(57)【要約】【課題】変圧器を含む交流電流システム中で使用するための電気的保護回路のための制御デバイスを開示する。【解決手段】例示的なシステムは、電気的保護回路内の電気特性を測定するように構成される第1の測定プローブ、第2の測定プローブ、および処理デバイスを含む制御モジュールを含む。制御モジュールは、第1の測定プローブからの測定値を監視し、第1の測定プローブからの測定値が第1の所定の閾値を超えることに基づいて、スイッチ組立体へ保護作動制御信号を送信するように構成される。制御モジュールは、第2の測定プローブからの測定値を監視し、第2の測定プローブからの測定値が第2の所定の閾値を満足することに基づいて、スイッチ組立体へ保護解除制御信号を送信するようにやはり構成される。【選択図】図３
2020174527.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変圧器を含む交流電流システム中で使用するための電気的保護回路のための制御デバイスであって、前記電気的保護回路が、スイッチ組立体を含み、前記スイッチ組立体に基づいて、第1の状態および第2の状態で動作するように構成され、前記第2の状態が保護モードを提供し、前記制御デバイスが、
(a)電気特性を測定するように構成される第1の測定プローブと、
(b)前記電気的保護回路内の電気特性を測定するように構成される第2の測定プローブと、
(c)処理デバイスを含む制御モジュールであって、
(i)前記第1の測定プローブからの測定値を監視し、前記第1の測定プローブからの前記測定値が第1の所定の閾値を超えることに基づいて、前記スイッチ組立体へ保護作動制御信号を送信し、
(ii)前記第2の測定プローブからの測定値を監視し、前記第2の測定プローブからの前記測定値が第2の所定の閾値を満足することに基づいて、前記スイッチ組立体へ保護解除制御信号を送信するための命令を実行するように構成される制御モジュールと
を備える、制御デバイス。
【請求項２】
前記第1の測定プローブが前記スイッチ組立体と直列に電気的に接続される、請求項1に記載の制御デバイス。
【請求項３】
前記第1の測定プローブが、直流電流(DC)および疑似DC電流のうちの少なくとも1つを測定するように構成され、前記制御モジュールが、前記第1の測定プローブからの前記測定値に基づいて、地磁気誘導電流を検出するための命令を実行するようにさらに構成される、請求項2に記載の制御デバイス。
【請求項４】
前記第1の測定プローブが、交流電流(AC)を測定するように構成され、前記制御モジュールが、前記第1の測定プローブからの前記測定値が前記第1の閾値を超えるとの判定に基づいて、警報を生成するように構成される、請求項2に記載の制御デバイス。
【請求項５】
前記第2の測定プローブが、交流電流(AC)を測定するように構成され、前記測定された交流電流(AC)が5,000アンペアを超えると前記第2の所定の閾値が満足される、請求項1に記載の制御デバイス。
【請求項６】
前記第2の測定プローブが、前記スイッチ組立体に並列な経路に電気的に接続される、請求項5に記載の制御デバイス。
【請求項７】
前記第2の測定プローブが、中性点交流電流(AC)を測定するように構成され、前記制御モジュールが、
前記第2の測定プローブからの前記測定値が少なくとも所定の継続時間の間、前記第2の所定の閾値を満足するとの判定に基づいて、前記保護作動制御信号を送信することをディセーブルし、
前記第2の測定プローブからの前記測定値が少なくとも第2の所定の継続時間の間、前記第2の所定の閾値を満足しないとの判定に基づいて、前記保護作動制御信号を送信することをイネーブルするための命令を実行するようにさらに構成される、請求項1に記載の制御デバイス。
【請求項８】
前記第2の測定プローブがDC電圧を測定するように構成され、前記測定されたDC電圧が少なくとも3,600秒の間8ボルトより低いと前記第2の所定の閾値が満足される、請求項1に記載の制御デバイス。
【請求項９】
前記第2の測定プローブが前記変圧器の変圧器中性点と接地との間に電気的に接続される、請求項8に記載の制御デバイス。
【請求項１０】
前記第2の測定プローブが前記変圧器中性点と前記接地との間の開放接続を検出するように構成され、前記制御モジュールが、前記第2の測定プローブからの測定値が少なくとも60秒の間0.5アンペアより低いときは前記第2の測定プローブからの前記測定値が前記第2の所定の閾値を満足するとの判定に基づいて、警報を生成し、前記保護作動制御信号を送信することをディセーブルするように構成される、請求項9に記載の制御デバイス。
【請求項１１】
過電圧保護デバイスを通る電流を測定するように構成される第3の測定プローブをさらに備え、前記制御モジュールが、前記第3の測定プローブからの測定値を監視し、前記第3の測定プローブからの前記測定値が第3の所定の閾値を超えることに基づいて、前記スイッチ組立体に前記解除信号を送信するようにさらに構成される、請求項1に記載の制御デバイス。
【請求項１２】
前記制御モジュールが、前記第3の測定プローブからの前記測定値が前記第3の所定の閾値を超えることに基づいてイベントカウンタを増分するようにさらに構成される、請求項11に記載の制御デバイス。
【請求項１３】
前記制御モジュールが、前記イベントカウンタが所定のイベントカウントを超えると判定すると前記保護モードの作動をディセーブルにするようにさらに構成される、請求項12に記載の制御デバイス。
【請求項１４】
前記制御モジュールが、前記イベントカウンタが所定のイベントカウントを超えると判定すると警報を生成するようにさらに構成される、請求項12に記載の制御デバイス。
【請求項１５】
電流が前記スイッチ組立体を通るのを防止し、交流電流(AC)が前記電気的保護回路のコンデンサバンクを通って接地するのを可能にするように、スイッチを開にすることによって、前記保護作動制御信号が前記電気的保護回路の前記保護モードを作動し、電流が前記スイッチ組立体を通ることを可能にし、前記交流電流(AC)が前記電気的保護回路の前記コンデンサバンクを通って接地するのをディセーブルするように、前記スイッチを閉にすることによって、前記保護解除制御信号が前記電気的保護回路の前記保護モードを非活動化する、請求項1に記載の制御デバイス。
【請求項１６】
前記制御モジュールが、
前記変圧器の変圧器中性点と接地との間の交流電流電圧および直流電流電圧に基づく時間-過電圧値、ならびに前記交流電流電圧または直流電流電圧がプリセット限界を超える時間を計算し、
前記計算された時間-過電圧値が所定の時間-過電圧閾値を超えるとの判定に基づいて、前記保護作動制御信号を送信することをディセーブルするための命令を実行するようにさらに構成される、請求項1に記載の制御デバイス。
【請求項１７】
前記第1の測定プローブが前記電気的保護回路の前記スイッチ組立体を通る電流を測定するように構成され、前記第2の測定プローブが過電圧保護デバイスを通る電流を測定するように構成され、前記制御デバイスが、
前記スイッチ組立体に並列な経路を通る、前記電気的保護回路中の電流を測定するように構成される第3の測定プローブと、
前記変圧器の前記変圧器中性点と接地との間の電圧を測定するように構成される第4の測定プローブと
をさらに備える、請求項1に記載の制御デバイス。
【請求項１８】
変圧器を含む交流電流システム中で使用するための電気的保護回路のための制御デバイスであって、前記電気的保護回路が過電圧保護デバイスを含み、前記制御デバイスが、
(a)前記過電圧保護デバイスを通る電流を測定するように構成される電流プローブと、
(b)処理デバイスを含む制御モジュールであって、
(i)前記電流プローブからの測定値を監視して、前記過電圧保護デバイスがトリガしたことを判定し、
(ii)前記過電圧保護デバイスがトリガすると、過電圧保護デバイストリガカウントを増分し、
(iii)前記過電圧保護デバイストリガカウントが所定のカウント閾値を超えると警報を生成する
ように構成される制御モジュールと
を備える、制御デバイス。
【請求項１９】
前記制御モジュールが、前記電流プローブからの測定値を所定の電流閾値と比較することに基づいて、過電圧保護デバイスがトリガしたことを判定するように構成される、請求項18に記載の制御デバイス。
【請求項２０】
前記制御モジュールが、前記過電圧保護デバイスがトリガしたとの判定に基づいて保護モードを非活動化するようにさらに構成される、請求項19に記載の制御デバイス。
【請求項２１】
前記制御モジュールが、前記過電圧保護デバイストリガカウントが所定のカウント閾値を超えるとの判定に基づいて前記保護モードをディセーブルするようにさらに構成される、請求項19に記載の制御デバイス。
【請求項２２】
前記制御モジュールが、保護モードビットをディセーブルにすることによって、前記保護モードをディセーブルにする、請求項21に記載の制御デバイス。
【請求項２３】
変圧器を含む交流電流システム中で使用するための電気的保護システムであって、
処理デバイスを含む制御モジュールであって、
(a)電気的保護回路内の第1の電気特性に対応する第1の受信した測定値を監視し、前記第1の受信した測定値が第1の所定の閾値を満足することに基づいて、前記電気的保護回路のスイッチ組立体へ保護作動制御信号を送信し、
