JP2014135858A

JP2014135858A - 制御装置

Info

Publication number: JP2014135858A
Application number: JP2013003289A
Authority: JP
Inventors: Kimiya Ogawa; 公也小川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2013-01-11
Filing date: 2013-01-11
Publication date: 2014-07-24

Abstract

【課題】三相交流方式の電力系統に地絡事故が発生した際の地絡過電流や地絡過電圧を抑制して負荷設備を正常に使用する。
【解決手段】実施形態によれば、制御装置は、三相交流方式の電力系統に流れる電流を検出する電流検出手段と、電力系統に生じる対地電圧を検出する電圧検出手段とをもつ。この制御装置は、電流検出手段により検出した電流が地絡事故の発生にともなう過電流である際に、検出した電流が過電流でなくなるように電力系統の変圧器の中性点の抵抗値を増加させ、電圧検出手段により検出した電圧が地絡事故の発生にともなう過電圧である際に、検出した電圧が過電圧でなくなるように変圧器の中性点の抵抗値を減少させる制御手段をもつ。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、三相交流方式の電力系統に用いられる制御装置に関する。

三相交流方式の電力系統において地絡が発生したとき、変圧器の中性点が接地されていない非接地系統では電力系統の健全相に地絡過電圧が発生し、負荷設備の破損等の影響が生ずる。

図４は、従来の配電系統の一例を示す図である。
図４に示した配電系統は三相４線方式の配電系統（３φ４Ｗ回路）である。この配電系統は、変圧回路１０、無停電電源装置２０、中継回路３０、出力分岐盤４０および電源分岐回路（PDU：Power Distribution Unit）５０を有する。

変圧回路１０には、入力端から出力端にかけて配電用変圧器１１および配線用遮断器（MCCB：Molded Case Circuit Breaker）１２が設けられる。
配電用変圧器１１の結線方式は１次巻線をΔ結線として２次巻線をＹ結線としたΔ−Ｙ結線である。また、図４に示した例では、配電用変圧器１１のＹ結線における中性点は抵抗器を介さずに直接に接地されている。この方式は直接接地方式と呼ばれる。変圧回路１０の出力端は無停電電源装置２０の入力端に接続される。

無停電電源装置２０は停電時に配電系統に電源を供給するための装置である。この無停電電源装置２０の入力端から出力端にかけて、２１とスイッチ２２とでなる直列回路が設けられる。図１では無停電電源回路２１をＵＰＳ（Uninterruptible Power Supply）と表記する。

無停電電源回路２１はコンバータとインバータを設け、これらの間に蓄電池が設けられる。
無停電電源装置２０の直列回路にはスイッチ２３が並列に接続される。スイッチ２３には高速スイッチ２４が並列に接続される。高速スイッチ２４のアノードは無停電電源装置２０の入力端に接続され、高速スイッチ２４のカソードは無停電電源装置２０の出力端に接続される。スイッチ２３と高速スイッチ２４とをあわせてバイパス回路とよばれる。定常時は、スイッチ２３は開放されており、このバイパス回路は使用されない。

この定常時には、無停電電源回路２１は、系統と同期して入力電力をＤＣ変換して蓄電池に蓄電するとともに、このＤＣ変換した電力をコンバータによりＡＣ変換して出力する。停電時は、無停電電源回路２１は蓄電池に蓄電されている電力をコンバータによりＡＣ変換して出力する。
また、無停電電源装置２０は、地絡等により過電流が発生した際は、高速スイッチ２４、バイパス回路のスイッチ２３を閉じるとともに、スイッチ２２を開いて交流入力のバイパス給電を行うことで無停電電源回路２１を保護する。

無停電電源装置２０の出力端は中継回路３０のスイッチ３１に接続される。スイッチ３１は、中継回路３０の出力端を介して出力分岐盤４０の入力端に接続される。無停電電源装置２０は図４に示すように中継回路３０と一体化できる。

出力分岐盤４０には、入力端から出力端にかけてスイッチ４１，４２でなる直列回路が設けられる。スイッチ４２は、出力分岐盤４０の出力端を介して電源分岐回路５０の入力端に接続される。
電源分岐回路５０には、入力端から出力端にかけて配線用遮断器５１が複数並列に設けられる。これらの配線用遮断器５１のそれぞれは電気負荷に接続される。

配電系統にて地絡事故が発生すると、短絡電流に近い、大きな地絡過電流が変圧回路１０の配電用変圧器１１から無停電電源装置２０のスイッチ２３を介して電源分岐回路５０に流れて配電用変圧器１１の２次巻線に戻る。図４に示した例では、電源分岐回路５０の出力端にて地絡事故が発生したときの地絡過電流の流れを太線で示す。この地絡過電流は、電源分岐回路５０における地絡事故が発生した出力端から変圧回路１０の配電用変圧器１１に戻る。

