JP6604882B2 - 変圧器高圧側欠相事象検知システム - Google Patents

Description

この発明は、プラント大型変圧器高圧側にて発生した三相交流回路の欠相事象の検知システムに関するものである。

２０１２年１月、米国原子力発電プラントにて変圧器高圧側欠相事象が検知されなかったことを受け、欠相の検知および欠相事象への対応が急務となっている。
図５に、一般的な原子力発電所の電源構成を示す。プラント大型変圧器には複数の種類があり（主変圧器、起動変圧器、所内変圧器、予備変圧器）、プラント運用状況に応じて組み合わせて使用している。プラント運用状況により、使用している（負荷電流が流れている）変圧器と使用していない（負荷電流が流れていない）変圧器が存在し、大型変圧器の高圧側にて三相交流回路の欠相事象が発生した場合、大型変圧器使用の有無にかかわらずこの三相交流回路の欠相を検知のうえ、大型変圧器および低圧側の補機を保護し、プラントシステムの安全性を確保する必要がある。
電動機保護のみを目的とした三相交流回路の欠相事象の検知については、特に負荷電流が小さい場合にも対応できる欠相検知回路が開示されている（例えば、特許文献１）。

特開昭５９−７６１１５号公報（２頁下段〜４頁段左欄、図４）

しかし、特許文献１開示発明では、欠相点と保護対象との間に変圧器がない電動機負荷の保護を対象としており、鉄心および巻線で構成された電流変成器を用いて、この変成器の出力電流の変化から欠相事象を判定している。
大型変圧器高圧側の三相交流回路の欠相事象を検知する場合は、発生欠相点と保護対象との間に変圧器があるため、変圧器の結線方式によっては、欠相時の電流および電圧が０にならない、または電流の変化が微小となる。したがって、特許文献１開示発明などの従来技術では、変成器の精度不足のため、プラント大型変圧器高圧側の欠相事象発生時に生じる三相電流および電圧の微小な変化の検知が困難であるという問題がある。
このため、特許文献１開示発明では、火力および原子力発電所のプラント大型変圧器高圧側の欠相事象の検知要求に対応できない。

この発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、プラント大型変圧器高圧側の欠相事象を確実に検知できるシステムを提供し、火力および原子力発電所のプラント大型変圧器高圧側の欠相事象の検知要求に対応することを目的とする。

この発明に係る変圧器高圧側欠相事象検知システムは、三相交流回路の欠相事象により発生する電流変化を検出する鉄心のない高精度電流変成器と、高精度電流変成器で検出された検出電流と健全相電流判定基準範囲とに基づいて変圧器の高圧側の欠相事象を検知する第１欠相検知ロジックを有する検知装置とを備え、第１欠相検知ロジックは、検知対象相の検出電流の値が変圧器の励磁電流値より小さく、かつ検知対象相以外の２相の検出電流の値の比が健全相電流判定基準範囲内である場合、検知対象相が欠相していると判定するものである。

この発明に係る変圧器高圧側欠相事象検知システムによれば、鉄心のない高精度電流変成器を備え、検知対象相の検出電流の値が変圧器の励磁電流値より小さく、かつ検知対象相以外の２相の検出電流の値の比が健全相電流判定基準範囲内である場合、検知対象相が欠相していると判定するため、プラント大型変圧器高圧側にて発生した三相交流回路の欠相事象を確実に検知できる。

この発明の実施の形態１の変圧器高圧側欠相事象検知システムに係る構成図である。 この発明の実施の形態１の変圧器高圧側欠相事象検知システムに係る欠相判定電流信号基本ロジックである。 この発明の実施の形態１の変圧器高圧側欠相事象検知システムに係る欠相判定電流対称成分基本ロジックである。 この発明の実施の形態１の変圧器高圧側欠相事象検知システムに係る他の構成図である。 火力及び原子力発電所の電源構成の概略図である。

実施の形態１．
実施の形態１は、高精度電流変成器と検知装置とを備え、各相電流信号およびその対称成分から変圧器高圧側での欠相の発生を検知する大型変圧器高圧側欠相事象検知システムに関するものである。

