特許 5989136 大きな電磁気変動から電力変圧器を保護する方法および装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5989136

(24)【登録日】2016年8月19日

(45)【発行日】2016年9月7日

(54)【発明の名称】大きな電磁気変動から電力変圧器を保護する方法および装置

(51)【国際特許分類】

   H02H 7/04 20060101AFI20160825BHJP

   G01R 31/00 20060101ALI20160825BHJP

   H01F 41/00 20060101ALN20160825BHJP

【ＦＩ】

   H02H7/04 A

   G01R31/00

   !H01F41/00 F

【請求項の数】19

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2014-554993(P2014-554993)

(86)(22)【出願日】2013年3月17日

(65)【公表番号】特表2015-513881(P2015-513881A)

(43)【公表日】2015年5月14日

(86)【国際出願番号】US2013032734

(87)【国際公開番号】WO2013162777

(87)【国際公開日】20131031

【審査請求日】2014年7月23日

(31)【優先権主張番号】61/687,459

(32)【優先日】2012年4月25日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】13/736,927

(32)【優先日】2013年1月8日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】514185909

【氏名又は名称】アドヴァンスト パワー テクノロジーズ，インコーポレーテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100094112

【弁理士】

【氏名又は名称】岡部 讓

(74)【代理人】

【識別番号】100106183

【弁理士】

【氏名又は名称】吉澤 弘司

(74)【代理人】

【識別番号】100170601

【弁理士】

【氏名又は名称】川崎 孝

(74)【代理人】

【識別番号】100187964

【弁理士】

【氏名又は名称】新井 剛

(72)【発明者】

【氏名】ホフマン，ゲリイ，アール．

(72)【発明者】

【氏名】クオン，エドワード，エス．

(72)【発明者】

【氏名】カイ，ホン

【審査官】 赤穂 嘉紀

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１２／０１２５１７（ＷＯ，Ａ２）

【文献】 特開２０１０−１２４６２３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｈ ７／０４

Ｇ０１Ｒ ３１／００

Ｈ０１Ｆ ４１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

（ａ）入力巻線と、（ｂ）負荷に結合されることが意図される少なくとも１つの出力巻線と、（ｃ）グランドに戻される中性線とを有する変圧器を保護するシステムであって、前記変圧器が電磁条件にさらされるとき、過剰な電流が中性線内を流れ、前記変圧器のコアを飽和させる可能性があり、保護システムが、
（ａ）以下では「Ｉ_Ｎ」と呼ぶ、前記中性線内を流れる電流のレベルを感知し、所定の時間枠よりも長い間にわたってＩ_Ｎのレベルが所定の値より上にあるかどうかを判定し、この条件が生じたとき、第１の信号アラームを生成する回路と、
（ｂ）前記負荷に結合された前記出力巻線内を流れる電流の選択された偶数高調波および奇数高調波を感知し、選択された高調波を処理して、事前選択された持続時間にわたって、コア飽和を示す前記高調波に関する一定の関係が存在するかどうかを判定し、それに対応する高調波ステータス信号を生成する回路と、
（ｃ）第２のアラーム信号を生成する、前記第１の信号アラームおよび前記高調波ステータス信号に応答する回路と
を含むシステム。

【請求項2】

負荷電流のレベルを感知し、前記負荷電流レベルが所与の値より上にあり、前記第２のアラーム信号が存在する場合、第３のアラーム信号を生成する回路をさらに含む請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記第１、第２、および第３の信号が、視覚アラームまたは可聴アラームの少なくとも一方を含む請求項２に記載のシステム。

【請求項4】

前記負荷内を流れる電流の前記高調波を感知する前記回路が、アナログ−デジタル変換器と、選択された偶数高調波および奇数高調波を生成するフーリエ信号プロセッサと、コア飽和を示す前記奇数高調波と偶数高調波との間の一定の所定の関係が存在するかどうかを判定する手段とを含む請求項１に記載のシステム。

【請求項5】

各偶数高調波および隣接する次の高次奇数高調波が、対応する比較器に印加され、前記偶数高調波が所定の量だけ前記隣接する次の高次奇数高調波を超過するとき、信号が生成される請求項４に記載のシステム。

【請求項6】

それぞれの前記対応する比較器が設定可能タイマに結合され、偶数高調波が事前設定された時間枠にわたって所定の量だけ次の隣接する高次奇数高調波を越えるとき、高調波ステータス信号が生成される請求項５に記載のシステム。

【請求項7】

選択された偶数高調波および奇数高調波を感知する前記回路が、前記少なくとも１つの出力巻線に結合された変流器を含み、負荷が前記出力巻線に接続される請求項１に記載のシステム。

【請求項8】

前記中性線内を流れる電流のレベルを感知する前記回路が、前記中性線内を流れるＩ_Ｎを測定するホール効果装置を含む請求項１に記載のシステム。

【請求項9】

前記負荷電流レベルを自動的に低減する、前記負荷に結合された、前記第３のアラーム信号に応答する手段を含む請求項２に記載のシステム。

【請求項10】

負荷電流のレベルおよび前記変圧器の温度を感知し、前記第２のアラーム信号が存在する場合、かつ前記負荷電流レベルが所与の値より上にあり、または前記変圧器の温度が所定の時間枠にわたって所与の温度より上にある場合、第３のアラーム信号を生成する回路をさらに含む請求項１に記載のシステム。