このように直接接地方式の系統で地絡事故が発生した際は、故障部分を系統から切離すことで系統に地絡過過電流による故障が発生しないようにしていた。

特開２００９−２７３３２３号公報特開平８−９８３９４号公報

しかし、前述した故障部分を系統から切り離すと、この切り離した部分に関わる負荷設備が使用できなくなる。
また、前述した中性点の接地方式が高抵抗接地であるときは、地絡過電流の値は小さい値となるが、直接接地方式より高い地絡過電圧が系統に発生する。

本発明が解決しようとする課題は、三相交流方式の電力系統に地絡事故が発生した際の地絡過電流や地絡過電圧を抑制して負荷設備を正常に使用することが可能な制御装置を提供することにある。

実施形態によれば、制御装置は、三相交流方式の電力系統に流れる電流を検出する電流検出手段と、電力系統に生じる対地電圧を検出する電圧検出手段とをもつ。制御装置は、電流検出手段により検出した電流が地絡事故の発生にともなう過電流である際に、検出した電流が過電流でなくなるように電力系統の変圧器の中性点の抵抗値を増加させ、電圧検出手段により検出した電圧が地絡事故の発生にともなう過電圧である際に、検出した電圧が過電圧でなくなるように変圧器の中性点の抵抗値を減少させる制御手段をもつ。

実施形態における配電系統の構成例を示す図。実施形態における地絡過電流および地絡過電圧を抑制するための制御装置の機能構成例を示すブロック図。実施形態における配電系統に地絡が発生した際の地絡過電流および地絡過電圧を抑制するための手順の一例を示すフローチャート。従来の配電系統の構成例を示す図。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は、実施形態における配電系統の構成例を示す図である。
図１に示した配電系統は、通常時は、直接接地方式による三相４線回路である。この配電系統は、図４に示した配電系統と同様に、変圧回路１０、無停電電源装置２０、中継回路３０、出力分岐盤４０および電源分岐回路５０を有する。

本実施形態では、変圧回路の配電用変圧器１１の２次巻線の中性点に対し、この中性点における抵抗値を変更するための電気回路６０が設けられる。
この電気回路６０は、複数個の抵抗器６１が直列接続される回路である。これらの抵抗器６１のそれぞれにはスイッチ６２が並列に設けられる。また、電気回路６０における接地側には単一のスイッチ６３が設けられる。

スイッチ６３がオン状態であるときで、あるスイッチ６２がオン状態である時は、このスイッチ６２に並列接続される抵抗器６１には電流は流れない。また、スイッチ６３がオン状態であるときで、あるスイッチ６２がオフ状態である時は、このスイッチ６２に並列接続される抵抗器６１に電流が流れる。本実施形態では、スイッチ６３およびスイッチ６２のそれぞれを個別にオンオフ制御することで、電気回路６０全体でみた抵抗値を複数段階のいずれかの値に制御できる。

本実施形態では、電気回路６０の抵抗値を制御するための制御装置７０を備える。図２は、実施形態における地絡過電流および地絡過電圧を抑制するための制御装置の機能構成例を示すブロック図である。
図２に示すように、この制御装置７０は、電流検出部７１、電圧検出部７２、判定部７３およびスイッチ制御部７４を有する。

電流検出部７１は、配電系統における配電用変圧器１１の２次巻線と負荷側との間に流れる電流値を検出する。電流検出部７１は、この電流値を配電系統における図示しない電流計から得る事ができる。電圧検出部７２は、配電系統の配電用変圧器１１の２次巻線と対地との間の複数箇所のそれぞれにおける電圧値を検出する。電圧検出部７２は、この電圧値を配電系統の各所における図示しない電圧計から得る事ができる。

判定部７３は、電流検出部７１や電圧検出部７２による検出結果に基づいて、配電系統に地絡過電流が発生しているか否か、もしくは配電系統に地絡過電圧が発生しているか否かを判定する。

スイッチ制御部７４は、配電系統に地絡過電流が発生していると判定部７３が判定した際は、この地絡過電流の解消を目的として、配電用変圧器１１の二次巻線の中性点の電気回路６０の抵抗値を増加させるために、この電気回路６０のスイッチ６２，６３のオンオフを制御する。

