JPH02136025A - 高圧配電線用方向地絡継電器 - Google Patents

高圧配電線用方向地絡継電器

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JPH02136025A
JPH02136025A JP28716288A JP28716288A JPH02136025A JP H02136025 A JPH02136025 A JP H02136025A JP 28716288 A JP28716288 A JP 28716288A JP 28716288 A JP28716288 A JP 28716288A JP H02136025 A JPH02136025 A JP H02136025A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は非接地系の高圧配電線系統に適用する方向地絡
継電器に関する。
〈従来の技術〉 高圧配電線(3,3kV、6.6kV)の接地方式は一
般に非接地方式が採用されており、配電線に一線地絡事
故が発生すると、線路に流れる電流は配電線の対地静電
容量による充電電流によって大きな影響を受ける。この
ような配電線の一線地絡事故の保護には従来より、事故
時に発生する零相電圧礼と零相電流18を利用した方向
地絡!!!電器DGRが適用されている。
以下に高圧配電線で一線地絡事故が発生したときの従来
の方向地絡継電器の動作について図面を用いて説明する
。
第3図は高圧母線に放射状の配電線が配置された系統構
成を示し、系統中の配電線に一線地絡事故が発生した時
の状況の一例を説明するための概要図で、第4図は、第
3図の系統内に発生した一線地絡事故を解析するために
電気的等価回路で示したもの、第5図は接地形計器用変
圧器GPT(以下GPTと言う)の出力Q。と、第3図
で省略しである零相変流器ZCT(以下ZCTと言う)
の出力1゜とを人力として地絡事故を判定する方向地絡
継電器DGR(以下DGRと言う)とその出力によって
フィーダーを開閉する遮断器CB(以下CBと言う)の
部分を拡大して示したものである。図中、A、B、Cは
主変圧器TR(以下TRと言う)の二次側に接続する3
相高圧母線のA相、B相、C相で、高圧母線A、B、C
にはGPT、3系統の配電線フィーダーIF、2F、3
Fが連系されている。
高圧母線A、B、C並びに各フィーダーIF、2F、3
Fの電圧※、電流1等はフィーダーを表わす番号1〜3
、相を示す小文字のa、b、cを付して表わしており、
フィーダーIFのa相には地絡事故点Gが設定されてい
る。
ZCTは各フィーダーの夫々の母線側始端に設置され、
その2次側から零相電流12が取り出される。限流抵抗
器r、はGPTの3次巻線をプロークンデルタに結線し
て、終端抵抗として挿入されたもので、この両端から零
相電圧v9が取り出され、前記零相電流1、とともにD
GRに人力される。Rgは事故点Gにおける地絡抵抗、
C1,C2,C3は各フィーダーの1相当たりの対地静
電容量を示している。
二のように単一の電源から受電した高圧母線A。
e、c、に配電線のフィーダーIF、2F、3Fが全て
放射状に配設された配電系統においては、地域社会や需
要家の発展の状況に応じてフィーダー数が増設されるが
、それに伴い配電線網は面状に拡大することになる。こ
のために配電線系統内に発生する事故の要因も増加する
ので線路保安の強化のために効果的な保MJ!!電装置
の設置が進められている。
3.3kV、6.6kVの普通高圧配電線の保護継電方
式としては短絡保護と地絡保護が主体であるが、第3図
に示したようだ放射状配電系統の場合には、短絡事故に
伴う事故電流は全て電源30側から事故点37に向かっ
て流れ、その大きさは受電端電圧と受電端から事故点G
まての線路インピーダンスによって定められるので一般
