JP2015005358A - 励磁突入電流抑制装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電力系統に設置された変圧器を遮断器で投入する際の励磁突入電流を、変圧器を遮断したときの残留磁束を計測しなくても抑制することを可能にする。
【解決手段】実施形態に係る励磁突入電流抑制装置は、遮断器２の電源側交流電圧の１相を着目相として、該着目相の電圧を計測する電圧計測手段５０１と、計測された交流電圧における遮断第１の位相および前記交流電圧の波高値となる遮断第２の位相を検出する位相検出手段５０２と、前記遮断第１の位相で前記着目相以外の２相の遮断器を遮断させ、前記遮断第２の位相で前記着目相の遮断器を遮断させる開閉極指令出力手段５０３とを具備する。位相検出手段５０２は、前記着目相の電圧波高値時点を投入第１の位相として検出し、前記投入第１の位相後の所定時点を投入第２の位相として検知する。開閉極指令出力手段５０３は、前記投入第１の位相で前記着目相の遮断器を閉極させ、前記投入第２の位相で前記着目相以外の２相の遮断器を閉極させる。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、変圧器を電源に投入する際に生じる励磁突入電流を抑制するための励磁突入電流抑制装置および方法に関する。

変圧器鉄心に残留磁束がある状態で電源投入により無負荷励磁を行うと、大きな励磁突入電流が流れる。この励磁突入電流の大きさは変圧器の定格負荷電流の数倍になることが一般に知られている。

このように大きな励磁突入電流が流れると、系統電圧が変動し、その電圧変動が大きい場合、需要者に影響を与えることがある。

従来、Ｙ結線の中性点が接地された直接接地系の３相変圧器を３台の単相型遮断器で投入する際、任意の１相を定常磁束と残留磁束の交点にて先行投入し、その後に残りの２相を投入させるようにして、励磁突入電流を抑制する方法が既に知られているところである。

IEEE Trans. Vol.１６、No.２ ２００１"Elimination of Transformer Inrush Currents by Controlled Switching -Part I: Theoretical Considerations"

上記従来の投入方法は、変圧器遮断時点の鉄心の残留磁束の正確な値を必要とする。また、変圧器に電圧が定常的に印加されたときの定常磁束の情報も必要となる。磁束を算出するには、電圧を積分する必要がある。

磁束を正確に算出するのは一般に難しい。電圧波形における積分開始時点によって、積分した磁束の波形が正もしくは負に偏ってしまう。また、電圧波形自体が０線を中心に正負に推移していない、すなわち、電圧波形自体にオフセットによる直流成分が重畳していると、積分した磁束の波形が正もしくは負に発散する。

実施形態の目的は、以上述べた従来技術に鑑みなされたもので、電力系統に設置された変圧器を遮断器で投入する際の励磁突入電流を、変圧器を遮断したときの残留磁束を計測しなくても抑制することを可能にした変圧器の励磁突入電流抑制装置および方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の1実施形態に係る励磁突入電流抑制装置は、三相変圧器と三相交流電源との接続を三相個別に開閉する遮断器を、励磁突入電流を抑制するように制御する励磁突入電流抑制装置であって、前記遮断器の電源側交流電圧の１相を着目相として、該着目相の電圧を計測する電圧計測手段と、前記電圧計測手段により計測された交流電圧における遮断第１の位相および前記交流電圧の波高値となる遮断第２の位相を検出する位相検出手段と、前記遮断第１の位相で前記着目相以外の２相の遮断器を遮断させ、前記遮断第２の位相で前記着目相の遮断器を遮断させる開閉極指令出力手段とを具備する。前記位相検出手段は、前記着目相の電圧波高値時点を投入第１の位相として検出し、前記投入第１の位相後の所定時点を投入第２の位相として検知し、前記開閉極指令出力手段は、前記投入第１の位相で前記着目相の遮断器を閉極させ、前記投入第２の位相で前記着目相以外の２相の遮断器を閉極させる。

実施形態に係る３相変圧器、３相遮断器および開閉極制御装置の接続関係を示すブロック図である。 遮断器２による５００ｋＶ変圧器３の遮断から電源投入までの状態を示し、（ａ）は実施形態に係る変圧器端子電圧を示す波形図であり、（ｂ）は実施形態に係る変圧器磁束を示す波形図であり、（ｃ）は実施形態に係る遮断器電流を示す波形図である。

