JP2008042991A - ループ化配電系統 - Google Patents

Abstract

【課題】 樹枝状配電系統を施工面と費用面共に実現容易にループ化する配電系統の提供。
【解決手段】 樹枝状配電系統の各回線の配電線３を結合する結合開閉器の位置に１台ずつ常時閉路の電路開閉機器２０を施設し、各電路開閉機器２０それぞれに高速故障検出装置３０を付設する。電路開閉機器２０は、高速化された結合開閉器、結合遮断器である。高速故障検出装置３０は、配電線３の任意の区間における地絡や短絡などの故障を、変電所継電器ＰＲ１〜ＰＲ３が検出して動作する前に検出して、常時閉路の電路開閉機器２０を開路する時限が変電所継電器より短い高速開閉装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、配電用変電所に連系された複数回線の配電線をループ状に連系したループ化配電系統に関する。

近年、配電系統の複数回線の各配電線に負荷と共に施設される分散型電源の種類、数が増え、配電系統への分散型電源の連系容量が増大する傾向にある。分散型電源は、一般家庭に多い太陽電池や、工場などの燃料電池、コージェネレーション発電機などで、配電系統の配電・給電システムを複雑化している。分散型電源の連系容量増大の状況に対し、現在の配電系統は一般に樹枝状系統が採用されていることから、配電系統の電圧管理や効率的運用が困難になりつつある。そこで、樹枝状配電系統では、分散型電源の連系容量増大に伴う電力の逆流の影響を抑制するための方策の一つとして、ループ化が行われている。樹枝状配電系統の隣接する配電線をループ状に結合してループ化配電系統に切り換え、１回線の配電線における分散型電源による電力逆流を他回線の配電線に分流させて抑制することが行われている。

また、一般的な樹枝状配電系統では、複数回線の各配電線を自動区分開閉器で複数の区間に区切っている。複数回線の各配電線における任意区間の地絡や短絡などの故障時に、変電所遮断器の再閉路・再々閉路を行う。この再閉路・再々閉路に連動させた自動区分開閉器の時限順送方式により、故障区間を検出し区分している。このような樹枝状配電系統において、現状の保護システムのままで配電系統をループ化すると、１箇所の区間の故障で他の配電線も遮断して停電し、電力供給の信頼度が低下する問題が生じる。従って、樹枝状配電系統をループ化するためには、故障区間のある回線から他回線への停電波及を防止する特別な保護システムが必要とされている。

例えば、図２に樹枝状配電系統の構成を示す。同図の配電系統は、配電用変電所１の変圧器２に３回線の配電線３を連系している。１回線の配電線３は、変電所継電器ＰＲ１および変電所遮断器ＣＢ１と、２箇所の自動区分開閉器ＳＷ１−１、ＳＷ１−２、線尾の常時開路の結合開閉器ＴＳ３を備える。１回線の配電線３は、２箇所の自動区分開閉器で３区間Ｓ１−１、Ｓ１−２、Ｓ１−３に区切られる。３回線の各配電線３の各区間Ｓ１−１〜Ｓ１−３、Ｓ２−１〜Ｓ２−３、Ｓ３−１〜Ｓ３−３は、相互に常時開路の結合開閉器ＴＳ１、ＴＳ２、ＴＳ３で結合される。各結合開閉器ＴＳ１〜ＴＳ３が常時開であることで、３回線の配電線３が樹枝状に連系される。各配電線３には、図２の鎖線で示すような負荷５と分散型電源６が様々な形態で連系される。

また、図２の配電系統には、配電自動化システム１０が施設される。配電自動化システム１０は、中央装置１１と通信ネットワーク１２と、複数の開閉器子局１３、１４で構成される。一方の開閉器子局１３は、各自動区分開閉器の開閉制御機器を兼ねる。他方の開閉器子局１４は、各結合開閉器の開閉制御機器を兼ねる。これら子局１３，１４が通信ネットワーク１２で中央装置１１に繋がり、配電系統を後述するように遠隔操作する。なお、配電自動化システム１０は、遠隔操作を必要としない配電系統においては施設されず、開閉器子局１３，１４のみが対応する開閉器に付設される。

