JP6132303B2 - 電圧調整装置 - Google Patents

Description

本発明は、柱上変圧器の低圧側の電圧を調整する電圧調整装置に関し、装置内における短絡電流や過電圧の発生を防止して、瞬時に電圧補償が可能な電圧調整装置に関する。

一般に、柱上変圧器から負荷までの配電線（低圧配電線）が長い場合、負荷の軽重に応じて配電線の電圧変動（線路電圧変動）が大きくなる。このため、電圧調整装置を設けて、配電線の電圧を調整して電力供給における電圧を安定化させている。

また、図１０に示すように、従来から配電系統に太陽光発電等の自然エネルギーを利用する分散型電源を連系するのが進んでおり、このような分散型電源が配電系統に大量に連系されると分散型電源から生じる逆潮流により配電系統の電圧が上昇して、電気事業法で規定された電圧を逸脱するおそれが生じるために、また、配電系統の電圧が上昇することによって太陽光発電が規定電圧を超え発電できなくなるために、電圧調整装置を設けて配電系統の電圧を安定化させているのが実情である。

そして、従来の電圧調整装置は、一つの対策案として図１０に示すように、主に柱上変圧器部と電圧調整部で構成され、具体的には、図４に示すように、電圧調整用直列変圧器Ｔ１、Ｔ２と、半導体スイッチのオンオフを制御する制御回路と、半導体スイッチＴＲＣ１〜１０等から成る電圧切替回路とで構成されている。

特に、電圧調整部は、半導体スイッチＴＲＣ１〜１０の導通組合せによって配電系統の電圧調整を行うものであり、この半導体スイッチＴＲＣ１〜１０は、安価で瞬時の負荷耐量が大きい特性を有するトライアックやサイリスタの逆並列接続回路から成る自然転流消弧タイプのものが使用されている。例えば、特許文献１には、この自然転流消弧タイプの半導体スイッチを電圧調整部に使用した電圧調整装置が記載されている。

しかし、この自然転流消弧タイプの半導体スイッチは、サイリスタ、トライアックのようにゲート信号をＯＦＦにしても直ちにＯＦＦにならず、半導体スイッチに交流電圧の逆電圧が負荷されるまで導通しているという特性を有している。そのために、この電圧切替え用半導体スイッチが電圧切替え時に自然転流消弧してＯＦＦする前に、次にＯＮすべき半導体スイッチをＯＮさせると、図９に示すように、短絡電流が流れる事態が発生することになる。そこで、半導体スイッチとして、この短絡電流が流れてもこの短絡電流に耐えられる極端に大きな素子（数十倍の素子）を使用しなければならないために、高価で大型化となってしまうという問題がある。

また、この短絡電流に対する対策として、図６に示すように電圧切替え前の半導体スイッチと電圧切替え後の導体スイッチの両方をＯＦＦさせるＯＦＦ−ＯＦＦ期間を設けることも行われている。直列変圧器Ｔ１の接続側（２次巻き線側）の巻き線が一時的に開放状態となるようなＯＦＦ−ＯＦＦ期間を設けると、この時に直列変圧器の１次巻き線側には負荷の電流が流れているために、図８のように２次巻き線側に大きな過電圧が発生する事態になる。そこで、２次巻き線側に接続される半導体スイッチとして、この過電圧に耐えられる素子を選定するか、又はこの過電圧を電圧抑制する特別の保護回路を設けなければならないために、やはり高価で大型化となってしまうという問題がある。

さらに、このＯＦＦ−ＯＦＦ期間を設けると、電圧切替えの指令に対して電圧切替え前に導通している半導体スイッチがＯＦＦとなるまでの期間だけ（最低でも交流半サイクルの間）待たなければならないために、半導体スイッチのＯＮ自体が高速（数μｓｅｃ）であったとしても、最低でも交流半サイクルの期間だけ待つ必要があるから、特に瞬時に電圧補償したい場合に、その分の遅れが生じてしまうという問題がある。