に過電流リレーが設置されており短絡事故に際しては、
これにより適切な保護が行なわれている。
一方、地絡事故の場合には、高圧配電線系統では一般に
非接地方式が採用されているために、配電線に一線地絡
事故が発生しても、大きい地絡電流が流れることは#≠
ないので、地絡電流の大きさには配電線網の対地静電容
量による充電電流が大きく影響を及ぼすことになる。こ
のため、配電線の一線地絡事故時には過電流要素等は使
用せず、発生する零相電圧と零相電流との積tこよって
動作する電力形のDGRが一般に適用されている。第5
図は第3図で省略しであるDGR,CBの部分を中心に
拡大して示したもので、GPTの一次側はY結線として
中性点を直接接地し、三次側をプロークンデルタ結線と
して、その開放端に制限抵抗r、が挿入され、その両端
には零相電圧VIIrの電圧が現れ、DGRの電圧要素
として入力される。又、ZCTの二次側から零相電流j
arがDGRの電流要素として入力される。
ここで、礼1.1llrの添字、はDGRのリレー入力
端を意味する。
次にフィーダーIFのa相に地絡抵抗Rg [Ωコの地
絡事故が発生したときのDGRの動作について説明する
。
先ず事故時の電流分布について見ると、第3図に点線で
示すように、各フィーダーの対地充電電流及び事故点電
流18は合成されてGPTの中性点電流j、、となり、
高圧母線A、B、Cの各相に分流するが、GPTの三次
回路がプロークンデルタとなっているので一次側でも均
等に3等分されて分流する。従ってキルヒホッフの第1
法則から次式の関係を導くことが出来る。
°a+ぐI/3)l  =11a+12a+13a  
      −−’b+(1/3)・!、、1=11b
+12b+13b     :・・・・・(1)’c+
(1/3)l =11c+12c+!3cこれらの式を
各辺について加算すると次式を得る。
(1a+!b+!c)+l、=(11a+!1b+1l
c)+(!2a+’i2b+12c)+(i3a+i3
b+13c) =” (2)ここて、括弧内は零相電流
を示しているので3j8=ia+ib+ic   (T
Rから供給される零相電流)3!18=11a+llb
+11c (フィーダーIFの零相電流)3!2.−!
2a+j2b+!2c (フィーダー2Fの零相電流)
3i3゜=!3a+!3b+13c (フィーダー3F
の零相電流)と置換すれば、 3i9+l、=3i18+3128+3i3゜となるが
、配電線は非接地方式としているので、TRからの零相
電流の供給は零であるから、結局°。=311.+31
28+3138     ・・・・・・辱・φ・φ・・
(3)が得られる。
次いで、第4図の零相等価回路を用いて電圧分布の関係
を調べると、各相の対地電圧をVa、’9b、※C1G
PTの一次と三次の巻線比m、制限抵抗rnとすれば、
(Va+Vb+Vc)/m=−rn・(m/3)I、 
  **e*番s壷や拳**ea*(4)が成立する。
一方、零相電圧の定義から3V2 =Va+Vb+Vc
の関係があるので、V2=−r、(m−m/9)In 
     ”””・・(5)が得られる。Rnを制限抵
抗の一次側換算値とすると、 Rn=rn(m・m/9)             
   ”” ””(6)となる。又、地絡事故点の電流
を1gとすると、3=Va/Rg          
          ・・φ・φ・・・・・・・・・ぐ
7)となる。従って、 3!13=!la+11b+!1c=jcL+ C1・
Va+1g+JωC1・vb+JωC1φ■c =j (J C1(t/a+vb+Qc)+igとなる
が、3V[l =Aa+Vb+Qcを代入すると、31
18=Jω3C1−’98+!g     ・・φ・・
・・・・・…(8)の関係が求められる。
この式は故障回線である配電線IFのZCTの一次側に
流れる零相電流が配電線IFの対地静電容量を充電する
