JPS5920260B2 - 変圧器保護継電装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は変圧器保護継電装置にかかわり、特に変圧器の
内部故障時の高速動作能力をそこなうことなく、シかも
変圧器励磁突入時には確実にロックをかけて誤動作を生
じない変圧器保護継電装置に関するものである。

一般に変圧器保護のためには、従来第１図に示す比率差
動継電方式が最も代表的に用いられている。

第１図において１は被保護変圧器、２，３はこの変圧器
の電源側、負荷側に挿入された変流器、４はしゃ断器、
５は電源、６は比率差動継電器である。

第１図においていましゃ断器４を投入して保護対象変圧
器１を無負荷励磁した場合、いわゆる励磁突入電流（イ
ンラッシュ電流）■ｅＸが電源５から流入し、このため
電源側変流器２の二次側に電流ｉｅｘが流れて見かけ上
変圧器内部故障と同じ差動動作出力が発生し、比率差動
継電器６を誤動作させる場合がある。

このインラッシュ対策としては従来から種々の対策がと
られているが、以下にその例を説明する。

（１）シーケンス的にインラッシュによる誤動作をさけ
る第２図による方法。

第２図はトリップ回路図であり、図において４ａはしゃ
断器４の閉時閑のパレットスイッチ、７はタイマで、７
ａはその動作時閉接点、６ａは比率差動継電器６の動作
時閉接点である。

すなわちしゃ断器投入時に発生するインラッシュをさけ
るため、インラッシュ電流が消滅する時間まであらかじ
めしゃ断器４に設けたパレットスイッチ４ａにより作動
するところのタイマー７によって比率差動継電器のトリ
ップ回路をロックしてお（、すなわち比率差動継電器６
の出力接点６ａを上記タイマーの接点７ａによって所定
時間Ｔロックしておく。

（２）比率差動継電器６の動作時間を遅くして、インラ
ッシュの消滅を期待する方法。

（３）変圧器中性点側にＣＴを設けて差動回路を作動せ
しめ、かくして原理的にインラッシュ電流の影響を受け
ないようにする方法。

（４）インラッシュ電流波形が第３図のごとき特有の形
状を有していることを利用し、インラッシュ電流波形に
含まれる第２高調波を検出するなどの方法によりインラ
ッシュ電流であるか否かを判定し、かくしてもしインラ
ッシュ電流と判定された場合に比率差動継電器６の動作
をロックする。

以上に示したごとき従来の方式はそれぞれ効果を発揮し
ているが、いずれの場合もこのインラッシュ対策を施し
たために比率差動要素そのものの動作速度を殺してしま
うか、保護能力を一部犠牲にしている。

このことを次に説明する。まず（１）の方法、すなわち
シーケンス的にさける方法は、確かに常時の運転中に変
圧器故障が発生すれば比率差動継電要素そのものの速度
で動作するため、１ ｃ／ｓ以下の高速度化も可能であ
る。

しかし変圧器投入と同時に内部故障が発生した場合第２
図のタイマー７で強制的にＴ時間だけ動作がロックされ
るため、比率差動継電要素が動作してもトリップできず
、変圧器を焼損させる恐れがある。

このタイマ一時間Ｔはインラッシュ継続時間以上に整定
する必要があるためかなり長い時間（数百サイフルル数
千サイクル）ロックをかけておかなければならない。

（２）の方法においては、いうまでもなく高速動作は不
可能である。

（３）の方法は第４図のごとく、単巻変圧器８（Ｃ相分
）の中性点側に変流器９を挿入するもので（第４図にお
いてＡ相のみ記述しているがＣ相、Ｃ相も同様である）
、原理的にインラッシュ電流の影響も、タップチェンジ
ャーによるタップ変動の影響も受けないため高感度、高
速度形の比率差動継電器が得られる。

ところが層間故障が原理的に検出できないため比率差動
継電器としては完全なものとはいえない。

（４）の方法、すなわちインラッシュ波形特有の現象を
利用する場合には、第５図のごとき回路が用いられる。

第５図において、しゃ断器投入によるインラッシュ電流
が発生した場合には、インラッシュ波形判定要素１０が
波形観測をするために必要な１ｃ／ｓ以上（インラッシ
ュ波形の前半における半サイクルは、第７図に示すよう
に、故障電流である正弦波と何ら区別はつかず、後半の
半サイクルを見てはじめてインラッシュ電流と判定でき
るため、原理的にｌｃ／ｓ以上の判定時間が必要）の時
間の後に第６図のごとき判定出力１００を出力する。