特開２０１２−１２５０２０号

そこで、本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、電圧調整部の電圧切替回路の短絡電流を抑制すると共に、直列変圧器の２次巻き線の解放による２次巻き線の大きな過電圧の発生を防止して、瞬時に電圧補償が可能な電圧調整装置を提供することを目的とするものである。

そして、本発明者らは、鋭意検討を行ったところ、電圧調整部の電圧切替回路の短絡電流を抑制し、直列変圧器の２次巻き線の解放による２次巻き線の大きな過電圧の発生を防止するための短絡保護回路を追加することで、従来の安価な自然転流消弧タイプの半導体スイッチの使用と定格電流の低い素子の使用が可能であること、そして、この場合に、直列変圧器の２次巻き線から発生する過電圧を抑制する従来の過電圧保護回路を設けなくてもその応答性を著しく改善することができることを知見し、本発明に至ったものである。

すなわち、本発明は、電圧調整用直列変圧器と、半導体スイッチのオンオフを制御する制御回路と、この制御回路からの信号がＯＦＦしても交流電圧の逆電圧が負荷されるまで導通している自然転流消弧タイプの半導体スイッチを有する電圧切替回路から成る電圧調整部とを備えた電圧調整装置であって、前記電圧切替回路の電圧取出し側に、短絡電流を抑制する制限抵抗と該制限抵抗をショートする半導体スイッチとから成る短絡保護回路を設けたことを特徴とするものである。

本発明によれば、電圧調整部に制限抵抗等から成る短絡保護回路を設けて、短絡電流を抑制しているから、安価な自然転流消弧タイプの半導体素子の使用ができ、素子の定格電流を大幅に下げることができるし、ＯＦＦ−ＯＦＦ期間を設ける必要がなく、従来のものと比べて、応答が速いというメリットがある。また、電圧調整用直列変圧器の２次巻き線側の開放がないから、２次巻き線から発生する過電圧の発生もなく、素子の定格電圧を大幅に上げることも、また過電圧に対する保護回路等の特別の措置を取ることもない。

本発明の電圧調整装置の構成図である。 本発明の電圧調整部のタイムチャート図である。 本発明の電圧調整部のフロー図である。 従来の電圧調整装置の構成図である。 従来の電圧調整部のタイムチャート図である。 従来の電圧調整部の動作例（１）のフロー図（１）である。 従来の電圧調整部の動作例（２）のフロー図（２）である。 従来の電圧調整部の動作例（１）を示す図である。 従来の電圧調整部の動作例（２）を示す図である。 配電システムの構成例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について説明するが、本発明はこの実施態様に限定されるものではない。図１は、本発明の電圧調整装置４の構成図である。本発明の電圧調整装置４は、図１０に示すように、配電用変電所１に連系する高圧線２と負荷５−１〜５−３や太陽光発電６−１〜６−３が接続される低圧線３との間に設置され、低圧線３の電圧が規定値の範囲内になるように電圧上昇又は電圧降下に対応して電圧調整を行うものであり、柱上変圧器部１０と電圧調整部２０とから主に構成されている。

そして、電圧調整装置４の柱上変圧器部１０は、図１に示すように、Ｒ相側とＳ相側にそれぞれ接続された電圧調整用直列変圧器Ｔ１、Ｔ２を有すると共に、電圧調整部２０は、半導体スイッチのオンオフを制御する制御回路２１０と、半導体スイッチ（トライアックＴＲＣ１〜ＴＲＣ１０）等から成る電圧切替回路２００を有し、この電圧切替回路２００の電圧取出し側には、短絡電流を抑制する制限抵抗Ｒ１、Ｒ２とこの制限抵抗Ｒ１、Ｒ２をショートする半導体スイッチ（トライアックＴＲＣ１１、ＴＲＣ１２）とから成る短絡保護回路２２０が設けられている。

また、本発明の電圧調整部２０は、低圧線３のＲ−Ｎ相側とＳ−Ｎ相側に接続され、半導体スイッチのオンオフを制御する制御回路２１０からのゲート信号に基づいて、低圧線３の末端電圧が規定値の範囲内になるように、半導体スイッチから成るトライアックＴＲＣ１〜ＴＲＣ１０のＯＮ又はＯＦＦによって補償電圧を変えて、末端電圧の電圧上昇又は電圧降下に対応して電圧調整を行うものである。

