(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力系統の保護区間の両端に入出力電流を個別に測定する二台の周回積分型の光電流センサを配置し、第一の光電流センサの入射端と、前記入射端に設けられた偏光子と、前記第一の光センサの出力端に設けられた検光子と、光源と前記光電流センサの入力端に設けられた偏光子との間、前記光電流センサの出力端に設けられた前記検光子と第二の前記光電流センサの入力端に設けられた偏光子の間、および前記第二の光電流センサの出力端に設けられた検光子から検光子の方向に偏光する光とそれと直交する方向の２偏光成分を出力する２つの出力端と、それぞれの光信号を処理するための光信号処理部の間を、光を伝送するすためにファイバ伝送路で接続し、前記第二の光電流センサの出力端に設けられた検光子の偏光方向に偏光された光を処理する第一の光信号処理部と、その出力信号から電源周波数成分の実効値を検出する差電流検出手段と、前記第二の光電流センサの出力端に設けられた検光子の偏光成分と直交する偏光成分を有する光を処理する第二の光信号処理部と、その出力信号から直交偏光の電源周波数成分の実効値を検出する和電流検出手段と、前記和電流検出手段と前記差電流検出手段の出力の差分を求める演算手段と、前記演算手段の出力より前記電力系統の保護区間の区間内の事故か区間外の事故かを判別する判定手段とを備えた光電流センサを用いる保護継電装置。
【請求項２】
電力系統の保護区間の両端に入出力電流を個別に測定する二台の周回積分型の光電流センサを配置し、第一の光電流センサの入射端と、前記入射端に設けられた偏光子と、前記第一の光センサの出力端に設けられた検光子と、光源と前記光電流センサの入力端に設けられた偏光子との間、前記第一の光電流センサの出力端に設けられた前記検光子と第二の光電流センサの入力端に設けられた偏光子の間、および前記第二の光電流センサの出力端に設けられた検光子と、光信号を処理するための光信号処理部の間を、光を伝送するすためにファイバ伝送路で接続し、前記光信号処理部の出力信号から電源周波数成分の実効値を検出する電源周波数実効値検出手段と、前記光信号処理部の出力信号から電源周波数の２倍の周波数成分を実効値で検出する２倍周波数検出手段と、前記電源周波数実効値検出手段と２倍周波数検出手段の出力比を求める演算手段と、前記演算手段の出力より保護区間の区間内の事故か区間外の事故かを判別する判定手段とを備えた光電流センサを用いる保護継電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はファラデー効果を利用して電力設備の導体に流れる電流の計測及び監視をする保護継電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電力系統における保護継電装置では、変流器で検出された機器導体の電流信号を保護継電装置に伝達し、保護継電装置で故障判定のための演算と判定を行っている。この保護継電装置の低コスト化、軽量化を目的として、従来の巻線型電流変成器による電流測定方法に代わり、差動演算機能を有する光電流センサによる保護継電装置が提案され、特開２０００−５９９８７や特願平１１−２２４８２１が出願されている。
【０００３】
従来の光電流センサによる保護継電装置は例えば図６に示すように、偏光子１４、ファラデー素子１１、検光子１５よりなる第一の光電流センサ１、及び第一の光電流センサ１と同様に構成される第二の光電流センサ２、光ファイバ伝送路３ａ、３ｂ、３ｃ、光源１２と、光電変換器１６、ハイパスフィルタ回路１７、ローパスフィルタ回路１８、割算器１９よりなる光信号処理部４ａ及び、電源周波数成分の差電流検出手段５ａ，判定手段８より構成される。
第一の光電流センサ１及び第二の光電流センサ２は、電力系統の保護区間９の両端に設けられている。ここで第一の光電流センサ１が検出する電流をｉ１、第二の光電流センサ２が検出する電流をｉ２とし、その符号はともに電力系統の保護区間９への流入方向が＋、流出方向が−とする。また第一の光電流センサ１内の光の伝搬方向は、第一の光電流センサ１が検出する電流ｉ１によって発生する磁界方向と一致するように設けられており、第二の光電流センサ２内の光の伝搬方向は第二の光電流センサ２が検出する電流ｉ２によって発生する磁界と相反するように設けられている。
【０００４】
所定の波長の光を出射する光源１２から出射された光Ｐ０は、光ファイバ伝送路３ａにより、第一の光電流センサ１に至る。光源１２からの光Ｐ０は第一の光電流センサ１の偏光子１４によって直線偏光になり、この直線偏光をファラデー素子１１に入射する。入射光は、電流ｉ１によって発生する磁界によるファラデー効果を受け、電流ｉ１の大きさに比例して偏波面が角度θ１だけ回転する。第一の光電流センサ１が検出する電流ｉ１と偏波面の回転角θ１の関係はベルデ定数をＶとしたとき
