JP7068046B2 - 地絡方向継電器、電力システム、および地絡方向継電器の角度範囲の整定方法 - Google Patents

Description

本願は、電力系統における地絡保護を行う、地絡方向継電器、この地絡方向継電器を備えた電力システム、およびこの地絡方向継電器の角度範囲の整定方法に関するものである。

従来より、電力会社等の配電用変電所から各需要家に対して電力供給を行う配電線路において地絡が生じた際に、この地絡を検知して地絡が生じた電線路を健全な電線路から切り離すことで、配電用変電所および他の需要家への地絡の影響を抑制する、以下のような地絡方向継電器が用いられている。
即ち、変電所用変圧器から給電される母線にフィーダを接続した高圧配電線路において、母線の零相電圧は、変電所用変圧器から接地変圧器（ＧＰＴ）を通して取出される。各フィーダの零相電流は、零相変流器（ＺＣＴ）を通して取出される。地絡方向継電器は、零相電圧の正負の半波期間毎に、零相電圧と同方向に、最先に発生した零相電流を選別し、この零相電流を生じたフィーダを地絡事故線と判定する（例えば、特許文献１参照）。

特開平１－２０６８２２号公報

上記のような従来の地絡方向継電器は、零相電圧の正負の半波期間毎に、零相電圧と同方向に最先に発生した零相電流を選別している。即ち、地絡方向継電器は、地絡発生時の零相電圧に対して、地絡フィーダの零相電流が約９０°進み、健全フィーダの零相電流が約９０°遅れることに着目して、この零相電圧に対する各フィーダの零相電流の位相差に基づいて地絡を検知している。しかしながら、零相電圧に対する各フィーダの零相電流の進み、遅れの位相差は、地絡発生時に零相電流が流れる経路の回路構成により変化する。 そのため、地絡方向継電器が、地絡が発生した地絡フィーダにおける位相差を地絡と検知せず、この地絡フィーダにおける遮断器が不動作となったり、地絡が発生していない健全フィーダにおける位相差を地絡と検知し、この健全フィーダの遮断器を動作させるといった誤動作が生じるという課題があった。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、各電線路における地絡の発生、不発生を確実に検知する地絡方向継電器と、この地絡方向継電器を備えた電力システムと、この地絡方向継電器の角度範囲の整定方法との提供を目的とする。

本願に開示される地絡方向継電器は、
変圧器が設置された母線から分岐される複数の電線路ごとに設けられ、前記電線路ごとに設けられた遮断器を、前記母線の零相電圧と前記電線路の零相電流との位相差に基づいて動作させる制御回路を備えた地絡方向継電器において、
前記制御回路は、
前記位相差が所定の角度範囲内となると前記遮断器を遮断するように動作させ、
前記角度範囲は、前記変圧器の回路構成に応じて整定され、
前記制御回路は、
前記位相差が、前記角度範囲内で、且つ、設定された動作時限以上継続すると前記遮断器を遮断するように動作させるものであり、
前記動作時限は、前記変圧器の回路構成に応じて整定された、
ものである。

また、本願に開示される電力システムは、
上記のように構成された地絡方向継電器と、
前記母線から分岐された複数の前記電線路ごとに設けられた前記遮断器と、
前記母線に接続される前記変圧器とを備えた、
ものである。

また、本願に開示される地絡方向継電器の角度範囲の整定方法は、
上記のように構成された電力システムにおける前記地絡方向継電器の前記角度範囲を整定する方法であって、
複数の前記電線路の内の所定の前記電線路において地絡を生じさせ、地絡を生じさせた前記所定の電線路における、前記零相電圧に対する前記零相電流の前記位相差である第１位相差と、地絡を生じさせていない前記電線路における前記零相電圧に対する前記零相電流の前記位相差である第２位相差とを算出する位相差算出工程を、前記変圧器の回路構成ごとに行い、
前記変圧器の回路構成ごとの、前記第１位相差あるいは前記第２位相差の少なくとも一方に基づいて、前記変圧器の回路構成に応じた前記角度範囲を整定する、
ものである。

本願に開示される地絡方向継電器によれば、確実に各電線路における地絡の発生、不発生を検知できるため、各電線路の遮断器を適切に動作できる。
また、本願に開示される電力システムによれば、各電線路の遮断器を適切に動作させることができるため、安定した電力系統の運用が可能となる。
また、本願に開示される地絡方向継電器の角度範囲の整定方法によれば、適切な角度範囲を整定できるため、地絡方向継電器が確実に各電線路の地絡の発生、不発生を検知できる。

実施の形態１による地絡方向継電器を備えた電力システムの概略構成を示すブロック図である。 実施の形態１による地絡方向継電器の動作特性となる設定値を示す図である。 実施の形態１による地絡方向継電器を備えた電力システムの概略構成を示すブロック図である。 実施の形態１による抵抗接地系の電力システムに於いて零相電流が流れる向きを示した図である。 実施の形態１による非接地系の電力システムに於いて零相電流が流れる向きを示した図である。 実施の形態１による地絡方向継電器の感度角を整定する実験的根拠を得ることを目的とした人工間欠地絡試験の抵抗接地系の電力系統図である。 実施の形態１による地絡方向継電器の感度角を整定する実験的根拠を得ることを目的とした人工間欠地絡試験の非接地系の電力系統図である。 フィーダ６のケーブル長と断面積とによる対地静電容量関係を示す図である。 実施の形態１による人工間欠地絡試験における試験条件を示す図である。 実施の形態１による地絡方向継電器の動作特性を決定する各設定値を示す図である。 実施の形態１による人工間欠地絡試験の結果を示す図である。 実施の形態１による人工間欠地絡試験の結果を示す図である。 実施の形態１による人工間欠地絡試験の結果を示す図である。 実施の形態１による人工間欠地絡試験の結果を示す図である。 実施の形態１による人工間欠地絡試験の電力系統図である。 実施の形態１による人工間欠地絡試験の電力系統図である。 実施の形態１による人工間欠地絡試験の結果を示す図である。 実施の形態１による人工間欠地絡試験の結果を示す図である。 実施の形態１による人工間欠地絡試験の結果を示す図である。 実施の形態１による人工間欠地絡試験の結果を示す図である。 実施の形態１による人工間欠地絡試験の結果を示す図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１による地絡方向継電器２０（２０ａ、２０ｂ）を備えた電力システム１００ａの概略構成を示すブロック図である。
図１に示す電力システム１００ａは、６．６ｋＶあるいは３．３ｋＶで電力を各需要家に対して供給する高圧電力系統であり、配電用変電所等において設置される配電用変圧器１と、この配電用変圧器１に接続されて電力が供給される母線５と、この母線５に設置される変圧器１０ａと、この母線５から分岐されて各需要家に対して電力を供給する３相３線の電線路としてのフィーダ６（６ａ、６ｂ）と、このフィーダ６ごとに設けられた遮断器２ａ、２ｂと、このフィーダ６ごとに設けられて各フィーダ６を流れる零相電流Ｉ０を検出するＺＣＴ（Ｚｅｒｏ－ｐｈａｓｅ－ｓｅｑｕｅｎｃｅ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）３ａ、３ｂと、フィーダ６ごとに設けられて、各フィーダ６に設けられた遮断器２ａ、２ｂを動作させる地絡方向継電器２０ａ、２０ｂとを備える。

