系統事故時の故障点電流直流分 減衰時定数計算手法の開発

電中研報告
電 力 輸 送
０３−０３８
系統事故時の故障点電流直流分
減衰時定数計算手法の開発
背
景
電力系統に短絡・地絡等の事故が生じると大きな故障電流が流れるが、ここには
交流成分の他に過渡的な直流成分が含まれ、一般には複数の時定数を持つ複合モー
ドの形で減衰していく。故障電流の直流分は遮断器の能力を左右するほか、故障電
流検出用の CT 鉄心を磁気飽和させ 2 次側電流に誤差を生む原因となるため、詳細
解析が重要である。
故障電流直流分は、従来は X-R 分離法やインピーダンス法、4 パラメータ法等の、
減衰時定数を直接求める手法で計算されてきたが、十分な精度ではなかった。詳細
な計算については EMTP 等の過渡現象解析手法により実施されているが、通常の故
障電流解析データのみを用いて高精度に解析できる手法が望まれていた。
目
的
実効値解析（T 法*1）用の入力データを用いて故障電流の直流分のみを効率的に解
析し、系統各部の減衰波形を精度よく求めるとともに、同波形から減衰時定数を近
似する手法を開発する。
主な成果
１．故障電流の直流分解析において通常問題となる、三相短絡および一線地絡の各
故障に対して、減衰波形を精度よく算出できる手法を開発した。その特徴は以
下のとおり：
1)同期機の事故電流の直流分をシミュレーションによって解析する手法を系
統解析へ拡張適用することで、精度向上、計算時間の短縮化を達成した。
2)直流分が最大となるケースのみを効率的に実行できる。
3)数値安定性が良くローカル LC 共振等の不要な影響を受けない。
２．簡易系統において従来の各種手法と比較したところ、T 法用のデータを用いて
いるにもかかわらず、EMTP 解析と合致する結果が得られることを確認した（図
１）。また、開発手法は実規模系統でも実用的な時間で計算できる（表１）。
３．
「背景」に述べた CT 鉄心磁気飽和による 2 次側電流計測誤差防止のため、一次
時定数τや過渡係数 K*2 による過渡特性の検討が行われているが、これらの計
算では、直流分を従来単一の指数関数で近似してきた。本研究では、さらなる
解析精度向上のため、複数の指数関数の重ね合わせによって直流分を近似可能
とした（図２）。また、任意個数の重ね合わせで表現された場合の K の計算式
を提案し、手法の妥当性を数値例で検証した（図３）。
*1
*2
T 法：当所既開発の短絡容量解析プログラム
過渡係数 K：CT の主磁束が通常動作時の何倍かを表す係数（電気学会技術報告（II 部）第 227 号「計器用
変成器（保護継電器用）における最近の技術的諸問題」）
100MVA
200MVA
270kV
100km
250MVA
pf=90%
Xd"=13%
X/R=50
直流分（初期値で規格化）
1.2
X-R 分離法
1
EMTP と提案法（重なっている）
0.8
「精密計算」（下記の注を参照）
0.6
0.4
４パラメータ法
0.2
インピーダンス法
0
0
(a) 簡易系統
0.05
0.1
0.15
故障発生からの経過時間(秒)
0.2
(b) 提案法や従来法、EMTP からの直流分抽出結果等の比較
（注）図中「精密計算」：電気協同研究「電力系統における短絡電流計算法」第 20 巻第 6 号，昭和 39 年
図１
提案する波形解析手法の有効性
2.5
系統規模と計算時間
（使用 CPU：Pentium III 500MHz）
母線数
線路数
5
2
27
32
466
328
*）1 秒以内で終了
行列の次元
6
59
735
計算時間実測
−*
9秒
211 秒
数値シミュレーションの結果と時定数２個
での近似結果（ほとんど重なっている）
2
故障電流(pu)
表１
1.5
単一時定数での近似結果
1
0.5
0
0
単一時定数で近似した波形（太線）
0.05
0.1
0.15
時定数２個で近似した波形（細線）
時間（秒）
0.2
時定数２個の近似で
は直流分が速く減衰
する実態を反映した
正しい波形となる
(a) 1 次側電流の直流分近似が波形に与える影響
図3
研究報告
Ｔ０３０４９
１次（２次換算）・２次電流（Ａ）
120
100
80
60
40
20
0
-20 0
-40
-60
-80
単一時定数では CT
飽和により 2 次電
流が 1 次電流と異
なる波形となって
しまう
１次（２次換算）・２次電流（Ａ）
1次電流（2次換算）(A)
図2
0.05
0.1
時間（秒）
120
CT１次側電流（2次側換算）：濃い太線
100
80
60
40
20
0
0.05
0.1
0.15
0.2
-20 0
-40
-60
CT２次側電流：薄い太線
-80
時間（秒）
120
CT１次側電流（2次側換算）：濃い細線
100
80
60
40
20
0
0.05
0.1
0.15
0.2
-20 0
-40
-60
CT２次側電流：薄い細線
-80
時間（秒）
(b) 2 次側電流に生じる誤差の違い
キーワード：短絡電流，過渡直流分，減衰時定数
関連研究報告書
担当者
熊野
連 絡 先
（財）電力中央研究所 狛江研究所 事務部 研究管理担当
Tel. 03-3480-2111(代)
E-mail : [email protected]
［非売品・不許複製］
c
（狛江研究所・電力システム部）
財団法人電力中央研究所
0.2
減衰時定数近似の一例
複数の時定数を含む場合の過渡係数算出法の有効性
照久
0.15