JPS62173932A - 変圧器比率差動継電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 この発明は、変圧器内部に事故が生じたとき、この事故
を検知して変圧器を回路から切り敵し、変圧器を焼損か
ら守る保護継電装置であって、１次電流と、２次ｗ流を
１次側に換算した電流との差の電流が所定値を超過する
とともにこの差電流中に含まれる第２高調波成分の基本
波成分に対する割合が所定値以下のときには変圧器の内
部事故と判定して変圧器を回路から切り離す信号を出力
するとともに前記第２高調波の割合が所定値を超過した
ときは前記差ｉｌ！ｊ流は内部事故ではなく励磁突入電
流によって生じたものと判定して変圧器が回路から切り
離されないよう信号を出力しない変圧器の比率差動継電
装置に関する。

〔従来技術とその問題点〕

比率差動継電器を用いて変圧器を内部事故から保護する
際の基本的な回路構成を第２図１こ示す。

１次側がＹ、２次側がΔに結線された変圧器１の１次側
から流入する三相電流の変流器２次巻線電流をそれぞれ
ｉａ、ｉｂ、ｉｃとしたとき、該変流器の出力′電流が
それぞれ１ａ−ｉｃ　、　１ｂ−４ａ　、　１ｃ−ｉｂ
となりかつ変圧器２次側の変流器出力電流がそれぞれ１
ａ−ｉｃ、　１ｂ−ｉａ。

１ｃ−ｉｂとなるように変流器の２次側を変圧器の７巻
線側はΔに、４巻線側はＹに結線するとともに変流比を
変圧器の変圧比に応じて調整すると、変圧器の正常な運
転時に変圧器１次側の変流器３から比率差動継電器２に
流入する電流と、この比率差動継電器から変圧器２次側
の変流器４へ向かって流出する電流とは大きさが等しく
なるから、比率差動継電器２の動作コイル２ａには電流
が流れず、継電器は動作しない。しかし変圧器内部の、
たとえば同一巻線の層間に短絡事故が生じると、変流器
３から流出する電流と、比率差動継電器（以下継電器と
いう）２から変流器４へ向かって流出する電流の大きさ
とに差を生じ、この差に等しい電流が動作コイル２ａに
流入して継電器２が動作し、遮断器５．６が遮断して変
圧器１を回路から切り離す。

しかしながら、一方、遮断器５を投入して変圧器１を生
かそうとすると、投入位相（変圧器に電流が流れはじめ
る時点の電源電圧波形上の位置）と変圧器鉄心中の残留
磁束の大きさとによっては変圧器１次側に定格負荷電流
の数倍の励磁電流すなわち励磁突入電流が流れる。この
電流は励磁電流であるから変圧器の２次側からは流出せ
ず、１．２次間の差電流として継電器の動作コイルに流
入して継電器を動作させようとする。このときの変圧器
１次側で観測される電流、電圧と変圧器鉄心中の磁束と
の関係を第３図に示す。図においてｅは電源電圧波形、
Ｅｍは電源電圧波高値、ｉは励磁突入電流波形、φｒは
遮断器投入時点における変圧器鉄心中の残留磁束、φＳ
は鉄心の飽和出玉、φｔは禍渡磁束波形、φは定常＠栗
波形、φｍは定常磁束波高値である。図からみられるよ
うに、励磁電流の流れはじめの時点が電源電圧波形の零
点と一致すると、投入後Ｈサイクルの間に磁束は２φｍ
の変化をする。投入時点において変圧器鉄心中に残留磁
束φｒが存在していたとすれば、投入後Ｈサイクルの時
点では磁束はφｒ＋２φｍとなり、鉄心の飽和磁束φＳ
をはるがζこ越え、この結果大きい励磁突入電流を生ず
ることになる。すなわち過渡磁束φｔが飽和磁束φＳを
越えるあたりから突入電流が急に上昇する。

