JP6161527B2 - 送電線保護リレー - Google Patents

Description

この発明は、電力系統の送電線を保護するための送電線保護リレーに関する。

一般に、送電線は、鉄塔によって空中を渡す架空線と地中ケーブルとに大別される。架空線の故障では落雷などによって生じる一時的な短絡故障または地絡故障が多いのに対して、地中ケーブルの故障では永久故障となる場合が多い。このため、架空線の故障の場合には、故障を検出して遮断器を一旦開放した後、遮断器を再閉路する運用が行われるのに対して、地中ケーブルの故障の場合には、故障を検出して遮断器を開放した後、遮断器を再閉路しない運用が行われる。

上記のように地中ケーブルと架空線とでは、故障の検出後に遮断器を再閉路するか否かが異なるので、地中ケーブルと架空線とが混在する送電線では、地中ケーブル区間の故障か否かを判定する必要がある。地中ケーブル区間の故障と判定された場合には、遮断器の再閉路機能が停止される。

特開昭６１−２６６０１７号公報（特許文献１）は、中間部分に地中ケーブル区間を有する架空送電線において地中ケーブル区間の故障か否かを判定する方法を開示する。具体的には、架空送電線の両端に保護リレーが設けられる。各保護リレーは、架空送電線の故障を検出する短距離故障検出器と、地中ケーブル送電線の故障を検出する長距離故障検出器とを含む。

特開昭６１−２６６０１７号公報

上記の特許文献には、短距離故障検出器および長距離故障検出器がどのように故障を検出するかが具体的に記載されていない。もし、従来の距離リレーと同様の方法で、計測した送電線電圧および送電線電流に基づいて故障点のインピーダンスを計算したとすると、算出されたインピーダンスに誤差が含まれる場合があることを本願の発明者は見出した。その理由は、ケーブルと架空線とでは零相インピーダンスおよび正相インピーダンスの値が異なるからである。このため、従来技術ではケーブル区間に故障点がある否かを正確に判定できない（上記の問題点は、本願の出願時において公知でない）。

この発明は、上述の問題点を考慮してなされたものであって、その目的は、ケーブルと架空線が混在した送電線において、ケーブル区間に故障点があるか否かを正確に判定することが可能な送電線保護リレーを提供することである。

一実施の形態による送電線保護リレーは、架空線区間とケーブル区間とを含む送電線を保護するものであり、入力部と、第１および第２の演算部と、判定部とを備える。入力部は、送電線保護リレーの設置点において計測された送電線電流および送電線電圧の入力を受ける。第１の演算部は、設置点からケーブル区間の開始点までの送電線のインピーダンスと計測された送電線電流とに基づいて、開始点を故障点と仮定したときの設置点の電圧を第１の電圧として算出するように構成される。第２の演算部は、設置点からケーブル区間の終点までのケーブル区間を含む送電線のインピーダンスと計測された送電線電流とに基づいて、終点を故障点と仮定したときの設置点の電圧を第２の電圧として算出するように構成される。判定部は、第１および第２の電圧と計測された送電線電圧とに基づいて、ケーブル区間内に故障点があるか否かを判定するように構成される。

上記の実施の形態によれば、ケーブルと架空線が混在した送電線において、ケーブル区間に故障点があるか否かを正確に判定することができる。

実施の形態１による送電線保護リレー１００が適用される電力系統のモデルを示す図である。 送電線２０のインピーダンスを示すインピーダンス図（Ｒ−ｊＸ図）である。 架空線およびケーブルの正相インピーダンスおよび零相インピーダンスの数値例を表形式で示す図である。 図１の送電線保護リレー１００の構成を示す機能ブロック図である。 入力電圧ＶｉｎをＸ軸上に投影した電圧Ｖｉｎ＊について説明するための図である。 負荷電流の影響を除去するための方法について説明するための図である。 図４の電圧演算部１３０および故障区間判定部１５０の構成を示す機能ブロック図である。 送電線保護リレー１００の動作を示すフローチャートである。 短絡故障の場合の電圧演算について説明するための図である。 地絡故障の場合の電圧演算について説明するための図である。 実施の形態２による送電線保護リレーが適用される電力系統のモデルを示す図である。 短絡故障の場合の電圧Ｖｐ１，Ｖｐ２の演算について説明するための図である。 地絡故障の場合の電圧Ｖｐ１，Ｖｐ２の演算について説明するための図である。

以下、各実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰り返さない。

＜実施の形態１＞
［電力系統の全体構成］
図１は、実施の形態１による送電線保護リレー１００が適用される電力系統のモデルを示す図である。

図１に示すモデルでは、送電線２０の両端（Ａ端、Ｂ端）に変電所があり、Ａ端およびＢ端の遠方に発電機１０Ａ，１０Ｂがそれぞれ設けられている。

Ａ端の変電所では、送電線２０の電流および電圧を測定する計器用変成器３２、すなわち、計器用電流変成器（ＣＴ：Current Transformer）３０および図示しない計器用電圧変成器（ＰＴ：Potential Transformer）が設けられる。送電線保護リレー１００は、計器用変成器３２と接続され、計器用変成器３２によって計測された送電線２０の電圧および電流を表わす信号の入力を受ける。送電線保護リレー１００は、入力された送電線電圧および送電線電流を表わす信号に基づいて、送電線２０の故障を検出する。