以下、実施形態に係る励磁突入電流抑制装置および方法について図面を参照して説明する。なお、各図を通して同一部分には同一符号を付けることにより重複した説明は適宜省略する。

図１は、本実施形態に係る開閉極制御装置５の適用された電力系統システムの構成を示す構成図である。

本実施形態に係る電力系統システムは、電源母線１と、三相個別に開閉する遮断器２と、変圧器３と、一相分の電源電圧検出器４と、開閉極制御装置５とを備えている。

電源母線１は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相からなる三相交流の電源を備えた電力系統の母線である。

変圧器３の１次側は、遮断器２を介して、電力系統の電源母線１に接続されている。変圧器３は、例えば５００ｋＶ三相交流電圧を変圧する３巻線の三相変圧器である。変圧器３は、１次巻線３０１、２次巻線３０２及び３次巻線３０３を備えている。１次巻線３０１及び２次巻線３０２は、Ｙ結線されている。３次巻線３０３は、Δ結線されている。３次巻線３０３は高調波を外部に放出せずに吸収するために設けられ、負荷は一般に接続されない。１次巻線３０１及び２次巻線３０２は、中性点が接地されている。２次巻線３０２の中性点は高インピーダンス接地もしくは非接地でもかまわない。

遮断器２は、電源母線１と変圧器３との間に設けられている。遮断器２が投入されることにより、変圧器３は電源母線１による電源投入がされる。

電源電圧検出器４は、電源母線１の任意の着目相に設けられている。図1では、Ｕ相に設けられている。電源電圧検出器４は、電源母線１の着目相の相電圧（対地電圧）を計測するための計器用機器である。電源電圧検出器４は、例えば、計器用変圧器(ＶＴ： Voltage Transformer)又はコンデンサ形計器用変圧器(ＰＤ： Potential Device)などの電圧分圧装置である。電源電圧検出器４は、電源母線１の着目相と大地間に接続される。電源電圧検出器４は、検出値を検出信号として、励磁突入電流抑制装置５に出力する。

開閉極制御装置５は、電源電圧検出器４から受信した検出信号に基づいて、遮断器２の各相の接点に対して遮断・投入指令を出力する。これにより、遮断器２は遮断または投入される。

次に、図１、図２を参照して、開閉極制御装置５の構成及び動作について説明する。

図２は遮断器２による変圧器３の遮断から電源投入までの状態を示している。図２（ａ）は変圧器３の相電圧を示す波形図である。図２（ｂ）は変圧器３の相電圧を積分して得られる鉄心の磁束を示す波形図である。図２（ｃ）は変圧器１次巻線３０１各相に流れる電流を示す波形図である。

開閉極制御装置５は、電源電圧計測部５０１と、位相検出部５０２と、開閉極指令出力部５０３とを備えている。

電源電圧計測部５０１は、電源電圧検出器４により検出された検出信号に基づいて、電源母線１の着目相の相電圧を計測する。電源電圧計測部５０１は、計測した着目相の相電圧を数値（デジタル値）として位相検出部５０２に出力する。

位相検出部５０２には、電源電圧計測部５０１により計測された電源母線１の着目相の相電圧が入力される。遮断器２を遮断する際に、位相検出部５０２は先ず、着目相（Ｕ相）の相電圧の電圧０点を検出する。位相検出部５０２は、着目相以外の２相に対して、検出した電圧０点の位相を遮断第１の位相（図２参照）として、開閉極指令出力部５０３に出力する。

開閉極指令出力部５０３は、位相検出部５０２により検出された位相において、遮断器２の当該相（着目相以外の２相）が遮断するように、開極指令を出力する。

遮断第１の位相の後、Δ巻線３０３においては、Ｖ相、Ｗ相には、着目相（Ｕ相）に発生している電圧に対して、大きさが１／２で逆相の電圧が発生する。従って図２（ａ）においても、遮断第１の位相の後、Ｖ相、Ｗ相には、Ｕ相に発生している電圧に対して、大きさが１／２で逆相の電圧が発生する。また、遮断第１の位相では、磁束について言うと図２（ｂ）のように、Ｖ相、Ｗ相が一致している点である。この結果、遮断第１の位相の後では、Ｖ相とＷ相の磁束が一致して同様に変化する。また、図２（ｃ）のように、遮断第１の位相の後でもＶ相、Ｗ相に僅かに電流が流れるのは、変圧器のヒステリシス特性及び浮遊容量のためである。

