(57)【要約】【課題】ＣＴが飽和した場合であっても、より精度よく故障判定を行なうことが可能な方向継電器を提供する。【解決手段】方向継電器は、電力系統の電圧および電流の入力を受ける入力部と、基準電圧に対する電流の位相が第１範囲に含まれているか否かを判定する第１方向判定部と、第１範囲の進み側および遅れ側の各境界を進み側にシフトし、シフト後の各境界で規定される第２範囲に位相が含まれているか否かを判定する第２方向判定部と、電流が第１閾値よりも大きいか否かを判定する第１電流判定部と、電流が第１閾値よりも大きい第２閾値よりも大きいか否かを判定する第２電流判定部と、電流が第２閾値以下である場合には、第１方向判定部の判定結果および第１電流判定部の判定結果に基づいて動作信号を出力し、電流が第２閾値よりも大きい場合には第２方向判定部の判定結果に基づいて動作信号を出力する出力制御部とを備える。【選択図】図１０
2020110020.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧変成器によって検出された電力系統の電圧、および電流変成器によって検出された前記電力系統の電流の入力を受ける入力部と、
基準電圧に対する前記電流の位相が第１範囲に含まれているか否かを判定する第１方向判定部と、
前記第１範囲の進み側および遅れ側の各境界を進み側にシフトし、シフト後の各境界で規定される第２範囲に前記位相が含まれているか否かを判定する第２方向判定部と、
前記電流が第１閾値よりも大きいか否かを判定する第１電流判定部と、
前記電流が前記第１閾値よりも大きい第２閾値よりも大きいか否かを判定する第２電流判定部と、
前記電流が前記第２閾値以下である場合には、前記第１方向判定部の判定結果および前記第１電流判定部の判定結果に基づいて動作信号を出力し、前記電流が前記第２閾値よりも大きい場合には前記第２方向判定部の判定結果に基づいて動作信号を出力する出力制御部とを備える、方向継電器。
【請求項２】
前記出力制御部は、
前記電流が前記第２閾値以下である場合には、前記電流が前記第１閾値よりも大きくかつ前記位相が前記第１範囲に含まれるときに動作信号を出力し、
前記電流が前記第２閾値よりも大きい場合には、前記位相が前記第２範囲に含まれるときに動作信号を出力する、請求項１に記載の方向継電器。
【請求項３】
前記第２電流判定部により前記電流が前記第２閾値よりも大きいと判定されてから第１の時間が経過した場合、前記出力制御部は、前記電流が前記第１閾値よりも大きくかつ前記位相が前記第１範囲に含まれるときに動作信号を出力する、請求項１に記載の方向継電器。
【請求項４】
前記第２範囲は、前記第１範囲の進み側の境界と前記第２範囲の遅れ側の境界とから規定される第３範囲、および、前記第２範囲の進み側の境界と前記第１範囲の進み側の境界とから規定される第４範囲とを含み、
前記第２方向判定部は、前記位相が前記第２範囲に含まれていると判定した場合、前記第２範囲のうちの前記第３範囲に前記位相が含まれるのか、前記第２範囲のうちの前記第４範囲に前記位相が含まれるのかをさらに判定し、
前記第２範囲の遅れ側の境界と、前記第１範囲の遅れ側の境界とから規定される第５範囲に前記位相が含まれるか否かを判定する第３方向判定部をさらに備え、
前記出力制御部は、前記電流が前記第２閾値よりも大きい場合には前記第２方向判定部の判定結果および前記第３方向判定部の判定結果に基づいて動作信号を出力する、請求項１に記載の方向継電器。
【請求項５】
前記電流が前記第２閾値よりも大きく、かつ前記位相が前記第３範囲に含まれる場合、前記出力制御部は動作信号を出力する、請求項４に記載の方向継電器。
【請求項６】
前記第２電流判定部により前記電流が前記第２閾値よりも大きいと判定されてから第１の時間が経過するまでに前記位相が前記第４範囲に含まれた場合、前記出力制御部は動作信号を出力する、請求項４または請求項５に記載の方向継電器。
【請求項７】
前記第２電流判定部により前記電流が前記第２閾値よりも大きいと判定されてから第２の時間が経過するまでは前記位相が前記第５範囲に含まれた場合であっても、前記出力制御部は動作信号を出力しない、請求項４〜請求項６のいずれか１項に記載の方向継電器。
【請求項８】
前記第２閾値は、前記電流変成器が飽和する電流値よりも小さい、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の方向継電器。
【請求項９】
電圧変成器によって検出された電力系統の電圧、および電流変成器によって検出された前記電力系統の電流の入力を受ける入力部と、
基準電圧に対する前記電流の位相が第１範囲に含まれているか否かを判定する第１方向判定部と、
前記第１範囲の進み側および遅れ側の各境界を進み側にシフトし、シフト後の各境界で規定される第２範囲に前記位相が含まれているか否かを判定する第２方向判定部と、
前記電流が第１閾値よりも大きいか否かを判定する第１電流判定部と、
前記電流に基づいて、前記電流変成器が飽和したか否かを判定する飽和判定部と、
前記電流変成器が飽和していない場合には、前記第１電流判定部の判定結果および前記第１方向判定部の判定結果に基づいて動作信号を出力し、前記電流変成器が飽和している場合には前記第２方向判定部の判定結果に基づいて動作信号を出力する出力制御部とを備える、方向継電器。
【請求項１０】
前記出力制御部は、
前記電流変成器が飽和していない場合には、前記電流が前記第１閾値よりも大きくかつ前記位相が前記第１範囲に含まれるときに動作信号を出力し、
前記電流変成器が飽和している場合には、前記位相が前記第２範囲に含まれるときに動作信号を出力する、請求項９に記載の方向継電器。
【請求項１１】
前記出力制御部は、前記飽和判定部により前記電流変成器が飽和していると判定されてから第１の時間が経過した場合、前記電流が前記第１閾値よりも大きくかつ前記位相が前記第１範囲に含まれるときに動作信号を出力する、請求項９に記載の方向継電器。
【請求項１２】
前記第２範囲は、前記第１範囲の進み側の境界と前記第２範囲の遅れ側の境界とから規定される第３範囲、および、前記第２範囲の進み側の境界と前記第１範囲の進み側の境界とから規定される第４範囲とを含み、
前記第２方向判定部は、前記位相が前記第２範囲に含まれていると判定した場合、前記第２範囲のうちの前記第３範囲に前記位相が含まれるのか、前記第２範囲のうちの前記第４範囲に前記位相が含まれるのかをさらに判定し、
前記第２範囲の遅れ側の境界と、前記第１範囲の遅れ側の境界とから規定される第５範囲に前記位相が含まれるか否かを判定する第３方向判定部をさらに備え、
前記出力制御部は、前記電流変成器が飽和している場合には前記第２方向判定部の判定結果および前記第３方向判定部の判定結果に基づいて動作信号を出力する、請求項９に記載の方向継電器。
【請求項１３】
前記飽和判定部は、前記電流の振幅値が基準振幅値よりも大きく、前記電流の変化量が基準変化量未満であり、かつ前記電流の瞬時値が基準瞬時値よりも大きい場合に、前記電流変成器が飽和したと判定する、請求項９〜請求項１２のいずれか１項に記載の方向継電器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、方向継電器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力系統に発生した故障を検出する保護継電器として、方向過電流継電器が知られている。方向過電流継電器は、一定以上の電流を検出し、かつ当該電流の電圧に対する位相に基づいて保護方向における故障（以下、「前方故障」とも称する。）を検出した場合に動作出力する。
