JP4671220B2 - 交流電圧調整装置 - Google Patents

Description

本発明は、タップ切換機能を備えた変圧器と直列変圧器を使用した交流電圧調整装置に関する。

交流電圧調整装置は、数十年前に開発された装置であるが、負荷時タップ切換変圧器と直列変圧器からなる電圧調整器方式（例えば、非特許文献１参照）等におけるタップ切換及び直列変圧器の一次巻線の接続極性切換手段に開閉器を使用したもので、電力供給における電圧改善には負荷時タップ切換変圧器二次巻線のタップ切換に、タップチェンジャ−又は単投形交流開閉器を使用し基準電圧に対して昇圧・降圧タップ数を同数設け、電源電圧変動及び、電源供給方向による電圧調整を行っていた。

図３ａは、３タップ切換機能及び、極性切換機能を持った代表的な交流電圧調整装置の具体的回路構成を示す。

負荷時タップ切換変圧器（ＲＴ）は、二次巻線にタップ（Ｖｏ，Ｖａ〜Ｖｃ）を備えた変圧器で、一次側は交流き電入力に並列に接続される。単投形交流開閉器（Ｓａ〜Ｓｃ）は変圧器ＲＴのタップ切換に使用される。直列変圧器（ＳＴ）は、き電線に直列に接続され、単投形交流開閉器で選択されたタップ電圧Ｅｂが直列変圧器ＳＴの一次側に印加され、その二次側に電圧Ｅｓが発生することにより、入力電圧に電圧Ｅｓが重畳され出力電圧Ｅ′＝Ｅ＋Ｅｓとなり、き電電圧の調整がされる。
このとき、極性切換開閉器（ＳＷｋ１・ｋ２）により、重畳させる電圧方向を反転させることにより、昇圧又は降圧の反転が出来る。交流き電入力方向がＡ−Ａ'の場合、極性切換開閉器（ＳＷｋ１・ｋ２）をＡ方向に切換た時、タップ（Ｖｏ，Ｖａ〜Ｖｃ）は昇圧に作用し、図３ｂの様にＢ方向に切換た時は、降圧に作用し入力電圧に電圧−Ｅｓが重畳され出力電圧Ｅ′＝Ｅ−Ｅｓとなる。また交流き電入力方向がＢ−Ｂ'の時は図４に示す様に逆に作用する。
電気工学ハンドブック、１７編１章変圧器、７１８頁、社団法人電気学会発行、２００１年２月２０日第６版第１刷

交流電圧調整装置において、タップ切換はタップチェンジャー又は単投形交流開閉器を
使用して行うが、負荷電流が常に直列変圧器に流れている。その一次側は開放することなくタップ切換を行う必要があるため、図５ａ・５ｂに示す如く、タップ間又はタップと直列変圧器一次巻線間に抵抗による短絡回路を付加し、タップ切換時に抵抗短絡して切換を行っている。図５ａは交流開閉器を用いたタップ切換回路のタップと直列変圧器一次巻線間に抵抗を付加した主回路例であり、図５ｂはタップチェンジャ−を用いたタップ切換回路のタップ間に抵抗を付加した主回路例である。

このような従来の方法で、タップ切換に単投形交流開閉器を使用した場合、図６に示す様に複数台の単投形交流開閉器（例えばＳａ・Ｓｂ）が投入するとタップ間に短絡電流Ｉｓｔが流れる。またＳａ〜ｃが開放状態では、図７に示す様に直列変圧器一次側に、負荷電流Ｉｓに応じた電流Ｉｓ１が流れず、負荷電流Ｉｓは限りなく０に近づく。よって交流入力電圧Ｅが負荷を経由して直列変圧器ＳＴの二次側に印可されることにより、直列変圧器一次側には直列変圧器の巻数比であるＮ１／Ｎ２×Ｅの過大な電圧が発生する。

