特許 7412308 保護システム

(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】

(24)【登録日】2023-12-28

(45)【発行日】2024-01-12

(54)【発明の名称】保護システム

(51)【国際特許分類】

   H02H 3/44 20060101AFI20240104BHJP

【ＦＩ】

H02H3/44 D

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2020146132

(22)【出願日】2020-08-31

(65)【公開番号】P2022041099

(43)【公開日】2022-03-11

【審査請求日】2022-10-25

(73)【特許権者】

【識別番号】507250427

【氏名又は名称】日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001829

【氏名又は名称】弁理士法人開知

(72)【発明者】

【氏名】小川 航生

(72)【発明者】

【氏名】細川 雄治

(72)【発明者】

【氏名】守田 俊也

【審査官】宮本 秀一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－５０４６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０１７０６４８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｈ１／００－３／０７

Ｈ０２Ｈ３／３２－３／５２

Ｈ０２Ｈ９９／００

Ｈ０２Ｊ３／００－５／００

Ｈ０２Ｊ１３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

発電所から多相交流により送出されて送電線により送電される各相の電流を計測する複数の電流センサと、
前記発電所と前記送電線との間の電流の流れを遮断可能な遮断器と、
前記複数の電流センサの計測結果に基づいて、前記遮断器を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記複数の電流センサがそれぞれ計測した電流の時間微分の全てが予め定めた第一閾値よりも大きく、かつ、前記電流の零相成分の時間平均の絶対値が予め定めた第二閾値よりも大きい場合に、前記発電所と前記送電線との間の電流の流れを遮断するように前記遮断器を制御することを特徴とする保護システム。

【請求項2】

請求項１記載の保護システムにおいて、
前記制御装置は、前記複数の電流センサがそれぞれ計測した電流の時間微分が前記第一閾値よりも大きく、かつ、前記電流の零相成分の時間平均の絶対値が前記第二閾値よりも大きく、かつ、前記電流の各相の電流値の大きさの比が予め定めた範囲内である場合に、前記発電所と前記送電線との間の電流の流れを遮断するように前記遮断器を制御することを特徴とする保護システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、保護システムに関する。

【背景技術】

【0002】

電気機器の電気的保護装置に関する技術として、例えば、特許文献１には、変圧器を含む交流系統で使用する接地回路であって、（ａ）変圧器の変圧器中性点とアースとの間に接続されるスイッチ集合体であって、（ｉ）前記スイッチ集合体は、第一スイッチ機構と第二スイッチ機構とを備え、前記第二スイッチ機構は前記第一スイッチ機構が前記変圧器中性点における高電圧が原因で損傷するのを保護するようになっており、（ｉｉ）前記スイッチ集合体は、前記第一スイッチ機構および前記第二スイッチ機構の少なくとも一つが開位置にある開位置と、前記第一スイッチ機構および前記第二スイッチ機構の両方が閉位置にある閉位置と、を有し、前記開位置にすると電気的接続とアース接続との間の前記スイッチ集合体を通る経路を遮断し、前記閉位置にすると電気的接続とアース接続とを前記スイッチ集合体を介して接続する経路を確立し、（ｉｉｉ）前記スイッチ集合体は、電子制御入力に応じて動作するようになっており、（ｉｖ）前記交流系統の通常動作時には前記スイッチ集合体は閉位置の状態になっている、スイッチ集合体と（ｂ）前記スイッチ集合体と並列に接続され、前記変圧器中性点と前記アースとの間に接続された遮断部と、を備え、前記スイッチ集合体は、前記電子制御入力を介して前記閉位置と前記開位置との間を移行可能であることを特徴とする、接地回路が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１８－５０４６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記従来技術においては、磁気嵐（太陽風）などによる発生するＤＣ電流、或いは、発生したＤＣ電流により変圧器が飽和することで発生する高調波などが閾値を超えた場合に、電磁障害が発生していると判定してスイッチ集合体を開位置に作動させることで、機器の損傷を回避しようとしている。

【0005】

しかしながら、高調波はＤＣ電流によって変圧器が飽和領域に達しなければ発生しないため、電流値が閾値に到達しない程度のＤＣ電流が発生した場合には、当然ながら高調波も発生せず、スイッチ集合体が作動せずに接地線を介して異常電流が流れ続けることになってしまう。電力系統への電磁障害は場合によっては長時間継続することもあり、電磁障害と判定されない低い電流値の異常電流であっても、長時間流れ続けることによって機器の熱損傷を招いてしまうおそれがある。

