JP2008061361A

JP2008061361A - 電流バランサおよび低圧配電システム

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Publication number: JP2008061361A
Application number: JP2006234355A
Authority: JP
Inventors: Yozo Iida; 陽三飯田
Original assignee: MATSUOKA KATSUTAKE
Current assignee: MATSUOKA KATSUTAKE
Priority date: 2006-08-30
Filing date: 2006-08-30
Publication date: 2008-03-13
Anticipated expiration: 2026-08-30
Also published as: CN101507078A; WO2008026297A1; CN101507078B; JP5026029B2

Abstract

【課題】従来型のバランサトランスでは、ステップダウントランスの機能を含むものの各相の電圧調整が不十分であるにもかかわらず、機器は大型で重く、設置工事における取り扱いも難しい。電流バランス機能も不十分であった。
【解決手段】異なる相から流れるバランサ電流が１つの相においてそれぞれ逆方向の磁束を発生させるような２つのコイルを、重ね巻きして１つのコイル対を構成する。１つの相から流れるバランサ電流は、１つの相のコイル対のコイル、およびこのコイルに接続された異なる相の他のコイル対のコイルを流れ、それぞれの相において逆方向の磁束を発生させる。これらのコイル対は、コイル対の１つのグループを形成する。さらに複数のコイル対のグループの各々のコイルが、各相端から中性点端の間で直列に多段接続され、グループごとに分割された分割巻き方法を採用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電流バランサおよび配電システムに関し、より詳細には、三相電圧のアンバランスを平均化する電流バランサとこれを用いた三相４線式低圧配電システム関する。

従来、三相交流電力を４本の電線やケーブルを使用して供給する方法として、三相４線式低圧配電システムが用いられている。三相４線式低圧配電システムは、日本国内においてはさほど広く利用されていないものの、他の配電システムと比較した場合、電線・ケーブル数が少なくてすむこと、動力トランスと電灯トランスが共用できること等の利点があることから、発展途上国を含めた諸外国において幅広く利用されている。

この配電システムは上述の利点はあるものの、各相の負荷電流に不平衡が生じやすく、負荷点における各相電圧に大きなアンバランスが生じるという問題がある。各相の負荷は均一ではないために、負荷電流は各相で異なる。したがって、負荷電圧は各相で異なってくる。さらに、本来、中性点のＮ相には電流は流れないはずであるが、上述のアンバランスにより大きなＮ相電流が共同帰線を流れる。このＮ相電流とＮ相（共同帰線）の配線抵抗による電圧降下によって、ある相の負荷電圧は極端に低下する。一方で、他の相の負荷電圧は逆に上昇する。このように、需要家によって供給電圧に大きなバラツキが生じ、負荷点において電力品質が著しく劣化する結果となる。

負荷点における電圧の不平衡は、負荷点に接続される電気機器の動作や寿命にさまざまな悪影響を与える。例えば、三相誘導電動機においては、回転の銅損が発生し、誘導機の機械出力は減少し、さらに力率の低下、温度上昇の問題が発生する。全体として、電動機における使用電力が増大し無駄な電力を消費することとなる。また、トランスからの配電電圧においては、上述の負荷点における極端な電圧低下に対応するため、三相全体に高めの電圧を供給している例もある。

上述のように、三相電圧の不平衡のために、ある需要家においては公称電圧値よりも相当に高い電圧が供給されることがある。このような場合、この需要家の負荷（機器）における消費電力は増大し、電力を無駄に消費してしまうという問題もあった。従って、需要家においては消費電力の節減のために、負荷点において、高すぎる供給電圧を機器が正常に動作しつつできる限り消費電力を抑えるような適切な電圧値に下げる調整を行ないたいという別の要請があった。

さらに、三相の各負荷が平衡している場合であっても、何らかの原因で中性線が切断されて中性線に電流が流れなくなることがある。このような場合、外側線と中性線との間にあるそれぞれの負荷の端子電圧には、大きな不平衡を生じ、ときには機器に致命的な損害を与える。このような理由から、中性線には配線用遮断器や、ヒューズ等を入れることができないという制限があり、三相の負荷の不平衡による電圧アンバランスの発生を抑制することが求められていた。

本発明の出願人は、上述の問題点を解決するために、特許文献１および特許文献２に記載されているようなステップダウントランス機能と一体化をしたバランサトランスの提案を行なった。電流バランサは、三相４線式低圧配電システムに限らず、多相交流電源における電圧不平衡を是正する手段として知られている。

