JP2008168795A

JP2008168795A - 給電設備

Info

Publication number: JP2008168795A
Application number: JP2007004083A
Authority: JP
Inventors: Hideo Watanabe; 秀夫渡邉; Tadashi Kamimura; 正上村
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2007-01-12
Filing date: 2007-01-12
Publication date: 2008-07-24
Anticipated expiration: 2027-01-12
Also published as: JP5082450B2

Abstract

【課題】給電設備の遮断器が一時的な過負荷電流により誤って保護動作するのを回避、および変電所の誤った停電を回避できる。
【解決手段】一時的な過負荷電流そのものが直流遮断器の定格電流を越えるのを防止する電力貯蔵装置を直流変電所に併設する。
電力貯蔵装置は、電気二重層キャパした１１と補助母線１４との間に放電器１２と充電器１３を設け、補助母線とトロリー線４との間に順方向で設けたサイリスタスイッチ１５を設け、き電線と補助母線との間に順方向で逆流防止用ダイオード１６を設ける。
一時的な過負荷電流の発生時には放電器の放電制御とサイリスタスイッチのオン制御でキャパシタからトロリー線に給電し、通常時には充電器の充電制御によりき電線からダイオードを通してキャパシタ１１を充電する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電所または変電所から遮断器を介して負荷群に給電する給電設備に係り、特に一時的な過負荷電流による遮断器の自己遮断を防止する方式に関する。

図３は直流き電変電所を例として従来技術の構成を示す。交流電源から変圧器１を通して受電し、この変圧器１の出力を整流装置２で直流電力に変換し、直流の電源母線になるき電線３を通して各線区に直流き電を行う。き電線３と区間別および上り／下り線別にした各トロリー線（負荷母線）４との間には、き電線の過電流保護装置としての直流遮断器（直流高速遮断器）５が設けられ、各トロリー線４から在線する電車６に給電を行っている。

このような直流き電系統において、各き電区間に多くの電車が位置して力行運転と回生運転を繰り返すため、変電所からみてき電電流（フィーダ電流）が大きく変動する。また、変電所から遠隔の位置では電車の力行によるき電電圧の大きな降下、電車の回生によるき電電圧の大きな上昇も起きる。

電気二重層キャパシタを適用したトロリー線の電圧降下対策や回生電力吸収対策のための直流電鉄用電力貯蔵装置の検討がなされている（例えば、特許文献１参照）。この電力貯蔵装置は、電気二重層キャパシタと充放電器の組で構成され、変電所から遠隔した位置でき電線に併設し、き電線電圧の上昇／降下に際して電気二重層キャパシタによる電力吸収／電力放電を行うことで、き電線の電圧降下を抑制すると共に、電車からの回生電力を吸収してき電線の電圧上昇による回生失効を防止する。なお、電気二重層キャパシタに代えて、二次電池や電力用コンデンサなどの直流蓄電装置とする場合もある。

一方、変電所からみて一時的な過負荷電流には直流遮断器５の自己遮断で保護されるが、負荷増による定常的な過負荷電流の発生に対しては、直流遮断器５を電流定格の高いものに交換することで、直流遮断器の不要な過電流遮断を無くすと共に、系統の停電故障を回避する方法がある。

また、直流遮断器によるき電線の過負荷電流発生の判定は、過負荷電流判定回路のメモリに判定の閾値となる直流遮断器の自己遮断動作のための基準電流値を記憶しておき、この基準電流値とき電線電流検出値の比較を行い、き電線電流検出値が前記基準電流値を越えたときに過負荷電流としているが、このときのメモリの基準電流値を高めることで、定常的な過負荷電流にも直流遮断器の交換を不要にして過電流遮断を防止する方法があり、装置の耐量特性によって保護特性を決定する過電流保護装置もある（例えば、特許文献２参照）。

その他に、落雷等による電力系統の電圧低下をコンデンサで補償する装置（以下、瞬時電圧低下補償装置）がある（例えば、特許文献３参照）。
特開２０００−２３３６６９号公報特開平１１−１２２８０３号公報特開２００２−１０５２８号公報

前記のように、直流き電変電所のフィーダ電流は、将来的な負荷電流の増大に対応できるようにするため、直流遮断器には定格電流の最大仕様（５ｋＡ）のものが多く採用され、負荷電流増にもその交換を不要にしている。

