JP2018152272A - 励磁突入電流抑制装置および電力開閉装置 - Google Patents

Abstract

【課題】端子電圧を計測せずに位相制御投入を行うことができる励磁突入電流抑制装置を得ること。【解決手段】励磁突入電流抑制装置４０は、三相変圧器１への三相電源２の投入後に発生する励磁突入電流に基づいて、三相電源２の開極時の三相変圧器１の鉄心に残留する磁束である残留磁束を算出する残留磁束算出手段６と、三相電源２の位相の変化によって生じる定常磁束と残留磁束との差分である投入磁束誤差を算出する誤差算出手段８と、投入磁束誤差に基づいて三相変圧器１に三相電源２を投入する位相である目標閉極位相を決定する目標閉極位相算出手段１３と、目標閉極位相で三相変圧器１に三相電源２を投入させる制御手段１５と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、変圧器への電源投入時に発生する励磁突入電流を抑制する励磁突入電流抑制装置および電力開閉装置に関するものである。

三相変圧器への三相電源の投入が行われる電力開閉装置では、三相電源の投入および遮断を行う三相遮断器が設けられている。このような電力開閉装置において、三相変圧器への三相電源の投入の際に発生する励磁突入電流を抑制する励磁突入電流抑制装置が用いられる場合がある。励磁突入電流抑制装置が励磁突入電流を抑制する方式の一つに、三相電源の特定位相において三相遮断器に三相電源を投入させる位相制御投入方式が挙げられる。

励磁突入電流は、三相電源の遮断時に変圧器の鉄心に残留した残留磁束と、三相電源の投入時の位相によって生じる定常磁束との差の絶対値が大きい場合に発生しやすい。そこで、特許文献１に記載の励磁突入電流抑制装置は、三相電源が遮断されたときに過渡的に変化する各相の端子電圧を変圧器電圧計測手段で計測する。過渡的に変化した電圧を残留磁束演算手段によって時間積分することで、変圧器の鉄心の残留磁束を演算する。算出された残留磁束と定常磁束とが一致する位相で遮断器が制御されて三相電源が投入される。

特開２０１３−６２１９６号公報

しかしながら、従来の位相制御投入方式では、三相電源を遮断したときの変圧器の端子電圧を計測する必要があるため、端子電圧を計測する電圧測定器が電力開閉装置に設けられていない場合には位相制御投入を行うことが難しいという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、端子電圧を計測せずに位相制御投入を行うことができる励磁突入電流抑制装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、三相変圧器への三相電源の投入後に発生する励磁突入電流に基づいて、三相電源の開極時の三相変圧器の鉄心に残留する磁束である残留磁束を算出する残留磁束算出手段と、三相電源の位相の変化によって生じる定常磁束と残留磁束との差分である投入磁束誤差を算出する誤差算出手段と、投入磁束誤差に基づいて三相変圧器に三相電源を投入する位相である目標閉極位相を決定する目標閉極位相算出手段と、目標位相で三相変圧器に三相電源を投入させる制御手段と、を備える。

本発明にかかる励磁突入電流抑制装置によれば、端子電圧を計測せずに位相制御投入を行うことができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかる電力開閉装置を模式的に示す図 三相変圧器の鉄心の残留磁束と励磁突入電流との関係を示す図 本発明の実施の形態２にかかる電力開閉装置の概略構成を示す模式図 開極位相と残留磁束との関係を示す図 開極位相と残留磁束との関係を示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかる励磁突入電流抑制装置および電力開閉装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる電力開閉装置を模式的に示す図である。電力開閉装置５０は、三相電源２、三相遮断器３、三相変圧器１、電圧測定器１７、計器用変流器２１、および励磁突入電流抑制装置４０を備える。励磁突入電流抑制装置４０は、残留磁束算出手段６、投入磁束誤差算出手段８、目標閉極位相算出手段１３、および制御手段１５を備える。

三相電源２は、Ａ相、Ｂ相およびＣ相の各電源電圧ｙｐａ，ｙｐｂ，ｙｐｃを発生して、三相遮断器３の接触子３ａ，３ｂ，３ｃにそれぞれ出力する。三相遮断器３の接触子３ａ，３ｂ，３ｃは三相変圧器１に接続される。三相遮断器３の接触子３ａ，３ｂ，３ｃは開閉可能な接点である。接触子３ａ，３ｂ，３ｃが閉じることで三相変圧器１への三相電源２の投入が行われる。また、接触子３ａ，３ｂ，３ｃが開くことで三相変圧器１への三相電源２の遮断が行われる。なお、以下の説明において、接触子３ａ，３ｂ，３ｃが閉じることを閉極ともいい、接触子３ａ，３ｂ，３ｃが開くことを開極ともいう。