送電線２０は、架空線とケーブルの混成で構成される。図１の例では、送電線２０の中央部にケーブル区間２４が設けられ、ケーブル区間２４のＡ端側に架空線２２が設けられ、ケーブル区間２４のＢ端側に架空線２６が設けられている。Ａ端からＢ端までの送電線２０の正相インピーダンスのリアクタンス成分をＸＬとする。ケーブル区間２４は、Ａ端変電所からの正相インピーダンスのリアクタンス成分がＸ１ｓからＸ１ｅまでの間に設けられている。

送電線保護リレー１００は、距離リレー要素（図４の参照符号１１１）を含む。距離リレー要素は、計器用変成器３２によって計測された送電線２０を流れる電流および電圧に基づいて、インピーダンスを算出する。距離リレー要素は、算出されたインピーダンスが予め定める保護範囲内の場合に送電線２０に故障があると判定し、故障区間を系統より切り離すため、送電線２０の両端に設置される遮断器（図示せず）に対して開放指令を出力する。これによって、送電線２０が保護される。

一般に、距離リレー要素の保護範囲は、Ｚｏｎｅ１、Ｚｏｎｅ２、およびＺｏｎｅ３の３つの動作領域に区分される。Ｚｏｎｅ１における正相インピーダンスのリアクタンス成分の上限値Ｘｚ１は、相手変電所（Ｂ端変電所）までの送電線の正相インピーダンスのリアクタンス成分ＸＬの８０％程度に設定される。距離リレー要素は、Ｚｏｎｅ１内の送電線故障に対して遅延なく遮断器を開放動作する信号（リレー動作信号）を出力する。

Ｚｏｎｅ２における正相インピーダンスのリアクタンス成分の上限値Ｘｚ２は、相手変電所までの正相インピーダンスのリアクタンス成分ＸＬを十分カバーするためにその正相インピーダンスのリアクタンス成分ＸＬの１２０〜１５０％に設定される。距離リレー要素は、検出したインピーダンスがＺｏｎｅ２内の場合には一定時限後にリレー動作信号を出力する。

Ｚｏｎｅ３における正相インピーダンスのリアクタンス成分の上限値Ｘｚ３はさらに遠方の領域までカバーするように設定される。距離リレー要素は、検出したインピーダンスがＺｏｎｅ３内の場合には、Ｚｏｎｅ２での一定時限よりも長い時限が経過した後でリレー動作信号を出力する。

送電線保護リレー１００は、上記の距離リレー要素に加えて、故障点がケーブル区間２４にあるか、架空線区間２２，２６にあるかを従来よりも正確に検出する機能を有する。故障区間を検出する機能の詳細については、図４〜図１０で詳しく説明する。

［送電線のインピーダンス］
図２は、送電線２０のインピーダンスを示すインピーダンス図（Ｒ−ｊＸ図）である。図２では、抵抗成分を横軸（「Ｒ軸」と称する）で示し、リアクタンス成分を縦軸（「Ｘ軸」と称する）で示す。

図２を参照して、一般に、架空線のインピーダンスは、インピーダンス図上でＲ軸から８５〜９０度の角度をなす直線で表わされるのに対して、ケーブル２４のインピーダンスは、Ｒ軸からの角度が８０度より小さい直線で表わされる場合が多い。このため、図２では、架空線区間２２，２６のインピーダンスを表わす直線とＲ軸とのなす角度（インピーダンス角）と、ケーブル区間２４のインピーダンスを表わす直線とＲ軸とのなす角度（インピーダンス角）とが異なっている。

図２では、さらに、図１で説明した距離リレー要素の保護範囲（Ｚｏｎｅ１、Ｚｏｎｅ２、およびＺｏｎｅ３）が示されている。送電線２０が正常で、かつ負荷が前方遠方にある場合、送電線保護リレー１００で検出されるインピーダンスは、ほぼ負荷インピーダンスに等しく、図２のインピーダンス図上では、前方動作領域よりも右遠方に位置する。

図３は、架空線およびケーブルの正相インピーダンスおよび零相インピーダンスの数値例を表形式で示す図である。図３では、公称電圧２７５ｋＶの特別高圧送電線用に用いられる架空線およびＯＦ（Oil Filled）ケーブルにおける正相インピーダンスＺ１および零相インピーダンスＺ０の数値例が、単位長さ（１ｋｍ）当りの値として示されている。図３の数値例の場合、架空線の導体の断面積は８１０〜４１０ｍｍ²であり、ＯＦケーブルの導体の断面積は４００ｍｍ²である。ＯＦケーブルの零相インピーダンスＺ０は、ケーブル被覆が鉛シースの場合とアルミシースの場合との両方が示されている。

