(57)【要約】【課題】安定して誤動作が抑制された比率差動継電器を提供する。【解決手段】変圧器を保護するための比率差動継電器は、変圧器の入力と出力の差動電流が最小動作値を超えるか否かを判定する最小動作値特性判定部６４と、抑制電流と差動電流との関係が所定の比率特性を満たす否かを判定する比率特性判定部６２と、最小動作値特性判定部６４の出力および比率特性判定部６２の出力に基づいて遮断器の遮断に用いられるトリップ信号を出力する出力合成部６６とを備える。最小動作値特性判定部６４は、変圧器の入力電圧または出力電圧に応じて最小動作値を変化させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
変圧器を保護するための比率差動継電器であって、
前記変圧器の入力と出力の差動電流が最小動作値を超えるか否かを判定する最小動作値特性判定部と、
抑制電流と前記差動電流との関係が所定の比率特性を満たす否かを判定する比率特性判定部と、
前記最小動作値特性判定部の出力および前記比率特性判定部の出力に基づいて遮断器の遮断に用いられるトリップ信号を出力する出力合成部とを備え、
前記最小動作値特性判定部は、前記変圧器の入力電圧または出力電圧に応じて前記最小動作値を変化させる、比率差動継電器。
【請求項２】
前記入力電圧または前記出力電圧が定格電圧より大きい所定値を超える過電圧である時間が所定時間継続するか否かを判定する過電圧継続判定部をさらに備え、
前記出力合成部は、前記過電圧継続判定部が過電圧の継続を判定した場合には、前記トリップ信号を出力する、請求項１に記載の比率差動継電器。
【請求項３】
前記最小動作値特性判定部は、第１の電圧範囲では、前記入力電圧または前記出力電圧が高いほど前記最小動作値を高く設定し、前記第１の電圧範囲よりも高い第２の電圧範囲では、前記最小動作値を前記第１の電圧範囲で設定した値よりも低下させる、請求項１に記載の比率差動継電器。
【請求項４】
前記最小動作値特性判定部は、第１の電圧範囲では、前記入力電圧または前記出力電圧が高いほど初期値よりも前記最小動作値を高く設定し、前記第１の電圧範囲よりも高い第２の電圧範囲では、前記最小動作値を前記初期値に設定する、請求項１に記載の比率差動継電器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力系統に設置された変圧器を保護する比率差動継電器に関する。
【背景技術】
【０００２】
変圧器保護継電器は、変圧器の一次側および二次側に接続される線路にそれぞれ配置したＣＴ（計器用変流器）から取り込んだ観測電流に基づいて変圧器の内部故障の発生を検出し、変圧器の一次側および二次側に配置した遮断器を開路して当該変圧器を系統から切り離すことで、当該変圧器を保護している。
【０００３】
電力用変圧器を保護する変圧器保護継電器として、従来から比率差動継電器が広く用いられている。比率差動継電器は変圧器の内部・外部事故を判別し、内部事故発生時に動作し変圧器を保護する。
【０００４】
特開昭５９−１３２７１６号公報（特許文献１）に開示された比率差動継電器は、変圧器の端子電圧が予定の値以上で、かつ変圧器の端子電流より得られる差動電流中の高調波電流が予定の値以上となったときに、比率差動継電器自身を不動作側に制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５９−１３２７１６号公報（請求項１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
変圧器に電源を投入すると、定格電流より非常に大きな電流が流れることがあり、この電流を励磁突入電流という。この電流により事故ではないのに比率差動継電器が不要動作することがあり、この励磁突入電流を考慮して動作を決定する必要がある。このように、高調波電流を電流比率と組み合わせて考慮することによって、誤動作を防止することができる。
【０００７】