三相遮断器３の接触子３ａ，３ｂ，３ｃは、制御手段１５からの開極制御信号２０ａおよび閉極制御信号２０ｂに応答して、連動して実質的に３つ同時に開極および閉極される。三相遮断器３は、閉極制御信号２０ｂに応答して閉極を行った際に、三相電源２の投入時の位相である投入位相を示す投入位相信号４を残留磁束算出手段６に向けて出力する。

電圧測定器１７は、基準相であるＡ相の対地電圧を測定して、測定結果を示す電源電圧信号１８を制御手段１５に出力する。なお、電力開閉装置５０では、基準相であるＡ相の対地電圧を測定する電圧測定器１７は設けられているが、Ｂ相、Ｃ相の対地電圧を測定する測定器は設けられていない。

電流計測器である計器用変流器２１は、各相の電流を計測する計器用変流器２１ａ，２１ｂ，２１ｃを有する。計器用変流器２１は、各相に流れる電流を測定して、測定結果を示す主回路電流信号５を残留磁束算出手段６に向けて出力する。なお、計器用変流器２１と残留磁束算出手段６との間に二次変流器を設けて、二次変流器から主回路電流信号５が出力されるように構成してもよい。

残留磁束算出手段６は、入力された主回路電流信号５に基づいて、閉極前に三相変圧器１の鉄心に残留していた残留磁束を算出する。これは、前回の開極時に三相変圧器１の鉄心に残留した残留磁束を算出すると換言できる。図２は、三相変圧器の鉄心の残留磁束と励磁突入電流との関係を示す図である。

三相遮断器３への三相電源２の投入時の投入時間をｔ_０とし、その直後に発生する励磁突入電流の発生時間をｔ_１とし、残留磁束をΔφとし、三相変圧器１の鉄心の飽和磁束閾値をφ_０とし、三相電源２の位相の変化によって生じる電源側の磁束波形である定常磁束波形をφ（ｔ）とした場合、三相電源２の投入後の経過時間ｔ後の磁束波形Φ（ｔ）は下記の数式（１）で表される。なお、定常磁束は、三相電源２の位相の変化によって生じる磁束である。
Φ（ｔ）＝φ（ｔ）＋Δφ−φ（ｔ_０） （１）

ここで、定常磁束波形φ（ｔ）は、以下の数式（２）で表される。磁束波高値を１ＰＵとして規格化した。
φ（ｔ）＝ｓｉｎ（ωｔ） ［ω＝２πｆ（ｆ：周波数）］ （２）

発生時間ｔ_１の時に三相変圧器１の鉄心が飽和してインラッシュ電流が発生する場合、
Φ（ｔ_１）＝φ_０ （３）
となる。

上記数式（１）、上記数式（２）および上記数式（３）により、三相変圧器１の鉄心の残留磁束Δφは、下記の数式（４）で算出される。
Δφ＝φ_０−φ（ｔ_１） ＋φ（ｔ_０）
＝φ_０ − ｓｉｎ（ωｔ_１）＋ｓｉｎ（ωｔ_０） （４）

すなわち、投入時間ｔ_０と発生時間ｔ_１とを把握することで、その開極位相での残留磁束が求められる。開極位相と残留磁束との関係が求められた後は、同一の開極位相で開極制御を行うことで、三相変圧器１の鉄心の残留磁束Δφは上記数式（４）で算出された値であると推定される。本実施の形態１では、閉極位相は基本的に固定値とされている。したがって、上記数式（４）に基づいて残留磁束Δφが算出されれば、その後の開極時にも同じ値の残留磁束Δφが三相変圧器１の鉄心に残留しているものと推定することができる。ここで算出された残留磁束値に基づいて目標位相を設定して投入位相制御が実施される。

残留磁束算出手段６は、入力された主回路電流信号５に基づいて発生時間ｔ_１を把握する。また、残留磁束算出手段６は、投入位相信号４の入力に基づいて投入時間ｔ_０を把握する。残留磁束算出手段６は、算出された残留磁束を示す残留磁束信号７を投入磁束誤差算出手段８に向けて出力する。