図３に示されるように、架空線とケーブルとでは、インピーダンス角だけでなく零相インピーダンスＺ０と正相インピーダンスＺ１との比（Ｚ０／Ｚ１）も異なっている。

［送電線保護リレーの構成］
図４は、図１の送電線保護リレー１００の構成を示す機能ブロック図である。図４を参照して、送電線保護リレー１００は、入力部１０２と、ＡＤ（Analog to Digital）変換部１０４と、処理部１０６と、リレー動作信号出力部１０８と、再閉路ロック信号出力部１１０とを含む。

入力部１０２は、送電線保護リレー１００の内部回路と外部との間の絶縁を確保するとともに、図１に示す送電線２０の計器用変成器３２から入力される送電線電圧および送電線電流の検出信号を適当な電圧レベルの信号に変換する。入力部１０２は、さらに、変換後の送電線電圧信号および送電線電流信号に含まれる高周波信号成分を除去するためのローパスフィルタ回路を含む。

入力部１０２によって電圧レベルが変換され、高周波分が除去された送電線電圧信号および送電線電流信号は、ＡＤ変換部１０４に入力され、ＡＤ変換部１０４によってデジタルデータに変換される。

処理部１０６は、ＡＤ変換部１０４から出力された送電線電圧および送電線電流を表わすデジタルデータと、予め設定された内部データとを用いて演算処理を実行する。処理部１０６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリ等を含むコンピュータをベースに構成される。

具体的に、処理部１０６は、距離リレー演算部１１２、Ｚｏｎｅ１判定部１１４、Ｚｏｎｅ２判定部１１６、Ｚｏｎｅ３判定部１１８、故障相判定部１２０、ＯＲ回路１２２、電圧演算部１３０、および故障区間判定部１５０などの機能ブロックを含む。距離リレー演算部１１２、Ｚｏｎｅ１判定部１１４、Ｚｏｎｅ２判定部１１６、Ｚｏｎｅ３判定部１１８、故障相判定部１２０、およびＯＲ回路１２２によって距離リレー要素１１１が構成される。

距離リレー演算部１１２は、従来の距離リレーと同様の演算を行うものである。具体的には、距離リレー演算部１１２は、入力された送電線の電流および電圧を表わすデータに基づいて故障点までのインピーダンスを算出する。距離リレー演算部１１２は、算出したインピーダンスをＺｏｎｅ１判定部１１４、Ｚｏｎｅ２判定部１１６、Ｚｏｎｅ３判定部１１８、および故障相判定部１２０に出力する。

Ｚｏｎｅ１判定部１１４、Ｚｏｎｅ２判定部１１６、およびＺｏｎｅ３判定部１１８の各々は、算出されたインピーダンス値が自判定部に定められた動作範囲内か否かを判定する。各判定部は、算出されたインピーダンスが定められた動作範囲内の場合には、所定のタイミングの経過後に（Ｚｏｎｅ１判定部１１４の場合は直ちに、Ｚｏｎｅ２判定部１１６の場合には一定時限後に、Ｚｏｎｅ３判定部１１８の場合にはさらに遅れたタイミングで）、ＯＲ回路１２２および電圧演算部１３０への出力信号を活性化する。

ＯＲ回路１２２は、判定部１１２，１１４，１１６のいずれかの出力信号が活性化したとき、リレー動作信号出力部１０８への出力信号を活性化する。リレー動作信号出力部１０８は、ＯＲ回路１２２の出力信号が活性化したとき、リレー動作信号を出力する。リレー動作信号を受けて、対応の遮断器（通常、図１のＡ端、Ｂ端変電所に設けられる）は開放する。

故障相判定部１２０は、距離リレー演算部１１２によるインピーダンスの算出結果に基づいて、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相のうちの故障相を特定する。具体的に、故障相判定部１２０は、Ａ相地絡故障、Ｂ相地絡故障、Ｃ相地絡故障、ＡＢ相短絡（地絡）故障、ＢＣ相短絡（地絡）故障、ＣＡ相短絡（地絡）故障、３相故障のいずれであるかを判定する。

電圧演算部１３０は、Ｚｏｎｅ１判定部１１４の出力信号が活性化したことを受けて演算を開始する。具体的には、電圧演算部１３０は、故障相判定部１２０の判定結果に基づいて、故障相に関係する相について故障区間判定のための電圧演算を行う。電圧演算の詳細については後述する。

故障区間判定部１５０は、電圧演算部１３０の演算結果を受けて、故障点がケーブル区間であるか否かを判定する。故障区間判定部１５０は、故障点がケーブル区間と判定した場合には、その旨を再閉路ロック信号出力部１１０に通知する。これによって、再閉路ロック信号出力部１１０から遮断器に出力される再閉路ロック信号によって、遮断器は再閉路しないようにロックされる。