【請求項11】

負荷電流のレベルを感知し、前記負荷電流レベルが所与の値より上にあり、前記第２のアラーム信号が存在する場合、第３のアラーム信号を生成する回路をさらに含み、前記変圧器の温度を感知し、前記変圧器温度が所定の値より上にある場合、臨界温度信号を生成し、前記第３のアラーム信号が存在する場合、第４のアラーム信号を生成する回路をさらに含む請求項１に記載のシステム。

【請求項12】

負荷電流のレベルを感知し、前記負荷電流が所定のレベル未満である場合、前記第２のアラームの生成を抑制する回路をさらに含む請求項１に記載のシステム。

【請求項13】

入力電圧を受ける入力巻線と、負荷に結合されることが意図される出力巻線とを有する電力変圧器であって、グランドに戻される中性線をも有し、過剰な電流が中性線内を流れ、変圧器のコアを飽和させる可能性がある電力変圧器と、
前記変圧器のコアが飽和しているかどうかを判定し、前記変圧器を保護する回路であって、
（ａ）前記中性線内を流れる電流（Ｉ_Ｎ）のレベルを感知し、所定の時間枠よりも長い間にわたって（Ｉ_Ｎ）が所定の値より上にあるかどうかを判定し、次いで、この条件が生じたとき、第１の信号アラームを生成する回路と、
（ｂ）前記負荷内を流れる電流の選択された高調波を感知し、選択された高調波を処理して、コア飽和を示す偶数高調波および奇数高調波に関する一定の関係が存在するかどうかを判定し、その持続時間が事前選択された時間を越える場合、それに対応する高調波ステータス信号を生成する回路と、
（ｃ）第２のアラーム信号を生成する、前記第１の信号アラームおよび前記高調波ステータス信号に応答する回路と
を備える回路と
を備えるシステム。

【請求項14】

負荷電流のレベルを感知し、前記負荷電流レベルが所与の値より上にあり、前記第２のアラーム信号が存在する場合、第３のアラーム信号を生成する回路をさらに含む請求項１３に記載のシステム。

【請求項15】

前記負荷電流のレベルを低減するために前記負荷を制御する前記第３のアラーム信号に応答する回路をさらに含む請求項１４に記載のシステム。

【請求項16】

負荷電流のレベルおよび前記変圧器の温度を感知し、前記第２のアラーム信号が存在する場合、かつ前記負荷電流レベルが所与の値より上にあり、または前記変圧器の温度が所定の時間枠にわたって所与の温度より上にある場合、第３のアラーム信号を生成する回路をさらに含む請求項１３に記載のシステム。

【請求項17】

負荷電流のレベルを感知し、前記負荷電流レベルが所与の値より上にあり、前記第２のアラーム信号が存在する場合、第３のアラーム信号を生成する回路をさらに含み、前記変圧器の温度を感知し、前記変圧器温度が所定の値より上にある場合、臨界温度信号を生成し、前記第３のアラーム信号が存在する場合、第４のアラーム信号を生成する回路をさらに含む請求項１３に記載のシステム。

【請求項18】

（ａ）入力巻線と、（ｂ）負荷に結合されることが意図される少なくとも１つの出力巻線と、（ｃ）グランドに戻される中性線とを有する変圧器を保護するシステムであって、前記変圧器が電磁条件にさらされるとき、過剰な電流が中性線内を流れ、前記変圧器のコアを飽和させる可能性があり、保護システムが、
（ａ）以下では「Ｉ_Ｎ」と呼ぶ、前記中性線内を流れる電流のレベルを感知し、Ｉ_Ｎのレベルが所定の値より上にあるかどうかを判定し、それを示す第１の信号を生成する回路と、
（ｂ）前記負荷に結合された前記出力巻線内を流れる電流の選択された高調波を感知し、選択された高調波を処理して、コア飽和を示す前記高調波に関する一定の関係が存在するかどうかを判定し、それに対応する高調波ステータス信号を生成する回路と、
（ｃ）負荷電流のレベルを感知し、前記負荷電流のレベルが所与の値より上にあるかどうかどうかを判定し、それを示す第２の信号を生成する回路と、
前記第１および第２の信号ならびに前記高調波ステータス信号のうちの選択されたものに応答する、前記信号の選択されたものが所定の時間枠よりも長い間にわたって存在するときにアラーム信号を生成する手段と
を含むシステム。

【請求項19】

前記中性線内を流れる前記電流（Ｉ_Ｎ）が所定の時間枠よりも長い間にわたって所定の値より上にあるとき、第１のアラーム信号が生成され、前記第１の信号が存在し、コア飽和を示す前記高調波ステータス信号が存在し、前記負荷電流が第１のレベルより上にある場合、第２の信号が生成される請求項１８に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｒｅ Ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ ｄｕｅ ｔｏ Ｇｅｏｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｃｕｒｒｅｎｔｓに関する２０１２年４月２５日出願の仮出願第６１／６８７４５９号の優先権を主張する。

