JP5118397B2

JP5118397B2 - 限流装置

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Publication number: JP5118397B2
Application number: JP2007165439A
Authority: JP
Inventors: 雅宏世古口; 博雄小西; 亮介波多野; 芳紀中地
Original assignee: Chubu Electric Power Co Inc; Hitachi Ltd
Current assignee: Chubu Electric Power Co Inc; Hitachi Ltd
Priority date: 2007-06-22
Filing date: 2007-06-22
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2027-06-22
Also published as: JP2009005528A

Description

本発明は、電力系統の地絡や短絡故障時に、故障電流を遮断する前に、素早く故障電流を抑制する限流装置に関する。特に、低圧、高圧、特別高圧や超高圧系統など、全ての電力系統に適用され、新規電源の増加、系統連系の拡大に伴って増大する故障電流を抑制するに好適な限流装置に関する。

電力自由化の進展に伴い、流通設備の投資抑制や、新規参入電源の増加が見込まれる。特に、新規参入電源は、ローカル系統に併入される場合が多く、母線の短絡・地絡容量の増大が予想され、その結果、変電所や需要家設備において、遮断器などの設備容量が不足する場合が考えられる。

低圧、高圧、特別高圧や超高圧系統など全ての電力系統では、その大容量化、系統連系の拡大に伴って、系統故障（短絡／地絡）発生時に流れる故障（短絡／地絡）電流が益々増大する傾向にある。この故障電流を抑制する対策として、電力系統に限流装置が設置される。

故障電流を抑制するためには、非特許文献１，２に開示されているように種々の方法があるが、電力系統に設置される実用化されている限流装置としては、限流リアクトルが一般的である。即ち、特許文献１に従来技術として開示されているように、２つの電力系統による基本的な系統連系システムにおいて、２つの電力系統間に限流リアクトルを直列に接続したものである。この系統連系システムにおいて、故障が発生すると、その限流リアクトルによる限流作用によって、電力系統に流れる過大な故障電流を抑制するようにしている。

また、特許文献１では、ダイオードおよび直流リアクトルで構成される整流ブリッジ方式が提案されている。

さらに、非特許文献３で提案されているような、サイリスタスイッチとダイオードおよび直流リアクトルで構成される整流形混合ブリッジ方式が既に実用化されている。ブリッジ回路を電力系統と直列に接続しておき、系統故障が発生したときのみ、リアクトルが作用し故障電流を抑制する。

特開２０００−１３９９３号公報電気学会技術報告第７０９号「故障電流抑制用限流技術の現状と展望」電気学会技術報告第８５０号「故障電流抑制用限流装置の適用技術と解析評価」電気評論２００１．１２「高速限流遮断装置による瞬時電圧低下対策」

ところで、特許文献１に示された従来技術のように、限流リアクトルを電力系統と直列に接続した限流装置では、その電力系統に限流リアクトルが常時挿入されていることから、系統の定態安定度が低下し、電圧変動問題や送電容量に限界を生じていた。

また、特許文献１や非特許文献３で提案されている方式では、平常時に、交流電流と同じ大きさの直流循環電流がダイオードと直流リアクトルに流れているため電力損失が発生する。

本発明の目的は、系統の安定度を確保すると共に、短絡や地絡等の故障時に、所定の限流効果を発揮できる限流装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、２つの電源母線を連絡した系統において、両電源母線の連絡を保ちつつ、短絡や地絡等の故障時に、所定の限流効果を発揮できる限流装置を提供することにある。

本発明は、限流リアクトルを備え、電力系統の事故電流を抑制する限流装置において、系統に直列に接続される限流リアクトルによる電圧降下を相殺する方向に電圧を発生する電圧発生手段を、前記限流リアクトルに直列に接続したことを主特徴とする。

本発明の望ましい実施態様においては、前記限流リアクトルによる平常時の負荷電流による電圧降下を補償するように、励磁巻線付直列変圧器を前記限流リアクトルに直列に接続する。