図１１は、三相４線式低圧配電システムにおける電流バランサを説明する図である。三相４線式電源の配電変圧器３０は、Ｕ、Ｖ、Ｗの各相を持っており、それぞれ負荷３２ａ、３２ｂ、３２ｃが接続されている。負荷３２ａ、３２ｂ、３２ｃに不平衡があれば、配電変圧器３０から各相の負荷へ流れ込む電流に差異が生じる。この時、配電変圧器３０と各負荷までの配線抵抗により、電圧降下が生じ、各相の電圧には差異が生じる。この結果、共同帰線のＮ相には、本来各相がバランスしているときには流れない不平衡に起因する電流Ｉ_Ｎが流れる。

ここで、負荷の接続された線路の末端点に電流バランサ３１を並列に接続する。電流バランサは、変圧比が１：１の単巻変圧器であり、アンバランスな各相の電流を平均化するように動作する。一般に、電流バランサ３１を設置した後の各負荷に掛かる相電圧は、電流バランサ３１設置前の状態の各相電圧の平均値に近づく。

図１２は、特許文献１に開示されたバランサトランスの構成を示す図である。このバランサトランスは、直列コイル部２０と分路コイル部２３から成る分電変圧器の構成を持ち、電流バランサの機能と出力電圧調整を行なうステップダウントランスの機能とを合わせ持つものである。直列コイル部２０は、巻き数が等しく巻き線方向が逆の第１の直列コイル２１ａ、２１ｂ、２１ｃと第２の直列コイル２２ａ、２２ｂ、２２ｃを備え、同様に、分路コイル部２３においても、巻き数が等しく巻き線方向が逆の第１の分路コイル２４ａ、２４ｂ、２４ｃと第２の分路コイル２５ａ、２５ｂ、２５ｃを備えている。隣り合う相に順次コイルを巡回的に接続して三相各相に電流を流し、逆方向の電流により磁束をキャンセルすることによって、電流バランサとしての機能を改善している。

図１３は、特許文献１のバランサトランスの接続構成を示す図である。直列コイル部２０と分路コイル２３との接続点を負荷が接続される出力部とすることで、ステップダウントランスとして機能させる。すなわち、出力電圧の調整機能を兼ね備えるものであった。ステップダウン機能により、上述した個々の需要家における節電のための電圧調整を行なうこともできる。

特開平１１−３２４３７号公報実用新案登録３０４７６９１号公報

しかしながら、上述の特許文献１の構成のバランサトランスでは、次のような問題点があった。ステップダウントランスにおいては、直列コイル部においてタップ部の調整が必要と成る。ステップダウントランスでは直列コイル部の巻き数が少ないため、コイル巻き数辺りの電圧変化量が大きく、出力電圧を微調整できるタップの製作は困難である。従って、各相において電圧の細かな調整を行なうのは困難であった。また、ステップダウントランスの機能を取り込んでいるため、電流バランサ全体の構成は大規模なものとなり、機器全体が大きく重くなる。このため、設置場所に制約が生じるとともに、設置工事時の取り扱いが難しい等の問題があった。

また、電流バランサとステップダウントランスの機能を一体としていたため、各相に対する個別の電圧調整までを必要としない場合には、不要な機能を含むこととなる。需要家の希望する必要な機能を取捨選択ができないという点で、構成上の柔軟性に欠けていた。さらに、このバランサトランスは配電回路に直列に挿入される構成であるため、バランサトランスに故障が発生すると停電事故に至る場合がある。電力供給の安定性、保守性の点で問題があった。

発展途上国においては、三相４線方式配電網における配電ロスの削減および配電網における省エネルギーが課題になっている。特に、Ｎ相におけるアンバランス電流の低減による配電ロスの削減の実現が要請されている。負荷の不平衡に起因するＮ相電流および共同帰線の配線抵抗によって、配電された電力の一部は共同帰線中で熱として消費されてしまう。この配電ロスを低減させるために、さらに相電圧を均一化させて共同帰線を流れる電流を減らすことができるよう、電流バランサのさらなる性能向上の要請があった。図１３に示した従来構成のバランサトランスでは、入力側から流れ込む電流、負荷が接続される出力側に流れ出す電流、並びに入力側へ向かって共同帰線を流れる電流がベクトル的に複雑となるため、電流バランサのバランス効果を妨げる問題がある。

