JP7575838B2 - シャントキャパシタバンクにおける故障検出 - Google Patents

Description

本主題は、概して電力システムにおける故障検出に関する。特に、本主題はシャントキャパシタバンクにおける故障検出に関する。

背景
シャントキャパシタバンク（Shunt Capacitor Bank：ＳＣＢ）は、電力システムにおける無効電力補償のために使用される。典型的に、ＳＣＢは、直列および並列に接続されたキャパシタからなるキャパシタ群を含むキャパシタ要素を含む。電力システムにおける無効電力補償は、無効電力サポートを提供し、この無効電力サポートは、電力システムの容量を改善し、システムの力率を改善し、より良好な電圧安定性を提供する。しかしながら、電力システムは、ＳＣＢにおけるアーク放電故障につながり得る内部または外部の故障および障害を被ることが多い。シャントキャパシタバンクにおいて発生するアーク放電故障が検出されない場合、これは、キャパシタバンク全体に損傷を引き起こす可能性がある。

本主題の特徴、態様、および利点は、以下の説明および添付の図面との関連で、より良く理解されるであろう。異なる図面における同一の参照番号の使用は、同様または同一の特徴および構成要素を示す。

ＳＣＢにおけるキャパシタユニットの配置の一例を示す図である。 本主題のある実施形態に係る、ＳＣＢにおける故障検出のための装置を含む電力システムを示す図である。 本主題に係る、相Ａと相Ｂとの間に相アーク放電故障が発生した場合のインピーダンス角の軌跡を示す図である。 本主題のある実施形態に係る、シャントキャパシタバンクにおける故障を検出するための方法を示す図である。

概要
本発明の実施形態は、電力システムに接続されたシャントキャパシタバンクにおける故障を検出するための方法、故障検出のための装置、および故障検出のための命令を含むコンピュータ読取可能記憶媒体に関する。本発明の実施形態の目的は、キャパシタバンク内の相アーク放電故障を短い時間間隔内で識別し、それにより、ユニットのカスケード故障の早期検出によってキャパシタバンクにおける損傷を回避することであろう。

第１の態様に従い、電力システムに接続されたシャントキャパシタバンクにおける故障を検出するための方法が提供される。この方法は、シャントキャパシタバンクの端子における電圧測定値および電流測定値を取得するステップを含む。電圧測定値および電流測定値に基づいて電気的パラメータが計算される。計算される電気的パラメータは、インピーダンス角または有効電力である。さらに、電気的パラメータの第１の値と第２の値との間の差が計算され、それに基づいて故障が検出される。

第２の態様に従い、電力システムに接続されたシャントキャパシタバンクにおける故障を検出するための装置が提供される。この装置は、プロセッサと、プロセッサが実行可能な故障検出モジュールとを含む。故障検出モジュールは、シャントキャパシタバンクの端子における電圧測定値および電流測定値を取得するように構成される。故障検出モジュールは、電圧測定値および電流測定値に基づいて電気的パラメータを計算するように構成される。計算される電気的パラメータは、インピーダンス角または有効電力である。さらに、電気的パラメータの第１の値と第２の値との間の差が計算され、それに基づいて故障が検出される。

第３の態様に従い、プログラム命令を含む非一時的なコンピュータ読取可能媒体が提供され、プログラム命令は、実行されると、装置に、電力システムに接続されたシャントキャパシタバンクにおける故障を検出させる。

一実装形態に従うと、電圧測定値および電流測定値は、シャントキャパシタバンクの端子における各相において取得される。

別の実装形態に従うと、電気的パラメータの第１の値および第２の値は互いに連続している。

別の実装形態に従うと、故障を検出するステップは、予め定められた基準が満たされているか否かを判断することを含む。予め定められた基準は、相のうちの第１の相の電気的パラメータの第１の値と第２の値との間の差と、相のうちの第２の相の電気的パラメータの第１の値と第２の値との差との合計の絶対値が、相のうちの第３の相の電気的パラメータの第１の値と第２の値との間の差よりも大きいことと、相のうちの第１の相の電気的パラメータの第１の値と第２の値との間の差の絶対値、および、相のうちの第２の相の電気的パラメータの第１の値と第２の値との間の差の絶対値が、各々、対応するしきい値よりも大きいこととを含む。

別の実装形態に従うと、故障は、相のうちの第１の相と相のうちの第２の相との間の相間故障として検出される。

別の実装形態に従うと、電気的パラメータの対応するしきい値は、測定機器の精度に基づいて設定される。

別の実装形態に従うと、シャントキャパシタバンクは、二重Ｙ構成の３相伝送線路に接続される。

別の実装形態に従うと、故障は、シャントキャパシタバンクのカスケード故障の前に検出される。

別の実装形態に従うと、電気的パラメータを決定するために、アーク抵抗が、ウォーリントン（Warrington）公式に基づいて計算される。

詳細な説明
本主題は、電力システムに接続されたシャントキャパシタバンクにおける故障検出に関する。故障は、相間のキャパシタバンク内の弧絡（arc-over）の場合がある。

