JP2008017628A

JP2008017628A - 過電流保護システム

Info

Publication number: JP2008017628A
Application number: JP2006186487A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Tsukima; 満月間
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-07-06
Filing date: 2006-07-06
Publication date: 2008-01-24

Abstract

【課題】広範な事故電流領域（過電流〜短絡電流）にて信頼性の高い過電流保護を実現し、かつ遮断器が大型化しないようにする。
【解決手段】主回路を開閉する電磁操作式遮断器、開極駆動コイル103に給電されることによって前記電磁操作式遮断器を開極駆動する電磁アクチュエータ１、前記主回路の２相以上の各相に設けられた変流器12u，12w、前記変流器の出力から前記主回路の過電流を検出する過電流検出手段15，16、および前記各変流器に対応して設けられ前記過電流検出手段の過電流検出出力によって前記各変流器の出力電流に対応した各整流出力を前記電磁アクチュエータの前記開極駆動コイルに給電する整流手段7,8を備えた過電流保護システム。
【選択図】図１

Description

この発明は、過電流時に電磁操作式遮断器を電磁アクチュエータによって開極駆動する過電流保護システムに関するものである。

まず、電磁アクチュエータ（「電磁操作装置」、「電磁駆動装置」とも言われる）について説明する。
近年、遮断器の新しい操作機構として、従来の油圧操作機構やばね操作機構に代わって、電磁操作機構が用いられるようになってきた。例えば、ばね操作機構の場合、ばねを人力やモータにて蓄成しばねを蓄成した状態でラッチ機構にて保持する。このラッチ機構を解除することにより、ばねの蓄成エネルギーを解放して遮断器を駆動させる。このラッチ機構は人力にて動作させることができ、また、遠隔操作の場合は引外しコイルにて操作させることができる。これに対して、電磁操作機構とは、永久磁石式電磁アクチュエータが遮断器を直接操作し、永久磁石の磁気吸引力にてラッチするものであり、例えば、特許文献１のようなものが知られている。

次に、高圧の主回路の遮断器による過電流保護システムについて説明する。
高圧の主回路の遮断器による過電流保護システムには、引外し方法によって分類すると大きく２つの方法がある、すなわち、電圧引外し方式と、変流器２次電流引外し方式である。いずれも遮断器を引外し、主回路電流を遮断するものであるが、引外しコイルを動作させる電源が異なる。
電圧引外し方式はバッテリ、あるいはコンデンサの電荷を電源としてトリップコイルを動作させる。
一方、変流器２次電流引き外し方式（以下電流引外し方式）は、主回路に介装された主変流器の２次電流を過電流保護継電器が受け、その電流の大きさを検出するのと同時にその電流によって遮断器のトリップコイルを動作させるという方法である。この方法は、電圧ひき外し方式と比べて、特別な電源を必要としないことから、安価なシステムを構成することができ、従来より６ｋV受電設備において多数使用されてきた。
ところが、電流引外し方式にはいくつかの課題があるので、以下、電流引外し方式について詳述する。

図６〜８は従来の電流引外し方式の過電流保護方式および過電流保護システム説明するための回路図である。
図６は主回路3u，3v，3wに３つの変流器12u，12v，12wが配置された場合、図７は２つの変流器12u，12wが配置された場合であり、３相回路の場合、過電流が１相だけに流れるということがないため、経済的な理由から変流器２つの場合が一般的である。
また、変流器の２次回路は、変流器が３つの場合はスター結線（図６参照）やデルタ結線（図示省略）のいずれか、変流器が２つの場合はV結線（図７参照）が用いられる。
また、安全性の観点から２次側は接地される（図６、図７参照）。

図８は、図７の過電流継電器51の詳細を示した回路図である。
図８において、過電流継電器は、電磁コイル15と、この電磁コイル15により開閉される常開接点15aと、電磁コイル30と、この電磁コイル30により開閉される常開接点30aおよび常閉接点30ｂとからなる回路と、電磁コイル16と、この電磁コイル16により開閉される常開接点16aと、電磁コイル31と、この電磁コイル31により開閉される常開接点31aおよび常閉接点31ｂとからなる回路の２つの回路を備えている。
これら２つの回路は、図８に図示のように、それぞれ、主回路３U、３Wに介装された主変流器12U、12Wの２次巻線に、並列接続される。
さらに、２つの常閉接点30ｂ，31ｂの両端子は、遮断器内部に設置されたトリップコイル51T1、51T2に接続される。トリップコイル51T1、51T2は、励磁されることによってラッチ機構を解除し、予め蓄成（蓄）されたばねエネルギーにて遮断器接点が開極し、主回路3U、3V、3Wが開放される。

