JP4750071B2 - ループ配電系統 - Google Patents

Description

本発明は、単数または複数の配電用変電所に接続された複数の樹枝状配電系統を相互にループ状に結合したループ配電系統に関する。

近年、配電系統の複数回線の各配電線に負荷と共に施設される分散型電源の種類、数が増え、配電系統への分散型電源の連系容量が増大する傾向にある。分散型電源は、一般家庭に多い太陽電池や、工場などの燃料電池、コージェネレーション発電機などである。この分散型電源は、配電系統の配電・給電システムを複雑化している。分散型電源の連系容量増大の状況に対し、現在の配電系統は一般に樹枝状配電系統が採用されていることから、配電系統の電圧管理や効率的運用が困難になりつつある。そこで、樹枝状配電系統では、分散型電源の連系容量増大に伴う電力の逆流の影響を抑制するための方策の一つとして、配電系統のループ化が考えられている。樹枝状配電系統の隣接する配電線を相互にループ状に結合してループ配電系統に切り換え、１回線の配電線における分散型電源による電力逆流を他回線の配電線に分流させて抑制する方式である。

また、一般的な樹枝状配電系統では、複数の各配電線を自動区分開閉器で複数の区間に区切っている。複数回線の各配電線における任意区間の地絡や短絡などの故障時に、変電所遮断器の再閉路・再々閉路を行う。この再閉路・再々閉路に連動させた自動区分開閉器の時限順送方式により故障区間を検出し、区分している。このような樹枝状配電系統において、現状の保護システムのままで配電系統をループ化すると、１箇所の区間の故障で他の配電線も遮断して停電し、電力供給の信頼度が低下する問題が生じる。従って、樹枝状配電系統をループ化するためには、故障区間のある回線から他回線への停電波及を防止する特別な保護システムが必要とされている。

例えば、図５に樹枝状配電系統の概要を示す。同図の樹枝状配電系統は、最小数の１バンク２回線の配電系統を示す。共通の配電用変電所Ａ１の変電所変圧器（バンク）Ｂ１に２回線の配電線（配電系統）Ｆ１、Ｆ２を接続している。一方の配電線Ｆ１は、変電所継電器ＰＲ１および変電所遮断器ＣＢ１と、２箇所の自動区分開閉器ＳＷ１−１、ＳＷ１−２で３つの区間Ｓ１−１、Ｓ１−２、Ｓ１−３に区切られる。他方の配電線Ｆ２は、変電所継電器ＰＲ２および変電所遮断器ＣＢ２と、２箇所の自動区分開閉器ＳＷ２−１、ＳＷ２−２で３つの区間Ｓ２−１、Ｓ２−２、Ｓ２−３に区切られる。１バンク２回線の各配電線Ｆ１、Ｆ２の線尾が相互にループ状に結合される。このループ結合点に常時開路の電路開閉機器ＴＳが設置される。電路開閉機器ＴＳが常時開路であることで、１バンクに２回線の配電線Ｆ１、Ｆ２が樹枝状に接続される。なお、各配電線Ｆ１、Ｆ２には、鎖線で示すような負荷１と分散型電源２が様々な形態で接続される。また、図面では各回線を１本線にしているが、これら各回線のいずれも三相結線の三線である。

図５の樹枝状配電系統において、任意の例えば配電線Ｆ１の区間Ｓ１−２で地絡または短絡の故障が発生した場合、この故障区間の検出と区分は、次のように行われる。故障が発生すると、故障発生の配電線Ｆ１の変電所継電器ＰＲ１が故障を検出し、対応する変電所遮断器ＣＢ１を遮断（開路）する。同時に常時閉路の自動区分開閉器ＳＷ１−１、ＳＷ１−２が開路する。この開路から一定時間経過後に、開路状態にある変電所遮断器ＣＢ１が再閉路し、変電所遮断器ＣＢ１の下流の区間Ｓ１−１に送電する。この送電で自動区分開閉器ＳＷ１−１が充電され、一定時間後に自動区分開閉器ＳＷ１−１が閉路して、次の区間Ｓ１−２に送電する。このとき、区間Ｓ１−２が（故障原因が無くなり）健全であれば、自動区分開閉器ＳＷ１−２は自動区間開閉器ＳＷ１−１と同様の動作を繰り返す。また、区間Ｓ１−２に故障点があると、自動区間開閉器ＳＷ１−１の閉路と共に、変電所継電器ＰＲ１が再び故障を検出し、変電所遮断器ＣＢ１を遮断する。更に、一定時間後に変電所遮断器ＣＢ１を再々閉路して、自動区分開閉器ＳＷ１−１まで送電するが、自動区分開閉器ＳＷ１−１では１回目の充電〜閉路までの時限から、区間Ｓ１−２が故障区間であると判断し、閉路しない。これによって健全区間Ｓ１−１までの送電を完了する。