フィーダ６ａ、フィーダ６ｂに設けられる地絡方向継電器２０ａ、２０ｂは、それぞれ同じ構成であり、区別する必要が無いときは地絡方向継電器２０と称す。遮断器２ａ、２ｂ、ＺＣＴ３ａ、３ｂについても同様であり、区別する必要がない場合は、遮断器２、ＺＣＴ３と称す。

ここで、一般的に、高圧電力系統の接地方式として、接地形計器用変圧器（Ｅａｒｔｈｅｄ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ、以下ＥＶＴと称す）および接地変圧器（Ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ、以下ＧＴＲと称す）を使用した抵抗接地系と、ＥＶＴのみを使用した非接地系とがある。
図１に示す電力システム１００ａに於いて、母線５に設置される変圧器１０ａは、ＥＶＴ１１と接地抵抗１３を有するＧＴＲ１２とを用い、それぞれが母線５に接続された回路構成である。従って、電力システム１００ａの接地方式は抵抗接地系である。

母線５に接続されるＥＶＴ１１は、母線５の零相電圧Ｖ０を検出し、検出した母線５の零相電圧Ｖ０の値を地絡方向継電器２０ａ、２０ｂに対して出力する。
また、フィーダ６ａに設けられたＺＣＴ３ａは、フィーダ６ａに流れる零相電流Ｉ０を検出し、同一のフィーダ６ａに設けられた地絡方向継電器２０ａに対して検出した零相電流Ｉ０の値を出力する。同様に、フィーダ６ｂに設けられたＺＣＴ３ｂは、フィーダ６ｂに流れる零相電流Ｉ０を検出し、同一のフィーダ６ｂに設けられた地絡方向継電器２０ｂに対して検出した零相電流Ｉ０の値を出力する。

地絡方向継電器２０は、制御回路２１を備えており、この制御回路２１は、ＥＶＴ１１によって検出された母線５の零相電圧Ｖ０と、ＺＣＴ３により検出されたフィーダ６を流れる零相電流Ｉ０との位相差θに基づいて、同一のフィーダ６に設けられた遮断器２を動作させる。
より詳しくは、地絡方向継電器２０の制御回路２１は、検出された零相電流Ｉ０が設定値以上となり、検出された母線５の零相電圧Ｖ０が設定値以上となると、この零相電圧Ｖ０に対する零相電流Ｉ０の位相差θを演算する。そして制御回路２１は、演算された位相差θが設定された角度範囲内となり、且つ、この角度範囲内の位相差θが設定された動作時限以上継続すると、このフィーダ６に於いて地絡が生じたと判定し、同一のフィーダ６に設けられた遮断器２を遮断するように動作させる。

図２は、実施の形態１による地絡方向継電器２０の動作特性となる上記設定値を示す図である。
図２に示す地絡方向継電器２０の各設定値は、制御回路２１が有する格納部としてのメモリ２３に設定される。図２に示すように、メモリ２３には、上記角度範囲としての感度角が複数設定可能であり、ここでは、遅れ１０°から進み１１０°までの第１感度角（第１角度範囲）と、遅れ４５°から進み１３５°までの第２感度角（第２角度範囲）との、２つの感度角が設定される。そして、第１感度角（遅れ１０°から進み１１０°）と、第２感度角（遅れ４５°から進み１３５°）とに対してそれぞれ、動作時限の設定値と、零相電圧Ｖ０の設定値と、零相電流Ｉ０の設定値とが対応付けて設定される。

このように地絡方向継電器２０は、複数の感度角が設定可能に構成されたものであり、地絡方向継電器２０を設置する際に於いて、いずれの感度角で動作させるかが選択される。また、この第１感度角、第２感度角の値は、それぞれ電力システムの接地方式（母線５に設置される変圧器１０ａの回路構成）に応じて予め決定されたものである。そして、理由は後述するが、地絡方向継電器２０が図１に示すような抵抗接地系の電力システム１００ａに設置される場合では、感度角として、遅れ１０°から進み１１０°までの第１感度角が選択される。

また本実施の形態では、図２に示すように、第２感度角（遅れ４５°から進み１３５°）に対応付けられた動作時限（０．５ｓ）は、第１感度角（遅れ１０°から進み１１０°）に対応付けられた動作時限（０．３ｓ）より長く設定された構成となっている。

先述のように、地絡方向継電器２０が、抵抗接地系の電力システム１００ａに設置される場合、遅れ１０°から進み１１０°までの第１感度角が選択される。そして、地絡方向継電器２０は、この第１感度角に対応する動作時限、零相電圧、零相電流の設定値に基づいて動作する。こうして、地絡方向継電器２０の制御回路２１は、検出された零相電流Ｉ０が０．１Ａ以上となり、検出された母線５の零相電圧Ｖ０が２．５Ｖ以上となると、この零相電圧Ｖ０に対する零相電流Ｉ０の位相差θを演算する。そして制御回路２１は、演算された位相差θが第１感度角の遅れ１０°から進み１１０°の範囲内となり、且つ、この第１角度の範囲内の位相差θが０．３ｓ以上継続すると、このフィーダ６に於いて地絡が生じたと判定し、同一のフィーダ６に設けられた遮断器２を遮断するように動作させる。

