JP2008042992A - ループ化配電系統 - Google Patents

Abstract

【課題】 配電系統をループ化することにより発生する零相循環電流に伴う問題を費用的有利に解消する。
【解決手段】 ループ化配電系統における配電線間の連系部所Ｐそれぞれに、各連系部所Ｐに流れる零相循環電流を補償する電力変換装置１０を設置する。電力変換装置１０は、連系部所Ｐの回線から零相循環電流を検流して、この零相循環電流を打ち消す補償電流を連系部所Ｐの回線に流すインバータ１１を備える。電力変換装置１０は小さな零相循環電流を補償するのみの機能を持つもので、小容量の小形で安価なものが適用できる。電力変換装置１０は、系統が故障したときに零相循環電流補償の動作を停止させる機能や、故障電流をバイパスさせる機能を具備させることができる。
【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問題から、隣接する配電線をループ状に結合してループ化することが行われている。しかし、現状の配電系統は、地絡などの故障回線の他回線への波及防止や、配電線で形成されるループ回路に流れる零相循環電流による変電所継電器の誤動作、感度低下といった問題が生じることがある。

例えば、図６に樹枝状配電系統の一例を示す。同図の樹枝状配電系統は、配電用変電所１の変圧器２に３回線の配電線Ｆ１〜Ｆ３を連系している。１回線の配電線Ｆ１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。配電線Ｆ１は、２箇所の自動区分開閉器ＳＷ１−１、ＳＷ１−２で３つの区間Ｓ１−１、Ｓ１−２、Ｓ１−３に区切られる。３回線の各配電線Ｆ１〜Ｆ３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が常時開路であることで、３回線の配電線Ｆ１〜Ｆ３３が樹枝状に連系される。なお、各配電線Ｆ１〜Ｆ３には、図示しない負荷と分散型電源が様々な形態で連系される。また、図面では各回線を１本線にしているが、これら各回線のいずれも三相結線の三線である。

図６の樹枝状配電系統の各結合開閉器ＴＳ１〜ＴＳ３を常時閉路の状態にすると、３回線の配電線Ｆ１〜Ｆ３３がループ状に連系されてループ化配電系統に切り換わる。このように樹枝状配電系統をループ化すると、次の問題が生じる。

例えば、１回線の配電線Ｆ１の区間Ｓ１−２に地絡故障が発生したとき、配電線Ｆ１と配電線Ｆ３の連系部所にある常時閉路の結合開閉器ＴＳ３によって地絡故障電流が変電所継電器ＰＲ１とＰＲ３で同時に検出される。そのため、故障発生の１回線のみならず健全な他の１回線の遮断も行われて、系統全体としての電力供給の信頼度が低下する。

また、各配電線Ｆ１〜Ｆ３に連系される負荷は、回線（三相三線）の内の二相二線に連系される一般家庭負荷のような三相不平衡の要因となる負荷が多い。かつ、各配電線Ｆ１〜Ｆ３の負荷電力にはばらつきがある。この負荷電力のばらつきと負荷三相不平衡が要因で、常時閉路の各結合開閉器ＴＳ１〜ＴＳ３の両端に電位差が生じる。

図６において、配電線Ｆ１とＦ２を結合する連系部所に設置された常時開路状態の結合開閉器ＴＳ３の両端には、マトリクス表示で（Ｖ１）−（Ｖ２）の電位差が生じる。ここでの（Ｖ１）と（Ｖ２）は、それぞれ次の（１）式と（２）式のように対象成分に分解できる。

この（１）式と（２）式から、（Ｖ１）−（Ｖ２）にはＶ１_０−Ｖ２_０の零相成分の電位差が生じる。

このような負荷状態で、配電線Ｆ１とＦ２をループ化するために結合開閉器ＴＳ３を閉路すると、Ｖ１_０−Ｖ２_０の電位差によって、ループ回路ＣＢ１→ＳＷ１−１→ＴＳ３→ＳＷ３−２→ＳＷ３−１→ＣＢ３に零相循環電流Ｉ_ＯＬが流れる。零相循環電流Ｉ_ＯＬの大きさは、次の（３）式のようになる。

