JP4706999B2 - 励磁突入電流抑制装置 - Google Patents

Description

本発明は三相交流変圧器の励磁突入電流抑制装置に係り、より詳しくは、高速かつ安価で、大容量化に適した励磁突入電流抑制装置に関するものである。

三相交流変圧器は一般に巻線に接続された三相遮断器を備え、三相遮断器は電力系統と変圧器との接続／切り離しを行っている。

切り離し後も変圧器には鉄心に開放直後の磁束が残っており（残留磁束）、そこに電源投入により定格電圧が巻線に印加されると、磁束の位相によっては鉄心が飽和して巻線が短絡状態になり、その際過大な突入電流が流れ（励磁突入電流、以下「突流」という）、系統に瞬時電圧低下を発生させ、系統品質に悪影響を与えることになる。
この対策として従来種々の突流抑制方式が提案されており、直列抵抗方式、位相制御投入方式、及びインバータ予励磁方式などがある。

直列抵抗方式は、変圧器の巻線に直列に抵抗器を接続しておき、三相遮断機の投入に際して変圧器の巻線にかかる電圧を分圧し、突流が発生しない程度に低減された電圧を巻線に印加して運転し、残留磁束を消失させた後、抵抗器の両端を断路器により短絡して通常運転に入る、方式である。

図５は直列抵抗方式の場合の一例で、（Ａ）は電源側接続回路図、（Ｂ）は作動手順に沿った状態の遷移を示す部分回路図である。
本例の三相変圧器では、巻線Ｘ１〜Ｘ３はデルタ結線されて、スイッチ回路を介して三相電源端子Ｐ１〜Ｐ３に各々接続されている。

巻線Ｘ１〜Ｘ３のスイッチ回路は、直列接続された単相遮断器ＣＧ１〜ＣＧ３と抵抗器Ｒ０１〜Ｒ０３が、三相遮断器の第１〜第３相ＳＧ３１〜ＳＧ３３の各々に並列に接続された回路である。

図５（Ｂ）に示すように、全部の三相遮断器及び単相遮断器が遮断された状態［Ｓ０］からの投入手順としては、手順１で単相遮断器ＣＧ１〜ＣＧ３が投入される。
単相遮断器のスイッチ時間にはばらつきがあるが、今、実効投入時期を同時と考えると、状態は［Ｓ１］に進行する。

図６（Ａ）のヒステリシス（Ｂ／Ｈ、又はｖ／ｉともいわれる）特性曲線図に示すように、三相遮断前の定格運転では、鉄心の磁束φは、励磁電流ｉに対して、最大値Φｍのヒステリシスサイクルａ−ｂ−ｃ−ｄ−ａ・・・を描いており、三相遮断後の状態［Ｓ０］でも磁束が残っており、この残留磁束の最大値はΦｒである。

変圧器の励磁インピーダンスに対して適切な抵抗値Ｒ０を選ぶならば、［Ｓ１］では、三相電源端子Ｐ１〜Ｐ３を通じて印加される定格電圧は分圧されて巻線Ｘ１〜Ｘ３にかかり、磁束変化の最大量（２・Φ１）が残留磁束の最大値Φｒに重畳する最悪の場合でも、磁束が鉄心の飽和磁束Φｓを大幅に越えないようにできる、即ち突流を抑制できる。

状態［Ｓ１］において所定の時間を経て残留磁束が解消（消磁）され、手順２で三相遮断器ＳＧ３１〜ＳＧ３３が投入され、状態が［Ｓ２］となり、次に単相遮断器ＣＧ１〜ＣＧ３が開放され、定格運転に入る。

ここで復旧時間を短縮するために、残留磁束が消失していない状態で三相遮断器ＳＧ３１〜ＳＧ３３を投入して抵抗器Ｒ０１〜Ｒ０３の両端を短絡すると２次突流を生じる可能性がある。
非特許文献１には、抵抗器としてＰＷＭ変換器を用い、そのゲイン、即ち等価抵抗値をリアルタイムで増減制御して抵抗器の両端を短絡する際に生じる可能性のある２次突流を防ぐ方法が開示されている。

