JP2009232521A - 電源系統切換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過電流遮断機が動作する前に、停電を正しく判定して電源系統の切換を従来よりも早く実行することができる電源系統切換装置を提供する。
【解決手段】停電判定回路１０を、電圧検出器６と、電圧検出器６が検出した交流電圧の瞬時値と基準レベルとを比較する電圧比較器９３と、電流検出器８と、電流変化率演算器９４と、電流比較器９６と、停電判定器９７とから構成する。停電判定器９７は、過電流遮断機の動作時間よりも短い所定期間内に、電流変化率の極性が負であることを判定するか、電流変化率の極性が正から負に変わるか、または電流変化率の極性が正から負に変わらないときでも負荷電流の瞬時値が所定期間よりも短い所定の短期間以上基準電流レベル以下にあることを判定すると、１つの交流電源系統で停電が発生したと判定する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、複数の交流電源系統を有し、常時は一つの交流電源系統から負荷に電力を供給し、電圧低下発生等の電源異常時には他の交流電源系統に切り換えて、負荷に連続的に電力を供給する電源系統切換装置に関するものである。

特開２００４−８０９７７号公報（特許文献１）に示された系統切換装置は、第１及び第２の交流電源系統と負荷との間に、それぞれ過電流遮断機を介して配置された第１及び第２の半導体交流スイッチ回路を備えている。そして第１の半導体交流スイッチ回路が選択されているときには、常時は選択した第１の半導体交流スイッチ回路を動作状態にして第１の交流電源系統から負荷に交流電力を供給する。系統切換回路は、第１の交流電源系統の停電が判定されると、第１の半導体交流スイッチ回路から第２の半導体交流スイッチ回路を選択する切換動作を実施して、第２の半導体交流スイッチ回路を動作状態にして第２の半導体交流スイッチ回路が接続された第２の交流電源系統から負荷に交流電力を供給する。
特開２００４−８０９７７号公報

図５に１つの系統モデルを示すように、１つの系統モデルにおいて、第１の交流電源系統（理想電圧源）から負荷に到達するまでの通電路には、系統側のインピーダンスが存在する。停電が発生した場合には、図６に示すように入力電圧（瞬時値）の低下と共に負荷電流も低下する。しかしながら負荷側で短絡事故が発生した場合には、図７に示すように入力電圧（瞬時値）は低下するが、負荷電流は増加する。しかしながら従来は、受電端の電圧を監視することにより停電を判定しているため、短絡事故で図７に示すように入力電圧（瞬時値）が基準レベルよりも低下すると、過電流遮断機が動作する前に、停電判定回路が停電と判定して、第２の交流電源系統への切換を実行して切り換えてしまうという誤動作が発生する問題があった。この誤動作が発生すると、第２の交流電源系統に含まれている第２の半導体交流スイッチ回路に過電流が流れることになり、結果的に第２の半導体交流スイッチ回路の半導体が破壊される問題が発生する。そこでこの問題を解決するために、停電判定回路での停電判定のタイミングを遅くして第１の交流電源系統中の過電流遮断機が過電流を検出できるタイミングまで待ってから電源系統の切換判断を行う方法が提案されている。しかしながらこの方法を採用した場合には、実際に停電が発生している場合に、系統切換が遅れてしまう問題が発生する。

本発明の目的は、過電流遮断機が動作する前に、停電を正しく判定して電源系統の切換を従来よりも早く実行することができる電源系統切換装置を提供することにある。

本発明の電源系統切換装置では、複数の交流電源系統と負荷との間に、それぞれ過電流遮断機を介して配置された複数の半導体交流スイッチ回路と、停電判定回路と、系統切換回路とを備えている。停電判定回路は、原理的には、負荷に印加される交流電圧の瞬時値が予め定めた基準レベル以下になったことを検出すると、所定の判定条件に基づいて負荷に交流電力を供給している１つの交流電源系統で停電が発生したと判定する。そして系統切換回路は、複数の半導体交流スイッチ回路から１つの半導体交流スイッチ回路を選択し、常時は該１つの半導体交流スイッチ回路を動作状態にして１つの交流電源系統から負荷に交流電力を供給し、停電判定回路が１つの交流電源系統の停電を判定すると、複数の半導体交流スイッチ回路から他の１つの半導体交流スイッチ回路を選択する切換動作を実施する。そして他の１つの半導体交流スイッチ回路を動作状態にして、他の１つの半導体交流スイッチ回路が接続された他の交流電源系統から負荷に交流電力を供給する。

