JP7538457B1

JP7538457B1 - 保護システム

Info

Publication number: JP7538457B1
Application number: JP2024005382A
Authority: JP
Inventors: 晃旗濱▲崎▼; 則久長崎
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 2024-01-17
Filing date: 2024-01-17
Publication date: 2024-08-22
Anticipated expiration: 2044-01-17
Also published as: JP2025111153A

Abstract

【課題】３相交流の電力系統における１相地絡事故に対処する。
【解決手段】３相交流の電力系統（１００）を保護する保護システム（１１０）は、電力系統（１００）における中性点に接続されている保護ユニット（１２）を備えている。当該中性点は、保護ユニット（１２）を介して接地されている。保護ユニット（１２）は、中性点補償リアクトル（１０）と、中性点補償リアクトル（１０）と直列に接続されている中性点キャパシタ（例：キャパシタ６）と、を備えている。
【選択図】図４

Description

本開示は、３相交流の電力系統を保護する保護システムに関する。

３相交流の電力系統を保護するための様々な技術が提案されている。一例として、下記の特許文献１には、３相短絡事故または３相地絡事故に対処することを目的とした技術が開示されている。

特公平５－２２４５８号公報

本開示の一態様の目的は、３相交流の電力系統における１相地絡事故に対処することにある。

本開示の一態様に係る保護システムは、３相交流の電力系統を保護する保護システムであって、前記電力系統における中性点に接続されている保護ユニットを備えており、前記中性点は、前記保護ユニットを介して接地されており、前記保護ユニットは、中性点補償リアクトルと、前記中性点補償リアクトルと直列に接続されている中性点キャパシタと、を備えている。

本開示の一態様によれば、３相交流の電力系統における１相地絡事故に対処できる。

参考形態における電力系統の一構成例を示す。参考形態における中性点補償リアクトルの接続関係の例を示す。参考形態において１相地絡事故が発生した場合の各電流を模式的に示す。実施形態１における電力系統の一構成例を示す。実施形態１における保護ユニットの接続関係の例を示す。実施形態１において１相地絡事故が発生した場合の各電流を模式的に示す。比較例におけるシミュレーション結果を示す。実施例におけるシミュレーション結果を示す。実施形態２における電力系統の一構成例を示す。実施形態２において１相地絡事故が発生した場合の各電流を模式的に示す。

〔参考形態〕
実施形態１の説明に先立ち、参考形態について述べる。説明の便宜上、参考形態にて説明した構成要素（コンポーネント）と同じ機能を有する構成要素については、以降の各実施形態では、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。また、簡潔化のため、公知技術と同様の事項についても、説明を適宜省略する。

本明細書において述べる各コンポーネントおよび各数値はいずれも、特に矛盾のない限り単なる例示である。それゆえ、例えば、特に矛盾のない限り、各コンポーネントの位置関係および接続関係は各図の例に限定されない。本明細書における「接続されている」という記載は、内容上矛盾のない限り、「電気的に接続されている」ことを意味する。

上述の通り、特許文献１の技術は、電力系統における３相短絡事故または３相地絡事故に対処することを目的としている。ただし、特許文献１では、電力系統における１相地絡事故については考慮されていない。したがって、従来技術では、電力系統における１相地絡事故に適切に対処できない場合がある。参考形態では、このことについて述べる。

図１は、参考形態における３相交流の電力系統１２０Ｒの一構成例を示す。電力系統１２０Ｒは、従来技術の例である。図１では、３相電路は太線によって示されており、単相電路は細線によって示されている。

電力系統１２０Ｒは、３相交流の電源１を有している。一例として、電源１は、任意の再生可能エネルギー発電設備（例：風力発電設備）であってよい。電源１は、送電ケーブル８を介して、不図示の別の発電設備に接続されている。したがって、電源１は、図１に示す連系点Ｐ２を介して、当該別の発電設備と接続可能である。

図１における符号２は、電源１の背後インピーダンスを示す。電力系統１２０Ｒは、電源１と送電ケーブル８との間に、遮断器４を有している。図１の例における遮断器４は、連系点Ｐ２における事故電流を遮断するように配置されている。図１では、連系点Ｐ２よりも電源１に近い側に位置している事故点Ｐ１において、１相地絡事故が生じた場合が例示されている。

事故点Ｐ１において１相地絡事故が生じた場合、送電ケーブル８から遮断器４に向かって電流が流れる。図１における電流ｉ_{ＣＡＢＬＥ}は、送電ケーブル８から遮断器４に向かって流れる電流を表す。

図１の例では、電源１は、遮断器４を介して、送電ケーブル８および電気設備１３Ｒに並列に接続されている。電気設備１３Ｒは、例えば、電源１からの電力の供給を受ける受電設備である。電力系統１２０Ｒは、電源１の電圧を変換する変圧器１１を有していてよい。図１の例では、変圧器１１は、電気設備１３Ｒの内部に位置している。変圧器１１は、３相の変圧器である限り、任意のタイプの変圧器であってよい。図１では、変圧器１１として、３相３巻線変圧器が例示されている。

