JP5784520B2 - 双方向無瞬断電源切換装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、双方向無瞬断電源切換装置に関する。

２つの無停電電源（以下、ＵＰＳと呼ぶ）の電源系統を、１つの負荷に選択的に給電するために双方向無瞬断電源切換装置（以下、ＳＴＳ：Static Transfer Switchと呼ぶ）が設置されている。なお、ＳＴＳは、多くは重要な負荷，例えば電子計算機負荷などに電力を給電するなどの場合に用いられる。

従来の一般的なＳＴＳは、２つのＵＰＳ電源系統にそれぞれ双方向のサイリスタ遮断器を介して負荷側に接続され、現在給電中のＵＰＳ電源系統に故障が発生したとき、現在給電中である一方のＵＰＳ電源系統を負荷から切り離し、他方のＵＰＳ電源系統を無瞬断で負荷側に接続し給電する構成となっている。

そこで、２つのＵＰＳ電源系統を引き込んでいるＳＴＳ盤においては、現在給電中にある一方のＵＰＳ電源系統の故障を検出したとき、このＵＰＳ電源系統に対応するのサイリスタ遮断器を消弧し、他方のＵＰＳ電源系統に対応するサイリスタ遮断器を点弧するが、これらサイリスタ遮断器の切換え時に負荷への電力供給を無停電としなければならない。

しかしながら、２つのＵＰＳ電源系統に対応するサイリスタ遮断器の消弧と点弧とを重なり時間をもって動作させる必要があるため、重なり時間内に２つのＵＰＳ電源系統相互間に若干の電圧差、位相差が生じ、健全なＵＰＳ電源系統が過負荷となり、サイリスタ遮断器に過電流が流れる問題がある。

このため、２つのＵＰＳ電源系統にそれぞれ接続されるサイリス遮断器と負荷との間にそれぞれリアクトルを設け、停電した電源系統側から切り離すまでの時間に発生する横流を抑制する機能を備えている。

ところで、このようなＳＴＳでは、ＳＴＳ内に設置される横流補償用リアクトルが２つの電源系統と負荷の条件に基づいてリアクトル値を決定しなければならない。そのため、これまでは１つのＵＰＳ電源系統に対して１台のＳＴＳを設置することが一般的と言える。

しかしながら、近年、増加傾向にある巨大なデータセンターの重要負荷に対してＳＴＳを設置する場合、データ処理を行う負荷群の数と同じ数のＳＴＳを固定設置する必要あり、イニシャルコストが非常に増大してしまう問題がある。

特開平５−２４４７３５号公報 特開平８−２８９４８５号公報

本発明が解決しようとする課題は、２つの電源系統と負荷との間に着脱可能に装着するＳＴＳ本体部を設け、２つの電源系統と負荷の条件を考慮しつつ、所望の電源系統へ無瞬断で切換えて負荷移行させる双方向無瞬断電源切換装置を提供するものである。

上記課題を解決するために、実施の形態に係る双方向無瞬断電源切換装置は、２つの電源系統を無瞬断で切換える双方向無瞬断電源切換装置であって、前記２つの電源系統にそれぞれ個別に接続される複数の入力側遮断器、複数の出力側遮断器及び前記電源系統を無瞬断で切換える負荷移行用遮断器からなる遮断器群と、前記複数の入力側遮断器の出力側及び負荷移行用遮断器の入力側にそれぞれ接続される配線ラインを取込むＳＴＳ収納盤と、このＳＴＳ収納盤内に着脱自在に装着され、前記一方の電源系統の系統電力を対応する前記入力側遮断器から前記負荷移行用遮断器を通して負荷に給電させつつ、前記複数の入力側遮断器を切換えて無瞬断で負荷移行させる引出機構付ＳＴＳ本体部とを備えた構成である。

実施形態に係る双方向無瞬断電源切換装置の概略構成を示す図。 双方向無瞬断電源切換装置の構成要素を遮断器盤とＳＴＳ盤とに分けて収納した図。 ２つの電力系統の系統電力を無瞬断で切換える動作処理手順を説明する図。 ２つの電力系統の系統電力を無瞬断で切換える図３に続く動作処理手順を説明する図。

以下、本実施形態について図面を参照して説明する。
図１及び図２は実施の形態に係る双方向無瞬断電源切換装置を説明する図であって、図１は引出可能な機構を備えた双方向無瞬断電源切換装置の構成図である。

