JP6619374B2 - 自動電圧調整器およびその半導体保護方法 - Google Patents

Description

本発明は、配電線路に取り付けられる自動電圧調整器に関し、配電線で外部短絡故障が発生した場合に、当該自動電圧調整器を構成するサイリスタ等の半導体素子の温度上昇を抑制することのできる技術に関する。

従来から高圧配電系統では、負荷時タップ切換変圧器（ＬＲＴ）や自動電圧調整器（ＳＶＲ）などで、高圧配電系統の電圧範囲が適正電圧範囲内に収まるよう制御されている。

一方で、近年、低炭素社会の実現に向けて、再生可能エネルギーの大量導入が進められており、再生可能エネルギーが配電系統に大量に連系されると、急激な電圧変動が発生する恐れがある。

すると、上記負荷時タップ切換変圧器（ＬＲＴ）や自動電圧調整器（ＳＶＲ）などでは、高圧配電系統への再生可能エネルギーの連系や家庭用太陽光発電等の大量導入に伴う急激な電圧変動への対応が難しくなる。

そこで、近年、この問題の解決に効果的な機器として、下記非特許文献１に例示されるサイリスタ式の自動電圧調整器が注目されている。

「サイリスタ式自動電圧調整器 カタログ」，愛知電機株式会社，２０１６年１１月作成，［平成２９年２月２３日検索］，インターネット〈http://www.aichidenki.jp/products/catalog_pdf/tvr.pdf〉

上記サイリスタ式の自動電圧調整器は、配電線の線路に直列に挿入した直列変圧器、配電線の線間に挿入された電圧調整変圧器、タップ切換用サイリスタＴｈ１〜Ｔｈ６およびブリッジ用サイリスタＴｈｂからなるサイリスタ式タップ切換器、ブリッジ用サイリスタＴｈｂに接続される限流抵抗器Ｒ、装置異常時に投入される電磁接触器ＭＣ等を備えて構成されており、急激な電圧変動に対して、タップ切換用サイリスタを高速かつ多頻度で切換えることにより、高圧配電系統の電圧範囲を適正電圧範囲内に収めるよう制御することができる。

上記構成のサイリスタ式自動電圧調整器では、配電線で外部短絡故障が起こった場合の短絡容量を、過電流を検出してから電磁接触器ＭＣを投入するまでの時間における半導体素子（タップ切換用サイリスタＴｈ１〜Ｔｈ６やブリッジ用サイリスタＴｈｂ）の温度上昇で決定している。

しかし、上記半導体素子は、通常時の切換動作で既にある程度温度上昇しているため、外部短絡故障時に許容される温度上昇値は小さくなっていた。そのため、自動電圧調整器の短絡容量を大きくすることができないという問題があった。

そこで、本発明は上記問題を解決するために、外部短絡故障時においても、短絡容量を大きくすることのできる自動電圧調整器を提供するものである。

請求項１記載の発明は、配電線路に直列に挿入した直列変圧器の低圧回路側と、配電線路の線路間に挿入した電圧調整変圧器の低圧回路側をサイリスタ式タップ切換器で結合し、配電線の電圧を予め設定した基準電圧に調整するように、前記サイリスタ式タップ切換器を構成するタップ切換用サイリスタとブリッジ用サイリスタを切り換えることで、前記電圧調整変圧器のタップを切り換える自動電圧調整器において、前記直列変圧器とサイリスタ式タップ切換器の間に、配電線事故時や装置内部故障時に投入される開閉器と並列に短絡用高速スイッチを挿入し、過電流検出時、前記タップ切換用サイリスタをオフした際に、前記ブリッジ用サイリスタに短絡電流が流れることによって発生する、限流抵抗器の両端電圧を検出することによって前記短絡用高速スイッチをオンし、当該短絡用高速スイッチで短絡電流を負担して、前記タップ切換用サイリスタおよびブリッジ用サイリスタを保護するように構成したことに特徴を有する。

