JPH0813165B2 - 変圧器用比率差動継電装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、比率差動継電装置に関し、特に、励磁突入
電流発生時に電力用主要変圧器に設けられた遮断器のト
リップ回路をロック可能とした変圧器用比率差動継電装
置に関する。

（従来の技術） 従来、送配電系統における主要変圧器の保護には、一
般に、変圧器に流入する異常電流を比率差動リレーによ
って検知し、この異常電流が整定値を越えたときに遮断
器にトリップ指令を出力する方法が採用されている。

主要変圧器に内部事故が生じた場合には、その１端子
から電流が流れ込むが、この電流値を検出するためのレ
ベル、すなわち、比率差動リレーの検出感度は、通常、
定格電流の15〜30％程度に設定されている。ところが、
主要変圧器の励磁突入電流も１端子から流入するため、
励磁突入電流の基本波（50Hzまたは60Hz成分）が前記検
出感度以下になるまで比率差動リレーは誤動作し続ける
ことになる。

そこで、主要変圧器を保護する比率差動リレーには、
一般に変圧器の励磁突入電流による上記誤動作を防止す
るため、入力波形に含まれる第２調波の含有率を判定
し、この含有率が一定値以上のときは突流検出リレーに
より比率差動リレーの動作を抑制するべくトリップ回路
をロックする単相抑制方式、３相抑制方式等の方式によ
る保護継電装置が従来から採用されている。

ここで、励磁突入電流の基本波が比率差動リレーの検
出感度以上である場合には、この比率差動リレーはトリ
ップ信号を出力してしまうが、この場合においても、突
流検出リレーは、励磁突入電流の基本波が前記検出感度
以下になって比率差動リレーが復帰するまでトリップ回
路をロックし続ける必要がある。また、励磁突入電流が
上記検出感度以下になって減衰していく過程において
も、突流検出リレーは同様にトリップ回路にロックを掛
けておく必要がある。

（発明が解決しようとする問題点） しかし、入力電流が小さい場合においては、その中に
含まれる第２調波成分も極めて少ないことから、突流検
出リレーの検出誤差が増大するおそれがある。特に、マ
イクロコンピュータを使ったいわゆるディジタルリレー
においては、量子化誤差の影響が大きくなり、突流検出
リレーによるインターロック方式ではトリップ回路にロ
ックが掛からないことが懸念される。

ディジタルリレーでは、比率差動リレーと突流検出リ
レーとがアナログフィルタやサンプルホールド回路、A/
D変換部等からなるアナログ入力部を共有しており、ま
た、比率差動リレーは２以上の入力平衡性で動作する原
理であるため、A/D変換部にフルスケールは系統の短絡
電流相当まで必要であって１ビットの重みが大きくなる
傾向にある。

例えば、比率差動リレーの検出感度を定格電流の15％
（即ち、5A×0.15＝0.75A）、このときの第２調波含有
率を30％とすると、第２調波は、 0.75A×0.3＝0.225A となる。いま、フルスケールを61.44A、12ビット（この
うち１ビットを符号ビットとする。）のA/D変換器で入
力電流を変換すると、上記第２調波分である0.225Aは、 0.225A/1LSB＝7.5ビット となる。ここで、1LSBは61.44/2¹¹＝0.03（A/ビット）
である。

従って、量子化誤差だけで±13.33％になり、他の誤
差、すなわちハードウエア誤差±3.0％、平均演算誤差
±1.73％、ハードウエア誤差残留雑音±4.0％も加える
と、誤差総計εは最大で、 ε＝13.33％＋３％＋1.73％＋４％＝22.1％ となる。

比率差動リレーの定格電流は、変圧器の巻線構成及び
MCT比（主変流器の変流比）の関係で最小で （約2.9）Ａとなり、この場合には更に誤差が増大す
る。

このため、上記、励磁突入電流の第２調波成分を検出
して遮断器のトリップ回路にロックを掛ける方式では、
突流検出リレーの量子化誤差を主要因とする誤差が大き
くなりやすく、励磁突入電流の値が小さくなったときに
はトリップ回路のロックが解除されてしまい、比率差動
リレーが誤動作するという不都合が生じていた。

