JP7855152B1 - 保護リレーおよび保護リレーの制御方法 - Google Patents

Abstract

保護リレーは、直流電力系統に設けられた第１の遮断器の付近に設置された電流変成器に流れる電流の大きさの傾き変化を検出する傾き変化検出リレーと、第１の遮断器の開放指令が継続し、かつ傾き変化検出リレーが不動作であると判定された場合に、第１の遮断器の周辺の第２の遮断器の開放指令を出力する指令出力部とを備える。

Description

本開示は、直流電力系統に設置される保護リレーに実装する遮断器不動作対策に関する。

一般的に送電線事故時に事故を除去するために遮断器へ開放指令を出力する保護リレーが設けられている（特許文献１および２参照）。

この点で、系統事故発生時に保護リレーから遮断器に開放指令を出力しても、遮断器の不良によって遮断器が適切にその責務を果たせない場合がある。このような遮断器不動作（ＣＢＦ：Circuit Breaker Failure）が生じると、事故電流による機器損傷、事故範囲の拡大、停電範囲の広範囲化、系統安定度の低下、電力系統全体への事故の波及などが起きてしまう。

そこで、事故除去を速やかに行うために、ＣＢＦを検出したときに隣接する遮断器に開放指令を出力するＣＢＦ対策（遮断器不動作対策）機能が設けられる。

特開昭６４－８８２８号公報 特開２０２１－１３６０７８号公報

一方で、交流電力系統に設置される保護リレーの場合、事故発生から数十ｍｓオーダにて開放指令を出力するが、直流電力系統に設置される保護リレーの場合、事故発生から数百μｓオーダの動作時間が要求されている。

本開示は、上記の課題を考慮してなされたものであり、その主な目的は、直流電力系統の遮断器不動作に速やかに対応する保護リレーおよび保護リレーの制御方法を提供することである。

ある開示に従う保護リレーは、直流電力系統に設けられた第１の遮断器の付近に設置された電流変成器に流れる電流の大きさの傾き変化を検出する傾き変化検出リレーと、第１の遮断器の開放指令が継続し、かつ傾き変化検出リレーが不動作であると判定された場合に、第１の遮断器の周辺の第２の遮断器の開放指令を出力する指令出力部とを備える。

ある開示に従う保護リレーの制御方法は、直流電力系統に設けられた第１の遮断器の付近に設置された電流変成器に流れる電流の大きさの傾き変化を検出するステップと、第１の遮断器の開放指令が継続し、かつ電流の大きさの傾き変化を検出しないと判定した場合に、第１の遮断器の周辺の第２の遮断器の開放指令を出力するステップとを備える。

本開示の保護リレーおよび保護リレーの制御方法は、直流電力系統の遮断器不動作に速やかに対応することが可能である。

実施の形態１に従うＣＢＦ対策機能を備える保護リレーが設置された直流電力系統の構成例を模式的に示す図である。 実施の形態１に従う保護リレーシステムを構成するディジタル保護リレー装置のハードウェア構成を示すブロック図である。 実施の形態１に従うＣＢＦ対策機能の機能的構成を示すブロック図である。 実施の形態１に従う電流変成器７で検出される電流変化について説明する図である。 実施の形態２に従うＣＢＦ対策機能の機能的構成を示すブロック図である。 実施の形態２に従う電流変成器７で検出される電流変化について説明する図である。 実施の形態３に従うＣＢＦ対策機能の機能的構成を示すブロック図である。

以下、各実施形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰り返さない場合がある。

実施の形態１．
［電力系統の構成］
図１は、実施の形態１に従うＣＢＦ対策機能を備える保護リレーが設置された直流電力系統の構成例を模式的に示す図である。図１を参照して、直流電力系統では、電線１が母線２に接続されている。さらに、電線１には、遮断器４，５および電流変成器７が設けられている。図１の電力系統は直流用の場合について説明する。また、母線２には、遮断器６が設けられている。