本発明の短絡保護回路２２０は、図１に示すように、電圧調整部２０の電圧切替回路２００に直列に設けられ、Ｒ相側では、短絡保護時にＯＦＦさせるためのトライアックＴＲＣ１１とこれと並列に接続された制限抵抗Ｒ１とで構成されると共に、一方のＳ相側でも、同様にトライアックＴＲＣ１２とこれと並列に接続された制限抵抗Ｒ２とで構成される。また、この短絡保護回路２２０は、図２のタイムチャート図及び図３のフロー図に示すタイミングでゲート信号を生成する半導体スイッチのオンオフを制御する制御回路２１０等に接続されている。

このように、本発明の電圧調整部２０には、その電圧切替回路の電圧取出し側に短絡保護回路２２０が設けられているから、電圧切替え前・後の制限抵抗Ｒ１、Ｒ２をショートするトライアックＴＲＣ１１及びＴＲＣ１２をＯＦＦとして、電圧切替え時に電圧切替え前に導通していた半導体スイッチと電圧切替え後に導通させる半導体スイッチとの両方の半導体スイッチのそれぞれに、同時にＯＦＦ信号とＯＮ信号を加えて導通させたとしても、図９に示す短絡電流の流れを図１の制限抵抗Ｒ１、Ｒ２で制限することができる。したがって、半導体スイッチとして短絡電流に耐えられる極端に大きな素子を選定しなくてもよいことになる。

本発明の短絡保護回路２２０では、制限抵抗Ｒ１、Ｒ２を定常時はショートさせるようにしている。この制限抵抗Ｒ１、Ｒ２を定常時にショートさせずに常時挿入したままの状態とすると、制限抵抗Ｒ１、Ｒ２の損失が増大し、定常時の電圧調整装置の効率が低下してしまうことになる（例えば、電圧調整部の損失が約２倍となる）。一方、本発明のように、定常時は制限抵抗Ｒ１、Ｒ２をショートさせるようにすると、短時間定格（１秒間なら約３０倍の損失が可能）の抵抗器を使用することができるので、制限抵抗器を大幅に小型化することが可能となる。

また、通常、電圧調整部２０は、密閉型屋外ケースに内蔵・設置されているが、このような設置状態で常に制限抵抗Ｒ１、Ｒ２を挿入したままにすると、内部損失の増大に伴う熱を放熱させるための措置が必要となる。そのために装置が大型化してしまうことになるが、本発明では、電圧切り替え時の期間のみ制限抵抗Ｒ１、Ｒ２を挿入し、定常時はショートさせるようにしているから、放熱のための措置が不要で装置の小型化が可能となる。
さらに、本発明の短絡保護回路２２０では、半導体スイッチが用いられるが、これは、本発明の電圧切り替え時の期間が数サイクルと短いために、機械的スイッチでは動作遅れがあり時間がかかってしまうからである。

本発明では、このような短絡保護回路を設けて電圧切り替え時にこれを動作させるので、切り替え前に導通していた半導体スイッチと切り替え後に導通させる半導体スイッチを同時にＯＮ信号としても短絡電流が流れず、同時にＯＮ信号を加えることができるから、ＯＦＦ−ＯＦＦ期間を設ける必要がない。したがって、従来のような短絡を防止するために余裕をみた待ちの期間を設けることがなく、瞬時に電圧補償することができるから、応答が速くなる。また、従来装置のような電圧調整用直列変圧器Ｔ１、Ｔ２の２次巻き線側の開放がなく、過電圧の発生もないから、過電圧に対する保護回路等の特別の措置を取る必要もない。