θ１＝Ｖｉ１  ・・・・(１)
となる。前記の入射光はさらに第一の光電流センサ１において検光子１５により、偏波面の回転角θ１を強度に変調された光となる。この時検光子１５は偏光子１４に対し４５゜の角度に設置されており、第一の光電流センサ１の出射光は、ｘ、ｙの２成分の光Ｐ１ｘ、Ｐ１ｙに分けられ、次式で表される。
0004375881.tif 000002
従来装置では、どちらか一方の光信号のみ用いられておりここではＰ１ｘを使って説明する。
第一の光電流センサ１が検出する電流ｉ１を正弦波交流信号とすると、第一の光電流センサ１の出射光Ｐ１ｘは以下の式で表される。
ｉ１  ＝√２Ｉ１sinωｔ                             ・・・・(３)
Ｐ１ｘ＝(1/2)Ｐ０｛１＋sin（２√２ＶＩ１sinωｔ）｝  ・・・・(４)
ここで
Ｉ１は流入電流の実効値、ω（＝２πｆ）は角周波数、ｆは電源周波数である。
【０００５】
第一の光電流センサ１の出射光Ｐ１ｘは、光ファイバ伝送路３ｂに導かれ第二の光電流センサ２に至る。第二の光電流センサ２は第一の光電流センサ１と同様の構成から成る。Ｐ１ｘは、第二の光電流センサ２が検出する電流ｉ２（＝√２Ｉ２sinωｔ）によって発生する磁界によるファラデー効果を受け、電流ｉ２の大きさに比例して偏波面が角度θ２だけ回転する。第二の光電流センサ２の出射光はやはり、検光子１５により、ｘ、ｙの２成分の光Ｐ２ｘ、Ｐ２ｙに分けられ、次式で表される。
0004375881.tif 000003
ここで、第一の光電流センサ１の２つの出力のうちＰ１ｘを選択しているので、第二の光電流センサ２の出射光として第一の光電流センサの出射光と同一の偏波方向となるＰ２ｘを用いる。第一の光電流センサ１の２つの出力のうちＰ１ｙを選択した場合は、第二の光電流センサの出射光としてはＰ２ｙを用いる。
第二の光電流センサの出射光Ｐ２ｘは光ファイバ伝送路３ｃに導かれ光電変換器１６に入射し、電気信号に変換された後、ハイパスフィルタ回路１７、ローパスフィルタ回路１８により直流成分と交流成分に分離され、割算器１９で交流成分を直流成分で除することにより、光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘを得る。こで割算器１９により交流成分を直流成分で除する手法を用いているのは光信号が伝送される際の光量損失を補償するためである。光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘは以下の式で表される。
Ｓ２ｘ＝(Ｐ２ｘの交流成分)／(Ｐ２ｘの直流成分)  ・・・・(６)
ここで得られた光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘには、第一の光電流センサ１が検出した電流ｉ１と第二の光電流センサ２が検出した電流ｉ２の差電流であるｉ１＋ｉ２の情報を有していることを以下に説明する。尚、電力系統の保護区間９への差電流がｉ１＋ｉ２と示されるのは、ｉ１、ｉ２の符号をともに電力系統の保護区間９への流入方向を＋、流出方向を−と定義したことによる。
【０００６】
第一の光電流センサ１が検出する電流ｉ１及び第二の光電流センサ２が検出する電流ｉ２が小電流である場合、
sin２θ１≒２θ１、sin２θ２≒２θ２・・・・(７)
が成立し、（５ａ）式は
0004375881.tif 000004
となる。(８)式を(６)式に代入すると、
Ｓ２ｘ＝２√２Ｖ（Ｉ１＋Ｉ２）sinωｔ          ・・・・(９)
となり、光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘは電力系統の保護区間９への差電流ｉ１＋ｉ２に比例した値となる。
【０００７】
しかしながら、(９)式は(７)式が成立するような小電流領域において成立するものであり、大電流領域では成立しない。
そこで本発明者らは、大電流領域でも電力系統の保護区間９への差電流ｉ１＋ｉ２を検出することができる光ファイバセンサを用いた保護継電装置として特願平１１−２２４８２１を出願している。
【０００８】
すなわち、(７)式が成立しないような大電流が流れた場合、(５ａ)式で示した第二の光電流センサの出射光Ｐ２ｘは
0004375881.tif 000005
と表される。
ここで  sin(２√２ＶＩｎsinωｔ）をフーリエ級数展開することにより周波数成分毎に分解することを試みると、以下の(１１)式で表せる。