発展途上国においては、先にも述べたように、機器の小型化、単純化、設置の容易さ、必要に応じた機能の取捨選択性が要求され、導入コストの低減させることもあわせて望まれている。電流バランサのバランス機能を改善し、配電システム全体を簡略化する要請があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、従来よりもさらに電流バランス性能を向上させた電流バランサを提供することにより、配電ロスを低減させて給電システムの質を向上させるとともに、電流バランサをより小型で取り扱いやすいものとすることにある。さらに、給電システムに必要とされる電流バランサ機能をより柔軟に選択することを可能とする。また、電流バランス性能の向上により電圧調整部を不要とし、既存設備である配電変圧器を利用して電圧調整を可能とすることで、全体の給電システムを簡略化し、コストを低減させることが可能となる。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、中性点との間で３つの相電圧を供給する配電システムにおいて、各相電圧に接続される第１の相端、第２の相端および第３の相端ならびに前記中性点に接続される中性点端を有し、前記第１の相端、第２の相端および第３の相端と前記中性点端との間をそれぞれバランサ電流が流れることによって前記各相電圧の不平衡を低減する電流バランサであって、第１の相のバランサ電流が流れるコイルおよび第２の相のバランサ電流が流れるコイルは、前記各々のバランサ電流が第１の相の鉄心において互いに逆方向の磁束を発生させるように前記第１の相の鉄心に密着して重ね巻きされて、第１の相のコイル対を構成し、前記第１の相のバランサ電流が流れるコイルの一端は、第３の相の鉄心に密着して重ね巻きされた第３の相のコイル対の１つのコイルの一端へ接続され、前記第１の相のバランサ電流は前記第１の相および前記第３の相を経由して流れるとともに、前記第１の相の鉄心および前記第３の相の鉄心においてそれぞれ逆方向の磁束を発生させ、前記第２の相のバランサ電流が流れるコイルの一端は、第２の相の鉄心に密着して重ね巻きされた第２の相のコイル対の１つのコイルの一端へ接続され、前記第２の相のバランサ電流は前記第１の相および前記第２の相を経由して流れるとともに、前記第１の相の鉄心および前記第２の相の鉄心においてそれぞれ逆方向の磁束を発生させ、前記第１の相のコイル対、前記第２の相のコイル対および前記第３の相のコイル対は、第１のコイル対グループを形成するとともに、各前記コイル対を構成する各々のコイルは巻き数が等しく、各相間で巡回的に対称に接続されており、前記第１のコイル対グループにおける前記第２の相のコイル対の前記１つのコイルの他端は、次のコイル対グループを形成する第１の相のコイル対の１つのコイルにさらに接続され、前記第１の相端および前記中性点端間において、分割された複数のコイル対グループに渡って、前記第１の相のバランサ電流が前記第１の相および前記第２の相間を交互に経由しながら流れるように各コイルが直列接続され、前記複数のコイル対グループを構成する各コイル対は各相間で巡回的に対称に接続されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、Ｒ相、Ｓ相およびＴ相からの出力電力を利用した三相４線式低圧配電システムであって、各相の負荷に並列に、前記Ｒ相、Ｓ相およびＴ相および中性線間に、請求項１に記載の電流バランサを配置したことを特徴とする三相４線式低圧配電システムである。

以上説明したように、本発明によれば、従来よりもさらに電流バランスを向上させた電流バランサを提供することが可能となり、配電ロスを低減させて給電システムの質を向上させる。電流バランサをより小型で取り扱いやすいものとすることができる。さらに、給電システムに必要とされる電流バランサ機能をより柔軟に選択することを可能とする。また、電流バランス性能の向上により相ごとの電圧調整部を不要とすることができる。既存設備である配電変圧器を利用して電圧調整を可能とすることで、全体の給電システムを簡略化して、コストを低減させる効果がある。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本願発明の電流バランサは、異なる相から流れるバランサ電流がある１つの相においてそれぞれ逆方向の磁束を発生させるよう２つのコイルを重ね巻きして１つのコイル対を構成する。１つの相から流れるバランサ電流は、１つの相のコイル対のコイル、およびこのコイルに接続された異なる相のコイル対のコイルを流れ、それぞれの相において逆方向の磁束を発生させる。これらのコイル対は、１つのコイル対のグループを形成する。さらにこのコイル対のグループの各々のコイルは、各相端から中性点端の間で直列に多段接続され、コイル対のグループごとに分割された分割巻き方法を採用している。

図１は、本発明の電流バランサにおける各コイルの接続を示す図である。後述する、電流バランサのより物理的なイメージを示す構成図である図２と対応している。両図を対照しながら参照することで、本発明の電流バランサの構成の理解がより容易となる。図１の本発明の電流バランサは、三相４線式低圧配電システムに最も適合したものである。各コイルは電流バランサの各脚（鉄心）に対応するＵ相１４、Ｖ相１５、Ｗ相１６のいずれかに属する。三相４線式低圧配電システムの各相電圧に接続される接続端であるＵ相端１７、Ｖ相端１８およびＷ相端１９は、直列接続された複数の各コイルを経て、それぞれ中性線端Ｎ２０に接続されている。中性点端２０は、三相４線式低圧配電システムの中性線に接続される。Ｕ相端１７、Ｖ相端１８およびＷ相端１９と中性点端２０との間を、それぞれ各相のバランサ電流が流れる。