一方、低圧では遮断器内部に変流器や継電器を一括して備えるため、配線方法や接地は比較的自由度が高く、遮断器メーカにて様々な結線方法が適用されている（特許文献２、３）。
しかし、高電圧の場合、遮断器、継電器、変流器が分離し、これら遮断器、継電器、変流器が第３者によって結線作業されるため、安全性に配慮する必要があるとともに、結線方法は遮断器の種類によらず共通化されている。

特開2004-146333号公報（7頁10〜10頁15、図1〜図４）特許出願公開昭59-201625（第２図）特許出願公開昭62-173918（第１図）

従来例に示すラッチを解除させるばね操作機構の場合は、ラッチを解除させるだけであるので小型の引外しコイルを動作させるのみでよいのに対して、遮断器の可動部全体を開極駆動する電磁アクチュエータを動作させるには、比較的大きな駆動エネルギーが必要である。
さらに、事故時の主回路の電流値は一般に予想しがたく、定格通電電流よりも大きく且つ短絡レベル以下の広い電流領域を保護する必要がある。事故電流が小さいと変流器出力も小さく電磁操作機構を動作させるのに十分な操作エネルギーを確保しにくく、また、短絡電流のような大きな電流レベル場合は、変流器の鉄心が激しく飽和するため出力波形が歪み、実効値としては上昇しない。

このように、電磁操作式遮断器を用いた過電流保護システムにおいて、すべての事故電流（異常電流）レベルで信頼性の高い動作を確保するのは難しかった。
また、単相回路でない多相回路の場合（３相回路など）、変流器もまた複数あるため、従来の場合だと１つの遮断器の操作機構に対して複数の引外しコイルを配置する必要があり、大型化する課題があった。

もちろん、電磁操作機構を複数配置することも遮断器を大型化し、操作機構を冗長にしてしまう。かといって、１つの引外しコイル（ないしは電磁操作機構）に複数の変流器出力を並列に接続してしまうと、例えば３相回路の場合、３つの変流器出力を並列すると、トリップコイルに流れる電流はゼロとなってしまう。また、３相のうちの２つの変流器出力だけ並列に接続した場合でも、その２相が短絡するとやはり出力はほとんどゼロとなってしまう。

従って、特に電磁操作式遮断器の場合、遮断器を大型化させないためにも、これまでとは異なる接続方式の開発が重要である。

また、高圧設備においては、前述のように保護システムが内蔵された低圧遮断器とは異なり、変流器、継電器、遮断器が分離し、かつ、これらの結線作業は第３者によるため、安全性の観点から結線方法は共通化される必要がある。

この発明は、前述のような実情に鑑みてなされたもので、広範な事故電流領域（過電流〜短絡電流）にて信頼性の高い過電流保護を実現し、かつ遮断器が大型化しないようにすることを目的とするものである。

この発明に係る過電流保護システムは、主回路を開閉する電磁操作式遮断器、開極駆動コイルに給電されることによって前記電磁操作式遮断器を開極駆動する電磁アクチュエータ、前記主回路の２相以上の各相に設けられた変流器、前記変流器の出力から前記主回路の過電流を検出する過電流検出手段、および前記各変流器に対応して設けられ前記過電流検出手段の過電流検出出力によって前記各変流器の出力電流に対応した各整流出力を前記電磁アクチュエータの前記開極駆動コイルに給電する整流手段を備えたものである。

この発明は、主回路を開閉する電磁操作式遮断器、開極駆動コイルに給電されることによって前記電磁操作式遮断器を開極駆動する電磁アクチュエータ、前記主回路の２相以上の各相に設けられた変流器、前記変流器の出力から前記主回路の過電流を検出する過電流検出手段、および前記各変流器に対応して設けられ前記過電流検出手段の過電流検出出力によって前記各変流器の出力電流に対応した各整流出力を前記電磁アクチュエータの前記開極駆動コイルに給電する整流手段を備えているので、電磁アクチュエータを冗長かつ大型化させることなく、広範な過電流領域において信頼性の高い動作をする過電流保護システムを実現できる効果がある。

実施の形態１．
以下この発明の実施の形態１を、高圧回路の過電流保護システムの事例を示す図１により説明する。

図１において、３相の主回路3U，3V，3Wには、遮断器の接点部2および変流器12u，12Wが介装されている。

遮断器の接点部2の可動接点は、電磁アクチュエータ1によって開閉駆動されて開閉動作する。電磁アクチュエータ1は、後述のこの発明の実施の形態４に例示してあるが、前述の特許文献１により詳しく説明されている。