【0002】

本発明は、電力変圧器の接地中性線内の過大な直流（ｄｃ）問題に関する（図１および２参照）。

【背景技術】

【0003】

電力変圧器の周りに大きな電磁気変動があるとき、過大なｄｃ電流が電力変圧器の接地中性線内を流れる可能性がある。電力変圧器のコアが飽和することがあり、過大なｄｃ電流の持続時間および変圧器に印加される負荷に応じて、電力変圧器が損傷し、または破壊されることがある。したがって、本発明の一態様は、大きな電磁気変動による電力変圧器のコア飽和を検出する方法および装置に関する。

【0004】

大きな電磁気変動は、例えば、地磁気嵐、さらには核爆発の結果として生じる可能性がある。例として、黒点活動による太陽フレアまたは太陽嵐は１１年周期に従う。太陽フレアまたは太陽嵐は１１年ごとに強度が増大し始め、周期が始まった後の３から５年間に頂点に達する。これらの嵐は、世界中の通信および電力システムに影響を及ぼす可能性がある。太陽フレアは、太陽陽子現象、または「コロナ質量放出」（ＣＭＥ）と呼ばれる、高荷電コロナ粒子のクラウドを放出し、それは宇宙空間を高速で移動する。クラウドが地球の大気の方向である場合、これらの粒子は、地球の大気内に捕らえられ、アースに接続された任意の装置への直流（ＤＣ）を引き起こす可能性がある。さらに、数百マイルの高電圧線が、太陽フレアからの電磁パルスを世界の電力グリッド上の数千の変圧器に引き寄せるアンテナのような働きをする。吸収されたエネルギーにより、多くの変圧器が焼損する可能性があり、その結果、配電システムの破壊または損傷、および焼損した変圧器を交換するコストを含む多くの経済的損失が生じる。

【0005】

アースと、アース（グランド）に電気的に接続された任意の電力装置（例えば、変圧器、モータ、および発電器）との間の電位差により、地磁気誘導電流（ＧＩＣ）とも呼ばれることのある直流（ＤＣ）が流れる。電力変圧器の中性線がグランドに接続される場合、中性線内を流れるＧＩＣの大きさは、電力変圧器のアース接続内を流れる数アンペアから数百アンペアまで変動する可能性があり、電流は、数分から１時間超まで持続する可能性がある。グランドに戻る中性導線を有する電力変圧器の場合、中性導体に沿って流れる／搬送されるＧＩＣ（Ｉ_ＮＤＣとも呼ばれる）により、変圧器コアが飽和する可能性がある。

【0006】

ＧＩＣに対するコア飽和に関する確率は変圧器の設計に依存し、単相、５脚コア、およびシェル型設計が最も影響を受けやすい。通常、こうしたタイプの変圧器は、電力システムで最大のものであり、コア飽和が生じた場合、システム信頼性に対する最大の危険をもたらす可能性がある。三相コア型設計は影響を受けにくいが、高ＧＩＣレベル（例えば、１００アンペア超）ではやはり飽和することがある。

【0007】

ＧＩＣによるコア飽和は、電力変圧器が必要な定格電力を負荷に送達することができなくなるので、極めて望ましくない。さらに、および変圧器タンク内の導線および金属構成要素で渦電流を誘導する漂遊フラックスのために、局所的な加熱および全般的な過熱が生じることになる。そのような条件が、負荷を低減することなく持続することが許される場合、それにより、電力変圧器の破滅的な障害となる可能性があり、それが配電システム全体に影響を及ぼす可能性がある。

【0008】

電力変圧器のＤＣ中性電流（「Ｉ_ＮＤＣ」）を監視し、電流の振幅を使用して、電力変圧器によって搬送される負荷を除去または軽減するかどうかを判断することが知られている。しかし、Ｉ_ＮＤＣはコア飽和が実際に生じているかどうかを正確に予測しないので、もっぱらＩ_ＮＤＣのレベルを感知することに依拠することには問題がある。コア飽和を引き起こすＩ_ＮＤＣのレベルを正確に予測するように変圧器をモデル化することは非常に困難である。ＧＩＣに等しいＩ_ＮＤＣのレベルだけが使用される場合、負荷を与えることが早すぎ、または遅すぎるような誤った判断を変圧器オペレータが行う可能性がある。複数のユニットが過剰なＧＩＣの流れを示している場合は特に、負荷を与えるのが早すぎると、システムにひずみが加えられることになる。実際には、変圧器に悪影響があることがあったとしても、ほんの少数である。しかし、負荷を十分に速やかに除去しないと、過熱のために破滅的な装置損傷が生じることがあり、それによって、変圧器の絶縁システムの誘電体完全性が損なわれる可能性がある。

【0009】

コア飽和を判定するために別の方法を使用することは、信頼性が証明されていない。例えば、Ｉ_ＮＤＣを監視することなく、高電圧巻線、低電圧巻線、および三次巻線上のＲＭＳ電流内の高調波を測定することは、コア飽和を判定するための信頼性の高い方法ではない。その理由は、ＧＩＣに関連する特定の高調波が変圧器設計に応じて変動する可能性があることである。いくつかの電力変圧器設計は、ＧＩＣにさらされるとき、その高調波スペクトルが様々であり、高調波がＧＩＣの結果であるのか、それとも変圧器の負荷またはその供給源からのものであるかを判定することが極めて困難になる。さらに、変圧器コアが飽和していないとしても、ＧＩＣの大きさに比例する無効電力（ＶＡＲ）潮流が常にあるので、変圧器コアが飽和したか否かを判定する手段として無効電力潮流を検査することは、１００パーセント信頼できるわけではない。

