JP2011254686A - 受電設備 - Google Patents

Abstract

【課題】第３高調波等のノイズの発生を抑制することが可能であり、軽量で省スペース型電源変圧器を使用することのできる三相受電設備を提供する。
【解決手段】少なくとも２次巻線をデルタ結線した三相変圧器１３と、鉄心に巻回した第１の巻線および第２の巻線を有し、前記第１の巻線と第２の巻線とをそれらから発生する磁束の方向が一致するように直列接続してなる複数のバランサＢＬ１，ＢＬ２，ＢＬ３を備え、前記バランサを前記三相変圧器の２次側の各相の出力端子間にそれぞれ接続すると共に前記三相変圧器の２次側の各相に接続される三相負荷、および前記バランサの第１の巻線および第２の巻線の少なくとも何れかの巻線に並列接続される単相負荷に電力を供給する。
【選択図】図２

Description

本発明は三相受電設備に係り、特に不平衡負荷であっても平衡した電圧を安定して負荷に供給することのできる三相受電設備に関する。

工場、大規模店舗、オフィスビル等、大電力を消費する需要家に対しては、６ｋＶ以上の高電圧の三相交流電圧が配電されている。一方、一般家庭、小規模店舗、小規模オフィスビル等の小電力を消費する需要家に対しては、単相三線式の低圧配電線路で配電されている。

図４は、単相３線式配電方式における受電設備を説明する図である。受電設備は、高圧の三相交流電圧を受電し、受電した三相交流電圧を前記受電設備内に配設された受電変圧器により、単相２００Ｖおよび単相１００Ｖに変換して、単相２００Ｖ負荷Ｌ３あるいは単相１００Ｖ負荷Ｌ１，Ｌ２に供給している。

単相三線式配電系統においては、接続されている負荷は全て単相であり、しかも、これら多数の単相負荷は単相三線式配電線の線間にランダムに接続されている。 更に、これらの単相負荷は需要家の都合で任意の時点でオン・オフされる。このため、前記単相三線式の線路に流れる電流は平衡するとは限らない。極端な場合、一方の線路と中性線に接続された負荷のみが稼働し、他方の線路と中性線に接続された負荷は休止状態となることもある。

このため、現在、単相三線式配電系統の末端にバランサと呼ばれる変圧器を設置して、線路電流の平衡をとる方式が採用されている。

バランサＢＬは、図４に示すように巻数比が１対１の変圧器であって、通常単相３線式の線路の配線の末端に設けられる。バランサを設けることにより、一方の線路（外線Ａ）に流れる電流と他方の線路（外線Ｂ）に流れる電流が異なる場合（すなわち負荷Ｌ１とＬ２の容量が異なる場合）において、バランサは外線Ａ及びＢに補償電流ｉｏを供給して、外線Ａ，Ｂに流れる電流の不平衡をを解消する。

例えば、外線Ａに流れる電流が外線Ｂに流れる電流より大きい場合には、中性線Ｃからバランサに補償電流２ｉｏが流入し、流入した電流の一部ｉ０は巻線ｎ１を通して負荷Ｌ１に供給される。また、前記流入した電流の残部ｉ０は巻線ｎ２を通して電源変圧器Ｔに流入する。

このように、バランサを設けると、外線Ａ，Ｂはバランサを通して誘導的に結合されるため、外線Ａと中性線Ｃ、あるいは外線Ｂと中性線Ｃとの間に接続した負荷に不均衡があっても、また中性線Ｃが電源側で遮断されても、外線Ａと中性線Ｃとの間の電圧と、外線Ｂと中性線Ｃの間の電圧は常にバランスするように作用する。

このようにバランサは、単相３線式の配電路の両側の電圧（外線Ａと中性線および外線Ｂと中性線との間の電圧）および外線の電源側にに流れる電流がバランスするように、補償電流を流す。

図５は、三相交流変圧器と単相単巻き変圧器（バランサ）を備えた従来の受電設備を説明する図である。

図において、５１，５２，５３はそれぞれ三相変圧器の１次巻線であり、デルタ結線されている。５１’、５２’，５３’は、それぞれ前記１次巻線と電磁結合する２次巻線でありスター結線されている。

Ｒ，Ｓ，Ｔ，はそれぞれａ相、ｂ相、ｃ相の配電線であり、この配電線を介して三相負荷Ｌに三相電力を供給する。

ＢＬは前記配電線Ｒ，Ｓ，Ｔの線間に設置したバランサである。バランサＢＬは、鉄心５４に巻回した第１の巻線５５および第２の巻線５６を備え、前記第１の巻線５５と第２の巻線５６とはそれらから発生する磁束の方向が一致するように直列接続し、該直列接続点からは中点タップｎが導出される。

