JP6560731B2

JP6560731B2 - 電力系統保護用の連続無停止ａｃ接地システム

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Publication number: JP6560731B2
Application number: JP2017226037A
Authority: JP
Inventors: ファクスヴォグ、フレデリック、アール．; ジェンセン、ウォレス; ノルドリング、ゲイル; フックス、グレッグ; ジャクソン、デビッド、ブレイク; フォルクマン、テリー、リー; ルール、ジェイムス、ニコラス; グロ−、ブライアン
Original assignee: エンプリマス、エルエルシー
Priority date: 2010-07-20
Filing date: 2017-11-24
Publication date: 2019-08-14
Anticipated expiration: 2031-07-19
Also published as: US20120019965A1; WO2012012426A2; CN103222145B; JP2016185071A; KR101911417B1; JP6251322B2; CN103222145A; WO2012012426A3; IL224228A; AU2011282288A1; AU2011282288B2; JP2013532937A; HK1186006A1; BR112013001568A2; EP2596565A2; JP6008853B2; MX2013000738A; US8878396B2; CA2805652C; CA2805652A1

Description

本願は、２０１１年７月１９日、ＰＣＴ国際出願として、米国以外のすべての国を指定国とする場合の出願人を米国企業エンプリマス（Ｅｍｐｒｉｍｕｓ，Ｉｎｃ．）とし、米国のみを指定国とする場合の出願人を米国民フレデリック・Ｒ・ファクスヴォグ（ＦｒｅｄｅｒｉｃｋＲ．Ｆａｘｖｏｇ）、ウォレス・ジェンセン（ＷａｌｌａｃｅＪｅｎｓｅｎ）、ゲイル・ノルドリング（ＧａｌｅＮｏｒｄｌｉｎｇ）、グレッグ・フックス（ＧｒｅｇＦｕｃｈｓ）、デビッド・ブレイク・ジャクソン（ＤａｖｉｄＢｌａｋｅＪａｃｋｓｏｎ）、テリー・リー・フォルクマン（ＴｅｒｒｙＬｅｅＶｏｌｋｍａｎｎ）、ジェイムス・ニコラス・ルール（ＪａｍｅｓＮｉｃｈｏｌａｓＲｕｅｈｌ）、ブライアン・グロ−（ＢｒｉａｎＧｒｏｈ）として出願された。
本願は、２０１０年１０月２９日に出願された米国仮出願第６１／４０８，３１９号、２０１１年１月６日に出願された米国仮出願第６１／４３０，３８８号、２０１１年１月２８日に出願された米国仮出願第６１／４３７，４９８号、２０１１年５月１６日に出願された米国仮出願第６１／４８６，６３５号、２０１１年６月１３日に出願された米国有用特許出願第１３１５９，３７４号の優先権を主張し、これらはいずれも本明細書に引用により援用される。

本発明は、電気機器の電気的保護装置に関し、特に、本発明は、電力系統保護のために使用可能な連続、無停電ＡＣ接地システムに関する。

電気機器、特にＡＣ電流で動作する電気機器は、さまざまな入力信号や条件にさらされている。典型的な例として、米国で使用されるＡＣデバイスは、所定の電圧（例えば１２０ボルト）を備えた６０Ｈｚ電力（ヨーロッパでは５０Ｈｚ）を受電想定している。これらの電源は多少の変動を伴う可能性があるが、特定電流で使用するよう作られたデバイスであっても、受信電力信号の少しぐらいの変動では通常は問題が起きないようになっている。

米国特許出願番号１２/９０６，９０２

場合によっては、電力信号が高調波やその他の外部条件により大きく変動することがある。高調波や疑似ＤＣは、例えば、磁気嵐（太陽風）や同一送電網にあるか局所的に同一電源を共有する、スイッチング電源のような他の電気機器、アーク機器、溶接機器等により発生することがある。高調波や疑似ＤＣがあると、電力信号の入力電圧と電流（および結果としての電力）が劇的に変動する可能性があり、その電力源に接続された電気機器を損傷しかねない。

例えば、磁気嵐や高高度電磁パルス（ＨＥＭＰ）に伴なうＥ３パルスによって、送電線や電源変圧器といった高電圧発電・送電・配電システムの設備機器に、ＤＣ電流もしくは、地磁気誘導電流（ＧＩＣ）と呼ばれる疑似ＤＣ電流が誘導される場合があることが広く知られている。これらのＤＣ電流によって電源変圧器コアの半周期飽和状態が引き起こされると、余分な無効電力損失、発熱、損傷や故障が変圧器に発生する可能性がある。また、半周期飽和状態になると１次周波数（５０または６０Ｈｚ）の高調波が発生することがある。そうすると、この高調波成分によって電力システムの中継器が作動してしまい、必要な補償用機器が切り離されることにもなる。こうなると、局所的もしくは広域の電力網が崩壊するという事態をもたらしかねない。

これまで約２０年以上に亘り、電力系統内のＧＩＣつまりＨＥＭＰ（Ｅ３）により誘導される電流を削減する取り組みが提案されてきた。これらの解決策は、一般的に数種の形態に分類される。第１の解決策は、容量性回路を用いることで、ＡＣ接地経路を設けると同時に誘導ＤＣ電流を遮断するというものである。この種の解決策には、変圧器が接地された通常の接続と容量性回路を介するアース接続の間で切り替えができるよう、一般的にスイッチが一式備わっている。ただし、変圧器中性点のアース接続が誤って開位置となることがあるので、接地故障に対処するための高価な電子機器が必要となる。こうした容量性回路を用いた解決策では、現在の動作パラメータと比較しながら、電力系統中継器設定の再調整が必要となる場合もある。

第２の解決策は、変圧器中性点とアース接続との間のＤＣ電流もしくは疑似ＤＣ電流から、損害を及ぼす危険性があるＧＩＣ事象を削減するための能動部品を常時連続使用するものである。この種の解決策では、通常は高価な電力用電子機器を必要とし、また常に能動状態なのでなんらかの故障が発生すると電力系統の信頼性が落ちてしまう。