図１の例では、変圧器１１の１次側巻線はＹ結線されており、変圧器１１の２次側巻線はΔ結線されている。変圧器１１の１次側は、電源１に接続されている。変圧器１１の２次側は、電気設備１３Ｒ内の不図示の負荷に接続されている。

電力系統の仕様次第では、かなり長い送電ケーブルが使用される場合がある。このことから、送電ケーブルは、比較的大きいキャパシタンスを有している場合がある。そこで、電力系統では、送電ケーブルのキャパシタンスを補償するために、中性点補償リアクトル１０が設けられる場合がある。中性点補償リアクトルは、ＮＧＬと略記されてよい。

図１に示す通り、電力系統１２０Ｒは、電気設備１３Ｒの内部に中性点補償リアクトル１０を有している。図２は、参考形態における中性点補償リアクトル１０の接続関係の例を示す。図２では、中性点補償リアクトル１０と変圧器１１との接続関係が主に例示されている。

中性点補償リアクトル１０は、任意のタイプのリアクトルであってよい。一例として、中性点補償リアクトル１０として、空芯リアクトルが用いられてよい。中性点補償リアクトル１０のリアクタンスは、送電ケーブル８のキャパシタンスに対応するように設定されている。したがって、中性点補償リアクトル１０のリアクタンスは、比較的大きい。

電力系統１２０Ｒは、３相電路の中性点ＮＰを有しているものとする。図２の例では、中性点ＮＰは、変圧器１１のＹ結線の合流点に位置している。図２における電圧Ｖ０は、中性点ＮＰの電圧を示す。電圧Ｖ０は、中性点電圧とも称される。当業者にとって既知の通り、中性点電圧は、電力系統１２０Ｒにおける零相電圧に等しい。

図２に示す通り、中性点補償リアクトル１０の一端は、中性点ＮＰに接続されている。中性点補償リアクトル１０の他端は、接地されている。図２の例では、中性点補償リアクトル１０の他端に接続されている接地端子が、符号ＧＮによって示されている。

電力系統１２０Ｒの事故点Ｐ１において１相地絡事故が生じた場合、中性点補償リアクトル１０から遮断器４に向かって電流が流れる。図２における電流ｉ_ｎは、中性点補償リアクトル１０から遮断器４に向かって流れる電流を表す。

図３は、電力系統１２０Ｒにおける１相地絡事故が発生した場合に生じる各電流を模式的に示す。図３の各グラフにおいて、横軸は時点ｔを示し、縦軸は電流値を示す。図３の例における初期時点であるｔ＝０は、事故が発生した時点を示す。

図３における符号３１０は、電流ｉ_{ＣＡＢＬＥ}の時間推移の例を示す。図３の例におけるｉ_{ＣＡＢＬＥ}は、零相電流を示す。実際のｉ_{ＣＡＢＬＥ}は零相電流成分に加えて正相電流成分を含んでいるが、図３の例では当該正相電流成分については考慮しない。図３の例では、当該正相電流成分が、例えば電力系統１２０Ｒに別途設置されている正相補償用の分路リアクトル（不図示）によって補償されていることを前提としている。

図３のｉ_{ＣＡＢＬＥ}は、直流成分を含まない交流電流である。ｉ_{ＣＡＢＬＥ}の周波数は、電力系統１２０Ｒの定格周波数（基本波周波数）に等しい。図３の例では、ｔ＝０においてｉ_{ＣＡＢＬＥ}が最大値をとるものとする。

図３における符号３２０は、電流ｉ_ｎの時間推移の例を示す。電力系統１２０Ｒにおいて１相地絡事故が生じた場合、電力系統１２０Ｒにおける３相交流電圧に不平衡が生じる。このことから、電力系統１２０Ｒにおいて１相地絡事故が生じた場合、非零のＶ０（例：正のＶ０）が生じる。

非零のＶ０が中性点補償リアクトル１０に印加されることに起因して、ｉ_ｎは、直流成分ｉ_ＤＣを含むこととなる。符号３２０の例におけるｉ_ＤＣは、時間経過に伴って単調減少する正の信号である。ｔ＝０におけるｉ_ＤＣの値は、地絡故障の発生タイミングに応じて（より具体的には、地絡故障時の対地電圧の位相に応じて）定まる。

また、電力系統１２０Ｒにおいて、ｉ_ｎはｉ_{ＣＡＢＬＥ}と逆位相の交流成分を含むこととなる。このことから、中性点補償リアクトル１０は送電ケーブル８の電流を補償するように設けられるため、符号３２０の例におけるｉ_ｎは、下記の式（１）、
ｉ_ｎ＝－ｉ_{ＣＡＢＬＥ}＋ｉ_ＤＣ …（１）
によって表される。

本明細書では、遮断器４に流れる電流をｉ_ＣＢと表記する。図３における符号３３０は、ｉ_ＣＢの時間推移の例を示す。図１の回路構成によれば、電力系統１２０Ｒにおいて１相地絡事故が生じた場合におけるｉ_ＣＢは、下記の式（２）、
ｉ_ＣＢ＝ｉ_ｎ＋ｉ_{ＣＡＢＬＥ} …（２）
によって表される。