しかし、継電器の動作コイルに流れる電流は励磁電流で
あって事故電流ではないから、継′１器は動作すること
なく変圧器を回路中に接読状態に維持しなければならな
い。このため、従来、励磁突入電流が減衰して変圧器の
１，２次の差電流が継電器の感度以下となるまでの時間
継電器の動作をロックする限時阻止方式や、励磁突入？
Ｊｔｉｔ中には高調波が含まれることから、この高調渡
分を継電器中に設けられた抑制コイルに流し、動作コイ
ルによって駆動されようとする継電器接点の動きを抑制
する高調波抑制方式などが採用されてきた。

この高調波抑制の原理を第４図に示す。図においてｉｄ
は変圧器１，２次間の差電流、】０は差電流ｉｄ中に含
まれる基本波を通過させる基本波通過フィルタ、１】は
基本波を阻止する基本波阻止フィルタ、１２は基本波を
除くすべての高調波に対する全波整流器、１３は同一方
向に整流されたすべての高調波が通過する際に継電器接
点の動きを阻＋ｈ　Ｉ、ようとする抑制コイル、１４は
ａｔ器の動作コイル、１５は以上の１０〜１４を用いて
構成される継電器接点の制御回路に対する後備保護用の
過電流要素である。

現在では、励磁突入電流中に含まれる高調波成分のうち
、第２高調波成分が多く第３高調波以上の成分は少ない
ことに着目して、第２高調波抑制方式の比率差勧継ｔａ
が広く使用さ打ている。この場合の第２高調波抑制比率
すなわち第２高調波成分の波高値が基本波成分波高値の
何％以上となったとき継電器の動作を抑制させるかは、
過去のが採用されている。

最近、変圧器の大容量化、騒音対策、高効率化に伴い鉄
心材料は、冷間圧延硅素鋼板に変わり、高透磁率方向性
硅素鋼板が採用されている。高透磁率硅素鋼板は、従来
の冷間圧延けい素鋼板に比べ、励磁突入電流が大きくな
り、突入電流中の第２高調波成分含有率が低（なる傾向
がある。変圧器使用中Ｉこおけるもっとも過酷な過励母
条件（定格電圧の１１０％）では第２高調波成分含有率
がさらに数％減少する傾向にある。このため、従来のよ
うに第２高調波抑制比率を１５％程度に設定したままで
は抑制力が不足し、誤動作が頻繁にみられるようになっ
た。

そこで、もっとも過酷な過励磁条件時にも誤動作が生じ
ないよう、たとえば （１）低励磁投入 （２）第２高調波抑制比率の現実 などの対策がとられている。ここで、低励磁投入とは、
同一電源電圧に対して鉄心中の磁束密度が最小となるよ
うな巻線タップを用いて投入操作を行なうものであり、
鉄心中に生ずる最高磁束密度が鉄心の９和硫束密兆を越
える時間幅を小さくして、第２高調波成分が従来の第゛
２高調波抑Ｆｔｌｌ比率（１５％）を下まわるような励
磁突入電流を生じさせないようにするものであり、また
、第２高調波抑制比率の変更とは、抑制コイルの設計を
変更して抑制比率を数％下げるものである。

しかしながら、低励磁投入においては、変圧器の２次側
に現オ〕れる電圧が常時の運転電圧と異なることから、
現実にはこの対策の臭性は不可能な場訃を生じ、また可
能でめったとしてもこのような操作が行なわれるという
情報連絡やこの操作に伴う変電所運転上の注意に遺漏が
あってはならず、普遍的な対策とはなり得ないという欠
点がある。

また、抑制比率の変更は、抑制コイルの抑制力を強化す
る変更であるから、変圧器内部事故時の歪み電流により
抑制がかかす、継電器が正動作しないことがある。この
、変圧器内部事故時の歪み電流は、内部事故時の事故電
流たとえば同−巻線内の眉間短絡時の短絡電流中に含ま
れる微小な高調波成分が、最近のように、変圧器に接続
された外部系統に大きい静電容量たとえば地中ケーブル
を含むような場合に強調されることによって生ずるもの
であり、この歪み電流による継電器の不動作゛は変圧器
保護の点から極めて重大な問題である。

