JP2002311061A

JP2002311061A - 電力用処理装置

Info

Publication number: JP2002311061A
Application number: JP2001114725A
Authority: JP
Inventors: Takanori Tsunoda; 孝典角田
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 2001-04-13
Filing date: 2001-04-13
Publication date: 2002-10-23

Abstract

(57)【要約】【課題】小型，軽量かつ安価で大電流検出時の鉄心飽
和現象のない構成により、電力系統の母線や電力機器の
電線等の導体を通流する交流の電流，電圧を検出してそ
の交流の状態監視又は電力系統，電力機器の保護計測を
精度よく行う。【解決手段】導体１が貫通した空心コイルからなる電
流センサ１４と、導体１と基準電位点との間に分圧用の
コンデンサ１５，抵抗１６を直列に接続して形成された
電圧センサ１７と、センサ１４の出力信号から電流の微
分信号を抽出し、センサ１７の出力信号から電圧の微分
信号を抽出する手段と、両微分信号を電流，電圧の検出
信号とし、両微分信号に基づいて状態監視又は保護計測
を行う手段とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電力系統や電力機
器の電源監視又は保護計測に用いられる電力用処理装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の電力用処理装置の１例で
ある小電力形保護計測装置は、図５に示す変成器入力に
形成される。

【０００３】この変成器入力の保護計測装置は、主回路
に、電力系統の母線やＧＩＳ等の電気機器の電線等の導
体１が貫通した環状鉄心入りの計器用変流器（ＣＴ）か
らなる電流センサ２を有するとともに、導体１と基準電
位点としての接地点との間に１次巻線を設けた計器用変
圧器（ＰＴ）からなる電圧センサ３を有する。

【０００４】そして、導体１を６０Hz又は５０Hzの商用
交流が通流する場合、電流センサ２はその電流を検出
し、検出電流波形の定常時５Ａ又は１Ａのアナログの電
流検出信号ａｉを出力し、電圧センサ３は導体１の電圧
を検出し、２次巻線から検出電圧波形の定常時１１０Ｖ
のアナログの電圧検出信号ａｖを検出する。

【０００５】これらの検出信号ａｉ、ａｖは、コンピュ
ータ構成の本体装置（保護・計測ユニット）４に設けら
れた補助変流器（ＡｕｘＣＴ）５，補助変圧器（Ａｕｘ
ＰＴ）６を通り、高周波数のデジタル処理の折返し雑音
を防止するローパスフィルタ（ＬＰＦ）７，８を介して
信号選択用のマルチプレクサ９に供給される。

【０００６】このマルチプレクサ９は、商用交流の基本
波周波数の適当な逓信周波数のタイミングクロックによ
り動作し、検出信号ａｉ，ａｖを交互に選択してＡ／Ｄ
変換器１０に出力する。

【０００７】そして、Ａ／Ｄ変換器１０は前記タイミン
グ信号に基づき、検出信号ａｉ，ａｖそれぞれを、例え
ば商用交流の１サイクル当たりＮ個のデジタルデータｄ
ｉ，ｄｖにＡ／Ｄ変換してＣＰＵ１１に送る。

【０００８】このＣＰＵ１１は、計測部１２の計測処理
プログラムに基づき、データｄｉ，ｄｖのフーリエ演算
の波形解析を実行し、導体１を通流する商用交流の基本
波の電流，電圧又は、基本波の電圧，電流及び高調波の
電流，電圧を波形分離して抽出し、抽出した電流，電圧
の振幅，位相の変化から、地絡，短絡の系統事故等の有
無を監視して検出し、電力系統，電気機器の保護計測を
行う。

【０００９】そして、系統事故等が発生し、導体１を通
流する商用交流の電流，電圧が異常になると、ＣＰＵ１
１の制御により、保護部１３から変電所やＧＩＳ等の電
力機器の遮断器（ＣＢ）にトリップ指令を出力し、この
遮断器を開放して電力系統，電力機器を保護する。

