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JP5858871B2 - 励磁突入電流抑制装置 - Google Patents

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JP5858871B2
JP5858871B2 JP2012132382A JP2012132382A JP5858871B2 JP 5858871 B2 JP5858871 B2 JP 5858871B2 JP 2012132382 A JP2012132382 A JP 2012132382A JP 2012132382 A JP2012132382 A JP 2012132382A JP 5858871 B2 JP5858871 B2 JP 5858871B2
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Description

本発明の実施形態は、変圧器を電源に投入する際に生じる励磁突入電流を抑制するための励磁突入電流抑制装置に関する。
一般に、変圧器鉄心に残留磁束がある状態で電源投入により無負荷励磁を行うと、大きな励磁突入電流が流れることが知られている。この励磁突入電流の大きさは変圧器の定格負荷電流の数倍になる。このように大きな励磁突入電流が流れると、系統電圧が変動する。その電圧変動が大きい場合、需要者に影響を与えることがある。
この励磁突入電流を抑制する方法としては、直接接地系の三相変圧器を3台の単相型遮断器で投入する際、任意の1相を先行投入し、その後に残りの2相を投入させるようにして励磁突入電流を抑制することが知られている。
また、基準相の定常磁束と残留磁束とが一致するタイミングで基準相の遮断器を投入させた後、他相の定常磁束と残留磁束の差が最小限になるように遅延させて残る2つの遮断器を投入させる方法も知られている。
特開2009−99347号公報
John H.Brunke、外1名,"Elimination of Transformer Inrush Currents by Controlled Switching -Part I: Theoretical Considerations", IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, IEEE,2001年4月,Vol.16,No.2,p.276−280
しかしながら、遮断器には、電流遮断を容易にするために極間にコンデンサを並列に接続したものがある。このように極間にコンデンサが接続された遮断器で変圧器を遮断する場合、上述のような方法では、次のような理由により励磁突入電流を抑制することは困難である。
極間にコンデンサが接続された遮断器で変圧器を遮断した場合、遮断後に、極間のコンデンサによって、変圧器端子に小さな振幅の交流電圧が現れる。この交流電圧は、極間のコンデンサと変圧器の漂遊静電容量によって分圧された電源電圧である。このとき、変圧器の残留磁束は、直流成分にこの小さな振幅の交流電圧による成分が重畳されたものとなる。
このように、直流成分に交流成分が重畳した残留磁束の場合、前述したような残留磁束と定常磁束の交点を求めるのは困難である。これは、残留磁束の直流成分は遮断器の遮断位相によって変化し、かつ、交流成分の大きさは極間のコンデンサの静電容量によって変わるからである。
そこで、本発明の実施形態による目的は、極間にコンデンサが接続された遮断器により変圧器を電源投入する際に生じる変圧器の励磁突入電流を抑制することのできる励磁突入電流抑制装置を提供することにある。
本発明の実施形態の観点に従った励磁突入電流抑制装置は、三相変圧器と三相交流の電源との接続を開閉する極間にコンデンサが接続された遮断器を、励磁突入電流を抑制するように制御する励磁突入電流抑制装置であって、前記遮断器の前記三相変圧器側の三相交流電圧を計測する変圧器側電圧計測手段と、前記変圧器側電圧計測手段により計測された三相交流電圧に基づいて、前記三相変圧器の遮断後の前記三相変圧器の三相の残留磁束の直流成分を演算する残留磁束直流成分演算手段と、前記残留磁束直流成分演算手段により演算された前記三相の残留磁束の直流成分のうち、絶対値が最大又は絶対値が最小の相を着目相として検出する着目相検出手段と、前記遮断器の前記電源側の三相交流電圧を計測する電源側電圧計測手段と、前記電源側電圧計測手段により計測された三相交流電圧の前記着目相検出手段により検出された前記着目相が、前記残留磁束直流成分演算手段により演算された前記残留磁束の前記着目相の直流成分の極性と逆極性の波高値となる第1の位相を判断する第1の位相判断手段と、前記第1の位相判断手段により判断された前記第1の位相で、前記着目相の前記遮断器を投入する第1の投入手段と、前記電源側電圧計測手段により計測された三相交流電圧の前記着目相検出手段により検出された前記着目相が、前記第1の位相判断手段により判断された前記第1の位相よりも後に零点となる第2の位相を判断する第2の位相判断手段と、前記第2の位相判断手段により判断された前記第2の位相で、前記着目相以外の2相の前記遮断器を投入する第2の投入手段とを備える。
