JPS5911244B2 - 保護継電装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は負荷電流の影響を極めて少なくして電力系統の
故障を確実に検出できるように改良した保護継電装置に
関する。

従来距離継電装置は電力系統において主保護および後備
保護等に広く使用されている。

しかし遠方後備保護に使用されるものは、その検出性能
において必らずしも満足し得るものとはなっていない。

即ち、遠方後備保護では継電器が設置される端子と故障
点との間に電源が介在し、この電源から流入する故障電
流が故障区間送電線に流れ、継電器設置端子へ流れる故
障電流はかなり小さいものとなる。

また継電器設置端子には、かなりの負荷電流分が流れ、
これは故障電流分に比してかなりの割合に達することが
多く、故障点が遠方の場合には継電器設置端子の故障電
流分より大きいことが多い。

これらの影響により後備保護用距離継電器の見るインピ
ーダンスは、故障点や系統条件によって負荷状態との識
別が非常に困難となったり、より遠い事故をより近く見
るなどの不具合を生じる。

この間の事情を第１図を参照しながら詳細に説明する。

第１図は遠方後備保護用距離継電器か動作すべき事故状
態での電力系統を示すものである。

即ち、第１図において、ＡおよびＢは母線、Ｆは事故点
、ＥＡおよびＥＢは母線ＡおよびＢに電流を供給する背
後電流である。

Ｚ１は母線Ｂと故障点Ｆとの間の正相インピーダンス、
Ｚ“１は母線Ａ，Ｂ間の正相インピーダンスである。

一方、１は変流器、２は計器用変圧器、３は遠方後備保
護用距離継電器で、この継電器３は変流器１、変圧器２
の出力で付勢される。

なお、１′は故障線路に流れる電流を表示し、また■“
は継電器設置端子の電流を表示するものである。

これらの電流については相を表わす記号ａ，ｂ，ｃおよ
び対称分を表わす記号１，２．０などを添字として用い
、各相または各対称分電流などを示す。

このような電力系統において、遠方後備保護用距離継電
器３が動作すべき場合は、殆んどの場合、１端子のみの
不しゃ断であるので、事故点Ｆの他の側はしゃ断されて
いるものとする。

今、第１図Ｆ点でｂ，ｃ相に２相地絡、又は２相短絡を
生じた場合の母線Ａにぶけるｂ，ｃ相間電圧Ｖｂｃは公
知のように次式となる。

■ｂｃ＝■′ｂｃＺ′１＋■“ｂ ｃ Ｚ”， ”
｛１）但し、Ｉ’ｂ ｃ ： ＢＦ間のｂ相電流Ｉ’ｂ
とＣ相電流Ｉ’ｃの差Ｉ’ｂ − Ｉ’ｃ ， Ｉ／／
ｂ ｃ ： ＡＢ間のｂ相電流ｉ”ｂとＣ相電流Ｉ″ｃ
の差ｒｂ−Ｉ“Ｃである。

ここで電流Ｉ’ｂ ｃおよびｆｂｃは一般の故障計算と
同様に次式のように故障電流分と負荷電流分に分けられ
る。

Ｉ’ｂｃ ＝ Ｉ’ｐｂｃ−１− Ｉ’Ｌ ｌ） Ｃ
・” （ｌａ）■“ｂｃ ＝ １７ｐｂ ｃ＋
Ｉ“Ｌｂｃ ”・・（１ｂ）但し、■′Ｆｂ
ｏ：電流Ｉ’ｂｃの故障電流分■′Ｌｂｃ：電流Ｉ’ｂ
ｃの負荷電流分 ■“ｐｂｃ二電流■“ｂｃの故障電流分 ■“Ｌｂｃ：電流■“ｂｃの負荷電流分 負荷電流分Ｉ’ Ｌ ｂ ｃおよび■“Ｌｂｃは第１図
で故障点Ｆのｂｃ相故障が無い状態で流れる電流であり
、故障電流分Ｉ’ｐｂｃおよび■“Ｆｂｃは第１図で故
障点Ｆでｂｃ相故障が生じたとき、故障によって新たに
流れる電流であり、一般に故障点の故障前電圧により鳳
テブナンの定理を用いて求められるものである。