双方向無瞬断電源切換装置は、異なる２つの交流電源（電源系統）１Ａ，１Ｂと、交流電源１Ａ，１Ｂから出力される系統電力を取り込む入力側配線遮断器２Ａ，２Ｂと、これらの入力側配線遮断器２Ａ，２Ｂを通して系統電力を取込み、これら２つの交流電源１Ａ，１Ｂを無瞬断で切換え処理する引出機構付無瞬断電源切換部（以下、引出機構付ＳＴＳ本体部と呼ぶ）３と、２つの電力系統である交流電源１Ａ，１Ｂの系統電力を、負荷４に給電するための給電経路を形成する出力側配線遮断器５Ａ，５Ｂ及び負荷移行用遮断器５Ｃとを含む構成である。

交流電源１Ａ，１Ｂは、負荷４の要求に応じて設計される各種の電源回路、電力変換回路（コンバータ・インバータ）などを含むものであって、例えばＵＰＳ電源系統がそれに該当する。

入力側配線遮断器２Ａ、２Ｂは、交流電源１Ａ，１Ｂの系統電力を引出機構付ＳＴＳ本体部３に取り込む遮断器である。

引出機構付ＳＴＳ本体部３は、入力側配線遮断器２Ａ，２Ｂの出力側配線ライン間に介在される模擬切換手段となる開閉器３１、入力側配線遮断器２Ａ，２Ｂの出力側配線ラインにそれぞれ接続されるサイリスタスイッチ３２Ａ，３２Ｂ、開閉器３１の共通端子側と各サイリスタスイッチ３２Ａ，３２Ｂとの間にそれぞれ設けられた可変形の横流補償用リアクトル３３Ａ，３３Ｂ、開閉器３１の共通端子側に接続され、負荷４を模擬する負荷模擬回路となる一次開閉器３４及び試験抵抗３５を備えている。また、Ｔ１〜Ｔ３は電流計測部、Ｔ４〜Ｔ９は電圧計測部である。

開閉器３１は、２つの交流電源１Ａ，１Ｂの系統電力を選択的に取込む役割を持っている。サイリスタスイッチ３２Ａ，３２Ｂは、２つの交流電源１Ａ，１の模擬切換時に停電しないように過度的に通電する機能を有するスイッチである。

可変形の横流補償用リアクトル３３Ａ，３３Ｂは、交流電源１Ａ，１Ｂの系統電力を切換える際に発生する横流を抑制する機能を有する。これら横流補償用リアクトル３３Ａ，３３Ｂは、引出機構付ＳＴＳ本体部３が電源系統や負荷４の条件下で使用可能となるようなリアクトル値に可変できる可変形リアクトルとなっている。

なお、引出機構付ＳＴＳ本体部３以外の機器となる入力配線用遮断器２Ａ、２Ｂ、出力側配線遮断器５Ａ，５Ｂ及び負荷移行用遮断器５Ｃは負荷４毎に設置される。

さらに、引出機構付ＳＴＳ本体部３は、箱形筐体の構成を有し、入力配線用遮断器２Ａ、２Ｂと負荷移行用遮断器５Ｃとの間に着脱自在、かつ電気的に接続可能に装着するための引出機構となっている。

引出機構は、例えば入力側配線遮断器２Ａ、２Ｂの出力配線ライン及び負荷移行用遮断器５Ｃの入力配線ラインに電気的に接続されるガイドレールや座などのガイド部材３６ａ，３７ａ，３８ａが設けられ、一方、ＳＴＳ本体部３側にはガイド部材３６ａ，３７ａ，３８ａに沿って電気的に通電可能に摺動しながら系統電力を取り込む摺動部材や回転体などの接触部材３６ｂ，３７ｂ，３８ｂが設けられている。なお、これらガイド部材３６ａ，３７ａ，３８ａや接触部材３６ｂ，３７ｂ，３８ｂは逆に設けてもよい。

図２は図１に示す単線接続構成の双方向無瞬断電源切換装置の構成部材を２つの盤に分けて収納する例を説明する図である。

すなわち、この実施形態では、専用の配線遮断器盤６と引出し可能なＳＴＳ収納盤７との２面構成とし、専用の配線遮断器盤６には負荷４毎に個別に必要な入力側配線遮断器２Ａ，２Ｂ及び出力側配線遮断器５Ａ，５Ｂ及び負荷移行用遮断器５Ｃからなる遮断機群が収納され、一方、引出し可能なＳＴＳ収納盤７内には引出機構付ＳＴＳ本体部３が着脱自在に装着できるように収納される。