また、交流き電が停電した場合、交流電圧調整装置は停電前の状態を維持し、復電時に電圧確認し、電圧調整に入る。このとき交流き電入力が反転した場合、停電前が昇圧状態の時は降圧側に作用する為、交流電圧調整装置の出力側電圧は、入力電圧より低くなる欠点があった。
図４は交流き電入力が反位側より供給された例を示す。この場合、直列変圧器による重畳電圧Ｅｓは、タップ切換変圧器よりの極性が変わらない為、交流き電電圧にマイナス方向に作用し、出力電圧Ｅ'＝Ｅ−Ｅｓとなる。

前記のように、タップ切換開閉器が単投形交流開閉器では、図６に示す様に開閉器Ｓａ〜Ｓｃの片端（２側）が共通に接続される為、動作不良時は複数台投入若しくは開放状態となり、タップ間に短絡電流が流れたり、直列変圧器一次側に過大な電圧が発生するため、動作不良時でもタップ間が混触せず、なおかつ開放しない回路構成が必要になる。また、復電時の重畳電圧をマイナス方向に作用させない為、停電時に基準電圧タップに戻す必要がある。本発明は、以下に示す回路構成でタップ切換を行うことで上記の課題を解決する。

本発明は、タップ切換に双投形交流開閉器を使用し、各タップ間が直列に接続されるように配置し、タップ間の混触及び開放を無くしている。また、停電時基準電圧タップに切換る為の停電補償用コンデンサを有しており、停電時に基準電圧タップに切換ることが出来る。

以上の通り、本発明によれば、タップ切換に双投形交流開閉器を使用したことで、タッ
プ切換開閉器の動作不良によるタップ間短絡及び開放を無くし、より安全な電圧調整装置を実現した。さらに、停電時に基準電圧タップ位置に切換る機能を付加したことにより、復電時の入力電圧に対して、直列変圧器による重畳電圧が逆作用とならなくなったため、復電後の電圧調整時間を短くすることが出来た。

図１は今回発明の実施形態のＮ＝3の例を示すものである。このとき、Ｖｃは1番目電圧タップ，Ｖｂは2番目電圧タップ、Ｖａは3番目電圧タップ、V ₀ は4番目基準電圧タップに相当する。また、図２は停電時に基準電圧タップに切換された回路状態と制御回路例を示すものである。

交流電圧調整装置の主回路１は、図３と同様に二次巻線に数個のタップを設けた負荷時タップ切換変圧器ＲＴの１次側（Ａ−Ａ'）に交流入力電源を接続し、その二次側にタップ切換用として双投形交流開閉器ＳＷａ〜ＳＷｃを設ける。ＳＷｃの一方の入力（２側）は負荷時タップ変圧器ＲＴの一番端のタップＶｃに接続され、もう片方の入力（１側）は同変圧器ＲＴの二番目のタップＶｂに接続され、ＳＷｃの出力はＳＷｂの入力の一方（２側）に入り、他の一方は同変圧器ＲＴの３番目のタップ（Ｖａ）に接続され、ＳＷｂの出力はＳＷａの入力の一方（２側）に接続される。ＳＷａの入力の一方（１側）は同変圧器ＲＴの基準電圧タップ（Ｖｏ）と極性切換開閉器ＳＷｋ１の一方の入力（Ｂ側）とＳＷｋ２の一方の入力（Ａ側）に接続される。また負荷時タップ変圧器ＲＴのタップ（Ｖｃ・Ｖｂ・Ｖａ）にはそれぞれ交流開閉器Ｓｖｃ・Ｓｖｂ・Ｓｖａの接点の一方が接続され、もう一方は共通に接続され電流制限用抵抗Ｒを経て、ＳＷａの出力側と接続される。ＳＷａの出力側は極性切換開閉器ＳＷｋ１のもう一方の入力（Ａ側）とＳＷｋ２のもう一方の入力（Ｂ側）に接続される。極性切換開閉器ＳＷｋ１・ＳＷＫ２の出力側は直列変圧器一次巻線短絡用開閉器Ｓｓｋを経て直列変圧器ＳＴの一次側に接続される。交流入力電圧に、この直列変圧器ＳＴの二次側発生電圧Ｅｓを重畳して負荷側に給電する。

