JP6887906B2 - 零相電流差動リレー - Google Patents
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Description
[零相電流差動リレーと三相変圧器の構成]
図1は、零相電流差動リレーとその保護対象である三相変圧器とを含む全体構成図である。
図2は、図1の零相電流差動リレー40のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図2の零相電流差動リレー40は、いわゆるデジタルリレー装置と同様の構成を有している。具体的に図2を参照して、零相電流差動リレー40は、入力変換部100と、A/D変換部110と、演算処理部120と、I/O(Input and Output)部130とを備える。
リレー演算部50は、まず、電流変成器CTa,CTb,CTcから受信した相電流Ia,Ib,Icの情報に基づいて対称座標法の零相電流I0、すなわち、
I0=(Ia+Ib+Ic)/3 …(1)
を計算する。この明細書では、便宜上、零相電流I0の3倍(すなわち、3×I0)を零相電流と称する場合がある。
ID=|3×I0+IN| …(2)
で定義される。ここで、|…|は振幅値(スカラー値とも称する)を表す。また、抑制量IRは、零相電流(3×I0)の振幅と中性点電流INの振幅との和(すなわち、スカラー和)として、
IR=|3×I0|+|IN| …(3)
によって定義される。抑制量IRとして上記のようにスカラー和方式を採用した理由は、負荷電流の影響を取り除くためである。
ID>p×IR …(5)
ここで、K1は最小動作感度を示す整定値(以下、最小感度値K1と称する)であり、pはCTの誤差などで動作しないよう整定される比率である。抑制量IRがK1/p以下の場合には(4)式に従って動作判定が行われ、抑制量IRがK1/pより大きい場合には(5)式に従って動作判定が行われる。
K1=K0 …(6)
のように一定値に定義される。Imax>K0/qの範囲では、
K1=q×Imax …(7)
のようにImaxに比例するように定義される。ここで、K0とqは整定値である。なお、本明細書において、掛け算記号は「×」または「*」で示される。
次に、図1の位相判定部60の動作について説明する。以下では、まず、故障の種類(すなわち、外部短絡、内部短絡、外部地絡、内部地絡)に応じて各電流変成器の一次側および二次側にどのような方向の電流が流れるかについて説明する。次に、電流変成器が飽和した場合に各電流変成器の二次側電流がどのように変化するかについて説明する。その次に、上記の考察に基づいて、内部地絡と外部地絡の相違ならびに電流変成器の飽和の有無に応じた、零相電流(3×I0)と中性点電流INとの位相関係について説明する。最後に、内部地絡故障か外部地絡故障かの判定方法について説明する。
図5は、図1の1次側巻線31のb相とc相との間で外部短絡故障が生じた場合の電流の流れについて説明するための図である。図5では、三相変圧器30の1次側および2次側の両方の電線路に電源が接続されている場合(すなわち、両端電源の場合)において、c相線路37cからb相線路37bに外部短絡電流41が流れたときの各線路に生じる電流が図5に模式的に示されている。外部短絡故障の場合には、b相の電流変成器CTbおよびc相の電流変成器CTcには、三相変圧器30の2次側の電源からの故障電流Ib,Icが流れる。
Ib=−Ic …(8)
IN=0 …(9)
が成立する。電流変成器CTb,CTcが飽和していないときには、電流変成器CTb,CTcの2次側についても上式(8)が成立する。これに対して、短絡電流が過大であるために、電流変成器CTb,CTcの少なくとも一方が飽和した場合には、電流変成器CTb,CTcの2次側について上式(8)は成立しない。なお、電流変成器CTb,CTcの飽和の有無にかかわらず、上式(9)は常に成立する。
Ia+Ib+Ic=−IN …(10)
が成立する。
図9は、電流変成器が飽和した場合にリレーによって観察される電流波形の変化について説明するための図である。
図10は、リレーによって観察される零相電流と中性点電流との関係を示すベクトル図である。図10(A)〜(D)では、a相地絡外部故障とa相地絡内部故障との相違ならびに電流変成器の飽和の有無に応じて、4つのパターンに分けてベクトル図が示されている。