このようにして形成されたバランサＢＬは前記ａ相の配電線Ｒとｂ相の配電線Ｓ間に接続される。

５８，５９，６０は単相負荷であり、単相負荷５８，５９，６０は配電線ＲあるいはＳと中性線Ｃ間、あるいは配電線Ｒ，Ｓ間に接続される。

特開２００５−１９７６２３号公報

前記従来技術によれば、高圧受電設備を構成する三相変圧器の出力端子ａ−ｂ間、出力端子ｂ−ｃ間、出力端子ｃ−ａ間にそれぞれバランサＢＬを接続し、バランサＢＬの両端子と中性点間に単相負荷を接続するとともに、前記三相変圧器の各出力端子間に三相負荷を接続することができる。また、前記三相変圧器の中性点は接地することができる。

三相変圧器の中性点を接地すると、前記三相変圧器を小型化することが可能であり、軽量で省スペース型電源変圧器とすることが可能である。さらに対地電圧の上昇を抑制することができる。

しかし、前記三相変圧器の１次巻線５１，５２，５３はデルタ結線されていても、この１次巻線と電磁結合する２次巻線５１’，５２’，５３’はスター結線されている。このため、三相変圧器の２次巻線には第３高調波が発生し、発生した第３高調波の影響は前記配電線Ｒ，Ｓ，Ｔに現れる。

前記２次巻線の中性点を接地しない場合には中性点電位が変動する。中性点を接地する場合には、対地を帰路として第３高調波電流などがが前記配電線を流れ、電磁誘導障害が発生する。このため、これの対策が必要となる。

本発明はこれらの問題点に鑑みてなされたもので、第３高調波等のノイズの発生を抑制することが可能であり、軽量で省スペース型の電源変圧器を使用することのできる三相受電設備を提供するものである。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

少なくとも２次巻線をデルタ結線した三相変圧器と、鉄心に巻回した第１の巻線および第２の巻線を有し、前記第１の巻線と第２の巻線とをそれらから発生する磁束の方向が一致するように直列接続してなる複数のバランサを備え、前記バランサを前記三相変圧器の２次側の各相の出力端子間にそれぞれ接続すると共に前記三相変圧器の２次側の各相に接続される三相負荷、および前記バランサの第１の巻線および第２の巻線の少なくとも何れかの巻線に並列接続される単相負荷に電力を供給する。

本発明は、以上の構成を備えるため、第３高調波などのノイズの発生を抑制することが可能であり、軽量で省スペース型の電源変圧器を使用して三相受電設備を構成することができる。

本実施形態にかかる受電設備を含む給電系統を説明する図である。 本実施形態にかかる受電設備を説明する図である 単相３線式配電方式を説明する図である。 バランサを示す図である。 従来の受電設備を説明する図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態にかかる受電設備を含む給電系統を説明する図である。

図１において、１は三相交流発電機、２は送電用変圧器、３は受電用変圧器を含む受電設備、４は三相交流負荷である。

三相交流発電機で発電された交流電力は、送電用変圧器によって昇圧した後、送配電網を介して受電用変圧器を含む受電設備に給電される。受電用変圧器を含む受電設備は受電した三相交流電圧を降圧した後、三相配電線を介して三相負荷１４あるいは単相負荷に給電する。

図２は、受電用変圧器を含む受電設備の詳細を説明する図である。

これらの図において、１１，１２，１３はそれぞれ三相変圧器（受電用変圧器）の１次巻線であり、スター結線されている。１１’、１２’，１３’は、それぞれ前記１次巻線と電磁結合する２次巻線でありデルタ結線されている。

Ｒ，Ｓ，Ｔ、はそれぞれａ相、ｂ相、ｃ相の配電線であり、この配電線を介して三相負荷１４に三相電力を供給する。

ＢＬ１、ＢＬ２，ＢＬ３は、それぞれ前記配電線Ｒ，Ｓ，Ｔの線間に設置したバランサである。

バランサＢＬ１、ＢＬ２，ＢＬ３は、それぞれ鉄心２１に巻回した第１の巻線２２および第２の巻線２３を備え、前記第１の巻線２２と第２の巻線２３とはそれらから発生する磁束の方向が一致するように直列接続し、該直列接続点からは中点タップｎが導出される。