図３は、実施の形態１による地絡方向継電器２０を備えた電力システム１００ｂの概略構成を示すブロック図である。
図３に示す電力システム１００ｂは、図１に示した電力システム１００ａと、電力系統の接地方式が異なり、母線５に設置される変圧器１０ａは、ＥＶＴ１１のみが母線５に接続された回路構成である。従って、電力システム１００ｂの接地方式は非接地系である。
地絡方向継電器２０の感度角は、電力系統の接地方式が非接地系である場合、遅れ４５°から進み１３５°までの第２感度角が設定される。

以下、地絡方向継電器２０が、零相電圧Ｖ０に対する零相電流Ｉ０の位相差θに基づいて、地絡が生じていない健全フィーダ６では遮断器２を動作させず、地絡が生じたフィーダ６では遮断器２を動作させる原理について図を用いて説明する。
図４は、実施の形態１による抵抗接地系の電力システム１００ａに於いて、特定のフィーダ６ａで間欠地絡が発生した際に零相電流Ｉ０が流れる向きを示した図である。
図５は、実施の形態１による非接地系の電力システム１００ｂに於いて、特定のフィーダ６ａで間欠地絡が発生した際に零相電流Ｉ０が流れる向きを示した図である。

フィーダ６ａのある地点Ｔに於いて間欠地絡が発生した場合、地絡地点Ｔにおける地絡電流は、系統各部の静電容量と、変圧器１０ａ（１０ｂ）とを介して、地絡地点Ｔに戻るように流れる。このとき、図４、図５に示すように、間欠地絡が発生している地絡フィーダ６ａと、間欠地絡が発生していない健全フィーダ６ｂとでは、零相電流Ｉ０の流れる方向、すなわち位相が異なる。

零相電圧Ｖ０の値は、母線５に設置されたＥＶＴ１１から、フィーダ６ａ、６ｂに設けられた地絡方向継電器２０ａ、２０ｂに対して出力されるため、地絡方向継電器２０ａ、２０ｂが受信する零相電圧Ｖ０の値は等しい。一方、零相電流Ｉ０の値は、フィーダ６ａ、６ｂに設けられたＺＣＴ３ａ、３ｂから、同一のフィーダに設けられた地絡方向継電器２０ａ、２０ｂに対してそれぞれ出力されるため、地絡方向継電器２０ａ、２０ｂが受信する零相電流Ｉ０の値はそれぞれ異なる。

よって、地絡フィーダ６ａに設けられた地絡方向継電器２０ａと、健全フィーダ６ｂに設けられた地絡方向継電器２０ｂとがそれぞれ演算する、零相電圧Ｖ０に対する零相電流Ｉ０の位相差θは異なる。この特徴を利用し、地絡フィーダ６ａでは地絡を検出し、健全フィーダ６ｂでは地絡を検出しないことを目的とした、零相電圧Ｖ０に対する零相電流Ｉ０の位相差θに対する感度角の整定を行っている。
前述した第１感度角（遅れ１０°から進み１１０°）は、電力系統の接地方式が抵抗接地系である場合に、地絡フィーダでは地絡を検出し、健全フィーダでは地絡を検出しない範囲に整定された角度範囲である。また、第２感度角（遅れ４５°から進み１３５°）は、電力系統の接地方式が非接地系である場合に、地絡フィーダでは地絡を検出し、健全フィーダでは地絡を検出しない範囲に整定された角度範囲である。

以下、電力系統の接地方式に応じて、地絡方向継電器２０に於いて用いる感度角として、第１感度角（遅れ１０°から進み１１０°）と、第２感度角（遅れ４５°から進み１３５°）とを使い分けることで、地絡方向継電器２０が確実に各フィーダ６に於ける地絡の発生、不発生を検知できることを人工間欠地絡試験のデータを用いて示す。
この人工間欠地絡試験は、特定のフィーダに於いて模擬的に間欠地絡を発生させる地絡発生模擬回路を形成することで行う。

図６は、実施の形態１による地絡方向継電器の感度角を整定する実験的根拠を得ることを目的とした人工間欠地絡試験の抵抗接地系の電力系統図である。
図７は、実施の形態１による地絡方向継電器の感度角を整定する実験的根拠を得ることを目的とした人工間欠地絡試験の非接地系の電力系統図である。
図８は、フィーダ６のケーブル長と断面積とに対応する対地静電容量を示す図である。
図９は、実施の形態１による人工間欠地絡試験における試験条件を示す図である。
図１０は、実施の形態１による地絡方向継電器２０ｂ１、２０ｂ２の動作特性を決定する各設定値を示す図である。

図６、図７に示すように、フィーダ６ａに於いて、地絡を発生させるための地絡発生模擬回路（ＴＥＳＴ ＣＩＲＣＵＩＴ）７を形成する。よって、図６に示す抵抗接地系の電力系統、図７に示す非接地系の電力系統のいずれに於いても、フィーダ６ａが、地絡が生じる地絡フィーダ６ａとなり、フィーダ６ｂが、地絡が生じない健全フィーダ６ｂとなる。

また、健全フィーダ６ｂにのみ、ＺＣＴ３ｂ１、３ｂ２と、地絡方向継電器２０ｂ１、２０ｂ２とが設置される。地絡方向継電器２０ｂ１の感度角には、第２感度角（遅れ４５°から進み１３５°）が設定され、地絡方向継電器２０ｂ２の感度角には、第１感度角（遅れ１０°から進み１１０°）が設定されている。
また、地絡フィーダ６ａと健全フィーダ６ｂとに、それぞれ遮断器２ａ、２ｂが設置される。また、地絡方向継電器２０ｂ１、２０ｂ２は、健全フィーダ６ｂの遮断器２ｂに接続されている。

以上の構成により、抵抗接地系の電力系統および非接地系の電力系統の健全フィーダ６ｂに設置された、第１感度角（遅れ１０°～進み１１０°）が設定された地絡方向継電器２０ｂ２と、第２感度角（遅れ４５°～進み１３５°）が設定された地絡方向継電器２０ｂ１の、双方の動作を確認する。