【０００９】
【数１】
0004375881.tif 000006
ここでＪｋ(ａ)はｋ次のBessel関数である。
【００１０】
(１１)式の３次以降の項を微少であるとして無視すれば、(１０)式は
Ｐ２ｘ＝(1/4)Ｐ０｛１＋２Ａ１sinωｔ｝｛１＋２Ａ２sinωｔ｝  ・・・・(１２ａ)
で表せる。ここで
Ａ１=Ｊ１(２√２ＶＩ１)       ・・・・(１２ｂ)
Ａ２=Ｊ１(２√２ＶＩ２)       ・・・・(１２ｃ)
である。(１２ａ）式を展開し、三角関数の公式  sin２φ＝(1/2)｛１−cos２φ｝を用いると
0004375881.tif 000007
となる。この時の光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘは(１２ｄ）式を(６)式に代入することで以下に求められる。
Ｓ２ｘ＝   Ｂ１sinωｔ＋Ｂ２ cos２ωｔ  ・・・・(１３ａ)
ここで
Ｂ１＝２(Ａ１＋Ａ２）／（１＋２Ａ１Ａ２）  ・・・・(１３ｂ)
Ｂ２＝ ２Ａ１Ａ２／（１＋２Ａ１Ａ２)       ・・・・(１３ｃ)
(１３ａ)式に示すように光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘは、第一項に示された電力系統の保護区間９への差電流ｉ１＋ｉ２の周波数成分、すなわち電源周波数成分の他に、第二項に示された電源周波数の２倍の周波数成分の項から成る。
【００１１】
ここで(１３ｂ)式の電源周波数成分の項Ｂ１を計算により評価することを試みる。電力系統の保護区間９への流入電流を３３ｋＡ以下のケースとする。このケースにおいて、波長１５５０ｎｍの鉛ガラスファイバ型光電流センサのベルデ定数Ｖ＝３．９３×１０−６[rad/A]を用いると、(１３ｂ)式は
Ｂ１≒α（Ｉ１＋Ｉ２）      ・・・・(１３ｄ)
で表せる。計算の結果、αの誤差は通電電流が実効値２４ｋＡで１％以下、通電電流が実効値３３ｋＡ以下で２％以下である。
【００１２】
すなわち、（１３ａ）式は、通電電流３３ｋＡ以下において、光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘの電源周波数と同じ周波数成分においては、電力系統の保護区間への差電流ｉ１＋ｉ２に比例した出力であるが、電源周波数の２倍の周波数成分が誤差成分として発生していることを意味する。
光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘから、電源周波数成分の差電流検出手段５ａにより、２倍の周波数成分を取り除くことにより、その出力を判定手段８に導き、電力系統の保護区間９への差電流ｉ１＋ｉ２に対して動作する保護継電装置が構成される。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の技術における説明では、電流信号が正弦波交流信号と仮定している。しかしながら、電力系統において短絡事故が発生した場合、電流信号は直流分が重畳され過渡的に減衰する信号となる。この時の事故電流は以下の式で表される。
ｉｎ  (t)＝√２Ｉｎ｛ｅ（−ｔ／τ）−cosωｔ｝  ・・・・(１４)
τは電力系統のリアクタンス分と抵抗分の比から定まる減衰時定数である。（１４）式で表されるような過渡的に減衰する電流信号を(５ａ)、(６)式に代入しても、(１３ａ)式のように電源周波数成分ごとに分けて表すことはできない。
そこで、電力系統の保護区間９に対して、保護区間外事故、保護区間内事故の各々の事故ケースについて、光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘに含まれる誤差成分が及ぼす影響について考える。
図２は、光電流センサを用いた保護継電装置の動作を説明するための系統図である。電力系統の保護区間９の事故箇所としてｆ１、ｆ３を保護区間外事故、ｆ２を保護区間内事故とする。以下電力系統の保護区間９の区間外事故を外部事故、電力系統の保護区間９の区間内事故を内部事故と呼ぶものとする。
また図２において、第一の光電流センサ１及び第二の光電流センサ２はそれぞれ電力系統の保護区間９の両端に設置されており、光ファイバ伝送路３ａ〜３ｄにより、光源１２、第一の光信号処理部４ａ、第二の光信号処理部４ｂと接続されている。ここで第一の光電流センサ１は電流ｉ１を検出し、第二の光電流センサ２は電流ｉ２を検出する。
【００１４】
まず外部事故が発生した場合について考える。外部事故が発生した場合、ｉ１、ｉ２ は
ｉ１(t)＝−ｉ２(t)           ・・・・(１５)