次に、各コイル対の接続関係について、詳細に説明する。コイル対の各コイルに流れる電流は、説明の便宜上、中性線端Ｎ２０からＵ相端１７、Ｖ相端１８およびＷ相端１９へ流れる方向を基準としている。ここで、Ｕ相１４に配置されるコイル１ａ、コイル１ｂを起点として説明する。

第1のグループ１０１のコイル１ａおよびコイル１ｂは、コイル対となってＵ相１４の鉄心に重ね巻きされている。コイル１ｃとコイル１ｄ並びにコイル１ｅとコイル１ｆも、それぞれＶ相１５およびＷ相１６の鉄心に、コイル対として重ね巻きされている。同様に、コイル２ａとコイル２ｂ、コイル２ｃとコイル２ｄ、コイル２ｅとコイル２ｆ、コイル３ａとコイル３ｂ、コイル３ｃとコイル３ｄ、並びにコイル３ｅとコイル３ｆも、それぞれ重ね巻きされている。各コイル対は、第１のグループ１０１、第２のグループ１０２、および第３のグループ１０３に分けられる。

コイル１ａの一端１は中性点端Ｎ２０に接続され、他端２は、Ｗ相１６においてコイル対を構成するコイル１ｅ、コイル１ｆのうちのコイル１ｆの一端４に接続される。コイル１ｆの他端３は、第２のグループ１０２のＵ相１４にあるコイル２ａの一端５に接続される。ここで、中性点端Ｎ２０からコイル１ａを流れるバランサ電流は、Ｕ相１４のコイル１ａからＷ相１６のコイル１ｆを経て、再びＵ相１４へ戻ってコイル２ａを流れることに注目されたい。また、相異なる２つのＵ相１４およびＷ相１６において、電流バランサの脚方向に対してお互いに逆方向の磁束を発生させるようバランサ電流がコイル１ａおよびコイル１ｆに流れるように、コイル対の各々の端子が接続されていることに注目されたい。

同様の接続方法が、第２のグループ１０２のコイル２ａ、コイル２ｆおよび第３のグループ１０３のコイル３ａ、コイル３ｆにおいて、繰り返される。したがって、中性点端Ｎ２０からＷ相端１９までは、Ｕ相、Ｗ相、Ｕ相、Ｗ相、Ｕ相、Ｗ相の順に、２つの異なる相間を交互にバランサ電流が流れることになる。第1のグループ１０１のＵ相１４のコイル１ａは、最終的に第３のグループ１０３のＷ相１６のコイル３ｆの一端１１を経てＷ相端１９に接続される。

Ｕ相１４において、コイル１ａと重ね巻きされているコイル１ｂの一端４は、一端１が中性点端Ｎ２０に接続されたＶ相１５のコイル１ｃの他端２に接続されている。そして、コイル１ｂの他端３は、第２のグループ１０２のＶ相１５にあるコイル２ｃの一端５に接続される。ここで、中性点端２０からコイル１ｃを流れるバランサ電流は、Ｖ相１５のコイル１ｃからＵ相１４のコイル１ｂを経て、再びＶ相１５へ戻ってコイル２ｃを流れることに注目されたい。また、相異なる２つのＶ相１５およびＵ相１４において、電流バランサの脚方向に対してお互いに逆方向の磁束を発生させるようバランサ電流がコイル１ｃおよびコイル１ｂに流れるように、コイル対の各々の端子が接続されていることに注目されたい。

同様の接続方法が、第２のグループ１０２のコイル２ｂ、コイル２ｃおよび第３のグループ１０３のコイル３ｂ、コイル３ｃにおいて繰り返される。したがって、中性点端２０からＵ相端１７までは、今度はＶ相、Ｕ相、Ｖ相、Ｕ相、Ｖ相、Ｕ相の順に、２つの異なる相間を交互にバランサ電流が流れることになる。第１のグループのＶ相１５のコイル１ｃは、最終的に第３のグループのＵ相１４のコイル３ｂの一端１１を経てＵ相端１７に接続される。

上の説明では、第１のグループ１０１のＵ相１４に配置されたコイル１ａ、コイル１ｂから成るコイル対を起点として説明をした。コイル１ｃ、コイル１ｄから成るコイル対およびコイル１ｅ、コイル１ｆから成るコイル対を起点としても、同様にＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３つの相間で、巡回的に対称な関係が成り立つ。すなわち、１つのコイル対のグループ内において、ある相の１つのコイル対を構成する１つのコイルと、他の相のコイル対を構成する１つのコイルとが、それぞれの相において逆方向の磁束を生じさせるバランサ電流が流れるように接続されている。そして、この２つの相の間の接続は、次のグループ以降のコイル対の各コイル対して、繰り返される。Ｕ相端１７、Ｖ相端１８、Ｗ相端１９のそれぞれと中性点端Ｎ２０との間で、２つの相間に渡って交互にコイルが直列接続される構成となっている。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に対して、巡回的に対称な接続となっている。