第３の解決策は、変圧器中性点とアース接続との間のＤＣ電流を常時低減するために固定値抵抗を用いる抵抗対処法であるが、こうした対処法では、抵抗は通常は高い抵抗値である必要があり、またＤＣ電流もしくは疑似ＤＣ電流を低減するだけで無くすことはできない。さらに、この種の解決策を導入する際に、電力系統中継機器設定の再調整が必要となることがある。このように、現在の電力供給系統と相容する高信頼性・低コストの保護回路を提供できる解決策は存在しないのが実情である。

前記した理由および他の理由もあって、改善が望まれる。

以下に説明する開示内容によれば、上記の問題およびそれ以外の問題も対処することができる。

第１の態様では、変圧器を含むＡＣ系統に使用される連続接地システムを開示する。前記システムは、変圧器の中性点アース接続とアースとの間に接続されたスイッチ集合体を備えており、前記スイッチ集合体は開位置と閉位置を有し、前記開位置にすると電気的接続とアース接続の間のスイッチを介した経路を遮断し、前記閉位置にすると電気的接続とアース接続とを前記スイッチ集合体を介して接続する経路を確立する、そしてＡＣ電気装置の通常動作時には前記スイッチ集合体は閉位置の状態となっている。前記システムはまた、前記スイッチ集合体と並列に配置され、前記変圧器中性点と前記アースとの間に接続された、ＤＣ遮断部を備えている。前記システムは、前記スイッチ集合体を制御するように構成されて、前記変圧器の一つ以上の通電相に高調波信号を検出するかもしくは前記変圧器中性点と前記アースとの間のＤＣ電流が所定の閾値となると前記スイッチ集合体を開位置に作動させるように構成されたセンサをさらに含む、制御回路を備えている。

第二の態様では、電気的保護回路を開示する。前記電気的保護回路は、変圧器の中性点接地接続とアースとの間に接続されたスイッチ集合体を備えており、前記スイッチ集合体は開位置と閉位置を有し、前記開位置にすると電気的接続とアース接続の間のスイッチを介した経路を遮断し、前記閉位置にすると電気的接続とアース接続とを前記スイッチ集合体を介して接続する経路を確立する、そしてＡＣ電気装置の通常動作時には前記スイッチ集合体は閉位置の状態となっている。前記電気的保護回路はまた、前記スイッチ集合体と並列に配置され、変圧器中性点とアースとの間に接続された、ＤＣ遮断部を備えている。
前記回路に於いて、スイッチ集合体は電子制御入力を介して閉位置と開位置を移行可能で、前記電子制御入力は、変圧器の一つ以上の通電相に高調波信号が発生するかもしくは変圧器中性点とアースとの間のＤＣ電流が所定の閾値となるとスイッチ集合体を開位置に作動させる。

第三の態様では、ＡＣ回路から成る電気機器がＤＣや高調波の作用で損傷しないよう保護する方法を開示する。前記方法は、ＡＣ回路の通常動作時は、電気機器の変圧器中性点とアースとの間に電気的に接続されたスイッチ集合体を閉位置に維持するようになっている。前記方法はさらに、所定の閾値以上の高調波信号もしくは所定の閾値以上のＤＣのいずれかを検知すると、スイッチ集合体を開位置とすることで、電気機器のアース接続とアースとの間に、電気的にスイッチ集合体と並列に接続されたＤＣ遮断部によってＤＣを遮断するようになっている。

さらなる態様では、電気的保護回路をテストする方法を開示する。前記方法として、変圧器中性点とアースとの間に接続されたスイッチ集合体を開位置とし、変圧器電圧の周波数とは異なる周波数のＡＣ電圧を変圧器中性点に注入するようになっている。前記方法はさらに、前記ＡＣ電圧を注入しながらＤＣ遮断部を介して電流を測定し、測定された電流が電気的特性としてあらかじめ設定された限度内かどうかを判断するようになっている。あらかじめ設定された限度外の場合、前記方法は、電気的保護回路に異常があることを表示するようになっている。

別の態様では、電気的保護回路をテストする方法として、変圧器中性点にＤＣ信号を注入し、変圧器中性点とアースとの間に接続されたスイッチ集合体がＤＣ信号に応答して開位置となるか否かを判断し、もし開位置とならない場合、電気的保護回路に異常があることを示すようになっている。

また別の態様では、電気的保護回路をテストする方法として、高調波検知器に高調波信号を印加し、変圧器中性点とアースとの間に接続されたスイッチ集合体が高調波信号に応答して開くかどうかを判断し、スイッチ集合体が開かない場合、電気的保護回路に異常があることを示すようになっている。

他の態様では、電気機器の設置台は、開放構造を有する上面と前記上面を地上高で保持する複数の支持脚から成り、前記支持脚は1つ以上の接地された杭の上に搭載されており、電気機器は前記上面に配置され、高出力変圧器の接地ブッシングとアースとの間に電気的に接続されている。

は、本明細書に記載される方法およびシステムを使用して保護された変圧器の正面略図である。は、本開示内容から導かれる実施形態として、発電所や配電所に設置される連続接地システムで使用可能な電気的保護回路の実施形態例を示す。は、本開示内容から導かれる実施形態として、電気的保護回路の第２実施形態例を含む連続接地システムを示す図である。は、本開示内容からさらに導かれる実施形態として、電気的保護回路の第２実施形態例を含む連続接地システムを示す図である。は、本開示内容から導かれる実施形態として、ＤＣ遮断部を自己テストする方法を示す図である。は、本開示内容から導かれる実施形態として、電気的保護回路のさらなる実施形態例を示す図である。は、本開示内容から導かれる実施形態として、抵抗値可変の抵抗を含む電気的保護回路の実施形態例を示す図である。は、本開示内容から導かれる実施形態として、抵抗値可変の抵抗を含む電気的保護回路の第２の実施形態例を示す図である。は、本開示内容から導かれる実施形態として、抵抗性回路網と容量性回路網を用いた連続接地システムの別の実施形態例を示す図である。は、本開示内容の原理に基づく連続接地システムのさらなる実施形態例を示す図である。は、本開示内容から導かれる実施形態として、例えば電気機器設置台の斜視図である。は、本開示内容から導かれる実施形態として、電気機器が搭載された図10の電気機器設置台の正面略図である。