いずれにしても、このような直列抵抗方式は三相分の三相遮断器の他に、三相分の抵抗器又は抵抗器相当回路と三相分の単相遮断器を必要とし、スペースと機器コストが余分にかかり、そのコストは絶縁スペースまで考慮すると膨大になる。

位相制御投入方式は、印加すべき電圧の位相を監視しておき、突流を防止できる位相を選んで三相遮断器の投入位相とする方式である。
この突流を防止できる位相とは、三相遮断器の遮断時の運転状態で決まる残留磁束に依存し、三相遮断器の（再）投入時の磁束が残留磁束に等しい位相であることが最適投入位相になる。

非特許文献２には、残留磁束の安定な推定方法や、三相遮断器に存在する、プレアーク特性並びに機械的特性のばらつきを考慮した投入位相の決定方法に関する考察が開示されている。

しかしながら、この残留磁束並びに投入位相を正確にかつ経済的に検出し実行する手段は確立されているとはいえない。

インバータ予励磁方式は、３次巻線を備えた変圧器において、３次巻線にインバータを介して、突流の発生しない低電圧を印加し、徐々に印加電圧を増加し、残留磁束がない状態、即ち磁束が定格運転の際と同等の交番磁束になった状態で、１次又は２次巻線の三相遮断器を同期投入する方式である。

しかしながら、この方式は３相分のインバータとその複雑な制御回路を必要とし、必ずしも経済的ではない。
山田洋明他、小容量電圧形ＰＷＭ変換器を用いた変圧器の突入電流抑制法、電気学会研究会資料ＳＰＣ−０４−２、ｐｐ７−１２、２００４年。 蔦田広幸他、残留磁束を考慮した変圧器位相制御投入に関する基礎検討、電気学会論文集Ｂ、１２３巻６号、ｐｐ７６５−７７１、２００３年。

本発明の目的は、上記の問題点を解消するために、直列抵抗方式のような、三相分の抵抗器又は抵抗器相当回路と三相分の単相遮断器を必要とせず、経済的かつコンパクトな高速の励磁突入電流抑制装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、上記の問題点を解消するために、位相制御投入方式のような、三相遮断器という大規模な機械構造に対して投入位相と残留磁束量を精密に決定する困難な課題がなく、経済的かつ高速の励磁突入電流抑制装置を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、３次巻線を備えた三相変圧器において上記の問題点を解消するために、インバータ予励磁方式のような、３相分のインバータとその複雑な制御回路を必要とせず、実績のある変圧器技術の範囲で実現できる、経済的かつ高速の励磁突入電流抑制装置を提供することにある。

前記課題を解決するため、本発明の励磁突入電流抑制装置は、各々三相遮断器が接続された三相デルタ巻線を備えた三相交流変圧器の励磁突入電流抑制装置であって、
前記三相デルタ巻線の三相遮断器の第１相に、断路器が並列に接続し、
前記三相デルタ巻線の三相遮断器の第２相に、単相遮断器及び電流制限手段からなる直列回路を並列に接続しておき；
前記断路器を投入した後、前記単相遮断器を投入して単相予励磁を行い、一定時間後に前記三相遮断器を投入して定格運転を開始させ、その後に前記断路器と前記単相遮断器を各々開放するように制御する；
ことを特徴とする。

また、各々三相遮断器が接続された三相スター巻線を備えた三相交流変圧器の励磁突入電流抑制装置であって、
前記三相スター巻線の三相遮断器の第１相に、断路器を並列に接続し、
前記三相スター巻線の三相遮断器の第２相に、第１の単相遮断器及び電流制限手段からなる直列回路を並列に接続し、
さらに、前記三相スター巻線の第１相と第３相を第２の単相遮断器を介して接続しておき；
前記断路器を投入した後、前記第１及び第２の単相遮断器を投入して単相予励磁を行い、一定時間後に前記第２の単相遮断器を開放し、その後三相遮断器を投入して定格運転を開始させ、その後に前記断路器と前記第１の単相遮断器を各々開放するように制御する；
ことを特徴とする。