ところで、変圧器に過電圧が印加された場合、変圧器の鉄心が飽和する可能性がある。それにより変圧器に過励磁電流が増加し、その結果比率差動継電器が誤動作する可能性がある。変圧器の鉄心が飽和すると差動電流中に高調波電流が発生することが知られている。このことを利用して、比率差動継電器の誤動作を防止することも考えられる。
【０００８】
従来の比率差動継電器では、変圧器の端子電圧だけでなく、変圧器の端子電流より得られる差動電流中の高調波電流または代替となる高調波成分を用いて、高調波分だけ比率差動継電器特性を低感度にして誤動作を防止する。これは、変圧器が初めて系統に接続されるときに発生する励磁突入電流による誤動作を防止することを主として目的とするものであった。このため、高調波成分（２ｆ成分）を検出していた。
【０００９】
しかし、過励磁発生時には、励磁突入電流発生時とは高調波成分が異なることがわかっている。すなわち、過励磁発生時に発生するといわれている第５調波、第７調波（５ｆ，７ｆ成分）を精度良く検出することは難しい。
【００１０】
したがって、従来の比率差動継電器に用いられている高調波電流検出による誤動作防止方法は、過励磁発生時の誤動作防止に適用することは困難であり、電流波形によっては高調波が十分に検出されずに誤動作を見逃してしまう可能性がある。すなわち、高調波電流検出方式による過励磁発生時の誤動作防止技術の実用化には様々な困難があった。
【００１１】
この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、変圧器が過励磁された場合でも、電圧値に応じて確実に比率差動継電器の感度を調整することが可能であり、安定して誤動作が抑制された比率差動継電器を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明に係る保護継電器は、変圧器を保護するための比率差動継電器であって、変圧器の入力と出力の差動電流が最小動作値を超えるか否かを判定する最小動作値特性判定部と、抑制電流と差動電流との関係が所定の比率特性を満たす否かを判定する比率特性判定部と、最小動作値特性判定部の出力および比率特性判定部の出力に基づいて遮断器の遮断に用いられるトリップ信号を出力する出力合成部とを備える。最小動作値特性判定部は、変圧器の入力電圧または出力電圧に応じて最小動作値を変化させる。
【発明の効果】
【００１３】
この発明の比率差動継電器は、電圧値に応じて確実に比率差動継電器の感度を調整することが可能であり、誤作動の懸念が低減された比率差動継電器を実現できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施の形態の比率差動継電器が適用される電力系統の概略構成を示した図である。
【図２】比率差動継電器２６の概略ブロック図である。
【図３】比率差動継電器２６の特性図である。
【図４】一次側電圧Ｖ１に対する最小動作値Ｎ（％）の変化の一例を示した図である。
【図５】図２の最小動作値特性判定部で実行される最小動作値の設定とトリップ信号の出力の制御を示すフローチャートである。
【図６】図２の比率特性判定部で実行されるトリップ信号の出力の制御を示すフローチャートである。
【図７】実施の形態２の最小動作値特性判定部の動作を説明するためのフローチャートである。
【図８】実施の形態３の比率差動継電器の概略ブロック図である。
【図９】実施の形態４の最小動作値特性判定部の動作を説明するためのフローチャートである。
【図１０】実施の形態４における最小動作値の設定について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示し、これらの説明は繰返さない。
【００１６】
［実施の形態１］
図１は、本実施の形態の比率差動継電器が適用される電力系統の概略構成を示した図である。図１を参照して、発電所１０から変電所（図中ｓ／ｓと記す）Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅを経由して再び発電所１０に至るようなループ系が形成されている。
【００１７】
