专利名称：使用光电流传感器的保护继电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用法拉第效应对电力设备的导体中流过的电流进行计测和监视的保护继电装置。
背景技术：
以往，电力系统中的保护继电装置，将通过变流器检测的机器导体的电流信号传递给保护继电装置，在保护继电装置中进行故障判定的运算和判定。以该保护继电装置的低成本化、轻量化为目的，(日本)特开2000-59987和特愿平11-224821申请提出以依据具有差动运算功能的光电流传感器的保护继电装置取代现有的依据绕组型电流变成器的电流测定方法。
现有的依据光电流传感器的保护继电装置例如图6所示，包括由偏振镜14、法拉第元件11以及检偏镜15构成的第一光电流传感器1；与第一光电流传感器1同样结构的第二光电流传感器2；光纤传送路径3a、3b、3c；光源12；由光电变换器16、高通滤波器电路17、低通滤波器电路18以及比例计算器19构成的光信号处理部4a；电源频率分量的差电流检测部件5d和判定部件8。
第一光电流传感器1和第二光电流传感器2设置在电力系统的保护区间9的两端。这里假设第一光电流传感器1检测的电流为i1，第二光电流传感器2检测的电流为i2，同时设其符号为，电力系统的保护区间9的流入方向为+，流出方向为-。而且，第一光电流传感器1内的光的传播方向设置为与由第一光电流传感器1检测的电流i1产生的磁场方向一致，第二光电流传感器2内的光的传播方向设置为与由第二光电流传感器2检测的电流i2产生的磁场方向一致。
由射出规定波长的光的光源12射出的光P0，通过光纤传送路径3a，到达第一光电流传感器1。来自光源12的光P0通过第一光电流传感器1的偏振镜14变为直线偏振，该直线偏振入射到法拉第元件11。入射光通过由电流i1产生的磁场而受到法拉第效应，与电流i1的大小成比例，偏振面只旋转角度θ1。第一光电流传感器1检测的电流i1和偏振面的旋转角θ1的关系在设贝尔迪常数为V时，为θ1＝V·i1...(1)所述入射光进一步通过第一光电流传感器1中的检偏镜15，偏振面的旋转角θ1成为强度调制的光。此时，检偏镜15相对偏振镜14最好设置为正45°或负45°的角度，第一光电流传感器1的射出光通过检偏镜15，被分为x、y方向的2分量的光P1x、P1y，以下式表示。
P1x＝(1/2)P0(1+sin2θ1)＝(1/2)P0(1+sin2 V·i1) ...(2a)P1y＝(1/2)P0(1-sin2θ1)＝(1/2)P0(1-sin2 V·i1) ...(2b)现有装置中，只使用其中一方的光信号，这里使用光P1x进行说明。
假设第一光电流传感器1检测的电流i1为正弦波交流信号，则第一光电流传感器1的射出光P1x以下式表示。
i1=2·I1sinωt···(3)]]>P1x=(1/2)P0{1+sin(22V·I1sinωt)}···(4)]]>这里，I1为流入电流的有效值，ω(＝2πf)为角频率，f为电源频率。
第一光电流传感器1的射出光P1x，由光纤传输路径3b引导而到达第二光电流传感器2。射出光P1x，根据由第二光电流传感器2检测的电流i2(=2I2sinωt)]]>产生的磁场的法拉第效应，与电流i2的大小成比例，偏振面仅旋转θ2的角度。第二光电流传感器2的射出光同样由检偏镜15分为x、y方向的2分量的光P2x、P2y，以下式表示。
P2x＝(1/2)P1x(1+sin2θ2)＝(1/4)P0(1+sin2θ1)(1+sin2θ2)＝(1/4)P0(1+sin2V·i1)(1+sin2V·i2)...(5a)P2y＝(1/2)P1x(1-sin2θ2)＝(1/4)P0(1+sin2θ1)(1-sin2θ2)＝(1/4)P0(1+sin2V·i1)(1-sin2V·i2)...(5b)这里，由于在第一光电流传感器1的2个输出中选择了P1x，所以采用与第一光电流传感器1的射出光为同一偏振方向的P2x作为第二光电流传感器2的射出光。如果在第一光电流传感器1的2个输出中选择P1y，则采用P2y作为第二光电流传感器2的射出光。
第二光电流传感器2的射出光P2x被导入光纤传输路径3c并入射到光电变换器16，变换为电信号后，由高通滤波器电路17、低通滤波器电路18分离为直流分量和交流分量，通过在比例计算器19中以交流分量除以直流分量，获得光电流传感器的差电流输出S2x。这里，采用通过比例计算器19除以直流分量的方法是为了补偿光信号传送时的光量损失。光电流传感器的差电流输出S2x以下式表示。
S2x＝(P2x的交流分量)/(P2x的直流分量)...(6)以下说明这里获得的光电流传感器的差电流输出S2x中具有作为第一光电流传感器1检测的电流i1和第二光电流传感器2检测的电流i2的差电流的i1+i2的信息。再有，流向电力系统的保护区间9的差电流以i1+i2表示，是由于i1、i2的符号都定义为电力系统的保护区间9的流入方向为+、流出方向为-。
第一光电流传感器1检测的电流i1和第二光电流传感器2检测的电流i2为小电流的情况下，有sin2θ12θ1、sin2θ22θ2...(7)成立，(5a)变为P2x=(1/4)P0(1+2V·i1+2V·i2)]]>=(1/4)P0{1+22V(I1+I2)sinωt}···(8)]]>将(8)式代入(6)式，有S2x=22V(I1+I2)sinωt···(9)]]>光电流传感器的差电流S2x成为与流向电力系统的保护区间9的差电流i1+i2成比例的值。
但是，(9)式在使(7)式成立的小电流区域中成立，在大电流区域中不成立。
因此本发明人，申请了(日本)特愿平11-224821，提出了使用在大电流区域中也可测定流向电力系统的保护区间9的差电流i1+i2的光纤传感器的保护继电装置。
