JP2017204973A - 欠相検知システム、欠相検知装置および欠相検知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】設備構成や負荷状況によらずに地落や短絡を伴わない１相開放故障を機械的に検知する。【解決手段】実施形態の欠相検知システムは、３相静止誘導電気機器、電流検知器、平均化部および判定部を備える。３相静止誘導電気機器は相毎の配線に励磁電流が流される１次側回路を有する。電流検知器は３相静止誘導電気機器の１次側回路の各相の励磁電流を検知する。平均化部は電流検知器により検知される相毎の励磁電流を所定タイミングで複数サンプリングし所定期間毎に平均化する。判定部は平均化部により平均化された励磁電流に基づいて励磁電流の検知元の１次側回路の配線が開放状態か否かを判定する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、欠相検知システム、欠相検知装置および欠相検知方法に関する。

発電所などの発電施設では、３相交流の高電圧を変圧する変圧器に保護継電器が接続されており、地落や短絡の事象発生時の対応が図られている。

ところで、変圧器の１次側に接続されている碍子などが破損して３相のうちの例えば１相が欠相すること（以下これを「１相開放故障」と称す）がまれにある。

３相変圧器における１相開放故障は、開放した相にも電圧が誘起されるため、発見が難しく、例えば変圧器の１次側に１相開放故障が発生し、異常電流の値が保護継電器の設定値まで到達するような場合は、検知可能である。

しかしながら、地落や短絡を伴わない１相開放故障が発生すると、設備構成や負荷状況によっては保護継電器の設定値まで値が変動しない場合があり、このような場合は１相開放故障を検知できないことがある。

このため従来は機械的な検知のほか、人為的な検知を組み合わせて地落や短絡を伴わない１相開放故障を検知するよう対応を図っている。

特開２０１５−００６０７６号公報

従来、地落や短絡を伴わない１相開放故障が発生した場合に、設備構成や負荷状況によっては保護継電器の設定値まで値が変動しないことがあり、この場合は１相開放故障を検知できず、人為的な検知を組み合わせて対応していた。

本発明が解決しようとする課題は、設備構成や負荷状況によらずに地落や短絡を伴わない１相開放故障を機械的に検知することができる欠相検知システム、欠相検知装置および欠相検知方法を提供することにある。

実施形態の欠相検知システムは、３相静止誘導電気機器、電流検知器、平均化部および判定部を備える。３相静止誘導電気機器は相毎の配線に励磁電流が流される１次側回路を有する。電流検知器は３相静止誘導電気機器の１次側回路の各相の励磁電流を検知する。平均化部は電流検知器により検知される相毎の励磁電流を所定タイミングで複数サンプリングし所定期間毎に平均化する。判定部は平均化部により平均化された励磁電流に基づいて励磁電流の検知元の１次側回路の配線が開放状態か否かを判定する。

実施形態の欠相検知システムの構成を示す図である。 雑音成分（高周波成分）を含む信号を示す図である。 アナログフィルタにより高周波成分を減衰させた信号を示す図である。 デジタルフィルタにより高周波成分を減衰させた信号を示す図である。 サンプリング動作を説明するための図である。 極微弱な真の電流成分を示す図である。 欠相検知システムの第１変形例を示す図である。 欠相検知システムの第２変形例を示す図である。

以下、図面を参照して、実施形態を詳細に説明する。
図１は一つの実施の形態の欠相検知システムを機能的に示す図である。

図１に示すように、第１実施形態の欠相検知システムは、３相静止誘導電気機器としての変圧器１と、この変圧器１の１次側回路２の各相の配線４ａ、４ｂ、４ｃに配置された電流検出器５と、いずれかの配線４ａ、４ｂ、４ｃに接続された計器用変圧器ＰＴ（Potential Transformer）と、この計器用変圧器ＰＴと各相の変流器５が接続される欠相検知装置６とを有する。