故障中の電流は負荷電流分と故障電流分を重畳したもの
であり（１ｂ）および（１ｂ）式のようになる。

第２図はこれらの電流の一般的傾向を示す図である。

すなわち第１図で故障線路は故障点Ｆの他の側でしゃ断
されているため負荷電流分Ｉ′Ｌｂｃは零であり、また
継電器設置端子の負荷電流分■ＮＬｂｃは故障前の故障
点Ｆにおけるｂｅ相間電圧ＥｂｃＦとほぼ同位相または
逆位相である。

故障電流分Ｉ’ｐｂｃおよび■／／ Ｆｂｏは公知のよ
うに電圧ＥｂＣＦより鳳テブナンの定理を用いて求めら
れ、電力系統のインピーダンスとしてはインダクタンス
分が大きく抵抗分が小さい点から電圧Ｅｂ ｃＦに対し
て９０°弱遅れとなり、故障点電流のすべてが流れるＩ
’ｐ ｂ ｃに対して一部のみ分流する故障電流分■“
Ｆｂｃは小さい。

これに対して母線Ａにある従来のｂｃ相間用距離継電器
の見るインピーダンスは で表わされるインピーダンスに応動ずる。

第１図の故障条件では Ｖｂｃ＝Ｉ’ｂｃＺ′１＋Ｉ“ｂｅ Ｚ’ｌ ・”
（２ａ）で表わされるので、（２）式は次のようにな
る。

第３図は第１図の故障条件でｂｃ相継電器の見るインピ
ーダンスＺｂｃの様相を説明するためのＲ一Ｘ図である
。

図でインピーダンスベは原点を０とし頭をイとするベク
トルで示され、インピーダンスＺ′１は原点をイとし頭
を口とするベクトルで示される。

継電器の見るインピーダソスＺｂｃは（２ｂ）式の右辺
の第１項Ｚ″１と第２項Ｉ’ｂｃＺ’１ ／■“ｂｃの
和で表わされる。

（１ｂ）式および第２図で電流Ｉ”ｂｃの負荷電流分■
“Ｌｂｃの大きさが故障電流分■“ｐｂｃに対して充分
小さ＜ ｌ Ｉ”ｐｂｃ ｌ ＞１１“Ｌｂｃ ｌのと
きには第２項はＩ’ｂ ｃ Ｚ’１／ Ｉ“ｂｃＦと等
しくなる。

前述のように電流■“ｐｂｃは電流Ｉ’ｂｃと同位相で
あるので、■′ｂｃＺ′１／■“Ｆｂｃはインピーダン
スＺｌ１と同位相で大きく、イを原点としハを頭とする
ベクトルで表わされる方向のベクトルで示される。

このとき継電器の見るインピーダンスＺｂｃはＯを原点
としハを頭とするベクトルとなり、Ｘ軸に近いインピー
ダンスを見る。

負荷電流分■“Ｌｂｃと故障電流分Ｉ“ｐｂｃの関係が
第２図の場合は（２ｂ）式の第２項はインピーダンスＺ
１′をＩ’ｂｃ／Ｉ“ｂｃ倍したものであり、Ｚ′１よ
り著しく遅れ位相で且つ大きく、第３図のイを原点とし
二を頭とするベクトルとなる。

この時、継電器の見るインピーダンスは原点を０、頭を
二とするベクトルとなり、Ｒ軸に近いインピーダンスを
見る。

継電器が常時負荷状態で見るインピーダンスは公知のよ
うにＲ軸方向であり、後者のように継電器の見るインピ
ーダンスがＲ軸方向のときは負荷状態との識別が困難と
なる。

