JPWO2004042883A1 - 保護継電器 - Google Patents

Abstract

本発明は、商用側母線と重要負荷用電源側母線との連系点に連系用遮断器を配置した系統の保護継電器であって、逆電力検出手段を設けたことにより、商用電源側開放事故時には連系用遮断器を動作させることにより、逆電力の流出を防止して、重要負荷を保護する。また、方向短絡要素の動作の有無により、負荷側で発生した短絡事故が一般負荷側で発生したものであることを判定し、その場合には連系用遮断器を動作させ、重要負荷側で発生したものであると判定した場合には連系用遮断器を動作させないことにより、重要負荷を保護する。

Description

本発明は保護継電器に関し、特に、商用側母線と自家用発電機側母線等の重要負荷用電源側母線との連系点に遮断器が配置された系統において用いられる系統連系用の保護継電器に関する。

従来の系統連系用の保護継電器は図５の回路構成で使用する。この図は簡略化のために単線図にしているが、実際は三相３線の線路にて構成される。図５において、１は自家用発電機を示し、２は自家用発電機側母線であり、３は自家用発電機１により電力供給される重要負荷を示している。また、４は商用電力の引き込み口を示し、５は商用側母線であり、６は引き込み口４により引き込まれる商用電力により電力供給される一般負荷を示している。自家用発電機側母線２と商用母線５とは連系用遮断器７により連系されている。８および９は、それぞれ、商用側母線５から商用電力の引き込み口４への電線上に設置された電圧変成器および電流変成器である。１０は保護継電器であり、電圧変成器８および電流変成器９により取り込んだ電圧および電流を用いて、不足電圧要素および方向短絡要素を検出し、短絡事故等の故障を検出した際には、遮断器７に遮断器開放信号を出力する。
動作について説明する。上述したように、自家用発電機側母線２と商用側母線５とは遮断器７を介して連系されており、連系用遮断器７の動作は保護継電器１０により制御される。保護継電器１０は、不足電圧要素（不足電圧検出手段）および方向短絡要素（方向短絡要素）を有し、センサとして用いる電圧変成器８および電流変成器９を、商用側母線５から商用電力の引き込み口４への受電側の電線上に配置している。
不足電圧要素は、電圧変成器８により検出された電圧３相の電圧値が低下して一定値以下になるのを検出するもので、重要負荷３側および一般負荷６側にて短絡事故が発生した場合に動作するものである。
方向短絡要素は、商用電力の変電設備への流出無効電力を検出するもので、電力会社の変電設備の短絡事故発生時に動作するものである。
このため、商用電力の引き込み口４にて開放事故が発生した場合には、保護継電器１０の方向短絡要素が動作しないため、連系用遮断器７が動作しないおそれがある。その際、自家用発電機１は一般負荷６側への電力供給を負担する。これにより、自家用発電機１が過負荷運転となり、自家用発電機１が損傷してしまうおそれがある。
一方、重要負荷３側および一般負荷６側にて発生する短絡事故１３および１２に対しては、不足電圧要素が動作し、連系用遮断器７が動作する。一般負荷６側にて短絡事故１２が発生した場合は、連系用遮断器７を切離すことで重要負荷３における電圧低下を抑制することが出来る。しかしながら、重要負荷３側にて短絡事故１３が発生した場合は、連系用遮断器７が動作した後も、自家用発電機１から短絡電流を供給することになり、過負荷状態となる。その後、短絡事故１３の事故点をフィーダ用遮断器１１により切離すと、軽負荷状態に変動し、負荷が正常に復帰する。この一連の動作により、自家用発電機１のトルク変動が大きくなるので、自家用発電機１に損傷が発生し、重要負荷３を保護することができない。
このように、従来の保護継電器においては、商用電源側開放事故と重要負荷側短絡事故の際に重要負荷および自家用発電機を保護できない場合が発生してしまうおそれがあった。