保護リレーシステム１０は、電力系統の事故を検出するためのメインリレー機能２０と、遮断器不動作対策機能（ＣＢＦ対策機能）３０とを含む。

通常、メインリレー機能２０とＣＢＦ対策機能３０とは保護リレーユニットに実装された共通のＣＰＵにて演算、処理される。

メインリレー機能２０は、電線１に設けられた電流変成器７からの電流信号ＣＳに基づいて電力系統での事故発生を検出し、事故検出時に遮断器４に開放指令ＴＲ１を出力するとともにＣＢＦ対策機能３０に開放指令ＴＲ２を出力する。メインリレー機能２０による事故判定方式は特に限定されない。メインリレー機能２０は、たとえば、電流差動リレー要素を含んでもよいし、距離リレー要素を含んでもよい。電流差動リレー要素の場合には、電線１に設けられた他の電流変成器（不図示）からの電流信号もメインリレー機能２０に入力される。距離リレー要素の場合は、母線２に設けられた電圧変成器（不図示）からの電圧信号もメインリレー機能２０に入力される。

ＣＢＦ対策機能３０は、電流変成器７からの電流信号ＣＳに基づいて事故電流の有無を判定するためのＣＢＦ検出要素（たとえば、図３の参照符号４０）を含む。ＣＢＦ対策機能３０は、メインリレー機能２０から開放指令ＴＲ２を受けた後に遮断器４の開放に要する時間が経過しても開放指令ＴＲ２が継続している場合に、遮断器４の不動作と判断して周辺の遮断器５，６をそれぞれ遮断するための開放指令ＴＲ３を出力する。

上記のメインリレー機能２０およびＣＢＦ対策機能３０は、図２に示すディジタル保護リレー装置によって構成される。

［ディジタル保護リレー装置のハードウェア構成］
図２は、実施の形態１に従う保護リレーシステムを構成するディジタル保護リレー装置のハードウェア構成を示すブロック図である。図２を参照して、ディジタルリレー装置１００（図１の２０，３０）は、補助変成器１０２＿１，…を内蔵する入力変換ユニット１０１と、ディジタルリレーユニット１０３とを含む。

入力変換ユニット１０１は、図１の電流変成器７で取得された電流信号が入力される入力部である。各補助変成器１０２は、電流変成器７からの電流信号をディジタルリレーユニット１０３での信号処理に適した電圧レベルの電圧信号に変換する。

ディジタルリレーユニット１０３は、アナログフィルタ（ＡＦ：Analog Filter）１０４＿１，…と、サンプルホールド回路（Ｓ／Ｆ：Sample & Hold Circuit）１０５＿１，…と、マルチプレクサ（ＭＰＸ：Multiplexer）１０６と、アナログディジタル（Ａ／Ｄ：Analog to Digital）変換器１０７とを含む。ディジタルリレーユニット１０３は、さらに、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０８と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１０９と、ＲＯＭ（Read Only Memory）１１０と、複数のディジタル入力（Ｄ／Ｉ：Digital Input）回路１１１と、複数のディジタル出力（Ｄ／Ｏ：Digital Output）回路１１２と、これらの各構成要素を接続するバス１１３とを含む。

各アナログフィルタ１０４は、Ａ／Ｄ変換の際の折返し誤差を除去するために設けられ、たとえばローパスフィルタである。各サンプルホールド回路１０５は、対応のアナログフィルタ１０４を通過した信号を所定のサンプリング周波数でサンプリングして保持する。マルチプレクサ１０６は、サンプルホールド回路１０５＿１，…に保持された電圧信号を順次選択する。Ａ／Ｄ変換器１０７は、マルチプレクサによって選択された電圧信号をディジタル値に変換する。ＣＰＵ１０８は、ＲＯＭ１１０および図示しない外部記憶装置に格納されたプログラムに従って動作し、Ａ／Ｄ変換器１０７から出力されたディジタルデータに基づいて各種の保護要素の演算などを行う。Ｄ／Ｏ回路１１２からは、遮断器を開放するための開放指令が出力される。

［ＣＢＦ対策機能の構成および動作］
図３は、実施の形態１に従うＣＢＦ対策機能の機能的構成を示すブロック図である。図３を参照して、ＣＢＦ対策機能３０は、ＣＢＦ検出要素４０と、ＡＮＤゲート４３と、オンディレータイマ（On-Delay Timer）４４，４５とを含む。オンディレータイマは、設定時間ｔの経過後に出力するタイマである。図２のＣＰＵ１０８によってプログラムが実行されることによって実現される。なお、ＣＰＵ１０８に代えて、専用の回路を用いることによってもＣＢＦ対策機能３０の上記要素を実現可能であることは言うまでもない。