また遠方事故を＋Ｘ軸成分の小さい近距離事故と見誤ま
る不具合がある。

以上のように従来の距離継電器は２相故障時継電器設置
端子に流れる故障電流分■“Ｆｂｃの大きさが負荷電流
分■“Ｌｂｃに対して小さいときは、継電器の見るイン
ピーダンスが常時負荷時におけるＲ軸方向とほぼ同様の
方向となり、故障発生状態の識別が困難となる。

本発明は以上の事情に鑑みてなされたもので、２相故障
時故障電流分Ｉ″′ＦｂＣの大きさが負荷電流分■“Ｌ
ｂｃに対して小さいときでも故障発生状態を確実に検出
し得る距離継電器を提供することを目的とする。

以下図面を参照して本発明の一実施例を説明する。

第４図は本発明の一実施例を示すブロック結線図で、３
相の第２相であるｂ相と第３相であるＣ相の両相に生じ
た事故を保護するものである。

同様の装置が他のｃ，ａ相、ａ，ｂ相にも用いられ、一
般には一相地絡事故による誤動作を避けるために第５図
に示すように逆相電圧と逆相電流の．位相関係により故
障点方向を判定する逆相方向継電器と組合されて使用さ
れる。

第４図において、４，５，６．７は電流電圧変換器、８
は詳細を後述する検出回路である。

前記電流電圧変換器４，５，６．７は各々のａ相電流Ｉ
ａ，ｂ相電流Ｉｂ，Ｃ相電流Ｉｃおよび零相電流Ｉｏの
３倍、３Ｉｏ＝ Ｉ ａ ＋ Ｉ ｂ 十Ｉ ｃで付勢
され、次に示す（３）〜（６）式のような出力電圧■４
，■５，ｖ６，■７を生ずる。

ここで、Ｋ１，ＫｏはＯ以外の複素定数で、各入力電流
が同一位相で同一の大きさの場合には■４，Ｖ５ ｔ
Ｖ６は大きさが等しく、相互に１２００の位相差となる
。

ｖ４ｙｖ５ｔＶ６＋ｖ７の和Ｖｉと継電器設置点ｂ，Ｃ
相間電圧Ｖｂｃが検出回路８に加えられ、ＶｂｃとＶｉ
の関係が所定条件になったとき、検出回路８が動作し出
力を生ずる。

Ｖｉは、十■ｏε’ ）＋ＫＯ ＩＯ＝ＫＩ Ｉ２
＋ＫＯ Ｉ。

−（７）但し、Ｉ２＝ ａ相基準（ｂ，ｃ相に対する直
角相基準）の逆相電流。

であり、検出回路８は、■ｂｏとＫ１■２＋狗■。

の比の関係に応動する。

また前記検出回路８の一実施例は第６図に示すように公
知の距離継電器と類似の構成となっている。

即ち、第６図において、９は三個のコイル９Ｐ，９８，
９Ｔを有する変圧器、１０は位相検出器である。

変圧器９のコイル９Ｐは電圧■ｂｃで付勢さヘ他の２つ
のコイル９Ｓ ，９Ｔに電圧Ｖａに比例する電圧Ｖ ａ
ｓ Ｖ ａ’を生じさせる。

電圧ｖａ′は前述したｖ４〜ｖ７の和の電圧Ｖｔと合成
され、ＶＩ Ｖ ａ’となりＶａとともに位相検出器
１０に加えられる。

この位相検出器１０は２人力■ａ，”ｉ ’ａ’の位
相差が±θ（但しθは一定角度）のとき動作し、出力を
生ずる。

このような構成により検出回路８は の比で表わされるインピーダンスＺｂｃが第７図ａの複
素平面上に複素数のインピーダンスを示すＲ−Ｘ図上に
表わされる特性の動作範囲に入ると動作し、出力を生ず
る。

これを図面を用いて説明する。

第７図ｂでＫニ数を等しいとしｖａ−ｖ／ａとして先ず
基準ベクトルＩ２＋ＫＩｏを図示のように与え且つ複素
定数Ｋ０の値を仮定すると、電圧ｖ ｉ＝Ｋ１ （ Ｉ
２＋Ｋ Ｉ ｏ ）のベクトルが図示のように画ける。