が成立する。(１４)、(１５)式を(５ａ)式に代入すると、
Ｐ２ｘ＝(1/4)Ｐ０｛１＋sin２Ｖｉ１(t)｝｛１−sin２Ｖｉｉ(t)｝
となる。ここで、説明を簡単にするために、
sin｛２Ｖｉｉ(t)｝≒  ２Ｖｉ１(t)
とおいて、(１４)式を代入すると、(５ａ)式は、
Ｐ２ｘ≒(1/4)Ｐ０［１−８Ｖ２Ｉ１２｛ｅ（−ｔ／τ）−cosωｔ｝２  ］
≒(1/4)Ｐ０［１−８Ｖ２Ｉ１２｛ｅ（−２ｔ／τ）＋２・ｅ（−ｔ／τ）
・cosωｔ−1/2＋1/2cos２ωｔ｝］                             ・・・・(１６)
となる。すなわち、従来の技術では、事故電流が正弦波交流信号であれば外部事故時においては電力系統の保護区間９への差電流ｉ１＋ｉ２の電源周波数成分は０であるべきであるのに、直流分が重畳された過渡的に減衰する信号の場合は、(１６)式に示すとおり、直流分が減衰するまでの間、誤差信号が発生してしまう。
【００１５】
図７は、外部事故が発生し、直流分が重畳された事故電流であった場合、従来の技術では保護継電装置の不要動作が発生する可能性があることを説明するための図である。
図７(ａ)は、外部事故のケースにおける(１４)式で表される直流分が重畳された事故電流信号を表しており、図７(ｂ)はこの時の第二の光電流サンサからの光信号Ｐ２ｘ／Ｐ０を、図７(ｃ)は光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘを、図７(ｄ)は光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘの電源周波数成分の実効値Ｒ２ｘを求めたものである。
尚、ここでは光電流センサは、波長１５５０ｎｍの鉛ガラスファイバ型光電流センサであるとし、そのベルデ定数Ｖは３．９３×１０−６[rad/A]を用いている。事故電流Ｉ１の大きさは実効値３３ｋＡ、電源周波数５０Hz、時定数τは５０msとしている。また光電流センサによる差電流出力の電源周波数の実効値Ｒ２ｘを求める手段としては、デジタルリレー回路におけるデジタルフィルタ・実効値演算回路を用いた。既に公知の技術であるため、ここではそのアルゴリズムを紹介するに留める。
サンプリング    ：電気角３０゜
デジタルフィルタ：Ｄ．Ｆ．１ｆ＝（１−Ｚ−６）（１＋Ｚ−１＋Ｚ−２＋Ｚ−３）
実効値演算      ：実効値２      ＝Ｃｎ−３２−Ｃｎ・Ｃｎ−６
【００１６】
次に正弦波交流信号の場合との比較をするために、事故電流が（３）式で表される正弦波交流信号であった場合の事故電流を図７(ｅ)に示し、この時の第二の光電流サンサからの光信号Ｐ２ｘ／Ｐ０を図７(ｆ)に、光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘを図７(ｇ)に、光電流センサによる差電流出力の電源周波数成分の実効値Ｒ２ｘを図７(ｈ)に示している。
図７(ｈ)に示すとおり、外部事故において事故電流が正弦波交流信号であれば事故直後に短時間誤差信号が発生するが、リレーの不要動作には至らない程度である。一方、事故電流が直流分が重畳した過渡電流信号の場合は図７(ｄ)に示すとおり、無視できない程の時間、誤差信号が発生している。これは(１６)式に示したように直流分が減衰するまでの間、電源周波数成分が誤差信号として表れているためである。
【００１７】
次に内部事故における、従来の技術での光電流センサを用いた保護継電装置の動作を図７を用いて説明する。図７(ｉ)は図２に示す系統で内部事故が発生し、事故電流が(１４)式で表される直流分が１００％重畳された信号を示しており、この時の第二の光電流サンサからの光信号Ｐ２ｘ／Ｐ０を図７(ｊ)に、光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘを図７(ｋ)に、光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘの電源周波数成分の実効値を図７(ｌ)に示している。
図７(ｍ）は図２に示す系統で内部事故が発生し、事故電流が（３）式で表される正弦波交流信号であった場合を示しており、この時の第二の光電流サンサからの光信号Ｐ２ｘを図７(ｎ)に、光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘを図７(ｏ)に、光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘの電源周波数成分の実効値を図７(ｐ)に示している。
図７(ｌ)、図７(ｐ)に示すとおり内部事故に関しては、従来の技術では良好な動作が得られる。