本発明の実施形態に係る励磁突入電流抑制装置の適用された電力系統システムの構成を示す構成図。 本実施形態に係る遮断器による変圧器の遮断から電源投入までの変圧器の相電圧を示す波形図。 本実施形態に係る遮断器による変圧器の遮断から電源投入までの変圧器の鉄心の残留磁束を示す波形図。 本実施形態に係る遮断器による変圧器の遮断から電源投入までの遮断器を流れる遮断器電流を示す波形図。 本実施形態に係る変圧器の1相分の残留磁束とその直流成分を示す波形図。
以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
(実施形態)
図1は、本発明の実施形態に係る励磁突入電流抑制装置6の適用された電力系統システムの構成を示す構成図である。なお、以降の図における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。
本実施形態に係る電力系統システムは、電源母線1と、三相分の遮断器2と、変圧器3と、三相分の電源電圧検出器4U,4V,4Wと、三相分の変圧器端子電圧検出器5U,5V,5Wと、励磁突入電流抑制装置6とを備えている。
電源母線1は、U相、V相及びW相からなる三相交流の電源を備えた電力系統の母線である。
変圧器3の1次側は、遮断器2を介して、電源母線1に接続されている。変圧器3は、三相交流電圧を変圧する3巻線の三相変圧器である。変圧器3は、1次巻線301、2次巻線302及び3次巻線303を備えている。1次巻線301及び2次巻線302は、Y結線されている。3次巻線303は、Δ結線されている。1次巻線301及び2次巻線302は、中性点が接地されている。
遮断器2は、電源母線1と変圧器3との間に設けられている。遮断器2は、U相、V相、及びW相の各相の主接点21U,21V,21Wを個別に操作する各相操作型の遮断器である。遮断器2の各主接点21U,21V,21Wには、それぞれ極間コンデンサ22U,22V,22Wが並列に接続されている。極間コンデンサ22U,22V,22Wは、遮断器2による電流遮断を容易にするために設けられている。遮断器2が投入されることにより、変圧器3は、電源母線1による電源投入がされる。遮断器2が開放されることにより、変圧器3は、電源母線1から遮断されるが、極間コンデンサ22U,22V,22Wによって電気的には電源母線1とつながっている。
3つの電源電圧検出器4U,4V,4Wは、電源母線1の各相(U相、V相、W相)に設けられている。電源電圧検出器4U,4V,4Wは、電源母線1の各相(U相、V相、W相)の相電圧(対地電圧)を計測するための計器用機器である。電源電圧検出器4U,4V,4Wは、例えば、計器用変圧器(VT, Voltage Transformer)又はコンデンサ形計器用変圧器(PD, Potential Device)などの電圧分圧装置である。電源電圧検出器4U,4V,4Wは、電源母線1の各相と大地間に接続される。電源電圧検出器4U,4V,4Wは、検出値を検出信号として、励磁突入電流抑制装置6に出力する。
3つの変圧器端子電圧検出器5U,5V,5Wは、変圧器3の1次側の各端子(U相、V相、W相)の対地電圧(相電圧)Vtu,Vtv,Vtwを計測するための計器用機器である。変圧器端子電圧検出器5U,5V,5Wは、例えば、計器用変圧器(VT)又はコンデンサ形計器用変圧器(PD)などの電圧分圧装置である。変圧器端子電圧検出器5U,5V,5Wは、変圧器3の一次端子の各相に設けられている。変圧器端子電圧検出器5U,5V,5Wは、検出値を検出信号として、励磁突入電流抑制装置6に出力する。
励磁突入電流抑制装置6は、電源電圧検出器4U,4V,4W及び変圧器端子電圧検出器5U,5V,5Wのそれぞれから受信した検出信号に基づいて、遮断器2の各相の主接点21U〜21Wに対して投入指令を出力する。これにより、遮断器2は投入される。
図1〜図4を参照して、励磁突入電流抑制装置6の構成について説明する。
