JP4452653B2

JP4452653B2 - 電磁誘導機器への投入位相検出装置

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Publication number: JP4452653B2
Application number: JP2005166660A
Authority: JP
Inventors: 健次亀井; 弘基伊藤; 治彦香山; 定之木下
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-06-07
Filing date: 2005-06-07
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2025-06-07
Also published as: JP2006344396A

Description

本発明は、電力系統に接続された変圧器や分路リアクトル等の電磁誘導機器にとって過酷となる、開閉装置の開閉に伴う過渡的な励磁突入電流の発生を最小限に抑制する位相制御開閉装置において必要となる、遮断器の投入位相を検出する電磁誘導機器への投入位相検出装置に関するものである。

従来、電磁誘導機器である、例えば、変圧器の鉄心に残留磁束がある場合に、当該変圧器各相の残留磁束を予測すると共に、各相の残留磁束に応じた最適な投入タイミングで遮断器を動作させることにより、過渡的な開閉サージ現象を抑制するようにした位相制御開閉装置があった（例えば、特許文献１参照）。

位相制御開閉装置は、遮断器の動作特性と系統電圧または主回路電流を基に、開閉サージが最小となる位相（または時刻）を予測し遮断器に開閉指令を与える。なお、位相は、当該時刻における電源電圧の位相角を表し、時刻と同様時間軸を表現するもので、便宜上、本願では、時刻と位相とを同義語として適宜併用するものとする。
遮断器の開閉極時間は、遮断器操作時の周囲温度、操作圧力、制御電圧などの環境条件や過去の動作履歴にも依存して変化することが知られており、それらの変動または履歴による開閉極時間の変化を補正する制御方式が一般的に採用されている。

遮断器の開閉極時間の動作履歴依存性は、主に機構摺動部の磨耗摩擦等に起因する動作回数依存性と、操作媒体あるいは潤滑部材などの状態の経時的変化に起因する休止時間(例えば、前回遮断時から次回投入時までの時間差)依存性の２つに大別できる。
動作回数依存性は、過去の動作時間の変動状況を次回動作の予測に使用する適合制御により効果的な補償が可能である。また、休止時間依存性についても油圧操作形やばね操作形遮断器で詳細に検討されており既に実用に供されてその有効性が確認されている（例えば、非特許文献１参照）。

特開２００１−２１８３５４号公報、段落番号０００４，０００７，０００８、図１，図４等） H.Ito, et al: "Factory and Field Testing of Controlled Switching Systems and Their Service Experience", CIGRE A3-114(2004)

ところで、このような制御方式を採用する位相制御開閉装置においては、開閉極時間の予測値と実測値(実際に開閉した時の開閉極時間)との差異を求めることが必要となるため、実際に開閉した時の開閉極時間を精度よく測定することが重要である。なお、特に閉極動作においては、両電極が機械的に接触する閉極位相ではなく、その手前で両電極間に電気的導通が開始された位相（投入位相）が実測の対象となる。
この場合、コンデンサバンクなどの容量性回路を投入すると、投入瞬間に突入電流が流れ始めるため、投入位相は、電流波形を計測し、例えば、この計測値が予め設定した閾値以上となった位相をもって投入位相とすることが可能である。

しかしながら、本発明で対象とする変圧器等の鉄心入り電磁誘導機器を無負荷の状態で投入する位相制御開閉装置において、遮断器を投入した場合、鉄心が磁気飽和しない限りは極めて小さい無負荷励磁電流しか流れないため、その電流波形から投入位相を検出することは難しく、例えば、高感度の計測器を準備する必要があるなどの欠点があった。即ち、電流計測器としては、常時の負荷電流や異常時の短絡大電流も流れるため、これらの電流に耐えることが課せられており、この条件と上述した極めて微少の無負荷励磁電流を精度よく検出するという条件とを共に具備するには、特別な構造の高価な計測器を備える必要がある。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、電流計測値に基づくことなく、安価簡便に無負荷変圧器等への遮断器投入位相を検出することができる電磁誘導機器への投入位相検出装置を得ることを目的とする。