また、継電器が不動作とならないまでも、継電器の動作
が遅れる傾向を生ずる。

なお、最近のデジタル形比率差動継電器においては、第
２高調波抑制比率の変更は、第５図における定数にの変
更によって行なっている。すなわち、第６図に示すよう
な励磁突入電流ｆ＋　　（実際には変圧器１次側電流）
を第５図に示すように、変流器加を介して基本波抽出フ
ィルタ２１と第２高調波フイルタｎとに並列に入力し、
それぞれのフィルタにおいて抽出された基本波と第２高
調波とのそれぞれの波高値のレベルをアナログ−デジタ
ル変換器を用いたレベル検出益田によりデジタルｌこ検
出し、この検出されたデジタル量Ｘｆ、Ｘｔを用いてＸ
ｔ／　Ｘｌを計算し、この値があらかじめ設定された第
２高調波抑制比率Ｋを越えると励磁突入電流と判定して
継電器の動作をロックし、遮断器への信号出力を阻止す
る。従って継電器の動作、不動作は、第２高調波成分の
基本波成分に対する比率が、あらかじめ設定された第２
高調波抑制比率により小さいか、大きいかのみｌこより
きまり、従来のアナログ形継電器のように、継電器の動
作。

不動作をきめる抑制コイルを必要としないから、内部事
故時の継電器動作に時間遅れはなく、この点では従来の
アナログ形比率差動継電器の欠点が除去されていること
になる。しかＬ１第２高調波抑制比率Ｋを下げて励磁突
入電流時の誤動作を避けようとすると、この抑制比率の
設定の仕方によっては、内部事故時の歪波形中に含まれ
る第２高調波成分が抑制比率により大きくなり、継電器
が内部事故時に不動作きなるおそれがある。

〔発明の目的〕

この発明は、比率差動継電器における前記従来の欠点す
なわち第２高調波抑制比率を下げたときに生ずる、変圧
器内部事故時の動作時間のおくれや不動作を生ずること
なく広い範囲にこの抑制比仁を自在に変えつる比率差動
継電装置を提供することを目的とする。

〔発明の要点〕

まず、この発明の原理につき説明する。

励磁突入電流の現象は、変圧器鉄心中の磁束が飽和した
ときに鉄心中の大量の磁束が時間的に変化しなくなり、
従って飽和後は鉄心に巻かれた巻線が空心リアクトルと
して作用することにより、励磁電流が飽和点以降急速に
大きくなる現象である。一方、変圧器鉄心中の磁束が飽
和していないときには、鉄心中の大量の磁束が時間的に
変化して変圧器巻線は著しく大きいりアクタンスを示し
、励磁電流の大きさは実質的に零に近くなる。第７図に
この励磁突入電流に対して調波分析を行なりた結果を示
す。図は第２高調波に対する分析結果を示すが、第７図
において、横軸は、第参図に示すように、励磁突入電流
が発生している時間Ａを１サイクル中の′ボ気角で表わ
したものである。この時間Ａは？Ｊ、８図に示すＦｉ’
Ｌ束密度の波形が飽和磁束密度Ｂｓを超過している間の
時間幅へと実質的に同一である。第７図からみられるよ
うｔこ、突入電流発生時間Ａが長いほど、すなわち磁束
の飽和時間幅へが広いほど第２高調波の含有率は小さく
、飽和時間幅へが狭くなるほど第２高調波の含有率は大
きくなる。すなわち、突入電流はその発生時間Ａと波高
値とを増して大きいループを画くほど第２高調波の含有
率は小さくなり、逆に小ループを画くときには第２高調
波の含有率は大きくなる性質をもっており、第２高調波
の含有率は、結局、第９図に示すＡ、Ｂの割合によって
きまることになる。