【０００３】
電力系統の変更等により、故障電流が当初の予想より大きくなると電力系統に設置されている電流変成器（ＣＴ：Current  Transformer）では、ＣＴ飽和が生じる場合がある。ＣＴ飽和した場合のＣＴ２次電流を取り込むと、ＣＴ飽和していない（以下、「ＣＴ非飽和」とも称する。）場合のＣＴ２次電流と比較して電流位相がシフトする。そのため、前方故障が発生した場合でもＣＴ飽和している期間には方向過電流継電器が動作できない可能性がある。あるいは、保護方向とは逆方向の故障（以下、「後方故障」とも称する。）が発生した場合に方向過電流継電器が誤動作してしまう可能性がある。
【０００４】
例えば、特開２０１２−１６１５１号公報（特許文献１）は、内部事故でＣＴ飽和が発生した場合にも動作が継続できる比率差動継電器を開示している。この比率差動継電器は、第１領域と第２領域がともに動作となった場合に比率差動特性の動作とし、第１領域の動作がリセットされるまで、動作を継続させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１６１５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に係る比率差動継電器では、差電流および抑制電流の２つの電流の大小関係から動作領域を切り替えることでＣＴ飽和が生じた場合でも動作を安定させている。しかしながら、方向過電流継電器では、相電流の基準電圧に対する位相に基づいて故障判定を行なうため、同様の対策を適用することはできない。
【０００７】
本開示のある局面における目的は、ＣＴが飽和した場合であっても、より精度よく故障判定を行なうことが可能な方向継電器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
ある実施の形態に従う方向継電器は、電圧変成器によって検出された電力系統の電圧、および電流変成器によって検出された電力系統の電流の入力を受ける入力部と、基準電圧に対する電流の位相が第１範囲に含まれているか否かを判定する第１方向判定部と、第１範囲の進み側および遅れ側の各境界を進み側にシフトし、シフト後の各境界で規定される第２範囲に位相が含まれているか否かを判定する第２方向判定部と、電流が第１閾値よりも大きいか否かを判定する第１電流判定部と、電流が第１閾値よりも大きい第２閾値よりも大きいか否かを判定する第２電流判定部と、電流が第２閾値以下である場合には、第１方向判定部の判定結果および第１電流判定部の判定結果に基づいて動作信号を出力し、電流が第２閾値よりも大きい場合には第２方向判定部の判定結果に基づいて動作信号を出力する出力制御部とを備える。
【０００９】
他の実施の形態に従う方向継電器は、電圧変成器によって検出された電力系統の電圧、および電流変成器によって検出された電力系統の電流の入力を受ける入力部と、基準電圧に対する電流の位相が第１範囲に含まれているか否かを判定する第１方向判定部と、第１範囲の進み側および遅れ側の各境界を進み側にシフトし、シフト後の各境界で規定される第２範囲に位相が含まれているか否かを判定する第２方向判定部と、電流が第１閾値よりも大きいか否かを判定する第１電流判定部と、電流に基づいて、電流変成器が飽和したか否かを判定する飽和判定部と、電流変成器が飽和していない場合には、第１電流判定部の判定結果および第１方向判定部の判定結果に基づいて動作信号を出力し、電流変成器が飽和している場合には第２方向判定部の判定結果に基づいて動作信号を出力する出力制御部とを備える。
【発明の効果】
【００１０】
本開示の方向継電器によると、ＣＴが飽和した場合であっても、より精度よく故障判定を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１に従う方向継電器が適用される電力系統を示す図である。
【図２】ＣＴ飽和時およびＣＴ非飽和時の電流波形を示す図である。
【図３】２相短絡故障時の電流および電圧の関係を示すベクトル図である。
【図４】３相短絡故障時の電流および電圧の関係を示すベクトル図である。
【図５】比較例に従う方向継電器の動作を説明するための図である。
【図６】実施の形態１に従う方向継電器の動作を説明するための図である。
【図７】実施の形態１に従う故障判定方式を説明するための図である。
【図８】実施の形態１に従う他の故障判定方式を説明するための図である。
【図９】実施の形態１に従う方向継電器のハードウェア構成の一例を示す図である。
【図１０】実施の形態１に従う方向継電器の機能構成の一例を示すブロック図である。
【図１１】実施の形態２に従う方向継電器の動作を説明するための図である。
【図１２】実施の形態２に従う故障判定方式を説明するための図である。
【図１３】実施の形態２に従う方向継電器の機能構成の一例を示すブロック図である。
【図１４】実施の形態３に従う飽和検出方式を説明するための図である。
【図１５】実施の形態３に従う飽和検出要素の動作を説明するための図である。
【図１６】実施の形態３に従う飽和検出要素の動作を説明するための図である。
【図１７】実施の形態３に従う方向継電器の機能構成の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。
【００１３】
実施の形態１．
＜全体構成＞
図１は、実施の形態１に従う方向継電器が適用される電力系統を示す図である。図１に示す電力系統では、送電線３の両端に母線２，４が接続されており、母線２および母線４の遠方に３相の交流電源１０，１１がそれぞれ設けられている。交流電源１０，１１は、例えば、発電機である。
【００１４】
送電線３には遮断器５が設けられている。また、送電線３には電流変成器（ＣＴ：Current  Transformer）６が設けられる。ＣＴ６は、送電線３の相電流（例えば、Ａ相電流）を検出する。方向継電器１００は、ＣＴ６から送電線３の相電流を取り込む。
【００１５】
母線２には、電圧変成器（ＶＴ：Voltage  Transformer）８が接続されている。電圧変成器８は、母線２側の送電線３の各相電圧（例えば、Ａ相電圧、Ｂ相電圧、Ｃ相電圧）を検出する。
【００１６】
方向継電器１００は、電力系統（例えば、送電線３）を保護するためのディジタル形の保護継電器である。矢印１３は、方向継電器１００の保護方向を示している。ここで、故障点Ｆ１において短絡故障（すなわち、前方故障）が発生した場合を想定する。この場合、方向継電器１００は、電圧変成器８からの入力電圧とＣＴ６からの入力電流との位相差、および入力電流の大きさに基づいて前方故障を検出し、動作信号を出力する。例えば、動作信号は、前方故障を検出したことを示す信号である。方向継電器１００は、トリップ指令として当該動作信号を遮断器５へ出力して、故障区間を電力系統から切り離してもよい。
【００１７】
一方、交流電源１０と遮断器５を結ぶ線路上での故障点Ｆ２において短絡故障（すなわち、後方故障）が発生した場合を想定する。この場合、方向継電器１００は、入力電圧と入力電流との位相差、および入力電流の大きさに基づいて、保護区間外での後方故障が発生したと判定し、動作信号を出力しない。
【００１８】
＜ＣＴ飽和時の電流と電圧との位相関係＞