従って、この双方向無瞬断電源切換装置では、ＳＴＳ収納盤７から引出機構付ＳＴＳ本体部３を引き出す際、出力側配線遮断器５Ａまたは５Ｂの何れかが投入状態となり、ＳＴＳ収納盤７内を無電圧状態とすることができるため、ＳＴＳ収納盤７に対して引出機構付ＳＴＳ本体部３は安全に引出作業、接続作業を行うことができる。

次に、双方向無瞬断電源切換装置による無瞬断切換えの動作処理手順（以下、ステップと指称する）について、図３及び図４を参照して説明する。

＊ 通常運用状態（図３（ａ）参照）
通常運用状態では、交流電源１Ａ，１Ｂから引出機構付ＳＴＳ本体部３を経由しない経路で負荷４に給電していることから、入力側配線遮断器２Ａ，２ＢがＯＦＦ、例えば出力側配線遮断器５Ａ及び負荷移行用遮断器５ＣがＯＦＦ状態であって、出力側配線遮断器５ＢがＯＮ状態で運用されている。

この状態において、仮にＳＴＳ収納盤７に引出機構付ＳＴＳ本体部３が装着されていない場合、ＳＴＳ収納盤７内に引出機構付ＳＴＳ本体部３を装着し、無瞬断の切換えに関する各ステップの処理を実行していく。

＊ ステップ１（図３（ｂ）参照）
ステップ１では、引出機構付ＳＴＳ本体部３に内蔵する負荷模擬回路を構成する一次開閉器３４をＯＮとし、計測部Ｔ１〜Ｔ６からそれぞれ電流波形、電圧波形の測定し、横流補償用リアクトル３３Ａ，３３Ｂのリアクトル調整を行う。

具体的には、入力側配線遮断器２Ａ，２ＢをＯＮとし、交流電源１Ａ，１Ｂの系統電力を引出機構付ＳＴＳ本体部３に入力した後、一次開閉器３４をＯＮとし、試験抵抗３５へ小電流を流す。

このとき、横流補償用リアクトル３３Ａ，３３Ｂのリアクトル値を最大に設定し、開閉器３１にて交互に模擬切換えを実施する。この場合、リアクトル値が大きいほど交流電源１Ａ，１Ｂ間に流れる横流量を小さくできるが、負荷４側への給電電圧が小さくなるため、横流補償用リアクトル３３Ａ，３３Ｂのリアクトル値を大→小へと変更しながら模擬切換えを繰り返し実施し、そのときの交流電源１Ａ，１Ｂと負荷４をそれぞれ最適な状態となるようにリアクトル値を調整する。

このリアクトル値の調整は、実際に開閉器３１による交互切換時に発生する電流・電圧について、電流計測部Ｔ１〜Ｔ３にて電流、電圧計測部Ｔ４〜Ｔ６にて電圧を計測しながら調整を行っていく。これら計測部Ｔ１〜Ｔ６からの計測値は、ＳＴＳ収納盤７の盤面に設置される表示装置（図示せず）に表示し、その電流波形及び電圧波形を確認しながら、無瞬断切換を実施しても安全であるかを確認する。

よって、ステップ１では、下記の処理がなされる。
・横流補償用リアクトル３３Ａ，３３Ｂを大→小に可変する。
・無瞬断切換を確認するために、試験抵抗３５に小電流を流す。
・各リアクトル値における横流量を計測する。
・事前切換時の各部波形を表示装置に表示し、ビジュアル確認する。
・事前切換確認から荷移行切換時の安全性を確認する。
従って、ステップ１においては、表示装置に表示される電流、電圧の計測結果から無瞬断切換えを実施しても安全であるかを目視確認でき、かつ、定量的に評価できるので、電源切換の安全性に対する信頼性が向上する。
次に、ステップ２〜６では、実際に無瞬断切換えを行っていく。

＊ ステップ２（図３（ｃ）参照）
ステップ２では、先ず、１次開閉器３４をＯＦＦ、負荷移行用遮断器５ＣをＯＮとする。これにより引出機構付ＳＴＳ本体部３を経由する給電経路の切換えが完了し、無瞬断切換の準備状態となる。すなわち、負荷移行用遮断器５ＣをＯＮした時点においては、電流、電圧が引出機構付ＳＴＳ本体部３を経由しない出力側配線遮断器５Ｂの経路と引出機構付ＳＴＳ本体部３を経由する負荷移行用遮断器５Ｃの経路との両方で給電する状態となるので、計測部Ｔ２，Ｔ３及びＴ５，Ｔ８，Ｔ９で電流及び電圧を計測し、それら計測値及び電流・電圧波形を表示装置に表示し確認することで、分流・負荷分担が行われていることを確認できる。

