JPH041869B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、３相配電線の１線断線を検出する
配電線の断線検出装置に関し、誤動作を防止して
確実に１線断線を検出できるようにすることを目
的とする。

一般に、３相配電線の１線断線を検出する場
合、たとえば第１図に示すように、特願昭56−
82774号明細書に記載の３相回路用１線断線検出
装置により配電線の１線断線を検出している。

同図において、１は配電母船、２は配電線路、
３は変流器、４は補助変流器、５は基本波フイル
タ、６は正相分I₁を検出するフイルタ、７は逆相
電流I₂を検出するフイルタ、８は正相変化分△I₁
を検出する検出回路、９は逆相変化分△I₂を検出
する検出回路、１０は各変化分△I₁，△I₂が予め
定めたレベル以上にあるか否かを判定する判定回
路、１１はそのレベルを整定する整定部、１２は
△I₂／△I₁を演算する演算回路、１３は演算回路
１２の演算出力と予め整定されてある動作域と比
較する比較回路、１４はその動作域を整定する整
定部、１５は出力リレー、１６はその接点であ
る。

配電線路２に流れる相電流Ia，Ib，Icはそれぞ
れ変流器３によつて検出され、これが補助変流器
４によつて電圧に変換される。そして基本波フイ
ルタ５によつて基本波のみがとり出されて、各フ
イルタ６，７に与えられる。ここで正相分I₁、逆
相分I₂が検出され、検出回路８，９に与えられ
る。検出回路８，９、では、正常時の正相電流及
び逆相電流と、フイルタ６，７から与えられた正
相分I₁、逆相分I₂との差を検出し、その差すなわ
ち変化分△I₁，△I₂を出力して判定回路１０に与
える。ここでは整定部１１によつて整定されたレ
ベルでもつて各変化分のレベルが判定され、整定
レベル以上の変化分を出力する。これによつて負
荷変動等に基く変化分は除外される。演算回路１
２は判定回路１０から送られてきた変化分につい
て△I₂／△I₁の演算を行ない、その結果を比較回
路１３に与える。ここで整定部１よで整定されて
ある動作域内に前記演算結果が含まれるか否かを
比較し、含まれているとき出力を出して出力リレ
ー１５を動作させる。これにより接点１６が閉成
され、１線断線が発生したことを報知し又は警報
を発する。

ところで前気した３相回路用１線断線検出装置
の動作原理について説明すると、ａ相を基準相と
すると、ａ相断線時お△I₂／△I₁は１となり、
ｂ，ｃ相断線時には、ベクトルオペレータをα
（α＝−１／２＋ｊ√３／２）とすれば、第２図中細線 に示すようにα，α²となる。単相負荷開閉時およ
び２相負荷開閉時の△I₂／△I₁はそれぞれ同図中
の１点鎖線および太線に示すようになる。さらに
３相負荷開閉時における△I₂／△I₁は０となるた
め、△I₂／△I₁を常時検出しておけば１線断線が
生じたか、負荷開閉があつたかを判別することが
できる。

しかし、たとえば△I₂／△I₁が１であるとき、
前記によればａ相断線が生じたことになり、対称
座標法に従い、変化分△I₁，△I₂はそれぞれ、 △I₁＝１／３（△Ia＋α△Ib＋α²△Ic） △I₂＝１／３（△Ia＋α²△Ib＋α△Ic） で表わされることから、△Ib＝△Icである場合に
は△I₁＝△I₂となつて△I₂／△I₁＝１となるが、
１線断線以外の負荷変動により△Ib＝△Icとなる
ことがあり、実際に１線断線が発生していなくて
も、１線断線と同様の判定をしてしまい、誤動作
する欠点がある。

この発明は、前記の点を解決すべくなされたも
のであり、△I₂／△I₁原理にもとずく検出と他
に、断線と負荷変動を区別しうる系統現象に着目
し、この系統現象の検出とを組合せることにより
負荷変動による誤動作を防止し、１線断線の検出
を確実なものにしようとするものである。

上記の系統現象を簡潔に述べると、配電線で断
線が生ずると、配電線の対地容量が変化するが、
配電線の負荷の変動では対地容量は変化しないと
いうことである。対地容量の変化は後述するよう
に配電線母線の零相電圧の変化として検出するこ
とが出来る。

