电力·设备用保护设备/电量传感器 概要

1. 保护设备的概要

■过电流保护继电器的定义

过电流继电器（OCR＝Over Current Relay）是由变流器（CT）将电路短路、负载过载的过电流取出，按照其电流值的大小动作的继电器。
一般使用JIS C 4602（高压受电用过电流继电器）中规定的过电流继电器。在过电流继电器中有瞬间要素和限时要素2个动作要素，瞬间要素 检测规定容量500～1,500％的电流并动作。限时要素具有反限时特性，随着电流大小的增大在第一时间动作；瞬间要素具有短时间 的定限时特性，可从继电器自身装备的动作显示器来区别是哪个要素在动作，有利于事故处理。

■接地继电器的定义

接地继电器是在电路电缆、电气设备的绝缘老化或者发生破坏、接地、完全接地时，检测电路和大地间接触事故的继电器。该继电器在电力的受电侧发生接地事故时，仅在受电侧断路限定事故，防止波及高位配电用变电站。出于该保护目的，有必要与高位（电力公司的配电用变电站）之间取得保护协调。作为继电器，可通过零相变流器（ZCT）检测事故电流并根据其大小动作，或通过ZCT及零相电压检测装置（ZPD）的组合来检测事故电流并根据其大小和两者的相位关系动作分为2种，接地继电器（GR＝Ground Relay），接地方向继电器（DRG=Directional Ground Relay）一般情况下常使用GR，最近由于设备内电缆长度延长，为防止其他电路事故引起误动作，开始广泛t使用DGR。

■电压继电器的定义
在异常电压下发电机的故障会导致电压急剧上升、停电或者因短路造成电压很低等情况。电压继电器是根据交流电路的电压变动，达到电压预先设定状态时，检测并动作的继电器。基本的动作区别有过电压检测、欠电压检测2种。

●过电压继电器（OVR）

电压超过设定值时，进行接点动作，发出报警或者启动断路器的继电器。

●欠电压继电器（UVR）
电压为设定值以下时动作的继电器。主要在电压过低保护、配电线的短路故障检测等中使用。

■电机·继电器的定义
即使是电机也有很多种类，作为产业设备的动力用，最为普及的是三相感应电机，而保护三相感应电机的设备，我们称为电机继电器。保护电机是很重要的。尽早检测异常，使电机自身及与其相关的负载损害控制在最小范围内，保护深井泵等更换烦琐的设备不被烧损。随着电机小型化、轻薄化等要求的严格，重要度的提升，对其进行保护的电机继电器也渐渐要求高性能，高可靠性，从以前单纯的热量型向静止型（晶体管型）转移。

■电机·继电器的定义

●CGS的定义
CGS（Co-Generation System）是分散型电源的一种，利用燃气引擎、燃气轮机等原动机驱动发电机，向区域内负载供给电力的同时，利用原动机的排热供给暖气、供热水或者冷气。是提高能源综合效率的系统，也称为热电联产系统。面对21世纪的能源目标，提倡利用该家发电系统，拉开复合能源时代的帷幕。

●为什么需要连接用保护继电器？
在以前的受电端保护系统中，仅处理需要方区域内的事故（短路·接地），使受电端的断路器动作。但是，在连接电力系统的分散型电源中，需要实现以下几方面：
①确保群众及操作人员的安全，不应对电力供给设备或者其他需要方的设备产生影响。
②在供给可靠性和电气的质量方面，不应对其他需要方产生不好的影响。
即，不仅是需要方区域内事故，在电力系统侧的停电及事故中也应进行检测，必须从系统中分离发电机。
具体示例如下：
①发电机不向系统的事故点供给事故电流。
②不容许逆流时，不向系统侧发送电力。
③系统中再开路时，不在非同步状态下结合两者的电压。

连接用保护继电器根据连接的系统种类（高压连接或特高连接）、分散型电源需要方的发电机类型（同步发电机或感应发电机）、系统的重要性，决定必须设置的机型。必须可以确切检测所有条件下的系统事故。
●连接用保护继电器构成示例（高压受电需要方、同步发电机）

●继电器根据事故形态的不同动作
下表简单显示了各个继电器对于各种事故的动作。根据该矩阵图进行验证，选定必要的机型。

＊1. 继电器进行检测，与电力系统侧（变电站）保护继电器取得时间协调，不到达动作。
＊2. 发电机容量和系统的负载取得平衡时可能不动作。
＊3. 电压极端下降（至近端短路时）时可能不动作。
＊4. 根据变电站接地方向继电器的动作，系统停电，进行动作。
注.   不设置线路无电压确认装置，进行系统双重化时，对1个事故需要有2个以上的继电器动作。