【００１０】同時に、計測部１２から伝送装置（図示せ
ず）を介して有人の中央監視所等に遮断器の開放通知等
を送り、保護動作の発生を報知する。

【００１１】なお、導体１を通流する交流の状態監視の
みを行う場合は、ＣＰＵ１１により系統事故等の異常の
有無を検出して導体１を通流する交流の状態を監視し、
監視結果等を前記の中央監視所等に送る。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】前記従来のこの種の電
力用処理装置の場合、電流センサ２，電圧センサ３が、
いわゆる鉄心入りの大型，大重量で高価なＣＴ，ＰＴそ
れぞれからなる。

【００１３】しかも、センサ２，３の検出信号ａｉ，ａ
ｖは、ＣＴ，ＰＴの規格上、５Ａ又は１Ａ（定常時）の
電流信号，１１０Ｖ（定常時）の電圧信号であり、導体
１を通流する電流，電圧の情報を本体装置４に送る信号
としては、いずれも必要以上に大電流，大電圧の信号で
あり、補助変流器５，補助変圧器６を用いて後段の信号
処理に適合するように信号レベルを調整する必要があ
る。

【００１４】さらに、電流センサ２については、導体１
を通流する電流が定常時の数十倍もの事故電流領域の大
電流のときにも、鉄心の飽和現象が発生しないように、
鉄心を十分に大きくして前記の飽和現象を極力抑制する
必要もある。

【００１５】そのため、従来装置においては、小型化，
軽量化及びコストダウンを図ることができない問題点が
ある。

【００１６】本発明は、小型，軽量，安価で大電流検出
時の鉄心飽和現象を発生することなく、導体を通流する
交流の電流，電圧の検出に基づき、前記交流の状態監視
又は電力系統，電力機器の保護計測が行えるようにする
ことを課題とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、本発明の電力用処理装置は、請求項１の場合、電
力系統の母線，電力機器の電線等の導体が貫通した空心
コイルからなる電流センサと、導体と基準電位点との間
に分圧用のコンデンサ，抵抗を直列に接続して形成され
た電圧センサと、電流センサの出力信号から導体を通流
する電流の微分信号を抽出し、電圧センサの出力信号か
ら導体の電圧の微分信号を抽出する手段と、両微分信号
を導体の電流，電圧の検出信号とし、両微分信号に基づ
いて導体を通流する交流の状態監視又は電力系統，電力
機器の保護計測を行う手段とを備える。

【００１８】この場合、電力センサは空心コイルからな
り、電圧センサは分圧用のコンデンサ，抵抗の直列回路
からなり、いずれも従来のＣＴ，ＰＴのような鉄心入り
の大型，大重量の構成でなく、小型，軽量で安価であ
り、出力信号が信号処理に適したレベルであり、補助変
流器や補助変圧器を用した信号レベルの調整も不要であ
る。

【００１９】しかも、電流センサに鉄心のない空心コイ
ルを用いるため、導体を通流する電流が大電流になる事
故電流領域においても、従来の鉄心の飽和現象が生じる
こともない。

【００２０】そして、電流センサが電流の微分信号を出
力し、電圧センサが電圧の微分信号を出力するため、両
センサにより、導体を通流する交流の電流，電圧が、共
に、本来の検出振幅のω倍（ωは電流，電圧の角周波
数）の振幅、かつ、等しく９０°移相した微分波形で検
出される。

【００２１】そのため、両微分信号を、導体を通流する
交流の電流，電圧の検出信号として扱い、両微分信号の
振幅，位相の変化から前記交流の短絡，地絡の系統事故
等の有無を検出し、前記交流の状態監視又は電力系統，
電力機器の保護計測を行うことができる。

【００２２】したがって、従来のＣＴ，ＰＴを電流セン
サ，電圧センサとする場合に比して極めて小型，軽量か
つ安価な構成で、鉄心の飽和現象の問題を生じることも
なく、導体を通流する交流についての状態監視又は電力
系統，電力機器の保護計測が精度よく行える。