この発明は、正相電流の変化分と逆相電流の変
化分との比を演算する演算回路と、１線断線によ
る配電線の対地容量の変化を零相電圧の変化とし
て検出する零相電圧変化分検出回路と、前記両電
流変化分の比および零相電圧の変化分がもとに予
めそれぞれ整定された動作域内にあるときには出
力を出して１線断線を報知する検出回路とを備え
たことを特徴とする配電線断線検出装置を提供す
るものである。

つぎに、配電線が１線断線を生じた時母線の零
相電圧が変化することを証明してみる。

第３図において、第１図と同一信号のものは同
一のものを示す。１８は配電母線１に接続された
接地変圧器を示し、１９は接地変圧器１８とイン
ビーダンスである。

２７は配電母線１が接続された３相交流電圧
器、２８は第１回線の配電線路２の対地容量、 ２９は第２回線の配電線路２の対地容量、 ３０は第Ｎ回線の配電線路２の対地容量、 ３１〜３２は第１、第２、第Ｎ回線の負荷であ
る。

いま、第３図において、母線１における各相の
対地容量をV〓a，V〓b，V〓cとし、各回線の対地容
量２８〜３０の大きさをC₁（−C₁a＋C₁b＋C₁c），
C₂（＝C₂a＋C₂b＋C₂c），Cn（＝Cna＋Cnb＋Cnc）
とし、各回線の対地容量２８〜３０の不平衡分の
大きさをC′₁（＝C₁a＋α²C₁b＋αc₁c），C₂′（＝C₂a
＋α²C₂bα²C₂c），C′n（＝Cna＋α²Cnb＋αCnc）と
すると、健全時の零相電圧V〓oは V〓o＝Va＋Vb＋Vc／３＝−Y₂／Yo＋１／Zn・V₁ …… で表わされ、これは健全時の残留零相電圧であ
り、対地容量２８〜３０の不平衡分C₁′，C₂′，
C₃′によつて発生する零相電圧である。ここで、
Y〓oは系統全体の対地容量のアドミタンスであり、 Y〓o＝Y〓₁₀＋Y〓₂₀＋……＋Y〓no …… で表わされる。式においてY〓₁₀＝jωC₁，Y〓₂₀＝
ωC₂，…，Y〓n₀＝jωCnはそれぞれ各回線の対地容
量のアドミタンスである。Y〓₂は系統の対地容量
の全不平衡分のアドミタンスであり、 Y〓₂＝Y〓₁₂＋Y〓₂₂＋……＋Y〓n₂ …… で表わされる。式においてY〓₁₂＝jωC′₁，
Y〓₂₂jωC′₂Y〓n₂＝jωC′nはそれぞれ各回線の対地容
量の不平衡分のアドミタンスである。Z〓nはイン
ピーダンス１９の１次換算値、すなわち接地変圧
器１８の１次側の現象を解析するためにこの２次
側のインピーダンス１９を１次側からみた時の値
であり、インピーダンス１９の大きさをZ〓とし、
接地変圧器分１８の各相の１次コイル、２次コイ
ルの巻数比をｎ：１とすれば、接地変圧器１８全
体で１次コイル、２次コイルの巻数比はｎ：３と
なり、 Z〓n＝n²／９・Z〓 で表わされる。V〓₁は正相電圧であり、対地容量
の変化等で変化することはない。6.6KV配電線で
はその大きさは6600／√３ である。

そして、たとえば、前記第１回線で１線断線が
発生したとすると、このときの前記１回線の対地
容量および対地容量の不平衡分のアドミタンスを
それぞれY〓₁₀′，Y〓₁₂′とすれば、系統全体の対地容
量および対地容量の不平衡分のアドミタンス
Y〓₀′およびY〓₂′はそれぞれ以下の，式で表わさ
れる。

Y〓₀′＝Y〓₁₀′Y〓₂₀＋…＋Y〓n₀ ＝Y〓₁₀＋Y〓₂₀＋…＋Y〓n₀＋(Y〓₁₀′-Y〓₁₀) ＝Y〓₀＋△Y〓₀ …… Y〓₂′＝Y〓₁₂′＋Y〓₂₂＋…＋Y〓n₂ ＝Y〓₁₂＋Y〓₂₂＋…Y〓n₂＋（Y〓n₁₂′＋Y〓₁₂） ＝Y〓₂＋△Y〓₂ …… 式に従つてこのときの零相電圧V〓₀′を求める
と V〓₀′＝−Y₂＋△Y₂／Y₀＋△Y₀＋１／Zn・V₁ …… となる。