本発明の他の特徴とするところは、２つの電源母線を連絡した系統において、２つの母線のブスタイ（母線連絡線路）に接続した限流リアクトルを含む限流装置であって、平常時の限流リアクトルの端子間の電圧降下を、直列接続した電圧発生手段によって相殺するように構成したことを特徴とする。

本発明の望ましい実施態様によれば、故障のない平常時には、電圧変動を抑制し、系統故障発生時には故障電流を効果的に抑制することができる。

また、本発明の望ましい実施態様によれば、故障を検出して動作させるようなトリガー回路は不要であり、高速の限流作用が期待でき、信頼性も向上する。

しかも、限流装置動作による過電圧、高調波や共振現象などの異常現象発生の可能性は小さい。また、半導体素子などに負荷電流を流し続けることがないので、平常時の電力損失を極小に抑えることができる。

本発明のその他の目的と特徴は、如何に述べる実施例の中で明らかにする。

本発明の望ましい実施形態による限流装置を、図面を参照して詳述する。

図１は、本発明の一実施例による限流装置を備えた電力系統の一例概略構成図である。電力系統１から上位送電線の遮断器２１を介して複数の変圧器群２，３を含む全変圧器群１０が接続されている。各変圧器群２，３の２次側には、それぞれ交流母線４，５が形成されている。これらの交流母線４，５には、下位配電線の遮断器２２１〜２２４，負荷用変圧器２３１〜２３４を通して、負荷２４１〜２４４がそれぞれ接続されている。

一方、交流母線４，５を連絡するブスタイ（Bus-Tie：母線連絡線路）には、限流装置１２と遮断器２５の直列回路が接続されている。限流装置１２の構成は、まず、限流リアクトル６と直列変圧器１１の一次側巻線７が直列接続され、次に、交流母線４から調整用変圧器９を介して直列変圧器１１の二次側巻線８が励磁されている。限流装置１２の詳細については、図４を参照して後述する。

さて、変圧器群２のみを備えた検討対象とする変電所において、需要増加に伴い、変圧器群３を増設する場合に、故障点Ｆ１において短絡故障が発生した場合を想定する。変圧器群３の増設により、上位系からの短絡電流径路は、これまでの電流径路ＳＣ１に加え、電流径路ＳＣ２が加わり、遮断器２２４を流れる故障電流は増大する。このため、下位母線４，５の下流に配置した遮断器２２１〜２２４の定格遮断容量を増大させる必要が生じる。これを防ぐため、交流母線４，５のブスタイに限流装置１２および遮断器２５からなる高速限流遮断装置を設置し、多数の遮断器２２１〜２２４の容量の増大を回避する。

まず、図２と図３を参照して、本発明の原理を説明する。

図２は、変圧器群１０に直列に限流装置１２を設置した場合の短絡故障時の等価回路を示す。電力系統１から、その短絡インピーダンスＸ１、変圧器群１０の全バンクリアクタンスＸ１０、限流装置１２の等価リアクタンスを通して、故障点Ｆ１が短絡されることになる。このとき、限流装置１２のリアクタンスＸ１２を、変圧器群１０の全バンク並列時リアクタンスＸ１０の半分（Ｘ１０／２）程度にすれば、故障電流を限流装置１２なしのばあいに比べて２／３程度に抑制することができる。ただし、系統の短絡インピーダンスＸ１は、変圧器インピーダンスＸ１０に比べて一桁程度小さいので、単純化のために無視している。この場合は、平常時の負荷電流及び故障電流が総て限流装置１２を通過することになる。

図３は、全変圧器群１０を、変圧器群２と変圧器群３に等分に分割し、それぞれを母線４と５に接続して、負荷電流を供給する場合の短絡故障時の等価回路を示す。この場合には、２つに分割された変圧器群２と３の等価リアクタンスは、それぞれ（２・Ｘ１０）となる。

ここで、限流装置１２を設けて、図２と同様に、故障電流を２／３程度に抑制するためには、２つに分割された変圧器群のうち一方に限流装置１２を直列に挿入し、その等価リアクタンスを（４・Ｘ１０）程度に選定すれば良い。この場合、故障電流は、変圧器群２と３に分流するため、限流装置１２を通過する故障電流は、全故障電流の１／４程度となる。また、母線４と５に接続される負荷量をバランスさせることができれば、平常時、限流装置１２に流れる電流はさらに小さくできるので、限流装置１２の容量をさらに小さくすることができる。