負荷４１，４２の急変等により、系統が不安定となった場合に系統を安定化させるために、変電所Ｄには系統安定化装置３０が設けられている。たとえば、系統安定化装置３０は、リアクトルやコンデンサなどの接続および切り離しをする等により、無効電力を調整し、系統の電圧を調整することができる。系統が不安定（過電圧など）になる場合の例としては、（ａ）系統事故により負荷４１，４２が脱落した場合、（ｂ）発電所１０に太陽光発電システムが導入されている地域において、低下していた日射が急に回復し電力需要よりも電力供給が大幅に上回った場合、等が考えられる。
【００１８】
変電所Ｃは、変圧器２０が設けられている。変圧器２０に故障が発生したときに変圧器２０および系統を保護するために比率差動継電器２６が設けられる。比率差動継電器２６は、遮断器２３，２４を遮断することによって変圧器２０を系統から分離する。
【００１９】
比率差動継電器２６は、一次側の電流を検出する変流器２２から電流値Ｉ１を受け、二次側の電流を検出する変流器２５から電流値Ｉ２を受けてこれらの比率が正常範囲か否かに基づいて変圧器の故障発生の有無を判断する。比率差動継電器２６は、さらに、電圧用変成器２１から電圧値Ｖ１を受けてこれに基づいて変圧器の故障発生の有無を判断する。本実施の形態では、特に、電圧値Ｖ１は、比率差動継電器２６の誤作動を抑制するために用いられる。
【００２０】
変圧器２０の各端子に設置した変流器２２，２５の二次電流Ｉ１，Ｉ２はそれぞれ比率差動継電器２６の図示しない各入力用補助変流器を介して比率差動継電器２６の内部へ導入される。また、変圧器２０の各端子の電圧用変成器２１の電圧Ｖ１は比率差動継電器２６の図示しない各入力用補助電圧変成器を介して比率差動継電器２６の内部へ導入される。
【００２１】
図２は、比率差動継電器２６の概略ブロック図である。図２を参照して、比率差動継電器２６は、比率特性判定部６２と、最小動作値特性判定部６４と出力合成部６６とを含む。出力合成部６６は、比率特性判定部６２からトリップ信号ＴＰ２を受け、最小動作値特性判定部６４からトリップ信号ＴＰ１を受け、これらが両方とも活性状態にある場合にトリップ用の出力信号を出力する。
【００２２】
図３は、比率差動継電器２６の特性図である。図３の縦軸には、図２の電流値Ｉ１，Ｉ２の差動電流が示され、縦軸には抑制電流が示されている。たとえば、差動電流は、電流Ｉ１，Ｉ２のベクトル和の絶対値（瞬時値データの和を実効値演算したもの）とすることができる。また抑制電流は、電流Ｉ１，Ｉ２のスカラー量の最大値（各電流を実効値演算のちに最大値を抽出したもの）とすることができる。
【００２３】
差動電流をＩＤとすると、ＩＤ＞Ｎであるか否かが図２の最小動作値特性判定部６４で判定される。抑制電流ＩＲ、比例係数Ｒ０、定数Ｋ０とすると、図３の比率特性を示す直線は、ＩＤ＝Ｒ０・ＩＲ＋Ｋ０で表わすことができる。この直線より上の領域に属するか、すなわちＩＤ＞Ｒ０・ＩＲ＋Ｋ０であるか否かが図２の比率特性判定部６２で判定される。最小動作値Ｎ（％）よりも差動電流ＩＤが大きく、かつ比率が比率特性で示す境界値より大である場合には、図２の出力合成部６６はトリップ信号を出力する。したがって、図３のハッチングで示した領域が比率差動継電器の作動領域として規定される。
【００２４】
ここで、本実施の形態では、最小動作値Ｎ（％）は、電圧用変成器２１の電圧Ｖ１に基づいて変化する。
【００２５】
図４は、一次側電圧Ｖ１に対する最小動作値Ｎ（％）の変化の一例を示した図である。図４では、縦軸に最小動作値Ｎ（％）が示され、横軸に、電圧用変成器２１の電圧Ｖ１が示される。図３、図４を参照して、たとえば、Ｖ１が定格の１００％である場合には、最小動作値Ｎ＝３０％に設定され、Ｖ１が定格の２００％である場合には、最小動作値Ｎ＝２００％に設定される。
【００２６】
つまり、電圧Ｖ１の所定範囲（定格の１００％〜２００％）において、最小動作値Ｎ％は電圧Ｖ１が高いほど高く設定される。なお、必ずしも最小動作値を連続的に変化させる必要はなく、電圧Ｖ１が連続的に増加したときに最小動作値Ｎを階段状に増加させても良い。