同一相の単一または複数の直列のユニットにわたる短絡によって引き起こされる、キャパシタ要素の故障またはラック内のフラッシュオーバー等の、ＳＣＢにおける相アーク放電故障の間、保護方式が、潜在的なシャントキャパシタバンク故障についてオペレータに通知するためのアラームを開始してもよい。バンクのトリップは、損傷を最小限に抑えること、および、他の故障した要素／ユニットによる故障の、起こり得る急速なカスケードを防止することに役立つ。したがって、ＳＣＢにおけるカスケード故障を回避するために、相アーク放電故障を短い時間内に検出することが望ましい。

従来、ある技術において、電流の大きさおよびそのピークが、シャントキャパシタバンクにおけるアーク放電故障を検出するために使用される。電流の大きさに基づく方法は、キャパシタバンクの近くで生じ得るシステム障害中に失敗する可能性がある。別の技術において、接地に対するアーク放電故障は、電圧信号内に存在する３次高調波に基づいて検出される。しかしながら、この技術は相アーク放電故障を検出しない。別の技術において、アーク放電故障は負のシーケンス電流の大きさで検出される。しかしながら、この技術は、外部障害の影響を受け易く、１５～２０電力サイクルの遅延を導入する電力システムの他の保護システムと協調する必要がある。また、負のシーケンス電流に基づく検出技術を設定するための動作レベルは複雑である。

キャパシタバンク内の弧絡について最も効果的な保護は、高速不平衡リレーによって提供される。不平衡トリップリレーは、直列セクションのアーク検出に最も効果的な保護であるが、３つの相のすべてが十分に分離されていないキャパシタバンクに対するラック故障保護について、中性電圧タイプの不平衡リレーに依拠することはできない。この例では、３つの相すべてが単一の鋼構造体上に設置されている、１相当たり２つの直列グループを有する接地されていない単一のＹ字形キャパシタバンクについて検討する。個々の相は、初期故障が中間ラック相間故障として起こり得るように、互いの上に積み重ねられる。接地される場合、この故障は中性電圧または中性電流の不平衡を引き起こさないので、中性不平衡リレーは対応していない。初期故障は、時間または瞬時過電流リレーを動作させるほど重大になるまで広がる場合がある。しかしながら、バンクトリップの前に３つの相すべてに関与する相当な損傷が存在する可能性がある。

個々の相が別々の構造上で十分に分離されるように構成されたシャントキャパシタバンクにおいて、キャパシタバンク内の弧絡は、単一の直列グループにわたる弧絡として始まることになる。そのような故障は、相過電流をほとんど生じさせない。不平衡リレー保護方式が機能しない場合、バンク過電流リレーがバンクをトリップするまでまたはヒューズが開くまで、同一相のますます多くの直列グループが関与することになる可能性がある。この故障は、溶断された多数のヒューズおよび破壊されたキャパシタユニットを含む、バンクの重大な損傷を伴う。瞬時過電流リレーは、通常、高度な設定を必要とするのでラック故障に対して効果的ではない。

たとえば、表１に示されるパラメータを有する、１０ＭＶＡｒ、５２ｋＶの、外部から溶断される接地された二重Ｙ接続キャパシタバンクが、電圧および電流の大きさに基づく各種保護方式の性能について、分析される。

図１は、ＳＣＢにおけるキャパシタユニット１０１の配置の一例を示し、分析の結果は表２に示され、この表において単位値当たりの故障位置が「ｍ」で示される。「ｍ」の値は、「０」と「１」との間で変化し得るものであり、「０」は、ＳＣＢ１０２の最上部における相アーク放電故障の故障位置を示し、「１」は、ＳＣＢ１０４の最下部における相アーク放電故障の故障位置を示す。この例では異なる故障位置（ｍ）における相アーク放電故障について検討する。リレーのトリップのために採用された主要な保護方式は、定格電圧の１１０％に設定された過電圧（ＯＶ：overvoltage）および定格電流の１３５％に設定された過電流（ＯＣ：overcurrent）であった。

以下に示される表２からわかるように、相アーク放電故障がＳＣＢの最下部に向かって発生するとき（ｍ＝０．８７５）、電圧の上昇および故障電流の大きさは、検出すべきＯＶおよびＯＣの予め設定された値よりも小さいことがわかる。結果として、バンクの健全なユニット（healthy unit）の両端の電圧の値は、保護リレーがトリップする前に、それらが定格電圧の１１０％に達するまで上昇し続け、これはその後ＳＣＢにおけるカスケード故障につながり得る。