変圧器１は、外部へ続く３つの相の配線４ａ、４ｂ、４ｃおよびコイルを含む１次側回路２と、この１次側回路２のコイルにより電圧が誘起されるコイルを有する２次側回路３とを有する。１次側回路２のコイルと２次側回路３のコイルは磁気的に結合されている。なお図示していないが変圧器１は磁束の通り道である鉄心を有する。

この変圧器１では１次側回路２の各配線４ａ、４ｂ、４ｃに励磁電流が流されることで、１次側回路２と２次側回路３のコイルの巻線比に応じた電力が２次側回路３に誘起される。計器用変圧器ＰＴは、基準電圧Ｖｒｅｆを取得するための測定用の機器であり、ここでは１次側回路２のいずれかの配線（例えば配線４４ｃなど）に印加される交流電圧を検出するものとする。

計器用変圧器ＰＴが検出した基準電圧Ｖｒｅｆを欠相検知装置６に入力する際に、電圧を補正する必要があるため電圧調整器６９を設ける。また補正された電圧にはノイズ成分がのっているため、アナログフィルタ６３、ＡＤ変換器６４、デジタルフィルタ６５などを設けることにより、電圧調整器６９により補正された電圧からノイズ成分をフィルタリングする。

電流検出器５は、各相の配線４ａ、４ｂ、４ｃに流れる電流を検知する。電流検出器５には、例えばホール素子形ＣＴ（鉄心を持つＣＴ）、ファラデー効果を利用する光ＣＴなどを用いる。ＣＴはカレントトランスファ（電流変換器）の略称である。

欠相検知装置６は各相の電流検知器５により検出される励磁電流を基に、励磁電流の検知元の１次側回路２の該当する相の配線４ａ、４ｂ、４ｃが開放状態か否かを判定し、開放状態の配線が存在した場合その旨を警報出力する。

欠相検知装置６は、入力変換器６１、フィルタ部６２、平均化部６６、判定部６７、警報出力部６８を有する。

入力変換器６１は入力される励磁電流（電流の信号）を電圧の信号へ変換する。フィルタ部６２はアナログフィルタ６３、ＡＤ変換器６４、デジタルフィルタ６５を有する。

アナログフィルタ６３は入力される励磁電流を変換した電圧の信号に含まれるノイズ成分（例えば１０アンペア程度の電流を電圧に変換した成分）を減衰させる。

ＡＤ変換器６４はアナログフィルタ６３によりノイズ成分（高周波成分）が減衰される励磁電流（アナログの信号）をデジタルの信号に変換するアナログデジタル変換器である。

デジタルフィルタ６５はＡＤ変換器６４により変換されたデジタルの信号に含まれるノイズ成分（高周波成分）をフィルタリングする。つまりフィルタ部６２は入力変換器６１により変換された電圧信号の高周波成分を減衰させるバンドパスフィルタである。これにより測定誤差を低減することができる。

平均化部６６は電流検知器５により検知される相毎の励磁電流を所定タイミングで複数サンプリングし所定期間毎に平均化する。より具体的には、平均化部６６はフィルタ部６２から出力された相毎の信号を、所定タイミング、例えば基準電圧Ｖｒｅｆの周波数の１周期に同期させて複数サンプリングし、サンプリングした複数の信号の値を所定動作期間（例えば２秒間など）毎に平均化することで、信号の雑音成分を低減し雑音成分に埋れている真の電流成分を引き立たせる。例えば１０Ａ程度の雑音の中から０．２Ａ程度の電流を検知可能にする。

判定部６７は平均化部６６により平均化された励磁電流に基づいて前記励磁電流の検知元の前記１次側回路の配線が開放状態か否かを判定する。

より具体的には、判定部６７は平均化部６６により平均化された各相それぞれの励磁電流の成分について真の電流成分が現れているか否かによって励磁電流の検知元の１次側回路２の配線４ａ、４ｂ、４ｃが開放状態（少なくとも１相が開放故障）か否かを判定する。そして判定の結果、開放状態の配線が存在する場合（この例では配線４ｂ）、当該配線４ｂが開放状態であることを示す警報信号を警報出力部６８へ出力する。