本発明は、商用電源側開放事故と重要負荷側短絡事故の際にも、重要負荷および重要負荷用電源を保護することが可能な保護継電器である。なお、本発明においては、重要負荷用電源として、例えば、自家用発電機や、燃料電池等の発電設備、あるいは、信頼性の高い商用電源などがすべて含まれる。
本発明の保護継電器は、商用電源側開放事故時に連系用遮断器を確実に動作させるように、逆電力要素が付加されている。また、保護継電器のセンサとして用いられる電圧変成器と電流変成器の取付位置を連系用遮断器の商用母線側に変更し、重要負荷側の短絡事故と一般負荷側の短絡事故とを判別できるようにする。
商用電源側開放事故時には、重要負荷用電源が一般負荷への電力供給を負担し、重要負荷へ供給されている電圧が低下するおそれがあるため、連系用遮断器を開放し、重要負荷を保護する。
また、重要負荷側短絡事故時には、それが重要負荷側の短絡事故なのか、それとも、一般負荷側の短絡事故なのかを方向短絡要素の検出の有無により判別し、重要負荷側で発生した短絡事故であることを検出した場合には、連系用遮断器を動作させずに、重要負荷側の事故点をフィーダ用遮断器により切離し、過負荷状態を正常な状態に復帰させることで、重要負荷用電源を損傷から保護する。
すなわち、本発明は、一般負荷が接続された商用側母線と重要負荷が接続された重要負荷用電源側母線との連系点に連系用遮断器を配置した系統に設けられた保護継電器であって、上記商用側母線における電圧および電流がそれぞれ入力される入力手段と、上記電圧および上記電流の値に基づいて、重要負荷用電源側母線から商用側母線への逆方向の電力流出を検出する逆電力検出手段と、上記逆電力検出手段が逆方向の電力流出を検出したときに、上記連系用遮断器を開放するための遮断器開放信号を出力する遮断器開放信号出力手段とを備えている。
また、上記電圧および上記電流の値に基づいて、上記商用側母線の電圧値が所定の一定値以下になることを検出することにより、上記一般負荷側および上記重要負荷側のいずれかにて短絡事故が発生したと判定する不足電圧検出手段と、上記電圧および上記電流の値に基づいて、流出無効電力の有無を検出することにより、上記不足電圧検出手段により検出された上記短絡事故が上記一般負荷側および上記重要負荷側のいずれにおいて発生したかを判定する方向短絡検出手段と、上記方向短絡検出手段が上記短絡事故が上記一般負荷側で発生したと判定したときに、上記連系用遮断器を開放するための遮断器開放信号を出力する遮断器開放信号出力手段とを備えている。

図１は、本発明による保護継電器を適用する回路の一例を示した回路図である。
図２は、本発明による保護継電器の内部構成を示した構成図である。
図３は、本発明による保護継電器の逆電力要素および方向短絡要素の判定領域を示した説明図である。
図４は、本発明による保護継電器の逆電力要素、方向短絡要素、および、不足電圧要素の検出内容と保護内容とを示した説明図である。
図５は、従来の保護継電器を適用した回路の一例を示した回路図である。

