JP3639619B2 - 電気機器の導体の接地事故検出方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、継電器の保護の分野に関する。
【０００２】
この発明は、請求項１の前提部分に係る電気機器の導体の接地事故（地絡）を検出する方法を進歩させたものである。
【０００３】
【従来の技術】
電気機器における導体（導線）の接地事故（地絡）を検出する方法は、例えば、バーデン（ドイツ）にあるABB Relays AG の「ラージGIX 104 発電機の固定子および回転子の接地事故からの100 ％の保護」（“100% stator and rotor ground-fault protection for large GIX 104 generators”）の装置の説明の欄に記載されている。関連する方法が、同じ会社の「GIX 103 の発電機／固定子の接地事故からの100 ％の保護」（“100% generator/stator ground-fault protection GIX 103 ”）の装置の説明に記載されている。
【０００４】
接地事故は、主として導線と金属部分の間の絶縁に機械的なダメージが与えられるために、電気機器、特に比較的高い出力の発電機において発生する。このような接地事故は、事故電流を引き起こす。この電流の量は、事故のタイプに依存して異なる値をもつ。電圧が分かっていると、電圧および電流の値からオームの法則を用いて事故抵抗の値を決定することができる。この事故抵抗の抵抗値は、事故の大きさを調べるのに用いることができる。事故の場合に、事故抵抗の値は、その大きさに応じて、小さな値にしだいに減少していくが、一般に、事故抵抗はＭΩ（メガ・オーム）の領域の値を持つ。
【０００５】
星型に接続された導体の星型ポイント、例えば星型に接続された固定子（ステータ）の導線の星型ポイントには、自明のこととして、電圧が印加されていないので、その導線が接地電位に対してバイアスされている場合にのみ、星型ポイント付近で事故を検出することができる。これは、２つの公知の保護装置および方法の場合には、導線に供給される低周波の電圧によって実現されている。
【０００６】
したがって、小電流が、作動中に導線の接地容量を通って大地に流れる。接地事故が発生した場合には、これらの接地容量は、短絡回路となり、電流が接地事故の発生していない作動中より大きくなる。
【０００７】
GIX103の場合には、スプリンガ・バーラグ（Springer Verlag ）のH.Ungrad達による「電力システムにおける継電器の保護」（“Schutztechnik in Elektroenergiesystemen （Protective Relaying in Electrical Power Systems ）”）という本の第211 頁以降に説明されているように、インジェクション信号が使用されている。このインジェクション信号は、3.25周期の間に正の値から負の値に切り換わる方形波信号である。この信号の開始時点は1/4 周期の正の値をもち、終了時点は1/2 周期の負の値をもつ。この信号は、インジェクション変成器を介して導線に供給される。インジェクション変成器の磁束は、インジェクション信号Ｕi の積分値に比例する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術におけるインジェクション信号では、このインジェクション信号の終了時点における1/2 周期が、その信号の送信期間の終了時に消滅しない磁束を発生させる。その結果、次のインジェクション・フェーズの初期状態が零よりも大きな値を有し、磁束の過大な過渡反応が発生する。これにより、磁束の飽和がインジェクション変成器で発生し、インジェクション変成器の寸法を大きなものにしなければならなくなる。
【０００９】
したがって、この発明の目的は、インジェクション変成器が最適に使用されるという点において新規である、電気機器の導線の接地事故の検出方法および装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この目的は、請求項１に記載の発明の特徴によって述べられる方法で達成される。
【００１１】
このように、この発明の核となる部分は、インジェクション信号が正および負の最大値の間で周期的に切り換えられる方形波信号を表し、その送信期間の開始時点と終了時点において、1/4 周期の正または負の最大値をもつことである。
【００１２】
