技術紹介

電子式 VT・CT の要素開発によるモデル器の設計・試作と性能評価

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電子式 VT・CT の要素開発によるモデル器の設計・試作と性能評価■ 山口達史■ 藤野守也■ 小川晃一■ 宮﨑未知果■ 布施宏樹■ 足立純一

Tatsushi Yamaguchi

Michika Miyazaki

Moriya Fujino

Hiroki Fuse■ 佐藤Koichi Ogawa

祥輝

Yoshiki Sato

Junichi Adachi

従来の変電所は，施工時のケーブル敷設や運用時の保守メンテナンスに多大なコストを要するという課題がある。一方，欧米や中国で建設が進められているデジタル変電所は，多芯の光ファイバケーブルによる集線化を行うことで上記課題を解決し，またスマートグリッドの国際標準規格である IEC 61850 の適用により，設備のマルチベンダ化と信頼性向上および監視制御の高度化を図っている。国内の電力会社でも変電所デジタル化の取り組みを行っており，東光高岳
においてもデジタル変電所向け製品の技術開発を行っている。その一つがデジタル化を図った次世代の計器用変成器となる電子式 VT・CT であり，今回要素開発としてモデル器を設計・試作し，その性能評価を行ったので紹介する。

1

はじめにき標準的な仕様を反映した。
（1）電圧・電流検出方式および絶縁構造

従来の変電所は，電気設備と保護制御装置間の信号

電圧検出は容量分圧器，電流検出はロゴウスキーコ

伝送に制御ケーブルを使用しているため，施工時のケーイル方式とする。容量分圧器は絶縁構造により高圧側，ブル敷設や運用時の保守メンテナンスに多大なコスト

低圧側の静電容量が変化するため，モデル器は海外のを要するという課題がある。中でも計器用変成器と保132 kV 三相一括形 GIS 適用を想定した構造とする。

護制御装置間の制御ケーブルは，本数が膨大で敷設に（2）定格一次電圧および絶縁方式難がある。一方，欧米や中国で建設が進められている

大規模な高電圧の試験装置を用いず，交流標準電圧電

デジタル変電所は，信号伝送を多芯の光ファイバケー流発生器により電子式 VT の誤差試験を実施可能とするブルで行うことにより集線化が図れ，施工時や運用時ため，定格一次電圧を従来の 1/100 とする。また，定のコストダウンが可能である。また，スマートグリッ

格一次電圧が比較的低いことから，環境に配慮して絶縁ドの国際標準規格である IEC 61850 の適用により，設方式を気中絶縁とする。

備のマルチベンダ化と信頼性向上および監視制御の高（3）その他度化を図っている。
国内の電力会社でも変電所デジタル化の取り組みを海外の主な重電機器メーカの NCIT を調査した結果，どのメーカにもほぼ共通している仕様があり，それは計行っており，東光高岳においてもデジタル変電所向け製品の技術開発を行っている。その一つである電子式 VT・CT は，次世代の計器用変成器であり，MU（Merging Unit）注 1） と組み合わせて IEC 61850-9-2LE準拠によるデジタル化を図った装置である。東光高岳で

表1項

目

は，鉄心と巻線による従来形の VT・CT に替えて，VT参考規格

素子に容量分圧器，CT 素子にロゴウスキーコイル，信検出方式

号伝送に光ファイバケーブルを適用することで，機器の絶縁方式

大幅な小型・軽量化と設置面積の省スペース化を目標に相数取り組んでいる。
本稿では，電子式 VT・CT の要素開発としてモデル器を設計・試作し，その性能評価を行ったので紹介する。

2モデル器の仕様検討

モデル器の基本仕様を表 1 に示す。仕様検討に当たり，海外の主な重電機器メーカの NCIT（Non-Conventional
Instrument Transformer）注 2） の調査を行い，具備すべモデル器の基本仕様
仕様