図２は、ＣＴ飽和時およびＣＴ非飽和時の電流波形を示す図である。図２を参照して、波形３０１はＣＴ非飽和時のＣＴ２次電流を示しており、波形３０２は、大きな故障電流によりＣＴが飽和した場合のＣＴ２次電流を示しており、波形３０３はＣＴ飽和時のＣＴ２次電流をリレー演算用にフィルタ処理した後の電流波形を示している。
【００１９】
波形３０１と波形３０２とを比較すると、ＣＴ飽和時には波形が歪み、正弦波状ではなくなるため正確な位相情報が得られない。そのため、ＣＴ飽和時のリレー演算に用いられる波形３０３についても正確な位相情報が得られない。電流が立ち下がる部分に着目すると、ＣＴ飽和時の波形３０２は、ＣＴ非飽和時の波形３０１よりも立下り部分が左側にあるため、リレー側では位相が進んでいるように見える。したがって、リレー演算用の波形３０３において位相演算を行なうと位相が実際よりも進む。
【００２０】
図３は、２相短絡故障時の電流および電圧の関係を示すベクトル図である。図３（ａ）は、ＡＢ相の短絡故障時のベクトル図を示しており、図３（ｂ）はＣＡ相の短絡故障時のベクトル図を示している。
【００２１】
図３（ａ）および図３（ｂ）において、Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃは、それぞれＡ相電圧、Ｂ相電圧、Ｃ相電圧のベクトルを示しており、Ｖａｂ、Ｖｂｃ、Ｖｃａは、それぞれＡＢ相の線間電圧、ＢＣ相の線間電圧、ＣＡ相の線間電圧のベクトルを示している。Ｉａ＿ｆおよびＩａ＿ｂは、それぞれ前方故障時および後方故障時のＡ相電流Ｉａのベクトルを示している。なお、Ｉｂ＿ｆおよびＩｂ＿ｂは、それぞれ前方故障時および後方故障時のＢ相電流Ｉｂのベクトルを示している。Ｉｃ＿ｆおよびＩｃ＿ｂは、それぞれ前方故障時および後方故障時のＣ相電流Ｉｃのベクトルを示している。なお、本実施の形態では、代表例として、Ａ相電流Ｉａのベクトルを用いる構成について説明する。
【００２２】
図３（ａ）を参照して、ＣＴ飽和時の電流Ｉａ＿ｆの電流位相は、ＣＴ非飽和時の当該位相と比較して進んでいる。そのため、基準電圧である線間電圧Ｖｂｃに対する電流Ｉａ＿ｆの位相は、ＣＴ非飽和時とＣＴ飽和時とで異なる。
【００２３】
ここで、ＣＴ飽和は、故障電流に含まれる直流成分に大きく影響を受けるため、その直流成分の減衰と共に徐々に解消される。したがって、ＣＴ飽和が解消されるにつれて電流Ｉａ＿ｆは矢印３５１が示すように移動する。これは、ＣＴ飽和時の電流Ｉａ＿ｆの電流位相がＣＴ非飽和時の電流位相に徐々に戻ることを意味している。
【００２４】
線間電圧Ｖｂｃに対する電流Ｉａ＿ｂの位相も、ＣＴ非飽和時とＣＴ飽和時とで異なる。矢印３５２が示すように、ＣＴ飽和が解消されるにつれて電流Ｉａ＿ｂの電流位相は、ＣＴ非飽和時の電流位相に徐々に戻る。
【００２５】
図３（ｂ）を参照して、ＣＡ相の短絡故障時における線間電圧Ｖｂｃと電流Ｉａ＿ｆとの位相関係は、ＡＢ相の短絡故障時における当該位相関係と基本的に同様である。ＣＴ飽和が解消されるにつれて、前方故障時の電流Ｉａ＿ｆの電流位相は矢印３５５が示すようにＣＴ非飽和時の電流位相に徐々に戻り、後方故障時の電流Ｉａ＿ｂの電流位相は矢印３５６が示すようにＣＴ非飽和時の電流位相に徐々に戻る。
【００２６】
図４は、３相短絡故障時の電流および電圧の関係を示すベクトル図である。図４を参照して、線間電圧Ｖｂｃと電流Ｉａ＿ｆとの位相関係は、２相短絡故障時における位相関係と基本的に同様である。前方故障時の電流Ｉａ＿ｆの電流位相はＣＴ飽和が解消されるにつれて矢印３６１が示すようにＣＴ非飽和時の電流位相に徐々に戻り、後方故障時の電流Ｉａ＿ｂの電流位相は矢印３６２が示すようにＣＴ非飽和時の電流位相に徐々に戻る。
【００２７】
図５は、比較例に従う方向継電器の動作を説明するための図である。ここでは、３相短絡故障時の方向継電器の動作について説明する。なお、２相短絡故障時においても同様である。図５には、図４の電流および電圧の関係に基づいて、３相短絡故障時の電流Ｉａ＿ｆおよび電流Ｉａ＿ｂが示されている。比較例に従う方向継電器を動作させる動作領域Ａ１は、円４００と、直線４０１，４０２とによって囲まれる斜線領域である。
【００２８】
円４００は、過電流として検出される最小感度の電流値を半径とする円である。直線４０１は、線間電圧Ｖｂｃに対する電流Ｉａの位相（以下、単に「位相θ」とも称する。）の進み角が（９０°−φ１）となる位置を示し、動作領域Ａ１における位相θの進み側の境界を規定している。直線４０２は、位相θの遅れ角が（９０°−φ２）となる位置を示し、動作領域Ａ１における位相θの遅れ側の境界を規定している。
【００２９】
位相θが進み（９０°−φ１）から遅れ（９０°−φ２）までの位相範囲Ｒ１に含まれ、かつ電流Ｉａの大きさ（例えば、振幅値）が最小感度の電流値よりも大きい場合に、電流Ｉａのベクトルは動作領域Ａ１に含まれる。
【００３０】
前方故障時の電流Ｉａ＿ｆは、ＣＴ非飽和の場合には動作領域Ａ１に存在するが、ＣＴ飽和の場合には動作領域Ａ１に存在しない。そのため、前方故障が発生している場合であってもＣＴ飽和期間中は方向継電器が動作できない。より具体的には、ＣＴ飽和が解消することで、電流Ｉａ＿ｆが矢印５０１の向きに移動して動作領域Ａ１に入るまでは、方向継電器は動作できない。
【００３１】
一方、後方故障時の電流Ｉａ＿ｂは、ＣＴ非飽和の場合には動作領域Ａ１に存在しないが、ＣＴ飽和の場合に動作領域Ａ１に存在してしまう。そのため、後方故障が発生した際のＣＴ飽和期間中に方向継電器が誤動作してしまう。なお、ＣＴ飽和が解消すると、電流Ｉａ＿ｂは矢印５０２の向きに移動して動作領域Ａ１から出る。
【００３２】
上記のように、比較例に従う方向継電器によると、前方故障時にＣＴ飽和が発生した場合に方向継電器がすぐに動作できない、あるいは、後方故障時にＣＴ飽和が発生した場合に方向継電器が誤動作する等の問題が生じる可能性がある。
【００３３】
＜故障判定方式＞
図６は、実施の形態１に従う方向継電器１００の動作を説明するための図である。図６（ａ）は、ＣＴ非飽和の場合に用いられる方向継電器１００の動作領域Ａ１を示す図である。図６（ａ）の動作領域Ａ１は図５の動作領域Ａ１と同一である。以下の説明では、方向継電器１００がＡ相電流Ｉａを用いてＡ相を含む２相短絡故障および３相短絡故障を判定する構成について説明する。
【００３４】
図６（ｂ）は、ＣＴ飽和が発生する可能性がある場合に用いられる方向継電器１００の動作領域Ａ２を示す図である。詳細は後述するが、方向継電器１００は、電流Ｉａの振幅値が規定値以上である場合にＣＴ飽和が発生する可能性があると判定する。
【００３５】
図６（ｂ）を参照して、ＣＴ飽和時に発生する位相シフト分を考慮して、動作領域Ａ２は、動作領域Ａ１に対して、電流位相の進み方向の動作領域を広げるとともに、電流位相の遅れ方向の動作領域を狭めている。具体的には、動作領域Ａ２は、円４００と、直線４０３と、直線４０４とで囲まれる斜線領域である。
【００３６】
直線４０３は、線間電圧Ｖｂｃに対する電流Ｉａの位相θの進み角が（９０°−φ１＋φ３）となる位置を示しており、動作領域Ａ２における位相θの進み側の境界を規定している。動作領域Ａ２の進み側の境界である直線４０３は、動作領域Ａ１の進み側の境界である直線４０１を角度φ３だけ進み側にシフトしたものである。ただし、φ３＞φ１である。後方故障での不要動作を防ぐために、位相θの進み角が１００°程度となるようにφ１およびφ３を設定することが好ましい。