一方、一般に、保護継電器が監視対象とする電流の波形
において、励磁突入電流のように、電流値が実質的に零
となる区間を有するような電流が存在しうるかをみてみ
ると第１０ないし１３図のようになる。第１０図は系統
において生ずる事故電流だとえ゛ば短絡電流の波形を示
す。この波形は、短絡発生時点の電圧位相により、減衰
する直流分を含んで非対称波形となることもあるが電流
の零値区間を生ずることはなく、シかも通常は短絡が電
圧の零値において発生することは極めて少ないから、短
絡電流の波形は図のような対称波形となる。第１】図は
負荷電流であって、この負荷電流波形は、小容量の変圧
器に対して比較的大きい非線形負荷がかかりているとき
には歪むこともあるが、本発明が対象とする、少なくと
も送電用変電所の場合には図のような対称波形を示す。

しかし、いずれの場合にも電流の零値区間は生じない。

第１２図は変圧器内部事故たとえば同−巻線内の層間短
絡時の短絡電流の波形を示す。すでに述べたように、変
圧器に接続された外部系統中に、地中ケーブルのような
大きな対地静電容量が存在していると、短絡電流中の高
調波が強調され、これにより図のように電流波形に歪み
を生ずることがある。しかしこの場合にも電流の零値区
間は生じない。第１３図は励磁突入電流の波形である。

このように系統の運転周波数を有する電流のうち、明瞭
な零値区間を有する電流は励磁突入電流のみであり、従
ってこの零値区間の幅を検出することによって励磁突入
電流であることを判定することができる。また、この零
値区間の幅と第２高調波含有率との間には第７図１こ示
すような関係が存在することから、本発明は、変流器に
よって寧゛り出された変圧器１次側電流と２次側電流と
の差の電流を一定の微小時間間隔、たとえば運転周波の
１周期の数十分の１の時間間隔でサンプリングし、サン
プリングされた電流を時系列的につぎつぎに比較しなが
ら差が連続（、て実質的（こ苓となるサンプリングの数
をカウントし、このカウントされたサンプリング数が所
定値以上となったとき１こ継電器の動作を抑制しあるい
は出力信号を阻止するようにして前記の目的を達成しよ
うとするものである。

〔発明の実施例〕

第１図に本発明に基づいて構成される変圧器比率差動継
電装置の回路構成の一実施例を示す。変流器３と変流Ｓ
４とによりそれぞれ摩す出された変圧器１次測電流と２
次側電流上の間に差が生じると、この差電流は動作コイ
ル２ａを介してアナログ−デジタル変換回路（以下Ｎの
変換回路と記す）３１に入力される。この〜の変換回路
は後段のマイクロコンピュータ３２により一定の微小時
間間隔たとえば電気角度にして６の間隔で前記差電流を
サンプリングするように制御され、サンプリングした電
流値をデジタル化して後段のマイクロコンピュータ３２
に入力する。マイクロコンピュータ３２内では入力され
たに流値をつぎつぎに比較して差をさせる。この差が所
定値を越えるとそれまでのカウント数を消去し、ふたた
び差が所定値以下となる時点からカウンタを歩進させる
。このようにしてカウント数が所定値に等しくなった時
点、すなわち第９図における時間幅Ｂの所定値が得られ
た時点でマイクロコンピュータ３２から継電装置の出力
信号を阻とする信号が出力される。この信号はたとえば
サイリスタ関のゲートに導かれてサイリスタをオンさせ
、サイリスタと直列に接続された補助開閉基調の動作コ
イル３４ａを励むして、本発明のｇ電装で５における第
２の接点を構成する補助接点３４ｂを開路させる。従っ
て変圧器１次側電流と２次側ＲＲ，との差のｔ　Ｒ，が
所定値以上となって動作コイル２ａにより第１の接点３
５ａが閉成されても、この接点閉成には、第２の接点３
４ｂの動作時間すなわち第２の接点に開放指令が与えら
れてから接点が開放されるまでの時間より運転周波の１
サイクル以上長い時間を要するようｌこ時間設定がなさ
れているから、第２の接点３４ｂはすでに開路されてお
り、このため、遮断器の引外しコイル％には引外し電流
が流れず、遮断器は投入状態に保持される。