そして、式（２）に式（１）を代入することにより、下記の式（３）、
ｉ_ＣＢ＝（－ｉ_{ＣＡＢＬＥ}＋ｉ_ＤＣ）＋ｉ_{ＣＡＢＬＥ}＝ｉ_ＤＣ …（３）
が得られる。

すなわち、電力系統１２０Ｒでは、１相地絡事故が生じた場合におけるｉ_ＣＢは、ｉ_ＤＣと等しい。符号３３０のグラフは、このことを例示している。

図１に示す通り、電力系統１２０Ｒにおけるｉ_ＤＣは、接地端子ＧＮを経由して事故点Ｐ１に流れ、連系点Ｐ２を通って、当該接地端子ＧＮへと戻る。このように、電力系統１２０Ｒでは、１相地絡事故が発生した場合に、長期間に亘って直流電流が遮断器４に流れ続けるおそれがある。すなわち、電力系統１２０Ｒでは、１相地絡事故が発生した場合に、ｉ_ＣＢの零クロス点が長期間に亘って生じないという現象が生じるおそれがある。当該現象は、電流零ミスと称される。

上述の特許文献１に開示されている技術は、３相短絡事故または３相地絡事故が発生した場合における電流零ミスを防止することを目的としている。しかしながら、特許文献１では、１相地絡事故については考慮されていない。このように、従来技術では、１相地絡事故への対処が十分ではない。

〔実施形態１〕
本願の発明者ら（以下では、「発明者ら」と略記）は、従来技術における上述の問題点を踏まえ、実施形態１を新たに創作した。図４は、実施形態１における電力系統１００の一構成例を示す。図４は、図１と対になる図である。電力系統１００は、当該電力系統１００を保護する保護システム１１０を有している。この点において、電力系統１００は、参考形態における電力系統１２０Ｒと異なる。

図４の電力系統１００において、遮断器４は、保護システム１１０の構成要素であってよい。遮断器４は、以下に述べる保護ユニット１２よりも上流に位置していればよい。図４の例においても、遮断器４は、電力系統１００における連系点Ｐ２に位置している。遮断器４を有する保護システム１１０は、遮断器システムと称されてもよい。

保護システム１１０は、上述の電力系統１２０Ｒにおける中性点補償リアクトル１０に替えて、保護ユニット１２を有している。説明の便宜上、実施形態１における電気設備を、電気設備１３と称する。図５は、実施形態１における保護ユニット１２の接続関係の例を示す。図５では、保護ユニット１２と変圧器１１との接続関係が主に例示されている。図５は、図２と対になる図である。

実施形態１における変圧器１１は、連系点Ｐ２と保護ユニット１２との間に位置している。実施形態１においても、中性点ＮＰは、変圧器１１のＹ結線の合流点に位置している。ただし、中性点ＮＰの位置は、必ずしもこの例に限定されない。

例えば、変圧器１１は、接地変圧器であってもよい。この場合、中性点ＮＰは、当該接地変圧器の千鳥巻線の合流点に位置していてもよい。

図５に示す通り、中性点ＮＰは、保護ユニット１２を介して接地されていればよい。すなわち、中性点ＮＰは、保護ユニット１２を介して、接地端子ＧＮに接続されていればよい。

保護ユニット１２は、上述の中性点補償リアクトル１０を有している。そして、保護ユニット１２は、キャパシタ６をさらに有している。キャパシタ６は、中性点補償リアクトル１０に対応付けられたコンポーネントである。このことから、キャパシタ６は、中性点キャパシタと称されてもよい。

以下に述べる通り、キャパシタ６は、電力系統１００における電流零ミスを防止することを目的として設けられている。このことから、キャパシタ６は、例えば、「ゼロクロスキャパシタ」と称されてもよい。キャパシタ６は、従来技術では想定されていなかった新規なコンポーネントである。

保護ユニット１２において、キャパシタ６は、中性点補償リアクトル１０と直列に接続されている。図５では、中性点補償リアクトル１０が中性点ＮＰに接続されており、キャパシタ６が接地端子ＧＮに接続されている構成が例示されている。ただし、中性点補償リアクトル１０とキャパシタ６との位置関係は、この例に限定されない。例えば、保護ユニット１２において、キャパシタ６が中性点ＮＰに接続されており、中性点補償リアクトル１０が接地端子ＧＮに接続されていてもよい。

実施形態１におけるｉ_ｎは、保護ユニット１２から遮断器４に向かって流れる電流を表す。上述の通り、保護ユニット１２では、中性点補償リアクトル１０とキャパシタ６とが直列に接続されている。したがって、実施形態１におけるｉ_ｎは、中性点補償リアクトル１０およびキャパシタ６のそれぞれに流れる電流に等しい。

保護ユニット１２では、互いに直列に接続された中性点補償リアクトル１０とキャパシタ６とによって、電気的な共振現象を生じさせることができる。したがって、例えば、保護ユニット１２によれば、電力系統１００において１相地絡事故が発生した場合に、共振電流を生じさせることができる。