この発明に係る電磁誘導機器への投入位相検出装置は、負荷側に中性点直接接地式星形結線からなる巻線を有する三相電磁誘導機器の該巻線が接続され電源側に三相交流電源が接続された遮断器を投入したときの投入位相を検出するものであって、
遮断器負荷側の各相電圧を計測する負荷側電圧計測部、および負荷側電圧計測部からの各相負荷側電圧計測値に基づき遮断器の投入位相として第１番目投入時刻および第１番目投入相を検出する投入位相検出手段を備えたものである。

以上のように、この発明に係る投入位相検出手段は、負荷側電圧計測部からの各相負荷側電圧計測値に基づき遮断器の投入位相として第１番目投入時刻および第１番目投入相を検出するので、異常時の短絡大電流にも耐え、かつ、微少な無負荷励磁電流の高精度計測を行う高価な電流計測器を必要とせず、簡便安価に遮断器の投入位相を検出することができる。

実施の形態１．
図１は、本願に係る電磁誘導機器への投入位相検出装置を備えた位相制御開閉装置の全体構成を示すブロック図である。その全体構成自体は、本願の主題ではないので、以下その構成の概略を説明する。
図１において、先ず主回路として、遮断器１０は、図左方の負荷側に位置する電磁誘導機器としての変圧器２０と、図右方の電源側の三相交流電源とに接続されている。そして、変圧器２０は、三相の中性点直接接地式星形結線からなる巻線を有し当該巻線が遮断器１０の負荷側端子に接続されている。
また、遮断器１０は、その消弧室１１Ｒ，１１Ｓ，１１Ｔ内の各接触子が独立して開閉動作することが出来るよう、各相独立の操作装置１２Ｒ，１２Ｓ，１２Ｔを備えている。

そして、遮断器１０の電源側には、各相の電源側電圧を計測する電圧計測部１３Ｒ，１３Ｓ，１３Ｔが、また、遮断器１０の負荷側には、各相の負荷側電圧を計測する電圧計測部１４Ｒ，１４Ｓ，１４Ｔが設けられている。
位相制御開閉演算処理部３０は、コンピュータ等により構成され開閉極位相制御を行うもので、電圧計測部１３Ｒ，１３Ｓ，１３Ｔからの出力に基づき動作する電源側電圧計測及び基準位相検出部３１と、電圧計測部１４Ｒ，１４Ｓ，１４Ｔからの出力に基づき動作する変圧器側電圧計測及び残留磁束検出部３２と、各検出部３１、３２および開閉極信号４０、並びに操作装置の周囲温度、操作圧力、操作電圧の計測データ４１からの出力に基づき動作する演算・動作制御部３３とから構成されている。そして、演算・動作制御部３３は、機能として、遮断位相検出手段３４および投入位相予測及び検出手段３５を備えている。

本願発明の要旨である、投入位相検出に係る機能は、上記投入位相予測及び検出手段３５で行われるもので、図２は、図１から、この発明の実施の形態１における電磁誘導機器への投入位相検出装置の部分を抽出して示す機能ブロック図である。
図２において、投入位相予測及び検出手段３５内の投入位相検出装置は、電源側電圧計測及び基準位相検出部３１で検出された基準位相のデータと、変圧器側電圧計及び残留磁束検出部３２で検出された変圧器端子電圧のデータと、開閉極信号４０からの閉極信号とを入力して動作し、第１番目投入時刻検出手段３６と第１番目投入相判別手段３７と第２番目投入時刻検出手段３８とを備えている。