変流器12uは、３相の主回路3U，3V，3WのうちのU相の電流を検出する手段である。変流器12uの２次巻線の両出力端に、直列接続された常閉接点15b，16ｂが直列接続されている。更に、変流器12uの片方の出力端には、常閉接点15bを制御する電磁コイル15が直列に接続されている。
また、変流器12Wにも同様に、常閉接点15b，16ｂと、常閉接点16bを制御する電磁コイル16とが接続されている。

変流器12uの両出力端間には、一方の出力端の直列接続の常閉接点15b，16ｂの変流器側および他方の出力端の直列接続の常閉接点15b，16ｂの変流器側に跨って交流入力端が接続された整流手段である整流器7が接続されている。

同様に、変流器12wの両出力端間には、一方の出力端の直列接続の常閉接点15b，16ｂの変流器側および他方の出力端の直列接続の常閉接点15b，16ｂの変流器側に跨って交流入力端が接続された整流手段である整流器8が接続されている。

整流器7，8の各整流出力は直列に接続されて、電磁アクチュエータ1の駆動コイル１０３に接続されている。

なお、通常は、変流器の２次電流等の電気量が常閉接点15b、16ｂおよび電磁コイル15，16を通して、電力計や電流計等の電気量表示手段17によって表示される。

ここで、電磁コイル15、16は、当該コイルに設定電流以上流れたときにそれらの常閉接点15b、16bを開成するようにしておく。主回路３Uまたは３Wに過電流が流れ電磁コイル15または16の励磁電流が設定電流以上に増大すると、常閉接点15bまたは16bが開成するため、変流器２次電流は整流器7または8側に転流し、その整流された直流出力が電磁アクチュエータ1の駆動コイル１０３に流れて遮断器がトリップする（即ち、接点部２の可動接点が開極する）。

このような構成によれば、遮断器を開極駆動する電磁アクチュエータ１を１つの電磁アクチュエータで構成できるため、従来例のように複数のトリップコイル51Ｔ1，51Ｔ2（図８参照）を用意する必要がなく、電磁アクチュエータを複数設ける必要も無く、遮断器全体を大型化させる必要がない。また、U相とW相との２相短絡ないしは３相短絡事故においても、電磁アクチュエータ１への励磁電流は打ち消されて低下することはない。従って、事故形態如何による動作への影響は小さい。

実施の形態２．
本実施の形態２は、高圧回路の過電流保護システムの事例を示す図２に示すように、整流器7，8の各整流出力を並列に接続して、電磁アクチュエータ1の駆動コイル１０３に接続した事例である。

このような構成にしても、前述のこの発明の実施の形態１と同様に、遮断器を開極駆動する電磁アクチュエータ１を１つの電磁アクチュエータで構成できるため、従来例のように複数のトリップコイル51Ｔ1，51Ｔ2（図８参照）を用意する必要がなく、電磁アクチュエータを複数設ける必要も無く、遮断器全体を大型化させる必要がない。また、U相とW相との２相短絡ないしは３相短絡事故においても、電磁アクチュエータ１への励磁電流は打ち消されて低下することはない。従って、事故形態如何による動作への影響は小さい。

なお、本実施の形態２においては特に、これらU相とW相との２相短絡ないしは３相短絡事故の場合、整流器出力を並列接続して電磁アクチュエータ１に給電するので、電磁アクチュエータ１の励磁電流のエネルギーを倍増させることができる。事故電流が大きくなると、変流器の鉄心が飽和するため波形は正弦波ではなくなり、実効値は小さくなるが、本実施の形態ではU，W相２相の変流器出力電流が整流器出力側で足しあわされるため、電磁アクチュエータ１の励磁電流の実効値を大きく確保できる。

実施の形態３．
前述のこの発明の実施の形態２は、変流器が２つ、12u，12w、の場合について例示してあり、例えば、UV相の２相短絡では、電磁アクチュエータ１の励磁電流は倍増されないが、図３に示す本実施の形態３のように、主回路3Vにも変流器12vを設けると共に前述と同様に変流器12vの出力端に、電磁コイル２３と整流手段である整流器18とを設け、３相各相の整流器7，8，18の各整流出力を並列接続して電磁アクチュエータ１の駆動コイル１０３に接続すれば、３相分の励磁電流が足しあわされて電磁アクチュエータ１の駆動コイル１０３供給されるため、励磁電流の実効値を大きく確保でき、動作信頼性を高めることができる。
なお、本実施の形態３では、図３に示すように、変流器12u，12v，12wの各一方の出力端および他方の出力端の何れにも同じ常閉接点の直列回路、即ち常閉接点15b，16b，23bの直列回路、が直列接続されている。