Ｉ_ＯＬ＝（Ｖ１_０−Ｖ２_０）／（Ｚ１_０＋Ｚ３_０）……（３）式
ただし、Ｚ１_０：線路ＣＢ１→ＳＷ１−１→ＳＷ１−２→ＴＳ３の零相インピーダンス
Ｚ３_０：線路ＴＳ３→ＳＷ３−２→ＳＷ３−１→ＣＢ３の零相インピーダンス

このように常時開路の結合開閉器ＴＳ３を単に閉路してループ化すると、ループ化配電系統の健全時において（３）式の零相循環電流が流れる。このような零相循環電流は、故障回線に流れる故障電流と同等のものである。健全な配電系統のループ回路に零相循環電流が流れると、これを変電所継電器が故障電流と誤認して検出し、変電所遮断器を遮断するといった誤動作をする可能性が生じる。この変電所継電器の誤動作は、変電所継電器の感度を下げて零相循環電流を検知しないようにすれば防止できる。しかし、変電所継電器の感度を低下させると、本来の故障の検出感度を低下させることになる。従って、樹枝状系統の常時開路の結合開閉器を単に閉路してループ化しても、ループ化後の配電系統の信頼性を確保することが難しい。

以上のような問題点に対処するため、図６の結合開閉器ＴＳ１〜ＴＳ３が設置されている配電線間の連系部所に、結合開閉器ＴＳ１〜ＴＳ３に代えてＡＣ−ＤＣ−ＡＣ変換装置のような電力変換装置を設置する保護システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。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。従って、故障点の区分に関しては、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、樹枝状配電系統をループ化した配電系統の電力供給の信頼度が樹枝状系統と同じレベルで確保できる。
特開２００１−２５１７６５号公報

上記電力変換装置は、多数の負荷を連係する配電線に負荷電力を自由に融通できる大容量（正相分の系統電圧×線路負荷電流）の電力変換装置が使用される。このような電力変換装置は、大容量ゆえに大型で高価なものが必要である。しかも、電力変換装置を複数回線の多数の連系部所に設置する必要があるため、電力変換装置を使用したループ化配電系統の実現には大きな費用を要し、実現が非常に困難である。

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、配電系統のループ化において問題となる零相循環電流により発生する諸問題点を低コストで解消し得るループ化配電系統を提供することにある。

上記目的を達成する本発明の技術的手段は、配電用変電所に連系された複数回線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、複数の配電線を相互にループ状に連系したループ化配電系統において、配電線をループ状に連係する連系部所に、当該連系部所に流れる零相循環電流を補償する電力変換装置を配設したことを特徴とする。

ここでの電力変換装置は、配電線間の連系部所（連系点）に流れる零相循環電流を補償する機能のみ有する小容量のものが適用できる。即ち、健全なループ化配電系統においては、配電線間の連系部所に数百アンペア程度の大きな負荷電流が流れ、健全な樹枝状配電系統をループ化したときに連系部所に流れる零相循環電流は負荷電流の１／１０程度と小さい。そのため、零相循環電流を補償するのみの機能を有する電力変換装置は、小容量のインバータを使用した小容量のものが適用できる。このような小容量の電力変換装置は小形で安価であり、ループ化配電系統の多数の連系部所に設置しても、設備投資が少なくて済む。

また、本発明においては、上記電力変換装置は、配電線の故障発生による故障信号に基づいて零相循環電流補償の稼働を停止させる稼働制御手段を具備する構成とすることができる。

ここでの稼働制御手段は、電力変換装置の制御回路系に一体に組み込んだものを適用すればよい。稼働制御手段は、配電線の地絡などの故障発生により生じる故障電流、故障電圧の信号を検知して作動する。稼働制御手段を具備する電力変換装置は、系統の回線が健全な状態のときに電力変換の稼働をして、配電線間の連系部所に流れる零相循環電流を打ち消す補償電流を連系部所に流し、零相循環電流を抑制する。電力変換装置は、零相循環電流を補償すると共に、仮に、回線故障で故障電流が流れると、この故障電流をも補償するといった稼働をする。このように故障電流をも補償すると、変電所継電器が故障電流を検出し難くなり、回線遮断の保護動作が不安定になる可能性が出てくる。電力変換装置に稼働制御手段の機能を持たせて、連系部所に故障電流が流れると電力変換装置の稼働を停止させる。すると、連系部所は故障電流と零相循環電流が流れる状態になり、ループ化配電系統の変電所継電器が故障電流を確実性よく検出して、回線遮断の保護動作をする。配電線の故障発生が無くなり、系統が健全な状態に戻ると、稼働制御手段による電力変換装置の稼働中止が解除され、電力変換装置が再稼働する。