また、前記第２相の単相遮断器として単相位相制御投入遮断器を用いることを特徴とする。

また、前記電流制限手段が抵抗器及び直列リアクトルのいずれか一方もしくは、抵抗器と直列リアクトルの複合回路からなることを特徴とする。

本発明によれば、三相巻線に対して、１個の断路器と、１〜２個の遮断器と、１個の電流制限手段により、定格運転の開始に先立ち単相予励磁を行うことによる励磁突入電流を抑制することができる。このため、従来技術に対し少ない機器点数で、信頼性が高く、低コストでコンパクトな励磁突入電流抑制装置を得ることができる。

以下、本発明による励磁突入電流抑制装置の実施例１〜４を、対応する図１〜４と、共通の図６（Ａ）又は（Ｂ）を参照して詳細に説明する。
図１〜４は各々（Ａ）（Ｂ）からなり、（Ａ）は電源側接続回路図、（Ｂ）は作動手順に従って遷移する状態［Ｓ０］［Ｓ１］［Ｓ２］・・・毎の部分回路図である。

図１（Ａ）〜図４（Ａ）においては、三相遮断器を介して電源電圧が印加される巻線に関する部分のみを示し、それ以外の部分は鉄心を含めて省略してある。
また図１（Ｂ）〜図４（Ｂ）において、状態［Ｓ０］の部分回路図はすべての三相遮断器、断路器、単相遮断器、単相位相制御投入遮断器が開放された初期の状態に対応する。

また、実施例１、２、４は、位相制御を行わず、図６（Ａ）に示すような磁束変化２・Φ１を伴う場合であり、他方、実施例３は位相制御を行う代表例として、図６（Ｂ）に示すような磁束変化Φ２を伴う場合である。
以上に基づき、従来技術又は既述の実施例の説明と同一部分についての説明は以下省略する。

図１は実施例１に係る励磁突入電流抑制装置を説明する図である。
図１（Ａ）に示すように、本実施例はデルタ結線された三相巻線Ｘ１〜Ｘ３に関する場合であり、三相巻線Ｘ１〜Ｘ３は三相遮断器ＳＧ３１〜ＳＧ３３を介して三相電源に接続されている。

さらに、三相遮断器の第１相ＳＧ３１には断路器ＣＢ１が並列に接続され、直列接続された単相遮断器ＣＧ１と抵抗器Ｒ１が、三相遮断器の第２相ＳＧ３２に並列に接続されている。

即ち、上述の従来技術の場合、３個の単相遮断器と３個の抵抗器、即ち計６個の機器を要したのに比べて、各々１個の断路器、遮断器、抵抗器、即ち計３個の機器しか必要としない。

本実施例の作動の手順は次のとおりであり、それに伴う状態の遷移を図１（Ｂ）に示す。
初期状態［Ｓ０］では、すべての三相遮断器、断路器、遮断器が開放されている。
三相巻線Ｘ１〜Ｘ３の鉄心には、三相遮断器の開放時の定格運転の際の残留磁束があり、残留磁束の量は図６（Ａ）に示すように、最大の場合Φｒである。

手順１で、断路器ＣＢ１が投入され、三相巻線Ｘ１〜Ｘ３には同一電位が与えられ、状態［Ｓ１］となる。

手順２で、遮断器ＣＧ１が投入され、三相電源端子Ｐ２とＰ１間の電圧が、抵抗器Ｒ１（抵抗値をｒ１とする）を介して、直列接続された巻線Ｘ３とＸ２に巻線Ｘ１が並列に接続された巻線直並列回路（励磁インピーダンスをｘとする）に分圧印加され、状態［Ｓ２］となる。

図６（Ａ）に示すように、巻線Ｘ１には、最大Φｒの残留磁束に対して、前記分圧の積分値に比例する磁束が加算され、その量は前記分圧がゼロクロス位相の瞬間に遮断器ＣＧ１が投入された場合に最大となり、定格運転時の磁束振幅２・Φｍの前記分圧相当分２・Φ１となる