実施の形態１．
本発明の保護継電器は、商用電源側と重要負荷用電源側を連系する母線に設置される連系用遮断器を制御するものである。図１に本発明の保護継電器１４を適用した系統の回路の一例を示し、図２に、本発明の保護継電器１４の内部構成を示す。なお、図１において、図５と同一の構成については、同一符号を付して示し、ここではその説明を省略する。また、本発明の重要負荷用電源としては、例えば、自家用発電機や、燃料電池等の発電設備、あるいは、信頼性の高い商用電源など、信頼性の高い電源装置であれば、すべて含まれるが、以下の説明においては、重要負荷用電源として、自家用発電機を例に挙げて説明する。
図１の構成と図５に示した上述の従来例との相違点の１つは、保護継電器１４への入力用となる電圧変成器１５および電流変成器１６の取付位置が連系用遮断器７の商用母線５側に変更されたことである。この時、連系用遮断器７と電圧変成器１５および電流変成器１６との間には負荷の接続がない状態とする。この構成により、負荷側で短絡事故が発生した場合には、それが、重要負荷側の短絡事故なのか、それとも、一般負荷側の短絡事故なのかを判別し、重要負荷側で発生した短絡事故であることを検出した場合には、連系用遮断器を動作させずに、重要負荷側の事故点をフィーダ用遮断器により切離し、過負荷状態を正常な状態に復帰させることで、自家用発電機を損傷から保護する。
また、相違点の２つ目として、保護継電器１４が、不足電圧要素の代わりに、逆電力要素（逆電力検出手段）を有している。これにより、本発明による保護継電器１４は、方向短絡要素、および、逆電力要素を有することになる。図４に、これらの要素の検出内容と保護内容とを示す。図４に示されるように、逆電力要素は、自家用発電機側母線２から商用側母線５に電力が流出することを検出するもので、商用電力の引き込み口４からの送電停止のときに動作するものである。逆電力要素を付加したことにより、従来は検出できなかった商用電力の引き込み口４にての開放事故発生時に当該開放事故を確実に検出して、連系用遮断器７が動作するようにし、逆電力の流出を防止して、電圧低下を抑制し、重要負荷３および自家用発電機１を保護する。
保護継電器１４内には、図２に示すように、電圧変成器１５および電流変成器１６にて検出された電圧３相および電流３相の値が入力され、それらを増幅する増幅回路１７と、増幅回路１７から出力された信号が入力されて、それらの所定の周波数成分のみを通過させるフィルタ回路１８と、フィルタ回路１８から出力されたアナログ信号が入力されて、アナログ／デジタル変換するＡ／Ｄ変換器１９と、デジタル変換された当該信号が入力されて、それらに基づき、不足電圧要素、逆電力要素および短絡方向要素を監視することにより、故障を検出する演算処理部２０が設けられている。
動作について説明する。まず、電圧変成器１５および電流変成器１６からの入力が、保護継電器１４の内部に入力され、保護継電器１４内部の増幅回路１７およびフィルタ回路１８を通してＡ／Ｄ変換器１９への入力に変換され、Ａ／Ｄ変換器１９にてアナログデータからデジタルデータに変換され、変換されたデジタルデータを演算処理部２０に入力し、演算処理部２０にて故障判定を行う。故障を検出した場合は、連系用遮断器７を遮断するための連系用遮断器開放信号を出力し、連系用遮断器７を開放する。
保護継電器１４の演算処理部２０では、Ａ／Ｄ変換器１９から取り込んだデジタルデータから連系点にて移動する電力を演算し、逆電力要素および短絡方向要素の判定を実施する。図３に、それぞれの判定領域を示す。図３において、有効電力（プラス，マイナス）と無効電力（進み，遅れ）を直交軸とし、それぞれの要素の判定領域を符号３０で示す。すなわち、ハッチングを施している範囲３０に無効電力演算結果および有効電力演算結果の両方が入っている場合に、逆電力要素および短絡方向要素のそれぞれが動作する。この時の電力演算は、商用側母線５から自家用発電機側母線２に流れる方向を正方向とする。図３から明らかなように、逆電力要素に関しては有効電力演算結果がマイナスになった時に動作し、短絡方向要素に関しては無効電力演算結果が進み方向になった時に動作する。商用電源側開放事故時は、自家用発電機１から一般負荷６に有効電力を供給するため、逆電力要素が検出されるので、それにより、連系用遮断器７を開放して逆電力の流出を防止し、電圧低下を抑制することにより、重要負荷３を保護する。
以上のように、本実施の形態においては、商用電源側開放事故で発生する自家用発電機１の過負荷状態を逆電力要素により検出し、連系用遮断器７を開放することにより、その過負荷状態を速やかに回復し、自家用発電機１の電圧低下を抑制することで重要負荷３を保護することができる。
なお、本実施の形態においては、保護継電器１４が、方向短絡要素、および、逆電力要素の２つを有している場合について説明したが、その場合に限らず、商用電源側の開放事故を検出するためには、逆電力要素のみでよい。
