JPH0216654B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は変圧器保護継電装置に係り、特に変圧
器の励磁突入電流による誤動作を防止した変圧器
保護継電装置に関する。

従来変圧器の巻線故障等の異常時における変圧
器保護は、保護対象変圧器の各端子を通過する電
流を変圧比に相当する等価変換した電流信号とし
て変流器によりとり出した電流差動又は電流比率
差動方式によるのが多い。電流差動又は電流比率
差動方式においては変圧器の内部故障時に差動電
流が生ずるが、変圧器を無負荷励磁した場合や外
部故障除去時に電圧が回復した場合等に生ずるい
わゆる励磁突入電流によつても差動電流が生ず
る。そこで従来は励磁突入電流波形の特有性から
励磁突入電流と内部故障電流を判別し、励磁突入
電流による誤動作を防止している。一つの方法と
して励磁突入電流中の第２高調波成分の割合が故
障電流中のそれよりも多いことを利用して、差動
電流中の第２高調波成分の割合が一定値以上のと
きは励磁突入電流と判定してしや断器の引き外し
指令を出力しないようにする方法が用いられてい
る。しかしこの方法では第２高調波成分の割合が
多いという励磁突入電流の特徴を検出するには少
なくとも１サイクルの時間が必要であり、内部故
障時にも少なくともこの時間だけはしや断器引き
外し指令の出力を遅延させなければならず、高速
動作を阻害している問題点がある。又最近ケーブ
ル系統が多用されており、対地静電容量の増大に
よつて変圧器の内部故障時の故障電流に多くの高
調波分を含むことが指摘されている。系統の対地
静電容量、リアクタンス及び変圧器インピーダン
ス等によつては故障電流中に第２高調波付近の低
次高調波を含むことがあり、この場合上記従来方
法では変圧器保護継電装置の動作遅延となり、ひ
いては誤不動作により変圧器タンクが破壊し重大
災害を招く恐れがある。

変圧器の励磁突入電流による変圧器保護継電装
置の誤動作を防止する他の従来方法として、変圧
器を無負荷励磁する最初の一定時間だけ、しや断
器の引外し指令出力を阻止しておく方法がある。
この方法の場合、変圧器を無負荷励磁した当初の
内部故障に対する保護動作が遅延され、外部故障
除去時の突入電流、並列変圧器投入時の突入電流
等による誤動作を防止できない欠点がある。

本発明の目的は上記した従来技術の欠点をなく
し、変圧器の励磁突入電流を確実に高速度検出し
てしや断器の引き外し指令を阻止することによ
り、励磁突入電流による誤動作を防止すると共に
内部故障時に高速度動作することができる変圧器
保護継電装置を提供するにある。

本発明は変圧器の励磁突入電流を高速度検出す
る手段として、励磁突入電流が流れているとき変
圧器鉄心は磁気飽和して多量の磁束が鉄心外に漏
れていることに着目し、鉄心からの漏れ磁束量又
は漏れ磁束量の変化が一定値以上のとき励磁突入
電流と判定して電流差動又は電流比率差動方式に
おけるしや断器引き外し指令を阻止するようにし
たものである。

本発明の特徴を明確にするため、まず変圧器の
励磁突入電流現象と鉄心からの漏れ磁束の関係及
び漏れ磁束検出手段について説明する。第１図に
変圧器の励磁電流I_Oと鉄心内磁束密度Ｂの関係を
示す。衆知のように磁束密度Ｂが変圧器鉄心材料
の飽和磁束密度B_Sを越えると励磁電流I_Oが急激に
増加する特性となる。変圧器が通常に運転されて
いる場合、磁束密度Ｂは飽和磁束密度B_Sより小
さく、励磁電流I_Oの作る磁束は鉄心内の閉磁路を
循環し、鉄心外へはほとんど漏れない。しかし変
圧器を無負荷励磁した場合等で磁束密度Ｂが飽和
磁束密度B_Sを越えると変圧器鉄心の透磁率は空
気又は変圧器油の透磁率とほぼ等しくなるため、
励磁電流I_Oの作る磁束のうち飽和磁束密度B_Sを越
えた分については鉄心がない場合と同じ分布とな
り鉄心外の空間に漏れ磁束φ_Lを生ずる。従つて
鉄心からの漏れ磁束φ_Lと鉄心内磁束密度Ｂとの
関係は第２図に示すように第１図で示したＢとI_O
の関係とほぼ同じになるのは明らかである。