双投形交流開閉器ＳＷａ〜ＳＷｃは、電圧に異常がない通常の状態においては、１側に位置しており、直列変圧器一次側は極性切換開閉器を経て、閉路状態となり、電圧調整は行われない状態となる。この状態で、電圧調整制御装置より電圧調整信号１ステップ昇圧信号が出力された場合、負荷時タップ切換変圧器タップ（Ｖａ）に接続されている交流開閉器Ｓｖａを閉させる。タップ（Ｖａ）と双投形交流開閉器ＳＷａの出力側は電流制限抵抗Ｒを経由して、接続状態となる。この状態において、双投形交流開閉器ＳＷａを１側から２側に切換る。双投形交流開閉器ＳＷａを抵.Ｒを経由して、接続状態となる。この状態において、双投形交流開閉器ＳＷａを１側から２側に切換る。双投形交流開閉器ＳＷａを１側から２側に切換確認後、交流開閉器Ｓｖａを開させる。これにより出力電圧は１タップ昇圧し（Ｖａ）タップとなる。
タップ位置（Ｖａ）において電圧調整信号１ステップ昇圧信号が出力された場合は負荷時タップ切換変圧器タップ（Ｖｂ）に接続されている交流開閉器Ｓｖｂを閉させる。タップ（Ｖｂ）と双投形交流開閉器ＳＷａの出力側は電流制限抵抗Ｒを経由して接続状態となる。この状態において、双投形交流開閉器ＳＷｂを１側から２側に切換る。双投形切換開閉器ＳＷｂを１側から２側に切換確認後、開閉器Ｓｖｂを開させる。これにより出力電圧は１タップ昇圧し（Ｖｂ）タップとなる。
タップ位置（Ｖｂ）において電圧調整信号１ステップ昇圧信号が出力された場合は、タップ位置（Ｖｃ）に接続されている交流開閉器Ｓｖｃを閉させる。タップ（Ｖｃ）と双投形交流開閉器ＳＷａの出力側は電流制限抵抗Ｒを経由して接続状態となる。この状態において、双投形交流開閉器ＳＷｃを１側から２側に切換る。双投形切換開閉器ＳＷｃを１側から２側に切換確認後、交流開閉器Ｓｖｃを開させる。これにより出力電圧は１タップ昇圧し（Ｖｃ）タップとなる。
次に、タップ位置（Ｖｃ）において電圧調整信号１ステップ降圧信号が出力された場合は、タップ位置（Ｖｃ）に接続されている交流開閉器Ｓｖｃを閉させる。タップ（Ｖｃ）と双投形交流開閉器ＳＷａの出力側は電流制限抵抗Ｒを経由して接続状態となる。この状態において、双投形交流開閉器ＳＷｃを２側から１側に切換る。双投形交流開閉器ＳＷｃを２側から１側に切換確認後、開閉器Ｓｖｃを開させる。これにより出力電圧は１タップ降圧し（Ｖｂ）タップとなる。
タップ位置（Ｖｂ）において電圧調整信号１ステップ降圧信号が出力された場合は、タップ位置（Ｖｂ）に接続されている交流開閉器Ｓｖｂを閉させる。タップ（Ｖｂ）と双投形交流開閉器ＳＷａの出力側は電流制限抵抗Ｒを経由して接続状態となる。この状態において、双投形交流開閉器ＳＷｂを２側から１側に切換る。双投形交流開閉器ＳＷｂを２側から１側に切換確認後、開閉器Ｓｖｂを開させる。これにより出力電圧は１タップ降圧し（Ｖａ）タップとなる。
タップ位置（Ｖａ）において電圧調整信号１ステップ降圧信号が出力された場合は、タップ位置（Ｖａ）に接続されている交流開閉器Ｓｖａを閉させる。タップ（Ｖａ）と双投形交流開閉器ＳＷａの出力側は電流制限抵抗Ｒを経由して接続状態となる。この状態において、双投形交流開閉器ＳＷａを２側から１側に切換る。双投形交流開閉器ＳＷａを２側から１側に切換確認後、開閉器Ｓｖａを開させる。これにより出力電圧は１タップ降圧し基準電圧タップ位置（Ｖｏ）となる
また、基準電圧タップ位置（Ｖｏ）において電圧調整制御装置より電圧調整信号１ステップ降圧信号が出力された場合、直列変圧器一次巻線短絡開閉器Ｓｓｋを閉させる。この状態において、極性切換開閉器ＳＷｋ１、ＳＷｋ２をＡ方向よりＢ方向に切換る。極性切換開閉器ＳＷｋ１，ＳＷｋ２をＡ方向よりＢ方向に切換確認後、直列変圧器１次巻線短絡開閉器Ｓｓｋを開させる。さらにこの状態において、前記昇圧動作と同じ動作をすれば、出力電圧は１タップ降圧する。