以下に、本発明の一実施例による限流装置について説明する。

図４は、本発明の一実施例による限流装置の接続構成を示す３相結線図である。例えば図１の母線４，５間に、限流装置１２が接続される。この限流装置１２は、限流リアクトル６ａ〜６ｃと直列変圧器１１ａ〜１１ｃの直列接続によって構成されている。直列変圧器１１ａ〜１１ｃの変圧比は、図示するように１：ｎであり、その二次側巻線８ａ〜８ｃは、オープンデルタ接続としている。そして、これらの二次側巻線８ａ〜８ｃは、調整変圧器９ａ〜９ｃのスター接続二次側巻線の電圧によって励磁される。調整変圧器９ａ〜９ｃの電源は、系統側主回路の線間電圧を使用し、その変圧比は、１：ｍである。

限流リアクトル６ａ〜６ｃの両端間に発生する電圧を、予定の精度の範囲内で相殺するために、母線４，５間に行き交う電流を電流検出器２６によって検出し、電圧制御装置４０へ入力する。そして、電圧制御装置４０は、検出電流の方向に応じた方向切替スイッチ１４を投入するとともに、検出電流の大きさに応じたタップ切替スイッチ１３を投入して、直列変圧器１１ａ〜１１ｃに発生させる電圧の方向と大きさを調整する。この実施例においては、電圧の大きさは、タップ切替スイッチ１３に設けた複数のタップの中から、検出電流に応じたタップを選ぶことによって、段階的に切替えるようにしている。しかし、必要に応じて、連続的に調整するように変形構成することは、当業者にとって容易に実施できる。

本発明における限流装置１２には、次のような動作特性が求められる。
（１）平常運転時には、電力系統の安定かつ効率的な運用を阻害しないように、インピーダンスはできるだけ小さくする。
（２）限流装置の誤動作は、平常時の系統運用の妨げとなるため、正確な故障検出が極力短時間で可能であること。
（３）故障発生時には、故障電流を制限するために適切なインピーダンスを瞬時に発生すること。
（４）故障除去完了後は、限流動作状態から、平常状態へ速やかに復帰できること。

そこで、本実施例では、電源系統の主回路に限流リアクトル６を直列に挿入することにより、故障電流を制限する。次に、直列変圧器１１の二次側を交流励磁することにより、平常時の電圧降下を補償することによって、等価的に、限流装置のリアクタンスをゼロまたは極小に抑制する。すなわち、電流方向の変動に対しては、方向切替スイッチ１４にて検出電流の方向に極性を切替える。また、負荷電流の大きさの変動に対しては、複数タップを備えたタップ切替スイッチ１３のＯＮ、ＯＦＦにより、調整変圧器９の二次側の励磁電圧の大きさを変更し、限流装置１２の端子間の電圧差を極小となるように制御する。

このように、平常時は、負荷電流が限流リアクトル６に流れることによる電圧降下を、直列変圧器１１の二次側巻線８への励磁電圧により補償する。故障時には、限流リアクトル６に流れる電流が平常時に比べてはるかに大きくなるため、直列変圧器１１の励磁電圧に比べ、限流リアクトル６による電圧降下が支配的となる。

これにより、この限流装置１２においては、前述した性能を次のように発揮する。
（１）通常時には、限流リアクタンスが制御によって補償されているため、装置全体の等価インピーダンスは極めて小さくなっている。
（２）故障発生時には、直列変圧器１１の出力電圧によらず、故障電流を限流リアクトル６で制限するので、故障検出が不要であり、このため誤動作の恐れが少ない。
（３）故障発生時には、故障による通過電流の増大によって、リアクトル成分が優勢になるので、自動的かつ速やかに限流動作へ移行できる。
（４）故障復帰後は、直列変圧器１１による電圧補償が自動的に作用するので、故障前の状態に自然復帰する。