即，在流过(7)式不成立的大电流的情况下，(5a)式示出的第二光电流传感器2的射出光P2x表示为P2x=(1/4)P0{1+sin(22V·I1sinωt)}×]]>{1+sin(22V·I2sinωt)}···(10)]]>
这里，如果通过傅立叶级数展开将sin(22V·Insinωt)]]>分解为各频率分量，则可表示为以下的(11)式。
Σm=0∞[2·J2m+1(2VrI1)·sin{(2m+1)ωt}]···(11)]]>这里，Jk(a)为k次的贝塞尔函数。
(11)式的3次以后的项因为微小可忽视，为了将以后的式简略表示，以(12a)(12b)式所示那样定义A1、A2。
A1=2J1(22V·I1)···(12a)]]>A2=2J1(22V·I2)···(12b)]]>这里，A1、A2是将贝尔迪常数乘以电流的有效值I1、I2，并代入1次的贝塞尔函数所得到的，如果电流in为(3)式所示的正弦波交流信号，则相关于时间为常数。
此时，(10)式表示为P2x＝(1/4)P0{1+2A1sinωt}{1+2A2sinωt}...(12c)将(12c)展开，使用三角函数公式sin2Φ＝(1/2)(1-cos2Φ)，有P2x＝(1/4)P0{1+2(A1+A2)sinωt+4A1A2sin2ωt}＝(1/4)P0{1+2A1A2+2(A1+A2)sinωt+2A1A2cos2ωt}...(12d)此时的光电流传感器的差电流输出S2x，通过将(12d)式代入(6)式可表示为如(13a)式。这里，为了简略表示以后的式，将(12a)、(12b)式表示的A1、A2置换为(13b)、(13c)表示的B1、B2。
S2x＝B1sinωt+B2cos2ωt ...(13a)B1＝2(A1+A2)/(1+2A1A2) ...(13b)B2＝2A1A2/(1+2A1A2)...(13c)这里，B1、B2相关于时间为常数。
(13a)式所示的光电流传感器的差电流输出S2x，除了第一项所示的流向电力系统的保护区间9的差电流i1+i2的频率分量、即电源频率分量之外，还包括第二项所示的电源频率的2倍频分量的项。
这里，通过计算(13b)式的电源频率分量的项B1试着进行评价。在66kV到154kV的电力系统中流向保护区间9的流入电流为33kA以下的情况。在该情况下，取波长1550nm的铅玻璃纤维型光电流传感器的贝尔迪常数V＝3.93×10-6〔rad/A〕。若用这些值，则1＞＞2A1A2、 的近似成立。此时，(13b)式可表示为(13d)那样。
计算的结果，通电电流有效值为24kA以下时近似产生的误差为1％以下，通电电流有效值为33kA以下时近似产生的误差为2％以下，可认为采用1550nm的铅玻璃纤维型光电流传感器的保护继电装置可适用于故障判定运算。
因此，(13a)式为，在通电电流33kA以下时，与光电流传感器的差电流输出S2x的电源频率相同的频率分量中，与流向电力系统的保护区间9的差电流i1+i2成比例的输出，但这意味着电源频率的2倍频分量作为误差分量而产生。
保护继电装置如下构成从光电流传感器的差电流输出S2x，通过电源频率分量的差电流检测部件5d，除去2倍频分量，将其输出送到判定部件8，相对流向电力系统的保护区间9的差电流i1+i2进行动作。
以上对现有技术的说明中，电流信号假定为正弦波交流信号。但是，电力系统中发生短路故障时，必须考虑电流信号为重叠有直流分量并进行过渡性衰减的信号。此时，重叠最大直流分量时，即重叠100％直流分量的故障电流以下式表示。
in(t)=2In{e(-t/τ)-cosωt}···(14)]]>τ为由电力系统的电抗分量和电阻分量的比决定的衰减时间常数。即使将(14)式表示的过渡性衰减的电流信号代入(5a)、(6)式中，也不能像(13a)那样分别表示电源频率分量。这里，对于电力系统的保护区间9，保护区间内故障、保护区间外故障的各故障情况，受到光电流传感器的差电流输出S2x中包含的误差分量的影响。
图2是用于说明采用光电流传感器的保护继电装置的动作的系统图。作为电力系统的保护区间9的故障位置，设f1、f3为保护区间外故障，f2为保护区间内故障。以下称电力系统的保护区间9的区间外故障为外部故障，电力系统的保护区间9的区间内故障为内部故障。
而且，在图2中，第一光电流传感器1和第二光电流传感器2分别设置在电力系统的保护区间9的两端，通过光纤传输路径3a至3d，与光源12、第一光信号处理部4a、第二光信号处理部4b连接。这里，第一光电流传感器1检测出电流i1，第二光电流传感器2检测出电流i2。
首先考虑外部故障发生的情况，外部故障发生时，电流i1、i2满足i1(t)＝-i2(t) ...(15)将(14)、(15)式代入(5a)式，则P2x＝(1/4)P0{1+sin2V·i1(t)}{1-sin 2V·i1(t)}。这里，为说明简单，设sin{2V·i1(t)}2V·i1(t)代入(14)式中，则(5a)式变为 即，现有技术中如果故障电流为正弦波电流，则外部故障时流向电力系统的保护区间9的差电流i1+i2的电源频率分量本应为0，但在重叠直流分量而进行过渡性衰减的信号的情况下，如(16)式所示直流分量在衰减之前产生误差信号。
图7是用于说明，发生外部故障、故障电流重叠有直流分量的情况下，现有技术中有产生保护继电装置的不必要动作的可能性的图，将以下所示的故障电流值和光纤的常数代入(14)、(5a)、(6)式中，通过计算求出各部分的信号的值。
图7(a)表示外部故障的情况中(14)式表示的重叠有直流分量的故障电流信号，图7(b)为此时的第二光电流传感器2的光信号P2x/P0，图7(c)为光电流传感器的差电流输出S2x，图7(d)为光电流传感器的差电流输出S2x的电源频率分量的有效值R2x。这里，设光电流传感器1、2为波长1550nm的铅玻璃纤维型光电流传感器，其贝尔迪常数V取为3.93×10-6〔rad/A〕。故障电流i1的大小为有效值为33kA，电源频率为50Hz，时间常数τ为50mms。而且，作为求光电流传感器的差电流输出的电源频率的有效值R2x的方法，在数字继电器电路中采用数字滤波器和有效值运算电路。由于其为公知技术，这里仅介绍其算法。