２５，２６は、受電用変圧器の２次巻線１１’を電源とする単相３線式配電線路の外線Ａ、及び外線Ｂであり、前記中点タップｎに接続した中性線Ｃとの間には、それぞれ単相負荷（１００Ｖ負荷）２７、２８、及び単相負荷（２００Ｖ負荷）２９が接続される。

図１に示すように、受電設備を構成する受電用変圧器の１次巻線１１，１２，１３はスター結線され、また、スター結線された前記１次巻線と電磁結合する２次巻線１１’，１２’，１３’はデルタ結線されている。このため、受電用変圧器を構成する鉄心の磁気飽和等に基づいて、受電用変圧器を構成する三相変圧器の２次巻線にそれぞれ第３高調波が発生しても、この高調波はデルタ結線された２次巻線１１’，１２’、１３’内を循環する。このため、第３高調波による誘導障害の問題は殆ど無視することができる。

図３は、バランサの他の例を説明する図である。図に示すように、ロ字型鉄心Ｆの一方の脚に巻回した第１の巻線ｎ１および第２の巻線ｎ２、並びにロ字型鉄心の他方の脚に巻回した第３の巻線ｎ３および第４の巻線ｎ４を備え、第３の巻線ｎ３、第１の巻線ｎ１、第２の巻線ｎ２および第４の巻線ｎ４をそれらから発生する磁束の方向が一致するように直列接続してなる。このようにして形成したバランサは前記三相変圧器のデルタ結線された２次巻線の各相の出力端子間にそれぞれ接続される。また、前記三相変圧器のデルタ結線された２次巻線の各出力端子、および前記バランサの第１の巻線と第２の巻線との接続端子を配電線の給電端とすることができる。

バランサＢＬ１、ＢＬ２，ＢＬ３は、それぞれ巻数比が１対１の変圧器であって、それぞれ前記２次巻線１１’，１２’，１３’に並列に接続する。

各相を構成する２次巻線と並列にバランサを設けることにより、単相負荷２２と２３が不平衡の場合であっても、単相負荷２２，２３に中性点２４から補償電流ｉｏを供給することにより外線Ａ，Ｂに流れる電流の不平衡を解消することができる。

例えば、負荷２７に流れる電流が負荷２８に流れる電流より大きい場合には、中性点ｎからバランサに補償電流ｉｏが流入し、巻線２２，２３を介して流出する。このように、バランサを設けると、負荷２７，２８は巻線２２，２３を通して誘導的に結合されるから、外線Ａと中性線Ｃあるいは外線Ｂと中性線Ｃとの間に接続した負荷に不均衡があっても、また、中性線Ｃを電源電源側（変圧器２次巻線１１’の中点）に接続しなくとも、外線Ａと中性線Ｃとの間の電圧と、外線Ｂと中性線Ｃの間の電圧は常にバランスするように作用する。同様に、バランサＢＬ２，ＢＬ３の中性線Ｃを２次巻線１２’、１３’の中点に接続しなくとも、外線Ａと中性線Ｃとの間の電圧と、外線Ｂと中性線Ｃの間の電圧は常にバランスするように作用する。

このようにバランサを設けることにより、単相負荷２７，２８に印加される電圧を常にバランスさせることができる。

ここで、バランサＢＬ１，ＢＬ３を介して流れる電流をｉａ、バランサＢＬ１，ＢＬ２を介して流れる電流をｉｂ、バランサＢＬ２，ＢＬ３を介して流れる電流をｉｃ、バランサの各巻線の自己インダクタンスをＬ、相互インダクタンスをＭとすると、
２ｊωＬ＊ｉａ＋ｚｉ（２ｉａ−ｉｂ−ｉｃ）＝ｊωＭ（ｉｂ＋ｉｃ）・・・（１）
２ｊωＬ＊ｉｂ＋ｚｉ（２ｉｂ−ｉｃ−ｉａ）＝ｊωＭ（ｉｃ＋ｉａ）・・・（２）
２ｊωＬ＊ｉｃ＋ｚｉ（２ｉｃ−ｉａ−ｉｂ）＝ｊωＭ（ｉａ＋ｉｂ）・・・（３）
が成立する。ここでＬ≒Ｍであるから、
式（１）、（２）、（３）より、
（２ｉａ−ｉｂ−ｉｃ）（ｊωＬ＋ｚｉ）＝０ ・・・（４）
（２ｉｂ−ｉｃ−ｉａ）（ｊωＬ＋ｚｉ）＝０ ・・・（５）
（２ｉｃ−ｉａ−ｉｂ）（ｊωＬ＋ｚｉ）＝０ ・・・（６）
が得られる。また、式（４）、（５）、（６）より、
ｉａ＝ｉｂ＝ｉｃ・・・（７）が得られる。