請求項２記載の発明は、配電線路に直列に挿入した直列変圧器の低圧回路側と、配電線路の線路間に挿入した電圧調整変圧器の低圧回路側をサイリスタ式タップ切換器で結合し、配電線の電圧を予め設定した基準電圧に調整するように、前記サイリスタ式タップ切換器を構成するタップ切換用サイリスタとブリッジ用サイリスタを切り換えることで、前記電圧調整変圧器のタップを切り換える自動電圧調整器において、前記直列変圧器とサイリスタ式タップ切換器の間に、配電線事故時や装置内部故障時に投入される開閉器と並列に短絡用高速スイッチを挿入し、低圧回路側がオープンとなった場合に発生する、限流抵抗器の両端電圧を検出することによって前記短絡用高速スイッチをオンし、当該短絡用高速スイッチで短絡電流を負担して、前記タップ切換用サイリスタおよびブリッジ用サイリスタを保護するように構成したことに特徴を有する。

請求項３記載の発明は、配電線路の電圧を監視してタップ切換えを行うサイリスタ式タップ切換器を制御して、タップ切換えに応じた電圧を配電線路電圧に重畳して配電線路の電圧を制御する自動電圧調整器において、過電流検出時、前記タップ切換用サイリスタをオフした際に、前記ブリッジ用サイリスタに短絡電流が流れることによって発生する限流抵抗器の両端電圧を検出するか、低圧回路側がオープンとなった場合に発生する、限流抵抗器の両端電圧を検出することによって短絡用高速スイッチをオンして、該短絡用高速スイッチによって短絡電流を負担することにより、前記過電流が前記サイリスタ式タップ切換器を構成するタップ切換用サイリスタとブリッジ用サイリスタに流れることを防止し、該タップ切換用サイリスタおよびブリッジ用サイリスタを保護する方法に特徴を有する。

請求項１記載の発明によれば、配電線に外部短絡故障が起こった場合、直列変圧器に流れる過電流を検出してタップ切換用サイリスタをオフした際に、ブリッジ用サイリスタに短絡電流が流れることにより発生する限流抵抗器の両端電圧を検出して短絡用高速スイッチをオンするよう構成したので、当該短絡用高速スイッチが短絡電流を負担することとなり、タップ切換用のサイリスタおよびブリッジ用サイリスタの温度上昇を即座に防止することができ、装置の短絡容量を大きくすることができる。

請求項２記載の発明によれば、低圧回路側がオープンとなった場合に発生する限流抵抗器の両端電圧を検出して短絡用高速スイッチをオンするよう構成したので、当該短絡用高速スイッチが短絡電流を負担することとなり、タップ切換用のサイリスタおよびブリッジ用サイリスタの温度上昇を即座に防止することができ、装置の短絡容量を大きくすることができる。

請求項３記載の発明によれば、配電線事故時や装置内部故障時に、タップ切換用サイリスタやブリッジ用サイリスタに短絡電流が流れることを確実に防止することができ、これら半導体素子を保護できるとともに、自動電圧調整器の短絡容量を大きくすることができる。

本発明の自動電圧調整器を構成する半導体素子の保護方法を説明する回路図である。 本発明の他の実施例における自動電圧調整器を構成する半導体素子の保護方法を説明する回路図である。 本発明のさらに他の実施例における自動電圧調整器を構成する半導体素子の保護方法を説明する回路図である。

以下、本発明の実施の形態を図１乃至図３により説明する。なお、図２，図３において、図１に示す構成要素と同一要素は同一符号を付して、その説明を省略する。

図１は高圧配電系統の配電線間に設置した本発明に係る自動電圧調整器Ａの構成を示す回路図である。図１に示す自動電圧調整器Ａは、配電線路１に直列接続される直列変圧器２（高圧回路側巻線２ａと低圧回路側巻線２ｂ）と、直列変圧器２の低圧側巻線２ｂに直列接続される電圧調整変圧器３（高圧回路側巻線３ａと低圧回路側巻線３ｂ）と、直列変圧器２の低圧回路側巻線２ｂと電圧調整変圧器３の低圧回路側巻線３ｂ間に接続されるサイリスタ式タップ切換器４と、電圧調整変圧器３に対して並列接続される短絡防止回路５によって概略構成されている。

前記サイリスタ式タップ切換器４は、サイリスタをブリッジ接続してなる複数のタップ切換用サイリスタ４ａ，４ｂ,…から構成されており、前記短絡防止回路５はブリッジ用サイリスタ６と限流抵抗器７を直列接続して構成されている。