実施の形態４．
前述のこの発明の実施の形態１〜３は、何れも複数相の各変流器の出力の電気回路的な結合方式を例示したものであるが、電磁アクチュエータ内部で磁気的に結合した事例が本実施の形態４である。図４および図５は本実施の形態４を示す図であり、図４は高圧回路の過電流保護システムの事例を示す回路図、図５は電磁アクチュエータの事例を示す断面図である。

電磁アクチュエータ１は、主として、特許文献１に例示の永久磁石（図示省略）と、可動鉄心100と、固定鉄心（ヨーク）101と、可動鉄心100を駆動させるための駆動コイル102、103とから構成され、可動鉄心100に固着された可動ロッド100ａは、遮断器の接点部2の可動接点を開閉駆動する。つまり、可動ロッド100ａの動力エネルギーで遮断器の接点部2の可動接点を開閉駆動する。

ここで、102を投入動作用駆動コイル、103を開極動作用の開極駆動コイルとすると、図５および図６に例示するように同じ開極駆動コイルを２つ（103a、103b）設けることにより、整流手段である整流器7，8の整流出力を電磁アクチュエータ１内で磁気的に結合すれば、前述のこの発明の実施の形態１〜３に例示してあるような電気回路による結合が不必要になる。なお、それぞれ異なる開極駆動コイル103a、103bは、図５に＋−で示してあるように同極性に個別に給電される。

従って、本実施の形態４における過電流保護システムの回路は、図４に示すように、例えば２つの相2u，2wに対応する変流器12u，12wの２次側回路を独立にできるため、回路構成を簡単化できる。
つまり、変流器12uの出力端の回路は、電磁コイル１５と、その常閉接点15bと、常閉接点15bに交流入力が並列接続された整流手段である整流器７だけで構成され、前述の実施の形態１および２のように、変流器12uの一方の出力端および他方の出力端の双方に常閉接点15b，16bの直列回路を直列接続するといった複雑な回路構成は不要となる。変流器12wの出力端の回路についても同様である。

本実施の形態４のような構成によれば、電磁アクチュエータ１は開極コイルが２つ必要であるあるのでその分だけ大きくなるが、過電流保護システムの回路構成を簡単にすることができる。また、動作信頼性もまた、上記実施の形態と同様の効果が期待できる。

なお、前述のこの発明の実施の形態１〜４において、各図中の同一符号は同一又は相当部分を示す。

また、特許文献１における図５、図１５、図１６に例示されている開極動作をアシストするバネ１２を、前述の実施の形態１〜４における電磁アクチュエータ１に適用してもよい。その場合、以下のような特徴の構成となる。

即ち、固定鉄心枠と、前記固定鉄心枠に対して往復運動可能な状態で支持される可動鉄心と、この可動鉄心を、前記固定鉄心枠とで磁気回路を構成することで前記固定鉄心枠に吸着保持させるための永久磁石と、前記可動鉄心を駆動させるための駆動コイルから構成される電磁アクチュエータと、前記電磁アクチュエータの可動鉄心に固着した出力軸に連結された可動接点と、前記可動接点と接離可能な固定接点から構成され、前記主回路を開閉するための接点対と、前記可動接点部を付勢するためのバネとから（少なくとも）構成される電力用遮断器と、前記多相主回路のうちの少なくとも１相以上に設けた変流器と、前記各々の変流器の２次電流が設定値を超えるか否かを検出する手段とから構成される過電流保護システムにおいて、前記変流器の２次回路出力の両方を切替える切替え手段を有し、かつ、切替えられた回路を流れる電流を整流する手段を有し、かつ、その整流された出力を直列に接続し、前記電磁アクチュエータの駆動コイルに導入することを特徴とした過電流保護システムであって、１つのアクチュエータで多相回路の過電流保護システムを構築できるため遮断器を大型化させる必要がなく、また、確実な過電流保護動作を得ることができる。

また、多相主回路と、固定鉄心枠と、前記固定鉄心枠に対して往復運動可能な状態で支持される可動鉄心と、この可動鉄心を、前記固定鉄心枠とで磁気回路を構成することで前記固定鉄心枠に吸着保持させるための永久磁石と、前記可動鉄心を駆動させるための駆動コイルから構成される電磁アクチュエータと、前記電磁アクチュエータの可動鉄心に固着した出力軸に連結された可動接点と、前記可動接点と接離可能な固定接点から構成され、前記主回路を開閉するための接点対と、前記可動接点部を付勢するためのバネとから（少なくとも）構成される電力用遮断器と、前記多相主回路のうちの少なくとも１相以上に設けた変流器と、前記各々の変流器の２次電流が設定値を超えるか否かを検出する手段とから構成される過電流保護システムにおいて、前記変流器の２次回路出力の両方を切替える切替え手段を有し、かつ、切替えられた回路を流れる電流を整流する手段を有し、かつ、その整流された出力を並列に接続し、前記電磁アクチュエータの駆動コイルに導入することを特徴とした過電流保護システムであって、１つのアクチュエータで多相回路の過電流保護システムを構築できるため遮断器を大型化させる必要がなく、また、確実な過電流保護動作を得ることができる。

