JP3300587B2 - 超高圧系統用変電装置 - Google Patents
超高圧系統用変電装置Info
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Description
用変電装置に係り、特に、変圧器とケーブルを備えた超
高圧系統用変電装置に関する。
は、図6に示したように、送電線14に接続されるブッ
シング15などの接続手段,複数個の遮断器10や断路
器などの遮断手段,複数個の避雷器11,それらを接続
するガス絶縁した管路気中線路手段から構成されている
線路用遮断装置と、複数個の遮断器10,非線形抵抗体
などから成る複数個の避雷器11,複数個の電圧変換用
の変圧器13,電圧・電流測定用の変圧器13や変流器
から構成されている変電装置と、該線路用遮断装置と変
電装置の間を電気的に接続する電力用の複数本のケーブ
ル12とを備え、回路の切り替えや故障区間の遮断・分
離を行い、電力を送電するための装置である。そして、
公称電圧154kV,275kV,500kV,100
0kVなどの超高圧系統で用いられている。
より送電線14aにサージ電圧21が発生すると、サージ
電圧21がサージ侵入経路22を経て、超高圧系統用変
電装置の内部に侵入する。そして、サージ電圧21の侵
入によって、電力系統に過電圧が発生し、変電装置など
において絶縁破壊故障が起こる場合があり、そこで、避
雷器11が、このサージ電圧の振幅の上限を抑制するこ
とで、超高圧系統用変電装置を保護している。
入するサージ電圧は、落雷条件やサージが伝搬する経路
である送電線、超高圧系統用変電装置の回路定数によっ
て複雑に変化し、様々な周波数成分を含んだ電気波形を
有している。そして、避雷器でサージ電圧の振幅の上限
を制限したとしても、依然として電気波形には多くの周
波数成分が含まれたままである。
変圧器は、図9に示したように、その巻線の自己インダ
クタンス及び相互インダクタンスの他に、巻線間に漂遊
キャパシタンスが存在する。そのため、これらのインダ
クタンスとキャパシタンスによって、変圧器の巻線には
複数の共振周波数が存在している。変圧器内部にサージ
電圧が侵入したとき、図8に示したように、変圧器の巻
線の共振周波数とサージ電圧の比較的振幅の大きい周波
数成分が一致もしくは比較的近い場合、変圧器内部で共
振性過電圧が発生し、内部で絶縁破壊故障が発生する原
因となる。このような問題の対策として、特開平1−6
5812号公報に開示されているように、フィルタ回路
を設けて特定周波数成分を除去する方法がある。
技術の超高圧系統用変電装置では、新たな設備としてフ
ィルタ回路を設ける必要があると共に、電圧が高くなる
とフィルタ回路も大きくなり、広い設置場所を確保する
必要もある。したがって、本発明の目的は、新たな設備
を設けることなく、絶縁破壊などが防止できる超高圧系
統用変電装置を提供することにある。
続手段を介して接続されている線路用遮断装置と、遮断
器と変圧器とを含む変電装置と、前記線路用遮断装置と
前記変電装置の間を電気的に接続するケーブルとを備え
た超高圧系統用変電装置において、前記ケーブルが、前
記変圧器内部に過電圧を発生させる共振周波数を有する
電気波形が前記送電線から前記ケーブルを介して前記変
圧器へ伝搬するのを抑制するよう、当該ケーブルの波形
伝搬特性から定められた所定長さを有することにより達
成される。
との間に接続されたケーブルと、前記遮断器の後段に接
続された変圧器とを備えた超高圧系統用変電装置におい
て、前記変圧器は、前記ケーブルの長さと前記ケーブル
の波形伝搬特性とから求められる周波数帯域に当該変圧
器内部に過電圧を発生させる共振周波数を有することに
ある。
加設置することなく、サージ電圧による共振性過電圧の
発生が防止され、絶縁破壊などの無い超高圧系統用変電
装置が提供される。
て、図面を参照し説明する。図1は、本発明による一実
施例の超高圧系統用変電装置の回路構成を示す図であ
る。ガス絶縁開閉装置の概略構成が示されている。図2
は、図1の超高圧系統用変電装置の配置構成を示す図で
ある。図において、超高圧系統用変電装置は、負荷およ
び故障電流を遮断するための遮断器10a,10b,10c,10
d,10e,10f、超高圧系統用変電装置内で発生する過電
圧を抑制するための避雷器11a,11b,11c,11d,11e,11
f、超高圧系統用変電装置内を接続するケーブル12a,12
b、系統電圧を変換するための変圧器13a,13b等によっ
て構成される。また、図示していないが、そのほかに断