【００３７】
直線４０４は、位相θの遅れ角が（９０°−φ２−φ４）となる位置を示しており、動作領域Ａ２における位相θの遅れ側の境界を規定している。動作領域Ａ２の遅れ側の境界である直線４０４は、動作領域Ａ１の遅れ側の境界である直線４０２を角度φ４だけ進み側にシフトしたものである。ただし、φ２＋φ４＜９０°である。
【００３８】
位相θが進み（９０°−φ１＋φ３）から遅れ（９０°−φ２−φ４）までの位相範囲Ｒ２に含まれ、かつ電流Ｉａの大きさが最小感度の電流値よりも大きい場合に、電流Ｉａのベクトルは動作領域Ａ２に含まれる。
【００３９】
図６（ｂ）に示すように、前方故障時の電流Ｉａ＿ｆは、ＣＴ飽和の場合にも動作領域Ａ２内に存在するため、前方故障が発生すると即時に方向継電器１００は動作する。したがって、ＣＴ飽和の解消を待つことなく方向継電器１００は動作できる。
【００４０】
また、後方故障時の電流Ｉａ＿ｂは、ＣＴ飽和の場合に動作領域Ａ２内に存在しないため、後方故障が発生してもＣＴ飽和により方向継電器１００が誤動作することはない。図６に示す方向継電器１００の動作態様に基づくと、短絡故障を判定するために図７に示すようなロジックを構築することができる。
【００４１】
図７は、実施の形態１に従う故障判定方式を説明するための図である。図７を参照して、方向継電器１００は、方向要素２０１，２０２と、過電流要素２０３，２０４と、ＡＮＤゲート２１１，２１２と、ＯＲゲート２２１とを含む。
【００４２】
方向要素２０１は、線間電圧Ｖｂｃに対する電流Ｉａの位相θが動作領域Ａ１の位相範囲Ｒ１に含まれる場合に動作し、そうではない場合に不動作となる。方向要素２０１は、動作する場合には出力値“１”を、不動作の場合には出力値“０”をＡＮＤゲート２１１に出力する。
【００４３】
方向要素２０２は、位相θが動作領域Ａ２の位相範囲Ｒ２に含まれる場合に動作し、そうではない場合に不動作となる。方向要素２０２は、動作する場合には出力値“１”を、不動作の場合には出力値“０”をＡＮＤゲート２１２に出力する。
【００４４】
過電流要素２０３は、｜Ｉａ｜＞Ｋ１である場合に動作し、そうではない場合に不動作となる。過電流要素２０３は、動作する場合には出力値“１”を、不動作の場合には出力値“０”をＡＮＤゲート２１１に出力する。｜Ｉａ｜は電流Ｉａの振幅値を示している。
【００４５】
過電流要素２０４は、｜Ｉａ｜＞Ｋｃｔである場合に動作し、そうではない場合に不動作となる。過電流要素２０４は、動作する場合には出力値“１”を、不動作の場合には出力値“０”をＡＮＤゲート２１１，２１２に出力する。ここで、閾値Ｋｃｔは、閾値Ｋ１よりも大きいが、ＣＴ飽和が発生する既知の電流値よりも小さい値に設定される。過電流要素２０４は、通常の故障電流の発生時には動作しないが、ＣＴが飽和する前の比較的大きな故障電流の発生時に動作する。そのため、過電流要素２０４は、ＣＴ飽和が実際に発生する前に動作する。
【００４６】
ＡＮＤゲート２１１は、方向要素２０１および過電流要素２０３の各出力値と、過電流要素２０４の出力の論理レベルを反転した値とのＡＮＤ演算を行なう。具体的には、方向要素２０１および過電流要素２０３が動作し、かつ過電流要素２０４が動作しない場合に、ＡＮＤゲート２１１は出力値“１”をＯＲゲート２２１に出力する。そうではない場合には、ＡＮＤゲート２１１は、出力値”０”をＯＲゲート２２１に出力する。このことから、ＡＮＤゲート２１１は、ＣＴ非飽和時において電流Ｉａのベクトルが動作領域Ａ１内に存在する場合に出力値“１”を出力する。
【００４７】
ＡＮＤゲート２１２は、方向要素２０２および過電流要素２０４の各出力値のＡＮＤ演算を行なう。具体的には、方向要素２０２および過電流要素２０４が動作した場合に、ＡＮＤゲート２１２は出力値“１”をＯＲゲート２２１に出力する。そうではない場合には、ＡＮＤゲート２１２は、出力値”０”をＯＲゲート２２１に出力する。このことから、ＡＮＤゲート２１２は、故障電流が比較的大きくＣＴ飽和が発生する可能性がある場合であって、かつ電流Ｉａのベクトルが動作領域Ａ２内に存在する場合に出力値“１”を出力する。
【００４８】
ＯＲゲート２２１は、ＡＮＤゲート２１１，２１２の各出力値のＯＲ演算を行なう。具体的には、これらの各出力値の少なくとも１つが“１”である場合には、ＯＲゲート２２１は、Ａ相を含む２相（例えば、ＡＢ相、ＣＡ相）短絡故障または３相短絡故障が発生していることを示す信号（すなわち、出力値“１”）を出力する。そうではない場合には、当該信号は出力されない。
【００４９】
図７に示すロジックによると、ＣＴ非飽和およびＣＴ飽和のいずれの場合であっても、より精度よく短絡故障を判定することができる。
【００５０】
図８は、実施の形態１に従う他の故障判定方式を説明するための図である。図８を参照して、方向継電器１００は、方向要素２０１，２０２と、過電流要素２０３，２０４と、ワンショットタイマ２３１と、ＡＮＤゲート２４１，２４２と、ＯＲゲート２５１とを含む。
【００５１】
ワンショットタイマ２３１は、過電流要素２０４が出力値“１”を出力した場合、その値を時間Ｔ１の間維持してＡＮＤゲート２４１，２４２に出力し、時間Ｔ１が経過すると出力値“０”をＡＮＤゲート２４１，２４２に出力する。故障電流の直流成分がＣＴ飽和に影響を与えることを考慮して、時間Ｔ１は当該直流成分の時定数程度に設定される。
【００５２】
ＡＮＤゲート２４１は、方向要素２０１および過電流要素２０３の各出力値と、ワンショットタイマ２３１の出力の論理レベルを反転した値とのＡＮＤ演算を行なう。ＡＮＤゲート２４２は、方向要素２０２およびワンショットタイマ２３１の各出力値のＡＮＤ演算を行なう。ＯＲゲート２５１は、ＡＮＤゲート２４１，２４２の各出力値のＯＲ演算を行なう。
【００５３】
ワンショットタイマ２３１を用いる図８のロジックでは、過電流要素２０４が動作してから時間Ｔ１が経過するまでは、動作領域Ａ２に電流Ｉａ＿ｆが存在する場合に方向継電器１００が動作する。過電流要素２０４が動作してから時間Ｔ１が経過した後は、動作領域Ａ１に電流Ｉａ＿ｆが存在する場合に方向継電器１００が動作する。このように、ＣＴ飽和によって電流位相がシフトしていると想定される時間（すなわち、時間Ｔ１）だけ動作領域Ａ２に基づいて方向継電器１００が動作することにより、図７のロジックと同様により精度よく短絡故障を判定することができる。
【００５４】
＜ハードウェア構成＞
図９は、実施の形態１に従う方向継電器１００のハードウェア構成の一例を示す図である。図９を参照して、方向継電器１００は、補助変成器５１と、ＡＤ（Analog  to  Digital）変換部５２と、演算処理部７０とを含む。
【００５５】
補助変成器５１は、ＣＴ６により検出された電流と、電圧変成器８により検出された電圧とを取り込み、リレー内部回路での信号処理に電圧に変換して出力する。ＡＤ変換部５２は、補助変成器５１から出力される電圧を取り込んでディジタルデータに変換する。具体的には、ＡＤ変換部５２は、アナログフィルタと、サンプルホールド回路と、マルチプレクサと、ＡＤ変換器とを含む。
【００５６】