【００２３】つぎに、請求項２の場合は、両センサの出
力信号から抽出された導体の電流，電圧の微分信号に、
導体を通流する交流の周波数変動に基づく振幅変動の補
正を施し、補正後の両微分信号を、前記の電流，電圧の
検出信号として、導体を通流する交流の状態監視又は電
力系統，電力機器の保護計測を行う。

【００２４】この場合、導体を通流する交流の周波数が
何らかの原因で変動し、この変動に伴って導体の電流，
電圧の微分信号の振幅が変動しても、この振幅変動が補
正され、補正後の両微分信号の振幅，位相に基づき、請
求項１の場合より一層精度よく、導体を通流する交流の
状態監視又は前記の保護計測が行われる。

【００２５】

【発明の実施の形態】本発明の実施の１形態につき、図
１〜図３を参照して説明する。この形態にあっては、図
１に示すように、従来のＣＴの電流センサ２の代わりに
空心コイルの電流センサ１４が用いられ、このセンサ１
４を導体１が貫通する。

【００２６】そして、センサ１４の空心コイルは、一次
導体貫通タイプのロゴスキーＣＴを形成し、その出力
は、導体１を通流する商用交流の６０Hz又は５０Hzの基
本波電流（一次電流）のアナログの微分信号Ａｉにな
る。

【００２７】このとき、ロゴスキーＣＴは、鉄心がな
く、軽量，小型かつ安価であり、しかも、導体１を事故
電流のような定常電流の数十倍もの大電流が通流して
も、磁気飽和が発生せず、その上、二次回路の開放によ
る異常な高電圧が発生しない。

【００２８】また、電流センサ１４の空心コイルの周波
数特性は、例えば図２の実線に示すようになり、導体１
を通流する商用交流の６０Hz又は５０Hzの角周波数ω₀
（＝２πｆ₀，ｆ₀は基本波周波数）の領域を含だ広い周
波数範囲において、出力信号（微分信号Ａｉ）のレベル
（振幅）が線形変化する。

【００２９】したがって、電流センサ１４は従来の電流
センサ２より軽量，小型かつ安価に形成され、大電流に
対しても磁気飽和することなく、導体１を通流する商用
交流の電流を検出してその微分信号Ａｉを出力する。

【００３０】つぎに、従来のＰＴの電圧センサ３は設け
られず、導体１と基準電位点である接地点との間に、分
圧用のコンデンサ１５，抵抗１６を直列接続した電圧セ
ンサ１７が設けられる。

【００３１】このとき、コンデンサ１５の容量をＣ，抵
抗１６の抵抗値をＲとすると、抵抗１６は、前記の角周
波数ω₀において、（１／ω₀・ｃ）≫Ｒの低抵抗値のシ
ャント抵抗を形成し、導体１の商用交流の電圧がコンデ
ンサ１５，抵抗１６により微分され、それらの接続点か
ら、前記の商用交流の電圧の微分信号Ａｖを出力する。

【００３２】そして、コンデンサ１５，抵抗１６のＣＲ
分圧回路の周波数特性は、例えば図３の実線に示すよう
になり、空心コイルの周波数特性と同様、導体１を通流
する商用交流の角周波数ω₀の領域を含む広い周波数範
囲において、出力信号（微分信号Ａｖ）のレベルが線形
変化する。

【００３３】したがって、電圧センサ１７は、コンデン
サ１５，抵抗１６の微分回路により、従来のＰＴを用い
た電圧センサ３より軽量，小型かつ安価に形成され、電
流センサ１４の電流の微分信号Ａｉと同様の商用交流の
電圧の微分信号Ａｖを出力する。

【００３４】そして、両センサ１４，１７の出力信号
は、従来のＣＴ，ＰＴのセンサ２，３の出力信号のよう
な大きな電流，電圧の信号でなく、導体１を通流する商
用交流の電流，電圧の情報信号として適当なレベル，例
えば数ｍＶ〜数Ｖの電圧信号である。

【００３５】そのため、両センサ１４，１７の出力信号
は、従来装置の補助変流器５，補助変圧器６のような補
助変成器を介することなく、従来の本体装置４のローパ
スフィルタ７，８に対応するコンピュータ構成の本体装
置１８のローパスフィルタ１９，２０に直接供給され、
デジタル処理の折返し雑音が除去される。