(b)前記第1の電気特性と異なる、前記電気的保護回路内の第2の電気特性に対応する第2の受信した測定値を監視し、前記第2の受信した測定値が第2の所定の閾値を満足することに基づいて、前記スイッチ組立体へ保護解除制御信号を送信するための命令を実行するように構成される制御モジュール
を備える、システム。
【請求項２４】
前記電気的保護回路の前記第1の電気特性を測定するように構成される第1の測定プローブと、前記電気的保護回路の前記第2の電気特性を測定するように構成される第2の測定プローブとをさらに備える、請求項23に記載の電気的保護システム。
【請求項２５】
前記第1の受信した測定値が前記第1の測定プローブから受信され、前記第1の測定プローブが、前記変圧器の変圧器中性点におけるDC電圧および交流電流(AC)電圧を測定するように構成される電圧プローブを備える、請求項24に記載の電気的保護システム。
【請求項２６】
前記第1の受信した測定値が前記第2の測定プローブから受信され、前記第2の測定プローブが、前記スイッチ組立体を通る電流を測定するように構成される電流プローブを備える、請求項24に記載の電気的保護システム。
【請求項２７】
前記スイッチ組立体を含む前記電気的保護回路をさらに備える、請求項23に記載の電気的保護システム。
【請求項２８】
前記制御モジュールが、
前記電気的保護回路の過電圧保護デバイスを通る電流に対応する第3の受信した測定値を監視し、
前記第3の受信した測定値が所定の電流閾値を超えるとイベントカウンタを増分し、
前記イベントカウンタが所定のイベントカウントを超えると判定すると前記保護モードの作動をディセーブルにし、
前記イベントカウンタが所定のイベントカウントを超えると判定すると警報を生成する
ようにさらに構成される、請求項27に記載の電気的保護システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、国際特許出願として2016年1月6日に出願されており、2015年1月6日に出願された「SYSTEMS AND METHODS FOR ACTUATING A TRANSFORMER NEUTRAL BLOCKING CIRCUIT」という題名の米国特許出願第62/100,395号の優先権を主張するものであり、この米国特許出願の開示全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本出願は、一般に、変圧器中性点遮断回路を動作させるためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
電気装置、特に、交流電流を使用して動作する電気装置は、入力信号および状態の変動にさらされる。典型的な配置では、米国における交流電流デバイスは、所定の振幅(たとえば、120ボルト)を有する60Hz電力線電源(または、欧州では50Hz)を受け取ることを期待している。これらの電源はある程度変動する可能性があるが、特定の電流で使用するために作られたデバイスは、典型的には、受信した電力信号の何らかのわずかな変動に対処することができる。
【０００４】
いくつかの場合で、電力信号は、高調波または他の外部状態に起因して大幅に変動する可能性がある。高調波および疑似DC電流は、たとえば、地磁気(太陽)嵐、または同じ電力網もしくは局地的電力回路上にある、スイッチング電源、アーク装置、溶接装置などの、他の電気装置の結果である可能性がある。高調波および疑似DC電流は、電力信号の入力電圧および電流(およびその結果として得られる電力)に劇的な変動を引き起こし、その電源に接続される電気装置への損害を与える可能性を生じさせることがある。
【０００５】
たとえば、地磁気嵐などの地磁気擾乱(GMD)または高高度電磁パルスに関連するE3パルス(HEMP-E3)は、高電圧電力生成、伝送、および分配システム構成要素(たとえば、電力伝送線、電力変圧器など)中の、地磁気誘導電流(GIC)または高高度電磁E3パルス(HEMP-E3)誘導電流と呼ばれるDCまたは疑似DC電流を誘導する可能性があることが広く認識されている。これらのDC電流は、電力変圧器コア中に半サイクル飽和を引き起こす可能性があり、これがひいては、そのような変圧器の、過剰な無効電力損失、加熱、損害、および/または故障をもたらす可能性がある。加えて、半サイクル飽和は、一次周波数(50または60Hz)の高調波の生成を引き起こす可能性がある。この高調波成分がひいては、電力システム中継器がトリガすることを引き起こす可能性があり、これが、必要な電力構成要素を分断する可能性がある。これがひいては、電力網の局地的または広範囲な部分の崩壊をもたらす可能性がある。
【０００６】
およそ最近20年にわたって、電力システムにおける、GICまたはHEMP-E3誘導電流を減少させるため、いくつかの提案手法が提示されてきた。これらの解決策は、一般に、数種の形態のうちの1つをとる。第1の種類の解決策では、交流電流(AC)接地経路および誘導されるDC電流のためのブロックを同時に提供するための容量性回路を使用する。これらの解決策は、一般に、通常接地される変圧器接続と、容量性回路を通した接地との間の切り換えを可能にするスイッチの組を含む。これらの解決策は、変圧器中性点への接地接続を意図せずに開にすることを可能にする場合があり、または地絡状態に対処する高価な電子機器を必要とする場合がある。これらの容量性回路の解決策は、現在の動作パラメータと比較して、電力システム中継器設定の再調整を必要とする場合がある。
【０００７】
第2の種類の解決策では、一般に、接地接続に対する変圧器中性点におけるDCまたは疑似DC電流から、潜在的に損害を引き起こす可能性があるGIGイベントを減少させるために使用される能動構成要素の常時使用を含む。これらの解決策は、典型的には、高価な電力用電子装置を必要とし、常時活動状態であり、そのため、何らかの故障によって、これらのシステムが信頼できなくなる。
【０００８】
第3の種類の解決策では、一般に、抵抗性の手法が使用され、固定値の抵抗器を使用して、変圧器の接地接続に対する中性点におけるDC電流を常時減少させる。しかし、これらの手法では、抵抗器は、典型的には、高抵抗値を有さなければならず、DCまたは疑似DCの中性点電流を減少させるだけとなり、除去しないことになる。加えて、これらの種類の解決策を実装する際に、電力システムの中継器設定の再調整が必要な場合がある。そのため、現在の電力送達システムと適合する、信頼性があり、低コストの保護回路を提供する解決策は存在しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第8,537,508号
【特許文献２】米国特許第8,878,396号
【特許文献３】米国特許出願第14/185,458号
【特許文献４】米国特許第8,773,107号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
これら他の理由により、改善が望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
以下の開示によれば、上記および他の問題は以下によって対処することができる。
【００１２】
第1の態様では、変圧器を含む交流電流システム中で使用するための電気的保護回路のための制御デバイスが開示される。電気的保護回路は、スイッチ組立体を含み、スイッチ組立体に基づいて、第1の状態および第2の状態で動作するように構成される。第2の状態は、保護モードを提供する。例示的なシステムは、電気的保護回路内の電気特性を測定するように構成される第1の測定プローブ、第2の測定プローブ、および処理デバイスを含む制御モジュールを含む。制御モジュールは、第1の測定プローブからの測定値を監視し、第1の測定プローブからの測定値が第1の所定の閾値を超えることに基づいて、スイッチ組立体へ保護作動制御信号を送信するように構成される。制御モジュールは、第2の測定プローブからの測定値を監視し、第2の測定プローブからの測定値が第2の所定の閾値を満足することに基づいて、スイッチ組立体へ保護解除制御信号を送信するようにやはり構成される。
【００１３】
別の態様では、変圧器を含む交流電流システム中で使用するための電気的保護回路のための制御デバイスが開示される。制御デバイスは、過電圧保護デバイスを通る電流を測定するように構成される電流プローブ、および処理デバイスを含む制御モジュールを含む。制御モジュールは、電流プローブからの測定値を監視して、過電圧保護デバイスがトリガしたことを判定し、過電圧保護デバイスがトリガすると、過電圧保護デバイストリガカウントを増分するように構成される。制御モジュールは、過電圧保護デバイストリガカウントが所定のカウント閾値を超えると、警報を生成するようにさらに構成される。
【００１４】
さらに別の態様では、変圧器を含む交流電流システム中で使用するための電気的保護システムが開示される。システムは、処理デバイスを含む制御モジュールであって、電気的保護回路内の第1の電気特性に対応する第1の受信した測定値を監視し、第1の受信した測定値が第1の所定の閾値を満足することに基づいて、電気的保護回路のスイッチ組立体へ保護作動制御信号を送信し、第1の電気特性と異なる、電気的保護回路内の第2の電気特性に対応する第2の受信した測定値を監視して、第2の受信した測定値が第2の所定の閾値を満足することに基づいて、スイッチ組立体へ保護解除制御信号を送信するように構成される制御モジュールを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本明細書に記載される方法およびシステムを使用して保護される変圧器の概略正面平面図である。
