JP4912563B2

JP4912563B2 - 分割トラック型零相変流器

Info

Publication number: JP4912563B2
Application number: JP2003348817A
Authority: JP
Inventors: 延行桑原
Original assignee: マルチ計測器株式会社
Priority date: 2003-09-02
Filing date: 2003-09-02
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2023-09-02
Also published as: JP2005079571A

Description

本発明は低圧の分電盤内等に使用する分割トラック型零相変流器に関するものである。

分割型零相変流器は電気を止めないで分電盤内に取り付けることができる。従ってトランスのＢ種接地線で地絡事故を検出した場合に、分割型零相変流器を使用して分電盤内で事故フィーダを探査していくと事故点の早期発見が可能である。

キュービクルや分電盤内の配線は一列に配置されている場合がある。このような電路での用途として分割トラック型ＺＣＴが便利である。分割トラック型零相変流器は窓の形状が長方形であることと磁路に分割箇所があるために残留電流特性が悪い。そのため、特性を向上させるために、鉄心の回りに使用する磁気シールドは一般的に非分割のものよりも多く施されている。この結果仕上がり寸法は大きく、しかも重く、高価になっている。

これらの問題を解決させる方法として、２次コイルを１次電流に接近したコイル毎に独立させて３つのコイルとし、それらを並列接続させる方式がある。１次電流によって鉄心内に漏れ磁束が生じ、この漏れ磁束は２次コイルと鎖交し誘起電圧により２次巻線相互間に循環電流を流す。この電流によって発生する磁束は１次電流の漏れ磁束を低減させ、残留電流を減少させる。（特許文献１、２）。
特公平６−５８８５７号公告特公平８−３３４２４号公告

解決しようとする問題点は３つのコイルを使用した分割トラック型ＺＣＴでもまだ残留電流が大きいということである。なぜ３つのコイルを使用した分割トラック型ＺＣＴでは残留電流が生じるかを説明する。

上記従来の３つのコイルを使用した方式を図１に示す。１次導体Ａ、Ｂ、Ｃは一列に配置されている。ＩＡ、ＩＢ、ＩＣは１次電流である。鉄心１の回りに２次巻線が巻かれている。コイル２は１次電流ＩＡによる漏れ磁束と多く鎖交する。同様にコイル３ａ、３ｂは１次電流ＩＢによる漏れ磁束と多く鎖交する。コイル４も１次電流ＩＣによる漏れ磁束と多く鎖交する。コイル２の巻数とコイル３ａと３ｂとの巻数の和とコイル４の巻数はいずれも同じであり、線材導体径も同じである。

１次電流は図１（２）に示すように低圧の３相平衡電流とする。このとき、例としてコイル２と鎖交する磁束を考えてみる。コイル２と鎖交する磁束は１次電流ＩＡからのものφＡ、１次電流ＩＢからのものφＢ、ＩＣからのものφＣがある。これらの鎖交磁束の和は一つの鎖交磁束φａとして表すことができる。コイル３ａ、３ｂと鎖交する磁束も各１次電流からの磁束の和としてφｂ、コイル４と鎖交する磁束もφｃとして表すことができる。各コイルは一つの磁束との鎖交磁束として表わせるので、各コイルは１相の電流からの磁束による影響と表すことができる。すなわち図２（１）に示すように３つの空隙をもったＣＴの組合わせと考えることができる。このときの１次電流をＩａ、Ｉｂ、Ｉｃとすると図１（２）に示す電流ＩＡ、ＩＢ、ＩＣと、このＩａ、Ｉｂ、Ｉｃとの関係は図２（２）に表すことができる。コイル２に影響する電流Ｉａは１次電流ＩＡからの影響分（ＩＡ）、ＩＢからの影響分（ＩＢＡ）、ＩＣからの影響分（ＩＣＡ）のベクトル和で表せる。Ｉｂ、Ｉｃも同様に各１次電流の成分（ＩＢ）、（ＩＣＢ）、（ＩＡＢ）、（ＩＣ）、（ＩＡＣ）、（ＩＢＣ）のベクトル和で表せる。零相電流が含まれていないときはＩＡ＋ＩＢ＋ＩＣ＝０である。同様にＩａ＋Ｉｂ＋Ｉｃ＝０である。図２（１）を等価回路で表すと図３のようになる。Ｎ２は各コイルの巻数、Ｉ０は零相電流、Ｚｅは励磁インピーダンス、Ｉｒｓは２次側に流れる残留電流である。ｒはコイルの抵抗値、ｒｂは３ａ＋３ｂの抵抗値である。３並列巻線のときはｒｂ＝ｒである。図３の等価回路から残留電流Ｉｒｓを求めると（１）式が得られる。