また、スイッチ制御部７４は、配電系統に地絡過電圧が発生していると判定部７３が判定した際は、この地絡過電圧の解消を目的として、配電用変圧器１１の二次巻線の中性点の電気回路６０の抵抗値を減少させるために、この電気回路６０のスイッチ６２，６３のオンオフを制御する。

次に、図１に示した直接接地方式の配電系統における地絡過電流および地絡過電圧を抑制するための手順について説明する。
図３は、実施形態における配電系統に地絡が発生した際の地絡過電流および地絡過電圧を抑制するための手順の一例を示すフローチャートである。
初期状態では、中性点の接地状態は前述したように直接接地状態としてもよいし、配電系統の特性に応じて直接接地状態としてもよいし、高抵抗接地状態または非接地状態としてもよい。一般的に、配電系統が低圧系統であるときは、中性点の接地方式を高抵抗接地方式または非接地方式とする。

初期状態で、中性点の接地状態を直接接地状態とする際は、電気回路６０のスイッチ６２，６３は全てオン状態となっている。初期状態で中性点の接地状態を高抵抗接地状態とする際は、電気回路６０のスイッチ６２のうち所定数のスイッチおよびスイッチ６３がオン状態となっている。また、初期状態で中性点の接地状態を非接地状態とする際は、電気回路６０のスイッチ６３はオフ状態となっている。以下、初期状態で中性点の接地状態が高抵抗接地状態であるとして説明する。

制御装置７０の電流検出部７１は、変圧回路１０の配電用変圧器１１の各相に流れる電流を常時または所定時間毎に検出する（ステップＳ１）。また、同じタイミングで、電圧検出部７２は変圧回路１０の配電用変圧器１１の各相の対地電圧を検出する（ステップＳ２）。

判定部７３は、電流検出部７１により検出した電流値と所定のしきい値とを比較する事で、配電系統のいずれかの箇所の地絡事故に起因する地絡過電流が発生しているか否かを判定する（ステップＳ３）。

判定部７３は、電流検出部７１により検出したいずれかの相の電流値が前述したしきい値以上であるときに、配電系統に地絡過電流が発生していると判定する（ステップＳ３のＹＥＳ）。すると、スイッチ制御部７４は、この地絡過電流の解消を目的として、配電用変圧器１１の二次巻線の中性点の電気回路６０の抵抗値を増加させるために、この電気回路６０のスイッチ６３をオン状態のままとして、複数のスイッチ６２のそれぞれのオンオフを個別に制御する（ステップＳ４）。

このように、配電系統に地絡過電流が発生している際に、スイッチ制御部７４により配電用変圧器１１の二次巻線の中性点の電気回路６０の抵抗値を増加させると、この増加させた値に応じて配電系統の電流値が減少し、この電流値が前述したしきい値未満となることで地絡過電流が解消される。ただし、電気回路６０の抵抗値を増加させると、この増加させた値に応じて配電系統の電圧値が増加する。そして、電気回路６０の抵抗値を増加させ過ぎる、例えば非接地状態となるまで増加させると、スイッチ制御部７４による制御に起因した地絡過電圧が配電系統に発生してしまう。

本実施形態では、スイッチ制御部７４による制御に起因した地絡過電圧の発生を防止するために、以下のスイッチ制御を行う。具体的には、スイッチ制御部７４は、スイッチ６３をオン状態のままとして、スイッチ６２の１つをオフ状態に切り替えて、判定部７３による判定結果を再度取得する。スイッチ制御部７４は、この判定結果が、検出電流値がしきい値未満であるとの判定結果となるまで、電気回路６０の複数のスイッチ６２を１つずつオフ状態に切り替える。

また、スイッチ制御部７４は、検出電流値としきい値との差分の情報を判定部７３から取得し、この差分に基づいて、検出電圧値をしきい値以上とせずに、かつ検出電流値をしきい値未満にするためにオフ状態に切り替える事が必要なスイッチ６２の個数を求め、この求めた個数のスイッチ６２をオフ状態に切り替えてもよい。

また、判定部７３は、電圧検出部７２により検出したいずれかの相の対地電圧値がしきい値以上であるときに、配電系統に地絡過電圧が発生していると判定する（ステップＳ５のＹＥＳ）。すると、スイッチ制御部７４は、この地絡過電圧の解消を目的として、配電用変圧器１１の二次巻線の中性点の電気回路６０の抵抗値を減少させるために、電気回路６０のスイッチ６３をオン状態のままとして、複数のスイッチ６２のオンオフを個別に制御する（ステップＳ６）。