采样电角度30度数字滤波器D.F.1f＝(1-Z-6)(1+Z-1+Z-2+Z-3)有效值运算有效值2＝Cn-32-Cn·Cn-6下面，为了与正弦波交流信号的情况进行比较，在故障电流为(3)式表示的正弦波交流信号的情况的故障电流以图7(e)表示，图7(f)表示此时的第二光电流传感器2的光信号P2x/P0，图7(g)表示光电流传感器的差电流输出S2x，图7(h)表示光电流传感器的差电流输出S2x的电源频率分量的有效值。
如图7(h)所示，外部故障时如果故障电流为正弦波交流信号，则故障后马上产生短时间误差信号(峰值4kA左右，时间0.01秒)，但未达到使继电器不必要动作的程度。另一方面，在故障电流中重叠有直流分量的过渡性电流信号的情况下，则如图7(d)所示，产生不能无视程度的时间的误差信号(峰值20kA左右，时间0.2秒以上)。在如(16)式所示的直流分量衰减之前，电源频率分量表示为误差信号。
对于内部故障，用图7说明现有技术中采用光电流传感器的保护继电装置的动作。图7(i)表示在图2所示系统中发生内部故障，故障电流为(14)式所示重叠有100％直流分量的信号，图7(j)表示此时的第二光电流传感器2的光信号P2x/P0，图7(k)表示光电流传感器的差电流输出S2x，图7(1)表示光电流传感器的差电流输出S2x的电源频率分量的有效值。
图7(m)表示图2所示系统中发生内部故障，故障电流为(3)式所示的正弦波交流信号的情况，图7(n)表示此时的第二光电流传感器2的光信号P2x/P0，图7(o)表示光电流传感器的差电流输出S2x，图7(p)表示光电流传感器的差电流输出S2x的电源频率分量的有效值。
对于图7(1)、图7(p)所示的区间内故障，由现有技术可获得良好的动作。
如以上说明，现有技术中，在重叠有直流分量的故障电流时，内部故障的情况可正常检测出，外部故障的情况则产生好象发生了内部故障的误差信号。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使用光电流传感器的保护继电装置，即使在检测出重叠有直流分量的故障电流的情况下，基于内部故障发生时的检测，在发生外部故障时也不误判为内部故障地进行判别，不使继电器不必要地动作。
本发明提供一种使用光电流传感器的保护继电装置，在电力系统的保护区间的两端配置分别测定输入输出电流的两台第一和第二光电流传感器，所述第一和第二光电流传感器具有入射端；相对于设置在所述入射端的偏振镜的偏振方向以正45度和负45度的两个偏振方向进行检光的检偏镜；以及对应各自检光分量的射出端；在光源和所述第一光电流传感器之间、所述第一和第二光电流传感器之间以及所述第二光电流传感器和光信号处理部之间以光纤传输路径连接；保护继电装置包括从所述光信号处理部的输出信号检测差电流分量的差电流检测部件；从所述光信号处理部的输出信号检测和电流分量的和电流检测部件；从所述差电流检测部件的输出求出动作量的动作量运算部件；从所述差电流检测部件的输出和所述和电流检测部件的输出求出抑制量的抑制量运算部件；从所述动作量运算部件的输出和所述抑制量运算部件的输出求出动作比率的动作比率运算部件；根据所述动作量运算部件的输出和所述动作比率运算部件的输出判别是所述电力系统的保护区间内的故障还是保护区间外的故障的判定部件。
另外，本发明提供一种使用光电流传感器的保护继电装置，在电力系统的保护区间的两端配置分别测定输入输出电流的两台第一和第二光电流传感器，所述第一和第二光电流传感器具有入射端；相对于设置在所述入射端的偏振镜的偏振方向以正45度和负45度的两个偏振方向进行检光的检偏镜；以及对应各自检光分量的射出端；在光源和所述第一光电流传感器之间、所述第一和第二光电流传感器之间以及所述第二光电流传感器和光信号处理部之间以光纤传输路径连接；保护继电装置包括从所述光信号处理部的输出信号检测差电流分量的差电流检测部件；从所述光信号处理部的输出信号检测和电流分量的和电流检测部件；从所述差电流检测部件的输出和所述和电流检测部件的输出求出各自的输入输出电流的补偿运算部件；从所述补偿运算部件的输出求出动作量的动作量运算部件；从所述补偿运算部件的输出求出抑制量的抑制量运算部件；从所述动作量运算部件的输出和所述抑制量运算部件的输出求出动作比率的动作比率运算部件；根据所述动作量运算部件的输出和所述动作比率运算部件的输出判别是所述电力系统的保护区间内的故障还是保护区间外的故障的判定部件。
另外，本发明提供一种保护继电装置，用于监视具有保护区间的电力系统的故障，所述保护继电装置包括射出规定光信号的光源；配置在所述电力系统的保护区间的一端侧的第一光电流传感器，该第一光电流传感器，接受来自所述光源的所述光信号，与所述电力系统的保护区间的一端侧流过的第一电流的大小成比例地旋转所述光信号的偏振面，发射偏振面旋转了的所述光信号中的至少一个方向分量的第一光信号；配置在所述电力系统的保护区间的另一端侧的第二光电流传感器，该第二光电流传感器，接受来自所述第一光电流传感器的所述第一光信号，与所述电力系统的保护区间的另一端侧流过的第二电流的大小成比例地进一步旋转所述第一光信号的偏振面，发射偏振面进一步旋转了的所述第一光信号中的至少一个方向分量的第二光信号和另一方向分量的第三光信号；从所述第二光信号求出作为所述第一电流和所述第二电流的差的差电流输出的第一光信号处理部；从所述第三光信号求出作为所述第一电流和所述第二电流的和的和电流输出的第二光信号处理部；检测所述第一光信号处理部的所述差电流输出的差电流检测部件；检测所述第二光信号处理部的所述和电流输出的和电流检测部件；从所述差电流检测部件的输出求出动作量的动作量运算部件；从所述差电流检测部件的输出和所述和电流检测部件的输出求出抑制量的抑制量运算部件；从所述动作量运算部件的输出和所述抑制量运算部件的输出求出动作比率的动作比率运算部件；根据所述动作量运算部件的输出和所述动作比率运算部件的输出判别是所述电力系统的所述保护区间内的故障还是保护区间外的故障的判定部件。