また、多相主回路と、固定鉄心枠と、前記固定鉄心枠に対して往復運動可能な状態で支持される可動鉄心と、この可動鉄心を、前記固定鉄心枠とで磁気回路を構成することで前記固定鉄心枠に吸着保持させるための永久磁石と、前記可動鉄心を駆動させるための駆動コイルから構成される電磁アクチュエータと、前記電磁アクチュエータの可動鉄心に固着した出力軸に連結された可動接点と、前記可動接点と接離可能な固定接点から構成され、前記主回路を開閉するための接点対と、前記可動接点部を付勢するためのバネとから（少なくとも）構成される電力用遮断器と、前記多相主回路のうちの少なくとも１相以上に設けた変流器と、前記各々の変流器の２次電流が設定値を超えるか否かを検出する手段とから構成される過電流保護システムにおいて、前記電磁アクチュエータは複数の同じ駆動コイル有し、前記各相に設けられた変流器の２次電流が、整流された後、前記電磁アクチュエータの駆動コイルに別々に接続されたことを特徴とした過電流保護システムであって、１つのアクチュエータで多相回路の過電流保護システムを構築できるため遮断器を大型化させる必要がなく、また、確実な過電流保護動作を得ることができる。

さらに、電磁アクチュエータの開局駆動コイル両端にサージアブソーバを併用すれば、励磁電流のピークを低減しつつ励磁電流エネルギーを確保することができる。電磁アクチュエータの動作には電流エネルギーが必要であり、高周波電流（過大なピーク値）は、２次回路の絶縁耐力に悪影響があるため、寧ろ不要であるである。

また、前述のこの発明の実施の形態４における図５においては、u，v２相に対応の開極駆動コイル103a，103bを、同心状に配設した事例を例示してあるが、開極駆動コイル103a，103bは軸方向に同軸状に並設することもできる。

この発明の実施の形態１を示す図で、高圧回路の過電流保護システムの事例を示す回路図である。この発明の実施の形態２を示す図で、高圧回路の過電流保護システムの事例を示す回路図である。この発明の実施の形態３を示す図で、高圧回路の過電流保護システムの事例を示す回路図である。この発明の実施の形態４を示す図で、高圧回路の過電流保護システムの事例を示す回路図である。この発明の実施の形態４を示す図で、電磁アクチュエータの事例を示す断面図である。変流器が３つ使用される場合の従来の過電流保護方式を示す図である。変流器が２つ使用される場合の従来の過電流保護方式を示す図である。図７の過電流継電器５１の詳細を示す回路図である。

符号の説明

１電磁アクチュエータ、２遮断器の接点部、
3U，3V，3W 主回路、７整流器（整流手段）、
８整流器（整流手段）、 12u，12v，12w 変流器、
１５，１６，２３電磁コイル、 15b，16b，23b 常閉接点、
１７表示手段 100 可動鉄心、
100a 可動ロッド、 101 固定鉄心（ヨーク）、
102 投入動作用駆動コイル、 103，103a，103b 開極駆動コイル。

Claims

主回路を開閉する電磁操作式遮断器、開極駆動コイルに給電されることによって前記電磁操作式遮断器を開極駆動する電磁アクチュエータ、前記主回路の２相以上の各相に設けられた変流器、前記変流器の出力から前記主回路の過電流を検出する過電流検出手段、および前記各変流器に対応して設けられ前記過電流検出手段の過電流検出出力によって前記各変流器の出力電流に対応した各整流出力を前記電磁アクチュエータの前記開極駆動コイルに給電する整流手段を備えた過電流保護システム。
請求項１に記載の過電流保護システムにおいて、前記各整流手段の出力が直列接続されて前記開極コイルに給電されることを特徴とする過電流保護システム。
請求項１に記載の過電流保護システムにおいて、前記各整流手段の出力が並列接続されて前記開極コイルに給電されることを特徴とする過電流保護システム。
請求項１に記載の過電流保護システムにおいて、前記開極コイルが複数個設けられ、前記各整流手段の出力が、それぞれ異なる開極駆動コイルに同極性に個別に給電されることを特徴とする過電流保護システム。