上述の通り、電力系統１００において１相地絡事故が発生した場合に、非零の零相電流Ｖ０が生じうる。保護ユニット１２は、当該零相電流Ｖ０に対応する共振電流ｉ_ＲＥＳＯを生じさせる。このことから、電力系統１００において１相地絡事故が発生した場合に生じるｉ_ｎは、ｉ_ＲＥＳＯを含みうる。ｉ_ＲＥＳＯは、ｉ_ｎの共振成分と称されてもよい。

（ｉ_ＲＥＳＯに関する説明）
以下、ｉ_ＲＥＳＯおよび関連する各要素について、数理的に検討する。実施形態１では、ｔ＝０において、ｉ_ＲＥＳＯが最大値を取る場合を考える。この場合、ｉ_ＲＥＳＯは、下記の式（４）、

…（４）
によって表される。

式（４）において、Ｖ_Ｌは保護ユニット１２に印加される電圧（すなわち中性点ＮＰの電圧Ｖ０）のピーク値である。Ｌは、中性点補償リアクトル１０のインダクタンスである。Ｃは、キャパシタ６のキャパシタンスである。ω_０は、電力系統１００における定格角周波数である。ω_０は、ω_０＝２πｆ_０として与えられる。ｆ_０は、電力系統１００における定格周波数である。

実施形態１では、保護ユニット１２のリアクタンスをＸと表記する。Ｘは、下記の式（５）、

…（５）
によって与えられる。

あるいは、Ｘは、下記の式（６）、

…（６）
によって表すこともできる。Ｑ_Ｌ１は、保護ユニット１２の容量（Capacity）である。

式（４）に式（５）を代入することにより、下記の式（７）、

…（７）
が得られる。

図６は、電力系統１００において１相地絡事故が発生した場合に生じる各電流を模式的に示す。図６は、図３と対になる図である。図６において、符号６１０はｉ_{ＣＡＢＬＥ}の時間推移の例を示し、符号６２０はｉ_ｎの時間推移の例を示し、符号６３０はｉ_ＣＢの時間推移の例を示す。図６におけるｉ_{ＣＡＢＬＥ}は、図３におけるｉ_{ＣＡＢＬＥ}と同等である。

実施形態１におけるｉ_ｎは、参考形態におけるｉ_ＤＣに替えて、ｉ_ＲＥＳＯを含んでいる。したがって、符号６２０の例におけるｉ_ｎは、下記の式（８）、
ｉ_ｎ＝－ｉ_{ＣＡＢＬＥ}＋ｉ_ＲＥＳＯ …（８）
として表される。

実施形態１におけるｉ_ＣＢも、上述の式（２）によって表される。したがって、式（２）に式（８）を代入することにより、下記の式（９）、
ｉ_ＣＢ＝（－ｉ_{ＣＡＢＬＥ}＋ｉ_ＲＥＳＯ）＋ｉ_{ＣＡＢＬＥ}＝ｉ_ＲＥＳＯ …（９）
が得られる。

すなわち、電力系統１００では、１相地絡事故が発生した場合におけるｉ_ＣＢは、ｉ_ＲＥＳＯと等しい。符号６３０のグラフは、このことを例示している。以上の通り、実施形態１におけるｉ_ＣＢは、参考形態におけるｉ_ＣＢとは異なり、ｉ_ＤＣを含んでいない。

したがって、実施形態１によれば、参考形態に比べて、ｉ_ＣＢの零クロス点を早期に発生させることができる。図６から理解できる通り、ｉ_ＲＥＳＯの周期が短いほど、ｉ_ＣＢの零クロス点をより早期に発生させることができる。ｉ_ＣＢがｉ_ＤＣを含んでいない場合、ｉ_ＣＢの零クロス点は、ｉ_ＲＥＳＯの半周期ごとに存在する。

実施形態１では、ある時点（例：遮断器４の開極動作時点）から所定の時間Ｔ以内に、ｉ_ＣＢの零クロス点が存在していれば、遮断器４に遮断動作（ターンオフ）を正常に行わせることができるものとする。実施形態１におけるＴは、遮断器４の電流零ミス評価時間の長さとして与えられる。電流零ミス評価時間の例については後述する。

実施形態１では、Ｔがｉ_ＲＥＳＯの半周期よりも長ければ、１相地絡事故が生じた場合に、遮断器４に遮断動作を確実に行わせることができる。そこで、実施形態１では、下記の式（１０）、

…（１０）
が満たされるように、ＬおよびＣが選択されている。式（１０）における右辺は、ｉ_ＲＥＳＯの半周期を表す。

ここで、上述の（５）をＬについて解くことにより、下記の式（１１）、

…（１１）
が得られる。

そして、式（１０）に式（１１）を代入することにより、下記の式（１２）、

…（１２）
が得られる。

式（１２）をＣについて解くことにより、下記の式（１３）、

…（１３）
が得られる。

式（１３）における右辺は、Ｔおよびω_０の値次第では、理論的には負の値を取りうる。ただし、実施形態１では、保護ユニット１２を電流の基本波成分に対する補償リアクトルとして機能させるために、Ｃが正であることが想定されている。