これまでの考察を総括し、零相電流(3×I0)と中性点電流INとの位相関係に基づいて、内部地絡故障か外部地絡故障かの判定する方法について説明する。
零相電流(3×I0)および中性点電流INの時系列データから、両者の位相関係(すなわち、中性点電流INの位相がA1〜A3のどの領域にあるか)を決定する方法として公知の任意の方法を用いることができる。たとえば、以下の位相角の計算式を用いて判定することができる。
|IA|×|IB|×cosθ=IA[m]×IB[m]+IA[m-3]×IB[m-3] …(11)
と表される。
次に、図1の動作判定部70を含む零相電流差動リレー40全体の動作について説明する。
図14を参照して、リレー演算部50は、前述の式(4)が満たされているか否かを判定する判定部51と、前述の式(5)が満たされているか否かを判定する判定部52と、ANDゲート53とを含む。ANDゲート53の出力は、判定部51および判定部52の判定結果がいずれも満たされている場合にアサートされる。
以上説明した実施の形態1の零相電流差動リレーによれば以下の効果を奏する。
通常状態では、電流変成器CTa,CTb,CTcに負荷電流が流れ、一方、中性点電流IN用の電流変成器CTNには電流が流れない。そのため、電流変成器CTa,CTb,CTcと比較して飽和電圧の低い安価な電流変成器が中性点電流IN用の電流変成器CTNに安易に選択される傾向にある。すなわち、電流変成器CTNは、電流変成器CTa,CTb,CTcに比べて磁気飽和し易い場合が多い。このため、外部地絡故障が発生した場合、磁気飽和は中性点電流IN用の電流変成器CTNで発生し、線路の電流変成器CTa,CTb,CTcで発生しない場合が多い。もしくは、これらの双方に磁気飽和が発生しても電流変成器CTNの方が、飽和度が大きい。
以上のとおり、中性点電流IN用の電流変成器CTNのみ磁気飽和が生じる場合には、装置構成を簡略することができる。その他の効果は、実施の形態1と同様であるので、説明を繰り返さない。
実施の形態3では、リレー演算部50Cの動作域の設定が変更可能な場合について説明する。この場合、位相判定部60の判定結果に応じて、リレー演算部50Cの動作域とオンディレイタイマの動作時間とが変更される。なお、差動量IDおよび抑制量IRの定義は実施の形態1の式(2)および式(3)で説明したものと同じであるので説明を繰り返さない。
ID>p×IR …(13)
ID>r×IR−K4 …(14)
上式(14)のrおよびK4は整定値(ただし、r>p)である。上式(12)かつ(13)かつ(14)を満たす動作域(A3領域で適用される)は図18でハッチングを付した領域である。図18に示すように、抑制量IRがK1/p以下の場合には(12)式に従って動作判定が行われる。抑制量IRがK1/pより大きくかつK4/(r−p)以下の場合には(13)式に従って動作判定が行われる。抑制量IRがK4/(r−p)よりも大きい場合には(14)式に従って動作判定が行われる。
図19を参照して、零相電流差動リレー40Cは、リレー演算部50Cと、位相判定部60と、動作判定部70とを含む。
上記の構成によれば、電流変成器の飽和のために外部故障であっても差動量IDが抑制量IRに近くなって図3に占めす動作域(図19のゲート53の判定)を満たしたとしても、位相判定部60によってA3領域であると判定された場合には、比率差動リレーの動作域が変更される。すなわち、図3に示す動作域(すなわち、図19のゲート53の判定)から図18に示す動作域(すなわち、図19のゲート55の判定)に比率差動リレーの動作域が変更される。図18に示す動作域は、図3に示す動作域に比べて外部故障時のCT飽和時に差動量IDおよび抑制量IRが存在する可能性のある領域を狭くしたものである。さらに、位相判定部60によってA3領域であると判定された場合には、オンディレイタイマ72が作用するので、CT飽和に対する誤動作防止の点で信頼性を高くすることができる。実施の形態3のその他の効果は実施の形態1の場合と同じであるので説明を繰り返さない。