なお、図４の実施例では、電流検出器２６によって、電流を検出するものとしたが、電流相当値であれば、既存の電力検出器などの出力を利用することもできる。

以下に、本装置の動作原理について詳細に説明する。

図５は、限流装置１２の動作原理を示す等価回路図で、電力系統１側から見た一次側換算等価回路を示している。図において、１５は直列変圧器一次側等価リアクタンス、１６は直列変圧器二次側の一次換算等価リアクタンス、１７は調整変圧器等価電源、１９は電力系統１の短絡インピーダンスである。

図６は、平常時における減流装置の動作を示す電圧補償ベクトル図である。

平常状態では、直列変圧器１１（１１ａ〜１１ｃ、以下同じ）は、調整変圧器９（９ａ〜９ｃ、以下同じ）により、限流リアクトル６（６ａ〜６ｃ、以下同じ）を相殺するようなリアクタンス補償を行っている。調整変圧器９の誘起電圧（Ｖｅｂ−Ｖｅｃ，Ｖｅｃ−Ｖｅａ，Ｖｅａ−Ｖｅｂ）は、負荷電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃに対し直交するように次式で与えられる。

Ｖｅｂ−Ｖｅｃ＝−ｊＸ・Ｉa………………………………………………………（１）
Ｖｅｃ−Ｖｅａ＝−ｊＸ・Ｉｂ………………………………………………………（２）
Ｖｅａ−Ｖｅｂ＝−ｊＸ・Ｉｃ………………………………………………………（３）
リアクタンスＸは、限流リアクトル６のリアクタンスＸ_Ｌ、直列変圧器一次側巻線７のリアクタンスＸ_Ｐと直列変圧器二次側巻線８のリアクタンスＸ_Ｓの総和である。

図７は、負荷用変圧器２３（２３１〜２３４）の至近端に故障点Ｆ１が発生して短絡電流が流れる場合のベクトル図である。故障電流は、限流装置１２の設置点電圧に対し、９０度程度遅れ位相となる。

一方、調整変圧器９の出力電圧は、故障の種類に応じて、大きさ・位相が変化するが、限流リアクトル６に誘起される電圧に比べれば、桁違いに小さい。このため、故障電流に対して、限流装置１２は、ほぼ、リアクタンスＸの限流リアクトルとして機能する。

次に、故障発生時の故障電流により、直列変圧器１１が飽和しない条件を求める。直列変圧器１１を飽和させないためには、鉄心型の場合には、定格電圧を高くして定格磁束を大きくとる必要があるが、経済的な設計とは言えない。限流装置１２の直列変圧器１１が飽和するかどうかは、故障電流が流れた時に、直列変圧器１１の両端の電圧が飽和磁束密度を超過する電圧になるかどうかで決まる。更に、故障発生位相による過渡直流分を考慮すれば、変圧器の飽和を避けるには、更に大きな容量の変圧器が必要となる。

また、直列変圧器１１に分流する故障電流は、変圧器群２と変圧器群３のリアクタンスと直列変圧器１１のリアクタンスの比で決まる。平常時に、直列変圧器１１に流れる負荷電流は、母線４と母線５の負荷をバランスさせれば小さくすることができるが、故障電流は、リアクタンス比で決まる。従って、故障電流Ｉ_１は、平常時負荷電流の数倍程度を見込んでおく必要がある。

故障発生時に、短絡電流交流分により、直列変圧器１１の端子間に発生する電圧降下ΔＶ（相電圧）は、直列変圧器１１に分流する故障電流をＩ₁とすると、
ΔＶ＝Ｉ₁・Ｘ_Ｔ………………………………………………………………………（４）
リアクタンスＸ_Ｔは、直列変圧器１１の一次側巻線７のリアクタンスＸｐと、直列変圧器１１の二次側巻線８のリアクタンスＸｓの総和である。

過渡直流分が最大となる故障発生位相等（電圧位相０°）を考慮すると、短絡電流として、２.５５倍まで想定する必要がある。更に、直列変圧器１１を飽和させないためには、１２倍程度の電圧まで考慮する必要がある。従って、直列変圧器１１の端子間に発生する電圧降下ΔＶ（相電圧）は（５）式で表される。