●各继电器的整定示例
以下表示连接用保护继电器的标准整定。请根据向电力公司申请连接时进行的系统故障计算及在此基础上的协调确认，做最终决定。

＊1. 电网送出点的2相短路时，需要保持在发电机流出的电流值以下，按照下式进行计算。

＊3. 请考虑接通发电机的并联时的动摇时间。

●作为其他连接用保护继电器的要求事项

从分散型电源设备对系统产生的影响的重要性出发，对连接用保 护系统及继电器的功能提出以下要求项目，以提高其可靠性。不设置线路无电压确认装置时，将系统双重化添加了在分散型电源需要方，在变电站设置线路无电压确认装置（再断路时，确认有无线路电压的装置）的义务。但是在同系统中存在多个分散型电源需要方时、考虑到设置成本等，很难设置本装置。因此，系统停电状态时，通过使继电器双重化（该继电器使发电机从系统中分离），可以无需设置本装置。作为实现二重化的手段，也认可UPR的设置。这种情况下，有必要在二相进行设置。由专用的直流电路提供继电器的控制电源连接用保护继电器的控制电源必须由专用的直流电路提供。因为 确保电源供给可靠性的同时，在系统发生短路事故时也需要动作。 （计量仪器用变压器VT的电源在短路时没有输出电压）。

2. 接地继电器的概要

■受电用GR的选择
为有效选择接地事故点的断路，根据系统条件的不同，选择OCGR（接地过电流继电器）或者DGR（接地方向继电器）中的任意一个来设置GR。

继电器的选择步骤

■零相变流器（ZCT）的接地电流监视
电路里的电流大小，无论是单相还是三相其往返方向是相同的。如果发生接地事故，可以区别往返。根据该差异， ZCT上磁束感应，在二次侧有电流通过。该电流由继电器检测并监视。低压中经常使用的漏电断路器也是由这个原理构成的。

■零相电压检测装置（ZPD）的电流方向监视

如果发生接地事故，在ZPD发生的零相电压Vo和在ZCT检测的零相电流Io的方向（相位）在自身电路中，事故电流由电源侧流向负载侧。另一方面，在其他电路中，事故电流由负载侧流向电源侧。利用该原理，可以仅选择并遮断发生事故的电路。

■接地保护协调
在运用接地保护继电装置的基础上，可以说接地保护协调是最重要的概念。所谓保护协调是在电路发生事故时，取得动作协调，仅使事故电路的断路器动作，调整配置各设备的动作特性，以维持健全电路的供电，防止损伤负载设备、电路设备。

■接地电流、电压灵敏度协调
根据接地点的位置、接地点的形态，接地故障发生的零相电压、零相电流也多种多样。
■OCGR的灵敏度协调
ZCT检测的零相电流的大小因自身电路故障和其他电路故障而有所不同，利用该原理，来选择电路。
图1显示了其形状。

图1. OCGR·DGR的相位特

此时，若不能满足以下关系， OCGR可能会发生误动作。
Ir≥2 Ic
IR：继电器整定值
IC：区域内对地充电电流
2：余量系数
若不能满足以上条件，请务必使用DGR。即电缆长度的需要方不能进行OCGR的协调。在受电设备受电等的高压线路较短时， OCGR可进行充分保护协调。电缆长度和充电电流的关系如图2所示。电缆的静电容量如表2所示，对于继电器整定电缆长度的界限如下表1所示。

表1.电缆长度界限标准

●DGR的灵敏度协调
DGR的灵敏度协调包含零相电压要素。零相电流的灵敏度协调与OCGR完全相同。零相电压的灵敏度在配电线的任何场所都与故障时发生的零相电压值相同。短路电流一般不会像末端故障时的故障电流那样小。因此仅靠零相电压的灵敏度，很多时候不能选择并断路故障点，如末端设备一样以提高灵敏度（段协调的一般性看法）的形式在末端遮断轻微的接地，变电站的GR成为预备保护。在重接地保护的情况下，不仅是零相电压的灵敏度协调，与其他电路之间也需要判定相位。在自身电路中，需要与系列中的GR取得时间协调。如图3所示为继电器的零相电压-零相电流特性上接地故障点的图表。