変圧器鉄心飽和時の励磁電流I_Oによる漏れ磁束
φ_Lの分布の例を第３図に示す。第３図は簡単の
ためセンタコア形単相変圧器の場合を模型的に示
したもので、１は変圧器鉄心、２は巻線を示す。
センタコア形単相変圧器の一般的な鉄心及び巻線
構造の例を第１１図に示す。第１１図において、
１は変圧器鉄心、２は巻線を示す。鉄心１は巻線
２が巻回されている主脚部分１０１と、巻線が巻
回されていない継鉄部分１０２，１０３等で構成
され、閉磁路を形成している。主脚部分１０１と
同様に垂直配置される継鉄部分１０２は側脚とも
称される。巻線２は１次巻線と２次巻線で構成さ
れ、主脚部分１０１に同心円筒状に巻回配置され
ている。変圧器鉄心が磁気飽和していない通常の
運転状態では、励磁電流I_Oによる磁束は鉄心１の
閉磁路中を循環しており、鉄心外の空間には漏れ
ない。従つて、通常鉄心外の空間に存在するのは
負荷電流による漏れ磁束成分のみである。第１１
図で示した構造より明らかに、巻線と対向する継
鉄部分、即ち継鉄部分１０２と１０３の内周側に
はこのような漏れ磁束が存在する。ただし、負荷
電流による漏れ磁束は継鉄部分を透過しないの
で、巻線と対向する反対側の継鉄部分、即ち継鉄
部分１０２と１０３の外周側−例えば第１１図中
ｃの位置−には巻線からの漏れ磁束はほとんど到
達しない。漏れ磁束φ_Lを検出する手段は変圧器
タンク内のどこに設置しても良いが、健全時の負
荷電流及び内部故障電流による磁束の影響を受け
ないようにする必要がある。このためには第３図
中例えばａ，ｂ，ｃで示すように、鉄心継鉄部分
において巻線と対向する反対側の部分に鉄心と近
接して設置するのが良い。健全時及び内部故障時
は鉄心は磁気飽和していないため、負荷電流及び
内部故障電流による磁束が第３図の漏れ磁束φ_L
のように鉄心を貫通してａ，ｂ，ｃで示した位置
に生ずることはなく、外側から回り込んでａ，
ｂ，ｃで示した位置に生ずる影響もほとんどな
い。従つて、変圧器鉄心外に生じている磁束のう
ち励磁電流I_Oによる漏れ磁束φ_Lのみを選択して検
出するのは極めて容易である。又、第３図ａ，
ｂ，ｃで例示した位置の他では、鉄心の接合部付
近のように鉄心中の磁束が外部に漏れ易い位置を
選定するのは、漏れ磁束φ_L検出の高感度化に有
効である。漏れ磁束φ_Lの方向は第３図に示すよ
うにａ，ｂ，ｃ等の位置によつて異なるので、検
出する漏れ磁束φ_Lの方向は磁束検出手段を設置
する場所によつて高感度となるよう適宜定めれば
良い。

励磁電流I_Oによる鉄心からの漏れ磁束φ_Lを検出
する磁束検出手段としては半導体のホール効果を
利用した素子、光フアラデー効果を利用する方
法、コイルの磁気誘導作用を利用したいわゆるサ
ーチコイル等、従来から種々の技術が開発されて
いる。各々原理は異なるが、それぞれφ_Lに対応
した出力を得ることができる。第４図に励磁突入
電流I_O、鉄心からの漏れ磁束φ_L及びφ_Lの時間微分
波形を示すが、例えばホール効果を利用した素子
の場合、磁束φ_Lにほぼ比例した電圧出力が得ら
れる。サーチコイルの場合dφ_L／dtに比例した電圧 出力となるが、これを積分することによりφ_Lに
比例した電圧が得られる。又光フアラデー効果を
利用する方法では磁束φ_Lの情報を電気絶縁物で
ある光フアイバーにより変圧器タンク外に引き出
せるという特徴がある。以上のような種々の磁束
検出手段により、φ_L又はdφ_L／dtが一定値以上にな つたとき変圧器鉄心が磁気飽和したことを検出
し、励磁突入電流が流れていると判定することが
できる。