一般的には、本開示内容は、電力設備の変圧器および他の電気機器もしくは電気機械機器がＤＣ電流に損傷を及ぼすことから保護し、結果として送電線に高調波成分が重畳しないようにするためのシステムおよび方法について説明する。変圧器中性点のＤＣ大電流と高調波の大電圧は、磁気嵐（太陽風）、高高度電磁Ｅ３パルス（ＨＥＭＰ−Ｅ３）、または同一電力網もしくは局所電力回路にある、スイッチング電源、アーク溶接機、プラズマ切断、放電加工装置、アーク灯など他の電気機器によるものである。全体的に本開示内容は、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ送電線の高調波成分および潜在的に有害な変圧器中性点ＤＣ電流を検知し、そのような高調波またはＤＣ電流を検出すると重要な電気機器が操作保護モードに切り替えられるようにする方法とシステムについて説明するものである。

本明細書に記載の様々な実施形態によれば、ＧＩＣ（太陽嵐）やＥＭＰＥ３パルスから高電圧電力系統を保護するには、磁気嵐とＥＭＰ（Ｅ３パルス）により誘導される電流を無くすためにスイッチ制御のＤＣ遮断機構を備えた、連続無停止ＡＣ接地回路を使用すればよい。ＤＣ遮断部（1つ以上のキャパシタ、抵抗あるいはそれらの組合せから成る）は、高電圧電力系統用の無停止ＡＣ接地経路を提供できるよう、例えばＹ字型に構成された高電圧変圧器または単巻変圧器の中性点に、回路として組み込まれている。通常の動作では第２平行接地経路パスが、閉じられたスイッチ集合体を介し非常に低いインピーダンスの標準接地経路となる。

本明細書が開示する連続接地システムは、標準の変圧器接地方式と互換性のある接地方式を提供するので、電力系統中継器の設定変更は何ら必要ない。高いＤＣ（または疑似ＤＣ）電流や高調波電力成分のいずれかが検出されると、スイッチ集合体は開位置となることで、ＤＣまたは疑似ＤＣの電流が系統に流れるのを遮断または減衰する。疑似ＤＣまたはＤＣの電流を遮断すると、変圧器の半周期飽和を防ぐことができ、従って過剰な無効電力損失、過熱や損傷から保護できる。また、ＤＣ電流を遮断すると、部分的に飽和した変圧器に高調波が発生することも防ぐことができる。このような電力高調波は、電力系統中継器を次々に移動する可能性があり、結果として局所的または広域の停電が発生することがある。さらに、本明細書に開示される実施形態の中には、このような連続接地システムに含まれる電気的保護回路が正常動作時またはＧＩＣ保護モード動作時のいずれであっても接地故障を処理できるように設計（設定）されているものがある。

図1は、本開示内容の機能により保護された電気機器例の正面略図であり、本開示内容の所定のいくつかの構成機器を物理的に配置したものである。図示の実施形態では、高電圧変圧器１００として示された１台の電気機器は、電気的保護回路１０２に電気的に接続されている。電気的保護回路１０２は、図２−９に示す実施形態によれば、例えば、以下に記載される機器の少なくとも一部を含めることができる。高電圧変圧器１００は、安定性およびアースからの隔離のため、コンクリートの受け台に搭載されているのが普通である。電気的保護回路１０２は、上記のように、高電圧変圧器１００に電気的に接続され、筐体に収められ、電気的に接地された支持体１０３上に配置される。ＧＩＣ事象に対する保護に加えて、すべての制御電子機器（半導体装置）はＥＭＰ/ＩＥＭＰを遮蔽し電気を通さない筐体１０４に収められ、前記筐体は電気的保護回路１０２と高電圧変圧器１００に電気的に接続され、検知切替制御回路１０５を含んでいる。なお、遮蔽フィルタ筐体１０４が無くても、前記システムは、変圧器をＧＩＣ事象から保護できるが、ＥＭＰＥ３パルスの脅威に対しては保護できない。

実施形態によっては、電気的保護回路１０２として、図２−９で説明するスイッチ集合体およびＤＣ遮断部が含まれる一方で、遮蔽フィルタ筐体１０４には、検知切替作動回路が含まれる訳だが、電気的保護装置のために上記以外の部品を備えることもある。

次に図２を参照しながら、本開示内容による、電気的保護回路２００の一般的な第1実施形態を説明する。前記回路２００は、一般的に変圧器１２（図示の実施形態では、Ｙ型変圧器として示されている）の変圧器中性点１０とアース１４との間に接続される。電気的保護回路２００は、変圧器中性点１０とアース１４との間に、電気的に制御されるスイッチ２０４が接続されたスイッチ集合体２０２を備えている。分流抵抗２０６をスイッチ２０４とアース１４との間に接続して、変圧器中性点１０とアース１４との間を流れるＤＣ電流を検知するために使用することもできる。実施形態によっては、分流抵抗２０６を通常は数ミリオーム単位の低インピーダンスとすることで、スイッチを介した低インピーダンスのアース接続を実現している。別の実施形態では、分流抵抗器２０６をホール効果電流検知器または他の非接触電流検知器に置き換えることも可能である。さらに、電気的に制御された高電圧の接地スイッチ２０８を変圧器中性点１０とスイッチ２０４との間に接続することで、例えば、地絡中にスイッチ２０４を高電圧から保護できる。実施形態によってはアース１４を、事業所内のアース網に接続することもあるし、アース接続された変圧器収納庫に接続することもある。