【0010】

したがって、大きい電磁気変動の結果として電力変圧器がコア飽和を受けているときを確実に判定することに問題が存在する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

したがって、本発明は、ＧＩＣによる電力変圧器のコア飽和をより確実に検出する方法および装置を対象とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明を実施するシステムは、入力巻線と、少なくとも１つの出力巻線と、中性線への大電流を引き起こす電磁気条件が存在するとき、グランドに戻る中性線とを有する変圧器を保護する手段を含む。保護システムは、（ａ）変圧器の中性線内の直流（ＤＣ）レベル（「Ｉ_ＮＤＣ」または「ＧＩＣ」）を感知し、所定の時間枠よりも長い間にわたってＧＩＣレベルが所定の値より上にあるかどうかを判定し、この条件が発生した場合、第１のアラーム信号を生成する感知手段と、（ｂ）負荷に接続された変圧器出力（または入力）巻線に存在する電流の高調波を感知し、高調波を処理して、所与の時間枠にわたって所定の基準を示すかどうかを判定し、ＧＩＣが所定の時間枠にわたって所定のレベルを超え、事前選択した時間枠にわたって高調波が所定の条件を示すとき、第２のアラーム信号を生成する回路手段とを含む。

【0013】

高調波を処理する回路は、選択した偶数高調波および奇数高調波を比較して、それが所定の関係を有するかどうかを判定する様々な回路を含むことができる。

【0014】

本発明を実施するシステムはまた、負荷レベル（例えば、負荷電流レベル）を感知し、高調波およびＩ_ＮＤＣまたはＧＩＣが、第２のアラーム信号の生成を引き起こす値を有するとき、負荷レベルが所与の値より上にある場合、第３のアラーム信号を生成する手段をも含むことができる。

【0015】

本発明を実施するシステムはまた、第２または第３のアラーム信号条件に応答して、負荷を自動的に制御する（例えば、低減する）手段をも含むことができる。

【0016】

本発明を実施することにより、電力変圧器装置のオペレータおよび所有者は、そのシステムの動作に関してより良い決定を行うことができ、緊急対応策を実施して、負荷を処理すると同時に、貴重で高価な電力変圧器が損傷を受けることから救うことができる。

【0017】

原寸に比例しない添付の図面では、同様の参照文字が同様の構成要素を示す。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】典型的なデルタ−ワイ接続の巻線を示す従来技術の電力変圧器の簡略化した概略図である。

【図2】典型的なデルタ−ワイ接続された電力変圧器の接地中性線内の地磁気誘導電流（ＧＩＣ）の流れを示す簡略化した概略図である。

【図3】変圧器コアが飽和したときに変圧器の出力巻線上に存在する非常にひずんだ波形を示す波形図である。

【図4】変圧器コアが飽和したときに変圧器の出力巻線上に存在することがある高調波の一部を示すチャートである。

【図5】本発明を実施する保護回路の詳細な準ブロック準概略図である。

【図6】本発明を実施する保護回路の簡略化した準ブロック準概略図である。

【図7A】図５および６の回路と共に使用される変圧器温度回路の略図である。

【図7B】図５および６の回路と共に使用される変圧器温度回路の略図である。

【図8】本発明を実施する際に使用される高調波信号を処理する代替回路のブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

上記のように、太陽嵐／フレアにより、通常よりも大量の高エネルギー電磁場および大量の高荷電コロナ粒子が地球に向かって進む。高荷電コロナ粒子が地球の大気に入ったとき、配電システムの破壊の確率が高くなる。電力システムの破壊のレベルは、地球の大気で捕らえられた荷電粒子の地理空間関係と、これらの粒子が所与の時間枠よりも長い間にわたって所定のレベルを超えるＧＩＣ（Ｉ_ＮＤＣ）を電力変圧器の接地中性線に誘導するのに十分なエネルギーを有するかどうかとに依存する。変圧器に対する荷電粒子の効果は、地球上のその位置に応じて異なる。効果は非常に局所化され、現在のところ、地球上のどこで最高の影響が生じるかを予測する方法はない。したがって、本発明の機能は、変圧器のオペレータおよび所有者に、そのシステムが悪影響を受けている場合、どこに位置するとしても、アラームを与えることである。

【0020】

図１に、例として「デルタ」接続として構成することのできる高電圧１次側（Ｐ１）と、例として「ワイ」接続として構成することのできる巻線を有する２次側（Ｓ１）とを有する電力変圧器ＸＦＲを示す。２次は、３相巻線（Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３）と、中性線１２を介してアース・グランドに接続された中央接続１１とを有する。

【0021】

巻線は、高ケイ素鋼の積層コアの周りに巻くことができる。変圧器の通常の動作の下では、中性導線内を流れるゼロ電流がある（すなわち、ゼロ・シーケンス成分はない）。しかし、（１）相間に不均衡があり、その結果中性脚内のＡＣ電流が生じる場合、（２）数百サイクル内に一般に崩壊するＤＣオフセットを有する、相から相、または相から中性への障害がある場合、あるいは（３）主にＤＣ電流であるＧＩＣの流れを引き起こす大きな電磁気変動がある場合などの一定の条件下で、電流が変圧器の中性脚内を流れる可能性がある。