ここで、三相遮断器３の各接触子３ａ，３ｂ，３ｃは互いに同一のプレアーク特性および閉極時間ばらつき特性を有する。なお、以下の説明において、接触子３ａ，３ｂ，３ｃを区別しないときには、単に、接触子または三相遮断器３という。三相遮断器３の接触子３ａ，３ｂ，３ｃはそれぞれ、入力される閉極制御信号２０ｂに応答して、機械的な動作時間が経過した後に閉極する。閉極制御信号２０ｂが入力されてから閉極するまでの機械的な動作時間を閉極時間という。閉極時間は、三相遮断器３の周囲温度、操作油圧、制御電圧および休止時間に依存する。また、閉極前に先行放電によって接触子に主回路電流が流れ始めることが知られている。この先行放電はプレアークと呼ばれており、主回路電流が流れ始めるタイミングを投入といい、接触子のプレアークの特性をプレアーク特性という。

さらに、接触子は機械的な動作ばらつきを有しており、閉極制御信号２０ｂが入力されたときに、実際に接触子が閉極するタイミングの確率分布は、閉極制御信号２０ｂが入力されたタイミングに対応する閉極時間を中心としてばらつく正規分布になる。この接触子の閉極時間のばらつきの特性が、閉極時間ばらつき特性である。接触子３ａ，３ｂ，３ｃは、同一の閉極時間ばらつき特性を有する。同様に、接触子３ａ，３ｂ，３ｃの開極時間にもばらつき特性があり、これを開極時間ばらつき特性という。

投入磁束誤差算出手段８は、三相変圧器１の各相の残留磁束、三相遮断器３のプレアーク特性および閉極時間ばらつき特性に基づいて、閉極位相の投入磁束誤差を相ごとに算出する。投入磁束誤差は、三相電源２の投入時間ｔ_０時の定常磁束値と残留磁束値との差の絶対値である。投入磁束誤差算出手段８は、算出した投入磁束誤差を示す投入磁束誤差信号１２を目標閉極位相算出手段１３に出力する。

目標閉極位相算出手段１３は、投入磁束誤差に基づいて目標閉極位相を決定する。定常磁束には、相ごとに位相のずれがあるので、各相の投入磁束誤差の平均値が最も小さくなるように目標閉極位相を決定してもよい。目標閉極位相算出手段１３は、目標閉極位相を示す目標閉極位相信号１４を制御手段１５に出力する。なお、全ての接触子３ａ，３ｂ，３ｃを実質的に同時に閉極するように制御しても、Ｂ相及びＣ相の各閉極時間はそれぞれ、Ａ相の閉極時間に対して閉極時間平均値のずれ量だけずれる。目標閉極位相算出手段１３は、この閉極時間平均値のずれ量を考慮して目標閉極位相を決定してもよい。

制御手段１５は、図示を省略した上位の制御装置から開極指令１９ａが入力されると、固定値である目標開極位相で開極するように開極制御信号２０ａを三相遮断器３に向けて出力する。

制御手段１５は、図示を省略した上位の制御装置から閉極指令１９ｂが入力されると、目標閉極位相算出手段１３が算出した目標閉極位相で閉極するように閉極制御信号２０ｂを三相遮断器３に向けて出力する。

ここで、励磁突入電流は、図２に示すように三相電源２の投入時間ｔ_０の後に、三相変圧器１の鉄心での磁束が、その鉄心の飽和磁束閾値φ_０を超えた場合に発生する。投入時間ｔ_０後の磁束の波形は、三相変圧器１の鉄心に残留した残留磁束と投入時間ｔ_０時の定常磁束との差の絶対値を定常磁束波形に加えた波形となる。したがって、三相変圧器１の鉄心に残留した残留磁束と、投入時間ｔ_０時の定常磁束との差、すなわち投入磁束誤差が大きい場合に励磁突入電流が発生しやすくなる。したがって、相ごとの投入磁束誤差の平均値が最も小さくなるように目標閉極位相を決定することで、励磁突入電流の発生を抑制する位相制御投入を行うことができる。