ＣＢＦ検出要素４０は、傾き変化検出リレー４１と、ＮＯＴゲート４２とを含み、図１の電流変成器７からの電流信号ＣＳの傾き変化を検出し、傾き変化値と整定値とを比較して、比較結果に基づいて遮断器４の不動作を検出する。

ＣＢＦ検出要素４０は、図１の電流変成器７からの電流信号ＣＳの傾き変化値が整定値を下回っているか否かを判定し、傾き変化値が整定値以上の場合に遮断器４の不動作を示す論理レベル“１”の信号を出力する。

傾き変化検出リレー４１は、時間Δｔに対する電流の変化量ΔＩである傾き変化値を検出し、整定値を下回っているか否かを判定する。

具体的には、ΔＩ／Δｔ＜整定値を判定する。一例として整定値は０にしてもよい。なお、整定値は一例であり他の値に設定するようにしてもよい。

傾き変化検出リレー４１は、傾き変化値が整定値以上の場合に論理レベル“０”の信号を出力し、整定値を下回っている場合に論理レベル“１”の信号を出力する。

ＮＯＴゲート４２は、傾き変化検出リレー４１の信号を反転させて、ＡＮＤゲート４３に出力する。

ＡＮＤゲート４３は、メインリレーからの開放指令ＴＲ２の論理レベルが“１”であり、かつ、ＣＢＦ検出要素４０が遮断器不動作を検出している（すなわち、ＮＯＴゲート４２の出力信号の論理レベルが“１”である）場合に、オンディレータイマ４４を介して開放指令ＴＲ３を周辺の遮断器５，６に出力する。

オンディレータイマ４４は、設定時間ｔの経過後に出力するタイマである。オンディレータイマ４４の設定時間ｔは、本例においては数百μｓに設定している。

オンディレータイマ４５は、開放指令ＴＲ２に従って遮断器４に流れる電流の傾きが変化するまでの時間に設定している。本例においては、遮断器４の特性、ばらつき等も考慮してＸｍｓに設定している。

図４は、実施の形態１に従う電流変成器７で検出される電流変化について説明する図である。図４を参照して、電流変成器７において事故発生点から電流Ｉが時間とともに上昇する。ＬＰ動作時間は、メインリレー機能２０が動作する期間を示している。本例においては、メインリレー機能２０が遮断器４に開放指令ＴＲ１を出力した後、Ｘｍｓ後における傾き変化を判定する場合について説明する。

遮断器４は、開放指令ＴＲ１に従って線路を開放する。遮断器４に不良が生じていない場合には線路が正常に開放されてＸｍｓ以内に電流値は減少に転じる。

一方、遮断器４は、遮断器４に不良が生じている場合には、開放指令ＴＲ１に従って線路を正常に開放することができない。したがって、Ｘｍｓ後の傾き変化値を検出することにより遮断器４の不動作を検出することが可能となる。

ＣＢＦ対策機能３０は、Ｘｍｓ後における傾き変化値が整定値以上の場合には、遮断器４に不良が生じていると判定して、論理レベル“１”を示す開放指令ＴＲ３を遮断器５，６に出力する。

遮断器４の周辺に設けられた遮断器５，６は、開放指令ＴＲ３に従って線路を開放する。当該ＣＢＦトリップにより電流変成器７が設けられた線路の電流値を減少に転じさせることが可能である。すなわち、ＣＢＦ対策機能３０は、直流電力系統に設けられた遮断器４の付近に設置された電流変成器７に流れる電流の大きさの傾き変化を検出し、遮断器４の開放指令が継続し、かつ電流の大きさの傾き変化を検出しないと判定した場合に、遮断器４の周辺の遮断器５，６の開放指令を出力する。

当該方式により高速にＣＢＦトリップが可能となり、直流電力系統の遮断器不動作に対応する遮断器不動作対策機能を実現することが可能である。

実施の形態２．
図５は、実施の形態２に従うＣＢＦ対策機能の機能的構成を示すブロック図である。図５のＣＢＦ対策機能３０Ａは、ＣＢＦ検出要素４０をＣＢＦ検出要素４０Ａに置換した点が異なる。その他の構成は、図３のＣＢＦ対策機能３０の構成と同様であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。