また、本発明においては、電力変換装置は、その出力を連系部所でバイパスさせるバイパス開閉手段を具備する構成とすることができる。ここでのバイパス開閉手段は、回線が健全な平常時は開路状態にあり、回線故障の状態になると閉路するバイパス開閉器が適用できる。回線故障時に電力変換装置出力をバイパスして流すことで、ループ化配電系統の変電所継電器が故障電流を確実性よく検出し、回線遮断の保護動作が確実性よく行われる。

さらに、本発明においては、電力変換装置は、配電線の故障発生による故障信号に基づいて連系部所を連系遮断状態にする連系開閉手段を具備する構成とすることができる。ここでの連系開閉手段は、系統の回線が健全な平常時は閉路状態にあってループ化配電系統を維持し、回線故障で連系部所に故障電流が流入する状態になると開路する切り離し開閉器が適用できる。回線故障時にループ化配電系統の連系部所を遮断（開路）することで、系統が樹枝状配電系統に切り換えられる。この切り換えで、回線故障時の回線保護がループ化前の樹枝状配電系統の時限順送方式で行われるようになり、故障回線の他回線への波及防止が確実性よくできる。

本発明によれば、ループ化配電系統の配電線間の連系部所に設置される電力変換装置は、連系部所での零相循環電流のみを補償する小容量インバータを使用した小形で安価なものが適用できる。従って、分散型電源が大量に連系された配電系統の運用を容易にするループ化配電系統が、既存の樹枝状配電系からの大幅な変更やコストアップすることなく実現できるという優れた効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図５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６の樹枝状配電系統をループ化したもので、図６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６の結合開閉器ＴＳ１〜ＴＳ３のある３箇所の連系部所Ｐそれぞれに、各連系部所Ｐに流れる零相循環電流のみを補償する電力変換装置１０を設置する。なお、図１に示す５は負荷、６は分散型電源である。３回線の各配電線Ｆ１〜Ｆ３に様々な形態で負荷５、分散型電源６が連系されて、ループ化配電系統が構築される。

電力変換装置１０の具体例を図２に示す。図２の電力変換装置１０は、連系部所Ｐの回線から零相循環電流を検流して、この零相循環電流を打ち消す補償電流を連系部所Ｐの回線に流すインバータ１１を備える。電力変換装置１０を常時に零相循環電流を補償するように稼働させることで、３回線の配電線Ｆ１〜Ｆ３が対応する電力変換装置１０でループ状に結合されて、負荷電流に対しては樹枝状配電系統がループ化される。このことにより、零相循環電流による変電所継電器ＰＲ１〜ＰＲ３の誤動作、感度低下を生じさせないループ系統とすることができる。また、電力変換装置１０の容量は、次の（４）式相当分だけあればよい。

Ｗ＝（Ｖ１_０−Ｖ２_０）×Ｉ_ＯＬ……（４）
ここで、電位差（Ｖ１_０−Ｖ２_０）および零相循環電流Ｉ_ＯＬは共に、系統電圧および負荷電流に比べて極めて小さい値である。従って、電力変換装置１０は、前述した引用文献１に開示されている電力変換装置に比べて大幅に小容量の小形で安価なものが適用できる。

図１のループ化配電系統において、系統の地絡などの故障時には系統本来の故障電流を流し、系統の保護システムを確実に動作させる必要がある。そこで、配電系統の規模、形態によっては、電力変換装置１０の出力の影響を抑制する機能的手段を付設することができる。この機能的手段の具体例を、図３〜図５を参照して説明する。