つまり判定部６７は１０Ａ程度の雑音が載った信号を平均化した結果、０．２Ａ程度の極微弱な電流が検知できない場合は当該配線が開放状態であるものと判定し警報信号を警報出力部６８へ出力する。なお平均化の結果、０．２Ａ程度の極微弱な電流が検知できた場合は当該配線が接続状態（未開放状態）であるものと判定し警報信号を出力しない。

警報出力部６８は例えばスピーカやブザー、あるいは表示装置などであり、判定部６７から受信された警報信号により、配線４ｂが開放状態であることを警報出力する報知部である。図１の例のように配線４ｂに断線箇所Ｐがある場合、配線４ｂが開放状態であることが警報音や警報表示などで報知される。

以下、図２乃至図６を参照してこの実施形態の欠相検知システムの動作を説明する。
通常、発電施設では、２次側回路３を無負荷にした状態で１次側回路２に励磁電流を流し、運転前の動作チェックを行う。

この場合、１次側回路２の各相の配線４ａ、４ｂ、４ｃに励磁電流を流すと、各電流検出器５により励磁電流が検知され、欠相検知装置６に入力される。

欠相検知装置６では、入力変換器６１は、入力された励磁電流（電流の信号）を、図２に示すような雑音成分（高周波成分）２１を含む電圧の信号へ変換しフィルタ部６２へ出力する。なお欠相のない信号には、雑音成分（高周波成分）２１に埋れた中に真の電流成分２２が含まれているので、この信号の有無を検出することで、欠相の有無を判定できる。

フィルタ部６２では、アナログフィルタ６３により、図３に示すように、入力変換器６１から入力されたアナログの電圧信号の高周波成分を減衰させた信号２３を生成し、さらに図４に示すように、デジタルの電圧信号の高周波成分を減衰させた信号２４を生成し、平均化部６６へ出力する。

平均化部６６はフィルタ部６２から出力された相毎の信号２４を、基準電圧Ｖｒｅｆの周期に合わせて複数サンプリングし所定期間（動作期間）毎に平均化する。基準電圧Ｖｒｅｆは１次側回路２のいずれかの配線（この例では配線４ｃ）に印加される交流電圧または通常の商用交流電圧（１００Ｖ、５０Ｈｚの正弦波の信号）などを用いるものとする。

この場合、図５に示すように、平均化する動作期間Ｓを例えば２秒間とすると、基準電圧Ｖｒｅｆの周波数が例えば５０Ｈｚの場合には基準電圧Ｖｒｅｆの周期Ｓ１〜Ｓ１００まで、対象信号を１００回サンプリングし、動作期間Ｓの平均値（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３＋…Ｓ９９＋Ｓ１００／１００）を算出する。

対象信号に、完全にランダムな雑音が含まれている場合には平均化により雑音成分が相殺されて誤差電流が１／１０程度に低減する。究極的には、図６に示すように、雑音成分がほぼ収束した励磁電流だけの信号２５（真の電流成分）が得られる。

判定部６７は平均化部６６により平均化された各相それぞれの信号について、真の電流成分が現れているか否かによって励磁電流の検知元の１次側回路２の配線４ａ、４ｂ、４ｃのいずれかが開放状態か否かを判定する。

つまり真の電流成分が現れている場合は該当する１次側回路２の配線、この例では配線４ａ、４ｃは未開放状態であり、真の電流成分が現れていない場合は該当する１次側回路２の配線４ｂは開放状態であると判定できる。

この判定の結果、開放状態の配線が存在する場合（この例では配線４ｂ）、判定部６７は１次側回路２に開放状態の配線が存在することを示す警報信号を警報出力部６８へ出力する。判定部６７からの警報信号を受信した警報出力部６８は警報出力を行う。