電子式 VT

電子式 CTIEC 60044-7

IEC 60044-8

出力 I/F ：IEC 61850-9-2LE
容量分圧器

ロゴウスキーコイル
気中絶縁単相定格一次電圧

1.45/ √3 kV―

定格一次電流―1,000A

周波数50 Hz

計測用確度階級IEC Class 0.2

IEC Class 0.2S

保護用確度階級IEC Class 3P

IEC Class 5TPE

使用温度範囲電子式 VT・CT：− 40～+70℃
MU：− 10～+55℃

外形寸法

電子式 VT・CT：Φ 420 × 480 mm
MU:480（W）× 221.5（H）× 360.5（D）mm

電源電圧

DC 110V（MU）

東光高岳技報 Vol.9 2022

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電子式 VT・CT の要素開発によるモデル器の設計・試作と性能評価

測用の確度階級が電子式 VT：Class 0.2，電子式 CT：接地間の静電容量（C2）の分圧構造となっており，外Class 0.2S，使用温度範囲の下限値が−40℃，MU 出力が部に C2 と並列に固体コンデンサ（C3）を接続する。

IEC 61850-9-2LE 準拠ということであった。モデル器で設計上の課題は，静電容量の温度特性による出力変動はそれらの仕様を踏襲しつつ，電子式 VT は IEC 60044-

である。静電容量の温度特性は，容量分圧器を構成する

7 ，電子式 CT は IEC 60044-8

各部品の線膨張による形状変化と固体コンデンサの温度（1）を参考規格とする。

（2）

特性から発生する。そこで，容量分圧器を構成する各部3モデル器の設計

3.1

装置構成と動作概要

品の材質をすべて統一し，温度変化による相対的な形状変化を抑制して出力変動を低減した。また，固体コンデンサは誘電体の種類による温度特性を調査し，容量分圧モデル器の装置構成を図 1 に示す。モデル器は電子器の特性に合う最適なものを選定した。

式 VT・CT と MU に分けられる。電子式 VT・CT は，金属製の管路に容量分圧器およびロゴウスキーコイルを一次導体空間電極内蔵したものである。MU は金属製の筐体に電源ユニッ
ト，信号処理基板，CPU 基板および光通信 I/F 基板を内蔵したものである。次にモデル器の動作内容を示す。
容量分圧器は一次電圧を 100 V 以下の低電圧に分圧し，ロゴウスキーコイルは一次電流を電圧信号に変換して，C1

ともに MU の信号処理基板に入力する。信号処理基板

C2は，入力信号をアナログ信号処理部で増幅・フィルタリング後，A/D 変換を行いデジタル信号処理部に入力す接地る。この信号処理部は，FPGA を用いて高速演算処理を固体コンデンサ（C3）実現している。なお，容量分圧器の入力部はさらに固体

図 2 容量分圧器の原理図コンデンサと抵抗分圧器が備わる。FPGA は，外部から

図２ 容量分圧器の原理図

光通信 I/F 基板に入力される同期パルス（1PPS）に同期して演算処理を行い，CPU 基板に入力する。CPU 基

3.3

容量分圧器の温度特性シミュレーション

機密情報 取扱注意 目的外使用禁止 関係者限り 技術研究所 2022.06.01

図 2 に示す静電容量 C1，C2 は，一次導体，空間電極板は，入力信号を IEC 61850-9-2LE で規定された SVおよび接地間の物理的距離と空間電極の長さでほぼ決定（Sample Value）パケットに変換して光通信 I/F 基される。このため，モデル器の構造設計は海外の 132 kV板に出力する。光通信 I/F 基板は，SV パケットを光信三相一括形 GIS 適用を想定して行った。なお，絶縁設計号に変換して MU から外部へ出力する。

