【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、送変電機器等に課電される主回路交流電圧量を測定するために使用される計器用変圧器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
送変電機器等に課電される交流電圧を測定するために、計器用変圧器が用いられている。これまで実用化されている計器用変圧器は大別して２種類あり、その一つは、鉄心と１次巻線、２次巻線から成り、１次巻線と２次巻線の比に応じて主回路交流電気量を２次電圧に変成する電磁型計器用変圧器である。他の一つは、分圧器により主回路交流電気量を２次電圧に変成する分圧型計器用変圧器であり、一般には主コンデンサと分圧コンデンサより構成して、主回路交流電気量を分圧する容量分圧型計器用変圧器が多く用いられている。
【０００３】
ところで、この容量分圧型計器用変圧器の誤差特性は、無負担誤差と負担誤差の和によって表されるため、負担が小さいほど負担誤差は小さくなり、無負担誤差に近づくことになる。
【０００４】
しかし、必要となる負担の大きさ、すなわち定格負担は計器用変圧器に接続される２次側機器で決まるため、所定の比誤差・位相角を得るためには主回路コンデンサを大きくする必要があり、必然的に容量分圧型計器用変圧器は大型となってしまう。また、容量分圧型計器用変圧器では、高調波を含んだ歪波形の一次電圧は、容量分圧器のコンデンサがろ波作用をするので、二次側では平滑な電圧に変成されるため、周波数特性が悪くなるという欠点を有している。この容量分圧器の周波数特性は二次負担が小さいほど改善される。
【０００５】
そこで、容量分圧器の二次負担を小さくして、容量分圧器の誤差特性と周波数特性を改善した上で、２次側機器の使用負担を任意に大きくする方法として、容量分圧器の分圧電圧を、周波数特性の良い、高入力インピーダンスを持った増幅器で変成する方法がある。これは容量分圧型計器用変圧器の一種と見なせるが、特に増幅器を用いることから増幅型計器用変圧器と呼ばれる。
【０００６】
図７は、従来使用されている増幅型計器用変圧器のシステム構成例を示したものである。すなわち、増幅型計器用変圧器１０１は、主コンデンサＣ１と分圧コンデンサＣ２から成る容量分圧器１０２と、増幅器１０３と、絶縁トランス１０４から構成され、容量分圧器１０２と増幅器１０３の間は同軸ケーブル１０５で接続されている。この場合、１次電圧Ｖ１は絶縁トランス１０４の２次出力に変成され、これが増幅型計器用変圧器１０１の２次出力電圧Ｖ２となる。また、電源回路１１０は、電源電圧ＤＣ１１０Ｖから電力増幅回路用の±７０Ｖと演算増幅器や制御ＩＣその他用の±１５Ｖ、±５Ｖを作るＤＣ／ＤＣコンバータである。
【０００７】
このような構成を有する従来の増幅型計器用変圧器においては、増幅器１０３の入力インピーダンスは一般には１０ＭΩ程度と大きく取れるため、主コンデンサＣ１は数１０ｐＦとすることができる。特に、密閉型ガス絶縁開閉装置（以下、ＧＩＳという）では、ＧＩＳ導体と中間電極の間の静電容量を利用したＳＦ６ガス絶縁コンデンサを主コンデンサとすることができるので、シンプルな主回路絶縁構成による信頼性の高い分圧部を採用することができる。
【０００８】
図８は、増幅器１０３の詳細構成図である。すなわち、増幅器１０３は、フィルタ回路を含む前置増幅回路１１１と、Ｂ級プッシュプル増幅回路（リニアアンプとも言う）１１２から構成されている。なお、図８は、定格負担５ＶＡの増幅回路の例であり、パワートランジスタを１相当たり１０個使用している。これらのパワートランジスタとしては、例えば、Ｑ１０１〜Ｑ１０５は２ＳＫ１５２９、Ｑ１０６〜Ｑ１１０は２ＳＪ２００が用いられ、電源回路１１０としては、ＤＣ／ＤＣコンバータが用いられる。
【０００９】
このような増幅器１０３を備えた増幅型計器用変圧器１０１では、容量分圧器の微弱な電力の電圧信号Ｖｄを前置増幅回路１１１で増幅した後、Ｂ級プッシュプル増幅回路１１２で電力増幅して、絶縁トランス１０４を介して、定格二次電圧Ｖ２＝１１０／√３Ｖ、定格負担５ＶＡにて出力される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の増幅型計器用変圧器は、電力増幅回路としてＢ級プッシュプル増幅回路を用いているが、Ｂ級プッシュプル増幅回路は周波数特性に優れる反面、効率が３０％程度と内部損失が大きく、また定格負担が大きくなると、必要となるパワートランジスタの数が極端に増加するという欠点がある。
【００１１】
上述したように、定格負担５ＶＡの増幅型計器用変圧器を構成するＢ級プッシュプル増幅回路のパワートランジスタは１相当たり１０個であるが、例えば定格負担３０ＶＡの増幅型計器用変圧器を構成するＢ級プッシュプル増幅回路のパワートランジスタは１相当たり１８個必要である。
【００１２】
ここで、定格負担３０ＶＡのＢ級プッシュプル増幅回路による増幅型計器用変圧器の損失を概略見積もってみると、定格電圧１１０／√３Ｖ、定格負担３０ＶＡにおけるパワートランジスタ１個当たりの損失は略７．５Ｗであるため、パワートランジスタを１相当たり１８個使用した場合、内部損失は１相当たり１３５Ｗとなり、３相分の内部損失は４０５Ｗとなる。このように損失が大きいため、これによる発熱を処理する大型のヒートシンクが必要となると共に、増幅器の電源回路も必然的に大型化する。
【００１３】
したがって、定格負担３０ＶＡのＢ級プッシュプル増幅回路による増幅器と電源回路３相分を収納する筺体としては、幅５１０ｍｍ×奥４００ｍｍ×高２４００ｍｍ程度のものが必要になるため、増幅器が非常に大きなものになってしまうという問題点があった。また、それに伴ってコストも増大するため、定格負担が大きいＢ級プッシュプル増幅回路を用いた増幅型計器用変圧器は、非常に大型で高価なものにならざるを得なかった。
【００１４】
本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、高効率、小型で安価な電力増幅器を有する計器用変圧器を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達するため、請求項１〜１１に記載の発明は、送変電機器等に課電される主回路交流電圧量を測定するために使用される計器用変圧器において、以下のような技術的特徴を有するものである。
【００１６】
すなわち、請求項１に記載の発明は、送変電機器の主回路交流電圧を分圧し、その交流電圧量を表すアナログ電圧信号を出力する分圧器と、前記アナログ電圧信号を所定の２次電圧に電圧増幅すると共に、所定の使用負担電力に電力増幅して２次出力電圧として出力する機能を有する増幅器から成る計器用変圧器において、前記増幅器は、アナログ電圧信号をパルス幅変調信号に変換するパルス幅変調器と、前記パルス幅変調信号を所定の電力にパルス増幅するパワートランジスタとその駆動回路と、前記パルス増幅されたパルス幅変調信号から所定の周波数成分の２次電圧に復調する復調器から構成されていることを特徴とする。
【００１７】
このような構成を有する請求項１の発明によれば、電力増幅回路は従来より少ない所定個数のパワートランジスタを交互にオン／オフ動作させることにより電力増幅し、このときパワートランジスタのコレクタ損失は理論的には“０”なので、理論効率は１００％となる。実際に構成する電力増幅回路では、電力増幅回路自身の損失とその他の損失が発生するが、増幅型計器用変圧器として効率を大幅に改善することができる。
また、本発明の電力増幅回路で使用するパワートランジスタの数は従来より少なく、且つ内部損失が小さいので、従来のＢ級プッシュプル増幅回路の場合と比較して大幅にヒートシンクを小型化でき、また、損失が小さいため電源回路も小型にできる。
【００１８】
請求項２に記載の発明は、送変電機器の主回路交流電圧を光の強度信号に変調して、その交流電圧量を表す光信号を出力する光電圧検出手段と、前記光信号から前記交流電圧量を表すアナログ電圧信号に復調する機能と、そのアナログ電圧信号を所定の２次電圧に電圧増幅すると共に、所定の使用負担電力に電力増幅して２次出力電圧として出力する機能を有する増幅器から成る計器用変圧器において、前記増幅器は、アナログ電圧信号をパルス幅変調信号に変換するパルス幅変調器と、前記パルス幅変調信号を所定の電力にパルス増幅するパワートランジスタとその駆動回路と、前記パルス増幅されたパルス幅変調信号から所定の周波数成分の２次電圧に復調する復調器から構成されていることを特徴とする。
【００１９】
このような構成を有する請求項２の発明によれば、請求項１の発明で得られる効果と同様の効果が得られるだけでなく、主回路交流電圧を光信号に変換し、この光信号を増幅器に入力するため、送変電機器の主回路と電子回路である増幅器は光絶縁で完全に絶縁される。その結果、主回路からのサージの侵入を絶つことができるので、信頼性の高い計器用変圧器を提供することができる。
【００２０】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の計器用変圧器において、前記増幅器は、出力側から電流が注入されたときに、注入電力を抵抗器で消費する機能を有することを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の計器用変圧器において、前記増幅器は、出力側から電流が注入されたときに、注入電流によって生じる電源回路の電圧上昇を過電圧検出器で検出して、半導体スイッチをオンすることにより、注入電流を前記抵抗器に流し、その注入電力を抵抗器で消費するように構成されていることを特徴とする。
【００２１】
このような構成を有する請求項３または請求項４の発明によれば、次の効果が得られる。２重母線構成の電気所にて計器用変圧器を運用する場合、両母線に取付けられた計器用変圧器の２次出力を突き合わせて運用する場合がある。この場合、両計器用変圧器が計測する１次電圧は同じであるが、両計器用変圧器の誤差特性は必ずしも一致しないため、両計器用変圧器間に電位差が生じ、その結果、循環電流が流れる。この循環電流が一方の増幅器の出力側から注入される。