図３は、この発明における無負荷変圧器回路の投入位相を検出する動作原理を説明するため各相の電圧、電流を示した図である。図３において、上から順に、同図（ａ）は各相の電源側電圧、同図（ｂ）は、各相の遮断器負荷側電圧である変圧器端子電圧、同図（ｃ）は、各相の変圧器端子電圧波形を微分処理した電圧勾配、同図（ｄ）は、各相の変圧器電流を示す。
なお、本願発明は電流計測値を用いることなく投入位相を検出するものであるが、同図（ｄ）の変圧器電流は、検出動作の原理および効果を説明するため図示するものである。また、図３の時間（位相）軸は、図２の電源側電圧計測及び基準位相検出部３１、特に、その基準位相検出出力によって特定されるものである。更に、以下で説明する、一連の検出動作は、図２の開閉極信号４０、特に、その閉極信号をトリガに動作を開始するものである。

図３の例においては、時刻Ｔ１においてＲ相の遮断器が投入され、時刻Ｔ２においてＳ相とＴ相が投入されている。この図において、時刻Ｔ１おいてＲ相が投入されても変圧器電流（ｄ）はほとんど流れていないが、Ｒ相の変圧器端子電圧（ｂ）が電源電圧に一致する値にまで上昇していることがわかる。また、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２間のＳ相とＴ相の変圧器端子電圧（ｂ）は、Ｒ相電圧とは逆極性で約５０％の振幅になっていることがわかる。また、時刻Ｔ２において、Ｓ相とＴ相の変圧器端子電圧（ｂ）が電源電圧に一致する値まで上昇していることがわかる。

更に、時刻Ｔ１における変圧器端子電圧の勾配（ｃ）は、時刻Ｔ２以降(例えば、波形上の時刻３０ｍｓ以上の領域)の勾配に比べてかなり大きいこと、Ｒ相の勾配がプラス極性でＳ相とＴ相の勾配がマイナス極性になっていることがわかる。また、時刻Ｔ２における変圧器端子電圧の勾配（ｃ）は、時刻Ｔ２以降(例えば、波形上の時刻３０ｍｓ以上の領域)の勾配に比べてかなり大きいこと、Ｓ相の勾配がプラス極性でＴ相の勾配がマイナス極性になっていることがわかる。

以上の図２、図３を参照して、この発明の実施の形態１における電磁誘導機器への投入位相検出装置の動作を説明する。
投入位相検出装置は、実際に閉極される時刻より所定時間手前で発令される閉極信号をトリガにして動作を開始する。先ず、第１番目投入時刻検出手段３６は、３相の変圧器端子電圧中のいずれかの相の電圧の振幅が、予め設定した閾値Ｖ１以上となった時刻を検出し、当該時刻を第１番目投入時刻と判定する。この閾値Ｖ１としては、例えば、変圧器２０の定格対地電圧の１０％程度に設定する。また、第１番目投入相判別手段３７は、第１番目投入時刻検出手段３６で検出した第１番目投入時刻における各相変圧器端子電圧の極性を比較し他の２相の極性と異なる極性を有する１相を第１番目投入相と判定する。

図３では、時刻Ｔ１において閾値Ｖ１以上となり、その時のＲ相変圧器端子電圧の極性がプラス、Ｓ相、Ｔ相の極性がマイナス極性となっていることから、時刻Ｔ１を第１番目投入時刻、Ｒ相を第1番目投入相と判定できることがわかる。

ここで、第１番目投入時刻を判定する電圧閾値Ｖ１の設定について説明する。
即ち、電圧閾値Ｖ１は小さいほど、投入時刻検出誤差を小さくすることが可能であるが、閾値を小さく設定しすぎると、誘導電圧等による誤検出の可能性が高まる。
通常、遮断器が開放状態であっても遮断器開放時の極間の静電容量を介した微小電流が変圧器回路に流れるため、変圧器端子には僅かながら電圧が発生している。普通、遮断器極間の静電容量は数１０ｐＦ程度と小さいため、変圧器端子電圧も極めて小さい（例えば、定格電圧２７５ｋＶクラス変圧器の場合、１００Ｖピーク程度：定格対地電圧の０．０５％程度）。

