(57)【要約】【課題】  電力系統における制御所の制御システムや電気所などのオシロ装置と協働し、これらから必要な各種情報を取得し、これら各種情報に基づいて電力系統に発生した瞬時電圧低下事故の原因が変圧器の突入電流発生か否かを判定可能な故障原因判定方法およびその判定システムを提供する。【解決手段】  本発明の故障原因判定システムおよび判定方法は、電力系統において制御所システムおよび拠点オシロ装置と協働して変圧器投入時に発生する故障の原因を判定するものであって、これらから遮断器情報、遮断器指令情報、変圧器故障情報、オシロ起動情報および瞬時電圧低下情報を取得し、変圧器故障、励磁突入電流の発生および励磁突入電流発生の可能性の有無を判定する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力系統において当該系統の制御システムおよびオシロ装置と協働して変圧器投入時に発生する故障の原因を判定する故障原因判定装置を備えたシステムであって、当該故障原因判定装置は、
前記制御システムから取得した遮断器情報および遮断器操作指令情報に基づいてそれぞれ拠点オシロ装置を決定するとともに前記変圧器が充電操作されたか否かを判定し、
前記変圧器投入後に瞬時電圧低下の発生に起因してその１次側の遮断器が遮断した場合に、
前記制御システムから取得した変圧器故障情報および前記拠点オシロ装置から取得したその起動情報に基づいて、前記瞬時電圧低下の原因を前記変圧器の故障または突入電流の発生によると判定し、当該判定結果を前記制御所システムに警報信号として返す機能を備えてなることを特徴とする故障原因判定システム。
【請求項２】
前記故障原因判定装置は、前記電力系統及び前記変圧器のインピーダンスをそれぞれ設定し、当該各インピーダンス設定値に基づいて前記変圧器投入時の最大瞬時電圧低下量を算出しておき、前記変圧器１次側の遮断器が遮断した場合に、前記拠点オシロ装置から取得した瞬時電圧低下情報と前記最大瞬時電圧低下量とを大小比較した上で、その結果により前記瞬時電圧低下は突入電流による可能性の有無を判定し、当該判定結果を前記制御所システムに警報信号として返すようにした請求項１または２に記載の故障原因判定システム。
【請求項３】
電力系統において当該系統の制御システムおよびオシロ装置と協働して変圧器投入時に発生する故障の原因を判定する方法であって、
前記電力系統の遮断器情報および遮断器操作指令情報、並びに前記変圧器の故障情報を取得するステップと、
前記遮断器情報から拠点オシロ装置を決定するステップと、
前記変圧器投入後、瞬時電圧低下の発生に起因してその１次側の遮断器が遮断した場合に、前記制御所システムから変圧器故障情報を、また前記拠点オシロ装置よりその起動情報および瞬時電圧低下情報を取得するステップと、
これら各情報に基づいて前記瞬時電圧低下の原因が前記変圧器の故障の有無または突入電流の発生によるか否かを判定するステップと、
当該判定結果を前記制御所システムに警報信号として返すことを特徴とする電力系統における故障原因判定方法。
【請求項４】
さらに前記電力系統及び前記変圧器のインピーダンスをそれぞれ設定するステップと、
前記各インピーダンス設定値に基づいて前記変圧器投入時の突入電流発生時の瞬時電圧低下の最大値を算出するステップと、
前記変圧器１次側の遮断器が遮断した場合に、前記瞬時電圧低下情報と前記最大瞬時電圧低下量とを大小比較し、該比較結果に基づいて前記突入電流による可能性の有無をも判定するステップとを有する請求項３に記載の故障原因判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力系統において変圧器投入時に発生する、瞬時電圧低下を伴う種々の故障の原因を判定する故障原因判定システム及びその判定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力系統から切り離している変圧器を当該電力系統に投入する場合など、変圧器の１次側に系統電圧を印加すると、励磁突入電流（本明細書では以下、単に「突入電流」という。）と呼ばれる過渡的な電流が当該１次側に流れることは、変圧器励磁突流現象としてよく知られている。