JP6411068B2

JP6411068B2 - 電線インピーダンス整合装置及びシステム

Info

Publication number: JP6411068B2
Application number: JP2014104947A
Authority: JP
Inventors: 水野　克美; 克美水野
Original assignee: 株式会社関電工
Priority date: 2014-05-21
Filing date: 2014-05-21
Publication date: 2018-10-24
Anticipated expiration: 2034-05-21
Also published as: JP2015220943A

Description

本発明は、多条敷設の電線の各電線のインピーダンスを整合させる電線インピーダンス整合装置及びシステムに関する。

低圧大容量の電路では、一般にバスダクトなどが使用される。また、バスダクトに代えて施工性や省コストの面から低圧ケーブル（電線）を多条敷設する場合がある（例えば、特許文献１参照）。この場合、多条の各電線に均等に電流が分布したとして許容電流を算出するが、実際は電路の配置や接触抵抗の違いから負荷電流が各条の電線に均等に分布せず、特定の条の電線に負荷電流が集中して流れ過熱状態になる場合がある。これは、多条敷設された各電線の接続の接触抵抗や他の条からの相互インダクタンスの影響により、インピーダンスのバラツキが生じるためと考えられる。

各条の電線に流れる負荷電流にアンバランスが生じると、特定の電線の電流が大きくなりその電線が焼損することがある。そこで、各条の電線の負荷電流にアンバランスが生じても、各電線が焼損が発生しないように電流容量の大きい電線を採用している。

特開２００２−１２２６２７号公報

しかし、電流容量の大きい電線を採用するとコスト高になり、電線も太くなることから付設工事も難しくなる。また、負荷の増設などで負荷電流が増加した場合、多条敷設の電線に対して不足分の電流容量の電線（条）を追加することになるが、追加する条の電線は、既設の電線と同じ電流容量の電線だけでなく、異なる電流容量の電線を追加することがあり、その場合であっても、各条の電線に流れる負荷電流にアンバランスが生じないようにしなければならない。

そこで、本出願人は、各電線に流れる電流がバランスするように各電線のインピーダンスを整合させて各電線に流れる電流のアンバランスを抑制できるものを開発し、特願２０１３−１０５８３３号として出願した。

これは、特願２０１３−１０５８３３号の請求項５に示される通り、中央部に貫通孔を有し貫通孔を貫通した電線の電流により磁気回路を形成する閉じた鉄心を設け、ｎ（ｎ＝２、３、４、…）条の電線の２つの電線の組合せ_ｎＣ_２のうちから必ずｎ条の各条の電線を含む少なくともｎ−１個の組合せを選択し、選択した２つの電線を組にして２つの電線の電流により発生する磁束が互いに打ち消される方向にそれぞれ組ごとに別々の鉄心の貫通孔に貫通させるものである。

この特願２０１３−１０５８３３号のものは、鉄心の貫通孔には２つの電線を貫通させ、２つの電線の電流により発生する磁束が互いに打ち消される方向に２つの電線を貫通するものであることから、２つの電線を鉄心の貫通孔に逆方向から貫通させなければならない。従って、施工性に改善の余地がある。

本発明の目的は、多条敷設の各電線に流れる電流のアンバランスを抑制でき、しかも施工性の向上を図ることができる電線インピーダンス整合装置及びシステムを提供することである。

本発明の電線インピーダンス整合装置は、ｎ（ｎ＝２、３、４、…）条の電線の１条めの電線からｎ条めの電線にそれぞれ対応して設けられたｎ個の閉じた鉄心と、前記閉じた鉄心を貫通した１条めの電線からｎ条めの電線を流れる電流による磁束の総和を打ち消す方向に前記ｎ個の閉じた鉄心を貫通して設けられたループ電線とを備え、一次側の巻線が巻き数１で二次側の巻線が巻き数１の変成器を形成し、二次側である前記ループ電線に流れる電流を調整し一次側である鉄心を貫通した電線に流れる電流を調整するための電流調整手段である可変抵抗を設け、前記電流調整手段は、前記一次側であるｎ条の電線に流れる電流を定格状態にするときは前記可変抵抗の抵抗値を所定値に保ち、前記一次側であるｎ条の電線に流れる電流を不平衡状態に模擬するときは前記抵抗値を∞状態にすることを特徴とする。