従って、巻線Ｘ１の鉄心には最大Φｒ＋２・Φ１の磁束が形成され、これが鉄心の飽和磁束Φｓを越えると、巻線の励磁インピーダンスは空心インピーダンスレベルに急減し、突流が流れる。
従って、突流を抑制するためには、抵抗器Ｒ１の抵抗値を最適にし、前記分圧比を調整しなければならない。

一例として図６（Ａ）に示すように、飽和磁束密度Ｂｓ＝２Ｔ（テスラ）、定格最大磁束Φｍ＝０．８３Φｓ、最大残留磁束Φｒ＝０．９Φｍ、の商用鉄心においては、分圧比が１５％以下ならば理論上突流はゼロになるが、分圧比が２０％になるようにＲ１を選んでも、突流を定格電流以下に抑制できることが過電圧印加試験により実測されている。

なお、巻線Ｘ２とＸ３については各々に、前記分圧がさらに２分されて印加されるので、上記のＲ１値の場合でも磁束はΦｒ＋Φ１となり、飽和磁束Φｓに達せず突流は生じない。

変圧器の励磁電流によって、鉄心の残留磁束は、数１０サイクルを経て、定常励磁状態に向かって収束する。図６（Ａ）では実質的に零点を中心にしたヒステリシスに収束する。即ち、鉄心の残留磁束は消磁される。

この収束時間を考慮して、手順２で一定時間待った後、手順３に移り、三相遮断器ＳＧ３１〜ＳＧ３３が一斉投入され、三相定格電圧が三相巻線Ｘ１〜Ｘ３に印加され、状態［Ｓ３］となる。

鉄心の残留磁束は単相予励磁により実質的にゼロであり、予励磁から継続運転に移行するため、実質的に突流を生ずることがない。

手順４で、断路器ＣＢ１と単相遮断器ＣＧ１が開放され、状態［Ｓ４］となるが、両端は三相遮断器ＳＧ３１、ＳＧ３２により既に短絡されているので、電圧のフライバックやアークを生じることはない。

図２は実施例２に係る励磁突入電流抑制装置を説明する図である。
図２（Ａ）に示すように、本実施例はスター結線された三相巻線Ｘ１〜Ｘ３に関する場合であり、三相巻線Ｘ１〜Ｘ３は三相遮断器ＳＧ３１〜ＳＧ３３を介して三相電源端子Ｐ１〜Ｐ３に接続されている。

さらに、三相遮断器の第１相ＳＧ３１には断路器ＣＢ１が並列に接続され、三相遮断器の第２相ＳＧ３２には、直列接続された単相遮断器ＣＧ１と抵抗器Ｒ９が並列に接続され、三相スター巻線の第１相端子と第３相端子の間に第２の単相遮断器ＣＧ２が接続されている。

即ち、本実施例のようなスター結線の場合でも、従来技術が３個の単相遮断器と３個の抵抗器、即ち計６個の機器を要したものに対して各々１個の断路器、抵抗器と２個の遮断器、即ち計４個の機器しか必要としない。

本実施例の作動の手順は次のとおりであり、それに伴う状態の遷移を図２（Ｂ）に示す。
初期状態［Ｓ０］では、残留磁束状況を含めて、上記実施例１の場合と同様である。

手順１で、断路器ＣＢ１が投入され、三相巻線Ｘ１〜Ｘ３には同一電位が与えられ、状態［Ｓ１］となる。
手順２で、上記実施例１の場合と異なり、第２の単相遮断器ＣＧ２が投入され、状態［Ｓ２］となる。
手順３で、単相遮断器ＣＧ１が投入され、三相電源端子Ｐ２とＰ１間の電圧が、抵抗器Ｒ２（抵抗値をｒ２とする）を介して、巻線Ｘ１とＸ３が並列接続された回路に巻線Ｘ２が直列接続された並直列回路（励磁インピーダンスをｘとする）に分圧印加され、状態［Ｓ３］となる。