突入電流は、変圧器鉄心の非線型飽和特性とそのヒステリシス現象によって生ずるもので、電源遮断後に変圧器鉄心に残留するいわゆる残留磁束によって突入電流の値はさらに増大する。また、変圧器の電力系統への投入時における電圧位相により突入電流の大きさが変わり、また電圧遮断時の位相によっても残留磁束の値が変わるため突入電流の大きさも変化する。突入電流の最大値は、変圧器の容量にもよるが、定格電流の数倍ないし十数倍にもなることが知られている。このような突入電流の発生は、変圧器の短絡故障や内部異常を検出するための比率差動継電器や過電流継電器において誤動作の原因となるだけでなく、電力系統に瞬間的な電圧低下を発生させ、それによって負荷脱落や保護継電器の誤動作に起因する機器停止などの様々な障害が起こることがある。
【０００３】
そのため、突入電流抑制のための対策が種々検討されている。しかし、突入電流の大きさは、前記のように、変圧器鉄芯の残留磁束や電圧印加時の電圧位相などによって変化し、確定できないことから、突入電流の値が最大となる条件とそのときの最大値について検討され、その検討結果に基づいて対策が講じられているというのが現状である。
【０００４】
一方、このような変圧器の励磁突流現象を特定する方法については、これまで幾つか提案がなされている。例えば特許文献１は、瞬時電圧低下発生時に変圧器の磁気飽和特性から当該瞬時電圧低下が突入電流によるものか否かを判定する方法を提案している。しかし、この方法は、変圧器投入のタイミングによっては、突入電流が流れても瞬時に大きい電圧低下が発生しない場合があることから、瞬時電圧低下を検知できず、結果として突入電流を判定できない可能性があるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１４８０１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明は、前記事情に鑑み、電力系統に発生した瞬時電圧低下を伴う故障が変圧器の突入電流発生によるか否かを判定可能な故障原因判定方法およびその判定システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的は、本発明の一局面によれば、電力系統において当該系統の制御システムおよびオシロ装置と協働して変圧器投入時に発生する故障の原因を判定する故障原因判定装置を備えたシステムであって、当該故障原因判定装置は、前記制御システムから取得した遮断器情報および遮断器操作指令情報に基づいてそれぞれ拠点オシロ装置を決定するとともに前記変圧器が充電操作されたか否かを判定し、前記変圧器投入後に瞬時電圧低下の発生に起因してその１次側の遮断器が遮断した場合に、前記制御システムから取得した変圧器故障情報および前記拠点オシロ装置から取得したその起動情報に基づいて、前記瞬時電圧低下の原因を前記変圧器の故障または突入電流の発生によると判定し、当該判定結果を前記制御所システムに警報信号として返す機能を備えてなることを特徴とする故障原因判定システムによって達成される。なお、前記「拠点オシロ装置」とは、電力系統において変圧器の電源元となる地点のオシロ装置を指している。
【０００８】
前記故障原因判定装置は、前記電力系統及び前記変圧器のインピーダンスをそれぞれ設定し、当該各インピーダンス設定値に基づいて前記変圧器投入時の最大瞬時電圧低下量を算出しておき、前記変圧器１次側の遮断器が遮断した場合に、前記拠点オシロ装置から取得した瞬時電圧低下情報と前記最大瞬時電圧低下量とを大小比較した上で、その結果により前記瞬時電圧低下は突入電流による可能性の有無を判定し、当該判定結果を前記制御所システムに警報信号として返すようにしてもよい。ここで、前記「最大瞬時電圧低下量」とは、突入電流が最大となる時点での瞬時電圧低下量を指すものとする。
【０００９】