このように、比率差動継電器における第２高調波抑制比
率を励磁突入１！流の零値区間の時間幅に置き換え、こ
の時間幅を検出することにより継電器の出力信号を阻止
することができ、従来のような、高調波Ｗ流によって動
作する抑制コイルを省略することができるから、ｆｘｚ
高１波抑制比率を下げたときの変圧器内部事故時の継電
器の動作時間のおくれや継電器の不動作を生ずることが
なくなり、内部事故時の継電器動作に影響を与えること
なく、第２高調波抑制比率を自在に設定することが可能
になる。

なお、上述の実施例においては、継電器の出力信号を阻
止する第２の接点３４ｂとして補助開閉器の接点すなわ
ち補助接点を用いているが、この補助接点を用いる代わ
りに動作コイル３４ａを従来の抑制コイルとして作用さ
せても継電器の動作を抑制することができる。このとき
は、抑制コイルの抑制力は変圧器の１次側電流と２次側
電流との差電流ではなく、変電所の制御電源母線Ｐ、Ｎ
から得られる一定の直流電流によって得られるから、差
電流の波形の影響をうけることなく常に確実な動作抑制
が可能ｔこなる。

なお、上述の実施例において、設定された第２高調波抑
制比率すなわち電流零値区間の時間幅Ｂが小さいと、励
磁突入電流の波高値近傍においては電流値の時間変化が
小さいことから、マイクロコンピュータ３２に入力され
るデジタル量をつぎつぎに比較して差を求め、この差が
所定値以下である間はカウンタを連続して歩進させて所
定時間幅に到達したか否かを検出するのみでは、所定の
電流零値区間幅が得られたと誤認するおそれがある。

従って時間幅Ｂを小さく設定したいときには、マイクロ
コンピュータに入力されるデジタル量の絶対値がたとえ
ば変圧器の定格負荷電流の加％以下のときのみカウンタ
の歩進が可能となるよう、デジタル量の絶対値を判別し
た結果と前記デジタル量の比較すなわち差計算から得ら
れた判別結果との論理和によりカウンタの歩進をきめる
ようにすれば、極めて広い範囲に第２高調波抑制比率を
設定することが可能になる。

なお、第１図に示す補助開閉器の接点すなわち第２の接
点３４ｂは図のように袢数設けることができるから、こ
れらの接点を、変圧器に接続された回路に設けられた過
電流継電器や、系統が直接接地系統である場合の変圧器
中性点側に設けられた保護継電器の接点と直列に設けれ
ば、励磁突入電流時の誤動作を避けることが可能になり
、変電所運転の円滑化に寄与することができる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、 （１）第２高調波抑制比率を励磁突入電流の零値区間幅
に置き換え、この幅が所定値以上であるか否かを検出す
ることにより、変流器を介して得られた変圧器１次側電
流と２次側電流との差電流が励磁突入電流により生じた
ものか否かを判定するようにし、従来のような、高調波
電流によって動作する抑制コイルを省略したので、零値
区間幅を広範囲に変えても、変圧器内部事故時に事故電
流中に含まれる歪み電流による継電器動作の時間おくれ
や不動作などが生ぜず、変圧器内部事故を第２高調波抑
制比率と無関係に常に正常に処理することが可能になる
。

（２）変流器を介して得られた励磁突入電流の波形は、
変流器鉄心の飽和現象により第１４図のように零点がシ
フトすることがあるが、電流零値区間の検出にはサンプ
リングして得られた電流値の差を用いているから、この
零点のシフトには関係なく、正しい検出が可能である。