対地充電電流と地絡電流j8がら成っていることを示し
ている。尚、他の健全回線の零相電流は、 31211=I2a+I2b+12c=jω3C2・V
I]・・・・・・・・・(9)313II=I3a+I
3b+13c=jω3C3・Q、  =(10)が成立
する。但し、ω=2πffは系統周波数又、相電圧をE
 [V]とすると、1線地絡事故時は逆相電圧が無いこ
とから、 Va=9゜+き vb=v、+α2E:  α2=(−1/2)−j(v
’丁/2)vc=VII+a E   :  a  =
(−1/2)+j(v’T72)・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・(11)の関係が
ある。
以上、諸式の関係から、 Va=−E/[1+Rg((1/R,)+j ω(3C
1+3C2+3C3))コ−(12)g=−Jω(3C
1+3C2+3C3)礼+i、   −−−−−−−−
−(13)となってR8に対応する礼の値を求めること
が出来る。
第6図は零相電圧礼と各フィーダーの零相電流le +
 126 、1311の関係を示すベクトル図で、健全
回線の零相電流12o、i38と故障回線の零相電流1
12とでは零相電圧※8に対する位相関係に大きな差異
が生じ、方向が変化することが判る。この零相電流j1
8の方向変化を利用するのが、非接地系配電線の地絡保
護に広く用いられているDGRで、その適用例を第6図
に示す。図は、前記第3図の故障回線IFの始端部分に
ついて拡大したもので、図示しない他のフィーダーにつ
いても同様の接続が行なわれろことは勿論である。
零相電流118を検出するためにフィーダーIFの母線
側端部にZCTとCBを設け、高圧母線に設けたGPT
の三次回路電圧であるV2rとZCTの二次電流である
lGrによってDGRを動作させるものである。
保護継電器としてのDGRの動作、不動作は第7図に示
すような複素平面上の位相特性図で判定することが出来
る。同図ては、零相電圧v8を基準ベクトルとし、零相
電流1゜どの位相角θを最大感度角として保護範囲を設
定している様子を知ることが出来る。第7図に示される
DGRの動作域は、基準ベクトルである零相電圧に対し
進み側の方向にあり、これは第6図に示したベクトル図
からすると反対の方向である。これは、保護継電器とし
てのDGRが慣習的に第7図の位相特性で製作され、方
向を誤らず正しく動作させるために、継電器への零相電
流、もしくは零相電圧の何れか一方の印加極性を反転し
ている。
〈発明が解決しようとする課題〉 従来、非接地系の配電線路では地絡保護用として方向地
絡継電器が設置されるが、この場合の零相電圧の感度は
故障点の地絡抵抗値が例えば6000[Ωコ以下の地絡
故障を検出するように設定され、その動作、不動作の様
相は第7図に示す位相特性図によって知ることが出来る
。しかし、第(12)式の分母に示されるように、配電
線の各フィーダーの対地容量の総和、CI+C2+C3
の値によって大きく変化する。このため、例えばフィー
ダーの増設が行なわれ、改めて地絡抵抗を6000[Ω
コに設定したとすると、検出すべき零相電圧礼の値を変
更する必要が発生する。所が、対地容量の推定や測定は
極めて難しく、且つ、精度の確保も困難であるため、試
験用変圧器、水抵抗器等を用いて実際に地絡を発生させ
て96感度を確認する、所謂人工地絡試験が不可欠とさ
れていた。しかし、配電系統が大型化、多様化してきた
昨今、例えば太陽電池アレイによる家庭発電や燃料電池
等との連系やコージェネレーション等のシステムとの連
系の普及を考慮すると、実際に地絡電流を流して地絡事
故を模擬する人工地絡試験の実施は、上記システムとの
連系点に設置されている連系保護継電装置を誤って動作
させてしまうことになる。このため、人工地絡試験を実
施せずにDGRの動作感度を確認し、設定する方法や方
式の開発が切望されていた。