【００２２】
しかし、請求項１又は請求項２に記載の電力増幅回路は、その内部損失が小さいという特性を有しているため、注入された循環電流をパワートランジスタで消費することができないことに加え、出力側から見た場合にパワートランジスタを交互にオン／オフさせるスイッチング動作が昇圧チョッパと同等の作用となるため、増幅器の主要回路に流れ込んだ注入された循環電流が電位上昇を引き起こし、回路の耐圧を脅かすことになる。
【００２３】
そこで、請求項３または請求項４の発明においては、注入された循環電流を抵抗器によって消費する機能を備えることにより、計器用変圧器の２次出力突き合わせの際に増幅器が故障することを回避することができる。特に請求項４の発明は、増幅器の出力側から循環電流が注入された時に、注入電力を消費する方法を与えるものである。
【００２４】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の計器用変圧器において、前記増幅器は、前記過電圧検出器と前記半導体スイッチから成る制御回路を２重化して構成されていることを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の計器用変圧器において、前記増幅器は、前記過電圧検出器に模擬電圧を与えて、出力側からの注入電力を前記抵抗器で消費する機能が正常であることを点検できるように構成されていることを特徴とする。
【００２５】
このような構成を有する請求項５及び請求項６の発明によれば、過電圧検出器と半導体スイッチが２系統同時に故障する確立は極めて低く、一方の過電圧検出器、半導体スイッチが故障した場合にも、抵抗器による注入電力の消費は正常に行うことができるので、高い信頼性を確保できる。また、点検機能を持つので、更に信頼度を上げることができ、一方の過電圧検出器、半導体スイッチが故障した場合に、それを検出することができる。
【００２６】
請求項７に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の計器用変圧器において、前記増幅器は、出力側から電流が注入されたときに、前記パルス増幅を停止する機能を有することを特徴とする。
このような構成を有する請求項７の発明によれば、パワートランジスタが交互にオン／オフするスイッチング動作を停止して、昇圧チョッパの作用により増幅器の主要回路が電位上昇することを回避できるので、計器用変圧器の２次出力突き合わせの際に増幅器が故障することを回避することができる。
【００２７】
請求項８に記載の発明は、請求項３又は請求項７に記載の計器用変圧器において、前記増幅器は、出力側から電流が注入されたときに、注入電力が電源回路に流入するのを防止するためのダイオードを電源回路と増幅回路の間に有することを特徴とする。
このような構成を有する請求項８の発明によれば、電源回路の出力部が過電圧状態になり、電源回路が動作不良になることを回避できる。これにより電源回路は正常に動作しているので、前記過電圧検出器と半導体スイッチの制御電源、又はパルス増幅を停止するための制御回路の制御電源を正常に供給できる。
【００２８】
請求項９に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の計器用変圧器において、前記増幅器は、出力側から電流が注入されたときに、増幅器の電源回路に注入電力を流出させる回生回路を有することを特徴とする。
このような構成を有する請求項９の発明によれば、次の効果が得られる。増幅回路の耐圧を脅かすレベルの電位上昇は、昇圧チョッパの作用により出力側より注入される循環電流による電位上昇が蓄積されて発生する。本発明では、出力側より注入された循環電流は、回生回路により増幅器の電源回路側に流出されるので、電位上昇の蓄積は起こらず、増幅回路の耐圧を脅かすレベルの電位上昇は発生しない。従って、計器用変圧器の２次出力突き合わせの際に増幅器が故障することを回避することができる。
【００２９】
請求項１０に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の計器用変圧器において、前記増幅器は、２次出力の負担電流による帰還増幅で利得補償することにより、比誤差・位相角の負担特性を改善するように構成されていることを特徴とする。
このような構成を有する請求項１０の発明によれば、次の効果が得られる。比誤差・位相角の負担特性を改善するためには、増幅器の出力と２次側機器の間に接続絶縁トランスの磁束密度を下げる必要があるが、これは絶縁トランスの大型化を意味する。本発明により、２次出力の負担電流による負帰還増幅で利得補償すれば、絶縁トランスを大型化することなく負担特性を改善することができる。
【００３０】
請求項１１に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の計器用変圧器において、前記増幅器は、回路を構成する部品の温度を監視する機能を有しており、且つ被監視部品の温度が所定の温度を超えた場合に、前記増幅器の一部、もしくは全ての運転を停止する機能を有することを特徴とする。
このような構成を有する請求項１１の発明によれば、レアショート故障などにより、一定のインピーダンスを持った状態で過電流が流れるため、ＮＦＢなどの保護回路が動作しない状態で、過電流により発熱・発火に至るような故障においても、危険なレベルの温度上昇を検知して、運転を停止し、発火に至るような事態を回避することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下には、本発明による計器用変圧器を適用した複数の実施の形態について、図１〜図６を参照して詳細に説明する。
【００３２】
（１）第１実施形態
（１−１）構成
本実施形態は、請求項１、請求項１０、請求項１１に対応するものである。図１のシステム構成例に示すように、本実施形態においては、増幅型計器用変圧器１は、主コンデンサＣ１と分圧コンデンサＣ２から成る容量分圧器２と、増幅器３と、絶縁トランス４から構成され、容量分圧器２と増幅器３の間は同軸ケーブル５で接続されている。
【００３３】
また、増幅器３は、フィルタ回路を含む前置増幅回路１１と、前置増幅回路の出力をパルス幅変調波に変調するパルス幅変調器（ＰＷＭ変調器）１２と、パルス幅変調波をパルス増幅するパルス増幅回路１３と、増幅されたパルス幅変調波を低域フィルタを通して原信号に復調する復調器１４から構成されている。
【００３４】
さらに、電源回路１０は、電源電圧ＤＣ１１０Ｖから電力増幅回路用の＋２００Ｖと演算増幅器や制御ＩＣその他用の±１５Ｖ、±５Ｖを作るＤＣ／ＤＣコンバータである。この電源定格は一例であり、ＤＣ／ＤＣコンバータの入／出力電圧は、負荷となる増幅回路に応じて任意に設計されることは言うまでもない。また、電源回路はＡＣ／ＤＣコンバータで構成しても良い。
【００３５】
このような構成を有する本実施形態の増幅型計器用変圧器においては、増幅器３の入力インピーダンスは一般には１０ＭΩ程度と大きく取れるため、主コンデンサＣ１は数１０ｐＦとすることができる。特に、ＧＩＳでは、ＧＩＳ導体と中間電極の間の静電容量を利用したＳＦ６ガス絶縁コンデンサを主コンデンサとすることができるので、シンプルな主回路絶縁構成による信頼性の高い分圧部を採用することができる。
【００３６】
次に、図２は、定格負担３０ＶＡの増幅器３の詳細構成例を示す図である。すなわち、前置増幅器１１は、高調波ノイズ成分を除去する１次低域通過フィルタの作用を含む増幅器である。図２に示した例では１次低域通過フィルタとしたが、２次低域通過フィルタで構成しても良いし、入力信号の低周波成分と高周波ノイズ成分を除去するために帯域通過フィルタとしても良い。
【００３７】
また、電力増幅部はパルス幅変調器１２とパルス増幅回路１３から成り、電力増幅に使用するパワートランジスタＱ１〜Ｑ２の４個をＦＥＴ駆動回路で制御するように構成されている。なお、図２は定格負担３０ＶＡの例で、パワートランジスタは例えば２ＳＫ１５１７を使用する。また、復調器１４は、リアクトルＬとコンデンサＣから成る低域通過フィルタであり、絶縁トランス４の出力は、帰還抵抗Ｒｎｆを介して前置増幅回路に帰還される。この場合、帰還抵抗Ｒｎｆを変化させることにより帰還量を変化させて、比誤差調整を行うことができる。
【００３８】
また、パワートランジスタＱ１〜Ｑ４や図示していないＤＣ／ＤＣコンバータのトランジスタ等の発熱を伴うＩＣには、部品の温度を監視するサーマルガードＴＨが取付けられており、被監視部品の温度が所定の温度を超えた場合に、増幅回路の一部、ＤＣ／ＤＣコンバータの一部、もしくは増幅器３の全ての機能を停止する構成とされている。
【００３９】
（１−２）作用・効果
以上のような構成を有する第１の実施形態による計器用変圧器によれば、以下のような作用・効果が得られる。
主回路電圧Ｖ１は、容量分圧器２で分圧電圧Ｖｄに分圧される。増幅器３の前置増幅回路１１は、高入力インピーダンスで分圧電圧Ｖｄを受け、演算増幅器で構成されたアクティブフィルタ（図２の例では、低域通過フィルタ）を通過して高周波ノイズを除去すると共に、絶縁トランス４からの負帰還量を帰還抵抗Ｒｎｆで変化させて比誤差の調整を行い、所定の電圧に増幅する。増幅された信号は次段の電力増幅部に送られる。
【００４０】
前置増幅回路１１で増幅された信号は、パルス幅変調器１２に送られ、繰り返し周波数１００ｋＨｚのノコギリ波と比較増幅され、パルス幅変調波が作られる。このパルス幅変調波はパルス増幅されるが、これ以降はパワートランジスタＱ１〜Ｑ４のスイッチング動作となる。すなわち、プラス側の半端が出力状態ではパワートランジスタＱ１とＱ４がオン状態となり、マイナス側の半端が出力状態ではパワートランジスタＱ２とＱ３がオン状態となる。
