JP2015142398A - 過電圧保護装置および電流調整回路 - Google Patents

過電圧保護装置および電流調整回路 Download PDF

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Abstract

【課題】 簡易な構成により系統事故からの復帰を短時間で行えるようにすること。
【解決手段】 巻線形誘導機の二次側と前記巻線形誘導機の二次側を三相交流で励磁する周波数変換器との間に設けられ三相交流の相間を短絡させる機能を有する第一の短絡器を備えた過電圧保護装置において、前記第一の短絡器と前記周波数変換器との間に相毎に接続される抵抗器と、当該抵抗器と並列に接続され前記周波数変換器と前記巻線形誘導機の二次側とを短絡させる機能を有する第二の短絡器とを更に備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、巻線形誘導機の二次巻線や周波数変換器を過電圧から保護する過電圧保護装置およびこの電圧保護装置に備えられる電流調整回路に関する。
巻線形誘導機の一次側を電力系統に接続し、二次側をすべり周波数の交流で励磁する例えば静止セルビウス方式や超同期セルビウス方式の構成においては、巻線形誘導機の一次側が不平衡になると逆相電流が流れ、二次側に２ｆ１±ｓｆ１（但し、ｆ１は系統の周波数、ｓはすべりを示す。）の周波数の電流が流れる。また、一次側に直流分が乗った場合には二次側にｆｒ（回転子の回転周波数）の電流が流れる。
しかし、巻線形誘導機の二次側をすべり周波数の交流で励磁する周波数変換器は、２ｆ１±ｓｆ１、あるいはｆｒの周波数で電流を流すことは難しく、周波数変換器内のパワー半導体素子（例えばＧＴＯ、ＩＧＢＴ）を点弧できないため、巻線形誘導機の二次側が開放することになり、異常な高電圧が発生する。巻線形誘導機の二次側に高電圧が発生すると、二次巻線および周波数変換器が絶縁破壊する可能性がある。
そこで、巻線形誘導機の二次側に過電圧が生じた場合には二次巻線を直接短絡するか、もしくは抵抗を介して短絡して電圧をほぼ零に抑えることにより、二次巻線や周波数変換器を過電圧から保護する方法が知られている。
従来の巻線形誘導機の二次過電圧保護装置を含む回路構成の一例を図４に示す。
図４に示すように、巻線形誘導機１の一次巻線端子は、主変圧器２および送電線４を介して電力系統３に接続されている。巻線形誘導機１の一次巻線端子の電圧は、主変圧器２で電力系統３と同等の電圧に変換された後、送電線４を介して電力系統３に供給されるようになっている。
巻線形誘導機１の二次巻線端子には、主変圧器２に接続された例えば自励式コンバータ５／インバータ６を備えた周波数変換器７が第一の短絡器１２を介して接続されている。
周波数変換器７においては、コンバータ５によって三相交流電圧が直流電圧に変換され、変換後の直流電圧は直流リンクコンデンサ８によって保持される。更に、その直流電圧はインバータ６によって巻線形誘導機１のすべり周波数相当の三相交流電圧に変換される。周波数変換器７はその三相交流電圧により巻線形誘導機１の二次側を励磁する。また、周波数変換器７は、コンバータ５／インバータ６を構成する素子を、直流リンク電圧の上昇による過電圧から保護するため、抵抗器９とパワー半導体素子１０（例えばＧＴＯ、ＩＧＢＴ）とで構成されるチョッパ１１を備える。
巻線形誘導機１の二次巻線端子と周波数変換器７との間には、第一の短絡器１２が設けられる。第一の短絡器１２は、巻線形誘導機１の二次側に過電圧が生じた際に三相交流の相間を短絡させる機能を有する。
次に、このように構成された巻線形誘導機１の二次過電圧保護装置の動作を、図５のタイムチャートを用いて説明する。
時刻ｔ１で電力系統３や送電線４で事故が発生し、巻線形誘導機１の一次側が不平衡になると、二次側に逆相分による２ｆ１±ｓｆ１の交流が発生する。この場合、周波数変換器７はこれに追従しきれないため、巻線形誘導機１の二次巻線が一瞬オープンした状態となり、過電圧が発生する。過電圧は周波数変換器７のインバータ６のダイオードによって整流され、直流リンクコンデンサ８への充電が行われ、コンデンサ電圧が上昇する。