したがって、実施形態１では、下記の式（１４）、

…（１４）
が満たされるように、保護システム１１０が構成されているものとする。すなわち、式（１４）における右辺が負または０とならないように、Ｔが設定されている（例：遮断器４が選定されている）。

（シミュレーション結果の例）
発明者らは、保護システム１１０の有効性を検討するために、シミュレーションを行った。具体的には、発明者らは、電力系統１００における１相地絡事故についてシミュレーションを行った。発明者らは、電力系統１００における３つの相（Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相）のうち、Ｕ相に地絡が生じた場合をシミュレーションした。

シミュレーション条件は、
・電力系統１００の定格電圧：１５４ｋＶ
・電力系統１００の定格周波数（ｆ_０）：５０Ｈｚ
・送電ケーブル８の容量：１００Ｍｖａｒ
＜中性点補償リアクトル１０のみの場合：以下に述べる図７の場合＞
・中性点補償リアクトル１０の容量：１００ＭＶＡ
＜保護ユニット１２を設ける場合：以下に述べる図８の場合＞
・中性点補償リアクトル１０の容量：１０５ＭＶＡ
・キャパシタ６の容量：５Ｍｖａｒ
・保護ユニット１２の容量（Ｑ_Ｌ１）：１００Ｍｖａｒ
の通りである。

まず、発明者らは、比較例として、上述の式（１４）を満たすＣが設けられていない場合についてシミュレーションを行った。具体的には、発明者らは、比較例として、キャパシタ６が設けられていない場合についてシミュレーションを行った。比較例は、上述の参考形態に相当する。

図７は、比較例におけるシミュレーション結果を示す。以下の説明では、連系点Ｐ２の電圧をＶ_ｐ２と表記する。Ｖ_ｐ２は、連系点電圧とも称される。図７における符号７１０は、比較例におけるＶ_ｐ２を示す。シミュレーションでは、３相分のＶ_ｐ２が導出されている。シミュレーションにおける事故発生時点は、ｔ０＝０．１９５ｓ（秒）に設定されている。したがって、符号７１０のグラフでは、ｔ０以降、Ｖ_ｐ２のＵ相電圧が０Ｖに維持されている。

図７における符号７２０は、比較例におけるｉ_ＣＢを示す。実施形態１では、事故発生時点から３０ｍｓ程度経過した時点において、遮断器４の開極操作（遮断器４の接点を物理的に開く操作）がなされることが想定されている。そこで、シミュレーションでは、事故発生時点から０．０３０ｓ後（すなわち、３０ｍｓ後）の時点ｔ１が、遮断器４の開極操作時点として設定されている。ｔ１＝０．１９５ｓ＋０．０３０ｓ＝０．２２５ｓである。

そして、実施形態１における遮断器４では、開極操作時点から６０ｍｓ程度の時間範囲が、電流零ミス評価時間として想定されている。そこで、シミュレーションでは、Ｔ＝６０ｍｓに設定されている。シミュレーションでは、ｔ１が電流零ミス評価時間の始点として設定されている。そして、ｔ１から０．０６０ｓ後（すなわち、６０ｍｓ後）の時点ｔｅが、電流零ミス評価時間の終点として設定されている。

したがって、シミュレーションにおけるｔｅは、シミュレーション開始時点から、遮断器４のリレー動作時間と開極操作時間とを含む零ミス評価時間といえる。図７の例では、ｔｅ＝ｔ１＋Ｔ＝０．２２５ｓ＋０．０６０ｍｓ＝０．２８５ｓである。このように、シミュレーションにおけるｔｅは、ｔ１よりも０．０９０ｓ後（すなわち、９０ｍｓ後）の時点として設定されている。

符号７２０のグラフに示す通り、比較例では、電流零ミス評価時間内にｉ_ＣＢの零クロス点が存在していない。また、比較例では、ｔ０から長時間が経過しても（例：ｔ０から２００ｍｓ以上経過しても）、ｉ_ＣＢの零クロス点が生じていない。このように、比較例におけるｉ_ＣＢは、上述の符号３３０の例に対応する。

以上の通り、キャパシタ６が設けられていない場合には、電力系統１００において１相地絡事故が生じた場合の電流零ミスに十分に対処できない（例：遮断器４によって事故電流を電流零ミス評価時間内に遮断できない）ことが、シミュレーションによって示された。

次いで、発明者らは、実施例として、上述の式（１４）を満たすＣが設けられている場合についてシミュレーションを行った。実施例は、実施形態１に相当する。上述のシミュレーション条件を式（１４）に適用することにより、下記の式（１５）、

…（１５）
が得られる。

そして、式（１５）の右辺を計算することにより、下記の式（１６）、
０μＦ＜Ｃ＜１４１０μＦ …（１６）
が得られる。

したがって、実施例では、式（１６）が満たされるようにＣが設定されていればよい。一例として、発明者らは、実施例におけるＣを、Ｃ＝７６５μＦに設定した。このＣの値は、Ｘ_Ｃ／Ｘ_Ｌ＝５％という関係を満たすように選択されている。Ｘ_Ｃはキャパシタ６のリアクタンスであり、Ｘ_Ｌは中性点補償リアクトル１０のリアクタンスである。