および静電容量の温度特性シミュレーションは，有限要注 3）

素法による電界解析および熱応力解析により行った。
容量分圧器（1）解析モデル

ロゴウスキーコイル

容量分圧器の解析モデルを図 3 に示す。タンク，一次導体，空間電極，接地電極および電界シールドなどの電子式ＶＴ・ＣＴ
同期パルス（1PPS）
アナログ
信号
処
理部

A/
D
変換部

デジタル
信号
処
理部

CPU
基板

信号処理基板

光通
信I/
F
基板

一次導体

光出力

空間電極

タンク

電源回路

ＭＵ（Merging Unit）
図1

モデル器の装置構成

図１ モデル器の装置構成図
3.2

接地電極

容量分圧器の原理および設計方針

容量分圧器の原理図を図 2 に示す。容量分圧器は，機密情報 取扱注意 目的外使用禁止 関係者限り 技術研究所 2022.06.01

一次導体－空間電極間の静電容量（C1）と空間電極－電界シールド1

図 3 容量分圧器の解析モデル

図３ 容量分圧器の解析モデル
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機密情報 取扱注意 目的外使用禁止 関係者限り 技術研究所 2022.06.01

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材質はすべて同一とした。

ル抵抗を低く抑えることで温度変化によるコイル抵抗の（2）解析結果変化を低減した。次に外部磁界の影響については，4 層

静電容量 C1，C2 の温度特性の解析結果を図 4 に示のプリント基板を使用して表面および裏面で主コイルをす。なお，電界解析結果について本稿では割愛する。周形成し，内層に戻しコイルを形成することで外部磁界に囲温度− 40～+ 80℃の C1 の変化率は ±0.14％（20℃

よるコイルの発生電圧をキャンセルした。

基準）であり，C2 の変化率は ±0.10％（20℃基準）であった。その結果，C1，C2 により分圧される C2 の分担電圧の変化率（C1 /（C1 + C2））は ±0.03％（20℃基準）であり，容量分圧器を構成する各部品の材質をすべて統一することにより，温度特性を十分小さくできることが確認できた。

44.1モデル器の試作
電子式 VT・CT

電子式 VT・CT の外観を図 6 に示す。金属製の管路の両端に絶縁板を取り付け，中心部に一次導体を貫通さ静電容量変化率[％]せた構造とした。また，内部に容量分圧器およびロゴウ
0.50.40.30.20.10.0-0.1-0.2-0.3-0.4-0.5

スキーコイルを取り付けている。

静電容量 C2C1 / (C1 + C2)
静電容量 C1-60-40-2002040
周囲温度[℃]6080100

図 4 C1，C2 および C1 /（C1+ C2）の温度特性解析結果

3.4

ロゴウスキーコイルの原理および設計方針

図 6 電子式 VT・CT の外観

ロゴウスキーコイルの原理図を図 5 に示す。ロゴウス
キーコイルは，一次電流（I（t））を電圧信号に変換して計測するものである。コイルで誘起される電圧（e（t））は，4.2

MU一次電流の微分波形となり，この誘起電圧を積分するこ

MU の外観を図 7 に示す。MU は，鉄製の筐体に電とで一次電流に比例した電圧信号（v（t））を出力する。

源ユニット，信号処理基板，CPU 基板，光通信 I/F 基

設計上の課題は，コイルで誘起される電圧の温度特性板を内蔵したものである。過去に開発した光 CT 用のと外部磁界の影響による出力変動である。まず温度特性

MU に容量分圧器およびロゴウスキーコイルの入力部をは，温度変化によりコイル形状の変化が発生しインダク追加して適用した。

タンスが変化すること，およびコイル抵抗に温度依存性があることにより発生する。そこで，ロゴウスキーコイ
ルをプリント基板で製作することで温度変化によるコイルの形状変化を抑え，インダクタンスの変化を低減した。また，パターン幅および巻数の最適化を行い，コイ誘起電圧：e(t)e(t)