図５のＣＢＦ検出要素４０Ａは、図３のＣＢＦ検出要素４０と比較して、過電流検出リレー４６およびＡＮＤゲート４７を追加した点が異なる。

過電流検出リレー４６は、電流信号ＣＳに従う電流値と、閾値Ｉｔｈとを比較して、閾値Ｉｔｈ以上であるか否かを判定する。

過電流検出リレー４６は、電流値が閾値Ｉｔｈ以上であると判定した場合には、論理レベルが“１”の信号を出力する。

ＡＮＤゲート４７は、ＮＯＴゲート４２の出力信号の論理レベルが“１”の場合、かつ過電流検出リレー４６の出力信号の論理レベルが“１”の場合に、論理レベル“１”の信号をＣＢＦ検出要素４０Ａの出力信号として出力する。

したがって、ＣＢＦ検出要素４０Ａは、傾き変化検出リレー４１による傾き変化値と整正値とを比較した比較結果と、過電流検出リレー４６による電流値と閾値Ｉｔｈとを比較した比較結果とに基づいて信号を出力する。

具体的には、ＣＢＦ検出要素４０Ａは、電流信号ＣＳの傾き変化値が整定値を下回っているか否かを判定し、傾き変化値が整定値以上である場合、かつ、電流値が閾値Ｉｔｈ以上であると判定した場合には、遮断器の不動作を示す論理レベル“１”の信号を出力する。

図６は、実施の形態２に従う電流変成器７で検出される電流変化について説明する図である。図６を参照して、電流変成器７において事故発生点から電流Ｉが時間とともに上昇する。ＬＰ動作時間は、メインリレー機能２０が動作する期間を示している。本例においては、メインリレー機能２０が遮断器４に開放指令ＴＲ１を出力した後、Ｘｍｓ後における傾き変化を判定する場合について説明する。

図４で説明したように、遮断器４は、開放指令ＴＲ１に従って線路を開放する。遮断器４に不良が生じていない場合には線路が正常に開放されてＸｍｓ以内に電流値は減少に転じる。遮断器４は、不良が生じている場合には、開放指令ＴＲ１に従って線路を正常に開放することができない。

実施の形態２に従うＣＢＦ対策機能３０Ａは、Ｘｍｓ後における傾き変化値が整定値以上である場合、かつ、電流値が閾値Ｉｔｈ以上であると判断した場合には、遮断器４に不良が生じていると判定して、論理レベル“１”を示す開放指令ＴＲ３を遮断器５，６に出力する。

遮断器４の周辺に設けられた遮断器５，６は、開放指令ＴＲ３に従って線路を開放する。当該ＣＢＦトリップにより電流変成器７が設けられた線路の電流値を減少に転じさせることが可能である。

当該方式により、高速にＣＢＦトリップが可能であり、正常ではない直流電力系統の遮断器不動作に対応する遮断器不動作対策機能を実現することが可能である。

実施の形態３．
図７は、実施の形態３に従うＣＢＦ対策機能の機能的構成を示すブロック図である。図７のＣＢＦ対策機能３０Ｂは、ＣＢＦ検出要素４０をＣＢＦ検出要素４０Ｂに置換した点が異なる。その他の構成は、図３のＣＢＦ対策機能３０の構成と同様であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。

ＣＢＦ検出要素４０Ｂは、ＡＮＤゲート４７をＯＲゲート４８に置換した点が異なる。
実施の形態２に従う構成においては、仮にＸｍｓ後における傾き変化値が整定値を下回っている場合には、電流値が閾値Ｉｔｈ以上であるような場合であっても論理レベル“１”を示す開放指令ＴＲ３は出力されない。この点で、遮断器４の特性ばらつき等により遮断器４が正常動作では無い場合には、傾き変化値が整定値を下回っている場合、すなわち電流値が減少に転じているがその電流値が未だに高い可能性がある。

実施の形態３に従うＣＢＦ検出要素４０Ｂは、傾き変化値が整定値を下回っている、すなわち電流値が減少に転じたと判定した場合であっても、電流値が閾値Ｉｔｈ以上であると判定した場合には、論理レベルが“１”を示す開放指令ＴＲ３を出力する。