したがって、比率差動継電要素６の出力６０はタイマー
１１によってタイマー出力１１０のごとく（第６図）Ｔ
１だけ遅延されている必要がある。

すなわち、このときは第６図のごとく比率差動継電要素
６の出力６０はインヒビット回路１２によってインヒビ
ットされ、インヒビット出力１２０は変化せず、誤動作
は防止される。

なお第７図は第５図の方式における故障時の動作波形で
ある。

前記のインラッシュ波形判定要素１０としては、インラ
ッシュ電流中基本波成分以外に第２高調波成分が多く含
まれていることから、一般に電流中の第２高調波成分と
基本波成分の比率によって判定を下す方法（第２高調波
抑制方式）が採用されている。

すなわち、この第２高調波抑制方式というのは、電流中
の第２高調波成分の基本波成分に対する割合が一定の値
（例えば１５％）を越えた場合、前記電流がインラッシ
ュ電流であると判断し、インラッシュ波形判定要素１０
が出力１００を出して、継電器にロックをかける方式の
ことである。

以上説明してきたように（１）〜（３）の方法は前記の
如くインラッシュ対策のためにかなり特性が犠牲にされ
ているため、現在では比較的良好な方法である第（４）
の方法が広く用いられている。

しかし最近の変圧器は経済設計される機運にあり、変圧
器鉄心量を少なくするため変圧器鉄心の飽和磁束が低（
なり、鉄心が飽和しやすいものとなってきている。

その結果としてインラッシュ電流中の第２高調波成分が
減少する傾向にあり、このため上記第２高調波抑制方式
では十分に対処できないケースが増加してきた。

そこでもつと確実にインラッシュ電流を判定しインラッ
シュ電流による変圧器保護継電装置の誤動作を防止する
ことが望まれるようになった。

本発明の目的は、上記のごとき従来方式の欠点ヲ除き、
インラッシュ電流で誤動作しない継電装置を提供するこ
とである。

上記の目的は変圧器故障時にはほとんどなく、インラッ
シュ時にのみ発生するところの電流波形の大巾なとぎれ
が繰り返すことに着目し、この現象を検出して、その判
定出力で継電器にロックをかけることによって達成され
る。

本発明の詳細を以下に説明する。

まず、インラッシュ発生時のインラッシュ電流波形につ
いて述べておく。

第８図ａは変圧器が接続された系統の等何回路で、第８
図すはインラッシュが発生した時の現象図を示す。

第８図中ｅは電源、Ｘｔは電源とラインのインピーダン
ス、Ｘｔは変圧器の励磁インピーダンス、Ｓはしゃ断器
、Ｉｅ又は電流、■は変圧器端子電圧、φは変圧器鉄心
の磁束である。

第８図ａにおいて、しゃ断器Ｓを投入した時、変圧器鉄
心の磁束φは変圧器端子電圧Ｖより９０°位相が遅れて
いるため、Ｓを投入する前の変圧器鉄心の残留磁束がＯ
とすると、第８図すに示すようにφは１＝０でＯから立
上がる。