増幅されたパルス幅変調波は、ＬＣ低域通過フィルタから成る復調器１４で原信号に復調される。復調された信号は、絶縁トランス４を介して、増幅型計器用変圧器の定格２次電圧１１０／√３Ｖ、定格負担３０ＶＡにて出力される。
【００４１】
以上のように作用する本実施形態の計器用変圧器によれば、以下のような効果が得られる。
電力増幅回路は４個のパワートランジスタを交互にオン／オフ動作させることにより電力増幅し、このときパワートランジスタのコレクタ損失は理論的には“０”なので、理論効率は１００％となる。実際に構成する電力増幅回路では、コレクタ−エミッタ間電圧が１〜２Ｖ程度あり、スイッチング時間も数１０μ秒であり、さらに回路の安定化を図るためにエミッタ抵抗等がある。このため電力増幅回路自身の損失とその他周辺回路の損失が発生するので、その効率は理論効率より低下するものの、増幅型計器用変圧器としての実際の効率を５０％以上に改善することができる。
【００４２】
本発明の電力増幅回路で使用するパワートランジスタの数は４個であり、且つ内部損失が小さいので、従来用いられているＢ級プッシュプル増幅回路の場合と比較して、大幅にヒートシンクを小型化できる。また、損失が小さいので、電源回路も小型にできる。従って、本実施形態の電力増幅回路を用いた増幅型計器用変圧器は、従来に比べて小型で安価にできる。
【００４３】
例えば、定格負担３０ＶＡの本実施形態の増幅器による増幅型計器用変圧器の損失を概略見積もってみると、定格電圧１１０／√３Ｖ、定格負担３０ＶＡにおけるパワートランジスタ１個当たりの損失は略４Ｗであるため、パワートランジスタを１相当たり４個使用する場合、内部損失は１相当たり１６Ｗとなり、３相分の内部損失は４８Ｗとなる。
【００４４】
このように、本実施形態の増幅器を用いた場合には、Ｂ級プッシュプル増幅器を使った場合に比べて内部損失が小さいので、ヒートシンクは小型でよく、電源回路も小型化することができる。したがって、定格負担３０ＶＡの本実施形態の増幅器と電源回路３相分を収納する筐体としては、幅２５５ｍｍ×奥４００ｍｍ×高５３５ｍｍ程度のもので良くなり、Ｂ級プッシュプル増幅器を収納した従来の筐体の約１５％〜２０％程度に縮小することができる。
【００４５】
また、本実施形態の電力増幅回路では、定格負担３０ＶＡの場合に必要なパワートランジスタは１相当たり４個であり、１相当たり１８個必要であったＢ級プッシュプル増幅回路を用いた場合に比べて大幅に削減することができる。一般に、パワートランジスタの故障率は他の部品に比べて高いので、その設置個数を４個に削減できることは電力増幅回路の信頼性向上につながる。
【００４６】
また、比誤差・位相角の負担特性を改善するためには、接続絶縁トランスの磁束密度を下げる必要があるが、これは絶縁トランスの大型化を意味する。本実施形態により、２次出力の負担電流による負帰還増幅で利得補償すれば、絶縁トランスを大型化することなく負担特性を改善することができる。このとき、負帰還量は調整後に固定としても良いし、また負担の変化、すなわち負荷電流の変化に応じてダイナミックに変化するようにしても良い。
【００４７】
また、発熱を伴うパワートランジスタ等をサーマルガードで監視しているので、レアショート故障等により、一定のインピーダンスを持った状態で過電流が流れるため、ＮＦＢなどの保護回路が動作しない状態で、過電流により発熱・発火に至るような故障においても、危険なレベルの温度上昇を検知して、運転を停止し、発火に至るような事態を回避することができる。
【００４８】
（２）第２実施形態
（２−１）構成
本実施形態は、請求項３〜請求項６、請求項８に対応するものである。すなわち、本実施形態の増幅器は、図３に示すように、第１実施形態の増幅器に電力吸収回路２２と逆流防止用ダイオード２１を追加したものである。同図において、電源回路１０、前置増幅回路１１、パルス幅変調器１２、パルス増幅回路１３、復調器１４及び絶縁トランス４の構成、機能は上記第１実施形態の増幅器と同じであるので説明は省略する。
【００４９】
上記逆流防止用ダイオード２１は、電源回路１０（ＤＣ／ＤＣコンバータ）の＋２００Ｖ出力ライン上の＋２００Ｖ出力端とパルス増幅回路１３のパワートランジスタ間に挿入されている。なお、この逆流防止用ダイオードの方向は、電源回路１０からパワートランジスタに電流が流れる方向である。
【００５０】
また、逆流防止用ダイオード２１の次段に、電力吸収回路２２が接続されている。この電力吸収回路２２は、出力側より注入された注入電力によって発生する過電圧を検出する過電圧検出器２４と、半導体スイッチ２５と、注入電力を消費する電力吸収抵抗２３と、点検回路２６から構成されている。
電子部品である過電圧検出器２４、半導体スイッチ２５、点検回路２６から成る電力吸収回路２２の制御回路にあたる部分は２重化されている。図３で電力吸収抵抗２３は２重化されていないが、さらに信頼性を向上させるために電力吸収抵抗２３も２重化しても良いことは言うまでもない。
【００５１】
（２−２）作用・効果
以上のような構成を有する第２実施形態による計器用変圧器によれば、以下のような作用・効果が得られる。
２重母線構成の電気所において計器用変圧器を運用する場合、両母線に取付けられた計器用変圧器の２次出力を突き合わせて運用する場合がある。計器用変圧器の２次突き合わせについて図９を用いて説明する。すなわち、２重母線構成の電気所では、甲主母線と乙主母線を切換えて運用する。甲乙母線切換の際、母線連絡遮断器ＣＢが投入される。この時、系統の運用の要請から、甲母線用計器用変圧器１ａと乙母線用計器用変圧器１ｂの両方を同時に保護リレーに接続する場合がある。
【００５２】
これを計器用変圧器の立場から見ると、図９に示すように同じ負担に対して異なる計器用変圧器を同時に接続することになる。この場合、甲乙両母線は接続されているので、甲母線用計器用変圧器と乙母線用計器用変圧器が計測する１次電圧は同じであるが、両計器用変圧器の誤差特性は必ずしも一致しないため、両計器用変圧器の２次出力電圧Ｖ２ａとＶ２ｂの間には電位差が生じ、その結果両計器用変圧器間に循環電流が流れる。この循環電流が一方の計器用変圧器の出力側から注入される。
【００５３】
ところで、上記第１実施形態で説明した電力増幅回路は、その内部損失が小さいという特性上、注入された循環電流をパワートランジスタで消費することができないことに加え、出力側から見た場合にパワートランジスタを交互にオン／オフさせるスイッチング動作が昇圧チョッパと同等の作用となるため、増幅器の主要回路に流れ込んだ注入された循環電流が電位上昇を引き起こし、回路の耐圧を脅かすことになる。
【００５４】
より詳細には、増幅型計器用変圧器が２次突き合わせ状態になると、一方の計器用変圧器の絶縁トランスの２次出力端子Ｓ１、Ｓ２より循環電流が注入される。注入された循環電流はパワートランジスタでほとんど消費されることなく、増幅器の主要回路に流れ込む。特に、出力側から見た場合に、パワートランジスタを交互にオン／オフさせるスイッチング動作が昇圧チョッパと同等の作用となるため、パワートランジスタの電源であるＤＣ／ＤＣコンバータの＋２００Ｖラインの電位が上昇し、過電圧となる。また、注入された循環電流はＤＣ／ＤＣコンバータに流れ込んでいき、ＤＣ／ＤＣコンバータの動作不良を引き起こす。
【００５５】
このような問題を回避するために、第２実施形態では、注入された循環電流を消費する電力吸収回路２２と逆流防止用ダイオード２１を追加したものである。この電力吸収回路２２と逆流防止用ダイオード２１の作用を以下に説明する。
【００５６】
逆流防止用ダイオード２１は、注入された循環電流がＤＣ／ＤＣコンバータに流れ込み、ＤＣ／ＤＣコンバータが動作不良になることを防止する。これによりＤＣ／ＤＣコンバータは正常に動作することができ、後述する過電圧検出器２４、半導体スイッチ２５、点検回路２６から成る電力吸収回路２２の制御回路の制御電源を正常に供給できる。
【００５７】
一方、電力吸収回路２２は、過電圧検出器２４で逆流防止用ダイオード２１の後段の電圧を監視する。この部分の電位は、出力側より循環電流が注入されると過電圧状態となる。過電圧検出器２４の制定値は２２０Ｖとしてあり、この電圧を超える過電圧が発生すると、半導体スイッチ２５がオン状態となり、電力吸収抵抗２３の回路が導通となり、注入された循環電流はこの電力吸収抵抗２３で消費されて、２２０Ｖ以上に過電圧となることを防止する。
【００５８】
以上説明したように、本実施形態の増幅型計器用変圧器においては、２次出力突き合わせの際においても増幅器が故障することを回避でき、且つ２次突き合わせ状態でも正常に１次電圧を計測することができる。
【００５９】
また、第２実施形態では、電子部品である過電圧検出器２４、半導体スイッチ２５、点検回路２６から成る電力吸収回路の制御回路にあたる部分は２重化されているため、さらに次の効果が得られる。すなわち、過電圧検出器２４ａ、２４ｂと半導体スイッチ２５ａ、２５ｂが２系統同時に故障する確立は極めて低く、一方の過電圧検出器２４ａ、半導体スイッチ２５ａが故障した場合にも、もう一系統の過電圧検出器２４ｂ、半導体スイッチ２５ｂにより電力吸収抵抗器２３による注入電力の消費は正常に行うことができるので、高信頼性を確保することができる。また、点検機能を持つので更に信頼度を上げることができ、一方の過電圧検出器２４、半導体スイッチ２５が故障した場合に、それを検出することができる。
【００６０】
なお、本実施形態で、点検用の模擬信号の入力方法は、点検用の模擬信号源を別に持つ方法、過電圧検出器には抵抗分圧された分圧電圧が入力されるが、点検時にこの分圧比を変更して分圧電圧大きくする方法等、その方法は特に限定されない。
【００６１】
（３）第３実施形態
（３−１）構成
本実施形態は、請求項７に対応するものである。すなわち、本実施形態の増幅器は、図４に示すように、第１実施形態の増幅器に逆流防止用ダイオード２１と過電圧検出器３１を追加したものである。同図において、電源回路１０、前置増幅回路１１、パルス幅変調器１２、パルス増幅回路１３、復調器１４、絶縁トランス４の構成、機能は第１実施形態の増幅器と同じなので説明は省略する。