また、故障は相アーク放電故障なので、不平衡による中性電流は存在せず、そのため、中性電流に基づく保護方式は反応しないことになる。さらに、負のシーケンスベースの保護は、バンクの外部の故障に対する電力システムの他の保護装置間の適切な協調のために、１５～２０電力サイクルの時間的遅延を導入することになる。異なる相間の弧絡故障は、相電流および相過電圧をほとんど生じさせず、この故障は結果として健全なユニットの電圧の増加をもたらす。そのため、損傷を最小限に抑えるためには、キャパシタバンクを相アーク放電故障から早期に保護する必要がある。

本主題は、相アーク放電故障に対し、電力システムに接続されたシャントキャパシタバンクの高速で信頼性の高い保護方式を提供する。故障の検出は、ＳＣＢの端子で測定された３相電圧および電流の値に基づく。方法の一例は、測定機器を使用して、ＳＣＢ端子における３相電圧および電流測定値をそれぞれ電圧信号または電流信号として取得することを含む。信号は連続的に測定されて、各相におけるインピーダンス角または有効電力またはその双方等の、電気的パラメータが計算される。さらに、電気的パラメータの第１の値と第２の値との間の差が、計算され、故障を検出するための予め定められた基準についてテストされる。

提案されている方法および装置は、ラック間故障とも呼ばれるキャパシタバンク内の相アーク放電故障を短い時間間隔内で識別し、それにより、ユニットのカスケード故障の早期検出によってキャパシタバンクにおける損傷を回避する。提案されている方法は、応答時間を増す外部システム障害の影響を受けない。さらに、アーク放電故障の検出のための追加のセンサまたはハードウェア機器は不要である。

本主題の上記およびその他の特徴、態様、および利点について、以下の記述および添付の図面との関連でより十分に説明する。可能な限り、図面および以下の説明では同一または同様の部分を参照するために同一の参照番号を使用する。いくつかの例が説明されるが、修正形態、適合形態、およびその他の実装形態が可能である。

図２は、本主題のある実施形態に係る、ＳＣＢにおける故障検出のための装置を含む電力システムを示す。この図面に示される電力システム２００は、送電網および配電網の一部となり得る３相伝送線路を含む。議論のためにＳＣＢは送電線路に接続されたものとして示されているが、本主題の教示は他の電力線路に接続されたＳＣＢにも適用され得ることが理解されるであろう。シャントキャパシタバンク２０２を、無効電力サポートを提供するために電力システム２００に接続することができる。一例において、ＳＣＢは、伝送線路の３つの相に接続された二重Ｙ構成であってもよい。しかしながら、ＳＣＢ２０２は、キャパシタユニットを接続し得る方法に応じてさまざまな構成を有し得る。

故障検出のための電力システム２００は、シャントキャパシタバンクおよび電力システムに関連付けることができるが簡潔にするために示されていない種々のパラメータを監視、検知、および制御するための、複数の追加の構成要素または装置を含み得ることが、理解されるであろう。たとえば、回路遮断器、センサ、変流器、変圧器、電力システムに接続された負荷、シャントリアクトル、インテリジェント電子装置ＩＥＤ、保護リレー等の構成要素が接続されてもよい。

本主題の技術は、電力システムに関連付けられた１つ以上の装置で実現されてもよい。この装置は、変流器、電圧変流器、回路遮断器、および故障の場所を検出するための装置を含み得る。図２に示されるように、装置２０４は、シャントキャパシタバンクの端子における電圧測定値および電流測定値を受けるように構成されてもよい。装置２０４は、キャパシタ要素の故障またはラック内のフラッシュオーバー等の内部障害、および高調波レベルの増加または過電圧の維持等の外部障害に起因する、ＳＣＢにおける故障を検出するように構成されてもよい。装置２０４がＳＣＢにおける故障を検出したことに応じて、装置２０４は、シャントキャパシタバンク２０２の回路遮断器にトリップ信号を送信するように構成されてもよい。一例において、装置２０４はインテリジェント電子装置（ＩＥＤ）であってもよい。別の例において、装置２０４は、ＩＥＤから測定値を受信することができるサーバ、デスクトップ装置、ラップトップ等の、任意のコンピューティング装置であってもよい。

一例において、本主題は１つ以上のモジュールによって実現されてもよい。このモジュールは、非一時的なコンピュータ読取可能媒体に格納され１つ以上のプロセッサが実行可能な命令として、実現されてもよい。たとえば、装置２０４がこの方法を実行する例において、モジュールは装置２０４のプロセッサによって実行される。この方法の一部が装置２０４によって実現され一部がサーバによって実現される場合、モジュールを（ステップに応じて）装置２０４およびサーバに分散させる。

