JPH0456534B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は変圧器保護継電装置に係り、特に変圧
器の励磁突入電流による誤動作を防止することが
でき、内部故障のみを選択検出して動作すること
を特徴とする変圧器保護継電装置に関する。

〔発明の背景〕

従来、変圧器の巻線故障等の異常時における変
圧器保護は、保護対象変圧器の各端子を通過する
電流を変圧比に相当する等価変換した電流信号と
して変流器によりとり出し、これに基づいて電流
差動又は電流比率差動を行なわせるものが多い。

ところが電流差動又は電流比率差動方式におい
ては変圧器の内部故障時に差動電流が生ずる外、
変圧器を無負荷励磁した場合や外部故障除去時に
電圧が回復した場合等に生ずる、いわゆる励磁突
入電流によつても差動電流が生ずる。そこで従来
は励磁突入電流波形の特異性に着目して励磁突入
電流による誤動作を防止している。

その一つの方法として、励磁突入電流中の第２
高周波成分の割合が故障電流中のそれよりも多い
ことを利用して、差動電流中の第２高周波成分の
割合が一定値以上のときは励磁突入電流と判定し
てしや断器の引き外し指令を出力しないようにし
ている。

しかし、最近では送電系統の大容量・長距離
化、及びケーブル系統の拡大などによつて送電系
統の対地静電容量が増加し、系統のインダクタン
ス分との共振周波数が低下する傾向にあり、変圧
器内部故障時の系統動揺に起因して第２高周波付
近の低次高調波電流が多量に発生することが予想
されている。このように内部故障電流中の第２高
調波成分が増加してくると、上記従来方法では変
圧器保護継電装置の動作遅延となり、ひいては誤
不動作により変圧器タンクが破壊するなど重大災
害を招く恐れがある。

励磁突入電流による変圧器保護継電装置の誤動
作を防止する他の方法として、故障電流は全波電
流であるが、励磁突入電流は半波電流で波形にと
ぎれがあることに着目して両者を識別するものが
ある（特開昭52−153142）。この従来技術の例を
第１図に示し、以下説明を加える。

第１図において１は保護対象変圧器、２１，２
２はこの変圧器の一次側次び二次側に挿入された
変流器、２３，２４は変流器２１，２２の二次側
に挿入された変流器、２５は変流器２３，２４が
差動接続された回路に挿入された差動電流を導出
するための変流器、３は変流器２３，２４，２５
の出力を入力とする比率差動継電要素、４１は変
流器２５の出力である差動電流の絶対値が所定の
検出レベルを越えたとき出力信号を生ずる短形波
変換回路、４２は入力信号を反転して出力する
NOT回路、４３は入力信号の立上りを一定時限
T₁遅延せしめて出力する時限回路、４４は入力
信号を一定時間T₂ホールドさせる時限回路、５
は変流器２５の出力である差動電流が一定値以上
になつたとき瞬時に動作するところの瞬時継電要
素である。６１はインヒビツト回路で、インヒビ
ツト端子には時限回路４４の出力が、もう一方の
端子への比率差動継電要素３の出力が入力され
る。６２はオア回路で、インヒビツト回路６１と
瞬時継電要素５の出力が入力され、トリツプ信号
を出力する。

第１図の従来技術の例における励磁突入電流に
対する動作を第２図により説明する。励磁突入の
場合、図示のように差動電流ΣIは半波波形とな
る。差動電流ΣIが所定の検出レベルεを越えた
後、比率差動継電要素３が動作し、出力信号を生
ずる（Out3）。ΣIが所定の検出レベルεを越えて
いる間、矩形波変換回路４１は信号を出力し
（Out４１）、NOT回路４２でこの信号が反転さ
れる。即ち、NOT回路４２は差動電流ΣIが所定
の検出レベルεより小さい間出力信号を生じてい
る（Out４２）。次に時限回路４３はOut４２の信
号の立上りを一定時限T₁（電気角で60゜）程度）だ
け遅延させる（Out４３）。時限T₁は差動電流ΣI
が検出レベルεより小さい間の時間より短いの
で、Out４３はなお約１サイクル毎に信号を生じ
ている。時限回路４４で一定時間T₂（１サイクル
程度）だけホールドされた結果、連続した出力信
号を生ずる（Out４４）。従つてインヒビツト回
路６１は信号を出力せず（Out６１）しや断器は
トリツプされない。