実施の形態２．
上述の実施の形態１で示される回路において、一般負荷６側の短絡事故１２が発生した場合は、無効電力が進み方向として検出されるため、方向短絡要素が検出される。従って、本実施の形態においては、これにより、連系用遮断器７を開放し、無効電力の流出および電圧低下を防止する。
一方、重要負荷３側の短絡事故１３が発生した場合には、無効電力が遅れ方向として検出されるため、方向短絡要素は検出されない。このときは、連系用遮断器７を開放させずに、短絡事故１３の事故点においては商用電源側から供給される電流により自家用発電機１からの供給電流を抑制し、短絡事故１３の事故点をフィーダ用遮断器１１の開放にて切り離し、負荷を正常な状態に復帰させる。これにより、自家用発電機１の損傷を防止し、重要負荷３および自家用発電機１の継続運転が可能となる。
なお、短絡事故１３の発生か否かの判定方法としては、例えば、図１に示すように、遮断器１１に対して、フィーダ用保護リレー（個別保護用センサ・リレー）２１を予め設けておき、符号１３の箇所で事故が発生した場合には、保護継電器１４の短絡方向要素はそれを検出しないため、フィーダ用保護リレー２１にて、過電流要素を検出し、遮断器１１への開放指令を出力して、遮断器１１を開放するようにすればよい。なお、図１においては、フィーダ用保護リレー２１を遮断器１１にのみ設けているが、これは図の簡略化を図るためで、実際には、各遮断器に対してフィーダ用保護リレーを設けることが望ましい。
以上のように、重要負荷３側と一般負荷６側の短絡事故１３および１２の発生時には、いずれの短絡事故かを方向短絡要素の検出の有無により判別し、重要負荷３側の短絡事故１３の発生時には、連系用遮断器７を開放しないことで、自家用発電機１の損傷を防止し、重要負荷３および自家用発電機１の継続運転を可能とすることができる。
なお、本実施の形態においては、保護継電器１４が、方向短絡要素、および、逆電力要素の２つを有している場合について説明したが、その場合に限らず、重要負荷側または一般負荷側の短絡事故を検出するためには、方向短絡要素のみでよい。
実施の形態３．
上述の実施の形態１、２においては、自家用発電機の過負荷状態や重要負荷側の短絡事故を高速に検出し、連系用遮断器７に連系用遮断器開放信号を出力する例について説明したが、本実施の形態においては、この連系用遮断器７に半サイクル遮断が可能である高速遮断器を用いて解列システムとしての全遮断時間を高速化する。
保護継電器１４の動作時間を故障発生による異常開始から５ｍｓ以下とし、高速遮断器からなる連系用遮断器７の遮断時間を１１．４ｍｓ以下とすると、全遮断時間（故障検出から遮断器開放までの時間）は、これらの和で表されるため、１６．４ｍｓ以下の動作が可能となり、故障発生から１サイクル以下にて解列が可能となる。
このように、本実施の形態においては、故障発生から１６．４ｍｓ以下の解列が可能となるため、接続されている重要負荷３を保護することができる。
実施の形態４．
本実施の形態においては、上述の実施の形態１、２において保護継電器１４が用いている方向短絡要素と逆電力要素に加えて、演算処理部２０に事故時の電圧低下を高速に判定する不足電圧要素をさらに付加し、電圧低下による重要負荷３への影響を抑制することが可能となる。図４に、それぞれの要素の検出内容と保護内容とを示す。
実施の形態１で示される回路において、重要負荷３側および一般負荷６側にて短絡事故１３および１２が発生した場合には、いずれの場合にも不足電圧要素が動作する。従って、不足電圧要素の動作だけでは、いずれの負荷側での短絡事故の発生かを判別することはできない。
そのため、本実施の形態においては、不足電圧要素の検出により負荷側の短絡事故を検出し、方向短絡要素の検出により、その負荷側の短絡事故が、重要負荷側と一般負荷側のいずれの負荷側の短絡事故であるかを判別する。
なお、不足電圧要素の動作と方向短絡要素の動作との両方をそれぞれ別個に検出して、負荷のうち、いずれの負荷側で短絡事故が発生したかを判別してもよいが、ＡＮＤ回路を用いて、不足電圧要素と方向短絡要素の論理積をとって判別するようにしてもよい。
なお、この発明の保護継電器の電圧低下の検出時間は、電圧の低下開始から３．５ｍｓ以下を実現しており、実施の形態３で述べた高速遮断器の遮断時間１１．４ｍｓ以下と組合せて、本実施の形態における全遮断時間は１４．９ｍｓ以下となる。
このように、本実施の形態においては、故障発生から１４．９ｍｓ以下の解列が可能となるため、接続されている重要負荷３を保護することができる。
なお、上記の実施の形態１〜４においては、保護継電器１４に電圧３相および電流３相の値を入力する例について説明したが、その場合に限らず、電圧に関しては、線間電圧を利用しているため、Ｒ−Ｓ相およびＳ−Ｔ相の電圧から残りのＴ−Ｒ相の電圧を求めることが出来るため、２相分の入力でもよく、その場合も同様の効果が得られる。