［故障区間の判定方法について］
以下、Ａ相地絡故障の場合を例にして、故障区間の判定方法について説明する。この明細書では、送電線保護リレー１００に入力されるＡ相、Ｂ相、Ｃ相の電圧をそれぞれＶａ、Ｖｂ、Ｖｃとし、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相の電流をそれぞれＩａ、Ｉｂ、Ｉｃとする。さらに、これらの電圧、電流から計算される零相電圧、正相電圧、逆相電圧をそれぞれＶ０、Ｖ１、Ｖ２とし、零相電流、正相電流、逆相電流をそれぞれＩ０、Ｉ１、Ｉ２とする。

一般に、Ａ相地絡故障時のＡ相電圧Ｖａ、Ａ相電流Ｉａ、および零相電流Ｉ０は、以下の関係式を満たす。

Ｖａ＝ＺＦ×（Ｉａ＋（（Ｚ０／Ｚ１）−１）×Ｉ０） …(1)
上式（１）において、保護リレーの設置点より故障点までの正相インピーダンスをＺＦとし、保護リレー設置点から故障点までの単位長さ当りの送電線の正相インピーダンスをＺ１とし、保護リレー設置点から故障点までの単位長さ当りの送電線の零相インピーダンスをＺ０としている。式中に零相電流が現れる理由は、地絡故障の場合、大地を伝わって故障電流が流れるからである。

上式（１）より、故障点までのインピーダンスＺＦは、送電線保護リレー１００へ入力されるＡ相電圧Ｖａ、Ａ相電流Ｉａと、零相電流Ｉ０により以下のように表わされる。

ＺＦ＝Ｖａ／（Ｉａ＋（（Ｚ０／Ｚ１）−１）×Ｉ０） …(2)
送電線が架空線またはケーブル線のいずれか単一で構成される場合には、送電線区間内の故障点でＺ０／Ｚ１は一定であるので、距離リレー要素が上式（２）に従って地絡故障時の故障点までのインピーダンスを計算することに問題はない。たとえば、距離リレー要素に適用されるＺｏｎｅ１の整定値（Ｘ１）は、変電所間の送電線のインピーダンスのほぼ８０％に決められているので、故障点までのインピーダンスＺＦの演算に使用するＺ０／Ｚ１として、Ｚｏｎｅ１の整定値Ｘ１の地点でのＺ０／Ｚ１を用いて問題はない。

ところが、送電線が架空線およびケーブル線の混在した構成の場合には、送電線上の故障点の位置に応じてインピーダンスＺＦの演算に用いるＺ０／Ｚ１の値が異なる。このため、Ｚｏｎｅ１の整定値Ｘ１でのＺ０／Ｚ１を単純に用いて故障点までのインピーダンスＺＦを計算すると誤差が生じることになる。

以上の理由から、実施の形態１による送電線保護リレー１００では、従来と異なる方法でケーブル区間２４に故障点があるか否かを判定する。具体的にＡ相地絡故障の場合、判定方法では、まず、保護リレーの設置点からケーブル区間２４の開始点までの架空線の零相インピーダンスのリアクタンス成分（Ｘ軸成分）をＸ０ｓとし、保護リレーの設置点からケーブル区間２４の開始点までの架空線の正相インピーダンスのリアクタンス成分（Ｘ軸成分）をＸ１ｓとする。そして、これらの零相インピーダンスおよび正相インピーダンスの各リアクタンス成分の比ＫＮ１（＝Ｘ０ｓ／Ｘ１ｓ）と、正相インピーダンスのリアクタンス成分Ｘ１ｓの値と、送電線電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃから計算される零相電流Ｉ０とを用いて、以下の式で表わされる電圧Ｖｐ１を計算する。

Ｖｐ１＝Ｘ１ｓ×（Ｉａ＋（ＫＮ１−１）×Ｉ０） …(3)
上式（３）において、電圧Ｖｐ１は、故障点がケーブル区間２４の開始点であると仮定した場合に送電線保護リレー１００で検出される送電線電圧（Ａ相地絡故障の場合はＶａ）のＸ軸成分の値（Ｘ軸上に投影した値）、あるいは故障電流Ｉａを９０度進めたベクトル方向に投影された検出電圧Ｖａの値を意味する（Ｉａ，ＶａはＡ相地絡故障の場合）。

さらに、判定方法では、保護リレーの設置点からケーブル区間２４の終点までの架空線とケーブルとの合計の零相インピーダンスのリアクタンス成分をＸ０ｅとし、保護リレーの設置点からケーブル区間２４の終点までの架空線とケーブルとの合計の正相インピーダンスのリアクタンス成分をＸ１ｅとする。そして、これらの零相インピーダンスおよび正相インピーダンスの各リアクタンス成分の比ＫＮ２（＝Ｘ０ｅ／Ｘ１ｅ）と、正相インピーダンスのリアクタンス成分Ｘ１ｅの値と、送電線電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃから計算される零相電流Ｉ０とを用いて、以下の式で表わされる電圧Ｖｐ２を計算する。