次に第１図の従来例における内部故障電流に対
する動作を第３図により説明する。第３図におけ
る各信号の記号は第２図と同一である。第２図の
励磁突入電流の場合と異なるのは、差動電流ΣI
が全波波形であり、ΣIが所定の検出レベルより
小さい期間が短いことである。従つてNOT回路
４２の出力（Out４２）は図示のように幅の狭い
信号となり、信号の立上りを一定時限T₁だけ遅
延せしめた結果Out４３の信号は連続的に零とな
る。従つて一定時間T₂だけホールドされた信号
Out４４は、Out４３の信号が零となつてからT₂
時間後に零となる。そこで比率差動継電要素３の
出力信号Out３とのインヒビツト条件が成立し、
インヒビツト回路６１に出力信号を生じ（Out６
１）、しや断器トリツプ信号が出力される。

以上のように、内部故障時の差動電流が正弦波
状の全波波形の場合、第１図で示した従来技術は
正常な動作をする。ところが前記したように送電
系統の対地静電容量の増加に伴つて、内部故障時
に高調波電流を生ずるとき、正常に動作できない
場合が生ずる。これを第４図により説明する。

第４図は内部故障時の差動電流ΣIが、一点鎖
線で示す基本波成分に高調波成分が重畳して図示
の実線のような歪波形となつた場合の、第１図に
示した従来技術の動作を示したものである。各信
号は第２図及び第３図と同一である。第３図で示
した正弦波状の全波波形の場合と異なるのは、差
動電流ΣIの絶対値が検出レベルεより小さい期
間が多数回、ランダムに生じている点であり、
Out４２もこれに対応した信号となつている。こ
の結果図示のように、Out４２の信号の立上りを
一定時限T₁だけ遅延せしめているとき、Out４２
の信号は一たん零になつた後、既に次の信号を出
力し始めている場合があり、一定時限T₁の遅延
が終了した時点でOut４３に信号が出力される。
Out４３の信号はランダムに発生し、一定時間T₂
だけホールドした結果、Out４４は連続した信号
となり、インヒビツト回路６１の出力Out６１は
信号を生じないためしや断器はトリツプされな
い。このような状況は差動電流ΣIの高調波分が
減衰するまで継続するため、変圧器保護継電装置
の動作遅延、ひいては誤不動作により重大災害に
至る恐れがある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をな
くし、変圧器の内部故障を高感度で検出すると共
に、簡単な構成で励磁突入電流による誤動作を防
止した高信頼度の変圧器保護継電装置を提供する
ことにある。

〔発明の概要〕

前記目的を達成するために、本発明において
は、特に電流を適当な時間間隔でサンプリングし
てとり込むデイジタル方式において、差動電流
ΣIにとぎれがあるかどうかの判定をサンプリン
グした１個の電流値でなく、連続した複数個の電
流値を用いて行うように構成している。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例の構成を第５図により
説明する。第５図において第１図と同一部分は第
１図と同一符号を付し、説明を省略する。第５図
において、３は保護対象変圧器１の各巻線の端子
電流の差動電流を検出してしや断器引き外し指令
を出力する第１の継電要素で、例えば従来の比率
差動継電要素である。７は差動電流を適当な時間
間隔でサンプリングして取り込んで内部故障か励
磁突入電流かを判定し、内部故障と判定したとき
上記しや断器引き外し指令の出力を許容する信号
を出力する第２の継電要素で、レベル判定部７１
と時間判定部７２から構成されている。レベル判
定部７１は差動電流ΣIのサンプリング毎に、そ
れより以前の最新の連続した複数個のサンプリン
グ値が所定の検出レベルεを越えているかどうか
を判定し、複数個のサンプリング値のうち少くと
も１個の絶対値が検出レベルεを越えているとき
高レベルと判定して“１”を出力し、そうでない
とき低レベルと判定して“０”を出力する。時間
判定部７２はレベル判定部７１の出力信号が
“１”となつている継続時間を判定し、その継続
時間が所定の判定時間を越えたとき、即ちレベル
判定部７１の出力信号が“１”となつているが状
態が所定のサンプリング回数継続したとき内部故
障と判定して信号“１”を出力する。そうでない
とき励磁突入と判定して信号“０”を出力する。
８１はアンド回路で、第１の継電要素３及び第２
の継電要素７の出力信号が入力され、アンド条件
を満足したときしや断器トリツプ指令を出力す
る。