しかし、直流遮断器の自己遮断のための基準電流値（過負荷電流判定の閾値）を記憶するメモリは、一般的には１０ｋＡを最大値としているが、特許文献２のように、き電電流の増大による誤動作対策として、このメモリ値を装置の耐量特性に基づき変更することは、過負荷電流耐量の優れた装置では不要な過電流遮断を防止できるが、その反面、遮断器のフレームサイズの変更などを伴い、装置の構造上などから、簡単に実現できない。

このため、さらに大電流定格の直流遮断器への要求もあるが、１０ｋＡを越える過負荷電流は、数秒程度と短時間（例えば電鉄負荷の場合、１〜数秒）であり、この瞬時的大電流のみ遮断器の定格を上げることは、コスト、大きさの面から不利であり、合理的ではないとの考えから、適用されていない。

以上の問題点は、直流給電設備に限られるものでなく、交流変電所の電源母線から交流遮断器を介して負荷母線に接続し、負荷母線から負荷群に給電する交流給電設備にもある。例えば、交流き電系統やクレーンおよびエレベータの巻上機など、起動電流が大きく瞬時大電流となる交流給電設備があり、前記交流給電設備では一時的な過負荷電流が遮断器を流れて誤った保護動作及び停電が起こらないように、遮断器のフレームサイズを定めて設計を行っているが、複数の電車や巻上機によって引き起こる過負荷電流の増大には遮断器交換によるフレームサイズの変更なくして対処できない。

本発明の目的は、遮断器の交換を不要にし、また、遮断器の自己遮断動作のための基準電流値を変更することなく、一時的な過負荷電流による誤った保護動作および停電を回避できる給電設備を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、一時的な過負荷電流そのものが遮断器の定格電流を越えるのを防止する電力貯蔵装置を変電所に併設したもので、以下の構成を特徴とする。なお、電力貯蔵装置は、直流給電設備または交流給電設備に適用できるものである。

（１）変電所の電源母線から遮断器を介して負荷母線に接続し、負荷母線から負荷群に給電する給電設備において、
負荷母線に発生する一時的な過負荷電流が前記遮断器の定格電流を越えようとするときに、該過負荷電流を前記遮断器の定格電流以下に抑制するよう、直流蓄電装置から負荷母線に給電する電力貯蔵装置を備えたことを特徴とする。

（２）前記電力貯蔵装置は、
直流蓄電装置と、この直流蓄電装置と補助母線との間に設けた充放電装置と、この補助母線と前記負荷母線との間を開閉できる半導体スイッチと、前記補助母線から電源母線への逆流を阻止する逆流防止用ダイオードまたは半導体スイッチとを備え、
一時的な過負荷電流の発生時には前記充放電装置の放電制御と前記半導体スイッチのオン制御で前記直流蓄電装置から負荷母線に給電し、通常時には前記充放電装置の充電制御により電源母線から前記逆流防止用ダイオードまたは半導体スイッチを通して前記直流蓄電装置を充電する手段、および、前記充放電装置の充電制御により、負荷母線から前記遮断器と電源母線を通して、負荷からの回生電力を吸収する手段、および前記充放電装置の充放電制御によって、変電所負荷のピークカットを行う手段のうち、いずれか１つ以上を備えたことを特徴とする。

（３）前記充放電装置は、電源母線、負荷母線および補助母線が交流の場合、ＡＣ／ＤＣコンバータとすることを特徴とする。

（４）前記充放電装置は、電源母線、負荷母線および補助母線が直流の場合、ＤＣ／ＤＣコンバータとすることを特徴とする。

（５）前記電源母線は直流き電系統のき電線とし、前記負荷母線は直流き電系統のトロリー線とし、前記遮断器は前記き電線とトロリー線の間に設け、前記電力貯蔵装置の半導体スイッチは補助母線とトロリー線の間に設け、前記逆流防止用半導体スイッチはき電線と補助母線との間に設けたダイオードとする構成を特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、給電設備に、一時的な過負荷電流そのものが遮断器の定格電流を越えるのを防止する電力貯蔵装置を併設したため、以下の効果がある。