しかしながら、遮断器の種類によっては、遮断性能向上のために極間に数１００ｐＦから数１０００ｐＦのコンデンサを装備する場合があり、この場合には、変圧器定格電圧の数％程度の電圧が発生する（例えば、定格電圧２７５ｋＶクラス変圧器で遮断器極間コンデンサが２０００ｐＦの場合は、３ｋＶピーク程度：定格対地電圧の１．３％程度）。この電圧は遮断器投入前に常時発生していることから、閾値Ｖ１は少なくともこの電圧レベル以上に設定しておく必要がある。

従って、この実施の形態１で、閾値Ｖ１として例示した１０％という値は、上記した電圧を考慮して、誤検出無く確実に検出できる値と言えるものである。なお、確率的には極めて小さいが、電圧零点で投入された場合、１０％の閾値に達するまで０．２７ｍｓ（６０Ｈｚベースの正弦波波形の場合）の時間を要することになって、その時間が投入時刻検出誤差となりうるが、この程度の時間であれば実質的な問題はないと考えられる。

次に、第２番目投入時刻検出手段３８は、第１番目投入時刻Ｔ１以降に、第１番目投入相Ｒと異なる残り２相、従って、Ｓ相、Ｔ相の変圧器端子電圧のいずれかの振幅が、予め設定した閾値Ｖ２以上となった時刻を検出し、当該時刻をＳ相、Ｔ相による第２番目投入時刻と判定する。この閾値Ｖ２としては、例えば、変圧器２０の定格対地電圧の６０％程度に設定する。
図３では、時刻Ｔ２において閾値Ｖ２以上となり、時刻Ｔ２をＳ相、Ｔ相による第２番目投入時刻と判定できることがわかる。

ここで、第２番目投入時刻を判定する電圧閾値Ｖ２の設定について説明する。
第１番目の相が投入されてから第２番目の相が投入されるまでの第２番目投入相の電圧は、理論上第１番目投入相の電圧の５０％しか発生しない（図３（ｂ）の時刻Ｔ１−Ｔ２間における第１番目投入相（Ｒ相）と第２番目投入相（Ｓ相、Ｔ相）の電圧参照）。
従って、この電圧以上に閾値Ｖ２を設定すればよいが、上記閾値Ｖ１の場合と同様、遮断器極間コンデンサを介した電圧が重畳することを考慮して、第１番目投入時刻の検出時の閾値Ｖ１＝１０％を加えた６０％を第２番目投入時刻検出時の閾値ｖ２に設定する。これによって誤検出無く確実に検出可能であると考えられる。

なお、既述した場合と同様に、電圧零点で投入された場合を想定すれば、６０％の閾値に達するまで１．７ｍｓ（６０Ｈｚベースの正弦波波形の場合）の時間を要することになって投入時刻検出誤差が大きくなりうる。しかしながら、遅延投入制御の原理として、第２番目投入相は、第１番目投入相の電圧零点（この時、第２番目投入相の電圧は±８６％）を狙って投入するよう制御されていることから、電圧零点で投入される確率は極めて小さく問題はないと考えられる。

なお、以上の第１番目投入相判別手段３７の動作説明では、第１番目投入時刻検出手段３６で検出した第１番目投入時刻における各相変圧器端子電圧の極性を比較し他の２相の極性と異なる極性を有する１相を第１番目投入相、図の例ではＲ相と判定したが、図３（ｃ）から分かるように、変圧器端子電圧の勾配の極性を比較した場合も、Ｒ相がプラス、Ｓ相、Ｔ相がマイナス極性であることが明確に峻別することができる。従って、この第１番目投入相の判別を、各相変圧器端子電圧の勾配の極性比較から行うことも可能である。

以上のように、この発明の実施の形態１における電磁誘導機器への投入位相検出装置においては、精度や強度等、要求される条件から高価となる電流計測器を必要とすることなく、電圧計測値から簡便安価に、第１番目投入時刻、第１番目投入相および第２番目投入時刻を精度よく確実に検出することができる。