図３は、電力変換装置１０のインバータ１１に、電力変換装置１０の稼働を一時停止させる機能の稼働制御手段１２を内蔵させている。系統が健全な場合、電力変換装置１０が常時に零相循環電流を補償するように稼働制御手段１２が作動する。系統の３回線いずれかの配電線の区間に地絡などの故障が発生すると、この故障発生を稼働制御手段１２が検知して、インバータ１１を停止させ、零相循環電流補償の動作（稼働）を停止させる。この稼働停止で連系部所Ｐでの故障電流の補償が行われず、連系部所Ｐに回線故障に応じた故障電流が流れる。この故障電流を対応する変電所継電器が検知して、回線遮断の保護動作を確実性よく行う。故障が無くなり、系統が健全な状態に戻ると、稼働制御手段１２によるインバータ１１の稼働中止が解除され、インバータ１１が再稼働して零相循環電流の補償が常時行われる。

図４は、回線の電力変換装置１０が設置される連系部所Ｐに、回線に流れる故障信号（故障電流）を連系部所Ｐでバイパスさせるバイパス開閉手段１３を設置している。バイパス開閉手段１３は、系統の回線が健全な平常時は開路状態にあり、回線故障で連系部所Ｐに故障電流が流入する状態になると閉路するバイパス開閉器が適用できる。以下、バイパス開閉手段１３をバイパス開閉器１３と称する。

バイパス開閉器１３は、系統が健全な常時は開路状態にあって、電力変換装置１０の零相循環電流補償の邪魔をしない。系統の回線故障時に、電力変換装置１０が故障電流を補償する前にバイパス開閉器１３が故障電流を検出して閉路し、連系部所Ｐで電力変換装置１０の出力をバイパスする。バイパス開閉器１３が閉路する間、図３の場合と同様に電力変換装置１０の稼働を停止させることができる。バイパス開閉器１３が閉路して電力変換装置出力をバイパスすることで、ループ化配電系統の変電所継電器が故障電流を確実性よく検出し、回線遮断の保護動作が確実性よく行われる。

図５は、電力変換装置１０が設置される連系部所Ｐの一端側の回線に連系開閉手段１４を介挿している。連系開閉手段１４は、配電線の故障発生による故障信号に基づいて連系部所Ｐを連系遮断状態にする切り離し開閉器が適用できる。以下、連系開閉手段１４を切り離し開閉器１４と称する。

切り離し開閉器１４は、系統回線が健全な常時は閉路状態にあってループ化配電系統を維持し、回線故障で連系部所Ｐに故障電流が流入する状態になると、即座に開路して配電線間の連系を遮断し、ループ化配電系統を樹枝状配電系統に切り換える。切り離し開閉器１４が開路する間、図３の場合と同様に電力変換装置１０の稼働を停止させることができる。切り離し開閉器１４が開路することにより、回線故障時の回線保護が、ループ化前の樹枝状配電系統の時限順送方式で行われるようになり、故障回線の他回線への波及防止が確実性よくできるようになる。

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。 図１のループ化配電系統における電力変換装置の回路図である。 図１のループ化配電系統における電力変換装置の他の具体例を示す回路図である。 図１のループ化配電系統における電力変換装置の他の具体例を示す回路図である。 図１のループ化配電系統における電力変換装置の他の具体例を示す回路図である。 一般的な樹枝状配電系統の概要を示す回路図である。

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
１０ 電力変換装置
１１ インバータ
１２ 稼働制御手段
１３ バイパス開閉手段、バイパス開閉器
１４ 連系開閉手段、切り離し開閉器
Ｆ１〜Ｆ３ 配電線
Ｉ_ＯＬ 零相循環電流
Ｐ 連系部所
ＰＲ１〜ＰＲ３ 変電所継電器

Claims (4)

1. 配電用変電所に連系された複数回線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、前記複数の配電線を相互にループ状に連系したループ化配電系統において、
   前記配電線をループ状に連係する連系部所に、当該連系部所に流れる零相循環電流を補償する電力変換装置を配設したことを特徴とするループ化配電系統。
2. 前記電力変換装置は、前記配電線の故障発生による故障信号に基づいて零相循環電流を補償する動作を停止させる稼働制御手段を具備す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. 前記電力変換装置は、電力変換装置の出力を前記連系部所でバイパスさせるバイパス開閉手段を具備することを特徴とする請求項１または２に記載のループ化配電系統。
4. 前記電力変換装置は、前記配電線の故障発生による故障信号に基づいて前記連系部所を連系遮断状態にする連系開閉手段を具備することを特徴とする請求項１または２に記載のループ化配電系統。

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