ここで、人工間欠地絡試験を行うに当たり、零相電圧Ｖ０に対する零相電流Ｉ０の位相差θに影響する条件の１つとなる、健全フィーダ６ｂに於ける対地静電容量を決定するための、ケーブル長と断面積に対する対地静電容量を図８に示す。この図８の表によれば、例えば、ＣＶケーブル（ｃｒｏｓｓ－ｌｉｎｋｅｄ ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｖｉｎｙｌ ｓｈｅａｔｈ ｃａｂｌｅ）の断面積が２００ｓｑで、ケーブル長が３．７ｋｍであれば、対地静電容量は２．５μＦになる。
よって、健全フィーダ６ｂに対地間コンデンサ８を接続し、この対地間コンデンサ８の静電容量を、図８の表に示すように、０．５μＦ～３．０μＦまで変化させることで、実際の電力系統におけるケーブル長、断面積に対応させた試験を行うことができる。

次に、先述のＣＶケーブルを使用した電力系統を想定し、人工間欠地絡試験を行う試験条件を図９に示す。また、地絡方向継電器２０ｂ１、２０ｂ２の動作特性を決定する設定値を、図１０に示す。
先述のように、地絡方向継電器２０ｂ１には、第２感度角（遅れ４５°から進み１３５°）が設定されており、この感度角で動作時限を０．３ｓｅｃ、０．５ｓｅｃ、０．８ｓｅｃまで変化させて試験を行う。このように、地絡方向継電器２０ｂ１に於いて動作時限を０．３ｓｅｃ、０．５ｓｅｃ、０．８ｓｅｃと変化させた試験条件をそれぞれ整定番号１、２、３とおく。
また、地絡方向継電器２０ｂ２には、第１感度角（遅れ１０°から進み１１０°）が設定されており、この感度角で動作時限を０．３ｓｅｃ、０．５ｓｅｃ、０．８ｓｅｃまで変化させて試験を行う。このように、地絡方向継電器２０ｂ２に於いて動作時限を０．３ｓｅｃ、０．５ｓｅｃ、０．８ｓｅｃと変化させた試験条件をそれぞれ整定番号４、５、６とおく。

以上の試験条件で、整定番号１～６に於いて、さらに対地間コンデンサ８の対地静電容量を０．５μＦ～３．０μＦまで変化させて、地絡フィーダ６ａに地絡を生じさせる人工間欠地絡試験をそれぞれ５回づつ行う。

先ず、図６に示す抵抗接地系の電力系統を用いて人工間欠地絡試験を行った結果を以下図１１に示す。
図１１は、図６に示す抵抗接地系の電力系統を用いて人工間欠地絡試験を行った、健全フィーダ６ｂに設けられた地絡方向継電器２０ｂ１、２０ｂ２の動作を示す図である。

図１１に於いて、Ａ－１～Ａ－２０は、試験番号を示す。
また、「○」は地絡方向継電器２０ｂ１、２０ｂ２が遮断器２ｂを動作させなかった（適切動作）、「×」は地絡方向継電器２０ｂ１、２０ｂ２が遮断器２ｂを遮断するように動作させた（不適切動作）を示す。
図１１に示す結果から、抵抗接地系の電力系統に於いて、感度角が第２感度角（遅れ４５°～進み１３５°）に設定された地絡方向継電器２０ｂ１が、遮断器２ｂを動作させたケースが多く、感度角が第１感度角（遅れ１０°～進み１１０°）に設定された地絡方向継電器２０ｂ２は、遮断器２ｂを動作させていないことが判る。
先述のように、地絡が生じていない健全フィーダに於いて遮断器が動作（不適切動作）すると、安定した電力提供の阻害要因となる。

図１１に示した試験結果に基づき、本願に於いて防止することを目的としていた、健全フィーダにおける地絡方向継電器の不適切動作の原因を究明するために、試験番号Ａ－２の条件に於いて、図６に示す電力系統の健全フィーダ６ｂにおける零相電圧Ｖ０と零相電流Ｉ０とを検出してソフトウェア解析を行った。
図１２は、試験番号Ａ－２の条件に於いて、健全フィーダ６ｂにおける、零相電圧Ｖ０に対する零相電流Ｉ０の位相差（第２位相差θ２）の時間的変化を、ソフトウェア解析により算出する位相差算出工程を行った結果を示す図である。

図１２から、抵抗接地系の電力系統では、間欠地絡発生時に健全フィーダ６ｂにおける零相電圧Ｖ０に対する零相電流Ｉ０の位相差（第２位相差θ２）が、遅れ１０°から遅れ３０°の領域に集中していることが判る。
そのため、感度角を第２感度角（遅れ４５°～進み１３５°）に整定していた地絡方向継電器２０ｂ１は、整定番号１～３に於いて、試験６０回中５１回、遮断器２ｂを動作させていた。一方、感度角を第１感度角（遅れ１０°～進み１１０°）に整定していた地絡方向継電器２０ｂ２は、整定番号４～６に於いて、試験６０回中６０回、遮断器２ｂを動作させておらず、適切動作している事が判る。

次に、同様の試験条件にて、図７に示す非接地系の電力系統を用いて人工間欠地絡試験を行った、健全フィーダ６ｂに設けられた地絡方向継電器２０ｂ１、２０ｂ２の動作結果を図１３に示す。
図１３は、図７に示す非接地系の電力系統を用いて人工間欠地絡試験を行った、健全フィーダ６ｂに設けられた地絡方向継電器２０ｂ１、２０ｂ２の動作を示す図である。

図１３に於いて、Ｂ－１～Ｂ－２０は、試験番号を示す。
図１３に示す結果から、非接地系の電力系統に於いて、感度角が第２感度角（遅れ４５°から進み１３５°）に設定された地絡方向継電器２０ｂ１は、ほとんどの場合で遮断器２ｂを動作させていない（適切動作）していたが、試験番号Ｂ－１１、Ｂ－１２に於いて遮断器２ｂを動作（不適切動作）させていた（６０回中２回が不適切動作）。