【0006】

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、電磁障害をより確実に検知することがきる保護システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、発電所から多相交流により送出されて送電線により送電される各相の電流を計測する複数の電流センサと、前記発電所と前記送電線との間の電流の流れを遮断可能な遮断器と、前記複数の電流センサの計測結果に基づいて、前記遮断器を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記複数の電流センサがそれぞれ計測した電流の時間微分の全てが予め定めた第一閾値よりも大きく、かつ、前記電流の零相成分の時間平均の絶対値が予め定めた第二閾値よりも大きい場合に、前記発電所と前記送電線との間の電流の流れを遮断するように前記遮断器を制御するものとする。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、電磁障害をより確実に検知することがき、機器の損傷をより確実に抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】電力システムの全体構成を概略的に示す図である。

【図2】第１の実施の形態に係る損傷防止制御装置を関連構成とともに抜き出して示す機能ブロック図である。

【図3】損傷防止制御装置の処理内容を示すフローチャートである。

【図4】第２の実施の形態に係る損傷防止制御装置を関連構成とともに抜き出して示す機能ブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

【0011】

＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態について図１～図３を参照しつつ説明する。

【0012】

図１は、電力システムの全体構成を概略的に示す図である。

【0013】

図１において、本実施の形態に係る電力システムは、電力を生成する（すなわち、発電を行う）発電所１００と、発電所１００で生成された電力を需要施設に送電する電力系統１１０と、発電所１００と電力系統１１０とを接続する遮断器１０３と、遮断器１０３の動作を制御する損傷防止制御装置２００とから概略構成されている。電力系統１１０は、所謂、商用電力系統である。

【0014】

発電所１００には、発電を行う発電設備を含む所内回路１０１や、所内回路１０１で生成された電力を変圧して電力系統１１０に出力する変圧器１０２などが設けられている。なお、本実施の形態においては、三相電力を扱う場合を例示して説明する。したがって、変圧器１０２は、例えば、三相変圧器（以降、三相変圧器１０２と称する）である。

【0015】

三相変圧器１０２は、所内回路１０１側に接続される一次巻線１０２ａと、電力系統１１０側に接続される二次巻線１０２ｂとを有している。本実施の形態では、一次巻線１０２ａにΔ結線、二次巻線１０２ｂにＹ結線を採用した、所謂、Δ－Ｙ結線により、所内回路１０１で生成した電力を昇圧して電力系統１１０に供給する場合を例示する。

【0016】

発電所１００と電力系統１１０の間には、発電所１００と電力系統１１０の間の電力の授受を遮断可能な遮断器１０３が配置されている。遮断器１０３は、閉状態においては、発電所１００と電力系統１１０の間の電力の授受（電流の流れ）を許容し、開状態においては、電力の授受（電流の流れ）を遮断する。遮断器１０３の開状態／閉状態の切り換えは、損傷防止制御装置２００により制御される。

【0017】

電力系統１１０の送電線１０４は、発電所１００から送出される三相電力の各相に対応する線路を有している。例えば、本実施の形態では、三相電力がＲ相、Ｓ相、Ｔ相の三相から成るとし、送電線１０４がＲ相電路１０４ｒ、Ｓ相電路１０４ｓ、Ｔ相電路１０４ｔを有するものとする。送電線１０４のＲ相電路１０４ｒ、Ｓ相電路１０４ｓ、Ｔ相電路１０４ｔには、それぞれ、電流を計測する電流センサ１０５（Ｒ相電流センサ１０５ｒ、Ｓ相電流センサ１０５ｓ、Ｔ相電流センサ１０５ｔ）が設けられている。

【0018】

なお、本実施の形態においては、送電線１０４に電流センサ１０５を設けた場合を図示および例示して説明したが、電流センサ１０５は送電線１０４で送電される三相電力の各相の電流を計測可能であれば良く、必ずしも送電線１０４に設置される必要はない。

【0019】

図２は、損傷防止制御装置を関連構成とともに抜き出して示す機能ブロック図である。

【0020】

図２において、損傷防止制御装置２００は、電流センサ１０５の計測結果に基づいて電磁障害を検知し、遮断器１０３を開状態に制御して発電所１００と送電線１０４との間の電流の流れを遮断することで機器の損傷を防止するものであり、微分判定部２１０、直流判定部２２０、時限制御部２３０、遮断器制御部２４０、及び、ＡＮＤ回路２０１，２０２を備えている。