アナログフィルタは、補助変成器５１から出力される電流の波形信号から高周波のノイズ成分を除去する。サンプルホールド回路は、アナログフィルタから出力される電流の波形信号を予め定められたサンプリング周期でサンプリングする。マルチプレクサは、演算処理部７０から入力されるタイミング信号に基づいて、サンプルホールド回路から入力される波形信号を時系列で順次切り替えてＡＤ変換器に入力する。ＡＤ変換器は、マルチプレクサから入力される波形信号をアナログデータからディジタルデータに変換する。ＡＤ変換器は、ディジタル変換した波形信号（ディジタルデータ）を演算処理部７０へ出力する。
【００５７】
演算処理部７０は、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）７２と、ＲＯＭ７３と、ＲＡＭ７４と、ＤＩ（digital  input）回路７５と、ＤＯ（digital  output）回路７６と、入力インターフェイス（Ｉ／Ｆ）７７とを含む。これらは、バス７１で結合されている。
【００５８】
ＣＰＵ７２は、予めＲＯＭ７３に格納されたプログラムを読み出して実行することによって、方向継電器１００の動作を制御する。なお、ＲＯＭ７３には、ＣＰＵ７２によって用いられる各種情報が格納されている。ＣＰＵ７２は、たとえば、マイクロプロセッサである。なお、当該ハードウェアは、ＣＰＵ以外のＦＰＧＡ（Field  Programmable  Gate  Array）、ＡＳＩＣ（Application  Specific  Integrated  Circuit）およびその他の演算機能を有する回路などであってもよい。
【００５９】
ＣＰＵ７２は、バス７１を介して、ＡＤ変換部５２からディジタルデータを取り込む。ＣＰＵ７２は、ＲＯＭ７３に格納されているプログラムに従って、取り込んだディジタルデータを用いて演算を実行する。
【００６０】
ＣＰＵ７２は、演算結果に基づいて、ＤＯ回路７６を介して、外部に信号を出力する。例えば、ＤＯ回路７６は、遮断器５にトリップ信号を出力する。ＣＰＵ７２は、ＤＩ回路７５を介して、外部からの信号を受け取る。入力インターフェイス７７は、典型的には、各種ボタン等であり、系統運用者からの各種設定操作を受け付ける。
【００６１】
＜機能構成＞
図１０は、実施の形態１に従う方向継電器１００の機能構成の一例を示すブロック図である。図１０を参照して、方向継電器１００は、主たる機能構成として、入力部１５１と、方向判定部１５３，１５５と、電流判定部１５７，１５９と、出力制御部１６１とを含む。これらの各機能は、例えば、方向継電器１００のマイクロプロセッサがメモリに格納されたプログラムを実行することによって実現される。なお、これらの機能の一部または全部はハードウェアで実現されるように構成されていてもよい。
【００６２】
入力部１５１は、ＣＴ６により検出された電力系統の電流（例えば、Ａ相の電流Ｉａ）と、ＣＴ６により検出された電力系統の電圧（例えば、各相電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ）との入力を受け付ける。
【００６３】
方向判定部１５３は、相電流と基準電圧とを用いて方向判定を実行する。具体的には、方向判定部１５３は、各相電圧を用いて基準電圧（例えば、線間電圧Ｖｂｃ）を算出し、線間電圧Ｖｂｃに対する電流Ｉａの位相（以下、単に「位相θ」とも称する。）が動作領域Ａ１の位相範囲Ｒ１に含まれているか否かを判定する。方向判定部１５３は、判定結果を出力制御部１６１に出力する。例えば、方向判定部１５３は、図７および図８の方向要素２０１に対応する。
【００６４】
方向判定部１５５は、位相θが動作領域Ａ２の位相範囲Ｒ２に含まれているか否かを判定する。位相範囲Ｒ２は、位相範囲Ｒ１の進み側および遅れ側の各境界を進み側にシフトし、シフト後の各境界で規定される。方向判定部１５５は、判定結果を出力制御部１６１に出力する。例えば、方向判定部１５５は、図７および図８の方向要素２０２に対応する。
【００６５】
電流判定部１５７は、電流Ｉａの振幅値が閾値Ｋ１よりも大きいか否かを判定する。電流判定部１５７は、判定結果を出力制御部１６１に出力する。例えば、電流判定部１５７は、図７および図８の過電流要素２０３に対応する。
【００６６】
電流判定部１５９は、電流Ｉａの振幅値が閾値Ｋｃｔ（ただし、Ｋｃｔ＞Ｋ１）よりも大きいか否かを判定する。電流判定部１５９は、判定結果を出力制御部１６１に出力する。例えば、電流判定部１５９は、図７および図８の過電流要素２０４に対応する。
【００６７】
出力制御部１６１は、方向判定部１５３，１５５および電流判定部１５７，１５９の各判定結果に基づいて動作信号を出力する。出力制御部１６１は、電流Ｉａの振幅値が閾値Ｋｃｔ以下である場合には、方向判定部１５３の判定結果および電流判定部１５７の判定結果に基づいて動作信号を出力し、電流Ｉａの振幅値が閾値Ｋｃｔよりも大きい場合には方向判定部１５５の判定結果に基づいて動作信号を出力する。
【００６８】
より具体的には、ある局面では、出力制御部１６１は、電流Ｉａの振幅値が閾値Ｋｃｔ以下である場合には、電流Ｉａの振幅値が閾値Ｋ１よりも大きくかつ位相θが位相範囲Ｒ１に含まれるときに動作信号を出力する。出力制御部１６１は、電流Ｉａの振幅値が閾値Ｋｃｔよりも大きい場合には、位相θが位相範囲Ｒ２に含まれるときに動作信号を出力する。この場合、出力制御部１６１は、図７のＡＮＤゲート２１１，２１２およびＯＲゲート２２１に対応する。
【００６９】
他の局面では、出力制御部１６１は、電流判定部１５９により電流Ｉａの振幅値が閾値Ｋｃｔよりも大きいと判定された場合、位相θが位相範囲Ｒ２に含まれるときに動作信号を出力するが、当該判定から時間Ｔ１が経過した場合には、電流Ｉａの振幅値が閾値Ｋ１よりも大きくかつ位相θが位相範囲Ｒ１に含まれるときに動作信号を出力する。この場合、出力制御部１６１は、図８のワンショットタイマ２３１、ＡＮＤゲート２４１，２４２およびＯＲゲート２５１に対応する。
【００７０】
＜利点＞
実施の形態１に係る方向継電器１００は、ＣＴが飽和しても遅延なく前方故障を検出し動作することができるとともに、後方故障時に誤動作することがない。したがって、ＣＴ飽和時においてもより精度よく故障判定を行なうことができる。
【００７１】
実施の形態２．
実施の形態２では、図７および図８に示したロジックとは別のロジックで前方故障を判定する構成について説明する。
【００７２】
＜故障判定方式＞
図１１は、実施の形態２に従う方向継電器１００の動作を説明するための図である。図１１（ａ）は、ＣＴが非飽和である場合に用いられる方向継電器１００の動作領域Ａ１を示す図である。図１１（ａ）の動作領域Ａ１は図５および図６（ａ）の動作領域Ａ１と同一である。図１１（ｂ）は、ＣＴ飽和が発生する可能性がある場合に用いられる方向継電器１００の動作領域Ａ３，Ａ４，Ａ５を示す図である。
【００７３】
図１１（ｂ）を参照して、動作領域Ａ３は、円４００と、直線４０１と、直線４０４とで囲まれる斜線領域である。動作領域Ａ４は、円４００と、直線４０３と、直線４０１とで囲まれる斜線領域である。動作領域Ａ５は、円４００と、直線４０４と、直線４０２とで囲まれる斜線領域である。
【００７４】
動作領域Ａ３および動作領域Ａ４は、図６（ｂ）の動作領域Ａ２を２つに分割したものである。そのため、位相範囲Ｒ２は、動作領域Ａ３の位相範囲Ｒ３および動作領域Ａ４の位相範囲Ｒ４とを含む。位相範囲Ｒ３は、位相範囲Ｒ１の進み側の境界である直線４０１と、位相範囲Ｒ２の遅れ側の境界である直線４０４とから規定される。具体的には、位相範囲Ｒ３は、線間電圧Ｖｂｃに対する電流Ｉａの位相θが進み（９０°−φ１）から遅れ（９０°−φ２−φ４）までの範囲である。