さらに、式および式より、１線断線による
零相電圧の変化分△V〓を求めると、 △V〓₀＝V〓₀′−V〓₀＝（−Y〓₂＋△Y〓₂／Y₀＋△Y₀
＋１／Zn−Y〓₂／Y₀＋１／Zn）・V〓₁＝△Y〓₂／Y₀＋△
Y₀＋１／Zn ・V〓₁＋△Y〓₀／Y₀＋△Y₀＋１／Zn・Y〓₂／Y₀＋１
／Zn・V〓₁＝−△Y〓₂／Y₀＋△Y₀＋１／Zn ・V〓₁−△Y〓₀／Y₀＋△Y₀＋１／ZN・V₀ …… で表わされ、一般に式の右辺第２項における残
留零相電圧V〓₀の大きさが電圧V〓₁に比べて十分小
さいため、残留零相電圧V〓₀を無視して前記変化
分△V〓₀は △V〓₀−△Y〓₂／Y₀＋△Y₀＋１／Zn・V〓₁ …… で表わされる。以上によつて、１線断線による
対地容量の変化によつて母線零相電圧が変化する
ことがわかつた。

つぎに、１線断線時の零相電圧の変化分△V〓₀
の具体的数値を求めるために、第３図に示す系統
の第１回線に１線断線が発生した場合を考え、前
記第１回線の対地容量２８を第４図に示すように
図中×印のａ相断線地点を境に分割容量とし、各
容量の大きさを図示のようにそれぞれC_1a1，
C_1b1，C_1c1，C_1a2，C_1b2，C_1c2とする。断線による
前記回線における対地容量のアドミタンスの変化
分△Y〓₀は、式を援用して △Y〓₀＝Y〓₁₀′−Y〓₁₀＝jw（C_1a1＋C_1b1 ＋C_1c1＋C_1b2＋C_1c2 −jw（C_1a1＋C_1b1＋C_1c1 ＋C_1a2＋C_1b2＋C_1c2）＝−jwC_1a2 …… で表わされる。同様に断線による前記第１回線に
おける対地容量の不平衡分のアドミタンスの変化
分△Y〓₂は、式を援用して △Y〓₂′＝Y〓₁₂′−Y〓₁₂＝jω（C_1a1＋α²C_1b1 ＋αC_1c1＋α²C_1b2＋αC_1c2） −jw（C_1a1＋α²C_1b1＋αC_1c1 ＋C_1a2＋α²C_1b2＋αC_1c2）＝−jwC_1a2 …… で表わされる。式、式より△Y〓₀＝△Y〓₂とな
る。

ここで、各配電線２の対地容量を１相当り
0.01μF／Kmとし、３相分の全亘長が500Kmで末端
より１Kmの地点においてａ相に断線が生じた場合
について考えてみる。電源周波数を60Hzとして全
対地容量のアドミタンスY〓₀は Y〓₀＝jω（500×0.01）＝j1885〔μ〕 …… となり、全対地容量のアドミタンスの変化分△
Y〓₀，△Y〓₂は式より、 △Y〓₀＝△Y〓₂＝−jω（１×0.01）＝−j3.77〔μ〕
…… となる。さらにインピーダンス１９が限流抵抗の
みからなる場合には、例えば、限流抵抗をＲ＝
100Ωとし、接地変圧器１８の巻線比をｎ＝
6600／√３／110／３とすればインピーダンス１９の１
次 換算値Rn（＝Z〓n）は、 Rn＝１／９・（6600／√３／110／３）²×100＝120〔K
Ω〕、 すなわち１／Rn＝8.33〔μ〕 …… となる。式より電相電圧の変化分△V〓₀は △V〓₀＝−−j3.77／j1885−j3.77＋8.33・V〓₁3.77
／1885・V〓₁ となり、断線により零相電圧は電圧V〓₁の約0.2％、
すなわち約7.6V変化することになる。