上記実施例１の場合と同様にし、巻線直列接続を考慮して分圧比が１７．３％になるように抵抗値Ｒ２を定めておくならば、突流を最大でも定格電流以下に抑制できる。
手順３の後で一定時間待って鉄心が消磁された後、手順４で単相遮断器ＣＧ２が開放され、状態［Ｓ４］となり、手順５で三相遮断器ＳＧ３１〜ＳＧ３３が一斉に投入され三相定格電圧が三相巻線Ｘ１〜Ｘ３に印加され、状態［Ｓ５］となる。

図３は実施例３に係る励磁突入電流抑制装置を説明する図である。
図３（Ａ）において、上記実施例１との相違点は、三相遮断器の第２相ＳＧ３２に、直列接続された単相遮断器ＣＧ１と抵抗器Ｒ１の代わりに、直列接続された単相位相制御投入遮断器ＳＧ１と抵抗器Ｒ３が、並列に接続されていることである。

本実施例の作動の手順は次のとおりであり、それに伴う状態の遷移を図３（Ｂ）に示す。
即ち、本実施例の作動の手順は、手順１までは上記実施例１の場合と同一であり状態は［Ｓ１］となる。
しかしながら手順２において、単相位相制御投入遮断器ＳＧ１は、実施例１の場合の単相遮断器ＣＧ１と異なり、印加されるべき、三相電源端子Ｐ２とＰ１間の電圧のピークを検出してその位相で遮断器を投入でき、状態［Ｓ２］に移る。

従って、巻線Ｘ１にかかる分圧による磁束の加算量は最大でも、定格運転時の磁束振幅の前記分圧相当分２・Φ２の半分、Φ２となるので、実施例１と同じレベルの突流を許容すると、分圧比が２０％×２＝４０％になるように抵抗器Ｒ２の抵抗値Ｒ２を決定できる。

しかも単相位相制御投入遮断器ＳＧ１の位相制御は、従来の位相制御投入方式におけるような、残留磁束量を推定し、それに合わせて投入位相を精密に決定するという位相制御ではないので、安価である。

本実施例は実施例１に対応し、単相遮断器ＣＧ１を単相位相制御投入遮断器ＳＧ１で置換するものであるが、上記実施例２に対しても同様の置換を行うことができ、本実施例と同様の効果を呈するものである。

図４は実施例４に係る励磁突入電流抑制装置を説明する図である。
図４（Ａ）において、上記実施例１との相違点は、三相遮断器の第２相ＳＧ３２に、直列接続された単相遮断器ＣＧ１と抵抗器Ｒ１の代わりに、直列接続された単相遮断器ＣＧ１と直列リアクトルＬ１が、並列に接続されていることである。

即ち、本実施例の作動の手順は、手順１までは上記実施例１の場合と同一であり状態は［Ｓ１］となる。
しかしながら手順２において、遮断器ＣＧ１が投入され、三相電源端子Ｐ２とＰ１間の電圧が、直列リアクトルＬ１（インピーダンスをｚとする）を介して、直列接続された巻線Ｘ３とＸ２に巻線Ｘ１が並列に接続された巻線直並列回路（励磁インピーダンスをｘとする）に分圧印加され、状態［Ｓ２］となる。

本実施例によれば、各々１個の断路器、遮断器、直列リアクトル、即ち上記実施例１の場合と同じく計３個の機器しか必要としない。

本実施例は実施例１に対応し、抵抗器Ｒ１を直列リアクトルＬ１で置換するものであるが、上記実施例２〜３のいずれに対しても同様の置換を行うことができ、本実施例と同様の効果を呈するものである。

近年、電力系統は大容量化、超高電圧化の一途をたどり、加えて風力発電や太陽光発電等の分散電源が増加し、それらの系統連携電力の変動がもたらす系統周波数や系統電圧の電力品質の悪化が懸念されている。
系統内の一部が故障した場合に、ただちに故障部分が前後の変圧器の三相遮断器の開放により切り離された後、迂回路を通じて給電するため、正常部分の変圧器の三相遮断器が（再）投入される。