ＣＢＦ対策機能３０Ｂは、Ｘｍｓ後におけるＣＢＦ検出要素４０Ｂが傾き変化値が整定値以上の場合あるいは、電流値が閾値Ｉｔｈ以上であると判定した場合には、遮断器４は正常動作していないと判定して、論理レベル“１”を示す開放指令ＴＲ３を遮断器５，６に出力する。

当該方式により、高速にＣＢＦトリップが可能であり、遮断器４の特性ばらつき等により正常ではない直流電力系統の遮断器不動作に対応する遮断器不動作対策機能を実現することが可能である。

なお、本例においては、ＣＢＦ検出要素４０Ａは、過電流検出リレー４６を含む構成について説明したが、当該検出リレーは一例であり、他の異常を検出するリレー等を組み合わせることも可能である。

上述の実施の形態として例示した構成は、本開示の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本開示の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能である。また、上述した実施の形態において、他の実施の形態で説明した処理および構成を適宜採用して実施する場合であってもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した説明ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 電線、２ 母線、４，５，６ 遮断器、７ 電流変成器、１０ 保護リレーシステム、２０ メインリレー機能、３０，３０Ａ，３０Ｂ ＣＢＦ対策機能、４１ 傾き変化検出リレー、４６ 過電流検出リレー、１００ ディジタルリレー装置、１０１ 入力変換ユニット、１０２ 補助変成器、１０３ ディジタルリレーユニット、１０４ アナログフィルタ、１０５ サンプルホールド回路、１０６ マルチプレクサ、１０７ アナログディジタル変換器、１０８ ＣＰＵ、１０９ ＲＡＭ、１１０ ＲＯＭ、１１１ Ｄ／Ｉ回路、１１２ Ｄ／Ｏ回路、１１３ バス。

Claims (6)

1. 直流電力系統に設けられた第１の遮断器の付近に設置された電流変成器に流れる電流の大きさの傾き変化を検出する傾き変化検出リレーと、
   前記第１の遮断器の開放指令が継続し、かつ前記傾き変化検出リレーが前記電流の大きさの傾き変化を検出しないと判定された場合に、前記第１の遮断器の周辺の第２の遮断器の開放指令を出力する指令出力部とを備える、保護リレー。
2. 前記指令出力部は、前記開放指令が継続され、かつ前記傾き変化検出リレーによって前記電流の大きさの傾き変化が所定期間検出されないと判定された場合に、前記第１の遮断器の周辺の第２の遮断器の開放指令を出力する、請求項１記載の保護リレー。
3. 前記指令出力部は、前記開放指令が継続され、かつ所定期間に前記傾き変化検出リレーによって前記電流の大きさの傾きが所定の値に変化しないと判定された場合に、前記第１の遮断器の周辺の第２の遮断器の開放指令を出力する、請求項１記載の保護リレー。
4. 前記第１の遮断器の電流の大きさが閾値以上であるか否かを検出する過電流検出リレーをさらに備え、
   前記指令出力部は、前記開放指令が継続され、かつ所定期間に前記傾き変化検出リレーによって前記電流の大きさの傾きが所定の値に変化しない、かつ、前記過電流検出リレーによって前記電流の大きさが閾値以上であると判定した場合に前記第１の遮断器の周辺の第２の遮断器の開放指令を出力する、請求項１記載の保護リレー。
5. 前記第１の遮断器の電流の大きさが閾値以上であるか否かを検出する過電流検出リレーをさらに備え、
   前記指令出力部は、前記開放指令が継続され、所定期間に前記傾き変化検出リレーによって前記電流の大きさの傾きが所定の値に変化しない、あるいは、前記過電流検出リレーによって前記電流の大きさが閾値以上であると判定した場合に前記第１の遮断器の周辺の第２の遮断器の開放指令を出力する、請求項１記載の保護リレー。
6. 直流電力系統に設けられた第１の遮断器の付近に設置された電流変成器に流れる電流の大きさの傾き変化を検出するステップと、
   前記第１の遮断器の開放指令が継続し、かつ前記電流の大きさの傾き変化を検出しないと判定した場合に、前記第１の遮断器の周辺の第２の遮断器の開放指令を出力するステップとを備える、保護リレーの制御方法。