【００１８】
以上説明したように従来の技術においては、直流分が重畳された事故電流であった場合、内部事故は正常に検出するものの、外部事故のケースでは内部事故が発生したかのような誤差信号が発生する場合がある。
本発明の目的とするところは、直流分が重畳された事故電流を検出した場合においても、内部事故発生時の検出はもとより、外部事故発生時でも内部事故と見誤ることなく判別しリレーの不要動作をしない光電流センサを用いる保護継電装置を提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明では電力系統の保護区間の両端に入出力電流を個別に測定する二台の周回積分型の光電流センサを配置し、前記光電流センサは入射端と、前記入射端に設けられた偏向子の偏向方向に対してプラス４５度及びマイナス４５度の二つの偏向方向で検光を行う検光子とそれぞれの検光成分に対する出射端を有しており、光源と前記光電流センサとの間、前記光電流センサ同士の間および前記光電流センサと光信号処理部の間を光ファイバ伝送路で接続し、前記光信号処理部の出力信号から電源周波数成分の実効値を検出する差電流検出手段と、前記光信号処理部の出力信号から電源周波数成分の実効値を検出する和電流検出手段と、前記差電流検出手段と前記和電流検出手段の出力の差分を求める演算手段と、、前記演算手段の出力より前記電力系統の保護区間の区間内の事故か区間外の事故かを判別する判定手段とを備える。
また、電力系統の保護区間の両端に入出力電流を個別に測定する二台の周回積分型の光電流センサを配置し、前記光電流センサは入射端と、前記入射端に設けられた偏向子の偏向方向に対してプラス４５度又はマイナス４５度の偏向方向で検光を行う検光子とその検光成分に対する出射端を有しており、光源と前記光電流センサとの間、前記光電流センサ同士の間および前記光電流センサと光信号処理部の間を光ファイバ伝送路で接続し、前記光信号処理部の出力信号から電源周波数成分の実効値を検出する差電流検出手段と、前記光信号処理部の出力信号から電源周波数の２倍の周波数成分を実効値で検出する倍周波数成分検出手段と、前記差電流検出手段と倍周波数成分検出手段の出力比を求める演算手段と、前記演算手段の出力より保護区間の区間内の事故か区間外の事故かを判別する判定手段とを備える。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
従来の技術の(２ｂ)式、(５ｂ)式に示したように、光電流センサからの出力信号はｘ、ｙ成分の２通りがあり、従来の技術においてはこのどちらか一方しか用いていない。従来の技術では使用していない方の光信号を用いれば、外部事故か内部事故かを判別することが可能であることを以下に説明する。
図１は本発明の光電流センサを用いる保護継電装置の実施の形態を示す説明図である。光電流センサによる差電流信号Ｓ２ｘを求めるために光信号Ｐ２ｘを用いたのと同様に光信号Ｐ２ｙ信号を用いる。
光信号Ｐ２ｘより得られる光電流センサによる差電流信号Ｓ２ｘが、第一の光電流センサ１が検出した電流ｉ１と第二の光電流センサ２が検出した電流ｉ２の差電流であるｉ１＋ｉ２の情報を有しているのに対し、光信号Ｐ２ｙからはｉ１とｉ２の和電流であるｉ１−ｉ２の情報を有している光電流センサによる和電流出力Ｓ２ｙを得ることができることを以下に説明する。尚、電力系統の保護区間９への和電流がｉ１−ｉ２と示されるのは、ｉ１、ｉ２の符号をともに電力系統の保護区間９への流入方向を＋、流出方向を−と定義したことによる。
尚、以下の説明では、上記従来の技術で参照した図及び式において、同一もしくは相当する部分には同一符号を付してその説明は省略する。
【００２１】
偏光子１４、ファラデー素子１１、検光子１５よりなる第一の光電流センサ１と、第一の光電流センサ１と同様に構成される第二の光電流センサ２と、光源１２と、光電変換器１６、ハイパスフィルタ回路１７、ローパスフィルタ回路１８、割算器１９よりなる第一の光信号処理部４ａと、第一の光信号処理部４ａと同様に構成される第二の光信号処理部４ｂと、光源１２と第一の光電流センサ１間の光信号を伝送する光ファイバ伝送路３ａと、第一の光電流センサ１と第二の光電流センサ２間の光信号を伝送する光ファイバ伝送路３ｂと、第二の光電流センサ２の２つの出射端のうち差電流情報を有する光信号Ｐ2xを出射する出射端と第一の光信号処理部４ａとを伝送する光ファイバ伝送路３ｃと、第二の光電流センサ２の２つの出射端のうち和電流情報を有する光信号Ｐ2yを出射する出射端と第二の光信号処理部４ｂとを伝送する光ファイバ伝送路３ｄと、第一の光信号処理部４ａからの差電流出力Ｓ２ｘから電源周波数成分の実効値を検出する差電流検出手段５ａと、第二の光信号処理部４ｂからの和電流出力Ｓ２ｙから電源周波数成分の実効値を検出する和電流検出手段５ｂと、差電流検出手段５ａと和電流検出手段５ｂの出力の差を求める差分演算手段６、差電流検出手段５ａ及び差分演算手段６の出力から電力系統の保護区間に対して外部事故であるか内部事故であるかを判別する判定手段７より構成される。