表2. 电缆的静电容量一览表

＊参考
充电电流计算公式
Ic=2 π fCE(A)
Ic:3线全部充电电流（A）
f:频率（50Hz或者60Hz
C:3线全部静电容量（F）
E:对地电压（V） =线间电压/√3

■相位协调
在通常情况下基本上没有问题。另外一般市场上销售的DGR的相位特性也是较固定。继电器的相位判别，判断是自身电路还是其他电路的方向。

3.电机继电器的概要

■电机继电器的必要功能
使用电机·继电器的目的可分为以下2类。
（1） 保护电机自身（防止烧损）
（2）将电机所连接的负载的损害控制在最小范围内。
（此时，比起电机其负载更为重要，因此有必要选定电机继电器）为了满足以上（1）和（2），电机继电器需要具备以下3个功能。

（2） 缺相要素
（3） 反相要素
以下对这三个要素的详细内容进行说明。
●过载要素
电机过载的情况下，如果长时间流通过电流，电机将会烧损。
因此，一旦流通过电流，必须立即检测电机，切断电机电源来保护电机。
但是，如图1所示一般启动感应电机时，会在数秒到数十秒内流通500%左右的过电流。如果此时电机的过载要素工作，电机一启动马上发生断路，电机将无法运转。因此电机继电器上除检测电机上流通的电流是否超过额定值的“过电流要素”外，还需要“时间要素”，过电流的继续时间如果在电机的启动时间内则不动作，如果超过启动时间则使其动作。即为避免启动电机时发生的电机继电器的误动作，需要时间要素。
需要时间要素还有另外一个理由。
图2为表示电机过热特性的I2t曲线，若在这个曲线的下侧范围，则电机不易烧损，可以充分使用。此例为即使电机上流通500%的过电流，如果为40秒则可以使用。若电流值为一半250%则为，

仅为1000秒，但100%是额定电流可以连续运转，因此不适用于该公式。这个曲线并不是准确的I2t，只是I2t的大约值。另外，电机自身即使流通过电流也不会马上烧损，有一定的允许时间，至少可以承受启动电流、启动时间的过载。因此，最理想的使用方法是使电机达到界限，从这个观点出发，即使过电流也立即动作的电机继电器是不甚理想的。如图2所示，沿曲线下侧的曲线进行动作，有较大电流快速通过时，较小电流流通时长时间动作，即反限时特性，具备这种时间特性的产品最为理想。这就是在负载要素上添加时间要素的理由。即使是极小的过载，电机继电器也会立刻动作并停止，通过该要素，可防止这种不必要的动作停止。但是根据用途，有时不需要这个特性。例如，负载为规定值，超过额定电流时可明确判断为负载的异常状态，流通过电流时如果不马上切断电机电源，负载发生损害，且损害扩大。在上述保护负载的用途中，过载要素的动作时间越快越好。当然，如果这个时候启动，会有过大的启动电流流过，因此启动时一定时间内不能动作，之后需要带瞬间动作功能的过载要素，我们将其称为普通瞬间型。另外，迄今为止过载要素中必须具备检测电流值的要素和时间要素2个要素，这个电流、时间值设定为多少较好呢？
·关于电流值
JEM1357「三相感应电机用感应型及静止型保护继电器」的标准中规定了动作值应在电流整定值的105～125%范围内，而电机继电器的各大厂家也大都遵照该标准。因此，即使无特别指定的电机也基本能满足标准要求。
·关于时间
同样在JEM 1357标准中规定了电流整定值的600%过电流下为40秒以下，200%过电流下为4分钟以下。另外，作为JIS B 8324深井用水中电机泵的电机保护规定了[流通全负载电流的5倍电流时应在5秒以内动作]。因此，一般的电机继电器在500%过电流下有数秒～数十秒的动作时间，电机继电器种类也多种多样。

图1. 电机的启动电流

过载要素的总结
（1）过载要素的电流要素在额定值下一般不动作，在125%下动作。时间上选择在500%过电流时数秒~数十秒左右大于电机启动时间。普通的反限时特性是电流值越大越快，电流越小花费时间越长的时间特性。
（2）时间要素有启动时及其后运转时在同一时间特性下动作的类型和仅启动时延时，运转时作为瞬间动作保护与电机相连的负载的类型，后者一般称为瞬间型。