本発明によれば、ｎ条の電線の１条めの電線からｎ条めの電線を各々の閉じた鉄心に貫通させ、各々の鉄心に貫通して設けられたループ電線を有し、一次側の巻線が巻き数１で二次側の巻線が巻き数１の変成器を形成し、１条めの電線からｎ条めの電線を流れる電流による磁束の総和を打ち消す方向に電流を発生させるので、磁束を互いに打ち消すことができ多重敷設の各電線のインピーダンスを整合させることができる。従って、各電線に流れる電流のアンバランスを抑制できる。また、各々の電線を各々の鉄心に貫通させるだけであるので、施工性が大幅に改善される。電流調整手段である可変抵抗の抵抗値を変化させることによって、ループ電線を流れる電流Ｉｘを調整し、一次側であるｎ条の電線に流れる電流を不平衡状態に模擬できる。

本発明の第１実施形態に係る電線インピーダンス整合装置の構成図。本発明の第１実施形態に係る電線インピーダンス整合装置を１相の電線が４条である電路に適用した場合の回路図。本発明の第１実施形態に係る電線インピーダンス整合装置を１相の電線が４条である電路に適用した場合の電流のアンバランス抑制の説明図。本発明の第２実施形態に係る電線インピーダンス整合装置の構成図。本発明の第３実施形態に係る電線インピーダンス整合装置の構成図。本発明の第４実施形態に係る電線インピーダンス整合装置の構成図。本発明の第５実施形態に係る電線インピーダンス整合システムの構成図。本発明の第６実施形態に係る電線インピーダンス整合システムの構成図。本発明の第７実施形態に係る電線インピーダンス整合システムの構成図。本発明の第８実施形態に係る電線インピーダンス整合システムの構成図。

以下、本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る電線インピーダンス整合装置の構成図である。電線インピーダンス整合装置は、ｎ個の閉じた鉄心と、ｎ個の閉じた鉄心を貫通して設けられたループ電線とから構成される。図１では１相の電線が４条であり、４個の閉じた鉄心１１ａ〜１１ｄを有したものを示している。

鉄心１１ａ〜１１ｄには、各々の鉄心１１ａ〜１１ｄを貫通したループ電線１２が設けられている。また、各々の鉄心１１ａ〜１１ｄには、４条の電線１３ａ〜１３ｄが１条ずつ貫通する。各々の電線１３ａ〜１３ｄに流れる電流Ｉａ〜Ｉｄは、各電線の接続の接触抵抗や他の条からの相互インダクタンスの影響によりアンバランスが生じていると考えられる。

ループ電線１２には、鉄心１１ａ〜１１ｄを貫通した電線１３ａ〜１３ｄを流れる電流Ｉａ〜Ｉｄによる磁束の総和を打ち消す方向に電流Ｉｘが流れる。これは、鉄心１１ａ〜１１ｄを貫通した４条の電線１３ａ〜１３ｄが一次側の巻線であり、ループ電線１２が二次側の巻線とする変成器が形成されるためである。４条の電線１３ａ〜１３ｄやループ電線１２は鉄心を貫通するだけであるので、鉄心１１ａ〜１１ｄへの巻き数は１であるとする。従って、鉄心１１ａ〜１１ｄの変流比は同じものとなり、各電線１３ａ〜１３ｄに流れる電流１３ａ〜１３ｄは均等になる。

図２は、本発明の第１実施形態に係る電線インピーダンス整合装置を１相の電線が４条である電路に適用した場合の回路図である。電源１４から負荷１５までの電線１３が４条の電線１３ａ〜１３ｄであり、電線１３ａ〜１３ｄは、インダクタンスＬａ〜Ｌｄ、抵抗Ｒａ〜Ｒｄを有している。鉄心１１ａ〜１１ｄには、４条の電線１３ａ〜１３ｄが１条ずつ貫通し、また、ループ電線１２が共通して貫通している。