次に、本発明の電圧調整部２０の動作例について具体的に説明するが、この動作例の理解を容易にするために、ここで、先ず、従来の電圧調整部の動作例について説明する。

図４は、従来の電圧調整装置の構成図であり、この構成の一つである電圧調整部２０を図５に示すタイムチャート図と図６及び図７に示すフロー図に従ってそれぞれ動作させた場合に、従来の電圧調整装置では、電圧調整用直列変圧器Ｔ１の２次巻き線側の開放に伴ってこの２次巻き線に過電圧が発生したり、又は電圧調整部の電圧切替回路に短絡電流が流れる事態となる。

図６及び図８は、従来の電圧調整部の動作例（１）を示すものである。この動作例（１）は、Ｒ相側について、図６のフロー図（１）に示すように、例えば、０Ｖから−２．５Ｖの電圧調整に切替える例であり、切替え前のトライアックＴＲＣ２が自然転流でＯＦＦとなるのを待ってから、切替え後のトライアックＴＲＣ５をＯＮとするものである。そして、この動作例（１）では、図８に示すように、トライアックＴＲＣ２とトライアックＴＲＣ５は両方ともＯＦＦとなるＯＦＦ−ＯＦＦ期間となり、この時に、電圧調整用直列変圧器Ｔ１の２次巻き線側は、図６に示すように、開放されて２次巻き線に過電圧が発生する事態となる。
なお、トライアックＴＲＣ２がゲート信号の無くなってから自然転流でＯＦＦするまでの時間は、正弦波電圧がゼロとなる時間が不確定であるために、短絡しないように余裕をみてＯＦＦ−ＯＦＦ時間を確保しなければならないので、その分だけ時間が長くなってしまうという問題がある。

また、図７及び図９は、従来の電圧調整部の動作例（２）を示すものである。この動作例（２）は、図７のフロー図（２）に示すように、切り替え信号をもとにトライアックＴＲＣ２のＯＦＦとトライアックＴＲＣ５のＯＮを同時に動作させた場合に、トライアックＴＲＣ２が自然転流でＯＦＦとなる前にトライアックＴＲＣ５をＯＮとするものである。そして、この動作例（２）では、トライアックＴＲＣ５とＴＲＣ２が同時にＯＮである状態となるから、図９に示すように、短絡電流が短絡電流経路に沿って流れる事態となる。
なお、図５は、このような動作例（１）及び動作例（２）についてのタイムチャート図を示すものである。

これに対して、本発明の電圧調整部２０の動作例では、図２及び図３に示すように、Ｒ相側について、例えば、０Ｖから−２．５Ｖの電圧調整に切替える場合に、最初に短絡保護回路２２０のトライアックＴＲＣ１１を一旦ＯＦＦとして、その後に切り替え信号に基づいてトライアックＴＲＣ５のＯＮとトライアックＴＲＣ２のＯＦＦを同時にゲート信号を送り、切替えるトライアックＴＲＣ５がＯＮとなり、トライアックＴＲＣ２を自然転流でＯＦＦとなるものである。また、トライアックＴＲＣ５はゲート信号のＯＦＦ後に自然転流によってＯＦＦとなり、その後に、ＯＦＦとしていた短絡保護回路２２０のトライアックＴＲＣ１１をＯＮとし、制限抵抗をショートするものである。

そして、本発明の電圧調整部２０をこのように動作させることによって、トライアックＴＲＣ５とトライアックＴＲＣ２とを同時にＯＮとしても、短絡保護回路２２０によって短絡電流が抑制されることになるから、従来の電圧調整部のように、電圧調整部の電圧切替回路の短絡電流を避けるためにトライアックＴＲＣ５の動作を遅らせる必要はなく、したがって、従来のようなトライアックＴＲＣ５のＯＮを遅らせるためのＯＦＦ−ＯＦＦ期間を設ける必要もないから、応答を従来のものと比べて速くすることができる。
また、電圧調整用直列変圧器Ｔ１、Ｔ２の２次巻き線側に大きな過電圧が発生することもないから、２次巻き線側に接続された半導体スイッチとしてこの過電圧に耐えられる素子を選定することもなく、この過電圧に対する電圧抑制のための保護回路などの措置を取ることもない。

