JP2005318722A

JP2005318722A - 変電設備における高効率化省エネ・システムのための測定計算方法

Info

Publication number: JP2005318722A
Application number: JP2004133526A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Suzuki; 木廣明鈴
Original assignee: KANTO TOKKI KK
Current assignee: KANTO TOKKI KK
Priority date: 2004-04-28
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2005-11-10

Abstract

【課題】電力線に含まれる高調波を抑えるとともに、高負荷時の電力線の有効電力を１に近づけるための改善設備を設計する際に、実際の機器の運転状態でデータの測定を行うことにより、最適な設備設計を可能にする。
【解決手段】実測値データを基に力率改善用のコンデンサの容量を計算し、施工後のデータを測定することにより、実稼動状況の変圧器の特性データを得る。また施工後に負荷が変わり、再度、力率を改善するときには、実績のデータを基に正確な計算が可能となり、最適なコンデンサ容量を決める。
【選択図】図１

Description

本発明は、高圧変電設備または特高変電設備をもつ事業所における力率改善用コンデンサの設置に際して、適切な力率改善効果と高調波対策とを発揮するコンデンサの仕様を設計するための測定計算システムに関する。

高圧変電設備または特高変電設備をもち、多くの電力を消費する事業所において、今日では、スイッチング電源を使う機器の増加により負荷電流に歪が発生し、そのため、電力線に高調波を多く含むようになり、この高調波が電源設備に悪影響を与えて、力率を著しく低下させているのが現状である。

この対策として、構内のリアクトル線分を含む負荷により電力線に発生する高調波に対して、複数のリアクトルとコンデンサを組み合わせた高調波吸収用の受動型のフイルターが提案されているが、高調波の次数別の発生量の絶対値を数値的に把握しないと設計ができないことと、無効電力量の検出機能が無く、力率改善に寄与できず、しかも設備が高価であることなどの問題があり、実際に利用されることは少ない。

また、このような設備を設置するには、事前の調査により、負荷の運転状況の把握、稼動中のデータ採取により適切な規模の機種を選定して設置することが必要であるが、殆どの事業所では、工場建設時の予定稼動設備による電力計画で設計された変電設備のみで運転されており、面倒で、危険を伴う測定をしなければならないことから、負荷の運転状況の把握や、稼動中のデータ採取測定は行われていなかった。

また、工場建設時の予定稼動設備による電力計画においても、変圧器のメーカからのデータを基に計算を行うが、メーカのデータは定格値での測定結果であり、実際の使用状況に於けるデータは異なるものであり、このことが認識されていないという問題があった。さらに、高効率もしくは超高効率変圧器であっても、カタログデータは変圧器メーカの工場における電源設備や一定の負荷条件の環境で測定された数値であり、一般の商用電源における実際の生産設備・負荷条件のもとでは、効率はカタログデータの数値とは異なったものとなる。特に、負荷の種類により発生する高調波が多く含まれると、カタログデータとの差異が大きくなることが認識されていない。このため、改善の余地が残されていることを認識していない事業所が多くあった。

特許文献１には、実際の負荷変動に合わせて、コンデンサ、リアクトルを増減させて力率を１に近づける方法が開示されている。

特開平１０−１７４２９２号公報（第２，３頁、図第１）

交流の電流、電圧が正弦波を描いているが、負荷回路の構成によっては、電流と電圧の波形のピークが図２に示すようにずれる場合がある。

単相交流を例にすると、交流電圧Ｖ、交流電流Ｉは次の式で表わされる。
Ｖ＝Ｖｍｓｉｎωｔ
Ｉ＝Ｉｍｓｉｎ（ωｔ―θ）
ここで、θは位相のずれを表わす。

交流の電力には、皮相電力（単位：ＶＡ）、有効電力（単位：Ｗ）、無効電力（単位：Ｖａｒ）の表わし方がある。

このうち、実際に電気エネルギーとして働くのは有効電力であり、単に電力といった場合有効電力を示す。これらを実効電流Ｉ、実効電圧Ｖ、位相差θを用いて表わすと、以下のとおりである。
皮相電力＝ＶＩ
有効電力＝ＶＩｃｏｓθ
無効電力＝ＶＩｓｉｎθ

