JP2009099347A - 突入電流抑制装置 - Google Patents

Abstract

【課題】極間コンデンサ付きの３相遮断器の投入時に３相変圧器に流れる励磁突入電流を抑制することが可能な突入電流抑制装置を提供する。
【解決手段】この電力供給システムの制御部１３は、閉極指示信号φＢに応答して、Ｒ相の定常磁束と残留磁束とが一致するタイミングでＲ相に対応するスイッチ２を投入させた後、Ｓ相およびＴ相の各々の定常磁束と残留磁束の差が最小限になるように、Ｒ相の交流電圧の零点から０〜３０度の間の予め定められた位相角度だけ遅延したタイミングでＳ相およびＴ相に対応するスイッチ３，４を投入させる。したがって、極間コンデンサ５〜７付きの３相遮断器１の投入時に３相変圧器８に流れる励磁突入電流を抑制できる。
【選択図】図１

Description

この発明は突入電流抑制装置に関し、特に、３相交流電源から３相遮断器を介して３相変圧器に流れる励磁突入電流を抑制する突入電流抑制装置に関する。

従来より、３相遮断器の投入時に３相交流電源から３相変圧器に励磁突入電流と呼ばれる過渡的な電流が流れることが知られている。励磁突入電流は、３相変圧器の定格電流の数倍から十数倍にもなり、３相交流電圧の瞬時低下などを招く。

励磁突入電流を抑制する方法としては、３相変圧器の各相の残留磁束を検出し、基準相の定常磁束と残留磁束とが一致するタイミングで基準相の交流電圧を投入した後、基準相の交流電圧が０になるタイミングで残りの２相の交流電圧を投入する方法がある（たとえば、特許文献１，２参照）。
特開２００４−２０８３９４号公報 特開２００６−４０５６６号公報

従来の突入電流抑制方法では、基準相の交流電圧が０になるタイミングで、残りの各相の定常磁束と残留磁束が一致することを前提としている。

しかし、３相遮断器に含まれる３つのスイッチの各々に極間コンデンサが並列接続されている場合は、３つのスイッチを開極しても、３相交流電圧が３つの極間コンデンサを介して３相変圧器に供給される。このため、３相変圧器の各相の残留磁束は、直流成分の磁束に商用周波数成分の磁束が重畳したものとなる。

したがって、たとえ残りの２相の残留磁束の直流成分が略同じであったとしても、基準相の投入時に、残りの２相の残留磁束が略同じであるとは限らない。残りの２相の残留磁束に差異がある状態で、残りの２相が上記のタイミングで投入されると、残りの各相の定常磁束と残留位相が一致せず、大きな励磁突入電流が流れてしまう。

それゆえに、この発明の主たる目的は、極間コンデンサ付きの３相遮断器の投入時に３相変圧器に流れる励磁突入電流を抑制することが可能な突入電流抑制装置を提供することである。

この発明に係る突入電流抑制装置は、３相交流電源から３相遮断器を介して３相変圧器に流れる励磁突入電流を抑制する突入電流抑制装置であって、３相遮断器は３つのスイッチと３つの極間コンデンサを含むものである。３つのスイッチの一方端子はそれぞれ３相交流電源から３相交流電圧を受け、それらの他方端子はそれぞれ３相変圧器の３相１次巻線の３つの入力端子に接続され、３つの極間コンデンサはそれぞれ３つのスイッチに並列接続される。３相遮断器の閉極時には３相変圧器の各相に定常磁束が発生し、３相遮断器の開極時には３相変圧器の各相に残留磁束が発生する。この突入電流抑制装置は、電圧測定部、残留磁束演算部、および制御部を備える。電圧測定部は、３相のうちの基準相に対応するスイッチの他方端子の電圧を測定する。残留磁束演算部は、３相遮断器の開極時における電圧測定部の測定結果に基づいて３相変圧器の基準相の残留磁束を求める。制御部は、閉極指令信号に応答して、基準相の定常磁束と残留磁束演算部によって求められた残留磁束とが一致するタイミングで基準相に対応するスイッチを投入させた後、基準相以外の各相の定常磁束と残留磁束の差が最小限になるように、基準相の交流電圧の零点から０〜３０度の間の予め定められた位相角度だけ遅延したタイミングで残りの２つのスイッチを投入させる。