変圧器鉄心の飽和磁束をφｍとすると、変圧器は磁束φ
がφｍになる時点（１＝１１）で飽和する。

変圧器が飽和すると変圧器の励磁インピーダンスＸｔは
小さくなるため、大きな電流Ｉｅｘが流れる。

その後φがφｍ以下になる時点（１＝１２）で、変圧器
は飽和しなくなるため変圧器の励磁インピーダンスＸｔ
は再び大きくなり電流Ｉｅｘは流れなくなる。

このようにインラッシュ時は電流Ｉｅｘに大巾なとぎれ
（電流が流れていない期間）をもっており、これが繰り
返し発生することになる。

すなわちインラッシュ電流Ｉｅｘは変圧器が飽和してい
る期間だけ流れる図示のようになる。

経済設計された変圧器は、変圧器の鉄心量を少なくした
もので、このため変圧器鉄心の飽和磁束φｍが低くなり
、鉄心が飽和しやすくなる。

鉄心が飽和しやすくなると、第８図すで鉄心が飽和して
いる期間が長くなるため、インラッシュ電流Ｉｅｘの通
電角（電流が流れている期間）が広がってくる。

インラッシュ電流の通電角が広がってくると、インラッ
シュ電流中の第２高調波成分は減少して（る。

第２高調波成分は故障電流中にもある程度（一般的には
基本渡分の１０係以下）含まれるため、従来の第２高調
波抑制方式では、限界に来ている。

しかし、このように変圧器が飽和しやすくなっても、変
圧器が飽和することにより、インラッシュ電流Ｉｅｘに
とぎれが生じることに変わりはない０ 本発明は、この点に着目して経済設計された変圧器のイ
ンラッシュでも確実に判定して、誤動作のない変圧器保
護継電装置を提供するものである。

第９図は本発明になる変圧器保護継電装置の一実施例を
示すブロック図である。

第９図において、変圧器端子電圧と変圧器両端子間の差
動電流との比を検出する比較回路１３の出力１３０は矩
形波変換回路１４を介してオア回路２２に入力される。

さらに変圧器端子電圧は矩形波変換回路２０、ＮＯＴ回
路２１を介して、オア回路２２のもう一方の端子へ入力
される。

オア回路２２の出力２２０は、一定時限（Ｔ２）遅延せ
しめる時限回路１５、一定時限（Ｔ３）信号をホールド
させる時限回路１６を介してインヒビット回路１７のイ
ンヒビット端子に入力される。

比率差動継電要素６の出力６０は、インヒビット回路１
７のもう一方の端子へ入力される。

そして差動電流がある一定値以上（普通定格電流の数倍
から数十倍程度であり、インラッシュ電流による差動電
流では動作しない値）になった時、瞬時に動作するとこ
ろの瞬時継電要素１８の出力１８０と、インヒビット回
路１７の出力１７０とはオア回路１９に印加され、オア
回路１９はトリップ信号６ａを出力する。

以上のごとき構成を有する保護継電装置の動作は以下の
ごときである。

まず変圧器運転時あるいは投入時に変圧器内部重故障が
発生した場合には、瞬時継電要素１８が動作して瞬時に
トリップ信号が出力される。

つぎに変圧器投入時のインラッシュ電流発生の場合を、
第１０図に示す。

インラッシュ電流は図示のようにとぎれた波形が周期的
に繰り返すため、変圧器端子電圧（Ｖ）とインラッシュ
電流（Ｉ）との比を検出する比較回路１３の出力１３０
を受ける矩形波変換回路１４の出力１４０は、周期的に
矩形波を発生する。

また変圧器端子電圧（Ｖ）を受ける矩形波変換回路２０
の出力２００は、変圧器が投入されてから信号を出す。

この出力２００を受けるＮＯＴ回路２１の出力２１０と
、前記矩形波変換回路１４の出力１４０とをオア回路２
２に導入しているため、オア回路２２の出力２２０は変
圧器が投入されてから周期的に矩形波を発生する。

つまり変圧器端子電圧の有無を判定する矩形波変換回路
２０を設けているのは、比較回路１３の出力１３０が変
圧器端子電圧の負極波から正極波への反転時に一瞬の間
レベルを切るので、矩形波変換回路１４の出力１４０は
その部分が欠けた周期的矩形波となるが、この欠けた部
分を出力２１０で埋めるためのものである。

この出力２２０に出力が出てからＴ２時限後に時限回路
１５に出力１５０が出て（る（この時限Ｔ２はインラッ
シュ電流特有のとぎれた波形を判定するためのもので例
えばＴ２を電気角で６０度程度に選ぶ）。

ここで、計器用変圧器（第１３図２３に相当する）の設
置場所によっては変圧器端子電圧の位相が差動電流に対
してズしてくる。

その場合、出力１４０において欠ける部分も位相ズレに
伴なって変わり時限回路１５の時間Ｔ２との協調が取れ
な（なる恐れがある。

しかし、上述したように出力１４０と出力２１０のオア
出力２２０によりインラッシュ電流の判定を行なってい
るので変圧器の端子電圧と差動電流の位相ズレで誤動作
することはない。