〈課題を解決するための手段〉 本発明は方向地絡継電器をデジタル化することによって
演算機能を高め、DGRに与えられる零相電圧※6と零
相電流iI]から故障回線の地絡抵抗Rgを演算する過
程において、この地絡抵抗Rgを含む計算式の両辺に零
相電圧九の共役複素数9θ゛を乗じて内積を作ると、実
数部(Re)と純虚数部(I m)に分離し、実数であ
る地絡抵抗Rgは分離された実数部のみを対象とした演
算で値を定めることが出来ることを利用したもので、具
体的には、 (1)高圧配電線に適用されるデジタル形の方向地絡継
電器において、地絡相の相電圧ベクトルと、零相電圧の
共役複素数との内積の、フィーダーの零相電流と、零相
電圧の共役複素数との内積、に対する比が地絡抵抗の設
定値以下となることを以て、所定感度の地絡事故を検出
する保護犠電機能を有することを特徴とする高圧配電線
用方向地絡継電器。
(2)零相電圧と零相電流が、夫々の残留分を変化分(
差分)により補正した変化分く差分)零相電圧と変化分
く差分)零相電流である上記項(1)記載の高圧配電線
用方向地絡継電器を構成するものである。
〈作 用〉 非接地系配電線の一線地絡の場合、地絡抵抗Rgは実数
であるから、複素数の零相電流と、複素数の零相電圧と
の四則演算の形で表わされた地絡抵抗Rgを求める複素
計算式の中で複素数の代わりにその複素数の共役複素数
を用いて積演算の形式を作ると、実数部分のみを分離抽
出した演算によって地絡抵抗Rgを計算することが可能
となる。
この演算過程を第1図の流れ図に基づいて説明すると、
第1段階にて、地絡事故の発生が零相電圧9゜の測定に
よって検出され、整定値に1と比較された後、第2段階
で零相電流18の位相判定から事故フィーダーか否かが
弁別される。第3段階で地絡相が弁別され、第4、第5
段階において、デジタル演算方式の特徴を活用して、零
相電圧の共役複素数による積演算を行い、計算式の中か
ら実数部分のみを抽出して実数同志の除算によって地絡
抵抗を計算する式に置換する。具体的に式の変形を例示
すると、 平衡3相配電系統において、−線地絡事故が配電線フィ
ーダーIFの崎で発生した場合、その地絡抵抗Kglk
(2J、地硲尾跪1g LAJ、零相電流3+18、零
相電圧■8、の間係は、前記第(7)式、第(8)式及
び第(11)式から与えられる。即ち、°g=Qa/R
g=(Vs+E)/Rg   ・・・・・・・””(7
)311i]=Jω3CI・V8+1g    ・・・
・・・・・・・・・・・(8)両式より ’g”3!l5−Jω3CI−V9 ・・・・・・・・・・・・・・(14)となり、 Qa=Rg・3116−Jω3C1・Rg・V2・・・
・・・・・・・・・(15) が得られる。
今、礼の共役複素数を※3°て表わすものとし、第(1
5)式の両辺に乗算を行なうと、 Va・V、、”=Rg・3113φVI]”−Jω3C
1RgφVII6V2゜=R,g・5118・Vs”−
Jω3C1−Rg・1612・・・・・・・・・・・・
・・(16)となり、Rg、l V、 + 2は何れも
実数であるから右辺第2項は純虚数となる。従って、第
(16)式の両辺の実数部について次式が成立する。但
し、Re[]は実数部分であることを示している。
Re[■a4vI]°コ=Re[Rg11311.1 
・Vg ” ]=Rg4e[3112・Va”l  ”
””(17)従って、 Rg=Re[:Va・V6°]/Re[31111−V
[l ”コ  −−−−−−−−−−(18)但し、R
e[3111]−V6”コ≠0として事故点Gの地絡抵
抗Rgを求めることが出来る。
即ち、DGRの地絡抵抗検出感度がRg≦6000 [
Ωコに設定されていれば、K2=6000となるので、
−線地絡事故発生時にDGRは、 Re[Va・V6°コ/Re[311g・V2°]≦ 
K2 −−−−−−−−−(19)の条件判断を行なう
ことによって動作もしくは不動作となる。