一例において、装置２０４は、変流器、計器用変圧器、ロゴスキーコイル（Rogowski coil）、または他の測定センサ等の、シャントキャパシタバンクに接続されたさまざまな測定機器から、入力測定信号を受けるように構成されてもよい。装置２０４は、プロセッサ２２０に助けられて取得した測定値を処理してもよい。プロセッサ２２０は、専用プロセッサ、共有プロセッサ、または複数の個別プロセッサとして実現されてもよく、そのうちのいくつかが共有されてもよい。装置２０４は、プロセッサ２２０に通信可能に接続されてもよいメモリ２２６を含み得る。他の機能の中でも特に、プロセッサ２２０は、メモリ２２６に格納されたコンピュータ読取可能命令をフェッチおよび実行し得る。一例において、メモリ２２６は故障検出モジュール２２２を格納してもよい。他の例において、故障検出モジュール２２２はメモリ２２６の外部にあってもよい。メモリ２２６は、たとえば、ＲＡＭ等の揮発性メモリ、またはＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリなどを含む、任意の非一時的コンピュータ読取可能媒体を含み得る。

さらに、装置２０４は、故障検出モジュール２２２から取得された結果をたとえばサーバに伝達するための出力インターフェイス２２４を含み得る。一例において、この方法がサーバにおいて実現される場合、装置２０４は、出力インターフェイス２２４を介して電流測定値および電圧測定値をサーバに伝達することができる。出力インターフェイス２２４は、ネットワークエンティティ、ウェブサーバ、データベース、外部リポジトリ、および周辺装置等の、他の通信、記憶、およびコンピューティング装置とのやり取りを可能にする、多様なコンピュータ読取可能命令ベースのインターフェイスおよびハードウェアインターフェイスを含み得る。一例において、故障検出パラメータ、電流測定値および電圧測定値などを、出力インターフェイス２２４に接続された、または装置２０４と一体化されたディスプレイ上で見ることができる。

動作時に、電力システム２００に接続されたシャントキャパシタバンク２０２における相アーク放電故障を検出するために、装置２０４のプロセッサ２２０は、故障検出モジュール２２２を実行することにより、シャントキャパシタバンク２０２の端子における電圧測定値および電流測定値を取得する。一例において、電圧測定値および電流測定値は、シャントキャパシタバンク２０２の端子における各相で取得される。電圧測定値および電流測定値は、端子に関連付けられた１つ以上の測定機器を用いて取得されてもよいことが、理解されるであろう。プロセッサ２２０は、電圧測定値および電流測定値に基づいて電気的パラメータを計算することができる。一例において、電気的パラメータは有効電力であってもよい。別の例において、電気的パラメータはインピーダンス角であってもよい。故障は、計算された有効電力、インピーダンス角、またはその双方に基づいて検出されてもよい。一例において、検出される故障は相アーク放電故障であってもよい。

一例において、有効電力と無効電力との組み合わせである相アーク放電故障中の皮相電力の流れと、アーク抵抗とが、最初に計算されてもよい。一例において、アーク放電中のアーク抵抗をゼロとみなしてもよい。別の例において、後述のようにアーク放電中のアーク抵抗を計算してもよい。議論のため、一例として相Ａと相Ｂとの間の故障を検討し、故障発生時の皮相電力を以下で説明するように計算してもよい。式（１）および（２）は、相Ａおよび相Ｂにおける皮相電力を示す。

式中、
Ｓ_Ａは相Ａの皮相電力、
Ｓ_Ｂは相Ｂの皮相電力、
Ｖ_Ａは相Ａで測定された電圧、
Ｉ_Ａは相Ａで測定された電流、
Ｖ_Ｂは相Ｂで測定された電圧、
Ｉ_Ｂは相Ｂで測定された電流、である。
さらに、Ｖ_ＡとＩ_Ａとの間の位相角を「φａ」で示すことができ、Ｖ_ＢとＩ_Ｂとの間の位相角を「φｂ」で示すことができる。キャパシタユニット上のｍ番目の部分における相Ａと相Ｂとの間の相アーク放電故障が考慮されてもよく、「ｍ」は故障の場所を示す。式（３）および（４）を与えるために、Ｉ_ＡおよびＩ_Ｂの値を、当該技術で周知の方法である、重ね合わせの原理を使用して、プロセッサ２２０が計算してもよい。

式中、
ｍは故障位置、
Ｘはキャパシタバンクの各相のリアクタンスである。
さらに、Ｖ_Ａ＝Ｖ＜０°およびＶ_Ｂ＝Ｖ＜１２０°を代入し（Ｖは相接地電圧のＲＭＳ値、ＩａおよびＩｂはそれぞれ式１および２）、以下に示される式（５）および（６）を得る。