巻線形誘導機１の二次巻線、もしくは直流リンクコンデンサ８に閾値を超える過電圧が発生すると、時刻ｔ２でチョッパ１１と第一の短絡器１２とが動作する。なお、実際には、最初にチョッパ１１が動作し、その後、一定時間経過しても過電圧が解消しなければ、続いて第一の短絡器１２が動作するのであるが、ここでは全体の動作を理解し易いものとするために説明を簡略化している。
これにより、第一の短絡器１２は巻線形誘導機１の二次巻線および周波数変換器７の出力側を三相短絡する。
従って、巻線形誘導機１の二次側では相間に第一の短絡器１２を通じて短絡電流が流れ、この短絡電流は巻線形誘導機１の二次巻線の時定数に従って減衰して行く。
次に、電力系統３や送電線４の事故が除去される時間を見込んで、時刻ｔ３で第一の短絡器１２の短絡を解除する。第一の短絡器１２は電流耐量の高いサイリスタで構成するため、短絡電流が零にならないとオフできない。そのため、周波数変換器７を再起動して、第一の短絡器１２に流れる短絡電流と逆方向に電圧を印加し、第一の短絡器１２に流れる電流を零にする。
特開平６−５４４４４号公報
しかしながら、従来の方式では、逆電圧の印加により第一の短絡器１２に流れる電流を零にするに際し、時刻ｔ４で第一の短絡器１２に流れていた短絡電流が周波数変換器７に流れ込み、直流リンク電圧８が再び増大し、チョッパ１１と第一の短絡器１２が再動作する場合がある。これにより、チョッパ１１を構成する抵抗器９、素子１０と、第一の短絡器１２を構成するサイリスタの温度が上昇し、破壊に至る恐れがある。
ここで、再動作に耐えられるようにチョッパ１１や第一の短絡器１２の定格を大きくすると、コストや占有面積が増大する。
また、第一の短絡器１２に流れる電流は、巻線形誘導機１の二次巻線の時定数によって減衰するため、電流が零になるまで待つと、巻線形誘導機１のリアクタンスが大きくなるにつれて待時間が数秒のオーダで長くなり、再起動が遅くなる。
本発明は、上記実情を鑑みてなされたもので、簡易な構成により系統事故からの復帰を短時間で行うことを可能にする過電圧保護装置および電流調整回路を提供することを目的とする。
実施形態によれば、巻線形誘導機の二次側と前記巻線形誘導機の二次側を三相交流で励磁する周波数変換器との間に設けられ三相交流の相間を短絡させる機能を有する第一の短絡器を備えた過電圧保護装置において、前記第一の短絡器と前記周波数変換器との間に相毎に接続される抵抗器と、当該抵抗器と並列に接続され前記周波数変換器と前記巻線形誘導機の二次側とを短絡させる機能を有する第二の短絡器とを更に備えたことを特徴とする過電圧保護装置が提供される。
本発明によれば、簡易な構成により系統事故からの復帰を短時間で行うことができる。
第１の実施形態に係る巻線形誘導機１の二次過電圧保護装置を含む回路構成の一例を示す図。 同実施形態に係る巻線形誘導機１の二次過電圧保護装置の動作を示すタイムチャート。 機械式遮断器の代わりに半導体遮断器を用いる場合の構成を示す図。 従来技術における二次過電圧保護装置を含む回路構成の一例を示す図。 従来技術における巻線形誘導機１の二次過電圧保護装置の動作を示すタイムチャート。
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
第１の実施形態を、図１および図２を参照して説明する。
図１は、第１の実施形態に係る巻線形誘導機１の二次過電圧保護装置を含む回路構成の一例を示す図である。なお、図４と共通する要素には同一の符号を付している。
図１に示すように、巻線形誘導機１の一次巻線端子は、主変圧器２および送電線４を介して電力系統３に接続されている。巻線形誘導機１の一次巻線端子の電圧は、主変圧器２で電力系統３と同等の電圧に変換された後、送電線４を介して電力系統３に供給されるようになっている。
巻線形誘導機１の二次巻線端子には、主変圧器２に接続された例えば自励式コンバータ５／インバータ６を備えた周波数変換器７が第一の短絡器１２および電流調整回路１５を介して接続されている。