【００７５】
位相範囲Ｒ４は、位相範囲Ｒ２の進み側の境界である直線４０３と位相範囲Ｒ１の進み側の境界である直線４０１とから規定される。具体的には、位相範囲Ｒ４は、位相θが進み（９０°−φ１＋φ３）から進み（９０°−φ１）までの範囲である。
【００７６】
動作領域Ａ３および動作領域Ａ５は、動作領域Ａ１を２つに分割したものである。動作領域Ａ５の位相範囲Ｒ５は、位相範囲Ｒ２の遅れ側の境界である直線４０４と位相範囲Ｒ１の遅れ側の境界である直線４０２とから規定される。具体的には、位相範囲Ｒ５は、位相θが遅れ（９０°−φ２−φ４）から遅れ（９０°−φ２）までの範囲である。
【００７７】
図１１（ｂ）を参照して、実施の形態２に従う方向継電器１００は、動作領域Ａ３に電流Ｉａのベクトルが含まれる場合には動作する。すなわち、動作領域Ａ３は、方向継電器１００の動作領域として常に有効にされている。一方、方向継電器１００は、ＣＴ飽和の可能性があると判定してから時間Ｔ１が経過するまでは動作領域Ａ４を有効にし、時間Ｔ１経過後に動作領域Ａ４を無効にする。また、方向継電器１００は、ＣＴ飽和の可能性があると判定してから時間Ｔ２が経過するまでは動作領域Ａ５を無効にし、時間Ｔ２経過後に動作領域Ａ５を有効にする。
【００７８】
このように、ＣＴ飽和によって電流位相がシフトして、前方故障時の電流Ｉａ＿ｆが動作領域Ａ４に存在すると想定される期間に動作領域Ａ４を有効にし、後方故障時の電流Ｉａ＿ｂが動作領域Ａ５に存在すると想定される期間に動作領域Ａ５を無効にする。これにより、実施の形態２に従う方向継電器１００は、前方故障が発生した場合には即時に動作するとともに、後方故障が発生した場合の誤動作を防止することができる。図１１に示す方向継電器１００の動作態様に基づくと、短絡故障を判定するために図１２に示すようなロジックを構築することができる。
【００７９】
図１２は、実施の形態２に従う故障判定方式を説明するための図である。図１２を参照して、方向継電器１００Ａは、方向要素２０１，２６１〜２６３と、過電流要素２０３，２０４と、ＡＮＤゲート２１１，２７２〜２７４と、ワンショットタイマ２８１と、オンディレータイマ２８２と、ＯＲゲート２９１とを含む。方向継電器１００Ａは図１に示す方向継電器１００に対応するが、他の実施の形態との区別のため、便宜上「Ａ」といった追加の符号を付している。これは、実施の形態３でも同様である。
【００８０】
方向要素２６１は、線間電圧Ｖｂｃに対する電流Ｉａの位相θが位相範囲Ｒ３に含まれる場合に動作し、そうではない場合に不動作となる。方向要素２６２は、動作する場合には出力値“１”を、不動作の場合には出力値“０”をＡＮＤゲート２７２に出力する。
【００８１】
方向要素２６２は、位相θが位相範囲Ｒ４に含まれる場合に動作して出力値“１”をＡＮＤゲート２７３に出力し、不動作の場合には出力値“０”をＡＮＤゲート２７３に出力する。方向要素２６３は、位相θが位相範囲Ｒ５に含まれる場合に動作して出力値“１”をＡＮＤゲート２７４に出力し、不動作の場合には出力値“０”をＡＮＤゲート２７４に出力する。
【００８２】
ＡＮＤゲート２７２は、方向要素２６１および過電流要素２０４の各出力値のＡＮＤ演算を行なう。具体的には、方向要素２６１および過電流要素２０４が動作した場合に、ＡＮＤゲート２７２は出力値“１”をＯＲゲート２９１に出力する。そうではない場合に、ＡＮＤゲート２７２は、出力値”０”をＯＲゲート２９１に出力する。そのため、ＡＮＤゲート２７２は、故障電流が比較的大きくＣＴ飽和が発生する可能性があり、かつ電流Ｉａのベクトルが動作領域Ａ３に存在する場合に出力値“１”を出力する。
【００８３】
ＡＮＤゲート２７３は、方向要素２６２および過電流要素２０４の各出力値のＡＮＤ演算を行なう。具体的には、ＡＮＤゲート２７３は、ＣＴ飽和が発生する可能性があり、かつ電流Ｉａのベクトルが動作領域Ａ４に存在する場合に出力値“１”を出力する。
【００８４】
ＡＮＤゲート２７４は、方向要素２６３および過電流要素２０４の各出力値のＡＮＤ演算を行なう。具体的には、ＡＮＤゲート２７４は、ＣＴ飽和が発生する可能性があり、かつ電流Ｉａのベクトルが動作領域Ａ５に存在する場合に出力値“１”を出力する。
【００８５】
ワンショットタイマ２８１は、ＡＮＤゲート２７３が出力値“１”を出力した場合、その値を時間Ｔ１の間維持してＯＲゲート２９１に出力し、時間Ｔ１が経過すると出力値“０”をＯＲゲート２９１に出力する。オンディレータイマ２８２は、ＡＮＤゲート２７４が出力値“１”を出力した場合、当該出力から時間Ｔ２の経過後に出力値“１”をＯＲゲート２９１に出力する。典型的には、時間Ｔ２は時間Ｔ１よりも短く設定される。
【００８６】
ＯＲゲート２９１は、ＡＮＤゲート２１１，２７２、ワンショットタイマ２８１およびオンディレータイマ２８２の各出力値のＯＲ演算を行なう。具体的には、これらの各出力値の少なくとも１つが”１”である場合には、ＯＲゲート２９１は、Ａ相を含む２相（例えば、ＡＢ相、ＣＡ相）短絡故障または３相短絡故障が発生していることを示す信号（すなわち、出力値“１”）を出力する。そうではない場合には、当該信号は出力されない。
【００８７】
図１２に示すロジックによると、ＣＴ非飽和およびＣＴ飽和のいずれの場合であっても、より精度よく短絡故障を判定することができる。
【００８８】
＜機能構成＞
図１３は、実施の形態２に従う方向継電器１００Ａの機能構成の一例を示すブロック図である。図１３を参照して、方向継電器１００Ａは、主たる機能構成として、入力部１５１と、方向判定部１５３，１５５Ａ，１６３と、電流判定部１５７，１５９と、出力制御部１６１Ａとを含む。これらの機能のうち、図１０で説明した機能についてはその詳細な説明は繰り返さない。
【００８９】
方向判定部１５５Ａは、図１０の方向判定部１５５と同様に線間電圧Ｖｂｃに対する電流Ｉａの位相θが動作領域Ａ２の位相範囲Ｒ２に含まれているか否かを判定する。方向判定部１５５Ａは、方向判定部１５５よりもさらに詳細な判定を実行する点で異なる。
【００９０】
具体的には、方向判定部１５５Ａは、位相θが位相範囲Ｒ２に含まれると判定した場合、位相範囲Ｒ２のうちの位相範囲Ｒ３に位相θが含まれるのか、位相範囲Ｒ２のうちの位相範囲Ｒ４に位相θが含まれるのかをさらに判定する。方向判定部１５５Ａは、位相θが位相範囲Ｒ３に含まれるのか否かを示す判定結果、および位相θが位相範囲Ｒ４に含まれるのか否かを示す判定結果を出力制御部１６１Ａに出力する。方向判定部１５５Ａは、例えば、図１２の方向要素２６１，２６２に対応する。
【００９１】
方向判定部１６３は、位相θが動作領域Ａ５の位相範囲Ｒ５に含まれているか否かを判定する。方向判定部１６３は、判定結果を出力制御部１６１Ａに出力する。方向判定部１６３は、例えば、図１２の方向要素２６３に対応する。
【００９２】
出力制御部１６１Ａは、方向判定部１５３，１５５Ａ，１６３および電流判定部１５７，１５９の各判定結果に基づいて動作信号を出力する。出力制御部１６１Ａは、電流Ｉａの振幅値が閾値Ｋｃｔ以下である場合には、方向判定部１５３の判定結果および電流判定部１５７の判定結果に基づいて動作信号を出力する。具体的には、出力制御部１６１Ａは、電流Ｉａの振幅値が閾値Ｋ１よりも大きくかつ位相θが位相範囲Ｒ１に含まれるときに動作信号を出力する。
【００９３】