●缺相检测要素

由于电机的电源线断线，连接部松驰，控制用开关的接触不良，电机内部的断线等，使本来应在三相电压下运转的电机在单相下进行运转的状态称为“缺相”。停止的感应电机在单相下不能开始运转，如果在缺相状态下启动，为了让启动电流持续流通，可根据先前所述的过载要素进行检测，防止烧损电机自身。但是正常运转中即使发生缺相，成为单相状态，众所周知，如果负载较轻，三相感应电机可作为单相感应电机继续运转。请看图3。有人接线电机和△接线电机的电源相缺相以及△内部的缺相三种状态。此时请考虑仅靠插入电源线的过载要素是否可以防止电机的烧损。
（1）人接线电机的缺相
如图3(a)所示电源线中流通的电流和电机卷线中流通的电流，无论在哪里断线都是一样的。因此，如果发生缺相，即使过电流流过，电源线的过载要素也会进行检测，因此不会烧损电机。另外如果电机的负载过轻，不会发生过电流时，过载要素不进行检测，由于电机电流较小不会发生烧损，可继续进行轻负载运转。

图3.缺相时的电流分布

（2）△连线电机的外部缺相
图3(b)的情况下该怎么处理？
正常时如果卷线中流通的电流为I，电源线上流通的电流则为√3I，即卷线的额定电流如果为In，电源线的额定电源则为√3In，过载要素通过监视√3In< √3I来等价监 视卷线上的电流是否为In< I。B为缺相状态的情况下，I＝In时的电源线的电流为3/2In，当然是√3In或者1.5In< 1.732In，因此根据电机的负载状态，卷线即使发生过电流，由于电源线在额定电流以下，过载要素不动作，卷线可能被烧损。这种情况下为防止电机烧损，需要其他检测缺相的要素。
（3） △连线电机的内部缺相
图3 （C）的情况下该怎么处理？ I1和I2与正常时相同｜I1｜=｜I2｜，相位差为120°，V相电源线电流与正常时相同为√3I，另外U、W相的电流分别为I1、I2，从电源线来看，可以发现卷线上流通着过电流，过载要素进行检测，无需担心会被烧损。因此，可以说与(1)的人连线相同。此外，迄今为止都是从防止电机烧损的角度来进行说明。

图4. 缺相时的电源线电流矢量图

缺相即为异常状态。运转中发生缺相，轻负载下如果任其继续运转是不适当的，稍微再增加点负载将可能停止，连接脱落的导线与外壳接触，将可能导致触电事故及短路事故。异常状态下以立即检测并处理为保护原则，不仅是为了防止电机烧损，这种情况下也应尽快检测缺相。即不仅是为防止电机烧损，为在轻负载时也检测缺相，由于在过载要素下检测较费时间，因此为了尽早进行，一般在图3(a)、(c)所示的情况下设置缺相要素。关于缺相要素还需注意一点。在图3(a)、(b)中正常时U、V、W相的电流为平衡三相电流，但缺相和缺相的相电源线电流完全为零，其他的2相中流通着单相的往返电流。此时如图4(a)所示，缺相前后矢量关系有很大的变化。然而，图3(c)的情况下，图4(b)所示的矢量变化与图4(a)相比，直观上感觉变化较小。实际上图3(c)的情况与图3(a)、(b)相比，更难检测缺相。普通图3(a)、(b)所示的状态为缺相，(c)的情况称为△内部缺相，以示区别。一般所指的可检测缺相的情况为(a) (b)，因此使用△接线电机（1.5kW以上多用这种电机）时请务必注意。

图5.电流方式缺相要素的优越性

另外，也有如图5所示不使用变流器，用电机的电压检测缺相的方式。这种方式不能检测从检测缺相用的连接点在电机侧缺相的情况，即使电源侧缺相，由于电机端子电压没有下降到一定程度，因此有时无法检测轻负载运转中的缺相，电流检测的方式更为有利。

缺相要素的总结

（1）仅过电流要素时，有时不能防止电机烧损，需要缺相要素。
（2）轻负载时即使缺相也不流通过电流那样的电流，因此过载不能检测。为了尽早检测异常，需要缺相要素。
（3）一般所说的缺相是指电源线的缺相，因此很多情况下无法检测△内部缺相，请注意。
（4）有电压方式，但电流方式更为有利