本発明の特徴はデイジタル方式とした第２の継
電要素７の構成にあり、上記のレベル判定、時間
判定等はマイクロコンピユータ等を用いて行なわ
れる。この場合の、第２の継電要素７における差
動電流ΣIのサンプリング毎の具体的な演算処理
フローの例を第６図に示す。

第６図においてStep１〜Step４の演算処理は、
第５図におけるレベル判定部７１の動作に対応
し、Step５〜step８の演算処理は第５図における
時間判定部７２の動作に対応している。第６図の
演算処理フロー例では、連続した６個のサンプリ
ング値を用いてレベル判定を行い、高レベルが25
回継続したとき内部故障と判定するようにしてい
る。第６図の演算処理内容によつて、上記した第
２の継電要素７におけるレベル判定、時間判定の
動作が実現しているのは明らかであるが、以下若
干の説明を加える。

差動電流記憶エリアは差動電流ΣIの６回分の
サンプリング値を記憶しており、Step１でサン
プリングしたΣ1の最新のサンプリング値は、
Step２においてΣIの最も古いサンプリングと入
れかえられる。Step３において、差動電流記憶
エリアに記憶されている最新の６回分のサンプリ
ング値の各々に対して、所定の検出レベルεより
大きいどうかを判定し、少くとも１個のサンプリ
ング値の絶対値がεより大きいとき高レベルと判
定してStep４′へ、そうでないとき、即ち６回分
のサンプリング値の絶対値が全て検出レベルεよ
り小さいとき低レベルと判定してStep４へ進む。

時間カウンタは最初“25”にセツトされてお
り、高レベルのとき、即ちStep５においてレベ
ル判定部７１の出力Out７１が“１”と判定され
たとき、Step６′において“１”減算され、低レ
ベルのとき、即ちStep５においてOut７１が
“０”と判定されたとき、Step６において“25”
にリセツトされる。Step７で時間カウンタが
“０”以下になつたかどうかが判定され、“０”以
下のとき、即ち高レベルが25回以上継続したとき
Step８′へ進んで出力Out７２として“１”を出
力する。時間カウンタが“０”より大きいとき
Step８へ進んでOut７２として“０”を出力す
る。

次に本発明による第２の継電要素７における第
６図で示した演算処理の具体例を、励磁突入電流
の場合について第７図で説明する。第７図は差動
電流ΣIのサンプリングを電気角で15゜間隔で行う
場合の例を示しており、図中黒丸印でサンプリン
グ点を示している。図中の数字は上記時間判定部
７２における時間カウンタの値である。上記演算
処理内容の説明から明らかに、差動電流ΣIが最
初に所定の検出レベルεを越えたときからレベル
判定部７１の出力Out７１の信号は“１”とな
り、ΣIの６回分のサンプリング値が全て検出レ
ベルεより小さくなつたとき“０”に復帰する。
Out７１が“１”となつている間、時間カウンタ
の値は“０”より大きく、時間判定部７２の出力
Out７２は“０”のままである。従つて、第５図
のアンド回路８１からはしや断器トリツプ指令が
出力されない。