なお、負荷時タップ切換変圧器の二次側タップ切換は、双投形交流開閉器を使用することによって、電圧調整を大きくする事が必要な場合も、敏速な対応が可能である。例えば、図１にあるように、基準電圧タップ位置（Ｖｏ）に有るときに、２タップ昇圧信号を出力した場合、タップ（Ｖｂ）に接続されている交流開閉器Ｓｖｂを閉させる。タップ（Ｖｂ）と双投形交流開閉器ＳＷａの出力側は電流制限抵抗Ｒを経由して、接続状態となる。
この状態において、双投形交流開閉器ＳＷａ、ＳＷｂを１側から２側に切換る。双投形交流切開閉器ＳＷａ、ＳＷｂを１側から２側に切換確認後、開閉器Ｓｖｂを開させる。これにより出力電圧は２タップ昇圧し（Ｖｂ）タップとなる。
タップ位置（Ｖａ）に有るときに、２タップ昇圧信号を出力した場合は、タップ（Ｖｃ）
に接続されている交流開閉器Ｓｖｃを閉させる。タップ（Ｖｃ）と双投形交流開閉器ＳＷａの出力側は電流制限抵抗Ｒを経由して、接続状態となる。この状態において、双投形交流開閉器ＳＷｂ、ＳＷｃを１側から２側に切換る。双投形交流切開閉器ＳＷｂ、ＳＷｃを１側から２側に切換確認後、交流開閉器Ｓｖｃを開させる。これにより出力電圧は２タップ昇圧し（Ｖｃ）タップとなる。
次にタップ位置（Ｖｃ）に有るときに、２タップ降圧信号を出力した場合は、タップ（
Ｖｃ）に接続されている交流開閉器Ｓｖｃを閉させる。タップ（Ｖｃ）と双投形交流開閉器ＳＷａの出力側は電流制限抵抗Ｒを経由して、接続状態となる。この状態において、双投形交流開閉器ＳＷｂ、ＳＷｃを２側から１側に切換る。双投形交流切開閉器ＳＷｂ、ＳＷｃを２側から１側に切換確認後、交流開閉器Ｓｖｃを開させる。これにより出力電圧は２タップ降圧し（Ｖａ）タップとなる。
またタップ位置（Ｖｂ）に有るときに、２タップ降圧信号を出力した場合は、タップ（
Ｖｂ）に接続されている交流開閉器Ｓｖｂを閉させる。タップ（Ｖｂ）と双投形交流開閉器ＳＷａの出力側は電流制限抵抗Ｒを経由して、接続状態となる。この状態において、双投形交流開閉器ＳＷａ、ＳＷｂを２側から１側に切換る。双投形交流切開閉器ＳＷａ、ＳＷｂを２側から１側に切換確認後、交流開閉器Ｓｖｂを開させる。これにより出力電圧は２タップ降圧し基準電圧タップ（Ｖｏ）となる。
さらに、基準電圧タップ位置（Ｖｏ）に有るときに、３タップ昇圧信号を出力した場合、
タップ（Ｖｃ）に接続されている交流開閉器Ｓｖｃを閉させる。タップ（Ｖｃ）と双投形交流開閉器ＳＷａの出力側は電流制限抵抗Ｒを経由して、接続状態となる。この状態において、双投形交流開閉器ＳＷａ、ＳＷｂ、ＳＷｃを１側から２側に切換る。双投形交流切開閉器ＳＷａ、ＳＷｂ、ＳＷｃを１側から２側に切換確認後、開交流閉器Ｓｖｃを開させる。これにより出力電圧は３タップ昇圧し（Ｖｃ）タップとなる。
またタップ位置（Ｖｃ）に有るときに、３タップ降圧信号を出力した場合は、タップ（
Ｖｃ）に接続されている交流開閉器Ｓｖｃを閉させる。タップ（Ｖｃ）と双投形交流開閉器ＳＷａの出力側は電流制限抵抗Ｒを経由して、接続状態となる。この状態において、双投形交流開閉器ＳＷａ、ＳＷｂ、ＳＷｃを２側から１側に切換る。双投形交流切開閉器ＳＷａ、ＳＷｂ、ＳＷｃを２側から１側に切換確認後、交流開閉器Ｓｖｃを開させる。これにより出力電圧は３タップ降圧し基準電圧タップ（Ｖｏ）となる。
このように電圧検出において、電圧条件及び時間の演算可能な制御装置と組み合わせることにより、目的に応じた出力電圧の調整が可能となる。