【0022】

相−グランド障害がある場合、その大きさが障害のインピーダンスに依存する多量のゼロ・シーケンス成分があることになる。相−グランド障害下では、電流波形が非常にひずむことがあるが、著しい時間枠にわたって持続するＤＣ成分または低次高調波を含むことはまれである。

【0023】

しかし、著しい電磁気変動が生じたとき、数アンペアから数百アンペア以上に及ぶことのある、図２に示されるようなＤＣ電流（Ｉ_ＮＤＣまたは「ＧＩＣ」）が、変圧器の中性線１２内を流れる。変動により、ＧＩＣが数分から１時間以上にわたって流れる可能性がある。ＧＩＣの大きさが十分に大きい場合、変圧器のコアが、部分的にはコア内に存在するフラックスに依存する多量の漂遊フラックスのために飽和し始め、漂遊フラックスは、変圧器負荷の関数であり、変圧器の損傷を引き起こす。変圧器コアが飽和したとき、タイ・プレート、タンク壁、巻線、および存在する他の金属構成要素内の渦電流を誘導する漂遊磁束のために加熱が増大する。変圧器がその定格レベルまたはその近くで負荷がかけられる場合、最終的な結果は、変圧器がこれらのレベルで著しい過熱で動作することになり、変圧器の絶縁システムの誘電体完全性が失われ、変圧器の障害が生じる。

【0024】

ＧＩＣの大きさそれ自体は、変圧器コアが飽和を受けているという決定要因ではないことがある。しかし、コアが飽和を受けるとき、「相導線」とも呼ばれる出力（２次）巻線上のＡＣ波形が、図３に示されるように非常にひずみ、高調波信号を生成する。コア飽和の実際の範囲を確認するために、出力巻線上に存在する高調波を検出および解析することを使用できることを本出願人らは理解した。

【0025】

コアが飽和したとき、偶数高調波のレベルの著しい増大があることも本出願人らは理解した。電磁気変動のためにコア飽和が生じたとき、図４に示されるように、偶数高調波は常に隣接する（高次）奇数高調波よりも大きくなることも本出願人らは理解した。すなわち、２次高調波は３次高調波よりも大きくなり、４次高調波は５次高調波よりも大きくなり、以下同様である。したがって、本発明を実施するシステムは、「偶数」高調波と、隣接する高次「奇数」高調波との間の一定の関係を解析および処理する回路を含む。

【0026】

したがって、本発明を実施するシステムおよび回路（図５および６参照）は、変圧器の中性線内を流れる電流（ＧＩＣ）の振幅を感知し、負荷電流内に存在する高調波の性質を検出する。図面では、出力巻線に変流器を接続することによって負荷電流を感知し、潜在的に危険な飽和コア条件が存在するかどうかを確認する（しかし、このことは、１次巻線に反映される高調波を感知することによって行うこともできる）。

【0027】

図５では、変圧器Ｔ１の接地中性線１２がホール効果変換器１０１に結合され、中性線内を流れるＤＣ電流レベル（Ｉ_ＮＤＣまたは「ＧＩＣ」）が感知される。あるいは、直列に接続された抵抗器を使用し、発生する電圧を感知することによって電流レベルを測定することができる。ホール効果変換器１０１は、正および負の電流をどちらも検出し、測定したＤＣ信号の絶対量を表す信号を生成するように設計される。ホール効果変換器１０１が、絶対量増幅器／フィルタ１０３の入力に接続され、絶対量増幅器／フィルタ１０３の出力が、所定のＤＣ電流しきい値レベル１０６でバイアスされる比較器１０５の入力に印加される。しきい値レベル１０６は、変圧器設計に基づいて選択される。増幅器１０３からの信号の大きさが、比較器１０５に印加されるしきい値レベル１０６を超えるとき、比較器出力は状態を変更し（例えば、Ｈｉｇｈとなり）、過剰なＧＩＣ条件を示す。したがって、ホール効果センサ（例えば、１０１）などのＤＣ電流センサの使用によってＧＩＣ（すなわち、Ｉ_ＮＤＣ）のレベルを検出し、中性線内のＤＣ電流を測定することができる。あるいは、変圧器の中性線終端と直列の分路抵抗器（図示せず）の両端間の電圧を測定することによってＧＩＣを求めることができる。

【0028】

持続するのが数分未満である過剰なＧＩＣ（すなわち、Ｉ_ＮＤＣ）レベル（しきい値１０６の超過を引き起こすもの）は、一般には問題ではない。しかし、数分を超えて持続する過剰なＧＩＣレベルが主な問題であり、それに対処する必要がある。したがって、比較器１０５の出力がタイマ回路１０７に供給され、タイマ回路１０７の機能は、過剰なＧＩＣ条件が所定の時間枠（ｔＤ）を超えて持続する場合にのみ、状態を変更する（例えば、Ｈｉｇｈとなる）ことである。過剰なＧＩＣ条件の持続が所定の時間枠（ｔＤ）未満である場合、タイマ回路１０７の出力は状態を変更しない。しかし、過剰なＧＩＣ条件が所定の時間枠（ｔＤ）を超えて持続する場合、タイマ回路１０７の出力が状態を変更し、著しい大きさおよび持続時間のＧＩＣ条件が生じていることを示す第１のアラーム信号（マイナーＧＩＣアラーム）を生成する。この第１の信号（マイナーＧＩＣアラーム）を使用して、変圧器が変圧器の中性線内の過剰なＧＩＣ条件にさらされているという可聴または視覚アラートを変圧器の所有者／オペレータに与えることができる。