（３）変流器を介して得られた変圧器１次側電流と２次
側電流との差の電流が変圧器の励磁突入電流によるもの
であるか否かの判定が、変圧器の運転周波数の１サイク
ル内における電流零値区間幅を検出して行なわれるから
、判定時間が１サイクルすなわち運転周波数が５０　Ｈ
ｚのときは２０ｍ８．６０Ｈｇのときは１６．７　ｍ８
の短時間となり、従来方式における約３０ｍ５と比較し
て著しく短縮されるから、内部事故時の継電器動作時間
の許容下限値をさらに短縮して変圧器の保護効果を高め
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に基づいて構成される変圧器の比率差動
継電装置の実施例による回路構成図、第２図は従来の比
率差動継電器の動作原理を説明する、変圧器を含む全体
回路図、第３図は変圧器１次側に励磁突入電流が流入し
たときの変圧器１次側の電流、電圧と変圧器鉄心中の磁
束との関係を示す説明図、第４図は励磁突入電流中の高
調渡分を用いて継電器の動作を抑制する、高調波抑制の
原理を説明する要部回路図、第５図は現在実用されてい
るデジタル形比率差動継電器の動作原理を示す機能ブロ
ック図、第６図は第５図の継電器に入力される励磁突入
電流の波形図、′ＩＭ７ないし９図は本発明の詳細な説
明するための線図および波形図であって、第７図は、励
磁突入電流が発生している１サイクル中の時間と第２高
調波戚分の含有率との関係を示す図、第８図は励磁突入
電流が発生している時間または零値区間の幅を説明する
ための鉄心中磁束の大きさの関係を示す波形図、第９図
は励磁突入電流が発生している１サイクル中の時間Ａと
電流の零値区間幅Ｂとの定義を示す波形図である。第１
０ないし１３図は変圧器に流れる運転周波電流の種類を
示す波形図、第１４図は変流器鉄心が飽和したときの変
流器２次電流の零点のシフトを示す波形図である。 １・・・変圧器、２・・・比率差動継電器、１０・・・
基本波通過フィルタ、１１・・・基本波阻止フィルタ、
１３・・・抑制コイル、１４・・・動作コイル、２１・
・・基本波抽出フィデジタル変換回路、３２・・・マイ
クロコンピュータ、あ・・・補助開閉器、３４ｂ・・・
第２の接点、３５ａ・・・第１の接点、１００・・・比
率差動継電装置。 ・？・。 ｌ斗ノア人、□’ｒ、’Ｌと　ＸｌＪ　　１＝ン　　　
　　ヱカ≧−パ′　− 第２図 第３図 １１（１トン良罫）ｋｌレフ 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）１次電流と、２次電流を１次側に換算した電流との
   差の電流が所定値を超過するとともにこの差電流中に含
   まれる第２高調波成分の基本波成分に対する割合が所定
   値以下のときには変圧器の内部事故と判定して変圧器を
   回路から切り離す信号を出力するとともに前記第２高調
   波の割合が所定値を超過したときは前記差電流は内部事
   故ではなく励磁突入電流によって生じたものと判定して
   変圧器が回路から切り離されないよう信号を出力しない
   変圧器の比率差動継電装置であって、該継電装置が、前
   記差電流が所定値を超過したときに閉成される第１の接
   点と、前記差電流中に含まれる第２高調波成分の基本波
   成分に対する割合が所定値を超過したときに開放される
   第２の接点とを直列に備えるとともに第１の接点の動作
   時間が第２の接点に開放指令が与えられてから開放され
   るまでの時間より回路の運転周波の１サイクル以上長く
   なるように設定され、かつ、前記第２の接点の開放が、
   前記差電流波形を回路の運転周波の１サイクルより十分
   小さい一定の微小時間間隔でサンプリングし、該サンプ
   リングされた電流を時系列的につぎつぎに比較しながら
   差が連続して所定値以下となるサンプリングの数をカウ
   ントし、このカウントされたサンプリング数が所定値を
   超過したときにはじめて生ずる指令によって行なわれる
   ことを特徴とする変圧器比率差動継電装置。