スイッチ２０４は、高電圧回路遮断器スイッチのように高速動作し電気的に制御されたスイッチであれば何でもよい。例示した実施形態では、スイッチ２０４は通常は閉位置にあり、電気的な制御入力を介して迅速に開位置になることができる。制御入力に接続可能な検知制御回路の例を、図３に関連付けながら以下でさらに説明する。

ＤＣ遮断部２１０は、変圧器中性点１０とアース１４との間に、スイッチ集合体２０２と並列に接続されている。以下の例でさらに説明するが、ＤＣ遮断部２１０は、アース１４と変圧器中性点１０との間の電流経路を遮断できる1つ以上の直流遮断素子（例えば、キャパシタや抵抗）を備えることで、変圧器１２にも損傷を与えかねない有害なＤＣもしくは疑似ＤＣのアース電流が変圧器中性点１０に流れないよう未然に防ぐ。具体的な応用例に応じて、容量性または抵抗性のいずれかの（またはその組み合わせ）遮断素子２１０を保護回路３０２に用いることになる。さらに、実施形態によっては、ＤＣ遮断部２１０をアースに直接に接続することで、スイッチ２０４と２０８が計らずも誤作動しても変圧器（または他の電力関係機器）はＡＣ接地を確保できるようになる。

通常の操作では、変圧器中性点１０はスイッチ集合体２０２を介して接地されている。つまり、スイッチ集合体２０２は、スイッチ２０４と高電圧接地スイッチ２０８を備えるが、通常は閉位置にある。これは器具類で使用される標準接地構成に対応し、結果的に、本明細書に開示される接地システムは、使用前に取り付けられる電気器具類の再調整を必要としない。この状態での最初の動作モードでは、スイッチ集合体が短絡しているので、ＤＣ遮断部２１０は通電されていない。通常のモード（ＧＩＣの無い状態）で動作しているときに地絡を検出すると、電力系統中継器が障害の発生した機器を隔離するまでは、スイッチ集合体を通る接地で地絡電流に対応する。中性点からアース接続に至る間で高電力高調波または疑似ＤＣ電流のいずれかの存在が検出されると、スイッチ集合体は、ＧＩＣ検知制御用電子機器により開位置となる。この第２の動作モードでは、変圧器中性点はＤＣ遮断部２１０を通してＡＣ接地される。この動作モードでは、ＧＩＣ事象やＥＭＰＥ３事象に伴なうＤＣ電流または疑似ＤＣ電流から保護される。このＧＩＣ保護モードは、電力系統操作員が前記事象の終結宣言を行ない、スイッチ集合体２０２を再度閉位置に戻すまで維持される。

実施形態によっては、ＧＩＣと地絡という極めて稀にしか起こらない事象が同時に発生することに備えて、バリスタまたはＭＯＶ（金属酸化物バリスタ）として知られているサージアレスタ２１２、または他のそのようなサージ止め装置を組み込み、遮断部２１０を保護するきっかけとする。障害が起きた電流を検出したという中継器からの信号を変圧器中性点電流変圧器２１４を介して受け取ると、スイッチ集合体２０２は再度閉位置に戻り、次いで高電圧スイッチ２０８も再度閉位置となる。従って、一度地絡が起きると、初めにサージアレスタ２１２がアースされ、スイッチ集合体２０２が再度閉位置となるまで続く。なお、同時事象（ＧＩＣと地絡）の起きる確率は非常に小さく、現実にはシステムが無くなるまで一度も発生しないかもしれない。

サージアレスタ２１２のコスト削減のため、１回の事象だけ保護した後は交換が必要な使い捨て素子である低コストのサージアレスタを用いるのが望ましい。サージアレスタが働きを終えると、設計上、アースに短絡する。２番目の選択肢としては、最初の導入時に追加でサージアレスタを組み込んでスイッチを付け、最初のサージアレスタが役目を終えると、必要に応じ交換用として２番目に切り替わることである。３番目の選択肢は、最初の導入時に非常に頑丈なサージアレスタを組み込み、サージアレスタが故障せずに多くの地絡に耐えることが保証されることである。

スイッチ集合体を開位置にすると、図２のＤＣ遮断部２１０は、ＤＣもしくは磁気嵐やＥＭＰＥ３事象により誘導される疑似ＤＣを遮断すると同時に、変圧器中性点１０のＡＣ接地経路にもなる。前記の両ＤＣを遮断すると、変圧器１２で半周期飽和となりその結果変圧器に過度の無効電力損失、過熱、損傷あるいは故障を引き起こしてしまうことを防止できる。さらに、ＤＣを遮断すれば、電力系統に高調波が発生し結果として電力中継器を次々に移動して電力補償機器が切り離されたり、過度の無効電力負担が生じたり、潜在的に送電網が小規模または大規模に崩壊したりするといったことを防止できる。

さらに、ＤＣ遮断部２１０の信頼性を高めるために、複数のキャパシタを並列に並べたものか複数の抵抗を並列に並べたもののいずれかを備えて、これらのキャパシタあるいは抵抗の1つ以上がだめになってもまだ遮断部として利用できるようにすることができる。

また、電磁パルス（ＥＭＰ）のＥ１，Ｅ２部分と意図的電磁妨害（ＩＥＭＩ）の両方またはいずれか一方から保護するために、システム内の高感度な検知制御用電子機器はすべて、図１で制御システムを収めた筐体１０４のように、遮蔽し電気を通さない筐体内に配置したほうが良い。ただし、遮蔽された筐体に収容されていない機器であっても高感度な半導体電子回路を含まなければ、ＥＭＰまたはＩＥＭＩ事象のいずれかに対しても故障しない。遮蔽し電気を通さない筐体内に検知制御用電子機器が配置されていない実施形態であっても、地磁気から誘導されたＧＩＣからは変圧器を保護できる。そのような筐体の内容に関しては、以下でさらに詳細に説明する。