另外，本发明提供一种保护继电装置，用于监视具有保护区间的电力系统的故障，所述保护继电装置包括射出规定光信号的光源；配置在所述电力系统的保护区间的一端侧的第一光电流传感器，该第一光电流传感器，接受来自所述光源的所述光信号，与所述电力系统的保护区间的一端侧流过的第一电流的大小成比例地旋转所述光信号的偏振面，发射偏振面旋转了的所述光信号中的至少一个方向分量的第一光信号；配置在所述电力系统的保护区间的另一端侧的第二光电流传感器，该第二光电流传感器，接受来自所述第一光电流传感器的所述第一光信号，与所述电力系统的保护区间的另一端侧流过的第二电流的大小成比例地进一步旋转所述第一光信号的偏振面，发射偏振面进一步旋转了的所述第一光信号中的至少一个方向分量的第二光信号和另一方向分量的第三光信号；从所述第二光信号求出作为所述第一电流和所述第二电流的差的差电流输出的第一光信号处理部；从所述第三光信号求出作为所述第一电流和所述第二电流的和的和电流输出的第二光信号处理部；检测所述第一光信号处理部的所述差电流输出的差电流检测部件；检测所述第二光信号处理部的所述和电流输出的和电流检测部件；从所述差电流检测部件的输出和所述和电流检测部件的输出求出各自的输入输出电流的补偿运算部件；从所述补偿运算部件的输出求出动作量的动作量运算部件；从所述补偿运算部件的输出求出抑制量的抑制量运算部件；从所述动作量运算部件的输出和所述抑制量运算部件的输出求出动作比率的动作比率运算部件；根据所述动作量运算部件的输出和所述动作比率运算部件的输出判别是所述电力系统的保护区间内的故障还是保护区间外的故障的判定部件。
另外，本发明提供一种用于检测具有保护区间的电力系统的故障的方法，包括在所述电力系统的保护区间的一端侧配置第一光电流传感器的步骤；通过所述第一光电流传感器感知所述电力系统的保护区间的一端侧流过的第一电流的大小的步骤；在所述电力系统的保护区间的另一端侧配置第二光电流传感器的步骤；通过所述第二光电流传感器感知所述电力系统的保护区间的另一端侧流过的第二电流的大小的步骤；求出作为所述第一电流和所述第二电流的差的差电流输出的步骤；求出作为所述第一电流和所述第二电流的和的和电流输出的步骤；从所述差电流输出求出动作量的步骤；从所述差电流输出和所述和电流输出求出抑制量的步骤；从所述动作量和所述抑制量求出动作比率的步骤；根据所述动作量和所述动作比率输出判别是所述电力系统的保护区间内的故障还是保护区间外的故障的步骤。
本发明还提供一种用于检测具有保护区间的电力系统的故障的方法，包括在所述电力系统的保护区间的一端侧配置第一光电流传感器的步骤；通过所述第一光电流传感器感知所述电力系统的保护区间的一端侧流过的第一电流的大小的步骤；在所述电力系统的保护区间的另一端侧配置第二光电流传感器的步骤；通过所述第二光电流传感器感知所述电力系统的保护区间的另一端侧流过的第二电流的大小的步骤；求出作为所述第一电流和所述第二电流的差的差电流输出的步骤；求出作为所述第一电流和所述第二电流的和的和电流输出的步骤；从所述差电流输出和所述和电流输出求出各自的输入输出电流的步骤；从所述输入输出电流求出动作量的步骤；从所述输入输出电流求出抑制量的步骤；从所述动作量和所述抑制量求出动作比率的步骤；根据所述动作量和所述动作比率判别是所述电力系统的保护区间内的故障还是保护区间外的故障的步骤。
图1表示本发明的实施方式，是说明使用光电流传感器的保护继电装置的结构图。
图2表示本发明的实施方式，是说明使用光电流传感器的保护继电装置的系统图。
图3是按照本发明的实施方式测定故障电流时的输出波形的一例。
图4表示本发明的其他实施方式，是说明使用光电流传感器的保护继电装置的结构图。
图5是按照本发明的其他实施方式测定故障电流时的输出波形的一例。
图6是使用现有技术的光电流传感器的保护继电装置的说明图。
图7是按照现有技术测定故障电流时的输出波形的一例。
具体实施例方式
以下，参照
本发明的实施方式。
如现有技术的(5a)、(5b)所示，光电流传感器的输出信号为x、y方向的2分量的光P2x、P2y，在现有技术中只能使用其中的一方。以下说明，如果使用未使用一方的光信号，则即使发生重叠直流分量的外部故障，也不会误判为内部故障，即，可判定是外部故障还是内部故障。
图1是表示使用本发明的光电流传感器的保护继电装置的实施方式的说明图。为了求出光电流传感器的差电流信号S2x，与使用光信号P2x同样，使用光信号P2y。
以下说明，由光信号P2x获得的光电流传感器的差电流信号S2x具有作为第一光电流传感器1检测的电流i1和第二光电流传感器2检测的电流i2的差电流的i1+i2的信息，还可从光信号P2y获得具有作为i1和i2的和电流的i1-i2的信息的和电流输出S2y。而且，流向电力系统的保护区间9的和电流以i1-i2表示，i1、i2的符号都定义为电力系统的保护区间9的流入方向为+，流出方向为-。
再有，以下的说明中，在参照现有技术的项的图和式中，相同或相当的部分赋予相同的标记并省略说明。
