JP2012034570A - 電気開閉装置の運転の監視に使用するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷に結合され、かつこの負荷を流れる電流に比例するアナログ信号を生成するように構成された変流器（４４）を含む計器用変成器（１００）を提供すること。
【解決手段】計器用変成器は、保護モジュール（１０６）と、変流器に結合されたデジタイザモジュール（５０）も含み、このデジタイザモジュールは、アナログ信号に比例する入力信号を受け取り、この入力信号をデジタル信号に変換するように構成される。デジタイザモジュールは、少なくとも１つのタイミング信号を生成するための同期モジュール（１４０）と、保護モジュールおよび同期モジュールに結合された、保護モジュールにデジタル信号を送るための光ファイバインタフェースモジュール（１３６）とを含む。
【選択図】図４

Description

本出願は、一般に電気開閉装置に関し、より詳細には、電気開閉装置の運転の監視に使用するための方法および装置に関する。

産業用配電システム（ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｐｏｗｅｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）では、発電会社によって生成された電力は、工業施設または商業施設に供給され、その工業施設または商業施設内で分配することができる。少なくともいくつかの既知の配電システムでは、開閉装置を使用して、電力を、工業施設の種々の部分に電力を供給する回路分岐に分ける。一般に、回路分岐内の機器をうまく保護するために回路遮断器が各回路分岐に設けられる。加えて、各回路分岐内の回路遮断器は、他の負荷に影響を及ぼすことなく特定の負荷を通電または遮断できるので、機器の故障を容易に最小限に抑えることができる。

少なくともいくつかの既知の回路遮断器は、エレクトロニクスを使用して、回路分岐を流れる電流を監視し、監視する電流が事前定義の値を超えた場合に遮断器をトリップさせる。既知の電子式回路遮断器は調整可能であり、１つまたは複数の電流センサに結合された保護モジュールを含むことができる。このようなモジュールは、デジタル化された電流値を連続的に監視し、そのような値を、低レベル過電流条件と高レベル過電流条件が存在し得る許容される時間フレームを定義する曲線と比較する。たとえば、過電流条件が事前定義の許容される時間フレームより長い間維持されている場合、遮断器がトリップする。しかし、場合によっては、正確な電流読み取り値が測定計器自体による影響を受ける可能性があるので、遮断器が不正確にトリップすることがある。たとえば、低負担の静止形継電器が使用されるときでも、変流器飽和により誤差が生じることがある。

少なくともいくつかの既知の回路遮断器では、保護モジュールを使用して、過電圧条件または不足電圧条件および／または欠相または位相不平衡などの他のタイプの故障を監視および制御する。このような保護モジュールでは、計器センサによって送られる信号などの未加工の（ｒａｗ）電気信号を、遮断器保護モジュールによって使用可能な調整済み（ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｄ）信号に変える必要があることが多い。電気パラメータの測定における精度は、過渡条件の間、機器が運転状態で維持されている間に、電力設計の制限を確実に超えないようにすることを容易にする。測定精度の向上を促進するために、高品質の安定した構成部品を、保護計装を構築する際に使用することができる。しかし、このような構成部品を採用すると、生産費が増加する。精度の向上に使用される別の技術は、計器システムの測定機能における既知の誤差または推定誤差を補償することを必要とする。誤差が定量化されると、次に、システムで誤差を平衡化させるために相殺（ｃｏｕｎｔｅｒｖａｉｌｉｎｇ）回路を導入することができる。しかし、この技術は実施が困難であることが多く、誤差または予測可能性が低い誤差の増加をシステムにもたらすことがある。

米国特許第７，６１２，９７２号公報

一実施形態では、負荷に結合され、この負荷を流れる電流に比例するアナログ信号を生成するように構成された変流器を含む計器用変成器が提供される。この計器用変成器は、保護モジュールと、変流器に結合されたデジタイザモジュールも含む。デジタイザモジュールは、アナログ信号に比例する入力信号を受け取り、この入力信号をデジタル信号に変換するように構成される。デジタイザモジュールは、少なくとも１つのタイミング信号を生成するための同期モジュールと、保護モジュールおよび同期モジュールに結合された、保護モジュールにデジタル信号を送るための光ファイバインタフェースモジュールとを含む。