位相検出部５０２はさらに、着目相の電圧波高値（正または負の最大値）を検出する（図２（ａ）では負の最大値）。開閉極指令出力部５０３は位相検出部５０２によって検出された着目相の電圧波高値の位相を遮断第２の位相として、遮断器２の着目相が遮断するように、開極指令を出力する。

これにより、図２（ｂ）に示すように、各相の残留磁束はいずれもほぼ０となる。すなわち、遮断第１の位相の後、着目相の波高値の位相で、磁束は全ての相で０となるので、この位相で残りの着目相を遮断すれば、残留磁束はいずれの相であってもほぼ０となる。従って、遮断第１の位相の後、母線１の電源電圧のｎ／４周期後（ｎは奇数）に、着目相を遮断すればよい（図２（ａ）では３／４周期後：電源５０Ｈｚで１５ｍｓ後）。

次に遮断器２を投入させるときは先ず、電圧計測部５０１によって計測された着目相の電圧波高値（図２（ａ）では正の最大値）時点を位相検出部５０２が検出し、その位相を投入第１の位相として、開閉極指令出力部５０３に出力する。開閉極指令出力部５０３は、入力された投入第１の位相で遮断器２の着目相が投入するように、遮断器２へ閉極指令を出力する。

着目相の電圧波高値の位相で着目相を投入することで、着目相の電圧を積分して得られる磁束は、投入第１の位相における残留磁束（ほぼ０）を中心にして、正側及び負側に変化することになる。尚、投入第１の位相後にＶ相及びＷ相に電圧、磁束、電流が発生する理由は、前述の遮断第１の位相後にＶ相及びＷ相に電圧、磁束、電流が発生する理由と同一である。

さらに、予め決められた時間の後、遮断器２の残る２相が投入するように、投入第２の位相を決定し、開閉極指令出力部は遮断器２へ閉極指令を出力する。このあらかじめ決められた時間とは、投入第１の位相から、着目相の電圧が０となる時点までの時間であり、これは電源電圧のｎ／４周期（ｎは奇数）の時間である（図２（ａ）では１／４周期：電源５０Ｈｚで５ｍｓ）。すなわち、着目相の電圧が０となる位相で残りのＶ相及びＷ相を投入する。この投入第２の位相でＶ相、Ｗ相を投入することで、Ｖ相、Ｗ相の磁束は、投入第１の位相におけるそれぞれの残留磁束（ほぼ０）を中心にして、正側及び負側にそれぞれ変化することになる。この結果、Ｕ、Ｖ、Ｗの磁束波高値は、遮断第１の位相以前の定常磁束と同様の大きさとなる。これにより、図２（ｃ）に示すように、各相の変圧器電流（励磁突入電流）Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを数アンペア程度に抑制する。

遮断器２の投入において、操作機構の動作ばらつきなどに起因する投入時間のばらつきが存在する。前記遮断器投入時のばらつきは、あらかじめその特性を取得しておくことにより、位相制御を行う制御装置で補正することが可能である。従って、これらのばらつきがあっても、遮断器２の開閉極を図２（ａ）における遮断、投入位相に設定することが可能であることは言うまでもない。

（効果）
本実施形態によれば、遮断器が変圧器を電源から遮断する際に、各相の残留磁束がほぼ０となり、次に投入する際には、第1相を電圧波高値で投入することにより、変圧器を電源に投入した際に生じる励磁突入電流を、抵抗体付き遮断器等の設備を付加せずに抑制することを可能にした変圧器の励磁突入電流抑制装置および方法を提供することができる。
また、従来技術では、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の遮断器を投入させているが、本方式では、定常磁束を算出する必要がない。すなわち、遮断器が変圧器を遮断する際に、各相の残留磁束がいずれもほぼ０となるため、次に遮断器を投入させる場合には、電源電圧波高値で投入して、図２（ｃ）に示すように、電流を小さくすることができる。