【００６２】
逆流防止用ダイオード２１は、電源回路１０（ＤＣ／ＤＣコンバータ）の＋２００Ｖ出力ライン上の＋２００Ｖ出力端とパルス増幅回路１３のパワートランジスタ間に挿入されている。なお、逆流防止用ダイオード２１の方向は、電源回路１０からパワートランジスタに電流が流れる方向である。また、逆流防止用ダイオード２１の次段に、逆流防止用ダイオード２１の後段の電圧を監視する過電圧検出器３１が設けられている。
【００６３】
（３−２）作用・効果
以上のような構成を有する第３実施形態による計器用変圧器によれば、以下のような作用・効果が得られる。なお、逆流防止用ダイオード２１の作用・効果は第２実施形態とほぼ同一なので説明は省略する。
増幅型計器用変圧器が２次突き合わせ状態になると、一方の計器用変圧器の絶縁トランス４の出力端子Ｓ１、Ｓ２より循環電流が注入され、逆流防止用ダイオード２１の後段の電位が上昇し、過電圧状態となる。なお、このメカニズムについては、上記第２実施形態において説明したのでここでは省略する。そして、過電圧検出器３１は、その過電圧を検出すると、パルス増幅回路１３のＦＦＴ駆動回路に対して信号を出す。ＦＦＴ駆動回路のゲート制御回路３２はこの信号を受け取ると、ゲート信号を停止して、パワートランジスタのスイッチング動作を停止させる。
【００６４】
パワートランジスタが交互にオン／オフするスイッチング動作を停止するので、昇圧チョッパの作用により増幅器の主要回路が電位上昇することを回避できる。従って、本実施形態の増幅型計器用変圧器は、２次出力突き合わせの際においても増幅器が故障することを回避できる。
【００６５】
（４）第４実施形態
（４−１）構成
本実施形態は、請求項９に対応するものである。すなわち、本実施形態の増幅器は、図５に示すように、第１実施形態の増幅器に回生回路４０を追加したものである。同図において、電源回路１０、前置増幅回路１１、パルス幅変調器１２、パルス増幅回路１３、復調器１４、絶縁トランス４の構成、機能は第１実施形態の増幅器と同じなので説明は省略する。
回生回路４０は、電気所所内制御電源１１０Ｖと電源回路（ＤＣ／ＤＣコンバータ）１０の間に接続されている。この回生回路４０は４個のパワートランジスタとＦＦＴ駆動回路と過電圧検出器４１から構成されている。
【００６６】
（４−２）作用・効果
以上のような構成を有する第４実施形態による計器用変圧器によれば、以下のような作用・効果が得られる。
増幅型計器用変圧器が２次突き合わせ状態になると、一方の計器用変圧器の絶縁トランスの２次出力端子Ｓ１、Ｓ２より循環電流が注入される。注入された循環電流はパワートランジスタでほとんど消費されることなくＤＣ／ＤＣコンバータへ流れ込んでいく。この注入された循環電流を回生回路４０により、電気所所内制御電源１１０Ｖ側へ流出（回生）させる。これにより昇圧チョッパ作用による電位上昇の蓄積はおこらず、増幅回路の耐圧を脅かすレベルの電位上昇は発生しない。従って、本実施形態の増幅型計器用変圧器は、２次出力突き合わせの際においても増幅器が故障することを回避できる。
【００６７】
（５）第５実施形態
（５−１）構成
本実施形態は、請求項２に対応するものである。すなわち、本実施形態の計器用変圧器は、図６に示すように、第１実施形態の計器用変圧器に光センサ５１を追加し、また増幅器３において信号の入力回路を発光ダイオード５４とフォトダイオード５３から成る光入出力回路に変更し、信号処理回路５５を前置増幅器１１の前段に追加したものである。なお、光センサ５１と増幅器３の間は光ファイバケーブル５２で接続される。同図において、電源回路１０、前置増幅回路１１、パルス幅変調器１２、パルス増幅回路１３、復調器１４、絶縁トランス４の構成、機能は第１実施形態の増幅器と同じなので説明を省略する。また、本実施形態では、逆流防止用ダイオード２１と電力吸収回路２２を有する。これらの構成、機能は第２実施形態と同じなので説明を省略する。
【００６８】
（５−２）作用・効果
以上のような構成を有する第５実施形態による計器用変圧器によれば、以下のような作用・効果が得られる。
主回路電圧Ｖ１は、容量分圧器２で分圧電圧Ｖｄに分圧される。分圧電圧Ｖｄは光センサ５１に印加され、光の強度信号に変調される。その光強度変調信号は、増幅器３のフォトダイオードで電気信号に変換され、信号処理回路５５で主回路電圧Ｖ１を表わす電圧信号に復調され、次段の前置増幅回路１１に送られる。これ以降の動作は、第１、第２実施形態とほぼ同じなので説明を省略する。
【００６９】
以上説明した第５実施形態では、第１、第２実施形態で得られた効果を同様に得られることは自明である。加えて本実施形態によれば、主回路交流電圧を光信号に変換して、光信号を増幅器に入力するので、送変電機器の主回路と電子回路である増幅器は光絶縁で完全に絶縁される。従って、主回路からのサージの侵入を絶つことができ、高信頼性の計器用変圧器を提供することができる。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、主回路電圧を分圧する分圧器と、分圧電圧を所定の使用負担電力に増幅して２次出力電圧として出力する電力増幅器から成る計器用変圧器において、アナログ電圧信号をパルス幅変調信号に変換するパルス幅変調器と、パルス幅変調信号を所定の電力にパルス増幅するパワートランジスタとその駆動回路と、パルス増幅されたパルス幅変調信号から所定の周波数成分の２次電圧に復調する復調器から構成される電力増幅器を用いることにより、高効率、小型で安価な電力増幅器を有する計器用変圧器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による計器用変圧器のシステム構成を示す図。
【図２】本発明の第１実施形態による計器用変圧器の増幅器の詳細な構成を示す図。
【図３】本発明の第２実施形態による計器用変圧器の増幅器のシステム構成を示す図。
【図４】本発明の第３実施形態による計器用変圧器の増幅器のシステム構成を示す図。
【図５】本発明の第４実施形態による計器用変圧器の増幅器のシステム構成を示す図。
【図６】本発明の第５実施形態による計器用変圧器のシステム構成を示す図。
【図７】従来の増幅型計器用変圧器のシステム構成を示す図。
【図８】従来の増幅型計器用変圧器の増幅器の詳細な構成を示す図。
【図９】計器用変圧器の２次突合せの説明図。
【符号の説明】
Ｃ１…主コンデンサ
Ｃ２…分圧コンデンサ
Ｖ１…主回路電圧
Ｖｄ…分圧電圧
Ｖ２…２次出力電圧
Ｑ１〜Ｑ４、Ｑ１０１〜Ｑ１１０…パワートランジスタ
１…増幅型計器用変圧器
１ａ、１ｂ…計器用変圧器
２…容量分圧器
３…増幅器
４…絶縁トランス
５…同軸ケーブル
１０…電源回路
１１…前置増幅回路
１２…パルス幅変調器
１３…パルス増幅回路
１４…復調器
２１…逆流防止用ダイオード
２２…電力吸収回路
２３…電力吸収抵抗
２４、３１、４１…過電圧検出器
２５…半導体スイッチ
２６…点検回路
３２…ゲート信号制御回路
４０…回生回路
５１…光センサ
５２…光ファイバーケーブル
５３…フォトダイオード
５４…発光ダイオード
１０１…増幅型計器用変圧器
１０２…容量分圧器
１０３…増幅器
１０４…絶縁トランス
１０５…同軸ケーブル
１１０…電源回路
１１１…前置増幅回路
１１２…Ｂ級プッシュプル増幅回路[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a transformer for an instrument used for measuring a main circuit AC voltage applied to a transmission and transformation equipment or the like.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Instrument transformers are used to measure AC voltage applied to transmission and transformation equipment. There are roughly two types of instrument transformers that have been put into practical use, one of which consists of an iron core, a primary winding, and a secondary winding, depending on the ratio of the primary winding to the secondary winding. It is a transformer for an electromagnetic type instrument which transforms a main circuit alternating current into a secondary voltage. The other is a voltage-divided instrument transformer that transforms the main circuit AC electricity into a secondary voltage by using a voltage divider, and is generally composed of a main capacitor and a voltage dividing capacitor to divide the main circuit AC electricity. 2. Description of the Related Art A voltage dividing type voltage transformer for pressure gauge is widely used.