【0021】

微分判定部２１０は、電流センサ１０５で計測された送電線１０４（Ｒ相電路１０４ｒ、Ｓ相電路１０４ｓ、Ｔ相電路１０４ｔ）の各相の電流をそれぞれ微分器２１１ｒ、２１１ｓ、２１１ｔによって微分し、比較器２１２ｒ，２１２ｓ，２１２ｔによって電流の微分値が予め定めた閾値ｘｄ（第一閾値）よりも大きいか否かを判定する。比較器２１２ｒ，２１２ｓ，２１２ｔは、電流の微分値が閾値ｘｄよりも大きい場合には論理値「１」の信号を、小さい場合には論理値「０（ゼロ）」の信号を出力する。電流の微分は、電流の変化率を意味しており、微分判定部２１０では、各相の電流の変化率が予め定めた閾値ｘｄよりも大きいか否かを判定することにより、各相の電流の変化率に異常がないか否かを判定している。

【0022】

ＡＮＤ回路２０１は、微分判定部２１０から入力された各相に対応する信号の論理値について、三相全ての信号の論理値が「１」である場合にのみ論理値「１」の信号を出力し、三相の信号の論理値のうち何れか１つでも「０（ゼロ）」である場合には論理値「０（ゼロ）」の信号を出力する。

【0023】

直流判定部２２０は、電流センサ１０５で計測された送電線１０４（Ｒ相電路１０４ｒ、Ｓ相電路１０４ｓ、Ｔ相電路１０４ｔ）の各相の電流を加算器２２１によって加算することで零相電流を算出し、平均値演算器２２２によって零相電流の平均値を算出し、絶対値演算器２２３によって零相電流の平均値の絶対値を算出し、比較器２２４によって零相電流の平均値の絶対値が予め定めた閾値ｘｉ（第二閾値）よりも大きいか否かを判定する。比較器２２４は、零相電流の平均値の絶対値が閾値ｘｉよりも多き場合には論理値「１」の信号を、小さい場合には論理値「０（ゼロ）」の信号を出力する。三相電力において、各相のバランスが正常な場合に零相電流はほぼ０（ゼロ）となるため、直流判定部２２０では、零相電流の平均値の絶対値を閾値ｘｉと比較することで、各相の電流に異常が無いか否か、すなわち、零相電流の主成分がＤＣ（直流）であるか否かを判定している。

【0024】

時限制御部２３０は、直流判定部２２０から入力された信号の論理値が「０（ゼロ）」から「１」に時間ｔ１[ｓｅｃ]間変化し続けた場合に出力する。尚、時間ｔ１[ｓｅｃ]は遅延器（タイムスイッチ）２３１で設定した時間であり、電力系統１１０において指定される商用周波数の半サイクルである。

【0025】

ＡＮＤ回路２０２は、ＡＮＤ回路２０１から入力された信号の論理値が「１」であり、かつ、時限制御部２３０から入力された信号の論理値が「１」である場合にのみ論理値「１」の信号を出力し、入力された信号の論理値のうち何れか１つでも「０（ゼロ）」である場合には論理値「０（ゼロ）」の信号を出力する。

【0026】

遮断器制御部２４０は、ＡＮＤ回路２０２から入力された信号の論理値に応じて、遮断器１０３を開状態または閉状態に制御する指令信号を出力するものであり、論理値「１」の信号が入力された場合には開状態に制御する指令信号を遮断器１０３に出力して発電所１００と電力系統１１０の間の電力の授受（電流の流れ）を遮断し、論理値「０（ゼロ）」の信号が入力された場合には閉状態に制御する指令信号を遮断器１０３に出力して発電所１００と電力系統１１０の間の電力の授受（電流の流れ）を許容する。

【0027】

ここで、発電所１００から多相交流により送出されて送電線１０４により送電される各相の電流を計測する複数の電流センサ１０５、発電所１００と送電線１０４との間の電流の流れを遮断可能な遮断器１０３、及び、複数の電流センサ１０５の計測結果に基づいて、遮断器１０３を制御する損傷防止制御装置２００は、複数の電流センサ１０５がそれぞれ計測した電流の時間微分の全てが予め定めた第一閾値ｘｄよりも大きく、かつ、電流の零相成分の時間平均の絶対値が予め定めた第二閾値ｘｉよりも大きい場合に、発電所１００と送電線１０４との間の電流の流れを遮断するように遮断器１０３を制御する保護システムを構成している。

【0028】

以上のように構成した本実施の形態における動作を説明する。

【0029】

図３は、損傷防止制御装置の処理内容を示すフローチャートである。

【0030】

図３において、損傷防止制御装置２００は、まず、微分判定部２１０によって各相の電流の微分値を算出し（ステップＳ１００）、全相の微分値が第一閾値ｘｄよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１１０）。

【0031】

ステップＳ１１０での判定結果がＮＯの場合には、電磁障害が生じていない、或いは、許容可能な程度に軽微であると判定し、各相の電流の微分値を再度算出する（ステップ１００）。