【００２７】
また、図４では、たとえば、Ｖ１が２００％入力されたときに最小動作値が２倍（２００％）になるよう最小動作値を設定した。しかし、変圧器の過電圧の度合いにより、励磁電流の増加傾向が予測できるので、式で算出するようにして、算出式を過電圧の度合いに基づいて変更してもよい。
【００２８】
図５は、図２の最小動作値特性判定部で実行される最小動作値の設定とトリップ信号の出力の制御を示すフローチャートである。図１、図５を参照して、このフローチャートの処理が開始されると、まずステップＳ１で比率差動継電器２６の最小動作値Ｎが電圧Ｖ１の値に基づいて図４の関係に基づいて算出される。
【００２９】
続いて、ステップＳ２において、最小動作値としてステップＳ１で算出されたＮをセットする。そして、ステップＳ３において、最小動作値Ｎを判定値として差動電流（Ｉ１−Ｉ２）との比較判定が実行される。そして、ステップＳ３において、差動電流＞Ｎが成立しなければ再びステップＳ１以降の処理が繰返し実行される。一方、ステップＳ３において差動電流＞Ｎが成立した場合には、ステップＳ４に処理が進み、トリップ信号ＴＰ１が活性化される。
【００３０】
図６は、図２の比率特性判定部で実行されるトリップ信号の出力の制御を示すフローチャートである。図１、図６を参照して、このフローチャートの処理が開始されると、まずステップＳ１０１で差動電流と抑制電流の比率が算出される。
【００３１】
続いて、ステップＳ１０２において、ステップＳ１０１で算出した比率が比率特性を満たすか否かが判断される。具体的には、図３に示した比率特性を示す直線より上に動作点が位置するか否かが判断される。そして、ステップＳ１０２において、求めた比率が比率特性を満たさない場合にはステップＳ１０１の処理が繰返して行われる。一方、ステップＳ１０２において比率が比率特性を満たす場合にはステップＳ１３に処理が進み、トリップ信号ＴＰ２が活性化される。
【００３２】
図５、図６で出力されるトリップ信号ＴＰ１，ＴＰ２に基づいて、図２の出力合成部６６は遮断器への遮断指令のもととなるトリップ信号を生成する。
【００３３】
以上説明したように、実施の形態１では、電圧Ｖ１に応じて最小動作値Ｎを変化させている。このため、電圧Ｖ１が過電圧となり変圧器が過励磁された場合に励磁電流が増大したとしても、最小動作値Ｎによる異常検出感度を緩めているので、本来の変圧器の故障ではない場合の誤作動を低減させることができる。
【００３４】
また、これにより、図１の系統安定化装置３０が作動する前に遮断器２３，２４によって系統を遮断してしまうことも防ぐことができる。したがって、系統安定化装置３０による系統の安定化の可能性を高めることができる。
【００３５】
［実施の形態２］
実施の形態２の比率差動継電器では、図２の最小動作値特性判定部６４の処理が実施の形態１とは異なる。実施の形態２では、電圧Ｖ１が規定値Ｋ１より大きい場合に限って最小動作値Ｎを初期値から変更する。
【００３６】
図７は、実施の形態２の最小動作値特性判定部の動作を説明するためのフローチャートである。図７に示すように、ステップＳ１０の処理が追加されている。ステップＳ１〜Ｓ４の処理については、実施の形態と同じであるので説明は繰返さない。
【００３７】
図７のフローチャートの処理が開始されると、まずステップＳ１０が実行され、二次側電圧Ｖ１が規定値Ｋ１以上か否かが判定され、Ｖ１＞Ｋ１が成立したときにはステップＳ１，Ｓ２の処理が実行され実施の形態１と同様に比率差動継電器の最小動作値Ｎが算出される。
【００３８】
一方ステップＳ１０において、Ｖ１＞Ｋ１が成立しないときにはステップＳ１，Ｓ２の処理を実行しないようする。この場合、最小動作値Ｎは、初期値（たとえば３０％）に設定される。
【００３９】
このように、電圧をＶ１＞Ｋ１の範囲に限定して最小動作値Ｎを可変に設定するようにしても良い。
【００４０】
［実施の形態３］