本実施の形態１では、励磁突入電流の発生時間ｔ_１と投入時間ｔ_０とに基づいて投入磁束誤差が算出される。すなわち、計器用変流器２１によって計測された電流値に基づいて投入磁束誤差が算出されるので、端子電圧を計測せずに位相制御投入を行うことができる。したがって、投入磁束誤差を算出するために電力開閉装置５０に電圧を計測する手段を設ける必要がない。なお、電力開閉装置は、計器用変流器を備えることが一般的である。したがって、電圧を計測する手段が設けられていない電力開閉装置であっても、上述した励磁突入電流抑制装置４０を用いることで位相制御投入を行って、励磁突入電流の発生を抑制することができる。特に、電圧を計測する手段を増設することが困難である電力開閉装置の場合であっても、励磁突入電流抑制装置４０を用いれば位相制御投入を行うことが可能となる。

なお、本実施の形態１にかかる電力開閉装置５０では、残留磁束算出手段６が実際に発生した励磁突入電流の発生時間ｔ_１に基づいて残留磁束を算出している。そのため、一度も投入が行われていない電力開閉装置５０では、残留磁束の算出がなされていない。すなわち、電力開閉装置５０が設置されて最初の三相電源２の投入時である初期投入時には残留磁束が不明である。そこで、投入磁束誤差算出手段８は、初期投入時には残留磁束値が０であるとして投入磁束誤差を算出する。これにより、初期投入時にも位相制御投入を行うことが可能となる。

また、本実施の形態１では、励磁突入電流の発生時間ｔ_１と投入時間ｔ_０とに基づいて残留磁束を算出して投入磁束誤差を算出しているが、励磁突入電流の継続時間、すなわち励磁突入電流の発生から収束までの時間に基づいて残留磁束を算出して、投入磁束誤差を算出するように構成してもよい。励磁突入電流の継続時間をΔｔとすれば、残留磁束Δφを算出する数式（４）は、以下の数式（５）で表される。
Δφ＝φ_０−ｓｉｎ（ｔａｎ^−１（ｓｉｎωΔｔ／（１−ｃｏｓωΔｔ）））＋ｓｉｎ（ωｔ_０） （５）

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２にかかる電力開閉装置の概略構成を示す模式図である。図４および図５は、開極位相と残留磁束との関係を示す図である。なお、上記実施の形態１と同様の構成には、同様の符号を付して詳細な説明を省略する。上記実施の形態１では開極位相が固定値である例を示したが、本実施の形態２にかかる電力開閉装置５１は、目標開極位相を補正する目標開極位相設定手段２２を備える。

目標開極位相設定手段２２には、残留磁束算出手段６から残留磁束信号７が入力される。また、目標開極位相設定手段２２には、三相遮断器３から開極位相を示す開極位相信号２３が入力される。目標開極位相設定手段２２は、残留磁束信号７が示す残留磁束値と、開極位相信号２３が示す開極位相とから、図４および図５に示すような、開極位相と残留磁束との関係を示すデータを相ごとに生成する。

図４および図５に示すように、目標開極位相で三相遮断器３を開極する制御を行った場合、開極時間ばらつきによって実際に開極される位相にはばらつきが生じる。目標開極位相設定手段２２は、ばらつきの範囲内で開極した場合の残留磁束の最小値と最大値との差である残留磁束誤差を相ごとに算出する。目標開極位相設定手段２２は、残留磁束誤差が予め定めた閾値を超えている場合には、開極位相をずらす補正を行って、残留磁束誤差を再度算出する。そして、残留磁束誤差が閾値の範囲内になった場合には、その開極位相を目標開極位相とする。図４に示した目標開極位相で三相遮断器を開極する場合に比べて、図５に示した目標開極位相で三相遮断器を開局する場合のほうが、残留磁束誤差が小さくなっている。目標開極位相設定手段２２は、目標開極位相を示す目標開極位相信号２４を制御手段１５に向けて出力する。制御手段１５は、開極指令１９ａが入力されると、目標開極位相で開極させるように開極制御信号２０ａを三相遮断器３に向けて出力する。

残留磁束誤差が大きいということは、開極時間ばらつきの範囲内で開極位相がずれた場合に、残留磁束算出手段６によって算出された残留磁束と実際の残留磁束との差が大きくなりやすいことを意味する。すなわち、残留磁束算出手段６によって算出された残留磁束に基づいて決定された目標閉極位相で三相遮断器３を閉極させた場合に、投入磁束誤差が大きくなって励磁突入電流が発生する可能性が高くなる。