このとき、有効電力の皮相電力に対する比である値ｃｏｓθを力率と呼ぶ。

通常、エネルギー使用量などで問題になるのは有効電力であるが、電気設備の設計においては、最大電流、最大電圧を想定した性能が必要になるため、力率が低いと有効電力が少ない場合でも、電気設備としては大きい設備が必要となる。また、力率により電力会社の電気料金が増減されることがある。

力率を低下させる要素として、特に影響されるものを下記に示す。すなわち、
力率の低下（損失の増加）要素
１−負荷特性（無効電力による皮相電力の増加）。
２−利用率による変圧器効率特性とのズレ。
３−２次電圧の低下（定格電圧比）による電流増。
４−供給電源側の電圧歪み（高調波電圧歪み）による損失増。
５−相電圧の不平衡。
６−負荷設備より発生する電流歪み（高調波電流歪み）による損失増。
７−負荷バランスによる不平衡電流。

これらの条件や値は実際に電力を使う事業所により異なるので、変圧器のカタログデータを基にした理論値による計算では、効率の良い変電設備を実現するのが困難な状況である。
受電用変圧器に高調波電流が流入する場合の損失発生メカニズムは未だ解明されていない部分がある。本発明では、高調波電流による損失を分離計測できる装置を開発するための解析計算システムを含む。

本発明の目的は、以上の問題を解決するため、電力線に含まれる高調波を抑えるとともに、高負荷時の電力線の有効電力を１に近づけるための改善設備を設計する際に、実際の機器の運転状態でデータの測定を行うことにより、最適な設備設計を可能にする変電設備における力率改善のための測定計算システムを提供することにある。

電源設備における変圧器の１次側及び２次側における基本波電力の最大値、最小値、平均値と位相差の変化量及び高調波電力の次数別実効値と流入および流出の方向性を時系列的に測定する測定装置と、前記測定装置を制御する制御装置とからなり、前記制御装置は、基本波電力の最大値、最小値、平均値と位相差の変化量及び高調波電力の次数別実効値と流入および流出の方向性との時系列データの測定結果を実測値データとして記録するデータ蓄積部を備え、同時系列における変圧器の１次入力および２次出力の電力量データと位相差の測定結果の実測値データを記録したデータ蓄積部から、そのデータを読み出し変圧器の効率を計算するステップを実行し、計算結果をデータ蓄積部に格納する効率計算手段と、前記データ蓄積部から読み出した測定結果の実測値データから位相差を最小とするのに必要なコンデンサ容量を計算するステップを実行し、計算結果をデータ蓄積部に格納し、かつディスプレイ上に表示する最適容量計算手段と、前記計算されたコンデンサ容量を基に、使用するコンデンサの容量を決定し、その値のコンデンサを挿入したときに、前記測定結果の実測値データを基に予測される位相差の改善度を計算するステップを実行し、計算結果をデータ蓄積部に格納し、ディスプレイ上に表示する改善度算定手段と、コンデンサの設置後に再度電源設備における変圧器の１次入力および２次出力の電力量データと位相差を前記測定装置により測定し、測定結果を改善後のデータとして設置前の実測値データから検索可能なキーを付けるステップを実行し、結果をデータ蓄積部に格納する改善実績記録手段とを備えたことを特徴とする。

前記制御装置は、さらに、現状の設備を調査したデータをデータ入力装置から入力して、過去に蓄積されたデータから現状の設備に近いデータを検索するステップを実行して結果を表示装置に表示する類似事例検索手段を備え、力率改善に適するコンデンサの容量を計算し、予測される力率の改善度を計算し電源設備における位相差の改善度の予測値を出力することを特徴とする。