別の実施形態では、変流器および保護モジュールに結合されるように構成されたデジタイザモジュールが提供される。このデジタイザモジュールは、変流器によって生成された信号に比例する入力信号を受け取り、この入力信号を電圧信号に変換するように構成された電流−電圧変換器モジュールを含む。デジタイザモジュールは、少なくとも１つのタイミング信号を生成するための同期モジュールと、保護モジュールおよび同期モジュールに結合された、保護モジュールに電圧信号を送るための光ファイバインタフェースモジュールも含む。

さらに別の実施形態では、変流器を負荷に結合することを含む計器用変成器を組み立てる方法が提供され、変流器は、この負荷を流れる電流に比例するアナログ信号を生成するように構成される。デジタイザモジュールが変流器に結合され、デジタイザモジュールは、アナログ信号に比例する入力信号を受け取り、この入力信号をデジタル信号に変換するように構成される。デジタイザモジュールは、少なくとも１つのタイミング信号を生成するための同期モジュールと、この同期モジュールに結合された光ファイバインタフェースモジュールとを含む。保護モジュールは、光ファイバインタフェースモジュールを介してデジタイザモジュールに結合される。

既知の計器用変成器アセンブリの概略図である。 開閉装置の監視に使用できる例示的な計器用変成器アセンブリの概略図である。 開閉装置の監視に使用できる例示的な計器用変成器アセンブリの代替実施形態の概略図である。 図２または図３に示される計器用変成器アセンブリと共に使用できる例示的な計器用変成器の概略図である。

図１は、既知の計器用変成器アセンブリ１０の概略図である。一次導体または母線１２は、交流（ＡＣ）開閉装置のパネル（図示せず）内に配置される。母線１２は変流器１４のトロイダルコア１３を貫通し、その結果、母線１２と変流器１４内の複数の電気巻線１５が磁力によって互いに結合される。電気的終端（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ）１６および１８は、変流器１４をそれぞれ導体１７および１９に結合し、変流器１４によって生成された信号を測定器（図示せず）に送る。

運転中、母線１２を介して送られた交流が、変流器１４の巻線１５において比例電流信号を誘導する。この電流信号は終端１６および１８を介して導体１７および１９に送られ、次に導体１７および１９が電流信号を測定器に送る。

図２は、開閉装置（図示せず）の運転の監視に使用できる例示的な計器用変成器アセンブリ４０の概略図である。例示的な実施形態では、開閉装置の母線４２は、変流器４４を通って延びこれに磁力によって結合された導体である。電気的終端４６および４８は、変流器４４をデジタイザモジュール５０に結合する。別の実施形態では、補助の付属品（図示せず）を使用してデジタイザモジュール５０を変流器４４に結合する。デジタイザモジュール５０は、以下により詳細に説明するように、導管５２を介して継電器保護モジュール（図２には示さず）に送られる出力を発生させる。代替実施形態では、デジタイザモジュール５０は、たとえば、リミットスイッチ、タイマ、切り換えスイッチ、パネル制御部、および／またはディスプレイ（いずれも図示せず）などの他の開閉装置構成部品に結合されてもよい。

図３は、開閉装置（図示せず）の監視に使用できる代替の計器用変成器アセンブリ７０の概略図である。計器用変成器アセンブリ７０は計器用変成器アセンブリ４０（図２に示される）に類似し、図３では、計器用変成器アセンブリ４０の構成部品と同一の計器用変成器アセンブリ７０の構成部品は、図２で使用されるものと同じ参照番号を使用して識別される。したがって、例示的な実施形態では、計器用変成器アセンブリ７０は、変流器４４を貫通しこれに磁力によって結合された開閉装置の母線４２を含む。さらに、例示的な実施形態では、図２と対照的に、デジタイザモジュール５０は変流器４４と一体的に形成される。デジタイザモジュール５０の出力は、導管５２を介して継電器保護モジュール（図３には示さず）に送られる。代替実施形態では、デジタイザモジュール５０は、たとえば、リミットスイッチ、タイマ、切り換えスイッチ、パネル制御部、またはディスプレイ（いずれも図示せず）などの他の開閉装置構成部品と一体的に形成され、かつ／またはこれらに結合される。