送信期間の開始時点および終了時点におけるこれら２つの1/4 周期により、インジェクション信号の積分値（この値は、結局のところ磁束に比例する）は、直ちに定常状態になる。すなわち、インジェクション信号の積分値を表す信号として、零から開始し、零で終了する三角形の波形をもつ信号が形成される。このようにして、磁束が、送信期間の開始とともに既に定常状態にある。この状況は、インジェクション変成器の寸法を決めるときに、プラスの意味をもつ。なぜならば、飽和状態を発生させることなく、最大の電圧時間領域を伝達することができるからである。したがって、変成器の使用が最適化され、変成器を大きな寸法にする必要がなくなる。
【００１３】
インジェクション信号を、同じ符号または異なる符号の２つの1/4 周期で開始させ、または終了させることが可能である。これらの２つの方法は、２つの実施例にそれぞれ対応する。
【００１４】
２つの実施例は、インジェクション信号が２つの方形波信号から生成されるという事実によって特徴づけられる。第１の方形波信号は、インジェクション信号の周波数ｆ₁ で正および負の値の間を対称的に切り換わる。第２の方形波信号は、たとえば周波数ｆ₂ ＝ｆ₁/８またはｆ₂ ＝ｆ₁/7 を持ち、正の値と零との間を切り換わる。また、第２の方形波信号の位相は、第１の方形波信号に対して1/（４＊ｆ₁ ）分、シフトしている。これらの２つの方形波信号を重ね合わせることにより、望ましいインジェクション信号が生成される。
【００１５】
この発明による方法は、三相機器、特に高出力の発電機に有効に用いられる。しかしながら、この方法を、高抵抗で接地されている変成器における発電機と同時に使用することができる。
【００１６】
また、実施例は、特許請求の範囲の従属項にも対応する。
【００１７】
この発明による設計の利点は、特に、インジェクション変成器を、インジェクション信号を送信するために不必要に大きくする必要がなく、かつ、最適に使用することができることにある。
【００１８】
【実施例】
この発明のより完全な内容と付随する利点の多くは、図１〜図３と関連させて以下の詳細な説明を参照することにより、より一層理解され、また容易に得られる。
【００１９】
いくつかの図面において、同じまたは対応する参照符号をもつものは同じものを示している。図面を参照して、図１(a) は、電気機器、特に三相機器の固定子（ステータ）巻線Ｒ、ＳおよびＴの接地事故を検出するための回路配置の原理図を示している。この回路が巻線全体の接地事故を検出できるように、巻線の星型ポイントはインジェクション信号Ｕ_i によってバイアスされている。このインジェクション信号Ｕ_i は、インジェクション信号源４により生成され、インジェクション変成器５および接地抵抗REを介して星型ポイント２に供給されている。接地事故を検出するために、接地抵抗REの両端の電圧Ｕ_REが測定され、測定変成器６を介して評価ユニット７に与えられる。事故抵抗Ｒ_f は、インジェクション信号（電圧）Ｕ_i および測定された電圧Ｕ_REを用いて、評価ユニット７で計算される。
【００２０】
回転子（ロータ）の場合に、状況は大きくは異ならない。２つの結合キャパシタＣ_k1およびＣ_k2の付加される可能性があるだけである。図１(b) は、回転子の場合の適切な回路図を示している。
【００２１】
インジェクション信号Ｕ_i の波形および信号生成のタイプは、この発明にとって本質的なものである（図２および図３）。インジェクション信号Ｕ_i が一方で送信期間Ｓを持ち、他方で休止期間Ｐをもつべきであることは、従来技術から知られていることである。これは、インジェクション周期ｆ₁ をもつ他の信号ために、この休止中にシステムを検査することを可能とする。これは、過渡的な信号または他の妨害信号と有益な信号との区別を可能とし、この保護システムが誤った状態になるのを防ぐのに役に立つ。
【００２２】
送信期間Ｓにおいて、インジェクション信号Ｕ_i は、その開始時点と終了時点の両時点において、都合良く１／４周期の信号となる。その結果、この信号の積分値、すなわち磁束は、その零で始まる開始時点から定常状態になり、零で終了する。したがって、インジェクション変成器では、飽和状態が発生しない。また、この変成器は、比較的大きな磁束のために特定の寸法に作られる必要もない。すなわち、インジェクション変成器を最適に使用することが可能となる。
【００２３】
第１実施例（図２）の特徴は、インジェクション信号がその開始時点と終了時点の両方で同じ符号（正または負）の１／４周期の信号となる点である。第２実施例（図３）では、この符号（正負）が逆になっている。
【００２４】
これらの２つの実施例に共通する点は、インジェクション信号が、２つの方形波信号を重ねることによって最も簡単に作成されることである。両方の実施例において、その開始時点は、インジェクション信号Ｕ_i の周波数ｆ₁ をもつ対称的な方形波Ｕ₁ である。この波は、周波数ｆ₂ をもつ第２の方形波信号Ｕ₂ と重ね合わされる。周波数ｆ₂ は、周波数ｆ₁ の分数ｆ₁ ／ｎである。ｎは偶数でも奇数でもよい。周波数ｆ₂ ＝ｆ₁ ／８またはｆ₂ ＝ｆ₁ ／７が特に好ましい。この方形波信号Ｕ₂ は、ここでは、零から正の値にのみスイッチされ、また、インジェクション信号に対して１／（４＊ｆ₁ ）の位相シフトｄＴをもつ。