出力電圧：v(t)積分回路

図 7 MU の外観v(t)55.1

一次電流：I(t)図5

ロゴウスキーコイルの原理図

モデル器の試験と性能評価
基本誤差試験

基本誤差試験は，IEC 60044-7 および IEC 60044-8

図５ ロゴウスキーコイルの原理図
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電子式 VT・CT の要素開発によるモデル器の設計・試作と性能評価の各規格に規定された測定ポイントにおいて試験を行っ電流発生器により印加し，試験電流は大電流発生装置により通電した。また，試験電流値は標準 CT の二次側に標準抵抗を接続して電圧に変換後，デジタルマルチメー
タで測定した。試験による比誤差の算出方法は次のとお比誤差[％]た。試験構成を図 8 に示す。試験電圧は交流標準電圧りである。MU から出力された SV パケットは，メディアコンバータにて電気信号に変換後イーサネット経由で PC（パソコン）に取り込んだ。PC では，SV データ

1.00.80.60.40.20.0-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0

規格値の上限：IEC 0.2S

規格値の下限：IEC 0.2S

0200400に DFT（Discrete Fourier Transform）注 4）処理を行い，50 Hz 成分を抽出して比誤差を算出した。なお，今回は図 10比誤差のみの評価とし，位相角は別途試験環境を整備して評価することとした。

5.2600800
試験電流[A]

100012001400

電子式 CT の基本誤差特性（比誤差）

温度特性試験

温度特性試験は，恒温槽を用いて電子式 VT・CT と交
電流流標
発準生電器
圧一次導体

ＭＵ（Merging Unit）

MU の周囲温度を変化させることとし，装置内部まで温度が安定する様，目標の温度に到達した後に 3 時間放置して試験を行った。また，試験は電子式 VT・CT

電子式ＶＴ・ＣＴ

メディアコンバータ+80℃）と，MU も含めて温度変化を与える組合せ試

接地ＰＣ（パソコン）

標準ＣＴ

発 大生 電装 流
置のみ温度変化を与える単体試験（周囲温度：− 40～
験（周囲温度：−10～+55℃）の 2 種類について行った。電子式 VT の試験電圧は定格一次電圧，電子式 CTの試験電流は定格一次電流として，各温度における比誤標準抵抗差を算出した。

デジタルマルチメータ

図 11 に 電 子 式 VT の 温 度 特 性（ 比 誤 差 ） を 示 す。
比誤差が単体試験では ±0.03％以内，組合せ試験では

図 8 基本誤差試験構成

図８ 基本誤差試験構成図± 0.05％以内の変化であり，確度階級を十分満足して良図 9 に電子式 VT の基本誤差特性（比誤差）を示す。

好な特性が得られた。

定格電圧の 80～120％の測定ポイントにおいて比誤差

6は ±0.02％以下であり，確度階級を十分満足して良好な

0.50.40.30.20.10.0-0.1-0.2-0.3-0.4-0.5

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比誤差[％]

0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0-0.1-0.2-0.3-0.4-0.5

比誤差[％]

特性が得られた。

規格値の上限：IEC 0.2

規格値の下限：IEC 0.2

規格値の上限：IEC 0.2
組合せ試験
単体試験

規格値の下限：IEC 0.2-60-40

図 11500600700800900
試験電圧[V]1000

図9電子式 VT の基本誤差特性（比誤差）1100-2002040
周囲温度[℃]

6080100

電子式 VT の温度特性（比誤差）

図 12 に 電 子 式 CT の 温 度 特 性（ 比 誤 差 ） を 示 す。
比誤差が単体試験では ±0.06％以内，組合せ試験では± 0.05％以内の変化であり，確度階級を十分満足して良図 10 に電子式 CT の基本誤差特性（比誤差）を示す。
定格電流の 1～120％の測定ポイントにおいて比誤差は±0.04％以下であり，確度階級を十分満足して良好な特性が得られた。

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好な特性が得られた。

比誤差[％]

