(57)【要約】【課題】  従来の保護リレーシステムでは、故障区間判別ができない場合があり、保護リレーの不要動作に至る場合があった。【解決手段】  飽和可能性のある電路に設けられたＣＴについて、ＣＴに限定されない第２の検出器を追加設置し、その計測値の傾向を利用して他のＣＴ検出値を含め総合判断の結果によって保護動作を掛ける。ＣＴで検出された電流波形と第２の検出器で検出された電流波形の推移の傾向が相似の場合には、保護リレーの動作をブロックする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気保護対象機器の系統側と中性点側にそれぞれ設けられる変流器と、該両変流器で検出された電流値の差に基づき作動する保護リレーとを備えた保護継電システムにおいて、
前記両変流器と電流飽和特性が相違する電流検出器を設け、前記変流器間に差電流の発生を検出したときに、前記変流器で検出された電流波形と前記電流検出器で検出された電流波形の推移の傾向が相似の場合には、前記保護リレーの動作信号の出力を停止させるように構成したことを特徴とする保護継電システム。
【請求項２】
電気保護対象機器の系統側と中性点側にそれぞれ設けられる変流器と、該両変流器で検出された電流値の差に基づき作動する保護リレーとを備えた保護継電システムにおいて、
前記両変流器と電流検出原理が相違する電流検出器を設け、前記変流器間に差電流の発生を検出したときに、前記変流器で検出された電流波形と前記電流検出器で検出された電流波形の推移の傾向が相似の場合には、前記保護リレーの動作信号の出力を停止させるように構成したことを特徴とする保護継電システム。
【請求項３】
電気保護対象機器の系統側と中性点側にそれぞれ設けられる鉄心形の変流器と、該両変流器で検出された電流値の差に基づき作動する保護リレーとを備えた保護継電システムにおいて、
前記電気保護対象機器の系統側に鉄心無し形の電流検出器を設け、前記変流器間に差電流の発生を検出したとき、前記変流器で検出された電流波形と前記電流検出器で検出された電流波形の推移の傾向が相似の場合に、前記保護リレーの動作信号の出力を停止させるように構成したことを特徴とする保護継電システム。
【請求項４】
前記電流検出器は、鉄心とギャップを設けて設置したホール効果素子によって検出するものであることを特徴とする請求項２に記載の保護継電システム。
【請求項５】
前記鉄心無し形の電流検出器は、ロゴウスキーコイルであることを特徴とする請求項３に記載の保護継電システム。
【請求項６】
前記保護リレーは、変流器で検出された電流波形と前記電流検出器で検出された電流波形の推移の傾向が相似の場合には、保護リレー保護区間の外部電気事故と判定し、前記電流波形が非相似の場合には前記保護区間の内部電気事故と判定することを特徴とする請求項１から３に記載の保護継電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電所や変電所、または工場内電源設備における発電機・変圧器その他の主要電気品の保護継電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
保護継電器の中でも最も代表的な型式の一つである比率差動継電器（機器番号として
８７の呼称が行き渡っているもので、保護監視範囲の内部における重大な故障，内部故障が生じた場合には、速やかに故障電流の供給源を遮断するよう、法制上の定めがあるもの）に関しては、発電機や変圧器の主保護に多用されており、長年その機能責務を担ってきた。特に発電機や変圧器等の重要な電気品の保護として、それら機器の内部に発生した電気故障，事故をいち早く検知し、確実に継電器出力信号を発し、保護動作としての遮断器開放のトリガーをかけ、電気故障の拡大防止を図ってきた。当然国内に限定されるものではない。
【０００３】
なお、特開平１−１７０３１６号公報には、変流器（ＣＴ）の飽和が激しい場合であっても内部故障と外部故障を判別できるようにした差動保護継電装置について記載されている。具体的には、ＣＴ飽和検出手段と、ＣＴ飽和補償手段を備えて、ＣＴ飽和の極性と差動電流の極性により外部故障での端子電流の欠落部分のみ補償するようにしたことが記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１−１７０３１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の如く、継電器は電気品の内部故障に対する保護機能対応の代表的なものであるが、場合によってはその機能を発揮できない場合がある。特に、大容量の発電設備(発電機)において、機器内部に故障が無いにもかかわらず、結果的に誤って遮断器開放の保護動作を引き起こしてしまうことが起これば、送電系統に対する当該発電機の貢献が不可となり、誤トリップによる経済的損失は甚大となる。