図２の配電系統において、任意の例えば配電線３の区間Ｓ１−２で地絡または短絡の故障が発生した場合、この故障区間の検出と区分は次のように行われる。故障が発生すると、故障発生の配電線３の変電所継電器ＰＲ１が故障を検出し、対応する変電所遮断器ＣＢ１を遮断（開路）する。同時に常時閉路の自動区分開閉器ＳＷ１−１、ＳＷ１−２が開路する。この開路から一定時間経過後に、開路状態にある変電所遮断器ＣＢ１が再閉路し、変電所遮断器ＣＢ１の下流の区間Ｓ１−１に送電する。この送電で自動区分開閉器ＳＷ１−１が充電され、一定時間後に自動区分開閉器ＳＷ１−１が閉路して、次の区間Ｓ１−２に送電する。このとき、区間Ｓ１−２が（故障原因が無くなり）健全であれば、自動区分開閉器ＳＷ１−２は自動区間開閉器ＳＷ１−１と同様の動作を繰り返す。また、区間Ｓ１−１に故障点があると、自動区間開閉器ＳＷ１−１の閉路と共に、変電所継電器ＰＲ１が再び故障を検出し、変電所遮断器ＣＢ１を遮断する。更に、一定時間後に変電所遮断器ＣＢ１を再々閉路して、自動区分開閉器ＳＷ１−１まで送電するが、自動区分開閉器ＳＷ１−１では１回目の充電〜閉路までの時限から、区間Ｓ１−２が故障区間であると判断し、閉路しない。これによって健全区間Ｓ１−１までの送電を完了する。一方、結合開閉器ＴＳ１では、区間Ｓ１−３側の電圧が消滅して一定時間が経過すると、区間Ｓ１−３が停電していると判断し、閉路する。この閉路で、健全区間Ｓ１−３までの送電が完了する。このとき、自動区分開閉器ＳＷ１−２も１回目の充電〜開路の時限から区間Ｓ１−２が故障区間であると判断しているので閉路しない。これによって、故障区間の区分と健全区間への送電が完了する。

なお、図２に示す配電自動化システム１０が適用された樹枝状配電系統では、結合開閉器ＴＳ１〜ＴＳ３の閉路は、中央装置１１からの指令で遠隔制御することもできる。以上が従来の樹枝状配電系統における時限順送方式による保護システムの動作である。

図２の樹枝状配電系統は、結合開閉器ＴＳ１〜ＴＳ３を常時閉路にすることでループ化系統にすることができる。しかし、例えば結合開閉器ＴＳ３を常時閉路状態にするだけでは、故障発生の区間Ｓ１−２の故障は、２回線の変電所継電器ＰＲ１、ＰＲ３で検出され、２回線の変電所遮断器ＣＢ１、ＣＢ３が遮断して、系統全体としての電力供給の信頼度を低下させる。そこで、樹枝状配電系統をループ化する際の供給信頼度を確保するため、次なる保護システム（Ａ）または（Ｂ）を導入することが検討されている。

例えば、配電線の複数の自動区分開閉器全てに地絡などの故障方向検出装置を施設する保護システム（Ａ）がある（例えば、特許文献１参照）。この保護システム（Ａ）は、各故障方向検出装置の故障方向情報を高速通信ネットワークシステムにより収集し、隣接する故障情報の相対関係から故障区間を決定し、その区間の区分開閉器を開放する。故障方向検出から区分開閉器開放までの動作は、変電所継電器の時限より短い時限を有し、変電所継電器が動作する前に瞬時に故障区間を区分する高速開閉器として機能する。この保護システム（Ａ）を採用した場合、変電所の継電器は後備保護装置となる。

また、他の保護システムとして、図２の結合開閉器ＴＳ１〜ＴＳ３に代えて、その位置に電力変換装置（例えば、ＡＣ−ＤＣ−ＡＣ変換装置）を設置する保護システム（Ｂ）が提案されている（例えば、特許文献２参照）。ここでの電力変換装置は、通常の負荷電力に対しては自由に融通できるが、故障電流に対しては隣接する配電線を分離した状態で動作する。この保護システム（Ｂ）の場合、配電線の故障区間に関しては、ループ化前の樹枝状配電系統の時限順送方式がそのまま適用できる。
特開平０５−１９００１号公報 特開２００１−２５１７６５号公報

上記保護システム（Ａ）は、配電線の故障区間を変電所継電器が動作する前に瞬時に区分して、健全区間の停電を回避するので、ループ化配電系統の供給信頼度が確保される。しかし、樹枝状配電系統をループ化するために保護システム（Ａ）を採用する場合、樹枝状配電系統の複数回線の配電線に設置される複数の自動区分開閉器全てに高速開閉器として機能するセンサーとしての故障方向検出装置と、これを統括する高速通信ネットワークシステムが必要となり、実現には大きな設備投資と多大な施工を必要とし、実現が困難である。