[0003]
By the way, since the error characteristic of this capacitive voltage dividing instrument transformer is expressed by the sum of the unburdened error and the burdened error, the smaller the burden is, the smaller the burdened error is and approaches the no-burden error.
[0004]
However, the size of the required load, that is, the rated load, is determined by the secondary device connected to the instrument transformer, so that the main circuit capacitor needs to be large in order to obtain a predetermined ratio error and phase angle. Inevitably, the capacity-divided instrument transformer is inevitably large. Also, in the capacitive voltage dividing transformer, the primary voltage of the distorted waveform including harmonics is transformed into a smooth voltage on the secondary side because the capacitor of the capacitive voltage divider acts as a filter, so the frequency is There is a disadvantage that the characteristics are deteriorated. The frequency characteristic of this capacitive voltage divider is improved as the secondary burden is smaller.
[0005]
Therefore, as a method of arbitrarily increasing the use burden of the secondary device after reducing the secondary burden of the capacitive voltage divider to improve the error characteristics and frequency characteristics of the capacitive voltage divider, There is a method of transforming a voltage with an amplifier having good frequency characteristics and high input impedance. This can be considered as a kind of capacitive voltage dividing transformer, but it is called an amplified measuring transformer because it uses an amplifier.
[0006]
FIG. 7 shows an example of a system configuration of a conventionally used amplification-type instrument transformer. That is, the amplifying-type instrument transformer 101 includes a capacitive voltage divider 102 composed of a main capacitor C1 and a voltage dividing capacitor C2, an amplifier 103, and an insulating transformer 104. A coaxial cable is provided between the capacitive voltage divider 102 and the amplifier 103. 105 is connected. In this case, the primary voltage V1 is transformed into the secondary output of the insulating transformer 104, which becomes the secondary output voltage V2 of the amplifying instrument transformer 101. The power supply circuit 110 is a DC / DC converter that generates ± 70 V for a power amplifier circuit and ± 15 V and ± 5 V for an operational amplifier, a control IC and others from a power supply voltage of 110 V DC.
[0007]
In the conventional amplifying instrument transformer having such a configuration, the input impedance of the amplifier 103 can be generally as large as about 10 MΩ, so that the main capacitor C1 can be several tens of pF. In particular, in a closed gas insulated switchgear (hereinafter, referred to as GIS), SF using an electrostatic capacity between a GIS conductor and an intermediate electrode is used. 6 Since the gas insulated capacitor can be used as the main capacitor, a highly reliable voltage dividing section having a simple main circuit insulating configuration can be employed.
[0008]
FIG. 8 is a detailed configuration diagram of the amplifier 103. That is, the amplifier 103 includes a preamplifier circuit 111 including a filter circuit and a class B push-pull amplifier circuit (also referred to as a linear amplifier) 112. FIG. 8 shows an example of an amplifier circuit with a rated load of 5 VA, in which ten power transistors are used per phase. As these power transistors, for example, 2SK1529 is used for Q101 to Q105, and 2SJ200 is used for Q106 to Q110, and a DC / DC converter is used as the power supply circuit 110.
[0009]
In the amplifying instrument transformer 101 having such an amplifier 103, the voltage signal Vd of the weak power of the capacitive voltage divider is amplified by the preamplifier circuit 111, and then the power is amplified by the class B push-pull amplifier circuit 112. Then, the voltage is output via the insulating transformer 104 at a rated secondary voltage V2 = 110 / √3 V and a rated load of 5 VA.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the conventional amplifying-type instrument transformer uses a class B push-pull amplifier circuit as a power amplifier circuit, but the class B push-pull amplifier circuit has excellent frequency characteristics, but has an efficiency of about 30% and an internal loss of about 30%. When the load is large and the rated load is large, the number of required power transistors is extremely increased.
[0011]
As described above, the class B push-pull amplifier circuit has 10 power transistors per phase, which constitutes an amplification-type instrument transformer having a rated load of 5 VA. For example, an amplification-type instrument transformer having a rated load of 30 VA is formed. The class B push-pull amplifier requires 18 power transistors per phase.
[0012]
Here, when roughly estimating the loss of the amplification type instrument transformer by the class B push-pull amplifier circuit with the rated load of 30 VA, the loss per power transistor at the rated voltage of 110 / √3 V and the rated load of 30 VA is approximately 7 Since the power loss is 0.5 W, when 18 power transistors are used per phase, the internal loss is 135 W per phase, and the internal loss for three phases is 405 W. Because of such a large loss, a large heat sink is required to handle the heat generated by the loss, and the power supply circuit of the amplifier is inevitably increased in size.
[0013]
Therefore, a housing for housing an amplifier of a class B push-pull amplifier with a rated load of 30 VA and three phases of a power supply circuit is required to have a width of about 510 mm × 400 mm in depth × 2400 mm in height. There was a problem that would be. In addition, since the cost increases accordingly, the amplification type instrument transformer using the class B push-pull amplification circuit having a large rated load has to be very large and expensive.
[0014]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been proposed to solve the above-described problems of the related art, and an object of the present invention is to provide a transformer for an instrument having a high-efficiency, small-sized and inexpensive power amplifier. .
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention according to claims 1 to 11 is an instrument transformer used to measure a main circuit AC voltage applied to power transmission and transformation equipment and the like, as follows. It has technical features.
[0016]
That is, the invention according to claim 1 divides a main circuit AC voltage of a transmission / transformation device and outputs an analog voltage signal representing the amount of the AC voltage, and converts the analog voltage signal to a predetermined secondary voltage. An instrument transformer comprising an amplifier having a function of amplifying a voltage and amplifying power to a predetermined use burden power and outputting the same as a secondary output voltage, wherein the amplifier converts an analog voltage signal into a pulse width modulation signal. A width modulator, a power transistor for pulse-amplifying the pulse width modulation signal to a predetermined power and a driving circuit thereof, and a demodulator for demodulating the pulse-amplified pulse width modulation signal to a secondary voltage of a predetermined frequency component. It is characterized by comprising.
[0017]
According to the first aspect of the present invention, the power amplifying circuit amplifies power by alternately turning on / off a predetermined number of power transistors, which is less than the conventional one, and the collector loss of the power transistor is theoretically reduced. Since it is “0”, the theoretical efficiency is 100%. In the power amplifier circuit actually configured, although the loss of the power amplifier circuit itself and other losses occur, the efficiency can be greatly improved as an amplifying-type instrument transformer.
Further, the number of power transistors used in the power amplifier circuit of the present invention is smaller than that of the conventional one, and the internal loss is small, so that the heat sink can be significantly reduced in size as compared with the conventional class B push-pull amplifier circuit. Since the loss is small, the power supply circuit can be downsized.
[0018]
The invention according to claim 2 is a light voltage detecting means for modulating the main circuit AC voltage of the power transmission and transformation equipment into a light intensity signal and outputting a light signal representing the amount of the AC voltage, and the AC signal from the light signal. An amplifier having a function of demodulating an analog voltage signal representing a voltage amount, a function of amplifying the voltage of the analog voltage signal to a predetermined secondary voltage, and a function of power-amplifying the power to a predetermined use burden power and outputting as a secondary output voltage. In the instrument transformer consisting of, the amplifier is a pulse width modulator that converts an analog voltage signal into a pulse width modulation signal, a power transistor that pulse-amplifies the pulse width modulation signal to a predetermined power, and a driving circuit thereof, It is characterized by comprising a demodulator for demodulating the pulse-amplified pulse width modulated signal to a secondary voltage of a predetermined frequency component.