【０００６】
かかる状況になる例としては、特に発電機内部故障保護として設けられている比率差動継電器用のＣＴ（変流器）があり、これは通常発電機の両側に三相用ＣＴ一セットが、各々一対にて設置されるが、回路故障電流の特性に起因する直流分の重畳により、上記変流器の一次電流の波形は過渡的に大きく歪む。この状況下で通常の変流器はコアの飽和を避けるべく、過電流定数Ｎを大きな値に設定したり、過渡特性付や、ギャップ付のＣＴとして対策を講じてきている。しかし、変流器近傍には主変圧器が存在するため、この主変の残留磁気に起因する電流歪や、その他の回路構成条件による故障電流波形の歪み分までを考慮しての対策までは万全ではないと推定される。前述した特許文献１では、複雑な演算を数多く繰り返して行うものであると考えられ、保護演算装置の処理能力的な制約も発生する可能性がある。
【０００７】
本発明の目的は、複雑な演算処理を行うことなく、保護リレーの誤動作を抑制することができる保護継電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明では波形歪みの予想されるＣＴ設置箇所に新たな磁界検出器（電流検出器）を追加するとともに、その計測値の妥当性を評価するアルゴリズムを適用した保護方式を採用したものである。この追加の磁界検出器とは、従来のＣＴと同一の電流検出原理であっても構わないが、電流飽和特性を改善方向に大きく変更したものを用いるものとする。または、鉄心無し形電流検出器といった鉄心形ＣＴとは別の電流検出原理のセンサを適用する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、複雑な演算処理を行うことなく、保護リレーの誤動作を抑制することができる保護継電システムを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１１】
発電機比率差動継電器を用いた場合の発電機保護の概要について、図１を用いて説明する。まず、発電機１は通常、内部短絡事故発生時の保護動作として、比率差動リレー４
（比率差動継電器の別称：以下同様）で故障検知し、図に示してはいない系統側に設けられた遮断器（系統側直近か主変圧器の系統側に設けられる）に開放指令を発し、遮断器を開することで系統から隔離する。この時、比率差動リレー４は、回路通流電流の値に対して、発電機１の両端電流の差電流の値が、誤差の範囲以外（以上）にある時にリレー動作するよう設定・整定される。この動作機構においては、最近のデジタル型保護リレーシステムでは、１〜２ミリ秒の演算周期で処理が実行されており、この１ミリ秒の時間インタバルは、５０Ｈｚ地域のサイクル数との対比で２０ミリ秒／サイクルであり、正弦波一周期の間に２０回の演算を行うことに相当する。
【００１２】
図１において、発電機１の出力は、ＩＰＢ（Isolated Phase Bus：相分離母線）やケーブルに代表される電路５を介して系統に送出され、その途中に比率差動リレー４への電流入力用の検出器であるＣＴ(Current Transformer) ２が設けられる。一方、発電機１の反対側である中性点側では、接地装置６を介して接地点７に電路が構成されているが、やはり同様に途中に比率差動リレー４への電流入力用の検出器であるＣＴ（Current 
Transformer）３が設けられる。両方のＣＴを区別する為に、系統側をＣＴ(Ｌ)２、中性点側をＣＴ(Ｎ)３と呼ぶ。これらのＣＴは、従来また通常、特性上の同等性（ほぼ同一の特性であること）を要求される。これは、発電機保護に関する技術的要請として、内部電気故障発生時にそれを検知し、また、その後の遮断器開放までの時間は極力短時間になされるように意図されている為である。
【００１３】