●反相要素
如果三相感应电机相序为逆，电机的旋转方向也相反。任何用途中都不允许电机向任意方向旋转，有时即使是瞬间反向旋转，都会给电机负载造成致命的打击。为此，施加在电机上电源的相序一旦反向，能立即进行检测的要素称为“反相要素”。

图6.反相要素的电压电流方式比较

此时可考虑与缺相检测相同的电流方式、电压方式。请看图6。如图6所示在电磁接触器前连接反相要素后，反相在电机启动前可以进行检测。由此前面所说的电机即使是瞬间也不会使其反转。电流方式无论怎么快也要0.5秒左右的时间，所以多少有一点逆转也是没办法的。就这个意义上来说电压方式更为有利。但是，电压方式的缺点在于与电机继电器的连接较多。在高压电机等情况下需要添加1个VT。另外，电流方式的优点在于能直接判断电机中流通电流的相序，也有如前所述检测较费时间（电机旋转后的检测）的缺点。另外，无论何种情况反相检测仅检测其连接点（电压检测时连接电源线的位置、电流检测时插入CT位置）的相序，在设置时需要注意这点。此外，一旦设置好电机后，相序很少为逆，很多情况下不需要反相要素。但是，在移动用电源的电机等中，连接变更的频率较高，在保养检查时就连接变更来说，还是添加比较好。

反相要素的总结
（1）很多情况下不需要反相要素。
（2）电压检测有启动前可检测的优点，而电流检测有可直接监视电机的电流相序的优点。但也各有所短。

■电机·继电器的特异点

电机及电机继电器在使用上必须注意以下几个问题。在此就缺相时的电压下降、电机电流波型的失真，改善力率用电容器的配置，电机电流的不平衡进行说明。

●缺相时的电压下降（电源连接上的注意事项）

如图7所示， V相下即使缺相（断线），施加在电机继电器及电磁接触器上的电压也不为零，U、W间的线间电压Vuw在电机的卷线X和Y分压，通常电磁接触器励磁线圈及电机继电器的电源电路的阻抗与X和Y卷线的阻抗相比相当大，因此施加约为1/2Vuw的电压。在这个状态下为使电磁接触器断路，电机继电器即使在额定电压一半的电压下也可以检测缺相并进行动作吗？不可以时，电磁接触器不能保持1/2的电压，进行选择，自动复位。然而，如果电磁接触器的电源与电机继电器的电源为不同的相，如图7所示电磁接触器和电机继电器都从U、W相取得电源。如果仅电磁接触器从U、W相取得电源，在电磁接触器中即使V相缺相，保持施加额定电压，不能复位，而且电机继电器上只能施加1/2的电压，电机继电器无法动作时，不能进行保护。因此，或使电机继电器即使在1/2的电压下也能进行动作，或注意布线，在电磁接触器上附加1/2的电压，使其务必复位，任何一种情况下都需注意。

图7. 缺相时的电压下降，进相电容器的位置

注. 电机轻负载运转中的缺相下，电压不会下降到1/2。从电机侧供给近似于正常电压的电压。此时不能进行保护电磁接触器的释放电压。

●电机电流的波形失真

送风风扇用电机电流波形失真示例

如图所示，流入电机的电流本来应该是正弦波，在水中电机等用旧的电机中，即使是可正常运转的电机，也可观测到电流波形的极端失真。
电机继电器在设计时以输入正弦波为前提，根据波形的失真，在过载要素下动作电流值的误差增加，另外，在缺相、反相要素下会发生误动作等。电机的电压波形一般失真较少，动作快的反相要素等中，电压方式比电流方式更为有利。但是，各个厂商也在探讨波形失真的问题，最近各个方式几乎没有什么差别。

●改善力率用电容器的设置位置
如图7所示，为改善其力率，与电机并列接入进相用电容器。电机的轻负载时流通的电流几乎无效，有相当一部分高次谐波混入。由此，将电容器并列连接，消除基本波成分，仅残留高次谐波。较大情况下，本来设计为输入50/60Hz的正弦波的缺相、反相电路等易发生误动作。当然，大部分情况下的高次谐波电流很小，不会发生误动作，但如图7所示，为降低误动作的概率，在电机继电器前设置电容器的方法最为保险。另外，如果在电机继电器后插入电容器，看上去电机电流减少，需要估计电机继电器的过电流动作值并进行设定，较为烦琐，因此从这点来看，仅向电机继电器提供电机中流通的电流的方法最为理想。

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