以上の説明から容易に理解できるように、重ね巻きされたコイル対の各コイルについても、同じ鉄心内でお互いに逆方向の磁束を発生するようにそれぞれバランサ電流が流れるような接続関係となっていることがわかる。コイル１ａ、コイル１ｂから成るコイル対では、Ｕ相１４の鉄心内において、お互いに逆方向の磁束が発生するようにコイル１ａ、コイル１ｂそれぞれにバランサ電流が流れる。コイル１ｃ、１ｄおよびコイル１ｅ、１ｆについても同様である。

図２は、本発明の電流バランサの各コイルの物理的な接続形態をより具体的に表現した接続図である。図１の各コイルと対応しており、例えば、コイル１ａおよびコイル１ｂが重ね巻きされて、１つのコイル対を形成している。図２において、Ｕ相１４、Ｖ相１５、Ｗ相１６は、それぞれ各コイル対が巻きつけられる各相の鉄心脚に対応している。鉄心の形状は、各相の磁束の帰路を共有している三相変圧器を構成する三脚形磁心であれば、後述する磁束のバランス効果を生じうるものである限り、どのようなものでもかまわない。

また、図２においては、各コイル対のグループ１０１、１０２、１０３の各コイル対は、１つの相の鉄心の軸上に沿って並べて配置されるように記載してあるが、このような構成に限定されるものではない。すなわち、各相の鉄心の周りに、まず第１のグループのコイル対を巻きつけて、その上にさらに第２のグループ１０２のコイル対、第３のグループ１０３のコイル対の順に、同心上に順次積層して形成する構造であっても良い。

図３は、本発明の電流バランサの構成を示すコイル結線図である。各コイルの端子番号は、図１および図２の端子番号と共通である。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に対して、巡回的に対称に各コイルが接続されている構成であることがわかる。

図４は、本発明の電流バランサの各コイル対における磁束を説明する図である。図４では、第１のグループのＵ相のコイル対のコイル１ａ、１ｂを模式的に示したものである。図４では説明のために２つのコイルを離して記載してあるが、本発明のコイル対は重ね巻きされるので、図４のような位置関係に配置されるわけではない。図１において説明したように、１つのコイル対においては、それぞれのコイル１ａ、コイル１ｂは逆方向に電流Ｉ_１、Ｉ_２が流れるように重ね巻きされている。したがって、それぞれのコイル内に発生する磁束Φ_１、Φ_２は互いに逆方向となる。

図５は、コイルの重ね巻きにより１つの脚内で磁束がキャンセルされることを説明する図である。本発明の電流バランサにおけるコイル対は、図５のように２本のコイル線を平行に密着させて重ねて巻かれている。重ね巻きされたコイルの各々により発生する磁束Φ_１、Φ_２は、１つの脚の中で相殺され無誘導回路を構成する。このため内部リアクタンス分は消去される。図５において、２つのコイル１ａ、１ｂに強い分流作用が働き、コイル１ａに流れる電流とコイル１ｂに流れる電流を強制的に１／２ずつ分流し電流は平衡に保たれる。
上述のように、本願発明の電流バランサは、重ね巻きをしたコイル対を使用している点に１つの特徴がある。次に、本発明の電流バランサのもう１つの特徴である分割巻き方法について説明する。上述の重ね巻き法によりコイル対を形成すると、各コイル対の各々の巻き線は平行に密着して巻かれる。このため、コイル対の２つのコイル間の絶縁耐圧が低下する恐れがある。

図６各図は、本発明における分割巻き方法による効果を説明する図である。図６（ａ）は、理解をしやすくするために、図１におけるＵ相端と中性点端Ｎとの間に接続されるコイルだけを記載した図である。図６（ａ）から、図１において説明したようにＵ相とＶ相との間で、各コイルが交互に接続されていることがわかる。この接続方法により、Ｕ相端と中性点端Ｎとを流れる電流は、２つの相に等分して流れる。各相にまたがって交互に電流が流れることにより、電流は平衡化するように作用する。