一方、出力制御部１６１Ａは、電流Ｉａの振幅値が閾値Ｋｃｔよりも大きい場合には方向判定部１５５Ａの判定結果および方向判定部１６３の判定結果に基づいて動作信号を出力する。具体的には、ある局面では、電流Ｉａの振幅値が閾値Ｋｃｔよりも大きく、かつ方向判定部１５５Ａにより位相θが位相範囲Ｒ３に含まれると判定された場合、出力制御部１６１Ａは動作信号を出力する。
【００９４】
他の局面では、電流判定部１５９により電流Ｉａの振幅値が閾値Ｋｃｔよりも大きいと判定されてから時間Ｔ１が経過するまでの期間に、方向判定部１５５Ａにより位相θが位相範囲Ｒ４に含まれると判定された場合、出力制御部１６１Ａは動作信号を出力する。
【００９５】
さらに他の局面では、電流判定部１５９により電流Ｉａの振幅値が閾値Ｋｃｔよりも大きいと判定されてから時間Ｔ２が経過するまでの期間においては、方向判定部１５５Ａにより位相θが位相範囲Ｒ５に含まれると判定された場合であっても、出力制御部１６１Ａは動作信号を出力しない。
【００９６】
出力制御部１６１Ａは、例えば、ＡＮＤゲート２１１，２７２〜２７４、ワンショットタイマ２８１、オンディレータイマ２８２およびＯＲゲート２９１に対応する。
【００９７】
＜利点＞
実施の形態２によると、ＣＴ飽和により位相シフトが発生していると想定される期間に応じて、動作領域Ａ４，Ａ５を有効または無効にすることで、実施の形態１の利点に加えて、より適切な動作領域を用いて短絡故障を判定できる。
【００９８】
実施の形態３．
実施の形態１および２では、動作領域を変更する際に電流Ｉａの振幅値がＫｃｔよりも大きい場合に、ＣＴ飽和が発生する可能性があるとみなして動作領域を変更する構成について説明した。実施の形態３では、ＣＴ飽和の発生を検出した場合に動作領域を変更する構成について説明する。
【００９９】
図１４は、実施の形態３に従う飽和検出方式を説明するための図である。具体的には、飽和検出要素６００は、振幅判定要素６０１と、変化量判定要素６０２と、瞬時値判定要素６０３と、タイマ６５１〜６５３と、ＡＮＤゲート６３１，６４１とを含む。タイマ６５１は、動作タイマ６１１および復帰タイマ６２１を含む。タイマ６５２は、動作タイマ６１２および復帰タイマ６２２を含む。タイマ６５３は、動作タイマ６１３および復帰タイマ６２３を含む。
【０１００】
実施の形態３に従う方向継電器１００は、実施の形態１に従う図７，図８の過電流要素２０４を、飽和検出要素６００に置き換えたものに相当する。そのため、図７の過電流要素２０４が置換された場合には、飽和検出要素６００の出力値はＡＮＤゲート２１１，２１２に入力され、図８の過電流要素２０４が置換された場合には、飽和検出要素６００の出力値はワンショットタイマ２３１に入力される。
【０１０１】
振幅判定要素６０１は、｜Ｉａ｜＞Ｋ４である場合に動作し、そうではない場合に不動作となる。振幅判定要素６０１は、動作する場合には出力値“１”を、不動作の場合には出力値“０”を動作タイマ６１１に出力する。
【０１０２】
動作タイマ６１１は、振幅判定要素６０１の出力値“１”（すなわち、｜Ｉａ｜＞Ｋ４）が時間ｔ１（例えば、１０ｍｓ）以上継続した場合に、出力値“１”を復帰タイマ６２１に出力する。復帰タイマ６２１は、動作タイマ６１１が出力値“１”を出力した場合、その値を時間ｔ２（例えば、２〜３サイクル）の間維持する。復帰タイマ６２１の出力がタイマ６５１の出力となる。
【０１０３】
変化量判定要素６０２は、｜ΔＩａ｜ｉｎｓｔ＜Ｋ２である場合に動作し、そうではない場合に不動作となる。変化量判定要素６０２は、動作する場合には出力値“１”を、不動作の場合には出力値“０”を動作タイマ６１２に出力する。｜ΔＩａ｜ｉｎｓｔは、電流Ｉａの変化量ΔＩａの絶対値を示している。サンプリングした電流Ｉａの時系列データを、Ｉａ（ｔ），Ｉａ（ｔ−１），Ｉａ（ｔ−２）、・・・，Ｉａ（ｔ−ｎ）とすると、ΔＩａは以下の式（１）のように表わされる。ただし、ｎは１以上の整数である。
【０１０４】
ΔＩａ（ｔ−（ｎ−１））＝Ｉａ（ｔ−（ｎ−１））−Ｉａ（ｔ−ｎ）・・・（１）
サンプリング間隔は短い方が好ましく、例えば電気角７．５°である。このように、連続するサンプリングデータの差分をとることで、変化量ΔＩａを算出する。
【０１０５】
動作タイマ６１２は、変化量判定要素６０２の出力値“１”（すなわち、｜ΔＩａ｜ｉｎｓｔ＜Ｋ２）が時間ｔ３（例えば、３〜４ｍｓ）以上継続した場合に、出力値“１”を復帰タイマ６２２に出力する。復帰タイマ６２２は、動作タイマ６１２が出力値“１”を出力した場合、その値を時間ｔ４（例えば、１サイクル以上）の間維持する。復帰タイマ６２２の出力がタイマ６５２の出力となる。
【０１０６】
瞬時値判定要素６０３は、｜Ｉａ｜ｉｎｓｔ＞Ｋ３である場合に動作し、そうではない場合に不動作となる。瞬時値判定要素６０３は、動作する場合には出力値“１”を、不動作の場合には出力値“０”を動作タイマ６１３に出力する。｜Ｉａ｜ｉｎｓｔは、電流Ｉａの瞬時値の絶対値を示している。
【０１０７】
動作タイマ６１３は、瞬時値判定要素６０３の出力値“１”（すなわち、｜Ｉａ｜ｉｎｓｔ＞Ｋ３）が時間ｔ５（例えば、２〜３ｍｓ）以上継続した場合に、出力値“１”を復帰タイマ６２３に出力する。復帰タイマ６２３は、動作タイマ６１３が出力値“１”を出力した場合、その値を時間ｔ６の間維持する。時間ｔ６は、故障電流の直流成分の時定数程度に設定され、例えば、５〜１０サイクルである。復帰タイマ６２３の出力がタイマ６５３の出力となる。
【０１０８】
ＡＮＤゲート６３１は、タイマ６５２およびタイマ６５３の各出力値のＡＮＤ演算を行なう。具体的には、タイマ６５２およびタイマ６５３の各出力値が“１”である場合に、出力値“１”をＡＮＤゲート６４１に出力する。
【０１０９】
ＡＮＤゲート６４１は、タイマ６５１およびＡＮＤゲート６３１の各出力値のＡＮＤ演算を行なう。具体的には、タイマ６５１およびＡＮＤゲート６３１の各出力値が“１”である場合に、出力値“１”を出力する。ＡＮＤゲート６４１の出力が飽和検出要素６００の出力となる。飽和検出要素６００の出力値“１”は、ＣＴ飽和を検出したことを示す信号に対応する。
【０１１０】
典型的には、振幅判定要素６０１、変化量判定要素６０２および瞬時値判定要素６０３において実行される演算にはディジタルフィルタ処理前のデータが用いられる。なお、振幅判定要素６０１における振幅値演算についてはディジタルフィルタ処理後のデータを用いてもよい。
【０１１１】
図１５および図１６は、実施の形態３に従う飽和検出要素６００の動作を説明するための図である。図１５を参照して、波形７０１および波形７０２は、それぞれ、ＣＴ飽和時およびＣＴ非飽和時の電流Ｉａの電流波形を示している。波形７０３は、ＣＴ飽和時の変化量ΔＩａの波形を示している。図１５が示すように、ＣＴ飽和により電流が急減した後に変化量ΔＩａの絶対値が小さくなる期間が発生するため、｜ΔＩａ｜ｉｎｓｔ＜Ｋ２が時間ｔ３以上継続する。したがって、タイマ６５２の出力が出力値０から出力値“１”に変化する。
【０１１２】
なお、波形７０３が単にゼロクロス点を通過しただけの期間（例えば、図１５中の期間Ｔｅ１）は、時間ｔ３よりも短いためタイマ６５２の出力値は変化しない。また、ＣＴ飽和時において定期的に発生する、｜ΔＩａ｜ｉｎｓｔ＜Ｋ２が時間ｔ３以上継続しない期間（例えば、期間Ｔｅ２）は１サイクルよりも少し短い。この期間にタイマ６５２の出力値が“０”に戻らないように時間ｔ４は１サイクル以上に設定される。
【０１１３】