図８は、実施の形態３の比率差動継電器の概略ブロック図である。図８を参照して、実施の形態２の比率差動継電器は、図２に示した比率差動継電器の構成に加えて、過電圧継続判定部６８と、出力合成部７０とを含む。なお、比率特性判定部６２と最小動作値特性判定部６４と出力合成部６６とについては、実施の形態１と同様な動作を行なうので、ここでは説明は繰返さない。
【００４１】
過電圧継続判定部６８は、図１の電圧Ｖ１が定格の１９０％より高い時間（過電圧となる時間）が５秒以上継続したか否かを判断する。そして、過電圧が５秒以上継続した場合には、トリップ信号ＴＰ３を活性化させる。なお、１９０％および５秒については、一例であり判定閾値を変更しても良い。
【００４２】
出力合成部７０は、出力合成部６６がトリップ信号を出力しているか、または過電圧継続判定部６８がトリップ信号ＴＰ３を出力している場合に、遮断器トリップ用の出力信号を出力する。
【００４３】
すなわち、出力合成部６６および７０は、トリップ信号ＴＰ１およびＴＰ２が両方とも活性状態にあるか、またはトリップ信号ＴＰ３が活性状態にある場合に、遮断器をトリップするための出力信号を出力する出力合成部として機能する。
【００４４】
電圧Ｖ１が定格の１９０％に達しない場合や、電圧Ｖ１が定格の１９０％より高くなっても、５秒以上継続しない場合には、系統に接続される機器に損傷や劣化を与える可能性は低いので系統を遮断するのは適切でない。
【００４５】
一方、過電圧継続判定部６８は、電圧Ｖ１が定格の１９０％より高い時間が５秒以上継続するとトリップ信号ＴＰ３が活性化される。この場合には、変圧器自体の故障ではなくても、系統に接続される機器に損傷や劣化を与える可能性があるので系統を遮断して系統接続機器を保護する。
【００４６】
以上説明したように、実施の形態３の比率差動継電器は、実施の形態１の比率差動継電器の奏する効果に加えて、高電圧が継続して印加された場合に系統接続機器を保護することができる。
【００４７】
［実施の形態４］
実施の形態４の比率差動継電器では、図２の最小動作値特性判定部６４の処理が実施の形態１とは異なる。
【００４８】
図９は、実施の形態４の最小動作値特性判定部の動作を説明するためのフローチャートである。図８に示すように、図５のフローチャートに対してステップＳ３０，Ｓ３１の処理が追加されている。ステップＳ１〜Ｓ４の処理については、実施の形態と同じであるので説明は繰返さない。
【００４９】
実施の形態４は、ステップＳ３において、差動電流ＩＤ＞Ｎが成立しない場合に、直ちにステップＳ１に戻らずにステップＳ３０が実行される点が実施の形態１とは異なる。
【００５０】
ステップＳ３０では、電圧Ｖ１が定格の１９０％より高い時間が２秒以上継続したか否かが判断される。なお、１９０％および２秒については、一例であり判定閾値を変更しても良い。
【００５１】
図１０は、実施の形態４における最小動作値の設定について説明するための図である。図９、図１０を参照して、ステップＳ３０において、一次側の電圧Ｖ１が定格の１９０％に達しない場合や、電圧Ｖ１が定格の１９０％より高くなっても、２秒以上継続しない場合には、ステップＳ１に処理が戻る。高電圧が変圧器に印加されていても、図１の系統安定化装置３０が作動する前に系統を遮断してしまうのは適切ではない。なお、２秒という判定閾値については、系統安定化装置３０の作動時間に合わせて適宜設定することが望ましい。この場合、最小動作値は、一次側電圧Ｖ１が１９０〜２００％の場合には、図１０に破線で示されるように設定される。
【００５２】
一方、ステップＳ３０において、電圧Ｖ１が定格の１９０％より高い時間が２秒以上継続するとステップＳ３１に処理が進み最小動作値Ｎが初期値（３０％）に設定される。この場合、最小動作値は、一次側電圧Ｖ１が１９０〜２００％の場合には、図１０に実線で示されるように設定される。この場合は系統安定化装置３０が作動しても過電圧状態が解消しなかったと考えられる。最小動作値Ｎの初期値は、変圧器の耐久性（変圧器のタンクの耐久性など）を評価して決定している値であるので、変圧器に定格を超える高電圧が印加された状況が続いた場合には、最小動作値Ｎを初期値に戻して保護を強化することが望ましい。