この発明に係る突入電流抑制装置では、基準相の定常磁束と残留磁束とが一致するタイミングで基準相に対応するスイッチを投入させた後、基準相以外の各相の定常磁束と残留磁束の差が最小限になるように、基準相の交流電圧の零点から０〜３０度の間の予め定められた位相角度だけ遅延したタイミングで残りの２つのスイッチを投入させる。したがって、基準相の残留磁束と定常磁束が一致し、残りの各相の残留磁束と定常磁束の差が最小限になるので、極間コンデンサ付きの３相遮断器の投入時に３相変圧器に流れる励磁突入電流を抑制することができる。

図１は、この発明の一実施の形態による電力供給システムの要部を示す回路ブロック図である。図１において、この電力供給システムは、３相遮断器１および３相変圧器８を備える。３相遮断器１は、電力供給システムに何らかの事故が発生した場合に電力供給を遮断して電力供給システムなどを保護するものであり、３つのスイッチ２〜４と３つの極間コンデンサ５〜７とを含む。

スイッチ２〜４の一方端子は、３相交流電源（図示せず）からのＲ相、Ｓ相、およびＴ相の交流電圧をそれぞれ受ける。３つのスイッチ２〜４の各々は、独立に制御可能となっている。通常動作時は、スイッチ２〜４が閉極されて電力供給が行なわれる。電力供給システムに何らかの事故が発生した場合は、スイッチ２〜４が開極されて電力供給が遮断される。

３つの極間コンデンサ５〜７は、それぞれ３つのスイッチ２〜４に並列接続される。極間コンデンサ５〜７は、近距離線路故障遮断時の過渡回復電圧（ＴＲＶ：Transient Recovery Voltage）の上昇率を緩和させることなどを目的として設けられている。

３相変圧器８は、３相交流電源から供給される３相交流電圧を所望の電圧に降圧して負荷に供給するものであり、星形結線されて中性点が接地された３相１次巻線９と、三角結線された３相２次巻線１０とを含む。３相１次巻線９の３つの入力端子は、それぞれスイッチ２〜４の他方端子に接続される。３相２次巻線１０の３つの出力端子は、負荷（たとえば３相モータ）に接続される。なお、３相遮断器の閉極時には３相変圧器の各相に定常磁束が発生し、３相遮断器の開極時には３相変圧器の各相に残留磁束が発生する。

また、この電力供給システムは、電圧測定部１１、残留磁束演算部１２、および制御部１３を備える。電圧測定部１１は、スイッチ２〜４の他方端子（すなわち３相変圧器８の３相１次巻線９の３つの入力端子）の電圧の瞬時値を連続的に測定する。電圧測定部１１の測定値は、残留磁束演算部１２および制御部１３に与えられる。残留磁束演算部１２は、３相遮断器１が開極される前後における電圧測定部１１の測定値を積分して、３相変圧器８の各相の残留磁束を求める。

制御部１３は、開極指令信号φＡに応答して、３相のうちの基準相（ここではＲ相とする）の交流電圧が＋から−に変化する時の零点で３つのスイッチ２〜４を同時に開極させる。これにより、３相変圧器８のＲ相の残留磁束の直流成分を正の所定値Ｋに設定し、Ｓ相およびＴ相の残留磁束の直流成分をおよそ−Ｋ／２に設定することができる。

また、制御部１３は、閉極指令信号φＢに応答して、Ｒ相の定常磁束と残留磁束演算部１２によって求められた残留磁束とが一致するタイミングでＲ相に対応するスイッチ２を投入させた後、Ｓ相およびＴ相の各相の定常磁束と残留磁束の差が最小限になるように、Ｒ相の交流電圧の零点から０〜３０度の間の予め定められた位相角度だけ遅延したタイミングで残りの２つのスイッチ３，４を投入させる。

また、制御部１３は、３相遮断器１の閉極時における電圧測定部１１の測定値に従って、３相交流電圧に同期した正弦波信号を内部で発生し、その正弦波信号に基づいて、各相の零点のタイミング、定常磁束の値、定常磁束と残留磁束が一致するタイミング、各相の零点から所定角度θだけ位相が遅延したタイミングなどを求める。