前記目的はまた、本発明の別の局面によれば、電力系統において当該系統の制御システムおよびオシロ装置と協働して変圧器投入時に発生する故障の原因を判定する方法であって、前記電力系統の遮断器情報および遮断器操作指令情報、並びに前記変圧器の故障情報を取得するステップと、前記遮断器情報から拠点オシロ装置を決定するステップと、前記変圧器投入後、瞬時電圧低下の発生に起因してその１次側の遮断器が遮断した場合に、前記制御所システムから変圧器故障情報を、また前記拠点オシロ装置よりその起動情報および瞬時電圧低下情報を取得するステップと、これら各情報に基づいて前記瞬時電圧低下の原因が前記変圧器の故障の有無または突入電流の発生によるか否かを判定するステップと、当該判定結果を前記制御所システムに警報信号として返すことを特徴とする電力系統における故障原因判定方法によって達成される。
【００１０】
前記故障原因判定方法は、さらに前記電力系統及び前記変圧器のインピーダンスをそれぞれ設定するステップと、前記各インピーダンス設定値に基づいて前記変圧器投入時の突入電流発生時の瞬時電圧低下の最大値を算出するステップと、前記変圧器１次側の遮断器が遮断した場合に、前記瞬時電圧低下情報と前記最大瞬時電圧低下量とを大小比較し、該比較結果に基づいて前記突入電流による可能性の有無をも判定するステップとを含んでいてもよい。
【００１１】
本発明の故障原因判定システムおよび判定方法は、オシロ装置の動作状況を利用して変圧器充電時に突入電流が流れたか否かを判定する点に特徴を有している。すなわち、前段階として、制御所の制御システムから遮断器情報を取得し，電源元となる地点のオシロ装置（以下、「拠点オシロ装置」という。）を決定し、また系統インピーダンスおよび変圧器インピーダンスを設定して突入電流最大時の瞬時電圧低下量を計算しておき、そうして、変圧器投入後に瞬時電圧低下を伴う故障が生じた場合に、オシロ装置からその起動情報および瞬時電圧低下情報を取得して変圧器の故障か突入電流発生かを判定し，当該判定結果（変圧器破損故障、突入電流発生および突入電流発生の可能性大）を制御所システムへ警報信号の形で返すことで、制御所オペレータの注意を喚起し、変圧器のより迅速な復旧を図ろうとするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、前記のように、突入電流発生などの故障原因の判定を容易且つ確実に行うことができ、当該判定結果を制御所の制御システムに返して制御所のオペレータの注意を喚起することで、突入電流により遮断された変圧器の復旧時間を可能な限り短縮でき、突入電流による影響を抑制する効果が期待できる。
【００１３】
また、変圧器内部の短絡事故を外見から判断できない場合、メガーなどの専用の測定装置で試験する必要があり、結果的に変圧器の復旧が非常に遅れることとなる。本発明によれば、このような場合であっても、試験不要で突入電流か否かをオペレータが判断できるため、変圧器の復旧の迅速化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の故障原因判定システムの一実施形態を示すブロック図である。
【図２】図１に示す故障原因判定システムを用いた故障原因判定方法を説明するためのフロー図である。
【図３】本発明の原因判定方法において、瞬時電圧低下を求めるための簡単な電力系統図である。
【図４】本発明の故障原因判定方法における瞬時電圧低下を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、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１の機器構成図は、本発明のシステムの一実施形態を示している。本実施形態の故障原因判定システム１は、制御所における制御システム１１と、電気所などに設置されているオシロ装置１２と、これらと協働して電力系統における瞬時電圧低下を伴う故障原因判定装置１０とから構成される。
【００１６】
制御所の制御システム１１は、電力系統を集中監視制御するものであり、従来公知の電子計算機で構成されている。この制御システム１１からは、変圧器の遮断器（ＣＢ）情報、ＣＢ操作指令情報および変圧器故障情報の各情報が前記原因判定装置１０に向けて出力される。
【００１７】