次ここ、不平衡3相配電系統である場合には、健全時に
おいても不平衡に基づく零相電流、零相電圧の残留分が
存在し、実際に事故発生時には判定の誤差となって現わ
れる。この誤差を補正するため、常時残留分を監視して
おき、事故発生時に検出した零相電流、零相電圧を残留
分によってベクトル的に補正して、第(18)式もしく
は第(19)式の零相電流を変化分く差分)零相電流に
、また、零相電圧を変化分(差分)零相電圧に置換する
ことによって、平衡回線の場合と全く同様に正しい演算
結果を得ることが出来る。即ち、上記変化分(差分)を
記号Δを付して表わすことにすれば、平衡回路の場合と
全く同様に取り扱うことが出来るので、Re[:Va・
Δ※6°]=RgφRe[3Δ11.・Δv8°]−−
−(20)が第(17)式同様に導かれる。、但し、Δ
v8は地絡事故時の零相電圧礼より事故前の常時零相電
圧礼を減じて補正したものとする。また、Δ116は地
絡事故時の零相電流118より事故前の常時零相電流残
留分市。を減じて補正したものとする。又、Gaを事故
時の地絡相の電圧とすると、 Rg=Re[Va−ΔVs”l/Re[3Δit、−Δ
礼”]−−−(21)但し、Δ111!・Δ■8°≠0 も又、同様に成立することがわかる。
〈実施例〉 (1)第1図に示す実施例(1)は非接地系配電線に適
用されたデジタル形の方向地絡継電器の一線地絡時の地
絡抵抗を本発明に基づいて計算する手順を、平衡3相系
統に適用する場合の計算手順によって説明するものであ
る。尚、系統の構成は上述の第3図並びに第5図に示し
た配電系統と同一であるとして説明している。
第1段階としてDGRの電圧要素に人力する零相電圧礼
の値が成る設定値に1以上であるか否かによって地絡故
障の発生が検知される。この場合の故障検知は別置の地
絡過電圧継電器によって行なわれても良いが、ここでは
第3図と同様の回路構成のなかでフィーダーIFに設置
されているDGRの電圧要素によって遁相に地絡故障が
検出されたものとしている。GPT34の巻線構成が1
次6600 [Vコ、2次110[Vコ、3次110/
3 [Vコ、1吹射3次の巻線比はm=60・4.  
となり、制限抵抗rn 35として50[Ω]が使用さ
れている。これを1次側に換算した値はRn=60 [
kΩ]となるので、DGRの零相電圧入力は、f丁・v
8/60[v]トナル。
次の第2段階として故障相の判別が実行されるが、この
時の各フィーダーに設けられたZCT33の1次電流の
向きは健全回線と故障回線では異なり、この様相は、第
6図に示すベクトル図から明白であるように、零相電圧
を基準としてほぼ、180°に近い方向変化が現われて
いる。この方向変化を利用して地絡故障が自回線に発生
したことを検出するのが方向地絡継電器の特色とされて
いる。
第3段階では各相の対地電圧から故障相が決定され、こ
こではA相の一線地絡事故の発生が確認され、各種の保
護継電動作のための演算処理が開始される。
次の第4段階では、故障相の相電圧即ち対地電圧を表わ
す第(14)式の両辺に零相電圧の共役複素数である※
。°を乗じて内積を作り、実数部と虚数部に分離され、
実数部のみが抽出される。第5段階で、抽出された実数
部について除算を行なって、その結果と、地絡抵抗Rg
の設定値に2との比較を行い、地絡抵抗Rgの値が設定
値に2の値以下であった時に地絡検出有り、大であった
時に地絡検出無しの判定を行なっている。
これらの演算を実行するために、具体的な配電線の対地
容量を、架空地線方式として算出し、以下に複素数表示
する。
1相当りの静電容量を0.005 CμF/ kmコと
し、恒長をIF:10 [km]、2F:20 [km
コ、3F:30 [kmコと仮定すると、C1=0.0
5 [:μF]、C2=O,l [μFコ、C3=O,
15[μF]となるので、ZCTの定格を1次200 