また、直列変圧器２の低圧回路側巻線２ｂには過電流検出用の変流器８が接続されており、短絡防止回路５には、自動電圧調整器Ａに異常が発生した時に動作する開閉器（電磁接触器等、電流容量の大きいスイッチ）９と、本発明の特徴部分である短絡用高速スイッチ１０が並列に接続されている。短絡用高速スイッチ１０としては、電磁接触子等の機械式のスイッチの他、サイリスタやＩＧＢＴ等、既知のあらゆる半導体が利用できる。

以上のように構成した自動電圧調整器Ａは、負荷変動等によって配電線路の電圧が変動すると、図示しない制御部から出力される指令信号によって、配電線路１の電圧と予め設定される基準電圧の差を小さくするようにサイリスタ式タップ切換器４のタップ選択が行わる。それに応じて、タップ切換用サイリスタ４ａ，４ｂ,…によるタップ切換えが実行されて、高圧配電系統の電圧範囲が適正電圧範囲内に収まるよう制御される。

なお、図１に示す短絡防止回路５は、サイリスタ式タップ切換器４によるタップ切換え時において、電圧調整変圧器３が短絡しないように一旦すべてをオフする必要があるが、これにより、直列変圧器２の低圧回路側のインピーダンスが無限大となって、直列変圧器２の低圧回路側に高電圧が発生する。これを防止するために、ブリッジ用サイリスタ６をオンして、直列変圧器２の低圧回路側を限流抵抗器７の低抵抗とした後に、タップ切換用サイリスタをすべてオフしてから上記選択した新たなタップ切換用サイリスタをオンするものである。

つづいて、本発明特有の課題解決手段を基礎付ける特徴的部分である半導体素子の保護方法について説明する。従来、配電線で外部短絡故障が発生した場合、配電線短絡による過電流を検出し、サイリスタ式タップ切換器にて素通しに切り換えた（一旦、ブリッジ用サイリスタ６をオンしてから、タップ切換用サイリスタを全てオフした後、素通しとなるタップ切換用サイリスタをオンし、最後にブリッジ用サイリスタ６をオフすることによって行った）後、電磁接触器をオンして過電流をバイパスしていた。

このバイパスによってタップ切換用サイリスタとブリッジ用サイリスタの温度上昇を抑え、これら半導体素子を保護していたが、前述したとおり、これら半導体素子は通常の動作で既にある程度温度上昇しているので、開閉器９が投入されるまでの時間内において許容される温度上昇値は小さく、自動電圧調整器の短絡容量は小さいものであった。

そこで、本発明では、図１（ａ）に示すように、配電線で外部短絡故障が発生し、直列変圧器２の低圧回路側巻線２ｂに過電流が流れ、これを変流器８で検出すると、タップ切換用サイリスタ４ａ，４ｂ,…とブリッジ用サイリスタ６による素通し制御と並行して、図示しない制御部の指令信号によって、同図（ｂ）に示すように、短絡用高速スイッチ１０をオンする構成とした。

この結果、タップ切換用サイリスタ４ａ，４ｂ,…とブリッジ用サイリスタ６に過電圧が加わる前に、短絡用高速スイッチ１０のオンによって当該短絡用高速スイッチ１０に短絡電流を負担させることができる。その後、同図（ｃ）に示すように、所定時間の経過後に開閉器９をオンさせることで、短絡電流を開閉器９にバイパスさせる。

つまり、本発明の自動電圧調整器Ａは、配電線に外部短絡故障が発生したときに、開閉器９のオンよりも早くオンする短絡用高速スイッチ１０を設けることにより、タップ切換用サイリスタ４ａ，４ｂ,…とブリッジ用サイリスタ６の温度上昇を従来と比較して抑制することができるので、従来よりも自動電圧調整器Ａの短絡容量を大きくすることが可能となる。

図２は本発明の他の実施例に係る自動電圧調整器Ｂの構成を示す回路図である。図２に示す自動電圧調整器Ｂにおいて、図１の自動電圧調整器Ａと異なる部分は、短絡用高速スイッチ１０の両端電圧を検出する電圧検出器１１を備えて構成されている点である。