以下、実施の形態１に係る変圧器高圧側欠相事象検知システムの構成および動作について、変圧器高圧側欠相事象検知システムの構成図である図１、欠相判定電流信号基本ロジックである図２、欠相判定電流対称成分基本ロジックである図３、変圧器高圧側欠相事象検知システムに係る他の構成図である図４、および火力及び原子力発電所の電源構成の概略図である図５に基づいて説明する。

まず、本願発明の対象である変圧器高圧側欠相事象検知システム１を含む全体の主要機器の構成を、図１に基づいて説明する。
システム全体は、変圧器高圧側欠相事象検知システム１（以降、適宜、欠相事象検知システム１と記載する）、欠相事象検知システム１の保護対象である大型変圧器２と、大型変圧器２に高圧三相交流電源を供給する外部系統３と、大型変圧器２の低圧側（二次側）に接続されているプラント所内補機４とから成る。
なお、欠相事象検知システム１は、直接の保護対象である大型変圧器２とともに、大型変圧器２の低圧側のプラント所内補機４の運用状況も考慮して、変圧器高圧側での欠相発生時の対応（電流を遮断する、あるいは運転を継続する）を判定する。
また、大型変圧器２としては、図５の所内変圧器１１２、起動変圧器１１３、あるいは予備変圧器１１４に使用される変圧器を想定している。

図５は一般的な火力及び原子力発電所の電源構成の概略図、すなわち簡易的な単線結線図である。
発電機１１５で発電された交流電力は主変圧器１１１、主変遮断器１０７、および送電線遮断器１０３を経由して第１送電線１０１に送られる。また発電機１１５で発電された電力は所内変圧器１１２を経由してＭ／Ｃ母線１１６および他のＭ／Ｃ母線１１７に供給される。
第１送電線１０１からの交流電力は、送電線遮断器１０３、起変遮断器１０８、および起動変圧器１１３を経由して、Ｍ／Ｃ母線１１６および他のＭ／Ｃ母線１１８に供給される。
また、第２送電線１０２からの交流電力は、予変遮断器１０９、および予備変圧器１１４を経由して、Ｍ／Ｃ母線１１６および他のＭ／Ｃ母線１１９に供給される。

図１の欠相事象検知システム１は、大型変圧器２の高圧側（一次側）の三相交流の各相の電流（Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔ）を検出する高精度電流変成器１１と、各相電流（Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔ）およびこの対称成分（Ｉ_０、Ｉ_１、Ｉ_２）から欠相を判定し、検知する検知装置１２を備える。
検知装置１２が大型変圧器２の高圧側欠相事象を検知すると、欠相事象の発生、欠相の発生相、および対応処理を検知信号５として、監視装置（図示なし）に送信する。監視装置は、検知装置１２からの検知信号５を受けて、大型変圧器２の高圧側欠相事象の発生、欠相が発生した相、および対応状況などを表示したり、音声告知したりして、運転員に知らせる。

次に、欠相事象検知システム１の主要構成機器である高精度電流変成器１１の仕様について説明する。
従来、大型変圧器高圧側に設置される電流変成器の精度は１００ｍＡ程度であった。この精度では、変圧器の結線方式によっては、欠相時の電流が０にならない、または電流の変化が微小となり、変圧器高圧側の欠相による電流変化が誤差範囲に入るため、欠相検知は困難であった。
しかし、欠相事象検知システム１で使用する高精度電流変成器１１は、高精度を実現するため鉄心のない変成器であり、電流精度は１０ｍＡを想定している。変成器から鉄心をなくすことで鉄心の残留磁束などによる影響を受けなくなるため、高い電流精度を実現できる。

次に、検知装置１２が備える欠相判定電流信号基本ロジックについて、図２に基づいて説明する。なお、図２では、健全相電流判定基準範囲の下限値を健全相電流判定下限値と、健全相電流判定基準範囲の上限値を健全相電流判定上限値と簡略化している。
欠相判定電流信号基本ロジックは、高精度電流変成器１１で測定された変圧器高圧側Ｒ相電流（Ｉｒ）、Ｓ相電流（Ｉｓ）、およびＴ相電流（Ｉｔ）から変圧器高圧側一相欠相を判定する。