本発明は、上記問題点を解決するために提案されたも
のであって、励磁突入電流が小さい場合においても、突
流検出リレーにより確実に遮断器のトリップ回路にロッ
クを掛けて比率差動リレーの誤動作を防止するようにし
たインターロック方式による変圧器用比率差動継電装置
を提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、変圧器の内部事故による異常電流では第２
調波の含有率が小さいのに対し、励磁突入電流では、基
本波の波高値が減衰した場合であっても第２調波電流の
含有率が大きいまま一定時間継続することに着目したも
のである。

ここで、第３図は、各相の励磁突入電流の実効値と第
２調波含有率との関係を示したものであり、励磁突入電
流の実効値の減少につれて第２調波含有率が増加してい
くことが判る。

すなわち、本発明は、入力電流の基本波成分が整定値
を越えたときに遮断器のトリップ信号を出力する比率差
動リレーと、入力電流中に含まれる第２調波含有率が整
定値を越えたときに前記トリップ信号の出力を阻止する
ためのロック指令を出力する突流検出リレーとを備えた
変圧器用比率差動継電装置において、前記突流検出リレ
ーの出力が一定時間を越えて継続したことから励磁突入
電流の発生を判定してロック継続指令を出力すると共
に、前記一定時間が、変圧器の入力電流検出用主変流器
の飽和が解ける時間よりも長く、かつ励磁突入電流が減
衰して比率差動リレーが復帰するまでの時間よりも短く
設定された判定手段と、前記ロック継続指令をセット入
力とし、かつ前記比率差動リレーの解除出力をリセット
入力としてロック指令を出力するロック指令保持手段
と、前記突流検出リレーまたはロック指令保持手段のロ
ック指令により前記トリップ信号の出力を阻止するロッ
ク手段とからなるものである。

（作用） 本発明によれば、入力電流の基本波成分が整定値を越
えた場合に、比率差動リレーは遮断器のトリップ信号を
出力する。

一方、突流検出リレーは入力電流中に含まれる第２調
波の含有率を検出しており、この含有率が整定値を越え
た場合にトリップ回路のロック指令を出力し、上記含有
率が整定値以下となった場合にこのロック指令を解除す
る。

判定手段は、突流検出リレーが一定時間継続してロッ
ク指令を出力した場合には、入力電流中の第２調波は励
磁突入電流によるものであると判定してロック継続指令
を出力する。ここで、上記一定時間を、変圧器の入力電
流検出用主変流器の飽和が解ける時間よりも長く、かつ
励磁突入電流が減衰して比率差動リレーが復帰するまで
の時間よりも短く設定することにより、上記一定時間内
に主変流器の飽和が解けた場合には、判定手段からロッ
ク継続指令を出力させないようにし、変圧器の内部事故
時に比率差動リレーを正常に動作させる。また、ロック
指令保持手段は、前記ロック継続命令によりロック指令
を保持し、比率差動リレーの解除出力によってこのロッ
ク指令を解除する。

そしてロック手段は、突流検出リレーまたはロック指
令保持手段からのロック指令によって比率差動リレーの
トリップ信号の出力を阻止することにより、トリップ回
路をロックする。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を図面に沿って説明する。ま
ず、第１図はこの実施例の構成を示すもので、図中、１
は変圧器保護用の比率差動リレーであり、この比率差動
リレーは主リレー1A及び補助リレー1Bを直列二重化して
構成されている。比率差動リレー１の出力端子はAND回
路２の入力側に接続され、このAND回路２の出力端子
は、他のAND回路７の一方の入力端子に接続されてい
る。

また、３は突流検出リレーであり、この突流検出リレ
ー３は、入力電流に含まれる第２調波の含有率が整定値
を越えた場合に応動するものである。その出力端子は、
励磁突入電流の発生を検出する判定手段としてのタイマ
ー４を介して、ロック指令保持手段としてのフリップフ
ロップ回路５のセット入力端子に接続されている。な
お、タイマー４は限時動作、瞬時復帰形のものである。

更に、フリップフロップ回路５のリセット入力端子に
は前記AND回路２の出力信号が反転して入力されてお
り、フリップフロップ回路５の出力端子はOR回路６の一
方の入力端子に接続されている。

このOR回路６の他方の入力端子には前記突流検出リレ
ー３の出力端子が接続され、OR回路６の出力は、前記AN
D回路７の他方の入力端子に反転して入力されており、A
ND回路７は、AND回路２から出力されるトリップ信号とO
R回路６から出力されるロック信号の反転信号との論理
積により、遮断器のトリップ回路に対するトリップ信号
を選択的に出力するものである。

