JPWO2003069754A1 - 光電流センサを用いる保護継電装置 - Google Patents
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Abstract
電力系統の保護区間の両端に設置した２台の光電流センサを用いる保護継電装置において、直流分が重畳された事故電流であっても、内部事故の検出はもとより、外部事故を内部事故と見誤ることなく判別できる装置を提供する。第一の光電流センサ１及び第二の光電流センサ２を電力系統の保護区間９の両端に設置し、光ファイバ伝送路３ａないし３ｄは、光源１１、第一の光電流センサ１、第二の光電流センサ２、第一の光信号処理部４ａ及び第二の光信号処理部４ｂ間を直列に接続する。第一の光信号処理部４ａからの差電流信号及び第二の光信号処理部４ｂからの和電流信号から動作量演算手段６ａ、抑制量演算手段６ｂ、動作比率演算手段７で、動作量、抑制量、動作比率を求める。判定手段８において動作量が整定値以上であったとしても、動作比率が一定値以下であれば、外部事故であると判定しリレーの不要動作を防ぐ。
Description
技術分野
本発明はファラデー効果を利用して電力設備の導体に流れる電流の計測及び監視をする保護継電装置に関する。
背景技術
従来、電力系統における保護継電装置では、変流器で検出された機器導体の電流信号を保護継電装置に伝達し、保護継電装置で故障判定のための演算と判定を行っている。この保護継電装置の低コスト化、軽量化を目的として、従来の巻線型電流変成器による電流測定方法に代わり、差動演算機能を有する光電流センサによる保護継電装置が提案され、特開２０００−５９９８７や特願平１１−２２４８２１が出願されている。
従来の光電流センサによる保護継電装置は例えば図６に示すように、偏光子１４、ファラデー素子１１及び検光子１５よりなる第一の光電流センサ１と、第一の光電流センサ１と同様に構成される第二の光電流センサ２と、光ファイバ伝送路３ａ、３ｂ、３ｃと、光源１２と、光電変換器１６、ハイパスフィルタ回路１７、ローパスフィルタ回路１８及び割算器１９よりなる光信号処理部４ａと、電源周波数成分の差電流検出手段５ｄと，判定手段８とより構成される。
第一の光電流センサ１及び第二の光電流センサ２は、電力系統の保護区間９の両端に設けられている。ここで第一の光電流センサ１が検出する電流をｉ１、第二の光電流センサ２が検出する電流をｉ２とし、その符号はともに、電力系統の保護区間９への流入方向が＋、流出方向が−とする。また第一の光電流センサ１内の光の伝搬方向は、第一の光電流センサ１が検出する電流ｉ１によって発生する磁界方向と一致するように設けられており、第二の光電流センサ２内の光の伝搬方向は第二の光電流センサ２が検出する電流ｉ２によって発生する磁界と一致するように設けられている。
所定の波長の光を出射する光源１２から出射された光Ｐ０は、光ファイバ伝送路３ａにより、第一の光電流センサ１に至る。光源１２からの光Ｐ０は第一の光電流センサ１の偏光子１４によって直線偏光になり、この直線偏光をファラデー素子１１に入射する。入射光は、電流ｉ１によって発生する磁界によるファラデー効果を受け、電流ｉ１の大きさに比例して偏波面が角度θ１だけ回転する。第一の光電流センサ１が検出する電流ｉ１と偏波面の回転角θ１の関係はベルデ定数をＶとしたとき
となる。前記の入射光はさらに第一の光電流センサ１において検光子１５により、偏波面の回転角θ１を強度に変調された光となる。この時検光子１５は偏光子１４に対し好ましくはプラス４５°またはマイナス４５°の角度に設置されており、第一の光電流センサ１の出射光は、検光子１５により、ｘ、ｙ方向の２成分の光Ｐ１ｘ、Ｐ１ｙに分けられ、次式で表される。
従来装置では、どちらか一方の光信号のみ用いており、ここでは光Ｐ１ｘを使って説明する。
第一の光電流センサ１が検出する電流ｉ１を正弦波交流信号とすると、第一の光電流センサ１の出射光Ｐ１ｘは以下の式で表される。
ここで、Ｉ１は流入電流の実効値、ω（＝２πｆ）は角周波数、ｆは電源周波数である。
第一の光電流センサ１の出射光Ｐ１ｘは、光ファイバ伝送路３ｂに導かれて第二の光電流センサ２に至る。出射光Ｐ１ｘは、第二の光電流センサ２が検出する電流ｉ２（＝√２Ｉ２ｓｉｎωｔ）によって発生する磁界によるファラデー効果を受け、電流ｉ２の大きさに比例して偏波面が角度θ２だけ回転する。第二の光電流センサ２の出射光はやはり、検光子１５により、ｘ、ｙ方向の２成分の光Ｐ２ｘ、Ｐ２ｙに分けられ、次式で表される。
ここで、第一の光電流センサ１の２つの出力のうちＰ１ｘを選択しているので、第二の光電流センサ２の出射光として第一の光電流センサ１の出射光と同一の偏波方向となるＰ２ｘを用いる。第一の光電流センサ１の２つの出力のうちＰ１ｙを選択した場合は、第二の光電流センサ２の出射光としてはＰ２ｙを用いる。
第二の光電流センサ２の出射光Ｐ２ｘは光ファイバ伝送路３ｃに導かれて光電変換器１６に入射し、電気信号に変換された後、ハイパスフィルタ回路１７、ローパスフィルタ回路１８により直流成分と交流成分に分離され、割算器１９で交流成分を直流成分で除することにより、光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘを得る。ここで割算器１９により直流成分で除する手法を用いているのは光信号が伝送される際の光量損失を補償するためである。光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘは以下の式で表される。
ここで得られた光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘには、第一の光電流センサ１が検出した電流ｉ１と第二の光電流センサ２が検出した電流ｉ２の差電流であるｉ１＋ｉ２の情報を有していることを以下に説明する。尚、電力系統の保護区間９への差電流がｉ１＋ｉ２と示されるのは、ｉ１、ｉ２の符号をともに電力系統の保護区間９への流入方向を＋、流出方向を−と定義したことによる。
第一の光電流センサ１が検出する電流ｉ１及び第二の光電流センサ２が検出する電流ｉ２が小電流である場合、
が成立し、（５ａ）式は、
となる。（８）式を（６）式に代入すると、
となり、光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘは電力系統の保護区間９への差電流ｉ１＋ｉ２に比例した値となる。
しかしながら、（９）式は（７）式が成立するような小電流領域において成立するものであり、大電流領域では成立しない。
そこで本発明者らは、大電流領域でも電力系統の保護区間９への差電流ｉ１＋ｉ２を測定することができる光ファイバセンサを用いた保護継電装置として特願平１１−２２４８２１を出願している。
すなわち、（７）式が成立しないような大電流が流れた場合、（５ａ）式で示した第二の光電流センサ２の出射光Ｐ２ｘは、
と表される。
ここでｓｉｎ（２√２Ｖ・Ｉｎｓｉｎωｔ）をフーリエ級数展開することにより周波数成分毎に分解すると、以下の（１１）式で表せる。
ここでＪｋ（ａ）はｋ次のＢｅｓｓｅｌ関数である
（１１）式の３次以降の項を微少であるとして無視し、以降の式を簡略に示すために、Ａ１、Ａ２を（１２ａ）（１２ｂ）式に示すとおりに定義する。
ここでＡ１、Ａ２は、電流の実効値Ｉ１、Ｉ２にベルデ定数を乗じ、１次のＢｅｓｓｅ１関数に代入したものであり、電流ｉｎを（３）式に示すとおりの正弦波交流信号であるとすると、時間に関しては定数である。
この場合、（１０）式は、
で表せる。
（１２ｃ）式を展開し、三角関数の公式 ｓｉｎ２φ＝（１／２）｛１−ｃｏｓ２φ｝を用いると、
となる。この時の光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘは（１２ｄ）式を、（６）式に代入することにより（１３ａ）式のように表すことができる。ここで以降の式を簡略に示すために、（１２ａ）、（１２ｂ）式に示すＡ１、Ａ２を（１３ｂ）、（１３ｃ）に表すＢ１、Ｂ２でおきかえている。
ここでＢ１、Ｂ２は、時間に関して定数である。
（１３ａ）式に示すように光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘは、第一項に示された電力系統の保護区間９への差電流ｉ１＋ｉ２の周波数成分、すなわち電源周波数成分の他に、第二項に示された電源周波数の２倍の周波数成分の項から成る。
ここで（１３ｂ）式の電源周波数成分の項Ｂ１を計算により評価することを試みる。６６ｋＶから１５４ｋＶの電力系統において保護区間９への流入電流を３３ｋＡ以下のケースとする。このケースにおいて、波長１５５０ｎｍの鉛ガラスファイバ型光電流センサのベルデ定数Ｖ＝３．９３×１０−６［ｒａｄ／Ａ］を用いる。これらの値を用いると、１≫２Ａ１Ａ２、Ｊ１（２√２Ｖ・Ｉｎ）≒２√２Ｖ・Ｉｎという近似が成立する。このとき、（１３ｂ）式は（１３ｄ）式のように表すことができる。
計算の結果、近似による誤差は通電電流が実効値２４ｋＡで１％以下、通電電流が実効値３３ｋＡ以下で２％以下であり、波長１５５０ｎｍの鉛ガラスファイバ型光電流センサを用いた保護継電装置が故障判定演算に適用できる可能性が考えられる。
したがって、（１３ａ）式は、通電電流３３ｋＡ以下において、光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘの電源周波数と同じ周波数成分においては、電力系統の保護区間９への差電流ｉ１＋ｉ２に比例した出力であるが、電源周波数の２倍の周波数成分が誤差成分として発生していることを意味する。
光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘから、電源周波数成分の差電流検出手段５ｄにより、２倍の周波数成分を取り除くことにより、その出力を判定手段８に導き、電力系統の保護区間９への差電流ｉ１＋ｉ２に対して動作する保護継電装置が構成される。
上記従来の技術における説明では、電流信号が正弦波交流信号と仮定している。しかしながら、電力系統において短絡事故が発生した場合、電流信号は直流分が重畳され過渡的に減衰する信号となることを考慮する必要がある。この時、最も大きい直流分が重畳した場合、すなわち直流分１００％重畳の事故電流は以下の式で表される。
なお、τは電力系統のリアクタンス分と抵抗分の比から定まる減衰時定数である。（１４）式で表されるような過渡的に減衰する電流信号を（５ａ）、（６）式に代入しても、（１３ａ）式のように電源周波数成分ごとに分けて表すことはできない。そこで、電力系統の保護区間９に対して、保護区間外事故、保護区間内事故の各々の事故ケースについて、光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘに含まれる誤差成分が及ぼす影響について考える。