図４は、計器用変成器アセンブリ４０または７０（それぞれ図２および図３に示される）と共に使用できる計器用変成器１００の概略図である。例示的な実施形態では、計器用変成器１００は、変流器４４と、デジタイザモジュール５０と、保護モジュール１０６と、ユーザインタフェースモジュール１０８と、光ファイバ電源モジュール１１０とを含む。一実施形態では、変流器４４は、デジタイザモジュール５０を受け入れるように改善された既知の変流器である。例示的な実施形態では、端子１１２および１１４はデジタイザモジュール５０を変流器４４に結合する。一次導体１１６は、変流器４４の環状巻線１１８を貫通し、これに磁力によって結合される。例示的な実施形態では、一次導体１１６は、開閉装置の母線またはケーブルである。変流器４４からの未加工の電流信号は、未加工の電流信号の振幅をデジタイザモジュール５０内で行われる処理に適した計器信号に減少させる降圧変圧器１２０に伝導される。

例示的な実施形態では、この計器信号は、導管１２２を介して、計器信号を計器信号の電流に比例する電圧信号に変換する電流−電圧変換器モジュール１２４に送られる。電圧信号は、導管１２６を介して、信号をデジタル化するアナログ−デジタル変換器モジュール１２８に送られる。このデジタル化された信号は、デジタル化された信号から望ましくない低周波信号成分および高周波信号成分を除去するために、導管１３０を介して、デジタル化された信号を帯域フィルタリングするフィルタモジュール１３２に送られる。あるいは、フィルタモジュール１３２は、デジタル化された信号から望ましくない信号成分を除去するために、ローパスフィルタおよび／またはハイパスフィルタなどの他の任意のフィルタを使用してもよい。

例示的な実施形態では、フィルタモジュール１３２は、フィルタリングされた信号を導管１３４を介して光ファイバインタフェースモジュール１３６に送る。光ファイバインタフェースモジュール１３６は、光ファイババス１３８を介して保護モジュール１０６と通信する。光ファイバインタフェースモジュール１３６と保護モジュール１０６の間の通信は双方向で、その結果、信号データが保護モジュール１０６に送られ、限界値および／またはセットアップデータが光ファイバインタフェースモジュール１３６に送られる。デジタイザモジュール５０が光ファイババス１３８を介して保護モジュール１０６と通信するので、デジタイザモジュール５０により、保護モジュール１０６から変流器４４を電気的に分離することが容易になる。

さらに、例示的な実施形態では、デジタイザモジュール５０は、光ファイバインタフェースモジュール１３６に結合された同期モジュール１４０を含む。加えてまたはあるいは、同期モジュール１４０は、計器用変成器１００が本明細書で説明するように機能できるようにする、デジタイザモジュール５０内の他の任意の構成部品に結合されてもよい。例示的な実施形態では、同期モジュール１４０は、クロックユニットおよび／または全地球測位システム（ＧＰＳ）ユニット（どちらも図示せず）を含む。クロックユニットおよび／またはＧＰＳユニットは、電圧測定および／または電流測定の同期に使用するためのタイミング信号を提供する。例示的な実施形態では、光ファイバインタフェースモジュール１３６は、タイミング信号を受け取り、このタイミング信号と受け取った電圧測定信号を関連付けるかまたは「タイムスタンプ」を設定する。一実施形態では、光ファイバインタフェースモジュール１３６は、受け取った電圧測定信号および／またはタイミング信号に基づいて複数の同期フェーザ（ｓｙｎｃｈｒｏｐｈａｓｏｒ）を生成する。例示的な実施形態では、同期フェーザおよび／またはタイムスタンプを設定された電圧信号は、光ファイバインタフェースモジュール１３６から保護モジュール１０６および／またはユーザインタフェースモジュール１０８に送られる。

保護モジュール１０６は、例示的な実施形態では、タイムスタンプを設定された電圧信号および／または同期フェーザを光ファイババス１３８を介して受け取り、受け取ったタイムスタンプを設定された電圧信号および／または同期フェーザに基づいて少なくとも１つの継電器（図示せず）を選択的に開閉する。電圧信号および／または同期フェーザが電圧情報に加えてタイミング情報を含むので、保護モジュール１０６の決定過程は、たとえば電圧データのみを受け取る保護モジュール１０６と比べて、継電器の開閉に関してより効率的で信頼性の高いものになる。