一方、電路開閉機器ＴＳでは、区間Ｓ１−３側の電圧が消滅して一定時間が経過すると、区間Ｓ１−３が停電していると判断し、閉路する。この閉路で、健全区間Ｓ１−３までの送電が完了する。このとき、自動区分開閉器ＳＷ１−２も１回目の充電〜開路の時限から区間Ｓ１−２が故障区間であると判断しているので閉路しない。これによって、故障区間の区分と健全区間への送電が完了する。

図５の１バンク２回線の樹枝状配電系統は、電路開閉機器ＴＳを常時閉路にして２回線の配電線Ｆ１、Ｆ２をループ状に結合することでループ配電系統にすることができる。しかし、このように樹枝状配電系統をループ化すると、次の問題が生じる。

例えば、１回線の配電線Ｆ１の区間Ｓ１−２に短絡故障が発生したとき、２回線の配電線Ｆ１と配電線Ｆ２のループ結合点にある常時閉路の電路開閉機器ＴＳによって短絡電流が変電所継電器ＰＲ１とＰＲ２で同時に検出される。そのため、故障発生の１回線のみならず健全な他の１回線の遮断も行われて、系統全体としての電力供給の信頼度が低下する。また、２回線の一方に短絡故障が発生すると、故障発生の回線に他方の回線からも短絡電流が流れて、故障点に流れる短絡電流が増大する。このような故障点における短絡電流の増大は、１バンク２回線のループ配電系統においては小さい。しかし、複数の変電所変圧器それぞれに接続された複数の樹枝状配電系統をループ化した複数バンク複数回線のループ配電系統では、故障点における短絡電流が異バンクからの短絡電流の影響で規定値を超える大きさになることがあり、異バンク間でのループ運用を難しくしている。

また、各配電線Ｆ１、Ｆ２に連系される負荷１は、回線（三相三線）の内の単相二線に連系される一般家庭負荷のような三相不平衡の要因となる負荷が多い。かつ、各配電線Ｆ１、Ｆ２の線路インピーダンス、負荷電力にはばらつきがある。このばらつきと負荷三相不平衡が要因で、三相の電圧が不平衡になると共に、常時閉路の電路開閉機器ＴＳの両端に電位差が生じ、この電位差でループ配電系統に零相循環電流が流れる。即ち、常時開路の電路開閉機器ＴＳを開閉動作機能のみのタイスイッチ式にして、これを単に閉路してループ化すると、ループ配電系統の健全時において零相循環電流が流れる。健全な配電系統のループ回路に零相循環電流が流れると、これを変電所継電器が故障電流と誤認して検出し、変電所遮断器を遮断するといった誤動作をする可能性が生じる。この変電所継電器の誤動作は、変電所継電器の感度を下げて零相循環電流を検知しないようにすれば防止できる。しかし、変電所継電器の感度を低下させると、本来の故障の検出感度を低下させることになる。従って、樹枝状配電系統の常時開路の電路開閉機器を単に閉路してループ化しても、ループ化後の配電系統の信頼性を確保することが難しい。

以上のような問題点に対処するため、図５の電路開閉機器ＴＳが設置されている２回線の配電線間のループ結合点に、電路開閉機器ＴＳに代えてＡＣ−ＤＣ−ＡＣ変換装置のような電力変換装置を設置する保護システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。ここでの電力変換装置は、零相電流を流さずに通常の負荷電力に対しては自由に融通し、故障電流に対しては隣接する配電線を分離した状態で動作する。従って、故障点の区分に関しては、ループ化前の樹枝状配電系統の時限順送方式がそのまま適用でき、樹枝状配電系統をループ化した配電系統の電力供給の信頼度が樹枝状系統と同じレベルで確保できる。
特開２００１−２５１７６５号公報 著作本「電力系統過渡解析論」関根泰次著、オーム社出版、１９７１年、Ｐ２１５〜２１６

