流れる各相電流を示す電流波形図。 実施形態２の３相送電保護方法を実施するための、図１中に示した保護リレー２３の変形例である保護リレー２３Ａについてその内部構成を示す機能ブロック図。 図６中に示した、波形記録部２３６、ゼロ到達時間計時部２３７、および遅れタイミング設定部２３８の動作を説明するための電流波形図。 実施形態３の３相送電保護方法を実施する態様を説明する設備関係図。 図８中に示した保護リレー２３Ｂについてその内部構成をやや詳細に示す機能ブロック図。 図９中に示した波形記録部２３１１および時定数求値部２３１２の動作を説明するための電流波形図。 図９中に示した遅れタイミング設定部２３１３の動作を説明するためのグラフ。 図１１に示したグラフから補償率とゼロ到達時間との関係を導いて描いたグラフ。 実施形態４の３相送電保護方法を実施するための、図８中に示した保護リレー２３Ｂの変形例である保護リレー２３Ｃについてその内部構成を示す機能ブロック図。

（実施形態１）
以上を踏まえ、以下では実施形態の３相送電保護方法を図面を参照しながら説明する。図１は、実施形態１の３相送電保護方法を実施する態様を説明するため、その関連する設備を等価的な回路図で示している。同図に示すように、送電設備３０は、３相送電保護装置２０を介して、等価電圧源各相１０ａ、１０ｂ、１０ｃを有する電力系統１０に投入、接続され得る。送電設備３０は、一般的な意味では電力系統の一部であるが、以下では説明の都合上、図示の電力系統１０とは分けて考える。送電設備３０の図示下側には、例えば、大規模な風力発電所や太陽光発電所が接続され得る。

送電設備３０は、遠隔の地に建設された風力発電所や太陽光発電所が発電した電力を需要地に送電する設備として捉えることができる。図１では需要地に存在する負荷についてはその図示をすべて省略しているが、その意味で送電設備３０の送電の向きは図示下側から上側である。このような送電設備３０においては、負荷に応じた無効電力の制御というようなニーズは現実に非常に小さい。これは電力系統１０への外乱要因になることを防止するため、もともと風力発電所や太陽光発電所からはほぼ有効電力のみ送電するようにしていることが要因である。

送電設備３０には、３相対応の送電ケーブル３３が含まれているが、送電ケーブル３３には非常に大きな対地静電容量３３３ａ、３３３ｂ、３３３ｃ（以下、このような場合、符号を“３３３ａ／ｂ／ｃ”のように表記する）が伴っている。これらの対地静電容量３３３ａ／ｂ／ｃにそれぞれ流れる電流（無効電力になる電流）を補償するため、送電ケーブル３３の一端側、他端側には、それぞれ分路リアクトル３２ａ／ｂ／ｃ、分路リアクトル３４ａ／ｂ／ｃが接続されている。

分路リアクトル３２ａ／ｂ／ｃおよび分路リアクトル３４ａ／ｂ／ｃを設けることにより、電力系統１０（および風力発電所、太陽光発電所）は対地静電容量３３３ａ／ｂ／ｃに対する、無効電力になる進み位相の電流を大きく減少させることができる。減少できる割合は補償率ｈとして定義され、補償率ｈは、通常、０．８≦ｈ≦０．９５程度の範囲にされる。このような補償に関する指標である補償率ｈについてはさらに後述する。

送電設備３０においては、上記のように、負荷に応じた無効電力の制御というようなニーズは現実に非常に小さいので、分路リアクトル３２ａ／ｂ／ｃ、分路リアクトル３４ａ／ｂ／ｃを調相設備の一部として機能させる必要性は低い。よって、通常ならばこれらに直列に接続される調相用の遮断器は設けられない。分路リアクトル３２ａ／ｂ／ｃ、分路リアクトル３４ａ／ｂ／ｃは、送電ケーブル３３の静電容量３３３ａ／ｂ／ｃ／を補償する機能に特化している。

遮断器は一般に高価であるため、その省略によって送電設備３０として大幅なコストダウンが可能である。また、遮断器を省略することでその保守点検のコストも不要になる。分路リアクトル３２ａ／ｂ／ｃ、同３４ａ／ｂ／ｃに直列に遮断器を設けなくても、この実施形態の方法では、後述するように、送電設備３０を電力系統１０に投入したとき一部の相が地絡しても遮断器２４ａ／ｂ／ｃが正常に地絡電流を遮断し、遮断器２４ａ／ｂ／ｃ自身での事故に至ることがないように対応できる。

なお、図１中の送電設備３０において、符号３１ａ／ｂ／ｃは、それぞれ、架空送電線（またはこの特性を数値化したそのインダクタンス）を示している。また、送電ケーブル３３において、符号３３１ａ／ｂ／ｃおよび符号３３２ａ／ｂ／ｃは、それぞれ、その等価インダクタンスを示している。