なお、中性点の接地状態が非接地状態であるときは、スイッチ６３はオフ状態となっている。よって、配電系統に地絡過電圧が発生していると判定部７３が判定した際は、スイッチ制御部７４は、この地絡過電圧の解消を目的として、配電用変圧器１１の二次巻線の中性点の電気回路６０の抵抗値を減少させるために、電気回路６０のスイッチ６３をオン状態に切り替えた上で、複数のスイッチ６２のオンオフを個別に制御する。

このように、配電系統に地絡過電圧が発生している際に、スイッチ制御部７４により配電用変圧器１１の二次巻線の中性点の電気回路６０の抵抗値を減少させると、この減少させた値に応じて配電系統の電圧値が減少し、この電圧値が前述したしきい値未満となることで地絡過電圧が解消される。ただし、電気回路６０の抵抗値を減少させると、この減少させた値に応じて配電系統の電流値が増加する。そして、電気回路６０の抵抗値を減少させ過ぎると、スイッチ制御部７４による制御に起因した地絡過電流が配電系統に発生してしまう。

本実施形態では、スイッチ制御部７４による制御に起因した地絡過電流の発生を防止するために、以下のスイッチ制御を行う。具体的には、制御装置７０のスイッチ制御部７４は、配電系統に地絡過電圧が発生している際に、スイッチ６２の１つをオン状態に切り替えて、判定部７３による判定結果を再度取得する。スイッチ制御部７４は、この判定結果が、検出電圧値がしきい値未満であるとの判定結果となるまで電気回路６０の複数のスイッチ６２を１つずつオン状態に切り替える。

また、スイッチ制御部７４は、検出電圧値としきい値との差分の情報を判定部７３から取得し、この差分に基づいて、検出電流値をしきい値以上とせずに検出電圧値をしきい値未満にするためにオン状態に切り替える事が必要なスイッチ６２の個数を求め、この求めた個数のスイッチ６２をオン状態に切り替えてもよい。

以上のように、実施形態における配電系統の制御装置は、配電系統の電流値や電圧値を検出し、この検出結果に基づいて、配電系統に地絡過電流や地絡過電圧が発生していると判定したときに地絡過電流や地絡過電圧を解消するために、配電系統の交流変圧器の中性点の抵抗値を増加または減少させるための制御を行う。このようにして、配電系統に地絡事故が発生した際の地絡過電流や地絡過電圧を抑制することができるようになる。
これにより、地絡過電流や地絡過電圧にともなう、配電系統内の機器が破損する可能性を低くすることができる。また、故障部分を系統から切り離す必要が無いので、この部分に関わる負荷設備を正常に使用することができる。

また、前述した例では、電力系統は三相４線回路であるとして説明したが、これに限らず三相３線回路であってもよい。この三相４線回路は、回路の特性上、地絡時に上昇する電流値や電圧値が三相３線回路と比較して高いため、上記のように中性点の抵抗値を増加または減少させるための制御を行うことによる効果が高い。

前述した実施形態によれば、三相交流方式の電力系統に地絡事故が発生した際の地絡過電流や地絡過電圧を抑制して負荷設備を正常に使用することが可能になる制御装置を提供することができる。
発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…変圧回路、１１…配電用変圧器、１２，５１…配線用遮断器、２０…無停電電源装置、２１…無停電電源回路、２２，２３，３１，４１，４２，６２，６３…スイッチ、２４…高速スイッチ、３０…中継回路、４０…出力分岐盤、５０…電源分岐回路、６０…電気回路、６１…抵抗器、７０…制御装置、７１…電流検出部、７２…電圧検出部、７３…判定部、７４…スイッチ制御部。

Claims

三相交流方式の電力系統に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電力系統に生じる対地電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電流検出手段により検出した電流が地絡事故の発生にともなう過電流である際に、前記検出した電流が前記過電流でなくなるように前記電力系統の変圧器の中性点の抵抗値を増加させ、前記電圧検出手段により検出した対地電圧が地絡事故の発生にともなう過電圧である際に、前記検出した電圧が前記過電圧でなくなるように前記変圧器の中性点の抵抗値を減少させる制御手段と
を備えたことを特徴とする制御装置。
前記制御手段は、
前記電流検出手段により検出した電流が地絡事故の発生にともなう過電流である際に、前記検出した電流が前記過電流でなくなり、かつ、前記電圧検出手段により検出した電圧が前記過電圧にならないように前記変圧器の中性点の抵抗値を変更する
ことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
前記制御手段は、
前記電圧検出手段により検出した電圧が地絡事故の発生にともなう過電圧である際に、前記検出した電圧が前記過電圧でなくなり、かつ、前記電流検出手段により検出した電流が前記過電流にならないように前記変圧器の中性点の抵抗値を変更する
ことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。