図８は、実施例におけるシミュレーション結果を示す。図８は、図７と対になる図である。図８における符号８１０は、実施例におけるＶ_ｐ２を示す。符号８１０のグラフは、符号７１０のグラフと同等である。

図８における符号８２０は、実施例におけるｉ_ＣＢを示す。実施例におけるｉ_ＣＢは、上述の符号６３０の例に対応する。符号８２０のグラフに示す通り、実施例では、電流零ミス評価時間内にｉ_ＣＢの零クロス点が存在している。実施例では、ｔ０から７０ｍｓ後の時点ｔｚｃが、ｉ_ＣＢの零クロス点である。

このように、実施例では、上述の式（１４）を満たすキャパシタ６を設けることにより、比較例に比べて早期にｉ_ＣＢの零クロス点を発生させることができる。以上の通り、中性点補償リアクトル１０とキャパシタ６とを組み合わせることの有効性（すなわち、保護ユニット１２の有効性）が、発明者らによるシミュレーションを通じて確認された。

（効果）
以上の通り、保護ユニット１２によれば、従来技術とは異なり、３相交流の電力系統における１相地絡事故に対処することが可能となる。具体的には、電力系統において１相地絡事故が生じた場合の電流零ミスに有効に対処できる。その結果、例えば、電力系統において１相地絡事故が生じた場合の事故電流を、遮断器４によって早期に遮断することが可能となる。

また、図４に示す通り、実施形態１によれば１つの保護ユニット１２、つまり、１相分の保護ユニット１２を設けるのみで、上述の各効果を得ることができる。このため、既存の設備に対する簡便な構成追加のみによって、１相地絡事故への有効な対処が可能となる。したがって、実施形態１の電流零ミス対処手法は、コスト面においても有益である。

また、上述の通り、実施形態１では、中性点補償リアクトル１０として空芯リアクトルが用いられている。空芯リアクトルでは、鉄心リアクトルとは異なり、リアクトルにおける分数調波振動が生じない。したがって、中性点補償リアクトル１０として空芯リアクトルを用いた場合には、当該分数調波振動に起因する過電圧および過電流が中性点補償リアクトル１０に生じない。

（実施形態１における補足）
（１）図４の例とは異なり、保護システム１１０は、互いにそれぞれ並列に接続された複数の保護ユニット１２を有していてもよい。一例として、保護システム１１０は、３つの保護ユニット１２を有していてもよい。実施形態１における保護システム１１０は、中性点補償リアクトル１０と同数のキャパシタ６を有していればよい。

（２）実施形態１では、電力系統１００において１相地絡事故が生じた場合について例示した。ただし、保護システム１１０は、１相地絡事故以外の事故にも対処可能であることに留意されたい。例えば、保護システム１１０は、２相地絡事故にも対処可能である。

〔実施形態２〕
本開示の一態様に係る保護システムでは、中性点補償リアクトルの数とキャパシタの数とが同じでなくともよい。実施形態２では、中性点補償リアクトルの数とキャパシタの数とが相異している保護システムの例について述べる。

図９は、実施形態２における電力系統１００の一構成例を示す。図９は、図４と対になる図である。図９に示す通り、実施形態２における電力系統１００は、保護システム１１０に替えて、保護システム１１０Ａを有している。

保護システム１１０Ａは、保護ユニット１２の中性点補償リアクトル１０とは異なる、付加的な中性点補償リアクトル１８Ａを有している。説明の便宜上、中性点補償リアクトル１０は第１中性点補償リアクトルと称されてもよく、中性点補償リアクトル１８Ａは第２中性点補償リアクトルと称されてもよい。このように、保護システム１１０Ａは、２つの中性点補償リアクトルと１つのキャパシタとを有している。

図９に示す通り、中性点補償リアクトル１８Ａは、保護ユニット１２の外部に位置している。そして、中性点補償リアクトル１８Ａは、保護ユニット１２と並列に接続されている。したがって、中性点補償リアクトル１８Ａは、中性点ＮＰに接続されているとともに、接地されている。

図９の例では、保護ユニット１２に対応する接地端子を符号ＧＮ１によって表し、中性点補償リアクトル１８Ａに対応する接地端子を符号ＧＮ２によって表す。説明の便宜上、接地端子ＧＮ１は第１接地端子と称されてもよく、接地端子ＧＮ２は第２接地端子と称されてもよい。接地端子ＧＮ１は、実施形態１における接地端子ＧＮに対応する。保護ユニット１２は、接地端子ＧＮ１に接続されている。中性点補償リアクトル１８Ａは、接地端子ＧＮ２に接続されている。

図９に示す通り、実施形態２では、保護ユニット１２から遮断器４に向かって流れる電流を、ｉ_ｎ１と表記する。その一方、中性点補償リアクトル１８Ａから遮断器４に向かって流れる電流を、ｉ_ｎ２と表記する。