交流入力電圧を直列変圧器２次側（Ｂ−Ｂ'）より給電した場合も、極性切換開閉器が
Ａ方向の場合は降圧、Ｂ方向の場合は昇圧と、前記同様交流入力電圧に直列変圧器の二次側発生電圧Ｅｓを重畳して負荷側に給電する。

図２は停電時に、基準電圧タップ位置（Ｖｏ）に切換した状態を示す。負荷時タップ切換変圧器ＲＴの二次巻線（Ｖｃ）タップ位置において停電した場合、電圧調整制御装置より、停電時基準電圧タップ切換信号を出力する。基準電圧タップ切換信号は、コンデンサ引き外し装置に接続されている双投形交流開閉器ＳＷａの１側コイル（ＳＷａＣ１）を励磁、ＳＷａを１側に切換る。このとき、双投形交流開閉器ＳＷｂ、ＳＷｃは２側に接続されたままの状態を継続する。直列変圧器ＳＴの一次巻線ＳＴ１は双投形交流開閉器ＳＷａの１側接点を経由して閉回路状態となり、交流電圧調整装置は基準電圧タップ位置（Ｖｏ）となる。

復電時は、復電確認後、双投形交流開閉器接点位置整理として、前項にて２側に接続されたままの状態のＳＷｂ、ＳＷｃに対して電圧調整制御装置より１側切換信号を出力する。これにより、双投形交流開閉器ＳＷｂ、ＳＷｃは１側に切換り、図１の状態となる。

本発明の実施形態を示す交流電圧調整装置の主回路と制御装置の回路構成図 本発明の停電状態を示す交流電圧調整装置の主回路と制御装置の回路構成図 交流電圧調整装置における昇圧時の主回路例 交流電圧調整装置における降圧時の主回路例 交流電圧調整装置における入力電圧方向反転時の主回路例 単投形開閉器を使用したタップ切換回路に電流制限抵抗を付加した主回路例 タップチェンジャーを使用したタップ切換回路に電流制限抵抗を付加した主回路例 単投形開閉器が複数台投入時タップ間に流れる短絡電流の例 直列変圧器一次巻線開放時の状態