次に、図３Ａを参照しながら、本開示内容から可能な実施形態にしたがう、電気的保護回路３０２の第２の実施形態例を含む連続接地システム３００について説明する。この実施形態では、電気的保護回路３０２は、図２の回路２００とおおむね同一であるが、ＤＣ遮断部２０８はキャパシタ３０４として示されている。ある実施形態では１５ｋＶ，３０００μＦのキャパシタが使われているが、別な種類のキャパシタも同様に使用できる。

図３Ａは、本開示内容から可能な実施形態による検知制御回路３１０を示している。検知制御回路３１０は、検知制御モジュール３１２や電流検出部３１４などの制御用電子回路を備えている。中継器制御回路３１６は、検出制御モジュール３１２と接続し、スイッチ２０４、２０８を作動させるスイッチ制御出力３１３を生成する。

検知制御モジュール３１２はＧＩＣ事象で半周期飽和状態となった変圧器から発生する高調波を検知する。たとえば、モジュール３１２に、変圧器のいずれかの相に配置された容量性電圧変圧器（ＣＶＴ）２１４の信号形態を常に測定する高調波検知器を含めることができる。中性点ＤＣ電流か高調波検知器のいずれかからの信号が既定値を超えると、スイッチング集合体２０２の２つのスイッチを開位置にする信号を送信する。既定値は、各個別導入ごとの保護要件に応じて電気機器または電力系統の技術者が選択する。ＤＣ電流または疑似ＤＣ電流の既定値として典型的な範囲は約５〜５０アンペアの範囲になる。電力高調波レベルの既定値として典型的な範囲は、全高調波歪み（ＴＨＤ）の約１〜１０％の範囲内になると考えられる。電流検出回路３１４は、中性点に於けるＤＣ電流もしくは磁気嵐によって発生した疑似ＤＣ電流を分流抵抗２０６の両端で測定し、必要に応じて中継器制御回路３１６を発動させるために、その測定結果を検知制御モジュール３１２に送信する。

図示した実施形態では、遮蔽された筐体３２０は、制御回路３１０を収納し、高周波高電力な電磁信号が前記筐体に入ることを防止するために筐体３２０の外周に配置された複数のフィルタ３２２を備えることで、高感度の制御検知用電子機器が潜在的な妨害や損傷にさらされないようにしている。フィルタ３２２は、通常は高電圧信号が前記筐体に入らないようにサージ電圧を抑制することもできるローパスフィルタまたはバンドパスフィルタを用いる。図示した実施形態では、遮蔽された筐体３２０は、通常約１４ｋＨＺから１０ＧＨｚまでの電磁周波数の電磁波放射から保護するために、すべてのドアの開口部の周りを導電性ガスケットで前記筐体を遮蔽したＥＭＰ/ＩＥＭＩファラデー筐体である。また、本実施形態では、フィルタ３２２は、ＣＶＴ入力３２６、操作員入出力３２８、スイッチ制御出力３１３、および分流抵抗器２０６のどちら側にも接続される電流検出入力３３０と同様に電力入力３２４にも配置されている。さらに、筐体３２０の内側と外側のいかなるファイバ通信も適切な遮断周波数超導波管を介してフィルタすることで、本質的にＥＭＰ事象とＩＥＭＩ事象から保護することとなる。

動作中に、制御回路３１０がＧＩＣ事象を検知すると、中継器制御回路３１６は、スイッチ制御出力３１３を介して、ＤＣ低電圧スイッチすなわちスイッチ２０４を開位置にする。この動作に続き、信号が流れて、高電圧接地スイッチ２０８が開位置となる。接地スイッチ２０８は、通常は数時間から１日の単位で磁気嵐事象が続く間、開位置のままになるのが普通である。この期間、変圧器１２の変圧器中性点１０はＤＣ遮断部２１０（この場合はキャパシタ３０４）によって接地されている。接地スイッチ２０４，２０８を再度閉位置とするのは、磁気嵐が通過した後に電力系統の操作員が制御を行なうのが普通である。しかし、設備によっては、例えば所定時間経過後といったように、自動的にスイッチを再度閉位置とする構成にすることもある。

次に図３Ｂを参照しながら、連続接地システム３５０の実施形態例をさらに説明する。この代表的な実施形態に於いて、変圧器中性点からアース接続までのＤＣ電流を測定する目的で、分流抵抗器２０６と電流検出装置３１４の代わりにホール効果電流検知器を使用することもできる。このような実施形態では、前記ホール効果検知器は、一度ＥＭＰやＩＥＭＩの攻撃を受けると使えなくなる。容量性電圧変圧器（ＣＶＴ）２１４も一度ＥＭＰやＩＥＭＩの攻撃を受けると、同様に故障するのではないか、という疑問がある。

そのような攻撃を受けても変圧器を確実に継続して保護するためには、フィルタ３２２を介して検知制御電子機器３１２に接続される電磁（ＥＭ）場検出器３５２を、この保護システムに追加すればよい。検出器３５２は、筐体３２０の外部に置き、ＥＭＰＥ１、Ｅ２パルスまたはＩＥＭＩパルスを検出することができ、検出するとＤＣスイッチ２０４そして変圧器の保護に必要なスイッチを開位置とする。ＥＭ検出器３５２は、制御用建屋の屋上または側面に取り付け、遮蔽された導管でシールドされた制御用電子回路３１０に接続する必要がある。

様々な実施形態で、異なるタイプの電磁場検出器を使用することができる。代表的な実施形態に於ける電磁場検出器として、"電磁場検出システムおよび方法"という名称を持ち、その開示内容全体が本明細書に参考として援用された、同時係属中の米国特許出願第１２/９０６，９０２号に記載されているものを含めてもよい。

動作中に、万一ホール効果検知器とＣＶＴ２１４の両方またはいずれか一方が電磁事象によって損傷ないし破壊されたとしても、電磁場検出器３５２がＤＣスイッチ２０４を開位置にし、その結果、高電圧変圧器１０を保護する。