出力１５０がＯになっても時限回路１６の時限Ｔ３（矩
形波を連続化させるためのもので、１サイクル程度）に
よって、出力１６０は引延ばされ、連続化した信号とな
る。

このためインラッシュ電流で比率差動継電要素６の出力
６０が出力を出していても、インヒビット回路１７の出
力１７０は０となるため誤まってトリップ信号６ａを出
すことはない。

つぎに変圧器運転時に変圧器内部故障（瞬時継電要素１
８が動作しない故障）が発生した場合を第１１図に示す
。

この場合内部故障発生すると、電圧が小さくなり、差動
電流が生じるため、電圧と差動電流の比を検出する比較
回路１３の出力１３０は、小さくなるので、矩形波変換
回路１４の出力１４０はＯとなる。

また変圧器端子電圧を受ける矩形波変換回路２０の出力
２００は、周期的に矩形波を発生する。

この出力２００を受けるＮＯＴ回路２１の出力と、前記
矩形波変換回路１４の出力１４０とを導入しているオア
回路２２の出力２２０は、変圧器内部故障発生後中の狭
い（Ｔ２時時限上り小）パルス出力となるので、時限回
路１５の出力１５０はＯとなる。

内部故障発生後、時限回路１６のＴ３時限後にトリップ
信号６ａを出す。

第１２図は、変圧器投入時に変圧器内部故障（瞬時継電
要素１８が動作しない故障）が発生した場合のタイムチ
ャートである。

第１２図において、内部故障発生すると、電圧は定格電
圧より小さくなり、差動電流が生じるため、電圧と差動
電流の比を検出する比較回路１３の出力１３０は小さく
なるので、矩形波変換回路１４の出力１４０は０のまま
である。

また変圧器端子電圧を受ける矩形波変換回路２０の出力
２００は故障発生後周期的に矩形波を発生する。

この出力２００を受けるＮＯＴ回路２１の出力と前記矩
形波変換回路１４の出力１４０とを導入しているオア回
路２２の出力２２０は、内部故障発生後、巾の狭い（Ｔ
２時時限上り小）パルス出力となるので、時限回路１５
の出力１５０は０となる。

内部故障発生後、時限回路１６のＴ３時限後にトリップ
信号６ａを出す。

第１３図は、この発明の具体的な回路図の一例を示して
おり、第９図と同一符号は同一内容を示している。

変流器２゜３を通して変圧器１の高圧側、低圧側信号が
変成器２４，２５．２６に印加されている。

また計器用変圧器２３を通して変圧器１の端子電圧が変
成器２７に印加されている。

更に変成器２６と変成器２７の２次側より比較回路１３
に信号が印加されている。

以上の接続関係の動作は、第９図の実施例の説明により
充分想像のつくものであるから詳細は省略する。

さて、上記実施例で示したインラッシュ電流波形は説明
の便宜上につき代表的な波形例であるが、現実的には変
流器２，３の特性等によって第１４図に示すように減衰
時間の経過と共に正負両極波に振れる波形となる場合も
ある。

このとき電流波形のとぎれだけを検出する何らかの他の
方法だと誤判定する恐れがある。

ところが、この実施例のように電流波形のとぎれを検出
する手段として変圧器端子電圧と差動電流の比を求めれ
ば、第１４図に示すインラッシュ電流波形に対しても誤
判定することなく信頼度の高い変圧器保護継電装置を期
待できることになる。

以下、その理由を詳細に説明する。

まず、電流波形のとぎれだけを検出する方法の従来装置
を第１５図に示す。

同図において２３はＮＯＴ回路で、他の符号は第９図の
同一符号と同一内容を示している。

この従来装置でも、変圧器投入時に通常のインラッシュ
電流が発生した場合（第１０図に対応する）には、第１
６図ａに示すように出力１６０で出力６０を阻止できる
ので誤まってトリップ信号６ａが出されることはない。