電源１４からの負荷電流Ｉ０は、電線１３ａ〜１３ｄに流れる電流Ｉａ〜Ｉｄに分流する。この場合、電線１３ａ〜１３ｄのインダクタンスＬａ〜Ｌｄ、抵抗Ｒａ〜Ｒｄなどの影響により、電線１３ａ〜１３ｄに流れる各電流Ｉａ〜Ｉｄの間に差分ΔＩ（ΔＩａｂ＝Ｉａ−Ｉｂ、ΔＩｂｃ＝Ｉｂ−Ｉｃ、ΔＩｃｄ＝Ｉｃ−Ｉｄ、ΔＩｄａ＝Ｉｄ−Ｉａ）が発生するが、ループ電線１２には、鉄心１１ａ〜１１ｄを貫通した電線１３ａ〜１３ｄに流れる電流Ｉａ〜Ｉｄによる磁束の総和を打ち消す方向に電流Ｉｘが流れるので、その差分ΔＩ（＝ΔＩａｂ、ΔＩｂｃ、ΔＩｃｄ、ΔＩｄａ）は最終的に零に近づく。従って、電線１３ａ〜１３ｄに流れる電流がバランスするように各電線１３ａ〜１３ｄのインピーダンスを整合させることができ、電線１３ａ〜１３ｄに流れる電流Ｉａ〜Ｉｄのアンバランスを抑制できる。

図３は、本発明の第１実施形態に係る電線インピーダンス整合装置を１相の電線が４条である電路に適用した場合の電流のアンバランス抑制の説明図であり、図３（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る電線インピーダンス整合装置を用いた場合の電流波形図、図３（ｂ）は電線インピーダンス整合装置を用いなかった場合の電流波形図である。

図３（ｂ）に示すように、電線インピーダンス整合装置を用いなかった場合には、４条の各電線に流れる電流は大きさ及び位相がずれているが、本発明の第１実施形態に係る電線インピーダンス整合装置を用いた場合には、４条の各電線に流れる電流は大きさ及び位相はほぼ同じとなり、各電線１３ａ〜１３ｄに流れる電流Ｉａ〜Ｉｄのアンバランスを抑制できることがわかる。

図４は本発明の第２実施形態に係る電線インピーダンス整合装置の構成図である。この第２実施形態は、図１に示した第１実施形態に対し、ループ電線１２に流れる電流を調整するための電流調整手段１６を設けたものである。図１と同一要素には、同一符号を付し重複する説明は省略する。

前述したように、閉じた鉄心１１ａ〜１１ｄに４条の電線１３ａ〜１３ｄ及びループ電線１２を貫通させると、一次側の巻線が巻き数１の４条の電線１３ａ〜１３ｄ、二次側の巻線が巻き数１のループ電線１２である変成器が形成される。ここで、変成器には、動作特性として定電流範囲と定電圧範囲とがある。定電流範囲とは、二次電流として定電流を出力し定電流源として動作する範囲であり、一方、定電圧範囲とは、二次電圧として定電圧を出力し定電圧源として動作する範囲である。定電流範囲を使用すると変流器となり、定電圧範囲を使用すると変圧器となる。

本発明の第２実施形態では、鉄心１１ａ〜１１ｄは定電流範囲と定電圧範囲との中間領域で使用する。変成器が定電流範囲（変流器）であるときは、定電流源として動作するので、二次側回路の電流Ｉｘは一次側電流の総和（Ｉａ＋Ｉｂ＋Ｉｃ＋Ｉｄ）で定まり、二次側電圧は二次側の回路状態により変化することになる。一方、変成器が定電圧範囲（変圧器）であるときは、定電圧源として動作するので、二次側回路の電圧は一次側電圧で定まり、二次側電流は二次側回路状態により変化することになる。