図２は、光電流センサを用いた保護継電装置の動作を説明するための系統図である。電力系統の保護区間９の事故箇所として、ｆ１、ｆ３を保護区間外事故、ｆ２を保護区間内事故とする。以下電力系統の保護区間９の区間外事故を外部事故、電力系統の保護区間９の区間内事故を内部事故と呼ぶ。
また図２において、第一の光電流センサ１及び第二の光電流センサ２はそれぞれ電力系統の保護区間９の両端に設置されており、光ファイバ伝送路３ａないし３ｄにより、光源１２、第一の光信号処理部４ａ、第二の光信号処理部４ｂと接続されている。ここで第一の光電流センサ１は電流ｉ１を検出し、第二の光電流センサ２は電流ｉ２を検出する。
まず外部事故が発生した場合について考える。外部事故が発生した場合、電流ｉ１、ｉ２は、
が成立する。（１４）、（１５）式を（５ａ）式に代入すると、
Ｐ２ｘ＝（１／４）Ｐ０｛１＋ｓｉｎ２Ｖ・ｉ１（ｔ）｝｛１−ｓｉｎ２Ｖ・ｉ１（ｔ）｝となる。ここで、説明を簡単にするために、
とおいて、（１４）式を代入すると、（５ａ）式は、
となる。すなわち、従来の技術では事故電流が正弦波交流信号であれば外部事故時においては電力系統の保護区間９への差電流ｉ１＋ｉ２の電源周波数成分は０であるべきであるのに、直流分が重畳された過渡的に減衰する信号の場合は、（１６）式に示すとおり直流分が減衰するまでの間誤差信号が発生してしまう。
図７は、外部事故が発生し、直流分が重畳された事故電流であった場合、従来の技術では保護継電装置の不要動作が発生する可能性があることを説明するための図であり、以下に示す事故電流の値、光ファイバの定数を、（１４）、（５ａ）、（６）式に代入し、各部における信号の値を計算により求めたものである。
図７（ａ）は、外部事故のケースにおける（１４）式で表される直流分が重畳された事故電流信号を表しており、図７（ｂ）はこの時の第二の光電流センサ２からの光信号Ｐ２ｘ／Ｐ０を、図７（ｃ）は光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘを、図７（ｄ）は光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘの電源周波数成分の実効値Ｒ２ｘをそれぞれ求めたものである。ここで光電流センサ１、２は波長１５５０ｎｍの鉛ガラスファイバ型光電流センサであるとし、そのベルデ定数Ｖは３．９３×１０−６［ｒａｄ／Ａ］を用いている。事故電流Ｉ１の大きさは実効値３３ｋＡ、電源周波数５０Ｈｚ、時定数τは５０ｍｓとしている。また光電流センサによる差電流出力の電源周波数の実効値Ｒ２ｘを求める手段としては、デジタルリレー回路におけるデジタルフィルタ・実効値演算回路を用いた。既に公知の技術であるため、ここではそのアルゴリズムを紹介するに留める。
サンプリング ：電気角３０度
デジタルフィルタ：Ｄ．Ｆ．１ｆ＝（１−Ｚ−６）（１＋Ｚ−１＋Ｚ−２＋Ｚ−３）
実効値演算 ：実効値２ ＝Ｃｎ−３ ２−Ｃｎ・Ｃｎ−６
次に正弦波交流信号の場合との比較をするために、事故電流が（３）式で表される正弦波交流信号であった場合の事故電流を図７（ｅ）に示し、この時の第二の光電流サンサ２からの光信号Ｐ２ｘ／Ｐ０を図７（ｆ）に、光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘを図７（ｇ）に、光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘの電源周波数成分の実効値を図７（ｈ）それぞれに示す。
図７（ｈ）に示すとおり、外部事故において事故電流が正弦波交流信号であれば事故直後に短時間誤差信号が発生する（ピーク値４ｋＡ相当、０．０１秒間）が、リレーの不要動作には至らない程度である。一方、事故電流に直流分が重畳した過渡電流信号の場合は図７（ｄ）に示すとおり、無視できない程の時間、誤差信号が発生している（ピーク値２０ｋＡ相当、０．２秒間以上）。これは（１６）式に示したように直流分が減衰するまでの間、電源周波数成分が誤差信号として表れているためである。
次に内部事故における、従来の技術での光電流センサを用いた保護継電装置の動作を図７を用いて説明する。図７（ｉ）は図２に示す系統で内部事故が発生し、事故電流が（１４）式で表される直流分が１００％重畳された信号を示しており、この時の第二の電流センサ２からの光信号Ｐ２ｘ／Ｐ０を図７（ｊ）に、光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘを図７（ｋ）に、光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘの電源周波数成分の実効値を図７（ｌ）に示す。
図７（ｍ）は図２に示す系統で内部事故が発生し、事故電流が（３）式で表される正弦波交流信号であった場合を示しており、この時の第二の光電流センサ２からの光信号Ｐ２ｘを図７（ｎ）に、光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘを図７（ｏ）に、光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘの電源周波数成分の実効値を図７（ｐ）に示す。
図７（ｌ）、図７（ｐ）に示すとおり区間内事故に関しては、従来の技術で良好な動作が得られる。
以上説明したように従来の技術においては、直流分が重畳された事故電流であった場合、内部事故のケースでは正常に検出するものの、外部事故のケースで内部事故が発生したかのような誤差信号が発生する場合がある。
本発明の目的とするところは、直流分が重畳された事故電流を検出した場合においても内部事故発生時の検出はもとより、外部事故発生時でも内部事故と見誤ることなく判別しリレーの不要動作をしない光電流センサを用いる保護継電装置を提案することである。
発明の開示
そこで本発明は、電力系統の保護区間の両端に入出力電流を個別に測定する二台の第一及び第二の光電流センサを配置し、前記第一の光電流センサは、入射端と、前記入射端に設けられた偏光子の偏光方向に対してプラス４５度及びマイナス４５度の二つの偏光方向で検光を行う検光子と、それぞれの検光成分に対する出射端とを有しており、光源と前記第一の光電流センサとの間、前記第一及び第二の光電流センサ同士および前記第二の光電流センサと光信号処理部の間を光ファイバ伝送で接続し、前記光信号処理部の出力信号から差電流成分を検出する差電流検出手段と、前記光信号処理部の出力信号から和電流成分を検出する和電流検出手段と、前記差電流検出手段の出力から動作量を求める動作量演算手段と、前記差電流検出手段の出力と前記和電流検出手段の出力から抑制量を求める抑制量演算手段と、前記動作量演算手段の出力と前記抑制量演算手段の出力から動作比率を求める動作比率演算手段と、前記動作量演算手段の出力と前記動作比率演算手段の出力より前記電力系統の保護区間内の事故か保護区間外の事故かを判別する判定手段とを備える光電流センサを用いる保護継電装置を提供するものである。
また、本発明は、電力系統の保護区間の両端に入出力電流を個別に測定する二台の第一及び第二の光電流センサを配置し、前記第一の光電流センサは入射端と、前記入射端に設けられた偏光子の偏光方向に対してプラス４５度及びマイナス４５度の二つの偏光方向で検光を行う検光子と、それぞれの検光成分に対する出射端とを有しており、光源と前記第一の光電流センサとの間、前記第一及び第二の光電流センサ同士および前記第二の光電流センサと光信号処理部の間を光ファイバ伝送で接続し、前記光信号処理部の出力信号から差電流成分を検出する差電流検出手段と、前記光信号処理部の出力信号から和電流成分を検出する和電流検出手段と、前記差電流検出手段の出力および前記和電流検出手段の出力から個別の入出力電流を求める補正演算手段と、前記補正演算手段から動作量を求める動作量演算手段と、前記補正演算手段から抑制量を求める抑制量演算手段と、前記動作量演算手段の出力と前記抑制量演算手段の出力から動作比率を求める動作比率演算手段と、前記動作量演算手段の出力と前記動作比率演算手段の出力より前記電力系統の保護区間内の事故か保護区間外の事故かを判別する判定手段とを備える光電流センサを用いる保護継電装置を提供するものである。
。
また、本発明は、保護区間を有する電力系統の事故を監視するための保護継電装置であって、前記保護継電装置は、
所定の光信号を出射する光源と、
前記の電力系統の保護区間の一端側に配置された第１の光電流センサであって、該第１の光電流センサは、前記光源からの前記光信号を受け、前記電力系統の保護区間の一端側に流れる第１の電流の大きさに比例して前記の光信号の偏波面を回転させ、偏波面が回転させられた前記光信号のうち少なくとも一方向の成分の第１の光信号を放射する第１の光電流センサと、
前記の電力系統の保護区間の他端側に配置された第２の光電流センサであって、該第２の光電流センサは、前記第１の光電流センサからの前記第１の光信号を受け、前記電力系統の保護区間の他端側に流れる第２の電流の大きさに比例して、前記第１の光信号の偏波面をさらに回転させ、偏波面がさらに回転させれた前記第１の光信号のうちの一方向成分の第２の光信号と他方向成分の第３の光信号とを放射する第２の光電流センサと、
前記第２の光信号から、前記第１の電流と前記第２の電流との差である差電流出力を求める第１の光信号処理部と、
前記第３の光信号から、前記第１の電流と前記第２の電流との和である和電流出力を求める第２の光信号処理部と、
前記第１の光信号処理部の前記差電流出力を検出する差電流検出手段と、
前記第２の光信号処理部の前記和電流出力を検出する和電流検出手段と、
前記差電流検出手段の出力から動作量を求める動作量演算手段と、
前記差電流検出手段の出力と前記和電流検出手段の出力とから抑制量を求める抑制量演算手段と、
前記動作量演算手段の出力と前記抑制量演算手段の出力とから動作比率を求める動作比率演算手段と、
前記動作量演算手段の出力と前記動作比率演算手段の出力とにより前記電力系統の前記保護区間の内側の事故か前記保護区間の外側の事故かを判別する判定手段とを備えた保護継電装置を提供するものである。
また、本発明は、保護区間を有する電力系統の事故を監視するための保護継電装置であって、前記保護継電装置は、
所定の光信号を出射する光源と、
前記の電力系統の保護区間の一端側に配置された第１の光電流センサであって、該第１の光電流センサは、前記光源からの前記光信号を受け、前記電力系統の保護区間の一端側に流れる第１の電流の大きさに比例して前記の光信号の偏波面を回転させ、偏波面が回転させられた前記光信号のうち少なくとも一方向の成分の第１の光信号を放射する第１の光電流センサと、