電力系統１０、送電設備３０について数値例（仕様値の例）を挙げると以下になる。
（１）送電ケーブル３３のケーブル長：５０ｋｍ
（２）系統電圧・定格電圧（等価電圧源各相１０ａ／ｂ／ｃの電圧）：２２０ｋＶ（実効値）
（３）等価電圧源各相１０ａ／ｂ／ｃの周波数：６０Ｈｚ
（４）系統の中性点接地方式：直接接地
（５）送電ケーブル３３の諸仕様：２２０ｋＶ、架橋ポリエチレン絶縁、３心、１２００ｍｍ^２
（６）送電ケーブル３３の対地静電容量３３３ａ／ｂ／ｃ：０．２００μＦ／ｋｍ
（７）送電ケーブル３３の等価インダクタンス３３１ａ／ｂ／ｃ，３３２ａ／ｂ／ｃ：０．３５０ｍＨ／ｋｍ
（８）送電ケーブル３３の抵抗：０．０２７Ω／ｋｍ
（９）分路リアクトル３２ａ／ｂ／ｃ，３４ａ／ｂ／ｃによる補償率ｈ：０．９（９０％）
（１０）架空送電線３１ａ／ｂ／ｃの長さ：５ｋｍ
（１１）架空送電線３１ａ／ｂ／ｃのインダクタンス：１．００ｍＨ／ｋｍ
（１２）系統短絡電流：３０ｋＡ（実効値）
（１３）系統地絡電流：３０ｋＡ（実効値）

また、電流の各値、電流電圧の積（容量）の各値を挙げると以下になる。
（１）送電ケーブル３３への充電電流：４７９Ａ（実効値）、６７７Ａ（波高値、振幅）
（２）送電ケーブル３３への充電容量：１８２ＭＶＡ
（３）補償率ｈ＝０．９のときの分路リアクトル３２ａ／ｂ／ｃ、同３４ａ／ｂ／ｃの合計容量：１６４Ｍｖａｒ（≒１６５Ｍｖａｒ，または ≒１７０Ｍｖａｒ）
（４）補償率ｈ＝０．９のときの分路リアクトル３２ａ／ｂ／ｃ、同３４ａ／ｂ／ｃの定格電流：４３１Ａ（実効値）、６０９Ａ（波高値、振幅）
（５）補償率ｈ＝０．９のときの電力系統１０から送電ケーブル３３への充電電流：４８Ａ（実効値）、６８Ａ（波高値、振幅）
以下で説明する内容は、一応以上のような仕様の電力系統１０、送電設備３０、および電流、容量（電流電圧積）の各値を想定したものである。

３相送電保護装置２０の動作を説明する。３相送電保護装置２０は、図示するように、計器用変圧器２１ａ／ｂ／ｃ、変流器２２ａ／ｂ／ｃ、保護リレー２３、遮断器２４ａ／ｂ／ｃを有する。保護リレー２３は、その主な内部構成物として、地絡相の検出部２３１、地絡相への遮断指令部２３２、健全相への遮断指令部２３３を有する。

計器用変圧器２１ａ／ｂ／ｃは、電力系統１０の各相における電圧を変圧して検出電圧を得、これを保護リレー２３に伝える。変流器２２ａ／ｂ／ｃは、電力系統１０の各相における電流を変流して検出電流を得、これを保護リレー２３に伝える。

地絡相の検出部２３１は、各相の検出電流に少なくとも基づいて、各相のうちのいずれの相に地絡が発生したかを検出し、地絡が発生した相を地絡相（その電流を地絡相電流）として地絡相でない相を健全相（その電流を健全相電流）としてそれぞれ特定する。このような検出および特定は、各相の検出電圧を加味するようにして行ってもよい。地絡の発生は、電流の異常な変化（増大）がいずれかの相で生じたことを検知すれば一応可能であるが、電流の異常な増大に加えて電圧の異常な低下も加味して地絡の発生を検出すれば、より信頼性の高い事故検出が可能になる。

ここで、地絡の態様としては、送電設備３０を電力系統１０に接続する地点に設けられた遮断器２４ａ／ｂ／ｃにより送電設備３０を電力系統１０に投入、接続したときに、その電気的な衝撃で送電設備３０のいずれかの相で絶縁が破壊された場合が考えられる。絶縁破壊の原因としては、初期的な不良や経年劣化的な不良、または突発的な異常などがある。

一般に、３相用の遮断器には、３相を一括して接続・遮断操作する３相一括操作型と、３相一括操作だけでなく、１相ごとに接続も遮断も可能な各相操作型とがある。図示の遮断器２４ａ／ｂ／ｃとしては、各相操作型のものを用いる。また、一般に、各相操作型では、３相ともに接続または遮断されていない場合を欠相と呼び、欠相状態が長時間続くと系統に悪影響を与えるので、欠相状態が続いた場合には、遮断器自身で欠相状態であることを検出し、短時間のうちに３相とも遮断する。その時間は、通常は数秒以下（代表例としては０．５〜２秒）に設定されている。本実施形態では、その時間を後述するゼロミスが解消するまでの時間以上に設定する。遮断器２４ａ、２４ｂ、２４ｃを以下では、便宜上それぞれ、遮断器ａ相（またはａ相でなく第１相）、遮断器ｂ相（またはｂ相でなく第２相）、遮断器ｃ相（またはｃ相でなく第３相）と呼ぶ場合がある。

動作説明に戻り、地絡相への遮断指令部２３２は、遮断器２４ａ／ｂ／ｃのうちの、地絡相として特定された相のものに向けて、遮断する旨の指令を即時に送る。一方、健全相への遮断指令部２３３は、遮断器２４ａ／ｂ／ｃのうちの、健全相として特定された相のものに向けて、遮断する旨の指令を地絡相への指令よりも遅いタイミングで送る。