Ｖｐ２＝Ｘ１ｓ×（Ｉａ＋（ＫＮ２−１）×Ｉ０） …(4)
上式（４）において、電圧Ｖｐ２は、故障点がケーブル区間２４の終点であると仮定した場合に送電線保護リレー１００で検出される送電線電圧（Ａ相地絡故障の場合はＶａ）のＸ軸成分の値（Ｘ軸上に投影した値）、あるいは故障電流Ｉａを９０度進めたベクトル方向に投影された検出電圧Ｖａの値を意味する（Ｉａ，ＶａはＡ相地絡故障の場合）。

上式（３）および（４）において、電圧Ｖｐ１，Ｖｐ２は、故障電流に対して正相インピーダンスのリアクタンス分を乗じているので、インピーダンス図のＸ軸（リアクタンス軸）上に送電線電圧を投影した値と等価となっている。

図５は、入力電圧ＶｉｎをＸ軸上に投影した電圧Ｖｉｎ＊について説明するための図である。図５を参照して、故障時の入力電流ＩｉｎはＲ軸上にあるとみなしてよいので、Ｘ軸上に投影することは、入力電流Ｉｉｎの位相を９０°進ませた電流ベクトル方向に投影することと等価である。

ここで、Ｘ軸上に投影する理由は、電圧Ｖｐ１，Ｖｐ２の大きさと入力電圧Ｖｉｎの大きさとを同じベクトル方向で比較するためである。故障点でアーク抵抗があると、アーク抵抗によって生じる電圧は入力電流と同相であるため、入力電流の位相を９０°進ませた電流ベクトル方向に投影することによって、アーク抵抗によって生じる電圧の影響を除去することができる。

以上によって、Ｘ軸上に投影された値である、電圧Ｖｐ１，電圧Ｖｐ２、および入力電圧Ｖｉｎ＊（Ａ相地絡故障の場合はＶａ＊）の各々が求まると、これらの値を比較することによって、故障点がケーブル区間２４にあるか否かを判定することができる。

具体的に、故障点がケーブル区間２４の開始点より近傍の場合は、
Ｖｐ１＜Ｖｉｎ＊ …(5)
となり、故障点がケーブル区間２４の開始点より遠方の場合は、
Ｖｐ１＞Ｖｉｎ＊ …(6)
となる。したがって、故障点がケーブル区間２４内にある場合には、
Ｖｐ１≧Ｖｉｎ＊ かつ Ｖｐ２≦Ｖｉｎ＊ …(7)
が満たされる。

［負荷電流の影響の除去］
さらに正確なケーブル区間の判定のためには、送電線保護リレーの入力電流Ｖｉｎから負荷電流を削除するのが望ましい。入力電流Ｖｉｎは、故障電流ＩＦと負荷電流ＩＬとの合成電流となっているからである。

図６は、負荷電流の影響を除去するための方法について説明するための図である。図６を参照して、故障発生よりも数サイクル前の負荷電流ＩＬ（ｔ）は入力電流Ｉｉｎ（ｔ）に等しい。この負荷電流ＩＬ（t）が故障中も継続していると仮定した場合の波形を図６に一点鎖線で示す。故障電流ＩＦ（ｔ）は、故障中の入力電流Ｉｉｎ（ｔ）から故障中も継続するとして推定された負荷電流ＩＬ（ｔ）（図中の一点鎖線）を各時刻ごとに減算することによって求められる。電圧演算部１３０の演算では、入力電流Ｖｉｎに代えて上記方法で計算された負荷電流ＩＬ（ｔ）を用いることによって、より正確な故障区間の判定が可能になる。

［電圧演算および故障区間判定の詳細］
図７は、図４の電圧演算部１３０および故障区間判定部１５０の構成を示す機能ブロック図である。図８は、送電線保護リレー１００の動作を示すフローチャートである。以下、図７、図８を主として参照して、故障区間の判定の詳細について説明する。

既に説明したように、送電線保護リレー１００は、計器用変成器３２から送電線電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃおよび送電線電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃの検出信号を受ける（ステップＳ１００）。次に、図４の距離リレー演算部１１２が通常の距離リレー演算を行い（ステップＳ１０５）、その結果に基づいて、判定部１１４，１１６，１１８がＺｏｎｅ判定を行うとともに、故障相判定部１２０が故障相を判定する（ステップＳ１１５）。判定部１１４，１１６，１１８の判定結果に基づいて、リレー動作信号が出力部１０８からリレー動作信号が出力される（ステップＳ１１５）。

電圧演算部１３０は、Ｚｏｎｅ１判定部１１４の出力信号が活性化したことを受けて演算を開始する。図７に示すように、電圧演算部１３０は、演算部１３２（Ｖｐ１演算部１３４およびＶｐ２演算部１３６）と、演算部１３８（Ｖｐ１演算部１３４およびＶｐ２演算部１３６）と、投影処理部１４４と、入力電流補正部１４６とを含む。