【0032】

また、ステップＳ１１０での判定結果がＹＥＳの場合には、直流判定部２２０によって零相電流の平均値の絶対値を算出し（ステップＳ１２０）、算出値が第二閾値ｄｉよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１３０）。

【0033】

ステップＳ１３０での判定結果がＮＯの場合には、電磁障害が生じていない、或いは、許容可能な程度に軽微であると判定し、各相の電流の微分値を再度算出する（ステップ１００）。

【0034】

また、ステップＳ１３０での判定結果がＹＥＳの場合には、時間ｔ１［ｓｅｃ］が継続したか否かを判定し（ステップＳ１４０）、判定結果がＮＯの場合には、電磁障害が生じていない、或いは許容可能に軽微であると判定して各相の電流の微分値を再度算出する（ステップ１００）。

【0035】

また、ステップＳ１４０での判定結果がＹＥＳの場合には、遮断器制御部２４０から遮断器１０３に開状態の制御信号を出力（ステップＳ１５０）。

【0036】

損傷防止制御装置２００では、ステップＳ１００～Ｓ１５０の処理を常時繰り返している。

【0037】

以上のように構成した本実施の形態の効果を説明する。

【0038】

従来技術においては、磁気嵐（太陽風）などによる発生するＤＣ電流、或いは、発生したＤＣ電流により変圧器が飽和することで発生する高調波などが閾値を超えた場合に、電磁障害が発生していると判定してスイッチ集合体を開位置に作動させることで、機器の損傷を回避しようとしている。しかしながら、高調波はＤＣ電流によって変圧器が飽和領域に達しなければ発生しないため、電流値が閾値に到達しない程度のＤＣ電流が発生した場合には、当然ながら高調波も発生せず、スイッチ集合体が作動せずに接地線を介して異常電流が流れ続けることになってしまう。電力系統への電磁障害は場合によっては長時間継続することもあり、電磁障害と判定されない低い電流値の異常電流であっても、長時間流れ続けることによって機器の熱損傷を招いてしまうおそれがある。

【0039】

また、従来技術においては、スイッチ動作時に静電容量による接地となるが、国内の特別高圧の接地系では直接接地方式で統一されており、自動的に接地方式を変更するような装置を設けることは系統運用上許容されにくい。

【0040】

これに対して本実施の形態においては、発電所１００から多相交流により送出されて送電線１０４により送電される各相の電流を計測する複数の電流センサ１０５と、発電所１００と送電線１０４との間の電流の流れを遮断可能な遮断器１０３と、複数の電流センサ１０５の計測結果に基づいて、遮断器１０３を制御する損傷防止制御装置２００とを備え、損傷防止制御装置２００は、複数の電流センサ１０５がそれぞれ計測した電流の時間微分の全てが予め定めた第一閾値ｘｄよりも大きく、かつ、電流の零相成分の時間平均の絶対値が予め定めた第二閾値ｘｉよりも大きい場合に、発電所１００と送電線１０４との間の電流の流れを遮断するように遮断器１０３を制御するように構成したので、電磁障害をより確実に検知することがき、機器の損傷をより確実に抑制することができる。

【0041】

特に、損傷防止制御装置２００の微分判定部２１０は、電磁障害の影響をより早期に検知することに寄与し、また、直流判定部２２０及び時限制御部２３０は、電磁障害の誤判定を防止して遮断器１０３の不要な遮断を防止することに寄与している。

【0042】

なお、時限制御部２３０で設定した時間ｔ１［ｓｅｃ］は、電磁障害の判定を早急に行いたい場合には０（ゼロ）［ｓｅｃ］のように短い時間を設定しても良い。

【0043】

＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態について図４を参照しつつ説明する。

【0044】

本実施の形態は、第１の実施の形態の損傷防止制御装置２００に、各相の電流を比較する電流比較部２５０を備え、電磁障害を他の障害と区別してより確実に検知できるようにしたものである。

【0045】

図４は、本実施の形態に係る損傷防止制御装置を関連構成とともに抜き出して示す機能ブロック図である。図中、第１の実施の形態と同様の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。

【0046】

図４において、損傷防止制御装置２００Ａは、電流センサ１０５の計測結果に基づいて電磁障害を検知し、遮断器１０３を開状態に制御して発電所１００と送電線１０４との間の電流の流れを遮断することで機器の損傷を防止するものであり、微分判定部２１０、直流判定部２２０、時限制御部２３０、遮断器制御部２４０、電流比較部２５０、及び、ＡＮＤ回路２０１，２０２Ａを備えている。