【0029】

本発明の別の態様は、変圧器の出力巻線ＸＦＲの選択されたものの中の相電流を測定する回路を含む（上記のように、１次巻線を見ることによって高調波感知を行うこともできる）。図５および６では、出力相導線巻線Ｘ１の周りに接続された電流変換器２０１が示されている。相導線上の負荷電流を感知するのに使用される電流変換器２０１は、ブッシングＣＴの２次導線を介して接続されたスプリット・コア変流器（ＣＴ）でよい（これは単に例であり、他の既知の電流感知方式を使用できることに留意されたい）。スプリット・コアＣＴ２０１の２次は増幅器／フィルタ２２１に接続され、増幅器／フィルタ２２１は、適切にフィルタ処理されない場合に誤りが生じる可能性のあるサンプリング・レートより上の周波数をなくすのに使用されるフィルタリング回路を含む。

【0030】

アナログ信号である増幅器／フィルタ２２１の出力は、高精度アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器２２３に印加され、Ａ／Ｄ変換器２２３は、信号をサンプリングし、信号をアナログ領域からデジタル領域に変換する働きをする。サンプリング後のデジタル同等物が回復されると、高速フーリエ変換技法を使用してそれを処理し、波形内に存在する個々の高調波を導出することができる。

【0031】

式［１］は、基本周波数ｆ（ｔ）に対してサンプリングされた波形に含まれる個々の高調波を抽出するのに使用される式である。

【0032】

【数1】

上式で、ｆ（ｔ）は信号の基本周波数、
ｆ_ｋ＝ｆ（ｋΔｔ）、Δｔ＝１／（ｍ×ｆ（ｔ）） ［２］、
ｎ＝基本周波数ｆ（ｔ）の整数高調波、
ｍ＝検査すべき基本周波数の最大整数高調波、および
ｋ＝別個のサンプル。

【0033】

例として、第５高調波ｍ＝５および基本周波数６０Ｈｚでは、エイリアシングを回避するための最小サンプリング・レートは６００サンプル／秒である。

【0034】

機能ブロック２２３および２２５は、高調波ｈ_２−ｈ_ｎを導出し、ｅ＝２、４、６、．．．、ｍとして、偶数高調波ｈ_ｅ（またはＦ_ｅ）および隣接する奇数高調波ｈ_ｅ＋１（またはＦ_ｅ＋１）を、偶数高調波と隣接する（高次）奇数高調波との比を導出する個々の除算器対に供給する。

【0035】

図５では、Ａ／Ｄ変換器２２３の出力がフーリエ・プロセッサ２２５に印加され、フーリエ・プロセッサ２２５は、負荷信号の２次、３次、４次、５次、６次、および７次高調波（ｈ２、ｈ３、ｈ４、ｈ５、ｈ６、ｈ７）を生成するように設計される。２次および３次高調波が第１の除算器ｄ１に供給され、４次および５次高調波が第２の除算器ｄ２に供給され、６次および７次高調波が第３の除算器ｄ３に供給される。除算器ｄ１の出力Ｏｄ１が比較器Ｃ１に供給され、除算器ｄ２の出力０ｄ２が比較器Ｃ２に供給され、除算器ｄ３の出力Ｏｄ３が比較器Ｃ３に供給される。

【0036】

除算器（ｄ１、ｄ２、ｄ３）の各出力（Ｏｄ１、０ｄ２、０ｄ３）は、奇数高調波（例えば、ｈ３、ｈ５、ｈ７）がその対応する隣接する（低次）偶数高調波（例えば、ｈ２、ｈ４、ｈ６）よりも大きいとき、一定の信号条件（例えば、「低」）を有し、隣接する（低次）偶数高調波（例えば、ｈ２、ｈ４、ｈ６）が隣接する（高次）奇数（例えば、ｈ３、ｈ５、ｈ７）高調波以上である場合、他の信号条件（例えば、「Ｈｉｇｈ」）を有する。

【0037】

次いで、各除算器からの出力（Ｏｄ１、０ｄ２、Ｏｄ３）が、それに対応して番号付けされた比較器（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）の第１の入力に供給される。しきい値信号（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）が、それに対応して番号付けされた各比較器の第２の入力に印加される。（ａ）Ｔ１を求めるための２次高調波と３次高調波の必要な比、（ｂ）Ｔ２を求めるための４次高調波と５次高調波の必要な比、および（ｃ）Ｔ３を求めるための６次高調波と７次高調波の必要な比を設定する回路２３０、２３２、および２３４により、しきい値Ｔ１、Ｔ２、およびＴ３が生成される。

【0038】

各比較器（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）は、対応するタイマ回路（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）に印加され、それをトリガする出力を有する。各比較器（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）は、その入力での偶数高調波（図４参照）がその入力での隣接する奇数高調波よりも所定のレベルだけ大きいとき、その対応するタイマ（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）をトリガする。それが大きい場合、比較器は、状態を変更し、その対応する設定可能ピックアップ・タイマをトリガする。