演算部１３２は短絡故障の場合に電圧Ｖｐ１およびＶｐ２の演算を行い、演算部１３８は地絡故障の場合に電圧Ｖｐ１，Ｖｐ２演算を行う（ステップＳ１２０）。投影処理部１４４は、入力電圧ＶｉｎのＸ軸上への投影処理を行う（ステップＳ１２５）。

入力電流補正部（故障電流算出部）１４６は、図６で説明したように、故障直前の入力電流Ｉｉｎ（ｔ）に基づいて故障後の負荷電流ＩＬ（ｔ）を推定し、推定された負荷電流ＩＬ（ｔ）を故障後の入力電流Ｉｉｎ（ｔ）から減算することによって故障電流ＩＦ（ｔ）を算出する。演算部１３２，１３４での演算処理および投影処理部１４４でのＶｉｎの投影処理は、入力電流Ｉｉｎ（ｔ）に代えて、入力電流補正部１４６によって算出された故障電流ＩＦ（ｔ）を用いて実行されるのが望ましい。

図９は、短絡故障の場合の電圧演算について説明するための図である。図９を参照して、たとえば、ＡＢ相間の短絡故障の場合には、ＡＢ相間の電流Ｉａｂ＝Ｉｂ−Ｉａが入力電流Ｉｉｎとなり、ＡＢ相間の電圧Ｖａｂ＝Ｖｂ−Ｖａが入力電圧Ｖｉｎとなる。

なお、Ａ相およびＢ相の地絡故障の場合は、実際上ＡＢ相間の短絡故障として演算される。

電圧Ｖｐ１は、保護リレーの設置点からケーブル区間２４の開始点までの正相インピーダンスのリアクタンス成分Ｘ１ｓを用いて、以下の式で与えられる。

Ｖｐ１＝Ｘ１ｓ×Ｉａｂ …(8)
同様に、電圧Ｖｐ２は、保護リレーの設置点からケーブル区間２４の終点までの正相インピーダンスのリアクタンス成分Ｘ１ｅを用いて、以下の式で与えられる。

Ｖｐ２＝Ｘ１ｅ×Ｉａｂ …(9)
ＢＣ相間およびＣＡ相間の短絡故障の場合も同様である。なお、電圧Ｖｐ１は、故障点がケーブル区間２４の開始点とした場合に送電線保護リレー１００で検出される電圧（ＡＢ相間の短絡故障の場合はＶａｂ）のＸ軸成分の値（Ｘ軸上に投影した値）、あるいは故障電流Ｉａｂを９０度進めたベクトル方向に投影された検出電圧Ｖａｂの値を意味する（Ｉａｂ，ＶａｂはＡＢ相間の短絡故障の場合）。電圧Ｖｐ２は、故障点がケーブル区間２４の終点とした場合に送電線保護リレー１００で検出される電圧（ＡＢ相間の短絡故障の場合はＶａｂ）のＸ軸成分の値（Ｘ軸上に投影した値）、あるいは故障電流Ｉａｂを９０度進めたベクトル方向に投影された検出電圧Ｖａｂの値を意味する（Ｉａｂ，ＶａｂはＡＢ相間の短絡故障の場合）。

図１０は、地絡故障の場合の電圧演算について説明するための図である。Ａ相地絡故障の場合は、既に式（３）および（４）を参照して説明したとおりであるので説明を繰り返さない。Ｂ相およびＣ相の地絡故障の場合もＡ相の場合と同様に電圧Ｖｐ１，Ｖｐ２が算出される。

再び図７および図８を参照して、故障区間判定部１５０は、Ｘ軸上に投影された値である電圧Ｖｐ１，Ｖｐ２と、入力電圧ＶｉｎをＸ軸上に投影した入力電圧Ｖｉｎ＊とを比較する。ここで、電圧Ｖｐ１、Ｖｐ２、およびＶｉｎの値は、短絡故障の場合には故障相に応じて図９に示され、地絡故障の場合には故障相に応じて図１０に示されている。

具体的に、故障区間判定部１５０は、判定部１５２，１５４と、ＡＮＤ回路１５６とを含む。判定部１５２は、電圧Ｖｐ１が入力電圧Ｖｉｎ＊以上となっているかを判定する（ステップＳ１３０）。判定部１５４は、電圧Ｖｐ２が入力電圧Ｖｉｎ＊以下となっているかを判定する（ステップＳ１３５）。ＡＮＤ回路１５６は、判定部１５２，１５４の判定結果が共に満たされている場合に（ステップＳ１３０およびステップＳ１３５が共にＹＥＳの場合）、再閉路ロック信号出力部１１０への出力信号を活性化する。再閉路ロック信号出力部１１０は、ＡＮＤ回路１５６の出力信号が活性化されているとき、対応の遮断器の再閉路をロックするための信号を出力する（ステップＳ１４０）。

［効果］
以上のとおり、実施の形態１による送電線保護リレーは、保護リレーの設置点からケーブルの開始点までと終点までとにおける零相および正相インピーダンスのリアクタンス成分を用いて、故障相に応じた電圧演算を実行し、算出された電圧と実際の入力電圧とを比較することでケーブル区間の故障か否かの判定を行う。したがって、零相と正相インピーダンスを正しく設定することができるのでケーブル区間の故障か否かの判定を正確に行うことができる。