ここで零相電流Ｉ_０が流れた時の２次側に流れる電流をＩ_Ｏ２とするとＩ_０２は次式より求まる。

ここで

である。Ｚ_ｅ≫Ｚ_２、Ｚ_ｅ≫ｍ_２、よりＩ_ｒｓの１次換算残留電流Ｉｒは次式となる。

ここで各コイル内の磁界の強さに磁路長を乗算させた和はアンペアの周回積分の法則から０となり残留電流も０となる。しかし出力電圧に変えるためには係数として透磁率が関係し、透磁率は軟磁性材（通常鉄ニッケル合金のパーマロイＰＣ材使用）の磁界の大きさによって変化する。図１のような配置ではコイル２とコイル３ａの箇所では等価１次電流ＩａとＩｂの大きさは異なる。等価１次電流Ｉａによるコイル２との鎖交磁束が磁気飽和未満の０．２〜０．３Ｔ（テスラ）のときにはコイル３ａとの鎖交磁束を比べるとφａ：φｂ≒５：１である。このときφａの透磁率をμａ、φｂの透磁率をμｂとするとこの比はμａ：μｂ≒２：１である。よって（４）式は各コイル内の透磁率が異なることによってｍａ≠ｍｂとなり残留電流が生じる。

本発明は上記課題を解決するために、その断面中心が一列になるように離間して配置された３本の一次導体が貫通可能な長方形又は楕円型の環状の鉄心の所定部位に、互いに重なることなく同じ方向に所定回数巻かれた４つのコイルが並列に接続されており、前記４つのコイルのうち、２つのコイルは、それぞれ前記３本の一次導体のうち中央の一次導体との距離が最短となる前記鉄心の部位に巻かれており、残りの２つのコイルの一方は両端の一次導体の一方との距離が最短となる前記鉄心の部位、残りの２つのコイルの他方は両端の一次導体の他方との距離が最短となる前記鉄心の部位にそれぞれ巻かれており、前記４つのコイルを流れる電流が、前記３本の一次導体を流れる電流によって前記鉄心に生じる漏れ磁束を低減させ、残留電流を減少させる分割トラック型零相変流器とした。
また、前記鉄心は、対向する一対の長径部と対向する一対の短径部とを有する長方形又は楕円型の環状をなしており、前記中央の一次導体との距離が最短となる前記鉄心の部位は、前記鉄心の一方の長径部及び他方の長径部であり、前記両端の一次導体に一方との距離が最短となる前記鉄心の部位は前記鉄心の一方の短径部であり、前記両端の一次導体の他方との距離が最短となる前記鉄心の部位は前記鉄心の他方の短径部であるものとしてもよい。

本発明は４つのコイルを使用することにより残留電流を３つのときに比べて小さくすることができる。４つのコイルにより（４）式に示すｒｂはｒｂ＝ｒ／２となる。ｍｂはｍａに比べて透磁率の大きさの違いμａ：μｂ≒２：１よりｍｂ≒（１／２）ｍａが得られ次式が求まる。

これにより（４）式の〔〕内は０に近づくことができる。

図６に発明の効果を示す。図６は横軸にコイルの並列接続数を示し、縦軸は残留電流を示す。コイルの並列接続数の１は図５（１）、接続数２は図５（２）、接続数３は図１、接続数４は図４、接続数５は図５（３）の結線を示している。接続数４のときが残留電流が最小になる。これによって鉄心及びシールド材の使用量が従来と同じならば残留電流は１／２になる。また残留電流特性が同じにするならば従来方式の鉄心又はシールドの断面積を約１／２にすることができる。すなわち小型、軽量化、及び鉄心（通常ニッケル合金の軟磁性材）の使用量が低減でき省資源が計ることができる。低コストが実現できる。

分割トラック型ＺＣＴの窓内に配置された１次導体ＩＡ、ＩＢ、ＩＣにおいてＩＢに近い長径方向の２辺に巻くコイルはできるだけ均一に巻き１つのコイルの中間点が１次導体ＩＢに最も接近した位置になるようにコイルの位置をきめる。４つのコイルは巻き数を同じにする。

図４は本発明の分割トラック型ＺＣＴの構成を示したものである。１次導体ＩＢ付近に巻くコイル３ａ、３ｂは巻数、巻き線材の導体径をコイル２と巻数、線材とも同じとした。したがって４つのコイルとも巻数、線材とも同じにして、出力を並列接続させた。図４は１次導体ＩＡ、ＩＢ、ＩＣに対して長方形の形状を示したが楕円型の場合でもコイルの巻き方は同じ巻き方、結線で同じ効果がある。