本実施の形態２では、目標開極位相設定手段２２によって残留磁束誤差を閾値の範囲内に収めることが可能となるので、開極時間ばらつきを原因とする励磁突入電流の発生を抑制することができる。

なお、開極位相と残留磁束との関係を示すデータを生成するには、複数の異なる開極位相での残留磁束を取得する必要がある。例えば、予め開極位相を異ならせて残留磁束を取得して開極位相と残留磁束との関係を示すデータを生成させるように構成してもよい。また、残留磁束誤差が予め設定されていた閾値を超えた場合に、開極位相をずらしていく制御を行うことで、開極位相と残留磁束との関係を示すデータを蓄積するように構成してもよい。

また、上記実施の形態１，２では、三相電源２の各相を同時に投入する三相一括型の三相遮断器を例に挙げて説明しているが、相ごとに投入の順番を変える各相操作型の遮断器であってもよい。各相操作型の遮断器の場合には、残留磁束が他の相よりも大きい相に最初に三相電源２が投入される。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 三相変圧器、２ 三相電源、３ 三相遮断器、３ａ，３ｂ，３ｃ 接触子、４ 投入位相信号、５ 主回路電流信号、６ 残留磁束算出手段、７ 残留磁束信号、８ 投入磁束誤差算出手段、１２ 投入磁束誤差信号、１３ 目標閉極位相算出手段、１４ 目標閉極位相信号、１５ 制御手段、１７ 電圧測定器、１８ 電源電圧信号、１９ａ 開極指令、１９ｂ 閉極指令、２０ａ 開極制御信号、２０ｂ 閉極制御信号、２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ 計器用変流器、２２ 目標開極位相設定手段、２３ 開極位相信号、２４ 目標開極位相信号、４０ 励磁突入電流抑制装置、５０，５１ 電力開閉装置。

Claims (7)

1. 三相変圧器への三相電源の投入後に発生する励磁突入電流に基づいて、前記三相電源の開極時の前記三相変圧器の鉄心に残留する磁束である残留磁束を算出する残留磁束算出手段と、
   前記三相電源の位相の変化によって生じる定常磁束と前記残留磁束との差分である投入磁束誤差を算出する誤差算出手段と、
   前記投入磁束誤差に基づいて前記三相変圧器に前記三相電源を投入する位相である目標閉極位相を決定する目標閉極位相算出手段と、
   前記目標閉極位相で前記三相変圧器に前記三相電源を投入させる制御手段と、を備えることを特徴とする励磁突入電流抑制装置。
2. 前記残留磁束算出手段は、前記励磁突入電流が発生した発生時間と前記三相電源が投入された投入時間に基づいて前記残留磁束を算出することを特徴とする請求項１に記載の励磁突入電流抑制装置。
3. 前記残留磁束算出手段は、前記残留磁束をΔφとし、前記三相変圧器の鉄心の飽和磁束閾値をφ_０とし、前記投入時間をｔ_０とし、前記発生時間をｔ_１とした場合に、
   Δφ＝φ_０ − ｓｉｎ（ωｔ_１）＋ｓｉｎ（ωｔ_０）
   の関係から前記残留磁束を算出することを特徴とする請求項２に記載の励磁突入電流抑制装置。
4. 前記残留磁束算出手段は、前記励磁突入電流の継続時間に基づいて前記残留磁束を算出することを特徴とする請求項１に記載の励磁突入電流抑制装置。
5. 前記三相電源の開極時の位相である開極位相と前記残留磁束との関係に基づいて前記残留磁束と開極時間ばらつきによって実際の開極時に生じうる残留磁束との差である残留磁束誤差を算出し、前記残留磁束誤差に基づいて目標開極位相を設定する目標閉極位相設定手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の励磁突入電流抑制装置。
6. 前記目標閉極位相算出手段は、初期投入時は残留磁束が０であるとして目標閉極位相を決定することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の励磁突入電流抑制装置。
7. 三相電源が投入される三相変圧器と、
   前記三相変圧器への前記三相電源の投入および遮断を行う三相遮断器と、
   前記三相変圧器への電流を計測する電流計測器と、
   請求項１から請求項６のいずれか１つに記載の励磁突入電流抑制装置と、を備えることを特徴とする電力開閉装置。

Images