このとき電圧Ｖａの値を仮定すると、電圧ｖａおよびＶ
ｔ Ｖ ａのベクトルが図示のように画ける。

電圧ｖ３とＶ ｉ − Ｖａの位相差が±θ以内である
のは図示の角度θおよびーθが一定となる円弧イおよび
口で囲まれる範囲であり、この範囲内に電圧Ｖａがある
と電圧ＶａとＶ ｉＶ ａの位相差が±θ以内であるの
で、検出回路８が動作する。

■２＋ＫＩｏが変化しても電圧Ｖｉが■２＋ＫＩｏに比
例して変化するので、電圧Ｋ１を弦とする第７図ｂと同
様の円弧図形範囲内にあれば動作する。

図ａのように複素定数の積Ｋ１Ｋ’を弦とする同様の図
形範囲内にあるとき動作する。

以上のように（８）式のインピーダンスＺｂｃに応動ず
る継電器は公知の距離継電器に用いられるものと同様の
検出器８を用いて実現し得る。

而して、対称座標法により公知のように電流■１はａ相
基準の正相電流）で表わされるので、第１図に示す系統
条件では電流Ｉ’ｂｃおよび■“ｂｃは（ｉａ），（２
ａ）式および電流”Ｌｂｃが零であるので次のようにな
る。

但し、■′Ｆ１，１′Ｆ２：ＢＦ間電流故障電流分の正
相分、逆相分、■“Ｆ１ｙ Ｉ“Ｆ２：ＡＢ間電流故障
電流分の正相分、逆相分、■“ＬｔｔＩ“Ｌ２：ＡＢ間
電流負荷電流分の正相分、逆相分 （１試で負荷電流分■“ＬｂｃはＦ点故障の発生前の３
相平衡状態で流れる電流なので、逆相分電流■“Ｌ２は
零となり、次のように表わされる。

第１図の系統条件でのｂｃ相２相地絡時の対称分等価回
路は第１１図に示される。

図は正相インピーダンスと逆相インピーダンスを等しい
ものとしたもので（一般に用いられる近似である）、第
１図の同一部分に対応する部分は同一記号で示す。

また、Ｚ１Ａ，Ｚ１Ｂ，Ｚ′ｏ，Ｚ″ｏ，ＺｏＢ，Ｚｏ
Ａはインピーダンスである。

図より明らかなように ＊ｂｃ相２相地絡時には故障点
では正相電流、逆相電流および零相電流の和が零である
ので、故障点電流がそのまま流れるＢＦ間電流では次の
関係が成立する。

Ｉ’Ｆ １二−（■′Ｆ２＋■′Ｆｏ）・・・０２）但
し、■′Ｆｏ二ＢＦ間故障電流分の零相分Ｔ〃 但し、■“Ｆｏ二ＡＢ間故障電流分の零相分とし、正相
インピーダンスと逆相インピーダンスの差を無視すると
、 の関係も成立するので、電流■“Ｆ１は（１２） ，
（１３）および（１３ａ成より となる。

したがって（１）式の電圧ｖｂｏは（９） ， ０υ，
（１ツおよび（１３ｂ）式より ｃｏ，Ｃ１は系統構成が定まれば運転状態に少々の変化
があっても保護区間事故ではそれほど変化器配置から、
（８）式の■２，■ｏは各々■″！Ｆ，■“ＯＦに等し
いので、（８）式で表わされるインピーダンスは、 となる， で表わすと、 ヒータンスを見る。

