JP5421868B2 - 計器用変圧器の二次電圧の変歪補正方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明はガス絶縁開閉装置等に使用する計器用変圧器の二次電圧の変歪補正方法及びその装置に係り、特に送電線路や変圧器が電源から切離された直後の直流分を含んだ過渡的な電圧によって、鉄心が磁気飽和することで生ずる二次電圧の変歪を補正できる計器用変圧器の二次電圧の変歪補正方法及びその装置に関する。

最近の発送配電にかかわる変電所では、小型で経済的に製作できて据付面積を縮小でき、長期間使用可能なガス絶縁開閉装置（以下「ＧＩＳ」と略称する。）が用いられている。ＧＩＳは、良く知られている如く遮断器、断路器、接地開閉器やその他の機器をそれぞれ容器内に収納し、内部に封入する六弗化硫黄（ＳＦ_６）ガスのような絶縁ガスで絶縁して構成される。

５００ｋＶから１０００ｋＶの超々高圧級の送電系統においても、図３の単線結線図に示すように、送電線路の一端にブッシングを介してＧＩＳを接続、即ち主要機器のガス遮断器ＧＣＢと断路器ＤＳを直列接続し、断路器ＤＳの近辺に高速接地開閉器ＨＳＧＳや接地開閉器ＥＳ、更には線路電圧を測定する計器用変圧器ＶＴ等を設けて使用している。

送電系統のＧＩＳは、例えば落雷が原因で図３の送電線路１のある点１Ａで、地絡電流が流れたときは、ガス遮断器ＧＣＢを操作して地絡電流を遮断するように動作させる。しかし、超々高圧級の送電系統では、地絡した特定相の送電線路１は、健全な他相の送電線路との距離や他回線の送電線路との距離が小さいことから、これら健全な送電線路からの誘導電流が、地絡した送電線路１の地絡点に引き続きに流れてしまう。このため、ガス遮断器ＧＣＢを動作させて地絡電流は遮断されても、二次アークを流れる誘導電流は直ぐには消滅せず、その結果遮断器の再投入を遅らせざるを得ず、従って停電時間も長くなる現象が生ずることが知られている（例えば特許文献１参照）。

地絡した送電線路１において、できる限り短時間で地絡状態を解消するため、高速接地開閉器ＨＳＧＳが設けられており、その投入即遮断の動作により二次アークも確実かつ短時間に消滅できるようにしている。この種の高速接地開閉器ＨＳＧＳとしては、パッファ形消弧室を備えた高速接地開閉器（特許文献２参照）や、真空開閉部とガス中で開閉する開閉部を組み合せた高速接地開閉器（特許文献３参照）、或いは高速度で開閉操作可能な操作器を付加するもの等が種々提案されている。

送電線路１へのガス遮断器ＧＣＢの再投入は、最適位相を予測した同期投入制御による場合もある。高速接地開閉器ＨＳＧＳを利用した際、制御装置においてガス遮断器ＧＣＢの再投入の条件を確認するため、送電線路１の電圧測定用として、コンデンサ形計器用変圧器（ＰＤ）が使用されこともあるが、設置面積や経済性や信頼性の面で有利となる巻線形の計器用変圧器ＶＴも多く使用されている。

巻線形の計器用変圧器ＶＴの例としては、鉄心に一次巻線と二次巻線とを巻装し、これらを変圧器容器に収納して絶縁ガスを封入する構造のものがある。そして、一次巻線の一端を線路側と接続し、一次巻線の他端の低圧側は、変圧器容器とは絶縁した接地線により接地され、二次巻線の両端は遮断器の制御装置側に至る構造のガス絶縁計器用変圧器が提案されている（特許文献４参照）。

特開平５−６８３０９号公報 特開２００３−１０９４８１号公報 特開２００６−４２４７２号公報 特開２００９−１６４６４５号公報

ところが、遮断器ＧＣＢを再投入するために監視する送電線路の電圧を、巻線型の計器用変圧器で測定しようとすると、二次アークが消滅した直後又は高速接地開閉器ＨＳＧＳが遮断した直後の過渡的な電圧には直流分が残っているため、この過渡的な直流分を含む電圧で鉄心が磁気飽和してしまい、二次巻線の電圧は変歪して、正確に測定すべき一次側の電圧波形とはかけ離れたものになる場合があることが知られている。

また一方、変圧器の励磁突入電流抑制のために、遮断器等の同期投入制御を行う場合には、直前の開放操作時に変圧器鉄心に残留した磁束を求めて、最適投入位相を決める必要があるが、変圧器自身が持つ静電容量や母線などの静電容量に残る直流電荷により、上記と同様な磁気飽和が起こり、電圧波形を積分して求める変圧器の残留磁束が正確に算出できないこともあると云われている。