上記電力変換装置は、多数の負荷を連系する配電線に負荷電力を自由に融通できる大容量（正相分の系統電圧×線路負荷電流）の電力変換装置が使用される。このような電力変換装置は、大容量ゆえに大型で高価なものが必要である。しかも、電力変換装置を複数回線の各ループ結合点に設置する必要があるため、電力変換装置を使用したループ配電系統の運用には大きな設備投資を要し、かつ、大型電力変換装置を設置するスペースの確保が難しい。

本発明の目的とするところは、樹枝状配電系統をループ化するときの零相循環電流の問題点を大容量大型の電力変換装置を使用することなく解消したループ配電系統を提供することにある。

上記目的を達成する本発明の技術的手段は、配電用変電所に接続された複数の樹枝状配電系統を相互にループ状に結合したループ配電系統において、複数の樹枝状配電系統を結合してループ化するループ結合点に、変電所の故障検出継電器の検出時限より短い時限で故障検出開放動作をする常時閉路の自動結合開閉器と、その自動結合開閉器が開路から閉路してループ化が行われる時に隣接する配電系統の配電線間で零相電流のみの融通を阻止する結合変圧器とを直列に配設したことを特徴とする。

ここで、１つのループ配電系統における変電所変圧器の数は単数、複数いずれも可能で、単数の場合は１バンク複数回線のループ配電系統になり、複数の場合は複数バンク複数回線のループ配電系統となる。自動結合開閉器は、隣接する配電系統の配電線を相互にループ状に結合する高速の零相電圧センサを備えた結合開閉器、結合遮断器が適用できる。この自動結合開閉器と結合変圧器の直列回路がループ結合点に設置され、常時閉路の自動結合開閉器と結合変圧器で隣接する樹枝状配電系統を相互にループ化する。自動結合開閉器が変電所の故障検出継電器の検出時限より短い時限で故障検出開放動作をすることで、故障発生時にはループ配電系統が樹枝状系統に切り換わり、樹枝状配電系統の時限順送方式がそのまま適用できて、健全区間の停電が回避され、配電系統の電力の供給信頼度を確保する。結合変圧器は、自動結合開閉器が開路から閉路してループ化が行われるときに隣接する配電系統の配電線間で零相電流のみの融通を阻止し、ループ配電系統に零相循環電流が流れないようにする。

このような結合変圧器は、ΔΔ接続変圧器が適用できる。ループ配電系統における樹枝状配電系統の各回線は三相結線の三線であり、各回線を結合する結合変圧器にΔΔ接続変圧器を適用することで、構造簡単で安価な変圧器で零相循環電流の確実な断路ができる（例えば、非特許文献１参照）。

本発明においては、複数の配電用変電所それぞれに接続された複数の樹枝状配電系統を相互にループ状に結合することができる。この場合、複数バンク複数回線のループ配電系統となり、複数の各バンク間のループ結合点に自動結合開閉器と結合変圧器の直列回路を配設する。複数バンクの変電所変圧器それぞれには単数あるいは複数の樹枝状配電系統が接続され、各配電系統が相互にループ状に結合されて、１つのループ配電系統が運用される。

また、本発明においては、ループ結合点に自動結合開閉器と共に配設する結合変圧器は、配電系統の短絡事故発生時に流れる短絡電流を抑制する限流機能付リアクタンス可変変圧器を適用することができる。

結合変圧器に適用する限流機能付リアクタンス可変変圧器は、定格電流を超える過電流に対応して、漏れリアクタンスが急激に増加するように鉄心や巻線を設計して製作すればよい。この限流機能付リアクタンス可変変圧器は、複数バンク複数回線のループ配電系統において、異バンク間結合による短絡電流増大を抑制し、異バンク間でのループ運用の実現を容易にする。