本発明の第２実施形態では、鉄心１１ａ〜１１ｄは定電流範囲と定電圧範囲との中間領域で使用するので、変流器と変圧器との双方の特性を有することになる。すなわち、変流器の特性から、鉄心１１ａ〜１１ｄを貫通した電線１３ａ〜１３ｄを流れる電流Ｉａ〜Ｉｄによる磁束の総和を打ち消す方向に電流Ｉｘが流れ、その差分ΔＩ（＝ΔＩａｂ、ΔＩｂｃ、ΔＩｃｄ、ΔＩｄａ）も最終的に零に近づく。一方、変圧器の特性から二次側の回路状態を変化させることにより二次側電流Ｉｘを変化させることができる。

そこで、本発明の第２実施形態では、鉄心１１ａ〜１１ｄの二次側回路のループ電線１２に流れる電流を調整するための電流調整手段１６を設け、二次側回路であるループ電線１２を流れる電流Ｉｘを調整可能とする。電流調整手段１６としては、例えば、可変抵抗を用いる。電流調整手段１６である可変抵抗の抵抗値を変化させることによって、ループ電線１２を流れる電流Ｉｘを調整し、一次側である４条の電線１３ａ〜１３ｄに流れる電流Ｉａ〜Ｉｄを調整する。

これにより、一次側である４条の電線１３ａ〜１３ｄに流れる電流Ｉａ〜Ｉｄを、不平衡、軽負荷〜定格〜過負荷を模擬することができる。
（ａ）不平衡状態にするには、電流調整手段（可変抵抗）１６の抵抗値を∞状態（開放）にする。
（ｂ）軽負荷状態にするには、電流調整手段（可変抵抗）１６の抵抗値を大きくする。
（ｃ）定格状態にするには、電流調整手段（可変抵抗）１６の抵抗値を所定値に保ち変化させない。
（ｄ）過負荷状態にするには、電流調整手段（可変抵抗）１６の抵抗値を小さくする。

第２実施形態によれば、電流調整手段１６である可変抵抗の抵抗値を変化させることによって、ループ電線１２を流れる電流Ｉｘを調整し、一次側である４条の電線１３ａ〜１３ｄに流れる電流Ｉａ〜Ｉｄを調整するので、一次側である４条の電線１３ａ〜１３ｄに流れる電流Ｉａ〜Ｉｄを、不平衡、軽負荷〜定格〜過負荷を模擬することができる。

図５は本発明の第３実施形態に係る電線インピーダンス整合装置の構成図である。この第３実施形態は、図１に示した第１実施形態に対し、閉じた鉄心１１ａ〜１１ｄへのループ電線１２の巻き数を異ならせて閉じた鉄心１１ａ〜１１ｄの変流比を異ならせたものである。図１と同一要素には、同一符号を付し重複する説明は省略する。

４条の電線１３ａ〜１３ｄの電流容量が同一であり、閉じた鉄心１１ａ〜１１ｄの変流比が同一である場合には、二次側のループ電線１２に流れる電流Ｉｘにより、電線１３ａ〜１３ｄに流れる電流Ｉａ〜Ｉｄのアンバランスを抑制できる。一方、４条の電線１３ａ〜１３ｄの電流容量が異なり、閉じた鉄心１１ａ〜１１ｄの変流比が同一である場合には、二次側のループ電線１２に流れる電流Ｉｘにより、電線１３ａ〜１３ｄに流れる電流Ｉａ〜Ｉｄのアンバランスを抑制することになるので、電流容量が異なる４条の電線１３ａ〜１３ｄに均等に電流が流れるように作用する。この場合、電流容量が小さい電線に電流容量を超えた電流が流れる恐れがある。

そこで、第３実施形態では、電線１３ａ〜１３ｄの電流容量に応じて、鉄心１１ａ〜１１ｄへのループ電線１２の巻き数を異ならせて鉄心１１ａ〜１１ｄの変流比を異ならせ、電流容量が小さい電線に電流容量を超えた電流が流れないようにする。図５において、鉄心１１ａは変流比が１、鉄心１１ｂは変流比が３、鉄心１１ｃは変流比が２、鉄心１１ｄは変流比が４の場合を示している。これにより、電線１３ｂは電線１３ａの１／３の電流容量の電線を使用でき、電線１３ｃは電線１３ａの１／２の電流容量の電線を使用でき、電線１３ｄは電線１３ａの１／４の電流容量の電線を使用できる。このように、第３実施形態によれば、電流容量が異なる電線１３ａ〜１３ｄを使用でき、電流容量が小さい電線に電流容量を超えた電流が流れないようにできる。