同様に、相Ｂと相Ｃとの間の相アーク放電故障が考慮される場合、相Ｂおよび相Ｃにおける皮相電力は、以下に示されるようにそれぞれ式（７）および式（８）を使用して計算される。

上記式から、電力システム２００の通常動作中、すなわち値ｍ＝１であるとき、有効電力は０であり、式（－Ｖ^２／Ｘ）を使用して計算することができる無効電力のみが電力システム２００の中に流れることを理解できる。ＳＣＢに内部抵抗がない限り、ＳＣＢは無効電力のみを電力システム２００に供給する。何らかの故障中、すなわちｍの値が１未満であるとき、相間の有効電力の流れが観察される可能性がある。この有効電力の流れに基づいて、予め定められた基準を設定して相アーク放電故障を検出してもよい。一例において、予め定められた基準はメモリ２２６に格納されてもよく、プロセッサ２２０は予め定められた基準に基づいて相のうちの第１の相と相のうちの第２の相との間の相アーク放電故障を検出するために故障検出モジュール２２２を実行してもよい。

理想的なキャパシタバンクは、いかなる有効電力も消費せず、無効電力のみを電力システム２００に供給する。一例では、実際的な条件下において、ＳＣＢは、接触抵抗に起因する、またはキャパシタを通る漏れ電流に起因する、ごくわずかな量の有効電力を消費し得る。しかしながら、ＳＣＢが相アーク放電故障を有するとき、ＳＣＢを流れる有効電力の量はもはやごくわずかではないであろう。故障検出モジュール２２２は、一例において、故障前状態中および故障の発生時の有効電力の流れを計算して故障を検出してもよい。別の例において、故障検出モジュール２２２は、故障前状態中および故障の発生時のインピーダンス角を計算して故障を検出してもよい。さらにもう１つの例において、故障検出モジュール２２２は、故障検出のために有効電力の流れとインピーダンス角との両方を計算してもよい。

方法の一例において、各相における各電圧および電流測定値に基づき、有効電力の流れの変化を、２つの連続する有効電力計算の間の差を計算することによって計算してもよい。一例において、有効電力計算の第１の値と第２の値との間の差を「ΔＰ」で表してもよい。ΔＰの値を、３つの相すべてについて計算してもよく、相アーク放電故障を検出するために表３に示される予め定められた基準で検証してもよい。

上記表から理解できるように、相のうちの第１の相および相のうちの第２の相の各々の有効電力計算の第１の値と第２の値との間の差の合計の絶対値が、相のうちの第３の相の有効電力計算の第１の値と第２の値との間の差以上であり、かつ、相のうちの第１の相および相のうちの第２の相の各々の有効電力計算の第１の値と第２の値との間の差の絶対値がしきい値よりも大きい場合、故障検出モジュール２２２は、相のうちの第１の相と相のうちの第２の相との間で相アーク放電故障が検出されたと判断する。相のうちの第１の相は、Ａ相、Ｂ相、およびＣ相のうちのいずれかの相の可能性があり、相のうちの第２の相は、Ａ相、Ｂ相、およびＣ相のうちの異なる相の可能性があり、相のうちの第３の相は、Ａ相、Ｂ相、およびＣ相のうちの第３の相の可能性がある。しきい値は、使用される測定機器の精度に基づいて設定されてもよい。

同様に、故障検出モジュール２２２は、インピーダンス角に基づいて故障を検出するように構成されてもよい。ＳＣＢが無効電力のみをシステムに供給する場合、インピーダンス角は、通常動作において常に９０度に近い。図３は、本主題に係る、相Ａと相Ｂとの間に相アーク放電故障が発生した場合のインピーダンス角の軌跡を示す。しかしながら、キャパシタバンクのキャパシタユニット間に相アーク放電故障が発生すると、インピーダンス角はもはや９０度ではない。図２の説明を続けると、プロセッサ２２０は、以下に示される式（９）または（１０）に基づいてインピーダンス角を計算することができる。

式中、
＜Ｖｐｈおよび＜Ｉｐｈは、それぞれ電圧測定値および電流測定値の位相角であり、
Ｐ_ＰｈおよびＱ_Ｐｈは、測定された有効電力および無効電力の位相角である。

各相における各電圧および電流測定値に基づいて、インピーダンス角の第１の値と第２の値との間の差を計算することによって故障状態と故障前状態との間のインピーダンス角の変化を計算してもよい。一例において、インピーダンス角の第１の値と第２の値との間の差を「Δφ」で表してもよい。Δφの値を、３つの相すべてについて計算してもよく、内部アーク放電故障を検出するために表４に示される予め定められた基準で検証してもよい。