【0039】

各設定可能タイマ（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）は、タイマ（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）が設定されるフルタイム持続時間にわたってその対応する比較器によってトリガされる場合にのみ、状態を変更する（例えば、Ｈｉｇｈになる）。タイマの時間設定は、ユーザがコア飽和の効果をどれほどの期間無視することができるかに基づく。本明細書および添付の特許請求の範囲では、高調波比ピックアップ・タイマ（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）の出力（ＯＭ１、ＯＭ２、ＯＭ３）を「高調波ステータス信号」と呼ぶことがある。信号ＯＭ１、ＯＭ２、ＯＭ３は、それに対応して番号付けされた２つの入力ＡＮＤゲート（Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３）の入力に供給される。

【0040】

ＡＮＤゲートＧ１、Ｇ２，Ｇ３の第２の入力はすべて、２つの入力ＡＮＤゲートＧ５の出力に接続される。ＡＮＤゲートＧ５の２つの入力は、（１）Ｉ_ＮＤＣが過剰であることを示す第１のアラーム信号（すなわち、マイナーＧＩＣアラーム）が生成されるタイマ１０７の出力、および（２）ＫＩ_ＬＯＡＤが所定の第１の負荷しきい値（Ｔ５）を超えるときに生成されるタイマＭ５からの信号である。ＫＩ_ＬＯＡＤによって表される負荷電流が選択されたしきい値Ｔ５を超えるまで、ゲートＧ５の出力は、ゲートＧ１、Ｇ２、およびＧ３を「ディスエーブル」する。比較器Ｃ５の出力は、２つの入力ＡＮＤゲートＧ５の１つの入力に印加されるタイマＭ５を駆動し、変圧器コアが飽和することがあるとしても、変圧器が軽負荷条件下にある場合、メジャーＧＩＣアラームの生成を抑制するようにその出力を制御する。（軽負荷下での）そのような飽和は、変圧器の動作を危険にさらすことはなく、したがって無視することができる（注：顧客は、Ｃ５およびＭ５を迂回し、マイナー・アラーム信号をゲートＧ１、Ｇ２、Ｇ３の入力に接続することを選ぶことがある）。

【0041】

ＡＮＤゲートＧ１、Ｇ２、およびＧ３の出力が、メジャーＧＩＣアラームとしても識別される第２のアラーム信号が生成される出力２６０を有するＯＲゲートＯＲ１の入力に印加される。メジャーＧＩＣアラームは、過剰なＧＩＣレベルが存在し、変圧器のコアの飽和を明白に示す十分な大きさのＡＣ高調波があること、さらには負荷電流が第１の負荷しきい値（Ｔ５）を超えることを示す。この第２のアラーム信号（メジャーＧＩＣアラーム）を使用して、変圧器が変圧器の中性線内の過剰なＧＩＣ条件にさらされており、変圧器コアが飽和しているという可聴または可視アラートを変圧器の所有者／オペレータに与えることができる。

【0042】

比較器Ｃ４、タイマＭ４、およびＡＮＤ Ｇ４を備える追加の回路を使用して、変圧器コアが飽和するとき負荷電流が高すぎるかどうかを判定し、臨界ＧＩＣアラームとして識別される信号を生成することができる。ＯＲゲートＯＲ１の出力２６０はまた、２つの入力ＡＮＤゲートＧ４の１つの入力に印加される。ＡＮＤゲートＧ４への第２の入力が、タイマＭ４の出力に接続され、タイマＭ４は、負荷電流レベルおよび負荷ピックアップしきい値（Ｔ４）に応答して、比較器Ｃ４によって駆動される。負荷電流（ＫＩ_ＬＯＡＤ）が負荷ピックアップしきい値（Ｔ４）を超える場合、比較器Ｃ４の出力は状態を変更し（例えば、Ｈｉになる）、タイマＭ４を駆動し、負荷電流が所定の時間枠にわたって負荷しきい値Ｔ４を超える場合、その出力を設定する（例えば、ＨＩ）。Ｍ４の出力およびＯＲゲートＯＲ１の出力２６０が、ＡＮＤゲートＧ４の２つの入力に印加される。次いで、（ａ）ＧＩＣレベルが所定の時間枠よりも長い間にわたって高であったことをタイマ１０７の出力が示し、（ｂ）負荷信号の高調波成分がコア飽和を示すことをＯＲゲートＯＲの出力が示し、（ｃ）負荷電流が所定のしきい値より上にある場合、ゲートＧ４は、臨界ＧＩＣアラームと呼ばれることがある出力信号を生成する。

【0043】

したがって、中性線内を流れる電流およびその持続時間を感知し、変圧器の入力線または出力線上に存在する高調波を感知することにより、電力変圧器のコアの飽和を確実に求めることができることが示された。コア飽和が存在すること、およびその持続時間に基づいて、変圧器に対する損傷を防止するために補正処置を取ることができる。上記のように、ＧＩＣによるコア飽和により、非常に大きくなることのある漂遊フラックスを引き起こされるので、これは重要である。大きな漂遊フラックスにより、メジャーが極度に加熱する。異常加熱は２つの問題を引き起こす。（１）漂遊フラックスによるホットスポットの位置での絶縁材料の全般的劣化、および（２）油または絶縁材料内に水がある位置での極度の加熱が、水蒸気に変換される可能性があり、それにより、過度の損傷を与える蒸気圧、および誘電体完全性の破壊が引き起こされること。