ここでで表わし、その一般的傾向を示すと第８図に示す
如くなる。

Ｚ″１およびＺ′１は送電線のインピーダンスであり、
抵抗分が少なくインダクタンス分が大部分である。

Ｚ″１はＲ−Ｘ図上に図示するようなぼ同相なので、Ｚ
″１とほぼ同一ベクトル方向で且つＣ１が１より小さい
ためＺ′，に対して充分大きい。

ぼ直角位相のため、Ｚ″１とほぼ直角位相差を示し、図
示の位相又は図示とは逆位相となる。

第１図に示す電力系統において、Ｂ，Ｆ間距離距離に比
例してＺ′，が大きくなり、Ｚ′１にほぼ比例ここで（
１試を変形すると、０３）および（１３ａ）式の関係か
ら 第１１図の関係から （４ （２Ｉ’ｐ２＋Ｉ’ｐｏ ）＝Ｃ１（ Ｉ’Ｆ２
Ｉ’ＦＩ ）・・（１７ｂ）また、第１１図で、母
線Ｂの故障前の正相電圧をＥＢｔとするとテブナンの定
理により、となる。

したがって（１７ａ）式はまた、母線Ａの背後電源の正
相電圧をＦＡＩとすると （１７ｇ）および（１７ｈ）式から（１６）式のＺ”ｔ
Ｌはとなる。

（１７ｉ）式でＥＡｔ ＥＢｔは故障前の母線八の背
後電源と母線Ｂの間の負荷電流による正相電圧降下であ
り、母線Ｂの故障前の正相電圧ＥＢｔに対して十分小さ
い。

の場合には、 となって、？！１ＬはＺ″１に対して十分小さい。

また、乙Ｌか大きく、例えばｌＺ″１Ｌｌ＝ＩＺ″１１
となる場合は てＺ″１Ｌより十分大きい。

このようにＺ“１Ｌはいかない。

以上のようにしてｚ／ｂ ｃａｔ系統インピーダンスと
大差ない角度であり、且つより遠い事故に対してはより
大きなりアクタンス分を見てより遠い事故として判断す
る。

また相手端母線（第１図に示すＢ）付近の事故でＺ′１
が殆んど零のときには乙のりアクタンス分をほぼ正確に
測定する。

これは距離継電器としてきわめて好しい特性である。

Ｚｂｃ一ダンスであり、第７図ａの動作範囲で距離の遠
近を検出し得る。

すなわち、公知の距離継電器と同様に図示動作範囲の整
定値（ Ｋ１Ｋ’の値）に応じて遠方事故（Ｚｂｏの値
が大きい）では動作せず、近い事故（Ｚｂｃの値が小さ
い）で動作するようにすることができる。

また常時の負荷状態では、負荷電流中の逆相および零相
成分は無視可能であり、電圧Ｖｂｏは定格状態であるた
め、（８）式より明らかなようにＺｂｃは無限大に近く
、誤動作の虞れがない。

このための事故発生の検出が容易である。このように本
発明装置は従来装置にない幾多の特徴を有する。

上述では、第４図によりｂ，ｃ相に対する場合であるが
、同様の装置がｃ，ａ相およびａ，ｂ相に設けられるか
、または故障相選別継電器により入力の相をｃ，ａ相お
よびａ，ｂ相に対応した相に切換えることによって各種
の相に生じた２相事故の保護に使用される。

このように本発明では、保護対象２相の相間電圧に関連
する電圧と逆相電流および零相電流の合成電気量との相
関関係に継電器を応動させて二相事故のみを保護するよ
うにしているので、３相事故を保護する能力はない。

しかし最近の主幹系統の主保護継電装置は、各相位相な
ど各相ごとに設けられて、各々の相のしゃ断器にしゃ断
を指令するように構成されており、またしゃ断器も各相
別個の機構で動作するようになっているので、３相事故
を生じてもどの相もしゃ断されずに３相事故のまま残る
ことは確率的に殆んどなく、特別の支障はない。

以上のように本発明は３相電力系統の保護対象２相（例
えばｂｃ相）の相間電圧ＶΔ（例えばＶｂｃ）の逆相電
流■２および零相電流■。

の合成量により常時負荷状態で誤動作することなく、保
護対象２相の故障では遠方の故障をリアクタンス分の大
きいすなわち遠方の故障と判断し且つ相手母線Ｂの付近
の事故ではほぼ正しく故障点までのリアクタンスを検出
し得る距離継電装置を提供するものである。

なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施例のみに限定
されず、以下述べる如くその一部を変形しても前述同様
にして実施できるものである。

即ち、第９図は、第４図に示す逆相零相合成回路の変形
例を示すもので、第４図と同一部分には同一記号を付し
てその説明を省略する。

１１は電流電圧変換器で、■ｂおよび■。

で変換され、次に示すような出力電圧Ｖｌｌを生ずる。

したかって、合成出力Ｖｔは、 ？なって逆相零相の合成出力が得られる。

また、前記では検出回路８として第６図に示すものを用
いたが、２つの交流電気量ＶｂｏおよびＶｌの比ｖｂｏ
／ｖｉに応動ずる種々の手段が第６図の実施例に限らず
通常の距離継電器で公知であり、これら公知の手段を用
いて、公知の種々の特性の距離継電器を得ることができ
る。

さらに前述の第４図ではｂ，ｃ相継電器の入力電圧とし
て継電器設置端子のｂ，ｃ相間電圧■ｂｏを加えたが、
これを種々補償して加えることができる。

第１０図はこのような補償方法の一例で、１２は電流電
圧変換器である。

この変換器１２は電流■ｂおよび■。

で付勢され、次のような出力電圧ｖ１を生ずる。

Ｖ１２＝ Ｚ″１（Ｉｂ一Ｉ。

） ・”（２０）図のようにＶ１２と■ｂ
ｏか合成され Ｖ ｂｃ −Ｖｂｃ ＋ Ｖ１２ ＋＋
・（２１）が得ら；ｔｚ Ｖ’ｏｏをｖｂｏの代りに
検出回路８に加える。

■１を対称分で表わすと、となるので、第１図の故障条
件では（９）式よりとなり、Ｖ′ｂｏを入力とすること
により継電器の見るインピーダンスは０５）式のＺ″１
の項が消えてとなる。

（２４）式は負荷電流の影響が全くなくなり且つＺｂｏ
がほとんど完全に系統インピーダンス角と等しくなるこ
とを示している。

これはＺ”ｌＬの影響が比較的大きいものでも第７図の
ような特性で測距性能が正確に得られ、別にモー特性の
継電器などと組合せる必要のあるリアクタンス特性とし
たり、多角形特性など回路構成の複雑な特性とする必要
がなくなる。

以上述べたように本発明によれば、逆相電流と零相電流
の合成電気量と保護対象相聞電圧との比の関係に応動ず
るようにしたので、負荷電流の影響が除外され、事故検
出および距離の判定を容易に行なうことができる保護継
電装置が提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は遠方後備保護用距離継電器が設置された電力系
統図、第２図は第１図に示す電力系統においてｂ，ｃ相
に二相事故を生じた場合の電流べクトル図、第３図は距
離継電器が見るインピーダンスを示すＲ−Ｘ図、第４図
は本発明による保護継電装置の一実施例を示すブロック
回路図、第５図は同実施例と組合されたしゃ断器制御回
路図、第６図は第４図に示す検出回路の一例を示す回路
図、第７図は同実施例における距離継電器の動作特性図
、第８図は同じく二相事故におけるインピーダンスの関
係を示すベクトル図、第９図および第１０図は本発明の
他の実施例の一部をそれぞれ示す回路図、第１１図は第
１図の系統条件でのｂｃ相２相地絡時の対称分等価回路
図である。 ４〜？，１１，１２・・・・・・電流電圧変換器、８・
・・・・・検出回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ３相電力系統の電圧・電流より、逆相電流■２と零
   相電流■。 との合成量■２＋ＫＩｏ（但し、Ｋは０以外の複素定数
   ）に対応した出力を得る第１の手段と、２相間の相間電
   圧ＶΔに対応した出力を得る第２の手段と、前記合成量
   ■２＋ＫＩｏに囲内にあるか否かに応じて出力を変化さ
   せる第３の手段とよりなることを特徴とする保護継電装
   置。