以上説明したようにこの実施形態によれば、フィルタ部６２および／または平均化部６６により各相の励磁電流の雑音成分（測定誤差）を低減することで、極微小な励磁電流の測定が可能となる。換言すると、ランダム雑音、白色雑音などの影響を低減し、例えば０．２Ａ程度の微小な励磁電流の検知が可能になる。

この結果、変圧器１の２次側回路３が無負荷状態のときに１次側回路２の各配線４ａ、４ｂ、４ｃの開放、つまり３相のうちの少なくとも一つの欠相を検知することが可能となる。

すなわち、本実施形態によれば、設備構成や負荷状況によらずに地落や短絡を伴わない１相開放故障を機械的に検知することができる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

上記実施形態では、欠相検知装置６は、入力変換器６１、フィルタ部６２、平均化部６６、判定部６７、警報出力部６８を備えたが、警報出力部６８を外部要素として、図７に示すように、欠相検知装置６は、例えば入力変換器６１、平均化部６６、判定部６７を備えるようにしてもよい。

この場合、平均化部６６は電流検知器５により検知される相毎の励磁電流を所定タイミングで複数サンプリングし所定期間毎に平均化し、判定部６７は平均化部６６により平均化された励磁電流に基づいて励磁電流の検知元の１次側回路２の配線４ａ、４ｂ、４ｃが開放状態か否かを判定する。

また、図８に示すように、入力変換器６１、フィルタ部６２、判定部６７を備えるようにしてもよい。この場合、フィルタ部６２は電流検知器５により検知される各相の励磁電流に含まれる高周波成分を減衰させ、判定部６７はフィルタ部６２により高周波成分が減衰された励磁電流に基づいて励磁電流の検知元の１次側回路２の配線４ａ、４ｂ、４ｃが開放状態か否かを判定する。

さらに、無負荷状態でも回路にはインピーダンス成分が若干存在するため１次側回路２の配線が開放／未開放の状態にかかわらず各相には電圧が生じる。この電圧に対して位相が９０°遅れた成分が電流なので、この電流と電圧の位相の関係に着目する。

この場合、各相に生じる電圧を検出する電圧検出部を設け、この電圧検出部により検出された各相の電圧と電流検知器５により検知される各相の励磁電流との位相関係に基づいて、励磁電流の検知元の１次側回路２の配線４ａ、４ｂ、４ｃが開放状態か否かを判定することができる。

この場合、判定部６７は、電圧検出部により検出された相毎の電圧に対する９０°遅れ成分の電流の有無を確認することで、励磁電流の検知元の１次側回路２の配線４ａ、４ｂ、４ｃが開放状態か否かを判定することができる。

すなわち、各相に生じる電圧の９０°遅れ成分の電流が検出された場合、その相の配線は開放状態ではなく、９０°遅れ成分の電流が検出されない場合（未検出の場合）、その相の配線は開放状態であることが判定できる。この場合、欠相検知装置６は、入力変換器３１、電圧検出部、判定部３７を備える構成となる。

さらに、上記実施形態では、電流検知器として一般的な鉄心ＣＴを用いた例について説明したが、通常の励磁電流の検知には使用しないような、例えば０．２Ａ程度の極微少な電流を検出する欠相検知専用の光ＣＴを各配線４ａ、４ｂ、４ｃに配置することで、雑音成分はサチレーションしてしまい検出できないものの、微弱な励磁電流のみを検出することができる。

電流検知部を光ＣＴとすることで、欠相検知装置６へのケーブルを細くすることができる。また、光ファイバーの巻数に応じて低電圧領域での検出が可能になるので、例えばガス絶縁開閉装置（ＧＩＳ機器）として使用する際に、軽重量にすることができる。