内部故障において、差動電流が正弦波状の全波
波形となる場合の、本発明による第２の継電要素
７における第６図で示した演算処理の具体例を第
８図により説明する。差動電流ΣIの絶対値が最
初に所定の検出レベルεを越えたとき、レベル判
定部７１の出力Out７１の信号は“１”となる。
その後、ΣIのサンプリング値が検出レベルεよ
り小となるときがあるが、連続した６回分のサン
プリング値が全て検出レベルεより小となること
はなく、Out７１は連続した“１”信号となり、
約１サイクル後に時間カウンタが“０”となつた
瞬時に時間判定部７２の出力Out７２の信号は
“０”から“１”に変る。第５図における比率差
動継電要素である第１の継電要素３は、差動電流
ΣIが検出レベルεを越えた後信号“１”を出力
し続けているから、Out７２が“１”になつた瞬
時にアンド条件を満足し、アンド回路８１からし
や断器トリツプ指令が出力される。

次に、内部故障において差動電流が高調波分を
含んでいる場合の、本発明による第２の継電要素
７における第６図で示した演算処理の具体例を第
９図により説明する。第９図における差動電流
ΣIの波形は従来技術の説明で用いた第４図のも
のと同じで、ΣIの絶対値が検出レベルεより小
さい期間が多数回ランダムに生じている。このよ
うな場合でも連続した６回分のサンプリング値が
全て検出レベルεより小となることはなく、第８
図の場合と同様に、時間カウンタが“０”となつ
たとき時間判定部７２の出力Out７２は“０”か
ら“１”に変り、アンド回路８１からしや断器ト
リツプ指令が出力される。

以上の本発明の一実施例の説明では、差動電流
ΣIを15゜間隔でサンプリングし、連続した６回分
のサンプリング値により高レベルか低レベルかを
判定する場合を示した。差動電流ΣIのサンプリ
ング時間間隔を電気角でΔθ（度）とし、連続した
Ｎ回分のサンプリング値を用いてレベル判定する
場合、(1)式で示す判定期間θ_A内においてレベル判
定することになる。

θ_A＝Δθ・（Ｎ−１） （度） …(1) 励磁突入電流の半波波形間において、差動電流
ΣIが検出レベルεより小となる期間（零ポーズ
期間と称する）の最小値をθ_Ominとすると、本発
明において励磁突入電流を正しく判定するために
は、判定期間θ_Aはθ_Ominより小さく設定しなけれ
ばならない。更に、１サンプリング時間分のずれ
を考慮して、(2)式の条件を満足するように設定す
る。

θ_A≦θ_Omin−Δθ …(2) (1)，(2)式より、レベル判定に必要なサンプリン
グ個数Ｎは(3)式の条件を満足するように設定す
る。

Ｎ≦θ_Omin／Δθ …(3) レベル判定をするのに必要なサンプリング個数
Ｎを更に明確にするために、次に励磁突入電流の
零ポーズ期間の最小値θ_Ominについて説明する。

変圧器の励磁突入電流発生様相を第１０図に示
す。第１０図において、ｅは変圧器に印加される
電源電圧、Ｂは変圧器鉄心磁束密度、Ioは変圧器
の励磁電流である。磁束密度Ｂの波形中のB_nは
定格磁束密度、B_Sは飽和磁束密度、B_Rは残留磁
束密度を示す。励磁突入電流が最大で、励磁突入
電流の零ポーズ規間が最小となる条件として第１
０図は残留磁束密度B_Rが正の値で、電源電圧ｅ
の位相が0゜で投入した場合を示している。図中、
破線は減衰がない場合を示しているが、実際には
回路の抵抗分による減衰効果で実線のようにな
る。

減衰がない場合の励磁突入電流の零ポーズ期間
θ_Oを求めてみる。電源電圧ｅを ｅ＝E_nsinωt …(4) とすると、第１０図より破線の磁束密度Ｂは(5)式
で表わせる。

Ｂ＝B_n＋B_R＋B_nsin（ωt−π／２） …(5) ωt＝θ_O／２のときＢ＝B_Sであるから B_S＝B_n＋B_R＋B_nsin（θ_O／２−π／２） …(6) (6)式を変形して(7)式を得る。