図１に示す特性８及び特性９は、ＣＴ(Ｌ)２，ＣＴ(Ｎ)３にそれぞれ対応するものである。これらの動作原理は、通常鉄心を介した電磁誘導を利用するものであることから、必然的に計器としての飽和特性を有することになる。よって、通流する２次励磁電流の値に対して二次励磁電圧が設計通りの線形性を保持することが重要であるが、現実的には鉄心の飽和現象領域での一次電流の差（二次励磁電流の同一値検出を前提としての差）は甚だ大きくなる。この要請に応えるには、上記の両ＣＴの特性が完全に一致していることが理想的である。しかし、両特性を一致させることは実際上困難であるため、「現実的な」対応として、過電流定数をできるだけ大きく設定し、飽和しにくいものとする仕様を両ＣＴに付与している。また、高速動作が必要とされる場合には、ＣＴ仕様に過渡特性付を指定する場合がある。これは、主変圧器の残留磁束や過渡直流分電流の重畳に対する策であるが、直流分の時定数，誤差レベルの条件付であることより「程度の改善」は可能だが、方式的な意味では同等である。
【００１４】
次に、ＣＴ飽和発生時の１次，２次電流波形について、図２を用いて説明する。図２に示す電路５上に設けられたＣＴ２３は、前述の鉄心を介した電磁誘導による電流センサであり、上記直流分電流は二次ケーブル２０を介して保護装置２１（制御装置，監視装置）に取り込まれるものとする。
【００１５】
ここで、電路５の近傍に変圧器（図示せず）が存在し、鉄心残留磁束の存在で電路５を介して過渡的な偏磁現象の影響があるような時、ＣＴ２３は飽和現象を起こす。そして、この飽和発生時にＣＴ２３の二次ケーブル２０を通流する電流は、電路５上の電流値に比例せず、減衰しほぼ零となる。図２の下方左側に示す１次電流波形の方では、符号３１で示す破線部分が直流分であり、対称分波形と重畳されて実線電流部分３０の波形となって現れる。また、図１のＣＴの二次回路特性より示されるように、飽和領域での二次励磁電流は鉄心部分の磁束が変化できない状況にあることから、励磁電圧を誘導できない。よって、二次電流もほぼ零に減衰してしまうことになる。図２の下方右側に示す二次電流波形は、理想的には符号３３で示す破線の如く、一次電流と相似のものが欲しいが、符号３２で示す実線の如く大きく誤差を含むものとなる。
【００１６】
図３は、本発明における最も代表的な実施例の概略図である。電気保護対象１１は、例えば発電機や変圧器であり、ＣＴ(Ｌ)２，ＣＴ(Ｎ)３は上述したＣＴである。また、８７番を付した保護リレー４１の基本機能についても、図１で説明した比率差動リレーと同様である。図１との相違点は、ＣＴ(Ｌ)２の系統側にＣＴ１３を追加した点にある。また、図中右側にＣＴ(Ｌ)２，ＣＴ(Ｎ)３，ＣＴ１３のそれぞれの特性（縦軸：２次励磁電圧，横軸：２次励磁電流）を符号３１，３２，３３で示す。これら各ＣＴに対応した特性曲線のように、ＣＴ(Ｌ)２とＣＴ(Ｎ)３はほどよく特性を揃えてあるが、ＣＴ１３は、ＣＴ
(Ｌ)２に比べて飽和しにくい特性のものを使用していることを意味する。また、ＣＴ１３は通常の変圧器原理を用いたＣＴではなく、（ＣＴ(Ｌ)２，ＣＴ(Ｎ)３とは）別原理による電流変換機構の例を示したもので、主回路一次電流の増減の波形傾向がＣＴ(Ｌ)２飽和特性に比べて、より飽和のない側に優れたものであることを示している。
【００１７】
ここで注意すべきは、増減の波形傾向であって、必ずしも定量値精度を厳密に問うものではない。即ち、一般に電流計測は、電流値に比例する、導体断面を含む閉ループ内部の磁界強度積分値を計測することであるが、ここでは必ずしも閉ループを要しない。導体からの距離が一定の場所において、そのポイントでの磁界強度傾向であっても構わない。ただし、条件として測定対象以外の電流源他の磁界影響を排除可とする。図中の符号３３で示す特性は、ＣＴ１３において飽和せずに計測した場合の特性を示すものである。
【００１８】
図４は、従来の８７リレーの構成に本発明を適用した場合に、新たに追加する検出器の構成例，特性に関する要求、及び計測値使用法としての構成論理例を示したものである。ここでは、追加計器の特性として既設ＣＴまたは従来手法での選定によるＣＴに比べ、格段飽和しにくいものとしている。飽和しにくいとは、飽和しないものも含むものとする。従来の選定手法によるＣＴによって計測された２次電流の傾向（Ｔ−２）、本実施例に沿って追加されたＣＴによって計測された２次電流の傾向（Ｔ−３）については、図８の下方部分に代表波形（傾向）を示す。計測値の演算例として保護機能である遮断器開放動作として、傾向不整合判定時の動作禁止（ブロック）を挙げ、不要な停止を低減することが可能であることを示す。
【００１９】