欠相判定電流信号基本ロジックは、比較器４１〜４６、ＡＮＤ回路４７〜４９、およびＯＲ回路５０から構成される。
各相の判定ロジックは、同じであるため、Ｔ相欠相判定ロジックを例として説明する。 比較器４１でＲ相電流（Ｉｒ）とＳ相電流（Ｉｓ）の比が健全相電流判定基準範囲以内となり、かつ比較器４２でＴ相電流（Ｉｔ）が励磁電流値（Ａ３）より小さいかを判定する。両方の比較器４１、４２で条件が成立したとき、ＡＮＤ回路４７は「１」（条件成立）を出力し、その結果、ＯＲ回路５０は「１」を出力する。したがって、欠相判定電流信号基本ロジックは、Ｒ相電流とＳ相電流が正常でＴ相電流が異常の場合、Ｔ相で欠相が発生したと判定する。
なお、ＯＲ回路５０が「１」を出力して、いずれかの相で欠相が発生した場合、ＡＮＤ回路４７〜４９の出力を確認することで、いずれの相で欠相が発生したかを判定する。

判定値については、例えば、健全相電流判定基準範囲の下限値（Ａ１）＝０．９５、健全相電流判定基準範囲の上限値（Ａ２）＝１．０５に設定される。なお、健全相電流判定基準範囲の下限値、上限値（Ａ１，Ａ２）、励磁電流値（Ａ３）は、保護対象である大型変圧器２の仕様、結線方式を考慮した実証試験、解析にて決定され、相によって健全相電流判定基準範囲、励磁電流値を個別に設定する場合もある。
なお、特許請求の範囲の第１欠相検知ロジックは、欠相判定電流信号基本ロジックである。

次に、検知装置１２が備える欠相判定電流対称成分基本ロジックについて、図３に基づいて説明する。なお、図３では、欠相電流対称成分判定基準範囲の下限値を欠相電流対称成分判定下限値と、欠相電流対称成分判定基準範囲の上限値を欠相電流対称成分判定上限値と簡略化している。
欠相判定電流対称成分基本ロジックは、高精度電流変成器１１で測定された変圧器高圧側Ｒ相、Ｓ相、およびＴ相電流から零相電流（Ｉ_０）、正相電流（Ｉ_１）、および逆相電流（Ｉ_２）を対称座標法の定義に基づいて演算する。演算された零相、正相、逆相電流の値から変圧器高圧側の欠相発生を判定する。

各相判定電流対称成分ロジックは、保護対象である大型変圧器２の仕様、結線方式、直接接地の有無により２パターン（パターンＡ、Ｂ）に分けられる。
図３（ａ）は、パターンＡの欠相判定電流対称成分基本ロジックであり、図３（ｂ）は、パターンＢの欠相判定電流対称成分基本ロジックである。
まず、パターンＡの基本ロジックについて説明する。欠相判定電流対称成分基本ロジックは、比較器５１〜５３、およびＡＮＤ回路５４から構成される。
各相の判定ロジックは、同じであるため、零相判定ロジックを例として説明する。比較器５１で、この零相電流の値（Ｉ_０）が欠相電流対称成分判定基準範囲内かを判定する。ここで、欠相電流対称成分判定基準範囲の下限値がＢ１、上限値がＢ２である。
なお、正相判定ロジックの場合、欠相電流対称成分判定基準範囲の下限値をＢ３、上限値をＢ４としている。また、逆相判定ロジックの場合、欠相電流対称成分判定基準範囲の下限値をＢ５、上限値をＢ６としている。
すべての比較器５１〜５３で条件が成立したとき、ＡＮＤ回路５４は「１」を出力する。