次に第５図により本発明の内容を説明する。第
５図は本発明の一実施例を示した概略図で、１は
保護対象変圧器の鉄心、２，３はそれぞれ鉄心１
に巻回された１次及び２次巻線、４は鉄心及び巻
線を収納する変圧器タンク、５，６はそれぞれ１
次及び２次側しや断器、７，８はそれぞれ１次及
び２次側変流器、９は比率差動継電要素、１０は
上記した１個以上の磁束検出手段で、巻線と対向
する反対側の鉄心継鉄部分に設置されている。１
１は磁束検出継電要素、１２は磁束検出継電要素
の出力を引きのばすタイマ、１３はインヒビツト
回路である。第５図の本発明の実施例において、
保護対象変圧器に励磁突入電流が生じた場合の動
作タイムチヤートを第６図に示す。以下第６図に
より第５図の本発明の実施例の動作を説明する。
アナログ方式の場合でも比率差動継電要素９の動
作は第６図に示すように比較的早い。上記したよ
うに鉄心からの漏れ磁束φ_Lは励磁突入電流即ち
差動電流Ｉとほぼ同じ波形である。磁束検出継電
要素１１は１個以上の磁束検出手段１０の出力に
より鉄心からの漏れ磁束φ_Lが一定値以上になつ
たことを判定して動作する。タイマ１２により磁
束検出継電要素１１の出力を１サイクル程度引き
のばす。以上によりインヒビツト回路１３からは
しや断器引き外し指令は出ない。磁束検出継電要
素１１を比率差動継電要素９と同様にアナログ方
式として適当な時定数をもたせれば、タイマ１２
は必ずしも必要でない。ただし、励磁突入電流の
場合は比率差動継電要素９より磁束検出継電要素
１１を早く動作させる構成とする必要がある。変
流器の変流比誤差等によつて健全時でも生ずる差
動電流による誤動作防止等のため、比率差動継電
要素９の最小動作電流は通常定格電流の10〜20％
以上とされる。これに対し、前記したように磁束
検出手段１０の設置個所を鉄心継鉄部分に選定す
ることにより変圧器鉄心が磁気飽和していないと
きの鉄心からの漏れ磁束φ_Lはほぼ零とすること
ができるため、磁束検出継電要素１１は比率差動
継電要素９よりも高感度にでき、早く動作させる
ことは容易である。

また、励磁突入電流が流れ、第１０図に示すよ
うに鉄心１に磁気飽和を生ずると、漏洩磁束Φ₁
は鉄心継鉄部分の外周で四方八方に透過するが、
負荷電流による磁束Φ₂は、鉄心継鉄部分の外周
側にはほとんど透過されず、この図の紙面の表面
と裏面との方向には四方八方に透過している。こ
の結果、磁束検出手段１０で変圧器鉄心の磁気飽
和を確実に検出できると共に、磁束検出継電要素
１１、タイマ１２等により、インヒビツト回路１
３は動作せず、しや断引き外し指令は出力され
ず、しや断器の誤動作を防止できる。

一方内部故障時においては磁束検出継電要素１
１は動作しないため、比率差動継電要素９の動作
と同時にインヒビツト回路１３からしや断器引き
外し指令が出力される。従来方式において、比率
差動継電要素が仮に早く動作しても、波形の判定
に１サイクル以上を要しこの時間だけしや断器引
き外し指令の出力が遅れるのと比べて明らかに内
部故障時の高速動作が可能である。

本発明の他の実施例を第７図に示す。第７図に
おいて第５図と同一部品は同一符号を付し説明を
省略する。第７図において第５図と異なるのはタ
イマ１２をインヒビツト回路の後段に配置した点
である。第７図において保護対象変圧器に励磁突
入電流が生じた場合の動作タイムチヤートを第８
図に示す。比率差動継電要素９をデイジタル式と
することにより、第８図に示すように差動電流Ｉ
に対してほぼ時間遅れなく動作させることができ
る。磁束検出継電要素１１の動作は第６図で説明
したのと同じであるが、比率差動継電要素９より
早く動作し、遅く復帰するようにしている。これ
は前記したように磁束検出継電要素１１を比率差
動継電要素９より高感度とすることで達成され
る。従つてインヒビツト回路１３は動作せず、し
や断器引き外し指令は出力されない。内部故障時
は磁束検出継電要素１１は動作せず、比率差動継
電要素９が動作するのと同時にインヒビツト回路
が動作し、しや断器引き外し指令が出力されるの
で、第６図で示したものより高速動作できる。タ
イマ１２は内部故障時において比率差動継電要素
９及びインヒビツト回路の動作断続に対して、し
や断器の引き外し指令を連続して出力するための
ものである。

第７図で示した本発明の実施例では励磁突入電
流と内部故障電流が重畳した場合にも高速動作で
きる特徴を有する。以下これを第９図の動作タイ
ムチヤートで説明する。第９図の差動電流Ｉは励
磁突入電流と、励磁突入電流が流れ始めると同時
に発生した内部故障電流が重畳した場合を示して
いる。第８図と異なるのは比率差動継電要素９が
差動電流Ｉの負側の半波でも応動し、インヒビツ
ト回路１３が動作している点である。タイマ１２
によりインヒビツト回路１３の出力が引きのばさ
れ、しや断器の引き外し指令が出力される。差動
電流の第２高波成分含有率で励磁突入電流を判定
するような従来方法では励磁突入電流が減衰する
までしや断器の引き外し指令が出力されないのと
比べると極めて高速の動作が可能である。変圧器
の巻線部分短絡など内部故障が残留している状態
でしや断器を投入して無負荷励磁する場合、ある
いはしや断器投入後変圧器鉄心が磁気飽和する前
に内部故障が発生した場合等では、磁束検出継電
要素１１が漏れ磁束φ_Lを検出する前に内部故障
電流が流れて比率差動継電要素９及びインヒビツ
ト回路１３が動作するので更に高速度でしや断器
引き外し指令を出力することができる。