例えば、具体的な動作例として、補償電圧を＋５Ｖ、＋２．５Ｖ、０Ｖ、−２．５Ｖ、−５Ｖとする場合、電圧切替回路を構成するトライアックＴＲＣ１〜ＴＲＣ１０を半導体スイッチのオンオフを制御する制御回路２１０からのゲート信号に基づいて、次の表１に示すように、ＯＮ又はＯＦＦすることで電圧調整用直列変圧器Ｔ１、Ｔ２の１次側の電圧を調整することができ、また電圧調整装置の出力側の配電系統の電圧を調整することができる。

具体的には、一例として低圧線３の末端電圧が規定値の電圧以上であれば、最初に補償電圧を−２．５Ｖとし、まだ末端電圧が規定値の電圧以上であれば、さらに補償電圧を−５Ｖとする。一方、末端電圧が規定値の電圧未満であれば、最初に補償電圧を＋２．５Ｖとし、まだ末端電圧が規定値の電圧未満であれば、さらに補償電圧を＋５Ｖとして調整することができる。例えば、補償電圧を−２．５Ｖとするときには、トライアックＴＲＣ２、ＴＲＣ５をＯＮさせて１００Ｖの電圧を電圧調整用直列変圧器Ｔ１の２次巻き線側に印加させることで、電圧調整用直列変圧器Ｔ１の１次巻き線側に−２．５Ｖを発生させて電圧調整を行うことができる。

以上のように、本発明の電圧調整装置４では、低圧線３の電圧調整を行う場合に、電圧調整部２０に制限抵抗Ｒ１、Ｒ２等から成る短絡保護回路２２０を設けることによって、電圧調整部の電圧切替回路の短絡電流を制限することができるから、従来のＯＦＦ−ＯＦＦ期間の待ちがなく、瞬時に電圧補償することができる。また、これにより安価なトライアック、サイリスタ等の自然転流素子が使用できる。

本発明は、単相３線ではなく、３相３線で三相回路に短絡保護回路を接続した構成の電圧調整装置にも利用することができるし、低圧線ではなく高圧線の電圧調整用直列変圧器による電圧補償の場合にも利用できることは言うまでもない。
また、本発明は、自然転流消弧タイプの半導体スイッチで、例えばトライアック又は逆並列接続されたサイリスタを使用する場合に有効であるが、このタイプの半導体スイッチの他に、機械的スイッチを使用する場合にも適用可能であり、また自己消弧形半導体スイッチに適用してもよい。これらは、電圧調整部の半導体スイッチと短絡保護回路の半導体スイッチの両方又はいずれか一方の適用でも良い。さらに、線路電圧引き込み点は、直列変圧器の入力側でも出力側でもよく、短絡保護回路は、短絡電流が流れる経路であれば、その経路のどの位置に設けても利用可能である。その他、短絡保護回路２２０の構成は、抵抗器ではなくリアクトル等でもよい。

１ 配電用変電所
２ 高圧線
３ 低圧線
４ 電圧調整装置
５ 負荷
６ 太陽光発電
１０ 柱上変圧器部
２０ 電圧調整部
２１０ 半導体スイッチのオンオフを制御する制御回路
２２０ 短絡保護回路
Ｒ１、Ｒ２ 制限抵抗
ＴＲＣ１〜ＴＲＣ１２ 半導体スイッチ（トライアック）
Ｔ１、Ｔ２ 電圧調整用直列変圧器
２００ 電圧切替回路

Claims (1)

1. 電圧調整用直列変圧器と、半導体スイッチのオンオフを制御する制御回路と、該制御回路からの信号がＯＦＦしても交流電圧の逆電圧が負荷されるまで導通している自然転流消弧タイプの半導体スイッチを有する電圧切替回路から成る電圧調整部とを備えた電圧調整装置であって、前記電圧切替回路の電圧取出し側に、短絡電流を抑制する制限抵抗と該制限抵抗をショートする半導体スイッチとから成る短絡保護回路を設けたことを特徴とする電圧調整装置。

Images