なお、スイッチ２〜４が閉極するとは、スイッチ２〜４の接触子が機械的に接触することを言う。制御部１３がスイッチ２〜４の閉極を指示してからスイッチ２〜４が実際に閉極するまでには所定の閉極時間が必要となる。また、遮断器１においてはスイッチ２〜４が閉極する前にプレアークによって電流が流れ始めることが知られている。スイッチ２〜４を投入させるとは、スイッチ２〜４にプレアークによる電流を流すことを言う。制御部１３がスイッチ２〜４の閉極を指示してからスイッチ２〜４が投入されるまでには所定の投入時間が必要となる。また、制御部１３がスイッチ２〜４の開極を指示してからスイッチ２〜４が実際に開極するまでには所定の開極時間が必要となる。制御部１３は、上記の閉極時間、投入時間、開極時間を考慮して、上記のタイミングでスイッチ２〜４を制御する。

また、開極指令信号φＡおよび閉極指令信号φＢは、たとえば、電力供給システムの事故の発生および復旧を検出する事故検出装置から出力される。また、残留磁束演算部１２および制御部１３は、コンピュータなどで構成される。

図２（ａ）〜（ｄ）は、図１に示した電力供給システムの突入電流抑制方法を説明するためのタイムチャートである。特に、図２（ａ）は３相交流電源で生成される３相交流電圧の波形を示し、図２（ｂ）は電圧測定部１１によって測定された３相変圧器８の入力電圧の波形を示している。また、図２（ｃ）は、図２（ｂ）で示した３相変圧器８の入力電圧を残留磁束演算部１２で時間積分して得られる３相変圧器８の各相の残留磁束を実線で示すとともに、図２（ａ）で示した３相交流電圧を時間積分して得られる３相変圧器８の各相の定常磁束を点線で示している。また、図２（ｄ）は、図２（ｃ）の時間軸を拡大したものである。

スイッチ２〜４が閉極している場合は、図２（ａ）で示される３相交流電圧が３相変圧器８の３相１次巻線９に印加される。この場合は、図２（ｃ）の点線で示される定常磁束が３相変圧器８で発生している。３相交流電圧は、位相が１２０度ずつずれた３つの正弦波で表わされる。定常磁束は交流電圧を時間積分して得られるので、定常磁束の位相は交流電圧の位相よりも９０度進んでいる。各相の交流電圧および定常磁束の波形および零点のタイミングは、制御部１３で把握されている。

図２（ａ）は参考に示した図であり、図２（ｂ）〜（ｄ）では、Ａ点よりも前の期間ではスイッチ２〜４は開極されている。スイッチ２〜４が開極されていても、スイッチ２〜４にそれぞれ極間コンデンサ５〜７が並列接続されているので、３相交流電圧は極間コンデンサ５〜７を介して３相変圧器８の３相一次巻線９に印加される。このとき、３相交流電圧の位相は極間コンデンサ５〜７によって９０度遅延され、３相交流電圧の振幅は極間コンデンサ５〜７によって低減される。

また、このとき、図２（ｃ）の実線で示される残留磁束が３相変圧器８で発生している。上記のタイミングでスイッチ２〜４を開極したことにより、Ｒ相の残留磁束は正の直流成分に交流成分を重畳したものとなり、Ｓ相およびＴ相の残留磁束は負の直流成分に交流成分を重畳したものとなる。

閉極指令信号φＢが事故検出器から出力されると、制御部１３は、Ｒ相の定常磁束と残留磁束とが一致するタイミング（Ａ点）でスイッチ２を投入させる。なお、制御部１３は、そのタイミングでスイッチ２を投入させるため、そのタイミングから投入時間だけ前のタイミングでスイッチ２に閉極動作を開始させる。スイッチ２が投入されると、Ｒ相の磁束は瞬時に定常磁束になる。これにより、Ｒ相の磁束の過渡現象が発生してＲ相に励磁突入電流が流れるのを防止することができる。

一方、Ｓ相およびＴ相の残留磁束は、図２（ｃ）に示すように、交流成分の位相が互いに１２０度ずれているので、直流成分が略同じであっても、Ｒ相の投入瞬時（Ａ点）では、Ｓ相の残留磁束とＴ相の残留磁束との間に差異が生じている。また、Ａ点以後では、Ｓ相とＴ相の位相はＲ相と１８０度ずれて一致するが、Ｓ相とＴ相の磁束の絶対値は一致しない。

この状態で、上記特許文献１，２で示されているように、Ｓ相およびＴ相に対応するスイッチ３，４を、Ｒ相の交流電圧の零点（図ではＢ点の時刻が対応する）で投入すると、Ｓ相およびＴ相のうちの少なくとも一方の相において定常磁束と残留磁束が一致せず、磁束の過渡現象が発生して励磁突入電流が発生してしまう。