次に図４を参照しながら、図３の連続接地システム３００を基とし、自己テスト手順も備わった試験装置４００について説明する。本開示内容の様々な実施形態によれば、試験装置４００は手動テスト、自動テスト（例えば、既定の間隔で行なう）のいずれによっても可能である。図示した実施形態によれば、テスト例として、スイッチ集合体２０２を開位置にし、例えばＡＣ電圧源４０４を使用することによって、電力系統（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚもしくはその高調波）とは異なる周波数の電圧を変圧器中性点接続に印加し、同時にこのテスト周波数でキャパシタを通過する電流を測定すればよい。注入された電圧の値と合わせてこの電流の値があれば、キャパシタ（または抵抗）の静電容量（または抵抗値）の測定値が得られる。静電容量Cは単純な次式で与えられる。
Ｃ＝Ｉ/ωＶ
ここで、Ｉはキャパシタを流れる電流、Ｖは印加された電圧、ωは印加された電圧の角周波数（ω＝２πｆ）
抵抗遮断素子の場合、抵抗値はＲ＝Ｖ/I で得られる。

従って、もし印加された信号の周波数で測定された静電容量（または抵抗値）が、導入当初の設定値の公称許容範囲内にあれば、キャパシタ（または抵抗）が動作状態にあり、ＧＩＣまたはＥＭＰＥ３事象のいずれが発生しても対応可能であると自己テストで確認されたことになる。もし静電容量（または抵抗値）が所定の許容範囲外となった場合、追加診断を行なって保護システムが既定外静電容量を検出した原因を追及するようメッセージが出る。そして、もしキャパシタ（または抵抗）やスイッチ類や他の部品が正常に機能していない場合、故障している部品の交換が必要となる。

ＤＣ遮断素子として抵抗を用いた場合にも、上記のキャパシタを用いた場合と同様の自己テストを行なうことができる。この場合、注入された信号を用いて、抵抗の抵抗値を測定し、所定値となることを確認する。

ＥＭＰＥ１、Ｅ２パルスから保護するため、この自己テスト構成で使用される電圧高調波注入源４０４、４０６、４０８は、この試験装置４００内の他の高感度電子部品と共に遮蔽された筐体３２０の内部に収容する。この自己テスト構成で使用される電流検知器４０２は、ホール効果電流検知器であってもよいがその場合、統合アンプを備えた半導体素子であることから、ＥＭＰ事象や強力なＩＥＭI事象に遭うと使えなくなる。

図４の試験装置４００はまた、検知制御電子回路を電子回路的にテストすることが可能な装置としても表されている。テストは手動でも、所定間隔で自動的にも行なうことができる。この追加テストは、ＤＣ注入電圧部４０８から変圧器中性点接続にＤＣ信号を注入して行なわれ、その結果スイッチ集合体２０２と分流抵抗２０６を介するＤＣ電流が流れる。検知制御用電子回路が正常に動作していれば、このことはＧＩＣのＤＣ電流が流れるのと同じ状態を創りだしたことになり、スイッチ集合体が開位置になる。スイッチ類は、次に再度閉位置にすれば通常の動作モードに戻る。同様にして、高調波信号発生器４０６からＣＶＴ２１４接続に高調波信号を注入することにより、ＧＩＣによって高調波が発生したのと同じ状態を創りだすことができる。高調波検知制御用電子回路が正常に動作していれば、これによってスイッチ集合体が開位置となる。スイッチ類は、次に再度閉位置にすれば通常の動作モードに戻る。

図５は、本開示内容により可能な実施形態として、電気的保護回路５００の別の実施形態例の概略図である。この実施形態では、キャパシタと変圧器のインダクタンスの組み合わせによって発生する鉄共振を防止するために、図３、図４のキャパシタ３０４と直列に抵抗５０２を配置している。この構成では、サージアレスタ２１２はキャパシタ３０４と並列のままであるが、抵抗５０２はそうではない。通常は抵抗５０２の抵抗値は、５０〜６０Ｈｚの系統用のキャパシタ３０４のインピーダンスと整合するように数オーム（０．５〜３）単位以下とする。この実施形態では、スイッチング部品とＧＩＣ検知電子回路は、すべて図３、図４に示されているものと同じである。

図６、図７では、追加の実施形態として、ＤＣ遮断部２１０の一部として可変レベル抵抗を使用している。図６では、並列に配置され、各々と結合してスイッチ６０４ａ〜６０４ｃが直列に接続された抵抗６０２ａ〜６０２ｃの列を備えた電気的保護回路６００が、磁気嵐やＥＭＰ事象のＥ３部分に対し、様々なレベルで保護する。並列抵抗６０２とこれらの抵抗と結合しているスイッチ６０４の数は、個別の導入設備で必要とされるＤＣ遮断や減衰の範囲に応じて調整可能である。この実施形態では、制御回路３１０（図示しない）が、高調波および中性点ＤＣ電流に関わる多くの所定閾値をスイッチ制御用に備え、事象の大きさを検知することによって、スイッチが閉位置になる抵抗６０２の数を制御できる。図示した実施形態では、さらに抵抗６０２ａ〜６０２ｃと並列に抵抗６０１を備え、スイッチがすべて開位置になっても一定レベルの抵抗が確保されるようにしている。

図７では、電気的保護回路７００が、直列接続された抵抗７０２ａ〜７０２ｃと各抵抗に並列に関連スイッチ７０４ａ〜７０４ｃが接続された回路を１列備え、磁気嵐やＥＭＰ事象のＥ３部分に対して様々なレベルの保護ができるようになっている。さらに抵抗７０２ａ〜７０２ｃと直列に抵抗７０１を備え、スイッチ７０４ａ〜７０４ｃが閉位置になっても変圧器中性点１０とアース１４との間の経路に一定レベルの抵抗が残るようにしている。直列抵抗７０２および関連スイッチ７０４の数は、個別の導入設備で必要とされるＤＣ遮断や減衰の範囲に応じて調整可能である。この実施形態では、検知制御用電子回路が、スイッチが閉位置になる抵抗の数を制御できるよう、やはり事象の大きさを検知できる必要がある。