【図２】電力生成または分配現場に取り付けられるような、本開示の可能な実施形態による、常時接地システム内で使用可能な電気的保護システムを図示する例示的な実施形態の図である。
【図３】本開示の可能な実施形態による、図2の電気的保護システムの例示的な実施形態および制御デバイスを含む常時接地システムを図示する図である。
【図４】本開示の可能な実施形態による、図3のシステムが通常モードで動作しているとき、地絡を検出して地絡イベントをロギングするための例示的なプロセスを図示する図である。
【図５】本開示の可能な実施形態による、図3のシステムがGIC保護モードで動作しているとき、地絡を検出するための例示的なプロセスを図示する図である。
【図６】本開示の可能な実施形態による、図2の過電圧保護デバイスがトリガされるときを検出するための例示的なプロセスを図示する図である。
【図７】本開示の可能な実施形態による、変圧器中性点と接地との間の開放接続を検出するための例示的なプロセスを図示する図である。
【図８】本開示の可能な実施形態による、GICイベントを検出し、図2の電気的保護システムをGIC保護モードで動作させるための例示的なプロセスを図示する図である。
【図９】本開示の可能な実施形態による、変圧器中性点における潜在的に損害を引き起こす可能性がある不均衡な交流電流(AC)を検出するための例示的なプロセスを図示する図である。
【図１０】本開示の可能な実施形態による、変圧器中性点における不均衡な交流電流(AC)が、図2のDC電流遮断構成要素に損害を加える可能性があるレベルより低いことを確実にするための例示的なプロセスを図示する図である。
【図１１】本開示の可能な実施形態による、図3の制御デバイスが通常動作に戻ることができるように、GICイベントが終わったかどうかを判定するための例示的なプロセスを図示する図である。
【図１２】本開示の可能な実施形態による、図2のDC電流遮断構成要素を過電圧から保護するための例示的なプロセスを図示する図である。
【図１３】本開示の可能な実施形態による、図2の過電圧保護デバイスが、トリガイベントの所定の限界を超えたかどうかを判定するための例示的なプロセスを図示する図である。
【図１４】本開示の可能な実施形態による、図1の制御デバイスがGIC保護モードに入ることを可能にする、または阻止するようにディセーブルスイッチが動作したかどうかを判定するための例示的なプロセスを図示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
一般に、本開示は、電力公共施設変圧器および他の電気または電気機械装置を、損害を引き起こす疑似DC電流および結果として生じる電力線上の高調波成分から保護するためのシステムおよび方法を記載する。大きい疑似DC中性点電流ならびに電力線高調波電流は、地磁気(太陽)嵐などの地磁気擾乱(GMD)、高高度電磁E3パルス(HEMP-E3)、または同じ電力網もしくは局地的電力回路上にある、スイッチング電源、アーク溶接装置、プラズマ切断装置、放電加工装置、アーク灯などの他の電気装置の結果である。全体的に、本開示は、50Hzもしくは60Hz電力線電源の高調波成分、および/または潜在的に損害を引き起こす可能性がある中性点疑似DC電流を検知し、そのような高調波または疑似DC電流が検出される場合、危険な電気装置を保護モードの動作へと切り換えることを可能にする方法およびシステムを記載する。詳細には、本開示は、コントローラの特定の動作、およびそこに組み込まれるプログラミングに関し、コントローラは、変圧器中性点遮断システムとインターフェースする。いくつかの実施形態では、変圧器中性点遮断システムは、変圧器中性点遮断回路を備える。本明細書に記載されるプログラミングは、変圧器中性点遮断システムおよび周囲環境の観測可能な特性に基づく一連の試験を実施し、変圧器における潜在的に危険な電圧および電流信号に応答するのかどうか、ならびにどのように応答するのかを決定し、それによって、交換または費用がかかる修理を必要とする可能性がある、損害を引き起こすイベントから変圧器を保護する。
【００１７】
本明細書に記載される様々な実施形態によれば、GMD(たとえば、太陽風)およびHEMP-E3パルスからの高電圧電力システムの保護は、地磁気およびHEMP-E3パルスが誘起した電流を除去するため、スイッチ制御されるDC電流遮断機構を使用する常時交流電流(AC)接地回路を使用して達成される。(1つもしくは複数のコンデンサ、抵抗器、またはそれらの組合せを含む)DC電流遮断構成要素は、所定の位置に配線接続され、高電圧(HV)電力システムのために、たとえば、「Y」結線HV変圧器の中性点または単巻変圧器への、交流電流(AC)接地経路を提供する。通常動作では、第2の並列な接地経路が、非常に低いインピーダンスの、閉じたスイッチ組立体を通る標準接地経路を提供する。電力システム中で地絡が生じる場合、過電圧保護デバイスが変圧器中性点と並列に接続されて接地経路を提供するが、GMDまたはHEMP-E3が検出されるときなどは、中性点遮断システム(または回路)は、GIC保護モードである。GIC保護モードとは、保護モードの例である。
【００１８】
本明細書に開示される常時接地システムは、標準的な変圧器接地方式と互換性がある接地方式を提供し、したがって、電力システムの中継器設定に何ら変更を必要としないことになる。様々な状態が検出されると、スイッチ組立体が開にされ、または閉にされ、そのことによって、回路の動作を変更する。たとえば、いくつかの実施形態では、標準接地経路中に大きいDC電流が検出されると、スイッチ組立体は開にされ、そのことによって、システム中のDCまたは疑似DC電流を遮断または減衰する。DCまたは疑似DC電流を遮断することによって、変圧器の半サイクル飽和を防止し、そのことによって、変圧器を、過剰な無効電力損失、過熱、および損害から保護する。加えて、DCまたは疑似DC電流を遮断することによって、半サイクル飽和した変圧器中の、高調波の生成を防止する。そのような電力高調波は、電力システムの中継器を潜在的に開閉する可能性があり、このことがひいては、局所的または広範囲の停電を引き起こす可能性がある。さらに、本明細書に開示されるある種の実施形態では、そのような常時接地システム中に含まれる電気的保護システムは、通常モードの動作または保護モードの動作のいずれの下でも、地絡に対処するように設計(構成)される。
【００１９】
そのような変圧器中性点遮断回路の例、ならびにそのような回路が存在することができる環境は、それらの開示がそれら全体で参照によって組み込まれる米国特許第8,537,508号および米国特許第8,878,396号の中に開示されるような制御回路および制御デバイスとして開示され、制御回路および制御デバイス内に実装可能である。
【００２０】
図1は、本開示の特徴に従って保護される例示的な電気装置の概略正面図であり、本開示のある種の構成要素の物理的なレイアウトである。示される実施形態では、高電圧変圧器100として示される1個の電気装置は、電気的保護システム102に電気的に接続される。電気的保護システム102は、たとえば、図2〜図3に示される実施形態にしたがい、下に記載されるデバイスの少なくとも部分を含むことができる。高電圧変圧器100は、安定のため、また接地からの分離のために、コンクリート受台上に取り付けることができる。電気的保護システム102は、上に議論したように、高電圧変圧器100に電気的に接続され、電気的に接地された支持体103上に置かれる。いくつかの実施形態では、GICイベントに対して保護することに加えて、すべての制御電子機器(半導体デバイス)は、電気的保護システム102および高電圧変圧器100、ならびに制御デバイス105に電気的に接続される、EMP/IEMI遮蔽および電気的にフィルタリングされた筐体104中に囲繞される。いくつかの実施形態は、EMP/IEMI遮蔽および電気的にフィルタリングされた筐体104を含まない。これらの実施形態中では、システムは、GICおよびEMP E3イベントに対して、変圧器を保護することが可能であるが、EMP E1パルスの脅威に対しては可能でないことに留意されたい。
【００２１】
ある種の実施形態では、電気的保護システム102は、図2〜図3に議論されるスイッチ組立体およびDC電流遮断構成要素を含む一方、制御デバイス105は、本明細書中の図4〜図14に記載されるプロセスの少なくとも一部を実施するように動作する、検知およびスイッチ作動回路構成を含有する。しかし、電気的保護デバイスのための構成要素の他の配置を設けることができる。
【００２２】