次に、この実施例の作用を第２図に示すフローチャー
トを参照しつつ説明する。

主要変圧器の１端子に異常電流が流れると、比率差動
リレー１がこの異常電流を感知し、AND回路２を介して
論理“1"のトリップ信号を出力する（ステップS1,S
2）。

一方、突流検出リレー３は異常電流中に含まれる第２
調波の含有率Ｒを検出するが、この場合、Ｒが後述する
所定の整定値Rmを越えなければその出力の論理は“0"と
なり、ステップS9に移る（同S3）。このステップS9で
は、その時点でフリップフロップ回路５の出力が“1"か
否かが判断され、これが“1"であれば後述するステップ
S7へ、また“0"であればOR回路６の出力すなわちロック
指令が“0"となってロックを解除もしくはロックを行わ
ない（同S10,S11）。

先のステップS3において、第２調波含有率Ｒが前記整
定値Rmを越えて突流検出リレー３の出力が“1"である場
合には、入力電流中の第２調波が励磁突入電流によるも
のである可能性があり、この場合には突流検出リレー３
の出力が一定時間t₁継続したか否かをタイマー４により
判断する（同S4）。そして、一定時間t₁継続していない
場合においても突流検出リレー３の出力が“1"である限
り、OR回路６の出力は“1"となり（同S7）、AND回路７
の一方の入力端子にはこれが反転した“0"の信号が入力
されるため、トリップ信号がロックされる（同S8）。

次に、突流検出リレー３の出力が一定時間t₁継続した
場合には、タイマー４は、フリップフロップ回路５のセ
ット入力端子に突流検出リレー３の出力が“0"となるま
でロック継続命令としての信号“1"を出力する（同S4〜
S6）。この場合、比率差動リレー１が感度電流以上の過
電流を検出している場合には比率差動リレー１が復帰せ
ず、フリップフロップ回路５にはリセット信号が入力さ
れないため、その出力は“1"のままである。このため、
AND回路７のOR回路６側入力端子には“0"が入力された
ままとなり、ロックが継続される（同S7,S8）。

これに対し、励磁突入電流が比率差動リレー１の感度
電流以下になったとすると、AND回路２の出力が“0"に
なり（同S12）、フリップフロップ回路５がリセットさ
れる（同S13）。従って、フリップフロップ回路５の出
力は“0"となり、この段階で突流検出リレー３の出力が
“1"であれば先のステップS7以後に移行し、また、突流
検出リレー３の出力が“0"であればOR回路６の出力すな
わちロック指令は“0"となり、ロックが解除され、もし
くはロックを行わないこととなる（同S15,S16）。

ところで、比率差動リレー１が、その動作値限界点付
近でON,OFFを繰り返した場合、すなわちチャタリングを
起こした場合には、フリップフロップ回路５にリセット
信号“1"が入力されてロック機能の継続が不可能とな
る。そこで、この実施例においては、比率差動リレー１
が一旦動作した場合に動作値限界点を若干低くし、保持
率をチャタリングの原因である検出誤差よりも大きくす
ることにより、比率差動リレー１がすぐに復帰しないよ
うにすることが望ましい。

次に、突流検出リレー３の整定値Rm及びタイマーの動
作期限t₁の具体値について以下に検討する。

［Rmについて］ いま、突流検出リレー３の動作値を第２調波含有率15
％とすると、その動作判定式は、 第２調波実効値／基本波実効値＞0.15 すなわち、 第２調波実効値/0.15＞基本波実効値 6.67×第２調波実効値／基本波実効値 となる。

ここで、基本波検出誤差をε₁（±10％）、第２調波
検出誤差をε₂（±37％）とすると、誤差を考慮した動
作判定式は、誤差が最大となる場合には、 6.67×第２調波実効値×ε₂＞基本波実効値×ε₁ すなわち、 6.67×第２調波実効値×ε₂／ε₁＞基本波実効値 となる。ゆえに、 第２調波実効値／基本波実効値＞ε₁／（6.67×ε₂） となる。

従って、ε₁（±10％）、ε₂（±37％）の検出誤差の
幅を考慮すると、 第２調波実効値／基本波実効値＞0.0985〜0.2618 となり、第２調波の含有率は約9.9％〜26.2％の範囲と
なる。この付近を協調のとれる限界点とする。