周波数変換器７においては、コンバータ５によって三相交流電圧が直流電圧に変換され、変換後の直流電圧は直流リンクコンデンサ８によって保持される。更に、その直流電圧はインバータ６によって巻線形誘導機１のすべり周波数相当の三相交流電圧に変換される。周波数変換器７はその三相交流電圧により巻線形誘導機１の二次側を励磁する。また、周波数変換器７は、コンバータ５／インバータ６を構成する素子を、直流リンク電圧の上昇による過電圧から保護するため、抵抗器９とパワー半導体素子１０（例えばＧＴＯ、ＩＧＢＴ）とで構成されるチョッパ１１を備える。
本実施形態においては、巻線形誘導機１の二次巻線端子と周波数変換器７との間に、第一の短絡器１２と電流調整回路１５とが設けられる。第一の短絡器１２は、巻線形誘導機１の二次側に過電圧が生じた際に三相交流の相間を短絡させる機能を有する。電流調整回路１５は、第一の短絡器１２と周波数変換器７との間に相毎に接続される抵抗器１３と、この抵抗器１３と並列に接続される第二の短絡器１４とを備える。第二の短絡器１４は、周波数変換器７と巻線形誘導機１の二次側とを短絡させる機能を有する。第二の短絡器１４は、例えば図１のように複数個の機械式遮断器を並列に接続して構成される。
制御装置１００は、巻線形誘導機１の二次側の制御を司るものである。この制御装置１００の一部は、第一の短絡器１２、電流調整回路１５とともに、二次過電圧保護装置を構成する。制御装置１００は、各所に設置された各種センサを通じて、直流リンクコンデンサ８における電圧（コンデンサ電圧）の計測値、周波数変換器７から流れる電流（変換器電流）の計測値、第一の短絡器１２を流れる電流（第一の短絡器電流）の計測値を取得し、これらに基づいて、第一の短絡器１２、第二の短絡器１４、コンバータ５／インバータ６を構成する各素子を駆動制御する機能を有する。
制御装置１００は、例えば、電力系統の事故（例えば送電線４における短絡事故）の発生により、巻線誘導機１の二次側の過電圧を各種センサを通じて検出した場合には、第一の短絡器１２を短絡させ、周波数変換器７を停止させ、第二の短絡器１４の短絡を解除させ、事故除去後に、第一の短絡器１２に流れる電流が零になるように周波数変換器７を再起動させ、第一の短絡器１２の短絡を解除させ、その一定時間後に第二の短絡器１４を短絡させる。
なお、抵抗器１３の抵抗値は、周波数変換器７の再起動により短絡電流が第一の短絡器１２から周波数変換器７に転流される際のコンデンサ電圧が第一の短絡器１２の動作閾値を下回ることを保証する値であることが望ましい。更に、抵抗器１３の抵抗値は、第一の短絡器１２に流れる電流が周波数変換器７に転流される際の電流最大値を想定し、その電流最大値で周波数変換器７の最大出力電圧を除算した値よりも小さい値にすることが望ましい。抵抗器１３の抵抗値をこのように設定することで、短絡電流が第一の短絡器１２から周波数変換器７に転流するに際し、周波数変換器７に流入する電流を最小限に抑制することができる。
また、第二の短絡器１４は、電流が零のときに開放するため、低コストの機械式遮断器を採用してもよい。あるいは、電流遮断能力が無い断路器で代用してもよい。また、第二の短絡器１４を複数の機械式遮断器を並列に接続した構成を採用してもよい。遮断器を複数にした場合、通常運転時に１つの遮断器が誤って開放しても、並列の遮断器に電流が転流するため、アークが発生することなく、運転継続、もしくは安全な停止を行うことができる。
次に、このように構成された巻線形誘導機１の二次過電圧保護装置の動作を、図２のタイムチャートを用いて説明する。
なお、以下に説明する図２のタイムチャート中において、時刻ｔ１からｔ２までは約１０ｍ秒、ｔ２からｔ３までは約７０ｍ秒、ｔ２からｔ４までは約２００ｍ秒である。
時刻ｔ１で電力系統３または送電線４に事故が発生し、巻線形誘導機１の一次側巻線に不平衡電圧が生じると、その二次側に逆相分による２ｆ１±ｓｆ１の周波数の交流電圧が発生する。このため、周波数変換器７はそのときの電圧に応じた制御に追従しきれず、巻線誘導機１の二次巻線が一瞬オープン状態となり、過電圧が発生する。過電圧は周波数変換器７のインバータ６のダイオードによって整流され、直流リンクコンデンサ８へ充電、コンデンサ電圧が上昇する。