変圧器には残留磁束があり、再投入の際に励磁突入電流（突流）を生じる恐れがあるので、このような突流を抑制する励磁突入電流抑制装置を提供することは電力品質の安定化方策の一つとして必須であるが、大電力用で高信頼性を確保しつつ、しかも安価かつコンパクトなサイズで供給することは、従来の直列抵抗方式、位相制御投入方式、及びインバータ予励磁方式では困難であった。
本発明による励磁突入電流抑制装置は実用的に初めてこの要請に応えるものである。

実施例１に係る励磁突入電流抑制装置を説明する図であり、（Ａ）は電源側接続回路図、（Ｂ）は作動手順に沿った状態の遷移を示す部分回路図である。 実施例２に係り、（Ａ）は電源側接続回路図、（Ｂ）は作動手順に沿った状態の遷移を示す部分回路図である。 実施例３係り、（Ａ）は電源側接続回路図、（Ｂ）は作動手順に沿った状態の遷移を示す部分回路図である。 実施例４に係り、（Ａ）は電源側接続回路図、（Ｂ）は作動手順に沿った状態の遷移を示す部分回路図である。 従来技術による直列抵抗方式の励磁突入電流抑制装置を説明する図であり、（Ａ）は電源側接続回路図、（Ｂ）は作動手順に沿った状態の遷移を示す部分回路図である。 鉄心のヒステリシス特性曲線において、（Ａ），（Ｂ）は各々、位相制御を行わない場合と行う場合の磁束変化を示す図である。

符号の説明

ＣＢ１ 断路器
ＣＧ１、ＣＧ２、ＣＧ３ 単相遮断器
Ｌ１ 直列リアクトル
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３ 三相電源端子
Ｒ０１、Ｒ０２、Ｒ０３、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ９ 抵抗器
ＳＧ１ 単相位相制御投入遮断器
ＳＧ３１ 三相遮断器の第１相
ＳＧ３２ 三相遮断器の第２相
ＳＧ３３ 三相遮断器の第３相
Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３ 巻線
Ｈ（ｉ） 磁場強度（電流）
φ（ｖ） 磁束（電圧）
Φｍ 変圧器鉄心の定格最大磁束
Φｒ 変圧器鉄心の残留最大磁束
Φｓ 変圧器鉄心の飽和磁束
Φ１、Φ２ 分圧されて変圧器に印加された電圧の半波による最大磁束

Claims (4)

1. 各々三相遮断器が接続された三相デルタ巻線を備えた三相交流変圧器の励磁突入電流抑制装置であって、
   前記三相デルタ巻線の三相遮断器の第１相に、断路器が並列に接続し、
   前記三相デルタ巻線の三相遮断器の第２相に、単相遮断器及び電流制限手段からなる直列回路を並列に接続しておき；
   前記断路器を投入した後、前記単相遮断器を投入して単相予励磁を行い、一定時間後に前記三相遮断器を投入して定格運転を開始させ、その後に前記断路器と前記単相遮断器を各々開放するように制御する；
   ことを特徴とする励磁突入電流抑制装置。
2. 各々三相遮断器が接続された三相スター巻線を備えた三相交流変圧器の励磁突入電流抑制装置であって、
   前記三相スター巻線の三相遮断器の第１相に、断路器を並列に接続し、
   前記三相スター巻線の三相遮断器の第２相に、第１の単相遮断器及び電流制限手段からなる直列回路を並列に接続し、
   さらに、前記三相スター巻線の第１相と第３相を第２の単相遮断器を介して接続しておき；
   前記断路器を投入した後、前記第１及び第２の単相遮断器を投入して単相予励磁を行い、一定時間後に前記第２の単相遮断器を開放し、その後三相遮断器を投入して定格運転を開始させ、その後に前記断路器と前記第１の単相遮断器を各々開放するように制御する；
   ことを特徴とする励磁突入電流抑制装置。
3. 前記第２相の単相遮断器として単相位相制御投入遮断器を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の励磁突入電流抑制装置。
4. 前記電流制限手段が抵抗器及び直列リアクトルのいずれか一方もしくは、抵抗器と直列リアクトルの複合回路からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の励磁突入電流抑制装置。

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