また、ｊωＬ＋ｚｉ＝０となるようにｚｉを選定すると バランサの巻線を低インピーダンスで接地することが可能であり、ノイズを有効に抑制することができる。また、中性点の電位ＶＮは
ＶＮ＝（Ｅａｂ＋Ｅｂｃ＋Ｅｃａ）／２＝０であるから、中性点Ｎは接地することができる。

すなわち各バランサの中性点ｎは、ぞれぞれ接地インピーダンスＺｉを介して接地することができる。このため、配電線等にノイズが侵入した場合においても、これを接地電位に逃がしてノイズを抑制することができる。

このため、単相３線式配電線路に接続した機器を、外部から侵入するノイズに対して保護することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、少なくとも２次巻線をデルタ結線した三相変圧器と、鉄心に巻回した第１の巻線および第２の巻線を備え、前記第１の巻線と第２の巻線とをそれらから発生する磁束の方向が一致するように直列接続してなるバランサを備え、前記三相変圧器の２次側の各相の出力端子間にそれぞれ前記バランサを接続し、前記三相変圧器の２次側の各相に接続される三相負荷、および前記バランサの第１の巻線および第２の巻線の少なくとも何れかの巻線に並列接続される単相負荷に電力を供給する。

このため、前記単相負荷に不平衡があっても、前記単相負荷に常にバランスした電源電圧を供給することができる。

また、各バランサの中性点２４は、ぞれぞれ接地インピーダンスＺｉを介して接地することができる。このため、配電線等に第３高調波等のノイズが侵入した場合においても、これを接地電位に逃がしてノイズを抑制することができる。

Ｒ，Ｓ，Ｔ 配電線
４ 三相負荷
１１，１２，１３ １次巻線
１１’、１２’、１３’ ２次巻線
ＢＬ１，ＢＬ２，ＢＬ３ バランサ
２２ 第１の巻線
２３ 第２の巻線
２７，２８ 単相負荷

Claims (4)

1. 少なくとも２次巻線をデルタ結線した三相変圧器と、
   鉄心に巻回した第１の巻線および第２の巻線を有し、前記第１の巻線と第２の巻線とをそれらから発生する磁束の方向が一致するように直列接続してなる複数のバランサを備え、
   前記バランサを前記三相変圧器の２次側の各相の出力端子間にそれぞれ接続すると共に前記三相変圧器の２次側の各相に接続される三相負荷、および前記バランサの第１の巻線および第２の巻線の少なくとも何れかの巻線に並列接続される単相負荷に電力を供給することを特徴とする受電設備。
2. 少なくとも２次巻線をデルタ結線した三相変圧器と、
   鉄心に巻回した第１の巻線および第２の巻線を有し、前記第１の巻線と第２の巻線とをそれらから発生する磁束の方向が一致するように直列接続してなる複数のバランサを備え、
   前記バランサを前記三相変圧器の２次側の各相の出力端子間にそれぞれ接続し、前記それぞれのバランサの第１の巻線と第２の巻線の直列接続点をインピーダンスを介して接地すると共に前記三相変圧器の２次側の各相に接続される三相負荷、および前記バランサの第１の巻線および第２の巻線の少なくとも何れかの巻線に並列接続される単相負荷に電力を供給することを特徴とする受電設備。
3. 請求項２記載の受電設備において、
   前記インピーダンスはバランサの一方のコイルの自己インダクタンスと共振する値であることを特徴とする受電設備。
4. 請求項２記載の受電設備において、
   前記バランサは、
   ロ字型鉄心の一方の脚に巻回した第１の巻線および第２の巻線、並びにロ字型鉄心の他方の脚に巻回した第３の巻線および第４の巻線を備え、第３の巻線、第１の巻線、第２の巻線および第４の巻線をそれらから発生する磁束の方向が一致するように直列接続してなり、
   前記三相変圧器のデルタ結線された２次巻線の各相の出力端子間にそれぞれ前記バランサを接続し、前記三相変圧器のデルタ結線された２次巻線の各出力端子、および前記バランサの第１の巻線と第２の巻線との接続端子を配電線の給電端としたことを特徴とする受電設備。

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