图1包括由偏振镜14、法拉第元件11以及检偏镜15构成的第一光电流传感器1；与第一光电流传感器1同样构成的第二光电流传感器2；光源12；由光电变换器16、高通滤波器电路17、低通滤波器电路18以及比例计算器19构成的第一光信号处理部4a；与第一光信号处理部4a同样构成的第二光信号处理部4b；传送光源12和第一光电流传感器1间光信号的光纤传输路径3a；传送第一光电流传感器1和第二光电流传感器2间光信号的光纤传输路径3b；传送第二光电流传感器2的2个射出端中射出具有差电流信息的光信号P2x的射出端与第一光信号处理部4a间光信号的光纤传输路径3c；传送第二光电流传感器2的2个射出端中射出具有和电流信息的光信号P2y的射出端与第二光信号处理部4b间光信号的光纤传输路径3d；检测第一光信号处理部4a的差电流输出S2X的差电流检测部件5a；检测第二光信号处理部4b的和电流输出S2y的和电流检测部件5b；从差电流检测部件5a的输出求出动作量的动作量运算部件6a；从差电流检测部件5a和和电流检测部件5b的输出求出抑制量的抑制量运算部件6b；从动作量运算部件6a和抑制量运算部件6b的输出求出动作比率的动作比率运算部件7；根据动作量检测部件6a的输出和动作比率运算部件7的输出判别是电力系统的保护区间内的故障还是区间外的故障的判定部件8。
第一光电流传感器1和第二光电流传感器2在电力系统的保护区间9中的设置状况以及光信号处理部4a的结构与现有技术相同，从光信号处理部4a获得光电流传感器的差电流输出S2x。
另一方面，由光纤传输路径3d导入的光信号为(5b)式所述的P2y信号。来自第二光电流传感器2的另一光信号P2y由光纤传输路径3d引导入射到第二光信号处理部4b的光电变换器16，通过同样的信号处理，获得光电流传感器的和电流输出S2y。光电流传感器的和电流输出S2y以下式表示。
S2y＝(P2y的交流分量)/(P2y的直流分量)...(17)这里，对(5a)、(5b)式，采用(7)式的近似，则(6)式的S2x和(17)式的S2y可简略表示如下。
S2x＝α0(i1+i2)+δx...(18a)S2y＝α0(i1-i2)+δy...(18b)这里，α0＝2V，V为光电流传感器的贝尔迪常数。
这里，(18a)式的第一项为包含于S2x信号的差电流分量，第二项为包含于S2x信号的误差信号分量δx。
同样地，(18b)式的第一项为包含于S2y信号的和电流分量，第二项为包含于S2y信号的误差信号分量δy。
δx、δy依赖于重叠有直流分量的过渡性衰减信号，如(16)式所示，在直流分量衰减之前产生。
一般地，使用保护继电器的比率差动继电器的动作比率k为动作量m和抑制量n的比，以下式表示。
动作比率k＝m/n...(19)动作量m＝|i1+i2|...(20a)抑制量n＝|i1|+|i2| ...(20b)这里，|i1+i2|表示差电流i1+i2的有效值，|i1|和|i2|分别表示i1的有效值和i2的有效值。
(18a)、(18b)式中包含误差信号δx、δy，假定其为可暂时无视的大小，则利用差电流检测部件5a求出的S2X和和电流检测部件5b求出的S2y求(19)式表示的动作比率k的方法如下所示。
在图1的动作量运算部件6a中按(21a)式可求得(20a)式的动作量m。
S2x＝α0(i1+i2)+δxα0(i1+i2)m＝|i1+i2||S2x|/α0...(21a)在抑制量运算部件6b中按(21b)式可求得(20b)式的抑制量n。
S2x+S2y＝α0(i1+i2)+δx+α0(i1-i2)+δy＝2α0i1+δ′2α0i1|i1||(S2x+S2y)|/(2α0)S2x-S2y＝α0(i1+i2)+δx-α0(i1-i2)-δy＝2α0i2+δ″2α0i2|i2||(S2x-S2y)|/(2α0)n＝|i1|+|i2|{|(S2x+S2y)|+|(S2x-S2y)|}/(2α0) ...(21b)在动作比率运算部件7中将(21a)式和(21b)式代入(19)式中可求得动作比率k。
k＝m/n＝|i1+i2|/(|i1|+|i2|)＝{|S2x|/α0}/{|(S2x+S2y)+(S2x-S2y)|/(2α0)}＝2·|S2x|/(|S2x+S2y|+|S2x-S2y|)...(22)动作量运算部件6a中求出的动作量为m和动作比率运算部件7求出的动作比率为k，在判定部件8中，设动作量调整值为k1，设动作比率调整值为k2，在m＞k1且k＞k2时判定为内部故障，由此，即使为重叠有直流分量的故障电流也可防止外部故障中的不必要动作。
由上述(21a)式、(22)式求出的动作量m、动作比率k，是假定(18a)、(18b)式所示的误差分量δx和δy为暂时可无视的大小而求出，但误差分量的大小，随故障电流的大小以及使用的电流传感器的灵敏度而变动。但是，外部故障发生时和内部故障发生时的动作比率k如有较大差异，则在判定部件8中可判别故障是在保护区间的内部还是在外部。
下面，在实际的电力系统中按照所述方法，通过计算确认可判别故障是在保护区间的内部还是在外部。
假定的电力系统的最大故障电流为33kA，重叠的直流分量为100％，时间常数τ＝100ms。使用的光纤传感器与现有技术同样、为波长1550nm的铅玻璃纤维型光电流传感器，其贝尔迪常数V取3.93×10-6〔rad/A〕。
对于电力系统的保护区间9，对外部故障、内部故障的各故障情况，为了说明本发明的使用光电流传感器的保护继电装置的动作，与现有技术中说明同样地采用图2的系统图。
外部故障在图2所示的系统中的故障位置为f1和f3的两种情况，可认为它们是同等的，所以这里以f1为外部故障的代表例。
内部故障的情况，有电源配置的两端、f1侧的一侧电源、f3侧的一侧电源3种情况。一侧电源f1侧和f3侧可认为是同样的，以f1侧为代表例。
两侧电源配置中发生故障的情况下，可认为i1、i2i1(t)＝i2(t)一侧电源配置中发生故障的情况下，设i2(t)＝0图3是用于说明由(22)式求出的动作比率k在内部故障和外部故障中有较大的差的图，是将先前所示的故障电流的值、光纤的常数代入(14)、(5a)、(5b)、(6)、(17)、(21a)、(21b)、(22)式中，通过计算求得。
另外，作为在动作量运算部件6a和抑制量运算部件6b中求出电源频率分量的有效值|S2x|、|S2x+S2y|以及|S2x-S2y|的方法，与现有技术同样，以下面的算法计算。