（１）遮断器の定格電流を一定以下に抑えることができ、大容量の遮断器の開発を不要にして、遮断器の誤った保護動作および給電設備の停電を回避できる。

（２）給電設備において、短時間（数秒以内）大電流負荷に対応でき、定格の大きな遮断器への交換、および自己遮断動作のための基準電流値の変更が不要となる。

（３）給電設備の負荷電力のピークカットができる。

（４）き電変電所の電鉄負荷、またはクレーンやエレベータなどの巻上機負荷等において、回生電力による給電設備の電圧上昇や回生失効の防止対策ができる。

図１は、本実施形態を示す直流き電変電所の回路構成図である。同図が図３と異なる部分は、き電変電所の近傍に電力貯蔵装置を併設し、一時的な過負荷電流がトロリー線で発生した場合には、定格電流を越える電流を電力貯蔵装置から直流給電する点にある。

図示の電力貯蔵装置は、電気二重層キャパシタ１１を直流電源とし、これに放電器１２と充電器１３をそれぞれ直列接続し、放電器１２の出力端と充電器１３の入力端の共通接続点に電力貯蔵装置専用の補助母線１４を接続し、この補助母線１４と各トロリー線４との間にそれぞれサイリスタスイッチ（半導体スイッチ）１５を順方向で設ける。さらに、き電線３から補助母線１４側に順方向に逆流防止用ダイオード１６を設ける。

この構成になる電力貯蔵装置は、定常時（例えば、き電線電圧が任意の下限電圧以上、上限電圧以下でかつ定格電流以下のとき）は、き電線３からダイオード１６および充電器１３を通してキャパシタ１１を充電しておくと共に、き電線３から直流遮断器５およびトロリー線４を通して前記遮断器５の定格電流以下の電力を電車６に給電する。そして、一時的な過負荷電流の発生（図示しない直流電流検出器で過負荷電流値を検出）で、き電線３からトロリー線４への給電電流がその間に介挿される直流遮断器５の定格電流を越えようとするときに、この過負荷電流を直流遮断器の定格電流以下に抑制するよう、電気二重層キャパシタ１１から放電器１２の放電制御およびサイリスタ１５のオン制御で当該トロリー線４へ給電する。

このような機能構成にされる電力貯蔵装置の制御装置の例を図２に示す。同図において、差分演算部１７は、直流電流検出器で検出される各直流遮断器５の電流ｉ１〜ｉｎと、直流遮断器５の個別または共通の定格電流との差分を個別に求める。サイリスタ選択投入部１８は、電流ｉ１〜ｉｎが直流遮断器の定格電流または抑制したい任意の電流値に近づいた時（自己遮断のための基準電流値を越えないように）、当該直流遮断器５が接続されるトロリー線４と補助母線１４との間に設けられるサイリスタスイッチ１５を選択投入する。

キャパシタ放電制御部１９は、サイリスタ選択投入部１８が少なくとも１つ以上のサイリスタを選択投入したときに放電器１２を放電制御し、キャパシタ１１から放電器１２とサイリスタスイッチ１５を通してトロリー線への放電電流を制御する。この放電電流制御は、検出電流ｉ１〜ｉｎが直流遮断器５の定格電流よりも少し低い値になるよう制御し、またヒステリシス特性をもたせて安定制御する。

キャパシタ充電制御部２０は、サイリスタ選択投入部１８がすべてのサイリスタスイッチ１５を選択投入していないときに、充電器１３を充電制御し、キャパシタ１１を所定電圧まで充電しておく。

したがって、本実施形態によれば、一時的な過負荷電流の発生には、電力貯蔵装置によって過剰電流分（直流遮断器の定格電流を超える電流分）を給電することができる。これにより、直流遮断器は既存の定格電流仕様のものを使用して、一時的な過負荷電流にも自己遮断することはなく、その交換を不要にする。また、直流遮断器の自己遮断動作のための基準電流値を変更する必要も無い。さらに、一時的な過負荷電流による誤った保護動作および停電を回避できる。特に、電鉄負荷に特有の短時間（１〜数秒）大電流負荷による直流遮断器の不要な遮断動作を防止できる。