[0019]
According to the invention of claim 2 having such a configuration, not only the same effect as the effect obtained by the invention of claim 1 is obtained, but also the main circuit AC voltage is converted into an optical signal, and this optical signal is converted. The main circuit of the transmission and transformation equipment and the amplifier, which is the electronic circuit, are completely insulated by optical insulation for input to the amplifier. As a result, penetration of surge from the main circuit can be cut off, and a highly reliable instrument transformer can be provided.
[0020]
According to a third aspect of the present invention, in the instrument transformer according to the first or second aspect, when the current is injected from the output side, the amplifier has a function of consuming the injected power by the resistor. It is characterized by having.
According to a fourth aspect of the present invention, in the instrument transformer according to the third aspect, when the current is injected from the output side, the amplifier detects a voltage rise of the power supply circuit caused by the injected current by an overvoltage detector. By detecting and turning on the semiconductor switch, an injection current flows through the resistor, and the injected power is consumed by the resistor.
[0021]
According to the third or fourth aspect of the present invention, the following effects can be obtained. When an instrument transformer is operated at an electric station having a double bus configuration, the secondary output of the instrument transformer attached to both buses may be operated by matching. In this case, the primary voltages measured by the two transformers are the same, but since the error characteristics of the two transformers do not always match, a potential difference occurs between the two transformers, resulting in a circulating current. Flows. This circulating current is injected from the output of one of the amplifiers.
[0022]
However, the power amplifying circuit according to claim 1 or 2 has a characteristic that its internal loss is small, so that the injected circulating current cannot be consumed by the power transistor, and the When viewed from the side, the switching operation of turning on / off the power transistor alternately has the same effect as the boost chopper, so the circulating current injected into the main circuit of the amplifier causes the potential to rise, and the withstand voltage of the circuit is reduced. Would be threatening.
[0023]
Therefore, the invention according to claim 3 or 4 has a function of consuming the injected circulating current by the resistor, thereby avoiding the failure of the amplifier when the secondary output of the instrument transformer is matched. can do. In particular, the invention of claim 4 provides a method of consuming the injected power when the circulating current is injected from the output side of the amplifier.
[0024]
The invention according to claim 5 is the instrument transformer according to claim 4, wherein the amplifier is configured by duplicating a control circuit including the overvoltage detector and the semiconductor switch. I do.
According to a sixth aspect of the present invention, in the transformer for an instrument according to the fourth aspect, the amplifier provides a simulated voltage to the overvoltage detector and consumes power injected from an output side by the resistor. Is configured to be able to check that is normal.
[0025]
According to the fifth and sixth aspects of the present invention having such a configuration, the probability that two systems of the overvoltage detector and the semiconductor switch fail simultaneously is extremely low, and even if one of the overvoltage detectors and the semiconductor switch fails, Since the power consumption by the resistor can be normally consumed, high reliability can be ensured. In addition, since it has an inspection function, the reliability can be further increased, and when one of the overvoltage detectors and the semiconductor switch has failed, it can be detected.
[0026]
The invention according to claim 7 is the instrument transformer according to claim 1 or 2, wherein the amplifier has a function of stopping the pulse amplification when a current is injected from an output side. It is characterized by.
According to the invention of claim 7 having such a configuration, the switching operation in which the power transistor is alternately turned on / off is stopped, and the potential of the main circuit of the amplifier can be prevented from rising due to the action of the boost chopper. The failure of the amplifier during the secondary output matching of the instrument transformer can be avoided.
[0027]
According to an eighth aspect of the present invention, in the instrument transformer according to the third or seventh aspect, when the current is injected from the output side, the amplifier detects that the injected power flows into the power supply circuit. A diode for prevention is provided between the power supply circuit and the amplifier circuit.
According to the invention of claim 8 having such a configuration, it is possible to prevent the output section of the power supply circuit from being in an overvoltage state and causing the power supply circuit to malfunction. As a result, the power supply circuit operates normally, so that control power for the overvoltage detector and the semiconductor switch or control power for the control circuit for stopping pulse amplification can be supplied normally.
[0028]
According to a ninth aspect of the present invention, in the instrument transformer according to the first or second aspect, the amplifier causes the injected power to flow to a power supply circuit of the amplifier when a current is injected from an output side. It has a regenerative circuit.
According to the ninth aspect having such a configuration, the following effects can be obtained. The potential rise at a level that threatens the withstand voltage of the amplifier circuit is caused by accumulation of potential rise due to circulating current injected from the output side due to the action of the boost chopper. In the present invention, the circulating current injected from the output side flows out to the power supply circuit side of the amplifier by the regenerative circuit, so that the potential rise does not accumulate and the potential rise at a level that threatens the withstand voltage of the amplifier circuit does not occur. Therefore, it is possible to prevent the amplifier from failing when the secondary output of the instrument transformer is matched.
[0029]
According to a tenth aspect of the present invention, in the instrument transformer according to the first or second aspect, the amplifier performs gain compensation by feedback amplification using a burden current of a secondary output, thereby providing a ratio error / phase angle. The present invention is characterized in that it is configured to improve the burden characteristic of the user.
According to the tenth aspect having such a configuration, the following effects can be obtained. In order to improve the load characteristics of the ratio error and the phase angle, it is necessary to lower the magnetic flux density of the connecting insulating transformer between the output of the amplifier and the secondary device, which means that the insulating transformer becomes large. According to the present invention, if the gain is compensated by negative feedback amplification using the burden current of the secondary output, the burden characteristic can be improved without increasing the size of the insulating transformer.
[0030]
According to an eleventh aspect of the present invention, in the instrument transformer according to the first or second aspect, the amplifier has a function of monitoring a temperature of a component forming a circuit, and the monitored component is provided. When the temperature exceeds a predetermined temperature, a function of stopping a part or all of the operation of the amplifier is provided.
According to the eleventh aspect of the present invention having such a configuration, an overcurrent flows in a state having a constant impedance due to a rare short-circuit failure or the like, so that heat is generated due to the overcurrent in a state where a protection circuit such as NFB does not operate. -Even in the case of a failure that leads to ignition, it is possible to detect a dangerous level of temperature rise, stop the operation, and avoid a situation that leads to ignition.
[0031]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a plurality of embodiments to which an instrument transformer according to the present invention is applied will be described in detail with reference to FIGS.
[0032]
(1) First embodiment
(1-1) Configuration
This embodiment corresponds to claims 1, 10, and 11. As shown in the system configuration example of FIG. 1, in the present embodiment, the amplifying type instrument transformer 1 includes a capacitive voltage divider 2 including a main capacitor C <b> 1 and a voltage dividing capacitor C <b> 2, an amplifier 3, and an isolation transformer 4. The voltage divider 2 and the amplifier 3 are connected by a coaxial cable 5.
[0033]
The amplifier 3 includes a preamplifier circuit 11 including a filter circuit, a pulse width modulator (PWM modulator) 12 that modulates an output of the preamplifier circuit into a pulse width modulated wave, and a pulse amplifier that amplifies the pulse width modulated wave. And a demodulator 14 for demodulating the amplified pulse width modulated wave to an original signal through a low-pass filter.
[0034]
Further, the power supply circuit 10 is a DC / DC converter that generates +200 V for a power amplifier circuit and ± 15 V and ± 5 V for an operational amplifier, a control IC, and others from a power supply voltage of 110 V DC. This power supply rating is an example, and it goes without saying that the input / output voltage of the DC / DC converter is arbitrarily designed according to the amplifier circuit serving as the load. Further, the power supply circuit may be constituted by an AC / DC converter.
[0035]
In the amplification type instrument transformer of the present embodiment having such a configuration, the input impedance of the amplifier 3 can be generally as large as about 10 MΩ, so that the main capacitor C1 can be several tens of pF. In particular, in GIS, SF using capacitance between the GIS conductor and the intermediate electrode is used. 6 Since the gas insulated capacitor can be used as the main capacitor, a highly reliable voltage dividing section having a simple main circuit insulating configuration can be employed.
[0036]
Next, FIG. 2 is a diagram illustrating a detailed configuration example of the amplifier 3 having a rated load of 30 VA. That is, the preamplifier 11 is an amplifier including a function of a first-order low-pass filter for removing harmonic noise components. In the example shown in FIG. 2, a primary low-pass filter is used. However, a secondary low-pass filter may be used. Alternatively, a band-pass filter may be used to remove low-frequency components and high-frequency noise components of the input signal. Is also good.
[0037]
The power amplifying unit includes a pulse width modulator 12 and a pulse amplifying circuit 13, and is configured to control four power transistors Q1 to Q2 used for power amplification by an FET drive circuit. FIG. 2 shows an example in which the rated load is 30 VA. For example, 2SK1517 is used as the power transistor. The demodulator 14 is a low-pass filter composed of the reactor L and the capacitor C, and the output of the insulating transformer 4 is fed back to the preamplifier via the feedback resistor Rnf. In this case, ratio error adjustment can be performed by changing the feedback amount by changing the feedback resistor Rnf.
[0038]
Further, a thermal guard TH for monitoring the temperature of a component is attached to an IC that generates heat, such as the power transistors Q1 to Q4 and a transistor of a DC / DC converter (not shown). When the temperature is exceeded, a part of the amplifier circuit, a part of the DC / DC converter, or all functions of the amplifier 3 are stopped.