采样电角度30度数字滤波器D.F.1f＝(1-Z-6)(1+Z-1+Z-2+Z-3)有效值运算有效值2＝Cn-32-Cn·Cn-6图3(a)表示由(14)式表示的重叠有直流分量的故障电流i1(t)，表示故障电流i1＝33kA的波形。图3(b)至图3(d)为外部故障的情况，图3(b)表示动作量m，图3(c)表示抑制量n，图3(d)表示动作比率k。示出故障电流i1＝33kA、24kA、15kA、9kA的4种情况。
同样，图3(e)至图3(g)为内部故障位于两侧电源配置的情况，图3(e)表示动作量m，图3(f)表示抑制量n，图3(g)表示动作比率k。示出故障电流的以下4种情况。
i1＝+16.5kA、i2＝+16.5kA、i1＝+12.0kA、i2＝+12.0kA、
i1＝+7.5kA、i2＝+7.5kA、i1＝+4.5kA、i2＝+4.5kA图3(h)至图3(j)为内部故障位于一侧电源配置的情况，图3(h)表示动作量m，图3(i)表示抑制量n，图3(j)表示动作比率k。示出故障电流i1＝33kA、24kA、15kA、9kA的4种情况。
对表示外部故障情况的动作比率K的图3(d)、表示内部故障两侧电源配置、内部故障一侧电源配置的各情况的动作比率k的图3(g)、图3(j)进行比较可明白，动作比率在内部故障的情况下，两侧电源和一侧电源都为100％，外部故障的情况下，瞬间升到了20％，但是与内部故障相比则明显为小。
因此，决定动作比率调整值k2时，在外部故障时通过设定为比瞬间上升的动作比率k的值大的值，在判定部件8中动作量m即使比动作量调整值k1大，只要动作比率k比动作比率调整值k2小，则判定为外部故障，可防止保护继电装置的不必要动作。
图4是表示使用本发明的光电流传感器的保护继电装置的其他实施方式的说明图。以下的说明中，在参照上述现有技术和上述实施方式的图和式中，相同或相当的部分被赋予相同的标记并省略说明。
其结构为第一光电流传感器1；第二光电流传感器2；光源12；光信号处理电路4；光纤传输路径3a、3b、3c、3d；第一光信号处理部4a；第二光信号处理部4b；差电流检测部件5a；和电流检测部件5b；从差电流检测部件5a的输出和和电流检测部件5b的输出分别求出输入输出电流的补偿运算部件5c；从补偿运算部件5c的输出求出动作量的动作量运算部件6c；从补偿运算部件5c的输出求出抑制量的抑制量运算部件6d；从动作量运算部件6c的输出和抑制量运算部件6d的输出求出动作比率的动作比率运算部件7；根据动作量运算部件6c的输出和动作比率运算部件7的输出判别是电力系统的保护区间内的故障还是区间外的故障的判定部件8。
这里，对(5a)、(5b)式，采用(7)式的近似，则可改写为如下。
P2x＝(1/4)P0(1+α0i1)(1+α0i2)...(25a)P2y＝(1/4)P0(1+α0i1)(1-α0i2)...(25b)(α0＝2V)此时，差电流检测部件5a的输出S2x、和电流检测部件5b的输出S2y可如下表示。
S2x＝α0(i1+i2)+α02(i1·i2) ...(26a)S2y＝α0(i1-i2)-α02(i1·i2) ...(26b)这里，(26a)式的第一项为包含于S2x信号的差电流分量，第二项为包含于S2x信号的误差信号分量α02(i1·i2)。同样地，(26b)式的第一项为包含于S2y信号的和电流分量，第二项为包含于S2y信号的误差信号分量。
接着，差电流检测部件5a的输出S2x、和电流检测部件5b的输出S2y在补偿运算部件5c中，如下除去误差分量α02(i1·i2)。即，按(27a)至(27c)所示，定义Sz1、Sz2、Sz3，按(28a)、(28b)求出i1、i2。
Sz1＝(S2x+S2y)/2＝α0i1...(27a)Sz2＝(S2x-S2y)/2＝α0i2+α02(i1·i2)＝α0i2(1+α0i1) ...(27b)Sz3＝Sz2/(1+Sz1)＝α0i2...(27c)i1＝Sz1/α0...(28a)i2＝Sz3/α0＝Sz2/{α0(1+Sz1)} ...(28b)用补偿运算部件5c求出的i1、i2，在动作量运算部件6c、抑制量运算部件6d中根据以下的(29a)、(29b)式求出动作量m和抑制量n。
动作量m＝|i1+i2|＝|Sz1+Sz3|/α0...(29a)抑制量n＝|i1|+|i2|＝(|Sz1|+|Sz3|)/α0...(29b)动作量运算部件6c、抑制量运算部件6d中根据以上的(29a)、(29b)式求出的动作量m和抑制量n在动作比率运算部件7中根据(30)式求出动作比率k。
动作比率k＝m/n＝|Sz1+Sz3|/(|Sz1|+|Sz3|) ...(30)动作量运算部件6c中求出的动作量m和动作比率运算部件7中求出的动作比率k，在判定部件8中，设动作量调整值为k1，设动作比率调整值为k2时，在m＞k1且k＞k2时判定为内部故障，由此，即使为重叠有直流分量的故障电流也可防止外部故障中的不必要动作。
图5是用于说明由(30)式求出的动作比率k在内部故障和外部故障中有较大的差的图，为与上述实施方式的图3所示的计算采用同样的条件计算的结果。
图5(a)表示由(14)式表示的重叠有直流分量的故障电流in(t)，表示故障电流有效值in＝33kA的波形。图5(b)至图5(d)为外部故障的情况，图5(b)表示动作量m，图5(c)表示抑制量n，图5(d)表示动作比率k。示出故障电流i1＝33kA、24kA、15kA、9kA的4种情况。
同样，图5(e)至图5(g)为内部故障位于两侧电源配置的情况，图5(e)表示动作量m，图5(f)表示抑制量n，图5(g)表示动作比率k。示出故障电流的以下4种情况。
i1＝+16.5kA、i2＝+16.5kA、i1＝+12.0kA、i2＝+12.0kA、i1＝+7.5kA、 i2＝+7.5kA、i1＝+4.5kA、 i2＝+4.5kA图5(h)至图5(j)为内部故障位于一侧电源配置的情况，图5(h)表示动作量m，图5(i)表示抑制量n，图5(j)表示动作比率k。示出故障电流i1＝33kA、24kA、15kA、9kA的4种情况。