前記の電力系統の保護区間の他端側に配置された第２の光電流センサであって、該第２の光電流センサは、前記第１の光電流センサからの前記第１の光信号を受け、前記電力系統の保護区間の他端側に流れる第２の電流の大きさに比例して、前記第１の光信号の偏波面をさらに回転させ、偏波面がさらに回転させれた前記第１の光信号のうちの一方向成分の第２の光信号と他方向成分の第３の光信号とを放射する第２の光電流センサと、
前記第２の光信号から、前記第１の電流と前記第２の電流との差である差電流出力を求める第１の光信号処理部と、
前記第３の光信号から、前記第１の電流と前記第２の電流との和である和電流出力を求める第２の光信号処理部と、
前記第１の光信号処理部の前記差電流出力を検出する差電流検出手段と、
前記第２の光信号処理部の前記和電流出力を検出する和電流検出手段と、
前記差電流検出手段の出力と前記和電流検出手段の出力とから個別の入出力電流を求める補正演算手段と、
前記補正演算手段の出力から動作量を求める動作量演算手段と、
前記補正演算手段の出力から抑制量を求める抑制量演算手段と、
前記動作量演算手段の出力と前記抑制量演算手段の出力とから動作比率を求める動作比率演算手段と、
前記動作量演算手段の出力と前記動作比率演算手段の出力とにより前記電力系統の保護区間の内側の事故か保護区間の外側の事故かを判別する判定手段とを備えた保護継電装置を提供するものである。
また、本発明は、保護区間を有する電力系統の事故を検出するための方法であって、
前記の電力系統の保護区間の一端側に第１の光電流センサを配置するステップと、
前記第１の光電流センサにより、前記電力系統の保護区間の一端側に流れる第１の電流の大きさを感知するステップと、
前記の電力系統の保護区間の他端側に第２の光電流センサを配置するステップと、
前記第２の光電流センサにより、前記電力系統の保護区間の他端側に流れる第２の電流の大きさを感知するステップと、
前記第１の電流と前記第２の電流との差である差電流出力を求めるステップと、
前記第１の電流と前記第２の電流との和である和電流出力を求めるステップと、
前記差電流出力から動作量を求めるステップと、
前記差電流出力と前記和電流出力とから抑制量を求めるステップと、
前記動作量と前記抑制量とから動作比率を求めるステップと、
前記動作量と前記動作比率出力とにより前記電力系統の保護区間の内側の事故か保護区間の外側の事故かを判別するステップとを備えた、電力系統の事故を検出するための方法を提供するものである。
さらに、本発明は、保護区間を有する電力系統の事故を検出するための方法であって、
前記の電力系統の保護区間の一端側に第１の光電流センサを配置するステップと、
前記第１の光電流センサにより、前記電力系統の保護区間の一端側に流れる第１の電流の大きさを感知するステップと、
前記の電力系統の保護区間の他端側に第２の光電流センサを配置するステップと、
前記第２の光電流センサにより、前記電力系統の保護区間の他端側に流れる第２の電流の大きさを感知するステップと、
前記第１の電流と前記第２の電流との差である差電流出力を求めるステップと、
前記第１の電流と前記第２の電流との和である和電流出力を求めるステップと、
前記差電流出力と前記和電流出力とから個別の入出力電流を求めるステップと、
前記入出力電流から動作量を求めるステップと、
前記入出力電流から抑制量を求めるステップと、
前記動作量と前記抑制量とから動作比率を求めるステップと、
前記動作量と前記動作比率とにより前記電力系統の保護区間の内側の事故か保護区間の外側の事故かを判別するステップとを備えた、電力系統の事故を検出するための方法を提供するものである。
発明を実施するための最良の形態
以下本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
従来の技術の（５ａ）、（５ｂ）式に示したように、光電流センサからの出力信号はｘ、ｙ方向の２成分の光Ｐ２ｘ、Ｐ２ｙがあり、従来の技術においてはこのどちらか一方しか用いていない。使用していない方の光信号を用いれば、直流分が重畳した外部事故が発生した場合でも内部事故と誤って判定することがないこと、すなわち、外部事故か内部事故かを判別することが可能であることを以下に説明する。
図１は本発明の光電流センサを用いる保護継電装置の実施の形態を示す説明図である。光電流センサによる差電流信号Ｓ２ｘを求めるために光信号Ｐ２ｘを用いたのと同様に光信号Ｐ２ｙ信号を用いる。
光信号Ｐ２ｘより得られる光電流センサによる差電流信号Ｓ２ｘが、第一の光電流センサ１が検出した電流ｉ１と第二の光電流センサ２が検出した電流ｉ２の差電流であるｉ１＋ｉ２の情報を有しているのに対し、光信号Ｐ２ｙからはｉ１とｉ２の和電流であるｉ１−ｉ２の情報を有している和電流出力Ｓ２ｙを得ることができることを以下に説明する。尚、電力系統の保護区間９への和電流がｉ１−ｉ２と示されるのは、ｉ１，ｉ２の符号をともに電力系統の保護区間９への流入方向を＋、流出方向を−と定義したことによる。
尚、以下の説明では「従来の技術」の項で参照した図及び式において、同一もしくは相当する部分には同一符号を付してその説明は省略する。
図１は、偏光子１４、ファラデー素子１１及び検光子１５よりなる第一の光電流センサ１と、第一の光電流センサ１と同様に構成される第二の光電流センサ２と、光源１２と、光電変換器１６、ハイパスフィルタ回路１７、ローパスフィルタ回路１８及び割算器１９よりなる第一の光信号処理部４ａと、第一の光信号処理部４ａと同様に構成される第二の光信号処理部４ｂと、光源１２と第一の光電流センサ１間の光信号を伝送する光ファイバ伝送路３ａと、第一の光電流センサ１と第二の光電流センサ２間の光信号を伝送する光ファイバ伝送路３ｂと、第二の光電流センサ２の２つの出射端のうち差電流情報を有する光信号Ｐ２ｘを出射する出射端と第一の光信号処理部４ａとを伝送する光ファイバ伝送路３ｃと、第二の光電流センサ２の２つの出射端のうち和電流情報を有する光信号Ｐ２ｙを出射する出射端と第二の光信号処理部４ｂとを伝送する光ファイバ伝送路３ｄと、第一の光信号処理部４ａからの差電流出力Ｓ２ｘを検出する差電流検出手段５ａと、第二の光信号処理部４ｂからの和電流出力Ｓ２ｙを検出する差電流検出手段５ｂと、差電流検出手段５ａの出力から動作量を求める動作量演算手段６ａと、差電流検出手段５ａと和電流検出手段５ｂの出力から抑制量を求める抑制量演算手段６ｂと、動作量演算手段６ａと抑制量演算手段６ｂから動作比率を求める動作比率演算手段７と、動作量検出手段６ａの出力及び動作比率演算手段７の出力より電力系統の保護区間内の事故か区間外の事故かを判別する判定手段８とより構成される。
第一の光電流センサ１及び第二の光電流センサ２の、電力系統の保護区間９への設置の状況及び、光信号処理部４ａの構成は従来の技術と同様であり、光信号処理部４ａからは光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘを得る。
一方光ファイバ伝送手段３ｄにより導かれる光信号は（５ｂ）式に述べたＰ２ｙ信号である。第二の光電流センサ２からのもう一つの光信号であるＰ２ｙは光ファイバ伝送路３ｄに導かれ第二の光信号処理部４ｂの光電変換器１６に入射し、同様の信号処理により、光電流センサによる和電流出力Ｓ２ｙを得る。光電流センサによる和電流出力Ｓ２ｙは以下の式で表される。
ここで、（５ａ）、（５ｂ）式に対して、（７）式の近似を用いると、（６）式のＳ２ｘ及び（１７）式のＳ２ｙは以下のように簡略に表すことができる。
ここで α０＝２Ｖであり、Ｖは光電流センサのベルデ定数である。
ここで、（１８ａ）式の第一項がＳ２ｘ信号に含まれる差電流成分、第２項がＳ２ｘ信号に含まれる誤差信号成分δｘである。
同様に、（１８ｂ）式の第一項がＳ２ｙ信号に含まれる和電流成分、第２項がＳ２ｙ信号に含まれる誤差信号成分δｙである。
δｘ、δｙは直流分が重畳された過渡的に減衰する信号によるもので、（１６）式に表したように、直流分が減衰するまでの間生じてしまう。
一般に保護継電器に用いられる比率差動継電器の動作比率ｋは動作量ｍと抑制量ｎの比として以下の式で表される。
ここで｜ｉ１＋ｉ２｜は差電流ｉ１＋ｉ２の実効値を、｜ｉ１｜及び｜ｉ２｜はそれぞれｉ１の実効値、ｉ２の実効値を表すものとする。
（１８ａ）（１８ｂ）式には誤差信号δｘ、δｙが含まれるが、仮に無視できる大きさであると仮定し、差電流検出手段５ａで求められたＳ２ｘ及び和電流検出手段５ｂで求められたＳ２ｙを用いて（１９）式で表される動作比率ｋを求める手法を以下に示す。
（２０ａ）式の動作量ｍは図１の動作量演算手段６ａで（２１ａ）式のとおり求められる。
（２０ｂ）式の抑制量ｎは抑制量演算手段６ｂで（２１ｂ）式のとおり求められる。
動作比率ｋは動作比率演算手段７において（２１ａ）式及び（２１ｂ）式を（１９）式に代入することで求められる。
動作量演算手段６ａで求められた動作量ｍと、動作比率検出演算７で求められた動作比率ｋは、判定手段８において、動作量整定値をｋ１、動作比率整定値をｋ２とした時、ｍ＞ｋ１かつｋ＞ｋ２の時内部事故と判定することにより、直流分が重畳した事故電流であったとしても、外部事故においても不要動作を防ぐことができる。
上記（２１ａ）式、（２２）式で求められた動作量ｍ、動作比率ｋは、（１８ａ）、（１８ｂ）式に示す誤差成分δｘおよびδｙが仮に無視できる大きさであると仮定して求めているが、誤差成分の大きさは、事故電流の大きさおよび適用される電流センサの感度によって変動する。しかしながら外部事故発生時と、内部事故発生時に動作比率ｋに大きな差異があれば、判定手段８において、事故が保護区間の内部であるか、外部であるかを判別することができる。
以下に実際の電力系統において前記手法により、事故が保護区間の内部であるか、外部であるかを判別することが可能であることを計算により確認する。
想定する電力系統の最大事故電流を３３ｋＡとし、直流分が１００％重畳されたものとし、時定数τ＝１００ｍｓとする。適用する光ファイバセンサは従来技術と同様の、波長１５５０ｎｍの鉛ガラスファイバ型光電流センサであるとし、そのベルデ定数Ｖは３．９３×１０−６［ｒａｄ／Ａ］を用いる。
電力系統の保護区間９に対して、外部事故、内部事故の各々の事故ケースについて、本発明の光電流センサを用いた保護継電装置の動作を説明するために、従来の技術で説明したのと同様に図２の系統図を用いる。
外部事故は図２に示す系統において事故箇所ｆ１とｆ３の２通りが考えられるが、どちらも同等と考えられるのでここではｆ１を外部事故の代表例とする。
内部事故のケースは、電源配置が両端か、ｆ１側の片端電源、ｆ３側の片端電源の３通りが考えられる。片側電源はｆ１側、ｆ３側でも同様と考えられるのでｆ１側を代表例とする。
両側電源配置における事故発生のケースでは、ｉ１、ｉ２は
として考えるものとする。
片端電源配置における事故発生のケースでは、