ΔＶｓ＝２.５５・１２・Ｉ₁・Ｘ＝３.０６・ΔＶ……………………………（５）
変圧器・リアクトルの短絡強度に関しては、電気規格調査会標準規格（ＪＥＣ）に規定があり、短絡電流に対する機械的強度を考える場合に、過渡電流を含む最大瞬時値として定格短絡電流の２．５５倍までを想定している。

以上により、直列変圧器１１を飽和させないためには、故障電流の分流（平常時負荷電流の数倍程度）と過渡直流分等（定格短絡電流の３倍程度）を考慮すると、平常時の負荷電流から定まる変圧器定格の１０倍程度の容量の直列変圧器１１が必要となる。

そこで、本発明では、故障電流により直列変圧器１１が飽和しても、限流リアクトル６にて限流する方式を採用する。直列変圧器１１の飽和（１２０％電圧程度）を考慮し、直列変圧器１１の漏れリアクタンスは、限流リアクトル６に比べて小さい値（２０％程度）に選定する。

次に、直列変圧器１１の二次側巻線８に印加する励磁電圧の考え方を以下に示す。故障電流が、遮断器２２（２２１〜２２４）の定格容量を超過しないように、限流リアクトル６の等価リアクタンスＸ_Ｌを選定する。平常時ブスタイ電流がＩ_ｂ（Ａ）流れている場合、この電流による電圧降下ΔＶは（６）式となる。

ΔＶ₁＝Ｘ_Ｌ・Ｉ_ｂ……………………………………………………………………（６）
系統側から見た直列変圧器１１の等価リアクタンスは（Ｘ_ｐ＋Ｘ_ｓ）である。Ｘｐは、直列変圧器１１の一次側巻線７のリアクタンスで、Ｘｓは、直列変圧器１１の二次側巻線８のリアクタンスである。直列変圧器１１の飽和電圧は、定格電圧の１２０％程度であると想定する。調整変圧器９の入力インピーダンスは小さいので無視する。ブスタイの平常時の電流Ｉ_ｂによる直列変圧器１１の電圧降下は、（７）式となる。

ΔＶ₂＝（Ｘ_ｐ＋Ｘ_ｓ）・Ｉ_ｂ………………………………………………………（７）
平常時電流による限流リアクトル６と直列変圧器１１の電圧降下（ΔＶ_１＋ΔＶ_２）は（８）式となる。

ΔＶ＝ΔＶ_１＋ΔＶ_２…………………………………………………………………（８）
以上により、直列変圧器１１による電圧降下を補償するための調整変圧器９の二次電圧Ｖeは、直列変圧器１１の一次側と二次側の電圧比を１：ｎとすると、（９）式で表すことができる。

図８は、飽和を考慮した直列変圧器１１の等価回路図である。

図９は、直列変圧器１１の一次側の励磁電流と端子電圧の関係を表す特性図である。図において、Ｌｍは未飽和時の直列変圧器の等価リアクタンス、Ｌｓは飽和時の等価リアクタンス、Ｖｍは直列変圧器の定格電圧であり、Ｖｓは直列変圧器の飽和電圧である。

平常時は、可変リアクタンス１８は、大きな値Ｌｍである。故障発生後、故障電流により、直列変圧器１１の両端の電圧が飽和電圧Ｖｓよりも上昇すると、直列変圧器１１が飽和するため、可変リアクタンス１８が小さな値Ｌｓとなる。このとき、直列変圧器１１としての等価リアクタンスＸｓは、（１０）式に示すように、小さくなり、限流効果が損なわれる。

Ｘｓ＝Ｘ_Ｐ＋Ｌｓ・Ｌｋ／（Ｌｓ＋Ｌｋ）………………………………………（１０）
図１０は、直列変圧器１１の飽和を考慮した限流装置１２を設置した電力系統全体の等価回路図である。以上に述べた直列変圧器と、限流リアクトル６が直列に接続され、限流装置１２を構成する。直列変圧器の飽和（１２０％電圧程度）を考慮し、漏れリアクタンスは、限流リアクトル６に比べて小さい値（２０％程度）に選定する。