図１６を参照して、ＣＴ飽和時の波形７０１が示すように、電流Ｉａの瞬時値はＣＴが飽和するまでは増加し一定値以上となり、｜Ｉａ｜ｉｎｓｔ＞Ｋ３が時間ｔ５以上継続する。そのため、タイマ６５３の出力は出力値０から出力値“１”に変化する。
【０１１４】
また、波形７０５は、電流Ｉａの振幅値を示している。ＣＴ飽和時には電流Ｉａの振幅値が大きくなり、｜Ｉａ｜＞Ｋ４が時間ｔ１以上継続する。そのため、タイマ６５１の出力は出力値０から出力値“１”に変化する。
【０１１５】
上記より、タイマ６５１〜６５３の各出力値が“１”になった場合には、ＣＴ飽和が発生した可能性が非常に高い。したがって、図１４に示すように、タイマ６５１〜６５３の各出力値が“１”になった場合に、飽和検出要素６００はＣＴ飽和を検出したことを示す信号を出力する。
【０１１６】
＜機能構成＞
図１７は、実施の形態３に従う方向継電器１００Ｂの機能構成の一例を示すブロック図である。図１７を参照して、方向継電器１００Ｂは、主たる機能構成として、入力部１５１と、方向判定部１５３，１５５と、電流判定部１５７と、飽和判定部１６５と、出力制御部１６１Ｂとを含む。これらの機能のうち、図１０で説明した機能についてはその詳細な説明は繰り返さない。
【０１１７】
飽和判定部１６５は、電流Ｉａに基づいてＣＴが飽和したか否かを判定する。具体的には、飽和判定部１６５は、電流Ｉａの振幅値が基準振幅値Ｋ４よりも大きく、電流Ｉａの変化量が基準変化量Ｋ２未満であり、かつ電流Ｉａの瞬時値が基準瞬時値Ｋ３よりも大きいと判定した場合に、ＣＴが飽和したと判定する。飽和判定部１６５は、出力制御部１６１Ｂに判定結果を出力する。飽和判定部１６５は飽和検出要素６００に対応する。
【０１１８】
出力制御部１６１Ｂは、方向判定部１５３，１５５、電流判定部１５７および飽和判定部１６５の各判定結果に基づいて動作信号を出力する。出力制御部１６１Ｂは、飽和判定部１６５によりＣＴが飽和していないと判定された場合には電流判定部１５７の判定結果および方向判定部１５３の判定結果に基づいて動作信号を出力し、ＣＴが飽和していると判定された場合には方向判定部１５５の判定結果に基づいて動作信号を出力する。
【０１１９】
具体的には、ある局面では、ＣＴが飽和していない場合には、出力制御部１６１Ｂは、電流Ｉａの振幅値が閾値Ｋ１よりも大きくかつ位相θが位相範囲Ｒ１に含まれるときに動作信号を出力する。ＣＴが飽和している場合には、出力制御部１６１Ｂは、位相θが位相範囲Ｒ２に含まれるときに動作信号を出力する。
【０１２０】
他の局面では、飽和判定部１６５によりＣＴが飽和していると判定されてから時間Ｔ１が経過した場合、出力制御部１６１Ｂは、電流Ｉａの振幅値が閾値Ｋ１よりも大きくかつ位相θが位相範囲Ｒ１に含まれるときに動作信号を出力する。
【０１２１】
図１７に示す方向継電器１００Ｂの機能構成は、実施の形態１の電流判定部１５９を飽和判定部１６５に置換した構成を想定しているが、当該構成に限られない。方向継電器１００Ｂの機能構成は、実施の形態２の電流判定部１５９を飽和判定部１６５に置換する構成であってもよい。当該構成において、出力制御部１６１Ｂは、ＣＴが飽和していない場合には電流Ｉａの振幅値が閾値Ｋ１よりも大きくかつ位相θが位相範囲Ｒ１に含まれるときに動作信号を出力する。
【０１２２】
一方、ＣＴが飽和している場合には、出力制御部１６１Ｂは、方向判定部１５５Ａの判定結果および方向判定部１６３の判定結果に基づいて動作信号を出力する。具体的には、ある局面では、ＣＴ飽和が発生しており、かつ位相θが位相範囲Ｒ３に含まれる場合、出力制御部１６１Ｂは動作信号を出力する。
【０１２３】
他の局面では、飽和判定部１６５によりＣＴが飽和していると判定されてから時間Ｔ１が経過するまでの期間に位相θが位相範囲Ｒ４に含まれた場合、出力制御部１６１Ｂは動作信号を出力する。さらに他の局面では、飽和判定部１６５によりＣＴが飽和していると判定されてから時間Ｔ２が経過するまでは位相θが位相範囲Ｒ５に含まれた場合であっても、出力制御部１６１Ｂは動作信号を出力しない。
【０１２４】
＜利点＞
実施の形態３によると、ＣＴ飽和の有無をより精度よく検出することができる。そのため、故障電流の大きさだけでＣＴ飽和の可能性を判定する実施の形態１および２よりも、より適切に方向継電器の動作領域を変更することができる。例えば、故障電流が大電流であっても、系統運用時にＣＴ残留磁束を適切に消磁させているとＣＴ飽和しない場合もある。実施の形態３によると、このような場合でも適切にＣＴ飽和の有無を検出できるため、より精度よく故障判定を行なうことができる。
【０１２５】
その他の実施の形態．
上述した実施の形態では、方向継電器がＡ相電流Ｉａを用いてＡ相を含む２相短絡故障および３相短絡故障を判定する構成について説明したが、当該構成に限られない。方向継電器がＢ相電流Ｉｂを用いてＢ相を含む短絡故障を判定してもよいし、Ｃ相電流Ｉｃを用いてＣ相を含む短絡故障を判定してもよい。また、基準電圧として線間電圧Ｖｂｃを用いる構成について説明したが、基準電圧として他の線間電圧（例えば、Ｖａｃ）を用いる構成であってもよい。
【０１２６】
上述の実施の形態として例示した構成は、本発明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、本発明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。
【０１２７】
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。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許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。
【符号の説明】
【０１２８】
２，４  母線、３  送電線、５  遮断器、６  電流変成器、８  電圧変成器、１０，１１  交流電源、５１  補助変成器、５２  ＡＤ変換部、７０  演算処理部、７１  バス、７２  ＣＰＵ、７３  ＲＯＭ、７４  ＲＡＭ、７５  ＤＩ回路、７６  ＤＯ回路、７７  入力インターフェイス、１００，１００Ａ，１００Ｂ  方向継電器、１５１  入力部、１５３，１５５，１５５Ａ，１６３  方向判定部、１５７，１５９  電流判定部、１６１，１６１Ａ，１６１Ｂ  出力制御部、１６５  飽和判定部、２０１，２０２，２６１，２６２，２６３  方向要素、２０３，２０４  過電流要素、２１１，２１２，２４１，２４２，２７２，２７３，２７４，６３１，６４１  ＡＮＤゲート、２２１，２５１，２９１  ＯＲゲート、２３１，２８１  ワンショットタイマ、２８２  オンディレータイマ、６００  飽和検出要素、６０１  振幅判定要素、６０２  変化量判定要素、６０３  瞬時値判定要素、６１１〜６１３  動作タイマ、６２１〜６２３  復帰タイマ、６５１〜６５３  タイマ。 
【図１】
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【図２】
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【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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