図１０は、実施形態２の電力系統１００において１相地絡事故が発生した場合に生じる各電流を模式的に示す。図１０は、図６と対になる図である。図１０において、符号１０１０はｉ_{ＣＡＢＬＥ}の時間推移の例を示し、符号１０２０はｉ_ｎ２の時間推移の例を示し、符号１０３０はｉ_ｎ１の時間推移の例を示し、符号１０４０はｉ_ＣＢの時間推移の例を示す。図１０におけるｉ_{ＣＡＢＬＥ}は、図６におけるｉ_{ＣＡＢＬＥ}と同等である。

上述の通り、中性点補償リアクトル１８Ａは、キャパシタ６に接続されていない。したがって、実施形態２におけるｉ_ｎ２は、参考形態におけるｉ_ｎに対応する。このことから、符号１１２０の例におけるｉ_ｎ２は、下記の式（１７）、
ｉ_ｎ２＝－α×ｉ_{ＣＡＢＬＥ}＋ｉ_ＤＣ …（１７）
として表される。αは、保護ユニット１２のインピーダンスと中性点補償リアクトル１８Ａとのインピーダンスとの比率によって定まる係数である。

その一方、実施形態２におけるｉ_ｎ１は、実施形態におけるｉ_ｎに対応する。このことから、符号１１３０の例におけるｉ_ｎ１は、下記の式（１８）、
ｉ_ｎ１＝－（１－α）×ｉ_{ＣＡＢＬＥ}＋ｉ_ＲＥＳＯ …（１８）
として表される。

図９の回路構成によれば、実施形態２の電力系統１００において１相地絡事故が生じた場合におけるｉ_ＣＢは、下記の式（１９）、
ｉ_ＣＢ＝ｉ_ｎ１＋ｉ_ｎ２＋ｉ_{ＣＡＢＬＥ} …（１９）
によって表される。

したがって、式（１９）に、式（１７）および式（１８）を代入することにより、下記の式（２０）、
ｉ_ＣＢ＝ｉ_ＲＥＳＯ＋ｉ_ＤＣ …（２０）
が得られる。

このように、実施形態２の電力系統１００において１相地絡事故が発生した場合におけるｉ_ＣＢは、ｉ_ＲＥＳＯにｉ_ＤＣが重畳した波形となる。符号１０４０のグラフは、このことを例示している。

以上の通り、実施形態２では、実施形態１とは異なり、ｉ_ＣＢはｉ_ＤＣを含んでいる。しかしながら、実施形態２においても、実施形態１と同じく、ｉ_ＣＢはｉ_ＲＥＳＯを含んでいる。したがって、保護システム１１０Ａを適切に設計することにより、１相地絡事故への対処が可能となる。

一例として、式（２０）におけるｉ_ＲＥＳＯの振幅が、同式におけるｉ_ＤＣの最大値よりも大きければ、実施形態２のｉ_ＣＢには零クロス点が存在することとなる。そこで、実施形態２では、ｉ_ｎ１がｉ_ｎ２よりも大きくなるように、保護システム１１０Ａが構成されている。

実施形態２では、中性点補償リアクトル１８Ａの容量をＱ_Ｌ２と表記する。実施形態２では、保護ユニット１２の容量Ｑ_Ｌ１がＱ_Ｌ２よりも大きくなるように、保護システム１１０Ａが構成されている。

すなわち、実施形態２では、下記の式（２１）、
Ｑ_Ｌ１＞Ｑ_Ｌ２ …（２１）
が満たされている。

式（２１）を満たすように保護システム１１０Ａを構成することにより、ｉ_ｎ１をｉ_ｎ２よりも大きくすることができる。したがって、実施形態２のｉ_ＣＢの零クロス点をより確実に発生させることができる。

上述の通り、実施形態２におけるｉ_ＣＢは、ｉ_ＤＣを含んでいる。したがって、実施形態２では、ｉ_ＲＥＳＯの半周期ごとにｉ_ＣＢの零クロス点が存在しない場合もありうる。ただし、例えば、上述の式（２１）を満たしていれば、ｉ_ＲＥＳＯの１周期ごとにｉ_ＣＢの零クロス点が存在することが保証される。

そこで、実施形態２では、上述の式（１２）に替えて、下記の式（２２）、

…（２２）
が満たされるように、保護システム１１０Ａが構成されていればよい。

式（２２）に基づいて、実施形態１と同様の考え方によって、実施形態２においてＣが満たすべき条件式を導出すれば、下記の式（２３）、

…（２３）
が得られる。

したがって、実施形態２では、実施形態１における上述の式（１４）に替えて、式（２３）が満たされるように、保護システム１１０Ａが構成されていればよい。式（２３）を満たす保護システム１１０Ａによれば、実施形態１の保護システム１１０と同様に、１相地絡事故への有効な対処が可能となる。

〔まとめ〕
本開示の態様１に係る保護システムは、３相交流の電力系統を保護する保護システムであって、前記電力系統における中性点に接続されている保護ユニットを備えており、前記中性点は、前記保護ユニットを介して接地されており、前記保護ユニットは、中性点補償リアクトルと、前記中性点補償リアクトルと直列に接続されている中性点キャパシタと、を備えている。

本開示の態様２に係る保護システムは、前記態様１において、前記保護ユニットの上流に位置している遮断器を備えていてよく、前記遮断器は、前記電力系統における連系点に位置していてよい。