とする。
図３は（２２）式より求められた動作比率ｋが内部事故と外部事故において十分大きな差があることを説明するための図であり、先に示した事故電流の値、光ファイバの定数を、（１４）、（５ａ）、（５ｂ）、（６）、（１７）、（２１ａ）、（２１ｂ）、（２２）式に代入し、計算により求めたものである。
なお、動作量演算手段６ａ及び抑制量演算手段６ｂで電源周波数成分の実効値｜Ｓ２ｘ｜、｜Ｓ２ｘ＋Ｓ２ｙ｜及び｜Ｓ２ｘ−Ｓ２ｙ｜を求める手段として、従来技術と同様に以下のアルゴリズムで計算した。
サンプリング ：電気角３０度
ディジタルフィルタ：Ｄ．Ｆ．１ｆ＝（１−Ｚ−６）（１＋Ｚ−１＋Ｚ−２＋Ｚ−３）
実効値演算 ：実効値２＝Ｃｎ−３ ２−Ｃｎ・Ｃｎ−６
図３（ａ）は（１４）式で表される直流分が重畳された事故電流ｉ１（ｔ）を示しており、事故電流ｉ１＝３３ｋＡの波形を示している。図３（ｂ）ないし（ｄ）は外部事故のケースであり、図３（ｂ）は動作量ｍを、図３（ｃ）は抑制量ｎを、図３（ｄ）は動作比率ｋをそれぞれ示している。事故電流はｉ１＝３３ｋＡ、２４ｋＡ、１５ｋＡ、９ｋＡの４通りを示している。
同様に図３（ｅ）ないし図３（ｇ）は内部事故両側電源配置の場合であり、図３（ｅ）は動作量ｍを、図３（ｆ）は抑制量ｎを図３（ｇ）は動作比率ｋをそれぞれ示している。事故電流は以下の４通りを示している。
ｉ１＝＋１６．５ｋＡ、ｉ２＝＋１６．５ｋＡ、
ｉ１＝＋１２．０ｋＡ、ｉ２＝＋１２．０ｋＡ、
ｉ１＝＋ ７．５ｋＡ、ｉ２＝＋ ７．５ｋＡ、
ｉ１＝＋ ４．５ｋＡ、ｉ２＝＋ ４．５ｋＡ
図３（ｈ）ないし図３（ｊ）は内部事故片端電源配置の場合であり、図３（ｈ）は動作量ｍを、図３（ｉ）は抑制量ｎを図３（ｊ）は動作比率ｋをそれぞれ示している。事故電流はｉ１＝３３ｋＡ、２４ｋＡ、１５ｋＡ、９ｋＡの４通りを示している。
外部事故ケースの動作比率ｋを示す図３（ｄ）と、内部事故両側電源配置、内部事故片側電源配置の各ケースにおける動作比率ｋを示す図３（ｇ）、図３（ｊ）を比較すると明らかなように、動作比率ｋは内部事故ケースにおいては片端電源の場合および両端電源の場合とも１００％であるが、外部事故ケースでは一時的に２０数％まで上昇しているが内部事故と比較するとあきらかに小さな値である。
よって動作比率整定値ｋ２を決定するには、外部事故において一時的に上昇する動作比率ｋの値より大きな値を設けることにより、判定手段８において動作量ｍが動作量整定値ｋ１より大きいとしても、動作比率ｋが動作比率整定値ｋ２より小さいならば外部事故であると判定し、保護継電装置の不要動作を防ぐことができる。
図４は本発明の光電流センサを用いる保護継電装置の他の実施の形態例を示す説明図である。以下の説明では、前記従来の技術及び前記実施の形態で参照した図及び式において、同一もしくは相当する部分には同一符号を付してその説明は省略する。
第一の光電流センサ１、第二の光電流センサ２、光源１２、光信号処理回路４ａ、光ファイバ伝送手段３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、第一の光信号処理部４ａ、第二の光信号処理部４ｂ、差電流検出手段５ａ、和電流検出手段５ｂと、差電流検出手段５ａの出力および和電流検出手段５ｂからの出力から個別の入出力電流を求める補正演算手段５ｃ、補正演算手段５ｃの出力から動作量を求める動作量演算手段６ｃ、補正演算手段５ｃの出力から抑制量を求める抑制量演算手段６ｄ、動作量演算手段６ｃの出力および抑制量演算手段６ｄの出力から動作比率を求める動作比率演算手段７、動作量検出手段６ｃの出力及び動作比率演算手段７の出力より電力系統の保護区間内の事故か区間外の事故かを判別する判定手段８より構成される。
ここで、（５ａ）、（５ｂ）式に対して、（７）式の近似を用いて、以下のように書き改める。
この時、差電流検出手段５ａからの出力Ｓ２ｘ、和電流検出手段５ｂからの出力Ｓ２ｙは以下のように表される。
ここで、（２６ａ）式の第一項がＳ２ｘ信号に含まれる誤差電流成分、第２項がＳ２ｘ信号に含まれる誤差信号成分α０ ２（ｉ１・ｉ２）である。同様に、（２６ｂ）式の第一項がＳ２ｙ信号に含まれる和電流成分、第２項がＳ２ｙ信号に含まれる誤差信号成分である。
次に、差電流検出手段５ａからの出力Ｓ２ｘ、和電流検出手段５ｂからの出力Ｓ２ｙを補正演算手段５ｃにおいて、以下の通り誤差成分α０ ２（ｉ１・ｉ２）を除去する。すなわち、（２７ａ）から（２７ｃ）に示すとおり、Ｓｚ１、Ｓｚ２、Ｓｚ３を定義し、（２８ａ）、（２８ｂ）式のとおりｉ１、ｉ２を求める。
補正演算手段５ｃで求められたｉ１、ｉ２を用いて、動作量演算手段６ｃ、抑制量演算手段６ｄにおいて以下の（２９ａ）、（２９ｂ）式により動作量ｍと抑制量ｎが求められる。
動作量演算手段６ｃ、抑制量演算手段６ｄにおいて以下の（２９ａ）、（２９ｂ）式により求められた動作量ｍと、抑制量ｎは動作比率演算手段７において（３０）式により動作比率ｋが求められる。
動作量演算手段６ｃで求められた動作量ｍと、動作比率演算手段７で求められた動作比率ｋは、判定手段８において、動作量整定値をｋ１、動作比率整定値をｋ２とした時、ｍ＞ｋ１かつｋ＞ｋ２の時内部事故と判定することにより、直流分が重畳した事故電流であったとしても、外部事故においても不要動作を防ぐことができる。
図５は（３０）式より求められた動作比率ｋが内部事故と外部事故において十分大きな差があることを説明するための図であり、前記実施の形態の図３を示す際の計算に用いたのと同様の条件のもとに計算した結果を示すものである。
図５（ａ）は（１４）式で表される直流分が重畳された事故電流ｉｎ（ｔ）を示しており、事故電流実効値Ｉｎ＝３３ｋＡの波形を示している。図５（ｂ）ないし（ｄ）は外部事故のケースであり、図５（ｂ）は動作量ｍを、図５（ｃ）は抑制量ｎを図５（ｄ）は動作比率ｋを示している。事故電流はｉ１＝３３ｋＡ、２４ｋＡ、１５ｋＡ、９ｋＡの４通りを示している。
同様に図５（ｅ）ないし図５（ｇ）は内部事故両側電源配置の場合であり、図５（ｅ）は動作量ｍを、図５（ｆ）は抑制量ｎを図５（ｇ）は動作比率ｋを示している。事故電流は以下の４通りを示している。
ｉ１＝＋１６．５ｋＡ、ｉ２＝＋１６．５ｋＡ、
ｉ１＝＋１２．０ｋＡ、ｉ２＝＋１２．０ｋＡ、
ｉ１＝＋ ７．５ｋＡ、ｉ２＝＋ ７．５ｋＡ、
ｉ１＝＋ ４．５ｋＡ、ｉ２＝＋ ４．５ｋＡ
図５（ｈ）ないし図５（ｊ）は内部事故片端電源配置の場合であり、図５（ｈ）は動作量ｍを、図５（ｉ）は抑制量ｎを図５（ｊ）は動作比率ｋを示している。事故電流はｉ１＝３３ｋＡ、２４ｋＡ、１５ｋＡ、９ｋＡの４通りを示している。
外部事故時ケースの図５（ｄ）と、内部事故ケースの図５（ｇ）、図５（ｊ）を比較すると明らかなように、動作比率ｋは内部事故ケースにおいては片端電源の場合および両端電源の場合とも１００％であるが、外部事故ケースでは動作比率ｋが一時的に５％まで上昇しているが内部事故と比較するとあきらかに小さな値である。
上記のように内部故障発生時に一時的に上昇する動作比率ｋの値より大きな値の動作比率整定値ｋ２を設けることにより、判定手段８において動作量ｍが動作量整定値ｋ１より大きいとしても、動作比率ｋが動作比率整定値ｋ２より小さいならば外部事故であると判定し、保護継電装置の不要動作を防ぐことができる。
産業上の利用の可能性
以上説明したように、本発明による光電流センサによる保護継電装置によれば外部事故が発生したとしてもリレーの不要動作を防ぐことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明による実施の形態を示し、光電流センサを用いる保護継電装置を説明する構成図である。
図２は、本発明による実施の形態を示し、光電流センサを用いる保護継電装置を説明する系統図である。
図３は、本発明の実施の形態に従って事故電流を測定したときの出力波形の一例である。
図４は、本発明による他の実施の形態を示し、光電流センサを用いる保護継電装置を説明する構成図である。
図５は、本発明による他の実施の形態に従って事故電流を測定したときの出力波形の一例である。
図６は、従来技術の光電流センサを用いる保護継電装置の説明図である。
図７は、従来技術に従って事故電流を測定したときの出力波形の一例である。
本発明はファラデー効果を利用して電力設備の導体に流れる電流の計測及び監視をする保護継電装置に関する。
背景技術
従来、電力系統における保護継電装置では、変流器で検出された機器導体の電流信号を保護継電装置に伝達し、保護継電装置で故障判定のための演算と判定を行っている。この保護継電装置の低コスト化、軽量化を目的として、従来の巻線型電流変成器による電流測定方法に代わり、差動演算機能を有する光電流センサによる保護継電装置が提案され、特開２０００−５９９８７や特願平１１−２２４８２１が出願されている。
従来の光電流センサによる保護継電装置は例えば図６に示すように、偏光子１４、ファラデー素子１１及び検光子１５よりなる第一の光電流センサ１と、第一の光電流センサ１と同様に構成される第二の光電流センサ２と、光ファイバ伝送路３ａ、３ｂ、３ｃと、光源１２と、光電変換器１６、ハイパスフィルタ回路１７、ローパスフィルタ回路１８及び割算器１９よりなる光信号処理部４ａと、電源周波数成分の差電流検出手段５ｄと，判定手段８とより構成される。
第一の光電流センサ１及び第二の光電流センサ２は、電力系統の保護区間９の両端に設けられている。ここで第一の光電流センサ１が検出する電流をｉ１、第二の光電流センサ２が検出する電流をｉ２とし、その符号はともに、電力系統の保護区間９への流入方向が＋、流出方向が−とする。また第一の光電流センサ１内の光の伝搬方向は、第一の光電流センサ１が検出する電流ｉ１によって発生する磁界方向と一致するように設けられており、第二の光電流センサ２内の光の伝搬方向は第二の光電流センサ２が検出する電流ｉ２によって発生する磁界と一致するように設けられている。
所定の波長の光を出射する光源１２から出射された光Ｐ０は、光ファイバ伝送路３ａにより、第一の光電流センサ１に至る。光源１２からの光Ｐ０は第一の光電流センサ１の偏光子１４によって直線偏光になり、この直線偏光をファラデー素子１１に入射する。入射光は、電流ｉ１によって発生する磁界によるファラデー効果を受け、電流ｉ１の大きさに比例して偏波面が角度θ１だけ回転する。第一の光電流センサ１が検出する電流ｉ１と偏波面の回転角θ１の関係はベルデ定数をＶとしたとき
第一の光電流センサ１が検出する電流ｉ１を正弦波交流信号とすると、第一の光電流センサ１の出射光Ｐ１ｘは以下の式で表される。
第一の光電流センサ１の出射光Ｐ１ｘは、光ファイバ伝送路３ｂに導かれて第二の光電流センサ２に至る。出射光Ｐ１ｘは、第二の光電流センサ２が検出する電流ｉ２（＝√２Ｉ２ｓｉｎωｔ）によって発生する磁界によるファラデー効果を受け、電流ｉ２の大きさに比例して偏波面が角度θ２だけ回転する。第二の光電流センサ２の出射光はやはり、検光子１５により、ｘ、ｙ方向の２成分の光Ｐ２ｘ、Ｐ２ｙに分けられ、次式で表される。