このような動作によれば、地絡相、健全相のいずれにおいても、電流ゼロ点が確実に発生した後速やかに遮断器２４ａ／ｂ／ｃによって電流遮断が完了する。よって、一部の相が地絡しても、遮断器２４ａ／ｂ／ｃは正常に地絡相電流を遮断し、遮断器２４ａ／ｂ／ｃ自身で事故に至ることはない。健全相において遮断指令を遅くする理由は、健全相には当初は電流ゼロ点がない（これを以下、ゼロミスともいう）電流波形になり得るためである。

電流ゼロ点が発生していない時点で遮断器２４ａ／ｂ／ｃに遮断指令を発すると、実際には遮断器２４ａ／ｂ／ｃは電流遮断できない。遮断器２４ａ／ｂ／ｃが有する電極を物理的に離間させても電流ゼロ点がない状態では、電流は遮断されず、電極間のアークが継続し、遮断器２４ａ／ｂ／ｃの内部で地絡事故に至る。

図２は、図１中に示した保護リレー２３についてその内部構成をやや詳細に機能ブロックで示している。図２と図１とで使用された符号は対応している。地絡相の検出部２３１は、地絡が生じたことを報知する信号である地絡報知信号を少なくとも３相検出電流に基づき生成し、この報知信号を地絡相への遮断指令部２３２および健全相への遮断指令部２３３に送る。また、地絡相の検出部２３１は、いずれの相に地絡が生じたかを示す信号である地絡相報知信号を少なくとも３相検出電流、また、必要な場合は３相検出電圧をも加味して生成し、この信号を相分別遮断指示部２３４に送る。

地絡相への遮断指令部２３２は、地絡報知信号により、遮断器を遮断する旨の指令を即時に発して相分別遮断指示部２３４に送る。健全相への遮断指令部２３３は、地絡報知信号により、遮断指令部２３２より遅いタイミングで遮断器を遮断する旨の指令を発して相分別遮断指示部２３４に送る。相分別遮断指示部２３４は、地絡相報知信号に基づいて、地絡相への遮断指令部２３２からの信号についてはその信号がその地絡相に関係する遮断器の相につながるように接続する。また、相分別遮断指示部２３４は、地絡相報知信号に基づいて、健全相への遮断指令部２３３からの信号についてはその信号がその健全相に関係する遮断器の相につながるように接続する。

図３は、図１中に示した３相送電保護装置２０による遮断過程の例を電流波形で示している。これらの電流波形は、変流器２２ａ／ｂ／ｃが設けられた位置における電流波形に相当する。図３上側に示すように、地絡相には異常に大きな電流（実効値で３００００Ａ）が流れ始めるが、この大電流を検出することにより地絡の発生検出および地絡相の特定が検出部２３１においてすでに説明したように行われる。すると、地絡相への遮断指令部２３２が即時に遮断指令信号を発して、結果、例えば図示するように、３サイクル程度で地絡相の電流は遮断される。

一方、健全相には、図３下側に示すように、その波形としてゼロから有限値に立ち上がってその後脈流でその直流分がゼロに減じる電流が流れる。この電流の直流分は、２台の分路リアクトル３２ａ／ｂ／ｃ、３４ａ／ｂ／ｃに流れる過渡的な直流分によるものであり、交流分は、送電ケーブル３３の対地静電容量３３３ａ／ｂ／ｃに流れる電流を２台の分路リアクトル３２ａ／ｂ／ｃ、３４ａ／ｂ／ｃに流れる逆位相の電流で補償したあとに残留した分の電流（実効値で４８Ａ）である。

直流分として最初に立ち上がる電流の値は、送電設備３０が電力系統１０に投入、接続されるときの位相によって変化し、最大では、２台の分路リアクトル３２ａ／ｂ／ｃ、３４ａ／ｂ／ｃに流れる交流電流の振幅に等しくなる。交流分は、対地静電容量３３３ａ／ｂ／ｃに流れる電流を２台の分路リアクトル３２ａ／ｂ／ｃ、３４ａ／ｂ／ｃに流れる逆位相の電流で補償したあとに残留した分の電流なので、補償率ｈが例えば０．９ならば、対地静電容量３３３ａ／ｂ／ｃに流れる電流の１／１０の振幅、すなわち２台の分路リアクトル３２ａ／ｂ／ｃ、３４ａ／ｂ／ｃに流れる交流電流から見ればその１／９の振幅になる。

なお、一般に、分路リアクトルには、電圧印加時に若干ながら磁気飽和を伴うタイプのものがあり、その場合には、分路リアクトルの交流成分電流は過渡的に定格電流よりも大きくなる。例えば、１．５倍程度になる。その場合、送電ケーブル３３の充電電流よりも分路リアクトル交流成分電流のほうが過渡的に上回り、その結果、図３下側の電流の大きさは、上記１／９ではなく、逆位相で、最大４／９程度の大きさになることもある。このように飽和を伴う分路リアクトルであっても、電圧印加時の電流はゼロミスの波形になる。以下の説明では、特に断らない限り、飽和しないタイプの分路リアクトルの場合について説明するが、必要な場合は、飽和するタイプの分路リアクトルについての説明を加える。

図３下側に示す、健全相に流れ始める電流は、以上のような直流分、交流分の大きさの関係があるので、一般には、当初はゼロミスの波形になり得る。そして、図示するようにいずれ初ゼロ点が現れる波形になる。この初ゼロ点よりも確実に遅いタイミングで、健全相への遮断指令部２３３が遮断指令信号を発することにより、健全相の電流は失敗なく遮断されることになる。

