JP2010039797A - 直流き電電源の過電流保護装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過電流の検出感度を高め、確実な保護を行うことができる。
【解決手段】定電圧源としての電力貯蔵装置を直流き電変電所に並列に設置し、電力貯蔵装置および直流き電変電所の出力電流を個別に遮断できるき電遮断器２，５と保護継電器６，７を設けた直流き電電源の過電流保護装置であって、変換器１０は電力貯蔵装置および直流き電変電所の出力電流を個別に検出する電流検出器８，９の出力電流を加算した電流を求め、保護継電器は変換器の変換出力を基に保護演算をそれぞれ個別に行い、き電遮断器を個別にトリップする。
変換器は、電流検出器の出力電流の加算値を、両保護継電器の入力範囲にスケール変換する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力貯蔵装置などを直流き電変電所に並列に設置した直流き電電源に係り、特に直流き電系統の過電流保護装置に関する。

直流き電系統の事故には、き電線の地絡事故や過電圧などがあり、これら事故の種別にそれぞれ対応できる保護装置が設けられている。例えば、地絡事故には過電流検出と過電流方向によって事故点を特定およびそれを含む区間のき電遮断器の開放を行う保護装置がある（例えば、特許文献１参照）。

定電圧源としての電力貯蔵装置を直流き電変電所に並列に設置した直流き電電源は、電力貯蔵装置によって、き電変電所の交流電源に対する負荷平準化を図ったり、電気車からの回生電力を電力貯蔵装置の充電電力として蓄積することで電力の有効利用を図ることができる。

この電力貯蔵装置を直流き電変電所に並列に設置した直流き電電源の過電流保護装置としては、き電変電所の出力フィーダ電流検出による過電流保護装置と、電力貯蔵装置出力電流検出による過電流保護装置がある。
特開２０００−３３３３５９号公報

前記のように、定電圧源としての電力貯蔵装置を直流き電変電所に並列に設置した直流き電電源では、き電系統で発生した事故への事故電流供給はき電変電所と電力貯蔵装置に分流される。この為、電力貯蔵装置の充電状態等によって、双方が担う事故電流の比率がその都度異なるため、事故判定のための電流検出感度の低減、更には事故を検出できない場合がある。

このことを詳細に説明する。図２は、従来の直流き電電源の要部構成を示し、電圧制御機能を持たないシリコン整流器１とき電遮断器（５４Ｆ）２で主回路を構成する直流き電変電所に並列に、電力貯蔵媒体３と電圧制御用チョッパ４およびき電遮断器（５４ＣＰ）５で主回路を構成する電力貯蔵装置を設置する。なお、電力貯蔵媒体３は、例えば電気二重層キャパシタや二次電池とされる。また、電圧制御用チョッパ４は、例えば半導体パワー素子で昇降圧チョッパに構成され、電力貯蔵媒体３の充放電を可能にする。

図２の構成において、電圧制御用チョッパ４で電力貯蔵装置の出力電圧を一定に制御する場合、個別に運転（直流き電変電所を停止して電力貯蔵装置のみ運転、または逆に電力貯蔵装置を停止して直流き電変電所のみ運転）する状態では、各々の機器を保護するために、き電用遮断器２、５を個別に設け、保護継電器（５０Ｆ）６、（５０ＣＰ）７も個別に設ける。８、９は電流検出器であり、例えばホール素子で構成され、電流Ｉｓ、Ｉｃｐをそれぞれ電圧信号で検出する。

しかし、直流き電変電所と電力貯蔵装置を同時に運転した場合には、き電系統での事故発生時に直流き電変電所と電力貯蔵装置に事故電流が分担され、各々の保護継電器が動作しない状態が発生する。図２において、短絡故障点には直流き電変電所から電流Ｉｓが流れ、電力貯蔵装置から電流Ｉｃｐが流れ、故障点には（Ｉｓ＋Ｉｃｐ）の電流が流れる。この時、電流Ｉｓはき電変電所の内部抵抗により決定され、電流Ｉｃｐは電力貯蔵装置の性能と電力貯蔵媒体の残存容量によって決まる。

しかし、電力貯蔵装置の残存容量は放電とともに減少するため、Ｉｃｐも減少する。電力貯蔵装置の残存容量が放電を行う容量以下となった場合に電力貯蔵装置は出力を停止し、直流き電変電所出力電流のみとなる。

上記のように、電力貯蔵装置が運転中は事故電流が分担され、き電変電所の電流Ｉｓが減少しているため、保護継電器（５０Ｆ）６では事故検出が不可能となり、同様に、保護継電器（５０ＣＰ）７側も事故検出が不可能となり、電力貯蔵装置が停止してから保護を行うこととなり、検出遅れが発生し、ケースによっては保護ができない場合が生じる。