上式の実施の形態1〜3において、抑制量として、ベクトル差電流(すなわち、|3×I0−IN|を用いてもよいし、零相電流(3×I0)の振幅および中性点電流INの振幅のうちの大きいほう(以下、零相最大値と称する)を用いてもよい。
Claims (8)
- Y結線巻線を含む三相変圧器を保護するための零相電流差動リレーであって、
前記Y結線巻線の各相電流および中性点電流は中性点に向かう方向が互いに同極性となるように定義され、
各前記相電流に基づく零相電流と前記中性点電流とに基づいて差動量および抑制量を演算し、前記差動量および前記抑制量が動作域にあるか否かを判定するリレー演算部と、
前記零相電流に対する前記中性点電流の位相が同位相を含む第1の領域にあるか否かを判定する位相判定部と、
前記リレー演算部の判定結果と前記位相判定部の判定結果に基づいて、前記三相変圧器を保護するための保護信号を出力する動作判定部とを備え、
前記動作判定部は、前記零相電流に対する前記中性点電流の位相が前記第1の領域にありかつ前記差動量および前記抑制量が前記動作域にあると判定された状態が、第1の期間維持された場合に、前記保護信号を出力する、零相電流差動リレー。 - 前記位相判定部は、前記零相電流に対する前記中性点電流の位相が、前記第1の領域、第2の領域、および第3の領域のいずれにあるかを判定し、
前記第1の領域は、−90°から0°の範囲における予め定める位相を下限とし、0°から90°の範囲における予め定める位相を上限とする位相領域であり、
前記第2の領域は、90°から180°の範囲における予め定める位相を下限とし、180°から270°の範囲における予め定める位相を上限とする位相領域であり、
前記第3の領域は、前記第1の領域および前記第2の領域のいずれでもない位相領域である、請求項1に記載の零相電流差動リレー。 - 前記動作判定部は、前記零相電流に対する前記中性点電流の位相が前記第3の領域にありかつ前記差動量および前記抑制量が前記動作域にあると判定された状態が、前記第1の期間よりも長い第2の期間維持された場合に、前記保護信号を出力する、請求項2に記載の零相電流差動リレー。
- 前記リレー演算部は、前記差動量および前記抑制量が第1の動作域に含まれるか否かと、前記第1の動作域よりも狭い第2の動作域に含まれるか否かとを判定し、
前記動作判定部は、前記零相電流に対する前記中性点電流の位相が前記第3の領域にありかつ前記差動量および前記抑制量が前記第2の動作域にあると判定された状態が、前記第1の期間よりも長い第2の期間維持された場合に、前記保護信号を出力する、請求項2に記載の零相電流差動リレー。 - Y結線巻線を含む三相変圧器を保護するための零相電流差動リレーであって、
前記Y結線巻線の各相電流および中性点電流は中性点に向かう方向が互いに同極性となるように定義され、
各前記相電流に基づく零相電流と前記中性点電流とに基づいて差動量および抑制量を演算し、前記差動量および前記抑制量が動作域にあるか否かを判定するリレー演算部と、
前記零相電流に対する前記中性点電流の位相が、同位相を含む第1の領域と第2の領域とのいずれにあるかを判定する位相判定部とを備え、
前記第1の領域は、−90°から0°の範囲における予め定める位相を下限とし、90°から180°の範囲における予め定める位相を上限とする位相領域であり、
前記第2の領域は、前記第1の領域でない位相領域であり、
前記零相電流差動リレーは、さらに、前記リレー演算部の判定結果と前記位相判定部の判定結果に基づいて、前記三相変圧器を保護するための保護信号を出力する動作判定部とを備える、零相電流差動リレー。 - 前記動作判定部は、前記零相電流に対する前記中性点電流の位相が前記第1の領域にあり、かつ、前記差動量および前記抑制量が前記動作域にあると判定された場合に、前記保護信号を出力する、請求項5に記載の零相電流差動リレー。
- 前記動作域の最低感度値は、各前記相電流の振幅および前記中性点電流の振幅のうちの最大値が大きくなるにつれて大きくなるように設定される、請求項1〜6のいずれか1項に記載の零相電流差動リレー。
- 前記抑制量は、前記零相電流の振幅の3倍と前記中性点電流の振幅との和である、請求項1〜7のいずれか1項に記載の零相電流差動リレー。
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