以上説明したように、１線断線による対地容量
の変化を零相電圧の変化として検出できることが
理解されたであろう。

ここで、健全時の零相電圧V〓₀が前記式のよ
うに表わされることについて説明する。

３相交流電圧器２７の２次側の各相電流をI〓_a，
I〓_b，I〓_c、接地変圧器１８の各相の１次コイルに流
れる電流をそれぞれ1/3I〓_o、第１、第２，……第
Ｎ回線の配電線路２に流れる各相電流をそれぞれ
I〓_1a，I〓_1b，I〓_1c，I〓_2a，I〓_2b，I〓_2c，…，I〓_o
a，I〓_ob，I〓_ocと
すると、第３図の配電系統において、 I〓_a I〓_b I〓_c＋１／３ I〓_o １／３ I〓_o １／３ I〓_o＝I〓_1a I〓_1b I〓_1c＋I〓_2a I〓_2b I〓_2c＋…＋I〓_oa I〓_ob I〓_oc ……〓〓 成立し、 I〓_a＋I〓_b＋I〓_c＋I〓_o＝（I〓_1a＋I〓_1b＋I〓_1c
）＋（I〓_2a＋I〓_2b＋I〓_2c）＋…＋（I〓_oa＋I〓_ob＋I
〓_oc）……〓〓 となる。

このとき、３相交流変圧器２７の２次側の零相
電流をI〓₀、第１、第２，…第Ｎ回線の配電線路２
における零相電流をそれぞれI〓₁₀，I〓₂₀，…，I〓_o0
と
すると、〓〓式はつぎのようになる。

3I〓₀＋I〓_o＝3I〓₁₀＋3I〓₂₀＋…3I〓_o0 ……〓〓 一方、接地変圧器１８においては、１次側の各
相の対地電圧V〓_a，V〓_b，V〓_cを用いて次式が成立
し、 −ｎ／３I〓_o・Z〓＝１／ｎ（V〓_a＋V〓_b＋V〓_c）＝３
／ｎV〓₀……〓〓 ここで、Z〓_o＝（n²／９）・Z〓であるから、 I〓_o＝−１／Z_oV〓₀ ……〓〓 となる。

また、各回線の配電線路２において、ｉ＝１，
２，……，_oとすると、 3I〓_i0＝I〓_ia＋I〓_ib＋I〓_ic＝（jωC_ia，jaC_ib，jaC_i
c）×V〓_a V〓_b V〓_c ＝（jω（C_ia，C_ib，C_ic），jω（C_ia，α²C_ib，αC_i
c），jω（C_ia，α²C_ib，α₂C_ic））V〓₀ V〓₁ V〓₂ ＝（jωC_i，jωC_i′，jωC_i″）×V〓₀ V〓₁ V〓₂＝Y〓_i0V〓₀＋Y〓_i2V〓₁＋Y〓_i1V〓₂ ……〓〓 となる。ただし、Y〓_i0＝jωC_i，Y〓_i2＝jωC_i′，Y〓_i
1＝
jωC_i″とし、また、V〓₁'は正相電圧、V〓₂は逆相電
圧である。

さらに、３相交流変電圧器２７の２次側の△回
路からは零相電流は供給されないから、 I〓_a＋I〓_b＋I〓_c＝3I〓_p＝０ ……〓〓 の条件が得られる。

また、３相交流変圧器２７の２次側の相間電圧
をE〓_ab，E〓_bcE〓_caとすると、 V〓_a−V〓_b V〓_b−V〓_c V〓_c−V〓_a＝ １ −１ ０ ０ １ −１ −１ ０ １V〓_a V〓_b V〓_c＝E〓_ab E〓_bc E〓_ca ……〓〓 となり、ここで、E〓_ab，E〓_bc，E〓_caはバランスして
いるものとすると、〓〓より、 ０ ０ ００ １−α² ００ ０ １−αV〓₀ V〓₁ V〓₂＝０ E〓_ab ０ ∴V〓₁＝E〓_ab／１−α² ……〓〓 V〓₂＝０ ……〓〓 が得られる。