次に、今回新たに追加するＣＴ１３の具体例について、図５，図６を用いて説明する。これらは、従来選定のＣＴの仕様に比べて、変圧器の電磁誘導作用ではなく、原理的に別の技術を用いての計測原理を示すものである。図５のホール効果素子５３応用のＣＴでは同じＣＴと呼称しても、CURRENT TRANSFORMER ではなくCURRENT TRANSDUCERの短縮形とされている。導体５１を流れる電流は、周囲に磁界を場として持ち、その空間に鉄心５２を設けている。これは通常のＣＴであっても同様だが、本例ではホール効果素子５３の設置部分はギャップを設けてある。これは、このギャップで磁束の透過性を絶つことを意味し、飽和性緩和を目している。またこのギャップ部分に集中する磁束をホール効果素子５３にて検知するが、周囲の外部磁界影響の低減目的で数個の素子を鉄心中に均等配置する場合がある。尚、ホール効果素子自体の説明は割愛する。
【００２０】
次に、図６のロゴウスキーコイルであるが、これは鉄心を用いるものではないので飽和現象がない。ロゴウスキーコイル６２とは、導体周辺にコアレスのコイルを設置して、導体中を流れる電流に対応する電圧をコイル両端に誘起させ、一次電流の微分波形となっているこの電圧を、積分回路を介して電流波形として検出するものである。したがって、導体６１からは被測定電流の作る磁界の時間的変化に基づく誘導電圧を検出するが、回路定数としてのコイル自己インダクタンスＬと、コイルの抵抗と出力抵抗の和Ｒによって外部積分回路等を含む計測回路６４を伴って構成される。これら原理は例えば電気学会発行の電気工学ハンドブックに紹介されているものであるが、他にも磁気プローブ等がある。一般に、これらは瞬時の大電流計測の目的等で特定用途に開発されてきた経緯があるが、既にほぼ確立された技術分野に応用しても一向に構わない。仕様上のカバー可否については基本的には程度問題であるので特に議論しないものとする。
【００２１】
図７は、図４で示した動作判定回路処理の例を代表的ブロック図で示したものである。論理追加による適切なリレー動作を示すものである。即ち、比率差動リレー（８７）の動作条件に追加されたセンサの出力判定の結果を用いて「是」とする場合にのみ遮断器開放出力信号を発するものである。
【００２２】
図８は、発電機保護の比率差動リレーに入力される検出器ＣＴの検出信号の波形を示すものである。図示のものは、飽和の差が目立つようにやや強調して表現している。上半図の波形は正常運転範囲の場合で、下半の図が外部電気故障発生時の波形を示している。
【００２３】
図示するものは、あるＣＴは飽和していないものとして電気事故発生時点から大きな故障電流が流れ始めるが、対向ＣＴの飽和が即時に発現したとして、その歪んだ波形の結果として対向ＣＴの出力がほぼゼロに近い状況としている。この場合、比率差動リレーの差動電流検出機構が感知して出力接点の信号を立てることになる。かかる状況では、リレーは外部電気故障であると認識することができず、不要なトリップ動作を行ってしまうことにある。
【００２４】
一方、本発明の意図する追加センサの計測値の傾向（Ｔ−３）によれば、飽和していないＣＴの出力値レベルとの差はあっても、位相等の傾向は相似である。図の右側に（飽和不感）と記したが、上述の検出原理の異なる検出器や、飽和特性の格段に良好な（飽和しにくい）ＣＴを用いることができる場合に実現される。そして追加センサによる判定の手段としては、対向ＣＴとの傾向性の相違を、各検出回ごとに測定した結果の突合せによって決定するわけである。例えば、１ミリ秒に１回の割合で計測信号の取り込みを行い演算処理するとして、前回値とその更に前回値の蓄積データを総合して傾向判断すれば、増減の状況観察のみで相違か同様かを判断できる。起点から増，減と変化しているのに対して、起点から減，減と変化しているのであれば相違傾向といえる。このように、位相逆転など波形推移傾向の相互同様性を保持しない場合には、ＣＴ保護区間の内部電気事故の可能性大と判断し、トリップ信号を出力する。一方、同様性を保持する場合には、ＣＴ保護区間の外部電気事故の可能性大と判断し、保護リレーの動作をブロックする。
【００２５】
以上が図を用いた概略の説明であるが、以下補足を加えながら説明する。
【００２６】
まず、本実施例は発電機保護に関する見方を中心に、比率差動リレーをベースに述べているが、電流を従来ＣＴによって検出し、その検出値のみを信じて保護リレーの動作判断としているものであれば、通常の過電流リレーに関して用いても良い。特に重要プロセス工場であって、機器保護も重要であるが装置の利用率も下げたくない場合には、保護リレー動作の信頼性を向上させておくべき処置を取ることがある。国内事業用発電所の基本思想などが相当すると考えられる。また、３個以上のＣＴを用いて総合演算する保護リレーであっても同様である。