なお、参考まで、図３下側に示した健全相の波形は、遮断器２４ａ／ｂ／ｃを正常に閉状態に移行できたときの、いずれかの相の過渡的な検出電流に等しい波形として捉えることができる。この点を図４、図５を参照して説明する。

図４は、送電設備３０が電力系統１０に正常に投入、接続されたとき図１中に示した分路リアクトル３２ａ／ｂ／ｃ、３４ａ／ｂ／ｃに流れる各相電流を波形で示している。各相で位相が１２０°ずつ異なるため、直流分の立ち上がり値が異なり、立ち上がり値は、その最大として、２台の分路リアクトル３２ａ／ｂ／ｃ、３４ａ／ｂ／ｃに流れる交流電流の振幅に等しくなる（図示でａ相）。ここで交流分は、対地静電容量３３３ａ／ｂ／ｃに流れる電流をその逆位相で補償するための電流である。

図５は、図１中に示した送電設備３０が電力系統１０に正常に投入、接続されたとき各相に流れる電流を波形で示している。一方でこれらの各電流は、図４に示した各電流に、対地静電容量３３３ａ／ｂ／ｃに流れる電流を加えて得られる電流に相当する。電力系統１０が出力する電流は、上記のように、対地静電容量３３３ａ／ｂ／ｃに流れる電流を２台の分路リアクトル３２ａ／ｂ／ｃ、３４ａ／ｂ／ｃに流れるその逆相の電流により補償したものだからである。

図５に示す各相における交流分は、図４に示した各相における交流分により補償し切れなかった交流として残留した、図４に示した位相とは逆位相の交流であり、その振幅を１／（１−ｈ）倍したとき、図４に示す振幅の１／ｈ倍に等しくなる（ｈはすでに述べた補償率）。補償率ｈが例えば０．９ならば、比として図４に示す交流分の振幅が９、図５に示す交流分の振幅が１になる。図５に示す各波形は、図３の下側に示した波形と同じになり得る波形である。つまり、図３下側に示した健全相の波形は、遮断器２４ａ／ｂ／ｃのいずれかの相の過渡的な検出電流に等しい波形として捉えることができる。

以上説明したように、この実施形態１の方法では、分路リアクトル３２ａ／ｂ／ｃ、３４ａ／ｂ／ｃに直列に遮断器を設けなくても、送電設備３０を電力系統１０に投入、接続するときに、一部の相が地絡しても遮断器２４ａ／ｂ／ｃは正常に地絡電流を遮断し、遮断器２４ａ／ｂ／ｃ自身で事故に至ることがないように対応できる。すなわち、その過程は、（１）遮断器２４ａ／ｂ／ｃを介して電力系統１０に接続されている送電設備３０に、電力系統１０から遮断器２４ａ／ｂ／ｃが閉状態にされ流れる各相電流である第１、第２、第３の相電流を変流することにより第１、第２、第３の検出電流を得る。

（２）第１、第２、第３の検出電流に少なくとも基づいて、第１、第２、第３の相電流のうちのいずれが地絡によるものかを検出し、地絡による相電流を地絡相電流として地絡相電流でない相電流を健全相電流としてそれぞれ特定する。

（３）地絡相電流を遮断すべく遮断器２４ａ／ｂ／ｃ（そのうちの該当する相の遮断器）に向けて、遮断する旨の指令である第１の指令を送る。

（４）健全相電流を遮断すべく遮断器２４ａ／ｂ／ｃ（そのうちの該当する相の遮断器）に向けて、遮断する旨の指令である第２の指令を前記第１の指令よりも遅いタイミングで送る。

このような動作によれば、地絡相、健全相のいずれにおいても、電流ゼロ点が確実に発生した後速やかに遮断器２４ａ／ｂ／ｃによって遮断が完了する。よって、一部の相が地絡しても遮断器２４ａ／ｂ／ｃは正常に地絡電流を遮断し、遮断器２４ａ／ｂ／ｃ自身で事故に至ることがないように対応できる。

（実施形態２）
次に、図６は、実施形態２の３相送電保護方法を実施するための、図１中に示した保護リレー２３の変形例である保護リレー２３Ａについてその内部構成を機能ブロックで示している。この実施形態２では、図１中および図２に示した保護リレー２３に代えて、図６に示す保護リレー２３Ａを用いる。図１を参照して説明したそのほかの点に変更はない。この実施形態２では、地絡相への遮断指令部２３２が発する指令から健全相への遮断指令部２３３が発する指令までの遅れタイミングをあらかじめ得ることを目的として、これを実行する構成が含まれる。図６において、図２中に示した構成物と同一のものには同一符号を付しその説明は省略する。

図６に示すように、この保護リレー２３Ａは、すでに説明した地絡相の検出部２３１、地絡相への遮断指令部２３２、健全相への遮断指令部２３３のほかに、試験課電指示部２３５、波形記録部２３６、ゼロ到達時間計時部２３７、遅れタイミング設定部２３８を有する。また、図２中に示した相分別遮断指示部２３４は、この機能を維持しつつさらに機能を付加した投入・遮断指示部２３４Ａに置き換えられている。