以上のような考慮により、直列変圧器１１が故障電流による電圧上昇で飽和したとしても、限流装置１２として故障電流の限流作用を維持することが可能となる。

本発明の一実施例による限流装置を備えた電力系統の一例概略構成図。変圧器群に直列に限流装置を設置した場合の短絡故障時の等価回路図。全変圧器群１０を、変圧器群２と３に等分に分割し、それぞれを母線４と５に接続して、負荷電流を供給する場合の短絡故障時の等価回路図。本発明の一実施例による限流装置の接続構成を示す３相結線図。限流装置の動作原理を示すため、系統側から見た一次側換算等価回路図。平常時における減流装置の動作を示す電圧補償ベクトル図。負荷用変圧器の至近端Ｆ１点に短絡故障が発生した場合のベクトル図。飽和を考慮した直列変圧器１１の等価回路図。直列変圧器１１の一次側の励磁電流と端子電圧の関係を表す特性図。直列変圧器の飽和を考慮した限流装置を含む電力系統全体の等価回路図。

符号の説明

１…電力系統、２…変圧器群、３…増設変圧器群、４，５…交流母線、６…限流リアクトル、７…直列変圧器一次側巻線、８…直列変圧器二次側巻線、９…調整用変圧器、１０…全変圧器群、１１…直列変圧器、１２…限流装置、１３…タップ切替スイッチ、１４…方向切替スイッチ、１５…直列変圧器一次側等価リアクタンス、１６…直列変圧器二次側等価リアクタンス（一次換算）、１７…調整変圧器等価電源、１８…直列変圧器の飽和を表現する可変リアクタンス、１９…電力系統１の短絡インピーダンス、２１…上位送電線の遮断器、２２１〜２２４…下位配電線の遮断器、２３１〜２３４…負荷用変圧器、２４１〜２４４…負荷、２５…遮断器、２６…電流検出器、４０…電圧制御装置、Ｆ１…故障点、Ｘ_Ｔ…変圧器群の等価リアクタンス、Ｉ…全故障電流、Ｉ_１…限流装置に分流する場合の故障電流、Ｖｅａ…調整変圧器ａ相出力電圧、Ｖｅｂ…調整変圧器ｂ相出力電圧、Ｖｅｃ…調整変圧器ｃ相出力電圧、Ｘ_Ｌ…限流リアクトル等価リアクタンス、Ｘｐ…直列変圧器一次側リアクタンス、Ｘｓ…直列変圧器二次側リアクタンス（一次換算）、Ｉａ…限流装置のａ相通過電流、Ｉｂ…限流装置のｂ相通過電流、Ｉｃ…限流装置のｃ相通過電流、ｎ…直列変圧器の変圧比、ｍ…調整変圧器のタップ比、Ｌｍ…未飽和時の直列変圧器の等価リアクタンス、Ｌｓ…飽和時の直列変圧器の等価リアクタンス、Ｖｍ…直列変圧器の定格電圧、Ｖｓ…直列変圧器の飽和電圧、Ｌｋ…直列変圧器の二次側リアクタンス（一次換算）。

Claims

限流リアクトルを備え、電力系統の事故電流を抑制する限流装置において、
前記限流リアクトルとともに系統に直列に接続され、励磁巻線を備えた直列変圧器、
系統の線間に一次側巻線が接続され、二次側巻線が前記直列変圧器の励磁巻線に接続された励磁用変圧器、
この励磁用変圧器から前記直列変圧器に到る励磁回路内に設けられ、その電圧の大きさを複数段階に切替えるタップスイッチおよびその電圧の方向を切替える方向切替スイッチ、
負荷電流または相当値を検出する電流検出手段、および
前記負荷電流が定格値以下のとき、検出した負荷電流に応じて、前記限流リアクトルによる電圧降下を相殺する方向に電圧を発生させるように、前記方向切替スイッチおよび前記タップスイッチを切替える制御手段
を備えたことを特徴とする限流装置。
請求項１における限流装置を、複数の母線のブスタイ（母線連絡線路）に接続したことを特徴とする電力系統の母線間の限流装置。