ここで図2を参照すると、本開示による、電気的保護回路200の実施形態が示される。電気的保護回路200は、一般に、変圧器12の変圧器中性点10と電気的接地14との間に接続される。電気的保護回路200は、変圧器中性点10と電気的接地14との間に接続される電気的に制御されるDCスイッチ204を含むスイッチ組立体202を含む。シャント抵抗器206をDCスイッチ204と電気的接地14との間に接続することができ、シャント抵抗器206は、変圧器中性点10と電気的接地14との間を通過するDC電流を検知するように使用することができる。ある種の実施形態では、シャント抵抗器206は、数ミリオーム程度のより低い抵抗を有し、スイッチを通した低インピーダンス接地接続を可能にする。別の実施形態では、シャント抵抗器206は、ホール効果電流センサまたは他の非接触式電流センサによって置き換えることができる。加えて、電気的に制御される交流電流(AC)スイッチ208は、変圧器中性点10とDCスイッチ204との間に接続して、たとえば、地絡イベント期間にDCスイッチ204を高電圧から保護することができる。例として、交流電流(AC)スイッチ208およびDCスイッチ204のうちの一方または両方は、回路ブレーカを備えることができる。いくつかの実施形態では、電気的接地14は、施設用接地グリッドに接続することができ、一方他の実施形態では、電気的接地14は、変圧器ハウジングに接続することができ、変圧器ハウジングがひいては接地される。
【００２３】
DCスイッチ204は、高電圧回路ブレーカスイッチなどの、様々な高速動作の電気的に制御されるスイッチのうちのいずれかであってよい。示される実施形態では、DCスイッチ204は、常時閉接続であり、これは、電気的な制御入力を介して迅速に開にすることができる。制御入力に接続することができる例示的な検知および制御回路構成は、以下、図3に関してさらに議論される。いくつかの実施形態では、DCスイッチ204が開になるとき、DCスイッチ204からの信号が次いで交流電流(AC)スイッチ208を開にする。その後すぐに、DCスイッチ204が閉になるが、交流電流(AC)スイッチ208は開のままであり、DCスイッチを中性点接続上の何らかの過電圧から保護する。
【００２４】
DC電流遮断構成要素210は、変圧器中性点10と電気的接地14との間にスイッチ組立体202と並列に接続される。下の例でさらに説明されるように、DC電流遮断構成要素210は、電気的接地14と変圧器中性点10との間の電流経路を遮断することが可能な、1つまたは複数の直流電流遮断デバイス(たとえば、コンデンサまたは抵抗器)を含み、次いで変圧器12への損害または電力網の崩壊の可能性を引き起こす変圧器中性点10中の損害を引き起こすDCまたは疑似DC接地電流を防止することができる。示される例では、DC電流遮断構成要素210は、抵抗器212およびコンデンサバンク214を含む。ある種の実施形態では、1または2オームのインピーダンス(60Hz)の容量バンクが使用されるが、他のタイプのコンデンサを同様に使用することができる。しかし、特定の用途に応じて、容量性もしくは抵抗性のいずれか(またはそれらの何らかの組合せ)の遮断デバイスを、電気的保護回路200の中で採用することができる。さらに、DC電流遮断構成要素210は、電気的接地14に配線接続され、したがって、DCスイッチ204および交流電流(AC)スイッチ208が意図せずに誤動作する場合でさえ、変圧器(または他の電力構成要素)のための交流電流(AC)接地を提供する。
【００２５】
通常動作では、変圧器中性点10は、スイッチ組立体202を通して接地される。すなわち、DCスイッチ204および交流電流(AC)スイッチ208を含むスイッチ組立体202は、通常は、閉位置にある。これは、公共施設により使用される標準的な接地構成に対応しており、したがって、本明細書に開示されるような接地システムは、使用する前に取り付けられている公共施設の電気装置に対して再調整する必要がない。この第1の(または通常)モードの動作では、DC電流遮断構成要素210は通電されない。というのは、スイッチ組立体が、DC電流遮断構成要素210のまわりに短絡を作り出すからである。この通常動作モードにおける(たとえば、GICは検出されない)動作のときに地絡が検出される場合、電力システム中継器が故障した装置を分離するまで、スイッチ組立体を通した接地が地絡電流に対処することになる。図8に関してより詳細に記載されるように、電気的保護回路200内で、様々な状態の存在が検出されると、スイッチ組立体は、制御デバイス105によって開にされる。この第2の(またはGIC保護)モードの動作では、DC電流遮断構成要素210が変圧器中性点についての交流電流(AC)接地を提供する。このモードの動作は、GMDおよびHEMP-E3イベントのいずれかに関連するDCまたは疑似DC電流に対して保護をする。少なくとも図11を参照してより詳細に記載されるように、この保護モードは、制御デバイス105がスイッチ組立体202を閉にするまで、動作したままとなる。
【００２６】
いくつかの実施形態では、GMD(またはHEMP-E3)と地絡が同時に生じるといった極端に可能性が低いイベントを考慮するために、過電圧保護デバイス216が、スイッチ組立体202およびDC電流遮断構成要素210と並列に含まれる。いくつかの実施形態では、過電圧保護デバイス216は、変圧器100またはDC電流遮断構成要素210のいずれかに損害を与える電圧レベルより低い電圧でトリガするように構成される。この様式では、過電圧保護デバイス216は、電気的保護回路200がGIC保護モードで動作しているとき、DC電流遮断構成要素210を潜在的に損害を引き起こす可能性がある電圧から保護するように動作する。いくつかの実施形態では、スイッチ組立体202は、次いで、過電圧保護デバイス216を通る電流を検出することに基づいた、制御デバイス105からの信号によって再び閉にされる。したがって、過電圧保護デバイス216は、地絡の1サイクル内、およびスイッチ組立体202を再び閉にすることができるまで、最初の接地を提供する。
【００２７】
この例では、過電圧保護デバイス216は、3重火花間隙218を含む。3重火花間隙の例は、その開示がその全体で参照により本明細書に組み込まれる、2014年2月20日に出願され、「OVERVOLTAGE PROTECTION FOR POWER SYSTEMS」という題名の米国特許出願第14/185,458号に記載される。他の実施形態では、過電圧保護デバイス216は、単一の火花間隙を備える。さらに、いくつかの実施形態では、過電圧保護デバイス216は、米国特許出願第14/185,458号に開示されるサージ阻止構成要素、バリスタなどを備えることができる。いくつかの実施形態では、制御デバイス105は、検査または交換がいつ必要であるのかを決定するために、過電圧保護デバイス216が動作したイベントの数をカウントする。例は、図6および図13に関してより詳細に記載される。
【００２８】
いくつかの実施形態では、変圧器中性点10を電気的接地14に直接接続することによって、電気的保護回路200を非活動化するように動作するメンテナンスバイパススイッチ220が含まれる。メンテナンスバイパススイッチ220の例としては、kirk keyインターロックなどの、トラップキーインターロックが挙げられる。この様式では、電気的保護回路200を、検査、メンテナンス、修理などのための動作から取り除くことができる。
【００２９】
スイッチ組立体を開にすることによって、図2に示されたDC電流遮断構成要素210は、変圧器中性点10のための交流電流(AC)接地経路を提供する一方、同時に、地磁気嵐またはHEMP-E3イベントにより誘起されるDCまたは疑似DC電流を遮断する。疑似DC電流を遮断することによって、変圧器12が半サイクル飽和に入ることから保護する。半サイクル飽和は、ひいては、変圧器に、過剰な無効電力損失、過熱、損害、または故障さえ引き起こす可能性がある。加えて、疑似DC電流を遮断することによって、電力システム中に高調波の生成も防止する。このことによって、ひいては、中継器の開閉、電力補償構成要素の断路、過剰な無効電力負担、および潜在的な電力網の小さい部分または大きい部分のいずれかの崩壊の可能性を防止することができる。
【００３０】
さらに、DC電流遮断構成要素210の信頼性を増加させるために、複数のコンデンサまたは抵抗器の並列バンクのいずれかを使用することができる。そのため、これらのコンデンサまたは抵抗器のうちの1つまたは複数が故障する場合、他のものは、依然として遮断構成要素として利用可能となる。
【００３１】
加えて、高高度電磁パルス(HEMP)のE1およびE2部分および/または意図的電磁妨害(IEMI)に対して保護するために、そのようなシステムの敏感な検知および制御電子機器のうちの一部または全部は、図1の制御デバイス105を含有する筐体104などの、遮蔽および電気的にフィルタリングされた筐体中に置くことができる。いくつかの実施形態では、敏感な半導体電子機器を含有しない構成要素のみが筐体104の中に収納されず、したがって、EMPまたはIEMIイベントのいずれかを耐えることになる。制御デバイス105が遮蔽および電気的にフィルタリングされた筐体中に置かれない代替実施形態では、変圧器は、依然として、地磁気およびHEMP E3が誘起した電流に対して保護されることになる。そのような筐体の内容に関するさらなる詳細は、下でさらに詳細に議論される。
【００３２】
そのような電気的保護回路200の代替実施形態が、本開示の異なる実施形態中で同様に利用できることに留意されたい。例示的な実施形態は、それらの開示がそれら全体で参照によって本明細書に組み込まれる米国特許第8,878,396号および米国特許第8,537,508号の中にさらに記載される。
【００３３】