次に、パターンＢの基本ロジックについて説明する。欠相判定電流対称成分基本ロジックは、比較器５５〜５７、およびＡＮＤ回路５８から構成される。
パターンＢでは、零相電流（Ｉ_０）、正相電流（Ｉ_１）、逆相電流（Ｉ_２）から計算される３組の比の値に基づいて、欠相事象を判定している。
３組の比（Ｉ_０／Ｉ_１、Ｉ_２／Ｉ_１、Ｉ_０／Ｉ_２）に対する判定ロジックは同じであるため、Ｉ_０／Ｉ_１を例として説明する。
比較器５５で、Ｉ_０／Ｉ_１の値が、欠相電流対称成分判定基準範囲内かを判定する。ここで、欠相電流対称成分判定基準範囲の下限値がＢ７、上限値がＢ８である。
なお、Ｉ_２／Ｉ_１の判定ロジックの場合、欠相電流対称成分判定基準範囲の下限値をＢ９、上限値をＢ１０としている。また、Ｉ_０／Ｉ_２の判定ロジックの場合、欠相電流対称成分判定基準範囲の下限値をＢ１１、上限値をＢ１２としている。
すべての比較器５５〜５７で条件が成立したとき、ＡＮＤ回路５８は「１」を出力する。

したがって、欠相判定電流対称成分基本ロジックは、パターンＡでは、零相電流（Ｉ_０）、正相電流（Ｉ_１）、逆相電流（Ｉ_２）のすべての値が欠相電流対称成分判定基準範囲内、パターンＢでは、零相電流（Ｉ_０）、正相電流（Ｉ_１）、逆相電流（Ｉ_２）の比Ｉ_０／Ｉ_１、Ｉ_２／Ｉ_１、Ｉ_０／Ｉ_２がすべて欠相電流対称成分判定基準範囲内のとき、変圧器高圧側Ｒ、Ｓ、Ｔ相のいずれかで欠相が発生したと判定する。ただし、欠相判定電流対称成分基本ロジックでは、変圧器高圧側Ｒ、Ｓ、Ｔ相のいずれの相で欠相が発生したかの判定はできない。

欠相電流対称成分判定基準範囲は、保護対象である大型変圧器２の仕様、結線方式を考慮した解析にて決定され、相によって欠相電流対称成分判定基準範囲を個別に設定する場合もある。
なお、特許請求の範囲の第２欠相検知ロジックは、欠相判定電流対称成分基本ロジックである。

次に、変圧器高圧側欠相事象検知システム１の全体の動作を説明する。
検知装置１２は、高精度電流変成器１１で測定された大型変圧器２の高圧側Ｒ相、Ｓ相、およびＴ相電流を用いて、図２の欠相判定電流信号基本ロジックにより、高圧側Ｒ相、Ｓ相、およびＴ相のいずれの相で欠相が発生したかを判定し、欠相の発生を検知する。
図２の欠相判定電流信号基本ロジックにより、大型変圧器２の高圧側Ｒ相、Ｓ相およびＴ相のいずれの相で欠相が発生したかを判定できるが、図３の欠相判定電流対称成分基本ロジックを併せて用いることで、より正確に大型変圧器２の高圧側での欠相の発生を判定できる。

例えば、図２の欠相判定電流信号基本ロジックと図３の欠相判定電流対称成分基本ロジックの両方が欠相判定した場合に、高圧側Ｒ相、Ｓ相およびＴ相のいずれの相で欠相が発生したと判定して、欠相検知処理を行うことができる。大型変圧器２の高圧側欠相を検知して、大型変圧器２の高圧側電流を遮断した場合、大型変圧器２の低圧側のプラント所内補機４に対する影響が大きい。このため、大型変圧器２の高圧側欠相の判定は、可能な限り正確であることが求められる。
大型変圧器２の高圧側欠相を検知した場合、検知装置１２は欠相事象の発生、欠相の発生相、および大型変圧器２の高圧側電流の遮断などの対応処理を検知信号５として、監視装置に送信する。

また、図２の欠相判定電流信号基本ロジック、または図３の欠相判定電流対称成分基本ロジックの一方のみが欠相判定した場合には、大型変圧器２の高圧側電流の遮断は行わずに、検知信号５は注意信号として、監視装置に送信することができる。
この場合、運転員は、変圧器高圧側Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相電流のデータ、および零相、正相逆相電流のデータを検討して、適切な手段を講じることができる。