このように、計器用変圧器で測定した二次巻線の電圧が変歪して不正確であると、ガス遮断器ＧＣＢの再投入条件の確認が不十分となるから、二次アークが消滅したか否かの判定を誤ったり、変圧器の残留磁束算出が不正確になるため、制御装置を用いての最適位相を予測した同期投入制御が行えなくなる恐れがある。このため、過渡的な直流分を含む電圧で計器用変圧器の鉄心が磁気飽和した際でも、二次巻線の電圧の変歪を適切に補正できるようにすることが要望されてくる。

本発明の目的は、ＧＩＳに簡単に適用できて、ガス遮断器の同期投入制御等に利用できる計器用変圧器の二次電圧の変歪補正方法及びその装置を提供することにある。

本発明の計器用変圧器の二次電圧の変歪補正方法は、鉄心に巻装した一次巻線と二次巻線を有する計器用変圧器を用い、前記計器用変圧器の一次巻線の一次電流を電流検出手段にて取得すると共に二次巻線の二次電圧を取得し、前記一次電流と二次電圧とから変歪演算手段を用いて前記計器用変圧器の一次側抵抗と一次側漏れインダクタンスによる電圧降下を演算して加え、前記計器用変圧器が磁気飽和したときの二次電圧の変歪を演算して補正することを特徴としている。

また、本発明の計器用変圧器の二次電圧の変歪補正装置は、一次巻線と二次巻線を鉄心に巻装し、前記一次巻線は一端を線路側とリード線により接続しかつ他端は接地線により接地し、前記二次巻線には二次端子を設けた計器用変圧器を有し、前記一次巻線に設ける電流検出手段と、前記二次巻線の二次端子と前記電流検出手段の測定端子と接続する変歪演算手段とを備え、前記変歪演算手段により前記電流検出手段で測定した電流値と前記二次巻線の二次端子間の電圧値とから、前記計器用変圧器の一次側抵抗と一次側漏れインダクタンスによる電圧降下を演算して加え、前記計器用変圧器が磁気飽和したときの二次電圧の変歪を演算して補正することを特徴としている。

好ましくは、前記電流検出手段は一次巻線の接地線に設けて構成したことを特徴としている。また好ましくは、前記電流検出手段は一次巻線の線路側のリード線に設けて構成したことを特徴としている。

本発明の計器用変圧器の二次電圧の変歪補正方法によれば、ガス遮断器が動作して電源から切離された送電線路や変圧器などに現われる直流分を含んだ過渡的な電圧によって、計器用変圧器の鉄心が磁気飽和したときに変歪した二次電圧を比較的容易に補正できるから、ガス遮断器の同期投入制御等に活用することができる。

また、本発明の計器用変圧器の二次電圧の変歪補正装置では、一次巻線に電流検出手段を設け、二次巻線の二次端子と電流検出手段の測定端子を変歪演算手段と接続することにより、変歪演算手段を用いて電流検出手段で測定した電流値と二次巻線の電圧値から演算して極めて容易に二次電圧の変歪を補正することができる。しかも、装置全体も小型に経済的に製作できるうえ、既設のＧＩＳの計器用変圧器にも極めて容易に追加設置して使用することもできる利点がある。

本発明の一実施例である計器用変圧器の二次電圧の変歪補正装置を示す結線図である。 （ａ）は巻線形の計器用変圧器の回路図、（ｂ）は（ａ）の鉄心が磁気飽和したときの一次換算等価回路図である。 送電線に接続されるガス絶縁開閉装置を概略して示す単線結線図である。

本発明では、一次巻線と二次巻線を鉄心に巻装し、一次巻線は一端を線路側とリード線により接続しかつ他端は接地線により接地し、また二次巻線には二次端子を設けた計器用変圧器を用いている。この計器用変圧器の一次巻線には電流検出手段を設け、また計器用変圧器の二次巻線の二次端子と電流検出手段の測定端子と接続する変歪演算手段とを備えている。そして、変歪演算手段により電流検出手段で測定した電流値と二次巻線の二次端子間の電圧値とから、計器用変圧器の一次側抵抗と一次側漏れインダクタンスによる電圧降下を演算して加え、計器用変圧器が磁気飽和したときの二次電圧の変歪を演算して補正する。

以下、本発明の計器用変圧器の二次電圧の変歪補正方法及びその装置について、図１及び図２（ａ）、（ｂ）を用いて順に説明する。本発明で使用する計器用変圧器ＶＴは、図１に示すように一次巻線１２と二次巻線１３を鉄心１１に巻装し、これらを容器１０内に収納してＳＦ_６ガスの如き絶縁媒体を封入し、巻線形に構成している。電圧測定対象である母線容器２０に配置された送電線路側に連なる通電導体２１（電圧Ｖ_１）と、計器用変圧器ＶＴの一次巻線１２の一端とは、リード線１４で接続しており、他端は接地線１５によって接地している。また、計器用変圧器ＶＴの二次巻線１３は、容器１０に設けた端子箱１６から二次端子１８Ａ、１８Ｂを引き出している。