ここで図3を参照すると、本開示の可能な実施形態に従って、常時接地システム300は、電気的保護回路200を含んで示される。常時接地システム300は、本開示の可能な実施形態に従って、制御デバイス302をやはり含む。制御デバイス302は、制御モジュール304などの制御電子機器、ならびに1つまたは複数の検知デバイスを含む。示される例では、制御デバイス302は、以下の検知デバイス、すなわち、GIC測定デバイス306、変流器(CT)308、変流器(CT)310、変流器(CT)312、中性点電流センサ314、および電圧プローブ316を含む。いくつかの実施形態は、より多い、より少ない、または異なる検知デバイスを含む。いくつかの実施形態では、中性点電流センサ314は、Rogowskiコイルである。上述したGIC測定デバイス、変流器、および電流センサは、電流プローブの例である。電流プローブおよび電圧プローブを含む上述した検知デバイスは、測定プローブの例である。
【００３４】
いくつかの実施形態では、制御モジュール304は、様々な検知デバイスから信号を受信するように動作する専用コンピューティングデバイスを備え、受信した信号に少なくとも部分的に基づいて様々な試験を常時実施し、スイッチ組立体202を制御する。例示的な専用コンピューティングデバイスは、ワシントン州プルマンの、Schweitzer Electronics Laboratory社製のSEL Axion(登録商標) Distributed Control and Integration Platformである。示される例では、制御モジュール304は、処理デバイス318、メモリデバイス320、警報デバイス322、およびスイッチ制御デバイス324を含む。いくつかの実施形態は、1つまたは複数のネットワークを介して他のコンピューティングデバイスと通信するように動作するネットワークインターフェースデバイスなどの、追加の構成要素を同様に含む。
【００３５】
処理デバイス318は、ソフトウェア命令などの命令を選択的に実行する、1つまたは複数の物理的な集積回路を含む。様々な実施形態では、処理デバイス318は、様々な方法で実装される。たとえば、一例の実施形態では、処理デバイス318は、1つまたは複数の処理コアとして実装される。たとえば、この例示的な実施形態では、処理デバイス318は、1つまたは複数のIntel Core 2マイクロプロセッサとして実装することができる。別の例示的な実施形態では、処理デバイス318は、1つまたは複数の別個のマイクロプロセッサとして実装される。さらに別の例示的な実施形態では、処理デバイス318は、特定の機能性を提供するASICとして実装される。さらに別の例示的な実施形態では、処理デバイス318は、ASICを使用することおよびソフトウェア命令を実行することにより特定の機能性を提供する。加えて、いくつかの実施形態では、処理デバイス318は、デジタルシグナルプロセッサを備える。異なる実施形態では、処理デバイス318は、異なる命令セットにおけるソフトウェア命令を実行する。たとえば、様々な実施形態では、処理デバイス318は、x86命令セット、POWER命令セット、RISC命令セット、SPARC命令セット、IA-64命令セット、MIPS命令セット、および/または他の命令セットなどの命令セットにおけるソフトウェア命令を実行する。たとえば、図4〜図14に関して図示および記載されるプロセスは、ソフトウェア命令として、処理デバイス318が実行することができる。
【００３６】
メモリデバイス320は、データもしくは命令または両方を記憶することが可能な、1つまたは複数のコンピュータ可読データ記憶媒体を含む。異なる実施形態では、メモリデバイス320は、異なる方法で実装される。たとえば、様々な実施形態では、メモリデバイス320は、様々なタイプのコンピュータ可読データ記憶媒体を使用して実装される。コンピュータ可読データ記憶媒体の例示的なタイプとしては、限定するものではないが、ダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)、ダブルデータレート同期型ダイナミックランダムアクセスメモリ(DDR SDRAM)、低レイテンシDRAM、DDR2 SDRAM、DDR3 SDRAM、Rambus RAM、固体メモリ、フラッシュメモリ、読取り専用メモリ(ROM)、電気的消去可能プログラム可能ROM、および他のタイプのデバイスならびに/またはデータを記憶する製造品が挙げられる。いくつかの実施形態では、メモリデバイス320は、非一時的媒体を含む。
【００３７】
警報デバイス322は、警報状態に応答して警報を生成するように動作する。いくつかの実施形態では、警報デバイス322は、警報状態に応答して、監視制御データ収集(SCADA)システムなどの離れたコンピューティングデバイスにメッセージを送信する。いくつかの実施形態では、警報デバイス322は、複数の警報重大度レベル(たとえば、軽度警報および重度警報)をサポートし、具体的な警報状態の重大度レベルに従って異なった動作をする。加えて、いくつかの実施形態では、警報デバイス322は、ファイル、データベースのテーブル、またはメモリ位置などに、警報状態をロギングするように動作する。
【００３８】
スイッチ制御デバイス324は、スイッチ組立体202を制御するように動作する。少なくともいくつかの実施形態では、スイッチ制御デバイス324は、DCスイッチ204を開閉する中継器を備える。
【００３９】
ここで、図4〜図14を全体的に参照すると、電気的保護回路200を監視および動作させるため、制御デバイス302の実施形態により実施される様々な試験プロセスが記載される。いくつかの実施形態では、図4〜図14中に図示される試験プロセスのすべては、システム300の動作期間に、常時かつ同時に(並列に)実施される。しかし、他の実施形態は、より少ない、異なる、またはさらなる試験プロセスを含む。加えて、いくつかの実施形態では、試験プロセスのすべてが常時かつ同時に実施されるわけではない。たとえば、いくつかの実施形態では、試験プロセスのうちの少なくとも1つが間隔をあけて実施される。
【００４０】
ここで図4を参照すると、制御デバイス302のいくつかの実施形態により実施される例示的な試験プロセス400が図示される。試験プロセス400は、システム300が通常モードで動作しているときに、地絡を検出して地絡イベントをロギングするように動作する。たとえば、試験プロセス400は、地絡イベントのために、変圧器中性点交流電流(AC)を試験する。動作402は、スイッチ組立体202を通る交流電流(AC)が、変流器308によって測定されて、1サイクルの間の所定の障害閾値(たとえば、50または60Hzにおいて、約20または17ミリ秒)を超えるかどうかを判定する。いくつかの実施形態では、所定の閾値は、5,000アンペアである。図4に示されるように、電流が閾値を超える場合、プロセスは、動作404へと続き、そこで警報が生成され、イベントが地絡としてロギングされる。少なくともいくつかの実施形態では、エネルギーは、スイッチ組立体202の閉にされたスイッチを通って接地へと向けられ、システムに接地への金属経路を生じさせるので、動作404において他の行為は行われない。電流が閾値を超えない場合、プロセスは、動作402を繰り返して、電気的保護回路200を常時監視する。同様に、動作404の完了後、プロセス400は、電気的保護回路200の常時監視を実施するように、動作402へとやはり戻る。
【００４１】
ここで図5を参照すると、制御デバイス302のいくつかの実施形態により実施される例示的な試験プロセス500が図示される。試験プロセス500は、システム300がGIC保護モードで動作しているとき、地絡を検出し、地絡を検出したことに応答して、スイッチ組立体202を閉にして、地絡イベントをロギングするように動作する。たとえば、試験プロセス500は、スイッチ組立体202が開であるとき、地絡イベントについて変圧器中性点交流電流(AC)を試験する。動作502において、スイッチ組立体202と並列に走る交流電流(AC)が、変流器(CT)310によって測定されて、1サイクルの間の所定の障害閾値を超えるかどうかを判定する。いくつかの実施形態では、所定の閾値は、5,000アンペアである。電流が閾値を超える場合、プロセスは、動作504へと続き、そこで信号が送信されて(たとえば、スイッチ制御デバイス324を介して)スイッチ組立体202を閉にし、それによって、システム300に接地への金属経路を生じさせて、システム300を通常モードの動作に戻す。動作506において、警報が生成され、イベントが地絡としてロギングされる。あるいは、動作502において電流が閾値を超えない場合、プロセスは、動作502を繰り返して、電気的保護回路200を常時監視する。同様に、動作506の完了後、プロセス500は、電気的保護回路200の常時監視を実施するように、動作502へとやはり戻る。
【００４２】
ここで図6を参照すると、制御デバイス302のいくつかの実施形態により実施される例示的な試験プロセス600が図示される。試験プロセス600は、システム300がGIC保護モードで動作している間に高電圧地絡が発生したときなど、過電圧保護デバイス216がトリガされるときを検出するように動作する。動作602において、変流器312において測定された電流が1サイクルの間の所定のトリガ閾値を超えるかどうかに基づいて、過電圧保護デバイス216がトリガされたのか、または作動されたのかを判定する。いくつかの実施形態では、所定の閾値は、5,000アンペアである。電流が閾値を超える場合、プロセスは、動作604へと続き、そこで信号が送信されてスイッチ組立体202を閉にし、それによって、システム300に接地への金属経路を生じさせて、システム300を通常モードに戻す。動作606において、過電圧保護デバイスのトリガイベントカウンタが増分される。いくつかの実施形態では、カウンタは、過電圧保護デバイス216上で、修理またはメンテナンスがいつ必要となる可能性があるのかを判定するために使用される。動作608において、警報が生成される。いくつかの実施形態では、イベントが同様にロギングされる。あるいは、動作602において電流が閾値を超えない場合、プロセスは、動作602を繰り返して、電気的保護回路200を常時監視する。同様に、動作608の完了後、プロセス600は、電気的保護回路200の常時監視を実施するように、動作602へとやはり戻る。