図８は、本開示内容によりさらに可能な実施形態として、連続接地システム８００の追加実施形態例を表している。上記で説明したものに比べ、この連続接地システム８００は、例えば大きい地磁気誘導電流（ＧＩＣ）や強い全高調波信号から変圧器１０を保護する目的で使用する複数の抵抗とスイッチを一般的に備えている。図２の電気的保護システム２００と比較すると、システム８００は、直列接続した遮断回路８１０ａ，８１０ｂとそれに並列接続するサージアレスタ８１２ａ，８１２ｂとやはり並列接続するスイッチ集合体８０２ａ，８０２ｂからなる分圧回路を備えている。スイッチ集合体８０２ａ，８０２ｂは各々、高電圧接地スイッチ８０８ａ，８０８ｂとＤＣスイッチ８０４ａ，８０４ｂとで構成されている。複数のスイッチ集合体を使うことにより、高電圧接地スイッチ８０８ａ，８０８ｂの作動電圧要件を低くできる。作動電圧要件を低くできれば、標準的な市販の高電圧接地スイッチ８０８が使用可能となる。

図９は、さらに可能な実施形態として、電気的保護装置に使用される回路９００の更なる例の概略図である。この実施形態では、回路９００は、概ね図５に示したものと似ているが、直列に接続された抵抗を追加してある。この実施例では、スイッチ集合体９０４ａ〜９０４ｃと９０６ａ〜９０６ｃを複数並列に接続し、各々を直列抵抗９０８ａ〜９０８ｃのひとつと接続している。図示した実施形態では、抵抗９０８ａ〜９０８ｃは通常２オームの抵抗値を持っているが、他の抵抗値を使用することもできる。各々の抵抗の間で、別個のスイッチ９０４ａ〜９０４ｃと９０６ａ〜９０６ｃをアース１４に接続している。各スイッチ９０４ａ〜９０４ｃは、保護接地スイッチ９０６ａ〜９０６ｃと直列に接続している。特に本実施形態に於いては、スイッチ集合体９０４ａ〜９０４ｃと９０６ａ〜９０６ｃを徐々に開位置にするように、さらに遮断抵抗を追加してもよい。

図６，７，９の実施形態では３つの抵抗を配置したが、抵抗を追加して使用することもできる。

以上で説明した実施形態に於いて、特定の回路値を提供したが、本明細書の説明と矛盾がなければ、他の回路部品や回路値を使用してもよい。

次に図１０を参照しながら、機器設置台１０００の例について説明する。機器設置台１０００は、以上の図２〜９で説明したように、発電所や保護対象となる電気機器の近辺で、回路を格納および保護するために使う。実施形態によっては、機器設置台１０００は、その上に図１の電気的保護回路１０２を搭載できる構造物を指すこともある。

図示した実施形態では、機器設置台１０００は複数の支持脚１００４が支える基盤１００２を備える。支持脚１００４は各々、杭１００６を取り付けその上に立設してある。各杭１００６は、コンクリートで打つか地面の下まで沈め、上に載せる機器設置台に復元力のある基盤を提供している。

機器設置台１０００の基盤１００２は、枠１０１２が支える開放構造１０１０を有する上面１００８を備えている。実施形態によっては、開放構造１０１０は、格子状にしたり網の目状にしたり別の配置方法により、水や雪がその表面上に堆積しないようにしている。基盤構造体は、電力業界標準に沿って、電気的に接地されるのが普通である。

図示した実施形態に於いては、設置台１０００は全体として幅約６フィート、奥行き３フィート、高さ約１０フィートである。別の実施形態では、設置台１０００は、幅約１０フィート、奥行き約４フィート、高さ約１０フィートである。さらに別の実施形態では、設置台１０００は、幅約１６フィート、奥行き約４フィート、高さ約１０フィートである。他のサイズも同様に使用できる。

図示した実施形態に於いては、機器設置台１０００は、支持脚と上面を含むものであり亜鉛メッキ鋼でできている。杭１００６は、コンクリートまたは適切なアンカーボルトを含む他の復元力のある材料とすることができる。代わりの実施形態として、代替金属あるいは剛性と耐候性のある材料で機器設置台１０００を構築することもできる。

全体として、機器設置台１０００は、工場で組み立てられ容易に輸送できるよう折りたためる、比較的接地面積の小さな低コストの構造物である。設置台１０００は、変電所で再度容易に組み立てられるようにできている。

図１１と関連してさらに説明するが、機器設置台１０００は、磁気嵐（地磁気誘導電流、ＧＩＣ）か電磁パルス（ＥＭP）に伴なうＥ３パルスのいずれかの攻撃によって生じる、有害なＤＣ中性点電流を遮断するために必要となる電気的保護部品であれば、通常どのようなものであっても支持できるように作られている。図１１で設置台１０００に載っている部品は、キャパシタ集合体１０１４と高電力抵抗１０１６とサージアレスタ１０１８とである。キャパシタ集合体１０１４は1つ以上のキャパシタを含むものであり、多数のさまざまな構成のいずれであってもかまわない。実施形態の例として、キャパシタ集合体１０１４は、前記したキャパシタ３０４と同一であってもよい。抵抗１０１６は、例えば、高電流印加に耐える1オームの電力抵抗とすることができる。抵抗１０１６は、いくつかの実施形態で先に説明した電力用抵抗５０２と同一とすることができる。

図示した実施形態では、キャパシタ集合体１０１４はアース位置と高電圧変圧器の中性点の間で抵抗１０１６と直列に接続している。実施形態によっては、開放構造１０１０上の抵抗１０１６の下に敷かれた絶縁パッド（図示せず）により、抵抗１０１６は機器設置台を介してアース接続から絶縁されることもある。これとは別の電気的絶縁方法を用いることもある。