試験課電指示部２３５は、遮断器２４ａ／ｂ／ｃを３相一括で閉状態に移行する旨の信号を指示部２３４Ａが発するように指示部２３４Ａに対して指示を行う。指示部２３４Ａは、この指示により、遮断器２４ａ／ｂ／ｃを３相一括で閉状態に移行すべく遮断器２４ａ／ｂ／ｃに対して当該信号を出力する。

波形記録部２３６は、遮断器２４ａ／ｂ／ｃが３相一括で閉状態にされた後、変流器２２ａ／ｂ／ｃによる検出電流に少なくとも基づいたところいずれの相にも地絡が発生していない場合に、遮断器２４ａ／ｂ／ｃが閉状態にされたときに始まる過渡的な変流器２２ａ／ｂ／ｃによる検出電流の波形をそれぞれ記録する。いずれの相にも地絡が発生していないことは、すでに説明した地絡相の検出部２３１の機能により判別できる。

ゼロ到達時間計時部２３７は、記録された波形のそれぞれにおいて、遮断器２４ａ／ｂ／ｃが閉状態にされたときに波形値がゼロから有限値に立ち上がってその後脈流として波形値が次に初めてゼロに減じるまでの時間（ゼロ到達時間）をそれぞれ調べる。これをより具体的に図で示すと図７に示すごとくである。図７に示すように、各相でゼロ到達時間が異なるのは直流分の最初の立ち上がりの値に違いがあるからであり、立ち上がりの値が異なる理由はすでに説明している（図３下側の図において言及）。

遅れタイミング設定部２３８は、得られたゼロ到達時間のうちのもっとも長い時間よりさらに長い時間として地絡相への遮断指令部２３２が発する指令から健全相への遮断指令部２３３が発する指令までの遅れタイミングをあらかじめ設定する。設定された遅れタイミングは健全相への遮断指令部２３３に伝えられ、遮断指令部２３３は以降、遮断指令を発する場合にはこの遅れタイミングに基づいて指令を発する。

つまりこの構成では、遅れタイミングをあらかじめ設定するためのひとつの方法を提示している。ポイントとしては、遮断器２４ａ／ｂ／ｃを３相一括で閉状態に移行したときの、変流器２２ａ／ｂ／ｃによる過渡的な検出電流の波形を活用する。これらの波形は、地絡相が生じたときの健全相のそれと同じになっているためである。１２０°異なる３つの相を活用することにより、投入時の位相により波形が異なってくることに対応して、電流ゼロ点が確実に現れるようになる安全側の値として遅れタイミングを設定することができる。加えてこれによれば、送電設備３０の設計仕様ではなく、現実に存在する送電設備３０に対応するように遅れタイミングを設定することができる。

遅れタイミングを具体的にどの程度長く設定するかについては、例えば、得られたゼロ到達時間のうちのもっとも長い時間に対してその２倍程度とすれば実用上問題ないものと考えられる。図３下側の図を参照して説明したように、健全相に流れる電流は正常時に流れる電流と同じ値であり、健全相では遮断までの時間が多少長くなっても、確実にゼロミスを避けることが優先する。

この実施形態の変形例としては、次のような方法が考えられる。すなわち、遮断器２４ａ／ｂ／ｃを３相一括で閉状態に移行する操作を複数回行うことにより、計時部２３７でゼロ到達時間を複数回調べる。そして、遅れタイミング設定部２３８で、複数得られたゼロ到達時間のうちのもっとも長い時間よりさらに長い時間として遅れタイミングをあらかじめ設定するようにする。

この例は、遅れタイミングをさらに安全側の値として設定するための方法である。これによれば、投入時の位相の違いによるそれらの波形の違いをより網羅的に知ることができる。よって、遅れタイミングをさらに安全側の値として設定することができる。ゼロ到達時間を調べる具体的な回数は、実用上例えば３回程度とすることが考えられる。３回行えば波形のサンプルは合計９個得られ、その中には最大に近いゼロ到達時間のサンプルが含まれている可能性が高いと考えられる。

（実施形態３）
次に図８は、実施形態３の３相送電保護方法を実施する態様を説明するため、その関連する設備を等価的な回路図で示している。図８において、すでに説明した図中に示した構成物と同一のものには同一符号を付しその説明は省略する。図８中に示す構成のうち、図１中に示したものとの違いは、変流器３５ａ／ｂ／ｃを新たに設けたこと、およびこれらによる検出電流を保護リレー２３Ｂに導いていることの２点である。これらを活用することにより、上記で説明した遅れタイミングをあらかじめ設定する別の方法が提示される。

変流器３５ａ／ｂ／ｃは、それぞれ、送電設備３０に設けられた分路リアクトル３２ａ／ｂ／ｃに流れる電流を変流して検出電流を得ている。ここで、想定される架空送電線３１ａ／ｂ／ｃは比較的長い距離を有するため、変流器３５ａ／ｂ／ｃで得られた検出電流は、例えば専用の通信回線（不図示）で保護リレー２３Ｂに伝えられる。

図９は、図８中に示した保護リレー２３Ｂについてその内部構成を機能ブロックで示している。この実施形態３では、図９のような内部構成をもつ保護リレー２３Ｂを用いる。図９において、図６中に示した構成物と同一のものには同一符号を付しその説明は省略する。

図９に示すように、この保護リレー２３Ｂは、すでに説明した地絡相の検出部２３１、地絡相への遮断指令部２３２、健全相への遮断指令部２３３、投入・遮断指示部２３４Ａ、試験課電指示部２３５のほかに、波形記録部２３１１、時定数求値部２３１２、遅れタイミング設定部２３１３を有する。