本発明においては、停電判定回路を、交流電圧の瞬時値を検出する電圧検出器と、交流電圧の瞬時値と基準レベルとを比較する電圧比較器と、負荷に供給される負荷電流の瞬時値を検出する電流検出器と、電流変化率演算器と、電流比較器と、停電判定器とから構成する。電流変化率演算器は、交流電圧の瞬時値が基準レベルよりも低下したことを電圧比較器が検出すると、電流検出器が検出した負荷電流の瞬時値の単位時間当たりの電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）を演算する。また電流比較器は、交流電圧の瞬時値が基準レベルよりも低下したことを電圧比較器が検出すると、電流検出器が検出する負荷電流の瞬時値と所定の基準電流レベルとを比較する。そして停電判定器は、過電流遮断機の動作時間よりも短い所定期間内に、電流変化率の極性が負であることを判定するか、電流変化率の極性が正から負に変わるか、または電流変化率の極性が正から負に変わらないときでも負荷電流の瞬時値が所定期間よりも短い所定の短期間以上基準電流レベル以下にあることを判定すると、１つの交流電源系統で停電が発生したと判定し、負荷電流の瞬時値が過電流遮断機の動作を開始する過電流検出レベルを超えると停電判定動作を停止する。

本発明においては、交流電圧の瞬時値が基準レベルよりも低下したことを電圧比較器が検出した場合において、停電が発生しているのか、負荷短絡が発生しているのかを３つの判定基準に基づいて判定する。第１の判定基準は、過電流遮断機の動作時間よりも短い所定期間内に、電流変化率の極性が負であることを判定すると１つの交流電源系統で停電が発生したと判定する。この第１の判定基準は、負荷短絡が発生すると、負荷電流の瞬時値の電流変化率の極性が正となることに基づいている。また第２の判定基準は、電流変化率の極性が正から負に変わった場合である。この第２の判定基準も負荷短絡が発生すると、負荷電流の瞬時値の電流変化率の極性が正となることに基づいている。第３の判定基準は、電流変化率の極性が正から負に変わらないときでも負荷電流の瞬時値が所定期間よりも短い所定の短期間以上基準電流レベル以下にある場合である。これは電流変化率が負に変わらない場合でも（正のままでも）、負荷電流の瞬時値の増加が僅かであれば、負荷短絡が発生していることは無いことに基づいている。本発明では、これら第１乃至第３の判定基準のいずれかが判定されたときには、１つの交流電源系統で停電が発生したと判定する。したがって、本発明によれば、負荷短絡を停電と誤認することがない。また負荷電流の瞬時値が、過電流遮断機の動作を開始する過電流検出レベルを超えると停電判定動作を停止する。したがって負荷短絡が発生している場合に、停電と誤認することがない。よって本発明によれば、過電流遮断機が動作する前に確実に、停電と誤認することなく、早急に且つ正しく停電を判定して電源系統の切換を行うことができる。また、負荷側の電源短絡を停電現象と誤判断することにより発生していた不要な系切換も発生しないため、電源供給システム全体の信頼性向上に貢献でき、運用コストの削減も見込める。

また本発明では、電圧比較器は、交流電圧の瞬時値が基準レベルよりも低く且つ所定の電圧レベルよりも高いか否かを判定する機能をさらに備えている。そして停電判定器は、電圧比較器が、交流電圧の瞬時値が基準レベルよりも低く且つ所定の電圧レベルよりも高いことを判定すると、１つの交流電源系統で有電圧停電が発生したと判定する機能をさらに備えている。この機能を付加すると、有電圧停電を正しく判定して切換動作を実行することができるので、さらに切換動作の信頼性を高めることができる。

半導体交流スイッチ回路は、１つの半導体スイッチ素子とリレーの開閉接点とが並列接続された交流スイッチを備えているものを用いることができる。また半導体交流スイッチ回路は、２つの半導体スイッチ素子が、逆並列接続された交流スイッチを備えたものを用いることができる。

本発明によれば、過電流遮断機が動作する前に確実に、停電と誤認することなく、早急に且つ正しく停電を判定して電源系統の切換を行うことができる利点が得られる。また、負荷側の電源短絡を停電現象と誤判断することにより発生していた不要な系切換も発生しないため、電源供給システム全体の信頼性向上に貢献でき、運用コストの削減も見込める利点が得られる。