１： 主回路
２： 電圧調整制御装置
３： タップ昇圧・降圧信号
４： 極性切換信号
５： 停電信号
６： 停電時基準タップ位置切換信号
ＲＴ： 負荷時タップ切換変圧器
ＲＴ１： 負荷時タップ切換変圧器一次巻線
ＲＴ２： 負荷時タップ切換変圧器二次巻線
ＳＴ： 直列変圧器
ＳＴ１： 直列変圧器一次巻線
ＳＴ２： 直列変圧器二次巻線
Ｎ１： 直列変圧器一次巻線巻数
Ｎ２： 直列変圧器二次巻線巻数
Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ 単投形交流開閉器（タップ切換用）
ＳＶａ、ＳＶｂ、ＳＶｃ： 交流開閉器（タップ切換時抵抗短絡用）
ＳＷａ、ＳＷｂ、ＳＷｃ： 双投形交流開閉器（タップ切換用）
ＳＷａｃ１： 双投形交流開閉器ＳＷａ１側コイル
ＳＷｋ１、ＳＷｋ２： 極性切換開閉器
Ｓｓｋ： 直列変圧器一次巻線短絡開閉器
Ｖｏ： 負荷時タップ切換変圧器二次基準電圧タップ
Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄ、Ｖｅ、Ｖｆ：負荷時タップ切換変圧器二次電圧タップ
Ｔｓ： タップ選択器
Ｔｃ： タップ切換器
Ｅ： 交流入力電圧
Ｅ′： 交流出力電圧
Ｅｓ： 直列変圧器二次電圧（重畳電圧）
Ｅｂ： 直列変圧器一次電圧
Ｉｓ： 負荷電流
Ｉｓ１： 直列変圧器一次電流
Ｉｓｔ： タップ間短絡電流
Ｒ： 電流制限抵抗
Ｃｐ： 停電補償用コンデンサ
ＡＵＸＴ： 制御電源変圧器

Claims (3)

1. 二次巻線からＮ（Ｎ＝１，２，３・・・）個の電圧タップとN＋１番目の基準電圧タップを引き出した負荷時タップ切換変圧器と、負荷時タップ切換変圧器の一次側の一方と負荷との間に二次側を接続され、一次側に調整電圧を印加する直列変圧器と、
   前述の負荷時タップ切換変圧器において、
   最大電圧の１番目タップの出力端子と、次の電圧の２番目タップの出力端子を入力として１番目の双投形切換開閉器を接続し、
   １番目の双投形切換開閉器の出力端子と3番目の電圧タップの出力端子を入力として、２番目の双投形切換開閉器を接続し、
   これを繰り返して、
   Ｎ−２番目の双投形切換開閉器の出力端子とＮ番目の電圧タップの出力端子を入力として、Ｎ−１番目の双投形切換開閉器を接続する
   ことによって得られる調整電圧を、前述の直列変圧器の一次側に印加し、
   双投形切換開閉器が接続を切り換える際に、前述の直列変圧器一次巻線の開放を防ぐため、前述の負荷時タップ切換変圧器の各タップとＮ番目の双投形切換開閉器の出力端子間を抵抗を介して短絡するための抵抗及び抵抗短絡開閉器、
   を備えることを特徴とする交流電圧調整装置。
   
2. 電圧調整時において停電が発生した場合、Ｎ番目の双投形切換開閉器を低電圧側に切り換えN＋１番目の基準電圧タップ位置とするための、停電補償用コンデンサ及び、停電検知し、N番目の双投形開閉器を低圧側に切換るための信号を出力する制御装置を付加したことを特徴とする請求項１記載の交流電圧装置。
   
   
3. 電力の方向が停電することなく電源側から負荷側、負荷側から電源側と変化した場合に、停電することなく直列変圧器の電圧調整方向を変更するため、直列変圧器一次側と負荷時タップ切換変圧器二次側の間に調整電圧の極性を切り換える双投形の切換手段と切り換え時に直列変圧器一次側を閉路させる短絡開閉器を挿入したことを特徴とする請求項１或いは請求項２記載の交流電圧調整装置。
   

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