図６（ｂ）は、図６（ａ）の各コイルに印加される電圧分布を説明する図である。Ｕ相端と中性点端Ｎとの間には、Ｕ相の全相電圧Ｅが印加される。ここで、各グループのコイル１ｂとコイル１ｃ、コイル２ｂとコイル２ｃ、コイル３ｂとコイル３ｃが、同じ巻き数であれば、相電圧Ｅは、各々のコイルに等分され、それぞれのコイルにＥ／６の電圧が印加されることになる。従って、密着して重ね巻きされるコイル対において考慮すべき耐圧は、最大でもＥ／６となる。本発明の電流バランサのコイルは、各相端と中性点端との間で複数のグループのコイル対に分割されている。コイル対は、グループごとに絶縁材料などにより十分な絶縁が可能である。さらに１つのコイル対のグループ内では、２つの異なる相のコイル対の間を経由して接続される。コイルが直列に多段接続された構成の電流経路をバランサ電流が流れることにより、相印加電圧を分圧し、重ね巻きコイル対部分における絶縁耐圧の低下を防止することができる。

なお、図１および図２に示した本発明の実施例では、コイル対は第１のグループから第３のグループまでの３つのグループに分かれており、３分割した構成となっている。しかし、これに限定されることはなく、２分割または４分割した構成であっても良い。

図７ａは、本発明の電流バランサおよび従来技術による電流バランサによる不平衡の是正効果を比較したデータを示す図である。Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の各相に可変試験負荷を接続して不平衡状態の負荷を形成し、電流バランサのない場合（Ｎｏ１，４）、従来型の電流バランサがある場合（Ｎｏ２，５）、および本発明の構成の電流バランサがある場合（Ｎｏ３，６）を比較した。従来型の電流バランサについては、図１２の構成におけるステップダウン機能は除いて電流バランサ機能部分のみについて比較評価をしたものである。

図７ｂは、上述の比較データを取得した測定系の構成を示す図である。電源側の相間電圧、相電流は模擬配線抵抗７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄの配電変圧器７０側において測定した。可変試験負荷７５ａ、７５ｂ、７５ｃにより不平衡状態の負荷を形成する。可変試験負荷７５ａ、７５ｂ、７５ｃには、配線用遮断機（ＭＣＣＢ）を介して、並列に被試験電流バランサ７２が接続される。

図７ａの比較データより、共同帰線を経由して電源側に流れるＮ相電流は、本発明の電流バランサを設置することで、電流バランサがない場合の１６．７Ａ（Ｎｏ１）から０．６Ａ（Ｎｏ２）へと劇的に低減されていることがわかる。また、負荷側の相間電圧のばらつき幅は、電流バランサがない場合の５４Ｖ（Ｎｏ１）から１７Ｖ（Ｎｏ３）へと、１／３に大幅に減少している。出力電圧の１０％以内程度のばらつき幅に抑えられていることがわかる。本発明の電流バランサを設置すると、相間電圧のなかで極端に低い電圧がなくなり、相間電圧を全体に増加させる効果があることがわかる。従来型の電流バランサを設置した場合（Ｎｏ２，５）と比較しても、電源側の共同帰線に流れるＮ相電流の低減と負荷側における相間電圧の不平衡の是正において大きな改善があることがわかる。

図７ａにおけるデータ比較においては、従来型のバランサトランスは、電流バランサ機能部分のみを本発明の電流バランサと比較している。したがって、上述の効果は本発明特有の重ね巻きされたコイル対、コイル対のグループ内で相間をまたがった接続、並びに複数のコイル対グループによる分割巻き方法による効果ということができる。

上述したように、本発明の電流バランサを負荷側に設置することで、負荷点における各相電圧の不平衡を是正し、共同帰線を経由して電源側へ流れるＮ相電流を大幅に低減させる効果がある。これにより、配電変圧器から負荷までの共同帰線の配線抵抗によって発生する電力損失を大幅に低減させることができる。発展途上国等においては三相４線式による配電区間が長いため、本発明の電流バランサによりＮ相電流を低減させることで、Ｎ相の配線抵抗により発生する配電ロスを低減させる効果が大きい。

図８は、本発明の電流バランサを利用した三相４線式低圧配電システムの実施例を示す図である。配電変圧器５０から供給される各相電圧は各相配線および中性線により分電盤５１に接続される。分電盤５１までの配線は、配線抵抗ｒ_ｕ、ｒ_ｖ、ｒ_ｗ、ｒ_ｎを持っている。分電盤５１からの出力は、電圧調整器５３に接続される。電圧調整器５３は各相に電圧調整用のタップを持っており、各相の出力タップは負荷５５ａ、５５ｂ、５５ｃの一端へ接続される。電圧調整器５３の中性線端および各負荷５５ａ、５５ｂ、５５ｃの他端は、分電盤５１の中性線端へ接続される。

本発明の電流バランサ５２は、分電盤５１の出力側近傍において、各相に並列に接続される。負荷５５ａ、５５ｂ、５５ｃの不平衡により生じた不平衡電流は、電流バランサ５２内で吸収され、Ｂ点においては共同帰線の電流Ｉ_ｎを著しく減らすことができる。したがって、配電変圧器５０から分電盤５１までの配線が長い場合であっても、共同帰線の配線抵抗による配電ロスを大幅に減らすことができる。

