JP4762378B1 - 突入電流抑制装置 - Google Patents

Abstract

残留磁束と定常磁束との不一致に起因して起こり得る励磁突入電流を抑制可能とする突入電流抑制装置を得ること。事前に実測あるいは解析等により推定した遮断器１の遮断特性および磁束の減衰特性を保持しておき、遮断器１の遮断特性に基づいて得た電流遮断時磁束値に減衰特性を適用して残留磁束値を算出する残留磁束演算部５１を備え、算出した残留磁束値と定常磁束の理論値とが一致する電源電圧位相で遮断器１を投入させるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、突入電流抑制装置に関する。

無負荷変圧器の励磁投入時には、変圧器鉄心の磁気飽和特性に起因して、定格電流の数倍もの励磁突入電流が発生し、系統電圧の変動及び保護継電器の不要動作を招く可能性がある。この励磁突入電流を抑制するためには、遮断後の変圧器鉄心に残留する残留磁束と定常磁束（変圧器に定格電圧が印加されている時に発生する交番磁束）とが一致する電圧位相で投入する必要がある。例えば、遮断器開放時の交流電圧の位相を記憶しておき、次回投入時に、遮断器開放時の交流電圧の位相と同じ位相で投入できるように、遮断器投入信号の出力時刻を調整する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。

特開平１１−３５３９６９号公報

上記従来技術では、遮断器開放時における磁束瞬時値がそのまま変圧器鉄心に残留し、次回の投入時まで変化しないことを前提としている。しかしながら、実際には、変圧器鉄心の特性、あるいは変圧器回路に存在する容量性素子のエネルギーの充放電等により、遮断器開放時における磁束瞬時値よりも減衰した残留磁束が保持される。このため、次回投入時に遮断器開放時と同一の電圧位相で投入しても、残留磁束と定常磁束とが一致せず、励磁突入電流を十分に抑制できない、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、残留磁束と定常磁束との不一致に起因して起こり得る励磁突入電流を抑制可能とする突入電流抑制装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる突入電流抑制装置は、電源と変圧器との間に遮断器が接続される構成に適用され、前記変圧器の閉極動作に伴う励磁突入電流を抑制する突入電流抑制装置であって、前記遮断器の前記電源側における電源電圧を測定する電源電圧測定部と、前記遮断器の開極過程における遮断特性および電流遮断後における前記変圧器の磁束の減衰特性を保持し、前記電源電圧および前記遮断特性に基づいて電流遮断時磁束値を算出し、前記電流遮断時磁束値および前記減衰特性に基づいて残留磁束値を算出する残留磁束演算部と、前記残留磁束値と前記電源電圧の印加時における定常磁束値とが一致する電源電圧位相を算出して投入電源電圧位相とする投入位相演算部と、前記投入電源電圧位相において前記遮断器が投入されるように閉極制御する制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、残留磁束と定常磁束との不一致に起因して起こり得る励磁突入電流を抑制することができる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１にかかる突入電流抑制装置の一例を示す図である。 図２は、実施の形態１にかかる突入電流抑制装置における閉極位相制御の一例を示す図である。 図３は、実施の形態１にかかる閉極位相制御との比較として、遮断器開極時の電源電圧位相と同一の電源電圧位相で投入する例を示す図である。 図４は、実施の形態２にかかる磁束値変換テーブルの一例を示す図である。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかる突入電流抑制装置について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる突入電流抑制装置の一例を示す図である。図１において、遮断器１は、同図右方側のＲ相、Ｓ相、Ｔ相からなる各相電源（図示せず）と、同図左方側の変圧器３０との間に接続されている。この遮断器１は、各相毎に各スイッチ２，３，４を具備し、各スイッチ２，３，４を同時に、あるいは独立して開閉動作させることが可能である。各スイッチ２，３，４は、通常動作時には閉極され、変圧器３０に電力供給が行われる。また、何らかの事故が発生した場合、あるいは保守点検時などには、各スイッチ２，３，４が開極され、変圧器３０への電力供給が遮断される。

図１に示す例では、変圧器３０は、Ｙ−Δ結線で接続された三相変圧器であり、具体的には、星形結線されて中性点が開放された三相一次巻線３１と、三角結線された三相二次巻線３２とを含んでいる。三相一次巻線３１の３つの各入力端子は、それぞれ各スイッチ２，３，４を介して各相電源に接続され、三相二次巻線３２の３つの各出力端子は、負荷（図示せず）に接続される。各スイッチ２，３，４の電源側端子には、各相電源電圧を検出する電源電圧検出部６０が接続され、突入電流抑制装置５０に検出信号が出力される。なお、遮断器１の閉極時には変圧器３０の各相に定常磁束が発生し、遮断器１の開極時には変圧器３０の各相に残留磁束が発生する。