時刻ｔ２で過電圧が検出されると、チョッパ１１と第一の短絡器１２とが動作する。なお、実際には、最初にチョッパ１１が動作し、その後、一定時間経過しても過電圧が解消しなければ、続いて第一の短絡器１２が動作するのであるが、ここでは全体の動作を理解し易いものとするために説明を簡略化している。
これにより、第一の短絡器１２は巻線形誘導機１の二次巻線および周波数変換器７の出力側を三相短絡する。
このとき、周波数変換器７の全素子はゲートブロックすることで停止状態になるため、事故が発生している間は巻線形誘導機１の二次巻線と第一の短絡器１２との間で事故電流が流れる。この時点でインバータ６の出力電流が零になり、第二の短絡器１４を開放する。
電力系統３の事故除去後、時刻ｔ３で第一の短絡器１２の短絡を解除する。第一の短絡器１２はサイリスタで構成しているため、ゲート信号をオフにするだけでは、電流を零にすることができない。そこで、第一の短絡器１２の短絡解除信号と共に、周波数変換器７を起動し、サイリスタに逆電圧を印加する。その結果、短絡電流は第一の短絡器１２から抵抗器１３を通じて周波数変換器７に転流する。
周波数変換器７の電流が定常状態に戻った時刻ｔ５で、第二の短絡器１４を短絡し、通常の運転状態に復帰させる。
第１の実施形態によれば、電力系統の事故除去後に第一の短絡器１２を短絡解除し、短絡電流は抵抗器１３を通じて周波数変換器７に転流されるため、周波数変換器７に流入する電流が低減され、直流リンク電圧の上昇が抑制される。よって、転流の際にコンデンサ電圧は第一の短絡器１２の動作閾値に達しないため、第一の短絡器１２が再動作することがなく、また、巻線形誘導機１の二次巻線の時定数、運転条件に左右されることなく、短時間で事故から復帰させることが可能となる。
（第２の実施形態）
第２の実施形態を、図１及び図２とともに図３を参照して説明する。なお、第１の実施形態と共通する要素には同一の符号を付している。以下では、第１の実施形態と共通する部分の説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。
第２の実施形態においては、前述の第二の短絡器１４を、機械式遮断器の代わりに図３に示す半導体遮断器を用いて構成する。具体的には、半導体遮断器をＩＧＢＴやＧＴＯなどのパワー半導体素子と、それと逆並列に接続されるダイオードで構成する。これを逆直列に接続することにより、交流電流を常時流すことができる。
このように構成すると、通常運転時に半導体に流れる電流により、半導体遮断器の電流容量、及び並列数が決定される。さらに、短絡電流が抵抗器１３に流れるときの電圧降下により、半導体遮断器の耐電圧、および直列数が決定される。なお、半導体遮断器が故障した場合を考慮し、直並列数を増やすようにしてもよい。
第二の短絡器の開放、短絡のタイミングは、第１の実施形態で説明したものと同様である。
第２の実施形態によれば、第二の短絡器を半導体遮断器としたことにより、高速に短絡、開放の動作を行うことができる。よって、事故が短い期間に連続して起こった場合においても、短時間で事故から復帰させることができる。また、抵抗器１３に電流が流れる期間ｔ３〜ｔ５を短縮することができ、更には、抵抗器の容量を小さくすることもできる。
以上詳述したように、各実施形態によれば、簡易な構成により系統事故からの復帰を短時間で行うことができる。
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…巻線形誘導機、２…主変圧器、３…電力系統、４…送電線、５…コンバータ、６…インバータ、７…周波数変換器、８…直流リンクコンデンサ、９…抵抗器、１０…パワー半導体素子、１１…チョッパ、１２…第一の短絡器、１３…抵抗器、１４…第二の短絡器、１５…電流調整部。

Claims (15)

  1. 巻線形誘導機の二次側と前記巻線形誘導機の二次側を三相交流で励磁する周波数変換器との間に設けられ三相交流の相間を短絡させる機能を有する第一の短絡器を備えた過電圧保護装置において、