以下、図面を参照して本発明の電源系統切換装置の実施の形態を説明する。図１は、本発明の電源系統切換装置の実施の形態の一例の基本構成図であり、図２は本実施の形態で用いる停電判定回路の具体的な構成を示すブロック図である。本実施の形態の電源系統切換装置１は、第１の電源系統Ａに接続された第１の過電流遮断機２と、第２の電源系統Ｂに接続された第２の過電流遮断機３と、第１の過電流遮断機２と負荷Ｌとの間に配置された第１の半導体交流スイッチ回路４と、第２の過電流遮断機３と負荷Ｌとの間に配置された第２の半導体交流スイッチ回路５と、負荷Ｌに印加される交流電圧を検出する電圧検出器６と、交流変流器７の出力から負荷に流れる負荷電流すなわち交流電流を検出して、その瞬時値を出力する電流検出器８と、停電判定部９と、系統切換回路１１とを備えている。電圧検出器６、電流検出器８及び停電判定部９とにより停電判定回路１０が構成されている。第１及び第２の半導体交流スイッチ回路４及び５は、電力用半導体スイッチ４１及び５１と、電力用半導体スイッチに並列に接続されたリレー接点４２及び５２と、電力用半導体スイッチ４１及び５１とリレー接点４２及び５２とを駆動する駆動回路４３及び４５によって構成されている。切換の際は半導体スイッチ４１及び５１がまず高速に動作し、その後損失の少ないリレー接点４２及び５２が動作する。

停電判定回路１０は、原理的には、負荷Ｌに印加される交流電圧の瞬時値Ｖが予め定めた基準レベルＶＬ以下になったことを検出すると、所定の判定条件に基づいて、負荷Ｌに交流電力を供給している１つの交流電源系統ＡまたはＢで停電が発生したと判定する。具体的な停電判定回路１０の構成は後に説明する。そして系統切換回路１１は、停電判定部９が停電を判定すると、その結果に基づいて、第１及び第２の半導体交流スイッチ回路４及び５から１つの半導体交流スイッチ回路を選択し、常時は１つの半導体交流スイッチ回路を動作状態にして１つの交流電源系統から負荷に交流電力を供給し、停電判定回路１０が１つの交流電源系統ＡまたはＢの停電を判定すると、第１及び２の半導体交流スイッチ回路４及び５から他の１つの半導体交流スイッチ回路を選択する切換動作を実施する。そして他の１つの半導体交流スイッチ回路を動作状態にして、他の１つの半導体交流スイッチ回路が接続された他の交流電源系統から負荷に交流電力を供給する。

停電判定回路１０の停電判定部９は、図２に示すように、交流電圧の瞬時値を検出する電圧検出器６と、基準となる基準レベルを記憶する第１の基準レベル記憶手段９２と、交流電圧の瞬時値Ｖと基準レベルＶＬとを比較する電圧比較器９３と、負荷Ｌに供給される負荷電流の瞬時値を検出する電流検出器８と、電流変化率演算器９４と、負荷電流の基準レベルＩＬを記憶する第２の基準レベル記憶手段９５と、電流比較器９６と、停電判定器９７とから構成される。電流変化率演算器９４は、交流電圧の瞬時値が基準レベルよりも低下したことを電圧比較器９３が検出すると、電流検出器８が検出した負荷電流の瞬時値の単位時間当たりの電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）を演算する。また電流比較器９６は、交流電圧の瞬時値が基準レベルよりも低下したことを電圧比較器９３が検出すると、電流検出器８が検出する負荷電流の瞬時値Ｉと所定の基準電流レベルＩＬとを比較する。そして停電判定器９７は、過電流遮断機２及び３の動作時間よりも短い所定期間Ｔ内に、電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）の極性が負であることを判定するか、電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）の極性が正から負に変わるか、または電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）の極性が正から負に変わらないときでも負荷電流の瞬時値Ｉが所定期間Ｔよりも短い所定の短期間Ｔｓ以上基準電流レベルＩＬ以下にあることを判定すると、負荷Ｌに電力を供給している１つの交流電源系統で停電が発生したと判定し、負荷電流の瞬時値Ｉが過電流遮断機２及び３の動作を開始する過電流検出レベルを超えると停電判定動作を停止する。