本発明によれば、ループ配電系統の配電線間のループ結合点に設置される高速開閉機能のみを有する開閉器と、零相循環電流のみを断路する結合変圧器の双方は、共に小型で安価なものが適用できて、ループ配電系統運用の設備投資の大幅な低減が図れるという優れた効果を奏する。実際、本発明による自動結合開閉器と結合変圧器の一式の機器は、いわゆる開閉器付変圧器として構成でき、既存的なＡＣ−ＤＣ−ＡＣ電力変換装置に比べ設備費で１／１００程度と大幅な低減が図れ、設置スペースも１／３程度と省スペース化が図れる。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図４を参照して説明する。なお、図１に示すループ配電系統は、図５の１バンク２回線の樹枝状配電系統をループ化したもので、図５と同一または相当部分には同一符号を付して説明の重複を避ける。図２は２バンク２回線の樹枝状配電系統をループ化したもので、図１と同一または相当部分には同一符号を付している。

図１の１バンク２回線のループ配電系統は、２回線の配電線Ｆ１、Ｆ２を結合するループ結合点に自動結合開閉器１０と結合変圧器２０の直列回路を設置する。自動結合開閉器１０は、変電所Ａ１の故障検出継電器ＰＲ１、ＰＲ２の検出時限より短い時限で故障検出開放動作をする常時閉路の開閉器で、図示しない高速の零相電圧センサを備える。結合変圧器２０は、自動結合開閉器１０が閉路動作したときに自動結合開閉器１０の両端子間の電位差に基づいて発生する零相電流のみの融通を阻止し、ループ配電系統に零相循環電流が流れないように作用する。このような機能を有する結合変圧器２０は、例えば後述するΔΔ接続変圧器である。なお、結合変圧器２０は、他の巻線方式の例えばΔＹ接続変圧器、ＹＹ接続変圧器でもよい。

図１のループ配電系統の、例えば１回線の配電線Ｆ１の区間Ｓ１−２で地絡や短絡などの故障が発生した場合、自動結合開閉器１０は変電所Ａ１の故障検出継電器ＰＲ１の検出時限より短い時限で故障検出して自律的に開路する。これにより、配電系統は一時的に個別の樹枝状配電系統に分離すると共に、変電所側では変電所継電器ＰＲ１だけで故障を検出することになる。従って、自動結合開閉器１０の開路後は、ループ化前の時限順送方式による保護システムがそのまま適用できる。開路した自動結合開閉器１０は、一定時間経過後に開閉器内蔵のタイマーや外部からの指令で自動的に閉路して、元のループ配電系統に復帰する。

結合変圧器２０は、例えば図３に示すような三相三線の配電線Ｆ１、Ｆ２をΔΔ接続したΔΔ接続変圧器である。自動結合開閉器１０が開路のときに、例えば配電線Ｆ１が三相不平衡となると、配電線Ｆ１の三相三線の電圧は零相電圧Ｖ₀と正相電圧Ｖ₁、逆相電圧Ｖ₂に変換することができる。この状態で自動結合開閉器１０が閉路して配電線Ｆ１、Ｆ２をループ化すると、三相三線の零相電圧Ｖ₀はΔ接続により短絡されて零となり、零相電流が流れない。このことは前述した非特許文献１などで公知であるため、ここでの詳細説明は省略する。

図１のループ配電系統の場合、自動結合開閉器１０を閉路して２回線の配電線Ｆ１、Ｆ２をループ化すると、結合変圧器２０の機能でループ配電系統の健全時において零相循環電流が発生せず、従って、変電所継電器が零相循環電流を故障電流と誤認して検出するといった誤動作をする可能性が無くなる。そのため、変電所継電器の感度を上げることができ、ループ化後の配電系統の信頼性を確保することが容易となる。

図２の２バンク２回線のループ配電系統は、１バンクの変電所変圧器Ｂ１に１回線の配電線Ｆ１が接続され、他の１バンクの変電所Ａ２の変電所変圧器Ｂ２に他の１回線の配電線Ｆ２が接続される。この２回線の配電線Ｆ１、Ｆ２を結合するループ結合点に図１と同様の自動結合開閉器１０と結合変圧器２０の直列回路を設置する。