【００３６】さらに、ローパスフィルタ１９，２０を通
った両センサ１４，１７の出力信号は、従来のマルチプ
レクサ９に対応するマルチプレクサ２１に供給され、こ
のマルチプレクサ２１は、ＰＬＬ発振器等により形成さ
れた商用交流の基本波周波数（６０Hz又は５０Hz）の逓
信周波数のタイミング信号に基づき、センサ１４，１７
の出力信号を交互に選択してＡ／Ｄ変換器２２に送る。

【００３７】そして、Ａ／Ｄ変換器２２により、センサ
１４，１７の出力信号それぞれを、商用交流の１サイク
ル当りＮ個のデジタルデータＤｉ，Ｄｖに変換する。

【００３８】さらに、ＣＰＵ２３が計測部２４の計測プ
ログラムに基づき、センサ１４，１７の出力信号から微
分信号Ａｉ，Ａｖを抽出する手段を形成し、従来装置の
ＣＰＵ１１と同様、データＤｉ，Ｄｖのフーリエ演算の
波形解析を行ってデータＤｉ，Ｄｖに含まれた微分信号
Ａｉ，Ａｖをデジタル的に波形分離して抽出する。

【００３９】このとき、導体１を通流する商用交流の基
本波の電圧をＶ，電流をＩとし、それらの角周波数をω
とすると、電圧ＶはＶ＝Ｖｍ・ｓｉｎω・ｔ，電流Ｉは
Ｉ＝Ｉｍ・ｓｉｎ（ωｔ＋α），（Ｖｍ，Ｉｍは最大振
幅，αは電圧Ｖに対する電流Ｉの位相差）であり、抽出
された微分信号Ａｉ，ＡｖはＡｉ＝ｄＩ／ｄｔ＝Ｉｍ・
ω・ｃｏｓ（ωｔ＋２），Ａｖ＝ｄＶ／ｄｔ＝Ｖｍ・ω
・ｃｏｓωｔになる。

【００４０】そして、抽出された微分信号Ａｉ，Ａｖは
元の電流Ｉ，電圧Ｖに対して、振幅Ｖｍ，Ｉｍをω倍し
て共に９０°移相した信号であり、振幅は元のω倍にな
るが、位相は変わらず、換言すれば、電圧Ｉ，Ｖが共に
微分されてω倍の振幅で検出される。

【００４１】そのため、ＣＰＵ２３は抽出された微分信
号Ａｉ，Ａｖを電流Ｉ，電圧Ｖの検出信号とし、両微分
信号Ａｉ，Ａｖに基づいて商用交流の状態監視又は保護
計測を行う手段を形成する。

【００４２】具体的には、ＣＰＵ２３が前記の計測プロ
グラムに基づき、抽出された微分信号Ａｉ，Ａｖを元の
電流Ｉ，電圧Ｖの検出信号とみなし、それらの振幅Ｉｍ
・ω，Ｖｍ・ω及び位相ωの変化から、導体１を通流す
る商用交流の短絡，地絡の系統事故等の有無を監視，検
出し、商用交流の状態監視を行う。

【００４３】このとき、微分信号Ａｉ，Ａｖの振幅，位
相をそのまま監視してもよいが、導体１を通流する商用
交流の周波数が何らかの原因で変動すると、微分信号Ａ
ｉ，ＡｖのＩｍ・ω，Ｖｍ・ωの振幅がその周波数変動
の影響を受けて変動し、誤検出を生じるおそれがあるた
め、この形態にあっては、図示省略した補助の電圧セン
サ等により導体１を通流する商用交流の電圧Ｖを計測
し、その周波数が６０Hz又は５０Hzの本来の基本波周波
数ｆ₀からΔｆ変動すると、抽出した微分信号Ａｉ，Ａ
ｖの振幅を、ｆ₀／（ｆ₀＋Δｆ）倍して補正する。