【００４３】
ここで図7を参照すると、制御デバイス302のいくつかの実施形態により実施される例示的な試験プロセス700が図示される。試験プロセス700は、変圧器中性点10と電気的接地14との間の開放接続を検出するように動作する。たとえば、いくつかの実施形態では、変圧器12の中性点接続10における不均衡な交流電流(AC)を、常時監視して、開になった中性点接続を検出する。いくつかの実施形態では、スイッチ組立体202が開いたままでかつDC電流遮断構成要素210が開放接続である(たとえば、DC電流遮断構成要素210または抵抗器もしくはコンデンサなどのその構成要素が損傷している)、またはメンテナンスバイパススイッチ220が不適切に作動されているときに、この状態が生じる。この条件は、操作者がシステムを点検し補正行為を行うことができるように警報をトリガする。
【００４４】
動作702において、変圧器中性点10と電気的接地14との間の接続がいつ開にされたのかを判定する。いくつかの実施形態では、中性点電流センサ314によって測定される不均衡な交流電流(AC)が、所定の時間期間について所定の電流閾値より低いときに、接続が開であると判定する。いくつかの実施形態では、電流閾値は、0.5アンペアであり、時間期間は60秒である。他の実施形態では、他の電流閾値および時間閾値がやはり可能である。
【００４５】
接続が開であると判定される場合、プロセスは、動作704へと続き、そこで信号が送信されてスイッチ組立体202を閉にするように試み、それによって、システム300に接地への金属経路を生じさせて、システム300を通常モードに戻す。動作706において、ディセーブルスイッチをディセーブル位置へと作動させる。いくつかの実施形態では、システム300は、ディセーブルスイッチがディセーブルに設定されると、GIC保護モードに入ることはない。有利なことに、保護モードで使用される構成要素が動作していないと測定値が示すとき、保護モードをディセーブルにするためにディセーブルスイッチを使用することができる。動作708において、警報が生成される。いくつかの実施形態では、動作708において、重度警報が生成される。加えて、いくつかの実施形態では、イベントが同様にロギングされる。
【００４６】
あるいは、動作702において変圧器中性点接続が開であると判定されない場合、プロセスは動作702を繰り返して、電気的保護回路200を常時監視する。同様に、動作708の完了後、プロセス700は、電気的保護回路200の常時監視を実施するように、動作702へとやはり戻る。
【００４７】
ここで図8を参照すると、制御デバイス302のいくつかの実施形態により実施される例示的な試験プロセス800が図示される。試験プロセス800は、GICまたはHEMP-E3電流を示すDC電流を検出し、電気的保護回路200にGIC保護モードで動作させるように動作する。少なくともいくつかの実施形態では、GICイベントは、中性点DCもしくは疑似DCまたはプリセット値を超えた全高調波歪み(THD)を検出すること、またはプリセット閾値を超えるGICイベントを示す地球の磁場の測定値、またはHEMP-E1イベントを示す高電磁場測定値に基づいて検出される。そのような測定値は、たとえば、保護されている変圧器が、たとえば、電圧THDについての信号を提供するために取り付けられる電位変圧器、または電流THDについての変流器中に配置される変電所から得ることができる。そのような電圧または電流THDは、制御デバイス302のプローブによって取り出すことができる。加えて、トリガは、HEMP-E1イベントのための保護を開始するための高電磁場検出器または太陽から生じるイベントについての磁力計などの別個の測定デバイスから来る場合がある。そのような検出器の例は、その開示がその全体で参照により組み込まれる、米国特許第8,773,107号に開示される。
【００４８】
動作802において、シャント抵抗器206においてGIC測定デバイス306によって取り込まれた測定値を所定の閾値と比較すること基づいて、GICイベントが検出されているかどうかが判定される。いくつかの実施形態では、DCまたは疑似DC電流の所定の閾値の範囲は、0.5〜5アンペアであり、電力高調波レベルについての所定の閾値の範囲は、約1%〜10%の全高調波歪み(THD)の範囲内にあると予想される。いくつかの実施形態では、DCもしくは疑似DCについての所定の閾値または高調波レベルについての所定の閾値のいずれかを超える場合、GMDイベントが生じていると判定される。
【００４９】
GMDイベントが生じていると判定される場合、プロセスは、動作804へと続き、そこでディセーブルスイッチがイネーブル位置であるかどうかを知るために、ディセーブルスイッチが検査される。ディセーブルスイッチがイネーブル位置である場合、プロセスは動作806へと続き、そこでシステム300がGIC保護モードに入ることが可能であるかどうかを知るために、GICビットが検査される。GICビットがイネーブルである場合、プロセスは、動作808へと続き、そこで信号がスイッチ組立体202を開にするために送信され、それによって、DC電流遮断構成要素210に、電気的保護回路200のための交流電流(AC)接地経路として働かせて、システム300をGIC保護モードに切り換える。DC電流遮断構成要素210は、GICイベントにより生成されるDCまたは疑似DC電流を遮断し、それによって、変圧器12およびコンデンサバンク214を保護する。いくつかの実施形態では、スイッチ制御デバイス324が信号を送信して、DCスイッチ204を開にさせ、このことがひいては、交流電流(AC)スイッチ208を同様に開にさせることができる。いくつかの実施形態では、DCスイッチ204は、0.20秒後に再び閉にされる。
【００５０】
動作810において、警報が生成される。いくつかの実施形態では、動作810において、軽度警報が生成される。加えて、少なくともいくつかの実施形態では、イベントがロギングされる。
【００５１】
あるいは、動作802においてGMDイベントが検出されると判定されない、動作804においてディセーブルスイッチがイネーブル位置にない、または動作806においてGICビットがイネーブルにされない場合、プロセスは、動作802に戻って、電気的保護回路200を常時監視する。同様に、動作810の完了後、プロセス800は、電気的保護回路200の常時監視を実施するように、動作802へとやはり戻る。
【００５２】
ここで図9を参照すると、制御デバイス302のいくつかの実施形態により実施される例示的な試験プロセス900が図示される。試験プロセス900は、DC電流遮断構成要素210に潜在的に損害を加える可能性がある、変圧器中性点10における不均衡な交流電流(AC)を検出するように動作する。動作902において、中性点交流電流(AC)が、変流器308または変流器310のいずれかによって測定されて、所定の時間期間について所定の不均衡電流閾値を超えるかどうかが判定される。いくつかの実施形態では、所定の不均衡電流閾値は、150アンペアであり、所定の時間期間は10秒である。しかし、他の実施形態は他の閾値を使用することができる。
【００５３】
電流が閾値を超える場合、プロセスは、動作904へと続き、そこで信号が送信されてスイッチ組立体202を閉にし、それによって、システム300に接地への金属経路を生じさせて、システム300を通常モードに戻す(システム300がGIC保護モードであった場合)。動作906において、GICビットがディセーブルに設定されて、システム300がGIC保護モードに入るのを防止する。いくつかの実施形態では、GICビットは、少なくとも5分間、ディセーブルのままとなる。動作908において、警報が生成される。いくつかの実施形態では、動作908において、軽度警報が生成される。いくつかの実施形態では、イベントが同様にロギングされる。あるいは、動作902において電流が閾値を超えない場合、プロセスは、動作902を繰り返して、電気的保護回路200を常時監視する。同様に、動作908の完了後、プロセス900は、電気的保護回路200の常時監視を実施するように、動作902へとやはり戻る。
【００５４】
ここで図10を参照すると、制御デバイス302のいくつかの実施形態により実施される例示的な試験プロセス1000が図示される。試験プロセス1000は、変圧器中性点10における不均衡な交流電流(AC)が、DC電流遮断構成要素210に損害を加える可能性があるレベルよりも確実に下となるように動作する。動作1002において、中性点交流電流(AC)が、変流器308よって測定されて、所定の時間期間について所定の不均衡電流閾値よりも下であるかどうかが判定される。いくつかの実施形態では、所定の不均衡電流閾値は、125アンペアであり、所定の時間期間は300秒である。しかし、他の実施形態は他の閾値を使用する。