実施の形態１にかかる突入電流抑制装置５０は、例えばコンピュータなどにより構成され、電源電圧測定部５４、残留磁束演算部５１、投入位相演算部５２、および制御部５３を備えている。

電源電圧測定部５４は、電源電圧検出部６０からの検出信号に基づいて各相電源電圧の瞬時値を連続的に測定し、残留磁束演算部５１および制御部５３に出力する。なお、図１に示す例では、電源電圧検出部６０と電源電圧測定部５４とをそれぞれ異なる構成部とし、突入電流抑制装置５０は電源電圧検出部６０を含まないものとして記載しているが、電源電圧検出部６０が突入電流抑制装置５０に含まれる構成であってもよいし、さらには、電源電圧検出部６０の機能を電源電圧測定部５４が有する構成とすることも可能である。

残留磁束演算部５１は、開極指令信号２０の入力時刻から電流遮断時における電源電圧位相を求め、求めた電源電圧位相における磁束値から残留磁束値を算出する。この残留磁束値の算出手法については後述する。

投入位相演算部５２は、残留磁束演算部５１で算出された残留磁束と電源電圧の印加時における定常磁束とが一致する電源電圧位相を算出する。

制御部５３は、開極指令信号２０に基づいて、遮断器１の各スイッチ２，３，４を開極制御すると共に、閉極指令信号２５に基づいて、投入位相演算部５２により算出された電源電圧位相で投入されるように遮断器１の各スイッチ２，３，４を閉極制御する。

なお、各スイッチ２，３，４が閉極するとは、各スイッチ２，３，４の各接触子が機械的に接触することをいい、制御部５３が各スイッチ２，３，４を閉極制御してから各スイッチ２，３，４が実際に閉極するまでの所定時間を閉極時間という。また、遮断器１においては、各スイッチ２，３，４が閉極する前にアーク電流が流れ始める（プレアーク）ことが知られている。各スイッチ２，３，４を投入させるとは、各スイッチ２，３，４にプレアークによるアーク電流を流すことをいい、制御部５３が各スイッチ２，３，４を閉極制御してから実際に各スイッチ２，３，４が投入されるまでの所定時間を投入時間という。この投入時間は、遮断器１の閉極過程における極間絶縁耐力変化率（ＲＤＤＳ）特性により決まる。

一方、各スイッチ２，３，４が開極するとは、各スイッチ２，３，４の各接触子が機械的に離間することをいい、制御部５３が各スイッチ２，３，４を開極制御してから各スイッチ２，３，４が実際に開極するまでの所定時間を開極時間という。また、遮断器１においては、各スイッチ２，３，４が機械的に開極しても所定時間の間アーク電流が流れることが知られている。各スイッチ２，３，４を遮断させるとは、各スイッチ２，３，４に流れるアーク電流を消弧させることをいい、制御部５３が各スイッチ２，３，４を開極制御してから実際に各スイッチ２，３，４が電流遮断されるまでの所定時間をアーク時間という。このアーク時間は、遮断器１の開極過程における極間絶縁耐力変化率（ＲＲＤＳ）特性により決まる。

したがって、制御部５３は、上述した閉極時間、投入時間、開極時間、およびアーク時間を考慮して、各相毎あるいは各相個別に遮断器１の各スイッチ２，３，４の開極制御および閉極制御を行う。

図２は、実施の形態１にかかる突入電流抑制装置における閉極位相制御の一例を示す図である。図２（ａ）は、電源電圧の最大値を１として正規化した１相分の電源電圧波形を示している。また、図２（ｂ）は、磁束の最大値を１として正規化した図２（ａ）に対応する相の磁束波形を示している。なお、図２（ｂ）において破線で示した波形は、電源電圧の印加時における定常磁束の理論値波形を示している。

図２に示すように、遮断器１の各スイッチ２，３，４が時刻Ｔ１において開極してから、時刻Ｔ２において電流遮断するまでのアーク時間ｔでは、磁束の変化は定常磁束と同一となる。電流遮断（時刻Ｔ２）後の磁束は、変圧器３０の鉄心材の特性や、変圧器３０の各相対地間容量および各スイッチ２，３，４の極間容量等によるエネルギーの充放電により、電流遮断（時刻Ｔ２）時における磁束値Φ０（以下、「電流遮断時磁束値」という）から減衰し（ΔΦ）、いずれ一定の残留磁束値Φｒとなる。このような特性を、以下「減衰特性」という。つまり、予めこの減衰特性を実測あるいは解析等により推定して得ておき、電流遮断時磁束値Φ０に適用することにより、残留磁束値Φｒを求めることができる。