路器や接地装置も用いられて構成される。
a,11b、接続手段としてのブッシング15により構成し
た線路用遮断装置と、 遮断器10b,10d,10e,10f、 避
雷器11c,11d,11e,11f、変圧器13a,13bなどをガス絶
縁管路で接続し構成した変電装置との間を、電力用のケ
ーブル12a,12bによって電気的に接続している。変圧器
13a,13bは、発電所の場合では発電機へ、変電所の場合
は上位あるいは下位の電気系統へ、あるいは発電所、変
電所、開閉所の所内電源へと接続される。
線14a,14bに接続されており、送電線への落雷20が原
因で発生するサージ電圧21は、これらの送電線から超
高圧系統用変電装置内部に侵入する。サージ電圧21
は、サージ侵入経路22を経て超高圧系統用変電装置内
の各部に到達し、装置内部において過電圧を発生し、絶
縁破壊故障の原因となる場合がある。
置内に分散して設置されている避雷器11a,11b,11c,1
1d,11e,11fによって抑制されるが、振幅が小さいが高
周波の振動成分を含むサージ電圧が、超高圧系統用変電
装置を伝搬することになる。図9は、変圧器内部の等価
回路について説明する図である。変圧器を構成する巻線
の等価回路は図9のようになっており、巻線の自己イン
ダクタンス30、巻線内部の相互インダクタンス31、
および巻線間の相互インダクタンス32の他に、巻線内
部の漂遊キャパシタンス33、巻線間の漂遊キャパシタ
ンス34が存在する。そのため、これらのインダクタン
スとキャパシタンスによって変圧器内部の巻線には、複
数の固有の共振周波数が存在している。
いて説明する図である。変圧器は、入力電圧の振幅に対
する変圧器内部に発生する電圧の比率を応答倍率と定義
したとき、例えば、図8(a)に示したような特性を有
する。このような特性を持つ変圧器の内部に、図8
(b)に示したような周波数成分を持つサージ電圧が侵
入したとき、サージ電圧に含まれる電気波形の周波数成
分が、変圧器13a,13b内部の共振周波数と一致もしくは
比較的近い場合、変圧器内部で共振性過電圧が発生し、
変圧器内部の絶縁破壊故障を起こす原因になることがあ
る。図8の図示例の場合であれば、図8(a)の周波数
f13と図8(b)の周波数f23とが共振する。
特徴は、ケーブル12a,12bの特性を考慮して、特定周波
数を含むサージ電圧の変圧器内部への侵入を防止する長
さを有するケーブル12a,12bを、線路用遮断装置と変電
装置との間に配置する点にある。すなわち、ケーブルの
波形伝搬特性から定められる所定長さを有するケーブル
を少なくとも変圧器の前段に配置するものである。
る。図1に示した変圧器13a,13bの内部において共振し
て過電圧が発生する変圧器固有の共振周波数をf1(k
Hz),f2(kHz)とする。またケーブル12a,12bの
長さを、L1(m),L2(m)とする。更に、ケーブルの
伝搬速度をV1(m/μs)、V2(m/μs)とする。伝
搬速度とは、サージ電圧に含まれる特定周波数の電気波
形がケーブルを伝搬する速さであり、ケーブル固有の波
形伝搬特性である。したがって、上記の場合の特定周波
数は、共振周波数のf1、f2となる。
有する電気波形がケーブル中を伝搬するときの、各波長
λ1,λ2(m)は、次式で表わされる。 λ1=V1/f1 (数1) λ2=V2/f2 (数2) 一般式で表わせば、 λ=V/f (数3) 上記の(数3)式となる。以下、サージ電圧に含まれる電
気波形を単にサージと略称する。
を有するサージにより過電圧が発生する虞れがあるの
で、これらの変圧器への侵入を防止すればよいと言え
る。ケーブル内をサージが伝搬するとき、一般的に、ケ
ーブルの入口と出口に接続される回路(ガス絶縁開閉装
置等)のサージインピーダンスがケーブルのサージイン
ピーダンスと異なるために、ケーブル内部でサージが往
復反射し定在波が発生する。
波について説明する図である。図7に、定在波の波形状
態を示している。仮りに、波長λなるサージがケーブル
を伝搬する場合を考えれば、 λ/4、3λ/4、5λ
/4…(2n−1)λ/4(ただし、nは正の整数)の位
置(定在波の節の位置)でサージの振幅が小さくなり、λ
/2、λ、3λ/2…nλ/2(ただし、nは正の整
数)の位置(定在波の腹の位置)で、サージの振幅が大き
くなる。
抑制するために、ケーブルの長さを次式(数4)〜(数
7)から求められる長さに設定すれば、ケーブルの出口
部分(変電装置側、すなわち、変圧器側の入口部分)は、
定在波の節の位置となるのでサージの振幅を小さく抑え