＊ ステップ３（図３（ｄ）参照）
ステップ３では、出力側配線遮断器５ＢをＯＦＦにし、引出機構付ＳＴＳ本体部３を経由する経路のみを用いて、系統電力を給電する状態を形成する。このとき、計測部Ｔ２，Ｔ３及びＴ５，Ｔ８にて電流・電圧を計測し、その計測値及び計測波形を表示装置に表示し、負荷移行が行われていることを確認できる。

＊ ステップ４（図４（ａ）参照）
ステップ４では、開閉器３１を操作することにより、交流電源１Ｂから１Ａに無瞬断切換を行う。ここでは、計測部Ｔ１，Ｔ４から引出機構付ＳＴＳ本体部３の入力側の電流・電圧を計測し、それらの波形を表示装置に表示することにより、切換時の電圧位相及び電圧波形の確認を行い、無瞬断で入力系統の切換えが行なわれたことを確認できる。

すなわち、ステップ４においては、以下の確認を行う。
・無瞬断切換時の電圧位相確認
・無瞬断切換時の電圧波形（無瞬断）の確認
・無瞬断切換時の負荷移行（電流）の確認
・表示装置にて各種の波形確認
＊ ステップ５（図４（ｂ）参照）
ステップ５では、出力側配線遮断器５ＡをＯＮとし、引出機構付ＳＴＳ本体部３を経由する負荷移行用遮断器５Ｃの経路と引出機構付ＳＴＳ本体部３を経由しない出力側配線遮断器５Ａの経路との両方の経路で負荷４に給電する構成を形成する。ここでも、ステップ２と同じく出力側配線遮断器５Ａの経路及び負荷移行用遮断器５Ｃの経路からなる２つの給電経路を形成し、計測部Ｔ１，Ｔ３及びＴ４，Ｔ７，Ｔ８から電流及び電圧を計測し、それら計測値及び波形を表示装置に表示することにより、分流・負荷分担が行われていることを確認する。

＊ ステップ６（図４（ｃ）参照）
ステップ６では、負荷移行用遮断器５ＣをＯＦＦとし、引出機構付ＳＴＳ本体部３を経由しない出力側配線遮断器５Ａの経路のみで負荷給電を行う通常状態に形成する。ここでも、該当計測部から得られる電流・電圧を計測し、その計測値及び計測波形を表示装置に表示することにより、完全に負荷移行が行われたことを確認する。

最後にＳＴＳ収納盤７から引出機構付ＳＴＳ本体部３を引出し（図４（ｄ）参照）、次のＳＴＳ盤７に引出機構付ＳＴＳ本体部３を装着し、前述する一連の無瞬断切換えの処理を行っていく。

従って、以上のような実施の形態では、２つの電源系統に対応する可変形リアクトル３３Ａ，３３Ｂを持った引出機構付ＳＴＳ本体部３を備え、一方の電源系統から他方の電源系統に無瞬断で切換える際、２つの電源系統及び負荷の条件に合うようにリアクトル値を調整し、実負荷４への切換時の安全性を確認した後、無瞬断の切換えによる負荷移行を実施するので、電源切換の安全性を向上させることができる。

また、２つの電源系統間における無瞬断切換時、２つの電源系統と負荷４との間に引出機構付ＳＴＳ本体部３を装着し、実負荷４への切換時の安全性を確認した後、無瞬断の切換えによる負荷移行を行った後、次の必要とするＳＴＳ盤７に引出機構付ＳＴＳ本体部３を装着するので、例えば、巨大なデータセンターの負荷群の数だけＳＴＳ本体部３を備えることなく、所望の電力系統に無瞬断で切換えでき、イニシャルコストが大幅に低減化できる。

なお、上記実施形態では、図３，図４に示す処理手順に従って１Ｂの電源系統から１Ａの電源系統に無瞬断の切換えを行ったが、その逆の場合に系統切換えであってもよい。

また、上記実施形態では、ＳＴＳ盤７側に表示装置を設置する例について説明したが、専用の配線遮断器盤６に取り付けてもよく、あるいは別置き形のＰＣ（パーソナルコンピュータ）に表示してもよい。

さらに、引出機構付ＳＴＳ本体部３に表示装置を取り付けるようにすれば、他の負荷給電用の電源系統の切換にも共用使用でき、更なるイニシャルコストの低減化を図ることができる。