第二の光電流センサ２の出射光Ｐ２ｘは光ファイバ伝送路３ｃに導かれて光電変換器１６に入射し、電気信号に変換された後、ハイパスフィルタ回路１７、ローパスフィルタ回路１８により直流成分と交流成分に分離され、割算器１９で交流成分を直流成分で除することにより、光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘを得る。ここで割算器１９により直流成分で除する手法を用いているのは光信号が伝送される際の光量損失を補償するためである。光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘは以下の式で表される。
第一の光電流センサ１が検出する電流ｉ１及び第二の光電流センサ２が検出する電流ｉ２が小電流である場合、
しかしながら、（９）式は（７）式が成立するような小電流領域において成立するものであり、大電流領域では成立しない。
そこで本発明者らは、大電流領域でも電力系統の保護区間９への差電流ｉ１＋ｉ２を測定することができる光ファイバセンサを用いた保護継電装置として特願平１１−２２４８２１を出願している。
すなわち、（７）式が成立しないような大電流が流れた場合、（５ａ）式で示した第二の光電流センサ２の出射光Ｐ２ｘは、
ここでｓｉｎ（２√２Ｖ・Ｉｎｓｉｎωｔ）をフーリエ級数展開することにより周波数成分毎に分解すると、以下の（１１）式で表せる。
（１１）式の３次以降の項を微少であるとして無視し、以降の式を簡略に示すために、Ａ１、Ａ２を（１２ａ）（１２ｂ）式に示すとおりに定義する。
この場合、（１０）式は、
（１２ｃ）式を展開し、三角関数の公式 ｓｉｎ２φ＝（１／２）｛１−ｃｏｓ２φ｝を用いると、
（１３ａ）式に示すように光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘは、第一項に示された電力系統の保護区間９への差電流ｉ１＋ｉ２の周波数成分、すなわち電源周波数成分の他に、第二項に示された電源周波数の２倍の周波数成分の項から成る。
ここで（１３ｂ）式の電源周波数成分の項Ｂ１を計算により評価することを試みる。６６ｋＶから１５４ｋＶの電力系統において保護区間９への流入電流を３３ｋＡ以下のケースとする。このケースにおいて、波長１５５０ｎｍの鉛ガラスファイバ型光電流センサのベルデ定数Ｖ＝３．９３×１０−６［ｒａｄ／Ａ］を用いる。これらの値を用いると、１≫２Ａ１Ａ２、Ｊ１（２√２Ｖ・Ｉｎ）≒２√２Ｖ・Ｉｎという近似が成立する。このとき、（１３ｂ）式は（１３ｄ）式のように表すことができる。
したがって、（１３ａ）式は、通電電流３３ｋＡ以下において、光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘの電源周波数と同じ周波数成分においては、電力系統の保護区間９への差電流ｉ１＋ｉ２に比例した出力であるが、電源周波数の２倍の周波数成分が誤差成分として発生していることを意味する。
光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘから、電源周波数成分の差電流検出手段５ｄにより、２倍の周波数成分を取り除くことにより、その出力を判定手段８に導き、電力系統の保護区間９への差電流ｉ１＋ｉ２に対して動作する保護継電装置が構成される。
上記従来の技術における説明では、電流信号が正弦波交流信号と仮定している。しかしながら、電力系統において短絡事故が発生した場合、電流信号は直流分が重畳され過渡的に減衰する信号となることを考慮する必要がある。この時、最も大きい直流分が重畳した場合、すなわち直流分１００％重畳の事故電流は以下の式で表される。
図２は、光電流センサを用いた保護継電装置の動作を説明するための系統図である。電力系統の保護区間９の事故箇所として、ｆ１、ｆ３を保護区間外事故、ｆ２を保護区間内事故とする。以下電力系統の保護区間９の区間外事故を外部事故、電力系統の保護区間９の区間内事故を内部事故と呼ぶ。
また図２において、第一の光電流センサ１及び第二の光電流センサ２はそれぞれ電力系統の保護区間９の両端に設置されており、光ファイバ伝送路３ａないし３ｄにより、光源１２、第一の光信号処理部４ａ、第二の光信号処理部４ｂと接続されている。ここで第一の光電流センサ１は電流ｉ１を検出し、第二の光電流センサ２は電流ｉ２を検出する。
まず外部事故が発生した場合について考える。外部事故が発生した場合、電流ｉ１、ｉ２は、
Ｐ２ｘ＝（１／４）Ｐ０｛１＋ｓｉｎ２Ｖ・ｉ１（ｔ）｝｛１−ｓｉｎ２Ｖ・ｉ１（ｔ）｝となる。ここで、説明を簡単にするために、
図７は、外部事故が発生し、直流分が重畳された事故電流であった場合、従来の技術では保護継電装置の不要動作が発生する可能性があることを説明するための図であり、以下に示す事故電流の値、光ファイバの定数を、（１４）、（５ａ）、（６）式に代入し、各部における信号の値を計算により求めたものである。
図７（ａ）は、外部事故のケースにおける（１４）式で表される直流分が重畳された事故電流信号を表しており、図７（ｂ）はこの時の第二の光電流センサ２からの光信号Ｐ２ｘ／Ｐ０を、図７（ｃ）は光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘを、図７（ｄ）は光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘの電源周波数成分の実効値Ｒ２ｘをそれぞれ求めたものである。ここで光電流センサ１、２は波長１５５０ｎｍの鉛ガラスファイバ型光電流センサであるとし、そのベルデ定数Ｖは３．９３×１０−６［ｒａｄ／Ａ］を用いている。事故電流Ｉ１の大きさは実効値３３ｋＡ、電源周波数５０Ｈｚ、時定数τは５０ｍｓとしている。また光電流センサによる差電流出力の電源周波数の実効値Ｒ２ｘを求める手段としては、デジタルリレー回路におけるデジタルフィルタ・実効値演算回路を用いた。既に公知の技術であるため、ここではそのアルゴリズムを紹介するに留める。
サンプリング ：電気角３０度
デジタルフィルタ：Ｄ．Ｆ．１ｆ＝（１−Ｚ−６）（１＋Ｚ−１＋Ｚ−２＋Ｚ−３）
実効値演算 ：実効値２ ＝Ｃｎ−３ ２−Ｃｎ・Ｃｎ−６
次に正弦波交流信号の場合との比較をするために、事故電流が（３）式で表される正弦波交流信号であった場合の事故電流を図７（ｅ）に示し、この時の第二の光電流サンサ２からの光信号Ｐ２ｘ／Ｐ０を図７（ｆ）に、光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘを図７（ｇ）に、光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘの電源周波数成分の実効値を図７（ｈ）それぞれに示す。
図７（ｈ）に示すとおり、外部事故において事故電流が正弦波交流信号であれば事故直後に短時間誤差信号が発生する（ピーク値４ｋＡ相当、０．０１秒間）が、リレーの不要動作には至らない程度である。一方、事故電流に直流分が重畳した過渡電流信号の場合は図７（ｄ）に示すとおり、無視できない程の時間、誤差信号が発生している（ピーク値２０ｋＡ相当、０．２秒間以上）。これは（１６）式に示したように直流分が減衰するまでの間、電源周波数成分が誤差信号として表れているためである。
次に内部事故における、従来の技術での光電流センサを用いた保護継電装置の動作を図７を用いて説明する。図７（ｉ）は図２に示す系統で内部事故が発生し、事故電流が（１４）式で表される直流分が１００％重畳された信号を示しており、この時の第二の電流センサ２からの光信号Ｐ２ｘ／Ｐ０を図７（ｊ）に、光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘを図７（ｋ）に、光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘの電源周波数成分の実効値を図７（ｌ）に示す。
図７（ｍ）は図２に示す系統で内部事故が発生し、事故電流が（３）式で表される正弦波交流信号であった場合を示しており、この時の第二の光電流センサ２からの光信号Ｐ２ｘを図７（ｎ）に、光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘを図７（ｏ）に、光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘの電源周波数成分の実効値を図７（ｐ）に示す。
図７（ｌ）、図７（ｐ）に示すとおり区間内事故に関しては、従来の技術で良好な動作が得られる。
以上説明したように従来の技術においては、直流分が重畳された事故電流であった場合、内部事故のケースでは正常に検出するものの、外部事故のケースで内部事故が発生したかのような誤差信号が発生する場合がある。
本発明の目的とするところは、直流分が重畳された事故電流を検出した場合においても内部事故発生時の検出はもとより、外部事故発生時でも内部事故と見誤ることなく判別しリレーの不要動作をしない光電流センサを用いる保護継電装置を提案することである。
発明の開示
そこで本発明は、電力系統の保護区間の両端に入出力電流を個別に測定する二台の第一及び第二の光電流センサを配置し、前記第一の光電流センサは、入射端と、前記入射端に設けられた偏光子の偏光方向に対してプラス４５度及びマイナス４５度の二つの偏光方向で検光を行う検光子と、それぞれの検光成分に対する出射端とを有しており、光源と前記第一の光電流センサとの間、前記第一及び第二の光電流センサ同士および前記第二の光電流センサと光信号処理部の間を光ファイバ伝送で接続し、前記光信号処理部の出力信号から差電流成分を検出する差電流検出手段と、前記光信号処理部の出力信号から和電流成分を検出する和電流検出手段と、前記差電流検出手段の出力から動作量を求める動作量演算手段と、前記差電流検出手段の出力と前記和電流検出手段の出力から抑制量を求める抑制量演算手段と、前記動作量演算手段の出力と前記抑制量演算手段の出力から動作比率を求める動作比率演算手段と、前記動作量演算手段の出力と前記動作比率演算手段の出力より前記電力系統の保護区間内の事故か保護区間外の事故かを判別する判定手段とを備える光電流センサを用いる保護継電装置を提供するものである。