ることができ、共振を発生させる周波数を有する電気波
形の変圧器への侵入を防ぐことができる。 L1 =(2n11−1)λ1/4 (数4) L1’=(2n12−1)λ2/4 (数5) L2 =(2n21−1)λ1/4 (数6) L2’=(2n22−1)λ2/4 (数7) ただし、n11,n12,n21,n22は、正の整数である。
に複数の変圧器が設置されており、しかもその特性が構
造の違いなどにより異なっていることが多い。そのため
上記の数式において、L1=L1’、L2=L2’を満
たす正の整数n11,n12,n22n22が存在しないこともあ
り得る。このような場合には、次のように考えて対応す
る。 即ち、定在波の節の位置になるケーブル長か
ら、±λ/8ずれたケーブル長でも定在波の振幅が腹の
位置に対して1/√2(≒0.71倍)まで減衰する。こ
の減衰率は、その周波数成分の電気波形のゲインが−3
dBとなり、一般的に遮断周波数と言われるレベルであ
り、サージの振幅を十分に抑制できるものである。
≦+λ/8を満たしていればよいと言える。上記の関係
と(数4)式〜(数7)式から、サージを抑制できるケーブ
ル長の範囲は、次式となる。
(2n11−1)λ1/4−λ1/8≦L1 ≦(2n11−1)λ1/4+λ1/8 (数8) (2n12−1)λ2/4−λ2/8≦L1’≦(2n12−1)λ2/4+λ2/8 (数9) (2n21−1)λ1/4−λ1/8≦L2 ≦(2n21−1)λ1/4+λ1/8 (数10) (2n22−1)λ2/4−λ2/8≦L2’≦(2n22−1)λ2/4+λ2/8 (数11) 一般式で表わせば、
(2n−1)λ/4−λ/8≦L≦(2n−1)λ/4+λ/8 (数12) 上記の(数12)式となる。
性過電圧を発生させる共振周波数をそれぞれf1=20
0(kHz)、f2=300(kHz)とし、ケーブル12
a,12bに同じ種類の線材を使用する。そして、共振周波
数と同じ特定周波数に対するサージの伝搬速度をV=1
20(m/μs)とする。
述の式よりλ1=600(m),λ2=400(m)にな
る。よって、例えばn11=2,n12=3,n21=4,n
22=6のとき、(数8)式〜(数11)式より、 L1=
375〜525(m),L1’=450〜550(m),L2
=975〜1125(m),L2’=1050〜1150
(m)の範囲でサージの振幅が小さくなる。そして、これ
らの重複している範囲から、ケーブル12aを450〜5
25(m)、ケーブル12bを1050〜1125(m)の長
さにすれば良いことになる。
系統用変電装置の回路構成を示す図である。図4は、図
3の超高圧系統用変電装置の配置構成を示す図である。
本実施例では、送電線14a,14b側から変圧器13a,13bを
見たとき、ケーブル12aは、変圧器13aだけに、ケーブル
12bは、変圧器13bだけに接続されている。この場合送電
線から超高圧系統用変電装置に侵入するサージに対し
て、変圧器13aの内部過電圧の周波数特性f1は、ケー
ブル12aの特性と長さだけを、また、変圧器13bの内部過
電圧の周波数特性f2は、ケーブル12bの特性と長さだ
けを考慮すれば良いことになる。
1,L2(m)、ケーブル12a,12bの波形伝搬特性である
サージの伝搬速度が、V1,V2(m/μs)である場
合、(数1)式〜(数7)式より、ケーブル12a,12bのそれ
ぞれを伝搬するサージの振幅が最小になる周波数帯域g
1(kHz),g2(kHz)は、次式で表わされる。 g1=(2n1−1)V1/(4L1) (数13) g2=(2n2−1)V2/(4L2) (数14) ただし、n1,n2は、正の整数である。
のときのサージの波長λに対して、±λ/8の範囲でも
サージの抑制効果があることを考慮すると、 ケーブル1
2a,12bのそれぞれを伝搬するサージの振幅を小さくで
きる周波数帯域g1(kHz)g2(kHz)は、次式で表
わされる。 (2n1−1)V1/(4L1)−V1/(8L1)≦g1 g1≦(2n1−1)V1/(4L1)+V1/(8L1) (数15) (2n2−1)V2/(4L2)−V2/(8L2)≦g2 g2≦(2n2−1)V2/(4L2)+V2/(8L2) (数16) 一般式で表わせば、 (2n−1)V/(4L)−V/(8L)≦g≦(2n−1)V/(4L)+V/(8L) (数17) 上記の(数17)式となる。
=500(m),L2=300(m)、サージの伝搬速度
を、V1=V2=150(m/μs)と設定し、g1=3
7.5〜112.5(kHz)、 187.5〜262.