【００５５】
中性点交流電流(AC)が不均衡電流閾値よりも下である場合、プロセスは、動作1004へと続き、そこでディセーブルスイッチがイネーブル位置であるかどうかが判定される。ディセーブルスイッチがイネーブル位置である場合、プロセスは、動作1006へと続き、そこで、GIC保護モードに入るのを防止するために、GICビットが現在ディセーブルされているかどうかが判定される。GICビットがディセーブルされている場合、プロセスは、動作1008へと続き、そこで、システムがGIC保護モードに入るのを可能にするために、GICビットがイネーブルにされる。いくつかの実施形態では、イベントが同様にロギングされる。
【００５６】
あるいは、動作1002において電流が不均衡閾値の上であると判定される、動作1004においてディセーブルスイッチがディセーブル位置にあると判定される、または動作1006においてGICビットがディセーブルでないと判定される場合、プロセス1000は、動作1002に戻って、電気的保護回路200を常時監視する。同様に、動作1008の完了後、プロセス1000は、電気的保護回路200の常時監視を実施するように、動作1002へとやはり戻る。
【００５７】
ここで図11を参照すると、制御デバイス302のいくつかの実施形態により実施される例示的な試験プロセス1100が図示される。試験プロセス1100は、制御デバイス302が通常動作に戻ることができるように、GICイベントが終わったかどうかを判定するように動作する。動作1102において、接地DC電圧に対する変圧器中性点は、電圧プローブ316によって測定されて、所定の時間期間について所定の電圧閾値よりも下である。いくつかの実施形態では、所定の電圧閾値は、8ボルトであり、所定の時間期間は3600秒である。
【００５８】
閾値が満足される場合、プロセスは、動作1104へと続き、そこでスイッチ組立体202が開である(すなわち、システム300がGIC保護モードで動作している)かどうかが判定される。スイッチ組立体202が開である場合、プロセスは動作1106へと続き、そこで信号が送信されてスイッチ組立体202を閉にし、それによって、システム300をシステム300の通常モードに戻す。
【００５９】
あるいは、動作1102において接地DC電圧に対する変圧器中性点が閾値より下でない、または動作1104においてスイッチ組立体202が閉であると判定される場合、プロセスは、動作1102に戻って、電気的保護回路200を常時監視する。同様に、動作1106の完了後、プロセス1100は、電気的保護回路200の常時監視を実施するように、動作1102へとやはり戻る。
【００６０】
ここで図12を参照すると、制御デバイス302のいくつかの実施形態により実施される例示的な試験プロセス1200が図示される。試験プロセス1200は、DC電流遮断構成要素210の下位構成要素(たとえば、コンデンサバンク214および抵抗器212)を過電圧から保護するように動作する。動作1202において、コンデンサバンク214または抵抗器212の時間-過電圧限界を超えたかどうかが判定される。時間-過電圧(TOV)は、対応するデバイスがどれだけ長く電圧、すなわち直流電流(DC)電圧または交流電流(AC)電圧となるのか、またはより高くなるのかに基づいて判定される。TOVは、所定の電圧レベルを満たす、または超える合計時間を計算することによって追跡される。いくつかの実施形態では、コンデンサバンク214または抵抗器212のうちの一方または両方の時間-過電圧限界は、制御モジュール304のメモリデバイス320の中に記憶される。その場合、プロセスは、動作1204へと続き、そこで信号が送信されてスイッチ組立体202を閉にする。そうでない場合、プロセスは動作1202を繰り返して、電気的保護回路200を常時監視する。
【００６１】
動作1206において、ディセーブルスイッチがディセーブル位置へと動作される。いくつかの実施形態では、システム300は、ディセーブルスイッチがディセーブルに設定されると、GIC保護モードに入ることはない。有利なことに、保護モードで使用される構成要素が動作していないまたはメンテナンスを必要とすると測定値が示すとき、保護モードをディセーブルにするためにディセーブルスイッチを使用することができる。動作1208において、警報が生成される。いくつかの実施形態では、動作1208において、軽度警報が生成される。加えて、いくつかの実施形態では、イベントが同様にロギングされる。動作1208の完了後、プロセス1200は、電気的保護回路200の常時監視を実施するように、動作1202へと戻る。
【００６２】
ここで図13を参照すると、制御デバイス302のいくつかの実施形態により実施される例示的な試験プロセス1300が図示される。試験プロセス1300は、記録されたイベントの所定の限界を超えたことに起因して、過電圧保護デバイス216が検査または修理の必要がある可能性があるかどうかを判定するように動作する。動作1302において、過電圧保護デバイスカウンタの値が所定の閾値を超えるかどうかが判定される。いくつかの実施形態では、所定の閾値は、10回のイベントである。図6に関して図示および記載されたように、カウンタは、過電圧保護デバイス216が動作または作動したことが検出される毎に増分される。カウンタの値は、制御モジュール304のメモリデバイス320の中に記憶することができる。いくつかの実施形態では、カウンタは、過電圧保護デバイス216が手動で検査または修理された後、ゼロにリセットされる。所定の閾値を超えた場合(または、いくつかの実施形態では、満たした場合)、プロセスは、動作1304へと続き、そこで信号が送信されてスイッチ組立体202を閉にする。そうでない場合、プロセスは動作1302を繰り返して、電気的保護回路200を常時監視する。
【００６３】
動作1306において、ディセーブルスイッチがディセーブル位置へと動作されて、システム300がGIC保護モードに入るのを防止する。動作1308において、警報が生成される。いくつかの実施形態では、動作1308において、重度警報が生成される。いくつかの実施形態では、警報は、メンテナンス要員を過電圧保護デバイス216に行かせるためのメッセージを送信する。メンテナンス要員による最も起こりそうな行為は、過電圧保護デバイス216の中の火花間隙電極を検査して、それらの間隙間隔の区域における過剰な消耗または融除を示す火花間隙電極を交換または間隙の再調整をすることであろう。加えて、いくつかの実施形態では、イベントが同様にロギングされる。動作1308の完了後、プロセス1300は、電気的保護回路200の常時監視を実施するように、動作1302へと戻る。
【００６４】
ここで図14を参照すると、制御デバイス302のいくつかの実施形態により実施される例示的な試験プロセス1400が図示される。試験プロセス1400は、ディセーブルスイッチが制御デバイス302によって、または現場のもしくは離れた操作者によって、GIC保護モードをイネーブルにするもしくはディセーブルにするために動作されたかどうかを判定するように動作する。
【００６５】
動作1402において、ディセーブルスイッチが動作されたかどうかが判定される。たとえば、ディセーブルスイッチが動作されたかどうかを判定するステップが、ディセーブルスイッチの現在の位置を、(たとえば、メモリ位置に記憶することができる)ディセーブルスイッチの以前に判定された位置と比較するステップを含む。そうである場合、プロセスは動作1406へと続き、そこでディセーブルスイッチがイネーブル位置であるかどうかが判定される。そうである場合、プロセスは動作1410へと続き、そこで、システムがGIC保護モードに入るのを可能にするために、GICビットがイネーブルにされる。代わりに、動作1406においてディセーブルスイッチがイネーブル位置でないことが判定される場合、プロセスは動作1408へと続き、GICビットがイネーブルであるかを判定する。そうである場合、プロセスは動作1412へ続き、これが、GICビットをディセーブルにして、ディセーブルスイッチモードを一致させ、GIC保護モードへ入るのを防止する。
【００６６】
動作1402においてディセーブルスイッチが動作されていないことが判定される場合、プロセスは動作1404へと続き、ディセーブルスイッチがディセーブル位置であるかを判定する。そうである場合、プロセスは動作1408へと続き、GICビットがイネーブルであるかを判定する。そうである場合、プロセスは動作1412へ続き、ここで、GICビットがディセーブルにされて、ディセーブルスイッチモードを一致させ、GIC保護モードへ入るのを防止する。
【００６７】
動作1410または動作1412の完了後、プロセスは、電気的保護回路200の常時監視を実施するように、動作1402へと戻る。加えて、ディセーブルスイッチがディセーブル位置でないことを動作1404が判定する、またはGICビットがイネーブルでないと動作1408が判定する場合、プロセスは、電気的保護回路200の常時監視を実施するように、動作1402へと戻る。
【００６８】
示された実施形態では、ある種の回路構成要素および例示的な閾値が提供されるが、本明細書中の議論と合致して、他の回路構成要素または閾値を同様に使用できることが認識される。
【００６９】