電圧調整器５３は、一般に、負荷となる機器の安定動作を確保しながらできるだけ機器における消費電力を低減させて節電効果を得られるように、相電圧を調整するため使用される。しかし、本発明の電流バランサを使用することで、電圧調整器５３を省略することも可能となる。本発明の電流バランサにより負荷点の相電圧は均一化されるため、個々の相ごとに電圧調整を行なう必要性が少なくなる。このような場合、配電変圧器５０や分電盤５１において、三相の電圧を一括して調整することにより、所望の節電効果を満足する電圧に調整をすることができる。

表１は、一般的な配電変圧器のタップ構成の一例を示す。配電変圧器においては、二次側電流が大きいため、一次側配線にタップが設けられており、最大で＋５％から−５％まで電圧調整が可能である。１０％程度の電圧を一括調整することができる。したがって、従来型のバランサトランスのステップダウン機能を含まなくても、各相間の電圧バラツキを本発明の電流バランサで抑えることによって、従来からの既存設備である配電変圧器を使用した電圧調整も可能となる。

従来型のバランサトランスと本発明の電流バランサの機器容量の比較計算例を表２に示す。表２は、従来型のバランサトランスに関する各相容量の計算例である。従来型のバランサトランスでは、配電システム経路に直列に挿入されるので、全体の機器容量は各相の容量の合計となり１６８．３ＫＶＡが必要である。

一方、本発明の電流バランサでは、表２の負荷条件でＮ相電流が６９Ａであったため、電流バランサの各相に１／３ずつ均等にバランサ電流が流れるとすると、１相辺りの容量は、２２０Ｖ×６９／３＝５．０６ＫＶＡとなる。三相を合計した電流バランサ全体の容量は、１５．２ＫＶＡとなる。表２の従来型のバランサトランスの場合と比較した場合、本発明の電流バランサは１／１０以下の機器容量で済むことになる。各相の負荷に並列に挿入する本発明の電流バランサでは、機器の容量が小さくて済むため、機器全体の大きさおよび重量とも大幅に減らすことができる。さらに、並列に接続することより、電流バランサ本体に故障が生じた場合でも、電流バランサに備える保護回路等によって電力回路から切断して、停電などの重大な問題を回避できる。電流バランサの修理や交換などが容易であり、機器の保守性も良くなる。

以上述べたように、従来技術のバランサトランスと比較してさらに電流平均化の性能を向上させることにより、三相４線式低圧配電システムから電圧調整器５３を省略可能とすることで、配電システム全体のコストを低減させることができる。また、電圧調整器５３を省略することで、他の電気設備の設置場所に自由度が増し、設置・工事の簡便さを向上させることができる。尚、進相コンデンサ５４は負荷の力率調整のために、必要に応じて使用される。

図９は、本発明の電流バランサを利用した三相４線式低圧配電システムの他の実施例を示す図である。配電変圧器６０からの配電距離が長く、負荷が分散して配置される場合の応用例である。配電変圧器６０から配線抵抗６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６１ｄをそれぞれ持つＲ線、Ｓ線、Ｔ線、Ｎ線を経て、負荷６５ａが接続されている。さらに、負荷６５ａから配線抵抗６３ａ、６３ｂ、６３ｃ、６３ｄを持つＲ線、Ｓ線、Ｔ線、Ｎ線が延長され、第２の負荷６５ｂに接続されている。本発明の電流バランサ６２ａ、６２ｂは、負荷６５ａの近傍および第２の負荷６５ｂの近傍に、それぞれ並列に接続される。配線抵抗の大きい長い配線区間ごとに、本発明の電流バランサを複数配置することによって、各配電区間における共同帰線を流れる電流を減らし、配電ロスを減らすことができる。発展途上国における配電網では、４線による配電部分の延長距離が長く、配電ロスの低減による電源の質の向上の効果は大きい。

図１０は、本発明の電流バランサをさらに安定化する構成を示す図である。本発明の電流バランサに、さらに安定コイルを併置することできる。図１０の構成は、図１の電流バランサにΔ接続されたコイル４ａ、４ｂ、４ｃを追加したものである。Δ接続されたわずかのコイルを追加することで、電流バランサの性能を安定化させる。Δ巻き線コイルは、閉回路を構成し、電流バランサの励磁電源および負荷のいずれとも接続されない。中性点電位を安定させ、零層インピーダンスを低減させる。Ｎ相電流の吸収効果を高める効果がある。