図１３に示した試験結果に基づき、試験番号Ｂ－１１の条件に於いて、図７に示す電力系統の健全フィーダ６ｂにおける零相電圧Ｖ０と零相電流Ｉ０とを検出してソフトウェア解析を行った。
図１４は、試験番号Ｂ－１１の条件に於いて、健全フィーダ６ｂにおける、零相電圧Ｖ０に対する零相電流Ｉ０の位相差（第２位相差θ２）の時間的変化を、ソフトウェア解析により算出する位相差算出工程を行った結果を示す図である。

図１４から、非接地系の電力系統では、間欠地絡発生時に健全フィーダ６ｂにおける零相電圧Ｖ０に対する零相電流Ｉ０の位相差（第２位相差θ２）が、遅れ１５°から遅れ５５°の領域に集中していることが判る。
地絡方向継電器２０ｂ１が不適切動作していたのは、動作時限を０．３ｓｅｃとしていた整定番号１の場合だけであり、図１４に示す通り、間欠地絡発生から３．９秒経過時までに、位相差が遅れ４５°～１５°の範囲内で０．３秒以上継続した場合があったため、地絡と判定した。しかしながら、実運用上では図５のように地絡フィーダにも地絡方向継電器を設けており、３．９秒経過前に地絡フィーダに設けられた地絡方向継電器にて先に地絡を検出して遮断を行うため、運用上問題はない。

なお、試験番号Ｂ－１２についても上記と同様であり、地絡方向継電器が動作時限を０．３ｓｅｃとしていため、不適切動作となっている。
なお、感度角を遅れ１０°～進み１１０°の第１感度角に整定した地絡方向継電器２０ｂ２については、整定番号４～６に於いて、遮断器２０ｂを動作させていない（適切動作）していた（６０回中６０回が適切動作）。

また、この実験結果により、静電容量を０．５μＦから３．０μＦまで変化させたとしても、地絡方向継電器２０の動作に変化は生じていない。よって、零相電圧Ｖ０に対する零相電流Ｉ０の位相差θは、電力系統の接地方式による影響が支配的であり、静電容量に関する影響は限定的であることが判る。

以上、健全フィーダ６ｂに設置した、第１感度角（遅れ１０°～進み１１０°）が設定された地絡方向継電器２０ｂ２と、第２感度角（遅れ４５°～進み１３５°）が設定された地絡方向継電器２０ｂ１の、双方の動作を確認した。
以下、地絡フィーダ６ａに設置した、第１感度角（遅れ１０°～進み１１０°）が設定された地絡方向継電器２０ａ２と、第２感度角（遅れ４５°～進み１３５°）が設定された地絡方向継電器２０ａ１の、双方の動作を確認する。

図１５は、地絡方向継電器の感度角を整定する実験的根拠を得ることを目的とした人工間欠地絡試験の抵抗接地系の電力系統図である。
図１６は、地絡方向継電器の感度角を整定する実験的根拠を得ることを目的とした人工間欠地絡試験の非接地系の電力系統図である。
図１７は、地絡方向継電器２０ａ１、２０ａ２の動作特性を決定する各設定値を示す図である。

図１５、図１６に示すように、フィーダ６ａに於いて、地絡を発生させるための地絡発生模擬回路（ＴＥＳＴ ＣＩＲＣＵＩＴ）７を形成する。
また、地絡フィーダ６ａにのみ、ＺＣＴ３ａ１、３ａ２と、地絡方向継電器２０ａ１、２０ａ２とが設置される。地絡方向継電器２０ａ１の感度角には、第２感度角（遅れ４５°から進み１３５°）が設定され、地絡方向継電器２０ａ２の感度角には、第１感度角（遅れ１０°～進み１１０°）が設定されている。
また、地絡フィーダ６ａと健全フィーダ６ｂとに、それぞれ遮断器２ａ、２ｂが設置される。また、地絡方向継電器２０ａ１、２０ａ２は、地絡フィーダ６ａの遮断器２ａに接続されている。

前述したように、地絡方向継電器２０ａ１には、第２感度角（遅れ４５°から進み１３５°）が設定されており、この感度角で動作時限を０．８ｓｅｃとして試験を行う。この試験条件を整定番号７とおく。
また、地絡方向継電器２０ａ２には、第１感度角（遅れ１０°から進み１１０°）が設定されており、この感度角で動作時限を０．８ｓｅｃとして試験を行う。この試験条件を整定番号８とおく。

以上の試験条件で、整定番号７、８に於いて対地間コンデンサ８の対地静電容量を０．５μＦ～３．０μＦまで変化させて、地絡フィーダ６ａに地絡を生じさせる人工間欠地絡試験をそれぞれ５回づつ行う。

先ず、図１５に示す抵抗接地系の電力系統を用いて人工間欠地絡試験を行った結果を以下図１８に示す。
図１８は、図１５に示す抵抗接地系の電力系統を用いて人工間欠地絡試験を行った、地絡フィーダ６ａに設けられた地絡方向継電器２０ａ１、２０ａ２の動作を示す図である。

図１８に於いて、Ｃ－１～Ｃ－２０は、試験番号を示す。
また、「○」は地絡方向継電器２０ａ１、２０ａ２が遮断器２ａを遮断するように動作させた（適切動作）、「×」は地絡方向継電器２０ａ１、２０ａ２が遮断器２ａを動作させなかった（不適切動作）を示す。
先述のように、地絡が生じている地絡フィーダに於いて遮断器が不作動（不適切動作）であると、母線および健全フィーダから地絡フィーダを切り離しできない。そのため、配電用変電所および他の需要家へ影響が生じ、安定した電力提供の阻害要因となる。

図１８に示した試験結果に基づき、本願に於いて防止することを目的としていた、地絡フィーダにおける地絡方向継電器の不適切動作の原因を究明するために、試験番号Ｃ－１１の条件に於いて、図１５に示す電力系統の地絡フィーダ６ａにおける零相電圧Ｖ０と零相電流Ｉ０とを検出した。そして、地絡フィーダ６ａにおける、零相電圧Ｖ０に対する零相電流Ｉ０の位相差（第１位相差θ１）の時間的変化を、ソフトウェア解析により算出する位相差算出工程を行った。