図２に示す自動電圧調整器Ｂでは、図２（ａ）に示すように、配電線路１に外部短絡故障が発生した場合、直列変圧器２の低圧回路側巻線２ｂに流れる過電流を変流器８によって検出すると、通常、素通し制御時に一旦オンするブリッジ用サイリスタ６のオフ状態を維持することによって、同図（ｂ）に示すように、タップ切換用サイリスタ４ａ，４ｂ,…とブリッジ用サイリスタ６をともにオフ状態とする。

これにより、直列変圧器２の低圧回路側のインピーダンスが無限大となって、直列変圧器２の低圧回路側に過電圧（異常電圧）が発生する。これを電圧検出器１１によって検出し、図示しない制御部による指令信号に基づき、短絡用高速スイッチ１０をオンする。

すると、同図（ｃ）に示すように、短絡用高速スイッチ１０が短絡電流を負担し、タップ切換用サイリスタ４ａ，４ｂ,…とブリッジ用サイリスタ６の温度上昇を即座に阻止することが可能となる。

その後、所定時間経過に開閉器９をオンさせることで、短絡電流を開閉器９にバイパスさせる。

なお、図２に示すタップ切換用サイリスタ４ａ，４ｂ,…が正常にオン動作しなかったときや、低圧回路側に流れる過電流によって、タップ切換用サイリスタ４ａ，４ｂ,…の保護用ヒューズ（図示せず）が切れる等して低圧側がオープンとなった場合、発生する過電圧を電圧検出器１１で検出して、前記制御部による指令信号に基づき、短絡用高速スイッチ１０をオンして、タップ切換用サイリスタ４ａ，４ｂ,…とブリッジ用サイリスタ６を保護することもできる。

図３はさらに他の実施例に係る本発明の自動電圧調整器Ｃの構成を示す回路図である。図３に示す自動電圧調整器Ｃにおいて、図１の自動電圧調整器Ａと異なる部分は、限流抵抗器７の両端電圧を検出する電圧検出器１２を備えている点である。

図３に示す自動電圧調整器Ｃでは、図３（ａ）に示すように、配電線路１に外部短絡故障が発生した場合、直列変圧器２の低圧回路側巻線２ｂに流れる過電流を変流器８によって検出すると、同図（ｂ）に示すように、タップ切換用サイリスタ４ａ，４ｂ,…とブリッジ用サイリスタ６による素通し制御によってオンしたブリッジ用サイリスタ（タップ切換用サイリスタ４ａ，４ｂ,…はオフ）に過電流が流れるので、これと直列接続される限流抵抗器７の両端には過電圧が生じる。この過電圧を電圧検出器１２で検出することにより、図示しない制御部の指令信号に基づき、短絡用高速スイッチ１０をオンする。

この結果、短絡用高速スイッチ１０が短絡電流を負担するため、タップ切換用サイリスタ４ａ，４ｂ,…とブリッジ用サイリスタ６の温度上昇を即座に防止することが可能となる。

その後、所定時間経過に開閉器９をオンさせることで、短絡電流を開閉器９にバイパスさせる点は図２に示す自動電圧調整器Ｂと同様である。

なお、上記実施例では、限流抵抗器７の両端電圧を検出する電圧検出器１２を設置した場合で説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、図２に示す短絡用高速スイッチ１０の両端電圧を検出する電圧検出器１１を設置して、過電圧を検出するようにしても良い。

また、図３に示すタップ切換用サイリスタ４ａ，４ｂ,…が正常にオン動作しなかったときや、低圧回路側に流れる過電流によって、タップ切換用サイリスタ４ａ，４ｂ,…の保護用ヒューズ（図示せず）が切れる等して低圧側がオープンとなった場合、発生する過電圧を電圧検出器１２で検出して、前記制御部による指令信号に基づき、短絡用高速スイッチ１０をオンして、タップ切換用サイリスタ４ａ，４ｂ,…とブリッジ用サイリスタ６を保護することもできる。

以上説明したように、本発明の自動電圧調整器によれば、従来の方法と比較して、短時間で短絡電流をバイパスさせることができるので、半導体素子（タップ切換用サイリスタやブリッジ用サイリスタ）の温度上昇を即座に防止することができ、短絡耐量を大きくすることが可能となる。