オシロ装置１２は、電気所などに設置され、従来公知の構成のものが用いられる。通常、オシロ装置１２は、デジタル信号入力チャンネルおよびアナログ信号入力チャンネルをそれぞれ複数有している。デジタル信号入力チャンネルには、電力系統において必要な箇所に設置されている継電器（リレー）接点入力などの信号が入力される。また、アナログ信号入力チャンネルには、電力系統に配置された計測手段からの電圧信号及び電流信号が入力され、これら各信号がそれぞれサンプリングされて装置内のメモリに順次記憶されるようになっている。通常、デジタル信号入力チャンネルのいずれかにおける接点入力信号がオン（リレー接点がオン）すると、これを開始条件としてメモリに記憶されているサンプリングデータを予め設定した時間分オシロデータとして出力できる機能を備えている。このオシロ装置１２は、前記オシロデータを収集して電力系統での事故発生時における波形解析を行うのに使用されるオシロサーバーを備えたものであってもよい。このオシロ装置１２からは、オシロ起動情報および瞬時電圧低下情報が前記原因判定装置１０に向けて出力される。
【００１８】
本実施形態における故障原因判定装置１０は、制御所の制御システム１１からのＣＢ情報、ＣＢ操作指令情報および変圧器故障情報、並びにオシロ装置１２からのオシロ起動情報および瞬時電圧低下情報の各情報の入力を受けて、次のような演算などを行う。すなわち、拠点オシロ装置の決定や瞬時電圧低下量の算出を行うほか、電力系統への変圧器投入時に瞬時電圧低下を伴う故障があった場合には、変圧器破損、短絡事故又は変圧器突入電流のいずれがその原因であるかを判断する。この故障原因判定装置１０としては、通常のパーソナルコンピュータに本発明の故障原因判定方法についての演算プログラムを実装したものや本発明の判定方法を専用に行う電子計算機などを使用できる。また、故障原因判定装置１０は、制御所の制御システム内にモジュールなどとして組み込むことができる。
【００１９】
次に、本発明の故障原因判定システムによる故障原因判定方法について説明する。図２は、前記原因判定システムによる判定方法を説明するためのフローシートを示している。まず、本発明の原因判定システム１は、電力系統のバックインピーダンス（以下、系統インピーダンスという。）及び変圧器インピーダンスを設定する（Ｓ０１）。続いて、制御所における制御システム１１より、遮断器（ＣＢ）情報および遮断器（ＣＢ）操作指令情報を取得し（Ｓ０２）、このＣＢ情報に基づいて拠点となるオシロ装置を決定する（Ｓ０３）。これにより、仮に変圧器の電源元である電気所が変更となった場合でも、拠点オシロ装置を改めて決定でき、例えば異なる電力系統で発生した瞬時電圧低下を伴う故障の原因の判定にも用いることができる利点がある。
【００２０】
次に、前記した系統インピーダンス及び変圧器インピーダンスの各値を用いて、変圧器に突入電流が生じたときの電力系統の最大瞬時電圧低下量Ｘ[ｋＶ]を算出する（Ｓ０４）。ここで、最大瞬時電圧低下量Ｘは、正常の相電圧から突入電流発生に伴い相電圧が瞬時に低下した最大量を指している。但し、以下では、説明を簡便にするために、正常な送電圧を１００％とした場合に、そこからの電圧が低下したかをパーセンテージで表示することとする。
【００２１】
この瞬時電圧低下最大値Ｘの算出方法について、図３に示す電力系統を例にとり説明する。図３に示す電力系統２１は、電源２０から途中の２か所に設置された変電所２２、２３を順次経て、その負荷側に変圧器２４が設置された構成である。そして、電源２０、系統２１及び変圧器２２のそれぞれのインピーダンス（パーセントインピーダンス、％Ｚ）は、それぞれ１％、２％および３％に設定する。
【００２２】
まず、変圧器２４投入時の突入電流の各サイクルにおける最大値Ｉｍは、次式（数１）で求められる。
【数１】
2012257383.tif 000003
ここで、式（数１）中の係数及び変数に関する説明はそれぞれ以下の通りである。
「１．１５」は実験結果を考慮して与えられる係数。
Ｅは電源電圧（相電圧。線間電圧１１０[ｋＶ]であれば、１１０／√３＝６３５１０[Ｖ]となる）。
cosθは飽和磁束、残留磁束、定常状態で磁束最大値により求められるが、試充電時、１サイクル目においては０〜０．１程度であるので、（１−cosθ）の計算を省略し、１で近似している。