また、保護システム（Ｂ）の場合、配電線の故障区間に関してはループ化前の樹枝状配電系統の時限順送方式がそのまま適用できて、供給信頼度が確保される。しかし、この保護システム（Ｂ）の場合も、新たに大容量の電力変換装置が多数必要となり、実現には大きな費用を要し、実現が困難である。

本発明は、斯かる実情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、施工面と費用面共に実現容易なループ化配電系統を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、配電用変電所の複数回線毎の変電所継電器に連系された複数の配電線それぞれを自動区分開閉器で複数の区間に区切り、隣接する配電線を常時閉路の電路開閉機器で結合しループ結合点としたループ化配電系統であって、電路開閉機器に、任意の区間の故障発生を検出して変電所継電器の時限より短い時限で電路開閉機器を開路する高速故障検出装置を付加したことを特徴とする。

ここで、電路開閉機器は、隣接する配電線を結合する高速化された結合開閉器、結合遮断器が適用できる。電路開閉機器に付加される高速故障検出装置は、故障検出から電路開閉機器を開路する時限が、変電所継電器の時限より短い高速開閉制御装置で、地絡過電圧継電器や高速過電流継電器が適用できる。ループ化配電系統において、任意の配電線に故障区間が発生すると、変電所継電器が動作する前に隣接する配電線をループ化する常時閉路の電路開閉機器が開路となる。そのため、故障発生時にはループ化配電系統が樹枝状系統に切り換わり、樹枝状配電系統の時限順送方式がそのまま適用できて、健全区間の停電が回避され、配電系統の電力の供給信頼度が確保できる。

本発明においては、電路開閉機器が配電線の負荷電流・地絡故障電流共に開閉可能な結合開閉器であり、高速故障検出装置が配電線での地絡故障を検出する地絡検出装置である構成とすることができる。さらに、本発明においては、電路開閉機器が配電線の負荷電流・短絡故障電流共に開閉可能な結合遮断器であり、高速故障検出装置が配電線での短絡故障を検出する短絡検出装置である構成とすることができる。

また、電路開閉機器が配電線の短絡電流用結合遮断器であり、高速故障検出装置が配電線での短絡故障を検出する短絡検出装置である場合、短絡検出装置は、配電線のループ結合点の定常電流からの電流変化分と定常電圧からの電圧変化分の検出信号を総合して短絡故障を検出する装置とすることができる。

ここでの短絡検出装置は、配電系統の大きな負荷電流が流れる配電線に対して短絡電流を極めて高速に検出する必要があることから、電流と電圧の変化で短絡電流を検出する区分遮断装置（区分遮断器）が有効である。このような区分遮断装置は、例えば特許第３２７４２２２号に開示されている事故検出方式のものを適用すればよい。

本発明によれば、ループ化配電系統の任意の配電線に地絡や短絡などの故障区間が発生すると、変電所継電器が動作する前に配電線をループ化する常時閉路の電路開閉機器が開路となり、ループ化配電系統がループ化前の樹枝状系統に切り換わる。そのため、故障発生の瞬間から樹枝状配電系統の時限順送方式がそのまま適用されて、健全区間の停電が回避され、配電系統の電力の供給信頼度を確保することができる。

また、供給信頼度を確保するループ化の保護システムが、既存の樹枝状配電系統に使用されている区分開閉器をそのまま適用し、配電線間の電路開閉機器を高速化して、電路開閉器器に変電所継電器の時限より短い時限の高速故障検出装置を付加するという簡単なシステム変更で実現できる。従って、大きな設備投資と多大な施工を必要とする高速通信ネットワークシステムが不要となり、既存の樹枝状配電系統に対して大幅な変更やコストアップをすることなく、費用面かつ施工面で実現が容易となる優れた効果を奏し得る。

以下、本発明の実施の形態を図１を参照して説明する。なお、図１に示すループ化配電系統は図２の樹枝状配電系統をループ化したもので、図２と同一または相当部分には同一符号を付して説明の重複を避ける。