【００２２】
第一の光電流センサ１及び第二の光電流センサ２の、電力系統の保護区間９への設置の状況及び、光信号処理部４ａの構成は従来の技術と同様であり、光信号処理部４ａからは光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘを得る。
一方光ファイバ伝送手段３ｄにより導かれる光信号は（５ｂ）式に述べたＰ２ｙ信号である。Ｐ２ｙは光ファイバ伝送路３ｄに導かれ第二の光信号処理部４ｂの光電変換器１６に入射し、同様の信号処理により、光電流センサによる和電流出力Ｓ２ｙを得る。光電流センサによる和電流出力Ｓ２ｙは以下の式で表される。
Ｓ２ｙ＝（Ｐ２ｙの交流成分）／（Ｐ２ｙの直流成分）    ・・・・(１７)
差電流検出手段５ａはＳ２ｘから電源周波数と同じ周波数成分の差電流実効値Ｒ２ｘを検出し、和電流検出手段５ｂはＳ２ｙから電源周波数と同じ周波数成分の和電流実効値Ｒ２ｙを検出する。Ｒ２ｘ及びＲ２ｙを求めた後、差分演算手段６でＲ２ｘ−Ｒ２ｙを計算する。差分演算手段６を用いたのは、外部事故発生時と内部事故発生時において、Ｒ２ｘ−Ｒ２ｙという値に大きな差異がみられるためである。
すなわち、リレー整定値をｋ０とし、外部事故判定定数ｋ１を新たに設け、判定手段７において、Ｒ２ｘ＞ｋ０かつＲ２ｘ−Ｒ２ｙ＞ｋ１の時、内部事故と判定することにより、直流分が重畳した事故電流であったとしても、外部事故においても不要動作を防ぐことができる。
【００２３】
電力系統の保護区間９に対して、外部事故、内部事故の各々の事故ケースについて、本発明の光電流センサを用いた保護継電装置の動作を説明するために、従来の技術で説明したのと同様に図２の系統図を用いる。
外部事故は図２に示す系統において事故箇所ｆ１とｆ３の２通りが考えられるが、どちらも同等と考えられるのでここではｆ１を外部事故の代表例とする。
内部事故のケースは、電源配置が両側か、ｆ１側の片側電源、ｆ３側の片側電源の３通りが考えられる。片側電源はｆ１側、ｆ３側でも同様と考えられるのでｆ１側を代表例とする。
両側電源配置のケースでは、ｉ１、ｉ２ は
ｉ１(t)＝βｉ２(t)      ０＜ β≦１・・・・(１８ａ)
として考えるものとする。
片側電源配置では
ｉ２(t)＝０                       ・・・・(１８ｂ)
とする。
【００２４】
外部事故判定定数ｋ１を導く手段を以下に説明する。ここでは、想定する電力系統の最大事故電流３３ｋＡとし、リレー整定値を９００Ａのケースで説明する。事故電流は(１４)式に示すように直流分が１００％重畳されたものとし、時定数τ＝１００msとする。適用する光ファイバセンサは従来技術と同様の、波長１５５０ｎｍの鉛ガラスファイバ型光電流センサであるとし、そのベルデ定数Ｖは３．９３×１０−６[rad/A]を用いる。
【００２５】
図３はＲ２ｘ−Ｒ２ｙが内部事故と外部事故において充分大きな差異があることを説明するための図であり、先に示した事故電流の値、光ファイバセンサの定数を、(１４)式、(５ａ)式、(６)式に代入し、計算により求めたものである
尚、差電流検出手段及び和電流検出手段で電源周波数成分の実効値Ｒ２ｘ、Ｒ２ｙを求める手段として、従来技術と同様に以下のアルゴリズムで計算した。
サンプリング    ：電気角３０゜
デジタルフィルタ：Ｄ．Ｆ．１ｆ＝（１−Ｚ−６）（１＋Ｚ−１＋Ｚ−２＋Ｚ−３）
実効値演算      ：実効値２      ＝Ｃｎ−３２−Ｃｎ・Ｃｎ−６
図３(ａ)は(１４)式で表される直流分が重畳された事故電流ｉｎ(t)を示しており、事故電流実効値Ｉｎ＝３３ｋＡの波形を示している。 図３(ｂ)〜(ｄ)は外部事故のケースであり、図３(ｂ)は差電流実効値Ｒ２ｘを、図３(ｃ)は和電流実効値Ｒ２ｙを図３(ｄ)はＲ２ｘ−Ｒ２ｙを示している。事故電流は３３ｋＡ、２４ｋＡ、１５ｋＡ、９ｋＡの４通りを示している。
同様に図３(ｅ)〜図３(ｇ)は内部事故両側電源配置の場合であり、図３(ｅ)は差電流実効値Ｒ２ｘを、図３(ｆ)は和電流実効値Ｒ２ｙを図３(ｇ)はＲ２ｘ−Ｒ２ｙを示しており、事故電流は以下の４通りを示している。
Ｉ１＝＋１６．５ｋＡ、Ｉ２＝＋１６．５ｋＡ、
Ｉ１＝＋２２ｋＡ、Ｉ２＝＋１１ｋＡ、
Ｉ１＝＋２７．５ｋＡ、Ｉ２＝＋５．５ｋＡ、