例示的な実施形態では、ユーザインタフェースモジュール１０８は、タイムスタンプを設定された電圧信号および／または同期フェーザを保護モジュール１０６から導管１４２を介して受け取り、この信号および／または同期フェーザをユーザに対して表示する。例示的な実施形態では、導管１４２は光ファイバ導管および／または光ファイババスである。より具体的には、例示的な実施形態では、ユーザインタフェースモジュール１０８は、時間に基づいた基準フレーム内の電圧信号および／または同期フェーザを表示し、かつ／または、その結果、電圧信号がタイミング信号と同期を取るようにする。一実施形態では、ユーザインタフェースモジュール１０８は、開閉装置パネル外面（図示せず）のユーザが操作可能な部分に取り付けられた薄型画面モジュールを含む。別の実施形態では、ユーザインタフェースモジュール１０８は遠く離れており、たとえば計器用変成器１００の遠隔監視に使用するための中央制御室にある。さらに、例示的な実施形態では、ユーザインタフェースモジュール１０８は、キーパッド、タッチスクリーン、および／または通信ポートなどのユーザ入力部（図示せず）を含む。通信ポートは、パーソナルコンピュータまたは別のデータ処理デバイス（図示せず）に結合されてもよい。ユーザインタフェースモジュール１０８は、計器用変成器１００の状態を表示するためのディスプレイ（図示せず）も含み、この状態は、運転状態、故障状態、自己診断結果、および／または計器用変成器１００が本明細書で説明するように機能できるようにする他の任意のプログラム可能な状態の指標であってよいが、これらのみに限定されない。一実施形態では、光ファイババス１３８は、複数の保護モジュール１０６および少なくとも１つのユーザインタフェースモジュール１０８との通信を容易にする。

さらに、例示的な実施形態では、光ファイバ電源モジュール１１０は、デジタイザモジュール５０内の少なくとも１つの構成部品に電力を供給する。より具体的には、例示的な実施形態では、光ファイバ電源モジュール１１０は、導管１４６を介して光ファイバ電源１４４に電力を供給する。光ファイバ電源１４４は、電流−電圧変換器モジュール１２４、アナログ−デジタル変換器モジュール１２８、フィルタモジュール１３２、および光ファイバインタフェースモジュール１３６に電源バス１４８を介して電力を供給する。一実施形態では、光ファイバ電源モジュール１１０は、ユーザインタフェースモジュール１０８に隣接して設置された開閉装置パネル（図示せず）内に配置される。あるいは、光ファイバ電源モジュール１１０は、計器用変成器１００が本明細書で説明するように機能できるようにする任意の場所に設置されてもよい。

光ファイバデータ通信経路が柔軟であることによって、中央の場所からまたは任意の数の離れた場所から多くのシステムを監視および制御することができる。光ファイババス１３８および導管１４２は、光ファイバアーキテクチャに限定されないが、多様な通信バスアーキテクチャのいずれかであってよい。通信バスアーキテクチャには、イーサネット（登録商標）、ＲＳ−４８５、および／または計器用変成器１００が本明細書で説明するように機能できるようにする他の任意のバスアーキテクチャが含まれるが、これらのみに限定されない。さらに、光ファイババス１３８および導管１４２は、任意の通信プロトコルを使用することができる。通信プロトコルには、ＰＲＯＦＩＢＵＳ、ＰＲＯＦＩＢＵＳ ＤＰ、ＴＣＰ／ＩＰ、および／または計器用変成器１００が本明細書で説明するように機能できるようにする他の任意の通信プロトコルが含まれるが、これらのみに限定されない。

例示的な実施形態について、変流器を含む計器用変成器として説明してきた。しかし、他のセンサをベースとする計器用変成器を、上記と同じように採用することができる。たとえば、本明細書で説明するように、電圧センサ、周波数センサ、温度センサ、赤外スペクトルエネルギーセンサ、振動センサ、および／または流量センサ、ならびにインタロックおよび／または安全装置を計器用変成器に組み込むことができる。運転の際、デジタイザモジュール５０を変流器４４に直接結合することにより、開閉装置の製造に必要な銅線の量が減少する。したがって、信号を搬送するために例示的な計器用変成器によって使用される導管材料は、光ファイバ材料から製造される。したがって、例示的な計器用変成器は、既知の計器用変成器と比較して費用効果が高くなるように製造することができる。