図１のループ化配電系統は、図２の樹枝状配電系統の３回線の配電線３を結合する結合開閉器ＴＳ１〜ＴＳ３の在るループ結合点に１台ずつ常時閉路の電路開閉機器２０を施設し、３台の電路開閉機器２０それぞれに高速故障検出装置３０を付加している。図１には、図２の配電自動化システム１０を省略しているが、同様な配電自動化システムを施設することも可能である。電路開閉機器２０は、隣接する配電線を結合する高速化された結合開閉器、結合遮断器である。高速故障検出装置３０は、配電線３の任意の区間における地絡や短絡などの故障を、変電所継電器ＰＲ１〜ＰＲ３が検出して動作する前に検出して、常時閉路の電路開閉機器２０を開路する時限が変電所継電器より短い高速検出装置である。

図１のループ化配電系統が地絡故障を検出して動作する系統の場合、具体的に電路開閉機器２０は図２よりも高速動作する結合開閉器ＴＳＨ１〜ＴＳＨ３が適用される。以下、電路開閉機器２０を必要に応じ高速結合開閉器ＴＳＨ１〜ＴＳＨ３と称する。この各高速結合開閉器ＴＳＨ１〜ＴＳＨ３それぞれに付加される高速故障検出装置３０には、地絡過電圧継電器である地絡検出装置が適用可能である。以下、高速故障検出装置３０を必要に応じ地絡検出装置３０と称する。この地絡検出装置３０の時限は、変電所継電器ＰＲ１〜ＰＲ３の時限より短く設定される。図２の樹枝状配電系統は、各高速結合開閉器ＴＳＨ１〜ＴＳＨ３を常時閉路状態にすることで、図１のループ化配電系統となる。

図１のループ化配電系統の、例えば１回線の配電線３の区間Ｓ１−２で地絡故障が発生した場合、各高速結合開閉器ＴＳＨ１〜ＴＳＨ３は地絡故障を検出して全て自律的に開路する。これにより、配電系統は一時的に個別の樹枝状配電線３に分離すると共に、変電所１側では変電所継電器ＰＲ１だけで地絡故障を検出することになる。従って、各高速結合開閉器ＴＳＨ１〜ＴＳＨ３の開路後は、ループ化前の時限順送方式による保護システムがそのまま適用できる。

開路した各高速結合開閉器ＴＳＨ２とＴＳＨ３は、一定時間経過後に閉路する。この閉路は、開閉器内蔵のタイマーで自動的に、或いは、配電自動化システムの図示しない中央装置からの指令で行えばよい。高速結合開閉器ＴＳＨ２とＴＳＨ３の閉路で、元のループ化配電系統に復帰する。このとき、地絡故障区間Ｓ１−２に繋がっている高速結合開閉器ＴＳＨ１は、開路のままにロックされて閉路しない。

図１のループ化配電系統に図１と同様な配電自動化システムが施設されている場合は、各結合開閉器ＴＳＨ１〜ＴＳＨ３の開路に伴い、それぞれの開閉器子局が開閉状態の変化を自動化中央装置に伝送する。この伝送で、地絡故障区間が区分され、区分後に自動化中央装置の指令により故障区間とは繋がらない結合開閉器ＴＳＨ２，ＴＳＨ３を遠隔で閉路させて、元のループ化系統に復元させる。

このような地絡故障に対処したループ化配電系統においては、地絡検出装置３０を３箇所の各高速結合開閉器ＴＳＨ１〜ＴＳＨ３に取付けるのみで構成でき、各高速結合開閉器ＴＳＨ１〜ＴＳＨ３は図２の既存機器を高速化すればよい。従って、前述した保護システム（Ａ）で必要となるような全ての区分開閉器を高速開閉装置とし、かつ、地絡方向検出装置を適用する必要が無く、さらには、高速通信ネットワークシステムを新たに付加する必要も無い。

また、図１のループ化配電系統が短絡故障を検出して動作する系統の場合、具体的に電路開閉機器２０には結合遮断器が適用可能であり、高速故障検出装置３０には高速過電流継電器である短絡検出装置が適用可能である。以下、必要に応じ電路開閉機器２０を結合遮断器（ＴＢ１）〜（ＴＢ３）と称し、高速故障検出装置３０を短絡検出装置３０と称する。この場合の短絡検出装置３０の時限は、変電所継電器ＰＲ１〜ＰＲ３の時限より短く設定される。図２の樹枝状配電系統の結合開閉器ＴＳ１〜ＴＳ３に代えて常時閉路の結合遮断器（ＴＢ１）〜（ＴＢ３）を適用することで、図１のループ化配電系統となる。