その後、次回投入時において、残留磁束Φｒと定常磁束の理論値とが一致する電源電圧位相（Θ１あるいはΘ２、図２に示す例では電源電圧位相Θ２）となる時刻Ｔ３において、遮断器１の各スイッチ２，３，４が投入されるように制御する。このように制御すれば、投入時における磁束の過渡現象が発生せず、変圧器鉄心の磁気飽和が生じないため、励磁突入電流は流れない。

図３は、実施の形態１にかかる閉極位相制御との比較として、遮断器開極時の電源電圧位相と同一の電源電圧位相で投入する例を示す図である。図３（ａ）は、電源電圧の最大値を１として正規化した１相分の電源電圧波形を示している。また、図３（ｂ）は、磁束の最大値を１として正規化した図３（ａ）に対応する相の磁束波形を示している。なお、図３（ｂ）において破線で示した波形は、電源電圧の印加時における定常磁束の理論値波形を示している。

図３に示す例では、電流遮断（Ｔ２）後における残留磁束の減衰を考慮せず、遮断器開極時（Ｔ１）の電源電圧位相と同一の電源電圧位相で投入している（時刻Ｔ３’）。このため、投入後の磁束と定常磁束とが一致せず、磁束の過渡現象が発生して変圧器鉄心の磁気飽和が生じ、その大きさに応じた励磁突入電流が流れることとなる。

つぎに、実施の形態１にかかる突入電流抑制装置５０の動作および残留磁束値算出手法について、図１および図２を参照して説明する。

制御部５３は、開極指令信号２０が入力されると、遮断器１の各スイッチ２，３，４を開極制御する。各スイッチ２，３，４の各接触子は、開極時間経過後の図中の時刻Ｔ１において開極し、アーク時間ｔ経過後の時刻Ｔ２において遮断される。

残留磁束演算部５１は、予め遮断器１の遮断特性（すなわち、遮断器１の開極過程における極間絶縁耐力変化率（ＲＲＤＳ）特性）を保持しており、この遮断特性に基づいてアーク時間ｔを算出して遮断時刻Ｔ２を求め、遮断時刻Ｔ２における電源電圧位相を求める。なお、遮断器１の遮断特性は、事前に実測あるいは解析等により推定して得ることができる。

つぎに、残留磁束演算部５１は、遮断時刻Ｔ２における電源電圧位相での電流遮断時磁束値Φ０を求め、この電流遮断時磁束値Φ０から、例えば次式（１）に示す残留磁束演算式により残留磁束値Φｒを求める。

Φｒ＝（１−ｋ）Φ０ …（１）

上式（１）において、ｋは磁束の減衰係数を示し、変圧器３０の鉄心材の特性や、変圧器３０の各相対地間容量および各スイッチ２，３，４の極間容量等により決まる値であり、０＜ｋ＜１の範囲内で任意に設定することができる。つまり、実施の形態１にかかる残留磁束演算部５１では、上述した減衰特性として、この減衰係数ｋを保持しておき、（１）式に示す残留磁束演算式により残流磁束値を算出する。なお、この減衰係数ｋは、実際の運用時には、事前に実測あるいは解析等により推定して得た値が設定される。

投入位相演算部５２は、残留磁束値Φｒと定常磁束の理論値波形とが一致する電源電圧位相（Θ１，Θ２）を求めて投入電源電圧位相とし、制御部５３に出力する。

制御部５３は、閉極指令信号２５が入力されると、投入位相演算部５２から入力された投入電源電圧位相（電源電圧位相Θ１あるいはΘ２）となる時刻Ｔ３において遮断器１の各スイッチ２，３，４が投入されるように閉極制御する。

以上説明したように、実施の形態１の突入電流抑制装置によれば、事前に実測あるいは解析等により推定した遮断器の開極過程における遮断特性および磁束の減衰係数を保持しておき、遮断器の遮断特性に基づいて得た電流遮断時磁束値に減衰係数を適用して残留磁束値を算出し、算出した残留磁束値と定常磁束の理論値とが一致する電源電圧位相で遮断器を投入させるようにしたので、残留磁束と定常磁束との不一致に起因して起こり得る励磁突入電流を抑制することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、電流遮断時磁束値に減衰係数を適用して残留磁束値を求めるようにしたが、本実施の形態では、電流遮断時磁束値と残留磁束値とを対比させた磁束値変換テーブルを保持しておき、その磁束値変換テーブルから電流遮断時磁束値に対応する残留磁束値を読み取る例について説明する。なお、実施の形態２にかかる突入電流抑制装置の構成は、実施の形態１において説明した図１の構成と同一であるので、ここでは説明を省略する。また、残留磁束演算部５１以外の構成部の動作は、実施の形態１と同一であるので、ここでは説明を省略する。