本願発明者の鋭意研究によれば、Ａ点でＲ相のスイッチ２を投入した後におけるＳ相とＴ相の磁束の絶対値との差は、極間コンデンサ５〜７の影響により発生する。極間コンデンサ５〜７がない場合は、Ａ点以後では、Ｓ相の磁束とＴ相の磁束の和がＲ相の磁束となり、Ｓ相とＴ相の磁束の絶対値は、ともにＲ相の磁束の絶対値の１／２となる。

極間コンデンサ５〜７がある場合は、Ａ点以後では、Ｓ相の磁束とＴ相の磁束の和がＲ相の磁束となり、Ｓ相の磁束の絶対値がＴ相の磁束の絶対値よりも小さくなる。最初に投入した基準相（たとえばＲ相）の次の相順の相（この場合はＳ相）の磁束の絶対値が、さらに次の相順の相（この場合はＴ相）の磁束の絶対値よりも小さくなる。このため、Ｂ点よりも０〜３０度の間の所定の角度（図では１５度）だけ位相を遅延させたタイミング（Ｃ点）でＳ相およびＴ相のスイッチ３，４を投入させることにより、Ｓ相およびＴ相における定常磁束と残留磁束の差を最小限にすることができ、励磁突入電流の発生を防止することができる。

図３は、極間コンデンサ５〜７の容量値を実用範囲で大、中、小の３段階で変えた場合における、Ｓ相およびＴ相のスイッチ３，４の投入位相角度（deg)と、励磁突入電流の関係を示す図である。図２（ａ）〜（ｄ）のＢ点で投入する場合の角度を０度とした。この図３から、Ｂ点から０〜３０度、より好ましくは５〜２０度だけ遅延させてスイッチ３，４を投入することにより、励磁突入電流を最小限に抑制することができることが分かった。

また、同様の実験を行なうことにより、極間コンデンサ５〜７の各々の容量値が０〜２０００ｐＦである場合は、Ｂ点から０〜１０度の間の位相角度だけ遅延させてスイッチ３，４を投入することにより、励磁突入電流を最小限に抑制することができることが分かった。

また、極間コンデンサ５〜７の各々の容量値が２０００〜６０００ｐＦである場合は、Ｂ点から１０〜２０度の間の位相角度だけ遅延させてスイッチ３，４を投入することにより、励磁突入電流を最小限に抑制することができることが分かった。

また、極間コンデンサ５〜７の各々の容量値が６０００〜１２０００ｐＦである場合は、Ｂ点から２０〜３０度の間の位相角度だけ遅延させてスイッチ３，４を投入することにより、励磁突入電流を最小限に抑制することができることが分かった。なお、本実施の形態においては、解析上、極間コンデンサ５〜７の各々の容量値を１２０００ｐＦ以上にすると、変圧器８の鉄心の磁気飽和が発生し、励磁突入電流を抑制する効果を得難くなることが分かった。

なお、Ｒ相のスイッチ２の投入は、Ｒ相の交流電圧の絶対値が増大する期間において行なうことが好ましい。図４（ａ）はＲ相の定常磁束と残留磁束を示すタイムチャートであり、図４（ｂ）はＲ相の交流電圧の絶対値を示すタイムチャートである。ただし、説明の簡単化のため、残留磁束は一定値にされている。

図４（ａ）（ｂ）において、Ｒ相の定常磁束と残留磁束は、定常磁束のピークの前側のＥ点と、定常磁束のピークの後側のＦ点の２点で一致する。ここで、図４（ｂ）に、Ｅ点を通るＲＤＤＳ（Rate of Decay of Dielectric Strength：絶縁耐力減少率）カーブ２１と、Ｆ点を通るＲＤＤＳカーブ２２を書き込む。ＲＤＤＳカーブ２１，２２が時間軸と交差する時刻ｔ１，ｔ２は、スイッチ２が機械的に閉極する時刻を示している。換言すると、時刻ｔ１，ｔ２よりもスイッチ２の閉極時間だけ前の時刻に、制御部１３がスイッチ２を閉極させる指示を出せば、それぞれＥ点およびＦ点でプレアークが発生してスイッチ２が投入される。