まず、試験課電指示部２３５および投入・遮断指示部２３４Ａの指示により、遮断器２４ａ／ｂ／ｃを３相一括で閉状態に移行する。そして、波形記録部２３１１は、変流器２２ａ／ｂ／ｃによる検出電流に少なくとも基づいたところいずれの相にも地絡が発生していない場合に、遮断器２４ａ／ｂ／ｃが閉状態に移行したときに始まる変流器３５ａ／ｂ／ｃによる検出電流についてその波形を記録する。いずれの相にも地絡が発生していないことは、すでに説明した地絡相の検出部２３１の機能により判別できる。

時定数求値部２３１２は、変流器３５ａ／ｂ／ｃによる検出電流の波形のうちの交流分を除いた直流分において、遮断器２４ａ／ｂ／ｃが閉状態に移行したとき直流分がゼロから有限値に立ち上がってその後にゼロに減衰する速さを表す指標として時定数τを求める。これを具体的に示すと、図１０に示すごとくである。投入時に直流分がゼロから立ち上がる有限値の値は投入時の位相によって変わってくるが、図１０に示すような時定数τという意味では同じ値が得られる。得られた時定数は、遅れタイミング設定部２３１３に渡される。変流器３５ａ／ｂ／ｃによる検出電流の波形のうち、どれを使うかについては、例えば立ち上がりの有限値がもっとも大きいものを使えば時定数を読み取りやすい。

遅れタイミング設定部２３１３は、あらかじめ与えられた補償率ｈと時定数τとを用いて、τ×ｌｎ（１／（１−ｈ））の値よりも長い値の時間として地絡相への遮断指令部２３２が発する指令から健全相への遮断指令部２３３が発する指令までの遅れタイミングをあらかじめ設定する。設定された遅れタイミングは健全相への遮断指令部２３３に伝えられ、遮断指令部２３３は以降、遮断指令を発する場合にはこの遅れタイミングに基づいて指令を発する。

ここで、τ×ｌｎ（１／（１−ｈ））の値をしきい値としてこれを超えるように遅れタイミングを設定している根拠を説明する。図１０に示した時定数の実測は、図７に示した波形によって時定数を求めるという時定数の実測と等価である。図７において、ゼロ到達時間の最長は、直流の立ち上がり値が最も大きくなっているときに示現する。この立ち上がり値に等しい値を１［ｐｕ］としたとき、この値から減衰する直流分の経時過程は図１１に示すごとくになる。

図７に示されるゼロ到達時間は、減衰した直流分に交流分の振幅が等しくなったときとして計算することができる。ここで、交流分の振幅は補償率ｈに依存する。補償率ｈが例えば０．９であれば、ゼロ到達時間は、図１１中に示されているように、直流分が０．１［ｐｕ］まで減衰したときの時間として求めることができる。

関係式は、ｅｘｐ（−ｔ／τ）≦１−ｈ・・・（式１）である。左辺は、図１１中の「分路リアクトル検出電流の直流分」が時間ｔに伴い変化する過程を示しており、右辺は図１１中の各「比較値」を示している。この式をｔについて解くと以下になる。すなわち、ｔ≧τ・ｌｎ（１／（１−ｈ））・・・（式２）である。これが、τ×ｌｎ（１／（１−ｈ））の値をしきい値としてこれを超えるように遅れタイミングを設定している根拠である。具体的な数値を挙げると、図１１から、補償率ｈ＝０．９の場合、τ＝２００ｍｓ、１０００ｍｓ、１５００ｍｓのとき、それぞれ、ゼロ到達時間（最長の場合）は、４５０ｍｓ、２３００ｍｓ、３６００ｍｓになる。

図１２は、図１１に示したグラフから、補償率ｈとゼロ到達時間Ｔ０との関係を導いて描いたグラフである。図１２を用いても、補償率ｈ＝０．９の場合、τ＝２００ｍｓ、１０００ｍｓ、１５００ｍｓのとき、それぞれ、ゼロ到達時間（最長の場合）が、４５０ｍｓ、２３００ｍｓ、３６００ｍｓであると読み取れる。図１２を用いれば、時定数τおよび補償率ｈによって、ゼロ到達時間（最長の場合）がどのように変化するかが分かる。

遅れタイミングを具体的にτ×ｌｎ（１／（１−ｈ））の値よりどの程度長く設定するかについては、例えば、その２倍程度とすれば実用上問題ないものと考えられる。図３下側の図を参照して説明したように、健全相に流れる電流は正常時に流れる電流と同じ値であり、健全相では遮断までの時間が多少長くなっても、確実にゼロミスを避けることが優先する。

以上この実施形態についてまとめると、この構成は、遅れタイミングをあらかじめ設定するための別のひとつの方法を提示している。この方法では、遮断器２４ａ／ｂ／ｃを３相一括で閉状態に移行したときの、変流器２２ａ／ｂ／ｃによる過渡的な検出電流の波形を得て活用することに代わり、この波形を構成する直流分を分路リアクトル３５ａ／ｂ／ｃに流れる電流を変流した検出電流を得て活用する。