以上詳細に説明したように、本発明によれば、従来よりもさらに電流バランスを向上させた電流バランサを提供することが可能となり、配電ロスを低減させて給電システムの質を向上させる。電流バランサをより小型で取り扱いやすいものとすることができる。また、電流バランス性能の向上により、既存の配電変圧器を利用して電圧調整を可能とすることで、電圧調整部を不要とすることができる。給電システム全体を簡略化して、コストを低減させる効果がある。給電システムに必要とされる電流バランサ機能だけを、柔軟に選択することを可能とする。

本発明の電流バランサは、電力配電システム、特に三相４線式低圧配電システムなどに利用可能である。

本発明の電流バランサのコイル接続を示す図である。本発明の電流バランサのより物理的な構成を示す図である。本発明の電流バランサの別の表現によるコイル結線図である。コイル対における磁束を説明する図である。重ね巻きしたコイル対における磁束を説明する図である。（ａ）は本発明の電流バランサのＵ相端と中性点端間のコイル接続図、（ｂ）はＵ相端と中性点端との間での各コイルに印加される電圧分布を説明する図である。（ａ）は本発明の電流バランサによる相電圧不平衡の是正効果を示す図、（ｂ）は電流バランサの効果比較データを取得した測定系を示す図である。本発明の電流バランサを含む三相４線式低圧配電システムを示す図である。本発明の電流バランサを含む他の三相４線式低圧配電システムを示す図である。本発明の電流バランサの他の変形応用例を示す図である。電流バランサの動作原理を説明する図である。従来技術のバランサトランスの構成を示す図である。従来技術のバランサトランスの構成を示す図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、４ａ、４ｂ、４ｃコイル
１４Ｕ相
１５Ｖ相
１６Ｗ相
１７Ｕ相端
１８Ｖ相端
１９Ｗ相端
２０中性点端
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ直列コイル
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２５ａ、２５ｂ、２５ｃ分流コイル
３１、５２、６２ａ、６２ｂ、７２電流バランサ
３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、６５ａ、６５ｂ、６５ｃ負荷
５０、６０、７０配電変圧器
５１分電盤
５３電圧調整器
５４進相コンデンサ
６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６１ｄ、６３ａ、６３ｂ、６３ｃ、６３ｄ、７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄ配線抵抗

Claims

中性点との間で３つの相電圧を供給する配電システムにおいて、各相電圧に接続される第１の相端、第２の相端および第３の相端ならびに前記中性点に接続される中性点端を有し、前記第１の相端、第２の相端および第３の相端と前記中性点端との間をそれぞれバランサ電流が流れることによって前記各相電圧の不平衡を低減する電流バランサであって、
第１の相のバランサ電流が流れるコイルおよび第２の相のバランサ電流が流れるコイルは、前記各々のバランサ電流が第１の相の鉄心において互いに逆方向の磁束を発生させるように前記第１の相の鉄心に密着して重ね巻きされて、第１の相のコイル対を構成し、
前記第１の相のバランサ電流が流れるコイルの一端は、第３の相の鉄心に密着して重ね巻きされた第３の相のコイル対の１つのコイルの一端へ接続され、前記第１の相のバランサ電流は前記第１の相および前記第３の相を経由して流れるとともに、前記第１の相の鉄心および前記第３の相の鉄心においてそれぞれ逆方向の磁束を発生させ、前記第２の相のバランサ電流が流れるコイルの一端は、第２の相の鉄心に密着して重ね巻きされた第２の相のコイル対の１つのコイルの一端へ接続され、前記第２の相のバランサ電流は前記第１の相および前記第２の相を経由して流れるとともに、前記第１の相の鉄心および前記第２の相の鉄心においてそれぞれ逆方向の磁束を発生させ、前記第１の相のコイル対、前記第２の相のコイル対および前記第３の相のコイル対は、第１のコイル対グループを形成するとともに、各前記コイル対を構成する各々のコイルは巻き数が等しく、各相間で巡回的に対称に接続されており、
前記第１のコイル対グループにおける前記第２の相のコイル対の前記１つのコイルの他端は、次のコイル対グループを形成する第１の相のコイル対の１つのコイルにさらに接続され、前記第１の相端および前記中性点端間において、分割された複数のコイル対グループに渡って、前記第１の相のバランサ電流が前記第１の相および前記第２の相間を交互に経由しながら流れるように各コイルが直列接続され、前記複数のコイル対グループを構成する各コイル対は各相間で巡回的に対称に接続されていること、
を特徴とする電流バランサ。
Ｒ相、Ｓ相およびＴ相からの出力電力を利用した三相４線式低圧配電システムであって、各相の負荷に並列に、前記Ｒ相、Ｓ相およびＴ相および中性線間に、請求項１に記載の電流バランサを配置したことを特徴とする三相４線式低圧配電システム。