実施の形態２．
この実施の形態２は、第１番目投入時刻、第１番目投入相、および第２番目投入時刻の検出をすべて変圧器端子電圧の勾配のデータに基づき行うものである。図２、図３を流用して説明する。
先ず、第１番目投入時刻検出手段３６は、３相の変圧器端子電圧中のいずれかの相の電圧勾配の振幅が、予め設定した閾値Ｖ１以上となった時刻を検出し、当該時刻を第１番目投入時刻と判定する。この閾値Ｖ１としては、電圧零点での投入を考慮して、遮断器の電源側電圧の電圧零点における電圧勾配より大きい値に設定しておけばよい。
なお、後述するように、第２番目投入時刻検出用の閾値Ｖ２も、閾値Ｖ１と同様の条件で設定すればよいので、図３（ｃ）では、投入時刻検出用閾値Ｖ（Ｖ＝Ｖ１＝Ｖ２）と図示している。

また、第１番目投入相判別手段３７は、第１番目投入時刻検出手段３６で検出した第１番目投入時刻における各相変圧器端子電圧の勾配の極性を比較し他の２相の極性と異なる極性を有する１相を第１番目投入相と判定する。

図３では、時刻Ｔ１において閾値Ｖ１＝Ｖ以上となり、その時のＲ相変圧器端子電圧の勾配の極性がプラス、Ｓ相、Ｔ相の極性がマイナス極性となっていることから、時刻Ｔ１を第１番目投入時刻、Ｒ相を第1番目投入相と判定できることがわかる。

次に、第２番目投入時刻検出手段３８は、第１番目投入時刻Ｔ１以降に、第１番目投入相Ｒと異なる残り２相、従って、Ｓ相、Ｔ相の変圧器端子電圧の勾配のいずれかの振幅が、予め設定した閾値Ｖ２以上となった時刻を検出し、当該時刻をＳ相、Ｔ相による第２番目投入時刻と判定する。この閾値Ｖ２としては、図３（ｃ）から理解されるように、閾値Ｖ１の場合と同様、電圧零点での投入を考慮して、遮断器の電源側電圧の電圧零点における電圧勾配より大きい値に設定しておけばよいので、この条件を満足する限り閾値Ｖ１と同一値であってもよい。

図３では、時刻Ｔ２において閾値Ｖ２＝Ｖ以上となり、時刻Ｔ２をＳ相、Ｔ相による第２番目投入時刻と判定できることがわかる。

以上のように、この発明の実施の形態２における電磁誘導機器への投入位相検出装置においては、要求される条件から高価となる電流計測器を必要とすることなく、電圧計測値の勾配から簡便安価に、第１番目投入時刻、第１番目投入相および第２番目投入時刻を精度よく確実に検出することができる。更に、投入時刻検出用の閾値の設定も、第１、第２の投入で区別する必要がないのでより簡便となる。

なお、以上で説明した方式以外にも、例えば、第１番目投入時刻は、変圧器端子電圧の電圧勾配が所定の閾値以上となることで検出し第１投入相は変圧器端子電圧の極性比較で判定し、第２番目投入時刻は変圧器端子電圧の勾配が所定の閾値以上となることで検出する等、遮断器の負荷側電圧やその勾配のデータに基づく判別手段を適宜組み合わせることにより、電流計測器を用いることなく、簡便安価に各投入時刻、投入位相の検出が可能となる。

本発明に係る投入位相検出装置は、変圧器に限らず、分路リアクトルなど電磁誘導機器を遮断器で投入する場合のように、遮断器による投入時点では、極めて小さい無負荷励磁電流しか流れず、電流計測値に基づく検出が困難な場合に広く適用でき、上述したと同等の効果を奏するものである。