従って、上限に更に数％の余裕を与えて、このときの
第２調波含有率を30％、すなわち、 Rm＝0.3 として整定する。

いま、比率差動リレー１の検出感度を定格電流 の15％、比率差動リレー１の誤差を±10％とすると、最
小動作値（基本波実効値）は、 0.433×0.9≒0.39A となる。

ここで、励磁突入電流が減衰して前記最小動作値0.39
Aになったとすると、上述した整定値Rm（＝0.3）によ
り、このときの第２調波実効値は約0.12Aとなる。従っ
て、この値を突流検出リレー３に設定すればよい。

［t₁の時限協調について］ 変圧器の内部事故時には、１端子に大電流が流入す
る。この場合、時定数の比較的大きい直流分が混入して
いると、主変流器が飽和する。この場合、主変流器の２
次波形は第２調波を含有しており、この含有率が上述し
た整定値Rmを越えると、内部事故にもかかわらずトリッ
プ回路をロックしてしまうことになる。基本的には、こ
の現象は避け得ないが、この対策として、１次、２次電
流のみで動作する時限要素付過電流リレーによる後備保
護や差回路電流で動作する高整定過電流リレー等が設け
られているが、変流器の飽和が解けた時点では比率差動
リレー１は正規に動作することが望ましい。

従って、タイマー４の動作時限t₁は、変流器の飽和が
解ける時間よりも長く、かつ励磁突入電流が減衰して比
率差動リレー１が復帰するまでの時間よりも短ければよ
いことになる 以下、具体的な動作時限t₁の導出について説明する。
現在稼働中の変圧器についてのシミュレーション結果に
よれば、 １次短絡電流:15KA 直流分 ：含有率 100％ 時定数 100ms 変圧器２次負担:100％ のもとで、第２調波含有率が例えば12％となる時間は、
約300msとなった。

また、インラッシュ時定数は約0.67〜0.8秒となり、
ほぼ0.8秒間は第２調波含有率が12％以上となる状態が
継続していると考えられる。

したがって、整定値t₁（秒）は概ね 0.3＜t₁＜0.67 とする必要があり、この実施例では、ほぼ中間値を採用
してt₁＝500ms（商用周波数60Hzで30c/s）としている。

これにより、入力電流中の第２調波成分含有率が上記
整定値Rm以上となる時間が500msに達した場合には、上
記第２調波が励磁突入電流によるものと判断してタイマ
ー４からロック継続命令が出力され、フリップフロップ
回路５及びOR回路６を介してトリップ信号に対するロッ
ク指令が継続することになる。

（発明の効果） 以上のように本発明によれば、励磁突入電流が減少す
る過程においても励磁突入電流に含まれる第２調波の含
有率が大きいことから、突流検出リレーの出力が一定時
間以上継続した場合にロック指令を継続するようにした
ため、突流検出リレーの量子化誤差等に左右されること
なく、比率差動リレーの誤動作時にトリップ回路を確実
にロックすることができ、また、変流器の飽和が解けた
場合にも正常に応動する比率差動継電装置を実現するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図はこの
実施例の作用を説明するためのフローチャート、第３図
は励磁突入電流の実効値と第２調波含有率との関係を示
すグラフである。 １…比率差動リレー、2,7…AND回路 ３…突流検出リレー、４…タイマー ５…フリップフロップ回路、６…OR回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】入力電流の基本波成分が整定値を越えたと
   きに遮断器のトリップ信号を出力する比率差動リレー
   と、入力電流中に含まれる第２調波含有率が整定値を越
   えたときに前記トリップ信号の出力を阻止するためのロ
   ック指令を出力する突流検出リレーとを備えた変圧器用
   比率差動継電装置において、 前記突流検出リレーの出力が一定時間を越えて継続した
   ことから励磁突入電流の発生を判定してロック継続指令
   を出力すると共に、前記一定時間が、変圧器の入力電流
   検出用主変流器の飽和が解ける時間よりも長く、かつ励
   磁突入電流が減衰して比率差動リレーが復帰するまでの
   時間よりも短く設定された判定手段と、 前記ロック継続指令をセット入力とし、かつ前記比率差
   動リレーの解除出力をリセット入力としてロック指令を
   出力するロック指令保持手段と、 前記突流検出リレーまたはロック指令保持手段のロック
   指令により前記トリップ信号の出力を阻止するロック手
   段と、 からなることを特徴とする変圧器用比率差動継電装置。