Ｘは、数２に示すように、系統バックインピーダンス及び変圧器インピーダンスの総和に所定の乗数を乗じた値とする。なお、変圧器インピーダンスについては、変圧器の巻線配置による鎖交磁束の影響を考慮し、通常、試充電で当該インピーダンス値の３倍、逆試充電で２倍の値を用いるものとする。
前記所定の乗数は、％ＺをＺに変換する際の変換率であり、１０[ＭＶＡ]ベースの％Ｚの、１１０ [ｋＶ]における乗数（変換率）は１２．１（＝１０ｘ１１０２／１００００）である。
【数２】
2012257383.tif 000004
【００２３】
上記のＥおよびＸの各値を前記数１に代入することにより、突入電流の最大値Ｉｍは数３のように求められる。また、この突入電流の最大値Ｉｍを用いて、当該突入電流が流れた場合の最大瞬時電圧低下量■Ｖ[％]を併せて求めた（数４参照）。
【数３】
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【数４】
2012257383.tif 000006
【００２４】
この結果から、健全時の相電圧に対して、１００−１３＝８７％の電圧値まで低下することになる。但し、数２において、Ｘの変圧器インピーダンスを実際よりも３倍大きく見積もっていることなどから、突入電流による瞬時電圧低下量[％]は短絡事故時の瞬時低下時の電圧よりも高くなる傾向となる。
【００２５】
これに対して、図３に示す変圧器２４の１次側にて短絡事故が発生した場合の短絡電流Ｉｓは、以下のように求められる。なお、この電力系統を流れる基準電流Iは、５２．５[Ａ]とする。
【００２６】
【数５】
2012257383.tif 000007
【００２７】
また、当該短絡電流Ｉｓが流れた場合の瞬時に低下する電圧[Ｖ]及び瞬時電圧低下量[％]は、以下のように求められる。
【数６】
2012257383.tif 000008
【００２８】
次に、図３に示す変圧器２４の２次側で短絡事故が発生した場合の短絡電流Ｉｓ、そのときの瞬時に低下する電圧[Ｖ]及び瞬時電圧低下量[％]は、同様にそれぞれ以下のように求められる。
【数７】
2012257383.tif 000009
【００２９】
以上の結果を瞬時電圧低下量[％]について整理すると、図４が得られる。この図は、健全時の相電圧を１００％とし、前記の突入電流による瞬時電圧低下量[％]、並びに変圧器Ｔｒの１次側及び２次側に短絡事故が生じた場合の短絡電流による瞬時電圧低下量[％]を同じ座標軸線にプロットしたものである。この図から明らかなように、瞬時電圧低下量は、前記各事故の場合、(健全時の相電圧、１００％＞)突入電流発生時（８７％以上）＞変圧器2次側短絡事故時（８３％）＞変圧器1次側短絡事故時（６６％）となる。
【００３０】
次に、故障原因判定装置１０は、変圧器の１次側および２次側の遮断器が開放状態か否かを判断する（Ｓ０５）。その判断の結果、変圧器の１次側および２次側の遮断器がいずれも開放状態の場合には、変圧器は停止状態にある（充電状態にない）と判断し（Ｓ０６）、いずれか一方または双方が投入状態の場合には、ステップＳ０２に戻ってＣＢ情報およびＣＢ操作指令情報を取得する。さらに、操作指令の送信先として変圧器２次側の遮断器の操作指令が選択されている場合には（Ｓ０７）、変圧器に対して逆チャージ操作を行ったと判断することもできる（Ｓ０８）。
【００３１】
また、制御所システムから取得した遮断器操作指令情報により変圧器１次側の遮断器を操作したか否かを判断する（Ｓ０９）。その結果、操作されていない場合には、ステップＳ０２に戻ってＣＢ情報およびＣＢ操作指令情報の取得を行う。他方、操作されていると判断した場合には、変圧器の充電操作であると判定する。
【００３２】
電力系統に変圧器を投入した後、瞬時電圧低下を伴う故障の発生により変圧器の遮断器が遮断された場合、制御システムから変圧器故障情報を、また拠点オシロ装置からその起動情報および瞬時電圧低下情報を取得する（Ｓ１１）。ここで、変圧器故障情報とは、当該変圧器保護のための各種保護継電器の動作状況を示している。すなわち、短絡継電器、電流差動継電器、過電流継電器などの各種継電器のうち、どの継電器が動作したかを示す情報を指している。このように、制御システムを介するため、保護継電方式に拘らず、すべての種類の保護継電器の動作状況に関する情報を故障原因判定装置１０は取得することができる利点がある。