サージアレスタ１０１８は、接地点と高電圧変圧器の中性点との間に接続されている。サージアレスタ１０１８は、いくつかの実施形態で先に説明したサージアレスタ２１２と同一である。実施形態によっては、サージアレスタ１０１８は、圧力開放モードとなっても開放されたガスや破片が他の機器をなにも損傷せずに地面に向かうよう底が開口した、金属製保護箱で覆われている。設置台上に収容する機器のうちサージアレスタの下に位置するものは全て、そうした損傷を防ぐため適切に遮蔽する。

設置台１０００の上部左側にあるのは高電圧接地スイッチ１０２０である。接地スイッチ１０２０は、設置台１０００の底部から延設されるシャフト１０２３を介して電動機１０２２に接続される。設置台１０００の底部上にはＤＣ切断スイッチ１０２４と分流抵抗１０２６がある。ＤＣ切断スイッチ１０２４が作動すると、設置台１０００上の回路が高電圧変圧器から切断される。

オプションとして、機器設置台１０００の近くに１つ以上の電気部品を制御する制御用電子回路を備えてもよい。実施形態によっては、電子回路への損傷を防ぐため、前記制御用電子回路を電気的に遮蔽された筐体に収納する。

様々なコンポーネントを電気的に相互接続するため、１つ以上の電気伝導体１０５０とアース電気伝導体１０６０を使用する。伝導体１０５０はいくつかの高電圧絶縁体１０３０に搭載されている。電気的ブッシング１０４０もキャパシタと電力抵抗器とサージアレスタの上部に図示してある。ＥＭＰとＩＥＭＩから保護された電子機器（例えば、上記の電子機器３１０）は、常にではないが通常は変電所の制御用建屋（建物）に収容する。

また、実施形態によっては、安全上の理由から、設置台１０００の下に人が立ち入らないよう底部の周囲に適切な柵を設ける。

さらに、図示した実施形態では特定の電気機器配置となっているが、別の実施形態として異なる電気的接続も可能である。電気的接続の例が、上記の図２〜図９に併せて示してある。

全体として、本開示内容の様々な実施形態によれば、回路保護に関して多くの利点を提供できるが、特に、発電や配電で使用する変圧器のようなＡＣ電気機器のアース接続部分に流れる高調波信号または直流電流信号のいずれかに関して有効である。例えば、ＤＣまたは疑似ＤＣの中性点電流を遮断することで、変圧器コアの半周期飽和現象を防ぐことができ、その結果、変圧器の過熱や損傷や故障を防止できる。また、ＤＣを遮断することで、電力系統中継器を作動させ停電や非常に不安定な状態をもたらす高調波を低減し、電力品質も向上する。こうすれば、電力系統中継器の連鎖反応や、電力補償用ないしその他の重要機器の切断を大部分防ぎ、結果としてＧＩＣ事象やＥＭＰ事象が起こった時に送電網の一部あるいは全体が崩壊してしまうことを避けることができる。

上記の明細書、実施例及びデータがあれば、本発明の組成物を製造し使用する説明としては完璧である。本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本発明の数々の実施形態を行なうことができるので、本発明の特許請求の範囲は添付の内容となる。

Claims

変圧器を含む交流系統で使用する接地回路であって、
（ａ）変圧器の変圧器中性点とアースとの間に接続されるスイッチ集合体であって、
前記スイッチ集合体は、開位置と、閉位置と、を有し、前記開位置にすると電気的接続とアース接続との間の前記スイッチ集合体を通る経路を遮断し、前記閉位置にすると電気的接続とアース接続とを前記スイッチ集合体を介して接続する経路を確立し、
（ｉ）前記スイッチ集合体は、電子制御入力に応じて動作するようになっており、
（ｉｉ）前記交流系統の通常動作時には前記スイッチ集合体は閉位置の状態になっている、スイッチ集合体と
（ｂ）前記スイッチ集合体と並列に接続され、前記変圧器中性点と前記アースとの間に接続されたＤＣ遮断部と、
（ｃ）前記変圧器中性点と前記ＤＣ遮断部との間に電気的に接続されて、前記ＤＣ遮断部と直列に接続された電力抵抗器と、を備え、
前記スイッチ集合体は、前記電子制御入力を介して前記閉位置と前記開位置との間を移行可能である
ことを特徴とする、接地回路。
前記電子制御入力は、（１）前記変圧器の少なくとも一つの相に高調波信号が発生するか、（２）前記変圧器中性点とアースとの間を流れるＤＣ電流が所定の閾値に達するか、（３）前記変圧器中性点と前記アースとの間を流れる疑似ＤＣ電流が所定の閾値に達するか、のいずれかが起こると、前記スイッチ集合体を前記開位置にする
ことを特徴とする、請求項１に記載の接地回路。
前記スイッチ集合体は第一スイッチ機構と第二スイッチ機構とを備え、前記第一スイッチ機構は、前記第二スイッチ機構と電気的に直列に接続される
ことを特徴とする、請求項１に記載の接地回路。
前記電子制御入力を介して前記スイッチ集合体と電気的に接続される制御回路を、さらに備える
ことを特徴とする、請求項１に記載の接地回路。
前記ＤＣ遮断部は、キャパシタを備える
ことを特徴とする、請求項１に記載の接地回路。
前記抵抗は、電源周波数で、前記キャパシタのインピーダンスと整合するように選択される
ことを特徴とする、請求項５に記載の接地回路。
前記抵抗は、鉄共振を防止するために選択される高電力用抵抗器から成る
ことを特徴とする、請求項５に記載の接地回路。
前記制御回路に電気的に接続された電磁場検出器を、さらに備える
ことを特徴とする、請求項４に記載の接地回路。
前記制御回路は、電磁遮蔽された筐体内に配置され、前記スイッチ集合体と前記ＤＣ遮断部と前記電磁場検出器とは、前記電磁遮蔽された筐体の外側に配置される
ことを特徴とする、請求項８に記載の接地回路。
前記スイッチ集合体は、ＤＣ電流もしくは疑似ＤＣ電流の前記所定の閾値を超えるＤＣ電流を検知すると、前記電子制御入力に応じて前記開位置に移行する
ことを特徴とする、請求項２に記載の接地回路。