図2〜図4は、遮断器2による変圧器3の遮断から電源投入までの状態を示している。図2は、変圧器3の相電圧Vtu,Vtv,Vtwを示す波形図である。図3は、変圧器3の鉄心の残留磁束φZu,φZv,φZwとその直流成分φZdu,φZdv,φZdwを示す波形図である。図4は、遮断器2を流れる遮断器電流Iu,Iv,Iwを示す波形図である。時刻t0は、変圧器3の遮断時点(遮断器2の開放時点)を示している。
励磁突入電流抑制装置6は、電源電圧計測部601と、変圧器電圧計測部602と、残留磁束算出部603と、直流成分算出部604と、位相検出部605と、投入指令出力部606とを備えている。
電源電圧計測部601は、電源電圧検出器4U,4V,4Wにより検出された検出信号に基づいて、電源母線1の各相電圧Vu,Vv,Vwを計測する。電源電圧計測部601は、計測した各相電圧Vu,Vv,Vwを位相検出部605に出力する。
変圧器電圧計測部602は、変圧器端子電圧検出器5U,5V,5Wにより検出された検出信号に基づいて、変圧器3の1次側の相電圧Vtu,Vtv,Vtwを計測する。変圧器電圧計測部602は、計測した変圧器3の1次側の相電圧Vtu,Vtv,Vtwを残留磁束算出部603に出力する。
残留磁束算出部603は、変圧器電圧計測部602により計測された相電圧Vtu,Vtv,Vtwに基づいて、遮断器2による変圧器3の遮断後のU相、V相、及びW相の各相電圧Vtu,Vtv,Vtwをそれぞれ積分する。残留磁束算出部603は、この積分された値を変圧器3の鉄心の残留磁束(1次側相磁束)φZu,φZv,φZwとする。残留磁束算出部603は、演算した残留磁束φZu,φZv,φZwを直流成分算出部604に出力する。
直流成分算出部604は、残留磁束算出部603により演算された各相の残留磁束φZu,φZv,φZwからそれぞれの直流成分φZdu,φZdv,φZdwを算出する。直流成分算出部604は、算出した残留磁束の直流成分φZdu,φZdv,φZdwを位相検出部605に出力する。
位相検出部605には、直流成分算出部604により演算された各相の残留磁束の直流成分φZdu,φZdv,φZdw及び電源電圧計測部601により計測された電源母線1の各相電圧Vu,Vv,Vwが入力される。位相検出部605は、各相の残留磁束の直流成分φZdu,φZdv,φZdwのうち絶対値が最も大きい相を着目相としてU相を検出する。なお、ここでは、直流成分φZdu,φZdv,φZdwのうち絶対値が最も大きい相を着目相とするが、絶対値が最も小さい相を着目相としてもよい。位相検出部605は、電源母線1の検出した相電圧Vu,Vv,Vwの着目相が、着目相の直流成分φZdu,φZdv,φZdwの極性と逆極性の波高値となる位相を検出する。位相検出部605は、検出した着目相及び位相を投入指令出力部606に出力する。
投入指令出力部606は、位相検出部605により検出された位相を、遮断器2の着目相の投入目標位相θc1とする。ここで、投入目標位相θc1は、図3に示すように、着目相であるU相の残留磁束φZuが交流成分によって零に近くなっている時点である。投入指令出力部606は、投入目標位相θc1で遮断器2の着目相のみ投入する。遮断器2の着目相を投入後、投入指令出力部606は、着目相以外の残りの2相を投入目標位相θc2で投入する。投入目標位相θc2は、着目相の投入目標位相θc1から予め設定された時間経過後の着目相の相電圧零点の位相である。
投入指令出力部606は、投入目標位相θc1,θc2に基づいて、遮断器2の投入する相の主接点を駆動する操作機構に対して投入指令を出力する。これにより、遮断器2の投入する相の主接点が投入される。投入指令出力部606は、上述したように遮断器2の各相を2段階で投入することで、図4に示すように、各相の遮断器電流(励磁突入電流)Iu,Iv,Iwを数アンペア程度に抑制する。
図5を参照して、直流成分算出部604による各相の残留磁束φZu,φZv,φZwから直流成分φZdu,φZdv,φZdwを算出する方法の一例について説明する。
図5は、変圧器3の1相分の残留磁束φZとその直流成分φZdを示す波形図である。ここで、残留磁束φZは、三相の残留磁束φZu,φZv,φZwのうちの任意の1相を表している。また、直流成分φZdは、その残留磁束φZの直流成分である。
直流成分算出部604は、残留磁束φZの波形から1周期の間で、最大磁束(正の波高値)φmaxと最小磁束(負の波高値)φminを検出する。直流成分算出部604は、最大磁束φmaxと最小磁束φminの和を2で割ることで、直流成分φZdを算出する。図5では、最大磁束φmaxは、1.3[p.u.]であり、最小磁束φminは、−0.7[p.u.]である。従って、直流成分φZdは、(1.3−0.7)/2=0.3[p.u.]となる。