本明細書で説明する変流器およびデジタイザモジュールは、電気開閉装置を監視するための堅牢で信頼性の高い装置を提供する。デジタイザモジュールと保護モジュールの間の光ファイバインタフェースは、銅配線を使用する機器を監視するための既知の開閉装置と比較して低いインピーダンスを実現する。さらに、同期モジュールは、タイミング情報を、デジタイザモジュールによって発生された電圧信号と対応付けることができる。タイミング情報は電圧信号との同期を容易にし、その結果、保護モジュールおよび／またはユーザは、このような同期を行わない従来技術によるシステムと比較して、より効率的に、かつ高い信頼性をもって開閉装置の構成部品を保護することができる。したがって、例示的な実施形態では、従来技術によるシステムと比較してモジュール間の電力損失の減少を促進しながら、デジタイザモジュールと保護モジュールの間の信頼性が高く堅牢な通信が可能になる。

本明細書で説明するシステムおよび方法の技術的効果は、（ａ）負荷を流れる電流に比例するアナログ信号を生成するように構成された変流器を負荷に結合すること、（ｂ）アナログ信号に比例する入力信号を受け取り、この入力信号をデジタル信号に変換するように構成され、かつ少なくとも１つのタイミング信号を生成するための同期モジュールとこの同期モジュールに結合された光ファイバインタフェースモジュールとを含むデジタイザモジュールを、変流器に結合すること、および（ｃ）光ファイバインタフェースモジュールを介して保護モジュールをデジタイザモジュールに結合すること、のうち少なくとも１つを含む。

上記の計器用変成器は費用効果が高く、信頼性も高い。計器用変成器は、デジタイザモジュールに結合された変流器を含む。このデジタイザモジュールは、変流器から受け取った信号を変換およびフィルタリングし、これを１つまたは複数のタイミング信号と同期させる。デジタイザモジュールは、光ファイバ導管を通じて信号データを保護モジュールに送り、これから信号データを受け取る。したがって、デジタイザモジュールは保護モジュールから電気的に分離される。さらに、デジタイザモジュールを変流器に直接結合し、パネル銅線ではなく光ファイババスを使用することにより、計器用変成器および／または開閉装置の製造費および／または組み立て費の削減が容易になる。

電気開閉装置の運転の監視に使用するための方法および装置の例示的な実施形態について上記で詳細に説明した。この方法および装置は、本明細書で説明した特定の実施形態に限定されるものではなく、装置の構成部品および／または方法のステップは本明細書で説明した他の構成部品および／またはステップと独立して個別に利用することができる。たとえば、計器用変成器は、他の監視システムおよび方法と組み合わせて使用することもでき、本明細書で説明した開閉装置のみと共に実施することに限定されない。むしろ、例示的な実施形態は、多くの他の電力システム適用例に関連して実施および利用することができる。

本発明の種々の実施形態の特定の特徴は、いくつかの図面に示されおり、他には示されていないが、これは単に便宜のためである。本発明の原理によれば、図面の任意の特徴は他の任意の図面の任意の特徴と組み合わせて参照することができ、かつ／または特許請求の範囲に記載することができる。

本明細書では、いくつかの例を使用して、最良の形態を含めて本発明を開示し、また、すべての当業者が、任意のデバイスまたはシステムを作製および使用し、任意の採用した方法を遂行することを含めて本発明を実施することができるようにする。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の例を含むことができる。このような他の例は、特許請求の範囲の書字言語と異ならない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の書字言語とのわずかな違いを有する等価な構造要素を含む場合、特許請求の範囲内に含まれるものとする。