なお、上記実施例では、いずれも直列変圧器２の低圧回路側に過電流検出用の変流器８を設置した場合で説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、配電線路１側に変流器８´を設置して、過電流を検出するようにしても良い。

さらに、自動電圧調整器Ａ，Ｂ，Ｃの回路構成は、説明の便宜上、極力簡略化して図示したが、本発明の技術的範囲には、その趣旨を逸脱しない範囲内で変更した回路構成についても含まれることは当然である。

本発明は、配電系統の電圧変動に対応する機器に利用される。

１ 配電線路
２ 直列変圧器
２ａ 直列変圧器の高圧回路側巻線
２ｂ 直列変圧器の低圧回路側巻線
３ 電圧調整変圧器
３ａ 電圧調整変圧器の高圧回路側巻線
３ｂ 電圧調整変圧器の低圧回路側巻線
４ サイリスタ式タップ切換器
４ａ，４ｂ,… タップ切換用サイリスタ
５ 短絡防止回路
６ ブリッジ用サイリスタ
７ 限流抵抗器
８，８´ 変流器
９ 開閉器
１０ 短絡用高速スイッチ
１１，１２ 電圧検出器
Ａ，Ｂ，Ｃ 自動電圧調整器

Claims (3)

1. 配電線路に直列に挿入した直列変圧器の低圧回路側と、配電線路の線路間に挿入した電圧調整変圧器の低圧回路側をサイリスタ式タップ切換器で結合し、配電線の電圧を予め設定した基準電圧に調整するように、前記サイリスタ式タップ切換器を構成するタップ切換用サイリスタとブリッジ用サイリスタを切り換えることで、前記電圧調整変圧器のタップを切り換える自動電圧調整器において、前記直列変圧器とサイリスタ式タップ切換器の間に、配電線事故時や装置内部故障時に投入される開閉器と並列に短絡用高速スイッチを挿入し、過電流検出時、前記タップ切換用サイリスタをオフした際に、前記ブリッジ用サイリスタに短絡電流が流れることによって発生する、限流抵抗器の両端電圧を検出することによって前記短絡用高速スイッチをオンし、当該短絡用高速スイッチで短絡電流を負担して、前記タップ切換用サイリスタおよびブリッジ用サイリスタを保護するように構成したことを特徴とする自動電圧調整器。
2. 配電線路に直列に挿入した直列変圧器の低圧回路側と、配電線路の線路間に挿入した電圧調整変圧器の低圧回路側をサイリスタ式タップ切換器で結合し、配電線の電圧を予め設定した基準電圧に調整するように、前記サイリスタ式タップ切換器を構成するタップ切換用サイリスタとブリッジ用サイリスタを切り換えることで、前記電圧調整変圧器のタップを切り換える自動電圧調整器において、前記直列変圧器とサイリスタ式タップ切換器の間に、配電線事故時や装置内部故障時に投入される開閉器と並列に短絡用高速スイッチを挿入し、低圧回路側がオープンとなった場合に発生する、限流抵抗器の両端電圧を検出することによって前記短絡用高速スイッチをオンし、当該短絡用高速スイッチで短絡電流を負担して、前記タップ切換用サイリスタおよびブリッジ用サイリスタを保護するように構成したことを特徴とする自動電圧調整器。
3. 配電線路の電圧を監視してタップ切換えを行うサイリスタ式タップ切換器を制御して、タップ切換えに応じた電圧を配電線路電圧に重畳して配電線路の電圧を制御する自動電圧調整器において、過電流検出時、前記タップ切換用サイリスタをオフした際に、前記ブリッジ用サイリスタに短絡電流が流れることによって発生する限流抵抗器の両端電圧を検出するか、低圧回路側がオープンとなった場合に発生する、限流抵抗器の両端電圧を検出することによって短絡用高速スイッチをオンして、該短絡用高速スイッチによって短絡電流を負担することにより、前記過電流が前記サイリスタ式タップ切換器を構成するタップ切換用サイリスタとブリッジ用サイリスタに流れることを防止し、該タップ切換用サイリスタおよびブリッジ用サイリスタを保護することを特徴とする自動電圧調整器の半導体保護方法。

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