図４は、実施の形態２にかかる磁束値変換テーブルの一例を示す図である。実施の形態２における残留磁束演算部５１では、実施の形態１において説明した減衰特性として、減衰係数ｋおよび残留磁束演算式に代えて、例えば図４に示すような磁束値変換テーブルを保持している。図４に示す例では、磁束の最大値に対する電流遮断時磁束値比率と磁束の最大値に対する残留磁束値比率とをテーブル化した例を示している。

つぎに、実施の形態２における残留磁束演算部５１の動作および残留磁束値算出手法について、図１、図２、および図４を参照して説明する。実施の形態２にかかる残留磁束演算部５１は、実施の形態１と同様に、予め遮断器１の遮断特性を保持しており、この遮断特性に基づいてアーク時間ｔを算出して遮断時刻Ｔ２を求め、遮断時刻Ｔ２における電源電圧位相を求める。

そして、遮断時刻Ｔ２における電源電圧位相での電流遮断時磁束値Φ０を求め、磁束の最大値に対する電流遮断時磁束値Φ０の比率を算出し、図４に示す磁束値変換テーブルを参照して、磁束の最大値に対する電流遮断時磁束値Φ０の比率に対応する残留磁束値Φｒの比率を読み取り、残留磁束値Φｒを求める。なお、この磁束値変換テーブルは、実施の形態１において説明した減衰係数ｋと同様に、事前に実測あるいは解析等により推定して得ることができる。

以上説明したように、実施の形態２の突入電流抑制装置によれば、実施の形態１と同様に、事前に実測あるいは解析等により推定した遮断器の開極過程における遮断特性および電流遮断時磁束値と残留磁束値とを対比させた磁束値変換テーブルを保持しておき、遮断器の遮断特性に基づいて得た電流遮断時磁束値に対応する残留磁束値を磁束値変換テーブルから算出し、算出した残留磁束値と定常磁束の理論値とが一致する位相で遮断器を投入させるようにしたので、実施の形態１と同様に、残留磁束と定常磁束との不一致に起因して起こり得る励磁突入電流を抑制することができる。

なお、上述した実施の形態では、いずれか一相における動作例について説明したが、実施の形態において説明した電流遮断後における磁束の減衰を考慮した残留磁束値算出手法については、各相を三相同時、あるいは各相個別に投入する場合のいずれであっても適用することが可能である。

また、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

以上のように、本発明にかかる突入電流抑制装置は、残留磁束と定常磁束との不一致に起因して起こり得る励磁突入電流を抑制することができる発明として有用である。

１ 遮断器
２〜４ スイッチ
２０ 開極指令信号
２５ 閉極指令信号
３０ 変圧器
３１ 三相一次巻線
３２ 三相二次巻線
５０ 突入電流抑制装置
５１ 残留磁束演算部
５２ 投入位相演算部
５３ 制御部
５４ 電源電圧測定部
６０ 電源電圧検出部

Claims (5)

1. 電源と変圧器との間に遮断器が接続される構成に適用され、前記変圧器の閉極動作に伴う励磁突入電流を抑制する突入電流抑制装置であって、
   前記遮断器の前記電源側における電源電圧を測定する電源電圧測定部と、
   前記遮断器の開極過程における遮断特性および電流遮断後における前記変圧器の磁束の減衰特性を保持し、前記電源電圧および前記遮断特性に基づいて電流遮断時磁束値を算出し、前記電流遮断時磁束値および前記減衰特性に基づいて残留磁束値を算出する残留磁束演算部と、
   前記残留磁束値と前記電源電圧の印加時における定常磁束値とが一致する電源電圧位相を算出して投入電源電圧位相とする投入位相演算部と、
   前記投入電源電圧位相において前記遮断器が投入されるように閉極制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする突入電流抑制装置。
2. 前記残留磁束演算部は、前記減衰特性として、前記電流遮断時磁束値に適用する減衰係数を保持し、前記電流遮断時磁束値に前記減衰係数を適用する残留磁束演算式により前記残流磁束値を算出することを特徴とする請求項１に記載の突入電流抑制装置。
3. 前記残留磁束演算部は、前記減衰特性として、前記電流遮断時磁束値と前記残留磁束値とを対比させた磁束値変換テーブルを保持し、前記電流遮断時磁束値に対応する前記残流磁束値を前記磁束値変換テーブルから読み取って得ることを特徴とする請求項１に記載の突入電流抑制装置。
4. 前記残留磁束演算部は、突入電流抑制装置が適用される前記電源、前記遮断器、および前記変圧器を含む構成において実測して得た前記減衰特性を保持することを特徴とする請求項１に記載の突入電流抑制装置。
5. 前記残留磁束演算部は、突入電流抑制装置が適用される前記電源、前記遮断器、および前記変圧器を含む構成における解析結果から推定した前記減衰特性を保持することを特徴とする請求項１に記載の突入電流抑制装置。

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