【００３３】
次に、制御所システムからの遮断器情報により、変圧器１次側の遮断器が遮断動作しているかが判断される（Ｓ１２）。その結果、当該遮断器が遮断動作していない場合には、変圧器復旧と判定され（Ｓ１３）、遮断相アされている場合には、前記した変圧器故障情報により短絡継電器のみが動作したか否かが判断される（Ｓ１４）。その結果、短絡継電器以外の継電器も動作している場合には、変圧器の破損事故と判定し（Ｓ１５）、短絡継電器のみが動作している場合には、次に拠点オシロ装置からの起動情報により、予め設定した瞬時電圧低下条件を満たしたことにより拠点オシロ装置が起動したか否かが判断される（Ｓ１６）。その結果、当該オシロ装置が起動していない場合には、故障原因は突入電流発生によるものと判定する（Ｓ１７）。この場合、故障原因判定装置１０は、制御所システムに対してこのことを警報信号として返すようにする。制御システムに返されたこの警報信号は、オペレータに視覚的に又は聴覚的に認知可能な方法で、当該制御システムから出力することで、オペレータの注意を喚起することが可能となる。
【００３４】
他方、瞬時電圧低下により拠点オシロ装置１２が起動した場合には、該拠点オシロ装置１２から取得した瞬時電圧低下情報より瞬時電圧低下時の電圧が抽出され、これと前記の最大瞬時電圧低下量Ｘとの大きさを比較する（Ｓ１８）。そうして、図４に示すように、前者が後者の最大値よりも大きい場合には、故障の原因が突入電流発生による可能性が高いと判定し（Ｓ１９）、この判定結果を制御所システム１１に対して警報信号として返す。他方、前者が後者よりも小さい場合には、変圧器の破損事故と判定する（Ｓ２０）。
【００３５】
以上の本発明の故障原因判定方法の概要は、次のようになる。通常、オシロ装置の瞬時電圧低下についての設定は電力系統の短絡事故で動作するように行われるため、瞬時電圧低下により拠点オシロ装置が起動せず、短絡継電器が動作して変圧器の遮断器が遮断した場合には、変圧器の突入電流が原因であると判断できる。また、拠点オシロ装置１２が瞬時電圧低下にて動作した場合であっても、予め前記のように突入電流による瞬時電圧低下の最大値を把握しておくことで、瞬時電圧低下時の電圧が当該最大値よりも大きい場合には、突入電流発生による可能性が高いと判断できる。
【００３６】
以上説明したように、本発明によれば、瞬時電圧低下の原因が突入電流によるか否かが瞬時に判定できる。また、突入電流により遮断してしまった変圧器の復旧時間を可能な限り短縮でき，突入電流による影響を抑制する効果が期待できる。すなわち、変圧器内部の短絡事故を外見から判断できない場合，専用の測定装置（メガー等）で試験する必要があり，その分変圧器の復旧が非常に遅れることとなるが、本発明を利用すれば試験不要で突入電流か否かをオペレータが判断できるため変圧器を迅速に復旧することができる。
【００３７】
また、変圧器の電源元となる電気所が変更となった場合でも，本発明の故障原因判定システムが拠点となるオシロ装置を認識し，異なる系統で発生した瞬時電圧低下を区別できる。また、本発明の故障原因判定システムでは、制御所の監視システムを経由して短絡継電器の動作を認識するため、保護継電器の方式（過電流継電器や距離継電器など）を限定する必要がなく、全ての短絡継電器に適用できる。 
【００３８】
更に、変圧器２次側においてオペレータが充電操作を行った結果、制御所システムへ逆充電されるような場合には、逆充電操作となる旨を注意喚起する機能を付加することで、変圧器を逆チャージ操作による過大な突入電流発生を抑制させる効果が期待できる。  
【符号の説明】
【００３９】
１  本発明の故障原因判定システム
１０  故障原因判定部装置
１１  制御所の制御システム
１２  拠点オシロ装置
【図１】
2012257383.tif 000010
【図２】
2012257383.tif 000011
【図３】
2012257383.tif 000012
【図４】
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