本発明は、過去に蓄積された実測値のデータを基に、変圧器の効率を計算して補正処理を行うことにより、事前に予測される力率の改善度を実際の改善度に近づけることができる。

変圧器に流出入する高調波電力はその方向性によって変圧器の鉄損と漂遊損に多大の影響を及ぼす結果が実測値で立証されているが、前記変圧器の効率を改善するための低圧コンデンサにより、副次効果として高調波電力が約３０〜４５％抑制される結果をもたらす、この計算測定システムによってこの効果予測・判定も同時に行うことが可能となる。

このように適切な容量のリアクトルとコンデンサを選択し、設備することにより、無駄な投資をすることが無くなる。

さらに、施工した後に電力需要の変化が起きて、再度力率改善を行うときには、実測値を基に計算した変圧器の特性データから正確な力率改善のためのコンデンサの容量を計算することが可能となる。

力率改善を実施する時は、図１に示すように、最初に現状の使用状態に於ける機器の調査のために、測定装置１０１を変圧設備１０２の１次側及び２次側に接続して同時系列における変圧器の１次入力および２次出力の電力量データと位相差を測定し、データを制御装置内のデータ蓄積部に記録する。測定の期間は約１週間として、その期間の１次入力および２次出力の電力量データと位相差を測定・記録して、これを現状の実測値データとする。

図３で示すように測定装置１０１は制御装置３０１に接続されて、制御装置は測定項目の指定をし、測定したデータの入力が可能である。

制御装置３０１は、データ蓄積部３０３を内蔵し、データ入力装置３０４、データ出力装置３０５が接続された構造となっている。

機器の調査は、変圧器のメーカ名、型式、負荷の中で容量の大きいモータ、電源設備などを調査・記録してデータ入力装置３０４から入力して、現状の設備データとしてデータ蓄積部に記録する。

次に、力率改善の計算方法について図４のフローチャートに沿って述べる。
過去に蓄積されたデータベースの設備データの中から、現状の設備データの変圧器と比較して、最適なデータを参照データとして探す手順は下記のとおりである。

現状の設備データから変圧器のメーカ名を読み出し（Ｓ４０１）、蓄積されているデータの中に同じメーカが登録されているかを探す（Ｓ４０２）。

同じメーカのデータが有る場合には、同じ型式のものが登録されているかを探す（Ｓ４０３）。同じ型式のデータが存在する場合には、参照データとして、蓄積されているデータを使う（Ｓ４０６）。

同じメーカで同じ型式のデータが無い場合には、同じメーカで容量が近い変圧器のデータが蓄積されているかを探す（Ｓ４０４）。

容量が近い変圧器のデータが蓄積されている場合には、参照データとして、蓄積されているデータを使う（Ｓ４０７）。

現状の設備データから変圧器のメーカ名を読み出し、蓄積されているデータの中に同じメーカが登録されていない場合には、他のメーカの変圧器のデータから変圧器の容量が近いデータが蓄積されているかを探す（Ｓ４０５）。

容量が近い他メーカのデータが蓄積されている場合には、参照データとして、蓄積されているデータを使う（Ｓ４０８）。

蓄積されている変圧器のデータに該当するデータが無い場合には、予め設定したデータを参照データとして登録する（Ｓ４０９）。

参照データを基に変圧器の効率を計算して、現状の時系列データから電力消費の大きい時間帯の負荷を計算して、この値から力率改善用のコンデンサの容量を計算して、使用するコンデンサを決める（Ｓ４１１）。

次に、現状の変圧器、使用するコンデンサ、現状の使用状況の負荷から、予測される使用状況を計算して、その結果データを蓄積部３０３に記録するとともに、データ出力装置３０５に出力する。出力結果から無効電力の値を求め力率が改善されていることを確認する（Ｓ４１２）、（Ｓ４１３）。