さらに、電力貯蔵装置の設置により、電車の回生運転でき電線電圧が過電圧レベルに近づいたとき、制御部２０による充電器１３の充電制御によって、ダイオード１６から充電器１３を通してキャパシタ１１に回生電力を吸収させることもできる。さらにまた、電力貯蔵装置の大容量化によって、変電所負荷のピークカットも可能になる。

なお、実施形態において、放電器１２と充電器１３を１台の昇降圧チョッパとして構成して同等の作用効果を得ることができる。例えば、き電線３の電圧がＤＣ１１００〜１７００Ｖ、キャパシタ１１の端子電圧がＤＣ４００〜１０００Ｖの場合、昇降圧チョッパの降圧制御により、き電線３からキャパシタ１１へ充電、昇圧制御によりキャパシタ１１からトロリー線４へ放電となる。逆に、放電器１２の出力は補助母線１４に接続し、ダイオード１６を省略してき電線３から直接に充電器１３に接続する構成にすることも可能である。

また、実施形態は、直流き電変電所に電力貯蔵装置を併設する場合を示すが、交流き電系統や巻上機など、起動電流が大きい電動機群をそれぞれ継電器の接点を閉成して駆動するための給電設備に適用して同等の作用効果を得ることができる。

また、実施形態は直流き電系統に直流電力を給電する設備の場合を示すが、交流変電所の交流母線から交流遮断器を介して負荷母線に接続し、負荷母線から負荷群に給電する交流給電設備に電力貯蔵装置を併設して同等の効果を得ることができる。この場合、整流装置２は省き、直流遮断器５は交流遮断器に置換し、サイリスタスイッチ１５は交流電流をオン／オフできる双方向半導体スイッチに置換し、放電器１２はインバータに置換すれば良い。

本発明の実施形態を示すき電変電所の構成図。実施形態における電力貯蔵装置制御装置の構成図。従来のき電変電所の構成図。

符号の説明

１変圧器
２整流装置
３き電線
４トロリー線
５直流遮断器
６電車
１１電気二重層キャパシタ
１２放電器
１３充電器
１４補助母線
１５サイリスタスイッチ
１６逆流防止ダイオード

Claims

変電所の電源母線から遮断器を介して負荷母線に接続し、負荷母線から負荷群に給電する給電設備において、
負荷母線に発生する一時的な過負荷電流が前記遮断器の定格電流を越えようとするときに、該過負荷電流を前記遮断器の定格電流以下に抑制するよう、直流蓄電装置から負荷母線に給電する電力貯蔵装置を備えたことを特徴とする給電設備。
前記電力貯蔵装置は、
直流蓄電装置と、この直流蓄電装置と補助母線との間に設けた充放電装置と、この補助母線と前記負荷母線との間を開閉できる半導体スイッチと、前記補助母線から電源母線への逆流を阻止する逆流防止用ダイオードまたは半導体スイッチとを備え、
一時的な過負荷電流の発生時には前記充放電装置の放電制御と前記半導体スイッチのオン制御で前記直流蓄電装置から負荷母線に給電し、通常時には前記充放電装置の充電制御により電源母線から前記逆流防止用ダイオードまたは半導体スイッチを通して前記直流蓄電装置を充電する手段、および、前記充放電装置の充電制御により、負荷母線から前記遮断器と電源母線を通して、負荷からの回生電力を吸収する手段、および前記充放電装置の充放電制御によって、変電所負荷のピークカットを行う手段のうち、いずれか１つ以上を備えたことを特徴とする請求項１に記載の給電設備。
前記充放電装置は、電源母線、負荷母線および補助母線が交流の場合、ＡＣ／ＤＣコンバータとすることを特徴とする請求項２に記載の給電設備。
前記充放電装置は、電源母線、負荷母線および補助母線が直流の場合、ＤＣ／ＤＣコンバータとすることを特徴とする請求項２に記載の給電設備。
前記電源母線は直流き電系統のき電線とし、前記負荷母線は直流き電系統のトロリー線とし、前記遮断器は前記き電線とトロリー線の間に設け、前記電力貯蔵装置の半導体スイッチは補助母線とトロリー線の間に設け、前記逆流防止用半導体スイッチはき電線と補助母線との間に設けたダイオードとする構成を特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の給電設備。