【００２５】
２つの方形波信号Ｕ₁ およびＵ₂ を重ね合わせることにより、送信期間Ｓの間に望ましい変化をもつインジェクション信号Ｕ_i が生成され、また、インジェクション信号Ｕ_i が、送信期間Ｓと休止期間Ｐとに正確に分離される。
【００２６】
もちろん、上述したインジェクション信号の変化は、接地事故検出装置のアプリケーションに制限されるものではない。しかし、この変化は、方形波信号が変成器を介して送信されるときは有利に適用される。
【００２７】
全体的に、この発明による信号波形は、インジェクション変成器が最適に使用される電気機器の導線（導体）の接地事故を検出するための方法を提供する。
【００２８】
明らかに、この発明について多くの変更と変形が上記技術に照らして可能である。したがって、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内において、この発明を、上述の説明において特に示されたもの以外に実施できることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 (a) は、三相機器の固定子の接地事故を検出する基本回路構成を、(b) は、三相機器の回転子の接地事故を検出する基本回路構成をそれぞれ示す。
【図２】第１実施例におけるインジェクション電圧およびその積分値のグラフおよび生成の様子を示す。
【図３】第２実施例におけるインジェクション電圧およびその積分値のグラフおよび生成の様子を示す。
【符号の説明】
１ 固定子（ステータ）
２ 星型ポイント
３ 固定子巻線
４ インジェクション信号源
５ インジェクション変成器
６ 測定変成器
７ 評価ユニット
８ 回転子巻線
Ｒ、Ｓ、Ｔ 固定子電極
Ｒ_f 事故抵抗
Ｒ_p 並列抵抗
CE 接地キャパシタ
Ｃ_k1、Ｃ_k2 結合キャパシタ
Ｕ_i インジェクション信号
Ｕ₁ 、Ｕ₂ 補助信号
Ｕ_RE 測定電圧
ｆ₁ インジェクション信号の周波数
ｆ₂ 補助信号Ｕ₂ の周波数
Ｔ₁ インジェクション信号の周期
Ｔ₂ 補助信号Ｕ₂ の周期
ｄＴ 位相シフト

Claims (8)

1. 電気機器の導体の接地事故を検出する方法であって、
   (a)周期Ｔ₁の逆数に相当する周波数ｆ₁を有する低周波数インジェクション電圧信号Ｕｉにより、前記導体を接地電位に対してバイアスする前記方法において、前記インジェクション電圧信号Ｕｉは送信期間Ｓ及び休止期間Ｐを有し、
   (b)前記送信期間Ｓにおける前記インジェクション電圧信号Ｕｉは、正および負の最大値の間を前記周波数ｆ₁で周期的に切り換えられる方形波信号を有し、その開始及び終了時点での該信号の値は前記正または負の最大値であり、その値はＴ₁の１／４周期だけ続く、
   前記電気機器の導体の接地事故検出方法。
2. 前記インジェクション信号Ｕｉが、前記送信期間Ｓの開始時点および終了時点の双方において、正の電圧値をもつ１／４周期の信号である、請求項１に記載の電気機器の導体の接地事故検出方法。
3. 前記インジェクション信号Ｕｉが、前記送信期間Ｓの開始時点においては正の電圧値をもつ１／４周期の信号であり、前記送信期間Ｓの終了時点においては負の電圧値をもつ１／４周期の信号である、請求項１に記載の電気機器の導体の接地事故検出方法。
4. 前記インジェクション信号Ｕｉが、周波数がｆ₁であって正および負の最大値の間を対称的に切り換えられる第１の方形波信号Ｕ１、及び、周波数がｆ₂＝ｆ₁／ｎ（式中、ｎは偶数または奇数である）であって正の最大値と零との間を切り換えられ、前記第１の方形波信号Ｕ１に対して１／（４×ｆ₁）の位相シフトｄＴをもつ第２の方形波信号Ｕ２から生成されるものである、請求項２または３に記載の電気機器の導体の接地事故検出方法。
5. 前記ｎが８であり、前記第２の方形波信号Ｕ２の周波数ｆ₂がｆ₁／８である、請求項４に記載の電気機器の導体の接地事故検出方法。
6. 前記ｎが７であり、前記第２の方形波信号Ｕ２の周波数ｆ₂がｆ₁／７である、請求項４に記載の電気機器の導体の接地事故検出方法。
7. 前記インジェクション信号Ｕｉの周波数ｆ₁が公称周波数の１／４である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電気機器の導体の接地事故検出方法。
8. 前記電気機器が三相機器、特に発電機である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の電気機器の導体の接地事故検出方法。

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