上記表から理解できるように、相のうちの第１の相のインピーダンス角の第１の値と第２の値との間の差と、相のうちの第２の相のインピーダンス角の第１の値と第２の値との間の差との合計の絶対値が、相のうちの第３の相のインピーダンス角の第１の値と第２の値との間の差以上であり、かつ、相のうちの第１の相および相のうちの第２の相の各々のインピーダンス角の第１の値と第２の値との差の絶対値がしきい値よりも大きい場合、故障検出モジュール２２２は、相のうちの第１の相と相のうちの第２の相との間の相アーク放電故障が検出されたと判断する。相のうちの第１の相は、Ａ相、Ｂ相、およびＣ相のうちのいずれかの相の可能性があり、相のうちの第２の相は、Ａ相、Ｂ相、およびＣ相のうちの異なる相の可能性があり、相のうちの第３の相は、Ａ相、Ｂ相、およびＣ相のうちの第３の相の可能性がある。しきい値は、使用される測定機器の精度に基づいて設定されてもよい。

上記計算は、アーク抵抗をゼロとみなして実行してもよいが、アーク故障は通常いくらかの抵抗を伴い、上記計算を実行するために、ウォーリントン公式を用いて下記のようにアーク抵抗を定式化してもよい。アーク抵抗値は、式（１１）に示されるウォーリントン公式から導き出すことができる。

式中、
Ｌは、相Ａと相Ｂまたは相Ｂと相Ｃの故障ラック間の距離である、アークの長さであり、
Ｉはアークを流れる電流の二乗平均平方根ＲＭＳの値である。
相ＡＢ間または相ＢＣ間で相アーク放電故障が発生したとみなし、アークを流れる電流を以下に示される式（１２）を用いて計算することができる。

式中、Ｘは１相当たりの容量性リアクタンスである。

次に、計算したアーク抵抗を、上述のようにリアクタンスを求め故障の場所を計算するために使用することができる。

このように、本主題は、電力システムに接続されたシャントキャパシタバンクにおける効率的な相アーク放電故障の検出を提供する。提案されている故障判断技術は、ＳＣＢの相間の相アーク放電故障を、キャパシタユニットのカスケード故障の開始の前の短い時間内で検出するために、実現することができる。

図４は、本主題のある実施形態に係る、シャントキャパシタバンクにおける故障を検出するための方法を示す。方法４００を説明する順序が限定として解釈されることは意図されておらず、記載される方法ブロックのうちのいくつかは、方法４００または代替方法を実現するために異なる順序で実行されてもよい。さらに、方法４００は、任意の適切なハードウェア、コンピュータ読取可能命令、ファームウェア、またはそれらの組み合わせで実現されてもよい。議論のために、方法４００について、図２に示される実装形態を参照しながら説明する。

方法４００では、ブロック４０２において、電圧測定値および電流測定値が、シャントキャパシタバンクの端子において取得される。電圧測定値および電流測定値は、シャントキャパシタバンクの端子における各相で取得される。電圧測定値および電流測定値は、シャントキャパシタバンクの端子に関連付けられる１つ以上の測定機器を用いて取得される。一例において、電圧測定値および電流測定値は装置２０４に提供される。

ブロック４０４において、電圧測定値および電流測定値に基づいて電気的パラメータが計算される。電気的パラメータは、インピーダンス角または有効電力に対応する。電気的パラメータは、新たな電圧および電流測定値ごとに計算される。

ブロック４０６において、電気的パラメータの第１の値と第２の値との間の差が計算されてもよい。一例において、電気的パラメータの第１の値および第２の値は互いに連続している。各相における各電圧および電流測定値ごとに、電気的パラメータの第１の値と第２の値との間の差が計算されてメモリ２２６に格納されてもよい。

ブロック４０８において、電気的パラメータの第１の値と第２の値との間の差に基づいて故障が検出される。一例において、故障の検出は、予め定められた基準に基づいていてもよい。一例において、予め定められた基準は、各相における電圧および電流測定値ごとの電気的パラメータの第１の値と第２の値との間の差に基づいていてもよく、予め定められた基準はメモリ２２６に格納されてもよい。

一例において、予め定められた基準は、相のうちの第１の相の電気的パラメータの第１の値と第２の値との差と、相のうちの第２の相の電気的パラメータの第１の値と第２の値との差との合計の絶対値が、相のうちの第３の相の電気的パラメータの第１の値と第２の値との差よりも大きく、かつ、相のうちの第１の相および相のうちの第２の相の電気的パラメータの第１の値と第２の値との間の差の絶対値の各々が、対応するしきい値よりも大きい場合に、故障が検出される、という基準であってもよい。