对外部故障情况的图5(d)、内部故障情况的图5(g)、图5(j)进行比较可明白，动作比率k在内部故障的情况下，一侧电源和两侧电源都为100％，外部故障的情况下，瞬间升到了5％，但是与内部故障相比则明显为小的值。
如上那样，在外部故障发生时通过设定为比瞬间上升的动作比率k的值大的动作比率调整值k2，在判定部件8中动作量m即使比动作量调整值k1大，只要动作比率k比动作比率调整值k2小，则判定为外部故障，可防止保护继电装置的不必要动作。
如以上说明，依据本发明的光电流传感器的保护继电装置，即使发生外部故障，也可防止继电器的不必要动作。
权利要求
1.一种使用光电流传感器的保护继电装置，在电力系统的保护区间的两端配置分别测定输入输出电流的两台第一和第二光电流传感器，所述第一和第二光电流传感器具有入射端；相对于设置在所述入射端的偏振镜的偏振方向以正45度和负45度的两个偏振方向进行检光的检偏镜；以及对应各自检光分量的射出端；在光源和所述第一光电流传感器之间、所述第一和第二光电流传感器之间以及所述第二光电流传感器和光信号处理部之间以光纤传输路径连接；保护继电装置包括从所述光信号处理部的输出信号检测差电流分量的差电流检测部件；从所述光信号处理部的输出信号检测和电流分量的和电流检测部件；从所述差电流检测部件的输出求出动作量的动作量运算部件；从所述差电流检测部件的输出和所述和电流检测部件的输出求出抑制量的抑制量运算部件；从所述动作量运算部件的输出和所述抑制量运算部件的输出求出动作比率的动作比率运算部件；根据所述动作量运算部件的输出和所述动作比率运算部件的输出判别是所述电力系统的保护区间内的故障还是保护区间外的故障的判定部件。
2.一种使用光电流传感器的保护继电装置，在电力系统的保护区间的两端配置分别测定输入输出电流的两台第一和第二光电流传感器，所述第一和第二光电流传感器具有入射端；相对于设置在所述入射端的偏振镜的偏振方向以正45度和负45度的两个偏振方向进行检光的检偏镜；以及对应各自检光分量的射出端；在光源和所述第一光电流传感器之间、所述第一和第二光电流传感器之间以及所述第二光电流传感器和光信号处理部之间以光纤传输路径连接；保护继电装置包括从所述光信号处理部的输出信号检测差电流分量的差电流检测部件；从所述光信号处理部的输出信号检测和电流分量的和电流检测部件；从所述差电流检测部件的输出和所述和电流检测部件的输出求出各自的输入输出电流的补偿运算部件；从所述补偿运算部件的输出求出动作量的动作量运算部件；从所述补偿运算部件的输出求出抑制量的抑制量运算部件；从所述动作量运算部件的输出和所述抑制量运算部件的输出求出动作比率的动作比率运算部件；根据所述动作量运算部件的输出和所述动作比率运算部件的输出判别是所述电力系统的保护区间内的故障还是保护区间外的故障的判定部件。
3.一种保护继电装置，用于监视具有保护区间的电力系统的故障，所述保护继电装置包括射出规定光信号的光源；配置在所述电力系统的保护区间的一端侧的第一光电流传感器，该第一光电流传感器，接受来自所述光源的所述光信号，与所述电力系统的保护区间的一端侧流过的第一电流的大小成比例地旋转所述光信号的偏振面，发射偏振面旋转了的所述光信号中的至少一个方向分量的第一光信号；配置在所述电力系统的保护区间的另一端侧的第二光电流传感器，该第二光电流传感器，接受来自所述第一光电流传感器的所述第一光信号，与所述电力系统的保护区间的另一端侧流过的第二电流的大小成比例地进一步旋转所述第一光信号的偏振面，发射偏振面进一步旋转了的所述第一光信号中的至少一个方向分量的第二光信号和另一方向分量的第三光信号；从所述的第二光信号求出作为所述第一电流和所述第二电流的差的差电流输出的第一光信号处理部；从所述第三光信号求出作为所述第一电流和所述第二电流的和的和电流输出的第二光信号处理部；检测所述第一光信号处理部的所述差电流输出的差电流检测部件；检测所述第二光信号处理部的所述和电流输出的和电流检测部件；从所述差电流检测部件的输出求出动作量的动作量运算部件；从所述差电流检测部件的输出和所述和电流检测部件的输出求出抑制量的抑制量运算部件；从所述动作量运算部件的输出和所述抑制量运算部件的输出求出动作比率的动作比率运算部件；根据所述动作量运算部件的输出和所述动作比率运算部件的输出判别是所述电力系统的所述保护区间内的故障还是保护区间外的故障的判定部件。
4.如权利要求3所述的保护继电装置，其中所述第一光电流传感器包括用于将来自所述光源的规定光信号作为直线偏振信号的第一偏振镜；接受所述第一偏振镜输出的所述直线偏振信号，根据由所述第一电流产生的磁场的法拉第效应，与所述第一电流的大小成比例地以规定角度旋转所述直线偏振信号的偏振面的第一法拉第元件；将所述第一法拉第元件输出的所述直线偏振信号至少分为x方向分量的光信号和y方向分量的光信号的第一检偏镜，其中的x方向分量的光信号为所述第一光信号。
5.如权利要求4所述的保护继电装置，其中所述第二光电流传感器包括用于将来自所述第一检偏镜的所述第一光信号变为直线偏振信号的第二偏振镜；接受所述第二偏振镜输出的所述直线偏振信号，根据由所述第二电流产生的磁场的法拉第效应，与所述第二电流的大小成比例地以规定角度旋转所述直线偏振信号的偏振面的第二法拉第元件；将所述第二法拉第元件输出的所述直线偏振信号分为x方向分量的所述第二光信号和y方向分量的所述第三光信号的第二检偏镜。
6.如权利要求5所述的保护继电装置，其中所述第一光信号的偏振方向与所述第二光信号的偏振方向相同。