そして、直流分から導出される時定数τと与えられた補償率ｈとを用いて、変流器２２ａ／ｂ／ｃによる過渡的な検出電流において電流ゼロ点が初めて生じるまでの最大時間をτ×ｌｎ（１／（１−ｈ））の計算により求める。τ×ｌｎ（１／（１−ｈ））の値よりも長い値の時間として遅れタイミングを設定すれば、電流ゼロ点が確実に現れるようになる安全側の値として遅れタイミングが設定される。

なお、分路リアクトルには、前述したように、電圧印加時に磁気飽和を伴うものがある。その場合は、遅れタイミングは、飽和が解けて電流ゼロミスがなくなる時間を実測し、前記のτ×ｌｎ（１／（１−ｈ））に余裕を持たせた値とすればよい。

（実施形態４）
次に、図１３は、実施形態４の３相送電保護方法を実施するための、図８中に示した保護リレー２３Ｂの変形例である保護リレー２３Ｃについてその内部構成を機能ブロックで示している。この実施形態４では、図８中および図９に示した保護リレー２３Ｂに代えて、図１３に示す保護リレー２３Ｃを用いる。図８に関してそのほかの点に変更はない。この実施形態４では、補償率ｈをあらかじめ与えるため、これを実測により得ようとする構成物が含まれる。図１３において、図９中に示した構成物と同一のものには同一符号を付しその説明は省略する。

図１３に示すように、この保護リレー２３Ｃは、すでに説明した各構成物のほかに、補償率求値部２３１４を有する。補償率求値部２３１４は、変流器２２ａ／ｂ／ｃによる検出電流のうちの少なくともひとつと、変流器３５ａ／ｂ／ｃによる検出電流（そのうちのひとつ以上）とに基づいて、補償率ｈを求値する。求められた補償率ｈは、遅れタイミング設定部２３１３に渡される。

補償率ｈは、送電設備３０が有する対地静電容量３３３ａ／ｂ／ｃに定常時に流れる電流である第１の電流ｉ１が分路リアクトル３２ａ／ｂ／ｃ、３４ａ／ｂ／ｃに定常時に流れる電流である第２の電流ｉ２により補償されて電力系統１０から送電設備３０に定常時に流れる電流ｉが第１の電流ｉ１から減少する分の電流ｉ２を、第１の電流ｉ１で除した値として定義されている。

そこで、分路リアクトル３２ａ／ｂ／ｃ、３４ａ／ｂ／ｃに流れる第２の電流（ｉ２；変流器３５ａ／ｂ／ｃによる検出電流で分かる）に、電力系統１０から送電設備３０に流れる電流（ｉ；例えば変流器２２ａによる検出電流で分かる）を加えれば対地静電容量３３３ａ／ｂ／ｃに流れる第１の電流ｉ１に等しくなること（ｉ２＋ｉ＝ｉ１）を用いて、補償率ｈは、実測した検出電流ｉ２、ｉに基づいて、ｈ＝ｉ２／ｉ１＝ｉ２／（ｉ２＋ｉ）で求められ得る。これによれば、上記の時定数τが実測で得られ、補償率ｈも実測で得られるため、送電設備３０の設計仕様ではなく、現実に存在する送電設備３０に対応するように遅れタイミングを設定することができる。

以上説明したように、各実施形態の動作によれば、地絡相、健全相のいずれにおいても、電流ゼロ点が確実に発生した後速やかに遮断器２４ａ／ｂ／ｃによって遮断が完了する。よって、一部の相が地絡しても遮断器２４ａ／ｂ／ｃは正常に地絡電流を遮断し、遮断器２４ａ／ｂ／ｃ自身で事故に至ることがないように対応できる。以上の説明では、図１、図８に示されるように、中性点直接接地系統の場合を示したが、これに限定されることなく他の接地方式、すなわち、高抵抗接地系統の場合でも同様の方法が適用できる。また、地絡を対象として説明したが、これに限定されず、２相短絡の場合にも適用できる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、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。これらの新規な実施形態は、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、変更を行うことができる。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ともに、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。

１０…電力系統、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…等価電圧源各相、２０…３相送電保護装置、２１ａ，２１ｂ，２１ｃ…計器用変圧器、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ…変流器、２３，２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ…保護リレー、２３１…地絡相の検出部、２３２…地絡相への遮断指令部、２３３…健全相への遮断指令部、２３４…相分別遮断指示部、２３４Ａ…投入・遮断指示部、２３５…試験課電指示部、２３６…波形記録部、２３７…ゼロ到達時間計時部、２３８…遅れタイミング設定部、２３１１…波形記録部、２３１２…時定数求値部、２３１３…遅れタイミング設定部、２３１４…補償率求値部、２４ａ…遮断器ａ相、２４ｂ…遮断器ｂ相、２４ｃ…遮断器ｃ相、３０…送電設備、３１ａ，３１ｂ，３１ｃ…架空送電線（のインダクタンス）、３２ａ，３２ｂ，３２ｃ…分路リアクトル（のインダクタンス）、３３…送電ケーブル、３３１ａ，３３１ｂ，３３１ｃ，３３２ａ，３３２ｂ，３３２ｃ…送電ケーブルの等価インダクタンス、３３３ａ，３３３ｂ，３３３ｃ…送電ケーブルの対地静電容量、３４ａ，３４ｂ，３４ｃ…分路リアクトル（のインダクタンス）、３５ａ，３５ｂ，３５ｃ…変流器。

Claims (5)