前記の説明は電圧計測用計測器４を電源母線の１相に設けたが、３相に設けてそれらの信号を開閉極制御装置５に入力させることも排除しない。すなわち、電圧計測用計測器４を他のＶ相、Ｗ相に設けて、それぞれ電圧信号を開閉極制御装置５に取り込み、開閉極制御装置内で、着目相を決定させることが可能である。上記実施形態では電圧計測用計測器４をＵ相に設置し、Ｕ相を着目相として遮断及び投入を制御したが、電圧計測用計測器４をＵ相に設置し、Ｖ相あるいはＷ相を着目相として、上記したＵ相と同様の制御を行うことが可能である。Ｖ相の電圧はＵ相の電圧を１２０度位相をずらしたものであり、Ｗ相は２４０度位相をずらしたものであるため、Ｕ相の電圧からＶ、Ｗ相の電圧に容易に変換可能である。その場合、遮断や投入のタイミングを決定する自由度が広がることになる。

本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。

１…電源母線、２…遮断器、３…変圧器、４…電圧計測装置、５…開閉極制御装置、５０１…電圧計測部、５０２…位相検出部、５０３…開閉極指令出力部。

Claims (8)

1. 三相変圧器と三相交流電源との接続を三相個別に開閉する遮断器を、励磁突入電流を抑制するように制御する励磁突入電流抑制装置であって、
   前記遮断器の電源側交流電圧の１相を着目相として、該着目相の電圧を計測する電圧計測手段と、
   前記電圧計測手段により計測された交流電圧における遮断第１の位相および前記交流電圧の波高値となる遮断第２の位相を検出する位相検出手段と、
   前記遮断第１の位相で前記着目相以外の２相の遮断器を遮断させ、前記遮断第２の位相で前記着目相の遮断器を遮断させる開閉極指令出力手段と、を具備し、
   前記位相検出手段は、前記着目相の電圧波高値時点を投入第１の位相として検出し、前記投入第１の位相後の所定時点を投入第２の位相として検知し、
   前記開閉極指令出力手段は、前記投入第１の位相で前記着目相の遮断器を閉極させ、前記投入第２の位相で前記着目相以外の２相の遮断器を閉極させる励磁突入電流抑制装置。
2. 前記位相検出手段は、前記電圧計測手段により計測された交流電圧の０点を前記遮断第１の位相として検出する請求項１記載の励磁突入電流抑制装置。
3. 前記位相検出手段は、前記遮断第１の位相から、予め設定された時間後の位相を前記遮断第２の位相として検出する請求項２記載の励磁突入電流抑制装置。
4. 前記位相検出手段は、前記着目相の投入第１の位相から、予め設定された時間経過後の位相を前記投入第２の位相として検出する請求項１乃至３の１項記載の励磁突入電流抑制装置。
5. 三相変圧器と三相交流電源との接続を三相個別に開閉する遮断器を、励磁突入電流を抑制するように制御する励磁突入電流抑制方法であって、
   前記遮断器の電源側交流電圧の１相を着目相として、該着目相の電圧を計測し、
   前記計測した電源側交流電圧における遮断第１の位相および前記交流電圧の波高値となる遮断第２の位相を検出し、
   前記遮断第１の位相において、前記着目相以外の２相の遮断器を遮断し、前記遮断第２の位相において、前記着目相の遮断器を遮断し、
   前記計測された前記着目相の電圧波高値時点を投入第１の位相として検出し、前記投入第１の位相後の所定時点を投入第２の位相として検知し、
   前記投入第１の位相で前記着目相の遮断器を閉極させ、前記投入第２の位相で前記着目相以外の２相の遮断器を閉極させることを備えた励磁突入電流抑制方法。
6. 前記遮断第１の位相は、前記着目相の交流電圧０点とする請求項５記載の励磁突入電流抑制方法。
7. 前記遮断第１の位相から、予め設定された時間後の位相を前記遮断第２の位相として検出することを含む請求項６記載の励磁突入電流抑制方法。
8. 前記着目相以外の２相の閉極位相は、前記着目相の閉極位相から予め設定された時間経過後の位相である請求項５乃至７の1項記載の励磁突入電流抑制方法。

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