図３は、動作説明に用いる波形図であり、図４は図１及び図２の実施の形態の主要演算制御部分をマイクロコンピュータを用いて実現する場合に用いるプログラムのアルゴリズムを示すフローチャートである。このアルゴリズムではステップＳＴ１で停電検出処理が開始される。そしてステップＳＴ２で、交流電圧の瞬時値Ｖが基準レベルＶＬよりも低下したことを電圧比較器９３が検出したか否かが判定される。交流電圧の瞬時値Ｖが基準レベルＶＬよりも低下したことを電圧比較器９３が検出すると、ステップＳＴ３で一定時間（図３の最小単位時間ｔ）の経過を待ち再度交流電圧の瞬時値Ｖが基準レベルＶＬよりも低下したか否かをステップＳＴ４で判定する。これによって電源系統で発生する瞬時停電による誤動作を防止する。ステップＳＴ４で、交流電圧の瞬時値Ｖが基準レベルＶＬよりも低下している場合には、ステップＳＴ５へと進む。電圧が回復している場合には、ステップＳＴ１へと戻る。

ステップＳＴ５では、交流電圧の瞬時値Ｖが基準レベルＶＬより低いが一定の電圧レベルＶ_oより大きいか否かが判定される。もしＶ＞Ｖ_oであれば、有電圧停電であると判断してステップＳＴ１２へと進んで、電源系統の切換を実行する。なおステップＳＴ５は必ずしも必要なものではない。交流電圧の瞬時値Ｖが基準レベルＶＬより低く、しかも一定の電圧レベルＶ_oより小さい場合には、ステップＳＴ６へと進む。ステップＳＴ６では、第１の判定基準での判断がなされる。すなわちステップＳＴ６では、期間ｔ内に、電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）の極性が負であることを判定すると１つの交流電源系統で停電が発生したと判定する。この第１の判定基準は、負荷短絡が発生すると、負荷電流の瞬時値の電流変化率の極性が正となることに基づいている。電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）の極性が正である場合には、ステップＳＴ７へと進んで確認時間の延長（＋ｔ）が行われる。そしてステップＳＴ８で電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）の極性が負であるか否かが判定され（第２の判定基準による判定が行われ）、極性が正から負になれば１つの交流電源系統で停電が発生したと判定する。まだ電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）の極性が正であればステップＳＴ９へと進んで、第３の判定基準に基づく判定が行われる。すなわち負荷電流の瞬時値Ｉが電流基準レベルＩＬでよりも大きいか否かの判定が行われる（第３の判定基準）。第３の判定基準は、電流変化率の極性が正から負に変わらないときでも負荷電流の瞬時値が所定期間よりも短い所定の短期間以上基準電流レベル以下にある場合である。これは電流変化率が負に変わらない場合でも（正のままでも）、負荷電流の瞬時値の増加が僅かであれば、負荷短絡が発生していることは無いことに基づいている。すなわち電流変化率が負に変わらない場合でも（正のままでも）、負荷電流の瞬時値の増加が僅かであれば、負荷短絡ではなく、停電が発生していると判定して、ステップＳＴ９からステップＳＴ１２へと進む。ステップＳＴ９で、負荷電流の増加が判定された場合には、ステップＳＴ１０へと進んで、負荷電流の瞬時値Ｉが過電流遮断機の動作電流（過電流検出ポイント）を超えたか否かの判定が行われて、負荷電流の瞬時値Ｉが過電流遮断機の動作電流（過電流検出ポイント）を超えた場合にはステップＳＴ１１へと進んで負荷短絡と判定する。負荷電流の瞬時値Ｉが過電流遮断機の動作電流（過電流検出ポイント）を超えない場合には、ステップＳＴ７へと戻る。

本実施の形態では、ステップＳＴ５の有電圧停電と判断される場合に加えて、前述の第１乃至第３の判定基準のいずれかが判定されたときに、負荷Ｌに電力を供給している１つの交流電源系統で停電が発生したと判定する。したがって、本実施の形態によれば、負荷短絡を停電と誤認することがない。また負荷電流の瞬時値Ｉが、過電流遮断機２または３の動作を開始する過電流検出レベルを超えると停電判定動作を停止する。したがって負荷短絡が発生している場合に、停電と誤認することがない。よって本実施の形態によれば、過電流遮断機が動作する前に確実に、停電と誤認することなく、早急に且つ正しく停電を判定して電源系統の切換を行うことができる。