また、本発明は、電力系統の保護区間の両端に入出力電流を個別に測定する二台の第一及び第二の光電流センサを配置し、前記第一の光電流センサは入射端と、前記入射端に設けられた偏光子の偏光方向に対してプラス４５度及びマイナス４５度の二つの偏光方向で検光を行う検光子と、それぞれの検光成分に対する出射端とを有しており、光源と前記第一の光電流センサとの間、前記第一及び第二の光電流センサ同士および前記第二の光電流センサと光信号処理部の間を光ファイバ伝送で接続し、前記光信号処理部の出力信号から差電流成分を検出する差電流検出手段と、前記光信号処理部の出力信号から和電流成分を検出する和電流検出手段と、前記差電流検出手段の出力および前記和電流検出手段の出力から個別の入出力電流を求める補正演算手段と、前記補正演算手段から動作量を求める動作量演算手段と、前記補正演算手段から抑制量を求める抑制量演算手段と、前記動作量演算手段の出力と前記抑制量演算手段の出力から動作比率を求める動作比率演算手段と、前記動作量演算手段の出力と前記動作比率演算手段の出力より前記電力系統の保護区間内の事故か保護区間外の事故かを判別する判定手段とを備える光電流センサを用いる保護継電装置を提供するものである。
。
また、本発明は、保護区間を有する電力系統の事故を監視するための保護継電装置であって、前記保護継電装置は、
所定の光信号を出射する光源と、
前記の電力系統の保護区間の一端側に配置された第１の光電流センサであって、該第１の光電流センサは、前記光源からの前記光信号を受け、前記電力系統の保護区間の一端側に流れる第１の電流の大きさに比例して前記の光信号の偏波面を回転させ、偏波面が回転させられた前記光信号のうち少なくとも一方向の成分の第１の光信号を放射する第１の光電流センサと、
前記の電力系統の保護区間の他端側に配置された第２の光電流センサであって、該第２の光電流センサは、前記第１の光電流センサからの前記第１の光信号を受け、前記電力系統の保護区間の他端側に流れる第２の電流の大きさに比例して、前記第１の光信号の偏波面をさらに回転させ、偏波面がさらに回転させれた前記第１の光信号のうちの一方向成分の第２の光信号と他方向成分の第３の光信号とを放射する第２の光電流センサと、
前記第２の光信号から、前記第１の電流と前記第２の電流との差である差電流出力を求める第１の光信号処理部と、
前記第３の光信号から、前記第１の電流と前記第２の電流との和である和電流出力を求める第２の光信号処理部と、
前記第１の光信号処理部の前記差電流出力を検出する差電流検出手段と、
前記第２の光信号処理部の前記和電流出力を検出する和電流検出手段と、
前記差電流検出手段の出力から動作量を求める動作量演算手段と、
前記差電流検出手段の出力と前記和電流検出手段の出力とから抑制量を求める抑制量演算手段と、
前記動作量演算手段の出力と前記抑制量演算手段の出力とから動作比率を求める動作比率演算手段と、
前記動作量演算手段の出力と前記動作比率演算手段の出力とにより前記電力系統の前記保護区間の内側の事故か前記保護区間の外側の事故かを判別する判定手段とを備えた保護継電装置を提供するものである。
また、本発明は、保護区間を有する電力系統の事故を監視するための保護継電装置であって、前記保護継電装置は、
所定の光信号を出射する光源と、
前記の電力系統の保護区間の一端側に配置された第１の光電流センサであって、該第１の光電流センサは、前記光源からの前記光信号を受け、前記電力系統の保護区間の一端側に流れる第１の電流の大きさに比例して前記の光信号の偏波面を回転させ、偏波面が回転させられた前記光信号のうち少なくとも一方向の成分の第１の光信号を放射する第１の光電流センサと、
前記の電力系統の保護区間の他端側に配置された第２の光電流センサであって、該第２の光電流センサは、前記第１の光電流センサからの前記第１の光信号を受け、前記電力系統の保護区間の他端側に流れる第２の電流の大きさに比例して、前記第１の光信号の偏波面をさらに回転させ、偏波面がさらに回転させれた前記第１の光信号のうちの一方向成分の第２の光信号と他方向成分の第３の光信号とを放射する第２の光電流センサと、
前記第２の光信号から、前記第１の電流と前記第２の電流との差である差電流出力を求める第１の光信号処理部と、
前記第３の光信号から、前記第１の電流と前記第２の電流との和である和電流出力を求める第２の光信号処理部と、
前記第１の光信号処理部の前記差電流出力を検出する差電流検出手段と、
前記第２の光信号処理部の前記和電流出力を検出する和電流検出手段と、
前記差電流検出手段の出力と前記和電流検出手段の出力とから個別の入出力電流を求める補正演算手段と、
前記補正演算手段の出力から動作量を求める動作量演算手段と、
前記補正演算手段の出力から抑制量を求める抑制量演算手段と、
前記動作量演算手段の出力と前記抑制量演算手段の出力とから動作比率を求める動作比率演算手段と、
前記動作量演算手段の出力と前記動作比率演算手段の出力とにより前記電力系統の保護区間の内側の事故か保護区間の外側の事故かを判別する判定手段とを備えた保護継電装置を提供するものである。
また、本発明は、保護区間を有する電力系統の事故を検出するための方法であって、
前記の電力系統の保護区間の一端側に第１の光電流センサを配置するステップと、
前記第１の光電流センサにより、前記電力系統の保護区間の一端側に流れる第１の電流の大きさを感知するステップと、
前記の電力系統の保護区間の他端側に第２の光電流センサを配置するステップと、
前記第２の光電流センサにより、前記電力系統の保護区間の他端側に流れる第２の電流の大きさを感知するステップと、
前記第１の電流と前記第２の電流との差である差電流出力を求めるステップと、
前記第１の電流と前記第２の電流との和である和電流出力を求めるステップと、
前記差電流出力から動作量を求めるステップと、
前記差電流出力と前記和電流出力とから抑制量を求めるステップと、
前記動作量と前記抑制量とから動作比率を求めるステップと、
前記動作量と前記動作比率出力とにより前記電力系統の保護区間の内側の事故か保護区間の外側の事故かを判別するステップとを備えた、電力系統の事故を検出するための方法を提供するものである。
さらに、本発明は、保護区間を有する電力系統の事故を検出するための方法であって、
前記の電力系統の保護区間の一端側に第１の光電流センサを配置するステップと、
前記第１の光電流センサにより、前記電力系統の保護区間の一端側に流れる第１の電流の大きさを感知するステップと、
前記の電力系統の保護区間の他端側に第２の光電流センサを配置するステップと、
前記第２の光電流センサにより、前記電力系統の保護区間の他端側に流れる第２の電流の大きさを感知するステップと、
前記第１の電流と前記第２の電流との差である差電流出力を求めるステップと、
前記第１の電流と前記第２の電流との和である和電流出力を求めるステップと、
前記差電流出力と前記和電流出力とから個別の入出力電流を求めるステップと、
前記入出力電流から動作量を求めるステップと、
前記入出力電流から抑制量を求めるステップと、
前記動作量と前記抑制量とから動作比率を求めるステップと、
前記動作量と前記動作比率とにより前記電力系統の保護区間の内側の事故か保護区間の外側の事故かを判別するステップとを備えた、電力系統の事故を検出するための方法を提供するものである。
発明を実施するための最良の形態
以下本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
従来の技術の（５ａ）、（５ｂ）式に示したように、光電流センサからの出力信号はｘ、ｙ方向の２成分の光Ｐ２ｘ、Ｐ２ｙがあり、従来の技術においてはこのどちらか一方しか用いていない。使用していない方の光信号を用いれば、直流分が重畳した外部事故が発生した場合でも内部事故と誤って判定することがないこと、すなわち、外部事故か内部事故かを判別することが可能であることを以下に説明する。
図１は本発明の光電流センサを用いる保護継電装置の実施の形態を示す説明図である。光電流センサによる差電流信号Ｓ２ｘを求めるために光信号Ｐ２ｘを用いたのと同様に光信号Ｐ２ｙ信号を用いる。
光信号Ｐ２ｘより得られる光電流センサによる差電流信号Ｓ２ｘが、第一の光電流センサ１が検出した電流ｉ１と第二の光電流センサ２が検出した電流ｉ２の差電流であるｉ１＋ｉ２の情報を有しているのに対し、光信号Ｐ２ｙからはｉ１とｉ２の和電流であるｉ１−ｉ２の情報を有している和電流出力Ｓ２ｙを得ることができることを以下に説明する。尚、電力系統の保護区間９への和電流がｉ１−ｉ２と示されるのは、ｉ１，ｉ２の符号をともに電力系統の保護区間９への流入方向を＋、流出方向を−と定義したことによる。
尚、以下の説明では「従来の技術」の項で参照した図及び式において、同一もしくは相当する部分には同一符号を付してその説明は省略する。
図１は、偏光子１４、ファラデー素子１１及び検光子１５よりなる第一の光電流センサ１と、第一の光電流センサ１と同様に構成される第二の光電流センサ２と、光源１２と、光電変換器１６、ハイパスフィルタ回路１７、ローパスフィルタ回路１８及び割算器１９よりなる第一の光信号処理部４ａと、第一の光信号処理部４ａと同様に構成される第二の光信号処理部４ｂと、光源１２と第一の光電流センサ１間の光信号を伝送する光ファイバ伝送路３ａと、第一の光電流センサ１と第二の光電流センサ２間の光信号を伝送する光ファイバ伝送路３ｂと、第二の光電流センサ２の２つの出射端のうち差電流情報を有する光信号Ｐ２ｘを出射する出射端と第一の光信号処理部４ａとを伝送する光ファイバ伝送路３ｃと、第二の光電流センサ２の２つの出射端のうち和電流情報を有する光信号Ｐ２ｙを出射する出射端と第二の光信号処理部４ｂとを伝送する光ファイバ伝送路３ｄと、第一の光信号処理部４ａからの差電流出力Ｓ２ｘを検出する差電流検出手段５ａと、第二の光信号処理部４ｂからの和電流出力Ｓ２ｙを検出する差電流検出手段５ｂと、差電流検出手段５ａの出力から動作量を求める動作量演算手段６ａと、差電流検出手段５ａと和電流検出手段５ｂの出力から抑制量を求める抑制量演算手段６ｂと、動作量演算手段６ａと抑制量演算手段６ｂから動作比率を求める動作比率演算手段７と、動作量検出手段６ａの出力及び動作比率演算手段７の出力より電力系統の保護区間内の事故か区間外の事故かを判別する判定手段８とより構成される。
第一の光電流センサ１及び第二の光電流センサ２の、電力系統の保護区間９への設置の状況及び、光信号処理部４ａの構成は従来の技術と同様であり、光信号処理部４ａからは光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘを得る。
一方光ファイバ伝送手段３ｄにより導かれる光信号は（５ｂ）式に述べたＰ２ｙ信号である。第二の光電流センサ２からのもう一つの光信号であるＰ２ｙは光ファイバ伝送路３ｄに導かれ第二の光信号処理部４ｂの光電変換器１６に入射し、同様の信号処理により、光電流センサによる和電流出力Ｓ２ｙを得る。光電流センサによる和電流出力Ｓ２ｙは以下の式で表される。
ここで、（１８ａ）式の第一項がＳ２ｘ信号に含まれる差電流成分、第２項がＳ２ｘ信号に含まれる誤差信号成分δｘである。