[mA]、2次1゜5 [mA]、として、DGRの零
相電流入力は3118・1.5ノ200  [mA]と
なる。
また、第(12)式より、 V、=−(6600/5QR(3))/(1+Rg(,
017+、339j))[Vコ但し、6.6kV系統に
て、Rgの単位は[kΩコとする。
となり、以下、同様に、 3争12g=0.113j・Vg          
   [:mAコ3・13o:o、Hoj−v6[:m
A ]が得られる。
(2)第2図に示す実施例(2)は、本発明を非接地系
不平衡3相配電線に適用したデジタル形の方向地絡継電
器の、−線地絡時の地絡抵抗を計算する手順を説明する
ものであるが、その作用については既に詳述したように
、残留成分を常時測定しておき、事故時に計測された零
相電圧並びに零相電流から前記残留成分を減算する補正
を行なってから演算処理に移行するもので、その値は第
1図において零相電流111]を変化分く差分)零相電
流−11゜に、また、零相電圧v、]を変化分く差分)
零相電圧Δ※8に置換したものであり、その地絡抵抗R
gの判定作用は第1図に示した過程と同等である。
第8図は上述したデジタル形の方向地絡継電器の位相特
性を示したもので、動作域と不動作域との境界は直線状
となり、平衡回線、不平衡回線を問わず安定した動作を
期待することが出来る。
〈発明の効果〉 デジタル形の方向地絡継電器において、本発明を適用す
ると、地絡抵抗の演算過程中で、直接静電容量等の純虚
数成分を計算する部分を分離することが可能となり、実
数部分のみを取り出して演算を行なうので、見かけ上記
電線の対地静電容量とは無関係となる。従って高圧配電
線系統において、例えばフィーダー数の増減が行なわれ
ても、その都度、配電線の対地静電容量の影響を大きく
受ける上記継電器の感度を確認するための人工地絡試験
を実施する必要性が皆無となる。従ってフィーダー増減
工事に付随する人工地絡試験の省略によって工事費用の
節減、並びに工事期間の短縮等、を計ることが出来、そ
の効果は極めて顕著である。
【図面の簡単な説明】
第1図は非接地系平衡3相配電線系統に本発明を適用し
た時の手順を示す流れ図、第2図は非接地系不平衡3相
配電線系統に適用した時の手順を示す流れ図、第3図は
放射状に構成された配電線の系統を示す概要図、第4図
は、第3図の系統において一線地絡発生時の状況を解析
するための電気的等価回路図、第5図は第3図で省略さ
れている配電フィーダーの遮断器、方向地絡継電器の部
分を拡大した回路構成図、第6図は一線地絡時のベクト
ル図、第7図は従来技術による方向地絡継電器の動作判
定ベクトル図、第8図は本発明を適用したデジタル形方
向地絡継電器の動作判定ベクトル図である。 30・・電源     31・・主変圧器32・・高圧
母線   33・・零相変流器ZCT34 ・ 35 ・ 37 ・ 41 ・ 42 会 接地形計器用変圧器GPT 限流抵抗器R136・・地絡抵抗Rg 事故点 方向地絡継電器DGR 遮断器CB

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)高圧配電線に適用されるデジタル形の方向地絡継
    電器において、地絡相の相電圧ベクトルと、零相電圧の
    共役複素数との内積の、フィーダーの零相電流と、零相
    電圧の共役複素数との内積、に対する比が地絡抵抗の設
    定値以下となることを以て、所定感度の地絡事故を検出
    する保護継電機能を有することを特徴とする高圧配電線
    用方向地絡継電器。
  2. (2)零相電圧と零相電流が、夫々の残留分を変化分に
    より補正した変化分(差分)零相電圧と変化分(差分)
    零相電流である請求項1記載の高圧配電線用方向地絡継
    電器
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