本実施形態によれば、定常磁束と残留磁束の交点を検出しなくても、遮断器2を投入するための投入目標位相θc1,θc2を決定することができる。従って、極間コンデンサ22U,22V,22Wが主接点21U,21V,21Wと並列に接続された遮断器2であっても、変圧器3を電源投入する際に生じる変圧器3の励磁突入電流を抑制することができる。
なお、実施形態において、励磁突入電流抑制装置6での位相制御における各種パラメータは、より精度を高めるため等により補正をしてもよい。例えば、遮断器2の投入では、主接点間に発生するプレアークと呼ばれる先行放電や、操作機構の動作ばらつきなどに起因する投入時間のばらつきが存在する。このプレアークによる投入ばらつきや、遮断器投入時のばらつきは、予めその特性を取得しておくことにより、位相制御を行う際にこの特性による補正をすることができる。このような補正をすることで、これらのばらつきがあっても、励磁突入電流をより確実に抑制することができる。
また、実施形態において、極間コンデンサ22U,22V,22Wを遮断器2の一部の構成として説明したが、これに限らない。コンデンサは、遮断器の主接点と並列に接続されていれば、遮断器とは別の構成としてもよい。また、遮断器2は、三相分が一体化されていなくてもよく、各相に設けられた3つの遮断器で構成してもよい。
さらに、実施形態において、直流成分算出部604による各相の残留磁束φZu,φZv,φZwから直流成分φZdu,φZdv,φZdwを算出する方法の一例について説明したが、これに限らない。残留磁束φZu,φZv,φZwから直流成分φZdu,φZdv,φZdwをどのように算出してもよい。また、直流成分φZdu,φZdv,φZdwは、極性及び各相の大小関係が分かる程度の大きさが判断できるのであれば、正確な直流成分φZdu,φZdv,φZdwの値を求めなくてもよい。
例えば、直流成分算出部604は、最大磁束φmaxと最小磁束φminの和を演算した後に、2で割らなくてもよい。2で割らない値でも、位相検出部605は、着目相及び着目相の残留磁束の直流成分の極性を判断することができる。また、直流成分算出部604は、1周期に限らず、2周期以上の間で、最大磁束φmax及び最小磁束φminを求めてもよい。また、最大磁束φmax(又は、最小磁束φmin)の代わりに、複数の正の波高値(又は、複数の負の波高値)の平均を算出してもよい。その他に、直流成分算出部604は、残留磁束φZu,φZv,φZwの瞬時値の極性の偏りから直流成分φZdu,φZdv,φZdwを判断してもよい。具体的には、極性が正であれば、残留磁束φZu,φZv,φZwの瞬時値の極性が正になることが多く、極性が負であれば、残留磁束φZu,φZv,φZwの瞬時値の極性が負になることが多い。また、直流成分φZdu,φZdv,φZdwがゼロ近傍であれば、残留磁束φZu,φZv,φZwの瞬時値の正極性と負極性がほぼ均等に出る。従って、これらの性質を利用して、直流成分φZdu,φZdv,φZdwの極性及び大きさを判断してもよい。
また、実施形態において、電源電圧検出器4U,4V,4Wにより、電源母線1の各相電圧Vu,Vv,Vwを計測したが、電源母線1の各線間電圧を計測して、線間電圧から相電圧Vu,Vv,Vwに変換してもよい。変圧器端子電圧検出器5U,5V,5Wについても同様である。従って、変圧器端子電圧検出器5U,5V,5Wは、Δ結線の三次巻線303の線間電圧を計測してもよい。
さらに、実施形態において、電源母線1の相電圧Vu,Vv,Vwを電源電圧検出器4U,4V,4Wにより検出された検出信号に基づいて計測したが、これに限らない。変圧器端子電圧検出器5U,5V,5Wにより検出される検出信号に基づいて、電源母線1の相電圧Vu,Vv,Vwを計測してもよい。具体的には、電源母線1の相電圧Vu,Vv,Vwは、極間コンデンサ22U,22V,22Wにより変圧器端子に重畳される小さな振幅の交流電圧に基づいて、電源母線1の相電圧Vu,Vv,Vwを計測してもよい。
また、実施形態において、変圧器3は、三相交流電圧を三相交流電圧に変換する三相変圧器であれば、どのようなものでもよい。従って、変圧器3は、3巻線に限らず、2巻線でもよいし、4以上の巻線を有していてもよい。また、各巻線の結線は、Y結線又はΔ結線のどちらでもよいし、それらをどのように組合せてもよい。