［変形例］
上記の実施例では、単一のケーブル区間の場合について説明したが、複数のケーブル区間を有する送電線の場合も、各ケーブル区間において上記と同様の計算を行うことによって、各ケーブル区間内に故障点があるか否かを判定することができる。

＜実施の形態２＞
実施の形態２では、多回線の送電線において、ケーブル区間と架空線区間とが混在している場合の故障区間の判定について説明する。

図１１は、実施の形態２による送電線保護リレーが適用される電力系統のモデルを示す図である。

図１１に示すモデルでは、送電線２００が２回線の場合が示されている。送電線２００の両端（Ａ端、Ｂ端）に変電所があり、Ａ端およびＢ端の遠方に発電機１０Ａ，１０Ｂが設けられている。送電線保護リレー１００は、Ａ端の変電所に設置され、Ａ端における送電線（２回線）の電流および電圧を計器用変成器（電流変成器３０および図示しない電圧変成器）によって計測する。

送電線２００は、架空線とケーブルとが混在した２回線の構成である。送電線の中央部にケーブル区間２４０，２４１が設けられており、ケーブル区間２４０，２４１のＡ端側に架空線区間２２０，２２１が設けられ、ケーブル区間２４０，２４１のＢ端側に架空線区間２６０，２６１が設けられる。

２回線の場合には、架空線区間において隣回線を流れる電流によって誘導起電力が生じる。このため、実施の形態１で説明した電圧Ｖｐ１,Ｖｐ２の演算式を零相の相互誘導インピーダンスを用いて補正する必要がある。なお、実施の形態１の場合と同じく、電圧Ｖｐ１は、故障点がケーブル区間２４の開始点と仮定した場合に送電線保護リレー１００で検出されると推定される送電線電圧をＸ軸上に投影した値を意味し、電圧Ｖｐ２は、故障点がケーブル区間２４の終点と仮定した場合に送電線保護リレー１００で検出されると推定される送電線電圧をＸ軸上に投影した値を意味する。

図１２は、短絡故障の場合の電圧Ｖｐ１，Ｖｐ２の演算について説明するための図である。すなわち、図１１に示す２回線の送電線の場合において、短絡故障が生じた場合の電圧Ｖｐ１，Ｖｐ２の計算式が図１２の表に示されている。図１２に示すように、短絡故障の場合には、１回線の場合と複数回線の場合とで電圧Ｖｐ１，Ｖｐ２の計算方法は同じである。

図１３は、地絡故障の場合の電圧Ｖｐ１，Ｖｐ２の演算について説明するための図である。以下、Ａ相地絡故障の場合について説明する。Ｂ相、Ｃ相の場合も同様である。

図１３を参照して、地絡故障の場合は、隣回線を流れる零相電流Ｉ０ｍによる誘導起電力を考慮する必要がある。保護リレーの設置点からケーブル区間の開始点までの架空線２２０，２２１の相互誘導インピーダンスのリアクタンス成分をＸＭｓとし、保護リレーの設置点からケーブル区間の開始点までの架空線２２０の正相インピーダンスのリアクタンス成分をＸ１ｓとする。両者の比ＫＭ１（＝ＸＭｓ／Ｘ１ｓ）を用いると、前述の式（３）は次式のように修正される。

Ｖｐ１＝Ｘ１ｓ×（Ｉａ＋（ＫＮ１−１）×Ｉ０＋ＫＭ１×Ｉ０ｍ） …(10)
同様に、保護リレーの設置点からケーブル区間の終点までの架空線２２０，２２１とケーブル２４０，２４１との合計の相互誘導インピーダンスのリアクタンス成分をＸＭｅとし、保護リレーの設置点からケーブル区間の終点までの架空線２２０とケーブル２４０との合計の正相インピーダンスのリアクタンス成分をＸ１ｅとする。両者の比ＫＭ２（＝ＸＭｅ／Ｘ１ｅ）を用いると、前述の式（４）は次式のように修正される。

Ｖｐ２＝Ｘ１ｅ×（Ｉａ＋（ＫＮ２−１）×Ｉ０＋ＫＭ２×Ｉ０ｍ） …(11)
上記の電圧Ｖｐ１，Ｖｐ２の計算式以外については、実施の形態２は、実施の形態１と同様であるので説明を繰り返さない。式（５）〜（７）で説明したように、故障点がケーブル区間２４０，２４１にあるか否かは、Ｘ軸に投影された値である電圧Ｖｐ１，Ｖｐ２とＸ軸上に投影された入力電圧Ｖｉｎ＊（Ａ相の地絡故障の場合はＶａ＊）とを比較することによって判定できる。