図示は行わないが、このソフトウェア解析の結果、非接地系の電力系統では、間欠地絡発生時に地絡フィーダ６ａにおける零相電圧Ｖ０に対する零相電流Ｉ０の位相差（第１位相差θ１）が、進み１０５°よりも早い領域に集中していることが判った。
前述したように、地絡方向継電器２０ａ１は、その感度角として、第２感度角（遅れ４５°～進み１３５°）が設定されており、地絡方向継電器２０ａ２は、その感度角として、第１感度角（遅れ１０°～進み１１０°）が設定されている。よって、上記のような、進み１０５°より早い領域に集中している位相差は、地絡方向継電器２０ａ１、２０ａ２の双方の感度角範囲内となるため、遮断器２ａを動作させるはずであるが、図１８に示すように一部のケースで動作していない。

図１９は、試験番号Ｃ－１１の条件に於いて、地絡フィーダ６ａにおける、零相電圧Ｖ０の時間的変化を示す図である。
図１９に示すとおり、試験番号Ｃ－１１では間欠地絡が発生しているものの、地絡方向継電器２０ａ１、２０ａ２に設定された動作時限０．８秒より短い時間だけ発生していた。したがって、間欠地絡が発生しているものの、地絡方向継電器２０ａ１、２０ｂ１が動作せず、不適切動作だと思われていた結果は、正しくは適切動作であった。
他の「×」となった試験番号についても同様に解析した結果、試験番号Ｃ－１～Ｃ－２０に於いて、地絡方向継電器２０ａ１、２０ａ２は、全て適切動作していた。

次に、同様の試験条件にて、図１６に示す非接地系の電力系統を用いて人工間欠地絡試験を行った、地絡フィーダ６ａに設けられた地絡方向継電器２０ａ１、２０ａ２の動作結果を図２０に示す。
図２０は、図１６に示す非接地系の電力系統を用いて人工間欠地絡試験を行った、地絡フィーダ６ａに設けられた地絡方向継電器２０ａ１、２０ａ２の動作を示す図である。

図２０に於いて、Ｄ－１～Ｄ－２０は、試験番号を示す。
図２０に示す結果から、非接地系の電力系統に於いて、感度角が第２感度角（遅れ４５°～進み１３５°）に設定された地絡方向継電器２０ａ１は、ほとんどの試験条件に於いて、遮断器２ｂを動作させている（適切動作）。
図示は行わないが、試験番号Ｄ－１６は、地絡方向継電器２０ｂ１の動作時限０．８秒より短い時間だけしか間欠地絡事故が発生していないことが判った。よって、不適切動作と思われていた地絡方向継電器２０ａ１の試験番号Ｄ－１６は、正しくは適切動作であり、第２感度角に設定された地絡方向継電器２０ａ１は、整定番号７の全ての試験条件に於いて遮断器２ｂを動作させている（適切動作）。
一方、感度角が第１感度角（遅れ１０°～進み１１０°）に設定された地絡方向継電器２０ａ２は、遮断器２ａを動作させていない（不適切動作）しているケースが多いことが判る。

図２０に示した試験結果に基づき、試験番号Ｄ－１１の条件に於いて、図１６に示す電力系統の地絡フィーダ６ａにおける零相電圧Ｖ０と零相電流Ｉ０とを検出してソフトウェア解析を行った。
図２１は、試験番号Ｄ－１１の条件に於いて、地絡フィーダ６ａにおける、零相電圧Ｖ０に対する零相電流Ｉ０の位相差（第１位相差θ１）の時間的変化を、ソフトウェア解析により算出する位相差算出工程を行った結果を示す図である。

図２１から、非接地系の電力系統では、間欠地絡発生時に地絡フィーダ６ａにおける零相電圧Ｖ０に対する零相電流Ｉ０の位相差（第１位相差θ１）が、進み９０°から進み１４０°の領域に集中していることが判る。

感度角を第１感度角（遅れ１０°～進み１１０°）に整定していた地絡方向継電器２０ａ２は、整定番号８に於いて、検出される位相差θの８０％以上がその感度角に含まれていなかったため、試験２０回中４回、遮断器２ａを動作させていない不適切動作であった。

以上の試験結果から、地絡方向継電器２０の感度角を、遅れθＸ°から進みθＹ°までの角度範囲とした場合の、上記遅れθＸ°、進みθＹ°の整定方法について説明する。

先ず、上記進みθＹ°は、地絡フィーダ６ａに於いて検出された第１位相差θ１の最大値±所定の第１値Ａ°よりも大きい値に整定するとよい。

例えば、図２１に示した非接地系の電力系統の場合では、上記進みθＹ°は、第１位相差θ１の最大値±所定の第１値Ａ°（１４０°－１０°＝１３０°）よりも大きい値（１３５°）に整定する。
また図示は行わなかったが、抵抗接地系の電力系統の場合では、第１位相差θ１は、進み１０５°より早い領域に収束する。よって、上記進みθＹは、第１位相差θ１の最大値±所定の第１値Ａ°（１０５°＋４°＝１０９°）よりも大きい値（１１０°）に整定する。
これにより、地絡フィーダ６ａにおける零相電圧Ｖ０に対する零相電流Ｉ０の位相差θが感度角の範囲内となるため、この位相差θをほぼ確実に検知できる。ここで、上記所定の第１値Ａ°は、第１位相差θ１の最大変動幅、時間経過による収束領域、等を考慮して決定するとよく、ここでは、非接地系の電力系統の場合の上記第１値Ａ（１０°）は、第１位相差θ１の最大値（９０°）と最小値（１４０）との差である最大振幅差（５０°）の２０％以下の値としている。

次に、上記遅れθＸ°は、健全フィーダ６ｂに於いて検出された第２位相差θ２の最小値から所定の第３値Ｃ°分、大きい値に整定するとよい。そして動作時限は、この所定の第３値Ｃ°に基づいて、その長さを整定するとよい。

例えば、図１４に示した非接地系の電力系統の場合では、上記遅れθＸ°は、第２位相差θ２の最小値から所定の第３値Ｃ°分大きい値（－５５°＋１０°＝－４５°）に整定する。
ここで、上記所定の第３値Ｃ°は、第２位相差θ２の最大変動幅、時間経過による収束領域、等を考慮して決定するとよく、ここでは、上記第３値Ｃ（１０°）は、第２位相差θ２の最大値（－１５°）と最小値（-５５°）との差である最大振幅差（４０°）の３０％以下の値としている。