予め定められた基準について、対応するしきい値は、測定機器の精度に基づいて設定されてもよい。さらに、ＳＣＢにおける故障を検出すると、装置２０４は、キャパシタユニットのカスケード故障を回避するために、ＳＣＢを短い時間内でトリップする保護方式を採用してもよい。

上述の方法は、キャパシタバンクのより下方のユニットでも相アーク放電故障を検出するために使用することができ、それにより、ＳＣＢのカスケード故障の開始を回避する。以下において、上記表１で考慮されたパラメータを有する、Ｌ＝４７１ｍｍ、ＶＬ－Ｌ＝５２ｋＶ、およびＱ＝１０ＭＶＡｒのシステムについてのシミュレーション結果が提供され、これらのシミュレーション結果は、表２で提供されているものと比較される。これらのシミュレーションは限定としてではなく本技術の検証のための例として提供されているに過ぎないことが、理解されるであろう。

実施例１
第１の実施例において、故障検出の技術が、電気的パラメータとしての有効電力についてテストされた。異なる故障場所における相Ａと相Ｂとの間の相アーク放電故障の場合の異なる相における有効電力流がテストされた。

アーク抵抗をゼロとみなし、相Ａ－相Ｂタイプの相アーク放電故障の場合の異なる相における有効電力の流れがシミュレートされ、以下に示される表５にまとめられた。

しかしながら、アーク故障は通常いくらかの抵抗を伴うので、実寿命アークが式（１５）に従って計算されてもよく、アーク抵抗および異なる故障位置が計算されてもよい。表６は、４７１ｍｍのアーク長を有する異なる故障位置におけるアーク抵抗を示し、このシステムは５２ｋＶの線間電圧および１０ＭＶＡｒの無効電力を有する。

さらに、表６に示されるアーク抵抗を伴う、異なる故障場所における相Ａと相Ｂとの間の相アーク放電故障の場合の、異なる相の有効電力の流れについて、故障検出の技術がテストされた。相Ａ－相Ｂタイプのアーク放電故障の場合のアーク抵抗を有する異なる相における有効電力の流れが、以下に示される表７にまとめられた。

表５および表７からわかるように、異なる故障位置における相Ａ－相Ｂアーク故障の場合、予め定められた基準｜ΔＰ_Ａ＋ΔＰ_Ｂ｜＝＞ΔＰ_Ｃ＆＆（｜ΔＰ_Ａ｜＞Ｐ_Ｓｅｔ）＆＆（｜ΔＰ_Ｂ｜＞Ｐ_Ｓｅｔ）による有効電力に基づく方法は、表２とは対照的に、より低い故障位置でも故障を正確に検出するのに役立つ。この実施例においてしきい値Ｐ_Ｓｅｔは２％に設定された。

実施例２
第２の実施例において、故障検出の技術が、電気的パラメータとしてのインピーダンス角についてテストされた。異なる故障場所における相Ａと相Ｂとの間のラックタイプ故障の場合の異なる相におけるインピーダンスがテストされた。

アーク抵抗をゼロとみなし、相Ａ－相Ｂタイプの相アーク放電故障の場合の異なる相におけるインピーダンス角が、以下に示される表８にまとめられた。

故障検出はまた、上記表６に示される計算されたアーク抵抗に基づいてシミュレートされた。さらに、相Ａ－相Ｂタイプのアーク放電故障の場合の異なる相について表６に示されるアーク抵抗での故障検出のためのインピーダンス角が、以下に示される表９にまとめられた。

表８および表９からわかるように、異なる故障位置における相Ａ－相Ｂアーク故障の場合、予め定められた基準｜Δφ_Ａ＋Δφ_Ｂ｜＝＞Δφ_Ｃ＆＆（｜Δφ_Ａ｜＞φ_Ｓｅｔ）＆＆（｜Δφ_Ｂ｜＞φ_Ｓｅｔ）によるインピーダンス角に基づく方法は、表２とは対照的に、より低い故障位置でも故障を正確に検出するのに役立つ。この実施例においてしきい値φ_Ｓｅｔは１度に設定された。

異なる故障位置における相アーク放電故障についての実施例１および２の結果を、表２に示される電圧および電流の大きさに基づく保護方式の結果と比較すると、キャパシタバンクの下部のユニット（ｍ＝０．８７５）において故障が発生すると、これが、過電流または過電圧の使用時にカスケード故障を開始させる可能性があることがわかる。しかしながら、本主題は、有効電力に基づく方法、インピーダンス角に基づく方法、またはこれらの双方を故障検出のために使用して、カスケード故障を回避することができる。

このように、本主題の方法および装置は、シャントキャパシタバンクにおける相アーク放電故障を短い時間間隔内で検出し、キャパシタユニットのカスケード故障およびその後の電力システムの損傷を回避するために、確実に実行することができる。

Claims (19)