さらに、実施形態において、結果が同じになるのであれば、演算の順序や演算をさせる場所(励磁突入電流抑制装置6の内部や外部を問わず、コンピュータや各種検出器等)は、適宜変更してもよい。
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1…電源母線、2…遮断器、3…変圧器、4U,4V,4W…電源電圧検出器、5U,5V,5W…変圧器端子電圧検出器、6…励磁突入電流抑制装置、21U,21V,21W…主接点、22U,22V,22W…極間コンデンサ、301…1次巻線、302…2次巻線、303…3次巻線、601…電源電圧計測部、602…変圧器電圧計測部、603…残留磁束算出部、604…直流成分算出部、605…位相検出部、606…投入指令出力部。

Claims (6)

  1. 三相変圧器と三相交流の電源との接続を開閉する極間にコンデンサが接続された遮断器を、励磁突入電流を抑制するように制御する励磁突入電流抑制装置であって、
    前記遮断器の前記三相変圧器側の三相交流電圧を計測する変圧器側電圧計測手段と、
    前記変圧器側電圧計測手段により計測された三相交流電圧に基づいて、前記三相変圧器の遮断後の前記三相変圧器の三相の残留磁束の直流成分を演算する残留磁束直流成分演算手段と、
    前記残留磁束直流成分演算手段により演算された前記三相の残留磁束の直流成分のうち、絶対値が最大又は絶対値が最小の相を着目相として検出する着目相検出手段と、
    前記遮断器の前記電源側の三相交流電圧を計測する電源側電圧計測手段と、
    前記電源側電圧計測手段により計測された三相交流電圧の前記着目相検出手段により検出された前記着目相が、前記残留磁束直流成分演算手段により演算された前記残留磁束の前記着目相の直流成分の極性と逆極性の波高値となる第1の位相を判断する第1の位相判断手段と、
    前記第1の位相判断手段により判断された前記第1の位相で、前記着目相の前記遮断器を投入する第1の投入手段と、
    前記電源側電圧計測手段により計測された三相交流電圧の前記着目相検出手段により検出された前記着目相が、前記第1の位相判断手段により判断された前記第1の位相よりも後に零点となる第2の位相を判断する第2の位相判断手段と、
    前記第2の位相判断手段により判断された前記第2の位相で、前記着目相以外の2相の前記遮断器を投入する第2の投入手段と
    を備えたことを特徴とする励磁突入電流抑制装置。
  2. 前記残留磁束直流成分演算手段は、前記残留磁束に重畳される交流電圧の波高値に基づいて、前記残留磁束の直流成分の極性及び大きさを演算すること
    を特徴とする請求項1に記載の励磁突入電流抑制装置。
  3. 前記第2の位相判断手段は、前記第1の位相判断手段により判断された前記第1の位相から予め設定された時間経過後の位相で、前記第2の位相を判断すること
    を特徴とする請求項1又は請求項2に記載の励磁突入電流抑制装置。
  4. 三相変圧器と三相交流の電源との接続を開閉する極間にコンデンサが接続された遮断器を、励磁突入電流を抑制するように制御する励磁突入電流抑制方法であって、
    前記遮断器の前記三相変圧器側の三相交流電圧を計測し、
    計測した前記三相変圧器側の三相交流電圧に基づいて、前記三相変圧器の遮断後の前記三相変圧器の三相の残留磁束の直流成分を演算し、
    演算した前記三相の残留磁束の直流成分のうち、絶対値が最大又は絶対値が最小の相を着目相として検出し、
    前記遮断器の前記電源側の三相交流電圧を計測し、
    計測した前記電源側の三相交流電圧の検出した前記着目相が、演算した前記残留磁束の前記着目相の直流成分の極性と逆極性の波高値となる第1の位相を判断し、
    判断した前記第1の位相で、前記着目相の前記遮断器を投入し、
    計測した前記電源側の三相交流電圧の検出した前記着目相が、判断した前記第1の位相よりも後に零点となる第2の位相を判断し、
    判断した前記第2の位相で、前記着目相以外の2相の前記遮断器を投入すること
    を含むことを特徴とする励磁突入電流抑制方法。
  5. 前記残留磁束の直流成分の極性及び大きさは、前記残留磁束に重畳される交流電圧の波高値に基づいて演算すること
    を含むことを特徴とする請求項4に記載の励磁突入電流抑制方法。
  6. 前記第2の位相は、判断した前記第1の位相から予め設定された時間経過後の位相で判断すること
    を含むことを特徴とする請求項4又は請求項5に記載の励磁突入電流抑制方法。
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