Ｉ１＝＋３０ｋＡ、Ｉ２＝＋３ｋＡ
図３(ｈ)〜図３(ｊ)は内部事故片側電源配置の場合であり、図３(ｈ)は差電流実効値Ｒ２ｘを、図３(ｉ)は和電流実効値Ｒ２ｙを図３(ｊ)はＲ２ｘ−Ｒ２ｙを示しており、事故電流はＩ１＝３３ｋＡ、２４ｋＡ、１５ｋＡ、９ｋＡの４通りを示している。
【００２６】
外部事故ケースのＲ２ｘ−Ｒ２ｙを示す図３(ｄ)と、内部事故両側電源配置、内部事故片側電源配置の各ケースにおけるＲ２ｘ−Ｒ２ｙを示す図３(ｇ)、図３(ｊ)を比較すると明らかなように、Ｒ２ｘ−Ｒ２ｙはあるしきい値に対して、外部事故ケースは小さな値となり、内部事故ケースにおいては大きな値となる。
外部事故ケースの場合では、事故電流が９ｋＡから３３ｋＡにおいては事故電流９ｋＡの時、Ｒ２ｘ−Ｒ２ｙは最大値をとっている。一方内部事故ケースにおいては両側電源配置、片側電源配置の各ケースのいずれの場合でもＲ２ｘ−Ｒ２ｙの最小値は０ｋＡである。
よって外部事故判定定数ｋ１を決定するには、外部事故において差電流信号Ｒ２ｘがリレー整定値より大きくならない程度の事故電流を想定し、この事故電流におけるＲ２ｘ−Ｒ２ｙを求めればよい。
ここで事故電流９ｋＡのときのＲ２ｘは４００Ａ程度であり、リレー整定値９００Ａに対して不要動作には至らないと考えられる充分な値である。そこで外部事故判定定数ｋ１を求めるために想定する事故電流を９ｋＡとした。外部事故ケースにおける事故電流９ｋＡの時のＲ２ｘ−Ｒ２ｙの最大値は図３(ｄ)より−１８ｋＡである。したがって図３のケースでは外部事故判定定数ｋ１は例えば以下のように求めることができる。
ｋ１＝（−１８ｋＡ−０ｋＡ）／２＝−９ｋＡ
上記のように外部事故判定定数Ｋ１を設ければ、判定手段７においてＲ２ｘが整定値ｋ０より大きかったとしても、Ｒ２ｘ−Ｒ２ｙがｋ１より小さければ外部事故であると判定し、リレーの不要動作を防ぐことができる。
【００２７】
続いて本発明の光電流センサを用いる保護継電装置の他の実施例を説明する。従来の技術の(１３ａ)式に示したように、外部事故においては光電流センサからの出力信号には電源周波数の２倍の周波数成分が含まれる。この２倍の周波数成分を用いれば、外部事故か内部事故かを判別することが可能であることを以下に説明する。
【００２８】
図４は本発明の光電流センサを用いる保護継電装置の他の実施例を示す説明図である。以下の説明では、前記従来の技術及び前記実施の形態で参照した図及び式において、同一もしくは相当する部分には同一符号を付してその説明は省略する。
第一の光電流センサ１、第二の光電流センサ２、光源１２、光信号処理回路４ａ、光ファイバ伝送手段３ａ，３ｂ，３ｃと、光信号処理部４ａからの差電流出力Ｓ２ｘから電源周波数成分の実効値を検出する差電流検出手段５ａ、光信号処理部４ａからの差電流出力Ｓ２ｘから電源周波数成分の２倍の周波数成分の実効値を検出する倍周波数検出手段５ｃ、差電流検出手段５ａと倍周波数成分検出手段５ｃの出力比を求める出力比演算手段６ｂ、差電流検出手段５ａ及び出力比演算手段６ｂの出力から電力系統の保護区間に対して外部事故であるか内部事故であるかを判別する判定手段７ｂより構成される。
【００２９】
第一の光電流センサ１及び第二の光電流センサ２の、電力系統の保護区間９への設置の状況及び、光信号処理部４ａの構成は従来の技術と同様であり、光信号処理部４ａからは光電流センサによる差電流出力Ｓ２ｘを得る。
光信号処理部４ａで得られた差電流出力Ｓ２ｘは差電流検出手段５ａ、Ｓ２ｘから電源周波数と同じ周波数成分の実効値Ｑ１を検出する。また、倍周波数成分検出手段５ｃでＳ２ｘから電源周波数の２倍の周波数成分の実効値Ｑ２を検出する。Ｑ１及びＱ２は、出力比演算手段６ｂでＱ２／Ｑ１を計算する。出力比演算手段６ｂでＱ２／Ｑ１を計算するのは、外部事故発生時、内部事故発生時において、Ｑ２／Ｑ１という値に大きな差異がみられるためである。
すなわち、リレー整定値をｋ０とし、外部事故判定定数ｋ２を新たに設け、判定手段７ｂにおいて、Ｑ１＞ｋ０かつＱ２／Ｑ１＜ｋ２の時、内部事故と判定するることにより、直流分が重畳した事故電流であったとしても、外部事故においても不要動作を防ぐことができる。
【００３０】
図５は内部事故と外部事故において、Ｑ２／Ｑ１が充分大きな差異があることを説明するための図である。第一の実施例の図３を示す際の計算に用いたの同様の条件のもとに計算による結果を示すものである。
また、倍周波数成分検出手段５ｃで、電源周波数の２倍の周波数成分の実効値Ｑ２を求めるために以下のアルゴリズムで計算した。
サンプリング    ：電気角３０゜
デジタルフィルタ：Ｄ．Ｆ．２ｆ＝（１＋Ｚ−６）（１−Ｚ−３）（１−Ｚ−１）