また上記実施形態に示した欠相検知装置６の各構成要素を、コンピュータのハードディスク装置などのストレージにインストールしたプログラムで実現してもよく、また上記プログラムを、コンピュータ読取可能な電子媒体：electronic mediaに記憶しておき、プログラムを電子媒体からコンピュータに読み取らせることで本発明の機能をコンピュータが実現するようにしてもよい。

電子媒体としては、例えばＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体やフラッシュメモリ、リムーバブルメディア：Removable media等が含まれる。さらに、ネットワークを介して接続した異なるコンピュータに構成要素を分散して記憶し、各構成要素を機能させたコンピュータ間で通信することで実現してもよい。

１…変圧器、２…１次側回路、３…２次側回路、４ａ，４ｂ，４ｃ…配線、５…電流検出器、６…欠相検知装置、６１…入力変換器、６２…フィルタ部、６３…アナログフィルタ、６４…ＡＤ変換器、６５…デジタルフィルタ、６６…平均化部、６７…判定部、６８…警報出力部、６９…電圧調整器。

Claims (8)

1. 相毎の配線に励磁電流が流される１次側回路を有する３相静止誘導電気機器と、
   前記３相静止誘導電気機器の前記１次側回路の各相の励磁電流を検知する電流検知器と、
   前記電流検知器により検知される相毎の励磁電流を所定タイミングで複数サンプリングし所定期間毎に平均化する平均化部と、
   前記平均化部により平均化された励磁電流に基づいて前記励磁電流の検知元の前記１次側回路の配線が開放状態か否かを判定する判定部と
   を具備する欠相検知システム。
2. 相毎の配線に励磁電流が流される１次側回路を有する３相静止誘導電気機器と、
   前記３相静止誘導電気機器の前記１次側回路の各相の配線に流れる励磁電流を検知する電流検知器と、
   前記電流検知器により検知される各相の励磁電流に含まれる高周波成分を減衰させるフィルタ部と、
   前記フィルタ部により高周波成分が減衰された励磁電流に基づいて前記励磁電流の検知元の前記１次側回路の配線が開放状態か否かを判定する判定部と
   を具備する欠相検知システム。
3. 相毎の配線に励磁電流が流される１次側回路を有する３相静止誘導電気機器と、
   前記３相静止誘導電気機器の前記１次側回路の各相の配線に流れる励磁電流を検知する電流検知器と、
   各相に生じる電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電圧検出部により検出された各相の電圧と前記電流検知器により検知される各相の励磁電流との位相関係に基づいて、前記励磁電流の検知元の前記１次側回路の配線が開放状態か否かを判定する判定部と
   を具備する欠相検知システム。
4. 前記判定部による判定の結果、前記１次側回路の配線が開放状態であった場合、その旨を報知する報知部をさらに具備する請求項１乃至３いずれか１項に記載の欠相検知システム。
5. ３相静止誘導電気機器の１次側回路の各相の配線に配置された電流検知器により検知される相毎の励磁電流を所定タイミングで複数サンプリングし所定期間毎に平均化する平均化部と、
   前記平均化部により平均化された励磁電流に基づいて前記励磁電流の検知元の前記１次側回路の配線が開放状態か否かを判定する判定部と
   を具備する欠相検知装置。
6. 前記判定部による判定の結果、前記１次側回路の配線が開放状態であった場合、その旨を報知する報知部をさらに具備する請求項５記載の欠相検知装置。
7. ３相静止誘導電気機器の１次側回路の各相の励磁電流を電流検知器が検知し、
   検知した相毎の励磁電流を平均化部が所定タイミングで複数サンプリングし所定期間毎に平均化し、
   平均化した励磁電流に基づいて判定部が前記励磁電流の検知元の前記１次側回路の配線が開放状態か否かを判定する欠相検知方法。
8. 前記判定の結果、前記１次側回路の配線が開放状態であった場合、その旨を報知する請求項７記載の欠相検知方法。

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