上記実施の形態においては、２つの電源系統を切り換える電源系統切換装置について説明したが、本発明は２以上の電源系統の切換に適用できるのは勿論である。

本発明の電源系統切換装置の実施の形態の一例の構成を示す図である。 図１の停電判定回路の具体的な構成の一例を示すブロック図である。 負荷電源短絡時の負荷電流の増加を示す図である。 図１の実施の形態をマイクロコンピュータを利用して実現する場合に用いるプログラムのアルゴリズムのフローチャートである。 系統モデルを説明するために用いる図である。 停電時の電圧波形を示す図である。 負荷短絡時の電圧と電流波形を示す図である。

符号の説明

１ 電源系統切換装置
２，３ 過電流遮断機
４，５ 半導体交流スイッチ回路
６ 電圧検出器
７ 交流変流器
８ 電流検出器
９ 停電判定部
１０ 停電判定回路
１１ 系統切換回路
Ｌ 負荷

Claims (4)

1. 複数の交流電源系統と負荷との間に、それぞれ過電流遮断機を介して配置された複数の半導体交流スイッチ回路と、
   前記負荷に印加される交流電圧の瞬時値が予め定めた基準レベル以下になったことを検出すると、所定の判定条件に基づいて前記負荷に交流電力を供給している１つの前記交流電源系統で停電が発生したと判定する停電判定回路と、
   前記複数の半導体交流スイッチ回路から１つの半導体交流スイッチ回路を選択し、常時は該１つの半導体交流スイッチ回路を動作状態にして１つの前記交流電源系統から前記負荷に前記交流電力を供給し、前記停電判定回路が前記１つの交流電源系統の停電を判定すると、前記複数の半導体交流スイッチ回路から他の１つの半導体交流スイッチ回路を選択する切換動作を実施して、該他の１つの半導体交流スイッチ回路を動作状態にして該他の１つの半導体交流スイッチ回路が接続された他の前記交流電源系統から前記負荷に交流電力を供給する系統切換回路とを備えた電源系統切換装置において、
   前記停電判定回路は、
   前記交流電圧の瞬時値を検出する電圧検出器と、
   前記交流電圧の瞬時値と前記基準レベルとを比較する電圧比較器と、
   前記負荷に供給される負荷電流の瞬時値を検出する電流検出器と、
   前記交流電圧の瞬時値が前記基準レベルよりも低下したことを前記電圧比較器が検出すると、前記電流検出器が検出した前記負荷電流の瞬時値の単位時間当たりの電流変化率を演算する電流変化率演算器と、
   前記交流電圧の瞬時値が前記基準レベルよりも低下したことを前記電圧比較器が検出すると、前記電流検出器が検出する前記負荷電流の瞬時値と所定の基準電流レベルとを比較する電流比較器と、
   前記過電流遮断機の動作時間よりも短い所定期間内に、前記電流変化率の極性が負であることを判定するか、前記電流変化率の極性が正から負に変わるか、または前記電流変化率の極性が正から負に変わらないときでも前記負荷電流の瞬時値が前記所定期間よりも短い所定の短期間以上前記基準電流レベル以下にあることを判定すると、前記１つの交流電源系統で停電が発生したと判定し、前記負荷電流の瞬時値が前記過電流遮断機の動作を開始する過電流検出レベルを超えると停電判定動作を停止する停電判定器とを備えていることを特徴とする電源系統切換装置。
2. 前記電圧比較器は、前記交流電圧の瞬時値が前記基準レベルよりも低く且つ所定の電圧レベルよりも高いか否かを判定する機能をさらに備え、
   前記停電判定器は、前記電圧比較器が、前記交流電圧の瞬時値が前記基準レベルよりも低く且つ前記所定の電圧レベルよりも高いことを判定すると、前記１つの交流電源系統で有電圧停電が発生したと判定する機能をさらに備えている請求項１に記載の電源系統切換装置。
3. 前記半導体交流スイッチ回路は、１つの半導体スイッチ素子とリレーの開閉接点とが並列接続された交流スイッチを備えている請求項１または２に記載の電源系統切換装置。
4. 前記半導体交流スイッチ回路は、２つの半導体スイッチ素子が、逆並列接続された交流スイッチを備えている請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電源系統切換装置。

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