接地線１５部分には、測定端子１９Ａ、１９Ｂを有する貫通型の変流器１７を嵌合させて設け、一次巻線１２の接地電流Ｉ_Ｅを測定できるようにしており、測定端子１９Ａ、１９Ｂと二次端子１８Ａ、１８Ｂは、後述する変歪演算手段３０と接続する。なお、接地線１５に変流器１７を嵌合させて設けて使用する場合、絶縁が簡単にできるから望ましい配置であるが、これに代えて一点鎖線で示す変流器１７Ａの如く、通電導体２１と接続するリード線１４部分に嵌合して一次電流Ｉ_１を使用することもできる。更にまた、電流検出手段は変流器に限定されるものではなく、シャント抵抗、ホール素子、光偏向検出式等の他の手段を用いて一次巻線１２に設けることができる。

変流器１７には、新設のＧＩＳの計器用変圧器に組み込む場合は、貫通型の変流器を使用できるが、既設のＧＩＳの計器用変圧器に組み込んで二次電圧の変歪補正装置用とする際は、二分割型の変流器を使用すると容易に取り付けて使用することができる。

計器用変圧器ＶＴの近辺には変歪演算手段３０を設け、計器用変圧器の二次電圧の変歪補正装置を構成している。この変歪演算手段３０では、二次巻線１３の二次端子１８Ａ、１８Ｂで出力取得する二次電圧と、変流器１７の測定端子１９Ａ、１９Ｂで測定取得した一次巻線１２の一次電流とを用いて、二次電圧の変歪を演算して補正を実施する。

変歪演算手段３０は、二次端子１８Ａ、１８Ｂ及び測定端子１９Ａ、１９Ｂと接続し、二次電圧と一次電流を用いて演算する演算部３１と、演算部３１での演算結果、即ち計器用変圧器の鉄心が磁気飽和したときの二次電圧の変歪を演算して補正した結果を出力或いは表示する出力部３２を有している。この変歪演算手段３０での演算結果は、ガス遮断器の再投入の最適位相を予測して制御する同期投入制御装置側に出力して活用、又は単に出力表示のみに留めて保守用に活用することもできる。

なお、変歪演算手段３０には、記憶装置を備えて演算部３１で演算した結果を記憶させることもでき、また演算結果と記憶装置に記憶させておいた基準補正情報との比較結果を活用し、同期投入制御装置側に出力して投入制御に活用させることもできる。

上記した計器用変圧器の二次電圧の変歪補正装置を用いて、本発明の二次電圧の変歪の補正方法を以下に述べるように実施する。この補正方法の実施にあたっては、まず変流器１７にて一次巻線１２の一次電流Ｉ_Ｅを取得し、これ同時に二次巻線１３の二次電圧Ｖ_２を取得する。次に、これら一次巻線１２の一次電流Ｉ_Ｅと二次巻線１３の二次電圧Ｖ_２とから変歪演算手段３０の演算部３１を用いて二次電圧の変歪を演算して補正を実施する。

この結果、補正なしの二次電圧が、第１波目までが一次交流電圧波形に追随しているだけで、これ以降は交流分が半分以下に低下してしまうような場合であっても、本発明により補正を実施した二次電圧は、交流分は勿論、直流分についても、実用上十分な精度で一次電圧に追随させることができる。

上記したような本発明の変歪補正方法で、計器用変圧器の二次電圧の変歪補正が行えることについて、図２（ａ）及び（ｂ）を用いて説明する。図２（ａ）に示す巻線形の計器用変圧器ＶＴにおいて、それぞれ一次巻線の電圧Ｖ_１と一次電流Ｉ_１、二次巻線の電圧Ｖ_２と二次電流Ｉ_２で、巻数比ａ（＝一次巻線の巻数／二次巻線の巻数）であるとき、この二つの巻線で構成される系の汎用等価回路は、図２（ｂ）に示す計器用変圧器ＶＴの鉄心が磁気飽和したときの一次換算等価回路で模擬できることは良く知られている。