次に、計算により求めた容量のコンデンサを用意して、実際の現場で取付工事を施工した後に、再度、図１で示すように、変圧設備の１次側、２次側に測定装置１０１を接続して、電力データの測定・記録を行う。
測定の期間は約１週間で、その間、１次入力および２次出力の電力量データと位相差の測定・記録を行い、これを施工後の実測値データとして記録保存する（Ｓ６０１）。

現状の実測値データと施工後の実測値データから効率の差異を計算する（Ｓ６０１）。
計算した予測値との差異が発生する要素として、影響が大きい要素は、電力品質又は力率である。

実測値データから稼動状態での変圧器の効率を計算する（Ｓ６０３）。
実際の使用電力時の変圧器の効率を計算して、施工した変圧器の実際の使用電力に於ける効率として測定データに関連付けて記録する（Ｓ６０４）。

以上述べたように、実測値データを基に力率改善用のコンデンサの容量を計算し、施工後のデータを測定することにより、実稼動状況の変圧器の特性データを得ることができ、施工後に負荷が変わり、再度、力率を改善するときには、実績のデータを基に正確な計算が可能となり、最適なコンデンサ容量を決めることができる。

また、以前のデータが蓄積されていない場合でも、同一メーカで容量の異なる変圧器の実測データ、又は他社の変圧器で容量の近い実測データを参照データとして計算することにより、コンデンサの容量計算結果を実稼動に近づけることが可能となる。

本発明のによるシステムの要部を示すブロック回路図である。交流に於ける位相差を表わす図である。同システムのブロック図である。施工前の測定・計算のフローチャートである。図４の続きのフローチャートである。施工後のフローチャートである。

符号の説明

１０１測定装置
１０２変圧器
１０３負荷１
１０４負荷２
３０１制御装置
３０３データ蓄積部
３０４データ入力装置
３０５データ出力装置

Claims

電源設備における変圧器の１次側及び２次側における基本波電力の最大値、最小値、平均値と位相差の変化量及び高調波電力の次数別実効値と流入および流出の方向性を時系列的に測定する測定装置と、前記測定装置を制御する制御装置とからなり、
前記制御装置は、基本波電力の最大値、最小値、平均値と位相差の変化量及び高調波電力の次数別実効値と流入および流出の方向性との時系列データの測定結果を実測値データとして記録するデータ蓄積部を備え、
同時系列における変圧器の１次入力および２次出力の電力量データと位相差の測定結果の実測値データを記録したデータ蓄積部から、そのデータを読み出し変圧器の効率を計算するステップを実行し、計算結果をデータ蓄積部に格納する効率計算手段と、
前記データ蓄積部から読み出した測定結果の実測値データから位相差を最小とするのに必要なコンデンサ容量を計算するステップを実行し、計算結果をデータ蓄積部に格納し、かつディスプレイ上に表示する最適容量計算手段と、
前記計算されたコンデンサ容量を基に、使用するコンデンサの容量を決定し、その値のコンデンサを挿入したときに、前記測定結果の実測値データを基に予測される位相差の改善度を計算するステップを実行し、計算結果をデータ蓄積部に格納し、ディスプレイ上に表示する改善度算定手段と、
コンデンサの設置後に再度電源設備における変圧器の１次入力および２次出力の電力量データと位相差を前記測定装置により測定し、測定結果を改善後のデータとして設置前の実測値データから検索可能なキーを付けるステップを実行し、結果をデータ蓄積部に格納する改善実績記録手段とを備えたことを特徴とする変電設備における高効率化省エネ・システムのための測定計算方法。
前記制御装置は、さらに、現状の設備を調査したデータをデータ入力装置から入力して、過去に蓄積されたデータから現状の設備に近いデータを検索するステップを実行して結果を表示装置に表示する類似事例検索手段を備え、
力率改善に適するコンデンサの容量を計算し、予測される力率の改善度を計算し電源設備における位相差の改善度の予測値を出力することを特徴とする請求項１に記載の変電設備における高効率化省エネ・システムのための測定計算方法。