    前記第一の短絡器と前記周波数変換器との間に相毎に接続される抵抗器と、当該抵抗器と並列に接続され前記周波数変換器と前記巻線形誘導機の二次側とを短絡させる機能を有する第二の短絡器とを更に備えたことを特徴とする過電圧保護装置。
  2. 事故発生に応じて、前記第一の短絡器を短絡させ、前記周波数変換器を停止させ、前記第二の短絡器の短絡を解除させ、事故除去後に、前記第一の短絡器に流れる電流が零になるように前記周波数変換器を再起動させ、前記第一の短絡器の短絡を解除させ、その一定時間後に前記第二の短絡器を短絡させる制御手段を更に具備することを特徴とする請求項１に記載の過電圧保護装置。
  3. 前記抵抗器の抵抗値は、前記周波数変換器の最大出力電圧を前記第一の短絡器の最大短絡電流で除算した値よりも小さい値であることを特徴とする請求項１又は２に記載の過電圧保護装置。
  4. 前記抵抗器の抵抗値は、前記周波数変換器の再起動により短絡電流が前記第一の短絡器から前記周波数変換器に転流される際のコンデンサ電圧が前記第一の短絡器の動作閾値を下回ることを保証する値であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の過電圧保護装置。
  5. 前記第二の短絡器は、機械式遮断器を用いて構成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の過電圧保護装置。
  6. 前記第二の短絡器は、複数個の機械式遮断器を並列に接続して構成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の過電圧保護装置。
  7. 前記第二の短絡器は、半導体遮断器を用いて構成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の過電圧保護装置。
  8. 前記第二の短絡器は、複数個の半導体遮断器を並列に接続して構成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の過電圧保護装置。
  9. 巻線形誘導機の二次側を三相交流で励磁する周波数変換器と、前記巻線形誘導機の二次側と前記周波数変換器との間に設けられ三相交流の相間を短絡させる機能を有する第一の短絡器とを備えた装置に適用される電流調整回路であって、
    前記第一の短絡器と前記周波数変換器との間に相毎に接続される抵抗器と、前記抵抗器と並列に接続され前記周波数変換器と前記巻線形誘導機の二次側とを短絡させる機能を有する第二の短絡器とを備えたことを特徴とする電流調整回路。
  10. 前記抵抗器の抵抗値は、前記周波数変換器の最大出力電圧を前記第一の短絡器の最大短絡電流で除算した値よりも小さい値であることを特徴とする請求項９に記載の電流調整回路。
  11. 前記抵抗器の抵抗値は、前記周波数変換器の再起動により短絡電流が前記第一の短絡器から前記周波数変換器に転流される際のコンデンサ電圧が前記第一の短絡器の動作閾値を下回ることを保証する値であることを特徴とする請求項９又は１０に記載の電流調整回路。
  12. 前記第二の短絡器は、機械式遮断器を用いて構成されることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の電流調整回路。
  13. 前記第二の短絡器は、複数個の機械式遮断器を並列に接続して構成されることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の電流調整回路。
  14. 前記第二の短絡器は、半導体遮断器を用いて構成されることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の電流調整回路。
  15. 前記第二の短絡器は、複数個の半導体遮断器を並列に接続して構成されることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の電流調整回路。
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