この図２（ｂ）の一次換算等価回路において、Ｌ_０は巻数比ａと一次巻線と二次巻線間の相互インダクタンスＭの積（＝ａＭ）である励磁インダクタンス、Ｉ_０は励磁電流、Ｌ_ｋ１は空心で求める一次漏れインダクタンス、Ｌ’_ｋ２は空心で求める等価回路における二次漏れインダクタンス、Ｉ’_２は等価回路における二次負荷電流、Ｖ’_２（＝ａＶ_２）は等価回路における二次負荷電圧、Ｒ_１は一次側抵抗、Ｒ’_２は等価回路における二次側抵抗、Ｌ_１は一次巻線自己インダクタンス、Ｌ_２は二次巻線自己インダクタンスをそれぞれ表している。なお、一次漏れインダクタンスＬ_ｋ１は（Ｌ_１−ａＭ）で求められ、また等価回路における二次漏れインダクタンスＬ’_ｋ２は（ａ^２Ｌ_２−ａＭ）で求められる。

この図２（ｂ）に示す鉄心が磁気飽和したときの一次換算等価回路の場合、変歪演算手段３０の演算部３１における電圧補正の式は、次の（１）式のようになる。
Ｖ_１≒Ｒ_１・Ｉ_１＋Ｌ_ｋ１・ｄＩ_１／ｄｔ＋Ｖ’_２（＝ａＶ_２） （１）
一般に、鉄心が磁気飽和していない状態と磁気飽和している状態とでは、各インダクタンス値が異なっている。二次電圧Ｖ_２の補正には、鉄心が磁気飽和している状態でのインダクタンス値を用いる。なお、一般に各漏れインダクタンスは、Ｌ_ｋ１≫Ｌ’_ｋ２なので、一次漏れインダクタンスＬ_ｋ１の値として、一次二次間の漏れインダクタンスを使うこともできる。

鉄心が磁気飽和していない状態での一次電流Ｉ_１は非常に小さいので、一次漏れインダクタンスＬ_ｋ１の値が異なっても電圧補正効果に与える影響は小さくなる。そして、計器用変圧器ＶＴの励磁電流Ｉ_０は、図２（ａ）の電源（送電線路）側である一次巻線から供給され、二次負荷電流Ｉ’_２は、鉄心が磁気飽和時の励磁電流Ｉ_０と比べると非常に小さく、二次漏れインピーダンスによる電圧降下は小さくて無視することができる。このため、図２（ｂ）の一次換算等価回路では、非線形飽和特性を有して設定が難しい励磁インダクタンスＬ_０を使うことなく、設定が容易である一次漏れインピーダンスと一次電流Ｉ_１で容易に補正することができる。また、一般にこの種計器用変圧器が有する浮遊静電容量は小さいので、その電流を無視しても、補正の精度に及ぼす影響はごく小さい。

なお、上記した本発明の計器用変圧器の一次巻線と二次巻線及び変歪演算手段を設ける装置の構成は、コンデンサ形計器用変圧器の巻線部分に同様に適用することができ、これによっても同様な効果を達成することができることは明らかである。

ＶＴ…計器用変圧器、１…送電線路、１０…容器、１１…鉄心、１２…一次巻線、１３…二次巻線、１４…リード線、１５…接地線、１７、１７Ａ…変流器、３０…変歪演算手段、３１…演算部、３２…出力部、２１…通電導体。

Claims (4)

1. 鉄心に巻装した一次巻線と二次巻線を有する計器用変圧器を用い、前記計器用変圧器の一次巻線の一次電流を電流検出手段にて取得すると共に二次巻線の二次電圧を取得し、前記一次電流と二次電圧とから変歪演算手段を用いて前記計器用変圧器の一次側抵抗と一次側漏れインダクタンスによる電圧降下を演算して加え、前記計器用変圧器が磁気飽和したときの二次電圧の変歪を演算して補正することを特徴とする計器用変圧器の二次電圧の変歪補正方法。
2. 一次巻線と二次巻線を鉄心に巻装してなり、前記一次巻線は一端を線路側とリード線により接続しかつ他端は接地線により接地し、前記二次巻線には二次端子を設けた計器用変圧器を有し、前記一次巻線に設ける電流検出手段と、前記二次巻線の二次端子と前記電流検出手段の測定端子と接続する変歪演算手段とを備え、前記変歪演算手段により前記電流検出手段で測定した電流値と前記二次巻線の二次端子間の電圧値とから、前記計器用変圧器の一次側抵抗と一次側漏れインダクタンスによる電圧降下を演算して加え、前記計器用変圧器が磁気飽和したときの二次電圧の変歪を演算して補正することを特徴とする計器用変圧器の二次電圧の変歪補正装置。
3. 請求項２において、前記電流検出手段は一次巻線の接地線に設けて構成したことを特徴とする計器用変圧器の二次電圧の変歪補正装置。
4. 請求項２において、前記電流検出手段は一次巻線の線路側のリード線に設けて構成したことを特徴とする計器用変圧器の二次電圧の変歪補正装置。

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