【００４４】そして、ＣＰＵ２３は補正後の微分信号Ａ
ｉ，Ａｖの振幅，位相の変化に基づき、商用交流の周波
数変動に伴う誤検出を防止して精度よく、商用交流の状
態監視を行う。

【００４５】さらに、保護計測を行うこの形態にあって
は、導体１を通流する商用交流の系統事故等が発生する
と、ＣＰＵ２３は、前記の状態監視に基づき、従来装置
のＣＰＵ１１と同様、保護部２５から変圧所やＧＩＳ等
の電力機器の遮断器にトリップ指令を出力し、電力系統
や電力機器を保護し、同時に、計測部２４から伝送装置
（図示せず）を介して有人の中央監視所等に通断器の開
放通知等を送り、保護動作の発生を報知する。

【００４６】したがって、この形態の場合、電流センサ
１４，電圧センサ１５が、鉄心のない空心コイル，ＣＲ
分圧回路により、小型，軽量かつ安価に形成され、しか
も、電流センサ１４に大電流検出による飽和現象が発生
することもない。

【００４７】そして、両センサ１４，１５が導体１を通
流する商用交流の電流，電圧を、同一波形次元の微分信
号Ａｉ，Ａｖで検出し、両微分信号Ａｉ，Ａｖを商用交
流の電流，電圧の検出信号として、電力系統，電力機器
の保護計測を精度よく行うため、従来の補助変流器５，
補助変圧器６等を設ける必要がない。

【００４８】そのため、主回路側が従来装置より著しく
小型，軽量かつ安価になり、小型化，軽量化及びコスト
ダウンを図った構成により、極めて精度よく、電力系
統，電力機器の保護計測を行うことができる。

【００４９】なお、導体１を通流する商用交流の状態監
視のみを行う場合は、本体装置１８の保護部２５を省
き、計測部２４から有人の中央監視所等に監視結果の情
報及び系統事故等が発生したときの通報等を行えばよ
い。

【００５０】また、前記形態では基準電位点を接地点と
したが、基準電位点は接地点に限られるものではない。

【００５１】さらに、導体１を通流する交流は商用交流
に限られるものでなく、いわゆる自家発電交流等であっ
てもよい。

【００５２】そして、例えば３相交流の状態監視又は保
護計測を行う場合は、相毎に図１の構成のものを設けれ
ばよい。

【００５３】ところで、従来の電流センサ２，電圧セン
サ３の不都合を解消するため、図４に示すように構成す
ることも考えられる。

【００５４】図４の場合、導体１を通流する商用交流の
電流検出に、電流センサ１４と同様の空心コイルからな
る電流センサ２６が使用され、このセンサ２６により導
体１を通流する商用交流の電流が微分検出される。

【００５５】一方、導体１を通流する商用交流の電圧
は、導体１と接地点との間に分圧用の２個のコンデンサ
２７，２８を直列接続して形成された電圧センサ２９に
より、いわゆるコンデンサ分圧方式で分圧して検出され
る。

【００５６】そして、センサ２６，２９はＣＴ，ＰＴの
ような鉄心がなく、小型，軽量であり、しかも、電流セ
ンサ２６は大電流検出時の飽和現象が発生しないため、
従来の電流センサ２，電圧センサ３の不都合は解消され
る。

【００５７】しかし、電流センサ２６の出力信号が電流
の微分信号になるのに対して、電圧センサ２９の出力信
号が電圧の検出信号そのものになり、異なる波形次元の
信号になることから、電流センサ２６は入力部３０の積
分器３１により積分され、電圧の検出信号と同じ次元の
電流の検出信号に変換される。

【００５８】さらに、この電流の検出信号及びセンサ２
９の電圧の検出信号を、電流センサ２，電圧センサ３の
出力信号と同様の電流信号，電圧信号にして本体装置４
に供給するため、積分器３１を介した電流センサ２６の
出力信号は入力部３０の増幅器３２により電力増幅さ
れ、電圧センサ２９の出力信号は入力部３３の増幅器３
４により電力増幅される。そして、本体装置４により、
従来と同様にして状態監視又は保護計測が行われる。