図６は、本発明の第４実施形態に係る電線インピーダンス整合装置の構成図である。この第４実施形態は、図５に示した第３実施形態に対し、図４に示した第２実施形態の電流調整手段１６を設けたものである。図５と同一要素には、同一符号を付し重複する説明は省略する。

図６において、電流調整手段１６は、ループ電線１２に流れる電流を調整するものであり、例えば、可変抵抗が用いられる。これにより、第２実施形態及び第３実施形態の効果を併せ持つ電線インピーダンス整合装置を得ることができる。

図７は、本発明の第５実施形態に係る電線インピーダンス整合システムの構成図である。この第５実施形態は、図１に示した第１実施形態の電線インピーダンス整合装置を多段に設けたものである。多段に設けることにより、第１実施形態の効果に加え、各電線１３ａ〜１３ｄに流れる電流Ｉａ〜Ｉｄのアンバランスをより抑制できる。

図８は、本発明の第６実施形態に係る電線インピーダンス整合システムの構成図である。この第６実施形態は、図４に示した第２実施形態の電線インピーダンス整合装置を多段に設けたものである。多段に設けることにより、第２実施形態の効果に加え、各電線１３ａ〜１３ｄに流れる電流Ｉａ〜Ｉｄのアンバランスをより抑制できる。

図９は、本発明の第７実施形態に係る電線インピーダンス整合システムの構成図である。この第７実施形態は、図５に示した第３実施形態の電線インピーダンス整合装置を多段に設けたものである。多段に設けることにより、第３実施形態の効果に加え、各電線１３ａ〜１３ｄに流れる電流Ｉａ〜Ｉｄのアンバランスをより抑制できる。

図１０は、本発明の第８実施形態に係る電線インピーダンス整合システムの構成図である。この第８実施形態は、図６に示した第４実施形態の電線インピーダンス整合装置を多段に設けたものである。多段に設けることにより、第４実施形態の効果に加え、各電線１３ａ〜１３ｄに流れる電流Ｉａ〜Ｉｄのアンバランスをより抑制できる。

以上の説明では、１相の電線１３が４条の電線１３ａ〜１３ｄに対して電線インピーダンス整合装置及び電線インピーダンス整合システムを適用した場合について説明したが、ｎ（ｎ＝２、３、４、…）条の電線に対して適用できる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、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。これらの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。

１１…鉄心、１２…ループ電線、１３…電線、１４…電源、１５…負荷、１６…電流調整手段

Claims

ｎ（ｎ＝２、３、４、…）条の電線の１条めの電線からｎ条めの電線にそれぞれ対応して設けられたｎ個の閉じた鉄心と、
前記閉じた鉄心を貫通した１条めの電線からｎ条めの電線を流れる電流による磁束の総和を打ち消す方向に前記ｎ個の閉じた鉄心を貫通して設けられたループ電線とを備え、
一次側の巻線が巻き数１で二次側の巻線が巻き数１の変成器を形成し、
二次側である前記ループ電線に流れる電流を調整し一次側である鉄心を貫通した電線に流れる電流を調整するための電流調整手段である可変抵抗を設け、
前記電流調整手段は、前記一次側であるｎ条の電線に流れる電流を定格状態にするときは前記可変抵抗の抵抗値を所定値に保ち、
前記一次側であるｎ条の電線に流れる電流を不平衡状態に模擬するときは前記抵抗値を∞状態にすることを特徴とする電線インピーダンス整合装置。
請求項１の電線インピーダンス整合装置を前記ｎ条の電線に対して多段に設けたことを特徴とする電線インピーダンス整合システム。