同様に、（１８ｂ）式の第一項がＳ２ｙ信号に含まれる和電流成分、第２項がＳ２ｙ信号に含まれる誤差信号成分δｙである。
δｘ、δｙは直流分が重畳された過渡的に減衰する信号によるもので、（１６）式に表したように、直流分が減衰するまでの間生じてしまう。
一般に保護継電器に用いられる比率差動継電器の動作比率ｋは動作量ｍと抑制量ｎの比として以下の式で表される。
（１８ａ）（１８ｂ）式には誤差信号δｘ、δｙが含まれるが、仮に無視できる大きさであると仮定し、差電流検出手段５ａで求められたＳ２ｘ及び和電流検出手段５ｂで求められたＳ２ｙを用いて（１９）式で表される動作比率ｋを求める手法を以下に示す。
（２０ａ）式の動作量ｍは図１の動作量演算手段６ａで（２１ａ）式のとおり求められる。
上記（２１ａ）式、（２２）式で求められた動作量ｍ、動作比率ｋは、（１８ａ）、（１８ｂ）式に示す誤差成分δｘおよびδｙが仮に無視できる大きさであると仮定して求めているが、誤差成分の大きさは、事故電流の大きさおよび適用される電流センサの感度によって変動する。しかしながら外部事故発生時と、内部事故発生時に動作比率ｋに大きな差異があれば、判定手段８において、事故が保護区間の内部であるか、外部であるかを判別することができる。
以下に実際の電力系統において前記手法により、事故が保護区間の内部であるか、外部であるかを判別することが可能であることを計算により確認する。
想定する電力系統の最大事故電流を３３ｋＡとし、直流分が１００％重畳されたものとし、時定数τ＝１００ｍｓとする。適用する光ファイバセンサは従来技術と同様の、波長１５５０ｎｍの鉛ガラスファイバ型光電流センサであるとし、そのベルデ定数Ｖは３．９３×１０−６［ｒａｄ／Ａ］を用いる。
電力系統の保護区間９に対して、外部事故、内部事故の各々の事故ケースについて、本発明の光電流センサを用いた保護継電装置の動作を説明するために、従来の技術で説明したのと同様に図２の系統図を用いる。
外部事故は図２に示す系統において事故箇所ｆ１とｆ３の２通りが考えられるが、どちらも同等と考えられるのでここではｆ１を外部事故の代表例とする。
内部事故のケースは、電源配置が両端か、ｆ１側の片端電源、ｆ３側の片端電源の３通りが考えられる。片側電源はｆ１側、ｆ３側でも同様と考えられるのでｆ１側を代表例とする。
両側電源配置における事故発生のケースでは、ｉ１、ｉ２は
片端電源配置における事故発生のケースでは、
図３は（２２）式より求められた動作比率ｋが内部事故と外部事故において十分大きな差があることを説明するための図であり、先に示した事故電流の値、光ファイバの定数を、（１４）、（５ａ）、（５ｂ）、（６）、（１７）、（２１ａ）、（２１ｂ）、（２２）式に代入し、計算により求めたものである。
なお、動作量演算手段６ａ及び抑制量演算手段６ｂで電源周波数成分の実効値｜Ｓ２ｘ｜、｜Ｓ２ｘ＋Ｓ２ｙ｜及び｜Ｓ２ｘ−Ｓ２ｙ｜を求める手段として、従来技術と同様に以下のアルゴリズムで計算した。
サンプリング ：電気角３０度
ディジタルフィルタ：Ｄ．Ｆ．１ｆ＝（１−Ｚ−６）（１＋Ｚ−１＋Ｚ−２＋Ｚ−３）
実効値演算 ：実効値２＝Ｃｎ−３ ２−Ｃｎ・Ｃｎ−６
図３（ａ）は（１４）式で表される直流分が重畳された事故電流ｉ１（ｔ）を示しており、事故電流ｉ１＝３３ｋＡの波形を示している。図３（ｂ）ないし（ｄ）は外部事故のケースであり、図３（ｂ）は動作量ｍを、図３（ｃ）は抑制量ｎを、図３（ｄ）は動作比率ｋをそれぞれ示している。事故電流はｉ１＝３３ｋＡ、２４ｋＡ、１５ｋＡ、９ｋＡの４通りを示している。
同様に図３（ｅ）ないし図３（ｇ）は内部事故両側電源配置の場合であり、図３（ｅ）は動作量ｍを、図３（ｆ）は抑制量ｎを図３（ｇ）は動作比率ｋをそれぞれ示している。事故電流は以下の４通りを示している。
ｉ１＝＋１６．５ｋＡ、ｉ２＝＋１６．５ｋＡ、
ｉ１＝＋１２．０ｋＡ、ｉ２＝＋１２．０ｋＡ、
ｉ１＝＋ ７．５ｋＡ、ｉ２＝＋ ７．５ｋＡ、
ｉ１＝＋ ４．５ｋＡ、ｉ２＝＋ ４．５ｋＡ
図３（ｈ）ないし図３（ｊ）は内部事故片端電源配置の場合であり、図３（ｈ）は動作量ｍを、図３（ｉ）は抑制量ｎを図３（ｊ）は動作比率ｋをそれぞれ示している。事故電流はｉ１＝３３ｋＡ、２４ｋＡ、１５ｋＡ、９ｋＡの４通りを示している。
外部事故ケースの動作比率ｋを示す図３（ｄ）と、内部事故両側電源配置、内部事故片側電源配置の各ケースにおける動作比率ｋを示す図３（ｇ）、図３（ｊ）を比較すると明らかなように、動作比率ｋは内部事故ケースにおいては片端電源の場合および両端電源の場合とも１００％であるが、外部事故ケースでは一時的に２０数％まで上昇しているが内部事故と比較するとあきらかに小さな値である。
よって動作比率整定値ｋ２を決定するには、外部事故において一時的に上昇する動作比率ｋの値より大きな値を設けることにより、判定手段８において動作量ｍが動作量整定値ｋ１より大きいとしても、動作比率ｋが動作比率整定値ｋ２より小さいならば外部事故であると判定し、保護継電装置の不要動作を防ぐことができる。
図４は本発明の光電流センサを用いる保護継電装置の他の実施の形態例を示す説明図である。以下の説明では、前記従来の技術及び前記実施の形態で参照した図及び式において、同一もしくは相当する部分には同一符号を付してその説明は省略する。
第一の光電流センサ１、第二の光電流センサ２、光源１２、光信号処理回路４ａ、光ファイバ伝送手段３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、第一の光信号処理部４ａ、第二の光信号処理部４ｂ、差電流検出手段５ａ、和電流検出手段５ｂと、差電流検出手段５ａの出力および和電流検出手段５ｂからの出力から個別の入出力電流を求める補正演算手段５ｃ、補正演算手段５ｃの出力から動作量を求める動作量演算手段６ｃ、補正演算手段５ｃの出力から抑制量を求める抑制量演算手段６ｄ、動作量演算手段６ｃの出力および抑制量演算手段６ｄの出力から動作比率を求める動作比率演算手段７、動作量検出手段６ｃの出力及び動作比率演算手段７の出力より電力系統の保護区間内の事故か区間外の事故かを判別する判定手段８より構成される。
ここで、（５ａ）、（５ｂ）式に対して、（７）式の近似を用いて、以下のように書き改める。
次に、差電流検出手段５ａからの出力Ｓ２ｘ、和電流検出手段５ｂからの出力Ｓ２ｙを補正演算手段５ｃにおいて、以下の通り誤差成分α０ ２（ｉ１・ｉ２）を除去する。すなわち、（２７ａ）から（２７ｃ）に示すとおり、Ｓｚ１、Ｓｚ２、Ｓｚ３を定義し、（２８ａ）、（２８ｂ）式のとおりｉ１、ｉ２を求める。
図５は（３０）式より求められた動作比率ｋが内部事故と外部事故において十分大きな差があることを説明するための図であり、前記実施の形態の図３を示す際の計算に用いたのと同様の条件のもとに計算した結果を示すものである。
図５（ａ）は（１４）式で表される直流分が重畳された事故電流ｉｎ（ｔ）を示しており、事故電流実効値Ｉｎ＝３３ｋＡの波形を示している。図５（ｂ）ないし（ｄ）は外部事故のケースであり、図５（ｂ）は動作量ｍを、図５（ｃ）は抑制量ｎを図５（ｄ）は動作比率ｋを示している。事故電流はｉ１＝３３ｋＡ、２４ｋＡ、１５ｋＡ、９ｋＡの４通りを示している。
同様に図５（ｅ）ないし図５（ｇ）は内部事故両側電源配置の場合であり、図５（ｅ）は動作量ｍを、図５（ｆ）は抑制量ｎを図５（ｇ）は動作比率ｋを示している。事故電流は以下の４通りを示している。
ｉ１＝＋１６．５ｋＡ、ｉ２＝＋１６．５ｋＡ、
ｉ１＝＋１２．０ｋＡ、ｉ２＝＋１２．０ｋＡ、
ｉ１＝＋ ７．５ｋＡ、ｉ２＝＋ ７．５ｋＡ、
ｉ１＝＋ ４．５ｋＡ、ｉ２＝＋ ４．５ｋＡ
図５（ｈ）ないし図５（ｊ）は内部事故片端電源配置の場合であり、図５（ｈ）は動作量ｍを、図５（ｉ）は抑制量ｎを図５（ｊ）は動作比率ｋを示している。事故電流はｉ１＝３３ｋＡ、２４ｋＡ、１５ｋＡ、９ｋＡの４通りを示している。
外部事故時ケースの図５（ｄ）と、内部事故ケースの図５（ｇ）、図５（ｊ）を比較すると明らかなように、動作比率ｋは内部事故ケースにおいては片端電源の場合および両端電源の場合とも１００％であるが、外部事故ケースでは動作比率ｋが一時的に５％まで上昇しているが内部事故と比較するとあきらかに小さな値である。
上記のように内部故障発生時に一時的に上昇する動作比率ｋの値より大きな値の動作比率整定値ｋ２を設けることにより、判定手段８において動作量ｍが動作量整定値ｋ１より大きいとしても、動作比率ｋが動作比率整定値ｋ２より小さいならば外部事故であると判定し、保護継電装置の不要動作を防ぐことができる。
産業上の利用の可能性
以上説明したように、本発明による光電流センサによる保護継電装置によれば外部事故が発生したとしてもリレーの不要動作を防ぐことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明による実施の形態を示し、光電流センサを用いる保護継電装置を説明する構成図である。
図２は、本発明による実施の形態を示し、光電流センサを用いる保護継電装置を説明する系統図である。
図３は、本発明の実施の形態に従って事故電流を測定したときの出力波形の一例である。
図４は、本発明による他の実施の形態を示し、光電流センサを用いる保護継電装置を説明する構成図である。
図５は、本発明による他の実施の形態に従って事故電流を測定したときの出力波形の一例である。
図６は、従来技術の光電流センサを用いる保護継電装置の説明図である。
図７は、従来技術に従って事故電流を測定したときの出力波形の一例である。
Claims (15)
- 電力系統の保護区間の両端に入出力電流を個別に測定する二台の第一及び第二の光電流センサを配置し、前記第一及び第二の光電流センサは入射端と、前記入射端に設けられた偏光子の偏光方向に対してプラス４５度及びマイナス４５度の二つの偏光方向で検光を行う検光子と、それぞれの検光成分に対する出射端とを有しており、光源と前記第一の光電流センサとの間、前記第一及び第二の光電流センサ同士の間および前記第二の光電流センサと光信号処理部の間を光ファイバ伝送路で接続し、前記光信号処理部の出力信号から差電流成分を検出する差電流検出手段と、前記光信号処理部の出力信号から和電流成分を検出する和電流検出手段と、前記差電流検出手段の出力から動作量を求める動作量演算手段と、前記差電流検出手段の出力と前記和電流検出手段の出力から抑制量を求める抑制量演算手段と、前記動作量演算手段の出力と前記抑制量演算手段の出力から動作比率を求める動作比率演算手段と、前記動作量演算手段の出力と前記動作比率演算手段の出力より前記電力系統の保護区間内の事故か保護区間外の事故かを判別する判定手段とを備えた光電流センサを用いる保護継電装置。