【００５９】したがって、この図４の構成の場合、電流
センサ２６，電圧センサ２９の小型化及び軽量化は図ら
れるが、電力増幅を行う入力部３０，３３が必要にな
り、しかも、本体装置４に補助変流器５，補助変圧器６
を設ける必要があり、図１の構成の場合のように著しく
小型，軽量にして十分なコストダウンを図ることはでき
ない。

【００６０】そして、本発明は、種々の電力系統や電力
機器の電流状態の監視又は保護計測に適用することがで
きる。

【００６１】

【発明の効果】本発明は、以下に記載する効果を奏す
る。電力センサ１４が空心コイルからなり、電圧センサ
１７が分圧用のコンデンサ１５，抵抗１６の直列回路か
らなり、いずれも従来のＣＴ，ＰＴのような鉄心入りの
大型，大重量の構成でなく、小型，軽量で安価であり、
しかも、両センサ１４，１７の出力信号は信号処理に適
したレベルであり、補助変流器や補助変圧器を用した信
号レベルの調整も不要である。

【００６２】さらに、電流センサ１４に鉄心のない空心
コイルを用いたため、事故電流領域の大電流検出時にお
いても、従来の鉄心飽和現象が生じることもない。

【００６３】そして、センサ１４，１７により、導体１
を通流する交流の電流，電圧を、共に微分信号で検出し
たため、両微分信号を、導体１を通流する交流の電流，
電圧の検出信号として扱い、両微分信号の振幅，位相の
変化から前記交流の短絡，地絡の事故等の有無を検出
し、前記交流の状態監視又は電力系統，電力機器の保護
計測を行うことができる。

【００６４】したがって、従来のＣＴ，ＰＴを電流セン
サ，電圧センサとする場合に比して極めて小型，軽量か
つ安価な構成で、鉄心飽和現象の問題を生じることもな
く、前記交流の状態監視又は電力系統，電力機器の保護
計測を精度よく行うことができる。

【００６５】つぎに、請求項２の場合は、導体を通流す
る交流の周波数が何らかの原因で変動し、この変動に伴
って導体の電流，電圧の微分信号の振幅が変動しても、
この振幅変動が補正され、補正後の両微分信号の振幅，
位相に基づき、請求項１の場合より一層精度よく、前記
交流の状態監視又は電力系統，電力機器の保護計測を行
うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の１形態のブロック結線図であ
る。

【図２】図１の電流センサを形成する空心コイルの周波
数特性図である。

【図３】図１の電圧センサを形成するＣＲ分圧回路の周
波数特性図である。

【図４】空心コイルの電流センサとコンデンサ分圧方式
の電圧センサとを用いた装置のブロック結線図である。

【図５】従来装置のブロック結線図である。

【符号の説明】

１導体２，１４，２６電流センサ３，１７，２９電圧センサ４，１８本体装置１５，１６分圧用のコンデンサ，抵抗

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電力系統の母線，電力機器の電線等の導
体を通流する交流の電流，電圧の検出に基づき、前記交
流の状態監視又は前記電力系統，前記電力機器の保護計
測を行う電力用処理装置において、前記導体が貫通した空心コイルからなる電流センサと、前記導体と基準電位点との間に分圧用のコンデンサ，抵
抗を直列に接続して形成された電圧センサと、前記電流センサの出力信号から前記電流の微分信号を抽
出し、前記電圧センサの出力信号から前記電圧の微分信
号を抽出する手段と、前記両微分信号を前記電流，前記電圧の検出信号とし、
前記両微分信号に基づいて前記状態監視又は前記保護計
測を行う手段とを備えた電力用処理装置。
【請求項２】両センサの出力信号から抽出された電
流，電圧の微分信号に、導体を通流する交流の周波数変
動に基づく振幅変動の補正を施し、補正後の前記両微分信号を、前記交流の電流，電圧の検
出信号として、前記交流の状態監視又は電力系統，電力
機器の保護計測を行うようにしたことを特徴とする請求
項１記載の電力用処理装置。