【0047】

電流比較部２５０は、絶対値演算器２５１によって三相電力のうちの一相の電流（例えば、Ｔ相電流センサ１０５ｔの計測値）の絶対値を算出し、倍率器２５２によって算出した絶対値の３倍の値を算出し、除算器２５３によって直流判定部２２０の絶対値演算器２２３の出力値と倍率器２５２の出力値とを除算し、比較器２５４によって除算器２５３の算出値が予め定めた範囲内であるか否かを判定する。比較器２５４は、除算器２５３の算出値、すなわち、電流センサ１０５の各相の電流値を合算したもの（絶対値）と、一層だけの電流値（絶対値）を相数倍（３倍）したものとの比率が、１に対して予め定めた誤差範囲を加味した範囲内にある場合には論理値「０（ゼロ）」の信号を、範囲外にある場合には論理値「１」の信号を出力する。電磁障害は、３相ともに同程度の電流が流れるが、その他の故障では各相で電流値が異なる（例えば、一相のみ大きい電流が流れる）ことが考えられるため、この事象を区別することで、電磁障害を他の障害と区別してより確実に検知できる。なお、比較器２５４に設定する誤差範囲は、回路定数の誤差などを加味して設定する。

【0048】

ＡＮＤ回路２０２Ａは、ＡＮＤ回路２０１から入力された信号の論理値が「１」であり、かつ、時限制御部２３０から入力された信号の論理値が「１」であり、かつ、電流比較部２５０から入力された信号の論理値が「１」である場合にのみ論理値「１」の信号を出力し、入力された信号の論理値のうち何れか１つでも「０（ゼロ）」である場合には論理値「０（ゼロ）」の信号を出力する。

【0049】

遮断器制御部２４０は、ＡＮＤ回路２０２Ａから入力された信号の論理値に応じて、遮断器１０３を開状態または閉状態に制御する指令信号を出力するものであり、論理値「１」の信号が入力された場合には開状態に制御する指令信号を遮断器１０３に出力して発電所１００と電力系統１１０の間の電力の授受（電流の流れ）を遮断し、論理値「０（ゼロ）」の信号が入力された場合には閉状態に制御する指令信号を遮断器１０３に出力して発電所１００と電力系統１１０の間の電力の授受（電流の流れ）を許容する。

【0050】

その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

【0051】

以上のように構成した本実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

【0052】

また、発電所１００を電力系統１１０から隔離する、すなわち、遮断器１０３によって電流を遮断することは、需要施設への影響や発電所１００の運用上、可能な限り避ける必要がある。そこで、本実施の形態においては、電磁障害は三相ともに同程度の電流が流れるが、その他の故障では各相で異なる直流電流が流れている場合がある（例えば、一相のみ大きい電流が流れている場合がある）ことに鑑み、この事象を区別することで、電磁障害を他の障害と区別してより確実に検知できる。

【0053】

なお、本実施の形態においては、三相のうちの一相の電流値を相数倍して、三相の合計値と比較する場合を例示したが、例えば、各相の電流値を直接的に比較するように構成しても良い。

【0054】

＜付記＞
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例や組み合わせが含まれる。また、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。

【0055】

例えば、上記の実施の形態においては、送電線１０４に電流センサ１０５を設ける場合を例示したが、電圧センサで同様の機能を実現するように構成しても良い。

【0056】

また、電流センサとしては、巻線型ＣＴの他、光ＣＴ、ホール素子等の検知器を適用しても良い。

【0057】

また、上記の各構成、機能等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等により実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。

【符号の説明】

【0058】

１００…発電所、１０１…所内回路、１０２…三相変圧器、１０２ａ…一次巻線、１０２ｂ…二次巻線、１０３…遮断器、１０４…送電線、１０４ｒ…Ｒ相電路、１０４ｓ…Ｓ相電路、１０４ｔ…Ｔ相電路、１０５…電流センサ、１０５ｒ…Ｒ相電流センサ、１０５ｓ…Ｓ相電流センサ、１０５ｔ…Ｔ相電流センサ、１１０…電力系統、２００，２００Ａ…損傷防止制御装置、２０１，２０２，２０２Ａ…ＡＮＤ回路、２１０…微分判定部、２１１ｒ，２１１ｓ，２１１ｔ…微分器、２１２ｒ，２１２ｓ，２１２ｔ…比較器、２２０…直流判定部、２２１…加算器、２２２…平均値演算器、２２３…絶対値演算器、２２４…比較器、２３０…時限制御部、２３１…遅延器（タイムスイッチ）、２４０…遮断器制御部、２５０…電流比較部、２５１…絶対値演算器、２５２…倍率器、２５３…除算器、２５４…比較器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】