- 電力系統の保護区間の両端に入出力電流を個別に測定する二台の第一及び第二の光電流センサを配置し、前記第一及び第二の光電流センサは入射端と、前記入射端に設けられた偏光子の偏光方向に対してプラス４５度及びマイナス４５度の二つの偏光方向で検光を行う検光子と、それぞれの検光成分に対する出射端とを有しており、光源と前記第一の光電流センサとの間、前記第一及び第二の光電流センサ同士の間および前記第二の光電流センサと光信号処理部の間を光ファイバ伝送路で接続し、前記光信号処理部の出力信号から差電流成分を検出する差電流検出手段と、前記光信号処理部の出力信号から和電流成分を検出する和電流検出手段と、前記差電流検出手段の出力と前記和電流検出手段の出力から個別の入出力電流を求める補正演算手段と、前記補正演算手段の出力から動作量を求める動作量演算手段と、前記補正演算手段の出力から抑制量を求める抑制量演算手段と、前記動作量演算手段の出力と前記抑制量演算手段の出力から動作比率を求める動作比率演算手段と、前記動作量演算手段の出力と前記動作比率演算手段の出力より前記電力系統の保護区間内の事故か保護区間外の事故かを判別する判定手段とを備えた光電流センサを用いる保護継電装置。
- 保護区間を有する電力系統の事故を監視するための保護継電装置であって、前記保護継電装置は、
所定の光信号を出射する光源と、
前記の電力系統の保護区間の一端側に配置された第１の光電流センサであって、該第１の光電流センサは、前記光源からの前記光信号を受け、前記電力系統の保護区間の一端側に流れる第１の電流の大きさに比例して前記の光信号の偏波面を回転させ、偏波面が回転させられた前記光信号のうち少なくとも一方向の成分の第１の光信号を放射する第１の光電流センサと、
前記の電力系統の保護区間の他端側に配置された第２の光電流センサであって、該第２の光電流センサは、前記第１の光電流センサからの前記第１の光信号を受け、前記電力系統の保護区間の他端側に流れる第２の電流の大きさに比例して、前記第１の光信号の偏波面をさらに回転させ、偏波面がさらに回転させれた前記第１の光信号のうちの一方向成分の第２の光信号と他方向成分の第３の光信号とを放射する第２の光電流センサと、
前記第２の光信号から、前記第１の電流と前記第２の電流との差である差電流出力を求める第１の光信号処理部と、
前記第３の光信号から、前記第１の電流と前記第２の電流との和である和電流出力を求める第２の光信号処理部と、
前記第１の光信号処理部の前記差電流出力を検出する差電流検出手段と、
前記第２の光信号処理部の前記和電流出力を検出する和電流検出手段と、
前記差電流検出手段の出力から動作量を求める動作量演算手段と、
前記差電流検出手段の出力と前記和電流検出手段の出力とから抑制量を求める抑制量演算手段と、
前記動作量演算手段の出力と前記抑制量演算手段の出力とから動作比率を求める動作比率演算手段と、
前記動作量演算手段の出力と前記動作比率演算手段の出力とにより前記電力系統の前記保護区間の内側の事故か前記保護区間の外側の事故かを判別する判定手段とを備えた保護継電装置。 - 請求項３に記載の保護継電装置において、
前記第１の光電流センサは、
前記光源からの所定の光信号を直線偏光の信号とするための第１の偏光子と、
前記第１の偏光子から出力された前記直線偏光の信号を受光し、前記第１の電流によって発生する磁界によるファラデー効果により、前記第１の電流の大きさに比例して前記直線偏光の信号の偏波面を所定角度だけ回転させる第１のファラデー素子と、
前記第１のファラデー素子から出力された前記直線偏光の信号を少なくともｘ方向の成分の光信号とｙ方向の成分の光信号とに分ける第１の検光子とを備え、このうちｘ方向の成分の光信号が、前記第１の光信号である保護継電装置。 - 請求項４に記載の保護継電装置において、
前記第２の光電流センサは、
前記第１の検光子からの前記第１の光信号を直線偏光の信号とするための第２の偏光子と、
前記第２の偏光子から出力された前記直線偏光の信号を受光し、前記第２の電流によって発生する磁界によるファラデー効果により、前記第２の電流の大きさに比例して、前記第２の偏光子から出力された前記直線偏光の信号の偏波面を所定角度だけ回転させる第２のファラデー素子と、
前記第２のファラデー素子から出力された前記直線偏光の信号を、ｘ方向成分の前記第２の光信号とｙ向成分の前記第３の光信号とに分ける第２の検光子とを備えた保護継電装置。 - 請求項５に記載の保護継電装置において、
前記第１の光信号の偏波方向は、前記第２の光信号の偏波方向と同一となっている保護継電装置。 - 請求項６に記載の保護継電装置において、
前記第１の光信号処理部は、
前記第２の光電流センサの前記第２の検光子から出力された前記第２の光信号を、電気信号に変換するための第１の光電変換器と、
前記第１の光電変換器から出力された電気信号から直流成分を取り出す第１のローパスフィルタ回路と、
前記第１の光電変換器から出力された電気信号から交流成分を取り出す第１のハイパスフィルタ回路と、
前記交流成分を前記直流成分で除して、前記差電流出力を得るための第１の割算器とを備えた保護継電装置。 - 請求項７に記載の保護継電装置において、
前記第２の光信号処理部は、
前記第２の光電流センサの前記第２の検光子から出力された前記第３の光信号を、電気信号に変換するための第２の光電変換器と、
前記第２の光電変換器から出力された電気信号から直流成分を取り出す第２のローパスフィルタ回路と、
前記第２の光電変換器から出力された電気信号から交流成分を取り出す第２のハイパスフィルタ回路と、
前記交流成分を前記直流成分で除して、前記和電流出力を得るための第２の割算器とを備えた保護継電装置。 - 請求項８に記載の保護継電装置において、
前記第１の電流の、前記保護区間の外側から前記保護区間の内側への流入方向がプラスであり、
前記第１の電流の、前記保護区間の内側から前記保護区間の外側への流出方向がマイナスであり、
前記第２の電流の、前記保護区間の外側から前記保護区間の内側への流入方向がプラスであり、
前記第２の電流の、前記保護区間の内側から前記保護区間の外側への流出方向がマイナスである保護継電装置。 - 請求項９に記載の保護継電装置において、
前記第１の光電流センサ内の光の伝搬方向が、当該第１の光電流センサが検出する前記第１の電流によって発生する磁界方向と一致するように設けられており、
前記第２の光電流センサ内の光の伝搬方向が、当該第２の光電流センサが検出する第２の電流によって発生する磁界と一致するように設けられている保護継電装置。 - 請求項１０に記載の保護継電装置において、
前記第１の検光子は、前記第１の偏光子に対して４５°の角度に設置されている保護継電装置。 - 請求項１１に記載の保護継電装置において、
前記第２の検光子は、前記第２の偏光子に対して４５°の角度に設置されている保護継電装置。 - 保護区間を有する電力系統の事故を監視するための保護継電装置であって、前記保護継電装置は、
所定の光信号を出射する光源と、
前記の電力系統の保護区間の一端側に配置された第１の光電流センサであって、該第１の光電流センサは、前記光源からの前記光信号を受け、前記電力系統の保護区間の一端側に流れる第１の電流の大きさに比例して前記の光信号の偏波面を回転させ、偏波面が回転させられた前記光信号のうち少なくとも一方向の成分の第１の光信号を放射する第１の光電流センサと、
前記の電力系統の保護区間の他端側に配置された第２の光電流センサであって、該第２の光電流センサは、前記第１の光電流センサからの前記第１の光信号を受け、前記電力系統の保護区間の他端側に流れる第２の電流の大きさに比例して、前記第１の光信号の偏波面をさらに回転させ、偏波面がさらに回転させれた前記第１の光信号のうちの一方向成分の第２の光信号と他方向成分の第３の光信号とを放射する第２の光電流センサと、
前記第２の光信号から、前記第１の電流と前記第２の電流との差である差電流出力を求める第１の光信号処理部と、
前記第３の光信号から、前記第１の電流と前記第２の電流との和である和電流出力を求める第２の光信号処理部と、
前記第１の光信号処理部の前記差電流出力を検出する差電流検出手段と、
前記第２の光信号処理部の前記和電流出力を検出する和電流検出手段と、
前記差電流検出手段の出力と前記和電流検出手段の出力とから個別の入出力電流を求める補正演算手段と、
前記補正演算手段の出力から動作量を求める動作量演算手段と、
前記補正演算手段の出力から抑制量を求める抑制量演算手段と、
前記動作量演算手段の出力と前記抑制量演算手段の出力とから動作比率を求める動作比率演算手段と、
前記動作量演算手段の出力と前記動作比率演算手段の出力とにより前記電力系統の保護区間の内側の事故か保護区間の外側の事故かを判別する判定手段とを備えた保護継電装置。 - 保護区間を有する電力系統の事故を検出するための方法であって、
前記の電力系統の保護区間の一端側に第１の光電流センサを配置するステップと、
前記第１の光電流センサにより、前記電力系統の保護区間の一端側に流れる第１の電流の大きさを感知するステップと、
前記の電力系統の保護区間の他端側に第２の光電流センサを配置するステップと、
前記第２の光電流センサにより、前記電力系統の保護区間の他端側に流れる第２の電流の大きさを感知するステップと、
前記第１の電流と前記第２の電流との差である差電流出力を求めるステップと、
前記第１の電流と前記第２の電流との和である和電流出力を求めるステップと、
前記差電流出力から動作量を求めるステップと、
前記差電流出力と前記和電流出力とから抑制量を求めるステップと、
前記動作量と前記抑制量とから動作比率を求めるステップと、
前記動作量と前記動作比率出力とにより前記電力系統の保護区間の内側の事故か保護区間の外側の事故かを判別するステップとを備えた、電力系統の事故を検出するための方法。 - 保護区間を有する電力系統の事故を検出するための方法であって、
前記の電力系統の保護区間の一端側に第１の光電流センサを配置するステップと、
前記第１の光電流センサにより、前記電力系統の保護区間の一端側に流れる第１の電流の大きさを感知するステップと、
前記の電力系統の保護区間の他端側に第２の光電流センサを配置するステップと、
前記第２の光電流センサにより、前記電力系統の保護区間の他端側に流れる第２の電流の大きさを感知するステップと、
前記第１の電流と前記第２の電流との差である差電流出力を求めるステップと、
前記第１の電流と前記第２の電流との和である和電流出力を求めるステップと、
前記差電流出力と前記和電流出力とから個別の入出力電流を求めるステップと、
前記入出力電流から動作量を求めるステップと、
前記入出力電流から抑制量を求めるステップと、
前記動作量と前記抑制量とから動作比率を求めるステップと、
前記動作量と前記動作比率とにより前記電力系統の保護区間の内側の事故か保護区間の外側の事故かを判別するステップとを備えた、電力系統の事故を検出するための方法。
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