1. ３相送電保護装置が実行する３相送電保護方法であって、
   遮断器を介して３相電力系統に接続されている送電設備に、該３相電力系統から該遮断器が閉状態にされ流れる各相電流である第１、第２、第３の相電流を変流することにより第１、第２、第３の検出電流を得、前記第１、第２、第３の検出電流に少なくとも基づいて、前記第１、第２、第３の相電流のうちのいずれが地絡によるものかを検出し、地絡による相電流を地絡相電流として地絡相電流でない相電流を健全相電流としてそれぞれ特定し、前記地絡相電流を遮断すべく前記遮断器に向けて、遮断する旨の指令である第１の指令を送り、前記健全相電流を遮断すべく前記遮断器に向けて、遮断する旨の指令である第２の指令を前記第１の指令よりも遅いタイミングで送り、
   前記遮断器を開状態から閉状態に移行し、前記遮断器が開状態から閉状態にされた後、前記第１、第２、第３の検出電流に少なくとも基づいたところ前記第１、第２、第３の相電流のいずれも地絡によるものでない場合に、前記遮断器が閉状態にされたときに始まる過渡的な前記第１、第２、第３の検出電流の波形をそれぞれ第１、第２、第３の波形として記録し、
   前記第１、第２、第３の波形のそれぞれにおいて、前記遮断器が閉状態にされたときに波形値がゼロから有限値に立ち上がってその後脈流として波形値が次に初めてゼロに減じるまでの時間である第１、第２、第３の時間をそれぞれ調べ、
   前記第１、第２、第３の時間のうちのもっとも長い時間よりさらに長い時間として前記第１の指令から前記第２の指令までの遅れタイミングをあらかじめ設定する
   ３相送電保護方法。
2. 前記遮断器を開状態から閉状態に移行する操作を複数回行うことにより、前記第１、第２、第３の時間を複数回調べ、
   複数得られた前記第１、第２、第３の時間のうちのもっとも長い時間よりさらに長い時間として前記第１の指令から前記第２の指令までの遅れタイミングをあらかじめ設定する
   請求項１記載の方法。
3. 前記送電設備に設けられた分路リアクトルに流れる電流を変流して第４の検出電流を得、
   前記遮断器を開状態から閉状態に移行し、
   前記遮断器が開状態から閉状態にされた後、前記第１、第２、第３の検出電流に少なくとも基づいたところ前記第１、第２、第３の相電流のいずれも地絡によるものでない場合に、前記遮断器が閉状態にされたときに始まる前記第４の検出電流の波形を第４の波形として記録し、
   前記第４の波形のうちの交流分を除いた直流分において、前記遮断器が閉状態にされたとき該直流分がゼロから有限値に立ち上がってその後にゼロに減衰する速さを表す指標として時定数τを求め、
   前記送電設備が有する対地静電容量に定常時に流れる電流である第１の電流が前記分路リアクトルに定常時に流れる電流である第２の電流により補償されて前記３相電力系統から前記送電設備に定常時に流れる電流が前記第１の電流から減少する分を前記第１の電流で除した値で定義される補償率ｈをあらかじめ与え、
   τ×ｌｎ（１／（１−ｈ））の値よりも長い値の時間として前記第１の指令から前記第２の指令までの遅れタイミングをあらかじめ設定する
   請求項１記載の方法。
4. 補償率ｈをあらかじめ与えることが、前記第１、第２、第３の検出電流のうちの少なくともひとつと前記第４の検出電流とに基づいてなされる請求項３記載の方法。
5. 送電設備を３相電力系統に投入、接続すべく、該送電設備を該３相電力系統に接続する地点に設けられた遮断器と、
   前記３相電力系統から前記遮断器が閉状態にされ前記送電設備に流れる各相電流である第１、第２、第３の相電流を変流することにより第１、第２、第３の検出電流をそれぞれ出力する第１、第２、第３の変流器と、
   前記第１、第２、第３の検出電流に少なくとも基づいて、前記第１、第２、第３の相電流のうちのいずれが地絡によるものかを検出し、地絡による相電流を地絡相電流として地絡相電流でない相電流を健全相電流としてそれぞれ特定する検出部と、
   前記地絡相電流を遮断すべく前記遮断器に向けて、遮断する旨の指令である第１の指令を送る第１の遮断指令部と、
   前記健全相電流を遮断すべく前記遮断器に向けて、遮断する旨の指令である第２の指令を前記第１の指令よりも遅いタイミングで送る第２の遮断指令部と、
   前記遮断器を開状態から閉状態に移行する試験課電指示部と、
   前記遮断器が開状態から閉状態にされた後、前記第１、第２、第３の検出電流に少なくとも基づいたところ前記第１、第２、第３の相電流のいずれも地絡によるものでない場合に、前記遮断器が閉状態にされたときに始まる過渡的な前記第１、第２、第３の検出電流の波形をそれぞれ第１、第２、第３の波形として記録する波形記録部と、
   前記第１、第２、第３の波形のそれぞれにおいて、前記遮断器が閉状態にされたときに波形値がゼロから有限値に立ち上がってその後脈流として波形値が次に初めてゼロに減じるまでの時間である第１、第２、第３の時間をそれぞれ調べるゼロ到達時間計時部と、
   前記第１、第２、第３の時間のうちのもっとも長い時間よりさらに長い時間として前記第１の指令から前記第２の指令までの遅れタイミングをあらかじめ設定する遅れタイミング設定部と
   を具備する３相送電保護装置。

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