【0044】

図６は、図５に示すタイプの回路と、臨界ＧＩＣアラーム条件が生じたときに負荷の低減を自動的に制御するためのフィードバック・ループ（負荷制御に対する第３のアラーム信号）とを含むブロック図である。図６は、（１）第１のアラーム信号を生成するためにＩ_ＮＤＣまたはＧＩＣの振幅およびその持続時間を感知するブロック６０に含まれる回路と、（２）第１のアラーム信号が存在する場合、ＡＮＤネットワーク６３の出力で第２のアラーム信号を生成するために負荷電流（Ｉ_ＮＤＣ）の高調波成分の振幅およびその持続時間を感知するブロック６２に含まれる回路と、（３）第２のアラーム信号が存在する場合、ＡＮＤネットワークＧ４の出力で第３のアラーム信号または臨界アラーム信号を生成するために負荷電流（Ｉ_ＬＯＡＤ）の振幅およびその持続時間を感知するブロック６４に含まれる回路とを含む。図６では、臨界アラーム条件が存在するとき、臨界ＧＩＣアラーム信号が負荷制御モジュール６８にフィードバックされ、負荷が自動的に低減される。

【0045】

コア飽和および流れることのできる大電流により、電力変圧器の温度が一定の臨界値より上に上昇することがある。したがって、臨界値を越えるコア飽和および温度の表示があるとき、アラーム条件を生成することが望ましい。図７Ａおよび７Ｂに、電力変圧器温度と、コア飽和があるかどうかを感知する２つの異なる回路を示す。

【0046】

図７Ａでは、変圧器の温度を直接的または間接的に感知する任意の周知の装置でよい温度センサが、比較器Ｃ６の入力に印加される。比較器Ｃ６への別の入力はしきい温度レベルＴ６である。変圧器の温度がしきい温度Ｔ６を越えることを温度センサが示すとき、臨界温度信号Ｔｃ（例えば、Ｈｉｇｈ）が比較器Ｃ６の出力で生成される。臨界温度信号ＴｃがＯＲゲート７２０に印加される。同時に、負荷ピックアップしきい値（Ｔ４）および負荷電流（ＫＩ_ＬＯＡＤ）が比較器Ｃ４に印加され、出力信号ＯＣ４が生成され、出力信号ＯＣ４は、負荷電流がしきい値Ｔ４より上にあるときの条件（例えば、Ｈｉｇｈ）を仮定する。信号ＯＣ４もＯＲゲート７２０に印加され、図５に示すように、ＯＲゲート７２０の出力は、タイマＭ４に印加される。したがって、（ａ）負荷電流が臨界値（Ｔ４）より上にある場合、または（ｂ）変圧器温度が臨界値（Ｔ６）より上にある場合、Ｍ４の出力ＯＭ４がトリガされる（例えば、Ｈｉｇｈとなる）。メジャーＧＩＣアラームが存在する場合、変圧器温度レベルまたは変圧器負荷電流レベルの関数となる臨界ＧＩＣアラーム信号が生成される。

【0047】

図７Ｂでは、温度センサおよび温度しきい値Ｔ６が比較器Ｃ６に印加され、比較器Ｃ６の出力ＴｃがＡＮＤゲート７２２の入力に印加される。ＡＮＤゲート７２２への別の入力は、図５に示すように、ＡｎｄゲートＧ４の出力であり、その出力は臨界ＧＩＣアラーム信号である。したがって、第３の（臨界ＧＩＣ）アラーム信号が存在し、変圧器の温度が臨界値Ｔ６より上にあるとき、図７Ｂの回路は第４のアラーム信号を生成する。

【0048】

図示した特定の回路は例示のためのものであること、中性線内を流れる電流の振幅を感知し、コアが飽和したときに存在する存在する高調波を感知するための、図示したのとは異なる回路を使用して本発明を実施できること、ならびにアラームは可聴装置および／または電子ディスプレイでよいことに留意されたい。

【0049】

上述の高調波比の使用に加えて、合計偶数高調波ひずみ（ＴＨＤ_Ｅ）と合計奇数高調波ひずみ（ＴＨＤ_Ｏ）の使用を利用して、図８に示す本発明を実装することができる。プロセッサＰ１を介して偶数高調波（ｈ_２、ｈ_４、ｈ_６）を処理し、ＴＨＤ_Ｅを生成することができる。
ただし、

【0050】

【数2】

およびｈ_２、ｈ_４、ｈ_６は、それぞれ２次、４次、および６次高調波である。

【0051】

プロセッサＰ２を介して奇数高調波（ｈ３、ｈ５、ｈ７）を処理し、ＴＨＤ_Ｏを生成することができる。ただし

【0052】

【数3】

およびｈ_３、ｈ_５、ｈ_７は、それぞれ３次、５次、および７次高調波である。

【0053】

次いで、信号ＴＨＤ_ＥおよびＴＨＤ_ＯをプロセッサＰ３に印加して、ＴＨＤ_ＥとＴＨＤ_Ｏを比較し、ＴＨＤ_ＥとＴＨＤ_Ｏの比を処理することができ、得られる比が事前設定したしきい値を越える場合、タイマＭ８を開始することができ、タイマＭ８をゲートＧ８によってゲートＧ５の出力とＡＮＤ演算し、メジャーＧＩＣアラーム信号を生成することができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8】