θ_O＝π−2sin^-1｛B_n＋B_R−B_S／B_n｝ …(7) 従つて零ポーズ期間θ_Oは変圧器鉄心の定格磁束
密度B_n、残留磁束密度B_R、飽和磁束密度B_Sの値
によつて異なる。

そこでB_Sを2.02（Ｔ）とし、B_n，B_Rが異なると
きにθ_Oがどのような値になるかを求めた結果を第
１１図に示す。零ポーズ期間θ_Oは電気角（度）で
表わした。一般に変圧器の定格磁束密度B_nは約
1.7（Ｔ）、残留磁束密度B_Rの最大値は定格磁束密
度の0.82（Ｐ・ｕ）程度である。従つて第１１図
から励磁突入電流における零ポーズ期間θ_Oは約
100（度）より大きい。B_nが1.8（Ｔ）、B_Rが定格の
0.9（Ｐ・ｕ）の場合でもθ_Oは約75゜より大きい。励
磁突入電流の減衰、検出レベルε等を考慮する
と、零ポーズ期間θ_Oは更に大きい値となる。

そこで、例えば励磁突入電流の最小零ポーズ期
間をθ_Omin＝100゜、サンプリング時間間隔をΔθ＝
15゜とすると、(3)式よりレベル判定に必要なサン
プリング個数Ｎは、 Ｎ≦６ …(8) となる。

この場合、(1)式からレベル判定する判定期間θ_A
は θ_A≦75（度） …(9) である。

一方、内部故障の場合、故障電流値が小さいほ
ど、差動電流ΣIが検出レベルεより小となる零
ポーズ期間が大となる。従つて、内部故障を高感
度で検出するためには上記Ｎ，θ_Aの値は大きい程
良い。そこで上記した本発明の一実施例では、Ｎ
の値として(8)式の最大値を用いる場合を示した。
なお、内部故障時の差動電流ΣIに直流分を含む
場合、零ポーズ期間が大きくなることがあるの
で、直流分の影響を除くために、差動電流ΣIの
微分値を用いるようにしても良い。この場合でも
励磁突入電流の零ポーズ期間は変らない。

以上の本発明の実施例ではレベル判定するため
の連続した複数個（例えば６個）の差動電流ΣI
のサンプリング値うち、１個でも絶対値が検出レ
ベルεを越えていれば高レベル、全てεより小で
あれば低レベルと判定するようにした。

これを例えば、複数個（例えば７個）のサンプ
リング値のうち、２個以上絶対値が検出レベルε
を越えていれば高レベル、εを越えるのが１個以
下であれば低レベルと判定するようにしても良
い。このような方法は、ノイズによる誤判定防止
に効果があると考えられる。

本発明の第２の継電要素７の演算処理フローの
例として示した第６図の内容は、種々の変形が可
能である。

例えば、第６図において、Step５の処理を削
除し、Step４から直接Step６へ、Step４′から直
接Step６′へ進むようにすることができる。ただ
し、このようにすると第５図におけるレベル判定
部７１と時間判定部７２の区別が明確でなくなる
が、デイジタル方式においてはもともと、レベル
判定、時間判定のような個々の機能は独立して存
在するものではなく、全体として効率的な演算処
理を行うため、各機能が混在した演算処理フロー
となるのが通常である。第６図においては更に、
Step４及びStep４′の処理を削除することもでき
る。

又、本発明における第５図及び第６図は「高レ
ベルが所定のサンプリング回数（例えば25回）継
続したとき内部故障と判定して、しや断器トリツ
プ指令の出力を許容する信号を出力する」と説明
したが、「低レベルのとき励磁突入と判定して、
所定のサンプリング回数（例えば25回）だけしや
断器トリツプ指令の出力を阻止する信号を出力す
る」と言いかえることができる。両者の演算処理
フローは全く同一である。この場合、第５図にお
けるアンド回路１８をインヒビツト回路にして、
そのインヒビツト端子側に第２の継電要素７の出
力を入力するようにし、第６図においてStep８
で“０”を出力する代りに“１”を出力し、
Step８′で“１”を出力する代りに“０”を出力
するようにしても良い。このようにすると、励磁
突入電流を検出してしや断器トリツプ指令の出力
を阻止するという考え方が明確になる。