１２ 母線
１３ トロイダルコア
１４ 変流器
１５ 電気巻線
１６ 電気的終端
１７ 導体
１８ 電気的終端
１９ 導体
４０ 計器用変成器アセンブリ
４２ 開閉装置の母線
４４ 変流器
４６ 電気的終端
４８ 電気的終端
５０ デジタイザモジュール
５２ 導管
７０ 計器用変成器アセンブリ
１００ 計器用変成器
１０６ 保護モジュール
１０８ ユーザインタフェースモジュール
１１０ 光ファイバ電源モジュール
１１２ 端子
１１４ 端子
１１６ 一次導体
１１８ 環状巻線
１２０ 降圧変圧器
１２２ 導管
１２４ 電流−電圧変換器モジュール
１２６ 導管
１２８ アナログ−デジタル変換器モジュール
１３０ 導管
１３２ フィルタモジュール
１３４ 導管
１３６ 光ファイバインタフェースモジュール
１３８ 光ファイババス
１４０ 同期モジュール
１４２ 導管
１４４ 光ファイバ電源
１４６ 導管
１４８ 電源バス

Claims (10)

1. 負荷に結合され、前記負荷を流れる電流に比例するアナログ信号を生成するように構成された変流器（４４）と、
   保護モジュール（１０６）と、
   前記変流器に結合され、前記アナログ信号に比例する入力信号を受け取り前記入力信号をデジタル信号に変換するように構成されたデジタイザモジュール（５０）とを備え、前記デジタイザモジュール（５０）が、
   少なくとも１つのタイミング信号を生成するための同期モジュール（１４０）と、
   前記保護モジュールおよび前記同期モジュールに結合された、前記デジタル信号を前記保護モジュールに送るための光ファイバインタフェースモジュール（１３６）とを備える、計器用変成器（１００）。
2. 前記保護モジュール（１０６）が、前記デジタル信号に基づいて少なくとも１つの継電器を選択的に起動および停止する、請求項１記載の計器用変成器（１００）。
3. 前記デジタイザモジュール（５０）が、前記保護モジュール（１０６）から前記変流器（４４）を電気的に分離する、請求項１記載の計器用変成器（１００）。
4. 前記保護モジュール（１０６）が、少なくとも１つの光ファイバ導管（１３４）を介して前記光ファイバインタフェースモジュール（１３６）に結合される、請求項１記載の計器用変成器（１００）。
5. 前記デジタイザモジュール（５０）が、前記変流器（４４）と前記光ファイバインタフェースモジュール（１３６）の間に接続された、前記入力信号を電圧信号に変換するための電流−電圧変換器モジュール（１２４）をさらに備える、請求項１記載の計器用変成器（１００）。
6. 前記デジタイザモジュール（５０）が、前記電流−電圧変換器モジュール（１２４）に結合された、前記電圧信号をデジタル信号に変換するためのアナログ−デジタル変換器モジュール（１２８）をさらに備える、請求項５記載の計器用変成器（１００）。
7. 前記デジタイザモジュール（５０）が、前記アナログ−デジタル変換器モジュール（１２８）および前記光ファイバインタフェースモジュール（１３６）に結合された、前記デジタル信号をフィルタリングするためのフィルタモジュール（１３２）をさらに備える、請求項６記載の計器用変成器（１００）。
8. 前記光ファイバインタフェースモジュール（１３６）が、
   前記デジタル信号を前記少なくとも１つのタイミング信号と関連付け、
   前記関連付けられた信号を前記保護モジュール（１０６）に送るように構成された、請求項１記載の計器用変成器（１００）。
9. ユーザインタフェースモジュール（１０８）をさらに備え、前記保護モジュール（１０６）が、前記ユーザインタフェースモジュールに前記関連付けられた信号を送る、請求項８記載の計器用変成器（１００）。
10. 変流器（４４）および保護モジュール（１０６）に結合されるように構成されたデジタイザモジュール（５０）であって、
    前記変流器によって生成された信号に比例する入力信号を受け取り、
    前記入力信号を電圧信号に変換する
    ように構成された電流−電圧変換器モジュール（１２４）と、
    少なくとも１つのタイミング信号を生成するための同期モジュール（１４０）と、
    前記保護モジュールおよび前記同期モジュールに結合された、前記保護モジュールに前記電圧信号を送るための光ファイバインタフェースモジュール（１３６）と
    を備えるデジタイザモジュール（５０）。