またあるいは、上記遅れθＸ°は、健全フィーダ６ｂに於いて検出された第２位相差θ２の最大値±所定の第２値Ｂよりも大きい値としてもよい。
例えば、図１２に示した抵抗接地系の電力系統の場合では、上記遅れθＸ°は、第２位相差θ２の最大値±所定の第２値Ｂ（－１５°－６°）よりも大きい値（－１０）°と整定する。ここで、上記所定の第２値Ｂ°は、第２位相差θ２の最大変動幅、時間経過による収束領域、等を考慮して決定するとよく、ここでは、上記第２値Ｂ（６°）は、第２位相差θ２の最大値（－５°）と最小値（-３０°）との差である最大振幅差（２５°）の３０％以下の値としている。

以上から、抵抗接地系の電力系統の場合の感度角の遅れθＸ°から進みθＹ°は、遅れ１０°から進み１１０°の角度範囲と整定するとよい。
また、非接地系の電力系統の感度角の遅れθＸ°から進みθＹ°は、遅れ４５°から進み１３５°の角度範囲と整定するとよい。

また例えば、遅れθＸ°を、第２位相差θ２の最大値±第２値Ｂよりも大きい値に整定し、進みθ２°を、第１位相差θ１の最大値±第１値Ａよりも大きい値に整定すると、感度角は、遅れ１０°から進み１３５°とも整定できる。図１２、図１４、図２１から明らかなように、この感度角は、抵抗接地系、非接地系の電力系統ごとに、同一の値となる角度範囲である。

上記のように構成された本実施の形態の地絡方向継電器によると、地絡方向継電器の制御回路２１は、零相電圧Ｖ０に対する零相電流Ｉ０の位相差θが所定の感度角内となると遮断器を遮断するように動作させる。そして、制御回路に設定されたこの感度角は、地絡電流が流れる経路となる母線に設置される変圧器の回路構成に応じて整定されたものである。このように、位相差θに影響を与える変圧器の抵抗値、静電容量等の要素を含めた、母線に設置される変圧器の回路構成に基づいた感度角が設定されることで、電力系統の接地形式が異なる場合でも、確実に各フィーダにおける地絡の発生、不発生を検知できるため、各フィーダの遮断器を適切に動作できる。
よって、間欠地絡発生時、地絡フィーダの遮断器の不動作および健全フィーダの遮断器の不要な動作を防止できる。

こうして、地絡が生じたフィーダに設置される遮断器のみを確実に動作させて、地絡地点を系統から切り離すことによって、健全フィーダに於ける停電等を回避をし、健全フィーダへの連続送電が可能となる。

さらに、地絡方向継電器の制御回路は、複数の角度範囲が設定されるメモリを有する構成である。このように、電力系統の接地形式に応じた複数の感度角を設定できるため、作業性がよい。

さらに、地絡方向継電器は、電力系統の接地形式が抵抗接地系である場合、即ち、母線に設置される変圧器が、ＥＶＴとＧＴＲとを用いた回路構成である場合では、第１感度角（遅れ１０°から進み１１０°）が設定される。また、電力系統の接地形式が非接地系である場合、即ち、母線に設置される変圧器が、ＥＶＴのみを用いた回路構成である場合では、第２感度角（遅れ４５°から進み１３５°）が設定される。このように変圧器の回路構成に応じて、角度範囲が整定されている。
また、母線に接地される変圧器の具体的な回路構成、即ち、零相電流が流れる電流経路に於ける具体的な抵抗値、静電容量等に応じた感度角が設定されているため、更に精度よく各フィーダにおける地絡の発生、不発生を検知できる。

また、上記のように構成された地絡方向継電器を備えた電力システムは、各フィーダの遮断器を適切に動作させることができるため、安定した電力系統の運用が可能となる。

また、地絡方向継電器の感度角は、以下のような人工間欠地絡試験に基づいて整定される。即ち、所定のフィーダに於いて地絡を生じさせ、地絡フィーダの零相電圧に対する零相電流の位相差である第１位相差θ１と、健全フィーダにおける零相電圧に対する零相電流の位相差である第２位相差θ２とを算出する位相差算出工程を、母線に設置される変圧器の回路構成ごとにソフトウェア解析により行う。そして、母線に設置される変圧器の回路構成ごとに算出された、第１位相差θ１あるいは第２位相差θ２の少なくとも一方に基づいて感度角を整定する。このように、地絡方向継電器の感度角を様々な系統にて行った試験および解析結果を根拠に、電力系統の接地方式に合った角度範囲を整定している。こうして、確実に各フィーダにおける地絡の発生、不発生を検知できる感度角の整定が可能となる。

また、人工間欠地絡試験のソフトウェア解析により得られた、地絡フィーダの第１位相差θ１と、健全フィーダに於いて得られた第２位相差θ２とに基づいて、地絡方向継電器の動作時限を設定する。これにより、さらに確実に各フィーダにおける地絡の発生、不発生を検知できる感度角の整定が可能となる。

また、地絡方向継電器の感度角（遅れθＸ°から進みθＹ°）は、人工間欠地絡試験のソフトウェア解析により得られた第１位相差θ１と第２位相差θ２とに基づいて整定される。即ち、遅れθＸ°は、第２位相差θ２の最大値±所定の第２値よりも大きい値、あるいは第２位相差θ２の最小値から所定の３値分大きい値に整定される。また、進みθＹ°は、第１位相差θ１の最大値±所定の第１値よりも大きい値に整定される。
こうして、人工間欠地絡試験のソフトウェア解析により得られる第１位相差θ１、第２位相差θ２の変動幅に基づいた感度角が整定できる。

また、人工間欠地絡試験に於いては、フィーダの対地静電容量を変化させて、対地静電容量ごとに位相差算出工程を行う。そして、抵抗接地系、非接地系のそれぞれの電力系統に於いて、対地静電容量ごとの第１位相差θ１と第２位相差θ２を算出する。こうして、抵抗接地系、非接地系のそれぞれの電力系統に於いて、対地静電容量ごとの感度角が整定される。これにより、実際のフィーダのケーブル長さ、断面積に応じた感度角の整定が可能となる。