概して、本開示の様々な実施形態は、回路保護に関する、特に、電力生成、伝送、または分配のために使用される変圧器など、交流電流(AC)電気装置の接地接続における、高調波信号またはDCもしくは疑似DC信号のいずれかに関する、いくつかの利点を提供することが了解される。たとえば、DCまたは疑似DC中性点電流を遮断することによって、変圧器コア中の半サイクル飽和を防止し、そのことによって、次に、変圧器の過熱、損害、または故障を防止する。加えて、DC電流遮断は、電力システム中継器をアクティブ化し、重度不安定性ならびに停電を引き起こす可能性がある高調波を減少させることによって、電力品質の改善もする。これは、主に、公共施設の電力システム中継器の開閉、電力補償および他の重要な構成要素の断路を防止し、ひいては、GMDまたはHEMP-E3イベントのうちのイベント中の電力網の部分的または全体的な崩壊を回避する。
【００７０】
上の仕様、例、およびデータは、本発明の製造および構造の使用の完全な記載を提供する。本発明の多くの実施形態は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく行うことができるため、本発明は、以降に添付される請求項中に帰属する。
【符号の説明】
【００７１】
10  変圧器中性点
12  変圧器
14  電気的接地
100  高電圧変圧器
102  電気的保護システム、電気的保護回路
103  支持体
104  EMP/IEMI遮蔽および電気的にフィルタリングされた筐体
105  制御デバイス
200  電気的保護回路
202  スイッチ組立体
204  DCスイッチ
206  シャント抵抗器
208  交流電流(AC)スイッチ
210  DC電流遮断構成要素
212  抵抗器
214  コンデンサバンク
216  過電圧保護デバイス
218  3重火花間隙
220  メンテナンスバイパススイッチ
300  常時接地システム
302  制御デバイス
304  制御モジュール
306  GIC測定デバイス
308  変流器(CT)
310  変流器(CT)
312  変流器(CT)
314  中性点電流センサ
316  電圧プローブ
318  処理デバイス
320  メモリデバイス
322  警報デバイス
324  スイッチ制御デバイス
400  試験プロセス
500  試験プロセス
600  試験プロセス
700  試験プロセス
800  試験プロセス
900  試験プロセス
1000  試験プロセス
1100  試験プロセス
1200  試験プロセス
1300  試験プロセス
1400  試験プロセス
【図１】
2020174527.tif 000003
【図２】
2020174527.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年7月30日(2020.7.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変圧器を含む交流電流システムで使用するための電気的保護回路のための制御デバイスであって、前記電気的保護回路が過電圧保護デバイスを含み、前記制御デバイスが、
(a)前記過電圧保護デバイスを通る電流を測定するように構成される電流測定デバイスと、
(b)処理デバイスを含む制御モジュールであって、
(i)前記電流測定デバイスからの測定値を監視して、前記過電圧保護デバイスがトリガしたことを判定し、
(ii)前記過電圧保護デバイスがトリガすると、過電圧保護デバイストリガカウントをインクリメントし、
(iii)前記過電圧保護デバイストリガカウントが所定のカウント閾値を超えると、スイッチ組立体が閉じ、前記変圧器の中性点とグランドの間の電気経路が形成される
ように構成される制御モジュールと
を備える、制御デバイス。
【請求項２】
前記制御モジュールは、前記過電圧保護デバイストリガカウントが所定のカウント閾値を超えるとの判定に基づいて保護モードをディセーブルするようにさらに構成されることを特徴とする請求項1に記載の制御デバイス。
【請求項３】
前記制御モジュールは、前記過電圧保護デバイストリガカウントが所定のカウント閾値を超えると警報を生成するようにさらに構成されていることを特徴とする請求項1に記載の制御デバイス。
【請求項４】
前記制御モジュールは、前記電流測定デバイスからの測定値を所定の電流閾値と比較することに基づいて、前記過電圧保護デバイスがトリガしたことを判定するように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の制御デバイス。
【請求項５】
前記制御モジュールは、保護モードビットをディセーブルにすることにより、前記保護モードをディセーブルにすることを特徴とする請求項２に記載の制御デバイス。
【請求項６】
変圧器を備えた、交流電流システムのための保護回路であって、前記保護回路は、
前記変圧器の中性点とグランドとの間に電気的に接続されたDC遮断構成要素と、
前記DC遮断構成要素と並列に電気的に接続されたスイッチ組立体と、
前記DC遮断構成要素を流れる交流電流を測定するように構成された電流測定デバイスと、
処理デバイスを備えた制御モジュールであって、
(i) 前記電流測定デバイスからの測定値を監視して、前記交流電流が所定の閾値を超えているかどうかを判定し、
(ii) 前記交流電流が前記所定の閾値を超えているという判定に少なくとも部分的に基づいて、前記スイッチ組立体を閉にし、それにより、前記変圧器の中性点とグランドとの間に電気経路を形成する
ように構成された制御モジュールと、
を具備することを特徴とする保護回路。
【請求項７】
前記制御モジュールは、前記交流電流が前記所定の閾値を超えたと判定されると警報を生成するようにさらに構成されていることを特徴とする請求項６に記載の保護回路。
【請求項８】
前記制御モジュールは、前記交流電流が前記所定の閾値を超えたと判定されると、イベントを記録するようにさらに構成されていることを特徴とする請求項６に記載の保護回路。
【請求項９】
前記スイッチ組立体は、開位置と閉位置との間で可動であることを特徴とする請求項６に記載の保護回路。
【請求項１０】
前記スイッチ組立体は、通常は閉位置で動作可能であることを特徴とする請求項６に記載の保護回路。
【請求項１１】
前記DC遮断構成要素および前記スイッチ組立体と並列に接続された過電圧保護回路をさらに備え、
前記制御モジュールは、
過電圧保護デバイスがトリガされたことを判定し、
前記過電圧保護デバイスのトリガにより、過電圧保護デバイストリガカウントをインクリメントし、
前記過電圧保護デバイストリガカウントが所定のカウント閾値を超えると警報を生成する
ようにさらに構成されていることを特徴とする請求項６に記載の保護回路。
【請求項１２】
前記制御回路は、前記交流電流が少なくとも所定の継続時間にわたり前記所定の閾値を超えると判定すると、前記スイッチ組立体を閉にするように構成されていることを特徴とする請求項６に記載の保護回路。
【請求項１３】
前記制御回路は、前記交流電流が少なくとも前記所定の継続時間にわたり前記所定の閾値を超えるとの判定に応答して保護モードをディセーブルするようにさらに構成されていることを特徴とする請求項１２に記載の保護回路。
【請求項１４】
前記保護モードをディセーブルすると、前記制御回路は警報を生成するようにさらに構成されていることを特徴とする請求項１３に記載の保護回路。
【請求項１５】
前記スイッチ組立体は、直流を遮断または遮ることが可能であることを特徴とする請求項６に記載の保護回路。
【請求項１６】
前記スイッチ組立体は、DCスイッチを備えることを特徴とする請求項１５に記載の保護回路。
【請求項１７】
前記制御回路は、前記交流電流が前記所定の閾値を超えていると判定すると、直ちに前記スイッチ組立体を閉にするように構成されていることを特徴とする請求項６に記載の保護回路。
【請求項１８】
変圧器を備えた、交流電流システムのための保護回路であって、前記保護回路は、
前記変圧器の中性点とグランドとの間に電気的に結合されたDC遮断構成要素と、
前記DC遮断構成要素と並列に電気的に接続されたスイッチ組立体と、
前記DC遮断構成要素のわたる電圧を測定するように構成された電圧測定デバイスと、
処理デバイスを備えた制御モジュールであって、
(i) 前記電圧測定デバイスからの測定値を監視して、前記電圧が所定の閾値を超えているかどうかを判定し、
(ii) 前記電圧が前記所定の閾値を超えているという判定に少なくとも部分的に基づいて、前記スイッチ組立体を閉にし、それにより、前記変圧器の中性点とグランドとの間に電気経路を形成する
ように構成された制御モジュールと、
を具備することを特徴とする保護回路。
【請求項１９】
前記制御モジュールは、前記電圧が前記所定の閾値を少なくとも所定の継続時間超えていると判定すると、前記スイッチ組立体を開位置から閉位置に作動させるようにさらに構成されていることを特徴とする請求項１８に記載の保護回路。
【請求項２０】
前記制御モジュールは、前記電圧が前記所定の閾値を少なくとも所定の継続時間超えていると判定すると警報を生成するようにさらに構成されていることを特徴とする請求項１８に記載の保護回路。
【請求項２１】
前記電圧は、直流電圧を含むことを特徴とする請求項１８に記載の保護回路。
【請求項２２】
前記電圧は、交流電圧を含むことを特徴とする請求項１８に記載の保護回路。
【外国語明細書】
2020174527000001.pdf