[0039]
(1-2) Action / Effect
According to the instrument transformer according to the first embodiment having the above-described configuration, the following operations and effects can be obtained.
The main circuit voltage V1 is divided by the capacitance divider 2 into a divided voltage Vd. The preamplifier circuit 11 of the amplifier 3 receives the divided voltage Vd with a high input impedance, passes through an active filter (a low-pass filter in the example of FIG. 2) formed of an operational amplifier, and removes high-frequency noise. At the same time, the amount of negative feedback from the insulating transformer 4 is changed by the feedback resistor Rnf to adjust the ratio error and amplify it to a predetermined voltage. The amplified signal is sent to the next stage power amplifier.
[0040]
The signal amplified by the preamplifier circuit 11 is sent to a pulse width modulator 12 and compared and amplified with a sawtooth wave having a repetition frequency of 100 kHz to generate a pulse width modulated wave. This pulse width modulated wave is pulse-amplified, and thereafter, the switching operation of the power transistors Q1 to Q4 is performed. That is, the power transistors Q1 and Q4 are turned on when the plus half is in the output state, and the power transistors Q2 and Q3 are turned on when the minus half is in the output state.
The amplified pulse width modulated wave is demodulated into an original signal by a demodulator 14 including an LC low-pass filter. The demodulated signal is output via the insulating transformer 4 at a rated secondary voltage of 110 / √3 V and a rated load of 30 VA of the amplification type instrument transformer.
[0041]
According to the instrument transformer of the present embodiment that operates as described above, the following effects can be obtained.
The power amplification circuit amplifies power by alternately turning on / off four power transistors. At this time, the collector loss of the power transistor is theoretically "0", and the theoretical efficiency is 100%. In a power amplifier circuit actually configured, the voltage between the collector and the emitter is about 1 to 2 V, the switching time is several tens of microseconds, and an emitter resistor and the like are provided to stabilize the circuit. As a result, a loss of the power amplifier circuit itself and a loss of other peripheral circuits occur, so that the efficiency is lower than the theoretical efficiency, but the actual efficiency as the amplifier-type instrument transformer can be improved to 50% or more. .
[0042]
Since the number of power transistors used in the power amplifier circuit of the present invention is four and the internal loss is small, the heat sink is significantly reduced in size as compared with the conventional class B push-pull amplifier circuit. it can. Further, since the loss is small, the power supply circuit can be downsized. Therefore, the amplification type instrument transformer using the power amplification circuit of the present embodiment can be smaller and less expensive than the conventional one.
[0043]
For example, when roughly estimating the loss of the amplifying-type instrument transformer by the amplifier of the present embodiment having a rated load of 30 VA, the loss per power transistor at a rated voltage of 110 / √3 V and a rated load of 30 VA is approximately 4 W. Therefore, when four power transistors are used per phase, the internal loss is 16 W per phase, and the internal loss for three phases is 48 W.
[0044]
As described above, when the amplifier according to the present embodiment is used, the internal loss is small as compared with the case where the class B push-pull amplifier is used, so that the heat sink can be small and the power supply circuit can be downsized. Therefore, a housing for housing the amplifier of this embodiment having a rated load of 30 VA and three phases of the power supply circuit may be about 255 mm wide x 400 mm deep x 535 mm high. The size can be reduced to about 15% to 20% of the housing.
[0045]
In addition, in the power amplifier circuit of the present embodiment, when the rated load is 30 VA, the number of power transistors required per phase is four, and when the class B push-pull amplifier circuit that requires 18 per phase is used. It can be significantly reduced. In general, the failure rate of a power transistor is higher than that of other components. Therefore, reducing the number of installed power transistors to four leads to improvement in the reliability of a power amplifier circuit.
[0046]
Further, in order to improve the load characteristics of the ratio error and the phase angle, it is necessary to lower the magnetic flux density of the connecting insulating transformer, which means that the insulating transformer becomes larger. According to the present embodiment, if the gain is compensated by negative feedback amplification using the burden current of the secondary output, the burden characteristic can be improved without increasing the size of the insulating transformer. At this time, the amount of negative feedback may be fixed after the adjustment, or may be dynamically changed according to a change in load, that is, a change in load current.
[0047]
In addition, since the power transistor and the like that generate heat are monitored by the thermal guard, an overcurrent flows with a certain impedance due to a rare short-circuit failure or the like. Even in the case of a failure that causes heat generation or ignition due to an electric current, it is possible to detect a dangerous level of temperature rise, stop the operation, and avoid a situation that causes ignition.
[0048]
(2) Second embodiment
(2-1) Configuration
This embodiment corresponds to claims 3 to 6 and claim 8. That is, as shown in FIG. 3, the amplifier according to the present embodiment is obtained by adding a power absorption circuit 22 and a backflow prevention diode 21 to the amplifier according to the first embodiment. In the figure, the configurations and functions of a power supply circuit 10, a preamplifier circuit 11, a pulse width modulator 12, a pulse amplifier circuit 13, a demodulator 14, and an isolation transformer 4 are the same as those of the amplifier according to the first embodiment, and therefore will be described. Is omitted.
[0049]
The backflow prevention diode 21 is inserted between a +200 V output terminal on a +200 V output line of the power supply circuit 10 (DC / DC converter) and the power transistor of the pulse amplifier circuit 13. The direction of the backflow prevention diode is a direction in which current flows from the power supply circuit 10 to the power transistor.
[0050]
A power absorption circuit 22 is connected to the next stage of the backflow prevention diode 21. The power absorbing circuit 22 includes an overvoltage detector 24 that detects an overvoltage generated by the injected power injected from the output side, a semiconductor switch 25, a power absorbing resistor 23 that consumes the injected power, and an inspection circuit 26. ing.
The part corresponding to the control circuit of the power absorption circuit 22 including the overvoltage detector 24, the semiconductor switch 25, and the inspection circuit 26, which are electronic components, is duplicated. Although the power absorption resistor 23 is not duplicated in FIG. 3, it goes without saying that the power absorption resistor 23 may be duplicated to further improve the reliability.
[0051]
(2-2) Action / effect
According to the instrument transformer according to the second embodiment having the above-described configuration, the following operations and effects can be obtained.
When an instrument transformer is operated in an electric power station having a double-bus configuration, there is a case where the secondary outputs of the instrument transformers attached to both buses are operated by matching. The secondary matching of the instrument transformer will be described with reference to FIG. That is, in an electric station having a double-bus configuration, the main bus and the second main bus are switched for operation. At the time of the Kouto bus switching, the bus communication breaker CB is turned on. At this time, there is a case where both the transformer 1a for the instep bus and the transformer 1b for the inversion bus are connected to the protection relay at the same time due to a request for system operation.
[0052]
From the standpoint of the instrument transformer, different instrument transformers are connected simultaneously for the same load as shown in FIG. In this case, the primary and secondary transformers are the same, but the error characteristics of the two transformers are not necessarily the same. Since they do not match, a potential difference occurs between the secondary output voltages V2a and V2b of the two transformers, and as a result, a circulating current flows between the two transformers. This circulating current is injected from the output of one of the instrument transformers.
[0053]
By the way, the power amplifying circuit described in the first embodiment is characterized in that the injected circulating current cannot be consumed by the power transistor due to the characteristic that its internal loss is small. Since the switching operation of turning on / off the transistors alternately has the same effect as the boost chopper, the injected circulating current flowing into the main circuit of the amplifier causes an increase in potential, which threatens the withstand voltage of the circuit.
[0054]
More specifically, when the amplification type instrument transformer is brought into the secondary butting state, a circulating current is injected from the secondary output terminals S1 and S2 of the insulating transformer of one of the instrument transformers. The injected circulating current flows into the main circuit of the amplifier with little consumption by the power transistor. In particular, when viewed from the output side, the switching operation of alternately turning on / off the power transistor has the same effect as the boost chopper, so the potential of the +200 V line of the DC / DC converter which is the power supply of the power transistor rises. , Resulting in overvoltage. Further, the injected circulating current flows into the DC / DC converter, causing an operation failure of the DC / DC converter.
[0055]
In order to avoid such a problem, in the second embodiment, a power absorption circuit 22 that consumes the injected circulating current and a backflow prevention diode 21 are added. The operation of the power absorption circuit 22 and the backflow prevention diode 21 will be described below.
[0056]
The backflow prevention diode 21 prevents the injected circulating current from flowing into the DC / DC converter and preventing the DC / DC converter from malfunctioning. As a result, the DC / DC converter can operate normally, and can normally supply the control power of the control circuit of the power absorption circuit 22 including the overvoltage detector 24, the semiconductor switch 25, and the inspection circuit 26 described later.
[0057]
On the other hand, the power absorption circuit 22 monitors the voltage at the subsequent stage of the backflow prevention diode 21 with the overvoltage detector 24. The potential of this portion becomes an overvoltage state when a circulating current is injected from the output side. The established value of the overvoltage detector 24 is 220 V. When an overvoltage exceeding this voltage occurs, the semiconductor switch 25 is turned on, the circuit of the power absorbing resistor 23 is turned on, and the injected circulating current is reduced by the power absorbing resistor 23. To prevent overvoltage of 220 V or more.
[0058]
As described above, in the amplifying-type instrument transformer of the present embodiment, it is possible to prevent the amplifier from failing even at the time of the secondary output matching, and to measure the primary voltage normally even in the secondary matching state. be able to.