【００５３】
以上説明したように、実施の形態４の比率差動継電器は、実施の形態１の比率差動継電器が奏する効果に加えて、系統安定化装置３０では高電圧が解消せず高電圧が継続して印加された場合に、変圧器を保護することができる。
【００５４】
［他の変形例］
以上の実施の形態では、この発明の用途として変圧器が２巻線の場合を例に説明したが、３巻線の変圧器や４巻線以上の変圧器に対しても適用可能である。
【００５５】
また、電圧は１端子分だけではなく、２端子分（３巻線の変圧器や４巻線以上の変圧器の場合はそれらの端子）を取り込み、たとえば、第１端子の電圧Ｖ１と第２端子の電圧Ｖ２の最大値に応じて比率差動継電器の最小動作値Ｎを算出してもよい。
【００５６】
最後に、本発明の実施の形態について再び図を参照して総括する。図１、図２を参照して、この発明に係る保護継電器は、変圧器２０を保護するための比率差動継電器２６であって、変圧器２０の入力と出力の差動電流が最小動作値を超えるか否かを判定する最小動作値特性判定部６４と、抑制電流と差動電流との関係が所定の比率特性を満たす否かを判定する比率特性判定部６２と、最小動作値特性判定部６４の出力および比率特性判定部６２の出力に基づいて遮断器２３，２４の遮断に用いられるトリップ信号を出力する出力合成部７０とを備える。図３、図４に示すように、最小動作値特性判定部６４は、変圧器の入力電圧Ｖ１または出力電圧に応じて最小動作値Ｎを変化させる。
【００５７】
最小動作値を変化させることにより、変圧器の過励磁時には比率作動継電器を誤動作させないようにすることができる。
【００５８】
なお、比率差動継電器は、過電圧の度合いにより励磁電流が増大することを考慮して、取り込んだ電圧入力から、電圧値に応じて比率差動継電器の最小動作値を変化させる手段をソフトウェアで実行しても良い。
【００５９】
好ましくは、図８に示すように、比率差動継電器２６は、入力電圧Ｖ１または出力電圧が定格電圧（１００％）より大きい所定値（たとえば１９０％）を超える過電圧である時間が所定時間（たとえば５秒以上）継続するか否かを判定する過電圧継続判定部６８をさらに備える。出力合成部６６および７０は、過電圧継続判定部６８が過電圧の継続を判定した場合には、トリップ信号を出力する。
【００６０】
これにより、系統に接続された機器類が過電圧が継続することにより損傷するのを予防することができる。
【００６１】
好ましくは、図１０に示すように、最小動作値特性判定部６４は、第１の電圧範囲（たとえば１００％〜１９０％）では、入力電圧Ｖ１または出力電圧が高いほど最小動作値Ｎを高く設定し、第１の電圧範囲よりも高い第２の電圧範囲（たとえば１９０％〜２００％）では、最小動作値Ｎを第１の電圧範囲で設定した値（最大１４０％）よりも低下させる。
【００６２】
好ましくは、最小動作値特性判定部６４は、第１の電圧範囲（たとえば１００％〜１９０％）では、入力電圧Ｖ１または出力電圧が高いほど初期値（たとえば３０％）よりも最小動作値Ｎを高く設定し、第１の電圧範囲よりも高い第２の電圧範囲（たとえば１９０％〜２００％）では、最小動作値Ｎを初期値（たとえば３０％）に設定する。
【００６３】
これにより、過電圧が系統安定化装置によって解消しない場合に、変圧器の保護を図ることができる。
【００６４】
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】
【００６５】
１０  発電所、２０  変圧器、２１  電圧用変成器、２２，２５  変流器、２３，２４  遮断器、２６  比率差動継電器、３０  系統安定化装置、４１，４２  負荷、６２  比率特性判定部、６４  最小動作値特性判定部、６６，７０  出力合成部、６８  過電圧継続判定部、Ａ〜Ｅ  変電所。
【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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