7.如权利要求6所述的保护继电装置，其中所述第一光信号处理部包括用于将所述第二光电流传感器的所述第二检偏镜输出的所述第二光信号变换为电信号的第一光电变换器；从所述第一光电变换器输出的电信号中取出直流分量的第一低通滤波器电路；从所述第一光电变换器输出的电信号中取出交流分量的第一高通滤波器电路；以所述交流分量除以所述直流分量、获得所述差电流输出的第一比例计算器。
8.如权利要求7所述的保护继电装置，其中所述第二光信号处理部包括用于将所述第二光电流传感器的所述第二检偏镜输出的所述第三光信号变换为电信号的第二光电变换器；从所述第二光电变换器输出的电信号中取出直流分量的第二低通滤波器电路；从所述第二光电变换器输出的电信号中取出交流分量的第二高通滤波器电路；以所述交流分量除以所述直流分量、获得所述和电流输出的第二比例计算器。
9.如权利要求8所述的保护继电装置，其中所述第一电流的从所述保护区间的外侧到所述保护区间的内侧的流入方向为正，所述第一电流的从所述保护区间的内侧到所述保护区间的外侧的流出方向为负，所述第二电流的从所述保护区间的外侧到所述保护区间的内侧的流入方向为正，所述第二电流的从所述保护区间的内侧到所述保护区间的外侧的流出方向为负。
10.如权利要求9所述的保护继电装置，其中设置使所述第一光电流传感器内的光的传播方向与由该第一光电流传感器检测的所述第一电流产生的磁场方向一致，设置使所述第二光电流传感器内的光的传播方向与由该第二光电流传感器检测的所述第二电流产生的磁场一致。
11.如权利要求10所述的保护继电装置，其中所述第一检偏镜相对第一偏振镜以45°的角度设置。
12.如权利要求11所述的保护继电装置，其中所述第二检偏镜相对所述第二偏振镜以45°的角度设置。
13.一种保护继电装置，用于监视具有保护区间的电力系统的故障，所述保护继电装置包括射出规定光信号的光源；配置在所述电力系统的保护区间的一端侧的第一光电流传感器，该第一光电流传感器，接受来自所述光源的所述光信号，与所述电力系统的保护区间的一端侧流过的第一电流的大小成比例地旋转所述光信号的偏振面，发射偏振面旋转了的所述光信号中的至少一个方向分量的第一光信号；配置在所述电力系统的保护区间的另一端侧的第二光电流传感器，该第二光电流传感器，接受来自所述第一光电流传感器的所述第一光信号，与所述电力系统的保护区间的另一端侧流过的第二电流的大小成比例地进一步旋转所述第一光信号的偏振面，发射偏振面进一步旋转了的所述第一光信号中的至少一个方向分量的第二光信号和另一方向分量的第三光信号；从所述第二光信号求出作为所述第一电流和所述第二电流的差的差电流输出的第一光信号处理部；从所述第三光信号求出作为所述第一电流和所述第二电流的和的和电流输出的第二光信号处理部；检测所述第一光信号处理部的所述差电流输出的差电流检测部件；检测所述第二光信号处理部的所述和电流输出的和电流检测部件；从所述差电流检测部件的输出和所述和电流检测部件的输出求出各自的输入输出电流的补偿运算部件；从所述补偿运算部件的输出求出动作量的动作量运算部件；从所述补偿运算部件的输出求出抑制量的抑制量运算部件；从所述动作量运算部件的输出和所述抑制量运算部件的输出求出动作比率的动作比率运算部件；根据所述动作量运算部件的输出和所述动作比率运算部件的输出判别是所述电力系统的保护区间内的故障还是保护区间外的故障的判定部件。
14.一种用于检测具有保护区间的电力系统的故障的方法，包括在所述电力系统的保护区间的一端侧配置第一光电流传感器的步骤；通过所述第一光电流传感器感知所述电力系统的保护区间的一端侧流过的第一电流的大小的步骤；在所述电力系统的保护区间的另一端侧配置第二光电流传感器的步骤；通过所述第二光电流传感器感知所述电力系统的保护区间的另一端侧流过的第二电流的大小的步骤；求出作为所述第一电流和所述第二电流的差的差电流输出的步骤；求出作为所述第一电流和所述第二电流的和的和电流输出的步骤；从所述差电流输出求出动作量的步骤；从所述差电流输出和所述和电流输出求出抑制量的步骤；从所述动作量和所述抑制量求出动作比率的步骤；根据所述动作量和所述动作比率输出判别是所述电力系统的保护区间内的故障还是保护区间外的故障的步骤。
15.一种用于检测具有保护区间的电力系统的故障的方法，包括在所述电力系统的保护区间的一端侧配置第一光电流传感器的步骤；通过所述第一光电流传感器感知所述电力系统的保护区间的一端侧流过的第一电流的大小的步骤；在所述电力系统的保护区间的另一端侧配置第二光电流传感器的步骤；通过所述第二光电流传感器感知所述电力系统的保护区间的另一端侧流过的第二电流的大小的步骤；求出作为所述第一电流和所述第二电流的差的差电流输出的步骤；求出作为所述第一电流和所述第二电流的和的和电流输出的步骤；从所述差电流输出和所述和电流输出求出各自的输入输出电流的步骤；从所述输入输出电流求出动作量的步骤；从所述输入输出电流求出抑制量的步骤；从所述动作量和所述抑制量求出动作比率的步骤；根据所述动作量和所述动作比率判别是所述电力系统的保护区间内的故障还是保护区间外的故障的步骤。
全文摘要
提供一种保护继电装置。将第一光电流传感器(1)和第二光电流传感器(2)设置在电力系统的保护区间(9)的两端，光纤传输路径(3a)至(3d)在光源、第一光电流传感器(1)、第二光电流传感器(2)、第一光信号处理部(4a)以及第二光信号处理部(4b)间串联连接。在动作量运算部件(6a)、抑制量运算部件(6b)、动作比率运算部件(7)中根据来自第一光信号处理部4a的差电流信号和来自第二光信号处理部4b的和电流信号，求出动作量、抑制量、动作比率。即使判定部件8中动作量在设定值以上，只要动作比率在一定值以下，可判定为外部故障，防止继电器的不必要动作。
文档编号H02H3/26GK1623261SQ0380283
公开日2005年6月1日 申请日期2003年2月17日 优先权日2002年2月18日
发明者伊藤高文, 千田善文, 加藤松吉, 山田康久, 田代洋一郎, 黑泽洁, 大河原健治 申请人:株式会社高岳制作所, 东京电力株式会社