電子式 VT・CT の要素開発によるモデル器の設計・試作と性能評価

0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0-0.1-0.2-0.3-0.4-0.5

境を整備し，位相角の評価を行う必要がある。
電子式 VT・CT はデジタル変電所への適用を目的とし，MU と組み合わせて IEC 61850-9-2LE 準拠によるデジタ

規格値の上限：IEC 0.2S

ル化を図った装置である。これにより，機器の大幅な小組合せ試験型・軽量化と設置面積の省スペース化が実現可能である。
今後は，三相一括形 GIS に直結可能な電子式 VT・単体試験

CT のプロトタイプ器の開発を行い，社外に紹介してい規格値の下限：IEC 0.2Sく予定である。
-60-40

図 125.3

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-20

02040
周囲温度[℃]

6080100

電子式 CT の温度特性（比誤差）

外部磁界の影響試験

電子式 CT を三相一括形 GIS に適用した場合，他相■参考文献（1） IEC 60044-7:1999, Instrument transformers–Part
7:Electronic voltage transformers（2） IEC 60044-8:2002, Instrument transformers–Part
8:Electronic current transformers

磁界の影響を受けて測定精度に影響を与える可能性があ■語句説明る。本試験は，その影響度合いを調査するために行った。

注 1） MU（Merging Unit）： 変 電 所 内 で 計 測 し た 電 圧・電流をデジタルデータに変換して IED（IntelligentElectronic Device）に出力する装置。また IED は，変電所内外で発生する各種故障を検出し，遮断器へトリップ指令を出力する保護演算装置。
注 2） N C I T （ N o n - C o n v e n t i o n a l I n s t r u m e n tTransformer）： 非 従 来 型 計 器 用 変 成 器 で あ り，光VT・CT や容量分圧器，ロゴウスキーコイルなどの新しい計器用変成器。
注 3） SV（Sample Value）パケット：デジタル化された電圧・電流の瞬時値データを IEC 61850-9-2LE に準拠して分割されたデータ。
注 4） DFT（Discrete Fourier Transform）：離散フーリエ変換であり，主に信号処理などで離散化されたデジタル信号の周波数解析などに使われるもの。

三相一括形 GIS の相配置を模擬した試験冶具に，一次導体および一相分のロゴウスキーコイルを取り付けた状況を図 13 に示す。一次導体の直径は Φ 80 mm，相間距離は約 280 mm で三相配置した。試験は，ロゴウ
スキーコイルに無通電の状態で他相の一次導体に電流を通電した時，ロゴウスキーコイルで検出される電流値を測定した。その結果，試験電流 2,000 A（定格一次電流の 2 倍）において，ロゴウスキーコイルで検出された電流値が 2 A 程度であった。これは他相に通電した試験電流の 0.1％程度の影響度合いであり，基本誤差試験や温度特性試験の比誤差を加味した場合でも，確度階級を十分満足して良好な特性が得られた。したがって，3
章で述べた外部磁界の影響対策が有効に機能していることが確認できた。

山口達史

戦略技術研究所
技術開発センター

藤野

図 13

6

一次導体，ロゴウスキーコイル配置状況

おわりに電子式 VT・CT の要素開発としてモデル器を設計・試作し性能評価を行った。その結果，基本仕様をほぼ満足し良好な特性が得られた。次のステップとして試験環所属

ICT 技術グループ

所属

ICT 技術グループ

所属

ICT 技術グループ

所属

ICT 技術グループ所属

宏樹

戦略技術研究所
技術開発センター足立

ICT 技術グループ

未知果

戦略技術研究所
技術開発センター

布施所属

祥輝

戦略技術研究所
技術開発センター

宮﨑

ICT 技術グループ晃一

戦略技術研究所
技術開発センター

佐藤所属

守也

戦略技術研究所
技術開発センター

小川

ICT 技術グループ

純一

戦略技術研究所
技術開発センター

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