実効値演算      ：実効値２      ＝Ｃｎ２＋Ｃｎー１２＋Ｃｎ−２２
図５(ａ)は(１４)式で表される直流分が重畳された事故電流ｉｎ(t)を示しており、事故電流実効値Ｉｎ＝３３ｋＡの波形を示している。 図５(ｂ)〜(ｄ)は外部事故のケースである。図５(ｂ)は電源周波数成分信号Ｑ１を、図５(ｃ)は倍周波数成分信号Ｑ２を、また図５(ｄ)はＱ２／Ｑ１を示しており、事故電流は３３ｋＡ、２４ｋＡ、１５ｋＡ、９ｋＡの４通りを示している。
同様に図５(ｅ)〜図５(ｇ)は内部事故両側電源配置の場合であり、図５(ｅ)は電源周波数成分信号Ｑ１を、図５(ｆ)は倍周波数成分信号Ｑ２を、図５(ｇ)はＱ２／Ｑ１を示しており、事故電流は以下の４通りを示している。
Ｉ１＝＋１６．５ｋＡ、Ｉ２＝＋１６．５ｋＡ、
Ｉ１＝＋２２ｋＡ、Ｉ２＝＋１１ｋＡ、
Ｉ１＝＋２７．５ｋＡ、Ｉ２＝＋５．５ｋＡ、
Ｉ１＝＋３０ｋＡ、Ｉ２＝＋３ｋＡ
図５(ｈ)〜図５(ｊ)は内部事故片側電源配置の場合であり、図５(ｈ)は電源周波数成分信号Ｑ１を、図５(ｉ)は倍周波数成分信号Ｑ２を、図５(ｊ)はＱ２／Ｑ１を示しており、事故電流はＩ２＝３３ｋＡ、２４ｋＡ、１５ｋＡ、９ｋＡの４通りを示している。
【００３１】
外部事故ケースのＱ２／Ｑ１を示す図５(ｄ)と、内部事故両側電源配置、内部事故片側電源配置の各ケースにおけるＱ２／Ｑ１を示す図５(ｇ)、図５(ｊ)を比較すると明らかなように、Ｑ２／Ｑ１は事故直後のわずかな時間以外においてはあるしきい値に対して、外部事故ケースは大きい値となり、内部事故ケースにおいては小さな値となる。Ｑ２／Ｑ１は外部事故ケースにおいては事故電流実効値９ｋＡから３３ｋＡでは３３ｋＡで最小値をとり、Ｑ２／Ｑ１＝０．２２であった。一方内部事故ケースの両側電源配置、片側電源配置の各ケースにおけるＱ２／Ｑ１は、事故電流が大きい時ほど、大きな値を示し、その最大値は両側電源配置の場合のＩ１＝＋１６．５ｋＡ、Ｉ２＝＋１６．５ｋＡのケースで最大値をとり、その値は０．０４であった。
よってＱ２／Ｑ１のしきい値として外部事故判定定数ｋ２を外部事故ケースにおけるＱ２／Ｑ１の最小値と、内部事故ケースにおけるＱ２／Ｑ１の最大値との中間値に設けるものとし、図５のケースでは例えば以下のように求めることができる。
ｋ２＝（０．２２／０．０４）１／２×０．０４＝０．１
上記のように外部事故判定定数Ｋ２を設ければ、判定手段７ｂにおいてＱ１が整定値ｋ０より大きかったとしても、Ｑ２／Ｑ１がｋ２より大きければ外部事故であると判定し、リレーの不要動作を防ぐことができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による光電流センサによる保護継電装置によれば、直流分が重畳された事故電流を検出した場合においても、内部事故の検出はもとより、外部事故でも内部事故と見誤ることなく検出判別し、リレーの不要動作を防ぐことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施の形態を示し、光電流センサを用いる保護継電装置を説明する構成図である。
【図２】本発明による実施の形態を示し、光電流センサを用いる保護継電装置を説明する系統図である。
【図３】本発明の実施の形態に従って事故電流を測定したときの出力波形の一例である。
【図４】本発明による他の実施の形態を示し、光電流センサを用いる保護継電装置を説明する構成図である。
【図５】本発明による他の実施の形態に従って事故電流を測定したときの出力波形の一例である。
【図６】従来技術の光電流センサによる保護継電装置の説明図である。
【図７】従来技術に従って事故電流を測定したときの出力波形の一例である。
【符号の説明】
１    第一の光電流センサ
２    第二の光電流センサ
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ  光ファイバ伝送路
４ａ  第一の光信号処理部
４ｂ  第二の光信号処理部
５ａ    差電流検出手段
５ｂ    和電流検出手段
５ｃ    倍周波数成分検出手段
６      差分演算手段
６ｂ    出力比演算手段
７、７ｂ      判定手段
９    電力系統の保護区間
１１  ファラデー素子
１２  光源
１４  偏光子
１５  検光子
１６  光電変換器
１７  ハイパスフィルタ
１８  ローパスフィルタ
１９  割算器
【図１】
0004375881.tif 000008
【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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