さらに、ＳＴＳ本体部３に引出機構を設けることにより、保守点検や更新時に電源系統の運用盤とは無関係に容易に実施できるという二次的な効果も得ることができる。

さらに、上記実施の形態は、一例として提示したものであるが、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１Ａ，１Ｂ…交流電源（電源系統）、２Ａ，２Ｂ…入力側配線遮断器、３…引出機構付ＳＴＳ本体部、４…負荷、５Ａ，５Ｂ…出力側配線遮断器、５Ｃ…負荷移行用遮断器、３１…模擬切換手段となる開閉器、３２Ａ，３２Ｂ…サイリスタスイッチ、３３Ａ，３３Ｂ…横流補償用リアクトル、３４，３５…負荷模擬回路（３４…１次開閉器、３５…試験抵抗）、Ｔ１〜Ｔ３…電流計測部、Ｔ４〜Ｔ９…電圧計測部。

Claims (7)

1. ２つの電源系統を無瞬断で切換える双方向無瞬断電源切換装置において、
   前記２つの電源系統にそれぞれ個別に接続される２つの入力側遮断器、２つの出力側遮断器及び前記電源系統を無瞬断で切換える負荷移行用遮断器からなる遮断器群と、
   前記複数の入力側遮断器の出力側及び負荷移行用遮断器の入力側にそれぞれ接続される配線ラインを取込むＳＴＳ収納盤と、
   このＳＴＳ収納盤内に着脱自在に装着され、一方の電源系統の系統電力を対応する前記入力側遮断器から前記負荷移行用遮断器を通して負荷に給電させつつ、前記２つの出力側遮断器のそれぞれを介して前記負荷と接続される前記２つの入力側遮断器を切換えて無瞬断で負荷移行させる引出機構付ＳＴＳ本体部とを備えたことを特徴とする双方向無瞬断電源切換装置。
2. 請求項１に記載の双方向無瞬断電源切換装置において、
   前記遮断器群は、負荷毎に専用の遮断器群盤に収納配置したことを特徴とする双方向無瞬断電源切換装置。
3. 請求項２に記載の双方向無瞬断電源切換装置において、
   前記引出機構付ＳＴＳ本体部は、
   前記２つの電源系統の系統電力をそれぞれ対応する入力側遮断器を介して選択的に取込む模擬切換手段と、
   この模擬切換手段の出力側と前記負荷移行用遮断器との共通接続ラインに設けられ、模擬切換時に前記共通接続ラインに接続する負荷模擬用の試験抵抗を備えた負荷模擬手段と、
   前記模擬切換手段の出力側にそれぞれ接続され、前記模擬切換手段で選択的に取込む電源系統の系統電力を給電しつつリアクトル値が可変調整される可変形リアクトルとを設けたことを特徴とする双方向無瞬断電源切換装置。
4. 請求項３に記載の双方向無瞬断電源切換装置において、
   模擬切換時、前記可変形リアクトルのリアクトル値を最大に設定し、前記模擬切換手段による模擬切換えを繰返し実施し、前記可変形リアクトルのリアクトル値を最大から小へと可変し、前記２つの電源系統及び前記負荷を最適な状態となるようにリアクトル値を調整し、前記共通接続ラインから前記負荷模擬手段を切り離すことを特徴とする双方向無瞬断電源切換装置。
5. 請求項４に記載の双方向無瞬断電源切換装置において、
   前記ＳＴＳ収納盤、前記遮断器群盤及び前記引出機構付ＳＴＳ本体部の何れか１つに設置される表示手段と、
   前記引出機構付ＳＴＳ本体部の所要とする各個所に取り付けられる電流計測部及び電圧計測部とを設け、
   前記模擬切換えの実施時に前記電流計測部及び電圧計測部で計測される電流値、電圧値及びこれら電流波形、電圧波形を前記表示手段に表示し、無瞬断切換の実施を確認可能としたことを特徴とする双方向無瞬断電源切換装置。
6. 請求項５に記載の双方向無瞬断電源切換装置において、
   無瞬断切換えが可能と確認された場合、一方の出力側遮断器ＯＮによる系統電力の給電経路の他、前記負荷移行用遮断器のＯＮによる系統電力の給電経路を追加し、前記電流計測部及び電圧計測部で計測される前記両方の経路の給電状態を表す電流値、電圧値及びこれら電流波形、電圧波形を前記表示手段に表示し、分流及び負荷移行を確認することを特徴とする双方向無瞬断電源切換装置。
7. 請求項６に記載の双方向無瞬断電源切換装置において、
   前記負荷移行が可能と確認された場合、一方の出力側遮断器をＯＦＦとし、他方の出力側遮断器をＯＮとした後、前記負荷移行用遮断器をＯＦＦにし、無瞬断による負荷移行を実施することを特徴とする双方向無瞬断電源切換装置。

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