図１（１）はトラック型零相変流器の２次巻線の結線例でコイルが３並列結線の場合を表したものである。（２）は１次電流のベクトルを表したものである。図２（１）は図１の（１）で示すトラック型零相変流器を３つの空隙をもったＣＴとして表したものである。（２）は３つのＣＴの各コイルと鎖交する磁束を各一つの電流による影響として表したときに、その１次電流をベクトルで表したものである。図３は図２（１）の簡易等価回路図図４は本発明による結線例で１次電流ＩＢに接近したコイルを２つのコイルに分けて４並列結線としたもの。図５はトラック型ＺＣＴの２次巻線の各結線例を表したものである。（１）は連続に一周に渡りコイルを巻いたもの、（２）は２並列結線されたもの、（３）はＩＢ付近のコイルを３つにして５並列結線にしたもの。図６は１次電流を３相電流６００Ａ一定にした状態においてコイルの並列結線数を変化させたときの残留電流値を等価１次側零相電流値に換算して示したものである。

符号の説明

Ａ、Ｂ、Ｃ・・・トラック型ＺＣＴの窓内に一列に配置された１次電流用の１次導体
ＩＡ、ＩＢ、ＩＣ・・・３相１次平衡電流
１・・・トラック型ＺＣＴの鉄心
２・・・３並列巻線において鉄心がＡに接近した部分に巻いたコイル
３ａ・・・３並列巻線において鉄心がＢに接近した２つの部分のうち一方側に巻いたコイル
３ｂ・・・３並列巻線において鉄心がＢに接近した２つの部分のうち３ａ側に対してもう一方側に巻いたコイル
４・・・３並列巻線において鉄心がＣに接近した部分に巻いたコイル
φＡ・・・１次電流ＩＡから発生するコイル２と鎖交する磁束
φＢ・・・１次電流ＩＢから発生するコイル２と鎖交する磁束
φＣ・・・１次電流ＩＣから発生するコイル２と鎖交する磁束
ｒ・・・一つコイルの直流抵抗値
Ｉａ・・・コイル２と鎖交する磁束が一つの電流によって発生した磁束としたときのその電流
Ｉｂ・・・コイル３ａ、３ｂと鎖交する磁束が一つの電流によって発生した磁束としたときのその電流
Ｉｃ・・・コイル４と鎖交する磁束が一つの電流によって発生した磁束としたときのその電流
φａ・・・磁束φＡ、φＢ、φＣの和で電流Ｉａによりコイル２と鎖交する磁束
φｂ・・・電流Ｉｂによりコイル３ａ、３ｂと鎖交する磁束
φｃ・・・電流Ｉｃによりコイル４と鎖交する磁束
ｍａ・・・電流Ｉａに対してのコイル２の相互インダクタンス
ｍｂ・・・電流Ｉｂに対してのコイル２の相互インダクタンス
ｍｃ・・・電流Ｉｃに対してのコイル２の相互インダクタンス
（ＩＡ）・・・コイル２の磁束にあたえる電流ＩＡの成分
（ＩＢＡ）・・・コイル２の磁束にあたえる電流ＩＢの成分
（ＩＣＡ）・・・コイル２の磁束にあたえる電流ＩＣの成分
（ＩＢ）・・・コイル２の磁束にあたえる電流ＩＢの成分
（ＩＡＢ）・・・コイル２の磁束にあたえる電流ＩＡの成分
（ＩＣＢ）・・・コイル２の磁束にあたえる電流ＩＣの成分
（ＩＣ）・・・コイル２の磁束にあたえる電流ＩＣの成分
（ＩＡＣ）・・・コイル２の磁束にあたえる電流ＩＡの成分
（ＩＢＣ）・・・コイル２の磁束にあたえる電流ＩＢの成分
Ｎ２・・・一つのコイルの巻数
Ｉ０・・・零相電流
Ｚｅ・・・零相変流器の励磁インピーダンス
Ｉｒｓ・・・残留電流

Claims

その断面中心が一列になるように離間して配置された３本の一次導体が貫通可能な長方形又は楕円型の環状の鉄心の所定部位に、互いに重なることなく同じ方向に所定回数巻かれた４つのコイルが並列に接続されており、
前記４つのコイルのうち、２つのコイルは、それぞれ前記３本の一次導体のうち中央の一次導体との距離が最短となる前記鉄心の部位に巻かれており、
残りの２つのコイルの一方は両端の一次導体の一方との距離が最短となる前記鉄心の部位、残りの２つのコイルの他方は両端の一次導体の他方との距離が最短となる前記鉄心の部位にそれぞれ巻かれており、
前記４つのコイルを流れる電流が、前記３本の一次導体を流れる電流によって前記鉄心に生じる漏れ磁束を低減させ、残留電流を減少させる、
分割トラック型零相変流器。
前記鉄心は、対向する一対の長径部と対向する一対の短径部とを有する長方形又は楕円型の環状をなしており、
前記中央の一次導体との距離が最短となる前記鉄心の部位は、前記鉄心の一方の長径部及び他方の長径部であり、
前記両端の一次導体に一方との距離が最短となる前記鉄心の部位は前記鉄心の一方の短径部であり、
前記両端の一次導体の他方との距離が最短となる前記鉄心の部位は前記鉄心の他方の短径部である、
請求項１記載の分割トラック型零相変流器。