保護継電器（５０Ｆ）６，（５０ＣＰ）７が共に動作しない場合を、図３に示す電気回路定数の例を参照して具体的に説明する。図３に示す回路定数では下記の式が成立する。

（ａ）電圧制御用チョッパ４の１次側電力と２次側電力は等しい。したがって、Ｖｃ×Ｉｃ＝Ｖｃｐ×Ｉｃｐ…（１）
（ｂ）直流き電変電所から故障点を見た場合の電圧、電流は、１６２０Ｖ＝Ｉｓ×０．０６＋０．４６５×（Ｉｓ＋Ｉｃｐ）＋３００Ｖ…（２）
（ｃ）電力貯蔵装置から故障点を見た場合の電圧、電流は、Ｖｃｐ＝０．４６５×（Ｉｓ＋Ｉｃｐ）＋３００Ｖ…（３）
（ｄ）電力貯蔵装置の電圧制御用チョッパ４は装置が過大とならないように電力貯蔵媒体３の放電電流が２０００Ａを超えた場合には２０００Ａに制限するリミッタ機能を有する。

以上の（１）〜（３）式の関係から、Ｉｓ，Ｉｃｐ，Ｖｃｐ，Ｖｃ，Ｉｃを求めると、Ｉｃが２０００Ａ以上となるため、電圧制御用チョッパ４のリミッタ機能により２０００Ａとなることから、Ｉｃ＝２０００Ａ、Ｉｓ＝１５６６Ａ、Ｉｃｐ＝１７１６Ａ、Ｖｓ＝Ｖｃｐ＝１５２６Ｖ、故障電流＝３２８２Ａとなる。

ここで、保護継電器（５０Ｆ、５０ＣＰ）の動作電流を２２００Ａに設定し、電力貯蔵媒体３が設置されていない場合には、故障電流＝（１６２０−３００）／（０．０６＋０．４６５）＝２５１４Ａであり、２２００Ａを超過するため、保護継電器（５０Ｆ）６は動作し、故障電流に対して保護が行われる。一方、電力貯蔵装置が並列に設置されている場合、故障電流３２８２ＡをＩｓ，Ｉｃｐで分担するため、Ｉｓ，Ｉｃｐが共に２２００Ａ以下であり、保護継電器（５０Ｆ，５０ＣＰ）が共に動作しない。

後者の場合、故障電流が継続し、電力貯蔵媒体の残存容量が低下して電力貯蔵装置が停止した後に、変電所出力電流と短絡電流が等しくなったときに、保護継電器（５０Ｆ）６が動作する。電力貯蔵装置の放電時間は貯蔵媒体の容量等により数十秒となり、これが検出遅れ時間になる。

なお、図３は、電力貯蔵装置の電圧制御用チョッパ容量からチョッパの２次側に電流リミッタを設けた場合であるが、２次側にリミッタを設けない構成でも同様の問題がある。

また、電圧制御機能を持たないシリコン整流器で主回路を構成するき電変電所と、一定電圧制御機能を持つ順変換器で主回路を構成するき電変電所を並列に設置する場合も同様の問題がある。

本発明の目的は、過電流の検出感度を高め、確実な保護を行うことができる直流き電電源の過電流保護装置を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、直流き電変電所と定電圧源（電力貯蔵装置または一定電圧制御機能を持つき電変電所）で個々に過電流検出と保護を行っていた従来の保護装置に代えて、直流き電変電所の出力電流と定電圧源の出力電流を加算した電流を基にして、直流き電変電所の保護演算と定電圧源の保護演算をそれぞれ個別に行うものであり、以下の構成を特徴とする。

（１）定電圧源を直流き電変電所に並列に設置し、定電圧源および直流き電変電所の出力電流を個別に遮断できるき電遮断器と保護継電器を設けた直流き電電源の過電流保護装置であって、
定電圧源および直流き電変電所の出力電流を個別に検出する両電流検出器の出力電流を加算した電流を求め、この加算電流に基づく変換出力を行う変換器を設け、
定電圧源および直流き電変電所の前記保護継電器は、前記変換器の変換出力を基に保護演算をそれぞれ個別に行い、前記き電遮断器を個別にトリップする構成としたことを特徴とする。

（２）前記変換器は、前記電流検出器の出力電流の加算値を、前記両保護継電器の入力範囲にスケール変換する構成にしたことを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、直流き電変電所の出力電流と定電圧源の出力電流を加算した電流を基にして、直流き電変電所の保護継電器の保護演算と定電圧源の保護継電器の保護演算をそれぞれ個別に行うため、過電流の検出感度を高め、確実な保護を行うことができる。

また、変換器は、電流検出器の出力電流の加算値を、両保護継電器の入力範囲にスケール変換することで、既設の保護継電器用電流検出器や保護継電器の変更や交換が不要になる。