【００２７】
従来ＣＴと本文で呼称するものは、通常三相交流回路を対象とすることから同じポイントに設けられていても、物理的には内側と外側の相対的位置関係がある。三相の断面位置関係を正三角形の頂点位置に置けば基本的には相互作用上の差異はなくなるものの、外部の電気品との関係から各相の周辺磁場の影響については完全には等価とは言えない場合がある。このように回路電流計測対象ポイントが周辺の物理的条件によって、肝心な事故電流計測の必要な折に、磁場の擾乱を受けるのであれば上述の懸念、即ち保護リレー動作の信頼性欠如への対策をとる事が望ましいのは当然である。
【００２８】
ＣＴの特性においては、議論の対象が飽和現象であることから、どこまでを近い特性と呼び、どこからを特性の異なると呼ぶのかが明確ではない。飽和領域に入ってしまったものと未飽和のものでは、上述の差動電流の値は大きなものとなるからである。逆説的な言い方をすれば、そっくりに製作されたＣＴであっても同一の特性なるものはないとも言える。
【００２９】
ＣＴが総合で３個以上の構成をとる場合に、上述の検出原理の異なるものも含めて、最も飽和の影響を受けないものの計測信号を基準（基底）信号とし、他のＣＴからの電流信号の増減傾向を突き合わせて対照することで、整合しているか否かを判定し、その結果によって全体の保護機能の発揮可否を判定することができる。特に本実施例では、追加ＣＴが基底の任にあたるものとする。
【００３０】
以上述べた如く、保護リレーシステムの動作は、その内部論理判定に故障現象を模擬した判定アルゴリズムを構築していることが多いが、こと電流信号に関して言えば、計測の妥当性を新たな追加センサで、特性の敢えて異なるものを用いて行えるようにしたものは従来存在しない考え方である。
【００３１】
従来技術が有する複雑処理の課題は、その一因に、計測される電流信号の発信元は、従来どおりのＣＴ構成とすることに不言明の大前提を置いていることがあると言える。本発明の主旨によれば、上記の課題は、波形歪みの予想されるＣＴ設置箇所に関して、磁界検出器の追加によって、その計測値の妥当性を評価するアルゴリズムを適用した保護方式とすることで基本的な対策とすることができる。この追加の磁界検出器とは、従来のＣＴと同一の電流検出原理であっても構わないが、特性を改善方向に大きく変更すること、または、別の電流検出原理のセンサを適用することで、従来の飽和現象に対する考え方を変えることであるが、計測値の対照・経時変化等の処理については、最近では標準的になったデジタル保護継電器システムの判定能力に負うことを考慮している。
【００３２】
そして、本発明によれば、頻繁に発生するものではないが、発生した場合の経済的損失の大きい電気品の内部故障に対する保護機能信頼性を拡充できるので、電気品の運転の戦列離脱・脱落の、不必要なものの低減となり、逸失利益をミニマム化できる効果があり、費用対効果の面で合理的である。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
保護対象が発電機や変圧器等の重要電源機器である場合に、不要動作トリップの機会を低減することとなり、プラント運用の逸失利益の低減可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】発電機比率差動継電器を用いた発電機保護の概要図。
【図２】ＣＴ飽和発生時の電流波形図。
【図３】本発明の一実施例である発電機保護の概要図。
【図４】８７動作判定回路内処理（例）。
【図５】ホール効果素子応用ＣＴの概要図。
【図６】ロゴウスキーコイル応用センサの概要図。
【図７】論理回路例。
【図８】正常運転中と外部電気事故発生時のＣＴ電流波形を示す図。
【符号の説明】
【００３５】
１…発電機、２…ＣＴ(Ｌ)、３…ＣＴ(Ｎ)、４…比率差動リレー、５…電路、６…接地装置、７…接地点、８，９…特性、１１…電気保護対象、１３…ＣＴ、３１，３２，３３…特性、４１…保護リレー、５１，６１…導体、５２…鉄心、５３…ホール効果素子、
５４，６４…計測回路、６２…ロゴウスキーコイル。
【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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