そして、〓〓式、〓〓式、〓〓式、〓〓式を用いて〓
〓式
を書き換えると、 −１／Z_oV〓0＝（Y〓₁₀V〓₀＋Y〓₁₂V〓₁）＋ （Y〓₂₀V〓₀＋Y〓₂₂V〓₁） ＋…＋（Y〓_o0V〓₀＋Y〓_o2V〓₁） となり、よつて、 −（１／Z_oV₀＋Y₁₀＋Y₂₀＋…＋V〓_o0）V〓₀ ＝（V〓₁₂＋Y〓₂₂＋…＋Y〓_o2）V〓₁ −（１／Z_o＋Y₀）V〓₀＝Y〓₂V〓₁ V〓₀＝−Y〓₂／Y₀＋１／Z_o・V〓₁ となり、式が導かれる。

つぎに、接地変圧器１８のインピーダンス１９
に対する１次換算値Z〓_oがZ〓_o＝（n²／９）・Z〓と表
わ
せる理由について説明する。

零相電流は対称座標法の理論によれば単相交流
電流であり、接地変圧器１８においては、第３図
に示すように、１次側には零相電流が３相のコイ
ルに分流し、２次側には１次側の電流を打ち消す
電流か流れ、１次側コイルは３相並列、二次側コ
イルは３相直列とみなせる。

いま、第６図に示すように、接地変圧器１８の
各相における１次コイル、２次コイルの巻数比を
ｎ：１とし、インピーダンス１９の大きさをZ〓、
１次換算数値をZ〓_oとし、また、１次側の各コイル
に流れる電流をi_a，i_b，i_c、２次側の各コイルに
流れる電流をi₀とし、さらに、インピーダンス１
９の両端電圧をv〓₀、１次電圧をV〓₀とすると、 i_a＝i_b＝i_c＝１／ｎi₀v〓₀＝i₀・Z〓 V〓₀＝ｎ／３v〓₀ I〓₀＝i_a＝i_b＝i_c＝３／ｎi₀ であるから、 Z〓_o＝V〓₀／I〓₀＝ｎ／３v〓₀／３／ｎi₀＝ｎ／３i₀・
z〓／３／ｎi₀＝n²／９・z〓 となる。

以下本発明の１実施例を示した第５図について
説明する。

第５図において、第１図および第３図と同一記
号は同一のものもしくは相当するものを示す、２
０は補助変圧器、１０は基本波フイルター、２２
は零相電圧の変化分を検出する零相電圧変化分検
出回路であり検出された変化分は比較回路２３に
入力される。ここで整定部２４で予め整定されて
ある動作域内に含まれるか否かが比較される。２
５はアンドゲートであり、この出力はリレー１５
を駆動する。１６は前記リレーの接点であり、リ
レー１５および接点１６により出力回路２６を構
成している。△I〓₂／△I〓₁および前記零相電圧の変
化分がともに整定部１４，２４により整定されて
ある動作域内に含まれるとき比較回路１３，２３
から出力が出されるアンドゲート２５がオンす
る。そしてリレー１５が駆動され接点１６が閉成
され、１線断線が発生した事が報告される。

以上詳述したように、この発明によれば零相電
圧の変化分検出を１つの条件とすることで１線断
線以外の負荷変動による誤動作を防止でき、特
に、零相電圧の変化分検出は負荷電流の変動の影
響を受けないため、正確な検出が可能となり、１
線断線の検出を確実なものとすることができる。
従つて実用性の優れた配電線断線検出装置を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の１線断線検出装置のブロツク
図、第２図は第１図の動作説明用のベクトル図、
第３図以下の図面はこの発明の配電線断線検出装
置の１実施例を示し、第３図は配電線系統の結線
図、第４図は配電線の対地容量の説明図、第５図
はブロツク図、第６図は接地変圧器の結線図であ
る。 ２……配電線、８，９……正相、逆相変化分検
出回路、１２……演算回路、２２……零相電圧変
化分検出回路、２３……比較回路、２５……アン
ドゲート、２６……出力回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ３相配電線の正相電流および逆相電流のそれ
   ぞれの変化分を検出する変化分検出回路と、前記
   変化分検出回路により検出された正相電流の変化
   分の逆相電流の変化分との比を演算する演算回路
   と、１線断線による前記配電線の対地容量の変化
   を零相電圧の変化として検出する零相電圧変化分
   検出回路と、前記両電流の変化分の比および前記
   零相電圧の変化分がともに予め整定された動作域
   内にあるときに出力を出す出力回路とを備えたこ
   とを特徴とする配電線断線検出装置。