短絡故障の場合も上述の地絡故障と同様な動作が行われる。即ち、図１のループ化配電系統の区間Ｓ１−２で短絡故障が発生した場合、各結合遮断器（ＴＢ１）〜（ＴＢ３）は短絡故障を検出して全て自律的に開路する。これにより、配電系統は一時的に個別の樹枝状配電線３に分離すると共に、変電所１側では変電所継電器ＰＲ１だけで短絡故障を検出することになる。従って、各結合遮断器（ＴＢ１）〜（ＴＢ３）の開路後は、ループ化前の時限順送方式による保護システムがそのまま適用できる。

また、開路した各結合遮断器（ＴＢ２）と（ＴＢ３）は、一定時間経過後に閉路する。この閉路は、遮断器内蔵のタイマーで自動的に、或いは、配電自動化システムの図示しない中央装置からの指令で行えばよい。結合遮断器（ＴＢ２）と（ＴＢ３）の閉路で、元のループ化配電系統に復帰する。このとき、地絡故障区間Ｓ１−２に繋がっている結合遮断器（ＴＢ１）は、開路のままにロックされて閉路しない。図１のループ化配電系統に図１と同様な配電自動化システムが施設されている場合は、各結合遮断器（ＴＢ１）〜（ＴＢ３）の開路に伴い、それぞれの開閉器子局が開閉状態の変化を自動化中央装置に伝送して、短絡故障区間が区分される。この区分後に自動化中央装置の指令により故障区間とは繋がらない結合遮断器（ＴＢ２）と（ＴＢ３）を遠隔で閉路させて、元のループ化系統に復元させる。

短絡故障に対処させたループ化配電系統においては、短絡検出装置３０が大きな負荷電流の流れる箇所で極めて高速に検出する必要がある。この短絡電流検出に要する時間は、負荷電流の１サイクル内の極短時間であることから、通常の電流実効値検出型継電器は不適当である。そこで、短絡故障のみを確実に短時間で検出するため、短絡検出装置３０は、配電線３のループ結合点の定常電流からの電流変化分と定常電圧からの電圧変化分の検出信号を総合して短絡故障を検出する装置を適用することが望ましい。この短絡検出装置３０は、前述した特許第３２７４２２２号に記載されているように、短絡故障区間の電流変化分要素と電圧変化分要素の両方を満足したときに、短絡故障を検出して出力する。

なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明に係るループ化配電系統の実施の形態を示す要部の配線図である。 樹枝状配電系統の要部の配線図である。

符号の説明

１ 変電所
２ 配電所変圧器
３ 配電線
５ 負荷
６ 分散型電源
１３，１４ 開閉器子局
２０ 電路開閉機器
３０ 高速故障検出装置、地絡検出装置、短絡検出装置、区分遮断装置
ＰＲ１〜ＰＲ３ 変電所継電器
ＣＢ１〜ＣＢ３ 変電所遮断器
Ｓ１〜Ｓ３ 区間
ＳＷ１〜ＳＷ３ 自動区分開閉器
ＴＳＨ１〜ＴＳＨ３ 結合開閉器
ＴＢ１〜ＴＢ３ 結合遮断器

Claims (4)

1. 配電用変電所に変電所継電器を介し連系した複数の配電線それぞれを自動区分開閉器で複数の区間に区切り、隣接する配電線を常時閉路の電路開閉機器で結合しループ結合点としたループ化配電系統であって、
   前記電路開閉機器に、任意の前記区間の故障発生を検出して前記変電所継電器の時限より短い時限で前記電路開閉機器を開路する高速故障検出装置を付加したことを特徴とするループ化配電系統。
2. 前記電路開閉機器は前記配電線の負荷電流・地絡故障電流共に開閉可能な結合開閉器であり、前記高速故障検出装置は前記配電線での地絡故障を検出する地絡検出装置であることを特徴とする請求項１に記載のループ化配電系統。
3. 前記電路開閉機器は前記配電線の負荷電流・短絡故障電流共に開閉可能な結合遮断器であり、前記高速故障検出装置は前記配電線での短絡故障を検出する短絡検出装置であることを特徴とする請求項１に記載のループ化配電系統。
4. 前記短絡検出装置は、前記配電線のループ結合点の定常電流からの電流変化分と定常電圧からの電圧変化分の検出信号を総合して短絡故障を検出することを特徴とする請求項３に記載のループ化配電系統。

Images