図２の２バンク２回線のループ配電系統の場合、結合変圧器２０は、図４の等価回路で示すような漏れリアクタンスＺ_Tを可変にした限流機能付リアクタンス可変変圧器にすることが望ましい。

即ち、負荷が掛かったときの結合変圧器２０の端子電圧Ｖ_Tは、負荷電流Ｉが定格電流Ｉ_Nを超えるまで決まった下降角度で低下する。２回線の配電線Ｆ１、Ｆ２の一方に短絡故障で流れる短絡電流は、結合変圧器２０の定格電流Ｉ_Nを大きく超える（定格電流の約１０倍）。図２の２バンク２回線のループ配電系統においては、例えば２回線の配電線Ｆ１，Ｆ２が同様な配電系で、１回線の配電線Ｆ１に変電所変圧器Ｂ１から短絡電流が流れると、他の１回線の配電線Ｆ２から変電所変圧器Ｂ２に基づく短絡電流が流れ、短絡故障発生点に流れる短絡電流が倍増する。そこで、結合変圧器２０を、定格電流Ｉ_Nを超える負荷電流Ｉに対応して、漏れリアクタンスＺ_Tが急激に増加するように製作して、限流機能付リアクタンス可変変圧器２０とする。この場合、短絡故障発生点に流入しようとする別の変電所変圧器Ｂ２からの短絡電流が、限流機能付リアクタンス可変変圧器２０の限流機能で抑制され、短絡故障発生点に流れる短絡電流は倍増しない。また、限流機能付リアクタンス可変変圧器２０は、変圧器自体が構造上に限流機能を具えることから、変圧器と別体の特別な限流機器を不要とし、設備投資的に有利となる。

図１の１バンク２回線のループ配電系統の場合、配電線Ｆ１、Ｆ２の１回線に短絡故障が発生して短絡電流が流れ、他の１回線から短絡電流が流れても、同じ１バンクからの短絡電流のために、短絡故障発生点に流れる短絡電流の増大分は少なく、問題とならない。図２の２バンク２回線のループ配電系統の場合は、結合変圧器２０が限流機能の無い変圧器を適用すると、上述したように短絡故障発生の故障点に２バンクから短絡電流が流れて倍増する。この短絡電流の増大は、並列バンク数が増えるほど顕著となり、異バンク間でのループ運用を難しくする。結合変圧器２０を限流機能付リアクタンス可変変圧器にすると、異バンクからの短絡電流が半減以下に抑制でき、異バンク間でのループ運用が容易になる。

本発明に係るループ配電系統の実施の形態を示す要部の配線図である。 本発明のループ配電系統の他の実施の形態を示す要部の配線図である。 図１と図２のループ配電系統における結合変圧器の接続回路図である。 図３の結合変圧器を限流機能付リアクタンス可変変圧器とした場合の変圧器回路図である。 一般的なループ配電系統の概要を示す配線図である。

符号の説明

１ 負荷
２ 分散型電源
１０ 自動結合開閉器
２０ 結合変圧器
Ａ１、Ａ２ 配電用変電所
Ｂ１、Ｂ２ 変電所変圧器
ＣＢ１ 変電所遮断器
ＣＢ２ 変電所遮断器
ＰＲ１ 変電所継電器
ＰＲ２ 変電所継電器
Ｆ１、Ｆ２ 配電線
Ｚ_T 可変漏れリアクタンス

Claims (3)

1. 配電用変電所に接続された複数の樹枝状配電系統を相互にループ状に結合したループ配電系統において、
   前記複数の樹枝状配電系統を結合してループ化するループ結合点に、前記変電所の故障検出継電器の検出時限より短い時限で故障検出開放動作をする常時閉路の自動結合開閉器と、前記自動結合開閉器が開路から閉路してループ化が行われる時に隣接する配電系統の配電線間で零相電流のみの融通を阻止する結合変圧器とを直列に配設したことを特徴とするループ配電系統。
2. 複数の前記変電所それぞれに接続された複数の前記樹枝状配電系統を相互にループ状に結合したことを特徴とする請求項１に記載のループ配電系統。
3. 前記結合変圧器は、前記配電系統の故障発生時に流れる短絡電流を抑制する限流機能付リアクタンス可変変圧器であることを特徴とする請求項１または２に記載のループ配電系統。

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