産業上の利用の可能性

以上のように、本発明にかかる保護継電器は、自家用発電設備を保有する事業所において、商用側母線と自家用発電機側母線を連系する際に使用する不足電圧要素、逆電力要素、短絡方向要素を高速に検出して連系点の遮断器を開放する保護リレーとして有用である。

Claims (5)

1. 一般負荷が接続された商用側母線と重要負荷が接続された重要負荷用電源側母線との連系点に連系用遮断器を配置した系統に設けられた保護継電器であって、
   上記商用側母線における電圧および電流がそれぞれ入力される入力手段と、
   上記電圧および上記電流の値に基づいて、重要負荷用電源側母線から商用側母線への逆方向の電力流出を検出する逆電力検出手段と、
   上記逆電力検出手段が逆方向の電力流出を検出したときに、上記連系用遮断器を開放するための遮断器開放信号を出力する第１の遮断器開放信号出力手段と
   を備えたことを特徴とする保護継電器。
2. 上記電圧および上記電流の値に基づいて、流出無効電力の有無を検出することにより、短絡事故が上記一般負荷側および上記重要負荷側のいずれにおいて発生したかを判定する方向短絡検出手段と、
   上記方向短絡検出手段が上記短絡事故が上記一般負荷側で発生したと判定したときに、上記連系用遮断器を開放するための遮断器開放信号を出力する第２の遮断器開放信号出力手段と
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の保護継電器。
3. 一般負荷が接続された商用側母線と重要負荷が接続された重要負荷用電源側母線との連系点に連系用遮断器を配置した系統に設けられた保護継電器であって、
   上記商用側母線における電圧および電流がそれぞれ入力される入力手段と、
   上記電圧および上記電流の値に基づいて、流出無効電力の有無を検出することにより、上記不足電圧検出手段により検出された上記短絡事故が上記一般負荷側および上記重要負荷側のいずれにおいて発生したかを判定する方向短絡検出手段と、
   上記方向短絡検出手段が上記短絡事故が上記一般負荷側で発生したと判定したときに、上記連系用遮断器を開放するための遮断器開放信号を出力する遮断器開放信号出力手段と
   を備えたことを特徴とする保護継電器。
4. 上記電圧および上記電流の値に基づいて、上記商用側母線の電圧値が所定の一定値以下になることを検出することにより、上記一般負荷側および上記重要負荷側のいずれかにて短絡事故が発生したと判定する不足電圧検出手段をさらに備え、
   上記方向短絡検出手段は、上記電圧および上記電流の値に基づいて、流出無効電力の有無を検出することにより、上記不足電圧検出手段によって検出された上記短絡事故が上記一般負荷側および上記重要負荷側のいずれにおいて発生したかを判定する
   ことを特徴とする請求項２または３に記載の保護継電器。
5. 上記連系用遮断器は、半サイクル遮断が可能な高速遮断器から構成されており、
   上記保護継電器の動作時間を故障発生による異常開始から５ｍｓ以下とし、上記連系用遮断器の遮断時間を１１．４ｍｓ以下としたとき、全遮断時間は故障発生から１サイクル以下であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の保護継電器。

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