図１は、本発明の実施形態を示す直流き電電源の要部構成図であり、直流き電変電所に並列接続する定電圧源として電力貯蔵装置とした例で、直流き電変電所の出力電流と電力貯蔵装置の出力電流を加算した電流を基にして、直流き電変電所の保護継電器の保護演算と電力貯蔵装置の保護継電器の保護演算をそれぞれ個別に行うことにより、過電流の検出感度を高め、確実な保護が得られるようにする。

図１が図２と異なる部分は、電流検出器８，９の両電流検出信号を加算して保護継電器６，７の共通の電流検出信号とする変換器１０を設けた点にある。

図１では、電流検出器８，９の電流検出出力がそれぞれＤＣ０〜１０Ｖの例で示し、電流検出器８，９の出力を直列接続することにより、直流き電変電所の出力電流と電力貯蔵装置の出力電流の加算値を作成し、この加算電圧の範囲ＤＣ０〜２０Ｖを変換器１０により保護継電器の入力範囲ＤＣ０〜１０Ｖにスケール変換して各々の保護継電器６，７の過電流保護演算信号とする。

例えば、変換器１０は電流検出器８，９の変流比が２０ｋＡ／１０Ｖの場合、入力４０ｋＡ／２０Ｖとし、出力を４０ｋＡ／１０Ｖとすることにより、保護継電器６，７は既設のものをそのまま利用できる。

上記の例では、出力電流検出器として、ホール素子構成の電流検出器を例で挙げているが、他の方法による電流検出器（例、分流器とアイソレータ）でもよい。

本実施形態によれば、直流き電変電所の単独運転であっても、直流き電変電所と電力貯蔵装置の並行運転であっても、変換器１０の入力側には故障電流に対応した変流比の信号が入力されるため、確実に保護継電器が動作する。

具体的には、図３に示す電気回路定数になる装置構成において、前記の（１）〜（３）式の関係、および電圧制御用チョッパ４のリミッタ機能によりＩｃ＝２０００Ａとなることから、Ｉｃ＝２０００Ａ、Ｉｓ＝１５６６Ａ、Ｉｃｐ＝１７１６Ａ、Ｖｓ＝Ｖｃｐ＝１５２６Ｖ、故障電流＝３２８２Ａとなる。そして、保護継電器（５０Ｆ、５０ＣＰ）の動作電流を２２００Ａと設定した場合、電力貯蔵媒体３が設置されていない場合には、故障電流＝（１６２０−３００）／（０．０６＋０．４６５）＝２５１４Ａであり、２２００Ａを超過するため、保護継電器（５０Ｆ）６は動作し、故障電流に対して保護が行われる。また、電力貯蔵装置が並列に設置されている場合、故障電流３２８２ＡをＩｓ，Ｉｃｐで分担するが、それぞれの電流Ｉｓ，Ｉｃｐを加算した電流３２８２Ａが保護継電器６，７の入力となるため、保護継電器６，７が共に直ちに応動し、き電遮断器２，５を共に遅れなくトリップさせる。また、保護継電器６，７の検出感度が高くなる。

なお、電力貯蔵装置の電圧制御用チョッパ容量からチョッパの２次側に電流リミッタを設けた場合であるが、２次側にリミッタを設けない構成でも確実な保護動作を得ることができる。

また、電圧制御機能を持たないシリコン整流器で主回路を構成するき電変電所と、一定電圧制御機能を持つ順変換器で主回路を構成するき電変電所を並列に設置する場合も同様の保護動作を得ることができる。

本発明の実施形態を示す直流き電電源の要部構成図。 従来の直流き電電源の要部構成図。 直流き電電源の電気回路定数の例。

符号の説明

１ 整流器
２、５ き電遮断器
３ 電力貯蔵媒体
４ 電圧制御用チョッパ
６、７ 保護継電器
８、９ 電流検出器
１０ 変換器

Claims (2)

1. 定電圧源を直流き電変電所に並列に設置し、定電圧源および直流き電変電所の出力電流を個別に遮断できるき電遮断器と保護継電器を設けた直流き電電源の過電流保護装置であって、
   定電圧源および直流き電変電所の出力電流を個別に検出する両電流検出器の出力電流を加算した電流を求め、この加算電流に基づく変換出力を行う変換器を設け、
   定電圧源および直流き電変電所の前記保護継電器は、前記変換器の変換出力を基に保護演算をそれぞれ個別に行い、前記き電遮断器を個別にトリップする構成としたことを特徴とする直流き電電源の過電流保護装置。
2. 前記変換器は、前記電流検出器の出力電流の加算値を、前記両保護継電器の入力範囲にスケール変換する構成にしたことを特徴とする請求項１に記載の直流き電電源の過電流保護装置。

Images