1. 電力システムに接続されたシャントキャパシタバンクにおける故障を検出するための方法であって、前記方法は、
   前記シャントキャパシタバンクの端子における電圧測定値および電流測定値を取得するステップと、
   前記電圧測定値および前記電流測定値に基づいて電気的パラメータを計算するステップとを含み、前記電気的パラメータはインピーダンス角または有効電力であり、前記方法はさらに、
   前記電気的パラメータの第１の値と第２の値との間の差を計算するステップと、
   前記差に基づいて前記故障を検出するステップとを含む、方法。
2. 電圧測定値および電流測定値は、前記シャントキャパシタバンクの前記端子における各相で取得される、請求項１に記載の方法。
3. 前記電気的パラメータの前記第１の値および前記第２の値は互いに連続している、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記故障を検出するステップは、予め定められた基準が満たされているか否かを判断することを含み、前記予め定められた基準は、
   相のうちの第１の相の前記電気的パラメータの第１の値と第２の値との間の差と、前記相のうちの第２の相の前記電気的パラメータの第１の値と第２の値との間の差との合計の絶対値が、前記相のうちの第３の相の前記電気的パラメータの第１の値と第２の値との間の差よりも大きいことと、
   前記相のうちの前記第１の相の前記電気的パラメータの第１の値と第２の値との間の差の絶対値、および、前記相のうちの前記第２の相の前記電気的パラメータの第１の値と第２の値との間の差の絶対値の各々が、対応するしきい値よりも大きいこととを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記故障は、前記相のうちの第１の相と前記相のうちの第２の相との間の相間故障として検出される、請求項４に記載の方法。
6. 前記電気的パラメータの前記対応するしきい値は、測定機器の精度に基づいて設定される、請求項４に記載の方法。
7. 前記シャントキャパシタバンクは、二重Ｙ構成の３相伝送線路に接続される、請求項１に記載の方法。
8. 前記故障は、前記シャントキャパシタバンクのカスケード故障の前に検出される、請求項１に記載の方法。
9. 前記電気的パラメータを決定するために、アーク抵抗がウォーリントン公式に基づいて計算される、請求項１に記載の方法。
10. 電力システムに接続されたシャントキャパシタバンクにおける故障を検出するための装置であって、前記装置は、
    プロセッサと、
    前記プロセッサが実行可能な故障検出モジュールとを備え、前記故障検出モジュールは、
    前記シャントキャパシタバンクの端子における電圧測定値および電流測定値を取得し、
    前記電圧測定値および前記電流測定値に基づいて電気的パラメータを計算し、前記電気的パラメータはインピーダンス角または有効電力であり、前記故障検出モジュールはさらに、
    前記電気的パラメータの第１の値と第２の値との間の差を計算し、
    前記差に基づいて前記故障を検出する、装置。
11. 電圧測定値および電流測定値は、前記シャントキャパシタバンクの前記端子における各相で取得される、請求項１０に記載の装置。
12. 前記電気的パラメータの前記第１の値および前記第２の値は互いに連続している、請求項１０または１１に記載の装置。
13. 前記故障検出モジュールは、予め定められた基準が満たされていることに基づいて前記故障を検出するように実行可能であり、前記予め定められた基準は、
    相のうちの第１の相の前記電気的パラメータの第１の値と第２の値との間の差と、前記相のうちの第２の相の前記電気的パラメータの第１の値と第２の値との間の差との合計の絶対値が、前記相のうちの第３の相の前記電気的パラメータの第１の値と第２の値との間の差よりも大きいことと、
    前記相のうちの前記第１の相の前記電気的パラメータの第１の値と第２の値との間の差の絶対値、および、前記相のうちの前記第２の相の前記電気的パラメータの第１の値と第２の値との間の差の絶対値の各々が、対応するしきい値よりも大きいこととを含む、請求項１０に記載の装置。
14. 前記故障は、前記相のうちの第１の相と前記相のうちの第２の相との間の相間故障として検出される、請求項１３に記載の装置。
15. 前記電気的パラメータの前記対応するしきい値は、測定機器の精度に基づいて設定される、請求項１３に記載の装置。
16. 前記シャントキャパシタバンクは、二重Ｙ構成の３相伝送線路に接続される、請求項１０に記載の装置。
17. 前記故障検出モジュールは、前記シャントキャパシタバンクのカスケード故障の前に前記故障を検出するように構成される、請求項１０に記載の装置。
18. 前記電気的パラメータを決定するために、前記故障検出モジュールは、アーク抵抗をウォーリントン公式に基づいて計算するように構成される、請求項１０に記載の装置。
19. プロセッサによって実行されると請求項１～９のいずれか１項に記載の方法を前記プロセッサに実行させる命令を含む、非一時的なコンピュータ読取可能媒体。

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