ところが、図４（ｂ）から分かるように、Ｆ点を通るＲＤＤＳカーブ２２は交流電圧の絶対値を示す曲線とＦ点のみで交差するが、ＲＤＤＳカーブ２１は交流電圧の絶対値を示す曲線とＤ点とＥ点の２点で交差してしまう。したがって、Ｒ相の定常磁束と残留磁束が一致するＥ点でスイッチ２を投入させようとして、時刻ｔ１でスイッチ２が閉極されるようにスイッチ２に閉極指示を出しても、スイッチ２がＥ点で投入されるとは限らず、Ｄ点で投入されてしまう。スイッチ２がＤ点で投入された場合は、Ｒ相の定常磁束と残留磁束が一致せずに、磁束の過渡現象が発生し、励磁突入電流が流れてしまう。

一方、Ｒ相の定常磁束と残留磁束が一致するＦ点でスイッチ２を投入させようとして、時刻ｔ２でスイッチ２が閉極されるようにスイッチ２に閉極指示を出した場合は、スイッチ２はＦ点で必ず投入される。スイッチ２がＦ点で投入された場合は、Ｒ相の定常磁束と残留磁束が一致し、磁束の過渡現象は発生せず、励磁突入電流は流れない。

以上より、Ｒ相のスイッチ２の投入は、Ｒ相の交流電圧の絶対値が減少する期間のＥ点で行なうよりも、Ｒ相の交流電圧の絶対値が増大する期間のＦ点で行なうことが好ましい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の一実施の形態による電力供給システムの要部を示す回路ブロック図である。 図１に示した電力供給システムの励磁突入電流抑制方法を説明するためのタイムチャートである。 図１に示したＳ相およびＴ相のスイッチの投入位相角度と励磁突入電流との関係を示す図である。 図１に示したＲ相のスイッチの投入タイミングを説明するためのタイムチャートである。

符号の説明

１ ３相遮断器、２〜４ スイッチ、５〜７ 極間コンデンサ、８ ３相変圧器、９ ３相一次巻線、１０ ３相２次巻線、１１ 電圧測定部、１２ 残留磁束演算部、１３ 制御部、２１，２２ ＲＤＤＳカーブ。

Claims (4)

1. ３相交流電源から３相遮断器を介して３相変圧器に流れる励磁突入電流を抑制する突入電流抑制装置であって、
   前記３相遮断器は３つのスイッチと３つの極間コンデンサを含み、
   前記３つのスイッチの一方端子はそれぞれ前記３相交流電源から３相交流電圧を受け、それらの他方端子はそれぞれ前記３相変圧器の３相１次巻線の３つの入力端子に接続され、前記３つの極間コンデンサはそれぞれ前記３つのスイッチに並列接続され、
   前記３相遮断器の閉極時には前記３相変圧器の各相に定常磁束が発生し、前記３相遮断器の開極時には前記３相変圧器の各相に残留磁束が発生し、
   前記突入電流抑制装置は、
   ３相のうちの基準相に対応するスイッチの他方端子の電圧を測定する電圧測定部と、
   前記３相遮断器の開極時における前記電圧測定部の測定結果に基づいて前記３相変圧器の前記基準相の残留磁束を求める磁束演算部と、
   閉極指令信号に応答して、前記基準相の定常磁束と前記残留磁束演算部によって求められた残留磁束とが一致するタイミングで前記基準相に対応するスイッチを投入させた後、前記基準相以外の各相の定常磁束と残留磁束の差が最小限になるように、前記基準相の交流電圧の零点から０〜３０度の間の予め定められた位相角度だけ遅延したタイミングで残りの２つのスイッチを投入させる制御部とを備える、突入電流抑制装置。
2. 前記予め定められた位相角度は、前記３つの極間コンデンサの各々の容量値に応じて増大する、請求項１に記載の突入電流抑制装置。
3. 前記３つの極間コンデンサの各々の容量値が２０００ｐＦ以下の場合は、前記予め定められた位相角度は０〜１０度の間の値に設定され、
   前記３つの極間コンデンサの各々の容量値が２０００〜６０００ｐＦの場合は、前記予め定められた位相角度は１０〜２０度の間の値に設定され、
   前記３つの極間コンデンサの各々の容量値が６０００ｐＦ以上の場合は、前記予め定められた位相角度は２０〜３０度の間の値に設定される、請求項２に記載の突入電流抑制装置。
4. 前記制御部は、前記基準相の交流電圧の絶対値が増大する期間において、前記基準相の定常磁束と残留磁束とが一致するタイミングで前記基準相に対応するスイッチを投入させる、請求項１から請求項３までのいずれかに記載の突入電流抑制装置。

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