5(kHz)、 337.5〜412.5(kHz)……
の範囲に、 g2=62.5〜187.5(kHz)、3
12.5〜437.5(kHz)、562.5〜68
7.5(kHz)……の範囲の周波数帯域に、共振周波数
fが存在する変圧器を選定する。この時、選定した共振
周波数fにおける波形伝搬特性である伝搬速度Vをチェ
ックする。
の波形伝搬特性である伝搬速度に対応して、図8(a)に
示した変圧器の応答倍率のピークとなる共振周波数f1
1,f12,f13……が、上記g1,g2の周波数帯
域の範囲内に存在する変圧器を選定し、超高圧系統用変
電装置を構成すれば、変圧器内部に過電圧が発生するこ
とを防止できる。
路構成を示す図である。図6は、従来の超高圧系統用変
電装置の配置構成を示す図である。従来の構成は、図1
および図2に示した超高圧系統用変電装置と同様の構成
部品が用いられているが、ケーブル12a,12bについては
変圧器13a,13bの特性に対して考慮されていない。その
ため、変圧器13a,13bの内部共振周波数特性に対して厳
しい周波数成分を含むサージ電圧が到来する可能性があ
り、このような場合には、変圧器13a,13bにおいて内部
絶縁破壊故障が発生し、変電装置の機能が停止すること
が考えられる。
変電装置における変圧器に対して厳しい周波数成分を含
んだサージ電圧が到達することを防ぎ、変圧器のサージ
による故障を未然に防止できる超高圧系統用変電装置を
構成することができる。
おける変圧器に対して、厳しい周波数成分を含んだサー
ジ電圧が到達することを防ぎ、変圧器のサージによる故
障を未然に防止できる超高圧系統用変電装置を提供する
ことができる。 すなわち、超高圧系統用変電装置を
構成する要素のうち、ケーブルの波形伝搬特性と変圧器
の内部過電圧発生の周波数特性とを考慮して、変電装置
を構成することにより、変圧器のサージ保護対策を可能
にするので、特別なフィルタなどの設備が不要であり、
サージ保護対策の追加費用や設備が最小限に抑えられ
る。
故障する要因を取り除くことができるので、超高圧系統
用変電装置の信頼性(耐サージ性)が向上し、稼働率をさ
らに上げることが可能となり、電力供給の安定化が図ら
れる効果がある。
の回路構成を示す図である。
図である。
置の回路構成を示す図である。
図である。
図である。
図である。
明する図である。
図である。
る。
11a,11b,11c,11d,11e,11f…避雷器、12,12a,1
2b…ケーブル、13,13a,13b…変圧器、14,14a,1
4b…送電線、15…ブッシング、20…落雷、21…サ
ージ電圧、22…サージ侵入経路、30…巻線の自己イ
ンダクタンス、31…巻線内部の相互インダクタンス、
32…巻線間の相互インダクタンス、33…巻線内部の
漂遊キャパシタンス、34…巻線間の漂遊キャパシタン
ス
Claims (3)
- 【請求項1】送電線に接続手段を介して接続されている
線路用遮断装置と、遮断器と変圧器とを含む変電装置
と、前記線路用遮断装置と前記変電装置の間を電気的に
接続するケーブルとを備えた超高圧系統用変電装置にお
いて、 前記ケーブルが、前記変圧器内部に過電圧を発生させる
共振周波数を有する電気波形が前記送電線から前記ケー
ブルを介して前記変圧器へ伝搬するのを抑制するよう、
当該ケーブルの波形伝搬特性から定められた所定長さを
有することを特徴とする超高圧系統用変電装置。 - 【請求項2】請求項1において、前記ケーブルの所定長
さL(m)は、次式(数12)及び(数3)で求められる長さで
あることを特徴とする超高圧系統用変電装置。 (2n−1)λ/4−λ/8≦L≦(2n−1)λ/4+λ/8 (数12) λ=V/f (数3) ただし、λは、ケーブルを伝搬する電気波形の波長(m) nは、正の整数 fは、変圧器の共振周波数(kHz) Vは、共振周波数におけるケーブルの波形伝搬特性(m/μs)。 - 【請求項3】 遮断器と遮断器との間に接続されたケーブ
ルと、前記遮断器の後段に接続された変圧器とを備えた
超高圧系統用変電装置において、 前記変圧器は、前記ケーブルの長さと前記ケーブルの波
形伝搬特性とから次式(数17)で求められる周波数帯
域g(kHz)の範囲内に当該変圧器内部に過電圧を発
生させる共振周波数を有することを特徴とする超高圧系
統用変電装置。 (2n−1)V/(4L)−V/(8L)≦g≦(2n−1)V/(4L)+V/(8L) (数17) ただし、Lは、ケーブルの長さ(m) Vは、共振周波数におけるケーブルの波形伝搬特性(m/μs) nは、正の整数。
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