上記のように、多回線送電線の場合においても、保護リレーの設置点からケーブル区間の開始点までと終点までとの相互誘導インピーダンスを用いて正確に電圧Ｖｐ１，Ｖｐ２の演算が実施できるので、ケーブル区間で故障が生じているかを正確に判定することができる。

また、例示した架空線とケーブル線の配置以外の構成、即ち、保護リレー設置点からケーブル線があり、その遠方に架空線がある場合やその逆の構成などに対しても同様の方式でケーブル区間を判定することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０Ａ，１０Ｂ 発電機、２０，２００ 送電線、２２，２６，２２０，２２１，２６０，２６１ 架空線（区間）、２４，２４０，２４１ ケーブル（区間）、３０ 電流変成器、３２ 計器用変成器、１００ 送電線保護リレー、１０２ 入力部、１０４ ＡＤ変換部、１０６ 処理部、１０８ リレー動作信号出力部、１１０ 再閉路ロック信号出力部、１１１ 距離リレー要素、１１２ 距離リレー演算部、１１４ Ｚｏｎｅ１判定部、１１６ Ｚｏｎｅ２判定部、１１８ Ｚｏｎｅ３判定部、１２０ 故障相判定部、１３０ 電圧演算部、１４４ 投影処理部、１４６ 入力電流補正部、１５０ 故障区間判定部。

Claims (5)

1. 架空線区間とケーブル区間とを含む送電線を保護する送電線保護リレーであって、
   前記送電線保護リレーの設置点において計測された送電線電流および送電線電圧の入力を受ける入力部と、
   前記設置点から前記ケーブル区間の開始点までの前記送電線のインピーダンスと前記計測された送電線電流とに基づいて、前記開始点を故障点と仮定したときの前記設置点の電圧を第１の電圧として算出するように構成される第１の演算部と、
   前記設置点から前記ケーブル区間の終点までの前記ケーブル区間を含む前記送電線のインピーダンスと前記計測された送電線電流とに基づいて、前記終点を故障点と仮定したときの前記設置点の電圧を第２の電圧として算出するように構成される第２の演算部と、
   前記第１および第２の電圧と前記計測された送電線電圧とに基づいて、前記ケーブル区間内に故障点があるか否かを判定するように構成される判定部とを備え、
   前記判定部は、前記第１および第２の電圧と前記計測された送電線電圧とを、前記計測された送電線電流の位相を９０度進ませた電流ベクトル方向に投影したときに、投影された前記送電線電圧の計測値と投影された前記第１および第２の電圧とを比較することによって、前記ケーブル区間内に故障点があるか否かを判定するように構成される、送電線保護リレー。
2. 前記送電線保護リレーは、
   前記送電線の故障を検出し、故障検出時に、前記送電線に設けられた遮断器を開放するための信号を出力するように構成される距離リレー要素をさらに備え、
   前記判定部は、前記故障点が前記ケーブル区間内にあると判定した場合に、前記遮断器の再閉路をロックするための信号を出力するように構成される、請求項１に記載の送電線保護リレー。
3. 前記第１の演算部は、前記距離リレー要素によって地絡故障と検出された場合に、前記設置点から前記ケーブル区間の開始点までの前記送電線の零相インピーダンスおよび正相インピーダンスの各リアクタンス成分の比と、前記設置点から前記ケーブル区間の開始点までの前記送電線の正相インピーダンスのリアクタンス成分の値とに基づいて、前記第１の電圧を算出するように構成され、
   前記第２の演算部は、前記距離リレー要素によって地絡故障と検出された場合に、前記設置点から前記ケーブル区間の終点までの前記送電線の零相インピーダンスおよび正相インピーダンスの各リアクタンス成分の比と、前記設置点から前記ケーブル区間の終点までの前記送電線の正相インピーダンスのリアクタンス成分とに基づいて、前記第２の電圧を算出するように構成される、請求項２に記載の送電線保護リレー。
4. 前記送電線保護リレーは、前記距離リレー要素による故障検出の直前に計測された送電線電流に基づいて故障検出後の負荷電流を推定し、前記推定された負荷電流を故障検出後に計測された送電線電流から減算することによって故障電流を算出するように構成される故障電流算出部をさらに備え、
   前記第１および第２の演算部ならびに前記判定部は、前記計測された送電線電流に代えて前記算出された故障電流を用いて演算を行う、請求項２に記載の送電線保護リレー。
5. 前記送電線は、複数回線を含み、
   前記第１の演算部は、前記距離リレー要素によって地絡故障と検出された場合に、前記設置点から前記ケーブル区間の開始点までの前記送電線の相互誘導インピーダンスおよび正相インピーダンスの各リアクタンス成分の比にさらに基づいて、前記第１の電圧を算出するように構成され、
   前記第２の演算部は、前記距離リレー要素によって地絡故障と検出された場合に、前記設置点から前記ケーブル区間の終点までの前記送電線の相互誘導インピーダンスおよび正相インピーダンスのリアクタンス成分の比にさらに基づいて、前記第２の電圧を算出するように構成される、請求項３に記載の送電線保護リレー。

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