また、人工間欠地絡試験のソフトウェア解析により得られた第１位相差θ１と第２位相差θ２とに基づいて、変圧器の回路構成ごとに同一の値となる角度範囲を整定してもよい。これにより、地絡方向継電器を各電力系統に配置する際の設定が簡易となる。

なお、上記の説明では、地絡方向継電器の制御回路に２種類の感度角が設定される例を示したが、３種類以上の感度角が設定されるものでもよい。
また、電力系統の接地方式として、抵抗接地系、非接地系を挙げたが、例えば、リアクトル接地方式でもよい。
また、第１感度角は、遅れ１０°から進み１１０°の角度範囲とし、第２感度角は、遅れ１０°から進み１３５°としたものを示したが、回路毎の誤差を考慮し、それぞれ、±１０°のマージンを設けても良い。
なお、地絡方向継電器の動作時限は、０．３秒、０．５秒に設定したものを示したが、この数値に限定するものではなく、任意の値でよい。

本願は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。

２ａ，２ｂ，２ 遮断器、６ａ，６ｂ フィーダ（電線路）、１０ａ 変圧器、
２０ａ，２０ｂ，２０ 地絡方向継電器、２１ 制御回路、２３ メモリ（格納部）、
１００ａ，１００ｂ 電力システム。

Claims (11)

1. 変圧器が設置された母線から分岐される複数の電線路ごとに設けられ、前記電線路ごとに設けられた遮断器を、前記母線の零相電圧と前記電線路の零相電流との位相差に基づいて動作させる制御回路を備えた地絡方向継電器において、
   前記制御回路は、
   前記位相差が所定の角度範囲内となると前記遮断器を遮断するように動作させ、
   前記角度範囲は、前記変圧器の回路構成に応じて整定され、
   前記制御回路は、
   前記位相差が、前記角度範囲内で、且つ、設定された動作時限以上継続すると前記遮断器を遮断するように動作させるものであり、
   前記動作時限は、前記変圧器の回路構成に応じて整定された、
   地絡方向継電器。
2. 前記制御回路は、
   複数の前記角度範囲が設定される格納部を有し、
   前記位相差が、設定された前記複数の角度範囲の内から選択された１つの前記角度範囲内となると前記遮断器を遮断するように動作させる、
   請求項１に記載の地絡方向継電器。
3. 前記制御回路の前記格納部は、前記複数の角度範囲として、前記零相電圧に対する前記零相電流の前記位相差が遅れ１０°±１０°から進み１１０°±１０°までの第１角度範囲と、前記零相電圧に対する前記零相電流の前記位相差が遅れ４５°±１０°から進み１３５°±１０°までの第２角度範囲とが設定され、
   前記変圧器が、接地形計器用変圧器と接地変圧器とを用いた回路構成であると前記第１角度範囲が選択され、
   前記変圧器が、接地形計器用変圧器のみを用いた回路構成であると前記第２角度範囲が選択される、
   請求項２に記載の地絡方向継電器。
4. 前記複数の前記角度範囲にそれぞれ前記動作時限が対応付けて設定され、
   前記第２角度範囲に対応付けられた前記動作時限は、前記第１角度範囲に対応付けられた前記動作時限以上長く設定された、
   請求項３に記載の地絡方向継電器。
5. 前記角度範囲は、前記変圧器の抵抗値に応じて決定された、
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の地絡方向継電器。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の地絡方向継電器と、
   前記母線から分岐された複数の前記電線路ごとに設けられた前記遮断器と、
   前記母線に接続される前記変圧器とを備えた、
   電力システム。
7. 請求項６に記載の電力システムにおける前記地絡方向継電器の前記角度範囲の整定方法であって、
   複数の前記電線路の内の所定の前記電線路において地絡を生じさせ、地絡を生じさせた前記所定の電線路における、前記零相電圧に対する前記零相電流の前記位相差である第１位相差と、地絡を生じさせていない前記電線路における前記零相電圧に対する前記零相電流の前記位相差である第２位相差とを算出する位相差算出工程を、前記変圧器の回路構成ごとに行い、
   前記変圧器の回路構成ごとの、前記第１位相差あるいは前記第２位相差の少なくとも一方に基づいて、前記変圧器の回路構成に応じた前記角度範囲を整定する、
   地絡方向継電器の角度範囲の整定方法。
8. 前記制御回路は、
   前記位相差が、前記角度範囲内で、且つ、設定された動作時限以上継続すると前記遮断器を遮断するように動作させるものであり、
   前記変圧器の回路構成ごとの、前記第１位相差あるいは前記第２位相差の少なくとも一方に基づいて、前記動作時限を整定する、
   請求項７に記載の地絡方向継電器の角度範囲の整定方法。
9. 前記角度範囲は、遅れθＸ°から進みθＹ°までの角度範囲であり、
   前記遅れθＸ°は、前記第２位相差の最大値±所定の第２値よりも大きい値、あるいは前記第２位相差の最小値から所定の第３値分大きい値に整定され、
   前記進みθＹ°は、前記第１位相差の最大値±所定の第１値よりも大きい値に整定され、
   前記第２値および前記第３値は、前記第２位相差の最大値と最小値との差である最大振幅差の３０％以下の値であり、
   前記第１値は、前記第１位相差の最大値と最小値との差である最大振幅差の２０％以下の値である、
   請求項７または請求項８に記載の地絡方向継電器の角度範囲の整定方法。
10. 各前記変圧器の回路構成において、前記電線路の対地静電容量を変化させて、対地静電容量ごとに前記位相差算出工程を行い、各前記変圧器の回路構成の前記対地静電容量ごとの前記第１位相差と前記第２位相差を算出し、
    各前記変圧器の回路構成における前記対地静電容量ごとの前記第１位相差と前記第２位相差とに基づいて、各前記変圧器の回路構成における前記対地静電容量ごとの前記角度範囲を整定する、
    請求項７から請求項９のいずれか１項に記載の地絡方向継電器の角度範囲の整定方法。
11. 前記変圧器の回路構成ごとの、前記第１位相差と前記第２位相差とに基づいて、
    前記変圧器の回路構成ごとに同一の値となる前記角度範囲を整定する、
    請求項７から請求項１０のいずれか１項に記載の地絡方向継電器の角度範囲の整定方法。

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