本開示の態様３に係る保護システムでは、前記態様２において、前記電力系統における定格角周波数をω_０と表記し、前記保護ユニットのリアクタンスをＸと表記し、前記遮断器の電流零ミス評価時間の長さをＴと表記し、前記中性点キャパシタのキャパシタンスをＣと表記した場合に、上述の式（１４）が満たされていてよい。

本開示の態様４に係る保護システムは、前記態様２において、前記保護ユニットに並列に接続されている付加的な中性点補償リアクトルを備えていてよく、前記付加的な中性点補償リアクトルは、前記中性点に接続されており、かつ、接地されていてよく、前記電力系統における定格角周波数をω_０と表記し、前記保護ユニットのリアクタンスをＸと表記し、前記遮断器の電流零ミス評価時間の長さをＴと表記し、前記中性点キャパシタのキャパシタンスをＣと表記した場合に、上述の式（２３）が満たされていてよい。

本開示の態様５に係る保護システムでは、前記態様４において、前記保護ユニットの容量は、前記付加的な中性点補償リアクトルの容量よりも大きくともよい。

本開示の態様６に係る保護システムでは、前記態様１から５のいずれか１つにおいて、前記保護ユニットは、前記電力系統において１相地絡事故が発生した場合に、共振電流を生じさせてよい。

本開示の態様７に係る保護システムでは、前記態様１から６のいずれか１つにおいて、前記電力系統では、前記電力系統における連系点と前記保護ユニットとの間に、３相の変圧器が位置していてよく、前記中性点は、前記変圧器のＹ結線の合流点に位置していてよい。

本開示の態様８に係る保護システムでは、前記態様１から６のいずれか１つにおいて、前記電力系統では、前記電力系統における連系点と前記保護ユニットとの間に、３相の変圧器が位置していてよく、前記変圧器は、接地変圧器であってよく、前記中性点は、前記接地変圧器の千鳥巻線の合流点に位置していてよい。

〔付記事項〕
本開示は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本開示の技術的範囲に含まれる。

１００電力系統
１１０保護システム
４遮断器
６キャパシタ（中性点キャパシタ）
１０中性点補償リアクトル（中性点キャパシタと直列に接続されている中性点補償リアクトル）
１１変圧器
１２保護ユニット
１８Ａ中性点補償リアクトル（付加的な中性点補償リアクトル）
１１０Ａ保護システム（付加的な中性点補償リアクトルを有する保護システム）
ＮＰ中性点
Ｐ２連系点
ｉ_ＲＥＳＯ共振電流

Claims

３相交流の電力系統を保護する保護システムであって、
前記電力系統における中性点に接続されている保護ユニットを備えており、
前記中性点は、前記保護ユニットを介して接地されており、
前記保護ユニットは、
中性点補償リアクトルと、
前記中性点補償リアクトルと直列に接続されている中性点キャパシタと、を備えており、
前記保護システムは、前記保護ユニットの上流に位置している遮断器を備えており、
前記遮断器は、前記電力系統における連系点に位置しており、
前記電力系統における定格角周波数をω _０と表記し、
前記保護ユニットのリアクタンスをＸと表記し、
前記遮断器の電流零ミス評価時間の長さをＴと表記し、
前記中性点キャパシタのキャパシタンスをＣと表記した場合に、
下記の式（１）、
…（１）
が満たされている、保護システム。
３相交流の電力系統を保護する保護システムであって、
前記電力系統における中性点に接続されている保護ユニットを備えており、
前記中性点は、前記保護ユニットを介して接地されており、
前記保護ユニットは、
中性点補償リアクトルと、
前記中性点補償リアクトルと直列に接続されている中性点キャパシタと、を備えており、
前記保護システムは、前記保護ユニットの上流に位置している遮断器を備えており、
前記遮断器は、前記電力系統における連系点に位置しており、
前記保護システムは、前記保護ユニットに並列に接続されている付加的な中性点補償リアクトルを備えており、
前記付加的な中性点補償リアクトルは、前記中性点に接続されており、かつ、接地されており、
前記電力系統における定格角周波数をω_０と表記し、
前記保護ユニットのリアクタンスをＸと表記し、
前記遮断器の電流零ミス評価時間の長さをＴと表記し、
前記中性点キャパシタのキャパシタンスをＣと表記した場合に、
下記の式（２）、
…（２）
が満たされている、保護システム。
前記保護ユニットの容量は、前記付加的な中性点補償リアクトルの容量よりも大きい、請求項２に記載の保護システム。
前記保護ユニットは、前記電力系統において１相地絡事故が発生した場合に、共振電流を生じさせる、請求項１または２に記載の保護システム。
前記電力系統では、前記電力系統における連系点と前記保護ユニットとの間に、３相の変圧器が位置しており、
前記中性点は、前記変圧器のＹ結線の合流点に位置している、請求項１または２に記載の保護システム。
前記電力系統では、前記電力系統における連系点と前記保護ユニットとの間に、３相の変圧器が位置しており、
前記変圧器は、接地変圧器であり、
前記中性点は、前記接地変圧器の千鳥巻線の合流点に位置している、請求項１または２に記載の保護システム。