変圧器巻線の短絡故障等で健全部分の巻線にか
かる電圧位相が変化したり、健全時より高電圧に
なるような場合で鉄心に磁気飽和を生ずると、や
はり差動電流は内部故障電流と励磁電流が重畳し
たものとなる。このような場合通常は変圧器を無
負荷励磁した場合と比べると鉄心の磁気飽和の程
度は低く、磁気飽和している時間は１サイクルの
うちごく短い期間である。従つて上記と同様に鉄
心が磁気飽和していない期間の内部故障電流によ
り比率差動継電要素９が動作し、高速度でしや断
器引き外し指令を出力することができる。内部故
障によつて健全部の巻線に高電圧がかかつて鉄心
が正負両側に磁気飽和するような場合、磁束検出
継電要素１１を、最初に検出した漏れ磁束φ_Lと
同方向の磁束のみに応動するようにすれば、逆方
向の磁気飽和による漏れ磁束φ_Lに対して磁束検
出要素１１は動作せず、第９図と同様にしや断器
引き外し指令を確実に出力することができる。こ
れは内部故障時の変圧器保護継電装置の動作信頼
性の向上に効果がある。なおこのような構成にし
た場合、次の励磁突入電流に対して漏れ磁束検出
継電要素１１が確実に動作できるよう、漏れ磁束
検出継電要素１１が動作した後ほぼ１サイクル以
上の適当な時間経過後は、正側及び負側のどちら
の漏れ磁束に対しても動作できるようにしてお
く。

以上説明した本発明の実施例における変圧器の
内部故障を検出する継電要素としては電流差動方
式を例としたが、これは特に限定されるものでは
なく、例えば単巻変圧器の電圧調整変圧器保護用
として用いられている電流位相比較方式にも適用
できるのは明らかである。この場合、本発明を適
用すれば内部故障を検出する継電要素が励磁突入
電流で動作してもしや断器の引き外し指令を確実
に阻止することができるので、内部故障検出感度
を高感度にできるという特徴がある。又、励磁突
入電流による変圧器保護継電装置の誤動作防止の
信頼性向上のため、従来の例えば差動電流波形に
よつて励磁突入電流と判定した出力と、磁束検出
継電要素１１の出力のオア判定出力を第５図のタ
イマ１２又は第７図のインヒビツト回路１３に入
力するようにしても良い。要するに変圧器鉄心か
らの漏れ磁束φ_Lを検出してしや断器の引き外し
指令を阻止するように構成したものは本発明の範
ちゆうに入ると解すべきである。

以上詳述したように本発明によれば簡単な構成
で変圧器鉄心の磁気飽和を確実に検出できるの
で、励磁突入電流による変圧器保護継電装置の誤
動作を防止し、且つ変圧器内部故障時のしや断器
引き外し指令を高速度で確実に出力することがで
きる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は変圧器の励磁電流と鉄心か
らの漏れ磁束の関係を説明するための略線図、第
５図は本発明の一実施例を示す略線図、第６図は
第５図の実施例における動作タイムチヤート、第
７図は本発明の他の実施例を示す略線図、第８図
及び第９図は第７図の実施例の動作を説明するた
めのタイムチヤート図、第１０図は本発明の変圧
器の磁気回路を示す鉄心の側断面図であり、第１
１図はセンタコア形単相変圧器の一般的な鉄心及
び巻線構造例を示す図である。 １……鉄心、２，３……巻線、５，６……しや
断器、１１……磁束検出継電要素。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 巻線が巻回された主脚部分と、巻線により生
   じた磁束の閉磁路を形成するとともに巻線が巻回
   されていない継鉄部分により構成された鉄心を含
   む変圧器の内部故障を検出してしや断器の引き外
   し指令を出力する変圧器保護継電装置において、
   上記変圧器内にその鉄心からの漏れ磁束を検出す
   る磁束検出手段を、鉄心継鉄部分の外周側に設
   け、該磁束検出手段の出力に応じて上記しや断器
   の引き外し指令を阻止することを特徴とする変圧
   器保護継電装置。