なお、大型変圧器２の高圧側、低圧側の結線方式は、星型結線（Ｙ結線）、三角型結線（Δ結線）のいずれであってもよい。結線方式により、図２の欠相判定電流信号基本ロジックおよび図３の欠相判定電流対称成分基本ロジックの判定基準は変わってくるため、それぞれ解析にて決定される。

なお、図２は２相健全で１相欠相を前提とした基本ロジックであるが、２相あるいは３相同時欠相を判定するロジックを追加することで、より確実に多相欠相事象も検知できる。

次に、変圧器高圧側欠相事象検知システムの他の構成例を図４に基づいて説明する。
図４の変圧器高圧側欠相事象検知システム２０は、実施の形態１の変圧器高圧側欠相事象検知システム１に、さらに電圧変成器３１を追加し、検知装置３２に電圧信号に関する欠相判定ロジックを追加したものである。
例えば、電流信号に関する図２の欠相判定電流信号基本ロジックや図３の欠相判定電流対称成分基本ロジックに、電圧信号に関する欠相判定ロジックを追加することで、プラント大型変圧器高圧側にて発生した三相交流回路の欠相事象をより確実に検知できる。

以上説明したように、実施の形態１の変圧器高圧側欠相事象検知システムは、高精度電流変成器と検知装置とを備え、各相電流信号およびその対称成分から変圧器高圧側での欠相の発生を検知する変圧器高圧側欠相事象検知システムに関するものである。したがって、プラント大型変圧器高圧側にて発生した三相交流回路の欠相事象を確実に検知できる。
変圧器高圧側での欠相事象を確実に検知し、大型変圧器を保護できるため、大型変圧器および大型変圧器の低圧側のプラント所内補機の健全性及びプラントシステムの安全性の担保が図れる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

１，２０ 変圧器高圧側欠相事象検知システム、２ 大型変圧器、３ 外部系統、
４ プラント所内補機、５ 検知信号、１１ 高精度電流変成器、
１２，３２ 検知装置、３１ 電圧変成器、
４１〜４６，５１〜５３，５５〜５７ 比較器、４７〜４９，５４，５８ ＡＮＤ回路、５０ ＯＲ回路、１０１ 第１送電線、１０２ 第２送電線、１０３ 送電線遮断器、
１０５ 特高開閉所、１０６ 断路器、１０７ 主変遮断器、１０８ 起変遮断器、
１０９ 予変遮断器、１１１ 主変圧器、１１２ 所内変圧器、１１３ 起動変圧器、
１１４ 予備変圧器、１１５ 発電機、１１６ Ｍ／Ｃ母線、
１１７，１１８，１１９ 他のＭ／Ｃ母線。

Claims (4)

1. 三相交流回路の欠相事象により発生する電流変化を検出する鉄心のない高精度電流変成器と、
   前記高精度電流変成器で検出された検出電流と健全相電流判定基準範囲とに基づいて変圧器の高圧側の前記欠相事象を検知する第１欠相検知ロジックを有する検知装置とを備え、前記第１欠相検知ロジックは、検知対象相の前記検出電流の値が変圧器の励磁電流値より小さく、かつ前記検知対象相以外の２相の前記検出電流の値の比が前記健全相電流判定基準範囲内である場合、前記検知対象相が欠相していると判定する変圧器高圧側欠相事象検知システム。
2. さらに、前記高精度電流変成器で検出された前記検出電流から電流対称成分を演算し、この演算された対称成分電流値と欠相電流対称成分判定基準範囲とに基づいて前記欠相事象を検知する第２欠相検知ロジックを前記検知装置が有する請求項１に記載の変圧器高圧側欠相事象検知システム。
3. 前記第２欠相検知ロジックは、前記演算された各対称成分電流値のすべてが、各前記欠相電流対称成分判定基準範囲内である場合、前記欠相事象が発生していると判定する請求項２に記載の変圧器高圧側欠相事象検知システム。
4. 前記第２欠相検知ロジックは、前記演算された各対称成分電流である零相、正相、逆相電流から計算される３組の比の値が、すべて各前記欠相電流対称成分判定基準範囲内である場合、前記欠相事象が発生していると判定する請求項２に記載の変圧器高圧側欠相事象検知システム。

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