[0059]
Further, in the second embodiment, the portion corresponding to the control circuit of the power absorption circuit including the overvoltage detector 24, the semiconductor switch 25, and the inspection circuit 26, which are electronic components, is duplicated, so that the following effects can be further obtained. . That is, the probability that two systems of the overvoltage detectors 24a and 24b and the semiconductor switches 25a and 25b fail simultaneously is extremely low. Even if one of the overvoltage detectors 24a and the semiconductor switch 25a fails, the other system of the overvoltage detectors 24b and 24b fails. Since the power consumption of the power absorption resistor 23 can be normally consumed by the semiconductor switch 25b, high reliability can be ensured. In addition, since it has an inspection function, the reliability can be further increased, and when one of the overvoltage detector 24 and the semiconductor switch 25 breaks down, it can be detected.
[0060]
In the present embodiment, the method of inputting the simulation signal for inspection is a method having a separate simulation signal source for inspection, and the divided voltage divided by resistance is input to the overvoltage detector. The method is not particularly limited, such as a method of increasing the divided voltage by changing the division ratio.
[0061]
(3) Third embodiment
(3-1) Configuration
This embodiment corresponds to claim 7. That is, as shown in FIG. 4, the amplifier according to the present embodiment is obtained by adding a backflow prevention diode 21 and an overvoltage detector 31 to the amplifier according to the first embodiment. In the figure, the configurations and functions of a power supply circuit 10, a preamplifier circuit 11, a pulse width modulator 12, a pulse amplifying circuit 13, a demodulator 14, and an isolation transformer 4 are the same as those of the amplifier of the first embodiment, and therefore description thereof is omitted. .
[0062]
The backflow prevention diode 21 is inserted between the +200 V output terminal on the +200 V output line of the power supply circuit 10 (DC / DC converter) and the power transistor of the pulse amplification circuit 13. The direction of the backflow prevention diode 21 is a direction in which current flows from the power supply circuit 10 to the power transistor. Further, an overvoltage detector 31 that monitors the voltage at the subsequent stage of the backflow prevention diode 21 is provided next to the backflow prevention diode 21.
[0063]
(3-2) Action / effect
According to the instrument transformer according to the third embodiment having the above configuration, the following operations and effects can be obtained. The operation and effect of the backflow prevention diode 21 are almost the same as those of the second embodiment, and the description is omitted.
When the amplifying-type instrument transformer is brought into a secondary abutting state, a circulating current is injected from the output terminals S1 and S2 of the insulating transformer 4 of one of the instrument transformers, and the potential at the subsequent stage of the backflow prevention diode 21 increases. An overvoltage condition occurs. Since this mechanism has been described in the second embodiment, it is omitted here. Then, upon detecting the overvoltage, the overvoltage detector 31 outputs a signal to the FFT drive circuit of the pulse amplification circuit 13. Upon receiving this signal, the gate control circuit 32 of the FFT drive circuit stops the gate signal and stops the switching operation of the power transistor.
[0064]
Since the switching operation in which the power transistor is turned on / off alternately is stopped, it is possible to prevent the potential of the main circuit of the amplifier from increasing due to the action of the boost chopper. Therefore, the amplifier-type instrument transformer of the present embodiment can prevent the amplifier from failing even at the time of secondary output matching.
[0065]
(4) Fourth embodiment
(4-1) Configuration
This embodiment corresponds to claim 9. That is, the amplifier of the present embodiment is obtained by adding a regenerative circuit 40 to the amplifier of the first embodiment, as shown in FIG. In the figure, the configurations and functions of a power supply circuit 10, a preamplifier circuit 11, a pulse width modulator 12, a pulse amplifier circuit 13, a demodulator 14, and an isolation transformer 4 are the same as those of the amplifier according to the first embodiment, and therefore description thereof is omitted. .
The regenerative circuit 40 is connected between the control power supply 110V in the substation and the power supply circuit (DC / DC converter) 10. The regenerative circuit 40 includes four power transistors, an FFT drive circuit, and an overvoltage detector 41.
[0066]
(4-2) Action / effect
According to the instrument transformer according to the fourth embodiment having the above-described configuration, the following operations and effects can be obtained.
When the amplifying-type instrument transformer is brought into the secondary butting state, a circulating current is injected from the secondary output terminals S1 and S2 of the insulation transformer of one of the instrument transformers. The injected circulating current flows into the DC / DC converter almost without being consumed by the power transistor. The injected circulating current is caused to flow out (regenerate) by the regenerative circuit 40 to the control power supply 110V side in the substation. As a result, the potential rise due to the boost chopper effect does not accumulate, and the potential rise at a level that threatens the breakdown voltage of the amplifier circuit does not occur. Therefore, the amplifier-type instrument transformer of the present embodiment can prevent the amplifier from failing even at the time of secondary output matching.
[0067]
(5) Fifth embodiment
(5-1) Configuration
This embodiment corresponds to claim 2. That is, as shown in FIG. 6, the instrument transformer according to the present embodiment includes an optical sensor 51 added to the instrument transformer according to the first embodiment, and the signal input circuit in the amplifier 3 is connected to the light emitting diode 54 and the photo diode. The optical input / output circuit is constituted by a diode 53, and a signal processing circuit 55 is added to a stage preceding the preamplifier 11. The optical sensor 51 and the amplifier 3 are connected by an optical fiber cable 52. In the figure, the configurations and functions of a power supply circuit 10, a preamplifier circuit 11, a pulse width modulator 12, a pulse amplifying circuit 13, a demodulator 14, and an isolation transformer 4 are the same as those of the amplifier according to the first embodiment, so that the description is omitted. . Further, in the present embodiment, a backflow prevention diode 21 and a power absorption circuit 22 are provided. Since these configurations and functions are the same as those of the second embodiment, the description is omitted.
[0068]
(5-2) Action / effect
According to the instrument transformer according to the fifth embodiment having the above configuration, the following operations and effects can be obtained.
The main circuit voltage V1 is divided by the capacitance divider 2 into a divided voltage Vd. The divided voltage Vd is applied to the optical sensor 51 and is modulated into a light intensity signal. The light intensity modulation signal is converted into an electric signal by the photodiode of the amplifier 3, demodulated into a voltage signal representing the main circuit voltage V1 by the signal processing circuit 55, and sent to the preamplifier circuit 11 at the next stage. Subsequent operations are substantially the same as those of the first and second embodiments, and thus description thereof is omitted.
[0069]
It is obvious that the fifth embodiment described above can similarly obtain the effects obtained in the first and second embodiments. In addition, according to the present embodiment, since the main circuit AC voltage is converted into an optical signal and the optical signal is input to the amplifier, the amplifier which is the electronic circuit and the main circuit of the transmission and transformation equipment is completely insulated by optical insulation. You. Therefore, the intrusion of the surge from the main circuit can be cut off, and a highly reliable instrument transformer can be provided.
[0070]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, an instrument transformer including a voltage divider that divides a main circuit voltage and a power amplifier that amplifies the divided voltage to a predetermined use load power and outputs the same as a secondary output voltage A pulse width modulator that converts an analog voltage signal into a pulse width modulation signal, a power transistor that pulse-amplifies the pulse width modulation signal to a predetermined power, a driving circuit thereof, and a predetermined pulse width modulation signal from the pulse amplified pulse width modulation signal. By using a power amplifier composed of a demodulator that demodulates to a secondary voltage of a frequency component, it is possible to provide an instrument transformer having a highly efficient, small and inexpensive power amplifier.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a system configuration of an instrument transformer according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a detailed configuration of an amplifier of the instrument transformer according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a system configuration of an amplifier of an instrument transformer according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a system configuration of an amplifier of an instrument transformer according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a system configuration of an amplifier of an instrument transformer according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a system configuration of an instrument transformer according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a system configuration of a conventional amplification type instrument transformer.
FIG. 8 is a diagram showing a detailed configuration of an amplifier of a conventional amplification type instrument transformer.
FIG. 9 is an explanatory diagram of a secondary butt of a transformer for an instrument.
[Explanation of symbols]
C1: Main capacitor
C2: voltage dividing capacitor
V1 ... Main circuit voltage
Vd: divided voltage
V2: Secondary output voltage
Q1 to Q4, Q101 to Q110 ... power transistors
1… Amplifier type instrument transformer
1a, 1b ... Instrument transformer
2. Capacity divider
3. Amplifier
4: Insulation transformer
5. Coaxial cable
10 Power supply circuit
11 Preamplifier circuit
12 ... Pulse width modulator
13 ... Pulse amplifier circuit
14 Demodulator
21 ... Backflow prevention diode
22 Power absorption circuit
23: Power absorption resistance
24, 31, 41 ... overvoltage detector
25 ... Semiconductor switch
26 ... Inspection circuit
32 ... Gate signal control circuit
40: Regenerative circuit
51 ... Optical sensor
52 ... Optical fiber cable
53 ... photodiode
54 ... Light emitting diode
101 ... Amplification type instrument transformer
102 ... Voltage divider
103 ... Amplifier
104… Insulation transformer
105 ... Coaxial cable
110 ... power supply circuit
111 ... preamplifier circuit
112 Class B push-pull amplifier circuit