この発明の電磁誘導機器への投入位相検出装置を備えた位相制御開閉装置の全体構成を示すブロック図である。図１から本願発明の実施の形態１に係る電磁誘導機器への投入位相検出装置の部分を抽出して示す機能ブロック図である。この発明における無負荷変圧器回路の投入位相を検出する動作原理を説明するため各相の電圧、電流を示した図である。

符号の説明

１０遮断器、２０変圧器、３１電源側電圧計測及び基準位相検出部、
３２変圧器側電圧計及び残留磁束検出部、３５投入位相予測及び検出手段、
３６第１番目投入時刻検出手段、３７第１番目投入相判別手段、
３８第２番目投入時刻検出手段。

Claims

負荷側に中性点直接接地式星形結線からなる巻線を有する三相電磁誘導機器の該巻線が接続され電源側に三相交流電源が接続された遮断器を投入したときの投入位相を検出するものであって、
上記遮断器負荷側の各相電圧を計測する負荷側電圧計測部、および上記負荷側電圧計測部からの各相負荷側電圧計測値に基づき上記遮断器の投入位相として第１番目投入時刻および第１番目投入相を検出する投入位相検出手段を備えたことを特徴とする電磁誘導機器への投入位相検出装置。
上記投入位相検出手段は、上記負荷側電圧計測部からの各相負荷側電圧計測値の振幅が所定の閾値Ｖ１以上となった時刻を検出する第１番目投入時刻検出手段、および上記第１番目投入時刻検出手段で検出した第１番目投入時刻における各相負荷側電圧計測値の極性を比較し他の２相の極性と異なる極性を有する１相を第１番目投入相と判定する第１番目投入相判別手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の電磁誘導機器への投入位相検出装置。
上記投入位相検出手段は、上記負荷側電圧計測部からの各相負荷側電圧計測値の振幅が所定の閾値Ｖ１以上となった時刻を検出する第１番目投入時刻検出手段、および上記第１番目投入時刻検出手段で検出した第１番目投入時刻における各相負荷側電圧計測値の勾配の極性を比較し他の２相の極性と異なる極性を有する１相を第１番目投入相と判定する第１番目投入相判別手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の電磁誘導機器への投入位相検出装置。
上記投入位相検出手段は、上記第１番目投入時刻以降に上記負荷側電圧計測部からの上記第１番目投入相と異なる残り２相の負荷側電圧計測値の振幅が上記閾値Ｖ１より大きい所定の閾値Ｖ２以上となった時刻を検出し該時刻を上記残り２相による第２番目投入時刻と判定する第２番目投入時刻検出手段を備えたことを特徴とする請求項２または３記載の電磁誘導機器への投入位相検出装置。
上記閾値Ｖ２は、上記閾値Ｖ１に上記遮断器の電源側電圧の定格波高値の１／２を加算した値としたことを特徴とする請求項４記載の電磁誘導機器への投入位相検出装置。
上記投入位相検出手段は、上記負荷側電圧計測部からの各相負荷側電圧計測値の勾配の振幅が所定の閾値Ｖ１以上となった時刻を検出する第１番目投入時刻検出手段、および上記第１番目投入時刻検出手段で検出した第１番目投入時刻における各相負荷側電圧計測値の勾配の極性を比較し他の２相の極性と異なる極性を有する１相を第１番目投入相と判定する第１番目投入相判別手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の電磁誘導機器への投入位相検出装置。
上記投入位相検出手段は、上記第１番目投入時刻以降に上記負荷側電圧計測部からの上記第１番目投入相と異なる残り２相の負荷側電圧計測値の勾配の振幅が所定の閾値Ｖ２以上となった時刻を検出し該時刻を上記残り２相による第２番目投入時刻と判定する第２番目投入時刻検出手段を備えたことを特徴とする請求項６記載の電磁誘導機器への投入位相検出装置。
上記閾値Ｖ１、Ｖ２は、ともに、上記遮断器の電源側電圧の電圧零点における電圧勾配より大きい所定の値としたことを特徴とする請求項６または７記載の電磁誘導機器への投入位相検出装置。