また、変圧器運転時に変圧器内部故障が発生した場合（
第１１図に対応する）には、第１６図Ｃに示すようにＴ
３時限後にトリップ信号６ａが出される。

さらに、図示していないが変圧器投入時に変圧器内部故
障が発生した場合（第１２図に対応する）も、第１６図
Ｃの場合と同様にトリップ信号６ａが出されることにな
る。

ところが、変圧器投入時に正負両極波に振れるインラッ
シュ電流が発生した場合には第１６図すに示すようにＴ
３時限後に誤まってトリップ信号６ａが出される。

これは、インラッシュ電流が正負両極波に振れた場合、
電流波形にとぎれがなくなり電流波形のとぎれだけを検
出する方法では、検出不可能になるためである。

第１６図すでも出力１４０に、インラッシュ電流の負極
波に対する矩形波信号が現われるので次段回路が誤動作
してインヒビット信号１６０がＴ３時限後に消滅してし
まい、トリップ信号６ａが誤まって出力されることにな
る。

これに対して、変圧器端子電圧と差動電流の比を求める
ようにすれば、変圧器投入時に正負両極波に振れるイン
ラッシュ電流が発生した場合（第１６図すに対応する）
でも、第１７図に示すように比較回路１３の出力１３０
の点線部の波形が実線の如き滑らかになるだけで、次段
の矩形波回路１４の出力１４０には影響がなく以後、出
力１６０を阻止できる。

つまり、端子電圧と差動電流の比を求めることで信号波
形の歪（例えば、インラッシュ電流が第１４図に示すよ
うに正負両極波に振れた場合）を吸収できるため、端子
電圧、差動電流を直接矩形波に変換する場合に比べて、
入力信号の波形歪の影響を除去できる効果がある。

以上に説明したごとく、本発明になる変圧器保護継電装
置を用いることにより、従来の第２高調波抑制式継電装
置のごとき、経済設計された変圧器でのインラッシュで
も誤動作することのない保護継電装置を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の比率差動継電方式を示す図、第２図は従
来のインラッシュ誤動作防止対策の一例を示す図、第３
図はインラッシュ電流波形図、第４図はインラッシュ対
策不要の従来の比率差動継電器を示す図、第５図は従来
の比率差動継電器のブロック図、第６図および第７図は
第５図の比率差動継電器のタイムチャート、第８図ａは
変圧器が接続された系統の等価回路図、第８図すはイン
ラッシュが発生した時の現象図、第９図は本発明になる
継電装置の一実施例を示すブロック図、第１０図、第１
１図、第１２図は第９図に示した継電装置のタイムチャ
ート、第１３図はこの発明の具体的な回路図例である。 又、第１４図は実際のインラッシュ電流波形の一例を示
す図である。 さらに、第１５図は電流のとぎれを検出する従来の比率
差動継電装置のブロック図、第１６図は第１５図の継電
装置の動作を示す図、第１７図は正負両極波に振れるイ
ンラッシュ電流に対する第９図の継電装置の動作を示す
図である。 図中、１は保護対象変圧器、２，３．９は変流器、４は
しゃ断器、６は比率差動継電要素、１０はインラッシュ
波形判定要素、１１，１５．１６は時限回路、１２．１
７はインヒビット回路、１３は比較回路、１４．２０は
矩形波変換回路、１８は瞬時継電要素、１９，２２はオ
ア回路、２３は計器用変圧器である。 なお、図中同一符号は同一または和尚部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 変圧器の端子電圧と端子間の差動電流との比較値を
   矩形波信号に変換する矩形波変換回路と、上記端子電圧
   の極性反転時に矩形波信号を発生する手段と、この手段
   による矩形波信号と上記矩形波変換回路の矩形波信号と
   の論理和信号に所定の時限を持たせる時限回路と、この
   時限回路の出力によって上記差動電流に応動する差動継
   電要素の出力をロックする手段とを備えた変圧器保護継
   電装置。 ２ 変圧器端子電圧の極性反転時に矩形波信号を発生す
   る手段は、上記端子電圧の有無を判定するする矩形波変
   換回路と、この矩形波変換回路の出力を反転するＮＯＴ
   回路から成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。 ３ 時限回路は論理和信号が所定時限Ｔ２継続して出力
   する第１の時限回路と、この第１の時限回路の出力を所
   定時限Ｔ３維持する第２の時限回路から成ることを特徴
   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
   。