本発明においては、内部故障が発生してからし
や断器トリツプ指令を出力するまでに約１サイク
ルの時間が必要である。この時間を短縮する手段
を次に説明する。

一般に内部故障時の差動電流ΣIは両波波形で
あり、１サイクルのうち正極性、負極性の両方の
値をとり得る。しかもほぼ瞬時に正極性から負極
性へ、又は負極性から正極性へ変る。検出レベル
εを考慮しても、例えば正極性で検出レベルεを
越えているときから、負極性でεを越えるまでの
時間は、上記した励磁突入電流における零ポーズ
期間よりも短い。一方、励磁突入電流は必ず半波
波形である。そこで、一定期間内に差動電流ΣI
が正極性と負極性の両方で検出レベルεを越えた
とき内部故障と判定することにより、１サイクル
より短い時間でしや断器トリツプ指令を出力する
ことができる。

具体例として第６図の演算処理フロー例の
Step３において、「差動電流記憶エリアの６個の
サンプリング値のうち、少くとも１個は正極性で
検出レベルを越え、且つ少くとも１個は負極性で
検出レベルを越えているか」の判定処理を追加
し、この条件を満足しているとき、他の演算処理
をとばしてStep８′へ進むようにする。又は第６
図の演算処理とは別途、このような判定処理を行
なわせても良い。

〔発明の効果〕

以上詳述したように本発明によれば、簡単な構
成で励磁突入電流による誤動作を確実に防止し、
内部故障を高感度で検出できるので、変圧器保護
継電装置の高信頼度化、及び変圧器内部故障に際
しての重大災害への拡大を未然に防止するのに多
大の貢献をなすことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術の構成を説明するための略線
図、第２図納至第４図は従来技術の動作を説明す
るためのタイムチヤート、第５図は本発明の実施
例の構成を示す略線図、第６図は本発明の機能を
説明するための演算フロー、第７図納至第９図は
本発明の動作を説明するためのタイムチヤート、
第１０図は励磁突入電流を説明するためのタイム
チヤート、第１１図はその特性図である。 １…保護対象変圧器、２１〜２５…変流器、３
…第１の継電要素、７…第２の継電要素、７１…
レベル判定部、７２…時間判定部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 保護対象変圧器の各巻線の端子電流の差動電
   流を検出してしや断器引き外し指令を出力する第
   １の継電要素と、上記差動電流又はその微分値に
   比例した量を入力とし、内部故障か励磁突入かを
   判定して内部故障と判定したときしや断器の引き
   外し指令の出力を許容する信号を、又は励磁突入
   と判定したときのしや断器の引き外し指令の出力
   を阻止する信号を出力する第２の継電要素を備
   え、上記第２の継電要素は適当な時間間隔で入力
   をサンプリングして取り込み、入力のサンプリン
   グ毎にそれより以前の最新の連続した複数個のサ
   ンプリング値が所定の検出レベルを越えているか
   どうかを判定し、上記複数個のサンプリング値の
   うち少くとも１個の絶対値が検出レベルを越えて
   いる状態が所定のサンプリング回数継続したとき
   内部故障と判定する。又は上記複数個のサンプリ
   ング値のうち絶対値が検出レベルを越えるものが
   所定の個数に満たないとき励磁突入と判定するこ
   とを特徴とする変圧器保護継電装置。 ２ 上記第２の継電要素は、上記複数個のサンプ
   リング値のうち少くとも１個は正極性で検出レベ
   ルを越え、且つ少くとも１個は負極性で検出レベ
   ルを越えるとき内部故障と判定することを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の変圧器保護継電
   装置。